(57)【要約】【課題】スペーサーによる高い接合層厚み精度を維持しながら、非加圧焼結を可能とする半導体装置の接合方法、及びその接合体を提供すること。【解決手段】第一の部材の第一の面に、少なくとも金属ナノ粒子と溶剤から構成されるナノ金属ペースト及び、スペーサーを供給するペースト供給工程と、第二の部材を、上記第一の面に対向し、上記スペーサーに突き当てるように搭載する搭載工程と、上記ナノ金属ペースト中の溶剤が蒸発する温度以下で、かつ、上記スペーサーを溶融又は分解させる第１加熱工程と、上記ナノ金属ペースト中の溶剤が蒸発する温度で加熱する第２加熱工程と、上記金属ナノ粒子が焼結する温度で第３加熱する工程と、を有する接合方法を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の部材と、
前記第一の部材と対向し、接合層を介して接合された第二の部材と、を有し、
前記接合層は、金属材料と半田材料とを含み、
前記金属材料の一部の領域が孔質状態であって、前記孔質状態の金属材料の孔内の一部に前記半田材料が位置する接合体。
【請求項２】
第一の部材と、
前記第一の部材と対向し、接合層を介して接合された第二の部材と、を有し、
前記接合層は、金属材料と半田材料とを含み、
前記接合層の一部領域に、前記金属材料と前記半田材料との合金が位置する接合体。
【請求項３】
第一の部材と、
前記第一の部材と対向し、接合層を介して接合された第二の部材と、を有し、
前記接合層は、金属材料と半田材料とを含み、
前記金属材料の一部の領域が孔質状態であって、前記孔質状の金属材料の孔内の一部に前記半田材料が位置し、別の孔内の一部に、前記金属材料と前記半田材料との合金が位置する接合体。
【請求項４】
前記合金の融点が、前記半田材料の溶融の融点よりも高い請求項２または３記載の接合体。
【請求項５】
前記半田材料の中に、Ｂｉ、又は、Ｉｎのいずれかが含まれている請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項６】
前記金属材料がＡｇであり、前記合金が、少なくとも、ＡｇとＢｉ、又はＡｇとＩｎを含む請求項２〜５のいずれか１項に記載の接合体。
【請求項７】
第一の部材の第一の面に、少なくとも金属ナノ粒子と溶剤から構成されるナノ金属ペースト及び、スペーサーを供給するペースト供給工程と、
第二の部材を、前記第一の面に対向し、前記スペーサーに突き当てるように搭載する搭載工程と、
前記ナノ金属ペースト中の溶剤が蒸発する温度以下で、かつ、前記スペーサーを溶融又は分解させる第１加熱工程と、
前記ナノ金属ペースト中の溶剤が蒸発する温度で加熱する第２加熱工程と、
前記金属ナノ粒子が焼結する温度で第３加熱する工程と
を有する接合方法。
【請求項８】
前記スペーサーが、半田である請求項７記載の接合方法。
【請求項９】
前記半田の中に、Ｂｉ、又は、Ｉｎのいずれかが含まれている請求項８記載の接合方法。
【請求項１０】
前記スペーサーの形状が、球状、柱状、ワイヤー状、又は箔状である請求項７〜９のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１１】
前記ペースト供給工程で、前記ナノ金属ペースト内に、前記スペーサーが予め混合された状態で、前記第一の部材の第一の面に供給される請求項７〜１０のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１２】
金属ナノ粒子と溶剤を含むナノ金属ペースト中に、前記溶剤の沸点よりも低温で溶融又は分解するスペーサーが混入された接合材料。
【請求項１３】
前記スペーサーが、半田である請求項１２記載の接合材料。
【請求項１４】
前記半田は、Ｂｉ、又は、Ｉｎのいずれかを含む請求項１３記載の接合材料
