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JP2008221290A - Bonded body and bonding method - Google Patents

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JP2008221290A
JP2008221290A JP2007064669A JP2007064669A JP2008221290A JP 2008221290 A JP2008221290 A JP 2008221290A JP 2007064669 A JP2007064669 A JP 2007064669A JP 2007064669 A JP2007064669 A JP 2007064669A JP 2008221290 A JP2008221290 A JP 2008221290A
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layer
bonding
joined
bonded
metal
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JP2007064669A
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Japanese (ja)
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Toshihide Takahashi
利英 高橋
Ryuko Kono
龍興 河野
Akiko Suzuki
昭子 鈴木
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Priority to US12/377,935 priority patent/US20100247955A1/en
Priority to PCT/JP2007/001035 priority patent/WO2008041350A1/en
Priority to TW096136409A priority patent/TWI335850B/en
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Abstract

【課題】 Pbを実質的に含有しない接合材を用い、高温条件においても良好な機械的強度を保持可能な接合体及び半導体装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、SnとSnより高い融点を有する金属とからなり、これらの成分の金属間化合物もしくは耐熱合金からなる固相線温度400℃以上の接合剤を用いて2つの被接合部材を接合した接合体である。
【選択図】 なし
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a joined body and a semiconductor device which use a joining material substantially not containing Pb and can maintain a good mechanical strength even under a high temperature condition.
SOLUTION: The present invention comprises Sn and a metal having a higher melting point than Sn, and uses two bonding agents having a solidus temperature of 400 ° C. or higher, which are composed of intermetallic compounds or heat-resistant alloys of these components. It is the joined body which joined the member.
[Selection figure] None

Description

本発明は、特に電子機器の部品の接合に好適に用いられる接合体、及び、接合方法に関に関する。
The present invention particularly relates to a joined body suitably used for joining parts of an electronic device and a joining method.

従来から、電気・電子機器において電気的接続を行うための方法として、はんだ接合は極めて広範囲に行われていることであり、このはんだ接合において実用に極めて適しているところから、Sn−Pb系共晶はんだが多用されてきた。しかし、Sn−Pb系共晶はんだに含まれるPbは、人体に対し有害であることから、Pbを含まない、いわゆる非Pn系はんだの開発が急務とされている。   Conventionally, solder bonding has been carried out in a very wide range as a method for electrical connection in electrical and electronic equipment, and since it is extremely suitable for practical use in this solder joint, Sn-Pb-based materials are used. Crystalline solder has been frequently used. However, since Pb contained in Sn—Pb eutectic solder is harmful to the human body, development of so-called non-Pn solder that does not contain Pb is urgently required.

一方、現在半導体デバイスの中で例えばパワーデバイスの接合材としては、主に融点が183℃の低温系はんだ(Sn−Pb共晶はんだ)と、融点が約300℃程度の高温系はんだ(Pb−5Snはんだ)が多用されており、それぞれ工程に応じて使い分けられている。   On the other hand, among the current semiconductor devices, for example, power device bonding materials are mainly low-temperature solder (Sn—Pb eutectic solder) having a melting point of 183 ° C. and high-temperature solder (Pb—) having a melting point of about 300 ° C. 5Sn solder) is widely used, and is used properly according to the process.

このうち、低温系はんだについては、Sn−Ag−Cu系合金を中心としたものが実用化の段階に到達しており、今後数年で多くのセットメーカーで非Pb系共晶はんだの代替は完了することが予定されている。   Among these, for low-temperature solders, those centered on Sn-Ag-Cu alloys have reached the stage of practical application, and in the next few years, many set manufacturers will replace non-Pb eutectic solders. It is scheduled to be completed.

しかしながら、高温系はんだ、すなわち例えば260℃の高温条件下においても良好な機械的強度を保持する接合部を形成する接合材については、高Pb含有材料以外はAuを主成分としたAu系合金が挙げられるが、貴金属のAuを使用するため、大幅な材料価格が上昇するため汎用的に使用するには、難しい材料である。また、Pb及びAu以外の金属材料を主成分とした金属合金も、高温系はんだとして未だに実用化には至ってはいない。   However, for high-temperature solder, that is, a bonding material that forms a joint that maintains good mechanical strength even at a high temperature of, for example, 260 ° C., an Au-based alloy containing Au as a main component other than a high Pb-containing material is used. Although it is mentioned, since the noble metal Au is used, the material price is significantly increased, so that it is difficult to use for general purposes. In addition, metal alloys mainly composed of metal materials other than Pb and Au have not yet been put into practical use as high-temperature solders.

これまでに、Pb及びAu以外の金属材料を主成分とし260℃の高温条件下においても良好な機械的強度を保持する接合部を形成する接合材のひとつとして、Zn系合金が候補として挙げられている(特許文献1、2参照)。この接合材料は、Zn元素から成る金属材料であるため、安価であり、環境にも配慮された接合材である。しかしながら、Cuとのぬれ性が悪く、また、接合材料としても硬いため、実用化にまで至っていない。   Up to now, Zn-based alloys have been cited as candidates as one of the bonding materials that form a bonding portion that has a metal material other than Pb and Au as a main component and maintains good mechanical strength even at a high temperature of 260 ° C. (See Patent Documents 1 and 2). Since this bonding material is a metal material made of Zn element, it is inexpensive and is a bonding material that is environmentally friendly. However, since it has poor wettability with Cu and is hard as a bonding material, it has not been put into practical use.

また、Snを主成分とするSn系合金を高温はんだ適用しようと試みられている(特許文献3、4参照)が、Sn系合金の場合、Cuなどの被接合材との接合性や硬さなどの加工性には優れるものの、低融点で液化が始まるため、高温はんだとしての耐熱性を満たすことは困難であった。

特開2004−237357号公報 特開2001−121285号公報 特開2003−364363号公報 特開2001−284792号公報
Further, an attempt has been made to apply a high temperature solder to a Sn-based alloy containing Sn as a main component (see Patent Documents 3 and 4), but in the case of a Sn-based alloy, the bondability and hardness with a material to be bonded such as Cu. However, it is difficult to satisfy the heat resistance as a high-temperature solder because liquefaction starts at a low melting point.

JP 2004-237357 A JP 2001-121285 A JP 2003-364363 A JP 2001-284792 A

本発明は、実質的にPbおよびAuを含有しない材料を用い、高温条件においてもなお良好な機械的強度を保持する接合部を形成可能とする接合方法、接合体を提供することを目的とするものである。
An object of the present invention is to provide a bonding method and a bonded body that can form a bonded portion that uses a material that does not substantially contain Pb and Au and that still maintains good mechanical strength even under high temperature conditions. Is.

第1の本発明は、第1の被接合部材と、第2の被接合部材と、これらの被接合部材間に介在している接合層からなる接合体であって、
前記接合層が、Snと、Snより高い融点を有する金属材料を含み、
該接合層中に、Snの量が、20質量%以上50質量%以下である第1の層を有することを特徴とする接合体である。
1st this invention is the joined body which consists of a 1st to-be-joined member, a 2nd to-be-joined member, and the joining layer interposed between these to-be-joined members,
The bonding layer includes Sn and a metal material having a melting point higher than Sn;
In the bonded layer, the bonded layer has a first layer in which the amount of Sn is 20% by mass or more and 50% by mass or less.

前記第1の本発明の前記接合層が、質量比の異なる複数の層からなり、SnとSnより高い融点を有する金属材料との金属間化合物を含むことが好ましい。また、前記接合層が固相線温度400℃以上の材料からなるものであることが好ましい。また、第1の被接合部材はCuであることが好ましい。また、前記接合層が、CuとSnの金属間化合物であることが好ましい。また、前記第1の層はSnの質量比が20%以上50%以下であるCu及びSnの金属間化合物であって、Snの質量比が10%以上35%以下であるAg及びSnの金属間化合物である第2の層を更に含むことが好ましい。   The bonding layer of the first aspect of the present invention preferably includes an intermetallic compound composed of a plurality of layers having different mass ratios and Sn and a metal material having a melting point higher than Sn. The bonding layer is preferably made of a material having a solidus temperature of 400 ° C. or higher. Moreover, it is preferable that a 1st to-be-joined member is Cu. The bonding layer is preferably an intermetallic compound of Cu and Sn. The first layer is an intermetallic compound of Cu and Sn having a mass ratio of Sn of 20% to 50%, and a metal of Ag and Sn having a mass ratio of Sn of 10% to 35%. It is preferable to further include a second layer that is an intermetallic compound.

