KR102508790B1 - 구리 미립자 소결체 - Google Patents

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Abstract

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 구리 미립자를 반도체 장치 부품의 접합 부재로 하고, 200℃ 이상과 같은 고온 조건 하에서의 동작에 있어서, 반도체 장치 내에 크랙이나 박리 등을 발생시키지 않는 접합 부재를 제공하는 것에 있다. 반도체 장치 부품 접합용의 구리 미립자 소결체로서, 구리 미립자 소결체의 150℃에서의 비커스 경도를 Hvb로 하고, 상기 구리 미립자 소결체의 25℃에서의 비커스 경도를 Hva로 했을 때, (Hvb／Hva)×100%의 값이, 5％ 이상 20％ 이하인 것을 특징으로 하는 구리 미립자 소결체를 제공함으로써, 상기 과제를 해결하는 것이다.

Description

구리 미립자 소결체
본 발명은, 반도체 장치 부품의 접합을 위한 접합 부재로서 사용할 수 있는 구리 미립자 소결체에 관한 것이다.
환경 보호의 관점에서, 유해 물질의 사용 규제가 산업상 널리 부과되고 있지만, 특히, 실장(實裝) 재료에 있어서는 유럽 연합의 RoHS 지령의 시행에 의거하여, 솔더 재료의 납 프리화가 강력하게 추진되어 왔다. 그 결과, 종래의 주석-납 공정(共晶) 솔더(융점 183℃)를 대체하는 접합용 재료로서, 주석-은-구리계 솔더가 발견되어, 널리 사용되어지고 있다(융점 217℃). 그러나, 내열성과 전열성이 요구되는 실장, 예를 들면 대전류를 제어하는 SiC 칩을 방열 베이스에 접합하는 용도에서는, 200℃ 이상의 고온 조건 하에서의 신뢰성이 요구되고 있지만, 주석-납 솔더를 대신하는 성능의 접합용 재료가 발견되지 않아, 여전히 고함량(90％)의 납을 포함하는 솔더(융점 310℃)가 사용되고 있는 것이 실정(實情)이다. 납을 사용하지 않는 고내열성의 접합 방법으로서 기대되고 있는 것이, 금속 미립자를 사용한 접합 기술이다. 금속 미립자는 벌크 금속에 비해 중량당의 비표면적이 각별히 높으므로, 상호 융착(融着)하여 표면 에너지를 저하시키고자 하는 경향이 강하고, 벌크 금속보다 훨씬 낮은 온도에서 입자끼리 융착한다. 금속 미립자를 접합용 재료로서 응용하면, 납 프리의 접합 기술이 되기 때문에, 특히 비용, 마이그레이션 내성(耐性)의 점에서 구리 미립자를 이용한 접합 방법이나 접합용 부재의 실용화 검토가 행해지고 있다.
여기에서, 차재용의 SiC 칩에는 대면적화가 요구되고 있지만, SiC와 방열 베이스에 사용되는 구리와는 선팽창 계수가 크게 달라(SiC는 3.7ppm, 구리는 16.8ppm), 200℃ 이상과 같은 고온 동작 하에서는 접합층에 큰 응력이 발생한다. 이 응력은 칩 사이즈가 커질수록 증가하고, 동작 사이클수가 많아짐에 따라 접합층 내부의 크랙 발생, 칩의 파괴 등을 초래해 동작 불량을 야기하는 원인이 된다.
이러한 선팽창 계수의 차에 기인한 응력을 완화하기 위해 다양한 검토가 이루어져 왔다. 납땜재를 사용하여 금속제 부재와 세라믹제 부재를 고온 접합할 경우, 접합 계면 부근에 열응력에 기인한 크랙이 발생한다. 이 열응력을 저하시키기 위해, 납땜재 중에의 미립자 첨가가 검토되고 있다(예를 들면 특허문헌 1). 그러나, 용융을 일으키는 납땜재와는 달리, 금속 나노 입자 접합재는 소성(燒成) 후에 나노의 입자 계면을 형성하기 때문에, 이 방법으로는 최근 요구되는 파워 디바이스 용도 등에서는 응력 완화가 충분하지 않다.
또한, 금속 미립자와 수지를 조합한 가열 접합용 시트도 보고되고 있다(예를 들면 특허문헌 2). 이 시트는 열경화 후의 탄성율이 1.5∼10㎬이며, 적당한 유연성을 나타내므로, 얻어지는 소결층의 신뢰성이 향상한다. 그러나, 접합 시에 10㎫ 이상의 큰 압력을 필요로 하기 때문에, 현행하는 설비를 이용하는 것은 곤란하다.
또한, 금속 미립자 접합재에 관하여, 은 미립자 소결체의 크리프 거동을 이용한 응력 완화도 보고되고 있다(예를 들면 특허문헌 3). 그러나, 은은 비용, 및 마이그레이션 내성에 문제가 있기 때문에, 은을 대신하는 신규 재료가 요구되고 있다.
상술한 바와 같이, 구리 미립자를 사용한 접합 기술에 관해서는 그 유용성이 기대되지만, SiC 칩과 구리 기판의 선팽창 계수차에 기인한 응력이 실용화의 장해가 되고 있다.
일본국 특개2001-122673호 공보 일본국 특개2017-69560호 공보 국제공개 제2013／133085호 공보
상술한 바와 같이, 반도체 장치 부품의 접합에 있어서, 200℃ 이상과 같은 고온 조건 하에서 사용할 수 있는 접합 부재가 희구(希求)되고 있지만, 지금까지 사용되고 있는 고함량 납의 솔더는, 환경 유해성의 과제가 있다. 또한, 은 미립자를 사용한 접합 부재는 비용이 높은 점 및 마이그레이션 내성의 문제가 있다. 이러한 가운데, 구리 미립자를 접합 부재로서 사용할 수 있으면, 실용면에 있어서 유효한 방법이 될 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 구리 미립자를 반도체 장치 부품의 접합 부재로 하고, 200℃ 이상과 같은 고온 조건 하에서의 동작에 있어서, 반도체 장치 내에 크랙이나 박리 등을 발생시키지 않는 접합 부재를 제공하는 것에 있다.
본 발명자들은 예의 검토한 결과, 본 발명의 구리 미립자 소결체는 놀랍게도, 고온 상태의 비커스 경도가 현저하게 저하하는 것을 발견했다. 또한, 이 고온 상태의 비커스 경도의 저하 특성이 반도체 장치 부품의 접합 부재로서 구리 미립자 소결체를 사용했을 때에 높은 신뢰성을 부여하는 것을 비로소 발견했다. 본 발명자들은, 종래 알려져 있지 않았던 이 지견(知見)에 의거하여, 추가로 검토한 결과, 이러한 비커스 경도의 저하 거동을 나타내는 본 발명의 구리 미립자 소결체를, 반도체 장치의 접합 부위로서 사용함으로써, 반도체 장치의 응력을 완화할 수 있는 것을 발견했다.
즉 본 발명은,
「반도체 장치 부품 접합용의 구리 미립자 소결체로서, 구리 미립자 소결체의 150℃에서의 비커스 경도가, 25℃에서의 비커스 경도의 5∼20％인, 구리 미립자 소결체」에 관한 것이다.
