JP2018103222A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a high heat resistance, junction strength, and mechanical strength to be maintained as well as a favorable electrical characteristics for a long period in a junction part of a semiconductor element with a connection member in an SiC semiconductor element noted as a power device which controls a large power because of a higher breakdown field strength and a wider band gap as compared with an Si semiconductor element.SOLUTION: The above-mentioned problem is solved by a semiconductor device having a semiconductor element and a connection member connected with the semiconductor element, in which a junction part which forms a junction of the semiconductor element with the connection member has a metal matrix containing an intermetallic compound consisting of Sn and Cu and a Sn alloy, the intermetallic compound is diffused into the metal matrix, and the metal matrix contains substantially no Cu balls.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、半導体素子と、前記半導体素子と接続される接続部材と、を有する半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device having a semiconductor element and a connection member connected to the semiconductor element.

近年、SiC(炭化珪素)を用いたSiC半導体素子の開発が進められている。
SiC半導体素子はSi半導体素子に比較して絶縁破壊電界強度が高く、バンドギャップが広いため、大電力を制御するパワーデバイスとして注目されている。SiC半導体素子は、Si半導体素子の限界を超える150℃以上の高温においても動作が可能であり、理論的には500℃以上でも動作が可能とされている(特許文献1参照)。
このようなパワーデバイスは、長時間にわたって高温動作状態が継続し、しかも、高温動作状態から低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど、過酷な環境下で使用される。したがって、半導体素子およびこれと接続される接続部材を有する半導体装置では、両者の接合を形成する接合部に対し、長期にわたり高い接合強度を維持するとともに、優れた耐熱性も要求される。
しかし、従来より知られた接合材は、必ずしも、上述した要求を満たし得るものではなかった。
In recent years, SiC semiconductor elements using SiC (silicon carbide) have been developed.
SiC semiconductor elements are attracting attention as power devices that control high power because they have higher breakdown field strength and wider band gaps than Si semiconductor elements. The SiC semiconductor element can operate even at a high temperature of 150 ° C. or higher, which exceeds the limit of the Si semiconductor element, and theoretically can operate even at 500 ° C. or higher (see Patent Document 1).
Such a power device is used in a harsh environment such that a high temperature operation state continues for a long time and a large temperature fluctuation occurs from a high temperature operation state to a low temperature stop state. Therefore, in a semiconductor device having a semiconductor element and a connecting member connected to the semiconductor element, high bonding strength is required for a long period of time and excellent heat resistance is required for a bonding portion that forms the bonding between the two.
However, conventionally known bonding materials are not necessarily capable of satisfying the above-described requirements.

例えば、特許文献2に開示されている半導体装置では、到底上述した要求を満たすことができない。
すなわち、特許文献2には、高温時に接続強度の維持を目的として、半導体装置の電極と実装基板の電極とを、Cuボールを有する接続部により接続し、かつCuボール同士を金属間化合物CuSnによって連結する電子機器が開示されている。
しかし特許文献2に開示された技術では、接続部においてCuが一方向に結晶成長し、長軸結晶を生成し、これがウィスカとなってクラック現象が生じ、電気的特性を阻害したり、耐久性が悪化する等の問題点があった。
For example, the semiconductor device disclosed in Patent Document 2 cannot satisfy the above-described requirements.
That is, in Patent Document 2, for the purpose of maintaining the connection strength at a high temperature, the electrode of the semiconductor device and the electrode of the mounting substrate are connected by a connection portion having Cu balls, and the Cu balls are connected to each other by an intermetallic compound Cu 6. An electronic device connected by Sn 5 is disclosed.
However, in the technique disclosed in Patent Document 2, Cu grows in one direction at the connection portion to generate a long axis crystal, which becomes a whisker, which causes a crack phenomenon, impairs electrical characteristics, and durability. There were problems such as worsening.

特開2011−80796号公報JP 2011-80796 A 特開2002−261105号公報JP 2002-261105 A

したがって本発明の目的は、半導体素子と、前記半導体素子と接続される接続部材と、を有する半導体装置において、前記半導体素子と前記接続部材との接合を形成する接合部が、長期にわたって高い耐熱性、接合強度および機械的強度を維持し、かつ良好な電気的特性も維持可能な半導体装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a semiconductor element and a connection member connected to the semiconductor element, in which a bonding portion that forms a bond between the semiconductor element and the connection member has high heat resistance over a long period of time. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of maintaining bonding strength and mechanical strength and maintaining good electrical characteristics.

