JP2013041884A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板またはリードフレームに設けられたパッド部と半導体素子とが多孔質状金属層で接合されている半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a pad portion provided on a substrate or a lead frame and a semiconductor element are joined by a porous metal layer.
半導体装置は、一般に、リードフレームの素子担持部上に、半導体素子（チップ）を接合するためのダイマウント材を形成する工程と、リードフレーム上のダイマウント材表面に半導体素子を搭載しリードフレームの素子担持部と半導体素子とを接合する工程と、半導体素子の電極部と、リードフレームの端子部とを電気的に接合するワイヤボンディング工程と、こうして組み立てた半導体装置を樹脂被覆するモールド工程を経て製造される。
特許文献１には、被接合材及びはんだ材のうちの少なくとも一方の接合面側に、前記はんだ材の融点に比して低い融点の低融点はんだ層を形成しておき、前記低融点はんだ層の融点から前記はんだ材の融点までの範囲内の温度で、前記被接合材及び前記はんだ材の接合面同士を接合することを特徴とするはんだ付け方法が開示されている。
一方、導電性の樹脂系ペーストは、銀、金等の金属粒子と樹脂を混合したペーストが用いられている。近年、銀ペーストが最も汎用されている。
特許文献２には金属層を表面に持つリードフレームと金属層を裏面に持つ半導体素子の間を、鉛元素を含有しない材料を用いた３層からなる接合層を介して接合し、前記リードフレーム、前記半導体素子、接合層の隣り合ったいずれの界面でも金属接合させることが開示されている。また、特許文献３には、２つの構造素子を結合するために、発熱的に緻密化可能な金属ペーストを介して互いにボンディングするための、金属粉末、吸熱分解可能な金属化合物、及び溶剤を含有する金属ペースト開示されている。
In general, a semiconductor device includes a step of forming a die mount material for joining a semiconductor element (chip) on an element carrying portion of a lead frame, and a semiconductor device having a semiconductor element mounted on the surface of the die mount material on the lead frame. A step of bonding the element carrying portion and the semiconductor element, a wire bonding step of electrically bonding the electrode portion of the semiconductor element and the terminal portion of the lead frame, and a molding step of covering the semiconductor device thus assembled with a resin It is manufactured after.
In Patent Document 1, a low melting point solder layer having a lower melting point than the melting point of the solder material is formed on at least one of the joining surfaces of the material to be joined and the solder material, and the low melting point solder layer A soldering method is disclosed in which the joining surfaces of the material to be joined and the solder material are joined to each other at a temperature within a range from the melting point of the solder material to the melting point of the solder material.
On the other hand, as the conductive resin paste, a paste in which metal particles such as silver and gold and a resin are mixed is used. In recent years, silver paste has been most widely used.
In Patent Document 2, a lead frame having a metal layer on the front surface and a semiconductor element having a metal layer on the back surface are joined via a joining layer composed of three layers using a material not containing lead element, It is disclosed that metal bonding is performed at any adjacent interface of the semiconductor element and the bonding layer. Patent Document 3 contains metal powder, endothermic decomposable metal compound, and solvent for bonding to each other through exothermic densifiable metal paste to bond two structural elements. A metal paste is disclosed.
しかし、特許文献１に開示のはんだ付け方法では、半導体素子の構成材料と半導体素子に実装する回路配線基板との間の接合構成材料が異なると、熱膨張係数の相異に起因して接合時に応力歪を発生させる。この応力歪ははんだ電極を破壊させて信頼性寿命を低下させる。このような問題点を解消する手段として、金属微粒子を含む導電性ペーストを焼成して形成される多孔質体が知られている。
特許文献２、３に開示の金蔵微粒子を含む金属ペーストの焼結による接合では、鉛フリー化と耐熱性と熱伝導性の課題は解決できるが、半導体素子、半導体素子とダイマウント材の接合界面等に応力が発生すると、クラックの発生や剥がれの発生等の問題を発生させる。また、半導体素子の接合不良を防止するために、接合時に加圧手段を採用することも可能であるが、過度に加圧すると接合部内に歪が残存したり、耐熱応力が低下して破損につながるおそれがある。
However, in the soldering method disclosed in Patent Document 1, if the joining constituent material between the constituent material of the semiconductor element and the circuit wiring board to be mounted on the semiconductor element is different, due to the difference in thermal expansion coefficient, Generate stress strain. This stress strain destroys the solder electrode and reduces the reliability life. As a means for solving such a problem, a porous body formed by firing a conductive paste containing metal fine particles is known.
Joining by sintering metal paste containing metallized fine particles disclosed in Patent Documents 2 and 3 can solve the problems of lead-free, heat resistance, and thermal conductivity, but the semiconductor element, the joint interface between the semiconductor element and the die mount material When stress is generated in such areas, problems such as generation of cracks and peeling occur. In order to prevent poor bonding of the semiconductor element, it is possible to employ a pressurizing means at the time of bonding. However, if excessive pressure is applied, strain may remain in the bonded portion, or the heat stress may be reduced and damaged. There is a risk of connection.
本発明の目的は、半導体素子と多孔質状金属層との接合面、又は多孔質状金属層と基板との接合面にクラックや剥がれの発生、及び接合部の酸化を抑制すること等により接合寿命を向上して接続信頼性の向上を図ることができる半導体装置を提供することを目的とする。 The object of the present invention is to suppress the occurrence of cracks and peeling on the bonding surface between the semiconductor element and the porous metal layer, or the bonding surface between the porous metal layer and the substrate, and the oxidation of the bonding portion. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of improving the lifetime and improving the connection reliability.
本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、パッド部を有する基板またはリードフレームと、電極としての金属層を有する半導体素子と、前記基板またはリードフレームのパッド部と半導体素子の金属層とが多孔質状金属層で接合されている半導体装置において、多孔質状金属層の外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側よりも低くすることにより上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 In view of the prior art, the present inventors have a substrate or lead frame having a pad portion, a semiconductor element having a metal layer as an electrode, a pad portion of the substrate or lead frame, and a metal layer of the semiconductor element. In a semiconductor device bonded with a porous metal layer, the present inventors have found that the above problem can be solved by making the metal density of the outer peripheral side portion of the porous metal layer lower than the center side located inside the porous metal layer. It came to complete.
即ち、本発明は、以下の（１）〜（５）に記載する発明を要旨とする。
（１）基板（Ｋ）またはリードフレーム（Ｌ）に設けられたパッド部（Ｐ）上に多孔質状金属層（Ｃ）を介して半導体素子（Ｓ）の金属層が接合されている半導体装置であって、
前記多孔質状金属層（Ｃ）の外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低いことを特徴とする半導体装置。
（２）前記多孔質状金属層（Ｃ）に形成された外周側の空孔の少なくとも一部に、耐熱性樹脂（Ｒ）が充填されていることを特徴とする、前記（１）に記載の半導体装置。
That is, the gist of the present invention is the invention described in the following (1) to (5).
(1) A semiconductor device in which a metal layer of a semiconductor element (S) is bonded to a pad (P) provided on a substrate (K) or a lead frame (L) through a porous metal layer (C). Because
A semiconductor device characterized in that the metal density of the outer peripheral side portion of the porous metal layer (C) is lower than that of the central side located inside thereof.
(2) The heat-resistant resin (R) is filled in at least a part of the holes on the outer peripheral side formed in the porous metal layer (C). Semiconductor device.
（３）前記多孔質状金属層（Ｃ）における外周部と中央部の弾性率（［外周部］／［中央部］）が０．９５以下であることを特徴とする、前記（１）又は（２）に記載の半導体装置。
（４）前記多孔質状金属層（Ｃ）が銅、金、銀、ニッケル、及びコバルトの中から選択される１種又は２種以上であることを特徴とする、前記（１）から（３）のいずれかに記載の半導体装置。
（５）前記多孔質状金属層（Ｃ）が平均粒子径が１〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｍ１）を含む金属微粒子（Ｍ）が分散媒（Ｄ）に分散された金属微粒子分散材を焼結させて形成された層であることを特徴とする、前記（１）から（４）のいずれかに記載の半導体装置。
(3) The elastic modulus ([outer peripheral part] / [central part]) of the outer peripheral part and the central part in the porous metal layer (C) is 0.95 or less, (1) or The semiconductor device according to (2).
(4) The porous metal layer (C) is one or more selected from copper, gold, silver, nickel, and cobalt, wherein (1) to (3 The semiconductor device according to any one of the above.
(5) The porous metal layer (C) is a sintered metal fine particle dispersion in which metal fine particles (M) including metal fine particles (M1) having an average particle diameter of 1 to 500 nm are dispersed in a dispersion medium (D). The semiconductor device according to any one of (1) to (4), wherein the semiconductor device is a layer formed by being formed.
本発明の半導体装置における、基板（Ｋ）またはリードフレーム（Ｌ）に設けられたパッド部（Ｐ）と半導体素子（Ｓ）を、外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）により接合することにより、半導体素子（Ｓ）、半導体素子（Ｓ）、半導体素子（Ｓ）と多孔質状金属層（Ｃ）間の接合界面、及び多孔質状金属層（Ｃ）とパッド部（Ｐ）間の接合界面に発生する応力を緩和し、酸化も抑制され、接合寿命を向上することができ、放熱性と導電性を維持し接合信頼性を向上できる。 In the semiconductor device of the present invention, the pad portion (P) provided on the substrate (K) or the lead frame (L) and the semiconductor element (S) are compared with the central side where the metal density of the outer peripheral portion is located inside thereof. And bonding with the low porous metal layer (C), the semiconductor element (S), the semiconductor element (S), the bonding interface between the semiconductor element (S) and the porous metal layer (C), and the porosity Stress generated at the bonding interface between the material metal layer (C) and the pad part (P) can be relaxed, oxidation can be suppressed, the bonding life can be improved, and heat radiation and conductivity can be maintained and bonding reliability can be maintained. Can be improved.
