JP2019153661A - Adhesive structure and semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
本実施の形態は、接着構造体、及び半導体モジュールに関する。 The present embodiment relates to an adhesive structure and a semiconductor module.
エレクトロニクスにおける半導体デバイスの接着技術としては、電気的な接続、熱耐性、かつ機械的ストレスへの耐性の点で、はんだや導電性接着剤が用いられている。更に、半導体デバイスは、パッケージ内に封止樹脂により固定されるのが一般的である。 As an adhesion technique for semiconductor devices in electronics, solder and conductive adhesive are used in terms of electrical connection, heat resistance, and resistance to mechanical stress. Furthermore, the semiconductor device is generally fixed in a package with a sealing resin.
一方、金属/エポキシ樹脂界面の接着に関する分子論的研究や、密度汎関数法による金属/エポキシ樹脂界面の接着機構に関する研究、エポキシ樹脂とガラス界面の接着機構に関する理論的研究も開示されている。 On the other hand, molecular theoretic studies on adhesion at the metal / epoxy resin interface, studies on the adhesion mechanism at the metal / epoxy resin interface by the density functional method, and theoretical studies on the adhesion mechanism between the epoxy resin and the glass interface are also disclosed.
従来、導電性接着剤が、金(Au)に着き難いことは経験的に知られている。対策として、プラズマ処理等により密着性を向上させている。プラズマ処理は、表面のクリーニング、濡れ性の改善、表面粗さの増加、OH基の付与等の効果が期待されるが、経験的なものであり、詳細なメカニズムは不明である。半導体デバイスの接着技術としては、設計及び製造上、より厳格な品質が求められる。 Conventionally, it has been empirically known that a conductive adhesive does not easily adhere to gold (Au). As a countermeasure, adhesion is improved by plasma treatment or the like. The plasma treatment is expected to have effects such as surface cleaning, improvement of wettability, increase in surface roughness, and addition of OH groups, but is empirical and the detailed mechanism is unknown. As a bonding technique for semiconductor devices, stricter quality is required in terms of design and manufacturing.
本発明者らは、分子シミュレーション技術により、貴金属と樹脂との接着において、強固に相互作用可能で、高温化でも切断し難い接着構造体を見出した。 The inventors of the present invention have found an adhesion structure that can strongly interact in adhesion between a noble metal and a resin and is difficult to cut even at high temperatures by molecular simulation technology.
本実施の形態は、高温下でも安定な接着構造体、及びこの接着構造体を備える半導体モジュールを提供する。 The present embodiment provides an adhesive structure that is stable even at high temperatures, and a semiconductor module including the adhesive structure.
本実施の形態の一態様によれば、貴金属と、前記貴金属との相互作用により接着される樹脂とを備え、前記貴金属と前記樹脂は、前記樹脂を構成する官能基の一部から前記貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、前記貴金属から前記官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される接着構造体が提供される。 According to one aspect of the present embodiment, it comprises a noble metal and a resin bonded by interaction with the noble metal, and the noble metal and the resin are converted from the functional group constituting the resin to the noble metal. An adhesion structure is provided that is bonded by σ donation to which electrons are donated toward and π reverse donation in which electrons are donated from the noble metal toward the functional group.
本実施の形態の他の態様によれば、上記の接着構造体を備える半導体モジュールが提供される。 According to the other aspect of this Embodiment, a semiconductor module provided with said adhesion structure is provided.
本実施の形態の他の態様によれば、貴金属層と、前記貴金属層と相互作用により接着される導電性樹脂層と、前記導電性樹脂層上に配置される半導体デバイスとを備え、前記貴金属層と前記導電性樹脂層は、前記導電性樹脂層を構成する第1接着性樹脂の官能基の一部から前記貴金属層の貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、前記貴金属から前記官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される半導体モジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, the noble metal layer includes a noble metal layer, a conductive resin layer bonded to the noble metal layer by interaction, and a semiconductor device disposed on the conductive resin layer. Layer and the conductive resin layer are σ donation in which electrons are donated from a part of the functional group of the first adhesive resin constituting the conductive resin layer toward the noble metal of the noble metal layer, and from the noble metal to the above-mentioned A semiconductor module is provided that is bonded by π reverse donation, in which electrons are donated towards the functional group.
本実施の形態の他の態様によれば、半導体デバイスと、前記半導体デバイスと電気的に接続される貴金属層と、前記貴金属層と相互作用により接着されるモールド樹脂層とを備え、前記貴金属層と前記モールド樹脂層は、前記モールド樹脂層を構成する第2接着性樹脂の官能基の一部から前記貴金属層の貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、前記貴金属から前記官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される半導体モジュールが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, the noble metal layer includes a semiconductor device, a noble metal layer electrically connected to the semiconductor device, and a mold resin layer bonded by interaction with the noble metal layer. And the mold resin layer includes a σ donation in which electrons are donated from a part of the functional group of the second adhesive resin constituting the mold resin layer toward the noble metal of the noble metal layer, and the noble metal to the functional group. A semiconductor module is provided which is bonded by π reverse donation where electrons are donated towards.
本実施の形態によれば、高温下でも安定な接着構造体、及びこの接着構造体を備える半導体モジュールを提供することができる。 According to the present embodiment, it is possible to provide an adhesive structure that is stable even at high temperatures, and a semiconductor module including the adhesive structure.
次に、図面を参照して、本実施の形態について説明する。以下に説明する図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各構成部品の厚みと平面寸法との関係等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, the present embodiment will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings described below, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness of each component and the planar dimensions is different from the actual one. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. In addition, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものではない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiments described below exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea, and do not specify the material, shape, structure, arrangement, and the like of each component. This embodiment can be modified in various ways within the scope of the claims.
(半導体デバイスのダイボンディング)
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体2Dの模式的断面構造は、図1に示すように表される。また、本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体2Dを備える半導体モジュール4Dの模式的断面構造は、図2(a)に示すように表される。また、比較例として、一部剥がれている接着不良な状態の半導体モジュール4Aの模式的断面構造は、図2(b)に示すように表され、全部剥がれている接着不良な状態の半導体モジュール4Aの模式的断面構造は、図2(c)に示すように表される。
(Die bonding of semiconductor devices)
A schematic cross-sectional structure of an
ダイパッド上に貴金属メッキとして金(Au)メッキ10Aを形成し、Auメッキ10A上にAgペーストからなる導電性樹脂層12Aを介して半導体デバイス14を配置した半導体モジュール4Aにおいて、Auメッキ10Aと導電性樹脂層12Aとの接着が弱いと、図2(b)や図2(c)に示すように、ダイボンディングが剥がれ、電気的接続不良が発生する。また、パッケージ基板上に配置されたLEDチップにおいて、図2(c)に示すように、Agペーストが全面で剥がれることがある。半導体デバイス14/導電性樹脂層12A/Auメッキ10Aからなる積層構造において、導電性樹脂層12A/Auメッキ10A界面で剥がれるモードが多い。
In a
金表面とエポキシ樹脂の接着界面を強固にするため、分子シミュレーションと実験を実施した。その結果、高温下でも安定な接着構造体を見出した。以下、詳述する。 In order to strengthen the adhesion interface between the gold surface and the epoxy resin, molecular simulations and experiments were conducted. As a result, an adhesive structure that was stable even at high temperatures was found. Details will be described below.
