JP6617049B2 - Conductive paste and semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、導電性ペースト及び半導体装置に関し、さらに詳しくは、半導体装置の接合層、微細配線、導電性バンプなどを形成するために用いられる導電性ペースト、及びこのような導電性ペーストを用いて形成された接合層を備えた半導体装置に関する。   The present invention relates to a conductive paste and a semiconductor device. More specifically, the present invention relates to a conductive paste used for forming a bonding layer, a fine wiring, a conductive bump, and the like of a semiconductor device, and using such a conductive paste. The present invention relates to a semiconductor device including the formed bonding layer.

半導体素子とリードフレームなどの基板との接合(ダイボンディング)には、従来、Sn−Pb系はんだが用いられてきた。しかし、近年、環境保全の観点から、鉛フリーの接合材が求められている。また、半導体装置の小型化、高密度化に伴い、微細な配線形成が必要となり、これに対応した配線形成材料が求められている。さらに、ダイボンディング時や配線形成時において半導体素子への負荷を軽減するために、低温での接合や配線の形成が可能な材料が求められている。   Conventionally, Sn—Pb solder has been used for bonding (die bonding) a semiconductor element and a substrate such as a lead frame. However, in recent years, a lead-free bonding material has been demanded from the viewpoint of environmental protection. In addition, with the miniaturization and high density of semiconductor devices, fine wiring formation is required, and a wiring forming material corresponding to this is required. Furthermore, in order to reduce the load on the semiconductor element at the time of die bonding or wiring formation, there is a demand for a material that can be bonded or formed at a low temperature.

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、平均一次粒子径が120nmの銅微粒子と、平均一次粒子径が7μmの銅微粒子とを90:10の質量比で混合し、さらにこの混合物にグリセロールを銅微粒子濃度が80質量%となるように添加した導電性ペーストが開示されている。
同文献には、このような導電性ペーストを用いて導電性バンプを形成すると、粗大ボイドやクラックの生成が抑制される点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, in Patent Document 1, copper fine particles having an average primary particle size of 120 nm and copper fine particles having an average primary particle size of 7 μm are mixed at a mass ratio of 90:10, and glycerol is added to this mixture with a copper fine particle concentration. A conductive paste added so as to be 80% by mass is disclosed.
This document describes that when conductive bumps are formed using such a conductive paste, the generation of coarse voids and cracks is suppressed.

また、特許文献2には、平均粒子径が200nmであるCuナノ粒子と、平均粒子径が200nmであるNiナノ粒子とを、Niナノ粒子が2〜10質量%となるように混合し、この混合粉末にデカノール及びテルピオネールを添加した接合材料ペーストが開示されている。
同文献には、このようなペーストを用いると、接合強度が高い接合層を低温で形成することができる点が記載されている。
In Patent Document 2, Cu nanoparticles having an average particle diameter of 200 nm and Ni nanoparticles having an average particle diameter of 200 nm are mixed so that the Ni nanoparticles are 2 to 10% by mass. A bonding material paste in which decanol and terpione are added to a mixed powder is disclosed.
This document describes that when such a paste is used, a bonding layer having high bonding strength can be formed at a low temperature.

金属粒子は、粒径が小さくなるほど活性が高くなり、粒子サイズがナノサイズになると、その融点よりはるかに低い温度で焼結させることが可能となる。しかし、粒子サイズが小さくなるほど、金属粒子は酸化されやすくなる。   The smaller the particle size, the higher the activity of the metal particles, and when the particle size becomes nano-sized, it becomes possible to sinter at a temperature much lower than its melting point. However, the smaller the particle size, the more easily the metal particles are oxidized.

例えば、Cu粒子の場合、通常、表面が自然酸化膜(Cu2O)で覆われている。Cu2Oは、化学反応で除去するのが困難である。そのため、特許文献1に記載されているように、平均粒子径120nmのCuナノ粒子と平均粒子径7μmのCu粗大粒子の組み合わせでは、自然酸化膜により粒子間の焼結が阻害され、接合層の強度が低下するという問題がある。 For example, in the case of Cu particles, the surface is usually covered with a natural oxide film (Cu 2 O). Cu 2 O is difficult to remove by chemical reaction. Therefore, as described in Patent Document 1, in the combination of Cu nanoparticles having an average particle diameter of 120 nm and coarse Cu particles having an average particle diameter of 7 μm, the inter-particle sintering is inhibited by the natural oxide film, and the bonding layer There is a problem that the strength decreases.

一方、特許文献2に記載されているように、Cuナノ粒子とNiナノ粒子とを組み合わせると、Niナノ粒子がCuナノ粒子表面の自然酸化膜を還元するために、Cuナノ粒子が焼結しやすくなる。しかし、このようなナノ粒子のみを含むペーストを用いて接合層を形成する場合において、焼結を過度に進行させると、接合層の収縮が大きくなり、接合層にボイドやクラックが発生しやすくなる。これを避けるために、適度に焼結させると、収縮を抑制することはできるが、接合層の密度は低下する。さらに、ナノ粒子は、一般にマイクロメートルサイズの粒子に比べて高コストであるため、ナノ粒子のみを含むペーストは高コストとなる。   On the other hand, as described in Patent Document 2, when Cu nanoparticles and Ni nanoparticles are combined, the Cu nanoparticles are sintered because the Ni nanoparticles reduce the natural oxide film on the surface of the Cu nanoparticles. It becomes easy. However, when forming a bonding layer using a paste containing only such nanoparticles, if the sintering proceeds excessively, the shrinkage of the bonding layer increases and voids and cracks are likely to occur in the bonding layer. . In order to avoid this, if the sintering is appropriately performed, the shrinkage can be suppressed, but the density of the bonding layer is lowered. Furthermore, since nanoparticles are generally more expensive than micrometer-sized particles, pastes containing only nanoparticles are expensive.

国際公開第WO2011/114747号International Publication No. WO2011 / 114747 特開2014−175372号公報JP 2014-175372 A

本発明が解決しようとする課題は、接合強度が高く、かつ、空隙率の小さい接合層を低コストで形成することが可能な導電性ペースト、及びこれを用いて形成された接合層を備えた半導体装置を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention includes a conductive paste capable of forming a bonding layer having high bonding strength and a low porosity at low cost, and a bonding layer formed using the conductive paste. It is to provide a semiconductor device.

上記課題を解決するために、本発明に係る導電性ペーストは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記導電性ペーストは、
表面が有機分子で被覆された、平均粒子径が500nm未満であるCu系ナノ粒子と、
平均粒子径が1μm以上であるNi系粗大粒子と、
前記Cu系ナノ粒子及び前記Ni系粗大粒子を分散させるための有機溶剤と
を備えている。
(2)前記Cu系ナノ粒子は、95at%以上のCuを含み、前記Ni系粗大粒子は、95at%以上のNiを含む。
(3)前記Cu系ナノ粒子の質量をW n 、前記Ni系粗大粒子の質量をW c とした時に、前記Ni系粗大粒子の質量割合(R)(=W c ×100/(W n +W c ))は、5mass%以上20mass%未満である。
In order to solve the above problems, the gist of the conductive paste according to the present invention is as follows.
(1) The conductive paste is
Cu-based nanoparticles whose surface is coated with organic molecules and whose average particle diameter is less than 500 nm,
Ni-based coarse particles having an average particle diameter of 1 μm or more;
An organic solvent for dispersing the Cu-based nanoparticles and the Ni-based coarse particles .
(2) The Cu-based nanoparticles include 95 at% or more of Cu, and the Ni-based coarse particles include 95 at% or more of Ni.
(3) When the mass of the Cu-based nanoparticles is W n and the mass of the Ni-based coarse particles is W c , the mass ratio (R) of the Ni-based coarse particles (= W c × 100 / (W n + W c )) is 5 mass% or more and less than 20 mass%.

