JP2017060984A - Joint material and semiconductor device - Google Patents

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Masayoshi Shimoda
将義 下田
外薗　洋昭
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain electrical connection property equivalent to Sn-based lead-free solder, in high-temperature lead-free solder mainly composed of Bi or Zn.SOLUTION: A semiconductor device includes: a joint material containing a solder material 11 mainly composed of Zn or Bi, and having a solidus temperature of 260°C or higher, and conductive particles 12; and a junction layer 1 using the joint material between an electrode of a semiconductor die and a lead frame or a substrate electrode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、接合材及びこれを用いた半導体装置に関する。本発明は、特には、鉛フリーはんだ実装技術分野において利用される、接合材及びこれを用いた半導体装置に関する。   The present invention relates to a bonding material and a semiconductor device using the same. The present invention particularly relates to a bonding material and a semiconductor device using the same, which are used in the field of lead-free solder mounting technology.

従来用いられているＳｎ−Ｐｂ共晶または、Ｐｂ９０質量％以上のＰｂ基はんだ合金は、毒性を有する鉛を含んでいるため、その使用が制限されつつある。近年ではＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替として、鉛を含まないＳｎ−Ａｇ共晶または、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだが広く普及し、電子部品とプリント回路板の接続に用いられている。しかし、Ｓｎを主成分とした鉛フリーはんだを用いると、はんだ付け部を、例えば２６０℃といった高温下に暴露することになり、電子部品内部の接続では、電極の溶解や、断線など、いわゆる耐熱性不良の問題が発生する場合がある。   Conventionally used Sn—Pb eutectic or Pb-based solder alloys with Pb of 90% by mass or more contain toxic lead, and therefore their use is being limited. In recent years, as an alternative to Sn—Pb eutectic solder, Sn—Ag eutectic containing no lead or Sn—Ag—Cu based solder has been widely used and used for connecting electronic components and printed circuit boards. However, when lead-free solder containing Sn as a main component is used, the soldered portion is exposed to a high temperature of, for example, 260 ° C., and so-called heat resistance such as melting of the electrode or disconnection is caused in the connection inside the electronic component. There may be a problem of inferiority.

また、パワーデバイス分野においては、近年、高温使用の要求が高まっており、従来自己発熱レベルの１５０℃程度の動作温度仕様でよかったものから、１７５℃、２００℃とそのパワーデバイス製品に要求される動作温度仕様が上がってきている。そのため、パワーデバイスの接続部についても耐熱性向上が求められている。ＪＥＩＴＡ（電子情報技術産業協会）の環境調和型先端実装技術成果報告２０１１（２０１１年７月）では、これまでの技術としてＰｂ基（鉛を主成分とした例えば２９０℃以上の融点をもつ材料）組成による耐熱性の確保があげられている。また電子部品内部接続に使用されるダイボンド接合部の耐熱要求温度は２６０℃以上が必要という報告もある。導電性接着剤およびＰｂフリーはんだで広く普及しているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだでは、固相線温度が２２０℃付近にあり、上記の耐熱要求温度２６０℃では溶融してしまう。そのため、先に述べた電極の溶解や断線など耐熱性不良が発生する場合がある。   In the power device field, in recent years, the demand for high-temperature use has been increasing, and the power device products of 175 ° C. and 200 ° C. are required since the conventional operating temperature specification of about 150 ° C., which is a self-heating level. Operating temperature specifications are rising. Therefore, improvement in heat resistance is also demanded for the connection part of the power device. According to JEITA (Electronic Information Technology Industries Association) Environmentally Friendly Advanced Packaging Technology Results Report 2011 (July 2011), Pb-based (materials with a melting point of 290 ° C or higher, for example, containing lead as the main component) The heat resistance by composition is raised. There is also a report that the required heat resistance temperature of die-bonded joints used for internal connection of electronic components needs to be 260 ° C or higher. Sn—Ag—Cu solder widely used for conductive adhesives and Pb-free solder has a solidus temperature near 220 ° C., and melts at the above-mentioned required heat resistance temperature of 260 ° C. Therefore, heat resistance defects such as electrode dissolution and wire breakage described above may occur.

高温はんだ材としては、ＢｉやＺｎを主成分とする鉛フリーはんだが知られている（例えば、特許文献１）。   As a high-temperature solder material, lead-free solder mainly containing Bi or Zn is known (for example, Patent Document 1).

特開2005-72173号公報JP 2005-72173 A

高温はんだ材の１つであるＢｉ系はんだは熱伝導率λ、電気伝導率σいずれも低く（λ＝８Ｗ／ｍ・Ｋ、σ＝０．８５×１０６Ω−１ｍ−１）、融点約２２０℃の中温系鉛フリーはんだの主成分であるＳｎに比べて１／８以下の値を示す。このようなはんだ材を用いてダイボンド接合層を形成した場合に、被接合体の表面組成等によって、界面抵抗が上昇し、電気的接続性の確保が困難になる場合があった。かかる状況に鑑み、本発明においては、ＢｉやＺｎを主成分とする高温鉛フリーはんだにおいて、電気的接続性を向上させることを目的とする。 Bi solder, which is one of the high-temperature solder materials, has low thermal conductivity λ and electrical conductivity σ (λ = 8 W / m · K, σ = 0.85 × 10 6 Ω −1 m −1 ), melting point The value is 1/8 or less compared to Sn, which is the main component of a medium temperature lead-free solder at about 220 ° C. When a die bond bonding layer is formed using such a solder material, the interfacial resistance may increase due to the surface composition of the object to be bonded, and it may be difficult to ensure electrical connectivity. In view of such a situation, an object of the present invention is to improve electrical connectivity in a high-temperature lead-free solder mainly composed of Bi or Zn.

上記課題を解決するために、本発明者らは、ＺｎもしくはＢｉを主成分とする高温はんだ材に、導電性粒子を添加することを見出し、本発明を完成するに至った。   In order to solve the above problems, the present inventors have found that conductive particles are added to a high-temperature solder material mainly composed of Zn or Bi, and have completed the present invention.

本発明は、一実施形態によれば、接合材であって、ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材と、導電性粒子とを含んでなる。   According to one embodiment, the present invention includes a solder material that is a bonding material and has Zn or Bi as a main component and a solidus temperature of 260 ° C. or more, and conductive particles.

前記接合材において、前記導電性粒子が、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子、及び、金属酸化物もしくは金属窒化物にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる粒子から選択される一以上であることが好ましい。
前記導電性粒子の平均粒子径が２０〜１００μｍであって、前記接合材において、前記はんだ材１００質量部に対し、１〜２５質量部の前記導電性粒子を含むことが好ましい。 In the bonding material, the conductive particles cover Au particles, Ag particles, Cu particles, and metal oxide or metal nitride with one or more metals selected from Au, Ag, Cu, Al, and Mg. It is preferable that it is one or more selected from the following particles.
The conductive particles preferably have an average particle diameter of 20 to 100 μm, and the bonding material contains 1 to 25 parts by mass of the conductive particles with respect to 100 parts by mass of the solder material.

