特開 2023-131979 接合体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023131979

(43)【公開日】2023-09-22

(54)【発明の名称】接合体

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/52 20060101AFI20230914BHJP

   B23K 35/30 20060101ALI20230914BHJP

   C22C 5/02 20060101ALN20230914BHJP

   B23K 35/22 20060101ALN20230914BHJP

   B23K 1/00 20060101ALN20230914BHJP

【ＦＩ】

H01L21/52 B

B23K35/30 310A

C22C5/02

B23K35/22 310A

B23K1/00 330E

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022037034

(22)【出願日】2022-03-10

(71)【出願人】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100142424

【弁理士】

【氏名又は名称】細川 文広

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(72)【発明者】

【氏名】八十嶋 司

【テーマコード（参考）】

5F047

【Ｆターム（参考）】

5F047AA17

5F047BA05

5F047BA19

5F047BA21

5F047BB11

5F047BB16

5F047BB18

5F047CA02

(57)【要約】

【課題】Ａｕ－Ｓｎ合金からなる接合層が薄く形成されるとともに、接合強度に優れた接合体を提供する。
【解決手段】第一部材１１と第二部材１２とが接合層１３を介して接合された接合体１０であって、接合層１３は、Ａｕ－Ｓｎ合金で構成され、厚さが１０μｍ未満とされており、接合層１３において、真円度が６０％以下の異形ボイドの面積率が、接合面積の１５％未満であることを特徴とする。接合層１３におけるボイドの面積率が、接合面積の２５％未満であることが好ましい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一部材と第二部材とが接合層を介して接合された接合体であって、
前記接合層は、Ａｕ－Ｓｎ合金で構成され、厚さが１０μｍ未満とされており、
前記接合層において、真円度が６０％以下の異形ボイドの面積率が、接合面積の１５％未満であることを特徴とする接合体。

【請求項2】

前記接合層におけるボイドの面積率が、接合面積の２５％未満であることを特徴とする請求項１に記載の接合体。

【請求項3】

前記第一部材の接合面および前記第二部材の接合面のいずれか一項または両方に、Ａｕを除くメタライズ層が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の接合体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、第一部材と第二部材とが、Ａｕ－Ｓｎ合金で構成された接合層を介して接合された接合体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば、ＬＥＤやパワーモジュールといった各種デバイスにおいては、金属部材からなる回路層を備えた基板の上に半導体素子等の電子部品が接合された構造とされている。
半導体素子等の電子部品を回路層上に接合する際には、例えば特許文献１に示すように、Ａｕ－Ｓｎ合金からなるはんだ材を用いた方法が広く使用されている。
ここで、基板（回路層）と電子部品とをＡｕ－Ｓｎ合金はんだを用いて接合する際には、Ａｕ－Ｓｎ合金はんだとの濡れ性を確保するため、基板（回路層）の接合面に、膜厚の薄いＡｕめっき層（Ａｕフラッシュめっき層）を形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－０１０１５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、Ａｕ－Ｓｎ合金はんだは、非常に高価であるため、接合層の厚さを薄くすることが求められている。
ここで、Ａｕ－Ｓｎ合金はんだの塗布量を低減した場合には、接合面にＡｕフラッシュめっき層を形成してＡｕ－Ｓｎ合金はんだを用いてはんだ接合した際に、接合層内にボイドが多く生成し、接合強度が低下することがあった。

【0005】

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、Ａｕ－Ｓｎ合金からなる接合層が薄く形成されるとともに、接合強度に優れた接合体を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、接合面にＡｕフラッシュめっき層を形成してＡｕ－Ｓｎ合金はんだを用いてはんだ接合した際には、接合加熱時に接合界面に配設したＡｕ－Ｓｎ合金はんだにＡｕフラッシュめっき層のＡｕが混入し、接合界面に存在するＡｕ－Ｓｎ合金の液相の組成がＡｕリッチ側に変化し、その融点（液相線温度）が高くなる。これにより、接合時において所定温度に加熱して保持していても、接合界面に存在するはんだの液相中に固相が形成され、液相の流動性が低下し、接合後に形成される接合層の内部にボイドが形成され、接合強度が低下することが分かった。また、このとき形成されるボイドは真円度が低くいびつな形状となることが分かった。なお、組成ずれは、Ａｕ－Ｓｎはんだの塗布厚さが薄くなるほど顕著となる。

【0007】

本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明の接合体は、第一部材と第二部材とが接合層を介して接合された接合体であって、前記接合層は、Ａｕ－Ｓｎ合金で構成され、厚さが１０μｍ未満とされており、前記接合層において、真円度が６０％以下の異形ボイドの面積率が、接合面積の１５％未満であることを特徴としている。

