JP5156566B2 - 金属面の接続方法及びそのためのペースト - Google Patents

Description

本発明は、サンドイッチ状に互いに配置された可脱な構成部品の固定のための接続ペースト、特に銀ペーストに関する。

互いに接合されるべき電子部品のサンドイッチ構造のために、溶剤中に分散された銀片（銀フレーク）からなる接続ペーストは、約５０μｍの薄膜を電子部品（チップ）上に施与するために、３０ＭＰａのオーダーの圧力下で約３００℃の温度において焼結される。この場合に、チップと基板との確実な結合がもたらされ、それは２５０℃を超える駆動温度に耐える。結合されるべき表面は、貴金属でなければならず、特に銀もしくは金から成っていなければならない。

ＷＯ２００４／０２６５２６号は、その圧力を約２０ＭＰａにまで下げ、かつその温度を約２５０℃にまで下げるために、１００ｎｍ未満の粒度を有するナノシルバーの使用を開示している。

ＵＳ６，９５１，６６６号によれば、易分解性の銀化合物は、スクリーン印刷の作製のためにペーストにおいて、例えば銀片もしくはナノシルバー又は銀片とナノシルバーとの組み合わせと一緒に使用される。
ＷＯ２００４／０２６５２６号 ＵＳ６，９５１，６６６号

本発明の課題は、一方で、できる限り軟ろうよりはるかに高い融点を有するが、他方で、軟ろうと同様にできる限り容易に製造できる接続を提供することにある。２００℃を超えるまで、場合により２５０℃さえも超えるまで拡張する温度使用範囲を有する電子部品は、より容易に基板上に固定されることが望ましく、特にそのためには圧力負荷が低減されることが望ましい。このためには、好適な接続ペーストが提供されることが望ましい。

前記課題は、可脱な部品を、接続ペーストを用いて、固定を行う金属の融点よりかなり低い温度で全面的に互いに固定することで解決される。

前記課題は、独立請求項の特徴によって解決される。従属請求項に有利な実施形態が記載されている。

２つの可脱な素子、特に電子部品と更なる部品との安定な接続をすべく導電性もしくは熱伝導性の結合を製造するためには、本発明によれば、金属化合物、特に銀化合物を接続面の間で反応させて元素の金属、特に銀にする。これについて、部品間の固い接続を作製するためには、既に該部品での卑金属被覆、例えば銅被覆で十分である。

サンドイッチ状に結合されるべき２つの電子部品を、導電性もしくは熱伝導性の結合により接合して構成部品を接続するに際し、金属化合物、特に銀化合物の構造素子を接触面の間で元素の金属、特に銀へと分解させることは、構成部品を互いに焼結するために圧力と温度のかなりの低減を可能にする。サンドイッチ状の接合は、簡素化のために、オーブン中で、もしくはヒートプレートを用いて、特にヒートプレートシステムを有する内気循環室型乾燥棚（Ｕｍｌｕｆｔｋａｍｍｅｒｔｒｏｃｋｅｎｓｃｈｒａｎｋ）もしくは連続加熱オーブンにおいて、もしくは加熱可能なスタンプ（Ｓｔｅｍｐｅｌ）によって行われる。

本発明に決定的なことは、構成部品のサンドイッチ状接続がその互いの機械的固定であり、好ましくは付加的に熱伝導としてもしくは電気的結合としても用いられることである。

好ましくは
・ 金属化合物、特に銀化合物は、有機金属化合物、特に銀化合物、例えば炭酸銀もしくは酸化銀である。

・ 接続面は、卑金属金属を表面に有する。

・ 銀接続の製造のための加工温度は、４００℃未満、特に１５０℃〜３５０℃である。

・ 銀接続の製造は、大気圧下で行われる。

・ 銀化合物を有するペーストが接続面上に施与される。

・ 金属接続は、均一な層である。

該ペーストは、有利には、ＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルと、０．２μｍ〜５μｍの範囲の、特に有利には０．５μｍ〜２μｍの範囲の銅粒子もしくは銀粒子とを含有する。

３００℃未満で、特に２５０℃未満で分解し、その際に元素の金属、特に銀を形成する金属化合物、特に銀化合物は、焼結ペーストを２００℃〜３００℃で使用することに関してかなり改善するためには特に適している。本発明によれば、易分解性の銀化合物を有する接続ペーストが提供される。前記の本発明によるペーストは、低い接触圧、特に５バール未満、有利には３バール未満で、かつ約２３０℃の加工温度、すなわち２５０℃未満、特に２４０℃未満の温度で接続を可能にする。

