(57)【要約】【課題】熱伝導性及び接続信頼性に優れ、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との接合を簡便な工程で行うことができるダイボンドシートを提供すること。【解決手段】銅粒子を７５質量％以上及び熱分解性樹脂を５質量％以上含むダイボンドシート。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅粒子を７５質量％以上及び熱分解性樹脂を５質量％以上含むダイボンドシート。
【請求項２】
前記熱分解性樹脂が、ポリカルボナート、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸エステル及びポリエステルからなる群より選択される少なくとも一種である、請求項１に記載のダイボンドシート。
【請求項３】
前記銅粒子が、体積平均粒径が０．１２μｍ以上０．８μｍ以下であるサブマイクロ銅粒子と、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下でありかつアスペクト比が４以上のフレーク状マイクロ銅粒子と、を含み、前記フレーク状マイクロ銅粒子の含有量が、銅粒子の全質量を基準として５０質量％以下である、請求項１又は２に記載のダイボンドシート。
【請求項４】
銅粒子と、熱分解性樹脂と、分散媒とを含むペースト状組成物を成形・加熱してなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のダイボンドシート。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のダイボンドシートの焼結体を介して、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材とが接合されてなる、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイボンドシート及び半導体装置に関し、さらに詳しくは、パワー半導体、ＬＳＩ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体素子を、リードフレーム、セラミック配線板、ガラスエポキシ配線板、ポリイミド配線板等の半導体搭載用基板に接合するのに好適なダイボンドシート及びこれを用いて得られる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置を製造する際、半導体素子とリードフレーム（支持部材）とを接着させる方法としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等の樹脂に銀粉等の充填剤を分散させたペースト状の接着剤（例えば、銀ペースト）を使用する方法がある。この方法では、ディスペンサー、印刷機、スタンピングマシン等を用いて、ペースト状接着剤をリードフレームのダイパッドに塗布した後、半導体素子をダイボンドし、加熱硬化により接着させ半導体装置とする。
【０００３】
近年、半導体素子の高速化、高集積化が進むに伴い、半導体装置の動作安定性を確保するために、接着剤にも高放熱特性が求められている。
【０００４】
これまでにも熱伝導性の向上を目的とした接着剤が提案されている。例えば、下記特許文献１〜５には、熱伝導率の高い銀粒子が高充填されたダイボンディングペースト（特許文献１及び２）、特定の粒径を有する球状銀粉を含有する導電性接着剤（特許文献３）、ハンダの粒子を含有する接着剤のペースト（特許文献４）、特定の粒子径を有する金属粉及び特定の粒子径を有する金属超微粒子を含有する導電性接着剤（特許文献５）が開示されている。
【０００５】
また、下記特許文献６には、表面処理が施された非球状銀粒子と揮発性分散媒とからなるペースト状銀粒子組成物を１００℃以上４００℃以下で加熱することにより銀粒子同士を焼結させて所定の熱伝導度を有する固形状銀にする技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−７３８１１号公報
【特許文献２】特開２００６−３０２８３４号公報
【特許文献３】特開平１１−６６９５３号公報
【特許文献４】特開２００５−９３９９６号公報
【特許文献５】特開２００６−８３３７７号公報
【特許文献６】特許第４３５３３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献６記載のペースト状銀粒子組成物は、銀が金属結合を形成するため、他の手法よりも熱伝導率及び高温下での接続信頼性が優れるものと考えられる。しかし、このようなペースト状銀粒子組成物では、塗布、予備乾燥及び加熱焼結の３段階の工程を必要とする。また溶媒を含むため、塗布時、乾燥時、半導体素子搭載時及び焼結時の流動による斑の発生、乾燥時及び焼結時のボイド発生といった問題がある。特許文献６では、界面の接合や銀接合部の物性向上のために接合時に加圧を必要とするため、生産性やデバイスダメージの問題がある。
【０００８】
一方、ハンダを用いる場合、シート状のハンダを基板と半導体素子との間に介在させ、加熱溶融させることによりダイボンドが行われる。この手法では、ペーストに比べて工程の簡略化及び溶媒による斑やボイドの発生を抑制することができる。しかし、ハンダでは高温での接続信頼性に課題が生じる。なお、単にハンダに代えて高融点の金属を用いても、接合が困難になるという問題がある。
【０００９】
本発明は、熱伝導性及び接続信頼性に優れ、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との接合を簡便な工程で行うことができるダイボンドシート、及びそれを用いて得られる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、銅粒子を７５質量％以上及び熱分解性樹脂を５質量％以上含むダイボンドシートを提供する。