본 발명은 반도체 장치 부품의 접합을 위한 접합 부재로서, 고온 상태에 있어서 비커스 경도가 현저하게 저하하고, 상온(25℃)에 있어서 비커스 경도가 원래대로 돌아간다는 특성에 의해, 반도체 장치 내부에 생기는 응력을 완화할 수 있기 때문에, 저온으로부터 고온, 고온으로부터 저온과 같은 큰 냉열 충격에 반도체 장치를 노출해도, 접합 부재에의 부하를 저감할 수 있다.
이에 따라, 향후, 고온 동작, 대전류 밀도화가 진행되는 MOSFET나 IGBT 등의 반도체 칩에 관하여, 지지체와의 열팽창 계수차에 의해 생기는 응력을 완화함으로써, 반도체 장치에 생기는 크랙 등을 억제하는 것이 가능하다.
다음으로, 본 발명의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다.
<구리 미립자 소결체>
본 발명의 구리 미립자 소결체는, 150℃에서의 비커스 경도가, 25℃에서의 비커스 경도의 5％ 이상 20％ 이하인 것을 특징으로 한다.
보다 명확히 표현하면,
구리 미립자 소결체의 150℃에서의 비커스 경도를 Hvb로 하고,
동(同)구리 미립자 소결체의 25℃에서의 비커스 경도를 Hva로 했을 때,
(Hvb／Hva)×100%의 값이, 5％ 이상 20％ 이하인 것을 특징으로 한다.
이러한 특징은, 간편하게 표현하기 위해, 「비커스 경도의 저하율이 5％ 이상 20％ 이하이다」라고도 바꿔 말할 수 있고, 본 명세서에서는 「비커스 경도의 저하율」이라는 용어로 표현한 개소가 있다. 또한, 이러한 「비커스 경도의 저하율」에 관한 상세한 기술 및 「비커스 경도」의 측정 방법에 관한 상세한 기술에 대해서는, 후기했기 때문에 참조하기 바란다.
본 발명의 구리 미립자 소결체의 「비커스 경도의 저하율」은, 상술한 바와 같은 본 발명의 효과가 얻어지기 쉬운 관점에서, 150℃에서의 비커스 경도가, 25℃에서의 비커스 경도의 7％ 이상 10％ 이하인 것이 바람직하다.
이러한 본 발명의 구리 미립자 소결체는, 입경이 1∼300㎚인 구리 미립자를 200℃∼350℃의 소결 처리 등에 의해 융착시킴으로써 소결체로서 간편하게 얻어지지만, 접합 부재로서의 구리 미립자 소결체가, 본 발명의 특징인 상기한 150℃에서의 비커스 경도와 25℃에서의 비커스 경도의 관계를 충족시키는 것이면, 어떠한 방법으로 얻어졌다고 해도, 본 발명에 포함된다.
소성 처리에 관해서는, 질소나 아르곤과 같은 불활성 분위기 하에서 행하면 좋지만, 수소나 포름산과 같은 환원성의 분위기 하에서 소성할 수도 있고, 또한, 플라스마나 광 소성과 같은 장치를 사용하여 소성할 수도 있다.
또한, 소결체의 비커스 경도가 상술한 범위에 들어가는 한은, 타(他)입경의 구리, 예를 들면 서브 마이크론 구리나 마이크론 구리를 첨가할 수도 있다.
본 발명의 높은 신뢰성을 갖는 구리 미립자 소결체를 실현하기 위해서는, 소결체의 비커스 경도, 냉열 충격 시험에 의한 크랙, 또는, 박리의 유무를 평가할 필요가 있다. 따라서 본 명세서에서는 소성 후의 구리 미립자 소결체의 비커스 경도를 인덴테이션 시험에 의해 평가했다. 또한, 냉열 충격 시험에 의해, 반도체 칩과 지지체와의 접합 신뢰성을 평가했다.
<구리 미립자>
본 발명의 구리 미립자 소결체의 제조에 사용되는 구리 미립자는, 200∼350℃의 소결에 의해 구리 미립자끼리의 융착을 행하는 점에서, 1∼300㎚의 일차 입자경을 가지는 것을 사용할 수 있지만, 내산화성, 분산성의 점에서 10∼100㎚인 것이 보다 바람직하다. 상기 구리 미립자의 표면 피복 유기물(분산 안정제)의 종류, 혹은 유무에 관해서는 특별히 한정되는 것이 아니다.
구리 미립자를 구성하는 구리의 순도는 특별히 제한되지 않고, 목적에 따라 적의(適宜) 선택할 수 있다. 구리 미립자의 순도는, 95질량％ 이상이면 좋고, 97질량％ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 구리 미립자 중에 포함되는, 유기물, 구리 산화물 및 구리 수산화물의 총함유율은 5％ 이하이면 좋고, 3％ 이하인 것이 바람직하다. 또, 본 발명에 있어서, 구리 산화물은, 산화구리(Ⅱ) 및 아산화구리를 포함하는 것이다.
구리 입자의 형상은 특별히 제한되지 않고, 적의 선택할 수 있지만, 구상(球狀), 판상(板狀), 봉상(棒狀) 등을 들 수 있고, 그 중에서도 구상인 것이 바람직하다.
<구리 미립자의 표면 피복 유기물>
본 발명의 구리 미립자 소결체의 제조에 사용되는 구리 미립자의 표면 피복 유기물로서는, 공지(公知) 관용의 분산 안정제를 어느 것이나 사용할 수 있지만, 예를 들면, 지방족 카르복시산류, 지방족 아민류, 지방족 티올류, 지방족 티오에테르류, 에틸렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌이민, 티오에테르 구조를 포함하는 폴리머, 티오에테르 구조를 포함하는 올리고머, 및 이들 혼합물이나, 이들 공중합체를 사용할 수 있다.
<폴리에틸렌옥사이드 함유 유기 화합물(A)>
본 발명의 구리 미립자 소결체를, 보다 호적(好適)하게 얻기 위해, 탄소수 8∼200의 폴리에틸렌옥사이드 함유 유기 화합물이 복합한 구리 미립자를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 유기 화합물은, 일본국 특허 제4784847호 공보, 일본국 특개2013-60637호 공보 또는 일본국 특허 제5077728호 공보에 기재된 방법으로 합성할 수 있다. 이들은, 티오에테르형(R-S-R') 화합물이 구리 입자 표면에 대하여 적절한 친화 흡착 효과와, 가열에 의한 신속한 탈리성을 갖는 것이 특징으로 되어 있으며, 저온 융착 특성을 나타내는 금속 나노 입자로서 개발되어 있다.
이들 중에서도, 하기 식(1)∼(3)으로 표시되는 티오에테르형 유기 화합물인 것이 바람직하다.
<티오에테르(R-S-R')형 유기 화합물>
본 발명의 효과를 설명하는 일례로서, 하기 일반식(1)∼(3)으로 표시되는 티오에테르형 유기 화합물이 복합한 구리 미립자에 대해서 상세히 기술한다.