また、本発明に係る半導体装置は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記半導体装置は、
半導体素子と、
基板と、
前記半導体素子と前記基板との間にある接合層と
を備えている。
(2)前記接合層は、本発明に係る導電性ペーストを前記半導体素子と前記基板との間に介在させ、還元雰囲気下で焼成することにより得られるものであって、
前記Cu系ナノ粒子の構成元素を含むマトリックスと、
前記マトリックス中に分散している前記Ni系粗大粒子
を備えている。
前記接合層の空隙率は、20%以下が好ましい。
The gist of the semiconductor device according to the present invention is as follows.
(1) The semiconductor device includes:
A semiconductor element;
A substrate,
A bonding layer disposed between the semiconductor element and the substrate;
(2) The bonding layer is obtained by interposing the conductive paste according to the present invention between the semiconductor element and the substrate and firing in a reducing atmosphere,
A matrix containing constituent elements of the Cu-based nanoparticles ;
And Ni-based coarse particles dispersed in the matrix.
The porosity of the bonding layer is preferably 20% or less.

Cu系粒子の表面は、通常、Cu2Oからなる自然酸化膜で覆われている。Cu2Oは還元されにくいため、このような自然酸化膜を備えたCu系粒子のみを還元雰囲気下で焼成しても、自然酸化膜を除去することはできない。
一方、Ni系粒子の表面は、通常、NiOからなる自然酸化膜で覆われている。NiOは、Cu2Oを固溶し、かつ、Cu+をCu2+に酸化させる作用がある。Cu2+は、Cu+に比べて還元されやすいため、還元性雰囲気下での焼成によって、Cuに容易に還元される。
The surface of the Cu-based particles is usually covered with a natural oxide film made of Cu 2 O. Since Cu 2 O is not easily reduced, the natural oxide film cannot be removed even if only Cu-based particles having such a natural oxide film are baked in a reducing atmosphere.
On the other hand, the surface of the Ni-based particles is usually covered with a natural oxide film made of NiO. NiO has a function of dissolving Cu 2 O and oxidizing Cu + to Cu 2+ . Since Cu 2+ is more easily reduced than Cu + , it is easily reduced to Cu by firing in a reducing atmosphere.

本発明に係る導電性ペーストは、Cu系粒子とNi系粒子の双方を含むので、還元雰囲気下での焼成によって自然酸化膜の除去及び粒子間の焼結が適度に進行し、高強度の接合層が得られる。また、Cu系粒子又はNi系粒子のいずれか一方をナノ粒子とし、他方を粗大粒子としているので、空隙率の小さい接合層を得ることができる。さらに、金属粒子の一部に低コストの粗大粒子を用いるため、導電性ペースト及びこれを用いて形成される接合層を低コスト化することができる。   Since the conductive paste according to the present invention includes both Cu-based particles and Ni-based particles, the removal of the natural oxide film and the sintering between the particles proceed appropriately by firing in a reducing atmosphere, and high-strength bonding. A layer is obtained. Moreover, since either one of the Cu-based particles or Ni-based particles is a nanoparticle and the other is a coarse particle, a bonding layer having a low porosity can be obtained. Furthermore, since low-cost coarse particles are used as part of the metal particles, the cost of the conductive paste and the bonding layer formed using the conductive paste can be reduced.

本発明の一実施の形態に係る半導体装置の模式図である。1 is a schematic diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Cuナノ粒子とNi粗大粒子の界面形成過程の模式図である。It is a schematic diagram of the interface formation process of Cu nanoparticle and Ni coarse particle. 空隙率及び接合強度に及ぼす金属粗大粒子の質量割合の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of the mass ratio of the metal coarse particle which acts on the porosity and joining strength.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 導電性ペースト]
本発明に係る導電性ペーストは、以下の構成を備えている。
(1)前記導電性ペーストは、
表面が有機分子で被覆された、平均粒子径が500nm未満である金属ナノ粒子と、
平均粒子径が1μm以上である金属粗大粒子と、
前記金属ナノ粒子及び前記金属粗大粒子を分散させるための有機溶剤と
を備えている。
(2)前記導電性ペーストは、
(a)前記金属ナノ粒子として50at%超のCuを含むCu系ナノ粒子を用い、かつ、前記金属粗大粒子として50at%超のNiを含むNi系粗大粒子を用いたもの、又は、
(b)前記金属ナノ粒子として50at%超のNiを含むNi系ナノ粒子を用い、かつ、前記金属粗大粒子として50at%超のCuを含むCu系粗大粒子を用いたもの
からなる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Conductive paste]
The conductive paste according to the present invention has the following configuration.
(1) The conductive paste is
Metal nanoparticles whose surface is coated with organic molecules and having an average particle diameter of less than 500 nm,
Metal coarse particles having an average particle diameter of 1 μm or more;
An organic solvent for dispersing the metal nanoparticles and the metal coarse particles.
(2) The conductive paste is
(A) using Cu-based nanoparticles containing Cu of more than 50 at% as the metal nanoparticles, and using Ni-based coarse particles containing Ni of more than 50 at% as the metal coarse particles, or
(B) Ni-based nanoparticles containing Ni of over 50 at% are used as the metal nanoparticles, and Cu-based coarse particles containing Cu of over 50 at% are used as the metal coarse particles.

[1.1. 金属ナノ粒子]
[1.1.1. 有機分子]
金属ナノ粒子は、表面が有機分子で覆われている。有機分子は、導電性ペースト中における金属ナノ粒子の凝集を抑制するためのものである。有機分子は、低温(具体的には、400℃以下)での熱分解が可能なものが好ましい。有機分子は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
[1.1. Metal nanoparticles]
[1.1.1. Organic molecule]
The metal nanoparticles are covered with organic molecules on the surface. The organic molecule is for suppressing aggregation of the metal nanoparticles in the conductive paste. The organic molecule is preferably one that can be thermally decomposed at a low temperature (specifically, 400 ° C. or lower). The organic molecule is not particularly limited as long as it exhibits such a function.

有機分子としては、例えば、脂肪酸、脂肪族アミンなどがある。
脂肪酸としては、例えば、
(a)オクタン酸、デカン酸、ドデカン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸などの飽和脂肪酸、
(b)オレイン酸などの不飽和脂肪酸
などがある。
Examples of organic molecules include fatty acids and aliphatic amines.
Examples of fatty acids include
(A) saturated fatty acids such as octanoic acid, decanoic acid, dodecanoic acid, myristic acid, palmitic acid, stearic acid,
(B) Unsaturated fatty acids such as oleic acid.

脂肪族アミンとしては、例えば、
(a)オクチルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、ミリスチルアミン、パルミチルアミン、ステアリルアミンなどの脂肪族アミン、
(b)オレイルアミンなどの不飽和脂肪族アミン
などがある。
As the aliphatic amine, for example,
(A) aliphatic amines such as octylamine, decylamine, dodecylamine, myristylamine, palmitylamine, stearylamine,
(B) Unsaturated aliphatic amines such as oleylamine.

金属ナノ粒子は、有機分子共存下において、金属塩を還元することにより製造することができる。金属ナノ粒子の合成時に、有機分子として脂肪酸又は脂肪族アミンを用いる場合において、これらに含まれる炭化水素鎖の炭素数を変更すると、金属ナノ粒子の粒子径を調整することができる。   Metal nanoparticles can be produced by reducing a metal salt in the presence of organic molecules. When fatty acids or aliphatic amines are used as organic molecules during the synthesis of metal nanoparticles, the particle diameter of the metal nanoparticles can be adjusted by changing the carbon number of the hydrocarbon chain contained therein.

[1.1.2. 平均粒子径]
金属ナノ粒子の平均粒子径は、導電性ペーストから形成される接合層の強度及び空隙率に影響を与える。
ここで、「金属ナノ粒子の平均粒子径」とは、顕微鏡観察(例えば、TEM観察)により無作為に抽出された200個の金属ナノ粒子の直径(粒子の最小外接円の直径)の平均値をいう。
[1.1.2. Average particle size]
The average particle diameter of the metal nanoparticles affects the strength and porosity of the bonding layer formed from the conductive paste.
Here, the “average particle diameter of the metal nanoparticles” is the average value of the diameters of 200 metal nanoparticles randomly extracted by microscopic observation (for example, TEM observation) (diameter of the minimum circumscribed circle of the particles). Say.

