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技術 基材との接合面が表面処理された半導体、および銅粉ペーストによる接合方法

出願人 JX金属株式会社
発明者 古澤秀樹
出願日 2016年3月31日 (3年5ヶ月経過) 出願番号 2016-073381
公開日 2017年10月5日 (1年11ヶ月経過) 公開番号 2017-183676
状態 特許登録済
技術分野 ダイボンディング 粉末冶金 半導体または固体装置の組立体
主要キーワード 初期接合強度 金属粉ペースト SiCチップ 接合強度試験 気体窒素 DCB基板 スパッタリング層 マイクロコンタクト
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年10月5日)のものです。
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課題

銅粉ペーストによって半導体基材とを接合し、十分な接合強度を達成る手段を提供する。

解決手段

接合材料として銅粉ペーストを使用し、半導体の、接合材との接合面側に、最表層から順に、Cu又はCu合金の層、Ni又はNi合金の層、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層を形成する。

概要

背景

パワーデバイス電力変換用素子として、エアコン用インバータや送変電など幅広い分野で使用されている。従来はSiチップデバイスで対応できたが、高耐圧、大電流用途高速動作が求められる分野では、Siよりもバンドギャップが大きいSiC、GaN等が近年注目を浴びている。

従来のパワーモジュールでは動作温度がせいぜい170℃程度であったが、次世代型のSiC、GaN等では200℃を超える可能性がある。これに伴い、これらチップを搭載したモジュールに使用される各材料には耐熱性放熱性が求められている。

接合材料に関して、Pbフリーの観点でCu−Ag−Snはんだが好ましいが、次世代型モジュールでは動作温度が200℃を超える可能性があるので、融点が210〜220℃であるこのはんだは溶融してしまう可能性がある。Pbはんだであれば次世代型モジュールの動作温度には対応しうるが、環境規制の観点から好ましくない。また、はんだは使用環境の温度によって、被接合材との間で金属拡散が進行する。はんだに含まれる金属成分によっては、拡散速度に差が生じ、接合界面にカーケンダルボイドが発生する。これは接合強度劣化、すなわちパワーモジュールの信頼性低下につながる。

そこで、近年次世代型モジュールの接合材料として金属粉ペーストが注目されている。金属粉のサイズが小さいので、表面エネルギーが高く、これを利用してその金属の融点よりも低い温度で焼結が始まる。そして、はんだとは異なり、いったん焼結すれば、その金属の融点近くまで昇温しないと再溶融しない。このような特性を生かし、銀粉ペーストの開発が進んでいる(特許文献1)。

概要

銅粉ペーストによって半導体基材とを接合し、十分な接合強度を達成る手段を提供する。接合材料として銅粉ペーストを使用し、半導体の、接合材との接合面側に、最表層から順に、Cu又はCu合金の層、Ni又はNi合金の層、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層を形成する。なし

目的

本発明の目的は、銅粉ペーストによって半導体と基材とを接合する手段を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

接合材との接合面側に、最表層から順に、Cu又はCu合金の層、Ni又はNi合金の層、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層を有する、半導体

請求項2

Cu又はCu合金の層が厚み換算で1μm以下、Ni又はNi合金の層が厚み換算で1μm以下、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層が厚み換算で1μm以下である、請求項1に記載の半導体。

請求項3

半導体が、ワイドギャップ半導体である、請求項1〜2のいずれかに記載の半導体。

請求項4

半導体の接合面側に、乾式成膜法で、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層、Ni又はNi合金の層、Cu又はCu合金の層を順に形成して、半導体の接合面を調製する工程、を含む、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体を製造する方法。

請求項5

半導体の接合面側に、乾式成膜法で、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層、Ni又はNi合金の層、Cu又はCu合金の層を順に形成して、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体を調製する工程、調製された半導体の接合面を、銅粉ペーストによって基材に接合する工程、を含む、半導体実装品を製造する方法。

請求項6

調製された半導体の接合面を、銅粉ペーストによって基材に接合する工程が、調製された半導体の接合面を、基材上に塗工された銅粉ペーストと接触させて焼成して、基材に接合する工程、又は調製された半導体の接合面上に塗工された銅粉ペーストを、基材と接触させて焼成して、基材に接合する工程、である、請求項5に記載の方法。

