JP2023108664A - 接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間でボイドの発生の少ない接合層の形成を可能にする。【解決手段】第１部材表面に、金属粉を含有するペースト状の接合用組成物を塗布する塗布工程と、その接合用組成物に第２部材を積層した状態で加熱することにより、接合用組成物を焼結させて第１部材と第２部材とを接合する加熱工程と、を経て接合体を製造する方法であって、加熱工程では、接合用組成物中の揮発成分の量が、加熱前の接合用組成物中の揮発成分の総量に対して７０質量％以下になるまで、０．５質量％以上２質量％／分以下の揮発速度で加熱する揮発工程と、該揮発工程後に温度を上昇させて接合用組成物を焼結させる焼結工程と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁回路基板に半導体素子を接合して接合体を製造する際に、金属粉を含有するペーストを絶縁回路基板の回路層と半導体素子との間に介在させて焼結させることによりこれらを接合して接合体を製造する方法に関する。

絶縁回路基板等において、部材間の接合に、金属粉を含有するペーストを用い、これを焼結させることで両部材を接合する方法が知られている。

例えば、特許文献１には、パワーモジュールの製造方法において、基板の配線上にＡｕ又はＡｇめっきを施しておき、その配線と半導体素子との間に焼結型Ａｇペーストを介在させ、２５０～３５０℃、昇温速度が３０℃／分以下、保持時間が１～３０分、加圧が０．１～１０ＭＰａの条件で焼結型ペーストを酸化させながら接合する方法が開示されている。このＡｇ焼結型ペーストにはナノオーダーのＡｇフィラーが含有されており、接合層として、空隙率５％以上３０％未満の多孔質のＡｇ層が形成される。

また、特許文献２では、接合層を形成するための原料として、粒径が異なる範囲に属する第１銀粒子と第２銀粒子とを用いて、銀ペーストを作製しており、例えば金メッキを施したＳｉウェーハに銀メッキを施したＣｕ板を銀ペースト層を介して積層し、その積層体を加圧することなく、加熱のみすることで銀ペーストを焼結させて接合することが記載されている。

特許第５９３６４０７号公報 特許第６７３７３８１号公報

この種のペーストは、Ａｇ等の金属粉末以外にも、樹脂や溶剤等が含まれている。これら金属粉末以外の樹脂や溶剤等は、接合時の温度で揮発して消失するが、その際に生じるガスがペーストから抜けきらないと、焼結後の接合層内にボイドとなって残存し、接合不良を生じる。
このボイドの発生を避けるために、昇温速度を遅くして、金属粉が焼結する前に、揮発成分が揮発するのに十分な時間を確保しようとすると、焼成時間が長くなり、生産性が損なわれる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、短時間でボイドの発生の少ない接合層の形成を可能にする接合体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の接合体の製造方法は、第１部材表面に、金属粉を含有するペースト状の接合用組成物を塗布する塗布工程と、その接合用組成物に第２部材を積層した状態で加熱することにより、前記接合用組成物を焼結させて前記第１部材と前記第２部材とを接合する加熱工程と、を経て接合体を製造する方法であって、前記加熱工程では、前記接合用組成物中の揮発成分の量が、加熱前の前記接合用組成物中の揮発成分の総量に対して７０質量％以下になるまで、０．５質量％／分以上２質量％／分以下の揮発速度で加熱する揮発工程と、該揮発工程後に温度を上昇させて前記接合用組成物を焼結させる焼結工程と、を有する。

接合時の加熱プロファイルを制御し、揮発工程と焼結工程とを経ることにより、揮発工程で揮発成分を十分に揮発させてから焼結工程に進むので、ボイドの発生を効果的に抑制することができる。
揮発工程において、揮発速度が２質量％／分を超えて高くなり過ぎると、揮発成分が一気にガス化し、半導体素子と絶縁回路基板との間から抜け切れずに、ボイドが発生する。揮発成分の総量が７０質量％まで低下しないうちに焼結温度付近まで上昇させてしまう場合もボイドが発生する。揮発速度が０．５質量％／分未満では、ボイドの発生は抑制できるが、時間がかかって生産性が損なわれる。好ましくは、６５質量％以下になるまで揮発工程を実施するとよく、また、１質量％／分以下の揮発速度が好ましい。