あるいは、別の実施形態によれば、前記接合材において、前記導電性粒子が、Ｃｕマイクロ粒子またはＣｕサブマイクロ粒子、あるいはそれらの両方を含むことが好ましい。
この場合、前記はんだ材１００質量部に対し、２５〜１５０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子を含むことが好ましい。あるいは、前記はんだ材１００質量部に対し、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子と、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕサブマイクロ粒子とを含むことが好ましい。
前記Ｃｕマイクロ粒子が、表面にＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる金属被覆Ｃｕマイクロ粒子であることが好ましい。 Alternatively, according to another embodiment, in the bonding material, the conductive particles preferably include Cu microparticles, Cu submicroparticles, or both.
In this case, it is preferable that 25 to 150 parts by mass of the Cu microparticles are included with respect to 100 parts by mass of the solder material. Or it is preferable that 20-130 mass parts of said Cu microparticles and 20-130 mass parts of said Cu submicroparticles are included with respect to 100 mass parts of said solder materials.
The Cu microparticles are preferably metal-coated Cu microparticles having a surface coated with one or more metals selected from Ag, Ni, Al, and Mg.

前記いずれかの接合材において、前記はんだ材が、平均粒子径が２５〜４０μｍの粉末はんだであることが好ましい。また、当該接合材において、フラックスをさらに含み、ペースト状であることが好ましい。   In any one of the bonding materials, it is preferable that the solder material is a powder solder having an average particle diameter of 25 to 40 μm. The bonding material preferably further includes a flux and is in a paste form.

本発明は、別の実施形態によれば、半導体装置であって、半導体ダイの電極と、リードフレームもしくは基板電極との間に、前述のいずれかの接合材を用いた接合層を備えてなる。前記接合層において、前記導電性粒子が、前記半導体ダイの電極と前記リードフレームもしくは基板電極とに接して導電経路を形成していることが好ましい。   According to another embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising a bonding layer using any of the bonding materials described above between a semiconductor die electrode and a lead frame or substrate electrode. . In the bonding layer, the conductive particles preferably form a conductive path in contact with the electrode of the semiconductor die and the lead frame or the substrate electrode.

本発明に係る接合材によれば、ＺｎもしくはＢｉを主成分とする固相線温度が２６０℃以上のはんだ材中で、導電性粒子が導電経路となって、接合体における電気的接続性を確保することができ、高信頼性の継手の製造が可能となる。   According to the bonding material according to the present invention, in a solder material whose main component is Zn or Bi and whose solidus temperature is 260 ° C. or higher, the conductive particles serve as a conductive path, and the electrical connectivity in the bonded body is improved. This makes it possible to manufacture a highly reliable joint.

図１は、本発明の第１実施形態に係る接合材を用いて形成した接合層と、被接合材とを模式的に示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing a bonding layer formed using a bonding material according to a first embodiment of the present invention and a material to be bonded. 図２は、金属材料の熱伝導率と電気伝導率との相関関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the correlation between the thermal conductivity and the electrical conductivity of the metal material. 図３は、本発明の第２実施形態に係る接合材を用いて形成した接合層と、被接合材とを模式的に示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram schematically showing a bonding layer formed using a bonding material according to a second embodiment of the present invention and a material to be bonded. 図４は、本発明に係る接合材が適用される半導体モジュールの一例を示す概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of a semiconductor module to which the bonding material according to the present invention is applied. 図５は、実施例１に係る接合材を用いた接合体の、接合面に垂直な断面の観察結果を示す顕微鏡写真である。FIG. 5 is a photomicrograph showing an observation result of a cross section perpendicular to the bonding surface of the bonded body using the bonding material according to Example 1. 図６は、比較例に係る接合材を用いた接合体の、接合面に垂直な断面の観察結果を示す顕微鏡写真である。FIG. 6 is a photomicrograph showing an observation result of a cross section perpendicular to the bonding surface of the bonded body using the bonding material according to the comparative example. 図７は、実施例２に係る接合材を用いた接合体の、接合面に垂直な断面の観察結果を示す顕微鏡写真である。FIG. 7 is a photomicrograph showing an observation result of a cross section perpendicular to the bonding surface of the bonded body using the bonding material according to Example 2.

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.

［第１実施形態：Ｂｉ−Ｓｎ二元系高温はんだ合金］
本発明は、第１実施形態によれば、接合材であって、ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材と、導電性粒子とを含んでなり、前記導電性粒子が、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子、及び、金属酸化物もしくは金属窒化物にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる粒子から選択される一以上であって、平均粒子径が２０〜１００μｍ、好ましくは２０〜５０μｍの粒子である。 [First embodiment: Bi-Sn binary high temperature solder alloy]
The present invention, according to the first embodiment, is a bonding material comprising a solder material whose main component is Zn or Bi and having a solidus temperature of 260 ° C. or higher, and conductive particles. The conductive particles are selected from Au particles, Ag particles, Cu particles, and particles formed by coating a metal oxide or metal nitride with one or more metals selected from Au, Ag, Cu, Al, and Mg. And having an average particle diameter of 20 to 100 μm, preferably 20 to 50 μm.

ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材は、ＺｎもしくはＢｉを主成分とし、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐ、Ａｌといった添加元素が含まれていてもよく、残部が不可避不純物からなる。不可避不純物とは、主として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ａｓ、Ｃｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｐ、Ｐｂなどをいう。また、本発明によるはんだ材は、Ｐｂを含まない鉛フリーはんだである。   Solder material whose main component is Zn or Bi and whose solidus temperature is 260 ° C. or higher is mainly composed of Zn or Bi and contains additive elements such as Sn, Sb, Ge, Ag, Cu, Ni, P, and Al. The remainder may consist of inevitable impurities. Inevitable impurities mainly refer to Cu, Ni, Zn, Fe, Al, As, Cd, Ag, Au, In, P, Pb, and the like. The solder material according to the present invention is a lead-free solder containing no Pb.

このようなはんだ材のうち、Ｂｉを主成分とするはんだ材としては、純Ｂｉ、Ｂｉ−Ｓｎ、Ｂｉ−Ｇｅ、Ｂｉ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｃｕ、Ｂｉ−Ｚｎ、Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｇ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｐ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｎｉ、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｎｉ−Ｐが挙げられるが、これらには限定されない。また、Ｚｎを主成分とするはんだ材としては、純Ｚｎ、Ｚｎ−Ｂｉ、Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅが挙げられるが、これらには限定されない。   Among such solder materials, pure Bi, Bi-Sn, Bi-Ge, Bi-Sb, Bi-Cu, Bi-Zn, Bi-Sn-Ag, Bi- are used as the solder materials mainly composed of Bi. Sb—Ge, Bi—Sb—Ge—P, Bi—Sb—Ge—Ni, and Bi—Sb—Ge—Ni—P are exemplified, but not limited thereto. Examples of the solder material mainly containing Zn include, but are not limited to, pure Zn, Zn—Bi, and Zn—Al—Ge.