第2の本発明は、Snより高い融点を有する金属材料を含む第1の被接合部材表面に、Sn膜を付与する工程と、
このSn膜表面に第2の被接合部材を密着させて、加圧しながら300℃以上450℃以下の温度で加熱することを特徴とする接合方法である。
The second aspect of the present invention is a step of providing an Sn film on the surface of the first member to be joined including a metal material having a melting point higher than Sn;
The bonding method is characterized in that the second member to be bonded is brought into close contact with the surface of the Sn film and heated at a temperature of 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower while being pressurized.

第3の本発明は、第1の被接合部材表面に、Sn膜と、Snより高い融点を有する金属材料膜とを、それぞれ少なくとも1層ずつ付与する工程と、
前記工程で付与した金属材料の膜の表面に第2の被接合部材を密着させて、加圧しながら300℃以上450℃以下の温度で加熱することを特徴とする接合方法である。
The third aspect of the present invention is a process of providing at least one layer each of an Sn film and a metal material film having a melting point higher than Sn on the surface of the first bonded member;
The bonding method is characterized in that the second member to be bonded is brought into close contact with the surface of the film of the metal material applied in the step and heated at a temperature of 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower while being pressurized.

本発明によれば、実質的にPbおよびAuを含有しない材料を用い、高温条件においてもなお良好な機械的強度を保持する接合部を形成可能とする接合方法、接合体を提供することができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the joining method and joined body which can form the junction part which uses the material which does not contain Pb and Au substantially, and hold | maintains favorable mechanical strength also in high temperature conditions can be provided. .

[第1の実施の形態:接合体]
本実施の形態の接合体は、融点が232℃のSnと、これより高融点の金属元素とを、反応もしくは合金化し、高融点の金属間化合物乃至高融点合金を形成して被接合部材の接合を行うことにより、耐熱性に優れた接合体を得ることができることに着目してなされたものである。
すなわち、接合体の概略断面図である図1に示すように、本実施の形態の接合体10は、第1及び第2の2つの被接合部材11,12と、その間に介在している接合層13とからなる接合体である。
接合層13は13a、13b、13cの3層からなり、いずれも金属間化合物からできている。被接合部材11中の金属成分と接合時に第1及び第2の被接合部材間に配置する接合層用材料(以下接合層用材料と称する)の金属成分とからなる金属間化合物であり、13cは被接合部材12中の金属成分と接合層用材料の金属成分とからなる金属化合物である。また、13bは被接合部材11及び被接合部材12の金属成分と接合層材料の金属成分からなる金属間化合物を指す。
本実施の形態の接合層においては、図中の13a、13b、13cの3層の少なくとも1層が金属間化合物からできていればよく、被接合部材11及び12中の金属成分と接合層用材料の金属成分とからなる合金が含まれていて良い。
本実施の接合体はこの接合層13が、Snと、このSnより高い融点を有する金属材料とからなり、この接合層中に、Snの量が20質量%以上、50質量%以下の範囲にある第1の層を有することを特徴としている。
[First embodiment: joined body]
In the joined body of this embodiment, Sn having a melting point of 232 ° C. and a metal element having a higher melting point are reacted or alloyed to form a high melting point intermetallic compound or a high melting point alloy. This is made by paying attention to the fact that a bonded body having excellent heat resistance can be obtained by bonding.
That is, as shown in FIG. 1 which is a schematic cross-sectional view of a joined body, the joined body 10 of the present embodiment includes a first and a second two members to be joined 11, 12 and a joint interposed therebetween. It is a joined body composed of the layer 13.
The bonding layer 13 includes three layers 13a, 13b, and 13c, and each is made of an intermetallic compound. An intermetallic compound comprising a metal component in the member to be bonded 11 and a metal component of a bonding layer material (hereinafter referred to as a bonding layer material) disposed between the first and second bonded members at the time of bonding; Is a metal compound composed of a metal component in the member to be bonded 12 and a metal component of the material for the bonding layer. 13b indicates an intermetallic compound composed of the metal component of the member to be bonded 11 and the member 12 to be bonded and the metal component of the bonding layer material.
In the bonding layer according to the present embodiment, at least one of the three layers 13a, 13b, and 13c in the drawing may be made of an intermetallic compound, and the metal components in the members to be bonded 11 and 12 and the bonding layer are used. An alloy composed of a metal component of the material may be included.
In the joined body of the present embodiment, the joining layer 13 is made of Sn and a metal material having a melting point higher than Sn, and the amount of Sn in the joining layer is in the range of 20 mass% or more and 50 mass% or less. It has a certain first layer.

本実施の形態の接合体は、具体的には、回路基板とその上に搭載される電子部品、あるいはリードフレームとその上に搭載される半導体素子、などが接合して形成される接合体である。この接合体は、電子機器の実装基板の一部に組み込まれたものであっても差し支えない。また、この接合体は、耐熱性が優れていることにより、高温環境において用いられる電子機器製品分野、あるいは、その接合の形成後、さらにリフローはんだ接合処理を施すプロセスを採用する製品分野において特にその効果を発揮する。
本実施の形態の接合体は、有害なPb及び高価なAuを実質的に使用せずとも十分な接合強度を有し、かつ高温条件においても機械的強度が維持可能で、高い耐熱性を持つ。
Specifically, the joined body of the present embodiment is a joined body formed by joining a circuit board and an electronic component mounted thereon, or a lead frame and a semiconductor element mounted thereon. is there. The joined body may be incorporated into a part of the mounting board of the electronic device. In addition, since this bonded body has excellent heat resistance, it is particularly suitable in the field of electronic equipment products used in high-temperature environments, or in the field of products that employ a process for performing reflow solder bonding after the bonding is formed. Demonstrate the effect.
The bonded body of the present embodiment has sufficient bonding strength without substantially using harmful Pb and expensive Au, and can maintain mechanical strength even under high temperature conditions, and has high heat resistance. .

(被接合部材)
被接合部材の材料としては、耐熱性を有する材料であれば何ら制限されず、使用することができる。Snと親和性を有する材料であることが好ましいが、親和性を有しない材料であっても、後述するようにその表面にメタライズ層を形成することによって使用可能となる。
(Members to be joined)
As a material of a to-be-joined member, if it is a material which has heat resistance, it will not be restrict | limited at all and can be used. A material having an affinity for Sn is preferable, but even a material having no affinity can be used by forming a metallized layer on the surface thereof as described later.

かかる被接合部材の材料としては、具体的には、Cu、Au、Ni、Ag、Pd、Pt、Al、Ge、Be、Nb、Mn、あるいはこれらの合金などが、好ましい。
さらに、Snとの親和性が低いが、メタライズ層を形成することによって使用するのに適した材料としては、Si、Fe−Ni合金などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
Specifically, the material of the member to be joined is preferably Cu, Au, Ni, Ag, Pd, Pt, Al, Ge, Be, Nb, Mn, or an alloy thereof.
Furthermore, materials having a low affinity with Sn but suitable for use by forming a metallized layer include, but are not limited to, Si, Fe—Ni alloys, and the like.

前記メタライズ層とは、被接合材料表面に、接合層用材料との親和性を改善するために形成した金属膜をいう。例えば、半導体素子のSiは、Snとの親和性に劣り、接合を行うことは困難であるが、Siの表面にSnと親和性のある材料例えばCu、Ti、Ni、Auなどで被覆を形成することによって接合を行うことができるようになる。このような薄膜材料は、メタライゼーション技術として半導体技術分野においては周知のものであり、本実施の形態においてもかかる技術を採用することができる。
このメタライズ層の形成は、スパッタリング、真空蒸着、化学メッキ、イオンプレーティングなど、薄膜形成技術として周知の手段を採用することができる。
The metallized layer refers to a metal film formed on the surface of a material to be bonded to improve the affinity with the material for the bonding layer. For example, Si of a semiconductor element is inferior in affinity with Sn, and it is difficult to perform bonding, but the surface of Si is covered with a material having affinity with Sn, such as Cu, Ti, Ni, Au, etc. By doing so, it becomes possible to perform bonding. Such a thin film material is well known in the semiconductor technical field as a metallization technique, and such a technique can also be employed in this embodiment.
For the formation of this metallized layer, means well known as a thin film forming technique such as sputtering, vacuum deposition, chemical plating, ion plating, etc. can be employed.

また、前記Snとの親和性向上のためのメタライズ層とは異なるが、電気的特性改善のためにCuなどの表面にAuなどの層を形成することがある。このような場合でも、Au層が10μm程度以下であれば全く支障なく用いることができる。   In addition, although different from the metallized layer for improving the affinity with Sn, a layer of Au or the like may be formed on the surface of Cu or the like in order to improve electrical characteristics. Even in such a case, if the Au layer is about 10 μm or less, it can be used without any problem.

