JP2015090900A - Method for bonding electronic component with heat-bonding material, and connection structure - Google Patents

Method for bonding electronic component with heat-bonding material, and connection structure Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a connection structure which enables the materialization of highly reliable bonding when bonding an electronic component to a substrate with a heat-bonding material.SOLUTION: A connection structure comprises: electrode layers formed on an electronic component; and a bonding layer disposed between the electrode layers and a substrate, and formed by a copper-containing sintered compact. Of the electrode layers, a layer in contact with the bonding layer is a copper alloy layer containing gold, platinum, nickel or palladium. The copper alloy layer has a thickness of 200-850 nm. The porosity of the bonding layer at or near an interface between the copper alloy layer and the bonding layer is 20% or less.

Description

本発明は、半導体パッケージ、半導体チップ等の電子部品の被着体を、金属微粒子と有機分散媒を含む加熱接合材料を用いて、加熱、又は加圧下での加熱により接合する接合方法、及び該方法により形成される接続構造体に関する。   The present invention relates to a bonding method for bonding adherends of electronic components such as semiconductor packages and semiconductor chips by heating or heating under pressure using a heat bonding material containing metal fine particles and an organic dispersion medium, and The present invention relates to a connection structure formed by the method.

最近、半導体部品の大電力化、モジュール化、高集積化、高信頼性化等が急速に進んでいる。このような実装機器の大電力化、高集積化等を実現するための電流密度の増大に伴う半導体製品の発熱により、半導体の動作温度は高温になる傾向にある。   Recently, semiconductor components have been rapidly increased in power, modularization, high integration, high reliability, and the like. The semiconductor operating temperature tends to be high due to heat generation of the semiconductor product accompanying an increase in current density for realizing high power, high integration, and the like of such mounting equipment.

従来、ダイボンド材料として、高温での使用に耐えうる高温鉛はんだが使用されてきたが、環境問題から高温鉛はんだの使用が抑制される傾向にあることから、高温での使用に耐えうる、他のダイボンド材料として、鉛を使用せずにバルク体の金属よりも低温の条件下で接合が可能になる、金属微粒子が配合された導電性ペーストによる接合が着目されてきている。   Conventionally, high-temperature lead solder that can withstand use at high temperatures has been used as a die-bonding material, but the use of high-temperature lead solder tends to be suppressed due to environmental problems, so it can withstand use at high temperatures. As a die-bonding material, attention has been focused on bonding with a conductive paste in which metal fine particles are blended, which enables bonding under conditions lower than that of a bulk metal without using lead.

金属粉末を配合した加熱接合用の金属粉末含有ペーストや板状の成形体を用いて、電子部品(例えば半導体チップ)を加圧下で加熱・焼結して基板等に接合する方法が知られている。例えば、銅の金属粉末と接着材により電子部品を基板に接合する方法がある(特許文献1)。   There is known a method of joining an electronic component (for example, a semiconductor chip) to a substrate or the like by heating and sintering under pressure using a metal powder-containing paste or a plate-like molded body for heat bonding mixed with metal powder. Yes. For example, there is a method of joining an electronic component to a substrate with copper metal powder and an adhesive (Patent Document 1).

また、金電極と銅ワイヤーを接合する場合に用いられる金層の厚さに着目し、カーケンダルボイド防止のために金層の厚さを0.5〜5μmとすることが知られている(特許文献2)。   Moreover, paying attention to the thickness of the gold layer used when joining a gold electrode and a copper wire, it is known that the thickness of the gold layer is 0.5 to 5 μm in order to prevent Kirkendall voids ( Patent Document 2).

特開2009−94341号公報JP 2009-94341 A 特開2012−69691号公報JP 2012-69691 A

一般に、金属微粒子を含む加熱接合材料を被着体間に配置して加熱・加圧して接合部が形成されるが、このような接合方法としてはフリップチップボンダーやプレスなどの装置を用いて、電子部品(例えば半導体チップ)を加圧、加熱して実装する方法が一般的である。   In general, a heat bonding material containing fine metal particles is placed between adherends and heated and pressed to form a bonded portion. As such a bonding method, using a flip chip bonder or a press, A method of mounting an electronic component (for example, a semiconductor chip) by applying pressure and heating is common.

しかし、これらの方法を用いて単に接合しただけでは、十分な信頼性を得られないことが明らかになってきた。特に、パワーデバイスではその使用環境が厳しいことから、厳しい信頼性試験(熱衝撃試験やパワーサイクル試験)の実施が必要であり、上記従来の方法で接合しても、接合条件によっては信頼性試験の結果に大きな差が出てくることが分かってきた。   However, it has become clear that sufficient reliability cannot be obtained simply by bonding using these methods. In particular, because power devices are used in harsh environments, rigorous reliability tests (thermal shock tests and power cycle tests) are required. Even if they are joined by the conventional methods described above, reliability tests are possible depending on the joining conditions. It has been found that there is a big difference in the results.

例えば、上記特許文献1のように接合しただけでは、焼結体の状態が一定でなく再現性の良い接合を行うことができない。特に、信頼性に重要な影響を及ぼす空孔に関する開示が無く、信頼性の高い接合を行うことができないという問題がある。   For example, simply joining as in Patent Document 1 described above does not allow the sintered body to have a constant state and cannot be joined with good reproducibility. In particular, there is no disclosure of pores that have an important influence on reliability, and there is a problem that highly reliable joining cannot be performed.

また、特許文献2では、カーケンダル効果による接合界面のカーケンダルボイドについて開示されており、金層ができるだけ薄い方がよいとされている。しかしながら、本発明者が実験したところでは、特許文献2において最も薄い0.5μmよりも薄い0.2μmの金層にも、カーケンダルボイドが発生することが分かっている。この発生現象は、ワイヤーボンディングと加熱・加圧実装の違いや、銅ワイヤーと銅微粒子の違いに起因すると考えられる。このため、特許文献2で開示されている方法を用いても、銅微粒子焼結体では信頼性の高い接合を行うことができない。   Further, Patent Document 2 discloses a Kirkendall void at the joint interface due to the Kirkendall effect, and the gold layer should be as thin as possible. However, as a result of experiments conducted by the inventor, it has been found that Kirkendall voids are also generated in a 0.2 μm gold layer thinner than 0.5 μm, which is the thinnest in Patent Document 2. This phenomenon is considered to be caused by the difference between wire bonding and heating / pressure mounting, or the difference between copper wire and copper fine particles. For this reason, even if it uses the method currently disclosed by patent document 2, a highly reliable joining cannot be performed with a copper fine particle sintered compact.

本発明の目的は、加熱接合材料を用いて電子部品を基板に接合する際に、信頼性の高い接合を実現することができる接合方法および接続構造体を提供することにある。   The objective of this invention is providing the joining method and connection structure which can implement | achieve reliable joining, when joining an electronic component to a board | substrate using a heat joining material.

本発明は、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、銅微粒子焼結体とチップ電極界面の空孔率が高いほど信頼性に乏しく、また、金、白金、ニッケル又はパラジウムを含有する電極が銅との合金電極に変化するところ、変化後の電極厚さが厚いほど信頼性に乏しいことが分かった。   As a result of diligent research to solve the above-mentioned problems, the present invention shows that the higher the porosity of the copper fine particle sintered body and the chip electrode interface, the lower the reliability, and the electrode containing gold, platinum, nickel or palladium. Changed to an alloy electrode with copper, and it was found that the greater the thickness of the electrode after the change, the lower the reliability.