導電性粒子は、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子、及び、金属酸化物もしくは金属窒化物にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる粒子から選択される一以上である。したがって、これらの１種類のみからなる導電性粒子であってもよく、２種類以上を混合して用いた導電性粒子であってもよい。   The conductive particles are selected from Au particles, Ag particles, Cu particles, and particles formed by coating a metal oxide or metal nitride with one or more metals selected from Au, Ag, Cu, Al, and Mg. One or more. Therefore, the electroconductive particle which consists only of these 1 type may be sufficient, and the electroconductive particle which mixed and used 2 or more types may be sufficient.

Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子は、それぞれ、Ａｕ、Ａｇ、もしくはＣｕを主成分とし、電気伝導率が、概ね５０×１０６Ω−１・ｍ−１以上であれば、他の元素を含む合金であってもよい。金属酸化物もしくは金属窒化物としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮを挙げることができる。Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属の被覆膜の厚みは、例えば、０．２〜１μｍであることが好ましく、０．２〜０．５μｍであることがより好ましい。被覆膜の厚みを０．２μｍ以上とするのは、３００℃以上の接合温度で、被覆膜が接合層に拡散し、導電性粒子として機能しなくなるためである。一方、上限を１μｍとするのは、製造コストあるいはプロセス時間の関係に基づく。なお、シリカ等の絶縁物表面をＳｎで被覆する場合、Ｂｉとの共晶反応により、低融点相（融点：１３８℃）が生じて再溶融することが懸念されるため、Ｓｎは導電性粉末の被覆成分として適さない。また、シリカ等の絶縁物表面をＳｂで被覆する場合、ＳｂはＢｉと全率固溶の関係にあるため、接合層（はんだ材）中に拡散するため、Ｓｂは導電性粉末の被覆成分として適さない。 Each of the Au particles, Ag particles, and Cu particles contains Au, Ag, or Cu as a main component, and includes other elements as long as the electrical conductivity is approximately 50 × 10 6 Ω −1 · m −1 or more. An alloy may be used. Examples of the metal oxide or metal nitride include SiO 2 , Al 2 O 3 , and AlN. The thickness of the coating film of one or more metals selected from Au, Ag, Cu, Al, and Mg is, for example, preferably 0.2 to 1 μm, and more preferably 0.2 to 0.5 μm. preferable. The reason why the thickness of the coating film is 0.2 μm or more is that the coating film diffuses into the bonding layer at a bonding temperature of 300 ° C. or more and does not function as conductive particles. On the other hand, the upper limit of 1 μm is based on the relationship between manufacturing cost or process time. When the surface of an insulator such as silica is coated with Sn, there is a concern that a low melting point phase (melting point: 138 ° C.) may occur due to a eutectic reaction with Bi, so that Sn is a conductive powder It is not suitable as a coating component. In addition, when the surface of an insulator such as silica is coated with Sb, Sb has a solid solution relationship with Bi, and thus diffuses into the bonding layer (solder material). Therefore, Sb is used as a coating component of the conductive powder. Not suitable.

本実施形態において、導電性粒子の形状は、球状であることが好ましいが、特定の形状には限定されない。このような導電性粒子は、平均粒子径が例えば、２０〜１００μｍ、好ましくは２０〜５０μｍの粒子を用い、さらに好ましくは、２５〜４０μｍの粒子を用いる。本明細書において、平均粒子径とは、レーザ回折／散乱式粒度分布測定により測定された値をいうものとする。下限値を２０μｍとしたのは、被接合体として一般的に用いられる絶縁基板の表裏面のＣｕパターンの表面粗さ（一般的に、１０μｍ〜２０μｍ）を吸収するためである。導電性粒子の上限値を１００μｍとしたのは、一般的な製品仕様に基づく。導電性粒子が、球状ではない場合には、長径が上記範囲内であることが好ましい。   In the present embodiment, the shape of the conductive particles is preferably spherical, but is not limited to a specific shape. Such conductive particles use particles having an average particle diameter of, for example, 20 to 100 μm, preferably 20 to 50 μm, and more preferably 25 to 40 μm. In this specification, the average particle diameter refers to a value measured by laser diffraction / scattering particle size distribution measurement. The reason why the lower limit value is set to 20 μm is to absorb the surface roughness (generally 10 μm to 20 μm) of the Cu pattern on the front and back surfaces of an insulating substrate that is generally used as an object to be bonded. The reason why the upper limit value of the conductive particles is 100 μm is based on general product specifications. When the conductive particles are not spherical, the major axis is preferably in the above range.

導電性粒子の添加量は、はんだ材の質量を１００質量部とした場合に、１〜２５質量部とすることが好ましく、１〜１０質量部とすることがさらに好ましい。１質量部よりも少ないと、添加による導電性向上効果が充分でない場合があり、２５質量部よりも多いと、導電性粒子がはんだ材、特にＢｉやＺｎといった主成分の流動性を阻害し、濡れ性を低下させる場合がある。   The addition amount of the conductive particles is preferably 1 to 25 parts by mass, and more preferably 1 to 10 parts by mass, when the mass of the solder material is 100 parts by mass. If the amount is less than 1 part by mass, the effect of improving the conductivity due to the addition may not be sufficient. If the amount is more than 25 parts by mass, the conductive particles inhibit the fluidity of the main component such as solder material, particularly Bi and Zn, May reduce wettability.

接合材の形態としては、フラックスと併用する粉末材、あるいは、板材、線材のいずれであってよい。フラックスと併用する粉末材とする場合、はんだ材は、平均粒径が、１５〜５０μｍ、好ましくは、２５〜４０μｍのものを用いることができる。平均粒径が１５〜５０μｍの範囲において、隣接するはんだ材が凝集することなく、安定して製造できるためである。フラックスは、接合の条件等に応じて、当業者が適宜選択することができ、特に限定されるものではないが、ＺｎもしくはＢｉの酸化を抑制することが可能な組成を有するフラックスを用いることが好ましい。一例として、ハロゲン活性化ロジンフラックス等を挙げることができる。   The form of the bonding material may be a powder material used in combination with a flux, a plate material, or a wire material. When the powder material used in combination with the flux is used, a solder material having an average particle diameter of 15 to 50 μm, preferably 25 to 40 μm can be used. This is because when the average particle size is in the range of 15 to 50 μm, the adjacent solder materials can be stably manufactured without agglomeration. The flux can be appropriately selected by those skilled in the art depending on the bonding conditions and the like, and is not particularly limited. However, a flux having a composition capable of suppressing oxidation of Zn or Bi is used. preferable. An example is a halogen activated rosin flux.

