JP7067002B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に半導体素子と半導体素子搭載用支持部材とを、金属粒子及び分散媒を含む焼結性接合材料を用いて接合する、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor element and a support member for mounting the semiconductor device are joined by using a sinterable bonding material containing metal particles and a dispersion medium.

近年、半導体パッケージ材料には、耐熱性(高温・高湿下での安定性や信頼性に優れること)が求められている。例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、電鉄、分散電源では、インバーターにパワー半導体が多く使われているが、パワー密度の向上が著しく、パッケージ材料は高温に晒される。また、カーエレクトロニクス分野で用いられる通常の半導体チップを使用するエレクトロニクスコントロールユニット(ECU)も、これまで車室内に搭載されていたが、より環境の厳しいエンジンルーム内へ搭載される方向にあり、より高い耐熱性が要求されている。さらに、ワイドバンドギャップ半導体(SiC等)も適用されてきており、200℃以上で高温動作させる用途も予想されている。 In recent years, heat resistance (excellent in stability and reliability under high temperature and high humidity) has been required for semiconductor package materials. For example, in hybrid vehicles, electric vehicles, electric railways, and distributed power sources, power semiconductors are often used for inverters, but the power density is significantly improved and the package material is exposed to high temperatures. In addition, an electronics control unit (ECU) that uses ordinary semiconductor chips used in the car electronics field has been installed in the vehicle interior, but it is being installed in the engine room, which is more harsh, and more. High heat resistance is required. Further, wide bandgap semiconductors (SiC and the like) have also been applied, and are expected to be used for high temperature operation at 200 ° C. or higher.

このような高温条件下では、半導体素子の接合材としてこれまで用いられてきたはんだでは対応が困難である。そのため、金属微粒子を含むペーストを焼結して得られる焼結金属による接合が、高温対応の接合技術として提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、ペーストを用いて接合をする場合、接合時に半導体素子の外周部からはみ出したペーストが半導体素子端面に這い上がり、半導体素子が短絡する虞がある。このような這い上がりは、支持部材との接着性を高めようと、半導体素子を加圧しながら加熱した場合において特に顕著に現れる。 Under such high temperature conditions, it is difficult to handle with solder that has been used as a joining material for semiconductor devices. Therefore, bonding with a sintered metal obtained by sintering a paste containing fine metal particles has been proposed as a bonding technique for high temperatures (see, for example, Patent Document 1). However, when joining using a paste, the paste protruding from the outer peripheral portion of the semiconductor element at the time of joining may crawl up to the end face of the semiconductor element, resulting in a short circuit of the semiconductor element. Such crawling is particularly remarkable when the semiconductor element is heated while being pressurized in order to improve the adhesiveness with the support member.

そこで、ペーストの塗布面積を予め小さくしておき、接合時にペーストが半導体素子の外周縁からはみ出ないようにする方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Therefore, a method has been proposed in which the coating area of the paste is reduced in advance so that the paste does not protrude from the outer peripheral edge of the semiconductor element at the time of joining (see, for example, Patent Document 2).

特開2007-214340号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-214340 特開2015-153966号公報JP-A-2015-153966

ところで、半導体素子は、動作時に通電による発熱と冷却を繰り返す。このとき、半導体素子及び半導体素子近傍の部材は、各々の線膨張係数に従った伸縮動作を繰り返すため、半導体素子の周縁部には一定の負荷がかかる。この点につき、特許文献2の方法では、半導体素子の面積よりもペーストの焼結物である焼結金属層の面積が小さく、同文献の図1に示されるように半導体素子の周縁部には焼結金属層が形成されない。半導体素子の周縁部に焼結金属層が形成されない場合、半導体動作時に接合界面において界面剥離が生じる虞がある。この界面剥離は、半導体装置の接続信頼性を低下させる原因となる。 By the way, the semiconductor element repeats heat generation and cooling due to energization during operation. At this time, since the semiconductor element and the members in the vicinity of the semiconductor element repeat the expansion / contraction operation according to the respective linear expansion coefficients, a constant load is applied to the peripheral portion of the semiconductor element. Regarding this point, in the method of Patent Document 2, the area of the sintered metal layer which is a sintered product of the paste is smaller than the area of the semiconductor element, and as shown in FIG. 1 of the same document, the peripheral portion of the semiconductor element is covered. No sintered metal layer is formed. If the sintered metal layer is not formed on the peripheral edge of the semiconductor element, interface peeling may occur at the bonding interface during semiconductor operation. This interfacial peeling causes a decrease in connection reliability of the semiconductor device.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、接続信頼性に優れる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having excellent connection reliability.

本発明は、半導体素子搭載用支持部材上に、金属粒子及び分散媒を含む焼結性接合材料を介して半導体素子を載置する工程であり、平面視において、焼結性接合材料の外周縁が半導体素子の外周縁よりも大きい、載置工程と、半導体素子の外周縁を超えて存在する焼結性接合材料から、分散媒の少なくとも一部を除去する乾燥工程と、焼結性接合材料を加熱して、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子とを、焼結性接合材料の焼結物を介して接合する接合工程と、半導体素子の外周縁を超えて存在する、焼結性接合材料の焼結物を除去する除去工程と、を備える、半導体装置の製造方法を提供する。 The present invention is a step of mounting a semiconductor element on a support member for mounting a semiconductor element via a sinterable bonding material containing metal particles and a dispersion medium, and is an outer peripheral edge of the sinterable bonding material in a plan view. A mounting process in which is larger than the outer peripheral edge of the semiconductor element, a drying process in which at least a part of the dispersion medium is removed from the sinterable bonding material existing beyond the outer peripheral edge of the semiconductor element, and a sinterable bonding material. A joining process in which a support member for mounting a semiconductor element and a semiconductor element are joined via a sintered body of a sinterable joining material, and a sinterable joining existing beyond the outer peripheral edge of the semiconductor element. Provided is a method for manufacturing a semiconductor device, comprising a removal step of removing a sintered material of a material.

本発明では、焼結性接合材料の焼結を進行させる前に、乾燥工程を必須とする。これにより、特に半導体素子の外周縁を超えて存在する焼結性接合材料において、当該材料に含まれる分散媒の揮発が進む。分散媒が揮発した金属粒子の堆積層を焼結したとしても充分な可撓性も密着性も得られない。すなわち、当該堆積層は、室温から焼成温度である数百度に昇温した際に、熱膨張率差で生じる変位により半導体素子搭載用支持部材上に定着することができず、金属焼結片となる。金属焼結片は、除去工程により好適に除去することができる。得られた半導体装置においては、半導体素子端部への焼結性接合材料の這い上がりもなく、また、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材とが、半導体素子の接合面と略同面積の焼結物により接合されることとなる。いずれも従来の課題を解決するものであり、本発明は、接続信頼性に優れる半導体装置の製造方法を提供することができると言える。 In the present invention, a drying step is indispensable before proceeding with sintering of the sinterable bonding material. As a result, especially in the sinterable bonding material existing beyond the outer peripheral edge of the semiconductor element, the dispersion medium contained in the material is volatilized. Even if the deposited layer of metal particles in which the dispersion medium is volatilized is sintered, sufficient flexibility and adhesion cannot be obtained. That is, when the temperature of the deposited layer is raised from room temperature to several hundred degrees, which is the firing temperature, the deposited layer cannot be fixed on the support member for mounting the semiconductor element due to the displacement caused by the difference in the coefficient of thermal expansion, and the metal sintered piece. Become. The metal sintered pieces can be suitably removed by the removing step. In the obtained semiconductor device, the sinterable bonding material does not crawl up to the end of the semiconductor element, and the semiconductor element and the support member for mounting the semiconductor element are baked in substantially the same area as the bonding surface of the semiconductor element. It will be joined by a bond. All of them solve the conventional problems, and it can be said that the present invention can provide a method for manufacturing a semiconductor device having excellent connection reliability.

