JP2015109434A - ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材、ダイボンド層付き半導体素子及びダイボンド層付き接合板 - Google Patents
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Abstract
【課題】 熱伝導性及び接続信頼性に優れ、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との接合を簡便な工程で行うことができるダイボンド層を有するダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材を提供すること。【解決手段】 上記課題を解決する本発明のダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材は、半導体素子搭載用支持部材と、該半導体素子搭載用支持部材の半導体素子が接合される面に設けられた、空孔率が15〜50体積%であり、銀及び/又は銅を含み、炭素分が1.5質量%以下である、多孔質のダイボンド層と、を備えることを特徴とする。【選択図】図1
Description
本発明は、ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材、ダイボンド層付き半導体素子、ダイボンド層付き接合板、並びにそれらを用いた半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。さらに詳しくはパワー半導体、LSI、発光ダイオード(LED)等の半導体素子をリードフレーム、セラミック配線板、ガラスエポキシ配線板、ポリイミド配線板等の基板に接着するのに好適なダイボンド層を予め有する半導体素子搭載用支持部材、半導体素子、接合板、並びにそれらを用いた半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置を製造する際、半導体素子とリードフレーム(支持部材)とを接着させる方法としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等の樹脂に銀粉等の充填剤を分散させたペースト状の接着剤(例えば、銀ペースト)を使用する方法がある。この方法では、ディスペンサー、印刷機、スタンピングマシン等を用いて、ペースト状接着剤をリードフレームのダイパッドに塗布した後、半導体素子をダイボンドし、加熱硬化により接着させ半導体装置とする。
近年、半導体素子の高速化、高集積化が進むに伴い、半導体装置の動作安定性を確保するために、接着剤にも高放熱特性が求められている。
これまでにも熱伝導性の向上を目的とした接着剤が提案されている。例えば、下記特許文献1〜5には、熱伝導率の高い銀粒子が高充填されたダイボンディングペースト(特許文献1及び2)、特定の粒径を有する球状銀粉を含有する導電性接着剤(特許文献3)、ハンダの粒子を含有する接着剤のペースト(特許文献4)、特定の粒子径を有する金属粉及び特定の粒子径を有する金属超微粒子を含有する導電性接着剤(特許文献5)が開示されている。
また、下記特許文献6には、表面処理が施された非球状銀粒子と揮発性分散媒とからなるペースト状銀粒子組成物を100℃以上400℃以下で加熱することにより銀粒子同士を焼結させて所定の熱伝導度を有する固形状銀にする技術が提案されている。
特許文献6に記載のペースト状銀粒子組成物は、銀粒子が金属結合を形成するため、他の手法よりも熱伝導率及び高温下での接続信頼性が優れるものと考えられる。しかし、このようなペースト状銀粒子組成物であっても、更に高水準の接続信頼性を得るには十分ではない。これは、組成物に溶媒が含まれるために、塗布時、乾燥時、半導体素子搭載時及び焼結時の流動による斑の発生、乾燥時及び焼結時のボイド発生に起因するものと考えられる。
一方、ハンダを用いる場合、層状のハンダを半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との間に介在させ、加熱溶融させることによりダイボンドが行われる。この手法では、ペーストに比べて工程の簡略化及び溶媒による斑やボイドの発生を抑制することができる。しかし、ハンダでは高温での接続信頼性に課題が生じる。なお、単にハンダに代えて高融点の金属を用いても、接合が困難になるという問題がある。
本発明は、熱伝導性及び接続信頼性に優れ、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との接合を簡便な工程で行うことができるダイボンド層を有するダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材、ダイボンド層付き半導体素子、ダイボンド層付き接合板、並びにこれらを用いた半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、半導体素子搭載用支持部材と、該半導体素子搭載用支持部材の半導体素子が接合される面に設けられた、空孔率が15〜50体積%であり、銀及び/又は銅を含み、炭素分が1.5質量%以下である、多孔質のダイボンド層と、を備えることを特徴とするダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材を提供する。
本発明のダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材によれば、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との接合を簡便な工程で行うことができるとともに優れた熱伝導性及び接続信頼性を得ることができる。
上記ダイボンド層は、バナジウムを0.06〜13.6原子%及びテルルを0.12〜7.8原子%含むことが好ましい。この場合、Ag、Cu、Ni、Al及びSiO2に対する接着性を向上させることができる。
本発明はまた、上記本発明に係るダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材と半導体素子とを、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との間にダイボンド層が介在するように配置し、これらを加熱加圧する工程を備えることを特徴とする半導体装置の第1の製造方法を提供する。
本発明の半導体装置の第1の製造方法によれば、本発明に係るダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材を用いることで、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との接合を簡便な工程で行うことができ、優れた熱伝導性及び接続信頼性を有する半導体装置を得ることができる。
本発明はまた、上記本発明に係る第1の製造方法よって製造される半導体装置を提供する。
本発明はまた、半導体素子と、該半導体素子の半導体素子搭載用支持部材が接合される面に設けられた、空孔率が15〜50体積%であり、銀及び/又は銅を含み、炭素分が1.5質量%以下である、多孔質のダイボンド層と、を備えることを特徴とするダイボンド層付き半導体素子を提供する。
本発明のダイボンド層付き半導体素子によれば、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との接合を簡便な工程で行うことができるとともに優れた熱伝導性及び接続信頼性を得ることができる。
上記ダイボンド層は、バナジウムを0.06〜13.6原子%及びテルルを0.12〜7.8原子%含むことが好ましい。この場合、Ag、Cu、Ni、Al及びSiO2に対する接着性を向上させることができる。
本発明はまた、上記本発明に係るダイボンド層付き半導体素子と半導体素子搭載用支持部材とを、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との間にダイボンド層が介在するように配置し、これらを加熱加圧する工程を備えることを特徴とする半導体装置の第2の製造方法を提供する。
本発明の半導体装置の第2の製造方法によれば、本発明に係るダイボンド層付き半導体素子を用いることで、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との接合を簡便な工程で行うことができ、優れた熱伝導性及び接続信頼性を有する半導体装置を得ることができる。
本発明はまた、上記本発明に係る第2の半導体装置の製造方法よって製造される半導体装置を提供する。
本発明はまた、板状金属板と、該板状金属板の両面に設けられた、空孔率が15〜50体積%であり、銀及び/又は銅を含み、炭素分が1.5質量%以下である多孔質のダイボンド層と、を備えることを特徴とするダイボンド層付き接合板を提供する。
本発明のダイボンド層付き接合板によれば、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との接合を簡便な工程で行うことができるとともに優れた熱伝導性及び接続信頼性を得ることができる。
上記ダイボンド層は、バナジウムを0.06〜13.6原子%及びテルルを0.12〜7.8原子%含むことが好ましい。この場合、Ag、Cu、Ni、Al及びSiO2に対する接着性を向上させることができる。
本発明はまた、半導体素子搭載用支持部材と、上記本発明に係るダイボンド層付き接合板と、半導体素子とを、半導体素子搭載用支持部材と板状金属板との間及び板状金属板と半導体素子との間にダイボンド層が介在するように配置し、これらを加熱加圧する工程を備えることを特徴とする半導体装置の第3の製造方法を提供する。
本発明の半導体装置の第3の製造方法によれば、ダイボンド層付き接合板を用いることで、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との接合を簡便な工程で行うことができ、優れた熱伝導性及び接続信頼性を有する半導体装置を得ることができる。
本発明はまた、上記本発明に係る半導体装置の第3の製造方法よって製造される半導体装置を提供する。
本発明はまた、上記本発明に係るダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材と上記本発明に係るダイボンド層付き半導体素子とを、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との間にそれぞれのダイボンド層が介在するように配置し、これらを加熱加圧する工程を備えることを特徴とする半導体装置の第4の製造方法を提供する。
本発明はまた、上記本発明に係る第4の製造方法よって製造される半導体装置を提供する。
本発明によれば、熱伝導性及び接続信頼性に優れ、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との接合を簡便な工程で行うことができるダイボンド層を有するダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材、ダイボンド層付き半導体素子、ダイボンド層付き接合板、並びにこれらを用いた半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の公的な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明については省略する。
