DE102014213083A1 - Bondstruktur mit Metallnanopartikeln und Bondverfahren unter Verwendung von Metallnanopartikeln - Google Patents

Bondstruktur mit Metallnanopartikeln und Bondverfahren unter Verwendung von Metallnanopartikeln Download PDF

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Abstract

Eine Bondstruktur mit Metallnanopartikeln umfasst ein erstes Element (1) mit einer Metalloberfläche auf mindestens einer Seite, ein zweites Element (2) mit einer Metalloberfläche auf mindestens einer Seite, wobei das zweite Element (2) derart angeordnet ist, dass die Metalloberfläche des zweiten Elements (2) der Metalloberfläche des ersten Elements (1) zugewandt ist, und ein Bondmaterial (3), das das erste Element (1) und das zweite Element (2) durch Sinterbonden der Metallnanopartikel bondet. Mindestens eine der Metalloberflächen des ersten Elements (1) und des zweiten Elements (2) ist so ausgebildet, dass sie eine raue Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit innerhalb des Bereichs von 0,5 μm bis 2,0 μm ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technik zum Bonden von zwei Elementen unter Verwendung von Mikrometallpartikeln (Metallnanopartikeln).
  • Als übliches Bondverfahren, insbesondere ein Verfahren zum Bonden eines Halbleiters an ein Isolationssubstrat, wurde ein Lötmaterial verwendet. Ein Lötmaterial weist jedoch eine geringe Wärmebeständigkeit auf und verringert die Zuverlässigkeit bei einer Temperatur von ungefähr 200°C.
  • Wie in JP 2004-107728 beschrieben, wird folglich eine Technik zum Bonden von zwei Elementen durch Aufbringen von Wärme auf Metallnanopartikel anstelle eines Lötmaterials vorgeschlagen. In diesem Bondverfahren sind Verbund-Metallnanopartikel, in denen Metallpartikel mit einem mittleren Durchmesser von ungefähr 100 nm oder weniger durch einen organischen Stoff gebunden und damit beschichtet sind, eine Hauptkomponente eines Bondmaterials. In dem Bondverfahren zum Bonden von zwei Elementen wird eine Metallnanopaste, in der die Verbund-Metallnanopartikel in einem organischen Lösungsmittel dispergiert sind, zwischen die Bondteile der zwei Elemente eingefügt, die zumindest erhitzt werden, um eine organische Komponente zu verdampfen.
  • Eine Silbernanopaste mit Silbernanopartikeln, die mit einem organischen Lösungsmittel beschichtet sind, wird verwendet, um die Bondbedingungen wie z. B. Temperatur, Zeit und eine Druckkraft zu verändern, um Kupfer aneinander zu bonden, und dann wird die Bondfestigkeit gemessen und eine Querschnittsstruktur des Bondens wird beobachtet, was in "Bonding Process Using Silver Nano Particles: Study of Bonding Properties to Cu" von Eiichi Ide, Shinji Angata, Akio Hirose und Kojiro F. Kobayashi. Proc. 10th Sympo. an Microjoining and Assembly Technologies for Electronics, 2004, Yokohama, Japan (2004), 213, beschrieben ist.
  • Ein Bondprinzip der Metallnanopartikel wird beschrieben. Wenn ein Durchmesser der Partikel verringert wird, weisen die Partikel im Allgemeinen einen aktivieren Oberflächenzustand auf als jenen von Massemetall. Folglich werden die Partikel zum Wachstum gegenseitig gesintert und die Reaktion geht leicht vor sich, um eine Oberflächenenergie zu verringern. Dieses Phänomen tritt insbesondere bei Nanopartikeln auf (im Allgemeinen Partikel mit einem Durchmesser von 100 nm oder weniger), wie in ”Ph. Buffat und J-P Borel, Phys. Rev. A 13(6) 2287 (1976)” beschrieben.
  • Durch Ausnutzen dieses Phänomens kann es bei einer weitaus niedrigeren Temperatur als einem Schmelzpunkt in einem Massezustand bonden und ferner schmilzt eine Bondschicht, nachdem das Bonden erreicht ist, nicht erneut bis zum Schmelzpunkt der Masse. Eine Oberfläche der Partikel, die tatsächlich zum Bonden verwendet werden, wird durch einen organischen Schutzfilm geschützt, um das Sintern zu unterdrücken, und der Schutzfilm wird durch Erhitzen während des Bondens zersetzt und entgast, um dadurch das Bonden zu erreichen.
  • Um die Metallnanopartikel mit dem organischen Schutzfilm leicht zu verwenden, wie vorstehend erwähnt, und um zu verhindern, dass sie während der Zersetzung oxidieren, sind sie in einem organischen Lösungsmittel dispergiert, um die Viskosität zu verringern. Das Lösungsmittel mit dem Metall wird als Metallnanopaste bezeichnet.
  • JP 2006-202586 schlägt ein Bondverfahren vor, das eine Vergrößerung einer Bondfläche durch Ausbilden eines konkaven Abschnitts in einem Bondteil von einem der Elemente und Ausbilden eines konvexen Abschnitts in einem Bondteil des anderen Elements ermöglicht.
