JP7731972B2 - ペースト組成物、半導体装置、電気部品及び電子部品 - Google Patents
ペースト組成物、半導体装置、電気部品及び電子部品Info
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Description
ところで、銀粒子は導電性が非常に高いが、価格が高いこと及びマイグレーションの問題から、他の金属への代替が検討されている。そこで、銀粒子と比較して安価で、マイグレーション耐性のある銅粒子に注目が集まっている。
銅ナノ粒子と、銅マイクロ粒子もしくは銅サブマイクロ粒子、あるいはそれら両方を含む接合材が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
前記第1の銅粒子は、母材となる銅粒子を(a)アミン化合物、及び(b)カルボン酸アミン塩から選ばれる少なくとも1種の化合物によって被覆されてなり、ペースト組成物中から検出される前記(a)アミン化合物、及び前記(b)カルボン酸アミン塩の合計含有量がペースト組成物全体の1質量%未満である。
[2]本開示の半導体装置は、上記[1]に記載のペースト組成物を用いて接合されてなる。
[3]本開示の電気部品は、上記[1]に記載のペースト組成物を用いて接合されてなる。
[4]本開示の電子部品は、上記[1]に記載のペースト組成物を用いて接合されてなる。
本実施形態のペースト組成物は、母材となる銅粒子が(a)アミン化合物、及び(b)カルボン酸アミン塩から選ばれる少なくとも1種の化合物によって被覆されてなる第1の銅粒子を含有し、ペースト組成物中から検出される前記(a)アミン化合物、及び前記(b)カルボン酸アミン塩の合計含有量がペースト組成物全体の1質量%未満である。
前記(a)アミン化合物、及び前記(b)カルボン酸アミン塩は、第1の銅粒子の合成時に配合される。第1の銅粒子表面を被覆するが、完全に被覆されずにペースト組成物中に遊離して存在することがある。また、還元剤としてアミン化合物を添加することもある。前記ペースト組成物中の前記(a)アミン化合物、及び前記(b)カルボン酸アミン塩の合計含有量が前記値以上であると、ペースト組成物の硬化時に、前記(a)アミン化合物、及び前記(b)カルボン酸アミン塩が、ペースト組成物中で偏在し、第1の銅粒子の焼結性が低下する。これにより、大気曝露後の第1の銅粒子の安定性が低下する。
前記ペースト組成物中の前記(a)アミン化合物、及び前記(b)カルボン酸アミン塩の合計含有量は、ガスクロマトグラフィー及び液体クロマトグラフィーなどに代表されるクロマトグラフィー法、あるいはこれに質量分析を組み合わせる方法により測定することが可能である。具体的には実施例に記載の方法により測定することができる。
本実施形態で用いられる第1の銅粒子は、母材となる銅粒子を(a)アミン化合物、及び(b)カルボン酸アミン塩から選ばれる少なくとも1種の化合物によって被覆されてなる。前記第1の銅粒子は、接合層内部とフィレット部との焼結速度および焼結度を均一化し、接合特性を改善する観点から(b)カルボン酸アミン塩で被覆されていてもよい。
これらは単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
前記第1の銅粒子は、母材である銅粒子の表面を覆う(a)アミン化合物、及び(b)カルボン酸アミン塩から選ばれる少なくとも1種の化合物による質量被覆率が、焼結性及び接合性の観点から、0.05%以上であってもよく、0.1%以上であってもよく、0.2%以上であってもよく、0.5%以上であってもよい。また、前記質量被覆率の上限値は10%であってもよく、7%であってもよく、5%であってもよく、3%であってもよい。前記質量被覆率が10%以下であると、第1の銅粒子を含むペースト組成物中から検出される(a)アミン化合物、及び(b)カルボン酸アミン塩の含有量をペースト組成物全体の1質量%未満にしやすくなる。
なお、本開示において、加熱前の第1の銅粒子の質量及び赤外線ランプ加熱装置等により加熱した後の第1の銅粒子の質量から算出される質量減少率を質量被覆率とした。前記質量被覆率は、具体的には実施例に記載の方法により測定することができる。
