KR20210144678A - 접합체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20210144678A
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KR
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semiconductor element
bonding layer
coating film
bonding
periphery
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KR1020217028290A
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게이 아나이
신이치 야마우치
정래 조
다카히코 사카우에
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미쓰이금속광업주식회사
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Abstract

본 발명의 접합체는, 반도체 소자가 Cu를 포함하는 접합층에 접합되어 이루어진다. 상기 접합층은, 상기 반도체 소자의 주연으로부터 측방으로 연장 돌출된 연장 돌출부를 갖는다. 두께 방향의 단면에서 보아, 상기 연장 돌출부는, 상기 반도체 소자의 저부의 주연 또는 주연 근방으로부터 상승됨과 함께, 해당 반도체 소자의 측면으로부터 실질적으로 이격된 측벽면을 갖는다. 상기 연장 돌출부는, 상기 측벽면과 상기 반도체 소자의 측면이 서로 접하는 부위를 갖지 않는 것도 적합하다. 또한 본 발명은 접합체의 제조 방법도 제공한다.

Description

접합체 및 그 제조 방법
본 발명은 접합체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
근년의 세계적인 에너지 절약화의 흐름에 수반하여, 인버터 등 전력 변환ㆍ제어 장치로서 파워 디바이스라고 불리는 반도체 디바이스가 왕성하게 사용되도록 되어 오고 있다. 파워 디바이스는, 메모리나 마이크로프로세서 등의 집적 회로와 달리, 고전류 및 고전압을 제어하기 위한 것이므로, 구동 시의 발열량이 매우 커지는 경향이 있다. 따라서, 그 열에 의해 반도체 소자가 대미지를 받지 않도록 하기 위해, 반도체 패키지에는 냉각 시스템 등의 열 대책이 요구된다.
또한, 반도체 소자의 고효율화 및 공간 절약화를 실현하기 위해, 세라믹스판의 양면에 Cu를 배치한 접합체 상에 복수의 반도체 소자가 탑재된 파워 모듈이라고 불리는 전자 부품이 사용되고 있다. 그러나, 파워 모듈은 소형화함에 따라서, 구동 시의 열이 가득 차기 쉬워져 버리기 때문에, 땜납 재료 등의 내열성이 낮은 접합 재료를 사용한 경우, 해당 모듈의 고장으로 이어질 우려가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 땜납 재료 대신에, 은이나 구리 등의 금속 입자를 소결시킨 접합 재료가 주목받고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 금속 기판의 표면 상에 배치된 제1 접합층과, 상기 금속 기판 상에 상기 제1 접합 층을 개재시켜 배치된 반도체 디바이스와, 상기 반도체 디바이스 및 상기 제1 접합층의 측벽부에 배치되고, 상기 제1 접합층과 동일 재료로 형성된 필렛층을 구비하는 반도체 장치가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2014-120639호 공보
특허문헌 1에 기재된 반도체 장치는, 반도체 디바이스의 측벽면에 필렛층이 직접 접촉하고 있는 중에, 예를 들어 SiC계 등을 포함하는 반도체 디바이스의 측벽면에, Cu를 포함하는 필렛층이 접촉하면, 구동시 등의 고온 환경 하에서 Cu가 반도체 디바이스 내에 열확산되어 버려, 그 결과, 반도체 디바이스가 고장나거나, 접합층 및 필렛층의 박리나 균열이 발생하기 쉬워지는 경우가 있었다.
따라서, 본 발명의 과제는, 반도체 소자의 특성에 악영향을 미치기 어렵고, 또한 내열성이 높은 접합체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 반도체 소자가 Cu를 포함하는 접합층에 접합되어 이루어지는 접합체이며,
상기 접합층은, 상기 반도체 소자의 주연으로부터 측방으로 연장 돌출된 연장 돌출부를 갖고,
두께 방향의 단면에서 보아, 상기 연장 돌출부는, 상기 반도체 소자의 저부의 주연 또는 주연 근방으로부터 상승됨과 함께, 해당 반도체 소자의 측면으로부터 실질적으로 이격된 측벽면을 갖는 접합체를 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 Cu를 포함하는 금속분과, 고체 환원제를 포함하는 접합층용 조성물을 도전체의 표면 상에 도포해서 도막으로 하고, 해당 도막을 건조시켜서 건조 도막을 형성하고, 이어서,
반도체 소자를 상기 건조 도막 상에 적층하여, 상기 건조 도막을 상기 도전체와 해당 반도체 소자 사이에 개재시켜서 적층체를 얻고, 그 후에,
상기 적층체를 가압하면서 가열하여, 상기 금속분을 소결시킴으로써, 상기 도전체와 상기 반도체 소자를 접합하는, 접합체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1의 (a)는 본 발명의 접합체의 평면에서 본 모식도이며, 도 1의 (b)는 도 1의 (a)에 있어서의 I-I선에서의 단면도이다.
