JP2010267579A - 導電性接着剤およびこれを用いた半導体装置の製造方法並びに半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合性、電気伝導性、熱伝導性が良好で、かつ熱応力を緩和できる信頼性の高い半導体装置の接合体を形成できる導電性接着剤およびこれを用いた半導体装置の製造方法、並びに半導体装置を提供する。
【解決手段】 平均粒径０．１〜１００μmの金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、コバルト、錫、インジウム、アルミニウム、亜鉛、これらの化合物もしくは合金の少なくともいずれかを含む複数の固体導電性粒子と、前記固体導電性粒子と金属接合されず、かつ前記固体導電性粒子より潤滑性の高い固体潤滑性粒子と、水または有機溶剤とを備えた導電性接着剤を提供する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、導電性フィラーを含有する導電性接着剤およびこの導電性接着剤を用いて半導体素子を配線基板の電極に実装する半導体装置の製造方法、並びにこの導電性接着剤を用いて実装された半導体装置に関するものであり、特にパワー半導体装置の高温動作に対応できる導電性接着剤の組成に関する。

従来のパワー半導体装置は、例えば半導体素子の能動面を上向きにして、上記半導体素子を配線基板上の電極にダイボンド材等で接合して接合体を形成し、さらに能動面上の端子と配線基板上の電極をワイヤボンディング等で電気的に接続する構成がとられている。上記ダイボンド材としては、実装性、電気伝導性、熱伝導性等の観点から主にはんだが用いられる。

一方弾性表面波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）デバイス等の周波数特性を要するものでは、接合体によるストレスが性能に影響するため、導電性フィラーと樹脂を含有する導電性接着剤を用いて接合する方法がとられている。樹脂を含有する導電性接着剤は応力緩和に優れる反面、樹脂を介して熱伝導および電気経路が形成されるため、電気伝導性、熱伝導性がはんだダイボンド材に比し劣る。

これらの問題を解決するために、導電性フィラーをナノ粒子とし、導電性フィラー同士を金属接合させ、電気伝導性、熱伝導性を向上させる方法が検討されている（例えば特許文献１）。また、発泡金属板を挟持させて応力を緩和する方法も検討されている（例えば特許文献２）。

特開２００５−１２１５４号公報 特開２００６−３５２０８０号公報

しかしながら、環境への配慮からはんだ中に鉛を含まないことが好ましい。また次世代パワーデバイスとして期待されているワイドギャップ半導体の特徴のひとつである高温動作に対応するには、耐熱性が高く、電気伝導性および熱伝導性に優れるとともに、熱ひずみや熱疲労に対する高い耐性が要求される。

しかし、鉛フリーはんだで融点３００℃以上を達成することは難しい。上記導電性フィラーをナノ粒子とし、導電性フィラー同士を金属接合させる方法では、ナノ粒子は融着して非常に緻密な薄膜となるため応力緩和特性が期待できない。また発泡体で緩衝性を付与しても接合性低下や電気伝導性、熱伝導性を確保できない問題があった。

この発明は、上述のような問題点を解決して、接合性、電気伝導性、熱伝導性が良好で、かつ熱応力を緩和できる信頼性の高い半導体装置の接合体を形成できる導電性接着剤およびこれを用いた半導体装置の製造方法、並びに半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の導電性接着剤は、平均粒径０．１〜１００μmの金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、コバルト、錫、インジウム、アルミニウム、亜鉛、これらの化合物もしくは合金の少なくともいずれかを含む複数の固体導電性粒子と、前記固体導電性粒子と金属接合されず、かつ前記固体導電性粒子より潤滑性の高い固体潤滑性粒子と、水または有機溶剤とを備えたものである。

本発明に係る第１の半導体装置は、配線基板と、前記配線基板に具備された電極と、前記電極と半導体素子とを電気的に接続する接合体を有し、前記接合体は、平均粒径０．１〜１００μmの金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、コバルト、錫、インジウム、アルミニウム、亜鉛の少なくともいずれかを含み、互いに金属接合された複数の固体導電性粒子と、前記固体導電性粒子と金属接合されない固体潤滑性粒子とを備えるものである。

