JP2015103791A - 半導体チップの接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 有機物残差の少ない半導体チップの接合を実現ずる。
【解決手段】
本発明では、有機膜が被覆されたＡｇナノ粒子を含む焼結型Ａｇナノペーストで半導体チップを実装基板に接合する方法であって、実装基板に前記焼結型Ａｇナノペーストの塗布層を形成する工程、前記塗布層に押圧体を押し当て、押圧体の加熱と前記実装基板の加熱により平坦な乾燥塗布層を厚さ５ミクロンから２０ミクロンの範囲で形成する工程、前記乾燥塗布層にＵＶ光／オゾン処理もしくはエキシマ光／オゾン処理を行い、ＥＰＭＡのカーボンＸ線強度が未処理に対して８０％以下となるように乾燥塗布層の有機物を減少させる工程、前記乾燥塗布層にアルコール溶液もしくはポリオール溶液を滴下して半導体チップを載置する工程、半導体チップを加圧し、半導体チップと実装基板を加熱する工程を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温実装が可能で熱・電気伝導性に優れた接合が実現できる焼結型Ａｇナノペーストを使用した半導体チップの接合方法に関する。

焼結型ＡｇナノペーストはＡｇナノ粒子の低温焼結性を利用した導電性ペーストであり、特許文献１に開示されているように、Ａｇナノ粒子を含む微小Ａｇ粒子に有機膜が被覆され溶剤に分散させたペーストである。有機膜が熱分解する温度で焼結するため、有機膜の選定で焼結温度が変わるが概ね３００℃以下の低温を目的に組成が構成されている。半導体チップの接合では、実装基板面に焼結型Ａｇナノペーストを塗布し、半導体チップをペースト面に載置した後１００℃程度で溶剤を揮発させ、焼結型Ａｇナノペーストの焼結温度まで昇温させて接合する。緻密な接合層を得るために半導体チップを加圧するのが一般的である。あるいは結型Ａｇナノペーストの溶剤を揮発させた後、半導体チップを載置して加熱・加圧接合する場合もある。

有機被膜のＡｇナノ粒子を使用した半導体チップの接合では、接合層に有機物の残ることが容易に推察され、その悪影響が指摘されている。接合層への有機残差、あるいはカーボンの取り込まれはＡｇ焼結層の緻密化を阻害するため、接合層は多孔質で脆く（弾性係数は低く）、耐エレクトロマイグレーション性の低下をもたらす。半導体チップ直下は外気に対して密封されるため有機物が熱分解しても排出され難い。従って焼結型Ａｇナノペーストにおいては有機残差は避けがたいところがある。昨今、ＳｉＣ半導体素子を使用したパワーモジュールが開発されているが、Ｓｉ半導体素子に比べて大電力がハンドリングでき高温動作も可能で、より厳しい使い方が期待されている。このため耐熱応力性、耐マイグレーション性の高い良好なＡｇ焼結層の形成が望まれている。

特許文献２には、焼結型Ａｇナノペーストの溶媒を乾燥した後、ペースト塗布層をプラズマ処理して有機膜脱離を行い、その後半導体チップなどを接合する方法が開示されている。この方法で得られる接合強度については、導電性樹脂ペーストで得られる接合強度が確保できたとしている。接合条件は温度１００℃から２００℃、加圧０．２ＭＰａから１０ＭＰａの範囲から選択される。導電性樹脂ペーストは樹脂による接着なので接着強度は２〜３ＭＰａと推定できるが、焼結型Ａｇナノペーストをプラズマ処理をしないで接合すると２０〜３０ＭＰａ程度の接合強度は得られるので、有機残差が解消されているとは言え半導体チップの接合に使用するには極めて不十分なものであり、用途が狭く限定される。

特開２０１１−８０１４７号公報 特開２００７−８３２８８号公報

焼結型Ａｇナノペーストを使用した半導体チップの接合において、接合層中の有機物を減少させ、十分な接合強度を確保することである。

特許文献２に使用されるプラズマ照射では、Ａｇナノ粒子の有機膜脱離が行われる一方でプラズマ粒子のエネルギーが高いため、温度上昇によりＡｇナノ粒子が融着し焼結が始まっていることが容易に推定できる。焼結が進んだ面に別の金属面を接合する場合、記載された接合条件では十分な接合強度が確保できない。

本発明では、 有機膜が被覆されたＡｇナノ粒子を含む焼結型Ａｇナノペーストで半導体チップを実装基板に接合する方法であって、実装基板に前記焼結型Ａｇナノペーストの塗布層を形成する工程、前記塗布層に押圧体を押し当て、押圧体の加熱と前記実装基板の加熱により平坦な乾燥塗布層を厚さ５ミクロンから２０ミクロンの範囲で形成する工程、前記乾燥塗布層にＵＶ光／オゾン処理もしくはエキシマ光／オゾン処理を行い、ＥＰＭＡのカーボンＸ線強度が未処理に対して８０％以下となるように乾燥塗布層の有機物を減少させる工程、前記乾燥塗布層にアルコール溶液もしくはポリオール溶液を滴下して半導体チップを載置する工程、半導体チップを加圧し、半導体チップと実装基板を加熱する工程を含むことを特徴とする。

