TWI650822B - 固晶薄片及半導體裝置的製造方法 - Google Patents

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中子偉夫
田中俊明
名取美智子
西村正人
石川大
川名祐貴
松本博
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日立化成股份有限公司
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Abstract

本發明之半導體裝置的製造方法，其特徵在於：將多孔質薄片夾於半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件之間，並將該等加熱加壓而使半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件接合；其中，該多孔質薄片的空孔率為15~50體積%，並包含銀及/或銅，且碳含量為1.5質量%以下。

Description

固晶薄片及半導體裝置的製造方法
本發明是關於固晶薄片及半導體裝置的製造方法，更詳細而言，是關於一種固晶薄片及使用其之半導體裝置的製造方法，該固晶薄片和製造方法適合將電力半導體、LSI(大型積體電路)、發光二極體(LED)等的半導體元件，接合至導線架、陶瓷線路板、玻璃環氧線路板、聚醯亞胺線路板等的半導體搭載用基板上。
製造半導體裝置時，作為將半導體元件與導線架(支撐構件)黏著之方法，有使用將銀粉等填充劑分散於環氧系樹脂、聚醯亞胺系樹脂等樹脂中而成之糊漿狀(膠狀)黏著劑(例如銀糊漿)的方法。在此方法中，使用分配器(dispenser)、印刷機、打印機(stamping machine)等將糊漿狀黏著劑塗佈於導線架的晶粒焊墊後，將半導體元件固晶(晶片接合)，並藉由加熱硬化使半導體元件黏著而做成半導體裝置。
近年來，隨著半導體元件的高速化、高積體化之進 展，為了確保半導體裝置的動作穩定性，對於黏著劑亦要求高散熱特性。
到目前為止，亦提案有一種將提升熱傳導性作為目的之黏著劑。例如，下述專利文獻1~5揭示有一種高填充有高熱傳導率的銀粒子而成之固晶糊漿(專利文獻1和專利文獻2)、含有具有特定粒徑的球狀銀粉之導電性黏著劑(專利文獻3)、含有焊料粒子之黏著劑糊漿(專利文獻4)、含有具有特定粒徑的金屬粉和具有特定粒徑的金屬超微粒子之導電性黏著劑(專利文獻5)。
又，下述專利文獻6提案一種技術，其將由經施加表面處理後的非球狀銀粒子與揮發性分散介質組成之糊漿狀銀粒子組成物，藉由於100℃以上且400℃以下進行加熱使銀粒子彼此燒結而成為具有規定的熱傳導度之固體狀銀。
[先前技術文獻] (專利文獻)
專利文獻1：日本特開2006-73811號公報
專利文獻2：日本特開2006-302834號公報
專利文獻3：日本特開平11-66953號公報
專利文獻4：日本特開2005-93996號公報
專利文獻5：日本特開2006-83377號公報
專利文獻6：日本特許第4353380號公報
專利文獻6記載之糊漿狀銀粒子組成物，推測係因銀粒子形成金屬鍵，故相較於其他手法，其熱傳導率和高溫下之連接可靠性優異。然而，像這樣的糊漿狀銀粒子組成物，需要塗佈、預先乾燥及加熱燒結之3階段步驟。又因含有溶劑，會有起因於塗佈時、乾燥時、半導體元件搭載時及燒結時的流動而發生之斑點、乾燥時和燒結時發生空孔(void)這樣的問題。
另一方面，使用焊料的情況，將薄片狀焊料夾在基板與半導體元件之間，藉由加熱熔融來進行固晶。利用此手法，相較於使用糊漿，可達到步驟的簡略化和抑制由於溶媒所導致的斑點或發生空孔。然而，焊料會產生在高溫時的連接可靠性的問題。又，單純使用高熔點的金屬來取代焊料，會有接合變困難的問題。
本發明的目的在於提供一種固晶薄片及使用其之半導體裝置的製造方法，該固晶薄片的熱傳導性和連接可靠性優異，且可利用簡便的步驟來進行半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件之接合。
本發明提供一種半導體裝置的製造方法，其特徵在於：將多孔質薄片夾於半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件之間，並藉由將該等加熱加壓而使半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件接合；其中，該多孔質薄片的空孔率為15~50體積%，並包含銀及/或銅，且碳含量為1.5質量%以 下。
根據本發明之半導體裝置的製造方法，可得到一種半導體裝置，藉由使用上述特定的多孔質薄片，可利用簡便的步驟來進行半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件之接合，並得到優異的熱傳導性和連接可靠性。
本發明又提供一種固晶薄片，其特徵在於：是由多孔質薄片所構成，該多孔質薄片的空孔率為15~50體積%，並包含銀及/或銅，且碳含量為1.5質量%以下。
根據本發明的固晶薄片，可利用簡便的步驟來進行半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件之接合，並得到優異的熱傳導性和連接可靠性。
本發明的固晶薄片，較佳為包含：以原子換算計為0.06~13.6原子%的釩、及以原子換算計為0.12~7.8原子%的碲。該情況，可提升對於銀、銅、鎳、鋁及二氧化矽(SiO2)之黏著性。
又，上述多孔質薄片，較佳是將包含銀粒子及/或銅粒子與分散介質之組成物形成為薄片狀並加熱來得到。
本發明亦可提供一種半導體裝置，其特徵在於：具有將上述本發明的固晶薄片夾於半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件之間，並將半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件接合而成之結構。本發明之半導體裝置，藉由本發明的固晶薄片來使半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件接合，可具有優異的熱傳導性和連接可靠性。
根據本發明，可提供一種固晶薄片及使用其之半導體裝置的製造方法，該固晶薄片的熱傳導性和連接可靠性優異，且可利用簡便的步驟來進行半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件。
1、1a、1b‧‧‧固晶薄片(多孔質薄片)
2、2a、2b‧‧‧半導體元件
3‧‧‧半導體元件搭載用支撐構件
4a、4b‧‧‧被黏面
5a、5b‧‧‧導線架
6‧‧‧引線
7‧‧‧成型樹脂
8a、8b、8c、8d‧‧‧固晶薄片(銀製)
9‧‧‧鍍金矽晶片(被黏面為金)
10‧‧‧鍍銀氧化鋁DCB基板的銅層
11‧‧‧鍍銀氧化鋁DCB基板的鍍銀層(被黏面為銀)
12‧‧‧固晶薄片(銅製)
13‧‧‧銅板(被黏面為銅)
14‧‧‧固晶薄片(含有低熔點玻璃成分)
15‧‧‧表面氧化矽基板(被黏面SiO2)
16‧‧‧鋁基板
17‧‧‧銀箔
18‧‧‧鍍銀銅板
19‧‧‧鍍銀銅板的鍍銀層(被黏面為銀)
20‧‧‧固晶薄片(熱壓接前)
21‧‧‧固晶薄片(熱壓接後)
第1圖是表示本發明之半導體裝置的一例的示意剖面圖。
第2圖是表示本發明之半導體裝置的其他例的示意剖面圖。
第3圖是表示本發明之半導體裝置的其他例的示意剖面圖。
第4圖是表示本發明之半導體裝置的其他例的示意剖面圖。
第5圖是表示實施例1的固晶前的固晶薄片的剖面的SEM影像。
第6圖是表示使用實施例1的固晶薄片之接合樣品中的黏著層的剖面的SEM影像。
第7圖是表示使用實施例1的固晶薄片之接合樣品中的黏著層的剖面的SEM影像。
第8圖是表示使用實施例9的固晶薄片之接合樣品中的黏著層的剖面的SEM影像。