一般に、金属ナノ粒子の平均粒子径が小さくなるほど、焼結性が向上し、高強度、かつ、低空隙率の接合層が得られる。そのためには、金属ナノ粒子の平均粒子径は、500nm未満である必要がある。平均粒子径は、好ましくは、400nm未満、さらに好ましくは、300nm未満、さらに好ましくは、200nm未満である。   In general, as the average particle size of the metal nanoparticles becomes smaller, the sinterability is improved, and a bonding layer having high strength and low porosity can be obtained. For this purpose, the average particle size of the metal nanoparticles needs to be less than 500 nm. The average particle size is preferably less than 400 nm, more preferably less than 300 nm, and even more preferably less than 200 nm.

金属ナノ粒子の平均粒子径は、製造可能な限りにおいて、小さいほどよい。しかし、一般に、金属ナノ粒子の平均粒子径が小さくなるほど、製造性や取り扱い性が低下する。例えば、金属ナノ粒子が過度に小さくなると、金属ナノ粒子がペースト中で酸化し、焼結が進行しない場合があり、接合時の熱処理で十分に自然酸化膜を除去できなくなり、接合強度、導電性、熱伝導性などが低下する。従って、金属ナノ粒子の平均粒子径は、10nm以上が好ましい。平均粒子径は、好ましくは、30nm以上、さらに好ましくは、50nm以上である。   The average particle diameter of the metal nanoparticles is preferably as small as possible. However, in general, as the average particle size of the metal nanoparticles becomes smaller, the manufacturability and handleability decrease. For example, if the metal nanoparticles become too small, the metal nanoparticles may oxidize in the paste and sintering may not proceed, and the natural oxide film cannot be sufficiently removed by heat treatment during bonding, resulting in bonding strength and conductivity. , Thermal conductivity, etc. will decrease. Therefore, the average particle diameter of the metal nanoparticles is preferably 10 nm or more. The average particle diameter is preferably 30 nm or more, and more preferably 50 nm or more.

[1.1.3. 組成]
本発明において、金属ナノ粒子は、Cu系ナノ粒子又はNi系ナノ粒子からなる。
ここで、「Cu系ナノ粒子」とは、50at%超のCuを含む金属又は合金からなり、かつ、平均粒子径が500nm未満の粒子をいう。
また、「Ni系ナノ粒子」とは、50at%超のNiを含む金属又は合金からなり、かつ、平均粒子径が500nm未満の粒子をいう。
[1.1.3. composition]
In the present invention, the metal nanoparticles are composed of Cu-based nanoparticles or Ni-based nanoparticles.
Here, the “Cu-based nanoparticle” refers to a particle made of a metal or alloy containing 50 at% or more of Cu and having an average particle diameter of less than 500 nm.
The “Ni-based nanoparticle” refers to a particle made of a metal or alloy containing Ni of more than 50 at% and having an average particle diameter of less than 500 nm.

一般に、Cu系ナノ粒子中のCu量が多くなるほど、熱伝導性や電気伝導性が向上する。Cu量は、好ましくは、70at%以上、さらに好ましくは、90at%以上、さらに好ましくは、95at%以上である。Cu系ナノ粒子は、実質的にCuのみからなるもの(純Cu)でも良い。
Cu系ナノ粒子がCu合金からなる場合、合金元素としては、例えば、Ag、Ni、Sn、Co、Znなどがある。
Generally, as the amount of Cu in the Cu-based nanoparticles increases, the thermal conductivity and electrical conductivity improve. The amount of Cu is preferably 70 at% or more, more preferably 90 at% or more, and further preferably 95 at% or more. The Cu-based nanoparticles may be substantially composed only of Cu (pure Cu).
When the Cu-based nanoparticles are made of a Cu alloy, examples of the alloy element include Ag, Ni, Sn, Co, and Zn.

同様に、Ni系ナノ粒子中のNi量が多くなるほど、Cuの還元が促進され、接合層の焼結が進行しやすくなる。Ni量は、好ましくは、70at%以上、さらに好ましくは、90at%以上、さらに好ましくは、95at%以上である。Ni系ナノ粒子は、実質的にNiのみからなるもの(純Ni)でも良い。
Ni系ナノ粒子がNi合金からなる場合、合金元素としては、例えば、Cu、Ag、Snなどがある。
Similarly, as the amount of Ni in the Ni-based nanoparticle increases, the reduction of Cu is promoted, and the bonding layer is more easily sintered. The amount of Ni is preferably 70 at% or more, more preferably 90 at% or more, and further preferably 95 at% or more. The Ni-based nanoparticles may be substantially composed of Ni (pure Ni).
When the Ni-based nanoparticles are made of a Ni alloy, examples of the alloy element include Cu, Ag, and Sn.

[1.2. 金属粗大粒子]
[1.2.1. 平均粒子径]
金属粗大粒子の平均粒子径は、導電性ペーストから形成される接合層の強度及び空隙率に影響を与える。
ここで、「金属粗大粒子の平均粒子径」とは、顕微鏡観察(例えば、SEM観察、TEM観察など)により無作為に抽出された200個の金属粗大粒子の直径(粒子の最小外接円の直径)の平均値をいう。
[1.2. Coarse metal particles]
[1.2.1. Average particle size]
The average particle diameter of the coarse metal particles affects the strength and porosity of the bonding layer formed from the conductive paste.
Here, “average particle diameter of coarse metal particles” means the diameter of 200 coarse metal particles randomly extracted by microscopic observation (for example, SEM observation, TEM observation, etc.) ) Mean value.

接合層は、導電性ペーストを基板表面に印刷(塗布)し、金属粗大粒子が実質的に焼結(収縮、粒成長)せず、かつ、金属ナノ粒子が焼結する温度で焼成することにより形成される。一般に、金属粗大粒子が小さくなるほど、導電性ペーストの印刷層内における金属粗大粒子間の空隙が多くなる。そのため、焼成時に金属粗大粒子間の空隙を金属ナノ粒子で埋めるのが困難となり、接合層の空隙率が増大する。低空隙率の接合層を得るためには、金属粗大粒子の平均粒子径は、1μm以上である必要がある。平均粒子径は、好ましくは、2μm以上、さらに好ましくは、3μm以上である。   The bonding layer is obtained by printing (applying) the conductive paste on the substrate surface, and firing at a temperature at which the coarse metal particles are not substantially sintered (shrinkage, grain growth) and the metal nanoparticles are sintered. It is formed. In general, the smaller the metal coarse particles, the more voids between the metal coarse particles in the printed layer of the conductive paste. Therefore, it becomes difficult to fill the voids between the coarse metal particles with the metal nanoparticles during firing, and the porosity of the bonding layer increases. In order to obtain a bonding layer having a low porosity, the average particle diameter of the coarse metal particles needs to be 1 μm or more. The average particle diameter is preferably 2 μm or more, more preferably 3 μm or more.

一方、金属粗大粒子の平均粒子径が大きくなりすぎると、導電性ペーストを平滑に印刷するのが困難となる。従って、金属粗大粒子の平均粒子径は、30μm未満が好ましい。平均粒子径は、好ましくは、20μm未満、さらに好ましくは、10μm未満である。   On the other hand, if the average particle diameter of the coarse metal particles becomes too large, it becomes difficult to print the conductive paste smoothly. Therefore, the average particle diameter of the coarse metal particles is preferably less than 30 μm. The average particle size is preferably less than 20 μm, more preferably less than 10 μm.