도 2는, 도 1의 (b)에 있어서의 주요부를 확대해서 도시하는 모식도이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 접합체의 실시 형태에 있어서의 연장 돌출부와 반도체 소자와의 배치 위치를 도시하는 모식도이다.
도 4는, 본 발명의 접합체의 다른 실시 형태에 있어서의 연장 돌출부와 반도체 소자와의 배치 위치를 도시하는 모식도이다.
이하 본 발명을, 그 바람직한 실시 형태에 기초하여 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 접합체(1)는 반도체 소자(2)와, Cu를 포함하는 접합층(3)이 접합되어 이루어지는 것이다. 이들 도면에 도시하는 접합체(1)는 기판 등의 도전체(5)를 더 구비하고 있고, 반도체 소자(2)와 도전체(5)가 접합층(3)을 개재시켜 접합되어, 반도체 소자(2)와 도전체(5)를 도통할 수 있도록 구성되어 있다.
반도체 소자(2)는 접합체(1)의 일부를 구성하는 부재이며, 반도체 칩(2A)과, 해당 칩(2A)의 저면에 배치된 전극(2B)을 갖는다. 반도체 소자(2)에 있어서의 반도체 칩(2A)은 바람직하게는 Si를 주로 포함하고, 더욱 바람직하게는 Si를 50질량% 이상 포함하는 것이다. 접합체(1)의 사용 목적에 따라서, 반도체 소자(2)에는, Si에 더하여, 또는 Si 대신에, Ga, Ge, C, N, As 등의 원자가 포함되어 있어도 된다. 또한, 반도체 소자(2)에 있어서의 반도체 칩(2A)의 상부에는 상부 전극(도시하지 않음)이 배치되어 있고, 두께 방향 Z에 도통 가능하게 되어 있다. 이에 추가하여, 반도체 소자(2)의 저면에는, 해당 저면과 접합층(3)이 직접 접촉하지 않도록 하기 위한 보호층(도시하지 않음)이 마련되어 있는 것이 바람직하다. 보호층은, 도전성을 갖는 층이면 본 기술분야에서 사용되고 있는 것을 특별히 제한없이 사용할 수 있고, 예를 들어, Au, Ag, Ti 및 Ni 등을 포함하는 금속층으로 할 수 있다.
접합층(3)은 Cu를 포함하고 있고, 바람직하게는 Cu를 50질량% 이상, 보다 바람직하게는 60질량% 이상 포함하는 것이다. 도 1의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 접합층(3)은 반도체 소자(2)와 도전체(5) 사이에 개재하고 있다. 이에 추가하여, 접합층(3)은 반도체 소자(2)의 주연(2P)으로부터 측방으로 연장 돌출된 연장 돌출부(3A)를 갖고 있다. 본 실시 형태에 있어서의 연장 돌출부(3A)는 반도체 소자(2)와 도전체(5) 사이에 개재하고 있는 접합층(3)이 연장 돌출되어 형성된 것이므로, 접합층(3)과 연장 돌출부(3A)와는 동일한 원료로 구성되어 있다. 접합층(3) 및 연장 돌출부(3A)에 있어서의 Cu의 함유량은, 예를 들어 접합체(1)의 두께 방향 단면을 대상으로서, 해당 단면에 존재하는 접합층(3) 및 연장 돌출부(3A)를 주사형 전자 현미경의 EDX(에너지 분산형 X선 분광법)에 의해 분석하고, 정량함으로써 측정할 수 있다.
접합체(1)의 두께 방향 Z의 단면에서 보아, 연장 돌출부(3A)는 반도체 소자(2)의 저부(2a)에 있어서의 주연(2P) 또는 그 주연(2P)의 근방으로부터 상승되어 있고, 연장 돌출부(3A)의 측벽면(3S)이 형성되어 있다. 여기서 말하는 「근방」이란, 접합체(1)의 평면 방향을 따라서, 주연(2P)으로부터 20㎛ 이하 이격된 거리까지의 영역을 가리킨다. 상술한 거리는, 접합체를 수지 포매한 후에 연마하고, 그 연마면을 전자 현미경에 의해 관찰함으로써 측정된다.
연장 돌출부(3A)의 상승의 형태로서는, 예를 들어 도 3의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 연장 돌출부(3A)가 반도체 소자의 저부(2a)에 있어서의 주연(2P)의 근방으로부터 상승되는 형태를 들 수 있다. 또는, 도 4에 도시한 바와 같이, 연장 돌출부(3A)가 반도체 소자(2)의 저부(2a)에 있어서의 주연(2P)으로부터 직접 상승되는 형태를 들 수 있다.