本発明において、金属粒子が銅粒子を含み、銅粒子の含有量が、焼結性接合材料の全質量を基準として80質量%以上であることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the metal particles include copper particles and the content of the copper particles is 80% by mass or more based on the total mass of the sinterable bonding material.

本発明において、銅粒子がサブマイクロ銅粒子及びフレーク状マイクロ銅粒子を含み、サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計が、金属粒子の全質量を基準として80質量%以上であってもよい。 In the present invention, the copper particles include sub-micro copper particles and flake-shaped micro copper particles, and the total content of the sub-micro copper particles and the flake-shaped micro copper particles is 80 mass based on the total mass of the metal particles. It may be% or more.

本発明において、半導体素子はワイドバンドギャップ半導体であってもよい。 In the present invention, the semiconductor element may be a wide bandgap semiconductor.

本発明によれば、接続信頼性に優れる半導体装置の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor device having excellent connection reliability.

本実施形態に係る半導体装置の製造方法により得られる半導体装置の一例を示す模式断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the semiconductor device obtained by the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る半導体装置の製造方法により得られる半導体装置の他の例を示す模式断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other example of the semiconductor device obtained by the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this embodiment. 実施例の封止サンプルについての断面SEM像である。6 is a cross-sectional SEM image of the sealed sample of the example.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments.

以下、図面を参照しながら好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

(焼結性接合材料)
本実施形態に係る半導体装置の製造方法で用いられる焼結性接合材料の一例を以下に示す。
(Sinterable bonding material)
An example of a sinterable bonding material used in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment is shown below.

本実施形態に係る焼結性接合材料は、金属粒子及び分散媒を含んでおり、接合用の金属ペーストということができる。特に、焼結性接合材料が金属粒子として銅粒子を含む場合は、接合用銅ペーストということができる。 The sinterable bonding material according to the present embodiment contains metal particles and a dispersion medium, and can be said to be a metal paste for bonding. In particular, when the sinterable bonding material contains copper particles as metal particles, it can be said to be a copper paste for bonding.

(金属粒子)
本実施形態に係る金属粒子としては、サブマイクロ銅粒子、フレーク状マイクロ銅粒子、これら以外の銅粒子、その他の金属粒子等が挙げられる。
(Metal particles)
Examples of the metal particles according to the present embodiment include submicro copper particles, flake-shaped micro copper particles, copper particles other than these, and other metal particles.

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

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

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

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

サブマイクロ銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、20質量%以上90質量%以下であってもよく、30質量%以上90質量%以下であってもよく、35質量%以上85質量%以下であってもよく、40質量%以上80質量%以下であってもよい。サブマイクロ銅粒子の含有量が上記範囲内であることで接合性に優れる焼結物(焼結金属層)を形成することが容易となる。 The content of the sub-micro copper particles may be 20% by mass or more and 90% by mass or less, 30% by mass or more and 90% by mass or less, and 35% by mass or more, based on the total mass of the metal particles. It may be 85% by mass or less, and may be 40% by mass or more and 80% by mass or less. When the content of the sub-micro copper particles is within the above range, it becomes easy to form a sintered product (sintered metal layer) having excellent bondability.

サブマイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びフレーク状マイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、20質量%以上90質量%以下であってもよい。サブマイクロ銅粒子の上記含有量が20質量%以上であれば、フレーク状マイクロ銅粒子の間を充分に充填することができ、接合性に優れる焼結物を形成することが容易となる。サブマイクロ銅粒子の上記含有量が90質量%以下であれば、金属ペーストを焼結した時の体積収縮を充分に抑制できるため、接合性に優れる焼結物を形成することが容易となる。より一層上記効果を奏するという観点から、サブマイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びフレーク状マイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、30質量%以上85質量%以下であってもよく、35質量%以上85質量%以下であってもよく、40質量%以上80質量%以下であってもよい。 The content of the sub-micro copper particles may be 20% by mass or more and 90% by mass or less based on the total of the mass of the sub-micro copper particles and the mass of the flake-shaped micro copper particles. When the content of the sub-micro copper particles is 20% by mass or more, the space between the flake-shaped micro-copper particles can be sufficiently filled, and it becomes easy to form a sintered body having excellent bondability. When the content of the sub-micro copper particles is 90% by mass or less, the volume shrinkage when the metal paste is sintered can be sufficiently suppressed, so that it becomes easy to form a sintered body having excellent bondability. From the viewpoint of further exerting the above effect, the content of the sub-micro copper particles is 30% by mass or more and 85% by mass or less based on the total of the mass of the sub-micro copper particles and the mass of the flake-shaped micro copper particles. It may be 35% by mass or more and 85% by mass or less, or 40% by mass or more and 80% by mass or less.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

フレーク状マイクロ銅粒子は、アスペクト比が4以上であってもよく、6以上であってもよい。アスペクト比が上記範囲内であれば、金属ペースト内のフレーク状マイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向することにより、金属ペーストを焼結させたときの体積収縮を抑制でき、接合性に優れる焼結物を形成することが容易となる。 The flake-shaped microcopper particles may have an aspect ratio of 4 or more, or may be 6 or more. When the aspect ratio is within the above range, the flake-shaped microcopper particles in the metal paste are oriented substantially parallel to the bonding surface, so that volume shrinkage when the metal paste is sintered can be suppressed and the bonding can be performed. It becomes easy to form a sintered product having excellent properties.

フレーク状マイクロ銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、1質量%以上90質量%以下であってもよく、10質量%以上70質量%以下であってもよく、20質量%以上50質量%以下であってもよい。フレーク状マイクロ銅粒子の含有量が、上記範囲内であれば、接合性に優れる焼結物を形成することが容易となる。 The content of the flake-shaped microcopper particles may be 1% by mass or more and 90% by mass or less, 10% by mass or more and 70% by mass or less, or 20% by mass, based on the total mass of the metal particles. It may be 50% by mass or less. When the content of the flake-shaped micro copper particles is within the above range, it becomes easy to form a sintered body having excellent bondability.

サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、80質量%以上であってもよい。サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計が上記範囲内であれば、接合性に優れる焼結物を形成することが容易となる。より一層上記効果を奏するという観点から、サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、90質量%以上であってもよく、95質量%以上であってもよく、100質量%であってもよい。 The total content of the sub-micro copper particles and the content of the flake-shaped micro copper particles may be 80% by mass or more based on the total mass of the metal particles. When the total content of the sub-micro copper particles and the flake-shaped micro-copper particles is within the above range, it becomes easy to form a sintered body having excellent bondability. From the viewpoint of further exerting the above effect, the total content of the sub-micro copper particles and the content of the flake-shaped micro copper particles may be 90% by mass or more based on the total mass of the metal particles, and may be 95. It may be 100% by mass or more, or 100% by mass.

