JP5708692B2 - 電子デバイス用の接合構造及び電子デバイス - Google Patents

Description

本発明は電子デバイス用の接合構造及び当該接合構造を備える電子デバイスに関する。

電子デバイスを構成する部材同士をＡｕＳｎ系ろう材を介して接合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。「ろう」とは、接合される部材（基板又は導体層等）よりも融点の低い合金を意味する。ＡｕＳｎ系ろう材を用いた接合では、接合される一対の部材の各表面に予めＡｕめっき層を形成する。そして、一対のＡｕめっき層の間に挟んだＡｕＳｎ系ろう材を加熱して溶融させることで、部材間に接合構造が形成され、部材同士が電気的に接続される。この接合方法において、Ａｕめっき層は、部材表面に対するＡｕＳｎ系ろう材の濡れ性を向上させる。

特開２００５−２６２３１７号公報

従来のＡｕＳｎ系ろう材を用いた接合方法では、ＡｕＳｎ系ろう材から形成されたＡｕＳｎ層とこれに隣接するＡｕ層（Ａｕめっき層に由来する層）との界面（接合界面）に、ボイド（気泡）又はクラック（ひび）が発生し易い。接合界面にボイド又はクラックが形成された接合構造に剪断力が加わると、接合構造は接合界面において破損し易い。つまり、従来のＡｕＳｎ系ろう材を用いて形成した接合構造では、部材間の十分な接合強度を達成することが困難である。したがって、従来の接合構造を備える電子デバイスに落下等の衝撃が加わると、接合構造が容易に破損して、部材間の電気的接続が破断してしまう。

本願発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、優れた接合強度を有する電子デバイス用の接合構造、及び当該接合構造を備える電子デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係る電子デバイス用の接合構造の一態様は、ニッケルを含む第１金属層と、第１金属層の上に形成され、金（Ａｕ）、スズ（Ｓｎ）及びニッケル（Ｎｉ）を含む第２金属層と、を備え、第２金属層がＡｕＳｎ共晶相を含み、第２金属層において第１金属層側に位置する部分が、ＡｕＳｎＮｉ合金相を含むＡｕＳｎＮｉ合金層であり、ＡｕＳｎＮｉ合金相が第１金属層の表面に接している。本発明に係る電子デバイス用の接合構造の一態様は、第２金属層に隣接し、Ａｕ相又はＡｕＳｎ合金相からなる残留層をさらに備えてもよい。本発明に係る電子デバイス用の接合構造の一態様は、導体層をさらに備えてよく、第１金属層は導体層の上に形成されてよく、導体層は、金、銀、銅、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種を含んでよい。

上記態様では、第２金属層において第１金属層とは反対側に位置する部分に、ＡｕＳｎ共晶相が存在してもよい。

上記態様では、ニッケルがＡｕＳｎ共晶相内に偏在していてもよい。

上記態様では、ＡｕＳｎ共晶相内に偏在したニッケルの周囲にＳｎが偏在してもよい。

上記態様では、ＡｕＳｎＮｉ合金層内のニッケルの濃度が、第１金属層からの距離の増加に伴って減少してもよい。

上記態様では、第１金属層内のニッケルの濃度が、第２金属層からの距離の減少に伴って減少してもよい。

本発明に係る電子デバイスの一態様は、上記接合構造を備える。

本願発明によれば、優れた接合強度を有する電子デバイス用の接合構造、及び当該接合構造を備える電子デバイスが提供される。

本発明に係る電子デバイスの実施形態の断面の模式図である。 本発明に係る接合構造の実施形態の断面の模式図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本発明に係る接合構造の製造方法の実施形態を示す模式図である。 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した、実施例１の接合構造の断面の写真であり、エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）で分析された箇所を示す図である。 ＳＥＭで撮影した実施例２の接合構造の断面の写真であり、ＥＤＳで分析された箇所を示す図である。 ＳＥＭで撮影した実施例４の接合構造の断面の写真であり、ＥＤＳで分析された箇所を示す図である。 図７（ａ）は、ＳＥＭで撮影した、実施例５の接合構造の断面の写真であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の拡大図であって、ＥＤＳで分析された箇所を示す図である。 ＳＥＭで撮影した比較例１の接合構造の断面の写真であり、ＥＤＳで分析された箇所を示す図である。

以下、場合により図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。なお、各図面において、同一又は同等の要素には同一の符号を付与し、重複する説明を省略する。図１〜３は模式図に過ぎず、接合構造及び電子デバイスの形状及び縦横比は図１〜３に示すものに限定されない。

（接合構造及び電子デバイス）
図１は、本実施形態の電子デバイス１００（モジュール）の断面図である。ここで断面とは、第１基板４０及び第２基板６０の表面に垂直な方向（基板が互いに対向する方向）における断面である。本実施形態の電子デバイス１００は、第１基板４０、第２基板６０、チップ９０、及び接合構造１０を備えてよい。接合構造１０は、第１基板４０と第２基板６０との間に位置し、第１基板４０と第２基板６０とを接合して、これらを電気的に接続する。また接合構造１０は、第２基板６０とチップ９０の間に位置し、第２基板６０とチップ９０とを接合して、これらを電気的に接続する。なお、電子デバイス１００は、接合構造１０によって接合された一対の電子部品を備えてもよい。

第１基板４０及び第２基板６０は、Ｓｉ又はセラミック等の無機物から構成される基板であってよい。また、第１基板４０及び第２基板６０は、樹脂等の有機化合物から構成される基板（例えばマザーボード）であってもよい。ただし、第１基板４０及び第２基板６０は、接合構造１０の形成に要する加熱温度よりも高い融点を有する無機物からなることが好ましい。融点が高い無機物からなる第１基板４０及び第２基板６０は、接合構造１０の形成に必要な加熱によって溶融し難く、損傷し難いからである。チップ９０は、半導体素子等の電子部品であればよい。