上述した課題を解決するため、本発明に係る半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子と接続される接続部材と、を有し、前記半導体素子と前記接続部材との接合を形成する接合部は、SnおよびCuからなる金属間化合物とSn合金を含む金属マトリクスとを有し、前記金属間化合物は、前記金属マトリクス中に分散し、前記金属マトリクスは、Cuボールを実質上含まない、ことを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor element and a connection member connected to the semiconductor element, and forms a junction between the semiconductor element and the connection member. Has an intermetallic compound composed of Sn and Cu and a metal matrix containing an Sn alloy, the intermetallic compound is dispersed in the metal matrix, and the metal matrix is substantially free of Cu balls. It is characterized by.

また、前記金属マトリクスは、Sn単体を実質上含まないことが好適である。   In addition, it is preferable that the metal matrix does not substantially contain Sn alone.

本発明に係る半導体装置における接合部は、SnおよびCuからなる金属間化合物がSn合金を含む金属マトリクス中に分散するとともにCuボールが金属マトリクス中に実質上存在しないものである。これにより、高温の曝露によってCuが一方向に長軸結晶として生成する(ウイスカ)ことがなく、イオンマイグレーションの抑制がはかれることで、接合部でのクラック現象を防止でき また、Sn単体が金属マトリクス中に実質上存在しないことにより、高温の曝露によってSnも結晶成長することがなく、このSnの結晶成長に基づくクラック現象も防止することができる。
さらに、接合部は金属間化合物による高温耐熱性と、金属マトリクスによる柔軟性とを兼ね備えることになる。
以上から、長時間にわたって高温動作状態が継続する等の過酷な環境下で使用された場合でも、長期にわたって高い耐熱性、接合強度および機械的強度を維持し、かつ良好な電気的特性も維持可能な半導体装置を提供することができる。
The junction in the semiconductor device according to the present invention is such that an intermetallic compound composed of Sn and Cu is dispersed in a metal matrix containing an Sn alloy and Cu balls are substantially absent in the metal matrix. As a result, Cu is not generated as a long axis crystal (whisker) in one direction due to high temperature exposure, and suppression of ion migration can be prevented, so that a crack phenomenon at the joint can be prevented. By being substantially absent, Sn does not grow due to high temperature exposure, and the cracking phenomenon based on the Sn crystal growth can be prevented.
Further, the joint portion has both high temperature heat resistance due to the intermetallic compound and flexibility due to the metal matrix.
From the above, even when used in harsh environments where high-temperature operation continues for a long time, high heat resistance, bonding strength and mechanical strength can be maintained for a long time, and good electrical characteristics can also be maintained A semiconductor device can be provided.

本発明における接合部の構造を説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating the structure of the junction part in this invention. 8Cu・92Snの金属粒子の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of 8Cu · 92Sn metal particles. 金属粒子の製造に好適な製造装置の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the manufacturing apparatus suitable for manufacture of a metal particle. 本発明における接合部の断面の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the cross section of the junction part in this invention. SACはんだを用いて形成した従来技術の接合部の断面の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the cross section of the junction part of the prior art formed using SAC solder.

以下、本発明をさらに詳しく説明する。
図1は、本発明における接合部の構造を説明するための模式断面図である。
図1において、接合部300は、対向配置された基板100、500に形成された金属/合金体101、501(図1ではCu電極)を接合する。接合部300は、金属間化合物としてCuSnを含み(その他CuSn)、金属マトリクスとしてSn合金(例えば4質量%Cu及び96質量%Snからなる合金を含む)を含み、金属間化合物CuSnが金属マトリクス中に分散し、金属マトリクスは、Cuボールを実質上含まない。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of the joint in the present invention.
In FIG. 1, a joining portion 300 joins metal / alloy bodies 101 and 501 (Cu electrodes in FIG. 1) formed on substrates 100 and 500 arranged to face each other. The joint portion 300 includes Cu 6 Sn 5 (another Cu 3 Sn) as an intermetallic compound, and includes an Sn alloy (for example, an alloy composed of 4 mass% Cu and 96 mass% Sn) as an intermetallic compound. Cu 6 Sn 5 is dispersed in the metal matrix, and the metal matrix is substantially free of Cu balls.