本発明によれば、接合性、電気伝導性、熱伝導性が良好で、かつ熱応力を緩和できる信頼性の高い半導体装置の接合体を形成できる。

本発明の実施の形態１に係る導電性接着剤の概略図である。 本発明の実施の形態２に係る導電性接着剤の概略図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の概略図である。 本発明の実施の形態３に係る接合体を形成する工程を模式的に示す概略図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の概略図である。 本発明の実施の形態４に係る接合体を形成する工程を模式的に示す概略図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る導電性接着剤のイメージを示す概略図である。図１において、１は固体導電性粒子、２は固体潤滑性粒子、３は有機溶剤である。ここで固体導電性粒子１は、平均粒径０．１〜１００μmの金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、コバルト、錫、インジウム、アルミニウム、亜鉛、これらの化合物もしくは合金の少なくともいずれかを含む。
また固体潤滑性粒子２は潤滑性を有する固体粒子であって、せん断強さが小さく過大な力に対して優先的に変形することで、系全体としての応力を緩和する効果が期待できる。例えば、分子間凝集力が小さく摩擦係数を小さくできる四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、ポリイミド、高密度ポリエチレン等のオレフィン系樹脂、シリコーン樹脂、また、層間の結合力が弱くせん断変形し易いタルク、黒鉛、さらに層面内の強固な結合に比べて層間の結合が非常に弱いため、層間が滑ることで潤滑性を発揮できるタルク、黒鉛、窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、フッ化黒鉛を用いることができる。
固体導電性粒子１と固体潤滑性粒子２とは、いずれか低い方の融点以下で互いに金属接合せず、かつ固体導電性粒子１より固体潤滑性粒子２の潤滑性が高くなるように選定すればよい。

本実施の形態による導電性接着剤は、融点が高く、かつ複数の固体導電性粒子１を金属接合させ、金属結合による電気伝導および熱伝導を確保でき、かつ前記複数の固体導電性粒子１の隙間を固体潤滑性粒子２で埋めることができるため、熱応力を緩和して剥離、クラック等の発生を抑制できる接合体を形成できる。また有機溶剤３により、粘度や分散性を制御できる。

ここで、固体導電性粒子１の融点以下の温度で金属接合させて接合体を形成するためには、固体導電性粒子１は微粒子化し、比表面積を大きくすることが好ましいため平均粒径を０．１〜１００μm、程度とする。平均粒径０．５〜２０μmであればさらに好ましい。
固体導電性粒子１は球状粒子を用いると粘性および流動性制御しやすい点で好ましい。断面形状が楕円、多角形、星形、中空の対称形、針状、フレーク状のものを用いてもよい。複数の球状粒子等が集合した凝集体を用いてもよい。

有機溶剤３は、粘度調整と固体導電性粒子１の表面活性を保持できるアルコール類、エステル類、ケトン類、エーテル類、芳香族炭化水素類を用いることができる。水を用いてもよい。接合体を形成するため、揮発除去することが好ましく、９０〜１８０℃に沸点を持つものがよい。
有機溶剤３は、固体導電性粒子１及び固体潤滑性粒子２を溶かさず、固体導電性粒子１の表面活性を失活させないものを用いる必要があるが、固体導電性粒子１同士を金属接合させる加熱工程において、変形、融解、分解消失してもよい。

実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２に係る導電性接着剤のイメージを示す概略図である。図２において、４は被覆層である。ここで被覆層４は、固体導電性粒子１より融点の低い金属で形成され、固体導電性粒子１の表面に０．１〜１０μm程度の厚さで設けられたものである。材料としては、例えばはんだを用いることができる。被覆層４を設けることで、被覆層４の融点以上、固体導電性粒子１の融点以下の比較的低い温度に加熱することで固体導電性粒子同士を金属接合させることができる。
また被覆層４に、例えば、錫等の固体導電性粒子１より柔らかい軟金属を設ければ、固体導電性粒子同士が接触する際に被覆層４が塑性変形するが、このとき被覆層４の酸化膜が破れて現れた新生面間が接合しうるため、加圧によって固体導電性粒子同士を金属接合できる効果がある。

実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３に係る半導体装置の例を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体装置は、例えば半導体素子５の能動面を上向きにして、配線基板となる絶縁層６上の電極７１に例えば実施の形態１に示す導電性接着剤で接合体８を形成し、さらに能動面上の端子と絶縁層６上の電極７２をワイヤボンディング９等で電気的に接続するパワー半導体装置の構成がとられている。また半導体素子５の動作等により発生した熱は例えば銅製のヒートシンク１０により逃がされる。