図２は、本実施形態の接合構造１０の断面図である。ここで断面とは、第１基板４０及び第２基板６０の表面に垂直な方向（基板が互いに対向する方向）における断面である。第１基板４０上には導体層１５が形成されている。接合構造１０は、導体層１５上に積層された第１金属層１１と、第１金属層１１上に積層された第２金属層１２とを備える。第１金属層１１はニッケルを含む。第２金属層１２は金、スズ及びニッケルを含む。第２金属層１２はさらにＡｕＳｎ共晶相を含む。ここで、共晶とは、２種以上の溶融した金属の冷却によって同時に晶出する２種以上の合金の混合物をいう。ＡｕＳｎ共晶相の一部には、金及びスズ以外にニッケルが含有されていてもよい。導体層１５は接合構造１０にとって必須ではないが、金、銀、銅、アルミニウム等の電気伝導性に優れた物質からなる導体層１５を設けることにより、第１基板４０と第２基板６０との間の電気伝導性が高まる。また、導体層１５と各基板との間に、チタン等からなるシード（ｓｅｅｄ）層１６を設けてもよい。シード層１６により、導体層１５と各基板との密着性が向上する。

第１金属層１１及び第２金属層１２の組成は、ニッケルを含有する点において連続的であり、かつ第２金属層１２がＡｕＳｎ共晶相を含む。このため、接合構造１０では、第１基板４０又は第２基板６０の表面に略平行な方向における剪断力が接合構造１０に作用した場合に、第２金属層１２の第２基板６０側の界面における破損、及び第１金属層１１と第２金属層１２との界面における破損が抑制される。この点において、本実施形態の接合構造１０は、従来の接合構造に比べて接合強度に優れる。換言すれば、本実施形態の接合構造１０は、剪断力に対する耐久性に優れる。したがって、電子デバイス１００に衝撃（例えば落下による衝撃）が加わったとしても、接合構造１０が破損し難く、接合構造１０における電気的接続が破断し難い。また接合構造１０は、従来の接合構造に比べて耐熱性にも優れる。

ＡｕＳｎ共晶相における金の濃度は、特に限定されないが、ＡｕＳｎ共晶相全体に対して、６０〜８０原子％又は６６〜７７原子％程度である。ＡｕＳｎ共晶相におけるスズの濃度は、特に限定されないが、ＡｕＳｎ共晶相に対して、２０〜４０原子％又は２３〜３２原子％程度である。ＡｕＳｎ共晶相におけるニッケルの濃度は、特に限定されないが、ＡｕＳｎ共晶相全体に対して、０〜１０原子％又は０〜６原子％程度である。なお、本実施形態において元素の濃度は元素の含有率と同義である。

第２金属層１２のうち第１金属層側に位置する部分に、ＡｕＳｎＮｉ合金相が偏析してもよい。ＡｕＳｎＮｉ合金相とは、Ａｕ、Ｓｎ及びＮｉを含む合金から構成される相である。このＡｕＳｎＮｉ合金相が第１金属層１１の表面に接していてもよい。第２金属層１２のうち第１金属層側に位置する部分が、ＡｕＳｎＮｉ合金相を含むＡｕＳｎＮｉ合金層１３であってもよい。ＡｕＳｎＮｉ合金層１３が、ＡｕＳｎＮｉ合金相のみから構成されていてもよい。第２金属層１２内のＡｕＳｎＮｉ合金相が第１金属層側に偏在することにより、接合構造１０の接合強度がより向上する傾向がある。なお、ＡｕＳｎＮｉ合金相は、金、スズ及びニッケルの金属間化合物であってもよい。

ＡｕＳｎＮｉ合金相における金の濃度は、特に限定されないが、ＡｕＳｎＮｉ合金相全体に対して、２５〜５５原子％又は３０〜４９原子％程度である。ＡｕＳｎＮｉ合金相におけるスズの濃度は、特に限定されないが、ＡｕＳｎＮｉ合金相全体に対して、２５〜４５原子％又は３１〜３９原子％程度である。ＡｕＳｎＮｉ合金相におけるニッケルの濃度は、特に限定されないが、ＡｕＳｎＮｉ合金相全体に対して、１０〜４０原子％又は１５〜３５原子％程度である。

第２金属層１２のうち第１金属層１１とは反対側に位置する部分に、ＡｕＳｎ共晶相が偏析してもよい。つまり、第２金属層１２において第２基板６０側に位置する部分に、ＡｕＳｎ共晶相が存在してもよい。第２金属層１２のうち第１金属層とは反対側に位置する部分が、ＡｕＳｎ共晶相を含むＡｕＳｎ共晶層１４であってもよい。ＡｕＳｎ共晶層１４がＡｕＳｎ共晶相のみから構成されていてもよい。ＡｕＳｎ共晶相は、第１金属層１１から離隔していてもよい。ＡｕＳｎ共晶相の一部が、第１金属層１１の表面に接してもよい。上記のようなＡｕＳｎ共晶相の偏在により、接合構造の接合強度がより向上する傾向がある。

第２金属層１２は、Ａｕリッチ相又はＳｎリッチ相を含んでもよい。Ａｕリッチ相とは、ＡｕＳｎ共晶相の一部であり、金が偏析している部分である。Ａｕリッチ相における金の濃度（単位：原子％）は、ＡｕＳｎ共晶相全体における金の濃度（平均的濃度）よりも高い傾向がある。Ａｕリッチ相における金の濃度は、Ｓｎリッチ相における金の濃度に比べて高い傾向がある。Ｓｎリッチ相とは、ＡｕＳｎ共晶相の一部であり、スズが偏析している部分である。Ｓｕリッチ相におけるスズの濃度（単位：原子％）は、ＡｕＳｎ共晶相全体におけるスズの濃度（平均的濃度）よりも高い傾向がある。Ｓｎリッチ相におけるスズの濃度は、Ａｕリッチ相におけるスズの濃度に比べて高い傾向がある。Ａｕリッチ相における金の濃度は、特に限定されないが、７５〜９５原子％又は８０〜９０原子％である。Ａｕリッチ相におけるスズの濃度は、特に限定されないが、５〜２５原子％又は１０〜２０原子％程度である。Ｓｎリッチ相における金の濃度は、特に限定されないが、５０〜７０原子％又は５１〜６５原子％程度である。Ｓｎリッチ相におけるスズの濃度は、特に限定されないが、３０〜５０原子％又は３５〜４９原子％程度である。

