JP6087425B2 - Joining method - Google Patents

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Description

本発明は、被処理物に対して接合処理を行う接合方法に係り、特に、金属または金属酸化物の微粒子を焼結させて接合処理を行う技術に関する。   The present invention relates to a bonding method for performing a bonding process on an object to be processed, and more particularly to a technique for performing a bonding process by sintering fine particles of metal or metal oxide.

半導体の最大許容ジャンクション温度(使用状態の半導体への加熱における最大温度)の高温化や、鉛などの特定有害物質の使用制限規格 (RoHS: Restriction of Hazardous Substances)の対応により、鉛を用いたハンダ接合技術の使用に制限がかかってきている。また、鉛フリーハンダも開発されているが、接合用途として使用すると割れが生じるという問題が発生している。そこで、ハンダの代替技術として導電性ペーストによる接合技術が進められている。ハンダは数十ミクロンサイズの金,銀または銅の微粒子からなり、導電性ペーストは、ナノサイズ〜1ミクロン以下の金,銀,銅またはその酸化物の微粒子からなり、加熱・加圧による接合技術開発が進められている。   Solder using lead by increasing the maximum allowable junction temperature of semiconductors (maximum temperature when heating semiconductors in use) and complying with restrictions on the use of certain hazardous substances such as lead (RoHS: Restriction of Hazardous Substances) The use of bonding technology has been limited. Lead-free solder has also been developed, but there is a problem that cracking occurs when used as a joining application. Therefore, a joining technique using a conductive paste is being promoted as an alternative technique for solder. Solder is made of gold, silver or copper fine particles of several tens of microns, and conductive paste is made of gold, silver, copper or oxide fine particles of nano size to 1 micron or less. Development is underway.

なお、加熱・加圧による接合処理は、「固相拡散接合」とも呼ばれており、母材(ここでは導電性ペースト)を密着させて加圧することにより接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する。固相拡散接合は、拡散接合を行う接合面間が固相状態で接合される。このように固相拡散接合では加圧接合が必須となる。   The bonding process by heating and pressurization is also called “solid phase diffusion bonding”, and utilizes the diffusion of atoms generated between the bonding surfaces by pressing the base material (here, conductive paste) in close contact. And join. In solid phase diffusion bonding, the bonding surfaces on which diffusion bonding is performed are bonded in a solid state. Thus, pressure bonding is essential in solid phase diffusion bonding.

ここで、スイッチング技術などのように、大電流を使用し高耐圧なパワー半導体(パワーエレクトロニクスで用いられる半導体)の技術発展により、半導体チップの大面積化が要求される。大面積化された半導体チップを接合する際の加圧接合の場合は、均一加圧が要求され、あまり荷重をかけたり、一部の箇所のみ加圧が局所的に異なると、ダメージ(損傷)を受ける。また、大電流用途として注目されている炭化ケイ素(SiC)チップを接合する際にはSiCが脆いことにより、あまり荷重をかけることができない。このように、パワー半導体用のチップ、特にSiCチップを接合する際には加圧接合でのダメージが問題視され、無加圧接合あるいは自重加圧接合の要求が高まっている。   Here, due to technological development of a power semiconductor (semiconductor used in power electronics) that uses a large current and has a high withstand voltage, such as a switching technique, a large area of a semiconductor chip is required. In the case of pressure bonding when bonding large-area semiconductor chips, uniform pressure is required, and if too much load is applied or if the pressure is locally different only in some places, damage (damage) Receive. Further, when bonding a silicon carbide (SiC) chip that has been attracting attention as a high-current application, it is difficult to apply a load because SiC is brittle. Thus, when bonding a chip for a power semiconductor, particularly a SiC chip, damage caused by pressure bonding is regarded as a problem, and the demand for pressureless bonding or self-pressure bonding is increasing.

そこで、銀または酸化銀の微粒子からなる導電性ペーストを介在させた被処理物に対して加熱処理を行い、銀または酸化銀の微粒子を焼結させて、無加圧接合あるいは自重加圧接合で被処理物に対して接合処理を行う技術などがある(例えば、特許文献1、2参照)。銀や酸化銀を用いることにより、無加圧接合あるいは自重加圧接合で被処理物に対して接合処理を行うことが可能で、被処理物がシリコン(Si)や上述のSiCなどの半導体であってもダメージを防止することができる。また、接合能力(接着能力)が高いという効果をも奏する。   Therefore, heat treatment is performed on the object to be processed with the conductive paste made of silver or silver oxide fine particles interposed therebetween, and the silver or silver oxide fine particles are sintered to perform pressureless bonding or self-weight pressure bonding. There is a technique for performing a bonding process on an object to be processed (see, for example, Patent Documents 1 and 2). By using silver or silver oxide, it is possible to perform a bonding process on the object to be processed by pressureless bonding or self-pressure bonding, and the object to be processed is a semiconductor such as silicon (Si) or the above-described SiC. Even if there is, damage can be prevented. In addition, there is an effect that the joining ability (adhesion ability) is high.

ところで、金属の微粒子を焼結させる技術として、加熱処理と真空処理とを組み合わせた複合加熱や、加熱処理とプラズマ処理とを組み合わせた複合加熱が本出願人から提案されている(例えば、特許文献3参照)。これらの複合加熱では、加熱時間を低減させて低温にして、熱変形や熱による損傷を防止しつつ、効率良く低温で微粒子を焼結させることができる。   By the way, as a technique for sintering metal fine particles, combined heating in which heat treatment and vacuum treatment are combined, and combined heating in which heat treatment and plasma treatment are combined have been proposed by the present applicant (for example, Patent Documents). 3). In these combined heating, the heating time is reduced to a low temperature, and the fine particles can be efficiently sintered at a low temperature while preventing thermal deformation and damage due to heat.

特開2010−257880号公報JP 2010-257880 A 特開2011−175871号公報JP 2011-175871 A 特開2012−142551号公報JP 2012-142551 A

しかしながら、上述した無加圧接合あるいは自重加圧接合で被処理物に対して接合処理を行う場合には、次のような問題がある。すなわち、銀以外の導電性ペーストを用いて加熱した場合には、無加圧接合あるいは自重加圧接合では接合能力(接着能力)が低いという問題が判明した。   However, there are the following problems when performing the bonding process on the workpieces by the above-described pressureless bonding or self-weight pressure bonding. That is, when heated using a conductive paste other than silver, it has been found that the bonding ability (adhesion ability) is low in pressureless bonding or self-pressure bonding.

また、導電性ペーストとして銀や酸化銀を採用したとしても、銀などを含んだ導電性ペーストの使用により、ハンダの使用と比較すると温度も高温化している。したがって、銅(Cu)等の酸化しやすい金属からなるフレーム材料(例えばリードフレーム)を使用して被処理物に接合する際には、フレーム材料の酸化を防止するために還元雰囲気もしくは無酸素雰囲気で焼成する必要がある。その場合には、導電性ペースト自体が、還元雰囲気もしくは無酸素雰囲気により焼成し難く、接合することができない等の問題が発生する。   Further, even when silver or silver oxide is used as the conductive paste, the use of a conductive paste containing silver or the like causes the temperature to be higher than that of solder. Therefore, when a frame material (for example, a lead frame) made of an easily oxidizable metal such as copper (Cu) is used to join a workpiece, a reducing atmosphere or an oxygen-free atmosphere is used to prevent the frame material from being oxidized. Need to be fired. In that case, the conductive paste itself is difficult to be fired in a reducing atmosphere or an oxygen-free atmosphere, and problems such as being unable to be bonded occur.

