JP2015115535A - PASTE FOR FORMING Ag BASE LAYER - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面にAg下地層を形成する際に使用されるAg下地層形成用ペーストに関するものである。 The present invention relates to a paste for forming an Ag foundation layer used when forming an Ag foundation layer on the surface of the copper layer to be joined to a body to be joined among metal members having a copper layer made of copper or a copper alloy. It is.
LEDやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばAlN(窒化アルミ)、Al2O3(アルミナ)などのセラミックス基板からなる絶縁層と、この絶縁層の一方の面に導電性の優れた金属を配設して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、絶縁層の他方の面に熱伝導性に優れた金属を配設して形成した金属層を備えたものも提供されている。
A semiconductor device such as an LED or a power module has a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
In power semiconductor elements for large power control used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc., the amount of heat generated is large. Therefore, for example, AlN (aluminum nitride), Al An insulating circuit board comprising an insulating layer made of a ceramic substrate such as 2 O 3 (alumina) and a circuit layer formed by disposing a metal having excellent conductivity on one surface of the insulating layer has been conventionally used. Widely used. In addition, as an insulating circuit board, a board provided with a metal layer formed by disposing a metal having excellent thermal conductivity on the other surface of the insulating layer is also provided.
例えば、特許文献1には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をDBC法によってセラミックス基板に直接接合した絶縁回路基板が提案されている。このDBC法においては、銅と銅酸化物との共晶反応を利用することにより、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせ、銅板とセラミックス基板とを接合している。
For example,
この特許文献1に記載された絶縁回路基板においては、回路層の表面に半導体素子等の電子部品が実装され、金属層の表面にヒートシンクベースがはんだ付けされている。そして、半導体素子等の電子部品で発生した熱を、絶縁回路基板側に伝達し、ヒートシンクベースを介して外部へ放散する構成とされている。
最近では、環境保護の観点から、半導体素子等の電子部品と回路層、ヒートシンクベースと金属層と接合する際に用いられるはんだ材としては、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系等の鉛フリーはんだが主流となっている。
In the insulated circuit board described in
Recently, from the viewpoint of environmental protection, as a solder material used when joining an electronic component such as a semiconductor element and a circuit layer, or a heat sink base and a metal layer, for example, Sn-Ag, Sn-In, or Sn- Lead-free solders such as Ag-Cu are the mainstream.
ここで、銅又は銅合金からなる回路層や金属層に直接はんだ接合した場合には、溶融したはんだ材と銅とが反応して回路層や金属層の内部にはんだ材の成分が侵入し、回路層や金属層の特性が劣化するおそれがある。このため、従来は、回路層や金属層の表面にNiめっき膜を形成し、はんだ接合を実施している。
また、最近では、シリコン半導体からSiC又はGaNなど化合物半導体素子の実用化が期待されており、半導体素子自体の耐熱性の向上が見込まれるため、はんだ材よりも耐熱性に優れた接合材が求められている。
Here, when directly soldering to a circuit layer or a metal layer made of copper or a copper alloy, the molten solder material reacts with copper, and the components of the solder material penetrate into the circuit layer or the metal layer, The characteristics of the circuit layer and the metal layer may be deteriorated. For this reason, conventionally, a Ni plating film is formed on the surface of a circuit layer or a metal layer, and solder bonding is performed.
Also, recently, compound semiconductor elements such as SiC or GaN are expected to be put into practical use from silicon semiconductors, and since the heat resistance of the semiconductor elements themselves is expected to be improved, there is a need for a bonding material that has better heat resistance than solder materials. It has been.
そこで、はんだ材の代替として、例えば、特許文献2には、金属粒子と有機物とを有する金属ペーストを用いて半導体素子等の電子部品やヒートシンクベースを接合する技術が提案されている。
また、特許文献3、4には、金属酸化物粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化物ペーストを用いて、半導体素子等の電子部品やヒートシンクベースを接合する技術が提案されている。
Therefore, as an alternative to the solder material, for example, Patent Document 2 proposes a technique for joining an electronic component such as a semiconductor element or a heat sink base using a metal paste having metal particles and an organic substance.
しかしながら、特許文献2−4に開示されたように、はんだ材を使用せずに金属ペーストあるいは酸化物ペーストを用いて半導体素子等の電子部品を接合した場合には、これらペーストの焼成体からなる接合層がはんだ材に比べて厚みが薄く形成されるため、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子等の電子部品に作用しやすくなり、半導体素子等の電子部品自体が破損してしまうおそれがあった。同様に、金属層とヒートシンクとの間に形成される接合層が薄くなると、絶縁回路基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差によって生じる熱ひずみが絶縁回路基板に作用し、絶縁層に亀裂が生じるおそれがあった。 However, as disclosed in Patent Documents 2-4, when an electronic component such as a semiconductor element is joined using a metal paste or an oxide paste without using a solder material, it is made of a fired body of these pastes. Since the bonding layer is formed to be thinner than the solder material, the stress at the time of thermal cycle load tends to act on the electronic component such as a semiconductor element, and the electronic component such as the semiconductor element itself may be damaged. It was. Similarly, when the bonding layer formed between the metal layer and the heat sink becomes thin, thermal strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the insulating circuit board and the heat sink acts on the insulating circuit board, and the insulating layer is cracked. There was a fear.
そこで、特許文献5、6には、ガラス含有Agペーストを用いて銅又は銅合金からなる回路層上にAg下地層を形成した後に、はんだ材又はAgペーストを介して回路層と半導体素子を接合する技術が提案されている。この技術では、ガラス含有Agペーストを銅又は銅合金からなる回路層の表面に塗布し、焼成することによって回路層の表面に形成されている酸化被膜をガラスに反応させて除去してAg下地層を形成し、このAg下地層が形成された回路層上に、はんだ材又はAgペーストによって半導体素子を接合している。
ここで、このAg下地層は、ガラスが回路層の酸化被膜と反応することにより形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたAg層とを備えている。このガラス層中には導電性粒子が分散しており、この導電性粒子によってガラス層の導通が確保されている。
Therefore, in Patent Documents 5 and 6, after forming an Ag underlayer on a circuit layer made of copper or a copper alloy using a glass-containing Ag paste, the circuit layer and the semiconductor element are bonded via a solder material or an Ag paste. Techniques to do this have been proposed. In this technique, a glass-containing Ag paste is applied to the surface of a circuit layer made of copper or a copper alloy and baked to remove the oxide film formed on the surface of the circuit layer by reacting with glass to remove the Ag underlayer. The semiconductor element is bonded to the circuit layer on which the Ag underlayer is formed by a solder material or an Ag paste.