ニッケルがＡｕＳｎ共晶相内に偏在していてもよい。つまり、ＡｕＳｎ共晶相内には、ニッケルが偏析した相（Ｎｉ偏析相）が存在していてもよい。Ｎｉ偏析相とは、ＡｕＳｎ共晶相の一部である合金相であって、ニッケルの濃度がＡｕＳｎ共晶相全体におけるニッケルの濃度（平均的濃度）よりも高い相である。ＮｉがＡｕＳｎ共晶相内に偏在することにより、接合構造１０の接合強度がより向上し、接合構造１０の耐熱性も向上する傾向がある。

ＡｕＳｎ共晶相内に偏在するニッケルの周囲にＳｎが偏析してもよい。つまり、Ｎｉ偏析相がＳｎリッチ相によって囲まれていても（包接されていても）よい。Ｎｉ偏析相がＳｎリッチ相のみによって囲まれていることにより、接合構造１０の接合強度がより向上し、接合構造１０の耐熱性も向上する傾向がある。なお、Ｎｉ偏析相がＳｎリッチ相及びＡｕリッチ相の両相によって囲まれていてもよい。

第２金属層１２のうち第１金属層側に位置する部分が、上記のＡｕＳｎＮｉ合金層１３であり、ＡｕＳｎＮｉ合金層１３内のニッケルの濃度が、第１金属層１１からの距離の増加に伴って減少してもよい。または、ＡｕＳｎＮｉ合金相内のニッケルの濃度が、第１金属層１１に最も近い位置から、第１金属層１１から最も遠い位置に向かって減少してもよい。すなわち、ＡｕＳｎＮｉ合金層１３又はＡｕＳｎＮｉ合金相におけるニッケルの濃度分布が勾配を有し、第１金属層１１から第２金属層１２に向かう方向において略連続的に減少してもよい。第２金属層１２及び第１金属層１１におけるニッケルの濃度分布が略連続的であることにより、接合構造１０の接合強度がより向上する傾向がある。

第１金属層内のニッケルの濃度が、第２金属層１２からの距離の減少に伴って減少してもよい。すなわち、第１金属層１１におけるニッケルの濃度分布が勾配を有し、第１金属層１１の内部から第２金属層１２に向かう方向において略連続的に減少してもよい。第２金属層１２及び第１金属層１１におけるニッケルの濃度分布が略連続的であることにより、接合構造１０の接合強度がより向上する傾向がある。

接合構造１０は、第１金属層１１と、第１金属層１１上に積層された上記ＡｕＳｎＮｉ合金層１３と、ＡｕＳｎＮｉ合金層１３上に積層された上記ＡｕＳｎ共晶層１４と、を備えてもよい。つまり、第２金属層１２がＡｕＳｎＮｉ合金層１３とＡｕＳｎ共晶層１４とを有し、接合構造１０が上記３つの層から構成されていてもよい。接合構造１０がこのような三層構造を有する場合、各層が互いに密着し易く、ＡｕＳｎ共晶層１４とこれに隣接する層との界面（接合界面）における破損が生じ難い。そのため、接合構造１０の接合強度が向上し易い傾向がある。なお、第２金属層１２において第２基板側に位置する部分が、金のみからなるＡｕ層であり、Ａｕ層とＡｕＳｎＮｉ合金層１３との間にＡｕＳｎ共晶層１４が位置してもよい。

第１金属層１１内のニッケル濃度は、特に限定されないが、第１金属層全体に対して７０〜１００原子％程度である。第１金属層１１はリン、硫黄、炭素等を含有してもよい。これらの含有によって第１金属層１１の硬さが向上し、接合構造１０の接合強度が向上する傾向がある。

第１金属層１１の厚さは、特に限定されないが、１．０〜２０μｍ程度である。

第２金属層１２の厚さは、特に限定されないが、１．０〜１０μｍ程度であればよい。

なお、接合構造１０内の任意の位置における各元素の濃度は、以下の方法により測定される。まず、接合構造１０を、第１金属層１１及び第２金属層１２の積層方向に沿って切断する。露出した接合構造１０の断面を、上記ＥＤＳ又はオージェ電子分光（ＡＥＳ）等の方法で分析することにより、各元素の濃度が特定される。

接合構造１０が備える各層の厚さは、以下の方法により測定される。まず、接合構造１０を積層方向に沿って切断する。露出した接合構造１０の断面を、例えば上記ＳＥＭ又は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて１０万倍程度に拡大して観察する。そして、断面から任意に選んだ複数の箇所（例えば３箇所）において測定した各層の厚さを平均することにより、各層の厚さが算出される。

（接合構造の製造方法）
本実施形態の接合構造１０の製造方法の一例を、以下に説明する。接合構造１０の製造方法は、第１基板４０の表面に第１前駆体構造を形成する工程と、第２基板６０の表面に第２前駆体構造を形成する工程と、第１前駆体構造と第２前駆体構造とを接合する工程と、を備える。

［第１前駆体構造の形成工程］
図３（ｂ）は、第１基板４０上に形成された第１前駆体構造２１を模式的に示す断面図である。第１前駆体構造２１は、第１基板４０上に形成されたシード層１６と、シード層１６上に形成された導体層１５と、導体層１５上に形成され、ニッケルを主成分として含むニッケル層２３と、ニッケル層２３上に形成され、スズを主成分として含むスズ層２４とから構成される。第１前駆体構造２１は以下の方法により形成される。

第１基板４０の上にシード層１６及び導体層１５を形成する。シード層１６及び導体層１５は、スパッタリング、化学気相蒸着又はめっき等によって形成すればよい。シード層１６の材料としては、一般的に用いられているチタン又はクロム等を用いることができる。なお、シード層１６は第１基板４０と導体層１５との密着性を高めるが、シード層１６を介在させずに第１基板４０の表面に直接導体層１５を形成してもよい。導体層１５を構成する金属としては、例えば銅、金、銀又はアルミニウム等の電気伝導性に優れた金属を用いればよい。レジストフィルムを用いた導体層のパターニングを行ってもよい。レジストフィルム及びシード層を第１基板４０の表面（導体層１５が形成された部分を除く。）から剥離する前の時点では、後述する各層を電解めっき又は無電解めっきのどちらで形成してもよい。レジストフィルム及びシード層を第１基板の表面から剥離した後では、各層の位置及び形状を調整し易い点において、無電解めっきを用いることが好ましい。