また、上記空孔率や銅合金電極の厚さは、焼結時の圧力により決定されていることが分かった。   Moreover, it turned out that the said porosity and the thickness of a copper alloy electrode are determined by the pressure at the time of sintering.

すなわち、本発明は、以下に記載する発明を要旨とする。   That is, this invention makes the summary the invention described below.

平均一次粒子径が2〜500nmの金属微粒子(P)と、分子中に2以上の水酸基を有する1種または2種以上の多価アルコールを含む有機分散媒(S)とを含有してなる加熱接合材料(M)を電子部品の被着体間に配置して、加熱、又は加圧下の加熱により接合する電子部品の接合方法および接続構造体であって、焼結時の圧力を制御することにより焼結体とチップ電極界面の空孔率や合金化したチップ電極の厚さを最適化することを特徴とする電子部品の接合方法および接続構造体である。   Heating comprising metal fine particles (P) having an average primary particle diameter of 2 to 500 nm and an organic dispersion medium (S) containing one or more polyhydric alcohols having two or more hydroxyl groups in the molecule. A bonding method and connection structure for an electronic component in which a bonding material (M) is arranged between adherends of the electronic component and bonded by heating or heating under pressure, and the pressure during sintering is controlled. A bonding method and a connection structure for electronic parts, wherein the porosity of the interface between the sintered body and the chip electrode and the thickness of the alloyed chip electrode are optimized.

本発明によれば、加熱接合材料(M)を電子部品の被着体間に配置して、加熱、又は加圧下の加熱により被着体間を接合する際、銅とチップ電極の最表面の金、白金、ニッケル又はパラジウムとの間で銅合金が形成される。その際、チップ電極直下の空孔率をバルクの空孔率以上20%以下にすることにより、合金化により増加した空孔に起因する破断を防ぐことができ、強固な接合を実現することができる。   According to the present invention, when the heat bonding material (M) is disposed between the adherends of the electronic component and bonded between the adherends by heating or heating under pressure, the outermost surface of the copper and the chip electrode is bonded. A copper alloy is formed between gold, platinum, nickel or palladium. At that time, by setting the porosity immediately below the chip electrode to 20% or less of the bulk porosity, it is possible to prevent breakage due to the increased porosity due to alloying, and to realize strong bonding it can.

本発明の実施形態に係る電子部品の接合方法を概略的に示す図であり、(a)〜(c)はその行程を説明する図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows schematically the joining method of the electronic component which concerns on embodiment of this invention, (a)-(c) is a figure explaining the process. 本実施形態に係る接続構造体の一例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly an example of the connection structure which concerns on this embodiment. (a)は、チップ電極層直下の空孔率と冷熱衝撃試験の寿命回数の関係を示すグラフであり、(b)は、チップ電極層におけるAu−Cu合金層厚さと冷熱衝撃試験の寿命回数との関係を示すグラフである。(A) is a graph which shows the relationship between the porosity immediately under a chip electrode layer, and the lifetime of a thermal shock test, (b) is the Au-Cu alloy layer thickness in a chip electrode layer, and the lifetime of a thermal shock test. It is a graph which shows the relationship. 焼結圧力とチップ電極層直下の空孔率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a sintering pressure and the porosity directly under a chip electrode layer.

本発明の電子部品の接合方法は、平均一次粒子径が2nm〜500nmの金属微粒子(P)と、分子中に2以上の水酸基を有する1種または2種以上の多価アルコールを含む有機分散媒(S)とを含有してなる加熱接合材料(M)を電子部品の被着体間に配置して、加熱、又は加圧下の加熱により接合する接合方法であって、接合圧力を制御することによって、焼結体とチップ電極層界面の空孔率や銅合金電極の状態を最適化することにより、信頼性の高い接合を行うことができる。   An electronic component bonding method according to the present invention includes an organic dispersion medium containing metal fine particles (P) having an average primary particle diameter of 2 nm to 500 nm and one or more polyhydric alcohols having two or more hydroxyl groups in the molecule. A bonding method in which a heat bonding material (M) containing (S) is disposed between adherends of electronic components and bonded by heating or heating under pressure, and the bonding pressure is controlled. Therefore, highly reliable bonding can be performed by optimizing the porosity of the interface between the sintered body and the chip electrode layer and the state of the copper alloy electrode.

以下、本発明について詳細に説明する。
〔1〕加熱接合材料(M)
加熱接合材料(M)は、平均一次粒子径が2nm〜500nmの金属微粒子(P)と、分子中に2以上の水酸基を有する1種または2種以上の多価アルコールを含む有機分散媒(S)とを含有してなる加熱接合材料である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[1] Heat bonding material (M)
The heat bonding material (M) is an organic dispersion medium (S) containing metal fine particles (P) having an average primary particle diameter of 2 nm to 500 nm and one or more polyhydric alcohols having two or more hydroxyl groups in the molecule. ).

加熱接合材料(M)は、例えば、常温でシート形状の加熱接合成形体(T1)、又は加熱接合ペースト状物質(T2)であり、金属微粒子(P)が有機分散媒(S)中に分散している。加熱接合材料(M)は、被接合面(例えば、セラミック板(C)表面)に、加熱接合材料(M)からなるパターン化物を配置し、更に該パターン化物上に導電性金属板(K)を配置して、金属微粒子(P)が焼結する温度の範囲で加熱すると、多価アルコール(A1)が金属微粒子(P)表面を還元して活性化し、金属微粒子(P)同士の焼結を促進する。その結果、ナノサイズの金属微粒子を含むペーストを用いた場合と同様に、電極と基板を電気的、機械的に接合することが可能になる。尚、加熱接合材料(M)を加熱焼結する際、有機分散媒(S)は分解、蒸発等により除去される。   The heat-bonding material (M) is, for example, a sheet-shaped heat-bonded molded body (T1) or a heat-bonded paste-like substance (T2) at room temperature, and the metal fine particles (P) are dispersed in the organic dispersion medium (S). doing. The heat-bonding material (M) includes a patterned product made of the heat-bonding material (M) on the surface to be bonded (for example, the surface of the ceramic plate (C)), and a conductive metal plate (K) on the patterned material. Is placed and heated in a temperature range in which the metal fine particles (P) are sintered, the polyhydric alcohol (A1) reduces and activates the surface of the metal fine particles (P), and the metal fine particles (P) are sintered together. Promote. As a result, the electrode and the substrate can be electrically and mechanically joined as in the case of using the paste containing nano-sized metal fine particles. When the heat bonding material (M) is heated and sintered, the organic dispersion medium (S) is removed by decomposition, evaporation, or the like.

加熱接合材料(M)における有機分散媒(S)/金属微粒子(P)の割合(質量比)は、パターニングと焼結性を考慮し、安定した接合力を得るためには10/90〜70/30が望ましいが、シート形状の加熱接合成形体(T1)、又は加熱接合ペースト状物質(T2)のいずれを選択するかによって、その割合が決定される。   The ratio (mass ratio) of the organic dispersion medium (S) / metal fine particles (P) in the heat bonding material (M) is 10/90 to 70 in order to obtain a stable bonding force in consideration of patterning and sinterability. / 30 is desirable, but the ratio is determined depending on whether the sheet-shaped heat-bonded molded body (T1) or the heat-bonded paste-like substance (T2) is selected.