請求項7

半導体実装品が、パワーモジュールである、請求項5〜6のいずれかに記載の方法。

請求項8

請求項1〜3のいずれかに記載の半導体、基材、及び半導体の接合面と基材とを接合する接合層、を含んでなる、半導体実装品。

請求項9

接合層が、焼成された銅粉ペーストからなる接合層である、請求項8に記載の半導体実装品。

請求項10

半導体実装品が、パワーモジュールである、請求項8〜9のいずれかに記載の半導体実装品。

技術分野

0001

本発明は、基材との接合面が表面処理された半導体、および銅粉ペーストによる接合方法に関する。

背景技術

0002

パワーデバイス電力変換用素子として、エアコン用インバータや送変電など幅広い分野で使用されている。従来はSiチップデバイスで対応できたが、高耐圧、大電流用途高速動作が求められる分野では、Siよりもバンドギャップが大きいSiC、GaN等が近年注目を浴びている。

0003

従来のパワーモジュールでは動作温度がせいぜい170℃程度であったが、次世代型のSiC、GaN等では200℃を超える可能性がある。これに伴い、これらチップを搭載したモジュールに使用される各材料には耐熱性放熱性が求められている。

0004

接合材料に関して、Pbフリーの観点でCu−Ag−Snはんだが好ましいが、次世代型モジュールでは動作温度が200℃を超える可能性があるので、融点が210〜220℃であるこのはんだは溶融してしまう可能性がある。Pbはんだであれば次世代型モジュールの動作温度には対応しうるが、環境規制の観点から好ましくない。また、はんだは使用環境の温度によって、被接合材との間で金属拡散が進行する。はんだに含まれる金属成分によっては、拡散速度に差が生じ、接合界面にカーケンダルボイドが発生する。これは接合強度劣化、すなわちパワーモジュールの信頼性低下につながる。

0005

そこで、近年次世代型モジュールの接合材料として金属粉ペーストが注目されている。金属粉のサイズが小さいので、表面エネルギーが高く、これを利用してその金属の融点よりも低い温度で焼結が始まる。そして、はんだとは異なり、いったん焼結すれば、その金属の融点近くまで昇温しないと再溶融しない。このような特性を生かし、銀粉ペーストの開発が進んでいる(特許文献1)。

先行技術

0006

国際公開公報WO2011/155055号

発明が解決しようとする課題

0007

銀粉ペーストは優れた接合材料となるが、材料コストの観点で不利である。一方、銅粉ペーストは材料コストの観点から有利である。したがって、本発明の目的は、銅粉ペーストによって半導体と基材とを接合する手段を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

本発明者は、この銅粉ペーストを接合材料として使用して、半導体と基材とを接合する手段を鋭意研究してきた。しかし、銀粉ペーストに使用するために提案されてきた従来の半導体構造のチップに対して、単に銀粉ペーストに代えて銅粉ペーストを使用しただけでは、接合強度は不十分であった。これは銅粉ペーストの組成を変更しても同様であった。そこで、むしろ半導体の接合面に表面処理を行って、銅粉ペーストによって十分な接合強度を達成するという着想に至った。すなわち、チップの接合のように非常に弱い拡散条件でも十分な接合強度を得るために、チップ側の接合面にCu層を設ける着想に至った。

0009

しかし、本発明者の洞察によれば、従来の銀粉ペーストのために提案されてきたAg層代替して、単にCu層を設けただけでは、Cu層とチップとの間にNi層を設けてあっても、チップ側にCuが拡散し、チップの機能を低下させる可能性が生じる。

0010

本発明者は、半導体のチップ側に適切な表面処理を行うことによって、銅粉ペーストによっても十分な接合強度が得られ、チップ側へのCu拡散の可能性を回避でき、繰り返し高温にさらされる条件下でも接合強度が維持される(熱劣化耐性を有する)ことを見いだして、本発明に到達した。