本実施形態のダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材は、半導体素子搭載用支持部材と、該半導体素子搭載用支持部材の半導体素子が接合される面に設けられた、空孔率が15〜50体積%であり、銀及び/又は銅を含み、炭素分が1.5質量%以下である、多孔質のダイボンド層と、を備え、半導体素子搭載用支持部材の被着面にダイボンド用の接着性の層(ダイボンド層)が接合されていることを特徴とする。
図1は、本実施形態のダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材に半導体素子を接着して半導体装置を製造する方法を示す模式図である。図1に示される半導体装置100(接合前の状態を示す)は、半導体素子搭載用支持部材2の半導体素子が接続される面(被着面)上に本実施形態に係るダイボンド層1が設けられたダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材4に、被着面がダイボンド層1に重なるように半導体素子3を配置し、これらを加熱加圧することにより得られる。
まず、本実施形態に係るダイボンド層について説明する。
本実施形態のダイボンド層は、空孔率が15〜50体積%であり、銀及び/又は銅を含み、炭素分が1.5質量%以下である多孔質層からなる。
多孔質層は、熱伝導率、延性、接続性の観点から、金、銀、銅を主成分とすることが好ましい。特にコストの点から銀又は銅が好適であり、銀と銅との合金であってもよい。銀、銅以外の金属性の成分が含まれると、熱伝導率の低下や表面に容易に除去できない酸化被膜が生じて接合の妨げになるため好ましくない。そのため多孔質シートに含まれる元素の内、水素、炭素、酸素を除く元素割合の内で、銀及び/又は銅が占める元素割合は、60原子%以上が好ましく、70原子%以上であることがより好ましく、80原子%以上であることがさらに好ましい。
多孔質層は、層内に空孔を含む銀及び/又は銅の連続体からなる平板状の多孔質層であることが好ましい。また、多孔質層は、銀粒子及び/又は銅粒子の焼結体から構成されていることが好ましい。
本実施形態のダイボンド層は、被着体の種類を拡大することを目的とした接着助剤として、ガラス成分を含有することができる。
上記ガラス成分は、ダイボンド層の熱圧着時に十分溶融及び流動することが好ましく、このような観点から、350℃以下の軟化点を有する低融点ガラスが好ましい。このような低融点ガラスとしては、バナジウム、テルル及び銀を共に含むものが挙げられる。例えば、10〜60質量%のAg2O(酸化銀(I))と、5〜65質量%のV2O5(五酸化二バナジウム)と、15〜50質量%のTeO2(二酸化テルル)とを含有し、Ag2OとV2O5とTeO2との合計含有量が75質量%以上である無鉛ガラス組成物が好ましい。低融点ガラスは、さらに、P2O5(五酸化二燐)、BaO(酸化バリウム)、K2O(酸化カリウム)、WO3(三酸化タングステン)、MoO3(三酸化モリブデン)、Fe2O3(酸化鉄(III))、MnO2(二酸化マンガン)、Sb2O3(三酸化アンチモン)及びZnO(酸化亜鉛)のうち1種以上を含んでいてもよい。
本実施形態のダイボンド層は、バナジウムを原子換算で0.06〜13.6原子%及びテルルを原子換算で0.12〜7.8原子%含むことが好ましい。この場合、Ag、Cu、Ni、Al及びSiO2に対する接着性を向上させることができる。
バナジウム及びテルルの含有量が上記下限値を下回る場合、低融点ガラスが十分に含まれていないことを意味し、接着助剤としての効果が得られにくい傾向がある。また、バナジウム及びテルルの含有量が上記上限値を超える場合、低融点ガラスが過剰に含まれていることを意味し、熱伝導率の低下や体積抵抗率の増加が顕著になる傾向がある。
ダイボンド層中のバナジウム及びテルルなどの各種元素の含有量は、蛍光X線測定、原子吸光分析、発光分析(Atomic Emission Spectrometry)、ICP−MS(Inductively Coupled Plasma−Mass Spectrometry)で定量できる。
例えば、ふた付きのポリ容器に、ダイボンド層を0.1g秤量し、硝酸4mL、過酸化水素3mLを添加し、30分間超音波処理をして溶解する。これを、純水を用いて希釈し、測定溶液とする。この測定溶液を誘導結合プラズマ発光分光分析装置(SPS5100、日立ハイテクサイエンス社製)により測定することで、含有元素とその割合が得られる。なお、それぞれの元素は以下の波長に発光が得られる。V:292.401nm、Te:214.282nm、W207.912nm、Ag:328.068nm。
ダイボンド層を構成する材料の組成が分かっている場合には、以下の手順で空孔率を求めることができる。まず、ダイボンド層を長方形に切り出し、ダイボンド層の縦、横の長さを定規や外形形状測定装置で測定し、厚みを膜厚計で測定することによりダイボンド層の体積を計算する。切り出したダイボンド層の体積と、精密天秤で測定したダイボンド層の重量とから見かけの密度M1(g/cm3)を求める。求めたM1と、ダイボンド層を構成する材料の密度M2(g/cm3)とを用いて、下記式(1)から空孔率(体積%)が求められる。
空孔率(体積%)=[1−(M1)/(M2)]×100 …(1)
空孔率(体積%)=[1−(M1)/(M2)]×100 …(1)
式(1)において、ダイボンド層を構成する材料が純度95質量%以上の銀である場合、M2は10.5g/cm3とすることでき、純度95質量%以上の銅である場合、M2は8.96g/cm3とすることができる。ダイボンド層を構成する材料が銀と銅との混合物である場合、密度は加成則を用いて、銅の含有量(質量%)をAとすると、下記式(2)を用いてM2を算出することができる。
M2(g/cm3)=1/[{(A/100)/8.96}+{(1−A/100)/10.5}] …(2)
M2(g/cm3)=1/[{(A/100)/8.96}+{(1−A/100)/10.5}] …(2)
また、ダイボンド層が、銀及び/又は銅と低融点ガラスとを含む場合には、下記式(3)を用いてダイボンド層を構成する材料の密度M2を算出し、式(1)のM2に代入することで、空孔率が求められる。
M2(g/cm3)=1/[{(B/100)/M3}+{(1−B/100)/M4}] …(3)
[B:低融点ガラスの含有量(質量%)、M3:低融点ガラスの密度(例えば、5.5g/cm3)、M4:銀の密度(例えば、10.5g/cm3)、銅の密度(例えば、8.96g/cm3)、銀と銅との混合物の密度(例えば、前記式(2)で算出した密度M2(g/cm3)]
M2(g/cm3)=1/[{(B/100)/M3}+{(1−B/100)/M4}] …(3)
[B:低融点ガラスの含有量(質量%)、M3:低融点ガラスの密度(例えば、5.5g/cm3)、M4:銀の密度(例えば、10.5g/cm3)、銅の密度(例えば、8.96g/cm3)、銀と銅との混合物の密度(例えば、前記式(2)で算出した密度M2(g/cm3)]
本実施形態のダイボンド層は、接続信頼性の観点から、空孔率が15〜50体積%であり、15〜40体積%であることが好ましく、15〜30体積%であることがより好ましい。空孔率が上記範囲内であれば、ダイボンド層が圧着時に空孔が変形することで被着体に追随し、充分に高い接着力を発現させることができるとともに、ダイボンド層の機械強度を十分確保することができ、割れや欠けが生じて取り扱い性が悪くなるなどの問題を防止することができる。
本実施形態のダイボンド層は、炭素分が1.5質量%以下であり、1.0質量%以下であることが好ましい。炭素分を1.5質量%以下とすることにより、有機物等によって被着体とダイボンド層との間の金属結合形成が阻害されることを防止することができ、さらには、高温下で分解ガスが発生して接続信頼性が悪化することを防止することができる。
上記炭素分は、誘導加熱燃焼赤外線吸収法によって測定できる。
本実施形態に係るダイボンド層は、銀粒子及び/又は銅粒子と、分散媒とが含まれる組成物を半導体素子搭載用支持部材、半導体素子及び接合板上に層状に形成し、加熱して得ることができる。
銀粒子は銀原子を含有する粒子であり、銀原子を90質量%以上含有する粒子が好ましい。銀粒子は、金属銀以外に、酸化銀等の銀酸化物、金や銅等の他の貴金属又はそれらの酸化物を含有していてもよい。本実施形態においては、卑金属が含まれると粒子表面に除去しにくい酸化被膜が生成して焼結を妨げることから、銀粒子における貴金属の割合が80原子%以上であることが好ましく、90原子%以上であることがより好ましく、95原子%以上であることがさらに好ましい。
銀粒子の形状としては、例えば、球状、塊状、針状、片状が挙げられる。銀粒子の一次粒子の体積平均粒径が0.01μm以上50μm以下であることが好ましく、0.05μm以上30μm以下であることがより好ましく、0.1μm以上10μm以下であることがさらに好ましい。
銀粒子は表面処理剤で処理されていてもかまわない。ただし、表面処理剤はダイボンド層の作製工程で除去され得るものが好ましい。このような表面処理剤としては、例えば、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、テレフタル酸、オレイン酸等の脂肪族カルボン酸、ピロメリット酸、o−フェノキシ安息香酸等の芳香族カルボン酸、セチルアルコール、ステアリルアルコール、イソボルニルシクロヘキサノール、テトラエチレングリコール等の脂肪族アルコール、p−フェニルフェノール等の芳香族アルコール、オクチルアミン、ドデシルアミン、ステアリルアミン等のアルキルアミン、ステアロニトリル、デカニトリル等の脂肪族ニトリル、アルキルアルコキシシラン等のシランカップリング剤、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、シリコーンオリゴマー等の高分子処理剤が挙げられる。
銅粒子は銅原子を含有する粒子であり、銅原子を90質量%以上含有する粒子が好ましい。銅粒子は、金属銅以外に、酸化銅(I)、酸化銅(II)等の銅酸化物、銀や金等の他の貴金属又はそれらの酸化物を含有していてもよい。また、銅粒子表面を銀でコートしたコア・シェル粒子でもよい。本実施形態においては、卑金属が含まれると粒子表面に除去しにくい酸化被膜が生成して焼結を妨げることから、銅粒子における貴金属の割合が80原子%以上であることが好ましく、90原子%以上であることがより好ましく、95原子%以上であることがさらに好ましい。
銅粒子の形状としては、例えば、球状、塊状、針状、片状が挙げられる。銅粒子の一次粒子の体積平均粒径が0.01μm以上50μm以下であることが好ましく、0.05μm以上30μm以下であることがより好ましく、0.1μm以上10μm以下であることがさらに好ましい。
銅粒子は表面処理剤で処理されていてもかまわない。ただし、表面処理剤はダイボンド層の作製工程で除去され得るものが好ましい。このような表面処理剤としては、例えば、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、テレフタル酸、オレイン酸等の脂肪族カルボン酸、ピロメリット酸、o−フェノキシ安息香酸等の芳香族カルボン酸、セチルアルコール、ステアリルアルコール、イソボルニルシクロヘキサノール、テトラエチレングリコール等の脂肪族アルコール、p−フェニルフェノール等の芳香族アルコール、オクチルアミン、ドデシルアミン、ステアリルアミン等のアルキルアミン、ステアロニトリル、デカニトリル等の脂肪族ニトリル、アルキルアルコキシシラン等のシランカップリング剤、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、シリコーンオリゴマー等の高分子処理剤が挙げられる。
