大阪大学新技術説明会 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
本日の講演内容 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
環境に配慮したエレクトロニクス実装へ 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
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 リードフレーム Alワイヤー封止樹脂デバイス接合部 放熱ベース 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
各種はんだ材料の融点 ( 固相線温度 ) の比較 Sn-Zn Sn-Cu Sn-Sb 有力候補 代替はんだ材料なし Sn-Bi Sn-Ag-Cu 150 200 250 300 Sn-Pb ( 共晶はんだ ) 温度 ( ) Pb-Sn ( 高温はんだ ) 高温はんだ候補合金 Joining method Zn-based solder Au-based solder Bi-based solder Limitation poor corrosion resistance high cost brittle nature of Bi-rich phase
ナノ材料の融点低下と低温焼結性の利用 金属ナノ粒子の焼結 接合プロセス 特殊分散剤 ( 有機層 ) ナノ粒子 加熱 加熱 室温 20nm 分散剤 有機分の分解 蒸発 放出過程 ナノ粒子の焼結進行 バルク化 焼結層 接合対象 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 低温プロセスかつ耐熱化が可能!
金属ナノ粒子ペーストの特徴 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 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 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 20nm 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
国内外での研究動向 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.
Ag ナノ粒子, Cu ナノ粒子を用いた銅継手の接合強度の例 Ag ナノ粒子 : 平均粒径 7.9 nm 予熱温度 150 予熱時間 5min 保持時間 5min 加圧力 10 MPa Cu ナノ粒子 : 平均粒径 498.0 nm Y. Morisada et al. : A Low-Temperature Bonding Process Using Mixed Cu-Ag Nanoparticles, J. Electron. Mater., Vol. 39, No. 8 (2010), 1283-1288.
ナノ粒子ペーストを用いた接合の課題と方向性 Ag ナノ粒子接合 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 Cu ナノ粒子の適用 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 マイクロサイズ粒子の適用 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 新たな材料や接合プロセスなど検討が急務
Cu ナノ粒子を用いた接合 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,H 2 O で洗浄 ) 接合方法雰囲気 :Air,N 2, N 2 と O 2 の混合ガス 加圧力 :15 MPa 加熱速度 :0.5 K/s Φ3mm t:2mm Φ10mm t:5mm 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 加圧 ペースト 150 μm Temperature (K) 加熱プロファイル 予備加熱 300 s Time (s) 200μm 本加熱 300 s 昇温速度 0.5 K/s 加圧開始 Shear
実験装置の外観 雰囲気チャンバー 加圧機構部 加熱 ヒーター 試料搭載部
Cu ナノ粒子接合の進行プロセス 有機保護剤 Cuナノ粒子 有機分のガス化 Air N 2 有機分の多くが残留 酸化の開始
接合強度に及ぼす雰囲気の影響 窒素と酸素の割合を変えた場合のせん断強度 Shear strength (MPa) 50 40 30 20 10 0 5 10 20 30 50 100 Air N 2 N 2 /O 2 Temperature (K) 加熱プロファイル Press start Time (s) 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 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.
接合強度に及ぼす雰囲気の影響 Shear strength (MPa) 50 40 30 280 20 10 0 N2/O2=10 N2 360 550 600 650 接合条件 ( 接合雰囲気 :N 2 /O 2 =10) 700 予熱温度 :423 K Holding temperature (K) 各接合保持温度において 予熱時間 :300 s 保持時間 :300 s N 2 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 :N 2 (2 l/min)) 予熱温度 :453 K 予熱時間 :300 s 保持時間 :300 s Temperature (K) 加熱プロファイル (B) Press start Time (s)
Cu ナノ粒子を用いた接合断面の一例 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 接合層 安価な Cu ナノ粒子を用いた接合が可能!
マイクロサイズ Ag 粒子を用いた接合 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 混合比率 (7 : 3, 5 : 5, 3 : 7) フレーク状マイクロ Ag(Ave. 3.1 μm ) 球状ナノ Ag(Ave. 100 nm) 球状マイクロ Ag(Ave. 2.5 μm) 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%) 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 破壊面および接合断面観察
接合層構造に与える影響 フレーク状粒子単体 大気雰囲気 窒素雰囲気 フレーク状 & ナノ粒子 (5 : 5) ナノ粒子の混合比率の増加とともに接合層はより密に 球状粒子単体 球状 & ナノ粒子 (5 : 5) ナノ粒子単体 5 μm
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!
ナノポーラスシートを利用した接合 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 20nm 低温焼結性などの特性を活かしきれていない 拡大 Au 100nm 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 バルク体ナノポーラス構造 バルク体 接触 加熱 拡散 接合層 ナノペーストに代わるナノポーラスシートの可能性
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