  • Das Bondverfahren unter Verwendung der Sinterfähigkeit von Metallnanopartikeln benötigt eine Druckbeaufschlagung, um eine hohe Zuverlässigkeit zu erhalten, was in JP 2004-107728 und Ide u. a. 2004, beschrieben ist. Um die Druckbeaufschlagung durchzuführen, müssen Elemente, zwischen die die Metallnanopartikel eingefügt sind, der Druckbeaufschlagung standhalten. Wenn jedoch die Elemente der Druckbeaufschlagungskraft nicht standhalten können, können ein Chipriss und ein Substratriss in einem Halbleiter und einem Isolationssubstrat auftreten.
  • Um die Druckbeaufschlagungskraft zu verringern, ist es denkbar, dass das Bondverfahren in JP 2006-202586 verwendet wird. In diesem Bondverfahren können jedoch, wenn die Metallnanopartikel nicht alle konkaven Abschnitte in den Bondteilen der Elemente erreichen, eine Bondfestigkeit und eine Bondzuverlässigkeit verringert werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik zu schaffen, die eine Bondfestigkeit und eine Bondzuverlässigkeit im Fall des Bondens von zwei Elementen verbessern kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Bondstruktur nach Anspruch 1 und ein Bondverfahren nach Anspruch 7 gelöst.
  • Eine Bondstruktur mit Metallnanopartikeln gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein erstes Element mit einer Metalloberfläche auf mindestens einer Seite, ein zweites Element mit einer Metalloberfläche auf mindestens einer Seite, wobei das zweite Element derart angeordnet ist, dass die Metalloberfläche des zweiten Elements der Metalloberfläche des ersten Elements zugewandt ist, und ein Bondmaterial, das das erste Element und das zweite Element durch Sinterbonden der Metallnanopartikel bondet. Mindestens eine der Metalloberflächen des ersten Elements und des zweiten Elements ist so ausgebildet, dass sie eine raue Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von 0,5 μm bis 2,0 μm ist.
  • Ein Bondverfahren unter Verwendung von Metallnanopartikeln gemäß der vorliegenden Erfindung bondet ein erstes Element mit einer Metalloberfläche auf mindestens einer Seite und ein zweites Element mit einer Metalloberfläche auf mindestens einer Seite. Das Bondverfahren unter Verwendung von Metallnanopartikeln umfasst die Schritte (a) des Ausbildens einer rauen Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von 0,5 μm bis 2,0 μm auf mindestens einer der Metalloberflächen des ersten Elements und des zweiten Elements, (b) des Druckens einer Metallnanopaste auf die Metalloberfläche des zweiten Elements mit einer konstanten Dicke, (c) des Anbringens des ersten Elements an der auf das zweite Element gedruckten Metallnanopaste, und (d) des Erhitzens der auf das zweite Element gedruckten Metallnanopaste mit dem daran angebrachten ersten Element, um die in der Metallnanopaste enthaltenen Metallnanopartikel zu sinterbonden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird mindestens eine der Metalloberflächen des ersten Elements und des zweiten Elements so ausgebildet, dass sie eine raue Oberfläche mit der Oberflächenrauheit ist, so dass ohne Vergrößern der Größe des ersten Elements und des zweiten Elements die Bondfläche des ersten Elements und des zweiten Elements vergrößert werden kann. Außerdem kann die ausreichende Bondfestigkeit auf der Basis eines Verankerungseffekts erhalten werden. Die raue Oberfläche wird so ausgebildet, dass sie die Oberflächenrauheit von 0,5 μm bis 2,0 μm aufweist, und folglich kann ein Rissflächenverhältnis (Ablösungsflächenverhältnis) stark vermindert werden und die Bondzuverlässigkeit im Fall des Bondens des ersten Elements und des zweiten Elements kann verbessert werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
  • 1 eine Querschnittsansicht einer Bondstruktur gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
  • 2 eine Querschnittsansicht, die ein praktisches Beispiel der Bondstruktur gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
  • 3 eine Draufsicht eines zweiten Elements;
  • 4 ein Vergleichsdiagramm, das Testergebnisse der Zuverlässigkeit in einem Fall der Änderung der Oberflächenrauheit einer Bondoberfläche des zweiten Elements zeigt;
  • 5 eine Querschnittsansicht, die die Bondstruktur in 1, deren Herstellung in Gang ist, zeigt;
  • 6 eine Draufsicht des zweiten Elements in einer Bondstruktur gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
  • 7 eine Draufsicht des zweiten Elements in einer Bondstruktur gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform; und
  • 8 eine Draufsicht des zweiten Elements in einer Bondstruktur gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform.
  • <Erste bevorzugte Ausführungsform>
  • Eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Diagramme beschrieben.