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体2Dは、図1に示すように、貴金属層10の貴金属と、貴金属層10の貴金属との相互作用により接着される接着性樹脂18とを備える。ここで、貴金属層10の貴金属と接着性樹脂18は、接着性樹脂18を構成する官能基の一部から貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属層10の貴金属から官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
As shown in FIG. 1, an
接着性樹脂18を構成する官能基は、孤立電子対と空の反結合性π軌道(π*軌道)との両方を備え、σ供与とπ逆供与による結合を形成可能である。
The functional group constituting the
また、貴金属層10の貴金属は、例えばAu、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、及びOs等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
Further, the noble metal of the
また、接着性樹脂18は、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、及びシリコーン系樹脂等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
In addition, the
接着性樹脂18を構成する官能基は、例えばシアノ基、チオシアノ基、カルボニル基、エステル基、アミド基、アジド基、イソシアノ基、スルホ基、及びニトロ基等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
The functional group constituting the
また、接着性樹脂18は、例えばビスフェノールAジグリシジルエーテル(DGEBA)と、ジシアンジアミドとの反応により形成されるエポキシ樹脂を備えていても良い。
In addition, the
また、貴金属層10は、貴金属メッキ層を備えていても良い。
The
また、貴金属と接着性樹脂18は、更に、貴金属と接着性樹脂18との一部の結合において、水素結合を含むこともある。貴金属表面の状態によっては、清浄な表面の一部にOH基と結合可能な官能基が存在することもあるからである。
Further, the noble metal and the
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体2Dを備える半導体モジュール4Dは、図2(a)に示すように、貴金属層10と、貴金属層10と相互作用により接着される導電性樹脂層12と、導電性樹脂層12上に配置される半導体デバイス14とを備える。ここで、貴金属層10と導電性樹脂層12は、導電性樹脂層12を構成する第1接着性樹脂18の官能基の一部から貴金属層10の貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属層10の貴金属から第1接着性樹脂18の官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
As shown in FIG. 2A, a
ここで、導電性樹脂層12の模式的構造は、図3に示すように表される。
Here, the schematic structure of the
導電性樹脂層12は、図3に示すように、第1接着性樹脂18と、第1接着性樹脂18に含有される金属フィラー16とを備える。金属フィラー16は、金属粒子からなる。ここで、金属粒子を構成する金属材料としては、例えばAu、Ag、Pt、Pd等を適用可能である。
As shown in FIG. 3, the
貴金属層10の貴金属は、例えばAu、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、及びOs等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
The noble metal of the
また、第1接着性樹脂18は、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、及びシリコーン系樹脂等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
Moreover, the 1st
また、半導体デバイス14は、例えば発光ダイオード(LED)、半導体レーザ、パワー半導体素子、若しくは集積回路等のいずれか若しくはこれらの組み合わせを備えていても良い。
In addition, the
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体によれば、例えば導電性樹脂層を用いたダイボンディングにおける剥がれを防止することができる。 According to the bonded structure according to an embodiment to which the present technology is applied, for example, peeling in die bonding using a conductive resin layer can be prevented.
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体によれば、第1接着性樹脂の硬化剤に由来する官能基からσ供与を行い、同時に金属界面からπ逆供与を実施することで、高温下でも安定な接着構造体、及びこの接着構造体を備える半導体モジュールを提供することができる。 According to the adhesive structure according to one embodiment to which the present technology is applied, by performing σ donation from the functional group derived from the curing agent of the first adhesive resin, and simultaneously performing π reverse donation from the metal interface, An adhesive structure that is stable even at high temperatures and a semiconductor module including the adhesive structure can be provided.
(半導体デバイスのモールド封止)
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体2Sの模式的断面構造は、図4に示すように表される。また、本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体2Sを備える半導体モジュール4Sの模式的断面構造は、図5に示すように表される。
(Semiconductor device mold sealing)
A schematic cross-sectional structure of an
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体2Sは、図4に示すように、貴金属層10の貴金属と、貴金属層10の貴金属との相互作用により接着されるモールド樹脂層20とを備える。ここで、貴金属層10の貴金属とモールド樹脂層20は、モールド樹脂層20を構成する第2接着性樹脂19の官能基の一部から貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属層10の貴金属から第2接着性樹脂19の官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
As shown in FIG. 4, the
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体2Sは、半導体デバイス14を搭載する金属フレームからなる貴金属層10とモールド樹脂層20との接合のみならず、パッケージの外部接続用の金属フレームからなる貴金属層10とモールド樹脂層20との接合においても同様に適用可能である。
An
第2接着性樹脂19の官能基は、孤立電子対と空の反結合性π軌道(π*軌道)との両方を備え、σ供与とπ逆供与による結合を形成可能である。
The functional group of the second
また、貴金属とモールド樹脂層20は、更に、貴金属とモールド樹脂層20との一部の結合において、水素結合を含むこともある。貴金属表面の状態によっては、清浄な表面の一部にOH基と結合可能な官能基が存在することもあるからである。
Further, the noble metal and the
また、貴金属層10の貴金属は、例えばAu、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、及びOs等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
Further, the noble metal of the
また、モールド樹脂層20は、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、及びシリコーン系樹脂等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
Moreover, the
モールド樹脂層20を構成する官能基は、例えばシアノ基、チオシアノ基、カルボニル基、エステル基、アミド基、アジド基、イソシアノ基、スルホ基、及びニトロ基等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
The functional group constituting the
また、貴金属層10は、貴金属メッキ層を備えていても良い。
The
第2の実施の形態に係る接着構造体2Sを備える半導体モジュール4Sは、図5に示すように、貴金属層10と、貴金属層10と相互作用により接着される導電性樹脂層12と、導電性樹脂層12上に配置される半導体デバイス14と、更に貴金属層10と相互作用により接着されるモールド樹脂層20とを備える。
As shown in FIG. 5, a
ここで、貴金属層10と導電性樹脂層12は、導電性樹脂層12を構成する第1接着性樹脂18の官能基の一部から貴金属層10の貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属層10の貴金属から第1接着性樹脂18の官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
Here, the
更に、貴金属層10とモールド樹脂層20は、モールド樹脂層20を構成する第2接着性樹脂19の官能基の一部から貴金属層10の貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属から官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
Further, the
モールド樹脂層20の模式的構造は、図6に示すように表される。
A schematic structure of the
モールド樹脂層20は、図6に示すように、接着性樹脂19と、接着性樹脂19に含有されるフィラー22とを備える。モールド樹脂層20は、非導電性であり、フィラー22は、セラミックス粒子からなる。ここで、セラミックス粒子のセラミックス材料としては、例えばシリカ、アルミナ等を適用可能である。セラミック製のフィラー22を添加することで、線膨張係数の制御や信頼性が向上する。
As shown in FIG. 6, the
貴金属層10の貴金属は、例えばAu、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、及びOs等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
The noble metal of the
また、第1接着性樹脂18及び第2接着性樹脂19は、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、及びシリコーン系樹脂等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
Moreover, the 1st
また、第1接着性樹脂18及び第2接着性樹脂19を構成する官能基は、例えばシアノ基、チオシアノ基、カルボニル基、エステル基、アミド基、アジド基、イソシアノ基、スルホ基、及びニトロ基等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類を備えていても良い。
The functional groups constituting the first
また、半導体デバイス14は、例えばLED、半導体レーザ、パワー半導体、若しくは集積回路等のいずれか若しくはこれらの組み合わせを備えていても良い。
Further, the
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体によれば、導電性樹脂層を用いたダイボンディングにおける剥がれを防止することができるのみならず、モールド樹脂層と金属フレーム間の強固な結合も達成可能である。 According to the bonded structure according to the embodiment to which the present technology is applied, not only can the peeling in the die bonding using the conductive resin layer be prevented, but also the strong bond between the mold resin layer and the metal frame. Can also be achieved.
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体によれば、第1接着性樹脂及び第2接着性樹脂の硬化剤に由来する官能基からσ供与を行い、同時に金属界面からπ逆供与を実施することで、高温下でも安定な接着構造体、及びこの接着構造体を備える半導体モジュールを提供することができる。 According to the adhesive structure according to an embodiment to which the present technology is applied, σ donation is performed from the functional group derived from the curing agent of the first adhesive resin and the second adhesive resin, and π reverse donation is simultaneously performed from the metal interface By carrying out the above, it is possible to provide an adhesive structure that is stable even at high temperatures, and a semiconductor module including the adhesive structure.
