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JP7651822B2 - Metal paste for bonding, bonded body, semiconductor device, and method for manufacturing bonded body - Google Patents
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Metal paste for bonding, bonded body, semiconductor device, and method for manufacturing bonded body Download PDF

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Description

本発明は、接合用金属ペースト、並びに、それを用いた接合体、半導体装置、及び接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a metal paste for bonding, a bonded body using the same, a semiconductor device, and a method for manufacturing the bonded body.

半導体装置を製造する際、半導体素子とリードフレーム等(支持部材)とを接合する接合層を形成するため、様々な接合材が用いられている。例えば、150℃程度までの温度で動作させるパワー半導体、LSI等の接合には、接合層の形成に高鉛はんだが用いられてきた。近年、半導体素子の高容量化及び省スペース化が進み、半導体を175℃以上で高温動作させる要求が高まっている。このような半導体装置の動作安定性を確保するためには、接合層に接続信頼性及び高熱伝導特性が必要となる。しかし、175℃以上の温度域では、従来用いられてきた高鉛はんだの接合層では接続信頼性に課題が生じ、熱伝導率も不十分(30Wm-1-1)なため、代替材が求められている。 When manufacturing a semiconductor device, various bonding materials are used to form a bonding layer that bonds a semiconductor element to a lead frame or the like (supporting member). For example, high-lead solder has been used to form a bonding layer for bonding power semiconductors, LSIs, and the like that operate at temperatures up to about 150°C. In recent years, semiconductor elements have become higher capacity and more space-saving, and there is an increasing demand for semiconductors to operate at high temperatures of 175°C or higher. In order to ensure the operational stability of such semiconductor devices, the bonding layer needs to have connection reliability and high thermal conductivity. However, in the temperature range of 175°C or higher, the bonding layer of the high-lead solder that has been used conventionally has problems with connection reliability and has insufficient thermal conductivity (30 Wm - 1K -1 ), so alternative materials are needed.

代替材の一つとして、銀粒子の焼結現象により形成される焼結銀層が提案されている(下記特許文献1を参照)。焼結銀層は、熱伝導率が高く(>100Wm-1-1)、パワーサイクルに対する接続信頼性が高いことが報告されており注目されている(下記非特許文献1を参照)。しかし、接続信頼性を確保するには焼結銀層の緻密度向上のために高加圧を伴う熱圧着プロセスが必須であり、半導体素子チップの損傷や熱圧着工程のスループットの低下などの課題がある。更に、銀は材料コストが高いことも課題となっている。 As one of the alternative materials, a sintered silver layer formed by the sintering phenomenon of silver particles has been proposed (see Patent Document 1 below). It has been reported that the sintered silver layer has high thermal conductivity (>100 Wm -1 K -1 ) and high connection reliability against power cycles, and has attracted attention (see Non-Patent Document 1 below). However, in order to ensure connection reliability, a thermocompression process involving high pressure is essential to improve the density of the sintered silver layer, and there are problems such as damage to semiconductor element chips and a decrease in throughput of the thermocompression process. Another problem is that silver has a high material cost.

別の代替材として、銅を用いた焼結銅層が提案されている。銅は、銀に比べて機械的強度に優れており焼結銀層ほど緻密度を上げなくても高温信頼性が得られやすく、材料コストも低く抑えることができる。このような焼結銅層として、酸化銅粒子を還元・焼結して得られる焼結銅層が提案されている(下記特許文献2及び下記非特許文献2を参照)。 As another alternative material, a sintered copper layer using copper has been proposed. Copper has superior mechanical strength compared to silver, and high-temperature reliability can be achieved without increasing the density as much as in the case of a sintered silver layer, and material costs can also be kept low. As such a sintered copper layer, a sintered copper layer obtained by reducing and sintering copper oxide particles has been proposed (see Patent Document 2 and Non-Patent Document 2 below).

特許第4247800号Patent No. 4247800 特許第5006081号Patent No. 5006081

R. Khazaka, L. Mendizabal, D. Henry: J. ElecTron. Mater, 43(7), 2014, 2459-2466R. Khazaka, L. Mendizabal, D. Henry: J. ElecTron. Mater, 43(7), 2014, 2459-2466 T. Morita、 Y. Yasuda: Materials Transactions、 56(6)、 2015、 878-882T. Morita, Y. Yasuda: Materials Transactions, 56(6), 2015, 878-882

上記の焼結銅層は、水素雰囲気中において酸化銅から銅への還元反応を利用することで得られ、還元反応時の体積収縮に起因する接合強度の低下を熱圧着プロセスにより回避している。しかし、高加圧を伴う熱圧着プロセスには上述した課題があり、水素雰囲気中での加圧工程は専用の装置が必要となるため、製品コストが増大するという課題がある。 The above-mentioned sintered copper layer is obtained by utilizing the reduction reaction of copper oxide to copper in a hydrogen atmosphere, and the thermocompression process prevents a decrease in bonding strength caused by volume shrinkage during the reduction reaction. However, the thermocompression process, which involves high pressure, has the issues mentioned above, and the pressurization process in a hydrogen atmosphere requires dedicated equipment, which increases the product cost.

そこで、本発明は、水素を含まない雰囲気中、低加圧で接合する場合であっても、充分な接合強度を得ることができる接合用金属ペースト、それを用いる接合体及び半導体装置、並びに接合体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a metal paste for bonding that can provide sufficient bonding strength even when bonding in a hydrogen-free atmosphere and at low pressure, a bonded body and semiconductor device that use the same, and a method for manufacturing the bonded body.

本発明の一側面は、金属粒子と、分散媒と、を含む接合用金属ペーストであって、金属粒子が、炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸で被覆された、体積平均粒径が0.1μm以上0.9μm以下のサブマイクロ銅粒子と、炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸又は酸化銅で被覆された、体積平均粒径が2μm以上50μm以下のマイクロ銅粒子と、を含み、分散媒が、末端にヒドロキシル基を有し、分子鎖中にエーテル結合を有しないアルコール系化合物と、末端にヒドロキシル基を有し、分子鎖中にエーテル結合を有するポリエーテルアルコール系化合物と、を含み、マイクロ銅粒子の含有量が、サブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、0.5質量%以上50質量%以下である、接合用金属ペーストを提供する。 One aspect of the present invention provides a metal paste for joining that includes metal particles and a dispersion medium, in which the metal particles include sub-micro copper particles coated with an aliphatic or aromatic monocarboxylic acid having 1 to 20 carbon atoms and having a volume average particle size of 0.1 μm to 0.9 μm, and micro copper particles coated with an aliphatic or aromatic monocarboxylic acid having 1 to 20 carbon atoms or copper oxide and having a volume average particle size of 2 μm to 50 μm, the dispersion medium includes an alcohol-based compound having a hydroxyl group at the end and no ether bond in the molecular chain, and a polyether alcohol-based compound having a hydroxyl group at the end and an ether bond in the molecular chain, and the content of the micro copper particles is 0.5% by mass to 50% by mass based on the total mass of the sub-micro copper particles and the micro copper particles.

上記の接合用金属ペーストによれば、部材同士を水素を含まない雰囲気中、低加圧で接合する場合であっても、充分な接合強度を得ることができる。 The above-mentioned metal bonding paste can provide sufficient bonding strength even when bonding components together in a hydrogen-free atmosphere at low pressure.

このような効果が得られる理由について本発明者らは以下のとおり推察する。
(i)まず、上記サブマイクロ銅粒子と上記マイクロ銅粒子とを特定の割合で含有させることにより、充分な焼結性を維持しつつ、銅粒子を被覆するモノカルボン酸又は分散媒に起因する焼結時の体積収縮を充分抑制することができ、低加圧であっても焼結体強度の確保及び被着面との接合力向上が可能となると考えられる。
(ii)また、サブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子を被覆するモノカルボン酸が、上記アルコール系化合物及び上記ポリエーテルアルコール系化合物と反応することで、比較的低温でモノカルボン酸の脱離が進行し、活性な銅表面が現れると考えられる。マイクロ粒子の表面が酸化銅で被覆されている場合(マイクロ粒子の表面が酸化銅層である場合)は、この酸化銅が上記アルコール系分散媒又はポリエーテルアルコール系分散媒によって還元されることで、活性な銅表面が現れると考えられる。これらの作用によって現れた活性な銅表面同士が接触・焼結することにより、低加圧であっても強固な銅焼結体が形成されると考えられる。
(iii)更に、上記アルコール系化合物及び上記ポリエーテルアルコール系化合物が、銅の還元剤として機能することで、積極的な還元雰囲気を必要とせずとも、銅粒子の焼結が十分に進行し、比較的低い加圧力によっても強固な接合が可能になると考えられる。
The inventors speculate as follows about the reason why such an effect is obtained.
(i) First, by containing the sub-micro copper particles and the micro copper particles in a specific ratio, it is possible to sufficiently suppress the volumetric shrinkage during sintering caused by the monocarboxylic acid or dispersing medium that coats the copper particles while maintaining sufficient sinterability, and it is believed that this makes it possible to ensure the strength of the sintered body and improve the bonding strength with the adherend surface even when low pressure is applied.
(ii) In addition, it is believed that the monocarboxylic acid that covers the submicro copper particles and the micro copper particles reacts with the alcohol-based compound and the polyether alcohol-based compound, and the elimination of the monocarboxylic acid proceeds at a relatively low temperature, and an active copper surface appears. When the surface of the microparticle is covered with copper oxide (when the surface of the microparticle is a copper oxide layer), it is believed that the copper oxide is reduced by the alcohol-based dispersion medium or the polyether alcohol-based dispersion medium, and an active copper surface appears. It is believed that the active copper surfaces that appear due to these actions come into contact with each other and are sintered, forming a strong copper sintered body even at low pressure.
(iii) Furthermore, it is believed that the alcohol-based compound and the polyether alcohol-based compound function as reducing agents for copper, so that sintering of copper particles proceeds sufficiently without the need for an active reducing atmosphere, making it possible to achieve strong bonding even with a relatively low pressure.

また、上記の接合用金属ペーストによれば、分散媒として、上記アルコール系化合物及び上記ポリエーテルアルコール系化合物を組み合わせて配合されていることにより、大面積の部材であってもボイドの発生を抑制しつつ接合することができ、ボイドに起因する接合強度及び接合信頼性の低下を防止することができる。 In addition, the above-mentioned metal paste for bonding contains a combination of the above-mentioned alcohol-based compound and the above-mentioned polyether alcohol-based compound as a dispersion medium, so that even large-area components can be bonded while suppressing the occurrence of voids, and a decrease in bonding strength and bonding reliability due to voids can be prevented.

上記の接合用金属ペーストにおいては、アルコール系化合物の大気圧下における沸点が100℃以上250℃未満であり、ポリエーテルアルコール系化合物の大気圧下における沸点が250℃以上400℃以下であってもよい。この場合、大面積の部材であってもボイドの発生を抑制しつつ充分な接合強度を得ることが容易となる。このような効果が得られる理由については、低沸点のアルコール系化合物によって銅粒子を被覆するカルボン酸が反応し、比較的低温で脱離する効果が得られやすくなるとともに、高沸点のポリエーテルアルコール系化合物が、より高い加熱温度までペースト中に存在することで銅粒子の酸化層を還元することができ、またエーテル結合を有していることで分解されやすく、焼結体に残留しにくいことが考えられる。 In the above-mentioned bonding metal paste, the boiling point of the alcohol-based compound under atmospheric pressure may be 100°C or more and less than 250°C, and the boiling point of the polyether alcohol-based compound under atmospheric pressure may be 250°C or more and 400°C or less. In this case, it is easy to obtain sufficient bonding strength while suppressing the occurrence of voids even in large-area components. The reason for this effect is thought to be that the carboxylic acid that coats the copper particles reacts with the low-boiling alcohol-based compound, making it easier to obtain the effect of desorption at a relatively low temperature, and the high-boiling polyether alcohol-based compound exists in the paste up to a higher heating temperature, which reduces the oxidized layer of the copper particles, and the ether bond makes it easy to decompose and less likely to remain in the sintered body.

上記の接合用金属ペーストは、接合用金属ペーストに含まれる炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸の含有量の合計が、接合用金属ペースト全量を基準として、0.1質量%以上10質量%以下であってもよい。 The above-mentioned metal paste for joining may have a total content of aliphatic or aromatic monocarboxylic acids having 1 to 20 carbon atoms contained in the metal paste for joining of 0.1% by mass or more and 10% by mass or less based on the total amount of the metal paste for joining.

また、サブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子の含有量の合計が、金属粒子の全量を基準として、80質量%以上であってもよい。この場合、接合用金属ペーストによって、優れた接続信頼性及び高熱伝導特性を有する焼結体を形成しやすくなる。 The total content of the sub-micro copper particles and the micro copper particles may be 80 mass% or more based on the total amount of metal particles. In this case, the joining metal paste makes it easier to form a sintered body with excellent connection reliability and high thermal conductivity properties.

本発明の別の側面は、第一の部材と、第二の部材と、第一の部材と第二の部材とを接合する上記接合用金属ペーストの焼結体と、を備える、接合体を提供する。 Another aspect of the present invention provides a joint comprising a first member, a second member, and a sintered body of the above-mentioned joining metal paste that joins the first member and the second member.

上記の接合体によれば、上記接合用金属ペーストの焼結体によって接合されていることにより、部材同士が充分な接合強度で接合された接合体となり得る。 The above-mentioned bonded body can be a bonded body in which the components are bonded with sufficient bonding strength by being bonded with a sintered body of the above-mentioned bonding metal paste.

本発明の別の側面は、第一の部材と、第二の部材と、第一の部材と第二の部材とを接合する上記接合用金属ペーストの焼結体と、を備え、第一の部材及び第二の部材の少なくとも一方が半導体素子である、半導体装置を提供する。 Another aspect of the present invention provides a semiconductor device comprising a first member, a second member, and a sintered body of the above-mentioned bonding metal paste that bonds the first member and the second member, and at least one of the first member and the second member is a semiconductor element.

上記の半導体装置は、上記接合用金属ペーストの焼結体が優れた接続信頼性及び高熱伝導特性を有することができ、高温での動作安定性に優れたものになり得る。 The semiconductor device described above can have excellent connection reliability and high thermal conductivity properties due to the sintered body of the bonding metal paste, and can have excellent operational stability at high temperatures.

本発明の別の側面は、第一の部材、上記接合用金属ペースト、及び第二の部材がこの順に積層されている積層体を用意する工程と、積層体における接合用金属ペーストを焼結する焼結工程と、を備える、接合体の製造方法を提供する。 Another aspect of the present invention provides a method for manufacturing a bonded body, comprising the steps of preparing a laminate in which a first member, the bonding metal paste, and a second member are laminated in this order, and sintering the bonding metal paste in the laminate.

上記の接合体の製造方法によれば、部材同士が充分な接合強度で接合された接合体を得ることができる。また、上記の接合体の製造方法によれば、上記接合用金属ペーストを用いることにより、大面積の部材であっても、ボイドの発生を抑制しつつ接合することができ、ボイドに起因する接合強度及び接合信頼性の低下を防止することができる。 According to the above-mentioned manufacturing method of a bonded body, a bonded body can be obtained in which components are bonded with sufficient bonding strength. Furthermore, according to the above-mentioned manufacturing method of a bonded body, by using the above-mentioned bonding metal paste, even components with a large area can be bonded while suppressing the occurrence of voids, and a decrease in bonding strength and bonding reliability due to voids can be prevented.

上記の接合体の製造方法において、上記第一の部材及び上記第二の部材の少なくとも一方が半導体素子であってもよい。この場合、半導体素子を接合する上記接合用金属ペーストの焼結体が優れた接続信頼性及び高熱伝導特性を有し得ることから、高温での動作安定性に優れた半導体装置を接合体として得ることができる。 In the manufacturing method of the bonded body, at least one of the first member and the second member may be a semiconductor element. In this case, the sintered body of the bonding metal paste that bonds the semiconductor element can have excellent connection reliability and high thermal conductivity properties, so that a semiconductor device with excellent operational stability at high temperatures can be obtained as the bonded body.

上記の接合体の製造方法において、上記積層体を用意する工程が、第一の部材と第二の部材との接合領域に接合用金属ペーストの塗膜を形成する第1工程と、第一の部材と第二の部材とを塗膜を介して積層する第2工程と、を含み、接合領域が、塗膜が形成される塗膜形成領域と、塗膜が形成されない塗膜非形成領域と、を有し、塗膜非形成領域が接合領域の端まで連続していてもよい。 In the manufacturing method of the above-mentioned joint body, the step of preparing the laminate includes a first step of forming a coating film of a metal paste for joining in the joint region between the first member and the second member, and a second step of laminating the first member and the second member via the coating film, and the joint region has a coating film-formed region where the coating film is formed and a non-coating film-formed region where the coating film is not formed, and the non-coating film-formed region may be continuous to the end of the joint region.

上記の方法によれば、部材の接合面積が大きくなる場合であっても、充分な接合強度を得ることが容易となる。このような方法は、特に、高発熱の半導体デバイスを実装した基板と放熱板とが接合された接合体の製造に好適に適用することができる。 The above method makes it easy to obtain sufficient bonding strength even when the bonding area of the components is large. This method is particularly suitable for the manufacture of a bonded body in which a substrate on which a high-heat-generating semiconductor device is mounted is bonded to a heat sink.

接合面積が大きい場合、金属ペーストの焼結時に発生するガスが脱離しにくくなるが、上記の方法によれば、塗膜非形成領域によって接合領域外に効率的にガスを逃がすことが可能となり、焼結時に発生するガスに起因するボイド及び剥離の発生を抑制することができる。 When the bonding area is large, it becomes difficult for the gas generated during sintering of the metal paste to escape. However, with the above method, the non-film-forming area allows the gas to efficiently escape outside the bonding area, suppressing the occurrence of voids and peeling caused by the gas generated during sintering.

接合用金属ペーストにおける上記ポリエーテルアルコール系化合物の含有量は、接合用金属ペースト全量を基準として0.5質量%以上4.0質量%以下であってもよい。上記ポリエーテルアルコール系化合物の含有量がこのような範囲であると、上述した効果が得られやすくなるとともに、金属ペーストを焼結したときに銅焼結体の変形を抑制して、加圧接合時に金属ペーストが流動しすぎて塗膜非形成領域が埋められてしまうことを抑制することが容易となる。 The content of the polyether alcohol-based compound in the joining metal paste may be 0.5% by mass or more and 4.0% by mass or less based on the total amount of the joining metal paste. When the content of the polyether alcohol-based compound is in this range, the above-mentioned effects are easily obtained, and deformation of the copper sintered body is suppressed when the metal paste is sintered, making it easier to suppress the metal paste from flowing too much during pressure joining, resulting in the non-film-formed areas being filled up.

また、上記の方法においては、上記マイクロ銅粒子がフレーク状であってもよい。この場合、接合用金属ペーストの塗膜を乾燥しても、フレーク状のマイクロ銅粒子が補強材として機能することで、塗膜の収縮による剥離及びヒビの発生を抑制することができる。そのため、乾燥によって塗膜の流動性を低下させて、加圧接合時に金属ペーストが流動しすぎて塗膜非形成領域が埋められてしまうことを抑制することが容易となる。 In the above method, the micro copper particles may be flake-shaped. In this case, even if the coating of the bonding metal paste is dried, the flake-shaped micro copper particles function as a reinforcing material, thereby preventing peeling and cracking due to shrinkage of the coating. Therefore, the fluidity of the coating is reduced by drying, making it easier to prevent the metal paste from flowing too much during pressure bonding, resulting in the non-coating area being filled in.

更に、上記の方法においては、塗膜形成領域の合計面積が900mm以上であり、塗膜形成領域の接合用金属ペーストは、塗膜非形成領域又は接合領域の端までの最短距離が8mm以内であり、塗膜非形成領域における最小の幅が100μm以上であってもよい。 Furthermore, in the above method, the total area of the coating film-forming region may be 900 mm2 or more, the shortest distance of the joining metal paste in the coating film-forming region to the edge of the non-coating film-forming region or the joining region may be within 8 mm, and the minimum width in the non-coating film-forming region may be 100 μm or more.

本発明の別の側面は、第一の部材と、第二の部材と、第一の部材と第二の部材とを接合する銅焼結体と、を備え、第一の部材及び第二の部材の一方が実装基板であり、他方が放熱板であり、銅焼結体が、銅焼結体が存在しない領域によって複数の銅焼結体に分割されている、又は、銅焼結体が存在しない領域を含み、当該領域が銅焼結体の外側まで連続している、半導体装置を提供する。 Another aspect of the present invention provides a semiconductor device comprising a first member, a second member, and a copper sintered body that joins the first member and the second member, one of the first member and the second member being a mounting substrate and the other being a heat sink, and the copper sintered body being divided into a plurality of copper sintered bodies by areas where no copper sintered body is present, or including areas where no copper sintered body is present, the areas continuing to the outside of the copper sintered body.

上記の半導体装置は、部材の接合面積が大きい場合であっても、充分な接合強度を有することができる。 The semiconductor device described above has sufficient bonding strength even when the bonding area of the components is large.

本発明によれば、水素を含まない雰囲気中、低加圧で接合する場合であっても、充分な接合強度を得ることができる接合用金属ペースト、それを用いる接合体及び半導体装置、並びに接合体の製造方法を提供することができる。 The present invention provides a metal paste for bonding that can provide sufficient bonding strength even when bonding in a hydrogen-free atmosphere and at low pressure, a bonded body and a semiconductor device that use the same, and a method for manufacturing the bonded body.

