KR20180050712A - 접합용 구리 페이스트, 접합체의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

접합용 구리 페이스트, 접합체의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 방법 Download PDF

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가즈히코 구라후치
요시노리 에지리
히데오 나카코
치에 스가마
다이 이시카와
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히타치가세이가부시끼가이샤
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    • H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/05664—Palladium [Pd] as principal constituent
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    • H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/05666—Titanium [Ti] as principal constituent
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    • H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/05669—Platinum [Pt] as principal constituent
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    • H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/05671—Chromium [Cr] as principal constituent
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    • H01L2224/0568—Molybdenum [Mo] as principal constituent
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    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29339—Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29344—Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29347—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29338—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29355—Nickel [Ni] as principal constituent
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    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29363—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29364—Palladium [Pd] as principal constituent
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    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29298—Fillers
    • H01L2224/29299—Base material
    • H01L2224/293—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29363—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/29369—Platinum [Pt] as principal constituent
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    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
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    • H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
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    • H01L2224/29299—Base material
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    • H01L2224/29399—Coating material
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    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
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    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
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    • H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/37117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/37124—Aluminium [Al] as principal constituent
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    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/37001—Core members of the connector
    • H01L2224/37099—Material
    • H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/37138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/37139—Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/37001—Core members of the connector
    • H01L2224/37099—Material
    • H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/37138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/37147—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
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    • H01L2224/37001—Core members of the connector
    • H01L2224/37099—Material
    • H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/37138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/3716—Iron [Fe] as principal constituent
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    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/37001—Core members of the connector
    • H01L2224/37099—Material
    • H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/37163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/37179—Niobium [Nb] as principal constituent
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    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/37001—Core members of the connector
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    • H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/37163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/3718—Molybdenum [Mo] as principal constituent
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    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/37001—Core members of the connector
    • H01L2224/37099—Material
    • H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/37163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/37181—Tantalum [Ta] as principal constituent
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    • H01L2224/36—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/37—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors prior to the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/37001—Core members of the connector
    • H01L2224/37099—Material
    • H01L2224/371—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/37163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/37184—Tungsten [W] as principal constituent
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    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/4005—Shape
    • H01L2224/4009—Loop shape
    • H01L2224/40095—Kinked
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    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401—Disposition
    • H01L2224/40135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
    • H01L2224/40137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
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    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401—Disposition
    • H01L2224/40151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401—Disposition
    • H01L2224/40151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/40225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • H01L2224/40227—Connecting the strap to a bond pad of the item
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    • H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
    • H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
    • H01L2224/401—Disposition
    • H01L2224/40151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
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    • H01L2224/40245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/832—Applying energy for connecting
    • H01L2224/8322—Applying energy for connecting with energy being in the form of electromagnetic radiation
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    • H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83401—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/83411—Tin [Sn] as principal constituent
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83401—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/83416—Lead [Pb] as principal constituent
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83417—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/83418—Zinc [Zn] as principal constituent
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
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    • H01L2224/83417—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/83424—Aluminium [Al] as principal constituent
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    • H01L2224/84401—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/84411—Tin [Sn] as principal constituent
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    • H01L2224/84401—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/84416—Lead [Pb] as principal constituent
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    • H01L2224/844—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/84417—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/84418—Zinc [Zn] as principal constituent
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    • H01L2224/84417—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/84424—Aluminium [Al] as principal constituent
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    • H01L2224/8448—Molybdenum [Mo] as principal constituent
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    • H01L2224/85401—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/85411—Tin (Sn) as principal constituent
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
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    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85401—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/85416—Lead (Pb) as principal constituent
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    • H01L2224/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • H01L2224/8538—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85417—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/85418—Zinc (Zn) as principal constituent
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    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85417—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/85424—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/85399—Material
    • H01L2224/854—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/85438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/85439—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/85444—Gold (Au) as principal constituent
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Abstract

본 발명의 접합용 구리 페이스트는, 금속 입자와 분산매를 포함하고, 금속 입자가, 체적 평균 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 서브마이크로 구리 입자와 체적 평균 입경이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 마이크로 구리 입자를 포함하고, 서브마이크로 구리 입자의 함유량 및 마이크로 구리 입자의 함유량의 합계가, 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 80 질량% 이상이고, 서브마이크로 구리 입자의 함유량이, 서브마이크로 구리 입자의 질량 및 마이크로 구리 입자의 질량의 합계를 기준으로 하여 30 질량% 이상 90 질량% 이하이다.

Description

접합용 구리 페이스트, 접합체의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 방법
본 발명은, 접합용 구리 페이스트, 그것을 이용한 접합체의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 방법, 그리고 접합체 및 반도체 장치에 관한 것이다.
반도체 장치를 제조할 때, 반도체 소자와 리드 프레임 등(지지 부재)을 접합시키기 위해서 다양한 접합재가 이용되고 있다. 반도체 장치 중에서도 150℃ 이상의 고온에서 동작시키는 파워 반도체, LSI 등의 접합에는, 접합재로서 고융점 납땜납이 이용되어 왔다. 최근, 반도체 소자의 고용량화 및 공간 절약화에 의해 동작 온도가 고융점 납땜납의 융점 가까이까지 상승하고 있어, 접속 신뢰성을 확보하기가 어려워지고 있다. 한편, RoHS 규제 강화에 따라, 납을 함유하지 않는 접합재가 요구되고 있다.
지금까지도 납땜납 이외의 재료를 이용한 반도체 소자의 접합이 검토되고 있다. 예컨대, 하기 특허문헌 1에는, 은 나노 입자를 저온 소결시켜 소결 은층을 형성하는 기술이 제안되어 있다. 이러한 소결 은은 파워 사이클에 대한 접속 신뢰성이 높다는 것이 알려져 있다(비특허문헌 1).
또 다른 재료로서 구리 입자를 소결시켜 소결 구리층을 형성하는 기술도 제안되어 있다. 예컨대, 하기 특허문헌 2에는, 반도체 소자와 전극을 접합하기 위한 접합재로서 산화제2구리 입자 및 환원제를 포함하는 접합용 페이스트가 개시되어 있다. 또한, 하기 특허문헌 3에는, 구리 나노 입자와, 구리 마이크로 입자 혹은 구리 서브마이크로 입자, 또는 이들 양쪽을 포함하는 접합재가 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 제4928639호 특허문헌 2: 일본 특허 제5006081호 특허문헌 3: 일본 특허공개 2014-167145호 공보
비특허문헌 1: R. Khazaka, L. Mendizabal, D. Henry: J. ElecTron. Mater, 43(7), 2014, 2459-2466
상기 특허문헌 1에 기재된 방법은, 높은 접속 신뢰성을 얻기 위해서는 소결 은층의 치밀화가 필수이기 때문에, 가압을 동반하는 열압착 프로세스가 필요하게 된다. 가압을 동반하는 열압착 프로세스를 행하는 경우, 생산 효율의 저하, 수율의 저하 등의 과제가 있다. 또한, 은 나노 입자를 이용하는 경우, 은에 의한 재료 비용의 현저한 증가 등이 문제가 된다.
상기 특허문헌 2에 기재된 방법은, 산화구리에서 구리로 환원할 때의 체적 수축을 열압착 프로세스에 의해 회피하고 있다. 그러나, 열압착 프로세스에는 상술한 과제가 있다.
상기 특허문헌 3에 기재한 방법은, 무가압으로 소결을 행하고 있지만, 이하의 점에서 실용에 사용하기에는 아직 충분하지 못하다. 즉, 구리 나노 입자는 산화 억제 및 분산성의 향상을 위해서 보호제로 표면을 수식할 필요가 있지만, 구리 나노 입자는 비표면적이 크기 때문에, 구리 나노 입자를 주성분으로 하는 접합재에 있어서는 표면보호제의 배합량이 증가하는 경향이 있다. 또한, 분산성을 확보하기 위해서 분산매의 배합량이 증가하는 경향이 있다. 그 때문에, 상기 특허문헌 3에 기재된 접합재는, 보관, 도공 등의 공급 안정성을 위해서 표면보호제 또는 분산매의 비율을 많게 하고 있어, 소결 시의 체적 수축이 커지기 쉽고, 또한 소결 후의 치밀도가 저하하기 쉬운 경향이 있어 소결체의 강도를 확보하기가 어렵다.
본 발명은 무가압에서의 접합을 행하는 경우라도 충분한 접합 강도를 얻을 수 있는 접합용 구리 페이스트를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 또한 접합용 구리 페이스트를 이용하는 접합체의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 방법, 그리고 접합체 및 반도체 장치를 제공하는 것도 목적으로 한다.
본 발명은, 금속 입자와 분산매를 포함하는 접합용 구리 페이스트로서, 금속 입자가, 체적 평균 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 서브마이크로 구리 입자와 체적 평균 입경이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 마이크로 구리 입자를 포함하고, 서브마이크로 구리 입자의 함유량 및 마이크로 구리 입자의 함유량의 합계가, 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 80 질량% 이상이고, 서브마이크로 구리 입자의 함유량이, 서브마이크로 구리 입자의 질량 및 마이크로 구리 입자의 질량의 합계를 기준으로 하여 30 질량% 이상 90 질량% 이하인 접합용 구리 페이스트를 제공한다.
본 발명의 접합용 구리 페이스트에 따르면, 무가압에서의 접합을 행하는 경우라도 충분한 접합 강도를 얻을 수 있다. 이러한 효과를 얻을 수 있는 이유에 관해서, 상기 서브마이크로 구리 입자와 상기 마이크로 구리 입자를 특정 비율로 함유시킴으로써, 충분한 소결성을 유지하면서 표면보호제 또는 분산매에 기인하는 소결 시의 체적 수축을 충분히 억제하는 것이 가능하게 되어, 소결체 강도의 확보 및 피착면과의 접합력 향상이 달성되는 것을 생각할 수 있다. 또한, 본 발명의 접합용 구리 페이스트는, 서브마이크로 구리 입자 및 마이크로 구리 입자에 의해서 상술한 효과를 얻을 수 있으므로, 고가의 구리 나노 입자를 주성분으로 하는 접합재에 비해서 보다 저렴하면서 안정적으로 공급할 수 있다고 하는 이점을 갖는다. 이에 의해, 예컨대, 반도체 장치 등의 접합체를 제조하는 경우에 생산 안정성을 한층 더 높일 수 있게 된다.
상기 접합용 구리 페이스트에 있어서, 마이크로 구리 입자는 플레이크형이라도 좋다. 플레이크형 마이크로 구리 입자를 이용하는 경우, 예컨대, 반도체 장치에 있어서의 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 향상시키기가 더욱 용이하게 된다. 또한, 이러한 효과를 얻을 수 있는 이유로서, 접합용 구리 페이스트 내의 마이크로 구리 입자가 접합면에 대하여 대략 평행하게 배향함으로써, 접합용 구리 페이스트를 소결시켰을 때의 체적 수축을 억제할 수 있는 것, 플레이크형 마이크로 구리 입자의 겹치는 면적이 증대됨으로써 접합력이 향상되는 것, 그리고 플레이크형 마이크로 구리 입자가 서브마이크로 구리 입자를 정렬하여 보강 효과를 얻을 수 있는 것을 생각할 수 있다.
본 발명의 접합용 구리 페이스트는 무가압 접합용이라도 좋다. 본 명세서에 있어서 「무가압」이란, 접합하는 부재의 자중(自重) 또는 그 자중에 더하여 0.01 MPa 이하의 압력을 받고 있는 상태를 의미한다.
본 발명은 또한, 제1 부재, 이 제1 부재의 자중이 작용하는 방향측에, 상기 접합용 구리 페이스트 및 제2 부재가 이 순서로 적층된 적층체를 준비하고, 접합용 구리 페이스트를, 제1 부재의 자중, 또는 제1 부재의 자중 및 0.01 MPa 이하의 압력을 받은 상태에서 소결하는 공정을 구비하는 접합체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 접합체의 제조 방법에 따르면, 상기 접합용 구리 페이스트를 이용함으로써, 무가압 접합에 의해서 부재끼리 충분한 접합력으로 접합된 접합체를 제조할 수 있다.
