芯片接合用导电性糊及利用该导电性糊的芯片接合方法
【专利摘要】本发明为一种导电性糊，其为由金属粉末和有机溶剂构成的芯片接合用导电性糊，其中，所述金属粉末由选自纯度为99.9质量％以上、平均粒径为0.01μm～1.0μm的银粉、钯粉、铜粉中的一种以上的金属粒子和包覆所述金属粒子的至少一部分的由金构成的包覆层构成。根据本发明的导电性糊，在将半导体元件等往衬底上进行芯片接合时，能够抑制在接合部产生空隙等缺陷。
【专利说明】芯片接合用导电性糊及利用该导电性糊的芯片接合方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及适用于半导体芯片往衬底上的芯片接合、倒装芯片接合的导电性糊及使用该导电性糊的接合方法。特别是涉及即使在高温下经过长时间也不会在接合部内产生空隙的耐久性优良的导电性糊。
【背景技术】
[0002]作为将各种半导体芯片往衬底上进行芯片接合的方法，一直以来，使用钎料的方法广为人知。该芯片接合法中，在半导体芯片或衬底中的任意一种上熔合钎料后，在衬底上载置半导体芯片，加热至钎料的熔点以上的温度，使钎料熔融、凝固。此时的加热温度(接合温度)考虑所使用的钎料的熔点来设定。例如，作为近年来在芯片接合中通常使用的钎料，已知有AuSn系钎料，但其熔点为约280°C，因此，多数情况下将接合温度设定为300°C以上的温度。
[0003]芯片接合时的接合温度优选设定为低温。这是由于，如果将接合温度设定为高温，则在接合后的冷却时产生的热应力增大，半导体芯片的电特性有可能产生变动。另外，接合时的加热本身也有可能对半导体芯片的特性产生影响。因此，为了实现半导体芯片的芯片接合的低温化，作为代替以往利用钎焊的芯片接合法的方法，已知使用含有由银等导电性金属构成的金属粉末的导电性糊的芯片接合法(专利文献1、2)。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开平11-26480号公报
[0007]专利文献2:日本特开2002-158390号公报
【发明内容】
[0008]发明所要解决的问题
[0009]这些利用导电性糊的芯片接合法与以往的利用钎料的芯片接合法相比，可以在低温下进行接合，接合强度也充分，而且，糊的处理性也良好，因此是近年来广泛加以利用的方法。
[0010]但是，根据本发明人的研究，在上述使用以往的导电性糊的芯片接合法中，在高温环境下有时会在接合部产生缺陷。该缺陷是在作为被接合材料之间的接合部的固化后的导电性糊中产生的空隙。该空隙存在特别是在被接合构件暴露于高温的环境下产生的倾向，并随时间推移而生长，最终也有可能引起剥离。这样的缺陷不会经常产生，但当然应该将其排除。
[0011]本发明以上述问题作为背景，提供能够抑制如上所述的缺陷产生的用于将半导体元件等往衬底上进行芯片接合的导电性糊。
[0012]用于解决问题的方法
[0013]本发明人为了解决上述问题，首先，对利用以往的导电性糊的接合工艺中产生的上述缺陷的性状及其产生原因进行了研究。首先，将该研究结果与图1一起进行说明。图1是对以往的接合工艺中刚进行接合后的接合部和将其高温加热时的接合部的状态进行说明的图。在利用导电性糊的接合工艺中，随着接合时的加压，使金属粒子进行伴随再排列的致密化和接着伴随塑性变形(剪切变形)的致密化，由此形成接合部。此时的接合部如图1 (a)所示为比较致密的状态，但各金属粒子不会完全一体化而呈在粒子间残留有空隙的状态。
[0014]而且，该接合部受到高温加热时，金属粒子间的扩散进行，金属粒子更紧密地接合，但如果其在所有金属粒子之间都均匀地产生，则接合部变得进一步致密化，不会成为问题，但实际上未必如此。这是由于，在金属粒子表面上形成包含氧化物、硫化物的被膜。在金属粒子表面上具有氧化物等的被膜的情况下，金属粒子间的接合状态变得不均匀，如图1(b)所示局部地形成空隙。本发明人发现，在该高温环境下产生的金属粒子间的接合状态的偏差成为空隙的主要原因。