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

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

上記サブマイクロ銅粒子のみから金属ペーストを調製する場合、分散媒の揮発に伴う体積収縮及び焼結収縮が大きいため、金属ペーストの焼結時に被着面より剥離し易くなり、半導体素子等の接合においては充分なダイシェア強度及び接続信頼性が得られにくい。サブマイクロ銅粒子とフレーク状マイクロ銅粒子とを併用することで、金属ペーストを焼結させたときの体積収縮が抑制され、接合性に優れる焼結物を形成することが容易となる。 When the metal paste is prepared only from the above-mentioned sub-micro copper particles, the volume shrinkage and the sintering shrinkage due to the volatilization of the dispersion medium are large, so that the metal paste is easily peeled off from the adherend surface at the time of sintering, and the semiconductor element or the like is bonded. In, it is difficult to obtain sufficient die-share strength and connection reliability. By using the sub-micro copper particles and the flake-shaped micro-copper particles in combination, the volume shrinkage when the metal paste is sintered is suppressed, and it becomes easy to form a sintered body having excellent bondability.

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

銅粒子の含有量は、焼結性接合材料の全質量を基準として80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましい。これにより、接合性に優れる焼結物を形成することが容易となる。 The content of the copper particles is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, based on the total mass of the sinterable bonding material. This makes it easy to form a sintered product having excellent bondability.

(銅粒子以外のその他の金属粒子)
金属粒子としては、上述したサブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子以外のその他の金属粒子を含んでいてもよく、例えば、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金等の粒子を含んでいてもよい。その他の金属粒子は、体積平均粒径が0.01μm以上10μm以下であってもよく、0.01μm以上5μm以下であってもよく、0.05μm以上3μm以下であってもよい。その他の金属粒子を含んでいる場合、その含有量は、充分な接合性を得るという観点から、金属粒子の全質量を基準として、20質量%未満であってもよく、10質量%以下であってもよい。その他の金属粒子は、含まれなくてもよい。その他の金属粒子の形状は、特に限定されるものではない。
(Other metal particles other than copper particles)
The metal particles may include the above-mentioned sub-micro copper particles and other metal particles other than the micro-copper particles, and may include, for example, particles such as nickel, silver, gold, palladium, and platinum. The volume average particle diameter of the other metal particles may be 0.01 μm or more and 10 μm or less, 0.01 μm or more and 5 μm or less, or 0.05 μm or more and 3 μm or less. When other metal particles are contained, the content thereof may be less than 20% by mass and 10% by mass or less based on the total mass of the metal particles from the viewpoint of obtaining sufficient bondability. You may. Other metal particles may not be included. The shape of the other metal particles is not particularly limited.

銅粒子以外の金属粒子を含むことで、複数種の金属が固溶又は分散した焼結物を得ることができるため、焼結物の降伏応力、疲労強度等の機械的な特性が改善され、接続信頼性が向上し易い。また、複数種の金属粒子を添加することで、形成される焼結物は、特定の被着体に対して、接合強度及び接続信頼性が向上し易い。 By containing metal particles other than copper particles, it is possible to obtain a sintered body in which a plurality of types of metals are solid-dissolved or dispersed, so that mechanical properties such as yield stress and fatigue strength of the sintered body are improved. Connection reliability is likely to improve. Further, the sintered body formed by adding a plurality of types of metal particles tends to improve the bonding strength and the connection reliability with respect to a specific adherend.

(分散媒)
分散媒は揮発性のものであることが好ましい。揮発性の分散媒としては、例えば、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、α-テルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール(MTPH)等の一価及び多価アルコール類;エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールイソブチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類;エチレングリコールエチルエーテルアセテート、エチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート(DPMA)、乳酸エチル、乳酸ブチル、γ-ブチロラクトン、炭酸プロピレン等のエステル類;N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド等の酸アミド;シクロヘキサノン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン等の脂肪族炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素;炭素数1~18のアルキル基を有するメルカプタン類;炭素数5~7のシクロアルキル基を有するメルカプタン類が挙げられる。炭素数1~18のアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、エチルメルカプタン、n-プロピルメルカプタン、i-プロピルメルカプタン、n-ブチルメルカプタン、i-ブチルメルカプタン、t-ブチルメルカプタン、ペンチルメルカプタン、ヘキシルメルカプタン及びドデシルメルカプタンが挙げられる。炭素数5~7のシクロアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、シクロペンチルメルカプタン、シクロヘキシルメルカプタン及びシクロヘプチルメルカプタンが挙げられる。
(Dispersion medium)
The dispersion medium is preferably volatile. Examples of the volatile dispersion medium include monovalent and polyvalent and polyvalent such as pentanol, hexanol, heptanol, octanol, decanol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, α-terpineol and isobornylcyclohexanol (MTPH). Valuable alcohols; ethylene glycol butyl ether, ethylene glycol phenyl ether, diethylene glycol methyl ether, diethylene glycol ethyl ether, diethylene glycol butyl ether, diethylene glycol isobutyl ether, diethylene glycol hexyl ether, triethylene glycol methyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol. Butylmethyl ether, diethylene glycol isopropylmethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol butylmethyl ether, propylene glycol propyl ether, dipropylene glycol methyl ether, dipropylene glycol ethyl ether, dipropylene glycol propyl ether, dipropylene glycol butyl ether, di Ethers such as propylene glycol dimethyl ether, tripropylene glycol methyl ether, tripropylene glycol dimethyl ether; ethylene glycol ethyl ether acetate, ethylene glycol butyl ether acetate, diethylene glycol ethyl ether acetate, diethylene glycol butyl ether acetate, dipropylene glycol methyl ether acetate (DPMA), lactic acid Ethers such as ethyl, butyl lactate, γ-butyrolactone, propylene carbonate; acid amides such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide; cyclohexanone, octane, nonane, decane, Examples thereof include aliphatic hydrocarbons such as undecane; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene; mercaptans having an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms; and mercaptans having a cycloalkyl group having 5 to 7 carbon atoms. Examples of mercaptans having an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms include ethyl mercaptan, n-propyl mercaptan, i-propyl mercaptan, n-butyl mercaptan, i-butyl mercaptan, t-butyl mercaptan, pentyl mercaptan, and hexyl mercaptan. And dodecyl mercaptan. Examples of mercaptans having a cycloalkyl group having 5 to 7 carbon atoms include cyclopentyl mercaptan, cyclohexyl mercaptan and cycloheptyl mercaptan.

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

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

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

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

<半導体装置の製造方法>
本実施形態に係る、半導体装置の製造方法は、半導体素子搭載用支持部材上に、金属粒子及び分散媒を含む焼結性接合材料を介して半導体素子を載置する載置工程と、半導体素子の外周縁を超えて存在する焼結性接合材料から、分散媒の少なくとも一部を除去する乾燥工程と、焼結性接合材料を加熱して、半導体素子搭載用支持部材と半導体素子とを、焼結性接合材料の焼結物を介して接合する接合工程と、半導体素子の外周縁を超えて存在する、焼結性接合材料の焼結物を除去する除去工程と、を備える。
<Manufacturing method of semiconductor devices>
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment includes a mounting step of mounting the semiconductor element on a support member for mounting the semiconductor element via a sinterable bonding material containing metal particles and a dispersion medium, and a semiconductor element. A drying step of removing at least a part of the dispersion medium from the sinterable bonding material existing beyond the outer peripheral edge of the semiconductor element, and heating the sinterable bonding material to form a support member for mounting a semiconductor element and a semiconductor element. It includes a joining step of joining the sinterable joining material via a sintered body and a removing step of removing the sintered body of the sinterable joining material existing beyond the outer peripheral edge of the semiconductor element.