본 발명은 또한, 제1 부재, 이 제1 부재의 자중이 작용하는 방향측에, 상기 접합용 구리 페이스트 및 제2 부재가 이 순서로 적층된 적층체를 준비하고, 접합용 구리 페이스트를, 제1 부재의 자중, 또는 제1 부재의 자중 및 0.01 MPa 이하의 압력을 받은 상태에서 소결하는 공정을 구비하고, 제1 부재 및 제2 부재의 적어도 한쪽이 반도체 소자인 반도체 장치의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 반도체 장치의 제조 방법에 따르면, 상기 접합용 구리 페이스트를 이용함으로써, 무가압 접합에 의해서 다이 전단 강도가 우수한 반도체 장치를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 반도체 장치의 제조 방법에 의해서 제조되는 반도체 장치는 접속 신뢰성이 우수한 것으로 될 수 있다.
본 발명은 또한, 제1 부재와, 제2 부재와, 제1 부재와 제2 부재를 접합하는 상기 접합용 구리 페이스트의 소결체를 구비하는 접합체를 제공한다. 본 발명의 접합체는, 제1 부재 및 제2 부재가 충분한 접합력을 갖는 구리의 소결체를 통해 접합되어 있다. 또한 본 발명의 접합체는, 열전도율이 우수한 구리의 소결체를 구비함으로써 부재의 방열성이 우수한 것으로 될 수 있다.
상기 접합체에 있어서, 제1 부재 및 제2 부재의 적어도 한쪽이, 소결체와 접하는 면에, 구리, 니켈, 은, 금 및 팔라듐으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하고 있어도 좋다. 이 경우, 제1 부재 및 제2 부재의 적어도 한쪽과 소결체의 접착성을 더욱 높일 수 있다.
본 발명은 또한, 제1 부재와, 제2 부재와, 제1 부재와 제2 부재를 접합하는 상기 접합용 구리 페이스트의 소결체를 구비하고, 제1 부재 및 제2 부재의 적어도 한쪽이 반도체 소자인 반도체 장치를 제공한다. 본 발명의 반도체 장치는, 충분한 접합력을 가지고, 열전도율 및 융점이 높은 구리의 소결체를 구비함으로써, 충분한 다이 전단 강도를 가지고, 접속 신뢰성이 우수함과 더불어 파워 사이클 내성도 우수한 것으로 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 무가압에서의 접합을 행하는 경우라도 충분한 접합 강도를 얻을 수 있는 접합용 구리 페이스트를 제공할 수 있다. 본 발명은 또한 접합용 구리 페이스트를 이용하는 접합체의 제조 방법 및 반도체 장치의 제조 방법, 그리고 접합체 및 반도체 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 접합체의 일례를 도시하는 모식 단면도이다.
도 2는 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 반도체 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다.
도 3은 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 반도체 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다.
도 4는 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 반도체 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다.
도 5는 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 반도체 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다.
도 6은 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 반도체 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다.
도 7은 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 반도체 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다.
도 8은 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 반도체 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다.
도 9는 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 반도체 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다.
도 10은 실시예 1의 접합체의 단면 SEM상을 도시한다.
도 11은 실시예 12의 접합체의 단면 SEM상을 도시한다.
도 12는 실시예 13의 접합체의 단면 SEM상을 도시한다.
도 13은 비교예 2의 접합체의 단면 SEM상을 도시한다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하 「본 실시형태」라고 한다.)에 관해서 상세히 설명한다. 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
<접합용 구리 페이스트>
본 실시형태의 접합용 구리 페이스트는, 금속 입자와 분산매를 포함하는 접합용 구리 페이스트이며, 금속 입자가 서브마이크로 구리 입자 및 마이크로 구리 입자를 포함한다.
(금속 입자)
본 실시형태에 따른 금속 입자로서는, 서브마이크로 구리 입자, 마이크로 구리 입자, 구리 입자 이외의 그 밖의 금속 입자 등을 들 수 있다.
(서브마이크로 구리 입자)
서브마이크로 구리 입자로서는, 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 구리 입자를 포함하는 것을 들 수 있으며, 예컨대, 체적 평균 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 구리 입자를 이용할 수 있다. 서브마이크로 구리 입자의 체적 평균 입경이 0.12 ㎛ 이상이라면, 서브마이크로 구리 입자의 합성 비용의 억제, 양호한 분산성, 표면처리제 사용량의 억제와 같은 효과를 얻기 쉽게 된다. 서브마이크로 구리 입자의 체적 평균 입경이 0.8 ㎛ 이하라면, 서브마이크로 구리 입자의 소결성이 우수하다고 하는 효과를 얻기 쉽게 된다. 한층 더 상기 효과를 발휘한다고 하는 관점에서, 서브마이크로 구리 입자의 체적 평균 입경은, 0.15 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하라도 좋고, 0.15 ㎛ 이상 0.6 ㎛ 이하라도 좋고, 0.2 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하라도 좋고, 0.3 ㎛ 이상 0.45 ㎛ 이하라도 좋다.
또한, 본원 명세서에 있어서 체적 평균 입경이란 50% 체적 평균 입경을 의미한다. 구리 입자의 체적 평균 입경을 구하는 경우, 원료가 되는 구리 입자 또는 접합용 구리 페이스트로부터 휘발 성분을 제거한 건조 구리 입자를, 분산제를 이용하여 분산매에 분산시킨 것을 광산란법 입도 분포 측정 장치(예컨대, 시마즈 나노 입자경 분포 측정 장치(SALD-7500nano, 가부시키가이샤 시마즈세이사쿠쇼 제조))로 측정하는 방법 등에 의해 구할 수 있다. 광산란법 입도 분포 측정 장치를 이용하는 경우, 분산매로서는 헥산, 톨루엔, α-테르피네올 등을 이용할 수 있다.
서브마이크로 구리 입자는, 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 구리 입자를 10 질량% 이상 포함할 수 있다. 접합용 구리 페이스트의 소결성의 관점에서, 서브마이크로 구리 입자는, 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 구리 입자를 20 질량% 이상 포함할 수 있고, 30 질량% 이상 포함할 수 있고, 100 질량% 포함할 수 있다. 서브마이크로 구리 입자에 있어서의 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 구리 입자의 함유 비율이 20 질량% 이상이면, 구리 입자의 분산성이 보다 향상되어, 점도의 상승, 페이스트 농도의 저하를 보다 억제할 수 있다.
구리 입자의 입경은 하기 방법에 의해 구할 수 있다. 구리 입자의 입경은 예컨대, SEM상으로부터 산출할 수 있다. 구리 입자의 분말을, SEM용 카본 테이프 상에 스패츌러로 얹어, SEM용 샘플로 한다. 이 SEM용 샘플을 SEM 장치에 의해 5000배로 관찰한다. 이 SEM상의 구리 입자에 외접하는 사각형을 화상 처리 소프트에 의해 작도하여, 그 한 변을 그 입자의 입경으로 한다.
서브마이크로 구리 입자의 함유량은, 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 20 질량% 이상 90 질량% 이하라도 좋고, 30 질량% 이상 90 질량% 이하라도 좋고, 35 질량% 이상 85 질량% 이하라도 좋고, 40 질량% 이상 80 질량% 이하라도 좋다. 서브마이크로 구리 입자의 함유량이 상기 범위 내라면, 접합용 구리 페이스트를 소결시켜 제조되는 접합체의 접합 강도를 확보하기가 용이하게 된다. 접합용 구리 페이스트를 반도체 소자의 접합에 이용하는 경우, 서브마이크로 구리 입자의 함유량이 상기 범위 내라면, 반도체 장치가 양호한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 보이는 경향이 있다.
서브마이크로 구리 입자의 함유량은, 서브마이크로 구리 입자의 질량 및 마이크로 구리 입자의 질량의 합계를 기준으로 하여 20 질량% 이상 90 질량% 이하인 것이 바람직하다. 서브마이크로 구리 입자의 상기 함유량이 20 질량% 이상이라면, 마이크로 구리 입자 사이를 충분히 충전할 수 있어, 접합용 구리 페이스트를 소결시켜 제조되는 접합체의 접합 강도를 확보하기가 용이하게 되고, 접합용 구리 페이스트를 반도체 소자의 접합에 이용하는 경우는 반도체 장치가 양호한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 보이는 경향이 있다. 서브마이크로 구리 입자의 함유량이 90 질량% 이하라면, 접합용 구리 페이스트를 소결했을 때의 체적 수축을 충분히 억제할 수 있기 때문에, 접합용 구리 페이스트를 소결시켜 제조되는 접합체의 접합 강도를 확보하기가 용이하게 된다. 접합용 구리 페이스트를 반도체 소자의 접합에 이용하는 경우, 서브마이크로 구리 입자의 함유량이 90 질량% 이하라면, 반도체 장치가 양호한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 보이는 경향이 있다. 한층 더 상기 효과를 발휘한다고 하는 관점에서, 서브마이크로 구리 입자의 함유량은, 서브마이크로 구리 입자의 질량 및 마이크로 구리 입자의 질량의 합계를 기준으로 하여 30 질량% 이상 85 질량% 이하라도 좋고, 35 질량% 이상 85 질량% 이하라도 좋고, 40 질량% 이상 80 질량% 이하라도 좋다.
서브마이크로 구리 입자의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니다. 서브마이크로 구리 입자의 형상으로서는, 예컨대, 구상(球狀), 괴상(塊狀), 침상(針狀), 플레이크형, 대략 구상 및 이들의 응집체를 들 수 있다. 분산성 및 충전성의 관점에서, 서브마이크로 구리 입자의 형상은 구상, 대략 구상, 플레이크형이라도 좋고, 연소성, 분산성, 플레이크형 마이크로 입자와의 혼합성 등의 관점에서, 구상 또는 대략 구상이라도 좋다. 본 명세서에 있어서 「플레이크형」이란, 판상(板狀), 인편상(鱗片狀) 등의 평판상의 형상을 포함한다.
서브마이크로 구리 입자는, 분산성, 충전성 및 플레이크형 마이크로 입자와의 혼합성의 관점에서, 종횡비가 5 이하라도 좋고, 3 이하라도 좋다. 본 명세서에 있어서 「종횡비」란, 입자의 긴 변/두께를 나타낸다. 입자의 긴 변 및 두께의 측정은 예컨대, 입자의 SEM상으로부터 구할 수 있다.
서브마이크로 구리 입자는 특정의 표면처리제로 처리되어 있어도 좋다. 특정의 표면처리제로서는 예컨대, 탄소수 8∼16의 유기산을 들 수 있다. 탄소수 8∼16의 유기산으로서는, 예컨대, 카프릴산, 메틸헵탄산, 에틸헥산산, 프로필펜탄산, 펠라르곤산, 메틸옥탄산, 에틸헵탄산, 프로필헥산산, 카프르산, 메틸노난산, 에틸옥탄산, 프로필헵탄산, 부틸헥산산, 운데칸산, 메틸데칸산, 에틸노난산, 프로필옥탄산, 부틸헵탄산, 라우린산, 메틸운데칸산, 에틸데칸산, 프로필노난산, 부틸옥탄산, 펜틸헵탄산, 트리데칸산, 메틸도데칸산, 에틸운데칸산, 프로필데칸산, 부틸노난산, 펜틸옥탄산, 미리스틴산, 메틸트리데칸산, 에틸도데칸산, 프로필운데칸산, 부틸데칸산, 펜틸노난산, 헥실옥탄산, 펜타데칸산, 메틸테트라데칸산, 에틸트리데칸산, 프로필도데칸산, 부틸운데칸산, 펜틸데칸산, 헥실노난산, 팔미틴산, 메틸펜타데칸산, 에틸테트라데칸산, 프로필트리데칸산, 부틸도데칸산, 펜틸운데칸산, 헥실데칸산, 헵틸노난산, 메틸시클로헥산카르복실산, 에틸시클로헥산카르복실산, 프로필시클로헥산카르복실산, 부틸시클로헥산카르복실산, 펜틸시클로헥산카르복실산, 헥실시클로헥산카르복실산, 헵틸시클로헥산카르복실산, 옥틸시클로헥산카르복실산, 노닐시클로헥산카르복실산 등의 포화 지방산; 옥텐산, 노넨산, 메틸노넨산, 데센산, 운데센산, 도데센산, 트리데센산, 테트라데센산, 미리스톨레산, 펜타데센산, 헥사데센산, 팔미톨레산, 사피엔산 등의 불포화 지방산; 테레프탈산, 피로멜리트산, o-페녹시안식향산, 메틸안식향산, 에틸안식향산, 프로필안식향산, 부틸안식향산, 펜틸안식향산, 헥실안식향산, 헵틸안식향산, 옥틸안식향산, 노닐안식향산 등의 방향족 카르복실산을 들 수 있다. 유기산은 1종을 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 조합하여 사용하여도 좋다. 이러한 유기산과 상기 서브마이크로 구리 입자를 조합함으로써 서브마이크로 구리 입자의 분산성과 소결 시에 있어서의 유기산의 탈리성을 양립할 수 있는 경향이 있다.
