连接材料和半导体装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 本发明是申请号为2009801151612 (国际申请号为PCT/JP2009/058375)、申请日 为2009年4月28日、发明名称为"连接材料和半导体装置"的发明申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种导热性和粘接性优异的连接材料以及使用它的半导体装置。更 详细地，涉及一种非常适合用于把IC、LSI、发光二极管（LED)等半导体元件粘接于引线框 (leadframe)、陶瓷配线板、玻璃环氧树脂配线板、聚酰亚胺配线板等基板上的连接材料以 及使用它的半导体装置。
【背景技术】
[0003] 作为在制造半导体装置的时候、使半导体元件和引线框（支撑部件）连接的方法， 有使银粉等填充剂分散于环氧系树脂、聚酰亚胺系树脂等树脂中形成糊状（例如，银糊）、 将其作为粘接剂来使用的方法。
[0004] 根据该方法，使用分散机、印刷机、压印机等，在把糊状粘接剂涂布于引线框的芯 片焊垫（diepad)之后，把半导体元件芯片焊接（diebonding)，通过加热固化来粘接而形 成半导体装置。
[0005] 该半导体装置进一步通过封固材料封固外部、进行半导体封装之后，在配线基板 上进行钎焊来实施安装。最近的安装，因为要求高密度以及高效率，所以对于焊锡安装来 说，把半导体装置的引线框直接钎焊在基板上的表面安装法是主流。
[0006] 在该表面安装中，使用通过红外线等来加热整个基板的回流焊接，封装被加热到 200°C以上的高温。此时，如果在封装的内部，特别是在粘接剂层中有水分存在时，该水分会 气化而返回至芯片焊垫和封固材料之间，在封装中引起开裂（回流开裂）。
[0007] 由于该回流开裂使半导体装置的可靠性显著降低，所以一直是深刻的问题和技术 课题，对于在半导体元件和半导体支撑部件之间的粘接中经常使用的粘接剂，首先要求的 是高温时的粘接强度的可靠性。
[0008] 另外，近年来，伴随着半导体元件的高速化、高集成化的发展，除了以前所要求的 粘接强度等的可靠性之外，为了确保半导体装置的动作稳定性，还要求高放热特性。即，为 了解决上述技术课题，寻求一种用于接合放热部件（引线框）和半导体元件的粘接剂的连 接材料，其兼备高粘接强度和高导热性。
[0009] 另外，以前的导电性粘接剂中金属粒子彼此接触，作为实现放热性比该以前的导 电性粘接剂高的手段之一，有人提出了使用烧结性优异的平均粒径为0. 1ym以下的金属 纳米粒子，使金属微粒在200°C以下的高温下烧结的那样的导电性粘接剂。上述现有技术记 载于例如专利文献1~5。
[0010] 以前，作为确保粘接剂的高导热性的方法，采取的方法是高填充热导率高的银粒 子。另外也有的例子是：通过使用低熔点金属、用金属结合使得热导通路形成以及与粘附体 金属化，确保高热传导化以及室温下的强度。进一步地，使用金属纳米粒子的导电性粘接剂 的研宄也正在进行。
[0011] 先前技术文献
[0012] 专利文献
[0013] 专利文献1:日本特开2006-073811号公报
[0014] 专利文献2 :日本特开2006-302834号公报
[0015] 专利文献3:日本特开2005-093996号公报
[0016] 专利文献4:日本特开平11-066953号公报
[0017] 专利文献5:日本特开2006-083377号公报
【发明内容】
[0018] 发明所要解决的课题
[0019] 但是，就以前的高填充热导率高的银粒子的方法而言，为了确保近年来的电源 IC(power1C)、LED中所需要的20W/m?K以上的热导率，就需要非常大量的银粒子（银粒 子的填充量为95重量份以上）。
[0020] 在银粒子填充量变多的情况下，由于粘度上升，产生的问题是：分配时产生拉丝 等、难以确保操作性；在为了确保操作性而大量添加溶剂的情况下，产生的问题是：产生空 隙或者残留溶剂引起粘接强度的降低。
[0021] 另外，关于使用低熔点金属、通过金属结合形成热导通路以及与粘附体金属化的 方法而言，在把电源1C或者LED等PKG安装在基板上的情况下，在回流炉内暴露于260°C， 存在的问题是：由于该热历程，使得接合部再熔融、不能够得到连接可靠性。
[0022] 进一步地，关于使用金属纳米粒子的方法而言，虽然可以避免接合部的再熔融的 问题，但是存在的问题是：为了制作纳米尺寸的金属粒子需要花费很多的成本；为了得到 金属纳米粒子的分散稳定性需要大量的表面保护材料，为了烧结金属纳米粒子必须施加 200°C以上的高温、载荷等。
[0023] 因此，本发明的目的是提供一种即使在不施加载荷并且200°C以下的固化温度下 进行接合的情况下，也具有高的热导率，而且即使在260°C对固化物进行加热的情况下，也 具有充分的粘接强度的连接材料以及使用它的半导体装置。
[0024] 解决问题的手段
[0025] 鉴于上述情况，本发明提供一种连接材料，其含有金属粒子，所述金属粒子用X射 线光电子能谱法测定的氧的状态比率为小于15%。根据该连接材料，即使在不施加载荷并 且200°C以下的固化温度下进行接合的情况下，也具有高的热导率，而且即使在260°C对固 化物进行加热的情况下，也具有充分的粘接强度。
