Sinterable bonding material and semiconductor device using the same

Abstract

Provided herein is a sinterable bonding material for adhering electronic components, the sintered product, the semiconductive device, and the use thereof. In particular, provided herein is a cost-effective sinterable bonding material that provides high reliability after aging tests, robust adhesion at both ambient and elevated temperatures,and superior electrical conductivity for bonding electronic components,especially micro-size chips in the LED industry.

Description

Sinterable bonding material and Semiconductor Device Using the SameTechnical field

[0001] The present invention relates to a sinterable bonding material, particularly relates to a sinterable bonding material for adhering electronic components, the sintered product, the semiconductive device and the use thereof.Background of the invention

[0002] Semiconductor chips, including integrated circuits (ICs) and light-emitting diodes (LEDs) , are conventionally mounted onto metal lead frames using conductive adhesives for die bonding. In the manufacture of a semiconductor device, sinterable bonding materials used to bond a semiconductor element to a lead frame and improve electrical conductivity and thermal conductivity therebetween are generally composed of a resin and particles having high electrical conductivity as a filler.

[0003] In recent years, the trend towards miniaturizing semiconductor components, particularly in the LED sector, has resulted in increasingly smaller bonding areas. This has posed a challenge as current bonding material fail to offer adequate adhesion at room temperature, causing chips to detach during the wire bonding process. Furthermore, after undergoing aging tests, some chips and substrates are observed to separate. Additionally, there is a pressing demand within the industry to reduce the costs associated with sinterable bonding material.

[0004] Consequently, there remains a need to develop a cost-effective sinterable bonding material that provides high reliability after aging tests, robust adhesion at both ambient and elevated temperatures, and superior electrical conductivity for bonding electronic components, especially micro-size chips in the LED industry.Summary of the invention

[0005] After intensive studies, the inventors have found that the above problems can be solved by a sinterable bonding material comprising:

[0006] (A) at least one epoxy resin,

[0007] (B) at least one aromatic amine curing agent,

[0008] (C) at least one silver particles,

[0009] (D) at least one silver coated copper particles, and

[0010] (E) at least one dilute;

[0011] wherein the components (C) and (D) constitute more than 70%of the total weight of the sinterable bonding material.

[0012] The sinterable bonding material of this invention is capable of stably sintering on various substrates such as copper, gold or silver, particularly gold and silver with good adhesion.

[0013] In another aspect of the invention, provided herein is a sintered product of the sinterable bonding material according to this invention.

[0014] In an additional aspect of the invention, provided herein is a semiconductor device comprising a substrate; and a semiconductor element mounted on the substrate via an adhesive layer, the adhesive layer comprising a sintered product of the sinterable bonding material according to the present invention.

[0015] In yet another aspect of the invention, provided herein is the use of the sinterable bonding material of this invention in the manufacturing of semiconductor devices.Detailed description of the invention

[0016] 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.

[0017] Unless specified otherwise, in the context of the present invention, the terms used are to be construed in accordance with the following definitions.

[0018] Unless specified otherwise, as used herein, the terms “a” , “an” and “the” include both singular and plural referents.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] The term “electrically conductive filler” refers to a material that is incorporated into a resin matrix to enhance its electrical conductivity. These fillers are typically made from metals, metal oxides,  or other conductive particles that, when dispersed throughout a non-conductive base material, create a network of conductive paths that allow the flow of electric current. The term “electrically conductive filler” and “conductive powder” is interchangeable in this present invention.

[0022] 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.

[0023] All references cited in the present specification are hereby incorporated by reference in their entirety.

[0024] 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.

[0025] The present invention is directed to a sinterable bonding material comprising:

[0026] (A) at least one epoxy resin,

[0027] (B) at least one aromatic amine curing agent,

[0028] (C) at least one silver particles,

[0029] (D) at least one silver coated copper particles, and

[0030] (E) at least one dilute;

[0031] wherein the components (C) and (D) constitute more than 70%of the total weight of the sinterable bonding material.

[0032] (A) Epoxy Resin

[0033] The sinterable bonding material according to the present invention comprises at least one (A) an epoxy resin.

