Sinterable bonding material and semiconductor device using the same

A sinterable bonding material with silver filler and a specific organic carboxylic acid compound addresses copper oxidation issues, enabling stable sintering on copper substrates at lower temperatures and pressures, thus reducing mechanical stress and costs.

WO2026064977A1PCT designated stage Publication Date: 2026-04-02HENKEL KGAA +1
View PDF 5 Cites 0 Cited by

Patent Information

Authority / Receiving Office
WO · WO
Patent Type
Applications
Current Assignee / Owner
Filing Date
2024-09-25
Publication Date
2026-04-02

AI Technical Summary

Technical Problem

The challenge in the automotive industry is to develop a sinterable bonding material that can effectively sinter on copper substrates at lower temperatures and pressures without compromising adhesion and sintering strength, as copper oxidation during high-temperature sintering processes leads to mechanical stress and increased manufacturing costs.

Method used

A sinterable bonding material comprising silver filler, an organic carboxylic acid compound with 4 to 15 carbon atoms as a sintering promoter, and a solvent, which stabilizes sintering on copper substrates with good adhesion and strength, even at temperatures below 250℃ and pressures of 5 to 40 MPa.

Benefits of technology

The material achieves stable sintering on copper surfaces with improved adhesion and reduced mechanical stress, lowering manufacturing costs by avoiding the need for nitrogen atmosphere and elevated temperatures.

✦ Generated by Eureka AI based on patent content.

Smart Images

  • Figure PCTCN2024121046-FTAPPB-I100001
    Figure PCTCN2024121046-FTAPPB-I100001
  • Figure PCTCN2024121046-FTAPPB-I100002
    Figure PCTCN2024121046-FTAPPB-I100002
  • Figure PCTCN2024121046-FTAPPB-I100003
    Figure PCTCN2024121046-FTAPPB-I100003
Patent Text Reader

Abstract

A sinterable bonding material contains at least one organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms, as a sintering promoter, which is capable of being stably sintered on copper substrate with good adhesion and sintering strength.
Need to check novelty before this filing date? Find Prior Art

Description

Sinterable Bonding Material and Semiconductor Device Using the SameTechnical field

[0001] The present invention relates to a bonding material, particularly relates to a sinterable bonding material, the sintered product, the assembly and the use thereof.Background of the invention

[0002] In the automotive industry, power semiconductors with wide band gaps, such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) , have been developed for high-voltage and high-current applications. These power semiconductors can operate at higher temperatures compared to conventional silicon-based semiconductors, necessitating the use of bonding materials with excellent thermal conductivity. In these high-power applications, customers commonly use pressure-assisted silver sinterable bonding materials.

[0003] To reduce the cost of power packages in automotive applications, an increasing number of customers are transitioning from Ag-coated direct bonded copper (DBC) or Active Metal Brazing (AMB) substrates to pure copper DBC or AMB substrates. However, when sintering on copper surfaces at high temperatures, copper oxidation adversely affects the sintering performance. To address this issue, nitrogen gas is used to protect the copper surface during the sintering process. However, in semi-enclosed systems, it is difficult to completely shield the copper from oxygen, leading to incomplete protection.

[0004] As a result, customers have to use higher temperatures, such as 280℃ and increased pressure, such as 40MPa to achieve effective sintering on copper, which increases the mechanical stress on the package and hence compromises reliability. Moreover, the need for nitrogen atmosphere, elevated temperatures, and higher pressures significantly increases manufacturing costs.

[0005] Consequently, there remains a need to develop a sinterable bonding material for copper surface which is capable of stably sintering on copper substrates with good adhesion and sintering strength at the temperature lower than 250℃ and a pressure of from 5 to 40 MPa.Summary of the invention

[0006] After intensive studies, the inventors have found that the above problems can be solved by a sinterable bonding material, comprising:

[0007] (A) at least one silver filler,

[0008] (B) at least one organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms, as a sintering promoter, and

[0009] (C) at least one solvent.