【００１１】
本発明において、熱分解性樹脂が、ポリカルボナート、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸エステル及びポリエステルからなる群より選択される少なくとも一種であることが好ましい。
【００１２】
本発明において、銅粒子が、体積平均粒径が０．１２μｍ以上０．８μｍ以下であるサブマイクロ銅粒子と、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下でありかつアスペクト比が４以上のフレーク状マイクロ銅粒子と、を含み、フレーク状マイクロ銅粒子の含有量が、銅粒子の全質量を基準として５０質量％以下であることが好ましい。
【００１３】
本発明は、銅粒子と、熱分解性樹脂と、分散媒とを含むペースト状組成物を成形・加熱してなるものであることが好ましい。
【００１４】
本発明は、また、上記のダイボンドシートの焼結体を介して、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材とが接合されてなる、半導体装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、熱伝導性及び接続信頼性に優れ、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との接合を簡便な工程で行うことができるダイボンドシート、及びそれを用いて得られる半導体装置を提供することができる。当該半導体装置は、本発明のダイボンドシートにより、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材とが接合されてなる構造を有することにより、優れた熱伝導性及び接続信頼性を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。
【図２】本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。
【図３】本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。
【図４】本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。
【図５】本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。
【図６】本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。
【図７】本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。
【図８】本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。
【図９】本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。
【図１０】本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＜ダイボンドシート＞
本実施形態のダイボンドシートは、銅粒子および熱分解性樹脂を少なくとも必須とする。銅粒子は焼成により焼結して被着体および焼結性銅粒子同士が金属結合により結合し、接合する機能を発現する。熱分解性樹脂は、銅粒子の間を繋ぎシート状に成型する役目を果たす。また、熱分解性樹脂として熱可塑性の物を選ぶことにより、熱圧着により、被着体同士を仮止めする機能を発現する。さらに、焼結温度より低温で熱分解するものを選ぶことで焼結を阻害せず、銅粒子が焼結して焼結銅の良好な接合層を形成することができる。
【００１８】
＜銅粒子＞
銅粒子（焼結性銅粒子）は、熱伝導率、焼結性、接続信頼性の観点から銅を主成分とすることが好ましい。銅粒子に含まれる元素の内、水素、炭素、酸素を除く元素割合の内で、銅が占める元素割合は、６０原子％以上が好ましく、７０原子％以上であることがより好ましく、８０原子％以上であることがさらに好ましい。これより銅の含有率が低下すると、生成した銅焼結体接合層が銅とは異なる性質を有する合金になり、熱伝導率、接続信頼性が低下する。
【００１９】
銅粒子は、焼結温度を低温（例えば３００℃以下）にするために、体積平均粒径が０．１２μｍ以上０．８μｍ以下のサブマイクロ銅粒子（微小粒径銅粒子）を、銅粒子の全質量を基準として少なくとも５０質量％以上含むことが好ましい。このサイズのサブマイクロ銅粒子は２５０℃程度から焼結を開始し、低温度での接合を可能とする。なお、体積平均粒径が０．１２μｍ以上であれば、サブマイクロ銅粒子の合成コストの抑制、良好な分散性、表面処理剤の使用量の抑制といった効果が得られやすくなる。体積平均粒径が０．８μｍ以下であれば、サブマイクロ銅粒子の焼結性が優れるという効果が得られやすくなる。より一層上記効果を奏するという観点から、サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径は、０．１５μｍ以上０．８μｍ以下であってもよく、０．１５μｍ以上０．６μｍ以下であってもよく、０．２μｍ以上０．５μｍ以下であってもよく、０．３μｍ以上０．４５μｍ以下であってもよい。なお、本願明細書において体積平均粒径とは、５０％体積平均粒径を意味する。
【００２０】
