WO2020194592A1 - Bonding structure, semiconductor device using same, and method for producing semiconductor device - Google Patents

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    • H01L21/52Mounting semiconductor bodies in containers

Abstract

The present invention is a bonding structure which is used in a semiconductor device, and which is characterized by containing Cu particles, a compound that contains a noble metal, Cu and Su, a compound that contains a noble metal and Sn, and a compound that contains Sn and an organic component. In addition, a semiconductor device which comprises a semiconductor element and a substrate, and which is characterized in that the semiconductor element and the substrate are bonded with each other by means of this bonding structure. The present invention is able to provide: a bonding structure which has improved heat resistance and is not susceptible to decrease in the bonding strength even under heat cycles, thereby having excellent bonding reliability; a semiconductor device which uses this bonding structure; and a method for producing a semiconductor device.

Description

接合構造体およびこれを用いた半導体装置ならびに半導体装置の製造方法A bonded structure, a semiconductor device using the bonded structure, and a method for manufacturing the semiconductor device.
 この発明は、電子機器等に用いられる接合構造体およびこれを用いた半導体装置ならびに半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a bonded structure used in an electronic device or the like, a semiconductor device using the bonded structure, and a method for manufacturing the semiconductor device.
 近年、基板上に半導体素子が搭載された半導体装置における信頼性の要求が増大しており、特に、熱膨張係数差の大きい半導体素子と基板との間を接合する接合構造体に対する信頼性(以下、「接合信頼性」という。)の向上が強く要求されている。 In recent years, the demand for reliability in a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on a substrate has been increasing, and in particular, reliability of a bonded structure for joining a semiconductor element having a large difference in coefficient of thermal expansion and the substrate (hereinafter referred to as “reliability”). , "Joining reliability") is strongly required to be improved.
 半導体素子としては、従来、動作温度が100℃~125℃であるシリコン(Si)及びガリウム砒素(GaAs)が一般に用いられてきた。Siが半導体素子として用いられる場合、半導体素子と基板とを接合する接合構造体の接合材料には、Sn-38Pb(質量%)、Pb-5Sn(質量%)に代表される鉛(Pb)含有半田や、Sn-3Ag-0.5Cu(質量%)、Sn-9Zn(質量%)、Sn-0.7Cu(質量%)に代表される鉛フリーの(すなわち、鉛を含有しない)スズ(Sn)系半田等が主に用いられてきた。また、GaAsが半導体素子として用いられる場合、接合材料には、80Au-20Sn(質量%)、Sn-10Au(質量%)に代表される金(Au)含有半田等が主に用いられてきた。しかしながら、有害なPbを含有するPb含有半田には、環境負荷が増大するという問題があり、また、Au含有半田には、貴金属の高騰及び埋蔵量の観点から、コストが増大するという問題があった。そのため、従来の接合材料としては、PbフリーのSn系半田が、環境負荷及びコストの観点から有利であった。 Conventionally, silicon (Si) and gallium arsenide (GaAs) having an operating temperature of 100 ° C. to 125 ° C. have been generally used as the semiconductor element. When Si is used as a semiconductor element, the bonding material of the bonding structure for bonding the semiconductor element and the substrate contains lead (Pb) typified by Sn-38Pb (mass%) and Pb-5Sn (mass%). Solder and lead-free (that is, lead-free) tin (Sn) typified by Sn-3Ag-0.5Cu (mass%), Sn-9Zn (mass%), Sn-0.7Cu (mass%) ) System solder etc. have been mainly used. When GaAs is used as a semiconductor element, gold (Au) -containing solder typified by 80Au-20Sn (mass%) and Sn-10Au (mass%) has been mainly used as the bonding material. However, the Pb-containing solder containing harmful Pb has a problem that the environmental load increases, and the Au-containing solder has a problem that the cost increases from the viewpoint of the soaring price of precious metals and the reserves. It was. Therefore, as a conventional bonding material, Pb-free Sn-based solder is advantageous from the viewpoint of environmental load and cost.
 近年、省エネルギーの観点から、次世代デバイスとして、シリコンカーバイド(SiC)及び窒化ガリウム(GaN)を半導体素子に用いた半導体装置の開発が盛んになされている。この半導体装置に用いられる接合材料としても、PbフリーのSn系半田が、環境負荷及びコストの観点から候補となり得る。 In recent years, from the viewpoint of energy saving, semiconductor devices using silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) as semiconductor elements have been actively developed as next-generation devices. As a bonding material used in this semiconductor device, Pb-free Sn-based solder can be a candidate from the viewpoint of environmental load and cost.
 このようなPbフリーのSn系半田を用いた接合構造体として、例えば特許文献1では、複数のSn系はんだボールと、ニッケル(Ni)/金(Au)層で覆われた複数の金属ボールとを含む接合材料を用いている。 As a bonded structure using such Pb-free Sn-based solder, for example, in Patent Document 1, a plurality of Sn-based solder balls and a plurality of metal balls covered with a nickel (Ni) / gold (Au) layer are used. A bonding material containing is used.
 また、特許文献2の接合構造体では、銅(Cu)等の金属ボールとSn系はんだボールとを含む接合材料を用いている。 Further, in the bonding structure of Patent Document 2, a bonding material containing a metal ball such as copper (Cu) and a Sn-based solder ball is used.
特開2007-273982号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-273982 特開2004-247742号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-247742
 特許文献1及び2に示されている従来の半導体装置の接合構造体では、CuやNiに代表される金属とSnとの拡散反応により、高融点の金属間化合物を形成しているが、拡散反応の過程で、低融点でかつ強度の弱いSnが残存するため、十分な耐熱性が得られず、ヒートサイクル試験(175℃での接合信頼性試験)においてクラックが生じて、接合信頼性を確保する事が困難である。 In the joint structure of the conventional semiconductor device shown in Patent Documents 1 and 2, an intermetallic compound having a high melting point is formed by a diffusion reaction between a metal typified by Cu or Ni and Sn, but diffusion In the process of the reaction, Sn with a low melting point and weak strength remains, so that sufficient heat resistance cannot be obtained, and cracks occur in the heat cycle test (bonding reliability test at 175 ° C.) to improve the bonding reliability. It is difficult to secure.
 本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、耐熱性が向上するとともに、ヒートサイクル環境下でも接合強度が低下し難い、接合信頼性に優れた接合構造体およびこれを用いた半導体装置ならびに半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is a bonding structure having excellent bonding reliability, which improves heat resistance and does not easily reduce bonding strength even in a heat cycle environment. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device using the above and a method for manufacturing the semiconductor device.
 この発明は半導体装置に用いられる接合構造体であって、Cu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物、およびSnと有機成分とを有する化合物を含むことを特徴とする。 The present invention is a bonded structure used in a semiconductor device, and is characterized by including Cu particles, a compound having a noble metal and Cu and Sn, a compound having a noble metal and Sn, and a compound having Sn and an organic component. And.
 本発明によれば、耐熱性が向上するとともに、ヒートサイクル環境下でも接合強度が低下し難い、接合信頼性に優れた接合構造体およびこれを用いた半導体装置ならびに半導体装置の製造方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, there is provided a bonding structure having excellent bonding reliability, which is improved in heat resistance and whose bonding strength is unlikely to decrease even in a heat cycle environment, and a semiconductor device using the bonding structure and a method for manufacturing the semiconductor device. be able to.