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置である接合体と接合方法および接合材料に関する。特に、半導体装置を金属ナノ粒子で接合する接合方法、及び、その接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体パワーデバイスや、高輝度ＬＥＤなどの半導体装置を回路基板や放熱板上に実装する方法として、金属ナノ粒子を接合材料として用いた方法が注目されている。金属ナノ粒子とはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ等の１００ｎｍ未満のサイズの金属粒子である。この金属ナノ粒子は、微細化により、表面活性度が高く且つ融点が低くなっており、低温（例えば１５０〜３５０℃）での焼結が可能である。
【０００３】
また、金属ナノ粒子は、互いに結合してサイズが大きくなると、厚みがミリメートル単
位以上である通常サイズの金属材料（以下、バルク金属材料という）と同等の高い融点と
なる。このため、半導体装置の実装時の熱ストレスの低減および実装後の耐熱温度の向上が要求される幅広い製品への適用に好適である。
【０００４】
一般に、金属ナノ粒子を用いた接合は、分散剤で保護された金属ナノ粒子が溶剤中に分散されたナノ金属ペーストを用いて行われる。
【０００５】
従来の接合方法では、基板などの第一の部材の接合面に、ナノ金属ペーストをスクリーン印刷や、ディスペンサー等で供給し、この上に半導体素子などの第二の部材をマウンター等で仮固定した後、高温炉の中で、ナノ金属ペースト中の溶剤が蒸発する温度（例えば１００℃〜１５０℃）でプリヒートして溶剤成分を乾燥させた後、焼結する温度（例えば２００℃〜３００℃）で加熱して、焼結を進行させ接合層を形成する。
【０００６】
また、焼結の際、接合層をより強固なものとするために、加熱とともに、加圧処理する場合もあるが、ナノ金属ペースト中の分散剤や溶剤、及び金属ナノ粒子材料の進歩や、配合の最適化により、特に加圧処理を行わなくても、必要とする接合強度を得られる非加圧焼結タイプのナノ金属ペーストも、近年では増えてきている。
【０００７】
金属ナノ粒子の焼結接合後の接合層の厚み精度は、加熱のみで焼結を進行させる場合は、第二の部材を仮固定する工程の精度でほぼ決定される。これは、接合部をマクロでみた場合に、ナノ金属ペーストの溶剤蒸発時、及び焼結時の体積収縮が、均一に行われるためである。また、加圧しながら加熱する焼結の場合は、焼結時の加熱と加圧時の精度が支配的になる。
【０００８】
接合層の厚み精度を高める方法としては、従来からスペーサーを接合部に挟む方法が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、特許文献１に記載された従来の金属ナノ粒子を用いた接合方法を示す図である。
【００１０】
まず、図３（ａ）に示すように、第一の部材１０１の接合面に、ナノ金属ペースト１０２及び、スペーサー１０３ａを塗布した後、図３（ｂ）に示すように、第二の部材１０４を搭載する。次に高温炉の中でナノ金属ペースト１０２中の溶剤が蒸発する温度で加熱して、溶剤を除去する（図示せず）。
【００１１】
このとき、溶剤の蒸発によって、ナノ金属ペースト１０２には体積収縮が生じる。この時点でスペーサー１０３ａは元の形状及びサイズを維持しているため、スペーサー１０３ａが、つっかえ棒のような役割を果たし、その結果、ナノ金属ペースト１０２と第二の部材１０４の間に体積縮小分の隙間が発生する。
【００１２】