Cuボールとは、特許文献2で開示されたような従来の接合部に含まれ、電極間のスペーサーとしての役割を果たし、球形である場合、その平均粒径は例えば10μm〜100μmである。Cuボールの形状は、球状以外にも、表面に凹凸を有するもの、棒状であるもの、樹枝状であるもの等が挙げられる。なお、Cuボールが球形以外の形状である場合、その平均粒径は、投影面積円相当径(投影像の面積が最大となるときの当該面積と等しい面積の円の直径)とする。Cuボールは接合部の電気的特性、耐熱性、強度に寄与するものであるが、一方では、本発明者の検討によれば上述のように高温の曝露によって一方向に長軸結晶として生成し(ウイスカ)、接合部でのクラック現象の一因となっている。   Cu balls are included in conventional joints as disclosed in Patent Document 2 and serve as spacers between electrodes. When the balls are spherical, the average particle diameter is, for example, 10 μm to 100 μm. In addition to the spherical shape, the shape of the Cu ball includes a surface having irregularities, a rod shape, a dendritic shape, and the like. When the Cu ball has a shape other than a spherical shape, the average particle diameter is a projected area equivalent circle diameter (a diameter of a circle having an area equal to the area when the area of the projected image is maximized). Cu balls contribute to the electrical properties, heat resistance, and strength of the joint, but on the other hand, according to the study of the present inventors, they are formed as long axis crystals in one direction by high temperature exposure as described above. (Whisker) contributes to the cracking phenomenon at the joint.

ここで、本明細書で言う「Cuボールを実質上含まない」とは、接合部300中に例えばCuボールを3質量%以下、好ましくは1質量%以下、さらに好ましくは0.1質量%以下、とくに好ましくは0質量%の割合で含むものと言うことができる。Cuボールの割合は、接合部300の断面の電子顕微鏡写真を撮影し、任意に50か所サンプリングし、画像解析し、Cuボールが接合部300中にどの程度存在するのかを調べ、質量換算することにより求めることができる。   Here, “substantially free of Cu balls” as used in the present specification means that, for example, Cu balls are 3% by mass or less, preferably 1% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or less in the joint portion 300. Particularly preferably, it can be said to contain at a ratio of 0% by mass. The ratio of Cu balls is obtained by taking an electron micrograph of the cross section of the joint 300, arbitrarily sampling 50 locations, analyzing the image, examining how much Cu balls are present in the joint 300, and converting the mass. Can be obtained.

また本発明では、前記金属マトリクスは、Cu単体を実質上含まないことが好適である。本明細書で言う「Cu単体を実質上含まない」とは、CuボールおよびCuボールとしての形状を示さないCu単体を、接合部300中に例えば3質量%以下、好ましくは1質量%以下、さらに好ましくは0.1質量%以下、とくに好ましくは0質量%の割合で含むものと言うことができる。すなわち、Cu単体はほとんどがSn−Cu合金または金属間化合物としてとして金属マトリクス中に拡散していることが望ましい。Cu単体の割合は、X線回折データー装置で定性分析することにより求めることができる。   In the present invention, it is preferable that the metal matrix substantially does not contain Cu alone. As used herein, “substantially free of Cu simple substance” means, for example, 3% by mass or less, preferably 1% by mass or less, of Cu simple substance not showing the shape as a Cu ball and Cu ball in the joint 300, More preferably, it can be said to be contained at a ratio of 0.1% by mass or less, particularly preferably 0% by mass. That is, it is desirable that almost all of Cu alone is diffused in the metal matrix as an Sn—Cu alloy or an intermetallic compound. The proportion of simple Cu can be determined by qualitative analysis using an X-ray diffraction data apparatus.

接合部300がCuボールおよびCu単体を上記のように実質上含まないことにより、高温の曝露によってCuが一方向に長軸結晶として生成する(ウイスカ)ことがなく、接合部でのクラック現象を防止できる。   Since the joining part 300 does not substantially contain Cu balls and Cu alone as described above, Cu is not generated as a long axis crystal in one direction (whisker) by high temperature exposure, and the crack phenomenon at the joining part is caused. Can be prevented.