(接合層)
本実施の形態の接合層は、Sn(第1の金属成分)と、このSnより高い融点を有する金属材料(第2の金属成分)とからなるものであり、これらの金属成分が高融点金属間化合物乃至高融点合金を形成していることが好ましく、前記接合層13材料が、固相線温度が400℃以上の材料からなっていることが好ましい。固相線温度が400℃を下回った場合には、この接合体をはんだリフロープロセスなどの加熱処理工程に適用する場合に、接合部の高温強度が維持されないという不都合が生じる。また、高温環境下で使用されるデバイスに適用することが不適切とされる不都合が生じる。
(Bonding layer)
The bonding layer of the present embodiment is composed of Sn (first metal component) and a metal material (second metal component) having a melting point higher than Sn, and these metal components are refractory metals. It is preferable to form an intermetallic compound or a high melting point alloy, and the bonding layer 13 material is preferably made of a material having a solidus temperature of 400 ° C. or higher. When the solidus temperature is lower than 400 ° C., when this joined body is applied to a heat treatment process such as a solder reflow process, there is a disadvantage that the high-temperature strength of the joint is not maintained. In addition, there is a disadvantage that it is inappropriate to apply to a device used in a high temperature environment.

前記第2の金属成分は、Snより融点が高い金属材料であれば使用可能であるが、好ましくは、Snと加熱により反応して高融点の金属間化合物もしくは高融点合金を形成する材料を使用することが好ましい。より好ましくは、Snと高融点の金属間化合物を形成する金属材料である。
かかる第2の金属成分である高融点金属元素として、具体的には、Cu,Ag,Ni,Pd,Au,Coなどが挙げられ、これらの内の少なくとも1種類を用いることができる。
The second metal component can be used as long as it is a metal material having a melting point higher than that of Sn. Preferably, a material that reacts with Sn by heating to form a high melting point intermetallic compound or a high melting point alloy is used. It is preferable to do. More preferably, it is a metal material that forms a high melting point intermetallic compound with Sn.
Specific examples of the refractory metal element as the second metal component include Cu, Ag, Ni, Pd, Au, and Co, and at least one of them can be used.

上記第2の金属成分としてCuを用いてSnと反応させた場合、η相(CuSn)、ε相(CuSn)あるいはδ相(Cu40.5Sn11)のような金属間化合物が形成される。η相は、融点が415℃、ε相は、融点が676℃であり、接合後の耐熱性としては、十分な温度範囲にあり好ましい。
かかる金属間化合物においては、Sn質量比は20%質量%以上70質量%以下の範囲となる。Snが20質量%未満、あるいは70質量%を超えると金属間化合物が形成できない恐れがあるため、好ましくない。
また、Snの質量比が低い場合には、第2の金属成分として用いた高融点金属元素の拡散が促進され、より強度の高い接合層となる。そのためSnの質量比は50質量%以下がより好ましい。
When reacting with Sn using Cu as the second metal component, intermetallic such as η phase (Cu 6 Sn 5 ), ε phase (Cu 3 Sn) or δ phase (Cu 40.5 Sn 11 ) A compound is formed. The η phase has a melting point of 415 ° C., and the ε phase has a melting point of 676 ° C., and the heat resistance after bonding is preferably within a sufficient temperature range.
In such an intermetallic compound, the Sn mass ratio is in the range of 20% by mass to 70% by mass. If Sn is less than 20% by mass or exceeds 70% by mass, an intermetallic compound may not be formed, which is not preferable.
In addition, when the Sn mass ratio is low, diffusion of the refractory metal element used as the second metal component is promoted, resulting in a bonding layer with higher strength. Therefore, the mass ratio of Sn is more preferably 50% by mass or less.

また、第2の金属成分としてAgを用いた場合には、AgSnなどの金属間化合物が形成される。かかる金属間化合物を形成するため、Sn質量比は10%以上35%以下が好ましい。 In addition, when Ag is used as the second metal component, an intermetallic compound such as Ag 3 Sn is formed. In order to form such an intermetallic compound, the Sn mass ratio is preferably 10% to 35%.

さらに、第2の金属成分としてAg及びCuを用いた場合には、Ag3Snなどの組成を有する金属間化合物、または、η相(CuSn)、ε相(CuSn)あるいはδ相(Cu40.5Sn11)などの組成を有する金属間化合物を形成し耐熱性を有する接合材となる。 Further, when Ag and Cu are used as the second metal component, an intermetallic compound having a composition such as Ag 3 Sn, η phase (Cu 6 Sn 5 ), ε phase (Cu 3 Sn) or δ An intermetallic compound having a composition such as a phase (Cu 40.5 Sn 11 ) is formed to provide a heat-resistant bonding material.

上記金属間化合物は、構成元素の一部が、他元素により置換されていても構わない。例えば、Ag3SnにCuが置換した場合には(Ag,Cu)Sn、CuSnにAgが置換した場合には(Cu,Ag)Sn、Cu40.5Sn11にAgが置換した場合には(Cu,Ag)40.5Sn11のような結晶構造となる。 In the intermetallic compound, a part of the constituent elements may be substituted with other elements. For example, when Ag is substituted for Ag 3 Sn, Ag is substituted for (Ag, Cu) 3 Sn, and when Ag is substituted for Cu 3 Sn, Ag is substituted for (Cu, Ag) 3 Sn, Cu 40.5 Sn 11 In this case, a crystal structure such as (Cu, Ag) 40.5 Sn 11 is obtained.

上記接合層は、第1及び第2の被接合部材に挟まれ、質量比などの異なる複数層に分かれて存在している構造とすることが好ましい。   The bonding layer is preferably sandwiched between the first and second members to be bonded and is divided into a plurality of layers having different mass ratios.

すなわち、第2の金属成分として1種の金属元素を用いた場合には、接合層の中心部分には、第1及び第2の金属成分が反応もしくは合金化して形成された層が存在し、その表層方向の層は、中心部を構成する組成に加えて被接合部材から拡散によって浸透する金属成分が多く含まれている層を存在させることが好ましい。
例えば2層のCu層の間にSn層を積層し反応させる場合、反応はCu層とSn層の界面において開始され、Cu層からCuがSn層に拡散し反応し金属間化合物を形成するが、中心部においては、よりSnがリッチな組成の金属間化合物が形成され、表層部においてはCuがリッチな組成の金属間化合物が形成される。
That is, when one kind of metal element is used as the second metal component, a layer formed by reaction or alloying of the first and second metal components exists in the central portion of the bonding layer, It is preferable that the layer in the surface layer direction includes a layer containing a large amount of a metal component that permeates through the member to be bonded by diffusion in addition to the composition constituting the central portion.
For example, when a Sn layer is laminated between two Cu layers and reacted, the reaction starts at the interface between the Cu layer and the Sn layer, and Cu diffuses from the Cu layer to the Sn layer and reacts to form an intermetallic compound. In the central part, an intermetallic compound having a composition richer in Sn is formed, and in the surface layer part, an intermetallic compound having a composition rich in Cu is formed.

また、第2の金属成分として複数の金属元素を用いて反応させた場合、例えば、AgとCuを用いた場合には、Ag成分がリッチな(Ag,Cu)Sn層と、Cuがリッチな(Cu,Ag)Sn層とができる。   In addition, when the reaction is performed using a plurality of metal elements as the second metal component, for example, when Ag and Cu are used, the Ag component is rich in the (Ag, Cu) Sn layer, and the Cu is rich. A (Cu, Ag) Sn layer can be formed.

この接合層を複数層で構成された層とすることにより、単一層で形成した場合と比較して、複数層では完全に金属間化合物化するために要する時間が減少するため、低融点Sn相が残存する可能性が低い点で有利である。
この反応形態によって高融点の金属間化合物が形成され、耐熱性向上に寄与している。
By forming the bonding layer as a layer composed of a plurality of layers, the time required for complete formation of an intermetallic compound in the plurality of layers is reduced as compared with the case of forming a single layer. Is advantageous in that it is unlikely to remain.
This reaction form forms an intermetallic compound having a high melting point and contributes to an improvement in heat resistance.

上記接合層は、薄膜状であることが好ましく、その厚さは、1〜20μmの範囲とすることが好ましい。この厚さが20μmをこえると、金属間化合物形成のための所要時間が長時間となり接合効率が悪化する問題が生じ、この厚さが1μmに満たないと、被接合体とのぬれ性が低下する問題が生じて好ましくない。   The bonding layer is preferably a thin film, and the thickness is preferably in the range of 1 to 20 μm. If this thickness exceeds 20 μm, it takes a long time to form an intermetallic compound, resulting in a problem that the bonding efficiency is deteriorated. If this thickness is less than 1 μm, the wettability with the object to be bonded decreases. This is not preferable.