前記第1の銅粒子のメジアン径は、走査電子顕微鏡(例えば、日本電子(株)製、商品名:JSM-F100;SEM)による加速電圧15kV、5万倍の条件で撮影した画像より抽出した少なくとも2000個の銅粒子の面積円相当径の中央値として算出する。具体的には実施例に記載の方法により測定することができる。
本開示において、結晶子径は、X線回折(XRD)測定により得られるCu(111)ピークを用いてシェラー(Scherrer)法によって算出する。具体的には実施例に記載の方法により測定することができる。
前記酸化度は、例えば、X線回折装置を用いて、得られるデータをリートベルト法によって解析することで定量することができる。具体的には実施例に記載の方法により測定することができる。
第1の銅粒子の製造方法としては、例えば、銅化合物を、(a)アミン化合物、及び(b)カルボン酸アミン塩から選ばれる少なくとも1種の化合物の存在下、還元性化合物によって還元する方法が挙げられる。
前記銅化合物、(a)アミン化合物、及び(b)カルボン酸アミン塩は、それぞれ上記〔第1の銅粒子〕の項で説明したものを用いることができる。
前記有機溶剤は、上述の各原料を混合して得られる混合物から生成する錯体等の性質を阻害しない反応溶媒として用いることができるものであれば、特に限定されずに使用できる。中でも、前記還元性化合物に対して相溶性を示すアルコールであってもよい。
前記有機溶剤は各成分が十分に反応を行うことができる量であればよく、例えば、前記(a)アミン化合物、及び(b)カルボン酸アミン塩から選ばれる少なくとも1種の化合物100体積に対して10体積以上、1000体積以下程度用いればよい。
前記混合物の加熱温度は25℃以上120℃以下であってもよく、50℃以上120℃以下であってもよく、80℃以上120℃以下であってもよい。また、加熱時間は20分以上360分以下であってもよく、30分以上300分以下であってもよく、40分以上240分以下であってもよい。前記加熱温度、及び加熱時間が前記範囲内であると得られる第1の銅粒子の酸化度を前述の範囲内に制御しやすくなる。
前記洗浄は、洗浄回数、有機溶剤の使用量、及び洗浄時間等によって適宜調整することができ、これにより得られる第1の銅粒子の酸化度を前述の範囲内に調整してもよい。
洗浄回数は、例えば2回以上20回以下であってもよく、3回以上16回以下であってもよく、4回以上12回以下であってもよく、5回以上10回以下であってもよい。
有機溶剤の使用量は、例えば、第1の銅粒子に対して体積比で10%体積以上であってもよく、100%体積以上であってもよく、1000%体積以上であってもよい。
洗浄時間は、1分以上40分以下であってもよく、3分以上35分以下であってもよく、5分以上30分以下であってもよい。
本実施形態のペースト組成物は、保存安定性の観点から、さらに前記第1の銅粒子よりも粒径の大きい第2の銅粒子を含んでもよい。
前記第2の銅粒子は、メジアン径(D50)が1μm以上、8μm以下であってもよく、1.5μm以上、7μm以下であってもよく、2μm以上、6μm以下であってもよい。前記メジアン径が前記範囲内にあると焼結時の内部収縮が抑制され、接合界面(異種金属)との焼結性が向上するため、接合強度が向上する。
前記第2の銅粒子は、1種を用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
なお、前記第2の銅粒子のメジアン径は個数基準であり、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置等を用いて測定することができる。
本実施形態のペースト組成物は、保存安定性の観点から、さらにリン酸エステルを含んでもよい。リン酸エステルは加熱時に大気曝露によって生成する第1の銅粒子表面の酸化被膜を除去する作用を有するため、前記ペースト組成物がリン酸エステルを含むことで該ペースト組成物の焼結性が高くなる。また、本実施形態のペースト組成物中に含まれる前記(a)アミン化合物、及び前記(b)カルボン酸アミン塩の合計含有量が前記値未満であれば前記リン酸エステルの作用を低下させることがない。