線材、板材の接合材は、所定の組成としたはんだ合金と、導電性粒子とを、所定の径を持つ線材、例えば、直径が２００〜１０００μｍの線材に押出成形し、あるいは、所定の組成としたはんだ合金と、導電性粒子とを所定の板材、例えば厚みが５０〜２００μｍの板材に圧延することにより製造することができる。   The bonding material of the wire and plate is formed by extruding a solder alloy having a predetermined composition and conductive particles into a wire having a predetermined diameter, for example, a wire having a diameter of 200 to 1000 μm, or having a predetermined composition. The solder alloy and the conductive particles can be produced by rolling into a predetermined plate material, for example, a plate material having a thickness of 50 to 200 μm.

本発明に係る接合材を使用方法の観点から説明する。本発明に係る接合材は、電子機器の接合に用いられ、典型的な被接合材の組み合わせとしては、ＣｕとＣｕ、ＣｕとＮｉ、ＣｕとＡｇ、ＣｕとＦｅ／Ｎｉ等が挙げられるが、これらには限定されない。特には、半導体装置におけるリードフレームもしくは基板電極と、半導体ダイの電極との接合に好適に用いられる。   The bonding material according to the present invention will be described from the viewpoint of the usage method. The bonding material according to the present invention is used for bonding electronic devices, and typical combinations of materials to be bonded include Cu and Cu, Cu and Ni, Cu and Ag, Cu and Fe / Ni, and the like. It is not limited to these. In particular, it is suitably used for bonding a lead frame or substrate electrode in a semiconductor device and an electrode of a semiconductor die.

図１は、本実施形態の接合材を用いた接合層を備えてなる半導体装置の一部を、模式的に示す概念図である。本実施形態に係る接合材を溶融させて形成した接合層１は、半導体ダイの裏面電極１０６ａと、絶縁基板１０４を構成する一方の銅電極１０３とを接合している。絶縁基板１０４は、絶縁層１０１の両面に銅電極１０２、１０３を配置して構成している。半導体ダイの裏面電極１０６ａは、一般的に、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕなどから構成される。接合層１中では、導電性粒子１２がはんだ材１１中に、その形状を保持したまま存在している。なお、本実施形態においては、１つの導電性粒子１２が、半導体ダイの裏面電極１０６ａと、銅電極１０３との両者に接触して形成する導電経路Ｐを、接合層１に一カ所以上有することが好ましい。導電経路Ｐは、半導体ダイの裏面電極１０６ａと銅電極１０３との両者に完全に接触している場合に限られず、これらの間に僅かにはんだ材１１が介在する場合にも、導電性向上効果を奏する。また、接合材を溶融した際にも、導電性粒子１２は溶融せず、その形状を保持するため、導電性粒子１２が支持部材となって、裏面電極１０６ａの傾きを抑え、銅電極１０３に対して、裏面電極１０６ａを平行に保持することができる。   FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing a part of a semiconductor device including a bonding layer using the bonding material of the present embodiment. The bonding layer 1 formed by melting the bonding material according to the present embodiment bonds the back electrode 106 a of the semiconductor die and one copper electrode 103 constituting the insulating substrate 104. The insulating substrate 104 is configured by arranging copper electrodes 102 and 103 on both surfaces of the insulating layer 101. The backside electrode 106a of the semiconductor die is generally composed of Ni, Ag, Au, or the like. In the bonding layer 1, the conductive particles 12 are present in the solder material 11 while maintaining the shape thereof. In the present embodiment, one conductive particle 12 has at least one conductive path P in the bonding layer 1 formed in contact with both the back electrode 106 a of the semiconductor die and the copper electrode 103. Is preferred. The conductive path P is not limited to the case where the back surface electrode 106a and the copper electrode 103 of the semiconductor die are completely in contact with each other. Even when the solder material 11 is slightly interposed between them, the conductive improvement effect is achieved. Play. Further, even when the bonding material is melted, the conductive particles 12 are not melted, and the shape thereof is maintained. Therefore, the conductive particles 12 serve as a support member, and the inclination of the back electrode 106 a is suppressed. On the other hand, the back electrode 106a can be held in parallel.

図２（ａ）は、本実施形態に係る接合材を構成しうる金属元素の、純金属としての熱伝導率と電気伝導率との関係、及び本発明の接合材の熱伝導率と電気伝導率との関係を示すグラフである。図２（ａ）の拡大図である図２（ｂ）を参照すると、電気伝導率が小さいＢｉ系はんだ材に、上記のようなＣｕやＡｇ粒子を添加することで、Ｂｉ系はんだ材単体のときと比較して、電気伝導率を、約１．３〜２．２倍とすることができることが示されている（実施例にて詳述する）。また、熱伝導率についても、同様に向上させることができるため、特に高温となりやすい半導体ダイから、熱を放散するためにも、本実施形態に係る接合材が有利である。   FIG. 2 (a) shows the relationship between the thermal conductivity and the electrical conductivity of the metal element that can constitute the bonding material according to the present embodiment, and the thermal conductivity and the electric conductivity of the bonding material of the present invention. It is a graph which shows the relationship with a rate. Referring to FIG. 2 (b), which is an enlarged view of FIG. 2 (a), by adding the above-described Cu or Ag particles to a Bi-based solder material having a low electrical conductivity, the Bi-based solder material alone can be obtained. It has been shown that the electrical conductivity can be about 1.3 to 2.2 times that of time (detailed in the examples). In addition, since the thermal conductivity can be improved in the same manner, the bonding material according to the present embodiment is advantageous in order to dissipate heat from a semiconductor die that tends to have a high temperature.

［第２実施形態］
本発明は、第２実施形態によれば、接合材であって、ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材と、導電性粒子とを含んでなり、前記導電性粒子が、平均粒子径が０．８〜１０μｍのＣｕマイクロ粒子または平均粒子径が０．２〜０．３μｍのＣｕサブマイクロ粒子、あるいはそれらの両方を含む。 [Second Embodiment]
The present invention, according to the second embodiment, is a bonding material, comprising a solder material whose main component is Zn or Bi and having a solidus temperature of 260 ° C. or higher, and conductive particles. The conductive particles include Cu microparticles having an average particle diameter of 0.8 to 10 μm, Cu submicroparticles having an average particle diameter of 0.2 to 0.3 μm, or both.

本実施形態においても、はんだ材としては、第１実施形態と同様のものを用いることができるため、ここでは説明を省略する。また、導電性粒子である、Ｃｕマイクロ粒子またはＣｕサブマイクロ粒子の形状は、第１実施形態と同様に、球状等であってよい。   Also in the present embodiment, the same solder material as that in the first embodiment can be used as the solder material, and thus the description thereof is omitted here. Further, the shape of the Cu microparticles or Cu sub-microparticles, which are conductive particles, may be spherical or the like as in the first embodiment.