第9圖是表示使用實施例9的固晶薄片之接合樣品中的固晶薄片與銅板之界面的SEM影像。
第10圖是表示使用實施例13的固晶薄片之接合樣品中的固晶薄片與表面氧化矽基板之界面的SEM影像。
第11圖是表示使用實施例13的固晶薄片之接合樣品中的固晶薄片與鋁基板之界面的SEM影像。
第12圖是表示使用比較例1的銀箔之接合樣品中的黏著層的剖面的SEM影像。
第13圖是表示使用實施例19的固晶薄片之接合樣品中的黏著層的剖面的SEM影像。
第14圖是表示使用比較例3的固晶薄片之接合樣品中的黏著層的剖面的SEM影像。
第15圖是表示熱壓接前的實施例15的固晶薄片的剖面的SEM影像。
第16圖是表示使用實施例15的固晶薄片之接合樣品中的黏著層(熱壓接後)的剖面的SEM影像。
以下，一邊參照圖式一邊說明本發明所揭露的實施形態。又，圖式中，對相同或相等的部分標上相同符號，並省略重複說明。
第1圖是表示本發明的半導體裝置的一例的示意剖面圖。第1圖所示的半導體裝置100，具有將本發明的固晶薄片夾於半導體元件2與半導體元件搭載用支撐構件3之間，並將半導體元件2與半導體元件搭載用支撐構件3接合而成之結構。與半導體元件2和半導體元件搭載用支撐構件3接 合之固晶薄片1，是本發明的固晶薄片藉由熱與壓力變形、改質後之物。固晶薄片1利用在與半導體元件2的被黏面4a之間及與半導體元件搭載用支撐構件3的被黏面4b之間形成金屬鍵(metallic bond)，將兩個被黏體穩固地接合。
首先，說明本發明的固晶薄片。
本實施形態的固晶薄片是由多孔質薄片形成，該多孔質薄片的空孔率為15~50體積%，並包含銀及/或銅，且碳含量為1.5質量%以下。
多孔質薄片，由熱傳導率、延展性、連接性之觀點而言，較佳為以金、銀、銅作為主成分。特別是由成本的觀點而言，適合使用銀或銅，亦可為銀與銅之合金。若包含銀、銅以外之金屬性成分，則因熱傳導率降低或表面會產生不容易去除的氧化被膜而妨礙接合，故不佳。因此，包含於多孔質薄片內的元素中，元素比例中除了氫、碳、氧之外，銀及/或銅所佔有的元素比例較佳為60原子%以上，更佳為70原子%以上，進一步較佳為80原子%以上。
多孔質薄片，較佳為在薄片內包含空孔之由銀及/或銅的連続體所形成之平板狀多孔質薄片。又，多孔質薄片較佳為由銀粒子及/或銅粒子的燒結體所構成。
本實施形態的固晶薄片，可含有玻璃成分來作為黏著助劑，該黏著助劑是以擴大被黏體的種類為目的。
上述玻璃成分，較佳為在固晶薄片的熱壓接時充分熔融和流動，由此觀點而言，較佳為具有350℃以下的軟化點之低熔點玻璃。作為該低熔點玻璃，可舉出同時包含釩、碲 及銀之物。例如，較佳為一種無鉛玻璃組成物，其含有10~60質量%的Ag2O(氧化銀(I))、5~65質量%的V2O5(五氧化二釩)、及15~50質量%的TeO2(二氧化碲)，且Ag2O、V2O5及TeO2之合計含量為75質量%以上。低熔點玻璃可進一步包含P2O5(五氧化二磷)、BaO(氧化鋇)、K2O(氧化鉀)、WO3(三氧化鎢)、MoO3(三氧化鉬)、Fe2O3(氧化鐵(III))、MnO2(二氧化錳)、Sb2O3(三氧化銻)及ZnO(氧化鋅)中的至少一種以上。
本實施形態的固晶薄片，較佳為包含：以原子換算計為0.06~13.6原子%的釩、及以原子換算計為0.12~7.8原子%的碲。該情況可提升對於銀、銅、鎳、鋁及SiO2的黏著性。
釩和碲的含量若低於上述下限值，意味未充分包含低熔點玻璃，而有難以得到作為黏著助劑的功效之傾向。又，釩和碲的含量若超過上述上限值，意味包含過多的低熔點玻璃，則熱傳導率降低和體積電阻率增加的情況會有變得顯著之傾向。
固晶薄片中的釩和碲等各種元素的含量，可用X射線螢光測定、原子吸收光譜、原子發射光譜(Atomic Emission Spectrometry)、感應耦合電漿質譜分析法(ICP-MS，Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry)定量。
例如，在附有蓋子的塑膠容器中，秤量固晶薄片0.1g，添加硝酸4mL、過氧化氫3mL，進行超音波處理30分鐘來溶解。將此使用純水稀釋作為測定溶液。藉由將該測定 溶液以感應耦合電漿發射光譜分析裝置(型號：SPS5100、日立High-Tech Science公司製造)測定，可得到所含有的元素及其比例。又，各自元素可在以下波長發光。釩：292.401nm、碲：214.282nm、鎢：207.912nm、銀：328.068nm。
若已知構成固晶薄片之材料的組成，可由以下步驟求出空孔率。首先，將固晶薄片切出長方形，藉由利用尺或外形形狀測定裝置來測定固晶薄片的垂直、橫向長度，並用膜厚計測定厚度，來計算固晶薄片的體積。由切出的固晶薄片的體積、以精密天平測定出來的固晶薄片的重量來求出視密度(apparent density)M1(g/cm3)。使用M1與構成固晶薄片之材料的密度M2(g/cm3)，由下述式(1)求出空孔率(體積%)。
空孔率(體積%)=[1-(M1)/(M2)]×100…(1)
式(1)中，構成薄片之材料為純度95質量%以上的銀的情況，則M2可設為10.5g/cm3，若為純度95質量%以上的銅，則M2可設為8.96g/cm3。構成薄片之材料為銀與銅之混合物的情況，則密度是使用加成法則，若將銅的含量(質量%)設為A，則可使用下述式(2)算出M2。
M2(g/cm3)=1/{[(A/100)/8.96]+[(1-A/100)/10.5]}…(2)
又，固晶薄片包含銀及/或銅與低熔點玻璃的情況，可使用下述式(3)來算出構成固晶薄片之材料的密度M2，藉由代入式(1)的M2，可求出空孔率。
M2(g/cm3)=1/{[(B/100)/M3]+[(1-B/100)/M4]}…(3)〔B：低熔點玻璃的含量(質量%)、M3：低熔點玻璃的密度
(例如5.5g/cm3)、M4：銀的密度(例如10.5g/cm3)、銅的密度(例如8.96g/cm3)、銀與銅之混合物的密度(例如利用前述式(2)算出的密度M2(g/cm3))。
本實施形態的固晶薄片，由連接可靠性的觀點而言，空孔率為15~50體積%，較佳為15~40體積%，更佳為15~30體積%。空孔率若在上述範圍內，則固晶薄片於壓接時因空孔變形而可追隨被黏體，可展現充分高的黏著力，且可充分確保固晶薄片的機械強度，防止破裂或缺損產生而使操作性惡化等問題。
本實施形態的固晶薄片內所包含的空孔的形狀可為連續空孔或獨立空孔。空孔較佳為分布於固晶薄片全體。
本實施形態的固晶薄片，碳含量為1.5質量%以下，較佳為1.0質量%以下。藉由將碳含量設為1.5質量%以下，可防止因有機物等阻礙被黏體與固晶薄片之間的金屬鍵形成，進一步可防止高溫下產生分解氣體而使連接可靠性惡化。
上述碳含量可由感應加熱燃燒紅外線吸收光譜法測定。
本實施形態的固晶薄片，可將包含銀粒子及/或銅粒子與分散介質之組成物形成為薄片狀並加熱來得到。
銀粒子為含有銀原子之粒子，較佳為含有銀原子90質量%以上之粒子。銀粒子除了金屬銀以外，亦可含有氧化銀等之銀氧化物、金或銅等之其他貴金屬或該等之氧化物。本實施形態中，若包含卑金屬則粒子表面會生成難以去除之氧化被膜而妨礙燒結，故銀粒子中的貴金屬的比例較佳為80原 子%以上，更佳為90原子%以上，進一步較佳為95原子%以上。
作為銀粒子的形狀，可舉例如球狀、塊狀、針狀、片狀。銀粒子之初級粒子的體積平均粒徑，較佳為0.01μm以上且50μm以下，更佳為0.05μm以上且30μm以下，進一步較佳為0.1μm以上且10μm以下。
銀粒子亦可經過表面處理劑處理。但是表面處理劑較佳為可在固晶薄片的製作步驟中去除者。作為這樣的表面處理劑，可舉例如：棕櫚酸、硬脂酸、花生酸、對苯二甲酸、油酸等之脂肪族羧酸；苯均四酸、鄰-苯氧基安息香酸等之芳香族羧酸；十六醇、十八醇、異莰基環己醇、四甘醇等之脂肪族醇；對-苯基苯酚等之芳香族醇；辛胺、十二胺、十八胺等之烷基胺；十八腈、癸腈等之脂肪族腈；烷基烷氧基矽烷等之矽烷偶合劑；聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯啶酮、聚矽氧寡聚物等之高分子處理劑。