W-(OCH2CH2)n-O-CH2-CH(OH)-CH2-S-X (1)
[W-(OCH2CH2)n-O-CH2-CH(OH)-CH2-S-]dY (2)
[W-(OCH2CH2)n-O-CH2-CH(OH)-CH2-S-Ra-]tZ (3)
〔식 (1), (2) 및 (3) 중의 W는 C1∼C8의 알킬기이며, n은 4∼100의 반복수를 나타내는 정수이며, X는 C2∼C12의 알킬기, 알릴기, 아릴기, 아릴알킬기, -R1-OH, -R1-NHR2, 또는 -R1-(COR3)m(단, R1은 C1∼C4의 포화 탄화수소기이며, R2은 수소 원자, C2∼C4의 아실기, C2∼C4의 알콕시카르보닐기, 또는 방향환 상에 C1∼C4의 알킬기 또는 C1∼C8의 알콕시기를 치환기로서 갖고 있어도 좋은 벤질옥시카르보닐기이며, R3은 히드록시기, C1∼C4의 알킬기 또는 C1∼C8의 알콕시기이며, m은 1∼3의 정수임)이며, Y는 황 원자와 직접 결합하는 것이 탄소 원자인 2∼4가의 기로서, C1∼C4의 포화 탄화수소기 또는 C1∼C4의 포화 탄화수소기가 -O-, -S- 혹은 -NHRb-(Rb은 C1∼C4의 포화 탄화수소기임)에 의해 2∼3개 연결한 기이며, d는 2∼4의 정수이며, Ra은 C2∼C5의 알킬카르보닐옥시기이며, Z는 황 원자와 직접 결합하는 것이 탄소 원자인 2∼6가의 기로서, C2∼C6의 포화 탄화수소기, C2∼C6의 포화 탄화수소기가 -O-, -S- 혹은 -NHRc-(RC은 C1∼C4의 포화 탄화수소기임)에 의해 2∼3개 연결한 기, 또는 이소시아누르산-N,N',N''-트리에틸렌기이며, t는 2∼6의 정수임〕
상기 일반식(1)∼(3) 중에 있어서의 에틸렌옥사이드를 반복 단위로서 갖는 쇄상(鎖狀)의 관능기는, 용매 친화부로서 기능한다. 이 폴리에틸렌옥사이드의 탄소수는, 8∼200인 것을 사용하는 것이 호적하며, 탄소수 8∼100인 것을 사용하는 것이 보다 호적하다. 또한, 상기 일반식(1)∼(3) 중에 있어서의 에틸렌옥사이드를 반복 단위로서 갖는 쇄상의 관능기는 탄소수가 적을수록, 유기 성분이 남기 어렵기 때문에, 탄소수 8∼12 정도인 것이 고도전성이나 신뢰성을 갖는 접합 부재로서 보다 바람직하다.
한편, 상기 일반식(1)∼(3) 중에 있어서의 에틸렌옥사이드를 반복 단위로서 갖는 쇄상의 관능기는 탄소수 50∼100 정도인 것이 분산 안정성이 우수하고, 구리 미립자를 고분산시켜, 접합재 페이스트로서 사용할 때의 분산성, 및 재현성을 향상시키는 점에서, 보다 바람직하다.
따라서, 사용 장면에 따라 탄소수를 8∼200의 범위나, 보다 바람직한 탄소수 8∼100의 범위에서 적의 조절할 수 있다.
상기 일반식(1)∼(3) 중의 W는, 공업적인 입수의 용이성, 및 분산제로서 사용했을 때의 분산 안정성의 점에서, 직쇄상 또는 분기상의 탄소수 1∼8의 알킬기이며, 특히 수성 매체 중에서의 안정성의 관점에서는 탄소수 1∼4의 알킬기인 것이 바람직하다.
상기 일반식(1) 중의 X가 카르복시기, 알콕시카르보닐기, 카르보닐기, 아미노기, 아미드기를 부분 구조로서 포함하는 구조인 것은, 티오에테르기와 다좌(多座) 배위자를 구성하는 것이 가능해지기 때문에, 금속 나노 입자 표면에의 배위력이 강해지기 때문에 바람직하다.
상기 일반식(2) 중의 Y가 에테르(C-O-C), 티오에테르(C-S-C)를 부분 구조로서 포함하는 구조인 것, 상기 일반식(3) 중의 Ra이 메틸렌카르복시기(-CH2COO-) 또는 에틸렌카르복시기(-CH2CH2COO-)로서, Z가 에틸렌기, 2-에틸-2-메틸렌프로판-1,3-디일기, 2,2-비스메틸렌프로판-1,3-디일기인 것이 가장 호적하다.
<티오에테르형 유기 화합물의 제조 방법>
상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서 티오에테르형 유기 화합물은, 상기 일반식(1)∼(3)으로 표시되는 화합물인 것이 바람직하다. 이들 티오에테르형 유기 화합물을 제조하는 방법에 대해서, 이하 상세히 기술한다.
티오에테르형 유기 화합물을 간편하게 제조하는 방법으로서는, 예를 들면 글리시딜기를 말단에 갖는 폴리에테르 화합물(a1)과 티올 화합물(a2)을 반응시키는 방법을 들 수 있다.
상기 글리시딜기를 말단에 갖는 폴리에테르 화합물(a1)은, 하기 일반식(4)으로 표시할 수 있다.
Figure 112020050238576-pct00001
… (4)
(식 중, W, R1, n은 상기와 같음)
글리시딜기를 말단에 갖는 폴리에테르 화합물(a1)의 합성 방법으로서는, 예를 들면, 루이스산 존재 하, 폴리에틸렌글리콜모노알킬에테르를 에피클로로히드린의 옥실란환에 부가 개환(開環)시킨 후, 생성하는 클로로히드린체를 농후 알칼리 중에서 가열 재개환하는 방법, 과잉의 알코올레이트나 농후 알칼리 등의 강염기를 사용하여, 1단계로 반응시키는 방법을 들 수 있지만, 보다 고순도의 폴리에테르 화합물(a1)을 얻는 방법으로서는, 칼륨t-부톡시드를 사용하여 폴리에틸렌글리콜모노메틸에테르를 알콕시드로 하고, 이것과 에피클로로히드린을 축합시킨 후, 가열을 계속해서 에폭시환을 재형성하는 Gandour 등의 방법(Gandour,et al.,J.Org.Chem.,1983,48,1116.)을 준용하는 것이 바람직하다.
상기 글리시딜기를 말단에 갖는 폴리에테르 화합물(a1)의 말단 옥실란환을, 티올 화합물(a2)로 개환시켜, 목적으로 하는 티오에테르형 유기 화합물을 얻을 수 있다. 이 반응은 티올기의 구핵(求核) 반응을 이용한 것이지만, 이 반응에 대해서는 다양한 활성화 방법을 들 수 있다.
예를 들면, 루이스산에 의한 에폭시드의 활성화에 의한 합성이 널리 행해지고 있으며, 구체적으로는 타르타르산아연이나, 란타니드계 루이스산을 사용하는 것이 알려져 있다. 또한, 루이스염기를 사용하는 방법도 자주 행해지고 있다.
또한, 불소 이온을 염기 촉매로서 활용하는 방법은 James H.Clark의 총설(總說)에 상세히 기술되어 있다. Penso 등은 이것을 레기오 선택성(regioselectivity)이 우수한 에폭시드의 개환 방법으로서 응용하고 있으며, 불화 제4급 암모늄을 촉매로 함으로써 온화한 조건 하에서 티올의 에폭시드에의 부가 개환 반응이 진행되는 것을 보고하고 있다.