本発明の工程では、Ａｇナノ粒子を含む微小Ａｇ粒子に被覆された有機膜を脱離、あるいは減膜するのにＵＶ光／オゾン処理、またはエキシマ光／オゾン処理を行うことで温度上昇を小さく抑えるものである。また微小Ａｇ粒子はオゾン処理により新たに酸化被膜が形成されるために、密集した微小Ａｇ粒子の融着、あるいは焼結がされることなく有機膜のみが脱離、あるいは減膜されるものである。ＵＶ光／オゾン処理、もしくはエキシマ光／オゾン処理はＥＰＭＡによるカーボンＸ線強度が未処理に対して８０％以下となるように条件を定めて実施する。

本発明の工程では、焼結型Ａｇナノペーストの乾燥塗布層に還元剤であるアルコールもしくはポリオールを滴下することにより半導体チップを仮固定し、加熱・加圧を行う。アルコール溶液としては、プロピルアルコール、イソプロピルアルコールから一種、もしくはポリオール溶液としてはエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールから一種を選択することにより、酸化された微小Ａｇ粒子の還元を促進させる。

以上記載したように、焼結型Ａｇナノペーストを使用した半導体チップの実装において、接合層への有機残差を減少させ、十分な接合強度を確保することができる。

ＥＰＭＡによるカーボンスペトクラムを示す図。

以下本発明を詳細に説明する。

焼結型Ａｇナノペーストは１００ｎｍ以下のＡｇナノ粒子を含むＡｇ粒子を溶媒に分散させたペーストである。２００ｎｍ以下のＡｇ粒子のみで構成されたペーストやサブミクロン径からミクロン径までを含む混合粒子のものまで多様である。Ａｇナノ粒子は表面エネルギーが高いために低温で金属面に融着したり、Ａｇ粒子間を繋いだりして焼結する。Ａｇナノ粒子に有機膜が形成されて溶媒に分散されるが、有機膜にはアルコール分子系、脂肪酸系など種々の有機が使用される。有機膜は熱分解してＡｇナノ粒子から脱離することになるが、この時にＡｇナノペーストは焼結を開始する。

本発明は特定の焼結型Ａｇナノペーストを対象にした実装方法ではなく、多様なＡｇナノペーストに対しても効果を発揮する実装方法を提示するものである。
最初に焼結型Ａｇナノペーストを半導体チップが載置できるよう実装基板に塗布する。塗布はメタルマスクを使用したスキージ印刷、あるいはディスペンサーを使用する。次にペーストの平坦性を確保するために平坦面を有する押圧体で押す。このときペーストは溶媒の濡れにより押圧体に密着してくるので、押圧と同時に押圧体に接するペースト面の溶媒を揮発させる必要がある。溶媒はアルコール系で１００℃程度で揮発するものが多いので、１００℃以下、例えば５０℃から６０℃に加熱した押圧体を当ててペーストの平坦性を確保した後、押圧体を離す。次に実装基板を所望の温度（この場合１００℃）に加熱して溶媒を完全に揮発させる。こうすることで実装基板から剥離せずに平坦面を有する乾燥塗布層が確保できる。あるいは室温で押圧体を押し当て、押圧体を１００℃程度まで昇温すると共に実装基板も１００℃程度に加熱しても良い。

焼結型Ａｇナノペーストが実装基板に塗布・形成されてしまうと、Ａｇナノ粒子を被覆している有機膜は全く無用となる。この有機膜が焼結温度を決めたり、焼結層に有機残差をもたらしたり、Ａｇ焼結層にとって百害あって一利無であることは自明である。特に半導体チップの加熱・加圧接合においては、熱分解した有機物、及びガスが排出されるときに筋のような空隙が発生するため半導体チップの接合面に亘って良好な接合層が得られない。

本発明では、乾燥塗布層に低圧水銀ランプによるＵＶ光／オゾン処理、あるいはキセノンランプによるエキシマ光／オゾン処理を行いＡｇナノ粒子から有機膜を脱離させる。図１にはＡ、Ｂ二種類の焼結型ＡｇナノペーストをＵＶ光／オゾンで処理した場合のＥＰＭＡのカーボンスペクトルを示し、表１にはカーボンＸ線強度とカーボン強度の減少率を示す。Ａはアルコール誘導体被覆のＡｇナノ粒子を基礎にしたペーストであり、Ｂは脂肪酸を被覆したＡｇナノ粒子を基礎としたペーストであり、ペースト塗布膜厚は約１０μｍである。Ａ０とＢ０は未処理サンプルである。Ａ１、Ｂ１の処理条件は、ＵＶ照射強度２０ｍＷ／ｃｍ２（波長２５４ｎｍ）、３３００秒である。なおオゾンはＵＶ光で発生するオゾンを使用しているが、処理時間を短くするにはオゾンを導入すれば良い。有機の種類によりカーボンＸ線強度による有機物の減少率は異なり、Ｂの有機膜はＡに比べて脱離し易いと言える。Ａのペーストで有機物の減少は８０％、Ｂのペーストで約６０％であった。