상술한 바와 같이, 연장 돌출부(3A)는 측벽면(3S)을 갖고 있다. 측벽면(3S)은 반도체 소자(2)의 측면(2S)으로부터 실질적으로 이격되어 있다. 여기서 말하는 「실질적으로」란, 접합체(1)의 제조 과정에 있어서, 반도체 소자의 측면(2S)과 연장 돌출부(3A)와의 접촉 부위를 의도적으로 형성하는 것을 제외하는 취지이며, 반도체 소자(2)의 측면(2S)과 연장 돌출부(3A)와의 접촉 부위 C가 불가피하게 일부 형성되는 것은 허용된다. 반도체 소자의 측면(2S)과 연장 돌출부(3A)와의 접촉 부위 C가 존재하는 경우, 두께 방향 Z의 단면에서 보아, 두께 방향 Z를 따르는 접촉 부위 C의 길이가 20㎛ 이하이고, 또한 평면에서 보아, 평면 방향에 있어서의 접촉 부위 C의 길이가 20㎛ 이하인 경우에는, 「실질적으로 이격되었다」로 한다. 두께 방향 Z를 따르는 접촉 부위 C의 길이 및 평면 방향에 있어서의 접촉 부위 C의 길이는 모두 10㎛ 이하인 것이, 접합층에 포함되는 Cu가 반도체 소자 내에 확산되는 것을 억제할 수 있는 점에서 바람직하다.
접촉 부위 C가 불가피하게 형성된 형태로서는, 예를 들어 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 반도체 소자(2)의 저면측의 측면(2S)과 연장 돌출부(3A)와의 접촉 부위 C가 불가피하게 형성된 형태나, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 반도체 소자(2)의 상면측의 측면(2S)과 연장 돌출부(3A)와의 접촉 부위 C가 불가피하게 형성된 형태를 들 수 있지만, 이들에 한정되지는 않는다. 접촉 부위 C의 길이는, 접합체를 수지 포매한 후에 두께 방향 또는 평면 방향으로 연마하고, 그 연마면을 전자 현미경에 의해 관찰함으로써 측정된다.
또한, 설명의 편의상, 연장 돌출부(3A)의 상승의 형태 및 연장 돌출부(3A)와 반도체 소자의 측면(2S)과의 이격 형태를 접합체(1)의 두께 방향의 일 단면에서 보아 설명하였지만, 연장 돌출부(3A)는 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이 반도체 소자(2)의 주위에 배치되어 있으므로, 반도체 소자(2)의 평면에서 본 도심을 중심으로 하는 가상 원과, 해당 가상 원의 중심을 통과하고 또한 해당 가상 원을 30° 간격으로 절단하는 가상 방사상선을 생각했을 때에, 평면에서 보아 접합체(1)를 해당 가상 방사상선에서 30° 간격으로 절단한 단면을 관찰해서 측정한 거리가 모두 상술한 범위인 것이 바람직하다. 도 1의 (a)에서는, 연장 돌출부(3A)가 반도체 소자(2)의 주위의 전역에 형성되어 있지만, 이에 한정되지는 않고, 연장 돌출부(3A)가 반도체 소자(2)의 주위에 단속적으로 형성되어 있어도 된다.
상술한 구성을 갖는 접합체에 의하면, 반도체 소자의 측면에 대한 접촉 면적을 최대한 적게 한 상태에서, 반도체 소자와 도전체를 Cu를 포함하는 접합층에 의해 접합하고 있으므로, 접합체를 갖는 전자 부품을 구동시켜서 고온 환경이 된 경우에서도, 접합층에 포함되는 Cu가 반도체 소자 내에 확산되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 반도체 소자의 특성을 충분히 발현시킬 수 있다. 또한, 접합층 중의 Cu가 반도체 소자측에 확산되기 어려우므로, 고온 환경 하여도 접합층의 균열이 발생하기 어렵고, 내열성이 높은 것이 된다. 이에 추가하여, Cu를 포함하는 접합층은, 반도체 소자에 대한 원자의 확산이 발생하기 어려운 Ag을 포함하는 접합층을 형성한 경우와 비교하여, 제조 비용을 저감하면서도, 접합층의 강도 및 도전성을 충분히 발현할 수 있다는 이점도 있다.
Cu의 확산에 기인한 반도체 소자에 대한 악영향을 효과적으로 방지하는 관점에서, 접합층(3)에 있어서의 연장 돌출부(3A)는 측벽면(3S)과 반도체 소자(2)의 측면(2S)이 서로 접하는 부위를 갖지 않는 것이 바람직하다. 상세하게는, 도 3의 (a) 및 도 4에 도시한 바와 같이, 측벽면(3S)과 반도체 소자(2)의 측면(2S)이 완전히 이격되어 있고, 접촉 부위 C가 전혀 존재하지 않는 형태로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성은, 예를 들어 후술하는 제조 방법으로 형성하는 도막의 두께와, 도막의 건조 조건 및 가압 소결의 조건을 적절히 조정함으로써 제작할 수 있다. 또한, 설명의 편의상, 상술한 설명은 접합체(1)의 두께 방향이 임의의 1개소에 있어서의 단면에서 보아 설명하였지만, 당해 설명은 반도체 소자(2)의 주위의 전역에 대해서도 적절히 적용되는 것이 바람직하다.
