JP2020097774A - 電力半導体接合用焼結ペースト組成物 - Google Patents
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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)
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０．１ｍ２/ｇ以上１０ｍ２/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。
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０．１ｍ２／ｇ以上１０ｍ２／ｇ以下であることが望ましい。混合粉末の比表面積が１０ｍ２／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。
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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
＜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。
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
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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