分散媒としては、揮発性のものが好ましく、例えば、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、α−テルピネオール、ボルニルシクロヘキサノール(MTPH)等の一価及び多価アルコール類、エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールイソブチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、エチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート(DPMA)、乳酸エチル、乳酸ブチル、γ−ブチロラクトン、炭酸プロピレン等のエステル類、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等の酸アミド、シクロヘキサノン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素、炭素数1〜18のアルキル基を有するメルカプタン類、炭素数5〜7のシクロアルキル基を有するメルカプタン類が挙げられる。炭素数1〜18のアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、エチルメルカプタン、n−プロピルメルカプタン、i−プロピルメルカプタン、n−ブチルメルカプタン、i−ブチルメルカプタン、t−ブチルメルカプタン、ペンチルメルカプタン、ヘキシルメルカプタン及びドデシルメルカプタンが挙げられる。炭素数5〜7のシクロアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、シクロペンチルメルカプタン、シクロヘキシルメルカプタン及びシクロヘプチルメルカプタンが挙げられる。分散媒の配合量は、銀粒子及び/又は銅粒子100質量部に対し、5〜50質量部であることが好ましい。
非金属と接着させる場合には、上記組成物は、接着助剤としてガラス成分を含有してもよい。ガラス成分を含有させる場合には、熱圧着時に十分に溶融・流動させる観点から、350℃以下の軟化点を有する低融点ガラスが好ましい。本実施形態においては上記組成物に低融点ガラス粒子を配合することができる。
低融点ガラス粒子としては、主要成分として10〜60質量%のAg2O(酸化銀(I))と、5〜65質量%のV2O5(五酸化二バナジウム)と、15〜50質量%のTeO2(二酸化テルル)とを含有し、Ag2OとV2O5とTeO2との合計含有量が75質量%以上である無鉛ガラス組成物が好ましい。低融点ガラス粒子は、さらに、P2O5(五酸化二燐)、BaO(酸化バリウム)、K2O(酸化カリウム)、WO3(三酸化タングステン)、MoO3(三酸化モリブデン)、Fe2O3(酸化鉄(III))、MnO2(二酸化マンガン)、Sb2O3(三酸化アンチモン)及びZnO(酸化亜鉛)のうち1種以上を含んでいてもよい。
低融点ガラス粒子の一次粒子の体積平均粒径は、0.01μm以上50μm以下であることが好ましく、0.05μm以上30μm以下であることがより好ましく、0.1μm以上10μm以下であることがさらに好ましい。
低融点ガラス粒子の配合量は、低融点ガラスの接着性発現の点から、組成物100質量部に対し、1質量部以上30質量部以下であることが好ましく、2質量部以上30質量部以下であることがより好ましい。低融点ガラス粒子の配合量を上記範囲内とすることにより、低融点ガラスによる接着性向上の効果が得られやすくなるとともに、熱伝導性の低下や体積抵抗率の上昇を抑制することができ、ダイボンド材としての特性を十分確保することができる。
また、低融点ガラス粒子の配合量は、上述したダイボンド層におけるバナジウムの含有量が原子換算で0.06〜13.6原子%となり、テルルの含有量が原子換算で0.12〜7.8原子%となるように設定することが好ましい。
上記組成物はペースト状であることが好ましい。ペースト状組成物は、塗布・成型性の観点から、25℃におけるCasson粘度が0.01Pa・s以上10Pa・s以下であることが好ましく、0.05Pa・s以上5Pa・s以下であることがより好ましい。
ペースト状組成物には、粒子の分散性や焼結性の向上及びペーストの粘度の調整の観点から、少量の添加剤を加えてもよい。
上記添加剤としては、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、テレフタル酸、オレイン酸、リノール酸等の脂肪族カルボン酸、亜リン酸ジフェニル、亜リン酸ジイソプロピル等の亜リン酸、ジヒドロキシナフトエ酸、ジヒドロキシ安息香酸等の脂肪族ヒドロキシカルボン酸、3−ヒドロキシ−2−メチル安息香酸等の芳香族ヒドロキシカルボン酸などを用いることができる。これらのうち、粒子の分散性や焼結性の向上及びペーストの粘度の調整の観点から、ステアリン酸が好ましい。
添加剤の配合量は、金属及びガラス粒子100質量部に対し、0.1〜5質量部であることが好ましい。
また、ペースト状組成物の粘度を調節するためであっても、有機物、特にバインダー樹脂を含まないことが好ましい。このような有機物やバインダー樹脂をダイボンド層中に含むと、ダイボンド層によるダイボンド時の接続性やダイボンド後の耐熱性に劣る傾向がある。
上記組成物を層状に成形させる手法としては、半導体素子搭載用支持部材の被着面上に粒子を層状に堆積させられる手法であればよく、このような手法として、スクリーン印刷、ステンシル印刷、ジェットプリンティング法、ディスペンサー、ジェットディスペンサ、カンマコータ、スリットコータ、ダイコータ、グラビアコータ、スリットコート、凹版印刷、ソフトリソグラフ、バーコート、アプリケータ、粒子堆積法、スプレーコータ、ディップコータ、電着塗装を用いることができる。特にスクリーン印刷、ステンシル印刷、ディスペンサー、ジェットディスペンサ、凹版印刷による印刷手法を用いた場合、ダイボンド層を必要な範囲に限定できるので好ましい。
半導体素子搭載用支持部材の被着面上に成形された層状のペースト状組成物は、硬化時の流動及びボイド発生を抑制する観点から適宜乾燥させることができる。
上記の乾燥方法は、常温放置による乾燥、加熱乾燥又は減圧乾燥を用いることができる。加熱乾燥又は減圧乾燥には、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉、熱板プレス装置等を用いることができる。乾燥の温度及び時間は、使用した分散媒の種類及び量に合わせて適宜調整することが好ましく、例えば、50〜180℃で1〜120分間乾燥させることが好ましい。
次に、半導体素子搭載用支持部材上に成形されたペースト状組成物に対して、加熱処理して焼結を行う。焼結は加熱処理で行ってもよいし、加熱加圧処理で行ってもよい。加熱処理には、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉等を用いることができる。また、加熱加圧処理には、熱板プレス装置、加熱ロールプレス等を用いてもよいし、重りを乗せて加圧しながら上述の加熱処理を行ってもよい。
上記の焼結の温度及び時間は、銀及び/又は銅粒子が焼結できる温度及び時間であればよく、例えば、200〜300℃で5分〜2時間加熱することが好ましい。
銅粒子の焼結には表面酸化膜の除去の観点から、還元雰囲気で焼結してもよい。また、半導体素子搭載用支持部材、半導体素子又は接合板の被着面が銅あるいはニッケルの場合には、酸化被膜を除去しダイボンド層と被着面との接着をするため還元雰囲気で焼結してもよい。還元雰囲気としては、水素雰囲気、ギ酸を含む窒素雰囲気、原子状水素雰囲気が挙げられる。
こうして作製されたダイボンド層は、被着体の金属表面から酸化被膜を除去する目的で還元剤を含浸させてもよい。還元剤としては、フロログルシノール、レゾール等のフェノール化合物、亜リン酸ジイソプロピル、亜リン酸ジフェニル等の亜リン酸、ギ酸、ギ酸エチル等のギ酸化合物、ジヒドロキシナフトエ酸、ジヒドロキシ安息香酸等の脂肪族ヒドロキシカルボン酸、3−ヒドロキシ−2−メチル安息香酸等の芳香族ヒドロキシカルボン酸カルボン酸、グルコース、ショ糖等の糖類、ジグリセリン、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール等のポリオール類、塩化錫(II)等の錫(II)化合物、シュウ酸、グリオキシル酸が挙げられる。
ダイボンド層の空孔率は、ダイボンド層作製時の圧力によって、調整することができる。圧力条件としては、0〜5MPaであることが好ましい。ダイボンド層作製時の圧力が上記範囲内であれば、ダイボンド層に含まれる空孔率が15体積%以上となり、ダイボンド層が変形することで被着体に対して十分に高い接着力を発現させることができる。一方、上記上限より高圧であると、空孔率が15体積%を下回り、圧着時にダイボンド層が変形し難くなり、接合面とダイボンド層との間に空隙ができてしまう傾向がある。このような空隙は、局所的な熱抵抗の増加、接着力の低下及び熱応力による破壊の起点となり、接続信頼性を低下させるため好ましくない。
ダイボンド層における炭素分は、ペースト状組成物に配合する成分及び焼結条件を適宜選択することにより調節できる。具体的には、ペースト状組成物にバインダー樹脂を含有させないことが好ましい。また、ペースト状組成物に配合する分散媒は揮発性のものが好ましい。揮発性の分散媒を用いてペースト状組成物の粘度を上記好ましい範囲に調節する方法としては、例えば、粒子濃度の調整、粒子形状、特にアスペクト比と粒径との調整、イソボルニルシクロヘキサノールのような高粘度分散媒の使用が挙げられる。
また、ダイボンド層における炭素分を低くする観点から、銀粒子及び/又は銅粒子の表面処理剤が、揮発性又は熱分解性であることが好ましい。
上記のペースト状組成物を用い、例えば、200〜300℃で30分〜2時間焼結を行うことで、ダイボンド層に含まれる炭素分を1.5質量%以下に調節できる。
ダイボンド層の厚みは、被着体である半導体素子、半導体素子搭載用支持部材の表面粗さ及び接合後の接続信頼性に応じて適宜設定することができる。本発明のダイボンド層は熱圧着により、ダイボンド層内の空孔が潰れることでダイボンド層と被着体表面とが密着し、金属結合を形成する。そのため、ダイボンド層の厚みは、ダイボンド層が圧縮変形して、半導体素子及び半導体素子搭載用支持部材の表面凹凸を吸収して密着できる厚みが必要であり、10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。また、半導体素子がダイボンド層中に埋まりこむことは好ましくないことから、半導体素子の厚みよりダイボンド層が薄いほうが好ましい。一般的には、この厚みは600μm以下である。
図1に示される半導体装置100は、上述したダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材4と、ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材4のダイボンド層1に被着面が面するように配置された半導体素子3とを、加熱加圧することにより得られる。
加熱加圧は熱圧着装置により行うことができる。熱圧着装置としては、熱板プレス装置、加熱ロールプレス等を用いてもよいし、重りを乗せて加圧しながら加熱処理を行ってもよい。