銅粒子為含有銅原子之粒子，較佳為含有銅原子90質量%以上之粒子。銅粒子除了金屬銅以外，亦可含有氧化銅(I)、氧化銅(II)等之銅氧化物、銀或金等其他貴金屬或該等之氧化物。又，亦可為將銅粒子表面用銀包覆之核殼粒子。本實施形態中，若包含卑金屬則粒子表面會生成難以去除之氧化被膜而妨礙燒結，故銅粒子中貴金屬的比例較佳為80原子%以上，更佳為90原子%以上，進一步較佳為95原子%以上。
作為銅粒子的形狀，可舉例如球狀、塊狀、針狀、 片狀。銅粒子之初級粒子的體積平均粒徑較佳為0.01μm以上且50μm以下，更佳為0.05μm以上且30μm以下，進一步較佳為0.1μm以上且10μm以下。
銅粒子亦可經過表面處理劑處理。但是表面處理劑較佳為可在固晶薄片的製作步驟中去除者。作為這樣的表面處理劑，可舉例如：棕櫚酸、硬脂酸、花生酸、對苯二甲酸、油酸等之脂肪族羧酸；苯均四酸、鄰-苯氧基安息香酸等之芳香族羧酸；十六醇、十八醇、異莰基環己醇、四甘醇等之脂肪族醇；對-苯基苯酚等之芳香族醇；辛胺、十二胺、十八胺等之烷基胺；十八腈、癸腈等之脂肪族腈；烷基烷氧基矽烷等之矽烷偶合劑；聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯啶酮、聚矽氧寡聚物等之高分子處理劑。
作為分散介質，較佳為具有揮發性，可舉例如：戊醇、己醇、庚醇、辛醇、癸醇、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丁二醇、α-萜品醇、莰基環己醇(MTPH)等之一價及多價醇類；乙二醇丁醚、乙二醇苯醚、二乙二醇甲醚、二乙二醇乙醚、二乙二醇丁醚、二乙二醇異丁醚、二乙二醇己醚、三乙二醇甲醚、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、二乙二醇二丁醚、二乙二醇丁基甲醚、二乙二醇異丙基甲醚、三乙二醇二甲醚、三乙二醇丁基甲醚、丙二醇丙醚、二丙二醇甲醚、二丙二醇乙醚、二丙二醇丙醚、二丙二醇丁醚、二丙二醇二甲醚、三丙二醇甲醚、三丙二醇二甲醚等之醚類；乙二醇乙醚乙酸酯、乙二醇丁醚乙酸酯、二乙二醇乙醚乙酸酯、二乙二醇丁醚乙酸酯、二丙二醇甲醚乙酸酯(DPMA)、乳酸乙酯、 乳酸丁酯、γ-丁內酯、碳酸丙烯酯等之酯類；N-甲基-2-吡咯啶酮、N，N-二甲基乙醯胺、N，N-二甲基甲醯胺等之酸醯胺；環己酮、辛烷、壬烷、癸烷、十一烷等之脂肪族碳氫化合物；苯、甲苯、二甲苯等之芳香族碳氫化合物；碳數1~18的具有烷基之硫醇類；碳數5~7的具有環烷基之硫醇類。作為碳數1~18的具有烷基之硫醇類，可舉例如：乙基硫醇、n-丙基硫醇、i-丙基硫醇、n-丁基硫醇、i-丁基硫醇、t-丁基硫醇、戊基硫醇、己基硫醇及十二烷基硫醇。作為碳數5~7的具有環烷基之硫醇類，可舉例如：環戊基硫醇、環己基硫醇及環庚基硫醇。分散介質的調配量，相對於銀粒子或銅粒子100質量份，較佳為5~50質量份。
與非金屬黏著的情況，上述組成物可含有玻璃成分作為助黏劑。含有玻璃成分的情況，由熱壓接時使其充分熔融、流動的觀點而言，較佳為具有350℃以下的軟化點之低熔點玻璃。本實施形態中上述組成物可調配低熔點玻璃粒子。
作為低熔點玻璃粒子，較佳為一種無鉛玻璃組成物，其含有10~60質量%的Ag2O(氧化銀(I))、5~65質量%的V2O5(五氧化二釩)、及15~50質量%的TeO2(二氧化碲)作為主要成份，且Ag2O、V2O5及TeO2之合計含量為75質量%以上。低熔點玻璃粒子可進一步包含：P2O5(五氧化二磷)、BaO(氧化鋇)、K2O(氧化鉀)、WO3(三氧化鎢)、MoO3(三氧化鉬)、Fe2O3(氧化鐵(III))、MnO2(二氧化錳)、Sb2O3(三氧化銻)及ZnO(氧化鋅)中的1種以上。
低熔點玻璃粒子之初級粒子的體積平均粒徑，較佳為0.01μm以上且50μm以下，更佳為0.05μm以上且30μm以下，進一步較佳為0.1μm以上且10μm以下。
低熔點玻璃粒子的調配量，由展現低熔點玻璃的黏著性的觀點而言，相對於組成物100質量份，較佳為1質量份以上且30質量份以下，更佳為2質量份以上且30質量份以下。低熔點玻璃粒子的調配量若在上述範圍內，則可容易得到藉由低熔點玻璃的提升黏著性的功效，同時抑制熱傳導性的降低和體積電阻率的上升，可充分確保作為固晶材料的特性。
又，低熔點玻璃粒子的調配量，較佳為設定成：上述的固晶薄片中，釩的含量以原子換算計成為0.06~13.6原子%，碲的含量以原子換算計成為0.12~7.8原子%。
上述組成物較佳為糊漿狀。糊漿狀組成物由塗佈、成型性之觀點而言，25℃中的卡森黏度(Casson viscosity)較佳為0.01Pa‧s以上且10Pa‧s以下，更佳為0.05Pa‧s以上且5Pa‧s以下。
糊漿狀組成物中，由提升粒子的分散性或燒結性及調整糊漿(paste)的黏度的觀點而言，可添加少量添加劑。
作為上述添加劑，可使用：棕櫚酸、硬脂酸、花生酸、對苯二甲酸、油酸、亞油酸等之脂肪族羧酸；亞磷酸二苯酯、亞磷酸二異丙酯等之亞磷酸；二羥基萘酸、二羥基安息香酸等之脂肪族羥基羧酸；3-羥基-2-甲基安息香酸等之芳香族羥基羧酸等。該等之中，由提升粒子的分散性或燒結性 及調整糊漿的黏度的觀點而言，較佳為硬脂酸。
添加劑的調配量，相對於金屬和玻璃粒子100質量份，較佳為0.1~5質量份。
又，為了調節糊漿狀組成物的黏度，較佳為不含有機物，特別是不含黏合劑樹脂。固晶薄片中若包含這樣的有機物或黏合劑樹脂，則藉由固晶薄片進行固晶時會有連接性或固晶後的耐熱性低劣的傾向。
作為將上述組成物成形為薄片狀之手法，只要是在成形基板上將粒子堆積成薄片狀之手法即可，做為這樣的手法，可使用噴墨印刷、超級噴墨印刷、網板印刷、轉印印刷、膠版印刷、噴射印刷法(jet printing method)、點膠器、噴射點膠器、針頭點膠器、逗號刮刀塗佈、狹縫塗佈、染料塗佈、凹版塗佈、狹縫塗佈、凸版印刷、凹版印刷、照相凹版印刷、模板印刷、軟微影、棒塗佈、塗藥器、粒子堆積法、噴霧器、旋轉塗佈、浸漬塗佈、電著塗裝等。
使粒子堆積成薄片狀之成形基板，由成形後的固晶薄片的平滑性的觀點而言，較佳為具有十點平均表面粗度為20μm以下的平坦面之板狀或薄片狀基板。又，由需要將經過加熱步驟形成的固晶薄片從基板脫模的必要性而言，較佳為成形基板的表面材質對於固晶薄片不具有黏著性者。進一步，成形基板的材質較佳為具有在燒結銀粒子或銅粒子之溫度不會變形的耐熱性。
作為這樣的成形基板的材質，可舉出聚四氟乙烯、聚醯亞胺、PEEK樹脂等。上述組成物不包含低熔點玻璃粒子 的情況，可使用銅、鎳、鋁、玻璃、氧化鋁、氮化矽、不鏽鋼。又，亦可使用將上述材質塗佈或含浸於具有耐熱性的基板或布料者作為成形基板使用。但是，將上述組成物於成形基板上形成薄片狀後，在加熱步驟前由成形基板轉印至其他加熱步驟用基板後來進行加熱步驟的情況，成形基板的材質並無限制，只要是對於固晶薄片不具有黏著性的加熱步驟用基板即可。
成形為薄片狀的糊漿狀組成物，由抑制燒結時的流動及發生空孔的觀點而言可使其適當乾燥。
上述乾燥方法可使用藉由常溫放置所導致的乾燥、加熱乾燥或減壓乾燥。加熱乾燥或減壓乾燥可使用加熱板、溫風乾燥機、溫風加熱爐、氮氣乾燥機、紅外線乾燥機、紅外線加熱爐、遠紅外線加熱爐、微波加熱裝置、雷射加熱裝置、電磁加熱裝置、加熱器加熱裝置、蒸氣加熱爐、熱板加壓裝置等。乾燥的溫度及時間，較佳為配合所使用的分散介質的種類及量來適當調整，例如較佳為在50~180℃乾燥1~120分鐘。