[0010] The silver sinterable bonding material of this invention is capable of stably sintering on copper substrate with good adhesion and sintering strength.

[0011] In another aspect of the invention, sintered product of the bonding material according to this invention is provided.

[0012] In an additional aspect of the invention, an assembly a first substrate of copper, a sintered product according to this invention, and a second substrate selected from copper, gold or silver, wherein sintered product is dispensed between the first substrate and the second substrate is provided.

[0013] In an additional aspect of the invention, a method for manufacturing a semiconductor device is provided.

[0014] In yet another aspect of the invention, the use of the sinterable bonding material of this invention in the manufacturing of semiconductor devices is provided.

[0015] Brief description of the figures

[0016] Fig. 1 shows the photos of the test results at die shear failure mode of Comparative Example 1 to 5 and Examples 1 to 6.

[0017] Fig. 2 shows the photos of the test results at die shear failure mode of Examples 7 to 13.Detailed description of the invention

[0018] It is to be understood by one of ordinary skill in the art that the present invention is a description of exemplary embodiments only and is not intended as limiting the broader aspects of the present invention. Each aspect so described may be combined with any other aspect or aspects unless clearly indicated to the contrary. In particular, any feature indicated as being preferred or advantageous may be combined with any other feature or features indicated as being preferred or advantageous.

[0019] Unless specified otherwise, in the context of the present invention, the terms used are to be construed in accordance with the following definitions.

[0020] Unless specified otherwise, as used herein, the terms “a” , “an” and “the” include both singular and plural referents.

[0021] The terms “comprising” and “comprises” as used herein are synonymous with “including” , “includes” or “containing” , “contains” , and are inclusive or open-ended and do not exclude additional, non-recited members, elements or process steps.

[0022] The term “alloy” refers to a mixture containing two or more metals, and optionally additional non-metals, where the elements of the alloy are fused together or dissolved into each other when molten.

[0023] Unless specified otherwise, the recitation of numerical end points includes all numbers and fractions subsumed within the respective ranges, as well as the recited end points.

[0024] All references cited in the present specification are hereby incorporated by reference in their entirety.

[0025] Unless otherwise defined, all terms used in the present invention, including technical and scientific terms, have the meaning as commonly understood by one of the ordinary skilled in the art to which this invention belongs.

[0026] In one aspect, the present invention is directed to a sinterable bonding material, comprising:

[0027] (A) at least one silver filler,

[0028] (B) at least one organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms, as a sintering promoter, and

[0029] (C) at least one solvent.

[0030] (A) Silver filler

[0031] The sinterable bonding material according to the present invention comprises at least one silver filler.

[0032] In preferred embodiments, the silver filler has a D50 particle size of from 0.5 to 6.0 μm, preferably from 0.8 to 5.0 μm, more preferably from 1.0 to 5.0 μm. In certain embodiments, the silver filler can be a mixture of at least one micro-particle-size silver filler and at least one nano-particle-size silver filler. In such cases, the average D50 particle size of the silver filler after mixing preferably falls into the above range. When the particle size of the silver filler is within the above range, the fillers are better dispersed in the adhesive composition, which can improve the preservation stability of the adhesive composition and provide a uniform bonding strength.

[0033] Herein, the "D50 particle size" of the silver filler represents a median diameter in a volume-basis particle size distribution curve obtained by measurement with a laser diffraction particle size analyzer.

[0034] In preferred embodiments, the silver fillers used in the sinterable bonding material having a specific surface area of from 0.2 to 5.0 m2 / g, preferably from 0.3 to 3.5 m2 / g.