実施の形態1の接合構造体を用いた半導体装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the semiconductor device which used the junction structure of Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の接合構造体を用いた半導体装置を製造するときの手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure at the time of manufacturing the semiconductor device which used the junction structure of Embodiment 1. 実施の形態1の接合構造体を用いた半導体装置を製造するときの第1の工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 1st process at the time of manufacturing the semiconductor device which used the junction structure of Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の接合構造体を用いた半導体装置を製造するときの第2の工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 2nd process at the time of manufacturing the semiconductor device which used the junction structure of Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の接合構造体を用いた半導体装置を製造するときの第3の工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 3rd process at the time of manufacturing the semiconductor device which used the junction structure of Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の接合構造体を用いた半導体装置を製造するときの第4の工程を示す概略図である。It is the schematic which shows the 4th process at the time of manufacturing the semiconductor device which used the junction structure of Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の接合構造体の加熱前後の状態の詳細を示した概略図である。It is the schematic which showed the detail of the state before and after heating of the bonded structure of Embodiment 1. 実施の形態1の接合構造体の断面SEM写真である。6 is a cross-sectional SEM photograph of the joint structure of the first embodiment. 実施の形態1の接合構造体を用いた半導体装置の実施例、比較例を示す表である。It is a table which shows the Example and the comparative example of the semiconductor device which used the junction structure of Embodiment 1. 実施の形態1の接合構造体のSnと有機成分ととを有する化合物の重量比と熱抵抗の変化の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the weight ratio of the compound which has Sn of the junction structure of Embodiment 1 and an organic component, and the change of thermal resistance.
実施の形態1.
 以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通あるいは相当する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
Embodiment 1.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The elements common to or corresponding to each other in the drawings are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted. The present invention is not limited to this embodiment.
 図1に本実施の形態1に係る接合構造体を用いた半導体装置の概略図を示す。図1の半導体製造装置12において、基板9と半導体素子10とは接合構造体11で接合されている。接合構造体11は、Cu粒子2、貴金属とCuとSnとを有する化合物5、貴金属とSnとを有する化合物6、およびSnと有機成分とを有する化合物7を含むことを特徴とする。貴金属とCuとSnとを有する化合物5は、Cu粒子2の周囲に存在し、接合構造体11中に存在するCu粒子2同士を連結する様に形成されている。さらに、貴金属とCuとSnとを有する化合物5の内部に、貴金属とSnとを有する化合物6と、Snと有機成分とを有する化合物7は存在している。 FIG. 1 shows a schematic view of a semiconductor device using the bonded structure according to the first embodiment. In the semiconductor manufacturing apparatus 12 of FIG. 1, the substrate 9 and the semiconductor element 10 are joined by a joining structure 11. The bonded structure 11 is characterized by containing Cu particles 2, a compound 5 having a noble metal, Cu and Sn, a compound 6 having a noble metal and Sn, and a compound 7 having Sn and an organic component. The compound 5 having a noble metal, Cu, and Sn exists around the Cu particles 2 and is formed so as to connect the Cu particles 2 existing in the bonding structure 11. Further, inside the compound 5 having a noble metal, Cu and Sn, a compound 6 having a noble metal and Sn and a compound 7 having Sn and an organic component are present.
 基板9としては、特に限定されず、半導体素子1との接合が要求される様々な部材であり得る。基板9の例としては、DBC基板等の回路基板、金属板、セラミックス板等が挙げられる。半導体素子10の材料としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。半導体素子10の材料の例としては、Si(シリコン)、GaAs(ガリウム砒素)、SiC(シリコンカーバイド)、GaN(窒化ガリウム)、ダイヤモンド等が挙げられる。これらの中でも、高温動作が可能であり、次世代デバイスに有用なSiC、GaN、ダイヤモンド等のワイドバンドギャップ半導体が好ましく、SiCが特に好ましい。 The substrate 9 is not particularly limited, and may be various members that are required to be bonded to the semiconductor element 1. Examples of the substrate 9 include a circuit board such as a DBC substrate, a metal plate, a ceramic plate, and the like. The material of the semiconductor element 10 is not particularly limited, and materials known in the art can be used. Examples of the material of the semiconductor element 10 include Si (silicon), GaAs (gallium arsenide), SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), diamond and the like. Among these, wide bandgap semiconductors such as SiC, GaN, and diamond, which are capable of high-temperature operation and are useful for next-generation devices, are preferable, and SiC is particularly preferable.
 また、Snと有機成分とを有する化合物7の重量割合は特に限定されないが、耐熱性の観点で、好ましくは、接合構造体11全体の総重量に対して5%以上15%未満の重量を占めており、残部はCu粒子2、貴金属とCuとSnとを有する化合物5、貴金属とSnとを有する化合物6である。Snと有機成分とを有する化合物7の重量割合が5%未満だと、接合構造体の製造過程において、余剰なSnがヒートサイクル試験中に劣化してクラックが生じて熱抵抗が下がり、耐熱性が劣るからである。Snと有機成分とを有する化合物7の重量割合が15%以上だと、Cu粒子2間を連結するSnが欠落するため、連結されずにクラックが生じて熱抵抗が下がり耐熱性が劣るからである。 The weight ratio of the compound 7 having Sn and the organic component is not particularly limited, but from the viewpoint of heat resistance, it preferably occupies a weight of 5% or more and less than 15% with respect to the total weight of the entire bonded structure 11. The balance is Cu particles 2, compound 5 having a noble metal, Cu and Sn, and compound 6 having a noble metal and Sn. If the weight ratio of the compound 7 having Sn and an organic component is less than 5%, the excess Sn deteriorates during the heat cycle test during the heat cycle test, cracks occur, and the thermal resistance decreases in the manufacturing process of the bonded structure, resulting in heat resistance. Is inferior. If the weight ratio of the compound 7 having Sn and the organic component is 15% or more, Sn that connects the Cu particles 2 is missing, so that cracks occur without being connected, the thermal resistance is lowered, and the heat resistance is inferior. is there.
 Snと有機成分とを有する化合物7は、Snが全て有機成分と化学反応して、余剰なSnを残さない役割を果たせればよく、具体的にはR4Sn、R3SnX、R2SnX2、RSnX3という化学式で表される化合物であり、Rはアルキル基、Xは塩化物、フッ化物、酸化物、水酸化物等の陰イオンで表される。 Compound 7 having Sn and an organic component need only be able to play a role in which Sn chemically reacts with the organic component and does not leave excess Sn. R is an alkyl group, and X is an anion such as chloride, fluoride, oxide, or hydroxide.
 貴金属とCuとSnとを有する化合物5と、貴金属とSnとを有する化合物6とで用いられる貴金属は、特に限定されないが、表面に酸化膜を形成し難い点、加熱時にSnがCuよりも濡れ広がり易いという観点で、好ましくは、銀(Ag)、白銀(Pt)、パラジウム(Pd)の少なくともいずれかである。 The noble metal used in the compound 5 having the noble metal, Cu and Sn, and the compound 6 having the noble metal and Sn is not particularly limited, but it is difficult to form an oxide film on the surface, and Sn gets wetter than Cu when heated. From the viewpoint of easy spread, it is preferably at least one of silver (Ag), white silver (Pt), and palladium (Pd).