[1.2.2. 組成]
本発明において、金属ナノ粒子がCu系ナノ粒子からなる時は、金属粗大粒子は、Ni系粗大粒子からなる。一方、金属ナノ粒子がNi系ナノ粒子からなる時は、金属粗大粒子は、Cu系粗大粒子からなる。
ここで「Cu系粗大粒子」とは、50at%超のCuを含む金属又は合金からなり、平均粒子径が1μm以上の粒子をいう。
また、「Ni系粗大粒子」とは、50at%超のNiを含む金属又は合金からなり、平均粒子径が1μm以上の粒子をいう。
[1.2.2. composition]
In the present invention, when the metal nanoparticles are made of Cu-based nanoparticles, the metal coarse particles are made of Ni-based coarse particles. On the other hand, when the metal nanoparticles are made of Ni-based nanoparticles, the metal coarse particles are made of Cu-based coarse particles.
Here, the “Cu-based coarse particles” are particles made of a metal or an alloy containing Cu of more than 50 at% and having an average particle diameter of 1 μm or more.
The “Ni-based coarse particles” are particles made of a metal or alloy containing Ni of more than 50 at% and having an average particle diameter of 1 μm or more.

一般に、Cu系粗大粒子中のCu量が多くなるほど、熱伝導性や電気伝導性が向上する。Cu量は、好ましくは、70at%以上、さらに好ましくは、90at%以上、さらに好ましくは、95at%以上である。Cu系粗大粒子は、実質的にCuのみからなるもの(純Cu)でも良い。
Cu系粗大粒子がCu合金からなる場合、合金元素としては、例えば、Ag、Ni、Sn、Co、Znなどがある。
Generally, as the amount of Cu in the Cu-based coarse particles increases, thermal conductivity and electrical conductivity are improved. The amount of Cu is preferably 70 at% or more, more preferably 90 at% or more, and further preferably 95 at% or more. The Cu-based coarse particles may be substantially composed only of Cu (pure Cu).
When the Cu-based coarse particles are made of a Cu alloy, examples of the alloy element include Ag, Ni, Sn, Co, and Zn.

同様に、Ni系粗大粒子中のNi量が多くなるほど、Cuの還元が促進され、接合層の焼結が進行しやすくなる。Ni量は、好ましくは、70at%以上、さらに好ましくは、90at%以上、さらに好ましくは、95at%以上である。Ni系粗大粒子は、実質的にNiのみからなるもの(純Ni)でも良い。
Ni系粗大粒子がNi合金からなる場合、合金元素としては、例えば、Cu、Ag、Snなどがある。
Similarly, as the amount of Ni in the Ni-based coarse particles increases, the reduction of Cu is promoted, and the bonding layer is more easily sintered. The amount of Ni is preferably 70 at% or more, more preferably 90 at% or more, and further preferably 95 at% or more. The Ni-based coarse particles may be substantially composed only of Ni (pure Ni).
When the Ni-based coarse particles are made of a Ni alloy, examples of the alloy element include Cu, Ag, and Sn.

[1.2.3. 金属粗大粒子の質量割合
金属粗大粒子の質量割合は、導電性ペーストから形成される接合層の強度及び空隙率に影響を与える。
ここで、「金属粗大粒子の質量割合(R)」とは、次の式(1)で表される値をいう。
R(%)=Wc×100/(Wn+Wc) ・・・(1)
但し、
nは前記金属ナノ粒子の質量、
cは前記金属粗大粒子の質量。
[1.2.3. Mass ratio of coarse metal particles]
The mass ratio of the coarse metal particles affects the strength and porosity of the bonding layer formed from the conductive paste.
Here, the “ mass ratio (R) of coarse metal particles” refers to a value represented by the following formula (1).
R (%) = W c × 100 / (W n + W c ) (1)
However,
W n is the mass of the metal nanoparticles ,
W c is the mass of the metal coarse particles .

一般に、金属粗大粒子の質量割合が大きくなるほど、空隙率の小さい接合層が得られる。また、焼成時の収縮が抑制され、接合層内におけるボイドやクラックの生成を抑制することができる。このような効果を得るためには、金属粗大粒子の質量割合は、5mass%以上が好ましい。質量割合は、好ましくは、7mass%以上、さらに好ましくは、10mass%以上である。
一方、金属粗大粒子の質量割合が過剰になると、金属粗大粒子間の空隙を金属ナノ粒子で埋めることができなくなり、かえって接合層の空隙率が増大する。また、これによって、接合層の電気伝導特性や熱伝導特性が損なわれる。従って、金属粗大粒子の質量割合は、30mass%以下が好ましい。質量割合は、好ましくは、20mass%以下である。
In general, as the mass ratio of the coarse metal particles increases, a bonding layer having a lower porosity can be obtained. Moreover, the shrinkage | contraction at the time of baking is suppressed and the production | generation of the void and a crack in a joining layer can be suppressed. In order to obtain such an effect, the mass ratio of the coarse metal particles is preferably 5 mass % or more. The mass ratio is preferably 7 mass % or more , and more preferably 10 mass% or more .
On the other hand, when the mass ratio of the metal coarse particles becomes excessive, the voids between the metal coarse particles cannot be filled with the metal nanoparticles, and the porosity of the bonding layer increases. This also impairs the electrical and thermal conductivity characteristics of the bonding layer. Therefore, the mass ratio of the coarse metal particles is preferably 30 mass % or less . The mass ratio is preferably 20 mass % or less .

[1.3. 有機溶剤]
[1.3.1. 組成]
有機溶剤は、金属ナノ粒子及び金属粗大粒子を分散させるためのものである。有機溶剤は、低温(具体的には、400℃以下)での揮発又は熱分解が可能なものが好ましい。有機溶剤は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
[1.3. Organic solvent]
[1.3.1. composition]
The organic solvent is for dispersing the metal nanoparticles and the metal coarse particles. The organic solvent is preferably one that can be volatilized or thermally decomposed at a low temperature (specifically, 400 ° C. or lower). The organic solvent is not particularly limited as long as it exhibits such a function.

有機溶剤としては、例えば、
(a)テトラデカン、ヘキサデカン、ドデカンなどのアルカン類、
(b)1−ブタノール、デカノール、オクタノール、ヘキサノール、イソプロピルアルコールなどの脂肪族アルコール類、
(c)テルピオネール、シクロヘキサノールなどの環状アルコール類
などがある。
これらは、いずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を用いても良い。
As an organic solvent, for example,
(A) alkanes such as tetradecane, hexadecane, dodecane,
(B) aliphatic alcohols such as 1-butanol, decanol, octanol, hexanol, isopropyl alcohol,
(C) Cyclic alcohols such as terpionol and cyclohexanol.
Any one of these may be used, or two or more thereof may be used.

[1.3.2. 有機溶剤の量]
有機溶剤の量は、ペーストの取り扱い性に影響を与える。
ここで、「有機溶剤の量(%)」とは、導電性ペーストの総質量(WT)に対する有機溶剤の質量(WS)の割合(=WS×100/WT)をいう。
[1.3.2. Amount of organic solvent]
The amount of the organic solvent affects the handleability of the paste.
Here, the “amount (%) of organic solvent” refers to the ratio (= W S × 100 / W T ) of the mass (W S ) of the organic solvent to the total mass (W T ) of the conductive paste.

一般に、有機溶剤の量が少なすぎると、ペーストの粘度が過度に大きくなる。一方、有機溶剤の量が多すぎると、ペーストの粘度が過度に小さくなる。最適な有機溶剤の量は、金属粒子の平均粒子径や粒子形状、有機溶剤の種類、他の添加物の有無などにより異なる。有機溶剤の量は、通常、10〜50%である。   Generally, when the amount of the organic solvent is too small, the viscosity of the paste becomes excessively large. On the other hand, when the amount of the organic solvent is too large, the viscosity of the paste becomes excessively small. The optimum amount of the organic solvent varies depending on the average particle diameter and particle shape of the metal particles, the type of the organic solvent, the presence or absence of other additives, and the like. The amount of the organic solvent is usually 10 to 50%.