熱圧着時の温度は、接着力を十分に得る観点から、220℃以上であることが好ましく、250℃以上であることがより好ましい。熱圧着温度の上限は、デバイスの耐熱温度によって設定され、400℃以下とすることができ、350℃以下とすることができる。
熱圧着時の圧力は、接着性発現の観点から1MPa以上であることが好ましく、5MPa以上であることがより好ましく、7MPa以上が更に好ましく、10MPa以上が特に好ましい。加圧しない場合にはダイボンド層の変形によるダイボンド層と被着体との密着性が得られにくくなり、十分な接着力が得られない傾向にある。一方、熱圧着圧力の上限値は、半導体素子搭載用支持部材及び半導体素子の破損を防止する観点から、35MPa以下であることが好ましく、20MPa以下であることがより好ましい。
また、熱圧着後の接合体のダイシェア強度は20MPa以上であることが好ましい。特に、半導体素子及び銀めっきが設けられた基板とのダイシェア強度は20MPa以上であることが好ましい。
また、熱圧着後の接合体のダイシェア強度は20MPa以上であることが好ましい。特に、半導体素子及び銀めっきが設けられた基板とのダイシェア強度は20MPa以上であることが好ましい。
熱圧着時の雰囲気は、被着面が非酸化性の材質である被着体と、ダイボンド層が銀を含むものとの組み合わせであれば、空気中又は不活性ガス中で実施することが好ましい。不活性ガスとしては、酸素を含まない窒素又は希ガスが好ましい。
一方、被着面に酸化被膜が存在し比較的還元されやすい金属を有する被着体と、ダイボンド層が銅を含むものとの組み合わせであれば、還元雰囲気で酸化被膜を除去しながら熱圧着を実施することができる。このような還元雰囲気としては、水素雰囲気又はギ酸を含む窒素雰囲気が挙げられる。この際、ホットワイヤ法、RFプラズマ法又は表面波プラズマ法を用いて水素ガスを活性化して用いてもよい。また、還元雰囲気の替わりに還元剤をダイボンド層に含浸させておき、不活性ガス中で熱圧着を行ってもよい。
熱圧着時の半導体素子搭載用支持部材、半導体素子及び接合板へのダメージを減らす目的、又は圧力や温度の均一性を増す目的で、積層した半導体素子搭載用支持部材、半導体素子又は接合板と熱板との間に保護シートを配してもよい。保護シートは熱圧着時の温度に耐え、接触する被着体よりやわらかい材質のものであればよい。このような材質としては、例えば、ポリイミド、フッ化樹脂、アルミニウム、銅、カーボンがある。
熱圧着後におけるダイボンド層の空孔率は、材質が銀の場合には、10体積%以下とすることが好ましく、8体積%以下とすることがより好ましく、5体積%以下とすることが更に好ましい。一方、材質が銅の場合には、15体積%以下とすることが好ましく、10体積%以下とすることがより好ましく、6体積%以下とすることが更に好ましい。銅は銀より高弾性率であるため、銀のダイボンドシートよりも大きい空孔率でも同等又はそれ以上の強度を得ることができる。半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との間にダイボンド層を介在させ、このような空孔率となるように熱圧着することで、ダイボンド層が圧着時に空孔が変形することで被着体に追随し、充分に高い接着力を発現させることができるとともに、ダイボンド層の機械強度を十分確保することができ、熱衝撃やパワーサイクルによる熱応力に対する信頼性を確保することができる。
熱圧着後におけるダイボンド層の空孔率は、断面のSEM像から空孔部と緻密部の面積比から算出するという方法により、測定することができる。例えば、以下のような方法で測定することができる。圧着したサンプルをエポキシ注形樹脂でサンプル全体が埋まるように注ぎ、硬化する。注形したサンプルの観察したい断面付近で切断し、研磨で断面を削り、CP(クロスセクションポリッシャ)加工機で断面加工を行う。SEM装置(例えばTM−1000、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)により断面観察し断面画像を得る。断面に含まれる空孔の割合は、画像を印刷して切り抜き法で重量比として算出する方法、画像処理ソフトにより、空孔部を選択しドット数を計測し、断面部とのドット数の比から求める方法、又は、断面部の画像に対して閾値を調整し、空孔部と緻密部を白/黒二値化し、断面部に占める空孔部の面積比から空孔率を算出する方法などにより、得ることができる。画像処理ソフトとしては、Adobe Photoshop シリーズ(アドビシステムズ株式会社製)、ペイントツールSAIシリーズ(株式会社SYSTEMAX)、GIMP(the GIMP development team.製)、Corel PrintShop Proシリーズ(コーレル・コーポレーション製)、ImageJ(アメリカ国立衛生研究所製)などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
更に熱圧着時の条件としては、熱圧着前におけるダイボンド層の空孔率をV1体積%及び熱圧着後におけるダイボンド層の空孔率をV2体積%としたときに、V2/V1が0.37以下となる条件が好ましく、0.31以下となる条件がより好ましく、0.19以下となる条件が更に好ましい。このような条件で熱圧着することにより、ダイボンド層が圧着時に空孔が変形することで被着体に追随し、充分に高い接着力を発現させることができるとともに、ダイボンド層の機械強度を十分確保することができ、熱衝撃やパワーサイクルによる熱応力に対する信頼性を確保することができる。
熱圧着後のダイボンド層の厚みは、熱圧着前と比較して、80%以下になることが好ましく、76%以下になることがより好ましく、64%以下になることが更に好ましい。熱圧着後のダイボンド層の厚みが上記範囲となるように接着することで、ダイボンド層が圧着時に空孔が変形することで被着体に追随し、充分に高い接着力を発現させることができるとともに、ダイボンド層の機械強度を十分確保することができ、熱衝撃やパワーサイクルによる熱応力に対する信頼性を確保することができる。
熱圧着後の空孔率及び/又は厚みは、熱圧着時の圧力により調整することができる。このような圧力は、上述した熱圧着時の圧力の範囲内で、当業者が適宜設定することができる。
本発明に係る半導体装置は、上述の被着面にダイボンド層が設けられたダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材を用いる方法以外の方法によっても製造することができる。例えば、被着面にダイボンド層が設けられたダイボンド層付き半導体素子、板状金属板の両面にダイボンド層が設けられたダイボンド層付き接合板を用いることができる。
図2は、本実施形態のダイボンド層付き半導体素子を半導体素子搭載用支持部材に接合して半導体装置を製造する方法を示す模式図であり、図2に示される半導体装置102(接合前の状態を示す)は、半導体素子搭載用支持部材2の被着面に、ダイボンド層付き半導体素子5をダイボンド層が介在するように配置し、これらを加熱加圧することにより得られる。
半導体素子にダイボンド層を設ける方法としては、上述した本実施形態に係るダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材と同様の方法で行うことができる。また、ダイボンド層の厚みも同様に設定することができる。
また、半導体素子上にダイボンド層を付与する場合、ダイシング前のウエハの段階でダイボンド層を成形した後、ダイシングして切り分けてもよい。
図3は、板状金属板の両面にダイボンド層を設けた本実施形態のダイボンド層付き接合板を用い、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子とを接合して半導体装置を製造する方法を示す模式図であり、図3に示される半導体装置104(接合前の状態を示す)は、半導体素子搭載用支持部材2と、接合板(例えば、板状金属板)6の両面に本実施形態に係るダイボンド層1a、1bが設けられたダイボンド層付き接合板7と、半導体素子3とを、ダイボンド層1bが半導体素子搭載用支持部材2の被着面と接合板6との間に介在し、ダイボンド層1aが半導体素子3の被着面と接合板6との間に介在するように設置し、これらを加熱圧着することで得られる。
板状金属板の両面にダイボンド層を設ける方法としては、上述した本実施形態に係るダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材と同様の方法で行うことができる。また、ダイボンド層の厚みも同様に設定することができる。
本実施形態に係るダイボンド層付き接合板は、板状金属板の両面にダイボンド層が予め設けられており、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との接合の仲立ちをする部材を意味する。
板状金属板は、単純に導電、接合の仲立ちをするものであれば制限されないが、例えば、銀板、銅板、42アロイ、シリコン基板を用いることができる。また、板状金属板が低弾性率の材料である場合、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との間の熱膨張率差により生じる応力を緩和し、信頼性の向上させることができる。このような板状金属板用の材料としては、アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、鉛、金が挙げられる。また、板状金属板の被着面にはダイボンド層との接着性向上の目的から他の金属薄層を有していてもよい。例えば、スパッタで形成されたTi/Au、Ti/Ni/Auなどが挙げられる。
本実施形態に係るダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材、ダイボンド層付き半導体素子及びダイボンド層付き接合板は、その被着面上にダイボンド層があらかじめ成形されている。ダイボンド層が銀及び/又は銅の多孔質体で、その被着面への接合に金属結合が用いられる場合には、ダイボンド層と接する被着面の材質は金、白金、パラジウム、銀、銅、ニッケルであることが好ましい。
ダイボンド層の銀又は銅の多孔質体に低融点ガラス成分を含む場合には、ダイボンド層と接する被着面の材質は上記金属表面に加えガラス、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜(SiON)、アルミニウムを用いることが出来る。
図4は、本実施形態のダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材に複数の半導体素子を接合して半導体装置を製造する方法を示す模式図であり、図4の半導体装置106(接合前の状態を示す)は、ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材4のダイボンド層1に被着面が面するように複数の半導体素子3a、3bを配置し、これらを加熱圧着させて得られる。
図5は、本実施形態のダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材と、本実施形態のダイボンド層付き半導体素子とを接合して半導体装置を製造する方法を示す模式図である。図5の半導体装置108(接合前の状態を示す)は、ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材4とダイボンド層付き半導体素子5とをダイボンド層を相対するように配置して、加熱圧着させて得られる。半導体装置108においては、ダイボンド層の厚みを増やすことや、平滑ではない被着面への追随性を向上させることができる。