표면처리제의 처리량은 서브마이크로 구리 입자의 표면에 1 분자층∼3 분자층 부착되는 양이라도 좋다. 이 양은, 서브마이크로 구리 입자의 표면에 부착된 분자층의 수(n)와, 서브마이크로 구리 입자의 비표면적(Ap)(단위 ㎡/g)과, 표면처리제의 분자량(Ms)(단위 g/mol)과, 표면처리제의 최소 피복 면적(SS)(단위 ㎡/개)과, 아보가드로수(NA)(6.02×1023개)로부터 산출할 수 있다. 구체적으로는, 표면처리제의 처리량은 표면처리제의 처리량(질량%)={(n·Ap·Ms)/(SS·NA + n·Ap·Ms)}×100%의 식에 따라서 산출된다.
서브마이크로 구리 입자의 비표면적은, 건조시킨 서브마이크로 구리 입자를 BET 비표면적 측정법으로 측정함으로써 산출할 수 있다. 표면처리제의 최소 피복 면적은, 표면처리제가 직쇄 포화 지방산인 경우, 2.05×10-19 ㎡/1 분자이다. 그 이외의 표면처리제의 경우에는, 예컨대, 분자 모델로부터의 계산 또는 「화학과 교육」(우에다 가츠히로(上江田捷博), 이나후쿠 스미오(稻福純夫), 모리 이와오(森巖), 40(2), 1992, p 114-117)에 기재된 방법으로 측정할 수 있다. 표면처리제의 정량 방법의 일례를 나타낸다. 표면처리제는, 접합용 구리 페이스트로부터 분산매를 제거한 건조분의 열탈리 가스·가스 크로마토그래프 질량 분석계에 의해 동정할 수 있고, 이에 의해 표면처리제의 탄소수 및 분자량을 결정할 수 있다. 표면처리제의 탄소분 비율은 탄소분 분석에 의해 분석할 수 있다. 탄소분 분석법으로서는 예컨대, 고주파 유도 가열로 연소/적외선 흡수법을 들 수 있다. 동정된 표면처리제의 탄소수, 분자량 및 탄소분 비율로부터 상기 식에 의해 표면처리제의 양을 산출할 수 있다.
표면처리제의 상기 처리량은, 0.07 질량% 이상 2.1 질량% 이하라도 좋고, 0.10 질량% 이상 1.6 질량% 이하라도 좋고, 0.2 질량% 이상 1.1 질량% 이하라도 좋다.
상기 서브마이크로 구리 입자는 양호한 소결성을 갖기 때문에, 구리 나노 입자를 주로 이용한 접합재에서 보이는 고가의 합성 비용, 양호하지 못한 분산성, 소결 후의 체적 수축의 저하 등의 과제를 저감할 수 있다.
본 실시형태에 따른 서브마이크로 구리 입자로서는 시판되고 있는 것을 이용할 수 있다. 시판되고 있는 서브마이크로 입자로서는, 예컨대, CH-0200(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조, 체적 평균 입경 0.36 ㎛), HT-14(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조, 체적 평균 입경 0.41 ㎛), CT-500(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조, 체적 평균 입경 0.72 ㎛), Tn-Cu100(다이요닛산가부시키가이샤 제조, 체적 평균 입경 0.12 ㎛)을 들 수 있다.
(마이크로 구리 입자)
마이크로 구리 입자로서는, 입경이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 구리 입자를 포함하는 것을 들 수 있으며, 예컨대, 체적 평균 입경이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 구리 입자를 이용할 수 있다. 마이크로 구리 입자의 체적 평균 입경이 상기 범위 내라면, 접합용 구리 페이스트를 소결했을 때의 체적 수축을 충분히 저감할 수 있고, 접합용 구리 페이스트를 소결시켜 제조되는 접합체의 접합 강도를 확보하기가 용이하게 된다. 접합용 구리 페이스트를 반도체 소자의 접합에 이용하는 경우, 마이크로 구리 입자의 체적 평균 입경이 상기 범위 내라면, 반도체 장치가 양호한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 보이는 경향이 있다. 한층 더 상기 효과를 발휘한다고 하는 관점에서, 마이크로 구리 입자의 체적 평균 입경은 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하라도 좋고, 3 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하라도 좋다.
마이크로 구리 입자는 입경이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 구리 입자를 50 질량% 이상 포함할 수 있다. 접합체 내에서의 배향, 보강 효과, 접합 페이스트의 충전성의 관점에서, 마이크로 구리 입자는, 입경이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 구리 입자를 70 질량% 이상 포함할 수 있고, 80 질량% 이상 포함할 수 있고, 100 질량% 포함할 수 있다. 접합 불량을 억제한다는 관점에서, 마이크로 구리 입자는, 예컨대, 최대 직경이 20 ㎛를 넘는 입자 등의 접합 두께를 넘는 사이즈의 입자를 포함하지 않는 것이 바람직하다.
마이크로 구리 입자의 함유량은, 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 10 질량% 이상 90 질량% 이하라도 좋고, 15 질량% 이상 65 질량% 이하라도 좋고, 20 질량% 이상 60 질량% 이하라도 좋다. 마이크로 구리 입자의 함유량이 상기 범위 내라면, 접합용 구리 페이스트를 소결시켜 제조되는 접합체의 접합 강도를 확보하기가 용이하게 된다. 접합용 구리 페이스트를 반도체 소자의 접합에 이용하는 경우, 마이크로 구리 입자의 함유량이 상기 범위 내라면, 반도체 장치가 양호한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 보이는 경향이 있다.
서브마이크로 구리 입자의 함유량 및 마이크로 구리 입자의 함유량의 합계는, 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 80 질량% 이상으로 할 수 있다. 서브마이크로 구리 입자의 함유량 및 마이크로 구리 입자의 함유량의 합계가 상기 범위 내라면, 접합용 구리 페이스트를 소결했을 때의 체적 수축을 충분히 저감할 수 있고, 접합용 구리 페이스트를 소결시켜 제조되는 접합체의 접합 강도를 확보하기가 용이하게 된다. 접합용 구리 페이스트를 반도체 소자의 접합에 이용하는 경우는 반도체 장치가 양호한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 보이는 경향이 있다. 한층 더 상기 효과를 발휘한다고 하는 관점에서, 서브마이크로 구리 입자의 함유량 및 마이크로 구리 입자의 함유량의 합계는, 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 90 질량% 이상이라도 좋고, 95 질량% 이상이라도 좋고, 100 질량%라도 좋다.
마이크로 구리 입자의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니다. 마이크로 구리 입자의 형상으로서는, 예컨대, 구상, 괴상, 침상, 플레이크형, 대략 구상 및 이들의 응집체를 들 수 있다. 마이크로 구리 입자의 형상은 그 중에서도 플레이크형이 바람직하다. 플레이크형의 마이크로 구리 입자를 이용함으로써 접합용 구리 페이스트 내의 마이크로 구리 입자가 접합면에 대하여 대략 평행하게 배향됨으로써, 접합용 구리 페이스트를 소결시켰을 때의 체적 수축을 억제할 수 있어, 접합용 구리 페이스트를 소결시켜 제조되는 접합체의 접합 강도를 확보하기가 용이하게 된다. 접합용 구리 페이스트를 반도체 소자의 접합에 이용하는 경우는 반도체 장치가 양호한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 보이는 경향이 있다. 한층 더 상기 효과를 발휘한다고 하는 관점에서, 플레이크형 마이크로 구리 입자로서는, 그 중에서도 종횡비가 4 이상이라도 좋고, 6 이상이라도 좋다.
마이크로 구리 입자에 있어서, 표면처리제의 처리 유무는 특별히 한정되는 것은 아니다. 분산 안정성 및 내산화성의 관점에서, 마이크로 구리 입자는 표면처리제로 처리되어 있어도 좋다. 표면처리제는 접합 시에 제거되는 것이라도 좋다. 이러한 표면처리제로서는, 예컨대, 팔미틴산, 스테아린산, 아라키딘산, 올레인산 등의 지방족 카르복실산; 테레프탈산, 피로멜리트산, o-페녹시안식향산 등의 방향족 카르복실산; 세틸알코올, 스테아릴알코올, 이소보르닐시클로헥산올, 테트라에틸렌글리콜 등의 지방족 알코올; p-페닐페놀 등의 방향족 알코올; 옥틸아민, 도데실아민, 스테아릴아민 등의 알킬아민; 스테아로니트릴, 데카니트릴 등의 지방족 니트릴; 알킬알콕시실란 등의 실란커플링제; 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 실리콘 올리고머 등의 고분자처리제 등을 들 수 있다. 표면처리제는 1종을 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 조합하여 사용하여도 좋다.
표면처리제의 처리량은 입자 표면에 1 분자층 이상의 양이라도 좋다. 이러한 표면처리제의 처리량은, 마이크로 구리 입자의 비표면적, 표면처리제의 분자량 및 표면처리제의 최소 피복 면적에 의해 변화된다. 표면처리제의 처리량은 통상 0.001 질량% 이상이다. 마이크로 구리 입자의 비표면적, 표면처리제의 분자량 및 표면처리제의 최소 피복 면적에 관해서는 상술한 방법에 의해 산출할 수 있다.
상기 서브마이크로 구리 입자만으로 접합용 구리 페이스트를 조제하는 경우, 분산매의 건조에 동반되는 체적 수축 및 소결 수축이 크기 때문에, 접합용 구리 페이스트의 소결 시에 피착면으로부터 박리되기 쉽게 되어, 반도체 소자 등의 접합에 있어서는 충분한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 얻기가 어렵다. 서브마이크로 구리 입자와 마이크로 구리 입자를 병용함으로써, 접합용 구리 페이스트를 소결시켰을 때의 체적 수축이 억제되어, 접합체는 충분한 접합 강도를 가질 수 있다. 접합용 구리 페이스트를 반도체 소자의 접합에 이용하는 경우는 반도체 장치가 양호한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 보인다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
본 실시형태에 따른 마이크로 구리 입자로서는 시판되고 있는 것을 이용할 수 있다. 시판되고 있는 마이크로 입자로서는, 예컨대, MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조, 체적 평균 입경 7.5 ㎛), 3L3(후쿠다긴조쿠하쿠훈고교가부시키가이샤 제조, 체적 평균 입경 8.0 ㎛), 1110F(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조, 체적 평균 입경 3.8 ㎛), Cu-HWQ 3.0 ㎛(후쿠다긴조쿠하쿠훈고교가부시키가이샤 제조, 체적 평균 입경 3.0 ㎛)를 들 수 있다.
(구리 입자 이외의 그 밖의 금속 입자)
금속 입자로서는, 서브마이크로 구리 입자 및 마이크로 구리 입자 이외의 그 밖의 금속 입자를 포함하고 있어도 좋으며, 예컨대, 니켈, 은, 금, 팔라듐, 백금 등의 입자를 포함하고 있어도 좋다. 그 밖의 금속 입자는, 체적 평균 입경이 0.01 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하라도 좋고, 0.01 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하라도 좋고, 0.05 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하라도 좋다. 그 밖의 금속 입자를 포함하고 있는 경우, 그 함유량은, 충분한 접합성을 얻는다고 하는 관점에서, 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 20 질량% 미만이라도 좋고, 10 질량% 이하라도 좋다. 그 밖의 금속 입자는 포함되지 않아도 좋다. 그 밖의 금속 입자의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니다.