以下に本発明の〔１〕半導体装置、および〔２〕その製造方法について説明する。
〔１〕半導体装置
本発明の半導体装置は、基板（Ｋ）またはリードフレーム（Ｌ）に設けられたパッド部（Ｐ）上に多孔質状金属層（Ｃ）を介して半導体素子（Ｓ）の金属層が接合されている半導体装置であって、前記多孔質状金属層（Ｃ）の外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低いことを特徴とする。
ナノ粒子の場合には表面活性が高いので更に低温で焼結を行うことが可能であり、焼結により得られる焼結体は酸化が抑制される。
多孔質状金属層（Ｃ）は空孔を有する多孔質構造で、外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い構造とすることにより、半導体素子や接合界面に発生する応力を緩和し、接合寿命を向上することができ、放熱性と導電性を維持し接合信頼性を向上できる。
[1] A semiconductor device and [2] a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below.
[1] Semiconductor Device The semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element (S) formed on a pad (P) provided on a substrate (K) or a lead frame (L) via a porous metal layer (C). In the semiconductor device to which the metal layer is bonded, the metal density at the outer peripheral side portion of the porous metal layer (C) is lower than that at the center side located inside thereof.
In the case of nanoparticles, since the surface activity is high, sintering can be performed at a lower temperature, and oxidation of the sintered body obtained by sintering is suppressed.
The porous metal layer (C) has a porous structure with pores, and the metal density at the outer peripheral part is lower than that at the center side located on the inner side. It is possible to relieve stress and improve the bonding life, maintain heat dissipation and conductivity, and improve the bonding reliability.
以下に本発明の半導体装置（以下、半導体装置（Ｆ）と記載することがある）を構成する基板（Ｋ）、リードフレーム（Ｌ）、半導体素子（Ｓ）、及び多孔質状金属層（Ｃ）について説明する。
（１）基板（Ｋ）およびリードフレーム（Ｌ）
本発明の半導体装置に使用する基板（Ｋ）は、セラミックス等の絶縁層の一方の面上に銅板等の導体パターンを形成したＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板等が好適に使用できる。尚、他方の面に放熱等の目的で銅板を接合することもできる。このＤＣＢ基板は、薄いセラミック基板にパッド部（Ｐ）として銅箔を直接接合し、その銅箔を配線パターン加工することにより形成される。また、基板（Ｋ）の他方の面には放熱等を目的として金属板を接合することができる。セラミックとしては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などが例示できる。
なお、本発明において、基板（Ｋ）のほかにリードフレーム（Ｌ）も使用することができる。半導体素子（Ｓ）をリードフレーム（Ｌ）上に実装すると、放熱性が高まることが期待できる。
Hereinafter, a substrate (K), a lead frame (L), a semiconductor element (S), and a porous metal layer (C) constituting a semiconductor device of the present invention (hereinafter sometimes referred to as a semiconductor device (F)). ).
(1) Substrate (K) and lead frame (L)
As the substrate (K) used in the semiconductor device of the present invention, a DBC (Direct Bonded Copper) substrate in which a conductor pattern such as a copper plate is formed on one surface of an insulating layer such as ceramics can be suitably used. A copper plate can be joined to the other surface for the purpose of heat dissipation or the like. This DCB substrate is formed by directly bonding a copper foil as a pad portion (P) to a thin ceramic substrate and processing the copper foil with a wiring pattern. Further, a metal plate can be bonded to the other surface of the substrate (K) for the purpose of heat dissipation or the like. Examples of the ceramic include alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), and silicon nitride (Si 3 N 4 ).
In the present invention, a lead frame (L) can be used in addition to the substrate (K). When the semiconductor element (S) is mounted on the lead frame (L), it can be expected that heat dissipation is improved.
（２）半導体素子（Ｓ）
半導体素子（Ｓ）は、半導体による電子部品、または電子部品の機能中心部の素子であり、例えば半導体ウエハと外部接続用電極を有する基板（Ｋ）とを貼り合わせ、これをチップ単位に切断（ダイシング）して形成されている。
（３）多孔質状金属層（Ｃ）
多孔質状金属層（Ｃ）は、基板（Ｋ）またはリードフレーム（Ｌ）に設けられたパッド部（Ｐ）上に多孔質状金属層（Ｃ）を介して半導体素子（Ｓ）の裏面側の金属層が接合されている半導体装置であって、前記多孔質状金属層（Ｃ）の外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低いことを特徴とする。
多孔質状金属層（Ｃ）は、後述するように基板（Ｋ）の金属層からなるパッド部（Ｐ）上に、金属微粒子（Ｍ）と分散媒（Ｄ）を含む金属微粒子分散材（Ａ）からなるペースト状物を塗布又はパターニングして多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を形成し、更に該前駆体（Ｂ）上に半導体素子（Ｓ）を搭載した後、該多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を加熱・焼結して形成される。
(2) Semiconductor element (S)
The semiconductor element (S) is a semiconductor electronic component or an element at the functional center of the electronic component. For example, a semiconductor wafer and a substrate (K) having an external connection electrode are bonded to each other and cut into chips ( (Dicing).
(3) Porous metal layer (C)
The porous metal layer (C) is formed on the back side of the semiconductor element (S) via the porous metal layer (C) on the pad (P) provided on the substrate (K) or the lead frame (L). The metal device is characterized in that the metal density at the outer peripheral side portion of the porous metal layer (C) is lower than that at the center side located inside thereof.
As described later, the porous metal layer (C) is a metal fine particle dispersion material (A) containing metal fine particles (M) and a dispersion medium (D) on a pad portion (P) made of a metal layer of a substrate (K). The porous metal layer precursor (B) is formed by applying or patterning a paste-like material consisting of (1)), and the semiconductor element (S) is mounted on the precursor (B). It is formed by heating and sintering the layer precursor (B).
多孔質状金属層（Ｃ）の形成に使用する金属微粒子（Ｍ）は、はんだペーストの場合と異なり、少なくとも１種以上の高純度金属微粒子をそのまま使用することができるので、接合強度と導電性に優れる接合体を得ることが可能になる。一般にはんだペーストの場合、実装対象である基板の銅パッド部分の酸化を取り除くためにフラックス（有機成分）を含有しており、更に金属材料に含まれる不純物として少量ではあるがＡｌ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｓ等の金属が含まれることが多いが、本発明においては、これらの有機成分や不純物の影響を回避することができる。
多孔質状金属層（Ｃ）は、後述するように分散媒（Ｄ）中に分散された一次粒子の平均粒子径が１〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｍ１）を焼結したものであってもよく、また、分散媒（Ｄ）中に分散された該金属微粒子（Ｍ１）と一次粒子の平均粒子径が０．５〜５０μｍの金属微粒子（Ｍ２）の混合物を焼結したものであってもよい。
Unlike the case of the solder paste, the metal fine particles (M) used for forming the porous metal layer (C) can use at least one kind of high-purity metal fine particles as they are. It is possible to obtain a bonded body that is excellent in resistance. In general, in the case of a solder paste, it contains a flux (organic component) in order to remove the oxidation of the copper pad portion of the substrate to be mounted, and further, Al, Zn, Cd, Although metals such as As are often included, in the present invention, the influence of these organic components and impurities can be avoided.
As described later, the porous metal layer (C) may be obtained by sintering metal fine particles (M1) having an average particle diameter of 1 to 500 nm of primary particles dispersed in the dispersion medium (D). Further, a mixture of the metal fine particles (M1) dispersed in the dispersion medium (D) and metal fine particles (M2) having an average primary particle size of 0.5 to 50 μm may be sintered. .
金属微粒子（Ｍ）は、導電性と熱伝導性の高い、焼結性を有する微粒子であり、導電性、加熱処理（焼結性）、市場における入手の容易性等から、例えば金、銀、銅，白金、パラジウム、タングステン、ニッケル、鉄、コバルト、タンタル、ビスマス、鉛、インジウム、錫、亜鉛、チタン、又はアルミニウムが挙げられるが、これらの中でも、銅、金、銀、ニッケル、及びコバルトが好ましく、更にこれらの中でも導電性、熱伝導性、加工性、マイグレーションの防止、コスト低減等の点から銅が特に好ましい。
金属微粒子（Ｍ）は、導電性と熱伝導性が高く、焼結性を有する微粒子であり、平均一次粒子径がナノサイズ（１μｍ以下の粒子をいう）のものが好ましい。具体的には、平均一次粒子径が１〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｍ１）が好ましい。金属微粒子（Ｍ１）の一次粒子の平均粒子径が１ｎｍ以上で焼成により均質な粒子径と空孔を有する多孔質体を形成することが可能になり、一方、５００ｎｍ以下で精密な導電パターンを形成することができる。
The metal fine particles (M) are fine particles having high conductivity and thermal conductivity and having sinterability. From the viewpoint of conductivity, heat treatment (sinterability), availability on the market, etc., for example, gold, silver, Examples include copper, platinum, palladium, tungsten, nickel, iron, cobalt, tantalum, bismuth, lead, indium, tin, zinc, titanium, or aluminum. Among these, copper, gold, silver, nickel, and cobalt are included. Among these, copper is particularly preferable from the viewpoints of conductivity, thermal conductivity, workability, prevention of migration, cost reduction, and the like.