本発明の接合体の製造方法において、前記第２部材は半導体素子であり、前記接合工程は無加圧状態で行うことができる。脆性材料からなる半導体素子の破損の発生等を抑制できる。無加圧状態とは、絶縁回路基板にペースト状の接合用組成物を介して積層した半導体素子に対して、これらの積層方向に積極的に加圧しないことを意味しており、例えば、半導体素子の自重や、半導体素子の位置ずれ防止具等を半導体素子上に配置することにより、半導体素子にわずかな荷重が作用することまでを除外するものではない。

本発明の接合体の製造方法は、短時間でボイドの発生の少ない接合層を形成することができる。

本発明の一実施形態の製造方法を示すフローチャートである。 図１に示す製造方法により製造された半導体装置の例を示す断面図である。 図２に示す半導体装置の半導体素子接合前の状態を示す断面図である。 実施例の温度変化と熱重量減少量との関係及び溶媒重量比と重量減少速度との関係を示すグラフである。 比較例の図３同様のグラフである。 種々の条件で測定した溶媒重量比と重量減少速度との関係を示すグラフである。 実施例の接合層の超音波探傷像である。 比較例の接合像の超音波探傷像である。

以下、本発明に係る接合体の製造方法の実施形態について説明する。
一実施形態の接合体は、例えば、図２に示すように、絶縁回路基板１０にパワー半導体からなる半導体素子２０を搭載した半導体装置（パワーモジュール）３０である。絶縁回路基板１０はセラミックス基板１１の両面に金属層１２，１３が形成されており、金属層の一方１２が回路層（第１部材）であり、その上に半導体素子（第２部材）２０が接合層１５を介して接合されている。

絶縁回路基板１０を構成するセラミックス基板１１は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用いることができ、厚さは特に限定されないが、例えば０．２ｍｍ～１．５ｍｍの範囲内に設定される。

金属層１２，１３は、アルミニウム又はアルミニウム合金、もしくは銅又は銅合金により、例えば０．１ｍｍ～５．０ｍｍの厚みとされ、通常はセラミックス基板１１よりも小さい平面形状の矩形状に形成されている。これら金属層１２，１３は、セラミックス基板１１との間にろう材（図示略）を介在させた状態で積層され、その積層方向に加圧した状態で加熱し、ろう材を溶融させて固化させることによって接合される。ろう材としては、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属層を形成する場合は、例えばＡｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系又はＡｌ－Ｍｎ系の合金が用いられ、銅又は銅合金からなる金属層を形成する場合は、例えばＡｇ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ等の合金が用いられる。

半導体素子２０としては、必要とされる機能に応じて、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の種々の半導体素子が選択される。

この半導体素子２０が、絶縁回路基板１０の金属層（回路層）１２の上に、接合層１５を介して接合されている。半導体素子２０の接合面には、金、銀、ニッケル等からなるメタライズ層２１が形成される。
接合層１５は、金属粉末、樹脂、溶剤を含有してなるペースト状の接合用組成物（図３参照）１６を塗布して焼結させたものである。金属粉末としては例えば銀、銅が用いられる。

ペースト状の接合用組成物１６として銀粉末を用いる場合の例を示すと、銀粉末に、脂肪酸銀、脂肪族アミン、溶媒、樹脂を含有して接合用組成物が構成される。具体的には以下の通りである。

（銀粉末）
例えば、互いに粒径が異なる第１銀粒子（粒径が１００ｎｍ以上５００ｎｍ未満）、第２銀粒子（粒径が５０ｎｍ以上１００ｎｍ未満）、及び第３銀粒子（粒径が５０ｎｍ未満）を含むことが好ましい。これら第１～第３銀粒子はいずれも一次粒子として互いに凝集し、凝集体（銀粉末）を形成している。第１～第３銀粒子の合計量を１００体積％とするとき、第１銀粒子は５５体積％以上９５体積％以下、第２銀粒子は５体積％以上４０体積％以下、第３銀粒子は５体積％以下の範囲で含むことが好ましい。なお、第１～第３銀粒子中の銀の純度は、９０質量％以上であることが好ましく、９９質量％以上であることがより好ましく、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｄなどを含んでもよい。

