專利名稱：導(dǎo)電接合材料、導(dǎo)體接合方法和半導(dǎo)體器件制造方法
導(dǎo)電接合材料、導(dǎo)體接合方法和半導(dǎo)體器件制造方法技術(shù)領(lǐng)域
本文所討論的實(shí)施方案涉及導(dǎo)電接合材料、通過(guò)使用導(dǎo)電接合材料來(lái)接合導(dǎo)體的 方法以及制造半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出各種導(dǎo)電接合材料作為用于接合電子部件如半導(dǎo)體元件至布線襯底如 玻璃環(huán)氧襯底的接合材料。導(dǎo)電接合材料的實(shí)例包括金屬糊料如釬料糊料。導(dǎo)電接合材料 的期望性能之一是釬料在約150°C的相對(duì)低的溫度下接合之后在后續(xù)的熱處理中不會(huì)再熔融。
具有這種性能的導(dǎo)電接合材料的一個(gè)實(shí)例是可變?nèi)埸c(diǎn)的金屬糊料。在可變?nèi)埸c(diǎn)金 屬糊料被加熱至特定溫度或者更高的溫度時(shí)，熔點(diǎn)變?yōu)楦叩臏囟取?br> [專利文件]日本公開(kāi)特許公報(bào)號(hào)2002-254194
通常，可變?nèi)埸c(diǎn)金屬糊料包含Cu顆粒，其為具有高熔點(diǎn)的金屬的顆粒。即使在可 變?nèi)埸c(diǎn)金屬糊料在加熱下熔融，Cu顆粒在可變?nèi)埸c(diǎn)金屬糊料中仍保持為不熔融的。
因此，可變?nèi)埸c(diǎn)金屬糊料的表面傾向于呈現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光澤度降低。在釬料 接合部經(jīng)過(guò)使用激光等的自動(dòng)外觀檢查時(shí)，由于這種現(xiàn)象產(chǎn)生光的反射，這使得難以進(jìn)行 自動(dòng)外觀檢查。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明內(nèi)容的一個(gè)目的是提供一種在熱熔融后可以形成令人滿意的有光澤的金 屬涂覆膜并且可以使用自動(dòng)外觀檢查系統(tǒng)進(jìn)行外觀檢查的導(dǎo)電接合材料、一種通過(guò)使用導(dǎo) 電接合材料來(lái)接合導(dǎo)體的方法以及一種制造半導(dǎo)體器件的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，導(dǎo)電接合材料包括第一金屬顆粒；平均顆粒直徑大于第 一金屬顆粒的平均顆粒直徑的第二金屬顆粒；以及平均顆粒直徑大于第一金屬顆粒的平均 顆粒直徑、相對(duì)密度大于第一金屬顆粒的相對(duì)密度且熔點(diǎn)高于第二金屬顆粒的第三金屬顆 粒。


圖1A是示出通過(guò)熱處理常規(guī)導(dǎo)電接合材料在釬焊部分的表面中形成不規(guī)則結(jié)構(gòu) (irregularity)并且其中在布線襯底和電子部件之間供給導(dǎo)電接合材料的狀態(tài)的圖。
圖1B是示出通過(guò)熱處理常規(guī)導(dǎo)電接合材料在釬焊部分的表面中形成不規(guī)則結(jié)構(gòu) 并且其中導(dǎo)電接合材料被加熱熔融的狀態(tài)的圖。
圖1C是示出通過(guò)熱處理常規(guī)導(dǎo)電接合材料在釬焊部分的表面中形成不規(guī)則結(jié)構(gòu) 并且其中形成CU-Sn金屬間化合物的狀態(tài)的圖。
圖1D是示出通過(guò)熱處理常規(guī)導(dǎo)電接合材料在釬焊部分的表面中形成不規(guī)則結(jié)構(gòu) 并且其中所述不規(guī)則結(jié)構(gòu)由保持未熔融的Cu顆粒形成的狀態(tài)的圖。
圖2A是使用常規(guī)導(dǎo)電接合材料進(jìn)行接合的釬焊部分的表面在加熱之前的照片。
圖2B是使用常規(guī)導(dǎo)電接合材料進(jìn)行接合的釬焊部分的表面在加熱之后的照片。
圖3A是示出通過(guò)使用根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)電接合材料將布線襯底和電子部件 彼此接合在加熱之前的狀態(tài)的圖。
圖3B是示出通過(guò)使用根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)電接合材料將布線襯底和電子部件 彼此接合在加熱之后的狀態(tài)的圖。
圖4A是示出通過(guò)使用根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)電接合材料將布線襯底和電子部件 彼此接合在加熱之前的狀態(tài)的圖。
圖4B是示出通過(guò)使用根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)電接合材料將布線襯底和電子部件 彼此接合在加熱之后的狀態(tài)的圖。
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圖5A是示出制造根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的步驟的一個(gè)實(shí)施例的示意 圖5B是示出制造根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的步驟的一個(gè)實(shí)施例的示意 圖5C是示出制造根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的步驟的一個(gè)實(shí)施例的示意 圖是示出制造根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的步驟的一個(gè)實(shí)施例的示意 圖5E是示出制造根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的步驟的一個(gè)實(shí)施例的示意 圖5F是示出制造根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的步驟的一個(gè)實(shí)施例的示意 圖5G是示出制造根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的步驟的一個(gè)實(shí)施例的示意圖6是示出電子部件的一個(gè)實(shí)例的圖。圖7A是通過(guò)使用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料將電子部件與布線襯底彼此接合之后 使用能量色散X射線分析儀測(cè)定Cu、Bi和Sn的分布圖像照片的示意圖。
圖7B是通過(guò)使用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料將電子部件與布線襯底彼此接合之后 使用能量色散X射線分析儀測(cè)定Cu的分布圖像照片的示意圖。
圖7C是通過(guò)使用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料將電子部件與布線襯底彼此接合之后 使用能量色散X射線分析儀測(cè)定Bi的分布圖像照片的示意圖。
圖7D是通過(guò)使用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料將電子部件與布線襯底彼此接合之后 使用能量色散X射線分析儀測(cè)定Sn的分布圖像照片的示意圖。
圖8是示出在實(shí)施例22中在熱熔融之后的表面狀態(tài)和添加的鋁顆粒的量的圖。
圖9A至圖9D是表示實(shí)施例、參考例和對(duì)比例的導(dǎo)電接合材料的組成以及外觀和 接合強(qiáng)度評(píng)價(jià)的結(jié)果的表1-1和表1-4。
圖10為表示外觀和接合強(qiáng)度評(píng)價(jià)的結(jié)果的表2。
具體實(shí)施方式
(導(dǎo)電接合材料)
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)電接合材料包括第一金屬顆粒、第二金屬顆粒、第三金屬顆粒、焊劑組分和任選的其他期望組分。
<第一金屬顆粒>
第一金屬顆粒的形狀、結(jié)構(gòu)、材料等可以是任意的，并且可以根據(jù)目的適當(dāng)?shù)剡x擇。
第一金屬顆粒的形狀的實(shí)例包括球形(globular)、類球形(spherical)和橄欖球形。第一金屬顆粒的結(jié)構(gòu)可以是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