本実施形態の接合用金属ペーストを用いて製造される接合体の一例を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a bonded body produced using the bonding metal paste of the present embodiment. 接合用金属ペーストの印刷パターンの例を示す図である。1A to 1C are diagrams showing examples of printing patterns of a bonding metal paste. 接合用金属ペーストの印刷パターンの例を示す図である。1A to 1C are diagrams showing examples of printing patterns of a bonding metal paste. 本実施形態の接合用金属ペーストを用いて製造される接合体の一例を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a bonded body produced using the bonding metal paste of the present embodiment. 本実施形態の接合用金属ペーストを用いて製造される半導体装置の一例を示す模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device manufactured using the bonding metal paste of the present embodiment. 実施例15の接合後の面積10mm×10mmチップのSAM像である。1 is a SAM image of a 10 mm×10 mm chip after bonding in Example 15. 実施例15の接合後の接合断面の電子顕微鏡像である。13 is an electron microscope image of a cross section of the bonded portion after bonding in Example 15. 実施例24の接合後の接合断面の電子顕微鏡像である。13 is an electron microscope image of a cross section of the bonded portion after bonding in Example 24. 比較例2の接合後の面積10mm×10mmチップのSAM像である。1 is a SAM image of a chip having an area of 10 mm×10 mm after bonding in Comparative Example 2. 比較例2の接合後の接合断面の電子顕微鏡像である。13 is an electron microscope image of a cross section of the bonded portion after bonding in Comparative Example 2. 比較例3の接合後の接合断面の電子顕微鏡像である。13 is an electron microscope image of a cross section of a joint after joining in Comparative Example 3. 接合用金属ペーストの印刷パターンを説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining a printing pattern of a bonding metal paste.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。 The following describes in detail the form for implementing the present invention (hereinafter, referred to as the "present embodiment"). The present invention is not limited to the following embodiment.

<接合用金属ペースト>
本実施形態の接合用金属ペーストは、金属粒子と、分散媒と、を含み、金属粒子としてサブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子を含む。
<Metal paste for bonding>
The bonding metal paste of the present embodiment contains metal particles and a dispersion medium, and the metal particles include sub-micro copper particles and micro copper particles.

(金属粒子)
本実施形態に係る金属粒子としては、サブマイクロ銅粒子、マイクロ銅粒子、これらの銅粒子以外のその他の金属粒子等が挙げられる。
(Metal Particles)
Examples of the metal particles according to this embodiment include submicro copper particles, micro copper particles, and other metal particles other than these copper particles.

(サブマイクロ銅粒子)
サブマイクロ銅粒子は、250℃以上380℃以下の温度範囲で、焼結性を有する銅粒子であればよい。サブマイクロ銅粒子としては、粒径が0.1μm以上0.9μm以下の銅粒子を含むものが挙げられ、例えば、体積平均粒径が、0.1μm以上0.9μm以下の銅粒子を用いることができる。サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径が0.1μm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、有機保護剤の使用量の抑制といった効果が得られやすくなる。サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径が0.9μm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、0.1μm以上0.8μm以下であってもよく、0.12μm以上0.8μm以下であってもよく、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。
(Submicron copper particles)
The sub-micro copper particles may be copper particles having sinterability in a temperature range of 250° C. to 380° C. The sub-micro copper particles include copper particles having a particle size of 0.1 μm to 0.9 μm, for example, copper particles having a volume average particle size of 0.1 μm to 0.9 μm. If the volume average particle size of the sub-micro copper particles is 0.1 μm or more, effects such as reduction in the synthesis cost of the sub-micro copper particles, good dispersibility, and reduction in the amount of organic protective agent used can be easily obtained. If the volume average particle size of the sub-micro copper particles is 0.9 μm or less, the effect of excellent sinterability of the sub-micro copper particles can be easily obtained. From the viewpoint of further achieving the above-mentioned effect, the volume average particle size of the sub-micro copper particles may be 0.1 μm or more and 0.8 μm or less, 0.12 μm or more and 0.8 μm or less, 0.15 μm or more and 0.8 μm or less, 0.15 μm or more and 0.6 μm or less, 0.2 μm or more and 0.5 μm or less, or 0.3 μm or more and 0.45 μm or less.

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。例えば、銅粒子の体積平均粒径を求める場合、原料となる銅粒子、又は接合用金属ペーストから揮発成分を除去した乾燥銅粒子を、分散剤を用いて分散媒に分散させたものを光散乱法粒度分布測定装置(例えば、島津ナノ粒子径分布測定装置(SALD-7500nano,株式会社島津製作所製))で測定する方法等により求めることができる。光散乱法粒度分布測定装置を用いる場合、分散媒としては、ヘキサン、トルエン、α-テルピネオール、4-メチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、水等を用いることができる。 In this specification, the volume average particle size means the 50% volume average particle size. For example, when determining the volume average particle size of copper particles, the copper particles to be used as raw material or dried copper particles obtained by removing volatile components from a bonding metal paste are dispersed in a dispersion medium using a dispersant, and the resulting dispersion medium is measured using a light scattering particle size distribution measuring device (for example, a Shimadzu nanoparticle size distribution measuring device (SALD-7500 nano, manufactured by Shimadzu Corporation)). When using a light scattering particle size distribution measuring device, the dispersion medium can be hexane, toluene, α-terpineol, 4-methyl-1,3-dioxolan-2-one, water, etc.

粒子が球状でない場合は、下記方法により粒子径を最大粒径として求めることができる。銅粒子の長径をSEM像から算出する方法を例示する。銅粒子の粉末を、SEM用のカーボンテープ上にスパチュラで載せ、SEM用サンプルとする。このSEM用サンプルをSEM装置により100~5000倍で観察する。このSEM像の銅粒子に外接する長方形を画像処理ソフトにより作図し、長方形の長辺をその粒子の長径とする。他の金属粒子においても、同じ方法により粒子径を求めることができる。 If the particles are not spherical, the particle diameter can be determined as the maximum particle diameter using the following method. Here is an example of a method for calculating the long diameter of copper particles from an SEM image. Copper particle powder is placed on carbon tape for SEM with a spatula to create an SEM sample. This SEM sample is observed at 100 to 5000 times magnification using an SEM device. A rectangle circumscribing the copper particle in this SEM image is drawn using image processing software, and the long side of the rectangle is taken as the long diameter of the particle. The particle diameters of other metal particles can also be determined using the same method.

サブマイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びマイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、50質量%以上99.5質量%以下であることが好ましい。サブマイクロ銅粒子の上記含有量が50質量%以上であれば、マイクロ銅粒子の間を充分に充填することができ、接合用金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となり、接合用金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。サブマイクロ銅粒子の含有量が99.5質量%以下であれば、接合用金属ペーストを焼結した時の体積収縮を充分に抑制できるため、接合用金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となり、接合用金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。上記効果が得られやすくなるという観点から、サブマイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びマイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、60質量%以上であってもよく、70質量%以上であってもよく、75質量%以上であってもよく、95質量%以下であってもよく、90質量%以下であってもよく、85質量%以下であってもよく、80質量%以下であってもよく、60質量%以上99.5質量%以下であってもよく、60質量%以上95質量%以下であってもよく、60質量%以上90質量%以下であってもよく、70質量%以上85質量%以下であってもよく、75質量%以上80質量%以下であってもよい。 The content of the sub-micro copper particles is preferably 50% by mass or more and 99.5% by mass or less, based on the sum of the mass of the sub-micro copper particles and the mass of the micro copper particles. If the content of the sub-micro copper particles is 50% by mass or more, the spaces between the micro copper particles can be sufficiently filled, and it is easy to ensure the bonding strength of the bonded body manufactured by sintering the bonding metal paste, and when the bonding metal paste is used for bonding a semiconductor element, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability. If the content of the sub-micro copper particles is 99.5% by mass or less, the volume shrinkage when the bonding metal paste is sintered can be sufficiently suppressed, so that it is easy to ensure the bonding strength of the bonded body manufactured by sintering the bonding metal paste, and when the bonding metal paste is used for bonding a semiconductor element, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability. From the viewpoint of making the above-mentioned effect easier to obtain, the content of the sub-micro copper particles may be 60% by mass or more, 70% by mass or more, 75% by mass or more, 95% by mass or less, 90% by mass or less, 85% by mass or less, 80% by mass or less, 60% by mass or more and 99.5% by mass or less, 60% by mass or more and 95% by mass or less, 60% by mass or more and 90% by mass or less, 70% by mass or more and 85% by mass or less, or 75% by mass or more and 80% by mass or less, based on the total mass of the sub-micro copper particles and the micro copper particles.

サブマイクロ銅粒子の形状は、特に限定されるものではない。サブマイクロ銅粒子の形状としては、例えば、球状、塊状、針状、フレーク状、略球状及びこれらの凝集体が挙げられる。分散性及び充填性の観点から、サブマイクロ銅粒子の形状は、球状、略球状、フレーク状であってもよく、燃焼性、分散性、フレーク状マイクロ粒子との混合性等の観点から、球状又は略球状であってもよい。本明細書において、「フレーク状」とは、板状、鱗片状等の平板状の形状を包含する。 The shape of the sub-micro copper particles is not particularly limited. Examples of the shape of the sub-micro copper particles include spherical, clumpy, needle-like, flake-like, nearly spherical, and aggregates thereof. From the viewpoint of dispersibility and packing property, the shape of the sub-micro copper particles may be spherical, nearly spherical, or flake-like, and from the viewpoint of combustibility, dispersibility, mixability with flake-like microparticles, etc., the shape may be spherical or nearly spherical. In this specification, "flake-like" includes flat shapes such as plate-like and scale-like.

サブマイクロ銅粒子は、分散性、充填性、及びフレーク状マイクロ粒子との混合性の観点から、アスペクト比が5以下であってもよく、3以下であってもよい。本明細書において、「アスペクト比」とは、粒子の長辺(長径)/厚みを示す。粒子の長辺(長径)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。 From the viewpoints of dispersibility, packing property, and mixability with flake-shaped microparticles, the aspect ratio of the sub-micro copper particles may be 5 or less, or may be 3 or less. In this specification, the "aspect ratio" refers to the long side (major axis)/thickness of the particle. The long side (major axis) and thickness of the particle can be measured, for example, from an SEM image of the particle.

サブマイクロ銅粒子は、炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸の有機保護剤で処理されていることが好ましい。すなわち、サブマイクロ銅粒子は、炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸で被覆されていることが好ましい。 The submicro copper particles are preferably treated with an organic protective agent of an aliphatic or aromatic monocarboxylic acid having 1 to 20 carbon atoms. In other words, the submicro copper particles are preferably coated with an aliphatic or aromatic monocarboxylic acid having 1 to 20 carbon atoms.

炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸としては、例えば、ギ酸、酢酸、プロパン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、カプリル酸、メチルヘプタン酸、エチルヘキサン酸、プロピルペンタン酸、ペラルゴン酸、メチルオクタン酸、エチルヘプタン酸、プロピルヘキサン酸、カプリン酸、メチルノナン酸、エチルオクタン酸、プロピルヘプタン酸、ブチルヘキサン酸、ウンデカン酸、メチルデカン酸、エチルノナン酸、プロピルオクタン酸、ブチルヘプタン酸、ラウリン酸、メチルウンデカン酸、エチルデカン酸、プロピルノナン酸、ブチルオクタン酸、ペンチルヘプタン酸、トリデカン酸、メチルドデカン酸、エチルウンデカン酸、プロピルデカン酸、ブチルノナン酸、ペンチルオクタン酸、ミリスチン酸、メチルトリデカン酸、エチルドデカン酸、プロピルウンデカン酸、ブチルデカン酸、ペンチルノナン酸、ヘキシルオクタン酸、ペンタデカン酸、メチルテトラデカン酸、エチルトリデカン酸、プロピルドデカン酸、ブチルウンデカン酸、ペンチルデカン酸、ヘキシルノナン酸、パルミチン酸、メチルペンタデカン酸、エチルテトラデカン酸、プロピルトリデカン酸、ブチルドデカン酸、ペンチルウンデカン酸、ヘキシルデカン酸、ヘプチルノナン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、メチルシクロヘキサンカルボン酸、エチルシクロヘキサンカルボン酸、プロピルシクロヘキサンカルボン酸、ブチルシクロヘキサンカルボン酸、ペンチルシクロヘキサンカルボン酸、ヘキシルシクロヘキサンカルボン酸、ヘプチルシクロヘキサンカルボン酸、オクチルシクロヘキサンカルボン酸、ノニルシクロヘキサンカルボン酸等の飽和脂肪酸;オクテン酸、ノネン酸、メチルノネン酸、デセン酸、ウンデセン酸、ドデセン酸、トリデセン酸、テトラデセン酸、ミリストレイン酸、ペンタデセン酸、ヘキサデセン酸、パルミトレイン酸、サビエン酸、オレイン酸、バクセン酸、リノール酸、リノレイン酸、リノレン酸等の不飽和脂肪酸;テレフタル酸、ピロメリット酸、o-フェノキシ安息香酸、メチル安息香酸、エチル安息香酸、プロピル安息香酸、ブチル安息香酸、ペンチル安息香酸、ヘキシル安息香酸、ヘプチル安息香酸、オクチル安息香酸、ノニル安息香酸等の芳香族カルボン酸が挙げられる。 Examples of aliphatic or aromatic monocarboxylic acids having 1 to 20 carbon atoms include formic acid, acetic acid, propanoic acid, butanoic acid, pentanoic acid, hexanoic acid, heptanoic acid, caprylic acid, methylheptanoic acid, ethylhexanoic acid, propylpentanoic acid, pelargonic acid, methyloctanoic acid, ethylheptanoic acid, propylhexanoic acid, capric acid, methylnonanoic acid, ethyloctanoic acid, propylheptanoic acid, butylhexanoic acid, undecanoic acid, methyldecanoic acid, ethylnonanoic acid, propyloctanoic acid, butylheptanoic acid, lauric acid, methylundecanoic acid, ethyl Tyldecanoic acid, propylnonanoic acid, butyloctanoic acid, pentylheptanoic acid, tridecanoic acid, methyldodecanoic acid, ethylundecanoic acid, propyldecanoic acid, butylnonanoic acid, pentyloctanoic acid, myristic acid, methyltridecanoic acid, ethyldodecanoic acid, propylundecanoic acid, butyldecanoic acid, pentylnonanoic acid, hexyloctanoic acid, pentadecanoic acid, methyltetradecanoic acid, ethyltridecanoic acid, propyldodecanoic acid, butylundecanoic acid, pentyldecanoic acid, hexylnonanoic acid, palmitic acid, methylpentadecanoic acid, ethyl Saturated fatty acids such as tetradecanoic acid, propyltridecanoic acid, butyldodecanoic acid, pentylundecanoic acid, hexyldecanoic acid, heptylnonanoic acid, heptadecanoic acid, octadecanoic acid, methylcyclohexanecarboxylic acid, ethylcyclohexanecarboxylic acid, propylcyclohexanecarboxylic acid, butylcyclohexanecarboxylic acid, pentylcyclohexanecarboxylic acid, hexylcyclohexanecarboxylic acid, heptylcyclohexanecarboxylic acid, octylcyclohexanecarboxylic acid, and nonylcyclohexanecarboxylic acid; octenoic acid, nonenoic acid, Examples of such unsaturated fatty acids include methylnonenoic acid, decenoic acid, undecenoic acid, dodecenoic acid, tridecenoic acid, tetradecenoic acid, myristoleic acid, pentadecenoic acid, hexadecenoic acid, palmitoleic acid, sabienoic acid, oleic acid, vaccenic acid, linoleic acid, linolenic acid, and linolenic acid; and aromatic carboxylic acids such as terephthalic acid, pyromellitic acid, o-phenoxybenzoic acid, methylbenzoic acid, ethylbenzoic acid, propylbenzoic acid, butylbenzoic acid, pentylbenzoic acid, hexylbenzoic acid, heptylbenzoic acid, octylbenzoic acid, and nonylbenzoic acid.

これらのうち、炭素数2~18の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸と上記サブマイクロ銅粒子とを組み合わせることで、サブマイクロ銅粒子の分散性と焼結時における有機酸の脱離性を両立できる傾向にある。このような脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロパン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ウンデシル酸、ドデカン酸(ラウリン酸)、トリデシル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ノナデシル酸、アラキジン酸が挙げられる。 Among these, by combining an aliphatic or aromatic monocarboxylic acid having 2 to 18 carbon atoms with the submicro copper particles, it tends to be possible to achieve both the dispersibility of the submicro copper particles and the release of the organic acid during sintering. Examples of such aliphatic or aromatic monocarboxylic acids include formic acid, acetic acid, propanoic acid, butanoic acid, pentanoic acid, hexanoic acid, heptanoic acid, caprylic acid, pelargonic acid, capric acid, undecylic acid, dodecanoic acid (lauric acid), tridecylic acid, myristic acid, pentadecylic acid, palmitic acid, margaric acid, stearic acid, nonadecylic acid, and arachidic acid.

有機保護剤は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The organic protective agent may be used alone or in combination of two or more.

有機保護剤の処理量は、サブマイクロ銅粒子の表面に一分子層~三分子層付着する量であってもよい。この量は、サブマイクロ銅粒子の表面に付着した分子層数(n)、サブマイクロ銅粒子の比表面積(A)(単位m/g)と、有機保護剤の分子量(M)(単位g/mol)と、有機保護剤の最小被覆面積(S)(単位m/個)と、アボガドロ数(N)(6.02×1023個)から算出できる。具体的には、有機保護剤の処理量は、有機保護剤の処理量(質量%)={(n・A・M)/(S・N+n・A・M)}×100の式に従って算出される。 The amount of the organic protective agent to be treated may be an amount that adheres to the surface of the sub-micro copper particles in a single molecular layer to a triple molecular layer. This amount can be calculated from the number of molecular layers (n) attached to the surface of the sub-micro copper particles, the specific surface area (A p ) (unit: m 2 /g) of the sub-micro copper particles, the molecular weight (M s ) (unit: g/mol) of the organic protective agent, the minimum coverage area (S S ) (unit: m 2 /piece) of the organic protective agent, and the Avogadro's number (N A ) (6.02×10 23 pieces). Specifically, the amount of the organic protective agent to be treated is calculated according to the formula: Organic protective agent treatment amount (mass %)={(n·A p ·M s )/(S S ·N A +n·A p ·M s )}×100.

サブマイクロ銅粒子の比表面積は、乾燥させたサブマイクロ銅粒子をBET比表面積測定法で測定することで算出できる。有機保護剤の最小被覆面積は、有機保護剤が直鎖飽和脂肪酸の場合、2.05×10-19/1分子である。それ以外の有機保護剤の場合には、例えば、分子モデルからの計算、又は「化学と教育」(上江田捷博、稲福純夫、森巌、40(2),1992,p114-117)に記載の方法で測定できる。有機保護剤の定量方法の一例を示す。有機保護剤は、接合用金属ペーストから分散媒を除去した乾燥粉の熱脱離ガス・ガスクロマトグラフ質量分析計により同定でき、これにより有機保護剤の炭素数及び分子量を決定できる。有機保護剤の炭素分割合は、炭素分分析により分析できる。炭素分分析法としては、例えば、高周波誘導加熱炉燃焼/赤外線吸収法が挙げられる。同定された有機保護剤の炭素数、分子量及び炭素分割合から上記式により有機保護剤量を算出できる。 The specific surface area of the sub-micro copper particles can be calculated by measuring the dried sub-micro copper particles by the BET specific surface area measurement method. The minimum coverage area of the organic protective agent is 2.05×10 −19 m 2 /1 molecule when the organic protective agent is a linear saturated fatty acid. In the case of other organic protective agents, the area can be measured, for example, by calculation from a molecular model or by the method described in "Chemistry and Education" (Katsuhiro Ueda, Sumio Inafuku, Iwao Mori, 40 (2), 1992, pp. 114-117). An example of a method for quantifying the organic protective agent is shown below. The organic protective agent can be identified by a thermal desorption gas/gas chromatograph mass spectrometer of the dried powder obtained by removing the dispersion medium from the bonding metal paste, and the carbon number and molecular weight of the organic protective agent can be determined. The carbon content of the organic protective agent can be analyzed by carbon content analysis. Examples of carbon content analysis methods include high-frequency induction heating furnace combustion/infrared absorption method. The amount of the organic protective agent can be calculated from the carbon number, molecular weight and carbon content of the identified organic protective agent using the above formula.

有機保護剤の上記処理量は、0.1質量%以上10質量%以下であってもよく、0.5質量%以上5質量%以下であってもよく、1質量%以上3質量%以下であってもよい。また、低温焼結性の観点から、有機保護剤の上記処理量は、0.07質量%以上2.1質量%以下であってもよく、0.10質量%以上1.6質量%以下であってもよく、0.2質量%以上1.1質量%以下であってもよい。 The amount of the organic protective agent to be treated may be 0.1% by mass or more and 10% by mass or less, 0.5% by mass or more and 5% by mass or less, or 1% by mass or more and 3% by mass or less. From the viewpoint of low-temperature sintering, the amount of the organic protective agent to be treated may be 0.07% by mass or more and 2.1% by mass or less, 0.10% by mass or more and 1.6% by mass or less, or 0.2% by mass or more and 1.1% by mass or less.

また、有機保護剤の処理量(付着量)を実験的に測定する方法としては、TG-DTA(示差熱‐熱重量同時測定、Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis)測定を用いることができる。有機保護剤によって処理された銅粒子を、無酸素雰囲気中でTG-DTA測定することで、有機保護剤の脱離による重量減少が観察される。その重量減少が始まる温度が有機保護剤の脱離の開始温度である。重量減少が停止したときの温度が、有機保護剤の脱離の完了温度であり、初期から減少した重量が有機保護剤の処理量である。 As a method for experimentally measuring the amount of organic protective agent treated (amount attached), TG-DTA (Thermogrammetry-Differential Thermal Analysis) measurement can be used. By measuring copper particles treated with an organic protective agent in an oxygen-free atmosphere using TG-DTA, weight loss due to desorption of the organic protective agent can be observed. The temperature at which this weight loss begins is the starting temperature of desorption of the organic protective agent. The temperature at which the weight loss stops is the temperature at which desorption of the organic protective agent is completed, and the weight lost from the initial value is the amount of organic protective agent treated.