Here, the Ag underlayer includes a glass layer formed by reacting glass with an oxide film of a circuit layer, and an Ag layer formed on the glass layer. Conductive particles are dispersed in the glass layer, and conduction of the glass layer is ensured by the conductive particles.
ところで、特許文献5、6のガラス含有ペーストを用いて銅又は銅合金からなる回路層の表面にAg下地層を形成し、回路層と半導体素子等の電子部品とを接合した場合、Ag下地層においてガラス層が厚く形成されると電気抵抗値が大きくなることから、回路層と半導体素子等の電子部品との間の導電性を確保できなくなるおそれがあった。
また、特許文献5、6のガラス含有ペーストを用いて銅又は銅合金からなる金属層の表面にAg下地層を形成し、金属層とヒートシンクとを接合した場合、電気抵抗値が高くなると熱伝導性も劣化することから、金属層からヒートシンクへの熱伝達も阻害され、熱を効率的に放散することができなくなるおそれがあった。
By the way, in the case where an Ag underlayer is formed on the surface of a circuit layer made of copper or a copper alloy using the glass-containing paste of Patent Documents 5 and 6, and the circuit layer and an electronic component such as a semiconductor element are joined, the Ag underlayer However, if the glass layer is formed thick, the electrical resistance value increases, so that there is a possibility that the electrical conductivity between the circuit layer and the electronic component such as a semiconductor element cannot be secured.
Further, when an Ag underlayer is formed on the surface of a metal layer made of copper or a copper alloy using the glass-containing pastes of Patent Documents 5 and 6, and the metal layer and the heat sink are joined, heat conduction is increased when the electrical resistance value increases. As a result, the heat transfer from the metal layer to the heat sink is also hindered, and heat may not be efficiently dissipated.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面に、接合強度、導電性及び熱伝導性に優れたAg下地層を形成することが可能なAg下地層形成用ペーストを提供することを目的とする The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and has a bonding strength, conductivity on the surface of the copper layer to be bonded to the object to be bonded among metal members having a copper layer made of copper or a copper alloy. And an Ag underlayer-forming paste capable of forming an Ag underlayer excellent in thermal conductivity.
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のAg下地層形成用ペーストは、銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面にAg下地層を形成する際に使用されるAg下地層形成用ペーストであって、Ag粉末と、Sn又はSn合金の粉末と、N2雰囲気における分解温度が400℃以下のアクリル系樹脂と、を含有していることを特徴としている。 In order to solve such a problem and achieve the above-mentioned object, the Ag underlayer forming paste of the present invention is bonded to an object to be joined among metal members having a copper layer made of copper or a copper alloy. An Ag underlayer forming paste used for forming an Ag underlayer on the surface of a copper layer, an Ag powder, Sn or Sn alloy powder, and an acrylic having a decomposition temperature of 400 ° C. or lower in an N 2 atmosphere And a series resin.
この構成のAg下地層形成用ペーストにおいては、Sn又はSn合金の粉末を有しているので、このAg下地層形成用ペーストを金属部材の銅層の表面に塗布して上記Sn又はSn合金の粉末の固相線温度以上に加熱することにより、Sn又はSn合金の粉末が溶融し、溶融層が形成される。ここで、Snと回路層の銅とが互いに拡散して合金化するとともに、Ag粉末が溶融層によって囲まれて、Ag粉末とSnとが互いに拡散して合金化する。
そして、溶融層とAg及びCuの相互拡散がさらに進展し、溶融層は融点の高いAg及びSnを含む金属間化合物となり、凝固することによって、複数のAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物で結合された構造のAg下地層が形成される。なお、Ag及びSnを含む金属間化合物には、AgとSnの金属間化合物の他に、AgとCuの金属間化合物やCuとSnの金属間化合物が含まれる。さらに、Sn又はSn合金の粉末としてSn合金を用いた場合、Sn合金に含まれる元素とAg、Cu、Snとの金属間化合物が含まれる。例えば、Sn又はSn合金の粉末としてSn−Sb合金を用いた場合、Ag及びSnを含む金属間化合物には、AgとSb、CuとSb、SnとSb等の金属間化合物が含まれる。
このように、導電性、熱伝導性に優れたAg粒子がAg及びSnを含む金属間化合物で銅層に結合されていることから、接合強度、導電性及び熱伝導性に優れたAg下地層を形成することが可能となる。
また、N2雰囲気における分解温度が400℃以下のアクリル系樹脂を含有しているので、Ag下地層形成用ペーストを塗布した後の加熱温度を400℃以上とすることで、アクリル系樹脂を分解除去することが可能となり、Ag下地層内部にアクリル系樹脂が残存することを抑制できる。
Since the Ag underlayer forming paste having this configuration has Sn or Sn alloy powder, the Ag underlayer forming paste is applied to the surface of the copper layer of the metal member to form the Sn or Sn alloy. By heating above the solidus temperature of the powder, the Sn or Sn alloy powder melts and a molten layer is formed. Here, Sn and copper of the circuit layer are diffused and alloyed with each other, and Ag powder is surrounded by the molten layer, and Ag powder and Sn are diffused and alloyed with each other.
Then, the interdiffusion of the molten layer and Ag and Cu further progresses, and the molten layer becomes an intermetallic compound containing Ag and Sn having a high melting point, and by solidifying, the plurality of Ag particles are intermetallic compounds containing Ag and Sn. Thus, an Ag underlayer having a structure bonded to each other is formed. The intermetallic compound containing Ag and Sn includes an intermetallic compound of Ag and Cu and an intermetallic compound of Cu and Sn in addition to the intermetallic compound of Ag and Sn. Further, when an Sn alloy is used as Sn or Sn alloy powder, an intermetallic compound of an element contained in the Sn alloy and Ag, Cu, or Sn is included. For example, when an Sn—Sb alloy is used as Sn or Sn alloy powder, the intermetallic compound containing Ag and Sn includes intermetallic compounds such as Ag and Sb, Cu and Sb, and Sn and Sb.
Thus, since the Ag particles excellent in conductivity and thermal conductivity are bonded to the copper layer with an intermetallic compound containing Ag and Sn, the Ag underlayer excellent in bonding strength, conductivity and thermal conductivity. Can be formed.