[0035] In preferred embodiments, the silver fillers used in the sinterable bonding material include particles in which the shape is flake. The filler having such a shape has high contact area between the fillers, which may reduce voids in a cured product. The shape of silver particles is a shape when analyzed from scanning electron microscope (SEM) observation, and Philips XL30 can be used as the observation apparatus of SEM. Examples of the flake particles include particles with a shape called tabular, dished, scaly, and flaky. When flake silver particles are brought into contact with each other, the contact area increases compared with the case where granular silver particles are brought into contact with each other. Therefore, if the adhesive composition containing flake silver particles is heat-cured, the denseness of sintering of silver particles to each other will increase, and as a result, presumably, not only the thermal conductivity and the electrical conductivity of a cured product of the adhesive composition, but also adhesive strength to the surface of a base metal is improved.

[0036] In preferred embodiments, the silver filler has a tap density of from 2.0 to 15 g / cm3, preferably from 3.0 to 7.5 g / cm3.

[0037] The silver filler used in the present invention can be manufactured by a known method such as a reduction method, a milling method, an electrolysis method, an atomization method, or a heat treatment method.

[0038] In certain embodiments, the surface of the silver filler may be coated with an organic substance.

[0039] Herein, the state where a silver filler is "coated with the organic substance" includes a state where an organic solvent is adhered to the surface of a silver filler by dispersing the silver filler in the organic solvent.

[0040] It is possible to use commercially available silver fillers in the present invention. Examples thereof include TC-505C available from Tokuriki Chemical Research Co., Ltd., and FA-SAB-238 available from Dowa Hightech.

[0041] When the surface of the silver filler is coated with the organic substance, the aggregation of the silver filler in the adhesive composition can be more prevented or reduced.

[0042] The silver fillers may be used singly or in combination of two or more. Combination of fillers in different shapes or different sizes may promote sintering. Examples of the combination include, but not limited to, a mixture of a flake-shaped silver filler, and an approximately spherical-shaped silver filler having a central particle diameter smaller than that of the flake-shaped silver filler.

[0043] With particular preference, the silver filler may be incorporated in the sinterable bonding material in an amount of from 55%to 96%by weight, preferably from 75%to 95%by weight, such as 58, 60, 64, 68, 72, 74, 76, 78, 82, 84, 86, 88, 92, 94 wt. %, or any ranges between two numbers listed above, based on the total weight of the bonding material.

[0044] (B) Sintering promoter

[0045] According to the present invention, the sinterable bonding material comprises at least one organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms, as a sintering promoter.

[0046] Suitable organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms used in the present invention can be monocarboxylic acid, selected from aliphatic organic carboxylic acid, cycloaliphatic organic carboxylic acid compound, and combinations thereof.

[0047] Exemplary aliphatic or cycloaliphatic organic carboxylic acid compound include butyric acid, Iisobutyric acid, valeric acid, isovaleric acid, pivalic acid, caproic acid, 2-methylpentanoic acid, 3-methylpentanoic acid, heptanoic acid, 2-methylhexanoic acid, caprylic acid, 2-ethylhexanoic acid, pelargonic acid, capric acid, octanoic acid, lauric acid, undecanoic acid, n-pentadecanoic acid, cyclobutanecarboxylic acid, cyclopentanecarboxylic acid, cyclohexanecarboxylic acid, 1-methylcyclopentane carboxylic acid, cyclohexaneacetic acid, 1, 1-dimethylcyclopentane carboxylic acid, 1-ethylcyclohexane carboxylic acid, 1-propylcyclohexane carboxylic acid, 1-butylcyclohexane carboxylic acid, 1-pentylcyclohexane carboxylic acid, and combinations thereof, preferably cyclopentanecarboxylic acid, cyclohexanecarboxylic acid, octanoic acid, lauric acid, undecanoic acid, dodecanoic acid, and combinations thereof.

[0048] According to the present invention, the organic carboxylic acid compound shall have a carbon atom number of from 4 to 15, preferably from more than 4 to 12 carbon atoms. This specific carbon atom range is crucial for optimizing the compound's effectiveness in the sintering process. If the carbon atom in the organic carboxylic acid compound falls below 4, such as in the case of acetic acid, or exceeds 15, as seen with isostearic acid, heneicosylic acid, or lignoceric acid, the sintering performance does not see enhancement.