특히 본 발명에서 사용하는 티오에테르형 유기 화합물이 고효율로 얻어지는 점에서는, 불소 이온을 염기 촉매로서 활용하는 방법이 바람직하다. 이 방법을 적용함으로써, 글리시딜기를 말단에 갖는 폴리에테르 화합물(a1)과 티올 화합물(a2)의 반응 후, 특별한 정제를 행하지 않아도, 티오에테르형 유기 화합물을 얻을 수 있다.
폴리에테르 화합물(a1)에는 다양한 티올 화합물(a2)을 반응시킬 수 있다. 예로서 알칸티올류, 벤젠티올류 외, 라디칼 중합 연쇄 이동제로서 범용되고 있기 때문에 입수가 용이한 티오글리콜, 티오글리콜산 및 그 에스테르류, 메르캅토프로피온산 및 그 에스테르류 등을 들 수 있다. 티오말산, 티오시트르산 및 그것들의 에스테르류와 같은 메르캅토폴리카르복시산류를 반응시켜도 좋다. 또한, 분자 내에 복수의 티올기를 갖는 화합물, 즉 에탄디티올과 같은 알킬렌디티올류, 트리메틸올프로판＝트리스(3-메르캅토프로피오나토), 펜타에리트리톨＝테트라키스(3-메르캅토프로피오나토), 디펜타에리트리톨＝헥사키스(3-메르캅토프로피오나토) 등도 마찬가지로 반응시켜 도입하는 것이 가능하다. 그 결과 얻어지는 화합물은, 분자 내에 복수의 티오에테르 구조를 가지므로, 구리계 나노 입자에 대하여 복수의 영역에 의해 친화성을 발현할 수 있다.
일반식(1)∼(3)으로 표시되는 구조를 분자 중에 갖는 고분자 화합물을 얻기 위해 사용하는 티올 화합물(Q)은, 일반적으로 연쇄 이동제로서 사용되는 티올 화합물을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 티오글리콜, 2-메르캅토프로판올, 3-메르캅토프로판올, 8-메르캅토옥탄올, 2,3-디히드록시프로판티올, 2-메톡시에탄티올, 2-에톡시에탄티올, 2-헥실옥시에탄티올, 2-(2-에틸헥실옥시)에탄티올, 2-벤질옥시에탄티올, 2-(4-메톡시벤질옥시)에탄티올, 2-페닐옥시에탄티올, 2-(4-메톡시페닐옥시)에탄티올, 2-(2,4-디메톡시페닐옥시)에탄티올, 6-(4-히드록시메틸페닐옥시)헥산티올, 2-아세톡시에탄티올, 2-헵타노일옥시에탄티올, 2-옥타노일옥시에탄티올, 2-옥타데카노일옥시에탄티올, 2-이소부티릴옥시에탄티올, 2-피발로일옥시에탄티올, 티오글리콜산, β-메르캅토프로피온산, 7-메르캅토옥탄산, 2-메르캅토프로피온산, 2-메르캅토숙신산, 및 이들 카르복시산의 무기염, 암모늄염 및 유기 아민의 염, 티오글리콜산메틸, 티오글리콜산에틸, 티오글리콜산옥틸, β-메르캅토프로피온산에틸, β-메르캅토프로피온산옥틸, β-메르캅토프로피온산도데실, β-메르캅토프로피온산-2-(메톡시에틸), β-메르캅토프로피온산-2-(메톡시에톡시에톡시), β-메르캅토프로피온산-2-(4-메톡시부톡시), 티오글리콜산-2-에틸헥실, β-메르캅토프로피온산-2-에틸헥실, β-메르캅토프로피온산-3-메톡시부톡시, 2-메르캅토에틸포스페이트, 2-메르캅토에틸포스핀산, 2-메르캅토프로필포스페이트, 2-메르캅토프로필포스핀산, ω-메르캅토에톡시에틸포스페이트, ω-메르캅토프로필옥시프로필포스페이트, 2-메르캅토에틸디메틸포스페이트, 2-메르캅토에틸포스핀산디메틸, 2-메르캅토에틸디에틸포스페이트, 2-메르캅토프로필디에틸포스페이트, 2-메르캅토에틸디이소프로필포스페이트, 2-메르캅토에틸디이소부틸포스페이트, 2-메르캅토에틸설페이트, 2-메르캅토에틸설폰산, 2-메르캅토프로필설폰산, 2-메르캅토에틸메틸설페이트, 메틸2-메르캅토에틸설포네이트, 2-메르캅토에틸에틸설페이트, 에틸2-메르캅토에틸설포네이트, 메틸2-메르캅토프로필설포네이트, 에틸2-메르캅토프로필설포네이트 등을 들 수 있다. 그 중에서도 티오글리콜, 2,3-디히드록시프로판티올, 티오글리콜산, β-메르캅토프로피온산, β-메르캅토프로피온산에틸, β-메르캅토프로피온산2-에틸헥실이, 반응성의 점에서 바람직하고, β-메르캅토프로피온산메틸이 가장 바람직하다.
<탄소수 8∼200의 폴리에틸렌옥사이드 함유 유기 화합물이 복합한 구리 미립자의 합성>
본 발명의 효과를 설명하는 일례로서, 본 발명의 구리 미립자 소결체에 함유되는 탄소수 8∼200의 폴리에틸렌옥사이드 함유 유기 화합물이 복합한 구리 미립자의 제조 방법은, 티오에테르형 유기 화합물의 존재 하에서, 2가의 구리 이온 화합물을 용매와 혼합하는 공정과, 구리 이온을 환원하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
2가의 구리 이온 화합물로서는, 일반적으로 입수 가능한 구리 화합물이 이용 가능하며, 황산염, 질산염, 카르복시산염, 탄산염, 염화물, 아세틸아세토네이트 착체 등을 이용할 수 있다. 0가의 구리 미립자와의 복합체를 얻을 경우에는 2가의 화합물로부터 출발해도 1가의 화합물로 제조해도 좋고, 수분이나 결정수를 갖고 있어도 상관없다. 구체적으로는, 결정수를 제외하고 표현하면, CuSO4, Cu(NO3)2, Cu(OAc)2, Cu(CH3CH2COO)2, Cu(HCOO)2, CuCO3, CuCl2, Cu2O, C5H7CuO2 등을 들 수 있다. 또한, 상기 염류를 가열하거나, 염기성 분위기에 노출함으로써 얻어지는 염기성염, 예를 들면 Cu(OAc)2·CuO, Cu(OAc)2·2CuO, Cu2Cl(OH)3 등은 가장 호적하게 사용할 수 있다. 이들 염기성염은, 반응계 내에서 조제해도 좋고, 반응계 외에서 별도 조제한 것을 사용해도 좋다. 또한, 암모니아나 아민 화합물을 더하여 착체 형성하고, 용해도를 확보하고 나서 환원에 사용하는 일반적인 방법도 적용 가능하다.
