JP6869275B2 - 導電性塗布材料 - Google Patents
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Description
それ故に、接合時の温度はある程度低くすることが望ましいといえる。
かかる導電性塗布材料は大別して、樹脂を含み、該樹脂を加熱硬化させる加熱硬化型と、樹脂を含まず、金属粉を構成する金属粒子を加熱により焼結させる焼結型がある。
また、特許文献4には、「金属粉末と有機溶剤とからなるダイボンド用の導電性ペーストであって、前記金属粉末は、純度99.9質量%以上、平均粒径0.01μm〜1.0μmである銀粉、パラジウム粉、銅粉から選択される一種以上の金属粒子と、前記金属粒子の少なくとも一部を覆う金からなる被覆層と、からなる導電性ペースト」で、「上記有機溶剤に加えて、アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択される一種以上を含有していても良い」とされている。
しかしながら、このような「接合用銅ペースト」等では、無機フィラーとして、「銅粒子」等の金属粉しか含まないことから、比較的高い温度で加熱しなければ、該金属粉の金属粒子間での焼結が促進しない。それ故に、更なる接合性向上の観点から改善の余地がある。
一の実施形態の導電性塗布材料は、基材への半導体素子の接合に用いるものであって、銅粉と、亜酸化銅粉及び酸化銅粉のうちの少なくとも一方から構成される酸化フィラーと、非加熱硬化型樹脂と、分散媒とを含み、前記導電性塗布材料を25μmギャップのアプリケーターを用いて5cm/秒の移動速度でスライドガラス上に塗布し、120℃で10分間乾燥させた後の皮膜のXRDにおいて、(111)面における銅粉に対応するピーク面積に対する、(111)面における酸化フィラーに対応するピーク面積の比率が0.03〜1.0である。他の実施形態の導電性塗布材料は、銅粉と、亜酸化銅粉及び酸化銅粉のうちの少なくとも一方から構成される酸化フィラーと、非加熱硬化型樹脂と、分散媒とを含み、前記導電性塗布材料を25μmギャップのアプリケーターを用いて5cm/秒の移動速度でスライドガラス上に塗布し、120℃で10分間乾燥させた後の皮膜のXRDにおいて、(111)面における銅粉に対応するピーク面積に対する、(111)面における酸化フィラーに対応するピーク面積の比率が0.03〜1.0であり、25μmギャップのアプリケーターにより5cm/秒の速度で当該導電性塗布材料を印刷し、該導電性塗布材料を120℃で10分にわたって乾燥させて皮膜とし、前記皮膜を解砕して得られる乾燥粉末を2vol%H2残部窒素雰囲気で昇温して体積収縮率が2%になるときの温度が、350℃未満である。
導電性塗布材料に含まれる銅粉は、銅粒子を含むものである。また、銅粉は、所定の表面処理(例えば、カップリング剤による表面処理)を施されていてもよい。
また、BET比表面積は亜酸化銅スラリーに添加するアラビアゴム等の有機物の量、希硫酸の添加速度等によって制御することが可能である。一例として、アラビアゴム等の有機物の量が多いとBET比表面積は大きくなる傾向があり、希硫酸の添加速度が速いとBET比表面積は大きくなる傾向がある。
導電性塗布材料には、無機フィラーとして、上記の銅粉の他、酸化フィラーを所定の割合で含ませることが重要である。この酸化フィラーは、亜酸化銅粉及び酸化銅粉のうちの少なくとも一方から構成されるものとする。これにより、たとえば半導体素子及び/又は基材の表面に導電性塗布材料を塗布し、半導体素子と基材とを積層させた後に、所定の低温で加熱すると、酸化フィラーを構成する亜酸化銅粒子及び/又は酸化銅粒子が還元されて、該亜酸化銅粒子又は酸化銅粒子に隣接する銅粒子との間で焼結が促進する。その結果として、ある程度の低温で加熱したとしても、半導体素子と基材とを強固に接合することができる。