前述のサブマイクロ銅粒子単体での焼結では、体積収縮が大きく焼結体へのヒビ、被着面との剥離、焼結体緻密度の低下が生じ易い。そのため、サブマイクロ銅粒子と共に、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下のマイクロ銅粒子を共に含んでいることが好ましい。マイクロ銅粒子を含む場合、焼結時の体積収縮の低減や焼結後の接合層の強度向上の効果を得られる。より一層上記効果を奏するという観点から、マイクロ銅粒子の最大径は、１μｍ以上１０μｍ以下であってもよく、３μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。
【００２１】
銅粒子中のマイクロ銅粒子の含有量は、５質量％以上が好ましく、１０質量％以上がより好ましく、２０質量％以上がさらに好ましい。当該含有量の上限は５０質量％以下であることが好ましい。マイクロ銅粒子の含有量が多すぎると、３００℃以下での焼結性が低下し易く、接合強度が低下する傾向がある。
【００２２】
マイクロ銅粒子の形状としては、球状、略球状、多面体状、針状、フレーク状が挙げられる。特に、アスペクト比の大きな針状、フレーク状の銅粒子を用いた場合には、マイクロ銅粒子の配向による補強効果や緻密度向上効果が得られるため好適である。
【００２３】
マイクロ銅粒子がフレーク状である（フレーク状マイクロ銅粒子である）場合、アスペクト比は４以上であってもよく、６以上であってもよい。アスペクト比が上記範囲内であれば、接合用銅ペースト内のフレーク状マイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向することにより、接合用銅ペーストを焼結させたときの体積収縮が抑制し易い。本明細書において、「アスペクト比」とは、粒子の長辺／厚みを示す。粒子の長辺及び厚みの測定は、例えば、粒子のＳＥＭ像から求めることができる。
【００２４】
本明細書において、サブマイクロ銅粒子とは、粒子径が０．１μｍ以上１．０μｍ未満である粒子を意味し、マイクロ銅粒子とは、粒子径が１．０μｍ以上２０μｍ未満である粒子を意味する。
【００２５】
＜熱分解性樹脂＞
熱分解性樹脂としては、焼結性銅粒子の間を繋ぎシート状に成型する目的から、分子量１０００以上のものが好ましく、特に１００００以上のものがより好ましい。これ以下では、熱分解性樹脂の靭性が乏しくなり、シート状に成型するのに必要な樹脂量が増え、接合特性が悪くなる。
【００２６】
熱分解性樹脂としては熱可塑性のものが好ましい。すなわち、架橋高分子ではなく、直鎖あるいは分岐状高分子であることが好ましい。仮圧着を可能とする点から、軟化点（ガラス転移点）が仮圧着温度より低い高分子が好ましい。仮圧着温度は、２００℃程度より低いことから、軟化点（ガラス転移点）は２００℃以下が好ましく、１７０℃以下がより好ましく、１５０℃以下がさらに好ましい。
【００２７】
熱分解性樹脂は、焼結温度より低温で熱分解することが好ましい。特に、無酸素雰囲気下の熱分解時に残渣など残さずガス化する樹脂であることが好ましい。熱分解後のオリゴマーや炭化物などの残渣は、焼結を阻害するため好ましくない。熱分解性樹脂の熱分解後の残渣は、銅粒子の焼結を妨げるため少ないほど良く、熱分解前の樹脂質量に対し通常５質量％以下が好ましく、２質量％以下がより好ましい。熱分解性樹脂の熱分解後の残渣量は、３〜５質量％水素含有イナートガス（窒素あるいはアルゴン）中で熱分解性樹脂のＴＧ／ＤＴＡにより焼結温度で焼結時間だけ保持した後の重量変化量として測定できる。なお、空気中でのＴＧ／ＤＴＡ測定は酸化分解が進むため、還元雰囲気での残渣量と比較して少なくなるため好ましくない。
【００２８】
なお、熱分解性樹脂は熱解重合性の結合基を主鎖中に有する高分子が好ましい。上記所望の特性を有するこのような高分子として、ポリカルボナート、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸エステル、ポリエステル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル、が挙げられる。
【００２９】
＜その他の金属粒子＞
ダイボンドシートは、その他の金属粒子として金粒子、銀粒子、パラジウム粒子、亜鉛粒子、ニッケル粒子等を含み得る。これらの金属粒子が少量含まれることにより、金属銅粒子の焼結温度が低下し、接合し易くなる。
【００３０】
焼成後のダイボンドシートから生じた銅焼結体（接合層）に含まれる炭素分は０．５質量％以下であることが好ましく、０．３質量％以下がより好ましく、０．２質量％以下がさらに好ましい。これより多い炭素分が含まれると、焼結が阻害され接合強度、接続信頼性が低下する。
【００３１】
本実施形態のダイボンドシートは、銅粒子と熱分解性樹脂を含み、炭素分が２．０質量％以上１０．０質量％以下であることが好ましい。炭素分は「金属中の炭素定量方法」で用いられる測定方法、例えば誘導加熱燃焼赤外線吸収法で測定することができる。
【００３２】
＜ダイボンドシートの組成比＞
銅粒子の含有量は、ダイボンドシートの全質量を基準として７０質量％以上９５質量％以下であることが好ましく、７５質量％以上９４質量％以下であることがより好ましい。銅粒子の割合がこれより少ない場合には、熱分解性樹脂の分解に伴う体積収縮が大きくなり、ヒビ、剥離、マクロボイドの発生、焼結体密度の低下による接合不良の発生や接続信頼性の低下が生じる原因となる。また、これより多い場合には、熱分解性樹脂の割合が低下し、成形性の低下、仮止め性の低下が生じる。
【００３３】
また、熱分解性樹脂の含有量は、ダイボンドシートの全質量を基準として５質量％以上２５質量％以下であることが好ましく、６質量％以上２０質量％以下であることが好ましい。この場合、仮止め性と接着強度を向上させることができる。
【００３４】
その他の金属粒子が含まれる場合、その含有量は、ダイボンドシートの全質量を基準として０．０５質量％以上１０質量％以下であることが好ましく、０．１質量％以上５質量％以下であることが好ましい。これにより、焼結温度が低下し、接合し易くなる。