구리 입자 이외의 금속 입자를 포함함으로써, 복수 종의 금속이 고용 또는 분산된 소결체를 얻을 수 있기 때문에, 소결체의 항복 응력, 피로 강도 등의 기계적인 특성이 개선되어, 접속 신뢰성이 향상되기 쉽다. 또한, 복수 종의 금속 입자를 첨가함으로써, 접합용 구리 페이스트의 소결체는 특정 피착체에 대하여 충분한 접합 강도를 가질 수 있다. 접합용 구리 페이스트를 반도체 소자의 접합에 이용하는 경우는 반도체 장치의 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성이 향상되기 쉽다.
(분산매)
분산매는 특별히 한정되는 것이 아니며, 휘발성인 것이라도 좋다. 휘발성의 분산매로서는, 예컨대, 펜탄올, 헥산올, 헵탄올, 옥탄올, 데칸올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 부틸렌글리콜, α-테르피네올, 이소보르닐시클로헥산올(MTPH) 등의 1가 및 다가 알코올류; 에틸렌글리콜부틸에테르, 에틸렌글리콜페닐에테르, 디에틸렌글리콜메틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 디에틸렌글리콜부틸에테르, 디에틸렌글리콜이소부틸에테르, 디에틸렌글리콜헥실에테르, 트리에틸렌글리콜메틸에테르, 디에틸렌글리콜디메틸에테르, 디에틸렌글리콜디에틸에테르, 디에틸렌글리콜디부틸에테르, 디에틸렌글리콜부틸메틸에테르, 디에틸렌글리콜이소프로필메틸에테르, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜부틸메틸에테르, 프로필렌글리콜프로필에테르, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 디프로필렌글리콜에틸에테르, 디프로필렌글리콜프로필에테르, 디프로필렌글리콜부틸에테르, 디프로필렌글리콜디메틸에테르, 트리프로필렌글리콜메틸에테르, 트리프로필렌글리콜디메틸에테르 등의 에테르류; 에틸렌글리콜에틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜부틸에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜에틸에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜부틸에테르아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(DPMA), 젖산에틸, 젖산부틸, γ-부티로락톤, 탄산프로필렌 등의 에스테르류; N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디메틸포름아미드 등의 산아미드; 시클로헥사논, 옥탄, 노난, 데칸, 운데칸 등의 지방족 탄화수소; 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등의 방향족 탄화수소; 탄소수 1∼18의 알킬기를 갖는 메르캅탄류; 탄소수 5∼7의 시클로알킬기를 갖는 메르캅탄류를 들 수 있다. 탄소수 1∼18의 알킬기를 갖는 메르캅탄류로서는, 예컨대, 에틸메르캅탄, n-프로필메르캅탄, i-프로필메르캅탄, n-부틸메르캅탄, i-부틸메르캅탄, t-부틸메르캅탄, 펜틸메르캅탄, 헥실메르캅탄 및 도데실메르캅탄을 들 수 있다. 탄소수 5∼7의 시클로알킬기를 갖는 메르캅탄류로서는, 예컨대, 시클로펜틸메르캅탄, 시클로헥실메르캅탄 및 시클로헵틸메르캅탄을 들 수 있다.
분산매의 함유량은, 금속 입자의 전체 질량을 100 질량부로 하여 5∼50 질량부라도 좋다. 분산매의 함유량이 상기 범위 내라면, 접합용 구리 페이스트를 보다 적절한 점도로 조정할 수 있으며, 또한 구리 입자의 소결을 저해하기 어렵다.
(첨가제)
접합용 구리 페이스트에는, 필요에 따라서, 논이온계 계면활성제, 불소계 계면활성제 등의 습윤성 향상제; 실리콘유 등의 소포제; 무기 이온 교환체 등의 이온 트랩제 등을 적절하게 첨가하여도 좋다.
본 실시형태의 접합용 구리 페이스트의 한 양태로서는, 상기 금속 입자가, 체적 평균 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.15 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 서브마이크로 구리 입자와, 체적 평균 입경이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 마이크로 구리 입자를 포함하고, 서브마이크로 구리 입자의 함유량 및 마이크로 구리 입자의 함유량의 합계가 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 80 질량% 이상이며, 서브마이크로 구리 입자의 함유량이 서브마이크로 구리 입자의 질량 및 마이크로 구리 입자의 질량의 합계를 기준으로 하여 30 질량% 이상 90 질량% 이하인 접합용 구리 페이스트를 들 수 있다.
상기 접합용 구리 페이스트로서는, 체적 평균 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.15 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 서브마이크로 구리 입자와, 체적 평균 입경이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 마이크로 구리 입자와, 분산매와, 필요에 따라서 그 밖의 상기 성분을 배합하여 이루어지고, 서브마이크로 구리 입자의 배합량 및 마이크로 구리 입자의 배합량의 합계가 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 80 질량% 이상이며, 서브마이크로 구리 입자의 배합량이 서브마이크로 구리 입자의 배합량 및 마이크로 구리 입자의 배합량의 합계를 기준으로 하여 30 질량% 이상 90 질량% 이하인 것을 들 수 있다.
또한, 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트의 다른 양태로서는, 서브마이크로 구리 입자로서, 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.15 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 구리 입자를, 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 24∼80 질량% 함유하고, 마이크로 구리 입자로서, 입경이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 마이크로 구리 입자를, 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 8∼70 질량% 함유하고, 서브마이크로 구리 입자의 함유량이 서브마이크로 구리 입자의 질량 및 마이크로 구리 입자의 질량의 합계를 기준으로 하여 30 질량% 이상 90 질량% 이하인 접합용 구리 페이스트를 들 수 있다. 여기서의 입경은 최대 입경을 의미하며, 원료가 되는 구리 입자 또는 접합용 구리 페이스트로부터 휘발 성분을 제거한 건조 구리 입자를 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰하는 방법에 의해 구해진다.
구리 입자가 구상이 아닌 경우는, 그 입경은 하기 방법에 의해 구해지는 최대 입경으로 할 수 있다. 구리 입자의 최대 입경을 SEM상으로부터 산출하는 방법을 예시한다. 구리 입자의 분말을 SEM용의 카본 테이프 상에 스패츌러로 얹어 SEM용 샘플로 한다. 이 SEM용 샘플을 SEM 장치에 의해 5000배로 관찰한다. 이 SEM상의 구리 입자에 외접하는 장방형을 화상 처리 소프트에 의해 작도하여, 장방형의 긴 변을 그 입자의 장경으로 한다. 이 장경을 최대 입경으로 한다.
(접합용 구리 페이스트의 조제)
접합용 구리 페이스트는, 상술한 서브마이크로 구리 입자, 마이크로 구리 입자, 그 밖의 금속 입자 및 임의의 첨가제를 분산매에 혼합하여 조제할 수 있다. 각 성분의 혼합 후에 교반 처리를 행하여도 좋다. 접합용 구리 페이스트는 분급 조작에 의해 분산액의 최대 입경을 조정하여도 좋다. 이 때, 분산액의 최대 입경은 20 ㎛ 이하로 할 수 있으며, 10 ㎛ 이하로 할 수도 있다.
접합용 구리 페이스트는, 서브마이크로 구리 입자, 표면처리제, 분산매를 미리 혼합하고, 분산 처리하여 서브마이크로 구리 입자의 분산액을 조제하고, 또한 마이크로 구리 입자, 그 밖의 금속 입자 및 임의의 첨가제를 혼합하여 조제하여도 좋다. 이러한 수순으로 함으로써, 서브마이크로 구리 입자의 분산성이 향상되어 마이크로 구리 입자와의 혼합성이 좋아져, 접합용 구리 페이스트의 성능이 보다 향상된다. 서브마이크로 구리 입자의 분산액을 분급 조작에 의해서 응집물을 제거하여도 좋다.
교반 처리는 교반기를 이용하여 행할 수 있다. 교반기로서는, 예컨대, 자전공전형 교반 장치, 분쇄기, 이축혼련기, 삼본롤밀, 플라네터리 믹서, 박층 전단 분산기를 들 수 있다.
분급 조작은 예컨대, 여과, 자연 침강, 원심 분리를 이용하여 행할 수 있다. 여과용 필터로서는 예컨대, 금속 메쉬, 메탈 필터, 나일론 메쉬를 들 수 있다.
분산 처리로서는, 예컨대, 박층 전단 분산기, 비드밀, 초음파 호모게나이저, 고전단 믹서(High shear mixer), 협갭(Narrow gap)삼본롤밀, 습식 초미립화 장치, 초음속식 제트밀, 초고압 호모게나이저를 들 수 있다.
접합용 구리 페이스트는, 성형하는 경우에는 각각의 인쇄·도포 수법에 알맞은 점도로 조정하여도 좋다. 접합용 구리 페이스트의 점도로서는, 예컨대, 25℃에 있어서의 Casson 점도가 0.05 Pa·s 이상 2.0 Pa·s 이하라도 좋고, 0.06 Pa·s 이상 1.0 Pa·s 이하라도 좋다.
본 실시형태의 접합용 구리 페이스트에 따르면, 상술한 서브마이크로 구리 입자 및 마이크로 구리 입자를 소정의 비율로 병용함으로써 양호한 소결성을 얻을 수 있고, 또한 소결 시의 체적 수축을 억제할 수 있다. 그 때문에, 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트는, 과도한 가압을 하지 않고서 부재와의 접합력을 확보할 수 있으며, 접합용 구리 페이스트를 소결시켜 제조되는 접합체는 충분한 접합 강도를 가질 수 있다. 접합용 구리 페이스트를 반도체 소자의 접합에 이용하는 경우는 반도체 장치가 양호한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 보인다. 즉, 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트는 무가압 접합용의 접합재로서 이용하여도 좋다. 또한, 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트에 따르면, 비교적 저렴한 구리 입자를 이용함으로써 제조 비용을 억제할 수 있어, 대량 생산을 할 수 있다. 특히, 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트는, 서브마이크로 구리 입자 및 마이크로 구리 입자에 의해서 상술한 효과를 얻을 수 있으므로, 고가의 구리 나노 입자를 주성분으로 하는 접합재에 비해서 보다 저렴하면서 안정적으로 공급할 수 있다고 하는 이점을 갖는다. 이에 따라, 예컨대, 반도체 장치 등의 접합체를 제조하는 경우에 생산 안정성을 한층 더 높일 수 있게 된다.
<접합체 및 반도체 장치>
이하, 도면을 참조하면서 적합한 실시형태에 관해서 상세히 설명한다. 또한, 도면에서 동일하거나 또는 상당하는 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 도면의 치수 비율은 도시하는 비율에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 접합체의 일례를 도시하는 모식 단면도이다. 본 실시형태의 접합체(100)는, 제1 부재(2)와, 제2 부재(3)와, 제1 부재와 제2 부재를 접합하는 상기 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)를 구비한다.
제1 부재(2) 및 제2 부재(3)로서는, 예컨대, IGBT, 다이오드, 쇼트키 배리어 다이오드, MOS-FET, 사이리스터, 로직, 센서, 아날로그 집적 회로, LED, 반도체 레이저, 발신기 등의 반도체 소자, 리드 프레임, 금속판 첨부 세라믹스 기판(예컨대, DBC), LED 패키지 등의 반도체 소자 탑재용 기재, 구리 리본 및 금속 프레임 등의 금속 배선, 금속 블록 등의 블록체, 단자 등의 급전용 부재, 방열판, 수냉판 등을 들 수 있다.
제1 부재(2) 및 제2 부재(3)는, 접합용 구리 페이스트의 소결체와 접하는 면(4a 및 4b)에 금속을 포함하고 있어도 좋다. 금속으로서는, 예컨대, 구리, 니켈, 은, 금, 팔라듐, 백금, 납, 주석, 코발트 등을 들 수 있다. 금속은 1종을 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 조합하여 사용하여도 좋다. 또한, 소결체와 접하는 면은 상기 금속을 포함하는 합금이라도 좋다. 합금에 이용되는 금속으로서는, 상기 금속 외에, 아연, 망간, 알루미늄, 베릴륨, 티탄, 크롬, 철, 몰리브덴 등을 들 수 있다. 소결체와 접하는 면에 금속을 포함하는 부재로서는, 예컨대, 각종 금속 도금을 갖는 부재, 와이어, 금속 도금을 갖는 칩, 히트 스프레더, 금속판이 부착된 세라믹스 기판, 각종 금속 도금을 갖는 리드 프레임 또는 각종 금속으로 이루어지는 리드 프레임, 동판, 동박을 들 수 있다. 또한, 제2 부재(3)가 반도체 소자인 경우, 제1 부재(2)는 금속 프레임 등의 금속 배선, 금속 블록 등의 열전도성 및 도전성을 갖는 블록체 등이라도 좋다.