本実施形態においては、導電性粒子として、Ｃｕマイクロ粒子のみを含む形態、Ｃｕサブマイクロ粒子のみを含む形態、並びにＣｕマイクロ粒子とＣｕサブマイクロ粒子との両者を含む形態がありうる。Ｃｕマイクロ粒子のみを含む場合、あるいはＣｕサブマイクロ粒子のみを含む場合には、前記はんだ材１００質量部に対し、２５〜１５０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子またはＣｕサブマイクロ粒子を含むことが好ましい。２５質量部よりも少ないと添加による導電性向上効果が充分でない場合があり、１５０質量部よりも多いと、導電性粒子がはんだ材、特にＢｉやＺｎといった主成分の流動性を阻害し、濡れ性を低下させる場合があるためである。Ｃｕマイクロ粒子とＣｕサブマイクロ粒子との両者を含む場合には、前記はんだ材１００質量部に対し、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子と、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕサブマイクロ粒子とを含むことが好ましい。上記と同じく、導電性向上効果及び濡れ性の観点からである。   In the present embodiment, the conductive particles may include a form containing only Cu microparticles, a form containing only Cu submicroparticles, and a form containing both Cu microparticles and Cu submicroparticles. When only Cu microparticles are included, or when only Cu submicroparticles are included, it is preferable that 25 to 150 parts by mass of the Cu microparticles or Cu submicroparticles are included with respect to 100 parts by mass of the solder material. If the amount is less than 25 parts by mass, the effect of improving the conductivity due to the addition may not be sufficient. If the amount is more than 150 parts by mass, the conductive particles impede the fluidity of the solder material, particularly the main components such as Bi and Zn, and become wet. This is because there is a case where the property is lowered. When both Cu microparticles and Cu submicroparticles are included, 20 to 130 parts by mass of the Cu microparticles and 20 to 130 parts by mass of the Cu submicroparticles with respect to 100 parts by mass of the solder material It is preferable to contain. As described above, this is from the viewpoint of improving conductivity and wettability.

ある実施形態においては、Ｃｕマイクロ粒子は、Ｃｕ単体からなるものであってもよく、Ｃｕ粒子の表面にＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる金属被覆Ｃｕマイクロ粒子であってもよい。Ｃｕマイクロ粒子は酸化されやすく、表面酸化膜の形成を抑制するため、Ｃｕ粒子の表面にＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆することが好ましい。例えば、Ａｌを被覆してなるＡｌ被覆Ｃｕマイクロ粒子は、Ａｌが優先的に酸化されて、Ｃｕの酸化を防止しつつ、全体として導電性を向上させる点で好ましい。金属被覆膜は、金属被覆Ｃｕマイクロ全体の質量の、１〜３０質量％であって、厚みが０．２〜０．５μｍであることが好ましい。厚みを当該範囲とする理由は、第１実施形態における被覆膜において説明したのと同様の理由からである。   In an embodiment, the Cu microparticles may be made of Cu alone, and the metal-coated Cu formed by coating the surface of the Cu particles with one or more metals selected from Ag, Ni, Al, and Mg. Microparticles may be used. Cu microparticles are easily oxidized, and in order to suppress the formation of a surface oxide film, the surface of Cu particles is preferably coated with one or more metals selected from Ag, Ni, Al, and Mg. For example, Al-coated Cu microparticles formed by coating Al are preferable in that Al is preferentially oxidized to prevent the oxidation of Cu and improve the overall conductivity. The metal coating film is preferably 1 to 30% by mass of the total mass of the metal-coated Cu micro, and preferably has a thickness of 0.2 to 0.5 μm. The reason why the thickness is in the range is because of the same reason as described in the coating film in the first embodiment.

第２実施形態においても、接合材の形態としては、フラックスと併用する粉末材、あるいは、板材、線材のいずれであってもよく、詳細は第１実施形態において説明したのと同様である。   Also in the second embodiment, the form of the bonding material may be any of a powder material used in combination with the flux, a plate material, and a wire material, and the details are the same as described in the first embodiment.

本実施形態に係る接合材の使用方法、典型的な被接合材の組み合わせも、第１実施形態と同様であってよい。   The method of using the bonding material according to the present embodiment and the combination of typical materials to be bonded may be the same as in the first embodiment.

図３は、本実施形態の接合材を用いた接合層を備えてなる半導体装置の一部を、模式的に示す概念図である。本実施形態に係る接合材を溶融させて形成した接合層２は、半導体ダイの裏面電極１０６ａと、絶縁基板１０４を構成する一方の銅電極１０３とを接合している。絶縁基板１０４は、絶縁層１０１の両面に銅電極１０２、１０３を配置して構成している。半導体ダイの裏面電極１０６ａを構成しうる金属材料は、第１実施形態にて説明したとおりである。接合層２では、はんだ材２１中に、Ｃｕマイクロ粒子２２及びＣｕサブマイクロ粒子２３がその形状を保持したまま存在している。なお、本図は概念図であって、粒子の相対的な寸法は、正確に表されてはいない。本実施形態においては、Ｃｕマイクロ粒子２２及びＣｕサブマイクロ粒子２３が複数個連なって導電経路Ｐを形成し、接合層２全体の少なくとも一カ所以上にて、この連なった導電性粒子の群が、一端で半導体ダイの裏面電極１０６ａに、他端で銅電極１０３に接触することが好ましい。導電経路Ｐは、半導体ダイの裏面電極１０６ａと銅電極１０３との両者に完全に接触している場合に限られず、これらの間に僅かにはんだ材２１が介在する場合にも、導電性向上効果を奏する。   FIG. 3 is a conceptual diagram schematically showing a part of a semiconductor device including a bonding layer using the bonding material of the present embodiment. The bonding layer 2 formed by melting the bonding material according to the present embodiment bonds the back electrode 106 a of the semiconductor die and one copper electrode 103 constituting the insulating substrate 104. The insulating substrate 104 is configured by arranging copper electrodes 102 and 103 on both surfaces of the insulating layer 101. The metal material that can constitute the back electrode 106a of the semiconductor die is as described in the first embodiment. In the bonding layer 2, the Cu microparticles 22 and the Cu submicroparticles 23 are present in the solder material 21 while maintaining their shapes. In addition, this figure is a conceptual diagram, The relative dimension of particle | grains is not represented correctly. In the present embodiment, a plurality of Cu microparticles 22 and Cu submicroparticles 23 are connected to form a conductive path P, and the group of the conductive particles connected in at least one or more places in the entire bonding layer 2 is: It is preferable to contact the back electrode 106a of the semiconductor die at one end and the copper electrode 103 at the other end. The conductive path P is not limited to the case where the back surface electrode 106a and the copper electrode 103 of the semiconductor die are completely in contact with each other. Even when the solder material 21 is slightly interposed therebetween, the conductive improvement effect can be obtained. Play.