さらに、接合することができたとしても、すぐに大気にさらすと酸化するので、無酸素雰囲気で長時間かけて冷却する必要がある。このように、処理の短時間化なども望まれている。   Furthermore, even if it can be joined, it will oxidize if exposed immediately to the atmosphere, so it must be cooled for a long time in an oxygen-free atmosphere. In this way, shortening of processing time is also desired.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、接合能力が高い接合方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a situation, Comprising: It aims at providing the joining method with high joining capability.

発明者らは、上記の問題を解決するために鋭意研究した結果、次のような知見を得た。   As a result of earnest research to solve the above problems, the inventors have obtained the following knowledge.

すなわち、導電性ペーストには、金や銀や銅やその酸化物の微粒子を溶かすための溶剤や、金や銀や銅やその酸化物の微粒子を分散させるための分散剤が含まれている。金や銀や銅やその酸化物の微粒子を焼結させるために加熱を行うと分散剤が気化して、導電性ペーストにボイド(空隙)が生じて、無加圧接合あるいは自重加圧接合程度の圧力ではボイドが抜けずに接合能力が低いことが判明した。そこで、上述の特許文献3に着目して、加熱処理と真空処理とを組み合わせた複合加熱の場合には、真空によりボイドがなくなり、無加圧接合あるいは自重加圧接合でも接合能力が高くなるという発想に至った。   That is, the conductive paste contains a solvent for dissolving fine particles of gold, silver, copper, and oxides thereof, and a dispersant for dispersing fine particles of gold, silver, copper, and oxides thereof. When heated to sinter the fine particles of gold, silver, copper, and oxides thereof, the dispersant vaporizes and voids are generated in the conductive paste. It was found that the bonding ability was low without the voids being removed at the pressure of. Therefore, paying attention to the above-mentioned Patent Document 3, in the case of combined heating in which heat treatment and vacuum treatment are combined, voids disappear due to the vacuum, and the joining ability increases even in pressureless joining or self-pressure joining. I came up with an idea.

一方で、金属の結合状態に着目してみれば、加熱によって金や銀や銅やその酸化物の微粒子が焼結したとしても、金属同士の結合が弱く接合能力が低いことが判明した。そこで、同じく上述の特許文献3に着目して、加熱処理とプラズマ処理とを組み合わせた複合加熱の場合には、プラズマ処理により金属同士の結合を強めて金属化を図ることができ、無加圧接合あるいは自重加圧接合でも接合能力が高くなるという発想に至った。   On the other hand, when focusing attention on the bonding state of the metal, it was found that even when the fine particles of gold, silver, copper, and oxides thereof were sintered by heating, the bonding between the metals was weak and the bonding ability was low. Accordingly, paying attention to the above-mentioned Patent Document 3 as well, in the case of the combined heating in which the heat treatment and the plasma treatment are combined, the metal treatment can be achieved by strengthening the bond between the metals by the plasma treatment. The inventors have come up with the idea that bonding capability is increased even in bonding or self-pressure bonding.

以上の理由により、加熱処理・真空処理・プラズマ処理を複合した処理を接合に適用すれば接合能力が高くなることが考えられる。なお、これらの微粒子は、上述したように導電性ペーストの場合にはナノサイズ〜1ミクロン以下のサイズからなる。一方、接合の厚みは最大でも数100μm程度である。よって、ナノサイズ〜1ミクロン以下のサイズからなる微粒子を互いに並べると、図3(a)の模式図に示すように横方向に互いに隣接する微粒子の隙間は小さくなると考えられる。   For the above reasons, it is conceivable that the bonding capability can be enhanced by applying a combination of heat treatment, vacuum treatment, and plasma treatment to the bonding. These fine particles have a size of nano size to 1 micron or less in the case of the conductive paste as described above. On the other hand, the maximum thickness of the junction is about several hundreds of micrometers. Therefore, when fine particles having a size of nano size to 1 micron or less are arranged with each other, it is considered that the gap between the fine particles adjacent to each other in the lateral direction becomes small as shown in the schematic diagram of FIG.

一方で、フレーク形状を積み重ねると、図3(b)の模式図に示すようにフレーク同士の接触面積が増えて、かつ金属内部に残っている応力(以下、「残留応力」と呼ぶ)(図3(b)中の矢印を参照)がバネの役割を果たし、上下方向に関しては接合能力が図3(a)のときよりも高まると考えられる。   On the other hand, when flake shapes are stacked, as shown in the schematic diagram of FIG. 3B, the contact area between the flakes increases and the stress remaining in the metal (hereinafter referred to as “residual stress”) (FIG. 3 (b) (see arrow in FIG. 3) plays a role of a spring, and it is considered that the joining ability is higher than that in FIG. 3 (a) in the vertical direction.

なお、フレーク形状の隙間については、プラズマ処理を行うことにより原子レベルで結合が起こるので、プラズマ処理を組み合わせた粒子間(ここではフレーク間)の固相焼結接合を実現することができるという知見を得た。   In addition, about the gap of flake shape, since the bonding occurs at the atomic level by performing the plasma treatment, the knowledge that solid-phase sintering joining between particles (here between the flakes) combined with the plasma treatment can be realized. Got.

このような知見に基づく本発明は、次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係る接合方法は、金属または金属酸化物の微粒子を焼結させて被処理物に対して接合処理を行う接合方法であって、接合の対象となる複数の前記被処理物のうち、少なくとも1つは半導体であり、プラズマ中のイオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御して、機械的応力により前記微粒子から整形されたフレークを用いて、当該フレークを介在させた前記被処理物に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理過程を備えることで、前記フレークを焼結させて前記被処理物に対して接合処理を行うことを特徴とするものである。
The present invention based on such knowledge has the following configuration.
That is, the joining method according to the present invention is a joining method in which fine particles of metal or metal oxide are sintered and a joining process is performed on the objects to be processed. Among them, at least one is a semiconductor, and the relative amount of radicals with respect to ions in the plasma is controlled to be increased , and flakes shaped from the fine particles by mechanical stress are used to interpose the flakes. By providing a plasma treatment process for performing plasma treatment on the workpiece, the flakes are sintered and the joining treatment is performed on the workpiece.

本発明に係る接合方法によれば、機械的応力により金属または金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを用いて、プラズマ処理過程は、当該フレークを介在させた被処理物に対してプラズマ処理を行う。フレーク同士の接触面積を増やし、かつフレーク内部に残留応力を加える。さらに、プラズマ処理により金属の拡散が促進されるので、接合能力が高くなる。また、従来の(プラズマ処理を行わない)加熱接合処理と比べて処理時間を短縮させることができ、処理効率が向上して生産性に大きく寄与するという効果をも奏する。   According to the bonding method of the present invention, using the flakes shaped from the fine particles of metal or metal oxide by mechanical stress, the plasma treatment process performs the plasma treatment on the object to be treated with the flakes interposed. Do. Increase the contact area between the flakes and apply residual stress inside the flakes. Furthermore, since the diffusion of the metal is promoted by the plasma treatment, the bonding ability is increased. Further, the processing time can be shortened as compared with the conventional heat bonding process (without performing plasma processing), and the processing efficiency is improved and the effect of greatly contributing to the productivity is also achieved.

上述した本発明において、プラズマ中のイオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御して、プラズマ処理を行うイオンにより被処理物がダメージを受ける可能性があるので、イオンを遮断する、あるいはイオンをラジカル化して、イオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御することで、イオンにより被処理物へダメージを与えることなく接合処理を行うことができる。特に、接合の対象となる複数の被処理物のうち、少なくとも1つが半導体の場合には、イオンによる半導体のダメージが大きくなるので、イオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御することで、イオンにより半導体へダメージを与えることなく接合処理を行うことができる。 In the present invention described above, the plasma treatment is performed while controlling the relative amount of radicals to ions in the plasma to be increased . Since the workpiece may be damaged by the ions, the ions can be damaged by blocking the ions or radicalizing the ions so that the amount of radicals relative to the ions increases. It is possible to perform the bonding process without imparting the above. In particular, when at least one of a plurality of objects to be bonded is a semiconductor, semiconductor damage due to ions increases, so by controlling so that the relative amount of radicals to ions increases, Bonding can be performed without damaging the semiconductor by the ions.