접합체의 다이 전단 강도는, 제1 부재 및 제2 부재를 충분히 접합한다고 하는 관점에서, 10 MPa 이상이라도 좋고, 15 MPa 이상이라도 좋고, 20 MPa 이상이라도 좋고, 30 MPa 이상이라도 좋다. 다이 전단 강도는 만능형 본드 테스터(4000 시리즈, DAGE사 제조) 등을 이용하여 측정할 수 있다.
접합용 구리 페이스트의 소결체의 열전도율은, 방열성 및 고온화에서의 접속 신뢰성이라는 관점에서, 100 W/(m·K) 이상이라도 좋고, 120 W/(m·K) 이상이라도 좋고, 150 W/(m·K) 이상이라도 좋다. 열전도율은 접합용 구리 페이스트의 소결체의 열확산율, 비열 용량 및 밀도로부터 산출할 수 있다.
이하, 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용한 접합체의 제조 방법에 관해서 설명한다.
본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용한 접합체의 제조 방법은, 제1 부재, 이 제1 부재의 자중이 작용하는 방향측에, 상기 접합용 구리 페이스트 및 제2 부재가 이 순서로 적층된 적층체를 준비하고, 접합용 구리 페이스트를, 제1 부재의 자중, 또는 제1 부재의 자중 및 0.01 MPa 이하의 압력을 받은 상태에서 소결하는 공정을 구비한다. 제1 부재의 자중이 작용하는 방향이란, 중력이 작용하는 방향이라고도 할 수 있다.
상기 적층체는, 예컨대, 제2 부재의 필요한 부분에 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 마련하고, 이어서 접합용 구리 페이스트 상에 제1 부재를 배치함으로써 준비할 수 있다.
본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를, 제2 부재의 필요한 부분에 마련하는 방법으로서는, 접합용 구리 페이스트를 퇴적시킬 수 있는 방법이면 된다. 이러한 방법으로서는, 예컨대, 스크린 인쇄, 전사 인쇄, 오프셋 인쇄, 제트프린팅법, 디스펜서, 제트 디스펜서, 니들 디스펜서, 콤마 코터, 슬릿 코터, 다이 코터, 그라비아 코터, 슬릿 코트, 철판(凸版) 인쇄, 요판(凹版) 인쇄, 그라비아 인쇄, 스텐실 인쇄, 소프트 리소그래피, 바 코트, 애플리케이터, 입자 퇴적법, 스프레이 코터, 스핀 코터, 딥 코터, 전착 도장 등을 이용할 수 있다. 접합용 구리 페이스트의 두께는, 1 ㎛ 이상 1000 ㎛ 이하라도 좋고, 10 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하라도 좋고, 50 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하라도 좋고, 10 ㎛ 이상 3000 ㎛ 이하라도 좋고, 15 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하라도 좋고, 20 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하라도 좋고, 5 ㎛ 이상 500 ㎛ 이하라도 좋고, 10 ㎛ 이상 250 ㎛ 이하라도 좋고, 15 ㎛ 이상 150 ㎛ 이하라도 좋다.
제2 부재 상에 마련된 접합용 구리 페이스트는, 소결 시의 유동 및 보이드의 발생을 억제한다는 관점에서, 적절하게 건조시키더라도 좋다. 건조 시의 가스 분위기는 대기 중이라도 좋고, 질소, 희가스 등의 무산소 분위기 중이라도 좋고, 수소, 포름산 등의 환원 분위기 중이라도 좋다. 건조 방법은, 상온 방치에 의한 건조라도 좋고, 가열 건조라도 좋고, 감압 건조라도 좋다. 가열 건조 또는 감압 건조에는, 예컨대, 핫플레이트, 온풍 건조기, 온풍 가열로, 질소 건조기, 적외선 건조기, 적외선 가열로, 원적외선 가열로, 마이크로파 가열 장치, 레이저 가열 장치, 전자 가열 장치, 히터 가열 장치, 증기 가열로, 열판 프레스 장치 등을 이용할 수 있다. 건조의 온도 및 시간은 사용한 분산매의 종류 및 양에 맞춰 적절하게 조정하여도 좋다. 건조의 온도 및 시간으로서는, 예컨대, 50℃ 이상 180℃ 이하에서 1분 이상 120분간 이하 건조시키더라도 좋다.
접합용 구리 페이스트 상에 제1 부재를 배치하는 방법으로서는, 예컨대, 칩 마운터, 플립 칩 본더, 카본제 또는 세라믹스제의 위치 결정 지그를 들 수 있다.
적층체를 가열 처리함으로써 접합용 구리 페이스트의 소결을 행한다. 가열 처리에는, 예컨대, 핫플레이트, 온풍 건조기, 온풍 가열로, 질소 건조기, 적외선 건조기, 적외선 가열로, 원적외선 가열로, 마이크로파 가열 장치, 레이저 가열 장치, 전자 가열 장치, 히터 가열 장치, 증기 가열로 등을 이용할 수 있다.
소결 시의 가스 분위기는, 소결체, 제1 부재 및 제2 부재의 산화 억제의 관점에서 무산소 분위기라도 좋다. 소결 시의 가스 분위기는, 접합용 구리 페이스트의 구리 입자의 표면 산화물을 제거한다고 하는 관점에서, 환원 분위기라도 좋다. 무산소 분위기로서는, 예컨대, 질소, 희가스 등의 무산소 가스의 도입 또는 진공 하를 들 수 있다. 환원 분위기로서는, 예컨대, 순수소 가스 중, 포밍 가스로 대표되는 수소 및 질소의 혼합 가스 중, 포름산 가스를 포함하는 질소 중, 수소 및 희가스의 혼합 가스 중, 포름산 가스를 포함하는 희가스 중 등을 들 수 있다.
가열 처리 시의 도달 최고 온도는, 제1 부재 및 제2 부재에의 열 손상의 저감 및 수율을 향상시킨다고 하는 관점에서, 250℃ 이상 450℃ 이하라도 좋고, 250℃ 이상 400℃ 이하라도 좋고, 250℃ 이상 350℃ 이하라도 좋다. 도달 최고 온도가 200℃ 이상이면, 도달 최고 온도 유지 시간이 60분 이하에서 소결이 충분히 진행되는 경향이 있다.
도달 최고 온도 유지 시간은, 분산매를 전부 휘발시키고, 또한 수율을 향상시킨다고 하는 관점에서, 1분 이상 60분 이하라도 좋고, 1분 이상 40분 미만이라도 좋고, 1분 이상 30분 미만이라도 좋다.
본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용함으로써, 적층체를 소결할 때, 무가압에서의 접합을 행하는 경우라도 접합체는 충분한 접합 강도를 가질 수 있다. 즉, 접합용 구리 페이스트에 적층한 제1 부재에 의한 자중만, 또는 제1 부재의 자중에 더하여 0.01 MPa 이하, 바람직하게는 0.005 MPa 이하의 압력을 받은 상태에서, 충분한 접합 강도를 얻을 수 있다. 소결 시에 받는 압력이 상기 범위 내라면, 특별한 가압 장치가 불필요하기 때문에 수율을 손상시키지 않고, 보이드의 저감, 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 한층 더 향상시킬 수 있다. 접합용 구리 페이스트가 0.01 MPa 이하의 압력을 받는 방법으로서는, 예컨대, 제1 부재 상에 추를 싣는 방법 등을 들 수 있다.
상기 접합체에 있어서, 제1 부재 및 제2 부재의 적어도 한쪽은 반도체 소자라도 좋다. 반도체 소자로서는, 예컨대, 다이오드, 정류기, 사이리스터, MOS 게이트 드라이버, 파워 스위치, 파워 MOSFET, IGBT, 쇼트키 다이오드, 퍼스트 리커버리 다이오드 등으로 이루어지는 파워 모듈, 발신기, 증폭기, LED 모듈 등을 들 수 있다. 이러한 경우, 상기 접합체는 반도체 장치가 된다. 얻어지는 반도체 장치는 충분한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 가질 수 있다.
도 2는 본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 반도체 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다. 도 2에 도시하는 반도체 장치(110)는, 리드 프레임(5a) 상에, 본 실시형태에 따른 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)를 통해 접속된 반도체 소자(8)와 이들을 몰드하는 몰드 레진(7)으로 이루어진다. 반도체 소자(8)는 와이어(6)를 통해 리드 프레임(5b)에 접속되어 있다.
본 실시형태의 접합용 구리 페이스트를 이용하여 제조되는 반도체 장치로서는, 예컨대, 다이오드, 정류기, 사이리스터, MOS 게이트 드라이버, 파워 스위치, 파워 MOSFET, IGBT, 쇼트키 다이오드, 퍼스트 리커버리 다이오드 등으로 이루어지는 파워 모듈, 발신기, 증폭기, 고휘도 LED 모듈, 센서 등을 들 수 있다.
상기 반도체 장치는 상술한 접합체의 제조 방법과 같은 식으로 제조할 수 있다. 즉, 반도체 장치의 제조 방법은, 제1 부재 및 제2 부재의 적어도 한쪽에 반도체 소자를 이용하여, 제1 부재, 이 제1 부재의 자중이 작용하는 방향측에, 상기 접합용 구리 페이스트 및 제2 부재가 이 순서로 적층된 적층체를 준비하고, 접합용 구리 페이스트를, 제1 부재의 자중, 또는 제1 부재의 자중 및 0.01 MPa 이하의 압력을 받은 상태에서 소결하는 공정을 구비한다. 예컨대, 리드 프레임(5a) 상에 접합용 구리 페이스트를 마련하고, 반도체 소자(8)를 배치하여 가열하는 공정을 들 수 있다. 얻어지는 반도체 장치는, 무가압에서의 접합을 행한 경우라도 충분한 다이 전단 강도 및 접속 신뢰성을 가질 수 있다. 본 실시형태의 반도체 장치는, 충분한 접합력을 가지고, 열전도율 및 융점이 높은 구리의 소결체를 구비함으로써, 충분한 다이 전단 강도를 가지고, 접속 신뢰성이 우수함과 더불어 파워 사이클 내성도 우수한 것으로 될 수 있다.
상기한 방법은, 제2 부재가 반도체 소자인 경우, 제1 부재로서 금속 배선 또는 블록체 등을 반도체 소자에 접합할 때의 반도체 소자에 주는 손상을 저감할 수 있다. 반도체 소자 상에 금속 배선 또는 블록체 등의 부재를 접합한 반도체 장치에 관해서 이하에 설명한다.
이러한 반도체 장치의 일 실시형태로서는, 제1 전극과, 제1 전극과 전기적으로 접속되어 있는 반도체 소자와, 금속 배선을 통해 반도체 소자와 전기적으로 접속되어 있는 제2 전극을 구비하고, 반도체 소자와 금속 배선의 사이 및 금속 배선과 제2 전극의 사이에, 상기 접합용 구리 페이스트의 소결체를 갖는 것을 들 수 있다.
도 3은 상기한 반도체 장치의 일례를 도시하는 모식 단면도이다. 도 3에 도시되는 반도체 장치(200)는, 제1 전극(22) 및 제2 전극(24)을 갖는 절연 기판(21)과, 제1 전극(22) 상에 상기 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)에 의해서 접합된 반도체 소자(23)와, 반도체 소자(23)와 제2 전극(24)을 전기적으로 접속하는 금속 배선(25)을 구비한다. 금속 배선(25)과 반도체 소자(23) 및 금속 배선(25)과 제2 전극(24)은 각각 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)에 의해서 접합되어 있다. 또한, 반도체 소자(23)는 와이어(27)를 통해 제3 전극(26)에 접속되어 있다. 반도체 장치(200)는, 절연 기판(21)의 상기 전극 등이 탑재되어 있는 면과는 반대쪽에 동판(28)을 구비하고 있다. 반도체 장치(200)는 상기 구조체가 절연체(29)로 봉지되어 있다. 반도체 장치(200)는 제1 전극(22) 상에 반도체 소자(23)를 1개 갖고 있지만, 2개 이상 갖고 있더라도 좋다. 이 경우, 복수 있는 반도체 소자(23)는 각각 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)에 의해서 금속 배선(25)과 접합할 수 있다.