図6は、本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す模式断面図である。図6に示す半導体装置110は、リードフレーム8a上に、本実施形態のダイボンド層1を介して接続された半導体素子3と、これらをモールドするモールドレジン10とからなる。半導体素子3は、ワイヤ9を介してリードフレーム8bに接続されている。なお、図6に示すダイボンド層1は接合後のものであり、加熱加圧により変形、焼結が生じている。
本実施形態に係るダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材、ダイボンド層付き半導体素子及びダイボンド層付き接合板を用いて得られる半導体装置は、ダイオード、整流器、サイリスタ、MOSゲートドライバ、パワースイッチ、パワーMOSFET、IGBT、ショットキーダイオード、ファーストリカバリダイオード等からなるパワーモジュール、発信機、増幅器、LEDモジュール等に用いることができる。得られるパワーモジュール、発信機、増幅器、LEDモジュールは、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との間に高接着性を有することができる。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
<ペースト状組成物の調製>
ペースト状組成物1〜6は、下記の調製例1〜6に従い調製した。なお、表1及び2には、各成分の配合量を質量部で示す。
ペースト状組成物1〜6は、下記の調製例1〜6に従い調製した。なお、表1及び2には、各成分の配合量を質量部で示す。
表1及び2中の各成分の記号は下記のものを意味する。
AgC239:銀粒子(福田金属箔粉工業社製、製品名「AgC239」、体積平均粒径3.0μm)。
K−0082P:銀粒子(METALOR社製、製品名「K−0082P」、体積平均粒径1.6μm)。
Cu−HWQ:銅粒子(福田金属箔粉工業社製、製品名「Cu−HWQ」、体積平均粒径1.5μm)。
ナノテックCUO:酸化銅粒子(CIKナノテック社製、製品名「ナノテックCUO」、体積平均粒径70μm)。
CH−002:球状銅粒子(三井金属社製、製品名「CH−002」、体積平均粒径0.3μm)
3L3:(福田金属箔粉工業社製、製品名「3L3」、体積平均粒径10μmフレーク状)
ステアリン酸:(新日本理化社製、製品名「ステアリン酸」)。
VP−1300:低融点ガラス粒子(日立化成社製、製品名「バニーテクトIII VP−1300」、体積平均粒径1μm)。
SYC−33:低融点ガラス粒子(日立化成社製、製品名「バニーテクトIII SYC−33」、体積平均粒径10μm)。
MTPH:(日本テルペン工業社製、製品名「ボルニルシクロヘキサノール」)。
DPMA:(ダイセル化学社製、製品名「ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート」)。
炭酸ポリプロピレン:(和光純薬工業社製、製品名「4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン)。
テルピネオール:(和光純薬工業社製、製品名「α−テルピネオール」)。
AgC239:銀粒子(福田金属箔粉工業社製、製品名「AgC239」、体積平均粒径3.0μm)。
K−0082P:銀粒子(METALOR社製、製品名「K−0082P」、体積平均粒径1.6μm)。
Cu−HWQ:銅粒子(福田金属箔粉工業社製、製品名「Cu−HWQ」、体積平均粒径1.5μm)。
ナノテックCUO:酸化銅粒子(CIKナノテック社製、製品名「ナノテックCUO」、体積平均粒径70μm)。
CH−002:球状銅粒子(三井金属社製、製品名「CH−002」、体積平均粒径0.3μm)
3L3:(福田金属箔粉工業社製、製品名「3L3」、体積平均粒径10μmフレーク状)
ステアリン酸:(新日本理化社製、製品名「ステアリン酸」)。
VP−1300:低融点ガラス粒子(日立化成社製、製品名「バニーテクトIII VP−1300」、体積平均粒径1μm)。
SYC−33:低融点ガラス粒子(日立化成社製、製品名「バニーテクトIII SYC−33」、体積平均粒径10μm)。
MTPH:(日本テルペン工業社製、製品名「ボルニルシクロヘキサノール」)。
DPMA:(ダイセル化学社製、製品名「ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート」)。
炭酸ポリプロピレン:(和光純薬工業社製、製品名「4−メチル−1,3−ジオキソラン−2−オン)。
テルピネオール:(和光純薬工業社製、製品名「α−テルピネオール」)。
(調製例1)
分散媒としてボルニルシクロヘキサノール(MTPH、日本テルペン社製)6.83g及びジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート(DPMA、ダイセル化学社製)6.83gと、添加剤としてステアリン酸(新日本理化社製)1.35gとをポリ瓶に混合し、密栓し、50℃の水浴で暖め、時々振り混ぜながら透明均一な溶液とした。この溶液に銀粒子としてAgC239を135g添加し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。さらに、密栓をして自転公転型攪拌装置(Planetry Vacuum Mixer ARV−310、シンキー社製)を用いて、2000rpmで1分間撹拌してペースト状組成物1を得た。
分散媒としてボルニルシクロヘキサノール(MTPH、日本テルペン社製)6.83g及びジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート(DPMA、ダイセル化学社製)6.83gと、添加剤としてステアリン酸(新日本理化社製)1.35gとをポリ瓶に混合し、密栓し、50℃の水浴で暖め、時々振り混ぜながら透明均一な溶液とした。この溶液に銀粒子としてAgC239を135g添加し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。さらに、密栓をして自転公転型攪拌装置(Planetry Vacuum Mixer ARV−310、シンキー社製)を用いて、2000rpmで1分間撹拌してペースト状組成物1を得た。
(調製例2)
分散媒として炭酸プロピレン3.2gと、銅粒子としてCu−HWQ(福田金属箔粉工業社製))14.28g及び酸化銅粒子としてナノテックCUO(CIKナノテック社製)2.52gをポリ瓶に加え、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。その後は、調製例1と同様の方法でペースト状組成物2を得た。
分散媒として炭酸プロピレン3.2gと、銅粒子としてCu−HWQ(福田金属箔粉工業社製))14.28g及び酸化銅粒子としてナノテックCUO(CIKナノテック社製)2.52gをポリ瓶に加え、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。その後は、調製例1と同様の方法でペースト状組成物2を得た。
(調製例3)
分散媒としてテルピネオール(和光純薬工業製)1.37gと、添加剤としてステアリン酸(新日本理化社製)0.14gとをポリ瓶に混合、密栓し50℃の水浴で暖め、時々振り混ぜながら透明均一な溶液とした。この溶液に低融点ガラス粒子であるバニーテクトIII VP−1300(日立化成社製)2.7g及び2種類の銀粒子であるAgC239(福田金属箔工業社製)6.75g及びK−0082P(METALOR社製)4.05gを添加し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。その後は、調製例1と同様の方法でペースト状組成物3を得た。
分散媒としてテルピネオール(和光純薬工業製)1.37gと、添加剤としてステアリン酸(新日本理化社製)0.14gとをポリ瓶に混合、密栓し50℃の水浴で暖め、時々振り混ぜながら透明均一な溶液とした。この溶液に低融点ガラス粒子であるバニーテクトIII VP−1300(日立化成社製)2.7g及び2種類の銀粒子であるAgC239(福田金属箔工業社製)6.75g及びK−0082P(METALOR社製)4.05gを添加し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。その後は、調製例1と同様の方法でペースト状組成物3を得た。
(調製例4)
分散媒としてテルピネオール(和光純薬工業製)10gと、銅粒子であるCH−002(平均粒径0.3μm、三井金属社製)90gとをポリ瓶に混合し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。その後は、調製例1と同様の方法でペースト状組成物4を得た。
分散媒としてテルピネオール(和光純薬工業製)10gと、銅粒子であるCH−002(平均粒径0.3μm、三井金属社製)90gとをポリ瓶に混合し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。その後は、調製例1と同様の方法でペースト状組成物4を得た。
(調製例5)
分散媒としてテルピネオール4gと、銅粒子である3L3(フレーク、福田金属箔粉工業製)18gとをポリ瓶に混合し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。さらに、このポリ瓶に密栓をして自転公転型攪拌装置を用いて、減圧2kPa下、2000rpmで1分間撹拌してペースト状組成物5を得た。
分散媒としてテルピネオール4gと、銅粒子である3L3(フレーク、福田金属箔粉工業製)18gとをポリ瓶に混合し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。さらに、このポリ瓶に密栓をして自転公転型攪拌装置を用いて、減圧2kPa下、2000rpmで1分間撹拌してペースト状組成物5を得た。
(調製例6)
分散媒としてテルピネオール1.6gと、低融点ガラス粒子であるバニーテクトIII SYC―33(日立化成社製)5.5g及び銀粒子であるAgC239(福田金属箔工業社製)12.7gを混合し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。さらに、このポリ瓶に密栓をして自転公転型攪拌装置を用いて、減圧2kPa下、2000rpmで2分間撹拌してペースト状組成物6を得た。
分散媒としてテルピネオール1.6gと、低融点ガラス粒子であるバニーテクトIII SYC―33(日立化成社製)5.5g及び銀粒子であるAgC239(福田金属箔工業社製)12.7gを混合し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。さらに、このポリ瓶に密栓をして自転公転型攪拌装置を用いて、減圧2kPa下、2000rpmで2分間撹拌してペースト状組成物6を得た。
(実施例1)
(ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材の作製)