其次，對成形為薄片狀後的糊漿狀組成物，進行加熱處理來實行燒結。燒結可用加熱處理進行，亦可用加熱加壓處理進行。加熱處理可使用加熱板、溫風乾燥機、溫風加熱爐、氮氣乾燥機、紅外線乾燥機、紅外線加熱爐、遠紅外線加熱爐、微波加熱裝置、雷射加熱裝置、電磁加熱裝置、加熱器加熱裝置、蒸氣加熱爐等。又，加熱加壓處理可使用熱板加壓裝置、加熱輥壓等，亦可一邊施加重量來加壓一邊 進行上述加熱處理。
上述燒結的溫度和時間，只要是可燒結銀及/或銅粒子的溫度及時間即可，例如在200~300℃加熱5分鐘~2小時。
銅粒子的燒結，由去除表面氧化膜的觀點而言，可在還原氣氛燒結。作為還原氣氛，可舉出氫氣氣氛、含有甲酸之氮氣氣氛、原子狀氫氣氣氛。
藉由燒結得到的固晶薄片，可由成形基板上脫模，作為獨立薄片來得到。所得的固晶薄片可用於固晶步驟。脫模性差的情況，可將刀片狀的板插入所得的固晶薄片與成形基板之間來分離。
固晶薄片可在固晶步驟切斷成需要的尺寸。切斷可在由成形基板上脫模之前或之後進行。
像這樣製作而成的固晶薄片，根據從被黏體的金屬表面去除氧化被膜之目的，可含浸還原劑。作為還原劑，可舉出：間苯三酚、可溶酚醛樹脂等之苯酚化合物；亞磷酸二異丙酯、亞磷酸二苯酯等之亞磷酸；甲酸、甲酸乙酯等之甲酸化合物；二羥基萘酸、二羥基安息香酸等之脂肪族羥基羧酸；3-羥基-2-甲基安息香酸等之芳香族羥基羧酸；葡萄糖、蔗糖等之糖類；二甘油、二丙二醇、三乙二醇等之多元醇類；氯化錫(II)等之錫(II)化合物；草酸；乙醛酸。
固晶薄片的空孔率，可在固晶薄片製作時藉由壓力調整。作為壓力條件，較佳為0~5MPa。固晶薄片製作時的壓力若在上述範圍內，則包含於薄片中的空孔率為15體積% 以上，藉由薄片變形可對被黏體展現充分高的黏著力。另一方面，若比上述上限更高壓，則空孔率低於15體積%，在壓接時薄片難以變形，有在接合面與薄片之間產生空隙的傾向。這樣的空隙會成為局部熱阻增加、黏著力降低及由於熱應力而導致破壞的起點，使連接可靠性降低，故不佳。
固晶薄片的碳含量，可藉由適當選擇糊漿狀組成物調配的成分和燒結條件來調節。具體而言，糊漿狀組成物較佳為不含有黏合劑樹脂。又，糊漿狀組成物調配的分散介質，較佳為揮發性。作為使用揮發性的分散介質來調整糊漿狀組成物的黏度至上述較佳範圍內的方法，可舉例如：粒子濃度的調整、粒子形狀、特別是長寬比與粒徑的調整、使用如異冰片基環己醇之高黏度分散介質。
又，將固晶薄片的碳含量降低的觀點而言，銀粒子及/或銅粒子的表面處理劑，較佳為揮發性或熱分解性。
使用上述糊漿狀組成物，藉由在例如200~300℃進行燒結30分鐘~2小時，可將固晶薄片的碳含量調節至1.5質量%以下。
固晶薄片的厚度，可依照被黏體也就是半導體元件及半導體元件搭載用支撐構件的表面粗度及接合後的連接可靠性來適當設定。本發明的固晶薄片，藉由熱壓接，擠壓固晶薄片內的空孔來密接固晶薄片與被黏體表面，而形成金屬鍵。因此，固晶薄片的厚度必須為固晶薄片可壓縮變形而吸收半導體元件及半導體元件搭載用支撐構件的表面凹凸的厚度，較佳為10μm以上，更佳為20μm以上。又，半導體元 件不宜埋入固晶薄片中，故固晶薄片較佳為比半導體元件的厚度薄。一般而言，該厚度為600μm以下。
第1圖表示的半導體裝置100，是藉由將上述固晶薄片夾於半導體元件2與半導體元件搭載用支撐構件3之間，將該等加熱加壓來得到。
加熱加壓可藉由熱壓接裝置進行。作為熱壓接裝置，可使用熱板加壓裝置、加熱輥壓等，亦可一邊施加重量來加壓一邊進行加熱處理。
熱壓接時的溫度，由充分得到黏著力的觀點而言，較佳為220℃以上，更佳為250℃以上。熱壓接溫度的上限根據裝置的耐熱溫度來設定，可設為400℃以下，亦可設為350℃以下。
熱壓接時的壓力，由展現黏著性的觀點而言較佳為1MPa以上，更佳為5MPa以上，進一步較佳為7MPa以上，特佳為10MPa以上。不加壓的情況難以得到藉由薄片變形的固晶薄片與被黏體的密接性，有無法得到充分黏著力的傾向。另一方面，熱壓接壓力的上限值，由防止半導體元件及半導體元件搭載用支撐構件破損的觀點而言，較佳為35MPa以下，更佳為20MPa以下。
又，熱壓接後之接合體的晶粒抗剪強度(die shear stress)較佳為20MPa以上。特別是半導體元件和鍍銀之基板的晶粒抗剪強度，較佳為20MPa以上。
熱壓接時的氣氛，若是被黏面為非氧化性材質之被黏體與包含銀之固晶薄片的組合，較佳為在空氣中或惰性氣 體中實施。作為惰性氣體，較佳為不包含氧氣之氮氣或稀有氣體。
另一方面，被黏面存在氧化被膜且具有較容易被還原的金屬之被黏體與包含銅之固晶薄片的組合，可一邊在還原氣氛去除氧化被膜一邊實施熱壓接。作為這樣的還原氣氛，可舉出氫氣氣氛或包含甲酸之氮氣氣氛。此時，可使用熱線法(hot wire method)、RF電漿法或表面波電漿法將氫氣氣體活化來使用。又，亦可先將固晶薄片含浸還原劑，並在惰性氣體中進行熱壓接來取代還原氣氛。
以減少熱壓接時對於半導體元件及半導體元件搭載用支撐構件的損傷為目的，或以增加壓力或溫度的均勻性為目的，可在積層後的半導體元件或半導體元件搭載用支撐構件與熱板之間，配置保護薄片。保護薄片只要是能承受熱壓接時的溫度，且為比要接觸的被黏體更軟的材質即可。作為這樣的材質，例如有聚醯亞胺、氟化樹脂、鋁、銅、碳。
熱壓接後的固晶薄片的空孔率，材質為銀的情況，較佳設為10體積%以下，更佳設為8體積%以下，進一步較佳設為5體積%以下。另一方面，材質為銅的情況，較佳設為15體積%以下，更佳設為10體積%以下，進一步較佳設為6體積%以下。因銅比銀具有更高彈性模數，故即使空孔率比銀的固晶薄片大，亦可得到相等或更大的強度。藉由在半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件之間夾著固晶薄片，以成為如此的空孔率的方式來熱壓接，固晶薄片可藉由在壓接時空孔變形來追隨被黏體，展現充分高的黏著力，且可充分確 保固晶薄片的機械強度，並可確保對於熱衝撃或由於電力循環所導致的熱應力的可靠性。
熱壓接後的固晶薄片的空孔率，可根據由剖面的SEM(掃描式電子顯微鏡，scanning electron microscope)影像的空孔部與緻密部的面積比來算出的方法，進行測定。例如，可利用以下方法來測定。將壓接後的樣品利用環氧成型樹脂以將樣品全體埋入的方式注入並硬化。將成型後的樣品在欲觀察的剖面附近切斷，利用研磨來切削剖面，利用CP(cross section polisher，截面拋光機)加工機進行剖面加工。藉由SEM裝置(例如型號：TM-1000，日立High Technology股份有限公司製造)觀察剖面來得到圖像。包含於剖面中的空孔的比例，可藉由將圖像印刷並利用切取法作為重量比來算出的方法；藉由圖像處理軟體，選擇空孔部並計算點數，由與剖面部的點數的比來求出的方法；或對剖面部的圖像調整臨界值，將空孔部與緻密部白/黑二元化，由剖面部中所占有的空孔部的面積比來算出空孔率的方法等。作為圖像處理軟體，可舉出Adobe Photoshop系列(Adobe System股份有限公司製作)、PaintTool SAI系列(SYSTEMAX股份有限公司製作)、GIMP(the GIMP development team.製作)、Corel PrintShop Pro系列(Corel Corporation製作)、ImageJ(美國國立衛生研究院製作)等，但不限定於該等圖像處理軟體。
進一步，作為熱壓接時的條件，將熱壓接前的固晶薄片的空孔率設為V1體積%及將熱壓接後的固晶薄片的空孔率設為V2體積%時，較佳為使V2/V1成為0.37以下的條件， 更佳為成為0.31以下的條件，進一步較佳為成為0.19以下的條件。藉由在這樣的條件熱壓接，固晶薄片可藉由在壓接時空孔變形來追隨被黏體，展現充分高的黏著力，且可充分確保固晶薄片的機械強度，並可確保對於熱衝撃或由於電力循環所導致的熱應力的可靠性。