(分子シミュレーションモデル)
本実施の形態に係る接着構造体に適用可能な、硬化剤としてジシアンジアミドを用いたビスフェノールA型エポキシ樹脂の分子構造例(分子シミュレーションモデル)は、図7(a)に示すように表され、比較例として、硬化剤を除いた、ビスフェノールA型エポキシ樹脂の分子構造例は、図7(b)に示すように表される。
(Molecular simulation model)
A molecular structure example (molecular simulation model) of a bisphenol A type epoxy resin using dicyandiamide as a curing agent that can be applied to the adhesive structure according to the present embodiment is expressed as shown in FIG. As an example, a molecular structure example of a bisphenol A type epoxy resin excluding a curing agent is represented as shown in FIG.
(ビスフェノールA型エポキシ樹脂の一般構造)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂の重合構造例(n=0、1、…)は、図8に示すように表される。また、図8においてn=0の場合に対応するビスフェノールAジグリシジルエーテル(DGEBA)の分子構造例は、図9に示すように表される。
(General structure of bisphenol A type epoxy resin)
An example of a polymerization structure (n = 0, 1,...) Of a bisphenol A type epoxy resin is represented as shown in FIG. Further, an example of the molecular structure of bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA) corresponding to the case of n = 0 in FIG. 8 is represented as shown in FIG.
接着剤のような液状樹脂の場合、平均的なnの値は、約0.1〜0.2と云われている。以下の反応式では、n=0の場合を例として説明する。 In the case of a liquid resin such as an adhesive, the average value of n is said to be about 0.1 to 0.2. In the following reaction formula, the case where n = 0 is described as an example.
(硬化剤の例:ジシアンジアミド)
本実施の形態に係る接着構造体に適用可能な硬化剤の例であって、ジシアンジアミドの分子構造例は、図10に示すように表される。ジシアンジアミドは互変異性を有するため、図10に示される(A)、(B)2つの構造がある。これらの内、(B)構造の方が存在確率が高い。このため、以下の反応式では、(B)構造を例として説明する。
(Example of curing agent: dicyandiamide)
FIG. 10 shows an example of the molecular structure of dicyandiamide, which is an example of a curing agent that can be applied to the adhesive structure according to the present embodiment. Since dicyandiamide has tautomerism, there are two structures (A) and (B) shown in FIG. Among these, the (B) structure has a higher existence probability. For this reason, in the following reaction formula, (B) structure is demonstrated as an example.
(ビスフェノールA型エポキシ樹脂とジシアンジアミドの硬化反応)
実施の形態に係る接着構造体に適用可能なエポキシ樹脂の生成方法を説明する。
(Curing reaction between bisphenol A type epoxy resin and dicyandiamide)
A method for producing an epoxy resin applicable to the bonded structure according to the embodiment will be described.
実施の形態に係る接着構造体に適用可能なエポキシ樹脂の生成方法の説明図であって、DGEBAの分子構造例は、図11(a)に示すように表される。また、ジシアンジアミドの分子構造例((B)構造)は、図11(b)に示すように表される。また、DGEBAと、ジシアンジアミド((B)構造)の反応生成物(エポキシ樹脂)の分子構造例は、図11(c)に示すように表される。 It is explanatory drawing of the production | generation method of the epoxy resin applicable to the adhesion structure which concerns on embodiment, Comprising: The molecular structural example of DGEBA is represented as shown to Fig.11 (a). An example of the molecular structure of dicyandiamide ((B) structure) is represented as shown in FIG. An example of the molecular structure of a reaction product (epoxy resin) of DGEBA and dicyandiamide ((B) structure) is represented as shown in FIG.
更に反応が進行して、図11(c)に示されるDGEBAとジシアンジアミド((B)構造)の反応生成物と、DGEBAとの反応生成物の分子構造例は、図12(a)に示すように表される。更に反応が進行して、アンモニア脱離により、図12(a)に示される反応生成物の環化された分子構造例は、図12(b)に示すように表される。末端のエポキシ基が更に反応することで、硬化反応が進行する。 As the reaction further proceeds, an example of the molecular structure of the reaction product of DGEBA and dicyandiamide (structure (B)) and the reaction product of DGEBA shown in FIG. 11 (c) is shown in FIG. 12 (a). It is expressed in As the reaction further proceeds, due to the elimination of ammonia, an example of the cyclized molecular structure of the reaction product shown in FIG. 12A is expressed as shown in FIG. When the terminal epoxy group further reacts, the curing reaction proceeds.
(接着力が弱い状態)
貴金属表面と接着剤の分子骨格との間の水素結合による接着力が弱い状態の模式的説明図は、図13に示すように表される。貴金属層として、Auメッキ層30、分子骨格24を有するエポキシ樹脂からなる接着性樹脂を例として説明する。
(Adhesive strength is weak)
A schematic explanatory diagram of a state where the adhesive force due to hydrogen bonding between the noble metal surface and the molecular skeleton of the adhesive is weak is expressed as shown in FIG. An adhesive resin made of an epoxy resin having an
貴金属メッキの最表面は、原料錯体を構成する配位子で終端され易い。例えば、Auメッキの場合、原料としてシアン化金(I)カリウム(K[Au(CN)2])を適用すると、Auメッキ層30の表面構造は、CN系の官能基26で終端されることを分析により見出した。
The outermost surface of the noble metal plating is easily terminated with a ligand constituting the raw material complex. For example, in the case of Au plating, when gold (I) potassium cyanide (K [Au (CN) 2 ]) is applied as a raw material, the surface structure of the
(XPSによるAuの最表面分析結果)
パッケージ基板の金ランド部の最表面をX線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて分析した。その結果、最表面では、Auが約50%、Cが約33.8%、Oが約5.4%、Cuが約1.0%検出された。
(Result of outermost surface analysis of Au by XPS)
The outermost surface of the gold land portion of the package substrate was analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). As a result, about 50% of Au, about 33.8% of C, about 5.4% of O, and about 1.0% of Cu were detected on the outermost surface.
(TOF−SIMSによるAuの最表面解析結果)
パッケージ基板の金ランド部の最表面ではカーボン(C)が多く検出されるため、元素の存在状態を調べるため、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS:Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)による金ランド部のAuの最表面解析を実施した。その結果、AuC2N2、CuAu2、NiAu2、C3N、C6、Au4等が検出された。すなわち、TOF−SIMSによるAuの最表面解析結果によると、最表面からAuCN系/CN系/C系/Au金属/…が検出され、このうちAuCN系/CN系/C系までの深さは、約8Å(約8原子層分)であった。したがって、金ランド部のAuメッキで形成したAuの最表面は、AuCN系で終端していることが特定された。
(Au outermost surface analysis result by TOF-SIMS)
Since a large amount of carbon (C) is detected on the outermost surface of the gold land portion of the package substrate, time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) is used to investigate the existence state of the element. An outermost surface analysis of Au in the gold land portion was performed by mass spectrometry. As a result, AuC 2 N 2 , CuAu 2 , NiAu 2 , C 3 N, C 6 , Au 4 and the like were detected. That is, according to the outermost surface analysis result of Au by TOF-SIMS, AuCN system / CN system / C system / Au metal /... Is detected from the outermost surface, and the depth to the AuCN system / CN system / C system is , About 8 cm (about 8 atomic layers). Therefore, it was specified that the outermost surface of Au formed by Au plating of the gold land portion is terminated with an AuCN system.