本発明による表面間の接続は、２００℃を超えても、特に２０００サイクルにわたって温度交換安定である。それによって、該接続ペーストは、軟ろう合金もしくは導電性接着剤で達成可能な耐熱性及び温度交換安定性を上回る。本発明の範囲では、従って、接続ペーストの接続温度が該ペーストで製造された接点の駆動温度未満にあることが可能である。そのことは、電子部品からなるサンドイッチ状モジュールの製造方法を容易にする。本発明により容易に分解性の銀化合物は、ナノシルバーよりも簡単に製造でき、かつより簡単に保存することができる。ナノシルバーは、貯蔵の間に所望の特性を失う。それというのも、その表面は、アグロメレーションによって常に小さくなり、従って接合のためにもはや適していないからである。

決定的なのは、該ペーストがその有機成分、例えば溶剤及び／又はカルボン酸の他に、容易に分解性の金属化合物、特に銀化合物を有することであり、それによって軟ろうと同様の加工が４００℃未満で可能となる。好ましくは、銀化合物は、３００℃未満、特に２５０℃未満で、金属の銀を形成する。好適な銀化合物は、酸化銀、炭酸銀及び、特に有機銀化合物である。特に有効であると実証されるのは、乳酸銀である。

本発明によるペーストと方法は、高反応性のインサイチュー生成される金属、特に銀の形成に基づいており、それが接続面と、場合によりペースト中に存在する固体を互いに結合すると推測される。それにより、分解された金属化合物から生じた金属は、まず反応性の粒状面を固体上に形成し、それは後に容易に焼結されるか、又は金属化合物から生じた金属は直ちに粒界を互いに結合することもできると思われる。その限りでは、本発明による結合メカニズムについては、主として焼結、接着もしくは圧密のどれであるかは明らかではない。どの場合にも、接続箇所の機械的強度は、金属化合物の分解によって高められ、その多孔性は、特に１〜２０％だけ低減される。

易分解性の銀化合物は、公知のペースト中で、例えば銀片もしくはナノシルバー又は銀片とナノシルバーとの組み合わせと一緒に使用することができる。更なる好ましい実施形態においては、容易に分解される銀化合物及び銅粉末を有するペーストが提供される。銅粉末の粒度は、好ましくは１０μｍ未満である。

部品の通常の接続面は、貴金属からなる配線又は貴金属被覆を有する配線である。本発明によるペーストは、更に、卑金属の金属表面、例えば銅表面の結合のために適している。

本発明によれば、銀表面の他に、銅−金表面及びニッケル−金表面にも、非常に良好な導電性を有する固い結合が約２３０℃でさえも焼結される。その接続の引張荷重は、約５０ＭＰａである。

本発明によるペーストは、放熱器もしくはＬＥＤの固定のために、並びにオプトエレクトロニクスとパワーエレクトロニクス（パワーモジュール）、特にＤＣＢ（銅直接接合）及びダイアタッチでの使用のために適している。

好ましくは、接続ペーストは樹脂を含まない。特に、ＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルが、易分解性の銀化合物及び、場合により更に金属粉末、例えば銀片、ナノシルバー又は銅粉末と一緒に混合される。

本発明によれば、ボンドワイヤ技術を抑える低温焼結技術（ＮＴＶ）が行われる。それというのも、本発明による焼結ペーストでは部品の両側の加熱が好ましいからである。

本発明によれば、該ペーストを、代わりに、分散液を用いたスクリーン印刷によって、特にステンシル印刷又は噴霧法で施与することが可能である。

以下で、本発明を、実施例に基づいて図面を参照して説明する。

図１は、放熱器上でのＬＥＤの全面的固定を示している。

図２は、導体路上での電子部品（チップ）の全面的固定を示している。

図３は、放熱器上でのＤＣＢの全面的固定を示している。

図４は、Ｃｕ基板上でのシリコン半導体の固定を示している。

図５は、ある半導体（例えばＳｉもしくはＧａＡｓ）と、別の半導体、例えば（ＳｉもしくはＧａＡｓ）との電気的、熱的、及び機械的な結合（＝スタックダイ）を示している。

図６は、金属被覆上での半導体の電気的、熱的及び機械的な結合（フリップチップ）を示している。

図７は、ある電子部品と別の電子部品との電気的、熱的及び機械的な結合を示しており、その際、一方の部品はもう一方の部品に固定される（パッケージ・オン・パッケージ／ＰｏＰ）。

