JP7634197B2 - Composite Cu material, electronic component or mounting board including same, electronic component mounting board, manufacturing method of composite Cu material, and manufacturing method of bonded body - Google Patents
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Description
本発明は、電子部品（各種の能動素子および受動素子、半導体チップならびに集積回路（ＩＣ）など）の実装基板への接合などに使用される複合Ｃｕ（銅）材、およびこの複合Ｃｕ材を含む電子部品または実装基板に関する。また、本発明は、上記複合Ｃｕ材を介して接合された電子部品および実装基板を含む電子部品実装基板に関する。さらに、本発明は、上記複合Ｃｕ材の製造方法、および、複合Ｃｕ材を利用した接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a composite Cu (copper) material used for bonding electronic components (such as various active and passive elements, semiconductor chips, and integrated circuits (ICs)) to a mounting board, and to an electronic component or mounting board that includes this composite Cu material. The present invention also relates to an electronic component mounting board that includes an electronic component and a mounting board bonded via the composite Cu material. Furthermore, the present invention relates to a method for manufacturing the composite Cu material, and a method for manufacturing a joint that utilizes the composite Cu material.
２００℃以上での高温動作が可能なＧａＮまたはＳｉＣを含むパワー半導体チップの実用化は、パワーモジュールにおける冷却系の省略を可能とするため、電動化が進む自動車の軽量化を進める上で極めて重要な技術である。 The practical application of power semiconductor chips containing GaN or SiC that can operate at high temperatures of 200°C or higher will make it possible to eliminate the need for cooling systems in power modules, and is therefore a crucial technology for reducing the weight of automobiles as they become increasingly electrified.
そのような高温環境下での使用が想定されるパワー半導体チップを実装する際には、融点が約２００℃の鉛フリーはんだを使用することはできない。また、環境への配慮から鉛を含む高融点はんだの使用も避けなければならない。さらに、現在提案されているＡｇナノ粒子を用いた焼結接合法は、Ａｇ材料を使用する点でコスト上の問題が大きい。 When mounting power semiconductor chips that are expected to be used in such high-temperature environments, lead-free solder with a melting point of approximately 200°C cannot be used. Also, due to environmental considerations, the use of high-melting-point solder that contains lead must be avoided. Furthermore, the currently proposed sintering bonding method using Ag nanoparticles has a significant cost problem due to the use of Ag material.
これらの解決策として、Ｃｕ－Ｓｎ系金属間化合物（ＩＭＣ）を利用したＣｕ材の接合技術の開発が期待されている。例えば、非特許文献１には、Ｃｕ電極間にＳｎ層を挿入し、加圧状態でＳｎの融点付近の温度に置くことにより、接合部にＣｕ－Ｓｎ系ＩＭＣを生成させる方法が記載されている。さらに、特許文献１および非特許文献２には、実装基板の反りを吸収する観点から、パワー半導体チップのＣｕ電極と実装基板のＣｕ配線（或いはＣｕ電極）との間に、Ｃｕ層およびＳｎ層の交互積層膜を挿入し、これを同様に加熱して、接合部の一定の厚さを確保しながら接合部にＣｕ－Ｓｎ系ＩＭＣを生成させる方法が記載されている。 As a solution to these problems, it is expected that a joining technology for Cu materials using Cu-Sn intermetallic compounds (IMC) will be developed. For example, Non-Patent Document 1 describes a method in which a Sn layer is inserted between Cu electrodes and placed under pressure at a temperature near the melting point of Sn to generate a Cu-Sn IMC at the joint. Furthermore, Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 describe a method in which, from the perspective of absorbing warpage of the mounting board, an alternating laminated film of Cu and Sn layers is inserted between the Cu electrodes of a power semiconductor chip and the Cu wiring (or Cu electrodes) of the mounting board, and this is heated in the same way to generate a Cu-Sn IMC at the joint while ensuring a constant thickness of the joint.
一般に、線膨張係数に関し、電子部品と実装基板との間には、数十倍の差がある。このため、温度変動が生じる環境に、電子部品が実装済みの実装基板を置くと、電子部品および実装基板の接合部では、熱変形量の違いによる熱応力が発生する。そうすると、温度の上昇と下降が繰り返されることで、接合部で繰り返し熱応力が発生し、接合部が熱疲労破壊を起こしてしまうことがある。この熱疲労破壊を防止するには、温度変動により生じるひずみのうち、せん断ひずみ（工学的せん断ひずみ）の発生量を抑えることが重要である。せん断ひずみは、熱変形により生じるずれ変形量が等しければ、熱変形する物の高さに反比例することが知られている。 Generally, there is a difference of several tens of times in the coefficient of linear expansion between electronic components and the mounting board. For this reason, when a mounting board with electronic components mounted thereon is placed in an environment where temperature fluctuations occur, thermal stress occurs at the joints between the electronic components and the mounting board due to the difference in the amount of thermal deformation. This causes repeated rises and falls in temperature, which can repeatedly generate thermal stress at the joints, causing the joints to break down due to thermal fatigue. To prevent this thermal fatigue failure, it is important to suppress the amount of shear strain (engineering shear strain) that occurs among the strains caused by temperature fluctuations. It is known that shear strain is inversely proportional to the height of the object that is thermally deformed, if the amount of shear deformation caused by thermal deformation is equal.
上記の点を踏まえると、特許文献１および非特許文献２の方法は、接合部が、ある程度の厚さを有するため、パワー半導体チップおよび実装基板の熱膨張率の差に起因する接合部の熱疲労破壊を抑制する点でも有用であると思われる。 Considering the above, the methods of Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 are considered to be useful in suppressing thermal fatigue failure of the joint caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the power semiconductor chip and the mounting substrate, since the joint has a certain thickness.
しかしながら、特許文献１および非特許文献２の方法では、接合部の主要構造はＣｕ3Ｓｎ（ε相：融点６７６℃）となるが、相変態を起こすＣｕ6Ｓｎ5（η相：融点４１５℃）も生成されやすい。パワーモジュールの使用中に相変態に伴う接合部の体積変化が生じると、その部分が接合部破壊の起点となる可能性がある。したがって、特許文献１および非特許文献２の方法でも、接合部の耐熱安定性の面で充分とは言えない。さらに、特許文献１および非特許文献２の方法において、Ｃｕ6Ｓｎ5の生成を抑制して接合部の耐熱安定性を高めるため、加圧力と加熱温度を高めたり加熱時間を長くしたりすると、パワー半導体チップや実装基板の破損を招く可能性がある。 However, in the methods of Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, the main structure of the joint is Cu 3 Sn (ε phase: melting point 676° C.), but Cu 6 Sn 5 (η phase: melting point 415° C.), which undergoes phase transformation, is also likely to be generated. If a volume change occurs in the joint due to phase transformation during use of the power module, that part may become the starting point of joint destruction. Therefore, even in the methods of Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, it cannot be said that the heat resistance stability of the joint is sufficient. Furthermore, in the methods of Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, if the pressure force and heating temperature are increased or the heating time is extended in order to suppress the generation of Cu 6 Sn 5 and increase the heat resistance stability of the joint, it may cause damage to the power semiconductor chip or the mounting board.
さらに、このような問題は、パワー半導体チップのみならず、パワー半導体チップと同じ環境で使用される他の電子部品（各種の能動素子および受動素子、他の半導体チップならびに集積回路（ＩＣ）など）にも生じうる。 Furthermore, such problems can occur not only in power semiconductor chips, but also in other electronic components (such as various active and passive elements, other semiconductor chips, and integrated circuits (ICs)) used in the same environment as power semiconductor chips.
そこで、Ｃｕ－Ｓｎ系ＩＭＣを利用して電子部品等を接合する場合において、接合後の接合部に関し、厚さを確保しつつＣｕ6Ｓｎ5の存在量を低減できる手法が望まれる。 Therefore, when electronic components and the like are joined using a Cu--Sn IMC, a method is desired that can reduce the amount of Cu.sub.6 Sn.sub.5 present in the joint after joining while ensuring the thickness of the joint.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、Ｃｕ－Ｓｎ系ＩＭＣを利用して電子部品等への接合を実施する場合において、接合後の接合部に関し、厚さを確保しつつＣｕ6Ｓｎ5の存在量を低減できる複合Ｃｕ材の提供を目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and aims to provide a composite Cu material that can reduce the amount of Cu6Sn5 present in the joint after joining while maintaining the thickness when joining to electronic components, etc. using a Cu- Sn -based IMC.
また、本発明は、上記複合Ｃｕ材を含む電子部品または実装基板、これらに加え、電子部品および実装基板を含む電子部品実装基板の提供を目的とする。さらに、本発明は、上記複合Ｃｕ材の製造方法、および、複合Ｃｕ材を利用した接合体の製造方法の提供を目的とする。 The present invention also aims to provide electronic components or mounting boards that contain the above-mentioned composite Cu material, and in addition, electronic component mounting boards that contain electronic components and mounting boards. Furthermore, the present invention also aims to provide a method for manufacturing the above-mentioned composite Cu material, and a method for manufacturing a joint using the composite Cu material.
上記課題は、Ｃｕ材の表面にＣｕ3Ｓｎ層を設けた複合Ｃｕ材を、Ｃｕ電極等の接合部位に用い、このＣｕ3Ｓｎ層を介在させて接合を実施することにより、解決できた。具体的には、以下の手段により、上記課題は解決された。
＜１＞
Ｃｕ材とＣｕ材の表面の少なくとも一部に設けたＣｕ3Ｓｎ層とを含む複合Ｃｕ材であって、電子部品への接合または実装基板への接合に用いられる複合Ｃｕ材。
＜２＞
Ｃｕ3Ｓｎ層の厚さが１～１０００μｍである、＜１＞に記載の複合Ｃｕ材。
＜３＞
Ｃｕ3Ｓｎ層が、少なくとも一部の表面にＳｎ層を有する、＜１＞または＜２＞に記載の複合Ｃｕ材。
＜４＞
Ｃｕ3Ｓｎ層が、少なくとも一部の表面にＣｕ6Ｓｎ5層を有する、＜１＞または＜２＞に記載の複合Ｃｕ材。
＜５＞
Ｃｕ3Ｓｎ層が複合Ｃｕ材の最外層である、＜１＞または＜２＞に記載の複合Ｃｕ材。
＜６＞
複合Ｃｕ材が、電子部品のＣｕ電極、実装基板のＣｕ配線またはリード材として用いられることで接合に供せられる、＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の複合Ｃｕ材。
＜７＞
＜１＞～＜６＞のいずれか１つに記載の複合Ｃｕ材を含む、電子部品または実装基板。
＜８＞
＜１＞～＜６＞のいずれか１つに記載の複合Ｃｕ材を介して接合された電子部品および実装基板を含む、電子部品実装基板。
＜９＞
Ｃｕ材とＣｕ材の表面の少なくとも一部に設けたＣｕ3Ｓｎ層とを含む複合Ｃｕ材の製造方法であって、
表面の少なくとも一部にＳｎ層を有するＣｕ材を加圧状態で加熱して複合Ｃｕ材を得ること、を含む複合Ｃｕ材の製造方法。
＜１０＞
加圧状態での加熱が、Ｓｎ層を有するＣｕ材を、Ｓｎに対して不活性な材料中に埋没させて実施される、＜９＞に記載の製造方法。
＜１１＞
不活性な材料が炭素材料である、＜１０＞に記載の製造方法。
＜１２＞
加圧状態での加熱が、Ｓｎ層のＣｕ材側がＣｕ3Ｓｎとなりかつ表層側がＳｎとなる条件で実施される、＜９＞～＜１１＞のいずれか１つに記載の製造方法。
＜１３＞
加圧状態での加熱が、Ｓｎ層のＣｕ材側がＣｕ3Ｓｎとなりかつ表層側がＣｕ6Ｓｎ5となる条件で実施される、＜９＞～＜１１＞のいずれか１つに記載の製造方法。
＜１４＞
加圧状態での加熱が、Ｓｎ層の表面において、Ｓｎ層がＣｕ材とは異なるＣｕ材料と接触した状態で、実施される、＜９＞に記載の製造方法。
＜１５＞
Ｃｕ材とＣｕ材の表面の少なくとも一部に設けたＣｕ3Ｓｎ層とを含む複合Ｃｕ材の製造方法であって、
Ｃｕ材の表面の少なくとも一部とＳｎ材料が接触した状態でＣｕ材およびＳｎ材料を加圧および加熱して、複合Ｃｕ材を得ること、を含む複合Ｃｕ材の製造方法。
＜１６＞
＜１＞～＜６＞のいずれか１つに記載の複合Ｃｕ材を接合部位に有する部材Ａと、他のＣｕ材を接合部位に有する部材Ｂとを準備し、
複合Ｃｕ材が有するＣｕ3Ｓｎ層と上記他のＣｕ材との間にインサート材を挟んだ状態で、部材Ａおよび部材Ｂの接合部分を加熱して、部材Ａおよび部材Ｂを接合した接合体を得ることを含み、
インサート材が、単独でまたは複合Ｃｕ材の表層部と一緒になって、Ｃｕ－Ｓｎ基化合物を生成可能な材料である、接合体の製造方法。
＜１７＞
部材Ａが、電子部品または実装基板であり、
部材Ｂが、実装基板または電子部品であり、
接合体が、電子部品および実装基板が互いに接合した電子部品実装基板である、＜１６＞に記載の製造方法。
The above-mentioned problem was solved by using a composite Cu material having a Cu3Sn layer on the surface of the Cu material as a joining portion of a Cu electrode or the like, and performing joining through the Cu3Sn layer. Specifically, the above-mentioned problem was solved by the following means.
＜1＞
A composite Cu material comprising a Cu material and a Cu 3 Sn layer provided on at least a portion of a surface of the Cu material, the composite Cu material being used for bonding to an electronic component or a mounting board.
＜2＞
The composite Cu material according to <1>, wherein the Cu 3 Sn layer has a thickness of 1 to 1000 μm.
＜3＞
The composite Cu material according to <1> or <2>, wherein the Cu 3 Sn layer has a Sn layer on at least a part of the surface.