 用いるCu粒子とSn粒子の比率は、特に限定されないが、Snが溶融した際に、半導体素子および基板に濡れ広がり、かつ接合時の温度で化合物を形成し、Sn単相を接合部に残さないようにする観点で、好ましくは、重量比で40/60以上60/40以内である。 The ratio of Cu particles and Sn particles used is not particularly limited, but when Sn melts, it wets and spreads on the semiconductor element and the substrate, forms a compound at the temperature at the time of bonding, and does not leave a Sn single phase at the bonding portion. From the viewpoint of such a method, the weight ratio is preferably 40/60 or more and 60/40 or less.
 用いるSn粒子は、特に限定されないが、製造上のコストの観点で好ましくは、平均粒径5μm以上50μm未満である。また、形状も特に限定されないが、上記同様、コストの観点で、好ましくは球状である。 The Sn particles used are not particularly limited, but are preferably an average particle size of 5 μm or more and less than 50 μm from the viewpoint of manufacturing cost. Further, the shape is not particularly limited, but as described above, it is preferably spherical from the viewpoint of cost.
 用いるCu粒子は、特に限定されないが、製造上のコストの観点で平均粒径5μm以上50μm未満である。
また、形状も特に限定されないが、上記同様、コストの観点で、好ましくは球状である。
The Cu particles used are not particularly limited, but from the viewpoint of manufacturing cost, the average particle size is 5 μm or more and less than 50 μm.
Further, the shape is not particularly limited, but as described above, it is preferably spherical from the viewpoint of cost.
 次に、本実施の形態1の接合構造体を用いた半導体装置の製造方法を図2に示すフローチャートに則って、順に説明する。本実施の形態1の接合構造体を用いた半導体装置の製造方法は、Sn粒子、有機成分(溶剤)、貴金属でコーティングされたCu粒子とを混合してペースト状にする第1の工程と、このペースト状のペーストを基板上に塗布する第2の工程と、半導体素子を基板上に塗布されたペースト上に載せる第3の工程と、ペースト内の有機成分(溶剤)の低沸点溶剤を加熱乾燥させる第4の工程と、Snの融点以上の温度で加熱し、半導体素子と基板とを接合する第5の工程を含む。以下、それぞれの工程について、詳細に説明する。 Next, a method of manufacturing a semiconductor device using the bonded structure of the first embodiment will be described in order according to the flowchart shown in FIG. The method for manufacturing a semiconductor device using the bonded structure of the first embodiment includes a first step of mixing Sn particles, an organic component (solvent), and Cu particles coated with a noble metal to form a paste. The second step of applying this paste-like paste on the substrate, the third step of placing the semiconductor element on the paste coated on the substrate, and heating the low boiling point solvent of the organic component (solvent) in the paste. It includes a fourth step of drying and a fifth step of heating at a temperature equal to or higher than the melting point of Sn to join the semiconductor element and the substrate. Hereinafter, each step will be described in detail.
 最初に、第1の工程として、ペースト8を作製する。図3は、本実施の形態1の接合構造体11を用いた半導体装置12を製造するときの第1の工程を示す概略図である。Sn粒子3、貴金属1がコーティングされたCu粒子2、有機成分(溶剤)4を混合する。 First, as the first step, paste 8 is prepared. FIG. 3 is a schematic view showing a first step when manufacturing a semiconductor device 12 using the bonded structure 11 of the first embodiment. Sn particles 3, Cu particles 2 coated with a noble metal 1, and an organic component (solvent) 4 are mixed.
 有機成分4は、例えば2-(2-Phenoxyethoxy)ethanol(和名:ジエチレングリコールモノフェニルエーテル、別名:フェニルジグリコール)を含んでおり、これに限定するものではない。この有機成分4はSnが溶融して濡れ広がった後、Snと拡散反応をする様、適宜選択すればよい。 The organic component 4 contains, for example, 2- (2-Phenoxyethoxy) ethanol (Japanese name: diethylene glycol monophenyl ether, also known as phenyldiglycol), and is not limited to this. The organic component 4 may be appropriately selected so as to cause a diffusion reaction with Sn after Sn is melted and wet and spread.
 これに粘度調整用に低沸点溶剤を加え、撹拌してペースト8を作製する。粒子の作製方法については、特に限定されず、当該技術分野においてアトマイズ法等、公知の方法を用いることができる。低沸点溶剤には今回、テルピネオールを用いたが、これに限定されるものではない。低沸点溶剤は、接合面の酸化膜を還元して除去することができるものであれば特に限定されない。例えば、多価アルコール、カルボン酸、アミンなどが挙げられる。これらの化合物は、単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。また、これらの化合物は、液状であればそのまま用いることができるが、固体状であれば水などの溶媒に溶解して用いればよい。 Add a low boiling point solvent to this for viscosity adjustment and stir to prepare paste 8. The method for producing the particles is not particularly limited, and a known method such as an atomizing method can be used in the art. Terpineol was used as the low boiling point solvent this time, but it is not limited to this. The low boiling point solvent is not particularly limited as long as it can reduce and remove the oxide film on the bonding surface. For example, polyhydric alcohols, carboxylic acids, amines and the like can be mentioned. These compounds can be used alone or in combination of two or more. Further, these compounds can be used as they are if they are in a liquid state, but they may be used by dissolving them in a solvent such as water if they are in a solid state.
 多価アルコールは、分子中に2個以上の水酸基を有するものであれば特に限定されない。また、多価アルコールは、水酸基以外の官能基(例えば、アルデヒド基、エステル基、スルファニル基、ケトン基など)を有していてもよい。多価アルコールの例としては、エチレングリコール(EG)、ジエチレングリコール(DEG)、トリエチレングリコール(TEG)、ポリエチレングリコール(PEG)、1,2-プロパンジオール、1,3-プロパンジオール、1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、2-ブテン-1,4-ジオール、2,3-ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、グリセロール、1,1,1-トリスヒドロキシメチルエタン、2-エチル-2-ヒドロキシメチル-1,3-プロパンジオール、1,2,6-ヘキサントリオール、1,2,3-ヘキサントリオール、1,2,4-ブタントリオール、トレイトール、エリトリトール、ペンタエリスリトール、ペンチトール、1-プロパノール、2-プロパノール、2-ブタノール、2-メチル-2-プロパノール、キシリトール、リビトール、アラビトール、ヘキシトール、マンニトール、ソルビトール、ズルシトール、グリセリンアルデヒド、ジオキシアセトン、トレオース、エリトルロース、エリトロース、アラビノース、リボース、リブロース、キシロース、キシルロース、リキソース、グルコース、フルクトース、マンノース、イドース、ソルボース、グロース、タロース、タガトース、ガラクトース、アロース、アルトロース、ラクトース、イソマルトース、グルコヘプトース、ヘプトース、マルトトリオース、ラクツロース、トレハロースなどが挙げられる。これらは、単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。 The polyhydric alcohol is not particularly limited as long as it has two or more hydroxyl groups in the molecule. Further, the polyhydric alcohol may have a functional group other than the hydroxyl group (for example, an aldehyde group, an ester group, a sulfanyl group, a ketone group, etc.). Examples of polyhydric alcohols are ethylene glycol (EG), diethylene glycol (DEG), triethylene glycol (TEG), polyethylene glycol (PEG), 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,2- Butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2-butene-1,4-diol, 2,3-butanediol, pentanediol, hexanediol, octanediol, glycerol, 1,1,1 -Trishydroxymethylethane, 2-ethyl-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol, 1,2,6-hexanetriol, 1,2,3-hexanetriol, 1,2,4-butanetriol, tray Thor, erythritol, pentaerythritol, pentitol, 1-propanol, 2-propanol, 2-butanol, 2-methyl-2-propanol, xylitol, ribitol, arabitol, hexitol, mannitol, sorbitol, zulcitol, glycerin aldehyde, dioxyacetone , Treose, Elittlerose, Erythrose, Arabinose, Ribos, Ribulose, Xylose, Xylrose, Lixose, Glucose, Fructose, Mannose, Idos, Sorboth, Growth, Talose, Tagatos, Galactose, Allose, Altrose, Lactose, Isomaltose, Glucoheptose, Heptose , Maltotriose, lactulose, trehalose and the like. These can be used alone or in combination of two or more.
