JP2015153881A - 半導体接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ナノ接合材を焼結する時の揮発ガスや体積収縮によるボイドの発生や接合部の膜厚が不均一となることを防止する半導体接合方法を提供する。【解決手段】半導体チップ５を固定する支持体の接合領域上に、金属ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第１導電性接合材１を、半導体チップ５の接合部の大きさ以上となるように塗布した後、加熱して仮硬化させる第１工程と、金属ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第２導電性接合材２を、第１導電性接合材１の上面に塗布する第２工程と、半導体チップ５を、接合部の全面が第１導電性接合材１の上面に接し、接合部の周囲の少なくとも一部が第２導電性接合材２と接するようにダイボンドする第３工程と、第１導電性接合材１と第２導電性接合材２を同時に加熱して硬化させる第４工程を有する半導体接合方法。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体装置等において、主として通電や放熱の機能を有するリードフレームや基板等と半導体チップを、金属ナノ粒子を含む導電性接合材を用いて接合する半導体接合方法に関するものである。

リードフレームや基板の上に半導体チップを接合する場合、Ｐｂを８５％以上含有するＳｎ−Ｐｂ系高融点半田材が広く用いられている一方、近年では環境保全の観点からＰｂフリー化の動きが活発化している。

また、昨今のエコブームを背景に電力損失を低減する効果のあるＳｉＣやＧａＮといった次世代パワー半導体の開発も活発化しているが、これらの材料を用いた半導体素子の特徴の一つである２５０℃以上の高温領域における動作を可能とするためには、導電性接合材についてもより高い耐熱性が要求される。
そして、従来の高融点半田材やＰｂフリー半田材では、その要求を満足できないため、従来利用してきた材料とは異なる接合材や接合方法の開発が進められている。

例えば、特許文献１（特開２００５−３２８３４号公報）では、液相拡散接合法によって次世代パワー半導体に対応する３００℃以上の耐熱接合を可能とする接合技術が開示されている。
しかし、この接合技術は、接合プロセスにおいて４５０〜６５０℃の高温、真空状態で加圧しながら３時間程度保持する必要があるため、生産性の面で難点が多く存在し、また、４５０〜６５０℃の高温、真空状態とすることで半導体チップ表面の配線パターン等にダメージが発生するおそれがあるため、信頼性の面でも懸念材料が多い。

そこで、２００℃程度の低温加熱により高耐熱接合（例えば、Ａｇを主成分とした材料の場合９６０℃程度）を可能とする金属ナノ粒子を用いた導電性接合材の開発が進められ、そのような導電性接合材を利用した接合技術についても様々な検討がなされている。
ここで、金属ナノ粒子を用いた導電性接合材（以下「金属ナノ接合材」という。）について説明すると、５〜１００ｎｍサイズの金属ナノ粒子と、これらが常温で凝集してしまうことを防止するために各金属ナノ粒子の周囲を被覆する有機分散剤と、有機溶剤からなるものである。
この金属ナノ接合材は、量子サイズ効果により融点よりはるかに低い温度で焼結が可能であるとともに、焼結後は有機分散剤と有機溶剤が揮発して完全に金属化してしまうことから、その金属固有の融点に相当する耐熱性、電気抵抗値、放熱性を有するものとなる。
そのため、融点が高く、電気抵抗値が低く、放熱性が高い材料（例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ）を選択することによって、パワー半導体等のさらなる性能向上や信頼性向上を達成できる接合が可能になるものと期待されている。

しかし、金属ナノ接合材は、加熱により有機分散剤と有機溶剤が揮発するため、接合材を構成する組成比率が加熱前後で大きく変化してしまうという特性を有している。
そして、リードフレームや基板と半導体チップとの間に金属ナノ接合材が挟まれた状態において加熱すると、有機分散剤と有機溶剤が揮発する際に逃げきれなかった揮発ガスがボイドとして発生したり（特に大面積半導体チップの中央部）、硬化時の体積収縮によって焼結後の膜厚が不均一になったりするなどの課題があった。
金属ナノ接合材の焼結後にボイドが存在すると、裏面電極を有する半導体チップに適用した場合に熱抵抗が増加することで電力損失が大きくなり、膜厚が均一でないと、温度サイクルによってクラックや層間剥離が発生し易く信頼性が低下するなど、製品の性能や品質等に大きな影響を与えることとなる。

