JP2021174968A - Double-sided cooled semiconductor module, double-sided cooled semiconductor device and method for manufacturing double-sided cooled semiconductor module - Google Patents

Double-sided cooled semiconductor module, double-sided cooled semiconductor device and method for manufacturing double-sided cooled semiconductor module Download PDF

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征央 根岸
Motohiro Negishi
偉夫 中子
Takeo Nakako
美智子 名取
Michiko Natori
大 石川
Masaru Ishikawa
祐貴 川名
Yuki Kawana
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Abstract

To provide a double-sided cooled semiconductor module with excellent reliability, a double-sided cooled semiconductor device, and a method for manufacturing a double-sided cooled semiconductor module.SOLUTION: A double-sided cooled semiconductor module 100 has a semiconductor device 1, a first substrate 11a provided on one main side of the semiconductor device, a second substrate 11b provided on the other main side of the semiconductor device, a first junction 2 consisting of a copper sintered body 31 that joins the semiconductor device and the first substrate, and a second junction 4 consisting of a copper sintered body 31 and a spacer 41 that joins the semiconductor device and the second substrate.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、両面冷却型半導体モジュール、両面冷却型半導体装置及び両面冷却型半導体モジュールの製造方法に関する。 The present invention relates to a double-sided cooling type semiconductor module, a double-sided cooling type semiconductor device, and a method for manufacturing a double-sided cooling type semiconductor module.

インバーター等に用いられている半導体装置は、半導体モジュールと冷熱源とを具備するものが提案されている。半導体モジュールの内部には、半導体素子と通電するための基板が配置されており、接合材などから形成される接合部を介して接合されている。基板と冷熱源とは、当接又は接合材によって接合されており、通電時に半導体素子から発生する熱は基板を介して冷熱源に向かって放熱される。 As a semiconductor device used for an inverter or the like, a semiconductor device including a semiconductor module and a cold heat source has been proposed. A substrate for energizing a semiconductor element is arranged inside the semiconductor module, and the semiconductor module is joined via a joining portion formed of a joining material or the like. The substrate and the cold heat source are joined by abutting or a joining material, and the heat generated from the semiconductor element at the time of energization is dissipated toward the cold heat source via the substrate.

近年、半導体装置の小型化・高密度化、及び高温動作化の要求から、通電する基板及び接合部に流れる電流が増大し、半導体素子の発熱量が増加している。そのため、半導体素子の両面に基板を配置し、それぞれの基板に冷熱源が接続された両面冷却型の半導体モジュール及び半導体装置が提案されている(例えば、下記特許文献1を参照)。 In recent years, due to demands for miniaturization, high density, and high temperature operation of semiconductor devices, the current flowing through a substrate and a joint to be energized has increased, and the amount of heat generated by the semiconductor element has increased. Therefore, a double-sided cooling type semiconductor module and a semiconductor device in which substrates are arranged on both sides of a semiconductor element and a cooling heat source is connected to each substrate have been proposed (see, for example, Patent Document 1 below).

特開2017−28040号公報JP-A-2017-28040

最近の半導体装置の高温動作化に対する要求の増大により、半導体素子の最大温度は上昇しており、従来の両面冷却型半導体モジュールでは信頼性の確保が困難となっている。 Due to the recent increase in demand for high-temperature operation of semiconductor devices, the maximum temperature of semiconductor elements has risen, making it difficult to ensure reliability with conventional double-sided cooling semiconductor modules.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、信頼性に優れる両面冷却型半導体モジュール及び両面冷却型半導体装置、並びに両面冷却型半導体モジュールの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a double-sided cooling type semiconductor module, a double-sided cooling type semiconductor device, and a method for manufacturing a double-sided cooling type semiconductor module having excellent reliability.

上記課題を解決するために本発明の一側面は、半導体素子と、半導体素子の一方の主面側に設けられた第1の基板と、半導体素子の他方の主面側に設けられた第2の基板と、半導体素子と第1の基板とを接合する第1の接合部と、半導体素子と第2の基板とを接合する第2の接合部と、を備え、第1の接合部及び第2の接合部の少なくとも一方が銅焼結体を含む、両面冷却型半導体モジュールを提供する。 In order to solve the above problems, one aspect of the present invention is a semiconductor element, a first substrate provided on one main surface side of the semiconductor element, and a second substrate provided on the other main surface side of the semiconductor element. The substrate, the first junction for joining the semiconductor element and the first substrate, and the second junction for joining the semiconductor element and the second substrate are provided, and the first junction and the first junction are provided. Provided is a double-sided cooled semiconductor module in which at least one of the joints of two contains a copper sintered body.

上記の両面冷却型半導体モジュールにおいては、接合部が銅焼結体を含むことにより、温度サイクルに対する接合部の信頼性及び接合寿命の向上を図ることができる。また、接合部が銅焼結体を含むことにより、半導体素子から基板までの放熱経路において接合部が熱抵抗増大の原因となって放熱性が悪化することを抑制することができ、半導体素子で発生した熱を基板を介して冷熱源に向かって効率よく放熱させることができる。よって、上記の両面冷却型半導体モジュールは優れた信頼性を有することができる。 In the above-mentioned double-sided cooling type semiconductor module, since the joint portion contains the copper sintered body, the reliability of the joint portion with respect to the temperature cycle and the joint life can be improved. Further, since the joint portion contains the copper sintered body, it is possible to prevent the joint portion from causing an increase in thermal resistance and deteriorating the heat dissipation property in the heat dissipation path from the semiconductor element to the substrate. The generated heat can be efficiently dissipated to the cold heat source via the substrate. Therefore, the above-mentioned double-sided cooling type semiconductor module can have excellent reliability.

上記の両面冷却型半導体モジュールは、半導体素子を2以上有していてもよい。 The double-sided cooling type semiconductor module may have two or more semiconductor elements.

ところで、両面冷却型半導体モジュールにおいて、複数の異なる高さの半導体素子が搭載されている場合、少なくとも一方の半導体素子と少なくとも一方の基板との間にスペーサーを挟む等して高さを調整する必要があり、各部品に求められる高さ方向の精度は厳しくなる。また、各半導体素子の高さのばらつきに起因して半導体素子の基板との接合面の位置又は基板間の距離にばらつきが生じると、接合時に基板及び半導体素子などを挟み込む際、面圧分布が生じるため接合性が悪化する傾向にある。これに対し、本発明に係る両面冷却型半導体モジュールは、接合部が銅焼結体を含むことにより、半導体素子の高さにばらつきがある場合であっても接合面の位置(高さ)を調整することが容易であり、半導体素子の選別の作業や接合面の位置(高さ)を調整するための加工等の追加加工による製造コストの増大を抑制しやすいものになり得る。 By the way, in a double-sided cooling type semiconductor module, when a plurality of semiconductor elements having different heights are mounted, it is necessary to adjust the height by sandwiching a spacer between at least one semiconductor element and at least one substrate. Therefore, the accuracy required for each part in the height direction becomes strict. Further, if the position of the bonding surface of the semiconductor element with the substrate or the distance between the substrates varies due to the variation in the height of each semiconductor element, the surface pressure distribution becomes uneven when the substrate and the semiconductor element are sandwiched at the time of bonding. Since it occurs, the bondability tends to deteriorate. On the other hand, in the double-sided cooling type semiconductor module according to the present invention, since the joint portion contains the copper sintered body, the position (height) of the joint surface can be set even if the height of the semiconductor element varies. It is easy to adjust, and it may be easy to suppress an increase in manufacturing cost due to additional processing such as sorting work of semiconductor elements and processing for adjusting the position (height) of the joint surface.

上記銅焼結体は銅粒子を含む接合材の焼結体であってもよい。 The copper sintered body may be a sintered body of a bonding material containing copper particles.

両面冷却型半導体モジュールは、第1の接合部及び第2の接合部のうちの一つ又は二つ以上がスペーサーを含んでいてもよい。 In the double-sided cooling type semiconductor module, one or more of the first joint portion and the second joint portion may include a spacer.

本発明の別の側面は、上記の本発明に係る両面冷却型半導体モジュールと、この両面冷却型半導体モジュールの第1の基板及び第2の基板のそれぞれに接続された第1の冷熱源及び第2の冷熱源とを備える両面冷却型半導体装置を提供する。 Another aspect of the present invention is the double-sided cooling semiconductor module according to the present invention, and the first cold heat source and the first cold heat source connected to the first substrate and the second substrate of the double-sided cooling semiconductor module, respectively. Provided is a double-sided cooling type semiconductor device including the two cold heat sources.

上記の両面冷却型半導体装置は、本発明に係る両面冷却型半導体モジュールを備えることにより、信頼性に優れ、高温動作化を図ることができる。 By providing the double-sided cooling type semiconductor module according to the present invention, the above-mentioned double-sided cooling type semiconductor device is excellent in reliability and can be operated at a high temperature.

本発明の別の側面は、上記の本発明に係る両面冷却型半導体モジュールを製造する方法であって、第1の基板と半導体素子との間に設けられた銅粒子を含む接合材を焼結する第1の接合工程、及び/又は、第2の基板と半導体素子との間に設けられた銅粒子を含む接合材を焼結する第2の接合工程を備える両面冷却型半導体モジュールの製造方法を提供する。なお、第1の接合工程及び第2の接合工程を備える場合には、第1の接合工程及び第2の接合工程をこの順、逆の順、又は同時に行われることが含まれる。 Another aspect of the present invention is the method for manufacturing a double-sided cooling semiconductor module according to the present invention, in which a bonding material containing copper particles provided between a first substrate and a semiconductor element is sintered. A method for manufacturing a double-sided cooled semiconductor module, comprising a first joining step of sintering and / or a second joining step of sintering a bonding material containing copper particles provided between a second substrate and a semiconductor element. I will provide a. When the first joining step and the second joining step are provided, the first joining step and the second joining step may be performed in this order, in the reverse order, or at the same time.

上記の両面冷却型半導体モジュールの製造方法によれば、上記第1の接合工程及び/又は上記第2の接合工程を備えることにより、半導体素子の高さにばらつきがある場合であっても接合面の位置(高さ)を調整することが容易となり、半導体素子の選別の作業や接合面の位置(高さ)を調整するための加工等の追加加工による製造コストの増大を抑制することができる。 According to the above-mentioned manufacturing method of the double-sided cooling type semiconductor module, by providing the above-mentioned first joining step and / or the above-mentioned second joining step, even if the height of the semiconductor element varies, the joining surface It becomes easy to adjust the position (height) of the semiconductor element, and it is possible to suppress an increase in manufacturing cost due to additional processing such as sorting work of semiconductor elements and processing for adjusting the position (height) of the joint surface. ..

本発明によれば、信頼性に優れる両面冷却型半導体モジュール及び両面冷却型半導体装置、並びに両面冷却型半導体モジュールの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a double-sided cooling type semiconductor module, a double-sided cooling type semiconductor device, and a method for manufacturing a double-sided cooling type semiconductor module having excellent reliability.

本発明に係る両面冷却型半導体モジュール及び両面冷却型半導体装置は、はんだ接合では困難であった半導体素子温度175℃以上の高温環境下において動作が可能である。また、本発明に係る両面冷却型半導体モジュール及び両面冷却型半導体装置は、長寿命且つ故障タイミングのばらつきが小さいものになり得る。本発明に係る両面冷却型半導体モジュールの製造方法によれば、上記の両面冷却型半導体モジュール及び両面冷却型半導体装置を得ることが可能となる。 The double-sided cooling type semiconductor module and the double-sided cooling type semiconductor device according to the present invention can operate in a high temperature environment where the semiconductor element temperature is 175 ° C. or higher, which is difficult in solder bonding. Further, the double-sided cooling type semiconductor module and the double-sided cooling type semiconductor device according to the present invention can have a long life and a small variation in failure timing. According to the method for manufacturing a double-sided cooling type semiconductor module according to the present invention, it is possible to obtain the above-mentioned double-sided cooling type semiconductor module and double-sided cooling type semiconductor device.

両面冷却型半導体装置の一実施形態を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows one Embodiment of a double-sided cooling type semiconductor device. 両面冷却型半導体装置の他の実施形態を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the other embodiment of the double-sided cooling type semiconductor device. 接合部の断面拡大図である。It is a cross-sectional enlarged view of the joint part.

本明細書において、例示する材料は、特に断らない限り、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。接合材中の各成分の含有量は、接合材中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、接合材中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階の数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。「層」との語は、平面図として観察したときに、全面に形成されている形状の構造に加え、一部に形成されている形状の構造も包含される。 Unless otherwise specified, the materials exemplified in the present specification may be used alone or in combination of two or more. The content of each component in the bonding material means the total amount of the plurality of substances present in the bonding material when a plurality of substances corresponding to each component are present in the bonding material, unless otherwise specified. The numerical range indicated by using "~" indicates a range including the numerical values before and after "~" as the minimum value and the maximum value, respectively. In the numerical range described stepwise in the present specification, the upper limit value or the lower limit value of the numerical range of one step may be replaced with the upper limit value or the lower limit value of the numerical range of another step. Further, in the numerical range described in the present specification, the upper limit value or the lower limit value of the numerical range may be replaced with the value shown in the examples. The term "layer" includes a structure having a shape formed on the entire surface and a structure having a shape formed on a part of the structure when observed as a plan view.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

<両面冷却型半導体モジュール及び両面冷却型半導体装置>
本実施形態の両面冷却型半導体モジュールは、半導体素子と、半導体素子の一方の主面側に設けられた第1の基板と、半導体素子の他方の主面側に設けられた第2の基板と、半導体素子と第1の基板とを接合する第1の接合部と、半導体素子と第2の基板とを接合する第2の接合部と、を備え、第1の接合部及び第2の接合部の少なくとも一方が銅焼結体を含む。
<Double-sided cooling type semiconductor module and double-sided cooling type semiconductor device>
The double-sided cooling type semiconductor module of the present embodiment includes a semiconductor element, a first substrate provided on one main surface side of the semiconductor element, and a second substrate provided on the other main surface side of the semiconductor element. A first junction for joining the semiconductor element and the first substrate, and a second junction for joining the semiconductor element and the second substrate are provided, and the first junction and the second junction are provided. At least one of the portions contains a copper sintered body.

上記の両面冷却型半導体モジュールは、半導体素子を2以上有していてもよい。また、第1の接合部及び第2の接合部のうちの一つ又は二つ以上がスペーサーを含んでいてもよい。 The double-sided cooling type semiconductor module may have two or more semiconductor elements. Further, one or more of the first joint portion and the second joint portion may include a spacer.

本実施形態の両面冷却型半導体装置は、上記の本実施形態に係る両面冷却型半導体モジュールと、この両面冷却型半導体モジュールの第1の基板及び第2の基板のそれぞれに接続された第1の冷熱源及び第2の冷熱源とを備える。 The double-sided cooling semiconductor device of the present embodiment is a first substrate connected to the double-sided cooling semiconductor module according to the present embodiment and the first substrate and the second substrate of the double-sided cooling semiconductor module. It includes a cold heat source and a second cold heat source.

なお、両面冷却型とは、熱流の方向が、半導体素子から半導体素子の両主面側に配置された基板のそれぞれに向かうものをいう。 The double-sided cooling type refers to a type in which the direction of heat flow is directed from the semiconductor element to each of the substrates arranged on both main surfaces of the semiconductor element.

以下、本実施形態について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings.

(1)第一実施形態
図1は、両面冷却型半導体装置の一実施形態を示す模式断面図である。図1に示される両面冷却型半導体装置101は、半導体素子1と、半導体素子1の一方の主面側に設けられた第1の基板11aと、半導体素子の他方の主面側に設けられた第2の基板11bと、半導体素子1と第1の基板11aとを接合する第1の接合部2と、半導体素子1と第2の基板11bとを接合する第2の接合部4と、を有してなる両面冷却型半導体モジュール100、及び、第1の基板11a及び第2の基板11bのそれぞれに接続された第1の冷熱源21及び第2の冷熱源22を備える。本実施形態の両面冷却型半導体モジュール100においては、第1の接合部2は銅焼結体31から構成されており、第2の接合部4は、銅焼結体31とスペーサー41とから構成されており、半導体素子1が樹脂部材61によって封止されている。
(1) First Embodiment FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a double-sided cooling type semiconductor device. The double-sided cooling type semiconductor device 101 shown in FIG. 1 is provided on the semiconductor element 1, the first substrate 11a provided on one main surface side of the semiconductor element 1, and the other main surface side of the semiconductor element. The second substrate 11b, the first junction 2 for joining the semiconductor element 1 and the first substrate 11a, and the second junction 4 for joining the semiconductor element 1 and the second substrate 11b are formed. It includes a double-sided cooling type semiconductor module 100, and a first cold heat source 21 and a second cold heat source 22 connected to the first substrate 11a and the second substrate 11b, respectively. In the double-sided cooling type semiconductor module 100 of the present embodiment, the first joint portion 2 is composed of a copper sintered body 31, and the second joint portion 4 is composed of a copper sintered body 31 and a spacer 41. The semiconductor element 1 is sealed by the resin member 61.