(載置工程)
焼結性接合材料を半導体素子搭載用支持部材上に設ける方法としては、焼結性接合材料を堆積させられる方法であれば特に限定されない。このような方法としては、例えば、スクリーン印刷、転写印刷、オフセット印刷、ジェットプリンティング法、ディスペンサー、ジェットディスペンサ、ニードルディスペンサ、カンマコータ、スリットコータ、ダイコータ、グラビアコータ、スリットコート、凸版印刷、凹版印刷、グラビア印刷、ステンシル印刷、ソフトリソグラフ、バーコート、アプリケータ、粒子堆積法、スプレーコータ、スピンコータ、ディップコータ、電着塗装等を用いることができる。焼結性接合材料の厚みは、1μm以上1000μm以下であってもよく、10μm以上500μm以下であってもよく、50μm以上200μm以下であってもよく、10μm以上3000μm以下であってもよく、15μm以上500μm以下であってもよく、20μm以上300μm以下であってもよく、5μm以上500μm以下であってもよく、10μm以上250μm以下であってもよく、15μm以上150μm以下であってもよい。
(Placement process)
The method of providing the sinterable bonding material on the support member for mounting the semiconductor element is not particularly limited as long as it is a method of depositing the sinterable bonding material. Examples of such a method include screen printing, transfer printing, offset printing, jet printing method, dispenser, jet dispenser, needle dispenser, comma coater, slit coater, die coater, gravure coater, slit coat, letterpress printing, ingot printing, and gravure. Printing, stencil printing, soft lithograph, bar coat, applicator, particle deposition method, spray coater, spin coater, dip coater, electrodeposition coating and the like can be used. The thickness of the sinterable bonding material may be 1 μm or more and 1000 μm or less, 10 μm or more and 500 μm or less, 50 μm or more and 200 μm or less, 10 μm or more and 3000 μm or less, and 15 μm. It may be 500 μm or less, 20 μm or more and 300 μm or less, 5 μm or more and 500 μm or less, 10 μm or more and 250 μm or less, or 15 μm or more and 150 μm or less.

焼結性接合材料は、平面視において、焼結性接合材料の外周縁が半導体素子の外周縁よりも大きくなるように設けられる。これにより、焼結性接合材料の一部が、半導体素子の接合面から「はみ出る」状態となる。半導体素子搭載用支持部材と半導体素子との接合界面が、全体にわたって焼結性接合材料の焼結物により充分に接合されるよう、焼結性接合材料は、平面視において、半導体素子の外周縁から好ましくは少なくとも1mm、より好ましくは少なくとも5mmはみ出すように設けることができる。なお、一般的な半導体素子及び半導体素子搭載用支持部材のサイズに鑑み、当該はみ出し幅の上限は20mm程度とすることができる。 The sinterable bonding material is provided so that the outer peripheral edge of the sinterable bonding material is larger than the outer peripheral edge of the semiconductor element in a plan view. As a result, a part of the sinterable bonding material is in a state of "protruding" from the bonding surface of the semiconductor element. The sinterable bonding material is the outer peripheral edge of the semiconductor element in plan view so that the bonding interface between the semiconductor element mounting support member and the semiconductor element is sufficiently bonded by the sintered product of the sinterable bonding material. It can be provided so as to protrude preferably at least 1 mm, more preferably at least 5 mm. In consideration of the sizes of general semiconductor elements and support members for mounting semiconductor elements, the upper limit of the protrusion width can be about 20 mm.

焼結性接合材料上に半導体素子を載置する方法としては、例えば、チップマウンター、フリップチップボンダー、カーボン製又はセラミックス製の位置決め冶具が挙げられる。 Examples of the method for mounting the semiconductor element on the sinterable bonding material include a chip mounter, a flip chip bonder, and a positioning jig made of carbon or ceramics.

本工程により、半導体素子、半導体素子の自重が働く方向側に、半導体素子の接合面積を超える面積を有する焼結性接合材料、及び半導体素子搭載用支持部材がこの順に積層された前駆積層体を得ることができる。 By this step, a precursor laminate in which a semiconductor element, a sinterable bonding material having an area exceeding the bonding area of the semiconductor element, and a support member for mounting the semiconductor element are laminated in this order on the side in the direction in which the weight of the semiconductor element works is produced. Obtainable.

(乾燥工程)
本工程では、載置工程により得られた前駆積層体に乾燥処理を施す。これにより、特に、半導体素子の外周縁を超えて存在する焼結性接合材料から、分散媒の少なくとも一部を除去する。
(Drying process)
In this step, the precursor laminate obtained by the mounting step is subjected to a drying treatment. This removes at least a portion of the dispersion medium, in particular, from the sinterable bonding material that exists beyond the outer peripheral edge of the semiconductor device.

乾燥工程のガス雰囲気は大気中であってもよく、窒素、希ガス等の無酸素雰囲気中であってもよく、水素、ギ酸等の還元雰囲気中であってもよい。乾燥処理としては、常温乾燥であってもよく、加温乾燥であってもよく、減圧乾燥であってもよく、常温又は加温乾燥と減圧乾燥との組合せによる乾燥であってもよい。加温乾燥及び減圧乾燥には、例えば、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉、熱板プレス装置等を用いることができる。 The gas atmosphere in the drying step may be in the atmosphere, in an oxygen-free atmosphere such as nitrogen or noble gas, or in a reducing atmosphere such as hydrogen or formic acid. As the drying treatment, normal temperature drying may be performed, heating drying may be performed, vacuum drying may be performed, or drying may be performed at room temperature or by a combination of heating drying and vacuum drying. For heating drying and vacuum drying, for example, a hot plate, a hot air dryer, a hot air heating furnace, a nitrogen dryer, an infrared dryer, an infrared heating furnace, a far infrared heating furnace, a microwave heating device, a laser heating device, etc. An electromagnetic heating device, a heater heating device, a steam heating furnace, a hot plate pressing device, or the like can be used.

なお、乾燥処理として例えば加温乾燥を行う場合は、加温温度及び時間は、使用した分散媒の種類及び量に合わせて適宜調整すればよい。加温温度及び時間としては、それぞれ50℃以上230℃以下、1分間以上120分間以下とすることができる。 When, for example, heating and drying is performed as the drying treatment, the heating temperature and time may be appropriately adjusted according to the type and amount of the dispersion medium used. The heating temperature and time can be 50 ° C. or higher and 230 ° C. or lower, respectively, for 1 minute or longer and 120 minutes or shorter.

(接合工程)
本工程では、乾燥工程を経た前駆積層体に加熱処理を施すことで、焼結性接合材料の焼結を行う。加熱処理には、例えば、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉等を用いることができる。
(Joining process)
In this step, the sinterable bonding material is sintered by heat-treating the precursor laminate that has undergone the drying step. For heat treatment, for example, a hot plate, a hot air dryer, a hot air heating furnace, a nitrogen dryer, an infrared dryer, an infrared heating furnace, a far infrared heating furnace, a microwave heating device, a laser heating device, an electromagnetic heating device, etc. A heater heating device, a steam heating furnace, or the like can be used.