【0008】

本発明の接合体によれば、Ａｕ－Ｓｎ合金で構成された接合層の厚さが１０μｍ以下と薄く形成され、真円度が６０％以下の異形ボイドの面積率が、接合面積の１５％未満とされているので、接合加熱時に液相の流動性が確保されており、第一部材と第二部材とを安定して接合でき、第一部材と第二部材との接合強度に優れている。

【0009】

ここで、本発明の接合体においては、前記接合層におけるボイドの面積率が、接合面積の２５％未満であることが好ましい。
この場合、接合層におけるボイドの面積率が２５％未満とされているので、第一部材と第二部材との接合強度に十分に優れている。

【0010】

また、本発明の接合体においては、前記第一部材の接合面および前記第二部材の接合面のいずれか一方または両方に、Ａｕを除くメタライズ層が形成されていることが好ましい。
この場合、Ａｕを除くメタライズ層が形成されている場合であっても、異形ボイドの発生が抑制されており、第一部材と第二部材との接合強度に優れている。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、Ａｕ－Ｓｎ合金からなる接合層が薄く形成されるとともに、接合強度に優れた接合体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る接合体の説明図である。

【図2】Ａｕ－Ｓｎ合金の状態図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る接合体の製造方法のフロー図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る接合体の製造方法の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に、本発明の実施形態である接合体について、図面を参照して説明する。

【0014】

本実施形態に係る接合体１０は、図１に示すように、第一部材１１と第二部材１２とが、接合層１３を介して接合されたものである。本実施形態では、接合体１０は、絶縁回路基板の回路層（第一部材１１）と半導体素子（第二部材１２）とが、接合層１３を介して接合された半導体装置とされている。なお、図１に示すように、絶縁回路基板の回路層（第一部材１１）は半導体素子（第二部材１２）よりも面積が大きい。

【0015】

ここで、回路層（第一部材１１）は、例えば、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、鉄又は鉄合金等の導電性に優れた金属で構成されており、本実施形態では、鉄合金（コバール）で構成されたものとされている。
ここで、回路層（第一部材１１）の接合面には、Ａｕを除くメタライズ層１１ａが形成されていてもよい。Ａｕを除くメタライズ層１１ａは、例えば、Ｎｉ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｃｕ等が挙げられる。
また、半導体素子（第二部材１２）の接合面には、Ａｕ等の貴金属膜が成膜されていてもよい。

【0016】

本実施形態においては、接合層１３は、Ａｕ－Ｓｎ合金で構成されている。また、接合層１３の厚さｔが１０μｍ以下とされている。なお、接合層１３の厚さｔは１０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以下であることがより好ましい。
ここで、図２にＡｕ－Ｓｎ合金の状態図を示す。Ａｕ－Ｓｎ合金においては、図２に示すように、共晶反応する共晶型合金であり、Ａｕ－２０ｍａｓｓ％Ｓｎが共晶組成とされており、融点が共晶温度２７８℃となる。

【0017】

そして、本実施形態である接合体１０においては、接合層１３において、真円度Ｃが６０％以下の異形ボイドの面積率が、接合面積の１５％未満とされている。
さらに、本実施形態である接合体１０においては、接合層１３におけるボイドの面積率（すなわち、異形ボイドを含む全てのボイドの面積率）が、接合面積の２５％未満とされていることが好ましい。

【0018】

ここで、ボイドの真円度Ｃは、接合層１３を接合面に対向する方向（図１の矢印Ａ方向）から観察し、ボイドの面積Ａ１とそのボイドの輪郭のうち最も離間した２点を直径する円の面積Ａ０とから、以下のように定義される。
ボイドの真円度Ｃ（％）＝Ａ１／Ａ２×１００

【0019】

また、異形ボイドの面積率、および、異形ボイドを含む全てのボイドの面積率は、接合層１３を接合面に対向する方向（図１の矢印Ａ方向）から観察して算出する。
ここで、真円度Ｃが６０％以下の異形ボイドの面積率は、接合面積の１５％以下であることが好ましく、１０％以下であることがより好ましい。
また、ボイドの面積率（異形ボイドを含む全てのボイドの面積率）は、接合面積の２５％以下であることがより好ましく、１５％以下であることがさらに好ましい。