例えば、サブマイクロ銅粒子(三井金属鉱業株式会社製「CH-0200」)((有機保護剤:ドデカン酸)の窒素雰囲気中におけるTG-DTA測定においては、ドデカン酸が、140℃以上195℃以下、240℃以上320℃以下の二段階で脱離していることが示され、この銅粒子の有機保護剤(ドデカン酸)の脱離開始温度は140℃であり、ドデカン酸の処理量は約2.5質量%であることが求められる。 For example, TG-DTA measurements of sub-micro copper particles ("CH-0200" manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd.) (organic protective agent: dodecanoic acid) in a nitrogen atmosphere showed that dodecanoic acid was desorbed in two stages, at temperatures between 140°C and 195°C and between 240°C and 320°C. The desorption start temperature of the organic protective agent (dodecanoic acid) from these copper particles is 140°C, and the amount of dodecanoic acid to be treated is required to be approximately 2.5% by mass.

本実施形態においては、上記サブマイクロ銅粒子における上記カルボン酸化合物の脱離の開始温度が、140℃以上380℃以下の範囲にあることが望ましい。 In this embodiment, it is desirable that the temperature at which the detachment of the carboxylic acid compound from the submicro copper particles begins is in the range of 140°C or higher and 380°C or lower.

本実施形態に係るサブマイクロ銅粒子としては、市販されているものを用いることができる。市販されているサブマイクロ粒子としては、例えば、CH-0200(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径0.36μm)、HT-14(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径0.41μm)、CT-500(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径0.72μm)、Tn-Cu100(太陽日産株式会社製、体積平均粒径0.12μm)が挙げられる。 Commercially available sub-micro copper particles can be used for the present embodiment. Examples of commercially available sub-micro particles include CH-0200 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., volume average particle size 0.36 μm), HT-14 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., volume average particle size 0.41 μm), CT-500 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., volume average particle size 0.72 μm), and Tn-Cu100 (manufactured by Taiyo Nissan Co., Ltd., volume average particle size 0.12 μm).

上記サブマイクロ銅粒子は良好な焼結性を有するため、銅ナノ粒子を主に用いた接合材にみられる高価な合成コスト、良好でない分散性、焼結後の体積収縮の低下等の課題を低減することができる。 The above sub-micro copper particles have good sinterability, which can reduce issues such as high synthesis costs, poor dispersibility, and reduced volume shrinkage after sintering that are common in bonding materials that mainly use copper nanoparticles.

(マイクロ銅粒子)
マイクロ銅粒子は、粒径が2.0μm以上50μm以下の銅粒子を含むものが挙げられ、例えば、体積平均粒径が2.0μm以上50μm以下の銅粒子を用いることができる。マイクロ銅粒子の体積平均粒径が上記範囲内であれば、接合用金属ペーストを焼結した際の体積収縮を充分に低減でき、接合用金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となり、接合用金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。上記効果が得られやすくなるという観点から、マイクロ銅粒子の体積平均粒径は、下限が2μm以上であってもよく、3μm以上であってもよく、4μm以上であってもよく、5μm以上であってもよく、上限が20μm以下であってもよく、10μm以下であってもよい。
(Micro copper particles)
The micro copper particles include copper particles having a particle size of 2.0 μm or more and 50 μm or less, and for example, copper particles having a volume average particle size of 2.0 μm or more and 50 μm or less can be used. If the volume average particle size of the micro copper particles is within the above range, the volume shrinkage when the bonding metal paste is sintered can be sufficiently reduced, and it is easy to ensure the bonding strength of the bonded body manufactured by sintering the bonding metal paste, and when the bonding metal paste is used for bonding a semiconductor element, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability. From the viewpoint of making it easier to obtain the above effect, the volume average particle size of the micro copper particles may be 2 μm or more, 3 μm or more, 4 μm or more, or 5 μm or more, and the upper limit may be 20 μm or less, or 10 μm or less.

マイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びマイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、0.5質量%以上50質量%以下であってもよく、1質量%以上50質量%以下であってもよく、5質量%以上40質量%以下であってもよく、10質量%以上30質量%以下であってもよい。マイクロ銅粒子の含有量が、上記範囲内であれば、接合用金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となり、接合用金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。 The content of the micro copper particles may be 0.5% by mass or more and 50% by mass or less, 1% by mass or more and 50% by mass or less, 5% by mass or more and 40% by mass or less, or 10% by mass or more and 30% by mass or less, based on the total mass of the sub-micro copper particles and the micro copper particles. If the content of the micro copper particles is within the above range, it becomes easy to ensure the bonding strength of the bonded body produced by sintering the bonding metal paste, and when the bonding metal paste is used to bond semiconductor elements, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability.

サブマイクロ銅粒子の含有量及びマイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、80質量%以上とすることができる。サブマイクロ銅粒子の含有量及びマイクロ銅粒子の含有量の合計が上記範囲内であれば、接合用金属ペーストを焼結した際の体積収縮を十分に低減でき、接合用金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となる。更に、接合用金属ペーストの焼結体は高熱伝導特性を有することができる。接合用金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。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含有量及びマイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、90質量%以上であってもよく、95質量%以上であってもよく、100質量%であってもよい。また、銅粒子の焼結性の観点から、サブマイクロ銅粒子の含有量及びマイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、99.99質量%以下であってもよく、99.0質量%以下であってもよい。 The total content of the sub-micro copper particles and the micro copper particles can be 80% by mass or more based on the total mass of the metal particles. If the total content of the sub-micro copper particles and the micro copper particles is within the above range, the volume shrinkage when the joining metal paste is sintered can be sufficiently reduced, and it is easy to ensure the joining strength of the joining body produced by sintering the joining metal paste. Furthermore, the sintered body of the joining metal paste can have high thermal conductivity characteristics. When the joining metal paste is used to join semiconductor elements, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability. From the viewpoint of further achieving the above effect, the total content of the sub-micro copper particles and the micro copper particles may be 90% by mass or more, 95% by mass or more, or 100% by mass based on the total mass of the metal particles. In addition, from the viewpoint of the sinterability of the copper particles, the total content of the sub-micro copper particles and the micro copper particles may be 99.99% by mass or less, or 99.0% by mass or less based on the total mass of the metal particles.

マイクロ銅粒子の形状は、特に限定されるものではない。マイクロ銅粒子の形状としては、例えば、球状、塊状、針状、フレーク状、略球状、及びこれらの凝集体が挙げられる。マイクロ銅粒子の形状は、中でも、フレーク状が好ましい。フレーク状のマイクロ銅粒子を用いることで、接合用金属ペースト内のマイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向することにより、接合用金属ペーストを焼結させたときの体積収縮を抑制でき、接合用金属ペーストを焼結させて製造される接合体の接合強度を確保することが容易となる。また、接合用金属ペーストを乾燥させたときに剥離及びヒビが発生することを抑制することができ、製造される接合体における欠陥の低減、接合強度の確保、接合信頼性の向上を図ることが容易となる。接合用金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。上記効果が得られやすくなるという観点から、フレーク状のマイクロ銅粒子としては、中でも、アスペクト比が4以上であってもよく、6以上であってもよい。 The shape of the micro copper particles is not particularly limited. Examples of the shape of the micro copper particles include spherical, clumpy, needle-like, flake-like, nearly spherical, and aggregates thereof. The shape of the micro copper particles is preferably flake-like. By using flake-like micro copper particles, the micro copper particles in the bonding metal paste are oriented nearly parallel to the bonding surface, thereby suppressing volumetric shrinkage when the bonding metal paste is sintered, and it becomes easy to ensure the bonding strength of the bonded body manufactured by sintering the bonding metal paste. In addition, it is possible to suppress the occurrence of peeling and cracks when the bonding metal paste is dried, and it becomes easy to reduce defects in the bonded body manufactured, ensure the bonding strength, and improve the bonding reliability. When the bonding metal paste is used to bond semiconductor elements, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability. From the viewpoint of making it easier to obtain the above-mentioned effect, the flake-like micro copper particles may have an aspect ratio of 4 or more, or 6 or more.

フレーク状のマイクロ銅粒子としては、粒径が4.0μm以上50μm以下の銅粒子を用いることができ、例えば、体積平均粒径が4.0μm以上50μm以下の銅粒子を用いることができる。フレーク状マイクロ銅粒子の体積平均粒径が上記範囲内であれば、上述した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、マイクロ銅粒子の体積平均粒径は、4μm以上45μm以下であってもよく、6μm以上40μm以下であってもよく、4μm以上40μm以下であってもよく、4μm以上10μm以下であってもよい。 As the flake-shaped micro copper particles, copper particles having a particle size of 4.0 μm or more and 50 μm or less can be used, for example, copper particles having a volume average particle size of 4.0 μm or more and 50 μm or less can be used. If the volume average particle size of the flake-shaped micro copper particles is within the above range, the above-mentioned effects are easily obtained. From the viewpoint of further achieving the above-mentioned effects, the volume average particle size of the micro copper particles may be 4 μm or more and 45 μm or less, 6 μm or more and 40 μm or less, 4 μm or more and 40 μm or less, or 4 μm or more and 10 μm or less.

フレーク状のマイクロ銅粒子の含有量は、金属粒子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、7質量%以上質量23%以下であることがより好ましく、10質量%以上20質量%以下であることが更に好ましい。フレーク状のマイクロ銅粒子の含有量が、上記下限値以上であれば、接合用金属ペーストを乾燥させたときに剥離及びヒビが発生することを抑制して欠陥の少ない接合体を形成しやすくなり、上記上限値以下であれば、銅焼結体に数μm以上の大型のボイドが発生しにくくなり、部材との密着性が良好な接合体が得られやすくなる。接合用金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示す傾向にある。 The content of the flake-shaped micro copper particles is preferably 5% by mass or more and 25% by mass or less, more preferably 7% by mass or more and 23% by mass or less, and even more preferably 10% by mass or more and 20% by mass or less, based on the total mass of the metal particles. If the content of the flake-shaped micro copper particles is equal to or more than the lower limit, peeling and cracking are suppressed when the joining metal paste is dried, making it easier to form a joint with fewer defects, and if it is equal to or less than the upper limit, large voids of several μm or more are less likely to occur in the copper sintered body, making it easier to obtain a joint with good adhesion to the member. When the joining metal paste is used to join semiconductor elements, the semiconductor device tends to exhibit good die shear strength and connection reliability.

マイクロ銅粒子は、炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸の有機保護剤で処理されている、すなわち、炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸で被覆されているか、酸化銅層によって被覆されていることが好ましい。分散安定性及び耐酸化性の観点から、マイクロ銅粒子は有機保護剤で処理されていることが好ましい。有機保護剤は上述したものを用いることができる。有機保護剤は、接合時に除去されるものであってもよい。このような有機保護剤としては、例えば、ドデカン酸、パルミチン酸、ヘプタデカン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、リノール酸、リノレイン酸、オレイン酸等の脂肪族カルボン酸;テレフタル酸、ピロメリット酸、o-フェノキシ安息香酸等の芳香族カルボン酸;セチルアルコール、ステアリルアルコール、イソボルニルシクロヘキサノール、テトラエチレングリコール等の脂肪族アルコール;p-フェニルフェノール等の芳香族アルコール;オクチルアミン、ドデシルアミン、ステアリルアミン等のアルキルアミン;ステアロニトリル、デカニトリル等の脂肪族ニトリル;アルキルアルコキシシラン等のシランカップリング剤;ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、シリコーンオリゴマー等の高分子処理材等が挙げられる。 The micro copper particles are preferably treated with an organic protective agent of an aliphatic or aromatic monocarboxylic acid having 1 to 20 carbon atoms, i.e., coated with an aliphatic or aromatic monocarboxylic acid having 1 to 20 carbon atoms, or coated with a copper oxide layer. From the viewpoint of dispersion stability and oxidation resistance, it is preferable that the micro copper particles are treated with an organic protective agent. The organic protective agent may be one described above. The organic protective agent may be one that is removed during bonding. Examples of such organic protective agents include aliphatic carboxylic acids such as dodecanoic acid, palmitic acid, heptadecanoic acid, stearic acid, arachidic acid, linoleic acid, linolenic acid, and oleic acid; aromatic carboxylic acids such as terephthalic acid, pyromellitic acid, and o-phenoxybenzoic acid; aliphatic alcohols such as cetyl alcohol, stearyl alcohol, isobornylcyclohexanol, and tetraethylene glycol; aromatic alcohols such as p-phenylphenol; alkylamines such as octylamine, dodecylamine, and stearylamine; aliphatic nitriles such as stearonitrile and decanitrile; silane coupling agents such as alkylalkoxysilanes; and polymer treatment materials such as polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, and silicone oligomers.

有機保護剤は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 The organic protective agent may be used alone or in combination of two or more.

有機保護剤の処理量は、粒子表面に一分子層以上の量であってもよい。このような有機保護剤の処理量は、マイクロ銅粒子の比表面積、有機保護剤の分子量、及び有機保護剤の最小被覆面積により変化する。有機保護剤の処理量は、粒子の質量に対して、通常0.001質量%以上である。マイクロ銅粒子の比表面積、有機保護剤の分子量、及び有機保護剤の最小被覆面積については、上述した方法により算出することができる。 The amount of organic protective agent to be treated may be an amount of one molecular layer or more on the particle surface. The amount of such organic protective agent to be treated varies depending on the specific surface area of the micro copper particles, the molecular weight of the organic protective agent, and the minimum coverage area of the organic protective agent. The amount of organic protective agent to be treated is usually 0.001 mass% or more relative to the mass of the particles. The specific surface area of the micro copper particles, the molecular weight of the organic protective agent, and the minimum coverage area of the organic protective agent can be calculated by the method described above.

有機保護剤の処理量を実験的に測定する方法についても上述した方法と同様である。 The method for experimentally measuring the amount of organic protective agent used is similar to that described above.

マイクロ銅粒子(三井金属鉱業株式会社製「MA-C025KFD」)(滑剤レス、有機保護剤の処理なし)の場合、脱離する有機保護剤が付着しておらず、その表面は微量の酸化銅層によって被覆されていることから、窒素雰囲気中におけるTG-DTA測定においては、重量減少が見られない。逆にわずかに重量増加を示しており、これは測定装置の雰囲気内に存在する微量な酸素によってマイクロ銅粒子の酸化が更に進行したためである。 In the case of micro copper particles ("MA-C025KFD" manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd.) (lubricant-free, no organic protective agent treatment), the organic protective agent that is detached is not attached, and the surface is covered with a small amount of copper oxide layer, so no weight loss is observed in TG-DTA measurements in a nitrogen atmosphere. On the contrary, a slight weight increase is observed, which is due to further oxidation of the micro copper particles caused by the small amount of oxygen present in the atmosphere of the measurement device.

マイクロ銅粒子3L3N(有機保護剤:ステアリン酸)の窒素雰囲気中におけるTG-DTA測定においては、185℃~345℃で重量減少が示されることにより、有機保護剤が185℃~345℃で脱離していることが分かり、この銅粒子の有機保護剤(ステアリン酸)の脱離開始温度は185℃であり、有機保護剤の処理量(付着量)は約3.2質量%であることが求められる。 TG-DTA measurements of micro copper particles 3L3N (organic protective agent: stearic acid) in a nitrogen atmosphere showed a weight loss at 185°C to 345°C, indicating that the organic protective agent was desorbed at 185°C to 345°C. The desorption start temperature of the organic protective agent (stearic acid) from these copper particles is 185°C, and the amount of organic protective agent treated (adhered amount) is expected to be approximately 3.2 mass%.

マイクロ銅粒子を被覆する炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸は、その脱離開始温度が、180℃以上380℃以下の範囲にあることが望ましい。 It is desirable that the aliphatic or aromatic monocarboxylic acid having 1 to 20 carbon atoms that coats the micro copper particles has a desorption initiation temperature in the range of 180°C or higher and 380°C or lower.

本実施形態に係るマイクロ銅粒子は、市販されているものを用いることができる。市販されているマイクロ粒子としては、例えば、MA-C025KFD(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径7.5μm)、3L3N(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径8.0μm)、1110F(三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径3.8μm)、HWQ3.0μm(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径3.0μm)、4L3(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径3.0μm)、2L3(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径9.9μm)、E3(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径37.5μm)、C3(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径37.3μm)、MS-800(福田金属箔粉工業株式会社製、体積平均粒径40.4μm)が挙げられる。 The micro copper particles according to this embodiment can be commercially available. Examples of commercially available micro particles include MA-C025KFD (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., volume average particle size 7.5 μm), 3L3N (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., volume average particle size 8.0 μm), 1110F (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., volume average particle size 3.8 μm), HWQ3.0 μm (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., volume average particle size 3.0 μm), 4L3 (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., volume average particle size 3.0 μm), 2L3 (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., volume average particle size 9.9 μm), E3 (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., volume average particle size 37.5 μm), C3 (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., volume average particle size 37.3 μm), and MS-800 (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., volume average particle size 40.4 μm).

ところで、銅粒子としてサブマイクロ銅粒子のみから接合用金属ペーストを調製する場合、分散媒の乾燥に伴う体積収縮及び焼結収縮が大きいため、接合用金属ペーストの乾燥時及び焼結時に、ペースト層にヒビが入ったり被着面より剥離しやすくなったりして、半導体素子等の接合においては充分なダイシェア強度及び接続信頼性が得られにくい。一方、銅粒子としてマイクロ銅粒子のみから接合用金属ペーストを調製する場合、焼結温度が高温化し、400℃以上の温度と10MPa以上の加圧力の加圧焼結工程を必要とする傾向にある。また、乾燥後の粒子堆積層の可撓性が低下して接合用金属ペーストと被着面の密着性が低下し、被着面と銅焼結体との界面に剥離及びボイドを発生させる原因となる。本実施形態においては、サブマイクロ銅粒子とマイクロ銅粒子とを併用することで、接合用金属ペーストを焼結させたときの体積収縮の抑制と、熱圧着時の粒子堆積層の変形抑制とを両立することができ、接合体は充分な低欠陥性、接合強度、及び接続信頼性を有することが容易となる。接合用金属ペーストを半導体素子の接合に用いる場合は半導体装置が良好なダイシェア強度及び接続信頼性を示すという効果が得られやすくなる。 However, when the bonding metal paste is prepared from only submicro copper particles as copper particles, the volume shrinkage and sintering shrinkage accompanying drying of the dispersion medium are large, so that when the bonding metal paste is dried and sintered, the paste layer cracks or peels off from the adherend surface, making it difficult to obtain sufficient die shear strength and connection reliability in bonding semiconductor elements and the like. On the other hand, when the bonding metal paste is prepared from only micro copper particles as copper particles, the sintering temperature tends to be high, and a pressure sintering process at a temperature of 400 ° C or more and a pressure of 10 MPa or more is required. In addition, the flexibility of the particle deposition layer after drying decreases, and the adhesion between the bonding metal paste and the adherend surface decreases, causing peeling and voids to occur at the interface between the adherend surface and the copper sintered body. In this embodiment, by using submicro copper particles and micro copper particles in combination, it is possible to suppress both the volume shrinkage when the bonding metal paste is sintered and the deformation of the particle deposition layer during thermocompression bonding, and it becomes easy for the bonded body to have sufficient low defectivity, bonding strength, and connection reliability. When the bonding metal paste is used to bond semiconductor elements, it becomes easier to obtain the effect that the semiconductor device exhibits good die shear strength and connection reliability.

本実施形態の接合用金属ペーストは、サブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子以外の銅粒子として、銅ナノ粒子を含んでいてもよい。銅ナノ粒子は、体積平均粒径が0.001μm以上0.09μm以下であってもよく、0.01μm以上0.09μm以下であってもよく、0.03μm以上0.09μm以下であってもよい。接合用金属ペーストが銅ナノ粒子を含んでいる場合、その含有量は、接合用金属ペーストの増粘及び焼結時の体積収縮増加を避ける観点から、金属粒子の全質量を基準として、30質量%未満が好ましく、20質量%以下がより好ましい。銅ナノ粒子は、含まれなくてもよい。銅ナノ粒子の形状は、特に限定されるものではない。接合用金属ペーストが銅ナノ粒子を含む場合、焼結温度の低下効果が得られる。また、粒子間の空隙を埋めるように銅ナノ粒子を混合することで、焼結後の銅焼結体の緻密度を上げることができ、ダイシェア強度の向上や接続信頼性の向上効果が得られる。 The bonding metal paste of this embodiment may contain copper nanoparticles as copper particles other than the submicro copper particles and the micro copper particles. The copper nanoparticles may have a volume average particle size of 0.001 μm or more and 0.09 μm or less, 0.01 μm or more and 0.09 μm or less, or 0.03 μm or more and 0.09 μm or less. When the bonding metal paste contains copper nanoparticles, the content is preferably less than 30 mass% and more preferably 20 mass% or less based on the total mass of the metal particles in order to avoid thickening of the bonding metal paste and increasing volume shrinkage during sintering. Copper nanoparticles may not be included. The shape of the copper nanoparticles is not particularly limited. When the bonding metal paste contains copper nanoparticles, the effect of lowering the sintering temperature is obtained. In addition, by mixing copper nanoparticles so as to fill the gaps between the particles, the density of the copper sintered body after sintering can be increased, and the effect of improving the die shear strength and the connection reliability can be obtained.