上述した本発明において、接合の対象となる複数の被処理物のうち、少なくとも1つは半導体である。大面積化された半導体を金属または金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを用いて接合する場合であっても、真空状態により接合能力が高い状態で無加圧接合あるいは自重加圧接合を行うことができ、半導体へダメージを与えることなく金属の選択性が広まるという効果をも奏する。よって、金や銀などの貴金属のみならず、銅や錫や亜鉛やアルミニウムなどの卑金属もしくはそれらの合金を選択することができる。したがって、より安価で同等の電気・熱伝導・接合特性を有する接合材料を求めることができる。   In the present invention described above, at least one of the plurality of objects to be bonded is a semiconductor. Even when a large-sized semiconductor is bonded using flakes formed from metal or metal oxide fine particles, pressureless bonding or self-pressure bonding is performed in a state where the bonding capability is high due to a vacuum state. It is also possible to increase the metal selectivity without damaging the semiconductor. Therefore, not only precious metals such as gold and silver but also base metals such as copper, tin, zinc and aluminum or alloys thereof can be selected. Therefore, it is possible to obtain a bonding material that is cheaper and has equivalent electric / thermal conduction / bonding characteristics.

また、上述した本発明において、プラズマ処理過程の後で、無酸素で希ガス、窒素あるいは水素を含んだ冷却ガスにより、被処理物を収容する処理部を冷却するのが好ましい。プラズマ処理過程の後で、無酸素で希ガス、窒素あるいは水素を含んだ冷却ガスにより処理部を冷却することにより、還元効果を有しつつ酸化防止とともに、ステージ温度にまで強制的に冷却する。よって、無酸素雰囲気で長時間かけて冷却する必要がなく、還元効果を有しつつ酸化防止とともに、処理時間を短縮化させることができる。特に、銅等の酸化しやすい金属ならなるフレーム材料を使用して被処理物に接合する場合や接合材料としてイオン化傾向が水素よりも大きい卑金属などの酸化しやすい材料を選択する場合であっても、プラズマ処理過程では金属または金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを含む接着剤自体を焼成することができ、プラズマ処理過程の段階で接合することができる。さらに、プラズマ処理過程の後でフレーム材料や接合材料を即座に冷却して、フレーム材料や接合材料の酸化を防止しつつ処理時間を短縮化させることができる。なお、金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを還元効果により接合に用いることが可能になる。   In the present invention described above, it is preferable to cool the processing portion containing the object to be processed with a cooling gas containing noble gas, nitrogen or hydrogen without oxygen after the plasma processing process. After the plasma treatment process, the treatment part is cooled by a cooling gas containing noble gas, nitrogen or hydrogen without oxygen, thereby forcibly cooling to the stage temperature as well as preventing oxidation while having a reducing effect. Therefore, it is not necessary to cool for a long time in an oxygen-free atmosphere, and the treatment time can be shortened while preventing oxidation while having a reducing effect. In particular, even when joining a workpiece using a frame material made of an easily oxidizable metal such as copper, or when selecting an easily oxidizable material such as a base metal having a higher ionization tendency than hydrogen as the joining material. In the plasma treatment process, the adhesive itself containing flakes shaped from fine particles of metal or metal oxide can be baked, and can be joined at the stage of the plasma treatment process. Furthermore, the frame material and the bonding material can be immediately cooled after the plasma processing process, and the processing time can be shortened while preventing the frame material and the bonding material from being oxidized. Note that flakes shaped from metal oxide fine particles can be used for bonding due to the reduction effect.

冷却ガスの一例は、希ガスを含んだガスであり、プラズマ処理過程において上述の希ガスを含んだガスを用いてプラズマ処理を行い、プラズマ処理過程の後でプラズマ処理と同じガスを用いて処理部を冷却することである。この場合には、プラズマ処理過程およびその後の冷却において同じ希ガスを含んだガスを用いて処理を行うことができるので、プラズマ処理過程の段階から還元処理を行いつつ処理時間をより一層短縮化させることができる。また、ガスの消費量も抑えることができる。   An example of the cooling gas is a gas containing a rare gas, and a plasma treatment is performed using the gas containing the rare gas described above in the plasma treatment process, and a treatment using the same gas as the plasma treatment is performed after the plasma treatment process. Cooling the part. In this case, since it is possible to perform processing using a gas containing the same noble gas in the plasma processing step and the subsequent cooling, the processing time is further shortened while performing reduction processing from the stage of the plasma processing step. be able to. In addition, gas consumption can be reduced.

また、プラズマ処理過程の後での冷却の有無を問わずに、水素単体を用いてプラズマ処理を行ってもよい。水素は還元効果があるので、プラズマ処理過程の段階で還元処理を行うことができる。また、安全性の向上を考えると、ヘリウム単体あるいはヘリウムと水素との混合ガスを用いてプラズマ処理を行うのがより好ましい。また、水素やヘリウムでは原子番号が小さく分子サイズの大きい元素と比べて内部へ浸透するので、被処理物の表面へのダメージを緩和させつつ還元処理において拡散しやすいという効果をも奏する。   Moreover, you may perform a plasma process using a hydrogen simple substance regardless of the presence or absence of the cooling after a plasma processing process. Since hydrogen has a reducing effect, the reduction treatment can be performed at the stage of the plasma treatment process. In view of improving safety, it is more preferable to perform plasma treatment using helium alone or a mixed gas of helium and hydrogen. Further, since hydrogen and helium penetrate into the inside as compared with an element having a small atomic number and a large molecular size, there is also an effect that it is easily diffused in the reduction treatment while alleviating damage to the surface of the object to be treated.

本発明に係る接合方法によれば、機械的応力により金属または金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを用いて、プラズマ処理過程は、当該フレークを介在させた被処理物に対してプラズマ処理を行うことで、接合能力が高くなる。また、従来の(プラズマ処理を行わない)加熱接合処理と比べて処理時間を短縮させることができ、処理効率が向上して生産性に大きく寄与するという効果をも奏する。
さらに、接合の対象となる複数の被処理物のうち、少なくとも1つは半導体であり、プラズマ中のイオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御して、プラズマ処理を行う。イオンによる半導体のダメージが大きくなるので、イオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御することで、イオンにより半導体へダメージを与えることなく接合処理を行うことができる。
According to the bonding method of the present invention, using the flakes shaped from the fine particles of metal or metal oxide by mechanical stress, the plasma treatment process performs the plasma treatment on the object to be treated with the flakes interposed. By doing so, the bonding ability is increased. Further, the processing time can be shortened as compared with the conventional heat bonding process (without performing plasma processing), and the processing efficiency is improved and the effect of greatly contributing to the productivity is also achieved.
Further, at least one of the plurality of objects to be bonded is a semiconductor, and plasma processing is performed by controlling the relative amount of radicals to ions in plasma to be increased. Since damage to the semiconductor due to ions increases, the bonding process can be performed without damaging the semiconductor due to ions by controlling the relative amount of radicals relative to ions to be increased.

実施例に係る接合装置の概略図である。It is the schematic of the joining apparatus which concerns on an Example. 実施例に係る接合方法の一連の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a series of flows of the joining method which concerns on an Example. (a)は微粒子の接合状態の模式図、(b)はフレークの接合状態の模式図である。(A) is a schematic diagram of the joining state of microparticles, (b) is a schematic diagram of the joining state of flakes.

