JP2020097774A - 電力半導体接合用焼結ペースト組成物 - Google Patents

電力半導体接合用焼結ペースト組成物 Download PDF

Info

Publication number
JP2020097774A
JP2020097774A JP2019142961A JP2019142961A JP2020097774A JP 2020097774 A JP2020097774 A JP 2020097774A JP 2019142961 A JP2019142961 A JP 2019142961A JP 2019142961 A JP2019142961 A JP 2019142961A JP 2020097774 A JP2020097774 A JP 2020097774A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
power semiconductor
paste composition
sintered paste
metal powder
powder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2019142961A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6855539B2 (ja
Inventor
ジン ソン,ユ
Yu Jean Sohn
ジン ソン,ユ
キュ ビャク,ポム
Bum Gyu Baek
キュ ビャク,ポム
ソク ソ,ユン
Eun Seok Seo
ソク ソ,ユン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyung Dong One Corp
Original Assignee
Kyung Dong One Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyung Dong One Corp filed Critical Kyung Dong One Corp
Publication of JP2020097774A publication Critical patent/JP2020097774A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6855539B2 publication Critical patent/JP6855539B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40Additives
    • C09D7/60Additives non-macromolecular
    • C09D7/61Additives non-macromolecular inorganic
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D133/00Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D161/00Coating compositions based on condensation polymers of aldehydes or ketones; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D161/04Condensation polymers of aldehydes or ketones with phenols only
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D163/00Coating compositions based on epoxy resins; Coating compositions based on derivatives of epoxy resins
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D175/00Coating compositions based on polyureas or polyurethanes; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D175/02Polyureas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D175/00Coating compositions based on polyureas or polyurethanes; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D175/04Polyurethanes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D177/00Coating compositions based on polyamides obtained by reactions forming a carboxylic amide link in the main chain; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D183/00Coating compositions based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D183/04Polysiloxanes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D5/00Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/24Electrically-conducting paints
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/20Diluents or solvents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40Additives
    • C09D7/45Anti-settling agents
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40Additives
    • C09D7/66Additives characterised by particle size
    • C09D7/67Particle size smaller than 100 nm
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40Additives
    • C09D7/66Additives characterised by particle size
    • C09D7/68Particle size between 100-1000 nm
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D7/00Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
    • C09D7/40Additives
    • C09D7/66Additives characterised by particle size
    • C09D7/69Particle size larger than 1000 nm

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Die Bonding (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

【課題】低費用で製造が可能であり、高温で長時間使用できる高信頼性の電力半導体接合用焼結ペースト組成物の提供。【解決手段】第1金属粉末、第2金属粉末及びナノセラミック粉末の混合粉末を含み、前記混合粉末の比表面積が0.1m2/g以上10m2/g以下であり、第1金属粉末は、Cu、Ag、Auから選ばれる1種又は2種以上であり、10〜300nmのナノ粒子を含み、第2金属粉末は、無鉛ソルダー合金、Sn等から選ばれ、0.1〜50μmのマイクロ粒子を含む、電力半導体接合用焼結ペースト組成物。【選択図】図3