半導体素子1は、昇圧コンバータ―、インバーターなどを構成するダイオード、IGBT、MOSFET等のパワー素子として構成されている。 The semiconductor element 1 is configured as a power element such as a boost converter, a diode constituting an inverter or the like, an IGBT, or a MOSFET.

半導体素子1を封止する樹脂部材61は、エポキシ樹脂等の合成樹脂などにより形成することができる。 The resin member 61 that seals the semiconductor element 1 can be formed of a synthetic resin such as an epoxy resin.

基板11a,11bの材質としては、熱伝導性及び導電性の観点から、銅、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、チタン、ステンレス、金、銀、白金等が挙げられる。また基板構成によっては導電性基板の内部にセラミックといった、熱伝導性及び耐熱性の良好な絶縁材料が形成されていることが好ましい。基板は、半導体素子と接合される基板と外部に向けて伸びている基板とを有していてもよく、これらの基板を接続するワイヤー51によって形成される電気回路を有していてもよい。ワイヤー51の材質としては、アルミニウム、銅、金などが挙げられる。ワイヤー51の線径はφ0.04〜0.4mmが好ましい。ワイヤーに代えてバスバー又はクリップを適用しても構わない。 Examples of the materials of the substrates 11a and 11b include copper, aluminum, nickel, molybdenum, titanium, stainless steel, gold, silver, platinum and the like from the viewpoint of thermal conductivity and conductivity. Further, depending on the substrate configuration, it is preferable that an insulating material having good thermal conductivity and heat resistance, such as ceramic, is formed inside the conductive substrate. The substrate may have a substrate bonded to the semiconductor element and a substrate extending outward, or may have an electric circuit formed by a wire 51 connecting these substrates. Examples of the material of the wire 51 include aluminum, copper, and gold. The wire diameter of the wire 51 is preferably φ0.04 to 0.4 mm. Busbars or clips may be applied instead of wires.

基板11a,11bにおいて、接合部2,4との接合面にはメタライズ層を設けることが好ましい。メタライズ層の材質としては、例えば、ニッケル、金、銀、チタン、タングステン、モリブデン等が挙げられる。メタライズ層は、例えば、めっき、スパッタ、又は蒸着などの方法によって形成することができる。メタライズ層の厚さは0.05μm〜500μmとすることができる。 In the substrates 11a and 11b, it is preferable to provide a metallized layer on the joint surface with the joint portions 2 and 4. Examples of the material of the metallized layer include nickel, gold, silver, titanium, tungsten, molybdenum and the like. The metallized layer can be formed by, for example, a method such as plating, sputtering, or vapor deposition. The thickness of the metallized layer can be 0.05 μm to 500 μm.

基板11a,11bに絶縁層を設ける場合、基板の熱膨張係数が半導体素子1と同等又は近しいことが好ましい。基板の熱膨張係数は、例えば、3.0×10−6〜9.0×10−6/Kであってもよい。 When the insulating layers are provided on the substrates 11a and 11b, it is preferable that the coefficient of thermal expansion of the substrate is equal to or close to that of the semiconductor element 1. The coefficient of thermal expansion of the substrate may be, for example, 3.0 × 10-6 to 9.0 × 10-6 / K.

銅焼結体31は、銅粒子が含まれる接合材(銅ペースト)の焼結体であってもよい。接合材(銅ペースト)の詳細については後述する。 The copper sintered body 31 may be a sintered body of a bonding material (copper paste) containing copper particles. Details of the bonding material (copper paste) will be described later.

スペーサー41は、両面冷却型半導体モジュール100又は両面冷却型半導体装置101の高さ調整として、必要に応じて設けることができる。本実施形態においては、第2の接合部4にスペーサーが設けられているが、第1の接合部に設けられていてもよい。また、各接合部に複数のスペーサーが設けられていてもよい。 The spacer 41 can be provided as necessary for adjusting the height of the double-sided cooling type semiconductor module 100 or the double-sided cooling type semiconductor device 101. In the present embodiment, the spacer is provided at the second joint portion 4, but it may be provided at the first joint portion. Further, a plurality of spacers may be provided at each joint.

スペーサー41の材質としては、熱伝導性及び導電性の観点から、銅、アルミニウム、ニッケル、モリブデン、チタン、ステンレス、金、銀、白金等が挙げられる。 Examples of the material of the spacer 41 include copper, aluminum, nickel, molybdenum, titanium, stainless steel, gold, silver, platinum and the like from the viewpoint of thermal conductivity and conductivity.

スペーサー41において、銅焼結体31との接合面にはメタライズ層を設けることが好ましい。メタライズ層の材質としては、例えば、ニッケル、金、銀、チタン、タングステン、モリブデン等が挙げられる。メタライズ層は、例えば、めっき、スパッタ、又は蒸着などの方法によって形成することができる。メタライズ層の厚さは0.05μm〜500μmとすることができる。 In the spacer 41, it is preferable to provide a metallized layer on the joint surface with the copper sintered body 31. Examples of the material of the metallized layer include nickel, gold, silver, titanium, tungsten, molybdenum and the like. The metallized layer can be formed by, for example, a method such as plating, sputtering, or vapor deposition. The thickness of the metallized layer can be 0.05 μm to 500 μm.

冷熱源21,22は、熱伝導性の良好な材料により形成され、公知のものを用いることができる。冷熱源の冷却方式は、水冷、空冷、又はペルチェでもあってもよい。冷却性能の観点から、水冷方式が好ましい。 The cold heat sources 21 and 22 are made of a material having good thermal conductivity, and known materials can be used. The cooling method of the cold heat source may be water cooling, air cooling, or Perche. From the viewpoint of cooling performance, the water cooling method is preferable.

冷熱源21、22と、基板11a,11bとは、当接していてもよく、はんだ、焼結材、ろう材等の接合材によって接合されていてもよい。基板11a,11bが絶縁層を有していない場合、冷熱源21,22と、基板11a,11bとの間に絶縁層が設けられていることが好ましい。 The cold heat sources 21 and 22 and the substrates 11a and 11b may be in contact with each other, or may be joined by a joining material such as a solder, a sintered material, or a brazing material. When the substrates 11a and 11b do not have an insulating layer, it is preferable that an insulating layer is provided between the cold heat sources 21 and 22 and the substrates 11a and 11b.

(2)第二実施形態
図2は、両面冷却型半導体装置の他の実施形態を示す模式断面図である。図2に示される両面冷却型半導体装置101は、上記の両面冷却型半導体装置の第一実施形態において、半導体素子が複数になっていること以外は同様の構成を有している。
(2) Second Embodiment FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of a double-sided cooling type semiconductor device. The double-sided cooling semiconductor device 101 shown in FIG. 2 has the same configuration as that in the first embodiment of the double-sided cooling semiconductor device, except that a plurality of semiconductor elements are provided.

第二実施形態に係る両面冷却型半導体装置においては、半導体素子の高さ(電流方向における長さ)にばらつき(高低差或いは長短差)があってもよい。 In the double-sided cooling type semiconductor device according to the second embodiment, the height (length in the current direction) of the semiconductor element may vary (height difference or length difference).

<両面冷却型半導体モジュールの製造方法>
上述した本実施形態に係る両面冷却型半導体モジュールは、第1の基板と半導体素子との間に設けられた銅粒子を含む接合材を焼結する第1の接合工程、及び/又は、第2の基板と半導体素子との間に設けられた銅粒子を含む接合材を焼結する第2の接合工程、を備える方法によって製造することができる。
<Manufacturing method of double-sided cooling type semiconductor module>
The double-sided cooling semiconductor module according to the present embodiment described above has a first bonding step of sintering a bonding material containing copper particles provided between a first substrate and a semiconductor element, and / or a second. It can be manufactured by a method including a second bonding step of sintering a bonding material containing copper particles provided between the substrate and the semiconductor element.

第一実施形態に係る両面冷却型半導体モジュールを製造する場合、基板11aの半導体素子1との接合位置に接合材を塗布し、必要に応じて乾燥して設けられた塗膜に、必要に応じて治具を用いて半導体素子1を当接し、この塗膜(接合層)を焼成し(第1の接合工程)、半導体素子1のスペーサー41との接合面に接合材を塗布し、必要に応じて乾燥して設けられた塗膜に、必要に応じて治具を用いてスペーサー41を当接し、スペーサー41の基板との接合面に接合材を塗布し、必要に応じて乾燥して設けられた塗膜に、必要に応じて治具を用いて基板11bを当接し、これらの塗膜(接合層)を焼成する(第2の接合工程)ことができる。本実施形態においては、第1の接合工程における塗膜の焼成、及び第2の接合工程における塗膜の焼成を同時に行ってもよい。 When the double-sided cooling type semiconductor module according to the first embodiment is manufactured, a bonding material is applied to the bonding position of the substrate 11a with the semiconductor element 1, and the coating film provided by drying as necessary is applied as necessary. The semiconductor element 1 is brought into contact with the semiconductor element 1 using a jig, the coating film (bonding layer) is fired (first bonding step), and a bonding material is applied to the bonding surface of the semiconductor element 1 with the spacer 41, which is necessary. If necessary, the spacer 41 is brought into contact with the coating film that has been dried and provided, and the bonding material is applied to the joint surface of the spacer 41 with the substrate, and if necessary, the spacer 41 is dried and provided. If necessary, the substrate 11b can be brought into contact with the coated coating film using a jig, and these coating films (bonding layers) can be fired (second bonding step). In the present embodiment, the firing of the coating film in the first joining step and the firing of the coating film in the second joining step may be performed at the same time.

接合材としては、銅粒子と分散媒とを含む銅ペーストを用いることができる。 As the bonding material, a copper paste containing copper particles and a dispersion medium can be used.

銅粒子としては、サブマイクロ銅粒子、マイクロ銅粒子が挙げられる。サブマイクロ銅粒子とは、0.01μm以上1.00μm未満の粒径を有する銅粒子を指す。マイクロ銅粒子とは、1μm以上50μm未満の粒径を有する銅粒子を指す。 Examples of the copper particles include sub-micro copper particles and micro copper particles. The sub-micro copper particles refer to copper particles having a particle size of 0.01 μm or more and less than 1.00 μm. The micro copper particles refer to copper particles having a particle size of 1 μm or more and less than 50 μm.

銅粒子の粒径は、下記方法により求めることができる。銅粒子の粒径は、例えば、SEM像から算出することができる。銅粒子の粉末を、SEM用のカーボンテープ上にスパチュラで載せ、SEM用サンプルとする。このSEM用サンプルをSEM装置により5000倍で観察する。このSEM像の銅粒子に外接する四角形を画像処理ソフトにより作図し、その一辺をその粒子の粒径とする。 The particle size of the copper particles can be determined by the following method. The particle size of the copper particles can be calculated from, for example, an SEM image. The powder of copper particles is placed on a carbon tape for SEM with a spatula to prepare a sample for SEM. This SEM sample is observed with an SEM device at a magnification of 5000. A quadrangle circumscribing the copper particles of this SEM image is drawn by image processing software, and one side thereof is used as the particle size of the particles.

(サブマイクロ銅粒子)
サブマイクロ銅粒子としては、粒径が0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子を含むものが挙げられ、例えば、体積平均粒径が0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子を用いることができる。サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径が0.12μm以上であれば、サブマイクロ銅粒子の合成コストの抑制、良好な分散性、表面処理剤の使用量の抑制といった効果が得られやすくなる。サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径が0.8μm以下であれば、サブマイクロ銅粒子の焼結性が優れるという効果が得られやすくなる。より一層上記効果を奏するという観点から、サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径は、0.15μm以上0.8μm以下であってもよく、0.15μm以上0.6μm以下であってもよく、0.2μm以上0.5μm以下であってもよく、0.3μm以上0.45μm以下であってもよい。
(Sub-micro copper particles)
Examples of the sub-micro copper particles include copper particles having a particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less. For example, copper particles having a volume average particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less may be used. can. When the volume average particle size of the sub-micro copper particles is 0.12 μm or more, the effects of suppressing the synthesis cost of the sub-micro copper particles, good dispersibility, and suppressing the amount of the surface treatment agent used can be easily obtained. When the volume average particle size of the sub-micro copper particles is 0.8 μm or less, the effect of excellent sinterability of the sub-micro copper particles can be easily obtained. From the viewpoint of further exerting the above effect, the volume average particle size of the sub-micro copper particles may be 0.15 μm or more and 0.8 μm or less, 0.15 μm or more and 0.6 μm or less, and may be 0. It may be .2 μm or more and 0.5 μm or less, and may be 0.3 μm or more and 0.45 μm or less.

なお、本願明細書において体積平均粒径とは、50%体積平均粒径を意味する。銅粒子の体積平均粒径を求める場合、原料となる銅粒子、又は接合材から揮発成分を除去した乾燥銅粒子を、分散剤を用いて分散媒に分散させたものを光散乱法粒度分布測定装置(例えば、島津ナノ粒子径分布測定装置(SALD−7500nano,株式会社島津製作所製))で測定する方法等により求めることができる。光散乱法粒度分布測定装置を用いる場合、分散媒としては、ヘキサン、トルエン、α−テルピネオール等を用いることができる。 In the specification of the present application, the volume average particle diameter means a 50% volume average particle diameter. When determining the volume average particle size of copper particles, the particle size distribution is measured by the light scattering method, in which copper particles as a raw material or dried copper particles obtained by removing volatile components from a bonding material are dispersed in a dispersion medium using a dispersant. It can be obtained by a method of measuring with an apparatus (for example, a Shimadzu nanoparticle size distribution measuring apparatus (SALD-7500 nano, manufactured by Shimadzu Corporation)). When a light scattering particle size distribution measuring device is used, hexane, toluene, α-terpineol or the like can be used as the dispersion medium.

サブマイクロ銅粒子は、粒径が0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子を10質量%以上含むことができる。接合材の焼結性の観点から、サブマイクロ銅粒子は、粒径が0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子を20質量%以上含むことができ、30質量%以上含むことができ、100質量%含むことができる。サブマイクロ銅粒子における粒径が0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子の含有割合が20質量%以上であると、銅粒子の分散性がより向上し、粘度の上昇、ペースト濃度の低下をより抑制することができる。 The sub-micro copper particles can contain 10% by mass or more of copper particles having a particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less. From the viewpoint of the sinterability of the bonding material, the sub-micro copper particles can contain 20% by mass or more of copper particles having a particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less, and can contain 30% by mass or more, 100. Can include% by mass. When the content ratio of the copper particles having a particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less in the sub-micro copper particles is 20% by mass or more, the dispersibility of the copper particles is further improved, the viscosity is increased, and the paste concentration is decreased. It can be more suppressed.

サブマイクロ銅粒子の含有量は、接合材に含まれる金属粒子の全質量を基準として、20質量%以上90質量%以下であってもよく、30質量%以上90質量%以下であってもよく、35質量%以上85質量%以下であってもよく、40質量%以上80質量%以下であってもよい。サブマイクロ銅粒子の含有量が上記範囲内であれば、上述した本実施形態に係る接合部を形成することが容易となる。 The content of the sub-micro copper particles may be 20% by mass or more and 90% by mass or less, or 30% by mass or more and 90% by mass or less, based on the total mass of the metal particles contained in the bonding material. , 35% by mass or more and 85% by mass or less, or 40% by mass or more and 80% by mass or less. When the content of the sub-micro copper particles is within the above range, it becomes easy to form the joint portion according to the above-described embodiment.