[0026] 优选地，上述金属粒子是：实施了除去其表面的氧化膜的处理以及实施了利用表 面保护材料的表面处理的金属粒子。
[0027] 优选地，上述金属粒子的平均粒径为0. 1ym~50ym;另外，优选为在200°C以下 烧结的金属粒子。
[0028] 优选地，本发明的连接材料进一步含有挥发性成分和粘合剂成分。
[0029] 另外，本发明提供一种连接材料，其是含有粘合剂（A)、填料（B)以及添加剂（C)的 连接材料，把填料（B)和添加剂（C)按照与在连接材料中的重量比相同的重量比来进行混 合、加热成型而得到的成型体的热导率为40W/m?K以上。根据该连接材料，能够具有操作 性优异的粘度、维持粘接强度并且实现热导率的提高。
[0030] 另外，上述"加热成型"是指，在成型为规定的大小之后在180°C下加热处理1小 时；另外上述"热导率"是指，通过在实施例中记载的方法进行测定所得到的热导率。
[0031] 优选地，上述添加剂（C)的含有量相对于100重量份的粘合剂（A)为1~100重 量份。
[0032]另外，本发明还提供一种半导体装置，其具有的结构是：通过上述本发明的连接材 料，半导体元件和半导体元件搭载用支撑部件被连接在一起。
[0033] 发明效果
[0034] 根据本发明，能够提供一种即使在不施加载荷并且200°C以下的固化温度下进行 接合的情况下，也具有高的热导率，而且即使在260°C对固化物进行加热的情况下，也具有 充分的粘接强度的连接材料以及使用它的半导体装置。这样的连接材料非常适合用作导电 性连接材料、导热性粘接剂或者芯片焊接材料。
【附图说明】
[0035] 图1是对表面的氧化膜少的金属粒子实施了利用表面保护材料的表面处理的金 属粒子的示意图；
[0036] 图2是表示图1所示的金属粒子的表面保护材料脱离、金属粒子彼此烧结后的状 态的不意图；
[0037] 图3是对表面的氧化膜多的金属粒子实施了利用表面保护材料的表面处理的金 属粒子的示意图；
[0038] 图4是表示：虽然图3所示的金属粒子的表面保护材料脱离、但是金属粒子彼此不 能够烧结的状态的示意图；
[0039] 图5是对氧化膜多的金属粒子实施了除去表面的氧化膜的处理以及实施了利用 表面保护材料的表面处理的金属粒子的示意图；
[0040] 图6是表示图5所示的金属粒子的表面保护材料脱离、金属粒子彼此烧结后的状 态的不意图；
[0041] 图7是表示本发明的半导体装置的一例的截面示意图；
[0042] 图8是表示本发明的半导体装置的另一例的截面示意图。
【具体实施方式】
[0043] 本发明的连接材料是含有用X射线光电子能谱法测定的氧的状态比率为小于 15%的金属粒子的连接材料。
[0044] 在上述金属粒子中，氧的状态比率优选为小于10%，更优选为小于5%。
[0045] 作为X射线光电子能谱法的分析装置，可以使用例如SurfaceScience Instrument公司的S-ProbeESCAModel2803,把AIKa射线用于照射X射线。所谓"状态 比率"是测定样品中的特定元素的浓度，用根据元素的强度通过使用装置附属的相对灵敏 度系数算出的值来表示。另外，用X射线光电子能谱法测定的金属粒子的氧的状态比率，作 为金属粒子表面上的氧化膜的量的指标。
[0046] 作为上述金属粒子，可以使用各种公知的金属粒子。可以举出例如：金、钼、银、铜、 镍、钯、铁、铝等导电性的粉体等，另外，这些金属粒子可以单独使用或者组合使用两种以 上。其中，从价格、导电性以及导热性等方面考虑，银和铜是特别优选的。
[0047]就上述金属粒子而言，平均粒径优选为0. 1ym~50ym。如果是小于0. 1ym的粒 子，则制造上的成本有变大的倾向；对于超过50ym的粒子而言，具有的倾向是：粒子间的 空隙大、热导率下降
[0048] 对于上述金属粒子而言，优选为：实施了除去其表面的氧化膜的处理以及实施了 利用表面保护材料的表面处理的金属粒子。
[0049] 通过使用这样的金属粒子，能够得到上述本发明的效果，其理由还未必清楚，下面 根据图1~6的示意图来说明本发明人们的研宄。
[0050] 首先，在对表面的氧化膜少的金属粒子实施了利用表面保护材料的表面处理的情 况下，认为是图1中所示的那样的状态。即，认为状态是：在本体金属3上存在有少许残留 的氧化膜2,并且除了氧化膜2之外，表面保护材料1覆盖着本体金属3。
[0051] 在这种情况下，通过在200°C以下加热，如图2所示的那样，因为表面保护材料1脱 离、活性的本体金属3的表面露出，所以该活性表面与其他金属粒子的活性表面接触，由此 烧结得到促进，从而形成由金属粒子彼此之间的金属结合而成的通路。认为含有这样的金 属粒子的连接材料，即使在200°C以下加热的情况下，也具有高的热导率。
[0052] 另一方面，在如图3所示的那样的氧化膜2多的金属粒子的情况下，认为：在 200°C以下加热时，虽然如图4所示，表面保护材料1脱离，但是由于金属粒子的表面被氧化 膜2广泛地覆盖着，所以金属粒子之间难以发生烧结。
[0053]与此相对，即使在使用氧化膜2多的金属粒子的情况下，如果实施了除去表面的 氧化膜2的处理以及实施了利用表面保护材料的表面处