The metal fine particles (M) are fine particles having high conductivity and thermal conductivity and having sinterability, and those having an average primary particle size of nano-size (referring to particles having a size of 1 μm or less) are preferable. Specifically, metal fine particles (M1) having an average primary particle diameter of 1 to 500 nm are preferable. When the average particle size of the primary particles of the metal fine particles (M1) is 1 nm or more, it becomes possible to form a porous body having a uniform particle size and pores by firing, while forming a precise conductive pattern at 500 nm or less. can do.
金属微粒子（Ｍ）として、平均一次粒子径が１〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｍ１）に、更に平均一次粒子径が０．５〜５０μｍの金属微粒子（Ｍ２）を併用すると、金属微粒子（Ｍ２）間に金属微粒子（Ｍ１）が分散して安定に存在するので、金属微粒子（Ｍ１）の平均一次粒子径との粒子径の差が確保できて、加熱処理する際に金属微粒子（Ｍ１）の自由な移動を効果的に抑制することができ、前述の金属微粒子（Ｍ１）の分散性と安定性を向上させることができる。金属微粒子（Ｍ２）としては、金属微粒子（Ｍ１）に記載したと同種の金属粒子を使用することが好ましい。
ここで、一次粒子の平均粒子径とは、二次粒子を構成する個々の金属微粒子の一次粒子の直径の意味である。該一次粒子径は、電子顕微鏡を用いて測定することができる。また、平均粒子径とは、一次粒子の数平均粒子径を意味する。
When the metal fine particles (M2) having an average primary particle diameter of 0.5 to 50 μm are used in combination with the metal fine particles (M1) having an average primary particle diameter of 1 to 500 nm as the metal fine particles (M), Since the metal fine particles (M1) are dispersed and stably present in the metal particles, a difference in particle diameter from the average primary particle diameter of the metal fine particles (M1) can be secured, and the metal fine particles (M1) can be freely dispersed during the heat treatment. The movement can be effectively suppressed, and the dispersibility and stability of the metal fine particles (M1) can be improved. As the metal fine particles (M2), it is preferable to use the same kind of metal particles as described in the metal fine particles (M1).
Here, the average particle diameter of the primary particles means the diameter of the primary particles of the individual metal fine particles constituting the secondary particles. The primary particle diameter can be measured using an electron microscope. The average particle size means the number average particle size of primary particles.
本発明の多孔質状金属層（Ｃ）において、金属微粒子分散材（Ａ）からなるペースト状物を塗布又はパターニングして多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を形成し、更に該前駆体（Ｂ）上に、基板面の平行方向の外形形状が該前駆体（Ｂ）よりも小さい半導体素子（Ｓ）を搭載して加熱・焼結して多孔質状金属層（Ｃ）を形成する際に、例えば（ｉ）金属微粒子分散材（Ａ）中の金属微粒子として平均粒子径がナノサイズの微粒子を主成分とする、（ii）金属微粒子分散材（Ａ）の分散媒（Ｄ）濃度を一定範囲とする、（iii）塗布により形成された多孔質状金属層前駆体（Ｂ）の塗布面積を一定範囲とする、（iv）焼結の際に半導体素子（Ｓ）上側から多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を一定範囲とする、（ｖ）焼結の際の昇温速度を一定範囲とする、等の条件の選択により、外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い構造を形成することが可能になる。 In the porous metal layer (C) of the present invention, a porous metal layer precursor (B) is formed by applying or patterning a paste-like material made of the metal fine particle dispersion material (A), and the precursor (B) B) When a semiconductor element (S) whose outer shape in the parallel direction of the substrate surface is smaller than that of the precursor (B) is mounted thereon and heated and sintered to form a porous metal layer (C) For example, (i) the concentration of the dispersion medium (D) of the metal fine particle dispersion (A) is mainly composed of (i) metal fine particles in the metal fine particle dispersion (A) having fine particles having an average particle size of nanosize as a main component. (Iii) The coating area of the porous metal layer precursor (B) formed by coating is set to a certain range, (iv) Porous from the upper side of the semiconductor element (S) during sintering The metal layer precursor (B) is in a certain range, (v) the heating rate during sintering is in a certain range, etc. By selecting this condition, it is possible to form a structure in which the metal density of the outer peripheral side portion is lower than that of the central side located inside thereof.
多孔質状金属層（Ｃ）において、外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い構造が形成されるメカニズムは正確には把握されていないが、焼結の際に蒸発又は分解ガス化した分散媒（Ｄ）が気体状物として、中心部近傍よりは外周部近傍が相対的に多く通り抜けるために形成されると考えられる。また、金属微粒子分散材（Ａ）中に樹脂が含有されていると、焼結の際に半導体素子（Ｓ）上側から多孔質状金属層前駆体（Ｂ）が加圧されると、樹脂は外周部近傍に押出される現象が生じるので外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い構造が形成される易くなると推定される。 In the porous metal layer (C), the mechanism by which the metal density of the outer peripheral side portion is lower than the central side located inside is not accurately grasped, but during sintering, It is considered that the dispersion medium (D) evaporated or decomposed and gasified is formed as a gaseous substance because the vicinity of the outer peripheral portion passes through more than the vicinity of the central portion. Further, if the resin is contained in the metal fine particle dispersion (A), when the porous metal layer precursor (B) is pressed from above the semiconductor element (S) during sintering, the resin is Since the phenomenon of being extruded near the outer peripheral portion occurs, it is estimated that a structure in which the metal density of the outer peripheral side portion is lower than that of the central side located on the inner side is likely to be formed.
上記条件を選択して得られる多孔質状金属層（Ｃ）は、外周部の弾性率及び硬さが中心部の好ましくは０．９５以下、より好ましくは０．８５以下、更に好ましくは０．８０以下とすることができる。この場合、中心部とは多孔質状金属層（Ｃ）の中央部で弾性率及び硬さの値が最も高い部位をいい、外周部とは多孔質状金属層（Ｃ）の外周部で弾性率及び硬さの値が最も低い部位をいう。
本発明において、弾性率の測定は、ISO 14577 Part 1,2,3に準拠した測定法が採用され、例えば（株）東陽テクニカ製、Nano Indenter G200を用いて、弾性率と硬さを測定することができる。
本発明の多孔質状金属層（Ｃ）において、上記外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）が形成されることにより、半導体素子（Ｓ）、半導体素子（Ｓ）と多孔質状金属層（Ｃ）間の接合界面、及び多孔質状金属層（Ｃ）とパッド部（Ｐ）間の接合界面に発生する応力を緩和し、酸化も抑制され、接合寿命を向上することができ、放熱性と導電性を維持し接合信頼性を向上できる。
In the porous metal layer (C) obtained by selecting the above conditions, the elastic modulus and hardness of the outer peripheral part are preferably 0.95 or less, more preferably 0.85 or less, and still more preferably 0.8. 80 or less. In this case, the central portion refers to a portion having the highest elastic modulus and hardness at the central portion of the porous metal layer (C), and the outer peripheral portion is elastic at the outer peripheral portion of the porous metal layer (C). It refers to the site with the lowest rate and hardness values.
In the present invention, the elastic modulus is measured by a measurement method based on ISO 14577 Part 1, 2, 3, and the elastic modulus and hardness are measured using, for example, Nano Indenter G200 manufactured by Toyo Corporation. be able to.
In the porous metal layer (C) of the present invention, the porous metal layer (C) having a lower metal density in the outer peripheral side portion than the center side located inside thereof is formed, thereby providing a semiconductor element. (S), to relieve stress generated at the bonding interface between the semiconductor element (S) and the porous metal layer (C), and the bonding interface between the porous metal layer (C) and the pad portion (P), Oxidation is also suppressed, the bonding life can be improved, heat dissipation and conductivity can be maintained, and the bonding reliability can be improved.
本発明の多孔質状金属層（Ｃ）を形成する際に、金属微粒子（Ｍ）と分散媒（Ｄ）を含む金属微粒子分散材（Ａ）に更に、耐熱性樹脂（Ｒ）を配合することにより、半導体素子（Ｓ）の上部側からの加熱下に焼結すると、該耐熱性樹脂（Ｒ）が分散媒（Ｄ）と共に外周側に押出されて、外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）が形成され易くなる。この場合、耐熱性樹脂（Ｒ）は多孔質状金属層（Ｃ）に形成された外周側の空孔の少なくとも一部に、耐熱性樹脂（Ｒ）が充填された状態になる。
更に、耐熱性樹脂（Ｒ）が外周側に押出されると、多孔質状金属層（Ｃ）、及び／又は半導体素子（Ｓ）の外周側面の少なくとも一部が耐熱性樹脂（Ｒ）からなる被覆層で覆われるようになり、半導体素子（Ｓ）の側面から金属微粒子等が付着するのを防止して、特性のよい半導体装置を得ることが可能になる。
このような耐熱性樹脂（Ｒ）を形成する成分として、プレポリマー溶液、樹脂溶液等が挙げられる。プレポリマー溶液の成分としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂系、ポリイミドプレポリマー溶液等が挙げられる。また、樹脂溶液としては、シリコン樹脂、アミドイミド樹脂、マレイミド樹脂、ポリビニルピロリドン等の樹脂が挙げられる。
When forming the porous metal layer (C) of the present invention, a heat-resistant resin (R) is further added to the metal fine particle dispersion (A) containing the metal fine particles (M) and the dispersion medium (D). Thus, when the semiconductor element (S) is sintered under heating from the upper side, the heat-resistant resin (R) is extruded to the outer peripheral side together with the dispersion medium (D), and the metal density of the outer peripheral portion is on the inner side. A porous metal layer (C) that is lower than the center side is easily formed. In this case, the heat resistant resin (R) is in a state in which at least a part of the outer peripheral holes formed in the porous metal layer (C) is filled with the heat resistant resin (R).