Description

本発明は、電力半導体接合用焼結ペースト組成物に関し、より詳細には電力半導体を高温で長時間安定的に使用できるようにした電力半導体接合用焼結ペースト組成物に関する。
電力半導体(Power Semiconductor)は、電気エネルギー(Electric Energy)を活用するために直流・交流変換、電圧、周波数の変化などの制御処理を遂行する半導体であって、現在Si電力半導体が主に使用されているが、最近使用温度の増加による効率性の低下で次世代Si電力半導体及びSiC電力半導体が開発されている。
次世代Si電力半導体は、使用温度が170℃〜200℃であり、SiC電力半導体は220℃以上の温度で使用されるため、従来Si電力半導体に使用される接合素材であるソルダーペーストは再溶解(Remelting)による効率性及び信頼性の低下問題が発生する。
従来技術1乃至3は、150℃〜300℃の温度で焼結後、接合が可能な銀ペーストの製造に関する技術を提案している。このような銀ペーストを用いると、低い温度で接合した後、高い温度で使用できるが、製造単価が高くて、高温使用時にイオンマイグレーション(Ion Migration)によって信頼性が低下する可能性のある問題がある。
このような理由で、従来技術4は、銀と類似する銅を用いた焼結ペーストを提案している。しかしながら、溶融温度が1083℃の銅を用いて300℃以下の温度で焼結して接合するためには、ナノ粒子の含有量が高まらなければならず、粒子の大きさが小さいほど酸化被膜の除去が難しく、製造単価が高い問題点がある。
従来技術5は、銀と銅の粒子に底融点ソルダー金属を混合して低い温度で溶融後、粒子界面にIMC(InterMetallic Compounds)を形成して、高い温度で使用できる接合材に関する技術を提案している。しかしながら、接合温度(junction temperature)が220℃以上のSiC電力半導体に長時間使用する場合、IMC成長による接合部クラック(Crack)の発生によって効率性の低下問題がある。
特許文献1:韓国公開特許 第10-2008-0052582号(2008.06.11.公開)
特許文献2:日本国特許 第6323587号(2018.04.20. 登録)
特許文献3:日本国特許 第6380792号(2018.08.10. 登録)
特許文献4:日本国公開特許 第2017-103180号(2017.06.08. 公開)
特許文献5:韓国特許 第10-1381249号(2014.03.28. 登録)
本発明は、前述した従来技術の問題点を解決するために案出されたもので、低費用で製造が可能であり、高温で長時間使用できる高信頼性の電力半導体接合用焼結ペースト組成物を提供することに目的がある。
前述した技術的課題を解決するための手段は以下のとおりである。
本発明は、第1金属粉末、第2金属粉末及びナノセラミック粉末の混合粉末を含み、前記混合粉末の比表面積が0.1m/g以上10m/g以下であることを特徴とする、電力半導体接合用焼結ペースト組成物を提供する。
この場合、前記第1金属粉末は、Cu(銅)、Ag(銀)、Au(金)の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物からなり得る。
この場合、前記第1金属粉末は、10nm以上300nm以下のナノ粒子を含むことができる。
この場合、前記第2金属粉末は、Pt(白金)、Ni(ニッケル)、Sn(鈴)、Al(アルミニウム)、Ag(銀)、Zn(亜鉛)、Bi(ビスマス)、P(リン)、B(ボロン)、In(インジウム)、無鉛ソルダー合金、アルミウム合金、及びこれらの金属のいずれか1つがコーティングされたCu(銅)の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物からなり得る。
この場合、前記第2金属粉末は、0.1μm以上50μm以下のマイクロ粒子を含むことができる。
この場合、前記ナノセラミック粉末は、B(ボロン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Sn(鈴)、Si(シリコン)、Ag(銀)、Bi(ビスマス)、Cu(銅)、Au(金)、Mg(マグネシウム)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zn(亜鉛)、Al(アルミウム)の中のいずれか1以上から成る酸化物、窒化物及び炭化物の中から選ばれるいずれか1種または2種の混合物からなり得る。
この場合、前記ナノセラミック粉末は、0.005wt%以上10wt%以下が含まれることができる。
この場合、前記ナノセラミック粉末の大きさは、30nm以上300nm以下であり得る。
この場合、前記電力半導体接合用焼結ペースト組成物は、150℃以上600℃以下の焼結温度で使用可能である。
なお、本発明は、前記焼結ペースト組成物と、溶媒と、バインダーと、分散剤及び還元剤を含む電力半導体接合用焼結ペーストを提供する。
