JP6938966B2 - Manufacturing method of connection structure, connection structure and semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、接続構造体の製造方法、接続構造体及び半導体装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a connection structure, a connection structure, and a semiconductor device.
従来のパワーモジュールは、モジュールケース内の絶縁基板上に配設したパワーデバイスチップの電極とモジュールケースの外部電極とがアルミワイヤを用いたワイヤボンディングにより接続されている(例えば、特許文献1参照)。このような半導体装置においては、アルミワイヤがパワーデバイスチップの発熱部に直接接合しているため、パワーデバイスチップのオン、オフの繰り返しによる熱ストレスがアルミワイヤに加わり、この熱ストレスがそのまま疲労寿命となって現れる。 In a conventional power module, an electrode of a power device chip arranged on an insulating substrate in a module case and an external electrode of the module case are connected by wire bonding using an aluminum wire (see, for example, Patent Document 1). .. In such a semiconductor device, since the aluminum wire is directly bonded to the heat generating portion of the power device chip, thermal stress due to repeated on and off of the power device chip is applied to the aluminum wire, and this thermal stress is used as it is for fatigue life. Appears as.
アルミワイヤへの熱ストレスを低減して信頼性を向上させる目的で、パワーデバイス向けに、従来のアルミワイヤによるボンディングに代えて200μmΦ以上の銅の太線によるワイヤボンディングが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。また、ワイヤボンディング以外にも、リボンボンドと呼ばれるリボン形状(例えば、幅2mm×厚み0.3mm)のアルミ、銅又ははんだ等の金属ワイヤにより接合する方法も検討されている。
For the purpose of reducing thermal stress on aluminum wires and improving reliability, wire bonding with thick copper wires of 200 μmΦ or more has been proposed for power devices instead of conventional bonding with aluminum wires (for example, non-bonding with aluminum wires). See Patent Document 1). In addition to wire bonding, a method of bonding with a metal wire such as aluminum, copper, or solder having a ribbon shape (for example,
銅は金及びアルミニウムと比較して加工硬化が顕著に現れやすい。金属ワイヤを充分な強度で接合するには接合時の加圧力又は超音波出力を上昇させる必要があるが、このような接合条件は接合時のチップダメージを発生させやすい。 Compared with gold and aluminum, copper is more prone to work hardening. In order to join metal wires with sufficient strength, it is necessary to increase the pressing force or ultrasonic output at the time of joining, but such joining conditions tend to cause chip damage at the time of joining.
リボン形状の金属ワイヤを接合する場合も接合強度を確保するためには接合時の加圧力又は超音波出力を上昇させる必要があるため、チップダメージの発生が懸念される。 Even when joining ribbon-shaped metal wires, it is necessary to increase the pressing force or ultrasonic output at the time of joining in order to secure the joining strength, so there is a concern that chip damage may occur.
そこで本発明は、接続する部材への影響を小さくしながらも充分な接合強度を得ることが可能な接続構造体の製造方法、及び太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤ等の部材が接続されている場合であっても充分な接合強度を有することができる接続構造体を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention relates to a method for manufacturing a connection structure capable of obtaining sufficient joint strength while reducing the influence on the members to be connected, and a member such as a thick wire metal wire or a ribbon-shaped metal wire is connected. It is an object of the present invention to provide a connection structure capable of having sufficient joint strength even when the case is used.
上記課題を解決するために本発明者らが鋭意検討した結果、半導体素子上に特定の焼結銅層を含む接合部を設け、この接合部に金属ワイヤを接合することにより、半導体素子へのダメージ抑制と良好なワイヤボンディングとを両立できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent studies by the present inventors in order to solve the above problems, a joint portion containing a specific sintered copper layer is provided on the semiconductor element, and a metal wire is bonded to this joint portion to form a semiconductor element. We have found that both damage suppression and good wire bonding can be achieved at the same time, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、第一の部材と、第一の部材上に設けられた、銅の含有量が65体積%以上95体積%以下である焼結銅層を含む接合部と、を有する接続用部材を用意する第1工程、及び、接合部に第二の部材を接合する第2工程を備え、第二の部材が金属ワイヤである接続構造体の製造方法を提供する。 That is, the present invention has a connection having a first member and a joint provided on the first member including a sintered copper layer having a copper content of 65% by volume or more and 95% by volume or less. Provided is a method for manufacturing a connecting structure, comprising a first step of preparing a working member and a second step of joining a second member to a joint portion, wherein the second member is a metal wire.
本発明の接続構造体の製造方法によれば、接続する部材への影響を小さくしながらも充分な接合強度を有する接続構造体を得ることができる。このような効果が奏される理由としては、銅の含有量が65体積%以上95体積%以下である、すなわち適度な空隙を有する焼結銅層が、充分な強度を有しながらもクッション層として機能することにより第一の部材への衝撃を充分に低減できたためと本発明者等は考えている。 According to the method for manufacturing a connection structure of the present invention, it is possible to obtain a connection structure having sufficient joint strength while reducing the influence on the members to be connected. The reason why such an effect is exhibited is that the sintered copper layer having a copper content of 65% by volume or more and 95% by volume or less, that is, having appropriate voids, has sufficient strength but is a cushion layer. The present inventors consider that the impact on the first member could be sufficiently reduced by functioning as the first member.
上記接合部は、焼結銅層の第一の部材とは反対側の面上に設けられた、ニッケル、パラジウム、金、白金、及び銀からなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有する単層若しくは複層の金属含有層をさらに含むことができる。この場合、接続する部材への影響を小さくしながらも充分な接合強度を有する接続構造体を得ることがさらに容易となる。このような効果が奏される理由としては、焼結銅層がクッション層として機能することに加えて、上記特定の金属含有層によって第二の部材の接合時の条件(例えば加圧力又は超音波出力など)を緩和できることなどが考えられる。 The joint contains at least one metal selected from the group consisting of nickel, palladium, gold, platinum, and silver provided on the surface of the sintered copper layer opposite to the first member. It may further include a single layer or a multi-layer metal-containing layer. In this case, it becomes easier to obtain a connection structure having sufficient joint strength while reducing the influence on the members to be connected. The reason why such an effect is exhibited is that the sintered copper layer functions as a cushion layer and the conditions at the time of joining the second member by the specific metal-containing layer (for example, pressing force or ultrasonic waves). It is conceivable that the output etc.) can be relaxed.
上記焼結銅層は、第一の部材への衝撃をさらに低減する観点から、第一の部材の焼結銅層と接する面に対して略平行に配向したフレーク状の銅粒子に由来する構造を含むことが好ましい。例えば、太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤなどの第二の部材が、第一の部材の表面(例えば、Siチップ表面にスパッタにより形成されたアルミニウム被膜)に対してほぼ垂直方向から加圧された場合に衝撃を吸収する効果が得られやすくなる。 The sintered copper layer has a structure derived from flake-shaped copper particles oriented substantially parallel to the surface of the first member in contact with the sintered copper layer, from the viewpoint of further reducing the impact on the first member. Is preferably included. For example, a second member, such as a thick wire metal wire or a ribbon-shaped metal wire, pressurizes the surface of the first member (for example, an aluminum film formed by sputtering on the surface of a Si chip) from almost perpendicular to the surface. When this is done, the effect of absorbing the impact can be easily obtained.
本発明の接続構造体の製造方法においては、第一の部材上にフレーク状の銅粒子が含まれる銅ペースト層を設け、該銅ペースト層を焼成することにより焼結銅層を形成することができる。 In the method for producing a connecting structure of the present invention, a copper paste layer containing flake-shaped copper particles is provided on a first member, and the copper paste layer is fired to form a sintered copper layer. can.
本発明の接続構造体の製造方法においては、上記第一の部材及びが半導体素子であってもよい。 In the method for manufacturing a connection structure of the present invention, the first member and the above may be a semiconductor element.
通常、シリコン(Si)チップなどの半導体素子の表面にはアルミニウム被膜が形成されている場合が多く、このアルミニウム被膜に金属ワイヤを直接接続するには、ある一定以上の圧力又は超音波出力を加える必要がある。特に、金属ワイヤが太線の金属ワイヤ又はリボン形状である場合にはさらに大きな加圧力又は超音波出力が必要となり、接続後にSiチップが割れてしまうという問題が発生しやすい。Siチップ上に、「無電解ニッケルめっき被膜・無電解パラジウムめっき被膜」、「無電解ニッケルめっき被膜・無電解パラジウムめっき被膜・無電解金めっき被膜」、又は「無電解ニッケルめっき被膜・無電解金めっき被膜・無電解ニッケルめっき被膜」を形成する場合もあるが、接続時の加圧力又は超音波出力が大きすぎるとSiチップの割れが生じてしまう。また、これらの被膜を厚膜化(例えば20μm程度)しても、緩衝効果が充分に得られずにSiチップの割れが生じてしまう。 Usually, an aluminum film is often formed on the surface of a semiconductor element such as a silicon (Si) chip, and in order to directly connect a metal wire to this aluminum film, a certain pressure or ultrasonic output is applied. There is a need. In particular, when the metal wire has a thick metal wire or a ribbon shape, a larger pressing force or ultrasonic output is required, and a problem that the Si chip is cracked after connection is likely to occur. On the Si chip, "electroless nickel plating film / electroless palladium plating film", "electroless nickel plating film / electroless palladium plating film / electroless gold plating film", or "electroless nickel plating film / electroless gold" A "plating film / electroless nickel plating film" may be formed, but if the pressing force at the time of connection or the ultrasonic output is too large, the Si chip will crack. Further, even if these coatings are thickened (for example, about 20 μm), the cushioning effect cannot be sufficiently obtained and the Si chip is cracked.
これに対し、本発明によれば、上記のSiチップの割れを抑制することができる。この理由として、金属ワイヤが太線の金属ワイヤ又はリボン形状であっても上記焼結金属層によって衝撃を吸収する効果が得られることが挙げられる。また、接合部が上記金属含有層をさらに含む場合には、接続時の加圧力又は超音波出力を抑制しても充分な接合が可能になることも挙げられる。 On the other hand, according to the present invention, the cracking of the Si chip can be suppressed. The reason for this is that even if the metal wire has a thick metal wire or a ribbon shape, the effect of absorbing impact can be obtained by the sintered metal layer. Further, when the joint portion further contains the metal-containing layer, sufficient bonding can be achieved even if the pressing force at the time of connection or the ultrasonic output is suppressed.
本発明の接続構造体の製造方法においては、上記金属ワイヤが、アルミワイヤ、銅ワイヤ、パラジウム被覆ワイヤ、銀ワイヤ、及び金ワイヤからなる群より選択される少なくとも一種の金属ワイヤであってもよい。 In the method for producing a connecting structure of the present invention, the metal wire may be at least one metal wire selected from the group consisting of an aluminum wire, a copper wire, a palladium-coated wire, a silver wire, and a gold wire. ..
また、上記金属含有層は、焼結銅層側からみて、
a)ニッケル含有層及びパラジウム含有層
b)ニッケル含有層及び金含有層
c)ニッケル含有層、パラジウム含有層及び金含有層
d)パラジウム含有層
e)パラジウム含有層及び金含有層
のいずれかであってもよい。
Further, the metal-containing layer is viewed from the sintered copper layer side.
a) Nickel-containing layer and palladium-containing layer b) Nickel-containing layer and gold-containing layer c) Nickel-containing layer, palladium-containing layer and gold-containing layer d) Palladium-containing layer e) Palladium-containing layer or gold-containing layer You may.
本発明の接続構造体の製造方法においては無電解めっき及び/又はスパッタにより上記金属含有層を形成することができる。スパッタの場合、焼結銅層の表面に数μmレベルの空孔が開いていてもその空孔が塞がれてしまうことを抑制でき、無電解めっきの場合も、めっき被膜の厚みを適宜調整することで、焼結銅層の表面に空孔が開いていてもその空孔が塞がれてしまうことを抑制でき、空孔内部にめっき液が残存することも抑制できる。これにより、焼結銅層の表面に凹凸を有する金属含有層を形成することができ、太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤを接合する場合であっても、良好な接続信頼性を得ることが可能となる。 In the method for producing a connection structure of the present invention, the metal-containing layer can be formed by electroless plating and / or sputtering. In the case of sputtering, even if there are holes of several μm level on the surface of the sintered copper layer, it is possible to prevent the holes from being blocked, and even in the case of electroless plating, the thickness of the plating film is adjusted appropriately. By doing so, even if there are holes on the surface of the sintered copper layer, it is possible to prevent the holes from being closed, and it is also possible to prevent the plating solution from remaining inside the holes. As a result, a metal-containing layer having irregularities on the surface of the sintered copper layer can be formed, and good connection reliability can be obtained even when a thick metal wire or a ribbon-shaped metal wire is joined. Is possible.
また、焼結銅層の空孔内部の表面にもめっき被膜を形成する観点から、超音波を印加しながらめっき析出させる無電解めっきにより上記金属含有層を形成してもよい。特に無電解ニッケルめっきにおいては、めっきの析出速度がはやく、還元剤として次亜リン酸等を用いると水素ガスが発生しやすい。この場合であっても、超音波を印加することにより、焼結銅層の空孔部が水素ガスにより塞がれることを抑制して反応を進行させることができ、空孔内部の表面にもめっき被膜を形成しやすくなる。 Further, from the viewpoint of forming a plating film on the surface inside the pores of the sintered copper layer, the metal-containing layer may be formed by electroless plating in which plating is deposited while applying ultrasonic waves. Especially in electroless nickel plating, the precipitation rate of plating is fast, and hydrogen gas is likely to be generated when hypophosphorous acid or the like is used as a reducing agent. Even in this case, by applying ultrasonic waves, it is possible to prevent the pores of the sintered copper layer from being blocked by hydrogen gas and allow the reaction to proceed, and the surface inside the pores can also be treated. It becomes easy to form a plating film.
本発明はまた、第一の部材と、焼結銅層を含む接合部と、第二の部材とをこの順に備え、焼結銅層は、第一の部材上に設けられており、銅の含有量が65体積%以上95体積%以下であり、第二の部材が、金属ワイヤであり、接合部と接合されている接続構造体を提供する。 The present invention also includes a first member, a joint including a sintered copper layer, and a second member in this order, and the sintered copper layer is provided on the first member and is made of copper. Provided is a connecting structure in which the content is 65% by volume or more and 95% by volume or less, and the second member is a metal wire, which is joined to the joint portion.
本発明の接続構造体は、上記接合部を有し、これを介して第一の部材と第二の部材である金属ワイヤとが接合されていることにより、第一の部材へのダメージが少なく且つ充分な接合強度を有することができる。また、本発明の接続構造体は、金属ワイヤが太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤなどの場合であっても充分な接合強度を有することができ、接続信頼性に優れる。 The connection structure of the present invention has the above-mentioned joint portion, and the first member and the metal wire which is the second member are joined through the joint portion, so that the damage to the first member is small. Moreover, it can have sufficient bonding strength. Further, the connection structure of the present invention can have sufficient bonding strength even when the metal wire is a thick metal wire or a ribbon-shaped metal wire, and is excellent in connection reliability.
上記接合部は、焼結銅層の第一の部材とは反対側の面上に設けられた、ニッケル、パラジウム、金、白金、及び銀からなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有する単層若しくは複層の金属含有層をさらに含むことができ、第二の部材が金属含有層に接合されていてもよい。この場合の接続構造体は、接続時の加圧力又は超音波出力を抑制しても第二の部材が充分接合され得ることから、さらに接続信頼性に優れたものになり得る。 The joint contains at least one metal selected from the group consisting of nickel, palladium, gold, platinum, and silver provided on the surface of the sintered copper layer opposite to the first member. A single-layer or multi-layer metal-containing layer may be further included, and the second member may be bonded to the metal-containing layer. In this case, the connection structure can be further excellent in connection reliability because the second member can be sufficiently joined even if the pressing force or the ultrasonic output at the time of connection is suppressed.
上記接合部は、第一の部材と接する面に対して略平行に配向したフレーク状の銅粒子に由来する構造を含むことができる。この場合、太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤなどの第二の部材が、第一の部材の表面(例えば、スパッタにより形成されたSiチップ上のアルミニウム被膜)に対してほぼ垂直方向から加圧された場合に衝撃を吸収する効果が得られやすくなる。 The joint may include a structure derived from flaky copper particles oriented substantially parallel to the surface in contact with the first member. In this case, a second member, such as a thick wire metal wire or a ribbon-shaped metal wire, is applied from substantially perpendicular to the surface of the first member (for example, an aluminum coating on a Si chip formed by sputtering). When pressed, the effect of absorbing the impact can be easily obtained.
本発明はまた、第一の部材が半導体素子である上記本発明に係る接続構造体を備える半導体装置を提供する。 The present invention also provides a semiconductor device including the connection structure according to the present invention, wherein the first member is a semiconductor element.
本発明の半導体装置は、本発明に係る接続構造体を備えることにより、接続信頼性に優れたものになり得る。 The semiconductor device of the present invention can be excellent in connection reliability by providing the connection structure according to the present invention.
本発明によれば、接続する部材への影響を小さくしながらも充分な接合強度を得ることが可能な接続構造体の製造方法、及び太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤ等の部材が接続されている場合であっても充分な接合強度を有することができる接続構造体を提供することができる。 According to the present invention, a method for manufacturing a connection structure capable of obtaining sufficient joint strength while reducing the influence on the members to be connected, and members such as a thick wire metal wire or a ribbon-shaped metal wire are connected. It is possible to provide a connection structure capable of having sufficient bonding strength even when the bonding structure is used.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter, referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments.
以下、図面を参照しながら好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
[接続構造体]
図1は、本実施形態の接続構造体の一例を示す模式断面図である。図1に示される接続構造体100は、第一の部材10と、接合部15と、第二の部材40と、をこの順に備え、第一の部材10と第二の部材40とが、接合部15を介して接続されている。接合部15は、第一の部材10上に設けられた焼結銅層20と、焼結銅層20上に設けられた金属含有層30とを有する。本実施形態では、第二の部材40が金属含有層30を介して焼結銅層20に接合されている。
[Connection structure]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the connection structure of the present embodiment. The
<部材>
本実施形態の接続構造体100は、第一の部材10が半導体素子であり、第二の部材40が金属ワイヤである。
<Members>
In the
半導体素子としては、ダイオード、整流器、サイリスタ、MOSゲートドライバ、パワースイッチ、パワーMOSFET、IGBT、ショットキーダイオード、ファーストリカバリダイオード等からなるパワーモジュール、発信機、増幅器、LEDモジュール等が挙げられる。 Examples of semiconductor elements include power modules including diodes, rectifiers, thyristors, MOS gate drivers, power switches, power MOSFETs, IGBTs, shotkey diodes, fast recovery diodes, transmitters, amplifiers, LED modules, and the like.
金属ワイヤとしては、銅ワイヤ、リボン形状のアルミ、銅又ははんだ等の金属ワイヤ、リボン状の銅ワイヤに、アルミニウム、はんだ等が被覆された金属ワイヤが挙げられる。 Examples of the metal wire include a copper wire, a ribbon-shaped aluminum, a metal wire such as copper or solder, and a ribbon-shaped copper wire coated with aluminum, solder or the like.