熱壓接後的固晶薄片的厚度，與熱壓接前比較，較佳為成為80%以下，更佳為成為76%以下，進一步較佳為成為64%以下。藉由使熱壓接後的固晶薄片的厚度成為上述範圍來黏著，固晶薄片可藉由在壓接時空孔變形來追隨被黏體，展現充分高之黏著力，且可充分確保固晶薄片的機械強度，並可確保對於熱衝撃或由於電力循環所導致的熱應力的可靠性。
熱壓接後的空孔率及/或厚度，可由熱壓接時的壓力來進行調整。這樣的壓力，在上述熱壓接時的壓力的範圍內，發明所屬技術領域中具有通常知識者可適當設定。
本實施形態的固晶薄片，亦可用於具有與第1圖表示的半導體裝置不同結構之半導體裝置的製造。例如，第2圖是表示本發明的半導體裝置的其他例的示意剖面圖，第2圖表示的半導體裝置102，具有將固晶薄片1夾於半導體元件搭載用支撐構件3與複數個半導體元件2a、2b之間，並將半導體元件搭載用支撐構件3與複數個半導體元件2a、2b接合而成之結構。又，第3圖是表示本發明的半導體裝置的其他例的示意剖面圖，第3圖表示的半導體裝置104，具有將複數個固晶薄片1a、1b夾於半導體元件2與半導體元件搭載用支 撐構件3之間，並將半導體元件2與半導體元件搭載用支撐構件3接合而成之結構。半導體裝置104中，可增加固晶層的厚度、或提升對於非平滑的被黏面的追隨性。
第4圖表示使用本實施形態的固晶薄片來製造之半導體裝置的一例的示意剖面圖。第4圖表示的半導體裝置106，由在導線架5a上隔著本實施形態的固晶薄片1來連接之半導體元件2、及將該等成形之成形樹脂7所構成。半導體元件2是經由引線6而與導線架5b連接。
使用本實施形態的固晶薄片而得到的半導體裝置，可舉出由二極體、整流器、閘流體、MOS閘極驅動器、電力開關、電力MOSFET、IGBT、蕭特基二極體(Schottky diode)、快速回復二極體等構成之電力模組；發射器；放大器；LED模組等。使用本實施形態的固晶薄片而得到之電力模組、發射器、放大器、LED模組，可在半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件之間具有高黏著性。
【實施例】
以下，舉出實施例來具體地說明本發明，但本發明並不限制於這些例子。
<糊漿狀組成物的調製>
糊漿狀組成物1~10，依照下述調製例1~10來調製。又，表1~3中，各成分的調配量以質量份表示。
表1~3中的各成分的記號代表下述意義。
AgC239：銀粒子(福田金屬箔粉工業公司製造，製品名稱「AgC239」，體積平均粒徑3.0μm)。
K-0082P：銀粒子(METALOR公司製造，製品名稱「K-0082P」，體積平均粒徑1.6μm)。
Silver Foil：銀箔(Alfa Aesar公司製造，製品名稱「Silver Foil 0.1mm thick hard Premion 99.998%，厚度100μm」
Cu-HWQ：銅粒子(福田金屬箔粉工業公司製造，製品名稱「Cu-HWQ」，體積平均粒徑1.5μm)。
NanoTek CUO：氧化銅粒子(CIK NanoTek公司製造，製品名稱「NanoTek CUO」，體積平均粒徑70μm)。
CH-002：球狀銅粒子(三井金屬公司製造，製品名稱「CH-002」，體積平均粒徑0.3μm)
氧化銅：(和光純藥工業公司製造，製品名稱「氧化銅(II)」)。
3L3：(福田金屬箔粉工業公司製造，製品名稱「3L3」、體積平均粒徑10μm片狀)
硬脂酸：(新日本理化公司製造，製品名稱「硬脂酸」)。
VP-1300：低熔點玻璃粒子(日立化成公司製造，製品名稱「Vaneetect III VP-1300」，體積平均粒徑1μm)。
MTPH：(日本萜工業公司製造，製品名稱「冰片基環己醇」)。
DPMA：(DAICEL化學公司製造，製品名稱「二丙二醇甲醚乙酸酯」)。
碳酸聚丙烯：(和光純藥工業公司製造，製品名稱「4-甲基-1,3-二氧戊環-2-酮」。
萜品醇：(和光純藥工業公司製造，製品名稱「α-萜品 醇」)。
聚醯胺酸：(Aldrich公司製造，製品名稱「Poly(pyromellitic dianhydride-co-oxydianiline)NMP solution」)。
(調製例1)
將作為分散介質之冰片基環己醇(MTPH，日本萜公司製造)6.83g及二丙二醇甲醚乙酸酯(DPMA，DAICEL化學公司製造)6.83g、作為添加劑之硬脂酸(新日本理化公司製造)1.35g，於塑膠瓶混合並栓緊，於50℃的水浴加溫，偶爾搖晃而作成透明均勻的溶液。在此溶液中添加作為銀粒子之AgC239 135g，利用刮勺攪拌至乾燥粉消失為止。進一步栓緊並使用自轉和公轉型攪拌裝置(Planetary Vacuum Mixer ARV-310，Thinky公司製造)，以2000rpm攪拌1分鐘而得到糊漿狀組成物1。
(調製例2)
將作為分散介質之碳酸丙烯酯3.2g、作為銅粒子之Cu-HWQ(福田金屬箔粉工業公司製造)14.28g及作為氧化銅粒子之NanoTek CUO(CIK NanoTek公司製造)2.52g，加入至塑膠瓶，利用刮勺攪拌至乾燥粉消失為止。之後，利用與調製例1相同的方法得到糊漿狀組成物2。
(調製例3~7)
將作為分散介質之萜品醇(和光純藥工業公司製造)1.37g、作為添加劑之硬脂酸(新日本理化公司製造)0.14g，於塑膠瓶混合並栓緊，於50℃的水浴加溫，偶爾搖晃而作成 透明均勻的溶液。在此溶液中以表2表示的比例添加作為低熔點玻璃粒子之Vaneetect III VP-1300(日立化成公司製造)及2種銀粒子(銀C239(福田金屬箔工業公司製造)、K-0082P(METALOR公司製造))，利用刮勺攪拌至乾燥粉消失為止。之後，利用與調製例1相同的方法得到糊漿狀組成物3~7。
(調製例8)
將作為分散介質之萜品醇10g、作為銅粒子之球狀銅粒子(CH-002，三井金屬公司製造)90g，於塑膠瓶混合，使用自動公轉型攪拌裝置以2000rpm攪拌2分鐘而得到糊漿狀組成物8。
(調製例9)
在二個二氧化鋯坩堝中同時放入二氧化鋯球(直徑10mm)10個和氧化銅(和光純藥工業公司製造)10g，在行星球磨(P7，Fritsch公司製造)的橫桿兩側設置二氧化鋯坩堝並以450rpm粉碎2小時。將粉碎後的氧化銅18g與二丙二醇單丁醚2g，於塑膠瓶混合並利用刮勺攪拌。將該混合物使用自動公轉型攪拌裝置以2000rpm攪拌1分鐘，得到糊漿狀組成物9。
(調製例10)
將作為分散介質之萜品醇4g、片狀銅粉(商品型號：3L3，福田金屬箔粉工業公司製造)18g，於塑膠瓶混合，使用自動公轉型攪拌裝置在減壓2kPa、2000rpm攪拌2分鐘，得到糊漿狀組成物10。
<固晶薄片的製作>
(實施例1)
在玻璃板上，使用間隙設為100μm之貝克式塗膜器(Baker applicator)(YBA5型，Yoshimitsu精機公司製造)，將糊漿狀組成物1塗佈成膜狀。將該玻璃板於加熱板上以10℃/min由室溫升溫至200℃後，在200℃放置1小時。將該玻璃基板回復室溫(25℃)後，藉由利用美工刀的刀刃插入玻璃與硬化膜之間將糊漿狀組成物1的硬化膜剝離，得到獨立膜。將該硬化膜切斷為14×14mm2的正方形作為固晶薄片。使用數位線性測量計(digital linear gauge)(DG-525H，小野測器公司製造)來測量玻璃基板厚度、與玻璃基板及固晶薄片的合計之厚度差作為固晶薄片的膜厚，結果為60μm。
對於所得到的固晶薄片，依照下述方法進行各種測定及分析。結果整理於表1及2。
〔碳含量測定〕
為了評價包含於固晶薄片中之有機物的量，利用感應加熱燃燒紅外線吸收法來測定碳含量。碳含量在檢測極限(10ppm)以下時，於表中用「-」表示。
〔所含有的元素分析〕