또한 마찬기지의 관점에서, 측벽면(3S)과 반도체 소자(2)의 측면(2S)과의 평균 거리 D3이 1㎛ 이상인 것이 바람직하고, 5㎛ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 접합체에 있어서의 불필요한 스페이스를 적게 하는 관점 및 접합체의 형성에 사용하는 재료를 삭감해서 비용 저감을 도모하는 관점에서, 평균 거리 D3은, 5㎜ 이하인 것이 현실적이다.
평균 거리 D3은, 이하의 방법에 의해 측정 및 산출한 값으로 한다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 접합체(1)의 두께 방향 Z의 단면에서 보아, 연장 돌출부(3A)의 두께 방향 Z의 상단을 지나고, 또한 반도체 소자(2)의 저면과 평행한 제3 가상 직선 L3을 그었을 때에, 반도체 소자(2)의 측면(2S), 측벽면(3S) 및 제3 가상 직선 L3으로 구획 형성된 영역의 면적을 구한다. 이때 면적과 동일한 면적을 갖고, 또한 저면의 가상 연장선인 제1 가상 직선 L1 및 제3 가상 직선 L3 사이의 두께 방향 Z를 따르는 거리와 동일한 길이의 선분을 1변으로 하는 가상 직사각형 S1을 생각했을 때에, 그 밖에 변의 길이를 평균 거리 D3으로 한다. 또한, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 반도체 소자(2)의 상방에 접촉 부위를 갖는 경우, 평균 거리는, 접합체(1)의 두께 방향 Z의 단면에서 보아, 반도체 소자(2)의 측면(2S) 및 측벽면(3S)으로 구획 형성된 영역의 면적과 동일한 면적을 갖고, 또한 제1 가상 직선 L1 및 접촉 부위 C 사이의 두께 방향 Z를 따르는 거리와 동일한 길이의 선분을 1변으로 하는 가상 직사각형을 생각했을 때의 타변의 길이를 평균 거리 D3으로 한다. 이들의 거리는, 접촉 부위 C의 측정 방법과 마찬가지로 전자 현미경에 의해 관찰함으로써 측정하고, 산출할 수 있다. 또한, 설명의 편의상, 연장 돌출부(3A)의 이격 형태를 접합체(1)의 임의의 1개소에 있어서의 두께 방향의 단면에서 보아 설명하였지만, 반도체 소자(2)의 평면에서 보아 도심을 중심으로 하는 가상 원과, 해당 가상 원의 중심을 통과하고 또한 해당 가상 원을 30° 간격으로 절단하는 가상 방사상선을 생각했을 때에, 평면에서 보아 접합체(1)를 해당 가상 방사상선에서 30° 간격으로 절단한 단면을 전자 현미경에 의해 관찰해서 측정한 평균 거리가 모두 상술한 범위인 것이 바람직하다.
또한, Cu의 확산에 기인한 반도체 소자에 대한 악영향을 효과적으로 방지하는 관점에서, 접합체(1)는 측벽면(3S)과 반도체 소자(2)의 측면(2S)과의 거리가, 예를 들어 도 3의 (a) 및 (b) 그리고 도 4에 도시한 바와 같이, 반도체 소자(2)의 저부(2a)로부터, 상부를 향해서 점차 증가하도록 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또는, 이 대신에, 측벽면(3S)과 반도체 소자(2)의 측면(2S)과의 거리가 일정해지도록 형성되어 있는 것도 바람직하다. 즉, 측벽면(3S)이 두께 방향 Z를 따라서 형성되어 있는 것도 바람직하다. 이와 같은 구성으로 되어 있으로써, 외력의 부여 등에 기인하여 연장 돌출부(3A)가 반도체 소자(2)의 측면(2S)에 의도하지 않고 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
제조 효율의 향상, 접합 강도의 발현 및 도전성의 확보를 겸비하는 관점에서, 접합층(3)의 두께 H1(도 2 참조)은 1㎛ 이상 200㎛ 이하인 것이 바람직하고, 3㎛ 이상 150㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 접합 부위의 두께는, 예를 들어 후술하는 제조 방법으로 형성하는 도막의 두께나 가압 접합의 조건을 조정함으로써 제어할 수 있다. 접합층(3)의 두께는, 예를 들어 반도체 소자(2)의 평면에서 보아 도심을 중심으로 하는 가상 원과, 해당 가상 원의 중심을 통과하고 또한 해당 가상 원을 30° 간격으로 절단하는 가상 방사상선을 생각했을 때에, 평면에서 보아 접합체(1)를 해당 가상 방사상선에서 30° 간격으로 절단한 단면을 전자 현미경에 의해 관찰해서 측정한 값의 평균값이 상술한 범위인 것이 바람직하다.