接合工程のガス雰囲気は、焼結体、半導体素子、及び半導体素子搭載用支持部材の酸化抑制の観点から、無酸素雰囲気であってもよい。接合工程のガス雰囲気は、焼結性接合材料に含まれる金属粒子表面の酸化物を除去するという観点から、還元雰囲気であってもよい。無酸素雰囲気としては、例えば、窒素、希ガス等の無酸素ガス雰囲気、又は真空雰囲気が挙げられる。還元雰囲気としては、例えば、純水素ガス雰囲気、フォーミングガスに代表される水素及び窒素の混合ガス雰囲気、ギ酸ガスを含む窒素雰囲気、水素及び希ガスの混合ガス雰囲気、ギ酸ガスを含む希ガス雰囲気等が挙げられる。 The gas atmosphere in the joining step may be an oxygen-free atmosphere from the viewpoint of suppressing oxidation of the sintered body, the semiconductor element, and the support member for mounting the semiconductor element. The gas atmosphere in the bonding step may be a reducing atmosphere from the viewpoint of removing oxides on the surface of metal particles contained in the sinterable bonding material. Examples of the oxygen-free atmosphere include an oxygen-free gas atmosphere such as nitrogen and a rare gas, or a vacuum atmosphere. Examples of the reducing atmosphere include a pure hydrogen gas atmosphere, a mixed gas atmosphere of hydrogen and nitrogen typified by forming gas, a nitrogen atmosphere containing formic acid gas, a mixed gas atmosphere of hydrogen and rare gas, a rare gas atmosphere containing formic acid gas, and the like. Can be mentioned.

加熱処理時の到達最高温度は、半導体素子及び半導体素子搭載用支持部材への熱ダメージの低減及び歩留まりを向上させるという観点から、250℃以上450℃以下であってもよく、250℃以上400℃以下であってもよく、250℃以上350℃以下であってもよい。到達最高温度が、250℃以上であれば、到達最高温度保持時間が60分以下において焼結が充分に進行する傾向にある。 The maximum temperature reached during the heat treatment may be 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and 250 ° C. or higher and 400 ° C. from the viewpoint of reducing heat damage to the semiconductor device and the support member for mounting the semiconductor device and improving the yield. It may be the following, and may be 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. When the maximum ultimate temperature is 250 ° C. or higher, sintering tends to proceed sufficiently when the maximum ultimate temperature retention time is 60 minutes or less.

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

接合時の圧力は特に限定されないが、焼結物における銅の含有量(堆積割合)が、焼結物の全体積を基準として65体積%以上となる条件であると好ましい。例えば、上記に記載した、サブマイクロ銅粒子、フレーク状マイクロ銅粒子等を含有する所定の焼結性接合材料を用いることで、接合時に加圧をしなくても、接合性に優れる焼結物を形成することができる。この場合、焼結性接合材料上に存在する半導体素子による自重のみ、又は半導体素子の自重に0.01MPa以下、好ましくは0.005MPa以下の圧力をさらに加えた状態で、充分な接合強度を得ることができる。この場合、特別な加圧装置が不要なため、歩留まりを損なうこと無く、ボイドの低減、接合強度及び接続信頼性をより一層向上させることができる。焼結性接合材料が0.01MPa以下の圧力を受ける方法としては、例えば、半導体素子上に重りを載せる方法等が挙げられる。 The pressure at the time of joining is not particularly limited, but it is preferable that the copper content (deposition ratio) in the sintered body is 65% by volume or more based on the total volume of the sintered body. For example, by using the predetermined sinterable bonding material containing sub-micro copper particles, flake-shaped micro-copper particles, etc. described above, a sintered body having excellent bondability without pressure during bonding. Can be formed. In this case, sufficient bonding strength is obtained only by the weight of the semiconductor element existing on the sinterable bonding material, or when a pressure of 0.01 MPa or less, preferably 0.005 MPa or less is further applied to the weight of the semiconductor element. be able to. In this case, since a special pressurizing device is not required, voids can be reduced, joint strength and connection reliability can be further improved without impairing the yield. Examples of the method in which the sinterable bonding material receives a pressure of 0.01 MPa or less include a method of placing a weight on a semiconductor element.

歩留まり向上、焼結物の緻密度向上の観点から、半導体素子を介して接合用ペーストに対し加圧を伴っても良い。加圧圧力は0.01MPa以上10MPa以下とすることができる。0.01MPa以上0.1MPa以下程度の低圧であれば、剥離等の接合欠陥を抑えて歩留まりの向上が見込まれる。一方、1MPa以上10MPa以下であれば焼結物の緻密度の向上により、接合強度のさらなる向上や、熱伝導率の向上が見込める。加圧方法としては、重り、バネ冶具、シリコーンゴム等を用いた加圧冶具、熱圧着装置、熱板プレス装置が挙げられる。 From the viewpoint of improving the yield and the density of the sintered product, the bonding paste may be pressurized via the semiconductor element. The pressurizing pressure can be 0.01 MPa or more and 10 MPa or less. At a low pressure of about 0.01 MPa or more and 0.1 MPa or less, it is expected that the yield will be improved by suppressing joint defects such as peeling. On the other hand, if it is 1 MPa or more and 10 MPa or less, it is expected that the bonding strength will be further improved and the thermal conductivity will be improved by improving the density of the sintered body. Examples of the pressurizing method include a weight, a spring jig, a pressurizing jig using silicone rubber, a thermocompression bonding device, and a hot plate pressing device.

(除去工程)
本工程では、接合工程により形成された焼結物のうち、平面視において、半導体素子の外周縁を超えて存在する焼結物(焼結金属片)を除去する。すなわち、焼結性接合材料の、半導体素子の接合面からはみ出た部分から形成される、接合に寄与しない焼結物を除去する。これにより、そのような焼結物の脱落による動作不良を防止する。本工程は、例えば、エアガン、粘着シート、粘着テープ等を用いて実施することができる。
(Removal process)
In this step, among the sintered matter formed by the joining step, the sintered matter (sintered metal piece) existing beyond the outer peripheral edge of the semiconductor element in a plan view is removed. That is, the sintered material that does not contribute to joining, which is formed from the portion of the sinterable joining material that protrudes from the joining surface of the semiconductor element, is removed. This prevents malfunction due to such sintered matter falling off. This step can be carried out using, for example, an air gun, an adhesive sheet, an adhesive tape, or the like.

<半導体装置>
本実施形態に係る半導体装置の製造方法により、図1に示す半導体装置を得ることができる。図1において、半導体装置100は、半導体素子2と、半導体素子搭載用支持部材3と、半導体素子2及び半導体素子搭載用支持部材3を接合する、焼結性接合材料の焼結物(焼結金属層)1を備える。本実施形態に係る半導体装置の製造方法により得られる半導体装置100は、半導体素子2と半導体素子搭載用支持部材3とが、半導体素子2の接合面2aと略同面積の焼結物1により接合されている。
<Semiconductor device>
The semiconductor device shown in FIG. 1 can be obtained by the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment. In FIG. 1, the semiconductor device 100 is a sintered body of a sinterable bonding material (sinter) that joins a semiconductor element 2, a support member 3 for mounting a semiconductor element, a semiconductor element 2 and a support member 3 for mounting a semiconductor element. (Metal layer) 1 is provided. In the semiconductor device 100 obtained by the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the semiconductor element 2 and the support member 3 for mounting the semiconductor element are joined by a sintered body 1 having substantially the same area as the bonding surface 2a of the semiconductor element 2. Has been done.