図４は接合体８を形成する工程を模式的に示す概略図である。まず電極７１上に例えば実施の形態１に示した導電性接着剤を塗布する（図４（ａ））。次に固体導電性粒子１、固体潤滑性粒子２いずれかの低い方の融点以下の温度下で、半導体素子５の裏面を、上記導電性接着剤上に押し付ける。さらに加圧した状態で、複数の固体導電性粒子１同士を金属接合させて複数の固体導電性粒子１の接点が金属結合を形成するまで所定時間熱処理する。またこの処理において、導電性接着剤中の有機溶剤３を揮発させるとともに、複数の接点を有する複数の固体導電性粒子１の隙間を埋めるように固体潤滑性粒子２を具備する接合体８を形成する（図４（ｂ））。

ここで、固体導電性粒子１にＡｇ（融点９６２℃）を使用した場合は、例えば２８０℃程度の温度で、４０ＭＰａ程度の圧力で１分程度加圧、あるいは２００℃程度の温度で１時間保持すればよい。

上記工程により、接合体８は、複数の固体導電性粒子１同士が金属結合し、高い電気伝導度を確保できるとともに、熱抵抗が低い熱伝導パスを形成するため高い熱伝導率を確保できる。さらに、固体潤滑性粒子２は固体導電性粒子１同士の結合には関与せず、固体導電性粒子１の三次元積層構造中に不連続な間隙を形成する働きをするため、緩衝性を確保することがき、応力緩和に優れる接合体８を形成することができる。
なお、上記加熱温度、加圧圧力は、選択される固体導電性粒子１、固体潤滑性粒子２により適宜選択できる。

さらに、接合体８の厚みは、電気伝導性、熱伝導性、応力緩和性のいずれにも影響し、特に熱伝導性と応力緩和性とはトレードオフの関係にある。このため、好適な接合体８の厚さは数〜数百μmの範囲で選択される。平均粒径０．１〜１０μｍ程度の固体導電性粒子１を用いることにより、接合体８厚さの制御が可能となる。
また２種以上の固体導電性粒子１を上記工程で金属接合することにより、接点の合金化も可能となる。

このように製造された半導体装置は、特に接合体８において、接合性、電気伝導性、熱伝導性が良好で、かつ熱応力を緩和できるため、高温下においても故障を生じることがなく、信頼性を向上できる。

なお、本実施の形態では、絶縁層６上の電極７１に接合体８を形成する例について説明したが、図５に示すようにリードフレーム１１を配線基板として用い、これに接合体８を形成してもよい。実施の形態１に係る導電性接着剤を用いる例を示したが、実施の形態２に係る導電性接着剤を用いいてもよい。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る接合体８を形成する工程を模式的に示す概略図である。まず電極７１上に例えばＡｇめっきにより１μｍ程度の金属層１２を形成する。次いで金属層１２上に例えば実施の形態１に示した導電性接着剤８を塗布する（図６（ａ））。次に固体導電性粒子１、固体潤滑性粒子２いずれかの低い方の融点以下の温度下で、予め裏面に金属層１３としてＮｉ(７μｍ厚)／Ａｕ（０．０２μｍ厚）めっきを施した半導体素子５を、上記導電性接着剤上に押し付ける。さらに加圧した状態で、複数の固体導電性粒子１同士を金属接合させて複数の固体導電性粒子１の接点が金属結合を形成するまで所定時間熱処理する。またこの処理において、導電性接着剤中の有機溶剤３を揮発させるとともに、複数の接点を有する複数の固体導電性粒子１の隙間を埋めるように固体潤滑性粒子２を具備する接合体８を形成する（図６（ｂ））。

上記工程により、接合体８は、複数の固体導電性粒子１同士が金属結合し、高い電気伝導度を確保できるとともに、熱抵抗が低い熱伝導パスを形成するため高い熱伝導率を確保できる。さらに、固体潤滑性粒子２は固体導電性粒子１同士の結合には関与せず、固体導電性粒子１の三次元積層構造中に不連続な間隙を形成する働きをするため、緩衝性を確保することがき、応力緩和に優れる接合体８を形成することができる。
また、半導体素子５の裏面に設けた金属層１３と接合体８との界面も金属接合され、金属結合が生じることにより電気伝導率および熱伝導率の界面抵抗を下げると同時に、接着界面強度を高めることができる。電極７１上に金属層１２を設けることにより、接着界面強度を高めることができる。金属層１２、金属層１３はいずれか一方のみ設けても良い。

金属層１２、１３は、最表層が固体導電性粒子１と金属結合しうる金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、モリブデン、タングステン、チタン、錫、インジウム、アルミニウム、亜鉛やこれらの化合物を単層または多層に成膜すればよい。成膜方法は、電解あるいは無電解めっき、スパッタ、蒸着、ＣＶＤを用いればよい。上記金属の微粒子を分散したスラリーを塗布してもよい。