＜4＞
The composite Cu material according to <1> or <2>, wherein the Cu3Sn layer has a Cu6Sn5 layer on at least a part of the surface.
＜5＞
The composite Cu material according to <1> or <2>, wherein the Cu 3 Sn layer is an outermost layer of the composite Cu material.
＜6＞
The composite Cu material according to any one of <1> to <5>, wherein the composite Cu material is used for joining as a Cu electrode of an electronic component, a Cu wiring of a mounting board, or a lead material.
＜７＞
An electronic component or a mounting board comprising the composite Cu material according to any one of <1> to <6>.
＜8＞
An electronic component mounting board, comprising an electronic component and a mounting board joined via the composite Cu material according to any one of <1> to <6>.
＜9＞
A method for producing a composite Cu material including a Cu material and a Cu 3 Sn layer provided on at least a part of a surface of the Cu material, comprising:
A method for producing a composite Cu material, comprising: heating a Cu material having a Sn layer on at least a portion of its surface under pressure to obtain a composite Cu material.
＜10＞
The manufacturing method according to <9>, wherein the heating under pressure is carried out by immersing the Cu material having the Sn layer in a material that is inactive to Sn.
<11>
The method according to <10>, wherein the inert material is a carbon material.
＜12＞
The manufacturing method according to any one of <9> to <11>, wherein the heating under pressure is performed under conditions in which the Cu material side of the Sn layer becomes Cu 3 Sn and the surface layer side becomes Sn.
＜13＞
The manufacturing method according to any one of <9> to <11>, wherein the heating under pressure is performed under conditions in which the Cu material side of the Sn layer becomes Cu 3 Sn and the surface layer side becomes Cu 6 Sn 5 .
＜14＞
The manufacturing method according to <9>, wherein the heating under pressure is carried out in a state where the Sn layer is in contact with a Cu material different from the Cu material on the surface of the Sn layer.
＜15＞
A method for producing a composite Cu material including a Cu material and a Cu 3 Sn layer provided on at least a part of a surface of the Cu material, comprising:
and applying pressure and heat to the Cu material and the Sn material while the Sn material is in contact with at least a portion of a surface of the Cu material to obtain a composite Cu material.
＜16＞
<1><6> A component A having a composite Cu material according to any one of the above-mentioned items at a joining portion and a component B having another Cu material at a joining portion are prepared;
a bonding portion of the member A and the member B is heated in a state in which an insert material is sandwiched between a Cu3Sn layer of the composite Cu material and the other Cu material, thereby obtaining a bonded body in which the member A and the member B are bonded together;
The method for producing a joint, wherein the insert material is a material capable of generating a Cu-Sn based compound, either alone or together with a surface layer of a composite Cu material.
＜１７＞
The member A is an electronic component or a mounting board,
The component B is a mounting board or an electronic component,
The manufacturing method according to <16>, wherein the bonded body is an electronic component mounting board in which an electronic component and a mounting board are bonded to each other.
本発明の複合Ｃｕ材およびこれを含む電子部品または実装基板を使用することにより、Ｃｕ－Ｓｎ系ＩＭＣを利用して電子部品等への接合を実施する場合において、接合後の接合部に関し、厚さを確保しつつＣｕ6Ｓｎ5の存在量を低減することが可能になる。 By using the composite Cu material of the present invention and electronic components or mounting boards containing the same, when joining to electronic components, etc. using a Cu-Sn-based IMC, it becomes possible to reduce the amount of Cu6Sn5 present in the joint after joining while maintaining the thickness.
本発明の電子部品実装基板により、電子部品実装基板の熱安定性が向上する。 The electronic component mounting board of the present invention improves the thermal stability of the electronic component mounting board.
本発明の複合Ｃｕ材の製造方法により、上記複合Ｃｕ材を得ることができる。本発明の接合体の製造方法により、熱安定性の高い接合体が得られる。 The manufacturing method of the composite Cu material of the present invention allows the above-mentioned composite Cu material to be obtained. The manufacturing method of the bonded body of the present invention allows the production of a bonded body with high thermal stability.
以下、本発明の代表的な実施形態について説明する。各構成要素は、便宜上、この代表的な実施形態に基づいて説明されるが、本発明は、そのような実施形態に限定されるものではない。 A representative embodiment of the present invention will be described below. For convenience, each component will be described based on this representative embodiment, but the present invention is not limited to such an embodiment.
「複合Ｃｕ材」
電子部品への接合または実装基板への接合に用いられる本発明の複合Ｃｕ材は、Ｃｕ材とこのＣｕ材の表面の少なくとも一部に設けたＣｕ3Ｓｎ層とを含む。
"Composite Cu material"
The composite Cu material of the present invention, which is used for bonding to an electronic component or a mounting board, comprises a Cu material and a Cu 3 Sn layer provided on at least a portion of the surface of the Cu material.
Ｃｕ材の形状および大きさは、特段制限されず、複合Ｃｕ材の用途に応じて適宜選択される。例えば、複合Ｃｕ材が、後述するような独立した部材である場合には、Ｃｕ材は、複合Ｃｕ材の形状に合致して、例えば、板状、箔（フォイル）状、テープ状、ワイヤー状、リング状、コイル状および柱状などの形状を有する。そのような板状Ｃｕ材の厚さは、例えば０．１～２０ｍｍであり、０．５～１０ｍｍであってもよい。板状Ｃｕ材の一辺の長さは、例えば１ｃｍ～２ｍであり、５ｃｍ～１ｍであってもよい。箔状Ｃｕ材の厚さは、例えば１～１００μｍであり、５～５０μｍであってもよい。箔状Ｃｕ材の一辺の長さは、板状Ｃｕ材と同様である。テープ状Ｃｕ材の厚さは、箔状Ｃｕ材と同様である。テープ状Ｃｕ材の長さは、例えば１～５０ｍであり、５ｍ～３０ｍであってもよい。ワイヤー状Ｃｕ材の直径は、例えば０．０５～２ｍｍであり、０．１～１ｍｍであってもよい。また、複合Ｃｕ材が、電子部品の電極または実装基板の配線の少なくとも一部となる場合には、通常、Ｃｕ材は薄膜状である。そのような薄膜状Ｃｕ材の厚さは、例えば１０ｎｍ～１００μｍであり、４０ｎｍ～１０μｍであってもよい。 The shape and size of the Cu material are not particularly limited and are appropriately selected according to the application of the composite Cu material. For example, when the composite Cu material is an independent member as described later, the Cu material has a shape such as a plate, foil, tape, wire, ring, coil, and columnar shape that matches the shape of the composite Cu material. The thickness of such a plate-shaped Cu material is, for example, 0.1 to 20 mm, and may be 0.5 to 10 mm. The length of one side of the plate-shaped Cu material is, for example, 1 cm to 2 m, and may be 5 cm to 1 m. The thickness of the foil-shaped Cu material is, for example, 1 to 100 μm, and may be 5 to 50 μm. The length of one side of the foil-shaped Cu material is the same as that of the plate-shaped Cu material. The thickness of the tape-shaped Cu material is the same as that of the foil-shaped Cu material. The length of the tape-shaped Cu material is, for example, 1 to 50 m, and may be 5 to 30 m. The diameter of the wire-shaped Cu material is, for example, 0.05 to 2 mm, and may be 0.1 to 1 mm. Furthermore, when the composite Cu material is to be at least a part of the electrode of an electronic component or the wiring of a mounting board, the Cu material is usually in the form of a thin film. The thickness of such a thin-film Cu material is, for example, 10 nm to 100 μm, and may be 40 nm to 10 μm.
Ｃｕ3Ｓｎ層は、実質的にＣｕ3Ｓｎからなるか、あるいはＣｕ3Ｓｎ以外にＣｕ3Ｓｎ層の機能を阻害せず、本発明の効果が得られる範囲で、他の成分を含むことができる。Ｃｕ3Ｓｎは、Ｃｕ－Ｓｎ系ＩＭＣの一種であり、融点が６７６℃であることから、熱的安定性が高い。Ｃｕ3Ｓｎ層に含むことができる他の成分は、特に制限はないが、例えば、Ｃｕ3Ｓｎ以外のＣｕ－Ｓｎ系ＩＭＣ、金属Ｃｕ、金属Ｓｎ、その他の金属であることができる。Ｃｕ3Ｓｎ以外のＣｕ－Ｓｎ系ＩＭＣとしては、例えば、Ｃｕ6Ｓｎ5を挙げることができる。Ｃｕ6Ｓｎ5の含有を積極的に推奨するものではないが、Ｃｕ3Ｓｎ層の調製過程において、形成する可能性がある成分である。但し、Ｃｕ6Ｓｎ5は相変態を起こし体積変化して接合部の破壊起点となるおそれがあるため含有したとしても少ない方が好ましい。 The Cu 3 Sn layer may be substantially composed of Cu 3 Sn, or may contain other components other than Cu 3 Sn, as long as they do not impair the function of the Cu 3 Sn layer and the effect of the present invention can be obtained. Cu 3 Sn is a type of Cu-Sn-based IMC, and has a melting point of 676°C, so it has high thermal stability. There is no particular limit to the other components that can be contained in the Cu 3 Sn layer, and they may be, for example, Cu-Sn-based IMCs other than Cu 3 Sn, metallic Cu, metallic Sn, or other metals. An example of a Cu-Sn-based IMC other than Cu 3 Sn is Cu 6 Sn 5. Although the inclusion of Cu 6 Sn 5 is not actively recommended, it is a component that may be formed during the preparation process of the Cu 3 Sn layer. However, since Cu 6 Sn 5 undergoes phase transformation and volume change, which may become the starting point of fracture in the joint, it is preferable that the content of Cu 6 Sn 5 is small, if any.
熱安定性が高い接合が得られ、本発明の効果が支障なく奏されるという観点から、Ｃｕ3Ｓｎ層中のＣｕ3Ｓｎの割合は、８５質量％以上であることが好ましく、９０質量％以上であることがより好ましく、９５質量％以上であることがさらに好ましい。一方、Ｃｕ6Ｓｎ5は相変態を起こし体積変化して接合部の破壊起点となるおそれがあるため、Ｃｕ3Ｓｎ層中のＣｕ6Ｓｎ5の割合は、１５質量％以下であることが好ましく、１０質量％以下であることがより好ましく、５質量％以下であることがさらに好ましい。特に、Ｃｕ3Ｓｎ層は、Ｃｕ6Ｓｎ5を含まないことが好ましい。 From the viewpoint of obtaining a joint with high thermal stability and achieving the effects of the present invention without any problems, the ratio of Cu3Sn in the Cu3Sn layer is preferably 85% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and even more preferably 95% by mass or more. On the other hand, since Cu6Sn5 may undergo phase transformation and change in volume to become the starting point of fracture of the joint, the ratio of Cu6Sn5 in the Cu3Sn layer is preferably 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and even more preferably 5% by mass or less . In particular, it is preferable that the Cu3Sn layer does not contain Cu6Sn5 .
Ｃｕ3Ｓｎ層が設けられる位置は、Ｃｕ材の表面の少なくとも一部であって接合の用に供される部分であればよい。但し、Ｃｕ3Ｓｎ層は、Ｃｕ材の表面の全面に形成されてもよい。Ｃｕ3Ｓｎ層をＣｕ材の一部の表面に形成する場合には、全面に形成した後、リソグラフィー等のパターニング技術を適用してもよい。あるいは、後述するが、Ｃｕ3Ｓｎ層の基となるＳｎ層を一部の表面領域に形成すればよい。 The Cu3Sn layer may be provided at a position on at least a part of the surface of the Cu material, which is used for bonding. However, the Cu3Sn layer may be formed on the entire surface of the Cu material. When the Cu3Sn layer is formed on a part of the surface of the Cu material, a patterning technique such as lithography may be applied after forming the Cu3Sn layer on the entire surface. Alternatively, as described later, the Sn layer that is the base of the Cu3Sn layer may be formed on a part of the surface region.
Ｃｕ3Ｓｎ層の厚さは、特に制限されず、例えば、１～１０００μｍであることができる。Ｃｕ3Ｓｎ層を厚くすればするほど、接合部の厚さを確保でき、接合部内に生じるせん断ひずみを緩和することができる。一方、せん断ひずみを緩和する以上に厚くし過ぎるとコストの無駄を招く場合がある。したがって、Ｃｕ3Ｓｎ層の厚さは、５～５００μｍであることが好ましく、１０～１００μｍであることがより好ましい。 The thickness of the Cu 3 Sn layer is not particularly limited and can be, for example, 1 to 1000 μm. The thicker the Cu 3 Sn layer, the more the thickness of the joint can be secured and the more the shear strain occurring in the joint can be alleviated. On the other hand, if the layer is made too thick beyond the point at which the shear strain is alleviated, it may result in waste of costs. Therefore, the thickness of the Cu 3 Sn layer is preferably 5 to 500 μm, and more preferably 10 to 100 μm.
Ｃｕ3Ｓｎ層は複合Ｃｕ材の最外層であってもよいが、Ｃｕ3Ｓｎ層の表面に他の層を追加で設けることもできる。 The Cu 3 Sn layer may be the outermost layer of the composite Cu material, but other layers may also be provided on top of the Cu 3 Sn layer.
Ｃｕ3Ｓｎ層は、少なくとも一部の表面に例えば、Ｓｎ層を有してもよく、Ｓｎ層を有する場合、Ｓｎ層は最外層であってもよいが、その他の層をさらに有することもできる。Ｃｕ3Ｓｎ層の上にＳｎ層がある場合、Ｓｎ層は、接合の際に、インサート材と一緒になって接合層を形成するための材料として使用できる。 The Cu3Sn layer may have, for example, a Sn layer on at least a part of the surface, and when the Sn layer is present, the Sn layer may be the outermost layer, but may further have other layers. When there is a Sn layer on the Cu3Sn layer, the Sn layer can be used as a material for forming a bonding layer together with the insert material during bonding.