Furthermore, when the heat resistant resin (R) is extruded to the outer peripheral side, at least a part of the outer peripheral side surface of the porous metal layer (C) and / or the semiconductor element (S) is made of the heat resistant resin (R). It becomes covered with the coating layer, and it is possible to prevent the metal fine particles and the like from adhering from the side surface of the semiconductor element (S) and to obtain a semiconductor device with good characteristics.
Examples of the component forming such a heat resistant resin (R) include a prepolymer solution and a resin solution. Examples of the components of the prepolymer solution include an epoxy resin system having two or more epoxy groups in one molecule, a polyimide prepolymer solution, and the like. Examples of the resin solution include resins such as silicon resin, amideimide resin, maleimide resin, and polyvinylpyrrolidone.
〔２〕半導体装置の製造方法
本発明の半導体装置は、基板（Ｋ）の金属層からなるパッド部（Ｐ）上に、金属微粒子（Ｍ）と分散媒（Ｄ）を含む金属微粒子分散材（Ａ）からなるペースト状物を塗布（又はパターニング）して多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を形成し、更に該前駆体（Ｂ）上に半導体素子（Ｓ）を搭載した後、該多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を加熱・焼結して多孔質状金属層（Ｃ）を形成することにより、パッド部（Ｐ）と半導体素子（Ｓ）とを多孔質状金属層（Ｃ）を介して接合される、
この場合、金属微粒子分散材（Ａ）には、平均一次粒子径１〜５００μｍの金属微粒子と分散媒（Ｄ）が含まれていて、該金属微粒子分散材（Ａ）中の分散媒（Ｄ）濃度が５〜２０質量％であり、
多孔質状金属層前駆体（Ｂ）の塗布面積が９〜２２５ｍｍ２であり、
多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を焼結する際に半導体素子（Ｓ）の上側から圧力４〜２０ＭＰａで加圧下に５〜２０℃／分で昇温して焼結することにより、
外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）を形成する、ことが好ましい。
[2] Manufacturing Method of Semiconductor Device The semiconductor device of the present invention is a metal fine particle dispersion material (M) containing a metal fine particle (M) and a dispersion medium (D) on a pad portion (P) made of a metal layer of a substrate (K). A porous metal layer precursor (B) is formed by applying (or patterning) a paste-like material comprising A), and further, a semiconductor element (S) is mounted on the precursor (B), and then the porous By heating and sintering the porous metal layer precursor (B) to form the porous metal layer (C), the pad portion (P) and the semiconductor element (S) are bonded to the porous metal layer (C). Joined through)
In this case, the fine metal particle dispersion (A) contains fine metal particles having an average primary particle diameter of 1 to 500 μm and a dispersion medium (D), and the dispersion medium (D) in the fine metal particle dispersion (A). The concentration is 5 to 20% by mass,
The coating area of the porous metal layer precursor (B) is 9 to 225 mm 2 ,
When the porous metal layer precursor (B) is sintered, the temperature is increased from 5 to 20 ° C./min under pressure at a pressure of 4 to 20 MPa from the upper side of the semiconductor element (S), and sintered.
It is preferable to form a porous metal layer (C) in which the metal density of the outer peripheral portion is lower than that of the central side located on the inner side.
従来、金属粉末を圧縮成形して、密度が均一で、しかも高密度化する試みがなされている（石田恒雄著、「焼結材料工学」、森北出版株式会社、１９９７年３月２８日発行、６９頁）。また、液相焼結において、焼結体の微構造を均一にするためには、気孔径の大きさを均一にすることと粉末の充填を均一にすることは関係がある。気孔径が均一であると、液相が毛管力流動により小さい気孔へ流れることがなくなり、焼結が均一に進行することが知られている（RANDALL M. GERMAN著、守吉祐介他共訳、「液相焼結」、（株）内田老鶴圃、１９９２年６月２５日発行、２２６頁）。
一方、本発明の半導体装置を製造する方法において、上記焼結条件を選択して得られる多孔質状金属層（Ｃ）は、外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低くなるのに伴い、硬さと弾性率も低下するので、半導体素子（Ｓ）、半導体素子（Ｓ）と多孔質状金属層（Ｃ）間の接合界面、及び多孔質状金属層（Ｃ）とパッド部（Ｐ）間の接合界面に発生する応力を緩和し、酸化も抑制され、接合寿命を向上することができ、放熱性と導電性を維持し接合信頼性を向上できる。
以下に本発明の半導体装置を製造する方法の例を詳述する。
Conventionally, attempts have been made to compress metal powder to achieve a uniform density and high density (Ishida Tsuneo, “Sintered Materials Engineering”, Morikita Publishing Co., Ltd., published on March 28, 1997, 69). In liquid phase sintering, in order to make the microstructure of the sintered body uniform, there is a relationship between making the pore size uniform and making the powder filling uniform. It is known that when the pore size is uniform, the liquid phase will not flow into smaller pores due to capillary force flow, and sintering will proceed uniformly (RANDALL M. GERMAN, Yusuke Moriyoshi et al. “Liquid phase sintering”, Uchida Otsukuru, Inc., issued June 25, 1992, page 226).
On the other hand, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the porous metal layer (C) obtained by selecting the above sintering conditions is compared with the center side where the metal density of the outer peripheral side portion is located inside. Accordingly, the hardness and the elastic modulus also decrease as the temperature decreases, so that the semiconductor element (S), the bonding interface between the semiconductor element (S) and the porous metal layer (C), and the porous metal layer (C) The stress generated at the bonding interface between the pad portion and the pad portion (P) can be relaxed, oxidation can be suppressed, the bonding life can be improved, the heat radiation and the conductivity can be maintained, and the bonding reliability can be improved.
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor device of the present invention will be described in detail.
（１）基板（Ｋ）、半導体素子（Ｓ）
基板（Ｋ）、及び半導体素子（Ｓ）は、それぞれ前述の半導体装置の項の記載内容と同様である。
（２）金属微粒子分散材（Ａ）
本発明の多孔質状金属層（Ｃ）は、基板（Ｋ）のパッド部（Ｐ）と半導体素子（Ｓ）間を接合している多孔質状金属層（Ｃ）は、金属微粒子（Ｍ）と分散媒（Ｄ）を含む金属微粒子分散材（Ａ）からなるペースト状物を塗布又はパターニングして、パッド部（Ｐ）上に多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を形成し、更に該前駆体（Ｂ）上に半導体素子（Ｓ）を搭載した後、該多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を加熱・焼結して形成される。
金属微粒子分散材（Ａ）には、金属微粒子（Ｍ）と分散媒（Ｄ）とが含まれる。
金属微粒子分散材（Ａ）の分散媒（Ｄ）濃度は５〜２０質量％が好ましい。
該範囲で外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）が形成され易くなる。
分散媒（Ｄ）濃度が前記５質量％未満では金属密度が均一化される傾向があり、一方、２０質量％超では、金属微粒子分散材（Ａ）の流動性が高くなりすぎる傾向がある。
(1) Substrate (K), semiconductor element (S)
The substrate (K) and the semiconductor element (S) are the same as those described in the above section of the semiconductor device.
(2) Metal fine particle dispersion (A)
The porous metal layer (C) of the present invention is composed of metal fine particles (M) in which the porous metal layer (C) joining the pad portion (P) of the substrate (K) and the semiconductor element (S). And a paste-like material composed of a metal fine particle dispersion (A) containing a dispersion medium (D) is applied or patterned to form a porous metal layer precursor (B) on the pad portion (P). After mounting the semiconductor element (S) on the precursor (B), the porous metal layer precursor (B) is heated and sintered.
The metal fine particle dispersion (A) contains metal fine particles (M) and a dispersion medium (D).
The concentration of the dispersion medium (D) in the metal fine particle dispersion (A) is preferably 5 to 20% by mass.
Within this range, the porous metal layer (C) having a lower metal density at the outer peripheral portion than that at the center side located on the inner side is easily formed.
If the dispersion medium (D) concentration is less than 5% by mass, the metal density tends to be uniform, while if it exceeds 20% by mass, the fluidity of the metal fine particle dispersion (A) tends to be too high.
（ｉ）金属微粒子（Ｍ）
金属微粒子（Ｍ）は、導電性と熱伝導性の高い、焼結性を有する微粒子であり、導電性、加熱処理（焼結性）、市場における入手の容易性等から、例えば金、銀、銅，白金、パラジウム、タングステン、ニッケル、鉄、コバルト、タンタル、ビスマス、鉛、インジウム、錫、亜鉛、チタン、又はアルミニウムが挙げられるが、これらの中でも、銅、金、銀、ニッケル、及びコバルトが好ましく、更にこれらの中でも導電性、熱伝導性、加工性、マイグレーションの防止、コスト低減等の点から銅が特に好ましい。
(I) Metal fine particles (M)
The metal fine particles (M) are fine particles having high conductivity and thermal conductivity and having sinterability. From the viewpoint of conductivity, heat treatment (sinterability), availability on the market, etc., for example, gold, silver, Examples include copper, platinum, palladium, tungsten, nickel, iron, cobalt, tantalum, bismuth, lead, indium, tin, zinc, titanium, or aluminum. Among these, copper, gold, silver, nickel, and cobalt are included. Among these, copper is particularly preferable from the viewpoints of conductivity, thermal conductivity, workability, prevention of migration, cost reduction, and the like.