Moreover, since the decomposition temperature in the N 2 atmosphere contains an acrylic resin having a temperature of 400 ° C. or lower, the acrylic resin is decomposed by setting the heating temperature after applying the Ag underlayer forming paste to 400 ° C. or higher. It can be removed, and the acrylic resin can be prevented from remaining in the Ag underlayer.
ここで、本発明のAg下地層形成用ペーストにおいては、前記Ag粉末の平均粒径が0.1μm以上10μm以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記Ag粉末の平均粒径が0.1μm以上とされているので、Ag下地層ペースト中にAg粉末を均一に分散させることができ、Ag下地層を確実に形成することが可能となる。一方、前記Ag粉末の平均粒径が10μm以下とされているので、Ag粒子同士がAg下地層中において比較的緻密に配置されることになり、導電性および熱伝導性に優れたAg下地層を形成することが可能となる。
Here, in the paste for forming an Ag underlayer of the present invention, the average particle diameter of the Ag powder is preferably in the range of 0.1 μm or more and 10 μm or less.
In this case, since the average particle diameter of the Ag powder is 0.1 μm or more, the Ag powder can be uniformly dispersed in the Ag underlayer paste, and the Ag underlayer can be reliably formed. Become. On the other hand, since the average particle diameter of the Ag powder is 10 μm or less, the Ag particles are relatively densely arranged in the Ag underlayer, and the Ag underlayer having excellent conductivity and thermal conductivity. Can be formed.
また、本発明のAg下地層形成用ペーストにおいては、前記Sn又はSn合金の粉末の平均粒径が0.5μm以上15μm以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記Sn又はSn合金の粉末の平均粒径が0.5μm以上とされているので、Ag下地層ペースト中にSn又はSn合金の粉末を均一に分散させることができ、Ag下地層を確実に形成することが可能となる。一方、前記Sn又はSn合金の粉末の平均粒径が15μm以下とされているので、Ag粉末とSn又はSn合金の粉末との均一に混合することができ、Ag及びSnを含む金属間化合物によってAg粒子同士を確実に結合することができる。
In the Ag underlayer forming paste of the present invention, the average particle diameter of the Sn or Sn alloy powder is preferably in the range of 0.5 μm to 15 μm.
In this case, since the average particle diameter of the Sn or Sn alloy powder is 0.5 μm or more, the Sn or Sn alloy powder can be uniformly dispersed in the Ag underlayer paste. It becomes possible to form reliably. On the other hand, since the average particle diameter of the Sn or Sn alloy powder is 15 μm or less, the Ag powder and the Sn or Sn alloy powder can be uniformly mixed, and the intermetallic compound containing Ag and Sn can be mixed. Ag particles can be reliably bonded to each other.
さらに、本発明のAg下地層形成用ペーストにおいては、前記Ag粉末の含有量が、50mass%以上80mass%以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記Ag粉末の含有量が50mass%以上とされているので、Ag下地層中にAg粒子を十分に配置することができ、導電性、熱伝導性及び銀又は酸化銀との接合性に優れたAg下地層を形成することが可能となる。一方、前記Ag粉末の含有量が80mass%以下とされているので、Sn又はSn合金の粉末およびアクリル系樹脂の含有量が確保されることになり、Ag及びSnを含む金属間化合物によってAg粒子を確実に結合することができるとともに、ペーストの塗布性や塗布後の形状保持性を確保することができる。
Furthermore, in the paste for forming an Ag underlayer of the present invention, the content of the Ag powder is preferably in the range of 50 mass% to 80 mass%.
In this case, since the content of the Ag powder is 50 mass% or more, the Ag particles can be sufficiently disposed in the Ag underlayer, and the conductivity, thermal conductivity, and bondability with silver or silver oxide are sufficient. It is possible to form an Ag underlayer excellent in the thickness. On the other hand, since the content of the Ag powder is 80 mass% or less, the content of Sn or Sn alloy powder and acrylic resin is ensured, and the Ag particles are formed by the intermetallic compound containing Ag and Sn. Can be reliably bonded, and paste applicability and shape retention after application can be ensured.
さらに、本発明のAg下地層形成用ペーストにおいては、前記Sn又はSn合金粉末の含有量が、15mass%以上35mass%以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記Sn又はSn合金の粉末の含有量が15mass%以上とされているので、溶融層を十分に形成することができ、銅層との接合強度に優れたAg下地層を形成することが可能となる。一方、前記Sn又はSn合金の粉末の含有量が35mass%以下とされているので、Ag粒子およびアクリル系樹脂の含有量が確保されることになり、比較的多数のAg粒子を結合して導電性および熱伝導性を確保することができるとともに、ペーストの塗布性や塗布後の形状保持性を確保することができる。
Furthermore, in the paste for forming an Ag underlayer of the present invention, the content of the Sn or Sn alloy powder is preferably in the range of 15 mass% or more and 35 mass% or less.
In this case, since the content of the Sn or Sn alloy powder is 15 mass% or more, a molten layer can be sufficiently formed, and an Ag underlayer excellent in bonding strength with the copper layer is formed. Is possible. On the other hand, since the content of the Sn or Sn alloy powder is 35 mass% or less, the content of the Ag particles and the acrylic resin is ensured, and a relatively large number of Ag particles are combined to conduct electricity. And heat conductivity can be ensured, and paste applicability and shape retention after application can be ensured.
本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面に、接合強度、導電性及び熱伝導性に優れたAg下地層を形成することが可能なAg下地層形成用ペーストを提供することができる。 According to the present invention, an Ag underlayer excellent in bonding strength, conductivity, and thermal conductivity is formed on the surface of the copper layer to be bonded to the object to be bonded among metal members having a copper layer made of copper or a copper alloy. A paste for forming an Ag underlayer that can be formed can be provided.
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図1に、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10およびこのAg下地層形成用ペースト10を用いて形成されたAg下地層20の概略図を示す。
このAg下地層形成用ペースト10は、図1に示すように、Ag粉末11と、Sn又はSn合金の粉末12と、N2雰囲気における分解温度が400℃以下のアクリル系樹脂13と、を含有している。なお、必要に応じて、溶剤及び分散剤を添加してもよい。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a schematic view of an Ag
As shown in FIG. 1, this Ag
Ag粉末11の平均粒径(マイクロトラック法で測定した中心粒径d50)が0.1μm以上10μm以下とされ、Sn又はSn合金の粉末12の平均粒径(マイクロトラック法で測定した中心粒径d50)が0.5μm以上15μm以下とされている。
また、Ag粉末11の含有量が、50mass%以上80mass%以下とされ、Sn又はSn合金の粉末12の含有量が、15mass%以上35mass%以下とされている。
The average particle diameter of Ag powder 11 (center particle diameter d50 measured by microtrack method) is 0.1 μm or more and 10 μm or less, and the average particle diameter of Sn or Sn alloy powder 12 (center particle diameter measured by microtrack method) d50) is 0.5 μm or more and 15 μm or less.