つまり、Auメッキ層30の最表面は、原料錯体を構成する配位子で終端され易い。この場合、水素結合に基づく接着となり、充分な接着強度が得られない。水素結合(OH)され易いと、例えば、約100℃以上高温下では剥離が発生し易くなる。
That is, the outermost surface of the
Auメッキ層30の表面構造は、図13に示すように、CN系の官能基26で終端される。この結果、CN系の官能基26で終端されたAu表面のCN結合に対して、分子骨格24は、OH基28による水素結合(OH)により結合される。接着力が弱い状態とは、OH基28による水素結合(OH)による弱い接着状態である。ここで、結合エネルギーの値は、例えば、約5kJ/mol〜40kJ/mol程度である。接着力が弱い状態では、結合エネルギーが低いため、結合は高温下で切断されやすい。
The surface structure of the
(接着力が強固な状態)
分子シミュレーション技術により、Auと強固に相互作用可能な接着構造体を見出した。Auと相互作用していない場合に比べて、約1.5倍の接着力が得られる。
(Strong adhesion)
We found an adhesion structure that can interact strongly with Au by molecular simulation technology. Compared with the case where it does not interact with Au, an adhesive force of about 1.5 times can be obtained.
貴金属表面と接着剤の分子骨格24との間のσ供与と同時にπ逆供与により、OH基28による水素結合より安定な相互作用に基づく接着力が強固な状態の模式的説明図は、図14に示すように表される。理想状態に近い清浄なAu表面に対しては、OH基28による水素結合は困難であり、OH基28以外の官能基が結合可能である。OH基28以外の官能基としては、例えば、図14に示すように、CN系の官能基34やCO系の官能基32等が適用可能である。
FIG. 14 is a schematic explanatory view showing a state where the adhesive force based on the interaction more stable than the hydrogen bond by the
分子シミュレーションの結果、これらの結合は、σ供与とπ逆供与に基づいていることを見出した。孤立電子対と空の反結合性π軌道(π*軌道)を両方持つ官能基により、σ供与とπ逆供与による結合を同時に形成可能である。 As a result of molecular simulation, it was found that these bonds are based on σ donation and π reverse donation. A functional group having both a lone electron pair and an empty antibonding π orbital (π * orbital) can simultaneously form a bond by σ donation and π reverse donation.
ここで、接着力が強固な状態の結合エネルギーの値は、例えば約100kJ/mol以上である。樹脂を構成する官能基の一部から貴金属表面に対して、孤立電子対がσ供与されると同時に、貴金属表面から前記官能基に対して、π逆供与により、電子が供与されることで、水素結合より安定な相互作用に基づく接着構造体を形成可能である。 Here, the value of the bond energy in a state where the adhesive force is strong is, for example, about 100 kJ / mol or more. A lone electron pair is donated to the noble metal surface from a part of the functional group constituting the resin, and at the same time, electrons are donated from the noble metal surface to the functional group by π reverse donation, Adhesive structures based on interactions that are more stable than hydrogen bonds can be formed.
(清浄なAu表面構造を形成する方法)
清浄なAu表面構造を形成する方法であって、シアノ錯体を原料に用いるプロセスを用いて形成したAuメッキ層30の最表面構造の模式的説明図は、図15(a)に示すように表される。
(Method for forming a clean Au surface structure)
A schematic explanatory diagram of the outermost surface structure of the
Auメッキ層30の最表面構造は、図15(a)に示すように、Au表面がCN系で終端される。シアノ錯体を原料に用いるプロセスの場合、例えば、ジシアノ金(I)酸カリウムK[Au(CN)2]や、テトラシアノ金(III)カリウムK[Au(CN)4]等を適用可能である。
As for the outermost surface structure of the
次に、アルゴン(Ar)プラズマを用いた物理的なスパッタリング技術や、水素プラズマを用いた化学的相互作用により、Au表面のCN系の官能基は、CN→CxHy系+NH3系に分解可能であるため、図15(c)に示すように、清浄なAu表面構造を形成することができる。 Next, due to physical sputtering technology using argon (Ar) plasma and chemical interaction using hydrogen plasma, the CN functional group on the Au surface is changed from CN to C x Hy system + NH 3 system. Since it can be decomposed, a clean Au surface structure can be formed as shown in FIG.
清浄なAu表面構造を形成する方法であって、非シアノ錯体を原料に用いるプロセスを用いて形成したAuメッキ層30の最表面構造の模式的説明図は、図15(b)に示すように表される。
FIG. 15B is a schematic explanatory diagram of the outermost surface structure of the
Auメッキ層30の最表面構造は、図15(b)に示すように、Au表面がSO3系の官能基で終端される。非シアノ錯体を原料に用いるプロセスの場合、例えば、ジスルフィト金(I)ナトリウムNa3[Au(SO3)2]等を適用可能である。
As shown in FIG. 15B, the outermost surface structure of the
次に、アルゴン(Ar)プラズマを用いた物理的なスパッタリング技術や、水素プラズマを用いた化学的相互作用により、15(c)に示すように、清浄なAu表面構造を形成することができる。 Next, a clean Au surface structure can be formed by a physical sputtering technique using argon (Ar) plasma or a chemical interaction using hydrogen plasma, as shown in 15 (c).
(各種処理を実施した場合の接着強度の比較)
酸素(O2)プラズマ処理を実施した接着構造体では、実施しない場合に比べて、接着力は約30%低下した。一方、アルゴン(Ar)プラズマ処理を実施した接着構造体では、実施しない場合に比べて、接着力は約10%以上増大した。酸素(O2)プラズマ処理により、Au表面のCN官能基は酸化されてカルボン酸やケトンとなるため、水素結合による接着が支配的となり、接着力は低下する。一方、アルゴン(Ar)プラズマ処理では、Au表面のCN官能基を除去することができるため、接着力を増大可能である。
(Comparison of adhesive strength when various treatments are performed)
In the bonded structure subjected to the oxygen (O 2 ) plasma treatment, the adhesive strength was reduced by about 30% compared to the case where the bonded structure was not performed. On the other hand, in the bonded structure subjected to the argon (Ar) plasma treatment, the adhesive force increased by about 10% or more compared to the case where the bonded structure was not performed. By the oxygen (O 2 ) plasma treatment, the CN functional group on the Au surface is oxidized to carboxylic acid or ketone, so that adhesion by hydrogen bonding becomes dominant, and the adhesive strength is reduced. On the other hand, in the argon (Ar) plasma treatment, the CN functional group on the Au surface can be removed, so that the adhesive force can be increased.
(高温での接着力測定)
導電性樹脂層としてAgペースト層について、高温引張試験を実施し、温度を変化させて接着強度を評価した。その結果、接着強度は、室温に比べ、120℃では約15%低下し、180℃では約48%低下した。接着強度と変位量の関係は、室温、120℃、180℃でほぼ同程度であり、硬化後の樹脂が軟化した挙動は見られなかった。
(Measurement of adhesive strength at high temperature)
The Ag paste layer as the conductive resin layer was subjected to a high-temperature tensile test, and the adhesive strength was evaluated by changing the temperature. As a result, the adhesive strength was reduced by about 15% at 120 ° C. and about 48% at 180 ° C. compared to room temperature. The relationship between the adhesive strength and the amount of displacement was approximately the same at room temperature, 120 ° C., and 180 ° C., and no behavior was observed in which the cured resin was softened.
以上の結果より、高温下での接着強度の低下を確認するとともに、接着強度の低下は接着界面の水素結合が切断したことによる可能性が大きいと推測される。 From the above results, it is estimated that the decrease in adhesive strength at high temperatures is highly likely due to the breakage of hydrogen bonds at the adhesive interface.
