JP7200527B2 - METAL PASTE FOR JOINING AND METHOD FOR MANUFACTURING JOINT - Google Patents
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Description
本発明は、接合用金属ペースト、接合体及び接合体の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a joining metal paste, a joined body, and a method for producing the joined body.
半導体装置を製造する際、半導体素子とリードフレーム等(支持部材)とを接合させるため、さまざまな接合材が用いられている。半導体装置の中でも、150℃以上の高温で動作させるパワー半導体、LSI等の接合には、接合材として高融点鉛はんだが用いられてきた。近年、半導体素子の高容量化及び省スペース化により動作温度が高融点鉛はんだの融点近くまで上昇しており、接続信頼性を確保することが難しくなってきている。一方で、RoHS規制強化に伴い、鉛を含有しない接合材が求められている。 2. Description of the Related Art When manufacturing a semiconductor device, various bonding materials are used to bond a semiconductor element and a lead frame or the like (supporting member). Among semiconductor devices, high-melting-point lead solder has been used as a bonding material for bonding power semiconductors, LSIs, and the like that operate at high temperatures of 150° C. or higher. In recent years, the operating temperature has risen to near the melting point of high-melting-point lead solder due to the increase in capacity and space saving of semiconductor devices, making it difficult to ensure connection reliability. On the other hand, with the tightening of RoHS regulations, there is a demand for jointing materials that do not contain lead.
これまでにも、鉛はんだ以外の材料を用いた半導体素子の接合が検討されている。例えば、下記特許文献1には、銀ナノ粒子を低温焼結させ、焼結銀層を形成する技術が提案されている。
So far, studies have been made on bonding semiconductor elements using materials other than lead solder. For example,
さらに別の材料として、銅粒子を焼結させ、焼結体(焼結銅層)を形成する技術が提案されている。例えば、下記特許文献2には、半導体素子と電極とを接合するための接合材として、酸化第2銅粒子及び還元剤を含む接合用ペーストが開示されている。また、下記特許文献3には、銅ナノ粒子と、銅マイクロ粒子若しくは銅サブマイクロ粒子、又はそれら両方を含む接合材が開示されている。銅粒子の焼結を利用するダイボンド材は、熱伝導性及びサイクル疲労耐性に優れるとともに、安価である特長を有するため、鉛はんだに変わる材料として注目されている。
As yet another material, a technique of sintering copper particles to form a sintered body (sintered copper layer) has been proposed. For example,
上記特許文献1に記載の方法は、高い接続信頼性を得るには焼結銀層の緻密化が必須であるため、加圧を伴う熱圧着プロセスが必要となる。加圧を伴う熱圧着プロセスを行う場合、生産効率の低下、歩留まりの低下等の課題がある。更に、銀ナノ粒子を用いる場合、銀による材料コストの著しい増加等が問題となる。
The method described in
上記特許文献2に記載の方法は、酸化銅から銅に還元する際の体積収縮を熱圧着プロセスにより回避している。しかし、熱圧着プロセスには、上述した課題がある。
The method described in
上記特許文献3に記載の方法は、無加圧で焼結を行っているが、以下の点で実用に供するには未だ充分ではない。すなわち、銅ナノ粒子は酸化抑制及び分散性の向上のために保護剤で表面を修飾する必要があるが、銅ナノ粒子は比表面積が大きいため、銅ナノ粒子を主成分とする接合材においては表面保護剤の配合量が増える傾向にある。また、分散性を確保するために分散媒の配合量が増える傾向にある。そのため、上記特許文献3に記載の接合材は、保管、塗工等の供給安定性のため、表面保護剤又は分散媒の割合を多くしており、焼結時の体積収縮が大きくなりやすく、また焼結後の緻密度が低下しやすい傾向にあり焼結体強度の確保が難しい。
The method described in
本発明は、無加圧での接合を行う場合であっても充分な接合強度を得ることができる接合用金属ペースト、並びに、当該接合用金属ペーストを用いた接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a bonding metal paste capable of obtaining sufficient bonding strength even when bonding is performed without pressure, a bonded body using the bonding metal paste, and a method for manufacturing the same. for the purpose.
本発明者らは、金属ペーストにおける金属粒子として、粒径の大きなフレーク状の銅粒子と、粒径の小さな銅粒子とを組み合わせて用い、金属ペーストを塗布又は印刷した際に、接合界面に対して略平行に配向したフレーク状の銅粒子と、フレーク状の銅粒子間に分散する銅粒子とからなる構造を形成することで、無加圧での接合(無加圧接合)時の接合強度を向上させることができることを見出した。また、上記構造を形成するために好適な特定の分散媒に加えて、特定のポリエチレングリコールを用いることで、無加圧接合時の接合強度を更に向上させることができることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventors used a combination of flaky copper particles with a large particle size and copper particles with a small particle size as the metal particles in the metal paste, and when the metal paste was applied or printed, By forming a structure consisting of flake-shaped copper particles oriented approximately parallel to each other and copper particles dispersed between the flake-shaped copper particles, the bonding strength at the time of bonding without pressure (non-pressure bonding) was found to be able to improve Further, it was found that the bonding strength during non-pressure bonding can be further improved by using a specific polyethylene glycol in addition to a specific dispersion medium suitable for forming the above structure, thus completing the present invention. let me
本発明の一側面は、金属粒子と、金属粒子を分散する分散媒と、を含有する接合用金属ペーストに関する。この金属ペーストにおいて、金属粒子は、粒径が2μm以上であるフレーク状の第1の銅粒子と、粒径が0.8μm以下である第2の銅粒子と、を含み、分散媒は、第1の分散媒として、沸点が235℃以下であり、重量平均分子量が130~170である有機化合物と、重量平均分子量が200~600であるポリエチレングリコールと、を含む。
One aspect of the present invention relates to a bonding metal paste containing metal particles and a dispersion medium for dispersing the metal particles. In this metal paste, the metal particles include first flaky copper particles having a particle size of 2 μm or more and second copper particles having a particle size of 0.8 μm or less, and the dispersion medium is
上記金属ペーストによれば、無加圧で接合する場合であっても、充分な接合強度を得ることができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、本発明者らは次のように推察している。 According to the metal paste, sufficient bonding strength can be obtained even when bonding is performed without pressure. Although the reason why such an effect is obtained is not clear, the present inventors speculate as follows.
すなわち、上記金属ペーストは分散媒として重量平均分子量が130~170である第1の分散媒を含有するため、金属粒子を良好に分散させることができ、また、金属ペーストの塗布又は印刷時に第1の銅粒子を接合界面に対して略平行に配向させつつ、第2の銅粒子を第1の銅粒子間に分散させることができる。すなわち、上記金属ペーストによれば、接合界面に対して略平行に配向したフレーク状の第1の銅粒子と、フレーク状の第1の銅粒子間に分散する第2の銅粒子とからなる構造を形成することができる。かかる構造により、無加圧での接合(無加圧接合)時の接合強度が向上される。さらに、金属ペーストが第2の分散媒を含有しない場合には、銅粒子の焼結時又は焼結前の乾燥時に分散媒が揮発することで、上記構造が崩れ、接合強度の向上効果が低下するが、上記金属ペーストでは、第2の分散媒によって上記構造が保持されるため、高い接合強度の向上効果が得られる。本発明者らは、以上のような理由により、上記効果が得られると推察している。なお、上記構造によって接合強度が向上する理由は明らかではないが、焼結時の体積収縮が抑制されること、フレーク状の第1の銅粒子の重なり面積が増大すること、及び、フレーク状の第1の銅粒子が第2の銅粒子を整列し補強効果が得られることが考えられる。 That is, since the metal paste contains the first dispersion medium having a weight average molecular weight of 130 to 170 as a dispersion medium, the metal particles can be well dispersed, and the first dispersion medium can be dispersed during application or printing of the metal paste. The second copper particles can be dispersed among the first copper particles while the copper particles are oriented substantially parallel to the bonding interface. That is, according to the metal paste, the structure is composed of the first flaky copper particles oriented substantially parallel to the bonding interface and the second copper particles dispersed between the first flaky copper particles. can be formed. Such a structure improves the bonding strength at the time of bonding without pressure (non-pressure bonding). Furthermore, when the metal paste does not contain the second dispersion medium, the dispersion medium evaporates during sintering of the copper particles or during drying before sintering, resulting in the collapse of the above structure and a reduction in the effect of improving the bonding strength. However, in the metal paste, since the structure is maintained by the second dispersion medium, a high bonding strength improvement effect can be obtained. The inventors presume that the above effects are obtained for the reasons described above. The reason why the bonding strength is improved by the above structure is not clear, but the volume shrinkage during sintering is suppressed, the overlapping area of the flake-shaped first copper particles increases, and the flake-shaped It is believed that the first copper particles align the second copper particles to provide a reinforcing effect.
また、金属ペーストが第2の分散媒を含有しない場合、金属ペーストの塗布から銅粒子を焼結させるまでの時間、温度等の周辺環境などの条件の違いによって、接合強度にばらつきが生じることがあるが、上記金属ペーストによれば、このような接合強度のばらつきの発生を抑制することができる。すなわち、上記金属ペーストによれば、接合体の製造時の環境による影響を受け難くなり、例えば半導体装置等の接合体の生産安定性を一層高めることができる。このような効果が得られる理由としては、金属ペーストが第2の分散媒を含有しない場合には、第1の分散媒の揮発が進行し接合強度が低下するのに対し、上記金属ペーストでは、第2の分散媒によって第1の銅粒子と第2の銅粒子によって形成された上記構造が保持されることが考えられる。 In addition, when the metal paste does not contain the second dispersion medium, the bonding strength may vary depending on the time from application of the metal paste to the sintering of the copper particles, and the difference in conditions such as the surrounding environment such as temperature. However, according to the metal paste, it is possible to suppress the occurrence of such variations in bonding strength. That is, according to the metal paste, the influence of the environment during manufacturing of the bonded body is less likely to occur, and the production stability of the bonded body such as a semiconductor device can be further improved. The reason why such an effect is obtained is that when the metal paste does not contain the second dispersion medium, volatilization of the first dispersion medium progresses and the bonding strength decreases, whereas in the above metal paste, It is conceivable that the structure formed by the first copper particles and the second copper particles is maintained by the second dispersion medium.
上記分散媒は、上記第2の分散媒として、重量平均分子量が350~450であるポリエチレングリコールを含むことが好ましい。 The dispersion medium preferably contains polyethylene glycol having a weight average molecular weight of 350 to 450 as the second dispersion medium.
上記第2の分散媒の含有量は、金属粒子100質量部に対して、4~14質量部であることが好ましい。 The content of the second dispersion medium is preferably 4 to 14 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the metal particles.
上記第1の分散媒の含有量は、金属粒子100質量部に対して、2~15質量部であることが好ましい。 The content of the first dispersion medium is preferably 2 to 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the metal particles.
上記第1の分散媒の含有量に対する上記第2の分散媒の含有量の質量比は、0.3~3.0であることが好ましい。 The mass ratio of the content of the second dispersion medium to the content of the first dispersion medium is preferably 0.3 to 3.0.
上記第1の銅粒子のアスペクト比は、3.0以上であることが好ましい。 The aspect ratio of the first copper particles is preferably 3.0 or more.
上記第1の銅粒子は、粒径が2~50μmである銅粒子を50質量%以上含むことが好ましく、上記第2の銅粒子は、粒径が0.12~0.8μmである銅粒子を20質量%以上含むことが好ましい。 The first copper particles preferably contain 50% by mass or more of copper particles having a particle size of 2 to 50 μm, and the second copper particles include copper particles having a particle size of 0.12 to 0.8 μm. It is preferable to contain 20% by mass or more.
上記第1の銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、10~70質量%であることが好ましく、上記第2の銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、30~90質量%であることが好ましい。 The content of the first copper particles is preferably 10 to 70% by mass based on the total mass of the metal particles, and the content of the second copper particles is based on the total mass of the metal particles. , preferably 30 to 90% by mass.
上記金属粒子は、亜鉛粒子及び銀粒子からなる群より選択される少なくとも1種の金属粒子を、金属粒子の全質量を基準として、0.01~10質量%の量で更に含むことが好ましい。 The metal particles preferably further contain at least one metal particle selected from the group consisting of zinc particles and silver particles in an amount of 0.01 to 10% by mass based on the total mass of the metal particles.
本発明の他の一側面は、第一の部材、上述した金属ペースト、及び第二の部材がこの順に積層されている積層体を用意し、金属ペーストを、第一の部材の重さを受けた状態、又は第一の部材の重さ及び0.01MPa以下の圧力を受けた状態で、300℃以下で焼結する工程を備える、接合体の製造方法に関する。 Another aspect of the present invention is to prepare a laminate in which a first member, the above-described metal paste, and a second member are laminated in this order, and apply the metal paste to receive the weight of the first member. The present invention relates to a method for manufacturing a bonded body, comprising a step of sintering at 300° C. or less in a state where the first member is pressed or subjected to the weight of the first member and a pressure of 0.01 MPa or less.
