导电性接合材料、采用它的接合方法、以及由其接合的半导体装置的利记博彩app

专利名称：导电性接合材料、采用它的接合方法、以及由其接合的半导体装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及导电性接合材料、采用它的接合方法、以及由其接合的半导体装置，例 如，涉及半导体模块中使用的接合材料及接合方法。
背景技术：
换流器等中使用的动力半导体装置之一的非绝缘型半导体装置中，固定半导体元 件的构件也是半导体装置的电极之一。例如，动力晶体管在固定构件上用Sn-Pb系焊锡材 料安装的半导体装置中，固定构件(基材)变成动力晶体管的集电极。该集电极，在半导体 装置启动时，有数安培以上的电流流过，晶体管芯片发热。为了避免起因于该发热的特性不 稳定或寿命降低，必须确保焊锡焊接部位的放热性、长期可靠性(耐热性)。因此，为了确保 该焊锡焊接部位的耐热性及放热性，有必要采用高放热性的材料。既使在绝缘型半导体装置中，为使半导体元件安全而稳定地运行，有必要确保半 导体装置运行时产生的热有效发散至半导体装置外，另外，有必要确保焊锡焊接部位的连 接可靠性。例如，汽车的发动机室多数处于高温的状态下，即使在该环境下，接合部分的可 靠性也不能有问题。为了提高接合部分的耐热性，可以使用高熔点的接合材料，但此时，接合温度也上 升。当接合温度达到高温时，固定的构件因热受到损伤，在接合后冷却时，因基板与构件的 应力差，整个半导体装置有时也发生变形。即，要求接合材料的耐热性提高而接合温度降 低。例如，如专利文献1所述，作为具有高放热性与可靠性的连接材料，已知有采用含 粒子状银化合物的导电性组合物的导电性粘接剂。另外，专利文献2中报告一种把1 100 ym大小的粒子在接合层中烧结的方法。另外，已知，当金属粒子的粒径小到lOOnm以下的尺寸时，构成原子数变少，表面 积相对粒子的体积之比急激增大，烧结温度，与体积状态相比，大幅降低(烧结性提高、或 表面能量加大)。例如，专利文献3记载有，利用该低温焙烧功能，用有机物被覆表面的平均 粒径lOOnm以下的金属粒子作为接合材料使用，通过加热使有机物分解，使金属粒子彼此 烧结而进行接合。在该接合方法中，接合后的金属粒子向整体金属变化，同时在接合界面通 过金属结合进行接合，故具有非常高的耐热性、可靠性及高放热性。专利文献专利文献1特开2003-309352专利文献2特开2005-129303
专利文献3特开2004-107728专利文献4特开2008-161907专利文献5特开2008-17891
发明内容
发明要解决的课题但是，专利文献1及2所述的接合材料(导电性粘接剂)，由于在界面的接合机构 是采用由树脂构成的粘结剂的方法，与界面中形成金属结合的情况相比，从放热性及接合 可靠性这点看，变差。另外，在专利文献3所述的接合材料中，采用平均粒径lOOnm以下的金属粒子，如 上所述，因在接合界面通过金属结合进行接合，故具有高耐热性与可靠性及高放热性。反 之，当平均粒径在lOOnm以下时，非常细微的金属粒子易发生凝聚，为使这种金属粒子稳定 化，有必要形成有机物保护膜。该有机物保护膜在接合时有必要除去，此时，因大量有机物 从粒子表面挥发，引起体积收缩，故接合时必须加压。当接合时进行加压，有使半导体芯片 损坏之虑。另外，由于通常焊锡焊接工序不是加压工序，为采用该法，接合时必须有用于加 压的工艺(设备)，故缺乏通用性。因此，采用平均粒径lOOnm以下的金属粒子的接合方法 时，存在金属粒子的制作、制作后的杂质去除或保管、操作等实用方面的课题。本发明是鉴于该情况提出的，提供一种接合后耐热性优良的、接合时与含树脂的 导电性接合材料相比，接合界面的金属结合可在更低温下实现，接合工序中可不必加压的 不加压接合的导电性接合材料及采用它的接合方法、以及由此接合的半导体装置。用于解决课题的手段为了解决上述课题，本发明中，采用此前未引起关注的粒径0. 1 lOOym(微粒 子)的银粉(银粒子)与氧化银粉(氧化银粒子)，能进行接合部的金属接合。另外，由于 不采用树脂(有机物的含有量少)，在接合过程中可不加压，达到接合工序的简化。另外，迫于无铅焊锡的要求，作为高温焊锡，还未找到其替代材料。由于安装时采 用阶层焊锡是必不可少的，故希望替代该高温焊锡的材料出现。因此，本接合技术也期待作 为该高温焊锡的替代材料。本发明人等发现，在以(A)银粉、⑶氧化银粉、(C)包含以碳原子数30以下构成 的有机物的分散剂作为必须成分的全导电性接合材料中，其特征在于，通过采用(A)银粉、 ⑶氧化银粉与(C)包含以碳原子数30以下构成的有机物的分散剂合计为99. 0 100重 量％的导电性接合材料，于200°C以下的低温开始银粒子的烧结，并且可不加压进行接合。 