마찬가지의 관점에서, 연장 돌출부(3A)의 두께 방향 Z에 있어서의 길이 H2(이하, 이를 「높이 H2」라고도 말한다. 도 2 참조)는 250㎛ 이하인 것이 바람직하고, 150㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 연장 돌출부(3A)의 높이 H2는, 예를 들어 후술하는 제조 방법으로 형성하는 도막의 두께와, 도막의 건조 조건 및 가압 소결의 조건을 적절히 조정함으로써 제어할 수 있다. 높이 H2는, 접합층(1)에 형성된 연장 돌출부(3A)의 전체 둘레에 있어서의 산술 평균값으로 하고, 상술한 길이 H1과 마찬가지의 방법으로 측정할 수 있다.
다음에, 접합체의 제조 방법에 대해서 설명한다. 본 제조 방법은, 기판 등의 도전체의 표면 상에, Cu를 포함하는 접합층용 조성물을 도포해서 도막을 형성하는 도포 공정, 해당 도막을 건조시켜서 건조 도막을 형성하는 건조 공정 및 해당 건조 도막 상에 반도체 소자를 적층하고, 가압하면서 가열해서 접합시키는 접합 공정의 3개로 크게 구별된다.
먼저, 도전체의 표면 상에 Cu를 포함하는 접합층용 조성물을 도포해서 도막을 형성한다. 접합층용 조성물의 상세는 후술한다.
접합층용 조성물의 도포 수단에 특별히 제한은 없으며, 공지된 도포 수단을 사용할 수 있다. 예를 들어 스크린 인쇄, 디스펜스 인쇄, 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄 등을 사용할 수 있다. 도포성의 향상의 관점에서, 접합층용 조성물은 액 매체를 포함하는 페이스트상 또는 잉크상의 것인 것이 바람직하다.
형성하는 도막의 두께는, 높은 접합 강도를 안정적으로 갖는 접합체를 형성하는 관점에서, 도포 직후에 있어서, 1㎛ 이상 250㎛ 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 5㎛ 이상 150㎛ 이하로 설정하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 접합 대상과의 접합 강도를 높이는 관점에서, 도막의 도포 면적은, 평면에서 보아, 접합 대상이 되는 반도체 소자의 저면보다도 큰 면적에서 도포하는 것이 바람직하다.
다음에, 형성한 도막을 건조시켜서 건조 도막을 얻는다. 본 공정에서는, 건조에 의해 해당 도막으로부터 액 매체의 적어도 일부를 제거하여, 도막 내의 액 매체의 양이 저감한 건조 도막을 얻는다. 도막으로부터 액 매체를 제거함으로써, 건조 도막의 보형성을 높일 수 있고, 또한 그 상태에서 반도체 소자와 기판을 접합하므로, 접합 강도를 높은 것으로 할 수 있다. 건조 도막이란, 막의 전체 질량에 대한 액 매체의 비율이 9질량% 이하인 것이다. 도막과, 해당 도막을 건조시킨 건조 도막이란, 액 매체 이외의 각 구성 재료의 함유량은 실질적으로 동일하므로, 액 매체의 비율은, 예를 들어 건조 전후의 도막의 질량 변화를 측정해서 산출할 수 있다.
액 매체를 건조해서 제거하기 위해서는, 해당 액 매체의 휘발성을 이용한 자연 건조, 열풍 건조, 적외선의 조사, 핫 플레이트 건조 등의 건조 방법을 사용하여, 액 매체를 휘발시키면 된다. 액 매체가 제거된 후의 건조 도막에 있어서의 해당 액 매체의 비율은, 도막의 전체 질량 100질량부에 대하여, 상술한 바와 같이 9질량부 이하인 것이 바람직하고, 7질량부 이하인 것이 더욱 바람직하고, 5질량부 이하인 것이 더욱 바람직하다. 본 공정은, 사용하는 접합층용 조성물의 조성에 따라서 적절히 변경 가능지만, 대기 분위기 하에서, 40℃ 이상 150℃ 이하, 대기압, 1분 이상 60분 이하로 행하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 건조 도막 상에 반도체 소자를 적층해서 접합한다. 상세하게는, 상술한 공정을 거쳐서 건조 도막이 얻어지면, 반도체 소자를 해당 건조 도막 상에 적층하여, 도전체와 반도체 소자와, 이들 사이에 건조 도막이 개재하여 배치된 적층체를 얻는다.
다음에, 적층체를 가압하면서 가열하여, 건조 도막에 포함되는 금속분을 소결시킴으로써, 도전체와 반도체 소자를 접합하는 접합층을 형성한다. 소결 시의 분위기는, 질소 등의 불활성 가스 분위기인 것이 바람직하다. 소결 온도는, 바람직하게는 300℃ 미만, 보다 바람직하게는 150℃ 이상 300℃ 미만, 더욱 바람직하게는 200℃ 이상 300℃ 미만, 한층 바람직하게는 230℃ 이상 300℃ 미만이다. 소결 시에 첨가하는 압력은, 바람직하게는 0.001㎫ 이상, 보다 바람직하게는 0.001㎫ 이상 20㎫ 이하, 더욱 바람직하게는 0.01㎫ 이상 15㎫ 이하이다. 소결 시간은, 소결 온도가 상기 범위인 것을 조건으로서, 바람직하게는 20분 이하, 보다 바람직하게는 0.5분 이상 20분 이하, 더욱 바람직하게는 1분 이상 30분 이하이다.