また、前記金属マトリクスは、Sn単体を実質上含まないことが好適である。本明細書で言う「Sn単体を実質上含まない」とは、Snを接合部300中に例えば3質量%以下、好ましくは1質量%以下、さらに好ましくは0.1質量%以下、とくに好ましくは0質量%の割合で含むものと言うことができる。すなわち、Sn単体はほとんどがSn−Cu合金として金属マトリクス中に拡散し消失している。Sn単体の割合は、X線回折データー装置で定性分析することによりデーターベースに依り求めることができる。このようにSn単体が金属マトリクス中に実質上存在しないことにより、高温の曝露によってSnも結晶成長することがなく、このSnの結晶成長に基づくクラック現象も防止することができる。   In addition, it is preferable that the metal matrix does not substantially contain Sn alone. As used herein, “substantially free of Sn alone” means, for example, that Sn is not more than 3% by mass, preferably not more than 1% by mass, more preferably not more than 0.1% by mass, particularly preferably not more than 0.1% by mass. It can be said that it is contained at a rate of 0% by mass. That is, most of Sn alone diffuses and disappears in the metal matrix as an Sn—Cu alloy. The ratio of Sn alone can be obtained from a database by qualitative analysis using an X-ray diffraction data apparatus. Thus, since Sn alone does not substantially exist in the metal matrix, Sn does not grow due to high-temperature exposure, and a crack phenomenon based on the Sn crystal growth can be prevented.

基板100,500は、半導体素子を備え、例えばパワーデバイスなどの電子・電気機器を構成する基板であり、金属/合金体101,501は、電極、バンプ、端子またはリード導体などとして、基板100,500に一体的に設けられている接続部材である。パワーデバイスなどの電子・電気機器では、金属/合金体101,501は、一般にはCuまたはその合金として構成される。もっとも、基板100,500に相当する部分が、金属/合金体で構成されたものを排除するものではない。   The substrates 100 and 500 are substrates that include semiconductor elements and constitute electronic / electrical equipment such as power devices. The metal / alloy bodies 101 and 501 are electrodes, bumps, terminals, lead conductors, or the like. 500 is a connection member provided integrally with 500. In electronic / electric equipment such as power devices, the metal / alloy bodies 101, 501 are generally configured as Cu or an alloy thereof. However, the portion corresponding to the substrates 100 and 500 is not excluded from the case where the portion is made of a metal / alloy body.

次に本発明における接合部の形成方法について説明する。
該接合部は、CuとSnとを組み合わせた金属粒子により形成することができる。該金属粒子としては、8質量%Cu及び92質量%Snの組成(以下8Cu・92Snと称する)の金属粒子が挙げられる。
この8Cu・92Snの金属粒子の電子顕微鏡写真を図2に示す。図2の金属粒子は、その表面の一部がレーザで薄く研磨されている。
図2の金属粒子は、その表面の一部がレーザによって表面からおよそ0.1μmまで研磨されている。
8Cu・92Snの金属粒子Mは、図2から理解されるように、黒色で示す金属マトリクス中に、金属間化合物CuxSnyが、網目状121、点状又は膜状122等の形態をとっている。金属間化合物CuxSnyは、実際には、3次元構造を形成している。金属間化合物CuxSnyのサイズは、図2に図示されたスケール表示に照らして、nmサイズ(1μm以下)のものが含まれている。
すなわち、金属粒子Mは、金属マトリクス中に分布するナノコンポジット3次元構造を形成する多数のナノサイズの金属間化合物を有している。ここでナノコンポジット3次元構造とは、金属粒子Mの1/10以下のナノスケールサイズの結晶で3次元構造となっているものをいう。
8Cu・92Snの金属粒子Mは、図2から理解されるように、その表面付近に金属間化合物CuSnの網目状の構造を形成している。
Next, the method for forming the joint in the present invention will be described.
The joint can be formed of metal particles that combine Cu and Sn. Examples of the metal particles include metal particles having a composition of 8 mass% Cu and 92 mass% Sn (hereinafter referred to as 8Cu · 92Sn).
An electron micrograph of the 8Cu.92Sn metal particles is shown in FIG. A part of the surface of the metal particles in FIG. 2 is thinly polished with a laser.
A part of the surface of the metal particles in FIG. 2 is polished to approximately 0.1 μm from the surface by a laser.
As can be understood from FIG. 2, the metal particles M of 8Cu · 92Sn are in the form of a mesh 121, a dot or film 122, etc., in an intermetallic compound CuxSny in a black metal matrix. The intermetallic compound CuxSny actually forms a three-dimensional structure. The size of the intermetallic compound CuxSny includes those of nm size (1 μm or less) in light of the scale display shown in FIG.
That is, the metal particle M has a large number of nano-sized intermetallic compounds that form a nanocomposite three-dimensional structure distributed in the metal matrix. Here, the nanocomposite three-dimensional structure refers to a three-dimensional structure made of a nanoscale size crystal of 1/10 or less of the metal particles M.
As can be understood from FIG. 2, the 8Cu · 92Sn metal particles M form a network structure of the intermetallic compound Cu 6 Sn 5 in the vicinity of the surface thereof.