(その他の金属粒子、半金属粒子)
本実施形態の接合用金属ペーストは、金属粒子として、銅以外の金属元素を含む金属粒子(第二の金属粒子ともいう)を含んでいてもよい。また、本実施形態の接合用金属ペーストは、半金属元素を含む半金属粒子を含んでいてもよい。銅以外の金属元素又は半金属元素を含む粒子は、Mg、Al、Si、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ag、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sn、Sb、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Biから選ばれる少なくとも1種類の元素を含む金属粒子又は半金属粒子であってもよい。その他の金属粒子の組成は、金属単体でもよいし、2種類以上の金属を含む合金(固溶体、金属間化合物、不均一な混合物)又は金属化合物(金属酸化物及び金属窒化物など)であってもよい。
(Other metal particles, semi-metal particles)
The bonding metal paste of this embodiment may contain metal particles (also referred to as second metal particles) containing a metal element other than copper as the metal particles. The bonding metal paste of this embodiment may also contain metalloid particles containing a metalloid element. The particles containing a metal element or a metalloid element other than copper may be metal particles or metalloid particles containing at least one element selected from Mg, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ag, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, and Bi. The composition of the other metal particles may be a single metal, or an alloy (solid solution, intermetallic compound, heterogeneous mixture) or metal compound (metal oxide, metal nitride, etc.) containing two or more metals.

第二の金属粒子を添加することで、焼結銅の中に第二の金属粒子に由来する金属元素が固溶或いは分散した状態となり、降伏応力、疲労強度等の機械的な特性が改善することで接合強度及び接続信頼性を更に高めることができる。銅粒子以外の金属粒子を含む場合、複数種の金属が固溶又は分散した焼結体を得ることができるため、耐マイグレーション性が改善され、高温下での接続信頼性が向上しやすい。また、接合用金属ペーストが第二の金属粒子を含むことで、金属ペーストの焼結体は、例えばAu及びAg等の被着面を有する被着体に対して高い接合強度を有することができる。このような目的で第二の金属粒子を配合する場合、第二の金属粒子の金属種は、亜鉛、金、錫、インジウム、銀、バナジウム、アルミニウム、アンチモンが好ましく、第二の金属粒子はフレーク状の亜鉛粒子であることがより好ましい。 By adding the second metal particles, the metal elements derived from the second metal particles are dissolved or dispersed in the sintered copper, improving mechanical properties such as yield stress and fatigue strength, thereby further increasing the bonding strength and connection reliability. When metal particles other than copper particles are included, a sintered body in which multiple metals are dissolved or dispersed can be obtained, improving migration resistance and making it easier to improve connection reliability at high temperatures. In addition, by including second metal particles in the bonding metal paste, the sintered body of the metal paste can have high bonding strength to an adherend having an adhesion surface such as Au and Ag. When the second metal particles are blended for such a purpose, the metal species of the second metal particles is preferably zinc, gold, tin, indium, silver, vanadium, aluminum, or antimony, and it is more preferable that the second metal particles are flaky zinc particles.

第二の金属粒子及び半金属粒子の粒子形状は、特に制限されないが、例えば、球状、塊状、針状、フレーク状、略球状及びこれらの凝集体が挙げられる。分散性及び充填性の観点から、第二の金属粒子及び半金属粒子の形状は、球状、略球状、フレーク状であってもよく、燃焼性、分散性、他の銅粒子との混合性等の観点から、球状又は略球状であってもよい。 The particle shape of the second metal particles and semi-metal particles is not particularly limited, but examples include spherical, clumpy, needle-like, flake-like, roughly spherical, and aggregates thereof. From the viewpoint of dispersibility and packing ability, the shape of the second metal particles and semi-metal particles may be spherical, roughly spherical, or flake-like, and from the viewpoints of combustibility, dispersibility, mixability with other copper particles, etc., the shape may be spherical or roughly spherical.

第二の金属粒子及び半金属粒子の体積平均粒径は、0.01μm以上50μm以下であることが好ましく、0.02μm以上20μm以下であることがより好ましく、0.03μm以上5μm以下であることが更に好ましい。第二の金属粒子及び半金属粒子の体積平均粒径が上記範囲内であれば、銅粒子の焼結を阻害しにくくなる。 The volume average particle size of the second metal particles and semi-metal particles is preferably 0.01 μm or more and 50 μm or less, more preferably 0.02 μm or more and 20 μm or less, and even more preferably 0.03 μm or more and 5 μm or less. If the volume average particle size of the second metal particles and semi-metal particles is within the above range, the sintering of the copper particles is less likely to be hindered.

第二の金属粒子の有機保護剤の処理の有無は特に限定されるものではないが、分散安定性及び耐酸化性の観点から、第二の金属粒子は有機保護剤で処理されていてもよい。有機保護剤は、接合時に除去されるものであってもよい。第二の金属粒子の具体的な有機保護剤としては、サブマイクロ銅粒子又はマイクロ銅粒子に使用される上記有機保護剤を使用できる。 While there is no particular limitation on whether the second metal particles are treated with an organic protective agent, from the viewpoint of dispersion stability and oxidation resistance, the second metal particles may be treated with an organic protective agent. The organic protective agent may be one that is removed during bonding. As a specific organic protective agent for the second metal particles, the above-mentioned organic protective agents used for sub-micro copper particles or micro copper particles can be used.

第二の金属粒子としては、市販されているものを用いることができる。市販されている第二の金属粒子としては、例えば、銀粒子AgC239(50%体積平均粒径10μm、福田金属箔株式会社)、亜鉛粒子(50%体積平均粒径5μm、Alfa Aeser)、鉄粉末(50%体積平均粒径45μm、和光純薬工業株式会社製)、コバルト粉末Cobalt Powder S-160(50%体積平均粒径3.0μm、フリーポートコバルト社製)、ニッケル粒子(50%体積平均粒径1.5μm、METAL FOIL & POWDERS MFG CO.製)などが挙げられる。 Commercially available second metal particles can be used. Examples of commercially available second metal particles include silver particles AgC239 (50% volume average particle size 10 μm, Fukuda Metal Foil Co., Ltd.), zinc particles (50% volume average particle size 5 μm, Alfa Aeser), iron powder (50% volume average particle size 45 μm, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), cobalt powder Cobalt Powder S-160 (50% volume average particle size 3.0 μm, Freeport Cobalt Co.), and nickel particles (50% volume average particle size 1.5 μm, METAL FOIL & POWDERS MFG CO.).

第二の金属粒子及び半金属粒子の含有量は、金属ペーストに含まれる金属粒子及び半金属粒子の質量の合計を基準として、0.001質量%以上10質量%以下であることが好ましく、0.01質量%以上5質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以上2質量%以下であることが更に好ましい。第二の金属粒子及び半金属粒子の含有量が、上記範囲内であれば、接合用金属ペーストの焼結性に影響を与えにくい。 The content of the second metal particles and semi-metal particles is preferably 0.001% by mass or more and 10% by mass or less, more preferably 0.01% by mass or more and 5% by mass or less, and even more preferably 0.1% by mass or more and 2% by mass or less, based on the total mass of the metal particles and semi-metal particles contained in the metal paste. If the content of the second metal particles and semi-metal particles is within the above range, it is unlikely to affect the sinterability of the joining metal paste.

(分散媒)
本実施形態の接合用金属ペーストは、分散媒として、末端にヒドロキシル基を有し、分子鎖中にエーテル結合を有しないアルコール系化合物(以下、「アルコール系分散媒」ともいう)と、末端にヒドロキシル基を有し、分子鎖中にエーテル結合を有するポリエーテルアルコール系化合物(以下、「ポリエーテルアルコール系分散媒」ともいう)と、を含む。
(Dispersion medium)
The joining metal paste of this embodiment contains, as a dispersion medium, an alcohol-based compound having hydroxyl groups at the terminals and no ether bonds in the molecular chain (hereinafter also referred to as an "alcohol-based dispersion medium"), and a polyether alcohol-based compound having hydroxyl groups at the terminals and an ether bond in the molecular chain (hereinafter also referred to as a "polyether alcohol-based dispersion medium").

(アルコール系分散媒)
アルコール系分散媒としては、例えば、ジヒドロターピネオール、ターピネオール、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、ドデカノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、α-テルピネオール、イソボニルシクロヘキサノール(MTPH)等の一価及び多価アルコール類などが挙げられる。
(Alcohol-based dispersion medium)
Examples of alcohol-based dispersion media include monohydric and polyhydric alcohols such as dihydroterpineol, terpineol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol, decanol, dodecanol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, butylene glycol, α-terpineol, and isobornylcyclohexanol (MTPH).

アルコール系分散媒の沸点は、100℃以上250℃未満であることが好ましく、120℃以上230℃以下であることがより好ましく、150℃以上210℃以下であることが更に好ましい。なお、本明細書における沸点とは、大気圧下(1気圧)における沸点を意味する。 The boiling point of the alcohol-based dispersion medium is preferably 100°C or higher and lower than 250°C, more preferably 120°C or higher and 230°C or lower, and even more preferably 150°C or higher and 210°C or lower. In this specification, the boiling point refers to the boiling point under atmospheric pressure (1 atm).

アルコール系分散媒の脱離温度は、銅粒子の有機保護剤よりも低温か、同等程度の温度で脱離することが望ましい。なお、有機保護剤が複数種ある場合、最も低い温度で脱離する有機保護剤の脱離温度以下の脱離温度を有するアルコール系分散媒を用いることが好ましい。具体的な、アルコール系分散媒の脱離開始温度としては、20℃以上150℃以下であることが好ましく、30℃以上100℃以下であることがより好ましく、40℃以上80℃以下であることが更に好ましい。なお、本明細書における脱離温度とは、大気圧下(1気圧)における脱離が開始する温度を意味する。 It is desirable that the desorption temperature of the alcohol-based dispersion medium is lower than or equal to that of the organic protective agent of the copper particles. When there are multiple types of organic protective agents, it is preferable to use an alcohol-based dispersion medium having a desorption temperature lower than the desorption temperature of the organic protective agent that desorbs at the lowest temperature. Specifically, the desorption start temperature of the alcohol-based dispersion medium is preferably 20°C or higher and 150°C or lower, more preferably 30°C or higher and 100°C or lower, and even more preferably 40°C or higher and 80°C or lower. In this specification, the desorption temperature means the temperature at which desorption starts under atmospheric pressure (1 atm).

分散媒の脱離温度を実験的に測定する方法としては、TG-DTA(示差熱‐熱重量同時測定、Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis)測定を用いることができる。分散媒を、無酸素雰囲気中でTG-DTA測定することで、分散媒の脱離による重量減少が観察される。その重量減少が始まる温度が分散媒の脱離の開始温度である。重量減少が停止したときの温度が、分散媒の脱離の完了温度である。 TG-DTA (Thermogrammetry-Differential Thermal Analysis) can be used as a method for experimentally measuring the desorption temperature of the dispersing medium. By measuring the dispersing medium with TG-DTA in an oxygen-free atmosphere, the weight loss due to desorption of the dispersing medium can be observed. The temperature at which the weight loss begins is the starting temperature of desorption of the dispersing medium. The temperature at which the weight loss stops is the temperature at which desorption of the dispersing medium is completed.

例えば、ジヒドロターピネオールの窒素雰囲気中におけるTG-DTA測定においては、70℃~165℃で重量減少が示されることにより、ジヒドロターピネオールが70℃~165℃で脱離していることが分かり、ジヒドロターピネオールの脱離開始温度は70℃であることが求められる。 For example, in a TG-DTA measurement of dihydroterpineol in a nitrogen atmosphere, a weight loss is observed between 70°C and 165°C, indicating that dihydroterpineol is desorbed between 70°C and 165°C, and the desorption start temperature of dihydroterpineol is determined to be 70°C.

アルコール系分散媒の含有量は、接合用金属ペーストの全質量を基準として、0.1質量%以上30質量%以下であることが好ましく、1質量%以上20質量%以下であることがより好ましく、5質量%以上10質量%以下であることが更に好ましい。 The content of the alcohol-based dispersion medium is preferably 0.1% by mass or more and 30% by mass or less, more preferably 1% by mass or more and 20% by mass or less, and even more preferably 5% by mass or more and 10% by mass or less, based on the total mass of the joining metal paste.

(ポリエーテルアルコール系分散媒)
ポリエーテルアルコール系分散媒としては、例えば、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、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、トリプロピレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、トリエチレングリコール、ペンタエチレングリコール、ヘキサエチレングリコール、グリセリン、ジグリセリンなどが挙げられる。
(Polyether alcohol dispersion medium)
Examples of polyether alcohol-based dispersion media include ethylene glycol butyl ether, ethylene glycol phenyl ether, diethylene glycol methyl ether, diethylene glycol ethyl ether, diethylene glycol butyl ether, diethylene glycol isobutyl ether, diethylene glycol hexyl ether, triethylene glycol methyl ether, propylene glycol propyl ether, dipropylene glycol methyl ether, dipropylene glycol ethyl ether, dipropylene glycol propyl ether, dipropylene glycol butyl ether, tripropylene glycol methyl ether, diethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, triethylene glycol, pentaethylene glycol, hexaethylene glycol, glycerin, and diglycerin.

ポリエーテルアルコール系分散媒の沸点は、250℃以上400℃以下であることが好ましく、250℃以上380℃以下であることがより好ましく、250℃以上350℃以下であることが更に好ましい。 The boiling point of the polyether alcohol dispersion medium is preferably 250°C or higher and 400°C or lower, more preferably 250°C or higher and 380°C or lower, and even more preferably 250°C or higher and 350°C or lower.

ポリエーテルアルコール系分散媒の脱離温度は、銅粒子の有機保護剤よりも同等以上の温度で脱離し、かつ、400℃以下であることが好ましい。具体的な、ポリエーテルアルコール系分散媒の脱離開始温度としては、90℃以上400℃以下であることが好ましく、150℃以上380℃以下であることがより好ましく、200℃以上350℃以下であることが更に好ましい。 The desorption temperature of the polyether alcohol-based dispersion medium is preferably equal to or higher than that of the organic protective agent for the copper particles, and is preferably 400°C or lower. Specifically, the desorption start temperature of the polyether alcohol-based dispersion medium is preferably 90°C or higher and 400°C or lower, more preferably 150°C or higher and 380°C or lower, and even more preferably 200°C or higher and 350°C or lower.

例えば、テトラエチレングリコールの窒素雰囲気中におけるTG-DTA測定においては、155℃~265℃で重量減少が示されていることにより、テトラエチレングリコールが155℃~265℃で脱離していることが分かり、テトラエチレングリコールの脱離開始温度は155℃であることが求められる。また、ポリエチレングリコール300(PEG300)の窒素雰囲気中におけるTG-DTA測定においては、160℃~360℃以下で重量減少が示されていることにより、PEG300が160℃~360℃で脱離していることが分かり、PEG300の脱離開始温度は160℃であることが求められる。 For example, TG-DTA measurement of tetraethylene glycol in a nitrogen atmosphere shows a weight loss at 155°C to 265°C, which indicates that tetraethylene glycol is desorbed at 155°C to 265°C, and the desorption start temperature of tetraethylene glycol is required to be 155°C. Also, TG-DTA measurement of polyethylene glycol 300 (PEG300) in a nitrogen atmosphere shows a weight loss at 160°C to 360°C or less, which indicates that PEG300 is desorbed at 160°C to 360°C, and the desorption start temperature of PEG300 is required to be 160°C.

また、接合用金属ペーストは、銅粒子の有機保護剤の脱離温度との差が0℃以上100℃以下である脱離温度を有するポリエーテルアルコール系分散媒を含むことが好ましい。更に、ポリエーテルアルコール系分散媒の脱離温度と、銅粒子の有機保護剤の脱離温度の差は、0℃以上100℃以下であることが好ましい。ポリエーテルアルコール系分散媒が複数種あり、有機保護剤が複数種ある場合、最も高い温度で脱離するポリエーテルアルコール系分散媒の脱離温度と、最も低い温度で脱離する有機保護剤の脱離温度との差が0℃以上100℃以下であることが好ましい。 The bonding metal paste preferably contains a polyether alcohol-based dispersion medium having a desorption temperature that is different from the desorption temperature of the organic protective agent of the copper particles by 0°C or more and 100°C or less. Furthermore, the difference between the desorption temperature of the polyether alcohol-based dispersion medium and the desorption temperature of the organic protective agent of the copper particles is preferably 0°C or more and 100°C or less. When there are multiple types of polyether alcohol-based dispersion mediums and multiple types of organic protective agents, it is preferable that the difference between the desorption temperature of the polyether alcohol-based dispersion medium that desorbs at the highest temperature and the desorption temperature of the organic protective agent that desorbs at the lowest temperature is 0°C or more and 100°C or less.

ポリエーテルアルコール系分散媒の含有量は、接合用金属ペーストの全質量を基準として、0.1質量%以上30質量%以下であることが好ましく、1質量%以上20質量%以下であることがより好ましく、5質量%以上10質量%以下であることが更に好ましい。また、接合用金属ペーストにおけるポリエーテルアルコール系分散媒の含有量は、酸化被膜の除去と、焼結体の変形抑制とを両立する観点から、金属ペーストの全質量を基準として、0.5質量%以上4.0質量%以下であってもよい。 The content of the polyether alcohol-based dispersion medium is preferably 0.1% by mass or more and 30% by mass or less, more preferably 1% by mass or more and 20% by mass or less, and even more preferably 5% by mass or more and 10% by mass or less, based on the total mass of the metal paste for joining. In addition, the content of the polyether alcohol-based dispersion medium in the metal paste for joining may be 0.5% by mass or more and 4.0% by mass or less, based on the total mass of the metal paste, from the viewpoint of achieving both removal of the oxide film and suppression of deformation of the sintered body.

また、本実施形態の接合用金属ペーストにおいて、アルコール系分散媒とポリエーテルアルコール系分散媒との含有割合は、アルコール系分散媒の含有量が、アルコール系分散媒及びポリエーテルアルコール系分散媒の含有量の合計を基準として、10質量%以上90質量%以下であることが好ましく、30質量%以上70質量%以下であることがより好ましく、40質量%以上60質量%以下であることが更に好ましい。 In addition, in the bonding metal paste of this embodiment, the content ratio of the alcohol-based dispersion medium and the polyether alcohol-based dispersion medium is preferably 10% by mass or more and 90% by mass or less, more preferably 30% by mass or more and 70% by mass or less, and even more preferably 40% by mass or more and 60% by mass or less, based on the total content of the alcohol-based dispersion medium and the polyether alcohol-based dispersion medium.

更に、本実施形態の接合用金属ペーストにおけるアルコール系分散媒及びポリエーテルアルコール系分散媒の含有量の合計は、接合用金属ペーストの全質量を基準として、1質量%以上30質量%以下であることが好ましく、5質量%以上20質量%以下であることがより好ましく、7質量%以上15質量%以下であることが更に好ましい。 Furthermore, the total content of the alcohol-based dispersion medium and the polyether alcohol-based dispersion medium in the bonding metal paste of this embodiment is preferably 1% by mass or more and 30% by mass or less, more preferably 5% by mass or more and 20% by mass or less, and even more preferably 7% by mass or more and 15% by mass or less, based on the total mass of the bonding metal paste.

本実施形態の接合用金属ペーストは、窒素雰囲気中におけるTG-DTA測定において500℃での重量減少率が95%以下である分散媒を含まないことが好ましい。 The metal paste for bonding of this embodiment preferably does not contain a dispersion medium whose weight loss rate at 500°C is 95% or less when measured by TG-DTA in a nitrogen atmosphere.

例えば、フロログルシノールの窒素雰囲気中におけるTG-DTA測定においては、200℃から重量減少が示され、フロログルシノールの脱離開始温度は200℃であることが確認されるが、500℃になっても完全に脱離していない(重量減少率68%)。また、Dグルコースの窒素雰囲気中におけるTG-DTA測定においては、210℃から重量減少が示され、Dグルコースの脱離開始温度は210℃であることが確認されるが、500℃になっても完全に脱離していない(重量減少率85%)。本実施形態の接合用金属ペーストは、このような分散媒を含まないことが好ましい。 For example, in a TG-DTA measurement of phloroglucinol in a nitrogen atmosphere, weight loss was observed from 200°C, and it was confirmed that the desorption starting temperature of phloroglucinol was 200°C, but it was not completely desorbed even at 500°C (weight loss rate 68%). In addition, in a TG-DTA measurement of D-glucose in a nitrogen atmosphere, weight loss was observed from 210°C, and it was confirmed that the desorption starting temperature of D-glucose was 210°C, but it was not completely desorbed even at 500°C (weight loss rate 85%). It is preferable that the metal paste for bonding of this embodiment does not contain such a dispersion medium.

本実施形態の接合用金属ペーストは、本願発明の効果を損なわない範囲で上述したアルコール系分散媒及びポリエーテルアルコール系分散媒以外の分散媒を含んでもよい。分散媒の例としては、例えば、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、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、γ-ブチロラクトン、炭酸プロピレン等のエステル類、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、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、炭素数1~18のアルキル基を有するメルカプタン類、炭素数5~7のシクロアルキル基を有するメルカプタン類が挙げられる。炭素数1~18のアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、エチルメルカプタン、n-プロピルメルカプタン、i-プロピルメルカプタン、n-ブチルメルカプタン、i-ブチルメルカプタン、t-ブチルメルカプタン、ペンチルメルカプタン、ヘキシルメルカプタン及びドデシルメルカプタンが挙げられる。炭素数5~7のシクロアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、シクロペンチルメルカプタン、シクロヘキシルメルカプタン及びシクロヘプチルメルカプタンが挙げられる。 The bonding metal paste of this embodiment may contain a dispersion medium other than the above-mentioned alcohol-based dispersion medium and polyether alcohol-based dispersion medium, as long as the effect of the present invention is not impaired. Examples of the dispersion medium include ethers such as diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol butyl methyl ether, diethylene glycol isopropyl methyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol butyl methyl ether, dipropylene glycol dimethyl ether, and tripropylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol ethyl ether acetate, ethylene glycol butyl ether acetate, and diethylene glycol ethyl ether. Examples of the mercaptans having an alkyl group of 1 to 18 carbon atoms include esters such as ethyl mercaptan, n-propyl mercaptan, i-propyl mercaptan, n-butyl mercaptan, i-butyl mercaptan, t-butyl mercaptan, pentyl mercaptan, hexyl mercaptan, and dodecyl mercaptan. Examples of mercaptans having a cycloalkyl group with 5 to 7 carbon atoms include cyclopentyl mercaptan, cyclohexyl mercaptan, and cycloheptyl mercaptan.