加熱接合材料(M)は、公知の混合機、捏和機等を使用して、金属微粒子(P)を有機分散媒(S)に分散させることにより得ることができる。加熱接合材料(M)は、はんだペーストに含まれるような不純物を含まない、高純度の金属微粒子(P)を使用することが可能であるので、接合強度と導電率を向上することが可能となる。   The heat bonding material (M) can be obtained by dispersing the metal fine particles (P) in the organic dispersion medium (S) using a known mixer, kneader or the like. As the heat-bonding material (M), it is possible to use high-purity metal fine particles (P) that do not contain impurities such as those contained in the solder paste, so that the bonding strength and conductivity can be improved. Become.

(1)金属微粒子(P)
金属微粒子(P)は、焼結性を有する、平均一次粒子径2nm〜500nmの金属微粒子(P1)のみであってもよく、更に該金属微粒子(P1)に、平均一次粒子径0.5μm〜50μmの金属微粒子(P2)を併用することができる。金属微粒子(P1)としては、銅又は銅合金の微粒子を使うことができる。
(1) Metal fine particles (P)
The metal fine particles (P) may be only metal fine particles (P1) having a sinterability and having an average primary particle diameter of 2 nm to 500 nm, and further to the metal fine particles (P1), an average primary particle diameter of 0.5 μm to 50 μm fine metal particles (P2) can be used in combination. As the metal fine particles (P1), fine particles of copper or copper alloy can be used.

加熱接合材料(M)に使用する金属微粒子(P)は、はんだペーストの場合と異なり、少なくとも1種以上の高純度銅微粒子をそのまま使用することができるので、接合強度および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。   Unlike the case of the solder paste, the metal fine particles (P) used for the heat-bonding material (M) can use at least one kind of high-purity copper fine particles as they are, so that the bonded body is excellent in bonding strength and conductivity. Can be obtained. In general, in the case of solder paste, flux (organic component) is contained in order to remove the oxidation of the copper pad portion of the substrate to be mounted, and further, Al, Zn, Cd are contained as a small amount of impurities contained in the metal material. In many cases, metals such as As are contained.

(イ)金属微粒子(P1)
金属微粒子(P1)は、一次粒子の平均粒子径が2nm〜500nmの金属微粒子であれば、特に制限されるものではない。金属微粒子(P1)の一次粒子の平均粒子径が2nm未満のものは製造上の困難性を伴い、一次粒子の平均粒子径が500nmより大きいと、精密な導電パターンを形成することができず、焼成工程が複雑になる。金属微粒子(P)中の金属微粒子(P1)は、10重量%以上100重量%以下であるのが好ましい。金属微粒子中の金属微粒子(P1)を10重量%以上とすることで焼結性を向上させることができる。
(A) Metal fine particles (P1)
The metal fine particles (P1) are not particularly limited as long as they are metal fine particles having an average primary particle diameter of 2 nm to 500 nm. When the average particle diameter of the primary particles of the metal fine particles (P1) is less than 2 nm is accompanied by manufacturing difficulties, if the average particle diameter of the primary particles is larger than 500 nm, a precise conductive pattern cannot be formed, The firing process becomes complicated. The metal fine particles (P1) in the metal fine particles (P) are preferably 10% by weight or more and 100% by weight or less. Sinterability can be improved by setting the metal fine particles (P1) in the metal fine particles to 10% by weight or more.

(ロ)金属微粒子(P2)
加熱接合材料(M)に、一次粒子の平均粒子径が2nm〜500nmの金属微粒子(P1)に加えて、一次粒子の平均粒子径0.5μm〜50μmの金属微粒子(P2)を分散させて使用することもできる。金属微粒子(P2)としては、特に制限はないが、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、及びアルミニウムから選択される1種もしくは2種以上の微粒子を使用することができ、特に銅が好ましい。
(B) Metal fine particles (P2)
In addition to metal fine particles (P1) with an average primary particle diameter of 2 nm to 500 nm, metal fine particles (P2) with an average primary particle diameter of 0.5 μm to 50 μm are dispersed and used in the heat bonding material (M). You can also The metal fine particles (P2) are not particularly limited, but are selected from gold, silver, copper, platinum, palladium, tungsten, nickel, iron, cobalt, tantalum, bismuth, lead, indium, tin, zinc, titanium, and aluminum. One kind or two or more kinds of fine particles can be used, and copper is particularly preferable.

特に金属微粒子(P)として、平均一次粒子径が2nm〜500nmの金属微粒子(P1)に、更に平均一次粒子径が0.5μm〜50μmの金属微粒子(P2)を使用すると、金属微粒子(P2)間に金属微粒子(P1)が分散して、加熱処理する際に金属微粒子(P1)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(P1)の分散性と安定を向上するのでその結果、加熱焼成で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る。   In particular, when metal fine particles (P2) having an average primary particle diameter of 0.5 μm to 50 μm are further used as metal fine particles (P2) and metal fine particles (P2) having an average primary particle diameter of 2 nm to 500 nm. The metal fine particles (P1) are dispersed in between, and the free movement of the metal fine particles (P1) can be effectively suppressed during the heat treatment, and the dispersibility and stability of the metal fine particles (P1) are improved. As a result, a porous body having a more uniform particle size and pores can be formed by heating and firing.

金属微粒子(P2)の平均一次粒子径は、0.5μm〜50μmが好ましい。金属微粒子(P2)の平均一次粒子径が0.5μm未満では金属微粒子(P2)の添加効果が発現せず、50μmを超えると焼成が困難になるおそれがある。   The average primary particle diameter of the metal fine particles (P2) is preferably 0.5 μm to 50 μm. If the average primary particle diameter of the metal fine particles (P2) is less than 0.5 μm, the effect of adding the metal fine particles (P2) does not appear, and if it exceeds 50 μm, firing may be difficult.

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銅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。   Here, the average particle diameter of primary particles means the diameter of primary particles of individual copper 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.

(2)有機分散媒(S)
有機分散媒(S)には、分子中に2以上の水酸基を有する1種または2種以上の多価アルコール(A1)が含まれるが、他の有機溶媒として、アミド基を有する化合物(A2)、アミン化合物(A3)、低沸点有機溶媒(A4)等を含有させることができる。
(2) Organic dispersion medium (S)
The organic dispersion medium (S) contains one or two or more polyhydric alcohols (A1) having two or more hydroxyl groups in the molecule, but the compound (A2) having an amide group as another organic solvent. , An amine compound (A3), a low-boiling organic solvent (A4) and the like can be contained.