ペースト状組成物1をSUS板に10×10mm2の正方形に開口したマスクを用いて、銀めっき銅板(半導体素子搭載用支持部材)上にメタルスキージを用いて印刷した。このペースト状組成物1を印刷した基板をホットプレート上で、110℃で10分間乾燥後、200℃で1時間焼結して、図7に示すようなダイボンド層付き銀めっき銅板12を得た。ダイボンド層の膜厚をデジタルリニアゲージ(DG−525H、小野測器社製)を用いて測定した結果、60μmであった。
(ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材の作製)
ペースト状組成物1をSUS板に10×10mm2の正方形に開口したマスクを用いて、銀めっき銅板(半導体素子搭載用支持部材)上にメタルスキージを用いて印刷した。このペースト状組成物1を印刷した基板をホットプレート上で、110℃で10分間乾燥後、200℃で1時間焼結して、図7に示すようなダイボンド層付き銀めっき銅板12を得た。ダイボンド層の膜厚をデジタルリニアゲージ(DG−525H、小野測器社製)を用いて測定した結果、60μmであった。
得られたダイボンド層付き銀めっき銅板の各特性の測定は、次のようにして実施した。
[断面モルフォロジー観察]
ダイボンド層付き銀めっき銅板のダイボンド層上に被着面(Au)をダイボンド層に接するようにチタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされた8.9×8.9mm2のSiチップを配置し、その上に10×10mm2の膨張黒鉛板を置いた状態で雰囲気制御加熱圧着装置(RF−100B、アユミ工業製)を用いて、空気中10MPa、300℃、10分間処理して接合サンプル1を得た。
ダイボンド層付き銀めっき銅板のダイボンド層上に被着面(Au)をダイボンド層に接するようにチタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされた8.9×8.9mm2のSiチップを配置し、その上に10×10mm2の膨張黒鉛板を置いた状態で雰囲気制御加熱圧着装置(RF−100B、アユミ工業製)を用いて、空気中10MPa、300℃、10分間処理して接合サンプル1を得た。
接合サンプル1をカップ内にサンプルクリップ(Samplklip I、Buehler社製)で固定し、周囲にエポキシ注形樹脂(エポマウント、リファインテック社製)をサンプル全体が埋まるまで流し込み、真空デシケータ内に静置し、1分間減圧して脱泡した。その後、室温(25℃)下10時間放置後、60℃の恒温機で2時間エポキシ注形樹脂を硬化した。ダイヤモンド切断ホイール(11−304、リファインテック社製)をつけたリファインソー・ロー(リファインテック社製)を用い、注形したサンプルの観察したい断面付近で切断した。耐水研磨紙(カーボマックペーパー、リファインテック社製)をつけた研磨装置(Refine Polisher Hv、リファインテック社製)で断面を削りシリコンチップにクラックの無い断面を出した。その後、バフ研磨剤を染ませたバフ研磨布をセットした研磨装置で断面を平滑に仕上げた。断面をイオンミリング装置(IM4000、日立製作所製)でイオンビーム照射角度30°、偏心率2mm、加速電圧6kV、アルゴンガス流量0.07〜0.1cm3/min処理時間5分の条件でフラットミリングを行い、断面にスパッタ装置(ION SPUTTER、日立ハイテク社製)を用いて白金を10nmの厚みでスパッタしてSEM用のサンプルとした。このSEM用サンプルをSEM装置(ESEM XL30、Philips製)により、ダイボンド層の断面を印加電圧10kV、各種倍率で観察した。
上記方法に従い、加工断面を観察した。ダイボンド層付き銀めっき銅板12を用いた接合サンプル1の断面モルフォロジーを100倍で観察した結果、図8のSEM像が得られ、1000倍で観察した結果、図9のSEM像が得られた。Siチップ(被着面Au)13及びダイボンド層11界面は隙間なく良好に接合され、またダイボンド層11及びダイボンド層付き銀めっき銅板(被着面Ag)12の界面も隙間無く良好に接合されていた。
[ダイシェア強度の測定]
ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材及び半導体素子の接着強度は、ダイシェア強度により評価した。ダイボンド層付き銀めっき銅板のダイボンド層上に、被着面(Au)がダイボンド層に接するようにチタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされた2×2mm2のチタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされたSiチップを16枚並べて置き、その上に10×10mm2の膨張黒鉛板を置いた状態で雰囲気制御加熱圧着装置(RF−100B、アユミ工業製)を用いて、空気中10MPa、300℃、10分間処理して接合した。接合体を、DS−100ロードセルを装着した万能型ボンドテスタ(4000シリーズ、DAGE社製)を用い、測定スピード5mm/min、測定高さ50μmでSiチップを水平方向に押し、ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材のダイシェア強度を測定した。15枚のシリコンチップの測定した値の平均値をダイシェア強度とした。
ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材及び半導体素子の接着強度は、ダイシェア強度により評価した。ダイボンド層付き銀めっき銅板のダイボンド層上に、被着面(Au)がダイボンド層に接するようにチタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされた2×2mm2のチタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされたSiチップを16枚並べて置き、その上に10×10mm2の膨張黒鉛板を置いた状態で雰囲気制御加熱圧着装置(RF−100B、アユミ工業製)を用いて、空気中10MPa、300℃、10分間処理して接合した。接合体を、DS−100ロードセルを装着した万能型ボンドテスタ(4000シリーズ、DAGE社製)を用い、測定スピード5mm/min、測定高さ50μmでSiチップを水平方向に押し、ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材のダイシェア強度を測定した。15枚のシリコンチップの測定した値の平均値をダイシェア強度とした。
上記方法に従ってダイシェア強度を測定した結果、実施例1のダイボンド層付き銀めっき銅板はダイシェア強度の測定限界である50MPaで破壊されず、十分な接着強度を有していた。
[炭素分測定]
ダイボンド層中に含まれる有機物量を評価するために、炭素分を誘導加熱燃焼赤外線吸収法にて測定した。なお、ダイボンド層は、ダイボンド層付き銀めっき銅板からカッターナイフで削ぎ落とし、測定に用いた。炭素分が検出限界(10ppm)以下のときには、表中「−」で示す。
ダイボンド層中に含まれる有機物量を評価するために、炭素分を誘導加熱燃焼赤外線吸収法にて測定した。なお、ダイボンド層は、ダイボンド層付き銀めっき銅板からカッターナイフで削ぎ落とし、測定に用いた。炭素分が検出限界(10ppm)以下のときには、表中「−」で示す。
[含有元素分析]
ダイボンド層に含まれる元素比率を以下の発光分析により定量した。ダイボンド層は、ダイボンド層付き銀めっき銅板からカッターナイフで削ぎ落とした。まず、ふた付きのポリ容器にダイボンド層約0.1gを小数点以下4桁まで秤量した。ここに、硝酸(AA−100、多摩化学社製)4mL、過酸化水素(原子吸光測定用、和光純薬製)3mLを添加し、30分間超音波処理をしてダイボンド層を溶解した。残渣や浮遊物が無いことを確認した後、100mLのメスフラスコに移し、ふた付きのポリ容器を共洗いしながら純水を添加し、100mLに希釈した。必要に応じてさらに適宜希釈し、測定溶液とした。測定溶液を誘導結合プラズマ発光分光分析装置(SPS5100、日立ハイテクサイエンス社製)により測定することで、含有元素とその割合を得た。測定は以下の条件で行った。プラズマ出力:1.2kW、測定波長:V:292.401nm、Te:214.282nm、W:207.912nm、Ag:328.068nm。
ダイボンド層に含まれる元素比率を以下の発光分析により定量した。ダイボンド層は、ダイボンド層付き銀めっき銅板からカッターナイフで削ぎ落とした。まず、ふた付きのポリ容器にダイボンド層約0.1gを小数点以下4桁まで秤量した。ここに、硝酸(AA−100、多摩化学社製)4mL、過酸化水素(原子吸光測定用、和光純薬製)3mLを添加し、30分間超音波処理をしてダイボンド層を溶解した。残渣や浮遊物が無いことを確認した後、100mLのメスフラスコに移し、ふた付きのポリ容器を共洗いしながら純水を添加し、100mLに希釈した。必要に応じてさらに適宜希釈し、測定溶液とした。測定溶液を誘導結合プラズマ発光分光分析装置(SPS5100、日立ハイテクサイエンス社製)により測定することで、含有元素とその割合を得た。測定は以下の条件で行った。プラズマ出力:1.2kW、測定波長:V:292.401nm、Te:214.282nm、W:207.912nm、Ag:328.068nm。
[空孔率の測定]
空孔率の測定は、以下の方法で行った。ダイボンド層を長方形に切り出し、ダイボンド層の縦、横の長さを定規で、厚みを膜厚計(ID−C112C、グラナイトコンパレータスタンド、レリーズ、ミツトヨ社製)で測定して層の体積を計算した。切り出したダイボンド層の体積と、精密天秤で測定したダイボンド層の重量とからダイボンド層の見かけの密度M1(g/cm3)を求めた。求めたM1と、ダイボンド層を構成する材料の密度M2(g/cm3)とを用いて、下記式(4)から空孔率を求めた。
空孔率(体積%)=[1−(M1)/(M2)]×100 …(4)
空孔率の測定は、以下の方法で行った。ダイボンド層を長方形に切り出し、ダイボンド層の縦、横の長さを定規で、厚みを膜厚計(ID−C112C、グラナイトコンパレータスタンド、レリーズ、ミツトヨ社製)で測定して層の体積を計算した。切り出したダイボンド層の体積と、精密天秤で測定したダイボンド層の重量とからダイボンド層の見かけの密度M1(g/cm3)を求めた。求めたM1と、ダイボンド層を構成する材料の密度M2(g/cm3)とを用いて、下記式(4)から空孔率を求めた。
空孔率(体積%)=[1−(M1)/(M2)]×100 …(4)
銀からなるペースト状組成物を用いているダイボンド層は、上記式(4)のM2には、銀の密度10.5g/cm3を用いて空孔率(体積%)を求めた。銅からなるペースト状組成物を用いているダイボンド層は、上記式(4)のM2には、銅の密度8.96g/cm3を用いて空孔率(体積%)を求めた。
低融点ガラス(密度5.5g/cm3)を含むダイボンド層に関しては、下記式(5)を用いてダイボンド層を構成する材料の密度M2を算出し、式(4)のM2に代入することで、空孔率を求めた。
M2(g/cm3)=1/[{(B/100)/5.5}+{(1−B/100)/10.5}] …(5)
[B:低融点ガラスの含有量(質量%)]
M2(g/cm3)=1/[{(B/100)/5.5}+{(1−B/100)/10.5}] …(5)
[B:低融点ガラスの含有量(質量%)]