そこで、特許文献２（特許第５３３１１１３号公報）では、図４（ａ）に示されるように、基板（１）の電極（２ａ）の上面に導電ペースト材料が塗布されて導電ペースト材料部（４４）が形成され、図４（ｂ）に示されるように、導電ペースト材料部（４４）を覆うように金属ナノ粒子ペースト材料が電極（２ａ）、（２ｂ）上に塗布されて接合材料部（１３ａ）、（１３ｂ）が形成され、図４（ｃ）に示されるように、導電ペースト材料が半硬化する温度で加熱され導電ペースト材料部（４４）のみが半硬化して凸部（４３）が形成され、図４（ｄ）に示されるように、電子部品（３）が搭載ツール（１６）で保持されて、接合材料部（１３ａ）、（１３ｂ）上に載置され、図４（ｅ）に示されるように、電子部品（３）の電極（２１ａ）が凸部（４３）の上端に当接するまで押し付けられ、図４（ｆ）に示されるように、熱処理によって半硬化状態の凸部（４３）及び接合材料部（１３ａ）、（１３ｂ）の硬化が行われて接合部（１５ａ）、（１５ｂ）が形成されることで、凸部（４３）によって電極の間隔を確保するとともに、接合材料部（１３ａ）から発生するガスを効率よく外部へ逃がすことができるようにしている。（特に、段落００８２〜００８７を参照。）

特開２００５−３２８３４号公報 特許第５３３１１１３号公報

しかし、発明者らが特許文献２に記載の実施の形態２に基づいて実験を繰り返した結果、半硬化状態の凸部４３によって接合材料部１３ａから発生するガスを効率よく外部へ逃がすことができるとは限らず、逆に先に硬化する凸部４３により確保される間隔より接合材料部１３ａが体積収縮する場合には、ヒケ等の未接合部分（ボイド）が生じてしまう問題点を確認した。

本発明は、このような問題点を解決し、金属ナノ接合材を焼結する時の揮発ガスや体積収縮によるボイドの発生や接合部の膜厚が不均一となることの防止を目的とするものである。

請求項１に係る発明は、半導体接合方法において、半導体チップを固定する支持体の接合領域上に、金属ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第１導電性接合材を、前記半導体チップの接合部の大きさ以上となるように塗布した後、加熱して仮硬化させる第１工程と、金属ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第２導電性接合材を、前記第１導電性接合材の上面に塗布する第２工程と、前記半導体チップを、前記接合部の全面が前記第１導電性接合材の上面に接し、前記接合部の周囲の少なくとも一部が前記第２導電性接合材と接するようにダイボンドする第３工程と、前記第１導電性接合材と前記第２導電性接合材を同時に加熱して硬化させる第４工程を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の半導体接合方法において、前記第２導電性接合材の粘度が５ｍＰａ・s〜１０Ｐａ・sであることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の半導体接合方法において、前記第１導電性接合材の金属重量濃度が７０〜９９重量％、前記第２導電性接合材の金属重量濃度が４０〜７０重量％であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３に記載の半導体接合方法において、前記第１工程の後に前記第１導電性接合材の上面を研磨又は平坦面で加圧してレベリングする工程を有することを特徴とする。