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図1は、実施例に係る接合装置の概略図である。本実施例では、実装基板やリードフレームなどを含むフレームに、ダイシングされた半導体チップを接合して実装(マウント)するダイボンディングを例に採って説明する。したがって、本実施例では、接合の対象となる被処理物として、半導体チップおよびフレームを例に採って説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a joining apparatus according to an embodiment. In the present embodiment, description will be made by taking an example of die bonding in which a diced semiconductor chip is bonded and mounted (mounted) on a frame including a mounting substrate and a lead frame. Therefore, in the present embodiment, a semiconductor chip and a frame will be described as an example of objects to be bonded.

本実施例では、接合装置は、図1に示すように、チャンバー1を備えており、チャンバー1内に電気ヒータ2を備えている。チャンバー1の内部を減圧して真空にするために真空ポンプ3を設けている。本実施例では、チャンバー1は、本発明における処理部に相当する。   In this embodiment, as shown in FIG. 1, the bonding apparatus includes a chamber 1 and an electric heater 2 in the chamber 1. A vacuum pump 3 is provided in order to reduce the pressure inside the chamber 1 to make a vacuum. In this embodiment, the chamber 1 corresponds to the processing unit in the present invention.

その他に、接合装置は、導電性ペーストPを介在させた半導体チップCおよびフレームFを載置するステージ4を備えている。ステージ4内に上述の電気ヒータ2を設けている。フレームFにおいて実装基板にメッキや配線等が施されており、半導体チップCにはバックメタルあるいは電極が設けられているが、これらについては図示を省略する。半導体チップCについては、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)などの半導体を使用する。実装基板については、放熱のための金属基板、配線間ではガラスエポキシ基板、セラミック基板などの絶縁基板を使用する。導電性ペーストPについては、機械的応力により金属または金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを含んだペーストを使用する。半導体チップCおよびフレームFは、本発明における被処理物に相当する。   In addition, the bonding apparatus includes a stage 4 on which the semiconductor chip C and the frame F with the conductive paste P interposed are placed. The electric heater 2 described above is provided in the stage 4. In the frame F, the mounting substrate is plated or wired, and the semiconductor chip C is provided with back metal or electrodes, but these are not shown. For the semiconductor chip C, a semiconductor such as silicon (Si), silicon carbide (SiC), or gallium nitride (GaN) is used. As the mounting substrate, a metal substrate for heat dissipation and an insulating substrate such as a glass epoxy substrate or a ceramic substrate are used between the wirings. For the conductive paste P, a paste containing flakes shaped from metal or metal oxide fine particles by mechanical stress is used. The semiconductor chip C and the frame F correspond to objects to be processed in the present invention.

本実施例のように真空ポンプ3による真空状態で導電性ペーストPを用いて接合する場合では、真空状態により接合能力が高い状態で無加圧接合あるいは自重加圧接合を行うことができる。よって、金属の選択性が広まり、金や銀などの貴金属以外の金属も使用することができる。特に、銅や錫や亜鉛やアルミニウムなどの卑金属もしくはそれらの合金などを使用することができる。   In the case where bonding is performed using the conductive paste P in a vacuum state by the vacuum pump 3 as in this embodiment, pressureless bonding or self-weight pressure bonding can be performed in a state where the bonding capability is high due to the vacuum state. Therefore, metal selectivity is widened, and metals other than noble metals such as gold and silver can be used. In particular, base metals such as copper, tin, zinc, and aluminum, or alloys thereof can be used.

本実施例ではプラズマ処理の他に還元を行う。したがって、導電性ペーストPについては、金属の微粒子から整形されたフレークを含んだペーストを使用してもよいし、金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを含んだペーストを還元効果により使用してもよい。   In this embodiment, reduction is performed in addition to the plasma treatment. Therefore, as the conductive paste P, a paste containing flakes shaped from metal fine particles may be used, or a paste containing flakes shaped from metal oxide fine particles may be used due to the reduction effect. Also good.

また、基材(ここではフレームF)やチップ(ここでは半導体チップP)の材料・温度特性に応じて金属を選択することが可能であるので、金属部への選択的な処理により基材やチップへの温度によるダメージを低減させることができるという効果をも奏する。さらには、例えば金属による温度上昇率の違いからアルミニウムパッド(アルミパッド)が設けられたチップについても、アルミニウムの温度を上昇させずに接続部の金属を選択的に温度上昇させることも可能である。なお、半導体チップについてSiCのような脆い物質を使用したとしても、無加圧接合の場合にはダメージを受けることはない。   In addition, the metal can be selected according to the material and temperature characteristics of the base material (here, the frame F) and the chip (here, the semiconductor chip P). There is also an effect that damage to the chip due to temperature can be reduced. Furthermore, for example, a chip provided with an aluminum pad (aluminum pad) due to the difference in the rate of temperature rise due to metal can also selectively raise the temperature of the metal at the connection without raising the temperature of aluminum. . Even if a brittle material such as SiC is used for the semiconductor chip, it is not damaged in the case of pressureless bonding.

また、導電性ペーストPについては、上述したように、金や銀などの貴金属を使用してもよいし、銅や錫や亜鉛やアルミニウムなどの卑金属もしくはそれらの合金を使用してもよい。また、導電性ペーストPは、従来のようなナノサイズ〜1ミクロン以下の金属の微粒子ではなく、機械的応力により微粒子から整形されたフレークを含んだペーストを用いる。ここでフレークは、球状の粒子を叩くような物理的処理によりフレーク形状に整形されたものである。また、「機械的応力」は上述の物理的処理をも意味する。フレークの大きさはマイクロメータサイズであればよく、長径が1μm〜100μm、好ましくは1μm〜数10μmが適切である。   As for the conductive paste P, as described above, a noble metal such as gold or silver may be used, or a base metal such as copper, tin, zinc or aluminum or an alloy thereof may be used. The conductive paste P is not a conventional metal fine particle having a nano size of 1 micron or less, but a paste containing flakes shaped from fine particles by mechanical stress. Here, the flakes are shaped into a flake shape by physical treatment such as hitting spherical particles. “Mechanical stress” also refers to the physical treatment described above. The size of the flakes may be a micrometer size, and the major axis is 1 μm to 100 μm, preferably 1 μm to several tens of μm.

このサイズを使用することにより、ナノペースト(ナノサイズ〜1ミクロン以下の微粒子を含んだ導電性ペースト)に必要であった分散剤の量を減らす、もしくは不要にすることが可能になる。また、この導電性ペーストでの分散剤の量を減らすことにより、塗布後からの収縮量を減らすことができるようになるという効果をも奏する。   By using this size, it is possible to reduce or eliminate the amount of the dispersant required for the nano paste (conductive paste containing fine particles of nano size to 1 micron or less). Further, by reducing the amount of the dispersant in the conductive paste, there is an effect that the amount of shrinkage after application can be reduced.

図1では、ステージ4内に電気ヒータ2を設けているが、必ずしもステージ4内に電気ヒータ2を設ける必要はなく、導電性ペーストPを介在させた半導体チップCおよびフレームFの近傍に電気ヒータ2を設けてもよい。また、必ずしも電気ヒータ2である必要はなく、SiCからなるマイクロ波加熱ヒータや、ランプヒータなどに例示されるように、通常において加熱処理に用いられる加熱部であれば、チャンバー1内に設けられる加熱部については特に限定されない。   In FIG. 1, the electric heater 2 is provided in the stage 4, but the electric heater 2 is not necessarily provided in the stage 4, and the electric heater is provided in the vicinity of the semiconductor chip C and the frame F with the conductive paste P interposed. 2 may be provided. Further, the electric heater 2 is not necessarily required. As illustrated in a microwave heater or a lamp heater made of SiC, a heating unit that is normally used for heat treatment is provided in the chamber 1. The heating unit is not particularly limited.