熱圧着後におけるダイボンド層の空孔率の測定は、以下の方法で行った。接合サンプルを[断面モルフォロジー観察]に記載の方法に従って、熱圧着後のダイボンド層の5000倍の断面像データを得た。ImageJを起動し、断面像データを開き、熱圧着後におけるダイボンド層のみをドラッグして選択し、Image→Cropを選択し画像を切り出した。切り出した熱圧着後におけるダイボンド層のデータにおいて、Analyze→Measureを押し、画像全体の面積(A1)を計測した。次に、Image→Adjust→Thresholdの順で選択し、空孔部のみが選択されるようにパラメータを調整して二値化処理を行なった。Edit→Selection→Create Selectionを押し、空孔部が選択されていることを確認し、Analyze→Measureを押して空孔部の面積(A2)を計測した。熱圧着後の空孔率は、下記式(6)から求めた。
熱圧着後の空孔率(体積%)={(A2)/(A1)}×100 …(6)
熱圧着後の空孔率(体積%)={(A2)/(A1)}×100 …(6)
(実施例2)
(ダイボンド層付き半導体素子の作製)
2×2mm2のチタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされたSiチップ25枚を被着面(Au)が上になるように隙間無く粘着フィルム上に貼り付けた。その後、粘着フィルム上に貼り付けたSiチップの被着面全面に、ペースト状組成物1を付けたスパチュラでペースト状組成物1を広げ、粘着フィルムとSi板でかさ上げし、ギャップを100μmにセットしたベーカーアプリケータを用いて余分なペースト組成物を除いた。Siチップを粘着フィルムから剥がし、ホットプレート上で、110℃で10分間乾燥後、200℃で1時間焼結してダイボンド層付きSiチップを作製した。
(ダイボンド層付き半導体素子の作製)
2×2mm2のチタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされたSiチップ25枚を被着面(Au)が上になるように隙間無く粘着フィルム上に貼り付けた。その後、粘着フィルム上に貼り付けたSiチップの被着面全面に、ペースト状組成物1を付けたスパチュラでペースト状組成物1を広げ、粘着フィルムとSi板でかさ上げし、ギャップを100μmにセットしたベーカーアプリケータを用いて余分なペースト組成物を除いた。Siチップを粘着フィルムから剥がし、ホットプレート上で、110℃で10分間乾燥後、200℃で1時間焼結してダイボンド層付きSiチップを作製した。
銀めっき銅板上にダイボンド層付きSiチップをダイボンド層が銀めっき銅板に接するように配置した以外は実施例1と同様に加熱圧着して接合サンプル2を得た。
接合サンプル2を用いたこと以外は、実施例1の[断面モルフォロジー観察]に記載した方法に従い、加工断面の観察を行った。接合サンプル2の断面モルフォロジーを50倍で観察した結果、図10のSEM像が得られた。ダイボンド層付きSiチップ(被着面Au)14とダイボンド層11界面とは隙間なく良好に接合され、またダイボンド層11と銀めっき銅板(被着面Ag)15界面とも隙間無く良好に接合されていた。
ダイボンド層付きSiチップのダイボンド層を、銀めっき銅板の被着面(Ag)に接するように配置し、その上に10×10mm2の膨張黒鉛板を置いた状態で雰囲気制御加熱圧着装置(RF−100B、アユミ工業社製)を用いて、空気中10MPa、300℃、10分間処理して接合し、この接合体を、[ダイシェア強度の測定]に記載した方法に従い、ダイシェア強度を測定した。その結果、実施例2のダイボンド層付きSiチップはダイシェア強度の測定限界である50MPaで破壊されず、十分な接着強度を有していた。
熱圧着前後のダイボンド層の空孔率は、実施例1の[空孔率の測定]と同様の方法により、測定した。
(実施例3)
(ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材の作製)
ペースト状組成物2を実施例1と同様にして、表面が銅のアルミナDCB基板上に印刷した。印刷済みアルミナDCB基板をギ酸リフロー装置「SR−300−2」(アユミ工業製)を用いて、ギ酸を含む窒素中(ギ酸含有量は30℃時における飽和量で10質量%)で、300℃で1時間焼結した後、窒素中に300℃で10分間静置し、その後窒素中で50℃以下に冷却してから空気中に取り出して、ダイボンド層付きアルミナDCB基板を得た。
(ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材の作製)
ペースト状組成物2を実施例1と同様にして、表面が銅のアルミナDCB基板上に印刷した。印刷済みアルミナDCB基板をギ酸リフロー装置「SR−300−2」(アユミ工業製)を用いて、ギ酸を含む窒素中(ギ酸含有量は30℃時における飽和量で10質量%)で、300℃で1時間焼結した後、窒素中に300℃で10分間静置し、その後窒素中で50℃以下に冷却してから空気中に取り出して、ダイボンド層付きアルミナDCB基板を得た。
このダイボンド層付きアルミナDCB基板を用いたこと以外は、実施例1の[ダイシェア強度の測定]と同様の方法でダイシェア強度を測定した。その結果、実施例3のダイボンド層付きアルミナDCB基板のダイシェア強度は25MPaであり、十分な接着強度を示した。
熱圧着前後のダイボンド層の空孔率は、実施例1の[空孔率の測定]と同様の方法により、測定した。
(実施例4)
(ダイボンド層付き接合板の作製)
ペースト状組成物3を厚さ150μmのアルミニウム板の片面にギャップを25μmにセットしたベーカーアプリケータを用いて塗布した。ペースト状組成物3を塗布したアルミニウム板をホットプレート上で、110℃で10分間乾燥後、300℃で60分間焼結した。室温に戻したアルミニウム板のペースト状組成物3を塗布していない面に、ペースト状組成物3を、ギャップを25μmにセットしたベーカーアプリケータを用いて塗布し、PTFE(四フッ化エチレン)含浸ガラスクロスをひいたホットプレート上で、110℃で10分間乾燥後、300℃で60分間焼結した。この両面にダイボンド層が付いたアルミニウム板を10×10mm2のサイズにプラスチック板カッターを用いて切断して、ダイボンド層付き接合板とした。
(ダイボンド層付き接合板の作製)
ペースト状組成物3を厚さ150μmのアルミニウム板の片面にギャップを25μmにセットしたベーカーアプリケータを用いて塗布した。ペースト状組成物3を塗布したアルミニウム板をホットプレート上で、110℃で10分間乾燥後、300℃で60分間焼結した。室温に戻したアルミニウム板のペースト状組成物3を塗布していない面に、ペースト状組成物3を、ギャップを25μmにセットしたベーカーアプリケータを用いて塗布し、PTFE(四フッ化エチレン)含浸ガラスクロスをひいたホットプレート上で、110℃で10分間乾燥後、300℃で60分間焼結した。この両面にダイボンド層が付いたアルミニウム板を10×10mm2のサイズにプラスチック板カッターを用いて切断して、ダイボンド層付き接合板とした。
銀めっき銅板、ダイボンド層付き接合板、チタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされた8.9×8.9mm2のSiチップ、10×10mm2の膨張黒鉛板をこの順に積層し、雰囲気制御加熱圧着装置(アユミ工業製)を用いて窒素中10MPa、300℃、10分間処理して接合サンプル3を得た。
接合サンプル3を用いたこと以外は、実施例1の[断面モルフォロジー観察]に記載した方法に従い、加工断面の観察を行った。接合サンプル3の断面モルフォロジーを50倍で観察した結果、図11のSEM像が得られ、1000倍で観察した結果、図12のSEM像が得られた。
図11から、Siチップ13及び銀めっき銅板15はダイボンド層付き接合板16を介して接合されていることを確認した。また、図12から、Siチップ(被着面Au)13とダイボンド層17a界面とは隙間なく良好に接合されており、またダイボンド層17aとダイボンド層付き接合板(被着面Al)16の界面とも隙間無く良好に接合されていた。なお、接合サンプル3について、接合サンプル3を用いた以外は実施例1の[ダイシェア強度の測定]と同様の方法で、ダイシェア強度を測定した。その結果、アルミニウム板とダイボンド層との間で破壊が起こり、そのときのダイシェア強度は30MPaであり、十分な接着強度を有していた。
熱圧着前後のダイボンド層の空孔率は、実施例1の[空孔率の測定]と同様の方法により、測定した。
(実施例5)
ペースト状組成物4をSUS板に12×12mm2の正方形に開口したマスクを用いて、銅板(半導体素子搭載用支持部材)上にメタルスキージを用いて印刷した。この銅板をギ酸リフロー装置(SR−300−2、アユミ工業社製)に導入し、25℃減圧状態で10分間放置した後、ギ酸含有窒素雰囲気下、ガス雰囲気圧力0.09MPaで、加熱して300℃に達した状態で1時間処理した。その後、これを300℃で減圧し10分間放置した後、窒素で常圧に戻し、キャリヤトレイごと前室の冷却板上に移して30℃まで冷却して空気中に取り出し、銅のダイボンド層付き銅板を得た。ダイボンド層の厚みは70μmであった。
ペースト状組成物4をSUS板に12×12mm2の正方形に開口したマスクを用いて、銅板(半導体素子搭載用支持部材)上にメタルスキージを用いて印刷した。この銅板をギ酸リフロー装置(SR−300−2、アユミ工業社製)に導入し、25℃減圧状態で10分間放置した後、ギ酸含有窒素雰囲気下、ガス雰囲気圧力0.09MPaで、加熱して300℃に達した状態で1時間処理した。その後、これを300℃で減圧し10分間放置した後、窒素で常圧に戻し、キャリヤトレイごと前室の冷却板上に移して30℃まで冷却して空気中に取り出し、銅のダイボンド層付き銅板を得た。ダイボンド層の厚みは70μmであった。
このダイボンド層付き銅板を用い、Siチップの替わりに2×2mm2の銅リードフレーム(被着面:銅)を用い、雰囲気制御加熱圧着装置の条件として、ギ酸含有窒素雰囲気中、20MPa、350℃、60分の条件で処理した以外は、実施例1の[ダイシェア強度の測定]と同様の方法で、ダイシェア強度を測定した。その結果、50MPa前後でダイボンド層ではなく銅リードフレームが破壊したため、ダイシェア強度は50MPa以上と判断した。
熱圧着前後のダイボンド層の空孔率は、実施例1の[空孔率の測定]と同様の方法により、測定した。
(実施例6)
ペースト状組成物5を用いた以外は、実施例5と同様にしてダイボンド層付き銅板を得た。ダイボンド層の厚みは65μmであった。このダイボンド層付き銅板を用いたこと以外は、実施例1の[ダイシェア強度の測定]と同様の方法でダイシェア強度の測定を行った。その結果、50MPa前後でダイボンド層ではなく銅リードフレームが破壊したため、ダイシェア強度は50MPa以上と判断した。
ペースト状組成物5を用いた以外は、実施例5と同様にしてダイボンド層付き銅板を得た。ダイボンド層の厚みは65μmであった。このダイボンド層付き銅板を用いたこと以外は、実施例1の[ダイシェア強度の測定]と同様の方法でダイシェア強度の測定を行った。その結果、50MPa前後でダイボンド層ではなく銅リードフレームが破壊したため、ダイシェア強度は50MPa以上と判断した。
熱圧着前後のダイボンド層の空孔率は、実施例1の[空孔率の測定]と同様の方法により、測定した。
(実施例7)