導体層１５に対して、必要に応じて前処理を行った後、導体層１５上に、ニッケル層２３を形成する。導体層１５が金、銀若しくは銅又はこれらを主に含む合金からなる場合、前処理として、脱脂、酸洗及び活性化処理等を行えばよい。また、導体層１５がアルミニウム又はアルミニウム合金からなる場合、前処理としては、脱脂、酸洗及びジンケート処理等を行えばよい。

ニッケル層２３の形成方法としては、無電解ニッケルめっき又は電解ニッケルめっきが挙げられる。無電解ニッケルめっきでは、例えば、ニッケル塩、錯化剤及び還元剤を含むめっき液からニッケル層２３を形成する。無電解ニッケルめっきの作業性（浴の安定性、ニッケルの析出速度）を向上する観点からは、還元剤として次亜リン酸を含むめっき液を用いることが好ましい。無電解ニッケルめっき液の温度は５０〜９５℃、好ましくは６０〜９０℃であればよい。無電解ニッケルめっき液はリンを含んでもよい。無電解ニッケルめっき液のｐＨは４．０〜６．０程度であればよい。ｐＨは、例えば希硫酸やアンモニアを用いて調整すればよい。

電解ニッケルめっきでは、例えば、硫酸ニッケル、塩化ニッケル及びホウ酸を含むめっき液を用いればよい。また、電解ニッケルめっき液はリンを含んでもよい。この場合、めっき液のｐＨは４．５〜５．５であり、めっき液の温度は４０〜６０℃であり、めっき時の電流密度は１〜７Ａ／ｄｍ^２であればよい。

ニッケル層２３上にスズ層２４を形成する。スズ層２４は、例えば、還元型無電解スズめっき又は電解スズめっきにより形成することができる。

還元型無電解スズめっきでは、例えば、スズ化合物、有機錯化剤、有機イオウ化合物、酸化防止剤、及び還元剤（チタン化合物）を含むめっき液を用いればよい。めっき液の温度は４０〜９０℃程度又は５０〜８０℃程度であればよい。

電解スズめっきでは、フェロスタン法、ハロゲン法又はアルカリ法等を採用すればよい。フェロスタン法及びハロゲン法では、酸性浴を用いる。フェロスタン法では、フェノールスルホン酸スズを使用する。ハロゲン法では、塩化第一スズを使用する。アルカリ法では、スズ酸ソーダを主成分とするめっき液を用いる。

以上の工程によって、シード層１６、導体層１５、ニッケル層２３及びスズ層２４が順次積層された第１前駆体構造２１が第１基板４０上に形成される。

［第２前駆体構造の形成工程］
図３（ａ）は、第２基板６０上に形成された第２前駆体構造２２を模式的に示す断面図である。第２前駆体構造２２は、第２基板６０上に設けられたシード層１７と、シード層１７上に形成された、金を含む金層２５とから構成される。第１前駆体構造の場合と同様に、第２基板６０の上にシード層１７を形成し、シード層１７上に金層２５を形成することにより、第２前駆体構造２２が形成される。金層２５の形成方法としては、スパッタリング、化学気相蒸着、めっき等が挙げられる。めっきによる方法としては、無電解金めっきによる方法又は電解金めっきが挙げられる。めっき液の種類は限定されない。

［第１前駆体構造２１及び第２前駆体構造２２の接合工程］
第１前駆体構造２１のスズ層２４と第２前駆体構造２２の金層２５とが対向するように、第１基板４０上に第２基板６０を載置する。

第１前駆体構造２１と第２前駆体構造２２とを加熱しながら圧着する。加熱により、融点の低いスズ層２４が金層２５よりも先に溶融し、スズ層２４が金層２５の表面全体を濡らし、金層２５の表面全体に広がる。また、ニッケル層２３の一部がスズ層２４内へ移動（拡散）する。そして、溶融したスズ層２４、金層２５の少なくとも一部、及びスズ層２４内へ移動したニッケルが混合する。これらの金属を冷却することにより、ニッケル層２３が第１金属層１１となり、金、スズ及びニッケルを含む第２金属層１２が第１金属層１１上に形成され、第２金属層１２中にＡｕＳｎ共晶相が析出する。金層２５の一部は、ＡｕＳｎ共晶相の形成に寄与せずに、残留層（第２金属層１２に隣接する層）として残存してもよい。また、この残留層は金層２５の一部が単独で残存したＡｕ相であっても、金層２５の一部と溶融したスズとが混合したＡｕＳｎ合金相であってもよい。ただし、この残留層は実質的に単一金属又は単一合金からなる点でＡｕＳｎ共晶相とは区別される。

上述した工程により、接合構造１０が形成され、第１基板４０と第２基板６０とが接合構造１０を介して接合される。

仮にニッケル層２３が存在しない場合、接合工程においてスズ層２４を構成するスズ原子が導体層１５へ向かって過度に移動（拡散）して、脆いスズ合金が形成されることがある。しかし、本実施形態では、ニッケル層２３が、スズ層２４から導体層１５へのスズの移動を抑制し、導体層１５とスズとから脆いスズ合金が生成する反応を抑制する。脆いスズ合金の生成が抑制されることにより、接合構造１０の接合強度が向上する。

接合工程では、第１前駆体構造２１と第２前駆体構造２２とを２８０〜４００℃に加熱することが好ましい。また第１前駆体構造２１と第２前駆体構造２２とを０．１〜１２０秒間加熱することが好ましい。加熱温度及び加熱時間がこれらの範囲内である場合、スズ層２４が溶融し易く、接合強度に優れた接合構造１０が形成され易い。

接合工程では、フリップチップボンダー又はリフロー炉を用いて、第１前駆体構造２１と第２前駆体構造２２とを加熱すればよい。

第１金属層１１の組成及び厚さ、第２金属層１２の組成及び厚さ、並びに第２金属層１２内の各相の組成は、以下の条件によって自在に制御される。
ニッケル層２３の組成、厚さ及びめっき法。
スズ層２４の組成、厚さ及びめっき法。
Ａｕ層２５の組成、厚さ及びめっき方法。
接合工程における加熱温度及び加熱時間。