此时，混合的氧化银粒子，与包含有机物的分散剂，在150°C以下的低温发生氧化还原反应， 还原为银，此时发生熔合，由此于200°C以下进行烧结，与采用银粒子单体时相比，接合强度 可更加提高。另外，本发明人还发现，此时，不采用树脂粘接剂，通过在接合材料中采用的银 粒子与由氧化银粒子还原的银，可与对方电极接合。S卩，本发明的导电性接合材料，其特征在于，以银粒子、氧化银粒子、包含以碳原 子数30以下构成的有机物的分散剂作为必须成分，银粒子与氧化银粒子与分散剂合计为 99. 0 100重量％。在这里，银粒子与氧化银粒子的粒径为0. 1 ii m以上100 ii m以下。银 粒子也可形成薄片状。另外，银粒子及氧化银粒子的至少一种，通过分散剂被覆。氧化银粒 子的量，希望在分散剂的量以下。还有，银粒子与氧化银粒子的混合比，当银粒子为100质 量份时，氧化银粒子为0.01质量份以上100质量份以下。另一方案的导电性接合材料，其特征在于，以银粒子、氧化银粒子、包含以碳原子 数30以下构成的有机物的分散剂、沸点350°C以下的有机溶剂作为必须成分，银粒子与氧化银粒子与分散剂与有机溶剂合计达到100质量份时，有机溶剂的量为90质量份以下，银 粒子与氧化银粒子与分散剂与有机溶剂合计为99. 0 100重量％，形成糊状。另外，另一方案的导电性接合材料，其特征在于，以银粒子、氧化银粒子、包含以碳 原子数30以下构成的有机物的分散剂、银以外的金属粒子作为必须成分，银粒子与氧化银 粒子与分散剂与银以外的金属粒子合计为99. 0 100重量％。又一方案的导电性接合材料，其特征在于，以银粒子、氧化银粒子、包含以碳原子 数30以下构成的有机物的分散剂、沸点350°C以下的有机溶剂、银以外的金属粒子作为必 须成分，银粒子与氧化银粒子与分散剂与有机溶剂与金属粒子的合计为100质量份时，有 机溶剂的量为90质量份以下，银粒子与氧化银粒子与分散剂与有机溶剂与银以外的金属 粒子的合计为99. 0 100重量％，形成糊状。本发明的半导体装置，其特征在于，采用上述任何一种导电性接合材料进行接合， 接合部仅由金属部分构成，其空隙率大于0. 小于90%。本发明的接合方法，其特征在于，在半导体元件的电极与金属构件之间配置上述 任何一种导电性接合材料，在氢气中、氮气中、或氩气气氛中进行加热，由此使导电性接合 材料烧结，半导体元件的电极与金属构件进行金属接合。本发明的特征通过以下实施本发明的最佳方案及附图变得更加明了。发明效果按照本发明，可提供一种与采用平均粒径lOOnm以下的金属粒子的接合用材料相 比，在较低温下实现通过接合界面的金属结合的接合的接合用材料、接合方法。另外，由于 是不采用树脂等粘接剂的不加压接合工序，接合后的接合部使达到高耐热化、高放热化成 为可能。


图1采用银薄片与氧化银粒子进行接合时的概念图。图2显示往银薄片中添加氧化银粒子时的接合强度变化的图。图3显示往银薄片中添加氧化银粒子时的比例影响的图。图4显示本发明的实施例之一的非绝缘型半导体装置的结构的图。图5显示本发明绝缘型半导体装置的局部装配部的图。图6半导体元件与基板接合部的放大概略图。图7本实施例绝缘型半导体装置的断面模式图。图8本实施例微铸型非绝缘型半导体装置的断面模式图。符号的说明201接合构件202Ag 薄片203Ag20205烧结银层301半导体元件302陶瓷绝缘基板302a 铜板
303 基材304环氧系树脂容器305接合线306环氧系树脂盖子307有机硅凝胶树脂308、309 接合层310 端子
具体实施例方式下面对本发明的实施方案加以具体地说明，然后对实施例及适用例加以说明。<接合材料的组成>本发明涉及以(A)银粉、⑶氧化银粉、(C)包含以碳原子数30以下构成的有机物 的分散剂作为必须成分的全导电性接合材料。具有这种组成的导电性接合材料中，(A)银粉 与(B)氧化银粉与(C)包含以碳原子数30以下构成的有机物的分散剂合计为99. 0 100 重量％。即，形成不含现有树脂的构成。接合时加热该导电性接合材料，使银粒子与氧化银 粒子进行烧结，进行金属的接合。通过往银粉中混合氧化银，在接合时，分散剂与氧化银在 150°C以下的温度引起氧化还原反应，促进银粉的烧结，由此可使低温下的接合强度提高。另外，本发明中使用接合材料的接合机构，由于是不用树脂的金属接合，故接合后 的接合部可成为高耐热化、高放热化。由于这样可在低温下进行金属接合，例如，可用于半 导体元件的有效面积上设置的电极与安装该电极的布线基板安装部的接合。另外，接合后 的接合层，与现有焊锡材料相比较，由于具有高耐热性，故在二次安装等加热工序中，无半 导体元件安装部的熔融等问题，可以实现半导体装置的小型化与高可靠性。另外，按照该接合材料，与采用平均粒径lOOnm以下的金属纳米粒子的场合相比， 可以大幅提高不加压下的的接合强度。