第一金屬顆粒的實(shí)例包括由單質(zhì)金屬構(gòu)成的顆粒、由合金構(gòu)成的顆粒以及由金屬化合物構(gòu)成的顆粒。單質(zhì)金屬的實(shí)例包括鋁(相對(duì)密度2. 7)和鎵(相對(duì)密度5. 9)。
合金的實(shí)例包括Sn-Al合金、Sn-1n合金和Sn-Bi合金。這些可以單獨(dú)使用或組合使用。Sn-Al合金的一個(gè)實(shí)例是Sn-55A1合金，其包含作為主要成分的Sn和量為約55質(zhì)量％的八1。Sn-1n合金的一個(gè)實(shí)例是Sn-5In合金，其包含作為主要成分的Sn和量為約5 質(zhì)量％的In。Sn-Bi合金的一個(gè)實(shí)例是Sn_5Bi合金，其包含作為主要成分的Sn和量為約 5質(zhì)量％的扮。
金屬化合物的實(shí)例包括SnCl2、Snfc、AgCl、AgBr、Ag1、AgNO3和A1C13。這些可以單獨(dú)使用或者組合使用。金屬化合物在接合(釬焊)期間具有活化效果，并且由于導(dǎo)電接合材料的氧化物涂覆膜的去除而導(dǎo)致金屬組分(Ag)沉淀，如下面的反應(yīng)式所示
Sn+2AgCl — SnCl2+2Ag (沉淀)
第一金屬顆粒的平均顆粒直徑小于第二和第三金屬顆粒的平均顆粒直徑，并且優(yōu)選地為Iym以下并且更優(yōu)選地為O. 01 μ m至O. 5 μ m。在第一金屬顆粒的平均顆粒直徑大于第二和第三金屬顆粒的平均顆粒直徑時(shí)，在熱熔融期間，第一金屬顆粒不能浮在釬焊部分的表面中，并且在熱熔融之后在導(dǎo)電接合材料的表面中出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，從而可能無(wú)法形成具有令人滿意的光澤的金屬涂覆膜。平均顆粒直徑可以利用激光衍射散射技術(shù)使用顆粒尺寸分布分析儀進(jìn)行測(cè)定。
第一金屬顆粒的相對(duì)密度小于第三金屬顆粒的相對(duì)密度，并且優(yōu)選地為2. O以上且6. O以下。在第一金屬顆粒的相對(duì)密度大于第三金屬顆粒的相對(duì)密度時(shí)，在熱熔融期間， 第一金屬顆粒不浮在釬焊部分的表面中，并且在熱熔融之后在導(dǎo)電接合材料的表面中出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，從而可能無(wú)法形成具有令人滿意的光澤的金屬涂覆膜。在相對(duì)密度超過(guò)6. O 時(shí)，難以使用自動(dòng)外觀檢查機(jī)器。相對(duì)密度可以通過(guò)例如量綱法(dimension method)或阿基米德法來(lái)進(jìn)行測(cè)定。
第一金屬顆粒的熔點(diǎn)優(yōu)選地低于第三金屬顆粒的熔點(diǎn)，并且更優(yōu)選地為29°C至 700°C，并且還更優(yōu)選地為100°C至670°C。在第一金屬顆粒的熔點(diǎn)高于第三金屬顆粒的熔點(diǎn)時(shí)，在熱熔融期間難以熱熔融第一金屬顆粒，第一金屬顆粒不浮在釬焊部分的表面中，并且在熱熔融之后在導(dǎo)電接合材料的表面中出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，從而可能無(wú)法形成具有令人滿意的光澤的金屬涂覆膜。熔點(diǎn)可以通過(guò)例如差示掃描量熱法(DSC)來(lái)進(jìn)行測(cè)定。
第一金屬顆粒相對(duì)于導(dǎo)電接合材料中的所有金屬組分的含量?jī)?yōu)選地為1. 5質(zhì)量％至20質(zhì)量％,并且更優(yōu)選地為2. 5質(zhì)量％至15質(zhì)量％。在第一金屬顆粒的含量小于 1.5質(zhì)量％時(shí)，在熱熔融之后在導(dǎo)電接合材料的表面中出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)并且未形成具有令人滿意的光澤的金屬涂覆膜。在第一金屬顆粒的含量超過(guò)20質(zhì)量％時(shí)，第一金屬顆粒的數(shù)量不期望地高，并且接合強(qiáng)度可降低。第一金屬顆粒可以是任何顆粒并且可以制造或購(gòu)買(mǎi)。 制造第一金屬顆粒的方法的一個(gè)實(shí)例為通過(guò)粉化法的粉末化。
<第二金屬顆粒>
第二金屬顆粒的形狀、結(jié)構(gòu)、材料等可以是任意的，并且可以根據(jù)目的適當(dāng)?shù)剡x擇，只要平均顆粒直徑大于第一金屬顆粒的平均顆粒直徑即可。第二金屬顆粒的形狀的實(shí)例包括球形、類球形和橄欖球形狀。第二金屬顆粒的結(jié)構(gòu)可以是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
第二金屬顆粒的實(shí)例包括錫(Sn)顆粒、錫(Sn)-鉍(Bi)合金顆粒、錫(Sn)-鉍 (Bi)-銀(Ag)合金顆粒和錫(Sn)-銦(In)合金顆粒。這些可以單獨(dú)使用或組合使用。Sn-Bi 的一個(gè)實(shí)例是Sn-58Bi合金，其包含作為主要成分的Sn和量為約58質(zhì)量％的Bi。Sn-B1-Ag 合金的實(shí)例為Sn-57B1-lAg合金，其包含作為主要成分的Sn、量為約57質(zhì)量％的Bi和量為約I質(zhì)量％的八8。Sn-1n合金的一個(gè)實(shí)例是Sn-50In合金，其包含作為主要成分的Sn和量為約50質(zhì)量％的In。
第二金屬顆粒的平均顆粒直徑大于第一金屬顆粒的平均顆粒直徑，并且與第三金屬顆粒的平均顆粒直徑大致相同，并且優(yōu)選地為10 μ m以上,更優(yōu)選地為10 μ m至100 μ m, 并且還更優(yōu)選地為10 μ m至40 μ m。在平均顆粒直徑小于10 μ m時(shí)，表面氧化變得顯著并且釬料的可焊性和可潤(rùn)濕性降低。相反，在平均顆粒直徑超過(guò)100 μ m時(shí)，可印刷性和分散性能可降低。平均顆粒直徑可以利用使用激光衍射散射技術(shù)的顆粒尺寸分布分析儀進(jìn)行測(cè)定。
第二金屬顆粒的相對(duì)密度優(yōu)選地為3. 5至11. 0，并且更優(yōu)選地為4.0至7.0。相對(duì)密度可以通過(guò)例如量綱法或阿基米德法來(lái)進(jìn)行測(cè)定。
第二金屬顆粒的熔點(diǎn)優(yōu)選地為300°C以下，并且更優(yōu)選地為100°C至250°C。在熔點(diǎn)高于300°C時(shí)，在后續(xù)步驟中進(jìn)行的在約240°C下的熱處理期間釬料的再熔融變得難以抑制，并且接合的質(zhì)量變得難以確保。熔點(diǎn)可以通過(guò)例如DSC進(jìn)行測(cè)定。
第二金屬顆粒相對(duì)于所有金屬組分的含量?jī)?yōu)選為50質(zhì)量％至90質(zhì)量并且更優(yōu)選地為55質(zhì)量％至65質(zhì)量％。第二金屬顆?？梢允侨我獾模⑶铱梢灾圃旎蛸?gòu)買(mǎi)。制造第二金屬顆粒的方法的一個(gè)實(shí)例為通過(guò)粉化法的粉末化。
<第三金屬顆粒>
第三金屬顆粒的形狀、結(jié)構(gòu)、材料等可以是任意的，并且可以根據(jù)目的適當(dāng)?shù)剡x擇，只要平均顆粒直徑大于第一金屬顆粒的平均顆粒直徑、相對(duì)密度大于第一金屬顆粒的相對(duì)密度并且熔點(diǎn)高于第二金屬顆粒的熔點(diǎn)即可。第三金屬顆粒的形狀的實(shí)例包括球形、 類球形和橄欖球形狀。第三金屬顆粒的結(jié)構(gòu)可以是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
第三金屬顆粒的實(shí)例包括金(Au)顆粒、銀(Ag)顆粒、銅(Cu)顆粒、鍍金(Au)的銅(Cu)顆粒、鍍錫(Sn)-鉍(Bi)合金的銅(Cu)顆粒和鍍銀(Ag)的銅(Cu)顆粒。這些可以單獨(dú)使用或者組合使用。鍍Sn-Bi合金的Cu顆粒的一個(gè)實(shí)例包括鍍Sn-58Bi合金的Cu 顆粒。用于形成鍍Au的Cu顆粒、鍍Sn-Bi合金的Cu顆粒和鍍Ag的Cu顆粒的鍍覆方法可以是任意的，并且可以根據(jù)目的適合地選擇。鍍覆方法的一個(gè)實(shí)例是化學(xué)鍍覆。
第三金屬顆粒的顆粒直徑大于第一金屬顆粒的顆粒直徑，并且與第二金屬顆粒的顆粒直徑大致相同，并且優(yōu)選地為10 μ m以上，更優(yōu)選地為10 μ m至100 μ m,并且還更優(yōu)選地為10 μ m至40 μ m。在平均顆粒直徑小于IOym時(shí)，表面氧化變得顯著并且釬料的可焊性和可潤(rùn)濕性降低。相反，在平均顆粒直徑超過(guò)100 μ m時(shí)，可印刷性和分散性能可降低。平均顆粒直徑可以利用使用激光衍射散射技術(shù)的顆粒尺寸分布分析儀進(jìn)行測(cè)定。