金属ワイヤが銅ワイヤの場合、熱ストレスを低減して信頼性を向上させる観点から、直径が100μm以上であることが好ましく、150μm以上500μm以下がより好ましく、200μm以上400μm以下がさらに好ましい。 When the metal wire is a copper wire, the diameter is preferably 100 μm or more, more preferably 150 μm or more and 500 μm or less, still more preferably 200 μm or more and 400 μm or less, from the viewpoint of reducing thermal stress and improving reliability.
金属ワイヤがリボン形状である場合、熱ストレスを低減して信頼性を向上させる観点から、幅が0.3mm以上であることが好ましく、0.5mm以上3mm以下がより好ましく、0.7mm以上2mm以下がさらに好ましい。厚みは、熱ストレスを低減して信頼性を向上させる観点から、0.05mm以上であることが好ましく、0.08mm以上0.5mm以下がより好ましく、0.1mm以上0.4mm以下がさらに好ましい。 When the metal wire has a ribbon shape, the width is preferably 0.3 mm or more, more preferably 0.5 mm or more and 3 mm or less, and 0.7 mm or more and 2 mm from the viewpoint of reducing thermal stress and improving reliability. The following is more preferable. The thickness is preferably 0.05 mm or more, more preferably 0.08 mm or more and 0.5 mm or less, still more preferably 0.1 mm or more and 0.4 mm or less, from the viewpoint of reducing thermal stress and improving reliability. ..
<焼結銅層>
焼結銅層20における銅の含有量(体積割合)は、焼結銅層の体積を基準として、65体積%以上95体積%以下であることが好ましく、70体積%以上90体積%以下がより好ましく、70体積%以上80体積%がより好ましい。焼結銅層における銅の含有量を上記範囲とすることで、銅の含有量が100体積%の場合と比較して衝撃吸収性に優れたクッション層として機能させることができ、金属ワイヤが太線の金属ワイヤ又はリボン形状であっても第一の部材への衝撃を低減できる。
<Sintered copper layer>
The copper content (volume ratio) in the sintered
なお、焼結銅層を構成する材料の組成が分かっている場合には、例えば、以下の手順で焼結銅層における銅の含有量を求めることができる。まず、焼結銅層を直方体に切り出し、焼結金属層の縦、横の長さをノギス又は外形形状測定装置で測定し、厚みを膜厚計で測定することにより焼結銅層の体積を計算する。切り出した焼結銅層の体積と、精密天秤で測定した焼結銅層の重量とから見かけの密度M1(g/cm3)を求める。求めたM1と、銅の密度8.96g/cm3とを用いて、下記式(A)から焼結銅層における銅の含有量(体積%)が求められる。
焼結銅層における銅の含有量(体積%)=[(M1)/8.96]×100・・・(A)
When the composition of the material constituting the sintered copper layer is known, for example, the copper content in the sintered copper layer can be determined by the following procedure. First, the sintered copper layer is cut into a rectangular body, the vertical and horizontal lengths of the sintered metal layer are measured with a caliper or an external shape measuring device, and the thickness is measured with a film thickness meter to measure the volume of the sintered copper layer. calculate. The apparent density M 1 (g / cm 3 ) is obtained from the volume of the cut out sintered copper layer and the weight of the sintered copper layer measured by a precision balance. Using the obtained M 1 and the copper density of 8.96 g / cm 3 , the copper content (volume%) in the sintered copper layer can be determined from the following formula (A).
Copper content (volume%) in the sintered copper layer = [(M 1 ) /8.96] × 100 ... (A)
焼結銅層20は、構成する元素のうち軽元素を除いた元素中の銅元素の割合が95質量%以上であってもよく、97質量%以上であってもよく、98質量%以上であってもよく、100質量%であってもよい。焼結銅層における銅元素の上記割合が、上記範囲内であれば、金属間化合物の形成又は金属銅結晶粒界への異種元素の析出を抑制でき、焼結金属層を構成する金属銅の性質が強固になりやすく、よりいっそう優れた接続信頼性が得られやすい。
In the sintered
また、焼結銅層20における軽元素を除いた元素中の銅元素の割合が100質量%である場合、上記銅の体積割合は緻密度(%)とみなすことができる。
Further, when the ratio of the copper element in the elements excluding the light element in the sintered
焼結銅層20は、接続体の接合界面(例えば、第一の部材と焼結銅層との接合面)に対して略平行に配向したフレーク状の銅粒子に由来する構造を含むことが好ましい。この場合、太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤなどの第二の部材が、第一の部材の表面に対してほぼ垂直方向から加圧された場合に衝撃を吸収する効果が得られやすくなる。この理由として、第二の部材(例えばワイヤなど)の接合面と、フレーク状の銅粒子に由来する焼結銅とが略平行になり、このフレーク状の銅粒子に由来する焼結銅の周囲に空孔が形成されやすくなることが考えられる。
The sintered
図2は、本実施形態の接続構造体における焼結銅層の典型的なモルフォロジーの一例を示す模式断面図である。図2に示される焼結銅層は、フレーク状の銅粒子に由来する構造(以下、「フレーク状構造」という場合もある)を有する焼結銅1と、他の銅粒子に由来する焼結銅2と、空孔3とを含む。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of typical morphology of the sintered copper layer in the connection structure of the present embodiment. The sintered copper layer shown in FIG. 2 is a sintered copper 1 having a structure derived from flake-shaped copper particles (hereinafter, may be referred to as a “flake-shaped structure”) and a sintered copper derived from other copper particles. Includes
上記の構造を有する焼結銅層は、フレーク状の銅粒子を含む接合用銅ペーストを焼結することより形成することができる。なお、フレーク状とは板状、鱗片状等の平板状の形状を包含する。フレーク状構造としては、長径と厚みとの比が5以上であってもよい。フレーク状構造の長径の数平均径は2μm以上であってもよく、3μm以上であってもよく、4μm以上であってもよい。フレーク状構造の形状がこの範囲内であれば、焼結銅層に含まれるフレーク状構造による補強効果が向上し、接合体が接合強度及び接続信頼性によりいっそう優れるものとなる。 The sintered copper layer having the above structure can be formed by sintering a bonding copper paste containing flake-shaped copper particles. The flake shape includes a flat plate shape such as a plate shape or a scale shape. As the flake-like structure, the ratio of the major axis to the thickness may be 5 or more. The number average diameter of the major axis of the flake-shaped structure may be 2 μm or more, 3 μm or more, or 4 μm or more. When the shape of the flake-like structure is within this range, the reinforcing effect of the flake-like structure contained in the sintered copper layer is improved, and the bonded body is further improved in joint strength and connection reliability.
フレーク状構造の長径及び厚みは、例えば、接合体のSEM像から求めることができる。以下に、フレーク状構造の長径と厚みをSEM像から測定する方法を例示する。接合体をエポキシ注形樹脂でサンプル全体が埋まるように注ぎ、硬化する。注形したサンプルの観察したい断面付近で切断し、研磨で断面を削り、CP(クロスセクションポリッシャ)加工を行う。サンプルの断面をSEM装置により5000倍で観察する。接合体の断面画像(例えば5000倍)を取得し、稠密な連続部であり、直線状、直方体状、楕円体状の部分で、この部分の内に内包される直線の中で最大の長さのものを長径、それと直交してこの部分に内包される直線の中で最大の長さのものを厚みとしたときに、長径の長さが1μm以上で且つ長径/厚みの比が4以上であるものをフレーク状構造とみなし、測長機能のある画像処理ソフトによりフレーク状構造の長径と厚みを測長することができる。それらの平均値については、無作為に選んだ20点以上で数平均を計算することで得られる。 The major axis and thickness of the flake-like structure can be obtained from, for example, an SEM image of the bonded body. The method of measuring the major axis and the thickness of the flake-like structure from the SEM image will be illustrated below. The conjugate is poured with epoxy cast resin so that the entire sample is filled and cured. Cut the cast sample near the cross section you want to observe, grind the cross section by polishing, and perform CP (cross section polisher) processing. The cross section of the sample is observed with an SEM device at a magnification of 5000. A cross-sectional image (for example, 5000 times) of the joint is acquired, and it is a dense continuous part, which is a linear, rectangular, or ellipsoidal part, and is the longest of the straight lines contained in this part. When the length of the major axis is the major axis and the one with the longest length of the straight lines included in this part orthogonal to the major axis is the thickness, the length of the major axis is 1 μm or more and the major axis / thickness ratio is 4 or more. Something is regarded as a flake-shaped structure, and the major axis and thickness of the flake-shaped structure can be measured by image processing software having a length measuring function. The average value thereof can be obtained by calculating the number average with 20 points or more randomly selected.
焼結銅層20の厚みは、金属ワイヤの接続時における加圧力又は超音波出力を緩衝してSiチップなどの割れを抑制する観点から、10μm以上300μm以下が好ましく、20μm以上250μm以下がより好ましく、50μm以上200μm以下がさらに好ましい。
The thickness of the sintered
焼結銅層20は、無電解ニッケルめっき被膜及び無電解パラジウムめっき被膜がこの順に形成された接合面上に設けられていてもよい。この場合、第一の部材上に無電解ニッケルめっき被膜及び無電解パラジウムめっき被膜を設けることができる。
The sintered
<金属含有層>
金属含有層30は、ニッケル、パラジウム、金、白金、及び銀からなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有する単層若しくは複層とすることができる。特に、ニッケル及びパラジウムは、下地の焼結銅の表面への拡散を抑制する効果が高い。また、金を含有する層を形成することで、第二の部材として太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤを接続する際に、金含有層がない場合に較べて加圧力又は超音波出力を小さくして接続することができ、第一の部材への影響をより低減することができる。
<Metal-containing layer>
The metal-containing
金属含有層30は、スパッタ又は無電解めっきにより形成することができる。金属含有層が複層である場合、スパッタ及び無電解めっきを併用してもよい。この場合、金属含有層は焼結銅層の表面(露出面)の一部又は全部を被覆することができる。
The metal-containing
スパッタによる金属含有層の形成方法及び無電解めっきによる金属含有層の形成方法は、公知の方法を用いることができ、特に限定されない。 As a method for forming the metal-containing layer by sputtering and a method for forming the metal-containing layer by electroless plating, known methods can be used and are not particularly limited.
金属含有層30は、焼結銅層20側からみて、
a)ニッケル含有層及びパラジウム含有層
b)ニッケル含有層及び金含有層
c)ニッケル含有層、パラジウム含有層及び金含有層
d)パラジウム含有層
e)パラジウム含有層及び金含有層
のいずれかであってもよい。
The metal-containing
a) Nickel-containing layer and palladium-containing layer b) Nickel-containing layer and gold-containing layer c) Nickel-containing layer, palladium-containing layer and gold-containing layer d) Palladium-containing layer e) Palladium-containing layer or gold-containing layer You may.
金属含有層30は、無電解めっきにより形成する場合、
a’)無電解ニッケルめっき被膜及び無電解パラジウムめっき被膜
b’)無電解ニッケルめっき被膜及び無電解金めっき被膜
c’)無電解ニッケルめっき被膜、無電解パラジウムめっき被膜及び無電解金めっき被膜
d’)無電解パラジウムめっき被膜
e’)無電解パラジウムめっき被膜及び無電解金めっき被膜
のいずれかであってもよい。
When the metal-containing
a') Electroless nickel plating film and electroless palladium plating film b') Electroless nickel plating film and electroless gold plating film c') Electroless nickel plating film, electroless palladium plating film and electroless gold plating film d' ) Electroless palladium plating film e') It may be either an electroless palladium plating film or an electroless gold plating film.
ニッケル含有層の厚みは、10nm以上0.5μm以下であることが好ましく、20nm以上0.1μm以下であることがより好ましく、20nm以上50nm以下であることがさらに好ましい。ニッケル含有層の厚みを10nm以上にすることで、銅がニッケル含有層の焼結銅層とは反対側の表面にまで拡散することを充分抑制することができる。また、厚みの上限は、経済的な理由から0.5μm以下とするのが好ましい。 The thickness of the nickel-containing layer is preferably 10 nm or more and 0.5 μm or less, more preferably 20 nm or more and 0.1 μm or less, and further preferably 20 nm or more and 50 nm or less. By setting the thickness of the nickel-containing layer to 10 nm or more, it is possible to sufficiently suppress the diffusion of copper to the surface of the nickel-containing layer opposite to the sintered copper layer. Further, the upper limit of the thickness is preferably 0.5 μm or less for economic reasons.
パラジウム含有層の厚みは、10nm以上0.5μm以下であることが好ましく、15nm以上0.1μm以下であることが好ましく、20nm以上50nm以下であることがさらに好ましい。パラジウム含有層の厚みを10nm以上にすることで、銅又は下地にニッケル含有層を設けた場合にニッケルが、パラジウム含有層の焼結銅層とは反対側の表面にまで拡散することを充分抑制することができる。また、厚みの上限は、経済的な理由から0.5μm以下とするのが好ましい。 The thickness of the palladium-containing layer is preferably 10 nm or more and 0.5 μm or less, preferably 15 nm or more and 0.1 μm or less, and further preferably 20 nm or more and 50 nm or less. By setting the thickness of the palladium-containing layer to 10 nm or more, when a nickel-containing layer is provided on copper or a base, nickel is sufficiently suppressed from diffusing to the surface of the palladium-containing layer opposite to the sintered copper layer. can do. Further, the upper limit of the thickness is preferably 0.5 μm or less for economic reasons.
金含有層は厚みが大きいほど、太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤを接続する際に加圧力又は超音波出力を小さくすることができる。第一の部材への影響を抑制する観点からは、金含有層の厚みは大きい方が好ましいが、経済的な理由から0.5μm以下とするのが好ましい。 The thicker the gold-containing layer, the smaller the pressing force or ultrasonic output when connecting the thick metal wire or the ribbon-shaped metal wire. From the viewpoint of suppressing the influence on the first member, the thickness of the gold-containing layer is preferably large, but it is preferably 0.5 μm or less for economic reasons.
図3は、金属含有層の実施形態の一例を示す模式断面図である。図3に示される金属含有層30は、焼結銅層20上に設けられた無電解ニッケルめっき被膜34及び無電解パラジウムめっき被膜36から構成される。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of an embodiment of the metal-containing layer. The metal-containing
無電解ニッケルめっき被膜34は、純度(ニッケル含有量)が80質量%以上であることが好ましい。信頼性の点から、無電解ニッケルめっき被膜の純度は、85質量%以上が好ましく、90質量%以上が好ましい。
The purity (nickel content) of the electroless
無電解ニッケルめっき被膜における元素の含有量は、例えば、ウルトラミクロトーム法で導電粒子の断面を切り出した後、TEMを用いて25万倍の倍率で観察し、TEMに付属するEDXによる成分分析により得ることができる。 The element content in the electroless nickel plating film is obtained, for example, by cutting out a cross section of conductive particles by an ultramicrotome method, observing the particles at a magnification of 250,000 times using a TEM, and analyzing the components by the EDX attached to the TEM. be able to.
無電解ニッケルめっき被膜34は、リン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一種を含有することが好ましく、リンを含有することがより好ましい。このような無電解ニッケルめっき被膜は、例えば、還元剤として次亜リン酸ナトリウム等のリン含有化合物を用いてリンを共析させることにより、ニッケル−リン合金を含有する無電解ニッケルめっき被膜として形成することができる。また、還元剤として、ジメチルアミンボラン、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム等のホウ素含有化合物を用いてホウ素を共析させることにより、ニッケル−ホウ素合金を含有する無電解ニッケルめっき被膜を形成することができる。
The electroless
無電解ニッケルめっき被膜34の厚みは、10nm以上0.5μm以下であることが好ましく、20nm以上0.1μm以下であることがより好ましく、20nm以上50nm以下であることがさらに好ましい。無電解ニッケルめっき被膜の厚みを10nm以上にすることで、銅が無電解ニッケルめっき被膜の焼結銅層とは反対側の表面にまで拡散することを抑制することができる。また、厚みの上限は、被膜が空孔の出口を塞いでめっき液が空孔内部に残存することを避ける観点から、0.5μm以下とするのが好ましい。
The thickness of the electroless
焼結銅層の空孔内部の表面にもめっき被膜を形成する観点から、超音波を印加しながらめっき被膜を析出させることが好ましい。特に無電解ニッケルめっきにおいては、めっきの析出速度がはやく、還元剤として次亜リン酸等を用いると水素ガスが発生しやすい。この場合であっても、超音波を印加することにより、焼結銅層の空孔部が水素ガスにより塞がれることを抑制して反応を進行させることができ、空孔内部の表面にもめっき被膜を形成しやすくなる。 From the viewpoint of forming a plating film on the surface inside the pores of the sintered copper layer, it is preferable to deposit the plating film while applying ultrasonic waves. Especially in electroless nickel plating, the precipitation rate of plating is fast, and hydrogen gas is likely to be generated when hypophosphorous acid or the like is used as a reducing agent. Even in this case, by applying ultrasonic waves, it is possible to prevent the pores of the sintered copper layer from being blocked by hydrogen gas and allow the reaction to proceed, and the surface inside the pores can also be treated. It becomes easy to form a plating film.
スパッタの場合、ニッケルを空孔の内壁に析出させることが難しいため、スパッタにより形成されるニッケル被膜は表面に焼結銅層の銅が拡散しやすい。一方、無電解めっきによれば空孔の内壁にまで被覆することが可能なため、焼結銅層が金属含有層の上部へ拡散することを抑制することができ、第二の部材として太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤを接続する場合であっても、より良好な接続信頼性が得られる。 In the case of sputtering, it is difficult to deposit nickel on the inner wall of the pores, so that the copper of the sintered copper layer tends to diffuse to the surface of the nickel film formed by sputtering. On the other hand, according to electroless plating, it is possible to cover the inner wall of the pores, so that the sintered copper layer can be suppressed from diffusing to the upper part of the metal-containing layer, and the thick wire can be used as the second member. Even when connecting a metal wire or a ribbon-shaped metal wire, better connection reliability can be obtained.