0011

したがって、本発明は以下の(1)以下を含む。
(1)
接合材との接合面側に、最表層から順に、Cu又はCu合金の層、Ni又はNi合金の層、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層を有する、半導体。
(2)
Cu又はCu合金の層が厚み換算で1μm以下、Ni又はNi合金の層が厚み換算で1μm以下、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層が厚み換算で1μm以下である、(1)に記載の半導体。
(3)
半導体が、ワイドギャップ半導体である、(1)〜(2)のいずれかに記載の半導体。
(4)
半導体の接合面側に、乾式成膜法で、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層、Ni又はNi合金の層、Cu又はCu合金の層を順に形成して、半導体の接合面を調製する工程、
を含む、(1)〜(3)のいずれかに記載の半導体を製造する方法。
(5)
半導体の接合面側に、乾式成膜法で、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層、Ni又はNi合金の層、Cu又はCu合金の層を順に形成して、(1)〜(3)のいずれかに記載の半導体を調製する工程、
調製された半導体の接合面を、銅粉ペーストによって基材に接合する工程、
を含む、半導体実装品を製造する方法。
(6)
調製された半導体の接合面を、銅粉ペーストによって基材に接合する工程が、
調製された半導体の接合面を、基材上に塗工された銅粉ペーストと接触させて焼成して、基材に接合する工程、又は
調製された半導体の接合面上に塗工された銅粉ペーストを、基材と接触させて焼成して、基材に接合する工程、
である、(5)に記載の方法。
(7)
半導体実装品が、パワーモジュールである、(5)〜(6)のいずれかに記載の方法。
(8)
(1)〜(3)のいずれかに記載の半導体、
基材、及び
半導体の接合面と基材とを接合する接合層
を含んでなる、半導体実装品。
(9)
接合層が焼成された銅粉ペーストからなる接合層である、(8)に記載の半導体実装品。
(10)
半導体実装品が、パワーモジュールである、(8)〜(9)のいずれかに記載の半導体実装品。

発明の効果

0012

本発明による表面処理層を接合面に備えた半導体は、銅粉ペーストによって基材と接合することができて、十分な接合強度が得られ、繰り返し高温にさらされる条件下でも接合強度が維持できる。本発明によって得られた半導体実装品は、接合強度と熱劣化耐性を備えており、例えばパワーモジュールとして好適に使用できる。

0013

以下に本発明を実施の態様をあげて詳細に説明する。本発明は以下にあげる具体的な実施の態様に限定されるものではない。

0014

[表面処理層を有する半導体]
本発明による半導体は、接合材との接合面側に、最表層から順に、Cu又はCu合金の層、Ni又はNi合金の層、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層を、表面処理層として有する。

0015

[Cr、Ti、Nb、Ta又はCoの層]
Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層は、それぞれクロム及び不可避不純物チタン及び不可避不純物、ニオブ及び不可避不純物、タンタル及び不可避不純物、コバルト及び不可避不純物を含有することができる。好適にはCr、Ti及びCoから選択された1種の金属を使用できる。好適な実施の態様において、Cr、Ti、Nb、Ta又はCoの層は、例えば接合面側の半導体上に直接に形成することができる。形成には公知の手段を使用することができ、例えば乾式成膜法、湿式成膜法を使用することができる。好ましくは乾式成膜法が使用され、例えば蒸着スパッタリングをあげることができる。スパッタリングは公知の手段によって行うことができ、安定したスパッタリングのために、例えばCoに対して、V、Sn、Mo、Zn、Cu等を1〜10wt%の含有量で含有させたターゲット材を使用することもできる。Cr、Ti、Nb及びCoから選択された1種の金属の層は、厚み換算で例えば1μm以下、0.10μm以下、例えば0.5nm以上、1nm以上、例えば1〜20nmとすることができる。厚み換算とは、表面処理面を酸に浸漬させ、その酸溶液中の金属濃度をICP発光分光分析で測定することで、処理面の単位面積当たりのその金属の付着量を求め、それをその金属の比重割り返すことによって求めることができる。

0016

[Ni又はNi合金の層]
Ni又はNi合金の層は、ニッケル及び不可避不純物を含有することができる。Ni合金層のNi合金は、Ni合金及び不可避不純物を含有することができる。Ni合金としては、例えばNiV、NiCu、NiZnをあげることができ、好ましくはNiV、NiCuである。Ni又はNi合金の層は、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層の上に形成することができる。形成には公知の手段を使用することができ、例えば乾式成膜法、湿式成膜法を使用することができる。好ましくは乾式成膜法が使用され、例えば蒸着、スパッタリングをあげることができる。スパッタリングは公知の手段によって行うことができ、安定したスパッタリングのために、例えばNiに対して、V、Sn、Mo、Zn、Cu等を1〜10wt%の含有量で含有させたターゲット材を使用することもできる。例えば、Ni合金の層を、V、Cu、Sn、Mo、Wによるスパッタリング層として、形成することができる。Ni又はNi合金の層は、厚み換算で例えば1μm以下、0.10μm以下、例えば0.5nm以上、1nm以上、例えば1〜20nmとすることができる。厚み換算とは、表面処理面を酸に浸漬させ、その酸溶液中の金属濃度をICP発光分光分析で測定することで、処理面の単位面積当たりのその金属の付着量を求め、それをその金属の比重で割り返すことによって求めることができる。

