JP7093945B2

JP7093945B2 - ナノ銀ペーストを用いた半導体チップ接合方法

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Publication number: JP7093945B2
Application number: JP2018035225A
Authority: JP
Inventors: 孝之三浦; 圭祐熊谷; 淳丹治; 信邦深江; 三郎川上
Original assignee: APPLIED NANOPARTICLE LABORATORY CORPORATION; Nihon Superior Sha Co Ltd; University Public Corporation Osaka
Current assignee: APPLIED NANOPARTICLE LABORATORY CORPORATION; Nihon Superior Sha Co Ltd; University Public Corporation Osaka
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2038-02-28
Also published as: JP2019149529A

Description

本発明は、ナノ銀ペーストを用いた半導体チップの接合方法に関する。

ダイボンディング用途において、ナノ銀ペーストを用いた半導体チップの接合は、ナノ銀ペーストの特性から加圧焼成接合が一般的に用いられている。その理由として、ナノ銀ペーストは、溶剤やナノ銀粒子の有機被膜等の有意成分を含み、焼成時に有機成分が燃焼する際、加圧により焼成層の密度の低下を抑制し、高強度の銀化した接合層を形成することができるためである。

また、当該用途における半導体チップの接合では、一般に、所定の温度まで半導体チップおよび基板を加圧・加熱して、ナノ銀ペーストを焼成して焼結させることにより接合層を形成し、その後、冷却する工程を採用している。
上梓されているナノ銀ペーストには焼成可能温度が２００℃程度と低温の条件で焼成が可能であることを打ち出しているものもあるが、実際には焼成後の接合強度が低く、ダイボンディングには適しておらず、ダイボンディング用途に使用可能なナノ銀ペーストの多くは、焼成温度が３００℃程度である。
そして、３００℃以上の高温で焼成を行うと、半導体チップにかかる負荷が大きくなるとの懸念があるため、より低温の焼成で半導体チップの接合を行うことが望まれている。
また、生産性の向上や半導体チップへの負荷軽減の観点より、焼成時間を短縮することも望まれている。

例えば、ナノ銀ペーストを用いた半導体装置の製造方法としては、焼成温度を２００℃～４００℃、加圧条件を２ＭＰａ～３０ＭＰａに調整することが知られている（特許文献１の請求項２０、２４など）。しかしながら、焼成から冷却に至るまでの条件や、特に３００℃未満で焼成した場合の接合強度については不明である。

また、半導体基板の少なくとも一面が窒化シリコン膜で覆われ、前記窒化シリコン膜が前記シリコン酸化膜を介して焼結銀被覆膜と密着しており、前記焼結銀被覆膜は、前記塗布膜を換気型のオーブンにより湿度１２．１ｇ／ｍ³～２４．２ｇ／ｍ³の雰囲気下で温度１００℃～２５０℃に加熱して得られる半導体装置が知られている（特許文献２）。
前記半導体装置の製造では、焼成処理の温度条件は、１００℃から２００℃まで約４０ｍｉｎで昇温し、２００℃を６０ｍｉｎ保持した後、約８０℃まで約８０ｍｉｎで降下させて、焼成装置の外へ取り出しており、実に、加熱開始から焼成温度まで４０分、焼成に６０分という長時間をかける方法である。また、得られる焼結銀被覆膜の接着強度は、粘着テープ（３Ｍ社製のスコッチテープ：610-1PK，テープ強度３．７Ｎ／ｃｍ）を圧着して貼り付け、この粘着テープをその端を持って一方向に引き剥がした場合に剥がれないという程度であり、低い接着強度となっている（段落［００５３］）。

ナノ銀ペーストに関しては、本件出願人の一人である株式会社応用ナノ粒子研究所も銀原子の集合体からなる平均粒径が１～２０ｎｍの範囲にある銀核の周囲に、炭素数が１～１２のアルコール分子誘導体、アルコール分子残基、又はアルコール分子の一種以上からなる有機被覆層を形成した複合銀ナノ粒子を含有し、溶剤及び／又は粘性付与剤を添加している複合銀ナノペーストを提案している（特許文献３）。ただし、前記複合銀ナノペーストを３００℃より低い温度で焼成した場合の接着強度は高いものの、６０ＭＰａ以上のような非常に強い接合強度を発揮する手法についてはまだ十分に検討されているとはいえなかった。