また、本実施形態の接合材が、銅粒子として、サブマイクロ銅粒子及びフレーク状マイクロ銅粒子を含む場合、サブマイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びフレーク状マイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、20質量%以上90質量%以下であってもよい。サブマイクロ銅粒子の上記含有量が20質量%以上であれば、フレーク状マイクロ銅粒子の間を充分に充填することができ、上述した本実施形態に係る接合部を形成することが容易となる。サブマイクロ銅粒子の上記含有量が90質量%以下であれば、接合材を焼結した時の体積収縮を充分に抑制できるため、上述した本実施形態に係る接合部を形成することが容易となる。より一層上記効果を奏するという観点から、サブマイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びフレーク状マイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、30質量%以上85質量%以下であってもよく、35質量%以上85質量%以下であってもよく、40質量%以上80質量%以下であってもよい。 When the bonding material of the present embodiment contains sub-micro copper particles and flake-shaped micro copper particles as copper particles, the content of the sub-micro copper particles is the mass of the sub-micro copper particles and the flake-shaped micro copper particles. Based on the total mass, it may be 20% by mass or more and 90% by mass or less. When the content of the sub-micro copper particles is 20% by mass or more, the space between the flake-shaped micro copper particles can be sufficiently filled, and the joint portion according to the present embodiment described above can be easily formed. .. When the content of the sub-micro copper particles is 90% by mass or less, the volume shrinkage when the bonding material is sintered can be sufficiently suppressed, so that it is easy to form the bonding portion according to the present embodiment described above. Become. From the viewpoint of further exerting the above effect, the content of the sub-micro copper particles is 30% by mass or more and 85% by mass or less based on the total of the mass of the sub-micro copper particles and the mass of the flake-shaped micro copper particles. It may be 35% by mass or more and 85% by mass or less, or 40% by mass or more and 80% by mass or less.

サブマイクロ銅粒子の形状は、特に限定されるものではない。サブマイクロ銅粒子の形状としては、例えば、球状、塊状、針状、フレーク状、略球状及びこれらの凝集体が挙げられる。分散性及び充填性の観点から、サブマイクロ銅粒子の形状は、球状、略球状、フレーク状であってもよく、燃焼性、分散性、フレーク状マイクロ粒子との混合性等の観点から、球状又は略球状であってもよい。 The shape of the sub-micro copper particles is not particularly limited. Examples of the shape of the sub-micro copper particles include a spherical shape, a lump shape, a needle shape, a flake shape, a substantially spherical shape, and an aggregate thereof. From the viewpoint of dispersibility and filling property, the shape of the submicro copper particles may be spherical, substantially spherical, or flake-shaped, and from the viewpoint of flammability, dispersibility, mixing with flake-shaped microparticles, and the like, the shape of the submicro copper particles may be spherical. Alternatively, it may be substantially spherical.

サブマイクロ銅粒子は、分散性、充填性、及びフレーク状マイクロ粒子との混合性の観点から、アスペクト比が5以下であってもよく、3以下であってもよい。本明細書において、「アスペクト比」とは、粒子の長辺/厚みを示す。粒子の長辺及び厚みの測定は、例えば、粒子のSEM像から求めることができる。 The sub-micro copper particles may have an aspect ratio of 5 or less or 3 or less from the viewpoint of dispersibility, filling property, and mixing property with flake-shaped micro particles. As used herein, the "aspect ratio" refers to the long side / thickness of the particles. The measurement of the long side and the thickness of the particle can be obtained from, for example, an SEM image of the particle.

サブマイクロ銅粒子は、特定の表面処理剤で処理されていてもよい。特定の表面処理剤としては、例えば、炭素数8〜16の有機酸が挙げられる。炭素数8〜16の有機酸としては、例えば、カプリル酸、メチルヘプタン酸、エチルヘキサン酸、プロピルペンタン酸、ペラルゴン酸、メチルオクタン酸、エチルヘプタン酸、プロピルヘキサン酸、カプリン酸、メチルノナン酸、エチルオクタン酸、プロピルヘプタン酸、ブチルヘキサン酸、ウンデカン酸、メチルデカン酸、エチルノナン酸、プロピルオクタン酸、ブチルヘプタン酸、ラウリン酸、メチルウンデカン酸、エチルデカン酸、プロピルノナン酸、ブチルオクタン酸、ペンチルヘプタン酸、トリデカン酸、メチルドデカン酸、エチルウンデカン酸、プロピルデカン酸、ブチルノナン酸、ペンチルオクタン酸、ミリスチン酸、メチルトリデカン酸、エチルドデカン酸、プロピルウンデカン酸、ブチルデカン酸、ペンチルノナン酸、ヘキシルオクタン酸、ペンタデカン酸、メチルテトラデカン酸、エチルトリデカン酸、プロピルドデカン酸、ブチルウンデカン酸、ペンチルデカン酸、ヘキシルノナン酸、パルミチン酸、メチルペンタデカン酸、エチルテトラデカン酸、プロピルトリデカン酸、ブチルドデカン酸、ペンチルウンデカン酸、ヘキシルデカン酸、ヘプチルノナン酸、メチルシクロヘキサンカルボン酸、エチルシクロヘキサンカルボン酸、プロピルシクロヘキサンカルボン酸、ブチルシクロヘキサンカルボン酸、ペンチルシクロヘキサンカルボン酸、ヘキシルシクロヘキサンカルボン酸、ヘプチルシクロヘキサンカルボン酸、オクチルシクロヘキサンカルボン酸、ノニルシクロヘキサンカルボン酸等の飽和脂肪酸;オクテン酸、ノネン酸、メチルノネン酸、デセン酸、ウンデセン酸、ドデセン酸、トリデセン酸、テトラデセン酸、ミリストレイン酸、ペンタデセン酸、ヘキサデセン酸、パルミトレイン酸、サビエン酸等の不飽和脂肪酸;テレフタル酸、ピロメリット酸、o−フェノキシ安息香酸、メチル安息香酸、エチル安息香酸、プロピル安息香酸、ブチル安息香酸、ペンチル安息香酸、ヘキシル安息香酸、ヘプチル安息香酸、オクチル安息香酸、ノニル安息香酸等の芳香族カルボン酸が挙げられる。有機酸は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。このような有機酸と上記サブマイクロ銅粒子とを組み合わせることで、サブマイクロ銅粒子の分散性と焼結時における有機酸の脱離性を両立できる傾向にある。 The submicro copper particles may be treated with a specific surface treatment agent. Specific surface treatment agents include, for example, organic acids having 8 to 16 carbon atoms. Examples of organic acids having 8 to 16 carbon atoms include capric acid, methylheptanic acid, ethylhexanoic acid, propylpentanoic acid, pelargonic acid, methyloctanoic acid, ethylheptanoic acid, propylhexanoic acid, capric acid, methylnonanoic acid and ethyl. Octanoic acid, propylheptanic acid, butylhexanoic acid, undecanoic acid, methyldecanoic acid, ethylnonanoic acid, propyloctanoic acid, butylheptanic acid, lauric acid, methylundecanoic acid, ethyldecanoic acid, propylnonanoic acid, butyloctanoic acid, pentylheptanic acid, Tridecanoic acid, methyldodecanoic acid, ethylundecanoic acid, propyldecanoic acid, butylnonanoic acid, pentyloctanoic acid, myristic acid, methyltridecanoic acid, ethyldodecanoic acid, propylundecanoic acid, butyldecanoic acid, pentylnonanoic acid, hexyloctanoic acid, pentadecanoic acid , Methyltetradecanoic acid, ethyltridecanoic acid, propyldodecanoic acid, butylundecanoic acid, pentyldecanoic acid, hexylnonanoic acid, palmitic acid, methylpentadecanoic acid, ethyltetradecanoic acid, propyltridecanoic acid, butyldodecanoic acid, pentylundecanoic acid, hexyldecane Acids, heptylnonanoic acid, methylcyclohexanecarboxylic acid, ethylcyclohexanecarboxylic acid, propylcyclohexanecarboxylic acid, butylcyclohexanecarboxylic acid, pentylcyclohexanecarboxylic acid, hexylcyclohexanecarboxylic acid, heptylcyclohexanecarboxylic acid, octylcyclohexanecarboxylic acid, nonylcyclohexanecarboxylic acid, etc. Saturated fatty acids in Aromas such as acid, pyromellitic acid, o-phenoxy benzoic acid, methyl benzoic acid, ethyl benzoic acid, propyl benzoic acid, butyl benzoic acid, pentyl benzoic acid, hexyl benzoic acid, heptyl benzoic acid, octyl benzoic acid, nonyl benzoic acid, etc. Group carboxylic acids include. One type of organic acid may be used alone, or two or more types may be used in combination. By combining such an organic acid with the above-mentioned sub-micro copper particles, there is a tendency that both the dispersibility of the sub-micro copper particles and the desorption of the organic acid at the time of sintering can be achieved at the same time.

表面処理剤の処理量は、サブマイクロ銅粒子の表面に一分子層〜三分子層付着する量であってもよい。この量は、サブマイクロ銅粒子の表面に付着した分子層数(n)、サブマイクロ銅粒子の比表面積(Ap)(単位m/g)と、表面処理剤の分子量(Ms)(単位g/mol)と、表面処理剤の最小被覆面積(SS)(単位m/個)と、アボガドロ数(NA)(6.02×1023個)から算出できる。具体的には、表面処理剤の処理量は、表面処理剤の処理量(質量%)={(n・Ap・Ms)/(SS・NA+n・Ap・Ms)}×100%の式に従って算出される。 The treatment amount of the surface treatment agent may be an amount that adheres to the surface of the sub-micro copper particles in a single-layer to a triple-layer. This amount is the number of molecular layers (n) attached to the surface of the sub-micro copper particles, the specific surface area (Ap) (unit: m 2 / g) of the sub-micro copper particles, and the molecular weight (Ms) (unit: g) of the surface treatment agent. / Mol), the minimum coating area (SS) of the surface treatment agent (unit: m 2 / piece), and the Avogadro's number (NA) (6.02 × 10 23 pieces). Specifically, the treatment amount of the surface treatment agent is calculated according to the formula of the treatment amount (mass%) of the surface treatment agent = {(n ・ Ap ・ Ms) / (SS ・ NA + n ・ Ap ・ Ms)} × 100%. Will be done.

サブマイクロ銅粒子の比表面積は、乾燥させたサブマイクロ銅粒子をBET比表面積測定法で測定することで算出できる。表面処理剤の最小被覆面積は、表面処理剤が直鎖飽和脂肪酸の場合、2.05×10−19/1分子である。それ以外の表面処理剤の場合には、例えば、分子モデルからの計算、又は「化学と教育」(上江田捷博、稲福純夫、森巌、40(2),1992,p114−117)に記載の方法で測定できる。表面処理剤の定量方法の一例を示す。表面処理剤は、接合材から分散媒を除去した乾燥粉の熱脱離ガス・ガスクロマトグラフ質量分析計により同定でき、これにより表面処理剤の炭素数及び分子量を決定できる。表面処理剤の炭素分割合は、炭素分分析により分析できる。炭素分分析法としては、例えば、高周波誘導加熱炉燃焼/赤外線吸収法が挙げられる。同定された表面処理剤の炭素数、分子量及び炭素分割合から上記式により表面処理剤量を算出できる。 The specific surface area of the sub-micro copper particles can be calculated by measuring the dried sub-micro copper particles by the BET specific surface area measurement method. Minimum coverage of the surface treatment agent, if the surface treatment agent is a straight-chain saturated fatty acids, is 2.05 × 10 -19 m 2/1 molecule. In the case of other surface treatment agents, for example, calculation from a molecular model or "Chemistry and Education" (Akihiro Ueda, Sumio Inafuku, Iwao Mori, 40 (2), 1992, p114-117). It can be measured by the method described. An example of a method for quantifying a surface treatment agent is shown. The surface treatment agent can be identified by a heat desorption gas / gas chromatograph mass spectrometer of the dry powder obtained by removing the dispersion medium from the bonding material, whereby the carbon number and molecular weight of the surface treatment agent can be determined. The carbon content ratio of the surface treatment agent can be analyzed by carbon content analysis. Examples of the carbon content analysis method include a high-frequency induction heating furnace combustion / infrared absorption method. The amount of the surface treatment agent can be calculated from the carbon number, molecular weight and carbon content ratio of the identified surface treatment agent by the above formula.

表面処理剤の上記処理量は、0.07質量%以上2.1質量%以下であってもよく、0.10質量%以上1.6質量%以下であってもよく、0.2質量%以上1.1質量%以下であってもよい。 The treatment amount of the surface treatment agent may be 0.07% by mass or more and 2.1% by mass or less, 0.10% by mass or more and 1.6% by mass or less, and 0.2% by mass. It may be 1.1% by mass or less.

サブマイクロ銅粒子としては、市販されているものを用いることができる。市販されているサブマイクロ銅粒子としては、例えば、CH−0200(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径0.36μm)、HT−14(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径0.41μm)、CT−500(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径0.72μm)、Tn−Cu100(太陽日酸株式会社製、体積平均粒径0.12μm)が挙げられる。 As the submicro copper particles, commercially available ones can be used. Examples of commercially available sub-micro copper particles include CH-0200 (manufactured by Mitsui Metal Mining Co., Ltd., volume average particle size 0.36 μm) and HT-14 (manufactured by Mitsui Metal Mining Co., Ltd., volume average particle size 0. 41 μm), CT-500 (manufactured by Mitsui Metal Mining Co., Ltd., volume average particle size 0.72 μm), Tn-Cu100 (manufactured by Taiyo Nisshi Co., Ltd., volume average particle size 0.12 μm).

(マイクロ銅粒子)
マイクロ銅粒子としては、粒径が1.0μm以上50μm以下の銅粒子を含むものが挙げられ、例えば、体積平均粒径が1.0μm以上50μm以下の銅粒子を用いることができる。マイクロ銅粒子の体積平均粒径は、2.0μm以上20μm以下であってよく、2.0μm以上10μm以下であってもよく、3.0μm以上〜20μm以下であってもよく、3.0μm以上〜10μm以下であってもよい。
(Micro copper particles)
Examples of the micro copper particles include copper particles having a particle size of 1.0 μm or more and 50 μm or less. For example, copper particles having a volume average particle size of 1.0 μm or more and 50 μm or less can be used. The volume average particle size of the micro copper particles may be 2.0 μm or more and 20 μm or less, 2.0 μm or more and 10 μm or less, 3.0 μm or more and 20 μm or less, and 3.0 μm or more. It may be 10 μm or less.

マイクロ銅粒子の形状としては、例えば、球状、塊状、針状、フレーク状、略球状、及びこれらの凝集体が挙げられる。これらの中でも、フレーク状が好ましい。なお、フレーク状とは板状、鱗片状等の平板状の形状を包含する。 Examples of the shape of the microcopper particles include a spherical shape, a lump shape, a needle shape, a flake shape, a substantially spherical shape, and an aggregate thereof. Of these, flakes are preferred. The flake shape includes a flat plate shape such as a plate shape or a scale shape.

フレーク状マイクロ銅粒子としては、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上の銅粒子を含むものが挙げられ、例えば、平均最大径が1μ以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上の銅粒子を用いることができる。フレーク状マイクロ銅粒子の平均最大径及びアスペクト比が上記範囲内であれば、接合材を焼結した際の体積収縮を充分に低減でき、上述した本実施形態に係る接合部を形成することが容易となる。より一層上記効果を奏するという観点から、フレーク状マイクロ銅粒子の平均最大径は、1μm以上10μm以下であってもよく、3μm以上10μm以下であってもよい。フレーク状マイクロ銅粒子の最大径及び平均最大径の測定は、例えば、粒子のSEM像から求めることができ、後述するフレーク状構造の長径X及び長径の平均値Xavとして求められる。 Examples of the flake-shaped microcopper particles include copper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of 4 or more. For example, an average maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of 4 are included. The above copper particles can be used. When the average maximum diameter and aspect ratio of the flake-shaped microcopper particles are within the above ranges, the volume shrinkage when the bonding material is sintered can be sufficiently reduced, and the bonding portion according to the present embodiment described above can be formed. It will be easy. From the viewpoint of further exerting the above effect, the average maximum diameter of the flake-shaped microcopper particles may be 1 μm or more and 10 μm or less, or 3 μm or more and 10 μm or less. The measurement of the maximum diameter and the average maximum diameter of the flake-shaped microcopper particles can be obtained from, for example, an SEM image of the particles, and is obtained as the major axis X and the average value Xav of the major axis of the flake-shaped structure described later.