도 4는 반도체 장치의 다른 예를 도시하는 모식 단면도이다. 도 4에 도시되는 반도체 장치(210)는, 반도체 소자(23)와 금속 배선(25)의 사이에 블록체(30)가 마련되어 있고, 반도체 소자(23)와 블록체(30) 및 블록체(30)와 금속 배선(25)이 각각 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)에 의해서 접합되어 있는 것 이외에는 도 3에 도시되는 반도체 장치(200)와 같은 구성을 갖는다. 또한, 블록체(30)의 위치는 적절하게 변경할 수 있으며, 예컨대, 제1 전극(22)과 반도체 소자(23)의 사이에 마련되어 있어도 좋다.
도 5는 반도체 장치의 다른 예를 도시하는 모식 단면도이다. 도 5에 도시되는 반도체 장치(220)는, 제1 전극(22) 상에, 반도체 소자(23) 및 블록체(30), 그리고 이들을 접합하는 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)가 추가로 마련되어 있는 것 이외에는 도 4에 도시되는 반도체 장치(210)와 같은 구성을 갖는다. 반도체 장치(220)는 제1 전극(22) 상에 반도체 소자를 2개 갖고 있지만, 3개 이상 갖고 있어도 좋다. 이 경우도, 3개 이상 있는 반도체 소자(23)는 각각 블록체(30)를 통해 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)에 의해서 금속 배선(25)과 접합할 수 있다. 또한, 블록체(30)의 위치는 적절하게 변경할 수 있으며, 예컨대, 제1 전극(22)과 반도체 소자(23)의 사이에 마련되어 있어도 좋다.
절연 기판(21)으로서는, 예컨대, 알루미나, 질화알루미늄, 질화규소 등의 세라믹스, 고열전도 입자/수지 콤포지트, 폴리이미드 수지, 폴리말레이미드 수지 등을 들 수 있다.
제1 전극(22), 제2 전극(24) 및 제3 전극(26)을 구성하는 금속으로서는, 예컨대, 구리, 니켈, 은, 금, 팔라듐, 백금, 납, 주석, 코발트 등을 들 수 있다. 이들 금속은 1종을 단독으로 사용하여도 좋고, 2종 이상을 조합하여 사용하여도 좋다. 또한, 전극은 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)와 접하는 면에 상기 금속을 포함하는 합금을 갖고 있어도 좋다. 합금에 이용되는 금속으로서는, 상기 금속 외에, 아연, 망간, 알루미늄, 베릴륨, 티탄, 크롬, 철, 몰리브덴 등을 들 수 있다.
금속 배선으로서는, 대상(帶狀), 판상(板狀), 입방체형, 원통형, L자형, コ자형, ヘ자형 등의 형상을 갖는 금속 프레임 등을 들 수 있다. 금속 배선의 재질로서는, 예컨대, 은, 구리, 철, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 니오븀 혹은 이들의 합금을 들 수 있다. 또한, 금속 배선은 폭이 1 ㎛∼30 ㎛라도 좋고, 두께가 20 ㎛∼5 mm라도 좋다.
블록체로서는, 열전도성 및 도전성이 우수하는 것이 바람직하며, 예컨대, 은, 구리, 철, 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 니오븀 혹은 이들의 합금을 이용할 수 있다. 반도체 소자 상에 블록체를 마련함으로써 방열성이 더욱 향상된다. 블록체의 수는 적절하게 변경할 수 있다.
절연체(29)로서는, 예컨대, 실리콘 겔, 폴리말레이미드 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지 등을 들 수 있다.
도 3∼도 5에 도시되는 반도체 장치는, 대용량이며 높은 신뢰성이 요구되는 파워 모듈에 이용할 수 있다.
도 3∼도 5에 도시되는 반도체 장치는, 예컨대, 제1 전극 및 제2 전극을 구비하는 절연 기판을 준비하고, 제1 전극 상에 접합용 구리 페이스트, 반도체 소자, 필요에 따라서 추가로 접합용 구리 페이스트, 블록체, 접합용 구리 페이스트를, 제1 전극측에서부터 이 순서로 마련하고, 제2 전극 상에 접합용 구리 페이스트를 마련하고, 반도체 소자 또는 블록체 상의 접합용 구리 페이스트 및 제2 전극 상의 접합용 구리 페이스트 상에, 이들 접합용 구리 페이스트를 가교하도록 금속 배선을 배치하는 공정과, 접합용 구리 페이스트를, 각 부재의 자중, 또는 각 부재의 자중 및 0.01 MPa 이하의 압력을 받은 상태에서 소결하는 공정을 구비하는 방법에 의해 제조할 수 있다.
이러한 제조 방법에 따르면, 무가압으로 반도체 장치를 제조할 수 있으므로, 브릿지부를 갖는 금속 배선을 변형하지 않고서 접합할 수 있는 데에 더하여, 반도체 소자 상에 반도체 소자보다도 면적이 작은 부재를 접합하는 경우라도 반도체 소자에 대한 손상을 보다 경감할 수 있다.
도 6은 반도체 장치의 또 다른 예를 도시하는 모식 단면도이다. 도 6에 도시되는 반도체 장치(300)는, 제1 전극(22)과, 제1 전극(22) 상에 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)에 의해서 접합된 반도체 소자(23)와, 반도체 소자(23)와 제2 전극(24)을 전기적으로 접속하는 금속 배선(25)을 구비한다. 금속 배선(25)과 반도체 소자(23) 및 금속 배선(25)과 제2 전극(24)은 각각 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)에 의해서 접합되어 있다. 또한, 반도체 소자(23)는 와이어(27)를 통해 제3 전극(26)에 접속되어 있다. 반도체 장치(300)는 상기 구조체가 봉지재(31)로 봉지되어 있다. 반도체 장치(300)는 제1 전극(22) 상에 반도체 소자(23)를 1개 갖고 있지만, 2개 이상 갖고 있어도 좋다. 이 경우, 복수의 반도체 소자(23)는 각각 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)에 의해서 금속 배선(25)과 접합할 수 있다.
도 7은 반도체 장치의 다른 예를 도시하는 모식 단면도이다. 도 7에 도시하는 반도체 장치(310)는, 반도체 소자(23)와 금속 배선(25)의 사이에 블록체(30)가 마련되어 있고, 반도체 소자(23)와 블록체(30) 및 블록체(30)와 금속 배선(25)이 각각 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)에 의해서 접합되어 있는 것 이외에는 도 6에 도시되는 반도체 장치(300)와 같은 구성을 갖는다. 또한, 블록체(30)의 위치는 적절하게 변경할 수 있으며, 예컨대, 제1 전극(22)과 반도체 소자(23)의 사이에 마련되어 있어도 좋다.
도 8은 반도체 장치의 다른 예를 도시하는 모식 단면도이다. 도 8에 도시되는 반도체 장치(320)는, 제1 전극(22) 상에, 반도체 소자(23) 및 블록체(30), 그리고 이들을 접합하는 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)가 추가로 마련되어 있는 것 이외에는 도 7에 도시되는 반도체 장치(310)와 같은 구성을 갖는다. 반도체 장치(320)는 제1 전극(22) 상에 반도체 소자를 2개 갖고 있지만, 3개 이상 갖고 있어도 좋다. 이 경우도, 3개 이상 있는 반도체 소자(23)는 각각 블록체(30)를 통해 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)에 의해서 금속 배선(25)과 접합할 수 있다. 또한, 블록체(30)의 위치는 적절하게 변경할 수 있으며, 예컨대, 제1 전극(22)과 반도체 소자(23)의 사이에 마련되어 있어도 좋다.
도 6∼도 8에 도시되는 제1 전극(22) 및 제2 전극(24)은 리드 프레임, 동판, 구리·몰리브덴 소결체 등이라도 좋다.
봉지재(31)로서는 예컨대, 내열성 고형 봉지재, 고열전도 콤포지트 등을 들 수 있다.
접합용 구리 페이스트의 소결체(1)는 반도체 장치(200∼220)에서 설명한 것과 같은 식으로 할 수 있다.
도 6∼도 8에 도시하는 실시형태의 반도체 장치는, 제1 전극 및 제2 전극으로서 리드 프레임 등을 채용함으로써, 소형화한 파워 모듈에 이용할 수 있다. 이러한 반도체 장치는 상술한 반도체 장치의 제조 방법과 같은 식으로 제조할 수 있다.
또한, 반도체 소자 상에 블록체를 접합한 구조를 갖는 반도체 장치의 다른 실시형태에 관해서 설명한다.
상기한 반도체 장치로서는, 제1 열전도 부재와, 제2 열전도 부재와, 제1 열전도 부재 및 제2 열전도 부재의 사이에 배치되는 반도체 소자를 구비하고, 제1 열전도 부재와 반도체 소자의 사이 및 반도체 소자와 제2 열전도 부재의 사이 중 적어도 한쪽의 사이에, 상기 접합용 구리 페이스트의 소결체를 갖는 것을 들 수 있다.
도 9는 본 실시형태의 일례를 도시하는 모식 단면도이다. 도 9에 도시하는 반도체 장치(400)는, 제1 열전도 부재(32)와, 제1 열전도 부재(32) 상에 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)를 통해 접합된 반도체 소자(23)와, 반도체 소자(23) 상에 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)를 통해 접합된 블록체(30)와, 블록체(30) 상에 접합용 구리 페이스트의 소결체(1)를 통해 접합된 제2 열전도 부재(33)를 구비한다. 반도체 소자(23)는 와이어(35)를 통해 전극(34)에 접속되어 있다. 반도체 장치(400)는 제1 열전도 부재(32)와 제2 열전도 부재의 사이가 봉지재(31)로 봉지되어 있다. 반도체 장치(400)는, 반도체 소자를 2개 갖고 있지만, 1개 또는 3개 이상 갖고 있어도 좋고, 블록체의 수도 적절하게 변경할 수 있다. 또한, 블록체(30)의 위치는 적절하게 변경할 수 있으며, 예컨대, 제1 전극(22)과 반도체 소자(23)의 사이에 마련되어 있어도 좋다.
열전도 부재는, 반도체 소자(23)로부터 발생한 열을 외부로 방출하는 기능 및 반도체 소자를 외부와 전기적으로 접속하기 위한 전극으로서의 기능을 더불어 갖는 것이다. 이러한 열전도 부재에는 예컨대, 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금이 이용된다.
도 9에 도시하는 반도체 장치는, 반도체 소자의 양면측에 열전도 부재를 구비함으로써, 방열성이 우수한 양면 냉각 구조를 가질 수 있다. 이러한 반도체 장치는, 제1 열전도 부재 상에 접합용 구리 페이스트, 반도체 소자, 접합용 구리 페이스트, 블록체, 접합용 구리 페이스트, 제2 열전도 부재를, 제1 열전도 부재측에서부터 이 순서로 적층한 적층체를 준비하고, 접합용 구리 페이스트를, 각 부재의 자중, 또는 각 부재의 자중 및 0.01 MPa 이하의 압력을 받은 상태에서 소결하는 공정을 구비하는 방법에 의해 제조할 수 있다. 또한, 상기 적층체는 상기와는 반대의 순서로 적층된 것이라도 좋다.
[실시예]
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(조제예 1)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.35 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜카가쿠가부시키가이샤 제조) 0.85 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 3.52 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 5.28 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 봉지 마개를 한 폴리병을, 자전공전형 교반 장치(Planetary Vacuum Mixer ARV-310, 가부시키가이샤싱키 제조)를 이용하여, 2000 min- 1(2000 회전/분)으로 2분간 교반했다. 그 후, 혼합액을 초음파 호모게나이저(US-600, 닛폰세이키가부시키가이샤 제조)에 의해 19.6 kHz, 600 W, 1분간 처리했다. 이어서, 밀봉 마개한 폴리병을 자전공전형 교반 장치(Planetary Vacuum Mixer ARV-310, 가부시키가이샤싱키 제조)를 이용하여, 2000 min- 1(2000 회전/분)으로 2분간 교반했다. 이 혼합액을 접합용 구리 페이스트 1로 했다.
(조제예 2)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.44 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜카가쿠가부시키가이샤 제조) 0.76 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 4.40 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 4.40 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 2를 조제했다.