上述した接合構造１０の製造方法によれば、接合構造１０を構成する各層間にボイド及びクラックが発生することが抑制され、接合構造１０の接合強度が向上する。

従来のＡｕＳｎろう材を用いた接合構造では、接合される一対の部材の双方に金層を設ける必要があった。しかし、本実施形態では、部材の一方（第２基板６０）にのみ金層２５を設けることにより、接合強度に優れた接合構造１０を製造することができる。そのため、本実施形態では、高価な金の使用量が少なく、接合構造１０の製造コストが低減する。

第２金属層１２中のＡｕＳｎ共晶相の融点は、Ｓｎ−Ａｇ系合金等の従来のハンダよりも高い。そのため、２回以上の接合が必要とされる電子デバイスの製造では、１次接合として、本実施形態の接合構造１０を形成する。この１次接合の後で、ＡｕＳｎ共晶相よりも融点が低いハンダを用いて２次接合を行う。２次接合で加熱されるハンダの温度（ハンダの融点）では、ＡｕＳｎ共晶相を含む第２金属層１２は溶融し難い。つまり、本実施形態の接合構造１０は耐熱性に優れるため、複数回の接合（加熱工程）が必要な電子デバイスの製造過程において劣化し難い。

なお、上記の本実施形態と同様の方法で、基板と電子部品とを接合構造１０によって接合してもよく、電子部品同士を接合構造１０によって接合してもよい。

以下、本発明の内容を実施例及び比較例を用いてより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
［第１前駆体構造の形成工程］
第１基板としてシリコン基板を準備した。第１基板の寸法は１０×１０ｍｍであり、第１基板の厚さは０．６ｍｍであった。第１基板の表面（被接合部位）に、チタンからなるシード層を形成した後、電解めっきにより、銅からなる導体層をシード層上に形成した。このとき、レジストフィルムを用いたパターニングにより、導体層の寸法及び厚さを調整した。導体層の厚さは５μｍであり、導体層の寸法は１００×１００μｍであった。

レジストフィルム及びシード層を第１基板の表面（導体層が形成された部分を除く。）から剥離した。導体層を形成した第１基板を、次亜リン酸イオン（還元剤）を含む無電解ニッケルめっき液に浸漬して、厚さが３μｍであるニッケル層を導体層の表面に形成した。ニッケル層は、主成分であるニッケルとリンとからなる。ニッケル層中のリンの濃度は１７ａｔ％（原子％）であった。

ニッケル層を形成した第１基板を、３価のチタンイオン（還元剤）を含む無電解スズめっき液に浸漬して、厚さが０．５μｍであるスズ層をニッケル層の表面に形成した。以上の工程により、第１前駆体構造を第１基板上に形成した。

［第２前駆体構造の形成工程］
第２基板としてシリコン基板を準備した。第２基板の寸法は０．２×０．２ｍｍであり、第２基板の厚さは０．６ｍｍであった。次に、第２基板の被接合部位に、上記の方法でシード層を形成した。電解金めっきにより金層をシード層の表面に形成した。このとき、レジストフィルムを用いたパターニングにより、金層の寸法及び厚さを調整した。金層の寸法は１００×１００μｍであり、金層の厚さは１．７μｍであった。以上の工程により、第２前駆体構造を第２基板上に形成した。

［第１前駆体構造及び第２前駆体構造の接合工程］
第１前駆体構造のスズ層と第２前駆体構造の金層とが対向するように、第１基板上に第２基板を載置した。この第１前駆体構造及び第２前駆体構造を窒素雰囲気において６０秒間３００℃に加熱することにより、両者を圧着し、急冷した。この熱圧着にはフリップチップボンダーを用いた。以上の工程により、実施例１の接合構造を作製した。

（実施例２）
第１前駆体構造のスズ層の厚さを１．１μｍとしたこと以外は実施例１と同様の方法で、実施例２の接合構造を作製した。

（実施例３）
熱圧着において第１前駆体構造及び第２前駆体構造を３２０℃に加熱したこと以外は実施例２と同様の方法で、実施例３の接合構造を作製した。

（実施例４）
第１前駆体構造のスズ層の厚さを１．６μｍとしたこと以外は実施例３と同様の方法で、実施例４の接合構造を作製した。

（実施例５）
熱圧着において第１前駆体構造及び第２前駆体構造を３４０℃に加熱したこと以外は実施例４と同様の方法で、実施例５の接合構造を作製した。

（実施例６）
第２前駆体構造の金層の厚さを３．０μｍとしたこと以外は実施例４と同様の方法で、実施例６の接合構造を作製した。

（実施例７）
熱圧着において第１前駆体構造及び第２前駆体構造を３４０℃に加熱したこと以外は実施例６と同様の方法で、実施例７の接合構造を作製した。

（実施例８）
実施例８の第１前駆体構造の作製過程では、レジストフィルム及びシード層を第１基板の表面から剥離する前に、ニッケル層を、リンを含まない電解ニッケルめっき液を用いて形成し、スズ層を電解スズめっきにより形成した。その後、レジストフィルム及びシード層を第１基板の表面（導体層が形成された部分を除く。）から剥離した。実施例８のニッケル層はニッケルのみからなる。ニッケル層及びスズ層の形成方法以外は実施例６と同様の方法で、実施例８の接合構造を作製した。

（実施例９）
第１前駆体構造のニッケル層を、リンを含む電解ニッケルめっき液から形成したこと以外は実施例８と同様の方法で、実施例９の接合構造を作製した。

（実施例１０）
第１前駆体構造の導体層を電解金めっきにより形成したこと以外は実施例６と同様の方法で、実施例１０の接合構造を作製した。実施例１０の第１前駆体構造の導体層は、金からなる層であり、その厚さは１μｍであった。