包含於固晶薄片中的元素比率，是藉由以下的發射光譜分析來定量。首先，在附有蓋子的塑膠容器中，秤量固晶薄片約0.1g至小數點以下4位。此處，添加硝酸(AA-100，多摩化學公司製造)4mL、過氧化氫(原子吸收光譜測定用，和光純藥製)3mL，進行30分鐘超音波處理來溶解固晶薄片。確認無殘渣或漂浮物後，移至100mL的定量瓶，將附有蓋子 的塑膠容器一邊潤洗一邊添加純水，稀釋至100mL。再依必要進一步適當稀釋作為測定溶液。藉由將測定溶液利用感應耦合電漿原子發射光譜分析分析裝置(SPS5100，日立High-Tech Science公司製造)進行測定，可得到所含有的元素及其比例。測定是利用以下條件進行。電漿輸出：1.2kW、測定波長：釩：292.401nm、碲：214.282nm、鎢：207.912nm、銀：328.068nm。
〔晶粒抗剪強度的測定〕
在具有鍍銀之氧化鋁DCB基板上設置14×14mm2的固晶薄片，在固晶薄片上排列放置16片2×2mm2之被黏面為鍍金之矽晶片，該矽晶片依序鍍有鈦、鎳及金，在矽晶片上放置膨脹石墨薄片，於此狀態下使用加熱壓接裝置(Tester產業公司製造)於空氣中以10MPa、300℃的條件處理10分鐘來接合。固晶薄片的黏著強度是由晶粒抗剪強度來評價。使用裝有DS-100荷重單元之萬能型接合測試器(bond tester)(4000系列，DAGE公司製造)，以測定速度5mm/min、測定高度50μm，來將被黏面為鍍金之矽晶片往水平方向推，測定固晶薄片的晶粒抗剪強度。將測定15枚矽晶片之值的平均值作為晶粒抗剪強度。
晶粒抗剪強度的測定，是準備銀、銅、鎳、鋁或SiO2作為基板材料，基板材料為銀時為空氣氣氛下或氮氣氣氛下；SiO2、鋁時為氮氣氣氛下；銅、鎳時為含有甲酸之氮氣氣氛下，依照〔晶粒抗剪強度的測定〕中記載的方法，使用氣氛控制加熱壓接裝置(型號：RF-100B，Ayumi工業公司製 造)來進行熱壓接，測定晶粒抗剪強度。結果，實施例1的固晶薄片對於銀、銅、鎳，展現測定極限也就是50MPa以上之晶粒抗剪強度，具有充分的黏著強度。
(實施例2~8)
除了將實施例1的固晶薄片藉由加熱壓接裝置的壓接條件變更為表1所表示的條件以外，依照〔晶粒抗剪強度的測定〕中記載的方法來測定晶粒抗剪強度。結果，作為加熱壓接條件，只要溫度為250℃以上、壓力為1MPa以上、時間為90秒以上，則晶粒抗剪強度為10MPa以上，確認可得到充分的黏著強度。
(實施例9)
在玻璃板上，使用間隙設為100μm之貝克式塗膜器(YBA5型，Yoshimitsu精機公司製造)，將糊漿狀組成物2塗佈成膜狀。將該玻璃板，利用甲酸迴焊裝置「SR-300-2」(Ayumi工業公司製造)，藉由在包含甲酸之氮氣中(甲酸含量，以30℃時的飽和量計為10質量%)，於300℃加熱1小時進行燒結後，在氮氣中於300℃靜置10分鐘，之後在氮氣中冷卻至50℃以下後取出至空氣中。藉由利用美工刀的刀刃插入玻璃與硬化膜之間將糊漿狀組成物2的硬化膜剝離，得到獨立膜。將該硬化膜切斷為14×14mm2的正方形作為固晶薄片。使用數位線性測量計(DG-525H，小野測器公司製造)來測量玻璃基板厚度、與玻璃基板及固晶薄片的合計之厚度差，作為固晶薄片的膜厚，結果為70μm。使用該固晶薄片與實施例1同樣地進行各種測定及分析。
對該固晶薄片的晶粒抗剪強度試驗片，除了使用鍍銀氧化鋁DCB(Direct Copper Bond)基板及銅板之2種來作為基板，並使用氣氛控制加熱壓接裝置(型號：RF-100B，Ayumi工業公司製造)在含有甲酸之氮氣氣氛中進行壓接以外，依照〔晶粒抗剪強度的測定〕中記載的方法進行製作，並測定晶粒抗剪強度。結果，實施例9的固晶薄片的晶粒抗剪強度，對於鍍銀氧化鋁DCB基板為20MPa，對於銅板為22MPa，皆展現充分的黏著強度。
(實施例10~14)
除了在以聚醯亞胺帶固定於玻璃基板上之聚四氟乙烯(PTFE)含浸玻璃布上，塗佈糊漿狀組成物3~7以外，與實施例1同樣地製作固晶薄片。使用該固晶薄片與實施例1同樣地進行各種測定及分析。
使用由糊漿狀組成物3~7製作而成的固晶薄片，準備銀、銅、鎳、鋁或SiO2作為基板材料，基板材料為銀、SiO2、鋁時為在氮氣氣氛下；基板材料為銅、鎳時為在含有甲酸之氮氣氣氛下，依照〔晶粒抗剪強度的測定〕中記載的方法，使用氣氛控制加熱壓接裝置(型號：RF-100B，Ayumi工業公司製造)來進行熱壓接，測定晶粒抗剪強度。將結果表示於表2。於添加有低熔點玻璃粒子之實施例12的固晶薄片，得到對於銀、銅、鎳、鋁、SiO2之黏著性。
(實施例15)
在鋁板上，利用聚醯亞胺帶來固定鐵氟龍(登錄商標)含浸玻璃布薄片，在該玻璃布薄片上使用間隙設為150μm之 貝克式塗膜器將糊漿狀組成物8塗佈成膜狀。將該鋁板導入至甲酸迴焊裝置，減壓並放置10分鐘。之後，將鋁板於含有甲酸之氮氣氣氛下，以壓力0.09MPa進行加熱，在達到385℃的狀態下處理1小時。之後，將其於385℃進行減壓並放置10分鐘後，利用氮氣回復至常壓，連同載具托架(carrier tray)移動至前室的冷卻板上冷卻至30℃後，取出至空氣中。藉由利用美工刀的刀刃插入玻璃與硬化膜之間將糊漿狀組成物8的硬化膜剝離，得到獨立膜。將該獨立膜切斷為14×14mm2的正方形來作為固晶薄片。
在銅板(19×25mm2，厚度3mm)上，放置由糊漿狀組成物8製作而成的固晶薄片，在固晶薄片上將銅晶片(2×2mm2)4個一列排成4列，在銅晶片上依序疊合氧化鋁板(14×14mm2，厚度1mm)、膨脹石墨薄片(14×14mm2，厚度0.5mm)。藉由氣氛控制加熱壓接裝置(RF-100B，Ayumi工業公司製造)，將其於含有甲酸之氮氣氣氛中以30MPa、385℃的條件處理60分鐘，之後在氮氣中，以無加壓、300℃的條件處理10分鐘來接合。
除了使用該接合體以外，依照〔晶粒抗剪強度的測定〕中記載的方法來測定晶粒抗剪強度。結果，實施例15的固晶薄片在50MPa左右時銅晶片損壞而並非固晶層損壞，故判斷晶粒抗剪強度為50MPa以上。
(實施例16)
在厚度300μm的鐵氟龍(登錄商標)薄片上設置20×20mm2的開口來作為遮罩。將該遮罩重疊於石英玻璃板上後 將糊漿狀組成物9塗佈於遮罩開口部，利用金屬刮漿板抹平後去除遮罩。將該玻璃板於110℃的加熱板上乾燥10分鐘後，設置於加熱管(ALL VACUUM CREATE公司製造)。之後，將玻璃板於氫氣氣氛下以350℃處理1小時後，通入氮氣冷卻至室溫左右時，取出至空氣中。藉由利用美工刀的刀刃插入玻璃與硬化膜之間將糊漿狀組成物9的硬化膜剝離，得到獨立膜。將該獨立膜切斷為14×14mm2的正方形來作為固晶薄片。
除了使用由糊漿狀組成物9製作而成的固晶薄片以外，利用與實施例15同樣的方法來測定晶粒抗剪強度。結果，由糊漿狀組成物9製作而成的固晶薄片，得到50MPa以上之晶粒抗剪強度。
(實施例17)
在厚度300μm的鐵氟龍(登錄商標)薄片上設置20×20mm2之開口作為遮罩。將該遮罩重疊於石英玻璃板上(27×35mm2)後塗佈糊漿狀組成物10，用金屬刮漿板抹平後去除遮罩。將該石英玻璃板導入至甲酸迴焊裝置，減壓並放置10分鐘。之後，將石英玻璃板於含有甲酸之氮氣氣氛下，以壓力0.09MPa加熱，在達到385℃之狀態處理1小時。之後，將其於385℃減壓並放置10分鐘後，於氮氣回復至常壓，連同載具托架移動至前室的冷卻板上冷卻至30℃後，取出至空氣中。藉由利用美工刀的刀刃插入玻璃與硬化膜之間將糊漿狀組成物10的硬化膜剝離，得到獨立膜。將該獨立膜切斷為14×14mm2的正方形來作為固晶薄片。
除了使用由糊漿狀組成物10製作而成的固晶薄片以外，利用與實施例15同樣的方法測定晶粒抗剪強度。結果，由糊漿狀組成物10製作而成的固晶薄片，得到50MPa以上的晶粒抗剪強度。
(比較例1)
將厚度100μm的銀箔(Silver Foil，0.1mm thick，hard，99.998%，PREMION，Alfa Aesar公司製造)切斷為14×14mm2的正方形來作為固晶薄片使用。使用該固晶薄片，與實施例1同樣地進行各種測定及分析。結果，比較例1的固晶薄片的晶粒抗剪強度為較低的8MPa，為黏著不良。
(比較例2)