0017

[Cu又はCu合金の層]
Cu又はCu合金の層は、半導体の接合面側の表面処理層の最表面(最外面)に位置しており、接合材と接して、接合される。Cu層のCuは、銅及び不可避不純物を含有することができる。Cu合金層のCu合金は、Cu合金及び不可避不純物を含有することができる。Cu合金としては、例えばCuZn、CuNi、チタン銅をあげることができ、好ましくはCuZn、CuNiである。Cu又はCu合金の層は、Ni又はNi合金の層の上に形成することができる。形成には公知の手段を使用することができ、例えば乾式成膜法、湿式成膜法を使用することができる。好ましくは乾式成膜法が使用され、例えば蒸着、スパッタリングをあげることができる。Cu又はCu合金の層は、厚み換算で例えば5μm以下、1μm以下、0.10μm以下、例えば5nm以上、10nm以上、例えば5nm〜5μmとすることができる。厚み換算とは、表面処理面を酸に浸漬させ、その酸溶液中の金属濃度をICP発光分光分析で測定することで、処理面の単位面積当たりのその金属の付着量を求め、それをその金属の比重で割り返すことによって求めることができる。

0018

[半導体]
表面処理層を付与される半導体としては、銅粉ペーストによって基材との接着される半導体であれば、特に制限は無い。好適な実施の態様において、接合強度と熱劣化耐性が求められる半導体が使用される。このような半導体として、例えばワイドギャップ半導体、をあげることができる。ワイドギャップ半導体とは、Siのバンドギャップが1.12eVであるので、これに対してその約2倍、すなわち2.2eV以上のバンドギャップをもつ半導体をいう。代表的な例として、III−V族半導体をあげることができ、例えばGaN(3.39eV)、SiC(2.2〜3.0eV)、ダイヤモンド(5.47eV)をあげることができる。

0019

[基材]
接合される基材としては、公知の基材をあげることができる。好適な実施の態様において、接合強度と熱劣化耐性が求められる基材が使用される。このような基材として、例えばSi3N4(窒化ケイ素)、AlN(窒化アルミニウム)、銅または銅合金リードフレームをあげることができる。基材がSiN、AlNまたは銅合金である場合、上記半導体の接合面側の表面に行った表面処理を、基材の接合面側の表面に行って、同様の表面処理層を設けてもよく、すなわち、基材の最表層から順に、Cu又はCu合金の層、Ni又はNi合金の層、Cr、Ti、Nb、Ta及びCoから選択された1種の金属の層を、表面処理層として設けてもよい。

0020

[銅粉ペーストによる基材との接合]
本発明の半導体の接合面を、銅粉ペーストによって基材に接合する工程、を行って、半導体実装品を製造することができる。銅粉ペーストによって基材に接合する工程は、半導体の接合面を、基材上に塗工された銅粉ペーストと接触させて焼成して、基材に接合する工程、又は、半導体の接合面上に塗工された銅粉ペーストを、基材と接触させて焼成して、基材に接合する工程、とすることができる。

0021

[塗工]
銅粉ペーストの塗工は、公知の手段によって行うことができ、例えばスクリーン印刷インクジェット印刷メタルマスク印刷マイクロコンタクト法、パッド印刷等によって行うことができる。塗工されて形成される塗膜膜厚は、例えば10〜500μm、20〜200μmの範囲とすることができる。塗膜は、所望により適宜乾燥して、その後の焼成を行うことができる。

0022

[焼成]
焼成は、銅粉ペーストの焼成の条件として公知の条件を使用することができる。焼成の温度は、例えば220℃〜300℃の範囲とすることができる。好適な実施の態様において、十分に接合するように、焼成は、接合する面を加圧する加圧焼成によって行うことができる。加圧の圧力は、例えば0〜1MPaの範囲とすることができる。