[0015]由上述研究结果可以确认如下方面。即，如上所述的空隙产生是将接合部加热至高温而产生、在这样的环境下在所使用的半导体元件显著产生的现象。另外，如果金属粒子的接合变得不均匀的主要原因在于在金属粒子表面上具有氧化物、硫化物，则可以说只要是由耐腐蚀性优良的金属粉构成的导电性糊就不易产生不均匀接合。
[0016]但是，由于接合部的缺陷产生而无法限定半导体元件的利用范围。另外，关于导电性糊的金属粒子的构成材料，只要是耐腐蚀性优良的金，则也不会产生上述缺陷。本发明人也确认了这一点。但是，例如，银这样的金属虽然容易氧化、硫化，但导电性优良并且在成本方面比金更优良，也需要有效利用这样的金属。因此，本发明人想到了本发明作为改善金属粒子的耐腐蚀性、抑制接合后的高温加热所引起的空隙产生的预定金属的导电性糊。
[0017]S卩，本发明为一种导电性糊，其为由金属粉末和有机溶剂构成的接合用导电性糊，其中，上述金属粉末由选自纯度为99.9质量％以上、平均粒径为0.Ο?μπι?Ι.Ομπι的银粉、钯粉、铜粉中的一种以上的金属粒子和包覆上述金属粒子的至少一部分的由金构成的包覆层构成。
[0018]本发明中，在由银、钯、铜构成的金属粒子的表面上形成用于提高耐腐蚀性的由金构成的包覆层而构成金属粉末，由此，可抑制金属粉末的氧化、硫化等，使芯片接合后受到高温加热时的接合部的粒子间接合变得均匀。以下，对本发明更加详细地进行说明。
[0019]本发明中的构成金属粉末的金属粒子由选自纯度为99.9质量％以上、平均粒径为0.01 μ m?1.0 μ m的银粉、钯粉、铜粉中的一种以上的金属构成。作为金属粒子的纯度，要求99.9质量％以上的高纯度是由于，纯度低时，粉末的硬度升高，在芯片接合时的接合部形成时难以产生塑性变形。另外，关于金属粉的平均粒径，是由于:对于粒径超过1.0μ m的金属粉而言，在芯片接合时发生再排列时难以表现出理想的靠近状态。另一方面，以0.Ο?μπι作为下限认为是由于，在粒径小于该粒径时，制成糊时容易凝聚，难以进行处理。而且，使该构成金属为银、钯、铜中的任意一种是由于，这些金属的导电性良好。而且是由于，这些金属比较容易腐蚀，表现出本发明的包覆层的效果。
[0020]而且，选择金作为包覆该金属粒子的材料是由于，耐腐蚀性优良，对抑制金属粒子的腐蚀有效。在此，包覆层的厚度优选设定为0.002 μ m?0.3 μ m。这是由于，小于0.002 μ m时，不具有该效果，超过0.3 μ m时，效果没有差异，使金属粒子的价格升高。另外，包覆层只要包覆金属粒子的至少一部分就可表现出效果，而并不总是要求对全部金属粒子包覆其整个表面。这是因为，即使是部分包覆，能够进行金属粒子之间的扩散的接触点也会增加，结果，能够减小金属粒子间的接合状态的偏差。具体而言，优选相对于金属粉末整体的体积存在0.5?30体积％的金。
[0021]作为包覆层的形成方法，可以采用镀覆法、溅射法等薄膜形成方法。如上所述的包覆层优选在极薄的范围内进行厚度控制，为此，采用镀覆法等薄膜形成方法是恰当的。特别优选利用化学镀法等镀覆法的方法。
[0022]本发明的导电性糊通过将上述金属粉末分散到有机溶剂中而形成。作为导电性糊的有机溶剂，优选为酯醇、萜品醇、松油、丁基卡必醇乙酸酯、丁基卡必醇、卡必醇。例如，作为优选的酯醇类有机溶剂，可以列举2，2，4-三甲基-3-羟基戊二醇单异丁酸酯(C12H24O3)。这是由于，本溶剂可以在比较低的温度下干燥。