このような金属粒子は、例えば窒素ガス雰囲気中で、高速回転する皿形ディスク上に、Cu8質量%とSn92質量%からなる組成の溶融金属を供給して強制的に作られた遠心場内に遠心力等により小滴として飛散させた溶融金属がその制御された環境状況下で急速冷却固化過程で強制的に自己組織化させることにより得ることができる。   Such metal particles are centrifuged in a centrifugal field forcibly formed by supplying molten metal having a composition of 8% by mass of Cu and 92% by mass of Sn on a dish-shaped disk that rotates at high speed, for example, in a nitrogen gas atmosphere. Molten metal dispersed as droplets by force or the like can be obtained by forcibly self-organizing in a rapid cooling and solidification process under controlled environmental conditions.

金属粒子の製造に好適な製造装置の一例を図3を参照して説明する。粒状化室1は上部が円筒状、下部がコーン状になっており、上部に蓋2を有する。蓋2の中心部には垂直にノズル3が挿入され、ノズル3の直下には皿形回転ディスク4が設けられている。符号5は皿形回転ディスク4を上下に移動可能に支持する機構である。また粒状化室1のコーン部分の下端には生成した粒子の排出管6が接続されている。ノズル3の上部は粒状化する金属を溶融する電気炉(高周波炉)7に接続されている。混合ガスタンク8で所定の成分に調整された雰囲気ガスは配管9及び配管10により粒状化室1内部及び電気炉7上部にそれぞれ供給される。粒状化室1内の圧力は弁11及び排気装置12、電気炉7内の圧力は弁13及び排気装置14によりそれぞれ制御される。ノズル3から皿形回転ディスク4上に供給された金属は皿形回転ディスク4による遠心力と回転軸沿いからの吹き上げ気流が作り出す平行気流環境遠心場内での作用で微細な液滴状になって飛散し、冷却されて固体粒子になる。生成した固体粒子は排出管6から自動フィルター15に供給され分別される。符号16は微粒子回収装置である。   An example of a production apparatus suitable for producing metal particles will be described with reference to FIG. The granulation chamber 1 has a cylindrical shape at the top and a cone shape at the bottom, and has a lid 2 at the top. A nozzle 3 is inserted vertically in the center of the lid 2, and a dish-shaped rotating disk 4 is provided immediately below the nozzle 3. Reference numeral 5 denotes a mechanism for supporting the dish-shaped rotating disk 4 so as to be movable up and down. The generated particle discharge pipe 6 is connected to the lower end of the cone portion of the granulating chamber 1. The upper part of the nozzle 3 is connected to an electric furnace (high frequency furnace) 7 for melting the metal to be granulated. The atmospheric gas adjusted to a predetermined component in the mixed gas tank 8 is supplied to the inside of the granulating chamber 1 and the upper part of the electric furnace 7 through the pipe 9 and the pipe 10, respectively. The pressure in the granulating chamber 1 is controlled by the valve 11 and the exhaust device 12, and the pressure in the electric furnace 7 is controlled by the valve 13 and the exhaust device 14, respectively. The metal supplied from the nozzle 3 onto the dish-shaped rotating disk 4 becomes fine droplets due to the centrifugal force generated by the dish-shaped rotating disk 4 and the action in the parallel air flow environment centrifugal field created by the blowing airflow along the rotation axis. It is scattered and cooled to solid particles. The generated solid particles are supplied from the discharge pipe 6 to the automatic filter 15 and separated. Reference numeral 16 denotes a fine particle collecting apparatus.

高速回転体が円盤状又は円錐状の場合尚遠心場が無い場合は、溶融金属が回転体のどの位置に供給されるのかによって溶融金属にかかる遠心力が大きく異なるので、粒の揃った球状粉体を得にくい。だが回転シャフト下部から不活性ガスを吹き上げデスク下部に充て遠心力にて均一な気流を造り回転中心から2m範囲内に遠心場を作り出す事にて高速回転する皿形ディスク上に供給した場合は、その皿形の周縁位置における均一な遠心力を受け粒の揃った小滴に分散して飛散する。飛散した小滴は遠心場雰囲気ガス中で急速に冷却し、固化した小粒となって落下し、回収される。   When the high-speed rotating body is disk-shaped or conical, if there is no centrifugal field, the centrifugal force applied to the molten metal varies greatly depending on the position of the molten metal supplied to the rotating body. Hard to get a body. However, when an inert gas is blown up from the lower part of the rotating shaft and filled into the lower part of the desk, a uniform air flow is created by centrifugal force, and a centrifugal field is created within the range of 2 m from the center of rotation to supply it on a dish-shaped disk that rotates at high speed. It receives a uniform centrifugal force at the peripheral edge of the dish and is dispersed and scattered into small droplets with uniform grains. The scattered droplets are rapidly cooled in a centrifugal field gas, fall as solidified particles, and are collected.