金属微粒子（Ｍ）は、導電性と熱伝導性が高く、焼結性を有する微粒子であり、平均一次粒子径がナノサイズのものが好ましい。具体的には、平均一次粒子径が１〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｍ１）が好ましい。該粒子径の金属微粒子（Ｍ１）を使用することにより、緻密で導電性と熱伝導性に優れ、外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）を得ることが可能になる。
平均一次粒子径が１ｎｍ以上で焼成により均質な粒子径と空孔を有する多孔質体を形成することが可能になり、一方、５００ｎｍ以下で精密な導電パターンを形成することができる。金属微粒子（Ｍ１）の一次粒子の平均粒子径は５〜２００ｎｍであることが、より好ましい。
金属微粒子（Ｍ）として、平均一次粒子径が１〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｍ１）に、更に平均一次粒子径が０．５〜５０μｍの金属微粒子（Ｍ２）を併用すると、金属微粒子（Ｍ２）間に金属微粒子（Ｍ１）が分散して安定に存在するので、金属微粒子（Ｍ１）の平均一次粒子径との粒子径の差が確保できて、加熱処理する際に金属微粒子（Ｍ１）の自由な移動を効果的に抑制することができ、前述の金属微粒子（Ｍ１）の分散性と安定性を向上させることができる。この場合、その配合割合（Ｍ１／Ｍ２）を８０〜９５質量％／２０〜５質量％（質量％の合計は１００質量％）とすることが好ましい。
金属微粒子（Ｍ２）としては、金属微粒子（Ｍ１）に記載したと同種の金属粒子を使用することが好ましい。
The metal fine particles (M) are fine particles having high electrical conductivity and thermal conductivity and having sinterability, and those having an average primary particle size of nanosize are preferable. Specifically, metal fine particles (M1) having an average primary particle diameter of 1 to 500 nm are preferable. By using the metal fine particles (M1) having the particle size, the porous metal layer is dense and excellent in electrical conductivity and thermal conductivity, and the metal density of the outer peripheral portion is lower than that of the central side located inside thereof. (C) can be obtained.
It becomes possible to form a porous body having an average primary particle diameter of 1 nm or more and having a uniform particle diameter and pores by firing, while a precise conductive pattern can be formed at 500 nm or less. The average particle diameter of the primary particles of the metal fine particles (M1) is more preferably 5 to 200 nm.
When the metal fine particles (M2) having an average primary particle diameter of 0.5 to 50 μm are used in combination with the metal fine particles (M1) having an average primary particle diameter of 1 to 500 nm as the metal fine particles (M), Since the metal fine particles (M1) are dispersed and stably present in the metal particles, a difference in particle diameter from the average primary particle diameter of the metal fine particles (M1) can be secured, and the metal fine particles (M1) can be freely dispersed during the heat treatment. The movement can be effectively suppressed, and the dispersibility and stability of the metal fine particles (M1) can be improved. In this case, the blending ratio (M1 / M2) is preferably 80 to 95% by mass / 20 to 5% by mass (the total of mass% is 100% by mass).
As the metal fine particles (M2), it is preferable to use the same kind of metal particles as described in the metal fine particles (M1).
ここで、一次粒子の平均粒子径とは、二次粒子を構成する個々の金属微粒子の一次粒子の直径の意味である。該一次粒子径は、電子顕微鏡を用いて測定することができる。また、平均粒子径とは、一次粒子の数平均粒子径を意味する。
金属微粒子（Ｍ）は、はんだペーストの場合と異なり、少なくとも１種以上の高純度金属微粒子をそのまま使用することができるので、接合強度と導電性に優れる接合体を得ることが可能になる。一般にはんだペーストの場合、実装対象である基板の銅パッド部分の酸化を取り除くためにフラックス（有機成分）を含有しており、更に金属材料に含まれる不純物として少量ではあるがＡｌ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｓ等の金属が含まれることが多い。
Here, the average particle diameter of the primary particles means the diameter of the primary particles of the individual metal fine particles constituting the secondary particles. The primary particle diameter can be measured using an electron microscope. The average particle size means the number average particle size of primary particles.
Unlike the case of the solder paste, the metal fine particles (M) can use at least one kind of high-purity metal fine particles as they are, so that it is possible to obtain a bonded body having excellent bonding strength and conductivity. In general, in the case of a solder paste, it contains a flux (organic component) in order to remove the oxidation of the copper pad portion of the substrate to be mounted, and further, Al, Zn, Cd, Often contains metals such as As.
（ii）分散媒（Ｄ）
分散媒（Ｄ）には、分子中に２以上のヒドロキシル基を有する１種又は２種以上のポリオールが含有されていることが好ましく、該ポリオールの融点は３０〜２８０℃であることがより好ましい。ポリオールは、金属微粒子分散液（Ａ）中で金属微粒子（Ｍ）を分散させ、かつ、加熱・焼結する際に脱水素化反応を受けて水素ラジカルを発生させて焼結を促進する作用を発揮する。
このようなポリオールとしては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、２−ブテン−１，４−ジオール、２，３−ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、グリセロール、１，１，１−トリスヒドロキシメチルエタン、２−エチル−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、１，２，３−ヘキサントリオール、１，２，４−ブタントリオール、トレイトール、エリトリトール、ペンタエリスリトール、ペンチトール、キシリトール、リビトール、アラビトール、ヘキシトール、マンニトール、ソルビトール、ズルシトール、グリセルアルデヒド、ジオキシアセトン、トレオース、エリトルロース、エリトロース、アラビノース、リボース、リブロース、キシロース、キシルロース、リキソース、グルコース、フルクトース、マンノース、イドース、ソルボース、グロース、タロース、タガトース、ガラクトース、アロース、アルトロース、ラクトース、キシロース、アラビノース、イソマルトース、グルコヘプトース、ヘプトース、マルトトリオース、ラクツロース、及びトレハロースから選択される１種又は２種以上が例示できる。
分散媒（Ｄ）の成分としては、上記ポリオール以外に、アルコール、アミド基を有する有機溶媒、エーテル系化合物、ケトン系化合物、アミン系化合物等を配合することができる。
これらのポリオール以外の分散媒は分散媒（Ｄ）中で併せて３０体積％以下となるように配合されることが好ましい。
(Ii) Dispersion medium (D)
The dispersion medium (D) preferably contains one or more polyols having two or more hydroxyl groups in the molecule, and the melting point of the polyol is more preferably 30 to 280 ° C. . The polyol has the action of dispersing the metal fine particles (M) in the metal fine particle dispersion (A) and generating hydrogen radicals upon heating / sintering to generate hydrogen radicals and promoting the sintering. Demonstrate.
Examples of such polyols include ethylene glycol, diethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, and 2-butene. -1,4-diol, 2,3-butanediol, pentanediol, hexanediol, octanediol, glycerol, 1,1,1-trishydroxymethylethane, 2-ethyl-2-hydroxymethyl-1,3-propane Diol, 1,2,6-hexanetriol, 1,2,3-hexanetriol, 1,2,4-butanetriol, threitol, erythritol, pentaerythritol, pentitol, xylitol, ribitol, arabitol, hexitol, mannitol, Sorbitol, Zulu Toll, glyceraldehyde, dioxyacetone, threose, erythrulose, erythrose, arabinose, ribose, ribulose, xylose, xylulose, lyxose, glucose, fructose, mannose, idose, sorbose, gulose, talose, tagatose, galactose, allose, altrose , Lactose, xylose, arabinose, isomaltose, glucoheptose, heptose, maltotriose, lactulose, and trehalose.
As a component of the dispersion medium (D), in addition to the polyol, alcohol, an organic solvent having an amide group, an ether compound, a ketone compound, an amine compound, and the like can be blended.
It is preferable to mix | blend dispersion media other than these polyols in a dispersion medium (D) so that it may become 30 volume% or less collectively.
本発明の多孔質状金属層（Ｃ）を形成する際に、金属微粒子（Ｍ）と分散媒（Ｄ）を含む金属微粒子分散材（Ａ）に更に、耐熱性樹脂（Ｒ）を配合することにより、半導体素子（Ｓ）の上部側からの加熱下に焼結すると、該耐熱性金属が分散媒（Ｄ）と共に外周側に押出されて、外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）が形成され易くなる。この場合、耐熱性樹脂（Ｒ）は多孔質状金属層（Ｃ）に形成された外周側の空孔の少なくとも一部に、耐熱性樹脂（Ｒ）が充填された状態になる。
更に、耐熱性樹脂（Ｒ）が外周側に押出されると、多孔質状金属層（Ｃ）、及び／又は半導体素子（Ｓ）の外周側面の少なくとも一部が耐熱性樹脂（Ｒ）からなる被覆層で覆われるようになり、半導体素子（Ｓ）の側面から金属微粒子等が付着するのを防止して、特性のよい半導体装置を得ることが可能になる。
When forming the porous metal layer (C) of the present invention, a heat-resistant resin (R) is further added to the metal fine particle dispersion (A) containing the metal fine particles (M) and the dispersion medium (D). When the semiconductor element (S) is sintered under heating from the upper side, the refractory metal is extruded to the outer peripheral side together with the dispersion medium (D), and the metal density at the outer peripheral side portion is located at the center. It becomes easy to form a porous metal layer (C) that is lower than the side. In this case, the heat resistant resin (R) is in a state in which at least a part of the outer peripheral holes formed in the porous metal layer (C) is filled with the heat resistant resin (R).