特開２０１６－１７８３３４号公報特開２０１４－１９２２０９号公報国際公開第２００９／０９０８４６号

本発明の目的は、ダイボンディング用途において、ナノ銀ペーストを３００℃よりさらに低い２７０℃以下で加圧焼成した場合でも、接合時間を短縮でき、半導体チップを基板に高い接着強度で接合できる半導体チップの接合方法を提供することにある。

そこで、本件発明者らは、前記課題を解決すべく、低温での焼成が良好なナノ銀ペーストとして、炭素数が１０以下のアルコキシド基及び／又はカルボン酸基からなる有機被覆層が形成され、前記銀核の結晶子径が３ｎｍ以下のナノ銀粒子を含むナノ銀ペーストを用い、加圧しながらより低温での接合条件を検討したところ、２５０℃以下であっても、その焼結特性が３００℃以上の焼成と遜色ない接合特性を生じることを見出して、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の要旨は、
（１）ダイボンディング用途において、ナノ銀ペーストを用いた半導体チップの接合方法であって、銀原子の集合体からなる銀核の周囲に炭素数が１０以下のアルコキシド基及び／又はカルボン酸基からなる有機被覆層が形成され、前記銀核の結晶子径が３ｎｍ以下のナノ銀粒子を含むナノ銀ペーストを基板に塗着してペースト層を形成し、
前記ペースト層上に半導体チップを配置し、
加圧条件下で加熱して前記ペースト層を２７０℃以下で焼成した後、次いで、所定の加圧条件下で２００℃以下まで１５０秒以上かけて冷却して前記基板と前記半導体チップとを接合することを特徴とする接合方法、
（２）前記冷却における前記加圧の圧力が５～１５ＭＰａである前記（１）に記載の接合方法
に関する。

本発明の接合方法によれば、ダイボンディング用途において、２７０℃以下の加熱温度でナノ銀ペーストを用いて焼成を行った場合にも、短時間で半導体チップを基板に強固に接合できる。従って、焼成時の温度による負荷を低減させ、半導体チップが接合されたパワーモジュール等の電子部品を製造することができる。

後述の接合部材Ａを作製する際の加熱・冷却のプロファイルを示す。後述の接合部材Ｂを作製する際の加熱・冷却のプロファイルを示す。後述の接合部材Ｃを作製する際の加熱・冷却のプロファイルを示す。後述の接合部材Ｄを作製する際の加熱・冷却のプロファイルを示す。後述の接合部材Ｅを作製する際の加熱・冷却のプロファイルを示す。後述の接合部材Ｆを作製する際の加熱・冷却のプロファイルを示す。後述の接合部材Ｇを作製する際の加熱・冷却のプロファイルを示す。

１．ナノ銀ペースト
本発明で用いるナノ銀ペーストは、銀原子の集合体からなる銀核の周囲に炭素数が１０以下のアルコキシド基及び／又はカルボン酸基からなる有機被覆層が形成され、前記銀核の結晶子径が３ｎｍ以下のナノ銀粒子を含む。この結晶子径３ｎｍ以下のナノ銀粒子は、ナノ銀ペースト全体の０．１ｗｔ％～１ｗｔ％程度含んでいれば、ナノ銀ペーストに含まれる１０ｎｍからサブミクロンサイズまでの金属粒子の焼結に寄与できる。

本発明に用いるナノ銀粒子は、銀の融点（９６１．８℃）に比べて金属化温度が顕著に低く、しかも、従来の半田と比べて、Ｐｂを含有せず、腐食性が無く、さらに電気伝導性や熱伝導性が良好であるなどの利点がある。また、前記有機被膜層は、加熱焼成すると主にＨ_２ＯとＣＯ_２しか発生しないため、半導体などの電子部品接合に有効に適用することができるという利点もある。

前記ナノ銀粒子は、その銀核の結晶子径が３ｎｍ以下であればよく、ナノ銀粒子の平均粒径、前記銀核の大きさ、前記有機被膜層の厚みなどは特に限定はない。
前記銀核の結晶子径は、Ｘ線回折装置で測定することができる。前記銀核は、一つの結晶子から形成されていてもよいし、複数の結晶子から形成されていてもよい。