第一の部材及び第二の部材の少なくとも一方は半導体素子であってよい。すなわち、接合体の製造方法は、半導体装置の製造方法であってよい。 At least one of the first member and the second member may be a semiconductor device. That is, the method for manufacturing a bonded body may be a method for manufacturing a semiconductor device.
本発明の他の一側面は、第一の部材と、第二の部材と、第一の部材と第二の部材とを接合する上述した金属ペーストの焼結体と、を備える、接合体に関する。 Another aspect of the present invention relates to a joined body comprising a first member, a second member, and the sintered body of the metal paste described above that joins the first member and the second member. .
第一の部材及び第二の部材の少なくとも一方は、焼結体と接する面に、銅、ニッケル、銀、金及びパラジウムからなる群より選択される少なくとも1種の金属を含んでいてよい。 At least one of the first member and the second member may contain at least one metal selected from the group consisting of copper, nickel, silver, gold and palladium on the surface in contact with the sintered body.
第一の部材及び第二の部材の少なくとも一方は半導体素子であってよい。すなわち、接合体は半導体装置であってよい。 At least one of the first member and the second member may be a semiconductor device. That is, the junction may be a semiconductor device.
本発明によれば、無加圧での接合を行う場合であっても充分な接合強度を得ることができる接合用金属ペースト、並びに、当該接合用金属ペーストを用いた接合体及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a bonding metal paste capable of obtaining sufficient bonding strength even when bonding is performed without pressure, a bonded body using the bonding metal paste, and a manufacturing method thereof. can provide.
本明細書において、例示する材料は、特に断らない限り、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。金属ペースト中の各成分の含有量は、金属ペースト中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、金属ペースト中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書中に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階の数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載の上限値及び下限値は、任意に組み合わせることができる。「層」との語は、平面図として観察したときに、全面に形成されている形状の構造に加え、一部に形成されている形状の構造も包含される。また、本明細書中、沸点とは、1気圧における沸点であり、粘度とは、室温(25℃)における粘度である。 In this specification, unless otherwise specified, the exemplified materials can be used singly or in combination of two or more. The content of each component in the metal paste means the total amount of the plurality of substances present in the metal paste unless otherwise specified when there are multiple substances corresponding to each component in the metal paste. A numerical range indicated using "-" indicates a range including the numerical values before and after "-" as the minimum and maximum values, respectively. In the numerical ranges described stepwise in this specification, the upper limit value or lower limit value of the numerical range at one step may be replaced with the upper limit value or lower limit value of the numerical range at another step. Moreover, in the numerical ranges described in this specification, the upper and lower limits of the numerical ranges may be replaced with the values shown in the examples. Moreover, the upper limit value and lower limit value described herein can be arbitrarily combined. The term "layer" includes not only a shape structure formed over the entire surface but also a shape structure formed partially when observed as a plan view. Moreover, in this specification, the boiling point is the boiling point at 1 atmosphere, and the viscosity is the viscosity at room temperature (25°C).
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は下記実施形態に何ら限定されるものではない。 Preferred embodiments of the present invention are described below. However, the present invention is by no means limited to the following embodiments.
<金属ペースト>
本実施形態の金属ペーストは、例えば、複数の部材同士を接合するために用いられる接合材(接合用金属ペースト)である。この金属ペーストは、金属粒子と、前記金属粒子を分散する分散媒と、を含有し、金属粒子は、粒径が2μm以上であるフレーク状の第1の銅粒子と、粒径が0.8μm以下である第2の銅粒子と、を含み、分散媒は、沸点が235℃以下であり、重量平均分子量が130~170である有機化合物(第1の分散媒)と、重量平均分子量が200~600であるポリエチレングリコール(第2の分散媒)と、を含む。
<Metal paste>
The metal paste of the present embodiment is, for example, a bonding material (bonding metal paste) used for bonding a plurality of members. This metal paste contains metal particles and a dispersion medium for dispersing the metal particles. and a second copper particle having a boiling point of 235 ° C. or less and a weight average molecular weight of 130 to 170 (first dispersion medium) as a dispersion medium, and a weight average molecular weight of 200 ∼600 polyethylene glycol (second dispersion medium).
本実施形態の金属ペーストによれば、無加圧で接合する場合であっても、充分な接合強度を得ることができる。そのため、本実施形態の金属ペーストによれば、加圧を伴う熱圧着プロセスが不要となり、生産効率及び歩留まりを向上させることができる。また、本実施形態の金属ペーストによれば、接合体の製造時の環境による接合強度のばらつきの発生を抑制することができる。すなわち、本実施形態の金属ペーストによれば、接合体の接合強度等の性能が製造時の環境による影響を受け難くなり、例えば半導体装置等の接合体の生産安定性を一層高めることができる。また、本実施形態の金属ペーストは、第1の分散媒によって金属粒子が分散されていることにより、粘度が高くなりすぎることがないため、塗布性に優れる傾向がある。 According to the metal paste of the present embodiment, sufficient bonding strength can be obtained even when bonding is performed without pressure. Therefore, according to the metal paste of the present embodiment, a thermocompression bonding process involving pressurization becomes unnecessary, and production efficiency and yield can be improved. Moreover, according to the metal paste of the present embodiment, it is possible to suppress the occurrence of variations in bonding strength due to the environment during manufacturing of the bonded body. That is, according to the metal paste of the present embodiment, performance such as bonding strength of the bonded body is less likely to be affected by the environment during manufacturing, and production stability of bonded bodies such as semiconductor devices can be further improved. Moreover, since the metal particles are dispersed in the first dispersion medium, the metal paste of the present embodiment does not have an excessively high viscosity, and therefore tends to be excellent in coatability.
(金属粒子)
本実施形態では、金属ペーストが、第1の銅粒子及び第2の銅粒子の両方を含み、且つ、上記第1の分散媒を含むため、乾燥に伴う体積収縮及び焼結収縮が大きくなりにくく、金属ペーストの焼結時に被着面より剥離しにくくなる。すなわち、第1の銅粒子と第2の銅粒子と第1の分散媒とを併用することで、金属ペーストを焼結させたときの体積収縮が抑制され、無加圧接合であっても、接合体はより充分な接合強度を有することができる。本実施形態の金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置がより良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示すという効果が得られる。
(metal particles)
In the present embodiment, since the metal paste contains both the first copper particles and the second copper particles and contains the first dispersion medium, volume shrinkage and sintering shrinkage due to drying are unlikely to increase. When the metal paste is sintered, it becomes difficult to separate from the adherend surface. That is, by using the first copper particles, the second copper particles, and the first dispersion medium together, the volume shrinkage when the metal paste is sintered is suppressed, and even in pressureless bonding, The bonded body can have more sufficient bonding strength. When the metal paste of the present embodiment is used for joining semiconductor elements, an effect is obtained that the semiconductor device exhibits better die shear strength and connection reliability.
金属粒子は第1の銅粒子及び第2の銅粒子以外の他の銅粒子を含んでいてよく、銅粒子以外の他の金属粒子を含んでいてもよい。銅粒子は、不可避的に含まれる銅以外の金属を含んでいてもよいが、実質的に銅のみからなる粒子である。本明細書では、便宜上、複数の金属粒子の集合を「金属粒子」と称することがある。銅粒子についても同様である。 The metal particles may contain copper particles other than the first copper particles and the second copper particles, and may contain metal particles other than the copper particles. The copper particles may contain metals other than copper that are inevitably contained, but are particles that consist essentially of copper. In this specification, for convenience, an aggregate of a plurality of metal particles may be referred to as "metal particles". The same applies to copper particles.
[第1の銅粒子]
第1の銅粒子は、好ましくは、粒径が2~50μmの銅粒子を含む。第1の銅粒子は、例えば、粒径が2~50μmの銅粒子を50質量%以上含むことができる。接合体内での配向、補強効果、接合ペーストの充填性の観点から、第1の銅粒子における粒径が2~50μmの銅粒子の含有量は、70質量%以上、80質量%以上又は90質量%以上であってもよく、100質量%であってもよい。すなわち、第1の銅粒子は、粒径が2~50μmである銅粒子であってよい。
[First copper particles]
The first copper particles preferably contain copper particles having a particle size of 2 to 50 μm. The first copper particles can contain, for example, 50% by mass or more of copper particles having a particle size of 2 to 50 μm. From the viewpoint of orientation in the bonded body, reinforcing effect, and filling properties of the bonding paste, the content of the copper particles having a particle size of 2 to 50 μm in the first copper particles is 70% by mass or more, 80% by mass or more, or 90% by mass. % or more, or 100% by mass. That is, the first copper particles may be copper particles having a particle size of 2 to 50 μm.
銅粒子の粒径は、例えば、SEM像から算出することができる。具体的には、まず、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。外接する四角形が長方形である場合には、その長辺をその粒子の粒径(最大径)とする。 The particle size of the copper particles can be calculated, for example, from an SEM image. Specifically, first, a powder of copper particles is placed on a carbon tape for SEM with a spatula to obtain a sample for SEM. This sample for SEM is observed at 5000 times with an SEM apparatus. A rectangle circumscribing the copper particles in the SEM image is drawn using image processing software, and one side of the rectangle is defined as the grain size of the particle. When the circumscribing quadrilateral is a rectangle, the long side is taken as the grain size (maximum diameter) of the grain.
第1の銅粒子の体積平均粒径は、2~50μmであってよい。第1の銅粒子の体積平均粒径が上記範囲内であれば、金属ペーストを焼結した際の体積収縮を充分に低減でき、金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となり、金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置がより良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。より一層上記効果を奏する観点から、第1の銅粒子の体積平均粒径は、3~50μmであってもよく、3~20μmであってもよい。 The volume average particle size of the first copper particles may be 2-50 μm. If the volume average particle diameter of the first copper particles is within the above range, the volume shrinkage when the metal paste is sintered can be sufficiently reduced, and the bonding strength of the joined body produced by sintering the metal paste can be increased. When the metal paste is used for bonding semiconductor elements, the semiconductor device tends to exhibit better die shear strength and connection reliability. From the viewpoint of achieving the above effect, the volume average particle diameter of the first copper particles may be 3 to 50 μm, or may be 3 to 20 μm.
本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、又は金属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。分散媒としては、後述する分散媒(第1の分散媒及び第2の分散媒)を用いる。 As used herein, the volume average particle size means a 50% volume average particle size. When determining the volume average particle size of copper particles, the raw material copper particles or the dry copper particles obtained by removing volatile components from the metal paste are dispersed in a dispersion medium using a dispersant, and the particle size distribution is measured by the light scattering method. Apparatus (for example, Shimadzu nanoparticle size distribution measuring apparatus (SALD-7500nano, manufactured by Shimadzu Corporation) can be determined by a method of measurement, etc. As the dispersion medium, the dispersion medium described later (first dispersion medium and second 2 dispersion medium) is used.
第1の銅粒子の形状はフレーク状である。第1の銅粒子としてフレーク状の銅粒子を用いることで、金属ペースト内の第1の銅粒子が、接合面に対して略平行に配向することにより、金属ペーストを焼結させたときの体積収縮を抑制でき、金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となる。金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。このような効果が得られやすい観点から、フレーク状の銅粒子のアスペクト比は、好ましくは3.0以上であり、より好ましくは4.0以上であり、更に好ましくは6.0以上である。なお、本明細書において、「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。また、本明細書において、「アスペクト比」とは、粒子の長辺/厚さを示す。粒子の長辺及び厚さの測定は、例えば、粒子のSEM像から求めることができる。 The shape of the first copper particles is flaky. By using flaky copper particles as the first copper particles, the first copper particles in the metal paste are oriented substantially parallel to the bonding surface, so that the volume when the metal paste is sintered Shrinkage can be suppressed, and it becomes easy to ensure the bonding strength of the bonded body manufactured by sintering the metal paste. When a metal paste is used for bonding semiconductor elements, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability. From the viewpoint of easily obtaining such effects, the aspect ratio of the flaky copper particles is preferably 3.0 or more, more preferably 4.0 or more, and still more preferably 6.0 or more. In addition, in this specification, "flake-like" includes plate-like shapes such as a plate-like shape and a scale-like shape. Also, as used herein, the term "aspect ratio" indicates the long side/thickness of a particle. Particle long sides and thickness measurements can be obtained, for example, from SEM images of the particles.
第1の銅粒子の最大径及び平均最大径は、2~50μmであってよく、3~50μmであってもよく、3~20μmであってもよい。フレーク状の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、フレーク状の銅粒子の長径X及び長径の平均値Xavとして求められる。長径Xは、フレーク状の銅粒子の三次元形状において、フレーク状の銅粒子に外接する平行二平面のうち、この平行二平面間の距離が最大となるように選ばれる平行二平面の距離である。 The maximum diameter and average maximum diameter of the first copper particles may be 2 to 50 μm, 3 to 50 μm, or 3 to 20 μm. The maximum diameter and average maximum diameter of the flaky copper particles can be obtained, for example, from an SEM image of the particles, and obtained as the long diameter X and the average long diameter Xav of the flaky copper particles. The major axis X is the distance of two parallel planes selected so that the distance between these two parallel planes is the maximum among the two parallel planes circumscribing the flaky copper particles in the three-dimensional shape of the flaky copper particles. be.