第三金屬顆粒的相對(duì)密度大于第一金屬顆粒的相對(duì)密度并且優(yōu)選地為8. O以上， 并且更優(yōu)選地為8. 9至19. 3。在相對(duì)密度小于8. O時(shí)，第一金屬顆粒和第三金屬顆粒之間的相對(duì)密度的差異減小，在熱熔融之后在導(dǎo)電接合材料的表面中出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，并且未形成具有令人滿意的光澤的金屬涂覆膜。相對(duì)密度可以通過(guò)例如量綱法或阿基米德法來(lái)進(jìn)行測(cè)定。
第三金屬顆粒的熔點(diǎn)高于第二金屬顆粒的熔點(diǎn)，并且優(yōu)選地為900°C以上，并且更優(yōu)選地為900°C至1100°C。在熔點(diǎn)小于900°C時(shí)，第三金屬顆粒與第二金屬顆粒形成低熔點(diǎn)合金，并且可以導(dǎo)致再熔融。熔點(diǎn)可以通過(guò)例如DSC進(jìn)行測(cè)定。
第三金屬顆粒相對(duì)于所有金屬組分的含量?jī)?yōu)選地為10質(zhì)量％至50質(zhì)量％，并且更優(yōu)選地為10質(zhì)量％至30質(zhì)量％。第三金屬顆粒可以是任意的，并且可以制造或購(gòu)買(mǎi)。制造第三金屬顆粒的方法的一個(gè)實(shí)例是通過(guò)粉化法的粉末化。
〈焊劑組分〉
焊劑組分可以是任意的，并且可以根據(jù)目的進(jìn)行合適選擇。焊劑組分優(yōu)選地為環(huán)氧基焊劑材料、松香基焊劑材料或它們的混合物。其中，環(huán)氧基焊劑材料特別優(yōu)選用于改善由于環(huán)氧樹(shù)脂的固化而產(chǎn)生的接合強(qiáng)度。
環(huán)氧基焊劑材料
環(huán)氧基焊劑材料包含環(huán)氧樹(shù)脂、羧酸、溶劑和其他任選的組分。
環(huán)氧樹(shù)脂可以是任意的，并且可以根據(jù)目的進(jìn)行合適選擇。它們的實(shí)例包括熱固性環(huán)氧樹(shù)脂例如雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂、雙酚F環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛清漆環(huán)氧樹(shù)脂和它們的改性形式。 這些可以單獨(dú)使用或組合使用。
羧酸可以是任意的并且可以根據(jù)目的進(jìn)行合適選擇。它們的實(shí)例包括飽和脂肪族二羧酸、不飽和脂肪族二羧酸、環(huán)狀脂肪族二羧酸、含氨基的羧酸、含羥基的羧酸、雜環(huán)二羧酸以及它們的混合物。特別地，在這些中，琥珀酸、戊二酸、己二酸、壬二酸、十二烷酸、衣康酸、中康酸、環(huán)丁烷二羧酸、L-谷氨酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸、巰基丙酸、疏基二丁酸，并且二硫代乙醇酸是優(yōu)選的。溶劑的實(shí)例包括醇，如甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇基溶劑、二乙二醇單己醚和辛二醇。作為任選的組分，也可以含有添加劑，如觸變劑、螯合劑、表面活性劑和抗氧化劑。環(huán)氧樹(shù)脂基焊劑材料可以是任意的并且可以合成或購(gòu)買(mǎi)。
松香基焊劑材料
松香基焊劑材料包含松香樹(shù)脂、活化劑、溶劑和其他任選的組分。
松香樹(shù)脂的實(shí)例包括那些主要由天然松香樹(shù)脂或改性松香樹(shù)脂構(gòu)成的那些。改性松香樹(shù)脂的實(shí)例包括聚合松香、氫化松香、酚樹(shù)脂-改性的松香和馬來(lái)酸改性的松香?；罨瘎┑膶?shí)例包括無(wú)機(jī)活化劑和有機(jī)活化劑，例如，齒素基活化劑，如胺鹽酸鹽和有機(jī)酸基的活化劑。溶劑的實(shí)例包括乙二醇基溶劑、二乙二醇單己醚和辛二醇。作為任選的組分，也可以含有添加劑，如觸變劑、螯合劑、表面活性劑和抗氧化劑。松香基焊劑材料可以是任意的并且可以合成或購(gòu)買(mǎi)。
在導(dǎo)電接合材料 中的焊劑組分的含量?jī)?yōu)選為5質(zhì)量％至50質(zhì)量％并且優(yōu)選地為10質(zhì)量％至30質(zhì)量％。
〈其他任選組分〉
導(dǎo)電接合材料可以包含除了上述的金屬組分和焊劑組分之外的其他任選組分。任 選組分的實(shí)例包括分散劑和抗氧化劑。
本實(shí)施方案的導(dǎo)電接合材料是通過(guò)將包括第一金屬顆粒、第二金屬顆粒和第三金 屬顆粒的金屬組分、焊劑組分和任選組分的混合而制備的?；旌系姆椒ê蜅l件可以是任意 的，并且可以通過(guò)使用已知的混合機(jī)或攪拌機(jī)根據(jù)目的進(jìn)行合適選擇。混合優(yōu)選地在非氧 化性的氣氛中均勻地進(jìn)行。
相關(guān)技術(shù)的導(dǎo)電接合材料在熱熔融過(guò)程中具有低的粘結(jié)性，并且在表面中具有不 規(guī)則結(jié)構(gòu)。由于導(dǎo)電接合材料的表面在熱處理之后具有低光澤度，所以難以使用自動(dòng)外觀 檢查系統(tǒng)確定接合是否實(shí)現(xiàn)(加熱歷史的存在或不存在)。
參照?qǐng)D1A至圖1D，描述由于熱處理常規(guī)導(dǎo)電接合材料而在釬料部分的表面中形 成不規(guī)則結(jié)構(gòu)的機(jī)理。圖1A是示出在布線襯底和電子部件之間供給導(dǎo)電接合材料的狀態(tài) 的圖。圖1B是示出熱熔融狀態(tài)的導(dǎo)電接合材料的圖。圖1C是示出Cu-Sn金屬間化合物的 形成的圖。圖1D是示出由于保持未熔融的Cu顆粒而在表面中出現(xiàn)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。
如圖1A至圖1D所示，在將電子部件12接合至布線襯底11的過(guò)程中的熱熔融期 間，作為導(dǎo)電接合材料10中的高熔點(diǎn)金屬顆粒I的Cu顆粒形成Cu-Sn基金屬間化合物 5(高熔點(diǎn))。然而，由于釬料的可潤(rùn)濕性和由于釬料顆粒(即低熔點(diǎn)金屬顆粒2)的液化產(chǎn) 生的粘結(jié)作用，所以保持未熔融的高熔點(diǎn)金屬顆粒I傾向于浮在釬焊部分的表面中。由于 保持在釬焊部分的表面中的未熔融的高熔點(diǎn)金屬顆粒1，所以出現(xiàn)顯著的不規(guī)則結(jié)構(gòu)并且 光澤度降低。
這也可以由圖2A和圖2B證實(shí)。圖2A是釬焊部分的表面在加熱之前的照片。圖 2B是釬焊部分的表面在加熱之后的照片。相關(guān)領(lǐng)域的導(dǎo)電接合材料10在表面中具有不規(guī) 則結(jié)構(gòu)和低光澤度，并且在加熱之前和之后不呈現(xiàn)顯著的變化。因此，在釬焊部分通過(guò)使用 光(激光束等)進(jìn)行自動(dòng)外觀檢查時(shí)，發(fā)生光的漫反射，從而使得難以進(jìn)行自動(dòng)外觀檢查。 在圖2A和圖2B中，由11代表的組分是布線襯底，并且由12代表的組分是電子部件。
如果在使用可變?nèi)埸c(diǎn)金屬糊料釬焊期間，不能適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行熱處理，則電子部件和 布線襯底之間的電子連接以及機(jī)械強(qiáng)度不能可靠實(shí)現(xiàn)，并且因此難以制造。釬焊通常使用 稱為回流爐的加熱設(shè)備進(jìn)行。然而，回流爐內(nèi)的溫度不穩(wěn)定，并且由于受熱不充分而導(dǎo)致在 釬焊部分中產(chǎn)生缺陷。因此，使用自動(dòng)外觀檢查系統(tǒng)來(lái)檢查穿過(guò)回流爐之后的導(dǎo)電接合材 料的表面中是否存在光澤，以選出受熱不充分的產(chǎn)品，并且標(biāo)記受熱不充分的部分。
近來(lái)的表面安裝器件傾向于使用超小尺寸部件例如0402尺寸芯片器件(L: O. 4mm X W :0. 2mm X D :0. 2mm)。因此,使用顯微鏡通過(guò)人眼進(jìn)行視覺(jué)外觀檢查不能滿足在品 質(zhì)(缺陷監(jiān)督)、時(shí)間和成本的方面的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此期望使用自動(dòng)外觀檢查系統(tǒng)的檢查。
由于具有小直徑和低相對(duì)密度的第一金屬顆粒在熱熔融期間浮在釬焊部分的表 面中，并且在熱熔融之后在導(dǎo)電接合材料的表面中產(chǎn)生較少不規(guī)則結(jié)構(gòu)，所以本實(shí)施方案 的導(dǎo)電接合材料形成具有滿意光澤的金屬涂覆膜。結(jié)果，在布線襯底和電子部件之間的釬 焊部分的自動(dòng)外觀檢查期間的光的漫反射得到抑制并且可以容易地利用自動(dòng)外觀檢查系 統(tǒng)。因此，導(dǎo)電接合材料可以用于使用導(dǎo)電接合材料的各個(gè)領(lǐng)域。導(dǎo)電接合材料特別適合用于如下所述的實(shí)施方案的導(dǎo)體接合方法和半導(dǎo)體制造方法。