특히 본 제조 방법에서는, 액 매체의 휘발에 기인하여 높은 보형성을 갖는 건조 도막이 형성되므로, 건조 도막은 가열에 기인한 용융 및 연화 등의 소성 변형이 발생하지 않고, 도막의 가압 소성 시라도 건조 도막의 보형성이 유지되고 있다. 그에 의해, 반도체 소자가 존재하는 부분에서는 건조 도막이 압축되어 접합층이 형성된다. 이에 추가하여, 반도체 소자의 주연에 존재하는 건조 도막은 가압되지 않고 소결되므로, 반도체 소자의 주연으로부터 측방으로 연장 돌출되고, 또한 해당 소자의 저부의 주연으로부터 상승되도록 연장 돌출부가 형성된다. 그 결과, 반도체 소자의 측면에 대한 접촉 면적을 최대한 적게 한 상태에서, Cu를 포함하는 접합층에 의해 반도체 소자와 도전체가 접합하고 있으므로, 접합체를 갖는 전자 부품을 구동시켜서 고온 환경이 된 경우에서도, 접합층에 포함되는 Cu가 반도체 소자 내에 확산되는 것을 억제할 수 있다.
이상의 공정을 거쳐서 형성된 접합체는, 그 접합층이, 접합층용 조성물을 구성하는 Cu를 포함하는 금속 입자의 소결체가 된다. 또한, 접합층은 반도체 소자의 주연으로부터 측방으로 연장 돌출된 연장 돌출부를 갖는 것이 된다. 접합층은 Cu를 포함하는 것이며, 또한 접합층용 조성물이 후술하는 고체 환원제를 포함하는 경우에는, 이하의 구조 (3)이 접합층에 형성된다.
Figure pct00001
식 중, R3 내지 R5는, 각각 독립적으로 수소 원자, 수산기, 탄소 원자수 1 이상 10 이하의 탄화수소기, 또는 수산기를 갖는 탄소 원자수 1 이상 10 이하의 탄화수소기를 나타낸다. R3 내지 R5의 상세는, 후술하는 화학식 (1) 및 (2)의 설명이 적절히 적용된다. 또한, *는, Cu와의 결합 부위를 나타낸다.
접합층에 상기 구조 (3)이 형성되어 있는지 여부는, 접합 부위의 단면을 대상으로서, TOF-SIMS에 의한 질량 분석 등을 행함으로써 확인할 수 있다. 예를 들어 환원제로서 BIS-TRIS를 사용하는 경우, TOF-SIMS에서의 정극측의 매스스펙트럼에 있어서 C-N(Cu)2에 기인하는 분자량 152의 프래그먼트가 관찰된다.
접합층용 조성물은, Cu를 포함하는 금속분을 포함하고 있고, 바람직하게는 고체 환원제 및 액 매체를 더 포함하는 것이다.
본 발명에 있어서 사용되는 금속분은, Cu를 포함하는 금속 입자의 집합체로 이루어지는 것이 바람직하다. 금속분은, 필요에 따라서 금, 은, 팔라듐, 알루미늄, 니켈 및 주석 중 적어도 1종 금속이 더 포함되어 있어도 된다. 이들 금속의 함유 양태로서는, 실질적으로 Cu만을 포함하는 Cu 입자의 집합체, 상기 Cu 입자와, 단일의 금속을 포함하는 다른 금속 입자와의 집합체, Cu와 다른 금속을 포함하는 Cu 합금 입자의 집합체, 또는, 상기 Cu 입자와 상기 Cu 합금 입자와의 집합체로 할 수 있다.
본 발명에 사용되는 금속분을 구성하는 금속 입자의 형상은, 예를 들어 구상, 편평상(플레이크상), 덴드라이트상(수지상), 봉상 등이며, 이들을 단독으로 또는 복수 조합해서 사용할 수 있다.
접합층용 조성물에 포함되는 고체 환원제는, 실온(25℃)에 있어서 고체이며, 해당 조성물의 소성에 의한 금속 입자끼리의 소결을 촉진시켜서, 높은 접합 강도를 발현시키기 위해 사용된다. 이 목적을 위해, 고체 환원제는 적어도 1개의 아미노기 및 복수의 수산기를 갖는 화학 구조의 것인 것이 유리하다. 「실온(25℃)에 있어서 고체」란, 고체 환원제의 융점이 25℃ 초과인 것을 가리킨다.
