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ナノ材料を利用したはんだ代替高耐熱性接合プロセス

2013年 7月 19日

大阪大学接合科学研究所

准教授西川宏

大阪大学新技術説明会

JWRI , Osaka University

1．はんだ代替材料及び接合プロセスの課題

2．ナノ粒子を利用した接合

3．ナノポーラスシートを利用した接合

本日の講演内容


EU（欧州連合）におけるRoHS指令 2006年7月1日以降、電気・電子機器製品への下記６種類の有害物質の使用中止・鉛・水銀・カドミウム・六価クロム・PBB (ポリ臭化ビフェニル) ・PBDE (ポリ臭化ジフェニルエーテル)

有害物質フリー実装への大きな駆動力

環境に配慮したエレクトロニクス実装へ


パワーモジュールの概略図

パワーモジュールの断面構造の例

放熱ベース

デバイス

Ａｌワイヤー

接合部

リードフレーム封止樹脂

パワーモジュール内の接合部に求められる課題

背景１．環境規制２．大電流化、高密度化３．SiチップのSiC化

課題１．鉛フリー材料２．高放熱化、高耐熱化３．高信頼性、長寿命化


250 200 150 300 温度（℃） Pb-Sn

(高温はんだ) Sn-Pb

(共晶はんだ)

各種はんだ材料の融点（固相線温度）の比較

有力候補・代替はんだ材料なし Sn-Cu

Sn-Ag-Cu

Sn-Zn

Sn-Sb

Sn-Bi

Joining method Limitation

高温はんだ候補合金

• Zn-based solder • poor corrosion resistance • Au-based solder • high cost • Bi-based solder • brittle nature of Bi-rich phase


20nm

ナノ粒子

分散剤、有機分の分解、蒸発、放出過程

特殊分散剤（有機層）

室温

加熱加熱

ナノ粒子の焼結進行

バルク化

接合対象

焼結層例えば、Agナノ粒子の場合接合部（焼結層）融点＞プロセス温度 960 ℃ 300 ℃前後

ナノ材料の融点低下と低温焼結性の利用

低温プロセスかつ耐熱化が可能！

金属ナノ粒子の焼結・接合プロセス


導電性接着剤とは異なり、樹脂成分を含まず金属ナノ粒子を適当な溶媒を用いてペースト化したものを使用

・一般的には加熱だけではなく、加圧が必要・安定化のための金属ナノ粒子表面の有機層の挙動が重要

現在のところ、高温はんだ代替としての検討が進んでいる

・ナノ粒子の低温焼結性を利用・樹脂分がないので、加熱後、金属のみの焼結体のような形（バルク状態）になるため、低抵抗化が可能・有機物がフラックスとして働く可能性

20nm

金属ナノ粒子ペーストの特徴


Agナノ粒子を用いた銅継手の接合強度の例

接合温度 260 ℃ 接合温度 300 ℃

廣瀬：銀ナノ粒子を用いた接合技術，溶接学会誌，Vol. 76, No. 3 (2007), p. 162-166.

国内外での研究動向


Y. Morisada et al. : A Low-Temperature Bonding Process Using Mixed Cu-Ag Nanoparticles, J. Electron. Mater., Vol. 39, No. 8 (2010), 1283-1288.

Agナノ粒子：平均粒径 7.9 nm

Cuナノ粒子：平均粒径 498.0 nm

Agナノ粒子, Cuナノ粒子を用いた銅継手の接合強度の例予熱温度150℃、予熱時間 5min 保持時間 5min、加圧力 10 MPa


Agナノ粒子接合 Cuナノ粒子の適用 ○安定した接合性 ●高コスト（資源問題） ●耐マイグレーション性に乏しい

○低コスト・銀に匹敵する導電性 ○耐マイグレーション性 ●酸化しやすい

新たな材料や接合プロセスなど

検討が急務

ナノ粒子ペーストを用いた接合の課題と方向性

○低コスト ○ペースト中の有機物を減らせる ●焼結が進行しにくい

マイクロサイズ粒子の適用


○接合方法雰囲気：Air，N2， N2とO2の混合ガス加圧力：15 MPa 加熱速度：0.5 K/s

○供試材料 ◇Cuナノ粒子ペースト（Cuナノ粒子，溶剤）粒径：10-20nm，金属含有量：60mass% ◇被接合材無酸素銅（表面研磨，エタノール,HCl,H2Oで洗浄）