[0049] Preferably, the organic carboxylic acid compound is not, or scarcely present in the sintered product. In this regard, the boiling point of the organic carboxylic compound is preferably not  excessively higher than the sintering temperature of the bonding material of the present invention, more preferably lower than the sintering temperature. As such, organic carboxylic acid compound having two or more carboxyl groups have relatively higher boiling points, which are not suitable for use in the present invention.

[0050] The organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms may be used singly, or in combination of two or more.

[0051] With particular preference, the sintering promoter used in the present invention may be present in an amount of from 0.01%to 5%by weight, preferably from 0.05%to 4%by weight, more preferably from 0.05%to 3%by weight, such as 0.1, 0.4, 0.8, 1.2, 1.4, 1.8, 2.2, 2.4, 2.8, 3.2, 3.4, 3.6, 3.8, 4.2, 4.4, 4.6, 4.8 wt. %, or any ranges between two numbers listed above, based on the total weight of the bonding material.

[0052] The inventors have surprisingly found that incorporating the sintering promoter in the sinterable bonding material can greatly improve the adhesion performance on copper surfaces. The reason therefore has not yet been clearly understood. Still, it is assumed that the organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms serves to prevent copper oxidation during high-temperature processes. The organic carboxylic acid compound having less than 4 carbon atoms would easily volatilize during pre-treatment and, therefore can’t play a role during the following high-temperature sintering process. The organic carboxylic acid compound having carbon atoms of more than 15 can’t prevent the copper oxidation from effectively volatilizing during pressure assistant sintering process.

[0053] (C) Solvent

[0054] The sinterable bonding material further comprises at least one solvent to disperse the silver fillers in the composition.

[0055] Most silver fillers are provided commercially with a coating of organic substances to prevent agglomeration. The organic substances can hinder sintering, which means that higher temperatures would be needed for sintering. The solvent acts to dissolve or displace the organic substances off the surface of the silver filler. The solvent must have a balance of polarity effective to remove the coatings and allow the silver to remain dispersed in the solvent until dispensed and sintered. Typical organic substances used by manufactures of silver flake include stearic acid, isosteric acid, lauric acid, decanoic acid, decanoic acid, oleic acid, palmitic acid, or fatty acids neutralized with amines such as imidazole. And effective solvent is one that will remove these, and other such, lubricants from the surface of the silver filler.

[0056] There is no limitation on the type of the solvent as long as it has a flash point of more than 70℃, preferably more than 90℃, more preferably more than 120℃. The solvent can be selected from the group consisting of 2-ethylhexane-1, 3-diol, propylene glycol monoethyl ether, butylethoxy ethyl acetate, propylene carbonate, cyclooctenone, cycloheptanone, cyclohexanone, linear or branched alkanes, and a mixture thereof.

[0057] It is possible to use commercially available products in the present invention. Examples thereof include diisobutyl adipate, 2-ethylhexane-1, 3-diol available from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd, and 2- (2-butoxyethoxy) ethyl acetate available from BASF.

[0058] With particular preference, the solvent may be incorporated into the sinterable bonding material in an amount of from 3%to no more than 20%by weight, preferably from 5%to 15%by weight, such as 3.2, 3.4, 3.8, 4.2, 4.4, 4.8, 5.2, 5.4, 5.8, 6.2, 6.4, 6.8, 7.2, 7.4, 7.8, 8.2, 8.4, 8.8, 9.2, 9.4, 9.8, 10.2, 10.4, 10.8, 11.2, 11.4, 11.8, 12, 12.5, 13, 13.5, 14, 14.5, 15, 15.5, 16, 16.5, 17, 17.5, 18, 18.5, 19 wt. %, or any ranges between two numbers listed above, based on the total weight of the bonding material.