Furthermore, when the heat resistant resin (R) is extruded to the outer peripheral side, at least a part of the outer peripheral side surface of the porous metal layer (C) and / or the semiconductor element (S) is made of the heat resistant resin (R). It becomes covered with the coating layer, and it is possible to prevent the metal fine particles and the like from adhering from the side surface of the semiconductor element (S) and to obtain a semiconductor device with good characteristics.
このような耐熱性樹脂（Ｒ）を形成する成分として、プレポリマー溶液、樹脂溶液等が挙げられる。プレポリマー溶液の成分としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂系、ポリイミドプレポリマー溶液等が挙げられる。また、樹脂溶液としては、シリコン樹脂、アミドイミド樹脂、マレイミド樹脂、ポリビニルピロリドン等の樹脂が挙げられる。 Examples of the component forming such a heat resistant resin (R) include a prepolymer solution and a resin solution. Examples of the components of the prepolymer solution include an epoxy resin system having two or more epoxy groups in one molecule, a polyimide prepolymer solution, and the like. Examples of the resin solution include resins such as silicon resin, amideimide resin, maleimide resin, and polyvinylpyrrolidone.
（３）多孔質状金属層前駆体（Ｂ）
多孔質状金属層前駆体（Ｂ）は、金属微粒子分散材（Ａ）からなるペースト状物をパッド部（Ｐ）上、又は樹脂シート（Ｆ）上に塗布又はパターニングして形成される形状物である。該多孔質状金属層前駆体（Ｂ）は、その後加熱・焼結して多孔質状金属層（Ｃ）を形成するので、多孔質状金属層（Ｃ）の前駆体である。
塗布で形成された多孔質状金属層前駆体（Ｂ）の塗布面積は９〜２２５ｍｍ２が好ましい。該塗布面積が前記９ｍｍ２以上で外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）を得ることが可能になり、一方、２２５ｍｍ２以下では熱応力の影響が小さく、界面剥離・クラックが発生しにくい。
(3) Porous metal layer precursor (B)
The porous metal layer precursor (B) is a shaped product formed by applying or patterning a paste-like material made of the metal fine particle dispersion (A) on the pad portion (P) or the resin sheet (F). It is. Since the porous metal layer precursor (B) is then heated and sintered to form the porous metal layer (C), it is a precursor of the porous metal layer (C).
The coating area of the porous metal layer precursor (B) formed by coating is preferably 9 to 225 mm 2 . It is possible to obtain a porous metal layer (C) having a coating area of 9 mm 2 or more and a metal density of the outer peripheral portion being lower than that of the central side located on the inner side, whereas on the other hand, in the case of 225 mm 2 or less. The effect of thermal stress is small, and interface peeling and cracking are unlikely to occur.
（４）多孔質状金属層（Ｃ）の形成
多孔質状金属層前駆体（Ｂ）の加熱・焼成条件は、多孔質状金属層前駆体（Ｂ）の厚みにもよるが例えばピーク温度は１９０〜３５０℃で、ピーク温度（最高温度）で２０〜４０分間程度保持されるのが好ましい。パッド部（Ｐ）上に形成された多孔質状金属層前駆体（Ｂ）は、半導体素子（Ｓ）上側から多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を４〜２０ＭＰａで加圧下に、加熱・焼結されるが焼結の際の昇温速度を５〜２０℃／分である。前記半導体素子（Ｓ）上側から多孔質状金属層前駆体（Ｂ）を加圧下に焼結することにより、外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）が形成され易くなる。
該加圧条件は４ＭＰａ以上で外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）を得ることが可能になり、一方、２０ＭＰａを超えると半導体素子を破損するおそれがある。
また、該昇温速度を一定の範囲とすることにより、外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低い多孔質状金属層（Ｃ）が形成され易くなる。該昇温速度が前記２０℃／分を超えると多孔質状金属層前駆体（Ｂ）が突沸しボイドが形成され、前記５℃／分未満では生産性が低下する。
(4) Formation of porous metal layer (C) The heating and firing conditions of the porous metal layer precursor (B) depend on the thickness of the porous metal layer precursor (B), but the peak temperature is, for example, It is preferably maintained at 190 to 350 ° C. for about 20 to 40 minutes at the peak temperature (maximum temperature). The porous metal layer precursor (B) formed on the pad part (P) is heated and heated from 4 to 20 MPa under pressure from 4 to 20 MPa from the upper side of the semiconductor element (S). Although it is sintered, the heating rate during sintering is 5 to 20 ° C./min. The porous metal layer precursor (B) is sintered under pressure from the upper side of the semiconductor element (S), so that the metal density of the outer peripheral side portion is lower than that of the central side located inside thereof. The metal layer (C) is easily formed.
The pressure condition is 4 MPa or more, and it is possible to obtain a porous metal layer (C) having a metal density at the outer peripheral portion lower than that of the central side located on the inner side. There is a risk of damage to the element.
In addition, by setting the heating rate within a certain range, a porous metal layer (C) in which the metal density at the outer peripheral portion is lower than that at the central side located on the inner side is easily formed. When the rate of temperature rise exceeds 20 ° C./min, the porous metal layer precursor (B) bumps and a void is formed. When the temperature rise rate is less than 5 ° C./min, productivity decreases.
次に、実施例により本発明をより具体的に説明する。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本実施例、比較例で使用した（１）原材料、（２）装置、及び（３）評価方法を以下に記載する。
（１）原材料
（イ）基板
ＤＢＣ基板（Ｃｕ／アルミナ／Ｃｕ）を使用した。Ｃｕ板の厚みは０．１ｍｍ／セラミック板厚み０．６３５ｍｍ／Ｃｕ板の厚み０．１ｍｍである。
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The present invention is not limited to these examples. The (1) raw materials, (2) equipment, and (3) evaluation methods used in the examples and comparative examples are described below.
(1) Raw materials (a) Substrate A DBC substrate (Cu / alumina / Cu) was used. The thickness of the Cu plate is 0.1 mm / ceramic plate thickness 0.635 mm / Cu plate thickness 0.1 mm.
（ロ）金属微粒子分散材
銅微粒子分散材：平均一次粒子径２０μｍの銅微粒子がジエチレングリコール中に８０質量％の濃度で分散している銅微粒子分散材を使用した。尚、該銅微粒子分散材には、高分子分散剤としてポリビニルピロリドンが２質量％配合されている。
銀微粒子分散材：オクタンジオール中に、Ａｇ濃度８９質量％の濃度で分散している銀微粒子分散材（ＤＯＷＡメタルテック（株）製、銀ナノペースト）を用いた。
（ハ）多孔質状金属層前駆体
上記銅微粒子分散材または上記銀微粒子分散材を、１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚み３５０μｍに成形した多孔質状金属層前駆体である。
（ニ）半導体素子
半導体素子のサイズは７ｍｍ×７ｍｍで厚みは２３０μｍであり、その接合面はＮｉ−Ｔｉ―Ａｕ合金でメタライズされている。
(B) Metal fine particle dispersion material Copper fine particle dispersion material: A copper fine particle dispersion material in which copper fine particles having an average primary particle diameter of 20 μm are dispersed in diethylene glycol at a concentration of 80% by mass is used. The copper fine particle dispersion material contains 2% by mass of polyvinyl pyrrolidone as a polymer dispersant.
Silver fine particle dispersion: A silver fine particle dispersion (silver nanopaste, manufactured by DOWA Metaltech Co., Ltd.) dispersed in octanediol at an Ag concentration of 89% by mass was used.
(C) Porous metal layer precursor A porous metal layer precursor obtained by molding the copper fine particle dispersion or the silver fine particle dispersion into a size of 10 mm × 10 mm and a thickness of 350 μm.
(D) Semiconductor element The semiconductor element has a size of 7 mm × 7 mm and a thickness of 230 μm, and its joint surface is metallized with a Ni—Ti—Au alloy.
（２）装置
図３に示す焼結装置を使用した。該装置を用いて多孔質状金属層前駆体を以下の操作により焼結して多孔質状金属層を形成した。
図３（ａ）に示す、レイアップ用のプレス板４２を用意して、ワーク４１をそのプレス板４５上にレイアップし、真空プレス機４３の下熱盤４４上にセットする。その後、図３（ｂ）に示すように、チャンバー４５を閉じてチャンバー４５内を真空状態にする。そして、図３（ｃ）に示すように、加圧シリンダー４６により圧力を加えた状態で、ワーク４１を上熱盤４７と下熱盤４４とで挟持して、加熱する。
これにより、多孔質状金属層前駆体が焼結されて、多孔質状金属層が形成される。
(2) Apparatus The sintering apparatus shown in FIG. 3 was used. Using this apparatus, the porous metal layer precursor was sintered by the following operation to form a porous metal layer.
A press plate 42 for layup shown in FIG. 3A is prepared, and the work 41 is laid up on the press plate 45 and set on the lower heating plate 44 of the vacuum press machine 43. Thereafter, as shown in FIG. 3B, the chamber 45 is closed and the inside of the chamber 45 is evacuated. Then, as shown in FIG. 3C, the work 41 is sandwiched between the upper heating plate 47 and the lower heating plate 44 with the pressure applied by the pressure cylinder 46 and heated.