請求項１に係る発明の半導体接合方法によれば、半導体チップを固定する支持体の接合領域上に、金属ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第１導電性接合材を、前記半導体チップの接合部の大きさ以上となるように塗布した後、加熱して仮硬化させる第１工程によって、第１導電性接合材の有機分散剤及び有機溶剤がある程度揮発するので、第４工程において第１導電性接合材と前記第２導電性接合材を同時に加熱して硬化させる際に、第１導電性接合材から多量の有機分散剤及び有機溶剤が揮発することがなく、第１導電性接合材の体積収縮を小さくすることができるので、硬化後にボイドがなく、均一な膜厚の接合部を有する接合体を得ることができる。
また、金属ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第２導電性接合材を、前記第１導電性接合材の上面に塗布する第２工程と、前記半導体チップを、前記接合部の全面が前記第１導電性接合材の上面に接し、前記接合部の周囲の少なくとも一部が前記第２導電性接合材と接するようにダイボンドする第３工程によって、半導体チップの接合部全面が第１導電性接合材の上面に接するとともに、金属ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第２導電性接合材が半導体チップと第１導電性接合材の間に介在して接着剤的な役割を果たすので、接合体の電気抵抗値を下げることができるとともに、熱伝導度を上げることができる。

請求項２に係る発明の半導体接合方法によれば、第２導電性接合材の粘度が５ｍＰａ・s〜１０Ｐａ・sであるので、半導体チップをダイボンドする第３工程において、第１導電性接合材の上面に塗布された第２導電性接合材の上に半導体チップを載せた時に、特に加圧することなく重力のみで第２導電性接合材が押し出されて、接合部の全面が第１導電性接合材の上面に良好に接するという効果を奏する。

請求項３に係る発明の半導体接合方法によれば、第１導電性接合材の金属重量濃度が７０〜９９重量％であるため、第１工程における仮硬化時及び第４工程における加熱硬化時において、第１導電性接合材から揮発するガスが少なく、体積収縮も少ないという効果がある。
また、第２導電性接合材の金属重量濃度が４０〜７０重量％であるので、第２導電性接合材を塗布する第２工程及び半導体チップをダイボンドする第３工程において、第２導電性接合材の取り扱いが容易であるという効果を奏する。

請求項４に係る発明の半導体接合方法によれば、第１工程の後に第１導電性接合材の上面を研磨又は平坦面で加圧してレベリングする工程を有することによって、仮硬化させた第１導電性接合材の上面が平坦化され、第１導電性接合材と半導体チップの接合部が密着し易くなるので、より良好な接合状態を得ることができるという効果を奏する。
さらに、第１導電性接合材と半導体チップの接合部が密着すると、第２導電性接合材の押し出される量が増えるので、第２工程における第２導電性接合材の塗布量を減らすことができる。

実施例における半導体接合方法の各工程を示す図。 実施例の半導体接合方法によって得られた接合体のＸ線写真。 実施例の半導体接合方法によって得られた接合体の断面写真。 特許文献２における半導体接合方法の各工程を示す図。

以下、実施例によって本発明の実施形態を説明する。

図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の半導体接合方法の工程を示す図である。
なお、図面の記載は模写的なものであり、厚みと平面寸法の比率、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。

＜第１工程＞
図１（ａ）に示すように、基板となるリードフレーム３の銀メッキ層４の上面に銀ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第１導電性接合材１を、約４０μｍの厚みで半導体チップ５の接合部の大きさ以上（２．０ｍｍ×２．５ｍｍ）となるようにスクリーン印刷により塗布し、その後大気開放型のホットプレート上で１００℃×３分程度加熱することで溶剤を飛ばし仮硬化させる。
なお、リードフレーム３は、例えば銅を主成分とする合金からなり、半導体チップ５と接合される領域には銀めっき層４が施されている。
また、第１導電性接合材１は、平均粒径６０ｎｍの銀ナノ粒子と、これらが常温で凝集してしまうことを防止するために銀ナノ粒子の周りを覆う有機分散剤と、有機溶剤からなっており、金属含有量は８０〜８５重量％、粘度は７０〜１２０Ｐａ・sである。

＜第２工程＞
図１（ｂ）に示すように、仮硬化させた第１導電性接合材１を覆うような大きさ（２．５ｍｍ×３．０ｍｍ）で、銀ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第２導電性接合材２を、スクリーン印刷又はディスペンス等の方法で塗布する。
なお、第２導電性接合材２は、平均粒径１２ｎｍの銀ナノ粒子と、これらが常温で凝集してしまうことを防止するために銀ナノ粒子の周りを覆う有機分散剤と、有機溶剤からなり、金属含有量は６２〜６７重量％、粘度は７〜１１ｍＰａ・sである。