フレーク状マイクロ銅粒子は、最大径が1μm以上20μm以下の銅粒子を50質量%以上含むことができる。接合体内での配向、補強効果、接合ペーストの充填性の観点から、フレーク状マイクロ銅粒子は、最大径が1μm以上20μm以下の銅粒子を70質量%以上含むことができ、80質量%以上含むことができ、100質量%含むことができる。接合不良を抑制する観点から、フレーク状マイクロ銅粒子は、例えば、最大径が20μmを超える粒子等の接合厚みを超えるサイズの粒子を含まないことが好ましい。 The flake-shaped micro copper particles can contain 50% by mass or more of copper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less. From the viewpoint of orientation in the bonded body, reinforcing effect, and filling property of the bonded paste, the flake-shaped microcopper particles can contain 70% by mass or more of copper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less, and include 80% by mass or more. It can contain 100% by mass. From the viewpoint of suppressing bonding defects, the flake-shaped microcopper particles preferably do not contain particles having a size exceeding the bonding thickness, such as particles having a maximum diameter of more than 20 μm.

フレーク状マイクロ銅粒子の長径XをSEM像から算出する方法を例示する。フレーク状マイクロ銅粒子の粉末を、SEM用のカーボンテープ上にスパチュラで載せ、SEM用サンプルとする。このSEM用サンプルをSEM装置により5000倍で観察する。SEM像のフレーク状マイクロ銅粒子に外接する長方形を画像処理ソフトにより作図し、長方形の長辺をその粒子の長径Xとする。複数のSEM像を用いて、この測定を50個以上のフレーク状マイクロ銅粒子に対して行い、長径の平均値Xavを算出する。 An example is a method of calculating the major axis X of flake-shaped microcopper particles from an SEM image. The powder of flake-shaped microcopper particles is placed on a carbon tape for SEM with a spatula to prepare a sample for SEM. This SEM sample is observed with an SEM device at a magnification of 5000. A rectangle circumscribing the flake-shaped microcopper particles of the SEM image is drawn by image processing software, and the long side of the rectangle is defined as the major axis X of the particles. Using a plurality of SEM images, this measurement is performed on 50 or more flake-shaped microcopper particles, and the average value Xav of the major axis is calculated.

フレーク状マイクロ銅粒子は、アスペクト比が4以上であってもよく、6以上であってもよい。アスペクト比が上記範囲内であれば、接合材内のフレーク状マイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向することにより、接合層(接合材)を焼結させたときの体積収縮を抑制でき、上述した本実施形態に係る接合部を形成することが容易となる。 The flake-shaped microcopper particles may have an aspect ratio of 4 or more, or 6 or more. When the aspect ratio is within the above range, the flake-shaped microcopper particles in the bonding material are oriented substantially parallel to the bonding surface to reduce the volume shrinkage when the bonding layer (bonding material) is sintered. It can be suppressed, and it becomes easy to form the joint portion according to the present embodiment described above.

本実施形態に係るフレーク状マイクロ銅粒子の形状は、長径(平均最大径)X、中径(幅)Y、短径(厚さ)Tというパラメータで規定することもできる。長径Xは、フレーク状マイクロ銅粒子の三次元形状において、フレーク状マイクロ銅粒子に外接する平行二平面のうち、この平行二平面間の距離が最大となるように選ばれる平行二平面の距離である。中径Yは、長径Xを与える平行二平面に直交し、且つ、フレーク状マイクロ銅粒子に外接する平行二平面のうち、この平行二平面間の距離が最大となるように選ばれる平行二平面の距離である。短径Tは、長径Xを与える平行二平面及び中径Yを与える平行二平面に直交し、且つ、フレーク状マイクロ銅粒子に外接する平行二平面のうち、平行二平面間の距離が最大となるように選ばれる平行二平面の距離である。 The shape of the flake-shaped microcopper particles according to the present embodiment can also be specified by the parameters of major diameter (average maximum diameter) X, medium diameter (width) Y, and minor diameter (thickness) T. The major axis X is the distance between the two parallel planes circumscribing the flake-shaped microcopper particles in the three-dimensional shape of the flake-shaped microcopper particles, which is selected so that the distance between the two parallel planes is maximized. be. The medium diameter Y is selected so as to maximize the distance between the two parallel planes orthogonal to the parallel two planes giving the major axis X and circumscribing the flake-shaped microcopper particles. Distance. The minor axis T is orthogonal to the parallel two planes giving the major axis X and the parallel two planes giving the medium diameter Y, and the distance between the two parallel planes is the largest among the two parallel planes circumscribing the flake-shaped microcopper particles. Is the distance between two parallel planes chosen to be.

長径の平均値Xavは、1μm以上50.0μm以下であってもよく、1μm以上20μm以下であってもよく、3μm以上10μm以下であってもよい。Xavが上記範囲内であれば、接合材を焼結させて製造される接合体において、接合材の焼結体を適切な厚みで形成しやすい。 The average value Xav of the major axis may be 1 μm or more and 50.0 μm or less, 1 μm or more and 20 μm or less, or 3 μm or more and 10 μm or less. When Xav is within the above range, it is easy to form a sintered body of the joining material with an appropriate thickness in the joining body produced by sintering the joining material.

短径の平均値Tavに対する長径の平均値Xavの比(アスペクト比)であるXav/Tavは、4.0以上であってもよく、6.0以上であってもよく、10.0以上であってもよい。Xav/Tavが上記範囲内であれば、接合材内のフレーク状マイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向しやすくなり、接合材を焼結させたときの体積収縮を抑制でき、接合材を焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となる。 Xav / Tab, which is the ratio (aspect ratio) of the average value Xav of the major axis to the average value Tab of the minor axis, may be 4.0 or more, 6.0 or more, or 10.0 or more. There may be. When Xav / Tav is within the above range, the flake-shaped microcopper particles in the bonding material are likely to be oriented substantially parallel to the bonding surface, and the volume shrinkage when the bonding material is sintered can be suppressed. It becomes easy to secure the joining strength of the joined body manufactured by sintering the joining material.

中径の平均値Yavに対する長径の平均値Xavの比であるXav/Yavは、2.0以下であってもよく、1.7以下であってもよく、1・5以下であってもよい。Xav/Yavが上記範囲内であれば、フレーク状マイクロ銅粒子の形状がある程度の面積を有するフレーク状の粒子となり、接合材内のフレーク状マイクロ銅粒子が接合面に対して略平行に配向しやすくなり、接合材を焼結させたときの体積収縮を抑制でき、接合材を焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となる。Xav/Yavが2.0を超える場合、フレーク状マイクロ銅粒子の形状が細長い線状に近づくことを意味する。 Xav / Yav, which is the ratio of the average value Xav of the major axis to the average value Yav of the medium diameter, may be 2.0 or less, 1.7 or less, or 1.5 or less. .. When Xav / Yav is within the above range, the shape of the flake-shaped microcopper particles becomes flake-shaped particles having a certain area, and the flake-shaped microcopper particles in the bonding material are oriented substantially parallel to the bonding surface. This facilitates the suppression of volume shrinkage when the bonding material is sintered, and makes it easy to secure the bonding strength of the bonded body produced by sintering the bonding material. When Xav / Yav exceeds 2.0, it means that the shape of the flake-shaped microcopper particles approaches an elongated linear shape.

短径の平均値Tavに対する中径の平均値Yavの比であるYav/Tavは、2.5以上であってもよく、4.0以上であってもよく、8.0以上であってもよい。Yav/Tavが上記範囲内であれば、接合材内のフレーク状マイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向しやすくなり、接合材を焼結させたときの体積収縮を抑制でき、接合材を焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となる。 Yav / Tab, which is the ratio of the average value Yav of the medium diameter to the average value Tav of the minor diameter, may be 2.5 or more, 4.0 or more, or 8.0 or more. good. When Yav / Tav is within the above range, the flake-shaped microcopper particles in the bonding material are likely to be oriented substantially parallel to the bonding surface, and the volume shrinkage when the bonding material is sintered can be suppressed. It becomes easy to secure the joining strength of the joined body manufactured by sintering the joining material.

フレーク状マイクロ銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、1質量%以上90質量%以下であってもよく、10質量%以上70質量%以下であってもよく、20質量%以上50質量%以下であってもよい。フレーク状マイクロ銅粒子の含有量が、上記範囲内であれば、上述した本実施形態に係る接合部を形成することが容易となる。 The content of the flake-shaped microcopper particles may be 1% by mass or more and 90% by mass or less, 10% by mass or more and 70% by mass or less, or 20% by mass, based on the total mass of the metal particles. It may be 50% by mass or less. When the content of the flake-shaped microcopper particles is within the above range, it becomes easy to form the joint portion according to the above-described embodiment.

本実施形態の接合材が、銅粒子として、サブマイクロ銅粒子及びフレーク状マイクロ銅粒子を含む場合、サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、80質量%以上であってもよい。サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計が上記範囲内であれば、上述した本実施形態に係る接合部を形成することが容易となる。より一層上記効果を奏するという観点から、サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、90質量%以上であってもよく、95質量%以上であってもよく、100質量%であってもよい。 When the bonding material of the present embodiment contains sub-micro copper particles and flake-shaped micro copper particles as copper particles, the total content of the sub-micro copper particles and the flake-shaped micro copper particles is the total of the metal particles. It may be 80% by mass or more based on the mass. When the total content of the sub-micro copper particles and the content of the flake-shaped micro copper particles is within the above range, it becomes easy to form the joint portion according to the above-described embodiment. From the viewpoint of further exerting the above effect, the total content of the sub-micro copper particles and the content of the flake-shaped micro copper particles may be 90% by mass or more based on the total mass of the metal particles, and may be 95. It may be 100% by mass or more, or 100% by mass.

フレーク状マイクロ銅粒子において、表面処理剤の処理の有無は特に限定されるものではない。分散安定性及び耐酸化性の観点から、フレーク状マイクロ銅粒子は表面処理剤で処理されていてもよい。表面処理剤は、接合時に除去されるものであってもよい。このような表面処理剤としては、例えば、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、オレイン酸等の脂肪族カルボン酸;テレフタル酸、ピロメリット酸、o−フェノキシ安息香酸等の芳香族カルボン酸;セチルアルコール、ステアリルアルコール、イソボルニルシクロヘキサノール、テトラエチレングリコール等の脂肪族アルコール;p−フェニルフェノール等の芳香族アルコール;オクチルアミン、ドデシルアミン、ステアリルアミン等のアルキルアミン;ステアロニトリル、デカンニトリル等の脂肪族ニトリル;アルキルアルコキシシラン等のシランカップリング剤;ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、シリコーンオリゴマー等の高分子処理材等が挙げられる。表面処理剤は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 In the flake-shaped microcopper particles, the presence or absence of treatment with the surface treatment agent is not particularly limited. From the viewpoint of dispersion stability and oxidation resistance, the flake-shaped microcopper particles may be treated with a surface treatment agent. The surface treatment agent may be one that is removed at the time of joining. Examples of such surface treatment agents include aliphatic carboxylic acids such as palmitic acid, stearic acid, arachidic acid, and oleic acid; aromatic carboxylic acids such as terephthalic acid, pyromellitic acid, and o-phenoxybenzoic acid; and cetyl alcohols. , Aliphatic alcohols such as stearyl alcohol, isobornylcyclohexanol, tetraethylene glycol; aromatic alcohols such as p-phenylphenol; alkylamines such as octylamine, dodecylamine, stearylamine; Aliphatic nitriles; silane coupling agents such as alkylalkoxysilanes; polymer-treated materials such as polyethylene glycols, polyvinyl alcohols, polyvinylpyrrolidones, and silicone oligomers. As the surface treatment agent, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.

表面処理剤の処理量は、粒子表面に一分子層以上の量であってもよい。このような表面処理剤の処理量は、フレーク状マイクロ銅粒子の比表面積、表面処理剤の分子量、及び表面処理剤の最小被覆面積により変化する。表面処理剤の処理量は、通常0.001質量%以上である。フレーク状マイクロ銅粒子の比表面積、表面処理剤の分子量、及び表面処理剤の最小被覆面積については、上述した方法により算出することができる。 The amount of the surface treatment agent to be treated may be one or more molecular layers on the surface of the particles. The treatment amount of such a surface treatment agent varies depending on the specific surface area of the flake-shaped microcopper particles, the molecular weight of the surface treatment agent, and the minimum coating area of the surface treatment agent. The treatment amount of the surface treatment agent is usually 0.001% by mass or more. The specific surface area of the flake-shaped microcopper particles, the molecular weight of the surface treatment agent, and the minimum coating area of the surface treatment agent can be calculated by the above-mentioned method.

サブマイクロ銅粒子とフレーク状マイクロ銅粒子とを併用することで、接合材を焼結させたときの体積収縮が抑制され、接合材の焼結時に被着面より剥離しにくくなり、半導体素子等の接合においては充分な接合性及び信頼性が得られやすくなる。 By using the sub-micro copper particles and the flake-shaped micro copper particles together, the volume shrinkage when the bonding material is sintered is suppressed, and it becomes difficult to peel off from the adherend surface when the bonding material is sintered. Sufficient bondability and reliability can be easily obtained in the bonding of the above.

本実施形態の接合材において、金属粒子に含まれる、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が2未満のマイクロ銅粒子の含有量は、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上のフレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましく、30質量%以下が更に好ましい。平均最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が2未満のマイクロ銅粒子の含有量を制限することにより、接合材内のフレーク状マイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向しやすくなり、接合材を焼結させたときの体積収縮をより有効に抑制することができる。これにより、上述した本実施形態に係る接合部を形成することが容易となる。このような効果が更に得られやすくなる点で、平均最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が2未満のマイクロ銅粒子の含有量は、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上のフレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、20質量%以下であってもよく、10質量%以下であってもよい。 In the bonding material of the present embodiment, the content of the microcopper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of less than 2 contained in the metal particles has a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio. Based on the total amount of flake-shaped microcopper particles having a value of 4 or more, 50% by mass or less is preferable, 40% by mass or less is more preferable, and 30% by mass or less is further preferable. By limiting the content of microcopper particles having an average maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of less than 2, the flake-shaped microcopper particles in the bonding material are oriented substantially parallel to the bonding surface. This facilitates the process, and the volume shrinkage when the bonding material is sintered can be suppressed more effectively. This makes it easy to form the joint portion according to the present embodiment described above. In terms of making it easier to obtain such an effect, the content of microcopper particles having an average maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of less than 2 is such that the maximum diameter is 1 μm or more and 20 μm or less, and the aspect ratio. It may be 20% by mass or less, or 10% by mass or less, based on the total amount of flake-shaped microcopper particles having a value of 4 or more.

本実施形態に係るフレーク状マイクロ銅粒子としては、市販されているものを用いることができる。市販されているフレーク状マイクロ銅粒子としては、例えば、MA−C025(三井金属鉱業株式会社製、平均最大径4.1μm)、3L3(福田金属箔粉工業株式会社製、体積最大径7.3μm)、1110F(三井金属鉱業株式会社製、平均最大径5.8μm)、2L3(福田金属箔粉工業株式会社製、平均最大径9μm)などが挙げられる。 As the flake-shaped microcopper particles according to the present embodiment, commercially available ones can be used. Commercially available flake-shaped microcopper particles include, for example, MA-C025 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., average maximum diameter 4.1 μm), 3L3 (manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Industry Co., Ltd., maximum volume diameter 7.3 μm). ), 1110F (Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., average maximum diameter 5.8 μm), 2L3 (Fukuda Metal Foil Powder Industry Co., Ltd., average maximum diameter 9 μm) and the like.