Further, the content of the
ここで、Sn又はSn合金の粉末12としては、Snの他に、Sn−Ag合金、Sn−Cu合金、Sn−Zn−Al合金、Sn−Sb合金等を用いることができる。
また、Ag下地層形成用ペースト50にNi、Co、Ge、P、Si、In、Bi等がSn又はSn合金の粉末重量に対し0.2mass%以下添加されていてもよい。Ni、Co、Ge、P、Si、In、Bi等を添加することでSn又はSn合金の粉末が溶融した際に濡れ性が向上し、回路層との反応が進みやすくなり、接合信頼性が向上する。なお、Ni、Co、Ge、P、Si、In、Bi等を添加する場合、これらの元素とSn又はSn合金との合金(例えば、Sn−Ni合金やSn−Sb−Ni合金)として添加することが望ましい。
Here, as the
Further, Ni, Co, Ge, P, Si, In, Bi, or the like may be added to the Ag underlayer forming paste 50 in an amount of 0.2 mass% or less based on the powder weight of Sn or Sn alloy. Addition of Ni, Co, Ge, P, Si, In, Bi, etc. improves the wettability when the Sn or Sn alloy powder is melted, facilitates the reaction with the circuit layer, and improves the bonding reliability. improves. In addition, when adding Ni, Co, Ge, P, Si, In, Bi, etc., it adds as an alloy (for example, Sn-Ni alloy or Sn-Sb-Ni alloy) of these elements and Sn or Sn alloy. It is desirable.
N2雰囲気における分解温度が 400℃以下のアクリル系樹脂13としては、例えば、メタクリル酸メチル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸i−ブチル、メタクリル酸t-ブチル、メタクリル酸2−エチルヘキシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸アルキル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸イソボルニル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸テトラヒドロフルフリル、メタクリル酸アリル、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル、メタクリル酸2−メトキシエチル、メタクリル酸2−エトキシエチル、メタクリル酸ジメチルアミノエチル、ジメタクリル酸エチレングリコール、ジメタクリル酸1,3−ブチレングリコール等の重合体を用いることができる。
なお、アクリル系樹脂13の含有量は、0.1mass%以上2mass%以下の範囲内とすることが好ましい。
また、有機溶剤としては、アクリル系の樹脂を溶解することができるものを用いることができ、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を用いることができる。有機溶剤量としては、アクリル系樹脂重量1に対して有機溶剤7〜24倍の有機溶剤を用いることができる。
さらに、必要に応じて分散剤を添加することができる。分散剤を添加する場合には、上記有機溶剤に溶解するもので、カルボン酸系のものやアミン系のものが望ましく、分散剤量としては、有機溶剤重量1に対して分散剤0.05〜0.50の範囲で用いることが望ましい。
The N 2 Acrylic resin 13 decomposition temperature of 400 ° C. or less in the atmosphere, for example, methyl methacrylate, n- butyl, i- butyl methacrylate, butyl t- methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, methacrylic acid Lauryl, alkyl methacrylate, tridecyl methacrylate, stearyl methacrylate, cyclohexyl methacrylate, phenyl methacrylate, benzyl methacrylate, isobornyl methacrylate, glycidyl methacrylate, tetrahydrofurfuryl methacrylate, allyl methacrylate, 2-hydroxyethyl methacrylate , 2-methoxyethyl methacrylate, 2-ethoxyethyl methacrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, 1,3-butylene dimethacrylate A polymer such as glycol can be used.
In addition, it is preferable that content of the
Moreover, as an organic solvent, what can melt | dissolve acrylic resin can be used, for example, (alpha)-terpineol, a butyl carbitol acetate, diethylene crycol dibutyl ether etc. can be used. As the amount of the organic solvent, an organic solvent 7 to 24 times the organic
Furthermore, a dispersing agent can be added as needed. In the case of adding a dispersant, it is soluble in the organic solvent, preferably a carboxylic acid type or an amine type, and the amount of the dispersant is 0.05 to It is desirable to use in the range of 0.50.
次に、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10の製造方法について、図2に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述したAg粉末11と、Sn又はSn合金の粉末12とを混合して混合粉末を生成する(粉末混合工程S1)。また、アクリル系樹脂13、分散剤、溶剤を混合して有機混合物を生成する(有機物混合工程S2)。
Next, a method for producing the Ag
First, the above-mentioned
そして、粉末混合工程S1で得られた混合粉末と、有機物混合工程S2で得られた有機混合物とをミキサーによって予備混合する(予備混合工程S3)。
次いで、予備混合物を、複数のロールを有するロールミル機を用いて練り込みながら混合する(混錬工程S4)。
混錬工程S4によって得られた混錬物を、ペーストろ過機によってろ過する(ろ過工程S5)。
このようにして、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10が製出されることになる。
Then, the mixed powder obtained in the powder mixing step S1 and the organic mixture obtained in the organic matter mixing step S2 are premixed by a mixer (preliminary mixing step S3).
Next, the preliminary mixture is mixed while kneading using a roll mill having a plurality of rolls (kneading step S4).
The kneaded material obtained by kneading process S4 is filtered with a paste filter (filtration process S5).