Thereby, a porous metal layer precursor is sintered and a porous metal layer is formed.
（３）評価方法
（イ）密度の測定
多孔質状金属層（Ｃ）の切断面を走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope、ＳＥＭ）を用いて画像を作成し、該画像の金属部分が白っぽく見えるように画像処理して、白黒コントラストの比率から金属密度（％）を算出した。
中心側の密度は、中心部から５００μｍ以内、外周側の密度は端部より５００μｍ以内の部分の測定を行った。
（ロ）弾性率の測定
ISO 14577 Part 1,2,3に準拠した、（株）東陽テクニカ製、Nano Indenter G200を用いて、弾性率を測定した。
（ハ）ＴＣＴ
各測定条件のサンプルを１０個、温度サイクル試験（＋１７５℃で３０分間、その後−５５℃で３０分間保持するサイクル試験）へ投入し、超音波探傷による観察で剥離面積２０％以上になったＮＧサンプル数量を表３に示した。
尚、表３に示すように、半導体素子が破壊した場合も観察された。
(3) Evaluation method (a) Measurement of density An image is created by using a scanning electron microscope (SEM) on the cut surface of the porous metal layer (C), and the metal portion of the image looks whitish. Thus, the metal density (%) was calculated from the ratio of black and white contrast.
The density on the center side was measured within 500 μm from the center, and the density on the outer peripheral side was measured within 500 μm from the end.
(B) Measurement of elastic modulus
The elastic modulus was measured using Nano Indenter G200 manufactured by Toyo Corporation and conforming to ISO 14577 Part 1,2,3.
(C) TCT
Ten samples under each measurement condition were put into a temperature cycle test (a cycle test held at + 175 ° C. for 30 minutes, and then held at −55 ° C. for 30 minutes). The sample quantity is shown in Table 3.
In addition, as shown in Table 3, the case where the semiconductor element was destroyed was also observed.
［実施例１］
（１）多孔質状金属層前駆体の形成、樹脂溶液の塗布
ＤＢＣ基板の銅板上に１０ｍｍ×１０ｍｍで厚みは３５０μｍの金属微粒子分散材をパターニングして多孔質状金属層前駆体を形成し、該前駆体上に更に半導体素子を搭載した。
[Example 1]
(1) Formation of porous metal layer precursor, application of resin solution On the copper plate of the DBC substrate, a metal fine particle dispersion material having a thickness of 10 mm × 10 mm and a thickness of 350 μm is patterned to form a porous metal layer precursor. A semiconductor element was further mounted on the precursor.
（２）多孔質状金属層前駆体の加熱・焼結
前記ＤＢＣ基板を加熱炉内に配置して、減圧雰囲気下（真空圧力１ｋＰａ）で、半導体素子上に厚み３０μｍの離型材（ＰＴＦＥシート）を３枚重ねて、上熱盤で半導体素子の上側から圧力７．０ＭＰａで加圧しながら、同時に１０℃／分で加熱を開始し、３００℃まで昇温後、該温度で２０分間保持した。
その後、冷却して除荷した。
上記焼結により、厚さ１００μｍの銅微粒子焼結体層が形成されるとともに、半導体素子が該銅微粒子焼結体層を介してＤＢＣ基板上の銅板に接合された。
（３）評価
（イ）弾性率と密度の測定
得られた銅微粒子焼結体層の弾性率と密度の測定を行った。結果を表１に示す。
（ロ）金属密度の測定
銅微粒子焼結体層の中心側と外周側の金属密度の測定を行った。結果は以下の通りである。
中心側：８３．７８％
外周側：７６．７０％
尚、実施例１で得られた多孔質状金属層の中心部断面、外周側断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で得られた画像を撮影して画像処理した写真を図１、２にそれぞれ示す。倍率は、図１、２とも３０００倍である。
(2) Heating / sintering of porous metal layer precursor The DBC substrate is placed in a heating furnace, and a release material (PTFE sheet) having a thickness of 30 μm on a semiconductor element in a reduced pressure atmosphere (vacuum pressure 1 kPa). 3 layers were stacked and heated at a pressure of 7.0 MPa from the upper side of the semiconductor element with an upper heating plate at the same time, heating was started at 10 ° C./min, the temperature was raised to 300 ° C., and held at that temperature for 20 minutes.
Then, it cooled and unloaded.
By the sintering, a 100 μm thick copper fine particle sintered body layer was formed, and the semiconductor element was bonded to the copper plate on the DBC substrate via the copper fine particle sintered body layer.
(3) Evaluation (a) Measurement of elastic modulus and density The elastic modulus and density of the obtained copper fine particle sintered body layer were measured. The results are shown in Table 1.
(B) Measurement of metal density The metal density of the center side and outer periphery side of the copper fine particle sintered body layer was measured. The results are as follows.
Center side: 83.78%
Outer peripheral side: 76.70%
In addition, the photograph which image | photographed and processed the image obtained by the scanning electron microscope (SEM) about the center part cross section of the porous metal layer obtained in Example 1, and an outer peripheral side cross section is shown in FIG. . The magnification is 3000 times in both FIGS.
［実施例２］
多孔質状金属層前駆体を加熱・焼結する際に、半導体素子上側から圧力１０．０ＭＰａで加圧した以外は実施例１に記載したのと同様の加熱・焼結条件で焼結して、半導体素子を該銅微粒子焼結体層を介してＤＢＣ基板上の銅板に接合した。
得られた銅微粒子焼結体層の弾性率の測定を行った。結果を表１に示す。
[Example 2]
When the porous metal layer precursor is heated and sintered, it is sintered under the same heating and sintering conditions as described in Example 1 except that the pressure is 10.0 MPa from the upper side of the semiconductor element. The semiconductor element was bonded to the copper plate on the DBC substrate through the copper fine particle sintered body layer.
The elastic modulus of the obtained copper fine particle sintered body layer was measured. The results are shown in Table 1.
［実施例３］
（１）多孔質状金属層前駆体の形成、樹脂溶液の塗布
ＤＢＣ基板の銅板上に金属微粒子分散材から得た成型体を配置し、更に該成型体上に半導体素子を搭載した。
[Example 3]
(1) Formation of porous metal layer precursor, application of resin solution A molded body obtained from a metal fine particle dispersion was placed on a copper plate of a DBC substrate, and a semiconductor element was further mounted on the molded body.
（２）多孔質状金属層前駆体の加熱・焼結
前記ＤＢＣ基板を加熱炉内に配置して、減圧雰囲気下（真空圧力１ｋＰａ）で、半導体素子上に厚み３０μｍの離型材（ＰＴＦＥシート）を３枚重ねて、上熱盤で半導体素子の上側から圧力７．０ＭＰａで加圧しながら、同時に１０℃／分で加熱を開始し、３００℃まで昇温後、該温度で２０分間保持した。
その後、冷却して除荷した。
上記焼結により、厚さ１００μｍの銅微粒子焼結体層が形成されるとともに、半導体素子が該銅微粒子焼結体層を介してＤＢＣ基板上の銅板に接合された。
（３）評価
得られた銅微粒子焼結体層について、実施例１に記載したと同様の弾性率、密度の測定と温度サイクル試験の評価を行った。評価結果を表１、３に示す。
(2) Heating / sintering of porous metal layer precursor The DBC substrate is placed in a heating furnace, and a release material (PTFE sheet) having a thickness of 30 μm on a semiconductor element in a reduced pressure atmosphere (vacuum pressure 1 kPa). 3 layers were stacked and heated at a pressure of 7.0 MPa from the upper side of the semiconductor element with an upper heating plate at the same time, heating was started at 10 ° C./min, the temperature was raised to 300 ° C., and held at that temperature for 20 minutes.
Then, it cooled and unloaded.
By the sintering, a 100 μm thick copper fine particle sintered body layer was formed, and the semiconductor element was bonded to the copper plate on the DBC substrate via the copper fine particle sintered body layer.
(3) Evaluation About the obtained copper fine particle sintered body layer, the same elastic modulus and density measurement as described in Example 1 and evaluation of a temperature cycle test were performed. The evaluation results are shown in Tables 1 and 3.
［実施例４］
多孔質状金属層前駆体を加熱・焼結する際に、半導体素子の上側から圧力１０．０ＭＰａで加圧した以外は実施例３に記載したのと同様の加熱・焼結条件で焼結して、半導体素子を該銅微粒子焼結体層を介してＤＢＣ基板上の銅板に接合した。得られた銅微粒子焼結体層について、実施例１に記載したと同様の弾性率、密度の測定と温度サイクル試験の評価を行った。評価結果を表１、表３に示す。
[Example 4]
When the porous metal layer precursor was heated and sintered, it was sintered under the same heating and sintering conditions as described in Example 3 except that the pressure was 10.0 MPa from the upper side of the semiconductor element. Then, the semiconductor element was bonded to the copper plate on the DBC substrate through the copper fine particle sintered body layer. About the obtained copper fine particle sintered compact layer, the same elastic modulus and density measurement as described in Example 1 and evaluation of a temperature cycle test were performed. The evaluation results are shown in Tables 1 and 3.
［実施例５］
（１）多孔質状金属層前駆体の形成、樹脂溶液の塗布
ＤＢＣ基板の銅板上に、メタルマスクにて開口径７．５ｍｍ□、厚さ２００μｍの銀微粒子分散材をパターニングして、多孔質状金属層前駆体を形成した。
[Example 5]
(1) Formation of porous metal layer precursor, application of resin solution On a copper plate of a DBC substrate, a silver fine particle dispersion material having an opening diameter of 7.5 mm □ and a thickness of 200 μm is patterned with a metal mask to obtain a porous material. A metal layer precursor was formed.