無電解パラジウムめっき被膜36は、例えば、還元剤を用いない置換型、及び還元剤を用いる還元型のいずれを用いて形成してもよい。このような無電解パラジウムめっき液としては、置換型ではMCA(株式会社ワールドメタル製、商品名)等が挙げられる。還元型ではAPP(石原薬品工業株式会社製、商品名)等が挙げられる。置換型と還元型とを比較した場合、ボイドが少なく、被覆面積を確保し易い観点から、還元型が好ましい。
The electroless
無電解パラジウムめっき液に用いるパラジウムの供給源としては、特に限定されないが、例えば、塩化パラジウム、塩化パラジウムナトリウム、塩化パラジウムアンモニウム、硫酸パラジウム、硝酸パラジウム、酢酸パラジウム、酸化パラジウム等のパラジウム化合物が挙げられる。具体的には、酸性塩化パラジウム「PdCl2/HCl」、硝酸テトラアンミンパラジウム「Pd(NH3)4(NO3)2」、ジニトロジアンミンパラジウム「Pd(NH3)2(NO2)2」、ジシアノジアンミンパラジウム「Pd(CN)2(NH3)2」、ジクロロテトラアンミンパラジウム「Pd(NH3)4Cl2」、スルファミン酸パラジウム「Pd(NH2SO3)2」、硫酸ジアンミンパラジウム「Pd(NH3)2SO4」、シュウ酸テトラアンミンパラジウム「Pd(NH3)4C2O4」、硫酸パラジウム「PdSO4」等を用いることができる。 The source of palladium used in the electroless palladium plating solution is not particularly limited, and examples thereof include palladium compounds such as palladium chloride, sodium palladium chloride, ammonium palladium chloride, palladium sulfate, palladium nitrate, palladium acetate, and palladium oxide. .. Specifically, acidic palladium chloride "PdCl 2 / HCl", tetraammine palladium nitrate "Pd (NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 ", dinitrodiammine palladium "Pd (NH 3 ) 2 (NO 2 ) 2 ", dicyano Diammine Palladium "Pd (CN) 2 (NH 3 ) 2 ", Dichlorotetraammine Palladium "Pd (NH 3 ) 4 Cl 2 ", Palladium Sulfamate "Pd (NH 2 SO 3 ) 2 ", Diammine Palladium Sulfate "Pd (NH 3) 2" 3) 2 SO 4 ", oxalate tetraamminepalladium" Pd (NH 3) 4 C 2 O 4 ", may be used palladium sulfate" PdSO 4 "or the like.
無電解パラジウムめっき液に用いる還元剤としては、特に制限はないが、得られる無電解パラジウムめっき被膜におけるパラジウム含有量を充分高めると共に無電解パラジウムめっき被膜の厚みばらつきを更に抑える観点から、ギ酸化合物(例えばギ酸ナトリウム)が好ましい。 The reducing agent used in the electroless palladium plating solution is not particularly limited, but from the viewpoint of sufficiently increasing the palladium content in the obtained electroless palladium plating film and further suppressing the thickness variation of the electroless palladium plating film, a foric acid compound ( For example, sodium formate) is preferable.
無電解パラジウムめっき被膜36は、リン及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも一種を含有することができる。無電解パラジウムめっき液に用いる還元剤として、例えば、次亜リン酸、亜リン酸等のリン含有化合物;ホウ素含有化合物を用いることにより、パラジウム−リン合金又はパラジウム−ホウ素合金を含有する無電解パラジウムめっき被膜を得ることができる。この場合、無電解パラジウムめっき被膜におけるパラジウム含有量が所望の範囲となるように、還元剤の濃度、pH、めっき液の温度等を調整することが好ましい。
The electroless
無電解パラジウムめっき液には、必要に応じて、錯化剤、緩衝剤等を添加することができる。錯化剤としては、例えば、エチレンジアミン及び酒石酸が挙げられる。緩衝剤等の種類については、特に限定されない。 A complexing agent, a buffer, or the like can be added to the electroless palladium plating solution, if necessary. Examples of the complexing agent include ethylenediamine and tartaric acid. The type of buffer and the like is not particularly limited.
無電解パラジウムめっき被膜36におけるパラジウム含有量は、無電解パラジウムめっき被膜の全量を基準として、94質量%以上が好ましく、97質量%以上がより好ましく、99質量%以上がさらに好ましい。なお、無電解パラジウムめっき被膜におけるパラジウム含有量の上限は100質量%である。無電解パラジウムめっき被膜におけるパラジウム含有量が上記範囲であると、第二の部材として太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤを接続する場合であっても、良好な接続信頼性を得られる。
The palladium content in the electroless
無電解パラジウムめっき被膜における元素の含有量は、例えば、ウルトラミクロトーム法で導電粒子の断面を切り出した後、TEMを用いて25万倍の倍率で観察し、TEMに付属するEDXによる成分分析により得ることができる。 The element content in the electroless palladium plating film is obtained, for example, by cutting out a cross section of conductive particles by an ultramicrotome method, observing the particles at a magnification of 250,000 times using a TEM, and analyzing the components with an EDX attached to the TEM. be able to.
無電解パラジウムめっき被膜36の厚みは、3nm以上0.5μm以下であることが好ましく、5nm以上0.1μm以下であることがより好ましく、10nm以上50nm以下であることがさらに好ましい。無電解パラジウムめっき被膜の厚みを3nm以上にすることで、ニッケルが、無電解パラジウムめっき被膜の焼結銅層とは反対側の表面にまで拡散することを充分抑制することができる。また、厚みの上限は、経済的な理由から0.5μm以下とするのが好ましい。
The thickness of the electroless
無電解パラジウムめっき被膜36の表面には、さらに無電解金めっき被膜を形成することができる。
An electroless gold plating film can be further formed on the surface of the electroless
この場合、無電解金めっき被膜の純度は、99質量%以上であることが好ましく、99.5質量%以上であることがより好ましい。無電解金めっき被膜は置換型の金めっき液により形成してもよく、置換型の金めっき液の後に、還元型の金めっき液を用いて、金めっき被膜をさらに厚くしてもよい。また、置換還元型の金めっき液を用いてもよい。これは、めっき液中に還元剤を有する置換金めっき液であり、通常の置換金めっき液と比較して厚付けが可能である。 In this case, the purity of the electroless gold plating film is preferably 99% by mass or more, and more preferably 99.5% by mass or more. The electroless gold plating film may be formed by a replacement type gold plating solution, or a reduction type gold plating solution may be used after the replacement type gold plating solution to further thicken the gold plating film. Further, a substitution reduction type gold plating solution may be used. This is a replacement gold plating solution having a reducing agent in the plating solution, and can be thickened as compared with a normal replacement gold plating solution.
無電解金めっき被膜の厚みは、10nm以上0.5μm以下であることが好ましく、20nm以上0.4μm以下であることがより好ましく、30nm以上0.3μm以下であることがさらに好ましい。無電解金めっき被膜は厚みが大きいほど、太線の金属ワイヤ又はリボン形状の金属ワイヤを接続する際に加圧力又は超音波出力を小さくすることができる。第一の部材への影響を抑制する観点からは、無電解金めっき被膜の厚みは大きい方が好ましいが、空孔内での反応は空孔外よりも激しくなる傾向にあるため、空孔部の出口を塞がないようにする観点から、0.5μm以下とするのが好ましい。 The thickness of the electroless gold plating film is preferably 10 nm or more and 0.5 μm or less, more preferably 20 nm or more and 0.4 μm or less, and further preferably 30 nm or more and 0.3 μm or less. The thicker the electroless gold-plated coating, the smaller the pressing force or ultrasonic output when connecting a thick wire metal wire or a ribbon-shaped metal wire. From the viewpoint of suppressing the influence on the first member, it is preferable that the thickness of the electroless gold plating film is large, but the reaction inside the pores tends to be more intense than that outside the pores. From the viewpoint of not blocking the outlet of the above, it is preferably 0.5 μm or less.
本実施形態の接続構造体は、焼結銅層と、第二の部材としての金属ワイヤとが、焼結銅層の表面の一部又は全部を被覆する金属含有層を介して接続されている。本実施形態の接続構造体は、上述した焼結銅層及び金属含有層を備えることにより、第一の部材としての半導体素子へのダメージが充分に低減され得ることから、接続信頼性に優れた半導体装置になり得る。 In the connection structure of the present embodiment, the sintered copper layer and the metal wire as the second member are connected via a metal-containing layer that covers a part or all of the surface of the sintered copper layer. .. By providing the above-mentioned sintered copper layer and metal-containing layer, the connection structure of the present embodiment can sufficiently reduce damage to the semiconductor element as the first member, and thus has excellent connection reliability. It can be a semiconductor device.
本実施形態の接続構造体において、金属含有層は、上述しためっき又はスパッタにより形成されるもの以外の形態とすることができる。この場合、ニッケル、パラジウム、金、白金、及び銀からなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有する単層若しくは複層の金属プレートが挙げられる。このような金属プレートを焼結銅層上に配置することで金属含有層を設けることができる。 In the connection structure of the present embodiment, the metal-containing layer may have a form other than that formed by the above-mentioned plating or sputtering. In this case, a single-layer or multi-layer metal plate containing at least one metal selected from the group consisting of nickel, palladium, gold, platinum, and silver can be mentioned. By arranging such a metal plate on the sintered copper layer, a metal-containing layer can be provided.
また、接合部は焼結銅層のみを含んでいてもよい。この場合も、第一の部材としての半導体素子へのダメージを充分低減しつつ、第二の部材である金属ワイヤを充分な接合強度で焼結銅層に接合することができる。 Further, the joint portion may contain only a sintered copper layer. In this case as well, the metal wire, which is the second member, can be bonded to the sintered copper layer with sufficient bonding strength while sufficiently reducing the damage to the semiconductor element as the first member.
本実施形態の接続構造体における第一の部材と金属ワイヤである第二の部材とのワイヤプル強度は、500gfであってもよく、700gf以上であってもよく、1000gf以上であってもよく、1200gf以上であってもよい。ワイヤプル強度は、ボンドテスタ(Dage社製、商品名:BT2400PC)、万能型ボンドテスタ(4000シリーズ、Dage社製)等を用いて測定することができる。なお、ワイヤプル強度とは、ワイヤの接合部に対して、ほぼ垂直方向にワイヤを引っ張った際の強度を意味する。 The wire pull strength between the first member and the second member, which is a metal wire, in the connection structure of the present embodiment may be 500 gf, 700 gf or more, or 1000 gf or more. It may be 1200 gf or more. The wire pull strength can be measured using a bond tester (manufactured by Dage, trade name: BT2400PC), a universal bond tester (4000 series, manufactured by Dage), or the like. The wire pull strength means the strength when the wire is pulled in a direction substantially perpendicular to the joint portion of the wire.
第一の部材が半導体素子であり、第二の部材が金属ワイヤである場合、これらのワイヤプル強度は、500gf以上であってもよく、700gf以上であってもよく、1000gf以上であってもよく、1200gf以上であってもよい。また、第一の部材が半導体素子であり、第二の部材が銅ワイヤである場合、ワイヤプル強度が、500gf以上であってもよく、700gf以上であってもよく、1000gf以上であってもよく、1200gf以上であってもよい。 When the first member is a semiconductor element and the second member is a metal wire, the wire pull strength of these may be 500 gf or more, 700 gf or more, or 1000 gf or more. It may be 1200 gf or more. When the first member is a semiconductor element and the second member is a copper wire, the wire pull strength may be 500 gf or more, 700 gf or more, or 1000 gf or more. It may be 1200 gf or more.
本実施形態に係る接続構造体では、接合された部材間の熱膨張率差で生じた熱応力が焼結銅層にかかった場合でも、高い接続信頼性を維持できる。また、この焼結銅層は、金属結合で繋がった金属銅を充分に含んで構成されていることから、高い熱伝導率が発現し、発熱の大きな半導体装置の実装において速やかな放熱が可能である。更に、焼結銅層は金属結合で強固に接合されるため、リボン形状(例えば、幅2mm×厚み0.3mm)のアルミ、銅又ははんだ等の金属ワイヤに対し、優れた接合強度を示すことができる。このように、本実施形態に係る接続構造体は、パワーデバイス、ロジック回路、アンプ等の発熱の大きな電子デバイスに適用した場合に非常に有効な性質を有する。このような電子デバイスは、より高い投入電力が許容でき、更に高い動作温度で動作させることが可能となる。
In the connection structure according to the present embodiment, high connection reliability can be maintained even when the sintered copper layer is subjected to thermal stress generated by the difference in thermal expansion coefficient between the joined members. In addition, since this sintered copper layer is composed of a sufficient amount of metallic copper connected by metal bonds, it exhibits high thermal conductivity and can quickly dissipate heat when mounting a semiconductor device that generates a large amount of heat. be. Further, since the sintered copper layer is firmly bonded by metal bonding, it exhibits excellent bonding strength to a metal wire such as aluminum, copper or solder having a ribbon shape (for example,
本発明に係る接続構造体は上記の態様に限定されず種々の変更が可能である。 The connection structure according to the present invention is not limited to the above aspects and can be modified in various ways.
第一の部材は、例えば、IGBT、ダイオード、ショットキーバリヤダイオード、MOS−FET、サイリスタ、ロジック回路、センサー、アナログ集積回路、LED、半導体レーザー、発信器等の半導体素子、リードフレーム、金属板貼付セラミックス基板(例えばDBC)、LEDパッケージ等の半導体素子搭載用基材、金属フレーム等の金属配線、金属ブロック等の熱伝導性及び導電性を有するブロック体、端子等の給電用部材、放熱板、水冷板などであってもよい。 The first member is, for example, an IGBT, a diode, a Schottky barrier diode, a MOS-FET, a thyristor, a logic circuit, a sensor, an analog integrated circuit, an LED, a semiconductor laser, a semiconductor element such as a transmitter, a lead frame, and a metal plate attached. Ceramic substrates (for example, DBC), base materials for mounting semiconductor elements such as LED packages, metal wiring such as metal frames, block bodies having thermal conductivity and conductivity such as metal blocks, power supply members such as terminals, heat sinks, etc. It may be a water cooling plate or the like.
上記の部材は、焼結金属層と接する面に、金、銀、ニッケルなどの金属を有していてもよい。部材が無電解ニッケルめっきを有する場合は、このめっき上に無電解パラジウムめっきをさらに形成すると信頼性が大幅に向上する。 The above member may have a metal such as gold, silver, or nickel on the surface in contact with the sintered metal layer. When the member has electroless nickel plating, further forming electroless palladium plating on this plating greatly improves reliability.
焼結金属層と接する面に金属を含む部材としては、例えば、各種金属めっきを有する部材、ワイヤ、金属めっきを有するチップ、ヒートスプレッダ、金属板が貼り付けられたセラミックス基板、各種金属めっきを有するリードフレーム又は各種金属からなるリードフレーム、銅板、銅箔が挙げられる。 Examples of the member containing metal on the surface in contact with the sintered metal layer include a member having various metal plating, a wire, a chip having metal plating, a heat spreader, a ceramic substrate to which a metal plate is attached, and a lead having various metal plating. Examples thereof include a frame or a lead frame made of various metals, a copper plate, and a copper foil.
[接続構造体の製造方法]
本実施形態に係る接続構造体の製造方法は、第一の部材と、第一の部材上に設けられた、銅の含有量が65体積%以上95体積%以下である焼結銅層を含む接合部と、を有する接続用部材を用意する第1工程と、接合部に第二の部材を接合する第2工程とを備える。そして、第二の部材が金属ワイヤである。
[Manufacturing method of connection structure]
The method for manufacturing a connecting structure according to the present embodiment includes a first member and a sintered copper layer provided on the first member and having a copper content of 65% by volume or more and 95% by volume or less. It includes a first step of preparing a connecting member having a joint portion, and a second step of joining a second member to the joint portion. The second member is a metal wire.
本実施形態においては、上記接合部が、焼結銅層の第一の部材とは反対側の面上に設けられた、ニッケル、パラジウム、金、白金、及び銀からなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有する単層若しくは複層の金属含有層をさらに含み、金属含有層に、又は金属含有層を介して焼結銅層に、金属ワイヤを接合する。 In the present embodiment, the joint is at least selected from the group consisting of nickel, palladium, gold, platinum, and silver provided on the surface of the sintered copper layer opposite to the first member. A single or multi-layered metal-containing layer containing a kind of metal is further included, and a metal wire is bonded to the metal-containing layer or to the sintered copper layer via the metal-containing layer.
上記焼結銅層は、接合用銅ペーストを用いて形成することができる。 The sintered copper layer can be formed by using a bonding copper paste.
<接合用銅ペースト>
本実施形態の接合用銅ペーストは、金属粒子と、分散媒と、を含む。
<Copper paste for joining>
The bonding copper paste of the present embodiment contains metal particles and a dispersion medium.
本実施形態に係る金属粒子としては、サブマイクロ銅粒子、フレーク状マイクロ銅粒子、これら以外の銅粒子、その他の金属粒子等が挙げられる。本明細書においてサブマイクロ銅粒子とは、粒径又は最大径が0.1μm以上1.0μm未満の粒子を意味し、マイクロ銅粒子とは、粒径又は最大径が1.0μm以上20μm以下の粒子を意味する。 Examples of the metal particles according to the present embodiment include sub-micro copper particles, flake-shaped micro copper particles, copper particles other than these, and other metal particles. In the present specification, the sub-microcopper particles mean particles having a particle size or maximum diameter of 0.1 μm or more and less than 1.0 μm, and microcopper particles have a particle size or maximum diameter of 1.0 μm or more and 20 μm or less. Means particles.
(サブマイクロ銅粒子)
サブマイクロ銅粒子としては、粒径が0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子を含むものが挙げられ、例えば、体積平均粒径が0.12μm以上0.8μm以下のサブマイクロ銅粒子を用いることができる。サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径が0.12μm以上であれば、サブマイクロ銅粒子の合成コストの抑制、良好な分散性、表面処理剤の使用量の抑制といった効果が得られやすくなる。サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径が0.8μm以下であれば、サブマイクロ銅粒子の焼結性が優れるという効果が得られやすくなる。よりいっそう上記効果を奏するという観点から、サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径は、0.15μm以上0.8μm以下であってもよく、0.15μm以上0.6μm以下であってもよく、0.2μm以上0.5μm以下であってもよく、0.3μm以上0.45μm以下であってもよい。
(Sub-micro copper particles)
Examples of the sub-micro copper particles include copper particles having a particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less. For example, sub-micro copper particles having a volume average particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less are used. be able to. When the volume average particle size of the sub-micro copper particles is 0.12 μm or more, the effects of suppressing the synthesis cost of the sub-micro copper particles, good dispersibility, and suppressing the amount of the surface treatment agent used can be easily obtained. When the volume average particle size of the sub-micro copper particles is 0.8 μm or less, the effect of excellent sinterability of the sub-micro copper particles can be easily obtained. From the viewpoint of further exerting the above effect, the volume average particle size of the sub-micro copper particles may be 0.15 μm or more and 0.8 μm or less, 0.15 μm or more and 0.6 μm or less, and may be 0. It may be .2 μm or more and 0.5 μm or less, or 0.3 μm or more and 0.45 μm or less.
なお、本願明細書において体積平均粒径とは、50%体積平均粒径を意味する。銅粒子の体積平均粒径を求める場合、原料となる銅粒子、又は接合用銅ペーストから揮発成分を除去した乾燥銅粒子を、分散剤を用いて分散媒に分散させたものを光散乱法粒度分布測定装置(例えば、島津ナノ粒子径分布測定装置(SALD−7500nano,株式会社島津製作所製))で測定する方法等により求めることができる。光散乱法粒度分布測定装置を用いる場合、分散媒としては、ヘキサン、トルエン、α−テルピネオール等を用いることができる。 In the specification of the present application, the volume average particle diameter means a 50% volume average particle diameter. When determining the volume average particle size of copper particles, the particle size of the light scattering method is obtained by dispersing the copper particles as a raw material or dried copper particles obtained by removing volatile components from the bonding copper paste in a dispersion medium using a dispersant. It can be obtained by a method of measuring with a distribution measuring device (for example, Shimadzu nanoparticle size distribution measuring device (SALD-7500 nano, manufactured by Shimadzu Corporation)). When a light scattering particle size distribution measuring device is used, hexane, toluene, α-terpineol or the like can be used as the dispersion medium.