（脂肪酸銀）
本実施形態の脂肪酸銀としては、酢酸銀、シュウ酸銀、プロピオン酸銀、ミリスチン酸銀、酪酸銀等が挙げられる。

（脂肪族アミン）
本実施形態の脂肪族アミンとしては、第１級アミン、第２級アミン、第３級アミン等が挙げられる。脂肪族アミンの炭素数は好ましくは８～１２とすることが望ましい。
ここで、接合用組成物において、脂肪酸銀に対する脂肪族アミンのモル比、即ち、脂肪族アミンのモル量／脂肪酸銀のモル量は、１．５～３の範囲内にあることが好ましい。

（溶媒）
本実施形態の溶媒は、１価アルコールと誘電率が３０以上の高誘電率アルコールを含むアルコール系溶媒である。アルコール系溶媒以外に、水、アセテート系溶媒、炭化水素系溶媒、及びそれらの混合物等を含んでもよい。

（樹脂）
接合用組成物は、更に樹脂を含んでもよい。樹脂としては、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂、及びそれらの混合物等が挙げられる。

また、接合用組成物は、粘度が２０Ｐａ・ｓ以上２５０Ｐａ・ｓ以下とされている。より好ましくは、粘度が５０Ｐａ・ｓ以上２００Ｐａ・ｓ以下であるとよい。なお、上記粘度値は、２５℃における値である。

次に、この接合体（半導体装置３０）の製造方法について説明する。
絶縁回路基板１０の回路層１２の表面に、上記のペースト状の接合用組成物１６を塗布する塗布工程（Ｓ１１）と、その接合用組成物１６に半導体素子２０を載置する載置工程（Ｓ１２）と、これら半導体素子２０及び絶縁回路基板１０の積層体を加熱することにより、接合用組成物１６を焼結させて接合層１５を形成し、該接合層１５により絶縁回路基板１０の回路層１２と半導体素子２０とを接合する加熱工程（Ｓ１３）とを有する。

（塗布工程：Ｓ１１）
まず、図３に示すように、絶縁回路基板１０の回路層１２にペースト状の接合用組成物１６を塗布する。接合用組成物１６の塗布厚さは特に限定されないが、例えば３０μｍ以上１４０μｍ以下とする。塗布領域は、半導体素子２０のメタライズ層２１の面積と略同じ面積又はそれより若干大きい面積で同じ形状又は相似形に設定される。
なお、この接合用組成物１６の塗布は、メタルマスク法やスクリーン印刷法等が一般的であるが、これに限らず、ディスペンサ等による吐出供給でもよい。

（載置工程：Ｓ１２）
絶縁回路基板１０の回路層１２上に塗布した接合用組成物１６の上に半導体素子２０を載置する。
（加熱工程：Ｓ１３）
加熱工程（Ｓ１３）では、絶縁回路基板１０と半導体素子２０との積層体を積層状態で加熱して接合用組成物１６中の揮発成分を揮発させる揮発工程（Ｓ１４）と、揮発工程後に温度を上昇させて接合用組成物１６を焼結させて接合層１５を形成する焼結工程（Ｓ１５）と、を有する。半導体素子２０はそのメタライズ層２１が接合用組成物１６に接した状態で積層される。

（揮発工程：Ｓ１４）
揮発工程（Ｓ１４）では、ペースト状の接合用組成物１６中の揮発成分の量が、加熱前の接合用組成物１６中の揮発成分の総量に対して７０質量％以下になるまで、０．５質量％／分以上２質量％／分以下の揮発速度で加熱する。
接合用組成物１６中の揮発成分は、金属粉末以外の溶媒や樹脂等であり、前述の銀粉末を用いた接合用組成物の場合は、溶媒の一部、樹脂が該当する。