Ｃｕ3Ｓｎ層上のＳｎ層の厚さは、特に制限されないが、インサート材と一緒になって接合層を形成するという観点からは、例えば１～５００μｍであることができる。接合の際、接合層内でのＣｕ6Ｓｎ5の生成を抑制しやすいという観点から、Ｓｎ層の厚さは、３～２５０μｍであることが好ましく、５～１００μｍであることがより好ましい。 The thickness of the Sn layer on the Cu 3 Sn layer is not particularly limited, but from the viewpoint of forming a bonding layer together with the insert material, it can be, for example, 1 to 500 μm. From the viewpoint of easily suppressing the generation of Cu 6 Sn 5 in the bonding layer during bonding, the thickness of the Sn layer is preferably 3 to 250 μm, more preferably 5 to 100 μm.
Ｃｕ3Ｓｎ層は、少なくとも一部の表面にＣｕ6Ｓｎ5層を有してもよく、Ｃｕ6Ｓｎ5層は最外層であってもよいが、その他の層をさらに有することもできる。Ｃｕ3Ｓｎ層の上にＣｕ6Ｓｎ5層がある場合には、Ｃｕ6Ｓｎ5層は、接合の際に、インサート材と一緒になって接合層を形成するための材料として使用できる。 The Cu3Sn layer may have a Cu6Sn5 layer on at least a part of the surface, and the Cu6Sn5 layer may be the outermost layer, but may also have other layers. When the Cu6Sn5 layer is on the Cu3Sn layer , the Cu6Sn5 layer can be used as a material for forming a bonding layer together with the insert material during bonding.
Ｃｕ3Ｓｎ層上のＣｕ6Ｓｎ5層の厚さは、特に制限されないが、例えば１～５００μｍである。接合の際、接合層内でのＣｕ6Ｓｎ5の生成を抑制する観点から、Ｃｕ6Ｓｎ5層の厚さは、３～２５０μｍであることが好ましく、５～１００μｍであることがより好ましい。 The thickness of the Cu6Sn5 layer on the Cu3Sn layer is not particularly limited, but is, for example, 1 to 500 μm . From the viewpoint of suppressing the generation of Cu6Sn5 in the bonding layer during bonding, the thickness of the Cu6Sn5 layer is preferably 3 to 250 μm, and more preferably 5 to 100 μm.
Ｃｕ3Ｓｎ層がその表面にＣｕ6Ｓｎ5層またはＳｎ層を有する場合において、深さ方向にＣｕ3Ｓｎの割合が連続的に変化してＣｕ3Ｓｎ層との明確な境界が認められないときは、局所的な深さ位置における最大成分に基づいて層の種類を判断する。例えば、ある局所的な深さ位置における最大成分がＣｕ3Ｓｎであれば、その位置はＣｕ3Ｓｎ層に属するものとする。 In the case where a Cu3Sn layer has a Cu6Sn5 layer or Sn layer on its surface, and the proportion of Cu3Sn changes continuously in the depth direction and no clear boundary with the Cu3Sn layer is recognized, the type of layer is determined based on the maximum component at a local depth position. For example, if the maximum component at a certain local depth position is Cu3Sn , the position is considered to belong to the Cu3Sn layer.
Ｃｕ3Ｓｎ層は、少なくとも一部の表面にＳｎ層およびＣｕ6Ｓｎ5層の両方を有してもよい。この場合、Ｓｎ層が最外層であることが好ましい。Ｓｎ層がＣｕ6Ｓｎ5層よりも、インサート材（Ｃｕリッチとされることが多い）側にあることにより、接合の際、Ｓｎ層が優先してインサート材中のＣｕ材と反応し、Ｃｕ－Ｓｎ系ＩＭＣの材料として使用される。これにより、ＣｕおよびＳｎのモル比バランスが適切となり、接合層において、Ｃｕ3Ｓｎを生成しやすく、Ｃｕ6Ｓｎ5を抑制しやすい。このときのＳｎ層およびＣｕ6Ｓｎ5層の厚さは上記と同様である。 The Cu 3 Sn layer may have both a Sn layer and a Cu 6 Sn 5 layer on at least a part of the surface. In this case, it is preferable that the Sn layer is the outermost layer. Since the Sn layer is located closer to the insert material (often considered to be Cu-rich) than the Cu 6 Sn 5 layer, the Sn layer reacts preferentially with the Cu material in the insert material during bonding, and is used as a material for the Cu-Sn IMC. This makes the molar ratio balance of Cu and Sn appropriate, making it easier to generate Cu 3 Sn and easier to suppress Cu 6 Sn 5 in the bonding layer. The thicknesses of the Sn layer and the Cu 6 Sn 5 layer at this time are the same as above.
Ｃｕ3Ｓｎ層がその表面にＣｕ6Ｓｎ5層およびＳｎ層を有する場合において、深さ方向にＣｕ6Ｓｎ5の割合が連続的に変化してＳｎ層との明確な境界が認められないときは、局所的な深さ位置における最大成分に基づいて層の種類を判断する。 When a Cu3Sn layer has a Cu6Sn5 layer and a Sn layer on its surface, and the proportion of Cu6Sn5 changes continuously in the depth direction and no clear boundary with the Sn layer is observed, the type of layer is determined based on the maximum component at a local depth position.
複合Ｃｕ材の表面が、Ｃｕ6Ｓｎ5層およびＳｎ層などの存在によってＳｎリッチな状態である場合には、その層の表面に、さらに、インサート材としてＣｕ層が設けられていてもよい。これにより、接合の際に、Ｃｕ箔やＣｕ粒子などの別途のＣｕ材料の使用を省略でき、またはその使用量を減じることができる。 When the surface of the composite Cu material is Sn-rich due to the presence of the Cu6Sn5 layer and the Sn layer, a Cu layer may be further provided on the surface of the layer as an insert material. This makes it possible to omit the use of separate Cu materials such as Cu foil or Cu particles during joining, or to reduce the amount of Cu used.
インサート材としてのＣｕ層の厚さは、接合層においてＣｕ3Ｓｎ層を生成させる観点から、インサート材全体のＣｕ材料中のＣｕと、複合Ｃｕ材の表層部のＳｎとのモル比が３：１となるように、適宜調整される。インサート材としてのＣｕ層の厚さは、例えば１～５００μｍである。接合の際、接合層内でのＣｕ6Ｓｎ5の生成を抑制する観点から、インサート材としてのＣｕ層の厚さは、３～２５０μｍであることが好ましく、５～１００μｍであることがより好ましい。 The thickness of the Cu layer as the insert material is appropriately adjusted so that the molar ratio of Cu in the Cu material of the entire insert material to Sn in the surface layer of the composite Cu material is 3:1 from the viewpoint of generating a Cu 3 Sn layer in the bonding layer. The thickness of the Cu layer as the insert material is, for example, 1 to 500 μm. From the viewpoint of suppressing the generation of Cu 6 Sn 5 in the bonding layer during bonding, the thickness of the Cu layer as the insert material is preferably 3 to 250 μm, more preferably 5 to 100 μm.
図１Ａは、本発明の複合Ｃｕ材のいくつかの例の断面概略図である。図１Ａのａ）の複合Ｃｕ材１ａでは、Ｃｕ材は板状のＣｕ材１０ａであり、このＣｕ材の片面の全表面にＣｕ3Ｓｎ層２０ａが設けられている。この複合Ｃｕ材１ａにおいて、Ｃｕ3Ｓｎ層２０ａはＣｕ材１０ａの片面の一部に設けられてもよく、両面の全面またはそれらの一部に設けられてもよい。図１Ａのｂ）の複合Ｃｕ材１ｂでは、Ｃｕ材はワイヤー状のＣｕ材１０ｂであり、このＣｕ材１０ｂの一部の外周面にＣｕ3Ｓｎ層２０ｂが設けられている。この複合Ｃｕ材１ｂにおいて、Ｃｕ3Ｓｎ層２０ｂは、Ｃｕ材１０ｂの外周面の全表面に設けられてもよい。図１Ａのｃ）の複合Ｃｕ材１ｃは、Ｃｕ材１０ｃと、このＣｕ材１０ｃの一部の表面に設けられたＣｕ3Ｓｎ層２０ｃと、このＣｕ3Ｓｎ層２０ｃの表面に設けられたＳｎ層３０ｃとからなる。図１Ａのｄ）の複合Ｃｕ材１ｄは、Ｃｕ材１０ｄと、このＣｕ材１０ｄの一部の表面に設けられたＣｕ3Ｓｎ層２０ｄと、このＣｕ3Ｓｎ層２０ｄの表面に設けられたＣｕ6Ｓｎ5層４０ｄとからなる。図１Ａのｅ）の複合Ｃｕ材１ｅは、Ｃｕ材１０ｅと、このＣｕ材１０ｅの一部の表面に設けられたＣｕ3Ｓｎ層２０ｅと、このＣｕ3Ｓｎ層２０ｅの表面に設けられたＣｕ6Ｓｎ5層４０ｅと、このＣｕ6Ｓｎ5層４０ｅの表面に設けられたＳｎ層３０ｅとからなる。 FIG. 1A is a cross-sectional schematic diagram of some examples of composite Cu materials of the present invention. In the composite Cu material 1a of FIG. 1A (a), the Cu material is a plate-shaped Cu material 10a, and a Cu 3 Sn layer 20a is provided on the entire surface of one side of the Cu material. In this composite Cu material 1a, the Cu 3 Sn layer 20a may be provided on a part of one side of the Cu material 10a, or on the entire surface of both sides or on a part of them. In the composite Cu material 1b of FIG. 1A (b), the Cu material is a wire-shaped Cu material 10b, and a Cu 3 Sn layer 20b is provided on the outer peripheral surface of a part of the Cu material 10b. In this composite Cu material 1b, the Cu 3 Sn layer 20b may be provided on the entire surface of the outer peripheral surface of the Cu material 10b. The composite Cu material 1c in Fig. 1A c) is composed of a Cu material 10c, a Cu3Sn layer 20c provided on a part of the surface of the Cu material 10c, and a Sn layer 30c provided on the surface of the Cu3Sn layer 20c. The composite Cu material 1d in Fig. 1A d) is composed of a Cu material 10d, a Cu3Sn layer 20d provided on a part of the surface of the Cu material 10d , and a Cu6Sn5 layer 40d provided on the surface of the Cu3Sn layer 20d. The composite Cu material 1e of FIG. 1A(e) is composed of a Cu material 10e, a Cu3Sn layer 20e provided on a portion of the surface of the Cu material 10e, a Cu6Sn5 layer 40e provided on the surface of the Cu3Sn layer 20e , and a Sn layer 30e provided on the surface of the Cu6Sn5 layer 40e.
上記のように、独立した部材としての複合Ｃｕ材は、基材となるＣｕ材の形状に応じて、例えば、板状、箔（フォイル）状、テープ状、ワイヤー状、リング状、コイル状および柱状などの形状を有することができる。このような独立した複合Ｃｕ材は、後述する接合技術により、リード材として電子部品または実装基板への接合に使用することができる。 As described above, the composite Cu material as an independent member can have a shape such as a plate, foil, tape, wire, ring, coil, or column, depending on the shape of the Cu material that serves as the base material. Such an independent composite Cu material can be used as a lead material for joining to electronic components or mounting boards by the joining technology described below.
「電子部品および実装基板」
本発明は、上記した本発明の複合Ｃｕ材を接合部位に有する電子部品または実装基板を包含する。即ち、本発明の複合Ｃｕ材は、上記のように独立した部材の状態であるほか、電子部品または実装基板の一部となることもできる。
"Electronic components and mounting boards"
The present invention includes an electronic component or a mounting board having the above-mentioned composite Cu material of the present invention at a joint portion. That is, the composite Cu material of the present invention can be an independent member as described above, or can be a part of the electronic component or the mounting board.
図１Ｂのｆ）は、複合Ｃｕ材を含む電子部品の一実施態様の断面概略図を示す。この電子部品３は、主要回路部５０と、主要回路部５０から伸びた２つのＣｕ電極１０ｆ（取り出し電極）と、これらのＣｕ電極１０ｆの表面にそれぞれ設けられた２つのＣｕ3Ｓｎ層２０ｆとからなる。１つのＣｕ電極１０ｆおよびそのＣｕ電極１０ｆの表面に設けられた１つのＣｕ3Ｓｎ層２０ｆが、複合Ｃｕ材に相当する。ここで、各Ｃｕ3Ｓｎ層２０ｆは、図１Ａと同様に、その表面の少なくとも一部に、Ｃｕ6Ｓｎ5層およびＳｎ層の一方または両方を有してもよい。図１Ｂのｇ）は、複合Ｃｕ材を含む実装基板５の一実施態様の断面概略図を示す。この実装基板５は、基板６０と、基板６０上のＣｕ配線１０ｇと、Ｃｕ配線１０ｇ上のＣｕ3Ｓｎ層２０ｇとからなる。ここで、Ｃｕ3Ｓｎ層２０ｇは、図１Ａと同様に、その表面の少なくとも一部に、Ｃｕ6Ｓｎ5層およびＳｎ層の一方または両方を有してもよい。 FIG. 1B f) shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of an electronic component including a composite Cu material. This electronic component 3 is composed of a main circuit section 50, two Cu electrodes 10f (extraction electrodes) extending from the main circuit section 50, and two Cu 3 Sn layers 20f provided on the surfaces of these Cu electrodes 10f. One Cu electrode 10f and one Cu 3 Sn layer 20f provided on the surface of the Cu electrode 10f correspond to a composite Cu material. Here, each Cu 3 Sn layer 20f may have one or both of a Cu 6 Sn 5 layer and a Sn layer on at least a part of its surface, as in FIG. 1A. FIG. 1B g) shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of a mounting substrate 5 including a composite Cu material. This mounting substrate 5 is composed of a substrate 60, a Cu wiring 10g on the substrate 60, and a Cu 3 Sn layer 20g on the Cu wiring 10g. Here, the Cu 3 Sn layer 20g may have one or both of a Cu 6 Sn 5 layer and a Sn layer on at least a portion of its surface, similarly to FIG. 1A.