溶融金属は急速冷却固化中に自己組織化され、個々の微小粒子が前記ナノコンポジット構造を有する金属粒子となる。   The molten metal is self-assembled during rapid cooling and solidification, and individual fine particles become metal particles having the nanocomposite structure.

皿形ディスクの回転数が高くなるほど、得られた金属粒子の径は小さくなる。内径35mm、深さ5mmの皿形ディスクを用いた場合、平均粒径100μm以下の粒子を得るためには毎分100,000回転以上とすることが望ましい。これにより、遠心力が大きくなり、Snよりも軽い金属間化合物が表層に集積し、前記ナノコンポジット構造を形成し易くなる。   The higher the number of revolutions of the dish-shaped disk, the smaller the diameter of the obtained metal particles. When a dish-shaped disk having an inner diameter of 35 mm and a depth of 5 mm is used, in order to obtain particles having an average particle diameter of 100 μm or less, it is desirable that the rotation be 100,000 rotations or more per minute. As a result, the centrifugal force increases, intermetallic compounds lighter than Sn accumulate on the surface layer, and the nanocomposite structure is easily formed.

また、粒状化室に供給する雰囲気ガスの温度は室温でよいが、粒状化室内の酸素濃度は0ppm以下のオーダーにし、かつ、粒状化室内は大気圧に対して10%あるいはそれ以上の内圧にする必要がある。長時間連続操業する場合には、溶融金属小滴の急冷効果を維持するため、粒状化室内温度が100℃以下、好ましくは40℃以下になるように通気量を制御することが望ましい。この急冷工程により、前記網目状のバスケット構造を形成し易くなる。
金属粒子Mは例えば直径20μm以下となる。
The temperature of the atmospheric gas supplied to the granulation chamber may be room temperature, but the oxygen concentration in the granulation chamber is on the order of 0 ppm or less, and the granulation chamber has an internal pressure of 10% or more with respect to atmospheric pressure. There is a need to. In the case of continuous operation for a long time, in order to maintain the rapid cooling effect of the molten metal droplets, it is desirable to control the air flow rate so that the granulation chamber temperature is 100 ° C. or less, preferably 40 ° C. or less. This rapid cooling step facilitates formation of the mesh basket structure.
The metal particles M have a diameter of 20 μm or less, for example.

この8Cu・92Snの金属粒子Mをシート状あるいはペースト状に加工し、これを接合すべき2つの部材間で溶融・固化させると、金属粒子Mの3次元構造の金属間化合物が分離・再結合し、金属間化合物の新たな3次元構造が形成される。また、金属マトリクスはCuボールを実質上含まず、好ましくはCu単体およびSn単体も実質上含まないものとなる。   When the 8Cu · 92Sn metal particles M are processed into a sheet or paste and melted and solidified between the two members to be joined, the intermetallic compound of the three-dimensional structure of the metal particles M is separated and recombined. As a result, a new three-dimensional structure of the intermetallic compound is formed. The metal matrix does not substantially contain Cu balls, and preferably does not substantially contain Cu alone or Sn alone.

金属粒子Mからなるプリホームシートを得るには、金属粒子Mを含む粉末を、たとえば冷間圧接法を用いた金属間接合によって処理することによって得ることができる。冷間圧接法を用いた金属間接合それ自体は、種々知られている。本発明においては、それらの公知技術を適用することができる。例えば、対向する向きに回転する一対の圧接ローラの間に、本発明に係る金属粒子Mを含む粉末を供給し、圧接ローラから粉末に対して圧力を加えて、粉末を構成する金属粒子Mに金属間接合を生じさせる。実際の処理に当たっては、圧接ローラから粉末に100℃前後の熱を加えることが望ましい。これにより金属粒子Mからなるプリホームシートが得られる。   In order to obtain a preform sheet made of the metal particles M, the powder containing the metal particles M can be obtained by, for example, processing by metal-to-metal bonding using a cold welding method. Various metal-to-metal joints using the cold welding method are known. In the present invention, those known techniques can be applied. For example, the powder containing the metal particles M according to the present invention is supplied between a pair of pressure rollers that rotate in opposite directions, and pressure is applied to the powder from the pressure rollers to the metal particles M constituting the powder. Causes metal-to-metal bonding. In actual processing, it is desirable to apply heat of about 100 ° C. to the powder from the pressure roller. As a result, a preform sheet made of the metal particles M is obtained.