本実施形態のペースト組成物は、上述した第1の銅粒子、及び必要に応じて配合される、第2の銅粒子、リン酸エステル、有機溶剤、熱硬化性樹脂、カップリング剤等の添加剤等を十分に混合した後、さらにディスパース、ニーダー、3本ロールミル等により混練処理を行い、次いで、脱泡することにより、調製することができる。
また、本実施形態のペースト組成物の接合強度は、25MPa以上であってもよく、30MPa以上であってもよい。
なお、前記粘度及び接合強度は、実施例に記載の方法により測定することができる。
本実施形態の半導体装置、電気部品及び電子部品は、上述のペースト組成物を用いて接合されてなることから、信頼性が高い。
また、素子支持部材としては、銅、銀メッキ銅、PPF(プリプレーティングリードフレーム)、ガラスエポキシ、セラミックス等の材料で形成された支持部材が挙げられる。
発熱部材としては、前記半導体素子又は該半導体素子を有する部材でもよいし、それ以外の発熱部材でもよい。半導体素子以外の発熱部材としては、光ピックアップ、パワートランジスタ等が挙げられる。また、放熱部材としては、ヒートシンク、ヒートスプレッダー等が挙げられる。
[調製例1]
ノナン酸(東京化成工業(株)製、商品名:ノナン酸)40mmolと、ヘキシルアミン(東京化成工業(株)製、商品名:ヘキシルアミン)40mmolとを、50mLのサンプルビンに入れ、アルミブロック式加熱撹拌機中、60℃で15分間撹拌、混合した後、室温(25℃)まで冷却し、ノナン酸ヘキシルアミン塩(収量10.3g、収率99.2%)を得た。
オクタン酸(東京化成工業(株)製、商品名:オクタン酸)40mmolと、2-アミノ-1-プロパノール(東京化成工業(株)製、商品名:2-アミノ-1-プロパノール)40mmolとを、50mLのサンプルビンに入れ、アルミブロック式加熱撹拌機中、60℃で15分間撹拌、混合した後、室温(25℃)まで冷却し、オクタン酸2-アミノプロパノール塩(収量8.7g、収率98.7%)を得た。
デカン酸(東京化成工業(株)製、商品名:デカン酸)40mmolと、オクチルアミン(東京化成工業(株)製、商品名:n-オクチルアミン)40mmolとを、50mLのサンプルビンに入れ、アルミブロック式加熱撹拌機中、60℃で15分間撹拌、混合した後、室温(25℃)まで冷却し、デカン酸オクチルアミン塩(収量12.01g、収率99.6%)を得た。
[合成例1]
銅化合物として酢酸銅(II)一水和物(東京化成工業(株)製、商品名:酢酸銅(II)一水和物)20mmolと、調製例1で得たノナン酸ヘキシルアミン塩40mmolと、有機溶剤として1-プロパノール(東京化成工業(株)製)3mLとを50mLのサンプルビンに入れ、アルミブロック式加熱撹拌機中、90℃で5分間混合し、銅前駆体溶液とした。該銅前駆体溶液を室温(25℃)まで冷却した後、1-プロパノール3mLに、還元性化合物としてヒドラジン一水和物(富士フイルム和光純薬(株)製、商品名:ヒドラジン一水和物)20mmolを溶解させた溶液を、サンプルビンの銅前駆体溶液に加え、5分間撹拌した。
酢酸銅(II)一水和物を酸化銅(I)(古河ケミカルズ(株)製、商品名:R)に変更及びノナン酸へキシルアミン塩を調製例2で得たオクタン酸2-アミノプロパノール塩に変更した以外は合成例1と同一の方法で銅粒子2(収量0.30g、収率94.6%)を得た。得られた銅粒子2を分析したところ、酸化度0.9%、メジアン径105nm、結晶子径56nm、質量被覆率1.9%であった。
ヒドラジン一水和物を加えた後の90℃で加熱する時間を1時間から10分間に変更した以外は合成例1と同一の方法で銅粒子3(収量0.26g、収率82.0%)を得た。得られた銅粒子3を分析したところ、酸化度1.9%、メジアン径80nm、結晶子径39nm、質量被覆率2.5%であった。
有機溶剤を1,3-プロパンジオール(東京化成工業(株)製)に変更及びヒドラジン一水和物を加えた後の90℃で1時間加熱する条件を110℃で3時間に変更した以外は合成例1と同一の方法で銅粒子4(収量0.31g、収率97.8%)を得た。得られた銅粒子4を分析したところ、酸化度0.7%、メジアン径115nm、結晶子径90nm、質量被覆率2.2%であった。
エタノール及びジエチレングリコールによる振盪分散時に窒素パージした以外は合成例1と同一の方法で銅粒子5(収量0.31g、収率97.8%)を得た。得られた銅粒子5を分析したところ、酸化度0.02%、メジアン径95nm、結晶子径51nm、質量被覆率2.1%であった。