＜第３工程＞
半導体チップ５を適宜の手段によって第２導電性接合材２の上に載せ、図１（ｃ）に示すように、半導体チップ５の接合部全面が仮硬化状態の第１導電性接合材１の上面に接するとともに、半導体チップ５の接合部及び第１導電性接合材１の周囲が第２導電性接合材２で取り囲まれる状態となるようにダイボンドを行う。
なお、第２導電性接合材２の粘度が低いので、半導体チップ５を第２導電性接合材２の上に載せただけで重力によって押し出されて周囲に広がる。そのため、半導体チップ５を加圧する必要はない。

＜第４工程＞
図１（ｃ）に示す状態において、大気開放型のホットプレート上で加熱して第１導電性接合材１及び第２導電性接合材２を焼結すると接合が終了し、融点が高く（約９６０℃）電気抵抗率の低い（３〜５μΩ・ｃｍ）銀の結晶体でリードフレーム３と半導体チップ５が接合された図１（ｄ）の接合体が得られる。
焼結は、ホットプレートの表面温度を５０℃として加熱を開始し、毎分５℃ずつ昇温させ、２５０℃に到達した後、約１０分間保持することで完了する。

このようにして得られた接合体のＸ線写真が図２、同接合体の断面写真が図３である。
これらの写真から、半導体チップ５の下の接合部におけるボイドの発生が抑制されていること、同接合部の膜厚が均一化されていることが分かる。

実施例の変形例を列記する。
（１）実施例においては、第１導電性接合材１を約４０μｍの厚みとなるように塗布したが、この厚みは一例であり、接合する半導体チップの大きさや用途によって、焼成後の厚みを考慮しつつ選択する。
また、実施例においては、第１導電性接合材１を仮硬化させる際に、大気開放型のホットプレート上で１００℃×３分程度加熱したが、加熱手段や加熱時間も塗布する第１導電性接合材１の材質、厚み及び大きさに応じて適宜選択する。
（２）実施例において使用した第１導電性接合材１は、平均粒径６０ｎｍの銀ナノ粒子と、有機分散剤と、有機溶剤からなり、金属含有量は８０〜８５重量％、粘度は７０〜１２０Ｐａ・sであったが、第１導電性接合材１は銀ナノ粒子に限らず融点が高く電気抵抗値が低い金属（例えば、Ａｕ、Ｃｕ）のナノ粒子を含む金属ペーストであれば、どんなものであっても良い。
また、金属粒子の平均粒径は、量子サイズ効果により融点よりはるかに低い温度で焼結が可能な範囲であれば良いが、通常は５〜１００ｎｍである。
さらに、金属含有量や粘度については塗布した後にある程度の厚みを保つことができれば、第１工程における加熱を加減することによって仮硬化後の第１導電性接合材１の膜厚や硬さを適宜調整できるため、どのようなものでも利用可能ではあるが、第１工程における加熱時間を短くし、焼結後の厚みを制御しやすくするためには、いずれも比較的高めとした方が良い。金属含有量の適値は７０〜９９重量％、最適値は８０〜９０重量％であり、粘度の適値は１０〜２００Ｐａ・s、最適値は５０〜１５０Ｐａ・sである。
なお、金属含有量が９５重量％を超える金属ペーストは製造が難しく高価であり、粘度は１８０Ｐａ・sを超えると塗布方法が限定されるので量産には適さない。
（３）実施例において使用した第２導電性接合材２は、平均粒径１２ｎｍの銀ナノ粒子と、有機分散剤と、有機溶剤からなり、金属含有量は６２〜６７重量％、粘度は７〜１１ｍＰａ・sであったが、第１導電性接合材１と同様、第２導電性接合材２は銀ナノ粒子に限らず融点が高く電気抵抗値が低い金属のナノ粒子を含む金属ペーストであれば、どんなものであっても良く、金属粒子の平均粒径についても量子サイズ効果により融点よりはるかに低い温度で焼結が可能な範囲であれば良い。
また、金属含有量や粘度については半導体チップ５を載せて加圧することで押し出されて周囲に広がる範囲の値であれば良く、さらに半導体チップ５を載せただけで押し出されて周囲に広がる範囲の低めの値であればより良い。金属含有量の適値は４０〜９０重量％、最適値は４０〜７０重量％であり、粘度の適値は５ｍＰａ・s〜５０Ｐａ・s、最適値は５ｍＰａ・s〜１０Ｐａ・ｓである。
（４）実施例の第２工程においては、仮硬化させた第１導電性接合材１を覆うように２．５ｍｍ×３．０ｍｍの大きさで第２導電性接合材２を塗布したが、必ずしも第１導電性接合材１全部が覆われる必要はない。
なぜなら、第１導電性接合材１の上面に適量の第２導電性接合材２が塗布されていれば、第３工程で第２導電性接合材２の上に半導体チップ５が載せられた時に、第２導電性接合材２が押し出されて半導体チップ５の周囲に広がるからである。
なお、第２導電性接合材２が押し出された後において、図１（ｃ）のように第２導電性接合材２が第１導電性接合材１の周囲を覆う必要はなく、半導体チップ５の接合部の周囲の少なくとも一部が第２導電性接合材２と接する状態になっていれば十分である。
（５）実施例の第４工程における焼結は、ホットプレートの表面温度を５０℃として加熱を開始し、毎分５℃ずつ昇温させ、２５０℃に到達した後、約１０分間保持することで完了させたが、焼結の手順はこのような手順に限らず、初期加熱温度、昇温の幅、最高加熱温度、加熱保持時間等は、塗布する第１導電性接合材１及び第２導電性接合材２の材質、厚み及び大きさに応じて適宜選択する。
（６）実施例の第１工程と第２工程の間に、仮硬化させた第１導電性接合材１の上面を研磨又は平坦面で加圧してレベリングする工程を追加しても良い。
この工程を追加することによって、仮硬化させた第１導電性接合材１の上面が平坦化され、第１導電性接合材１と半導体チップ５の接合部が密着し易くなるので、より良好な接合状態を得ることができる。
さらに、第１導電性接合材１と半導体チップ５の接合部が密着すると、第２導電性接合材２の押し出される量が増えるので、第２工程における第２導電性接合材２の塗布量を減らすことができる。