In this way, the Ag
次に、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10を用いて、銅または銅合金からなる銅層18の表面にAg下地層20を形成する過程を、図1を参照にして説明する。
まず、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10を、銅または銅合金からなる銅層18の表面に塗布する。
次に、このAg下地層形成用ペースト10を加熱処理する。加熱処理条件は、例えば、窒素雰囲気下で、温度400℃以上600℃以下、保持時間30分以上2時間以下とすることが好ましい。これにより、図1(b)に示すように、Ag下地層形成用ペースト10中のアクリル系樹脂が分解して除去されるとともに、Sn又はSn合金の粉末12が溶融して溶融層12aが形成される。このとき、溶融層12aのSnと銅層18中の銅とが互いに拡散して合金化するとともに、Ag粉末11が溶融層12aによって囲まれて、Ag粉末11と溶融層12aとが互いに拡散して合金化する。
そして、図1(c)に示すように、溶融層12aとAg及びCuの相互拡散がさらに進展し、溶融層12aは融点の高いAg及びSnを含む金属間化合物となり、凝固することによって、複数のAg粒子21がAg及びSnを含む金属間化合物22で結合された構造のAg下地層20が形成される。なお、Ag及びSnを含む金属間化合物22には、AgとSnの金属間化合物の他に、AgとCuの金属間化合物やCuとSnの金属間化合物が含まれる。さらに、Sn又はSn合金の粉末12としてSn合金を用いた場合、Sn合金に含まれる元素とAg、Cu、Snとの金属間化合物が含まれる。例えば、Sn又はSn合金の粉末12としてSn−Sb合金を用いた場合、Ag及びSnを含む金属間化合物22には、AgとSb、CuとSb、SnとSb等の金属間化合物が含まれる。
Next, a process of forming the
First, the Ag
Next, this Ag
Then, as shown in FIG. 1C, the interdiffusion between the
ここで、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10を用いてAg下地層20を形成した接合体(半導体装置51)の一例を図3に示す。
この半導体装置51は、絶縁回路基板60と、この絶縁回路基板60の一方の面(図3において上面)に接合層52を介して接合された半導体素子53と、を備えている。
Here, FIG. 3 shows an example of a joined body (semiconductor device 51) in which the
The
絶縁回路基板60は、絶縁層となるセラミックス基板61と、このセラミックス基板61の一方の面(図3において上面)に配設された回路層62と、を備えている。
セラミックス基板61は、絶縁性の高いAlN(窒化アルミ)、Si3N4(窒化ケイ素)、Al2O3(アルミナ)等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたAlN(窒化アルミ)で構成されている。また、セラミックス基板61の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。
The insulating
The
回路層62は、図5に示すように、セラミックス基板61の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板72が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層62を構成する銅板72として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層62には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図3において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面されている。ここで、回路層62の厚さ(銅板72の厚さ)は0.1mm以上1.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.3mmに設定されている。この半導体装置51(絶縁回路基板60)においては、回路層62が図1における銅層18に該当することになる。
As shown in FIG. 5, the
そして、この回路層62の一方の面には、上述したAg下地層20が形成されている。このAg下地層20は、図1(c)に示すように、Ag粒子21と、Ag及びSnを含む金属間化合物22と、を備えており、複数のAg粒子21がAg及びSnを含む金属間化合物22によって結合された構造とされている。
また、本実施形態では、Ag下地層20の厚さが1μm以上15μm以下の範囲内とされている。
The above-described
In the present embodiment, the thickness of the
ここで、Ag下地層20と半導体素子53との間に介在する接合層52は、Ag粒子及び酸化銀粒子の少なくとも一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体とされており、本実施形態においては、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされている。すなわち、接合層52は、酸化銀が還元されたAgの焼成体とされているのである。ここで、酸化銀を還元することにより生成される粒子は、例えば粒径10nm〜1μmと非常に微細であることから、緻密なAgの焼成層が形成されることになる。
Here, the
この酸化銀ペーストは、酸化銀粉末(酸化銀粒子)と、還元剤と、樹脂と、溶剤と、を含有しており、本実施形態では、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。
酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の60mass%以上92mass%以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の5mass%以上20mass%以下とされ、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の0mass%以上10mass%以下とされており、残部が溶剤とされている。この酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる接合層52に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤及び樹脂は添加していない。
This silver oxide paste contains silver oxide powder (silver oxide particles), a reducing agent, a resin, and a solvent, and in this embodiment, in addition to these, contains an organometallic compound powder. .
The content of the silver oxide powder is 60 mass% or more and 92 mass% or less of the entire silver oxide paste, the content of the reducing agent is 5 mass% or more and 20 mass% or less of the entire silver oxide paste, and the content of the organometallic compound powder is oxidized. It is set as 0 mass% or more and 10 mass% or less of the whole silver paste, and the remainder is made into the solvent. In this silver oxide paste, a dispersant and a resin are not added in order to prevent unreacted organic matter from remaining in the
還元剤は、還元性を有する有機物とされており、例えば、アルコール、有機酸を用いることができる。
有機金属化合物は、熱分解によって生成する有機酸によって酸化銀の還元反応や有機物の分解反応を促進させる作用を有するものであり、例えば蟻酸Ag、酢酸Ag、プロピオン酸Ag、安息香酸Ag、シュウ酸Agなどのカルボン酸系金属塩等が適用される。
なお、この酸化銀ペーストは、その粘度が10Pa・s以上500Pa・s以下、より好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下に調整されている。
The reducing agent is an organic substance having reducibility, and for example, alcohol and organic acid can be used.
The organometallic compound has an action of promoting the reduction reaction of silver oxide and the decomposition reaction of organic substances by the organic acid generated by thermal decomposition, for example, formic acid Ag, acetic acid Ag, propionic acid Ag, benzoic acid Ag, oxalic acid. A carboxylic acid metal salt such as Ag is applied.
The silver oxide paste has a viscosity adjusted to 10 Pa · s to 500 Pa · s, more preferably 50 Pa · s to 300 Pa · s.
次に、図3に示す半導体装置51の製造方法について、図4及び図5を参照して説明する。
まず、Ag及び窒化物形成元素を含む銅部材接合用ペーストを用いてセラミックス基板61の一方の面に銅板72を接合し、回路層62を形成する(回路層形成工程S01)。
ここで、銅部材接合用ペーストは、Agおよび窒化物形成元素を含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものであり、粉末成分は、Ag及び窒化物形成元素以外に、In、Sn、Al、Mn及びZnから選択される1種又は2種以上の添加元素を含有するものとされている。本実施形態では、窒化物形成元素としてTiを用いた。
Next, a method for manufacturing the
First, a
Here, the copper member bonding paste contains a powder component containing Ag and a nitride-forming element, a resin, a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a reducing agent. In addition to Ag and nitride forming elements, one or more additive elements selected from In, Sn, Al, Mn and Zn are included. In the present embodiment, Ti is used as the nitride forming element.