[0023]导电性糊中的金属粉末的含量优选设定为70?99质量％。这是由于,低于70质量％时，接合所需的金属不足，无法形成致密的接合部。另外，超过99质量％时，糊的粘性变得过高，处理性产生障碍。
[0024]另外，本发明的导电性糊中，除了含有上述有机溶剂之外，还可以含有选自丙烯酸类树脂、纤维素类树脂、醇酸树脂中的一种以上。进一步加入这些树脂等时，可防止导电性糊中的金属粉的凝聚而变得更均匀，可以形成接合部。另外，作为丙烯酸类树脂，可以列举甲基丙烯酸甲酯聚合物，作为纤维素类树脂，可以列举乙基纤维素，作为醇酸树脂，可以列举邻苯二甲酸酐树脂。其中，特别优选乙基纤维素。
[0025]接着，对本发明的利用导电性糊的芯片接合法进行说明。本发明的芯片接合法基本上与上述使用以往的导电性糊的方法同样。即，一种芯片接合方法，其为将作为接合构件的半导体元件等往衬底上进行芯片接合的方法，其中，包括:在上述衬底或上述接合构件上涂布本申请的导电性糊的工序；和在衬底上配置接合构件后，在从单向或双向进行加压的同时进行加热来进行接合的工序。
[0026]导电性糊的涂布工序没有特别限定，可以对应于被接合构件的尺寸而使用例如旋涂法、丝网印刷法、喷墨法、在滴加糊后用刮刀等展开的方法等各种方法。
[0027]然后，在涂布导电性糊后，载置其他的接合构件并进行加热和加压。通过加热和加压，在糊中的金属粒子之间、以及接合构件的接合面与金属粒子之间形成相互进行点接触的靠近状态，从而使作为接合部的形状稳定。该加热温度优选设定为80?300°C。这是由于，低于80°C时，不会发生点接触。另一方面是由于，将温度设定为超过300°C时，金属粉末之间的结合过度进行，产生金属粉末间的颈缩而牢固地结合，形成过硬的状态。另夕卜，超过300°C的加热可能会使衬底产生变形或热影响。而且，优选将接合时的加压设定为0.5MPa?50MPa。这是由于，在低于0.5MPa的范围内，无法使导电性糊粘附在整个被接合面上，在高于50MPa的范围内，观察不到接合状态的进一步的改善。
[0028]另外，该芯片接合方法中，可以在加热的基础上施加超声波。通过加热或加热与超声波的组合，能够促进金属粉末的塑性变形及结合，能够形成更牢固的接合部。在施加超声波的情况下，其条件优选设定为振幅0.5?5 μ m、施加时间0.5?3秒。这是由于，施加过大的超声波会损害接合构件。芯片接合工序中的上述加热及超声波施加，出于其目的而至少对接合部进行即可，也可以对接合构件整体进行。作为加热的方法，利用来自对接合构件进行加压时的工具的传热是简便的方法。同样地，关于超声波的施加，利用对接合构件进行加压的工具使其进行超声波振荡是简便的方法。
[0029]发明效果
[0030]如上所说明的那样，根据本发明的芯片接合用导电性糊，即使在高温加热下也能够维持接合部的完好性而不会使空隙产生、生长，从而能够提高其耐久性。本发明中，能够将各种接合构件在比较低的温度下进行接合，并且能够保护接合构件免受接合后的冷却过程中的热应力的影响，因此，在将担心热应力的影响的半导体芯片等往衬底上进行接合时是有用的，可以应用于该芯片接合、倒装芯片接合等。而且，即使在高温下接合部也稳定，因此，在关于功率器件等的芯片接合中是特别有用的。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是对使用以往的导电性糊的接合工艺的接合部的状态进行说明的示意图。
[0032]图2是第一实施方式及比较例的接合部的SAT观察照片。
[0033]图3是1000次循环后的比较例的接合部断面的SEM照片。
[0034]图4是热处理200小时后的比较例的接合部的SAT观察照片。
[0035]图5是热处理200小时后的比较例的接合部的断面观察的SEM照片。
【具体实施方式】
[0036][第一实施方式]:
[0037]在此，制造使在金属粒子上形成有由金构成的包覆层的金属粉末分散而得到的导电性糊，使用该导电性糊将Si芯片往半导体衬底上进行芯片接合，对接合部的完好性进行研究。
[0038]导电件糊的制诰:
[0039]在通过湿式还原法制造的纯度为99.9质量％的银粉(平均粒径:0.3 μ m)上包覆金作为包覆层。包覆层的形成通过化学镀法来进行。具体而言，作为镀覆液，使用非氰系的置换型化学镀金液。金源使用以金浓度计含有5g/L的亚硫酸金的镀覆液。作为预处理，利用稀释硫酸进行银粉表面的氧化物和硫化物的除去，作为镀覆条件，设定为镀覆温度70°C，向镀覆液中投入银粉，进行I小时的处理，在银粉表面上形成金层。包覆层的平均厚度为O-Olum0该包覆层的厚度的计算中，以通过荧光X射线膜厚法(XRF)对在相同条件下在银板上镀覆时的金膜厚度进行测定而得到的结果作为基准。
[0040]然后，将这样制造的金属粉末混合到作为有机溶剂的酯醇(2，2，4-三甲基-3-羟基戊二醇单异丁酸酯(C12H24O3))中，制造导电性糊(金属粉末的含量为90质量％)。
[0041]梓合试骀:
[0042]准备在陶瓷上接合有铜箔(0.15mm)的厚度0.6mm的DBC衬底(Direct BondingCopper衬底，直接覆铜衬底)和作为接合构件的Si芯片。在DBC衬底上的铜箔及Si芯片的表面上预先形成有Ti (50nm)、Pt (50nm)、Au (200nm)的派射膜。
[0043]在DBC衬底上涂布上述导电性糊后，载置Si芯片(2mm见方)，以5MPa进行加压后，以1°C /分钟升温至300°C并保持10分钟，进行接合。
[0044][比较例]:
[0045]第一实施方式中的导电性糊的制造工序中，在银粉末上不镀金而直接与有机溶剂混合，制造导电性糊。然后，在与第一实施方式同样的工序中，在DBC衬底上接合Si芯片。
[0046]接合部评价试验(加热循环试验):
[0047]对第一实施方式及比较例中进行芯片接合后的带Si芯片的DBC衬底进行加热循环试验，考察空隙产生、剥离的有无。在该试验中，将衬底在_40°C保持5分钟后，在200°C保持5分钟，将上述操作作为I次循环，反复进行1000次循环，对试验前后的衬底面进行超声波探伤观察(SAT)。另外，对1000次循环后的芯片/衬底接合部进行断面观察。
[0048]图2示出了加热循环后的第一实施方式及比较例的SAT观察的结果。在比较例中，从循环初期(O次)的阶段开始观察到线状的空隙产生，在1000次循环后从Si芯片的外周产生剥离。相对于此，在第一实施方式中，在循环初期的阶段，线状的空隙产生少，在1000次循环后也仅观察到从Si芯片的外周极其轻微地剥离。
[0049]图3是对1000次循环后的比较例的接合部断面拍摄的SEM照片。如图3所示，自Si芯片外周起的裂纹在接合材料内部传播，认为其导致芯片的剥离。另外，在裂纹前端附近存在多个空隙，因此，推测这些空隙诱导裂纹。
[0050]接合部评价试验(持续加热试验):
[0051]接着，对第一实施方式及比较例中进行芯片接合后的带Si芯片的DBC衬底确认在长时间(200小时)加热时有无空隙产生。在该试验中，对各衬底在300°C下加热200小时，对加热后的衬底进行SAT观察、断面观察。
[0052]图4示出了持续加热试验后的SAT观察的结果。比较例中，经过200小时后在芯片的下半部分产生剥离。另一方面，第一实施方式的衬底中，没有观察到剥离。另外，图5是加热后的比较例的接合部断面的观察结果。在应当位于接合部中央的银粉末之间发生了分离，结果判断形成了连续的空隙。