酸化フィラーの割合が55質量%を超える場合は、表面しか還元されない亜酸化銅粒子及び/又は酸化銅粒子の割合が増える結果、接合層に亜酸化銅及び/又は酸化銅が残る可能性が高くなる。また、酸化フィラーの割合が多すぎると、銅と亜酸化銅、銅と酸化銅との熱収縮率が異なることによって、クラックの起点となり得る他、放熱性及び/又は導電性も低下する。この一方で、酸化フィラーの割合が2.5質量%未満である場合は、銅粒子と亜酸化銅粒子、銅粒子と酸化銅粒子との連結起点が少なくなり、焼結を有効に促進させることができない。
このような観点から、銅粉及び酸化フィラーにおける酸化フィラーの割合は、3質量%〜50質量とすることが好ましく、さらに5質量%〜30質量%とすることが好ましい。
純水等の溶媒に硫酸銅を溶解させた溶液であって、還元糖と、アルカリと、必要に応じて変性防止剤とを含ませた硫酸銅溶液を準備する。なおここでは、硫酸銅の添加前もしくは後に、還元糖及び/又は変性防止剤を添加することができる。また、溶媒に硫酸銅を溶解させる際には、好ましくは50rpm〜1000rpm、より好ましくは200rpm〜1000rpmで攪拌することができ、また、液温が、好ましくは50℃〜90℃になるように加熱することができる。
その後、デカンテーション等による固液分離、純水を用いた洗浄等を行い、亜酸化銅粒子スラリーとし、これを乾燥させることにより、亜酸化銅粉を得ることができる。
亜酸化銅粉のBET比表面積は、例えば反応液温を制御することで調整可能である。液温を高くすればBET比表面積は小さくなり、液温を低くすればBET比表面積は大きくなる。反応液温を例えば0℃〜90℃、好ましくは10℃〜80℃、さらに好ましくは10〜75℃とすればよい。
あるいは、酸化銅粉は、たとえば、次に述べるようにして製造することもできる。上記の亜酸化銅粒子スラリーを、pHが8を下回るまで洗浄し、純水を加えて40℃に加温し、攪拌する。次いで、固液分離を行った後、窒素雰囲気下で100℃に昇温して乾燥するとともに解砕することにより、酸化銅粉が得られる。係る方法で酸化銅粉を製造する場合、酸化銅粉のBET比表面積は、上記亜酸化銅粉のBET比表面積の調整方法と同様の方法により調整することができる。
導電性塗布材料に含まれる非加熱硬化型樹脂は、導電性塗布材料のペーストの製造に使用される公知の非加熱硬化型樹脂を使用することができる。本発明において、非加熱硬化型樹脂とは、加熱硬化型樹脂を含まないことを意味しており、非加熱硬化型樹脂として加熱硬化型樹脂を使用することはできない。
導電性塗布材料に含まれる分散媒は、導電性塗布材料のペーストの製造に使用される公知の分散媒を使用することができる。このような公知の分散媒として、例えば、アルコール溶剤(例えばテルピネオール、ジヒドロテルピネオール、イソプロピルアルコール、ブチルカルビトール、テルピネルオキシエタノール、ジヒドロテルピネルオキシエタノールからなる群から選択された1種以上)、グリコールエーテル溶剤(例えばブチルカルビトール)、アセテート溶剤(例えばブチルカルビトールアセテート、ジヒドロターピネオールアセテート、ジヒドロカルビトールアセテート、カルビトールアセテート、リナリールアセテート、ターピニルアセテートからなる群から選択された1種以上)、ケトン溶剤(例えばメチルエチルケトン)、炭化水素溶剤(例えばトルエン、シクロヘキサンからなる群から選択された1種以上)、セロソルブ類(例えばエチルセロソルブ、ブチルセロソルブからなる群から選択された1種以上)、ジエチルフタレート、又はプロピネオート系溶剤(例えばジヒドロターピニルプロピネオート、ジヒドロカルビルプロピネオート、イソボニルプロピネオートからなる群から選択された1種以上)をあげることができる。