この揮発工程において、揮発速度が２質量％／分を超えて高くなり過ぎると、揮発成分が一気にガス化し、半導体素子２０と絶縁回路基板１０との間から抜け切れずに、ボイドが発生する。揮発成分の総量が７０質量％まで低下しないうちに焼結温度付近まで上昇させてしまう場合もボイドが発生する。揮発速度が０．５質量％／分未満では、ボイドの発生は抑制できるが、時間がかかって生産性が損なわれる。好ましくは、６５質量％以下になるまで揮発工程を実施するとよく、また、１質量％／分以下の揮発速度が好ましい。

この揮発成分の量は、熱重量・示差熱同時測定（ＴＧ－ＤＴＡ）法により測定できる。熱重量・示差熱同時測定法は、試料及び基準物質の温度をプログラムに従って同じ条件で変化させながら、試料の重量変化を測定する熱重量測定（ＴＧ：Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ）及び試料と基準物質の温度差を測定する示差熱測定（ＤＴＡ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を同時に行う方法である。基準物質には、測定温度域において吸発熱のない物資として、空容器やα－アルミナが用いられる。この熱重量・示差熱同時測定を実施する際のプログラムを実際の揮発工程の温度プロファイルを模して設定することにより、得られた測定結果を実際の揮発工程における重量変化として推定することができる。

この揮発工程は、例えば連続加熱炉等により大気雰囲気中で行ってもよいが、窒素雰囲気や低酸素雰囲気で行ってもよい。

なお、この揮発工程及び後述の焼結工程を含めて加熱工程では、積層体を無加圧状態で加熱する。無加圧状態とは、絶縁回路基板１０にペースト状の接合用組成物１６を介して積層した半導体素子２０に対して、これらの積層方向に積極的に加圧しないことを意味しており、例えば、半導体素子２０の自重や、半導体素子２０の位置ずれ防止具等を半導体素子２０上に配置することにより、半導体素子２０にわずかな荷重が作用することまでを除外するものではない。

（焼結工程：Ｓ１５）
揮発工程後の積層体を例えばバッチ式加熱炉（図示略）に投入し、１５０℃を超え３００℃以下の温度にまで加熱して接合用組成物１６を焼結し、接合層１５を形成する。この場合も、積層体４０は無加圧状態とされる。雰囲気は窒素雰囲気、又は酸素濃度が１０００ｐｐｍ以下の低酸素雰囲気が好ましい。加熱時間としては、加熱のピーク温度に１０分以上２４０分以下に保持するのが好ましい。なお、揮発工程と焼結工程とを別の装置で実施してもよいが、同一の装置でプログラム運転により実施してもよい。

この焼結工程により、接合用組成物１６中に含まれる銀粉末と脂肪酸銀と脂肪族アミンが反応して形成される錯体の銀が、高誘電率アルコールにより、還元されて銀ナノ粒子になる。この銀ナノ粒子と銀粉末が焼結して接合層を形成し、回路層１２に半導体素子２０がこの接合層１５を介して接合された半導体装置３０が作製される。

以上のようにして製造される半導体装置３０は、半導体素子２０と絶縁回路基板１０とを接合している接合層１５が、揮発工程により有機分等を揮発させてから、焼結工程で焼結されるので、接合層１５にボイドが発生することを抑制することができ、良好な接合状態を得ることができる。
なお、接合用組成物１６として、銀粉末に、脂肪酸銀、脂肪族アミン、溶媒、樹脂を含有して構成したが、この組成に限らず、他の金属粉末によって構成してもよい。

窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなるセラミックス基板の表面に銅からなる回路層（第１部材）を形成した絶縁回路基板と、端面に金のメタライズ層を形成したシリコンからなる半導体素子（第２部材）とを用意した。この半導体素子は１辺が１０ｍｍの正方形板状とした。絶縁回路基板の１個の回路層の上に半導体素子を接合した。

また、粒径１００ｎｍ以上５００ｎｍ未満の第１銀粒子、粒径５０ｎｍ以上１００ｎｍ未満の第２銀粒子、粒径５０ｎｍ未満の第３銀粒子が、体積％で、８０：１７．５：２．５の比率で含有する銀粉末を用意し、脂肪酸銀として酢酸銀を２２．０質量％、脂肪族アミンとしてアミノデカンを４１．３質量％、溶媒としてブチルカルビトールアセテートを３６．７質量％含有する混合溶液を用意し、この混合溶液（２４．００質量％）と銀粉末（７５．００質量％）と高誘電率アルコールとしての１，２，４－ブタントリオール（Ｄ１）（１．００質量％）を混合した後、撹拌及び混練し、ペースト状の接合用組成物を得た。

