| 研究課題/領域番号 |
25289242
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
藤本 公三 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70135664)
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| 研究分担者 |
福本 信次 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60275310)
松嶋 道也 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90403154)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 銅電極 / 低温接合 / 固液共存 / 多層金属薄膜 / Ag添加 / 金属間化合物 / エレクトロニクス実装 |
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| 研究概要 |
電子デバイス実装は、表面実装から3次元実装に向けての研究が加速している。ウェハレベルの面実装では、低温、低下圧力、高い面精度がプロセス条件として必須であり、接合部には高温信頼性、高電気伝導性、低熱抵抗、低ヤング率が求められる。これに応える接合として固液を多相共存させる方法を提案し、本年度はプロセス制御および材料設計において、次に記す2通りのアプローチを実施した。
まず、ウェハレベルの実装において許容しうる面精度、加圧力、接合時間、温度を調べるために、38μm、10μmの突出し高さを有するCuバンプを設けたSi-TEGチップと平坦なSiチップとの接合を行った。接合加圧力1MPaの条件下では、Sn薄膜の膜厚が1.1μm以下では未接合部の多く残存したが、1.5μm供給することでCuバンプとSiがCu3Sn接合層を介して接合された。またSnの供給方法をCu/Sn/Cu多層薄膜として接合面に供給することで、より短時間での接合が可能となった。
液相のSnを利用して接合した際に生じるCu3Snは、ヤング率が大きく、硬いなど母材Cuとの機械的特性のミスマッチが高温使用時に問題となることがある。そこで接合層の機械的特性を改善するため、Cu/Sn層にAg添加を試みた。接合面にSn/Ag/Snの多層薄膜を蒸着して、Cu同士の接合を行い、Agが接合層形成および接合層の機械的特性に与える影響について調べた。Ag添加によって接合層は主にAg4Sn層で構成され、Ag4Sn層と母材Cuとの界面にはCu3Sn層が薄く形成していた。ダイナミック微小硬度計から見積もった接合層のヤング率は、Cu3Snが129GPaに対してAg4Snは76GPaと大幅に減少することが明らかになった。本結果をもとに行ったFEM解析では、Ag添加によってSiチップに負荷される熱応力は20％程度減少することが示された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
低融点金属と高融点金属を交互に薄膜積層することによって、接合過程の高温下において液相の出現と消失を実現した。これによりSiチップ上の銅バンプをマイクロメートルオーダーの薄い接合層を介した接合を達成している。ミクロンオーダーでのギャップ制御を可能とする接合装置構成は不完全ではあるが、接合面への供給薄膜構成（積層順序、膜厚）を系統立てて変化させることで、接合ギャップの制御を図りつつある。
また、当初26年度の予定であった添加元素の影響についても、Cu-Sn2元系へのAg添加についての効果は本年度中に明らかにすることができた。その他の添加元素の効果および、Cu-Sn系以外の多相系についてはH26年度以降に明らかにする。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成25年度は、Cu-Sn2元系多層薄膜のSiチップ上の微小Cuバンプへの適用とCu-Sn2元系多層薄膜へのAg添加の影響について明らかにした。特にAg添加による接合層の機械的特性の改善は、金属間化合物接合層の新たな可能性を示唆している。H26年度以降は、この結果をもとに以下のように研究を進める予定である。
１）合金系の探索：Cu-Sn系以外にAl-Zn、Cu-Zn系など比較的低温で液相生成が可能な元素について、Ag、Ni、Bi、Inなどの添加元素も含めてそれらの反応熱、反応温度の熱分析を行い、接合層として適用可能な合金系を探索する。
２）接合層合金形成プロセスの明確化：接合層の形成過程はおもに走査型および透過型電子顕微鏡による断面観察をすることで明らかにする。熱分析およびX線回折などの結果と合わせてその液相、固相の共存状態の変化を調べ、接合メカニズムを明らかにする。
３）3次元ウェハレベル実装への適用：Siチップ間の実装にマルチフェイズ接合法を適用する。数十mサイズのCuバンプおよび貫通Cu電極にマルチフェイズ法を適用した場合の問題を明確にし、それらの解決を図る。
４）信頼性の評価：マルチフェイズ接合法による実装を行ったICチップ接合部の近傍の熱応力有限要素法解析を行い、接合層の厚さ、機械的特性、プロセス温度、時間などの応力分布への影響をしらべ、接合条件、薄膜構成にフィードバックする。また、サーマルサイクル試験、パワーサイクル試験等の環境試験を行い、本手法による実装部の信頼性評価を行う。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
今年度の研究計画において、当初予定していた物品費が安くなったこと、研究調査のための出張回数が当初予定より少なくなったことにより、228,951円を次年度の研究費として、残した。
平成25年度から繰越した研究費は、マルチフェイス接合した接合部界面の観察のための研磨用品等の消耗品購入費に充てる予定である。
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