上述した銅粉、亜酸化銅粉及び酸化銅粉のうちの少なくとも一方、非加熱硬化型樹脂及び分散媒を含む導電性塗布材料には、必要に応じてさらに、ガラスフリット及び/又は消泡剤等を含ませることができる。ガラスフリットとしては、たとえばBET比表面積が1〜10m2g-1、好ましくは2〜10m2g-1、より好ましくは2〜8m2g-1のものとすることができる。消泡剤としては、たとえば有機変性ポリシロキサン、ポリアクリレートを挙げることができる。導電性塗布材料の調整は、たとえば国際公開第2013/125659号に記載されたペーストの調整とほぼ同様にして行うことができる。
上述した導電性塗布材料は、半導体素子と基材との接合に用いることが特に有効である。この場合、表面積がある程度大きな半導体素子であっても、また接合時の加熱温度を比較的低温としても、半導体素子と基材とを十分大きな強度で接合することができる。
導電性塗布材料は、半導体素子と基材との接合に用いるときは一般に、半導体素子または基材のいずれかの表面上に、所定のアプリケーターを用いて、導電性塗布材量を塗布する。次いで、半導体素子と基材とを相互に積層させる。その状態で、たとえば、150℃〜400℃の温度の下、必要に応じて0.01MPa〜20MPaの圧力を作用させる。このときの雰囲気は、窒素雰囲気等とすることができる。
亜酸化銅1kg、ニカワ4.0gを純水7Lに分散させ、容器内にて500rpmで回転させた。ここに25vol%の希硫酸2Lを瞬間的に添加し、粉末を得た。デカンテーションで十分に粉末を沈降させ、その後上澄み液を取り除き、純水を7L加え、撹拌させ、静置させた。この作業を上澄み液のpHが4を上回るまで繰り返した。
また、得られた銅粉Aの固めかさ密度を、パウダテスタPT−X(ホソカワミクロン社)を使って測定した。10ccのカップにガイドを取り付けてカップに銅粉Aを入れ、1000回タップさせた。ガイドを残して、10ccの容積を上回る部分を摺り切り、容器に入っている銅粉Aの重量を測定して求めた固めかさ密度は2.1g/cm-3であった。
5Lビーカーに純水600mL、アラビアゴム0.9gを添加し、ホットバス中の液温が70℃となるように加温した。ここに硫酸銅五水和物349gを添加し、350rpmで撹拌しながら、硫酸銅の結晶がすべて溶解したことを目視で確認した。ここにD−グルコース138.5gを添加した。ここに送液ポンプで5wt%の水酸化ナトリウム水溶液を30mL/分の速度でpH5に達するまで添加した。pHが5に達したら、スポイトで水酸化ナトリウム水溶液を滴下し、pH8.4に上昇させた。ここから液温70±2℃、pH8.5±0.1に3時間保持した。pHの調整は水酸化ナトリウム水溶液で行った。反応終了後、デカンテーション、上澄み排出、純水での洗浄を繰り返し、上澄み液のpHが8.0を下回るまで行った。遠心分離で固液分離し、含水率12%の固形分を窒素雰囲気の下、70℃で2時間にわたって乾燥し、乳棒及び乳鉢で解砕した。これにより得られた粉が亜酸化銅であることをXRDで確認した。この亜酸化銅粉aのBET比表面積及び、固めかさ密度を、上記の銅粉Aについての手順と同様にして測定した。