第1の銅粒子は、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第1の銅粒子とを組み合わせることで、第1の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 first 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 caprylic acid, methylheptanoic acid, ethylhexanoic acid, propylpentanoic acid, pelargonic acid, methyloctanoic acid, ethylheptanoic acid, propylhexanoic acid, capric acid, methylnonanoic acid, ethyl octanoic acid, propylheptanoic acid, butylhexanoic acid, undecanoic acid, methyldecanoic acid, ethylnonanoic acid, propyloctanoic acid, butylheptanoic acid, lauric acid, methylundecanoic acid, ethyldecanoic acid, propylnonanoic acid, butyloctanoic acid, pentylheptanoic 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 acid, heptylnonanoic acid, methylcyclohexanecarboxylic acid, ethylcyclohexanecarboxylic acid, propylcyclohexanecarboxylic acid, butylcyclohexanecarboxylic acid, pentylcyclohexanecarboxylic acid, hexylcyclohexanecarboxylic acid, heptylcyclohexanecarboxylic acid, octylcyclohexanecarboxylic acid, nonylcyclohexanecarboxylic acid, etc. unsaturated fatty acids such as octenoic acid, nonenoic acid, methylnonenoic acid, decenoic acid, undecenoic acid, dodecenoic acid, tridecenoic acid, tetradecenoic acid, myristoleic acid, pentadecenoic acid, hexadecenoic acid, palmitoleic acid, and sabienic acid; Aromas such as acid, pyromellitic acid, o-phenoxybenzoic acid, methylbenzoic acid, ethylbenzoic acid, propylbenzoic acid, butylbenzoic acid, pentylbenzoic acid, hexylbenzoic acid, heptylbenzoic acid, octylbenzoic acid, nonylbenzoic acid group carboxylic acids. An organic acid may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. By combining such an organic acid with the first copper particles, there is a tendency that both the dispersibility of the first copper particles and the detachability of the organic acid during sintering can be achieved.
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、第1の銅粒子の比表面積、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、表面処理後の第1の銅粒子の全質量を基準として、通常0.001質量%以上である。第1の銅粒子の比表面積、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、後述する方法により算出することができる。 The treatment amount of the surface treatment agent may be an amount equal to or greater than one molecular layer on the particle surface. The treatment amount of such a surface treatment agent varies depending on the specific surface area of the first copper particles, the molecular weight of the surface treatment agent, and the minimum coverage area of the surface treatment agent. The treatment amount of the surface treatment agent is usually 0.001% by mass or more based on the total mass of the first copper particles after the surface treatment. The specific surface area of the first copper particles, the molecular weight of the surface treatment agent, and the minimum coverage area of the surface treatment agent can be calculated by methods described later.
市販されている第1の銅粒子を含む材料としては、例えば、MA-C025(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径7.5μm、平均最大径4.1μm)、3L3(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径8.0μm、平均最大径7.3μm)、2L3(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径9.9μm、平均最大径9μm)、2L3N/A(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径9.4μm、平均最大径9μm)、1110F(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径3.8μm、平均最大径5μm)、HWQ3.0μm(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径3.0μm)、2L3N(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径7.2μm)、3L3N(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径5.9μm)、4L3(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径4.5μm)、C3(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径40.0μm)が挙げられる。
Examples of commercially available materials containing the first copper particles include MA-C025 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., volume average particle diameter 7.5 μm, average maximum diameter 4.1 μm), 3L3 (Fukuda Metal Foil Powder Kogyo Co., Ltd., volume average particle diameter 8.0 μm, average maximum diameter 7.3 μm), 2L3 (Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., volume average particle diameter 9.9 μm, average maximum diameter 9 μm), 2L3N / A ( Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., volume average particle diameter 9.4 μm, average maximum diameter 9 μm), 1110F (Mitsui Kinzoku Co., Ltd., volume average particle diameter 3.8 μm, average
第1の銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、10~70質量%であってよく、10~50質量%であってもよく、15~45質量%であってもよく、20~40質量%であってもよい。第1の銅粒子の含有量が、上記範囲内であれば、金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となり、金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置がより良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。なお、上記含有量には表面処理剤の量は含まれない。また、金属粒子の全質量には、金属粒子の表面に吸着した表面処理剤の量は含まない。 The content of the first copper particles may be 10 to 70% by mass, 10 to 50% by mass, or 15 to 45% by mass, based on the total mass of the metal particles. , 20 to 40% by mass. If the content of the first copper particles is within the above range, it becomes easy to ensure the bonding strength of the bonded body manufactured by sintering the metal paste, and when the metal paste is used to bond semiconductor elements. tend to show better die shear strength and connection reliability in semiconductor devices. The above content does not include the amount of the surface treatment agent. Also, the total mass of the metal particles does not include the amount of the surface treatment agent adsorbed on the surfaces of the metal particles.
[第2の銅粒子]
第2の銅粒子は、好ましくは、粒径が0.12~0.8μmである銅粒子を含む。第2の銅粒子は、例えば、粒径が0.12~0.8μmの銅粒子を10質量%以上含むことができる。第2の銅粒子における粒径が0.12~0.8μmの銅粒子の含有量は、金属ペーストの焼結性の観点から、20質量%以上、30質量%以上、50質量%以上、70質量%以上、80質量%以上又は90質量%以上であってもよく、100質量%であってもよい。すなわち、第2の銅粒子は、粒径が0.12~0.8μmである銅粒子であってよい。第2の銅粒子における粒径が0.12~0.8μmの銅粒子の含有量が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。
[Second copper particles]
The second copper particles preferably contain copper particles having a particle size of 0.12 to 0.8 μm. The second copper particles can contain, for example, 10% by mass or more of copper particles having a particle size of 0.12 to 0.8 μm. The content of copper particles having a particle size of 0.12 to 0.8 μm in the second copper particles is 20% by mass or more, 30% by mass or more, 50% by mass or more, 70% by mass or more, from the viewpoint of sinterability of the metal paste. It may be at least 80% by mass, at least 90% by mass, or at least 100% by mass. That is, the second copper particles may be copper particles having a particle size of 0.12 to 0.8 μm. When the content of the copper particles having a particle size of 0.12 to 0.8 μm in the second 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 reduced. can be suppressed more.
第2の銅粒子の体積平均粒径は、好ましくは0.10μm以上であり、また、好ましくは0.8μm以下である。第2の銅粒子の体積平均粒径が0.10μm以上であれば、銅ナノ粒子を主に用いた接合材にみられる高価な合成コストを低減することができる。また、分散性を向上させることができ、焼結後の体積収縮量の低下を抑制することができる。さらに、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。第2の銅粒子の体積平均粒径が0.8μm以下であれば、金属ペーストの焼結性に優れるという効果が得られやすくなる。より一層上記効果を奏する観点から、第2の銅粒子の体積平均粒径は、0.12~0.8μmであってもよく、0.15~0.8μmであってもよく、0.15~0.6μmであってもよく、0.2~0.5μmであってもよく、0.3~0.45μmであってもよい。上記観点から、第2の銅粒子における銅ナノ粒子(粒径が1~100nmの粒子)の含有量は、好ましくは2質量%以下であり、より好ましくは1質量%以下である。第2の銅粒子における銅ナノ粒子の含有量は、0.5質量%以上であってよい。 The volume average particle size of the second copper particles is preferably 0.10 μm or more and preferably 0.8 μm or less. If the volume average particle diameter of the second copper particles is 0.10 μm or more, it is possible to reduce the expensive synthesis cost seen in bonding materials that mainly use copper nanoparticles. Moreover, the dispersibility can be improved, and a decrease in the amount of volume shrinkage after sintering can be suppressed. Furthermore, it becomes easy to obtain the effect of suppressing the amount of the surface treatment agent used. If the volume average particle size of the second copper particles is 0.8 μm or less, the effect of excellent sinterability of the metal paste is likely to be obtained. From the viewpoint of further achieving the above effects, the volume average particle diameter of the second copper particles may be 0.12 to 0.8 μm, may be 0.15 to 0.8 μm, or may be 0.15 ~0.6 μm, 0.2-0.5 μm, or 0.3-0.45 μm. From the above viewpoint, the content of copper nanoparticles (particles having a particle size of 1 to 100 nm) in the second copper particles is preferably 2% by mass or less, more preferably 1% by mass or less. The content of copper nanoparticles in the second copper particles may be 0.5% by mass or more.
第2の銅粒子の形状は、特に限定されるものではない。第2の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、第2の銅粒子の形状は、球状、略球状、フレーク状であってよく、燃焼性、分散性、フレーク状の粒子(例えば、フレーク状の第1の銅粒子)との混合性等の観点から、球状又は略球状であってよい。 The shape of the second copper particles is not particularly limited. The shape of the second copper particles includes, for example, spherical, massive, needle-like, flake-like, substantially spherical, and aggregates thereof. From the viewpoint of dispersibility and filling property, the shape of the second copper particles may be spherical, approximately spherical, or flaky. It may be spherical or substantially spherical from the viewpoint of miscibility with particles).
第2の銅粒子のアスペクト比は、分散性、充填性、及びフレーク状の粒子(例えば、フレーク状の第1の銅粒子)との混合性の観点から、5.0以下であってよく、3.0以下であってもよい。 The aspect ratio of the second copper particles may be 5.0 or less from the viewpoint of dispersibility, filling properties, and mixing with flaky particles (e.g., flaky first copper particles), It may be 3.0 or less.
第2の銅粒子は、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以上の有機酸(ただし、炭素数1~9の1価カルボン酸は除く)が挙げられる。炭素数8以上の有機酸としては、例えば、炭素数8~9の多価カルボン酸、前述の炭素数10以上のカルボン酸(1価及び多価カルボン酸)、炭素数8以上のアルキル基を有するアルキルアミン(長鎖アルキルアミン)等が挙げられるが、これらの中でも炭素数10以上のカルボン酸が好ましい。本実施形態では、炭素数10以上のカルボン酸の焼結時の脱離性が向上する傾向がある。そのため、炭素数10以上のカルボン酸を用いる場合には本発明の効果が顕著となりうる。 The second copper particles may be treated with a specific surface treatment agent. Specific surface treatment agents include, for example, organic acids having 8 or more carbon atoms (excluding monovalent carboxylic acids having 1 to 9 carbon atoms). Examples of organic acids having 8 or more carbon atoms include polyvalent carboxylic acids having 8 to 9 carbon atoms, the aforementioned carboxylic acids having 10 or more carbon atoms (monovalent and polyvalent carboxylic acids), and alkyl groups having 8 or more carbon atoms. Among these, carboxylic acids having 10 or more carbon atoms are preferred. In the present embodiment, there is a tendency that the carboxylic acid having 10 or more carbon atoms is desorbed during sintering. Therefore, when a carboxylic acid having 10 or more carbon atoms is used, the effect of the present invention can be remarkable.
このような表面処理剤の具体例としては、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、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;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、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などが挙げられる。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第2の銅粒子とを組み合わせることで、第2の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。 Specific examples of such surface treatment agents include capric acid, methylnonanoic acid, ethyloctanoic acid, propylheptanoic acid, butylhexanoic acid, undecanoic acid, methyldecanoic acid, ethylnonanoic acid, propyloctanoic acid, butylheptanoic acid, lauric acid, Methylundecanoic acid, ethyldecanoic acid, propylnonanoic acid, butyloctanoic acid, pentylheptanoic acid, tridecanoic acid, methyldodecanoic acid, ethylundecanoic acid, propyldecanoic acid, butylnonanoic acid, pentyloctanoic acid, myristic acid, methyltridecanoic acid, ethyl Dodecanoic 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, methylpentadecanic acid , ethyltetradecanoic acid, propyltridecanoic acid, butyldodecanoic acid, pentylundecanoic acid, hexyldecanoic acid, heptylnonanoic acid, propylcyclohexanecarboxylic acid, butylcyclohexanecarboxylic acid, pentylcyclohexanecarboxylic acid, hexylcyclohexanecarboxylic acid, heptylcyclohexanecarboxylic acid, octyl Saturated fatty acids such as cyclohexanecarboxylic acid and nonylcyclohexanecarboxylic acid; Unsaturated fatty acids such as decenoic acid, undecenoic acid, dodecenoic acid, tridecenoic acid, tetradecenoic acid, myristoleic acid, pentadecenoic acid, hexadecenoic acid, palmitoleic acid and sabienic acid; acids, pyromellitic acid, o-phenoxybenzoic acid, propylbenzoic acid, butylbenzoic acid, pentylbenzoic acid, hexylbenzoic acid, heptylbenzoic acid, octylbenzoic acid, nonylbenzoic acid and other aromatic carboxylic acids. An organic acid may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. By combining such an organic acid with the second copper particles, there is a tendency that both the dispersibility of the second copper particles and the detachability of the organic acid during sintering can be achieved.