(조제예 3)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.52 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜카가쿠가부시키가이샤 제조) 0.68 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 5.28 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 3.52 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 3을 조제했다.
(조제예 4)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.61 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜가부시키가이샤 제조) 0.59 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 6.16 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 2.64 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 4를 조제했다.
(조제예 5)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.78 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜카가쿠가부시키가이샤 제조) 0.42 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 7.91 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.88 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 5를 조제했다.
(조제예 6)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.90 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 6.40 g과, 마이크로 구리 입자로서 3L3(후쿠다긴조쿠하쿠훈고교가부시키가이샤 제조) 2.75 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 6을 조제했다.
(조제예 7)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.90 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 4.58 g과, 마이크로 구리 입자로서 1110F(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 4.58 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 7을 조제했다.
(조제예 8)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.61 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜카가쿠가부시키가이샤 제조) 0.59 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 6.16 g과, 마이크로 구리 입자로서 Cu-HWQ 3.0 ㎛(후쿠다긴조쿠하쿠훈고교가부시키가이샤 제조) 2.64 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 8을 조제했다.
(조제예 9)
분산매로서 α-테르피네올 6.1 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜카가쿠가부시키가이샤 제조) 0.59 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 HT-14(표면처리제 불포함, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 6.16 g과, 표면처리제로서 라우린산(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.58 g을 혼합하고, 자동 유발로 10분 혼합하여 혼합액을 조제했다. 그 후, 혼합액을 초음파 호모게나이저(US-600, 닛폰세이키가부시키가이샤 제조)에 의해 19.6 kHz, 600 W, 2분간 처리하고, 얻어진 페이스트형 조성물을 나일론 메쉬(볼팅 클로스 355T, 아즈완가부시키가이샤 제조)에 통과시켜, HT-14 페이스트형 조성물을 얻었다. HT-14 페이스트형 조성물 7.36 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 2.64 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 9를 조제했다.
(조제예 10)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.94 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜카가쿠가부시키가이샤 제조) 0.26 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 2.64 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 6.16 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 10을 조제했다.
(조제예 11)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.78 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜카가쿠가부시키가이샤 제조) 0.42 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 7.92 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.88 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 11을 조제했다.
(조제예 12)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 1.20 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CT-500(표면처리제: 불명, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 7.00 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 3.00 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 12를 조제했다.
(조제예 13)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 1.20 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 8.80 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 13을 조제했다.
(조제예 14)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.22 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜카가쿠가부시키가이샤 제조) 1.12 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.88 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 7.92 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 14를 조제했다.
(조제예 15)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 1.20 g과, 서브마이크로 구리 입자로서 CH-0200(표면처리제: 라우린산, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 8.80 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 15를 조제했다.
(조제예 16)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 1.50 g과, 구리 입자로서 CS-10(표면처리제: 불명, 미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조, 50% 체적 평균 입경: 1.1 ㎛, 입경이 0.12∼0.8 ㎛인 입자의 비율(질량%): 18%) 5.95 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 2.55 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 16을 조제했다.
(조제예 17)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 1.06 g과, 구리 입자로서 Cu-HWQ 1.5 ㎛(표면처리제: 없음, 후쿠다긴조쿠하쿠훈고교가부시키가이샤 제조, 50% 체적 평균 입경: 1.7 ㎛, 입경이 0.12∼0.8 ㎛인 입자의 비율(질량%): 11%) 6.37 g과, 마이크로 구리 입자로서 MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 2.73 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 17을 조제했다.
(조제예 18)
분산매로서 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조) 0.67 g 및 이소보르닐시클로헥산올(MTPH, 닛폰테르펜카가쿠가부시키가이샤 제조) 0.60 g과, 마이크로 구리 입자로서 Cu-HWQ 3.0 ㎛(표면처리제: 없음, 후쿠다긴조쿠하쿠훈고교가부시키가이샤 제조, 50% 체적 평균 입경: 3 ㎛, 입경이 0.12∼0.8 ㎛인 입자의 비율(질량%): 0.3%) 6.17 g과, MA-C025(미쓰이긴조쿠고교가부시키가이샤 제조) 2.64 g을 마노 유발로 건조분이 없어질 때까지 혼련하고, 혼합액을 폴리병으로 옮겼다. 이 혼합액을 이용한 것 이외에는 조제예 1과 같은 방법을 행하여, 접합용 구리 페이스트 18을 조제했다.
<접합체의 제조>
(실시예 1∼11,16)
접합용 구리 페이스트 1∼12를 이용하여 이하의 방법에 따라서 접합체를 제조했다. 접합체의 다이 전단 강도는 후술하는 방법에 의해 측정했다.
19 mm×25 mm의 동판(두께: 3 mm) 상에 3 mm×3 mm 정방형의 개구를 3행 3열 갖는 스테인리스제의 메탈 마스크(두께: 100 ㎛)를 얹고, 메탈 스키지를 이용한 스텐실 인쇄에 의해 접합용 구리 페이스트를 도포했다. 도포한 접합용 구리 페이스트 상에, 2 mm×2 mm의 피착면이 니켈 도금된 구리 블록(두께: 250 ㎛)을 얹고, 핀셋으로 가볍게 눌렀다. 이것을 튜브로(tube furnace)(가부시키가이샤에이브이씨 제조)에 셋트하고, 아르곤 가스를 3 L/min으로 흘려 공기를 아르곤 가스로 치환했다. 그 후, 수소 가스를 300 ml/min으로 흘리면서 10분간 승온했다. 승온 후, 최고 도달 온도 350℃, 최고 도달 온도 유지 시간 10분간의 조건으로 소결 처리하여, 동판과 니켈 도금된 구리 블록을 접합한 접합체를 얻었다. 소결 후, 아르곤 가스를 0.3 L/min으로 바꿔 냉각하여, 50℃ 이하에서 접합체를 공기 중으로 빼냈다.
(실시예 12)
접합용 구리 페이스트 4를 이용하여 이하의 방법에 따라서 접합체를 제조했다. 접합체의 다이 전단 강도는 후술하는 방법에 의해 측정했다.
19 mm×25 mm의 동판(두께: 3 mm) 상에 3 mm×3 mm 정방형의 개구를 3행 3열 갖는 스테인리스제의 메탈 마스크(두께: 100 ㎛)를 얹고, 메탈 스키지를 이용한 스텐실 인쇄에 의해 접합용 구리 페이스트를 도포했다. 도포한 접합용 구리 페이스트 상에, 2 mm×2 mm의 피착면이 금 도금된 구리 블록(두께: 250 ㎛)을 얹고, 핀셋으로 가볍게 눌렀다. 이것을 튜브로(가부시키가이샤에이브이씨 제조)에 셋트하고, 아르곤 가스를 3 L/min으로 흘려 공기를 아르곤 가스로 치환했다. 그 후, 수소 가스를 300 ml/min으로 흘리면서 10분간 승온했다. 승온 후, 최고 도달 온도 350℃, 최고 도달 온도 유지 시간 10분간의 조건으로 소결 처리하여, 동판과 금 도금된 구리 블록을 접합한 접합체를 얻었다. 소결 후, 아르곤 가스를 0.3 L/min으로 바꿔 냉각하여, 50℃ 이하에서 접합체를 공기 중으로 빼냈다.
(실시예 13)
접합용 구리 페이스트 4를 이용하여 이하의 방법에 따라서 접합체를 제조했다. 접합체의 다이 전단 강도는 후술하는 방법에 의해 측정했다.
19 mm×25 mm의 동판(두께: 3 mm) 상에 3 mm×3 mm 정방형의 개구를 3행 3열 갖는 스테인리스제의 메탈 마스크(두께: 100 ㎛)를 얹고, 메탈 스키지를 이용한 스텐실 인쇄에 의해 접합용 구리 페이스트를 도포했다. 도포한 접합용 구리 페이스트 상에, 2 mm×2 mm의 피착면이 니켈 도금된 구리 블록(두께: 250 ㎛)을 얹고, 핀셋으로 가볍게 눌렀다. 이 위에 15 mm×15 mm의 SUS 블록(중량: 15 g)을 9장의 2 mm×2 mm의 피착면이 니켈 도금된 구리 블록(두께: 250 ㎛)에 겹치도록 정치하고, 이것을 튜브로(가부시키가이샤에이브이씨 제조)에 셋트하고, 아르곤 가스를 3 L/min으로 흘려 공기를 아르곤 가스로 치환했다. 그 후, 수소 가스를 300 ml/min으로 흘리면서 10분간 승온했다. 승온 후, 최고 도달 온도 350℃, 최고 도달 온도 유지 시간 10분간의 조건으로 소결 처리하여, 동판과 니켈 도금된 구리 블록을 접합한 접합체를 얻었다. 소결 후, 아르곤 가스를 0.3 L/min으로 바꿔 냉각하고, 50℃ 이하에서 접합체를 공기 중으로 빼냈다.
(실시예 14)
접합용 구리 페이스트 4를 이용하여 이하의 방법에 따라서 접합체를 제조했다. 접합체의 다이 전단 강도는 후술하는 방법에 의해 측정했다.
19 mm×25 mm의 동판(두께: 3 mm) 상에 3 mm×3 mm 정방형의 개구를 3행 3열 갖는 스테인리스제의 메탈 마스크(두께: 100 ㎛)를 얹고, 메탈 스키지를 이용한 스텐실 인쇄에 의해 접합용 구리 페이스트를 도포했다. 도포한 접합용 구리 페이스트 상에, 2 mm×2 mm의 피착면이 니켈 도금된 구리 블록(두께: 250 ㎛)을 얹고, 이것을 튜브로(가부시키가이샤에이브이씨 제조)에 셋트하고, 아르곤 가스를 3 L/min으로 흘려 공기를 아르곤 가스로 치환했다. 그 후, 수소 가스를 300 ml/min으로 흘리면서 10분간 승온했다. 승온 후, 최고 도달 온도 250℃, 최고 도달 온도 유지 시간 60분의 조건으로 소결 처리하여, 동판과 니켈 도금된 구리 블록을 접합한 접합체를 얻었다. 소결 후, 아르곤 가스를 0.3 L/min으로 바꿔 냉각하여, 50℃ 이하에서 접합체를 공기 중으로 빼냈다.
(실시예 15)
접합용 구리 페이스트 4를 이용하여 이하의 방법에 따라서 접합체를 제조했다. 접합체의 다이 전단 강도는 후술하는 방법에 의해 측정했다.
19 mm×25 mm의 동판(두께: 3 mm) 상에 3 mm×3 mm 정방형의 개구를 3행 3열 갖는 스테인리스제의 메탈 마스크(두께: 100 ㎛)를 얹고, 메탈 스키지를 이용한 스텐실 인쇄에 의해 접합용 구리 페이스트를 도포했다. 도포한 접합용 구리 페이스트 상에, 2 mm×2 mm의 피착면이 니켈 도금된 구리 블록(두께: 250 ㎛)을 얹고, 이것을 튜브로(가부시키가이샤에이브이씨 제조)에 셋트하고, 아르곤 가스를 3 L/min으로 흘려 공기를 아르곤 가스로 치환했다. 그 후, 수소 가스를 300 ml/min으로 흘리면서 20분간 승온했다. 승온 후, 최고 도달 온도 450℃, 최고 도달 온도 유지 시간 10분간의 조건으로 소결 처리하여 동판과 니켈 도금된 구리 블록을 접합한 접합체를 얻었다. 소결 후, 아르곤 가스를 0.3 L/min으로 바꿔 냉각하고, 50℃ 이하에서 접합체를 공기 중으로 빼냈다.
(비교예 1∼6)
접합용 구리 페이스트 13∼18을 이용한 것 이외에는 실시예 1과 같은 방법에 의해 접합체를 제조했다. 접합체의 다이 전단 강도는 후술하는 방법에 의해 측정했다.
<측정 방법>
(다이 전단 강도)
접합체의 접합 강도는 다이 전단 강도에 의해 평가했다. 접합체를, DS-100 로드셀을 장착한 만능형 본드 테스터(4000 시리즈, DAGE사 제조)를 이용하여, 측정 스피드 5 mm/min, 측정 높이 50 ㎛로 구리 블록을 수평 방향으로 눌러, 접합체의 다이 전단 강도를 측정했다. 8개의 접합체를 측정한 값의 평균치를 다이 전단 강도로 했다.