이들 구리 이온 화합물을, 미리 티오에테르형 유기 화합물을 용해 또는 분산한 매체에 용해, 또는 혼합한다. 이때 사용할 수 있는 매체로서는, 사용하는 유기 화합물의 구조에도 의하지만, 물, 에탄올, 아세톤, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 글리세린 및 그것들의 혼합물이 호적하게 사용되고, 물, 또는, 물과 에탄올의 혼합물이 특히 바람직하다.
티오에테르형 유기 화합물의, 각종 매체 중에 있어서의 농도로서는, 계속해서 행하는 환원 반응의 제어가 용이해지는 점에서, 0.3∼10질량％의 범위로 조정하는 것이 바람직하다.
상기에서 조제한 매체 중에, 상기 구리 이온 화합물을, 일괄 또는 분할하여 첨가하고, 혼합한다. 용해하기 어려운 매체를 사용할 경우에는, 미리 소량의 양(良)용매에 용해시켜 두고 나서, 매체 중에 첨가하는 방법이어도 좋다.
혼합하는 티오에테르형 유기 화합물과 구리 이온 화합물과의 사용 비율로서는, 반응 매체 중에서의 티오에테르형 유기 화합물의 보호 능력에 따라 적의 선택하는 것이 바람직하지만, 통상, 구리 이온 화합물 1㏖당, 티오에테르형 유기 화합물로서 1m㏖∼30m㏖(분자량 2000의 폴리머를 사용할 경우, 2∼60g 정도)의 범위에서 조제하고, 특히 15∼30m㏖의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.
계속해서, 구리 이온의 환원을, 각종 환원제를 사용하여 행한다. 환원제로서는, 히드라진 화합물, 히드록실아민 및 그 유도체, 금속 수소화물, 포스핀산염류, 알데히드류, 엔디올류, 히드록시케톤류 등, 빙냉온(氷冷溫)으로부터 80℃ 이하의 온도에서 구리의 환원 반응을 진행시킬 수 있는 화합물인 것이, 침전물 형성이 적은 복합체를 주기 때문에, 호적하다.
구리 이온의 환원에 있어서, 구체적으로는 히드라진 수화물, 비대칭 디메틸히드라진, 히드록실아민 수용액, 수소화붕소나트륨 등의 강력한 환원제가 호적하다. 이들은, 구리 화합물을 0가까지 환원하는 능력을 가지므로, 2가 및 1가의 구리 화합물을 환원 구리로 하고, 유기 화합물과 나노 구리 입자와의 복합체를 제조할 경우에 적합하다.
환원 반응에 적합한 조건은, 원료로서 사용하는 구리 화합물, 환원제의 종류, 착화(錯化)의 유무, 매체, 티오에테르형 유기 화합물의 종류에 따라 다양하다. 예를 들면, 수계(水系)에서 아세트산구리(Ⅱ)를 수소화붕소나트륨으로 환원할 경우에는, 빙냉 정도의 온도여도 0가의 나노 구리 입자를 조제할 수 있다. 한편, 히드라진을 사용할 경우에는, 실온에서는 반응은 느리고, 60℃ 정도로 가열하여 비로소 원활한 환원 반응이 일어나고, 에틸렌글리콜／수계에서 아세트산구리를 환원할 경우에는, 60℃에서 2시간 정도의 반응 시간을 요한다. 이와 같이 하여 환원 반응이 종료되면, 유기 화합물과 구리 미립자와의 복합체를 포함하는 반응 혼합물을 얻을 수 있다.
<구리 미립자 페이스트>
본 발명에 있어서의 구리 미립자 소결체는, 구리 미립자의 분말을 그대로 소성하여 제작하는 것도 가능하지만, 구리 미립자의 분산성, 피착물인 반도체 장치 부품과의 젖음성의 점에서, 임의의 용매와 혼합하여, 페이스트로서 사용하는 것이 바람직하다. 구리 미립자의 농도는 높을수록 접합 밀도가 향상하고, 보이드 등의 발생을 억제할 수 있지만, 도포(塗布), 인쇄 방식에 알맞은 점도 범위에서 최대의 구리 미립자 농도가 되도록 조절할 수 있고, 50∼95％ 정도의 농도로 하는 것이 피착물에의 공급이 용이한 점에서 호적하다.
<용매>
본 발명에 있어서의 구리 미립자의 페이스트화에 사용할 수 있는 용매로서는, 물 이외에 유기 용매를 사용하는 것도 가능하다. 극성 유기 용매로서는, 알코올류(예를 들면, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올이나 2-에틸헥실알코올, 헥실알코올, 헵틸알코올, 옥틸알코올, 노닐알코올, 데실알코올 등의 1급 알코올형이나, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로판디올, 부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올, 헵탄디올 등의 2급 알코올형이나, 프로판트리올, 부탄트리올, 펜탄트리올, 헥산트리올, 헵탄트리올 등의 3급 알코올형, 프로판테트라올, 부탄테트라올, 펜탄테트라올, 헥산테트라올, 헵탄테트라올 등의 4급 알코올형, 펜탄펜타올, 헥산펜타올 등의 5급 알코올형인 것을 들 수 있다. 또한, 벤젠트리올, 비페닐펜타올, 벤젠펜타올, 시클로헥산헥사올 등의 환상(環狀)형의 구조를 갖는 알코올 화합물을 사용하는 것도 가능하다. 그 이외에도 시트르산, 아스코르브산 등의 알코올기를 갖는 화합물을 사용해도 된다)나 알데히드류(예를 들면, 아세트알데히드 등), 에테르 구조를 포함하는 알코올 유도체(예를 들면, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 3-메톡시부탄올, 프로필렌글리콜-n-프로필에테르, 프로필렌글리콜-n-부틸에테르, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디프로필렌글리콜-n-프로필에테르, 디프로필렌글리콜-n-부틸에테르, 트리프로필렌글리콜메틸에테르, 트리프로필렌글리콜-n-부틸에테르, 분자량 200∼400까지의 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜 등)를 사용할 수 있다.
또한, 에스테르계 용매(예를 들면, 시클로헥산올아세테이트, 디프로필렌글리콜디메틸에테르, 프로필렌글리콜디아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸-n-프로필에테르, 디프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 1,4-부탄디올디아세테이트, 1,3-부틸렌글리콜디아세테이트, 1,6-헥산디올디아세테이트, 환상 구조를 가지는 크라운에테르류 등)를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 락탐 구조 함유 용매(예를 들면, β-락탐, ε-카프로락탐, σ-락탐, N-메틸-2-피롤리돈, 피로글루탐산, 피라세탐, 페니실린 등의 β-락탐계 화합물 등)를 사용하는 것도 가능하다.
비극성 유기 용매(예를 들면, 아세톤 등의 케톤류, 테트라히드로퓨란, N,N-디메틸포름아미드, 톨루엔, 헥산, 시클로헥산, 자일렌, 벤젠 등)를 사용하는 것도 가능하다.
그 중에서도, 분해·휘발 시의 열환원 작용의 관점에서, 비점 150℃ 이상의 알코올계 용매, 비점 150℃ 이상의 에테르계 용매를 사용하는 것이 바람직하다.