この場合、前記溶媒は、アルコール類、グリコール類、アルキル系の中で沸点が300℃以下の群から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物であり得る。
この場合、前記バインダーは、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ウレア/メラミン樹脂、シリコン樹脂の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物であり得る。
この場合、前記分散剤は、ステアリン酸、オレイン酸、高級脂肪酸、脂肪酸アミド、脂肪酸金属塩、リン酸エーテル、スルホン酸エーテル、アルキルアミン、カルボン酸アミド、アミノカルボン酸の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物であり得る。
この場合、前記還元剤は、脂肪酸、カルボン酸、アミン系化合物、ブロム系化合物、水素化ホウ素化合物、水素化アルミウム化合物、アルキルアミンボラン、ヒドラジン化合物、アルデヒド化合物、亜リン酸化合物、茶亜リン酸化合物の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物であり得る。
本発明によると、ペーストがナノ粒子とともにマイクロ粒子を含むが、150℃〜600℃の低温で焼結が可能な効果が得られる。
また、焼結後、第2金属粉末粒子が空隙に充填されながら、ボイドを減少させて接合強度を向上させることができる。
また、ナノセラミック粉末の分散で焼結後、粒子間のボイドを減少させることができ、粒子の表面に形成されたIMC層を微細化すると同時に成長を抑制し、低融点金属のグレインが粗大化することを防止(分散強化)して高温で長時間使用しても高い信頼性を維持できる。
併せて、第1金属粉末、第2金属粉末及びナノセラミック粉末が混合されて構成されることにより、ナノ粒子の含量を下げることができ、これによって、既存ペーストに備えて1/3以下の費用で製造可能であって、価格競争力を備えることができる。
接合強度試片の模式図である。 熱衝撃試片の模式図である。 ペースト接合部の微細組織の比較写真である。 熱衝撃前後の接合強度の測定結果を示すグラフである。
本発明に係る電力半導体接合用焼結ペースト組成物は、第1金属粉末、第2金属粉末及びナノセラミック粉末を含む。
第1金属粉末は、ペーストが高い接合温度(Tj)で使用され得るように、熱伝導性に優れたCu(銅)、Ag(銀)、Au(金)の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物から成る。また、第1金属粉末は、ペーストが250℃〜500℃の温度で焼結され得るように、バルク素材に備えて融点が低い10nm乃至300nmのナノ粒子を含む。しかしながら、第1金属粉末の粒子の大きさが微細になるほど製造単価が上昇して使用に制限が続く可能性があるので、本発明は第2金属粉末を混合して使用する。
第2金属粉末は、Pt(白金)、Ni(ニッケル)、Sn(鈴)、Al(アルミニウム)、Ag(銀)、Zn(亜鉛)、Bi(ビスマス)、P(リン)、B(ボロン)、In(インジウム)、無鉛ソルダー合金、アルミウム合金、及びこれらの金属のいずれか1つがコーティングされたCu(銅)から成る群から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物からなり得る。
第2金属粉末の場合、0.1μm乃至50μm以下のマイクロ粒子を含めてペーストの製造単価を下げることができ、第1金属粉末との混合を通じて混合粉末の空隙率を減少させる。
このように、本発明のペースト組成物は、ナノサイズの第1金属粉末にマイクロサイズの第2金属粉末が混合されて、バルク素材の融点より低い150℃〜600℃の低温で焼結が可能であり、焼結後には、第2金属粉末が空隙に充填されてボイド(Void)を減少させることにより、接合強度を向上させることができる。
ナノセラミック粉末は、B(ボロン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Sn(鈴)、Si(シリコン)、Ag(銀)、Bi(ビスマス)、Cu(銅)、Au(金)、Mg(マグネシウム)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zn(亜鉛)、Al(アルミウム)の中のいずれか1以上から成る酸化物、窒化物及び炭化物の中から選ばれるいずれか1種または2種の混合物から成る 。
このようなナノセラミック粉末は、第1金属粉末及び第2金属粉末とともに混合されてIMCとグレイン(Grain)の成長を抑制し、焼結中、グレインを微細化することにより、高い接合温度で長時間使用時に高信頼性を維持することに寄与する。