【００３５】
＜ダイボンドシートの製造方法＞
次に、本実施形態のダイボンドシートの製造方法について説明する。ダイボンドシートを得るためには、原材料を分散あるいは溶解したペースト状組成物を塗工によりシート状に成形する方法、原材料の粉末を混合し熱間ロール、プレスによりシート状に成形する方法が挙げられる。
【００３６】
塗工に用いられるペースト状組成物は、原材料である粒子や樹脂を溶剤に分散あるいは溶解してペースト状にして用いることが好ましい。このペースト状組成物に用いられる溶剤としては、銅粒子の分散性が高く、熱分解性樹脂を高濃度に溶解でき、且つ、乾燥工程で揮発するものが好ましい。
【００３７】
銅粒子を分散できかつ熱分解性樹脂を溶解できる分散媒は、銅粒子の表面処理剤の種類、接合用銅ペーストに添加された分散剤の種類、熱分解性樹脂の種類等に依存する。例えば、高極性な分散剤、高極性な熱分解性樹脂を選んだ場合には高極性な溶剤が好適であり、低極性な分散剤、低極性な熱分解性樹脂を選んだ場合には低極性な溶剤が好適である。
このような分散剤、熱分解性樹脂、溶剤の種類の組み合わせには、それぞれのハンセン溶解度パラメータが近いものを選ぶことが好適であると類推される。ハンセン溶解度パラメータは、例えば、下記公開文献の巻末データベースから検索する、又は、データベース及びシミュレーション統合ソフトウエアＨＳＰｉＰで検索／計算することができる。
公開文献：「ＨＡＮＳＥＮ  ＳＯＬＵＢＩＬＩＴＹ  ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ：Ａ  ＵＳＥＲ’Ｓ  ＨＡＮＤＢＯＯＫ」（ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ、１９９９）
【００３８】
銅粒子の分散性が良好で、熱分解性樹脂を高濃度に溶解したペースト状組成物を構成するには、表１に示したような態様が好ましい。仮にこれらの態様を採用しない場合、銅粒子の分散性不良、熱分解性樹脂が溶解不良により、粘度の上昇、濃度の低下、粗粒の発生などのペースト性状の低下が生じ易い。また、得られるシートが脆くなる、シート内の組成が不均一になるなどのシート性状の低下、ダイボンド層の不均一化、接合強度の低下などが生じ易い。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
高極性溶剤の例としては、１，３−ジオキソラン−２−オン、４−メチル−１，３−ジオキソラン−２−オンなどの炭酸エステル類、メタノール、エタノールなどの低級アルコール類、グリセリン、ジグリセリン、ジエチレングリコール、プロピレングリコールなどの多価アルコール類、アミン類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド等の酸アミド、γ―ブチロラクトンなどのエステル類、水が挙げられる。
【００４１】
低極性溶剤の例としては、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール、エチレングリコール、ブチレングリコール、α―テルピネオール、ボルニルシクロヘキサノール（ＭＴＰＨ）等の高級アルコール類及びエチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールイソブチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、エチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＤＰＭＡ）、乳酸エチル、乳酸ブチル、炭酸プロピレン等のエステル類、シクロヘキサノン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン等の脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素が挙げられる。
【００４２】
溶剤の配合量は、金属粒子１００質量部（銅粒子、及び含まれる場合はその他の金属粒子の合計量）に対し、１０〜４０質量部であることが好ましい。
【００４３】
ペースト状組成物は、塗布・成型性の観点から、２５℃におけるＣａｓｓｏｎ粘度が０．０１Ｐａ・ｓ以上１０Ｐａ・ｓ以下であることが好ましく、０．０５Ｐａ・ｓ以上５Ｐａ・ｓ以下であることがより好ましい。
【００４４】
上記組成物をシート状に成形させる手法としては、ペースト状組成物をシート状に成形させられる手法であればよく、このような手法として、インクジェット印刷、スクリーン印刷、ジェットプリンティング法、ディスペンサー、ジェットディスペンサ、カンマコータ、スリットコータ、ダイコータ、グラビアコータ、スリットコート、凸版印刷、凹版印刷、グラビア印刷、ステンシル印刷、バーコート、アプリケータ、スプレーコータ、電着塗装等を用いることができる。
【００４５】
ペースト状組成物は、接合を行う被着体の被着面に直接、シート状に形成されてもよい。また、仮の成形基板にシート状に形成した後、剥離して用いても良い。
【００４６】
成形基板としては平滑なものが好ましい。成形基板の平滑性は、成形されたダイボンドシートの平滑性の観点から、十点平均表面粗さが２０μｍ以下の平坦面を有する板状又はシート状の基板が好ましい。また、乾燥工程を経て形成されたダイボンドシートを基板から離型する必要性から、成形基板の表面材質はダイボンドシートに対し接着性を有していないものが好ましい。さらに乾燥温度で変形しない耐熱性を有する材質であることが好ましい。
【００４７】
このような成形基板の材質としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ＰＥＥＫ、アルミニウム、ガラス、アルミナ、窒化ケイ素、ステンレススチールを用いることができる。また、耐熱性を有する基板やクロスに上記材質をコート又は含浸したものを、成形基板として用いてもよい。