具体的には、図5に示すように、セラミックス基板61の一方の面にスクリーン印刷によって、銅部材接合用ペーストを塗布して乾燥させることにより、Ag及び窒化物形成元素層74を形成する。このAg及び窒化物形成元素層74の厚さは、乾燥後で60μm以上300μm以下とされている。次に、銅板72をセラミックス基板61の一方の面側に積層する。すなわち、セラミックス基板61と銅板72との間にAg及び窒化物形成元素層74を介在させる。
Specifically, as shown in FIG. 5, Ag and nitride-forming
そして、銅板72、セラミックス基板61を積層方向に加圧(圧力1〜35kgf/cm2)した状態で真空加熱炉内に挿入して加熱することにより、セラミックス基板61の一方の面に回路層62を形成する。この加熱時において、Ag及び窒化物形成元素層74のAgが銅板72に向けて拡散する。このとき、銅板72の一部がCuとAgとの反応によって溶融し、銅板72とセラミックス基板61との界面に、溶融金属領域が形成されることになる。そして、溶融金属領域が凝固することにより、セラミックス基板61と銅板72とが接合され、回路層62が形成される。
The
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は10−6Pa以上10−3Pa以下の範囲内に、加熱温度は790℃以上850℃以下の範囲内に設定している。
なお、凝固が終了した後では、Ag及び窒化物形成元素層74のAgが十分に拡散されており、セラミックス基板61と銅板72との接合界面にAg及び窒化物形成元素層74が残存していない。
Here, in this embodiment, the pressure in the vacuum heating furnace is set in a range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, and the heating temperature is set in a range of 790 ° C. to 850 ° C.
Note that after the solidification is completed, Ag and the Ag of the nitride forming
次に、回路層62の一方の面にAg下地層20を形成する(Ag下地層形成工程S02)。
このAg下地層形成工程S02においては、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10を回路層62の一方の面に塗布して加熱処理することにより、図1に示すように、Ag下地層20を形成する。
このようにして、銅又は銅合金からなる回路層62の表面にAg下地層20が形成された本実施形態である絶縁回路基板60が製造される。
Next, the
In this Ag underlayer forming step S02, the Ag
Thus, the insulated
次に、Ag下地層20の表面に、接合層52となる酸化銀ペーストを塗布する(酸化銀ペースト塗布工程S03)。
なお、酸化銀ペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。本実施形態では、スクリーン印刷法によって酸化銀ペーストを印刷した。
Next, a silver oxide paste to be the
In addition, when apply | coating a silver oxide paste, various means, such as a screen printing method, an offset printing method, and a photosensitive process, are employable. In this embodiment, the silver oxide paste was printed by the screen printing method.
次に、酸化銀ペーストを塗布した状態で乾燥(例えば、室温、大気雰囲気で24時間保管)した後、絶縁回路基板60の酸化銀ペーストの上に半導体素子53を積層する(半導体素子積層工程S04)。
そして、半導体素子53と絶縁回路基板60とを積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う(焼成工程S05)。このとき、半導体素子53と絶縁回路基板60とを積層方向に加圧した状態で加熱することによって、より確実に接合することができる。この場合、加圧圧力は0.5〜10MPaとすることが望ましい。
このようにして、Ag下地層20の上に接合層52が形成され、半導体素子53と回路層62とが接合される。これにより、本実施形態である半導体装置51が製造される。
Next, after drying with the silver oxide paste applied (for example, stored at room temperature in an air atmosphere for 24 hours), the
Then, the
In this way, the
以上のような構成とされた本実施形態に係るAg下地層形成用ペースト10によれば、Sn又はSn合金の粉末12を有しているので、このAg下地層形成用ペースト10を銅層18(回路層62)の表面に塗布して上記Sn又はSn合金の粉末12の固相線温度以上に加熱することにより、Sn又はSn合金の粉末12が溶融し、溶融層12aが形成される。この溶融層12aは、銅層18(回路層62)と互いに拡散して合金化するとともに、Ag下地層形成用ペースト10中の複数のAg粉末11同士の間に存在し、これらAg粉末11とも互いに拡散して合金化する。そして、この溶融層12aとAg及びCuの相互拡散がさらに進展し、溶融層12aは融点の高いAg及びSnを含む金属間化合物となり、凝固することによって、複数のAg粒子21がAg及びSnを含む金属間化合物22で結合された構造のAg下地層20が形成される。よって、接合強度、導電性及び熱伝導性に優れたAg下地層20を形成することができる。
また、N2雰囲気における分解温度が400℃以下のアクリル系樹脂13を含有しているので、Ag下地層形成用ペースト10を塗布した後の加熱温度を400℃以上とすることで、アクリル系樹脂13を分解除去することが可能となり、Ag下地層20内部にアクリル系樹脂13が残存することを抑制できる。
According to the Ag
Further, since the decomposition temperature in the N 2 atmosphere containing an
また、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10においては、Ag粉末11の平均粒径(マイクロトラック法で測定した中心粒径d50)が0.1μm以上10μm以下の範囲内とされているので、Ag下地層形成用ペースト10中にAg粉末11を均一に分散させることができ、Ag下地層20を確実に形成することができる。さらに、Ag下地層20中においてAg粒子21同士が比較的緻密に配置されることになり、導電性、熱伝導性及び接合性に優れたAg下地層20を形成することが可能となる。
Further, in the Ag
また、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10においては、Sn又はSn合金の粉末12の平均粒径(マイクロトラック法で測定した中心粒径d50)が0.5μm以上15μm以下の範囲内であるので、Ag下地層形成用ペースト10中にSn又はSn合金の粉末12を均一に分散させることができ、Ag下地層20を確実に形成することが可能となる。さらに、Ag粉末11とSn又はSn合金の粉末12との均一に混合することができ、Ag及びSnを含む金属間化合物22によってAg粒子21同士を確実に結合することができる。
Further, in the Ag
さらに、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10においては、Ag粉末11の含有量が、50mass%以上とされているので、Ag下地層20中にAg粒子21を十分に配置することができ、導電性、熱伝導性及び接合性に優れたAg下地層20を形成することが可能となる。一方、Ag粉末11の含有量が85mass%以下とされているので、低融点金属の粉末12およびアクリル系樹脂13の含有量が確保されることになり、Ag及びSnを含む金属間化合物22によってAg粒子21を確実に結合することができるとともに、ペーストの塗布性や塗布後の形状保持性を確保することができる。
Further, in the Ag
また、本実施形態であるAg下地層形成用ペースト10においては、Sn又はSn合金の粉末12の含有量が15mass%以上とされているので、溶融層12aを十分に形成することができ、銅層18(回路層62)との接合強度に優れたAg下地層20を形成することが可能となる。一方、Sn又はSn合金の粉末12の含有量が35mass%以下とされているので、Ag粉末11およびアクリル系樹脂13の含有量が確保されることになり、比較的多数のAg粒子21を結合して導電性および熱伝導性を確保することができるとともに、ペーストの塗布性や塗布後の形状保持性を確保することができる。
Further, in the Ag
さらに、Sn又はSn合金の粉末12として、本実施形態では、Sn、Sn−Ag合金、Sn−Cu合金、Sn−Zn−Al合金、Sn−Sb合金等を用いているので、Ag下地層形成工程S02において、400℃以上600℃以下の温度条件で加熱処理することにより、Sn又はSn合金の粉末12を溶融させてAg及びSnを含む金属間化合物22を確実に形成することが可能となる。
Furthermore, since Sn, Sn—Ag alloy, Sn—Cu alloy, Sn—Zn—Al alloy, Sn—Sb alloy or the like is used as the Sn or