図８は、金属、セラミックもしくはプラスチックからなる基板もしくは放熱器上での太陽電池の電気的、熱的及び機械的な結合を示している。

接続は、それぞれ、そのために部品に設けた金属被覆の間で行われる。金属接続を区切る金属被覆は、図面には示されていない。それというのも、該金属被覆は、銀被覆間の銀接続の場合又は銅被覆間の銅接続の場合に、その接続中にかき消されているからである。

図１による実施形態によれば、ＬＥＤ１１は、放熱器１２上で接続１３によって固定されている。

ＬＥＤ１１の熱発生は、軟ろう接続の場合には金属間相の形成による脆化の危険性をもたらし、従って接続の確実性が損なわれる。

ＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルからなり中に銀片（フレーク）の他に乳酸銀が分散されている本発明による接続ペーストによって、純粋な銀接続が製造され、その接続は当然のように、最善の熱伝導性を有し、ＬＥＤの長期温度負荷のもとに劣化を示さない。

図１によるＬＥＤ固定の製造のために、８０質量％の銀と、５質量％の乳酸銀と、１５質量％のＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルとからなるペーストを、可脱の放熱器１２上へと全面的に施与する。次いで、可脱のＬＥＤ１１を該ペースト上に置き、未焼結体（Ｒｏｈｌｉｎｇ）をオーブン中で４５〜６０分にわたり２３０℃に加熱する。その際に生ずる銀接続１３は、ＬＥＤ用途に限定されない確実性を有する可能な範囲で最良の熱伝導体である。接続１３は、さらにより高い温度についても安定である。

図２の実施形態によれば、ＥＰ０８０９０９４号Ａ１による高温センサ１４（Ｈｅｒａｅｕｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ）は、リードフレーム１５上で接続１３によって固定されている。高温センサ１４の高温使用は、その使用範囲が５００℃超に至るが、それは、軟ろう接続の場合に軟ろうの融点温度に制限され、その際、金属間相の形成による脆化は、接続の使用期間を制限する。

ＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルからなり中に銀片（フレーク）の他に炭酸銀が分散されている本発明による接続ペーストによって、純粋な銀接続が製造され、その接続は当然のように、最善の導電性を有し、センサの使用される温度で絶対的に信頼性がある。

図２によるチップ接続の製造のために、８０質量％の銀と、５質量％の炭酸銀と、１５質量％のＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルとからなるペーストをリードフレーム１５上に施与する。次いで、チップ１４を、該ペースト上に置き、未焼結体をオーブン中で３０〜６０分にわたり２６０〜２７０℃に加熱する。その際に生ずる銀接続１３は、センサ用途に望ましい信頼性を有する可能な範囲で最良の導電体である。

図３による一実施形態によれば、ＤＣＢ６は、電気的にチップ１４と、かつ熱伝導的に放熱器１２上に、それぞれ接続１３によって固定されている。チップ４の熱発生は、軟ろう接続の場合に、金属間相の形成による脆化の危険性がもたらされ、従って接続１３の信頼性が損なわれる。

ＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルからなりその中に銀片及び銅片の他に乳酸銀が分散されている本発明による接続ペーストによって、ＤＣＢと放熱器との接続のために、純粋な金属接続が製造され、それは非常に良好な熱伝導性を有し、かつチップの長期熱負荷のもとで劣化を示さない。

ＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルからなりその中に銀片の他に乳酸銀が分散されている本発明による接続ペーストによって、ＤＣＢとチップとの接続のために、純粋な金属接続が製造され、それは非常に良好な導電性を有し、かつチップの長期熱負荷のもとで劣化を示さない。

図３によるＤＣＢ接続の製造のために、６０質量％の銅と、２０質量％の銀と、５質量％の乳酸銀と、１５質量％のＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルとからなるペーストを、放熱器１２上に施与する。次いで、ＤＣＢ１６を該ペースト上に置き、そして８０質量％の銀と、５質量％の乳酸銀と、１５質量％のＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルとからなるペーストで被覆し、その上にチップ１４を置き、そして前記未焼結体を２〜３バールの等静圧においてオーブン中で２０〜４０分間にわたり２４０℃に加熱する。その際に生ずる銀接続１３は、チップ用途に限定されない信頼性を有する可能な範囲で最良の導電体である。銅−銀−接続１３は、非常に良好な熱伝導について信頼性がある。