(導(dǎo)體接合方法)
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)體接合方法包括供給導(dǎo)電接合材料的步驟、接合步驟和任選的其他步驟。
<供給導(dǎo)電接合材料的步驟>
供給導(dǎo)電接合材料的步驟是將一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)電接合材料供給至布線襯底的電極、電子部件的端子或者二者的步驟。
布線襯底>>
布線襯底的形狀、尺寸等可以是任意的，并且可以根據(jù)目的適當(dāng)?shù)剡x擇。形狀的一個(gè)實(shí)例是板狀。該結(jié)構(gòu)可以是單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。尺寸可以是根據(jù)電極等進(jìn)行選擇。
用于布線襯底的實(shí)例包括玻璃襯底、石英襯底、硅襯底和涂覆有SiO2膜的硅襯底； 以及聚合物襯底如環(huán)氧樹(shù)脂襯底、酚樹(shù)脂襯底、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯襯底、聚碳酸酯襯底、聚苯乙烯襯底和聚甲基丙烯酸甲酯襯底。這些可以單獨(dú)使用或組合使用。在這些襯底中，襯底優(yōu)選選自玻璃襯底、石英襯底、硅襯底以及涂覆有SiO2膜的硅襯底。特別地，優(yōu)選硅襯底和涂覆有SiO2膜的硅襯底。
襯底可以制造或購(gòu)買(mǎi)。襯底的厚度可以是任意的并且可以根據(jù)目的進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡x擇。厚度優(yōu)選地為100 μ m以上并且更優(yōu)選地為500 μ m以上。布線襯底的尺寸可以是任意的并且可以根據(jù)目的進(jìn)行選擇。例如，襯底可以具有IOmm至200mm的長(zhǎng)度、IOmm至200mm 的寬度和O. 5mm至5mm的厚度。
使用其中形成有布線圖案的布線電路板作為布線襯底。電路板可以是單層電路板 (單層印刷電路板)或多層電路板(多層印刷電路板)。
構(gòu)成電路基板的電極的金屬的實(shí)例包括Cu、Ag、Au、N1、Sn、Al、T1、Pd和Si。其中，特別優(yōu)選Cu、Ag和Au。這些金屬可以可通過(guò)任意各種工藝(如鍍覆和接合)形成為在布線襯底上的電極金屬的表面部分。在將導(dǎo)電接合材料施加到布線襯底上的電極金屬時(shí)， 通常對(duì)襯底上的電極金屬進(jìn)行表面涂覆處理，以改善導(dǎo)電接合材料和布線襯底上的電極金屬之間的連接。例如，在使用銅電極時(shí)，在電極上形成通過(guò)鍍覆形成的Sn、Au、Ni等的薄膜， 特別地，除了 Au之外的上述其它金屬優(yōu)選使用焊劑等進(jìn)行表面處理或者在施加釬料糊料之前進(jìn)行預(yù)先焊劑涂覆，然后優(yōu)選進(jìn)行各種金屬鍍覆、釬料涂覆等，原因是這些金屬具有可容易氧化的表面。
〈〈電子部件》
電子部件可以是具有端子的任何電子部件，并且可以根據(jù)目的進(jìn)行合適選擇。電子部件的實(shí)例包括芯片組件和半導(dǎo)體組件。
芯片組件可以是任意的，并且可以根據(jù)目的進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡x擇。它們的實(shí)例包括電容器和電阻器。
半導(dǎo)體組件可以是任意的，并且可以根據(jù)目的進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡x擇。它們的實(shí)例包括集成電路、大規(guī)模集成電路、晶體管、晶閘管和二極管。
電子部件的尺寸可以是任意的，并且可以根據(jù)目的進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡x擇。它們的實(shí)例包括 1608 型(1. 6mmXO. 8mmX0. 8mm)部件、1005 型(lmmXO. 5mmXO. 5mm)部件、0603 型 (O. 6mm X O. 3mm X O. 3mm)部件和 0402 型(0. 4mm X O. 2mm X O. 2mm)部件。
端子 >>
端子可以是任意的，并且可以根據(jù)目的進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡x擇。它們的實(shí)例包括導(dǎo)線、金屬導(dǎo)線和由導(dǎo)電糊料形成的印刷導(dǎo)線。
端子的材料可以是任意的，并且可以根據(jù)目的進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡x擇。它們的實(shí)例包括金屬例如Cu、N1、Au、Al、Mo和Cr，金屬氧化物如ITO和ΙΖ0，以及包括這些金屬和/或金屬氧化物的層疊體或復(fù)合體。
-供給方法-
供給導(dǎo)電接合材料的方法可以是任何方法，只要導(dǎo)電接合材料可以施加特定厚度或特定涂覆量并且可以根據(jù)目的進(jìn)行適當(dāng)?shù)剡x擇即可。該方法的實(shí)例包括絲網(wǎng)印刷、轉(zhuǎn)移印刷、點(diǎn)膠機(jī)排出(dispenser discharging)和噴墨方法。
在絲網(wǎng)印刷中，可以使用運(yùn)用掩模板的印刷機(jī)。常規(guī)印刷機(jī)包括用于固定布線襯底或電子部件的裝置、用于對(duì)準(zhǔn)金屬掩模和襯底的電極或電子部件的端子的裝置、以及用于使掩模板和布線襯底或電子部件進(jìn)行壓力接觸并且通過(guò)使用涂刮器將導(dǎo)電接合材料從掩模上通過(guò)掩模開(kāi)口施加到布線襯底的電極上或施加到在掩模下的電子部件的端子上的印刷裝置。掩模板可以是由各種材料如網(wǎng)型或金屬型掩模板制成。由于金屬型掩模板與各種各樣的顆粒尺寸相容并且在工藝期間易于清潔，所以金屬型掩模板得到廣泛使用。
轉(zhuǎn)移印刷是將特定量的導(dǎo)電性接合材料分配到電極的布線襯底或電子部件的端子的方法，并且包括通過(guò)使用具有特定間隙的涂刮器，以特定的厚度形成導(dǎo)電接合材料的固體涂覆膜，通過(guò)使用沖壓機(jī)沖切涂覆膜，并且將該沖切的膜沖壓到襯底的電極或電子部件的端子上。轉(zhuǎn)移印刷使用特殊的轉(zhuǎn)移印刷機(jī)。轉(zhuǎn)移印刷機(jī)配備有用于通過(guò)涂覆形成固體涂覆膜的涂覆裝置、用于固定布線襯底和對(duì)準(zhǔn)布線襯底的電極的裝置、以及用于三維方向驅(qū)動(dòng)沖壓機(jī)并進(jìn)行沖切和轉(zhuǎn)移壓印的裝置。在轉(zhuǎn)移印刷中的涂覆量比在絲網(wǎng)印刷中傾向于變化，因此期望謹(jǐn)慎以用于連續(xù)操作例如清洗和管理沖壓機(jī)。因此，絲網(wǎng)印刷是主流的印刷方法。
點(diǎn)膠機(jī)排出是將特定量的導(dǎo)電接合材料排出到布線襯底上的電極上或電子部件的端子上的方法并且使用點(diǎn)膠機(jī)。點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)造為通過(guò)對(duì)注射器中的導(dǎo)電接合材料施加所需壓力，從注射器的尖端處的針中推出特定量的導(dǎo)電接合材料。點(diǎn)膠機(jī)三維地驅(qū)動(dòng)注射器，確定布線襯底上的電極部分的位置，并將所需量的導(dǎo)電接合材料排出到電極上。由于導(dǎo)電接合材料通過(guò)針排出，所以施加的糊料不如通過(guò)絲網(wǎng)印刷形成的糊料薄。然而，在這個(gè)過(guò)程中的糊料損失小，并且排出的糊料的量或排出的位置可通過(guò)調(diào)整程序而改變。因此，點(diǎn)膠機(jī)排出可以用于將導(dǎo)電接合材料施加到具有階梯和不規(guī)則結(jié)構(gòu)因而不適于用于印刷的掩模板以進(jìn)行壓力接觸的電子部件和布線襯底上。
噴墨方法是用于將導(dǎo)電接合材料施加到布線襯底的電極或電子部件的端子上的方法，并且包括從細(xì)噴嘴中排出導(dǎo)電接合材料。
〈接合步驟〉
接合步驟是通過(guò)加熱所施加的導(dǎo)電接合材料到超過(guò)第二金屬顆粒的熔點(diǎn)的溫度來(lái)使布線襯底和電子部件接合的步驟。
接合步驟是在將電子部件或布線襯底置于供給至布線襯底的電極或電子部件的端子的熔融接合的導(dǎo)電接合材料上時(shí)施加特定溫度的步驟。通常使用具有適于釬料熱處理的爐、高溫容器等的回流設(shè)備。