(イ)多価アルコール(A1)
多価アルコール(A1)としては、分子中に2以上の水酸基を有する、エチレングリコ−ル、ジエチレングリコ−ル、1,2−プロパンジオ−ル、1,3−プロパンジオ−ル、1,2−ブタンジオ−ル、1,3−ブタンジオ−ル、1,4−ブタンジオ−ル、2−ブテン−1,4−ジオール、2,3−ブタンジオ−ル、ペンタンジオ−ル、ヘキサンジオ−ル、オクタンジオ−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−ル、ペンタエリスリト−ル、ペンチト−ル、1−プロパノール、2−プロパノール、2−ブタノール、2−メチル2−プロパノール、キシリトール、リビトール、アラビトール、ヘキシト−ル、マンニトール、ソルビトール、ズルシトール、グリセリンアルデヒド、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−ス、フルクト−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−ス、イソマルト−ス、グルコヘプト−ス、ヘプト−ス、マルトトリオース、ラクツロース、及びトレハロースの中から選択される1種又は2種以上を上げることができる。
(I) Polyhydric alcohol (A1)
Examples of the polyhydric alcohol (A1) include ethylene glycol, diethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,2- having two or more hydroxyl groups in the molecule. Butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2-butene-1,4-diol, 2,3-butanediol, pentanediol, hexanediol, octanediol, Glycerol, 1,1,1-trishydroxymethylethane, 2-ethyl-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol, 1,2,6-hexanetriol, 1,2,3-hexanetriol, 1,2 , 4-butanetriol, threitol, erythritol, pentaerythritol, pentitol, 1-propanol, 2-propanol, 2-butanol, -Methyl 2-propanol, xylitol, ribitol, arabitol, hexitol, mannitol, sorbitol, dulcitol, glyceraldehyde, dioxyacetone, threose, erythrulose, erythrose, arabinose, ribose, ribulose, xylose, xylulose, lyxose, glucose , Fructose, mannose, idose, sorbose, growth, talose, tagatose, galactose, allose, altrose, lactose, isomaltose, glucoheptose, heptose, maltotriose, lactulose, and trehalose 1 type or 2 types or more selected from can be raised.

これらの多価アルコールは還元性を有するので、金属微粒子(P)表面が還元され、更に加熱処理を行うことで多価アルコール(A1)が連続的に蒸発し、その液体および蒸気が存在する雰囲気で還元・焼成されると金属微粒子(P)の焼結が促進される。   Since these polyhydric alcohols have reducing properties, the surface of the metal fine particles (P) is reduced, and further heat treatment causes the polyhydric alcohol (A1) to continuously evaporate, and the atmosphere in which the liquid and vapor exist. When reduced and fired at, sintering of the metal fine particles (P) is promoted.

尚、加熱接合材料(M)の焼結性を考慮すると、多価アルコール(A1)が有機分散媒(S)中に40質量%以上含有されていることが好ましい。   In consideration of the sinterability of the heat bonding material (M), it is preferable that the organic dispersion medium (S) contains 40% by mass or more of the polyhydric alcohol (A1).

(ロ)アミド基を有する化合物(A2)
アミド基を有する化合物(A2)としては、N−メチルアセトアミド、N−メチルホルムアミド、N−メチルプロパンアミド、ホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、N,N−ジメチルホルムアミド、1−メチル−2−ピロリドン、ヘキサメチルホスホリックトリアミド、2−ピロリジノン、ε−カプロラクタム、及びアセトアミドの中から選択される1種又は2種以上を例示することができる。
(B) Compound having an amide group (A2)
As the compound having an amide group (A2), N-methylacetamide, N-methylformamide, N-methylpropanamide, formamide, N, N-dimethylacetamide, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, N, Examples thereof include one or more selected from N-dimethylformamide, 1-methyl-2-pyrrolidone, hexamethylphosphoric triamide, 2-pyrrolidinone, ε-caprolactam, and acetamide.

アミド基を有する化合物(A2)は有機分散媒(S)中で10〜80質量%となるように配合することができる。   The compound (A2) having an amide group can be blended in the organic dispersion medium (S) so as to be 10 to 80% by mass.

(ハ)アミン化合物(A3)
アミン化合物(A3)としては、脂肪族第一アミン、脂肪族第二アミン、脂肪族第三アミン、脂肪族不飽和アミン、脂環式アミン、芳香族アミン、及びアルカノールアミンの中から選択される1種又は2種以上のアミン化合物が挙げられ、その具体例としてはメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、n−プロピルアミン、ジ−n−プロピルアミン、トリ−n−プロピルアミン、n−ブチルアミン、ジ−n−ブチルアミン、トリ−n−ブチルアミン、t−プロピルアミン、t−ブチルアミン、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、テトラメチレンジアミン、テトラメチルプロピレンジアミン、ペンタメチルジエチレントリアミン、モノ−n−オクチルアミン、モノ−2エチルヘキシルアミン、ジ−n−オクチルアミン、ジ−2エチルヘキシルアミン、トリ−n−オクチルアミン、トリ−2エチルヘキシルアミン、トリイソブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリイソオクチルアミン、トリイソノニルアミン、トリフェニルアミン、ジメチルココナットアミン、ジメチルオクチルアミン、ジメチルデシルアミン、ジメチルラウリルアミン、ジメチルミリスチルアミン、ジメチルパルミチルアミン、ジメチルステアリルアミン、ジメチルベヘニルアミン、ジラウリルモノメチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、メタノールアミン、ジメタノールアミン、トリメタノールアミン、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、プロパノールアミン、イソプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、ブタノールアミン、N−メチルエタノールアミン、N−メチルジエタノールアミン、N,N−ジメチルエタノールアミン、N−エチルエタノールアミン、N−エチルジエタノールアミン、N,N−ジエチルエタノールアミン、N−n−ブチルエタノールアミン、N−n−ブチルジエタノールアミン、及び2−(2−アミノエトキシ)エタノールの中から選択される1種又は2種以上を挙げることができる。アミン化合物(A3)は有機分散媒(S)中で0.3〜30質量%となるように配合することができる。
(C) Amine compound (A3)
The amine compound (A3) is selected from aliphatic primary amines, aliphatic secondary amines, aliphatic tertiary amines, aliphatic unsaturated amines, alicyclic amines, aromatic amines, and alkanolamines. Examples of the amine compound include one or more kinds, and specific examples thereof include methylamine, dimethylamine, trimethylamine, ethylamine, diethylamine, triethylamine, n-propylamine, di-n-propylamine, and tri-n-propylamine. , N-butylamine, di-n-butylamine, tri-n-butylamine, t-propylamine, t-butylamine, ethylenediamine, propylenediamine, tetramethylenediamine, tetramethylpropylenediamine, pentamethyldiethylenetriamine, mono-n-octylamine , Mono-2Echi Hexylamine, di-n-octylamine, di-2ethylhexylamine, tri-n-octylamine, tri-2ethylhexylamine, triisobutylamine, trihexylamine, triisooctylamine, triisononylamine, triphenylamine , Dimethyl coconut amine, dimethyl octyl amine, dimethyl decyl amine, dimethyl lauryl amine, dimethyl myristyl amine, dimethyl palmityl amine, dimethyl stearyl amine, dimethyl behenyl amine, dilauryl monomethyl amine, diisopropyl ethyl amine, methanol amine, dimethanol amine, Trimethanolamine, ethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, propanolamine, isopropanolamine, diisopropano Ruamine, triisopropanolamine, butanolamine, N-methylethanolamine, N-methyldiethanolamine, N, N-dimethylethanolamine, N-ethylethanolamine, N-ethyldiethanolamine, N, N-diethylethanolamine, Nn -1 type, or 2 or more types selected from -butylethanolamine, Nn-butyldiethanolamine, and 2- (2-aminoethoxy) ethanol can be mentioned. An amine compound (A3) can be mix | blended so that it may become 0.3-30 mass% in an organic dispersion medium (S).