因此，采用现有技术难以在不加压下的金属接合成 为可能，可以省略接合时的加压工序，接合工序的大幅简化成为可能。另外，由于接合时不 加压，可大大减轻在半导体芯片等上接合时的损坏。〈粒子的大小及形状〉这里使用的银粒子与氧化银粒子的粒径，平均粒径为0. 1 ii m以上100 ii m以下。因 为当金属粒子的平均粒径大于100 ym时，在导电性接合材料中的分散性变差，难以得到致 密的接合层。另外，把平均粒径设在0. 1 y m以上的原因是，在制作平均粒子0. 1 y m以下的 金属粒子时，必须用许多有机物被覆金属粒子的周围(该有机物用于平常状态下防止粒子 的彼此结合)，当接合时使用这种粒子时，由于在除去该有机物时引起体积收缩，故不加压 下难以进行接合。作为氧化银粒子，可以举出Ag20及AgO等，其中，可以采用至少包含1种金属或2 种金属的接合材料。另外，除氧化银粒子以外，也可采用同时添加了包含氧化金、氧化铜的 金属氧化物。使用的氧化银与银粒子的形状，可采用由薄片状构成的粒子(在后述的实施例 (图1等)中仅银粒子形成薄片形状)。薄片状的平均粒径优选100 u m以下、更优选50 i! m 以下、最优选10 ii m以下。下限优选0. 1 ii m以上。当平均粒径大于100 y m时，当进行丝网印刷时，有堵塞丝网的危险，或由于该薄片状粒子的沉降，糊的贮藏稳定性有可能降低。另 一方面，当平均粒径小于0. 1 y m时，糊的粘度升高，该薄片状粒子有可能不能充分填充。另外，该薄片状粒子，平均厚度优选5. 0 y m以下、更优选1 y m以下。对下限未作 特别限定，但优选0. 1 y m以上。当大于2. 0 y m时，长宽比变小，导电性有可能降低。另外，该薄片状粒子的长宽比优选1. 0以上、更优选2以上。对上限未作特别限定， 但优选200以下、更优选150以下。还有，粒子形状不限于上述球状或薄片状，四面体或八面体、棒状、纤维状均可采 用。当为薄片形状时，粒子彼此以面接触，接触面积加大。<银粒子与氧化银粒子的混合比>银粒子与氧化银粒子的混合比，相对银粒子100质量份(重量％ )，氧化银粒子可 达到0. 01质量份以上100质量份以下的范围。定在0. 01质量份以上的理由是，当比该量 少时，来自氧化银的还原银的量也变少，低温下银粒子不呈现熔合效果。定在100质量份以 下的理由是，当添加比该量大的氧化银粒子量时，接合层中氧化银的体积收缩所占的比例 增多，结果是接合强度降低。当考虑接合强度时，更优选是40重量％左右(参照图3)。<分散剂的例子>作为包含碳原子数30以下的有机物的分散剂(并且是氧化银的还原剂)，可以采 用选自醇类、羧酸类、胺类的1种以上的混合物。这些的作用在于，混合粒子在溶剂中，金属 粒子的周围由有机物被覆，提高在有机溶剂中的分散性。在这里，作为分散剂(用于使银粒 子彼此不附着)，例如，当采用硬脂酸时，氧化银、与银粒子上附着的硬脂酸，于140 150°C 引起还原反应，硬脂酸被从银粒子除去。因此，氧化银的混合比，当比硬脂酸的量过多时，不 引起充分的还原反应，氧化银残留在接合材料内。因此，接合强度未提高。因此，氧化银与 分散剂的混合比限定为11是优选的。在这里，碳原子数定在30以下的理由是，当碳原子数过多时，分散剂的沸点升高， 既使预接合时进行加热(例如200°C )，分散剂于接合部分残留，接合强度及可靠性有可能 产生问题。另外，作为可利用的含醇基的化合物，可以举出烷基醇，例如，乙醇、丙醇、丁醇、戊 醇、己醇、庚醇、辛醇、壬醇、癸醇、i^一醇、十二醇、十三醇、十四醇、十五醇、十六醇、十七醇、 十八醇、十九醇、二十醇。另外，不限于1元醇型，2元醇型、3元醇型、及链烷基二醇、具有环 状结构的醇化合物也可以采用。此外，乙二醇、三甘醇、或柠檬酸、抗坏血酸、葡萄糖等有多 个醇基的化合物也可以采用。另外，作为可利用的含羧酸的化合物，有烷基羧酸。作为具体例子，可以举出丁酸、 戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、i^一酸、十二酸、十三酸、十四酸、十五酸、十六酸、十七 酸、十八酸、十九酸、二十酸、油酸。另外，与上述醇基同样，不限于1元羧酸型，2元羧酸型、 3元羧酸型、及二羧酸、具有环型结构的羧基化合物也可以采用。另外，作为可利用的含氨基的化合物，可以举出烷基胺。例如，丁胺、戊胺、己胺、 庚胺、辛胺、壬胺、癸胺、十一胺、十二胺、十三胺、十四胺、十五胺、十六胺、十七胺、十八胺、 十九胺、二十胺。作为具有氨基的化合物，也可具有支链结构，作为其例子，有2-乙基己胺、 1、5_ 二甲基己胺等。另外，不限于伯胺型，仲胺型、叔胺型也可以采用。另外，作为这种有机 物，也可具有环状结构。