(貴金属メッキの種類)
シアン系貴金属メッキ層の最表面構造の模式的説明図は、図16(a)に示すように表される。シアン系貴金属メッキ層40を構成する貴金属原子50は、例えばAu若しくはAgを適用可能である。Auメッキの場合、シアン化金(I)カリウムK[Au(CN)2]を原料とすることができる。また、Agメッキの場合、シアン化銀(I)カリウムK[Ag(CN)2]を原料とすることができる。
(Type of precious metal plating)
A schematic illustration of the outermost surface structure of the cyan noble metal plating layer is expressed as shown in FIG. For example, Au or Ag can be applied to the
ジニトロジアンミン系貴金属メッキ層の最表面構造の模式的説明図は、図16(b)に示すように表される。ジニトロジアンミン系貴金属メッキ層60を構成する貴金属原子70は、例えばPt若しくはPdを適用可能である。Ptメッキの場合、ジニトロジアンミン白金(II)cis-[Pt(NO2)2(NH3)2]を原料とすることができる。また、Pdメッキの場合、ジニトロジアンミン白金(II)cis-[Pd(NO2)2(NH3)2]を原料とすることができる。
A schematic illustration of the outermost surface structure of the dinitrodiammine-based noble metal plating layer is expressed as shown in FIG. For example, Pt or Pd can be applied to the
本実施の形態に係る接着構造体、及びこの接着構造体を備える半導体モジュールに適用可能な貴金属には、例えばAu、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、及びOs等の群から選ばれる少なくとも1種類もしくは複数種類等を挙げることができる。 The noble metal applicable to the adhesion structure according to the present embodiment and the semiconductor module including the adhesion structure is selected from the group of, for example, Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, and Os. At least one kind or plural kinds can be mentioned.
(π逆供与)
錯体におけるσ供与及びπ逆供与の説明図は、図17(a)に示すように表され、金属表面での接着におけるσ供与及びπ逆供与の説明図は、図17(b)に示すように表される。図17(b)において、金属Mの充満帯をEV、伝導帯をEC、金属MのフェルミレベルをEfで表すと、充満帯EVからフェルミレベルEfまでは電子で満たされている。
(Π reverse donation)
An explanatory view of σ donation and π reverse donation in the complex is expressed as shown in FIG. 17A, and an explanatory view of σ donation and π reverse donation in the adhesion on the metal surface is shown in FIG. 17B. It is expressed in In FIG. 17B, when the full band of metal M is represented by E V , the conduction band is represented by E C , and the Fermi level of metal M is represented by E f , the full band from E V to Fermi level E f is filled with electrons. Yes.
図17(a)及び図17(b)に示すように、通常はCO系、CN系等の高分子鎖に含まれる特定の官能基の配位子(LIGAND)から金属Mに向かって電子が供与されるσ供与が働く。これに対して、更に、金属Mから配位子に向かって電子が供与されるのがπ逆供与(π back donation)である。 As shown in FIG. 17 (a) and FIG. 17 (b), electrons are usually directed from the ligand (LIGAND) of a specific functional group contained in a polymer chain such as a CO series or CN series toward the metal M. Donated σ donation works. On the other hand, it is π back donation that electrons are donated from the metal M toward the ligand.
例えば、Auメッキ層とCN系の官能基を有するエポキシ系接着剤は、CN系の官能基の一部からAuに向かって電子が供与されるσ供与と、AuからCN系の官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。ここで、Au5d軌道とCN系のπ*軌道との間でπ逆供与が働く。 For example, an epoxy-based adhesive having an Au plating layer and a CN-based functional group has a σ-donation in which electrons are donated from a part of the CN-based functional group toward Au, and from Au to a CN-based functional group. Are bonded by π reverse donation, in which electrons are donated. Here, π reverse donation works between the Au5d orbital and the CN π * orbital.
分子シミュレーション技術を用いて得られた結果では、HOMO準位におけるσ供与において、C−N間距離=1.30Å、1.19Åである。一方、LUMO準位におけるπ逆供与において、C−N=1.31Å、1.18Åである。 In the results obtained using the molecular simulation technique, the C—N distance = 1.30Å and 1.19Å in the σ donation at the HOMO level. On the other hand, in π reverse donation at the LUMO level, C−N = 1.31Å and 1.18Å.
(対応する官能基の例)
適用できる官能基を列挙すると以下の通りである。すなわち、本実施の形態に係る接着構造体に適用可能な官能基の化学式であって、シアノ基の例は図18(a)に示すように表され、チオシアノ基の例は図18(b)に示すように表され、カルボニル基の例は図18(c)に示すように表され、エステル基の例は図18(d)に示すように表され、アミド基の例は図18(e)に示すように表され、アジド基の例は図18(f)に示すように表され、イソシアノ基の例は図18(g)に示すように表され、スルホ基の例は図18(h)に示すように表され、ニトロ基の例は図18(i)に示すように表される。これらの内、シアノ基、カルボニル基、エステル基、アミド基などが安定性の観点から望ましい。
(Example of corresponding functional group)
The applicable functional groups are listed as follows. That is, it is a chemical formula of a functional group applicable to the adhesive structure according to the present embodiment, and an example of a cyano group is represented as shown in FIG. 18A, and an example of a thiocyano group is shown in FIG. An example of a carbonyl group is represented as shown in FIG. 18 (c), an example of an ester group is represented as shown in FIG. 18 (d), and an example of an amide group is shown in FIG. 18 (e). ), Examples of azido groups are represented as shown in FIG. 18 (f), examples of isocyano groups are represented as shown in FIG. 18 (g), and examples of sulfo groups are shown in FIG. 18 (f). h), and examples of nitro groups are represented as shown in FIG. Of these, a cyano group, a carbonyl group, an ester group, an amide group and the like are desirable from the viewpoint of stability.
(分子シミュレーション技術)
分子シミュレーション技術により、ビスフェノールA型エポキシ樹脂+ジシアンジアミド系の分子モデルの理論的に安定な分子構造を計算した。その結果、Au表面と相互作用するのは、OH基ではなく、硬化剤由来のCN系官能基であることが判明した。以下、分子シミュレーションについて、詳述する。
(Molecular simulation technology)
The theoretically stable molecular structure of the molecular model of bisphenol A type epoxy resin + dicyandiamide system was calculated by molecular simulation technology. As a result, it has been found that it is not an OH group but a CN functional group derived from a curing agent that interacts with the Au surface. Hereinafter, the molecular simulation will be described in detail.
(分子シミュレーションに関する説明_1)
(実施手順)
(1)Au(111)のモデル構造を作成する。
(Explanation on molecular simulation_ 1)
(Implementation procedure)
(1) Create a model structure of Au (111).
Auのバルク構造最適化においては、プログラムはVASP(密度汎関数法)、汎関数はGGA−PBE、カットオフエネルギーは500eV、k-point meshは2π×0.05Å−1、擬ポテンシャルはPAW、分散力補正はTkatchenko-Schefflerをそれぞれ用いた。 In the Au bulk structure optimization, the program is VASP (density functional theory), the functional is GGA-PBE, the cut-off energy is 500 eV, the k-point mesh is 2π × 0.05Å −1 , the pseudopotential is PAW, and the dispersion Tkatchenko-Scheffler was used for force correction.
この結果、最適化した構造から、(111)面を切り出す。 As a result, the (111) plane is cut out from the optimized structure.
(2)次に、Auの表面構造を作成する。 (2) Next, a surface structure of Au is created.
切り出した(111)面を拡張して、5×5のスラブモデルを作製する。ここで、原子数:5×5×3(75原子)である。下部2層を固定し、厚さ30Åの真空層をAuの上に形成した。 The cut (111) plane is expanded to produce a 5 × 5 slab model. Here, the number of atoms: 5 × 5 × 3 (75 atoms). The lower two layers were fixed, and a vacuum layer having a thickness of 30 mm was formed on Au.
(分子シミュレーションに関する説明_2)
(3)エポキシ樹脂のモデル構造作成する。
(Explanation on molecular simulation_2)
(3) Create a model structure of epoxy resin.
―材料系の選定―
エポキシ樹脂は、DGEBA+硬化剤(ジシアンジアミド)とした。対象とするエポキシ樹脂の分子モデルは、図9の化学式の構造に対応する。
―Selection of material system―
The epoxy resin was DGEBA + curing agent (dicyandiamide). The molecular model of the target epoxy resin corresponds to the structure of the chemical formula in FIG.