使用回流設(shè)備的回流熱處理中的加熱方法的主流方法是施加如紅外線或熱空氣。 在回流熱處理期間，爐中的氣氛可以是空氣或氮?dú)?。為了抑制因氧化而使電子部件和釬焊部分劣化，在近來(lái)的高密度精密裝備中經(jīng)常使用氮?dú)夥铡?br> 熱處理優(yōu)選地在超過(guò)第二金屬顆粒的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行10到120分鐘。如果熱處理在等于或小于第二金屬顆粒熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，則第二金屬顆粒不能轉(zhuǎn)變成液相并且第三金屬顆粒的分散不能平穩(wěn)地進(jìn)行。
熱處理的溫度取決于第二金屬顆粒的熔點(diǎn)并且可以適當(dāng)?shù)剡x擇，但優(yōu)選地高于 300°C。熱處理可以在空氣中進(jìn)行，但優(yōu)選地在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行。
[58]圖3A和3B各自為不出通過(guò)使用一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)電接合材料接合導(dǎo)體的方法的示意圖。
圖3A示出加熱前的狀態(tài)和圖3B示出加熱后的狀態(tài)。因?yàn)榈谝唤饘兕w粒(Al顆粒)101具有小的直徑和小的相對(duì)密度，所以第一金屬顆粒101在熱熔融期間聚集在釬焊部分的表面并在導(dǎo)電接合材料100的表面形成具有滿意光澤的金屬涂覆膜。由于熔融期間的熱能，第二金屬顆粒(Sn-58Bi合金顆粒)102中的Sn和第三金屬顆粒(Cu顆粒)103中的 Cu形成Cu-Sn合金105，并且已經(jīng)變成單一元素的鉍(Bi) 104在表面中析出。具有大的直徑和大的相對(duì)密度的第三金屬顆粒(Cu顆粒)103在布線襯底11和電子部件12之間沉降并變?nèi)廴?，從而產(chǎn)生導(dǎo)電性。
[59]圖4A和4B各自為示出通過(guò)使用根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)電接合材料接合導(dǎo)體的方法的示意圖。
圖4A示出加熱前的狀態(tài)和圖4B示出加熱后的狀態(tài)。因?yàn)榈谝唤饘兕w粒(本實(shí)例中為AgCl顆粒)101具有小的直徑和小的相對(duì)密度，所以第一金屬顆粒101在熱熔融期間聚集在釬焊部分的表面中并在導(dǎo)電接合材料100的表面上形成具有滿意光澤的金屬涂覆膜。第一金屬顆粒(AgCl顆粒)101在釬焊期間還具有活化作用。在導(dǎo)電接合材料100的氧化涂覆膜被移除時(shí)，發(fā)生金屬組分(Ag) 106的沉淀(參考以下反應(yīng)式)。另外，第二金屬顆粒(Sn-58Bi合金顆粒)102中的Sn和第三金屬顆粒(Cu顆粒)103中的Cu形成Cu-Sn 合金105。具有大的直徑和大的相對(duì)密度的第三金屬顆粒(Cu顆粒)103在布線襯底11和電子部件12之間沉降并變?nèi)廴?，從而產(chǎn)生導(dǎo)電性。
Sn+2AgCl — SnCl2+2Ag (沉淀)
回流加熱由于熱而流出
[60](半導(dǎo)體器件制造方法)
根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件制造方法包括上述的導(dǎo)體接合步驟和其它任選步驟。
導(dǎo)體接合步驟可以以與根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)體接合方法相同的方式進(jìn)行。
[61]任選步驟可以是任何步驟并且可以是根據(jù)目的恰當(dāng)選擇的步驟。任選步驟的實(shí)例包括圖案化金屬線的步驟和形成絕緣膜的步驟。
[62]圖5A至5G為示出制造根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的步驟的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
參照?qǐng)D5A，制備具有電極焊墊21的布線襯底20。
參照?qǐng)D5B，通過(guò)印刷將一個(gè)實(shí)施方案的導(dǎo)電接合材料22涂覆于布線襯底20并置于部分電極焊墊21上。印刷方法可以是任何方法并且可以根據(jù)目適合選擇。印刷方法的一個(gè)實(shí)例是絲網(wǎng)印刷方法。
參照?qǐng)D5C，在電極焊墊21上設(shè)置電子部件23。
參照?qǐng)D進(jìn)行一次回流加熱以釬焊電子部件23。
參照?qǐng)D5E，安裝任選的電子部件23a，安裝導(dǎo)線24，并在期望時(shí)進(jìn)行成形。
參照?qǐng)D5F，提供密封樹(shù)脂25用于密封。結(jié)果，例如安裝了圖6示出的電子部件 (0603型芯片)30。圖6中的電子部件30包含表面安裝器件(SMD)芯片31和晶片級(jí)封裝 (WLP) 320密封樹(shù)脂可以是覆蓋該部件的任何樹(shù)脂并且可以是根據(jù)目的適合地選。密封樹(shù)脂的實(shí)例包括熱固性樹(shù)脂如酚樹(shù)脂、三聚氰胺樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂和聚酯樹(shù)脂。
參照?qǐng)D5G，制備具有引線端子27的印刷襯底26，并通過(guò)使用絲網(wǎng)印刷在印刷襯底 26上涂覆釬料糊料將釬料28置于引線端子27上。然后將電子部件的導(dǎo)線24置于印刷襯底26上的引線端子27上，并且進(jìn)行二次回流加熱以將電子部件釬焊至印刷襯底26上。結(jié)果，制造了半導(dǎo)體器件。
[63]根據(jù)本實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件制造方法，可以以較高的效率制造各種半導(dǎo)體器件如閃存、DRAM和FRAM。
[實(shí)施例][64]以下通過(guò)使用實(shí)施例更具體地描述實(shí)施方案，這些實(shí)施例不以任何方式限制實(shí)施方案的范圍。
在實(shí)施例中，金屬顆粒的平均直徑、金屬顆粒的相對(duì)密度和金屬顆粒的熔點(diǎn)如下所述進(jìn)行測(cè)量。
[65]〈金屬顆粒的平均直徑的測(cè)量>
使用粒度分布分析儀(激光衍射型粒度分布測(cè)量?jī)x器，由SHIMADZU Corporation 制造的SALD-3100)，通過(guò)將金屬顆粒在氣相中分散、施用紅色半導(dǎo)體激光束、與參照模式對(duì)比分析輸入光檢測(cè)器的顆粒衍射光圖案和散射光圖案、測(cè)定顆粒直徑和計(jì)數(shù)數(shù)目以及計(jì)算平均顆粒直徑來(lái)測(cè)量金屬顆粒的平均直徑。
[66]〈金屬顆粒的相對(duì)密度的測(cè)量〉
通過(guò)量綱方法使用游標(biāo)卡尺和天平測(cè)量金屬顆粒的相對(duì)密度。
[67]〈金屬顆粒熔點(diǎn)的測(cè)量〉
以O(shè). 5°C/秒的溫度梯度通過(guò)差示掃描量熱法(DSC)(由Seiko Instruments Inc. 制造的DSC 6200)測(cè)量金屬顆粒的熔點(diǎn)。
[68](實(shí)施例1)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
(I)金屬組分85質(zhì)量％
第一金屬顆粒(鋁(Al)顆粒，平均直徑1μπι，相對(duì)密度2. 72，熔點(diǎn)660°C ) 10質(zhì)量％
第二金屬顆粒(Sn_58Bi合金顆粒，平均直徑10μπι，相對(duì)密度8. 13，熔點(diǎn) 1390C ) :45 質(zhì)量％
第三金屬顆粒(Cu顆粒，平均直徑10 μ m，相對(duì)密度8. 96，熔點(diǎn)1084°C ) :45質(zhì)
(2)焊劑組分15質(zhì)量％
松香(由Matsuo Handa Co.，Ltd.制造的MHK37-BZ) 50質(zhì)量％有機(jī)溶劑(基于乙二醇的溶劑)50質(zhì)量％
[69](實(shí)施例 2)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例2的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(Sn-55A1合金顆粒，平均直徑1μπι，相對(duì)密度4. 10，熔點(diǎn) 600 0C )
[70](實(shí)施例 3)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例3的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(Sn-5In合金顆粒，平均直徑1 μ m，相對(duì)密度5· 89，熔點(diǎn)200°C )