【００４８】
シート状に成形されたペースト状組成物は、溶剤を乾燥させることで、熱分解性樹脂が銅粒子のバインダとなって固形化し、自立シートとして分離できる。
【００４９】
上記の乾燥方法は、常温放置による乾燥、加熱乾燥又は減圧乾燥を用いることができる。加熱乾燥又は減圧乾燥には、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉、熱板プレス装置等を用いることができる。乾燥の温度及び時間は、使用した分散媒の種類及び量に合わせて適宜調整することが好ましく、例えば、５０〜１８０℃で１〜１２０分間乾燥させることが好ましい。
【００５０】
銅粒子の酸化抑制の観点から、非酸化雰囲気で乾燥してもよい。アルゴン、窒素、水蒸気などの非酸化性ガスによる置換、吹きつけ、が挙げられる。
【００５１】
得られたダイボンドシートはダイボンド工程に用いられる。離型性が悪い場合には、ブレード状の板を得られたダイボンドシートと成形基板との間に差し込んで分離することができる。
【００５２】
ダイボンドシートは、ダイボンド工程で必要なサイズに切断することができる。切断は成形基板上から離型する前に行ってもよいし、後に行ってもよい。
【００５３】
ダイボンドシートの厚みは、被着体である半導体素子及び半導体素子搭載用支持部材の表面粗さ及び接合後の接続信頼性に応じて適宜設定することができる。５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましい。
【００５４】
＜半導体装置の製造方法＞
半導体装置は、本実施形態のダイボンドシートを、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との間に挟み、あるいは、被着物の被着面に形成されたダイボンドシート上に他方の被着部材を重ねて、熱圧着して仮留めし、さらに（場合により無加圧で）熱焼成することにより半導体素子と半導体素子搭載用支持部材とを接合することで得られる。
【００５５】
図１は、半導体装置の製造方法を示す模式図である。図１（ａ）では、ダイボンドシート１ａが自立したシート状物として成形されており、半導体素子２、半導体素子搭載用支持部材３の間に挟んで接合に供される。図１（ｂ）では、ダイボンドシート１ｂは半導体素子搭載用支持部材３上に接してシート状に形成されており、ダイボンドシート１ｂ上に半導体素子２を載せて接合に供される。ダイボンドシート１ｂは接合処理前でも、含有する熱分解性樹脂の付着性により、半導体素子搭載用支持部材３に付着している。図１（ｃ）では、ダイボンドシート１ｃは半導体素子２に接してシート状に形成されており、ダイボンドシート１ｃが半導体素子搭載用支持部材３に接するように半導体素子２を半導体素子搭載用支持部材３に載せて接合に供される。ダイボンドシート１ｃは接合処理前でも、含有する熱分解性樹脂の付着性により、半導体素子２に付着している。
【００５６】
熱圧着による仮留めは、ダイボンドシートに含まれる熱分解性樹脂を軟化させて圧力を加えることで、熱分解性樹脂の密着力が生じ、これにより半導体素子と半導体素子搭載用支持部材とを接合することを意味している。このため、銀や銅のシート状多孔質体をもちいるような金属接合の形成とは異なり、低温短時間での処理が可能であるため、チップマウンタやフリップチップボンダのようなチップ搭載装置、熱圧着装置などを用いて簡便に行うことができる。
【００５７】
半導体素子と半導体素子搭載用支持部材をダイボンドシートで仮止めすることで、次の焼結工程までの工程の取り回しが楽になり、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材の接合位置精度を上げられる。また、厚みの決まったシート状のダイボンドシートを用いることにより、焼成後のダイボンド層厚みの制御が容易になる。
【００５８】
仮止めの温度の下限は、熱分解性樹脂が軟化する温度であり、熱分解性樹脂の種類、分子量、分岐度により異なるが、通常６０℃以上である。また、仮止めの温度の上限は、熱分解性樹脂の熱分解開始温度であり、熱分解性樹脂の種類によって異なるが、通常２００℃以上３００℃以下である。ただし、これらの温度は、ダイボンドシートの温度であり、短時間で昇温する目的で、加熱装置の温度をこの温度以上に設定しても良い。
【００５９】
仮止め工程の圧着圧力は、熱分解性樹脂が軟化した状態でダイボンドシートが被着体に変形・密着するのに必要な圧力であり、ダイボンドシートの溶融粘度に依存するが、通常０．０１ＭＰａ以上であり、０．１ＭＰａ以上が好ましい。圧着圧力の上限は、ダイボンドシートの変形によるチップ端部への這い上がり量により制約され、通常１０ＭＰａ以下である。
【００６０】
ダイボンドシートにより仮止めされた半導体素子と半導体素子搭載用支持部材は、次いで加熱工程で熱分解性樹脂の脱離と銅粒子の焼結が進行し、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材間を銅焼結体で強固に接合する。
【００６１】
仮止め工程から加熱工程の間に、仮止めされた半導体素子と半導体素子搭載用支持部材は、室温に冷却されていてもかまわない。熱分解性樹脂で仮止めされているため、この間のハンドリング時の半導体素子のズレが抑制でき、取り扱いが簡便になる。さらに、ペースト状組成物とは異なり揮発性の有機溶剤を実質的に含まないため、仮止めされた状態での可使時間に制約を生じない、有機溶剤用の排気設備を必要としないといった特長がある。
【００６２】