  • (Beschreibung der Konfiguration)
  • 1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Bondstruktur gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Bondstruktur ein erstes Element 1, ein zweites Element 2 und ein Bondmaterial 3. Das erste Element 1 besteht aus einem leitfähigen Metall. Das zweite Element 2 besteht aus einem leitfähigen Metall und ist so angeordnet, dass es dem ersten Element 1 zugewandt ist. Das Bondmaterial 3 ist eine Anordnung, die durch Sintern von Metallnanopartikeln erhalten wird, und ist zwischen das erste Element 1 und das zweite Element 2 eingefügt. Auf einer Oberfläche des zweiten Elements 2 ist ein erster Rauheitsbereich 25, der eine raue Oberfläche ist, ausgebildet. Die Details über den ersten Rauheitsbereich 25 werden später beschrieben.
  • Als nächstes wird ein praktisches Beispiel der Bondstruktur beschrieben. 2 ist eine Querschnittsansicht, die das praktische Beispiel der Bondstruktur gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform zeigt, und 2 ist das praktische Beispiel der Bondstruktur in 1. 3 ist eine Draufsicht des zweiten Elements 2. 1 zeigt die Bondstruktur, in der das erste Element 1 und das zweite Element 2 jeweils aus einem einzelnen Metall bestehen. Andererseits zeigt 2 die Bondstruktur, bei der eine Grenzfläche zwischen den Metallnanopartikeln aus Metallschichten 21 und 24 ausgebildet ist.
  • Wie in 2 gezeigt, umfasst die Bondstruktur das erste Element 1, das zweite Element 2 und das Bondmaterial 3. Das erste Element 1 ist ein Halbleiterelement und umfasst einen Halbleiterkörper 20 und die Metallschicht 21. Die Metallschicht 21 ist auf der Seite des zweiten Elements 2 (eine Oberflächenseite des ersten Elements 1) des Halbleiterkörpers 20 angeordnet. Mit anderen Worten, eine Seite des ersten Elements 1 ist eine Oberfläche der Metallschicht 21 (Metalloberfläche).
  • Der Halbleiterkörper 20 ist beispielsweise Si oder SiC. Auf einer hinteren Oberfläche der Metallschicht 21 (Oberfläche auf der Seite des Halbleiterkörpers 20) ist eine Titanschicht zum Ausbilden eines ohmschen Übergangs ausgebildet und auf einer äußersten Oberfläche der Metallschicht 21 (Oberfläche auf der Seite des zweiten Elements 2) ist eine Goldschicht, die gegen Oxidieren beständig ist und ausgezeichnete Bondeigenschaften an Silber aufweist, ausgebildet. Eine Nickelschicht zum Verhindern, dass unterschiedliche Metalle diffundieren, ist zwischen der Titanschicht und der Goldschicht ausgebildet.
  • Das Bondmaterial 3 ist ein gesinterter Presskörper, der aus Metallpartikeln (beispielsweise Silberpartikeln) mit einem mittleren Durchmesser von 100 nm oder weniger besteht. Das zweite Element 2 ist ein Wärmeverteiler und umfasst einen Wärmeverteilerkörper 23, der aus Kupfer besteht, und die Metallschicht 24. Die Metallschicht 24 ist auf der Seite des ersten Elements 1 (einer Oberflächenseite des zweiten Elements 2) des Wärmeverteilerkörpers 23 angeordnet. Mit anderen Worten, eine Seite des zweiten Elements 2 ist eine Oberfläche der Metallschicht 24 (Metalloberfläche).
  • Wie in 2 und 3 gezeigt, ist die Oberfläche der Metallschicht 24 (Oberfläche auf der Seite des ersten Elements 1) eine Bondoberfläche am ersten Element 1 und der erste Rauheitsbereich 25, der eine raue Oberfläche ist, ist auf der ganzen Oberfläche der Metallschicht 24 ausgebildet. Der erste Rauheitsbereich 25 ist so ausgebildet, dass er die raue Oberfläche mit einer vorbestimmten Oberflächenrauheit innerhalb eines Bereichs einer Oberflächenrauheit Rz-JIS von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm ist.
  • Der Grund dafür, dass die Oberflächenrauheit innerhalb des Bereichs ausgebildet wird, wie vorstehend erwähnt, wird beschrieben. 4 ist ein Vergleichsdiagramm, das Testergebnisse der Zuverlässigkeit in einem Fall der Änderung der Oberflächenrauheit der Bondoberfläche des zweiten Elements 2 zeigt. In 4 gibt eine vertikale Achse ein Rissflächenverhältnis (Ablöseflächenverhältnis) an und eine horizontale Achse gibt die Anzahl von Zyklen eines H/C-Zyklus an. Eine niedrige Rauheit weist eine Oberflächenrauheit von 0,3 μm bis weniger als 0,5 μm auf. Eine mittlere Rauheit weist eine Oberflächenrauheit von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm auf. Eine hohe Rauheit weist eine Oberflächenrauheit von 2,0 μm bis weniger als 3,7 μm auf. Wie in 4 gezeigt, weist die mittlere Rauheit das minimale Rissflächenverhältnis und die maximale Bondzuverlässigkeit auf. Folglich wird der erste Rauheitsbereich 25 so ausgebildet, dass er die vorbestimmte Oberflächenrauheit innerhalb des Bereichs von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm aufweist.