(ニ)有機溶媒(A4)
有機溶媒(A4)は、常圧における沸点が60〜120℃(沸点は常圧における沸点をいう。以下同じ)で、比較的沸点の低い有機溶媒である。
(D) Organic solvent (A4)
The organic solvent (A4) is an organic solvent having a boiling point at normal pressure of 60 to 120 ° C. (boiling point refers to a boiling point at normal pressure; the same applies hereinafter) and a relatively low boiling point.

有機溶媒(A4)としては、分子中に1つのヒドロキシル基を有するアルコール、エーテル、及びケトンから選択される1種または2種以上が好ましい。   As an organic solvent (A4), 1 type, or 2 or more types selected from the alcohol, ether, and ketone which have one hydroxyl group in a molecule | numerator are preferable.

前記分子中に1つのヒドロキシル基を有するアルコールとしては、メタノール(64.7℃)、エタノール(78.0℃)、1−プロパノール(97.15℃)、2−プロパノール(82.4℃)、2−ブタノール(100℃)、2−メチル2−プロパノール(83℃)の中から選択される1種または2種以上を例示することができる。前記エーテルとしては、ジエチルエーテル(35℃)、メチルプロピルエーテル(31℃)、ジプロピルエーテル(89℃)、ジイソプロピルエーテル(68℃)、メチル−t−ブチルエーテル(55.3℃)、t−アミルメチルエーテル(85℃)、ジビニルエーテル(28.5℃)、エチルビニルエーテル(36℃)、アリルエーテル(94℃)の中から選択される1種又は2種以上を例示することができる。また、前記ケトンとしては、アセトン(56.5℃)、メチルエチルケトン(79.5℃)、ジエチルケトン(100℃)の中から選択される1種または2種以上を例示することができる。   Examples of the alcohol having one hydroxyl group in the molecule include methanol (64.7 ° C), ethanol (78.0 ° C), 1-propanol (97.15 ° C), 2-propanol (82.4 ° C), One or more selected from 2-butanol (100 ° C.) and 2-methyl 2-propanol (83 ° C.) can be exemplified. Examples of the ether include diethyl ether (35 ° C.), methyl propyl ether (31 ° C.), dipropyl ether (89 ° C.), diisopropyl ether (68 ° C.), methyl t-butyl ether (55.3 ° C.), t-amyl. Examples thereof include one or more selected from methyl ether (85 ° C.), divinyl ether (28.5 ° C.), ethyl vinyl ether (36 ° C.), and allyl ether (94 ° C.). Examples of the ketone include one or more selected from acetone (56.5 ° C.), methyl ethyl ketone (79.5 ° C.), and diethyl ketone (100 ° C.).

有機分散媒(S)中に低沸点有機溶媒である有機溶媒(A4)が含まれることで、有機分散媒(S)の粘度を調整してパターン形成の精度を向上することができる。   By including the organic solvent (A4), which is a low-boiling organic solvent, in the organic dispersion medium (S), the viscosity of the organic dispersion medium (S) can be adjusted to improve the accuracy of pattern formation.

有機分散媒(S)中には、有機溶媒(A4)を1〜30質量%程度配合することができる。   About 1-30 mass% of organic solvents (A4) can be mix | blended in an organic dispersion medium (S).

〔2〕チップ電極層
チップ電極層は、チップ(マイクロチップ、Siチップ、ICチップなど)の裏面に形成された1又は複数の金属層で構成される。接合前のチップ電極層における最表層(第1層)は、その厚さが20nm〜250nmであり、好ましくは、20nm〜200nmである。なお、後述する実施例では焼結前の最表層の厚さを200nmに固定して実験を行ったが、焼結前の最表層の厚さは200nmに限られないのは言うまでもない。
[2] Chip Electrode Layer The chip electrode layer is composed of one or more metal layers formed on the back surface of a chip (microchip, Si chip, IC chip, etc.). The thickness of the outermost layer (first layer) in the chip electrode layer before bonding is 20 nm to 250 nm, preferably 20 nm to 200 nm. In the examples described later, the experiment was conducted with the thickness of the outermost layer before sintering fixed at 200 nm, but it goes without saying that the thickness of the outermost layer before sintering is not limited to 200 nm.

接合前の最表層の厚さは、比較的薄い方が良好であると考えられる。ただし、焼結前の最表層が薄すぎると、最表層にピンホールが生じ、最表層に接する層(第2層)を酸化させてしまうため、実装やウェハレベルのテストにおいて不具合を起こす。このため、最表層の厚さとしては20〜200nmが好ましいと考えられる。   The thickness of the outermost layer before joining is considered to be better when it is relatively thin. However, if the outermost layer before sintering is too thin, pinholes are generated in the outermost layer and the layer in contact with the outermost layer (second layer) is oxidized, which causes problems in mounting and wafer level tests. For this reason, it is considered that the thickness of the outermost layer is preferably 20 to 200 nm.

最表層は、金、白金、ニッケル又はパラジウムで形成され、金で形成されることが好ましい。また、最表層に接する層は、Ni,Ti,W,Ni,Taの単体あるいはその窒化物、又はTiWで形成されるのが好ましい。最表層が金層である場合、該最表層に接する層としては、銅との拡散速度が遅く、バリアメタルとして機能する層が望ましい。最表層に接する層が、バリアメタルではなく、銅や銅の拡散速度が速い材料で形成される場合には、実質的に金層が厚くなったのと同じことになるため好ましくない。なお、この金層やバリアメタルは、スパッタ法又は真空蒸着法で形成されるのが好ましい。   The outermost layer is made of gold, platinum, nickel or palladium, and is preferably made of gold. The layer in contact with the outermost layer is preferably formed of Ni, Ti, W, Ni, Ta alone or a nitride thereof, or TiW. When the outermost layer is a gold layer, the layer in contact with the outermost layer is preferably a layer that has a low diffusion rate with copper and functions as a barrier metal. When the layer in contact with the outermost layer is not a barrier metal but is formed of copper or a material having a high diffusion rate of copper, it is not preferable because it is substantially the same as the thickness of the gold layer. The gold layer or barrier metal is preferably formed by sputtering or vacuum deposition.

〔3〕接合方法
チップ電極層と基板の接合方法の一例を、図1を用いて説明する。以下、チップ電極層の最表層(第1層)がAu、最表層に接する層(第2層)がTiである場合を例に挙げる。
[3] Joining Method An example of a joining method of the chip electrode layer and the substrate will be described with reference to FIG. Hereinafter, a case where the outermost layer (first layer) of the chip electrode layer is Au and the layer (second layer) in contact with the outermost layer is Ti is taken as an example.

図1(a)に示すように、接合は、シート形状の加熱接合材料1を、被着体である基板2と半導体チップ3(チップ6および電極(Ti層5/Au層4))の間に配置して積層体とし、この積層体を真空中でプレス可能な装置に導入する。なお、加熱接合材料1がペースト状である場合には、塗布や印刷法を用いることができる。   As shown in FIG. 1 (a), bonding is performed between a substrate 2 and a semiconductor chip 3 (chip 6 and electrodes (Ti layer 5 / Au layer 4)), which are adherends, by using a sheet-shaped heat bonding material 1. The laminated body is arranged in a stack, and the laminated body is introduced into an apparatus capable of being pressed in a vacuum. In addition, when the heat bonding material 1 is paste-like, application | coating or a printing method can be used.