另外，使用的分散剂，不限于含上述醇、羧酸、胺的有机物，也可采用含醛基或酯 基、磺胺酰基、酮基等有机物。在这里，所谓被覆，意指有机物中的官能基与银或氧化银结 合，具有防凝集的作用。这种结构可用红外分光法加以区别。当羧酸被覆银粉或氧化银的 周围时形成羰基盐。采用红外线分光法，解析分散剂添加的银，当进行光谱解析时，在1520CHT1附近与 1420CHT1附近呈现弱的峰。这些峰，当不与银结合时，则观测不到。因此，通过采用这种红 外分光的测定，可以特定被覆粒子的有机物。另外，作为可特定的有机物，不仅是羧酸，采用 具有官能基的有机物中的任何物质也可与上述同样进行特定。〈分散剂的混合比〉分散剂的使用量，当银粒子与氧化银粒子合计为100质量份时，可以采用0.01 20质量份的范围。这是由于分散剂的量低于0. 01质量份时，银粒子与氧化银粒子的分散性 恶化，引起2次凝集，在接合部分的均勻涂布变得困难，不加压的接合是不可能的。另外，定 在20质量份以下的理由是，当大于20质量份时，妨碍接合时的银粒子彼此熔合，可以看到 接合强度大大降低。在具有银粒子、氧化银粒子、包含碳原子数30以下构成的有机物的分散剂的导 电性接合材料中，这些物质的混合量，在全部导电性接合材料中达到99. 0 100wt% (重 量％)。当混合树脂粘接剂等物质时，对银粒子间的烧结阻碍加大，接合强度大大降低。定 为99. 0重量％的理由是，不含杂质的银稀少，考虑到通常得到的银的纯度值。<其他组合物>在接合材料中也可以混合粒径较大的平均粒径0. 1 ii m 100 ii m银粒子以外的 粒子来使用。这是由于导电性接合材料中混合的银粒子与氧化银粒子起到使平均粒径 0. lym lOOym的其他金属粒子彼此烧结的作用。作为该金属粒子的种类，可以举出金、 铜。除上述以外，还可以采用包含钼、钯、铑、锇、钌、铱、铁、锡、锌、钴、镍、铬、钛、钽、钨、铟、 硅、铝等至少1种金属或2种以上金属的合金。另外，在接合材料中也可预先混合平均粒径lOOnm以下的金属粒子。作为这种金 属的种类，可以举出金、银、铜、或这些的氧化物的氧化金、氧化银、氧化铜。除上述以外，可 以采用包含钼、钯、铑、锇、钌、铱、铁、锡、锌、钴、镍、络、钛、钽、钨、铟、硅、铝等至少1种金属 或2种以上的金属的合金。这些也可在不使本发明的导电性接合材料的特性很大降低的范 围内混合使用。但是，即使在混合这种其他金属时，因上述理由也不含树脂。<糊状的接合材料>本实施方案中使用的导电性接合材料也可仅由银粒子与氧化银粒子与分散剂 (加上其他金属粒子)生成，作为糊状接合材料使用时，也可添加沸点350°C以下的溶剂。作 为这种溶剂，例如，可以举出例如醇类等。在这里，沸点定在350°C以下的理由是，由于接合 温度的目标为200 250°C，当沸点过高时，用于蒸发要用过多的时间，把350°C作为限度是 适当的。但是，具有超过此温度的沸点的醇类等有机物也不是绝对不适合。当然，要根据用 途来采用这样的有机物。作为可利用的具有醇基的有机物，可以举出甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、 庚醇、辛醇、壬醇、癸醇、十一醇、十二醇、十三醇、十四醇、十五醇、十六醇、十七醇、十八醇、
8十九醇、二十醇。另外，可以使用二甘醇、乙二醇、三甘醇等二醇系。另外，不限于1元醇型，2 元醇型、3元醇型、及链烷基二醇、具有环状型结构的醇化合物均可以采用。除此以外，萜品 醇、乙二醇、三甘醇、或柠檬酸、抗坏血酸、葡萄糖等具有多个醇基的化合物也可以采用。其 中，特别是采用2元醇、3元醇型的化合物是所希望的。这是由于采用1元醇型，与氧化银 进行混合时，1日后，氧化银表面的一部分被还原，形成盐，同时，使银粒子析出，因此氧化银 粒子的保存稳定性恶化。采用2元醇、3元醇型时，不发生与氧化银反应而在表面形成这种 盐，因此稳定性优良。另外，其中，采用二醇系溶剂是优选的。这是由于二醇系溶剂廉价，对 人体等的毒性也小。另外，这些醇系溶剂不仅可作为溶剂，而且也可作为对氧化银的还原剂 而发挥作用，因此作为相对氧化银粒子量的还原剂可调整至适度的量来使用。另外，不限于上述含醇基的有机物，还可以采用含羧酸、胺、醛基或酯基、硫酰基 (7 7 > 7 7 二 7 > )、酮基等的有机物。另外，不具有上述官能基的、甲苯或仅由烃构成 的有机物也可以采用，作为这种的例子，可以举出己烷、环己烷等。因此，作为使用的有机溶 剂，只要沸点在350°c以下即可，不仅可用其中的1种，也可使用2种以上的混合物。在这 里，所谓具有350°C以下沸点的有机物，是指采用一般市场销售的、Seiko Instruments制造 的TG/DTA6200、或岛津制造作所制造的TGA-50等可进行热重量测定的装置，以10°C /min, 于氮气中进行测定时达到350°C引起99衬％的重量减少的有机物。