上記の銅粉Aの作製時と同様の手順で製粉した後、pHが4を上回るまでデカンテーションと水洗を繰り返した。pHが4を上回った後に、上澄み液を捨て、pH13のアンモニア水を7L添加し、30分撹拌させ、遠心分離で固液分離し、銅粉Aの作製時と同様の手順で乾燥、解砕して、銅粉Bを得た。この銅粉BのBET比表面積、固めかさ密度を、上記の銅粉Aについての手順と同様にして測定した。
上記の銅粉Aの作製時と同様の手順でアラビアゴムを分子量5000の豚から精製したコラーゲンペプチドとして製粉を行い、pHが4を上回るまでデカンテーションと水洗を繰り返した。pHが4を上回ったら、上澄み液を捨て、pH13のアンモニア水を7L添加し、30分撹拌させ、遠心分離で固液分離し、銅粉Aの作製時と同様の手順で乾燥、解砕し、銅粉Cを得た。この銅粉CのBET比表面積、固めかさ密度を、上記の銅粉Aについての手順と同様にして測定した。
上記の銅粉Aの作製時と同様の手順で亜酸化銅スラリーに希硫酸を添加し、粉末を得た。上澄み液のpHが4を上回るまでデカンテーションと水洗を繰り返した。pHが4を上回ったら、遠心分離で固液分離し、含水率11%の固形分を得た。銅粉Aと同様の手順で解砕まで行った。これにより得られた銅粉DのBET比表面積、固めかさ密度を、上記の銅粉Aについての手順と同様にして測定した。
亜酸化銅1kg、ニカワ4.0gを純水7Lに分散させ、容器内にて500rpmで回転させた。ここに25vol%の希硫酸2Lを50mL/分の速度で添加し、銅粉Eを得た。希硫酸の添加速度を除いて、銅粉Aの作製条件と同様とした。銅粉EのBET比表面積、固めかさ密度を、上記の銅粉Aについての手順と同様にして測定した。
5Lビーカーに純水600mL、アラビアゴム0.9gを添加し、ホットバス中の液温が70℃となるように加温した。ここに硫酸銅五水和物349gを添加し、350rpmで撹拌しながら、硫酸銅の結晶がすべて溶解したことを目視で確認した。ここにD−グルコース138.5gを添加した。ここに送液ポンプで5wt%の水酸化ナトリウム水溶液を30mL/分の速度でpH5に達するまで添加した。pHが5に達したら、スポイトで水酸化ナトリウム水溶液を滴下し、pH8.4に上昇させた。ここから液温70±2℃、pH8.5±0.1に3時間保持した。pHの調整は水酸化ナトリウム水溶液で行った。反応終了後、デカンテーション、上澄み排出、純水での洗浄を繰り返し、上澄み液のpHが8.0を下回るまで行った。遠心分離で固液分離を行い、含水率12%の固形分を得た。この固形分を5Lビーカーに純水600mLに分散させ、さらにアラビアゴム0.9gを添加し、ホットバス中の液温が70℃となるように加温した。ここに硫酸銅五水和物349gを添加し、350rpmで撹拌しながら、硫酸銅の結晶がすべて溶解したことを目視で確認した。ここにD−グルコース138.5gを添加した。ここに送液ポンプで5wt%の水酸化ナトリウム水溶液を30mL/分の速度でpH5に達するまで添加した。pHが5に達したら、スポイトで水酸化ナトリウム水溶液を滴下し、pH8.4に上昇させた。ここから液温70±2℃、pH8.5±0.1に3時間保持した。pHの調整は水酸化ナトリウム水溶液で行った。反応終了後、デカンテーション、上澄み排出、純水での洗浄を繰り返し、上澄み液のpHが8.0を下回るまで行った。遠心分離で固液分離を行い、含水率12%の固形分を窒素雰囲気の下、70℃で2時間にわたって乾燥し、乳棒及び乳鉢で解砕した。これにより得られた粉が亜酸化銅であることをXRDで確認した。この亜酸化銅粉bのBET比表面積、固めかさ密度を、上記の銅粉Aについての手順と同様にして測定した。