次に、分子モデル化を実行した。分子モデル化は、DGEBAのエポキシ基とジシアンジアミドのアミノ基が付加反応した状態とし、簡略化のため、DGEBAの未反応側のグリシジル基はメチル基で置換した。その結果、図7(a)の分子構造が得られる。比較例として、硬化剤を除いたビスフェノールA型エポキシ樹脂の分子モデルは図7(b)の化学式の構造に対応する。 Next, molecular modeling was performed. In molecular modeling, the epoxy group of DGEBA and the amino group of dicyandiamide were subjected to an addition reaction, and the glycidyl group on the unreacted side of DGEBA was replaced with a methyl group for the sake of simplicity. As a result, the molecular structure shown in FIG. As a comparative example, the molecular model of the bisphenol A type epoxy resin excluding the curing agent corresponds to the structure of the chemical formula in FIG.
次に、分子モデルの配置を実行した。 Next, molecular model placement was performed.
上記(3)の材料系の選定で作製した分子モデルを上記(2)で作製したAuスラブモデルの真空層内へ配置した。 The molecular model produced by selecting the material system in (3) above was placed in the vacuum layer of the Au slab model produced in (2) above.
(分子シミュレーションに関する説明_3)
(実施手順)
(4)最安定構造の計算
分子動力学計算による最安定構造の探索を実行する。
(Explanation on molecular simulation_3)
(Implementation procedure)
(4) Calculation of the most stable structure The search for the most stable structure is performed by molecular dynamics calculation.
プログラムはForcite、time stepは1fs、力場はCOMPASS 、Simulation timeは5ps、温度は350K、quench stepは250、アンサンブルはNVE、 minimizeはsmartとした。 The program is Forcite, the time step is 1fs, the force field is COMPASS, the simulation time is 5ps, the temperature is 350K, the quench step is 250, the ensemble is NVE, and the minimize is smart.
次に、密度汎関数法による接着モデルの構造最適化を実行する。初期構造モデルは、上記で見出された最安定構造とし、プログラムはVASP、汎関数はGGA-PBE、カットオフエネルギーは500eV、k-point meshは2π×0.05Å-1、擬ポテンシャルはPAW、分散力補正はTkatchenko-Schefflerを用いた。 Next, the structure optimization of the adhesion model by the density functional method is executed. The initial structure model is the most stable structure found above, the program is VASP, the functional is GGA-PBE, the cut-off energy is 500 eV, the k-point mesh is 2π × 0.05Å -1 , the pseudopotential is PAW, Dispersion force correction was performed using Tkatchenko-Scheffler.
次に、差電子密度の計算を実行した。その結果、ヒドロキシ基(OH)では電子のやり取りが起こっていないこと、シアノ基において、σ供与とπ逆供与が起こっていることを突き止めた。 Next, the difference electron density was calculated. As a result, it was found that no electron exchange occurred in the hydroxy group (OH), and that σ donation and π reverse donation occurred in the cyano group.
(分子シミュレーションに関する説明_4)
(実施手順)
(5)接着応力を算出する。
上記の(4)の最安定構造の計算で最適化された接着モデルにおいて、エポキシ分子を引き剥がす際のエネルギーEをNEB (Nudged Elastic Band)法で算出する。NEB法は、二つの局所安定構造の間のポテンシャルエネルギー面の最小エネルギー経路(MEP)を求める方法である。
(Explanation on molecular simulation_4)
(Implementation procedure)
(5) Calculate the adhesive stress.
In the adhesion model optimized by the calculation of the most stable structure in (4) above, the energy E for peeling off the epoxy molecules is calculated by the NEB (Nudged Elastic Band) method. The NEB method is a method for obtaining a minimum energy path (MEP) of a potential energy surface between two local stable structures.
(接着応力の算出方法)
エポキシ分子を引き剥がす際の引き剥がしエネルギーEは、モースポテンシャル(Morse potential)で近似して、(1)式で表される。
E=De[1−exp(−aΔr)]2 (1)
ただし、a=ωe(M/2De)1/2、Δr=re−rである。Deは解離エネルギー、Δrは引き剥がし距離をそれぞれ表す。rは二原子分子の結合距離を表す。また、reは平衡結合間隔、Mは換算質量、ωeは振動の波数である。
(Adhesive stress calculation method)
The peeling energy E at the time of peeling off the epoxy molecules is approximated by a Morse potential and is expressed by the equation (1).
E = D e [1-exp (−aΔr)] 2 (1)
However, a = ω e (M / 2D e ) 1/2 and Δr = r e −r. D e represents dissociation energy, [Delta] r is peeled off distance, respectively. r represents the bond distance of a diatomic molecule. Also, the r e equilibrium binding interval, M has reduced mass, the omega e the wave number of the vibration.
モースポテンシャル近似曲線を微分することで接着応力(Adhesion Stress)Fを見積もることができる。接着応力Fは、(2)式で表される。
F=dE/dΔr (2)
(分子シミュレーションに関する説明_5)
(実施手順)
(6)比較用の分子モデルでの計算を実施した。
By differentiating the Morse potential approximate curve, the adhesion stress F can be estimated. The adhesive stress F is expressed by equation (2).
F = dE / dΔr (2)
(Explanation on molecular simulation_5)
(Implementation procedure)
(6) Calculation was performed with a molecular model for comparison.
硬化剤の官能基が接着力に寄与した程度を明らかにするため、硬化剤の部分をHで終端したモデルで同様に計算した。比較用の分子モデルは、図7(b)の化学式の構造に対応する。 In order to clarify the degree to which the functional group of the curing agent contributed to the adhesive force, the same calculation was performed using a model in which the portion of the curing agent was terminated with H. The molecular model for comparison corresponds to the structure of the chemical formula in FIG.
(OH基が及ぼす影響)
Au表面とエポキシ樹脂との接着構造の分子シミュレーションにおいて、OH基が及ぼす影響を検討した。その結果、OH基がAu表面に対して遠いモデルでは、Au−N間の距離=2.527Å、Au−OH間の距離=5.689Åであり、結合エネルギー=−583.50 eVであった。一方、OH基がAu表面に対して近いモデルでは、Au−N間の距離=3.313Å、Au−OH間の距離=3.119Åであり、結合エネルギー=−583.42 eVであった。OH基がAu表面に対して遠いモデルとOH基がAu表面に対して近いモデルの結合エネルギー差ΔE=1.8kcalであった。
(Effect of OH group)
In the molecular simulation of the adhesion structure between the Au surface and the epoxy resin, the influence of OH groups was examined. As a result, in the model in which the OH group is far from the Au surface, the distance between Au—N = 2.527 mm, the distance between Au—OH = 5.689 mm, and the binding energy = −583.50 eV. . On the other hand, in the model where the OH group is close to the Au surface, the distance between Au—N = 3.313 Å, the distance between Au—OH = 3.119 Å, and the binding energy = −583.42 eV. The bond energy difference ΔE = 1.8 kcal between the model in which the OH group is far from the Au surface and the model in which the OH group is close to the Au surface.
また、差電子密度の計算結果より、OH基がAu表面に対して近いモデル及びOH基がAu表面に対して遠いモデルのいずれにおいてもシアノ基において電子移動(π逆供与)は見られた。 From the calculation results of the difference electron density, electron transfer (π reverse donation) was observed in the cyano group in both the model in which the OH group was close to the Au surface and the model in which the OH group was far from the Au surface.
(硬化剤のCN基が及ぼす効果)
―接着応力の評価―
硬化剤の有無における引き剥がしエネルギーEと引き剥がし距離Δrの関係(ポテンシャルエネルギーの比較)は、図19に示すように表される。
(Effects of CN group of curing agent)
―Evaluation of adhesive stress―
The relationship between the peel energy E and the peel distance Δr with or without the curing agent (comparison of potential energy) is expressed as shown in FIG.
ポテンシャルエネルギーの変化より、硬化剤ありの曲線の方が、硬化剤無しの曲線に比べて、引き剥がしエネルギーEが高い傾向がある。 The tear energy E tends to be higher in the curve with the curing agent than in the curve without the curing agent, compared to the change in potential energy.
