北大、低温焼結で高接合強度なパワー半導体パッケージ向け銅系ナノ接合材料を開発

北海道大学(北大)は11月27日、低温での焼結が可能で、短時間の加熱でも高い接合強度を発揮するパワー半導体パッケージングなどに適した新型の銅系ナノ接合材料を開発したことを発表した。

同成果は、同大大学院工学研究院の米澤徹教授と塚本宏樹博士研究員の研究グループによるもの。詳細は2024年12月11日～13日に東京で開催される「SEMICON Japan 2024」や、同12月9日からシンガポールで開催される国際会議「The 12th Singapore International Chemistry Conference(SICC-12)」にて発表される予定だという。

エネルギー効率の向上を可能とするパワー半導体の小型・軽量化、高効率化、低コスト化を実現するために、接合技術に対しても200℃以上の高温に耐える高耐熱で環境影響のない接合材料の開発が求められており、RoHS指令の除外適用を見直すという動きもあり、従来の鉛を含んだ高融点はんだから、鉛を含まないい銀粒子接合材料や銅粒子接合材料の開発が進められている。

また、銅を用いた低温焼成型の導電材料は銀に比べて、イオンマイグレーションによる品質劣化が起こらず、低コストで扱えるというメリットがある一方、空気中で容易に酸化して導電性が低下、特にナノ粒子は酸化によって発火する危険性があるという課題があったという。また、酸化した場合には焼結時に酸化銅を金属銅まで還元できる水素ガスと窒素ガスを混合したような還元性ガス環境が必要とされているほか、銅ナノ粒子の大量合成や酸化防止、安全な取り扱いも課題となっていたという。

こうした状況を踏まえ、これまで研究グループでは積層セラミックスコンデンサ用の銅ナノ粒子を開発し、その酸化防止に成功したことを報告してきたが、これらの材料は高温での焼結を想定しており、低温での焼結が求められる半導体用途には適していなかったという。また、部品の製造時の量産性や安全性の観点から、水素を使用しない窒素雰囲気で焼結可能なことも求められていたことから、今回の研究では、安定性を高めて酸化の問題を克服しつつ、低温焼結可能な銅ナノ粒子焼結型接合・導電材料の開発に取り組むことにしたという。

具体的には、従来手法とは異なり、銅の原料として表面が酸化した金属銅粒子や、亜酸化銅・酸化銅粒子の混合体を液相還元で処理する手法を採用。これにより、銅イオンの塩を原料とした場合に生じる不純物(コンタミネーション)のリスクが低減されたほか、安価な原料で対応できるという利点が示されたとする。また、同手法では、均一な銅イオンの溶液から還元する場合と異なり、液中の銅イオン濃度を容易に安定的に保つことができるため、粒子の大きさを均一に制御することが可能であり、研究グループではさまざまな銅ナノ粒子の大量合成に成功したとする。

特に今回の研究では、金属銅粒子と微酸化銅ナノ粒子が複合化したコアシェル型の粒子系を合成した後、遠心分離で固液分離し、ペースト用の溶剤に再分散させることで、さらなる酸化を抑制しつつ90wt％を超える高い銅含有率のペースト製造に成功したという。

この高濃度銅ペーストについては、導電性や接合強度の高い焼結材料として使用できることを確認したとするほか、銅系ナノ粒子およびコアシェル型ナノ粒子を1バッチあたり100～200gの規模で合成でき、さらにkgスケール以上の大量生産への拡大も可能であることも確認したとする。

実際に合成されたコアシェル型ナノ粒子を固液分離後に電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、コア部分には直径100nm程度の銅ナノ粒子、シェル部分には直径2～5nmの酸化銅ナノ粒子を確認したとするほか、加熱しながらX線回折(XRD)による解析を行った結果、60～100℃の温度で微酸化銅が金属銅に変化し、結晶構造が相転移することが示されたともする。

この相転移は銅原子の拡散を促し、低温でも材料同士が結びつく「ネッキング」という接合を助ける効果があるとのことで、実験では150℃で1分ほどの加熱でも2～5nmだった酸化銅ナノ粒子が20nm程度に成長することが確認されたいう。これは、コアシェル構造が低温でコアの大きな銅粒子を結びつけ、強固な接合を形成できることを示すものだと研究グループでは説明しているほか、大きな銅粒子を混ぜることでペーストの粘度を下げ、高濃度の導電ペーストを作成できるだけでなく、保護剤の使用量も減らすことができ、低温焼結性と高い導電性の両立が実現できたともしている。

さらに、開発されたコアシェル型銅ナノ粒子導電ペーストを用いて、200℃で1分間の加圧焼結を行った結果、40MPaのせん断強度が得られたほか、焼結時間を15分に延ばしたところ、せん断強度は100MPaに達することも確認。加えて、200℃で60分間の焼結では、従来の鉛含有はんだに比べても優れた導電性(体積抵抗率10.7μΩcm)の導電膜を形成することができることも確認したという。

コアに金属銅、シェルに微酸化銅ナノ粒子を複合化したコアシェル型銅ナノ粒子を用いた高濃度接合ペーストを銅板を用いた場合における、温度200℃、接合圧力15MPaで焼結接合した場合に得られる焼結時間とせん断強度の関係性 (出所:北海道大学)

なお、研究グループでは今回開発した技術について、パワー半導体や先端半導体デバイスのパッケージングをターゲットに、電気自動車用のパワー半導体の実用目安である接合強度40MPa、導電性10μΩcmのオーダーをクリアするなど、量産に向けた基礎技術が確立されたことを踏まえ、企業への技術移転を推進していきたいとしている。