그 중에서도, 보다 바람직하게는, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로판디올, 부탄디올, 펜탄디올, 헥산디올, 헵탄디올등의 2급 알코올형의 비점 150℃ 이상의 알코올계 용매, 비점 150℃ 이상의 에테르계 용매가 바람직하다.
그 중에서도, 더 바람직하게는, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 분자량 200∼400까지의 폴리에틸렌글리콜이 바람직하다.
용매의 사용량은 금속에 대하여 5∼50％의 범위이면 사용 가능하며, 5∼15％의 범위인 것이 보다 바람직하다.
<접합>
상기 구리 미립자 페이스트를, 표면에 도금을 실시한 구리-65 몰리브덴 기재(종 21㎜×횡 37㎜×두께 3㎜)에 도포하고, 접합면에 금 증착을 실시한 백금 저항체가 부착된 실리콘 칩(5㎜ 각×두께 0.3㎜)을 마운트한 후, 그대로, 혹은 근소하게 가압하면서 구리 미립자가 융착하는 온도까지 가열함으로써 접합 시험편을 제작할 수 있다. 이때, 수소를 포함하는 포밍 가스 하, 질소 분위기 하 또는 포름산을 통과시켜 포함한 포름산 함유 질소의 분위기 하에서 행할 수도 있다. 또한, 피접합물의 크기, 상기 용매의 종류에 따라 온도 프로파일을 바꿔 융착을 보다 진행시킬 수도 있다.
본 발명에 있어서, 접합해야 할 부재(피접합물)로서는, 금속(합금, 금속간 화합물도 포함함) 외, 세라믹(실리콘, 실리콘 카바이드, 질화갈륨도 포함함), 플라스틱, 이들 복합 재료 등을 크기, 두께에 상관없이 예시할 수 있지만, 본 발명에서는 특히 금속(합금, 금속끼리의 접합도 포함함)과 실리콘, 및 실리콘 카바이드가 바람직하다. 또한, 부재의 형상 등도, 이들 분말 또는 페이스트가 부재간에 적절히 배치할 수 있는 한, 특별히 한정되지 않는다.
<냉열 충격 시험에 의한 접합 부위의 신뢰성 평가>
JIS C 60068-2-14 「온도 변화 시험 방법」에 기재된 방법에 준거하여, 기상냉열 충격 장치(에스펙사제, TSD-100)를 사용하여, 상기의 접합 시험편을 저온 분위기조(-40℃)와 고온 분위기조(200℃)에 교호(交互)로 5분간씩 1000회 노출함으로써, 접합 부위의 신뢰성을 평가했다. 크랙, 박리의 유무는 접합 시험편을 100사이클, 300사이클, 600사이클, 1000사이클마다 취출하고, 실리콘 칩 상에 묘획된 백금 저항체에 전압을 인가함으로써 하기 식에 의해 열저항의 증가를 측정함으로써 평가했다.
열저항 Rth(℃／W)＝(T1(℃)-T2(℃))／P(W)
T1＝전압 무인가 시의 칩 상면 중앙의 온도
T2＝전압 인가 시의 칩 상면 중앙의 온도
P＝인가 전압(V)×측정 전류(A)
<구리 미립자 소결체의 비커스 경도>
상기 접합 시험편을 신뢰성 시험용 샘플과는 별도로 제작하고, 클로스 섹션 폴리셔 연마에 의해 접합 단면(斷面)을 노출시켜, 얻어진 구리 미립자 소결체 단면을 인덴테이션법에 의해 측정함으로써 비커스 경도를 평가했다. 25℃에서의 비커스 경도는 다이내믹 초미소 경도계(시마즈세이사쿠쇼: DUH-W201), 고온에서의 비커스 경도는 미소 하중 시험기(와시노미야세이사쿠쇼: LMH207-20)를 사용하여 하기의 압입(押入) 조건으로 측정했다.
사용 압자: 다이아몬드형 삼각추(정각(頂角) 117°)
최대 하중: 1N
하중 속도: 70.6mN／s
최대 하중 유지 시간: 15s
시험 온도: 25℃, 150℃
비커스 경도는 삼각추 압자가 시료에 침입한 깊이 h로부터 이하의 식을 이용하여 산출했다. 삼각추 압자에 의해 도입되는 압흔(壓痕) 형상은 상사형(相似形)이며, 압자가 침입한 깊이 h와 투영 면적 A는 비례한다. 정각 117°의 압자를 사용했을 경우, 깊이와 투영 면적의 관계는 이하의 식에 따른다.
A(투영 면적)＝49×h(깊이)2
상기에서 산출한 A(투영 면적)로부터 이하의 식에 따라 비커스 경도를 구했다.
HV(비커스 경도)＝0.102×F〔N〕(시험력)／A〔㎟〕(투영 면적)
상세한 산출 방법은 Handbook of Micro／nano Tribology(Second Edition) Edited by Bharat Bhushan, CRC Press(ISBN 0-8493-8402-8)에 설명되어 있기 때문에, 여기에서의 설명은 생략한다. 또한, 비커스 경도는 10점의 평균값을 사용했다.
<비커스 경도의 저하율>
상기의 방법으로 측정한 비커스 경도를 사용하여, 하기 식으로부터 비커스 경도의 저하율을 구했다.
비커스 경도 저하율(％)
＝150℃ 비커스 경도(HVb)／25℃ 비커스 경도(HVa)×100
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예에 따라 설명한다. 특별히 언급이 없는 한 「％」는 질량 기준이다.
<합성예 1>
(폴리에틸렌옥사이드 함유 유기 화합물(A-1)(티오에테르형 유기 화합물)이 복합한 구리 미립자(B-1)의 합성, 및 구리 미립자 수분산체(C-1), 구리 미립자 페이스트(D-1)의 조제)
폴리에틸렌옥사이드 함유 유기 화합물이 복합한 구리 미립자의 합성예로서, 일본국 특허 제4784847호 공보, 일본국 특개2013-60637호 공보 또는 일본국 특허 제5077728호 공보에 기재된 방법으로 합성할 수 있다.
아세트산구리(Ⅱ) 일수화물(와코쥰야쿠고교 가부시키가이샤제)(30.0g, 0.15㏖), 메틸3-(3-(메톡시(폴리에톡시)에톡시)-2-히드록시프로필설파닐)프로피오네이트〔폴리에틸렌글리콜메틸글리시딜에테르(하기 식으로 표시되는 티오에테르형 유기 화합물(분자량 1984))(4.5g)
Figure 112020050238576-pct00002
과, 에틸렌글리콜(100mL)로 이루어지는 혼합물에, 질소를 50mL／분의 유량으로 취입하면서 가열하고, 125℃에서 2시간 통기 교반하여 탈기했다. 이 혼합물을 실온으로 되돌리고, 히드라진 수화물(15.0g)을 물 7mL로 희석한 용액을, 시린지 펌프를 사용하여 천천히 적하했다. 약 1／4양을 2시간 걸쳐 천천히 적하하고, 여기에서 일단 적하를 정지하고, 2시간 교반하여 발포가 침정화(沈靜化)하는 것을 확인한 후, 잔량을 추가로 1시간 걸쳐 적하했다. 얻어진 갈색의 용액을 60℃로 승온하여, 추가로 2시간 교반하고, 환원 반응을 종결시켜, 입경이 52㎚인 구리 미립자 분산체를 얻었다. 계속해서, 이 구리 미립자 분산체를 다이센·멤브레인·시스템즈사제의 중공사(中空絲)형 한외(限外) 여과막 모듈(HIT-1-FUS1582, 145㎠, 분획 분자량 15만) 중에 순환시켜, 삼출(渗出)하는 여과액과 동량(同量)인, 1L／min의 유량의 질소를 사용하여 탈산소 처리를 행한 증류수를 더하면서, 한외 여과 모듈로부터의 여과액의 전기 전도율이 100μS／㎝ 이하가 될 때까지 순환시켜 정제했다. 탈산소를 행한 증류수의 공급을 멈추고, 그대로 한외 여과법에 의해 농축함으로써, 28.5g의 폴리에틸렌옥사이드 함유 유기물(A-1)로 피복된 구리 미립자 수분산체(C-1)를 얻었다. 수분산체(C-1)의 불휘발분 함량은 16％, 불휘발분 중의 금속 함량은 96.5％였다.
