一种新型半导体元件结合用贵金属粘结剂[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011527157.1
(22)申请日 2020.12.22
(71)申请人 北京翠铂林有色金属技术开发中心
有限公司
地址 100088 北京市西城区新街口外大街2
号
(72)发明人 户赫龙　焦永振　郝海英　于文军　
董亭义　
(74)专利代理机构 北京众合诚成知识产权代理
有限公司 11246
代理人 黄家俊
(51)Int.Cl.
C09J 1/00(2006.01)
C09J 11/06(2006.01)
H01L 23/488(2006.01)
(54)发明名称
一种新型半导体元件结合用贵金属粘结剂
(57)摘要
本发明公开了属于半导体电子技术领域的
一种新型半导体元件结合用贵金属粘结剂。

所述
由贵金属粉体和有机溶剂构成，其中贵金属粉体
的体积含量为26％‑66％，余量为有机溶剂。

本发
明中的贵金属粘结剂不含有可能污染结合构件
的各种树脂，使得在加热粘结时，由于有机成分
均匀发挥，可抑制孔洞的产生。

在使用过程中，可
以均匀涂布于结合部位，与结构件润湿良好、贵
金属粉体在溶剂中分散均匀，避免半导体电子构
件结合处产生污染，且结合部位加热后，贵金属
烧结状态良好。

权利要求书1页 说明书3页CN 112694838 A 2021.04.23
C N 112694838
A
1.一种新型半导体元件结合用贵金属粘结剂，其特征在于，由贵金属粉体和有机溶剂构成，其中贵金属粉体的体积含量为26％‑66％，余量为有机溶剂。

2.根据权利要求1所述贵金属粘结剂，其特征在于，所述贵金属粘结剂中还包括表面活性剂，含量为0.05‑1wt％。

3.根据权利要求1所述贵金属粘结剂，其特征在于，所述贵金属粉体为金粉和/或银粉，纯度为99.9wt％以上，平均粒径100nm ‑500nm。

4.根据权利要求1所述贵金属粘结剂，其特征在于，所述有机溶剂包括链状饱和脂肪族2价醇类或单萜烯醇类。

5.根据权利要求4所述贵金属粘结剂，其特征在于，所述有机溶剂的碳原子数为5～20，沸点为250‑300℃。

6.根据权利要求4或5所述贵金属粘结剂，其特征在于，所述链状饱和脂肪族2价醇类包括：丙二醇、1、2‑丁二醇、1,3‑丁二醇、1,2‑戊二醇、1,3‑戊二醇、1,4‑戊二醇、1,5‑戊二醇、2，3‑戊二醇、2，4‑戊二醇、1，2‑己二醇、1，3‑己二醇、1，4‑己二醇、1，5‑己二醇、1，6‑己二醇或其衍生物中的一种或几种；进一步地，为2，4‑二乙基‑1，5‑戊二醇；
所述单萜烯醇类为单环式单萜烯醇和/或2环式单萜烯醇；进一步地，包括：香茅醇、香叶醇、橙花醇、薄荷醇、萜品醇、黄蒿醇、侧柏醇、松莰醇、β‑葑醇、二甲基辛醇、羟基香茅醇或其衍生物其中一种或几种；更进一步地，为环己异龙脑酯与α‑萜品醇的混合物，质量比为1：3。

7.根据权利要求1所述贵金属粘结剂，其特征在于，所述表面活性剂为阳离子性表面活性剂。

8.根据权利要求1所述贵金属粘结剂，其特征在于，所述表面活性剂为季铵盐，烷基胺盐或吡啶鎓盐；
进一步地，所述表面活性剂为烷基的碳原子数为8‑18的烷基胺醋酸盐；
更进一步地，所述季铵盐包括十二烷基三甲基铵盐、十六烷基三甲基铵盐、十八烷基三甲基铵盐、十二烷基二甲基铵盐、十八烷基二甲乙基铵盐、十二烷基二甲基苄基铵盐、十六烷基二甲基苄基铵盐、十八烷基二甲基苄基铵盐、三甲基苄基铵盐、三乙基苄基铵盐；
所述烷基胺盐包括十八烷基胺盐、十八酰胺盐、N ‑烷基烯烃二胺盐；
所述吡啶鎓盐包括十六烷基吡啶鎓盐、十二烷基吡啶鎓盐。

9.根据权利要求1所述贵金属粘结剂，其特征在于，所述贵金属粉体的体积含量为35‑55％。

10.根据权利要求1所述贵金属粘结剂，其特征在于，在23℃，剪切速率分别为40/s和4/s条件下，所述贵金属粘结剂的触变指数为6.0‑20。

权　利　要　求　书1/1页CN 112694838 A
一种新型半导体元件结合用贵金属粘结剂
技术领域
[0001]本发明属于半导体电子技术领域，尤其涉及一种新型半导体元件结合用贵金属粘结剂。