第２実施形態に係る接合材によれば、Ｃｕマイクロ粒子またはＣｕサブマイクロ粒子、あるいはそれらの両方を、Ｂｉ系あるいはＺｎ系はんだ材に添加することで、Ｂｉ系あるいはＺｎ系はんだ材単体のときと比較して、電気伝導率を、約１．３〜３倍とすることができる。また、熱伝導率についても、同様に向上させることができる。   According to the bonding material according to the second embodiment, by adding Cu microparticles or Cu submicroparticles or both of them to a Bi-based or Zn-based solder material, when the Bi-based or Zn-based solder material is used alone. Compared with, electrical conductivity can be about 1.3 to 3 times. Moreover, it can improve similarly about heat conductivity.

［第３実施形態］
本発明は、第３実施形態によれば、半導体装置であって、半導体ダイの電極と、リードフレームもしくは基板電極との間に、前述のいずれかに記載の接合材を用いた接合層を備えてなる。 [Third Embodiment]
According to a third embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising a bonding layer using any of the bonding materials described above between a semiconductor die electrode and a lead frame or substrate electrode. It becomes.

図４は、本発明にかかる半導体装置の一例である、パワー半導体モジュール１００の断面構造を示す図である。半導体モジュール１００においては、絶縁層１０１の一方の面である下面に略直方体状の第１銅電極１０２、他方の面である上面に略直方体状の第２銅電極１０３が配置されて絶縁基板１０４を構成する。絶縁基板１０４の第２銅電極１０３側の面である上面には、上記第１または第２実施形態に係る接合材を用いた接合層１を介して、半導体ダイ１０６（ＳｉＣチップ）が複数個搭載され取り付けられている。なお、図４中は、接合層１を図示しているが、接合層１に替えて上述の接合層２を用いてもよい。さらに半導体ダイ１０６の上面には、導電接合層１０７によりインプラントピン１０８を備えたインプラント方式プリント基板１０９が取り付けられている。インプラント方式プリント基板１０９の上面と、第２銅電極１０３の上面には、それぞれ、外部接続端子１１０が取り付けられ、半導体モジュール１００の外部との電気的接続が可能に構成されている。そして、これらの部材は、エポキシ樹脂や無機粒子のマイクロフィラーを含んでなる封止層１２０で封止され、封止層１２０には、金具取り付け孔１１２が設けられて、半導体モジュール１００を構成している。また、なお、本明細書において、上面、下面とは、説明の目的で、図中の上下を指す相対的な用語であって、半導体モジュールの使用態様等との関係で上下を限定するものではない。   FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional structure of a power semiconductor module 100, which is an example of a semiconductor device according to the present invention. In the semiconductor module 100, a substantially rectangular parallelepiped first copper electrode 102 is disposed on the lower surface, which is one surface of the insulating layer 101, and a substantially rectangular parallelepiped second copper electrode 103 is disposed on the upper surface, which is the other surface. Configure. A plurality of semiconductor dies 106 (SiC chips) are provided on the upper surface of the insulating substrate 104 on the second copper electrode 103 side via the bonding layer 1 using the bonding material according to the first or second embodiment. Mounted and attached. In FIG. 4, the bonding layer 1 is illustrated, but the above-described bonding layer 2 may be used instead of the bonding layer 1. Further, an implant type printed circuit board 109 having an implant pin 108 is attached to the upper surface of the semiconductor die 106 by a conductive bonding layer 107. External connection terminals 110 are attached to the upper surface of the implant-type printed circuit board 109 and the upper surface of the second copper electrode 103, respectively, so that electrical connection with the outside of the semiconductor module 100 is possible. These members are sealed with a sealing layer 120 containing a microfiller of an epoxy resin or inorganic particles, and the mounting layer 112 is provided in the sealing layer 120 to constitute the semiconductor module 100. ing. In addition, in this specification, the upper surface and the lower surface are relative terms indicating the upper and lower sides in the figure for the purpose of explanation, and are not intended to limit the upper and lower sides in relation to the usage mode of the semiconductor module. Absent.

このような半導体モジュール１００の製造方法において、絶縁基板１１に半導体ダイ１０６を実装する工程で、第１または第２実施形態に係る接合材を用いることができる。絶縁基板１０４に半導体ダイ１０６を実装した後、従来技術に従って、インプラントピン１０８、インプラント方式プリント基板１０９、外部接続端子１１０をとりつける。その後、所定の封止材組成物を調製し、所定の条件で、封止し、硬化させることにより、本発明の実施形態による半導体モジュール１００を製造することができる。   In such a manufacturing method of the semiconductor module 100, the bonding material according to the first or second embodiment can be used in the step of mounting the semiconductor die 106 on the insulating substrate 11. After mounting the semiconductor die 106 on the insulating substrate 104, the implant pins 108, the implant type printed circuit board 109, and the external connection terminals 110 are attached according to the conventional technique. Then, the semiconductor module 100 by embodiment of this invention can be manufactured by preparing a predetermined sealing material composition, sealing on predetermined conditions, and making it harden | cure.

そのほかの態様として、図示はしないが、別の構成を備える半導体モジュールが挙げられる。具体的には、銅ベース上に、上下２つの電極で挟まれた絶縁基板を備え、絶縁基板の上側の電極上に、第１または第２実施形態に係る接合材を用いて、半導体ダイを複数個接合し、これらの半導体ダイを、アルミワイヤーで接続し（ワイヤボンディング）、上側の電極から銅配線（銅バー）を引き出し、半導体ダイ、２つの電極、絶縁基板を、封止材により封止してなる半導体モジュールが挙げられる。このような構成は、特には、Ｓｉチップを搭載する半導体モジュールにおいて好ましく採用される。あるいは、絶縁基板を使用することなく、リードフレーム上に半導体ダイを実装する構成を備える半導体モジュールであってもよい。この場合も、リードフレーム上に、第１または第２実施形態に係る接合材を用いて、半導体ダイを接合することができる。   As another aspect, although not illustrated, a semiconductor module having another configuration can be given. Specifically, an insulating substrate sandwiched between two upper and lower electrodes is provided on a copper base, and the semiconductor die is formed on the upper electrode of the insulating substrate using the bonding material according to the first or second embodiment. A plurality of semiconductor dies are joined, and these semiconductor dies are connected with aluminum wires (wire bonding), copper wiring (copper bar) is drawn out from the upper electrode, and the semiconductor die, the two electrodes, and the insulating substrate are sealed with a sealing material. The semiconductor module which stops is mentioned. Such a configuration is preferably employed particularly in a semiconductor module on which a Si chip is mounted. Alternatively, it may be a semiconductor module having a configuration in which a semiconductor die is mounted on a lead frame without using an insulating substrate. Also in this case, the semiconductor die can be bonded onto the lead frame using the bonding material according to the first or second embodiment.

以下に、本発明を、実施例を参照してより詳細に説明する。しかし、以下の実施例は本発明の代表的な一態様を示すものであり、本発明を限定するものではない。   In the following, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the following examples show one typical embodiment of the present invention and do not limit the present invention.