[1.4. その他の添加物]
導電性ペーストは、必要に応じて、金属ナノ粒子、金属粗大粒子及び有機溶剤以外の成分が含まれていても良い。
他の成分としては、
(a)導電性ペースト中での金属ナノ粒子の凝集を抑制したり、あるいは、導電性ペーストの粘度を調節するための有機バインダー、
(b)導電性ペースト中における金属ナノ粒子及び金属粗大粒子の分散性を向上させるための界面活性剤、
などがある。
[1.4. Other additives]
The conductive paste may contain components other than the metal nanoparticles, the metal coarse particles, and the organic solvent as necessary.
As other ingredients,
(A) an organic binder for suppressing aggregation of metal nanoparticles in the conductive paste, or for adjusting the viscosity of the conductive paste;
(B) a surfactant for improving the dispersibility of the metal nanoparticles and the metal coarse particles in the conductive paste;
and so on.

[2. 接合層]
本発明に係る導電性ペーストを半導体素子と基板との間に介在させ、還元雰囲気下で焼成すると、接合層が得られる。この時、必要に応じて、半導体素子と基板の間にあるペースト層を加圧しながら焼成しても良い。
[2. Bonding layer]
When the conductive paste according to the present invention is interposed between a semiconductor element and a substrate and fired in a reducing atmosphere, a bonding layer is obtained. At this time, if necessary, the paste layer between the semiconductor element and the substrate may be fired while being pressed.

[2.1. 焼成条件]
高強度及び低空隙率の接合層を得るためには、金属粒子表面の自然酸化膜を還元しながら、金属ナノ粒子の焼結を進行させる必要がある。そのためには、焼成は、還元雰囲気下で行う必要がある。還元雰囲気としては、例えば、H2雰囲気、ギ酸雰囲気、及びそれらをArやN2等の不活性ガスで希釈した雰囲気などがある。
[2.1. Firing conditions]
In order to obtain a bonding layer with high strength and low porosity, it is necessary to advance the sintering of the metal nanoparticles while reducing the natural oxide film on the surface of the metal particles. For this purpose, the firing needs to be performed in a reducing atmosphere. Examples of the reducing atmosphere include an H 2 atmosphere, a formic acid atmosphere, and an atmosphere obtained by diluting them with an inert gas such as Ar or N 2 .

焼成は、金属粗大粒子の焼結(収縮、粒成長)が生じることなく、金属ナノ粒子の焼結が進行する温度で行う必要がある。また、焼成温度は、半導体素子への熱負荷の少ない温度が好ましい。最適な焼成温度は、金属ナノ粒子及び金属粗大粒子の組成、金属ナノ粒子の平均粒子径などにより異なる。
例えば、純CuからなるCu系ナノ粒子と純NiからなるNi系粗大粒子との組み合わせの場合、焼成温度は、300℃〜400℃が好ましい。
The firing needs to be performed at a temperature at which the sintering of the metal nanoparticles proceeds without causing the sintering (shrinkage and grain growth) of the coarse metal particles. Moreover, the firing temperature is preferably a temperature at which the heat load on the semiconductor element is small. The optimum firing temperature varies depending on the composition of the metal nanoparticles and the coarse metal particles, the average particle diameter of the metal nanoparticles, and the like.
For example, in the case of a combination of Cu-based nanoparticles composed of pure Cu and Ni-based coarse particles composed of pure Ni, the firing temperature is preferably 300 ° C to 400 ° C.

[2.2. 接合層の構造]
焼成条件が不適切であると、金属ナノ粒子の焼結が不十分となり、金属粗大粒子の周囲に金属ナノ粒子からなるブリッジが形成された組織となる。そのため、空隙率の小さい接合層は得られない。空隙率の増大は、接合層の耐久性を低下させる原因となる。
これに対し、焼成条件を最適化すると、金属ナノ粒子の焼結が十分に進行し、金属粗大粒子の周囲に、金属ナノ粒子の構成元素を含む連続的な層(マトリックス)が形成される。この時、加圧により金属粗大粒子の塑性変形が生ずることはあるが、金属粗大粒子間の焼結は起こらないため、実質的に接合層の収縮(元素の拡散により金属粗大粒子間の間隔が短くなること)は起こらない。その結果、金属ナノ粒子の構成元素を含むマトリックスと、マトリックス中に分散している金属粗大粒子とを備えた接合層が得られる。
[2.2. Bonding layer structure]
If the firing conditions are inappropriate, the metal nanoparticles are not sufficiently sintered, resulting in a structure in which bridges made of metal nanoparticles are formed around the coarse metal particles. Therefore, a bonding layer having a low porosity cannot be obtained. The increase in the porosity causes a decrease in the durability of the bonding layer.
In contrast, when the firing conditions are optimized, the sintering of the metal nanoparticles proceeds sufficiently, and a continuous layer (matrix) containing the constituent elements of the metal nanoparticles is formed around the coarse metal particles. At this time, plastic deformation of the coarse metal particles may occur due to the pressurization, but sintering between the coarse metal particles does not occur, so the bonding layer shrinks substantially (the spacing between the coarse metal particles due to element diffusion). It does not happen. As a result, a bonding layer including a matrix containing the constituent elements of the metal nanoparticles and coarse metal particles dispersed in the matrix is obtained.

[2.3. 空隙率]
焼成条件を最適化すると、空隙率の少ない接合層が得られる。具体的には、焼成条件を最適化することにより、空隙率は、20%以下、あるいは、15%以下となる。
[2.3. Porosity]
When the firing conditions are optimized, a bonding layer having a low porosity can be obtained. Specifically, the porosity becomes 20% or less or 15% or less by optimizing the firing conditions.

[3. 半導体装置]
本発明に係る半導体装置は、
半導体素子と、
基板と、
前記半導体素子と前記基板との間にある接合層と
を備えている。
[3. Semiconductor device]
A semiconductor device according to the present invention includes:
A semiconductor element;
A substrate,
A bonding layer disposed between the semiconductor element and the substrate;

[3.1. 半導体素子]
本発明において、半導体素子は、特に限定されるものではなく、あらゆる半導体素子に対して本発明を適用することができる。半導体素子としては、例えば、パワー素子、LSI、抵抗、コンデンサなどがある。
[3.1. Semiconductor element]
In the present invention, the semiconductor element is not particularly limited, and the present invention can be applied to any semiconductor element. Examples of semiconductor elements include power elements, LSIs, resistors, capacitors, and the like.

[3.2. 基板]
本発明において、半導体素子が接合される基板は、特に限定されるものではなく、あらゆる基板に対して本発明を適用することができる。
基板としては、例えば、
(a)銅合金リードフレームなどの「リードフレーム」、
(b)DBC(Direct Bond Copper:登録商標)基板、活性金属接合(AMC:Active Metal Copper)基板などの「電極が形成されたセラミック基板」、
(c)電極が形成されたアルミナ基板、低温同時焼成セラミックス(LTCC:Low Temperature Co-fired Ceramics)基板、ガラスエポキシ基板などの「実装基板」、
(d)厚さの異なる複数の半導体素子を同一のリードフレームに実装し、かつ、信号線などのワイヤボンディングを施す際に必要な空間を設けるための銅板、
などがある。
[3.2. substrate]
In the present invention, the substrate to which the semiconductor element is bonded is not particularly limited, and the present invention can be applied to any substrate.
As a substrate, for example,
(A) "Lead frame" such as copper alloy lead frame,
(B) “Ceramic substrate on which an electrode is formed” such as a DBC (Direct Bond Copper: registered trademark) substrate, an active metal bonding (AMC) substrate,
(C) “Mounting substrates” such as alumina substrates with electrodes, low temperature co-fired ceramics (LTCC) substrates, glass epoxy substrates,
(D) a copper plate for mounting a plurality of semiconductor elements having different thicknesses on the same lead frame and providing a space necessary for wire bonding such as a signal line;
and so on.

