JP2019040969A - 電子部品接合用材料および電子部品接合構造体 - Google Patents
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Description
本発明に係る電子部品接合用材料(金属微粒子(P)の分散溶液)は、平均一次粒径が2〜500nmの範囲にある金属微粒子(P1)を含む金属微粒子(P)と、二価以上のアルコールを含む有機溶媒(S)と、第2族元素を含む化合物(X)とを含有する。
本発明においては、電子部品接合用材料として第2族元素を含む化合物(X)を含有させる。
本発明においては、電子部品接合用材料として平均一次粒径が2〜500nmの範囲にある金属微粒子(P1)を含む金属微粒子(P)を含有させる。
本発明において金属微粒子(P1)の原料となる金属は、特に限定されないが、銅(Cu)が好ましく用いられ、その他にも金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、およびパラジウム(Pd)などの貴金属も好ましく用いることができる。
本発明で用いる金属微粒子(P)は、前述した平均一次粒径が2〜500nmの範囲にある金属微粒子(P1)のみで構成する場合のほか、金属微粒子(P1)に加えて、更に平均一次粒径が0.5〜50μmの範囲にある金属微粒子(P2)を混合して構成されてもよい。
本発明で用いる金属微粒子(P)に含まれる、平均一次粒径が2〜500nmの範囲にある金属微粒子(P1)は、その表面を高分子分散剤(D)によって被覆して構成することもできる。
本発明で用いる有機溶媒(S)は、二価以上のアルコール(S1〜S3)を含んで構成する場合のほか、二価以上のアルコール(S1〜S3)に加えて、さらに低沸点有機溶媒(S4)を混合して構成することもできる。
二価アルコール(S1)としては、特に限定されないが、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、2−ブテン−1,4−ジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、およびオクタンジオールの中から選択される1種または2種以上を用いることができる。これらの中でも、エチレングリコール、およびジエチレングリコールが特に好ましく用いられる。
三価アルコール(S2)としては、特に限定されないが、例えば、グリセリン(グリセロール)、1,1,1−トリス(ヒドロキシメチル)エタン、1,2,4−ブタントリオール、1,2,3−ヘキサントリオール、1,2,6−ヘキサントリオール、および2−エチル−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオールの中から選択される1種または2種以上を用いることができる。これらの中でも、グリセリン(グリセロール)が特に好ましく用いられる。
多価アルコールとしては、特に限定されないが、例えば、ポリグリセリン、トレイトール、エリトリト−ル、ペンタエリスリト−ル、ペンチト−ル、1−プロパノール、2−プロパノール、2−ブタノール、2−メチル2−プロパノール、キシリトール、リビトール、アラビトール、ヘキシト−ル、マンニトール、ソルビトール、ズルシトール、グリセリンアルデヒド、ジオキシアセトン、トレオース、エリトルロース、エリトロース、アラビノース、リボース、リブロース、キシロース、キシルロース、リキソース、グルコ−ス、フルクト−ス、マンノース、イドース、ソルボース、グロース、タロース、タガトース、ガラクトース、アロース、アルトロース、ラクト−ス、イソマルト−ス、グルコヘプト−ス、ヘプト−ス、マルトトリオース、ラクツロース、およびトレハロースの中から選択される1種または2種以上を用いることができる。これらの中でも、ポリグリセリンが特に好ましく用いられる。
「低沸点有機溶媒(S4)」は、金属微粒子(P)の分散溶液の粘度を調整するために用いられ、金属微粒子(P)の分散溶液を、被着体と他の被着体のいずれか、もしくは、それぞれに塗布するのに適した粘度となるように調整することで、液だれし難く、パターン形成などの高度な塗布であっても、高い精度で塗布することができる。
「アミン系溶媒」は、金属微粒子(P1)に対して還元性を有するため、金属微粒子(P)の分散溶液を、被着体と他の被着体のいずれか、もしくは、それぞれに塗布し、加熱処理による焼結を行う過程(焼結過程)で、金属微粒子(P1)の焼結を好適に促進させることができる。
本発明においては、上述した本発明に係る電子部品接合用材料(金属微粒子(P)の分散溶液)を、被着体と他の被着体との間に配置させて接合構造体を製造することができる。
塗布工程は、上述した本発明に係る電子部品接合用材料(金属微粒子(P)の分散溶液)を、被着体(半導体チップ)と他の被着体(銅フレームや銅基板)のいずれか、もしくは、それぞれに塗布するなどにより、当該被着体と他の被着体との間に配置する工程である。
なお、本発明において金属微粒子(P)を有機溶媒(S)に分散させる方法は、特に限定されないが、公知の混合機、混練機、および捏和機などを用いることができる。
乾燥工程は、上記(1)塗布工程で被着体と他の被着体との間に配置された電子部品接合用材料(金属微粒子(P)の分散溶液)を所定の条件で予備乾燥などの乾燥を行う工程である。
焼結工程は、上記(2)乾燥工程で予備乾燥などの乾燥が行われた電子部品接合用材料(金属微粒子(P)の分散溶液)に対して、電子部品接合用材料を加熱処理などにより焼結させる工程である。
焼結工程で行われる加熱処理などによる焼結条件は、加圧しながら行われてもよい。
本実施例及び比較例において行った試験方法は、以下のとおりである。