【0020】

次に、本実施形態である接合体１０の製造方法について、図３および図４を参照して説明する。

【0021】

（第一部材準備工程Ｓ０１）
まず、接合する第一部材１１を準備する。この第一部材１１の表面には、図４に示すように、Ａｕを除くメタライズ層１１ａが形成されていてもよい。
そして、また、図４に示すように、第一部材１１の接合面に、必要に応じてＡｕフラッシュめっき層２１を形成してもよい。ここで、Ａｕフラッシュめっき層２１の厚さｔ０は、１０ｎｍ以下とすることが好ましく、４ｎｍ以下とすることがより好ましい。

【0022】

（はんだ材塗布工程Ｓ０２）
次に、図４に示すように、第一部材１１の接合面および第二部材１２の接合面の一方又は両方に、はんだ材２３を塗布する。塗布方法は特に限定されないが、例えば、メタルマスク法、スクリーン印刷法、ディスペンス法等を適用することができる。
ここで、例えば、ディスペンス法を使用する場合、はんだ材２３の塗布量は０．２ｎＬ以上５０ｎＬ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、第一部材１１の接合面にＡｕフラッシュめっき層２１を形成した場合には、Ａｕフラッシュめっき層２１の厚さｔ０と接合後の接合層１２の厚さｔとの比ｔ０／ｔを０．００３以下とすることが好ましく、より好ましくは０．００１以下とすることがより好ましい。なお、Ａｕフラッシュめっき層２１を形成しない場合には、ｔ０／ｔは０となる。
また、接合後のＡｕフラッシュめっき層２１の厚さｔ０は、第一部材１１と第二部材１２とが接合されている領域以外の領域を測定することで求めることができる。本実施形態では回路層（第一部材１１）において、半導体素子（第二部材１２）が接合されている領域の外側の表面を測定することでＡｕフラッシュめっき層２１の厚さｔ０を求めることができる。

【0023】

はんだ材２３は、金属粉末とフラックス（溶剤、チキソ剤、活性剤、樹脂）とを含むものとされている。
金属粉末は、合金粉末であってもよいし、混合粉末であってもよい。本実施形態では、Ａｕ粉末とＳｎ粉末の混合粉末とされている。また、混合粉末の混合比率は、質量比でＡｕ：Ｓｎ＝７８：２２とされている。すなわち、本実施形態におけるはんだ材２３は、Ａｕ－２２ｍａｓｓ％Ｓｎとされている。

【0024】

フラックスに含まれる溶剤としては、例えば、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、芳香族系、炭化水素類、テルペン系及びテルペノイド系等の溶剤が用いられる。具体的には、ベンジルアルコール、エタノール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジエチレングリコール、エチレングリコール、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ブチルカルビトール 、イソプロピルアルコール、酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸ブチル、アジピン酸ジエチル、ドデカン、テトラデセン、α－テルピネオール、２－メチル２，４－ペンタンジオール、２－エチル－１，３－ヘキサンジオール、トルエン、キシレン、プロピレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジイソブチルアジペート、へキシレングリコール、シクロヘキサンジメタノール、２－ターピニルオキシエタノール、２－ジヒドロターピニルオキシエタノール、シトラール、リナロール、リモネン、カルバクロール、ピネン、ファルネセンなどが単独又はこれらを混合して用いられる。

【0025】

チキソ剤としては、例えば、硬化ヒマシ油、水素添加ひまし油、カルナバワックス、アミド類、ヒドロキシ脂肪酸類、ジベンジリデンソルビトール、ビス（ｐ－メチルベンジリデン）ソルビトール類、蜜蝋、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミド等が単独又はこれらを混合して用いられる。
活性剤としては、例えば、アジピン酸、カプリル酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘニン酸のような脂肪酸、１，２－ヒドロキシステアリン酸のようなヒドロキシ脂肪酸、酸化防止剤、界面活性剤、アミン類等を添加して用いられる。
樹脂としては、例えば、重合ロジン、天然ロジン、精製ロジン等が用いられる。

【0026】

（積層工程Ｓ０３）
次に、図４に示すように、上述のはんだ材２３を介して、第一部材１１と第二部材１２とを積層する。

【0027】

（接合工程Ｓ０４）
次に、図４に示すように、はんだ材２３を介して積層された第一部材１１および第二部材１２を加熱処理して液相を生じさせ、この液相を凝固することで接合層１３を形成し、第一部材１１と第二部材１２とを接合する。