  • Eine Bondoberfläche des zweiten Elements 2 ist größer als jene des ersten Elements 1 ausgebildet und die raue Oberfläche des zweiten Elements 2 ist auf der ganzen Bondoberfläche des zweiten Elements 2 (Oberfläche der Metallschicht 24) ausgebildet. Folglich ist die raue Oberfläche des zweiten Elements 2 in einem Bereich ausgebildet, der größer ist als der Bondbereich im zweiten Element 2, der an die Bondoberfläche des ersten Elements 1 gebondet ist.
  • (Bondverfahren)
  • Als nächstes werden eine Bondstruktur und ein Bondverfahren, die für einen Test der Zuverlässigkeit in 4 verwendet werden, beschrieben. 5 ist eine Querschnittsansicht, die die Bondstruktur in 1 zeigt, deren Herstellung in Gang ist.
  • 2 zeigt einen Zustand, in dem die Bondstruktur vollendet ist. Si wird als Halbleiterkörper 20 des ersten Elements 1 verwendet und Gold wird für die äußerste Oberfläche der Metallschicht 21 verwendet. Der Wärmeverteilerkörper 23 des zweiten Elements 2 besteht aus Kupfer. Für die Oberflächenrauheit der Metallschicht 24 werden drei Typen des zweiten Elements 2, die eine geringe Rauheit, eine mittlere Rauheit und eine hohe Rauheit aufweisen, vorbereitet und die Oberflächenrauheit ist auf der ganzen Oberfläche der Metallschicht 24 gleich.
  • Der erste Rauheitsbereich 25 der Metallschicht 24 wird unter Verwendung von Schleifpapier und einer Feile ausgebildet. Der erste Rauheitsbereich 25 kann auch durch Fräsen, Schleifen, elektrische Entladung, Polieren oder eine wissenschaftliche Technik (Ätzen) ausgebildet werden.
  • Eine Metallnanopaste, in der die Metallnanopartikel, die mit einem organischen Schutzfilm beschichtet sind, in einem organischen Lösungsmittel in einem Vorschritt zum Ausbilden des Bondmaterials 3 dispergiert werden, das der gesinterte Presskörper für die Metallnanopartikel ist, wird zwischen dem ersten Element 1 und dem zweiten Element 2 vorbereitet. In diesem Test ist ein Metall der Metallnanopartikel Silber.
  • Als nächstes werden die Elemente, wie vorstehend erwähnt, für das Bonden verwendet. Zuerst wird die Metallnanopaste mit derselben Größe wie die Bondoberfläche des Halbleiterelements, das das erste Element 1 ist, auf den Wärmeverteiler, der aus Kupfer besteht und der das zweite Element 2 ist, mit einer konstanten Dicke durch ein Siebdruckverfahren gedruckt. Als nächstes wird das erste Element 1 an der auf das zweite Element 2 gedruckten Metallnanopaste angebracht.
  • Danach wird, wie in 5 gezeigt, das erste Element 1, das an der auf das zweite Element 2 gedruckten Metallnanopaste angebracht ist, in eine Heiz- und Druckbeaufschlagungsvorrichtung 10 gelegt. Die Heiz- und Druckbeaufschlagungsvorrichtung 10 umfasst einen Befestigungsabschnitt 8 und einen Pressabschnitt 4. Die Heiz- und Druckbeaufschlagungsvorrichtung 10 ordnet ein zu bondendes Objekt zwischen dem Befestigungsabschnitt 8 und dem Pressabschnitt 4 an und sie bringt einen Druck auf das zu bondende Objekt mit dem Befestigungsabschnitt 8 und dem Pressabschnitt 4 unter Erhitzen des Objekts auf.
  • Das erste Element 1, das an der auf das zweite Element 2 gedruckten Metallnanopaste angebracht ist, wird zwischen dem Befestigungsabschnitt 8 und dem Pressabschnitt 4 angeordnet und der Befestigungsabschnitt 8 und der Pressabschnitt 4 bringen einen Druck auf das erste Element 1 und das zweite Element 2 auf, während sie erhitzt werden. Das erste Element 1 und das zweite Element 2 werden mit Druck beaufschlagt und erhitzt, so dass eine organische Komponente, die in der Metallnanopaste enthalten ist, zersetzt und verdampft wird, wodurch die Metallnanopartikel sintergebondet werden. Folglich wird die Bondstruktur, wie in 2 gezeigt, fertiggestellt.
  • (Effekte)
  • Im Allgemeinen ist das Bonden zwischen Metallen für ähnliche Metalle leichter als für unterschiedliche Metalle. Ein Bondprinzip der Metallnanopartikel nutzt eine Bondenergie von einer Oberfläche der Partikel aus und eine absolute Kontaktfläche für die unterschiedlichen Metalle der Metallnanopartikel wird aus dem obigen Grund vergrößert, wodurch das Auftreten einer Ablösung an einer Grenzfläche zwischen den unterschiedlichen Metallen verhindert werden kann. Das Einstellen der Oberflächenrauheit ermöglicht eine Vergrößerung der Kontaktfläche. Folglich kann ein Bonden mit geringer Ablöserate an einer Grenzfläche sehr zuverlässig erreicht werden. Überdies wird eine Bondtechnik unter Verwendung der Mikrometallpaste eingeführt, so dass die Bondstruktur mit einer hohen Qualität sehr zuverlässig erhalten werden kann.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird in der Bondstruktur gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform mindestens eine der Metalloberflächen des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 so ausgebildet, dass sie die raue Oberfläche ist, so dass ohne Vergrößern der Größe des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 die Bondfläche des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 vergrößert werden kann. Außerdem kann eine ausreichende Bondfestigkeit auf der Basis eines Verankerungseffekts erhalten werden.