[0034] The epoxy resin which can be used in the material according to the present invention is not particularly limited. Examples thereof include bisphenol A-type epoxy resin, bisphenol F-type epoxy resin, bisphenol S-type epoxy resin, 2, 2’-diallyl bisphenol A-type epoxy resin, hydrogenated bisphenol-type epoxy resin, propylene oxide addition bisphenol A-type epoxy resin, resorcinol-type epoxy resin, bisphenyl-type epoxy resin, sulfide-type epoxy resin, diphenyl ether-type epoxy resin, dicyclopentadiene-type epoxy resin, naphthalene-type epoxy resin, phenol novolac-type epoxy resin, naphthalene phenol novolac-type epoxy resin, glycidyl amine-type epoxy resin, alkyl polyol-type epoxy resin, rubber-modified-type epoxy resin, glycidyl ester compounds, bisphenol A-type episulfide resin and a combination thereof. Preferably, the epoxy resin is a bisphenol A-type epoxy resin and / or a bisphenol F-type epoxy resin.

[0035] Examples of commercially available epoxy resin include but are not limited to EPICLON N-730-A, EPICLON 850-Sand 830-S, which are available from DIC Corporation; EP-4000S, EP-4000L, EP-4003S and EP-4010S, all of which are available from ADEKA Corporation; and jER-828US and jER-YL983U, both of which are available from Mitsubishi Chemical Corporation. Preferably, component (A) is jER-828US available from Mitsubishi Chemical Corporation.

[0036] With particular preference, the epoxy resin (A) may be incorporated in the sinterable bonding material in an amount of from 0.1%to 10%by weight, preferably from 1%to 8%by weight, such as 0.2, 0.4, 0.8, 1.2, 2.4, 2.8, 3.2, 4.4, 5.5, 6.8, 7.2, 7.8, 8.0, 8.8, 9.2, 9.6, 9.8, 10 wt. %, or any ranges between two numbers listed above, based on the total weight of the sinterable bonding material. If the epoxy resin (A) present in an amount of more than 10%, it may hinder the sintering of the silver particles and the silver coated copper particles and therefore cannot achieve effective sintered adhesion.

[0037] (B) Aromatic amine curing agent

[0038] The sinterable bonding material according to the present invention comprises at least one (B) aromatic amine curing agent.

[0039] Component (B) reacts with component (A) the epoxy resin to form crosslinked thermoset plastics with three-dimensional network and imparts excellent adhesion and heat resistance to the material.

[0040] The present inventors surprisingly found that when compared with other types curing agents for epoxy resins, such as phenol-based curing agents, dicyandiamide and anhydride curing agents, the aromatic amine curing agents impart a significantly higher thermal and electrical conductivity to the whole sinterable bonding materials.

[0041] The aromatic amine curing agent (B) can be selected from 4, 4'-methylenebis (2-ethylaniline) , 1- (2-ethylphenyl) propane-1, 1-diamine, 2, 4-dimethylaniline, 4, 4'-methylenedianiline, 4, 4-diaminodiphenyl sulfone, 3, 3'-sulfonyldianiline, 4, 4'-tthiodianiline, 4-amino-N-phenylbenzenesulfonamide, 4- (methylsulfonyl) aniline, 2- (phenylsulfonyl) aniline, 4- (phenylthio) aniline, benzidine, 4-aminobiphenyl, 2-aminobiphenyl, O-tolidine, 3, 3', 5, 5'-tetramethylbenzidine, 4, 4'-methylenebis (2-methylaniline) , 4, 4'-methylenedianiline dihydrochloride, 3, 3'-dimethylbenzidine dihydrochloride, and a combination thereof, preferably 4, 4'-methylenebis (2-ethylaniline) , 4, 4-diaminodiphenyl sulfone and a combination thereof.

[0042] Examples of commercially available aromatic amine curing agents include Seikacure S available from Wakayama Seiko, Kayahard A-A available from Nippon Kayaku, and  300,  520 from Albemarle, EH-105L from Adeka.