加熱工程は、熱分解性樹脂の分解・脱離と、銅粒子の焼結が進行するのに十分な温度が必要であり、通常、１８０℃以上が好ましく、２００℃以上がより好ましい。温度の上限は、半導体素子の耐熱性や、焼成後の残留熱応力の程度により決まり、通常３５０℃以下であることが好ましい。また、銅粒子の酸化物除去や酸化防止の観点から、好ましくは還元雰囲気で加熱する。還元雰囲気としては、水素、アンモニアガス、ギ酸、等の還元性ガスやこれらの還元性ガスと窒素、アルゴン、水蒸気等の不活性ガスとの混合ガスが挙げられる。
【００６３】
加熱工程において、無加圧での焼成が可能であり、この場合、特殊な熱圧着装置を必要とせず、多量の半導体装置を一括で処理できるため、コストが有利になる。ただし、歩留まり向上、焼結体緻密度向上を目的に、ダイボンドシートに対し加圧を行っても良い。加圧圧力は０．０１ＭＰａ〜１０ＭＰａとすることができる。０．０１ＭＰａ〜０．１ＭＰａ程度の低圧であれば、剥離等の接合欠陥を抑えて歩留まりの向上が見込まれる。一方、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａ程度の圧力であれば焼結体緻密度の向上により、接後強度の向上や、熱伝導率の向上が見込める。加熱加圧方法としては、重り、バネ冶具、シリコーンゴム等による加圧冶具、熱圧着装置、熱板プレス装置が挙げられる。
【００６４】
以上の工程を経ることにより、図２に示すように、半導体素子２と半導体素子搭載用支持部材３とが、ダイボンドシートの焼結体（焼結金属層）４を介して接合されてなる、半導体装置１００を得ることができる。
【００６５】
図３は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図３に示す半導体装置１１０は、リードフレーム１１ａ上に焼結金属層４を介して接続された半導体素子１４と、これらをモールドするモールドレジン１３とからなる。半導体素子１４は、ワイヤ１２を介してリードフレーム１１ｂに接続されている。
【００６６】
図４は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図４に示される半導体装置２００は、第一の電極２２及び第二の電極２４を有する絶縁基板２１と、第一の電極２２上に焼結金属層４によって接合された半導体素子２３と、半導体素子２３と第二の電極２４とを電気的に接続する金属配線２５とを備える。金属配線２５と半導体素子２３、及び金属配線２５と第二の電極２４はそれぞれ焼結金属層４によって接合されている。また、半導体素子２３は、ワイヤ２７を介して第三の電極２６に接続されている。半導体装置２００は、絶縁基板２１の上記電極等が搭載されている面とは反対側に、金属板２８を備えている。半導体装置２００は、上記構造体が絶縁体２９で封止されている。半導体装置２００は、第一の電極２２上に半導体素子２３を１個有しているが、２個以上有していてもよい。この場合、複数ある半導体素子２３はそれぞれ焼結金属層４によって金属配線２５と接合することができる。
【００６７】
図５は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図５に示される半導体装置２１０は、半導体素子２３と金属配線２５との間にブロック体３０が設けられており、半導体素子２３とブロック体３０、及びブロック体３０と金属配線２５がそれぞれ焼結金属層４によって接合されていること以外は、図４に示される半導体装置２００と同様の構成を有する。なお、ブロック体３０の位置は適宜変更でき、例えば、第一の電極２２と半導体素子２３との間に設けられていてもよい。ブロック体３０としては、一般に熱伝導性及び導電性に優れるものを用いることができる。
【００６８】
図６は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図６に示される半導体装置２２０は、第一の電極２２上に、半導体素子２３及びブロック体３０並びにこれらを接合する焼結金属層４が更に設けられていること以外は、図５に示される半導体装置２１０と同様の構成を有する。半導体装置２２０は、第一の電極２２上に半導体素子を２個有しているが、３個以上有していてもよい。この場合も、３個以上ある半導体素子２３はそれぞれブロック体３０を介して焼結金属層４によって金属配線２５と接合することができる。なお、ブロック体３０の位置は適宜変更でき、例えば、第一の電極２２と半導体素子２３との間に設けられていてもよい。
【００６９】
図７は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図７に示される半導体装置３００は、第一の電極２２と、第一の電極２２上に焼結金属層４によって接合された半導体素子２３と、半導体素子２３と第二の電極２４とを電気的に接続する金属配線２５とを備える。金属配線２５と半導体素子２３、及び金属配線２５と第二の電極２４はそれぞれ焼結金属層４によって接合されている。また、半導体素子２３は、ワイヤ２７を介して第三の電極２６に接続されている。半導体装置３００は、上記構造体が封止材３１で封止されている。半導体装置３００は、第一の電極２２上に半導体素子２３を１個有しているが、２個以上有していてもよい。この場合、複数ある半導体素子２３はそれぞれ焼結金属層４によって金属配線２５と接合することができる。
【００７０】
図８は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図８に示す半導体装置３１０は、半導体素子２３と金属配線２５との間にブロック体３０が設けられており、半導体素子２３とブロック体３０、及びブロック体３０と金属配線２５がそれぞれ焼結金属層４によって接合されていること以外は、図７に示される半導体装置３００と同様の構成を有する。なお、ブロック体３０の位置は適宜変更でき、例えば、第一の電極２２と半導体素子２３との間に設けられていてもよい。
【００７１】