真空プラズマでは、プラズマ粒子エネルギーが高いために基板の温度上昇が認められる。例えばアルゴンガスプラズマを銅基板に照射すると短時間のうちに銅が酸化するので２００℃を超える温度になることが分かる。真空プラズマで有機膜が脱離したＡｇナノ粒子は温度上昇で焼結を開始するので、これに続く半導体チップの接合性は悪くなる。つまり金属バルクの接合状態に近づいていくことになる。これに対してＵＶ光／オゾン処理は真空プラズマ処理と異なり、基板の温度上昇は無い。従って有機膜脱離だけが行われ、焼結することは無い。しかしオゾン処理によりＡｇ粒子が酸化されることになる。なお真空プラズマでもガス導入により真空度が悪化した状態でプラズマ処理されるために被照射物は酸化する。

ＵＶ光／オゾン処理を行う焼結型Ａｇナノペーストの厚さであるが、乾燥塗布層において５μｍから２０μｍが好ましい。薄いと焼結Ａｇの接合層の厚さが不均一になり、厚いとＵＶ光／オゾン処理の減膜処理に時間を要する。なお塗布ペーストの厚さは溶媒を乾燥させると５０％から６０％に減少するので、ペーストの塗布厚さは１０μｍから４０μｍとするのが好ましい。

本発明では、ＵＶ光／オゾン処理したＡｇナノペーストの乾燥塗布層に還元剤として機能するアルコール系溶液を滴下し、半導体チップを載置する。酸化銀の熱分解温度は空気中で１９０℃であるから、Ａｇの酸化膜は低温で除去できることが知られている。従って酸化されたＡｇナノ粒子に半導体チップを載置して加熱すれば基本的に接合は可能である。しかし半導体チップ下のＡｇ粒子は空気密度は低いなど異なった状況であることから１９０℃で酸化膜が除去できる保証がない。還元剤は低温で確実にＡｇの酸化膜を還元するために使用する。また低温接合を目的とする場合、低沸点のアルコール溶液、ポリオール溶液を使用するのが好ましい。アルコール溶液として、プロピルアルコール、イソプロピルアルコールを使用することができる。ポリオール溶液としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールを使用することができる。

また乾燥塗布層は接着性が無いため、半導体チップを仮固定する手段が必須である。乾燥塗布層への粘性アルコール系溶液の滴下は半導体チップを仮止めするための機能も持たせている。

本発明では、粘性アルコール系溶液を滴下したＡｇナノペーストの乾燥塗布層に半導体チップを載置し、加熱・加圧して接合を行う。Ａ、Ｂの焼結型Ａｇナノペーストで行った半導体チップの接合強度を表２に示す。それぞれの推奨焼結温度は有機膜の熱分解特性から決まり、ＴＧ−ＤＴＡデータからＡは２００℃、Ｂは３００℃と推定されるペーストである。接合は加熱３０分（空気）、半導体チップの加圧は１ＭＰａで行った。

ＵＶ光／オゾン未処理に対する実施例の接合強度としてはそん色のない強度が得られ、本発明の実装方法でもＡｇナノ粒子の接合性が維持できていることが分かる。またＵＶ光／オゾン処理により接合前の有機物の量が減少しているため半導体チップ下の接合層（焼結層）に取り込まれる有機物も確実に減少する。実施例ではカーボンＸ線強度による測定で８０％と６０％の有機物減少処理を行ったが、本発明は接合層中の有機物残差を減らす目的なので減少率８０％以下であれば十分である。

本発明は、半導体チップを実装基板などに接合する方法であって、その接合性は有機物の脱離処理をしない焼結型Ａｇナノペーストによる接合強度に比してそん色のないものである。本発明による接合層では有機物残差が少なくなるのは自明であり、カーボン不純物の少ないＡｇ結晶の緻密な接合層が期待できる。これにより熱応力に対する耐性が増し、耐エレクトロマイグレーション性も向上する。

Claims (2)

1. 有機膜が被覆されたＡｇナノ粒子を含む焼結型Ａｇナノペーストで半導体チップを実装基板に接合する方法であって、
   実装基板に前記焼結型Ａｇナノペーストの塗布層を形成する工程；
   前記塗布層に押圧体を押し当て、押圧体の加熱と前記実装基板の加熱により平坦な乾燥塗布層を厚さ５ミクロンから２０ミクロンの範囲で形成する工程；
   前記乾燥塗布層にＵＶ光／オゾン処理もしくはエキシマ光／オゾン処理を行い、ＥＰＭＡのカーボンＸ線強度が未処理に対して８０％以下となるように乾燥塗布層の有機物を減少させる工程；
   前記乾燥塗布層にアルコール溶液もしくはポリオール溶液を滴下して半導体チップを載置する工程；
   半導体チップを加圧し、半導体チップと実装基板を加熱する工程を含むことを特徴とする半導体チップの接合方法。
2. アルコール溶液はプロピルアルコール、イソプロピルアルコールの一種、ポリオール溶液はエチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールの一種から選択されることを特徴とする請求項１に記載の半導体チップの接合方法。