ナノセラミック粉末は、30nm以上300nm以下の粒子の大きさを有し、0.005wt%以上10wt%以下が含まれる。ナノセラミック粉末の粒子の大きさが30nm未満であると、凝集された粉末の分散が難しく、分散されない凝集粉末の界面でクラックが発生する可能性が高く、300nmを超えると、マトリックスとナノセラミック粉末の界面でクラックが発生する可能性が高い。また、ナノセラミック粉末の含量が0.005wt%未満であると、IMCとグレインの成長を抑制する効果が落ち、10wt%超えると、熱伝導度及び接合強度の低下要因で作用する。
上述した第1金属粉末、第2金属粉末及びナノセラミック粉末の混合粉末は、比表面積が0.1m/g以上10m/g以下であることが望ましい。混合粉末の比表面積が10m/g超えると、焼結後、接合部位に空隙が多数存在して信頼性を低下させることができる。
以上で説明したペースト組成物を分散剤とともに、溶媒に分散させると、電力半導体接合用焼結ペーストが得られる。この場合、ペーストの特性改善のためにバインダーと還元剤が追加されることができるが、このような添加剤は多量で添加される場合、焼結過程で除去されないので、特性を低下させることができ、少量が添加されると、特性改善の効果が微々たるため、焼結ペーストの総重量に備えて0.01wt%以上5wt%以下の含量で添加されることが望ましい。
具体的には、溶媒はアルコール類、グリコール類、アルキル系などから成る群から選ばれるいずれか1種以上を含むことができる。このような溶媒は、焼結過程において全量除去されてこそ高い特性を具現できるので、沸騰点が300℃以下の溶媒を使用することが望ましい。例えば、テルピネオール(terpineol)、エチルアルコール(ethyl−alcohol)、メチルアルコール(methyl−alcohol)、イソプロピルアルコール(isopropyl−alcohol)、2−メトキシエタノール(2−methoxy−ethanol)、1−オクタノール(1−octanol)、プロピルアルコール(propyl−alcohol)、ジエタノールアミン(DEA)、エチレングリコール(ethylene glycol)、ジエチレングリコール(diethylene glycol)、プロピレングリコール(propylene glycol)、ジプロピレングリコール(dipropylene glycol)、ヘキシレングリコール(hexylene glycol)、ブチルカルビトール(Butyl Carbitol)、グリセロール(glycerol)、ブチルセロソルブ(butyl cellosolve)、n−メチルピロリドン(n−methylpyrrolidone)、ジエチレングリコールモノエーテル(Diethylene glycol monobutyl ether)、ダイベイスィックエステル(dibasic ester)、カルビトールアセテート(carbitol acetate)、プロピレングリコールメチルエーテル (propylene glycol methyl ether)、ブチルカルビトールアセテート(Butyl Carbitol acetate)の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物を使用できる。
バインダーは、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ウレア/メラミン樹脂、シリコン樹脂から成る群から選ばれるいずれか1種以上を含むことができ、より詳細には、PVP、PVA、PVC、セルロース系樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、共重合樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、ポリビニルピロリドン系樹脂、アクリル樹脂、アセート酸ビニル-アクリル酸エステル共重合樹脂、ブチラール樹脂、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ロジンエステル樹脂、ポリエステル樹脂などを使用することができる。
このようなバインダーの含量が0.01wt%未満であると、粘度、粘着力、チクソ指数の特性が著しく低下し、5wt%を超えると、粘度が高くなって印刷性が低下の要因として作用できるので、0.01wt%〜5wt%の含量で含まれることが望ましい。
分散斉は、ステアリン酸、オレイン酸、高級脂肪酸、脂肪酸アミド、脂肪酸金属塩、リン酸エーテル、スルホン酸エーテル、アルキルアミン、カルボン酸アミド、アミノカルボン酸の中から選ばれるいずれか1種以上を使用することができる。
還元剤は、ナノ粉末表面の酸化被膜を除去して、粒子表面の拡散を促進し、焼結を円滑に作られる役割をすることで、脂肪酸(酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カルプ酸など)と、カルボン酸(ギ酸、アクリル酸、乳酸、アミノ酸、安息香酸、サリチル酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸など)以外に、アミン系化合物、ブロム系化合物、水素化ホウ素化合物、水素化アルミウム化合物、アルキルアミンボラン、ヒドラジン化合物、アルデヒド化合物、亜リン酸化合物、茶亜リン酸化合物から成る群から選ばれるいずれか1種以上を含むことができる。