(50% 체적 평균 입경)
시마즈 나노 입자경 분포 측정 장치(SALD-7500nano, 가부시키가이샤 시마즈세이사쿠쇼 제조)와 부속된 소프트웨어(WingSALDII-7500- for Japanese V3., 가부시키가이샤 시마즈세이사쿠쇼 제조)를 이용하여 이하의 (1)∼(5)에 따라서 50% 체적 평균 입경을 측정했다.
(1) 소프트웨어의 설정
측정 장치에 부속된 퍼스널 컴퓨터로 WingSALDII-7500- for Japanese V3.1을 기동하고, 메뉴얼을 눌러 장치의 초기화를 행했다. 초기화가 끝난 후에, 보존 파일명을 지정하여 「다음으로」를 클릭하고, 측정 조건 및 입자경 분포 계산 조건을 다음과 같이 설정하여 「다음으로」를 클릭했다.
(측정 조건)
·회절/산란광의 검출
평균 횟수(측정 횟수: 1): 128, 측정 횟수: 1, 측정 간격(초): 2
·측정 흡광 범위
최대치: 0.2, 최소치: 0
·블랭크 영역/측정 영역
블랭크 측정 허용 변동 최대치: 150, 측정 최적 범위(MAX): 45000, 측정 최적 범위(MIN): 15000
(입자경 분포 계산 조건)
굴절율의 선택: 참조 시료/순금속/반도체 등(고체 값)
샘플의 물질: 4 Copper(구리)
굴절율의 선택: 1.18-2.21,「측방/후방 센서를 평가한다」에 체크를 넣었다
(2) 블랭크 측정
시마즈 나노 입자경 분포 측정 장치 SALD-7500nano용 회분 셀(SALD-BC75, 가부시키가이샤 시마즈세이사쿠쇼 제조)을 SALD-7500nano에 부착하여 측정을 행했다. SALD-BC75에 부속된 깔대기 달린 회분 셀(부품 번호 S347-61030-41, 가부시키가이샤 시마즈세이사쿠쇼 제조, 이하 「회분 셀」이라고 한다.) 내에 α-테르피네올(와코쥰야쿠고교가부시키가이샤 제조)을 회분 셀의 2개의 표선 사이에 들어가도록 스포이드로 적하했다. WingSALDII-7500- for Japanese V3.의 화면상에서 「진단」, 「조정」을 선택하고, 위치 센서 출력이 장치 허용 범위 내임을 확인했다. 「캔슬」을 클릭하여 원래 화면으로 되돌아가, 블랭크 측정을 선택하여 측정을 행했다.
(3) 측정 용액의 조제
SALD-BC75에 부속된 회분 셀 홀더(부품 번호 S347-62301, 가부시키가이샤 시마즈세이사쿠쇼 제조)의 교반 레버 상에 측정하고 싶은 접합용 구리 페이스트를 2 mg 얹고, 깔대기 달린 회분 셀에 셋트했다. 이어서, WingSALDII-7500- for Japanese V3.의 화면상에서 「스터러」를 선택하여 15분간 교반을 행했다.
(4) 측정
교반 후, WingSALDII-7500- for Japanese V3.의 화면상에서 「측정」을 선택하여 측정을 행했다. (1)∼(4)의 조작을 4회 반복하여 4회 측정했다.
(5) 통계
WingSALDII-7500- for Japanese V3.을 기동하여 「열기」를 클릭하고, 측정한 파일을 선택하여, WingSALDII-7500- for Japanese V3.의 화면상에 측정 데이터를 표시했다. 「덮어쓰기」를 클릭하고, 화면 하단에 50.000% 직경을 표시하고, 4회의 평균치를 50% 체적 평균 입경으로 했다.
표 1∼표 3에는 실시예 및 비교예의 결과를 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
실시예 및 비교예를 비교하면, 서브마이크로 구리 입자 및 마이크로 구리 입자의 질량 비율이 다이 전단 강도에 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 이것은, 마이크로 구리 입자가 지나치게 증가하면, 소결 구리층의 충전율이 저하하여, 소결체에공극이 많이 발생하기 쉽게 되어 다이 전단 강도가 저하되었다고 생각된다. 한편, 서브마이크로 구리 입자가 지나치게 증가하면, 체적 수축에 의해 소결체에 공극이 많이 발생하기 쉽게 되어 다이 전단 강도가 저하되었다고 생각된다. 또한, 실시예의 결과로부터, 서브마이크로 구리 입자와 마이크로 구리 입자의 질량 비율이 적절하다면, 접합용 구리 페이스트의 소결체는, 금, 니켈, 구리의 어느 것과도 강고하게 접합하여 양호한 다이 전단 강도를 보이는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 13에서는, 접합용 구리 페이스트에 대하여, 구리 블록의 자중에 더하여, 0.0042 MPa의 압력이 걸리는 조건으로 접합체를 제조한 결과, 접합 시에 공극이 눌러 찌부러져 공극이 감소하여, 보다 강고하게 접합할 수 있었기 때문에 다이 전단 강도가 증가했다고 생각된다. 실시예 15에서는, 도달 최고 온도가 450℃이므로, 실시예 4와 비교하여 접합용 구리 페이스트의 소결이 진행되었기 때문에 다이 전단 강도가 더욱 양호하게 되었다고 생각된다. 비교예 4∼6에서는, 서브마이크로 구리 입자의 체적 평균 입경이 지나치게 커서, 접합용 구리 페이스트의 소결성이 저하되었기 때문에 접합체의 다이 전단 강도가 저하되었다고 생각된다.
(단면 모폴로지 관찰)
접합체를 컵 내에 샘플 클립(Samplklip I, Buehler사 제조)으로 고정하고, 주위에 에폭시 주형 수지(에포마운트, 리파인테크가부시키가이샤 제조)를 샘플 전체가 메워질 때까지 흘려 넣어, 진공 데시케이터 내에 정치하고, 1분간 감압하여 탈포했다. 그 후, 실온(25℃) 하에 10시간 방치하여 에폭시 주형 수지를 경화했다. 다이아몬드 절단 휠(11-304, 리파인테크가부시키가이샤 제조)을 붙인 리파인 소우 로우(RCA-005, 리파인테크가부시키가이샤 제조)를 이용하여, 주형한 접합체의 관찰하고 싶은 단면 부근에서 절단했다. 내수 연마지(카보맥페이퍼, 리파인테크가부시키가이샤 제조)를 붙인 연마 장치(Refine Polisher Hv, 리파인테크가부시키가이샤 제조)로 단면을 깎아 실리콘 칩에 크랙이 없는 단면을 내고, 또한 여분의 주형 수지를 깎아 CP(크로스섹션 폴리셔) 가공기에 걸리는 사이즈로 마무리했다. 절삭 가공한 샘플을 CP 가공기(IM4000, 가부시키가이샤히타치하이테크놀로지즈 제조)로 가속 전압 6 kV, 아르곤 가스 유량 0.07∼0.1 ㎤/min, 처리 시간 2시간의 조건으로 크로스섹션 폴리싱을 행하여 단면 가공을 행했다. 단면에 스퍼터 장치(ION SPUTTER, 가부시키가이샤히타치하이테크놀로지즈 제조)를 이용하여 백금을 10 nm의 두께로 스퍼터하여 SEM 관찰용 샘플로 했다. 이 SEM용 샘플을 SEM 장치(ESEM XL30, Philips사 제조)에 의해, 접합체의 단면을 인가 전압 10 kV로 관찰했다.
도 10에는 실시예 1의 접합체의 단면 SEM상을 도시한다. 도 11에는 실시예 12의 접합체의 단면 SEM상을 도시한다. 도 12에는 실시예 13의 단면 SEM상을 도시한다. 도 13에는 비교예 2의 접합체의 단면 SEM상을 도시한다. 도 10∼도 12로부터, 접합용 구리 페이스트의 소결체는, 동판(9), 금 도금된 구리 블록(12) 및 니켈 도금된 구리 블록(13)과, 마이크로 구리 입자의 소결체(10) 및 서브마이크로 구리 입자의 소결체(11)를 통해 접합되어 있음을 알 수 있다. 또한 도 10∼도 12로부터, 서브마이크로 구리 입자와 마이크로 구리 입자의 질량 비율이 적절한 경우, 마이크로 구리 입자가 피착면에 대하여 대략 평행하게 배향되고, 그 간극을 서브마이크로 구리 입자가 메우고 있음이 드러났다. 한편 도 13으로부터, 서브마이크로 구리 입자가 마이크로 구리 입자에 대하여 지나치게 적은 경우, 마이크로 구리 입자 사이의 간극을 충분히 매립할 수 없음이 드러났다. 이러한 구조의 차이에 의해, 비교예 2의 접합체로는 충분한 다이 전단 강도를 얻을 수 없었다고 생각된다.
1: 접합용 구리 페이스트의 소결체, 2: 제1 부재, 3: 제2 부재, 5a, 5b: 리드 프레임, 6: 와이어, 7: 몰드 레진, 8: 반도체 소자, 9: 동판, 10: 마이크로 구리 입자의 소결체, 11: 서브마이크로 구리 입자의 소결체, 12: 금 도금된 구리 블록, 13: 니켈 도금된 구리 블록, 100: 접합체, 110: 반도체 장치, 21: 절연 기판, 22: 제1 전극, 23: 반도체 소자, 24: 제2 전극, 25: 금속 배선, 26: 제3 전극, 27: 와이어, 28: 동판, 29: 절연체, 30: 블록체, 31: 봉지재, 32: 제1 열전도 부재, 33: 제2 열전도 부재, 34: 전극, 35: 와이어, 200: 반도체 장치, 210: 반도체 장치, 220: 반도체 장치, 300: 반도체 장치, 310: 반도체 장치, 320: 반도체 장치, 400: 반도체 장치.

Claims (8)

  1. 금속 입자와 분산매를 포함하는 접합용 구리 페이스트로서,
    상기 금속 입자가, 체적 평균 입경이 0.12 ㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하인 서브마이크로 구리 입자와, 체적 평균 입경이 2 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하인 마이크로 구리 입자를 포함하고,
    상기 서브마이크로 구리 입자의 함유량 및 상기 마이크로 구리 입자의 함유량의 합계가, 상기 금속 입자의 전체 질량을 기준으로 하여 80 질량% 이상이고,
    상기 서브마이크로 구리 입자의 함유량이, 상기 서브마이크로 구리 입자의 질량 및 상기 마이크로 구리 입자의 질량의 합계를 기준으로 하여 30 질량% 이상 90 질량% 이하인 접합용 구리 페이스트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 구리 입자가 플레이크형인 접합용 구리 페이스트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 무가압 접합용인 접합용 구리 페이스트.
  4. 제1 부재, 이 제1 부재의 자중(自重)이 작용하는 방향측에, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재한 접합용 구리 페이스트, 및 제2 부재가 이 순서로 적층되어 있는 적층체를 준비하고, 상기 접합용 구리 페이스트를, 상기 제1 부재의 자중, 또는 상기 제1 부재의 자중 및 0.01 MPa 이하의 압력을 받은 상태에서 소결하는 공정을 구비하는 접합체의 제조 방법.
  5. 제1 부재, 이 제1 부재의 자중이 작용하는 방향측에, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재한 접합용 구리 페이스트, 및 제2 부재가 이 순서로 적층되어 있는 적층체를 준비하고, 상기 접합용 구리 페이스트를, 상기 제1 부재의 자중, 또는 상기 제1 부재의 자중 및 0.01 MPa 이하의 압력을 받은 상태에서 소결하는 공정을 구비하고,
    상기 제1 부재 및 상기 제2 부재의 적어도 한쪽이 반도체 소자인 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제1 부재와, 제2 부재와, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 접합하는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재한 접합용 구리 페이스트의 소결체를 구비하는 접합체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 부재 및 제2 부재의 적어도 한쪽이, 상기 소결체와 접하는 면에, 구리, 니켈, 은, 금 및 팔라듐으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 접합체.
  8. 제1 부재와, 제2 부재와, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재를 접합하는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재한 접합용 구리 페이스트의 소결체를 구비하고,
    상기 제1 부재 및 상기 제2 부재의 적어도 한쪽이 반도체 소자인 반도체 장치.
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