【0028】

ここで、上述のように、はんだ材２３がＡｕ－２２ｍａｓｓ％Ｓｎとされているが、Ａｕフラッシュめっき層２１を形成している場合には、接合工程Ｓ０４での加熱時にはんだ材２３が溶融して形成された液相にＡｕフラッシュめっき層２１のＡｕが混合することで、Ａｕリッチ側に組成ずれが生じ、図２の状態図に示すように、液相線温度が上昇することになる。すると、接合時の保持温度によっては、保持中に液相中に固相が生じ、液相の流動性が低下し、真円度Ｃが６０％以下の異形ボイドが生成することになる。

【0029】

このため、本実施形態においては、Ａｕフラッシュめっき層２１を形成した場合には、Ａｕフラッシュめっき層２１の厚さｔ０と接合後の接合層１２の厚さｔとのｔ０／ｔを０．００３以下とすることが好ましく、より好ましくは０．００１以下とするとよい。
また、Ａｕフラッシュめっき層２１を形成しないことが最も好ましい。ただし、Ａｕフラッシュめっき層２１を形成しない場合には、はんだ材２３の第一部材１１との濡れ性が低下するおそれがある。

【0030】

そこで、本実施形態においては、接合工程Ｓ０４において、はんだ材２３の融点±５℃の温度範囲における昇温速度を０．１℃／ｍｉｎ以上５℃／ｍｉｎ以下、好ましくは０．１℃／ｍｉｎ以上１℃／ｍｉｎの範囲内と、昇温速度を非常に遅く設定している。これにより、はんだ材２３が第一部材１１の接合面に対して十分に濡れることになる。
本実施形態では、はんだ材２３の合金組成がＡｕ－２２ｍａｓｓ％Ｓｎとされており、この組成での融点は２８０℃であることから、２７５℃から２８５℃までの昇温速度を０．１℃／ｍｉｎ以上５℃／ｍｉｎ以下の範囲内としている。

【0031】

また、接合工程Ｓ０４における保持温度は、はんだ材２３の融点＋５℃以上融点＋５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。具体的には、２８５℃以上３３０℃以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、保持温度での保持時間は、０．５分以上３分以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加熱処理時には、積層体に対して０ＭＰａ以上０．０００７ＭＰａ以下の圧力で積層方向に加圧してもよい。

【0032】

上述した第一部材準備工程Ｓ０１、はんだ材塗布工程Ｓ０２、積層工程Ｓ０３、接合工程Ｓ０４により、本実施形態である接合体１０が製造される。

【0033】

以上のような構成とされた本実施形態である接合体１０によれば、Ａｕ－Ｓｎ合金で構成された接合層１３の厚さが１０μｍ以下と薄く形成され、真円度Ｃが６０％以下の異形ボイドの面積率が、接合面積の１５％未満とされているので、接合工程Ｓ０４時に液相の流動性が確保されており、第一部材１１と第二部材１２とを安定して接合でき、第一部材１１と第二部材１２との接合強度に優れている。

【0034】

また、本実施形態である接合体１０において、接合層１３におけるボイドの面積率（異形ボイドを含む全てのボイドの面積率）が、接合面積の２５％未満である場合には、第一部材１１と第二部材１２との接合強度に特に優れている。
さらに、本実施形態である接合体１０において、第一部材１１の接合面に、Ａｕを除くメタライズ層１１ａが形成されていても、接合層１３における異形ボイドの発生が抑制されており、第一部材１１と第二部材１２との接合強度に優れている。

【0035】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【実施例0036】

以下に、本発明の有効性を確認するために行った確認実験の結果について説明する。

【0037】

第一部材として、鉄合金（コバール）板（２５０ｍｍ×１５０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍ）の表面に、表１に示すメタライズ層を形成した基板を準備した。また、一部の基板の接合面には、表１に示すＡｕフラッシュめっき層を形成した。
第二部材として、接合面にＮｉめっき（厚さ４μｍ）を施したＳｉＣチップ（１ｍｍ×１ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ）を準備した。
また、はんだ材として、実施形態で説明したＡｕ－２２ｍａｓｓ％Ｓｎ合金粉末とフラックスからなるペーストを用いた。金属粉末とフラックスの割合は５０：５０（体積比）とし、重合ロジン、テルペン系溶剤、アマイド系チキソ剤、有機酸活性剤からなるフラックスを用いた。

【0038】

ディスペンス装置（武蔵エンジニアリング社製、エアパルス式、ノズル内径０．２５ｍｍ）により、はんだ材を第一部材の接合面に塗布した。塗布量を表１に示す。また、Ａｕフラッシュめっき層の厚さｔ０と接合層１２の厚さｔとの比ｔ０／ｔを表１に示す。