亜酸化銅1kg、ニカワ4.0gを純水7Lに分散させ、容器内にて500rpmで回転させた。ここに25vol%の希硫酸2Lを10mL/分の速度で添加し、銅粉Fを得た。希硫酸の添加速度を除いて、銅粉Aの作製条件と同様とした。銅粉FのBET比表面積、固めかさ密度を、上記の銅粉Aについての手順と同様にして測定した。
上述の方法により亜酸化銅粉aのスラリーを作製し、pHが8を下回るまで洗浄を行った。その後、固形分20%となるように純水を加え40℃に加温し、2時間、300rpmで撹拌した。その後、吸引ろ過によって固液分離しケーキを得た。このケーキを窒素雰囲気下で100℃で2時間乾燥した。得られた乾燥粉を乳棒乳鉢で、0.7mmの孔の篩を通るまで解砕し、ジェットミルでさらに解砕した。得られた粉はXRDで酸化銅粉であることを確認した。固めかさ密度、BET比表面積を求めた。
ジヒドロターピネオール単独、またはジヒドロターピネオール及びblaunon L 207と、アクリル樹脂ビークル(固形分35%、互応化学KFA−2000)、エチルセルロースビークル(日新化成、EC−100FTD)、エポキシ樹脂(ナガセケムテックス株式会社製、商品名:EX−214L)、レゾール型フェノール樹脂(群栄化学工業株式会社製、レヂトップPL−4348)を、表1に記載の比率となるように秤量し、自転公転ミキサーで5分撹拌した。そこに銅粉及び酸化フィラーを表1に記載の比率となるように添加し、さらに自転公転ミキサーで5分撹拌した。これにより得られた混合物を、ロールギャップを5μmとした3本ロールに5パス通し、導電性塗布材料を得た。
バインダー樹脂を添加しない組成で銅粉、亜酸化銅、溶剤を秤量し、自転公転ミキサー5分撹拌した後、3本ロールに通すと膜上に変質した。そこで、3本ロールを通さず自転公転ミキサーの撹拌で終了して、導電性塗布材料を得た。
アルカリ脱脂、酸洗、水洗の前処理を施した厚み1mmの無酸素銅板に、上記の導電性塗布材料を厚み100μm、開口部6mm×6mmのステンレスマスクで印刷し、ホットプレート上にて、100℃で3分にわたって予備加熱をした。Au層をスパッタリングで形成した5mm×5mmのSiチップを、導電性塗布材料の乾燥皮膜とAu面が接するように搭載して、0.4MPaの荷重をかけ、225℃まで窒素雰囲気で昇温し、雰囲気を入れ替え、225℃でギ酸バブリングした窒素で15分保持し、接合体を得た。この接合体の接合強度を、ボンドテスターのツールをSiチップ側面から、無酸素銅板から150μmの高さで掃引速度100μm/秒で当てることにより測定した。その結果も表1に示す。
導電性塗布材料をスライドガラス上に25μmアプリケーターで5cm/秒の速度で 印刷し、得られた皮膜を120℃、10分で乾燥させた。この乾燥皮膜の表面粗さRaをJIS B 0633:2001に従い、触式粗さ計で測定した。
ピーク面積を算出する際のバックグラウンド処理は、RIGAKU社製の統合粉末X線解析ソフトウェアPDXL2の自動処理モードにより行った。このモードを選択することで、該ソフトウェアが簡易ピークサーチを行い、ピーク部分を取り除いた後、残りのデータに対して多項式をフィッティングしてバックグラウンドを除去する。
装置:Rint 2200 Ultima(RIGAKU製)
X線:CuKα
X線出力:40kV、40mA
スキャンスピード:4°/分
ステップ幅:0.02°
スキャン範囲:20〜80°
発散スリット:2°
発散縦制限スリット:10mm
散乱スリット:2°
発光スリット:0.6mm
ピーク面積算出ソフト:PDXL2
以上より、発明例の導電性塗布材料によれば、比較的低温で加熱して接合する場合であっても、十分大きな接合強度を実現できることが解かった。
Claims (10)