表面処理剤の処理量は、表面処理後の第2の銅粒子の全質量を基準として、0.07~2.1質量%であってよく、0.10~1.6質量%であってもよく、0.2~1.1質量%であってもよい。 The treatment amount of the surface treatment agent may be 0.07 to 2.1% by mass, and 0.10 to 1.6% by mass, based on the total mass of the second copper particles after surface treatment. may be 0.2 to 1.1% by mass.
表面処理剤の処理量は、第2の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。この処理量は、以下の方法により測定される。大気中、700℃で2時間処理したアルミナ製るつぼ(例えば、アズワン製、型番:1-7745-07)に、表面処理された第2の銅粒子をW1(g)量り取り、大気中700℃で1時間焼成する。その後、水素中、300℃で1時間処理し、るつぼ内の銅粒子の質量W2(g)を計測する。次いで、下記式に基づき、表面処理剤の処理量を算出する。
表面処理剤の処理量(質量%)=(W1-W2)/W1×100
The treatment amount of the surface treatment agent may be an amount that allows one to three molecular layers to adhere to the surface of the second copper particles. This throughput is measured by the following method. W1 (g) of the surface-treated second copper particles is weighed into an alumina crucible (for example, manufactured by AS ONE, model number: 1-7745-07) that has been treated at 700 ° C. for 2 hours in the air, and is placed in the air at 700 ° C. Bake for 1 hour. After that, it is treated in hydrogen at 300° C. for 1 hour, and the mass W2 (g) of the copper particles in the crucible is measured. Next, the treatment amount of the surface treatment agent is calculated based on the following formula.
Treatment amount of surface treatment agent (% by mass) = (W1-W2)/
第2の銅粒子の比表面積は、焼結性、粒子間のパッキング等の観点から、0.5m2/g~10m2/gであってよく、1.0m2/g~8.0m2/gであってもよく、1.2m2/g~6.5m2/gであってもよい。第2の銅粒子の比表面積は、乾燥させた第2の銅粒子をBET比表面積測定法で測定することで算出できる。 The specific surface area of the second copper particles may be 0.5 m 2 /g to 10 m 2 /g, and 1.0 m 2 /g to 8.0 m 2 from the viewpoint of sinterability, packing between particles, etc. /g, or from 1.2 m 2 /g to 6.5 m 2 /g. The specific surface area of the second copper particles can be calculated by measuring the dried second copper particles by the BET specific surface area measurement method.
市販されている第2の銅粒子を含む材料としては、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(太陽日産社製、体積平均粒径0.12μm)が挙げられる。 Examples of commercially available materials containing second copper particles include CH-0200 (Mitsui Kinzoku Co., Ltd., volume average particle size 0.36 μm), HT-14 (Mitsui Kinzoku Co., Ltd., volume average particle diameter 0.41 μm), CT-500 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., volume average particle diameter 0.72 μm), and Tn-Cu100 (manufactured by Taiyo Nissan Co., Ltd., volume average particle diameter 0.12 μm).
第2の銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、30~90質量%であってよく、35~90質量%であってもよく、40~85質量%以下であってもよく、45~80質量%以下であってもよい。第2の銅粒子の含有量が上記範囲内であれば、金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となり、金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。なお、上記含有量には表面処理剤の量は含まれない。また、金属粒子の全質量には、金属粒子の表面に吸着した表面処理剤の量は含まない。 The content of the second copper particles may be 30 to 90% by mass, may be 35 to 90% by mass, or may be 40 to 85% by mass or less, based on the total mass of the metal particles. It may be 45 to 80% by mass or less. If the content of the second copper particles is within the above range, it becomes easy to ensure the bonding strength of the bonded body manufactured by sintering the metal paste, and when the metal paste is used for bonding semiconductor elements, Semiconductor devices tend to exhibit good die shear strength and connection reliability. The above content does not include the amount of the surface treatment agent. Also, the total mass of the metal particles does not include the amount of the surface treatment agent adsorbed on the surfaces of the metal particles.
第2の銅粒子の含有量は、第1の銅粒子の質量及び第2の銅粒子の質量の合計を基準として、30~90質量%であることが好ましい。第2の銅粒子の上記含有量が30質量%以上であれば、第1の銅粒子の間を充填することができ、金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となり、金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。第2の銅粒子の上記含有量が90質量%以下であれば、金属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、金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となり、金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。より一層上記効果を奏する観点から、第2の銅粒子の含有量は、第1の銅粒子の質量及び第2の銅粒子の質量の合計を基準として、35~85質量%であってもよく、40~85質量%であってもよく、45~80質量%であってもよい。なお、上記含有量には表面処理剤の量は含まれない。また、金属粒子の全質量には、金属粒子の表面に吸着した表面処理剤の量は含まない。 The content of the second copper particles is preferably 30 to 90% by mass based on the sum of the mass of the first copper particles and the mass of the second copper particles. If the content of the second copper particles is 30% by mass or more, the space between the first copper particles can be filled, and the bonding strength of the bonded body manufactured by sintering the metal paste can be secured. When the metal paste is used for bonding semiconductor elements, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability. If the content of the second copper particles is 90% by mass or less, the volume shrinkage when the metal paste is sintered can be sufficiently suppressed, so the joining strength of the joined body produced by sintering the metal paste When the metal paste is used for bonding semiconductor elements, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability. From the viewpoint of further achieving the above effects, the content of the second copper particles may be 35 to 85% by mass based on the total mass of the first copper particles and the second copper particles. , 40 to 85% by mass, or 45 to 80% by mass. The above content does not include the amount of the surface treatment agent. Also, the total mass of the metal particles does not include the amount of the surface treatment agent adsorbed on the surfaces of the metal particles.
第1の銅粒子の含有量と第2の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、80~100質量%であってよい。第1の銅粒子の含有量及び第2の銅粒子の含有量の合計が上記範囲内であれば、金属ペーストを焼結した際の体積収縮を充分に低減でき、金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となる。金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。より一層上記効果を奏するという観点から、第1の銅粒子の含有量及び第2の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。なお、上記含有量には表面処理剤の量は含まれない。また、金属粒子の全質量には、金属粒子の表面に吸着した表面処理剤の量は含まない。 The sum of the content of the first copper particles and the content of the second copper particles may be 80-100% by mass based on the total mass of the metal particles. If the sum of the content of the first copper particles and the content of the second copper particles is within the above range, the volume shrinkage when the metal paste is sintered can be sufficiently reduced, and the metal paste can be sintered. It becomes easy to ensure the bonding strength of the manufactured bonded body. When a metal paste is used for bonding semiconductor elements, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability. From the viewpoint of further achieving the above effects, the total content of the first copper particles and the content of the second copper particles may be 90% by mass or more based on the total mass of the metal particles, It may be 95% by mass or more, or may be 100% by mass. The above content does not include the amount of the surface treatment agent. Also, the total mass of the metal particles does not include the amount of the surface treatment agent adsorbed on the surfaces of the metal particles.
[銅粒子以外のその他の金属粒子]
銅粒子以外のその他の金属粒子としては、亜鉛粒子及び銀粒子からなる群より選択される少なくとも1種の金属粒子が挙げられる。このような金属粒子が混合された場合、接合力が向上する傾向があり、特に、被着体が金又は銀である場合に接合力が向上する傾向がある。上記その他の金属粒子は、表面処理剤によって処理されていてもよい。上記その他の金属粒子の含有量(例えば、亜鉛粒子の含有量と銀粒子の含有量の合計)は、より一層の接着性向上効果の観点から、金属粒子の全質量を基準として、0.01~10質量%が好ましく、0.05~5質量%がより好ましく、0.1~2質量%が更に好ましい。上記その他の金属粒子の体積平均粒径(例えば、亜鉛粒子の体積平均粒径及び銀粒子の体積平均粒径)は、0.01~10μmであってよく、0.01~5μmであってもよく、0.05~3μmであってもよい。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。なお、上記含有量には表面処理剤の量は含まれない。また、金属粒子の全質量には、金属粒子の表面に吸着した表面処理剤の量は含まない。
[Other metal particles other than copper particles]
Metal particles other than copper particles include at least one metal particle selected from the group consisting of zinc particles and silver particles. When such metal particles are mixed, the bonding strength tends to be improved, and particularly when the adherend is gold or silver, the bonding strength tends to be improved. The other metal particles may be treated with a surface treatment agent. The content of the other metal particles (for example, the sum of the content of zinc particles and the content of silver particles) is 0.01 based on the total mass of the metal particles from the viewpoint of further improving the adhesiveness. ~10% by mass is preferable, 0.05 to 5% by mass is more preferable, and 0.1 to 2% by mass is even more preferable. The volume average particle diameter of the other metal particles (for example, the volume average particle diameter of zinc particles and the volume average particle diameter of silver particles) may be 0.01 to 10 μm, or 0.01 to 5 μm. Well, it may be 0.05-3 μm. The shape of other metal particles is not particularly limited. The above content does not include the amount of the surface treatment agent. Also, the total mass of the metal particles does not include the amount of the surface treatment agent adsorbed on the surfaces of the metal particles.
(分散媒)
分散媒は、少なくとも第1の分散媒と第2の分散媒を含む。分散媒は、金属粒子を分散する機能を有する。
(dispersion medium)
The dispersion medium includes at least a first dispersion medium and a second dispersion medium. The dispersion medium has a function of dispersing the metal particles.
[第1の分散媒]
第1の分散媒は、沸点が235℃以下であり、重量平均分子量が130~170である揮発性の有機化合物である。
[First dispersion medium]
The first dispersion medium is a volatile organic compound having a boiling point of 235° C. or less and a weight average molecular weight of 130-170.
第1の分散媒の沸点は、好ましくは230℃以下であり、より好ましくは220℃以下である。第1の分散媒の沸点は、生産安定性を向上させる観点から、好ましくは150℃以上であり、より好ましくは200℃以上であり、更に好ましくは215℃以上である。 The boiling point of the first dispersion medium is preferably 230°C or lower, more preferably 220°C or lower. From the viewpoint of improving production stability, the boiling point of the first dispersion medium is preferably 150° C. or higher, more preferably 200° C. or higher, and even more preferably 215° C. or higher.
第1の分散媒の重量平均分子量は、チキソ性が得られやすく、銅粒子を配向させやすい観点から、好ましくは140以上、より好ましくは150以上である。第1の分散媒の重量平均分子量は、粘度が高くなりすぎず、銅粒子を配向させやすい観点から、好ましくは165以下、より好ましくは160以下である。第1の分散媒の重量平均分子量は、例えば、ポリスチレンを標準物質として、ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィーによって測定することができる。 The weight-average molecular weight of the first dispersion medium is preferably 140 or more, more preferably 150 or more, from the viewpoint of easily obtaining thixotropy and facilitating the orientation of the copper particles. The weight average molecular weight of the first dispersion medium is preferably 165 or less, more preferably 160 or less, from the viewpoint of facilitating the orientation of the copper particles without excessively increasing the viscosity. The weight average molecular weight of the first dispersion medium can be measured, for example, by gel permeation chromatography using polystyrene as a standard substance.
第1の分散媒の粘度は、金属粒子を分散させやすい観点から、好ましくは5mPa・s以上、より好ましくは10mPa・s以上、更に好ましくは30mPa・s以上である。第1の分散媒の粘度は、塗布又は印刷が容易となる観点から、好ましくは150mPa・s以下、より好ましくは100mPa・s以下、更に好ましくは80mPa・s以下である。第1の分散媒の粘度は、例えば、音叉型振動式粘度計により測定することができる。 The viscosity of the first dispersion medium is preferably 5 mPa·s or more, more preferably 10 mPa·s or more, and still more preferably 30 mPa·s or more, from the viewpoint of facilitating dispersion of the metal particles. The viscosity of the first dispersion medium is preferably 150 mPa·s or less, more preferably 100 mPa·s or less, and even more preferably 80 mPa·s or less, from the viewpoint of facilitating coating or printing. The viscosity of the first dispersion medium can be measured by, for example, a tuning fork vibration viscometer.
具体的な第1の分散媒としては、例えば、α-テルピネオール、ブチルカルビトールなどが挙げられる。これらの中でも、接合界面に対して略平行に配向したフレーク状の第1の銅粒子と、フレーク状の第1の銅粒子間に分散する第2の銅粒子とからなる構造を形成しやすく、接合強度の向上効果を得やすい点で、α-テルピネオールが好ましく用いられる。 Specific examples of the first dispersion medium include α-terpineol and butyl carbitol. Among these, it is easy to form a structure composed of first flake-shaped copper particles oriented substantially parallel to the bonding interface and second copper particles dispersed between the first flake-shaped copper particles, α-Terpineol is preferably used because it is easy to obtain the effect of improving the bonding strength.