図４は、本発明により製造される銀相３を有する、導体路１上でのＬＥＤもしくはシリコン半導体２の固定を示している。チップ２は、リボン５を介して導体路と電気的に接続されており、同様にそれは銀層３で固定されている。導体路と銅もしくは銀からなるリボンは、特に電気的に絶縁された支持基板上に固定された導体路に有効であることが実証された。

ＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルからなり中に銀片（フレーク）の他に乳酸銀が分散されている本発明による接続ペーストによって、純粋な銀接続３が製造され、その接続は当然のように、最善の熱伝導性を有し、チップ２もしくはＬＥＤの長期温度負荷のもとに劣化を示さない。

銀接続の製造のために、以下の駆動条件下でそれぞれ温度プロフィールを制御可能なホットプレートシステムを有する内気循環室型乾燥棚もしくは連続加熱オーブンもしくはスタンプ（例えばフリップチップボンダもしくはダイボンダ）が有効であると実証された。

接続の間の温度プロフィール：
昇温速度≧０．５Ｋ／ｓ
最終温度２３０〜４００℃
昇温から冷却までの工程時間５〜６０分
オーブン雰囲気：空気もしくは窒素（残留酸素含分＞１０００ｐｐｍ）もしくは化成ガス（残留酸素含分＞１０００ｐｐｍ）もしくは真空＞１０ミリバール（残留酸素含分＞１００ｐｐｍ）
０．３Ｋ／ｓ未満の昇温速度又は２００℃未満の最終温度又は５分未満の熱処理又は１０ミリバール未満の真空の場合には、有用な固定は行われないので、負荷可能な銀層は得られない。

最終温度の高さは、部品の温度感受性によって決定される。空気雰囲気は、好ましい焼結雰囲気である。窒素もしくは化成ガスは、Ｃｕ基板表面を酸化から保護するために役立つ。真空、特に１００〜３００ミリバールの真空は、更に気泡の侵入を妨げる。

図４によるシリコンチップ固定の製造のために、８０質量％の銀と、５質量％の乳酸銀と、１５質量％のＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルとからなるペーストを、パターン形成された２ｍｍ厚で１０ｍｍ幅のＣｕ基板１上に施与する。次いで、チップを該ペースト上に置き、未焼結体をオーブン中で４５〜６０分にわたり２３０℃に加熱する。その際に生ずる銀接続３は、チップ用途に限定されない信頼性を有する可能な範囲で最良の熱伝導体である。接続３は、２３０℃よりはるかに高い温度について安定である。

ＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルからなりその中に銀片及び銅片の他に乳酸銀が分散されている本発明による接続ペーストによって、チップとＤＣＢとの接続のために、純粋な金属接続が製造され、それは非常に良好な熱伝導性を有し、かつパワーモジュールの長期熱負荷のもとで劣化を示さない。この接続は、特にＤＣＢ使用での高い電流密度に基づき、純粋な銀接続よりも適している。

図４による例と同様に、図２、３、４及び５による例についても、ＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルからなり中に銀片（フレーク）の他に炭酸銀が分散されている本発明による接続ペーストによって、純粋な銀接続が製造され、その接続は当然のように、最善の導電性を有し、センサの使用される温度で絶対的に信頼性がある。

図４と同様に、図６〜８によるチップ接続の製造のために、８０質量％の銀と、５質量％の炭酸銀と、１５質量％のＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルとからなるペーストを、場合により電気的に絶縁された基板４上で固定されているリードフレーム１上に施与する。次いで、チップ２を、該ペースト上に置き、未焼結体をオーブン中で３０〜６０分にわたり２６０〜２７０℃に加熱する。その際に生ずる銀接続３は、センサ用途に望ましい信頼性を有する可能な範囲で最良の導電体である。

ＤＥ１０２００５０５３５５３号Ａ１によるゲルからなりその中に銀片の他に乳酸銀が分散されている本発明による接続ペーストによって、銀リボンとチップとの接続のために、純粋な金属接続が製造され、それは非常に良好な導電性を有し、かつチップの長期熱負荷のもとで劣化を示さない。

図４と同様に、図６〜８における銀接続３は、３ａで全面的な伝熱接続を示しており、かつ３ｂで電気的接続を示している。

図５は、ある半導体（例えばＳｉもしくはＧａＡｓ）と、別の半導体、例えば（ＳｉもしくはＧａＡｓ）との電気的、熱的、及び機械的な結合（＝スタックダイ）を示している。このスキーマは、表側が互いに結合された半導体についても、部品の裏側（バックエンド）が別の部品の上側（フロントエンド）と結合された半導体についても言える。