 カルボン酸としては、分子中に1個以上のカルボキシ基を有する化合物であれば特に限定されず、一級カルボン酸、二級カルボン酸又は三級カルボン酸のいずれであっても用いることができる。また、カルボン酸は、カルボキシ基以外の官能基(例えば、アルデヒド基、エステル基、スルファニル基、ケトン基など)を有していてもよい。
 カルボン酸の例としては、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナデカン酸、イコサン酸などのアルキルカルボン酸が挙げられる。これらは、単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
The carboxylic acid is not particularly limited as long as it is a compound having one or more carboxy groups in the molecule, and any of a primary carboxylic acid, a secondary carboxylic acid or a tertiary carboxylic acid can be used. Further, the carboxylic acid may have a functional group other than the carboxy group (for example, an aldehyde group, an ester group, a sulfanyl group, a ketone group, etc.).
Examples of carboxylic acids include butanoic acid, pentadecanoic acid, hexanoic acid, heptanic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, undecanoic acid, dodecanoic acid, tridecanoic acid, tetradecanoic acid, pentadecanoic acid, pentadecanoic acid, hexadecanoic acid, heptadecanoic acid. Examples thereof include alkylcarboxylic acids such as acids, octadecanoic acid, nonadecanic acid and icosanoic acid. These can be used alone or in combination of two or more.
 アミンとしては、分子中に1個以上のアミノ基を有する化合物であれば特に限定されず、一級アミン、二級アミン又は三級アミンのいずれであっても用いることができる。また、アミンは、アミノ基以外の官能基(例えば、アルデヒド基、エステル基、スルファニル基、ケトン基など)を有していてもよい。アミンの例としては、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ウンデシルアミン、ドデシルアミン、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、ノナデシルアミン、イコデシルアミンなどのアルキルアミンが挙げられる。これらは、単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。また、2-エチルヘキシルアミン、1,5-ジメチルヘキシルアミンなどの分岐構造を有するアミンを用いてもよい。
The amine is not particularly limited as long as it is a compound having one or more amino groups in the molecule, and any of primary amine, secondary amine and tertiary amine can be used. Further, the amine may have a functional group other than the amino group (for example, an aldehyde group, an ester group, a sulfanyl group, a ketone group, etc.). Examples of amines are butylamine, pentylamine, hexylamine, heptylamine, octylamine, nonylamine, decylamine, undecylamine, dodecylamine, tridecylamine, tetradecylamine, pentadecylamine, hexadecylamine, heptadecylamine. , Octadecylamine, nonadecilamine, icodecylamine and other alkylamines. These can be used alone or in combination of two or more. Further, an amine having a branched structure such as 2-ethylhexylamine and 1,5-dimethylhexylamine may be used.
 次に、第2の工程として、上記作製したペースト8を基板9上に塗布する。図4は、本実施の形態1の接合構造体11を用いた半導体装置12を製造するときの第2の工程を示す概略図である。ペースト8の基板9上への塗布方法については、特に限定されず、当該技術分野において公知の塗布方法を用いることができる。 Next, as a second step, the paste 8 prepared above is applied onto the substrate 9. FIG. 4 is a schematic view showing a second step when manufacturing the semiconductor device 12 using the bonded structure 11 of the first embodiment. The method for applying the paste 8 onto the substrate 9 is not particularly limited, and a coating method known in the art can be used.
 次に、第3の工程として、上記基板9上に塗布したペースト8の上に、更に半導体素子10を載せる。図5は、本実施の形態1の接合構造体11を用いた半導体装置12を製造するときの第3の工程を示す概略図である。また、半導体素子10の搭載方法も特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができるが、例えば、ペースト塗布面を自動認識できる専用機、例えば、アスリートFA製のチップマウンタ機を用いれば高精度に搭載することが可能である。 Next, as a third step, the semiconductor element 10 is further placed on the paste 8 coated on the substrate 9. FIG. 5 is a schematic view showing a third step when manufacturing a semiconductor device 12 using the bonded structure 11 of the first embodiment. Further, the mounting method of the semiconductor element 10 is not particularly limited, and a device known in the art can be used. For example, a dedicated machine capable of automatically recognizing the paste-coated surface, for example, a chip mounter machine made by athlete FA can be used. If used, it can be mounted with high accuracy.
 次に、第4の工程として、所定の加熱温度、加熱時間にて、ペースト8内の低沸点溶剤を乾燥除去させる。図6は、本実施の形態1の接合構造体11を用いた半導体装置12を製造するときの第4の工程を示す概略図である。加熱方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。例えば、所定の加熱条件下で低沸点溶剤が完全に気化可能であり、かつ後の第5工程において実施する加熱処理においてSnが溶融しない加熱温度に設定する。 Next, as a fourth step, the low boiling point solvent in the paste 8 is dried and removed at a predetermined heating temperature and heating time. FIG. 6 is a schematic view showing a fourth step when manufacturing a semiconductor device 12 using the bonded structure 11 of the first embodiment. The heating method is not particularly limited, and a method known in the art can be used. For example, the heating temperature is set so that the low boiling point solvent can be completely vaporized under predetermined heating conditions and Sn does not melt in the heat treatment carried out in the subsequent fifth step.
 低沸点溶剤が完全に気化可能な温度は、形成した溶剤の種類及び組成等に応じて適宜設定すればよいが、一般的に100℃以上200℃未満、好ましくは150℃以上200℃未満である。また、加熱時間は、加熱温度に応じて適宜設定すればよいが、一般的に1分以上60分未満、好ましくは3分以上30分未満である。本工程において、低沸点溶剤が完全に気化されることで、Sn粒子3、貴金属1が表面にコーティングされたCu粒子2、有機成分4のみが基板9と半導体素子12の間の接合構造体11に残る。 The temperature at which the low boiling point solvent can be completely vaporized may be appropriately set according to the type and composition of the solvent formed, but is generally 100 ° C. or higher and lower than 200 ° C., preferably 150 ° C. or higher and lower than 200 ° C. .. The heating time may be appropriately set according to the heating temperature, but is generally 1 minute or more and less than 60 minutes, preferably 3 minutes or more and less than 30 minutes. In this step, by completely vaporizing the low boiling point solvent, only the Sn particles 3, the Cu particles 2 coated with the noble metal 1 on the surface, and the organic component 4 are the bonding structure 11 between the substrate 9 and the semiconductor element 12. Remain in.