本実施形態の接合材においては、配合するマイクロ銅粒子として、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上のフレーク状マイクロ銅粒子を含み、且つ、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が2未満のマイクロ銅粒子の含有量が、上記フレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、50質量%以下、好ましくは30質量%以下であるマイクロ銅粒子を用いることができる。市販されているフレーク状マイクロ銅粒子を用いる場合、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上のフレーク状マイクロ銅粒子を含み、且つ、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が2未満のマイクロ銅粒子の含有量が、上記フレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、50質量%以下、より好ましくは40質量%以下、更に好ましくは30質量%以下であるものを選定してもよい。 In the bonding material of the present embodiment, the micro copper particles to be blended include flake-shaped micro copper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less, an aspect ratio of 4 or more, and a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less. It is possible to use microcopper particles having an aspect ratio of less than 2 and having a content of microcopper particles of 50% by mass or less, preferably 30% by mass or less, based on the total amount of the flake-shaped microcopper particles. When commercially available flake-shaped microcopper particles are used, the maximum diameter is 1 μm or more and 20 μm or less, the flake-shaped microcopper particles having an aspect ratio of 4 or more are included, and the maximum diameter is 1 μm or more and 20 μm or less. The content of the microcopper particles having a ratio of less than 2 is 50% by mass or less, more preferably 40% by mass or less, still more preferably 30% by mass or less, based on the total amount of the flake-shaped microcopper particles. You may.

接合材は、銅粒子以外のその他の金属粒子を含んでいてもよい。その他の金属粒子としては、例えば、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金等の粒子が挙げられる。 The bonding material may contain other metal particles other than copper particles. Examples of other metal particles include particles such as nickel, silver, gold, palladium, and platinum.

その他の金属粒子は、体積平均粒径が0.01μm以上10μm以下であってもよく、0.01μm以上5μm以下であってもよく、0.05μm以上3μm以下であってもよい。その他の金属粒子を含んでいる場合、その含有量は、充分な接合性を得るという観点から、接合材に含まれる金属粒子の全質量を基準として、20質量%未満であってもよく、10質量%以下であってもよい。その他の金属粒子は、含まれなくてもよい。その他の金属粒子の形状は、特に限定されるものではない。 The volume average particle diameter of the other metal particles may be 0.01 μm or more and 10 μm or less, 0.01 μm or more and 5 μm or less, or 0.05 μm or more and 3 μm or less. When other metal particles are contained, the content thereof may be less than 20% by mass based on the total mass of the metal particles contained in the bonding material from the viewpoint of obtaining sufficient bondability. It may be mass% or less. Other metal particles may not be included. The shapes of the other metal particles are not particularly limited.

本実施形態の接合材が銅粒子以外の金属粒子を含むことで、複数種の金属が固溶又は分散した焼結金属層を得ることができるため、接合部の降伏応力、疲労強度等の機械的な特性が改善され、接続信頼性が向上しやすい。また、複数種の金属粒子を添加することで、形成される接合部は、半導体素子及び基板などの被着体に対して、接合強度及び接続信頼性が向上しやすい。 Since the bonding material of the present embodiment contains metal particles other than copper particles, a sintered metal layer in which a plurality of types of metals are solid-dissolved or dispersed can be obtained. Characteristics are improved, and connection reliability is likely to be improved. Further, by adding a plurality of types of metal particles, the formed joint portion tends to have improved joint strength and connection reliability with respect to an adherend such as a semiconductor element and a substrate.

(分散媒)
分散媒は特に限定されるものではなく、揮発性のものであってもよい。揮発性の分散媒としては、例えば、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、α−テルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール(MTPH)等の一価及び多価アルコール類;エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールイソブチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類;エチレングリコールエチルエーテルアセテート、エチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート(DPMA)、乳酸エチル、乳酸ブチル、γ−ブチロラクトン、炭酸プロピレン等のエステル類;N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等の酸アミド;シクロヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン等の脂肪族炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素;炭素数1〜18のアルキル基を有するメルカプタン類;炭素数5〜7のシクロアルキル基を有するメルカプタン類が挙げられる。炭素数1〜18のアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、エチルメルカプタン、n−プロピルメルカプタン、i−プロピルメルカプタン、n−ブチルメルカプタン、i−ブチルメルカプタン、t−ブチルメルカプタン、ペンチルメルカプタン、ヘキシルメルカプタン及びドデシルメルカプタンが挙げられる。炭素数5〜7のシクロアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、シクロペンチルメルカプタン、シクロヘキシルメルカプタン及びシクロヘプチルメルカプタンが挙げられる。
(Dispersion medium)
The dispersion medium is not particularly limited and may be volatile. Examples of the volatile dispersion medium include monovalent and polyvalent and polyvalent such as pentanol, hexanol, heptanol, octanol, decanol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, α-terpineol and isobornylcyclohexanol (MTPH). Valuable alcohols; ethylene glycol butyl ether, ethylene glycol phenyl ether, diethylene glycol methyl ether, diethylene glycol ethyl ether, diethylene glycol butyl ether, diethylene glycol isobutyl ether, diethylene glycol hexyl ether, triethylene glycol methyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol Butylmethyl ether, diethylene glycol isopropylmethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol butylmethyl ether, propylene glycol propyl ether, dipropylene glycol methyl ether, dipropylene glycol ethyl ether, dipropylene glycol propyl ether, dipropylene glycol butyl ether, di Ethers such as propylene glycol dimethyl ether, tripropylene glycol methyl ether, tripropylene glycol dimethyl ether; ethylene glycol ethyl ether acetate, ethylene glycol butyl ether acetate, diethylene glycol ethyl ether acetate, diethylene glycol butyl ether acetate, dipropylene glycol methyl ether acetate (DPMA), lactic acid Ethers such as ethyl, butyl lactate, γ-butyrolactone, propylene carbonate; acid amides such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide; cyclohexane, octane, nonane, decane, Examples thereof include aliphatic hydrocarbons such as undecane; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene; mercaptans having an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms; and mercaptans having a cycloalkyl group having 5 to 7 carbon atoms. Examples of mercaptans having an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms include ethyl mercaptan, n-propyl mercaptan, i-propyl mercaptan, n-butyl mercaptan, i-butyl mercaptan, t-butyl mercaptan, pentyl mercaptan, and hexyl mercaptan. And dodecyl mercaptan. Examples of mercaptans having a cycloalkyl group having 5 to 7 carbon atoms include cyclopentyl mercaptan, cyclohexyl mercaptan and cycloheptyl mercaptan.

分散媒の含有量は、接合材に含まれる金属粒子の全質量を100質量部として、5〜50質量部であってもよい。分散媒の含有量が上記範囲内であれば、接合材をより適切な粘度に調整でき、また、銅粒子の焼結を阻害しにくい。 The content of the dispersion medium may be 5 to 50 parts by mass, where 100 parts by mass is the total mass of the metal particles contained in the bonding material. When the content of the dispersion medium is within the above range, the bonding material can be adjusted to a more appropriate viscosity, and the sintering of copper particles is less likely to be hindered.

本実施形態において、分散媒は、300℃以上の沸点を有する溶媒を含むことが好ましい。塗膜(接合層)の焼結時において、焼結及び緻密化を妨げず、接合温度に達した際に速やかに蒸発・除去されるという観点から、300℃以上の沸点を有する溶媒の沸点としては、300℃以上450℃以下であってもよく、305℃以上400℃以下であってもよく、310℃以上380℃以下であってもよい。 In the present embodiment, the dispersion medium preferably contains a solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher. As the boiling point of a solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher, from the viewpoint that it does not interfere with sintering and densification during sintering of the coating film (bonding layer) and is rapidly evaporated and removed when the bonding temperature is reached. May be 300 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, 305 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, or 310 ° C. or higher and 380 ° C. or lower.

300℃以上の沸点を有する溶媒は、含まれる金属粒子の分散性を向上させるため、金属粒子表面と親和性の高い構造を選ぶことが好ましい。金属粒子がアルキル基を含む表面処理剤で表面処理されている場合には、アルキル基を有する溶媒を選ぶことが好ましい。このような300℃以上の沸点を有する溶媒としては、イソボルニルシクロヘキサノール(MTPH、日本テルペン社製)、ステアリン酸ブチル、エキセパールBS(花王社製)、ステアリン酸ステアリル、エキセパールSS(花王社製)、ステアリン酸2−エチルヘキシル、エキセパールEH−S(花王社製)、ステアリン酸イソトリデシル、エキセパールTD−S(花王社製)、イソオクタデカノール、ファインオキソコール180(日産化学社製)、ファインオキソコール180T(日産化学社製)、2−ヘキシルデカノール、ファインオキソコール1600(日産化学社製)、トリブチリン、テトラエチレングリコール、ヘプタデカン、オクタデカン、ノナデカン、エイコサン、ヘネイコサン、ドコサン、メチルヘプタデカン、トリデシルシクロヘキサン、テトラデシルシクロヘキサン、ペンタデシルシクロヘキサン、ヘキサデシルシクロヘキサン、ウンデシルベンゼン、ドデシルベンゼン、テトラデシルベンゼン、トリデシルベンゼン、ペンタデシルベンゼン、ヘキサデシルベンゼン、ヘプタデシルベンゼン、ノニルナフタレン、ジフェニルプロパン、オクタン酸オクチル、ミリスチン酸メチル、ミリスチン酸エチル、リノール酸メチル、ステアリン酸メチル、トリエチレングリコールビス(2−エチルヘキサン酸)、クエン酸トリブチル、ペンチルフェノール、セバシン酸ジブチル、オレイルアルコール、セチルアルコール、メトキシフェネチルアルコール、ベンジルフェノール、ヘキサデカンニトリル、ヘプタデカンニトリル、安息香酸ベンジル、シンメチリン等が挙げられる。 For a solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher, it is preferable to select a structure having a high affinity with the surface of the metal particles in order to improve the dispersibility of the contained metal particles. When the metal particles are surface-treated with a surface treatment agent containing an alkyl group, it is preferable to select a solvent having an alkyl group. Examples of such a solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher include isobornylcyclohexanol (MTPH, manufactured by Nippon Terpen Co., Ltd.), butyl stearate, Exepearl BS (manufactured by Kao Co., Ltd.), stearyl stearate, and Exepearl SS (manufactured by Kao Co., Ltd.). ), 2-Ethylhexyl stearate, Exepearl EH-S (manufactured by Kao), Isotridecyl stearate, Exepearl TD-S (manufactured by Kao), Isooctadecanol, Fineoxocol 180 (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.), Fineoxo Cole 180T (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.), 2-hexyldecanol, Fineoxocol 1600 (manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.), tributylin, tetraethylene glycol, heptadecane, octadecane, nonadecan, eikosan, heneikosan, docosan, methylheptadecane, tridecylcyclohexane, Tetradecylcyclohexane, pentadecylcyclohexane, hexadecylcyclohexane, undecylbenzene, dodecylbenzene, tetradecylbenzene, tridecylbenzene, pentadecylbenzene, hexadecylbenzene, heptadecylbenzene, nonylnaphthalene, diphenylpropane, octyl octanate, myristin Methyl acid, ethyl myristate, methyl linoleate, methyl stearate, triethylene glycolbis (2-ethylhexanoic acid), tributyl citrate, pentylphenol, dibutyl sevacinate, oleyl alcohol, cetyl alcohol, methoxyphenetyl alcohol, benzylphenol , Hexadecanenitrile, heptadecanenitrile, benzyl benzoate, symmethyrine and the like.

300℃以上の沸点を有する溶媒としては、分散性向上という観点から、表面処理剤とのハンセン溶解度パラメータが近いものを選ぶことが好ましい。表面処理剤として、有機酸、有機アミン、ヒドロキシル基含有ポリマー、ポリビニルピロリドン等が扱いやすいことから、300℃以上の沸点を有する溶媒は、ヒドロキシ基、エーテル基、及びエステル基からなる群から少なくとも1種の基を有していることが好ましい。ハンセン溶解度パラメータは、例えば、ハンドブックの巻末データベースから検索する、又は、データベース及びシミュレーション統合ソフトウエアHSPiPで検索/計算することができる。 As the solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher, it is preferable to select a solvent having a Hansen solubility parameter close to that of the surface treatment agent from the viewpoint of improving dispersibility. Since organic acids, organic amines, hydroxyl group-containing polymers, polyvinylpyrrolidone and the like are easy to handle as surface treatment agents, the solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher is at least one from the group consisting of a hydroxy group, an ether group and an ester group. It preferably has a seed group. The Hansen solubility parameter can be searched, for example, from the database at the end of the handbook, or searched / calculated by the database and simulation integrated software HSPiP.

300℃以上の沸点を有する溶媒の含有量は、接合材の全質量を基準として、2質量%以上とすることができる。300℃以上の沸点を有する溶媒の含有量は、接合材の全質量を基準として、2.2質量%以上であってもよく、2.3質量%以上であってもよく、2.4質量%以上であってもよい。300℃以上の沸点を有する溶媒の含有量が、上記範囲であれば、本実施形態の塗膜(接合層)を焼結する際に、一定量の溶媒が接合層中に残留することができ、部材間の接合材の可撓性及び付着性が維持されやすく、接合に用いる部材同士が異なる熱膨張率を有している場合でも、剥離なく接合できる傾向にある。300℃以上の沸点を有する溶媒の含有量の上限は、特に限定されるものではない。焼結温度で分散媒が除去されるまでの時間を抑え、焼結時間を短くすることができるという観点から、接合材の全質量を基準として、9質量%以下であってもよい。 The content of the solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher can be 2% by mass or more based on the total mass of the bonding material. The content of the solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher may be 2.2% by mass or more, 2.3% by mass or more, or 2.4% by mass, based on the total mass of the bonding material. It may be% or more. When the content of the solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher is within the above range, a certain amount of solvent can remain in the bonding layer when the coating film (bonding layer) of the present embodiment is sintered. , The flexibility and adhesiveness of the bonding material between the members are easily maintained, and even when the members used for bonding have different coefficients of thermal expansion, they tend to be bonded without peeling. The upper limit of the content of the solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher is not particularly limited. From the viewpoint that the time until the dispersion medium is removed at the sintering temperature can be suppressed and the sintering time can be shortened, the total mass of the bonding material may be 9% by mass or less.

また、本実施形態の接合材において、300℃以上の沸点を有する溶媒の含有量は、接合材の全体積を基準として、15体積%以上であってもよく、17体積%以上であってもよく、23体積%以上であってもよい。300℃以上の沸点を有する溶媒の含有量が、上記範囲であれば、本実施形態の塗膜(接合層)を焼結する際に、一定量の溶媒が塗膜(接合層)中に残留することができ、部材間の接合材の可撓性及び付着性が維持されやすく、接合に用いる部材同士が異なる熱膨張率を有している場合でも、剥離なく接合できる傾向にある。300℃以上の沸点を有する溶媒の含有量の上限は、特に限定されるものではない。焼結温度で分散媒が除去されるまでの時間を抑え、焼結時間を短くすることができるという観点から、接合材の全体積を基準として、60体積%以下であってもよい。 Further, in the bonding material of the present embodiment, the content of the solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher may be 15% by volume or more, or 17% by volume or more, based on the total volume of the bonding material. It may be 23% by volume or more. When the content of the solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher is within the above range, a certain amount of solvent remains in the coating film (bonding layer) when the coating film (bonding layer) of the present embodiment is sintered. The flexibility and adhesiveness of the bonding material between the members can be easily maintained, and even when the members used for bonding have different coefficients of thermal expansion, they tend to be bonded without peeling. The upper limit of the content of the solvent having a boiling point of 300 ° C. or higher is not particularly limited. From the viewpoint that the time until the dispersion medium is removed at the sintering temperature can be suppressed and the sintering time can be shortened, the total volume of the bonding material may be 60% by volume or less.

接合材に含まれる分散媒の種類は、例えば、高温脱離ガスのガスクロマトグラフ−質量分析法、及びTOF−SIMSで分析できる。その他の分析方法としては、遠心分離により粒子成分を分離して得られる上澄みを通常の有機分析、例えば、FT−IR、NMR、液体クロマトグラフ及びこれらの組み合わせで同定しても良い。分散媒の種類の比率は、液体クロマトグラフ、NMR等で定量できる。 The type of dispersion medium contained in the bonding material can be analyzed by, for example, gas chromatography-mass spectrometry of high-temperature desorbed gas and TOF-SIMS. As another analysis method, the supernatant obtained by separating the particle components by centrifugation may be identified by ordinary organic analysis, for example, FT-IR, NMR, liquid chromatograph, or a combination thereof. The ratio of the types of dispersion medium can be quantified by liquid chromatograph, NMR or the like.