図６によれば、半導体２の表側は、Ｃｕ、ＡｇもしくはＡｕからなるバンプ６を介して銀接続３ｂによって金属被覆上に固定化されており、その際、該金属被覆は、銅線１と電気的に接続されている（フリップチップ）。

図７では、図１による電子部品と図１による更なる電子部品との電気的、熱的及び機械的な結合を示しており、その際、一方の部品はもう一方の部品に固定される（パッケージ・オン・パッケージ／ＰｏＰ）。それらの部品は、本発明によればもはや個々の部品の製造後に互いに結合されず、部品の銀接続３の製造に際して既に、部品の互いの固定のためにも銀接続３が製造される。

図８では、金属、セラミックもしくはプラスチックからなる基板もしくは放熱器９上での太陽電池８の電気的、熱的及び機械的な結合３ａが示されている。太陽電池８の放熱は、その出力及び寿命のために決定的である。それというのも、太陽電池８の駆動温度は、太陽電池８を放熱器９上に固定する銀接続３ａの製造温度を十分に上回っているからである。

特に、太陽電池では、ある電気素子と、同じ機能又は別の電気的もしくは電子的な機能の別の素子との確実な電気的、熱的及び機械的な結合３が必要とされる。直列に配置された太陽電池８は、太陽電池８中に生ずる電流を排出するために、銀接続３ｂ及び銀もしくは銅リボンを介して金属接続に電気接続されている。

図１は、放熱器上でのＬＥＤの全面的固定を示している。 図２は、導体路上での電子部品（チップ）の全面的固定を示している。 図３は、放熱器上でのＤＣＢの全面的固定を示している。 図４は、Ｃｕ基板上でのシリコン半導体の固定を示している。 図５は、ある半導体（例えばＳｉもしくはＧａＡｓ）と、別の半導体、例えば（ＳｉもしくはＧａＡｓ）との電気的、熱的、及び機械的な結合（＝スタックダイ）を示している。 図６は、金属被覆上での半導体の電気的、熱的及び機械的な結合（フリップチップ）を示している。 図７は、ある電子部品と別の電子部品との電気的、熱的及び機械的な結合を示しており、その際、一方の部品はもう一方の部品に固定される（パッケージ・オン・パッケージ／ＰｏＰ）。 図８は、金属、セラミックもしくはプラスチックからなる基板もしくは放熱器上での太陽電池の電気的、熱的及び機械的な結合を示している。

符号の説明

１ リードフレーム、 ２ チップ、 ３ａ，３ｂ 銀接続、 ４ 基板、 ５ リボン、 ６ バンプ、 ８ 太陽電池、 ９ 放熱器、 １１ ＬＥＤ、 １２ 放熱器、 １３ 接続、 １４ 高温センサ、 １５ リードフレーム、 １６ ＤＣＢ

Claims (8)

1. ２つの素子を、樹脂を含まない接続ペーストによって接続すべく導電性もしくは熱伝導性の結合を製造するための方法であって、該樹脂を含まない接続ペーストが０．２μｍ〜５μｍの範囲の銀粒子及び銀化合物を含有し、その際、重なり合う接続面の間で、該銀化合物から元素の銀を形成させることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記銀化合物が有機銀化合物、炭酸銀又は酸化銀であることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記有機銀化合物が乳酸銀であることを特徴とする方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法において、接続面の表面に卑金属を有することを特徴とする方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法において、接続の製造のための加工温度が４００℃未満であることを特徴とする方法。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法において、銀化合物を有するペーストを接続面上に施与することを特徴とする方法。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法において、２つの部品の接続が、
   ａ）放熱器もしくはＬＥＤもしくはＤＣＢもしくは太陽電池の固定、又は
   ｂ）シリコン半導体のＣｕ基板上での固定、又は
   ｃ）フリップチップもしくはパッケージ・オン・パッケージ（ＰｏＰ）への固定
   であることを特徴とする方法。
8. ０．２μｍ〜５μｍの範囲の銀粒子及び４００℃未満で元素の銀を形成しつつ分解する銀化合物を含有する、樹脂を含まない接続ペーストを、可脱の電気部品への可脱の部品の全面的な固定のために用いる使用。

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