本実施の形態において、上記構成を採用することにより、接合層は、高い融点を有する金属の金属間化合物乃至高融点合金を構成することにより、接合形成後にさらにリフローによりはんだ接合する場合などに、リフロー温度(通常250℃前後)よりも高温の融点を有しているため、リフロー後の熱劣化がみられないという効果を発揮する。また、この接合採用した電子デバイスにおいては、高温環境下の使用においても接合の劣化を招くことなく高温信頼性のあるデバイスを実現することができる。   In the present embodiment, by adopting the above configuration, the bonding layer is composed of a metal intermetallic compound or a high melting point alloy having a high melting point, and when soldering is further performed by reflow after the bonding is formed. Since it has a melting point higher than the reflow temperature (usually around 250 ° C.), it exhibits the effect that no thermal deterioration after reflow is observed. In addition, in the electronic device adopting this bonding, a device having high temperature reliability can be realized without causing deterioration of the bonding even when used in a high temperature environment.

[第2の実施の形態:接合方法]
本実施の形態の接合方法は、2つの被接合部材の間に、接合層用材料を配置し、加熱して接合層用材料を反応もしくは合金化させ、耐熱性のある接合層を形成して接合を行うものであり、接合層用材料として、Sn(第1の金属成分)と、これより高い融点を有する金属材料(第2の金属成分)を用いるものである。
この接合方法において、第2の金属成分として、被接合部材に含まれている金属元素を用いることができる。すなわち、2つの被接合部材間に第1の金属成分を介在させ、被接合部材を構成する金属元素と第1の金属成分との間で、反応もしくは合金化を行い、接合層を形成するものである。
この方法によれば、被接合部材に第1の金属成分のみの膜を付与し、第2の金属成分の膜付与工程を省略することができる。また、被接合部材と接合層との結合が強固になることが期待される。
[Second Embodiment: Joining Method]
In the bonding method of the present embodiment, a bonding layer material is disposed between two members to be bonded, and the bonding layer material is reacted or alloyed by heating to form a heat-resistant bonding layer. Bonding is performed, and Sn (first metal component) and a metal material having a higher melting point (second metal component) are used as the bonding layer material.
In this joining method, the metal element contained in the member to be joined can be used as the second metal component. That is, a first metal component is interposed between two members to be bonded, and a bonding layer is formed by reacting or alloying between the metal element constituting the member to be bonded and the first metal component. It is.
According to this method, the film | membrane only of a 1st metal component can be provided to a to-be-joined member, and the film | membrane provision process of a 2nd metal component can be skipped. Further, it is expected that the bonding between the member to be bonded and the bonding layer becomes strong.

以下本実施の形態である接合方法についてさらに詳細に説明する。
本実施の形態の接合方法は、第1の被接合部材の表面に、Sn膜を付与する工程と、前記Sn膜表面に第2の被接合部材を密接させ、250℃以上450℃以下で加熱して密着させ、接合する工程を有する接合方法である。接合温度はより好ましくは、300℃以上400℃以下である。接合温度がこれより低いと、接合層材料が十分反応もしくは合金化せず、耐熱性の改善が不十分である。一方、接合温度が上記範囲を超える場合、被接合部材に熱的にダメージを与える可能性が大きく、好ましくない。
Hereinafter, the bonding method according to the present embodiment will be described in more detail.
In the bonding method of the present embodiment, the step of applying the Sn film to the surface of the first member to be bonded, the second member to be bonded is brought into close contact with the surface of the Sn film, and heated at 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. It is the joining method which has the process of making it closely_contact | adhere, and joining. The bonding temperature is more preferably 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. When the bonding temperature is lower than this, the bonding layer material does not sufficiently react or alloy, and the heat resistance is not improved sufficiently. On the other hand, when the bonding temperature exceeds the above range, there is a large possibility that the member to be bonded is thermally damaged, which is not preferable.

この接合方法における接合工程において、第1の被接合部材の表面に形成する接合層材料は、第1の金属成分の箔を載置してもよいし、また、第1の金属成分をスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング、電子ビーム蒸着法などの物理的薄膜形成技術を用いて付与してもよい。さらに、化学メッキ法を採用することもできる。
この方法においては、第1の被接合部材及び第2の被接合部材に含まれるSnと反応もしくは合金化する第2の金属成分の量が、Snの量より多量である必要がある。Snの量が第2の金属成分の量より少量であると、未反応のSnが残存し、耐熱性が低下する可能性があり好ましくない。
In the bonding step in this bonding method, the bonding layer material formed on the surface of the first member to be bonded may be placed with a first metal component foil, or the first metal component may be sputtered. Alternatively, it may be applied using a physical thin film forming technique such as vacuum deposition, ion plating, or electron beam deposition. Furthermore, a chemical plating method can also be employed.
In this method, the amount of the second metal component that reacts or alloys with Sn contained in the first and second members to be bonded needs to be larger than the amount of Sn. When the amount of Sn is smaller than the amount of the second metal component, unreacted Sn remains, and heat resistance may be lowered, which is not preferable.

上記接合工程において、加熱時間は、1秒〜5分となるように加熱すればより好ましい。加熱時間がこれより短いと十分金属間化合物あるいは合金形成に至らず、耐熱性が十分ではない。一方、上記範囲を超えて加熱しても、加熱時間増加に見合った耐熱性向上の効果が望めず、不経済である。
上記接合工程は、大気中雰囲気で行ってもよいが、酸化されやすい金属を含む接合材を用いた場合には、窒素のような非酸化性雰囲気で加熱を行うことが好ましい。さらには、水素を含有した還元性雰囲気で加熱を行うことがなお好ましい。
In the joining step, it is more preferable that the heating time is 1 second to 5 minutes. If the heating time is shorter than this, the intermetallic compound or alloy is not sufficiently formed, and the heat resistance is not sufficient. On the other hand, even if heating exceeds the above range, the effect of improving heat resistance commensurate with the increase in heating time cannot be expected, which is uneconomical.
The bonding step may be performed in an air atmosphere, but when a bonding material including a metal that is easily oxidized is used, it is preferable to perform heating in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen. Furthermore, it is more preferable to perform heating in a reducing atmosphere containing hydrogen.

前記接合層の厚さは、1μm以上、50μm以下の範囲であることが望ましい。複数層にわたって成層する場合、合計の膜厚を、上記範囲とすることが好ましい。接合層が1μmより薄い場合には、良好な接合性を確保することが困難となり、また、50μm以上の場合には、物理的成膜法によって接合層を形成する場合、製造効率を妨げる恐れがあるため、好ましくない。   The thickness of the bonding layer is preferably in the range of 1 μm or more and 50 μm or less. In the case of stratification over a plurality of layers, the total film thickness is preferably in the above range. When the bonding layer is thinner than 1 μm, it is difficult to ensure good bonding properties. When the bonding layer is 50 μm or more, manufacturing efficiency may be hindered when the bonding layer is formed by a physical film formation method. This is not preferable.

本実施の形態の接合方法によれば、270℃以上の耐熱性を有する接合層が形成されるため、270℃の高温条件下においても接合層の耐熱性を維持することができ、高温系マウント材として求められる250℃において耐熱性があるという要求に十分応えることができる。また、接合層材料内部において、第1の被接合部材、または第2の被接合部材の構成元素が、接合層に固溶した相、または、接合層中の接合材構成元素と各被接合部層用材料構成元素とで構成される金属間化合物相等が生成してよい。その結果として、高温条件下においても機械的強度の良好な接合体が短時間で得ることができる。   According to the bonding method of the present embodiment, since a bonding layer having a heat resistance of 270 ° C. or higher is formed, the heat resistance of the bonding layer can be maintained even under a high temperature condition of 270 ° C. It can fully meet the demand for heat resistance at 250 ° C., which is required as a material. In addition, in the bonding layer material, the constituent elements of the first member to be bonded or the second member to be bonded are dissolved in the bonding layer, or the bonding material constituting elements in the bonding layer and each bonded portion. An intermetallic compound phase or the like composed of the layer material constituent elements may be generated. As a result, a bonded body with good mechanical strength can be obtained in a short time even under high temperature conditions.

本実施の形態に係る接合体、接合方法は、はんだ接合を行うことができるいかなる分野で用いられてもよいが、特に製造プロセス、あるいは製品使用時に高温条件下に置かれる電子機器部品、半導体デバイス特にパワー系半導体デバイスにおける部品の接合に好適に用いられる。特に半導体素子とリードフレームとの接合に際しては特に好適に用いられる。   The joined body and joining method according to the present embodiment may be used in any field where solder joining can be performed. In particular, an electronic equipment component and a semiconductor device that are placed under high-temperature conditions during a manufacturing process or product use. In particular, it is suitably used for joining parts in power semiconductor devices. In particular, it is particularly preferably used for joining a semiconductor element and a lead frame.