１ 第１導電性接合材 ２ 第２導電性接合材
３ リードフレーム ４ 銀めっき層 ５ 半導体チップ
（１）基板 （２ａ）基板の電極 （２ｂ）基板の電極
（３）電子部品 （１３ａ）接合材料部 （１３ｂ）接合材料部
（１５ａ）接合部 （１５ｂ）接合部 （１６）搭載ツール
（２１ａ）電子部品の電極 （４３）凸部 （４４）導電ペースト材料部

Claims (4)

1. 半導体チップを固定する支持体の接合領域上に、金属ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第１導電性接合材を、前記半導体チップの接合部の大きさ以上となるように塗布した後、加熱して仮硬化させる第１工程と、
   金属ナノ粒子、有機分散剤及び有機溶剤を含む第２導電性接合材を、前記第１導電性接合材の上面に塗布する第２工程と、
   前記半導体チップを、前記接合部の全面が前記第１導電性接合材の上面に接し、前記接合部の周囲の少なくとも一部が前記第２導電性接合材と接するようにダイボンドする第３工程と、
   前記第１導電性接合材と前記第２導電性接合材を同時に加熱して硬化させる第４工程
   を有する半導体接合方法。
2. 前記第２導電性接合材の粘度が５ｍＰａ・ｓ〜１０Ｐａ・ｓである
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体接合方法。
3. 前記第１導電性接合材の金属重量濃度が７０〜９９重量％、
   前記第２導電性接合材の金属重量濃度が４０〜７０重量％である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体接合方法。
4. 前記第１工程の後に前記第１導電性接合材の上面を研磨又は平坦面で加圧してレベリングする工程を有する
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体接合方法。