図９は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図９に示される半導体装置３２０は、第一の電極２２上に、半導体素子２３及びブロック体３０並びにこれらを接合する焼結金属層４が更に設けられていること以外は、図８に示される半導体装置３１０と同様の構成を有する。半導体装置３２０は、第一の電極２２上に半導体素子を２個有しているが、３個以上有していてもよい。この場合も、３個以上ある半導体素子２３はそれぞれブロック体３０を介して焼結金属層４によって金属配線２５と接合することができる。なお、ブロック体３０の位置は適宜変更でき、例えば、第一の電極２２と半導体素子２３との間に設けられていてもよい。
【００７２】
図１０は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図１０に示す半導体装置４００は、第一の熱伝導部材３２と、第一の熱伝導部材３２上に焼結金属層４を介して接合された半導体素子２３と、半導体素子２３上に焼結金属層４を介して接合されたブロック体３０と、ブロック体３０上に焼結金属層４を介して接合された第二の熱伝導部材３３と、を備える。半導体素子２３は、ワイヤ３５を介して電極３４に接続されている。半導体装置４００は、第一の熱伝導部材３２と第二の熱伝導部材の間が封止材３１で封止されている。半導体装置４００は、半導体素子を２個有しているが、１個又は３個以上有していてもよく、ブロック体の数も適宜変更することができる。なお、ブロック体３０の位置は適宜変更でき、例えば、第一の電極２２と半導体素子２３との間に設けられていてもよい。熱伝導部材は、半導体素子２３から発生した熱を外部へ放出する機能、及び半導体素子を外部と電気的に接続するための電極としての機能を併せ持つものである。
【００７３】
上述のとおり、本実施形態のダイボンドシートは、図３に示す半導体装置１１０とは異なる構造を有する、図４〜１０に示す半導体装置の製造にも用いることができる。例えば、図４〜１０に示す構造を有する半導体装置は、大容量で高信頼性を要求される場面において好適に用いることができる。これらの構造では、半導体素子上部の端子に対して接続信頼性に劣るワイヤ接続を廃し、その代わりに金属配線２５、ブロック体３０を、ダイボンドシートの焼結体である焼結金属層４で接合することで、高い温度サイクル信頼性を得ることができる。
【００７４】
本実施形態のダイボンドシートを用いて得られる半導体装置としては、ダイオード、整流器、サイリスタ、ＭＯＳゲートドライバ、パワースイッチ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ショットキーダイオード、ファーストリカバリダイオード等からなるパワーモジュール、発信機、増幅器、ＬＥＤモジュール等が挙げられる。本実施形態のダイボンドシートを用いて得られるパワーモジュール、発信機、増幅器、ＬＥＤモジュールは、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との間に高接着性を有することができる。
【実施例】
【００７５】
以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。
【００７６】
（ペースト状組成物の材料）
ＣＨ−０２００：サブマイクロ銅粒子（三井金属鉱業社製、製品名「ＣＨ−０２００」、５０％体積平均粒径  ０．３μｍ）。
ＭＡ−０２５ＫＦＤ：マイクロ銅粒子（三井金属鉱業社製、製品名「ＭＡ−０２５ＫＦＤ」、フレーク状、５０％体積平均粒径  ４μｍ）。
亜鉛粒子：亜鉛粒子（Ａｌｆａ−Ａｅｓａｒ製、フレーク状）
ポリ（プロピレンカルボナート）：熱分解性樹脂（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製）
炭酸プロピレン：溶剤（和光純薬工業製、製品名「４−メチル−１、３−ジオキソラン−２−オン」）
【００７７】
（実施例１）
分散媒として炭酸プロピレン８．８４ｇ及び熱分解性樹脂としてポリ（プロピレンカルボナート）３．３０ｇをポリ瓶に混合し、密栓し、静置して溶解した。この６０体積％ポリ（プロピレンカルボナート）溶液に、サブマイクロ銅粒子としてＣＨ−０２００を２６．２１ｇ添加し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。さらに、３本ロールミル（Ｍ−５０、ＥＸＡＫＴ社製）を用い、１５回処理した。この分散処理液２５．６ｇに、マイクロ銅粒子ＭＡ−０２５ＫＦＤを４．３８ｇおよび亜鉛粒子（Ａｌｆａ−Ａｅｓａｒ製）を０．０４４ｇ添加し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜ、密栓をして自転公転型攪拌装置（Ｐｌａｎｅｔｒｙ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｍｉｘｅｒ  ＡＲＶ−３１０、シンキー社製）を用いて、２０００ｒｐｍで１分間撹拌し、３本ロールミルで５回処理してペースト状組成物を得た。
【００７８】
（実施例２〜４及び比較例１〜３）
組成を表２のように変更したこと以外は、実施例１と同様にしてペースト状組成物を得た。
【００７９】
【表２】
2018152403.tif 000003
【００８０】
［シート形成性］
各実施例及び比較例のペースト状組成物を、テフロン（登録商標）コートしたステンレス板上に、ギャップを２５０μｍにセットしたベーカーアプリケータ（ＹＢＡ５型、ヨシミツ精機社製）を用いて膜状に塗布した。このステンレス板をホットプレート上で９０℃２時間放置して溶剤を除去した。室温（２５℃）に戻した後、ペースト状組成物の乾燥膜を剥離することで、自立膜として得た。この自立膜を切断して、ダイボンドシートとした。デジタルリニアゲージ（ＤＧ−５２５Ｈ、小野測器社製）を用いて、ダイボンドシートの膜厚を測定した結果、１２０μｍであった。なお、この工程において、ダイボンドシートを形成できたものは○、できなかったものは×と評価した。結果を表３に示す。