상기의 수분산체(C-1) 28.5g을 100mL 삼구 플라스크에 봉입(封入)하고, 워터 바스를 사용하여 40℃로 가온을 행하면서, 감압 하, 질소를 5ml／min의 유속으로 흘림으로써, 물을 완전히 제거하고, 구리 나노 입자 복합체 건조 분말 4.5g을 얻었다. 다음으로 얻어진 건조 분말에 아르곤 가스 치환한 글로브 백 내에서, 30분간 질소 버블링한 에틸렌글리콜을 0.49g 첨가한 후, 유발(乳鉢)로 10분간 혼합함으로써 불휘발분 90％의 구리 미립자 페이스트(D-1)를 얻었다.
<합성예 2>
(고분자 분산제인 폴리비닐피롤리돈(A-2)을 사용한 구리 미립자(B-2)의 합성, 및 구리 미립자 수분산체(C-2), 구리 미립자 페이스트(D-2)의 조제)
수산화구리(Cu(OH)2)(와코쥰야쿠 가부시키가이샤제) 7.3g을 농도 0.5㏖／L의 암모니아수 362mL에 질소를 50mL／분의 유량으로 취입하면서 용해시키고, 추가로 0.5㏖／L의 아세트산암모늄을 첨가하여 pH를 10으로 조정하고, 구리암민착체를 포함하는 용액으로 했다. 한편, 히드라진 2.9g 및 폴리비닐피롤리돈 3.6g(와코쥰야쿠 가부시키가이샤, 분자량 10,000)을 증류수 725mL에 교반 용해시켜, 히드라진 수용액을 제작했다. 상기, 구리암민착체를 포함하는 용액에 히드라진 수용액을 적하하고, 잘 교반하면서 반응시켜, 입경 약 85㎚의 구리 미립자(B-2)가 수용액 중에 분산한 구리 미립자 분산체를 얻었다.
계속해서, 이 구리 미립자 분산체를 다이센·멤브레인·시스템즈사제의 중공사형 한외 여과막 모듈(HIT-1-FUS1582, 145㎠, 분획 분자량 15만) 중에 순환시켜, 삼출하는 여과액과 동량인, 1L／min의 유량의 질소를 사용하여 탈산소 처리를 행한 증류수를 더하면서, 한외 여과 모듈로부터의 여과액의 전기 전도율이 100μS／㎝ 이하가 될 때까지 순환시켜 정제했다. 탈산소를 행한 증류수의 공급을 멈추고, 그대로 한외 여과법에 의해 농축함으로써, 폴리비닐피롤리돈(A-2)으로 피복된 구리 미립자 수분산체(C-2) 14.9g을 얻었다. 수분산체(C-2)의 불휘발분 함량은 30.1％, 불휘발분 중의 금속 함량은 94.6％였다.
상기의 수분산체(C-2)를 사용하는 것 이외는 상기 합성예 1과 마찬가지의 방법에 의해 건조, 및 페이스트화를 행하고, 불휘발분 90％의 구리 미립자 페이스트(D-2)를 얻었다.
<합성예 3>
(저분자 분산제인 옥틸아민(A-3)을 사용한 구리 미립자(B-3)의 합성, 및 구리 미립자 분산체(C-3), 구리 미립자 페이스트(D-3)의 조제)
1L의 유리 플라스크에 아세트산구리 일수화물(와코쥰야쿠고교 가부시키가이샤제) 15.7g과 옥틸아민(와코쥰야쿠 가부시키가이샤제) 101.6g을 질소를 50mL／분의 유량으로 취입하면서 투입하고, 40℃에서 10분간 교반 혼합했다. 다음으로, 상기 유리 플라스크를 30℃의 항온수조에 넣고, 이것에 용해시킨 디메틸아민보란 용액을 액온(液溫)이 40℃ 부근이 되도록 하고, 0.5시간 걸쳐 첨가하여 환원 처리를 행하고, 금속핵의 형성 및 그 성장을 종료시켜, 옥틸아민(A-3)으로 피복된 입경 약 5㎚의 구리 미립자(B-3)를 얻었다. 상기 환원 처리 후의 용액에 아세톤 200g을 첨가하고, 잠시 방치한 후, 여과에 의해 구리 및 유기물로 이루어지는 침전물을 0.1㎛의 공경(孔徑)을 갖는 멤브레인 필터로 분리 회수했다. 회수물에 톨루엔을 첨가하고, 재분산시킨 후, 다시 멤브레인 필터로 여과했다. 계속해서 톨루엔을 감압 제거한 후, 테트라데칸 용매를 첨가하고, 옥틸아민(A-3)으로 피복된 구리 미립자 분산체(C-3) 24.0g을 얻었다. 분산체(C-3)의 불휘발분 함량은 40％, 불휘발분 중의 금속 함량은 91.2％였다.
상기의 분산체(C-3)를 사용하는 것 이외는 상기 합성예 1과 마찬가지의 방법에 의해 건조, 및 페이스트화를 행하고, 불휘발분 90％의 구리 미립자 페이스트(D-3)를 얻었다.
<시험예 1>
(폴리에틸렌옥사이드 함유 유기 화합물(A-1)(티오에테르형 유기 화합물)이 복합한 구리 미립자 페이스트(D-1)를 사용한 접합 시험편의 제작)
상기 구리 미립자 페이스트(D-1)를 표면에 도금을 행한 구리-65 몰리브덴 기재(종 21㎜×횡 37㎜×두께 3㎜)에 두께 50㎛의 마스크를 사용하여 스퀴지 도포하고, 접합면에 금 증착을 행한 백금 저항체가 부착된 실리콘 칩(5㎜ 각×두께 0.3㎜)을 마운트하고, 120℃에서 5분간 가소성를 행한 후, 200℃(실시예 1), 250℃(실시예 2), 300℃(실시예 3), 350℃(실시예 4)에서 각각 10분간, 질소 분위기 하에서 소성함으로써 접합 시험편을 얻었다. 또, 승온 속도는 모두 43℃／분에서 행했다.