次に、図３（ｃ）に示すように加圧装置１０６を用いて、スペーサー１０３ｂが塑性変形する圧力で加圧しながら、かつ、金属ナノ粒子が焼結する温度で高温炉１０５で加熱する。このことで、焼結を進行させ、接合体２００を形成している。スペーサー１０３ｂのように塑性変形に至るまで加圧することで、溶剤蒸発時のナノ金属ペーストの体積収縮に伴い発生する上記隙間を押しつぶすとともに、焼結後の強固な接合を達成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１１−７１３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、前記従来の接合方法では、焼結の際にスペーサーを塑性変形させる圧力が必要となるため、必ず加熱と加圧を同時に制御する装置が必要となる。一般的に高温状態での加圧制御は、設備の熱膨張による発生する歪の影響により、精度を維持することが難しい。
【００１５】
結果として、設備が高額になることや、日常の設備管理の手間が増加するという課題がある。さらに、単なる熱処理と異なり、加圧処理を要するため、複数の接合体を一括処理するなどの大量生産が難しく、生産性の向上が困難であるという課題を有している。
【００１６】
また、図３（ｂ）に示すように、第二の部材１０４を搭載する際に、スペーサー１０３ａに接触する位置まで第二の部材１０４を押し込んだ場合、次の工程である、溶剤の蒸発によって、ナノ金属ペーストの体積収縮が発生し、その結果、ナノ金属ペーストと第二の部材の間に隙間が発生してしまう。
【００１７】
第二の部材１０４と金属ナノ粒子間の接合を強固なものとするためには、発生した隙間を押し潰し、再度、ナノ金属ペーストと第二の部材１０４を密着させる必要があり、溶剤蒸発中、または及び、溶剤蒸発後の加圧工程は必須となる。従って、非加圧焼結タイプのナノ金属ペーストを用いた、非加圧焼結には適用ができないという課題も有している。
【００１８】
本発明は、従来の課題を解決するもので、スペーサーによる高い接合層厚み精度を維持しながら、非加圧焼結を可能とする接合材料、接合方法、及びその接合体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】
【００１９】
上記目的を達成するために、第一の部材と、上記第一の部材と対向し、接合層を介して接合された第二の部材と、を有し、上記接合層は、金属材料と半田材料とを含み、上記金属材料の一部の領域が孔質状態であって、上記孔質状の金属材料の孔内の一部に上記の半田材料が位置する接合体を用いる。
【００２０】
また、第一の部材と、上記第一の部材と対向し、接合層を介して接合された第二の部材と、を有し、上記接合層は、金属材料と半田材料とを含み、上記接合層の一部領域に、上記金属材料と上記半田材料との合金が位置する接合体を用いる。
【００２１】
また、第一の部材と、上記第一の部材と対向し、接合層を介して接合された第二の部材と、を有し、上記接合層は、金属材料と半田材料とを含み、上記金属材料の一部の領域が孔質状態であって、上記孔質状の金属材料の孔内の一部に上記半田材料が位置し、別の孔内の一部に、上記金属材料と上記半田材料との合金が位置する接合体を用いる。
【００２２】
また、第一の部材の第一の面に、少なくとも金属ナノ粒子と溶剤から構成されるナノ金属ペースト及び、スペーサーを供給するペースト供給工程と、第二の部材を、上記第一の面に対向し、上記スペーサーに突き当てるように搭載する搭載工程と、上記ナノ金属ペースト中の溶剤が蒸発する温度以下で、かつ、上記スペーサーを溶融又は分解させる第１加熱工程と、上記ナノ金属ペースト中の溶剤が蒸発する温度で加熱する第２加熱工程と、上記金属ナノ粒子が焼結する温度で第３加熱する工程と、を有する接合方法を用いる。
【００２３】
また、金属ナノ粒子と溶剤を含むナノ金属ペースト中に、上記溶剤の沸点よりも低温で溶融又は分解するスペーサーを混入した接合材料を用いる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明の半導体装置の接合方法によれば、ナノ金属ペーストを用いた焼結での接合層形成において、スペーサーがナノ金属ペーストの溶剤を蒸発させる工程の前に、溶融、又は分解し、溶剤蒸発時や焼結進行時の体積収縮に伴う沈み込みを妨害することがない。このため、仮固定から焼結に至るまでの過程で、非加圧でも、被接合部材と、ナノ金属ペースト間に隙間を生じさせることが無く、必要な接合強度が得られる。また、非加圧焼結の際の接合層の厚み精度を決定する、第二の部材を仮固定する搭載工程においては、スペーサーを用いた高精度搭載が適用できるため、焼結後も高い接合層厚み精度が維持できる。