金属粒子Mを含む粉末に対し、冷間圧接法を用いた金属間接合処理を施してプリホームシートを得た場合、プリホームシートの内部では、本発明の金属粒子M及び他の粒子は、外形形状は変化するものの、粒子の内部構造は、ほぼ、原形を保っている。即ち、プリホームシートは、複数の金属成分によるnmサイズの金属間化合物を含むナノコンポジット構造を有する。従って、成形体は、本発明に係る金属粒子の奏する作用効果をそのまま保存している。   When a preform sheet is obtained by performing an intermetallic joining process using a cold pressure welding method on the powder containing the metal particles M, inside the preform sheet, the metal particles M and other particles of the present invention are: Although the outer shape changes, the internal structure of the particles is almost intact. That is, the preform sheet has a nanocomposite structure including an nm-sized intermetallic compound composed of a plurality of metal components. Therefore, the molded body preserves the operational effects of the metal particles according to the present invention as they are.

次に、プリホームシートを接合すべき2つの部材間に介在させ、焼成(焼き付け処理)することで接合部が形成される。焼き付け処理温度は、例えば250℃であり、焼き付け処理時間は適宜調整される。
あるいは、金属粒子Mを用いて接合部を効率的に形成するため、例えば、金属粒子Mを有機ビヒクル中に混在させた導電性ペーストを形成する。
そして、接合すべき2つの部材の一方の面にこの導電性ペーストを塗布し、焼成(焼き付け処理)することで接合部が形成される。焼き付け処理温度は、例えば250℃であり、焼き付け処理時間は適宜調整される。
Next, the preform sheet is interposed between the two members to be joined and baked (baking treatment) to form a joined portion. The baking process temperature is, for example, 250 ° C., and the baking process time is appropriately adjusted.
Alternatively, in order to efficiently form the joint using the metal particles M, for example, a conductive paste in which the metal particles M are mixed in an organic vehicle is formed.
Then, the conductive paste is applied to one surface of the two members to be joined, and baked (baking treatment) to form a joined portion. The baking process temperature is, for example, 250 ° C., and the baking process time is appropriately adjusted.

なお、金属粒子Mに存在する金属間化合物は、金属粒子M全体に対し、3体積%以上85体積%以下の割合が好ましく、10体積%以上75体積%以下の割合がさらに好ましい。このような金属粒子Mによれば、さらに耐熱性に優れた高信頼性及び高品質の接合部が得られる。   In addition, the ratio of 3 volume% or more and 85 volume% or less is preferable with respect to the whole metal particle M, and the ratio of 10 volume% or more and 75 volume% or less is more preferable with respect to the metal particle M whole. According to such metal particles M, it is possible to obtain a highly reliable and high quality bonded portion further excellent in heat resistance.

ちなみに、上記のように調製したプリホームシートを接合すべき2つの部材間に介在させ、250℃で焼成した厚さ40μmの焼成済シートの350℃の高温保持試験(HTS)では、試験開始時から約100時間までは、せん断強度が約60MPaから約80MPaまで上昇し、100時間超の時間領域では、ほぼ70MPaで安定するという試験結果が得られた。   By the way, in the high temperature holding test (HTS) at 350 ° C. of the 40 μm-thick fired sheet, which was interposed between the two members to be joined with the preform sheet prepared as described above and fired at 250 ° C., at the start of the test From about 60 hours to about 100 hours, the shear strength increased from about 60 MPa to about 80 MPa, and in the time region exceeding 100 hours, the test result was obtained that was stabilized at about 70 MPa.

また、上記焼成済シートの(-55〜200℃)の冷熱サイクル試験(TCT)では、約200サイクルを超えたあたりから、全サイクル(1000サイクル)に渡って、せん断強度が約50MPaで安定するという試験結果が得られた。   In the thermal cycle test (TCT) of the fired sheet (−55 to 200 ° C.), the shear strength is stabilized at about 50 MPa over the entire cycle (1000 cycles) after exceeding about 200 cycles. The test results were obtained.