[0053]根据以上的针对接合部的两个加热试验的结果，可以说通过形成金层并提高银粉末之间的粘附性，可抑制空隙的产生，从而确保接合部的完好性。比较例中空隙的产生与图1(b)所示的模型类似，在金属粒子表面上形成有氧化物等的被膜的情况下，金属粒子间的接合状态变得不均匀，结果确认到在高温环境下产生空隙。
[0054][第二实施方式]:
[0055]在此，准备调节了包覆层的厚度的两种金属粉末(银粉末、铜粉末)，制造导电性糊，对取决于包覆层的比例的接合部完好性进行研究。金属粉末的制造与第一实施方式同样，改变作为包覆层的金的镀覆条件，并达到0.001 μ m、0.002 μ m、0.005 μ m、0.05 μ m、0.1 μ m、0.3 μ m的厚度。关于包覆层的厚度，改变镀覆条件，使镀覆液的金浓度为2?1g/L，设定为镀覆温度60?90°C、镀覆时间I?2小时来进行处理。另外，导电性糊的制造也与第一实施方式同样。另外，同样地，将Si芯片接合在DBC衬底上。Si芯片与DBC衬底的接合部的完好性评价中，对于在300°C下加热200小时前后的衬底，使用芯片接合试验仪测定接合部的剪切强度(加压力5MPa)。将该测定结果示于表I。
[0056]表I
[0057]
剪切强度 (MPa》1 Η.H度银，未I
β刚接合后加热Il刚接+作后加热Jif
0.0Ol285248
0.00228272524
0.00530332730
0.0529402 635
0.131422536
0.330412736
[0058]由表I可知，对于包覆层(金层)的厚度为0.001 μ m的银粉末而言，通过加热使接合部的剪切强度大幅降低。另一方面，对于金膜厚度为0.002 μ m以上的银粉末而言，没有观察到剪切强度的降低。相反，在为0.005 μ m以上时观察到剪切强度升高的倾向。认为这是由于，通过高温加热使结合部变得更致密，并且认为这样的致密化通过形成包覆层而实现。以上的倾向对于铜粉末而言也得到了相同的倾向，通过形成一定膜厚以上的金膜，可以说能够确保稳定性优良的接合状态。另外，如果使金膜形成得较厚，则会引起金属粒子的价格上升，因此，如果考虑成本方面，则认为包覆层的厚度优选为0.002 μ m?0.3 μ m,更优选为 0.002 μ m ?0.05 μ m。
[0059]产业上的可利用性
[0060]根据本发明的芯片接合用导电性糊，即使受到高温加热也能够形成不易使空隙产生、生长的接合部。本发明可以应用于半导体芯片等的芯片接合、倒装芯片接合等，特别是对于在高温环境下使用的功率器件的芯片接合有用。
【权利要求】
1.一种导电性糊，其为由金属粉末和有机溶剂构成的芯片接合用导电性糊，其中，所述金属粉末由选自纯度为99.9质量％以上、平均粒径为0.0lym?1.0ym的银粉、钯粉、铜粉中的一种以上的金属粒子和包覆所述金属粒子的至少一部分的由金构成的包覆层构成。
2.如权利要求1所述的芯片接合用导电性糊，其中，包覆层的厚度为0.002μπι?0.3 μ m0
3.如权利要求1或2所述的芯片接合用导电性糊，其中，构成包覆层的金属粒子的含量相对于糊重量的比例为70?99质量％。
4.一种芯片接合方法，其为将接合构件往衬底上进行芯片接合的方法，其包括: 在所述衬底或所述接合构件上涂布权利要求1?3中任一项所述的导电性糊的工序；和 在衬底上配置接合构件后，在从单向或双向进行加压的同时进行加热来进行接合的工序。
5.如权利要求4所述的芯片接合方法，其中，接合时的加热温度为80?300°C的温度。
【文档编号】H01L21/52GK104205312SQ201380017110
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月21日 优先权日:2012年3月29日
【发明者】小柏俊典, 盐屋晶和, 宫入正幸 申请人:田中贵金属工业株式会社