このような還元剤が微量添加されると、効果がなく、多量添加されると、粉末表面の被膜除去には効果的であるが、真空または不活性雰囲気の中で微量存在する酸素と反応して信頼性を低下させる要因として作用できるので、総重量に備えて0.01wt%以上5wt%以下添加されることが望ましい。
以上、本発明による電力半導体接合用焼結ペースト組成物について説明した。以下では、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
<焼結ペースト製造>
溶媒にバインダー、還元剤及び極少量の接着増進剤を混合し、インペラで3時間の間、攪拌して溶媒を製造した。以後、銅(Cu)(第1金属粉末)と、SAC305, Sn coated Cu(第2金属粉末)及びTiN(ナノセラミック粉末)を混合して、高速分散器を用いて溶媒に1次的に分散した。最後に、1次的に製造された金属ペーストをRoll Millを用いて2次分散して焼結ペーストを製造した。
<焼結ペースト接合強度試片の製造>
製造された焼結ペーストをDBC基板に塗布してSiC chipをマウントし、150Nで加圧して炭化炉を用いて350℃で約1時間の間焼結させた後、空冷して接合強度試片を製造した。焼結は350℃まで10℃/minの条件で不活性雰囲気で進行し、150℃以下の温度で空冷した。参考として、図1には、このような接合強度試片の模式図を示した。
(実施例2)
<焼結ペースト電力駆動試片の製造>
実施例1で製造された焼結ペーストを、TO−247パッケージ形態のCu フレームに塗布した後、SiC Chipを実施例1と同一に制作した。以後、図2に示すように、SiC Chip2が取り付けられたフレームを15milのAl ワイヤ3でボンディング(Bonding)した後、エポキシモールディング4をしてダイオード形態のパッケージ1を製造した。
(比較例1)
<銀(Ag)ペースト接合強度試片の製造>
銀ペーストをDBC基板に塗布してSiC chipをマウントし、約100Nで加圧し、炭化炉を用いて350℃で約1時間の間維持させた後、空冷して接合強度試片を製造した。焼結は、350℃まで10℃/minの条件で不活性雰囲気で進行し、150℃以下の温度で空冷した。
(比較例2)
<銀(Ag)ペースト電力駆動試片の製造>
銀ペーストを用いて実施例2と同一の方法でダイオード形態のパッケージを製造した。
(比較例3)
<銅(Cu)ペースト電力駆動試片の製造>
銅ペーストをDBC基板に塗布してSiC chipをマウントし、約300Nで加圧し、炭化炉を用いて350℃で約1時間の間焼結させた後、空冷して接合強度試片を製造した。焼結は、350℃まで10℃/minの条件で不活性雰囲気で進行し、150℃以下の温度で空冷した。
(比較例4)
<銅(Cu)ペースト電力駆動試片の製造>
銅ペーストを用いて実施例2と同一の方法でダイオード形態のパッケージを製造した。
(比較例5)
<TLPs接合素材の接合強度試片の製造>
TLPs接合素材をDBC基板に塗布してSiC chipをマウントし、リフロー(Reflow)炉を用いて250℃で約10分間接合して接合強度試片を製造した。接合は、250℃まで80℃/minの条件で不活性雰囲気で進行した。
(比較例6)
<TLPs接合素材の電力駆動試片の製造>
TLPs接合素材を用いて実施例2と同一の方法でダイオード形態のパッケージを製造した。
(実験例1)
実施例1と比較例1、3、5に基づいて製造された試片のDBC基板とSiC Chipの接合部を比較するために、ポリシング後、注射電子顕微鏡(SEM)を用いて微細組織を撮影し、その結果を図3に示した。図3から銅ペーストと銀ペーストの場合、接合部に大きなボイドが存在するが、TPLs接合素材と焼結ペーストの場合には、ボイドが微細なことを確認できる。これは、図4のせん断強度評価結果と関連あり、接合部のボイドが大きいほど接合性が低いことがわかる。
(実験例2)
実施例2と比較例2、4、6に基づいて製造された試片の高温における長期信頼性を評価するために、−45℃で150℃まで1000cycle、1500cycle、2000cycleの条件で 熱衝撃試験評価を進行し、その結果を下記の表1に表れた。
図4及び表1からTLPs接合素材は、1500cycleで急激に接合強度が低下し、電力駆動されないことを確認することができる。なお、銀ペーストと銅ペーストは、1500cycleまでせん断強度が5MPa以上に維持されて電力駆動が可能であり、2000Cycle以上の場合、銀ペーストが銅ペーストより初期接合強度に備えて減少幅が大きくて、せん断強度が低くなることを確認することができる。一方、焼結ペーストは、2000Cycleまでも約10MPa水準の接合性を維持しており、電力駆動が円滑になされることを確認することができる。
1 パッケージ基盤
2 SiC Chip
3 アルミニウムワイヤ
4 エポキシモールディング
5 銅
6 アルミナ
7 接合素材