고체 환원제의 융점은, 금속분의 소결 온도 이하인 것이 바람직하다. 또한, 고체 환원제의 비점은, 후술하는 액 매체의 비점보다도 높은 것도 바람직하다. 이와 같은 물성을 갖는 고체 환원제를 사용함으로써, 접합층용 조성물의 도막을 건조시켜서 건조 도막을 얻을 때에, 고체 환원제를 접합층용 조성물 중에 고체로서 잔류시킬 수 있고, 그 결과, 해당 접합층용 조성물의 건조 도막의 보형성을 높게 할 수 있다. 또한, 해당 접합층용 조성물의 건조 도막을 소성할 때에는 용융해서 도막 내에 확산되므로, 금속분의 소결이 균일하게 촉진되고, 보다 치밀한 소결 구조를 갖는 도전 신뢰성이 높은 접합체를 얻을 수 있다.
가압 접합을 행했을 때의 높은 접합 강도와, 가압 접합 후의 높은 도전 신뢰성을 양립하는 관점에서, 고체 환원제로서, 이하의 화학식 (1) 또는 (2)로 표시되는 아미노알코올 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.
Figure pct00002
화학식 (1) 또는 (2) 중, R1 내지 R6은, 각각 독립적으로, 수소 원자, 수산기, 탄소 원자수 1 이상 10 이하의 탄화수소기, 또는 수산기를 갖는 탄소 원자수 1 이상 10 이하의 탄화수소기를 나타낸다. 또한, 식 (2) 중, R7은, 탄소 원자수 1 이상 10 이하의 탄화수소기, 또는 수산기를 갖는 탄소 원자수 1 이상 10 이하의 탄화수소기를 나타낸다. 탄화수소기로서는 포화 또는 불포화의 지방족기를 들 수 있다. 이 지방족기는 직쇄상의 것이어도 되고, 또는 분지쇄상의 것이어도 된다.
화학식 (1)로 표시되는 환원제는, 금속 입자끼리의 소결성을 높이는 관점에서, R1 내지 R5 중 적어도 하나가 수산기를 포함하고 있는 것이 바람직하고, 3개 이상이 수산기를 포함하고 있는 것이 보다 바람직하고, 4개 이상이 수산기를 포함하고 있는 것이 더욱 바람직하고, R1 내지 R5의 모두가 수산기를 포함하는 것이 한층 바람직하다. 마찬가지의 관점에서, 화학식 (2)로 표시되는 환원제는, R1 내지 R6 중 적어도 하나가 수산기를 포함하고 있는 것이 바람직하고, 3개 이상이 수산기를 포함하고 있는 것이 보다 바람직하고, 4개 이상이 수산기를 포함하고 있는 것이 더욱 바람직하고, 4개 이상이 수산기를 포함하고 있는 것이 한층 바람직하다. R1 내지 R6에 있어서의 수산기를 포함하는 양태로서, 수산기 그 자체이거나, 수산기를 갖는 탄소 원자수 1 이상 10 이하의 탄화수소기이거나, 또는 이들 조합일 수 있다.
화학식 (1) 또는 (2)로 표시되는 아미노알코올 화합물의 구체예로서는, 비스(2-히드록시에틸)이미노트리스(히드록시메틸)메탄(BIS-TRIS, 융점:104℃, 비점:300℃ 초과, 화학식 (1)에 해당), 2-아미노-2-(히드록시메틸)-1,3-프로판디올(TRIS, 융점:169 내지 173℃, 비점:300 초과, 화학식 (1)에 해당), 1,3-비스(트리스(히드록시메틸)메틸아미노)프로판(BIS-TRIS propane, 융점:164 내지 165℃, 비점:300℃ 초과, 화학식 (2)에 해당) 등을 들 수 있다. 이들 중, 금속 입자끼리의 소결성을 높이면서, 높은 접합 강도를 발현하는 접합체를 얻는 관점에서, 고체 환원제로서 비스(2-히드록시에틸)이미노트리스(히드록시메틸)메탄(BIS-TRIS)을 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 고체 환원제는, 1종을 단독으로 사용할 수 있고, 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다. 어느 경우라도, 접합층용 조성물에 있어서의 고체 환원제의 비율은 금속 입자끼리의 소결성을 높이는 관점에서, 금속분 100질량부에 대하여 0.1질량부 이상인 것이 바람직하고, 1질량부 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 접합층용 조성물 중에 차지하는 금속분의 비율을 유지하면서, 도전체에 대한 적합한 도포 성능을 발휘하는 관점에서, 10질량부 이하로 하는 것이 현실적이고, 8질량부 이하로 하는 것이 바람직하고, 5질량부 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
도막의 도포성을 높이는 관점에서, 접합층용 조성물은 액 매체를 더 포함하는 것이 바람직하다. 마찬가지의 관점에서, 상술한 액 매체는 실온(25℃)에 있어서 액체인 것이 바람직하고, 또한 비점이 300℃ 미만인 것도 바람직하다.