このようにして例えば図３、図５に示された半導体装置が製造できる。これらの半導体装置は、特に接合体８において優れた電気伝導性、熱伝導性、応力緩和性を有するため、高温動作環境に対応でき、熱ストレスに優れる。

上記実施の形態１〜３において、半導体素子５にシリコン半導体素子を用いる例を示したが、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド半導体などのワイドギャップ半導体素子を用いてもよい。これらを用いたパワー半導体装置は、高温で使用されるので、さらに効果が顕著となる。

以下、本発明による具体的実施例について説明する。
実施例１．
固体導電性粒子１として平均粒径０．３μｍのＡｇ粒子を、固体潤滑性粒子２として、平均粒径３μｍの黒鉛（ＳＥＣカーボン(株)製の高純度人造黒鉛粉ＳＥＣファインパウダーＳＧＰ−３（Ａｇ粒子に対して１．５質量％）を、有機溶剤３としてエチレングリコールを用い、２００Ｐａ・ｓに粘度調整したものを真空混練して、導電性接着剤を作製した。上記実施の形態３に準じ循環式オーブンで１８０℃２時間加熱して、接合体８を作製した。

実施例２．
固体導電性粒子１として平均粒径０．３μｍのＡｇ粒子を、固体潤滑性粒子２として、平均粒径３μｍ、Ｔｇ２７０℃の熱可塑性樹脂フィラーＳＡＢＩＣ Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ社製ＥＸＴＥＭ１００５（Ａｇ粒子に対して１．５質量％）を、有機溶剤３としてエチレングリコールを用い、２００Ｐａ・ｓに粘度調整したものを真空混練して、導電性接着剤を作製した。上記実施の形態３に準じ循環式オーブンで１８０℃２時間加熱して、接合体８を作製した。

実施例３．
固体導電性粒子１として平均粒径０．３μｍのＡｇ粒子を、固体潤滑性粒子２として平均粒径２μｍのシリコーン樹脂フィラー東レダウコーニング(株)製のトレフィルＥ−６０６（Ａｇ粒子に対して１．５質量％）を、有機溶剤３としてエチレングリコールを用い、２００Ｐａ・ｓに粘度調整したものを真空混練して、導電性接着剤を作製した。上記実施の形態３に準じ循環式オーブンで１８０℃２時間加熱して、接合体８を作製した。

比較例１．
比較例１として、ニホンハンダ(株)製導電性接着剤ＭＡＸ１０１（球状銀フィラー約９２質量％、トリエチレングリコールジメチルエーテル約８％含む)を、上記実施の形態３に準じ循環式オーブンで１８０℃２時間加熱して、接合体８を作製した。

比較例２．
比較例２として、ニホンハンダ(株)製導電性接着剤ＭＡＸ１０１（球状銀フィラー約９２質量％、トリエチレングリコールジメチルエーテル約８％含む)１００に対して、ナガセケムテックス社製ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂ＣＹ２３０を１０質量％と脂肪族ポリアミンＨＹ９５１を１質量％添加した導電性接着剤を作製し、上記実施の形態３に準じ循環式オーブンで１８０℃２時間加熱して、接合体８を作製した。

（評価試験）
粒度分布は堀場製作所(株)製レーザ式粒度分布計ＬＡ−９１０を用いて測定した。粘度は東機産業（株）コーンプレート型粘度計ＲＥ１１５を用い、コーンスピンドル３°、径１４ｍｍ、回転数５ｒｐｍで行った。
また、上記実施例１〜３、および比較例１、２と同じ条件で、５×２５×０．２ｍｍの硬化物試験片を作製し、アイコーエンジニアリング(株)社製ＲＸ−１０を用いて引張り強度試験を行った。
さらに、１０×１０×１ｍｍの銅板の片面にＮｉ（３μｍ厚）／Ａｕ（０．０２μｍ厚）めっきした基材に上記実施例１〜３、および比較例１、２の導電性接着剤をディスペンサーで供給し、裏面にＡｕ（０．０５μｍ厚）めっきしたものとめっきをしていない７×７×０．４ｍｍのシリコンチップをマウントし、循環式オーブン中で１８０℃×２ｈｒ加熱してサンプルを作製した。これらのサンプルに対して−５５℃⇔１５０℃のヒートサイクルを１０００サイクル試験し、試験前後の接合部について超音波画像装置（ＳＡＴ）による剥離観察を行った。ＳＡＴ観察は、日立建機ファインテック(株)製ｍｉ−ｓｃｏｐｅｉ１２０ｈｙｐｅｒで２５ＭＨｚの音響レンズを用いて行った。