[0059] (D) Optional components

[0060] The sinterable bonding material may optionally comprise a metal filler other than component (A) , a resin, an additive selected from fluxing agent, peroxide, flow additives, adhesion promoters, rheology modifiers, toughening agents, and combinations thereof.

[0061] The sinterable bonding material may optionally comprise a metal filler to substitute a portion of silver filler (A) , selected from copper alloy, silver coated copper and the like.

[0062] There is no limitation on the type of the copper alloy as long as it comprises not more than 95 wt%copper (Cu) , preferably from 20 to 90 wt%copper (Cu) , more preferably from 28 to 90 wt%copper (Cu) , more preferably from 73 to 90 wt%copper (Cu) , and even more preferably from 60 to 90 wt%copper (Cu) , based on the weight of the alloy.

[0063] With particular preference, the metal filler other than component (A) may be incorporated into the sinterable bonding material in an amount of from 0 to 20%by weight, based on the total weight of the bonding material.

[0064] The sinterable bonding material may optionally comprises at least one resin to improve one or more performance properties such as tackiness, wetting ability, flexibility, work life, high temperature adhesion, rheology and printability of the sinterable bonding material.

[0065] If present, the resin can be thermosetting resin or thermoplastic resin which is capable of imparting one or more of the above-listed properties to the compositions. Such thermosetting resin or thermoplastic resin includes, but not limited to an acetal, an (meth) acrylic monomer, oligomer, or polymer, an acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) polymer or copolymer or a polycarbonate / ABS alloy, an alkyd, a butadiene, a styrene-butadiene, a cellulosic, a coumarone-indene, a cyanate ester, a diallyl phthalate (DAP) , an epoxy monomer, oligomer, or polymer, a flexible epoxy or polymer with epoxy functional groups, a fluoropolymer, a melamine-formaldehyde, a neoprene, a nitrile resin, a novolac, a nylon, a petroleum resin, a phenolic, a polyamide-imide, a polyarylate and polyarylate ether sulfone or ketone, a polybutylene, a polycarbonate, a polyester and co-polyestercarbonate, a polyetherester, a polyethylene, a polyimide, a maleimide, a nadimide, an itaconamide, a polyketone, a polyolefin, a polyphenylene oxide, a sulfide, an ether, a polypropylene and polypropylene-EPDM blend, a polystyrene, a polyurea, a polyurethane, a vinyl polymer, rubbers, a silicone polymer, a siloxane polymer, a styrene acrylonitrile, a styrene butadiene latex and other styrene copolymers, a sulfone polymer, a thermoplastic polyester (saturated) , a phthalate, an unsaturated polyester, a urea-formaldehyde, a polyacrylamide, a polyglycol, a polyacrylic acid, a poly (ethylene glycol) , an inherently conductive polymer, a fluoropolymer, and the like, as well as combinations of any two or more thereof.

[0066] Additional thermosetting resin or thermoplastic resin components used in the sinterable bonding material can include polyurethanes, cyanate esters, polyvinyl alcohols, polyesters, polyureas, polyvinyl acetal resins, polyvinyl butyral resins, and phenoxy resins. In some embodiments, the compositions can include imide-containing monomers, oligomers, or polymers, such as maleimides, nadimides, itaconimides, bismaleimides, or polyimides.

[0067] With particular preference, the resin may be incorporated into the sinterable bonding material in an amount of from 0 to 5%by weight, based on the total weight of the bonding material.

[0068] Commonly used additives may be further added to the sinterable bonding materials. Such common additives include fluxing agent, peroxide, flow additives, adhesion promoters, rheology modifiers, toughening agents, and combinations thereof.

[0069] With particular preference, the additives may be incorporated into the sinterable bonding material in an amount of from 0 to no more than 2%by weight, based on the total weight of material.