[3.3. 接合層]
接合層は、本発明に係る導電性ペーストを半導体素子と基板との間に介在させ、還元雰囲気下で焼成することにより得られるものからなる。接合層の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
[3.3. Bonding layer]
The bonding layer is obtained by interposing the conductive paste according to the present invention between the semiconductor element and the substrate and firing in a reducing atmosphere. Since the details of the bonding layer are as described above, the description thereof is omitted.

[3.4. 密着層]
[3.4.1. 組成]
半導体素子の接合層側の表面、及び/又は、基板の接合層側の表面には、さらに密着層が形成されていても良い。
ここで、「密着層」とは、半導体素子又は基板と接合層との間の接合強度を向上させる機能を備えた層をいう。
[3.4. Adhesion layer]
[3.4.1. composition]
An adhesion layer may be further formed on the surface of the semiconductor element on the bonding layer side and / or on the surface of the substrate on the bonding layer side.
Here, the “adhesion layer” refers to a layer having a function of improving the bonding strength between the semiconductor element or the substrate and the bonding layer.

密着層は、Ni、Ag、及びCoからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素を含む層が好ましい。これらの元素は、いずれもCu系粒子表面の自然酸化膜を除去する作用がある。そのため、接合層と半導体素子又は基板との界面にこのような密着層を介在させると、接合層と半導体素子又は基板とをより強固に接合することができる。   The adhesion layer is preferably a layer containing any one or more elements selected from the group consisting of Ni, Ag, and Co. All of these elements have an action of removing the natural oxide film on the surface of the Cu-based particles. Therefore, when such an adhesion layer is interposed at the interface between the bonding layer and the semiconductor element or the substrate, the bonding layer and the semiconductor element or the substrate can be bonded more firmly.

[3.4.2. 厚さ]
密着層の厚さは、接合強度に影響を与える。接着層の厚さが薄すぎると、高い接合強度は得られない。従って、密着層の厚さは、1nm以上が好ましい。
一方、密着層の厚さを必要以上に厚くするのは、実益がないだけでなく、生産コストを増大させたり、あるいは、密着層の電気抵抗を増大させる。従って、密着層の厚さは、10μm以下が好ましい。密着層の厚さは、好ましくは、200nm以下である。
[3.4.2. thickness]
The thickness of the adhesion layer affects the bonding strength. If the thickness of the adhesive layer is too thin, high bonding strength cannot be obtained. Therefore, the thickness of the adhesion layer is preferably 1 nm or more.
On the other hand, increasing the thickness of the adhesive layer more than necessary not only has no profit, but also increases the production cost or increases the electrical resistance of the adhesive layer. Therefore, the thickness of the adhesion layer is preferably 10 μm or less. The thickness of the adhesion layer is preferably 200 nm or less.

[3.4.3. 密着層の形成方法]
密着層の形成方法は、特に限定されない。密着層の形成方法としては、例えば、
(a)スパッタ法、真空蒸着法などを用いて、半導体素子又は基板の表面に密着層を形成する方法、
(b)電気メッキ法又は無電解メッキ法を用いて、半導体素子又は基板の表面に密着層を形成する方法(メッキ法)、
(c)インクジェット法、スピンコート法、ディップ法、スクリーン印刷法などを用いて、密着層の材料を含むペースト又はインクを半導体素子又は基板の表面に塗布し、これを不活性ガス雰囲気又は還元性ガス雰囲気中において加熱する方法(塗布法)、
などがある。
[3.4.3. Method for forming adhesion layer]
The method for forming the adhesion layer is not particularly limited. As a method for forming the adhesion layer, for example,
(A) a method of forming an adhesion layer on the surface of a semiconductor element or a substrate using a sputtering method, a vacuum deposition method, or the like;
(B) A method of forming an adhesion layer on the surface of a semiconductor element or substrate using an electroplating method or an electroless plating method (plating method),
(C) Using an inkjet method, a spin coating method, a dip method, a screen printing method, or the like, a paste or ink containing a material for the adhesion layer is applied to the surface of a semiconductor element or substrate, and this is applied to an inert gas atmosphere or reducing property. A method of heating in a gas atmosphere (coating method),
and so on.

[3.5. 具体例]
図1に、本発明の一実施の形態に係る半導体装置の模式図を示す。図1において、半導体装置10は、半導体素子12と、リードフレーム14a、14bと、銅板16と、接合層18a〜18cとを備えている。銅板16は、厚さの異なる複数の半導体素子12を同一のリードフレーム14a、14bに実装し、かつ信号線などのワイヤボンディングを施す際に必要な空間を設けるためのものである。半導体装置10は、通常、これらの構成要素が樹脂(図示せず)で封止された状態で使用される。
[3.5. Concrete example]
FIG. 1 is a schematic diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the semiconductor device 10 includes a semiconductor element 12, lead frames 14a and 14b, a copper plate 16, and bonding layers 18a to 18c. The copper plate 16 is for providing a space necessary for mounting a plurality of semiconductor elements 12 having different thicknesses on the same lead frames 14a and 14b and performing wire bonding such as signal lines. The semiconductor device 10 is normally used in a state where these components are sealed with a resin (not shown).

接合層18aは、下部のリードフレーム14aと半導体素子12との間に挿入される。リードフレーム14aの上面及び半導体素子12の下面には、それぞれ、密着層が形成されていても良い。
また、接合層18bは、半導体素子14aと銅板16との間に挿入される。半導体素子12の上面及び銅板16の下面には、それぞれ、密着層が形成されていても良い。
さらに、接合層18cは、銅板16と上部のリードフレーム14bとの間に挿入される。銅板16の上面及びリードフレーム14bの下面には、それぞれ、密着層が形成されていても良い。
The bonding layer 18 a is inserted between the lower lead frame 14 a and the semiconductor element 12. An adhesion layer may be formed on each of the upper surface of the lead frame 14 a and the lower surface of the semiconductor element 12.
In addition, the bonding layer 18 b is inserted between the semiconductor element 14 a and the copper plate 16. An adhesion layer may be formed on each of the upper surface of the semiconductor element 12 and the lower surface of the copper plate 16.
Further, the bonding layer 18c is inserted between the copper plate 16 and the upper lead frame 14b. An adhesion layer may be formed on each of the upper surface of the copper plate 16 and the lower surface of the lead frame 14b.

図1に示す半導体装置10は、例えば、
(a)半導体素子12の下面、及び銅板16の両面に、それぞれ、本発明に係る導電性ペーストを塗布し、
(b)リードフレーム14a、半導体素子12、銅板16、及びリードフレーム14bをこの順で重ね合わせて積層体とし、
(c)必要に応じて、積層方向に加圧しながら、積層体を還元性雰囲気下で加熱する
ことにより製造することができる。
The semiconductor device 10 shown in FIG.
(A) The conductive paste according to the present invention is applied to the lower surface of the semiconductor element 12 and both surfaces of the copper plate 16, respectively.
(B) The lead frame 14a, the semiconductor element 12, the copper plate 16, and the lead frame 14b are stacked in this order to form a laminate.
(C) If necessary, it can be produced by heating the laminate in a reducing atmosphere while applying pressure in the lamination direction.

[4. 作用]
Cuナノ粒子は、焼結性及び耐熱性に優れ、かつ、低コストであるため、半導体素子の接合材として用いることが検討されている。しかし、Cuナノ粒子のみを用いて接合を行うと、その焼結収縮などによって、接合層にボイドやクラックが生じ、酸化などに対する耐環境性が低下することがある。その対策として、特許文献1に記載されているように、Cuナノ粒子とCu粗大粒子とを混合する方法が提案されている。しかし、この方法では、粗大粒子表面に存在する自然酸化膜によって接合層内の焼結が妨げられ、接合層の強度が大きく低下する欠点があった。
[4. Action]
Since Cu nanoparticles are excellent in sinterability and heat resistance and are low in cost, use of Cu nanoparticles as a bonding material for semiconductor elements has been studied. However, when bonding is performed using only Cu nanoparticles, voids and cracks may be generated in the bonding layer due to sintering shrinkage and the like, which may reduce the environmental resistance against oxidation and the like. As a countermeasure, a method of mixing Cu nanoparticles and Cu coarse particles has been proposed as described in Patent Document 1. However, this method has a drawback in that the natural oxide film present on the surface of the coarse particles hinders sintering in the bonding layer, and the strength of the bonding layer is greatly reduced.