- 基材への半導体素子の接合に用いる導電性塗布材料であって、
銅粉と、亜酸化銅粉および酸化銅粉のうちの少なくとも一方から構成される酸化フィラーと、非加熱硬化型樹脂と、分散媒とを含み、
前記導電性塗布材料を25μmギャップのアプリケーターを用いて5cm/秒の移動速度でスライドガラス上に塗布し、120℃で10分間乾燥させた後の皮膜のXRDにおいて、(111)面における前記銅粉に対応するピーク面積に対する、(111)面における前記酸化フィラーに対応するピーク面積の比率が0.03〜1.0であり、
25μmギャップのアプリケーターにより5cm/秒の速度で当該導電性塗布材料を塗布し、該導電性塗布材料を120℃で10分にわたって乾燥させて皮膜とし、前記皮膜を解砕して得られる乾燥粉末を2vol%H 2 残部窒素雰囲気で昇温して体積収縮率が2%になるときの温度が、350℃未満であり、
前記銅粉の固めかさ密度が、3g/cm 3 未満である導電性塗布材料。 - 導電性塗布材料であって、
銅粉と、亜酸化銅粉および酸化銅粉のうちの少なくとも一方から構成される酸化フィラーと、非加熱硬化型樹脂と、分散媒とを含み、
前記導電性塗布材料を25μmギャップのアプリケーターを用いて5cm/秒の移動速度でスライドガラス上に塗布し、120℃で10分間乾燥させた後の皮膜のXRDにおいて、(111)面における前記銅粉に対応するピーク面積に対する、(111)面における前記酸化フィラーに対応するピーク面積の比率が0.03〜1.0であり、
25μmギャップのアプリケーターにより5cm/秒の速度で当該導電性塗布材料を塗布し、該導電性塗布材料を120℃で10分にわたって乾燥させて皮膜とし、前記皮膜を解砕して得られる乾燥粉末を2vol%H2残部窒素雰囲気で昇温して体積収縮率が2%になるときの温度が、350℃未満であり、
前記銅粉の固めかさ密度が、3g/cm 3 未満である導電性塗布材料。 - 前記銅粉及び前記酸化フィラーにおける前記酸化フィラーの割合が、2.5質量%〜55質量%である、請求項1又は2に記載の導電性塗布材料。
- 前記非加熱硬化型樹脂は、セルロース系樹脂、アクリル樹脂、およびポリビニルアルコール系樹脂のうち少なくとも一種を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の導電性塗布材料。
- 当該導電性塗布材料中における前記非加熱硬化型樹脂の占める割合が、0.1質量%〜5.5質量%である請求項1〜4のいずれか一項に記載の導電性塗布材料。
- 当該導電性塗布材料中における前記銅粉及び前記酸化フィラーの占める割合が、80質量%より高く、92質量%未満である請求項1〜5のいずれか一項に記載の導電性塗布材料。
- (非加熱硬化型樹脂)/(前記銅粉及び前記酸化フィラー)の質量比率が0.0005〜0.08の範囲内であり、(分散媒)/(前記銅粉及び前記酸化フィラー)の質量比率が0.07〜0.25の範囲内である請求項1〜6のいずれか一項に記載の導電性塗布材料。
- 前記銅粉のBET比表面積が、1.0m2g-1〜10.0m2g-1である請求項1〜7のいずれか一項に記載の導電性塗布材料。
- 前記酸化フィラーのBET比表面積が、0.4m2g-1以上である請求項1〜8のいずれか一項に記載の導電性塗布材料。
- 前記分散媒は、沸点が200℃以上300℃未満の低沸点溶媒と、沸点が300℃以上の高沸点溶媒とを含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の導電性塗布材料。
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