この他に、接合装置は、プラズマのためのガス(図1では「Gas」で表記)を供給する供給流路5と、多数の孔6aを有してプラズマ中のイオンを遮断してラジカルのみを孔6aを介して通すパンチングメタル6とを備えている。図1では供給流路5を2つ図示しているが、単数であってもよいし、3つ以上であってもよい。プラズマのためのガス(プロセスガス)については、水素(H)や酸素や窒素の他に、アルゴン(Ar)やヘリウム(He)などの希ガスを用いる。In addition, the bonding apparatus has a supply flow path 5 for supplying a gas for plasma (indicated by “Gas” in FIG. 1) and a large number of holes 6a to block ions in the plasma and only radicals. And a punching metal 6 that passes through the hole 6a. Although two supply flow paths 5 are illustrated in FIG. 1, the number may be single or three or more. As a gas (process gas) for plasma, a rare gas such as argon (Ar) or helium (He) is used in addition to hydrogen (H 2 ), oxygen, or nitrogen.

特に、本実施例の場合には、プラズマ処理過程の後で、無酸素で希ガス、窒素あるいは水素を含んだ冷却ガスによりチャンバー1を冷却する。プラズマ処理と同じガスを用いてチャンバー1を冷却する場合には、プラズマのためのガス(プロセスガス)については、希ガスを含んだガスを用いる。特に、プラズマ処理と同じガスを用いてチャンバー1を冷却する場合には、ヘリウムを含んだガスが最適である。   In particular, in the case of the present embodiment, after the plasma treatment process, the chamber 1 is cooled by a cooling gas containing noble gas, nitrogen or hydrogen without oxygen. When the chamber 1 is cooled using the same gas as that used in the plasma treatment, a gas containing a rare gas is used as a plasma gas (process gas). In particular, when the chamber 1 is cooled using the same gas as in the plasma treatment, a gas containing helium is optimal.

ヘリウムは、分子サイズの大きい元素と比べて内部へ浸透するので、半導体チップCやフレームFなどの被処理物の表面へのダメージがより一層緩和される。なお、ヘリウムを含んだガスであれば、ヘリウムと別の元素との混合ガスであってもよいし、ヘリウム単体であってもよい。特に、ヘリウムを含んだガスはヘリウムと水素(H)との混合ガスの場合には、水素による還元効果を有しつつ冷却することができる。また、ヘリウムと同様に、水素も分子サイズの大きい元素と比べて内部へ浸透するので、半導体チップCやフレームFなどの被処理物の表面へのダメージがより一層緩和されるという効果をも奏する。Since helium penetrates into the interior as compared with an element having a large molecular size, damage to the surface of an object to be processed such as the semiconductor chip C or the frame F is further alleviated. As long as the gas contains helium, it may be a mixed gas of helium and another element, or helium alone. In particular, when the gas containing helium is a mixed gas of helium and hydrogen (H 2 ), it can be cooled while having a reduction effect by hydrogen. Further, like helium, hydrogen penetrates into the inside as compared with an element having a large molecular size, so that the damage to the surface of an object to be processed such as the semiconductor chip C or the frame F is further reduced. .

また、プラズマ処理と別のガスを用いてチャンバー1を冷却する場合には、必ずしも希ガスを含んだ冷却ガスでなくてもよい。例えば、冷却ガスは窒素を含んだガスであってもよい。ただし、チャンバー1内において、プラズマのためのガス(プロセスガス)から、窒素を含んだガスに置換する必要はなく、冷却可能な量まで、供給流路5を通してチャンバー1内に窒素を含んだガスを供給して冷却を行えばよい。窒素により冷却を行うことができる。   Further, when the chamber 1 is cooled using a gas different from the plasma treatment, the cooling gas may not necessarily include a rare gas. For example, the cooling gas may be a gas containing nitrogen. However, in the chamber 1, it is not necessary to replace the gas for plasma (process gas) with a gas containing nitrogen, and the gas containing nitrogen in the chamber 1 through the supply flow path 5 to an amount that can be cooled. May be supplied for cooling. Cooling can be performed with nitrogen.

供給流路5を通してチャンバー1内にガスを供給して、プロセスガスにマイクロ波等のエネルギー(図1では「Power」で表記)を付加することにより、プラズマをチャンバー1内で発生させる。そして、ステージ4に載置された半導体チップCおよびフレームFに対してプラズマ処理を行う。プロセスガスにマイクロ波等のエネルギーを付加する以外にも、電力を電極(図示省略)に印加して、プラズマ放電によりプラズマをチャンバー1内で発生させてもよい。   Plasma is generated in the chamber 1 by supplying a gas into the chamber 1 through the supply channel 5 and adding energy such as microwaves (indicated as “Power” in FIG. 1) to the process gas. Then, plasma processing is performed on the semiconductor chip C and the frame F placed on the stage 4. In addition to adding energy such as microwaves to the process gas, power may be applied to electrodes (not shown) to generate plasma in the chamber 1 by plasma discharge.

パンチングメタル6については、イオンを遮断してラジカルを通す金属であれば、特に限定されない。なお、パンチングメタル6を接地していてもよいし、チャンバー1内に単に設置してもよい。   The punching metal 6 is not particularly limited as long as it is a metal that blocks ions and allows radicals to pass. The punching metal 6 may be grounded or simply installed in the chamber 1.

続いて、本実施例に係る接合方法について、図2を参照して説明する。図2は、実施例に係る接合方法の一連の流れを示すフローチャートである。電気ヒータ2を用いていることにより、図2では、大気圧下で熱を均一に分布させるために、先ずステップS1を行うものとして説明する。   Next, the bonding method according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart showing a series of flows of the joining method according to the embodiment. Since the electric heater 2 is used, FIG. 2 will be described assuming that step S1 is first performed in order to uniformly distribute heat under atmospheric pressure.

(ステップS1)大気圧下での加熱
先ず、大気圧の状態で電気ヒータ2を作動させて、チャンバー1内を大気圧下で加熱する。大気圧下で加熱することにより、大気圧下で熱を均一に分布させる。
(Step S1) Heating under atmospheric pressure First, the electric heater 2 is operated under atmospheric pressure to heat the chamber 1 under atmospheric pressure. By heating under atmospheric pressure, heat is evenly distributed under atmospheric pressure.

(ステップS2)半導体チップおよびフレームの載置
大気圧の状態で電気ヒータ2を作動させ続けた状態で、機械的応力により微粒子から整形されたフレークを含む導電性ペーストPを介在させた半導体チップCおよびフレームFをステージ4に載置する。
(Step S2) Placement of Semiconductor Chip and Frame Semiconductor Chip C with Conductive Paste P Containing Flakes Shaped from Fine Particles by Mechanical Stress with Electric Heater 2 Continued to Operate at Atmospheric Pressure The frame F is placed on the stage 4.

(ステップS3)加熱処理
大気圧の状態で電気ヒータ2を作動させ続けた状態で、導電性ペーストPを介在させた半導体チップCおよびフレームFをステージ4に載置すると、ステージ4内に設けられた電気ヒータ2が半導体チップCおよびフレームFを加熱することで、大気圧で半導体チップCおよびフレームFに対して加熱処理を行う。
(Step S3) Heat Treatment When the semiconductor chip C and the frame F with the conductive paste P interposed are placed on the stage 4 in a state where the electric heater 2 is kept operating at atmospheric pressure, it is provided in the stage 4. When the electric heater 2 heats the semiconductor chip C and the frame F, the semiconductor chip C and the frame F are heated at atmospheric pressure.