[第3の実施の形態:接合方法の変形例]
上記第2の実施の形態の接合方法においては、第2の金属成分として、被接合部材を構成する金属そのものを用いる例を示したが、本実施の形態は、第1の金属成分と第2の金属成分をそれぞれ膜として被接合部材に付与する例である。
すなわち、本実施の形態の接合方法は、第1の被接合部材表面に、Sn膜と、Snより高い融点を有する金属材料膜とを、それぞれ少なくとも1層ずつ付与する工程と、前記工程で付与した金属材料の膜の表面に第2の被接合部材を密着させて加圧しながら250℃以上450℃以下の温度で加熱することを特徴とする接合方法である。
[Third Embodiment: Modification of Joining Method]
In the joining method of the second embodiment, the example in which the metal itself constituting the member to be joined is used as the second metal component is shown. However, in the present embodiment, the first metal component and the second metal component are used. This is an example in which each metal component is applied as a film to a member to be joined.
That is, in the bonding method of the present embodiment, a step of applying at least one layer each of an Sn film and a metal material film having a melting point higher than Sn to the surface of the first member to be bonded is applied in the above step. The bonding method is characterized in that the second member to be bonded is brought into close contact with the surface of the metal material film and heated at a temperature of 250 ° C. to 450 ° C. while pressing.

この接合方法における接合工程において、第1の被接合部材の表面に形成する接合層材料は、第1の金属成分及び第2の金属成分の箔をそれぞれ載置してもよいし、また、接合層材料膜をスパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング、電子ビーム蒸着法などの物理的薄膜形成技術を用いて付与してもよい。さらに、化学メッキ法を採用して膜を付与してもよい。   In the joining step in this joining method, the joining layer material formed on the surface of the first member to be joined may be mounted with a foil of the first metal component and the second metal component, respectively. The layer material film may be applied using a physical thin film forming technique such as sputtering, vacuum vapor deposition, ion plating, or electron beam vapor deposition. Furthermore, a chemical plating method may be employed to provide the film.

また、本実施の形態の接合層材料である第1の金属成分及び第2の金属成分を同時に薄膜形成してもよいし、それぞれを順次1層ずつもしくは複数層ずつ積層してもよい。各成分を順次成膜する場合、単一元素の層を複数層に分けて成膜してもよい。具体的には、仮にA金属とB金属を成膜する場合、A層、B層、A層、B層のように、複数層に分割して成膜することもできる。このような成膜法によれば、A金属とB金属の反応もしくは合金化が速やかに進行するので好ましい。
また、第2の金属成分として複数の金属元素を用いる場合、それぞれの元素及び第1の金属成分をそれぞれ単独で成膜してもよいし、同時に成膜してもよい。また、単一元素の層を複数回に分けて成膜してもよい。
In addition, the first metal component and the second metal component, which are the bonding layer materials of the present embodiment, may be formed into a thin film at the same time, or each may be sequentially laminated one by one or a plurality of layers. In the case of sequentially depositing each component, a single element layer may be divided into a plurality of layers. Specifically, in the case where the A metal and the B metal are formed, the film can be divided into a plurality of layers, such as the A layer, the B layer, the A layer, and the B layer. Such a film forming method is preferable because the reaction or alloying of the A metal and the B metal proceeds promptly.
In the case where a plurality of metal elements are used as the second metal component, the respective elements and the first metal component may be formed individually or simultaneously. Alternatively, a single element layer may be formed in a plurality of times.

前記薄膜接合材の厚さは、1μm以上、50μm以下の範囲であることが望ましい。複数層にわたって薄膜化する場合、合計の膜厚を、上記範囲とすることが好ましい。金属層が1μmより薄い場合には、良好な接合性を確保することが困難となり、また、50μm以上の場合には、物理的成膜法によって接合層を形成する場合、製造効率を妨げる恐れがあるため、好ましくない。   The thickness of the thin film bonding material is preferably in the range of 1 μm or more and 50 μm or less. When thinning over a plurality of layers, the total film thickness is preferably in the above range. When the metal layer is thinner than 1 μm, it is difficult to ensure good bonding properties. When the metal layer is 50 μm or more, when the bonding layer is formed by a physical film forming method, the production efficiency may be hindered. This is not preferable.

上記接合工程において、加熱時間は、1秒〜5分となるように加熱すればよい。
上記接合工程は、大気中雰囲気で行ってもよいが、酸化されやすい金属を含む接合用材料を用いた場合には、窒素のような非酸化性雰囲気で加熱を行うことが好ましい。さらには、水素を含有した還元性雰囲気で加熱を行うことがなお好ましい。
In the bonding step, the heating time may be 1 second to 5 minutes.
The bonding step may be performed in an air atmosphere, but when a bonding material containing a metal that is easily oxidized is used, it is preferable to perform heating in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen. Furthermore, it is more preferable to perform heating in a reducing atmosphere containing hydrogen.

上記実施の形態においては、2つの被接合部材の一方の表面に接合層材料を形成する例を示したが、接合層材料を第1の被接合部材および第2の被接合部材の双方の表面に形成してもよい。
この場合、2つの接合層材料は、同一組成の層であってもよいし、それぞれ異なる組成の層であってもよい。最終的にはんだ接合された後の接合層材料が、上記本実施の形態の接合層の組成となるように、各層の組成を調整することによって、本実施の形態のはんだ接合を形成することができる。
また、各基材表面に形成される薄膜の厚さは、それらの合計量が1μm以上、50μm以下の範囲となるよう、それぞれ設定することができる。
In the above-described embodiment, the example in which the bonding layer material is formed on one surface of the two members to be bonded has been described. However, the bonding layer material is used as the surface of both the first bonded member and the second bonded member. You may form in.
In this case, the two bonding layer materials may be layers having the same composition, or layers having different compositions. The solder joint of this embodiment can be formed by adjusting the composition of each layer so that the joint layer material after the final solder joint has the composition of the joint layer of the present embodiment. it can.
Moreover, the thickness of the thin film formed on each substrate surface can be set so that the total amount thereof is in the range of 1 μm or more and 50 μm or less.

[第4の実施の形態:接合方法の他の変形例]
この実施形態の接合方法は、第1の被接合部材および第2の被接合部材の少なくとも一方を、金属、セラミックス、あるいは半導体などからなる母材の表面にメタライズ層を形成したものとするものである。この方法は、上記はんだ接合に適さない材料を被接合部材として用いる場合に適している。
[Fourth Embodiment: Another Modification of Joining Method]
In the bonding method of this embodiment, at least one of the first member to be bonded and the second member to be bonded is formed by forming a metallized layer on the surface of a base material made of metal, ceramics, or semiconductor. is there. This method is suitable when a material that is not suitable for soldering is used as a member to be joined.

前述のように、第1の被接合部材または第2の被接合部材が、金属、セラミックス、半導体等の材料からなる母材と、その表面に形成されたメタライズ層とからなっている。このメタライズ層は、Cu、Au、Ag、Ni,Pd,Co,Ti,Pt,Alまたはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料であることが好ましいが、用途に応じて選択可能であり特に限定されることはない。このメタライズ層は、単一材料の層であってもよいし、相互に異なる材料からなる複数のメタライズ層からなっていてもよい。母材表面にメタライズする手段としては、蒸着、スパッタリング、めっき処理や電子ビーム処理等の物理的あるいは化学的成膜法を採用することができる。   As described above, the first member or the second member is composed of a base material made of a material such as metal, ceramics, or semiconductor, and a metallized layer formed on the surface thereof. The metallized layer is preferably a material selected from the group consisting of Cu, Au, Ag, Ni, Pd, Co, Ti, Pt, Al or a metal alloy using these metal materials, depending on the application. And can be selected without any particular limitation. This metallized layer may be a single material layer, or may be composed of a plurality of metallized layers made of different materials. As means for metallizing on the surface of the base material, physical or chemical film formation methods such as vapor deposition, sputtering, plating treatment, and electron beam treatment can be employed.

メタライズ層の厚さ(平均厚さ)は、特に限定されるものではないが、0.1μm以上、500μm以下の範囲であることが望ましい。この厚さが、0.1μm以下であると、十分なはんだ接合強度が得られない。また、500μm以上のメタライズ層を形成するには、薄膜形成に長時間を要し、実用的ではない。   The thickness (average thickness) of the metallized layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.1 μm or more and 500 μm or less. If this thickness is 0.1 μm or less, sufficient solder joint strength cannot be obtained. In addition, forming a metallized layer of 500 μm or more requires a long time to form a thin film and is not practical.