在實施例1的固晶薄片，以不由表面溢出的程度來含浸利用N-甲基吡咯啶酮稀釋至5質量%之聚醯胺酸(製品編號575801，Aldrich公司製造)溶液。之後，將多餘的聚醯胺酸溶液用BEMCOT(登錄商標，旭化成纖維股份有限公司)擦去後，在鋪有聚四氟乙烯薄片且加熱至100℃的加熱板上乾燥。重複聚醯胺酸溶液的含浸及乾燥，來製造固晶薄片，該固晶薄片於乾燥狀態的重量增加為1.03質量%(聚醯胺酸含量2.8質量%)。使用該固晶薄片，與實施例1同樣地進行各種測定及分析。結果，比較例2的固晶薄片的晶粒抗剪強度為較低的2MPa，為黏著不良。
[表1]
[表2]
[表3]
<剖面形態的觀察>
將以固晶薄片接合矽晶片和基板而成之樣品，於杯中利用樣品夾(Samplklip I，Buehler公司製造)固定，並於周圍灌入環氧成型樹脂(商品名稱：Epomount，Refinetec公司製造)使樣品全體埋入，於真空乾燥器內靜置，減壓1分鐘間來脫泡。之後，於室溫下(25℃)放置10小時後，利用60℃的恆溫機，以2小時來將環氧成型樹脂硬化。利用裝有鑽石切割輪(型號：11-304，Refinetec公司製造)之Refine Saw Low(Refinetec公司製造)，於模鑄而成的樣品上，將欲觀察的剖面附近切斷。利用裝有耐水研磨紙(商品名稱：Carb Mac paper，Refinetec公司製造)之研磨裝置(Refine Polisher HV，Refinetec公司製造)來研磨剖面，作出於矽晶片上無裂痕的剖面。之後，利用裝有沾過拋光研磨劑的拋光研磨布之研磨裝置來將剖面精加工成平滑狀。使用離子研磨裝置(IM4000，日立製作所公司製造)以離子束照射角度30°、離心率2mm、加速電壓6kV、氬氣流量0.07~0.1cm3/min、處理時間5分鐘的條件，將剖面進行平面研磨(flat milling)，並在剖面使用濺鍍裝置(商品名稱：ION SPUTTER，日立High Tech公司製造)將白金濺鍍10nm的厚度來作成SEM用的樣品。將該SEM用樣品藉由SEM裝置(型號：ESEM XL30，Philips公司製造)，外加電壓10Kv，並以各種倍率來觀察固晶薄片的剖面。
將實施例1的固晶薄片依照上述方法來觀察加工剖面，並觀察接合前的剖面形態。第5圖是將實施例1的接合前的固晶薄片8a的剖面形態以1000倍觀察的結果，所得到的SEM影像。
在鍍銀氧化鋁DCB基板10上，設置14×14mm2的固晶薄片，在固晶薄片上放置12.5×12.5mm2的被黏面為鍍金之矽晶片，該矽晶片依序鍍有鈦、鎳及金，進一步在矽晶片上設置13×13mm2的膨脹石墨薄片，於此狀態下使用氣氛控制加熱壓接裝置(型號：RF-100B，Ayumi工業公司製造)，於空氣中，以10MPa、300℃的條件處理10分鐘來得到接合樣品1。
將接合樣品1依照<剖面形態的觀察>中記載的方 法來觀察加工剖面。將實施例1的固晶薄片8b中的黏著層的剖面形態，以1000倍觀察的結果，得到第6圖的SEM影像，以5000倍觀察的結果，得到第7圖的SEM影像。第6圖中，符號8b表示固晶薄片，符號9表示矽晶片。
如第6圖和第7圖所示，實施例1的固晶薄片8b一邊藉由加熱壓接而擠壓內部的空孔，一邊由55μm被壓縮至44μm的厚度，伴隨著此變形，實施例1的固晶薄片8b毫無空隙地追隨被黏面也就是基板上的鍍銀層11。進一步，如第6圖及第7圖所示，實施例1的固晶薄片8b與被黏面也就是鍍銀層11形成金屬鍵來接合。
其次，除了使用銅板作為基板，使用實施例2的固晶薄片作為固晶薄片，藉由氣氛控制加熱壓接裝置(型號：RF-100B，Ayumi工業公司製造)，在含有甲酸之氮氣氣氛中進行壓接以外，與<剖面形態的觀察>中記載的方法同樣地進行而得到接合樣品2。
將接合樣品2依照<剖面形態的觀察>中記載的方法來觀察加工剖面。將由實施例2的固晶薄片所產生的黏著層的剖面形態，以200倍觀察的結果，得到第8圖的SEM影像，以20000倍觀察的結果，得到第9圖的SEM影像。
如第8圖所示，與實施例1的固晶薄片8b同樣地，實施例2的固晶薄片12一邊藉由加熱壓接而擠壓內部的空孔，一邊由150μm壓縮至54μm的厚度，伴隨著此變形，實施例2的固晶薄片12毫無空隙地追隨被黏面也就是銅板13。進一步，如第9圖所示，實施例2的固晶薄片12與被黏 面也就是銅板13無邊界地接合，並藉由金屬鍵來鍵結。
又，第10圖和第11圖，是被黏體為表面氧化矽基板(被黏面：SiO2)15及鋁基板(被黏面：Al)16時，使用實施例13的固晶薄片14來製造與實施例1同樣的接合樣品3及4，將該等接合樣品依照<剖面形態的觀察>中記載的方法來觀察剖面的結果所得到的SEM影像。第10圖和第11圖，與實施例1的固晶薄片8b之接合樣品中的SEM影像也就是第6圖及第7圖比較，包含玻璃成分之實施例13的固晶薄片14，空孔減少且緻密性提升。推測此係因在壓接時低熔點玻璃會熔融、流動而填補空孔。
進一步，除了使用比較例1的由銀箔所構成的固晶薄片來作為固晶薄片以外，利用與實施例1的固晶薄片的觀察同樣的方法來得到接合樣品5。
將接合樣品5依照<剖面形態的觀察>中記載的方法來觀察加工剖面的剖面形態。第12圖是將接合樣品5的剖面形態以5000倍觀察的結果所得到的SEM影像。剖面觀察的結果，銀箔17與被黏面的鍍銀層11之間可看見空隙。推測係因被黏面積較小故黏著不良。
根據實施例1的固晶薄片，可知如第6圖所示，藉由在壓接時一邊擠壓薄片內的空孔一邊變形，使薄片追隨被黏體，可得到良好的密接性。另一方面，使用緻密的銀箔17的情況，銀箔於壓接時無法大幅變形。銀箔與被黏體之間產生空隙而無法得到黏著力。
(實施例18、19及比較例3)
(固晶薄片的製作)
在厚度50μm的聚醯亞胺薄片上，將設置有20×20mm2的正方形開口之厚度125μm的PET薄膜作為遮罩，利用金屬刮漿板塗佈糊漿狀組成物1。將塗佈有該糊漿狀組成物1之聚醯亞胺薄片設置於加熱板上，以於110℃乾燥10分鐘及於180℃乾燥10分鐘後，將另一枚聚醯亞胺薄片覆蓋於已乾燥的糊漿狀組成物上，使用加熱壓接裝置，以表4所記載的壓力條件，於300℃硬化10分鐘。將硬化後的糊漿狀組成物由聚醯亞胺薄片剝離，切斷為10×10mm2的正方形，作為實施例18、19及比較例3的固晶薄片。
〔空孔觀察〕
空孔率的測定是用以下方法進行。將固晶薄片切出長方形，利用量具來測量固晶薄片的縱向和橫向的長度，並利用膜厚計(ID-C112C，Granite Comparator Stand，Release、Mitsutoyo公司製造)來測定厚度，藉以計算薄片的體積。由切出的固晶薄片的體積及以精密天秤測定的固晶薄片的重量，求出固晶薄片的視密度M1(g/cm3)。使用所求出的M1、構成固晶薄片之材料的密度M2(g/cm3)，由下述式(4)求出空孔率。
空孔率(體積%)=[1-(M1)/(M2)]×100…(4)
因實施例1、18、19及比較例3的固晶薄片是使用由銀構成之糊漿狀組成物1，故上述式(4)的M2使用銀的密度10.5g/cm3來求出空孔率(體積%)。因實施例9的固晶薄片是使用由銅構成之糊漿狀組成物2，故上述式(4)的M2 使用銅的密度8.96g/cm3來求出空孔率(體積%)。
關於包含低熔點玻璃(密度5.5g/cm3)之實施例10~14，先使用下述式(5)來算出構成固晶薄片之材料的密度M2，然後代入式(4)的M2來求出空孔率。
M2(g/cm3)=1/{[(B/100)/5.5]+[(1-B/100)/10.5]}…(5)
〔B：低熔點玻璃的含量(質量%)〕
在熱壓接後的固晶薄片的空孔率測定，是利用以下方法來進行。將接合樣品依照<剖面形態的觀察>中記載的方法，得到熱壓接後的固晶薄片的5000倍剖面影像資料。啟動ImageJ，打開剖面影像資料，僅拖曳選擇熱壓接後的固晶薄片，選擇Image→Crop來切出圖像。對於切出的熱壓接後的固晶薄片的資料，按下Analyze→Measure，計算圖像全體的面積(A1)。其次，依序選擇Image→Adjust→Threshold，以僅選擇空孔部的方式調整參數，進行二值化處理。按下Edit→Selection→Create Selection，確認空孔部被選擇，按下Analyze→Measure來計算空孔部的面積(A2)。熱壓接後的空孔率，由下述式(6)求出。