(ステップS4)真空引き・真空処理
電気ヒータ2を作動させ続けた状態で、加熱処理後で半導体チップCおよびフレームFをステージ4に載置してチャンバー1内に収容した状態でチャンバー1の内部を真空ポンプ3により減圧して真空にする真空引きを行う。この真空引きによって、チャンバー1内は真空となるので、真空で半導体チップCおよびフレームFを処理することになる。そして、真空にした状態で電気ヒータ2を作動させ続けることで、真空にした状態で加熱処理を引き続き行う。
(Step S4) Vacuuming / Vacuum Processing Inside the chamber 1 with the semiconductor chip C and the frame F placed on the stage 4 and accommodated in the chamber 1 after the heat treatment with the electric heater 2 kept operating. The vacuum pump 3 is evacuated by reducing the pressure using a vacuum pump 3. Due to this evacuation, the inside of the chamber 1 is evacuated, so that the semiconductor chip C and the frame F are processed in a vacuum. Then, by continuing to operate the electric heater 2 in a vacuum state, the heat treatment is continuously performed in a vacuum state.

(ステップS5)プラズマ発生
ステップS3,S4での加熱処理後、さらにはステップS4での真空処理後の半導体チップCおよびフレームFをステージ4に載置してチャンバー1内に収容した状態で、供給通路5を通して、チャンバー1内にガスを所定の圧力(例えば20パスカル程度)に達するまで供給する。そして、プロセスガスにマイクロ波等のエネルギー(図1では「Power」で表記)を付加することにより、プラズマをチャンバー1内で発生させる。なお、半導体チップCおよびフレームFをチャンバー1内に収容することで、半導体チップCやフレームFまたはプラズマ発生のいずれかに支障が生じる場合には、次のステップS6まで必要に応じて半導体チップCおよびフレームFをチャンバー1から一旦引き揚げてもよい。
(Step S5) Plasma generation After the heat treatment in steps S3 and S4, and further after the vacuum treatment in step S4, the semiconductor chip C and the frame F are placed on the stage 4 and accommodated in the chamber 1 and supplied. Gas is supplied through the passage 5 into the chamber 1 until a predetermined pressure (for example, about 20 Pascals) is reached. Then, plasma energy is generated in the chamber 1 by adding energy such as microwaves (indicated as “Power” in FIG. 1) to the process gas. In the case where the semiconductor chip C and the frame F are accommodated in the chamber 1 and any of the semiconductor chip C, the frame F, or the plasma generation is disturbed, the semiconductor chip C is necessary as necessary until the next step S6. The frame F may be once lifted from the chamber 1.

(ステップS6)プラズマ処理
半導体チップCおよびフレームFをステージ4に載置してチャンバー1内に収容した状態で、半導体チップCおよびフレームFに対してプラズマ処理を行う。イオンにより半導体チップCやフレームFがダメージを受ける可能性があるので、それを防止するためにパンチングメタル6によりイオンを遮断して、イオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御する。このステップS6は、本発明におけるプラズマ処理過程に相当する。
(Step S6) Plasma Processing With the semiconductor chip C and the frame F placed on the stage 4 and accommodated in the chamber 1, the semiconductor chip C and the frame F are subjected to plasma processing. Since the semiconductor chip C and the frame F may be damaged by the ions, in order to prevent the damage, the ions are blocked by the punching metal 6 and controlled so that the relative amount of radicals to the ions is increased. This step S6 corresponds to the plasma processing process in the present invention.

(ステップS7)チャンバーの冷却
ステップS6でのプラズマ処理過程の後で、無酸素で希ガス、窒素あるいは水素を含んだ冷却ガスによりチャンバー1を冷却する。プラズマ処理と同じガスを用いてチャンバー1を冷却する場合には、マイクロ波等のエネルギーの停止のみを行えばよい。なお、冷却可能な量にガスが満たない場合には、適宜、供給流路5を通してチャンバー1内にガスを供給する。また、プラズマ処理とは別のガスを用いてチャンバー1を冷却する場合には、上述したように冷却可能な量まで、供給流路5を通してチャンバー1内にガスを供給して冷却を行う。
(Step S7) Chamber Cooling After the plasma treatment process in step S6, the chamber 1 is cooled by a cooling gas containing noble gas, nitrogen or hydrogen without oxygen. When the chamber 1 is cooled using the same gas as the plasma treatment, only energy such as microwaves needs to be stopped. If the amount of gas that can be cooled is not sufficient, the gas is appropriately supplied into the chamber 1 through the supply channel 5. Further, when the chamber 1 is cooled using a gas different from the plasma treatment, the gas is supplied into the chamber 1 through the supply flow path 5 and cooled to an amount that can be cooled as described above.

(ステップS8)半導体チップおよびフレームがない?
ステップS6でのプラズマ処理後、さらにステップS7での冷却後の半導体チップCおよびフレームFをチャンバー1から引き揚げる。枚葉処理の対象となる半導体チップCおよびフレームFがなくなるまで、プロセスガス充填状態から大気圧下に戻してステップS1に戻ってステップS1〜S8を繰り返し行う枚葉処理を行う。すなわち、ステップS1〜S8での処理をそれぞれ行った後で次の半導体チップCおよびフレームFをステージ4に載置することを繰り返すことで枚葉処理を行う。枚葉処理の対象となる半導体チップCおよびフレームFがなくなれば、一連の接合処理を終了する。
(Step S8) Are there semiconductor chips and frames?
After the plasma processing in step S6, the semiconductor chip C and the frame F after cooling in step S7 are lifted from the chamber 1. Until there are no semiconductor chips C and frames F to be subjected to the single wafer process, the process gas filling state is returned to the atmospheric pressure, and the process returns to step S1 to repeat steps S1 to S8. That is, the single wafer processing is performed by repeatedly placing the next semiconductor chip C and the frame F on the stage 4 after performing the processing in steps S1 to S8. When the semiconductor chip C and the frame F to be subjected to the single wafer processing are eliminated, a series of joining processes is finished.

なお、次の半導体チップCおよびフレームFをステージ4に載置する際に、熱の均一性に影響がなければ、必ずしもプロセスガス充填状態から大気圧下に戻してステップS1に戻る必要はなく、ステップS8からステップS2に戻って、ステップS2〜S8を繰り返し行えばよい。すなわち、プロセスガスあるいは冷却ガスでステップS1での大気圧下での加熱が代用できるのであれば、ガス抜きを行わずに大気圧下に戻せばよい。   When the next semiconductor chip C and the frame F are placed on the stage 4, it is not always necessary to return from the process gas filling state to the atmospheric pressure and return to step S1 as long as the heat uniformity is not affected. Returning to step S2 from step S8, steps S2 to S8 may be repeated. In other words, if heating at atmospheric pressure in step S1 can be substituted with process gas or cooling gas, the gas may be returned to atmospheric pressure without degassing.

本実施例に係る接合方法によれば、機械的応力により金属または金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを用いて、ステップS6でのプラズマ処理過程は、当該フレークを介在させた半導体チップCおよびフレームFに対してプラズマ処理を行う。フレーク同士の接触面積を増やし、かつフレーク内部に残留応力を加える。さらに、プラズマ処理により金属の拡散が促進されるので、接合能力が高くなる。また、従来の(プラズマ処理を行わない)加熱接合処理と比べて処理時間を短縮させることができ、処理効率が向上して生産性に大きく寄与するという効果をも奏する。   According to the bonding method according to the present embodiment, using the flakes shaped from the fine particles of metal or metal oxide by mechanical stress, the plasma processing process in step S6 includes the semiconductor chip C and the flakes interposed therebetween. Plasma processing is performed on the frame F. Increase the contact area between the flakes and apply residual stress inside the flakes. Furthermore, since the diffusion of the metal is promoted by the plasma treatment, the bonding ability is increased. Further, the processing time can be shortened as compared with the conventional heat bonding process (without performing plasma processing), and the processing efficiency is improved and the effect of greatly contributing to the productivity is also achieved.