本発明に用いるナノ銀ペーストは、前記ナノ銀粒子を含有し、溶剤及び／又は粘性付与剤を添加した組成物である。

前記溶剤は、ナノ銀粒子を分散させて溶液化する材料であり、例えばアルコール、アセトン、トルエン、キシレン、プロパノール、エーテル、石油エーテル、ベンゼンなどが利用できる。前記粘性付与剤は前記溶液に添加して塗着し易い粘性を付与する材料であり、例えばテレピンオイル、ターピネオール、メチルセルロース、エチルセルロース、ブチラール、各種テルペン誘導体、ＩＢＣＨ（イソボルニルシクロヘキサノール）、グリセリン、Ｃ１４以上の常温で固形のアルコールなどが利用できる。
テルペン誘導体としては１，８－テルピンモノアセテート、１，８－テルピンジアセテートなどがある。ＩＢＣＨは松脂状、グリセリンはシロップ状、Ｃ１４以上のアルコールは固液変化する性質を有し、１０℃以下では非流動性を有する。
前記非流動性粘性付与剤に本発明のナノ銀粒子を混合分散させて非流動性ペーストにすれば、１０℃以下の低温ではナノ銀粒子が分散状に固定されているから、ナノ銀粒子同士の凝集が生起しにくい。
使用する直前に前記非流動性ペーストを室温にすることにより、流動化してペーストとして塗着可能になり、ペーストとしての機能を発揮できる。

また、ペースト全体として銀含有率を高めるためには、銀微粒子を前記ナノ銀ペースト中に配合してもよい。銀微粒子の粒径は小さいほど全融解する温度が低下するが、接合対象の種類や特性に応じて、例えば５０ｎｍ～５μｍの範囲が適当であるが、より好適には０．１μｍ～１μｍの銀微粒子が良く、ナノ銀粒子とのサイズ適合性がある。ナノ銀粒子と銀微粒子の質量比は適切に調整できる。

前記ナノ銀ペースト中の金属含有率としては、７０重量％以上が好ましい。

なお、前記ナノ銀粒子およびナノ銀ペーストについては、国際公開第２００９/０９０８４６号に記載の方法により得られたものが含まれる。

２．接合方法
本発明の接合方法は、前記ナノ銀ペーストを基板に塗着してペースト層を形成し、
前記ペースト層上に半導体チップを配置し、
加圧条件下で加熱して前記ペースト層を２７０℃以下で焼成した後、次いで、所定の加圧条件下で２００℃以下まで冷却して前記基板と前記半導体チップとを接合することを特徴とする。

前記ナノ銀ペーストを基板に塗着させる方法、前記ペースト層を形成させる方法、前記ペースト層上に半導体チップを配置する方法については、いずれも、一般的な半導体チップの実装に使用される方法に基づいていればよく、特に限定はない。

また、前記ペースト層は、半導体チップと基板とを接合するのに必要な面積をカバーできる面積となるように塗着されていればよく、特に限定はない。

前記接合における加圧方法については、半導体チップ実装用の製造装置で実施されている方法であればよい。
例えば、その平面形状が半導体チップよりも大きく形成された平坦面を有する剛体材料により形成された加圧部材と、加圧部材の平坦面の周囲に配置された弾性体とを備える加圧ツールを用いて、加圧部材の平坦面により半導体チップの上面を押圧して、半導体チップのそれぞれの素子電極と基板のそれぞれの基板電極とを、前記ナノ銀ペーストからなるペースト層を介して接続する方法などが挙げられるが、特に限定はない。

また、一般的な半導体チップ製造装置においては、前記加圧ツールは、加熱用または冷却用の熱媒体が導入されることで、前記加圧ツールに挟まれた半導体チップおよび基板を所望の温度に加熱または冷却することができる。
前記加圧応力、加熱における加熱速度、前記冷却における冷却速度などは、半導体チップ製造装置に加圧応力、加熱温度、冷却温度などの各条件を予めプログラムしておくことで、半導体チップおよび基板との間のペースト層を所望の温度で焼成し、次いで所望の温度へ冷却することができる。