サブマイクロ銅粒子は、粒径が0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子を10質量%以上含むことができる。接合用銅ペーストの焼結性の観点から、サブマイクロ銅粒子は、粒径が0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子を20質量%以上含むことができ、30質量%以上含むことができ、100質量%含むことができる。サブマイクロ銅粒子における粒径が0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子の含有割合が20質量%以上であると、銅粒子の分散性がより向上し、粘度の上昇、ペースト濃度の低下をより抑制することができる。 The sub-micro copper particles can contain 10% by mass or more of copper particles having a particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less. From the viewpoint of the sinterability of the copper paste for bonding, the sub-micro copper particles can contain 20% by mass or more of copper particles having a particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less, and can contain 30% by mass or more. , 100% by mass can be contained. When the content ratio of the copper particles having a particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less in the sub-micro copper particles is 20% by mass or more, the dispersibility of the copper particles is further improved, the viscosity is increased, and the paste concentration is decreased. It can be more suppressed.
銅粒子の粒径は、下記方法により求めることができる。銅粒子の粒径は、例えば、SEM像から算出することができる。銅粒子の粉末を、SEM用のカーボンテープ上にスパチュラで載せ、SEM用サンプルとする。このSEM用サンプルをSEM装置により5000倍で観察する。このSEM像の銅粒子に外接する四角形を画像処理ソフトにより作図し、その一辺をその粒子の粒径とする。 The particle size of the copper particles can be determined by the following method. The particle size of the copper particles can be calculated from, for example, an SEM image. The powder of copper particles is placed on a carbon tape for SEM with a spatula to prepare a sample for SEM. This SEM sample is observed with an SEM device at a magnification of 5000. A quadrangle circumscribing the copper particles of this SEM image is drawn by image processing software, and one side thereof is used as the particle size of the particles.
サブマイクロ銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、20質量%以上90質量%以下であってもよく、30質量%以上90質量%以下であってもよく、35質量%以上85質量%以下であってもよく、40質量%以上80質量%以下であってもよい。サブマイクロ銅粒子の含有量が上記範囲内であれば、上述した本実施形態に係る焼結金属層を形成することが容易となる。 The content of the sub-micro copper particles may be 20% by mass or more and 90% by mass or less, 30% by mass or more and 90% by mass or less, and 35% by mass or more, based on the total mass of the metal particles. It may be 85% by mass or less, and may be 40% by mass or more and 80% by mass or less. When the content of the sub-micro copper particles is within the above range, it becomes easy to form the sintered metal layer according to the above-described embodiment.
サブマイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びフレーク状マイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、20質量%以上90質量%以下であってもよい。サブマイクロ銅粒子の上記含有量が20質量%以上であれば、フレーク状マイクロ銅粒子の間を充分に充填することができ、上述した本実施形態に係る焼結金属層を形成することが容易となる。サブマイクロ銅粒子の上記含有量が90質量%以下であれば、接合用銅ペーストを焼結した時の体積収縮を充分に抑制できるため、上述した本実施形態に係る焼結金属層を形成することが容易となる。よりいっそう上記効果を奏するという観点から、サブマイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びフレーク状マイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、30質量%以上85質量%以下であってもよく、35質量%以上85質量%以下であってもよく、40質量%以上80質量%以下であってもよい。 The content of the sub-micro copper particles may be 20% by mass or more and 90% by mass or less based on the total of the mass of the sub-micro copper particles and the mass of the flake-shaped micro copper particles. When the content of the sub-micro copper particles is 20% by mass or more, the space between the flake-shaped micro copper particles can be sufficiently filled, and the sintered metal layer according to the present embodiment described above can be easily formed. It becomes. When the content of the sub-micro copper particles is 90% by mass or less, the volume shrinkage when the bonding copper paste is sintered can be sufficiently suppressed, so that the sintered metal layer according to the present embodiment described above is formed. It becomes easy. From the viewpoint of further exerting the above effect, the content of the sub-micro copper particles is 30% by mass or more and 85% by mass or less based on the total of the mass of the sub-micro copper particles and the mass of the flake-shaped micro copper particles. It may be 35% by mass or more and 85% by mass or less, or 40% by mass or more and 80% by mass or less.
サブマイクロ銅粒子の形状は、特に限定されるものではない。サブマイクロ銅粒子の形状としては、例えば、球状、塊状、針状、フレーク状、略球状及びこれらの凝集体が挙げられる。分散性及び充填性の観点から、サブマイクロ銅粒子の形状は、球状、略球状、フレーク状であってもよく、燃焼性、分散性、フレーク状マイクロ銅粒子との混合性等の観点から、球状又は略球状であってもよい。 The shape of the sub-micro copper particles is not particularly limited. Examples of the shape of the sub-micro copper particles include a spherical shape, a lump shape, a needle shape, a flake shape, a substantially spherical shape, and an aggregate thereof. From the viewpoint of dispersibility and filling property, the shape of the sub-micro copper particles may be spherical, substantially spherical, or flake-shaped, and from the viewpoint of flammability, dispersibility, mixability with the flake-shaped micro-copper particles, and the like. It may be spherical or substantially spherical.
サブマイクロ銅粒子は、分散性、充填性、及びフレーク状マイクロ銅粒子との混合性の観点から、アスペクト比が5以下であってもよく、3以下であってもよい。本明細書において、「アスペクト比」とは、粒子の長辺/厚みを示す。粒子の長辺及び厚みの測定は、例えば、粒子のSEM像から求めることができる。 The sub-micro copper particles may have an aspect ratio of 5 or less or 3 or less from the viewpoint of dispersibility, filling property, and mixing property with the flake-shaped micro copper particles. As used herein, the "aspect ratio" refers to the long side / thickness of the particles. The measurement of the long side and the thickness of the particle can be obtained from, for example, an SEM image of the particle.
サブマイクロ銅粒子は、特定の表面処理剤で処理されていてもよい。特定の表面処理剤としては、例えば、炭素数8〜16の有機酸が挙げられる。炭素数8〜16の有機酸としては、例えば、カプリル酸、メチルヘプタン酸、エチルヘキサン酸、プロピルペンタン酸、ペラルゴン酸、メチルオクタン酸、エチルヘプタン酸、プロピルヘキサン酸、カプリン酸、メチルノナン酸、エチルオクタン酸、プロピルヘプタン酸、ブチルヘキサン酸、ウンデカン酸、メチルデカン酸、エチルノナン酸、プロピルオクタン酸、ブチルヘプタン酸、ラウリン酸、メチルウンデカン酸、エチルデカン酸、プロピルノナン酸、ブチルオクタン酸、ペンチルヘプタン酸、トリデカン酸、メチルドデカン酸、エチルウンデカン酸、プロピルデカン酸、ブチルノナン酸、ペンチルオクタン酸、ミリスチン酸、メチルトリデカン酸、エチルドデカン酸、プロピルウンデカン酸、ブチルデカン酸、ペンチルノナン酸、ヘキシルオクタン酸、ペンタデカン酸、メチルテトラデカン酸、エチルトリデカン酸、プロピルドデカン酸、ブチルウンデカン酸、ペンチルデカン酸、ヘキシルノナン酸、パルミチン酸、メチルペンタデカン酸、エチルテトラデカン酸、プロピルトリデカン酸、ブチルドデカン酸、ペンチルウンデカン酸、ヘキシルデカン酸、ヘプチルノナン酸、メチルシクロヘキサンカルボン酸、エチルシクロヘキサンカルボン酸、プロピルシクロヘキサンカルボン酸、ブチルシクロヘキサンカルボン酸、ペンチルシクロヘキサンカルボン酸、ヘキシルシクロヘキサンカルボン酸、ヘプチルシクロヘキサンカルボン酸、オクチルシクロヘキサンカルボン酸、ノニルシクロヘキサンカルボン酸等の飽和脂肪酸;オクテン酸、ノネン酸、メチルノネン酸、デセン酸、ウンデセン酸、ドデセン酸、トリデセン酸、テトラデセン酸、ミリストレイン酸、ペンタデセン酸、ヘキサデセン酸、パルミトレイン酸、サビエン酸等の不飽和脂肪酸;テレフタル酸、ピロメリット酸、o−フェノキシ安息香酸、メチル安息香酸、エチル安息香酸、プロピル安息香酸、ブチル安息香酸、ペンチル安息香酸、ヘキシル安息香酸、ヘプチル安息香酸、オクチル安息香酸、ノニル安息香酸等の芳香族カルボン酸が挙げられる。有機酸は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。このような有機酸と上記サブマイクロ銅粒子とを組み合わせることで、サブマイクロ銅粒子の分散性と焼結時における有機酸の脱離性を両立できる傾向にある。 The submicro copper particles may be treated with a specific surface treatment agent. Specific surface treatment agents include, for example, organic acids having 8 to 16 carbon atoms. Examples of organic acids having 8 to 16 carbon atoms include capric acid, methylheptanic acid, ethylhexanoic acid, propylpentanoic acid, pelargonic acid, methyloctanoic acid, ethylheptanoic acid, propylhexanoic acid, capric acid, methylnonanoic acid and ethyl. Octanoic acid, propylheptanic acid, butylhexanoic acid, undecanoic acid, methyldecanoic acid, ethylnonanoic acid, propyloctanoic acid, butylheptanic acid, lauric acid, methylundecanoic acid, ethyldecanoic acid, propylnonanoic acid, butyloctanoic acid, pentylheptanic acid, Tridecanoic acid, methyldodecanoic acid, ethylundecanoic acid, propyldecanoic acid, butylnonanoic acid, pentyloctanoic acid, myristic acid, methyltridecanoic acid, ethyldodecanoic acid, propylundecanoic acid, butyldecanoic acid, pentylnonanoic acid, hexyloctanoic acid, pentadecanoic acid , Methyltetradecanoic acid, ethyltridecanoic acid, propyldodecanoic acid, butylundecanoic acid, pentyldecanoic acid, hexylnonanoic acid, palmitic acid, methylpentadecanoic acid, ethyltetradecanoic acid, propyltridecanoic acid, butyldodecanoic acid, pentylundecanoic acid, hexyldecane Acids, heptylnonanoic acid, methylcyclohexanecarboxylic acid, ethylcyclohexanecarboxylic acid, propylcyclohexanecarboxylic acid, butylcyclohexanecarboxylic acid, pentylcyclohexanecarboxylic acid, hexylcyclohexanecarboxylic acid, heptylcyclohexanecarboxylic acid, octylcyclohexanecarboxylic acid, nonylcyclohexanecarboxylic acid, etc. Saturated fatty acids in Aromas such as acid, pyromellitic acid, o-phenoxy benzoic acid, methyl benzoic acid, ethyl benzoic acid, propyl benzoic acid, butyl benzoic acid, pentyl benzoic acid, hexyl benzoic acid, heptyl benzoic acid, octyl benzoic acid, nonyl benzoic acid, etc. Group carboxylic acids include. One type of organic acid may be used alone, or two or more types may be used in combination. By combining such an organic acid with the above-mentioned sub-micro copper particles, there is a tendency that both the dispersibility of the sub-micro copper particles and the desorption of the organic acid at the time of sintering can be achieved at the same time.
表面処理剤の処理量は、サブマイクロ銅粒子の表面に一分子層〜三分子層付着する量であってもよい。この量は、サブマイクロ銅粒子の表面に付着した分子層数(n)、サブマイクロ銅粒子の比表面積(Ap)(単位m2/g)と、表面処理剤の分子量(Ms)(単位g/mol)と、表面処理剤の最小被覆面積(SS)(単位m2/個)と、アボガドロ数(NA)(6.02×1023個)から算出できる。具体的には、表面処理剤の処理量は、表面処理剤の処理量(質量%)={(n・Ap・Ms)/(SS・NA+n・Ap・Ms)}×100%の式に従って算出される。 The treatment amount of the surface treatment agent may be an amount that adheres to the surface of the sub-micro copper particles in a single-layer to a triple-layer. This amount is determined by the number of molecular layers (n) attached to the surface of the sub-micro copper particles, the specific surface area (A p ) (unit: m 2 / g) of the sub-micro copper particles, and the molecular weight (M s ) of the surface treatment agent. the unit g / mol), the minimum coverage area of the surface treatment agent (S S) (unit m 2 / piece) can be calculated from Avogadro's number (N a) (6.02 × 10 23 cells). Specifically, the processing amount of the surface treatment agent, the process amount of the surface treatment agent (wt%) = {(n · A p · M s) / (S S · N A + n · A p · M s)} It is calculated according to the formula of × 100%.
サブマイクロ銅粒子の比表面積は、乾燥させたサブマイクロ銅粒子をBET比表面積測定法で測定することで算出できる。表面処理剤の最小被覆面積は、表面処理剤が直鎖飽和脂肪酸の場合、2.05×10−19m2/1分子である。それ以外の表面処理剤の場合には、例えば、分子モデルからの計算、又は「化学と教育」(上江田捷博、稲福純夫、森巌、40(2),1992,p114−117)に記載の方法で測定できる。表面処理剤の定量方法の一例を示す。表面処理剤は、接合用銅ペーストから分散媒を除去した乾燥粉の熱脱離ガス・ガスクロマトグラフ質量分析計により同定でき、これにより表面処理剤の炭素数及び分子量を決定できる。表面処理剤の炭素分割合は、炭素分分析により分析できる。炭素分分析法としては、例えば、高周波誘導加熱炉燃焼/赤外線吸収法が挙げられる。同定された表面処理剤の炭素数、分子量及び炭素分割合から上記式により表面処理剤量を算出できる。 The specific surface area of the sub-micro copper particles can be calculated by measuring the dried sub-micro copper particles by the BET specific surface area measurement method. Minimum coverage of the surface treatment agent, if the surface treatment agent is a straight-chain saturated fatty acids, is 2.05 × 10 -19 m 2/1 molecule. In the case of other surface treatment agents, for example, calculation from a molecular model or "Chemistry and Education" (Akihiro Ueda, Sumio Inafuku, Iwao Mori, 40 (2), 1992, p114-117). It can be measured by the method described. An example of a method for quantifying a surface treatment agent is shown. The surface treatment agent can be identified by a heat desorption gas / gas chromatograph mass spectrometer of the dry powder obtained by removing the dispersion medium from the bonding copper paste, whereby the carbon number and molecular weight of the surface treatment agent can be determined. The carbon content ratio of the surface treatment agent can be analyzed by carbon content analysis. Examples of the carbon content analysis method include a high-frequency induction heating furnace combustion / infrared absorption method. The amount of the surface treatment agent can be calculated from the carbon number, molecular weight and carbon content ratio of the identified surface treatment agent by the above formula.
表面処理剤の上記処理量は、0.07質量%以上2.1質量%以下であってもよく、0.10質量%以上1.6質量%以下であってもよく、0.2質量%以上1.1質量%以下であってもよい。 The treatment amount of the surface treatment agent may be 0.07% by mass or more and 2.1% by mass or less, 0.10% by mass or more and 1.6% by mass or less, and 0.2% by mass. It may be 1.1% by mass or less.
サブマイクロ銅粒子としては、市販されているものを用いることができる。市販されているサブマイクロ銅粒子としては、例えば、CH−0200(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径0.36μm)、HT−14(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径0.41μm)、CT−500(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径0.72μm)、Tn−Cu100(太陽日酸株式会社製、体積平均粒径0.12μm)が挙げられる。 As the submicro copper particles, commercially available ones can be used. Examples of commercially available sub-micro copper particles include CH-0200 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., volume average particle diameter of 0.36 μm) and HT-14 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., volume average particle diameter of 0. 41 μm), CT-500 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., volume average particle size 0.72 μm), Tn-Cu100 (manufactured by Taiyo Nisshi Co., Ltd., volume average particle size 0.12 μm).
(フレーク状マイクロ銅粒子)
フレーク状マイクロ銅粒子としては、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上の銅粒子を含むものが挙げられ、例えば、平均最大径が1μ以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上の銅粒子を用いることができる。フレーク状マイクロ銅粒子の平均最大径及びアスペクト比が上記範囲内であれば、接合用銅ペーストを焼結した際の体積収縮を充分に低減でき、上述した本実施形態に係る焼結金属層を形成することが容易となる。よりいっそう上記効果を奏するという観点から、フレーク状マイクロ銅粒子の平均最大径は、1μm以上10μm以下であってもよく、3μm以上10μm以下であってもよい。フレーク状マイクロ銅粒子の最大径及び平均最大径の測定は、例えば、粒子のSEM像から求めることができ、後述するフレーク状構造の長径X及び長径の平均値Xavとして求められる。
(Flake-shaped micro copper particles)
Examples of the flake-shaped microcopper particles include copper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of 4 or more. For example, an average maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of 4 are included. The above copper particles can be used. When the average maximum diameter and aspect ratio of the flake-shaped micro copper particles are within the above ranges, the volume shrinkage when the bonding copper paste is sintered can be sufficiently reduced, and the sintered metal layer according to the present embodiment described above can be used. It becomes easy to form. From the viewpoint of further exerting the above effect, the average maximum diameter of the flake-shaped microcopper particles may be 1 μm or more and 10 μm or less, or 3 μm or more and 10 μm or less. The measurement of the maximum diameter and the average maximum diameter of the flake-shaped microcopper particles can be obtained from, for example, an SEM image of the particles, and is obtained as the major axis X and the average value Xav of the major axis of the flake-shaped structure described later.
フレーク状マイクロ銅粒子は、最大径が1μm以上20μm以下の銅粒子を50質量%以上含むことができる。接続構造体内での配向、補強効果、接合ペーストの充填性の観点から、フレーク状マイクロ銅粒子は、最大径が1μm以上20μm以下の銅粒子を70質量%以上含むことができ、80質量%以上含むことができ、100質量%含むことができる。接合不良を抑制する観点から、フレーク状マイクロ銅粒子は、例えば、最大径が20μmを超える粒子等の接合厚みを超えるサイズの粒子を含まないことが好ましい。接合厚みとは、第一の部材と接する面に対して垂直方向における焼結銅層の厚みを意味する。 The flake-shaped micro copper particles can contain 50% by mass or more of copper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less. From the viewpoint of orientation in the connecting structure, reinforcing effect, and filling property of the bonding paste, the flake-shaped microcopper particles can contain 70% by mass or more of copper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less, and 80% by mass or more. It can contain, and can contain 100% by mass. From the viewpoint of suppressing bonding defects, the flake-shaped microcopper particles preferably do not contain particles having a size exceeding the bonding thickness, such as particles having a maximum diameter of more than 20 μm. The joint thickness means the thickness of the sintered copper layer in the direction perpendicular to the surface in contact with the first member.