なお、半導体素子2には、シリコン(Si)等の一般的な半導体材料の他、シリコンカーバイド(SiC)、ガリウムナイトライド(GaN)等のワイドバンドギャップ半導体材料などを特に制限なく用いることができる。半導体素子2としては、具体的には、IGBT、ダイオード、ショットキーバリヤダイオード、MOS-FET、サイリスタ、ロジック、センサー、アナログ集積回路、LED、半導体レーザー、発信器等の半導体素子などが挙げられる。また、半導体素子搭載用支持部材3としては、リードフレーム、金属板貼付セラミックス基板(例えばDBC)、LEDパッケージ等の半導体素子搭載用基材、銅リボン及び金属フレーム等の金属配線、金属ブロック等のブロック体、端子等の給電用部材、放熱板、水冷板などが挙げられる。 In addition to general semiconductor materials such as silicon (Si), wide bandgap semiconductor materials such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) can be used for the semiconductor element 2 without particular limitation. .. Specific examples of the semiconductor element 2 include semiconductor elements such as IGBTs, diodes, shotkey barrier diodes, MOS-FETs, thyristors, logics, sensors, analog integrated circuits, LEDs, semiconductor lasers, and transmitters. The support member 3 for mounting a semiconductor element includes a lead frame, a ceramic substrate attached to a metal plate (for example, DBC), a base material for mounting a semiconductor element such as an LED package, metal wiring such as a copper ribbon and a metal frame, and a metal block. Examples include a block body, a power feeding member such as a terminal, a heat radiating plate, and a water cooling plate.

図2は、半導体装置の他の例を示す模式断面図である。図2に示す半導体装置110は、半導体素子2と半導体素子搭載用支持部材3とを、焼結性接合材料の焼結物(焼結金属層)1により接合した後、半導体素子2上部の端子(図示せず)をワイヤ4でリードフレーム5に接続し、最後に全体を絶縁性の封止材6で覆うことで得られるものである。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of the semiconductor device. In the semiconductor device 110 shown in FIG. 2, the semiconductor element 2 and the support member 3 for mounting the semiconductor element are bonded to each other by a sintered body (sintered metal layer) 1 of a sinterable bonding material, and then the terminal on the upper part of the semiconductor element 2 is bonded. It is obtained by connecting (not shown) to the lead frame 5 with a wire 4 and finally covering the whole with an insulating sealing material 6.

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

<実施例1>
(金属ペーストの準備)
分散媒としてα-テルピネオール(和光純薬工業株式会社製)5.2g及びイソボルニルシクロヘキサノール(MTPH、日本テルペン化学株式会社製)6.8gと、サブマイクロ銅粒子としてCH-0200(三井金属鉱業株式会社製、0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子の含有量95質量%)52.8gとをポリ瓶に混合し、超音波ホモジナイザー(US-600、日本精機株式会社製)により19.6kHz、600W、1分間処理し分散液を得た。この分散液に、フレーク状マイクロ銅粒子としてMA-C025(三井金属鉱業株式会社製、平均最大径4.1μmであり、アスペクト比が6.6の銅粒子の含有量100質量%)35.2gを添加し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。ポリ瓶を密栓し、自転公転型攪拌装置(Planetry Vacuum Mixer ARV-310、株式会社シンキー製)を用いて、2000rpmで2分間撹拌し、減圧下、2000rpmで2分間撹拌して金属ペースト(焼結用銅ペースト)を得た。
<Example 1>
(Preparation of metal paste)
5.2 g of α-terpineol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 6.8 g of isobornylcyclohexanol (MTPH, manufactured by Nippon Terpen Chemical Co., Ltd.) as dispersion media, and CH-0200 (Mitsui Metals) as sub-micro copper particles. Mix 52.8 g of copper particles of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less (95% by mass) manufactured by Mining Co., Ltd. in a plastic bottle, and use an ultrasonic homogenizer (US-600, manufactured by Nippon Seiki Co., Ltd.) 19 Treatment was performed at 0.6 kHz, 600 W for 1 minute to obtain a dispersion. In this dispersion, MA-C025 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., having an average maximum diameter of 4.1 μm and an aspect ratio of 6.6, content of copper particles of 100% by mass) 35.2 g as flake-shaped micro copper particles. Was added and stirred with a spatula until the dry powder was gone. The plastic bottle is tightly closed, and the metal paste (sintering) is stirred at 2000 rpm for 2 minutes using a rotating / revolving stirring device (Planetry Vacuum Mixer ARV-310, manufactured by Shinky Co., Ltd.), and under reduced pressure for 2 minutes at 2000 rpm. Copper paste) was obtained.

(載置工程)
サイズ19mm×25mm×3mm(厚さ)の銅基板と、サイズ5mm×5mm×150μm(厚さ)であり、接合面全面にスパッタリングによりチタン層/ニッケル層がこの順で設けられたSiチップと、を準備した。銅基板上に、10mm×10mmの正方形の開口を有する厚さ100μmのステンレスマスクとスキージを用いて、金属ペーストをステンシル印刷した。金属ペーストの印刷物上に、Siチップを、ニッケル層が金属ペーストに接するように置いた。Siチップをピンセットで軽く押さえてSiチップと金属ペーストとを密着させた。これにより前駆積層体を得た。
(Placement process)
A copper substrate with a size of 19 mm x 25 mm x 3 mm (thickness) and a Si chip with a size of 5 mm x 5 mm x 150 μm (thickness) in which a titanium layer / nickel layer is provided in this order by sputtering on the entire surface of the joint surface. Prepared. The metal paste was stencil-printed on a copper substrate using a 100 μm thick stainless steel mask and squeegee with a 10 mm × 10 mm square opening. The Si chip was placed on the printed matter of the metal paste so that the nickel layer was in contact with the metal paste. The Si chip was lightly pressed with tweezers to bring the Si chip into close contact with the metal paste. As a result, a precursor laminate was obtained.

(乾燥工程)
載置工程で得られた前駆積層体を、温風乾燥機(エスペック製)を用いて、大気中、160℃で5分間加温した。その後温風乾燥機を停止し、温風乾燥機内が100℃以下となってから前駆積層体を出した。これにより、特にSiチップの接合面からはみ出た金属ペーストから分散媒の少なくとも一部を除去した。
(Drying process)
The precursor laminate obtained in the mounting step was heated in the air at 160 ° C. for 5 minutes using a warm air dryer (manufactured by Espec). After that, the hot air dryer was stopped, and the precursor laminate was put out after the temperature inside the hot air dryer became 100 ° C. or lower. As a result, at least a part of the dispersion medium was removed from the metal paste protruding from the joint surface of the Si chip in particular.

(接合工程)
乾燥工程を経た前駆積層体をチューブ炉(株式会社エイブイシー製)にセットし、アルゴンガスを1L/minで流して空気をアルゴンガスに置換した。その後、水素ガスを300mL/minで流しながら350℃まで10分間かけて昇温、350℃で10分間保持の条件で加熱処理して、金属ペーストを焼結した。これにより、銅基板とSiチップとが、金属ペーストの焼結物である焼結金属層を介して接合された積層体を得た。その後、アルゴンガスを0.3L/minで流しながら冷却し、50℃以下で積層体を空気中に取り出した。
(Joining process)
The precursor laminate that had undergone the drying step was set in a tube furnace (manufactured by ABC Co., Ltd.), and argon gas was flowed at 1 L / min to replace the air with argon gas. Then, the metal paste was sintered by heat treatment under the conditions that the temperature was raised to 350 ° C. for 10 minutes while flowing hydrogen gas at 300 mL / min and the temperature was maintained at 350 ° C. for 10 minutes. As a result, a laminated body in which the copper substrate and the Si chip were joined via a sintered metal layer which is a sintered product of the metal paste was obtained. Then, the mixture was cooled while flowing argon gas at 0.3 L / min, and the laminate was taken out into the air at 50 ° C. or lower.