【0039】

そして、保持温度３００℃、保持時間１分、加圧圧力０ＭＰａの条件により、第一部材と第二部材とを接合した。
このとき、はんだ材の融点（２８０℃）±５℃の温度範囲（２７５℃から２８５℃まで）の昇温速度を表１に示す条件とした。
上述のように得られた接合体について、以下の項目について評価した。

【0040】

（接合層の厚さ）
接合体の積層方向に沿った断面をＳＥＭ観察し、積層層の厚さを測定した。倍率１０００倍で観察し、１つの視野内で５点の厚さを測定し、これを５視野で実施し、その平均厚さを接合層の厚さとして、表１に示す。

【0041】

（ボイドの真円度）
接合層を接合面に対向する方向から超音波探傷機（日立パワーソリューションズ社製ＦＳＰ８Ｖ）で観察し、白色で示される未接合部をボイドとした。このボイドの面積Ａ１とそのボイドの輪郭のうち最も離間した２点を直径する円の面積Ａ０とから、ボイドの真円度Ｃ（％）＝Ａ１／Ａ０×１００として算出した。

【0042】

（異形ボイドの面積率）
接合層を接合面に対向する方向から超音波探傷機（日立パワーソリューションズ社製ＦＳＰ８Ｖ）で観察し、白色で示される未接合部をボイドとした。そして、真円度Ｃが６０％以下の異形ボイドの面積を測定し、これを接合面積（１ｍｍ×１ｍｍ）で割ることにより、異形ボイドの面積率を算出した。
異形ボイドの面積率が１０％未満を「◎」、異形ボイドの面積率が１０％以上１５％未満を「〇」、異形ボイドの面積率が１５％以上を「×」とした。

【0043】

（ボイドの面積率）
接合層を接合面に対向する方向から超音波探傷機（日立パワーソリューションズ社製ＦＳＰ８Ｖ）で観察し、白色で示される未接合部をボイドとした。そして、異形ボイドを含む全てのボイドの面積を測定し、これを接合面積（１ｍｍ×１ｍｍ）で割ることにより、ボイドの面積率を算出した。
ボイドの面積率が１５％未満を「◎」、ボイドの面積率が１５％以上２５％未満を「〇」、ボイドの面積率が２５％以上を「×」とした。

【0044】

（接合強度）
得られた接合体について、せん断強度評価試験機（株式会社レスカ製ボンディングテスタＰＴＲ－１１０１）を用いて接合強度を測定した。測定は、接合体の第１部材を水平に固定し、接合層の表面から１００μｍ上方の位置にてシェアツールを用いて、第１部材を横から水平方向に押して、第２部材が破断されたときの強度を測定した。シェアツールの移動速度は０．１ｍｍ／ｓとした。一条件につき３回試験を行い、それらの算術平均値を測定値とした。
接合強度が５０ＭＰａ以上を「◎」、接合強度が３０ＭＰａ以上５０ＭＰａ未満を「〇」、接合強度が３０ＭＰａ未満を「×」とした。

【0045】

【表1】

【0046】

比較例１においては、第一部材の接合面に形成されたＡｕフラッシュめっき層の厚さｔ０が３．５ｎｍとされ、Ａｕフラッシュめっき層の厚さｔ０と接合後の接合層の厚さｔとの比ｔ０／ｔが０．００３５とされており、接合層において、真円度が６０％以下の異形ボイドの面積率が１５％以上、ボイドの面積率が２５％以上となった。これにより、接合強度が３０ＭＰａ未満となり、接合強度が不十分であった。

【0047】

比較例２においては、第一部材の接合面に形成されたＡｕフラッシュめっき層の厚さｔ０が１０．０ｎｍとされ、Ａｕフラッシュめっき層の厚さｔ０と接合後の接合層の厚さｔとの比ｔ０／ｔが０．００３３とされており、接合層において、真円度が６０％以下の異形ボイドの面積率が１５％以上、ボイドの面積率が２５％以上となった。これにより、接合強度が３０ＭＰａ未満となり、接合強度が不十分であった。

【0048】

これに対して、本発明例１－１０においては、接合層の厚さが１０μｍ未満とされるとともに、接合層において、真円度が６０％以下の異形ボイドの面積率が１５％以上とされており、接合強度が３０ＭＰａ以上となり、接合強度に優れていた。

【0049】

以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、Ａｕ－Ｓｎ合金からなる接合層が薄く形成されるとともに、接合強度に優れた接合体を提供可能であることが確認された。

【符号の説明】

【0050】

１０ 接合体
１１ 第一部材
１１ａ メタライズ層
１２ 第二部材
１３ 接合層
２１ Ａｕフラッシュめっき層
２３ はんだ材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】