この接合用組成物をセラミックス基板の回路層上に塗布し、塗布された接合用組成物の上に半導体素子を配置して、８０℃の温度に６０分間保持する揮発工程、その後２５０℃に加熱する焼結工程を経て、接合した。いずれも１０００ｐｐｍ以下の酸素濃度雰囲気で実施した。比較例として、揮発工程を経由せずに２５０℃まで２℃／分の一定速度で加熱して焼結させた例も作製した。

そして、ネッチ・ジャパン株式会社の熱重量・示差熱同時測定装置（ＳＴＡ２５００Ｒｅｇｕｌｕｓ）を用い、揮発工程及び焼結工程の温度プロファイルを模して、熱重量と示差熱を同時測定した。
図４は実施例、図５が比較例を示している。いずれも図の左側には。横軸が経過時間で、温度（℃）とその時の重量減少量（質量％）をプロットしている。温度を実線、重量減少量を破線で示している。図の右側には、その重量減少量を溶媒重量比（質量％）に換算して横軸とし、重量減少速度（質量％／分）をプロットしている。

図４の実施例では、揮発工程において８０℃付近で６０分程度保持しており、その間に重量が徐々に減少し、揮発工程終了時で９７％～９８％程度の重量減少量となり、その後焼結工程への昇温時に９１％付近まで減少している。右側の溶媒重量比のグラフでみると、溶媒重量比が７０％までの間では重量減少速度が１質量％／分以下（約０．５質量％／分）と小さく、７０％を下回ると急激に重量減少速度が増大し、以降、一定の比率で低下している。
これに対して、図５の比較例では、左側の時間経過のグラフでは、加熱初期の６０分程度の間に一気に９２％程度まで重量減少している。右側の溶媒重量比のグラフでは、６０％程度まで重量減少速度がほぼ一定の比率で増大し、６０％を下回ると、一定の比率で低下している。

また、主として揮発工程の温度条件を変えて他の条件でも実施し、図４の右側に示すような溶媒重量比をプロットしたのが図６であり、１質量％／分以下の重量減少速度で溶媒重量比が７０質量％以下になるまで揮発工程を実施することにより、ボイドの発生を抑制できることが確認された。溶媒重量比が７０質量％以下になるまで揮発工程を実施することとすれば、重量減少速度は最大２質量％／分であってもボイドの発生は抑制できると思われる。なお、０．５質量％／分未満では、ボイドの発生は抑制できるが、時間がかかって生産性が損なわれるため、０．５質量％／分以上が好ましい。

図７及び図８は接合層の超音波探傷像であり、図７が実施例、図８が比較例を示している。図７ではボイドは認められなかったが、図８の比較例ではボイドが発生しているのがわかる。

１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 金属層（回路層、第１部材）
１３ 金属層
１５ 接合層
１６ 接合用組成物
２０ 半導体素子（第２部材）
２１ メタライズ層
３０ 半導体装置
４０ 積層体

Claims (2)

1. 第１部材表面に、金属粉を含有するペースト状の接合用組成物を塗布する塗布工程と、その接合用組成物に第２部材を積層した状態で加熱することにより、前記接合用組成物を焼結させて前記第１部材と前記第２部材とを接合する加熱工程と、を経て接合体を製造する方法であって、前記加熱工程では、前記接合用組成物中の揮発成分の量が、加熱前の前記接合用組成物中の揮発成分の総量に対して７０質量％以下になるまで、０．５質量％／分以上２質量％／分以下の揮発速度で加熱する揮発工程と、該揮発工程後に温度を上昇させて前記接合用組成物を焼結させる焼結工程と、を有することを特徴とする接合体の製造方法。
2. 前記第２部材は半導体素子であり、前記揮発工程及び前記焼結工程は無加圧状態で行うことを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。