ペースト状組成物4を用い、さらに2×2mm2のチタン、ニッケルがこの順でめっきされたSiチップを用い、ホットプレート上の替わりに、ギ酸リフロー装置により、25℃減圧状態で10分間放置後、ギ酸含有窒素雰囲気下、ガス雰囲気圧力0.09MPaで300℃1時間処理し、その後300℃で減圧し10分間放置した後、窒素で常圧に戻し、キャリヤトレイごと前室の冷却板上に移して30℃まで冷却して、空気中に取り出した以外は実施例2と同様にして、銅のダイボンド層付きSiチップを作製した。
ペースト状組成物4を用い、さらに2×2mm2のチタン、ニッケルがこの順でめっきされたSiチップを用い、ホットプレート上の替わりに、ギ酸リフロー装置により、25℃減圧状態で10分間放置後、ギ酸含有窒素雰囲気下、ガス雰囲気圧力0.09MPaで300℃1時間処理し、その後300℃で減圧し10分間放置した後、窒素で常圧に戻し、キャリヤトレイごと前室の冷却板上に移して30℃まで冷却して、空気中に取り出した以外は実施例2と同様にして、銅のダイボンド層付きSiチップを作製した。
銅板上に銅のダイボンド層付きSiチップをダイボンド層が銅板に接するように配置した以外は実施例5と同様に加熱圧着して接合サンプル4を得た。その後、この接合サンプル4を用いたこと以外は、実施例1の[ダイシェア強度の測定]と同様の方法でダイシェア強度を測定した。その結果、50MPa前後でダイボンド層ではなく銅リードフレームが破壊したため、ダイシェア強度は50MPa以上と判断した。
熱圧着前後のダイボンド層の空孔率は、実施例1の[空孔率の測定]と同様の方法により、測定した。
(実施例8)
ペースト状組成物6を厚さ50μmのアルミニウム板(69195,Precision Brand Products製)の片面にギャップを50μmにセットしたベーカーアプリケータを用いて塗布した。ホットプレート上にテフロン(登録商標)が含浸されたガラスクロスを敷き、110℃に加熱し、この上でアルミニウム板を10分乾燥させた。ホットプレート上にテフロン(登録商標)が含浸されたガラスクロスを敷き、300℃に加熱し、この上でアルミニウム板を5分加熱してダイボンド層をアルミニウム板に固着させた。アルミニウム板を室温に冷却後、アルミニウム板のペースト状組成物6が塗布されていない面に、同様にペースト状組成物6を塗布、乾燥、固着を行い、ダイボンド層付き接合板とした。
ペースト状組成物6を厚さ50μmのアルミニウム板(69195,Precision Brand Products製)の片面にギャップを50μmにセットしたベーカーアプリケータを用いて塗布した。ホットプレート上にテフロン(登録商標)が含浸されたガラスクロスを敷き、110℃に加熱し、この上でアルミニウム板を10分乾燥させた。ホットプレート上にテフロン(登録商標)が含浸されたガラスクロスを敷き、300℃に加熱し、この上でアルミニウム板を5分加熱してダイボンド層をアルミニウム板に固着させた。アルミニウム板を室温に冷却後、アルミニウム板のペースト状組成物6が塗布されていない面に、同様にペースト状組成物6を塗布、乾燥、固着を行い、ダイボンド層付き接合板とした。
ダイボンド層付き接合板にカッターナイフの刃を押し当て金槌で叩くことで切断し、4×4mm2のサイズにした。銀めっき銅板(19×25mm、厚み3mm)の上にダイボンド層付き接合板を3個ずつ3列に置き、その上に銀めっき銅チップ(2×2mm2)を9枚並べ、その上にアルミナ板(サイズ14×14mm2、厚さ1mm)、膨張黒鉛シート(サイズ14×14mm2、厚さ0.5mm)をこの順で重ねた。これを雰囲気制御加熱圧着装置(RF−100B、アユミ工業社製)によって空気中で10MPa、300℃の条件で10分間処理して接合し、接合サンプル5を得た。この接合サンプル5を用いたこと以外は、実施例1の[ダイシェア強度の測定]と同様にして、ダイシェア強度を測定した。その結果、この接合サンプル9個の平均のダイシェア強度は30MPaであった。
熱圧着前後のダイボンド層の空孔率は、実施例1の[空孔率の測定]と同様の方法により、測定した。
<接続信頼性試験>
(実施例9)
4×4mm2のサイズにした実施例8の接合板を用いた。銀めっき銅板(19×25mm、厚み3mm)上に、実施例8のダイボンド層付き接合板、チタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされ、3×3mm2の被着面が金めっきであるシリコンチップ、アルミナ板、膨張黒鉛シートをこの順で重ね、雰囲気制御加熱圧着装置によって空気中で10MPa、300℃の条件で10分間処理して接合して接続信頼性試験サンプル1を作製した。
(実施例9)
4×4mm2のサイズにした実施例8の接合板を用いた。銀めっき銅板(19×25mm、厚み3mm)上に、実施例8のダイボンド層付き接合板、チタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされ、3×3mm2の被着面が金めっきであるシリコンチップ、アルミナ板、膨張黒鉛シートをこの順で重ね、雰囲気制御加熱圧着装置によって空気中で10MPa、300℃の条件で10分間処理して接合して接続信頼性試験サンプル1を作製した。
冷熱衝撃試験装置(TSA−72ES−W、タバイエスペック製)を用い、低温側−40℃、高温側200℃、1サイクル30分でおこなった。試験サンプル1の接続信頼性は、超音波トモグラフィー(InSight−300,インサイト製)を用いて、接続信頼性試験を200サイクル行った後のダイボンド層が剥離した面積割合で評価した。その結果、試験サンプル1を用いた場合0面積%の剥離、すなわち剥離は見られなかった。これは、低弾性のアルミニウム層により熱応力が緩和されて高い接続信頼性が得られたためと考えた。
(比較例1)
銀めっき銅板(19×25mm、厚み3mm)上に4×4mm2の開口を有するメタルマスクを重ね、ペースト状組成物7をメタルスキージにより印刷した。ペースト状組成物7が印刷された基板をクリーンオーブン(PVHC−210、TABAIESPEC製)を用い、180℃、20分間乾燥した。乾燥したペースト状組成物7上に、チタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされ3×3mm2の被着面が金めっきであるシリコンチップ、アルミナ板(サイズ4×4mm2、厚さ1mm)、膨張黒鉛シート(サイズ4×4mm2、厚さ0.5mm)をこの順で重ね、雰囲気制御加熱圧着装置によって空気中で10MPa、300℃の条件で10分間処理して接合して接続信頼性試験サンプル2を作製した。
銀めっき銅板(19×25mm、厚み3mm)上に4×4mm2の開口を有するメタルマスクを重ね、ペースト状組成物7をメタルスキージにより印刷した。ペースト状組成物7が印刷された基板をクリーンオーブン(PVHC−210、TABAIESPEC製)を用い、180℃、20分間乾燥した。乾燥したペースト状組成物7上に、チタン、ニッケル及び金がこの順でめっきされ3×3mm2の被着面が金めっきであるシリコンチップ、アルミナ板(サイズ4×4mm2、厚さ1mm)、膨張黒鉛シート(サイズ4×4mm2、厚さ0.5mm)をこの順で重ね、雰囲気制御加熱圧着装置によって空気中で10MPa、300℃の条件で10分間処理して接合して接続信頼性試験サンプル2を作製した。
この試験サンプル2を用いたこと以外は、実施例9と同様にして接続信頼性試験を行った。その結果、試験サンプル2を用いた場合、200サイクル行った後のダイボンド層が剥離した面積割合は、30面積%であった。
1…ダイボンド層、2…半導体素子搭載用支持部材、3、3a、3b…半導体素子、4…ダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材、5…ダイボンド層付き半導体素子、6…接合板、7…ダイボンド層付き接合板、8a、8b…リードフレーム、9…ワイヤ、10…モールドレジン、11…ダイボンド層(銀製)、12…ダイボンド層付き銀めっき銅板、13…Siチップ、14…ダイボンド層付きSiチップ、15…銀めっき銅板、16…ダイボンド層付き接合板(被着面Al)、17a、17b…ダイボンド層(低融点ガラス成分含有)
Claims (14)
- 半導体素子搭載用支持部材と、該半導体素子搭載用支持部材の半導体素子が接合される面に設けられた、空孔率が15〜50体積%であり、銀及び/又は銅を含み、炭素分が1.5質量%以下である、多孔質のダイボンド層と、を備えることを特徴とするダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材。
- 前記ダイボンド層が、バナジウムを0.06〜13.6原子%及びテルルを0.12〜7.8原子%含むことを特徴とする請求項1に記載のダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材。
- 請求項1又は2に記載のダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材と前記半導体素子とを、前記半導体素子搭載用支持部材と前記半導体素子との間に前記ダイボンド層が介在するように配置し、これらを加熱加圧する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項3に記載の方法により得られることを特徴とする半導体装置。
- 半導体素子と、該半導体素子の半導体素子搭載用支持部材が接合される面に設けられた、空孔率が15〜50体積%であり、銀及び/又は銅を含み、炭素分が1.5質量%以下である、多孔質のダイボンド層と、を備えることを特徴とするダイボンド層付き半導体素子。
- 前記ダイボンド層が、バナジウムを0.06〜13.6原子%及びテルルを0.12〜7.8原子%含むことを特徴とする請求項5に記載のダイボンド層付き半導体素子。
- 請求項5又は6に記載のダイボンド層付き半導体素子と前記半導体素子搭載用支持部材とを、前記半導体素子と前記半導体素子搭載用支持部材との間に前記ダイボンド層が介在するように配置し、これらを加熱加圧する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項7に記載の方法により得られることを特徴とする半導体装置。
- 板状金属板と、該板状金属板の両面に設けられた、空孔率が15〜50体積%であり、銀及び/又は銅を含み、炭素分が1.5質量%以下である多孔質のダイボンド層と、を備えることを特徴とするダイボンド層付き接合板。
- 前記ダイボンド層が、バナジウムを0.06〜13.6原子%及びテルルを0.12〜7.8原子%含むことを特徴とする請求項9に記載のダイボンド層付き接合板。
- 半導体素子搭載用支持部材と、請求項9又は10に記載のダイボンド層付き接合板と、半導体素子とを、前記半導体素子搭載用支持部材と前記板状金属板との間、及び前記板状金属板と前記半導体素子との間に前記ダイボンド層が介在するように配置し、これらを加熱加圧する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項11の方法により得られることを特徴とする半導体装置。
- 請求項1又は2に記載のダイボンド層付き半導体素子搭載用支持部材と請求項5又は6に記載のダイボンド層付き半導体素子とを、前記半導体素子搭載用支持部材と前記半導体素子との間にそれぞれの前記ダイボンド層が介在するように配置し、これらを加熱加圧する工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 請求項13の方法により得られることを特徴とする半導体装置。
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