フレーク状マイクロ銅粒子の長径XをSEM像から算出する方法を例示する。フレーク状マイクロ銅粒子の粉末を、SEM用のカーボンテープ上にスパチュラで載せ、SEM用サンプルとする。このSEM用サンプルをSEM装置により5000倍で観察する。SEM像のフレーク状マイクロ銅粒子に外接する長方形を画像処理ソフトにより作図し、長方形の長辺をその粒子の長径Xとする。複数のSEM像を用いて、この測定を50個以上のフレーク状マイクロ銅粒子に対して行い、長径の平均値Xavを算出する。 An example is a method of calculating the major axis X of flake-shaped microcopper particles from an SEM image. The powder of flake-shaped microcopper particles is placed on a carbon tape for SEM with a spatula to prepare a sample for SEM. This SEM sample is observed with an SEM device at a magnification of 5000. A rectangle circumscribing the flake-shaped microcopper particles of the SEM image is drawn by image processing software, and the long side of the rectangle is defined as the major axis X of the particles. Using a plurality of SEM images, this measurement is performed on 50 or more flake-shaped microcopper particles, and the average value Xav of the major axis is calculated.
フレーク状マイクロ銅粒子は、アスペクト比が4以上であってもよく、6以上であってもよい。アスペクト比が上記範囲内であれば、接合用銅ペースト内のフレーク状マイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向することにより、接合用銅ペーストを焼結させたときの体積収縮を抑制でき、上述した本実施形態に係る焼結金属層を形成することが容易となる。 The flake-shaped microcopper particles may have an aspect ratio of 4 or more, or 6 or more. When the aspect ratio is within the above range, the flake-shaped microcopper particles in the bonding copper paste are oriented substantially parallel to the bonding surface, thereby causing volume shrinkage when the bonding copper paste is sintered. It can be suppressed, and it becomes easy to form the sintered metal layer according to the present embodiment described above.
フレーク状マイクロ銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、1質量%以上90質量%以下であってもよく、10質量%以上70質量%以下であってもよく、20質量%以上50質量%以下であってもよい。フレーク状マイクロ銅粒子の含有量が、上記範囲内であれば、上述した本実施形態に係る焼結金属層を形成することが容易となる。 The content of the flake-shaped microcopper particles may be 1% by mass or more and 90% by mass or less, 10% by mass or more and 70% by mass or less, or 20% by mass, based on the total mass of the metal particles. It may be 50% by mass or less. When the content of the flake-shaped microcopper particles is within the above range, it becomes easy to form the sintered metal layer according to the above-described embodiment.
サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、80質量%以上であってもよい。サブマイクロ銅粒子の含有量及びマイクロ銅粒子の含有量の合計が上記範囲内であれば、上述した本実施形態に係る焼結金属層を形成することが容易となる。よりいっそう上記効果を奏するという観点から、サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、90質量%以上であってもよく、95質量%以上であってもよく、100質量%であってもよい。 The total content of the sub-micro copper particles and the content of the flake-shaped micro copper particles may be 80% by mass or more based on the total mass of the metal particles. When the total content of the sub-micro copper particles and the content of the micro copper particles is within the above range, it becomes easy to form the sintered metal layer according to the above-described embodiment. From the viewpoint of further exerting the above effect, the total content of the sub-micro copper particles and the content of the flake-shaped micro-copper particles may be 90% by mass or more based on the total mass of the metal particles. It may be 100% by mass or more, or 100% by mass.
フレーク状マイクロ銅粒子において、表面処理剤の処理の有無は特に限定されるものではない。分散安定性及び耐酸化性の観点から、フレーク状マイクロ銅粒子は表面処理剤で処理されていてもよい。表面処理剤は、接合時に除去されるものであってもよい。このような表面処理剤としては、例えば、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、オレイン酸等の脂肪族カルボン酸;テレフタル酸、ピロメリット酸、o−フェノキシ安息香酸等の芳香族カルボン酸;セチルアルコール、ステアリルアルコール、イソボルニルシクロヘキサノール、テトラエチレングリコール等の脂肪族アルコール;p−フェニルフェノール等の芳香族アルコール;オクチルアミン、ドデシルアミン、ステアリルアミン等のアルキルアミン;ステアロニトリル、デカンニトリル等の脂肪族ニトリル;アルキルアルコキシシラン等のシランカップリング剤;ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、シリコーンオリゴマー等の高分子処理剤等が挙げられる。表面処理剤は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 In the flake-shaped microcopper particles, the presence or absence of treatment with the surface treatment agent is not particularly limited. From the viewpoint of dispersion stability and oxidation resistance, the flake-shaped microcopper particles may be treated with a surface treatment agent. The surface treatment agent may be one that is removed at the time of joining. Examples of such surface treatment agents include aliphatic carboxylic acids such as palmitic acid, stearic acid, arachidic acid, and oleic acid; aromatic carboxylic acids such as terephthalic acid, pyromellitic acid, and o-phenoxybenzoic acid; and cetyl alcohols. , Aliphatic alcohols such as stearyl alcohol, isobornylcyclohexanol, tetraethylene glycol; aromatic alcohols such as p-phenylphenol; alkylamines such as octylamine, dodecylamine, stearylamine; Aliphatic nitriles; silane coupling agents such as alkylalkoxysilanes; polymer treatment agents such as polyethylene glycols, polyvinyl alcohols, polyvinylpyrrolidones, silicone oligomers and the like can be mentioned. As the surface treatment agent, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.
表面処理剤の処理量は、粒子表面に一分子層以上の量であってもよい。このような表面処理剤の処理量は、フレーク状マイクロ銅粒子の比表面積、表面処理剤の分子量、及び表面処理剤の最小被覆面積により変化する。表面処理剤の処理量は、通常0.001質量%以上である。フレーク状マイクロ銅粒子の比表面積、表面処理剤の分子量、及び表面処理剤の最小被覆面積については、上述した方法により算出することができる。 The amount of the surface treatment agent to be treated may be one or more molecular layers on the surface of the particles. The treatment amount of such a surface treatment agent varies depending on the specific surface area of the flake-shaped microcopper particles, the molecular weight of the surface treatment agent, and the minimum coating area of the surface treatment agent. The treatment amount of the surface treatment agent is usually 0.001% by mass or more. The specific surface area of the flake-shaped microcopper particles, the molecular weight of the surface treatment agent, and the minimum coating area of the surface treatment agent can be calculated by the above-mentioned method.
上記サブマイクロ銅粒子のみから接合用銅ペーストを調製する場合、分散媒の乾燥に伴う体積収縮及び焼結収縮が大きいため、接合用銅ペーストの焼結時に被着面より剥離しやすくなり、半導体素子等の接合においては充分なダイシェア強度及び接続信頼性が得られにくい。サブマイクロ銅粒子とフレーク状マイクロ銅粒子とを併用することで、接合用銅ペーストを焼結させたときの体積収縮が抑制され、上述した本実施形態に係る焼結金属層を形成することが容易となる。 When the copper paste for bonding is prepared only from the above sub-micro copper particles, the volume shrinkage and the sintering shrinkage due to the drying of the dispersion medium are large, so that the copper paste for bonding is easily peeled off from the adherend surface at the time of sintering, and the semiconductor. It is difficult to obtain sufficient die shear strength and connection reliability when joining elements and the like. By using the sub-micro copper particles and the flake-shaped micro copper particles in combination, the volume shrinkage when the bonding copper paste is sintered is suppressed, and the sintered metal layer according to the present embodiment described above can be formed. It will be easy.
本実施形態の接合用銅ペーストにおいて、金属粒子に含まれる、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が2未満のマイクロ銅粒子の含有量は、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上のフレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、50質量%以下が好ましく、30質量%以下とすることがより好ましい。平均最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が2未満のマイクロ銅粒子の含有量を制限することにより、接合用銅ペースト内のフレーク状マイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向しやすくなり、接合用銅ペーストを焼結させたときの体積収縮をより有効に抑制することができる。これにより、上述した本実施形態に係る焼結金属層を形成することが容易となる。このような効果が更に得られやすくなる点で、平均最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が2未満のマイクロ銅粒子の含有量は、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上のフレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、20質量%以下であってもよく、10質量%以下であってもよい。 In the bonding copper paste of the present embodiment, the content of the micro copper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of less than 2 contained in the metal particles is 1 μm or more and 20 μm or less. Based on the total amount of flake-shaped microcopper particles having an aspect ratio of 4 or more, 50% by mass or less is preferable, and 30% by mass or less is more preferable. By limiting the content of microcopper particles having an average maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of less than 2, the flake-shaped microcopper particles in the bonding copper paste are substantially parallel to the bonding surface. The orientation becomes easier, and the volume shrinkage when the bonding copper paste is sintered can be suppressed more effectively. This facilitates the formation of the sintered metal layer according to the present embodiment described above. In terms of making it easier to obtain such an effect, the content of microcopper particles having an average maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of less than 2 is such that the maximum diameter is 1 μm or more and 20 μm or less, and the aspect ratio. It may be 20% by mass or less, or 10% by mass or less, based on the total amount of flake-shaped microcopper particles having a value of 4 or more.
本実施形態に係るフレーク状マイクロ銅粒子としては、市販されているものを用いることができる。市販されているフレーク状マイクロ銅粒子としては、例えば、MA−C025(三井金属鉱業株式会社製、平均最大径4.1μm)、3L3(福田金属箔粉工業株式会社製、平均最大径7.3μm)、1110F(三井金属鉱業株式会社製、平均最大径5.8μm)、2L3(福田金属箔粉工業株式会社製、平均最大径9μm)が挙げられる。 As the flake-shaped microcopper particles according to the present embodiment, commercially available ones can be used. Commercially available flake-shaped microcopper particles include, for example, MA-C025 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., average maximum diameter 4.1 μm), 3L3 (manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Industry Co., Ltd., average maximum diameter 7.3 μm). ), 1110F (Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., average maximum diameter 5.8 μm), 2L3 (Fukuda Metal Foil Powder Industry Co., Ltd., average maximum diameter 9 μm).
本実施形態の接合用銅ペーストにおいては、配合するマイクロ銅粒子として、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上のフレーク状マイクロ銅粒子を含み、且つ、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が2未満のマイクロ銅粒子の含有量が、上記フレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、50質量%以下、好ましくは30質量%以下であるマイクロ銅粒子を用いることができる。市販されているフレーク状マイクロ銅粒子を用いる場合、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が4以上のフレーク状マイクロ銅粒子を含み、且つ、最大径が1μm以上20μm以下であり、アスペクト比が2未満のマイクロ銅粒子の含有量が、上記フレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、50質量%以下、好ましくは30質量%以下であるものを選定してもよい。 In the bonding copper paste of the present embodiment, the micro copper particles to be blended include flake-shaped micro copper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less and an aspect ratio of 4 or more, and have a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm. Microcopper particles having an aspect ratio of less than 2 and having a content of microcopper particles of less than 50% by mass, preferably 30% by mass or less, based on the total amount of the flake-shaped microcopper particles can be used. .. When commercially available flake-shaped microcopper particles are used, the maximum diameter is 1 μm or more and 20 μm or less, the flake-shaped microcopper particles having an aspect ratio of 4 or more are included, and the maximum diameter is 1 μm or more and 20 μm or less. The content of the microcopper particles having a ratio of less than 2 may be selected to be 50% by mass or less, preferably 30% by mass or less, based on the total amount of the flake-shaped microcopper particles.
(銅粒子以外のその他の金属粒子)
金属粒子としては、上述したサブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子以外のその他の金属粒子を含んでいてもよく、例えば、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金等の粒子を含んでいてもよい。その他の金属粒子は、体積平均粒径が0.01μm以上10μm以下であってもよく、0.01μm以上5μm以下であってもよく、0.05μm以上3μm以下であってもよい。その他の金属粒子を含んでいる場合、その含有量は、充分な接合性を得るという観点から、金属粒子の全質量を基準として、20質量%未満であってもよく、10質量%以下であってもよい。その他の金属粒子は、含まれなくてもよい。その他の金属粒子の形状は、特に限定されるものではない。
(Other metal particles other than copper particles)
The metal particles may include the above-mentioned sub-micro copper particles and other metal particles other than the micro-copper particles, and may include, for example, particles such as nickel, silver, gold, palladium, and platinum. The volume average particle diameter of the other metal particles may be 0.01 μm or more and 10 μm or less, 0.01 μm or more and 5 μm or less, or 0.05 μm or more and 3 μm or less. When other metal particles are contained, the content thereof may be less than 20% by mass and 10% by mass or less based on the total mass of the metal particles from the viewpoint of obtaining sufficient bondability. You may. Other metal particles may not be included. The shapes of the other metal particles are not particularly limited.
銅粒子以外の金属粒子を含むことで、複数種の金属が固溶又は分散した焼結金属層を得ることができるため、焼結金属層の降伏応力、疲労強度等の機械的な特性が改善され、接続信頼性が向上しやすい。また、複数種の金属粒子を添加することで、形成される焼結金属層は、特定の被着体(例えば、銅、銀、ニッケル及び金)に対して、接合強度及び接続信頼性が向上しやすい。 By including metal particles other than copper particles, it is possible to obtain a sintered metal layer in which a plurality of types of metals are solid-dissolved or dispersed, so that mechanical properties such as yield stress and fatigue strength of the sintered metal layer are improved. It is easy to improve the connection reliability. In addition, the sintered metal layer formed by adding a plurality of types of metal particles improves the bonding strength and connection reliability with respect to a specific adherend (for example, copper, silver, nickel and gold). It's easy to do.
(分散媒)
分散媒は特に限定されるものではなく、揮発性のものであってもよい。揮発性の分散媒としては、例えば、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、α−テルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール(MTPH)等の一価及び多価アルコール類;エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールイソブチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類;エチレングリコールエチルエーテルアセテート、エチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート(DPMA)、乳酸エチル、乳酸ブチル、γ−ブチロラクトン、炭酸プロピレン等のエステル類;N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等の酸アミド;シクロヘキサン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン等の脂肪族炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素;炭素数1〜18のアルキル基を有するメルカプタン類;炭素数5〜7のシクロアルキル基を有するメルカプタン類が挙げられる。炭素数1〜18のアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、エチルメルカプタン、n−プロピルメルカプタン、i−プロピルメルカプタン、n−ブチルメルカプタン、i−ブチルメルカプタン、t−ブチルメルカプタン、ペンチルメルカプタン、ヘキシルメルカプタン及びドデシルメルカプタンが挙げられる。炭素数5〜7のシクロアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、シクロペンチルメルカプタン、シクロヘキシルメルカプタン及びシクロヘプチルメルカプタンが挙げられる。
(Dispersion medium)
The dispersion medium is not particularly limited and may be volatile. Examples of the volatile dispersion medium include monovalent and polyvalent and polyvalent such as pentanol, hexanol, heptanol, octanol, decanol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, α-terpineol and isobornylcyclohexanol (MTPH). Valuable alcohols; ethylene glycol butyl ether, ethylene glycol phenyl ether, diethylene glycol methyl ether, diethylene glycol ethyl ether, diethylene glycol butyl ether, diethylene glycol isobutyl ether, diethylene glycol hexyl ether, triethylene glycol methyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol Butylmethyl ether, diethylene glycol isopropylmethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol butylmethyl ether, propylene glycol propyl ether, dipropylene glycol methyl ether, dipropylene glycol ethyl ether, dipropylene glycol propyl ether, dipropylene glycol butyl ether, di Ethers such as propylene glycol dimethyl ether, tripropylene glycol methyl ether, tripropylene glycol dimethyl ether; ethylene glycol ethyl ether acetate, ethylene glycol butyl ether acetate, diethylene glycol ethyl ether acetate, diethylene glycol butyl ether acetate, dipropylene glycol methyl ether acetate (DPMA), lactic acid Ethers such as ethyl, butyl lactate, γ-butyrolactone, propylene carbonate; acid amides such as N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide; cyclohexane, octane, nonane, decane, Examples thereof include aliphatic hydrocarbons such as undecane; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene and xylene; mercaptans having an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms; and mercaptans having a cycloalkyl group having 5 to 7 carbon atoms. Examples of mercaptans having an alkyl group having 1 to 18 carbon atoms include ethyl mercaptan, n-propyl mercaptan, i-propyl mercaptan, n-butyl mercaptan, i-butyl mercaptan, t-butyl mercaptan, pentyl mercaptan, and hexyl mercaptan. And dodecyl mercaptan. Examples of mercaptans having a cycloalkyl group having 5 to 7 carbon atoms include cyclopentyl mercaptan, cyclohexyl mercaptan and cycloheptyl mercaptan.
分散媒の含有量は、金属粒子の全質量を100質量部として、5〜50質量部であってもよい。分散媒の含有量が上記範囲内であれば、接合用銅ペーストをより適切な粘度に調整でき、また、銅粒子の焼結を阻害しにくい。 The content of the dispersion medium may be 5 to 50 parts by mass, where 100 parts by mass is the total mass of the metal particles. When the content of the dispersion medium is within the above range, the bonding copper paste can be adjusted to a more appropriate viscosity, and the sintering of copper particles is less likely to be hindered.
(添加剤)
接合用銅ペーストには、必要に応じて、ノニオン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤等の濡れ向上剤;シリコーン油等の消泡剤;無機イオン交換体等のイオントラップ剤等を適宜添加してもよい。
(Additive)
Wetting improvers such as nonionic surfactants and fluorine-based surfactants; defoaming agents such as silicone oil; ion trapping agents such as inorganic ion exchangers, etc. are appropriately added to the bonding copper paste, if necessary. You may.
(接合用銅ペーストの調製)
接合用銅ペーストは、上述のサブマイクロ銅粒子、マイクロ銅粒子、その他の金属粒子及び任意の添加剤を分散媒に混合して調製してもよい。各成分の混合後に、撹拌処理を行ってもよい。接合用銅ペーストは、分級操作により分散液の最大粒径を調整してもよい。
(Preparation of copper paste for bonding)
The copper paste for bonding may be prepared by mixing the above-mentioned sub-micro copper particles, micro copper particles, other metal particles and any additive with a dispersion medium. After mixing each component, stirring treatment may be performed. For the copper paste for bonding, the maximum particle size of the dispersion liquid may be adjusted by a classification operation.
接合用銅ペーストは、サブマイクロ銅粒子、表面処理剤、分散媒をあらかじめ混合して、分散処理を行ってサブマイクロ銅粒子の分散液を調製し、更にマイクロ銅粒子、その他の金属粒子及び任意の添加剤を混合して調製してもよい。このような手順とすることで、サブマイクロ銅粒子の分散性が向上してマイクロ銅粒子との混合性が良くなり、接合用銅ペーストの性能がより向上する。サブマイクロ銅粒子の分散液を分級操作によって凝集物を除去してもよい。 The copper paste for bonding is prepared by mixing sub-micro copper particles, a surface treatment agent, and a dispersion medium in advance and performing dispersion treatment to prepare a dispersion liquid of sub-micro copper particles, and further micro copper particles, other metal particles, and optionally. Additives may be mixed and prepared. By performing such a procedure, the dispersibility of the sub-micro copper particles is improved, the mixing property with the micro copper particles is improved, and the performance of the copper paste for bonding is further improved. Agglomerates may be removed by classifying the dispersion of submicro copper particles.