(添加剤)
接合材には、必要に応じて、ノニオン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤等の濡れ向上剤;シリコーン油等の消泡剤;無機イオン交換体等のイオントラップ剤等を適宜添加してもよい。
(Additive)
If necessary, a wetting improver such as a nonionic surfactant or a fluorine-based surfactant; a defoaming agent such as silicone oil; an ion trap agent such as an inorganic ion exchanger is appropriately added to the bonding material. May be good.

(接合材の調製)
接合材は、上述のサブマイクロ銅粒子、マイクロ銅粒子、その他の金属粒子及び任意の添加剤を分散媒に混合して調製してもよい。各成分の混合後に、撹拌処理を行ってもよい。接合材は、分級操作により分散液の最大粒径を調整してもよい。
(Preparation of bonding material)
The bonding material may be prepared by mixing the above-mentioned sub-microcopper particles, microcopper particles, other metal particles and any additive with a dispersion medium. After mixing each component, stirring treatment may be performed. For the bonding material, the maximum particle size of the dispersion liquid may be adjusted by a classification operation.

接合材は、サブマイクロ銅粒子、表面処理剤、分散媒をあらかじめ混合して、分散処理を行ってサブマイクロ銅粒子の分散液を調製し、更にマイクロ銅粒子、その他の金属粒子及び任意の添加剤を混合して調製してもよい。このような手順とすることで、サブマイクロ銅粒子の分散性が向上してマイクロ銅粒子との混合性が良くなり、接合材の性能がより向上する。サブマイクロ銅粒子の分散液を分級操作によって凝集物を除去してもよい。 As the bonding material, the sub-micro copper particles, the surface treatment agent, and the dispersion medium are mixed in advance, and the dispersion treatment is performed to prepare a dispersion liquid of the sub-micro copper particles, and further, the micro copper particles, other metal particles, and any addition are added. The agents may be mixed and prepared. By performing such a procedure, the dispersibility of the sub-micro copper particles is improved, the mixing property with the micro-copper particles is improved, and the performance of the bonding material is further improved. Agglomerates may be removed by classifying the dispersion of submicro copper particles.

接合材を塗布する方法としては、ステンシル印刷、ディスペンサー、スクリーン印刷、転写印刷、オフセット印刷、ジェットプリンティング法、ジェットディスペンサ、ニードルディスペンサ、カンマコータ、スリットコータ、ダイコータ、グラビアコータ、スリットコート、凸版印刷、凹版印刷、グラビア印刷、ソフトリソグラフ、バーコート、アプリケータ、粒子堆積法、スプレーコータ、スピンコータ、ディップコータ、電着塗装等を用いることができる。 As a method of applying the bonding material, stencil printing, dispenser, screen printing, transfer printing, offset printing, jet printing method, jet dispenser, needle dispenser, comma coater, slit coater, die coater, gravure coater, slit coat, letterpress printing, concave plate Printing, gravure printing, soft lithograph, bar coat, applicator, particle deposition method, spray coater, spin coater, dip coater, electrodeposition coating and the like can be used.

塗膜の厚みは、1μm以上1000μm以下であってもよく、10μm以上1000μm以下であってもよく、10μm以上500μm以下であってもよく、50μm以上200μm以下であってもよく、10μm以上3000μm以下であってもよく、15μm以上500μm以下であってもよく、20μm以上300μm以下であってもよく、5μm以上500μm以下であってもよく、10μm以上250μm以下であってもよく、15μm以上150μm以下であってもよい。 The thickness of the coating film may be 1 μm or more and 1000 μm or less, 10 μm or more and 1000 μm or less, 10 μm or more and 500 μm or less, 50 μm or more and 200 μm or less, or 10 μm or more and 3000 μm or less. It may be 15 μm or more and 500 μm or less, 20 μm or more and 300 μm or less, 5 μm or more and 500 μm or less, 10 μm or more and 250 μm or less, and 15 μm or more and 150 μm or less. It may be.

半導体素子の高さばらつき又は基板間の距離のばらつきを吸収する効果、及び印刷精度の観点から、10μm以上1000μm以下が好ましい。塗膜の厚さが10μm以上であると、高さばらつき吸収果を得ることが容易となり、1000μm以下であると、印刷精度を確保しやすくなる。 From the viewpoint of the effect of absorbing the height variation of the semiconductor element or the variation of the distance between the substrates and the printing accuracy, it is preferably 10 μm or more and 1000 μm or less. When the thickness of the coating film is 10 μm or more, it becomes easy to obtain the absorption result with height variation, and when it is 1000 μm or less, it becomes easy to secure the printing accuracy.

塗膜の乾燥方法は、常温放置による乾燥であってもよく、加熱乾燥であってもよく、減圧乾燥であってもよい。加熱乾燥又は減圧乾燥には、例えば、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉、熱板プレス装置等を用いることができる。乾燥の温度及び時間は、使用した分散媒の種類及び量に合わせて適宜調整してもよい。乾燥の温度及び時間としては、例えば、50℃以上180℃以下で1分以上120分間以下乾燥させてもよい。 The method for drying the coating film may be drying by leaving it at room temperature, heat drying, or vacuum drying. For heat drying or vacuum drying, for example, a hot plate, a hot air dryer, a hot air heating furnace, a nitrogen dryer, an infrared dryer, an infrared heating furnace, a far infrared heating furnace, a microwave heating device, a laser heating device, an electromagnetic wave. A heating device, a heater heating device, a steam heating furnace, a hot plate pressing device, or the like can be used. The drying temperature and time may be appropriately adjusted according to the type and amount of the dispersion medium used. As the drying temperature and time, for example, it may be dried at 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower for 1 minute or longer and 120 minutes or shorter.

塗膜(接合層)の焼結は、加熱処理することによって行うことができる。加熱処理には、例えば、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉等を用いることができる。 The coating film (bonding layer) can be sintered by heat treatment. For heat treatment, for example, a hot plate, a hot air dryer, a hot air heating furnace, a nitrogen dryer, an infrared dryer, an infrared heating furnace, a far infrared heating furnace, a microwave heating device, a laser heating device, an electromagnetic heating device, etc. A heater heating device, a steam heating furnace, or the like can be used.

焼結時のガス雰囲気は、酸化抑制の観点から、無酸素雰囲気であってもよい。焼結時のガス雰囲気は、銅粒子の表面酸化物を除去するという観点から、還元雰囲気であってもよい。無酸素雰囲気としては、例えば、窒素、希ガス等の無酸素ガスの導入、又は真空下が挙げられる。還元雰囲気としては、例えば、純水素ガス中、フォーミングガスに代表される水素及び窒素の混合ガス中、ギ酸ガスを含む窒素中、水素及び希ガスの混合ガス中、ギ酸ガスを含む希ガス中等が挙げられる。 The gas atmosphere at the time of sintering may be an oxygen-free atmosphere from the viewpoint of suppressing oxidation. The gas atmosphere at the time of sintering may be a reducing atmosphere from the viewpoint of removing surface oxides of copper particles. Examples of the anoxic atmosphere include the introduction of an oxygen-free gas such as nitrogen and a rare gas, or under vacuum. Examples of the reducing atmosphere include pure hydrogen gas, a mixed gas of hydrogen and nitrogen typified by a forming gas, nitrogen containing formic acid gas, a mixed gas of hydrogen and rare gas, and a rare gas containing formic acid gas. Can be mentioned.

加熱処理時の到達最高温度は、パワーカードあるいは両面冷却モジュールを構成する部材への熱ダメージの低減及び歩留まりを向上させるという観点から、250℃以上450℃以下であってもよく、250℃以上400℃以下であってもよく、250℃以上350℃以下であってもよい。到達最高温度が、200℃以上であれば、到達最高温度保持時間が60分以下において焼結が充分に進行する傾向にある。 The maximum temperature reached during the heat treatment may be 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and 250 ° C. or higher and 400 ° C. or higher, from the viewpoint of reducing heat damage to the members constituting the power card or the double-sided cooling module and improving the yield. It may be ℃ or less, and may be 250 ℃ or more and 350 ℃ or less. When the maximum ultimate temperature is 200 ° C. or higher, sintering tends to proceed sufficiently when the maximum ultimate temperature holding time is 60 minutes or less.

到達最高温度保持時間は、分散媒を全て揮発させ、また、歩留まりを向上させるという観点から、1分以上60分以下であってもよく、1分以上40分未満であってもよく、1分以上30分未満であってもよい。 The maximum temperature retention time may be 1 minute or more and 60 minutes or less, or 1 minute or more and less than 40 minutes, from the viewpoint of volatilizing all the dispersion medium and improving the yield. It may be more than 30 minutes.

本実施形態においては、銅粒子を主成分とする接合材の還元性、及び基板と半導体素子との間で生じる熱応力低減の観点から、濃度1%以上の水素中、350℃以下で加熱することが好ましい。 In the present embodiment, from the viewpoint of reducing the reducing property of the bonding material containing copper particles as a main component and reducing the thermal stress generated between the substrate and the semiconductor element, heating is performed at 350 ° C. or lower in hydrogen having a concentration of 1% or more. Is preferable.

また、塗膜(接合層)は、0〜100MPaの荷重下で焼結することができる。なお、本実施形態においては、無加圧で接合することができる。本明細書において、「無加圧」とは、接合する部材の自重、又はその自重に加え、0.01MPa以下の圧力を受けている状態を意味する。 Further, the coating film (bonding layer) can be sintered under a load of 0 to 100 MPa. In addition, in this embodiment, it is possible to join without pressure. As used herein, the term "no pressure" means the weight of the members to be joined, or a state in which a pressure of 0.01 MPa or less is applied in addition to the weight thereof.

接合材(銅ペースト)が、銅粒子と分散媒とを含み、銅粒子が、体積平均粒径が0.01μm以上0.8μm以下であるサブマイクロ銅粒子と、体積平均粒径が2.0μm以上50μm以下であるマイクロ銅粒子とを含み、サブマイクロ銅粒子の含有量及びマイクロ銅粒子の含有量の合計が、接合材に含まれる金属粒子の全質量を基準として、80質量%以上であり、サブマイクロ銅粒子の含有量が、サブマイクロ銅粒子の質量及びマイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、30質量%以上90質量%以下であり、マイクロ銅粒子の含有量が、接合材に含まれる金属粒子の全質量を基準として、10質量%以上50質量%以下である場合、無加圧での接合を行う場合であっても充分な接合強度を得ることができる。 The bonding material (copper paste) contains copper particles and a dispersion medium, and the copper particles are submicro copper particles having a volume average particle diameter of 0.01 μm or more and 0.8 μm or less, and a volume average particle diameter of 2.0 μm. The total content of the sub-micro copper particles and the micro-copper particles is 80% by mass or more based on the total mass of the metal particles contained in the bonding material, including the micro-copper particles having a size of 50 μm or more. , The content of the sub-micro copper particles is 30% by mass or more and 90% by mass or less based on the total of the mass of the sub-micro copper particles and the mass of the micro copper particles, and the content of the micro copper particles is the bonding material. When the total mass of the contained metal particles is 10% by mass or more and 50% by mass or less, sufficient bonding strength can be obtained even when bonding is performed without pressure.

上記の理由については、接合材中に含まれるサブマイクロ銅粒子とマイクロ銅粒子とを特定の割合で含有させることにより、充分な焼結性を維持しつつ、表面保護剤又は分散媒に起因する焼結時の体積収縮を充分抑制することが可能となり、焼結体強度の確保及び被着面との接合力向上が達成されることが考えられる。 The above reason is caused by the surface protective agent or the dispersion medium while maintaining sufficient sinterability by containing the sub-micro copper particles and the micro-copper particles contained in the bonding material in a specific ratio. It is considered that the volume shrinkage at the time of sintering can be sufficiently suppressed, the strength of the sintered body is secured, and the bonding force with the adherend surface is improved.

また、上記の接合材は、サブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子によって前記の効果を得ることができることから、高価な銅ナノ粒子を主成分とする接合材に比べて、より安価で且つ安定的に供給できるという利点を有する。 Further, since the above-mentioned bonding material can obtain the above-mentioned effect by the sub-micro copper particles and the micro copper particles, it is cheaper and more stable than the bonding material containing expensive copper nanoparticles as a main component. It has the advantage of being able to supply.

さらに、上記マイクロ銅粒子はフレーク状であることが好ましい。フレーク状のマイクロ銅粒子を用いると、半導体素子と基板との間で生じる熱応力を低減することが更に容易となる。なお、このような効果が得られる理由として、接合材内のマイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向することにより、接合材を焼結させたときの体積収縮を抑制できること、フレーク状のマイクロ銅粒子の重なり面積が増大することで接合力が向上すること及び、フレーク状のマイクロ銅粒子がサブマイクロ銅粒子を整列し補強効果が得られることが考えられる。 Further, the microcopper particles are preferably in the form of flakes. The use of flake-shaped microcopper particles makes it even easier to reduce the thermal stress generated between the semiconductor element and the substrate. The reason why such an effect can be obtained is that the microcopper particles in the bonding material are oriented substantially parallel to the bonding surface, so that the volume shrinkage when the bonding material is sintered can be suppressed, and the flakes. It is conceivable that the bonding force is improved by increasing the overlapping area of the shaped micro copper particles, and that the flake-shaped micro copper particles align the sub micro copper particles to obtain a reinforcing effect.

接合後の接合材(銅ペースト)は、銅の焼結体(多孔質体)となる。 The joining material (copper paste) after joining becomes a sintered body (porous body) of copper.

図3は、本実施形態に係る接合部の断面拡大図である。基板と半導体素子、又は半導体素子とスペーサーとを接合する銅焼結体は、銅粒子と分散媒とを含み、銅粒子がサブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子を含む接合材から形成された接合層の焼結体であり、サブマイクロ銅粒子に由来する構造31(a)と、マイクロ銅粒子としてフレーク状マイクロ銅粒子の銅粒子に由来する構造31(b)と、空孔31(c)とを含む多孔質体である。 FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the joint portion according to the present embodiment. A copper sintered body for bonding a substrate and a semiconductor element or a semiconductor element and a spacer contains copper particles and a dispersion medium, and the copper particles are a bonding layer formed from a bonding material containing submicro copper particles and micro copper particles. The structure 31 (a) derived from the sub-micro copper particles, the structure 31 (b) derived from the copper particles of the flake-shaped micro copper particles as the micro copper particles, and the pores 31 (c). It is a porous body containing.

本実施形態においては、上述した本実施形態の接合材から形成される接合層を、濃度1%以上の水素中、350℃以下で加熱して、体積抵抗率、熱伝導率及び接着強度がそれぞれ、1×10−5Ω・cm以下、50W・m−1・K−1以上及び20MPa以上である焼結体を形成することができ、接合部がこのような焼結体を含むことにより、信頼性に優れた両面冷却型半導体モジュールの実現が可能となる。 In the present embodiment, the bonding layer formed from the bonding material of the present embodiment described above is heated at 350 ° C. or lower in hydrogen having a concentration of 1% or more, and the volume resistivity, thermal conductivity, and adhesive strength are each increased. It is possible to form a sintered body having a thickness of 1, 1 × 10-5 Ω · cm or less, 50 W · m -1 · K -1 or more, and 20 MPa or more, and by including such a sintered body in the joint portion, it is possible to form a sintered body. It is possible to realize a double-sided cooling type semiconductor module having excellent reliability.

体積抵抗率は下記式によって算出される。
ρ=A・R/L
ここで、ρは単位体積あたりの電気抵抗率(体積抵抗率)(Ω・m)、Rは焼結体の抵抗(Ω)、Aは焼結体の断面積(m)、Lは焼結体の厚さ(m)を示す。
The volume resistivity is calculated by the following formula.
ρ = A ・ R / L
Here, ρ is the electrical resistivity per unit volume (volume resistivity) (Ω · m), R is the resistance of the sintered body (Ω), A is the cross-sectional area of the sintered body (m 2 ), and L is baked. The thickness (m) of the body is shown.