第1の分散媒の含有量は、接合強度の向上効果を得やすい観点から、金属粒子100質量部に対して、好ましくは2質量部以上である。第1の分散媒の含有量は、金属粒子100質量部に対して、4質量部以上又は7質量部以上であってもよい。第1の分散媒の含有量は、銅粒子の焼結を阻害しにくく、また、分散媒の揮発による接合強度の向上効果の低下を抑制しやすい観点から、金属粒子100質量部に対して、好ましくは15質量部以下である。第1の分散媒の含有量は、金属粒子100質量部に対して、12質量部以下又は10質量部以下であってもよい。これらの観点から、第1の分散媒の含有量は、例えば、金属粒子100質量部に対して、2~15質量部、4~12質量部、4~10質量部又は7~10質量部である。 The content of the first dispersion medium is preferably 2 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the metal particles from the viewpoint of easily obtaining the effect of improving the bonding strength. The content of the first dispersion medium may be 4 parts by mass or more or 7 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the metal particles. The content of the first dispersion medium is less likely to inhibit the sintering of the copper particles and more likely to suppress a decrease in the effect of improving the bonding strength due to volatilization of the dispersion medium. It is preferably 15 parts by mass or less. The content of the first dispersion medium may be 12 parts by mass or less or 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the metal particles. From these viewpoints, the content of the first dispersion medium is, for example, 2 to 15 parts by mass, 4 to 12 parts by mass, 4 to 10 parts by mass, or 7 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the metal particles. be.
(第2の分散媒)
第2の分散媒であるポリエチレングリコールの重量平均分子量は、200~600である。重量平均分子量が200以上であるポリエチレングリコールの沸点は、通常250℃以上であるため、第2の分散媒は、少なくとも200℃の温度条件ではほとんど揮発しない。例えば、本実施形態の接合用金属ペーストを50~180℃で1~120分間乾燥しても、第2の分散媒は接合用金属ペースト内に残存する。そのため、第1の銅粒子と第2の銅粒子とにより形成される構造が焼結工程でも保持される。また、重量平均分子量が600以下であるポリエチレングリコールの融点は、通常室温(25℃)より低いため、良好な塗布性が得られる。また、ポリエチレングリコールの重量平均分子量が600以下であると、沸点が高くなりすぎず、銅粒子を焼結させる際に除去することが容易である。
(Second dispersion medium)
The weight average molecular weight of polyethylene glycol as the second dispersion medium is 200-600. Since the boiling point of polyethylene glycol having a weight-average molecular weight of 200 or higher is usually 250°C or higher, the second dispersion medium hardly volatilizes at a temperature of at least 200°C. For example, even if the bonding metal paste of the present embodiment is dried at 50 to 180° C. for 1 to 120 minutes, the second dispersion medium remains in the bonding metal paste. Therefore, the structure formed by the first copper particles and the second copper particles is maintained even in the sintering process. Moreover, since the melting point of polyethylene glycol having a weight average molecular weight of 600 or less is usually lower than room temperature (25° C.), good applicability can be obtained. Moreover, when the weight average molecular weight of polyethylene glycol is 600 or less, the boiling point does not become too high, and it is easy to remove when sintering the copper particles.
ポリエチレングリコールの重量平均分子量は、接合強度の向上効果がより一層得られる観点から、好ましくは300以上、より好ましくは350以上、更に好ましくは400以上である。ポリエチレングリコールの重量平均分子量は、接合強度の向上効果がより一層得られる観点、及び、より良好な塗布性が得られる観点から、好ましくは500以下、より好ましくは450以下、更に好ましくは400以下である。これらの観点から、ポリエチレングリコールの重量平均分子量は、例えば、200~600、300~600、300~500、300~450、300~400、350~450又は400~450である。特に、300℃以下で銅粒子の焼結を行う場合には、ポリエチレングリコールの重量平均分子量が上記の範囲であることが好ましい。このような範囲であると、接合部(金属ペーストの焼結体)中にポリエチレングリコールの残渣が残り難くなり、より優れた接合強度が得られる傾向がある。 The weight-average molecular weight of polyethylene glycol is preferably 300 or more, more preferably 350 or more, and even more preferably 400 or more, from the viewpoint of further obtaining the effect of improving joint strength. The weight-average molecular weight of polyethylene glycol is preferably 500 or less, more preferably 450 or less, and still more preferably 400 or less from the viewpoint of obtaining a further effect of improving the bonding strength and obtaining better coating properties. be. From these viewpoints, the weight average molecular weight of polyethylene glycol is, for example, 200-600, 300-600, 300-500, 300-450, 300-400, 350-450 or 400-450. In particular, when the copper particles are sintered at 300° C. or lower, the weight average molecular weight of polyethylene glycol is preferably within the above range. Within such a range, polyethylene glycol residues are less likely to remain in the joint (sintered body of the metal paste), and there is a tendency to obtain more excellent joint strength.
第2の分散媒としては、具体的には、例えば、ポリエチレングリコール200(和光純薬工業株式会社製、和光一級)、ポリエチレングリコール300(和光純薬工業株式会社製、和光一級)、ポリエチレングリコール400(和光純薬工業株式会社製、和光一級)、ポリエチレングリコール600(和光純薬工業株式会社製、和光一級)等を用いることができる。これらは単体で用いてよく、混合して用いてもよい。 Specific examples of the second dispersion medium include polyethylene glycol 200 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Wako first grade), polyethylene glycol 300 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Wako first grade), and polyethylene glycol 400. (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Wako first grade), polyethylene glycol 600 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Wako first grade), and the like can be used. These may be used singly or in combination.
第2の分散媒の含有量は、接合強度の向上効果がより一層得られる観点から、金属粒子100質量部に対して、好ましくは4質量部以上である。第2の分散媒の含有量は、金属粒子100質量部に対して、5質量部以上、6質量部以上又は9質量部以上であってもよい。第2の分散媒の含有量は、接合強度の向上効果がより一層得られる観点から、金属粒子100質量部に対して、好ましくは14質量部以下、より好ましくは10質量部以下である。第2の分散媒の含有量は、金属粒子100質量部に対して、7質量部以下であってもよい。これらの観点から、第2の分散媒の含有量は、例えば、金属粒子100質量部に対して、4~14質量部、4~10質量部、4~7質量部、5~14質量部、5~10質量部、6~10質量部又は9~14質量部である。 The content of the second dispersion medium is preferably 4 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the metal particles, from the viewpoint of further obtaining the effect of improving the bonding strength. The content of the second dispersion medium may be 5 parts by mass or more, 6 parts by mass or more, or 9 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the metal particles. The content of the second dispersion medium is preferably 14 parts by mass or less, more preferably 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the metal particles, from the viewpoint of further obtaining the effect of improving the bonding strength. The content of the second dispersion medium may be 7 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the metal particles. From these points of view, the content of the second dispersion medium is, for example, 4 to 14 parts by mass, 4 to 10 parts by mass, 4 to 7 parts by mass, 5 to 14 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the metal particles, 5 to 10 parts by mass, 6 to 10 parts by mass, or 9 to 14 parts by mass.
第1の分散媒の含有量に対する第2の分散媒の含有量の質量比r(第2の分散媒の含有量/第1の分散媒の含有量)の好ましい範囲は、第2の分散媒の重量平均分子量によって異なる。なお、第2の分散媒が重量平均分子量の異なる複数のポリエチレングリコールを含む場合、第2の分散媒の重量平均分子量とは、複数のポリエチレングリコールの混合物を測定して得られる重量平均分子量である。 A preferred range of the mass ratio r of the content of the second dispersion medium to the content of the first dispersion medium (content of the second dispersion medium/content of the first dispersion medium) is depending on the weight average molecular weight of When the second dispersion medium contains multiple polyethylene glycols with different weight average molecular weights, the weight average molecular weight of the second dispersion medium is the weight average molecular weight obtained by measuring a mixture of multiple polyethylene glycols. .
例えば、第2の分散媒の重量平均分子量が200以上350未満である場合、質量比rは、接合強度の向上効果がより一層得られる観点から、好ましくは0.3以上、より好ましくは0.8以上、更に好ましくは1.0以上、特に好ましくは1.2以上、極めて好ましくは2.0以上である。質量比rは、接合強度の向上効果がより一層得られる観点から、好ましくは3.0以下、より好ましくは2.5以下である。これらの観点から、質量比rは、例えば、0.3~3.0、0.8~3.0、1.0~3.0、1.0~2.5、1.2~2.5又は2.0~2.5である。 For example, when the weight average molecular weight of the second dispersion medium is 200 or more and less than 350, the mass ratio r is preferably 0.3 or more, more preferably 0.3 or more, more preferably 0.3 or more, from the viewpoint of further obtaining the effect of improving the bonding strength. 8 or more, more preferably 1.0 or more, particularly preferably 1.2 or more, and extremely preferably 2.0 or more. The mass ratio r is preferably 3.0 or less, more preferably 2.5 or less, from the viewpoint of further obtaining the effect of improving the bonding strength. From these points of view, the mass ratio r is, for example, 0.3-3.0, 0.8-3.0, 1.0-3.0, 1.0-2.5, 1.2-2. 5 or 2.0 to 2.5.
また、例えば、第2の分散媒の重量平均分子量が350以上450以下である場合、質量比rは、接合強度の向上効果がより一層得られる観点から、好ましくは0.3以上、より好ましくは0.45以上である。質量比rは、接合強度の向上効果がより一層得られる観点から、好ましくは3.0以下、より好ましくは2.5以下、更に好ましくは1.2以下、特に好ましくは0.85以下である。これらの観点から、第1の分散媒の含有量に対する第2の分散媒の含有量の質量比は、例えば、0.3~3.0、0.45~2.5、0.45~1.2又は0.45~0.85である。 Further, for example, when the weight average molecular weight of the second dispersion medium is 350 or more and 450 or less, the mass ratio r is preferably 0.3 or more, more preferably 0.45 or more. The mass ratio r is preferably 3.0 or less, more preferably 2.5 or less, even more preferably 1.2 or less, and particularly preferably 0.85 or less, from the viewpoint of further improving the bonding strength. . From these points of view, the mass ratio of the content of the second dispersion medium to the content of the first dispersion medium is, for example, 0.3 to 3.0, 0.45 to 2.5, 0.45 to 1 .2 or 0.45 to 0.85.
また、例えば、第2の分散媒の重量平均分子量が450超600以下である場合、質量比rは、接合強度の向上効果がより一層得られる観点から、好ましくは0.3以上、より好ましくは0.45以上であり、更に好ましくは0.8以上であり、特に好ましくは1.2以上であり、極めて好ましくは2.0以上である。質量比rは、接合強度の向上効果がより一層得られる観点から、好ましくは3.0以下、より好ましくは2.5以下である。これらの観点から、質量比rは、例えば、0.3~3.0、0.45~3.0、0.8~3.0、1.2~3.0又は2.0~2.5である。 Further, for example, when the weight average molecular weight of the second dispersion medium is more than 450 and 600 or less, the mass ratio r is preferably 0.3 or more, more preferably It is 0.45 or more, more preferably 0.8 or more, particularly preferably 1.2 or more, and most preferably 2.0 or more. The mass ratio r is preferably 3.0 or less, more preferably 2.5 or less, from the viewpoint of further obtaining the effect of improving the bonding strength. From these points of view, the mass ratio r is, for example, 0.3 to 3.0, 0.45 to 3.0, 0.8 to 3.0, 1.2 to 3.0 or 2.0 to 2.0. 5.
分散媒の含有量(例えば第1の分散媒の含有量と第2の分散媒の含有量の合計)は、接合用金属ペーストの全質量を基準として、2~50質量%であってよく、5~30質量%であってもよく、5~20質量%であってもよく、5~12質量%であってもよい。また、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質量部であってよい。分散媒の含有量が上記範囲内であれば、接合用金属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 (for example, the sum of the content of the first dispersion medium and the content of the second dispersion medium) may be 2 to 50% by mass based on the total mass of the bonding metal paste, It may be 5 to 30% by mass, 5 to 20% by mass, or 5 to 12% by mass. Also, the content of the dispersion medium may be 5 to 50 parts by mass, with the total mass of the metal particles being 100 parts by mass. If the content of the dispersion medium is within the above range, the metal paste for bonding can be adjusted to have a more appropriate viscosity, and the sintering of the copper particles is less likely to be inhibited.
(表面処理剤)
上述した表面処理剤(例えば、炭素数10以上のカルボン酸)は、水素結合等により金属粒子に吸着していてよく、ペースト中(例えば分散媒中)に遊離又は分散していてもよい。表面処理剤の含有量は、金属粒子100質量部に対して、0.07~2.1質量部であってよく、0.10~1.6質量部であってもよく、0.2~1.1質量部であってもよい。なお、表面処理剤として上述した成分は、必ずしも金属粒子の表面処理を目的として含有されている必要はなく、表面処理以外の目的で(例えば、分散媒として)金属ペーストに含有されていてもよい。
(Surface treatment agent)
The above surface treatment agent (for example, carboxylic acid having 10 or more carbon atoms) may be adsorbed to the metal particles by hydrogen bonding or the like, or may be free or dispersed in the paste (for example, in the dispersion medium). The content of the surface treatment agent may be 0.07 to 2.1 parts by mass, 0.10 to 1.6 parts by mass, or 0.2 to 1.6 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the metal particles. It may be 1.1 parts by mass. The components described above as the surface treatment agent do not necessarily need to be contained for the purpose of surface treatment of the metal particles, and may be contained in the metal paste for purposes other than surface treatment (for example, as a dispersion medium). .