その後、ヒータを内蔵したプレス板で積層体を3MPa〜13MPa、好ましくは4.5MPa〜12MPaの圧力で押圧し、真空引きを行って十分に減圧にする(図1(b))。このとき、積層体に大気圧分の圧力も加えられているので、大気圧を考慮してプレス板の油圧や空圧を調整する。   Thereafter, the laminate is pressed with a pressure plate of 3 MPa to 13 MPa, preferably 4.5 MPa to 12 MPa with a press plate incorporating a heater, and evacuated to sufficiently reduce the pressure (FIG. 1B). At this time, since the atmospheric pressure is also applied to the laminate, the hydraulic pressure and air pressure of the press plate are adjusted in consideration of the atmospheric pressure.

その後、所定の温度、時間でヒータ板を加熱し、積層体を加熱する(図1(b))。加熱焼結温度が190〜300℃程度に達したら、10〜40分間程度保持することが好ましい。その後、プレスを終了し、積層体を取り出す。   Thereafter, the heater plate is heated at a predetermined temperature and time to heat the laminated body (FIG. 1B). When the heating and sintering temperature reaches about 190 to 300 ° C., it is preferably held for about 10 to 40 minutes. Then, the press is finished and the laminate is taken out.

このように、基板2、加熱接合材料1およびチップ3を接触させた状態で、加熱・焼結を行うことにより、加熱接合材料1中の銅微粒子(P)が焼結されて、多孔質状の接合層1’が形成され、被着体同士が接合される(図1(c))。またこのとき、Au層4は、加熱接合材料1との接触下で加熱・焼結されることにより、Au−Cu合金層4’に変化する。なお、本実施形態では積層体を所定圧力下で加熱しているが、積層体を無加圧下で加熱することで接合してもよい。   Thus, by performing heating and sintering in a state where the substrate 2, the heat bonding material 1 and the chip 3 are in contact with each other, the copper fine particles (P) in the heat bonding material 1 are sintered and become porous. The bonding layer 1 ′ is formed, and the adherends are bonded to each other (FIG. 1C). At this time, the Au layer 4 is changed to the Au—Cu alloy layer 4 ′ by being heated and sintered in contact with the heat bonding material 1. In addition, in this embodiment, although the laminated body is heated under predetermined pressure, you may join by heating a laminated body under no pressure.

〔4〕接合後の接続構造体
本接合方法により形成される接合層1’の厚さは、50μm〜500μmである。接合層1’の厚さが50μm未満では、導電性金属板(K)上に大きな熱を発する部品(パワーデバイス)を実装した場合、部品から発生した熱を下の金属板に伝える際の熱抵抗は小さくなるが、接合の信頼性が低下する。一方、500μmを越えると、熱抵抗が大きくなるという不都合を生ずる。
[4] Connection structure after bonding The thickness of the bonding layer 1 ′ formed by the bonding method is 50 μm to 500 μm. When the thickness of the bonding layer 1 ′ is less than 50 μm, when a component (power device) that generates a large amount of heat is mounted on the conductive metal plate (K), heat generated when the heat generated from the component is transferred to the lower metal plate. The resistance is reduced, but the reliability of the junction is reduced. On the other hand, if it exceeds 500 μm, there arises a disadvantage that the thermal resistance is increased.

また、チップ電極層のAu層4は、上述のように、加熱接合後、銅を含むAu−Cu合金層4’に変化している。Au−Cu合金層4’の厚さは、200nm以上850nm以下であり、好ましくは200nm以上750nm以下、より好ましくは200nm以上700nm以下である。また、Au−Cu合金層4’と接合層1’との界面において、当該接合層の空孔率が20%以下であり、好ましくは17.5%以下、さらに好ましくは15%以下である。界面での接合層1’の空孔率が20%を超えると、機械的強度が低下し、接合の信頼性が低下する。なお、空孔率の測定位置は界面に限らず、界面近傍、具体的には当該界面から接合層1’側に300nmの範囲内であればよい。   Further, as described above, the Au layer 4 of the chip electrode layer is changed to the Au—Cu alloy layer 4 ′ containing copper after the heat bonding. The thickness of the Au—Cu alloy layer 4 ′ is 200 nm or more and 850 nm or less, preferably 200 nm or more and 750 nm or less, more preferably 200 nm or more and 700 nm or less. In addition, at the interface between the Au—Cu alloy layer 4 ′ and the bonding layer 1 ′, the porosity of the bonding layer is 20% or less, preferably 17.5% or less, more preferably 15% or less. When the porosity of the bonding layer 1 ′ at the interface exceeds 20%, the mechanical strength decreases and the bonding reliability decreases. Note that the measurement position of the porosity is not limited to the interface, and may be in the vicinity of the interface, specifically within the range of 300 nm from the interface to the bonding layer 1 'side.

また、加熱接合後のAu−Cu合金層4’における銅は、接合性の観点から5%以上、好ましくは10%以上含有されるのが好ましい。   Moreover, it is preferable that copper in the Au—Cu alloy layer 4 ′ after heat bonding is contained in an amount of 5% or more, preferably 10% or more from the viewpoint of bondability.

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、比較例において使用した材料、及び評価方法を以下に記載する。   Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The present invention is not limited to these examples. The materials and evaluation methods used in the examples and comparative examples are described below.

(実施例1〜4および比較例1)
(1)使用した材料
(イ)加熱接合材料の調製
グリセリン20gからなる分散媒に、平均一次粒子径50nmの銅微粒子80gを配合し、乳鉢によって十分混合することで加熱接合材料を得た。得られた加熱接合材料をプレスして厚さ0.5mmの加熱接合シート体とし、該加熱接合シート体を切断して、加熱接合成形体を作製した。
(ロ)基板と電子部品
(i)基板
実施例において、基板は調質が半硬質の無酸素銅板を用いた。基板厚さは1.2mmである。
(ii)電子部品
長さ、幅、厚さがそれぞれ7mm×7mm×0.23mmのシリコンチップを準備し、該シリコンチップのエッチング面に、スパッタによりTi/Au=100nm/200nmのチップ電極層を形成した。
(Examples 1-4 and Comparative Example 1)
(1) Used material (a) Preparation of heat-bonding material Heat-bonding material was obtained by blending 80 g of copper fine particles having an average primary particle diameter of 50 nm with a dispersion medium composed of 20 g of glycerin and sufficiently mixing with a mortar. The obtained heat-bonding material was pressed into a heat-bonded sheet having a thickness of 0.5 mm, and the heat-bonded sheet was cut to produce a heat-bonded molded body.
(B) Substrate and electronic component (i) Substrate In the example, an oxygen-free copper plate having a semi-hardened tempered substrate was used. The substrate thickness is 1.2 mm.
(Ii) Electronic components A silicon chip having a length, width and thickness of 7 mm × 7 mm × 0.23 mm is prepared, and a chip electrode layer of Ti / Au = 100 nm / 200 nm is formed on the etched surface of the silicon chip by sputtering. Formed.