走査型電子顕微鏡(SEM)(日立ハイテクノロジー社製、製品名:SU8020)を用いて、加速電圧3kV、倍率20万倍の条件下で観察し、測定対象となる金属微粒子(P1)のSEM画像を取得した。取得したSEM画像の中から、任意に20個の金属微粒子(P1)を選定し、選定した金属微粒子(P1)の一次粒子の直径をそれぞれ測定し、各測定値の平均を算出して平均一次粒径を求めた。
実施例および比較例で作製した、接合構造体に対して、ツール(刃)が設置されたダイシェア強度測定機(テイジ・ジャパン(株)社製、製品名;万能型ボンドテスター、型式;シリーズ4000)を用いた。
初めに、銅基板とシリコンチップの接合構造体を装置にセットする。ツールを接合構造体表面のシリコンチップに当てる。このとき、シリコンチップとツールが平行になるようにする。続いて、ツールを基板から50μm上げる。次に、50μm/秒の速度でシリコンチップを押す。
そして、シリコンチップがはがれたか破壊した時の荷重をシェア強度とした。
接合部のシェア強度が20MPa以上であれば、所望の接合強度が得られたと評価することができる。
(金属微粒子(P)の分離・回収工程)
高分子分散剤(D)としてポリビニルピロリドン(PVP、数平均分子量;約3,500)10gを、蒸留水1979.3mlに添加して溶解させた水溶液に、金属微粒子(P1)の原料として水酸化第二銅(Cu(OH)2,粒度範囲:0.1〜100μm)29.268gを添加して撹拌し、水酸化第二銅水溶液を調製した。なお、水酸化第二銅中のカルシウム、マグネシウム、ストロンチウム、バリウム、ベリリウムの含有量は30μg/g以下の物を用いた。
なお、還元反応の終了は、反応系からの水素ガスの発生が終了した時点とした。
上記のようにして得られた金属微粒子(P1)60gと、二価以上のアルコールを含む有機溶媒(S)として三価アルコールであるグリセリン(グリセロール)(C3H5(OH)3,沸点;290℃)40gと、第2族元素を含む化合物(X)として炭酸カルシウム45mg(金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として300μg/gとを、容器に入れ、遠心混錬機(シンキー社製、製品名:ARE−250)に投入して、2000rpm×3分間の条件を4回繰り返す混錬を行い、ペースト状の金属微粒子(P)の分散溶液を得た。
シリコンチップは厚さ230μm、直径15cmの(001)方位のシリコン基板を用意する。シリコン基板の片面は研磨仕上げの鏡面、もう一方の面はエッチング仕上げとした。
銅基板(13mm角,1mm厚のCl020材、調質1/2H材)を用意した。
上記金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程で得られた、ペースト状の金属微粒子(P)の分散溶液を、上記銅基板の一面に、ステンレス製のメタルマスク(8mm角の角開口部を有する200mm角のメタルマスク,100μm厚)を載せ、スキージ法による塗布を行った。
上記銅基板の塗布面を上にしてホットプレートに置き、窒素ガス雰囲気下、110℃の乾燥温度で30〜60分間程度保持し、上記金属微粒子(P)の分散溶液中の金属微粒子(P)の含有量が、上記金属微粒子(P)の分散溶液の全量100重量%に対して90重量%程度となるまで調整し予備乾燥させた。
その後、上記銅基板の塗布面の上に、シリコンチップ(3.2mm角,0.23mm厚、裏面電極の構造はTi/Ni/Au=100/450/200nm)を配置させる。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として500μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として1000μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として10000μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として20000μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として50000μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として80000μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の種類を炭酸ベリリウムに変更し、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してベリリウム濃度として500μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の種類を炭酸マグネシウムに変更し、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してマグネシウム濃度として500μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の種類を炭酸ストロンチウムに変更し、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してストロンチウム濃度として500μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の種類を炭酸バリウムに変更し、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してバリウム濃度として500μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の種類を水酸化カルシウムに変更し、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