エタノール及びジエチレングリコールによる振盪分散前にそれぞれ1分間の空気バブリングをした以外は合成例1と同一の方法で銅粒子6(収量0.31g、収率97.8%)を得た。得られた銅粒子6を分析したところ、酸化度2.8%、メジアン径95nm、結晶子径51nm、質量被覆率2.2%であった。
エタノールによる洗浄を2回に変更した以外は合成例1と同一の方法で銅粒子7(収量0.31g、収率97.8%)を得た。得られた銅粒子7を分析したところ、酸化度1.1%、メジアン径95nm、結晶子径51nm、質量被覆率5.2%であった。
ノナン酸へキシルアミン塩を調製例3で得たデカン酸オクチルアミン塩に変更した以外は合成例1と同一の方法で銅粒子8(収量0.30g、収率94.6%)を得た。得られた銅粒子8を分析したところ、酸化度7.5%、メジアン径30nm、結晶子径15nm、質量被覆率6.8%であった。
表1に記載の種類及び配合量の各成分を混合し、ロールで混練し、ペースト組成物を得た。
(第1の銅粒子)
・銅粒子1:合成例1で得られた銅粒子(酸化度1.6%、メジアン径95nm、結晶子径51nm)
・銅粒子2:合成例2で得られた銅粒子(酸化度0.9%、メジアン径105nm、結晶子径56nm)
・銅粒子3:合成例3で得られた銅粒子(酸化度1.9%、メジアン径80nm、結晶子径39nm)
・銅粒子4:合成例4で得られた銅粒子(酸化度0.7%、メジアン径115nm、結晶子径90nm)
・銅粒子5:合成例5で得られた銅粒子(酸化度0.02%、メジアン径95nm、結晶子径51nm)
・銅粒子6:合成例6で得られた銅粒子(酸化度2.8%、メジアン径95nm、結晶子径51nm)
・銅粒子7:合成例7で得られた銅粒子(酸化度1.1%、メジアン径95nm、結晶子径51nm)
・銅粒子8:合成例8で得られた銅粒子(酸化度7.5%、メジアン径30nm、結晶子径15nm)
・銅粒子9:1300Y(製品名、三井金属鉱業(株)製;メジアン径:3.9μm、結晶子径:102nm)
・リン酸エステル1:共重合物(製品名 DIPERBYK(登録商標)-102、ビックケミー社製;酸価:101mgKOH/g)
・リン酸エステル2:共重合物のアルキロールアンモニウム塩(製品名 DIPERBYK(登録商標)-180、ビックケミー社製;アミン価:94mgKOH/g、酸価:94mgKOH/g)
・リン酸エステル3:共重合物(製品名 DIPERBYK(登録商標)-111、ビックケミー社製;酸価:129mgKOH/g)
・ジエチレングリコール:東京化成工業(株)製
<銅粒子の評価方法>
[結晶子径]
各合成例で得られた銅ケークをガラス上に厚み500μmとなるように塗布し、X線回折装置(製品名:SmartLab SE、(株)リガク製)を用いて、CuKα線を線源とした集中法によって、面指数(111)面ピークに対して、Scherrerの式より計算した。なお、Scherrer定数は1.33を用いた。
各合成例で得られた銅ケークをガラス上に厚み500μmとなるように塗布し、走査電子顕微鏡(日本電子(株)製、商品名:JSM-F100;SEM)による加速電圧15kV、5万倍の条件で撮影した画像より抽出した2000個の銅粒子の面積円相当径の中央値として算出した。
各合成例で得られた銅ケークをガラス上に厚み500μmとなるように塗布し、X線回折装置(製品名:SmartLab SE、(株)リガク製)を用いて、CuKα線を線源とした集中法によって得られたデータをリートベルト法によって解析することで定量値を得た。
銅粒子1~8の質量被覆率は以下の操作により測定した。
銅粒子をエタノールで4回洗浄した後、得られた銅ケークの質量を測定し、これを加熱前の銅粒子の質量(M1)とした。次いで、前記銅ケークを赤外線ランプ加熱装置(製品名:MIRA-700AR、アドバンス理工(株)製)で窒素雰囲気下、600℃まで加熱し、加熱後の銅ケークの質量を測定した。これを加熱後の銅粒子の質量(M2)とし、下記式(1)より、質量被覆率を算出した。
質量被覆率(%)=(M1-M2)/M1×100 (1)
[粘度(初期粘度)]