[0070] In one particular embodiment, the sinterable bonding material, based on the total weight of the bonding material, comprising:

[0071] from 55%to 96%by weight, preferably from 75%to 95%by weight of at least one silver filler,  from 0.01%to 5%by weight, preferably from 0.05%to 4%by weight, more preferably from 0.05%to 3%by weight of at least one organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms, as a sintering promoter,

[0072] from 3%to no more than 20%by weight, preferably from 5%to 15%by weight of at least one solvent,

[0073] from 0 to 5%by weight of at least one resin,

[0074] from 0 to 20%by weight of at least one optional metal filler selected from copper alloy, silver coated copper and combination thereof, and

[0075] from 0 to no more than 2%by weight of at least one additive.

[0076] The sinterable bonding material according to the present invention may be a pressure assistant sinterable bonding material. However, in certain embodiments, the sinterable bonding materials can be sintered without pressure if resin is contained.

[0077] In another aspect of the invention, sintered product of the sinterable bonding material according to this invention is provided.

[0078] The sinterable bonding materials described herein are prepared at room temperature. When used in semiconductor fabrication, these compositions have sufficient adhesion upon sintering to adhere metal coated dies to metal coated substrates. In particular, the compositions can be used to adhere silver or gold coated semiconductor dies to copper lead-frames. In some embodiments the compositions of this invention will sinter at temperatures of from 150℃ to 300℃, preferably from 200℃ to 250℃. A pressure of from 5 MPa to 40 MPa, preferably 10 MPa to 25 MPa is needed to induce the sintering. At sintering temperatures, the sintering promoter, the solvent, the additives such as the peroxide, or fluxing agent (if any) and the organic substances contained in the silver fillers used in the composition are burned off, leaving only the sintered product comprising the sintered silver.

[0079] In another aspect of the invention, provided is an assembly comprising a first substrate of copper, a sintered product of this invention and a second substrate selected from copper, gold or silver, wherein the sintered product is dispensed between the first substrate and the second substrate.

[0080] In yet another aspect of the invention, provided is a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:

[0081] (i) providing two members to be bonded;

[0082] (ii) disposing the two members and a bonding material so that surfaces to be bonded of the two members face to each other with the bonding material disposed therebetween; and

[0083] (iii) heating the two members with the bonding material according to the present invention disposed therebetween to a predetermined temperature and pressure.

[0084] Preferably, the predetermined temperature in step (ii) is of from 150℃ to 300℃, more preferably from 200℃ to 250℃. The predetermined pressure is from 5 MPa to 40 MPa, more preferably 10 MPa to 25 MPa.

[0085] In yet another aspect of the invention, the use of the sinterable bonding material of this invention in the manufacturing of semiconductor devices is provided.

[0086] Thus, using the sinterable bonding material according to the invention, electronic components such as semiconductor devices, chip components, diodes, discrete components or combination thereof may be joined to electrodes on a circuit board to thereby form an electronic circuit on the surface of the circuit board.

[0087] Examples

[0088] The following examples are intended to assist one skilled in the art to better understand and practice the present invention. The scope of the invention is not limited by the examples but is defined in the appended claims. All parts and percentages are based on weight unless otherwise stated.

[0089] Materials used in the present Examples will be shown below. If not otherwise specified, commercially available high-purity products were used as reagents.

[0090] <Silver Filler>

[0091] Silver filler 1: TC-505C Silver Powder is flake-shaped filler having a D50 particle size of 2.5 μm and a specific surface area of 0.65 m2 / g, available from Tokuriki Chemical Research Co., Ltd.

[0092] <Sintering promotor>

[0093] Butyric acid

[0094] Cyclopentanecarboxylic acid

[0095] Cyclohexanecarboxylic acid

[0096] Octanoic acid

[0097] Lauric acid

[0098] n-Pentadecanoic acid

[0099] Comparative compound 1: Acetic acid

[0100] Comparative compound 2: Isostearic acid

[0101] Comparative compound 3: Heneicosylic acid

[0102] Comparative compound 4: Lignoceric acid

[0103] <Solvent>

[0104] 2-ethylhexane-1, 3-diol

[0105] Preparation method

[0106] All the components shown in Table 1 and 2 were mixed and stirred at 1000 rpm in at a temperature of below 30℃, preferably at room temperature to obtain a bonding material.