 次に、第5の工程として、Sn粒子3を溶融させて基板9と半導体素子10を接合した。この結果を示す図が図1である。加熱方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができるが、Snが溶融する加熱条件で加熱する。Snが溶融する加熱温度は、一般的に232℃以上である。また、加熱時間は、加熱温度に応じて適宜設定すればよいが、一般的に1分以上60分未満、好ましくは3分以上30分未満である。 Next, as a fifth step, the Sn particles 3 were melted and the substrate 9 and the semiconductor element 10 were joined. The figure which shows this result is FIG. The heating method is not particularly limited, and a method known in the art can be used, but heating is performed under heating conditions in which Sn is melted. The heating temperature at which Sn melts is generally 232 ° C. or higher. The heating time may be appropriately set according to the heating temperature, but is generally 1 minute or more and less than 60 minutes, preferably 3 minutes or more and less than 30 minutes.
 加熱後、自然冷却にて実施の形態1に係る接合構造体1を有する半導体装置12を作製した。この製造方法で得られた接合構造体11は、Cu粒子2と、貴金属とCuとSnとを有する化合物5と、貴金属とSnとを有する化合物6と、Snと有機成分とを有する化合物7とを含んでいる。また、貴金属とCuとSnとを有する化合物5は、Cu粒子2の周囲に存在し、接合構造体11中に存在するCu粒子2同士を連結する様に形成されている。さらに、貴金属とCuとSnとを有する化合物5の内部に、貴金属とSnとを有する化合物6と、Snと有機成分とを有する化合物7は存在している。 After heating, a semiconductor device 12 having the bonding structure 1 according to the first embodiment was produced by natural cooling. The bonded structure 11 obtained by this production method includes Cu particles 2, a compound 5 having a noble metal, Cu and Sn, a compound 6 having a noble metal and Sn, and a compound 7 having Sn and an organic component. Includes. Further, the compound 5 having a noble metal, Cu and Sn is present around the Cu particles 2 and is formed so as to connect the Cu particles 2 existing in the bonding structure 11. Further, inside the compound 5 having a noble metal, Cu and Sn, a compound 6 having a noble metal and Sn and a compound 7 having Sn and an organic component are present.
 Snの融点以上の温度で加熱し、半導体素子10と基板9とを接合する第5の工程で起こる現象について、図7を用いてより詳細に説明する。図7は、第5の工程での加熱前後の状態を示す概略図である。Snの融点温度である232℃に到達した段階でSn粒子3が溶融して、基板9面に濡れ広がると同時にCu粒子2と有機成分4を覆う。貴金属は、濡れ性を阻害する酸化膜が形成し難くい材料であるため、溶融したSn粒子3は、Cu粒子2の表面の貴金属1に濡れ広がる。この現象と同時に、Sn粒子とCu粒子と貴金属とは、金属の拡散反応によって、貴金属とCuおよびSnとを有する化合物5を形成する。この化合物形成は各Cu粒子2の周囲で発生し、Cu粒子2同士を連結する様に形成される。また、その間、Snは、貴金属とも化学反応し、貴金属とSnとを有する化合物6も形成される。さらに加熱が進み、温度が更に高まるとSnの流動性がより高まる。これにより、Snの拡散反応性も促進される。すると、Snは有機成分4と化学反応し、Snと有機成分とを有する化合物7が形成される。 The phenomenon that occurs in the fifth step of joining the semiconductor element 10 and the substrate 9 by heating at a temperature equal to or higher than the melting point of Sn will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic view showing a state before and after heating in the fifth step. When the melting point temperature of Sn reaches 232 ° C., the Sn particles 3 are melted and spread on the surface of the substrate 9 and at the same time cover the Cu particles 2 and the organic component 4. Since the noble metal is a material in which an oxide film that inhibits wettability is difficult to form, the molten Sn particles 3 wet and spread on the noble metal 1 on the surface of the Cu particles 2. At the same time as this phenomenon, the Sn particles, the Cu particles, and the noble metal form a compound 5 having the noble metal, Cu, and Sn by the diffusion reaction of the metal. This compound formation occurs around each Cu particle 2, and is formed so as to connect the Cu particles 2 to each other. During that time, Sn also chemically reacts with the noble metal to form a compound 6 having the noble metal and Sn. As the heating progresses and the temperature rises further, the fluidity of Sn becomes higher. This also promotes the diffusion reactivity of Sn. Then, Sn chemically reacts with the organic component 4, and a compound 7 having Sn and the organic component is formed.
 なお、有機成分4がCu粒子2と拡散反応をしないのは、以下のように考えられる。Cu粒子2表面に形成された貴金属1は、Sn粒子3と拡散反応し易いため、優先的にSn粒子3と拡散反応して、Cu粒子2の表面から消失した後、形成された貴金属とCuとSnとを有する化合物5がCu粒子2を覆ってしまうため、有機成分4がCu粒子2と拡散反応することがないためと考えられる。 It is considered that the organic component 4 does not undergo a diffusion reaction with the Cu particles 2 as follows. Since the noble metal 1 formed on the surface of the Cu particles 2 easily undergoes a diffusion reaction with the Sn particles 3, the noble metal and Cu formed after preferentially diffusing with the Sn particles 3 and disappearing from the surface of the Cu particles 2. It is considered that the organic component 4 does not undergo a diffusion reaction with the Cu particles 2 because the compound 5 having the above and Sn covers the Cu particles 2.
 以下、実施例、比較例により本実施の形態1に係る接合構造体の詳細を説明するが、これらによって本実施の形態1に係る接合構造体が限定されるものではない。
(サンプル1~8)
 最初に、平均粒径20μmの球状Sn粒子、貴金属としてAgがコーティングされたCu粒子、固形の有機成分を所定量を用意する。粒子の作製には、アトマイズ法を用いた。Sn粒子とCu粒子の重量比率を60:40とした。
 次に、Su粒子とCu粒子とを有機成分および粘度調整用にテルピネオール(低沸点溶剤)を加え、撹拌してペーストを作製した。
 次に、上記作製したペーストを基板上に塗布した。被接合材としてCu層が形成された20mmのDBC基板(Direct Bonded Copper金属/セラミック/金属、厚み0.4mm/0.6mm/0.4mm)上に上記ペーストを開口サイズ10mmで厚み150μmのSUS製メタルマスクにて、スキージを用いて塗布した。
 次に、上記基板上に塗布したペーストの上に、更に半導体素子として、被接合層にTi、Ni、Auの順に積層形成された開口サイズ10mm、厚み0.3mmの炭化ケイ素(SiC)をペースト塗布面に載せた。
 次に、真空リフロー炉内において、加熱温度200℃、加熱時間10分の条件で、半導体素子とDBC基板とをペーストとを加熱させた。その後、300℃まで昇温速度30℃/分にて昇温し、300℃まで到達した段階で10分保持して、その後自然冷却にて接合構造体を有する半導体装置を作製した。
Hereinafter, the details of the joint structure according to the first embodiment will be described with reference to Examples and Comparative Examples, but the joint structure according to the first embodiment is not limited thereto.
(Samples 1-8)
First, a predetermined amount of spherical Sn particles having an average particle diameter of 20 μm, Cu particles coated with Ag as a noble metal, and a solid organic component are prepared. The atomizing method was used to prepare the particles. The weight ratio of Sn particles to Cu particles was 60:40.
Next, terpineol (low boiling point solvent) was added to the Su particles and Cu particles for adjusting the organic component and viscosity, and the mixture was stirred to prepare a paste.