［実施例１、比較例１］
接合性評価サンプルを作製した。直径φ１０ｍｍのＣｕ板の接合面に、メタルマスク（開口部：φ５ｍｍ、板厚：１５０μｍ）を用いて、本発明の第１実施形態に係る接合材を一定量設置した。導電性粉末としては、平均粒子径が３０μｍのＣｕ粒子を用い、純Ｂｉからなる平均粒子径が３０μｍのはんだ材１００質量部に対し、Ｃｕ粒子が、５質量部となるように添加した。接合材は、ハロゲン活性化ロジンフラックスを１０質量％〜１５質量％の範囲で含むペーストとして用いた。これに、直径φ３ｍｍのＣｕ板を重ね、加熱溶融して接合し、実施例１のサンプルを得た。また、上記接合材にＣｕ粒子を添加しなかった以外は同様にして、比較例１のサンプルを得た。 [Example 1, Comparative Example 1]
A bondability evaluation sample was prepared. A certain amount of the bonding material according to the first embodiment of the present invention was installed on the bonding surface of a Cu plate having a diameter of φ10 mm using a metal mask (opening: φ5 mm, plate thickness: 150 μm). As the conductive powder, Cu particles having an average particle diameter of 30 μm were used, and Cu particles were added so as to be 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of solder material having an average particle diameter of 30 μm made of pure Bi. The bonding material was used as a paste containing a halogen-activated rosin flux in the range of 10% by mass to 15% by mass. A Cu plate having a diameter of 3 mm was placed on this, heated and melted, and joined to obtain a sample of Example 1. A sample of Comparative Example 1 was obtained in the same manner except that no Cu particles were added to the bonding material.

実施例１のＣｕ−Ｃｕ接合部の断面像を図５に示す。図５（ａ）（ｂ）は、それぞれ、直径φ３ｍｍのＣｕ板２００の両端部における接合箇所を示す。図５（ａ）（ｂ）より、導電性粉末としてのＣｕ粒子１２がその形状を保持したまま、Ｂｉはんだ材１１中に存在していることがわかる。この接合材での接合において、直径φ１０ｍｍのＣｕ板３００と直径φ３ｍｍのＣｕ板２００との間に形成された接合層１の厚さは２４〜４４μｍの範囲にあり、導電性粉末１２の粒径に依存することがわかる。また、Ｃｕ板２００の傾きなどは見られなかった。   FIG. 5 shows a cross-sectional image of the Cu—Cu joint part of Example 1. 5 (a) and 5 (b) each show a joint location at both ends of a Cu plate 200 having a diameter of 3 mm. 5 (a) and 5 (b), it can be seen that the Cu particles 12 as the conductive powder are present in the Bi solder material 11 while maintaining the shape thereof. In the joining with this joining material, the thickness of the joining layer 1 formed between the Cu plate 300 having a diameter of 10 mm and the Cu plate 200 having a diameter of 3 mm is in the range of 24 to 44 μm, and the particle size of the conductive powder 12 is It turns out that it depends on. Moreover, the inclination of the Cu plate 200 was not seen.

比較例１のＣｕ−Ｃｕ接合部の断面像を図６に示す。導電性粉末を添加していないはんだ接合では、接合層５０厚さが１８〜９０μｍの範囲となり、被接合体であるＣｕ板２００の傾きが生じた。   A cross-sectional image of the Cu—Cu joint portion of Comparative Example 1 is shown in FIG. In the solder joint to which no conductive powder was added, the thickness of the joining layer 50 was in the range of 18 to 90 μm, and the Cu plate 200 as the joined body was inclined.

実施例１、比較例１の接合材のそれぞれについて、レーザーフラッシュ法で熱伝導率を測定し、文献値（金属データブック）に基づき、この値を電気伝導率に換算した。実施例１の接合材の電気伝導率は、１．７×１０６Ω−１ｍ−１、比較例１の接合材の電気伝導率は、０．８５×１０６Ω−１ｍ−１であった。すなわち、実施例１の接合材の電気伝導率は、比較例１の接合材の電気伝導率に対して、約２倍となった。 About each of the bonding | jointing material of Example 1 and the comparative example 1, thermal conductivity was measured by the laser flash method, and this value was converted into electrical conductivity based on the literature value (metal data book). The electrical conductivity of the bonding material of Example 1 is 1.7 × 10 6 Ω −1 m −1 , and the electrical conductivity of the bonding material of Comparative Example 1 is 0.85 × 10 6 Ω −1 m −1 . there were. That is, the electrical conductivity of the bonding material of Example 1 was about twice that of the bonding material of Comparative Example 1.

［実施例２］
直径φ１０ｍｍのＣｕ板の接合面に、メタルマスク用いて、本発明の第２実施形態に係る接合材を一定量設置した。はんだ材としては純Ｂｉからなる平均粒子径が３０μｍの粉末はんだを用いた。導電性粉末としては、平均粒子径が５μｍのＣｕマイクロ粒子、平均粒子径が０．２〜０．３μｍのＣｕサブマイクロ粒子を用いた。はんだ材、Ｃｕマイクロ粒子、Ｃｕサブマイクロ粒子の混合比は、１：０．３：０．３とした。接合材は、ハロゲン活性化ロジンフラックスを１０質量％〜１５質量％の範囲で含むペーストとして用いた。これに、直径φ３ｍｍのＣｕ板を重ね、加熱溶融して接合し、実施例２のサンプルを得た。 [Example 2]
A certain amount of the bonding material according to the second embodiment of the present invention was placed on the bonding surface of a Cu plate having a diameter of 10 mm using a metal mask. As the solder material, powder solder made of pure Bi and having an average particle diameter of 30 μm was used. As the conductive powder, Cu microparticles having an average particle size of 5 μm and Cu sub-microparticles having an average particle size of 0.2 to 0.3 μm were used. The mixing ratio of the solder material, Cu microparticles, and Cu submicroparticles was 1: 0.3: 0.3. The bonding material was used as a paste containing a halogen-activated rosin flux in the range of 10% by mass to 15% by mass. A Cu plate having a diameter of 3 mm was placed on this, heated and melted, and joined to obtain a sample of Example 2.