として500μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の種類をケイ酸カルシウムに変更し、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として500μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の種類をシュウ酸カルシウムに変更し、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として500μg/gに変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)を添加しなかったこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として200μg/g(200ppm)に変更したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)の添加量を金属微粒子(P1)の全量(g)に対してカルシウム濃度として100000μg/g(100000ppm)に変更したこと以外は、実施例1と同様である。
金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族を含む化合物(X)を添加せず、金属微粒子(P1)の全量(g)に対して100000μg/g(100000ppm)のアビエチン酸を添加したこと以外は、実施例1と同様である。
実施例1の金属微粒子(P)の分離・回収工程において、カルシウムの含有量が600μg/gの水酸化第二銅を用い、実施例1の金属微粒子(P)の分散溶液を得る工程において、第2族元素を含む化合物(X)を添加しなかったこと以外は、実施例1と同様である。このときの銅ナノ粒子中のカルシウム濃度は500μg/gであった。
表1に、各実施例および各比較例において作製された銅基板とシリコンチップとの接合構造体に対する評価試験の結果を示す。
表1に記載されている評価結果から、以下のことが分かる。
Claims (8)
- 平均一次粒径が2〜500nmの範囲にある金属微粒子(P1)を含む金属微粒子(P)と、二価以上のアルコールを含む有機溶媒(S)と、第2族元素を含む化合物(X)とを含有し、
前記第2族元素を含む化合物(X)の含有量が、前記金属微粒子(P1)の全量(g)に対して第2族元素の濃度として300〜80000μg/gである電子部品接合用材料。 - 前記第2族元素を含む化合物(X)が、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、およびバリウムのうちの少なくとも1種の第2族元素を含む、炭酸塩化合物、水酸化物塩化合物、ケイ酸塩化合物、および有機酸塩化合物の中から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の電子部品接合用材料。
- 前記第2族元素を含む化合物(X)が、カルシウムを含む炭酸塩化合物であることを特徴とする請求項2に記載の電子部品接合用材料。
- 前記二価以上のアルコールが、
グリセリン、1,1,1−トリス(ヒドロキシメチル)エタン、1,2,4−ブタントリオール、1,2,3−ヘキサントリオール、1,2,6−ヘキサントリオール、および、2−エチル−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオールの中から選択される少なくとも1種の三価アルコール;ポリグリセリン、トレイトール、エリトリト−ル、ペンタエリスリト−ル、ペンチト−ル、1−プロパノール、2−プロパノール、2−ブタノール、2−メチル2−プロパノール、キシリトール、リビトール、アラビトール、ヘキシト−ル、マンニトール、ソルビトール、ズルシトール、グリセリンアルデヒド、ジオキシアセトン、トレオース、エリトルロース、エリトロース、アラビノース、リボース、リブロース、キシロース、キシルロース、リキソース、グルコ−ス、フルクト−ス、マンノース、イドース、ソルボース、グロース、タロース、タガトース、ガラクトース、アロース、アルトロース、ラクト−ス、イソマルト−ス、グルコヘプト−ス、ヘプト−ス、マルトトリオース、ラクツロース、および、トレハロースの中から選択される少なくとも1種の多価アルコール;の中から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の電子部品接合用材料。 - 前記二価以上のアルコールが、
前記三価アルコールの中でもグリセリン;多価アルコールの中でもポリグリセリンから選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項4に記載の電子部品接合用材料。 - 前記金属微粒子(P1)の原料となる金属が、銅であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の電子部品接合用材料。
- 平均一次粒径が2〜500nmの範囲にある金属微粒子(P1)を含む金属微粒子(P)と、二価以上のアルコールを含む有機溶媒(S)と、第2族元素を含む化合物(X)とを含有し、前記第2族元素を含む化合物(X)の含有量が、前記金属微粒子(P1)の全量(g)に対して第2族元素の濃度として300〜80000μg/gである電子部品接合用材料を焼結してなる接合層と、該接合層により接合される電子部品および他の電子部品とを備える電子部品接合構造体。
- 前記電子部品が半導体チップであることを特徴とする請求項7に記載の電子部品接合構造体。
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