表１に、上記評価試験において、引張り試験から得られた弾性率、破断伸びを示す。

表１より、本発明に係る実施例１〜３の弾性率は、比較例１に比べて、弾性率が低く、破断伸びが向上していることがわかる。弾性率が低ければ、熱応力が低減でき、破断伸びが大きければ、熱ひずみに対する耐性が増す。したがって、本発明に係る導電性接着剤は特に応力緩和特性優れていることがわかる。

表２に、上記評価試験において、ヒートサイクル後の接合体８の観察結果を示す。チップ面積を１００としたときのクラック発生面積をクラック率として評価した．

◎：クラック率１０％以下
○：クラック率１０〜２０％以下
△：クラック率２０〜５０％以下
×：クラック率５０％超

表２より、本発明に係る実施例１〜３の導電性接着剤を用いた場合、比較例１、２に比べてヒートサイクル特性が著しく向上することがわかる。
したがって、金属層１２、１３を設けたことで、接合信頼性が著しく向上することがわかる。

１ 固体導電性粒子、２ 固体潤滑性粒子、３ 有機溶剤、４ 被覆層、５ 半導体素子、６ 絶縁層、７１，７２ 電極、８ 接合体、９ ワイヤボンディング、１０ ヒートシンク、１１ リードフレーム、１２、１３ 金属層

Claims (7)

1. 平均粒径０．１〜１００μmの金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、コバルト、錫、インジウム、アルミニウム、亜鉛、これらの化合物もしくは合金の少なくともいずれかを含む複数の固体導電性粒子と、
   前記固体導電性粒子と金属接合されず、かつ前記固体導電性粒子より潤滑性の高い固体潤滑性粒子と、
   水または有機溶剤と
   を備えた導電性接着剤。
2. 固体潤滑性粒子は、四フッ化エチレン、ポリイミド、高密度ポリエチレン、タルク、グラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、黒鉛、フッ化黒鉛、窒化ホウ素、銅、ニッケル、鉛、錫、インジウム、アルミニウム、亜鉛の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の導電性接着剤。
3. 固体導電性粒子は、被覆層を有することを特徴とする請求項１に記載の導電性接着剤。
4. 配線基板と、
   前記配線基板に具備された電極と、
   前記電極と半導体素子とを電気的に接続する接合体を有し、
   前記接合体は、平均粒径０．１〜１００μmの金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、コバルト、錫、インジウム、アルミニウム、亜鉛の少なくともいずれかを含み、互いに金属接合された複数の固体導電性粒子と、
   前記固体導電性粒子と金属接合されない固体潤滑性粒子と
   を備える半導体装置。
5. 接合体と、電極および半導体素子の少なくともいずれかとの間には、金属層を備えることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 金属層は、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、モリブデン、タングステン、チタン、錫、インジウム、アルミニウム、亜鉛の少なくともいずれかの金属、または上記金属の化合物を含む単層または多層であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 配線基板と、前記配線基板に具備された電極と、前記電極と半導体素子とを電気的に接続する接合体を有する半導体装置の製造方法であって、
   前記電極上に、
   平均粒径０．１〜１００μmの金、銀、銅、白金、パラジウム、ロジウム、ニッケル、鉄、コバルト、錫、インジウム、アルミニウム、亜鉛、これらの化合物もしくは合金の少なくともいずれかを含む複数の固体導電性粒子と、前記固体導電性粒子と金属接合されず、かつ前記固体導電性粒子より潤滑性の高い固体潤滑性粒子と、水または有機溶剤とを備えた導電性接着剤を塗布する工程と、
   前記固体導電性粒子の融点以下の温度下で、前記半導体素子の裏面を、前記導電性接着剤上に押し付ける工程と、
   加圧した状態で複数の前記固体導電性粒子同士を金属接合させて複数の前記固体導電性粒子の接点が金属結合を形成するまで所定時間熱処理する工程と、
   前記導電性接着剤中の前記水または前記有機溶剤を揮発させるとともに前記複数の固体導電性粒子の隙間を埋めるように前記固体潤滑性粒子を配置させて前記接合体を形成する工程と
   を備えた半導体装置の製造方法。

Images