金属粒子制造技术

本发明专利技术提供比以往技术具有更高的耐热性、接合强度和机械强度、并且能够将热膨胀率不同的元件和部件彼此之间可靠性良好地接合的金属粒子。本发明专利技术通过下述的金属粒子而解决了上述课题，所述金属粒子的特征在于，在含有Sn和Sn-Cu合金的母相(140)中具有由Sn、Cu和Ni形成的金属间化合物(120)，其中，所述母相和所述金属间化合物的至少一部分进行了内延接合。属间化合物的至少一部分进行了内延接合。属间化合物的至少一部分进行了内延接合。

【技术实现步骤摘要】
金属粒子


[0001]本专利技术涉及金属粒子。

技术介绍

[0002]在IoT(物联网；Internet of Things)的发展和要求进一步节能的过程中，担负其技术核心的功率半导体的重要性日益增加。可是，对其的有效利用还存在许多课题。功率半导体由于要处理高电压、大电流的大电力，所以会发出大量热而变为高温。目前的Si功率半导体所要求的耐热性可应对约175℃左右的温度，能耐受约200℃的温度的Si功率半导体的开发正在进行，另外，SiC和GaN等下一代的功率半导体要求能耐受250～500℃。
[0003]为了提高耐热性，在散热性优良的Cu基板上接合元件和部件的方法是最好的，但存在下述问题点：由于热膨胀率的不同，导致元件和部件被破坏、或接合部的接合材发生破损。因此，目前使用的是与元件和部件的热膨胀率相匹配的昂贵的陶瓷基板，需要加以改善。
[0004]另一方面，说到接合材，具有上述那样的SiC和GaN等下一代的功率半导体所要求的高耐热性的接合材还不存在。
[0005]例如，专利文献1中公开的SnAgCu系接合材(粉末焊锡材料)只不过能够适用于应对大约125℃左右的功率半导体，不能适用于下一代的功率半导体。
[0006]为了使功率半导体充分发挥性能，必须防止热膨胀率不同的物质彼此之间接合，防止上述那样的元件和部件的破坏或接合部的接合材的破损。如果投入具有上述那样的高耐热性和高可靠性、并且不使用铅之类环境污染物的接合材，则可以预测使用功率半导体的电力电子产业会飞跃性地发展。
[0007]另一方面，本申请人在专利文献2中提出了下述的金属粒子：其由外壳和芯部构成，所述芯部含有金属或合金，所述外壳由金属间化合物的网状构成、并覆盖所述芯部，所述芯部含有Sn或Sn合金，所述外壳含有Sn与Cu的金属间化合物。由该金属粒子形成的接合部即使在长时间内持续高温工作状态的情况下，以及在伴有从高温工作状态向低温停止状态的大的温度变动等严酷环境下使用的情况下，也能够长期维持高的耐热性、接合强度和机械强度。
[0008]可是，专利文献2中公开的金属粒子由于具有外壳和芯部这2层结构，并且外壳的金属间化合物介于接合对象物之间，因而能控制与Cu及其它接合对象物的扩散，从而抑制柯肯达尔孔洞的发生，但还没达到能够将热膨胀率不同的元件和部件彼此之间可靠性良好地接合的地步。
[0009]现有技术文献
[0010]专利文献
[0011]专利文献1：日本特开2007-268569号公报
[0012]专利文献2：日本特许第6029222号公报