背景技术
[0002]焊接材料在半导体元件各构件连接时被广泛使用。

尤其是无助剂的金锡系列焊接材料被广泛使用。

在使用焊接材料焊接各构件的过程中，需要将焊料加热至焊接材料熔点以上。

由于焊接过程中温度变化而产生的热应力会使半导体元件的构件产生电气特性的变化。

因此，在连接构件过程中，尽可能用低温加热即可使构建结合的材料替代焊接材料。

[0003]在专利文献1中，公开了含有银粉与环氧树脂的粘结材料，可在100‑200℃使构件正常连接。

在专利文献2中，公开了具有既定纯度和粒径的含有金粉与有机溶剂的粘结材料。

[0004]然而在专利文献1中的含有环氧树脂的粘结剂在结合时，树脂无法完全分解，残留于半导体晶片的构件中，从而污染晶片，影响半导体性能。

专利文献2中的粘结剂则是存在贵金属颗粒团聚、有机物渗出或挥发，使得烧结过程中产生孔洞等问题。

发明内容
[0005]针对上述问题，本发明提出了一种新型半导体元件结合用贵金属粘结剂，由贵金属粉体和有机溶剂构成，其中贵金属粉体的体积含量为26％‑66％，余量为有机溶剂。

[0006]所述贵金属粘结剂中还包括表面活性剂，含量为0.05‑1wt％。

[0007]所述贵金属粉体为金粉和/或银粉，纯度为99.9wt％以上，平均粒径100nm‑500nm。

[0008]所述有机溶剂包括链状饱和脂肪族2价醇类或单萜烯醇类。

[0009]所述有机溶剂的碳原子数为5～20，沸点为250‑300℃。

[0010]所述链状饱和脂肪族2价醇类包括：丙二醇、1、2‑丁二醇、1,3‑丁二醇、1,2‑戊二醇、1,3‑戊二醇、1,4‑戊二醇、1,5‑戊二醇、2，3‑戊二醇、2，4‑戊二醇、1，2‑己二醇、1，3‑己二醇、1，4‑己二醇、1，5‑己二醇、1，6‑己二醇或其衍生物中的一种或几种；进一步地，为2，4‑二乙基‑1，5‑戊二醇；
[0011]所述单萜烯醇类为单环式单萜烯醇和/或2环式单萜烯醇；进一步地，包括：香茅醇、香叶醇、橙花醇、薄荷醇、萜品醇、黄蒿醇、侧柏醇、松莰醇、β‑葑醇、二甲基辛醇、羟基香茅醇或其衍生物其中一种或几种；更进一步地，为环己异龙脑酯与α‑萜品醇的混合物，质量比为1：3。

[0012]所述表面活性剂为阳离子性表面活性剂。

[0013]所述表面活性剂为季铵盐，烷基胺盐或吡啶鎓盐；
[0014]进一步地，所述表面活性剂为烷基的碳原子数为8‑18的烷基胺醋酸盐；
[0015]更进一步地，所述季铵盐包括十二烷基三甲基铵盐、十六烷基三甲基铵盐、十八烷基三甲基铵盐、十二烷基二甲基铵盐、十八烷基二甲乙基铵盐、十二烷基二甲基苄基铵盐、
十六烷基二甲基苄基铵盐、十八烷基二甲基苄基铵盐、三甲基苄基铵盐、三乙基苄基铵盐；[0016]所述烷基胺盐包括十八烷基胺盐、十八酰胺盐、N‑烷基烯烃二胺盐；
[0017]所述吡啶鎓盐包括十六烷基吡啶鎓盐、十二烷基吡啶鎓盐。

[0018]所述贵金属粉体的体积含量为35‑55％；
[0019]在23℃，剪切速率分别为40/s和4/s条件下，所述贵金属粘结剂的触变指数为6.0‑20。

[0020]本发明的有益效果在于：
[0021] 1.本发明所述贵金属粘结剂在使用过程中，可以均匀涂布于结合部位，避免半导体电子构件结合处产生污染，且结合部位加热后，贵金属烧结状态良好。

[0022] 2.本发明中的贵金属粘结剂不含有可能污染结合构件的各种树脂，使得在加热粘结时，由于有机成分均匀发挥，可抑制孔洞的产生。

[0023] 3.本发明的贵金属粘结剂与结构件润湿良好、贵金属粉体在溶剂中分散均匀。

[0024]施方式
[0025]以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例
[0026]一种新型半导体元件结合用贵金属粘结剂，由贵金属粉体和有机溶剂构成，其中贵金属粉体的体积含量为26％‑66％，余量为有机溶剂。