○分析・評価方法せん断強度試験（せん断速度0.017mm/s） SEMによるせん断試験後の破面観察

B

Φ3mm t:2mm

Φ10mm t:5mm

200μm

Shear

加圧

予備加熱

Time (s)

Tem

pera

ture

(K)

加熱プロファイル昇温速度 0.5 K/s

300 s 300 s

加圧開始

本加熱

ペースト 150 μm

Cuナノ粒子を用いた接合


雰囲気チャンバー

加熱ヒーター

加圧機構部

試料搭載部

実験装置の外観


N2 Air

有機保護剤

Cuナノ粒子

有機分のガス化

酸化の開始

有機分の多くが残留

Cuナノ粒子接合の進行プロセス


Air 5 10 20 50 100 N2

0

10

20

30

40

50

She

ar s

treng

th (M

Pa)

N2/O2

30

窒素と酸素の割合を変えた場合のせん断強度

Tem

pera

ture

(K)

○接合条件接合保持温度：673 K 保持時間：300 s 予熱温度：423 K 予熱時間：300 s 加圧力： 15MPa 接合雰囲気

Time (s)

加熱プロファイル

Press start

接合強度に及ぼす雰囲気の影響

H. Nishikawa et al. : Effects of Joining Conditions on Joint Strength of Cu/Cu Joint Using Cu Nanoparticle Paste, The Open Surface Science Journal, Vol. 3, (2011), 60-64.


○接合条件（接合雰囲気：N2/O2=10）予熱温度：423 K 予熱時間：300 s 保持時間：300 s

各接合保持温度において N2雰囲気に比べてせん断強度の上昇がみられた。

○接合条件（接合雰囲気：N2（2 l/min））予熱温度：453 K 予熱時間：300 s 保持時間：300 s

550 600 650 7000

10

20

30

40

50

Holding temperature (K)

She

ar s

treng

th (M

Pa) N2/O2=10

N2

280 ℃

360 ℃

Tem

pera

ture

(K)

Time (s)

加熱プロファイル（B）

Press start

接合強度に及ぼす雰囲気の影響


接合層

○接合条件接合保持温度：673 K 保持時間：300 s 予熱温度：423 K 予熱時間：300 s 加圧力： 15MPa

Cuナノ粒子を用いた接合断面の一例

安価なCuナノ粒子を用いた接合が可能！


フレーク状マイクロAg(Ave. 3.1 μm )

球状マイクロAg(Ave. 2.5 μm)

●メタルマスクを用いてCu試験片に塗布 ●せん断試験により強度評価

球状ナノAg(Ave. 100 nm)

→テルピネオールを溶剤として混合ペースト作成 (金属含有量80 mass%)

混合比率 (7 : 3 , 5 : 5 , 3 : 7)

破壊面および接合断面観察

形状の異なる市販のマイクロAg粒子と球状ナノAg粒子を用いて混合ペーストを作成し、接合層の構造が接合後の接合強度にどのような影響を与えるかを検討

様々な接合層構造を得るために市販の粒子を使用

マイクロサイズAg粒子を用いた接合


大気雰囲気窒素雰囲気

フレーク状粒子単体

フレーク状＆ナノ粒子

(5 : 5)

球状

粒子単体

球状

＆ナノ粒子 (5 : 5)

ナノ粒子単体

5 μm

・ナノ粒子の混合比率の増加とともに接合層はより密に

接合層構造に与える影響


マイクロサイズAg粒子へのAgナノ粒子添加効果 Cu試料に対して


マイクロサイズAg粒子へのAgナノ粒子添加効果 Auめっき試料対して

マイクロサイズ粒子を用いた接合が可能！


バルク（接合体）表面にDealloying法により、ナノポーラス構造体を創成表面処理剤、分散剤などなく、

構造の安定化が可能Ａｕバルク体

バルク体

ナノポーラス構造接触・加熱・拡散

接合層

拡大

100nm

20nm

ナノ粒子が注目されているが・・・・表面処理剤、分散剤などの使用が必須・金属濃度が低い

低温焼結性などの特性を活かしきれていない

ナノペーストに代わるナノポーラスシートの可能性

ナノポーラスシートを利用した接合


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