混合的有机溶剂量，当本发明的导电性接合材料为100重量％时，可在90重量％ 以内(更适合的在50重量％以内)。此时，可用乳钵、研磨机、振动球磨机、辊磨机、游星球 磨机等进行搅拌混合。糊状的导电性接合材料，采用喷墨法，从细微的喷嘴喷出导电性接合材料至基板 上的电极或电子部件连接部上涂布的方法；或采用涂布部分开口的金属掩膜或筛状掩模， 仅在必要部分涂布的方法；采用分配器在必要部分进行涂布的方法；把含有机硅或氟等憎 水性树脂在仅必要的部分开口的金属掩模或筛状掩模进行涂布的方法。这些涂布方法，可 根据接合的电极面积、形状加以组合。另外还有，通过对这些导电性接合材料进行加压而成 型为片状来用作接合材料的方法。<加热条件>采用本导电性接合材料进行接合时，为使接合时达到银粒子彼此的烧结、氧化银 的还原及与电极面的金属接合，必须加热。作为接合条件，在1秒以上180分钟以内、40°C 以上350°C以下的加热是优选的。采用现有的平均粒径lOOnm以下的金属粒子时，由于伴随有机物的脱离、发生金 属粒子的体积收缩，故接合时需要加压，而在本发明中，不加压下通过接合界面的金属结 合，可达到接合。由此可简化接合工序。但是，为了提高接合强度，如果必要也可进行加压。加热温度定在40°C以上的理由是，当加热比该温度低时，不能充分发生银粒子的 烧结与氧化银的还原达到接合。加热时间定为180分钟以下的理由是，当加热时间在180分钟以上时，为制造一种
产品要费很多时间，难以进行大量生产。另外，作为此时的接合气氛，不限于大气，可采用还原气氛、例如，氢气氛、或惰性 气氛的氮气氛、氩气氛等。通过在这种气氛中进行接合时，可减轻电子部件等在大气中被氧 化的问题。
本发明的以(A)银粒子、⑶氧化银、(C)包含以碳原子数30以下构成的有机物的 分散剂作为必须成分的全导电性接合材料中，(A)银粉与(B)氧化银粉与(C)包含以碳原 子数30以下构成的有机物的分散剂合计为99. 0 100重量％、采用导电性接合材料进行 接合的半导体装置的接合部，由于接合时未加压，使用的粒子的形状可原样反映在接合部。因此，在该接合层必然存在空隙、看见某种接合层断面时，其空隙率(空孔用接合 层的面积除)为0. 1 99.9% (更优选在90%以下)。因此，由于存在空隙率，与由整体银 构成的接合层相比，密度与弹性系数降低，减轻对芯片的应力负荷，接合部的长期可靠性升 尚o实施例下面对本发明的实施例及适用例参照附图加以说明。<实施例1>实施例1中，采用平均粒径为111111左右、平均厚度为0.511111左右、长宽比为2.0 左右的银薄片用1. 0wt%的硬脂酸加以被覆的银薄片0. 9g，平均粒径约2 y m左右的氧化银 (Ag20)粒子0. lg，有机溶剂乙醇(和光纯药制造)0. 2g。将这些用乳钵进行1小时左右混 合，制造导电性接合材料。作为比较例1，采用市场销售的现有的Ag糊。另外，作为比较例2，对平均粒径为 1 U m左右、平均厚度为0. 3 i! m左右、长宽比为2. 0左右的银薄片用1. 0wt%硬脂酸被覆的 银薄片100质量份，添加20质量份的乙醇，用乳钵进行10分钟左右混合，制造导电性接合 材料。其次，采用实施例1与比较例1 2的导电性接合材料进行接合后，进行剪切强度 测定。测定用中使用的试片大小为上侧为直径5mm、厚度2mm，下侧为直径10mm、厚度5mm， 对表面镀敷Ag。在该下侧试片上，涂布上述实施例1与比较例1 2的导电性接合材料后， 把上侧试片于接合材料上加以设置，于200°C进行加热由此进行接合。加热时间为5、15、 30、60分钟(参照表1)。表1
如图1所示，接合构件201之间配置的上述导电性接合材料彼此通过加热引起烧 结，由此形成烧结银层205。此时，烧结银层205与接合构件201的接合界面，通过金属键达 到接合。其次，采用通过上述接合材料进行接合而得到的试样，于纯剪切应力下测定接合部 强度。剪切试验采用西进商事制造的# > K亏^夕一SS-100KP(最大荷重100kg)。剪切速 度为30mm/min，试片用剪切刀具剪切，测定剪切时的最大荷重。该最大荷重用接合面积除作为剪切强度。图2示出采用实施例1与比较例1、2的接合材料得到的剪切强度试验结果。这里 的接合强度值，表示采用比较例2的试样，以对未加压下于200°C加热60分钟时的接合强度 的相对比值。对比较例2的平均粒径为1 y m左右、平均厚度为0. 3 y m左右、长宽比为2. 0 左右的银薄片用1. 0wt%硬脂酸被覆的银薄片100质量份，添加20质量份的乙醇，用乳钵混 合10分钟左右的导电性接合材料的接合材料，其接合强度比低，把实施例1的平均粒径为 1 U m左右、平均厚度为0. 5 y m左右、长宽比为2. 0左右的银薄片用1. 0wt%的硬脂酸被覆 的银薄片0. 