E型粘度計(東機産業(株)製、製品名:VISCOMETER-TV22、適用コーンプレート型ロータ:3°×R17.65)を用いて、25℃、5rpmでの値を測定した。
25℃の恒温槽内にペースト組成物を放置した時の粘度が初期粘度の0.7倍以上増粘するまでの日数を測定した。
ペースト組成物を、ガラス基板(厚み1mm)にスクリーン印刷法により厚み25μmとなるように塗布し、200℃、60分間で硬化した。得られた焼結膜をロレスタGP(商品名、(株)三菱ケミカルアナリティック製)を用い四端針法にて体積抵抗率(Ω・cm)を測定した。なお、体積抵抗率(Ω・cm)は小さいほど焼結性に優れる。
厚み500μmの塗膜状にスキージしたペースト組成物を25℃のインキュベータ内に24時間保管した後、窒素(3%水素)雰囲気下、200℃で1時間の条件で焼成し、ロレスタGP(三菱ケミカルアナリテック製)を用いて四端針法にて体積抵抗率(Ω・cm)を測定した。なお、体積抵抗率(Ωcm)は小さいほど焼結性に優れる。
ペースト組成物を遠心分離法によって液状成分と固形成分に分離した後、液状成分をガスクロマトグラフィー質量分析装置(製品名:GCMS QP-2010、(株)島津製作所製)を用いて内標準法より定量値を得た。
[接合強度試験片の作製]
2mm×2mmの接合面に金スパッタ層を設けたシリコンチップを、ペースト組成物を用いて無垢の銅フレーム及びPPF(Ni-Pd/Auめっきした銅フレーム)にマウントし、窒素(3%水素)雰囲気下、200℃、60分間の条件で硬化した。このとき、マウント後直ちに硬化したものと、大気曝露を24時間行った後に硬化したものとを作製した。
マウント後直ちに硬化したものについて、硬化後及び吸湿処理(85℃、相対湿度85%、72時間)後、それぞれについてDAGE 4000Plus(製品名、ノードソン(株)製)を用い、室温(25℃)におけるダイシェア強度を測定した。また、大気曝露を24時間行った後に硬化したものについて、上記同様にダイシェア強度を測定した。
20 電気部品
1 リードフレーム
2、12 ペースト組成物の硬化物
3 半導体素子
4 電極
5 リード部
6 ボンディングワイヤ
7 封止用樹脂組成物の硬化物
11 放熱部材
13 発熱部材
Claims (10)
- 第1の銅粒子を含有するペースト組成物であって、
前記第1の銅粒子は、母材となる銅粒子を(a)アミン化合物、及び(b)カルボン酸アミン塩から選ばれる少なくとも1種の化合物によって被覆されてなり、
前記銅粒子の表面を覆う前記(a)アミン化合物、及び(b)カルボン酸アミン塩から選ばれる少なくとも1種の化合物の質量被覆率が、0.05%以上10%以下であり、
ペースト組成物を遠心分離法によって液状成分と固形成分に分離した後、液状成分を、ガスクロマトグラフィー分析装置を用いて分析し、内標準法より得た前記(a)アミン化合物、及び前記(b)カルボン酸アミン塩の合計含有量が、ペースト組成物全体の1質量%未満であることを特徴とするペースト組成物。 - 前記第1の銅粒子は、メジアン径が50nm以上、500nm以下であり、かつ、結晶子径が30nm以上、150nm以下である請求項1に記載のペースト組成物。
- 前記第1の銅粒子は、酸化度が0.01%以上、3.0%以下である請求項1又は2に記載のペースト組成物。
- さらに、メジアン径が1μm以上、8μm以下であり、かつ、結晶子径が70nm以上、140nm以下である第2の銅粒子を含む請求項1~3のいずれかに記載のペースト組成物。
- さらに、リン酸エステルを含む請求項1~4のいずれかに記載のペースト組成物。
- 前記リン酸エステルの酸価、及びアミン価がいずれも130mgKOH/g以下である請求項5に記載のペースト組成物。
- 前記リン酸エステルの酸価とアミン価との比〔酸価/アミン価〕が0以上、1.5以下である請求項5又は6に記載のペースト組成物。
- 請求項1~7のいずれかに記載のペースト組成物を用いて接合されてなる半導体装置。
- 請求項1~7のいずれかに記載のペースト組成物を用いて接合されてなる電気部品。
- 請求項1~7のいずれかに記載のペースト組成物を用いて接合されてなる電子部品。
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