【００２５】
さらに、非加圧焼結での接合層形成が可能となるため、焼結工程において、高温雰囲気内で高加圧の制御を要する設備が不要となるとともに、高温炉などによる一括して複数の接合体の焼結処理が可能となる。このため、安価な製造プロセスを提供することができる。
【００２６】
また、前記接合方法で形成した接合層によると、焼結金属の一部に発生する空孔中に、一部の溶融凝固したスペーサー材料が充填された状態となる。このため、空洞状態に比べ、局所的に熱伝導率を上昇させることができる。
【００２７】
さらに、一部の焼結金属と、スペーサー材料の半田材料が合金を形成し、溶融前の状態のスペーサー材料である半田よりも、融点が高い状態となるため、接合後の再溶融を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）〜（ｆ）本発明の実施の形態における半導体装置の接合方法を示す工程フロー図
【図２】本発明の実施の形態における接合層の状態を示す断面図
【図３】（ａ）〜（ｄ）特許文献１に記載された従来の接合方法を示す工程フロー図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（実施の形態）
＜プロセス＞
図１（ａ）〜図１（ｆ）は、本発明の実施の形態における半導体装置の接合方法を示す工程図である。
【００３１】
（１）ペースト供給工程
図１（ａ）に示すように、第一の部材１の接合面（図示せず）に、ナノ金属ペースト２と、スペーサー３ａを供給する。
【００３２】
ナノ金属ペースト２は、分散剤で保護された金属ナノ粒子が溶剤中に分散された構成である。
【００３３】
第一の部材１は、例えば、プリント配線基板や、セラミック配線基板の他、高い熱伝導性を有する放熱基板等がある。
【００３４】
供給する方法としては、例えば、予めナノ金属ペースト２中に、スペーサー３ａを混合したペーストを用いて、スクリーン印刷による方法や、ディスペンサーで供給する方法等がある。予めナノ金属ペースト２中に、スペーサー３ａを混合する場合は、第一の部材１上への供給の際に、スペーサー３ａの向きをコントロールすることが非常に難しいため、スペーサー３ａの形状は球状が望ましい。
【００３５】
ここで用いる第一の部材１の接合面は、金属ナノ粒子との接合性の良い、Ｃｕ無垢材、又はＡｇめっき、又はＡｕめっきが望ましい。
【００３６】
また、本実施形態において、スペーサー３ａは球形としているが、ナノ金属ペースト２と、スペーサー３ａを第一の部材１上に、別々に供給する場合は、例えばスペーサー３ａの形状をワイヤー状や、箔状として、第一の部材１上に予め載置した後、ナノ金属ペースト２を塗布しても問題はない。また、第一の部材１上に、柱状の半田メッキをスペーサー３ａとして形成してから、ナノ金属ペースト２を供給しても良い。
【００３７】
ナノ金属ペースト２中の金属ナノ粒子には、平均粒径が０．５〜１００ｎｍの金属粒子（金属ナノ粒子）を使用することができる。そのような金属ナノ粒子の一例として、粒径が３〜７ｎｍである、ハリマ化成（株）製のＮＰＧ−Ｊがある。また、金属ナノ粒子としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｓｎ等の一元系金属のほか、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ、ＡｕＳｎなどの多元系金属などを使用することができる。
【００３８】