複合Ｃｕ材は、電子部品および実装基板等との電気的接続を図る部材であり、インサート材を介在させ他のＣｕ材に接合することができる。接合に際し、本発明の複合Ｃｕ材は、例えば電子部品および実装基板のどちらか一方にのみ存在していてもよい。熱安定性の高い接合を確保する観点から、インサート材を介在させ、本発明の複合Ｃｕ材同士を接合することが好ましい。インサート材は、接合の際、単独でまたは複合Ｃｕ材の表層部（例えばＳｎ層およびＣｕ6Ｓｎ5層の少なくとも１つ）と一緒になって、Ｃｕ－Ｓｎ基化合物を含む接合層となる。 The composite Cu material is a member for achieving electrical connection with electronic components and mounting boards, etc., and can be joined to other Cu materials via an insert material. In joining, the composite Cu material of the present invention may be present, for example, only in either the electronic component or the mounting board. From the viewpoint of ensuring a highly thermally stable joint, it is preferable to join the composite Cu materials of the present invention to each other via an insert material. In joining, the insert material becomes a joining layer containing a Cu-Sn-based compound, either alone or together with the surface layer of the composite Cu material (for example, at least one of the Sn layer and the Cu 6 Sn 5 layer).
本発明は、電子部品と実装基板との間に「複合Ｃｕ材／接合層／複合Ｃｕ材」からなる接合部または「複合Ｃｕ材／接合層」からなる接合部を有する電子部品実装基板を包含する。「複合Ｃｕ材／接合層／複合Ｃｕ材」からなる接合部を有する電子部品実装基板は、基板側から、実装基板／複合Ｃｕ材／接合層／複合Ｃｕ材／電子部品の構成を有する。「複合Ｃｕ材／接合層」からなる接合部を有する電子部品実装基板は、基板側から、実装基板／複合Ｃｕ材／接合層／通常のＣｕ材／電子部品の構成を有するか、実装基板／通常のＣｕ材／接合層／複合Ｃｕ材／電子部品の構成を有することができる。 The present invention includes an electronic component mounting board having a joint consisting of "composite Cu material/bonding layer/composite Cu material" or a joint consisting of "composite Cu material/bonding layer" between an electronic component and a mounting board. An electronic component mounting board having a joint consisting of "composite Cu material/bonding layer/composite Cu material" has a configuration from the board side of mounting board/composite Cu material/bonding layer/composite Cu material/electronic component. An electronic component mounting board having a joint consisting of "composite Cu material/bonding layer" can have a configuration from the board side of mounting board/composite Cu material/bonding layer/normal Cu material/electronic component, or a configuration of mounting board/normal Cu material/bonding layer/composite Cu material/electronic component.
図１Ｂのｈ）は、基板側から、実装基板５－複合Ｃｕ材（Ｃｕ配線１０ｇおよびＣｕ3Ｓｎ層２０ｇの部分）－接合層３５－複合Ｃｕ材（Ｃｕ電極１０ｆおよびＣｕ3Ｓｎ層２０ｆの部分）－電子部品３の構成を有する接合体７（電子部品実装基板）の一例を示す概念図である。この接合体では、上記電子部品および上記実装基板が各Ｃｕ3Ｓｎ層および接合層を介して互いに接合されている。 1B(h) is a conceptual diagram showing an example of a joint 7 (electronic component mounting board) having a configuration from the board side of a mounting board 5-composite Cu material (portion of Cu wiring 10g and Cu 3 Sn layer 20g)-joint layer 35-composite Cu material (portion of Cu electrode 10f and Cu 3 Sn layer 20f)-electronic component 3. In this joint, the electronic component and the mounting board are joined to each other via the Cu 3 Sn layers and the joint layer.
上記のような構成を有する本発明の複合Ｃｕ材を使用することにより、Ｃｕ－Ｓｎ系ＩＭＣを利用して電子部品等への接合を実施する場合において、接合後の接合部に関し、厚さを確保しつつＣｕ6Ｓｎ5の存在量を低減することが可能になる。これは、次の理由によると考えられる。 By using the composite Cu material of the present invention having the above-mentioned configuration, when joining to electronic parts etc. using a Cu-Sn IMC , it becomes possible to reduce the amount of Cu6Sn5 present in the joint after joining while ensuring the thickness. This is believed to be due to the following reasons.
従来法（特許文献１）では、Ｃｕ材間に、Ｃｕ層およびＳｎ層の交互積層膜を挿入して、これを加熱し、接合部にＣｕ－Ｓｎ系ＩＭＣを生成させることにより、複数のＣｕ材が互いに接合されていた。しかしながら、電子部品にダメージを与えない限度での加熱条件が求められる状況において、金属Ｃｕおよび金属ＳｎからＣｕ3Ｓｎが生成できる加熱条件が満たされず、Ｃｕ6Ｓｎ5が生成しやすい環境となっていた。 In the conventional method (Patent Document 1), a multi-layered film of Cu and Sn layers is inserted between the Cu materials, heated, and a Cu-Sn IMC is generated at the joint, thereby joining multiple Cu materials together. However, in a situation where heating conditions are required that do not damage electronic components, the heating conditions that can generate Cu 3 Sn from metallic Cu and metallic Sn are not satisfied, creating an environment that is prone to the generation of Cu 6 Sn 5 .
これに対し、本発明では、Ｃｕ材の表面に予めＣｕ3Ｓｎ層が設けられているため、接合の際には、インサート材を用いて、複合Ｃｕ材中のＣｕ3Ｓｎ層と他のＣｕ材を接合する、或いは複数の複合Ｃｕ材中のＣｕ3Ｓｎ層同士を接合するだけでよい。Ｃｕ3Ｓｎの融点（６７６℃）は、金属Ｃｕ（Ｃｕ：１０８５℃）に比べて低く、比較的緩い加熱条件（低加圧、低温および短時間）で接合が可能である。この際、Ｃｕ3Ｓｎ層の間にできる接合層にはＣｕ6Ｓｎ5が生成しうるが、接合部全体からみて接合層は僅かな領域であり、接合部のどの場所にもＣｕ6Ｓｎ5が生成しうる従来法に比べれば、熱による影響は小さいと言える。 In contrast, in the present invention, since a Cu3Sn layer is provided on the surface of the Cu material in advance, when bonding, it is sufficient to use an insert material to bond the Cu3Sn layer in the composite Cu material to another Cu material, or to bond the Cu3Sn layers in a plurality of composite Cu materials to each other. The melting point of Cu3Sn (676°C) is lower than that of metallic Cu (Cu: 1085°C), and bonding is possible under relatively gentle heating conditions (low pressure, low temperature and short time). At this time , Cu6Sn5 may be generated in the bonding layer formed between the Cu3Sn layers, but the bonding layer is a small area in the entire bonding part, and it can be said that the influence of heat is small compared to the conventional method in which Cu6Sn5 can be generated anywhere in the bonding part.
さらに、複合Ｃｕ材がその表面にＣｕ6Ｓｎ5およびＳｎ層の少なくとも１つを有する場合には、接合の際に、それらの層とインサート材との反応によりＣｕ3Ｓｎ層に変換されるように調整することができる。したがって、Ｃｕ6Ｓｎ5およびＳｎ層を、インサート材と一緒になって接合層を形成するための材料として使用できる。 Furthermore, when the composite Cu material has at least one of Cu6Sn5 and Sn layers on its surface, it can be adjusted so that the layers are converted into Cu3Sn layers by the reaction between the insert material and the Cu6Sn5 and Sn layers during bonding. Therefore, the Cu6Sn5 and Sn layers can be used as materials for forming a bonding layer together with the insert material.
さらに、Ｃｕ材上にＣｕ3Ｓｎ層があることにより、電子部品や実装基板等の部材同士の間の接合部において、ある程度の厚さを確保することもでき、電子部品と実装基板との熱膨張特性の違いに起因する熱疲労破壊も抑制される。 Furthermore, the presence of the Cu3Sn layer on the Cu material makes it possible to ensure a certain degree of thickness at the joints between components such as electronic components and mounting boards, and also suppresses thermal fatigue failure caused by differences in the thermal expansion characteristics of the electronic components and the mounting board.
上記のように、接合後の接合部に関し、厚さを確保しつつＣｕ6Ｓｎ5の存在量を低減する結果として、接合の熱安定性が向上すると考えられる。 As described above, it is believed that the thermal stability of the bond is improved by reducing the amount of Cu 6 Sn 5 present in the bonded portion after bonding while ensuring the thickness.
「複合Ｃｕ材の製造方法」
本発明の複合Ｃｕ材は、例えば、表面の少なくとも一部にＳｎ層を有するＣｕ材を加圧状態で加熱することにより、得ることができる（第１の製造方法）。第１の製造方法では、加熱処理により、Ｃｕ材およびＳｎ層の密着界面でＣｕおよびＳｎの熱拡散を生じさせて、Ｃｕ3Ｓｎ層を生成させる。
"Method of manufacturing composite Cu material"
The composite Cu material of the present invention can be obtained, for example, by heating a Cu material having a Sn layer on at least a part of its surface under pressure (first manufacturing method). In the first manufacturing method, the heat treatment causes thermal diffusion of Cu and Sn at the adhesive interface between the Cu material and the Sn layer to generate a Cu3Sn layer.
Ｓｎ層を有するＣｕ材を得るためのＳｎ層の形成方法としては、例えば、蒸着法、スパッタリング法およびめっき法など、公知の金属膜の成膜法を使用できる。特に、大気圧下で実施できる簡便性から、Ｓｎ層の形成方法は、めっき法であることが好ましく、その中でも、成膜効率および厚さを制御しやすい観点から、電解めっき法であることがより好ましい。Ｃｕ材表面のＳｎ層の厚さの２倍から３倍程度のＣｕ3Ｓｎ層が形成されるため、Ｃｕ3Ｓｎ層の厚さを制御することにも繋がる。 As a method for forming the Sn layer to obtain a Cu material having the Sn layer, known metal film forming methods such as vapor deposition, sputtering, and plating can be used. In particular, the method for forming the Sn layer is preferably a plating method because it can be performed under atmospheric pressure, and among them, electrolytic plating is more preferable because it is easy to control the film forming efficiency and thickness. Since a Cu3Sn layer is formed that is about 2 to 3 times the thickness of the Sn layer on the surface of the Cu material, it also leads to controlling the thickness of the Cu3Sn layer.
Ｓｎ層が設けられる位置は、Ｃｕ材の表面の少なくとも一部であって、接合の用に供される部分であればよい。一方、Ｓｎ層は、Ｃｕ材の表面の全面に形成されてもよい。Ｓｎ層をＣｕ材の一部の表面に形成する場合には、全面に形成した後、リソグラフィー等のパターニング技術を適用してもよく、Ｓｎ層の成膜工程においてテーピングなどのマスクを使用してもよい。 The position where the Sn layer is provided may be at least a part of the surface of the Cu material, as long as it is a portion that is used for bonding. On the other hand, the Sn layer may be formed on the entire surface of the Cu material. When the Sn layer is formed on a portion of the surface of the Cu material, a patterning technique such as lithography may be applied after the entire surface is formed, and a mask such as taping may be used in the film formation process of the Sn layer.
Ｓｎ層の厚さは、特に制限されず、例えば、５００ｎｍ～５００μｍであることができる。熱処理によりＳｎ層の厚さの２倍から３倍程度のＣｕ3Ｓｎ層が形成される。Ｃｕ3Ｓｎ層の厚さを調整する観点から、Ｓｎ層の厚さは、１～２００μｍであることが好ましく、１０～１００μｍであることがより好ましい。 The thickness of the Sn layer is not particularly limited and can be, for example, 500 nm to 500 μm. A Cu 3 Sn layer having a thickness about two to three times that of the Sn layer is formed by heat treatment. From the viewpoint of adjusting the thickness of the Cu 3 Sn layer, the thickness of the Sn layer is preferably 1 to 200 μm, and more preferably 10 to 100 μm.
第１の製造方法においては、上記のようなＳｎ層付きＣｕ材を加圧状態で加熱する。これにより、Ｓｎ層が常にＣｕ材へ押し付けられている状態を保つことができ、カーケンダルボイド（相互拡散の不均衡により発生した原子空孔）の発生を抑制して、均質なＣｕ3Ｓｎ層を得ることができる。 In the first manufacturing method, the Cu material with the Sn layer is heated under pressure, so that the Sn layer can be constantly pressed against the Cu material, and the generation of Kirkendall voids (atomic vacancies generated by imbalance in interdiffusion) can be suppressed, resulting in a homogeneous Cu3Sn layer.
Ｓｎ層付きＣｕ材の加圧は、Ｓｎに対して不活性な材料を介して実施することができる。Ｓｎに対して不活性な材料は、気体でも固体でもよい。Ｓｎに対して不活性な材料は、容易に入手できる観点から、Ｃ（炭素）材料であることが好ましく、大気圧下で実施できる簡便性から、粉末材料であることが好ましく、Ｃ（炭素）粉末であることがより好ましい。Ｓｎ層付きＣｕ材の加圧は、具体的には、Ｓｎ層付きＣｕ材を、Ｓｎに対して不活性な材料（特に、Ｃ材料粉末）中に埋没させて実施することが好ましい。Ｓｎ層付きＣｕ材を、Ｓｎに対して不活性な材料中に埋没させ、その材料に加圧を行うことで、等方圧下でＳｎ層付きＣｕ材を加熱する。上記粉末材料の平均粒径は、特に制限されないが、例えば１～１０００μｍである。この平均粒径は、Ｓｎ層に対する均一な密着およびハンドリング性を考慮して、３０～７００μｍであることが好ましく、５０～５００μｍであることがより好ましい。なお、粉末の平均粒径は、例えば、レーザー回折・散乱式の粒子径分布測定装置を用いて測定することができる。 The pressurization of the Cu material with the Sn layer can be carried out through a material inactive against Sn. The material inactive against Sn may be either gas or solid. The material inactive against Sn is preferably a C (carbon) material from the viewpoint of easy availability, and is preferably a powder material from the viewpoint of convenience that it can be carried out under atmospheric pressure, and more preferably C (carbon) powder. Specifically, the pressurization of the Cu material with the Sn layer is preferably carried out by burying the Cu material with the Sn layer in a material inactive against Sn (particularly, C material powder). The Cu material with the Sn layer is buried in a material inactive against Sn, and the material is pressurized to heat the Cu material with the Sn layer under isotropic pressure. The average particle size of the powder material is not particularly limited, but is, for example, 1 to 1000 μm. In consideration of uniform adhesion to the Sn layer and ease of handling, the average particle size is preferably 30 to 700 μm, and more preferably 50 to 500 μm. The average particle size of the powder can be measured, for example, using a laser diffraction/scattering type particle size distribution measuring device.