本実施例では、プラズマ中のイオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御して、プラズマ処理を行うのが好ましい。本実施例では、パンチングメタル6によりイオンを遮断して、イオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御する。イオンにより半導体チップCやフレームFがダメージを受ける可能性があるので、イオンを遮断して、イオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御することで、イオンにより半導体チップCやフレームFへダメージを与えることなく接合処理を行うことができる。特に、本実施例のように、接合の対象となる複数(本実施例では2つ)の被処理物のうち、少なくとも1つが半導体(半導体チップC、例えばSiCなどの半導体)の場合には、イオンによる半導体のダメージが大きくなるので、イオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御することで、イオンにより半導体へダメージを与えることなく接合処理を行うことができる。   In this embodiment, it is preferable to perform the plasma treatment by controlling the relative amount of radicals to ions in the plasma to be increased. In the present embodiment, the punching metal 6 is used to block ions, and control is performed so that the relative amount of radicals to ions increases. Since the semiconductor chip C and the frame F may be damaged by the ions, the semiconductor chip C and the frame F are damaged by the ions by controlling the ions so that the relative amount of radicals with respect to the ions increases. It is possible to perform the bonding process without imparting the above. In particular, as in this example, when at least one of a plurality of objects to be bonded (two in this example) is a semiconductor (semiconductor chip C, for example, a semiconductor such as SiC), Since damage to the semiconductor due to ions increases, the bonding process can be performed without damaging the semiconductor due to ions by controlling the relative amount of radicals relative to ions to be increased.

なお、イオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御する手法は、パンチングメタル6に限定されない。例えばレーザ等によりイオンをラジカル化して、イオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御してもよい。   Note that the method for controlling the relative amount of radicals to ions to be increased is not limited to the punching metal 6. For example, the ion may be radicalized by a laser or the like, and control may be performed so that the relative amount of the radical with respect to the ion increases.

本実施例では、接合の対象となる複数(本実施例では2つ)の被処理物のうち、少なくとも1つは半導体である。本実施例では、2つの被処理物のうち、一方はSiCなどの半導体からなる半導体チップCである。大面積化された半導体(ここでは半導体チップC)を金属または金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを用いて接合する場合であっても、真空状態により接合能力が高い状態で無加圧接合あるいは自重加圧接合を行うことができ、半導体へダメージを与えることなく金属の選択性が広まるという効果をも奏する。よって、金や銀などの貴金属のみならず、銅や錫や亜鉛やアルミニウムなどの卑金属もしくはそれらの合金を選択することができる。したがって、より安価で同等の電気・熱伝導・接合特性を有する接合材料を求めることができる。   In the present embodiment, at least one of a plurality (two in this embodiment) of objects to be bonded is a semiconductor. In this embodiment, one of the two objects to be processed is a semiconductor chip C made of a semiconductor such as SiC. Even when a large-sized semiconductor (here, semiconductor chip C) is bonded using flakes shaped from fine particles of metal or metal oxide, pressureless bonding is performed in a state where the bonding capability is high due to the vacuum state. Or self-weight pressurization joining can be performed and there also exists an effect that the selectivity of a metal spreads, without giving a damage to a semiconductor. Therefore, not only precious metals such as gold and silver but also base metals such as copper, tin, zinc and aluminum or alloys thereof can be selected. Therefore, it is possible to obtain a bonding material that is cheaper and has equivalent electric / thermal conduction / bonding characteristics.

また、本実施例では、ステップS6でのプラズマ処理過程の後で、無酸素で希ガス、窒素あるいは水素を含んだ冷却ガスにより、半導体チップCおよびフレームFを収容する処理部(本実施例ではチャンバー1)を冷却するのが好ましい。プラズマ処理過程の後で、無酸素で希ガス、窒素あるいは水素を含んだ冷却ガスにより処理部(チャンバー1)を冷却することにより、還元効果を有しつつ酸化防止とともに、ステージ4の温度にまで強制的に冷却する。よって、無酸素雰囲気で長時間かけて冷却する必要がなく、還元効果を有しつつ酸化防止とともに、処理時間を短縮化させることができる。特に、銅等の酸化しやすい金属ならなるフレーム材料を使用して被処理物(ここでは半導体チップC)に接合する場合や接合材料としてイオン化傾向が水素よりも大きい卑金属などの酸化しやすい材料を選択する場合であっても、プラズマ処理過程では金属または金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを含む接着剤(本実施例では導電性ペーストP)自体を焼成することができ、プラズマ処理過程の段階で接合することができる。さらに、プラズマ処理過程の後でフレーム材料や接合材料を即座に冷却して、フレーム材料や接合材料の酸化を防止しつつ処理時間を短縮化させることができる。なお、金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを還元効果により接合に用いることが可能になる。   Further, in this embodiment, after the plasma processing process in step S6, a processing unit (in this embodiment) that accommodates the semiconductor chip C and the frame F with an oxygen-free cooling gas containing noble gas, nitrogen, or hydrogen. The chamber 1) is preferably cooled. After the plasma treatment process, the treatment part (chamber 1) is cooled with a cooling gas containing noble gas, nitrogen or hydrogen without oxygen, thereby preventing oxidation and reducing the temperature to the stage 4 temperature. Force cooling. Therefore, it is not necessary to cool for a long time in an oxygen-free atmosphere, and the treatment time can be shortened while preventing oxidation while having a reducing effect. In particular, when using a frame material made of an easily oxidizable metal such as copper or the like to join an object to be processed (in this case, the semiconductor chip C), or as a bonding material, an easily oxidized material such as a base metal having a higher ionization tendency than hydrogen Even in the case of selection, in the plasma treatment process, the adhesive (conducting paste P in this embodiment) containing flakes shaped from metal or metal oxide fine particles can be baked, and the plasma treatment process Can be joined in stages. Furthermore, the frame material and the bonding material can be immediately cooled after the plasma processing process, and the processing time can be shortened while preventing the frame material and the bonding material from being oxidized. Note that flakes shaped from metal oxide fine particles can be used for bonding due to the reduction effect.

冷却ガスの一例は、希ガス(例えばヘリウム)を含んだガスであり、プラズマ処理過程において上述の希ガスを含んだガスを用いてプラズマ処理を行い、プラズマ処理過程の後でプラズマ処理と同じガスを用いて処理部(チャンバー1)を冷却する。この場合には、プラズマ処理過程およびその後の冷却(ステップS7)において同じ希ガスを含んだガスを用いて処理を行うことができるので、プラズマ処理過程の段階から還元処理を行いつつ処理時間をより一層短縮化させることができる。また、ガスの消費量も抑えることができる。   An example of the cooling gas is a gas containing a rare gas (for example, helium). Plasma treatment is performed using the gas containing the rare gas described above in the plasma treatment process, and the same gas as the plasma treatment after the plasma treatment process. Is used to cool the processing unit (chamber 1). In this case, since the processing can be performed using the gas containing the same rare gas in the plasma processing process and the subsequent cooling (step S7), the processing time can be further increased while performing the reduction process from the stage of the plasma processing process. It can be further shortened. In addition, gas consumption can be reduced.