硬化剤の有無における接着応力Fと引き剥がし距離Δrの関係(変位―応力曲線の比較)は、図20に示すように表される。 The relationship between the adhesive stress F with and without the curing agent and the peeling distance Δr (comparison of displacement-stress curve) is expressed as shown in FIG.
硬化剤を添加したモデルの接着応力Fの最大値は、約1150(MPa)である。一方、硬化剤を除いたモデルの接着応力Fの最大値は、約800(MPa)である。 The maximum value of the adhesive stress F of the model to which the curing agent is added is about 1150 (MPa). On the other hand, the maximum value of the adhesive stress F of the model excluding the curing agent is about 800 (MPa).
金表面とビスフェノールA型エポキシ樹脂+ジシアンジアミド系の分子モデルにおいて、引き剥がし距離Δr(Å)が2Åの場合、3Åの場合、4Åの場合を比較すると、4Åの場合で安定的に引き剥がすことができる。 In the molecular model of gold surface and bisphenol A type epoxy resin + dicyandiamide system, when the peel distance Δr (Å) is 2Å, 3 場合 is compared with 4Å, the case of 4 剥 can be stably peeled off it can.
(DFTと分散力)
接着力の寄与を分散力による成分Fdispとそれ以外(密度汎関数(DFT)で計算できる成分FDFT)に分割した関係は、図21に示すように表される。また、接着力の寄与を分散力による成分Fdispとそれ以外(DFTで計算できる成分FDFT)に分割した関係(硬化剤を除いたモデル)は、図22に示すように表される。
(DFT and dispersion force)
The relationship in which the contribution of the adhesive force is divided into the component F disp due to the dispersion force and the other component (component F DFT that can be calculated by the density functional (DFT)) is expressed as shown in FIG. Moreover, the relationship (model except a hardening | curing agent) which divided | segmented contribution of adhesive force into the component Fdisp by dispersion force and the other (component FDFT which can be calculated by DFT ) is represented as shown in FIG.
合計値の接着応力Ftotは、(3)式で表される。
Ftot=FDFT+Fdisp (3)
図21及び図22の結果より、接着応力Fに及ぼす影響は、分散力の接着応力Fdispによる寄与が大きいことがわかる。
The total value of the adhesive stress F tot is expressed by equation (3).
F tot = F DFT + F disp (3)
From the results of FIGS. 21 and 22, it can be seen that the influence on the adhesive stress F greatly contributes to the dispersion stress due to the adhesive stress F disp .
以上、まとめると、Auとエポキシ樹脂の接着応力は、分散力による寄与が大きい。硬化剤を含んだエポキシ樹脂のモデルでは、硬化剤に含まれるシアノ基におけるπ逆供与が接着に寄与する。 In summary, the adhesive stress between Au and epoxy resin is largely due to the dispersion force. In a model of an epoxy resin including a curing agent, π reverse donation at a cyano group included in the curing agent contributes to adhesion.
(SOPに搭載した半導体モジュール)
以下の説明において、上述した本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体及び接着構造体を備える半導体モジュールと重複する説明は、同様に適用可能であるため説明を省略する。
(Semiconductor module mounted on SOP)
In the following description, the description overlapping with the bonding structure according to the embodiment to which the present technology is applied and the semiconductor module including the bonding structure can be similarly applied, and thus the description is omitted.
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体を備える半導体モジュール6の模式的断面構造は、図23に示すように表される。図23には、スモールアウトラインパッケージ(SOP:Small Outline Package)に搭載した半導体モジュール例が示される。また、図23の領域A近傍における模式的断面構造は図24(a)に示すように表され、図23の領域B近傍における模式的断面構造は図24(b)に示すように表される。
A schematic cross-sectional structure of a
SOPに搭載した半導体モジュール6は、図23に示すように、リードフレーム66と、リードフレーム66上に形成された貴金属層10Dと、貴金属層10Dと相互作用により接着される導電性樹脂層12と、導電性樹脂層12上に配置される半導体デバイス14とを備える。貴金属層10Dと導電性樹脂層12は、図24(b)に示すように、導電性樹脂層12を構成する第1接着性樹脂の官能基の一部から貴金属層10Dの貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属層10Dの貴金属から第1接着性樹脂の官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
As shown in FIG. 23, the
更に、SOPに搭載した半導体モジュール6は、図23に示すように、貴金属層10Dと相互作用により接着されるモールド樹脂層20を備える。貴金属層10Dとモールド樹脂層20は、モールド樹脂層20を構成する第2接着性樹脂の官能基の一部から貴金属層10Dの貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属層10Dの貴金属から第2接着性樹脂の官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
Furthermore, as shown in FIG. 23, the
更に、SOPに搭載した半導体モジュール6は、図23に示すように、リードフレーム64と、リードフレーム64上にメッキ技術により形成された貴金属層10Lを備える。貴金属層10Lとモールド樹脂層20は、図24(a)に示すように、モールド樹脂層20を構成する第2接着性樹脂の官能基の一部から貴金属層10Lの貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属層10Lの貴金属から第2接着性樹脂の官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
Further, as shown in FIG. 23, the
SOPに搭載した半導体モジュール6全体は、図23に示すように、モールド樹脂層20により樹脂封止されている。貴金属層10Lと半導体デバイス14間には、ボンディングワイヤ62が接続されている。
The
(リードフレーム型MCPに搭載した半導体モジュール)
本技術を適用した一実施の形態に係る接着構造体を備える半導体モジュール6Mの模式的断面構造は、図25に示すように表される。図25には、リードフレーム型マルチチップパッケージ(MCP:Multi Chip Package)に実装された半導体モジュール例が示される。また、図25の領域A近傍における模式的断面構造は図24(a)と同様に表され、図25の領域B近傍における模式的断面構造は図24(b)と同様に表される。
(Semiconductor module mounted on lead frame type MCP)
A schematic cross-sectional structure of a
リードフレーム型MCPに搭載した半導体モジュール6Mは、図25に示すように、リードフレーム64Lと、リードフレーム64L上に形成された貴金属層10Dと、貴金属層10Dと相互作用により接着される導電性樹脂層12Dと、導電性樹脂層12D上に配置される半導体デバイス14Bと、半導体デバイス14B上に配置される導電性樹脂層12Uと、導電性樹脂層12U上に配置される半導体デバイス14Aとを備える。貴金属層10Dと導電性樹脂層12Dは、図24(b)と同様に、導電性樹脂層12Dを構成する第1接着性樹脂の官能基の一部から貴金属層10Dの貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属層10Dの貴金属から第1接着性樹脂の官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
As shown in FIG. 25, the
更に、リードフレーム型MCPに搭載した半導体モジュール6Mは、図25に示すように、貴金属層10Dと相互作用により接着されるモールド樹脂層20を備える。貴金属層10Dとモールド樹脂層20は、モールド樹脂層20を構成する第2接着性樹脂の官能基の一部から貴金属層10Dの貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属層10Dの貴金属から第2接着性樹脂の官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
Furthermore, as shown in FIG. 25, the
更に、リードフレーム型MCPに搭載した半導体モジュール6Mは、図25に示すように、リードフレーム64と、リードフレーム64上にメッキ技術により形成された貴金属層10Lを備える。貴金属層10Lとモールド樹脂層20は、図24(a)に示すように、モールド樹脂層20を構成する第2接着性樹脂の官能基の一部から貴金属層10Lの貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、貴金属層10Lの貴金属から第2接着性樹脂の官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される。
Furthermore, as shown in FIG. 25, the
リードフレーム型MCPに搭載した半導体モジュール6M全体は、図25に示すように、モールド樹脂層20により樹脂封止されている。貴金属層10Lと半導体デバイス14A・14B間には、ボンディングワイヤ62が接続されている。
The
本実施の形態に係る接着構造体、及びこの接着構造体を備える半導体モジュールに搭載可能な半導体デバイスは、例えばLED、半導体レーザ、パワー半導体、若しくは集積回路等のいずれか若しくはこれらの組み合わせを備えていても良い。 The bonding structure according to the present embodiment and the semiconductor device that can be mounted on the semiconductor module including the bonding structure include, for example, an LED, a semiconductor laser, a power semiconductor, an integrated circuit, or a combination thereof. May be.