これに対し、Cu系ナノ粒子とNi系粗大粒子の組み合わせ、又は、Ni系ナノ粒子とCu系粗大粒子の組み合わせを用いると、接合層にボイドやクラックを生じさせることなく、高強度かつ低空隙率の接合層が得られる。これは、以下の理由によると考えられる。   In contrast, when a combination of Cu-based nanoparticles and Ni-based coarse particles, or a combination of Ni-based nanoparticles and Cu-based coarse particles is used, high strength and low voids are generated without causing voids or cracks in the bonding layer. Rate of bonding layer is obtained. This is considered to be due to the following reason.

図2に、Cuナノ粒子とNi粗大粒子の界面形成過程の模式図を示す。Cu系ナノ粒子の表面は、通常、Cu2Oからなる自然酸化膜で覆われている(図2(a)参照)。Cu2Oは還元されにくいため、このような自然酸化膜を備えたCuナノ粒子のみを還元雰囲気下で焼成しても、自然酸化膜を除去することはできない。
一方、Ni粒子の表面は、通常、NiOからなる自然酸化膜で覆われている(図2(a)参照)。NiOは、Cu2Oを固溶し、かつ、Cu+をCu2+に酸化させる作用がある。Cu2+は、Cu+に比べて還元されやすいため、還元性雰囲気下での焼成によって、Cuに容易に還元される。
In FIG. 2, the schematic diagram of the interface formation process of Cu nanoparticle and Ni coarse particle is shown. The surface of the Cu-based nanoparticles is usually covered with a natural oxide film made of Cu 2 O (see FIG. 2 (a)). Since Cu 2 O is not easily reduced, the natural oxide film cannot be removed even if only Cu nanoparticles provided with such a natural oxide film are baked in a reducing atmosphere.
On the other hand, the surface of the Ni particles is usually covered with a natural oxide film made of NiO (see FIG. 2A). NiO has a function of dissolving Cu 2 O and oxidizing Cu + to Cu 2+ . Since Cu 2+ is more easily reduced than Cu + , it is easily reduced to Cu by firing in a reducing atmosphere.

そのため、Cuナノ粒子とNi粗大粒子が接触している状態で還元雰囲気下で加熱すると、Cuナノ粒子とNi粗大粒子の界面にネックが形成されると同時に、Cu2O内のCuがNiO層に固溶し、NiO層内には金属Cuが析出し始める(図2(b)参照)。
加熱を続行すると、Cuの表面拡散と還元がさらに進行する。その結果、ネック部の直径が拡大すると同時に、Cuナノ粒子表面の自然酸化膜が完全に除去され、NiO層がCu−Ni合金層へと次第に変化する(図2(c))。
Therefore, when heating is performed in a reducing atmosphere while the Cu nanoparticles and the Ni coarse particles are in contact, a neck is formed at the interface between the Cu nanoparticles and the Ni coarse particles, and at the same time, the Cu in Cu 2 O becomes a NiO layer. The metal Cu begins to precipitate in the NiO layer (see FIG. 2B).
If heating is continued, Cu surface diffusion and reduction further proceed. As a result, the diameter of the neck portion increases, and at the same time, the natural oxide film on the surface of the Cu nanoparticles is completely removed, and the NiO layer gradually changes to a Cu—Ni alloy layer (FIG. 2C).

さらに加熱を続行すると、Cuの表面拡散がさらに進行し、Ni粗大粒子の表面がCu層又はCu−Ni合金層で覆われる(図2(d))。実際の接合層内では、Ni粗大粒子の周囲に多数のCuナノ粒子が存在しているので、表面拡散の進行により、Cuナノ粒子がNi粗大粒子の周囲を取り囲む連続的なマトリックスへと変化する。
Cu系ナノ粒子及びNi系ナノ粒子が、それぞれ、Cu合金及びNi合金からなる場合、並びに、Ni系ナノ粒子とCu系粗大粒子の組み合わせの場合においても、これと同様のプロセスにより焼結が進行する。
When the heating is further continued, the surface diffusion of Cu further proceeds, and the surface of the Ni coarse particles is covered with the Cu layer or the Cu—Ni alloy layer (FIG. 2D). In the actual bonding layer, there are a large number of Cu nanoparticles around the Ni coarse particles, and as the surface diffusion proceeds, the Cu nanoparticles change into a continuous matrix surrounding the Ni coarse particles. .
When Cu-based nanoparticles and Ni-based nanoparticles are made of Cu alloy and Ni alloy, respectively, and in the case of a combination of Ni-based nanoparticles and Cu-based coarse particles, sintering proceeds by the same process. To do.

本発明に係る導電性ペーストは、Cu系粒子とNi系粒子の双方を含むので、還元雰囲気下での焼成によって自然酸化膜の除去及び粒子間の焼結が適度に進行し、高強度の接合層が得られる。また、Cu系粒子又はNi系粒子のいずれか一方をナノ粒子とし、他方を粗大粒子としているので、空隙率の小さい接合層を得ることができる。さらに、金属粒子の一部に低コストの粗大粒子を用いるため、導電性ペースト及びこれを用いて形成される接合層を低コスト化することができる。   Since the conductive paste according to the present invention includes both Cu-based particles and Ni-based particles, the removal of the natural oxide film and the sintering between the particles proceed appropriately by firing in a reducing atmosphere, and high-strength bonding. A layer is obtained. Moreover, since either one of the Cu-based particles or Ni-based particles is a nanoparticle and the other is a coarse particle, a bonding layer having a low porosity can be obtained. Furthermore, since low-cost coarse particles are used as part of the metal particles, the cost of the conductive paste and the bonding layer formed using the conductive paste can be reduced.

(実施例1〜2、参考例3〜4、比較例1〜5)
[1. 試料の作製]
[1.1. 実施例1〜2、参考例3〜4]
金属ナノ粒子には、脂肪酸とアミンで修飾した平均粒子径140nmのCuナノ粒子を用いた。また、金属粗大粒子には、平均粒子径2〜3μmのNi粒子(高純度化学研究所製)を用いた。Cuナノ粒子に対して、Ni粒子を所定量混合し、α−テルピオネールと1−デカノールを用いてペースト化した。Ni粒子の質量割合は、5mass%(実施例1)、10mass%(実施例2)、20mass%(参考例3)、又は30mass%(参考例4)とした。
次に、表面が、それぞれ、Ni膜で被覆されたSiCチップとCu板とを用意した。SiCチップのNi膜と基板のNi膜との間に接合層が形成されるように、基板の表面にペーストを塗布し、SiCチップとCu板とを積層した。得られた積層体を水素雰囲気中で焼成し、接合体を得た。
(Examples 1-2, Reference Examples 3-4, Comparative Examples 1-5)
[1. Preparation of sample]
[1.1. Examples 1-2, Reference Examples 3-4]
As the metal nanoparticles, Cu nanoparticles modified with fatty acid and amine and having an average particle diameter of 140 nm were used. Further, Ni particles (manufactured by High Purity Chemical Research Laboratory) having an average particle diameter of 2 to 3 μm were used as the coarse metal particles. Predetermined amounts of Ni particles were mixed with Cu nanoparticles, and paste was made using α-terpioneer and 1-decanol. The mass ratio of the Ni particles was 5 mass % (Example 1), 10 mass% (Example 2) , 20 mass% (Reference Example 3) , or 30 mass% (Reference Example 4) .
Next, a SiC chip and a Cu plate whose surfaces were each coated with a Ni film were prepared. A paste was applied to the surface of the substrate so that a bonding layer was formed between the Ni film of the SiC chip and the Ni film of the substrate, and the SiC chip and the Cu plate were laminated. The obtained laminated body was fired in a hydrogen atmosphere to obtain a joined body.