(その他の成分)
金属ペーストは、上述した成分以外の他の成分として、例えば添加剤を含んでいてよい。添加剤としては、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が挙げられる。添加剤の含有量は、本発明の効果を阻害しない範囲で適宜調整することもできる。
(other ingredients)
The metal paste may contain, for example, additives as components other than the components described above. Examples of additives include wettability improvers such as nonionic surfactants and fluorosurfactants; antifoaming agents such as silicone oil; ion trapping agents such as inorganic ion exchangers. The content of the additive can be adjusted as appropriate within a range that does not impair the effects of the present invention.
上述した金属ペーストの粘度は特に限定されず、印刷、塗布等の手法で成型する場合には、成型方法に適した粘度に調整してよい。金属ペーストは、例えば、25℃におけるCasson粘度が0.05Pa・s以上2.0Pa・s以下であってよく、0.06Pa・s以上1.0Pa・s以下であってもよい。 The viscosity of the metal paste described above is not particularly limited, and in the case of molding by means of printing, coating, or the like, the viscosity may be adjusted to suit the molding method. The metal paste may have, for example, a Casson viscosity at 25° C. of 0.05 Pa·s or more and 2.0 Pa·s or less, or 0.06 Pa·s or more and 1.0 Pa·s or less.
金属ペーストは30℃未満で保管されることが好ましい。30℃以上で保管すると炭素数1~10の1価カルボン酸及び場合により含有される分散媒が揮発しやすくなり、金属ペーストの濃度が変わることがある。その結果、金属ペーストを部材上に配置する場合に、所望の部分に配置しにくくなることがある。金属ペーストを冷凍(例えば-30℃)で保管してもよく、それ以下の温度で保管してもよい。ただし、金属ペーストは室温(例えば10~30℃)で使用されることが好ましいため、-30℃未満で保管する場合、解凍に時間が掛かり、解凍のために加熱を要する等、プロセスコスト増加に繋がる。 The metal paste is preferably stored below 30°C. If the paste is stored at 30° C. or higher, the monovalent carboxylic acid having 1 to 10 carbon atoms and optionally the dispersing medium may easily volatilize, which may change the concentration of the metal paste. As a result, when disposing the metal paste on the member, it may be difficult to dispose it on a desired portion. The metal paste may be stored frozen (eg −30° C.) or at temperatures below that. However, since it is preferable to use the metal paste at room temperature (for example, 10 to 30°C), if it is stored at less than -30°C, it takes time to thaw, and heating is required for thawing, which increases the process cost. Connect.
金属ペーストは保管前後で体積平均粒径の変化が20%以内であることが好ましい。金属ペーストを構成する銅粒子(例えば第2の銅粒子)が金属ペースト内で凝集し二次粒子になると、体積平均粒径が大きくなる。体積平均粒径が大きくなると、焼結後にボイドが入りやすくなり、熱伝導率が低下する場合がある。また、ボイドが応力集中点となり亀裂を生じやすくなり、所望の性能(例えば温度サイクル試験及びパワーサイクル試験で評価される性能)が得られにくくなる。 It is preferable that the change in volume average particle size of the metal paste is within 20% before and after storage. When the copper particles (for example, the second copper particles) forming the metal paste agglomerate in the metal paste to form secondary particles, the volume average particle size increases. If the volume-average particle size becomes large, voids are likely to form after sintering, and the thermal conductivity may decrease. In addition, the voids become stress concentration points and cracks are likely to occur, making it difficult to obtain desired performance (for example, performance evaluated in a temperature cycle test and a power cycle test).
<金属ペーストの調製>
上述した金属ペーストは、銅粒子(第1の銅粒子及び第2の銅粒子)と、分散媒(第1の分散媒及び第2の分散媒)と、場合により含有されるその他の成分(その他の金属粒子、添加剤等)とを混合して調製することができる。各成分の混合後に、攪拌処理を行ってもよい。金属ペーストは、分級操作により分散液の最大粒径を調整してもよい。このとき、分散液の最大粒径は20μm以下とすることができ、10μm以下とすることもできる。
<Preparation of metal paste>
The metal paste described above includes copper particles (first copper particles and second copper particles), a dispersion medium (first dispersion medium and second dispersion medium), and optionally other components (other metal particles, additives, etc.). After mixing each component, a stirring treatment may be performed. The metal paste may be classified to adjust the maximum particle size of the dispersion. At this time, the maximum particle size of the dispersion can be 20 μm or less, and can be 10 μm or less.
金属ペーストは、第2の銅粒子と、第1の分散媒と、必要に応じて表面処理剤(例えば炭素数8以上の有機酸)と、をあらかじめ混合して、分散処理を行って第2の銅粒子の分散液を調製し、更に第1の銅粒子、その他の金属粒子、及び添加剤を混合し、最後に第2の分散媒を添加して混合して調製してもよい。このような手順とすることで、例えば、第2の銅粒子の分散性が向上して第1の銅粒子との混合性が良くなり、金属ペーストの性能がより向上する。また、第2の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 metal paste is obtained by pre-mixing the second copper particles, the first dispersion medium, and, if necessary, a surface treatment agent (for example, an organic acid having 8 or more carbon atoms), and performing a dispersion treatment to form the second may be prepared by preparing a dispersion of copper particles, further mixing the first copper particles, other metal particles and additives, and finally adding and mixing the second dispersion medium. By adopting such a procedure, for example, the dispersibility of the second copper particles is improved, the mixing property with the first copper particles is improved, and the performance of the metal paste is further improved. Further, aggregates may be removed from the dispersion of the second copper particles by a classification operation.
攪拌処理は、攪拌機を用いて行うことができる。攪拌機としては、例えば、自転公転型攪拌装置、ライカイ機、ハイビスディスパーミックス、二軸混練機、三本ロールミル、プラネタリーミキサー、薄層せん断分散機等が挙げられる。 The stirring treatment can be performed using a stirrer. The stirrer includes, for example, a rotation-revolution stirrer, a Raikai machine, a Hibis Dispermix, a twin-screw kneader, a three-roll mill, a planetary mixer, and a thin-layer shearing disperser.
分級操作は、例えば、ろ過、自然沈降、遠心分離等を用いて行うことができる。ろ過用のフィルタとしては、例えば、金属メッシュ、メタルフィルター、ナイロンメッシュ等が挙げられる。 The classification operation can be performed using, for example, filtration, natural sedimentation, centrifugation, or the like. Examples of filters for filtration include metal meshes, metal filters, nylon meshes, and the like.
分散処理としては、例えば、薄層せん断分散機、ディスパライザー、ビーズミル、ハイビスディスパーミックス、超音波ホモジナイザー、ハイシアミキサー、狭ギャップ三本ロールミル、湿式超微粒化装置、超音速式ジェットミル、超高圧ホモジナイザー等が挙げられる。 Dispersion treatment includes, for example, a thin-layer shearing disperser, disperser, bead mill, Hivis Dispermix, ultrasonic homogenizer, high shear mixer, narrow gap three-roll mill, wet ultra-atomizing device, supersonic jet mill, and ultra-high pressure. A homogenizer etc. are mentioned.
<接合体>
以下、図面を参照しながら本実施形態に係る接合体(例えば半導体装置)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。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
<Joint body>
A bonded body (for example, a semiconductor device) according to the present embodiment will be described in detail below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant explanations are omitted. Also, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios.
図1は、本実施形態の金属ペーストを用いて製造される接合体の一例を示す模式断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a joined body manufactured using the metal paste of this embodiment.
図1に示す接合体100は、第一の部材2と、第二の部材3と、第一の部材2と第二の部材3とを接合する上記金属ペーストの焼結体(接合部)1と、を備える。
A joined
第一の部材2及び第二の部材3としては、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、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、銅リボン及び金属フレーム等の金属配線、金属ブロック等のブロック体、端子等の給電用部材、放熱板、水冷板などが挙げられる。
Examples of the
第一の部材2及び第二の部材3の金属ペーストの焼結体1と接する面2a及び3aは金属を含んでいてもよい。金属としては、例えば、銅、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金、鉛、錫、コバルト等が挙げられる。金属は、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。また、焼結体と接する面は、上記金属を含む合金であってもよい。合金に用いられる金属としては、上記金属の他に、亜鉛、マンガン、アルミニウム、ベリリウム、チタン、クロム、鉄、モリブデン等が挙げられる。焼結体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(金属めっきを有するチップ、各種金属めっきを有するリードフレーム等)、ワイヤ、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、各種金属からなるリードフレーム、銅板、銅箔などが挙げられる。
The
接合体100のダイシェア強度は、第一の部材2及び第二の部材3を充分に接合する観点から、10Mpa以上であってよく、15MPa以上であってもよく、20MPa以上であってもよく、25MPa以上であってもよい。ダイシェア強度は、ユニバーサルボンドテスタ(Royce 650, Royce Instruments社製)を用いて測定することができる。
The die shear strength of the bonded
金属ペーストの焼結体1の熱伝導率は、放熱性及び高温化での接続信頼性の観点から、100W/(m・K)以上であってよく、120W/(m・K)以上であってもよく、150W/(m・K)以上であってもよい。熱伝導率は、金属ペーストの焼結体の熱拡散率、比熱容量、及び密度から、算出することができる。
The thermal conductivity of the metal paste sintered
上記接合体100において、第一の部材2が半導体素子である場合、上記接合体100は半導体装置となる。得られる半導体装置は充分なダイシェア強度及び接続信頼性を有することができる。
In the bonded
図2は、本実施形態の金属ペーストを用いて製造される半導体装置の一例を示す模式断面図である。図2に示す半導体装置110は、本実施形態に係る金属ペーストの焼結体11と、リードフレーム15aと、リードフレーム15bと、ワイヤ16と、焼結体11を介してリードフレーム15a上に接続された半導体素子18と、これらをモールドするモールドレジン17と、を備える。半導体素子18は、ワイヤ16を介してリードフレーム15bに接続されている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device manufactured using the metal paste of this embodiment. The
本実施形態の金属ペーストを用いて製造される半導体装置としては、例えば、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のパワーモジュール、発信機、増幅器、高輝度LEDモジュール、センサーなどが挙げられる。 Semiconductor devices manufactured using the metal paste of the present embodiment include, for example, power modules such as diodes, rectifiers, thyristors, MOS gate drivers, power switches, power MOSFETs, IGBTs, Schottky diodes, fast recovery diodes, oscillators, etc. machines, amplifiers, high-brightness LED modules, sensors, etc.
<接合体の製造方法>
以下、本実施形態の金属ペーストを用いた接合体100(例えば半導体装置110)の製造方法について説明する。
<Method for manufacturing joined body>
A method for manufacturing a bonded body 100 (for example, a semiconductor device 110) using the metal paste of this embodiment will be described below.
本実施形態に係る接合体100の製造方法は、第一の部材2、該第一の部材2の自重が働く方向側に、上記金属ペースト、及び第二の部材3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2の重さを受けた状態、又は第一の部材2の重さ及び0.01MPa以下の圧力を受けた状態で、300℃以下で焼結する工程を備える。第一の部材2の自重が働く方向とは、重力が働く方向ということもできる。
The method for manufacturing the joined
上記積層体は、例えば、第一の部材2又は第二の部材3の必要な部分に本実施形態の金属ペーストを設け、次いで金属ペースト上に接合する部材を配置することにより用意することができる。
The laminate can be prepared, for example, by applying the metal paste of the present embodiment to a necessary portion of the
本実施形態の金属ペーストを、第一の部材及び第二の部材の必要な部分に設ける方法としては、金属ペーストを堆積させられる方法であればよい。このような方法としては、例えば、スクリーン印刷、転写印刷、オフセット印刷、凸版印刷、凹版印刷、グラビア印刷、ステンシル印刷、ジェット印刷等の印刷による方法、ディスペンサ(例えば、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、バーコータ、アプリケータ、スプレーコータ、スピンコータ、ディップコータ等を用いる方法、ソフトリソグラフィによる方法、粒子堆積法、電着塗装による方法などを用いることができる。 As a method for providing the metal paste of the present embodiment on the necessary portions of the first member and the second member, any method that allows the metal paste to be deposited may be used. Examples of such methods include printing methods such as screen printing, transfer printing, offset printing, letterpress printing, intaglio printing, gravure printing, stencil printing, and jet printing, dispensers (eg, jet dispensers, needle dispensers), and comma coaters. , a method using a slit coater, a die coater, a gravure coater, a slit coater, a bar coater, an applicator, a spray coater, a spin coater, a dip coater, a method using soft lithography, a particle deposition method, a method using electrodeposition coating, and the like.