Claims (14)

  1. 第1金属粉末、第2金属粉末及びナノセラミック粉末の混合粉末を含み、前記混合粉末の比表面積が0.1m/g以上10m/g以下であることを特徴とする、電力半導体接合用焼結ペースト組成物。
  2. 前記第1金属粉末は、Cu(銅)、Ag(銀)、Au(金)の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物から成ることを特徴とする、請求項1に記載の電力半導体接合用焼結ペースト組成物。
  3. 前記第1金属粉末は、10nm以上300nm以下のナノ粒子を含むことを特徴とする、請求項1に記載の電力半導体接合用焼結ペースト組成物。
  4. 前記第2金属粉末は、Pt(白金)、Ni(ニッケル)、Sn(鈴)、Al(アルミニウム)、Ag(銀)、Zn(亜鉛)、Bi(ビスマス)、P(リン)、B(ボロン)、In(インジウム)、無鉛ソルダー合金、アルミウム合金、及びこれらの金属のいずれか1つがコーティングされたCu(銅)の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物から成ることを特徴とする、請求項1に記載の電力半導体接合用焼結ペースト組成物。
  5. 前記第2金属粉末は、0.1μm以上50μm以下のマイクロ粒子を含むことを特徴とする、請求項1に記載の電力半導体接合用焼結ペースト組成物。
  6. 前記ナノセラミック粉末は、B(ボロン)、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Sn(鈴)、Si(シリコン)、Ag(銀)、Bi(ビスマス)、Cu(銅)、Au(金)、Mg(マグネシウム)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、Zn(亜鉛)、Al(アルミウム)の中のいずれか1つから成る酸化物、窒化物及び炭化物の中から選ばれるいずれか1種または2種の混合物から成ることを特徴とする、請求項1に記載の電力半導体接合用焼結ペースト組成物。
  7. 前記ナノセラミック粉末は、0.005wt%以上10wt%以下が含まれることを特徴とする、請求項1に記載の電力半導体接合用焼結ペースト組成物。
  8. 前記ナノセラミック粉末の大きさは、30nm以上300nm以下であることを特徴とする、請求項1に記載の電力半導体接合用焼結ペースト組成物
  9. 前記電力半導体接合用焼結ペースト組成物は、150℃以上600℃以下の焼結温度で使用可能であることを特徴とする、請求項1に記載の電力半導体接合用焼結ペースト組成物。
  10. 請求項1乃至第9項のいずれか1項に記載の焼結ペースト組成物と、溶媒と、バインダーと、分散剤及び還元剤と、を含む電力半導体接合用焼結ペースト。
  11. 前記溶媒は、アルコール類、グリコール類、アルキル系の中で沸点が300℃以下の群から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項10に記載の電力半導体接合用焼結ペースト。
  12. 前記バインダーは、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ウレア/メラミン樹脂、シリコン樹脂の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項10に記載の電力半導体接合用焼結ペースト。
  13. 前記分散剤は、ステアリン酸、 オレイン酸、高級脂肪酸、脂肪酸アミド、脂肪酸金属塩、リン酸エーテル、スルホン酸エーテル、アルキルアミン、カルボン酸アミド、アミノカルボン酸の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項10に記載の電力半導体接合用焼結ペースト。
  14. 前記還元剤は、脂肪酸、カルボン酸、アミン系化合物、ブロム系化合物、水素化ホウ素化合物、水素化アルミウム化合物、アルキルアミンボラン、ヒドラジン化合物、アルデヒド化合物、亜リン酸化合物、茶亜リン酸化合物の中から選ばれるいずれか1種または2種以上の混合物であることを特徴とする、請求項10に記載の電力半導体接合用焼結ペースト。
JP2019142961A 2018-12-17 2019-08-02 電力半導体接合用焼結ペースト組成物 Active JP6855539B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180163181A KR102243472B1 (ko) 2018-12-17 2018-12-17 전력반도체 접합용 소결 페이스트 조성물
KR10-2018-0163181 2018-12-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020097774A true JP2020097774A (ja) 2020-06-25
JP6855539B2 JP6855539B2 (ja) 2021-04-07