Ｓｎ層付きＣｕ材への加圧力は、例えば１ｋＰａ～１０ＭＰａであることができる。これにより、Ｓｎ層をＣｕ材へ充分に押し付け、かつＣｕ材の破損を防止することができる。さらに、加圧力は、１０ｋＰａ～７ＭＰａであってもよく、１５ｋＰａ～５ＭＰａであってもよい。本明細書において、加圧力は、大気圧以外の外力によって物体に付与された圧力を意味する。 The pressure applied to the Cu material with the Sn layer can be, for example, 1 kPa to 10 MPa. This allows the Sn layer to be sufficiently pressed against the Cu material and prevents damage to the Cu material. Furthermore, the pressure may be 10 kPa to 7 MPa, or 15 kPa to 5 MPa. In this specification, pressure means pressure applied to an object by an external force other than atmospheric pressure.
Ｓｎ層付きＣｕ材の加熱は、例えば電気炉などの加熱装置を用いて行う。加熱温度および加熱時間は、Ｓｎ層の厚さや、Ｓｎ層のどの範囲までＣｕ3Ｓｎ層を生成させるかなどを考慮して適宜調整される。加熱温度は、例えば２５０～４５０℃の範囲とすることができ、２６０～４３０℃であることが好ましく、２７０～４２０℃であることがより好ましい。加熱時間は、例えば１～１００ｈ（時間）の範囲とすることができ、５～７０ｈであることが好ましく、１０～５０ｈであることがより好ましい。 The Cu material with the Sn layer is heated using a heating device such as an electric furnace. The heating temperature and heating time are appropriately adjusted taking into consideration the thickness of the Sn layer and the extent of the Sn layer to which the Cu 3 Sn layer is to be formed. The heating temperature can be in the range of, for example, 250 to 450°C, preferably 260 to 430°C, and more preferably 270 to 420°C. The heating time can be in the range of, for example, 1 to 100 hours (hours), preferably 5 to 70 hours, and more preferably 10 to 50 hours.
本発明の製造方法において、加圧状態での加熱は、Ｓｎ層のＣｕ材側がＣｕ3Ｓｎとなり、表層側がＳｎとなる条件で実施することができる。この条件での実施により、Ｓｎ層の一部のみをＣｕ3Ｓｎ層の生成に使用し、Ｃｕ3Ｓｎ層の表面にＳｎ層を残すことができる。これにより、この残ったＳｎ層を、接合時にインサート材と一緒になって接合層を生成するための材料として使用できる。このＳｎ層は、接合時に、接合層を生成するため大部分またはすべて消費されることが好ましく、接合後、接合部に残らないことが好ましい。 In the manufacturing method of the present invention, the heating under pressure can be performed under the condition that the Cu material side of the Sn layer becomes Cu3Sn and the surface layer side becomes Sn. By performing the heating under these conditions, only a part of the Sn layer can be used to generate the Cu3Sn layer, and the Sn layer can be left on the surface of the Cu3Sn layer. This allows the remaining Sn layer to be used as a material for generating a bonding layer together with the insert material during bonding. It is preferable that most or all of this Sn layer is consumed to generate the bonding layer during bonding, and it is preferable that it does not remain in the bonding portion after bonding.
本発明の製造方法において、加圧状態での加熱は、Ｓｎ層のＣｕ材側がＣｕ3Ｓｎとなり、かつ表層側がＣｕ6Ｓｎ5となる条件で実施することもできる。この条件での実施により、Ｃｕ3Ｓｎ層の表層部にＳｎリッチのＣｕ6Ｓｎ5層を生成させることができる。これにより、表層部のＣｕ6Ｓｎ5層を、接合時にインサート材と一緒になって接合層を生成するための材料として使用できる。このＣｕ6Ｓｎ5層は、接合時に、接合層を生成するため大部分またはすべて消費されることが好ましく、接合後、接合部に残らないことが好ましい。 In the manufacturing method of the present invention, the heating under pressure can be performed under the condition that the Cu material side of the Sn layer becomes Cu3Sn and the surface layer side becomes Cu6Sn5 . By performing the heating under these conditions, a Sn- rich Cu6Sn5 layer can be formed on the surface layer of the Cu3Sn layer. This allows the Cu6Sn5 layer on the surface layer to be used as a material for forming a bonding layer together with the insert material during bonding. It is preferable that most or all of this Cu6Sn5 layer is consumed to form a bonding layer during bonding, and that it is preferable that it does not remain in the bonding portion after bonding.
本発明の製造方法において、加圧状態での加熱は、Ｓｎ層の表面において、Ｓｎ層が上記Ｃｕ材とは異なるＣｕ材料と接触した状態で、実施されてもよい。これにより、Ｓｎ層の両面で、ＣｕおよびＳｎの熱拡散を生じさせて、厚さ方向に均質なＣｕ3Ｓｎ層を形成しやすくなる。そのような状態は、例えば、Ｓｎ層付きＣｕ材をＣｕ粉末に埋没させること、または、Ｓｎ層の表面にさらにＣｕ層を形成することにより実現できる。 In the manufacturing method of the present invention, the heating under pressure may be performed in a state where the Sn layer is in contact with a Cu material different from the Cu material on the surface of the Sn layer. This allows thermal diffusion of Cu and Sn on both sides of the Sn layer, making it easier to form a Cu 3 Sn layer that is homogeneous in the thickness direction. Such a state can be achieved, for example, by burying the Cu material with the Sn layer in Cu powder, or by forming an additional Cu layer on the surface of the Sn layer.
Ｓｎ層付きＣｕ材の埋没に用いるＣｕ粉末の粒径は、特に制限されないが、例えば１～１０００μｍである。この平均粒径は、Ｓｎ層に対する均一な密着およびハンドリング性を考慮して、３０～７００μｍであることが好ましく、５０～５００μｍであることがより好ましい。 The particle size of the Cu powder used to embed the Cu material with the Sn layer is not particularly limited, but is, for example, 1 to 1000 μm. Taking into consideration uniform adhesion to the Sn layer and ease of handling, the average particle size is preferably 30 to 700 μm, and more preferably 50 to 500 μm.
上記追加のＣｕ層の形成方法としては、例えば、蒸着法、スパッタリング法およびめっき法など、公知の金属膜の成膜法を使用できる。特に、大気圧下で実施できる簡便性から、このＣｕ層の形成方法は、めっき法であることが好ましく、その中でも、成膜効率および厚さを制御しやすい観点から、電解めっき法であることがより好ましい。上記Ｃｕ層の厚さは、特に制限されず、例えば、５００ｎｍ～５００μｍであることができる。Ｃｕ3Ｓｎ層を適切に生成させる観点から、Ｃｕ層の厚さは、１～２００μｍであることが好ましく、１０～１００μｍであることがより好ましい。この追加のＣｕ層を設ける場合において、さらにＳｎ層およびＣｕ層を交互に積層することもできる。これにより、厚さ方向に均質なＣｕ3Ｓｎ層を形成しやすくなる。製造工程の簡便性の観点から、Ｓｎ層およびＣｕ層は、それぞれ２層以下であってもよく、それぞれ１層（つまり、Ｃｕ材／Ｓｎ層／Ｃｕ層）であってもよい。 The method for forming the additional Cu layer may be, for example, a known metal film forming method such as a vapor deposition method, a sputtering method, or a plating method. In particular, the method for forming the Cu layer is preferably a plating method from the viewpoint of the ease of carrying out the method under atmospheric pressure, and among them, electrolytic plating is more preferable from the viewpoint of easy control of the film formation efficiency and thickness. The thickness of the Cu layer is not particularly limited, and may be, for example, 500 nm to 500 μm. From the viewpoint of appropriately generating the Cu 3 Sn layer, the thickness of the Cu layer is preferably 1 to 200 μm, and more preferably 10 to 100 μm. In the case of providing the additional Cu layer, the Sn layer and the Cu layer may be stacked alternately. This makes it easier to form a Cu 3 Sn layer that is homogeneous in the thickness direction. From the viewpoint of the simplicity of the manufacturing process, the Sn layer and the Cu layer may each be two layers or less, or each may be one layer (i.e., Cu material/Sn layer/Cu layer).
さらに、本発明の複合Ｃｕ材は、例えば、Ｃｕ材の表面の少なくとも一部とＳｎ材料が接触した状態で加圧および加熱することにより、得ることができる（第２の製造方法）。第２の製造方法では、加熱処理により、Ｃｕ材およびＳｎ材料の接触界面でＣｕおよびＳｎの熱拡散を生じさせて、Ｃｕ3Ｓｎ層を生成させる。 Furthermore, the composite Cu material of the present invention can be obtained, for example, by applying pressure and heat to a Cu material in a state where at least a part of the surface of the Cu material is in contact with a Sn material (second manufacturing method). In the second manufacturing method, a heat treatment is used to cause thermal diffusion of Cu and Sn at the contact interface between the Cu material and the Sn material, thereby generating a Cu3Sn layer.
第２の製造方法においては、上記のように接触するＣｕ材およびＳｎ材料を加圧状態で加熱する。これにより、Ｓｎ材料が常にＣｕ材へ押し付けられている状態を保つことができ、カーケンダルボイドの発生を抑制して、均質なＣｕ3Ｓｎ層を得ることができる。 In the second manufacturing method, the Cu material and the Sn material that are in contact with each other as described above are heated under pressure, so that the Sn material can be constantly pressed against the Cu material, and the occurrence of Kirkendall voids can be suppressed to obtain a homogeneous Cu3Sn layer.
Ｓｎ材料は、例えばＳｎ板、Ｓｎ箔、ＳｎチップおよびＳｎ粉末など中から、Ｃｕ材の形状に合わせて適宜選択可能である。Ｃｕ材に対する均一な接触を実現する観点から、Ｓｎ材料は、Ｓｎ粉末であることが好ましい。Ｓｎ粉末の平均粒径は、Ｃｕ材に対する均一な密着およびハンドリング性を考慮して、例えば３０～７００μｍであることが好ましく、５０～５００μｍであることがより好ましい。Ｓｎ材料がＳｎ粉末である場合には、等方圧下で加圧を行えるように、Ｃｕ材をＳｎ粉末に埋没させることが好ましい。 The Sn material can be appropriately selected from, for example, Sn plate, Sn foil, Sn chips, and Sn powder, depending on the shape of the Cu material. From the viewpoint of realizing uniform contact with the Cu material, the Sn material is preferably Sn powder. Taking into consideration uniform adhesion to the Cu material and ease of handling, the average particle size of the Sn powder is preferably, for example, 30 to 700 μm, and more preferably 50 to 500 μm. When the Sn material is Sn powder, it is preferable to bury the Cu material in the Sn powder so that pressure can be applied under isotropic pressure.
Ｓｎ材料およびＣｕ材は、少なくともＣｕ3Ｓｎ層を生成させる表面で互いに接触していればよい。Ｓｎ材料およびＣｕ材を接触させたくない領域がある場合には、例えば、テーピングなどでマスクすることができる。 The Sn material and the Cu material need only be in contact with each other at least on the surface on which the Cu3Sn layer is to be formed. If there is an area where the Sn material and the Cu material should not be in contact with each other, this can be masked, for example, with tape.
Ｓｎ材料およびＣｕ材への加圧力は、例えば１ｋＰａ～１０ＭＰａの範囲であることができる。これにより、Ｓｎ材料をＣｕ材へ充分に押し付け、かつＣｕ材の破損を防止することができる。さらに、加圧力は、１０ｋＰａ～７ＭＰａであることが好ましく、１５ｋＰａ～５ＭＰａであることがより好ましい。 The pressure applied to the Sn material and Cu material can be, for example, in the range of 1 kPa to 10 MPa. This allows the Sn material to be sufficiently pressed against the Cu material and prevents damage to the Cu material. Furthermore, the pressure is preferably 10 kPa to 7 MPa, and more preferably 15 kPa to 5 MPa.
Ｓｎ材料およびＣｕ材の加熱は、例えば電気炉などの加熱装置を用いて行うことができる。加熱温度および加熱時間は、Ｃｕ3Ｓｎ層の目標厚さなどにより、適宜調整される。加熱温度は、例えば２５０～４５０℃であり、２６０～４３０℃であることが好ましく、２７０～４２０℃であることがより好ましい。加熱時間は、例えば１～１００ｈ（時間）であり、５～７０ｈであることが好ましく、１０～５０ｈであることがより好ましい。 The Sn material and Cu material can be heated using a heating device such as an electric furnace. The heating temperature and heating time are appropriately adjusted depending on the target thickness of the Cu 3 Sn layer. The heating temperature is, for example, 250 to 450°C, preferably 260 to 430°C, and more preferably 270 to 420°C. The heating time is, for example, 1 to 100 hours (hours), preferably 5 to 70 hours, and more preferably 10 to 50 hours.
上記で説明した本発明の複合Ｃｕ材の２つの製造方法のうち、Ｃｕ3Ｓｎ層の厚さ制御が容易であるという観点から、第１の製造方法が好ましい。 Of the two methods for producing the composite Cu material of the present invention described above, the first method is preferred from the viewpoint of ease of controlling the thickness of the Cu 3 Sn layer.