技术实现思路

[0013]专利技术所要解决的课题
[0014]因此，本专利技术的目的是提供比以往技术具有更高的耐热性、接合强度和机械强度、并且能够将热膨胀率不同的元件和部件彼此之间可靠性良好地接合的金属粒子。
[0015]用于解决课题的手段
[0016]本专利技术者反复进行了深入研究，结果发现，通过在特定的母相中具有特定的金属化合物、并且上述母相和上述金属间化合物的至少一部分进行了内延(endotaxial)接合的金属粒子，在金属内能够解决上述课题，从而完成了本专利技术。
[0017]即，本专利技术如下所述。
[0018]1、一种金属粒子，其特征在于，在含有Sn和Sn-Cu合金的母相中具有由Sn、Cu和Ni形成的金属间化合物，其中，所述母相和所述金属间化合物的至少一部分进行了内延接合。
[0019]2、根据上述1所述的金属粒子，其特征在于，Cu为0.7～40质量％，Ni为0.1～5质量％，剩余部分为Sn。
[0020]3、根据上述1或2所述的金属粒子，其特征在于，粒径为1μm～50μm。
[0021]专利技术效果
[0022]Sn的晶体结构在约13℃～约160℃的温度区域为正方晶(需要说明的是，将具有正方晶的晶体结构的Sn称作β-Sn)，如果达到比此更低的温度区域，则晶体结构变为立方晶(需要说明的是，将具有立方晶的晶体结构的Sn称作α-Sn)。另外，β-Sn的晶体结构在超过约160℃的温度区域变为高温相晶体的斜方晶(需要说明的是，将具有斜方晶的晶体结构的Sn称作γ-Sn)。而且，尤其是在正方晶的β-Sn和立方晶的α-Sn之间的相转变时，会发生大的体积变化，这是通常所知道的。
[0023]本专利技术的金属粒子的特征是，即使在约160℃以下(例如常温)也含有高温相晶体。例如，在将含有该金属粒子的接合材在接合工序中进行加热时，如果使该接合材成为没有完全熔融的半熔融状态，成为含有金属间化合物与母相的内延接合的状态，则即使在冷却后的160℃以下的温度区域也能够维持含有高温相晶体的状态。而且，该高温相晶体即使在温度下降到某个程度，也不易发生向正方晶的低温相晶体β-Sn的相转变，对于不发生向正方晶的β-Sn相转变的状态的Sn来说，就不会发生向α-Sn的相转变，也不会发生与由温度的下降引起的向α-Sn的相转变相伴随的大的体积变化。因此，含有即使在160℃以下的温度区域(例如常温)也具有高温相晶体的Sn的接合材与组成中含有Sn的其它接合材(即，即使在160℃以下的温度区域也没有有意地含有高温晶体相的接合材)相比，由温度变化引起的体积变化有所降低。
[0024]另外，使用本专利技术的金属粒子形成的接合部可以维持金属粒子的内延接合，优选的是可以维持内延接合自相似性(分形性)晶体结构，能够提供下一代功率半导体所要求的高耐热性。
[0025]另外，电子部件中可使用Cu、Ag、Au、Ni及其它各种金属，Sn可与上述这些各种金属良好地接合。因此，本专利技术的金属粒子通过在宽的温度区域(例如常温)含有高温相晶体相，并尽可能避免产生正方晶的低温相β-Sn，从而具有下述的性质：不易发生与由温度变化引起的从正方晶的β-Sn向立方晶的α-Sn的相转变相伴随的大的体积变化，并且与电子部件中使用的各种金属也可以良好地接合，所以尤其对微细的接合部位的接合材料是有用的。
[0026]这样一来，根据本专利技术，可以提供能够形成在比以往技术更宽的温度区域抑制了体积变化的接合、具有比以往技术更高的耐热性、接合强度和机械强度、能够将热膨胀率不同的元件和部件彼此之间可靠性良好地接合的金属粒子。
附图说明
[0027]图1是将本专利技术的金属粒子用FIB(聚焦离子束)薄薄地切片后的断面的STEM图像。
[0028]图2是用于说明适合于制造本专利技术的金属粒子的制造装置的一个例子的图。
[0029]图3是图1所示的金属粒子断面的基于EDS得到的元素分布像分析结果。
[0030]图4示出了图1所示的金属粒子断面的各种部位的Cu、Ni和Sn的定量值。
[0031]图5是实施例1中得到的金属粒子断面的TEM图像和透射型电子衍射图。
[0032]图6是用含有实施例1中得到的金属粒子的接合材将铜基板和硅元件接合、并且供于冷热冲击试验后的接合部断面的光学显微镜图像。
[0033]图7是以往的SnAgCu系接合材断面的STEM图像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属粒子，其特征在于，在含有Sn和Sn-Cu合金的母相中具有由Sn、Cu和Ni形成的金属间化合物，其中，所述母相和所述金属间化合物的至少一部分进行了内延接合。2.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：关根重信，
申请(专利权)人：纳普拉有限公司，
类型：发明
国别省市：