図4は、上記条件で作製した接合部の常温で1日間保管した後の状態(図4(a))と、該接合部を220℃で150時間保管した後の状態(図4(b))の断面の電子顕微鏡写真である。図4(a)から、金属マトリクスはCuボールを実質上含まないことが確認された。具体的には、接合部中にCuボールは0質量%であった。また、上記に示した方法で接合部中のCu単体およびSn単体をそれぞれ測定したところ、両者共に0質量%であった。
また図4(b)から、接合部を高温で曝露した後であってもCuが一方向に長軸結晶として生成する(ウイスカ)が確認されず、かつ、Snの結晶成長も確認されず、接合部でのクラック現象を防止できることが示唆された。
FIG. 4 shows a state (FIG. 4 (a)) after the bonded portion prepared under the above conditions is stored at room temperature for 1 day and a state after the bonded portion is stored at 220 ° C. for 150 hours (FIG. 4 (b)). ) Is an electron micrograph of the cross section. From FIG. 4A, it was confirmed that the metal matrix substantially does not contain Cu balls. Specifically, the Cu ball in the joint was 0% by mass. Moreover, when Cu simple substance and Sn single substance in a junction part were each measured by the method shown above, both were 0 mass%.
Further, from FIG. 4 (b), Cu is not formed as a long axis crystal in one direction (whisker) even after the joint is exposed at high temperature, and Sn crystal growth is not confirmed, It was suggested that the crack phenomenon at the joint can be prevented.

一方、図5はSAC(96.5Sn3Ag0.5Cu)はんだを用いて形成した従来技術の接合部の常温で1日間保管した後の状態(図5(a))と、該接合部を220℃で150時間保管した後の状態(図5(b))の断面の電子顕微鏡写真である。図5(a)から金属マトリクス中にCuボールの存在が確認できる。また、該接合部を220℃で150時間保管した後では(図5(b))、ウイスカおよびSnの結晶成長が確認され、接合部にクラック現象が発生したことが分かる。   On the other hand, FIG. 5 shows a state (FIG. 5 (a)) of a conventional joint formed using SAC (96.5Sn3Ag0.5Cu) solder after storage for 1 day at room temperature, and the joint at 220 ° C. It is an electron micrograph of the section of the state after storing for 150 hours (Drawing 5 (b)). The presence of Cu balls in the metal matrix can be confirmed from FIG. In addition, after the joint was stored at 220 ° C. for 150 hours (FIG. 5B), whisker and Sn crystal growth was confirmed, indicating that a crack phenomenon occurred in the joint.

以上、添付図面を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。   The present invention has been described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made by those skilled in the art based on the basic technical idea and teachings. It is self-evident that you can think of it.

M 金属粒子
1 粒状化室
2 蓋
3 ノズル
4 回転ディスク
5 回転ディスク支持機構
6 粒子排出管
7 電気炉
8 混合ガスタンク
9 配管
10 配管
11 弁
12 排気装置
13 弁
14 排気装置
15 自動フィルター
16 微粒子回収装置
100,500 基板
101,501 金属/合金体
121,122 金属間化合物
300 接合部
M metal particle 1 granulating chamber 2 lid 3 nozzle 4 rotating disk 5 rotating disk support mechanism 6 particle discharge pipe 7 electric furnace 8 mixed gas tank 9 pipe 10 pipe 11 valve 12 exhaust device 13 valve 14 exhaust device 15 automatic filter 16 particulate collection device 100,500 Substrate 101,501 Metal / alloy body 121,122 Intermetallic compound 300 Joint

Claims (2)

半導体素子と、前記半導体素子と接続される接続部材と、を有する半導体装置であって、
前記半導体素子と前記接続部材との接合を形成する接合部は、
SnおよびCuからなる金属間化合物とSn合金を含む金属マトリクスとを有し、
前記金属間化合物は、前記金属マトリクス中に分散し、
前記金属マトリクスは、Cuボールを実質上含まない、
半導体装置。
A semiconductor device having a semiconductor element and a connection member connected to the semiconductor element,
A joint portion that forms a joint between the semiconductor element and the connection member is:
An intermetallic compound composed of Sn and Cu and a metal matrix containing an Sn alloy;
The intermetallic compound is dispersed in the metal matrix;
The metal matrix is substantially free of Cu balls;
Semiconductor device.
前記金属マトリクスは、Sn単体を実質上含まない、
請求項1に記載の半導体装置。
The metal matrix does not substantially contain Sn alone,
The semiconductor device according to claim 1.
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