本発明の上記２つの製造方法において、加圧状態での加熱後、さらに、そのＣｕ材の表面に、Ｓｎ層を成膜する別の工程を実施してもよい。これにより、この成膜で追加されたＳｎ層を、接合時にインサート材と一緒になって接合層を生成するための材料として使用できる。この成膜によるＳｎ層は、例えば、加圧状態での加熱後に、別途、めっき法等の成膜技術で得られる。この成膜で追加されるＳｎ層は、加熱後にＣｕ3Ｓｎ層の表面に残ったＳｎ層の表面に形成してもよい。また、この成膜で追加されるＳｎ層は、加熱後にＣｕ3Ｓｎ層の表面に形成されたＣｕ6Ｓｎ5層の表面に形成してもよい。 In the above two manufacturing methods of the present invention, after heating under pressure, another step of forming a Sn layer on the surface of the Cu material may be performed. This allows the Sn layer added by this film formation to be used as a material for generating a bonding layer together with the insert material during bonding. The Sn layer formed by this film formation may be obtained by a separate film formation technique such as plating after heating under pressure. The Sn layer added by this film formation may be formed on the surface of the Sn layer remaining on the surface of the Cu 3 Sn layer after heating. Also, the Sn layer added by this film formation may be formed on the surface of the Cu 6 Sn 5 layer formed on the surface of the Cu 3 Sn layer after heating.
本発明の上記２つの製造方法において、加圧状態での加熱後、さらに、そのＣｕ材の表面に、インサート材としてのＣｕ層を成膜する別の工程を実施してもよい。これにより、接合の際に、Ｃｕ箔やＣｕ粒子などの別途のＣｕ材料の使用を省略でき、或いは、その使用量を減じることができる。このインサート材としてのＣｕ層は、例えば、加圧状態での加熱後に、別途、めっき法等の成膜技術で得られる。このインサート材としてのＣｕ層は、加熱後にＣｕ3Ｓｎ層の表面に残ったＳｎ層の表面に形成してもよい。また、このインサート材としてのＣｕ層は、加熱後にＣｕ3Ｓｎ層の表面に形成されたＣｕ6Ｓｎ5層の表面に形成してもよい。 In the above two manufacturing methods of the present invention, after heating under pressure, another step of forming a Cu layer as an insert material on the surface of the Cu material may be performed. This allows the use of a separate Cu material such as Cu foil or Cu particles to be omitted during bonding, or the amount of Cu material used to be reduced. The Cu layer as the insert material is obtained by a separate film forming technique such as a plating method, for example, after heating under pressure. The Cu layer as the insert material may be formed on the surface of the Sn layer remaining on the surface of the Cu 3 Sn layer after heating. The Cu layer as the insert material may also be formed on the surface of the Cu 6 Sn 5 layer formed on the surface of the Cu 3 Sn layer after heating.
本発明の上記２つの製造方法において、加圧状態での加熱後、上記成膜技術によりＳｎ層およびＣｕ層を交互に積層することもできる。ただし、製造工程の簡便性の観点から、上記のような成膜によるＳｎ層およびＣｕ層は、それぞれ２層以下であってもよく、それぞれ１層（例えば、Ｃｕ材／Ｃｕ3Ｓｎ層／Ｃｕ6Ｓｎ5層／成膜によるＳｎ層／成膜によるＣｕ層）であってもよい。なお、加圧状態での加熱後、Ｓｎ層およびＣｕ層を交互に積層する場合において、最初に形成されたＣｕ層以降の層（Ｓｎ層を含む。）は、インサート材とする。つまり、そのような積層を有する複合Ｃｕ材は、インサート材付きの複合Ｃｕ材と言える。 In the above two manufacturing methods of the present invention, after heating under pressure, the Sn layer and the Cu layer can be alternately laminated by the above film formation technique. However, from the viewpoint of the simplicity of the manufacturing process, the Sn layer and the Cu layer formed by the above film formation may each be two layers or less, or each may be one layer (for example, Cu material/Cu 3 Sn layer/Cu 6 Sn 5 layer/Sn layer by film formation/Cu layer by film formation). In addition, when the Sn layer and the Cu layer are alternately laminated after heating under pressure, the layer (including the Sn layer) after the first formed Cu layer is an insert material. In other words, a composite Cu material having such a laminate can be said to be a composite Cu material with an insert material.
「接合体の製造方法」
本発明の複合Ｃｕ材を利用した接合体の製造方法は、複合Ｃｕ材を接合部位に有する部材Ａと、他のＣｕ材を接合部位に有する部材Ｂとを準備し、複合Ｃｕ材が有するＣｕ3Ｓｎ層と上記他のＣｕ材との間にインサート材を挟んだ状態で、部材Ａおよび部材Ｂの接合部分を加熱して、部材Ａおよび部材Ｂを接合した接合体を得ることを含む。ここで、インサート材は、単独でまたは複合Ｃｕ材の表層部と一緒になって、Ｃｕ－Ｓｎ基化合物を生成可能な材料である。
"Method of manufacturing a joint body"
The method for producing a joint using the composite Cu material of the present invention includes preparing a member A having the composite Cu material at a joint portion and a member B having another Cu material at a joint portion, and, in a state in which an insert material is sandwiched between a Cu 3 Sn layer of the composite Cu material and the other Cu material, heating the joint portion of the members A and B to obtain a joint in which the members A and B are joined. Here, the insert material is a material capable of generating a Cu-Sn-based compound alone or together with a surface layer portion of the composite Cu material.
本発明の複合Ｃｕ材を利用した接合体の製造方法では、複合Ｃｕ材を表面に有する部材同士を接合することも、一方の部材が、複合Ｃｕ材を表面に有する部材であり、他方の部材が、通常のＣｕ材を表面に有する部材であることもできる。熱安定性に優れた接合を得るという観点から、接合対象の両方の部材が本発明の複合Ｃｕ材をそれぞれ有し、複合Ｃｕ材同士を接合することが好ましい。このとき、１つの複合Ｃｕ材が有するＣｕ材が上記「他方のＣｕ材」に相当する。複合Ｃｕ材同士を接合する場合、本発明の複合Ｃｕ材を利用した接合体の製造方法は、部材Ａが有する第１の複合Ｃｕ材中のＣｕ3Ｓｎ層と、部材Ｂが有する第２の複合Ｃｕ材中のＣｕ3Ｓｎ層との間にインサート材を挟んだ状態で、部材Ａおよび部材Ｂの接合部分を加熱して、部材Ａと部材Ｂを接合した接合体を得ることを含む。 In the manufacturing method of the joint using the composite Cu material of the present invention, members having a composite Cu material on the surface can be joined together, or one member can be a member having a composite Cu material on the surface and the other member can be a member having a normal Cu material on the surface. From the viewpoint of obtaining a joint with excellent thermal stability, it is preferable that both members to be joined have the composite Cu material of the present invention, and the composite Cu materials are joined together. In this case, the Cu material of one composite Cu material corresponds to the above-mentioned "other Cu material". When joining composite Cu materials together, the manufacturing method of the joint using the composite Cu material of the present invention includes heating the joint parts of the members A and B in a state where an insert material is sandwiched between the Cu 3 Sn layer in the first composite Cu material of the member A and the Cu 3 Sn layer in the second composite Cu material of the member B, to obtain a joint in which the members A and B are joined together.
本発明の複合Ｃｕ材を利用した接合体の製造方法において、部材Ａが、電子部品または実装基板であり、部材Ｂが、実装基板または電子部品であり、接合体が、それらの電子部品および実装基板が互いに接合した電子部品実装基板であり得る。複合Ｃｕ材同士を接合する場合、複合Ｃｕ材を接合部位に有する部材Ａは、複合Ｃｕ材を接合部位に有する電子部品であり、複合Ｃｕ材を接合部位に有する部材Ｂは、複合Ｃｕ材を接合部位に有する実装基板であり、接合体は、それらの電子部品および実装基板が互いに接合した電子部品実装基板であり得る。 In the method for manufacturing a bonded body using the composite Cu material of the present invention, member A can be an electronic component or a mounting board, member B can be a mounting board or an electronic component, and the bonded body can be an electronic component mounting board in which the electronic component and the mounting board are bonded to each other. When bonding composite Cu materials together, member A having the composite Cu material at the bonding site can be an electronic component having the composite Cu material at the bonding site, member B having the composite Cu material at the bonding site can be a mounting board having the composite Cu material at the bonding site, and the bonded body can be an electronic component mounting board in which the electronic component and the mounting board are bonded to each other.
本発明の接合体の製造方法において、接合体は、電子部品および実装基板の接合体であり、複合Ｃｕ材は、電子部品のＣｕ電極または実装基板のＣｕ配線の少なくとも一部であり得る。特に、上記製造方法において、第１の複合Ｃｕ材が、電子部品のＣｕ電極の少なくとも一部であり、第２の複合Ｃｕ材が、実装基板のＣｕ配線の少なくとも一部であることが好ましい。これにより、接合体として、電子部品および実装基板の接合体である電子部品実装基板が得られる。 In the manufacturing method of the bonded body of the present invention, the bonded body is a bonded body of an electronic component and a mounting board, and the composite Cu material can be at least a part of the Cu electrode of the electronic component or the Cu wiring of the mounting board. In particular, in the above manufacturing method, it is preferable that the first composite Cu material is at least a part of the Cu electrode of the electronic component, and the second composite Cu material is at least a part of the Cu wiring of the mounting board. This results in an electronic component mounting board, which is a bonded body of an electronic component and a mounting board, being obtained as the bonded body.
インサート材は、上記のとおりＣｕ－Ｓｎ基化合物を生成し、接合層を形成する。接合層に含まれるＣｕ－Ｓｎ基化合物は、ＣｕおよびＳｎの総量が主成分（例えば５０質量％以上）である化合物であり、はんだ材料として通常使用されているＢｉ、Ａｇ、ＺｎおよびＩｎなどの他の成分を含み得る。Ｃｕ－Ｓｎ基化合物は、ＣｕおよびＳｎからなるＣｕ－Ｓｎ系ＩＭＣであることが好ましい。インサート材は、複合Ｃｕ材の表層部の材料を考慮しながら、例えば下記１～３のとおり適宜選択される。 The insert material produces a Cu-Sn-based compound as described above, and forms a bonding layer. The Cu-Sn-based compound contained in the bonding layer is a compound in which the total amount of Cu and Sn is the main component (e.g., 50 mass% or more), and may contain other components such as Bi, Ag, Zn, and In that are commonly used as solder materials. The Cu-Sn-based compound is preferably a Cu-Sn-based IMC consisting of Cu and Sn. The insert material is appropriately selected, for example, as shown in 1 to 3 below, taking into consideration the material of the surface layer of the composite Cu material.
＜１．ＣｕおよびＳｎの熱拡散による接合＞
複合Ｃｕ材の表層部の材料がＣｕ3Ｓｎである場合には、例えば、Ｃｕ材料とＳｎ材料を３：１のモル比で含有するインサート材や、Ｃｕ3Ｓｎ粒子を含むインサート材を使用できる。これらのインサート材を用いることで、インサート材単独でＣｕ3Ｓｎからなる接合層を形成できる。インサート材はペースト状でもよい。上記Ｃｕ材料およびＳｎ材料の供給源としては、Ｃｕ箔、複合Ｃｕ材表面に予め設けられたＣｕ層、Ｃｕ粒子、Ｓｎ箔、Ｓｎ粒子、および、Ｃｕ粒子をＳｎ膜で被覆したＣｕコア－Ｓｎシェル粒子などが挙げられる。
<1. Bonding by thermal diffusion of Cu and Sn>
When the material of the surface layer of the composite Cu material is Cu 3 Sn, for example, an insert material containing Cu material and Sn material in a molar ratio of 3:1 or an insert material containing Cu 3 Sn particles can be used. By using these insert materials, a bonding layer made of Cu 3 Sn can be formed by the insert material alone. The insert material may be in a paste form. Sources of the Cu material and Sn material include Cu foil, a Cu layer previously provided on the surface of the composite Cu material, Cu particles, Sn foil, Sn particles, and Cu core-Sn shell particles in which Cu particles are covered with a Sn film.
複合Ｃｕ材の表層部の材料がＳｎである場合には、例えば、Ｃｕ材料を含有するインサート材を使用できる。この場合、インサート材と表層部のＳｎとが一緒になってＣｕ3Ｓｎからなる接合層が形成される。即ち、インサート材中のＣｕが表層部のＳｎ内に拡散したり表層部のＳｎがインサート材中のＣｕに拡散したりする等により、Ｃｕ3Ｓｎが生成する。インサート材はペースト状でもよい。この際、Ｃｕ材料中のＣｕと、複合Ｃｕ材の表層部のＳｎ材料中のＳｎとのモル比が３：１となるように、Ｃｕ材料の量を調整することが好ましい。なお、全体としてＣｕとＳｎのモル比が３：１となるのであれば、インサート材にＳｎ材料が含まれていてもよい。上記Ｃｕ材料およびＳｎ材料の供給源としては、Ｃｕ箔、複合Ｃｕ材表面に予め設けられたＣｕ層、Ｃｕ粒子、Ｓｎ箔、Ｓｎ粒子、および、Ｃｕ粒子をＳｎ膜で被覆したＣｕコア－Ｓｎシェル粒子などが挙げられる。この場合、複合Ｃｕ材のＣｕ3Ｓｎ層上に予めＳｎ層が存在するため、Ｃｕ3Ｓｎ層とＳｎ層の密着性が高く、熱安定性に優れた接合が行える。 When the material of the surface layer of the composite Cu material is Sn, for example, an insert material containing a Cu material can be used. In this case, the insert material and the Sn of the surface layer are combined to form a bonding layer made of Cu 3 Sn. That is, Cu in the insert material diffuses into the Sn of the surface layer, or Sn of the surface layer diffuses into Cu in the insert material, thereby generating Cu 3 Sn. The insert material may be in a paste form. In this case, it is preferable to adjust the amount of Cu material so that the molar ratio of Cu in the Cu material and Sn in the Sn material of the surface layer of the composite Cu material is 3:1. Note that the insert material may contain a Sn material as long as the molar ratio of Cu and Sn is 3:1 overall. Sources of the Cu material and Sn material include Cu foil, a Cu layer previously provided on the surface of the composite Cu material, Cu particles, Sn foil, Sn particles, and Cu core-Sn shell particles in which Cu particles are covered with a Sn film. In this case, since the Sn layer is already present on the Cu 3 Sn layer of the composite Cu material, the adhesion between the Cu 3 Sn layer and the Sn layer is high, and a bond with excellent thermal stability can be obtained.