Family

ID=71106425

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019142961A Active JP6855539B2 (ja) 2018-12-17 2019-08-02 電力半導体接合用焼結ペースト組成物

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6855539B2 (ja)
KR (1) KR102243472B1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112778855A (zh) * 2020-12-30 2021-05-11 广东华隆涂料实业有限公司 一种抗污抗静电弹性外墙涂料及其制备方法
KR102279083B1 (ko) * 2020-09-25 2021-07-16 서울과학기술대학교 산학협력단 바인더 프리 구리 페이스트 및 이를 이용한 소결 접합방법
KR102364576B1 (ko) * 2020-12-16 2022-02-21 서울과학기술대학교 산학협력단 소결접합용 무레진 구리 페이스트 및 이를 이용한 소결접합 방법
WO2022227736A1 (zh) * 2021-04-25 2022-11-03 广州汉源微电子封装材料有限公司 一种纳米银膏及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20240031617A (ko) * 2022-09-01 2024-03-08 서울과학기술대학교 산학협력단 소결 접합용 필름의 제조 방법과 전력 반도체 패키지의 제조 방법

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004107728A (ja) * 2002-09-18 2004-04-08 Ebara Corp 接合材料及び接合方法
JP2006302891A (ja) * 2005-04-14 2006-11-02 E I Du Pont De Nemours & Co 半導体デバイスの製造方法、およびそこで使用される導電性組成物
JP2011523492A (ja) * 2008-04-28 2011-08-11 イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー 導電性組成物、および半導体デバイスの製造における使用方法
JP2013091835A (ja) * 2011-10-27 2013-05-16 Hitachi Ltd 銅ナノ粒子を用いた焼結性接合材料及びその製造方法及び電子部材の接合方法
JP2014210947A (ja) * 2013-04-17 2014-11-13 株式会社豊田中央研究所 金属ナノ粒子材料、それを含有する接合材料、およびそれを用いた半導体装置
WO2016121764A1 (ja) * 2015-01-26 2016-08-04 新日鐵住金株式会社 金属粒子及び導電性材料の粒子を用いた導電性接合材料並びに導電性接合構造
JP2017002181A (ja) * 2015-06-10 2017-01-05 京セラ株式会社 半導体接着用樹脂組成物、半導体接着用シート及びそれを用いた半導体装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6168643A (ja) 1984-09-12 1986-04-09 Nec Corp インタプリタ方式言語機能の拡張方式
JP4412072B2 (ja) * 2003-10-09 2010-02-10 株式会社日立製作所 電子部品の実装方法,半導体モジュール及び半導体装置
US7766218B2 (en) 2005-09-21 2010-08-03 Nihon Handa Co., Ltd. Pasty silver particle composition, process for producing solid silver, solid silver, joining method, and process for producing printed wiring board
JP5824201B2 (ja) * 2009-09-11 2015-11-25 Dowaエレクトロニクス株式会社 接合材およびそれを用いた接合方法
KR101381249B1 (ko) 2010-03-29 2014-04-04 한국전자통신연구원 충진 조성물, 이를 포함하는 반도체 소자 및 반도체 소자의 제조 방법
KR101204187B1 (ko) * 2010-11-02 2012-11-23 삼성전기주식회사 소성 접합을 이용한 파워 모듈 및 그 제조 방법
JP5810553B2 (ja) * 2011-02-28 2015-11-11 三菱マテリアル株式会社 接合用積層体および接合体
WO2015163076A1 (ja) * 2014-04-25 2015-10-29 株式会社ダイセル 銀粒子塗料組成物
KR101671062B1 (ko) * 2014-08-18 2016-10-31 주식회사 경동원 무연 솔더 합금 조성물 및 무연 솔더 합금의 제조 방법
JP6380792B2 (ja) 2014-09-04 2018-08-29 日立化成株式会社 銀ペースト及びそれを用いた半導体装置、並びに銀ペーストの製造方法
JP7005121B2 (ja) 2015-12-04 2022-01-21 昭和電工マテリアルズ株式会社 無加圧接合用銅ペースト、接合体、及び半導体装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004107728A (ja) * 2002-09-18 2004-04-08 Ebara Corp 接合材料及び接合方法
JP2006302891A (ja) * 2005-04-14 2006-11-02 E I Du Pont De Nemours & Co 半導体デバイスの製造方法、およびそこで使用される導電性組成物
JP2011523492A (ja) * 2008-04-28 2011-08-11 イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー 導電性組成物、および半導体デバイスの製造における使用方法
JP2013091835A (ja) * 2011-10-27 2013-05-16 Hitachi Ltd 銅ナノ粒子を用いた焼結性接合材料及びその製造方法及び電子部材の接合方法
JP2014210947A (ja) * 2013-04-17 2014-11-13 株式会社豊田中央研究所 金属ナノ粒子材料、それを含有する接合材料、およびそれを用いた半導体装置
WO2016121764A1 (ja) * 2015-01-26 2016-08-04 新日鐵住金株式会社 金属粒子及び導電性材料の粒子を用いた導電性接合材料並びに導電性接合構造
JP2017002181A (ja) * 2015-06-10 2017-01-05 京セラ株式会社 半導体接着用樹脂組成物、半導体接着用シート及びそれを用いた半導体装置