[0107] The obtained bonding material was printed at a thickness of 100 μm on a substrate (apure copper lead frame, 10x10 mm, a thickness of 0.15 mm) . A semiconductor chip (backside silver-plated SiC die, 5x5 mm2) was mounted on the substrate. The substrate with the chip was heated at 100℃ for 30 minutes firstly. Then under the conditions of 215 ℃ / 5 minutes / 20 MPa in a pressure assistant sintering machine to obtain a test piece for evaluation. The sintering condition was air atmosphere.

[0108] Test Methods:

[0109] <Die Shear Strength>

[0110] Die Shear Strength (DSS) was measured using DAGE4000 at room temperature. The compositions were coated onto 5x5 mm2 silver coated dies and employed to a commercial type of copper lead-frame (CDA151) used in the semiconductor industry. Each sample was tested eight times under the same condition and the average DSS was calculated and recorded by simplistic average method so as to eliminate error. The evaluation results were shown in Table 1 and 2. The target average DSS is more than 7 kg, preferably 10 kg or above.

[0111] Comparative Example 1 to 5 and Examples 1 to 6

[0112] In this set of examples, one sinterable bonding material composition without any sintering promoter (CE. 1) and six compositions comprising different sintering promoters according to this invention (EX. 1 to EX. 6) as well as four compositions comprising organic carboxylic acid compounds different from the invention were prepared based on weight percentage specified in Table 1. The die shear strength of the samples employed to copper lead-frame (CDA151) were tested according to the above method and recorded in Table 1. The photos of the test results at die shear failure mode were shown in Figure 1.

[0113] Table 1

[0114] As shown in Table 1, a higher average DSS on copper lead-frame was achieved in Examples 1 to 6 comparing to Comparative Examples 1 to 5, which indicates that an organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms used as a sintering promoter can improve the sinterability of the bonding material.

[0115] As can be seen from Figure 1, the organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms significantly increase the unoxidized areas on copper bonding (Fig. 1 (c) to 1 (h) ) comparing to those without the sintering promoter (Fig. 1 (a) ) or a different compound from the invention (Fig. 1 (i) to 1 (k) ) .

[0116] Examples 7 to 13

[0117] In this set of examples, seven sinterable bonding materials comprising different amount of sintering promoter according to this invention were prepared based on weight percentage specified in Table 2. The average DSS of the samples employed to copper lead-frame (CDA151) were tested according to the above method and recorded in Table 2. The photos of the test results at die shear failure mode were shown in Figure 2.

[0118] Table 2

[0119] As shown in Table 2, a higher average DSS on copper lead-frame was achieved also in a case where sintering promoter in different amount were used.

[0120] As can be seen from Figure 2, increasing the amount of the organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms gradually increase the unoxidized areas on copper bonding (Fig. 2 (a) to 2 (g) ) .

[0121] Although some preferred embodiments have been described, many modifications and variations may be made thereto in light of the above teachings. It is therefore to be understood that the invention may be practiced otherwise than as specifically described without departing from the scope of the appended claims.