（比較例１）
第１基板として、実施例と同じシリコン基板を用意した。第１基板の被接合部位に、チタンからなるシード層を形成した。電解銅めっきにより、銅からなる導体層をシード層の表面に形成した。このとき、レジストフィルムを用いたパターニングにより、導体層の寸法及び厚さを調整した。導体層の寸法は１００×１００μｍであり、導体層の厚さは５μｍであった。

レジストフィルム及びシード層を第１基板の表面（導体層が形成された部分を除く。）から剥離した。導体層を形成した第１基板を、次亜リン酸イオン（還元剤）を含む無電解ニッケルめっき液に浸漬して、厚さが３μｍであるニッケル層を導体層の表面に形成した。ニッケル層は、主成分であるニッケルとリンとからなる。ニッケル層中のリンの濃度は１７ａｔ％（原子％）であった。

無電解金めっきにより、厚さが１．０μｍである金層をニッケル層の表面に形成した。

スパッタリングにより、厚さが２μｍであるＡｕＳｎろう層を金層の表面に形成した。ＡｕＳｎろう層は従来のＡｕＳｎ系ろう材からなる。つまり、ＡｕＳｎろう層は金及びスズからなる。ＡｕＳｎろう層における金の濃度は７１ａｔ％（原子％）であった。以上の工程により、比較例１の第１前駆体構造を作製した。

実施例１と同様の方法により、比較例１の第２前駆体構造を作製した。

第１前駆体構造のＡｕＳｎろう層と第２前駆体構造の金層とが対向するように、第１基板上に第２基板を載置した。この第１前駆体構造及び第２前駆体構造を窒素雰囲気において６０秒間３２０℃に加熱することにより、両者を圧着し、急冷した。この熱圧着にはフリップチップボンダーを用いた。以上の工程により、比較例１の接合構造を作製した。

（比較例２）
第１基板として、実施例と同じシリコン基板を用意した。第１基板の被接合部位に、チタンからなるシード層を形成した。電解金めっきにより、金からなる導体層をシード層の表面に形成した。このとき、レジストフィルムを用いたパターニングにより、導体層の寸法及び厚さを調整した。導体層の寸法は１００×１００μｍであり、導体層の厚さは１μｍであった。

電解金めっきにより、厚さが２．０μｍである金層を導体層の表面に形成した。

レジストフィルム及びシード層を第１基板の表面（導体層が形成された部分を除く。）から剥離した。スパッタリングにより、厚さが２μｍであるＡｕＳｎろう層を金層の表面に形成した。ＡｕＳｎろう層は従来のＡｕＳｎ系ろう材からなる。つまり、ＡｕＳｎろう層は金及びスズからなる。ＡｕＳｎろう層における金の濃度は６９ａｔ％（原子％）であった。以上の工程により、比較例２の第１前駆体構造を作製した。

第１前駆体構造の作製方法が異なること以外は比較例１と同様の方法で、比較例２の接合構造を作製した。

（比較例３）
第１基板として、実施例と同じシリコン基板を用意した。第１基板の被接合部位に、チタンからなるシード層を形成した。電解金めっきにより、金からなる導体層をシード層の表面に形成した。このとき、レジストフィルムを用いたパターニングにより、導体層の寸法及び厚さを調整した。導体層の寸法は１００×１００μｍであり、導体層の厚さは１μｍであった。

電解ニッケルめっきにより、厚さが３μｍであるニッケル層（ニッケルのみからなる層）を導体層の表面に形成した。

電解金めっきにより、厚さが０．５μｍである金層をニッケル層の表面に形成した。

レジストフィルム及びシード層を第１基板の表面（導体層が形成された部分を除く。）から剥離した。スパッタリングにより、比較例１と同様のＡｕＳｎろう層を金層の表面に形成した。以上の工程により、比較例３の第１前駆体構造を作製した。

実施例１と同様の方法により、比較例３の第２前駆体構造を作製した。

第１前駆体構造のＡｕＳｎろう層と第２前駆体構造の金層とが対向するように、第１基板上に第２基板を載置した。この第１前駆体構造及び第２前駆体構造を窒素雰囲気において６０秒間３４０℃に加熱することにより、両者を圧着し、急冷した。この熱圧着にはフリップチップボンダーを用いた。以上の工程により、比較例３の接合構造を作製した。

上記の実施例及び比較例の接合構造の作製工程における諸条件を下記表１に示す。表１に記載の「下地層」とは、導体層の表面に形成された層である。「表層」とは、下地層の表面に形成された層である。ただし、比較例２の第１前駆体構造では、表層が導体層の表面に直接形成された。

＜接合構造の構造及び組成の分析＞
各接合構造の積層方向における断面をＳＥＭで観察した。また各断面をＥＤＳにより分析することにより、接合構造の所定の部分における各元素の濃度を測定した。

分析の結果、実施例１〜１０の接合構造１０は、導体層１５上に積層された第１金属層１１と、第１金属層１１上に積層された第２金属層１２とを備え、第１金属層１１はニッケルを含み、第２金属層１２は金、スズ及びニッケルを含み、第２金属層１２はさらにＡｕＳｎ共晶相を含むことが確認された。また、実施例１〜１０の接合構造１０は、第１金属層１１と、第１金属層１１上に積層されたＡｕＳｎＮｉ合金層１３と、ＡｕＳｎＮｉ合金層１３上に積層されたＡｕＳｎ共晶層１４と、を備えることも確認された。

図４に示すように、実施例１では、ＡｕＳｎ共晶層１４と第２基板との間に、ＳＥＭ画像において色の濃淡が実質的に確認できない残留層１９が存在することが確認された。この残留層１９は、第２前駆体構造２２における金層２５のうち、ＡｕＳｎ共晶相の形成に寄与せずに残留した部分である。他の実施例の接合構造１０では、ＡｕＳｎ共晶層１４と第２基板との間に残留層１９が存在しなかった。また、比較例１〜３の接合構造１０の第２基板側においては、シード層１７に隣接する金層３３が形成されていることが確認された（図８参照）。

比較例１の接合構造は、導体層（Ｃｕ層）上に積層された第１金属層（Ｎｉ層）と、第１金属層上に積層されたＡｕ層（第１基板側のＡｕ層）と、Ａｕ層上に積層されたＡｕＳｎ共晶層と、ＡｕＳｎ共晶層上に積層されたＡｕ層（第２基板側のＡｕ層）と、を備えることが確認された。