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102279083B1 (ko) * 2020-09-25 2021-07-16 서울과학기술대학교 산학협력단 바인더 프리 구리 페이스트 및 이를 이용한 소결 접합방법
KR102364576B1 (ko) * 2020-12-16 2022-02-21 서울과학기술대학교 산학협력단 소결접합용 무레진 구리 페이스트 및 이를 이용한 소결접합 방법
CN112778855A (zh) * 2020-12-30 2021-05-11 广东华隆涂料实业有限公司 一种抗污抗静电弹性外墙涂料及其制备方法
WO2022227736A1 (zh) * 2021-04-25 2022-11-03 广州汉源微电子封装材料有限公司 一种纳米银膏及其制备方法
US20240009731A1 (en) * 2021-04-25 2024-01-11 Solderwell Microelectronic Packaging Materials Co., Ltd Nano silver paste and preparation method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR102243472B1 (ko) 2021-04-26
JP6855539B2 (ja) 2021-04-07
KR20200075944A (ko) 2020-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6855539B2 (ja) 電力半導体接合用焼結ペースト組成物
EP2911979B1 (en) Sintering powder
JP6866893B2 (ja) 接合用銅ペースト、接合体の製造方法及び半導体装置の製造方法
JP6005312B1 (ja) 導電性接着フィルムおよびこれを用いたダイシング・ダイボンディングフィルム
EP2940727A1 (en) Substrate for power module, substrate for power module having metal member, power module having metal member, method for manufacturing substrate for power module, method for manufacturing substrate for power module having metal member
JP6462715B2 (ja) 電子部品の導電性接合体及びこれを用いた半導体装置、並びに導電性接合体の製造方法
KR20160051766A (ko) 금속 소결 필름 조성물
JP4876979B2 (ja) 接合部材および接合方法
WO2013140936A1 (ja) 半導体素子、半導体装置、半導体装置の製造方法及び接続材料
JP6460578B2 (ja) 接合材料、それを用いた接合方法、接合材料ペースト及び半導体装置
JP6617049B2 (ja) 導電性ペースト及び半導体装置
JP4807465B1 (ja) Pbフリーはんだ合金
JP2014104480A (ja) Au−Ge−Sn系はんだ合金
CN108588456B (zh) 一种Cu-Sn金属间化合物骨架相变材料及其制备方法
JP2019070174A (ja) 接合用ペースト及びそれを用いた半導体装置
CN110202136B (zh) 一种低温烧结铜膏及其烧结工艺
JP5866075B2 (ja) 接合材の製造方法、接合方法、および電力用半導体装置
JP2011251329A (ja) 高温鉛フリーはんだペースト
JP2021529258A (ja) 焼結ダイアタッチ及び類似した用途のためのナノ銅ペースト及びフィルム
JP6040729B2 (ja) 半導体装置及び半導体装置の製造方法
JP2011251330A (ja) 高温鉛フリーはんだペースト
JP2011251332A (ja) Al粉を用いた高温Pbフリーはんだペースト
KR20210112877A (ko) 소결접합용 구리 페이스트 조성물 및 이의 용도
CN111033703A (zh) 安装结构体以及纳米粒子安装材料
JP6323128B2 (ja) 回路基板の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190802

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200721

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20201021

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20201218

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210121

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210216

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210317

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6855539

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250