ポリエーテルアルコール系分散媒は、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、ホウ素イオン、及びアルミニウムイオンのような金属イオン性の部位を含まないことが好ましい。このような溶媒であれば、200~300℃において流動しやすく、また金属ペーストの分散性を低下させてしまう塩析効果が生じにくく、さらに分解後に金属イオンが残存しにくいことから、接合用金属ペーストの焼結後の特性を低下させずに酸化被膜の除去効果が得られやすくなる。 It is preferable that the polyether alcohol-based dispersion medium does not contain metal ionic sites such as alkali metal ions, alkaline earth metal ions, boron ions, and aluminum ions. Such a solvent is easy to flow at 200 to 300°C, is less likely to cause the salting-out effect that reduces the dispersibility of the metal paste, and is less likely to leave metal ions after decomposition, making it easier to remove the oxide film without reducing the properties of the joining metal paste after sintering.

上記のようなポリエーテルアルコール系分散媒としては、ポリエステル及びポリエチレングリコールが挙げられる。ポリエチレングリコールとしては、ポリエチレングリコール300及びポリエチレングリコール400を用いることができる。 Examples of the polyether alcohol dispersion medium as described above include polyester and polyethylene glycol. As the polyethylene glycol, polyethylene glycol 300 and polyethylene glycol 400 can be used.

本実施形態の接合用金属ペーストは、ペーストを25℃から200℃まで昇温させたときに残存するポリエーテルアルコール系分散媒の含有量が、200℃に昇温させたときの金属ペーストの質量を基準として、1質量%以上であることが好ましい。また、本実施形態の接合用金属ペーストは、ペーストを25℃から300℃まで昇温させたときに残存するポリエーテルアルコール系分散媒の含有量が、300℃に昇温させたときの金属ペーストの質量を基準として、11.7質量%以下であることが好ましく、8.0質量%以下であることがより好ましい。この場合、粒子間がポリエーテルアルコール系分散媒で満たされることで還元又は揮発で生じたガスが抜けにくくなることを防止することができ、ボイド及び剥離の発生を抑制しやすくなる。 In the joining metal paste of this embodiment, the content of the polyether alcohol-based dispersion medium remaining when the paste is heated from 25°C to 200°C is preferably 1 mass% or more based on the mass of the metal paste when heated to 200°C. In addition, in the joining metal paste of this embodiment, the content of the polyether alcohol-based dispersion medium remaining when the paste is heated from 25°C to 300°C is preferably 11.7 mass% or less, and more preferably 8.0 mass% or less, based on the mass of the metal paste when heated to 300°C. In this case, the spaces between the particles are filled with the polyether alcohol-based dispersion medium, which prevents the gas generated by reduction or volatilization from being difficult to escape, making it easier to suppress the occurrence of voids and peeling.

また、本実施形態の接合用金属ペーストは、ペーストを25℃から300℃まで昇温させたときに残存する分散媒(ポリエーテルアルコール系分散媒を含む)の含有量が、300℃に昇温させたときの金属ペーストの質量を基準として、11.7質量%以下であることが好ましく、8.0質量%以下であることがより好ましい。熱圧着工程において、ポリエーテルアルコール系分散媒が含まれる分散媒が粒子間の空孔体積より多く含まれると、金属ペーストの可塑性が大きくなりすぎて圧着時にブリードアウトが発生しやすくなる傾向にある。更に、焼結時に、分散媒の蒸発、分解によるガス発生が多いと、ボイド及び剥離が生じやすくなる傾向にある。これらの傾向を抑制する観点から、300℃で残存する分散媒(ポリエーテルアルコール系分散媒を含む)の含有量を、粒子間の空孔体積が満たされない量にすることが好ましい。なお、粒子間の空孔体積は、粒子の構成により異なるが、同一サイズ球の立方配置の48体積%程度が最大と考えられる(参考文献:粉体工業叢書 第7巻 粉体層の操作とシミュレーション、第一章 粒子充填状態、ページ1~4、2009年)。この場合の空孔体積を満たす分散媒(ポリエーテルアルコール系分散媒を含む)の含有量は11.7質量%となる。 In addition, in the joining metal paste of this embodiment, the content of the dispersion medium (including polyether alcohol-based dispersion medium) remaining when the paste is heated from 25 ° C to 300 ° C is preferably 11.7 mass % or less, and more preferably 8.0 mass % or less, based on the mass of the metal paste when heated to 300 ° C. In the thermocompression bonding process, if the dispersion medium containing the polyether alcohol-based dispersion medium is contained in a larger amount than the pore volume between the particles, the plasticity of the metal paste tends to become too large and bleeding out tends to occur easily during compression bonding. Furthermore, if there is a lot of gas generation due to evaporation and decomposition of the dispersion medium during sintering, voids and peeling tend to occur easily. From the viewpoint of suppressing these tendencies, it is preferable to set the content of the dispersion medium (including polyether alcohol-based dispersion medium) remaining at 300 ° C to an amount that does not fill the pore volume between the particles. The void volume between particles varies depending on the particle composition, but is thought to be a maximum of about 48% by volume for a cubic arrangement of spheres of the same size (Reference: Powder Industry Series, Vol. 7, Operation and Simulation of Powder Beds, Chapter 1, Particle Packing State, Pages 1-4, 2009). In this case, the content of the dispersion medium (including polyether alcohol-based dispersion medium) that fills the void volume is 11.7% by mass.

金属ペーストに含まれるポリエーテルアルコール系分散媒の種類は、例えば、高温脱離ガスのガスクロマトグラフ-質量分析法、及びTOF-SIMSで分析することにより確認できる。その他の分析方法としては、遠心分離により粒子成分を分離して得られる上澄みを通常の有機分析、例えば、FT-IR、NMR、液体クロマトグラフ及びこれらの組み合わせで同定してもよい。分散媒におけるポリエーテルアルコール系分散媒の比率は、液体クロマトグラフ、NMR等で定量することができる。 The type of polyether alcohol-based dispersion medium contained in the metal paste can be confirmed, for example, by analyzing the high-temperature desorbed gas using gas chromatography-mass spectrometry and TOF-SIMS. As another analytical method, the supernatant obtained by separating the particle components by centrifugation may be identified using conventional organic analysis, for example, FT-IR, NMR, liquid chromatography, or a combination of these. The ratio of polyether alcohol-based dispersion medium in the dispersion medium can be quantified using liquid chromatography, NMR, etc.

本実施形態の接合用金属ペーストの一態様としては、金属粒子として、体積平均粒径が0.1μm以上0.8μm以下であるサブマイクロ銅粒子と、体積平均粒径が2.0μm以上50μm以下であるフレーク状マイクロ銅粒子とを含み、分散媒として、ポリエーテルアルコール系分散媒を含み、ポリエーテルアルコール系分散媒の含有量が、接合用金属ペーストの全質量を基準として、2質量%以上であってもよい。 One aspect of the bonding metal paste of this embodiment includes, as metal particles, sub-micro copper particles having a volume average particle size of 0.1 μm or more and 0.8 μm or less, and flake-shaped micro copper particles having a volume average particle size of 2.0 μm or more and 50 μm or less, and as a dispersion medium, a polyether alcohol-based dispersion medium, the content of which may be 2 mass% or more based on the total mass of the bonding metal paste.

(添加剤)
接合用金属ペーストには、必要に応じて分散剤、表面保護剤、増粘剤、チキソ性付与剤等の添加剤を更に含んでもよい。接合用金属ペーストが添加剤を含む場合、200℃以下の温度で不揮発性又は非分解性である添加剤の含有率は20質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが更に好ましい。添加剤の含有率が上記範囲であれば、接合用金属ペーストの焼結性の低下を抑制しやすい。
(Additives)
The bonding metal paste may further contain additives such as dispersants, surface protective agents, thickeners, and thixotropy imparting agents as necessary. When the bonding metal paste contains additives, the content of the additives that are nonvolatile or nondecomposable at temperatures of 200° C. or less is preferably 20% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and even more preferably 1% by mass or less. If the content of the additives is within the above range, it is easy to suppress the decrease in the sinterability of the bonding metal paste.

本実施形態の接合用金属ペーストは、接合用金属ペーストに含まれる炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸の含有量の合計が、接合用金属ペースト全量を基準として、0.1質量%以上10質量%以下であることが好ましく、0.5質量%以上5質量%以下であることがより好ましく、1質量%以上3質量%以下であることが更に好ましい。 In the joining metal paste of this embodiment, the total content of aliphatic or aromatic monocarboxylic acids having 1 to 20 carbon atoms contained in the joining metal paste is preferably 0.1% by mass or more and 10% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or more and 5% by mass or less, and even more preferably 1% by mass or more and 3% by mass or less, based on the total amount of the joining metal paste.

本実施形態の接合用金属ペーストは、接合時に十分な可撓性を有することができるため、2つの部材間に存在する接合用金属ペーストを250℃以上350℃未満の温度で熱圧着した場合であっても、銅粒子(例えば、マイクロ銅粒子及びサブマイクロ銅粒子)が焼結して金属結合を形成し、2つの部材間をダイシェア強度10MPa以上、熱伝導率100W/(m・K)以上で接合することができる。 The joining metal paste of this embodiment has sufficient flexibility during joining, so even if the joining metal paste between two components is thermocompressed at a temperature of 250°C or higher and lower than 350°C, the copper particles (e.g., micro copper particles and submicro copper particles) sinter to form a metallic bond, and the two components can be joined with a die shear strength of 10 MPa or higher and a thermal conductivity of 100 W/(m·K) or higher.

(接合用金属ペーストの調製)
接合用金属ペーストは、上述のサブマイクロ銅粒子、マイクロ銅粒子、その他の金属粒子及び任意の添加剤を、分散媒に混合して調製することができる。各成分の混合後に、撹拌処理を行ってもよい。接合用金属ペーストは、分級操作により分散液の最大粒径を調整してもよい。このとき、分散液の最大粒径は20μm以下とすることができ、10μm以下とすることもできる。
(Preparation of metal paste for bonding)
The bonding metal paste can be prepared by mixing the above-mentioned submicro copper particles, micro copper particles, other metal particles, and any additives in a dispersion medium. After mixing the components, a stirring process may be performed. The bonding metal paste may be adjusted in maximum particle size by classification. In this case, the maximum particle size of the dispersion can be 20 μm or less, or 10 μm or less.

接合用金属ペーストは、サブマイクロ銅粒子、有機保護剤、分散媒をあらかじめ混合して、分散処理を行ってサブマイクロ銅粒子の分散液を調製し、更にマイクロ銅粒子、その他の金属粒子及び任意の添加剤を混合して調製してもよい。このような手順とすることで、サブマイクロ銅粒子の分散性が向上してマイクロ銅粒子との混合性が良くなり、接合用銅ペーストの性能がより向上する。また、分級操作によって、サブマイクロ銅粒子の分散液から凝集物を除去してもよい。サブマイクロ銅粒子及び有機保護剤は、有機保護剤で処理されたサブマイクロ銅粒子であってもよい。 The bonding metal paste may be prepared by mixing sub-micro copper particles, an organic protective agent, and a dispersion medium in advance, carrying out a dispersion process to prepare a dispersion of sub-micro copper particles, and then mixing micro copper particles, other metal particles, and any additives. By following such a procedure, the dispersibility of the sub-micro copper particles is improved, and the mixability with the micro copper particles is improved, further improving the performance of the bonding copper paste. In addition, agglomerates may be removed from the dispersion of the sub-micro copper particles by a classification operation. The sub-micro copper particles and the organic protective agent may be sub-micro copper particles treated with an organic protective agent.

撹拌処理は、撹拌機を用いて行うことができる。撹拌機としては、例えば、自転公転型攪拌装置、ライカイ機、二軸混練機、三本ロールミル、プラネタリーミキサー、薄層せん断分散機が挙げられる。 The stirring process can be carried out using a stirrer. Examples of stirrers include a rotation-revolution type stirrer, a mortar mixer, a twin-screw kneader, a three-roll mill, a planetary mixer, and a thin-layer shear disperser.

分級操作は、例えば、ろ過、自然沈降、遠心分離を用いて行うことができる。ろ過用のフィルタとしては、例えば、金属メッシュ、メタルフィルター、ナイロンメッシュが挙げられる。 The classification operation can be carried out, for example, by filtration, natural sedimentation, or centrifugation. Examples of filters for filtration include metal mesh, metal filters, and nylon mesh.

分散処理としては、例えば、薄層せん断分散機、ビーズミル、超音波ホモジナイザー、ハイシアミキサー、狭ギャップ三本ロールミル、湿式超微粒化装置、超音速式ジェットミル、超高圧ホモジナイザーが挙げられる。 Examples of dispersion treatments include thin layer shear dispersers, bead mills, ultrasonic homogenizers, high shear mixers, narrow gap three-roll mills, wet ultra-fine particle machines, supersonic jet mills, and ultra-high pressure homogenizers.

接合用銅ペーストは、成型する場合には各々の印刷・塗布手法に適した粘度に調整してもよい。接合用銅ペーストの粘度としては、例えば、25℃におけるCasson粘度が0.05Pa・s以上2.0Pa・s以下であってもよく、0.06Pa・s以上1.0Pa・s以下であってもよい。 When molding, the copper paste for bonding may be adjusted to a viscosity suitable for each printing/coating method. The viscosity of the copper paste for bonding may be, for example, a Casson viscosity at 25°C of 0.05 Pa·s or more and 2.0 Pa·s or less, or 0.06 Pa·s or more and 1.0 Pa·s or less.

本実施形態の接合用金属ペーストによれば、部材同士を水素を含まない雰囲気中、低加圧で接合する場合であっても、充分な接合強度を得ることができる。 The joining metal paste of this embodiment can provide sufficient joining strength even when joining components in a hydrogen-free atmosphere and at low pressure.

このような効果が得られる理由について本発明者らは以下のとおり推察する。
(i)まず、上記サブマイクロ銅粒子と上記マイクロ銅粒子とを特定の割合で含有させることにより、充分な焼結性を維持しつつ、銅粒子を被覆するモノカルボン酸又は分散媒に起因する焼結時の体積収縮を充分抑制することができ、低加圧であっても焼結体強度の確保及び被着面との接合力向上が可能となると考えられる。
(ii)また、サブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子を被覆するモノカルボン酸が、上記アルコール系化合物及び上記ポリエーテルアルコール系化合物と反応することで、比較的低温でモノカルボン酸の脱離が進行し、活性な銅表面が現れると考えられる。マイクロ粒子の表面が酸化銅で被覆されている場合(マイクロ粒子の表面が酸化銅層である場合)は、この酸化銅が上記アルコール系分散媒又はポリエーテルアルコール系分散媒によって還元されることで、活性な銅表面が現れると考えられる。これらの作用によって現れた活性な銅表面同士が接触・焼結することにより、低加圧であっても強固な銅焼結体が形成されると考えられる。
(iii)更に、上記アルコール系化合物及び上記ポリエーテルアルコール系化合物が、銅の還元剤として機能することで、積極的な還元雰囲気を必要とせずとも、銅粒子の焼結が十分に進行し、比較的低い加圧力によっても強固な接合が可能になると考えられる。
The inventors speculate as follows about the reason why such an effect is obtained.
(i) First, by containing the sub-micro copper particles and the micro copper particles in a specific ratio, it is possible to sufficiently suppress the volumetric shrinkage during sintering caused by the monocarboxylic acid or dispersing medium that coats the copper particles while maintaining sufficient sinterability, and it is believed that this makes it possible to ensure the strength of the sintered body and improve the bonding strength with the adherend surface even when low pressure is applied.
(ii) In addition, it is believed that the monocarboxylic acid that covers the submicro copper particles and the micro copper particles reacts with the alcohol-based compound and the polyether alcohol-based compound, and the elimination of the monocarboxylic acid proceeds at a relatively low temperature, and an active copper surface appears. When the surface of the microparticle is covered with copper oxide (when the surface of the microparticle is a copper oxide layer), it is believed that the copper oxide is reduced by the alcohol-based dispersion medium or the polyether alcohol-based dispersion medium, and an active copper surface appears. It is believed that the active copper surfaces that appear due to these actions come into contact with each other and are sintered, forming a strong copper sintered body even at low pressure.
(iii) Furthermore, it is believed that the alcohol-based compound and the polyether alcohol-based compound function as reducing agents for copper, so that sintering of copper particles proceeds sufficiently without the need for an active reducing atmosphere, making it possible to achieve strong bonding even with a relatively low pressure.

また、本実施形態の接合用金属ペーストによれば、分散媒として、上記アルコール系化合物及び上記ポリエーテルアルコール系化合物が組み合わせて配合されていることにより、大面積の部材であってもボイドの発生を抑制しつつ接合することができ、ボイドに起因する接合強度及び接合信頼性の低下を防止することができる。 In addition, according to the metal paste for joining of this embodiment, the above-mentioned alcohol-based compound and the above-mentioned polyether alcohol-based compound are combined as a dispersion medium, so that even large-area components can be joined while suppressing the occurrence of voids, and a decrease in joining strength and joining reliability due to voids can be prevented.

<焼結体及びその製造方法>
本実施形態の焼結体は、本実施形態の接合用金属ペーストの焼結体であり、部材同士を接合することができる。
<Sintered body and its manufacturing method>
The sintered body of the present embodiment is a sintered body of the bonding metal paste of the present embodiment, and can bond members together.

本実施形態の焼結体の製造方法は、本実施形態の接合用金属ペーストを焼結する工程を備える。当該工程としては、例えば、接合用金属ペーストを部材等に塗布した後、焼結することが挙げられる。塗布する手法としては、接合用金属ペーストを堆積させられる手法であればよい。このような手法として、インクジェット印刷、スーパーインクジェット印刷、スクリーン印刷、転写印刷、オフセット印刷、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、ニードルディスペンサ、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、ソフトリソグラフ、バーコート、アプリケータ、粒子堆積法、スプレーコータ、スピンコータ、ディップコータ、電着塗装等を用いることができる。接合用金属ペーストの厚みは、1μm以上であってもよく、5μm以上であってもよく、10μm以上であってもよく、20μm以上であってもよい。また、接合用金属ペーストの厚みは、3000μm以下であってもよく、1000μm以下であってもよく、500μm以下であってもよく、300μm以下であってもよく、250μm以下であってもよく、200μm以下であってもよく、150μm以下であってもよい。 The manufacturing method of the sintered body of this embodiment includes a step of sintering the bonding metal paste of this embodiment. For example, the step includes applying the bonding metal paste to a member or the like and then sintering the paste. The application method may be any method that can deposit the bonding metal paste. Examples of such methods include inkjet printing, super inkjet printing, screen printing, transfer printing, offset printing, jet printing, dispenser, jet dispenser, needle dispenser, comma coater, slit coater, die coater, gravure coater, slit coat, letterpress printing, intaglio printing, gravure printing, stencil printing, soft lithography, bar coat, applicator, particle deposition method, spray coater, spin coater, dip coater, electrochemical coating, etc. The thickness of the bonding metal paste may be 1 μm or more, 5 μm or more, 10 μm or more, or 20 μm or more. The thickness of the joining metal paste may be 3000 μm or less, 1000 μm or less, 500 μm or less, 300 μm or less, 250 μm or less, 200 μm or less, or 150 μm or less.

塗布された接合用金属ペーストは、焼結時の流動及びボイドの発生を抑制する観点から、適宜乾燥させてもよい。乾燥時のガス雰囲気は大気中であってもよく、窒素、希ガス等の無酸素雰囲気中であってもよく、水素、ギ酸等の還元雰囲気中であってもよい。乾燥方法は、常温放置による乾燥であってもよく、加熱乾燥であってもよく、減圧乾燥であってもよい。 The applied bonding metal paste may be dried as appropriate to prevent flow and void generation during sintering. The gas atmosphere during drying may be air, an oxygen-free atmosphere such as nitrogen or a rare gas, or a reducing atmosphere such as hydrogen or formic acid. The drying method may be drying by leaving at room temperature, drying by heating, or drying under reduced pressure.

加熱乾燥又は減圧乾燥には、例えば、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してもよい。乾燥の温度及び時間としては、大気中あるいは無酸素雰囲気中で、50℃以上150℃以下で乾燥することが望ましい。 For example, a hot plate, a hot air dryer, a hot air heating furnace, a nitrogen dryer, an infrared dryer, an infrared heating furnace, a far-infrared heating furnace, a microwave heating device, a laser heating device, an electromagnetic heating device, a heater heating device, a steam heating furnace, a hot plate press device, etc. can be used for drying by heating or drying under reduced pressure. The drying temperature and time may be appropriately adjusted according to the type and amount of the dispersion medium used. The drying temperature and time are preferably 50°C or higher and 150°C or lower in the air or in an oxygen-free atmosphere.