＜２．低融点Ｓｎ合金を用いた接合＞
複合Ｃｕ材の表層部の材料がＣｕ3Ｓｎである場合に、２つのＣｕ3Ｓｎ層の間に、Ｓｎ－Ｂｉ合金のような低融点Ｓｎ合金とＣｕのインサート材を挟んだ状態で加熱する。これにより低融点Ｓｎ合金を溶融させ、その状態でＣｕとの拡散を生じさせてＣｕ－Ｓｎ基化合物からなる接合層を生成させる。このように、接合層の形成に際し、インサート材を溶融状態とすることで、本発明の複合Ｃｕ材中のＣｕ3Ｓｎ層と加圧なしで接合することができる。
<2. Joining using low melting point Sn alloy>
When the material of the surface layer of the composite Cu material is Cu 3 Sn, a low melting point Sn alloy such as a Sn-Bi alloy and an insert material of Cu are sandwiched between two Cu 3 Sn layers and heated. This melts the low melting point Sn alloy, which then diffuses with Cu in this state to form a bonding layer made of a Cu-Sn-based compound. In this way, by bringing the insert material into a molten state when forming the bonding layer, it is possible to bond it to the Cu 3 Sn layer in the composite Cu material of the present invention without applying pressure.
＜３．Ｃｕ6Ｓｎ5層を介した接合＞
複合Ｃｕ材の表層部の材料がＣｕ6Ｓｎ5である場合には、例えば、Ｃｕ材料を含有するインサート材を使用できる。インサート材とこの表層部のＣｕ6Ｓｎ5が一緒になってＣｕ3Ｓｎからなる接合層が形成される。即ち、インサート材中のＣｕが、ＳｎリッチのＣｕ6Ｓｎ5内に拡散したり、Ｃｕ6Ｓｎ5中のＳｎがインサート材中のＣｕに拡散したりする等により、Ｃｕ3Ｓｎが生成する。インサート材はペースト状でもよい。この際、上記表層部（Ｃｕ6Ｓｎ5）および上記Ｃｕ材料中の合計のＣｕと、上記表層部中のＳｎとのモル比が３：１となるように、Ｃｕ材料の量を調整することが好ましい。なお、全体としてＣｕとＳｎのモル比が３：１となるのであれば、インサート材にＳｎ材料が含まれていてもよい。上記Ｃｕ材料およびＳｎ材料の供給源としては、上記１．の場合と同様である。
<3. Bonding via Cu6Sn5 layer >
When the material of the surface layer of the composite Cu material is Cu 6 Sn 5 , for example, an insert material containing a Cu material can be used. The insert material and the Cu 6 Sn 5 of the surface layer are combined to form a bonding layer made of Cu 3 Sn. That is, Cu in the insert material diffuses into the Sn-rich Cu 6 Sn 5 , or Sn in the Cu 6 Sn 5 diffuses into the Cu in the insert material, thereby generating Cu 3 Sn. The insert material may be in a paste form. In this case, it is preferable to adjust the amount of Cu material so that the molar ratio of the total Cu in the surface layer (Cu 6 Sn 5 ) and the Cu material to the Sn in the surface layer is 3:1. Note that the insert material may contain a Sn material as long as the molar ratio of Cu to Sn is 3:1 overall. The supply sources of the Cu material and Sn material are the same as those in the above 1.
接合体の製造方法における加熱は、例えばホットプレスなどの加熱装置を用いて加熱したり、電気炉を用いて錘を載せた状態で加熱したりして行うことができる。加熱温度および加熱時間は、複合Ｃｕ材の表層部の材料および結合層の構成などにより、適宜調整される。加熱温度は、例えば２００～４００℃であり、２１０～３７０℃であってもよく、２２０～３５０℃であってもよい。加熱時間は、例えば１０ｍｉｎ～５０ｈであり、２０ｍｉｎ～２５ｈであってもよく、２５ｍｉｎ～１５ｈであってもよい。 The heating in the manufacturing method of the bonded body can be performed, for example, by using a heating device such as a hot press, or by using an electric furnace to heat with a weight placed on it. The heating temperature and heating time are adjusted as appropriate depending on the material of the surface layer of the composite Cu material and the composition of the bonding layer. The heating temperature is, for example, 200 to 400°C, or may be 210 to 370°C, or may be 220 to 350°C. The heating time is, for example, 10 min to 50 h, or may be 20 min to 25 h, or may be 25 min to 15 h.
接合体の製造方法において、必要に応じて、複合Ｃｕ材を加圧しながら加熱してもよい。これにより、ＣｕおよびＳｎの拡散を利用する際に、その拡散を促進することができる。このときの加圧力は、例えば１ｋＰａ～５ＭＰａである。加圧力は、５ｋＰａ～３ＭＰａであってもよく、１０ｋＰａ～１ＭＰａであってもよい。但し、第１の複合Ｃｕ材が、電子部品のＣｕ電極の少なくとも一部であり、第２の複合Ｃｕ材が、実装基板のＣｕ配線の少なくとも一部である場合、特に電子部品の耐熱性および耐圧性を考慮して、温度および圧力を選択することが適当である。 In the method for manufacturing the bonded body, the composite Cu material may be heated while being pressurized, if necessary. This can promote the diffusion of Cu and Sn when the diffusion is utilized. The pressure applied at this time is, for example, 1 kPa to 5 MPa. The pressure may be 5 kPa to 3 MPa, or 10 kPa to 1 MPa. However, when the first composite Cu material is at least a part of the Cu electrode of the electronic component and the second composite Cu material is at least a part of the Cu wiring of the mounting board, it is appropriate to select the temperature and pressure, taking into consideration the heat resistance and pressure resistance of the electronic component in particular.
複合Ｃｕ材が、その表面にＳｎ層やＣｕ6Ｓｎ5層を有する場合には、接合時に、接合層を生成するため、それらの層の大部分またはすべて消費されることが好ましく、接合後、接合部に残らないことが好ましい。 When the composite Cu material has a Sn layer or a Cu6Sn5 layer on its surface, it is preferable that most or all of these layers are consumed during joining to produce a joining layer, and that they do not remain in the joint after joining.
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。したがって、本発明の範囲は、以下に示す具体例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples. The materials, amounts used, ratios, processing contents, processing procedures, etc. shown in the examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the specific examples shown below.
「１．複合Ｃｕ材の製造方法（Ｓｎめっき層あり）」
Ｃｕ材としてＣｕ線（直径０．５ｍｍ）およびＣｕ板（１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ）を用いた。これらのＣｕ材の表面に電解めっき法によりＳｎめっき層を形成し、そのＳｎ層付きＣｕ材を加圧用粉末に埋没させた状態で加圧しながら加熱処理を施して、複合Ｃｕ材を得た。めっき条件および加圧加熱条件のうち、サンプルごとに変えた条件は表１のとおりであり、各工程の具体的な手順は下記のとおりである。なお、サンプル１２では、加熱処理の後、１回目の条件と同じ条件で、もう一度めっき処理を施して、複合Ｃｕ材の表面をＳｎめっき層とした（つまり、めっき処理→加熱処理→めっき処理）。
As the Cu materials, a Cu wire (diameter 0.5 mm) and a Cu plate (10 mm x 10 mm, thickness 0.3 mm) were used. An Sn plating layer was formed on the surface of these Cu materials by electrolytic plating, and the Cu materials with the Sn layer were embedded in a powder for pressing and subjected to a heat treatment while being pressed to obtain a composite Cu material. The plating conditions and pressurizing and heating conditions that were changed for each sample are as shown in Table 1, and the specific procedures for each step are as follows. In addition, in sample 12, after the heat treatment, a plating treatment was performed again under the same conditions as the first time, and the surface of the composite Cu material was made into a Sn plating layer (i.e., plating treatment → heat treatment → plating treatment).
＜１－１．Ｃｕ材へのＳｎめっき処理＞
各サンプルのＣｕ材表面の酸化被膜を除去した後に、１．６ｍｏｌ／ＬのＨＣｌからなるめっき溶液またはＳｎＳＯ4を含む下記のめっき溶液を用いてＣｕ材にＳｎの電解めっきを施した。その際、陽極として、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０.５Ｃｕ系はんだ（ＳＡＣはんだ）またはＳｎ箔を使用し、陰極として、めっきを施すＣｕ材を使用した。電源には、ポテンショスタット／ガルバノスタットを使用した。めっき時の電流密度は２０ｍＡ／ｃｍ2とし、目標めっき厚は２０μｍとした。
・ＳｎＳＯ4を含むめっき溶液
・・ＳｎＳＯ4 ０．１８６ｍｏｌ／Ｌ
・・硫酸 ０．６１２ｍｏｌ／Ｌ
・・ｏ－クレゾール－４－スルホン酸 ０．３１９ｍｏｌ／Ｌ
・・ゼラチン ２ｇ／Ｌ
・・β－ナフトール ３．４７×１０-3ｍｏｌ／Ｌ
<1-1. Sn plating treatment on Cu material>
After removing the oxide film on the Cu material surface of each sample, the Cu material was electroplated with Sn using a plating solution consisting of 1.6 mol/L HCl or the following plating solution containing SnSO4 . In this case, Sn-3.0Ag-0.5Cu solder (SAC solder) or Sn foil was used as the anode, and the Cu material to be plated was used as the cathode. A potentiostat/galvanostat was used as the power source. The current density during plating was 20 mA/ cm2 , and the target plating thickness was 20 μm.
・Plating solution containing SnSO4・・SnSO4 0.186 mol/L
・・Sulfuric acid 0.612mol/L
o-cresol-4-sulfonic acid 0.319 mol/L
Gelatin 2g/L
β-naphthol 3.47×10 -3 mol/L
図２は、ＳｎＳＯ4を含むめっき溶液を用いたＳｎめっき層付きＣｕ線の断面写真であり、図３は、各めっき溶液によるめっき処理を経たＳｎめっき層付きＣｕ線の断面のＳＥＭ画像である。ＳｎＳＯ4を含むめっき溶液を用いた場合には、Ｓｎめっき層表面の凹凸が小さく、均一性の高い厚さのＳｎめっき層が形成されていた。ＨＣｌめっき溶液を用いた場合には、ＳｎＳＯ4を含むめっき溶液を用いた場合に比べて、表面の凹凸が大きく、Ｓｎめっき層の厚さが薄かった。 Fig. 2 is a cross-sectional photograph of a Cu wire with a Sn plating layer using a plating solution containing SnSO4 , and Fig. 3 is a SEM image of the cross section of a Cu wire with a Sn plating layer after plating with each plating solution. When a plating solution containing SnSO4 was used, the Sn plating layer had small surface irregularities and was formed with a highly uniform thickness. When an HCl plating solution was used, the surface irregularities were large and the Sn plating layer was thinner than when a plating solution containing SnSO4 was used.
＜１－２．加熱処理前の準備＞
図４に示すような加熱処理用の型を用意した。この型は、その中に詰められた材料の上に蓋を載せて荷重をかけることにより、その材料に対して加圧を行えるようになっている。この型に加圧用粉末（Ｃ粉末、Ｃｕ粉末またはＳｎ粉末）を詰め、上記の工程を経たＣｕ材をこの粉末中に埋没させ、粉末の上から荷重をかけるように蓋を置いた。これにより、粉末中のＣｕ材に等方的に圧力をかけることができる。加圧力は、蓋の上に錘を載せることで調整した。Ｃ粉末およびＳｎ粉末の物性は下記のとおりである。
・Ｃ粉末：直径１０μｍ、長さ２００μｍのファイバー状、三菱ケミカル株式会社製、Ｋ２２３ＨＭ。
・Ｃｕ粉末：株式会社ニラコ製、ＣＵ－１１４１１１。
・Ｓｎ粉末：小宗化学薬品株式会社製、試薬・最純。
<1-2. Preparation before heat treatment>
A mold for heat treatment as shown in FIG. 4 was prepared. This mold is designed to apply pressure to the material packed therein by placing a lid on the material and applying a load. The mold was filled with powder for pressing (C powder, Cu powder, or Sn powder), the Cu material that had undergone the above process was buried in the powder, and a lid was placed on top of the powder to apply a load. This allows isotropic pressure to be applied to the Cu material in the powder. The pressure was adjusted by placing a weight on the lid. The physical properties of the C powder and the Sn powder are as follows:
C powder: fibrous shape with a diameter of 10 μm and a length of 200 μm, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, K223HM.
Cu powder: CU-114111, manufactured by Nilaco Corporation.
Sn powder: Reagent/high purity, manufactured by Komune Chemical Co., Ltd.
＜１－３．Ｃｕ3Ｓｎ層を生成するための加熱処理＞
蓋の上に錘を載せた状態で、Ｓｎ層付きＣｕ材を入れた型を大気雰囲気中の電気炉に配置し、サンプルごとに表１に示す条件で加熱処理を実施した。
<1-3. Heat treatment for producing Cu 3 Sn layer>
With a weight placed on the lid, the mold containing the Cu material with the Sn layer was placed in an electric furnace in an air atmosphere, and a heat treatment was performed for each sample under the conditions shown in Table 1.
＜１－４．結果＞
図５に、加熱処理後の各サンプルの断面写真を示す。図中の点線で囲まれた各領域は、Ｃｕ成分が残った領域を示す。エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）によるＣｕ線断面の分析を行ったところ、いずれのサンプルでも、その領域の外側にＣｕ3Ｓｎ層が形成できていた。
<1-4. Results>
Figure 5 shows cross-sectional photographs of each sample after heat treatment. The regions surrounded by dotted lines in the figure indicate the areas where the Cu component remained. When the Cu line cross sections were analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), a Cu3Sn layer was formed outside the regions in each sample.