本実施の形態においては、前記メタライズ層表面に、前記成膜法を適用して、接合層を形成し、前記第1の実施の形態における方法と同様にして接合することができる。また、メタライズ層を備えていない接合部材表面に接合材層を形成し、メタライズ層を備えた基材と接合することもできる。   In the present embodiment, a bonding layer can be formed on the metallized layer surface by applying the film forming method, and bonding can be performed in the same manner as in the method in the first embodiment. Further, a bonding material layer can be formed on the surface of the bonding member not provided with the metallized layer, and bonded to the base material provided with the metallized layer.

[第5の実施の形態:上記接合技術を適用した半導体装置]
上記はんだ接合技術は、半導体装置の製造に適用することできる。
[Fifth Embodiment: Semiconductor Device Applying the Joining Technique]
The solder joining technique can be applied to the manufacture of semiconductor devices.

以下、本実施の形態を適用することができる半導体装置について、図面を用いて説明する。
図6は、本実施の形態の接合技術を適用した半導体装置の一例を示す断面図である。この実施形態の半導体装置は、外部端子となるリード部65を有するリードフレーム62と、リードフレーム62表面に配置されている半導体素子64と、このリードフレーム62と半導体素子64との間で両者を接合している接合層63と、これらを包囲する封止樹脂61とを有している。
リードフレーム62は、42アロイなどの低熱膨張材料、Cuなど高熱膨張材料の金属の表面に、例えばAgめっきおよびCuめっきなどが施されていてもよい。本実施の形態の半導体装置としては、例えばダイオード、トランジスタ、コンデンサ、サイリスタ等を挙げることができる。
Hereinafter, a semiconductor device to which this embodiment mode can be applied will be described with reference to the drawings.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a semiconductor device to which the bonding technique of this embodiment is applied. The semiconductor device of this embodiment includes a lead frame 62 having a lead portion 65 serving as an external terminal, a semiconductor element 64 disposed on the surface of the lead frame 62, and both between the lead frame 62 and the semiconductor element 64. It has the joining layer 63 which has joined, and the sealing resin 61 which surrounds these.
The lead frame 62 may be subjected to, for example, Ag plating or Cu plating on the surface of a low thermal expansion material such as 42 alloy or a high thermal expansion material such as Cu. Examples of the semiconductor device of this embodiment include a diode, a transistor, a capacitor, and a thyristor.

上記本実施の形態の半導体装置においては、半導体素子表面を、Au、Ni、Ag、Cu、Pd、Pt及びAl、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料を用いた金属薄膜でメタライズし、この半導体素子の金属薄膜がメタライズされた面と、前記半導体素子を載置する金属リードフレームとを、Snと、これらより融点の高い金属元素とからなる接合層用材料によって接合するものである。   In the semiconductor device of the present embodiment, the surface of the semiconductor element is made of a material selected from the group consisting of Au, Ni, Ag, Cu, Pd, Pt and Al, or a metal alloy using these metal materials. The surface of the semiconductor element metallized with the metal thin film and the metal lead frame on which the semiconductor element is placed are composed of Sn and a metal element having a higher melting point. It joins by.

前記半導体装置において、前記金属フレームは、Au、Ni、Ag、Cu、Pd、Pt及びAl、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料で構成されていてもよいし、任意の金属母材表面が、Au、Ni、Ag、Cu、Pd、Pt及びAl、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群より選択される材料を用いた金属薄膜でメタライズされていても良い。   In the semiconductor device, the metal frame may be made of Au, Ni, Ag, Cu, Pd, Pt, and Al, or a material selected from the group consisting of metal alloys using these metal materials. The surface of any metal matrix is metallized with a metal thin film using a material selected from the group consisting of Au, Ni, Ag, Cu, Pd, Pt and Al, or a metal alloy using these metal materials. May be.

本実施の形態において、接合層用材料を構成するSn以上の融点を有する金属材料としては、Ag、Cu、Ni、Pd、Pt及びAl、またはこれらの金属材料を用いた金属合金からなる群により選択される材料を用いることが好ましい。また、これ以外の金属元素が微量添加されていても、本発明の効果は変わらない。   In the present embodiment, the metal material having a melting point equal to or higher than Sn constituting the bonding layer material includes Ag, Cu, Ni, Pd, Pt, and Al, or a group of metal alloys using these metal materials. It is preferred to use the material selected. Even if a trace amount of other metal elements is added, the effect of the present invention does not change.

本実施の形態の半導体装置の製造方法及び半導体装置によれば、半導体装置の製造過程において有害な高Pb含有接合層用材料を使用せずとも、高温条件下にさらされても半導体素子とリードフレーム間の接合強度は維持され、信頼性の高い半導体装置を短時間で提供できる。
According to the method of manufacturing a semiconductor device and the semiconductor device of the present embodiment, the semiconductor element and the lead can be used even when exposed to high temperature conditions without using a high Pb-containing bonding layer material that is harmful in the manufacturing process of the semiconductor device. The bonding strength between the frames is maintained, and a highly reliable semiconductor device can be provided in a short time.

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

(実施例1)
20mm×20mm、厚さ0.3mmのCu板の表面に、10mm×10mm厚さ0.1mmの純Sn箔を載置し、ロジン活性化フラックスを塗布し、その上に上記サイズのCu板を載置した。これを300℃で5分加熱し接合を行った。
その結果、Cu板の間に、SnCuからなる複数の金属間化合物層が形成されていた。元素分析の結果、中心層は、η相で構成されており、中心層の両側に位置する表層側層は、ε相で構成されていることが分かった。
この接合層は、400℃加熱に耐える耐熱性を備えていた。
(Example 1)
A pure Sn foil of 10 mm × 10 mm thickness 0.1 mm is placed on the surface of a 20 mm × 20 mm, 0.3 mm thick Cu plate, rosin activation flux is applied, and a Cu plate of the above size is applied thereon. Placed. This was heated at 300 ° C. for 5 minutes for bonding.
As a result, a plurality of intermetallic compound layers made of SnCu were formed between the Cu plates. As a result of elemental analysis, it was found that the central layer was composed of η phase, and the surface layer side layers located on both sides of the central layer were composed of ε phase.
This bonding layer had heat resistance that withstands heating at 400 ° C.

(実施例2)
600μm厚さのシリコンウェハ表面に、Ti、Ni、Au薄膜をスパッタ法によりこの順序により成膜した。その後、その表面に、Sn、Ag、Sn、Cu、Snをこの順序に蒸着して薄膜を形成した。これらの膜厚は、下記表1に示すとおりである。
(Example 2)
Ti, Ni, and Au thin films were formed in this order on the surface of a 600 μm thick silicon wafer by sputtering. Thereafter, Sn, Ag, Sn, Cu, and Sn were vapor-deposited in this order on the surface to form a thin film. These film thicknesses are as shown in Table 1 below.

成膜したシリコンウェハを2.5×3.0mmのサイズに裁断し、これをロジン活性化フラックス処理したCu板と密着させ、300℃で30秒加熱して接合させた。
こうして得た接合体の断面SEM写真及びEDXによる接合層の元素分析結果を図4(a)に示す。元素分析結果は質量%で示した。また、得られた接合体を25℃、250℃及び270℃の温度条件で下記方法によりダイシェア試験を行った。その結果を図2に示す。図2の結果から明らかな様に、各サンプルについて、いずれも10MPaを超えるせん断強度が得られ、高温条件下でも十分なせん断強度があり、耐熱性があることが分かった。
The formed silicon wafer was cut into a size of 2.5 × 3.0 mm, and was closely adhered to a Cu plate treated with rosin activation flux, and was heated and bonded at 300 ° C. for 30 seconds.
FIG. 4A shows a cross-sectional SEM photograph of the joined body thus obtained and an elemental analysis result of the joining layer by EDX. The elemental analysis results are shown in mass%. Moreover, the die-joint test was done by the following method on 25 degreeC, 250 degreeC, and 270 degreeC temperature conditions for the obtained joined body. The result is shown in FIG. As is clear from the results of FIG. 2, it was found that for each sample, a shear strength exceeding 10 MPa was obtained, sufficient shear strength was obtained even under high temperature conditions, and heat resistance was obtained.

(ダイシェア試験)
上記接合体について、図3に示す試験装置を用いて行う高温剪断試験であって、リードフレーム31の表面に接合層32を介して半導体素子33が接合されている試験体を、加圧片34を用いて矢印方向に力を印加し、破断時の強度を測定する。
(Die share test)
A test piece in which the semiconductor element 33 is bonded to the surface of the lead frame 31 via the bonding layer 32 in the high-temperature shear test performed using the test apparatus shown in FIG. Apply a force in the direction of the arrow using and measure the strength at break.