Next, the paste prepared above was applied onto the substrate. SUS with an opening size of 10 mm and a thickness of 150 μm on a 20 mm DBC substrate (Direct Bonded Copper metal / ceramic / metal, thickness 0.4 mm / 0.6 mm / 0.4 mm) on which a Cu layer was formed as a material to be bonded. It was applied with a metal mask made of squeegee.
Next, on the paste applied on the substrate, silicon carbide (SiC) having an opening size of 10 mm and a thickness of 0.3 mm, which is formed by laminating Ti, Ni, and Au in this order on the bonded layer, is further pasted as a semiconductor element. It was placed on the coated surface.
Next, the paste was heated between the semiconductor element and the DBC substrate under the conditions of a heating temperature of 200 ° C. and a heating time of 10 minutes in a vacuum reflow furnace. Then, the temperature was raised to 300 ° C. at a temperature rising rate of 30 ° C./min, held for 10 minutes when the temperature reached 300 ° C., and then naturally cooled to prepare a semiconductor device having a bonded structure.
 上記で得られた各サンプルについて、接合構造体内のSnと有機成分とを有する化合物の重量比(%)について異なるものを用いた。用いた重量比を図9の表に示している。ここで、Snと有機成分とを有する化合物の重量の算出方法について説明する。図8に接合部の断面SEM写真を示す。Snと有機成分とを有する化合物は、図8に示す接合断面SEM写真で示されている様に、Cu粒子2、貴金属とCuとSnとを有する化合物5、貴金属とSnとを有する化合物6の中にSnと有機成分とを有する化合物7が介在している。Snと有機成分とを有する化合物の同定はGC/MS分析(ガスクロマトグラフ質量分析計)により可能である。本分析法から算出したSnと有機成分とを有する化合物の重量を計測し、残りのCu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物の重量をペースト作製時の各金属粉の添加量から算出し、Snと有機成分とを有する化合物の重量比を(Snと有機成分とを有する化合物/(Cu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物+Snと有機成分とを有する化合物)×100%にて算出した。図9の表では、「Cu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物、Snと有機成分とを有する化合物」を「その他の金属及び金属化合物」としている。 For each sample obtained above, different weight ratios (%) of compounds having Sn and organic components in the junction structure were used. The weight ratios used are shown in the table of FIG. Here, a method for calculating the weight of a compound having Sn and an organic component will be described. FIG. 8 shows a cross-sectional SEM photograph of the joint. The compounds having Sn and an organic component are Cu particles 2, a compound 5 having a noble metal, Cu and Sn, and a compound 6 having a noble metal and Sn, as shown in the bonding cross section SEM photograph shown in FIG. Compound 7 having Sn and an organic component is interposed therein. Identification of a compound having Sn and an organic component is possible by GC / MS analysis (gas chromatograph mass spectrometer). The weight of the compound having Sn and the organic component calculated from this analysis method is measured, and the weights of the remaining Cu particles, the compound having the noble metal and Cu and Sn, and the weight of the compound having the noble metal and Sn are each at the time of paste preparation. Calculated from the amount of metal powder added, the weight ratio of the compound having Sn and the organic component is (Sn and the compound having the organic component / (Cu particles, the compound having the noble metal and Cu and Sn, and the noble metal and Sn). Calculated as "Compound having + Sn and compound having organic component" x 100%. In the table of FIG. 9, "Cu particles, compound having noble metal and Cu and Sn, compound having noble metal and Sn, Sn and organic "Compounds having components" are defined as "other metals and metal compounds".
 上記で得られた各サンプルについて、接合構造体の耐熱性及び接合強度のそれぞれについて、接合構造体の再溶融性と、ヒートサイクル(接合信頼性)試験前後での熱抵抗の変化を測定した。再溶融性については、半導体素子と基板との接合後、接合構造体を切り出して、示差熱分析(DSC)にて300℃まで加熱してもSn主相に由来する融点210~240℃の溶融ピークが生じるか確認し、溶融ピークが検出された場合×、溶融ピークが検出されなった場合は〇とした。具体的な分析方法は、大気中、室温から300℃まで昇温速度10℃/minとし、210℃~240℃までの溶解ピーク量が20mJ/mgよりも小さければ〇、それ以上であれば溶解(溶融)していると判断し、×とした。ここで、溶融ピークが検出された状態とは、再溶融前にSnが接合構造体に残存している状態を指す。また、溶融ピークが検出されなかった状態とは、再溶融前にSnが接合構造体に残存しておらず、全て化学反応し他の金属と化合物を形成している状態を指す。接合構造体にSnが残存していると耐熱性は劣り、全て他の金属と反応しきっていて残存していないと耐熱性は良好となる。 For each of the samples obtained above, the remeltability of the joint structure and the change in thermal resistance before and after the heat cycle (joint reliability) test were measured for each of the heat resistance and joint strength of the joint structure. Regarding remeltability, even if the bonded structure is cut out after bonding the semiconductor element and the substrate and heated to 300 ° C by differential thermal analysis (DSC), melting at a melting point of 210 to 240 ° C derived from the Sn main phase It was confirmed whether a peak occurred, and when a melting peak was detected, it was evaluated as x, and when a melting peak was not detected, it was evaluated as 〇. The specific analysis method is to set the temperature rise rate from room temperature to 300 ° C in the air at 10 ° C / min, and if the dissolution peak amount from 210 ° C to 240 ° C is smaller than 20 mJ / mg, it dissolves. It was judged that it was (melted), and it was marked as x. Here, the state in which the melting peak is detected refers to the state in which Sn remains in the joint structure before remelting. Further, the state in which the melting peak is not detected means a state in which Sn does not remain in the bonded structure before remelting, and all of them chemically react to form a compound with another metal. If Sn remains in the bonded structure, the heat resistance is inferior, and if it has completely reacted with other metals and does not remain, the heat resistance is good.
 次に、熱抵抗の変化については、レーザフラッシュ法にて初期熱抵抗を測定し、測定後、半導体装置の高温動作を模擬した液槽式のヒートサイクル試験に投入した。試験条件は+50℃⇔+175℃を1サイクル30秒とし、10万サイクルまで処理をおこなった。次に熱抵抗を測定し、初期の接合構造体の熱抵抗に対して10%よりも大きい値を示した場合は×、そうでない場合は〇とした。初期の接合構造体の熱抵抗に対して10%よりも大きい値を示した場合は、ヒートサイクル試験においてクラックが生じており、接合強度が低下していることになる。また、そうではない場合には接合強度は良好ということになる。以上のように、再溶融性、高温動作を模擬したヒートサイクル試験での熱抵抗の変化の2項目について、それぞれ耐熱性、接合強度として評価した結果を図9の表に示す。 Next, regarding the change in thermal resistance, the initial thermal resistance was measured by the laser flash method, and after the measurement, it was put into a liquid tank type heat cycle test simulating the high temperature operation of the semiconductor device. The test conditions were + 50 ° C.⇔+ 175 ° C. for 30 seconds per cycle, and the treatment was performed up to 100,000 cycles. Next, the thermal resistance was measured, and if it showed a value larger than 10% with respect to the thermal resistance of the initial bonded structure, it was evaluated as x, otherwise it was evaluated as 〇. If the value is larger than 10% with respect to the thermal resistance of the initial joint structure, cracks have occurred in the heat cycle test, and the joint strength is lowered. If this is not the case, the joint strength is good. As described above, the table of FIG. 9 shows the results of evaluating the two items of remeltability and change in thermal resistance in the heat cycle test simulating high temperature operation as heat resistance and bonding strength, respectively.