本実施形態の接合用銅ペーストを用いて形成された焼結銅層を備える接続用部材の好適な態様について説明する。 A preferred embodiment of the connecting member including the sintered copper layer formed by using the bonding copper paste of the present embodiment will be described.
(接続用部材)
図4に示される接続用部材200は、第三の部材50と、第一の部材10と、第三の部材50と第一の部材10とを接合する焼結金属層52と、第一の部材10の焼結金属層52が設けられている側とは反対側の表面に焼結銅層20とを備えている。接続用部材200は、下記の方法により得ることが可能である。
(Connecting member)
The connecting
(1)あらかじめ、第三の部材50と、第一の部材10と、第三の部材50と第一の部材10とを接合する焼結金属層52と、を備える部材を準備してから、第一の部材10の表面に上述した接合用銅ペーストを設けてから、焼結を行い、焼結銅層20を設ける方法。
(2)第三の部材50上に、上述した接合用銅ペーストなどの金属ペーストを設け、この金属ペースト上に、第一の部材10を積層し、第一の部材10の上に上述した接合用銅ペーストを設けてから、焼結を行い、第三の部材50と第一の部材10とを接合する焼結金属層52と、焼結銅層20とを同時に形成する方法。
(3)第一の部材20の表面に上述した接合用銅ペーストを設けて、焼結を行い、第一の部材20上に焼結銅層20が設けられた部材を用意する。その後、第三の部材50上に、上述した接合用銅ペーストなどの金属ペーストを設け、この金属ペーストの上に、予め用意した上記部材を積層し、焼結を行う方法。
(1) A member including a
(2) A metal paste such as the above-mentioned copper paste for bonding is provided on the
(3) The above-mentioned bonding copper paste is provided on the surface of the
本実施形態においては、上記金属ペーストをその上部にある部材の自重又は更に0.01MPa以下の圧力を受けた状態で焼成することができる。 In the present embodiment, the metal paste can be fired under the weight of the member above the metal paste or a pressure of 0.01 MPa or less.
上記(1)においては、例えば、第一の部材、該第一の部材の自重が働く方向側に、上述した接合用銅ペーストなどの金属ペースト、及び第三の部材がこの順に積層された積層体を用意し、金属ペーストを、第一の部材の自重、又は第一の部材の自重及び0.01MPa以下の圧力を受けた状態で焼結する方法により得ることができる。 In the above (1), for example, the first member, the metal paste such as the copper paste for joining described above, and the third member are laminated in this order on the side in the direction in which the weight of the first member works. A body is prepared, and the metal paste can be obtained by sintering the metal paste under the weight of the first member or the weight of the first member and a pressure of 0.01 MPa or less.
上記(2)及び(3)においても同様にして積層体を用意し、金属ペーストについては、その上部にある部材の自重又は更に0.01MPa以下の圧力を受けた状態で焼成する方法により得ることができる。 In the same manner as in (2) and (3) above, a laminate is prepared, and the metal paste is obtained by firing under the weight of the member above it or a pressure of 0.01 MPa or less. Can be done.
金属ペーストとしては、上述した接合用銅ペーストを用いることが好ましい。この場合、焼結金属層52として焼結銅層が形成される。焼結銅層における銅の含有量は、65体積%以上であることが好ましい。焼結銅層における銅の含有量が上記範囲内であれば、焼結銅層の内部に大きな空孔が形成したり、フレーク状構造を繋ぐ焼結銅が疎になったりすることを抑制できる。そのため、焼結銅層における銅の含有量が上記範囲内であれば、充分な熱伝導性が得られるとともに部材と焼結銅層との接合強度が向上し、接合体は接続信頼性に優れるものとなる。焼結銅層における銅の含有量は、焼結銅層の体積を基準として、67体積%以上であってもよく、70体積%以上であってもよい。焼結銅層における銅の含有量は、焼結銅層の体積を基準として、製造プロセスの容易さの観点から、90体積%以下であってもよい。
As the metal paste, it is preferable to use the above-mentioned bonding copper paste. In this case, a sintered copper layer is formed as the
焼結金属層52は、構成する元素のうち軽元素を除いた元素中の銅元素の割合が95質量%以上であってもよく、97質量%以上であってもよく、98質量%以上であってもよく、100質量%であってもよい。焼結金属層における銅元素の上記割合が、上記範囲内であれば、金属間化合物の形成又は金属銅結晶粒界への異種元素の析出を抑制でき、焼結金属層を構成する金属銅の性質が強固になりやすく、よりいっそう優れた接続信頼性が得られやすい。
In the
焼結金属層52は、接続体の接合界面(例えば、第三の部材と焼結金属層との接合面)に対して略平行に配向したフレーク状の銅粒子に由来する構造を含むことが好ましい。
The
上記の構造を有する焼結銅層は、フレーク状の銅粒子を含む接合用銅ペーストを焼結することより形成することができる。なお、フレーク状とは板状、鱗片状等の平板状の形状を包含する。フレーク状構造としては、長径と厚みとの比が5以上であってもよい。フレーク状構造の長径の数平均径は2μm以上であってもよく、3μm以上であってもよく、4μm以上であってもよい。フレーク状構造の形状がこの範囲内であれば、焼結金属層に含まれるフレーク状構造による補強効果が向上し、接合体が接合強度及び接続信頼性によりいっそう優れるものとなる。 The sintered copper layer having the above structure can be formed by sintering a bonding copper paste containing flake-shaped copper particles. The flake shape includes a flat plate shape such as a plate shape or a scale shape. As the flake-like structure, the ratio of the major axis to the thickness may be 5 or more. The number average diameter of the major axis of the flake-shaped structure may be 2 μm or more, 3 μm or more, or 4 μm or more. When the shape of the flake-like structure is within this range, the reinforcing effect of the flake-like structure contained in the sintered metal layer is improved, and the bonded body is further improved in joint strength and connection reliability.
焼結金属層52の厚みは、第一の部材10と第三の部材50との接続を良好に保つ観点から、5μm以上100μm以下が好ましく、10μm以上70μm以下がより好ましく、15μm以上60μm以下がさらに好ましい。
The thickness of the
本実施形態においては、接合用銅ペーストを、各部材の必要な部分に設けることができる。接合用銅ペーストを堆積させられる方法を用いることができ、例えば、スクリーン印刷、転写印刷、オフセット印刷、ジェットプリンティング法、ディスペンサー、ジェットディスペンサ、ニードルディスペンサ、カンマコータ、スリットコータ、ダイコータ、グラビアコータ、スリットコート、凸版印刷、凹版印刷、グラビア印刷、ステンシル印刷、ソフトリソグラフ、バーコート、アプリケータ、粒子堆積法、スプレーコータ、スピンコータ、ディップコータ、電着塗装等を用いることができる。接合用銅ペーストの厚みは、1μm以上1000μm以下であってもよく、10μm以上500μm以下であってもよく、50μm以上200μm以下であってもよく、10μm以上3000μm以下であってもよく、15μm以上500μm以下であってもよく、20μm以上300μm以下であってもよく、5μm以上500μm以下であってもよく、10μm以上250μm以下であってもよく、15μm以上150μm以下であってもよい。 In the present embodiment, the bonding copper paste can be provided at a required portion of each member. A method of depositing copper paste for bonding can be used, for example, screen printing, transfer printing, offset printing, jet printing method, dispenser, jet dispenser, needle dispenser, comma coater, slit coater, die coater, gravure coater, slit coat. , Letterpress printing, intaglio printing, gravure printing, stencil printing, soft lithograph, bar coat, applicator, particle deposition method, spray coater, spin coater, dip coater, electrodeposition coating and the like can be used. The thickness of the bonding copper paste may be 1 μm or more and 1000 μm or less, 10 μm or more and 500 μm or less, 50 μm or more and 200 μm or less, 10 μm or more and 3000 μm or less, and 15 μm or more. It may be 500 μm or less, 20 μm or more and 300 μm or less, 5 μm or more and 500 μm or less, 10 μm or more and 250 μm or less, or 15 μm or more and 150 μm or less.
各部材上に設けられた接合用銅ペーストは、焼結時の流動及びボイドの発生を抑制する観点から、適宜乾燥させてもよい。乾燥時のガス雰囲気は大気中であってもよく、窒素、希ガス等の無酸素雰囲気中であってもよく、水素、ギ酸等の還元雰囲気中であってもよい。乾燥方法は、常温放置による乾燥であってもよく、加熱乾燥であってもよく、減圧乾燥であってもよい。加熱乾燥又は減圧乾燥には、例えば、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉、熱板プレス装置等を用いることができる。乾燥の温度及び時間は、使用した分散媒の種類及び量に合わせて適宜調整してもよい。乾燥の温度及び時間としては、例えば、50℃以上180℃以下で1分以上120分間以下乾燥させてもよい。 The copper paste for joining provided on each member may be appropriately dried from the viewpoint of suppressing flow and generation of voids during sintering. The gas atmosphere at the time of drying may be in the atmosphere, in an oxygen-free atmosphere such as nitrogen or noble gas, or in a reducing atmosphere such as hydrogen or formic acid. The drying method may be drying by leaving at room temperature, heat drying, or vacuum drying. For heat drying or vacuum drying, for example, a hot plate, a hot air dryer, a hot air heating furnace, a nitrogen dryer, an infrared dryer, an infrared heating furnace, a far infrared heating furnace, a microwave heating device, a laser heating device, an electromagnetic wave. A heating device, a heater heating device, a steam heating furnace, a hot plate pressing device, or the like can be used. The drying temperature and time may be appropriately adjusted according to the type and amount of the dispersion medium used. As the drying temperature and time, for example, it may be dried at 50 ° C. or higher and 180 ° C. or lower for 1 minute or more and 120 minutes or less.
接合用銅ペースト上に部材を配置する方法としては、例えば、チップマウンター、フリップチップボンダー、カーボン製又はセラミックス製の位置決め冶具が挙げられる。なお、前述の乾燥工程は、部材を配置した後に行ってもよい。 Examples of the method of arranging the members on the bonding copper paste include a chip mounter, a flip chip bonder, and a positioning jig made of carbon or ceramics. The above-mentioned drying step may be performed after the members are arranged.
焼結は加熱処理で行うことできる。加熱処理には、例えば、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉等を用いることができる。 Sintering can be done by heat treatment. For heat treatment, for example, a hot plate, a hot air dryer, a hot air heating furnace, a nitrogen dryer, an infrared dryer, an infrared heating furnace, a far infrared heating furnace, a microwave heating device, a laser heating device, an electromagnetic heating device, etc. A heater heating device, a steam heating furnace, or the like can be used.
焼結時のガス雰囲気は、焼結体、各部材の酸化抑制の観点から、無酸素雰囲気であってもよい。焼結時のガス雰囲気は、接合用銅ペーストの銅粒子の表面酸化物を除去するという観点から、還元雰囲気であってもよい。無酸素雰囲気としては、例えば、窒素、希ガス等の無酸素ガスの導入、又は真空下が挙げられる。還元雰囲気としては、例えば、純水素ガス中、フォーミングガスに代表される水素及び窒素の混合ガス中、ギ酸ガスを含む窒素中、水素及び希ガスの混合ガス中、ギ酸ガスを含む希ガス中等が挙げられる。 The gas atmosphere at the time of sintering may be an oxygen-free atmosphere from the viewpoint of suppressing oxidation of the sintered body and each member. The gas atmosphere at the time of sintering may be a reducing atmosphere from the viewpoint of removing surface oxides of copper particles of the copper paste for bonding. Examples of the anoxic atmosphere include the introduction of an oxygen-free gas such as nitrogen and a rare gas, or under vacuum. Examples of the reducing atmosphere include pure hydrogen gas, a mixed gas of hydrogen and nitrogen typified by a forming gas, nitrogen containing formic acid gas, a mixed gas of hydrogen and rare gas, and a rare gas containing formic acid gas. Can be mentioned.
加熱処理時の到達最高温度は、各部材への熱ダメージの低減及び歩留まりを向上させるという観点から、250℃以上450℃以下であってもよく、250℃以上400℃以下であってもよく、250℃以上350℃以下であってもよい。到達最高温度が、200℃以上であれば、到達最高温度保持時間が60分以下において焼結が充分に進行する傾向にある。到達最高温度は、各部材への熱ダメージを抑制する観点から、部材そのものの温度を測定することが好ましい。 The maximum temperature reached during the heat treatment may be 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, or 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, from the viewpoint of reducing heat damage to each member and improving the yield. It may be 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower. When the maximum ultimate temperature is 200 ° C. or higher, sintering tends to proceed sufficiently when the maximum ultimate temperature holding time is 60 minutes or less. For the maximum temperature reached, it is preferable to measure the temperature of the member itself from the viewpoint of suppressing heat damage to each member.
到達最高温度保持時間は、分散媒を全て揮発させ、また、歩留まりを向上させるという観点から、1分以上60分以下であってもよく、1分以上40分未満であってもよく、1分以上30分未満であってもよい。 The maximum temperature retention time may be 1 minute or more and 60 minutes or less, or 1 minute or more and less than 40 minutes, from the viewpoint of volatilizing all the dispersion medium and improving the yield. It may be more than 30 minutes.
接合時の圧力は、焼結金属層における銅の含有量(堆積割合)が、焼結金属層を基準として65体積%以上となる条件とすることができる。例えば、上述した本実施形態に係る接合用銅ペーストを用いることで、積層体を焼結する際、加圧しなくても、上述した本実施形態に係る焼結金属層を形成することができる。この場合、接合用銅ペーストに積層した部材による自重のみ、又は部材の自重に加え、0.01MPa以下、好ましくは0.005MPa以下の圧力を受けた状態で、充分な接合強度を得ることができる。焼結時に受ける圧力が上記範囲内であれば、特別な加圧装置が不要なため歩留まりを損なうこと無く、ボイドの低減、接合強度及び接続信頼性をよりいっそう向上させることができる。接合用銅ペーストが0.01MPa以下の圧力を受ける方法としては、例えば、最も上に位置する部材上に重りを載せる方法等が挙げられる。 The pressure at the time of joining can be set to a condition in which the copper content (deposition ratio) in the sintered metal layer is 65% by volume or more based on the sintered metal layer. For example, by using the copper paste for bonding according to the above-described embodiment, it is possible to form the sintered metal layer according to the above-described embodiment without applying pressure when sintering the laminate. In this case, sufficient bonding strength can be obtained only by the weight of the member laminated on the copper paste for bonding, or in a state where the pressure of 0.01 MPa or less, preferably 0.005 MPa or less is applied in addition to the weight of the member. .. When the pressure received at the time of sintering is within the above range, the reduction of voids, the joint strength and the connection reliability can be further improved without impairing the yield because a special pressurizing device is not required. Examples of the method in which the bonding copper paste receives a pressure of 0.01 MPa or less include a method in which a weight is placed on the member located at the top.
本実施形態においては、第一の部材10としてSiチップなどの半導体素子を用いる場合、上記(3)のように、Siチップなどの表面に接合用銅ペーストを設けてから、焼結を行い、焼結銅層が設けられた半導体素子を得ることができる。また、個片化された半導体素子に代えて、半導体ウエハーの全面又は部分的に銅ペーストの層を設けて、焼結を行い、焼結銅層を設けた後、ダイシングを行って個片化することにより、焼結銅層が設けられた半導体素子を得ることができる。
In the present embodiment, when a semiconductor element such as a Si chip is used as the
本実施形態において、第一の部材10が半導体素子である場合、第三の部材50としては、リードフレーム、金属板貼付セラミックス基板(例えば、DBC)、LEDパッケージ等の半導体素子搭載用基材、金属フレーム等の金属配線、金属ブロック等の熱伝導性及び導電性を有するブロック体などが挙げられる。
In the present embodiment, when the
第一の部材10及び第三の部材50は、焼結金属層52と接する面に、金、銀、ニッケルなどの金属を有していてもよい。部材が無電解ニッケルめっきを有する場合は、このめっき上に無電解パラジウムめっきをさらに形成すると信頼性が大幅に向上する。
The
焼結金属層と接する面に金属を含む部材としては、例えば、金属めっきを有するチップ、ヒートスプレッダ、金属板が貼り付けられたセラミックス基板、各種金属めっきを有するリードフレーム又は各種金属からなるリードフレーム、銅板、銅箔が挙げられる。 Examples of the member containing metal on the surface in contact with the sintered metal layer include a chip having metal plating, a heat spreader, a ceramic substrate to which a metal plate is attached, a lead frame having various metal plating, or a lead frame made of various metals. Examples include copper plates and copper foils.
上記焼結金属層をそのまま接合部とし、そこに第二の部材を接合してもよいが、本実施形態においては、上記接合部が、焼結銅層の第一の部材とは反対側の面上に設けられた、ニッケル、パラジウム、金、白金、及び銀からなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有する単層若しくは複層の金属含有層をさらに含み、金属含有層に、又は金属含有層を介して焼結銅層に、金属ワイヤを接合することができる。 The sintered metal layer may be used as it is as a joint portion, and a second member may be joined thereto. However, in the present embodiment, the joint portion is on the opposite side of the first member of the sintered copper layer. A single or multi-layered metal-containing layer containing at least one metal selected from the group consisting of nickel, palladium, gold, platinum, and silver provided on the surface is further included in the metal-containing layer, or A metal wire can be joined to the sintered copper layer via the metal-containing layer.
上記金属含有層を形成する方法としては、めっき又はスパッタによる方法、上記金属を含む金属プレートを用意し、これを焼結銅層上に配置する方法などが挙げられる。 Examples of the method for forming the metal-containing layer include a method by plating or sputtering, a method of preparing a metal plate containing the metal, and arranging the metal plate on the sintered copper layer.