[71](實(shí)施例 4)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(Sn_5Bi合金顆粒，平均直徑1 μ m，相對(duì)密度6. 02，熔點(diǎn)200°C )
[72](實(shí)施例 5)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例5的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(SnCl2顆粒，平均直徑1μπι，相對(duì)密度3. 95，熔點(diǎn)246°C )
[73](實(shí)施例 6)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例6的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(SnBr2顆粒，平均直徑1μπι，相對(duì)密度5. 12，熔點(diǎn)215°C )
[74](實(shí)施例 7)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例7的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(AgCl顆粒，平均直徑1 μ m，相對(duì)密度5· 56，熔點(diǎn)455°C )
[75](實(shí)施例 8)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例8的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(AgBr顆粒，平均直徑1 μ m，相對(duì)密度6· 47，熔點(diǎn)432°C )
[76](實(shí)施例 9)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例9的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(AgI顆粒，平均直徑1μπι，相對(duì)密度5. 68，熔點(diǎn)552°C )
[77](實(shí)施例 10)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例10的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(AgNO3顆粒，平均直徑1 μ m，相對(duì)密度4. 35，熔點(diǎn)212°C )
[78](實(shí)施例 11)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例11的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(Sn_5In合金顆粒，平均直徑1μπι，相對(duì)密度5· 89，熔點(diǎn) 2000C ) :5 質(zhì)量％
第一金屬顆粒(Sn_5Bi合金顆粒，平均直徑1μπι，相對(duì)密度6· 02，熔點(diǎn) 2000C ) :5 質(zhì)量％
[79](實(shí)施例 12)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例12的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第二金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌诙饘兕w粒。
第二金屬顆粒(Sn顆粒，平均直徑10 μ m，相對(duì)密度5· 82，熔點(diǎn)232°C ) :45質(zhì)fi%
[80](實(shí)施例 13)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例13的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第二金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌诙饘兕w粒。
第二金屬顆粒(Sn-57B1-lAg合金顆粒，平均直徑10 μ m，相對(duì)密度8. 14，熔點(diǎn) 1390C ) 45 質(zhì)量％
[81](實(shí)施例 14)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例14的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第三金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谌饘兕w粒。
第三金屬顆粒(鍍Ag的Cu顆粒，平均直徑10μπι，相對(duì)密度8. 96，熔點(diǎn) 1084 0C )
[82](實(shí)施例 15)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例15的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第三金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谌饘兕w粒。
第三金屬顆粒(鍍Sn-58Bi合金的Cu顆粒，平均直徑10 μ m，相對(duì)密度8. 96，熔點(diǎn):1084 0C )
[83](實(shí)施例 16)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例16的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第三金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谌饘兕w粒。
第三金屬顆粒(鍍Au的Cu顆粒，平均直徑10μπι，相對(duì)密度8. 96，熔點(diǎn) 1084 0C )
[84](實(shí)施例 17)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例17的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(鋁(Al)顆粒，平均直徑0. 5 μ m，相對(duì)密度2. 72，熔點(diǎn)660°C )
[85](實(shí)施例 18)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例18的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第二金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌诙饘兕w粒。
第二金屬顆粒(Sn_58Bi合金顆粒，平均直徑20μπι，相對(duì)密度8. 13，熔點(diǎn) 139。。)
[86](實(shí)施例 19)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備實(shí)施例19的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第三金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谌饘兕w粒。
第三金屬顆粒(Cu顆粒，平均直徑20μπι，相對(duì)密度8. 96，熔點(diǎn)1084°C ) :45質(zhì)fi%
[87](對(duì)比例 I)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備對(duì)比例I的導(dǎo)電接合材料，只是不包含實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒，第二金屬顆粒含量為50質(zhì)量％和第三金屬顆粒含量為50質(zhì)量％。
[88](參考例 2)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備參考例2的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第二和第三金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌诙偷谌饘兕w粒。
第二金屬顆粒(Sn_9 5Au合金顆粒，平均直徑10μπι，相對(duì)密度18. 65，熔點(diǎn) 980 0C )