また、図3に示す半導体装置51においては、上述のように、回路層62の表面に、複数のAg粒子21がAg及びSnを含む金属間化合物22によって結合された構造のAg下地層20が形成されているので、回路層62とAg及びSnを含む金属間化合物22とが強固に接合され、回路層62とAg下地層20との接合強度を十分に高くすることができる。そして、このAg下地層20が形成された回路層62と半導体素子53とが、酸化銀ペーストの焼成体からなる接合層52を介して接合されているので、Ag下地層20と接合層52とが同種の金属(Ag)同士の接合となり、Ag下地層20と接合層52との接合強度が向上し、絶縁回路基板60と半導体素子53との接合信頼性を向上させることが可能となる。また、Ag下地層20の電気抵抗が低く抑えられており、絶縁回路基板60と半導体素子53との間の導電性を確保することができる。さらに、熱伝導性も確保されることから、半導体素子53で発生した熱を絶縁回路基板60側へと効率的に放散することが可能となる。
In the
さらに、本実施形態では、接合層52が、酸化銀粉末と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされているので、酸化銀ペーストを焼成する際に、酸化銀が還元剤によって還元されて微細なAg粒子となり、接合層52を緻密な構造とすることができる。また、還元剤は、酸化銀を還元する際に分解されるため、接合層52中に残存しにくく、接合層52における導電性及び強度を確保することができる。さらに、酸化銀ペーストは、例えば300℃といった比較的低温条件で焼成することが可能であるため、半導体素子53の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子53への熱負荷を低減することができる。
Furthermore, in this embodiment, since the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
上記実施形態では、Ag下地層を形成する金属部材の一例として、銅板からなる回路層を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、例えば図6に示すように、銅層162bとアルミニウム層162aとが固相拡散接合されて構成された回路層162(金属部材)の銅層162bの表面にAg下地層120を形成するものであってもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
In the above embodiment, as an example of the metal member for forming the Ag underlayer, a circuit layer made of a copper plate has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. The Ag underlayer 120 may be formed on the surface of the
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。 A confirmation experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
(本発明例1−9、比較例)
まず、表1に示した種類及び量のAg粉末、Sn又はSn合金の粉末、アクリル系樹脂、残部を溶剤(α−テルピネオール)として用いて、実施形態に記載した方法により、本発明例1−9及び比較例のAg下地層形成用ペーストを作成した。
(Invention Example 1-9, Comparative Example)
First, the present invention example 1 was obtained by the method described in the embodiment using Ag powder, Sn or Sn alloy powder, acrylic resin, and the balance as a solvent (α-terpineol) shown in Table 1. 9 and comparative example Ag underlayer forming pastes were prepared.
(本発明例11−19、比較例)
セラミックス基板の一方の面に回路層となる銅板を活性金属ろう付け法にて接合し、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウム板をろう付け法にて接合し、絶縁回路基板を製作した。ここで、セラミックス基板は、AlNとし、サイズは27mm×17mm×0.6mmとした。回路層となる銅板は、無酸素銅を使用し、サイズは25mm×15mm×0.3mmとした。金属層となるアルミニウム板は、純度99.99mass%以上の4Nアルミニウムとし、サイズは25mm×15mm×1.6mmとした。
(Invention example 11-19, comparative example)
A copper plate to be a circuit layer is joined to one surface of a ceramic substrate by an active metal brazing method, and an aluminum plate to be a metal layer is joined to the other surface of the ceramic substrate by a brazing method to produce an insulated circuit board. did. Here, the ceramic substrate was AlN, and the size was 27 mm × 17 mm × 0.6 mm. The copper plate used as the circuit layer was made of oxygen-free copper, and the size was 25 mm × 15 mm × 0.3 mm. The aluminum plate used as the metal layer was 4N aluminum having a purity of 99.99 mass% or more, and the size was 25 mm × 15 mm × 1.6 mm.
回路層の表面に、表1に示す組成のAg下地層形成用ペーストを塗布して加熱処理することにより、Ag下地層を形成した。 On the surface of the circuit layer, an Ag underlayer was formed by applying and heat-treating an Ag underlayer forming paste having the composition shown in Table 1.
次に、酸化銀ペーストとして、市販の酸化銀粉末(和光純薬工業株式会社製)と、還元剤としてミリスチルアルコールと、溶剤として2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノ(2−メチルプロパノエート)と、を用いて、酸化銀粉末;80質量%、還元剤(ミリスチルアルコール);10質量%、溶剤(2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノ(2−メチルプロパノエート));残部、の割合で混合したものを準備した。 Next, as a silver oxide paste, commercially available silver oxide powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), myristyl alcohol as a reducing agent, and 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol mono (2 -Methyl propanoate), silver oxide powder; 80% by mass, reducing agent (myristyl alcohol); 10% by mass, solvent (2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol mono (2) -Methylpropanoate)); the mixture in the ratio of the remainder was prepared.
そして、Ag下地層上に上述の酸化銀ペーストを塗布(塗布厚さ:10μm)し、接合面にAu膜を形成した半導体素子を配置し、酸化銀ペーストを焼成することで接合層を形成して、本発明例11−19、比較例の半導体装置を作製した。
ここで、酸化銀ペーストの焼成条件は、真空雰囲気、焼成温度300℃、焼成時間10分、加圧圧力5MPaとした。
Then, the above silver oxide paste is applied on the Ag underlayer (application thickness: 10 μm), a semiconductor element having an Au film formed on the bonding surface is disposed, and the silver oxide paste is baked to form a bonding layer. Thus, semiconductor devices of Inventive Examples 11-19 and Comparative Examples were produced.
Here, the firing conditions of the silver oxide paste were a vacuum atmosphere, a firing temperature of 300 ° C., a firing time of 10 minutes, and a pressing pressure of 5 MPa.