金属ペーストの厚さは、1~1000μmであってよく、10~500μmであってもよく、50~200μmであってもよく、10~3000μmであってもよく、15~500μmであってもよく、20~300μmであってもよく、5~500μmであってもよく、10~250μmであってもよく、15~150μmであってもよい。 The thickness of the metal paste may be 1-1000 μm, 10-500 μm, 50-200 μm, 10-3000 μm, or 15-500 μm. , 20-300 μm, 5-500 μm, 10-250 μm, or 15-150 μm.
部材上に設けられた金属ペーストは、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、使用した揮発成分(例えば分散媒)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、50~180℃で1~120分間乾燥させてもよい。また、例えば、生産工程上、部材上に設けられた金属ペーストが、例えば15℃~50℃で、1~120分間乾燥されてもよい。 The metal paste provided on the member may be dried as appropriate from the viewpoint of suppressing flow and generation of voids during sintering. The gas atmosphere at the time of drying may be the atmosphere, an oxygen-free atmosphere such as nitrogen or rare gas, or a reducing atmosphere such as hydrogen or formic acid. The drying method may be drying by standing at room temperature, drying by heating, or drying under reduced pressure. For heat drying or reduced pressure drying, for example, hot plate, hot air dryer, hot air heating furnace, nitrogen dryer, infrared dryer, infrared heating furnace, far infrared heating furnace, microwave heating device, laser heating device, electromagnetic A heating device, a heater heating device, a steam heating furnace, a hot plate press device, or the like can be used. The drying temperature and time may be appropriately adjusted according to the type and amount of the volatile component (eg, dispersion medium) used. The drying temperature and time may be, for example, 50 to 180° C. for 1 to 120 minutes. Further, for example, the metal paste provided on the member may be dried, for example, at 15° C. to 50° C. for 1 to 120 minutes in terms of the production process.
一方の部材を他方の部材上に配置する方法(例えば、金属ペーストが設けられた第二の部材上に第一の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等が挙げられる。 As a method of placing one member on the other member (for example, a method of placing the first member on a second member provided with a metal paste), for example, a chip mounter, a flip chip bonder, a carbon Alternatively, a ceramic positioning jig or the like may be used.
積層体を加熱処理することで、金属ペーストの焼結を行う。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。 The metal paste is sintered by heat-treating the laminate. For heat treatment, for example, hot plate, hot air dryer, hot air heating furnace, nitrogen dryer, infrared dryer, infrared heating furnace, far infrared heating furnace, microwave heating device, laser heating device, electromagnetic heating device, 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、部材(第一の部材及び第二の部材)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、金属ペースト中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雰囲気、又は真空が挙げられる。還元雰囲気としては、例えば、純水素ガス雰囲気、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雰囲気、ギ酸ガスを含む窒素雰囲気、水素及び希ガスの混合ガス雰囲気、ギ酸ガスを含む希ガス雰囲気等が挙げられる。 The gas atmosphere during sintering may be an oxygen-free atmosphere from the viewpoint of suppressing oxidation of the sintered body and members (the first member and the second member). The gas atmosphere during sintering may be a reducing atmosphere from the viewpoint of removing the surface oxides of the copper particles in the metal paste. The oxygen-free atmosphere includes, for example, an oxygen-free gas atmosphere such as nitrogen or rare gas, or a vacuum. Examples of the reducing atmosphere include a pure hydrogen gas atmosphere, a mixed gas atmosphere of hydrogen and nitrogen represented by forming gas, a nitrogen atmosphere containing formic acid gas, a mixed gas atmosphere of hydrogen and a rare gas, a rare gas atmosphere containing formic acid gas, and the like. is mentioned.
加熱処理時の温度(到達最高温度)は、部材(第一の部材及び第二の部材)への熱ダメージの低減できる観点及び歩留まりを向上させる観点から、170~300℃であってもよく、200℃以上300℃未満であってもよく、200~275℃であってもよく、225℃以上275℃未満であってもよく、250~275℃であってもよく、250℃以上275℃未満であってもよい。 The temperature (maximum temperature reached) during the heat treatment may be 170 to 300° C. from the viewpoint of reducing thermal damage to the members (the first member and the second member) and improving the yield. It may be 200° C. or more and less than 300° C., it may be 200 to 275° C., it may be 225° C. or more and less than 275° C., it may be 250 to 275° C., or it may be 250° C. or more and less than 275° C. may be
本実施形態では、加熱処理時の温度(到達最高温度)は300℃以下であることが好ましいが、温度サイクル試験、パワーサイクル試験等の信頼性試験における信頼性を向上させる目的で、301℃以上400℃以下の条件で加熱処理をすることもできる。 In the present embodiment, the temperature (maximum temperature reached) during heat treatment is preferably 300° C. or less, but for the purpose of improving reliability in reliability tests such as temperature cycle tests and power cycle tests, the temperature is 301° C. or more. Heat treatment can also be performed under conditions of 400° C. or less.
到達最高温度保持時間は、揮発成分(例えば第1の分散媒及び第2の分散媒)を全て揮発させ、また、歩留まりを向上させる観点から、1~120分であってよく、1~60分であってもよく、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 reaching maximum temperature holding time may be 1 to 120 minutes from the viewpoint of volatilizing all the volatile components (eg, the first dispersion medium and the second dispersion medium) and improving the yield, and 1 to 60 minutes. , 1 minute or more and less than 40 minutes, or 1 minute or more and less than 30 minutes.
本実施形態の金属ペーストを用いることにより、積層体を焼結する際、無加圧での接合を行う場合であっても、接合体は充分な接合強度を有することができる。すなわち、金属ペーストに積層した第一の部材による重さのみ、又は第一の部材の重さに加え、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、ダイシェア強度及び接続信頼性をより一層向上させることができる。金属ペーストが0.01MPa以下の圧力を受ける方法としては、例えば、鉛直方向上側に配置される部材(例えば第一の部材)上に重りを載せる方法等が挙げられる。 By using the metal paste of the present embodiment, when sintering the laminate, the bonded body can have sufficient bonding strength even when bonding is performed without pressure. That is, only the weight of the first member laminated on the metal paste, or in addition to the weight of the first member, under pressure of 0.01 MPa or less, preferably 0.005 MPa or less, sufficient bonding strength can be obtained. If the pressure received during sintering is within the above range, a special pressurizing device is not required, and void reduction, die shear strength, and connection reliability can be further improved without impairing yield. As a method for applying a pressure of 0.01 MPa or less to the metal paste, for example, a method of placing a weight on a member (for example, the first member) arranged vertically upward can be used.
第一の部材及び第二の部材の少なくとも一方が半導体素子である場合、すなわち、接合体100が半導体装置110である場合も、上述した方法で製造することができる。この場合、例えば、リードフレーム15a上に金属ペーストを設け、次いで金属ペースト上に半導体素子18を配置する。得られる半導体装置は、無加圧での接合を行った場合であっても、充分なダイシェア強度及び接続信頼性を有することができる。本実施形態の半導体装置は、充分な接合力を有し、熱伝導率及び融点が高い銅を含む金属ペーストの焼結体を備えることにより、充分なダイシェア強度を有し、接続信頼性に優れるとともに、パワーサイクル耐性にも優れたものになり得る。
When at least one of the first member and the second member is a semiconductor element, that is, when the bonded
以上、本実施形態の金属ペーストを用いて製造される接合体の一例を説明したが、本実施形態の金属ペーストを用いて製造される接合体は上記実施形態に限られない。本実施形態の金属ペーストを用いて製造される接合体は、例えば、図3及び図4に示す接合体であってもよい。 An example of the bonded body manufactured using the metal paste of the present embodiment has been described above, but the bonded body manufactured using the metal paste of the present embodiment is not limited to the above embodiment. A joined body manufactured using the metal paste of the present embodiment may be, for example, the joined bodies shown in FIGS.
図3に示す接合体120は、第一の部材2と、第二の部材3と、第三の部材4と、第四の部材5と、第一の部材2と第二の部材3とを接合する上記金属ペーストの焼結体1aと、第一の部材2と第三の部材4とを接合する上記金属ペーストの焼結体1bと、第三の部材4と第四の部材5とを接合する上記金属ペーストの焼結体1cと、を備える。
A joined
このような接合体120は、例えば、第三の部材4、該第三の部材4の自重が働く方向側に、第二の金属ペースト、第一の部材2、第一の金属ペースト、及び第二の部材3がこの順に積層された積層部分と、第三の部材4、該第三の部材4の自重が働く方向側に、第三の金属ペースト、第四の部材5がこの順に積層された積層部分とを有する積層体を用意し、上記接合体100の製造方法と同様にして、第一の金属ペースト、第二の金属ペースト及び第三の金属ペーストを焼結する工程を備える方法で得ることができる。上記方法において、第一の金属ペースト、第二の金属ペースト及び第三の金属ペーストは本実施形態に係る金属ペーストであり、第一の金属ペーストが焼結することにより焼結体1aが得られ、第二の金属ペーストが焼結することにより焼結体1bが得られ、第三の金属ペーストが焼結することにより焼結体1cが得られる。
Such a bonded
また、接合体120は、例えば、上記接合体100を得た後、第三の部材4、該第三の部材4の自重が働く方向側に、第二の金属ペースト、及び第一の部材2がこの順に積層された積層部分と、第三の部材4、該第三の部材4の自重が働く方向側に、第三の金属ペースト、第四の部材5がこの順に積層された積層部分とを形成し、上記接合体100の製造方法と同様にして、第二の金属ペースト及び第三の金属ペーストを焼結する工程を備える方法で得ることもできる。
In addition, for example, after the bonded
図4に示す接合体130は、第一の部材2と、第二の部材3と、第三の部材4と、第四の部材5と、第五の部材6と、第一の部材2と第二の部材3とを接合する上記金属ペーストの焼結体1aと、第三の部材4と第四の部材5とを接合する上記金属ペーストの焼結体1cと、第一の部材2と第五の部材6とを接合する上記金属ペーストの焼結体1dと、第三の部材4と第五の部材6とを接合する上記金属ペーストの焼結体1eと、を備える。
A joined
このような接合体130は、第三の部材4、該第三の部材4の自重が働く方向側に、第五の金属ペースト、第五の部材6、第四の金属ペースト、第一の部材2、第一の金属ペースト、及び第二の部材3がこの順に積層された積層部分と、第三の部材4、該第三の部材4の自重が働く方向側に、第三の金属ペースト、第四の部材5がこの順に積層された積層部分とを有する積層体を用意し、上記接合体100の製造方法と同様にして、第一の金属ペースト、第三の金属ペースト、第四の金属ペースト及び第五の金属ペーストを焼結する工程を備える方法で得ることができる。上記方法において、第一の金属ペースト、第三の金属ペースト、第四の金属ペースト及び第五の金属ペーストは本実施形態に係る金属ペーストであり、第一の金属ペーストが焼結することにより焼結体1aが得られ、第三の金属ペーストが焼結することにより焼結体1cが得られ、第四の金属ペーストが焼結することにより焼結体1dが得られ、第五の金属ペーストが焼結することにより焼結体1eが得られる。
Such a bonded
また、接合体130は、第三の部材4、該第三の部材4の自重が働く方向側に、第五の金属ペースト、第五の部材6、第四の金属ペースト、第一の部材2、第一の金属ペースト、及び第二の部材3がこの順に積層された積層体を用意し、上記接合体100の製造方法と同様にして、第一の金属ペースト、第四の金属ペースト及び第五の金属ペーストを焼結した後、第三の部材4、該第三の部材4の自重が働く方向側に、第三の金属ペースト、第四の部材5がこの順に積層された積層部分を形成し、上記接合体100の製造方法と同様にして、第三の金属ペーストを焼結する工程を備える方法で得ることもできる。
In addition, the bonded
また、接合体130は、上記接合体100を得た後、第三の部材4、該第三の部材4の自重が働く方向側に、第五の金属ペースト、第五の部材6、第四の金属ペースト、第一の部材2がこの順に積層された積層部分と、第三の部材4、該第三の部材4の自重が働く方向側に、第三の金属ペースト、第四の部材5がこの順に積層された積層部分とを形成し、上記接合体100の製造方法と同様にして、第三の金属ペースト、第四の金属ペースト及び第五の金属ペーストを焼結する工程を備える方法で得ることもできる。
After the joined
上記変形例において、第三の部材4、第四の部材5及び第五の部材6の例としては、第二の部材の例と同一である。また、第三の部材4、第四の部材5及び第五の部材6の金属ペーストの焼結体と接する面は金属を含んでいていてもよい。含みうる金属の例は、第一の部材2及び第二の部材3が金属ペーストの焼結体と接する面に含みうる金属の例と同一である。また、上記変形例において用いる第一の金属ペースト、第二の金属ペースト、第三の金属ペースト、第四の金属ペースト、第五の金属ペーストは、それぞれ同一であっても異なっていてもよい。
In the modified example, examples of 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。 EXAMPLES 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.