 図9の結果に示されるように、比較例1はCu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物の重量比が99%、Snと有機成分とを有する化合物の重量比が1%である。この時、上述の通りDSC測定による再溶融性については、×となった。またヒートサイクル(接合信頼性)試験において試験前後の熱抵抗の変化は50%となり、目標の10%よりも高い値となった。これは、Snと有機成分とを有する化合物が少ないため、余剰なSnが試験中に劣化してクラックが生じたと考えられる。 As shown in the results of FIG. 9, Comparative Example 1 is a compound having Cu particles, a compound having a noble metal and Cu and Sn, a compound having a noble metal and Sn in a weight ratio of 99%, and a compound having Sn and an organic component. The weight ratio is 1%. At this time, as described above, the remeltability by DSC measurement was x. In the heat cycle (joint reliability) test, the change in thermal resistance before and after the test was 50%, which was higher than the target of 10%. It is considered that this is because there are few compounds having Sn and an organic component, so that excess Sn deteriorates during the test and cracks occur.
 比較例2はCu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物の重量比が98%、Snと有機成分とを有する化合物の重量比が2%である。この時、上述の通りDSC測定による再溶融性については、×となった。またヒートサイクル(接合信頼性試験)において試験前後の熱抵抗の変化は33%となり、目標の10%よりも高い値となった。 In Comparative Example 2, the weight ratio of Cu particles, a compound having a noble metal and Cu and Sn, a compound having a noble metal and Sn is 98%, and a weight ratio of a compound having Sn and an organic component is 2%. At this time, as described above, the remeltability by DSC measurement was x. In the heat cycle (joint reliability test), the change in thermal resistance before and after the test was 33%, which was higher than the target of 10%.
 比較例3はCu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物の重量比が97%、Snと有機成分とを有する化合物の重量比が3%である。この時、上述の通りDSC測定による再溶融性については、×となった。またヒートサイクル(接合信頼性)試験において試験前後の熱抵抗の変化は20%となり、目標の10%よりも高い値となった。 In Comparative Example 3, the weight ratio of Cu particles, a compound having a noble metal and Cu and Sn, a compound having a noble metal and Sn is 97%, and a weight ratio of a compound having Sn and an organic component is 3%. At this time, as described above, the remeltability by DSC measurement was x. In the heat cycle (joint reliability) test, the change in thermal resistance before and after the test was 20%, which was higher than the target of 10%.
 比較例4はCu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物の重量比が96%、Snと有機成分とを有する化合物の重量比が4%である。この時、上述の通りDSC測定による再溶融性については、×となった。またヒートサイクル(接合信頼性)試験において試験前後の熱抵抗の変化は18%となり、目標の10%よりも高い値となった。 In Comparative Example 4, the weight ratio of Cu particles, a compound having a noble metal and Cu and Sn, a compound having a noble metal and Sn is 96%, and a weight ratio of a compound having Sn and an organic component is 4%. At this time, as described above, the remeltability by DSC measurement was x. In the heat cycle (joint reliability) test, the change in thermal resistance before and after the test was 18%, which was higher than the target of 10%.
 実施例1はCu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物の重量比が95%、Snと有機成分とを有する化合物の重量比が5%である。この時、上述の通りDSC測定による再溶融性については、〇となった。またヒートサイクル(接合信頼性)試験において試験前後の熱抵抗の変化は5%となり、目標の10%よりも低く、目標達成となった。 In Example 1, the weight ratio of Cu particles, a compound having a noble metal and Cu and Sn, a compound having a noble metal and Sn is 95%, and a weight ratio of a compound having Sn and an organic component is 5%. At this time, as described above, the remeltability by DSC measurement was ◯. In the heat cycle (joint reliability) test, the change in thermal resistance before and after the test was 5%, which was lower than the target of 10%, and the target was achieved.
 実施例2はCu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物の重量比が92%、Snと有機成分とを有する化合物の重量比が8%である。この時、上述の通りDSC測定による再溶融性については、〇となった。またヒートサイクル(接合信頼性)試験において試験前後の熱抵抗の変化は1%となり、目標の10%よりも低く、目標達成となった。 In Example 2, the weight ratio of Cu particles, a compound having a noble metal and Cu and Sn, a compound having a noble metal and Sn is 92%, and a weight ratio of a compound having Sn and an organic component is 8%. At this time, as described above, the remeltability by DSC measurement was ◯. In the heat cycle (joint reliability) test, the change in thermal resistance before and after the test was 1%, which was lower than the target of 10%, and the target was achieved.
 実施例3はCu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物の重量比が86%、Snと有機成分とを有する化合物の重量比が14%である。この時、上述の通りDSC測定による再溶融性については、〇となった。またヒートサイクル(接合信頼性)試験において試験前後の熱抵抗の変化は4%となり、目標の10%よりも低く、目標達成となった。 In Example 3, the weight ratio of Cu particles, a compound having a noble metal and Cu and Sn, a compound having a noble metal and Sn is 86%, and a weight ratio of a compound having Sn and an organic component is 14%. At this time, as described above, the remeltability by DSC measurement was ◯. In the heat cycle (joint reliability) test, the change in thermal resistance before and after the test was 4%, which was lower than the target of 10%, and the target was achieved.
 比較例5はCu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物の重量比が85%、Snと有機成分とを有する化合物の重量比が15%である。この時、上述の通りDSC測定による再溶融性については、〇となった。またヒートサイクル(接合信頼性)試験において試験前後の熱抵抗の変化は32%となり、目標の10%よりも高い値となった。これは、Snと有機成分とを有する化合物が形成され過ぎると、今後はCu粒子間を連結するSnが欠落するため連結されずにクラックが生じて不良(熱抵抗が悪化)になったと推定される。 In Comparative Example 5, the weight ratio of Cu particles, a compound having a noble metal and Cu and Sn, a compound having a noble metal and Sn is 85%, and a weight ratio of a compound having Sn and an organic component is 15%. At this time, as described above, the remeltability by DSC measurement was ◯. In the heat cycle (joint reliability) test, the change in thermal resistance before and after the test was 32%, which was higher than the target of 10%. It is presumed that if a compound having Sn and an organic component is formed too much, Sn that connects Cu particles will be missing in the future, so that the compounds will not be connected and cracks will occur, resulting in a defect (deterioration of thermal resistance). To.
 ここで、Snと有機成分とを有する化合物の重量比(%)を横軸とし、熱抵抗の変化(%)を縦軸としてグラフ化したものを図10に示す。点線にて示した範囲において熱抵抗の変化が10%よりも低いことが確認された。すなわち、この範囲において、ヒートサイクル環境下でも接合強度が低下し難いことが確認された。 Here, FIG. 10 shows a graph in which the weight ratio (%) of the compound having Sn and the organic component is on the horizontal axis and the change in thermal resistance (%) is on the vertical axis. It was confirmed that the change in thermal resistance was lower than 10% in the range shown by the dotted line. That is, in this range, it was confirmed that the bonding strength is unlikely to decrease even in a heat cycle environment.