在粘结剂中贵金属粉体的含量，则粘结剂触变指数值为6.0以上的贵金属粘结剂。

同时，接合后的烧结体也容易成为致密的状态，实现致密性高的接合。

金属粉的体积含量＜26％时，则结合性较低，粘结剂也变得难以混练。

另一方面，若超过66％，则贵金属粉有发生团聚现象。

贵金属体积含量在35‑55％则更佳。

[0027]贵金属粘结剂中还包括表面活性剂，0.05‑1wt％。

在贵金属粉体与有机溶剂构成的贵金属粘结剂中，还可加入0.05‑1wt％的表面活性剂。

若含有表面活性剂，则在贵金属糊状物中，贵金属粉容易维持均一扩散的状态。

表面活性剂若＜0.05wt％则抑制贵金属粉体团聚效果差，若超过1wt％，则表面活性剂有残留在结合后的构件中。

另外，高分子系表面活性剂，由于分解时需要高温，因此不适合于本发明。

[0028]贵金属粉体为金粉和/或银粉，纯度为99.9wt％以上，平均粒径100nm‑500nm。

若考虑电气、热传导性，贵金属粉体则采用金粉。

[0029]作为贵金属粉之纯度要求99.9wt％以上之高纯度，若纯度低，则金粒子的烧结过程不稳定，而接合强度低，或是接合后构件变硬而容易由于热冲击等造成裂痕。

另外，贵金属粉的平均粒径超过0.5μm，在粘结剂中的分散变得困难，贵金属粉容易沉降。

同时，粒径较大的贵金属粉烧结后，颗粒之间出现较佳的结合状态。

另一方面，平均粒径若未满0.1μm，则贵金属粉有发生团聚的情况。

[0030]有机溶剂包括链状饱和脂肪族2价醇类或单萜烯醇类。

[0031]有机溶剂的碳原子数为5～20，沸点为250‑300℃。

若有机溶剂的沸点低于200℃，在结合加热时，有机溶剂的蒸发速度快，贵金属粒子分布控制困难。

若有机溶剂在常温时蒸发，粘结剂的涂布操作则变得困难。

若有机溶剂的沸点超过350℃，则有机溶剂则会残留在结合构件上，造成半导体元件的污染。

若含有两种以上的有机溶剂，则所含全部的有机溶剂
均应在200‑350℃范围内。

[0032]链状饱和脂肪族2价醇类包括：丙二醇、1、2‑丁二醇、1,3‑丁二醇、1,2‑戊二醇、1, 3‑戊二醇、1,4‑戊二醇、1,5‑戊二醇、2，3‑戊二醇、2，4‑戊二醇、1，2‑己二醇、1，3‑己二醇、1，4‑己二醇、1，5‑己二醇、1，6‑己二醇或其衍生物中的一种或几种；进一步地，为2，4‑二乙基‑1，5‑戊二醇；
[0033]所述单萜烯醇类为单环式单萜烯醇和/或2环式单萜烯醇；进一步地，包括：香茅醇、香叶醇、橙花醇、薄荷醇、萜品醇、黄蒿醇、侧柏醇、松莰醇、β‑葑醇、二甲基辛醇、羟基香茅醇或其衍生物其中一种或几种；更进一步地，为环己异龙脑酯与α‑萜品醇的混合物，质量比为1：3。

[0034]表面活性剂为阳离子性表面活性剂。

[0035]表面活性剂为季铵盐，烷基胺盐或吡啶鎓盐；
[0036]进一步地，表面活性剂为烷基的碳原子数为8‑18的烷基胺醋酸盐。

[0037]更进一步地，季铵盐包括十二烷基三甲基铵盐、十六烷基三甲基铵盐、十八烷基三甲基铵盐、十二烷基二甲基铵盐、十八烷基二甲乙基铵盐、十二烷基二甲基苄基铵盐、十六烷基二甲基苄基铵盐、十八烷基二甲基苄基铵盐、三甲基苄基铵盐、三乙基苄基铵盐；[0038]烷基胺盐包括十八烷基胺盐、十八酰胺盐、N‑烷基烯烃二胺盐；
[0039]吡啶鎓盐包括十六烷基吡啶鎓盐、十二烷基吡啶鎓盐。

[0040]在23℃，剪切速率分别为40/s和4/s条件下，所述贵金属粘结剂的触变指数为6.0‑20。

随着测定时对粘结剂施加的剪切速率越大，粘度越低。

触变指数为剪切速率不同的两种速率测定的粘度之比。

触变指数表示对于不同剪切速率情况下的粘度变化，是表现触变性高低的指标。

在本发明中，贵金属粘结剂的触变指数在6.0以上。

因此，在涂布粘结剂时，不仅可保证粘结剂的成形性，也可以保证粘结剂加热烧结时的均匀性，从而保证烧结体的致密性。

由此有点来看，本发明公开的贵金属粘结剂，特别适合进行大面积涂布结合。

若触变指数低于6.0，则贵金属粘结剂涂布于结合构件时有渗出情况。

触变指数的上限值为20。

如果触变指数超过20，则在粘结剂涂布前混炼时则难以操作。