第三金屬顆粒(Zn顆粒，平均直徑10 μ m，相對(duì)密度7. 14，熔點(diǎn)419°C )
[89](參考例 3)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備參考例3的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(鎢(W)顆粒，平均直徑1μπι，相對(duì)密度19· 3，熔點(diǎn)3370°C )
[90](參考例 4)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備參考例4的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第一金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谝唤饘兕w粒。
第一金屬顆粒(鋁(Al)顆粒，平均直徑3 μ m,相對(duì)密度2. 72，熔點(diǎn)660°C )
[91](參考例 5)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
與實(shí)施例1中相同地制備參考例5的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第二金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌诙饘兕w粒。
第二金屬顆粒(Sn_58Bi合金顆粒，平均直徑7 μ m，相對(duì)密度8. 13，熔點(diǎn) 139。。)
[92](參考例 6)
-導(dǎo)電接合材料的制備_
與實(shí)施例1中相同地制備參考例6的導(dǎo)電接合材料，只是將實(shí)施例1中使用的第三金屬顆粒改變?yōu)橐韵碌谌饘兕w粒。
第三金屬顆粒(Cu顆粒，平均直徑7μπι，相對(duì)密度8. 96，熔點(diǎn)1084°C ) :45質(zhì)fi%
[93]接下來(lái)，通過(guò)使用制備的導(dǎo)電接合材料評(píng)價(jià)外觀和接合強(qiáng)度。結(jié)果示于圖9A 至9D的表1-1至1-4中。
[94] < 外 觀 >
通過(guò)使用導(dǎo)電接合材料在加熱下將電子部件接合至襯底同時(shí)在180°C保持30分鐘(在實(shí)施例12中，250 °C保持30分鐘)，然后利用光功率計(jì)(由Yokogawa Meters&Instruments Corporation制造的TB200)分析所得釬焊部分的表面，以確定入射光/反射光輸出(mW)比率。然后通過(guò)以下標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)樣品。
[評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)]
A :入射光/反射光輸出(mW)比率為70%以上。
B :入射光/反射光輸出(mW)比率為50%以上但小于70%。
C :入射光/反射光輸出(mW)比率小于50%。
[95]〈接合強(qiáng)度〉
通過(guò)使用導(dǎo)電接合材料在加熱下將電子部件接合至襯底同時(shí)在180°C保持30分鐘(在實(shí)施例12中，250°C保持30分鐘)，然后利用剪切強(qiáng)度測(cè)試儀(由Dage Japan Co.， Ltd.制造的SERIES 4000)分析所得釬焊部分，以確定導(dǎo)電接合材料相對(duì)于Sn-Ag-Cu合金釬料的接合強(qiáng)度比率。通過(guò)以下標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)樣品。
[評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)]
A :相對(duì)于Sn-Ag-Cu合金釬料的接合強(qiáng)度比率為70%以上(700gf/pin以上)。
B :相對(duì)于Sn-Ag-Cu合金釬料的接合強(qiáng)度比率為60%以上^OOgf/pin以上)但是小于70% (小于700gf/pin)。
C :相對(duì)于Sn-Ag-Cu合金釬料的接合強(qiáng)度比率小于60% (小于600gf/pin)。
[96]圖9A至9D示出表示實(shí)施例、參考例和對(duì)比例的導(dǎo)電接合材料的組成以及評(píng)價(jià)外觀和接合強(qiáng)度的結(jié)果的表1-1至1-4。
[97](實(shí)施例 20)
-電子部件的接合-
通過(guò)使用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料如下所述將電子部件接合至布線襯底。
通過(guò)絲網(wǎng)印刷將實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料涂覆(供給)至具有尺寸為L(zhǎng) : 200μπιΧΙ:100μπι的Cu電極的布線襯底(襯底基礎(chǔ))，將電子部件(0603型芯片)置于其上，并且通過(guò)在180°C保持30分鐘將電子部件接合至布線襯底。
如圖3A和3B所示，具有小的直徑和小的相對(duì)密度的第一金屬顆粒(Al顆粒)101 在熱熔融期間聚集在釬焊部分的表面中，并在導(dǎo)電接合材料100的表面形成具有滿意光澤的金屬涂覆膜。由于熔融期間的熱能，第二金屬顆粒(Sn-58Bi合金顆粒)102中的Sn 和第三金屬顆粒(Cu顆粒)103中的Cu形成Cu-Sn合金105,并且已經(jīng)變成單一元素的秘 (Bi) 104在表面中析出。具有大的直徑和大的相對(duì)密度的第三金屬顆粒(Cu顆粒)103在布線襯底11和電子部件12之間沉降并變?nèi)廴?從而產(chǎn)生導(dǎo)電性。
[98]圖7A至7D示出在使用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料將電子部件接合至布線襯底后的Cu顆粒、Sn顆粒和Bi顆粒的分散狀態(tài)的測(cè)量結(jié)果。通過(guò)能量色散X射線分析儀進(jìn)行測(cè)量。能量色散X射線分析儀是一種分析技術(shù)，其涉及檢測(cè)在使用電子束等掃描物體時(shí)產(chǎn)生的特征X射線并由從X射線獲得的能量分布研究構(gòu)成物體的物質(zhì)。元素(金屬)鑒定和元素(金屬)分布可通過(guò)該技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。
圖7A是利用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料將電子部件接合至布線襯底后利用能量色散X射線分析儀=EDS測(cè)量的Cu、Bi和Sn的分布圖像照片的示意圖。
圖7B是利用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料將電子部件接合至布線襯底后利用能量色散X射線分析儀=EDS測(cè)量的Cu的分布圖像照片的示意圖。
圖7C是示意圖，其標(biāo)示了利用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料將電子部件接合至布線襯底后利用能量色散X射線分析儀EDS測(cè)量的Bi的分布圖像照片的示意圖。
圖7D是利用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料將電子部件接合至布線襯底后利用能量色散X射線分析儀=EDS所測(cè)量的Sn的分布圖像照片的示意圖。
圖7A至7D所示的結(jié)果證實(shí)，當(dāng)在實(shí)施例20中利用實(shí)施例4的導(dǎo)電接合材料將電子部件接合至布線襯底時(shí)，實(shí)現(xiàn)了圖3B所闡述的加熱后的狀態(tài)。
所得接合的電子部件具有有光澤的釬焊部分并且可使用激光束通過(guò)自動(dòng)外觀檢查系統(tǒng)進(jìn)行檢查。
[99](實(shí)施例 21)
-電子部件的接合-
通過(guò)使用實(shí)施例7的導(dǎo)電接合材料如下所述將電子部件接合至布線襯底。
通過(guò)絲網(wǎng)印刷將實(shí)施例7的導(dǎo)電接合材料涂覆(供給)至具有尺寸為L(zhǎng) : 200μπιΧΙ:100μπι的Cu電極的布線襯底(襯底基礎(chǔ))，將電子部件(0603型芯片)置于其上，并且通過(guò)在180°C保持30分鐘將電子部件接合至布線襯底。
如圖4A和4B所示，具有小的直徑和小的相對(duì)密度的第一金屬顆粒