接合用銅ペーストを加圧・加熱処理することで焼結を行うことができる。加圧・加熱処理には、例えば、圧着機構を備えた加熱装置、プレス機等を用いることができる。また、圧着機構を有しない加熱装置、例えば、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、蒸気加熱炉等、であっても、接合用金属ペーストを部材で挟んだ積層体を、冶具や錘を用いて加圧状態とし、その状態でこれらの装置を使用して加熱することによっても加圧焼結接合が可能である。 Sintering can be performed by applying pressure and heat to the copper paste for bonding. For example, a heating device equipped with a compression mechanism, a press, etc. can be used for the pressure and heat treatment. In addition, even if a heating device without a compression mechanism, such as a hot plate, a hot air dryer, a hot air heating furnace, a nitrogen dryer, an infrared dryer, an infrared heating furnace, a far-infrared heating furnace, a microwave heating device, a laser heating device, an electromagnetic heating device, a heater heating device, a steam heating furnace, etc., is used, pressure sintering bonding can be performed by applying pressure to a laminate in which the metal paste for bonding is sandwiched between members using a jig or weight, and then heating the laminate using these devices in this state.

焼結時のガス雰囲気は、焼結体、接合する部材の酸化抑制の観点から、無酸素雰囲気であってもよい。焼結時のガス雰囲気は、接合用金属ペーストの銅粒子の表面酸化物を除去するという観点から、還元雰囲気であってもよい。無酸素雰囲気としては、例えば、窒素、希ガス等の無酸素ガスの導入、又は真空下が挙げられる。還元雰囲気としては、例えば、純水素ガス中、フォーミングガスに代表される水素及び窒素の混合ガス中、ギ酸ガスを含む窒素中、水素及び希ガスの混合ガス中、ギ酸ガスを含む希ガス中等が挙げられる。 The gas atmosphere during sintering may be an oxygen-free atmosphere from the viewpoint of suppressing oxidation of the sintered body and the members to be joined. The gas atmosphere during sintering may be a reducing atmosphere from the viewpoint of removing surface oxides of the copper particles of the joining metal paste. Examples of the oxygen-free atmosphere include the introduction of an oxygen-free gas such as nitrogen or a rare gas, or a vacuum. Examples of the reducing atmosphere include a pure hydrogen gas, a mixed gas of hydrogen and nitrogen such as forming gas, nitrogen containing formic acid gas, a mixed gas of hydrogen and a rare gas, and a rare gas containing formic acid gas.

本実施形態においては、水素を含まない雰囲気中、低加圧で接合する場合であっても、部材同士を充分な接合強度で接合することができる。水素を含まない雰囲気としては、窒素、希ガス、耐熱有機ガス、水蒸気、これらの混合ガス中、又は真空下が挙げられる。低加圧の条件としては、2MPa以下が挙げられ、0.1MPa以上2MPa以下であってもよく、0.3MPa以上2MPa以下であってもよい。 In this embodiment, even when bonding is performed in an atmosphere that does not contain hydrogen and at low pressure, the components can be bonded with sufficient bonding strength. Examples of atmospheres that do not contain hydrogen include nitrogen, rare gas, heat-resistant organic gas, water vapor, a mixture of these gases, or a vacuum. Examples of low pressure conditions include 2 MPa or less, and may be 0.1 MPa or more and 2 MPa or less, or 0.3 MPa or more and 2 MPa or less.

加熱処理時の到達最高温度は、接合する部材への熱ダメージの低減及び歩留まりを向上させるという観点から、200℃以上450℃以下であってもよく、250℃以上400℃以下であってもよく、250℃以上350℃以下であってもよく、250℃以上300℃以下であってもよい。 The maximum temperature reached during the heat treatment may be 200°C or more and 450°C or less, 250°C or more and 400°C or less, 250°C or more and 350°C or less, or 250°C or more and 300°C or less, from the viewpoint of reducing thermal damage to the members being joined and improving the yield.

到達最高温度保持時間は、分散媒を全て揮発させ、また、歩留まりを向上させるという観点から、1分間以上60分間以下であってもよく、1分間以上40分間未満であってもよく、1分間以上30分間未満であってもよい。特に、到達最高温度が250℃以上であると、60分間以下の保持時間で焼結を充分に進行させやすくなる。 The time for which the maximum temperature is held may be from 1 minute to 60 minutes, from 1 minute to less than 40 minutes, or from 1 minute to less than 30 minutes, from the viewpoint of volatilizing all of the dispersion medium and improving the yield. In particular, when the maximum temperature is 250°C or higher, sintering tends to proceed sufficiently with a holding time of 60 minutes or less.

<接合体及び半導体装置>
以下、図面を参照しながら好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
<Joint body and semiconductor device>
Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and duplicated explanations will be omitted. Furthermore, the dimensional ratios of the drawings are not limited to those shown in the drawings.

図1は、本実施形態の接合用金属ペーストを用いて製造される接合体の一例を示す模式断面図である。本実施形態の接合体100は、第一の基部1a及び第一の金属層1bを有する第一の部材1と、第二の基部3a及び第二の金属層3bを有する第二の部材3と、第一の部材と第二の部材とを接合する焼結体2と、を備える。 Figure 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a bonded body manufactured using the bonding metal paste of this embodiment. The bonded body 100 of this embodiment includes a first member 1 having a first base 1a and a first metal layer 1b, a second member 3 having a second base 3a and a second metal layer 3b, and a sintered body 2 that bonds the first member and the second member.

第一の部材1及び第二の部材3としては、例えば、IGBT、ダイオード、ショットキーバリヤダイオード、MOS-FET、サイリスタ、ロジック、センサー、アナログ集積回路、LED、半導体レーザー、発信器等の半導体素子、リードフレーム、金属板貼付セラミックス基板(例えばDBC)、LEDパッケージ等の半導体素子搭載用基材、銅リボン、金属ブロック、端子等の給電用部材、放熱板、水冷板等が挙げられる。 Examples of the first member 1 and the second member 3 include semiconductor elements such as IGBTs, diodes, Schottky barrier diodes, MOS-FETs, thyristors, logic, sensors, analog integrated circuits, LEDs, semiconductor lasers, and oscillators, lead frames, ceramic substrates with metal plates attached (e.g., DBC), substrates for mounting semiconductor elements such as LED packages, power supply members such as copper ribbons, metal blocks, and terminals, heat sinks, and water-cooled plates.

第一の部材1及び第二の部材3は、接合用銅ペーストの焼結体2と接する面に、接合用金属ペーストの焼結体2と金属結合を形成する第一の金属層1b及び第二の金属層3bを設けることができる。第一の金属層1b及び第二の金属層3bを構成する金属としては、例えば、銅、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金、鉛、錫、コバルト等が挙げられる。これらの金属は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。また、第一の金属層1b及び第二の金属層3bは、上記金属を含む合金であってもよい。合金に用いられる金属としては、上記金属の他に、亜鉛、マンガン、アルミニウム、ベリリウム、チタン、クロム、鉄、モリブデン等が挙げられる。第一の金属層1b及び第二の金属層3bを有する部材としては、例えば、各種金属メッキを有する部材、ワイヤ、金属メッキを有するチップ、ヒートスプレッダ、金属板が貼り付けられたセラミックス基板、各種金属メッキを有するリードフレーム又は各種金属からなるリードフレーム、銅板、銅箔が挙げられる。 The first member 1 and the second member 3 may have a first metal layer 1b and a second metal layer 3b that form a metal bond with the sintered body 2 of the bonding copper paste on the surface in contact with the sintered body 2 of the bonding metal paste. Examples of metals constituting the first metal layer 1b and the second metal layer 3b include copper, nickel, silver, gold, palladium, platinum, lead, tin, cobalt, etc. These metals may be used alone or in combination of two or more. The first metal layer 1b and the second metal layer 3b may also be an alloy containing the above metals. In addition to the above metals, examples of metals used in the alloy include zinc, manganese, aluminum, beryllium, titanium, chromium, iron, molybdenum, etc. Examples of members having the first metal layer 1b and the second metal layer 3b include members having various metal platings, wires, chips having metal platings, heat spreaders, ceramic substrates to which metal plates are attached, lead frames having various metal platings or lead frames made of various metals, copper plates, and copper foils.

接合体のダイシェア強度は、第一の部材及び第二の部材を充分に接合するという観点から、10MPa以上であってもよく、15MPa以上であってもよく、20MPa以上であってもよく、30MPa以上であってもよい。ダイシェア強度は、万能型ボンドテスタ(4000シリーズ、DAGE社製)等を用いて測定することができる。 From the viewpoint of sufficiently bonding the first member and the second member, the die shear strength of the bonded body may be 10 MPa or more, 15 MPa or more, 20 MPa or more, or 30 MPa or more. The die shear strength can be measured using a universal bond tester (4000 series, manufactured by DAGE Corporation) or the like.

焼結体の熱伝導率は、放熱性及び高温化での接続信頼性という観点から、100W/(m・K)以上であってもよく、120W/(m・K)以上であってもよく、150W/(m・K)以上であってもよい。熱伝導率は、接合用金属ペーストの焼結体の熱拡散率、比熱容量、及び密度から算出することができる。 The thermal conductivity of the sintered body may be 100 W/(m·K) or more, 120 W/(m·K) or more, or 150 W/(m·K) or more, from the viewpoint of heat dissipation and connection reliability at high temperatures. The thermal conductivity can be calculated from the thermal diffusivity, specific heat capacity, and density of the sintered body of the joining metal paste.

次に、本実施形態の接合用金属ペーストを用いた接合体の製造方法について説明する。 Next, we will explain the method for manufacturing a bonded body using the bonding metal paste of this embodiment.

本実施形態の接合用金属ペーストを用いた接合体の製造方法は、第一の部材、上記接合用金属ペースト、及び第二の部材がこの順に積層されている積層体を用意する工程と、積層体における接合用金属ペーストを焼結する焼結工程と、を備える。 The method for manufacturing a bonded body using the bonding metal paste of this embodiment includes a step of preparing a laminate in which a first member, the bonding metal paste, and a second member are laminated in this order, and a sintering step of sintering the bonding metal paste in the laminate.

上記積層体は、例えば、上述した第二の部材の必要な部分に本実施形態の接合用金属ペーストを設け、次いで接合用金属ペースト上に上述した第一の部材を配置することにより用意することができる。この場合、第一の部材、該第一の部材の重さが働く方向側に、上記接合用金属ペースト、及び第二の部材がこの順に積層された積層体を用意することができ、この積層体の接合用金属ペーストを、第一の部材の重さのみ、又は第一の部材の重さと必要に応じて所定の圧力(例えば、0.3MPa以上、好ましくは1MPa以上2MPa以下)とを受けた状態で焼結することができる。なお、第一の部材の重さが働く方向とは、重力が働く方向ということもできる。 The laminate can be prepared, for example, by applying the bonding metal paste of this embodiment to the necessary portion of the second member described above, and then placing the first member described above on the bonding metal paste. In this case, a laminate can be prepared in which the first member, the bonding metal paste, and the second member are laminated in this order on the side in which the weight of the first member acts, and the bonding metal paste of this laminate can be sintered under the weight of the first member alone, or under the weight of the first member and a predetermined pressure (for example, 0.3 MPa or more, preferably 1 MPa or more and 2 MPa or less) as necessary. The direction in which the weight of the first member acts can also be referred to as the direction in which gravity acts.

本実施形態の接合用金属ペーストを、第二の部材の必要な部分に設ける方法としては、接合用銅ペーストを堆積させられる方法であればよい。このような方法としては、上述した塗布方法を用いることができる。接合用金属ペーストの厚みについても上述の範囲とすることができる。 The method for applying the bonding metal paste of this embodiment to the necessary portion of the second member may be any method that allows the bonding copper paste to be deposited. As such a method, the above-mentioned application method may be used. The thickness of the bonding metal paste may also be within the above-mentioned range.

第二の部材上に設けられた接合用金属ペーストは、焼結時の流動及びボイドの発生を抑制する観点から、適宜乾燥させてもよい。乾燥条件は、上述した焼結体の乾燥方法と同等の条件を用いることができる。 The joining metal paste applied to the second member may be dried as appropriate to prevent flow and the generation of voids during sintering. The drying conditions may be the same as those used in the drying method for the sintered body described above.

接合用金属ペースト上に第一の部材を配置する方法としては、例えば、チップマウンター、フリップチップボンダー、カーボン製又はセラミックス製の位置決め冶具が挙げられる。 Methods for placing the first component on the bonding metal paste include, for example, a chip mounter, a flip chip bonder, and a carbon or ceramic positioning jig.

本実施形態においては、上記積層体を用意する工程が、第一の部材と第二の部材との接合領域に接合用金属ペーストの塗膜を形成する第1工程と、第一の部材と第二の部材とを塗膜を介して積層する第2工程と、を含み、接合領域が、塗膜が形成される塗膜形成領域と、塗膜が形成されない塗膜非形成領域と、を有し、塗膜非形成領域が接合領域の端まで連続していてもよい。また、塗膜非形成領域は塗膜形成領域の間に設けることができる。なお、接合領域は、第一の部材と第二の部材とを平面視したときにそれぞれの部材が接合用金属ペーストの塗膜の焼結体によって接合されている領域ともいう。 In this embodiment, the step of preparing the laminate includes a first step of forming a coating film of a bonding metal paste in the bonding region between the first member and the second member, and a second step of laminating the first member and the second member via the coating film, and the bonding region has a coating film-formed region where the coating film is formed and a non-coating film-formed region where the coating film is not formed, and the non-coating film-formed region may be continuous to the end of the bonding region. The non-coating film-formed region may be provided between the coating film-formed regions. The bonding region is also referred to as a region where the first member and the second member are bonded by a sintered body of the coating film of the bonding metal paste when viewed in plan.

上記の方法によれば、部材の接合面積が大きくなる場合であっても、充分な接合強度を得ることが容易となる。このような方法は、特に、高発熱の半導体デバイスを実装した基板と放熱板とが接合された接合体の製造に好適である。 The above method makes it easy to obtain sufficient bonding strength even when the bonding area of the components is large. This method is particularly suitable for manufacturing a bonded body in which a substrate on which a high-heat-generating semiconductor device is mounted is bonded to a heat sink.

接合面積が大きい場合、金属ペーストの焼結時に発生するガスが脱離しにくくなるが、上記の方法によれば、塗膜非形成領域によって接合領域外に効率的にガスを逃がすことが可能となり、焼結時に発生するガスに起因するボイド及び剥離の発生を抑制することができる。 When the bonding area is large, it becomes difficult for the gas generated during sintering of the metal paste to escape. However, with the above method, the non-film-forming area allows the gas to efficiently escape outside the bonding area, suppressing the occurrence of voids and peeling caused by the gas generated during sintering.

第1工程で形成する接合用金属ペーストの塗膜は、所定の印刷パターンであってもよい。図2及び図3は、接合用金属ペーストの印刷パターンの例を示す図である。図2の(a)に示す印刷パターンは、塗膜形成領域10の間に所定の幅を有するライン状の塗膜非形成領域12を設けたパターンである。このライン状の塗膜非形成領域12は複数設けてもよい。図2の(a)に示す印刷パターンは、ライン状の塗膜非形成領域12が互いに交差するように設けられたパターンである。塗膜形成領域10は任意の形状とすることができ、帯状(例えば、図2の(a))、正方形(例えば、図2の(b))及び六角形(例えば、図2の(c))等の多角形、並びに、円形(例えば、図3の(a)、(b))などであってもよい。また、印刷パターンは、一方の端部が閉じており、他方の端部が接合領域の端に通じる塗膜非形成領域を有していてもよい。 The coating film of the bonding metal paste formed in the first step may have a predetermined printing pattern. Figures 2 and 3 are diagrams showing examples of the printing pattern of the bonding metal paste. The printing pattern shown in (a) of Figure 2 is a pattern in which a line-shaped coating non-forming region 12 having a predetermined width is provided between the coating film forming regions 10. A plurality of the line-shaped coating non-forming regions 12 may be provided. The printing pattern shown in (a) of Figure 2 is a pattern in which the line-shaped coating non-forming regions 12 are provided so as to intersect with each other. The coating film forming region 10 may have any shape, and may be a strip shape (e.g., (a) of Figure 2), a square shape (e.g., (b) of Figure 2), a hexagonal shape (e.g., (c) of Figure 2), or a circle (e.g., (a) and (b) of Figure 3). The printing pattern may also have a coating non-forming region with one end closed and the other end leading to the end of the bonding region.

塗膜形成領域10は、塗膜非形成領域12又は接合領域の端までの最短距離が8mm以内となるように設けられていることが好ましい。例えば、図2の(a)~(c)、図3の(a)~(b)に示す印刷パターンにおいては、幅(W2)/2が8mmを超えないように塗膜形成領域10を設けることができる。 It is preferable that the coating film-forming region 10 is provided so that the shortest distance to the edge of the non-coating film-forming region 12 or the joining region is within 8 mm. For example, in the printing patterns shown in (a) to (c) of Figure 2 and (a) to (b) of Figure 3, the coating film-forming region 10 can be provided so that the width (W2)/2 does not exceed 8 mm.

塗膜非形成領域12は任意の形状とすることができ、ライン状(例えば、図2の(a))、格子状(例えば、図2の(b)、図3の(a))、ハニカム状(例えば、図2の(c)、図3の(b))などであってもよい。塗膜非形成領域12は、熱圧着時に接合用金属ペーストで埋まらないように幅が設定されていればよく、一定の幅を有していてもよく(例えば、図2の(a)~(c))、異なる幅を有していてもよい(例えば、図3の(a)~(b))。また、塗膜非形成領域12の形状は、直線状、曲線状、波状であってもよい。 The non-coating region 12 may have any shape, such as a line shape (e.g., FIG. 2(a)), a lattice shape (e.g., FIG. 2(b) and FIG. 3(a)), or a honeycomb shape (e.g., FIG. 2(c) and FIG. 3(b)). The non-coating region 12 may have a constant width (e.g., FIG. 2(a) to (c)) or different widths (e.g., FIG. 3(a) to (b)) as long as the width is set so that the non-coating region 12 is not filled with the joining metal paste during thermocompression bonding. The non-coating region 12 may have a straight, curved, or wavy shape.

塗膜非形成領域12の幅W1は、塗膜の厚みにも依存するが、例えば、塗膜厚が50~500μmである場合、100μm以上であってもよく、200μm以上であってもよい。また、塗膜非形成領域12が異なる幅を有している場合、最も狭い部分の幅が上記の範囲であってもよい。塗膜非形成領域12の一端が閉じている場合は、閉じた部分から接合領域の端までの経路における最小の幅が上記の範囲であってもよい。 The width W1 of the non-coating region 12 depends on the thickness of the coating, but for example, when the coating thickness is 50 to 500 μm, it may be 100 μm or more, or may be 200 μm or more. When the non-coating region 12 has different widths, the width of the narrowest part may be in the above range. When one end of the non-coating region 12 is closed, the smallest width of the path from the closed part to the end of the joining region may be in the above range.

接合領域における塗膜非形成領域の面積比率(換言すれば、塗膜形成領域及び塗膜非形成領域の合計面積に対する塗膜非形成領域の面積の割合)は、接合強度或いは熱伝導性を確保しやすくする観点から、60%以下であることが好ましく、40%以下であることがより好ましく、30%以下であることがさらに好ましい。 From the viewpoint of making it easier to ensure bonding strength or thermal conductivity, the area ratio of the non-coated area in the bonding area (in other words, the ratio of the area of the non-coated area to the total area of the coated area and the non-coated area) is preferably 60% or less, more preferably 40% or less, and even more preferably 30% or less.

更に、上記の方法においては、塗膜形成領域の合計面積が900mm以上であり、塗膜形成領域の接合用金属ペーストは、塗膜非形成領域又は接合領域の端までの最短距離が8mm以内であり、塗膜非形成領域における最小の幅が100μm以上であってもよい。 Furthermore, in the above method, the total area of the coating film-forming region may be 900 mm2 or more, the shortest distance of the joining metal paste in the coating film-forming region to the edge of the non-coating film-forming region or the joining region may be within 8 mm, and the minimum width in the non-coating film-forming region may be 100 μm or more.

上述した印刷パターンは、上述した塗布方法を用いて形成することができるが、第二の部材に接合用金属ペーストを一様に塗布し、乾燥した後、接合用金属ペーストの塗膜の一部を除去することにより、塗膜形成領域の間に塗膜非形成領域を形成してもよい。接合用金属ペーストの塗膜の一部を除去する方法としては、ブレード又はスクレーパによって切削する方法、及び、塗膜非形成領域に対応する凸部を有する金型を押し当てる方法、などが挙げられる。接合用金属ペーストの塗膜の一部を除去した後、エアブロー等で削りくずを除去してもよい。 The above-mentioned printing pattern can be formed using the above-mentioned application method, but it is also possible to uniformly apply the joining metal paste to the second member, dry it, and then remove a part of the joining metal paste coating to form a non-coating region between the coating regions. Methods for removing a part of the joining metal paste coating include a cutting method using a blade or scraper, and a method of pressing a die having a protrusion corresponding to the non-coating region. After removing a part of the joining metal paste coating, shavings may be removed using an air blower or the like.

接合用金属ペーストにおける上記ポリエーテルアルコール系化合物の含有量は、接合用金属ペースト全量を基準として0.5質量%以上4.0質量%以下であってもよい。上記ポリエーテルアルコール系化合物の含有量がこのような範囲であると、上述した効果が得られやすくなるとともに、金属ペーストを焼結したときに銅焼結体の変形を抑制して、加圧接合時に金属ペーストが流動しすぎて塗膜非形成領域が埋められてしまうことを抑制することが容易となる。 The content of the polyether alcohol-based compound in the joining metal paste may be 0.5% by mass or more and 4.0% by mass or less based on the total amount of the joining metal paste. When the content of the polyether alcohol-based compound is in this range, the above-mentioned effects are easily obtained, and deformation of the copper sintered body is suppressed when the metal paste is sintered, making it easier to suppress the metal paste from flowing too much during pressure joining, resulting in the non-film-formed areas being filled up.