熱壓接後的空孔率(體積%)={(A2)/(A1)}×100…(6)
在鍍銀銅板(20×20mm2，厚度2mm)18上，放置10×10mm2的實施例18、19及比較例3的固晶薄片，在該固晶薄片上放置5×5mm2的被黏面為鍍金之矽晶片，該矽晶片依序鍍有鈦、鎳及金，進一步在該矽晶片上放置6×6mm2的膨脹石墨薄片，於此狀態使用氣氛控制加熱壓接裝置(Ayumi工業公司製造)，於空氣中以10MPa、300℃的條件處理10分 鐘來得到接合樣品6~8。
將接合樣品6~8的剖面觀察，依照<剖面形態的觀察>中記載的方法進行至模鑄、研磨後，利用研磨裝置磨削多餘部分使模鑄樣品的外形可納入寬20mm×深12mm×厚7mm的範圍內，將矽晶片側的成型樹脂磨削至矽晶片的邊緣。之後，利用離子研磨裝置並以截面拋光模式，使用加速電壓6kV、氬氣流量0.07~0.1cm3/min、處理時間90分鐘的條件來切削由遮罩突出的端部，露出固晶層的剖面。濺鍍裝置步驟以後，依照<剖面形態的觀察>中記載的方法來進行SEM觀察。
第13圖是表示使用實施例19的固晶薄片8c之固晶層的SEM影像，該固晶薄片8c是利用5Mpa的加壓條件製作而成，第14圖是表示使用比較例3的固晶薄片8d之固晶層的SEM影像，該固晶薄片8d是利用10Mpa的加壓條件製作而成。使用實施例18及19的固晶薄片的情況，固晶薄片與被黏體之間無空隙地密接，但使用比較例3的固晶薄片的情況，如第14圖所示，與被黏面也就是鍍銀層19之間產生部分空隙。推測此係因固晶薄片中的空孔率太低，在壓接時固晶薄片難以變形，結果無法完全吸收膜厚偏差或基板的凹凸而殘留空隙。這樣的空隙會成為局部熱阻增加、黏著力降低及由於熱應力所導致的破壞的起點，使連接可靠性降低故不佳。
在銅板(19×25mm2、厚度3mm)上，放置實施例15的固晶薄片，在該固晶薄片上放置鍍金矽晶片(3×3mm2)， 並依序重疊氧化鋁板(4×4mm2，厚度1mm)、膨脹石墨薄片(4×4mm2，厚度0.5mm)。將此藉由氣氛控制加熱壓接裝置以含有甲酸之氮氣氣氛利用30MPa、385℃的條件處理60分鐘，之後在氮氣中，以無加壓、300℃的條件處理10分鐘來接合，得到接合樣品9。將熱壓接前的實施例15的固晶薄片與接合樣品9，依照<剖面形態的觀察>中記載的方法來觀察加工剖面。將熱壓接前的實施例15的固晶薄片20的剖面形態以3000倍觀察後的結果，得到第15圖的SEM影像，將接合樣品9的固晶薄片21的加工剖面以3000倍觀察後的結果，得到第16圖的SEM影像。由第15圖及16可知，於熱壓接前，在固晶薄片20中發現的空孔，藉由熱壓接而減少。
將實施例1、18、19及比較例3的固晶薄片的晶粒抗剪強度，利用〔晶粒抗剪強度的測定〕中記載的方法進行測定。除了實施例9、15~17的固晶薄片的晶粒抗剪強度是在含有甲酸之氮氣氣氛下測定，實施例10~14的固晶薄片的晶粒抗剪強度是在氮氣氣氛下測定以外，利用〔晶粒抗剪強度的測定〕中記載的方法進行測定。將結果表示於表4。
[表4]
<連接可靠性試驗>
(使用銀糊漿之連接可靠性試驗樣品的製作)
將異冰片基環己醇(製品名稱：Terusolve MTPH，日本萜公司製造)5.5質量份與硬脂酸丁酯(和光純藥工業公司製造)5.5質量份於塑膠瓶中混合並栓緊，利用50℃的水浴進行加溫，偶爾搖晃而作成透明均勻的溶液。在此溶液中添加鱗片狀銀粒子(AgC239，福田金屬箔粉工業公司製造)89質量份，利用刮勺攪拌至乾燥粉消失為止。進一步將塑膠瓶栓緊並使用自轉和公轉型攪拌裝置(Planetary Vacuum Mixer ARV-310，Thinky公司製造)，以2000rpm攪拌1分鐘而得到銀糊漿。
在基板(鍍銀銅板19×25mm2，厚度3mm)上重疊具有5×9mm2的開口之金屬遮罩，使用金屬刮漿板來印刷銀糊漿。將印刷有銀糊漿之基板，使用無塵烘箱(型號：PVHC-210，TABAIESPEC公司製造)於180℃乾燥20分鐘。在銀糊漿上依序重疊4×8mm2的被黏面為鍍金之矽晶片、氧化鋁板(5×9mm2，厚度1mm)、膨脹石墨薄片(5×9mm2，厚度0.5mm)，該矽晶片依序鍍有鈦、鎳及金，使用加熱壓接裝置於空氣中以10MPa、300℃地條件處理10分鐘來接合。將底漆(商品名稱：HIMAL，日立化成公司製造)塗佈在該接合體上，並利用密封材料(商品名稱：CEL-420，日立化成公司製造)加以密封，製作一種使用銀糊漿之連接可靠性試驗樣品1。
(銀固晶薄片連接可靠性試驗樣品的製作)
銀固晶薄片是將實施例1所製造的樣品切斷為5×9mm2來使用。在基板(鍍銀銅板19×25mm2，厚度3mm)上，依序重疊銀固晶薄片、4×8mm2的被黏面為鍍金之矽晶片、氧化鋁板、膨脹石墨薄片，該矽晶片依序鍍有鈦、鎳及金，使用加熱壓接裝置，於空氣中以10MPa、300℃的條件處理10分鐘來接合。將底漆塗佈在該接合體上，並利用密封材料加以密封，製作一種使用銀固晶薄片之連接可靠性試驗樣品2。
(銅固晶薄片連接可靠性試驗樣品的製作)
銅固晶薄片是將實施例9所製造的樣品切斷為5×9mm2來使用。在基板(銅板19×25mm2，厚度3mm)上，依序重疊銅固晶薄片、4×8mm2的被黏面為鍍金之矽晶片、氧化鋁板、膨脹石墨薄片，該矽晶片依序鍍有鈦、鎳及金，藉由氣氛控制加熱壓接裝置(型號：RF-100B，Ayumi工業公司製造)於含有甲酸之氮氣氣氛以10MPa、300℃的條件處理10分鐘，之後於氮氣中以無加壓、300℃的條件處理10分鐘來接合。將底漆塗佈在該接合體上，並利用密封材料加以密封，製作一種使用銅固晶薄片之連接可靠性試驗樣品3。
(連接可靠性試驗)
連接可靠性試驗是使用冷熱衝撃試驗裝置(型號：TSA-72ES-W，TABAIESPEC公司製造)，設定低溫側-40℃，高溫側200℃，1次循環為30分鐘來進行。試驗樣品的連接可靠性是使用超音波斷層掃描(型號：InSight-300，Insight公司製造)，根據連接可靠性試驗200次循環後的固晶層剝離之面積比例來進行評價。結果，使用試驗樣品1(銀糊漿) 之情況發現20面積%之剝離，使用試驗樣品2(銀固晶薄片)之情況發現20面積%之剝離，使用試驗樣品3(銅固晶薄片)之情況發現0面積%之剝離。由以上結果可知，銀固晶薄片具有與銀糊漿相同的連接可靠性，銅固晶薄片的連接可靠性比銀糊漿及銀固晶薄片更優異。

Claims (5)

  1. 一種半導體裝置的製造方法，其特徵在於：將多孔質薄片夾於半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件之間，並藉由將該等加熱加壓而使前述半導體元件與前述半導體元件搭載用支撐構件接合；其中，該多孔質薄片的空孔率為15~50體積%，並包含銀及/或銅，且碳含量為1.5質量%以下。
  2. 一種固晶薄片，其特徵在於：是由多孔質薄片所構成，該多孔質薄片的空孔率為15~50體積%，並包含銀及/或銅，且碳含量為1.5質量%以下。
  3. 如請求項2所述之固晶薄片，其中，包含：以原子換算計為0.06~13.6原子%的釩、及以原子換算計為0.12~7.8原子%的碲。
  4. 如請求項2或3所述之固晶薄片，其中，前述多孔質薄片，是將包含銀粒子及/或銅粒子與分散介質之組成物形成為薄片狀並加熱來得到。
  5. 一種半導體裝置，其特徵在於：具有將如請求項2~4中任一項所述之固晶薄片夾於半導體元件與半導體元件搭載用支撐構件之間，並將前述半導體元件與前述半導體元件搭載用支撐構件接合而成之結構。
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