(2)接合方法
基板と電子部品の間に加熱接合成形体を配置して積層体を作製し、該積層体をチャンバ内に配置した。その後、所定圧力にて積層体を押圧した状態で、真空引きを行ってチャンバ内を十分に減圧した後、加熱接合成形体を加熱および焼結して、基板と電子部品を接合した。また、同様の積層体を複数作製し、焼結時の圧力を変えて、同様の方法で接合を行った。
(2) Joining method A heat-bonded molded body was placed between the substrate and the electronic component to produce a laminate, and the laminate was placed in the chamber. Thereafter, in a state where the laminated body was pressed at a predetermined pressure, vacuuming was performed to sufficiently reduce the pressure in the chamber, and then the heat-bonded molded body was heated and sintered to bond the substrate and the electronic component. Also, a plurality of similar laminates were produced, and joining was performed in the same manner while changing the pressure during sintering.

(3)評価方法
作製したシリコンチップ実装サンプルについて、−55℃で30分間と200℃で30分間を1サイクルとする冷熱衝撃試験を行った。100回ごとにサンプルを取り出し、割れ、剥離が無いか目視にて検査し、その後、超音波顕微鏡により観察を行い、2000回行った時点で、剥離面積が10%以下である場合を合格、剥離面積が10%を超えた場合を不合格と判定した。なお、剥離面積は、チップの接続裏面の面積に対する剥離した全面積の割合として算出した。
(3) Evaluation method About the produced silicon chip mounting sample, the thermal shock test which makes 30 cycles at -55 degreeC and 30 minutes at 200 degreeC 1 cycle was done. A sample is taken out every 100 times, visually inspected for cracks and peeling, then observed with an ultrasonic microscope, and when 2000 times, the peeled area is 10% or less. The case where the area exceeded 10% was determined to be unacceptable. The peeled area was calculated as a ratio of the total peeled area to the area of the connection back surface of the chip.

また、サンプル内部を観察して接合層内の空孔の状態を確認できるように、サンプルを樹脂に埋め込んで樹脂成形体を作製し、樹脂成形体をチップに垂直な方向に切断、研磨して、サンプルの断面を得た。その後、サンプルの断面を、日本電子製のクロスセクションポリッシャにより研磨した。   Also, in order to observe the inside of the sample and confirm the state of pores in the bonding layer, the sample is embedded in resin to produce a resin molded body, and the resin molded body is cut and polished in a direction perpendicular to the chip. A cross section of the sample was obtained. Then, the cross section of the sample was grind | polished with the cross section polisher made from JEOL.

次に、SEMにより倍率5000倍で断面を観察して観察像を得た。この観察像を元に、接合層とチップ電極層におけるAu−Cu合金層との界面から100nm離れた位置(図2の位置A、以下、チップ電極層直下ともいう)で、当該界面と平行に長さ20μmの線分を引き、この線分上で空孔に該当する部分の長さの和を計測し、全長で割ることにより、界面近傍の空孔率を求めた。   Next, an observation image was obtained by observing the cross section with a magnification of 5000 times by SEM. Based on this observation image, parallel to the interface at a position 100 nm away from the interface between the bonding layer and the Au—Cu alloy layer in the chip electrode layer (position A in FIG. 2, hereinafter also referred to as immediately below the chip electrode layer). A line segment having a length of 20 μm was drawn, the sum of the lengths of the portions corresponding to the holes on the line segment was measured, and divided by the total length, thereby obtaining the porosity in the vicinity of the interface.

また、バルク(接合層)の空孔率は、接合層とAu−Cu合金層との界面から10μm離れた位置(図2の位置B)に、当該界面と平行に長さ20μmの線分を引き、同じ倍率でSEM観察を行い、空孔率を算出した。   Further, the porosity of the bulk (bonding layer) is determined by placing a line segment having a length of 20 μm parallel to the interface at a position 10 μm away from the interface between the bonding layer and the Au—Cu alloy layer (position B in FIG. 2). Then, SEM observation was performed at the same magnification, and the porosity was calculated.

上記評価方法によって評価した結果を表1に示す。また、表1の結果に基づき、チップ電極層直下の空孔率と冷熱衝撃試験の寿命回数の関係、およびチップ電極層におけるAu−Cu合金層厚さと冷熱衝撃試験の寿命回数との関係を表したグラフを、それぞれ図3(a)および図3(b)に示す。

Figure 2015090900

表1および図3の結果から、チップ電極層直下の空孔率が高いほど冷熱衝撃試験の寿命回数が少なく、チップ電極層直下の空孔率が20%を超えると、信頼性に乏しく実用に耐えないことが分かる。また、焼結後のチップ電極層におけるAu−Cu合金層厚さが厚いほど信頼性が乏しく、厚さ850nm以上では実用に耐えない。 Table 1 shows the results evaluated by the above evaluation method. Further, based on the results in Table 1, the relationship between the porosity immediately below the chip electrode layer and the number of lifetimes of the thermal shock test, and the relationship between the thickness of the Au-Cu alloy layer in the chip electrode layer and the number of lifetimes of the thermal shock test are shown. The graphs obtained are shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), respectively.
Figure 2015090900

From the results of Table 1 and FIG. 3, the higher the porosity directly under the chip electrode layer, the fewer the number of lifetimes of the thermal shock test, and when the porosity directly under the chip electrode layer exceeds 20%, the reliability is poor and practical. I can't stand it. In addition, the thicker the Au—Cu alloy layer in the chip electrode layer after sintering, the lower the reliability, and the thickness of 850 nm or more is not practical.

チップ電極層と加熱接合成形体は、電極層の金と加熱接合成形体の銅微粒子とが反応して、合金化して一体化することにより接合される。そのため、チップ電極層の最表層は、比較的低温で銅と合金化し、広い比率で合金を作る金属からなることが必要である。このような金属としては、金、白金、ニッケル又はパラジウムが存在するが、本実施例のように全率固溶の金が好ましい。   The chip electrode layer and the heat-bonded molded body are bonded together by the reaction between the gold of the electrode layer and the copper fine particles of the heat-bonded molded body, which are alloyed and integrated. Therefore, the outermost layer of the chip electrode layer needs to be made of a metal that is alloyed with copper at a relatively low temperature to form an alloy at a wide ratio. As such a metal, gold, platinum, nickel or palladium is present, but gold having a solid solution as in this embodiment is preferable.

一方、焼成によって銅と金が合金化すると、カーケンダル効果により周辺の銅が金層に移動し、チップ電極層直下に形成される銅層には空孔が発達する。過度の空孔はその部分の機械強度を弱めるため、過度の合金化はかえって信頼性を悪化させる。   On the other hand, when copper and gold are alloyed by firing, peripheral copper moves to the gold layer due to the Kirkendall effect, and vacancies develop in the copper layer formed immediately below the chip electrode layer. Excessive voids weaken the mechanical strength of the part, so excessive alloying deteriorates reliability.

焼結後のチップ電極層が厚いほど、周辺の銅がAu−Cu合金層に集められていることになるので、焼結後のチップ電極層の厚さは、焼結前のチップ電極層における金層厚さ(200nm)以上であり、かつ850nm以下がよい。   The thicker the chip electrode layer after sintering, the more peripheral copper is collected in the Au-Cu alloy layer. Therefore, the thickness of the chip electrode layer after sintering is the same as that in the chip electrode layer before sintering. The gold layer thickness (200 nm) or more and 850 nm or less is preferable.