実施例２のＣｕ−Ｃｕ接合部の断面像を図７に示す。図７は、直径φ１０ｍｍのＣｕ板３００と直径φ３ｍｍのＣｕ板２００間に形成された接合層２を示している。接合層２中で、Ｃｕマイクロ粒子２２がその形状を保持したまま、Ｂｉはんだ材２１中に存在しており、Ｃｕマイクロ粒子２２どうしが接触することで導電経路Ｐを形成していることがわかる。なお、Ｃｕマイクロ粒子２２間には、写真では明確には判別できないが、Ｃｕサブマイクロ粒子が存在することが合理的に推測される。実施例２の接合材について、実施例１と同様の方法で熱伝導率、電気伝導率を得た。具体的には、実施例２の接合材の熱伝導率は、１２．５Ｗ／ｍ・Ｋ、比較例１の接合材の熱伝導率は、８Ｗ／ｍ・Ｋであり、換算した、実施例２の接合材の電気伝導率は、１．８５×１０６Ω−１ｍ−１、比較例１の接合材の電気伝導率は、０．８５×１０６Ω−１ｍ−１であった。熱伝導率の測定結果及び電気伝導率の換算値を図２（ｂ）のグラフ上に、黒い丸印で示す。グラフ中、電気伝導率の値は、概数で示した。その結果、実施例２の接合材の電気伝導率は、比較例１の接合材の電気伝導率に対して、約２．２倍であった。 FIG. 7 shows a cross-sectional image of the Cu—Cu joint part of Example 2. FIG. 7 shows the bonding layer 2 formed between the Cu plate 300 having a diameter of 10 mm and the Cu plate 200 having a diameter of 3 mm. It can be seen that in the bonding layer 2, the Cu microparticles 22 are present in the Bi solder material 21 while maintaining the shape thereof, and the conductive path P is formed by the contact between the Cu microparticles 22. . In addition, although it cannot clearly distinguish between the Cu microparticles 22 with a photograph, it is reasonably estimated that Cu submicroparticles exist. For the bonding material of Example 2, thermal conductivity and electrical conductivity were obtained in the same manner as in Example 1. Specifically, the thermal conductivity of the bonding material of Example 2 is 12.5 W / m · K, and the thermal conductivity of the bonding material of Comparative Example 1 is 8 W / m · K. The electric conductivity of the bonding material of No. 2 was 1.85 × 10 6 Ω −1 m −1 , and the electric conductivity of the bonding material of Comparative Example 1 was 0.85 × 10 6 Ω −1 m −1 . . The measurement result of thermal conductivity and the converted value of electrical conductivity are indicated by black circles on the graph of FIG. In the graph, the value of electrical conductivity is shown as an approximate number. As a result, the electrical conductivity of the bonding material of Example 2 was about 2.2 times that of the bonding material of Comparative Example 1.

本発明による接合材は、表面実装部品の接合部に用いられる。特には、ＩＣなどパッケージ部品に好適に用いられる。また発熱の大きい部品、例えばＬＥＤ素子や、パワーダイオードなどパワー半導体デバイスの接合部、さらにはプリント配線板などに搭載される電子部品全般におけるＩＣ素子などの内部接続の接合部に好適に用いられる。応用される製品では、先に述べたＬＥＤ素子を用いた照明部品や、インバータの駆動回路、パワーモジュールといわれる電力変換機などが対象として挙げられる。   The bonding material according to the present invention is used for a bonding portion of a surface mount component. In particular, it is suitably used for package parts such as ICs. Also, it is suitably used for joint parts of large heat generation components such as LED elements and power semiconductor device joints such as power diodes, and internal connection joints such as IC elements in all electronic parts mounted on printed wiring boards. Examples of products to be applied include lighting parts using the LED elements described above, inverter drive circuits, and power converters called power modules.

１、２ 接合層
１２ 導電性粒子
２２ Ｃｕマイクロ粒子
２３ Ｃｕサブマイクロ粒子
１０４ 絶縁基板
１０６ａ 裏面電極
１００ 半導体モジュール
Ｐ 導電経路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Joining layer 12 Conductive particle 22 Cu microparticle 23 Cu submicroparticle 104 Insulating substrate 106a Back electrode 100 Semiconductor module P Conductive path

Claims (11)

ＺｎもしくはＢｉを主成分とする、固相線温度が２６０℃以上のはんだ材と、
導電性粒子と
を含んでなる接合材。 A solder material mainly composed of Zn or Bi and having a solidus temperature of 260 ° C. or higher;
A bonding material comprising conductive particles. 前記導電性粒子が、Ａｕ粒子、Ａｇ粒子、Ｃｕ粒子、及び、金属酸化物もしくは金属窒化物にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる粒子から選択される一以上である、請求項１に記載の接合材。   The conductive particles are selected from Au particles, Ag particles, Cu particles, and particles formed by coating a metal oxide or metal nitride with one or more metals selected from Au, Ag, Cu, Al, and Mg. The bonding material according to claim 1, wherein the bonding material is one or more. 前記導電性粒子の平均粒子径が２０〜１００μｍであって、
前記はんだ材１００質量部に対し、１〜２５質量部の前記導電性粒子を含む、請求項１または２に記載の接合材。 The conductive particles have an average particle size of 20 to 100 μm,
The bonding material according to claim 1 or 2, comprising 1 to 25 parts by mass of the conductive particles with respect to 100 parts by mass of the solder material. 前記導電性粒子が、Ｃｕマイクロ粒子またはＣｕサブマイクロ粒子、あるいはそれらの両方を含む、請求項１に記載の接合材。   The bonding material according to claim 1, wherein the conductive particles include Cu microparticles, Cu submicroparticles, or both. 前記はんだ材１００質量部に対し、２５〜１５０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子を含む、請求項４に記載の接合材。   The bonding material according to claim 4, comprising 25 to 150 parts by mass of the Cu microparticles with respect to 100 parts by mass of the solder material. 前記はんだ材１００質量部に対し、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕマイクロ粒子と、２０〜１３０質量部の前記Ｃｕサブマイクロ粒子とを含む、請求項４に記載の接合材。   The bonding material according to claim 4, comprising 20 to 130 parts by mass of the Cu microparticles and 20 to 130 parts by mass of the Cu sub-microparticles with respect to 100 parts by mass of the solder material. 前記Ｃｕマイクロ粒子が、表面にＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｇから選択される一以上の金属を被覆してなる金属被覆Ｃｕマイクロ粒子である、請求項５または６に記載の接合材。   The bonding material according to claim 5 or 6, wherein the Cu microparticles are metal-coated Cu microparticles having a surface coated with one or more metals selected from Ag, Ni, Al, and Mg. 前記はんだ材が、平均粒子径が２５〜４０μｍの粉末はんだである、請求項１〜７のいずれかに記載の接合材。   The bonding material according to claim 1, wherein the solder material is a powder solder having an average particle diameter of 25 to 40 μm. フラックスをさらに含み、ペースト状である、請求項８に記載の接合材。   The bonding material according to claim 8, further comprising a flux and having a paste shape. 半導体ダイの電極と、リードフレームもしくは基板電極との間に、請求項１〜９のいずれかに記載の接合材を用いた接合層を備えてなる半導体装置。   A semiconductor device comprising a bonding layer using the bonding material according to claim 1 between an electrode of a semiconductor die and a lead frame or a substrate electrode. 前記接合層において、前記導電性粒子が、前記半導体ダイの電極と前記リードフレームもしくは基板電極とに接して導電経路を形成している、請求項１０に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 10, wherein in the bonding layer, the conductive particles form a conductive path in contact with the electrode of the semiconductor die and the lead frame or the substrate electrode.
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