<材料の準備>
以下の材料を準備した。
<Preparation of materials>
The following materials were prepared.
[金属粒子]
・CH-0200(三井金属鉱業株式会社製、形状:擬球状、表面処理剤:ラウリン酸(ドデカン酸)、表面処理量:0.973質量%(CH-0200の全質量基準)、50%体積平均粒径:0.36μm、0.1μm以上1μm未満の粒子径を有する銅粒子の含有量:100質量%、0.12μm以上0.8μm以下の粒子径を有する銅粒子の含有量:100質量%)
・2L3N/A(福田金属箔粉工業株式会社製、形状:フレーク状、表面処理量:0.8質量%(2L3N/Aの全質量基準)、50%体積平均粒径:9.4μm、BET比表面積:13400cm2/g、アスペクト比:5.25、最大径2~50μmの銅粒子の含有量:100質量%)
・亜鉛粒子(製品番号:13789、Alfa Aesar社製)
[Metal particles]
・ CH-0200 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., shape: pseudospherical, surface treatment agent: lauric acid (dodecanoic acid), surface treatment amount: 0.973% by mass (based on the total mass of CH-0200), 50% volume Average particle diameter: 0.36 μm, content of copper particles having a particle diameter of 0.1 μm or more and less than 1 μm: 100% by mass, content of copper particles having a particle diameter of 0.12 μm or more and 0.8 μm or less: 100 mass %)
・ 2L3N / A (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., shape: flake, surface treatment amount: 0.8% by mass (based on the total mass of 2L3N / A), 50% volume average particle size: 9.4 μm, BET Specific surface area: 13400 cm 2 /g, aspect ratio: 5.25, content of copper particles with a maximum diameter of 2 to 50 μm: 100% by mass)
・ Zinc particles (product number: 13789, manufactured by Alfa Aesar)
[第1の分散媒]
・α-テルピネオール(和光純薬工業株式会社製)
[First dispersion medium]
・α-terpineol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
[第2の分散媒]
・ポリエチレングリコール200(和光純薬工業株式会社製、重量平均分子量:200)
・ポリエチレングリコール300(和光純薬工業株式会社製、重量平均分子量:300)
・ポリエチレングリコール400(和光純薬工業株式会社製、重量平均分子量:400)
・ポリエチレングリコール600(和光純薬工業株式会社製、重量平均分子量:600)
[Second dispersion medium]
- Polyethylene glycol 200 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight: 200)
- Polyethylene glycol 300 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight: 300)
- Polyethylene glycol 400 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight: 400)
- Polyethylene glycol 600 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., weight average molecular weight: 600)
(実施例1)
<金属ペースト1の調製>
α-テルピネオール(第1の分散媒)0.5g、ポリエチレングリコール200(第2の分散媒)0.6g、CH-0200 2.86g、及び2L3N/A 1.53gをメノウ乳鉢に加え、乾燥粉がなくなるまで混練し、混合液をポリ瓶に移した。密栓をしたポリ瓶を、自転公転型攪拌装置(Planetary Vacuum Mixer ARV-310、株式会社シンキー製)を用いて、2000min-1(2000回転/分)で2分間攪拌した。その後、得られた混合液と、亜鉛粒子 0.009gをメノウ乳鉢に加え、乾燥粉がなくなるまで混練し、混合液をポリ瓶に移した。密栓をしたポリ瓶を自転公転型攪拌装置(Planetary Vacuum Mixer ARV-310、株式会社シンキー製)を用いて、2000min-1(2000回転/分)で2分間攪拌した。得られたペースト状の混合液を金属ペースト1とした。表1に、金属粒子100質量部を基準とした第1の分散媒の含有量及び第2の分散媒の含有量、並びに、第1の分散媒の含有量に対する第2の分散媒の含有量の質量比(表1中の「第2の分散媒/第1の分散媒」)を示す。
(Example 1)
<Preparation of
α-Terpineol (first dispersion medium) 0.5 g, polyethylene glycol 200 (second dispersion medium) 0.6 g, CH-0200 2.86 g, and 2L3N / A 1.53 g were added to an agate mortar and dried powder. The mixture was kneaded until there was no liquid left, and the mixture was transferred to a plastic bottle. The sealed plastic bottle was stirred for 2 minutes at 2000 min −1 (2000 rpm) using a rotation-revolution stirrer (Planetary Vacuum Mixer ARV-310, manufactured by Thinky Corporation). After that, the resulting mixture and 0.009 g of zinc particles were added to an agate mortar and kneaded until no dry powder remained, and the mixture was transferred to a plastic bottle. The sealed plastic bottle was stirred for 2 minutes at 2000 min −1 (2000 rpm) using a rotation-revolution stirrer (Planetary Vacuum Mixer ARV-310, manufactured by Thinky Corporation). The obtained paste-like mixed liquid was designated as
<接合体の製造>
金属ペースト1を用いて、以下の方法に従って実施例1の接合体を製造した。
まず、19mm×25mmの電解ニッケルめっきされた銅板(総厚:3mm、めっき厚:3~5μm)上に、3mm×3mm正方形の開口を3行3列有するステンレス製のメタルマスク(厚さ:100μm)を載せ、メタルスキージを用いたステンシル印刷により金属ペースト1を銅板上に塗布した。次いで、3mm×3mmのシリコンチップ(厚さ:400μm)に対して、チタン及びニッケルがこの順番でスパッタ処理されたシリコンチップを用意し、塗布した金属ペースト上に、ニッケルが金属ペーストと接するように該シリコンチップを載せた。シリコンチップは、ピンセットで軽く押さえることで金属ペーストに密着させた。これにより銅板、金属ペースト1及びシリコンチップがこの順で積層されてなる積層体を得た。
<Production of joined body>
Using
First, a stainless steel metal mask (thickness: 100 μm) having 3 mm × 3 mm square openings in 3 rows and 3 columns was placed on a 19 mm × 25 mm electrolytic nickel-plated copper plate (total thickness: 3 mm, plating thickness: 3 to 5 μm). ), and the
得られた積層体を以下の方法で焼成し、接合体A及び接合体Bを得た。まず、積層体をチューブ炉(株式会社エイブイシー製)にセットし、チューブ炉内にアルゴンガスを3L/minで流してチューブ炉内の空気をアルゴンガスに置換した。その後、チューブ炉内に水素ガスを500ml/minで流しながら、30分間かけてチューブ炉の温度を200℃まで昇温した。昇温後、到達最高温度300℃(電解ニッケルめっきされた銅板を測定)、到達最高温度保持時間60分間の条件で焼結処理して、ニッケルめっきされた銅板と、ニッケルがスパッタ処理されたシリコンチップとを接合した接合体を得た。焼結後、アルゴンガスの流入速度を0.3L/minにかえて冷却し、50℃以下で接合体を空気中に取り出した。以上の操作により、加圧を行うことなく金属ペースト1を焼結させて実施例1の接合体Aを得た。また、上記で得られた積層体を、90℃に加熱したホットプレート上で2時間加熱した後に焼成したこと以外は接合体Aの場合と同様にして、実施例1の接合体Bを得た。
The obtained laminate was fired by the following method to obtain a joined body A and a joined body B. First, the laminate was set in a tube furnace (manufactured by ABC Co., Ltd.), and argon gas was flowed into the tube furnace at 3 L/min to replace the air in the tube furnace with argon gas. Thereafter, the temperature of the tube furnace was raised to 200° C. over 30 minutes while flowing hydrogen gas into the tube furnace at 500 ml/min. After the temperature was raised, sintering was performed under the conditions of a maximum maximum temperature of 300°C (measured on an electrolytic nickel-plated copper plate) and a maximum maximum temperature holding time of 60 minutes, and the nickel-plated copper plate and nickel-sputtered silicon A bonded body in which the chip was bonded was obtained. After sintering, the flow rate of argon gas was changed to 0.3 L/min to cool, and the joined body was taken out into the air at 50° C. or lower. By the above operation, the
(実施例2~15)
第1の分散媒の使用量、並びに、第2の分散媒の種類及び使用量を表1~3に示す値に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、ペースト状の混合液を調製し、金属ペースト2~15をそれぞれ得た。次いで、金属ペースト1に代えて上記で調製した金属ペースト2~15をそれぞれ用いたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2~15の接合体A及びBをそれぞれ製造した。
(Examples 2 to 15)
A paste mixture was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of the first dispersion medium used and the type and amount of the second dispersion medium used were changed to the values shown in Tables 1 to 3. were prepared to obtain
(比較例1)
第2の分散媒を使用しなかったこと及び第1の分散媒の使用量を表3に示す値に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、ペースト状の混合液を調製し、金属ペースト16を得た。次いで、金属ペースト1に代えて金属ペースト16を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、比較例1の接合体A及びBを製造した。
(Comparative example 1)
A paste mixture was prepared in the same manner as in Example 1 except that the second dispersion medium was not used and the amount of the first dispersion medium used was changed to the value shown in Table 3, A
(比較例2)
第1の分散媒を使用しなかったこと及び第2の分散媒の使用量を表3に示す値に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、ペースト状の混合液を調製し、金属ペースト17を得た。得られた金属ペースト17は粘度が高く塗布性に著しく劣るため、金属ペースト17を用いた場合、実施例1と同様の方法では、接合体A及び接合体Bを製造することができなかった。
(Comparative example 2)
A paste mixture was prepared in the same manner as in Example 1 except that the first dispersion medium was not used and the amount of the second dispersion medium used was changed to the value shown in Table 3, A
<評価>
以下の手順に従って、接合体A及びBのダイシェア強度を測定した。結果を表1~3に示す。
<Evaluation>
The die shear strengths of joined bodies A and B were measured according to the following procedure. The results are shown in Tables 1-3.
(ダイシェア強度の測定)
接合体A及びBの接合強度は、ダイシェア強度により評価した。ロードセル(SMS-200K-24200, Royce Instruments社製)を装着したユニバーサルボンドテスタ(Royce 650, Royce Instruments社製)を用い、測定スピード5mm/min、測定高さ50μmで接合体のシリコンチップを水平方向に押し、接合体のダイシェア強度を測定した。ダイシェア強度の測定は、接合体A及び接合体Bのそれぞれ8個について行い、8個の接合体を測定して得た値の平均値を接合体(接合体A及び接合体B)のダイシェア強度とした。
(Measurement of die shear strength)
The bonding strength of bonded bodies A and B was evaluated by die shear strength. Using a universal bond tester (Royce 650, manufactured by Royce Instruments) equipped with a load cell (SMS-200K-24200, manufactured by Royce Instruments), the silicon chip of the bonded body was measured horizontally at a measurement speed of 5 mm / min and a measurement height of 50 μm. Then, the die shear strength of the joined body was measured. The die shear strength was measured for each of eight bonded bodies A and B, and the average value of the values obtained by measuring the eight bonded bodies was taken as the die shear strength of the bonded body (bonded body A and bonded body B). and
1,11…接合用金属ペーストの焼結体、2…第一の部材、3…第二の部材、15a,15b…リードフレーム、16…ワイヤ、17…モールドレジン、18…半導体素子、100…接合体、110…半導体装置、2a・・・第一の部材の接合用金属ペーストの焼結体と接する面、3a・・・第二の部材の接合用金属ペーストの焼結体と接する面。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記金属粒子は、粒径が2μm以上であるフレーク状の第1の銅粒子と、粒径が0.8μm以下である第2の銅粒子と、を含み、
前記分散媒は、第1の分散媒として、α-テルピネオールと、第2の分散媒として、重量平均分子量が200~600であるポリエチレングリコールと、を含む、接合用金属ペースト。 containing metal particles and a dispersion medium for dispersing the metal particles,
The metal particles include first flake-shaped copper particles having a particle size of 2 μm or more and second copper particles having a particle size of 0.8 μm or less,
A metal paste for bonding, wherein the dispersion medium contains α-terpineol as a first dispersion medium and polyethylene glycol having a weight average molecular weight of 200 to 600 as a second dispersion medium.
前記第2の銅粒子は、粒径が0.12~0.8μmである銅粒子を20質量%以上含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の接合用金属ペースト。 The first copper particles contain 50% by mass or more of copper particles having a particle size of 2 to 50 μm,
The metal paste for bonding according to any one of claims 1 to 6, wherein the second copper particles contain 20% by mass or more of copper particles having a particle size of 0.12 to 0.8 µm.
前記第2の銅粒子の含有量は、前記金属粒子の全質量を基準として、30~90質量%である、請求項1~7のいずれか一項に記載の接合用金属ペースト。 The content of the first copper particles is 10 to 70% by mass based on the total mass of the metal particles,
The metal paste for bonding according to any one of claims 1 to 7, wherein the content of the second copper particles is 30 to 90 mass% based on the total mass of the metal particles.
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