また、金属微粒子を用いた接合では焼結時に圧力や熱が必要となるが、必要以上の圧力はチップ電極層と加熱接合成形体との界面の合金化を必要以上に促進してしまい、かえって信頼性を乏しくしてしまうと考えられる。ただし、焼結温度に関しては加熱接合材料の還元剤の分解や反応を司っているために変えることができない。   In addition, in joining using metal fine particles, pressure and heat are required at the time of sintering. However, excessive pressure promotes alloying of the interface between the chip electrode layer and the heat-bonded molded body more than necessary. It is thought that reliability will be poor. However, the sintering temperature cannot be changed because it governs the decomposition and reaction of the reducing agent of the heat bonding material.

焼結圧力とチップ電極層直下の空孔率との関係を表したグラフを図4に示す。図4において、焼結圧力を低下させると空孔率が低くなっていくことが分かる。焼結圧力を低下させていくとバルクの空孔率と同じになると推察されることから、焼結圧力は3MPa以上13MPa以下がよいことが分かる。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the sintering pressure and the porosity just below the chip electrode layer. In FIG. 4, it can be seen that the porosity decreases as the sintering pressure is lowered. Since it is assumed that the porosity becomes the same as the porosity of the bulk when the sintering pressure is lowered, it is understood that the sintering pressure is preferably 3 MPa or more and 13 MPa or less.

このため、実施例1〜4に示すように、チップ電極層直下の空孔率がバルクの空孔率以上20%以下であり、チップ電極層の厚さが850nm以下であれば、寿命回数が2000回を超え、信頼性の高い強固な接合を実現できることが分かる。一方、比較例に示すように、焼結圧力が13.5MPaを超えると、チップ電極層直下の空孔率がバルクの空孔率以上20%を超えてしまい、寿命回数が2000回を下回り、信頼性に劣ることが分かった。   Therefore, as shown in Examples 1 to 4, if the porosity immediately below the chip electrode layer is 20% or less of the bulk porosity and the thickness of the chip electrode layer is 850 nm or less, the number of lifetimes is It can be seen that more than 2000 times, a reliable and strong bond can be realized. On the other hand, as shown in the comparative example, when the sintering pressure exceeds 13.5 MPa, the porosity immediately below the chip electrode layer exceeds 20% of the bulk porosity, and the number of lifetimes is less than 2000 times. It turned out to be inferior in reliability.

Claims (10)

加熱接合材料を焼結することによって基板と電子部品を接合する接続構造体であって、
前記電子部品に形成された少なくとも1つの電極層と、
前記少なくとも1つの電極層と前記基板との間に配置され、銅を含む焼結体で形成される接合層とを備え、
前記少なくとも1つの電極層のうち、前記接合層と接する第1層が金、白金、ニッケルおよびパラジウムからなる群から選択されるいずれかの材料を含有する銅合金層であり、
前記銅合金層の厚さが200nm以上850nm以下であり、前記銅合金層と前記接合層との界面或いは界面近傍での当該接合層の空孔率が20%以下であることを特徴とする接続構造体。
A connection structure for bonding a substrate and an electronic component by sintering a heat bonding material,
At least one electrode layer formed on the electronic component;
A bonding layer disposed between the at least one electrode layer and the substrate and formed of a sintered body containing copper;
Of the at least one electrode layer, the first layer in contact with the bonding layer is a copper alloy layer containing any material selected from the group consisting of gold, platinum, nickel and palladium,
The thickness of the copper alloy layer is 200 nm or more and 850 nm or less, and the porosity of the bonding layer at or near the interface between the copper alloy layer and the bonding layer is 20% or less Structure.
前記銅合金層の厚さが、200nm以上750nm以下であり、チップ電極と接合層の界面或いは界面近傍での当該接合層の空孔率が17.5%以下であることを特徴とする、請求項1記載の接続構造体。   The thickness of the copper alloy layer is 200 nm or more and 750 nm or less, and the porosity of the bonding layer at or near the interface between the chip electrode and the bonding layer is 17.5% or less. Item 1. A connection structure according to Item 1. 前記銅合金層の厚さが、200nm以上700nm以下であり、チップ電極と接合層の界面或いは界面近傍での当該接合層の空孔率が15%以下であることを特徴とする、請求項1記載の接続構造体。   The thickness of the copper alloy layer is 200 nm or more and 700 nm or less, and the porosity of the bonding layer at or near the interface between the chip electrode and the bonding layer is 15% or less. The connection structure described. 前記銅合金層と前記接合層との界面から300nm以内での当該接合層の空孔率が20%以下であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の接続構造体。   The connection structure according to any one of claims 1 to 3, wherein a porosity of the bonding layer within 300 nm from an interface between the copper alloy layer and the bonding layer is 20% or less. body. 前記少なくとも1つの電極層が、複数の電極層からなり、
前記第1層と接する第2層が、Ti,W,Ni,Taの単体又はその窒化物からなる、請求項1から4のいずれか1項に記載の接続構造体。
The at least one electrode layer comprises a plurality of electrode layers;
5. The connection structure according to claim 1, wherein the second layer in contact with the first layer is made of Ti, W, Ni, Ta alone or a nitride thereof. 6.
前記接合層の厚さは、50μm〜500μmであることを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の接続構造体。   The connection structure according to claim 1, wherein a thickness of the bonding layer is 50 μm to 500 μm. 加熱接合材料を焼結することによって基板と電子部品を接合する、電子部品の接合方法であって、
平均一次粒子径が2nm〜500nmの銅微粒子と、分子中に2以上の水酸基を有する1種または2種以上の多価アルコールを含む有機分散媒とを含有してなる加熱接合材料を、電子部品に設けられた少なくとも1つの電極層と基板との間に配置して、加熱、又は加圧下の加熱により接合することを特徴とする、電子部品の接合方法。
A method for joining electronic components, in which a substrate and an electronic component are joined by sintering a heated joining material,
An electronic component comprising a heat bonding material comprising copper fine particles having an average primary particle diameter of 2 nm to 500 nm and an organic dispersion medium containing one or more polyhydric alcohols having two or more hydroxyl groups in the molecule. A method for joining electronic parts, wherein the electronic component is disposed between at least one electrode layer provided on the substrate and the substrate and joined by heating or heating under pressure.
4.5MPa〜12MPaの圧力下にて、前記基板と前記電子部品とを接合することを特徴とする、請求項7記載の電子部品の接合方法。   The method for joining electronic components according to claim 7, wherein the substrate and the electronic components are joined under a pressure of 4.5 MPa to 12 MPa. 前記少なくとも1つの電極層のうち、厚さが20〜200nmであり且つ金、白金、ニッケルおよびパラジウムからなる群から選択されるいずれかの材料で形成された第1層を前記加熱接合材料に当接させ、その後、前記加熱接合材料を加熱することを特徴とする、請求項7又は8記載の電子部品の接合方法。   Of the at least one electrode layer, a first layer made of any material selected from the group consisting of gold, platinum, nickel, and palladium having a thickness of 20 to 200 nm is applied to the heat bonding material. The method for joining electronic parts according to claim 7 or 8, wherein the heating joining material is heated after contact. 前記第1層に接する第2層を、Ti,W,Ni,Taの単体又はその窒化物で形成することを特徴とする、請求項7から9のいずれか1項に記載の電子部品の接合方法。   The electronic component joining according to any one of claims 7 to 9, wherein the second layer in contact with the first layer is formed of a single substance of Ti, W, Ni, Ta or a nitride thereof. Method.
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