焼結銅層の表面の一部又は全部を被覆する、ニッケル、パラジウム、金、白金、及び銀からなる群より選択される少なくとも一種の金属を含有する単層若しくは複層の金属含有層を設ける場合、上記で用意された接続用部材200に無電解めっきを施す方法が挙げられる。
A single-layer or multi-layer metal-containing layer containing at least one metal selected from the group consisting of nickel, palladium, gold, platinum, and silver is provided to cover a part or all of the surface of the sintered copper layer. In this case, a method of electroless plating the connecting
図5の(a)に示される接続用部材210のように、例えば、接続用部材200における第三の部材50と焼結銅層20の表面に選択的に無電解めっきを行うことにより、無電解めっき被膜からなる金属含有層30を設けることができる。この場合、焼結銅層20及び金属含有層30を有する接続部15が形成される。
Like the connecting
また、図5の(b)に示される接続用部材220のように、例えば、焼結銅層20の表面にのみ無電解めっき被膜からなる金属含有層30を設けて、接合部15としてもよい。このような接合部は、接続用部材200を用意し、その焼結銅層20の表面に選択的に無電解めっきを行うことにより形成できる。別の方法としては、第一の部材上に焼結銅層を形成し、この焼結銅層の表面に無電解めっき被膜を設けた部材を用意し、この部材を用いること以外は上記(3)の方法と同様にして、接続用部材220を得ることができる。
Further, as in the connecting
図1及び図5では、焼結銅層20の露出する表面に金属含有層30が設けられているが、図6に示される接続用部材230のように、焼結銅層20の表面の一部に金属含有層32が設けられていてもよい。
In FIGS. 1 and 5, the metal-containing
また、無電解めっきに代えて、スパッタにより金属含有層を設けてもよい。 Further, instead of electroless plating, a metal-containing layer may be provided by sputtering.
図6に示される接続用部材230をスパッタにより製造する場合、例えば、接続用部材200を用意し、マスク等を用いて所定の部分のみ選択的にスパッタを行うことができる。また、接続用部材220のように焼結銅層20の露出する表面にスパッタを行ってもよく、あるいは焼結銅層の上面のみにスパッタを行ってもよい。
When the connecting
第一の部材としてSiチップなどの半導体素子を用いる場合、Siチップなどの表面に接合用銅ペーストを設けてから、焼結を行い、焼結銅層が設けられた半導体素子を得た後、マスクを用いて所定の部分にスパッタにより金属含有層を設けることができる。この部材を用いること以外は上記(3)の方法と同様にして、接続用部材230を得ることができる。また、個片化された半導体素子に代えて、半導体ウエハーの全面又は部分的に銅ペーストの層を設けて、焼結を行い、焼結銅層を設けた後、マスクを用いて所定の部分にスパッタにより金属含有層を設け、ダイシングを行って個片化することもできる。
When a semiconductor element such as a Si chip is used as the first member, a bonding copper paste is provided on the surface of the Si chip or the like, and then sintering is performed to obtain a semiconductor element provided with a sintered copper layer. A metal-containing layer can be provided in a predetermined portion by sputtering using a mask. A connecting
本実施形態においては、第二の部材である金属ワイヤを、接合部の金属含有層に接合することができる。接合方法及び接合時の条件は適宜選択することができる。 In the present embodiment, the metal wire, which is the second member, can be joined to the metal-containing layer of the joint portion. The joining method and the conditions at the time of joining can be appropriately selected.
第二の部材が銅ワイヤなどである場合、接合時の加圧力又は超音波出力を適宜設定して接合することができる。接合時の加圧力としては、接合強度と第一の部材への低ダメージとを両立する観点から、荷重を150gf以上350gf以下とすることが好ましく、200gf以上300gf以下とすることがより好ましい。接合時の超音波出力としては、接合強度と第一の部材への低ダメージとを両立する観点から、極力低減することが好ましい。 When the second member is a copper wire or the like, the pressing force at the time of joining or the ultrasonic output can be appropriately set for joining. As the pressing force at the time of joining, the load is preferably 150 gf or more and 350 gf or less, and more preferably 200 gf or more and 300 gf or less, from the viewpoint of achieving both the joining strength and low damage to the first member. It is preferable to reduce the ultrasonic output at the time of joining as much as possible from the viewpoint of achieving both the joining strength and low damage to the first member.
また、第二の部材がリボン形状の金属ワイヤである場合、ワイヤボンディングマシン等の方法により接合することができる。 When the second member is a ribbon-shaped metal wire, it can be joined by a method such as a wire bonding machine.
上記の工程を経て、図1又は図7に示される接続構造体を得ることができる。 Through the above steps, the connection structure shown in FIG. 1 or 7 can be obtained.
[半導体装置]
図8は、本発明に係る半導体装置の一例を示す模式断面図である。図8に示される半導体装置300は、第一の電極56及び第二の電極57を有する絶縁基板54と、第一の電極56上に焼結金属層52によって接合された第一の部材10と、第一の部材10上に設けられた焼結銅層20及び焼結銅層20の表面を被覆する金属含有層30からなる接合部15と、第二の電極57上に設けられた金属焼結層8と、一端側が接合部15と接合されており、他端側が金属焼結層8を介して第二の電極57と接合されている第二の部材42と、を備える。半導体装置300においては、第一の部材10が半導体素子であり、第二の部材42が金属ワイヤであり、金属ワイヤによって半導体素子と第二の電極とが電気的に接続されている。また、半導体素子は、ワイヤ44を介して第三の電極59に接続されている。さらに、半導体装置300は、絶縁基板54の上記電極等が搭載されている面とは反対側に設けられた銅板58と、上記接続構造を封止する絶縁体60とを備える。
[Semiconductor device]
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of the semiconductor device according to the present invention. The
本実施形態の半導体装置300は、少なくとも第一の部材10、接合部15及び第二の部材42において、上述した本実施形態に係る接続構造体又はその製造方法が適用されている。
In the
半導体装置300は、第一の電極56上に半導体素子を1個有しているが、2個以上有していてもよい。この場合、複数ある半導体素子上にはそれぞれ焼結銅層及びその表面を被覆する金属含有層を設けることができ、金属含有層を介して焼結銅層に接合された金属ワイヤを有することができる。
The
また、金属含有層は、焼結銅層上に配置された金属プレートによって形成されていてもよい。さらに、半導体装置300は、接合部15が金属含有層を含まず焼結銅層20から構成されており、第二の部材である金属ワイヤが直接焼結銅層20に接合されていてもよい。
Further, the metal-containing layer may be formed by a metal plate arranged on the sintered copper layer. Further, in the
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[接合用銅ペーストAの調製]
分散媒としてα−テルピネオール(和光純薬工業株式会社製)5.2g及びイソボルニルシクロヘキサノール(MTPH、日本テルペン化学株式会社製)6.8gと、サブマイクロ銅粒子としてCH0200(三井金属鉱業株式会社製、粒径が0.12μm以上0.8μm以下の銅粒子の含有量95質量%)52.8gとをポリ瓶に混合し、超音波ホモジナイザー(US−600、日本精機株式会社製)により19.6kHz、600W、1分処理し分散液を得た。この分散液に、フレーク状マイクロ銅粒子としてMA−C025(三井金属鉱業株式会社製、最大径が1μm以上20μm以下の銅粒子の含有量100質量%)35.2gを添加し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。ポリ瓶を密栓し、自転公転型攪拌装置(Planetry Vacuum Mixer ARV−310、株式会社シンキー製)を用いて、2000rpmで2分間撹拌し、減圧下、2000rpmで2分間撹拌して接合用銅ペーストAを得た。
[Preparation of copper paste A for bonding]
5.2 g of α-terpineol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 6.8 g of isobornylcyclohexanol (MTPH, manufactured by Nippon Terpen Chemical Co., Ltd.) as dispersion media, and CH0200 (Mitsui Metal Mining Co., Ltd.) as submicro copper particles. 52.8 g of copper particles having a particle size of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less, manufactured by the same company, was mixed in a plastic bottle, and an ultrasonic homogenizer (US-600, manufactured by Nippon Seiki Co., Ltd.) was used. Treatment was performed at 19.6 kHz, 600 W for 1 minute to obtain a dispersion liquid. To this dispersion, 35.2 g of MA-C025 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., content of copper particles having a maximum diameter of 1 μm or more and 20 μm or less, 100% by mass) was added as flake-shaped micro copper particles, and dried powder with a spatula. Stir until no more. The plastic bottle is tightly closed, and the copper paste A for joining is stirred at 2000 rpm for 2 minutes using a rotating and revolving stirrer (Planetry Vacuum Mixer ARV-310, manufactured by Shinky Co., Ltd.) and then stirred at 2000 rpm for 2 minutes under reduced pressure. Got
[接続構造体の作製]
(実施例1)
(工程a:接続用部材の準備)
大きさ19mm×25mmの銅板(厚み:3mm)上に、5mm×5mmの正方形の開口を有するステンレス製のメタルマスク(厚み:200μm)を載せ、メタルスキージを用いたステンシル印刷により接合用銅ペーストAを塗布した。一方の主面S1上に、厚み5μmの無電解ニッケルめっき被膜と厚み0.01μmの無電解パラジウムめっき被膜とがこの順に形成されたシリコンチップを用意し、このシリコンチップをS1とは反対側の主面が塗布した銅ペーストに接するように載せ、ピンセットで軽く押さえた。これをチューブ炉(株式会社エイブイシー製)にセットし、アルゴンガスを1L/minで流して空気をアルゴンガスに置換した。その後、水素ガスを300ml/minで流しながら、10分間昇温した。昇温後、最高到達温度300℃、最高到達温度保持時間60分間の条件で焼結処理し、焼結後、200℃まで30分で冷却し、その後アルゴンガスを0.3L/minに換えて冷却し、50℃以下で接合体を空気中に取り出した。こうして、図9に示されるように、銅板71とシリコンチップ73とが厚み100μmの焼結銅層72により接合された接続用部材240を作製した。
[Creation of connection structure]
(Example 1)
(Step a: Preparation of connecting member)
A stainless steel metal mask (thickness: 200 μm) having a square opening of 5 mm × 5 mm is placed on a copper plate (thickness: 3 mm) having a size of 19 mm × 25 mm, and a copper paste A for joining is printed by stencil printing using a metal squeegee. Was applied. A silicon chip in which an electroless nickel plating film having a thickness of 5 μm and an electroless palladium plating film having a thickness of 0.01 μm are formed in this order on one main surface S1 is prepared, and this silicon chip is placed on the opposite side of S1. It was placed so that the main surface was in contact with the applied copper paste, and lightly pressed with tweezers. This was set in a tube furnace (manufactured by ABC Co., Ltd.), and argon gas was flowed at 1 L / min to replace the air with argon gas. Then, the temperature was raised for 10 minutes while flowing hydrogen gas at 300 ml / min. After raising the temperature, sintering treatment is performed under the conditions of a maximum reaching temperature of 300 ° C. and a maximum reaching temperature holding time of 60 minutes. After sintering, the mixture is cooled to 200 ° C. in 30 minutes, and then the argon gas is changed to 0.3 L / min. After cooling, the sinter was taken out into the air at 50 ° C. or lower. In this way, as shown in FIG. 9, a connecting
(工程b:焼結銅層の形成)
上記で得られた接続用部材240のシリコンチップの無電解ニッケルめっき被膜及び無電解パラジウムめっき被膜が設けられている面上に、4mm×4mmの正方形の開口を有するステンレス製のメタルマスク(厚み:20μm)を載せ、メタルスキージを用いたステンシル印刷により接合用銅ペーストAを塗布した。これをチューブ炉(株式会社エイブイシー製)にセットし、アルゴンガスを1L/minで流して空気をアルゴンガスに置換した。その後、水素ガスを300mL/minで流しながら昇温10分、350℃10分の条件で焼結処理して、シリコンチップ上に厚み10μmの焼結銅層を形成した。その後、アルゴンガスを0.3L/minに換えて冷却し、50℃以下で接合体を空気中に取り出した。こうして、図10に示されるように、銅含有量が80体積%の焼結銅層74を有する接続用部材242を作製した。
(Step b: Formation of sintered copper layer)
A stainless steel metal mask having a 4 mm × 4 mm square opening on the surface of the silicon chip of the connecting
(工程c:金属含有層の形成)
上記で得られた接続用部材242の銅板71の表面と焼結銅層74の上面に、下記の示す方法で、厚み0.5μmの無電解ニッケルめっき被膜、厚み0.1μmの無電解パラジウムめっき被膜及び厚み0.1μmの無電解金めっき被膜をこの順に形成し、銅ワイヤボンディング接続用部材を作製した。
(Step c: Formation of metal-containing layer)
Electroless nickel plating film with a thickness of 0.5 μm and electroless palladium plating with a thickness of 0.1 μm on the surface of the
<無電解ニッケルめっき被膜の形成>
接続用部材を、液温25℃のめっき活性処理液であるSA−100(日立化成株式会社製、商品名)へ5分間浸漬させた後、共振周波数28kHz、出力100Wの超音波を照射しながら2分間水洗した。続いて、接続用部材を、液温85℃の無電解ニッケルめっき液であるNIPS−100(日立化成株式会社製、商品名)へ、共振周波数28kHz、出力100Wの超音波を照射しながら25分間浸漬させた後、共振周波数28kHz、出力100Wの超音波を照射しながら1分間水洗した。形成した無電解ニッケルめっき被膜の厚みは0.5μmであった。また、無電解ニッケルめっき被膜におけるリン濃度は7質量%であった。
<Formation of electroless nickel plating film>
After immersing the connecting member in SA-100 (manufactured by Hitachi Kasei Co., Ltd., trade name), which is a plating activity treatment liquid at a liquid temperature of 25 ° C., while irradiating ultrasonic waves with a resonance frequency of 28 kHz and an output of 100 W. Washed with water for 2 minutes. Subsequently, the connecting member was irradiated to NIPS-100 (trade name, manufactured by Hitachi Kasei Co., Ltd.), which is an electroless nickel plating solution having a liquid temperature of 85 ° C., for 25 minutes while irradiating ultrasonic waves having a resonance frequency of 28 kHz and an output of 100 W. After the immersion, it was washed with water for 1 minute while irradiating ultrasonic waves having a resonance frequency of 28 kHz and an output of 100 W. The thickness of the formed electroless nickel plating film was 0.5 μm. The phosphorus concentration in the electroless nickel plating film was 7% by mass.
<無電解パラジウムめっき被膜の形成>
無電解ニッケルめっき済みの接続用部材を、液温55℃の無電解パラジウムめっき液であるパレット(小島化学薬品株式会社製、商品名)へ、共振周波数28kHz、出力100Wの超音波を照射しながら9秒間浸漬させた後、共振周波数28kHz、出力100Wの超音波を照射しながら1分間水洗した。形成した無電解パラジウムめっき被膜の厚みは0.1μmであった。なお、無電解パラジウム被膜におけるパラジウム濃度はほぼ100質量%であった。
<Formation of electroless palladium plating film>
While irradiating the pallet (manufactured by Kojima Chemicals Co., Ltd., trade name), which is an electroless palladium plating solution with a liquid temperature of 55 ° C, ultrasonic waves with a resonance frequency of 28 kHz and an output of 100 W, the connecting members that have been electroless nickel plated are irradiated. After immersing for 9 seconds, it was washed with water for 1 minute while irradiating ultrasonic waves with a resonance frequency of 28 kHz and an output of 100 W. The thickness of the electroless palladium plating film formed was 0.1 μm. The palladium concentration in the electroless palladium coating was approximately 100% by mass.
<無電解金めっき被膜の形成>
無電解パラジウムめっき済みの接続用部材を、置換金めっき液であるHGS−100(日立化成株式会社、商品名)へ、85℃において共振周波数28kHz、出力100Wの超音波を照射しながら10分間浸漬させ、共振周波数28kHz、出力100Wの超音波を照射しながら1分間水洗した。形成した無電解金めっき被膜の厚みは0.1μmであった。
<Formation of electroless gold plating film>
Immerse the connection member with electroless palladium plating in HGS-100 (Hitachi Kasei Co., Ltd., trade name), which is a replacement gold plating solution, for 10 minutes while irradiating ultrasonic waves with a resonance frequency of 28 kHz and an output of 100 W at 85 ° C. Then, the mixture was washed with water for 1 minute while irradiating ultrasonic waves having a resonance frequency of 28 kHz and an output of 100 W. The thickness of the formed electroless gold plating film was 0.1 μm.
(工程d:銅ワイヤボンディング)
線径300μmの銅ワイヤ「CHA」(田中電子工業株式会社製、商品名)を用い、シリコンチップ上の焼結銅層と銅板とのワイヤボンディングを行った。なお、ワイヤボンディングは、ボンディング装置としてオーソダイン社(OrthodyneElecronics Co.)製の全自動リボンボンダー3600plus型を用い、80kHzの周波数で、表1に示した超音波出力と荷重にて実施した。こうして、図11に示すように、シリコンチップ上の焼結銅層74と銅板41とが銅ワイヤ76で接続された銅ワイヤボンディング済み接続構造体244を得た。
(Step d: Copper wire bonding)
Wire bonding between the sintered copper layer on the silicon chip and the copper plate was performed using a copper wire "CHA" (manufactured by Tanaka Denshi Kogyo Co., Ltd., trade name) having a wire diameter of 300 μm. The wire bonding was carried out using a fully automatic ribbon bonder 3600plus type manufactured by Orthodyne Electronics Co. as a bonding apparatus at a frequency of 80 kHz with the ultrasonic output and load shown in Table 1. In this way, as shown in FIG. 11, a copper wire-bonded
<銅ワイヤボンディング済み接続構造体の評価>
上記で得られた銅ワイヤボンディング済み接続構造体について、下記に示す方法で、ワイヤプル強度、シリコンチップのダメージ、及びモールド樹脂との接着性について評価した。
<Evaluation of copper wire bonded connection structure>
The copper wire-bonded connection structure obtained above was evaluated for wire pull strength, damage to silicon chips, and adhesiveness to a mold resin by the methods shown below.
(1)ワイヤプル強度の測定
銅ワイヤボンディング済み接続構造体について、ボンドテスタ(Dage社製、商品名:BT2400PC)を用いて、銅ワイヤを引っ張り、端子から外れるまでの強度を測定する銅ワイヤプルテストを行った。端子20箇所のワイヤプル強度の平均値から、下記基準に基づいて、ワイヤボンディング接続信頼性について評価した。
A:ワイヤプル強度の平均値が1000g以上
B:ワイヤプル強度の平均値が800g以上1000g未満
C:ワイヤプル強度の平均値が500g以上800g未満
D:ワイヤプル強度の平均値が200g以上500g未満
E:ワイヤプル強度の平均値が200g未満
(1) Measurement of wire pull strength A copper wire pull test is performed on a copper wire-bonded connection structure by using a bond tester (manufactured by Dage, trade name: BT2400PC) to pull the copper wire and measure the strength until it comes off from the terminal. went. From the average value of the wire pull strength at 20 terminals, the wire bonding connection reliability was evaluated based on the following criteria.
A: Average value of wire pull strength is 1000 g or more B: Average value of wire pull strength is 800 g or more and less than 1000 g C: Average value of wire pull strength is 500 g or more and less than 800 g D: Average value of wire pull strength is 200 g or more and less than 500 g E: Wire pull strength Average value is less than 200g
また、ワイヤボンディング前に、150℃で3時間の熱処理を実施した銅ワイヤボンディング済み接続構造体についても上記と同様にして、銅ワイヤプルテストを行った。 Further, a copper wire pull test was also performed on a copper wire-bonded connection structure that had been heat-treated at 150 ° C. for 3 hours before wire bonding in the same manner as described above.