9g与平均粒径约2 ym左右的氧化银(Ag20)粒子0. lg，有机溶剂乙醇(和光纯 药制造)0. 2g，用乳钵混合约1小时的导电性接合材料，接合强度比大大提高，在加热60分 钟时，相对强度比达到2. 0。由此可以确认银薄片中通过混合氧化银，接合强度大大大提高 的效果。其次，比较例3与4，与实施例1进行比较。比较例3采用专利文献4(特愿 2006-353649)记载的以辛胺被覆的银纳米粒子。比较例4制造了由专利文献5 (特开 2008-178911)记载的氧化银粒子与肉豆蔻醇加以混合的接合材料。比较例5的接合材料， 氧化银粒子(Ag20)与肉豆蔻醇的重量比以9 1的比例进行混合，用乳钵研碎而制成。采 用这些材料，进行接合强度试验。测定用中使用的试片大小上侧为直径5mm、厚度2mm，下 侧为直径10mm、厚度5mm，表面上镀敷Ag。其下侧的试片上涂布上述比较例3及4的导电 性接合材料后，把上侧试片于接合材料上进行设置，于200°C进行加热，由此进行接合。接 合强度，测定纯剪切应力下的接合部强度。剪切试验采用西进商事制造的# > Kf 7夕一 SS-100KP(最大荷重100kg)。剪切速度为30mm/min，把试片用剪切刀具剪切，测定剪切时的 最大荷重。该最大荷重用接合面积除作为剪切强度。如表所示，通过接合强度比进行比较。 因此，与现有的可达到金属接合的接合技术相比，可看到接合强度大大提高，本发明的导电 性接合材料具有优良的特性(参照上表1)。〈实施例2>在实施例2中，采用平均粒径为1 ii m左右、平均厚度为0. 5 ii m左右、长宽比为2. 0 左右的银薄片。而且，对以1. Owt %硬脂酸被覆的银薄片，混合平均粒径为2 y m左右的氧化 银(Ag20)粒子的比例，其重量比变成95 5、90 10,80 20,50 50，制成试样。另夕卜， 相对各种试样100质量份，混合作为有机溶剂的乙醇(和光纯药制造)20质量份，用乳钵进 行1小时左右混合，分别得到lg的导电性接合材料。然后，进行剪切强度测定。测定用中 使用的试片大小上侧为直径5mm、厚度2mm，下侧为直径10mm、厚度5mm，表面上镀敷Ag。其 下侧试片上涂布上述实施例1与比较例1及2的导电性接合材料后，上侧试片于接合材料 上设置，于200°C进行加热，由此进行接合。加热时间为60分。各种强度，以对比较例2的 试样在不加压下于200°C加热60分钟时的接合强度的相对比来表示值。如图3所示的结果所示，混合氧化银(Ag20)粒子5wt%时，可得到最高的接合强 度。这是由于添加的硬脂酸与氧化银粒子的氧化还原比例达到最佳比率所致。当氧化银多 时，氧化银残留，另外，当氧化银少时，由于银薄片周围的有机物还有，故未见到接合强度大 巾畐提尚。其次，对实施例2、比较例1至4的热导率测定值进行比较。热导率由式⑴加以定义。
热导率(W/mK)=热扩散率(m2/s) X比热(J/g K)X 密度密度(g/cm3)…(1)用于计算热导率必要的热扩散率(m2/s)、密度(g/cm3)、比热(J/g K)，采用以下 的装置进行测定。热扩散率，样品形状为5_X10_X0. liim，用ULVAC SINKU-RIK0制造的 PIT1型进行测定。密度，采用7 $，一夕^制造的SD-200L进行测定。另外，比热， 采用TA instrument制造的Q2000进行测定。采用这些值算出热导率。结果示于表2。该值，采用比较例2的试样，用对未加压下于200°C加热60分钟的热导率的相对比 来表示。比较例1、3、4的热导率值较比较例2小。这是由于与接合强度对应的，比较例1 中混合了热导率小的树脂，比较例3、4，由于未加压，密度小所致。然而，实施例2 (在这里， 采用银薄片与氧化银粒子的混合比，其重量比为90 10的试样)，与比较例2相比，具有大 的热导率。这是由于通过混合氧化银，烧结温度下降，即使在同样的温度下制造的膜更易进 行烧结所致。从以上分析可知，实施例2的接合材料不仅接合强度优良，热导率也优良。表2
相对热导率 〈适用例1>图4为表示本发明的适用例之一的非绝缘型半导体装置的结构图。图4(a)为俯 视图、图4(b)为图4(a)A-A'部的断面图。将半导体元件(M0SFET)301安装在陶瓷绝缘基 板302上、陶瓷绝缘基板302安装在基材303上后，设置环氧系树脂容器304、接合线305、 环氧系树脂制造的盖子306，在同一容器内填充有机硅凝胶树脂307。在这里，基材303上 的陶瓷绝缘基板302，用实施例1的导电性接合用材料加以接合的接合层308进行接合，在 陶瓷绝缘基板302的铜板302a上把8个含Si的M0SFET元件301，采用上述实施例1的导 电性接合材料加以接合的接合层309进行接合。通过该接合层308及309的接合，首先，在 陶瓷绝缘基板302的铜板302a(实施镀敷Ni)上、及在基材303上分别涂布实施例1的导 电性接合材料。而且，在实施例1所示的导电性接合材料上配置半导体元件301及陶瓷绝缘基板 302，加以连接。此时，于大气中约150°C加热120分钟进行接合。各元件301上形成的栅电极、发射电极等，与绝缘基板上形成的电极302a、302b、 环氧系树脂容器304上先前安装的端子310之间，采用直径300 y m的A1线305，用超声波 接合法进行引线接合。311为温度检测用热敏电阻元件，由实施例1的导电性接合材料进行 接合的接合层309构成，电极302b与端子310之间采用直径300 y m的A1线305进行引线