例えば、図６Ａは、サンプル９（Ｃｕ線）のＣｕ線断面のＳＥＭ画像を示し、図６Ａ中の右の画像は、左の画像中の領域Ａの拡大画像である。ＥＤＳ分析は、図６Ａ中の１～３の測定箇所で行った。図６Ｂは、測定箇所１におけるＥＤＳ分析の結果を示し、図６Ｃは、測定箇所２および３におけるＥＤＳ分析の結果を示す。なお、酸素原子含量が多い領域は、測定用樹脂が存在する領域である。図６Ｂおよび図６Ｃに示されるように、いずれの箇所においても、ＳｎＯ2分を除いたＣｕおよびＳｎの存在比は概ね３：１であり、Ｃｕ－Ｓｎ系ＩＭＣとしてはＣｕ3Ｓｎのみが生成し、Ｃｕ6Ｓｎ5は生成していなかった。Ｃｕ3Ｓｎ層の厚さは約４５μｍであった。 For example, FIG. 6A shows an SEM image of the Cu wire cross section of sample 9 (Cu wire), and the right image in FIG. 6A is an enlarged image of region A in the left image. EDS analysis was performed at measurement points 1 to 3 in FIG. 6A. FIG. 6B shows the results of EDS analysis at measurement point 1, and FIG. 6C shows the results of EDS analysis at measurement points 2 and 3. The region with a high oxygen atom content is the region where the resin for measurement exists. As shown in FIG. 6B and FIG. 6C, the abundance ratio of Cu and Sn excluding SnO 2 was approximately 3:1 at each point, and only Cu 3 Sn was generated as Cu-Sn-based IMC, and Cu 6 Sn 5 was not generated. The thickness of the Cu 3 Sn layer was about 45 μm.
また、サンプル１１（Ｃｕ板）のＥＤＳ分析においても、Ｃｕ－Ｓｎ系ＩＭＣとしてＣｕ3Ｓｎのみが生成していることを確認した。Ｃｕ3Ｓｎ層の厚さは約２５μｍであった。 Furthermore, EDS analysis of Sample 11 (Cu plate) also confirmed that only Cu 3 Sn was formed as the Cu--Sn IMC, and the thickness of the Cu 3 Sn layer was about 25 μm.
「２．複合Ｃｕ材の製造方法（Ｓｎめっき層なし）」
Ｃｕ材としてＣｕ線（直径０．５ｍｍ）を用いた。このＣｕ線をＳｎ粉末に埋没させた状態で、加熱処理を施して、複合Ｃｕ材を得た。具体的な手順は下記のとおりである。
"2. Manufacturing method of composite Cu material (without Sn plating layer)"
A Cu wire (diameter 0.5 mm) was used as the Cu material. The Cu wire was embedded in Sn powder and subjected to a heat treatment to obtain a composite Cu material. The specific procedure is as follows.
＜２－１．加熱処理前の準備＞
図４に示すものと同様の加熱用型を用意し、この型の中にＳｎ粉末を詰め、表面の酸化被膜を除去したＣｕ線をこの粉末中に埋没させ、粉末の上から荷重をかけるように蓋を置いた。これにより、粉末中のＣｕ線に等方的に圧力をかけることができる。このときの加圧力は６２ｋＰａとした。加圧力は、蓋の上に錘を載せることで調整した。Ｓｎ粉末の物性は前述のものと同一である。
<2-1. Preparation before heat treatment>
A heating mold similar to that shown in FIG. 4 was prepared, Sn powder was packed in the mold, a Cu wire with the oxide film removed from the surface was buried in the powder, and a lid was placed on top of the powder so that a load was applied. This allows isotropic pressure to be applied to the Cu wire in the powder. The pressure was set to 62 kPa. The pressure was adjusted by placing a weight on the lid. The physical properties of the Sn powder were the same as those described above.
＜２－２．Ｃｕ3Ｓｎ層を生成するための加熱処理＞
蓋の上に錘を載せた状態で、Ｃｕ材を入れた型を大気雰囲気中の電気炉に配置し、３００℃および１８ｈの条件で加熱処理を実施した。
<2-2. Heat treatment for generating Cu 3 Sn layer>
With a weight placed on the lid, the mold containing the Cu material was placed in an electric furnace in an air atmosphere, and a heat treatment was carried out at 300° C. for 18 hours.
＜２－３．結果＞
図７は、加熱処理後のサンプルの断面図（ａ横断面、ｂ縦断面）を示す。図中の点線の上側領域は、Ｃｕ成分が残った領域を示す。ＥＤＳによるＣｕ線断面の分析を行ったところ、その領域の外側にＣｕ3Ｓｎ層が形成できていた。
2-3. Results
7 shows cross-sectional views (a: horizontal cross section, b: vertical cross section) of the sample after heat treatment. The area above the dotted line in the figure shows the area where the Cu component remained. When the Cu line cross section was analyzed by EDS, it was found that a Cu 3 Sn layer had formed outside the area.
「３．複合Ｃｕ材の接合を使用した接合体の製造方法」
表１に示したサンプル１１（Ｃｕ3Ｓｎ層が最表面である。）と同様の条件で作製した複合Ｃｕ材を２つ用意し、これらの接合を実施した。図８は、２つの複合Ｃｕ材を接合する際の様子を示す接合部概略断面図である。各複合Ｃｕ材表面のＣｕ3Ｓｎ層の間にＣｕ箔およびＳｎ箔を挟み（図８）、加圧力３０ｋＰａ、温度２３０℃および時間１ｈの条件の下、これらのサンプルを加熱した。ここで、Ｃｕ箔におけるＣｕモル量と、２つのＳｎ箔の合計のＳｎモル量とが、３：１となるように、Ｃｕ箔およびＳｎ箔のそれぞれの厚さを調整した。このように、Ｃｕ3Ｓｎ層の間でＳｎおよびＣｕの熱拡散を促すことにより、それらの層の間に新たなＣｕ－Ｓｎ系ＩＭＣ（特にＣｕ3Ｓｎ）の層（接合層）を生成させ、上下のＣｕ3Ｓｎ層を接合して、２つの複合Ｃｕ材が接合された接合体を得た。この接合体は、２００℃以上の温度下でも充分な接合強度を有していた。
"3. Manufacturing method of a joint using composite Cu material joint"
Two composite Cu materials were prepared under the same conditions as sample 11 (the Cu 3 Sn layer is the outermost surface) shown in Table 1, and these were joined. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the joint showing the state when two composite Cu materials are joined. Cu foil and Sn foil were sandwiched between the Cu 3 Sn layers on the surface of each composite Cu material (FIG. 8), and these samples were heated under conditions of a pressure of 30 kPa, a temperature of 230° C., and a time of 1 h. Here, the thicknesses of the Cu foil and the Sn foil were adjusted so that the molar amount of Cu in the Cu foil and the total molar amount of Sn in the two Sn foils were 3:1. In this way, by promoting the thermal diffusion of Sn and Cu between the Cu 3 Sn layers, a new layer (joint layer) of Cu-Sn IMC (especially Cu 3 Sn) was generated between those layers, and the upper and lower Cu 3 Sn layers were joined to obtain a joint in which two composite Cu materials were joined. This bonded body had sufficient bond strength even at temperatures of 200° C. or higher.
さらに、表１に示したサンプル１２（Ｓｎめっき層が最表面である。）と同様の条件で作製した複合Ｃｕ材を２つ用意し、これらの接合も実施した。各複合Ｃｕ材表面のＳｎめっき層の間にＣｕ箔を挟み（層構造としては図８の場合と同じ）、加圧力３０ｋＰａ、温度２３０℃および時間１ｈの条件の下、これらのサンプルを加熱した。ここで、Ｃｕ箔におけるＣｕモル量と、２つのＳｎめっき層の合計のＳｎモル量とが、３：１となるように、Ｃｕ箔およびＳｎめっき層のそれぞれの厚さを調整した。このように、Ｃｕ3Ｓｎ層の間でＳｎおよびＣｕの熱拡散を促すことにより、それらの層の間に新たなＣｕ－Ｓｎ系ＩＭＣ（特にＣｕ3Ｓｎ）の層（接合層）を生成させ、上下のＣｕ3Ｓｎ層を接合して、２つの複合Ｃｕ材が接合された接合体を得た。この接合体は、２００℃以上の温度下でも充分な接合強度を有していた。 Furthermore, two composite Cu materials were prepared under the same conditions as sample 12 (the Sn-plated layer is the outermost surface) shown in Table 1, and these were also bonded. A Cu foil was sandwiched between the Sn-plated layers on the surface of each composite Cu material (the layer structure is the same as that in FIG. 8), and these samples were heated under the conditions of a pressure of 30 kPa, a temperature of 230°C, and a time of 1 h. Here, the thicknesses of the Cu foil and the Sn-plated layer were adjusted so that the molar amount of Cu in the Cu foil and the total molar amount of Sn in the two Sn-plated layers were 3:1. In this way, by promoting the thermal diffusion of Sn and Cu between the Cu 3 Sn layers, a new layer (bonding layer) of Cu-Sn-based IMC (especially Cu 3 Sn) was generated between those layers, and the upper and lower Cu 3 Sn layers were bonded to obtain a bonded body in which two composite Cu materials were bonded. This bonded body had sufficient bonding strength even at temperatures of 200°C or higher.
１ 複合Ｃｕ材
３ 電子部品
５ 実装基板
７ 接合体
１０ａ～ｅ Ｃｕ材
１０ｆ Ｃｕ電極
１０ｇ Ｃｕ配線
２０ａ～ｆ Ｃｕ3Ｓｎ層
３０ｃ、３０ｅ Ｓｎ層
３５ 接合層
４０ｄ、４０ｅ Ｃｕ6Ｓｎ5層
REFERENCE SIGNS LIST 1 Composite Cu material 3 Electronic component 5 Mounting substrate 7 Bonded body 10a-e Cu material 10f Cu electrode 10g Cu wiring 20a-f Cu 3 Sn layer 30c, 30e Sn layer 35 Bonding layer 40d, 40e Cu 6 Sn 5 layer
Claims (18)
前記Ｃｕ3Ｓｎ層が複合Ｃｕ材の最外層である複合Ｃｕ材であって、
電子部品への接合または実装基板への接合に用いられる複合Ｃｕ材。 The present invention includes a Cu material and a Cu3Sn layer provided on at least a part of a surface of the Cu material,
The Cu3Sn layer is an outermost layer of the composite Cu material,
A composite Cu material used for bonding to electronic components or mounting boards.
前記Ｃｕ材の表面の少なくとも一部に設けたＣｕ3Ｓｎ層と、
前記Ｃｕ3Ｓｎ層の表面の少なくとも一部に設けたＣｕ6Ｓｎ5層とを含み、
前記Ｃｕ6Ｓｎ5層が複合Ｃｕ材の最外層である複合Ｃｕ材であって、
電子部品への接合または実装基板への接合に用いられる複合Ｃｕ材。 A Cu material,
A Cu3Sn layer provided on at least a part of the surface of the Cu material;
A Cu6Sn5 layer is provided on at least a part of the surface of the Cu3Sn layer,
The Cu6Sn5 layer is an outermost layer of the composite Cu material,
A composite Cu material used for bonding to electronic components or mounting boards.
前記Ｃｕ材の表面の少なくとも一部に設けたＣｕ3Ｓｎ層と、
前記Ｃｕ3Ｓｎ層の表面の少なくとも一部に設けた、Ｓｎ層およびＣｕ6Ｓｎ5層の少なくとも１つの層と、
前記Ｓｎ層およびＣｕ6Ｓｎ5層の少なくとも１つの層の表面に設けたＣｕ層とを含む複合Ｃｕ材であって、
電子部品への接合または実装基板への接合に用いられる複合Ｃｕ材。 A Cu material,
A Cu3Sn layer provided on at least a part of the surface of the Cu material;
At least one layer selected from the group consisting of a Sn layer and a Cu6Sn5 layer provided on at least a portion of the surface of the Cu3Sn layer;
A composite Cu material including a Cu layer provided on a surface of at least one of the Sn layer and the Cu6Sn5 layer,
A composite Cu material used for bonding to electronic components or mounting boards.
表面の少なくとも一部にＳｎ層を有するＣｕ材を加圧状態で加熱して前記複合Ｃｕ材を得ること、を含む複合Ｃｕ材の製造方法。 A method for producing a composite Cu material including a Cu material and a Cu3Sn layer provided on at least a part of a surface of the Cu material , the composite Cu material being used for bonding to an electronic component or a mounting board , comprising:
and heating a Cu material having a Sn layer on at least a portion of its surface under pressure to obtain the composite Cu material.
Ｃｕ材の表面の少なくとも一部とＳｎ材料が接触した状態で前記Ｃｕ材およびＳｎ材料を加圧および加熱して、前記複合Ｃｕ材を得ること、を含む複合Ｃｕ材の製造方法。 A method for producing a composite Cu material including a Cu material and a Cu3Sn layer provided on at least a part of a surface of the Cu material , the composite Cu material being used for bonding to an electronic component or a mounting board , comprising:
and applying pressure and heat to the Cu material and the Sn material while the Cu material is in contact with at least a portion of a surface of the Cu material, to obtain the composite Cu material.
前記複合Ｃｕ材が有するＣｕ3Ｓｎ層と前記他のＣｕ材との間にインサート材を挟んだ状態で、前記部材Ａおよび前記部材Ｂの接合部分を加熱して、前記部材Ａおよび前記部材Ｂを接合した接合体を得ることを含み、
前記インサート材が、単独でまたは前記複合Ｃｕ材の表層部と一緒になって、Ｃｕ－Ｓｎ基化合物を生成可能な材料である、接合体の製造方法。 A member A having a composite Cu material at a joining portion, the composite Cu material including a Cu material and a Cu 3 Sn layer provided on at least a part of a surface of the Cu material, and a member B having another Cu material at a joining portion are prepared;
and heating a joint portion between the member A and the member B in a state in which an insert material is sandwiched between a Cu 3 Sn layer of the composite Cu material and the other Cu material, thereby obtaining a joint body in which the member A and the member B are joined together;
The method for producing a joined body, wherein the insert material is a material capable of generating a Cu-Sn based compound, either alone or together with a surface layer portion of the composite Cu material.
前記部材Ｂが、実装基板または電子部品であり、
前記接合体が、電子部品および実装基板が互いに接合した電子部品実装基板である、請求項１７に記載の製造方法。 The member A is an electronic component or a mounting board,
The member B is a mounting board or an electronic component,
The manufacturing method according to claim 17 , wherein the bonded body is an electronic component mounting board in which an electronic component and a mounting board are bonded to each other.
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