(実施例3)
パワー系半導体装置における半導体素子とリードフレームとの接合を行った。半導体素子としては、2.5×3.0×0.6mmサイズのものを用いた。このパワー系半導体モジュールでは、10mm角のSi半導体素子に、第1の被接合部材として、Auを蒸着することにより、0.1μm厚のAuよりなるメタライズ層を形成した。さらに、メタライズ層表面には、実質的に質量構成比でSnを25%、Cuを22%含み、残部がAgよりなる5μm厚の接合層用材料を蒸着形成した。
また、第2の被接合部材として、Cuよりなるリードフレームを用いた。
更に、上記接合層用材料とCuとが接するように積層し、その後加熱して接合を行なった。加熱は、100ppm以下の酸素濃度にしたフォーミングガス(窒素+水素)雰囲気中で、熱板上で加熱した。加熱条件は、350℃、5秒とした。
(Example 3)
The semiconductor element and the lead frame in the power semiconductor device were joined. A semiconductor element having a size of 2.5 × 3.0 × 0.6 mm was used. In this power semiconductor module, a metallized layer made of 0.1 μm thick Au was formed by vapor-depositing Au as a first member to be bonded on a 10 mm square Si semiconductor element. Further, a 5 μm-thick bonding layer material containing substantially 25% Sn and 22% Cu in terms of the mass composition ratio and the balance being made of Ag was formed on the metallized layer surface by vapor deposition.
A lead frame made of Cu was used as the second member to be joined.
Furthermore, it laminated | stacked so that the said material for joining layers and Cu might contact | connect, and then it heated and joined. The heating was performed on a hot plate in a forming gas (nitrogen + hydrogen) atmosphere having an oxygen concentration of 100 ppm or less. The heating conditions were 350 ° C. and 5 seconds.

こうして得た接合体の断面SEM写真及びEDXによる接合層の元素分析結果を図4(b)に示す。元素分析結果は質量%で示した。接合後の接合界面の断面をSEM観察したところ、ボイドの発生は認められず、良好な接合性を示した。   FIG. 4B shows a cross-sectional SEM photograph of the joined body thus obtained and an elemental analysis result of the joining layer by EDX. The elemental analysis results are shown in mass%. When the cross section of the bonded interface after bonding was observed with an SEM, no voids were observed and good bonding properties were exhibited.

最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、260℃の耐熱性を有したパワー系半導体装置を得た。   Finally, the joined lead frame and the semiconductor element were sealed with a resin to obtain a power semiconductor device having heat resistance of 260 ° C.

(実施例4)
パワー系半導体装置における半導体素子とリードフレームとの接合を行った。半導体素子としては、2.5×3.0×0.6mmサイズのものを用いた。このパワー系半導体モジュールでは、10mm角のSi半導体素子に、第1の被接合部材として、Auを蒸着することにより、0.1μm厚のAuよりなるメタライズ層を形成した。さらに、メタライズ層表面には、実質的に質量構成比でSnを25%、Cuを22%含み、残部がAgよりなる10μm厚の接合層用材料を蒸着形成した。
また、第2の被接合部材として、42アロイよりなるリードフレーム表面上にCuよりなる10μmのメタライズ層を無電解めっき処理により形成したものを用いた。
更に、上記接合層用材料とメタライズ層とが接するように積層し、その後加熱して接合を行なった。加熱は、100ppm以下の酸素濃度にしたフォーミングガス(窒素+水素)雰囲気中で、熱板上で加熱した。加熱条件は、400℃、5秒とした。
Example 4
The semiconductor element and the lead frame in the power semiconductor device were joined. A semiconductor element having a size of 2.5 × 3.0 × 0.6 mm was used. In this power semiconductor module, a metallized layer made of 0.1 μm thick Au was formed by vapor-depositing Au as a first member to be bonded on a 10 mm square Si semiconductor element. Further, a 10 μm-thick bonding layer material containing substantially 25% Sn and 22% Cu in terms of mass composition ratio and the balance being made of Ag was formed on the metallized layer surface by vapor deposition.
Further, as the second member to be joined, a 10 μm metallized layer made of Cu was formed by electroless plating on the surface of a lead frame made of 42 alloy.
Further, the bonding layer material and the metallized layer were laminated so as to be in contact with each other, and then heated to perform bonding. The heating was performed on a hot plate in a forming gas (nitrogen + hydrogen) atmosphere having an oxygen concentration of 100 ppm or less. The heating conditions were 400 ° C. and 5 seconds.

こうして得た接合体の断面SEM写真及びEDXによる接合層の元素分析結果を図4(c)に示す。元素分析結果は質量%で示した。接合後の接合界面の断面をSEM観察したところ、ボイドの発生は認められず、良好な接合性を示した。   FIG. 4C shows a cross-sectional SEM photograph of the joined body thus obtained and an elemental analysis result of the joining layer by EDX. The elemental analysis results are shown in mass%. When the cross section of the bonded interface after bonding was observed with an SEM, no voids were observed and good bonding properties were exhibited.

最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、270℃の耐熱性を有したパワー系半導体装置を得た。   Finally, the joined lead frame and the semiconductor element were sealed with resin to obtain a power semiconductor device having heat resistance of 270 ° C.

(実施例5)
接合層用材料として、実質的に質量構成比でSnを35%、Cuを13%含み、残部がAgよりなる5μm厚の接合層用材料を用いたこと以外には、上記実施例3と同様にして、パワー半導体とリードフレームとの接合を行った。
接合後の接合界面の断面をSEM観察したところ、ボイドの発生は認められず、良好な接合性を示していた。
(Example 5)
As the bonding layer material, substantially the same as in Example 3 except that a 5 μm-thick bonding layer material containing 35% Sn and 13% Cu with the balance being made of Ag was used. Then, the power semiconductor and the lead frame were joined.
When the cross section of the bonded interface after bonding was observed with an SEM, the generation of voids was not observed, indicating good bondability.

(実施例6)
接合層用材料として、実質的に質量構成比でSnを40%、Cuを13%含み、残部がAgよりなる5μm厚の接合層用材料を用いたこと以外には、上記実施例3と同様にして、パワー半導体とリードフレームとの接合を行った。
接合後の接合界面の断面をSEM観察したところ、ボイドの発生は認められず、良好な接合性を示していた。
(Example 6)
As the bonding layer material, substantially the same mass composition ratio as that of Example 3 except that a 5 μm thick bonding layer material containing 40% Sn and 13% Cu and the balance being Ag is used. Then, the power semiconductor and the lead frame were joined.
When the cross section of the bonded interface after bonding was observed with an SEM, the generation of voids was not observed, indicating good bondability.

(実施例7)
本実施例では、第2の被接合部材としてAgよりなるメタライズ層を42アロイよりなるリードフレーム上に成膜して用いた以外は実施例3と同様にパワー系半導体装置を得た。
(Example 7)
In this example, a power semiconductor device was obtained in the same manner as in Example 3 except that a metallized layer made of Ag was formed on a lead frame made of 42 alloy as the second member to be joined.

接合後の接合界面の断面をSEM観察から、ボイドは発生せず良好な接合性を示し、高温での接合性も良好であった。   From the SEM observation of the cross section of the bonded interface after bonding, no void was generated and good bonding property was exhibited, and the bonding property at high temperature was also good.

最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、270℃の耐熱性を有したパワー系半導体装置を得た。   Finally, the joined lead frame and the semiconductor element were sealed with resin to obtain a power semiconductor device having heat resistance of 270 ° C.

(参考例)
本実施例では、2.5×3.0×0.6mmサイズの半導体素子13上に真空蒸着により形成された0.1μm厚のAu層および10μm厚のSn層の表面上に、更に真空蒸着により10μm厚のZn−Sn系接合層を形成した以外は実施例3と同様にパワー系半導体装置を得た。蒸着により形成されたZn−Sn接合層は、Snが50.0質量%、残りがZnからなるZn-Sn系合金を用いている。この接合層を、Cuからなるリードフレーム上に施されたSn層上に搭載して、100ppmの酸素濃度にしたフォーミングガス(窒素+水素)雰囲気中で、熱板上で加熱した。加熱条件は、400℃、5秒とした。
(Reference example)
In this example, further vacuum deposition was performed on the surface of the 0.1 μm thick Au layer and the 10 μm thick Sn layer formed by vacuum deposition on the semiconductor element 13 of 2.5 × 3.0 × 0.6 mm size. Thus, a power semiconductor device was obtained in the same manner as in Example 3 except that a 10 μm thick Zn—Sn bonding layer was formed. The Zn—Sn bonding layer formed by vapor deposition uses a Zn—Sn based alloy in which Sn is 50.0% by mass and the remainder is Zn. This bonding layer was mounted on a Sn layer formed on a lead frame made of Cu, and heated on a hot plate in a forming gas (nitrogen + hydrogen) atmosphere having an oxygen concentration of 100 ppm. The heating conditions were 400 ° C. and 5 seconds.