接合，与外部连结。还有，环氧系树脂制造的容器304与基材303之间，用有机硅粘接树脂(未图示) 进行固定。在环氧系树脂制造的盖子306的内厚部设置凹部306'、在端子310上设置孔
12310',安装了用于将绝缘型半导体装置1000与外部电路连接的螺栓(未图示)。端子310， 首先冲裁至规定形状，在成型的铜板上实施镀敷Ni，于环氧系树脂容器304中安装。图5为表示图4所示的绝缘型半导体装置的局部装配部图。该绝缘型半导体装 置，陶瓷基板与半导体元件安装在作为基材的复合材料303上。基材的周边部设置安装孔 303A。基材由Cu构成，表面实施过镀敷Ni。基材303上，用实施例1的导电性接合材料形 成的接合层把陶瓷绝缘基板302，然后在陶瓷绝缘基板302上也同样通过采用实施例1的导 电性接合材料而接合的接合层，分别安装M0SFET元件301。此时的接合，通过于大气气氛中 将恒温槽于250°C加热60分钟进行接合。图6为图5中的M0SFET元件安装部的接合前的断面放大概略图。如图6所示，接 合层中可采用实施例1的导电性接合用材料。另外为了防止实施例1的导电性接合材料涂 布时的溶液流动，于基材303上，对应于陶瓷绝缘基板302安装区域地设置憎水膜322。另 外，在陶瓷绝缘基板302上，对应于半导体元件301的安装区域地设置憎水膜321，谋求防止 上述糊涂布时的溶液流动。〈适用例2>适用例2，涉及作为蜂窝电话机等的发信部中使用的高频电力增幅装置的绝缘型 半导体装置。该绝缘型半导体装置(尺寸10. 5mmX4mmX 1. 3mm)的构成如下所示。图7为适用例2的绝缘型半导体装置的断面模式图。在这里，作为支持构件100 的多层玻璃陶瓷基板(尺寸10. 5mmX4mmX0. 5mm,3层布线、热膨胀率6. 2ppm/°C、热导率 2. 5ff/m. K、弯曲强度0. 25GPa、杨氏模量llOGpa、介电常数5. 6(lMHz))上，安装了含M0SFET 元件(尺寸2. 4mmXl. 8mmX0. 24mm) 1、芯片电阻(约7ppm/°C ) 101、芯片电容器(约 11.5ppm/°C )102的芯片部件。M0SFET元件1与多层玻璃陶瓷基板100之间，例如装备了由Cu_Cu20复合材料构成 的中间金属构件103。多层玻璃陶瓷基板100的内部设置了用于厚膜内层布线层(Ag-lwt% Pt、厚度15 u m)、用于多层布线间电连接的厚膜通孔导体(Ag-lwt% Pt、直径140 y m)、用于 放热路的厚膜导热孔(Ag-lwt% Pt、直径140 u m)。另外，在多层玻璃陶瓷基板100的一个主面上设置厚膜布线图案(Ag_lwt% Pt、厚 度15 y m) 104。在该厚膜布线图案104上安装了含芯片电阻101、芯片电容器102的芯片部 件，首先，实施例1的导电性接合材料中，在有机溶剂中代替乙醇同程度添加癸醇，用乳钵 混合10分钟制成糊状后，在厚膜布线图案上涂布，在氢置换过的恒温槽中，于200°C加热30 分钟，通过烧结银层105，导电地固定芯片部件。把M0SFET元件(Si、3. 5ppm/°C ) 1，介由中间金属构件103，安装于在多层玻璃陶 瓷基板100—个主面上设置的凹部中。安装在10_3的真空中进行。中间金属构件103的尺 寸为2. 8mmX 2. 2mmX0. 2_。在这里，连接M0SFET元件1与中间金属构件103的烧结银层 105或、连接中间金属构件103与多层玻璃陶瓷基板100的接合层106，任何一种均是在实 施例1的导电性接合材料中，在有机溶剂中代替乙醇同程度添加癸醇，用乳钵混合10分钟， 采用形成糊状的导电性接合用糊材料加以接合的层。在M0SFET元件1与厚膜布线图案104 的规定部间，含Cu的夹子型连接端子107，用实施例1的导电性接合用材料接合。此时的接 合，在氢置换过的恒温槽中，于200°C加热30分钟而进行。在多层玻璃陶瓷基板100的另 一主面上，设置厚膜外部电极层104'仏8-1衬％ 丨、厚度1511111)。厚膜外部电极层104'对在多层玻璃陶瓷基板100内部设置的内部布线层或通孔布线进行中继，与厚膜布线图案 104进行电连接。