本発明では、前記焼成の条件としては、半導体チップへの熱の影響を抑える観点から、２７０℃以下、好ましくは２５０℃以下で行う。また、前記焼成温度の下限は、用いるナノ銀粒子に被覆しているカルボン酸等の有機物が蒸散する温度であれば特に制限はない。

また、前記焼成を開始するまでの加熱は、急速加熱で行うことで、高い接合強度を得ることができる。本発明で、急速加熱とは、加熱を開始する温度から焼成温度に到達するまで時間が６０秒以下である加熱をいう。

前記焼成における加圧の条件としては、使用される基板および半導体チップの強度などに応じて適宜決定すればよいが、例えば、２ＭＰａ以上であればよく、チップへの影響を考慮すると５～１５ＭＰａが好ましい。
更に、半導体チップおよび基板の間にあるペースト層に熱が速やかに伝導されることで、前記ペースト層の焼成を効率よく行うことができる。

また、前記加圧のタイミングは、ナノ銀ペーストの焼成が均一に行えることが出来れば特に制限はなく、前記焼成温度に到達するまでのいずれかの段階で行ってもよいし、前記焼成温度に到達した後に速やかに行ってもよい。

本発明では、前記焼成の温度に達した後、前記加圧条件下で所定の時間、前記焼成の温度を維持することで、ナノ銀粒子の銀化を促進することができる。
前記所定の時間としては、使用される基板および半導体チップのサイズに応じて適宜決定すればよいが、半導体チップへの影響を考慮すると、例えば、６０秒～１８０秒（１～３分間）が好ましい。

次いで、前記焼成後、所定の加圧条件下で少なくとも２００℃以下まで冷却して前記基板と前記半導体チップとを接合する。
前記冷却は、前記焼成の後から２００℃以下まで１５０秒以上かけて緩やかに冷却することが好ましい。
例えば、焼成後、常温まで１００秒間足らずで急冷する従来法では、接合する半導体チップのサイズによるが、得られた半導体チップと基板との間のペースト層の接合強度が顕著に低くなる恐れがある。
これに対して、上記のように焼成後から２００℃以下まで１５０秒以上かけて穏やかに冷却することで、接合強度を顕著に高くすることができる。

前記冷却について、例えば、２００℃以下になるまでは、一定の冷却速度で穏やかな冷却を行ってもよい。

前記冷却において、２００℃になるまでにかかる時間としては、接合強度を維持しながら、接合処理にかかる時間を抑える観点から、１５０秒以上、６００秒以下が好ましい。

前記冷却において、２００℃以下になるまでの加圧条件としては、使用される基板および半導体チップの強度などに応じて適宜決定すればよいが、２ＭＰａ以上であればよく、半導体チップへの影響を考慮すると５～１５ＭＰａが好ましい。
前記加圧条件について、例えば、２００℃以下になるまでは、一定の加圧状態を維持していてもよいし、２～１５ＭＰａの範囲で前記加圧応力を増減させてもよいが、焼成時に付加する荷重と同等であれば工程管理の簡略化が期待できる。

また、２００℃未満から冷却終了温度（５０℃以下）までの冷却条件や加圧条件については、特に限定はない。
前記冷却条件については、例えば、２００℃までの冷却速度を維持して、冷却終了温度まで冷却してもよいし、２００℃未満になった後に急冷を行ってもよい。
前記加圧条件については、例えば、２００℃までの加圧条件を、冷却終了温度になるまで維持してもよいし、２００℃未満になった後に段階的に加圧応力を下げていってもよい。

前記冷却では、例えば、予め設定した冷却温度、加圧応力、冷却にかける時間などに従って温度制御しながらゆっくりと温度下げていくことができる温度制御手段を有する加圧焼成装置を用いればよい。

なお、本発明に用いられる半導体チップ、基板については、それぞれの材質、サイズ、形状にについて、特に限定はない。

本発明の接合方法により、半導体チップと基板とを高い接合強度で接合することができる。
例えば、本発明の接合方法による接合強度としては、後述の実施例に記載のように、Ａ＆Ｄ社製テンシロン万能試験機を用いて測定した場合に、平均で６０ＭＰａ以上の高い接合強度を有する。