熱伝導率は、接合部の熱拡散率、比熱容量、及び密度から、算出することができる。例えば、接合部の熱拡散率をレーザーフラッシュ法(LFA467、ネッチ社製)で測定し、この熱拡散率と、示差走査熱量測定装置(DSC8500、パーキンエルマー社製)で得られた比熱容量と、上記と同様にして求めた密度との積により、25℃における接合部の熱伝導率[W/(m・K)]を算出することができる。 The thermal conductivity can be calculated from the thermal diffusivity, specific heat capacity, and density of the joint. For example, the thermal diffusivity of the joint is measured by a laser flash method (LFA467, manufactured by Netch Co., Ltd.), and the thermal diffusivity, the specific heat capacity obtained by the differential scanning calorimetry device (DSC8500, manufactured by Perkin Elmer), and The thermal conductivity [W / (m · K)] of the joint at 25 ° C. can be calculated from the product with the density obtained in the same manner as above.

接合強度は、万能型ボンドテスタ(4000シリーズ、DAGE社製)等を用いて測定することができる。 The bond strength can be measured using a universal bond tester (4000 series, manufactured by DAGE) or the like.

上記接合部は、電極との界面に対して略平行に配向したフレーク状の銅粒子に由来する構造31(b)を含み、接合部における銅の含有量が、接合部の体積を基準として、65体積%以上であってもよい。 The joint includes a structure 31 (b) derived from flaky copper particles oriented substantially parallel to the interface with the electrode, and the copper content in the joint is based on the volume of the joint. It may be 65% by volume or more.

本実施形態に係るフレーク状マイクロ銅粒子の銅粒子に由来する構造、すなわち、フレーク状構造を有する焼結銅におけるフレーク状構造としては、長径と厚みとの比が5以上であってもよい。フレーク状構造の長径の数平均径は2μm以上であってもよく、3μm以上であってもよく、4μm以上であってもよい。フレーク状構造の形状がこの範囲内であれば、接合部に含まれるフレーク状構造による補強効果が向上し、両面冷却型半導体モジュールが信頼性により一層優れるものとなる。 The structure derived from the copper particles of the flake-shaped microcopper particles according to the present embodiment, that is, the flake-shaped structure in the sintered copper having the flake-shaped structure may have a ratio of the major axis to the thickness of 5 or more. The number average diameter of the major axis of the flake-shaped structure may be 2 μm or more, 3 μm or more, or 4 μm or more. When the shape of the flake-shaped structure is within this range, the reinforcing effect of the flake-shaped structure contained in the joint is improved, and the double-sided cooling type semiconductor module becomes more reliable.

フレーク状構造の長径及び厚みは、例えば、接合体(銅焼結体と半導体素子又は基板)のSEM像から求めることができる。以下に、フレーク状構造の長径と厚みをSEM像から測定する方法を例示する。接合体をエポキシ注形樹脂でサンプル全体が埋まるように注ぎ、硬化する。注形したサンプルの観察したい断面付近で切断し、研磨で断面を削り、CP(クロスセクションポリッシャ)加工を行う。サンプルの断面をSEM装置により5000倍で観察する。接合体の断面画像(例えば5000倍)を取得し、稠密な連続部であり、直線状、直方体状、楕円体状の部分で、この部分の内に内包される直線の中で最大の長さのものを長径、それと直交してこの部分に内包される直線の中で最大の長さのものを厚みとしたときに、長径の長さが1μm以上で且つ長径/厚みの比が4以上であるものをフレーク状構造とみなし、測長機能のある画像処理ソフトによりフレーク状構造の長径と厚みを測長することができる。それらの平均値については、無作為に選んだ20点以上で数平均を計算することで得られる。 The major axis and thickness of the flake-like structure can be obtained from, for example, an SEM image of a bonded body (copper sintered body and semiconductor element or substrate). The method of measuring the major axis and the thickness of the flake-like structure from the SEM image will be illustrated below. The conjugate is poured with epoxy cast resin so that the entire sample is filled and cured. Cut the cast sample near the cross section you want to observe, grind the cross section by polishing, and perform CP (cross section polisher) processing. The cross section of the sample is observed with an SEM device at a magnification of 5000. A cross-sectional image (for example, 5000 times) of the joint is acquired, and it is a dense continuous part, which is a linear, rectangular parallelepiped, or elliptical part, and is the longest of the straight lines contained in this part. The length of the major axis is 1 μm or more and the ratio of the major axis / thickness is 4 or more, when the one with the major axis is defined as the major axis and the one with the longest length among the straight lines included in this portion orthogonal to the major axis is defined as the thickness. Something is regarded as a flake-shaped structure, and the major axis and thickness of the flake-shaped structure can be measured by image processing software having a length measuring function. The average value thereof can be obtained by calculating the number average with 20 points or more randomly selected.

フレーク状構造の長径は、フレーク状構造に外接する平行二直線のうち平行二直線間距離が最大となるように選ばれる平行直線間の距離として与えられる。フレーク状構造の厚みは、長径を与える平行二直線に直交し、且つフレーク状構造に外接する平行二平面のうち、平行二平面間距離が最大となるように選ばれる平行二平面間の距離として与えられる。 The major axis of the flake-like structure is given as the distance between the parallel straight lines circumscribing the flake-like structure, which is selected so that the distance between the parallel straight lines is maximized. The thickness of the flake-like structure is defined as the distance between the two parallel planes that are orthogonal to the parallel two straight lines that give the major axis and are selected so that the distance between the two parallel planes is the largest among the two parallel planes that circumscribe the flake-like structure. Given.

画像処理ソフトとしては、特に限定されるものではなく、例えば、Microsoft PowerPoint(Microsoft社製)、ImageJ(アメリカ国立衛生研究所製)を用いることができる。 The image processing software is not particularly limited, and for example, Microsoft PowerPoint (manufactured by Microsoft) and ImageJ (manufactured by the National Institutes of Health) can be used.

構造体全体に対するフレーク状構造の含有割合は、接合体のSEM像から接合体の断面積を求め、前述の方法により測定したフレーク状構造の長径と厚みからフレーク状構造の断面積を求め、これらを合計したフレーク状構造の総断面積を接合体の断面積で割ることにより、算出することができる。本実施形態に係る接合部は、上記の方法で求められる構造体全体に対するフレーク状構造の含有割合が、10〜40%であってもよく、15〜35%であってもよく、20〜30%であってもよい。 For the content ratio of the flake-like structure to the entire structure, the cross-sectional area of the flake-like structure is obtained from the SEM image of the joint body, and the cross-sectional area of the flake-like structure is obtained from the major axis and thickness of the flake-like structure measured by the above method. Can be calculated by dividing the total cross-sectional area of the flake-shaped structure by the cross-sectional area of the joined body. In the joint portion according to the present embodiment, the content ratio of the flake-like structure to the entire structure obtained by the above method may be 10 to 40%, 15 to 35%, or 20 to 30. May be%.

接合部における銅の含有量(体積割合)は、接合部の体積を基準として、65体積%以上とすることができる。接合部における銅の含有量が上記範囲内であれば、接合部の内部に大きな空孔が形成したり、フレーク状構造を繋ぐ焼結銅が疎になったりすることを抑制できる。そのため、接合部における銅の含有量が上記範囲内であれば、充分な熱伝導性が得られるとともに銅焼結体と半導体素子又は基板との接合強度が向上し、接合体は接続信頼性に優れるものとなる。接合部における銅の含有量は、接合部の体積を基準として、67体積%以上であってもよく、70体積%以上であってもよい。接合部における銅の含有量は、接合部の体積を基準として、製造プロセスの容易さの観点から、90体積%以下であってもよい。 The copper content (volume ratio) at the joint can be 65% by volume or more based on the volume of the joint. When the copper content in the joint portion is within the above range, it is possible to prevent the formation of large pores inside the joint portion and the sparseness of the sintered copper connecting the flake-like structures. Therefore, if the copper content in the bonded portion is within the above range, sufficient thermal conductivity can be obtained, the bonding strength between the copper sintered body and the semiconductor element or the substrate is improved, and the bonded body has improved connection reliability. It will be excellent. The copper content in the joint may be 67% by volume or more, or 70% by volume or more, based on the volume of the joint. The copper content in the joint may be 90% by volume or less based on the volume of the joint from the viewpoint of easiness of the manufacturing process.

接合部を構成する材料の組成が分かっている場合には、例えば、以下の手順で接合部における銅の含有量を求めることができる。まず、接合部を直方体に切り出し、接合部の縦、横の長さをノギス又は外形形状測定装置で測定し、厚みを膜厚計で測定することにより接合部の体積を計算する。切り出した接合部の体積と、精密天秤で測定した接合部の重量とから見かけの密度M(g/cm)を求める。求めたM1と、銅の密度8.96g/cmとを用いて、下記式(2)から接合部における銅の含有量(体積%)が求められる

接合部における銅の含有量(体積%)=[(M)/8.96]×100・・・(2)
When the composition of the material constituting the joint is known, for example, the copper content in the joint can be determined by the following procedure. First, the joint portion is cut into a rectangular parallelepiped, the length and width of the joint portion are measured with a caliper or an external shape measuring device, and the thickness is measured with a film thickness meter to calculate the volume of the joint portion. The apparent density M 1 (g / cm 3 ) is obtained from the volume of the cut-out joint and the weight of the joint measured by a precision balance. Using the obtained M1 and the copper density of 8.96 g / cm 3 , the copper content (volume%) at the joint can be determined from the following formula (2).
Copper content (% by volume) at the joint = [(M 1 ) /8.96] × 100 ... (2)

本実施形態においては、上記第1及び第2の接合工程の後に、基板にワイヤーを打つことによって電気回路を形成し、その後、樹脂部材による封止を行うことができる。 In the present embodiment, after the first and second joining steps, an electric circuit can be formed by striking a wire on the substrate, and then sealing with a resin member can be performed.

その後、基板11a,11bに冷熱源21、22を当接又は接合材で接合して、両面冷却型半導体装置を作製してもよい。 After that, the cold heat sources 21 and 22 may be joined to the substrates 11a and 11b by abutting or a joining material to manufacture a double-sided cooling type semiconductor device.

また、本実施形態に係る両面冷却型半導体モジュールの製造方法は、基板の一方と半導体素子、及び、基板のもう一方とスペーサーをそれぞれ予め接合する接合工程を行って2つの部材を用意した後、一方の部材の半導体素子の接合面、又は、他方の部材のスペーサーの半導体素子との接合位置に接合材を塗布した後、両部材を当接し、接合材の塗膜(接合層)を焼成する第3の接合工程を備えるものであってもよい。 Further, in the method for manufacturing a double-sided cooled semiconductor module according to the present embodiment, after performing a joining step of preliminarily joining one of the substrates and the semiconductor element and the other of the substrates and the spacer, two members are prepared. After applying the bonding material to the bonding surface of the semiconductor element of one member or the bonding position of the spacer of the other member with the semiconductor element, both members are brought into contact with each other and the coating film (bonding layer) of the bonding material is fired. It may include a third joining step.

例えば、第二実施形態に係る両面冷却型半導体モジュールを製造する場合、上記第3の接合工程において、半導体素子とスペーサーとが互いに近づく方向に加圧しながら両部材を当接させる、及び/又は、半導体素子とスペーサーとが互いに近づく方向に加圧しながら接合材の塗膜(接合層)を焼成することが好ましい。これらの加圧を行うことにより、複数の半導体素子1の高さにばらつきがある場合であっても、形状追従性を有する上記接合層によってそれぞれの半導体素子1と基板11及びスペーサー41との接合性を充分に得ることができる。また、接合後における両面冷却型半導体モジュールの厚みのばらつきを低減させることができる。 For example, in the case of manufacturing the double-sided cooling type semiconductor module according to the second embodiment, in the third joining step, the semiconductor element and the spacer are brought into contact with each other while being pressurized in a direction approaching each other, and / or. It is preferable to fire the coating film (bonding layer) of the bonding material while applying pressure in the direction in which the semiconductor element and the spacer approach each other. By performing these pressurizations, even if the heights of the plurality of semiconductor elements 1 vary, the respective semiconductor elements 1 are bonded to the substrate 11 and the spacer 41 by the bonding layer having shape-following property. Sufficient sex can be obtained. Further, it is possible to reduce the variation in the thickness of the double-sided cooling type semiconductor module after joining.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

本実施例では、接合体における接合部の信頼性を評価するため、リードフレームとSiチップとの接合体を作製し、この接合体を用いてパワーサイクル試験を行った。 In this example, in order to evaluate the reliability of the joint portion in the joint, a joint between the lead frame and the Si chip was prepared, and a power cycle test was conducted using this joint.

接合材を調製するために下記の材料を用意した。
[金属粒子]
3L3N(福田金属箔粉工業株式会社製、形状:フレーク状、50%体積平均粒径:6.1μm)
CH−0200(三井金属鉱業株式会社製、形状:擬球状、表面処理剤:ラウリン酸(ドデカン酸)、表面処理量:0.973質量%(CH−0200の全質量基準)、50%体積平均粒径:0.36μm、0.1μm以上1μm未満の粒子径を有する銅粒子の含有量:100質量%、0.12μm以上0.8μm以下の粒子径を有する銅粒子の含有量:100質量%)
亜鉛フレーク(Aifa Aesar製、325mesh、商品名Zinc Flake)
AgC239(福田金属箔粉工業株式会社製、形状:フレーク状、50%体積平均粒径:7μm)
[分散媒]
ヒドロテルピネオール(日本テルペン化学株式会社製)
トリブチリン(富士フィルム和光純薬株式会社製)
イソボルニルシクロヘキサノール(日本テルペン化学株式会社製、商品名:テルソルブMTPH)
ステアリン酸ブチル(富士フィルム和光純薬株式会社製)
The following materials were prepared to prepare the joint material.
[Metal particles]
3L3N (manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Industry Co., Ltd., shape: flakes, 50% volume average particle size: 6.1 μm)
CH-0200 (manufactured by Mitsui Metal Mining Co., Ltd., shape: pseudo-spherical, surface treatment agent: lauric acid (dodecanoic acid), surface treatment amount: 0.973% by mass (based on the total mass of CH-0200), 50% volume average Particle size: 0.36 μm, content of copper particles having a particle size of 0.1 μm or more and less than 1 μm: 100% by mass, content of copper particles having a particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less: 100% by mass )
Zinc flakes (manufactured by Aifa Aesar, 325 mesh, trade name Zinc Flake)
AgC239 (manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Industry Co., Ltd., shape: flakes, 50% volume average particle size: 7 μm)
[Dispersion medium]
Hydroterpineol (manufactured by Nippon Terpine Chemical Co., Ltd.)
Tributyrin (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
Isobornylcyclohexanol (manufactured by Nippon Terpen Chemical Co., Ltd., trade name: Telsolv MTPH)
Butyl stearate (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)

(接合体1)
メノウ乳鉢に、ジヒドロテルピネオールを1.215g、トリブチリンを0.18g、CH−0200を2.067g、3L3Nを1.531g、及び亜鉛フレークを0.5g加え、乾燥粉がなくなるまで混練し、混合液をポリ瓶に移した。密栓をしたポリ瓶を、自転公転型攪拌装置(Planetary Vacuum Mixer ARV−310、株式会社シンキー製)を用いて、2000min−1(2000回転/分)で2分間攪拌した。得られたペースト状の混合液(金属ペースト)を接合材1とした。接合材1の濃度(接合材1全量に対するCH−0200、3L3N及び亜鉛フレークの含有量の合計の割合)は、88質量%であった。
(Joint body 1)
Add 1.215 g of dihydroterpineol, 0.18 g of tributyrin, 2.067 g of CH-0200, 1.531 g of 3L3N, and 0.5 g of zinc flakes to an agate mortar, and knead until there is no dry powder. Was transferred to a plastic bottle. The sealed plastic bottle was stirred at 2000 min -1 (2000 rpm) for 2 minutes using a rotating and revolving stirrer (Planetary Vacuum Mixer ARV-310, manufactured by Shinky Co., Ltd.). The obtained paste-like mixture (metal paste) was used as the bonding material 1. The concentration of the bonding material 1 (the ratio of the total content of CH-0200, 3L3N and zinc flakes to the total amount of the bonding material 1) was 88% by mass.