また、金属ナノ粒子とともに、１００ｎｍ以上の粒径の金属を混入させても良い。
【００３９】
ナノ金属ペースト２中の溶剤には、例えばテルピネオール、デカノール、テトラデカン、トルエンまたはデカリン等を使用することができる。
【００４０】
ここで、スペーサー３ａには、ナノ金属ペースト２を構成する溶剤の沸点以下の融点をもつ半田材料が望ましい。例えば、ナノ金属ペースト２の溶剤に、２００℃以上の沸点をもつテルピネオールや、デカノールなどの場合は、例えば融点が１９０℃〜２００℃程度のＳｎＺｎ系半田、沸点が１８６℃程度のデカリンなどの場合には、例えば融点が１４０℃程度のＳｎＢｉ系半田や、融点が１２０℃程度のＳｎＩｎ系半田、沸点が１１０℃程度のトルエンの場合などには、融点が７０℃程度となるＢｉＩｎ系半田などが好ましい。勿論その他の二元系半田や、三元系以上の多元系の半田でも構わない。更に言えば、ナノ金属ペースト２を構成する溶剤の沸点以下で分解する熱可塑性の樹脂材料や、ゴム等を用いても問題はない。
【００４１】
（２）第二の部材搭載工程
図１（ｂ）に示すように、第二の部材４を、ナノ金属ペースト２を介して、第一の部材１上に搭載する。
【００４２】
第二の部材４は、例えば半導体素子である。搭載する際、第二の部材４は、スペーサー３ａに接触する位置まで押し当てる。このとき、スペーサーの潰れ量が一定以下になるように圧力を制御することで、第一の部材１と第二の部材４とのギャップを精度良く保つことが出来る。
【００４３】
本接合方法によれば、第二の部材４の搭載に用いる装置には、圧力制御のみで高さを調整できるため、搭載高さ方向の位置制御に、高い精度を要求しない。すなわち高価な位置制御機能を必要としない安価なマウンターなどを利用することができる。
【００４４】
（３）第１加熱工程
図１（ｃ）に示すように、高温炉５などの中で加熱し、ナノ金属ペースト２中の溶剤が蒸発しない温度で、スペーサー３ａを溶融し、溶融状態のスペーサー３ｂを形成する。このとき、ナノ金属ペースト２中の溶剤の沸点が、１５０℃以上の溶剤の場合、スペーサー材料には、例えば、融点が１４０℃付近となるＳｎ５８Ｂｉ半田や、融点が１２０℃付近となるＳｎ４９Ｉｎ半田等が好ましく、また、溶剤の沸点が１００℃程度の溶剤の場合、スペーサー３ａの材料には、例えば、融点が８０℃付近となるＩｎ３３Ｂｉ半田などが好ましい。その他にもＳｎＢｉＩｎなどの３元系の半田材料なども適用できる。
【００４５】
（４）第２加熱工程
図１（ｄ）に示す様に、ナノ金属ペースト２中の溶剤が蒸発する温度で加熱して溶剤分を減少させる。
【００４６】
このとき、溶剤の蒸発に伴い、ナノ金属ペースト２の体積が減少するため、第二の部材４が全体的に沈み込み、接合高さは低くなるが、第二の部材４の接合面全体に亘って均一に金属ナノ粒子成分が残存するため、接合高さ精度自体は維持される。
【００４７】
また、スペーサー３ｂは溶融状態を保つので、沈み込みを阻害することはない。
【００４８】
なお、本工程におけるナノ金属ペースト２の体積減少は、ナノ金属ペースト２中の溶剤と、金属ナノ粒子の配合割合でほぼ決まり、一般的には３０％〜５０％程度である。従って、スペーサー３ａに球状を採用する場合は、第二の部材４搭載時の圧力によるスペーサー３ａの潰れ量も考慮して、接合体完成時の接合層高さの２００％〜２８５％程度のサイズにすると好ましい。
【００４９】
（５）第３加熱工程
図１（ｅ）に示すように、ナノ金属ペースト２中の分散剤が除去され、かつ金属ナノ粒子の焼結する温度まで昇温し、十分に焼結が完了するまで保持することで、強固なバルク金属を主とした、焼結金属７を形成する。
【００５０】
（６）冷却工程
最後に、図１（ｆ）に示すように、常温に戻すことで、溶融したスペーサー３ｂが冷やされ、再凝固した状態のスペーサー３ｃを形成し、接合層８が形成される。
【００５１】
＜効果＞