（試験例）
半導体チップの代わりに銅製の試験片（サイズ：厚み２ｍｍ、直径５ｍｍ）と、銅製の基板（サイズ：厚み５ｍｍ、直径１０ｍｍ）との間に、ナノ銀ペーストを塗着して、以下の手順で接合を行った。
前記ナノ銀ペーストとしては、銀原子の集合体からなる銀核の周囲に炭素数が１０のアルコキシド基及び／又はカルボン酸基からなる有機被覆層が形成され、前記銀核の結晶子径が３ｎｍ以下のナノ銀粒子を含むナノ銀ペースト（（株）応用ナノ粒子研究所製）を用いた。
前記接合には、市販の加圧焼成装置（明昌機工株式会社、「ＭｏｄｅｌＨＴＭ－３０００」）を用いて行った。前記加加圧焼成装置は、加圧条件に加えて、前記加圧部材に熱媒体を導入することで、２００℃～４５０℃までの設定が可能な焼成装置である。なお、前記加圧部材における加熱温度を、焼成温度とする。また、焼成後、前記加圧加熱焼成装置において試験片が接触している加圧部材で測定される温度を冷却温度とする。

前記基板の表面に、接合する前記試験片の断面とほぼ同じ面積になるように、ナノ銀ペーストを塗着させ、厚み５０μｍのペースト層を形成させた後、１３０℃にセットしたホットプレート上にて約９０秒放置し、ペースト層をプリヒート処理を行った。
次いで、前記製造装置の加圧部材の間に、前記基板をセットし、プリヒート処理後のペースト層上に前記試験片を載せて、加圧部材で加圧可能な状態とした。

次いで、図１～７に示す加熱・冷却パターンで、接合を行った。
図１に示す接合では、まず、２５０℃の焼成温度になるまで急速加熱し、次いで、６０秒間焼成を行った。加圧は、１５０℃に到達した際に１０ＭＰａとし、前記焼成が終了するまで維持した。次いで、焼成後（２５０℃を６０秒間保持した後）から約２００秒で５０℃以下に急速に冷却し、加圧圧力も０ＭＰａに急激に減少させた。なお、２００℃までの冷却時間は、約５０秒であった。得られた接合部材を「Ａ」とする。なお、接合部材としては、３つのサンプルを作製した（以下の接合部材Ｂ～Ｇも同じ。）。

図２に示す接合では、まず、２５０℃の焼成温度になるまで迄急速加熱し、次いで、６０秒間焼成を行った。加圧は、１５０℃に到達した際に１０ＭＰａとし、前記焼成が終了するまで維持した。次いで、焼成後（２５０℃を６０秒間保持した後）から約６００秒で５０℃以下になるまで一定の速度で冷却し、また加圧応力も０ＭＰａになるまで一定の速度で減少させた。なお、２００℃までの冷却時間は、約１２０秒であった。得られた接合部材を「Ｂ」とする。

図３に示す接合では、まず、１５０℃になるまで急速加熱し、次いで２４０秒かけて焼成温度である２５０℃まで一定の速度で昇温し、その後、６０秒間焼成を行った。加圧は、１５０℃に到達した際に１０ＭＰａとし、前記焼成が終了するまで維持した。次いで、焼成後（２５０℃を６０秒間保持した後）から約２００秒で５０℃以下に急速に冷却し、加圧圧力も０ＭＰａに急激に減少させた。なお、２００℃までの冷却時間は、約５０秒であった。得られた接合部材を「Ｃ」とする。

図４に示す接合では、まず、１５０℃になるまで急速加熱し、次いで２４０秒かけて焼成温度である２５０℃まで一定の速度で昇温し、その後、６０秒間焼成を行った。加圧は、１５０℃に到達した際に１０ＭＰａとし、前記焼成が終了するまで維持した。次いで、焼成後（２５０℃を６０秒間保持した後）から約３００秒で５０℃以下になるまで一定の速度で冷却し、また加圧応力も０ＭＰａになるまで一定の速度で減少させた。なお、２００℃までの冷却時間は、約７５秒であった。得られた接合部材を「Ｄ」とする。