Claims

1.A sinterable bonding material, comprising:(A) at least one silver filler,(B) at least one organic carboxylic acid compound having 4 to 15 carbon atoms, as a sintering promoter, and(C) at least one solvent.2.The sinterable bonding material according to claim 1, wherein the silver filler has a D50 particle size of from 0.5 to 6.0 μm, preferably from 0.8 to 5.0 μm, more preferably from 1.0 to 5.0 μm.3.The sinterable bonding material according to any one of the preceding claims, wherein the sintering promoter is an organic carboxylic acid compound having from more than 4 to 12 carbon atoms.4.The sinterable bonding material according to any one of the preceding claims, wherein the sintering promoter is selected from aliphatic organic carboxylic acid, cycloaliphatic organic carboxylic acid compound, and combinations thereof.5.The sinterable bonding material according to any one of the preceding claims, wherein the sintering promoter is selected from butyric acid, Iisobutyric acid, valeric acid, isovaleric acid, pivalic acid, caproic acid, 2-methylpentanoic acid, 3-methylpentanoic acid, heptanoic acid, 2-methylhexanoic acid, caprylic acid, 2-ethylhexanoic acid, pelargonic acid, capric acid, octanoic acid, lauric acid, undecanoic acid, n-pentadecanoic acid, cyclobutanecarboxylic acid, cyclopentanecarboxylic acid, cyclohexanecarboxylic acid, 1-methylcyclopentane carboxylic acid, cyclohexaneacetic acid, 1, 1-dimethylcyclopentane carboxylic acid, 1-ethylcyclohexane carboxylic acid, 1-propylcyclohexane carboxylic acid, 1-butylcyclohexane carboxylic acid, 1-pentylcyclohexane carboxylic acid, and combinations thereof, preferably cyclopentanecarboxylic acid, cyclohexanecarboxylic acid, octanoic acid, lauric acid, undecanoic acid, dodecanoic acid, and combinations thereof.6.The sinterable bonding material according to any one of the preceding claims, wherein the solvent has a flash point of more than 70℃, preferably more than 90℃, more preferably more than 120℃.7.The sinterable bonding material according to any one of the preceding claims, wherein the silver filler (A) is present in an amount of from 55% to 96% by weight, preferably from 75% to 95% by weight, based on the total weight of the bonding material.8.The sinterable bonding material according to any one of the preceding claims, wherein the sintering promoter (B) is present in an amount of from 0.01% to 5% by weight, preferably from 0.05% to 4% by weight, more preferably from 0.05% to 3% by weight, based on the total weight of the bonding material.9.The sinterable bonding material according to any one of the preceding claims, wherein the solvent (C) is present in an amount of from 3% to no more than 20% by weight, preferably from 5% to 15% by weight, based on the total weight of the bonding material.10.The sinterable bonding material according to any one of the preceding claims, wherein the bonding material further comprises a metal filler other than component (A), a resin, an additive selected from fluxing agent, peroxide, flow additives, adhesion promoters, rheology modifiers, toughening agents, and combinations thereof.11.Sintered product of the sinterable bonding material according to any one of claims 1 to 10.12.An assembly comprising a first substrate of copper, a sintered product according to claim 11, and a second substrate selected from copper, gold or silver, wherein the sintered product is dispensed between the first substrate and the second substrate.13.A method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:(i) providing two members to be bonded;(ii) disposing the two members and a bonding material so that surfaces to be bonded of the two members face to each other with the bonding material disposed therebetween; and(iii) heating the two members with the bonding material according to any one of claims 1 to 10 disposed therebetween to a predetermined temperature and pressure.14.The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the predetermined temperature is of from 150℃ to 300℃, preferably from 200℃ to 250℃, and the predetermined pressure is from 5 Mpa to 40 MPa, preferably 10 MPa to 25 MPa.15.Use of the sinterable bonding material according to any one of claims 1 to 10 or the sintered product according to claim 11 in the manufacturing of semiconductor devices.

Citation Information

Patent Citations

  • Silver paste, semiconductor device using the same and method for producing silver paste

    JP2016054098A

  • Metal nanoparticle paste, electronic component assembly using metal nanoparticle paste, LED module, and method for forming circuit for printed wiring board

    US20130265735A1

  • Electrically conductive bonding material and method for manufacturing semiconductor device

    US20190304944A1

  • Sintering powder

    WO2014068299A1

  • Sinterable bonding material and semiconductor device using the same

    WO2016103527A1