比較例２の接合構造は、Ａｕ層（第１基板側のＡｕ層）と、Ａｕ層上に積層されたＡｕＳｎ共晶層と、ＡｕＳｎ共晶層上に積層されたＡｕ層（第２基板側のＡｕ層）と、を備えることが確認された。

比較例３の接合構造は、導体層（第１基板側のＡｕ層）上に積層された第１金属層（Ｎｉ層）と、第１金属層上に積層されたＡｕ層と、Ａｕ層上に積層されたＡｕＳｎ共晶層と、ＡｕＳｎ共晶層上に積層されたＡｕ層（第２基板側のＡｕ層）と、を備えることが確認された。

ＳＥＭで撮影した実施例１の接合構造の断面の写真であって、ＥＤＳで分析された箇所を示す写真を、図４に示す。ＳＥＭで撮影した実施例２の接合構造の断面の写真であって、ＥＤＳで分析された箇所を示す写真を、図５に示す。ＳＥＭで撮影した実施例４の接合構造の断面の写真であって、ＥＤＳで分析された箇所を示す写真を、図６に示す。ＳＥＭで撮影した実施例５の接合構造の断面の写真を、図７（ａ）に示す。図７（ａ）の拡大図であって、ＥＤＳで分析された箇所を示す写真を、図７（ｂ）に示す。ＳＥＭで撮影した比較例１の接合構造の断面の写真であって、ＥＤＳで分析された箇所を示す写真を、図８に示す。

上記の図に示された部分ａ１及びａ２は、ＡｕＳｎＮｉ合金相であり、各元素の濃度の分析を行った箇所（測定点）である。部分ａ１は、部分ａ２よりも第１金属層に近い位置にある。

上記の図において、点線で囲まれた範囲ｓは、ＡｕＳｎ共晶相であり、各元素の濃度の分析を行った範囲である。ＡｕＳｎ共晶相は、金の濃度が高いＡｕリッチ相と、スズの濃度が高いＳｎリッチ相とを含むことが確認された。上記の図に示された部分ｂは、Ａｕリッチ相であり、各元素の濃度の分析を行った箇所（測定点）である。部分ｃは、Ｓｎリッチ相であり、各元素の濃度の分析を行った箇所（測定点）である。なお、ＡｕＳｎ共晶相内のＡｕリッチ相とＳｎリッチ相との判別は、ＳＥＭ画像における色の濃さに基づく。比較的黒い部分がＳｎリッチ相であり、比較的白い部分がＡｕリッチ相である。なお、ＡｕＳｎ共晶層の断面のうち、ＡｕＳｎ共晶層の厚さＴの半分の長さＴ／２を一辺とする正方形で囲まれる範囲であって、Ａｕリッチ相の断面積とＳｎリッチ相の断面積とが同程度である範囲において、ＡｕＳｎ共晶相の組成を分析した。

ＥＤＳによる分析の結果、実施例１の第１金属層１１内のニッケルの濃度は、第２金属層１２からの距離の減少に伴って減少することが確認された。つまり、実施例１の第１金属層１１内のニッケルの濃度は、第１金属層１１の厚さ方向において、導体層１５から離れるにつれて減少することが確認された。実施例１の第１金属層１１内において最も導体層１５に近い部分におけるニッケルの濃度は８３ａｔ％（原子％）であり、最も第２金属層１２に近い部分におけるニッケルの濃度は７８ａｔ％（原子％）であった。また実施例２〜７、９及び１０並びに比較例１の第１金属層１１において、Ｎｉの濃度分布が実施例１とほぼ同様の勾配を有することが確認された。

実施例３〜７及び１０のＡｕＳｎ共晶層１４内においてニッケルが検出された。ニッケルが存在する領域を詳細に分析した結果、金、スズに加えてニッケルを含むＮｉ偏析相が散在していることが確認された。上記の図に示された部分ｄは、Ｎｉ偏析相であり、各元素の濃度の分析を行った箇所（測定点）である。実施例３〜７及び１０のＮｉ偏析相のうち、Ａｕリッチ相及びＳｎリッチ相の双方に接しているＮｉ偏析相を、下記表３においてＡと表記する。実施例３〜７及び１０のＮｉ偏析相のうち、Ｓｎリッチ相に包接され、Ａｕリッチ相と接していないＮｉ偏析相を、下記表３においてＢと表記する。なお、実施例３〜７及び１０のＮｉ偏析相のうち、Ａｕリッチ相に包接され、Ｓｎリッチ相と接していないＮｉ偏析相はなかった。

上述した測定点ａ１、ａ２、ｂ、ｃ及びｄ及び範囲ｓにおける各元素の濃度を表２及び表３に示す。

＜構造的な欠陥＞
ＳＥＭで撮影した断面の写真に基づき、実施例１〜１０の接合構造１０のＡｕＳｎＮｉ合金層１３とＡｕＳｎ共晶層１４との界面におけるクラックの有無を確認した。同様に、実施例１〜１０の接合構造１０のＡｕＳｎ共晶層１４とこれに隣接する層（残留層１９又はシード層１７）との界面におけるクラックの有無を確認した。下記表４に示すように、いずれの実施例の界面においても、クラックがないことが確認された。またいずれの実施例の界面においてもボイドがないことが確認された。つまり、一方、実施例１〜１０の接合構造１０には構造的な欠陥がないことが確認された。

上記実施例と同様に、比較例１の第１基板側のＡｕ層とＡｕＳｎ共晶層との界面におけるクラックの有無を確認した。また、比較例１のＡｕＳｎ共晶層と第２基板側のＡｕ層との界面におけるクラックの有無を確認した。下記表４に示すように、比較例１のＡｕＳｎ共晶層と第２基板側のＡｕ層との界面にクラックが生じていることが確認された。

比較例２の第１基板側のＡｕ層とＡｕＳｎ共晶層との界面におけるクラックの有無を確認した。また、比較例２のＡｕＳｎ共晶層と第２基板側のＡｕ層との界面におけるクラックの有無を確認した。下記表４に示すように、比較例２のＡｕＳｎ共晶層と第２基板側のＡｕ層との界面にもクラックが生じていることが確認された。