 なお、Sn粒子3とCu粒子2の重量比率を50:50とした場合、Sn粒子3とCu粒子2の重量比率を40:60とした場合においても上述と同じ試験をおこない、同様の効果を得た。また、上記の実験においては、DBC基板を用いてヒートショック試験を実施し、所定の添加量が最適としたが、DBC基板のCu厚みを厚くすると基板の放熱性が向上する一方、熱膨張係数が大きくなり、適正値は半導体装置の設計事項によって変化する。そのため、Snと有機成分とを有する化合物の重量比は推奨値ではあるが、これに限定するものではない。 When the weight ratio of Sn particles 3 and Cu particles 2 is 50:50 and the weight ratio of Sn particles 3 and Cu particles 2 is 40:60, the same test as described above is performed and the same effect is obtained. Obtained. Further, in the above experiment, a heat shock test was carried out using a DBC substrate, and a predetermined addition amount was optimized. However, increasing the Cu thickness of the DBC substrate improves the heat dissipation of the substrate, while the coefficient of thermal expansion Will increase, and the appropriate value will change depending on the design items of the semiconductor device. Therefore, the weight ratio of the compound having Sn and the organic component is a recommended value, but is not limited to this.
 なお、Sn粒子、Cu粒子は、本評価では球状とし、平均粒径を代表的な20μmにておこなったが、20μmでなくとも、5μm以上50μm未満であれば、同様の効果が得られる。また、今回は半導体素子と基板の接合部において代表的な評価結果を示したが、これに限定されるものではなく、例えば半導体素子とリードフレームの接合や基板と冷却フィンとの接合部においても用いることができる。また1基板上1半導体素子とは限らず、基板上に複数の半導体素子および部材を配置して一括同時に接合させても良い。 The Sn particles and Cu particles were spherical in this evaluation, and the average particle size was set to a typical 20 μm, but the same effect can be obtained if the average particle size is not 20 μm but 5 μm or more and less than 50 μm. In addition, although typical evaluation results were shown at the junction between the semiconductor element and the substrate this time, the evaluation results are not limited to this, and for example, the junction between the semiconductor element and the lead frame and the junction between the substrate and the cooling fins are also shown. Can be used. Further, the present invention is not limited to one semiconductor element on one substrate, and a plurality of semiconductor elements and members may be arranged on the substrate and bonded at the same time.
 以上の結果からわかるように、本実施の形態の接合構造体およびこれを用いた半導体装置ならびに半導体装置の製造方法によれば、耐熱性が向上するとともに、ヒートサイクル環境下でも接合強度が低下し難い、接合信頼性に優れた接合構造体およびこれを用いた半導体装置ならびに半導体装置の製造方法を提供することができる。 As can be seen from the above results, according to the bonding structure of the present embodiment and the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device using the same, the heat resistance is improved and the bonding strength is lowered even in a heat cycle environment. It is possible to provide a bonding structure that is difficult and has excellent bonding reliability, a semiconductor device using the bonding structure, and a method for manufacturing the semiconductor device.
1 貴金属、2 Cu粒子、3 Sn粒子、4 有機成分、5 貴金属とCuとSnとを有する化合物、6 貴金属とSnとを有する化合物、7 Snと有機成分とを有する化合物、8 ペースト、9 基板、10 半導体素子、11 接合構造体、12 半導体装置 1 noble metal, 2 Cu particles, 3 Sn particles, 4 organic components, 5 compounds having noble metals, Cu and Sn, 6 compounds having noble metals and Sn, 7 compounds having Sn and organic components, 8 pastes, 9 substrates 10, semiconductor element, 11 junction structure, 12 semiconductor device

Claims (10)

  1. Cu粒子、貴金属とCuとSnとを有する化合物、貴金属とSnとを有する化合物、およびSnと有機成分とを有する化合物を含むことを特徴とする接合構造体。 A bonded structure comprising Cu particles, a compound having a noble metal and Cu and Sn, a compound having a noble metal and Sn, and a compound having Sn and an organic component.
  2. 前記貴金属とCuとSnとを有する化合物は、前記Cu粒子同士を連結するように前記Cu粒子の周囲に存在することを特徴とする請求項1記載の接合構造体。 The bonding structure according to claim 1, wherein the compound having the noble metal, Cu, and Sn exists around the Cu particles so as to connect the Cu particles to each other.
  3. 前記Snと有機成分とを有する化合物は、全体の総重量に対して5%以上15%未満であり、残部の重量は前記Cu粒子、前記貴金属とCuとSnとを有する化合物、前記貴金属とSnとを有する化合物であることを特徴とする請求項1または2記載の接合構造体。 The compound having Sn and an organic component is 5% or more and less than 15% with respect to the total weight of the whole, and the weight of the balance is the Cu particles, the compound having the noble metal, Cu and Sn, and the noble metal and Sn. The bonded structure according to claim 1 or 2, wherein the compound has.
  4. 前記Snと有機成分とを有する化合物は、R4Sn、R3SnX、R2SnX2、RSnX3という化学式で表される化合物であり、Rはアルキル基、Xは陰イオンで表されることを特徴とする請求項1または3記載の接合構造体。 The compound having Sn and an organic component is a compound represented by a chemical formula of R4Sn, R3SnX, R2SnX2, RSnX3, wherein R is represented by an alkyl group and X is represented by an anion. 3. The joint structure according to 3.
  5. 前記貴金属は、Ag、Pt、Pdの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項1記載の接合構造体。 The bonded structure according to claim 1, wherein the noble metal is at least one of Ag, Pt, and Pd.
  6. 半導体素子と基板とを有する半導体装置であって、
    前記半導体素子と前記基板とは、請求項1~5のいずれか1項に記載の接合構造体で接合されていることを特徴とする半導体装置。
    A semiconductor device having a semiconductor element and a substrate,
    A semiconductor device characterized in that the semiconductor element and the substrate are joined by the joining structure according to any one of claims 1 to 5.
  7. 半導体素子と基板とを有する半導体装置の製造方法であって、
    Sn粒子と、有機成分と、貴金属でコーティングされたCu粒子とを混合してペースト状にする第1の工程と、
    当該ペースト状のペーストを前記基板上に塗布する第2の工程と、
    前記半導体素子を前記基板上に塗布されたペースト上に載せる第3の工程と、
    前記ペースト内の有機成分の低沸点溶剤を加熱乾燥させる第4の工程と、
    Snの融点以上の温度で加熱し半導体素子と基板とを接合する第5の工程とを含む
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
    A method for manufacturing a semiconductor device having a semiconductor element and a substrate.
    The first step of mixing Sn particles, organic components, and Cu particles coated with a precious metal to form a paste, and
    The second step of applying the paste-like paste onto the substrate, and
    A third step of placing the semiconductor element on the paste coated on the substrate, and
    The fourth step of heating and drying the low boiling point solvent of the organic component in the paste, and
    A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises a fifth step of joining a semiconductor element and a substrate by heating at a temperature equal to or higher than the melting point of Sn.
  8. 前記貴金属でコーティングされたCu粒子と前記Sn粒子との比率は、重量比で40/60以上60/40以内であることを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the ratio of the Cu particles coated with the noble metal to the Sn particles is 40/60 or more and 60/40 or less in terms of weight ratio.
  9. 前記貴金属でコーティングされたCu粒子は、平均粒径5μm以上50μm未満であることを特徴とする請求項7または8記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7 or 8, wherein the Cu particles coated with the noble metal have an average particle size of 5 μm or more and less than 50 μm.
  10. 前記Sn粒子は、平均粒径5μm以上50μm未満であることを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the Sn particles have an average particle size of 5 μm or more and less than 50 μm.
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