（２）多孔質状金属層前駆体の加熱・焼結
前記ＤＢＣ基板を加熱炉内に配置して、前記前駆体上に半導体素子を搭載し、半導体素子上に厚み３０μｍの離型材（ＰＴＦＥシート）を３枚重ねて、上熱盤で半導体素子の上側から圧力１０．０ＭＰａで加圧しながら、同時に６℃／分で加熱を開始し、３５０℃まで昇温後、該温度で５分間保持した。その後、冷却して除荷した。
上記焼結により、厚さ１００μｍの銀微粒子焼結体層が形成されるとともに、半導体素子が該銀微粒子焼結体層を介してＤＢＣ基板上の銅板に接合された。
得られた銅微粒子焼結体層について、実施例１に記載したと同様の弾性率、密度の測定と温度サイクル試験の評価を行った。評価結果を表１、表３に示す。
(2) Heating and sintering of porous metal layer precursor The DBC substrate is placed in a heating furnace, a semiconductor element is mounted on the precursor, and a release material (PTFE sheet) having a thickness of 30 μm on the semiconductor element. 3), while heating at a pressure of 10.0 MPa from the upper side of the semiconductor element with an upper heating plate, heating was started at 6 ° C./min simultaneously, the temperature was raised to 350 ° C., and held at that temperature for 5 minutes. . Then, it cooled and unloaded.
By the sintering, a silver fine particle sintered body layer having a thickness of 100 μm was formed, and the semiconductor element was bonded to the copper plate on the DBC substrate through the silver fine particle sintered body layer.
About the obtained copper fine particle sintered compact layer, the same elastic modulus and density measurement as described in Example 1 and evaluation of a temperature cycle test were performed. The evaluation results are shown in Tables 1 and 3.
［比較例１］
多孔質状金属層前駆体を加熱・焼結する際に、半導体素子の上側から圧力４．０ＭＰａで加圧した以外は実施例３に記載したのと同様の加熱・焼結条件で焼結して、半導体素子を該銅微粒子焼結体層を介してＤＢＣ基板上の銅板に接合した。
得られた銅微粒子焼結体層について、実施例１に記載したと同様の弾性率、密度の測定と温度サイクル試験の評価を行った。評価結果を表２、３に示す。
[Comparative Example 1]
When the porous metal layer precursor was heated and sintered, it was sintered under the same heating and sintering conditions as described in Example 3 except that the pressure was 4.0 MPa from above the semiconductor element. Then, the semiconductor element was bonded to the copper plate on the DBC substrate through the copper fine particle sintered body layer.
About the obtained copper fine particle sintered compact layer, the same elastic modulus and density measurement as described in Example 1 and evaluation of a temperature cycle test were performed. The evaluation results are shown in Tables 2 and 3.
［比較例２］
（１）多孔質状金属層前駆体の形成、樹脂溶液の塗布
ＤＢＣ基板の銅板上に１０ｍｍ×１０ｍｍで厚みは３５０μｍの銅微粒子分散材をパターニングして多孔質状金属層前駆体を形成した。
[Comparative Example 2]
(1) Formation of Porous Metal Layer Precursor and Application of Resin Solution A porous metal layer precursor was formed by patterning a copper fine particle dispersion material having a thickness of 350 μm on a copper plate of a DBC substrate.
（２）多孔質状金属層前駆体の加熱・焼結
前記ＤＢＣ基板を加熱炉内に配置して、減圧雰囲気下（真空圧力１ｋＰａ）で、前記前駆体を１００℃で１０分間予備乾燥を行い、予備乾燥後の前記前駆体上に半導体素子を搭載し、半導体素子上に厚み３０μｍの離型材（ＰＴＦＥシート）を３枚重ねて、上熱盤で半導体素子の上側から圧力１０．０ＭＰａで加圧しながら、同時に１０℃／分で加熱を開始し、３００℃まで昇温後、該温度で２０分間保持した。
その後、冷却して除荷した。
上記焼結により、厚さ１００μｍの銅微粒子焼結体層が形成されるとともに、半導体素子が該銅微粒子焼結体層を介してＤＢＣ基板上の銅板に接合された。
得られた銅微粒子焼結体層について、実施例１に記載したと同様の弾性率、密度の測定と温度サイクル試験の評価を行った。評価結果を表２、３に示す。
(2) Heating and sintering of porous metal layer precursor The DBC substrate is placed in a heating furnace, and the precursor is pre-dried at 100 ° C. for 10 minutes in a reduced pressure atmosphere (vacuum pressure 1 kPa). The semiconductor element is mounted on the precursor after the preliminary drying, and three release materials (PTFE sheets) having a thickness of 30 μm are stacked on the semiconductor element, and applied at a pressure of 10.0 MPa from the upper side of the semiconductor element with an upper heating platen. At the same time, heating was started at 10 ° C./min, the temperature was raised to 300 ° C., and the temperature was maintained for 20 minutes.
Then, it cooled and unloaded.
By the sintering, a 100 μm thick copper fine particle sintered body layer was formed, and the semiconductor element was bonded to the copper plate on the DBC substrate via the copper fine particle sintered body layer.
About the obtained copper fine particle sintered compact layer, the same elastic modulus and density measurement as described in Example 1 and evaluation of a temperature cycle test were performed. The evaluation results are shown in Tables 2 and 3.
［比較例３］
（１）多孔質状金属層前駆体の形成、樹脂溶液の塗布
ＤＢＣ基板の銅板上に、メタルマスクにて開口径７．５ｍｍ□、厚さ２００μｍの銀微粒子分散材をパターニングして、多孔質状金属層前駆体を形成した。
[Comparative Example 3]
(1) Formation of porous metal layer precursor and application of resin solution Porous material is patterned by patterning a silver fine particle dispersion material having an opening diameter of 7.5 mm □ and a thickness of 200 μm on a copper plate of a DBC substrate using a metal mask. A metal layer precursor was formed.
（２）多孔質状金属層前駆体の加熱・焼結
前記ＤＢＣ基板を加熱炉内に配置して、窒素雰囲気下で、前記前駆体を１００℃で１０分間予備乾燥を行い、予備乾燥後の前記前駆体上に半導体素子を搭載し、半導体素子上に厚み３０μｍの離型材（ＰＴＦＥシート）を３枚重ねて、上熱盤で半導体素子の上側から圧力１０．０ＭＰａで加圧しながら、同時に６℃／分で加熱を開始し、３５０℃まで昇温後、該温度で５分間保持した。
その後、冷却して除荷した。
上記焼結により、厚さ１００μｍの銀微粒子焼結体層が形成されるとともに、半導体素子が該銀微粒子焼結体層を介してＤＢＣ基板上の銅板に接合された。
得られた銅微粒子焼結体層の弾性率、密度の測定とＴＣＴ試験の測定を行った。結果を表２、３に示す。
(2) Heating and sintering of porous metal layer precursor The DBC substrate is placed in a heating furnace, and the precursor is pre-dried at 100 ° C for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. A semiconductor element is mounted on the precursor, three release materials (PTFE sheets) having a thickness of 30 μm are stacked on the semiconductor element, and the pressure is increased from the upper side of the semiconductor element with a pressure of 10.0 MPa on the upper heating plate. Heating was started at a rate of ° C / min, and after raising the temperature to 350 ° C, the temperature was maintained for 5 minutes.
Then, it cooled and unloaded.
By the sintering, a silver fine particle sintered body layer having a thickness of 100 μm was formed, and the semiconductor element was bonded to the copper plate on the DBC substrate through the silver fine particle sintered body layer.
The elastic modulus and density of the obtained copper fine particle sintered body layer were measured, and the TCT test was measured. The results are shown in Tables 2 and 3.
表１〜表３の結果から、本発明の半導体装置における基板（Ｋ）またはリードフレーム（Ｌ）に設けられたパッド部（Ｐ）と半導体素子を接合している銅微粒子焼結体の外周部は中心部と比較して弾性率が低いので、半導体素子への機械的応力、熱応力を吸収して半導体素子の破損を防止して、半導体装置の信頼性を向上することが可能なことが確認された。 From the results of Tables 1 to 3, the outer peripheral part of the copper fine particle sintered body joining the pad part (P) provided on the substrate (K) or the lead frame (L) and the semiconductor element in the semiconductor device of the present invention. Since the elastic modulus is lower than that of the central part, it is possible to absorb mechanical stress and thermal stress to the semiconductor element to prevent the semiconductor element from being damaged and to improve the reliability of the semiconductor device. confirmed.
４１ ワーク
４２ プレス板
４３ 真空プレス機
４４ 下熱盤
４５ チャンバー
４６ 加圧シリンダー
４７ 上熱盤
41 Work 42 Press plate 43 Vacuum press 44 Lower heating plate 45 Chamber 46 Pressure cylinder 47 Upper heating plate
Claims (5)
前記多孔質状金属層（Ｃ）の外周側部位の金属密度がその内側に位置する中心側と比較して低いことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which a metal layer of a semiconductor element (S) is bonded to a pad portion (P) provided on a substrate (K) or a lead frame (L) via a porous metal layer (C). ,
A semiconductor device characterized in that the metal density of the outer peripheral side portion of the porous metal layer (C) is lower than that of the central side located inside thereof.
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