(2)シリコンチップのダメージの評価
銅ワイヤボンディング済み接続構造体について、断面出しを行い、シリコンチップの銅ワイヤボンディング部を観察し、破壊又は剥がれなどのダメージが発生しているかどうかを確認した。50サンプルについて評価し、下記基準に基づいて評価した。
A:50サンプルにおいてダメージ無し
B:1〜2サンプルにおいてダメージ発生
C:3〜5サンプルにおいてダメージ発生
D:6〜10サンプルにおいてダメージ発生
E:11サンプル以上においてダメージ発生
(2) Evaluation of Damage to Silicon Chips The copper wire-bonded connection structure was cross-sectioned, and the copper wire bonding portion of the silicon chip was observed to confirm whether damage such as breakage or peeling had occurred. Fifty samples were evaluated and evaluated based on the following criteria.
A: No damage in 50 samples B: Damage in 1 to 2 samples C: Damage in 3 to 5 samples D: Damage in 6 to 10 samples E: Damage in 11 or more samples
(3)モールド樹脂との接着性評価
銅ワイヤボンディング済み接続構造体上に、接着性向上材(HIMAL、日立化成株式会社製)を塗布、乾燥した後、固形封止材(CEL、日立化成株式会社製)で封止して、密着性評価用試験片を得た。
(3) Adhesiveness evaluation with mold resin After applying an adhesiveness improving material (HIMAL, manufactured by Hitachi Kasei Co., Ltd.) on a copper wire-bonded connection structure and drying it, a solid encapsulant (CEL, Hitachi Kasei Co., Ltd.) It was sealed with (manufactured by the company) to obtain a test piece for adhesion evaluation.
次に、密着性評価用試験片を温度サイクル試験機(TSA−72SE−W、エスペック株式会社製)にセットし、低温側:−40℃、15分、室温:2分、高温側:200℃、15分、除霜サイクル:自動、サイクル数:1000サイクルの条件で温度サイクル接続信頼性試験を実施した。 Next, the test piece for adhesion evaluation was set in a temperature cycle tester (TSA-72SE-W, manufactured by ESPEC CORPORATION), and the low temperature side: -40 ° C, 15 minutes, room temperature: 2 minutes, high temperature side: 200 ° C. , 15 minutes, defrost cycle: automatic, number of cycles: 1000 cycles, temperature cycle connection reliability test was performed.
温度サイクル接続信頼性試験前の試験片と試験後の試験片について、超音波探傷装置(Insight−300、インサイト株式会社製)を用い、銅板と固形封止材との界面の接合状態のSAT像を得て、剥離の有無を調べた。剥離面積を測定し、下記基準に基づいて評価した。
A:20面積%未満の剥離
B:20〜50面積%未満の剥離
C:50面積%以上の剥離
Temperature cycle connection For the test piece before the test and the test piece after the test, an ultrasonic flaw detector (Insight-300, manufactured by Insight Co., Ltd.) was used to SAT the interface between the copper plate and the solid encapsulant. An image was obtained and the presence or absence of peeling was examined. The peeled area was measured and evaluated based on the following criteria.
A: Peeling of less than 20 area% B: Peeling of 20 to less than 50 area% C: Peeling of 50 area% or more
(実施例2)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は実施例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 2)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(実施例3)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は実施例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 3)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(実施例4)
工程bでメタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に厚み20μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 4)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the metal mask was changed in step b to form a sintered copper layer having a thickness of 20 μm on the silicon chip.
(実施例5)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は実施例4と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 5)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 4 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(実施例6)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は実施例4と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 6)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 4 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(実施例7)
工程bでメタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に厚み50μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 7)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the metal mask was changed in step b to form a sintered copper layer having a thickness of 50 μm on the silicon chip.
(実施例8)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は実施例7と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 8)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 7 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(実施例9)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は実施例7と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 9)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 7 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(実施例10)
工程bでメタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に厚み100μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 10)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the metal mask was changed in step b to form a sintered copper layer having a thickness of 100 μm on the silicon chip.
(実施例11)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は実施例10と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 11)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 10 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(実施例12)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は実施例10と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 12)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 10 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(実施例13)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 13)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例14)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例2と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 14)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 2 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例15)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例3と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 15)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 3 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例16)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例4と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 16)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 4 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例17)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例5と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 17)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 5 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例18)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例6と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 18)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 6 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例19)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例7と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 19)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 7 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例20)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例8と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 20)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 8 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例21)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例9と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 21)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 9 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例22)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例10と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 22)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 10 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例23)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例11と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 23)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 11 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例24)
工程cで無電解金めっき被膜(0.1μm)を設けなかったこと以外は実施例12と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 24)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 12 except that the electroless gold plating film (0.1 μm) was not provided in step c.
(実施例25)
工程bでメタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に厚み50μmの焼結銅層を形成し、工程cに代えて、スパッタにより、焼結銅層の上面に厚み0.1μmのパラジウム被膜及び厚み0.1μmの金被膜をこの順に形成したこと以外は実施例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 25)
In step b, the thickness of the metal mask was changed to form a sintered copper layer having a thickness of 50 μm on the silicon chip, and instead of step c, a palladium film having a thickness of 0.1 μm was formed on the upper surface of the sintered copper layer by sputtering. A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 1 except that a gold film having a thickness of 0.1 μm was formed in this order.
(実施例26)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は実施例25と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 26)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 25 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(実施例27)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は実施例25と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 27)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 25 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(実施例28)
工程bでメタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に厚み100μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例25と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 28)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 25 except that the thickness of the metal mask was changed in step b to form a sintered copper layer having a thickness of 100 μm on the silicon chip.
(実施例29)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は実施例28と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 29)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 28 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(実施例30)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は実施例28と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 30)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 28 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(実施例31)
厚み0.1μmの金被膜を設けなかったこと以外は実施例25と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 31)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 25 except that a gold film having a thickness of 0.1 μm was not provided.
(実施例32)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は実施例31と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 32)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 31 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(実施例33)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は実施例31と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 33)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 31 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(実施例34)
工程bでメタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に厚み100μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例31と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 34)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 31 except that the thickness of the metal mask was changed in step b to form a sintered copper layer having a thickness of 100 μm on the silicon chip.
(実施例35)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は実施例31と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 35)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 31 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(実施例36)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は実施例31と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 36)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 31 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(実施例37)
工程cの金属含有層の形成を行わなかったこと以外は実施例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 37)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the metal-containing layer was not formed in step c.
(実施例38)
工程bでメタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に厚み20μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例37と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 38)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 37 except that the thickness of the metal mask was changed in step b to form a sintered copper layer having a thickness of 20 μm on the silicon chip.
(実施例39)
工程bで、分散媒の量を調整した銅ペーストを用意し、メタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に銅含有量が60体積%の厚み50μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例37と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 39)
Except that in step b, a copper paste in which the amount of the dispersion medium was adjusted was prepared, the thickness of the metal mask was changed, and a sintered copper layer having a copper content of 60% by volume and a thickness of 50 μm was formed on the silicon chip. A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 37.
(実施例40)
工程bで、分散媒の量を調整した銅ペーストを用意し、メタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に銅含有量が70体積%の厚み50μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例37と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 40)
Except for the fact that in step b, a copper paste in which the amount of the dispersion medium was adjusted was prepared, the thickness of the metal mask was changed, and a sintered copper layer having a copper content of 70% by volume and a thickness of 50 μm was formed on the silicon chip. A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 37.
(実施例41)
工程bでメタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に銅含有量が80体積%の厚み50μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例37と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 41)
A copper wire-bonded connection structure is the same as in Example 37, except that the thickness of the metal mask is changed in step b to form a sintered copper layer having a copper content of 80% by volume and a thickness of 50 μm on the silicon chip. The body was made.
(実施例42)
工程bで、分散媒の量を調整した銅ペーストを用意し、メタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に銅含有量が90体積%の厚み50μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例37と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 42)
Except that in step b, a copper paste in which the amount of the dispersion medium was adjusted was prepared, the thickness of the metal mask was changed, and a sintered copper layer having a copper content of 90% by volume and a thickness of 50 μm was formed on the silicon chip. A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 37.
(実施例43)
工程bでメタルマスクの厚みを変更してシリコンチップ上に銅含有量が80体積%の厚み100μmの焼結銅層を形成したこと以外は実施例37と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Example 43)
A copper wire-bonded connection structure is the same as in Example 37, except that the thickness of the metal mask is changed in step b to form a sintered copper layer having a copper content of 80% by volume and a thickness of 100 μm on the silicon chip. The body was made.
(比較例1)
工程bで、市販の電解銅めっき液を用い、電流密度1A/dm2の条件で電解銅めっきを行うことにより、銅含有量が100体積%の厚み10μmの電解銅層を有する接続用部材を作製し、工程cの金属含有層の形成を行わなかったこと以外は実施例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 1)
In step b, electrolytic copper plating is performed under the condition of a current density of 1 A / dm 2 using a commercially available electrolytic copper plating solution to obtain a connecting member having an electrolytic copper layer having a copper content of 100% by volume and a thickness of 10 μm. A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the metal-containing layer was not formed in step c.
(比較例2)
電解銅めっきの時間を変更してシリコンチップ上に銅含有量が100体積%の厚み20μmの電解銅層を形成したこと以外は比較例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 2)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that an electrolytic copper layer having a copper content of 100% by volume and a thickness of 20 μm was formed on the silicon chip by changing the electrolytic copper plating time. bottom.
(比較例3)
電解銅めっきの時間を変更してシリコンチップ上に銅含有量が100体積%の厚み50μmの電解銅層を形成したこと以外は比較例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 3)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that an electrolytic copper layer having a copper content of 100% by volume and a thickness of 50 μm was formed on the silicon chip by changing the electrolytic copper plating time. bottom.
(比較例4)
電解銅めっきの時間を変更してシリコンチップ上に銅含有量が100体積%の厚み100μmの電解銅層を形成したこと以外は比較例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 4)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that an electrolytic copper layer having a copper content of 100% by volume and a thickness of 100 μm was formed on the silicon chip by changing the electrolytic copper plating time. bottom.
(比較例5)
工程bで、市販の電解銅めっき液を用い、電流密度1A/dm2の条件で電解銅めっきを行うことにより、銅含有量が100体積%の厚み10μmの電解銅層を有する接続用部材を作製し、工程cで無電解ニッケル被膜を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 5)
In step b, electrolytic copper plating is performed under the condition of a current density of 1 A / dm 2 using a commercially available electrolytic copper plating solution to obtain a connecting member having an electrolytic copper layer having a copper content of 100% by volume and a thickness of 10 μm. A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Example 1 except that the electroless nickel film was not formed in step c.
(比較例6)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は比較例5と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 6)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 5 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(比較例7)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は比較例5と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 7)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 5 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(比較例8)
電解銅めっきの時間を変更してシリコンチップ上に銅含有量が100体積%の厚み20μmの電解銅層を形成したこと以外は比較例5と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 8)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 5 except that an electrolytic copper layer having a copper content of 100% by volume and a thickness of 20 μm was formed on the silicon chip by changing the electrolytic copper plating time. bottom.
(比較例9)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は比較例8と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 9)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 8 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(比較例10)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は比較例8と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 10)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 8 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(比較例11)
電解銅めっきの時間を変更してシリコンチップ上に銅含有量が100体積%の厚み50μmの電解銅層を形成したこと以外は比較例5と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 11)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 5 except that an electrolytic copper layer having a copper content of 100% by volume and a thickness of 50 μm was formed on the silicon chip by changing the electrolytic copper plating time. bottom.
(比較例12)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は比較例11と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 12)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 11 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(比較例13)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は比較例11と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 13)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 11 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
(比較例14)
電解銅めっきの時間を変更してシリコンチップ上に銅含有量が100体積%の厚み100μmの電解銅層を形成したこと以外は比較例5と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 14)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 5 except that an electrolytic copper layer having a copper content of 100% by volume and a thickness of 100 μm was formed on the silicon chip by changing the electrolytic copper plating time. bottom.
(比較例15)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから250gfに変更したこと以外は比較例14と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 15)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 14 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 250 gf.
(比較例16)
銅ワイヤボンディングにおける荷重を300gfから200gfに変更したこと以外は比較例14と同様にして、銅ワイヤボンディング済み接続構造体を作製した。
(Comparative Example 16)
A copper wire-bonded connection structure was produced in the same manner as in Comparative Example 14 except that the load in copper wire bonding was changed from 300 gf to 200 gf.
上記実施例2〜43及び比較例1〜16の接続構造体についても実施例1と同様に評価した。 The connection structures of Examples 2 to 43 and Comparative Examples 1 to 16 were also evaluated in the same manner as in Example 1.
表1〜3に示されるように、銅の含有量が65体積%以上95体積%以下である焼結銅層が設けられた接続用部材を用いて得られる実施例1〜43のワイヤボンディング済み接続構造体は、ワイヤプル強度とチップへの低ダメージとを両立できることが確認された。また、焼結銅層の表面に金属含有層が設けられた接続用部材を用いて得られる実施例1〜36のワイヤボンディング済み接続構造体は、焼結銅層に酸化被膜が形成された後にワイヤボンディングを行った場合であっても、充分なワイヤプル強度が得られた。さらに、実施例13〜24及び31〜36においては、金属含有層の最外層がパラジウム含有層であることにより、モールド樹脂との接着性が向上した。 As shown in Tables 1 to 3, wire bonding of Examples 1 to 43 obtained by using a connecting member provided with a sintered copper layer having a copper content of 65% by volume or more and 95% by volume or less. It was confirmed that the connection structure can achieve both wire pull strength and low damage to the chip. Further, in the wire-bonded connection structures of Examples 1 to 36 obtained by using the connecting member provided with the metal-containing layer on the surface of the sintered copper layer, after the oxide film is formed on the sintered copper layer. Sufficient wire pull strength was obtained even when wire bonding was performed. Further, in Examples 13 to 24 and 31 to 36, since the outermost layer of the metal-containing layer was a palladium-containing layer, the adhesiveness with the mold resin was improved.
一方、銅の含有量が100体積%、すなわち緻密度が100%である焼結銅層のみを設けた接続用部材を用いた比較例1〜4では、荷重300gfの接続条件であっても充分なワイヤプル強度が得られず、チップへのダメージもあった。さらに金属含有層を設けて荷重200gfの接続条件でワイヤボンディングされた比較例7、10、13及び16は、チップへのダメージは低減されたものの、充分なワイヤプル強度が得られなかった。 On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4 using only the sintered copper layer having a copper content of 100% by volume, that is, a dense copper layer of 100%, even a connection condition of a load of 300 gf is sufficient. The wire pull strength was not obtained, and there was damage to the chip. Further, in Comparative Examples 7, 10, 13 and 16 in which a metal-containing layer was provided and wire-bonded under a connection condition of a load of 200 gf, damage to the chip was reduced, but sufficient wire pull strength could not be obtained.
1…フレーク状の銅粒子に由来する構造、2…銅粒子に由来する焼結銅、3…空孔、10…第一の部材、15…接合部、20…焼結銅層、30,32…金属含有層、34…無電解ニッケルめっき被膜、36…無電解パラジウムめっき被膜、40…第二の部材(金属ワイヤ)、42…第二の部材(金属ワイヤ)、44…ワイヤ、50…第三の部材、52…焼結金属層、54…絶縁基板、56…第一の電極、57…第二の電極、58…銅板、59…第三の電極、60…絶縁体、100,110…接続構造体、200,210,220,230…接続用部材、300…半導体装置。 1 ... structure derived from flake-shaped copper particles, 2 ... sintered copper derived from copper particles, 3 ... vacancies, 10 ... first member, 15 ... joint, 20 ... sintered copper layer, 30, 32 ... metal-containing layer, 34 ... electroless nickel plating film, 36 ... electroless palladium plating film, 40 ... second member (metal wire), 42 ... second member (metal wire), 44 ... wire, 50 ... th Three members, 52 ... sintered metal layer, 54 ... insulating substrate, 56 ... first electrode, 57 ... second electrode, 58 ... copper plate, 59 ... third electrode, 60 ... insulator, 100, 110 ... Connection structure, 200, 210, 220, 230 ... Connection member, 300 ... Semiconductor device.
Claims (12)
前記接合部に第二の部材を接合する第2工程、
を備え、
前記第二の部材が金属ワイヤであり、
前記焼結銅層が、前記第一の部材の前記焼結銅層と接する面に対して略平行に配向したフレーク状の銅粒子に由来する構造を含む、接続構造体の製造方法。 A connecting member having a first member and a joint portion provided on the first member and including a sintered copper layer having a copper content of 65% by volume or more and 95% by volume or less is prepared. The first step, and the second step of joining the second member to the joint,
With
It said second member Ri Ah with a metal wire,
A method for producing a connecting structure, comprising a structure derived from flake-shaped copper particles in which the sintered copper layer is oriented substantially parallel to a surface of the first member in contact with the sintered copper layer.
前記接合部に第二の部材を接合する第2工程、 The second step of joining the second member to the joint portion,
を備え、With
前記第二の部材が金属ワイヤであり、 The second member is a metal wire.
前記第一の部材上にフレーク状の銅粒子が含まれる銅ペースト層を設け、該銅ペースト層を焼成することにより前記焼結銅層を形成する、接続構造体の製造方法。 A method for producing a connecting structure, wherein a copper paste layer containing flake-shaped copper particles is provided on the first member, and the sintered copper layer is formed by firing the copper paste layer.
a)ニッケル含有層及びパラジウム含有層
b)ニッケル含有層及び金含有層
c)ニッケル含有層、パラジウム含有層及び金含有層
d)パラジウム含有層
e)パラジウム含有層及び金含有層
のいずれかである、請求項4に記載の接続構造体の製造方法。 The metal-containing layer is viewed from the sintered copper layer side.
a) Nickel-containing layer and palladium-containing layer b) Nickel-containing layer and gold-containing layer c) Nickel-containing layer, palladium-containing layer and gold-containing layer d) Palladium-containing layer e) Palladium-containing layer or gold-containing layer , The method for manufacturing a connection structure according to claim 4.
前記焼結銅層は、前記第一の部材上に設けられており、銅の含有量が65体積%以上95体積%以下であり、前記第一の部材と接する面に対して略平行に配向したフレーク状の銅粒子に由来する構造を含み、
第二の部材が、金属ワイヤであり、前記接合部と接合されている、接続構造体。 The first member, the joint including the sintered copper layer, and the second member are provided in this order.
The sintered copper layer is provided on the first member, has a copper content of 65% by volume or more and 95% by volume or less, and is oriented substantially parallel to the surface in contact with the first member. Containing a structure derived from flaky copper particles
A connecting structure in which the second member is a metal wire and is joined to the joint portion.
前記第二の部材が前記金属含有層に接合されている、請求項10に記載の接続構造体。 At least one metal selected from the group consisting of nickel, palladium, gold, platinum, and silver, wherein the joint is provided on a surface of the sintered copper layer opposite to the first member. Further including a single layer or a multi-layer metal-containing layer containing
The connection structure according to claim 10, wherein the second member is joined to the metal-containing layer.
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