0023

雰囲気
焼成は、例えば非酸化性雰囲気下又は還元性雰囲気下で行うことができる。非酸化性雰囲気下とは、酸化性気体が含まれない又は低減された雰囲気をいう。還元性雰囲気は、雰囲気中にCO、H2S、SO2、H2、HCHO、HCOOH、H2O等の還元性気体が、0.5vol%以上、好ましくは1.0vol%以上で含まれる雰囲気をいう。還元性雰囲気としては、例えば大気圧気体窒素及び気体水素を含む雰囲気を挙げることができる。

0024

[接合強度・熱劣化耐性]
接合強度は、実施例に記載のように、測定することができる。本発明の接合強度は、−40℃〜+250℃の間で温度を変化させて、それぞれの両端で30分保持するサイクル(すなわち−40℃に30分静置した後に+250℃に30分静置するというサイクル)を、500サイクル、及び1000サイクル行った後の接合強度である。それぞれの温度条件のサイクル後に維持される接合強度を示すので、すなわち、温度変化に対する耐久性
、熱劣化耐性を示すものである。好適な実施の態様において、例えば初期接合強度(温度変化サイクル前の強度)は、20MPa以上、30MPa以上、40MPa以上とすることができ、例えば20〜50MPaの範囲とすることができる。好適な実施の態様において、温度変化サイクル1000回後に、例えば初期接合強度の50%以上、60%以上の接合強度とすることができ、例えば初期接合強度の70%〜95%の範囲の接合強度とすることができる。好適な実施の態様において、温度変化サイクル1000回後に、例えば初期接合強度の60%以上、70%以上の接合強度とすることができ、例えば初期接合強度の75%〜95%の範囲の接合強度とすることができる。

0025

[半導体実装品]
上記半導体を銅ペーストで基材に接合する方法、該接合方法を含む製造方法、該製造方法によって製造されてなる半導体実装品、パワーモジュールもまた本発明の範囲内にある。

0026

以下に実施例をあげて、本発明をさらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

0027

[銅粉の調製]
ビーカー内に亜酸化銅粉50gとアラビアゴム0.25gを350mLの純水に分散させ、そこに体積比率25%の希硫酸100mLを添加した。このスラリーからデカンテーション水洗を繰り返し、D50 0.2μmの銅粉20gを得た。この銅微粒子20gと、水溶性3級アミン1gを含む水溶液100mLを300rpmで1時間混合した後、銅粉を回収した。その後、窒素中で70℃で1時間乾燥させた後、解砕し、表面処理された銅粉を得た。

0028

[銅粉ペーストの調製]
前記銅粉、ターピネオールアクリル樹脂重量比率で85%、13.5%、1.5%となるように遊星ミキサー混練した後、3本ロールに通して、試験に供するペーストを調整した。

0029

基板への積層及びペーストによる接合]
厚み0.6mm、15mm角のSi3N4の両面に、厚み0.3mm、13mm角のCu板共晶反応によって接合させたDCB基板を準備した。また、厚み0.18mm、1.85mm角のSiCチップの接合面となる面にCu、Cr、Ti、NiV(V7wt%)、CoV((V7wt%))、Ta、Nb、Au、Agのターゲットを用いてスパッタリングにより各層を形成した。DCB基板の片側銅板上に、前記手順で準備したペーストをスクリーン印刷で膜厚50μm、5mm角となるように塗工し、大気中で120℃で1分乾燥させた。この塗膜上にスパッタリングで処理した面が向かい合うようにSiCチップを載せ、2vol%H2を含むN2中で250℃、10分間、0.4MPaの圧力をかけて、SiCチップとDCB基板をペーストで接合させた。

0030

接合強度試験
接合した材料の接合強度の変化をサイクル試験調査した。試料を、−40℃に30分静置した後に、+250℃に30分静置するというサイクルの試験を行った。サイクル試験前(表中では‘0回’と表記)、500サイクル後、1000サイクル後の接合強度を測定した。

0031

[結果]
実施例1〜10及び比較例1〜10の処理の条件及び接合強度試験の結果を、表1にまとめて示す。

0032

実施例1〜10は初期及び、1000サイクル後の接合強度が十分に高い。一方、比較例1〜3、6〜10では初期ですら十分な接合強度が得られなかった。比較例4、5では、初期の接合強度は高かったものの、500サイクル後、1000サイクル後の接合強度は大幅に低下した。

実施例

0033

0034

本発明は、銅粉ペーストによって基材と接合することができて、十分な接合強度が得られ、繰り返し高温にさらされる条件下でも接合強度が維持できる半導体を提供する。本発明は産業上有用な発明である。

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