접합층용 조성물의 도포성, 고체 환원제의 용해성 및 액 매체의 적당한 휘발성을 겸비하는 관점에서, 액 매체는 비수 용매인 것이 바람직하고, 1가 또는 다가의 알코올인 것이 보다 바람직하고, 다가 알코올인 것이 더욱 바람직하다. 다가 알코올로서는, 예를 들어 프로필렌글리콜(비점:188℃), 에틸렌글리콜(비점:197℃), 헥실렌글리콜(비점:197℃), 디에틸렌글리콜(비점:245℃, 1,3-부탄디올(비점:207℃), 1,4-부탄디올(비점:228℃), 디프로필렌글리콜(비점:231℃), 트리프로필렌글리콜(비점:273℃), 글리세린(비점:290℃), 폴리에틸렌글리콜 200(비점:250℃), 폴리에틸렌글리콜 300(비점:250℃) 등을 들 수 있다. 액 매체는 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합해서 사용할 수 있다.
접합층용 조성물에 액 매체를 포함하는 경우, 접합층용 조성물을 도전체 상에 도포했을 때의 도막 보형성을 높이는 관점에서, 액 매체의 함유량은 금속분 100질량부에 대하여 10질량부 이상 40질량부 이하인 것이 바람직하고, 10질량부 이상 35질량부 이하인 것이 더욱 바람직하다.
접합층용 조성물은, 도전체에 대한 도막의 도포성 및 보형성을 높이는 관점에서, 미가열 시에 있어서, 전단 속도(10s-1) 및 25℃에서의 점도가, 20Paㆍs 이상 200Paㆍs 이하인 것이 바람직하고, 25Paㆍs 이상 150Paㆍs 이하인 것이 더욱 바람직하다. 접합층용 조성물의 점도는 센서를 패럴렐 플레이트형으로 하고, 레오미터(점탄성 측정 장치)에 의해 측정할 수 있다.
접합층용 조성물은, 본 발명의 효과가 발휘되는 한에서, 예를 들어 바인더 성분, 표면 장력 조정제, 소포제, 점도 조정제 등의 다른 성분을 포함하고 있어도 된다. 다른 성분의 비율은, 그 총량이, 금속분 100질량부에 대하여 0.1질량부 이상 10질량부 이하인 것이 바람직하다.
이와 같은 접합 부위를 갖는 접합체는, 그 높은 접합 강도나 열전도성의 특성을 살려, 고온에 노출되는 환경, 예를 들어 차량 탑재용 전자 회로나 파워 디바이스가 실장된 전자 회로에 바람직하게 사용된다.
본 발명에 따르면, 반도체 소자의 특성에 악영향을 미치기 어렵고, 또한 내열성이 높은 접합체가 제공된다.

Claims (8)

  1. 반도체 소자가 Cu를 포함하는 접합층에 접합되어 이루어지는 접합체이며,
    상기 접합층은, 상기 반도체 소자의 주연으로부터 측방으로 연장 돌출된 연장 돌출부를 갖고,
    두께 방향의 단면에서 보아, 상기 연장 돌출부는, 상기 반도체 소자의 저부의 주연 또는 주연 근방으로부터 상승됨과 함께, 해당 반도체 소자의 측면으로부터 실질적으로 이격된 측벽면을 갖는, 접합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접합층은 Cu를 50질량% 이상 포함하는, 접합체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 Si를 50질량% 이상 포함하는, 접합체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연장 돌출부는, 상기 측벽면과 상기 반도체 소자의 측면이 서로 접하는 부위를 갖지 않는, 접합체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측벽면은, 해당 측벽면과 상기 반도체 소자의 측면과의 거리가, 해당 반도체 소자의 저부로부터 상부를 향해서 점차 증가하도록 형성되어 있거나, 또는 일정하게 되도록 형성되어 있는, 접합체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측벽면과 상기 반도체 소자의 측면과의 평균 거리가 1㎛ 이상인, 접합체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접합층에 이하의 구조 (3)이 형성되어 이루어지는, 접합체.
    Figure pct00003

    (식 중, R3 내지 R5는, 각각 독립적으로, 수소 원자, 수산기, 탄소 원자수 1 이상 10 이하의 탄화수소기, 또는 수산기를 갖는 탄소 원자수 1 이상 10 이하의 탄화수소기를 나타내고, *는 Cu와의 결합 부위를 나타낸다.)
  8. Cu를 포함하는 금속분과, 고체 환원제를 포함하는 접합층용 조성물을 도전체의 표면 상에 도포해서 도막으로 하고, 해당 도막을 건조시켜서 건조 도막을 형성하고, 이어서,
    반도체 소자를 상기 건조 도막 상에 적층하여, 상기 건조 도막을 상기 도전체와 해당 반도체 소자 사이에 개재시켜 적층체를 얻고, 그 후에,
    상기 적층체를 가압하면서 가열하여, 상기 금속분을 소결시킴으로써, 상기 도전체와 상기 반도체 소자를 접합하는, 접합체의 제조 방법.
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