在多层玻璃陶瓷基板100的一个主面侧设置环氧树脂层108，由此把安装 的芯片部件等密封。〈适用例3>适用例3涉及应用复合材料作为微模塑型晶体管用引线框的非绝缘型半导体装置。图8为适用例3的微模塑型非绝缘型半导体装置的断面模式图。作为半导体元 件1的含Si的晶体管元件(尺寸ImmX ImmXO. 3mm)，例如，在含Cu_Cu20复合材料的引线 框(厚度0. 3mm) 600上涂布实施例1的导电性接合用材料后，在氮置换了的恒温槽中，于 200°C加热60分钟，由此通过烧结银层601接合。晶体管元件1的集电体也配置在用实施 例1的导电性接合材料而接合的侧。发射极及基极，通过实施例1的导电性接合材料，设置 在接合侧的相反侧，通过从晶体管元件1引出的夹子形状的端子602在引线框600上涂布 实施例1的导电性接合材料，在夹子形状的端子上同样在氮置换了的恒温槽中于200°C加 热60分钟，由此进行接合。另外，实现晶体管元件1的安装与夹子形状的端子602的主要 部分，采用传递模塑(卜，* — > K)，用环氧树脂603覆盖。引线框600在利用 环氧树脂603的模塑完成的阶段切除，分别赋予作为各种独立的端子的功能。〈其他适用例〉在将LED安装在基板上时，通过采用本发明的导电性接合材料进行接合，与现有 的焊锡、Ag糊导电性粘接材料相比，能提高放热性。
权利要求
导电性接合材料，其特征在于，以银粒子、氧化银粒子、包含以碳原子数30以下构成的有机物的分散剂作为必须成分，上述银粒子与上述氧化银粒子与上述分散剂的合计为99.0～100重量％。
2.按照权利要求1所述的导电性接合材料，其特征在于，上述银粒子与上述氧化银粒 子的粒径在0. 1 ii m以上100 ii m以下。
3.按照权利要求1所述的导电性接合材料，其特征在于，上述银粒子形成薄片状的形状。
4.按照权利要求1所述的导电性接合材料，其特征在于，上述银粒子及上述氧化银粒 子的至少一方通过上述分散剂被覆。
5.按照权利要求1所述的导电性接合材料，其特征在于，上述银粒子与上述氧化银粒 子的混合比，当上述银粒子为100质量份时，上述氧化银粒子为0. 01质量份以上100质量 份以下。
6.按照权利要求5所述的导电性接合材料，其特征在于，上述氧化银粒子的量在上述 分散剂的量以下。
7.导电性接合材料，其特征在于，以银粒子、氧化银粒子、包含以碳原子数30以下构成 的有机物的分散剂、沸点350°C以下的有机溶剂作为必须成分，上述银粒子与上述氧化银粒 子与上述分散剂与上述有机溶剂的合计为100质量份时，上述有机溶剂的量在90质量份以 下，上述银粒子与上述氧化银粒子与上述分散剂与上述有机溶剂的合计为99. 0 100重 量％，形成糊状。
8.导电性接合材料，其特征在于，以银粒子、氧化银粒子、包含以碳原子数30以下构成 的有机物的分散剂、银以外的金属粒子作为必须成分，上述银粒子与上述氧化银粒子与上 述分散剂与上述银以外的金属粒子的合计为99. 0 100重量％。
9.导电性接合材料，其特征在于，以银粒子、氧化银粒子、包含以碳原子数30以构成下 的有机物的分散剂、沸点350°C以下的有机溶剂、银以外的金属粒子作为必须成分，上述银 粒子与上述氧化银粒子与上述分散剂与上述有机溶剂与上述金属粒子的合计为100质量 份时，上述有机溶剂的量在90质量份以下，上述银粒子与上述氧化银粒子与上述分散剂与 上述有机溶剂与上述银以外的金属粒子的合计为99. 0 100重量％，形成糊状。
10.半导体装置，其特征在于，用权利要求1所述的导电性接合材料进行接合，接合部 仅由金属部分构成，其空隙率大于0. 而小于90%。
11.接合方法，其特征在于，在半导体元件的电极与金属构件之间配置权利要求1所述 的导电性接合材料，在氢气中、氮气中、或氩气气氛中进行加热，由此使上述导电性接合材 料烧结，对上述半导体元件的电极与上述金属构件进行金属接合。
全文摘要
本发明提供导电性接合材料、采用它的接合方法、以及由其接合的半导体装置，与采用平均粒径100nm以下的金属粒子的接合用材料相比，提供在接合界面通过金属结合加以接合，在较低温、不加压下实现接合强度提高的接合用材料、接合方法。以(A)银粒子、(B)氧化银、(C)包含以碳原子数30以下构成的有机物的分散剂作为必须成分的全导电性接合材料中，(A)银粉与(B)氧化银粉与(C)包含以碳原子数30以下构成的有机物的分散剂的合计达到99.0～100重量％。即，不含作为粘接剂的树脂。
文档编号B23K35/22GK101875158SQ20101017172
公开日2010年11月3日 申请日期2010年4月28日 优先权日2009年4月28日
发明者井出英一, 保田雄亮, 守田俊章, 稻田祯一 申请人:日立化成工业株式会社