また、上記の方法においては、上記マイクロ銅粒子がフレーク状であってもよい。この場合、接合用金属ペーストの塗膜を乾燥しても、フレーク状のマイクロ銅粒子が補強材として機能することで、塗膜の収縮による剥離及びヒビの発生を抑制することができる。そのため、乾燥によって塗膜の流動性を低下させて、加圧接合時に金属ペーストが流動しすぎて塗膜非形成領域が埋められてしまうことを抑制することが容易となる。 In the above method, the micro copper particles may be flake-shaped. In this case, even if the coating of the bonding metal paste is dried, the flake-shaped micro copper particles function as a reinforcing material, thereby preventing peeling and cracking due to shrinkage of the coating. Therefore, the fluidity of the coating is reduced by drying, making it easier to prevent the metal paste from flowing too much during pressure bonding, resulting in the non-coating area being filled in.

更に、上記の方法においては、塗膜形成領域の合計面積が900mm以上であり、塗膜形成領域の接合用金属ペーストは、塗膜非形成領域又は接合領域の端までの最短距離が8mm以内であり、塗膜非形成領域における最小の幅が100μm以上であってもよい。 Furthermore, in the above method, the total area of the coating film-forming region may be 900 mm2 or more, the shortest distance of the joining metal paste in the coating film-forming region to the edge of the non-coating film-forming region or the joining region may be within 8 mm, and the minimum width in the non-coating film-forming region may be 100 μm or more.

焼結工程では、積層体を加熱処理することで、接合用金属ペーストの焼結を行う。焼結条件は、上述した焼結体の焼結方法と同等の条件を用いることができる。 In the sintering process, the laminate is heat-treated to sinter the joining metal paste. The sintering conditions can be the same as those used in the sintering method for the sintered body described above.

本実施形態の接合用金属ペーストを用いることにより、積層体を加圧加熱焼結して充分な接合強度を有する接合体を得ることができる。例えば、積層体に対して、0.3MPa以上又は1MPa以上、好ましくは2MPa以下の圧力を加えた状態で積層体を加熱することにより、充分な接合強度を有する接合体を得ることができる。焼結時に受ける圧力が上記範囲内であれば、錘や加圧機構を備えた冶具などで達成可能であり、特別な加圧装置が不要なため歩留まりを損なうこと無く、ボイドの低減、ダイシェア強度及び接続信頼性をより一層向上させることができる。 By using the bonding metal paste of this embodiment, a laminate can be pressurized, heated, and sintered to obtain a bonded body with sufficient bonding strength. For example, a bonded body with sufficient bonding strength can be obtained by heating the laminate while applying a pressure of 0.3 MPa or more, or 1 MPa or more, and preferably 2 MPa or less to the laminate. If the pressure applied during sintering is within the above range, this can be achieved using a jig equipped with a weight or pressure mechanism, and since no special pressure device is required, it is possible to reduce voids and further improve die shear strength and connection reliability without compromising yield.

上記接合体において、第一の部材及び第二の部材の少なくとも一方は、半導体素子であってもよい。半導体素子としては、例えば、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。このような場合、上記接合体は半導体装置となる。得られる半導体装置は充分なダイシェア強度及び接続信頼性を有することができる。 In the above-mentioned bonded body, at least one of the first member and the second member may be a semiconductor element. Examples of the semiconductor element include a power module consisting of a diode, a rectifier, a thyristor, a MOS gate driver, a power switch, a power MOSFET, an IGBT, a Schottky diode, a fast recovery diode, etc., a transmitter, an amplifier, an LED module, etc. In such a case, the above-mentioned bonded body becomes a semiconductor device. The obtained semiconductor device can have sufficient die shear strength and connection reliability.

図4は、上記の第1工程及び第2工程を行って製造される接合体の一例を示す模式断面図である。図4に示される接合体110は、第一の基部1a及び第一の金属層1bを有する第一の部材1と、第二の基部3a及び第二の金属層3bを有する第二の部材3と、第一の部材と第二の部材とを接合する焼結体2’とを備え、銅焼結体2’が、銅焼結体が存在しない領域によって複数の銅焼結体に分割されている、又は、銅焼結体2’が、銅焼結体が存在しない領域を含み、当該領域が銅焼結体の外側まで連続している。焼結体2’以外は、図1の接合体100と同様の構成を有することができる。 Figure 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a bonded body manufactured by carrying out the above-mentioned first and second steps. The bonded body 110 shown in Figure 4 includes a first member 1 having a first base 1a and a first metal layer 1b, a second member 3 having a second base 3a and a second metal layer 3b, and a sintered body 2' that bonds the first member and the second member, and the copper sintered body 2' is divided into a plurality of copper sintered bodies by areas where no copper sintered body is present, or the copper sintered body 2' includes an area where no copper sintered body is present, and the area is continuous to the outside of the copper sintered body. Other than the sintered body 2', the bonded body 110 can have the same configuration as the bonded body 100 in Figure 1.

上記の接合体は、第一の部材及び第二の部材の一方が実装基板であり、他方が放熱板である、半導体装置であってもよい。 The above-mentioned bonded body may be a semiconductor device in which one of the first member and the second member is a mounting substrate and the other is a heat sink.

図5は、本実施形態の接合用金属ペーストを用いて製造される半導体装置の一例を示す模式断面図である。図5に示す半導体装置200は、金属層5b及び基部5aを有するリードフレーム5上に、本実施形態に係る接合用銅ペーストの焼結体2を介して接続された、金属層4b及び基部4aを有する半導体素子4と、これらをモールドするモールドレジン6とからなる。半導体素子4は、ワイヤ7を介して金属層8b及び基部8aを有するリードフレーム8に接続されている。 Figure 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device manufactured using the bonding metal paste of this embodiment. The semiconductor device 200 shown in Figure 5 is composed of a semiconductor element 4 having a metal layer 4b and a base 4a connected to a lead frame 5 having a metal layer 5b and a base 5a via a sintered body 2 of the bonding copper paste of this embodiment, and a mold resin 6 that molds them. The semiconductor element 4 is connected to a lead frame 8 having a metal layer 8b and a base 8a via a wire 7.

本実施形態の接合用銅ペーストを用いて製造される半導体装置としては、例えば、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、高輝度LEDモジュール、半導体レーザーモジュール、ロジック、センサー等が挙げられる。 Semiconductor devices manufactured using the bonding copper paste of this embodiment include, for example, power modules consisting of diodes, rectifiers, thyristors, MOS gate drivers, power switches, power MOSFETs, IGBTs, Schottky diodes, fast recovery diodes, etc., transmitters, amplifiers, high-brightness LED modules, semiconductor laser modules, logic, sensors, etc.

上記半導体装置は、上述した接合体の製造方法と同様にして製造することができる。すなわち、半導体装置の製造方法は、第一の部材及び第二の部材の少なくとも一方に半導体素子を用い、第一の部材、上記接合用金属ペースト、及び第二の部材がこの順に積層された積層体を用意し、積層体に対して1MPa以上、好ましくは2MPa以下の圧力を加えた状態で積層体を加熱することにより、接合用金属ペーストを焼結する工程を備えてもよい。このような工程としては、例えば、リードフレーム8上に接合用金属ペーストを設け、半導体素子4を配置して加圧加熱する工程が挙げられる。得られる半導体装置は、比較的低加圧での接合を行った場合であっても、充分なダイシェア強度及び接続信頼性を有することができる。本実施形態の半導体装置は、充分な接合力を有し、熱伝導率及び融点が高い銅の焼結体を備えることにより、充分なダイシェア強度を有し、接続信頼性に優れるとともに、パワーサイクル耐性にも優れたものになり得る。 The semiconductor device can be manufactured in the same manner as the manufacturing method of the bonded body described above. That is, the manufacturing method of the semiconductor device may include a step of preparing a laminate in which a semiconductor element is used for at least one of the first member and the second member, the first member, the bonding metal paste, and the second member are laminated in this order, and heating the laminate in a state in which a pressure of 1 MPa or more, preferably 2 MPa or less, is applied to the laminate, thereby sintering the bonding metal paste. Such a step may include, for example, a step of providing a bonding metal paste on a lead frame 8, placing a semiconductor element 4, and heating the laminate under pressure. The semiconductor device obtained can have sufficient die shear strength and connection reliability even when bonding is performed at a relatively low pressure. The semiconductor device of this embodiment has sufficient bonding strength and is provided with a copper sintered body having a high thermal conductivity and melting point, and therefore has sufficient die shear strength, excellent connection reliability, and excellent power cycle resistance.

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

各実施例及び比較例における各特性の測定は以下の方法で実施した。 The characteristics of each example and comparative example were measured using the following methods.

(1)分散媒及び有機保護剤の脱離温度(TG-DTA(示差熱‐熱重量同時測定、Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis)測定)
分散媒、又は有機保護剤によって被覆された銅粒子を、TG-DTA測定用のAlサンプルパンに10mg載せ、これをTG-DTA測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社、EXSTAR6000 TG/DTA6300)の試料ホルダーにセットした。窒素を流量約400mL/分で流しながら、昇温速度10℃/分で室温(25℃)から約500℃までサンプルを加熱し、その際の重量変化と熱挙動を測定した。重量変化が開始した温度を脱離開始の温度とし、重量減少が停止した温度を脱離完了の温度とした。また、有機保護剤によって被覆された銅粒子については、重量減少量をその有機保護剤の処理量(銅粒子に対する付着量)とした。
(1) Desorption temperature of the dispersion medium and the organic protective agent (measured by TG-DTA (Thermogrammetry-Differential Thermal Analysis))
10 mg of copper particles coated with a dispersion medium or an organic protective agent was placed on an Al sample pan for TG-DTA measurement, and this was set in the sample holder of a TG-DTA measurement device (SII Nano Technology Co., Ltd., EXSTAR6000 TG/DTA6300). While flowing nitrogen at a flow rate of about 400 mL/min, the sample was heated from room temperature (25 ° C) to about 500 ° C at a heating rate of 10 ° C/min, and the weight change and thermal behavior at that time were measured. The temperature at which the weight change started was the temperature at which desorption began, and the temperature at which the weight loss stopped was the temperature at which desorption was completed. In addition, for copper particles coated with an organic protective agent, the weight loss amount was taken as the amount of the organic protective agent treated (the amount attached to the copper particles).

(2)3mmチップのダイシェア強度
金属ペーストを、ニッケルめっき銅板(19mm×25mm×3mm)上に、厚さ100μmのステンレス板に3mm×3mm正方形の開口が9個設けられたメタルマスクを載せ、メタルスキージを用いてステンシル印刷により塗布した。シリコンチップ(面積3mm×3mm、厚み400μm、金属ペーストとの被着面としてニッケルめっき層を有する)を、塗布した金属ペースト上に載せ、ピンセットで軽く押さえ、積層体を得た。積層体をホットプレート(アズワン株式会社製、EC HOTPLATE EC-1200N)にて大気中、90℃で30分加熱した。積層体を接合装置(アユミ工業株式会社製)にセットし、13Paまで減圧して空気を取り除いた後、気圧80kPaとなるよう窒素ガスを流しながら、表1~6に示す所定の温度、加圧力及び時間で積層体を加圧加熱接合し、銅板とシリコンチップを銅焼結体で接合した接合体を得た。この接合体を窒素ガスにて冷却し、50℃以下になったら空気中に取り出した。
(2) Die shear strength of 3 mm chip Metal paste was applied by stencil printing using a metal squeegee on a nickel-plated copper plate (19 mm x 25 mm x 3 mm) with a metal mask having nine 3 mm x 3 mm square openings on a 100 μm thick stainless steel plate. A silicon chip (area 3 mm x 3 mm, thickness 400 μm, having a nickel-plated layer as an adhesion surface with the metal paste) was placed on the applied metal paste and lightly pressed with tweezers to obtain a laminate. The laminate was heated at 90 ° C. for 30 minutes in air on a hot plate (manufactured by AS ONE Corporation, EC HOTPLATE EC-1200N). The laminate was set in a bonding device (manufactured by Ayumi Kogyo Co., Ltd.), and after reducing the pressure to 13 Pa to remove the air, the laminate was pressurized and heated to bond at the specified temperature, pressure, and time shown in Tables 1 to 6 while flowing nitrogen gas to an atmospheric pressure of 80 kPa, and a bonded body in which the copper plate and the silicon chip were bonded with a copper sintered body was obtained. The bonded body was cooled with nitrogen gas, and when it reached 50° C. or lower, it was taken out into the air.

得られた接合体の接着強度は、ダイシェア強度により評価した。1kNの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500μm/s、測定高さ100μmでシリコンチップを水平方向に押し、接合体のダイシェア強度を測定した。5個の接合体を測定した値の平均値をダイシェア強度とした。 The adhesive strength of the resulting bonded bodies was evaluated by die shear strength. Using a universal bond tester (4000 series, manufactured by DAGE) equipped with a 1 kN load cell, the silicon chip was pressed horizontally at a measurement speed of 500 μm/s and a measurement height of 100 μm to measure the die shear strength of the bonded bodies. The average value of the measurements for five bonded bodies was taken as the die shear strength.

(3)10mmチップのダイシェア強度
金属ペーストを、ニッケルめっき銅板(19mm×25mm×3mm)上に、厚さ100μmのステンレス板に10mm×10mm正方形の開口が1個設けられたメタルマスクを載せ、メタルスキージを用いてステンシル印刷により塗布した。シリコンチップ(面積10mm×10mm、厚み400μm、金属ペーストとの被着面としてニッケルめっき層を有する)を、塗布した金属ペースト上に載せ、ピンセットで軽く押さえ、積層体を得た。積層体をホットプレート(アズワン株式会社製、EC HOTPLATE EC-1200N)にて大気中、90℃で30分加熱した。積層体を接合装置(アユミ工業株式会社製)にセットし、13Paまで減圧して空気を取り除いた後、気圧80kPaとなるよう窒素ガスを流しながら、表1~6に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で積層体を加圧加熱接合し、銅板とシリコンチップを銅焼結体で接合した接合体を得た。この接合体を窒素ガスにて冷却し、50℃以下になったら空気中に取り出した。
(3) Die shear strength of 10 mm chip The metal paste was applied by stencil printing using a metal squeegee on a nickel-plated copper plate (19 mm x 25 mm x 3 mm) with a metal mask having one 10 mm x 10 mm square opening on a 100 μm thick stainless steel plate. A silicon chip (area 10 mm x 10 mm, thickness 400 μm, having a nickel-plated layer as the adhesion surface with the metal paste) was placed on the applied metal paste and lightly pressed with tweezers to obtain a laminate. The laminate was heated at 90 ° C. for 30 minutes in air on a hot plate (manufactured by AS ONE Corporation, EC HOTPLATE EC-1200N). The laminate was placed in a bonding device (manufactured by Ayumi Industries Co., Ltd.), and the pressure was reduced to 13 Pa to remove the air. Then, while flowing nitrogen gas to an atmospheric pressure of 80 kPa, the laminate was pressurized and heated to bond under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Tables 1 to 6, to obtain a bonded body in which the copper plate and the silicon chip were bonded with a copper sintered body. This bonded body was cooled with nitrogen gas, and when it became 50°C or less, it was taken out into the air.

得られた接合体の接着強度は、ダイシェア強度により評価した。1kNの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500μm/s、測定高さ100μmでシリコンチップを水平方向に押し、接合体のダイシェア強度を測定した。5個の接合体を測定した値の平均値をダイシェア強度とした。 The adhesive strength of the resulting bonded bodies was evaluated by die shear strength. Using a universal bond tester (4000 series, manufactured by DAGE) equipped with a 1 kN load cell, the silicon chip was pressed horizontally at a measurement speed of 500 μm/s and a measurement height of 100 μm to measure the die shear strength of the bonded bodies. The average value of the measurements for five bonded bodies was taken as the die shear strength.

なお、上記のダイシェア強度の測定において、チップ自体が破壊された場合を「チップ破壊」として表中に示す。 In the above die shear strength measurement, if the chip itself is destroyed, this is shown in the table as "chip destruction."

(4)チップに対する焼結銅の接合面積
上記の「(2)3mmチップのダイシェア強度」で作製した接合体、及び上記の「(3)10mmチップのダイシェア強度」で作製した接合体を、超音波探傷装置(インサイト Insight-300)にて周波数110kHzのプローブを使用して、チップと焼結銅の接合界面を分析し、超音波探傷像(SAM像)を取得した。得られたSAM像のチップ面積に対する黒色領域(銅焼結体がチップに接合している領域)と白色領域(銅焼結体がチップに接合していない領域)の比率から、チップに対する焼結銅の接合面積を算出した。
(4) Bonding area of sintered copper to chip The bonded bodies prepared in the above "(2) Die shear strength of 3 mm chip" and the bonded bodies prepared in the above "(3) Die shear strength of 10 mm chip" were analyzed for the bonding interface between the chip and the sintered copper using a probe with a frequency of 110 kHz in an ultrasonic flaw detector (Insight Insight-300), and an ultrasonic flaw detection image (SAM image) was obtained. The bonding area of the sintered copper to the chip was calculated from the ratio of the black area (area where the copper sintered body is bonded to the chip) and the white area (area where the copper sintered body is not bonded to the chip) to the chip area in the obtained SAM image.

(5)焼結銅の接合断面
上記の「(3)10mmチップのダイシェア強度」で作製した接合体を、カップ内にサンプルクリップ(Samplklip I、Buehler製)で固定し、周囲にエポキシ注形樹脂(エポマウント、リファインテック製)を接合体全体が埋まるまで流し込み、真空デシケータ内に静置して1分間減圧して脱泡した。その後、室温で10時間静置し、エポキシ注形樹脂を硬化し、サンプルを調製した。リファインソーエクセル(リファインテック製)を用いて、サンプルをシリコンチップ近傍で切断した。耐水研磨紙(カーボマックペーパー、リファインテック製)をつけた研磨装置(Refine Polisher HV、リファインテック製)で接合体の中央付近まで削り断面を出した。この断面をArイオンによるクロスセクションポリッシャー加工(日立ハイテクノロジーズIM4000)を行った。走査型電子顕微鏡(ショットキーFE-SEM SU5000、日立ハイテクノロジーズ製)により、銅焼結体の接合断面を観察した。
(5) Joint cross section of sintered copper The joint made in the above "(3) Die shear strength of 10 mm chip" was fixed in a cup with a sample clip (Samplklip I, manufactured by Buehler), and epoxy casting resin (Epomount, manufactured by Refine Tech) was poured around until the entire joint was buried, and the joint was left to stand in a vacuum desiccator and depressurized for 1 minute to degas. After that, the joint was left to stand at room temperature for 10 hours to harden the epoxy casting resin, and a sample was prepared. The sample was cut near the silicon chip using a Refine Saw Excel (manufactured by Refine Tech). The joint was polished to the center with a polishing device (Refine Polisher HV, manufactured by Refine Tech) equipped with water-resistant abrasive paper (Carbomac Paper, manufactured by Refine Tech) to reveal a cross section. This cross section was subjected to cross-section polishing with Ar ions (Hitachi High-Technologies IM4000). The joint cross section of the copper sintered body was observed using a scanning electron microscope (Schottky FE-SEM SU5000, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation).

[接合用金属ペーストの調製-1]
表1~6の配合に従って接合用金属ペーストを調製した。
[Preparation of metal paste for bonding-1]
Metallic bonding pastes were prepared according to the formulations in Tables 1 to 6.

(実施例1)
分散媒としてジヒドロターピネオール(日本テルペン化学株式会社製)9質量部、テトラエチレングリコール(富士フイルム和光純薬株式会社製)0.5質量部、ポリエチレングリコール200(PEG200)(富士フイルム和光純薬株式会社製)1.5質量部を混合した。そこに、マイクロ銅粒子として3L3N(福田金属箔粉工業株式会社製、製品名、50%体積平均粒径8.0μm)10質量部、サブマイクロ銅粒子としてCH-0200(三井金属鉱業株式会社製、製品名、50%体積平均粒径0.36μm)91質量部、を秤量し加え、自動乳鉢で5分間混合した。混合物をポリ瓶に移した後、2000rpm、2分間、減圧の条件でシンキー社製攪拌機(あわとり練太郎 ARE-310)にかけて接合用金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表1に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表1に示す。
Example 1
As a dispersion medium, 9 parts by mass of dihydroterpineol (manufactured by Nippon Terpene Chemical Co., Ltd.), 0.5 parts by mass of tetraethylene glycol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Co., Ltd.), and 1.5 parts by mass of polyethylene glycol 200 (PEG200) (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Co., Ltd.) were mixed. 10 parts by mass of 3L3N (manufactured by Fukuda Metal Foil and Powder Co., Ltd., product name, 50% volume average particle size 8.0 μm) as micro copper particles, and 91 parts by mass of CH-0200 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., product name, 50% volume average particle size 0.36 μm) as sub-micro copper particles were weighed and added, and mixed for 5 minutes in an automatic mortar. After transferring the mixture to a poly bottle, it was subjected to a Thinky Corporation stirrer (Awatori Rentaro ARE-310) at 2000 rpm for 2 minutes under reduced pressure to obtain a metal paste for bonding. Using this metal paste, a bonded body was produced under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 1, and various measurements and analyses were carried out. The evaluation results are shown in Table 1.