集積回路としては、例えば、車載エレクトロニクス用として、ボディ制御モジュール(BCM:Body Control Module)、先進運転支援システム(ADAS:Advanced Driver Assistance System)、メインインバータ(Main inverter)、LEDランプモジュール(LED Lamp Module)、エンジンコントロールユニット(ECU:Engine Control Unit)、カーオーディオ(Car Audio)等の車載エレクトロニクス用集積回路を適用可能である。 As an integrated circuit, for example, for vehicle-mounted electronics, a body control module (BCM: Body Control Module), an advanced driver assistance system (ADAS), a main inverter (Main inverter), an LED lamp module (LED Lamp Module) ), Integrated circuits for in-vehicle electronics such as an engine control unit (ECU) and a car audio can be applied.
また、本実施の形態に係る接着構造体、及びこの接着構造体を備える半導体モジュールに搭載可能な半導体デバイスは、Si系又はSiC系のIGBT、ダイオード、MOSFET、GaN系FETのいずれかを備えていても良い。 In addition, the bonding structure according to the present embodiment and the semiconductor device that can be mounted on the semiconductor module including the bonding structure include any of Si-based or SiC-based IGBTs, diodes, MOSFETs, and GaN-based FETs. May be.
また、本実施の形態に係る接着構造体、及びこの接着構造体を備える半導体モジュールに搭載可能な半導体デバイスは、ワンインワンモジュール、ツーインワンモジュール、フォーインワンモジュール、シックスインワンモジュール、セブンインワンモジュール、エイトインワンモジュール、トゥエルブインワンモジュール、又はフォーティーンインワンモジュールのいずれかの構成を備えていても良い。 Further, the bonding structure according to the present embodiment and the semiconductor device that can be mounted on the semiconductor module including the bonding structure are one-in-one module, two-in-one module, four-in-one module, six-in-one module, seven-in-one module, eight-in-one Any one of a module, a twelve in one module, or a fourteen in one module may be provided.
本実施の形態によれば、高温下でも安定な界面構造を有する接着構造体、及びこの接着構造体を備える半導体モジュールを提供することができる。σ供与とπ逆供与が同時に起こっている接着構造体では、より多くの電子が共有されているため、特に高温下での接着性が向上可能である。 According to the present embodiment, it is possible to provide an adhesive structure having an interface structure that is stable even at high temperatures, and a semiconductor module including the adhesive structure. In an adhesive structure in which σ donation and π reverse donation occur at the same time, more electrons are shared, so that adhesion at high temperatures can be improved.
[その他の実施の形態]
上記のように、いくつかの実施の形態について記載したが、開示の一部をなす論述及び図面は例示的なものであり、限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
Although several embodiments have been described as described above, it should be understood that the discussion and drawings that form part of the disclosure are illustrative and not limiting. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
このように、本実施の形態は、ここでは記載していない様々な実施の形態等を含む。 As described above, the present embodiment includes various embodiments that are not described herein.
本実施の形態の接着構造体、及び半導体モジュールは、LEDモジュール、オプティカルモジュール、IGBTモジュール、ダイオードモジュール、MOSモジュール(Si、SiC、GaN)等の各種の半導体モジュールや集積回路技術、各種パッケージ技術等に利用することができ、幅広い応用分野に適用可能である。 The bonding structure and the semiconductor module of the present embodiment include various semiconductor modules such as LED modules, optical modules, IGBT modules, diode modules, MOS modules (Si, SiC, GaN), integrated circuit technologies, various package technologies, etc. It can be used for a wide range of application fields.
2D、2S…接着構造体、4D、4S、6、6M…半導体モジュール、10、10D、10L…貴金属層、10A…金(Au)メッキ、12、12D、12U…導電性樹脂層、14、14A、14B…半導体デバイス、16…金属フィラー、18、19…接着性樹脂、20…モールド樹脂層、22…フィラー、24…分子骨格、26、34…CN系の官能基、28…OH基、30…Auメッキ層、32…CO系の官能基、40…シアン系貴金属メッキ層、50、70…貴金属原子、60…ジニトロジアンミン系貴金属メッキ層、62…ボンディングワイヤ、64、64L、66…リードフレーム 2D, 2S: Adhesive structure, 4D, 4S, 6, 6M ... Semiconductor module, 10, 10D, 10L ... Noble metal layer, 10A ... Gold (Au) plating, 12, 12D, 12U ... Conductive resin layer, 14, 14A , 14B ... Semiconductor device, 16 ... Metal filler, 18, 19 ... Adhesive resin, 20 ... Mold resin layer, 22 ... Filler, 24 ... Molecular skeleton, 26, 34 ... CN functional group, 28 ... OH group, 30 ... Au plating layer, 32 ... CO functional group, 40 ... Cyan noble metal plating layer, 50, 70 ... Noble metal atom, 60 ... Dinitrodiammine noble metal plating layer, 62 ... Bonding wire, 64, 64L, 66 ... Lead frame
Claims (20)
前記貴金属との相互作用により接着される樹脂と
を備え、
前記貴金属と前記樹脂は、前記樹脂を構成する官能基の一部から前記貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、前記貴金属から前記官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される、接着構造体。 With precious metals,
A resin bonded by interaction with the noble metal,
The noble metal and the resin include a σ donation in which electrons are donated from a part of the functional groups constituting the resin toward the noble metal, and a π reverse donation in which electrons are donated from the noble metal to the functional group. Bonded structure bonded by
前記貴金属層と相互作用により接着される導電性樹脂層と、
前記導電性樹脂層上に配置される半導体デバイスと
を備え、
前記貴金属層と前記導電性樹脂層は、前記導電性樹脂層を構成する第1接着性樹脂の官能基の一部から前記貴金属層の貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、前記貴金属から前記官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される、半導体モジュール。 A precious metal layer,
A conductive resin layer adhered by interaction with the noble metal layer;
A semiconductor device disposed on the conductive resin layer,
The noble metal layer and the conductive resin layer include a σ donation in which electrons are donated from a part of the functional group of the first adhesive resin constituting the conductive resin layer toward the noble metal of the noble metal layer, and the noble metal A semiconductor module which is bonded by π reverse donation in which electrons are donated toward the functional group.
前記貴金属層と前記モールド樹脂層は、前記モールド樹脂層を構成する第2接着性樹脂の官能基の一部から前記貴金属層の貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、前記貴金属から前記官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される、請求項11に記載の半導体モジュール。 Further comprising a mold resin layer bonded by interaction with the noble metal layer,
The noble metal layer and the mold resin layer are σ donation in which electrons are donated from a part of the functional group of the second adhesive resin constituting the mold resin layer toward the noble metal of the noble metal layer, and the noble metal from the noble metal The semiconductor module according to claim 11, which is adhered by π reverse donation in which electrons are donated toward the functional group.
前記半導体デバイスと電気的に接続される貴金属層と、
前記貴金属層と相互作用により接着されるモールド樹脂層と
を備え、
前記貴金属層と前記モールド樹脂層は、前記モールド樹脂層を構成する第2接着性樹脂の官能基の一部から前記貴金属層の貴金属に向かって電子が供与されるσ供与と、前記貴金属から前記官能基に向かって電子が供与されるπ逆供与とにより接着される、半導体モジュール。 A semiconductor device;
A noble metal layer electrically connected to the semiconductor device;
A mold resin layer adhered by interaction with the noble metal layer,
The noble metal layer and the mold resin layer are σ donation in which electrons are donated from a part of the functional group of the second adhesive resin constituting the mold resin layer toward the noble metal of the noble metal layer, and the noble metal from the noble metal A semiconductor module bonded by π reverse donation, in which electrons are donated towards a functional group.
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