【００８１】
［仮圧着性評価、ダイシェア強度の測定］
銅基板３０ｍｍ×２５ｍｍ×３ｍｍ上に、５ｍｍ×５ｍｍに切断したダイボンドシートを設置し、その上にチタン、ニッケルがこの順で製膜され、３ｍｍ×３ｍｍの被着面がニッケルめっきであるシリコンチップを置き、１３０℃に加熱した加熱圧着装置（テスター産業社製）を用いて、空気中５分余熱後、空気中１ＭＰａ、１分間処理して仮接合した。なお、この工程において、銅基板とシリコンチップとの仮圧着が良好にできたものを○と評価した。
【００８２】
仮接合したサンプルを雰囲気制御可能なチューブオーブン（エイブイシー社製）に設置し、水素中、昇温３０分、３００℃保持１時間の条件で処理した。そして、ダイボンドシートの接着強度を、ダイシェア強度により評価した。ＤＳ−１００ロードセルを装着した万能型ボンドテスタ（４０００シリーズ、ＤＡＧＥ社製）を用い、測定スピード５ｍｍ／ｍｉｎ、測定高さ５０μｍでシリコンチップを水平方向に押し、ダイボンドシートのダイシェア強度を測定した。３枚のシリコンチップを測定した値の平均値をダイシェア強度とした。結果を表３に示す。
【００８３】
【表３】
2018152403.tif 000004
【００８４】
表３に示すように、熱分解性樹脂であるポリ（プロピレンカルボナート）の添加量が５質量％未満のダイボンドシートは、自立膜にはならなかった。一方、当該添加量が、５質量％以上ダイボンドシートは、自立膜であり、またシリコンチップと銅基板の仮圧着、焼成による接合ができ、さらにダイシェア強度は２０ＭＰａ以上となり良好であった。
【００８５】
＜断面モルフォロジーの観察＞
シリコンチップ及び基板をダイボンドシートで接合したサンプルをカップ内にサンプルクリップ（Ｓａｍｐｌｋｌｉｐ  Ｉ、Ｂｕｅｈｌｅｒ社製）で固定し、周囲にエポキシ注形樹脂（エポマウント、リファインテック社製）をサンプル全体が埋まるまで流し込み、真空デシケータ内に静置し、１分間減圧して脱泡した。その後、室温下（２５℃）１０時間放置後、６０℃の恒温機で２時間エポキシ注形樹脂を硬化した。ダイヤモンド切断ホイール（１１−３０４、リファインテック社製）をつけたリファインソー・ロー（リファインテック製）を用い、注形したサンプルの観察したい断面付近で切断した。耐水研磨紙（カーボマックペーパー、リファインテック社製）をつけた研磨装置（Ｒｅｆｉｎｅ  Ｐｏｌｉｓｈｅｒ  ＨＶ、リファインテック社製）で断面を削り、シリコンチップにクラックの無い断面を出した。その後、バフ研磨剤を染ませたバフ研磨布をセットした研磨装置で断面を平滑に仕上げＳＥＭ用サンプルとした。ＳＥＭ用サンプルをＳＥＭ装置（ＥＳＥＭ  ＸＬ３０、Ｐｈｉｌｉｐｓ社製）により、ダイボンドシートの断面を印加電圧１０ｋＶ、各種倍率で観察した。粒子間は焼結し、被着面とも融合、接合しており、良好な接合状態にあった。他の実施例も同様の結果であった。
【００８６】
（実施例５〜８、比較例４〜６）
調製例１〜７のペースト状組成物を、銅基板上に、１３ｍｍ×１３ｍｍの正方形の開口を有する厚さ２００μｍのステンレスマスクとスキージを用いてステンシル印刷した。その後、９０℃のホットプレート上で１時間乾燥して、銅基板上にダイボンドシートを形成した。なお、この工程において、ダイボンドシートを形成できたものは○、できなかったものは×と評価した。
【００８７】
銅基板上に形成されたダイボンドシート上に、３ｍｍ×３ｍｍの、被着面がニッケルめっきであるシリコンチップを置き、１３０℃に加熱した加熱圧着装置を用いて、空気中５分余熱後、空気中１ＭＰａ、１分間処理して仮接合した。なお、この工程において、銅基板とシリコンチップとの仮圧着が良好にできたものを○、できなかったものを×と評価した。
【００８８】
仮接合したサンプルを、雰囲気制御可能なチューブオーブン（エイブイシー社製）に設置し、水素中、昇温３０分、３００℃保持１時間の条件で処理した。そして、上記と同様にして、ダイボンドシートの接着強度をダイシェア強度により評価した。以上の結果を表４に示す。
【００８９】
【表４】
2018152403.tif 000005
【００９０】
実施例のダイボンドシートは熱伝導性及び接続信頼性に優れるだけでなく、自立膜として取り扱うことができ、仮圧着性にも優れることから、半導体素子と半導体素子搭載用支持部材との接合を簡便な工程で行うことができることが理解される。
【符号の説明】
【００９１】
１ａ、１ｂ、１ｃ…ダイボンドシート、２…半導体素子、３…半導体素子搭載用支持部材、４…ダイボンドシートの焼結体（焼結金属層）、１１ａ、１１ｂ…リードフレーム、１２…ワイヤ、１３…モールドレジン、１４…半導体素子、２１…絶縁基板、２２…第一の電極、２３…半導体素子、２４…第二の電極、２５…金属配線、２６…第三の電極、２７…ワイヤ、２８…金属板、２９…絶縁体、３０…ブロック体、３１…封止材、３２…第一の熱伝導部材、３３…第二の熱伝導部材、３４…電極、３５…ワイヤ、１００…半導体装置、１１０…半導体装置、２００…半導体装置、２１０…半導体装置、２２０…半導体装置、３００…半導体装置、３１０…半導体装置、３２０…半導体装置、４００…半導体装置。
【図１】
2018152403.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018152403.tif 000012
【図８】
2018152403.tif 000013
【図９】
2018152403.tif 000014
【図１０】
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