(実施例2及び3)
テトラエチレングリコール及びPEG200の配合量を表に示す割合に変えたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表1に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表1に示す。
(Examples 2 and 3)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that the blending amounts of tetraethylene glycol and PEG 200 were changed to the ratios shown in the table. Using this metal paste, a bonded body was produced under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 1, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 1.

(実施例4~6)
PEG200に代えてポリエチレングリコール300(PEG300)(富士フイルム和光純薬株式会社製)を用い、テトラエチレングリコール及びPEG300の配合量を表に示す割合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表1に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表1に示す。
(Examples 4 to 6)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that polyethylene glycol 300 (PEG300) (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of PEG200, and the blending amounts of tetraethylene glycol and PEG300 were set to the ratios shown in the table. A bonded body was produced using this metal paste under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 1, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 1.

(実施例7~9)
PEG200に代えてポリエチレングリコール400(PEG400)(富士フイルム和光純薬株式会社製)を用い、テトラエチレングリコール及びPEG400の配合量を表に示す割合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表2に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表2に示す。
(Examples 7 to 9)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that polyethylene glycol 400 (PEG400) (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of PEG200, and the blending amounts of tetraethylene glycol and PEG400 were set to the ratios shown in the table. A bonded body was produced using this metal paste under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 2, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 2.

(実施例10~12)
テトラエチレングリコール及びPEG200に代えてジエチレングリコール及びPEG300を用い、これらの配合量を表に示す割合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表2に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表2に示す。
(Examples 10 to 12)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that diethylene glycol and PEG 300 were used instead of tetraethylene glycol and PEG 200, and the blending amounts of these were set to the ratios shown in the table. A bonded body was produced using this metal paste under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 2, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 2.

(実施例13~18)
マイクロ銅粒子としてMA-C025KFD(三井金属鉱業株式会社製、製品名、滑剤レス品、50%体積平均粒径5μm)を用い、その配合量を表に示す割合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表3に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表3に示す。
(Examples 13 to 18)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that MA-C025KFD (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., product name, lubricant-free product, 50% volume average particle size 5 μm) was used as the micro copper particles and the blending amount was set to the ratio shown in the table. A bonded body was produced using this metal paste under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 3, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 3.

(実施例19~30)
実施例15と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表4~5に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表4~5に示す。
(Examples 19 to 30)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 15. Using this metal paste, a bonded body was produced under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Tables 4 and 5, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Tables 4 and 5.

(比較例1及び2)
マイクロ銅粒子を配合せず、表に示す分散媒及びサブマイクロ銅粒子の配合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表6に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表6に示す。
(Comparative Examples 1 and 2)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that micro copper particles were not blended, and the dispersion medium and submicro copper particles were blended as shown in the table. Using this metal paste, a bonded body was produced under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 6, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 6.

(比較例3~5)
サブマイクロ銅粒子であるCH-0200とマイクロ銅粒子である3L3の配合量を表に示す割合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表6に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表6に示す。
(Comparative Examples 3 to 5)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amounts of CH-0200 submicro copper particles and 3L3 micro copper particles were mixed in the ratios shown in the table. Using this metal paste, a bonded body was produced under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 6, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 6.

(比較例6)
テトラエチレングリコール及びPEG200に代えてテトラデカノール(富士フイルム和光純薬株式会社製)を用い、その配合量を表に示す割合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表7に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表7に示す。
(Comparative Example 6)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that tetradecanol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of tetraethylene glycol and PEG 200, and the blending amounts were set to the ratios shown in the table. A bonded body was produced using this metal paste under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 7, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 7.

(比較例7)
テトラエチレングリコール及びPEG200に代えてテトラデカン(富士フイルム和光純薬株式会社製)を用い、その配合量を表に示す割合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表7に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表7に示す。
(Comparative Example 7)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that tetradecane (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used instead of tetraethylene glycol and PEG 200, and the blending amounts were set to the ratios shown in the table. A bonded body was produced using this metal paste under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 7, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 7.

(比較例8)
ジヒドロターピネオール及びテトラエチレングリコール及びPEG200に代えてテトラデカノール及びテトラデカンを用い、これらの配合量を表に示す割合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表7に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表7に示す。
(Comparative Example 8)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that tetradecanol and tetradecane were used instead of dihydroterpineol, tetraethylene glycol, and PEG 200, and the blending amounts of these were set to the ratios shown in the table. A bonded body was produced using this metal paste under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 7, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 7.

(比較例9)
ジヒドロターピネオール及びテトラエチレングリコール及びPEG200に代えてテトラデカン及びPEG300を用い、これらの配合量を表に示す割合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表7に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表7に示す。
(Comparative Example 9)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that tetradecane and PEG 300 were used instead of dihydroterpineol, tetraethylene glycol, and PEG 200, and the blending amounts of these were set to the ratios shown in the table. A bonded body was produced using this metal paste under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 7, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 7.

(比較例10)
ジヒドロターピネオール及びテトラエチレングリコール及びPEG200に代えてテトラデカン及びトリブチリン(富士フイルム和光純薬株式会社製)を用い、これらの配合量を表に示す割合としたこと以外は、実施例1と同様にして金属ペーストを得た。この金属ペーストを用いて、表7に示す接合条件(温度、加圧力及び時間)で接合体を作製し、各種の測定及び分析を行った。評価結果を表7に示す。
(Comparative Example 10)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that tetradecane and tributyrin (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were used instead of dihydroterpineol, tetraethylene glycol, and PEG 200, and the blending amounts of these were set to the ratios shown in the table. A bonded body was produced using this metal paste under the bonding conditions (temperature, pressure, and time) shown in Table 7, and various measurements and analyses were performed. The evaluation results are shown in Table 7.

Figure 0007651822000001
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Figure 0007651822000002
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Figure 0007651822000003
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Figure 0007651822000004
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Figure 0007651822000005
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Figure 0007651822000006
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Figure 0007651822000007
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実施例及び比較例で用いた分散媒の脱離開始温度は以下のとおりであった。
ジヒドロターピネオール:70℃
テトラエチレングリコール:155℃
ジエチレングリコール:105℃
PEG200:140℃
PEG300:160℃
PEG400:175℃
The desorption starting temperatures of the dispersion media used in the examples and comparative examples were as follows.
Dihydroterpineol: 70°C
Tetraethylene glycol: 155°C
Diethylene glycol: 105°C
PEG200: 140℃
PEG300: 160℃
PEG400: 175℃

図6は、実施例15の接合後の面積10mm×10mmチップの超音波探傷像(SAM像)である。SAM像においてチップ全体が黒色領域となっており、これはチップと銅焼結体がボイド無く接合していることを示している。図7は、実施例15の接合後の接合断面のSEM像である。基板が銅焼結体によってボイドなく接合している。同様に、図8は、実施例24の接合後の接合断面のSEM像である。基板が銅焼結体によってボイドなく接合している。一方、図9は比較例2の接合後の面積10mm×10mmチップのSAM像である。SAM像においてチップの白色領域は、チップと銅焼結体の間にボイドやはく離が有ることを示している。図10は、比較例2の接合後の接合断面のSEM像である。銅焼結体とチップとの界面に大きなはく離が生じ、チップに対して接合していないことが分かる。同様に、図11は、比較例3の接合後の接合断面のSEM像である。銅焼結体中に大きなボイドやクラックが存在し、銅焼結体がチップ及び基板に対してはく離していることが分かる。 Figure 6 is an ultrasonic inspection image (SAM image) of a 10 mm x 10 mm chip after bonding in Example 15. In the SAM image, the entire chip is a black area, which indicates that the chip and the copper sintered body are bonded without voids. Figure 7 is an SEM image of the bonded cross section after bonding in Example 15. The substrate is bonded without voids by the copper sintered body. Similarly, Figure 8 is an SEM image of the bonded cross section after bonding in Example 24. The substrate is bonded without voids by the copper sintered body. On the other hand, Figure 9 is a SAM image of a 10 mm x 10 mm chip after bonding in Comparative Example 2. In the SAM image, the white area of the chip indicates that there are voids and peeling between the chip and the copper sintered body. Figure 10 is an SEM image of the bonded cross section after bonding in Comparative Example 2. It can be seen that a large peeling has occurred at the interface between the copper sintered body and the chip, and that the chip is not bonded to the chip. Similarly, Figure 11 is an SEM image of the bonded cross section after bonding in Comparative Example 3. It can be seen that there are large voids and cracks in the copper sintered body, and that the copper sintered body has peeled off from the chip and substrate.

[接合用金属ペーストの調製-2]
(実施例B-1)
分散媒としてジヒドロターピネオール(日本テルペン化学株式会社製)7.2質量部と、サブミクロン銅粒子としてCH-0200(三井金属鉱業株式会社製、製品名、レーザー散乱法50%体積平均粒径0.36μm)83.6質量部とを混合し、プラネタリーミキサー(プライミックス社製)を用いて、回転数300rpmで30分間撹拌した。得られた混合物を、ディスパライザー(新東工業社製)を用いて、ギャップ50μm、回転数12000rpmの条件で1回分散処理して分散液を得た。この分散液に、分散媒としてテトラエチレングリコール(富士フイルム和光純薬株式会社製)2.4質量部、還元性のオリゴマー溶媒としてポリエチレングリコール300(PEG300)(富士フイルム和光純薬株式会社製)2.4質量部と、マイクロ銅粒子として3L3N(福田金属箔粉工業株式会社製、製品名、レーザー散乱法50%体積平均粒径6.0μm)4.4質量部とを加え、プラネタリーミキサーを用いて回転数300rpmで30分間(常圧15分間及び減圧15分間)撹拌して接合用金属ペーストを得た。
[Preparation of metal paste for bonding-2]
(Example B-1)
7.2 parts by mass of dihydroterpineol (manufactured by Nippon Terpene Chemical Co., Ltd.) as a dispersion medium and 83.6 parts by mass of CH-0200 (manufactured by Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd., product name, laser scattering method 50% volume average particle size 0.36 μm) as submicron copper particles were mixed and stirred for 30 minutes at a rotation speed of 300 rpm using a planetary mixer (manufactured by Primix Co., Ltd.). The resulting mixture was dispersed once using a dispersizer (manufactured by Shinto Kogyo Co., Ltd.) under conditions of a gap of 50 μm and a rotation speed of 12,000 rpm to obtain a dispersion liquid. To this dispersion, 2.4 parts by mass of tetraethylene glycol (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a dispersion medium, 2.4 parts by mass of polyethylene glycol 300 (PEG300) (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a reducing oligomer solvent, and 4.4 parts by mass of 3L3N (manufactured by Fukuda Metal Foil and Powder Co., Ltd., product name, laser scattering method 50% volume average particle size 6.0 μm) as micro copper particles were added, and the mixture was stirred using a planetary mixer at a rotation speed of 300 rpm for 30 minutes (15 minutes at normal pressure and 15 minutes at reduced pressure) to obtain a metal paste for joining.

(実施例B-2~B-11)
表8又は9に示す組成に変えたこと以外は、実施例B-1と同様にして金属ペーストを得た。
(Examples B-2 to B-11)
A metal paste was obtained in the same manner as in Example B-1, except that the composition was changed to that shown in Table 8 or 9.

なお、表中の各成分の詳細は以下のとおりである。
2L3N:福田金属箔粉工業株式会社製、製品名、レーザー散乱法50%体積平均粒径10μm
4L3N:福田金属箔粉工業株式会社製、製品名、レーザー散乱法50%体積平均粒径3μm
C3:福田金属箔粉工業株式会社製、製品名、レーザー散乱法50%体積平均粒径37μm
The details of each component in the table are as follows:
2L3N: Product name, manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., Laser scattering method 50% volume average particle size 10 μm
4L3N: Product name, manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd., Laser scattering method 50% volume average particle size 3 μm
C3: Product name, manufactured by Fukuda Metal Foil and Powder Co., Ltd., Laser scattering method 50% volume average particle size 37 μm

[接合サンプルの作製]
上記で得られた金属ペーストを、サイズ100mm×100mm×厚さ3mmの銅板上に、amm×ammの正方形の開口をbmmの間隔で格子状に有する厚さ300μm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(図12を参照)。なお、格子状のパターンは中心対象となるように配した。
[Preparation of bonded samples]
The metal paste obtained above was stencil printed on a copper plate measuring 100 mm x 100 mm x 3 mm thick, using a 300 μm thick stainless steel mask having 2 a mm x a mm square openings in a grid pattern at intervals of b mm, and a squeegee (see FIG. 12). The grid pattern was arranged so as to be centrosymmetric.

次に、金属ペーストが印刷された銅板を、90℃に加熱したホットプレート上で10分間加熱した。その後、金属ペースト上に、サイズ100mm×100mm×厚さ3mmの銅板を載せ、雰囲気制御加熱圧着装置(RF-100B、アユミ工業社製)を用いて、以下の手順で熱圧着した。
(1)サンプルセット
(2)3Paまで減圧する
(3)窒素を常圧まで導入し、以降8L/分で流す
(4)接合サンプルを1.225kN(1MPa)で加圧する
(5)15分かけて300℃まで昇温し、300℃を30分間保持するように加熱圧着装置の熱板を加熱する
(6)加熱を止めて、窒素ブローで熱板を強制冷却する
(7)熱板の温度が50℃以下になったところで接合サンプルを取り出す
Next, the copper plate on which the metal paste was printed was heated for 10 minutes on a hot plate heated to 90° C. After that, a copper plate measuring 100 mm×100 mm×thickness 3 mm was placed on the metal paste, and thermocompression bonded using an atmospherically controlled thermocompression bonding device (RF-100B, manufactured by Ayumi Industries Co., Ltd.) in the following manner.
(1) Set the sample. (2) Reduce pressure to 3 Pa. (3) Introduce nitrogen to normal pressure, then flow at 8 L/min. (4) Pressurize the bonded sample at 1.225 kN (1 MPa). (5) Heat the hot plate of the thermocompression bonding device so that the temperature is raised to 300°C over 15 minutes and maintained at 300°C for 30 minutes. (6) Stop heating and forcibly cool the hot plate by blowing nitrogen. (7) Remove the bonded sample when the temperature of the hot plate falls below 50°C.

[接合サンプルの評価]
接合した銅板の間にタガネをハンマーで打ち込み、接合層が破壊されて銅板が分離した場合を「有」、銅板が分離しなかった場合を「無」として表に示した。
[Evaluation of bonded samples]
A chisel was hammered between the joined copper plates, and the case where the joint layer was destroyed and the copper plates separated was recorded as "Yes", and the case where the copper plates did not separate was recorded as "No".

Figure 0007651822000008
Figure 0007651822000008

Figure 0007651822000009
Figure 0007651822000009

1…第一の部材、1a…第一の基部、1b…第一の金属層、2,2’…焼結体、3…第二の部材、3a…第二の基部、3b…第二の金属層、4…半導体素子、4a…半導体素子の基部、4b…半導体素子の金属層、5…リードフレーム、5a…基部、5b…金属層、6…モールドレジン、7…ワイヤ、8…リードフレーム、8a…基部、8b…金属層、10…塗膜形成領域、12…塗膜非形成領域、100…接合体、200…半導体装置 1...first member, 1a...first base, 1b...first metal layer, 2, 2'...sintered body, 3...second member, 3a...second base, 3b...second metal layer, 4...semiconductor element, 4a...base of semiconductor element, 4b...metal layer of semiconductor element, 5...lead frame, 5a...base, 5b...metal layer, 6...mold resin, 7...wire, 8...lead frame, 8a...base, 8b...metal layer, 10...coating film-formed area, 12...non-coating film-formed area, 100...joint, 200...semiconductor device

Claims (12)

第一の部材、接合用金属ペースト、及び第二の部材がこの順に積層されている積層体を用意する工程と、
水素を含まない雰囲気中で、前記積層体における前記接合用金属ペーストを焼結する焼結工程と、
を備え、
前記接合用金属ペーストが金属粒子と、分散媒と、を含む接合用金属ペーストであって、
前記金属粒子が、炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸で被覆された、体積平均粒径が0.1μm以上0.9μm以下のサブマイクロ銅粒子と、炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸又は酸化銅で被覆された、体積平均粒径が2μm以上50μm以下のマイクロ銅粒子と、を含み、
前記分散媒が、末端にヒドロキシル基を有し、分子鎖中にエーテル結合を有しないアルコール系化合物と、末端にヒドロキシル基を有し、分子鎖中にエーテル結合を有するポリエーテルアルコール系化合物と、を含み、
前記サブマイクロ銅粒子の含有量は、前記サブマイクロ銅粒子の質量及び前記マイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、75質量%以上95質量%以下である、接合体の製造方法。
preparing a laminate in which a first member, a bonding metal paste, and a second member are laminated in this order;
a sintering step of sintering the bonding metal paste in the laminate in an atmosphere not containing hydrogen;
Equipped with
The bonding metal paste contains metal particles and a dispersion medium,
The metal particles include sub-micro copper particles coated with an aliphatic or aromatic monocarboxylic acid having 1 to 20 carbon atoms and having a volume average particle size of 0.1 μm to 0.9 μm, and micro copper particles coated with an aliphatic or aromatic monocarboxylic acid having 1 to 20 carbon atoms or copper oxide and having a volume average particle size of 2 μm to 50 μm,
the dispersion medium comprises an alcohol-based compound having a hydroxyl group at its terminal and no ether bond in its molecular chain, and a polyether alcohol-based compound having a hydroxyl group at its terminal and an ether bond in its molecular chain;
The content of the submicro copper particles is 75 mass% or more and 95 mass% or less based on the total mass of the submicro copper particles and the micro copper particles .
前記アルコール系化合物の大気圧下における沸点が100℃以上250℃未満であり、
前記ポリエーテルアルコール系化合物の大気圧下における沸点が250℃以上400℃以下である、請求項1に記載の接合体の製造方法。
The alcohol-based compound has a boiling point under atmospheric pressure of 100° C. or higher and lower than 250° C.,
2. The method for producing a joined body according to claim 1, wherein the polyether alcohol compound has a boiling point of 250° C. or higher and 400° C. or lower under atmospheric pressure.
前記ポリエーテルアルコール系化合物がポリエチレングリコール300である、請求項1又は2に記載の接合体の製造方法。 The method for producing a joint body according to claim 1 or 2, wherein the polyether alcohol compound is polyethylene glycol 300. 前記接合用金属ペーストに含まれる炭素数1~20の脂肪族若しくは芳香族モノカルボン酸の含有量の合計が、接合用金属ペースト全量を基準として、0.1質量%以上10質量%以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。 The method for manufacturing a joint body according to any one of claims 1 to 3, wherein the total content of aliphatic or aromatic monocarboxylic acids having 1 to 20 carbon atoms contained in the joining metal paste is 0.1% by mass or more and 10% by mass or less based on the total amount of the joining metal paste. 前記サブマイクロ銅粒子及び前記マイクロ銅粒子の含有量の合計が、金属粒子の全量を基準として、80質量%以上である、請求項1~4のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。 The method for producing a joint body according to any one of claims 1 to 4, wherein the total content of the sub-micro copper particles and the micro copper particles is 80 mass% or more based on the total amount of metal particles. 前記第一の部材及び前記第二の部材の少なくとも一方が半導体素子である、請求項1~のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。 The method for producing a bonded body according to any one of claims 1 to 5 , wherein at least one of the first member and the second member is a semiconductor element. 前記積層体を用意する工程が、前記第一の部材と前記第二の部材との接合領域に前記接合用金属ペーストの塗膜を形成する第1工程と、前記第一の部材と前記第二の部材とを前記塗膜を介して積層する第2工程と、を含み、
前記接合領域が、前記塗膜が形成される塗膜形成領域と、前記塗膜が形成されない塗膜非形成領域と、を有し、
前記塗膜非形成領域が前記接合領域の端まで連続している、請求項1~のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。
The step of preparing the laminate includes a first step of forming a coating film of the bonding metal paste in a bonding region between the first member and the second member, and a second step of laminating the first member and the second member via the coating film,
The bonding region has a coating film-formed region where the coating film is formed and a coating film-free region where the coating film is not formed,
The method for producing a bonded body according to any one of claims 1 to 6 , wherein the non-coated region is continuous to an end of the bonded region.
前記塗膜非形成領域の形状が、ライン状、格子状、又はハニカム状である、請求項に記載の接合体の製造方法。 The method for producing a bonded body according to claim 7 , wherein the non-coated region has a line-like, lattice-like, or honeycomb-like shape. 前記塗膜形成領域の合計面積が900mm以上であり、
前記塗膜形成領域の前記接合用金属ペーストは、前記塗膜非形成領域又は前記接合領域の端までの最短距離が8mm以内であり、
前記塗膜非形成領域における最小の幅が100μm以上である、請求項又はに記載の接合体の製造方法。
The total area of the coating film forming region is 900 mm2 or more,
The shortest distance of the bonding metal paste in the coating film-forming region to the edge of the non-coating film-forming region or the bonding region is within 8 mm,
The method for producing a joined body according to claim 7 or 8 , wherein the minimum width of the non-coated region is 100 µm or more.
前記接合用金属ペーストにおける前記ポリエーテルアルコール系化合物の含有量が、接合用金属ペースト全量を基準として0.5質量%以上4.0質量%以下である、請求項1~のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。 The method for producing a joint body according to any one of claims 1 to 9 , wherein the content of the polyether alcohol-based compound in the bonding metal paste is 0.5 mass% or more and 4.0 mass% or less based on the total amount of the bonding metal paste. 前記マイクロ銅粒子がフレーク状である、請求項1~10のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。 The method for producing a joint body according to any one of claims 1 to 10 , wherein the micro copper particles are in a flake shape. 前記アルコール系化合物がジヒドロターピネオールを含む、請求項1~11のいずれか一項に記載の接合体の製造方法。 The method for producing a joint body according to any one of claims 1 to 11 , wherein the alcohol-based compound includes dihydroterpineol.
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