  • Ferner wird der erste Rauheitsbereich 25, der die raue Oberfläche ist, so ausgebildet, dass er die vorbestimmte Oberflächenrauheit innerhalb des Bereichs von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm aufweist, so dass, wie mit Bezug auf 4 beschrieben, das Rissflächenverhältnis erheblich vermindert werden kann und die Bondzuverlässigkeit im Fall des Bondens des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 verbessert werden kann. Folglich ermöglicht die Struktur, in der das erste Element 1 und das zweite Element 2 gebondet werden, eine Verbesserung der Haltbarkeit und Ausbeute. Überdies stellt das Vorsehen der rauen Oberfläche für die Bondoberfläche die Bondfläche mit der minimalen erforderlichen Fläche sicher, wodurch die Größe der Bondstruktur verringert werden kann.
  • Die raue Oberfläche des zweiten Elements 2 wird in einem Bereich ausgebildet, der größer ist als der Bondbereich im zweiten Element 2, der an die Bondoberfläche des ersten Elements 1 gebondet wird, so dass das in der Metallnanopaste enthaltene organische Lösungsmittel insbesondere durch den Bereich außer dem Bondbereich der rauen Oberfläche des zweiten Elements 2 leichter zersetzt und verdampft werden kann.
  • Das erste Element 1 ist das Halbleiterelement und das zweite Element 2 ist der Wärmeverteiler und folglich wird die Bondstruktur gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform, die die ausreichende Bondfestigkeit und hohe Bondzuverlässigkeit erhalten kann, verwendet, wodurch bedeutende Effekte ausgeübt werden können. In einem Fall, in dem das Halbleiterelement SiC ist, wird es ferner bei hohen Temperaturen verwendet, wodurch bedeutendere Effekte ausgeübt werden können.
  • Das Bondverfahren unter Verwendung der Metallnanopartikel umfasst die Schritte (a) des Ausbildens des ersten Rauheitsbereichs 25, der die raue Oberfläche mit der vorbestimmten Oberflächenrauheit innerhalb des Bereichs von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm ist, auf mindestens einer der Metalloberflächen des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2, (b) des Druckens der Metallnanopaste auf die Metalloberfläche des zweiten Elements 2 mit einer konstanten Dicke, (c) des Anbringens des ersten Elements 1 an der auf das zweite Element 2 gedruckten Metallnanopaste und (d) des Erhitzens der auf das zweite Element 2 gedruckten Metallnanopaste mit dem daran angebrachten ersten Element, um die Metallnanopartikel, die in der Metallnanopaste enthalten sind, zu sinterbonden.
  • Daher wird mindestens eine der Metalloberflächen des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 so ausgebildet, dass sie eine raue Oberfläche ist, so dass ohne Vergrößern der Größe des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 die Bondfläche des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 vergrößert werden kann. Außerdem kann die ausreichende Bondfestigkeit auf der Basis des Verankerungseffekts erhalten werden.
  • Überdies wird die raue Oberfläche mit der vorbestimmten Oberflächenrauheit innerhalb des Bereichs von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm so ausgebildet, da sie mindestens eine der Metalloberflächen des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 ist, so dass das Rissflächenverhältnis stark vermindert werden kann und die Bondzuverlässigkeit im Fall des Bondens des ersten Elements 1 und des zweiten Elements 2 verbessert werden kann.
  • Das Bondverfahren, in dem die Bondfläche durch Ausbilden des konkaven Abschnitts im Bondteil der Elemente und Ausbilden des konvexen Abschnitts im Bondteil des anderen Elements vergrößert wird, wurde vorgeschlagen. Dagegen kann das Bondverfahren gemäß der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform ohne Erhöhen der Anzahl von Schritten einfach durch Ersetzen des Schritts der Ausbildung des konkaven Abschnitts und des konvexen Abschnitts durch den Schritt (a) leicht durchgeführt werden.
  • <Zweite bevorzugte Ausführungsform>
  • Als nächstes wird eine Bondstruktur gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform beschrieben. 6 ist eine Draufsicht, die das zweite Element 2 in der Bondstruktur gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform zeigt. In der zweiten bevorzugten Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie die in der ersten bevorzugten Ausführungsform beschriebenen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, die hier nicht beschrieben werden.
  • In der ersten bevorzugten Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, ist die Oberflächenrauheit auf der ganzen Bondoberfläche des zweiten Elements 2 gleich. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform, wie in 6 gezeigt, umfasst eine raue Oberfläche den ersten Rauheitsbereich 25 und einen zweiten Rauheitsbereich 26, die in geraden Streifen parallel zueinander ausgebildet sind.