<시험예 2>
(고분자 분산제인 폴리비닐피롤리돈(A-2)이 복합화한 구리 미립자 페이스트(D-2)를 사용한 접합 시험편의 제작)
상기 구리 미립자 페이스트(D-2)를 사용하는 것 이외는 시험예 1과 마찬가지의 방법에 의해 200℃(실시예 5), 250℃(실시예 6), 300℃(실시예 7), 350℃(실시예 8)에서 각각 소성함으로써 접합 시험편을 얻었다.
<시험예 3>
(저분자 분산제인 옥틸아민(A-3)이 복합화한 구리 미립자 페이스트(D-3)를 사용한 접합 시험편의 제작)
상기 구리 미립자 페이스트(D-3)를 사용하는 것 이외는 시험예 1과 마찬가지의 방법에 의해 200℃(실시예 9), 250℃(실시예 10), 300℃(실시예 11), 350℃(실시예 12)에서 각각 소성함으로써 접합 시험편을 얻었다.
<비교 시험예 1>
(폴리에틸렌옥사이드 함유 유기 화합물(A-1)(티오에테르형 유기 화합물)이 복합한 구리 미립자 페이스트(D-1)를 사용한 비교 접합 시험편의 제작)
상기 구리 미립자 페이스트(D-1)를 사용하여, 소성 온도를 150℃(비교예 1), 400℃(비교예 2)로 하는 것 이외는 상기 시험예 1과 마찬가지의 방법에 의해 비교 접합 시험편을 제작했다.
<비교 시험예 2>
(고분자 분산제인 폴리비닐피롤리돈(A-2)이 복합화한 구리 미립자 페이스트(D-2)를 사용한 비교 접합 시험편의 제작)
상기 구리 미립자 페이스트(D-1)를 사용하여, 소성 온도를 150℃(비교예 3), 400℃(비교예 4)로 하는 것 이외는 상기 시험예 1과 마찬가지의 방법에 의해 비교 접합 시험편을 제작했다.
<비교 시험예 3>
(저분자 분산제인 옥틸아민(A-3)이 복합화한 구리 미립자 페이스트(D-3)를 사용한 비교 접합 시험편의 제작)
상기 구리 미립자 페이스트(D-1)를 사용하여, 소성 온도를 150℃(비교예 5), 400℃(비교예 6)로 하는 것 이외는 상기 시험예 1과 마찬가지의 방법에 의해 비교 접합 시험편을 제작했다.
<평가>
상기, 실시예 1∼12, 및 비교예 1∼6에서 제작한 접합 시험편의 비커스 경도, 냉열 충격 시험에 의한 신뢰성의 평가 결과를 하기 표에 나타낸다.
평가의 결과, 표면 피복 유기물의 종류에 상관없이, 150℃에서의 비커스 경도가 25℃에서의 비커스 경도의 5∼20％의 범위에 있는 구리 미립자 소결체는 1000사이클 후에도 열저항의 증가는 보이지 않고, 양호한 신뢰성을 나타냈다. 한편, 비커스 경도의 저하율이 5％ 미만인 비교예 1, 3, 5의 시험편은 저온 소결이기 때문에, 처음부터 융착이 충분히 진행되고 있지 않아, 입자 계면에서 크랙 등이 발생했다고 생각된다. 또한, 비커스 경도의 저하율이 20％를 초과하고 있는 비교예 2, 4, 6의 시험편은 입자 계면의 융착이 지나치게 진행되었기 때문에, 응력의 완화 효과가 약하고 접합 부재 내에 크랙이 발생했기 때문에 열저항이 증가했다고 생각된다.
본 발명의 구리 미립자 소결체를 반도체 장치 부품의 접합 부위에 사용함으로써, 향후, 고온 동작, 대전류 밀도화가 진행되는 MOSFET나 IGBT 등의 반도체 칩과 구리 또는 구리 합금 기판과의 열팽창 계수차에 의해 생기는 응력을 완화하는, 높은 신뢰성을 가지는 접합이 가능해진다.
[표 1]
Figure 112020050238576-pct00003

Claims (2)

  1. 반도체 장치 부품 접합용의 탄소수 8∼200의 폴리에틸렌옥사이드 함유 유기 화합물이 복합화한 구리 미립자를 소결한 소결체로서,
    상기 소결체는, 일차 입자경이 1~300nm인 구리 미립자에 탄소수 8∼200의 폴리에틸렌옥사이드를 함유하는 유기 화합물이 복합화한 구리 미립자를, 200∼350℃의 온도에서의 소결에 의해 융착시킴으로써 얻어지는 것이며,
    상기 소결체의 150℃에서의 비커스 경도를 Hvb로 하고,
    상기 소결체의 25℃에서의 비커스 경도를 Hva로 했을 때,
    (Hvb／Hva)×100%의 값이, 5％ 이상 20％ 이하이며,
    상기 유기 화합물이 하기 일반식(1)∼(3)으로 표시되는 티오에테르형 유기 화합물인
    W-(OCH2CH2)n-O-CH2-CH(OH)-CH2-S-X (1)
    [W-(OCH2CH2)n-O-CH2-CH(OH)-CH2-S-]dY (2)
    [W-(OCH2CH2)n-O-CH2-CH(OH)-CH2-S-Ra-]tZ (3)
    〔식 (1), (2) 및 (3) 중의
    W는 C1∼C8의 알킬기이며,
    n은 4∼100의 반복수를 나타내는 정수이며,
    X는 C2∼C12의 알킬기, 알릴기, 아릴기, 아릴알킬기, -R1-OH, -R1-NHR2, 또는 -R1-(COR3)m(단, R1은 C1∼C4의 포화 탄화수소기이며, R2은 수소 원자, C2∼C4의 아실기, C2∼C4의 알콕시카르보닐기, 또는 방향환 상에 C1∼C4의 알킬기 또는 C1∼C8의 알콕시기를 치환기로서 갖고 있어도 좋은 벤질옥시카르보닐기이며, R3은 히드록시기, C1∼C4의 알킬기 또는 C1∼C8의 알콕시기이며, m은 1∼3의 정수임)이며,
    Y는 황 원자와 직접 결합하는 것이 탄소 원자인 2∼4가의 기로서, C1∼C4의 포화 탄화수소기 또는 C1∼C4의 포화 탄화수소기가 -O-, -S- 혹은 -NHRb-(Rb은 C1∼C4의 포화 탄화수소기임)에 의해 2∼3개 연결한 기이며,
    d는 2∼4의 정수이며,
    Ra은 C2∼C5의 알킬카르보닐옥시기이며,
    Z는 황 원자와 직접 결합하는 것이 탄소 원자인 2∼6가의 기로서, C2∼C6의 포화 탄화수소기, C2∼C6의 포화 탄화수소기가 -O-, -S- 혹은 -NHRc-(RC은 C1∼C4의 포화 탄화수소기임)에 의해 2∼3개 연결한 기, 또는 이소시아누르산-N,N',N''-트리에틸렌기이며,
    t는 2∼6의 정수임〕
    것을 특징으로 하는 반도체 장치 부품 접합용의 유기 화합물이 복합화한 구리 미립자를 소결한 소결체.
  2. 제1항에 있어서,
    (Hvb／Hva)×100%의 값이, 7％ 이상 10％ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 장치 부품 접합용의 유기 화합물이 복합화한 구리 미립자를 소결한 소결체.
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