(AgCl顆粒)101在熱熔融期間聚集在釬焊部分的表面中，并在導(dǎo)電接合材料100 的表面上形成具有滿意光澤的金屬涂覆膜。第一金屬顆粒(AgCl顆粒)101在釬焊期間還具有活化作用。在導(dǎo)電接合材料100的氧化涂覆膜被移除時(shí)，發(fā)生金屬組分(Ag) 106的沉淀(參考如下反應(yīng)式)。另外，由于熔融期間的熱能，第二金屬顆粒(Sn-58Bi合金顆粒)102 中的Sn和第三金屬顆粒(Cu顆粒)103中的Cu形成Cu-Sn合金105。具有大的直徑和大的相對(duì)密度的第三金屬顆粒(Cu顆粒)103在布線襯底11和電子部件12之間沉降并變?nèi)廴冢?從而產(chǎn)生導(dǎo)電性。
Sn+2AgCl — SnCl2+2Ag (沉淀)
回流加熱由于熱而流出
所得接合的電子部件具有有光澤的釬焊部分并且可通過(guò)使用激光束的自動(dòng)外觀檢查系統(tǒng)進(jìn)行檢查。
[100](實(shí)施例 22)
-導(dǎo)電接合材料的制備-
(I)金屬組分85質(zhì)量％
第一金屬顆粒(鋁(Al)顆粒，平均直徑1μπι，相對(duì)密度2. 72，熔點(diǎn)660°C ) Z質(zhì)量％
第二金屬顆粒(Sn顆粒，平均直徑10μπι，相對(duì)密度5. 82，熔點(diǎn)232°C ) :Y質(zhì)
第三金屬顆粒(Cu顆粒，平均直徑10 μ m，相對(duì)密度8. 96，熔點(diǎn)1084°C ) :X質(zhì)fi%
(2)焊劑組分15質(zhì)量％
松香(由Matsuo Handa Co.，Ltd.制造的 MHK37-BZ) 50 質(zhì)量％
有機(jī)溶劑(基于乙二醇的溶劑):50質(zhì)量％
[101]根據(jù)上述組成，鋁顆粒(第一金屬顆粒)含量(Z質(zhì)量％ )改變?yōu)镺質(zhì)量％、 I質(zhì)量％、2. 5質(zhì)量％、5質(zhì)量％、7. 5質(zhì)量％、15質(zhì)量％、20質(zhì)量％并且制備圖10中表2所示的導(dǎo)電接合材料，同時(shí)調(diào)節(jié)添加的第二金屬顆粒的量(Y質(zhì)量％ )和添加的第三金屬顆粒的量(X質(zhì)量％)的比率為5 5(質(zhì)量比率)。
然后，與實(shí)施例1至19相同，評(píng)價(jià)外觀和接合強(qiáng)度。結(jié)果示于圖10的表2中。圖 8示出制備的導(dǎo)電接合材料的表面狀態(tài)的圖片。
[102]圖10中的表2和圖8的結(jié)果證實(shí)，具有小的相對(duì)密度的鋁顆粒(第一金屬顆粒)在熱熔融期間聚集在導(dǎo)電接合材料表面中，并可在導(dǎo)電接合材料的表面形成具有滿意光澤的金屬涂覆膜，并且從外觀和接合強(qiáng)度的角度考慮，鋁顆粒的含量?jī)?yōu)選為1.5質(zhì)量％ 至20質(zhì)量％，并且更優(yōu)選為2. 5質(zhì)量％至15質(zhì)量％。
在使用Sn-Al合金顆粒、Sn-Bi合金顆粒、AgNO3顆粒、AgCl顆粒、AgBr顆粒和SnCl 顆粒作為第一金屬顆粒替代鋁(Al)顆粒時(shí)，得到了相同的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)電接合材料，包含第一金屬顆粒；第二金屬顆粒，其平均顆粒直徑大于所述第一金屬顆粒的平均顆粒直徑；和第三金屬顆粒，其平均顆粒直徑大于所述第一金屬顆粒的平均顆粒直徑，相對(duì)密度大于所述第一金屬顆粒的相對(duì)密度并且熔點(diǎn)高于所述第二金屬顆粒的熔點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中所述第一金屬顆粒的平均顆粒直徑為 I μ m以下，以及所述第二和第三金屬顆粒的平均顆粒直徑各自為IOym以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中所述第一金屬顆粒為鋁顆粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中所述第一金屬顆粒為由Sn-Al合金、 Sn-1n合金或Sn-Bi合金制成的顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中所述第一金屬顆粒為由SnCl2、SnBr, AgCl> AgBr> AgI> AgNO3 和 AlCl3 制成的顆粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中所述第一金屬顆粒的熔點(diǎn)低于所述第三金屬顆粒的熔點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中所述第一金屬顆粒的相對(duì)密度為2.O以上和6. O以下，所述第三金屬顆粒的相對(duì)密度為8. O以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中所述第二金屬顆粒的熔點(diǎn)為300°C以下， 所述第三金屬顆粒的熔點(diǎn)為900°C以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中所述第二金屬顆粒為選自錫顆粒、錫-鉍合金顆粒、錫-鉍-銀合金顆粒和錫-銦合金顆粒中的至少一種顆粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中所述第三金屬顆粒為選自金顆粒、銀顆粒、銅顆粒、鍍金的銅顆粒、鍍錫-鉍合金的銅顆粒和鍍銀的銅顆粒中的至少一種顆粒。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中第一金屬顆粒含量相對(duì)于所有金屬組分為1. 5質(zhì)量％至20質(zhì)量％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中金屬含量相對(duì)于所述導(dǎo)電接合材料為 50質(zhì)量％至95質(zhì)量％。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料，其中導(dǎo)電接合材料包括環(huán)氧基焊劑材料或松香基焊劑材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)電接合材料,其中焊劑材料相對(duì)于所述導(dǎo)電接合材料為5 質(zhì)量％至50質(zhì)量％。
15.—種導(dǎo)體接合方法，包括將導(dǎo)電接合材料供給至布線襯底的電極、待安裝至所述電極的電子部件的端子、或者所述電極和所述端子二者，所述導(dǎo)電接合材料包含第一金屬顆粒、第二金屬顆粒和第三金屬顆粒，所述第二金屬顆粒的平均顆粒直徑大于所述第一金屬顆粒的平均顆粒直徑，所述第三金屬顆粒的平均顆粒直徑大于所述第一金屬顆粒的平均顆粒直徑、相對(duì)密度大于所述第一金屬顆粒的相對(duì)密度并且熔點(diǎn)高于所述第二金屬顆粒的熔點(diǎn)；以及在超過(guò)所述第二金屬顆粒的熔點(diǎn)的溫度下，通過(guò)加熱所供給的所述導(dǎo)電接合材料來(lái)使所述布線襯底和所述電子部件彼此接合。
16.一種半導(dǎo)體器件制造方法，包括接合導(dǎo)體，包括將導(dǎo)電接合材料供給至布線襯底的電極、待安裝至所述電極的電子部件的端子、或者所述電極和所述端子二者，所述導(dǎo)電接合材料包含第一金屬顆粒、第二金屬顆粒和第三金屬顆粒，所述第二金屬顆粒的平均顆粒直徑大于所述第一金屬顆粒的平均顆粒直徑，所述第三金屬顆粒的平均顆粒直徑大于所述第一金屬顆粒的平均顆粒直徑、相對(duì)密度大于所述第一金屬顆粒的相對(duì)密度并且熔點(diǎn)高于所述第二金屬顆粒的熔點(diǎn)；以及在超過(guò)所述第二金屬顆粒的熔點(diǎn)的溫度下，通過(guò)加熱訴供給的所述導(dǎo)電接合材料來(lái)使所述布線襯底和所述電子部件彼此接合。
全文摘要
本發(fā)明提供導(dǎo)電接合材料、導(dǎo)體接合方法和半導(dǎo)體器件制造方法。一種導(dǎo)電接合材料，包含第一金屬顆粒、第二金屬顆粒和第三金屬顆粒，所述第二金屬顆粒的平均顆粒直徑大于所述第一金屬顆粒的平均顆粒直徑，所述第三金屬顆粒的平均顆粒直徑大于所述第一金屬顆粒的平均顆粒直徑、相對(duì)密度大于所述第一金屬顆粒的相對(duì)密度并且熔點(diǎn)高于所述第二金屬顆粒的熔點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/60GK103028861SQ20121032084
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月6日
發(fā)明者久保田崇, 北嶋雅之, 山上高豐, 石川邦子 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社