得られた接合材1を、電解Niめっきが施されたリードフレーム(接合部サイズ:19×25×3mm)に、メタルスキージを用いてステンシル印刷にて搭載するチップと同サイズの面積(5.7mm×5.7mm)に、印刷厚200μmで塗布した。次いで、リードフレームに塗布した接合材1の直上にSiチップ(infinion製ショットキーバリアダイオード、SIDC32D170H)を、めっき被膜を施した面とは反対側が塗布した接合材1に接するように搭載した。次いで、これをチューブ炉(株式会社エイブイシー製)にセットし、アルゴンガスを1L/minで流して空気をアルゴンガスに置換した。その後、水素ガスを500mL/minで流しながら30分かけて300℃まで昇温し、300℃で60分の条件で焼結処理して、リードフレームとSiチップとの間に焼結銅層を接合部として形成した。その後、アルゴンガスを0.3L/minに換えて冷却し、50℃以下でサンプルを空気中に取り出した。次いで、焼結銅層が試験中に酸化することを防止するために、Siチップ外周にはみ出た焼結銅上に、ポリイミド樹脂(日立化成株式会社製、HIMAL(HL−1210))を刷毛にて塗布し、ホットプレート上にサンプルを配置し、ブフナロートで蓋をしたのち、Nガスブローしながら50℃、10分の条件で仮乾燥させたのちに、200℃、60分の条件で本乾燥を施した。こうして、接合体1のサンプルを作製した。 The obtained bonding material 1 is mounted on a lead frame (joint size: 19 × 25 × 3 mm) subjected to electrolytic Ni plating by stencil printing using a metal squeegee, and has an area of the same size as the chip (5. It was applied to 7 mm × 5.7 mm) with a printing thickness of 200 μm. Next, a Si chip (Schottky barrier diode manufactured by infineon, SIDC32D170H) was mounted directly above the bonding material 1 applied to the lead frame so that the side opposite to the surface on which the plating film was applied was in contact with the applied bonding material 1. Next, this was set in a tube furnace (manufactured by ABC Co., Ltd.), and argon gas was flowed at 1 L / min to replace the air with argon gas. After that, the temperature is raised to 300 ° C. over 30 minutes while flowing hydrogen gas at 500 mL / min, and sintering treatment is performed at 300 ° C. for 60 minutes to form a sintered copper layer between the lead frame and the Si chip. It was formed as a joint. Then, the argon gas was changed to 0.3 L / min and cooled, and the sample was taken out into the air at 50 ° C. or lower. Next, in order to prevent the sintered copper layer from being oxidized during the test, a polyimide resin (HIMAL (HL-1210) manufactured by Hitachi Kasei Co., Ltd.) was brushed on the sintered copper protruding from the outer periphery of the Si chip. applying Te, the sample was placed on a hot plate, then capped with a Buchner funnel, N 2 gas blowing while 50 ° C., the mixture was allowed to provisionally dried at 10 minutes condition, 200 ° C., the dried 60 min conditions Was given. In this way, a sample of the bonded body 1 was prepared.

(接合体2)
ポリ瓶に、ステアリン酸ブチルを1.26g及びイソボルニルシクロヘキサノールを0.54g入れ、ミックスロータで60分攪拌し、混合液1を作製した。次いで、メノウ乳鉢に、AgC239を18.2g、及び混合液1を加え、乾燥粉がなくなるまで混練し、新たなポリ瓶に移した。密栓をしたポリ瓶を、自転公転型攪拌装置(Planetary Vacuum Mixer ARV−310、株式会社シンキー製)を用いて、2000min−1(2000回転/分)で1分間攪拌した。得られたペースト状の混合液(金属ペースト)を接合材2とした。接合材2の濃度(接合材2全量に対するAgC239の含有量の割合)は、91質量%であった。
(Joint body 2)
1.26 g of butyl stearate and 0.54 g of isobornyl cyclohexanol were placed in a plastic bottle and stirred with a mix rotor for 60 minutes to prepare a mixture 1. Next, 18.2 g of AgC239 and the mixed solution 1 were added to the agate mortar, kneaded until the dry powder was exhausted, and transferred to a new plastic bottle. The sealed plastic bottle was stirred at 2000 min -1 (2000 rpm) for 1 minute using a rotating and revolving stirrer (Planetary Vacuum Mixer ARV-310, manufactured by Shinky Co., Ltd.). The obtained paste-like mixture (metal paste) was used as the bonding material 2. The concentration of the bonding material 2 (ratio of the content of AgC239 to the total amount of the bonding material 2) was 91% by mass.

得られた接合材2を、電解Agめっきが施されたリードフレーム(接合部サイズ:19×25×3mm)に、メタルスキージを用いてステンシル印刷にて搭載するチップと同サイズの面積(5.7mm×5.7mm)に、印刷厚100μmで塗布した。次いで、リードフレームに塗布した接合材2の直上にSiチップ(infinion製ショットキーバリアダイオード、SIDC32D170H)を、めっき被膜を施した面とは反対側が塗布した接合材2に接するように搭載した。次いで、これを、ホットプレート上で180℃、20分の乾燥処理を施した後、熱圧着装置(アユミ工業株式会社製)にセットし、大気中で昇温1分、300℃で5分、20MPaの条件で焼結処理して、リードフレームとSiチップとの間に焼結銀層を接合部として形成した。その後、除荷し、50℃以下でサンプルを取り出した。こうして、接合体2のサンプルを作製した。 The obtained bonding material 2 is mounted on a lead frame (joint size: 19 × 25 × 3 mm) subjected to electrolytic Ag plating by stencil printing using a metal squeegee, and has the same area as the chip (5. It was applied to 7 mm × 5.7 mm) with a printing thickness of 100 μm. Next, a Si chip (Schottky barrier diode manufactured by infineon, SIDC32D170H) was mounted directly above the bonding material 2 applied to the lead frame so that the side opposite to the surface on which the plating film was applied was in contact with the applied bonding material 2. Next, this was dried on a hot plate at 180 ° C. for 20 minutes, set in a thermocompression bonding device (manufactured by Ayumi Kogyo Co., Ltd.), heated in the air for 1 minute, and heated at 300 ° C. for 5 minutes. Sintering was performed under the condition of 20 MPa to form a sintered silver layer as a joint between the lead frame and the Si chip. Then, the load was removed and the sample was taken out at 50 ° C. or lower. In this way, a sample of the bonded body 2 was prepared.

(接合体3)
シート状鉛はんだ(千住金属工業株式会社製、Pb Ag1.5 Sn0.5、厚さ100μm)を、搭載するチップと同サイズの面積(5.7mm×5.7mm)に切り出し、リードフレーム(接合部サイズ:19×25×3mm)上に搭載した。次いで、搭載したシート状鉛はんだの直上にSiチップ(infinion製ショットキーバリアダイオード、SIDC32D170H)を、めっき被膜を施した面とは反対側が搭載したシート状鉛はんだに接するように搭載した。次いで、これを、熱圧着装置(アユミ工業株式会社製)にセットし、ギ酸中にて250℃、15分の条件で還元処理を施し、その後N中で、380℃に到達するまで加熱し、温度到達とはんだ溶融を確認した後、真空置換を施し、溶融したはんだのボイド除去を行った。その後、徐冷しながらNガス置換を行い、リードフレームとSiチップとの間にはんだ層を接合部として形成した。その後、50℃以下でサンプルを取り出した。こうして、接合体3のサンプルを作製した。
(Joint body 3)
A sheet-shaped lead solder (manufactured by Senju Metal Industry Co., Ltd., Pb Ag1.5 Sn0.5, thickness 100 μm) is cut out into an area (5.7 mm × 5.7 mm) of the same size as the chip to be mounted, and a lead frame (joining) is performed. Part size: 19 x 25 x 3 mm) mounted on top. Next, a Si chip (Schottky barrier diode manufactured by infinion, SIDC32D170H) was mounted directly above the mounted sheet-shaped lead solder so that the side opposite to the surface on which the plating film was applied was in contact with the mounted sheet-shaped lead solder. It was then set to the thermocompression bonding device (manufactured by Ayumi Industries, Ltd.), 250 ° C. C. in formic acid, the reduction processing on for 15 minutes condition, in subsequent N 2, and heated until reaching 380 ° C. After confirming that the temperature was reached and the solder melted, vacuum replacement was performed to remove voids in the melted solder. Then, N 2 gas replacement was performed while slowly cooling, and a solder layer was formed as a joint between the lead frame and the Si chip. Then, the sample was taken out at 50 ° C. or lower. In this way, a sample of the bonded body 3 was prepared.

<接合部の信頼性評価>
上記で得られた接合体について、下記のパワーサイクル試験を行なった。
[パワーサイクル試験]
作製したサンプルを、ばね治具を用いて荷重0.3MPaで挟み、パワーサイクル試験装置(特注品)にセットし、ダイオード特性から推定されるチップの発熱温度(ジャンクション温度、Tj)の最大値(Tjmax)が175℃になるようにサンプルに通電し、チップ温度が100℃(Tjmin)になるまで通電を停止することで、短時間で接合部に温度差(ΔTj)が生じる条件を導出した。この時の通電電流、時間を試験条件とし、サンプルが故障するまでこれを繰り返した。故障判定については、開始時と同じ電流をサンプルに印加した際、前記ジャンクション温度Tjが±10%以上変化したときを故障と判定し、このときのサイクル数を故障サイクル数とした。この試験をn=10個のサンプルについて実施し、得られた故障サイクル数についてワイブル分布解析を行った。このワイブル分布解析によって、故障サイクル数と累積故障率の関係を導出し、各接合部のパワーサイクル寿命を評価した。なお、累積故障率とは、同一構成の全サンプルのうち、あるサイクル数における故障しているサンプルの割合を意味する。
<Reliability evaluation of joints>
The following power cycle test was performed on the bonded product obtained above.
[Power cycle test]
The prepared sample is sandwiched by a spring jig with a load of 0.3 MPa, set in a power cycle test device (custom-made product), and the maximum value (junction temperature, Tj) of the chip heat generation temperature (junction temperature, Tj) estimated from the diode characteristics is set. By energizing the sample so that Tj max ) becomes 175 ° C. and stopping energization until the chip temperature reaches 100 ° C. (Tj min ), the condition that a temperature difference (ΔTj) occurs at the joint is derived in a short time. bottom. The energizing current and time at this time were used as test conditions, and this was repeated until the sample failed. Regarding the failure determination, when the same current as at the start was applied to the sample, the failure was determined when the junction temperature Tj changed by ± 10% or more, and the number of cycles at this time was defined as the number of failure cycles. This test was performed on n = 10 samples, and the Weibull distribution analysis was performed on the obtained number of failure cycles. By this Weibull distribution analysis, the relationship between the number of failure cycles and the cumulative failure rate was derived, and the power cycle life of each joint was evaluated. The cumulative failure rate means the ratio of failed samples in a certain number of cycles among all samples having the same configuration.

パワーサイクル試験に対するワイブル分布解析の結果を表1にまとめた。なお、表中の評価項目は下記の意味である。
サイクル数平均:パサーサイクル試験を多数実施(各サンプル毎にn=10個以上)したときの平均故障サイクル数。
形状パラメータm:故障発生因子を推定する指標であり、m<1の場合は偶発故障を、m≧1の場合は劣化による故障を指す。
尺度パラメータη:累積故障率63.2%における故障サイクル数。
特性寿命(対接合体3)(倍):接合体3の尺度パラメータηを1としたときの倍率。
Table 1 summarizes the results of Weibull distribution analysis for the power cycle test. The evaluation items in the table have the following meanings.
Mean time between cycles: Mean time between failures when many passer cycle tests are performed (n = 10 or more for each sample).
Shape parameter m: An index for estimating a failure-causing factor. When m <1, it means an accidental failure, and when m ≧ 1, it means a failure due to deterioration.
Scale parameter η: Number of failure cycles at a cumulative failure rate of 63.2%.
Characteristic life (paired body 3) (times): Magnification when the scale parameter η of the bonded body 3 is 1.

Figure 2021174968
Figure 2021174968

接合体1は、放熱特性に優れた銅焼結体によって無加圧条件で接合されたものでありながらも、はんだを用いた接合体3の14.2倍の特性寿命を示すことが確認された。また、接合体1は、焼結銀によって接合された接合体2に比べて、特性寿命の倍率が大きく、形状パラメータmの値も大きいことから、長寿命且つ故障タイミングのばらつきが小さいことが分かる。 It was confirmed that the bonded body 1 was joined under no pressure by a copper sintered body having excellent heat dissipation characteristics, but exhibited a characteristic life of 14.2 times that of the bonded body 3 using solder. rice field. Further, since the joint body 1 has a larger magnification of the characteristic life and a larger value of the shape parameter m than the joint body 2 joined by sintered silver, it can be seen that the joint body 1 has a long life and a small variation in failure timing. ..

本発明に係る両面冷却型半導体モジュール及び両面冷却型半導体装置によれば、半導体素子と基板との接合部に銅焼結体を適用することにより、信頼性の向上を図ることができる。 According to the double-sided cooling type semiconductor module and the double-sided cooling type semiconductor device according to the present invention, reliability can be improved by applying a copper sintered body to the joint portion between the semiconductor element and the substrate.

1…半導体素子(パワーデバイス)、11a、11b…基板(リードフレーム)、21,22…冷熱源、31…銅焼結体、41…スペーサー、51…ワイヤー、61…樹脂部材、100,100’…両面冷却型半導体モジュール(パワーカード)、101…両面冷却型半導体装置。 1 ... Semiconductor element (power device), 11a, 11b ... Substrate (lead frame), 21,22 ... Cold heat source, 31 ... Copper sintered body, 41 ... Spacer, 51 ... Wire, 61 ... Resin member, 100,100' ... Double-sided cooling type semiconductor module (power card), 101 ... Double-sided cooling type semiconductor device.

Claims (6)

半導体素子と、前記半導体素子の一方の主面側に設けられた第1の基板と、前記半導体素子の他方の主面側に設けられた第2の基板と、前記半導体素子と前記第1の基板とを接合する第1の接合部と、前記半導体素子と前記第2の基板とを接合する第2の接合部と、を備え、
前記第1の接合部及び前記第2の接合部の少なくとも一方が銅焼結体を含む、両面冷却型半導体モジュール。
A semiconductor element, a first substrate provided on one main surface side of the semiconductor element, a second substrate provided on the other main surface side of the semiconductor element, the semiconductor element, and the first A first joining portion for joining the substrate and a second joining portion for joining the semiconductor element and the second substrate are provided.
A double-sided cooling semiconductor module in which at least one of the first joint and the second joint contains a copper sintered body.
前記半導体素子を2以上有する、請求項1に記載の両面冷却型半導体モジュール。 The double-sided cooling type semiconductor module according to claim 1, which has two or more of the semiconductor elements. 前記銅焼結体が、銅粒子を含む接合材の焼結体である、請求項1又は2に記載の両面冷却型半導体モジュール。 The double-sided cooling type semiconductor module according to claim 1 or 2, wherein the copper sintered body is a sintered body of a bonding material containing copper particles. 前記第1の接合部及び前記第2の接合部のうちの一つ又は二つ以上がスペーサーを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の両面冷却型半導体モジュール。 The double-sided cooling type semiconductor module according to any one of claims 1 to 3, wherein one or more of the first joint and the second joint include a spacer. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の両面冷却型半導体モジュールと、前記両面冷却型半導体モジュールの第1の基板及び第2の基板のそれぞれに接続された第1の冷熱源及び第2の冷熱源と、を備える、両面冷却型半導体装置。 The double-sided cooling semiconductor module according to any one of claims 1 to 4, and a first cooling heat source and a second cooling heat source connected to the first substrate and the second substrate of the double-sided cooling semiconductor module, respectively. A double-sided cooling semiconductor device equipped with a cold heat source. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の両面冷却型半導体モジュールを製造する方法であって、
前記第1の基板と前記半導体素子との間に設けられた銅粒子を含む接合材を焼結する第1の接合工程、及び/又は、前記第2の基板と前記半導体素子との間に設けられた銅粒子を含む接合材を焼結する第2の接合工程、を備える、両面冷却型半導体モジュールの製造方法。
The method for manufacturing a double-sided cooling type semiconductor module according to any one of claims 1 to 4.
A first bonding step of sintering a bonding material containing copper particles provided between the first substrate and the semiconductor element, and / or provided between the second substrate and the semiconductor element. A method for manufacturing a double-sided cooling semiconductor module, comprising a second bonding step of sintering a bonding material containing the copper particles.
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