(従来例)
銅板からなる回路層の表面に、ガラス含有Agペーストを用いてAg下地層を形成し、酸化銀ペーストを焼成した接合層によって回路層と半導体素子とを接合し、比較例の半導体装置を作製した。なお、それ以外の条件は、本発明例11−19と同様とした。
回路層上にガラス含有Agペーストを塗布した後に加熱炉内に装入して、600℃で焼成することによって、回路層上にAg下地層を形成した。ここで使用したガラス含有Agペーストは、セルロース系樹脂と、Bi2O3−ZnO−B2O3系無鉛ガラスフリット、溶剤としてα−テルピネオール及びAgを含有するガラス含有Agペーストとした。
(Conventional example)
On the surface of the circuit layer made of a copper plate, an Ag underlayer was formed using a glass-containing Ag paste, and the circuit layer and the semiconductor element were bonded by a bonding layer obtained by baking a silver oxide paste, thereby manufacturing a comparative semiconductor device. . The other conditions were the same as in Invention Example 11-19.
After applying the glass-containing Ag paste on the circuit layer, it was placed in a heating furnace and baked at 600 ° C. to form an Ag underlayer on the circuit layer. The glass-containing Ag paste used here was a glass-based Ag paste containing cellulose resin, Bi 2 O 3 —ZnO—B 2 O 3 lead-free glass frit, α-terpineol and Ag as solvents.
得られた各種半導体装置について、シェア強度、熱抵抗及び電気抵抗を評価した。評価結果を表1に示す。 About the obtained various semiconductor devices, shear strength, thermal resistance, and electrical resistance were evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
(シェア強度)
2.5mm×2.5mm×0.200mmの半導体素子を接合した半導体装置に対し、せん断強度評価試験機を用いてシェア強度を測定した。測定は、半導体装置の回路層を水平に固定し、回路層表面から50μm上方の位置をシェアツールで横から水平に押して、半導体素子が破断されたときの強度を測定した。シェアツールの移動速度は0.1mm/secとした。一条件に付き3回強度試験を行い、それらの算術平均値を測定値とした。せん断強度評価試験機として株式会社レスカ製ボンディングテスタ(Model:PTR−1101)を用いた。
(Share strength)
The shear strength was measured using a shear strength evaluation tester for a semiconductor device in which 2.5 mm × 2.5 mm × 0.200 mm semiconductor elements were joined. In the measurement, the circuit layer of the semiconductor device was fixed horizontally, the position 50 μm above the surface of the circuit layer was pushed horizontally from the side with a shear tool, and the strength when the semiconductor element was broken was measured. The moving speed of the share tool was set to 0.1 mm / sec. The strength test was performed three times for one condition, and the arithmetic average value was taken as the measured value. As a shear strength evaluation tester, a bonding tester (Model: PTR-1101) manufactured by Reska Co., Ltd. was used.
(熱抵抗)
半導体素子としてヒータチップ(13mm×10mm×0.25mm)を用いて、半導体装置を作製し、これらの半導体装置を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを100Wの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体(エチレングリコール:水=9:1)の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。 なお、ガラス含有Agペーストを用いてAg下地層を形成した従来例を基準として1とし、この従来例との比率で評価した。
(Thermal resistance)
Semiconductor devices were fabricated using heater chips (13 mm × 10 mm × 0.25 mm) as semiconductor elements, and these semiconductor devices were brazed and joined to a cooler. Next, the heater chip was heated with a power of 100 W, and the temperature of the heater chip was measured using a thermocouple. Further, the temperature of the cooling medium (ethylene glycol: water = 9: 1) flowing through the cooler was measured. And the value which divided the temperature difference of a heater chip | tip and the temperature of a cooling medium with electric power was made into thermal resistance. In addition, the conventional example which formed Ag base layer using the glass containing Ag paste was set to 1 on the basis, and it evaluated by the ratio with this conventional example.
(電気抵抗)
Ag下地層を形成した絶縁回路基板について、図7及び図8に記載された方法により、テスタ(KEITHLEY社製:2010MULTIMETER)を用いて、Ag下地層の厚さ方向の電気抵抗値を測定した。電気抵抗の測定は、Ag下地層の上面中央点と、Ag下地層の上面中央点からAg下地層端部までの距離Hとした場合に、Ag下地層端部からHだけ離れた回路層上の点と、の間で行った。
(Electrical resistance)
With respect to the insulated circuit board on which the Ag underlayer was formed, the electrical resistance value in the thickness direction of the Ag underlayer was measured using a tester (manufactured by KEITHLEY: 2010 MULTITIMER) by the method described in FIGS. The electrical resistance is measured on a circuit layer that is separated from the Ag base layer edge by H when the upper surface center point of the Ag base layer is a distance H from the top center point of the Ag base layer to the Ag base layer edge. And went between.
回路層の表面にガラス含有AgペーストにてAg下地層を形成した従来例では、電気抵抗が本発明例に比べて高かった。
分解温度が400℃を超えるアクリル系樹脂を用いた比較例では、熱抵抗及び電気抵抗が本発明例に比べて高かった。
これに対して、回路層の表面に本発明のAg下地層形成用ペーストを用いてAg下地層を形成した本発明例11−19においては、熱抵抗及び電気抵抗が低かった。
In the conventional example in which the Ag underlayer was formed with the glass-containing Ag paste on the surface of the circuit layer, the electric resistance was higher than that in the inventive example.
In a comparative example using an acrylic resin having a decomposition temperature exceeding 400 ° C., the thermal resistance and the electrical resistance were higher than those of the present invention example.
On the other hand, in Example 11-19 of the present invention in which the Ag underlayer was formed on the surface of the circuit layer using the Ag underlayer forming paste of the present invention, the thermal resistance and electrical resistance were low.
10 Ag下地層形成用ペースト
11 Ag粉末
12 Sn又はSn合金の粉末
13 アクリル系樹脂
20 Ag下地層
21 Ag粒子
22 Ag及びSnを含む金属間化合物
10 Ag base
Claims (5)
Ag粉末と、Sn又はSn合金の粉末と、N2雰囲気における分解温度が400℃以下のアクリル系樹脂と、を含有していることを特徴とするAg下地層形成用ペースト。 A paste for forming an Ag foundation layer used when forming an Ag foundation layer on the surface of the copper layer to be joined to a body to be joined among metal members having a copper layer made of copper or a copper alloy,
A paste for forming an Ag underlayer comprising Ag powder, Sn or Sn alloy powder, and an acrylic resin having a decomposition temperature of 400 ° C. or lower in an N 2 atmosphere.
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