比較例３の第１基板側のＡｕ層とＡｕＳｎ共晶層との界面におけるクラックの有無を確認した。また、比較例３のＡｕＳｎ共晶層と第２基板側のＡｕ層との界面におけるクラックの有無を確認した。下記表４に示すように、比較例３のＡｕＳｎ共晶層と第２基板側のＡｕ層との界面にもクラックが生じていることが確認された。

＜接合強度の評価＞
各接合構造の接合強度（ｓｈｅａｒ強度）を以下の方法で評価した。

接合構造で接合された第２基板６０に対して、第２基板６０の表面に略平行な剪断力を作用させて、剪断力を増加させたときに、接合構造が破壊された時点における剪断力（接合構造の最大強度）を測定した。接合構造が破壊された時点における剪断力が大きいことは、接合構造が接合強度に優れることを意味する。この接合強度の評価には、ｓｈｅａｒ ｔｅｓｔｅｒを用いた。

各接合構造の破壊の態様（破壊モード）を調べた。各接合構造の破壊モードを下記表４に示す。表４に記載のＡ，Ｂ，Ｃは、以下の態様を意味する。
Ａ：ＡｕＳｎ共晶層（１４）の内部が破壊された態様。
Ｂ：第１金属層１１とＡｕＳｎＮｉ合金層１３との界面において接合構造が破壊された態様。
Ｃ：ＡｕＳｎ共晶層とＡｕＳｎ共晶層に隣接する層との界面において接合構造が破壊された態様（不良モード）。

下記表４に示すように、実施例１〜１０の破壊モードは、Ａ又はＢのいずれかであった。一方、比較例１〜３の破壊モードは不良モードＣであった。つまり、比較例１〜３のＡｕＳｎ共晶層とこれに隣接する金層との界面にはクラックが生じていることが確認された。また、各実施例の接合構造が破壊された時点における剪断力は、比較例１〜３の接合構造が破壊された時点における剪断力よりも大きいことが確認された。

＜耐熱性の評価＞
各接合構造の耐熱性を以下の方法で評価した。

接合構造が置かれた雰囲気の−４０℃から１２０℃への昇温及び１２０℃から−４０℃への冷却からなるヒートサイクルを１０００回繰り返した。１０００回のヒートサイクル後の各接合構造の接合強度を、上記と同様の方法で評価した。ヒートサイクル後の接合構造が破壊された時点における剪断力が大きいことは、接合構造が耐熱性に優れることを意味する。

上記ヒートサイクル後の各接合構造の破壊モードを調べた。各接合構造の破壊モードを下記表４に示す。なお、表４に記載のＡ＋とは、破壊モードＡの場合よりも大きな剪断力によってＡｕＳｎ共晶層（１４）の内部が破壊された態様である。

下記表４に示すように、実施例１〜１０の破壊モードは、Ａ＋、Ａ又はＢのいずれかであった。一方、比較例１〜３の破壊モードは不良モードＣであった。つまり、比較例１〜３のＡｕＳｎ共晶層とこれに隣接する金層との界面にはクラックが生じていることが確認された。また、各実施例の接合構造が破壊された時点における剪断力は、比較例１〜３の接合構造が破壊された時点における剪断力よりも大きいことが確認された。

実施例８の破壊モードと他の実施例の破壊モードとの相違は、他の実施例の第１金属層１１が、リンを含むニッケルから構成されるため、リンを含まないニッケルからなる実施例８の第１金属層１１よりも硬いことに起因する、と推察される。

本発明によれば、接合強度及び耐熱性に優れた接合構造を備える電子デバイスを製造することが可能となる。

１０・・・接合構造、１１・・・第１金属層、１２・・・第２金属層、１３・・・ＡｕＳｎＮｉ合金層、１４・・・ＡｕＳｎ共晶層、１５・・・導体層、１６，１７・・・シード層、１９・・・残留層、２１・・・第１前駆体構造、２２・・・第２前駆体構造、２３・・・ニッケル層、２４・・・スズ層、２５・・・金層、４０・・・第１基板、６０・・・第２基板、９０・・・チップ（電子部品）、１００・・・電子デバイス、ａ１，ａ２・・・ＡｕＳｎＮｉ合金相、ｂ・・・Ａｕリッチ相、ｃ・・・Ｓｎリッチ相、ｄ・・・Ｎｉ偏析相、ｓ・・・ＡｕＳｎ共晶相。

Claims (9)

1. ニッケルを含む第１金属層と、
   前記第１金属層の上に形成され、金、スズ及びニッケルを含む第２金属層と、を備え、
   前記第２金属層がＡｕＳｎ共晶相を含み、
   前記第２金属層において前記第１金属層側に位置する部分が、ＡｕＳｎＮｉ合金相を含むＡｕＳｎＮｉ合金層であり、
   前記ＡｕＳｎＮｉ合金相が前記第１金属層の表面に接している、
   電子デバイス用の接合構造。
2. 前記第２金属層において前記第１金属層の反対側に位置する部分に、前記ＡｕＳｎ共晶相が存在する、
   請求項１に記載の電子デバイス用の接合構造。
3. ニッケルが前記ＡｕＳｎ共晶相内に偏在している、
   請求項１又は２に記載の電子デバイス用の接合構造。
4. 前記ＡｕＳｎ共晶相内に偏在したニッケルの周囲にスズが偏在する、
   請求項３に記載の電子デバイス用の接合構造。
5. 前記ＡｕＳｎＮｉ合金層内のニッケルの濃度が、前記第１金属層からの距離の増加に伴って減少する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子デバイス用の接合構造。
6. 前記第１金属層内のニッケルの濃度が、前記第２金属層からの距離の減少に伴って減少する、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の電子デバイス用の接合構造。
7. 前記第２金属層に隣接し、Ａｕ相又はＡｕＳｎ合金相からなる残留層をさらに備える、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の電子デバイス用の接合構造。
8. 導体層をさらに備え、
   前記第１金属層は前記導体層の上に形成され、
   前記導体層は、金、銀、銅、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子デバイス用の接合構造。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の接合構造を備える電子デバイス。