  • Der erste Rauheitsbereich 25 ist so ausgebildet, dass er die vorbestimmte Oberflächenrauheit (die erste Oberflächenrauheit) innerhalb des Bereichs der Oberflächenrauheit Rz-JIS von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm aufweist. Der zweite Rauheitsbereich 26 ist so ausgebildet, dass er die vorbestimmte Oberflächenrauheit (die zweite Oberflächenrauheit), die größer ist als die Oberflächenrauheit des ersten Rauheitsbereichs 25 innerhalb des Bereichs der Oberflächenrauheit Rz-JIS von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm, aufweist.
  • Mit anderen Worten, der erste Rauheitsbereich 25 und der zweite Rauheitsbereich 26 mit einer unterschiedlichen Oberflächenrauheit sind in geraden Streifen parallel zueinander ausgebildet, um die Oberflächenrauheit mit Richtungsabhängigkeit zu schaffen. Die Oberflächenrauheit liegt jedoch in einer Richtung, in der sich der zweite Rauheitsbereich 26 mit Streifenformen erstreckt.
  • Der zweite Rauheitsbereich 26 der Metallschicht 24 wird unter Verwendung von Schleifpapier oder einer Feile ausgebildet. Der zweite Rauheitsbereich 26 kann auch durch Fräsen, Schleifen, elektrische Entladung, Polieren oder eine wissenschaftliche Technik (Ätzen) ausgebildet werden.
  • Wie vorstehend beschrieben, umfasst in der Bondstruktur gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform die raue Oberfläche den ersten Rauheitsbereich 25 mit der Oberflächenrauheit als erster Oberflächenrauheit und den zweiten Rauheitsbereich 26 mit der Oberflächenrauheit als zweiter Oberflächenrauheit, die größer ist als die erste Oberflächenrauheit, so dass die Oberflächenrauheit auf der Bondoberfläche in derselben Ebene im zweiten Element 2 variiert, wodurch eine ausreichende Bondfestigkeit erhalten werden kann. Überdies sind der erste Rauheitsbereich 25 und der zweite Rauheitsbereich 26 in den geraden Formen parallel zueinander ausgebildet, um die Oberflächenrauheit mit Richtungsabhängigkeit zu schaffen, und folglich kann das in der Metallnanopaste enthaltene organische Lösungsmittel durch den zweiten Rauheitsbereich 26 leichter zersetzt und verdampft werden, wodurch die Erzeugung einer Leerstelle, die ein Faktor bei der Verschlechterung der Bondqualität und einer Bondzuverlässigkeit ist, unterdrückt werden kann.
  • Wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform beschrieben, wird die raue Oberfläche des zweiten Elements 2 in einem Bereich ausgebildet, der größer ist als der Bondbereich im zweiten Element 2, der an die Bondoberfläche des ersten Elements 1 gebondet wird, so dass das in der Metallnanopaste enthaltene organische Lösungsmittel insbesondere durch den zweiten Rauheitsbereich 26 außer dem Bondbereich der rauen Oberfläche des zweiten Elements 2 leichter zersetzt und verdampft werden kann.
  • <Dritte bevorzugte Ausführungsform>
  • Als nächstes wird eine Bondstruktur gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform beschrieben. 7 ist eine Draufsicht, die das zweite Element 2 in der Bondstruktur gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt. In der dritten bevorzugten Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie die in der ersten und der zweiten bevorzugten Ausführungsform beschriebenen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, die hier nicht beschrieben werden.
  • In der ersten bevorzugten Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, ist die Oberflächenrauheit auf der ganzen Bondoberfläche des zweiten Elements 2 gleich. Dagegen umfasst in der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform, wie in 7 gezeigt, die raue Oberfläche den ersten Rauheitsbereich 25 und den zweiten Rauheitsbereich 26 und der zweite Rauheitsbereich 26 ist mit einer Kreuzform ausgebildet.
  • Der erste Rauheitsbereich 25 ist so ausgebildet, dass er die vorbestimmte Oberflächenrauheit (die erste Oberflächenrauheit) innerhalb des Bereichs der Oberflächenrauheit Rz-JIS von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm aufweist. Der erste Rauheitsbereich 25 ist in einem Bereich abgesehen vom zweiten Rauheitsbereich 26 mit der Kreuzform der Bondoberfläche des zweiten Elements 2 ausgebildet. Der zweite Rauheitsbereich 26 ist so ausgebildet, dass er die vorbestimmte Oberflächenrauheit (die zweite Oberflächenrauheit) aufweist, die größer ist als jene des ersten Rauheitsbereichs 25 innerhalb des Bereichs der Oberflächenrauheit Rz-JIS von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm.
  • Mit anderen Worten, der zweite Rauheitsbereich 26 mit der Oberflächenrauheit, die größer ist als jene des ersten Rauheitsbereichs 25, ist mit der Kreuzform ausgebildet, um die Oberflächenrauheit mit Richtungsabhängigkeit zu schaffen. Die Oberflächenrauheit liegt jedoch in einer Richtung, in der sich der zweite Rauheitsbereich 26 mit der Kreuzform erstreckt.