(除去工程)
接合工程により形成された焼結物のうち、Siチップの外周縁を超えて存在する焼結物(焼結金属片)を除去した。除去は、エアガン(アズワン製)を用いた窒素ブローを10~120秒間実施して行った。
(Removal process)
Among the sintered products formed by the joining step, the sintered products (sintered metal pieces) existing beyond the outer peripheral edge of the Si chip were removed. The removal was carried out by performing a nitrogen blow using an air gun (manufactured by AS ONE) for 10 to 120 seconds.

<実施例2~8及び比較例1>
乾燥工程における雰囲気、加温温度及び加温時間を表1のように変更したこと以外は、実施例1と同様にして載置工程~除去工程を実施した。
<Examples 2 to 8 and Comparative Example 1>
The mounting step to the removing step were carried out in the same manner as in Example 1 except that the atmosphere, the heating temperature and the heating time in the drying step were changed as shown in Table 1.

<比較例2>
10mm×10mmの正方形の開口を有する厚さ100μmのステンレスマスクに代えて、3mm×3mmの正方形の開口を有する厚さ100μmのステンレスマスクを用いたこと以外は、比較例1と同様にして載置工程~接合工程を実施した。
<Comparative Example 2>
Placed in the same manner as in Comparative Example 1 except that a 100 μm-thick stainless steel mask having a 10 mm × 10 mm square opening was used instead of a 100 μm-thick stainless steel mask having a 3 mm × 3 mm square opening. The process-joining process was carried out.

<各種評価>
(焼結金属片の除去性評価)
除去工程後、除去されずに残存した焼結金属片の面積が、金属ペーストを塗布した面積(チップ面積分を除く)の何割程度であるかを、デジタルマイクロスコープ(株式会社キーエンス製)を用いて観察及び評価した。そして、下記基準に基づいて焼結金属片の除去性を評価した。得られた結果を表1に示す。なお、下記A又はBの基準を満たした場合に合格とした。
A:1割未満
B:1割以上2割未満
C:2割以上9割未満
D:9割以上
<Various evaluations>
(Evaluation of removability of sintered metal pieces)
A digital microscope (manufactured by Keyence Co., Ltd.) is used to determine what percentage of the area where the metal paste is applied (excluding the chip area) is the area of the sintered metal pieces that remain unremoved after the removal process. It was observed and evaluated using. Then, the removability of the sintered metal piece was evaluated based on the following criteria. The results obtained are shown in Table 1. In addition, when the following criteria A or B were satisfied, it was judged as a pass.
A: Less than 10% B: 10% or more and less than 20% C: 20% or more and less than 90% D: 90% or more

Figure 0007067002000001
Figure 0007067002000001

(接続信頼性評価)
実施例及び比較例2について、銅基板の放熱面を除いた部分を封止材(封止樹脂)によって封止した。封止材には日立化成株式会社製固形封止材(CEL-400ZHF16、ガラス転移温度204℃、無機充填剤含有エポキシ系樹脂、弾性率17.1GPa、線膨張係数10.2×10-6/℃)を用いた。封止は、トンラスファーモールド装置を用いて、金型温度180℃、成形圧力6.9MPa、硬化加熱時間90秒間の条件にて行った。その後、封止後のサンプルを175℃のオーブンにて6時間加熱することで封止材を硬化した。これにより、各例の封止サンプルを作製した。
(Connection reliability evaluation)
In Examples and Comparative Example 2, the portion of the copper substrate excluding the heat dissipation surface was sealed with a sealing material (sealing resin). The encapsulant is a solid encapsulant manufactured by Hitachi Kasei Co., Ltd. (CEL-400ZHF16, glass transition temperature 204 ° C., epoxy resin containing inorganic filler, elastic modulus 17.1 GPa, linear expansion coefficient 10.2 × 10-6 / ℃) was used. Sealing was performed using a tonlas fur mold device under the conditions of a mold temperature of 180 ° C., a molding pressure of 6.9 MPa, and a curing heating time of 90 seconds. Then, the sealed sample was heated in an oven at 175 ° C. for 6 hours to cure the sealing material. As a result, a sealed sample of each example was prepared.

得られた封止サンプルに対し温度サイクル試験を実施した。試験槽内にて封止サンプル(パッケージ)には温風と冷風によって温度サイクルが与えられた。まず、試験槽内が200℃±5℃で5分間以上保持されるように、温風を15分間送風した。次に、試験槽内が-40℃±5℃で5分間以上保持されるように、冷風を15分間送風した。これを温度サイクル1回とし、1000回まで温度サイクル試験を実施した。温度サイクル400回の時点と、1000回の時点において、SAM観察(Scanning Acoustic Microscope)により焼結金属層の密着面積率を算出し、接続信頼性を評価した。具体的な評価手法は以下のとおりである。 A temperature cycle test was performed on the obtained sealed sample. In the test chamber, the sealed sample (package) was given a temperature cycle by hot and cold air. First, warm air was blown for 15 minutes so that the inside of the test tank was held at 200 ° C. ± 5 ° C. for 5 minutes or more. Next, cold air was blown for 15 minutes so that the inside of the test tank was held at −40 ° C. ± 5 ° C. for 5 minutes or longer. This was set as one temperature cycle, and the temperature cycle test was carried out up to 1000 times. The adhesion area ratio of the sintered metal layer was calculated by SAM observation (Scanning Acoustic Microscope) at the time points of 400 times and 1000 times of the temperature cycle, and the connection reliability was evaluated. The specific evaluation method is as follows.

まず、温度サイクル試験前に、封止サンプルの銅基板側から35MHzの超音波を照射し、焼結金属層で反射された超音波を測定することにより、基準となるSAM画像(焼結金属層の密着面積SDBを示す)を撮像した。次に温度サイクル400回後に、同様に焼結金属層のSAM画像を撮像した。温度サイクル試験前のSAM画像よりもコントラストが明るくなった箇所の面積SAを評価した。SDBからSAを減算した後、SDBで除算し、焼結金属層の密着面積率S400(%)を算出した。次に温度サイクル1000回後に同様に焼結金属層のSAM画像を撮像した。温度サイクル試験前のSAM画像よりもコントラストが明るくなった箇所の面積SAを評価した。SDBからSAを引算した後、SDBで除算し、焼結金属層の密着面積率S1000(%)を算出した。そして、下記基準に基づいて接続信頼性を評価した。得られた結果を表2に示す。なお、下記A又はBの基準を満たした場合に合格とした。
A:密着面積率が90%以上
B:密着面積率が70%以上90%未満
C:密着面積率が30%以上70%未満
D:密着面積率が30%未満
First, before the temperature cycle test, a reference SAM image (sintered metal layer) is obtained by irradiating 35 MHz ultrasonic waves from the copper substrate side of the sealed sample and measuring the ultrasonic waves reflected by the sintered metal layer. The close contact area SDB) was imaged. Next, after 400 temperature cycles, a SAM image of the sintered metal layer was similarly imaged. The area SA of the portion where the contrast became brighter than that of the SAM image before the temperature cycle test was evaluated. After subtracting SA from SDB, it was divided by SDB to calculate the adhesion area ratio S400 (%) of the sintered metal layer. Next, after 1000 temperature cycles, a SAM image of the sintered metal layer was similarly imaged. The area SA of the portion where the contrast became brighter than that of the SAM image before the temperature cycle test was evaluated. After subtracting SA from SDB, it was divided by SDB to calculate the adhesion area ratio S1000 (%) of the sintered metal layer. Then, the connection reliability was evaluated based on the following criteria. The results obtained are shown in Table 2. In addition, when the following criteria A or B were satisfied, it was judged as a pass.
A: Adhesion area ratio is 90% or more B: Adhesion area ratio is 70% or more and less than 90% C: Adhesion area ratio is 30% or more and less than 70% D: Adhesion area ratio is less than 30%