本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。   The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified as follows.

(1)上述した実施例では、導電性ペーストによる接合について説明したが、機械的応力により金属または金属酸化物の微粒子から整形されたフレークを用いて接合処理を行うものであれば、ハンダによる接合に適用してもよい。   (1) In the above-described embodiment, the bonding using the conductive paste has been described. However, if bonding is performed using flakes shaped from metal or metal oxide fine particles by mechanical stress, bonding using solder is performed. You may apply to.

(2)上述した実施例では、被処理物として、ダイボンディングによる半導体チップおよびフレームを例に採って説明したが、ダイボンディング後のワイヤボンディングへの適用や、電極などが配線された配線基板に半導体チップを接合する電極接合への適用などに例示されるように、接合の対象となり得るものであれば、特に限定されない。   (2) In the above-described embodiment, the semiconductor chip and the frame by die bonding are taken as an example of the object to be processed. However, it is applied to the wire bonding after die bonding, or the wiring substrate on which the electrodes are wired. As exemplified in application to electrode bonding for bonding semiconductor chips, there is no particular limitation as long as it can be a bonding target.

(3)上述した実施例では、接合の対象となる複数(実施例では2つ)の被処理物のうち、一方が例えば半導体チップで、他方が例えば金属基板や絶縁基板からなる実装基板などのように、いずれか1つが半導体であったが、両方とも半導体であってもよい。もちろん、接合の対象となり得るものであれば、半導体に限定されない。また、接合の数は2つに限定されず、3つ以上の複数であってもよい。   (3) In the embodiment described above, among a plurality (two in the embodiment) of objects to be joined, one is a semiconductor chip, for example, and the other is a mounting substrate made of a metal substrate or an insulating substrate, for example. As described above, either one is a semiconductor, but both may be semiconductors. Of course, the semiconductor is not limited to a semiconductor as long as it can be a bonding target. Further, the number of junctions is not limited to two and may be three or more.

(4)上述した実施例では、プラズマ処理過程の後で、無酸素で希ガス、窒素あるいは水素を含んだ冷却ガスにより、処理部(実施例ではチャンバー1)を冷却したが、冷却の必要がない、あるいは還元を行う必要がない場合には、必ずしも還元・冷却を行う必要はない。また、プラズマ処理過程の後での冷却の有無を問わずに、還元のみをプラズマ処理過程中、還元のみをプラズマ処理過程後、あるいは還元のみをプラズマ処理過程中からプラズマ処理過程後に引き続いて行ってもよい。例えば、水素単体を用いてプラズマ処理を行ってもよい。水素は還元効果があるので、プラズマ処理過程の段階で還元処理を行うことができる。また、安全性の向上を考えると、ヘリウム単体あるいはヘリウムと水素との混合ガスを用いてプラズマ処理を行うのがより好ましい。また、水素やヘリウムでは原子番号が小さく分子サイズの大きい元素と比べて内部へ浸透するので、被処理物の表面へのダメージを緩和させつつ還元処理において拡散しやすいという効果をも奏する。   (4) In the above-described embodiment, after the plasma processing process, the processing portion (chamber 1 in the embodiment) is cooled by a cooling gas containing oxygen and a rare gas, nitrogen, or hydrogen. When there is no reduction or when it is not necessary to perform reduction, it is not always necessary to perform reduction and cooling. In addition, with or without cooling after the plasma treatment process, only reduction is performed during the plasma treatment process, only reduction is performed after the plasma treatment process, or only reduction is performed continuously from the plasma treatment process to the plasma treatment process. Also good. For example, plasma treatment may be performed using hydrogen alone. Since hydrogen has a reducing effect, the reduction treatment can be performed at the stage of the plasma treatment process. In view of improving safety, it is more preferable to perform plasma treatment using helium alone or a mixed gas of helium and hydrogen. Further, since hydrogen and helium penetrate into the inside as compared with an element having a small atomic number and a large molecular size, there is also an effect that it is easily diffused in the reduction treatment while alleviating damage to the surface of the object to be treated.

(5)上述した実施例では、パンチングメタル6(図1を参照)によりイオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御したが、半導体へのダメージがない場合、あるいは半導体以外を接合の対象とする場合には、必ずしもイオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御する必要はない。   (5) In the embodiment described above, the punching metal 6 (see FIG. 1) is controlled so that the relative amount of radicals to ions is increased. However, when there is no damage to the semiconductor, or other than the semiconductor is the target of bonding. In this case, it is not always necessary to control the amount of radicals relative to ions to be increased.

(6)上述した実施例では、プラズマ処理の前に真空処理を行ったが、接合の対象となる被処理物が加圧にも耐えられるものであれば、必ずしも真空処理を行う必要はない。   (6) In the above-described embodiment, the vacuum processing is performed before the plasma processing. However, the vacuum processing is not necessarily performed as long as the workpieces to be bonded can withstand pressurization.

(7)上述した実施例では、プラズマ処理の前に加熱処理を行ったが、必ずしも加熱処理を行う必要はない。   (7) In the above-described embodiment, the heat treatment is performed before the plasma treatment, but the heat treatment is not necessarily performed.

1 … チャンバー
C … 半導体チップ
F … フレーム
P … 導電性ペースト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Chamber C ... Semiconductor chip F ... Frame P ... Conductive paste

Claims (4)

金属または金属酸化物の微粒子を焼結させて被処理物に対して接合処理を行う接合方法であって、
接合の対象となる複数の前記被処理物のうち、少なくとも1つは半導体であり、
プラズマ中のイオンに対するラジカルの相対量が多くなるように制御して、機械的応力により前記微粒子から整形されたフレークを用いて、当該フレークを介在させた前記被処理物に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理過程を備えることで、前記フレークを焼結させて前記被処理物に対して接合処理を行うことを特徴とする接合方法。
A joining method in which fine particles of metal or metal oxide are sintered to perform a joining process on an object to be processed,
Among the plurality of objects to be joined, at least one is a semiconductor,
Control the plasma so that the amount of radicals relative to ions in the plasma increases, and use the flakes shaped from the fine particles by mechanical stress to perform the plasma treatment on the object to be processed with the flakes interposed A joining method comprising: performing a joining process on the object to be processed by sintering the flakes by providing a plasma treatment process.
請求項1に記載の接合方法において、
前記プラズマ処理過程の後で、無酸素で希ガス、窒素あるいは水素を含んだ冷却ガスにより、前記被処理物を収容する処理部を冷却することを特徴とする接合方法。
The bonding method according to claim 1 ,
After the plasma treatment step, the bonding method is characterized in that the treatment portion containing the object to be treated is cooled with a cooling gas containing oxygen and a rare gas, nitrogen, or hydrogen.
請求項2に記載の接合方法において、
前記冷却ガスは希ガスを含んだガスであり、
前記プラズマ処理過程において前記希ガスを含んだガスを用いて前記プラズマ処理を行い、
プラズマ処理過程の後でプラズマ処理と同じガスを用いて前記処理部を冷却することを特徴とする接合方法。
The joining method according to claim 2 ,
The cooling gas is a gas containing a rare gas,
Performing the plasma treatment using a gas containing the rare gas in the plasma treatment process;
A bonding method characterized in that after the plasma treatment process, the treatment portion is cooled using the same gas as in the plasma treatment.
請求項1から請求項3のいずれかに記載の接合方法において、
水素単体、ヘリウム単体あるいはヘリウムと水素との混合ガスを用いて前記プラズマ処理を行うことを特徴とする接合方法。
In the joining method in any one of Claims 1-3 ,
A bonding method, wherein the plasma treatment is performed using hydrogen alone, helium alone, or a mixed gas of helium and hydrogen.
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