  • Wie vorstehend beschrieben, umfasst in der Bondstruktur gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform die raue Oberfläche den ersten Rauheitsbereich 25 mit der Oberflächenrauheit als erste Oberflächenrauheit und den zweiten Rauheitsbereich 26 mit der Oberflächenrauheit als zweite Oberflächenrauheit, die größer ist als die erste Oberflächenrauheit, und der zweite Rauheitsbereich 26 ist mit der Kreuzform ausgebildet.
  • Daher ist die Oberflächenrauheit mit der Richtungsabhängigkeit vorgesehen und folglich kann das in der Metallnanopaste enthaltene organische Lösungsmittel durch den zweiten Rauheitsbereich 26 mit der Kreuzform in allen Richtungen leichter zersetzt und verdampft werden, wodurch die Erzeugung einer Leerstelle, die ein Faktor bei der Verschlechterung der Bondqualität und einer Bondzuverlässigkeit ist, besser unterdrückt werden kann.
  • Wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform beschrieben, ist die raue Oberfläche des zweiten Elements 2 in einem Bereich ausgebildet, der größer ist als der Bondbereich im zweiten Element 2, der an die Bondoberfläche des ersten Elements 1 gebondet wird, so dass das in der Metallnanopaste enthaltene organische Lösungsmittel insbesondere durch den zweiten Rauheitsbereich 26 außer dem Bondbereich der rauen Oberfläche des zweiten Elements 2 leichter zersetzt und verdampft werden kann.
  • <Vierte bevorzugte Ausführungsform>
  • Als nächstes wird eine Bondstruktur gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform beschrieben. 8 ist eine Draufsicht, die das zweite Element 2 in der Bondstruktur gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform zeigt. In der vierten bevorzugten Ausführungsform sind dieselben Komponenten wie die in der ersten bis dritten bevorzugten Ausführungsform beschriebenen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, die hier nicht beschrieben werden.
  • In der ersten bevorzugten Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, ist die Oberflächenrauheit auf der ganzen Bondoberfläche des zweiten Elements 2 gleich. In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform, wie in 8 gezeigt, umfasst dagegen die raue Oberfläche den ersten Rauheitsbereich 25 und den zweiten Rauheitsbereich 26 und der zweite Rauheitsbereich 26 ist in einem Gittermuster ausgebildet.
  • Der erste Rauheitsbereich 25 ist so ausgebildet, dass er die vorbestimmte Oberflächenrauheit (die erste Oberflächenrauheit) innerhalb des Bereichs der Oberflächenrauheit Rz-JIS von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm aufweist. Der erste Rauheitsbereich 25 ist in einem Bereich abgesehen vom zweiten Rauheitsbereich 26, der im Gittermuster ausgebildet ist, der Bondoberfläche der Metallschicht 24 ausgebildet. Der zweite Rauheitsbereich 26 ist so ausgebildet, dass er die vorbestimmte Oberflächenrauheit (die zweite Oberflächenrauheit) aufweist, die größer ist als jene des ersten Rauheitsbereich 25 innerhalb des Bereichs der Oberflächenrauheit Rz-JIS von 0,5 μm bis weniger als 2,0 μm.
  • Mit anderen Worten, der zweite Rauheitsbereich 26 mit der Oberflächenrauheit, die größer ist als jene des ersten Rauheitsbereichs 25, ist im Gittermuster ausgebildet, um die Oberflächenrauheit mit Richtungsabhängigkeit zu schaffen. Die Oberflächenrauheit liegt jedoch in einer Richtung, in der sich der zweite Rauheitsbereich 26, der im Gittermuster ausgebildet ist, erstreckt.
  • Wie vorstehend beschrieben, umfasst in der Bondstruktur gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform die raue Oberfläche den ersten Rauheitsbereich 25 mit der Oberflächenrauheit, die die erste Oberflächenrauheit ist, und den zweiten Rauheitsbereich 26 mit der Oberflächenrauheit, in dem die zweite Oberflächenrauheit größer ist als die erste Oberflächenrauheit, und der zweite Rauheitsbereich 26 ist im Gittermuster ausgebildet.
  • Daher ist die Oberflächenrauheit mit der Richtungsabhängigkeit vorgesehen und folglich kann das in der Metallnanopaste enthaltene organische Lösungsmittel durch den zweiten Rauheitsbereich 26 mit der Kreuzform in allen Richtungen leichter zersetzt und verdampft werden, wodurch die Erzeugung einer Leerastelle, die ein Faktor bei der Verschlechterung der Bondqualität und einer Bondzuverlässigkeit ist, besser unterdrückt werden kann.
  • Wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform beschrieben, ist die raue Oberfläche des zweiten Elements 2 in einem Bereich ausgebildet, der größer ist als der Bondbereich im zweiten Element 2, der an die Bondoberfläche des ersten Elements 1 gebondet wird, so dass das in der Metallnanopaste enthaltene organische Lösungsmittel insbesondere durch den zweiten Rauheitsbereich 26 außer dem Bondbereich der rauen Oberfläche des zweiten Elements 2 leichter zersetzt und verdampft werden kann.