接合後の接合界面の断面をSEM観察したところ、ボイドは発生せず良好な接合性を示し、高温での接合性も良好であった。   When the cross section of the bonded interface after bonding was observed by SEM, no voids were generated and good bonding properties were exhibited, and bonding properties at high temperatures were also good.

最後に接合したリードフレームと半導体素子とを樹脂封止し、パワー系半導体装置を得た。   Finally, the joined lead frame and the semiconductor element were sealed with resin to obtain a power semiconductor device.

(実施例8〜13及び比較例1〜3)
実施例8では、第1の被接合部材として42アロイにCuメッキした被接合部材を、実施例9〜13は被接合部材にCuを用い、AgCuSn系接合層用材料を表2に示すような比率になるように各元素を蒸着によって成膜した。加熱は実施例7の場合には450℃、実施例9〜13の場合には400℃、N雰囲気下で接合性を評価した。
一方、比較例1及び2は被接合材として42アロイを用い、表2に示すような比率になるように実施例8同様に各元素を蒸着によって成膜し、比較例3では被接合部材としてCuを用い、実質的に質量構成比でSnを75%、Cuを13%含み、残部がAgとなるように各元素を蒸着によって成膜して、評価した。
表2にその結果を示した。評価は各接合層の接合性と265℃における接合強度により行った。接合性は実施例3と同様に接合界面をSEM観察し、接合が良好であるものは○、接合界面にボイドが発生したり、接合していないものには×を示した。また、接合強度の測定は実施例2と同様に半導体素子が接合されている試験体を作製し、各試験体の260℃におけるせん断強度を測定した。
この測定は、各試験片について、室温及び275℃加熱時について、各10サンプルについて行った。
図5は、本願実施例により提供されるサンプルに対するせん断強度試験結果の一例であり、室温と、275℃におけるせん断強度を測定している。各実施例において試料を3〜5個用意し、それぞれのサンプルのせん断強度を測定し、その平均値を算出した。
図5に見られるように、各結果においては全て275℃加熱時においても室温時並のせん断強度を示しており、耐熱性があることが分かった。
接合しておらずせん断強度の測定ができない試験体については「−」で、測定ができた試験体については破断時の強度(MPa)を示した。
本願発明の実施例8〜13は全て十分接合したのに対して、比較例1は、接合しなかった。また、実施例8〜13はいずれも接合強度13.0MPaより大きく、十分な接合強度を示したのに対し、比較例2及び3については265℃における接合強度が13MPa以下(表2において×で示す)となり、実用上不十分であった。
(Examples 8-13 and Comparative Examples 1-3)
In Example 8, as a first member to be bonded, a member to be bonded which is Cu-plated to 42 alloy is used. In Examples 9 to 13, Cu is used as a member to be bonded, and a material for an AgCuSn-based bonding layer is shown in Table 2. Each element was formed into a film by vapor deposition so as to have a ratio. The heating was evaluated at 450 ° C. in the case of Example 7, 400 ° C. in the case of Examples 9 to 13, and the bondability was evaluated under an N 2 atmosphere.
On the other hand, Comparative Examples 1 and 2 used 42 alloy as the material to be joined, and deposited each element by vapor deposition in the same manner as in Example 8 so that the ratios shown in Table 2 were obtained. Each element was formed by vapor deposition and evaluated so as to contain 75% Sn and 13% Cu substantially by mass composition ratio using Cu, and the balance being Ag.
Table 2 shows the results. The evaluation was performed based on the bondability of each bonding layer and the bonding strength at 265 ° C. As in the case of Example 3, the bonding interface was observed with an SEM, and “Good” indicates that the bonding is good, “V” indicates that a void is generated on the bonding interface, and “X” indicates that bonding is not performed. Moreover, the measurement of joining strength produced the test body to which the semiconductor element was joined similarly to Example 2, and measured the shear strength in 260 degreeC of each test body.
This measurement was performed on each test piece for 10 samples each at room temperature and at 275 ° C. heating.
FIG. 5 is an example of the shear strength test result for the sample provided by the embodiment of the present application, and the shear strength at room temperature and 275 ° C. is measured. In each example, 3 to 5 samples were prepared, the shear strength of each sample was measured, and the average value was calculated.
As can be seen from FIG. 5, in each result, even when heated at 275 ° C., the shear strength was comparable to that at room temperature, indicating that it had heat resistance.
The specimens that were not joined and for which the shear strength could not be measured were “-”, and the specimens that could be measured showed the strength at break (MPa).
While Examples 8 to 13 of the present invention were all sufficiently joined, Comparative Example 1 was not joined. In addition, Examples 8 to 13 all had a bonding strength greater than 13.0 MPa and showed a sufficient bonding strength, whereas Comparative Examples 2 and 3 had a bonding strength at 265 ° C. of 13 MPa or less (in Table 2, “×”). It was not practically sufficient.

本発明の実施の形態の接合体の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the conjugate | zygote of embodiment of this invention. 本発明の実施例のせん断強度を示すグラフの断面図である。It is sectional drawing of the graph which shows the shear strength of the Example of this invention. 接合体のせん断強度を測定する装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the apparatus which measures the shear strength of a joined body. 本発明の実施例の効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of the Example of this invention. 本発明の実施例の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the Example of this invention. 本発明の接合体を用いた半導体装置の例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the example of the semiconductor device using the conjugate | zygote of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10…接合体
11…第1の被接合部材
12…第2の被接合部材
13…接合層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Bonded body 11 ... 1st to-be-joined member 12 ... 2nd to-be-joined member 13 ... Joining layer

Claims (8)

第1の被接合部材と、第2の被接合部材と、これらの被接合部材間に介在している接合層からなる接合体であって、
前記接合層が、Snと、Snより高い融点を有する金属材料を含み、
該接合層中に少なくともSnの量が、20質量%以上70質量%以下である第1の層を有することを特徴とする接合体。
A joined body comprising a first joined member, a second joined member, and a joining layer interposed between these joined members,
The bonding layer includes Sn and a metal material having a melting point higher than Sn;
A joined body comprising a first layer having an amount of Sn of 20% by mass or more and 70% by mass or less in the joining layer.
前記接合層が前記第1の層と質量比の異なる第2の層を含むことを特徴とする請求項1に記載の接合体。   The joined body according to claim 1, wherein the joining layer includes a second layer having a mass ratio different from that of the first layer. 前記接合層が、固相線温度400℃以上の材料からなるものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の接合体。   The joined body according to claim 1, wherein the joining layer is made of a material having a solidus temperature of 400 ° C. or more. 前記接合層が、CuとSnの金属間化合物であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の接合体。   4. The joined body according to claim 1, wherein the joining layer is an intermetallic compound of Cu and Sn. 前記接合層中の前記第1の層はSnの質量比が20%以上50%以下であるCu及びSnの金属間化合物を含み、
前記第2の層はSnの質量比が10%以上35%以下であるAg及びSnの金属間化合物を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の接合体。
The first layer in the bonding layer includes an intermetallic compound of Cu and Sn having a Sn mass ratio of 20% to 50%,
The joined body according to any one of claims 1 to 5, wherein the second layer includes an intermetallic compound of Ag and Sn having a mass ratio of Sn of 10% to 35%.
前記第1の被接合部材はCuであることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の接合体。   The joined body according to claim 1, wherein the first member to be joined is Cu. Snより高い融点を有する金属材料を含む第1の被接合部材表面に、Sn膜を付与する工程と、
このSn膜表面に第2の被接合部材を密着させて、加圧しながら250℃以上450℃以下の温度で加熱することを特徴とする接合方法。
A step of providing a Sn film on the surface of the first member to be bonded containing a metal material having a melting point higher than Sn;
A bonding method characterized in that a second member to be bonded is brought into close contact with the surface of the Sn film and heated at a temperature of 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower while being pressurized.
第1の被接合部材表面に、Sn膜と、Snより高い融点を有する金属材料膜とを、それぞれ少なくとも1層ずつ付与する工程と、
前記工程で付与した金属材料の膜の表面に第2の被接合部材を密着させて、加圧しながら250℃以上450℃以下の温度で加熱することを特徴とする接合方法。

A step of providing at least one layer each of an Sn film and a metal material film having a melting point higher than Sn on the surface of the first bonded member;
A bonding method, wherein the second member to be bonded is brought into close contact with the surface of the film of the metal material applied in the step and heated at a temperature of 250 ° C. to 450 ° C. while being pressurized.

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