Figure 0007067002000002
Figure 0007067002000002

(断面観察)
接続信頼性評価にて準備した実施例の封止サンプルについて、断面観察を行った。まず、レジノイド切断ホイールをつけたリファインソー・エクセル(リファインテック株式会社製)を用い、当該封止サンプル(ここでは実施例7)の観察したい断面付近で切断した。耐水研磨紙(カーボマックペーパー、リファインテック株式会社製)をつけた研磨装置(Refine Polisher HV、リファインテック株式会社製)で断面を削り、Siチップの断面を出した。余分な封止材を同様にして削り落とした。その後、バフ研磨剤を染み込ませたバフ研磨布をセットした研磨装置で断面を平滑にし,SEM用サンプルとした。このSEM用サンプルを、SEM装置(ESEM XL30、Philips社製)により、印加電圧10kVの条件で観察し、撮像した。図3は、実施例の封止サンプルについての断面SEM像である。図3に示すように、実施例の封止サンプルにおいては、半導体素子(Siチップ)2と、半導体素子搭載用支持部材(銅基板)3とが、半導体素子2の接合面と略同面積の焼結物(焼結金属層)1により接合され、それらが封止材6により封止されていることが分かった。
(Cross section observation)
Cross-section observation was performed on the sealed sample of the example prepared in the connection reliability evaluation. First, using Refine Saw Excel (manufactured by Refine Tech Co., Ltd.) equipped with a resinoid cutting wheel, the sealed sample (here, Example 7) was cut near the cross section to be observed. The cross section was cut with a polishing device (Refine Polisher HV, manufactured by Refine Tech Co., Ltd.) equipped with water-resistant polishing paper (Carbomac Paper, manufactured by Refine Tech Co., Ltd.) to obtain the cross section of the Si chip. The excess encapsulant was scraped off in the same way. Then, the cross section was smoothed with a polishing device set with a buffing cloth impregnated with a buffing agent to prepare a sample for SEM. This SEM sample was observed and imaged by an SEM device (ESEM XL30, manufactured by Philips) under the condition of an applied voltage of 10 kV. FIG. 3 is a cross-sectional SEM image of the sealed sample of the example. As shown in FIG. 3, in the encapsulation sample of the embodiment, the semiconductor element (Si chip) 2 and the semiconductor element mounting support member (copper substrate) 3 have substantially the same area as the bonding surface of the semiconductor element 2. It was found that they were joined by a sintered product (semiconductor layer) 1 and they were sealed by a sealing material 6.

実施例に示されるように、焼結接合前に適切な乾燥工程を実施することによって、焼結接合後に、金属焼結層周囲の(余分な)残存焼結金属片を好適に除去できた。これにより、半導体素子と略同面積の金属焼結層を形成することができ、半導体装置の接続信頼性が向上した。一方、比較例1に示したように、乾燥工程を実施しない場合には、残存焼結金属片を充分に除去できなかった。また、比較例2では、焼結金属層周囲に焼結金属片こそ観察されなかったが、接続信頼性が低かった。 As shown in the examples, by carrying out an appropriate drying step before the sintering and joining, the (excessive) residual sintered metal pieces around the metal sintered layer could be suitably removed after the sintering and joining. As a result, a metal sintered layer having substantially the same area as the semiconductor element can be formed, and the connection reliability of the semiconductor device is improved. On the other hand, as shown in Comparative Example 1, the residual sintered metal pieces could not be sufficiently removed when the drying step was not carried out. Further, in Comparative Example 2, no sintered metal piece was observed around the sintered metal layer, but the connection reliability was low.

1…焼結性接合材料の焼結物(焼結金属層)、2…半導体素子、3…半導体素子搭載用支持部材、2a…半導体素子の接合面、4…ワイヤ、5…リードフレーム、6…封止材、100,110…半導体装置。 1 ... Sintered material of sinterable bonding material (sintered metal layer), 2 ... Semiconductor element, 3 ... Support member for mounting semiconductor element, 2a ... Joint surface of semiconductor element, 4 ... Wire, 5 ... Lead frame, 6 ... Encapsulant, 100, 110 ... Semiconductor device.

Claims (4)

半導体素子搭載用支持部材上に、金属粒子及び分散媒を含む焼結性接合材料を介して半導体素子を載置する工程であり、平面視において、前記焼結性接合材料の外周縁が前記半導体素子の外周縁よりも大きい、載置工程と、
前記載置工程後、前記半導体素子の外周縁を超えて存在する前記焼結性接合材料から、前記分散媒の少なくとも一部を除去する乾燥工程と、
前記乾燥工程後、前記焼結性接合材料を加熱して、前記半導体素子搭載用支持部材と前記半導体素子とを、前記焼結性接合材料の焼結物を介して接合する接合工程と、
前記接合工程後、前記半導体素子の外周縁を超えて存在する、前記焼結性接合材料の焼結物を除去する除去工程と、を備える、半導体装置の製造方法。
This is a step of mounting a semiconductor element on a support member for mounting a semiconductor element via a sinterable bonding material containing metal particles and a dispersion medium. In a plan view, the outer peripheral edge of the sinterable bonding material is the semiconductor. The mounting process, which is larger than the outer peripheral edge of the device,
After the above-mentioned setting step, a drying step of removing at least a part of the dispersion medium from the sinterable bonding material existing beyond the outer peripheral edge of the semiconductor element, and a drying step.
After the drying step, the sinterable joining material is heated to join the semiconductor element mounting support member and the semiconductor element via a sintered body of the sinterable joining material.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising : after the joining step, a removing step of removing a sintered body of the sinterable joining material existing beyond the outer peripheral edge of the semiconductor element.
前記金属粒子が銅粒子を含み、前記銅粒子の含有量が、前記焼結性接合材料の全質量を基準として80質量%以上である、請求項1に記載の製造方法。 The production method according to claim 1, wherein the metal particles contain copper particles, and the content of the copper particles is 80% by mass or more based on the total mass of the sinterable bonding material. 前記銅粒子がサブマイクロ銅粒子及びフレーク状マイクロ銅粒子を含み、前記サブマイクロ銅粒子の含有量及び前記フレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計が、前記金属粒子の全質量を基準として80質量%以上である、請求項2に記載の製造方法。 The copper particles include sub-micro copper particles and flake-shaped micro copper particles, and the total content of the sub-micro copper particles and the flake-shaped micro copper particles is 80 mass based on the total mass of the metal particles. % Or more, the manufacturing method according to claim 2. 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体である、請求項1~3のいずれか一項に記載の製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the semiconductor element is a wide bandgap semiconductor.
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