図１（ｃ）〜図１（ｅ）までの加熱を有する工程において、加圧を行うことは無いので、高温状態で加圧するという高度な制御を要する工程が不要となる。
【００５２】
また、加熱を有する工程には、汎用的な大型の高温炉などを用い、複数個同時の一括処理を適用することが可能となる。このため、製造コストを抑えることが可能である。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、加熱工程に高温炉を用いて実施しているが、ホットプレートを用いるなど、特に高温炉に限定するものではない。
【００５４】
＜作製された半導体装置＞
図２を参照して、上記接合方法で作製された接合体の構成を説明する。図２は、作製された接合体の断面図である。
【００５５】
接合層８は、金属ナノ粒子同士が焼結して形成された焼結金属７と、焼結の際、一部の金属ナノ粒子間の結合が十分にされずにできた隙間や、残存した溶剤や分散剤のガスが抜けるルートなどが残って形成された空孔９と、一度溶融した後、再凝固したスペーサー３ｃ、及び焼結金属７を構成する金属材料とスペーサー３ｃを構成する金属材料との合金１０で構成される。
【００５６】
ここで、再凝固したスペーサー３ｃは、一部の空孔９内に充填されている状態となる。
【００５７】
ただし、元素の種類により、合金１０が形成されない場合がある。また、スペーサー３ｃが、一部の空孔９内に充填されない場合もある。
例えば焼結金属７がＡｇの場合、バルクＡｇの熱伝導率は４１８Ｗ／ｍ・Ｋであるが、非ナノ金属ペーストを焼結させた場合、焼結後の接合層８には空孔９が入るため、実際の熱抵抗は、８０〜３３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度まで低下するが、本構成によると、本来、空孔９であった場所の一部に、再凝固したスペーサー３ｃが充填された状態となるため、熱伝導率の改善が可能となる。
【００５８】
また、例えば、焼結金属７としてＡｇ、スペーサー３ｃの材料を融点が７３℃の６７Ｉｎ−３３Ｂｉ半田とした場合、合金１０としては、融点が２６２℃以上のＡｇＢｉ合金等が形成される。合金化が進むことで、元々低融点であった、スペーサー３ｃの融点が高温側にシフトすることで、接合体に熱処理等をかけた際の再溶融を抑えることができる。
【００５９】
また、他のスペーサー３ｃの材料として、融点が１３９℃の４２Ｓｎ−５８Ｂｉ半田とした場合、合金１０としては、融点が２６２℃以上のＡｇＢｉ合金や、融点が２２１℃以上のＡｇＳｎ合金等が形成される。スペーサー３ｃの材料としては、その他にも、ＳｎＩｎ等の２元系の半田材料や、ＳｎＢｉＩｎなどの多元系半田材料などが使用できる。
【００６０】
本発明によれば、金属ナノ粒子の非加圧の焼結接合において、高い接合層厚み精度を確保しながら、接合層を介した良好な放熱性と、高い接合信頼性を達成することができる。
また、高価な高温化での加圧制御設備が不要なため、製造コストを抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
特に発熱量の多い、パワー半導体素子や、高輝度ＬＥＤなどの、高耐熱かつ高放熱を要する半導体装置の接合に好適である。
【符号の説明】
【００６２】
１  第一の部材
２  ナノ金属ペースト
３ａ、３ｂ、３ｃ  スペーサー
４  第二の部材
５  高温炉
７  焼結金属
８  接合層
９  空孔
１０  合金
１０１  第一の部材
１０２  ナノ金属ペースト
１０３ａ、１０３ｂ  スペーサー
１０４  第二の部材
１０５  高温炉
１０６  加圧装置
２００  接合体
【図１】
2019102625.tif 000003
【図２】
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【図３】
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