図５に示す接合（本発明の接合方法）では、まず、２５０℃の焼成温度になるまで急速加熱し、次いで、６０秒間焼成を行った。加圧は、１５０℃に到達した際に１０ＭＰａとし、焼成後の冷却温度が２００℃になるまで維持した。次いで、焼成後（２５０℃を６０秒間保持した後）から約２００秒で２００℃以下に緩やかに冷却した。次いで、５０℃以下になるまで４００秒かけて一定の速度で冷却し、また、加圧応力も０ＭＰａになるまで一定の速度で減少させた。得られた接合部材を「Ｅ」とする。

図６に示す接合では、まず、３００℃の焼成温度になるまで急速加熱し、次いで、１８０秒間焼成を行った。加圧は、１５０℃に到達した際に１０ＭＰａとし、焼成が終了するまで維持した。次いで、焼成後（３００℃を１８０秒間保持した後）に加圧を停止し、それから約３００秒で５０℃以下に一定の速度で冷却した。得られた接合部材を「Ｆ」とする。

図７に示す接合では、まず、３００℃の焼成温度になるまで急速加熱し、次いで、１８０秒間焼成を行った。加圧は、１５０℃に到達した際に１０ＭＰａとし、焼成後から冷却が終了するまで維持した。次いで、焼成後（３００℃を１８０秒間保持した後）から約３００秒で２００℃以下に緩やかに冷却し、次いで、３００秒かけて５０℃以下になるまで一定の速度で冷却した。得られた接合部材を「Ｇ」とする。

得られた接合部材Ａ～Ｇについての接合強度を、Ａ＆Ｄ社製テンシロン万能試験機を用いて測定した。
その結果を表１に示す。

表１の結果より、本発明の接合方法で得られた接合部材Ｅは、同じ焼成温度（２５０℃）および加圧条件（１０ＭＰａ）で得られた接合部材Ａ～Ｄに比べて、顕著に高い接合強度を有していることがわかる。
また、前記接合部材Ｅは、３００℃の焼成温度で得られた接合部材Ｆ、Ｇと比べると、接合強度は若干低いものの、技術的目標値である６０ＭＰａを達成したものである。
さらに、接合部材Ｆ、Ｇでは、加圧条件および２００℃までの冷却条件の違いに関わらず、接合強度が６０ＭＰａ以上となっていることから、接合部材Ａ～Ｄに見られるような接合強度の低減現象は、銀原子の集合体からなる銀核の周囲に炭素数が１０以下のアルコキシド基及び／又はカルボン酸基からなる有機被覆層が形成され、前記銀核の結晶子径が３ｎｍ以下のナノ銀粒子を含むナノ銀ペーストにおける２７０℃以下の焼成温度に特有の現象であると考えられる。

また、ダイボンディング用途において、本発明の銀原子の集合体からなる銀核の周囲に炭素数が１０以下のアルコキシド基及び／又はカルボン酸基からなる有機被覆層が形成され、前記銀核の結晶子径が３ｎｍ以下のナノ銀粒子を含むナノ銀ペーストを用いた接合方法を用いることにより、生産時間が短縮されるだけでなく、低温にて接合が可能となるため、半導体チップへの負荷が軽減され、接合品質の向上が期待でき、パワーモジュール等に広く応用が期待できる。

Claims

ナノ銀ペーストを用いた半導体チップの接合方法であって、
銀原子の集合体からなる銀核の周囲に炭素数が１０以下のアルコキシド基及び／又はカルボン酸基からなる有機被覆層が形成され、前記銀核の結晶子径が３ｎｍ以下のナノ銀粒子を含むナノ銀ペーストを基板に塗着してペースト層を形成し、
前記ペースト層上に半導体チップを配置し、
加圧条件下で加熱して前記ペースト層を２７０℃以下で焼成した後、次いで、所定の加圧条件下で２００℃以下まで１５０秒以上かけて冷却して前記基板と前記半導体チップとを接合することを特徴とする接合方法。
前記冷却における前記加圧の圧力が５～１５ＭＰａである請求項１に記載の接合方法。