[1.2. 比較例1〜5]
Ni粒子に代えて、平均粒子径1μmのCu粒子(高純度化学研究所製)を用いた以外は、実施例1〜4と同様にして接合体を作製した。Cu粒子の質量割合は、0mass%(比較例1)、5mass%(比較例2)、10mass%(比較例3)、20mass%(比較例4)、又は30mass%(比較例5)とした。
[1.2. Comparative Examples 1-5]
A joined body was produced in the same manner as in Examples 1 to 4 except that Cu particles (manufactured by High Purity Chemical Research Laboratories) having an average particle diameter of 1 μm were used instead of Ni particles. The mass ratio of the Cu particles was 0 mass % (Comparative Example 1), 5 mass % (Comparative Example 2), 10 mass% (Comparative Example 3), 20 mass% (Comparative Example 4), or 30 mass% (Comparative Example 5).

[2. 試験方法及び結果]
せん断試験により、接合体の接合強度を評価した。また、接合体の断面を走査電子顕微鏡で観察し、空隙率を求めた。空隙率は、接合層の面積に占める空隙の面積の割合とした。表1に、その結果を示す。図3に、空隙率及び接合強度に及ぼす金属粗大粒子の質量割合の影響を示す。表1及び図3より、以下のことがわかる。
[2. Test method and results]
The joining strength of the joined body was evaluated by a shear test. Moreover, the cross section of the joined body was observed with a scanning electron microscope, and the porosity was determined. The porosity is defined as the ratio of the area of the void to the area of the bonding layer. Table 1 shows the results. FIG. 3 shows the influence of the mass ratio of coarse metal particles on the porosity and bonding strength. Table 1 and FIG. 3 show the following.

添加した粗大粒子の金属種によらず、粗大粒子の質量割合が増加すると共に、接合強度が減少する傾向が見られた。Ni粗大粒子を添加したペーストを用いた接合体の方が、同じ割合のCu粗大粒子を添加したペーストを用いた接合体よりも接合強度が大きかった。
また、粗大粒子を添加したことによって、接合層中の空隙率は減少した。最も空隙率が小さくなる質量割合は、Ni粗大粒子を添加したペーストの方が小さくなっていた。この結果から、Ni粗大粒子を添加したペーストを用いた接合体は、Cu粗大粒子を添加したペーストを用いた接合体と比較して、緻密な接合層を形成し、かつ、高強度を併せ持つことが可能であることが示された。
Regardless of the metal species of the added coarse particles, the mass ratio of the coarse particles increased and the bonding strength tended to decrease. The joined body using the paste to which Ni coarse particles were added had a greater bonding strength than the joined body using the paste to which the same proportion of Cu coarse particles was added.
Moreover, the porosity in the joining layer decreased by adding coarse particles. The mass ratio with the smallest porosity was smaller in the paste to which Ni coarse particles were added. From this result, the joined body using the paste added with Ni coarse particles forms a dense joint layer and has high strength as compared with the joined body using the paste added with Cu coarse particles. Was shown to be possible.

Figure 0006617049
Figure 0006617049

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明に係る導電性ペーストは、半導体装置の接合層、微細配線、導電性バンプなどの製造に用いることができる。   The conductive paste according to the present invention can be used for manufacturing a bonding layer, a fine wiring, a conductive bump, and the like of a semiconductor device.

10 半導体装置
12 半導体素子
14a、14b リードフレーム(基板)
16 銅板(基板)
18a〜18c 接合層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor device 12 Semiconductor element 14a, 14b Lead frame (board | substrate)
16 Copper plate (substrate)
18a-18c bonding layer

Claims (5)

以下の構成を備えた導電性ペースト。
(1)前記導電性ペーストは、
表面が有機分子で被覆された、平均粒子径が500nm未満であるCu系ナノ粒子と、
平均粒子径が1μm以上であるNi系粗大粒子と、
前記Cu系ナノ粒子及び前記Ni系粗大粒子を分散させるための有機溶剤と
を備えている。
(2)前記Cu系ナノ粒子は、95at%以上のCuを含み、前記Ni系粗大粒子は、95at%以上のNiを含む。
(3)前記Cu系ナノ粒子の質量をW n 、前記Ni系粗大粒子の質量をW c とした時に、前記Ni系粗大粒子の質量割合(R)(=W c ×100/(W n +W c ))は、5mass%以上20mass%未満である。
A conductive paste having the following configuration.
(1) The conductive paste is
Cu-based nanoparticles whose surface is coated with organic molecules and whose average particle diameter is less than 500 nm,
Ni-based coarse particles having an average particle diameter of 1 μm or more;
An organic solvent for dispersing the Cu-based nanoparticles and the Ni-based coarse particles .
(2) The Cu-based nanoparticles include 95 at% or more of Cu, and the Ni-based coarse particles include 95 at% or more of Ni.
(3) When the mass of the Cu-based nanoparticles is W n and the mass of the Ni-based coarse particles is W c , the mass ratio (R) of the Ni-based coarse particles (= W c × 100 / (W n + W c )) is 5 mass% or more and less than 20 mass%.
前記Ni系粗大粒子の平均粒子径は、30μm未満である請求項1に記載の導電性ペースト。 The conductive paste according to claim 1, wherein an average particle diameter of the Ni-based coarse particles is less than 30 μm. 以下の構成を備えた半導体装置。
(1)前記半導体装置は、
半導体素子と、
基板と、
前記半導体素子と前記基板との間にある接合層と
を備えている。
(2)前記接合層は、請求項1又は2に記載の導電性ペーストを前記半導体素子と前記基板との間に介在させ、還元雰囲気下で焼成することにより得られるものであって、
前記Cu系ナノ粒子の構成元素を含むマトリックスと、
前記マトリックス中に分散している前記Ni系粗大粒子
を備えている。
A semiconductor device having the following configuration.
(1) The semiconductor device includes:
A semiconductor element;
A substrate,
A bonding layer disposed between the semiconductor element and the substrate;
(2) The bonding layer is obtained by interposing the conductive paste according to claim 1 or 2 between the semiconductor element and the substrate and firing in a reducing atmosphere,
A matrix containing constituent elements of the Cu-based nanoparticles ;
And Ni-based coarse particles dispersed in the matrix.
前記接合層は、空隙率が20%以下である請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, wherein the bonding layer has a porosity of 20% or less. 前記半導体素子の接合層側の表面、及び/又は、前記基板の接合層側の表面には、Ni、Ag、及びCoからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素を含む密着層が形成されている請求項3又は4に記載の半導体装置。 An adhesion layer containing at least one element selected from the group consisting of Ni, Ag, and Co is formed on the surface of the semiconductor element on the bonding layer side and / or on the surface of the substrate on the bonding layer side. The semiconductor device according to claim 3 or 4 .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7198479B2 (en) * 2018-08-31 2023-01-04 学校法人早稲田大学 Semiconductor device bonding structure, method for producing semiconductor device bonding structure, and conductive bonding agent
CN113166945B (en) * 2018-11-29 2024-01-02 株式会社力森诺科 Bonded body and method for manufacturing semiconductor device
JP7029182B2 (en) * 2019-05-22 2022-03-03 協立化学産業株式会社 Manufacturing method of bonded body
JP7391678B2 (en) * 2020-01-24 2023-12-05 大陽日酸株式会社 Bonding material
TW202331970A (en) * 2021-12-06 2023-08-01 日商大賽璐股份有限公司 Laminate and joining member

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6199048B2 (en) * 2013-02-28 2017-09-20 国立大学法人大阪大学 Bonding material
JP6270241B2 (en) * 2014-01-30 2018-01-31 株式会社豊田中央研究所 Bonding material and semiconductor device using the same

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