  • In der ersten bis vierten bevorzugten Ausführungsform ist der Fall, in dem das erste Element 1 das Halbleiterelement ist und das zweite Element 2 der Wärmeverteiler ist, beschrieben, und sie sind nicht auf diesen Fall begrenzt und andere Elemente als diese können verwendet werden. Überdies ordnet das erste Element 1 die Metallschichten auf beiden Seiten an und die Metalloberflächen können auf beiden Seiten des ersten Elements 1 ausgebildet sein. Das zweite Element 2 ordnet die Metallschichten auf beiden Seiten an und die Metalloberflächen können auf beiden Seiten des zweiten Elements 2 ausgebildet sein.
  • In der ersten bis vierten bevorzugten Ausführungsform ist der Fall, in dem die Metalloberfläche des zweiten Elements 2 so ausgebildet ist, dass sie die raue Oberfläche ist, beschrieben, und sie ist nicht darauf begrenzt und die Metalloberfläche des ersten Elements 1 kann so ausgebildet sein, dass sie die raue Oberfläche ist. Ferner können die Metalloberfläche des ersten Elements 1 und die Metalloberfläche des zweiten Elements 2 jeweils so ausgebildet sein, dass sie die raue Oberfläche sind.
  • Außerdem können gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung die obigen bevorzugten Ausführungsformen beliebig kombiniert werden oder jede bevorzugte Ausführungsform kann geeignet verändert oder weggelassen werden.
  • Obwohl die Erfindung im Einzelnen gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorangehende Beschreibung in allen Aspekten erläuternd und nicht einschränkend. Daher können selbstverständlich zahlreiche Modifikationen und Veränderungen entwickelt werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • Ph. Buffat und J-P Borel, Phys. Rev. A 13(6) 2287 (1976) [0005]

Claims (7)

  1. Bondstruktur mit Metallnanopartikeln, die Folgendes umfasst: ein erstes Element (1) mit einer Metalloberfläche auf mindestens einer Seite; ein zweites Element (2) mit einer Metalloberfläche auf mindestens einer Seite, wobei das zweite Element derart angeordnet ist, dass die Metalloberfläche des zweiten Elements der Metalloberfläche des ersten Elements (1) zugewandt ist; und ein Bondmaterial (3), das das erste Element (1) und das zweite Elements (2) durch Sinterbonden der Metallnanopartikel bondet, wobei mindestens eine der Metalloberflächen des ersten Elements (1) und des zweiten Elements (2) so ausgebildet ist, dass sie eine raue Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von 0,5 μm bis 2,0 μm ist.
  2. Bondstruktur mit Metallnanopartikeln nach Anspruch 1, wobei die raue Oberfläche einen ersten Rauheitsbereich (25) mit einer ersten Oberflächenrauheit und einen zweiten Rauheitsbereich (26) mit einer zweiten Oberflächenrauheit, die größer ist als die erste Oberflächenrauheit, umfasst, und der erste Rauheitsbereich (25) und der zweite Rauheitsbereich (26) in geraden Streifen parallel zueinander ausgebildet sind.
  3. Bondstruktur mit Metallnanopartikeln nach Anspruch 1, wobei die raue Oberfläche einen ersten Rauheitsbereich (25) mit einer ersten Oberflächenrauheit und einen zweiten Rauheitsbereich (26) mit einer zweiten Oberflächenrauheit, die größer ist als die erste Oberflächenrauheit, umfasst, und der zweite Rauheitsbereich (26) in einer Kreuzform oder in einem Gittermuster ausgebildet ist.
  4. Bondstruktur mit Metallnanopartikeln nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die raue Oberfläche in einem Bereich, der größer ist als ein Bondbereich an einer gegenüberliegenden Metalloberfläche, in mindestens einer der Metalloberflächen des ersten Elements (1) und des zweiten Elements (2) ausgebildet ist.
  5. Bondstruktur mit Metallnanopartikeln nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Element (1) ein Halbleiterelement ist und das zweite Elements (2) ein Wärmeverteiler ist.
  6. Bondstruktur mit Metallnanopartikeln nach Anspruch 5, wobei das Halbleiterelement SiC ist.
  7. Bondverfahren unter Verwendung von Metallnanopartikeln, die ein erstes Element (1) mit einer Metalloberfläche auf mindestens einer Seite und ein zweites Element (2) mit einer Metalloberfläche auf mindestens einer Seite bonden, wobei das Bondverfahren die Folgenden Schritte umfasst: (a) Ausbilden einer rauen Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von 0,5 μm bis 2,0 μm auf mindestens einer der Metalloberflächen des ersten Elements (1) und des zweiten Elements (2); (b) Drucken einer Metallnanopaste auf die Metalloberfläche des zweiten Elements (2) mit einer konstanten Dicke; (c) Anbringen des ersten Elements (1) auf der auf das zweite Element (2) gedruckten Metallnanopaste; und (d) Erhitzen der auf das zweite Element (2) gedruckten Metallnanopaste mit dem daran angebrachten ersten Element (1), um die in der Metallnanopaste enthaltenen Metallnanopartikel zu sinterbonden.
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