[0043] In some examples, the molar ratio of the epoxy group in component (A) the epoxy resin to the amine group in component (B) is from 0.2 to 3, preferably from 0.7 to 1.5. This molar ratio ensures a sufficient crosslinking reaction between component (A) the epoxy resin and component (B) the aromatic amine curing agent.

[0044] With particular preference, the aromatic amine curing agent may be incorporated in the sinterable bonding material in an amount of from 0.1%to 5.0%by weight, preferably from 0.1%to 4.0%by weight, such as 0.2, 0.4, 0.8, 1.2, 2.4, 2.6, 2.8, 3.0, 3.2, 3.6, 4.0, 4.4, 5.0 wt. %, or any ranges between two numbers listed above, based on the total weight of the sinterable bonding material.

[0045] (C) Silver particles

[0046] The sinterable bonding material according to the present invention comprises at least one silver particles as the first electrically conductive filler.

[0047] There is no limitation on the shape of the silver particles used in the present invention. Preferably, the silver particles are silver flakes. The “silver flakes” herein refers to those silver particles having a flake-like shape. The silver particles having a flake shape has high contact area between the particles, which may increase the bonding strength of the sintered products. The shape of the silver particles herein is a shape when analyzed from scanning electron microscope (SEM) observation. Examples of the flake particles include particles with a shape called tabular, dished, scaly, and flaky. When silver flake particles are brought into contact with each other, the contact area increases compared with the case where silver sphere particles are brought into contact with each other. Therefore, containing silver flake particles, the denseness of sintering of silver particles to each other will increase, and as a result, presumably, not only the electrical conductivity of a sintered product of the sinterable bonding material, but also sintered adhesion to the surface of a base metal is improved.

[0048] In preferred embodiments, the silver particles have a D50 particle size of from 0.1 μm to 6.0 μm, preferably from 0.2 μm to 5.0 μm. When the particle size of the silver flake particles is within the above range, the silver particles are better dispersed in the sinterable bonding material, which can improve the preservation stability of the sinterable bonding material and provide a uniform bonding strength. 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.

[0049] The silver particles may be used singly or in combination of two or more. If a combination of two silver particles in different sizes used, the average D50 particle size of the silver flake  particles after mixing preferably falls into the range of from 0.1 μm to 6.0 μm, preferably from 0.2 μm to 5.0 μm, measured by a laser diffraction particle size analyzer.

[0050] In preferred embodiments, the silver particles (C) comprise (C-1) micro silver particles having a D50 particle size of from 1 μm to 6.0 μm, preferably from 1 μm to 5.0 μm, and (C-2) sub-micro silver particles having a D50 particle size of from 0.1 μm to less than 1 μm, preferably from 0.1 μm to 0.6 μm. If both (C-1) and (C-2) present, the weight ratio of (C-1) and (C-2) is preferably from 1: 3 to 1: 1, more preferably from 1: 2 to 1: 1.

[0051] In preferred embodiments, the silver particles have a tap density of from 2 to 8 g / cm3, preferably from 3 to 6 g / cm3.

[0052] In preferred embodiments, the silver particles have a specific surface area of from 0.1 to 5.0 m2 / g.

[0053] The silver particles 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.

[0054] In certain embodiments, the surface of the silver particles may be coated with an organic substance.

[0055] Herein, the state where silver particles are "coated with the organic substance" includes a state where an organic solvent is adhered to the surface of silver particles by dispersing the silver particles in the organic solvent.

[0056] Examples of the organic substance coating the silver particles may include a hydrophilic organic compound such as an alkyl alcohol having 1 to 5 carbon atoms, an alkanethiol having 1 to 5 carbon atoms, and an alkane polyol having 1 to 5 carbon atoms, or a lower fatty acid having 1 to 5 carbon atoms; and a hydrophobic organic compound such as a higher fatty acid having 15 or more carbon atoms and its derivatives, a middle fatty acid having 6 to 14 carbon atoms and its derivatives, an alkyl alcohol having 6 or more carbon atoms, an alkylamine having 16 or more carbon atoms, or an alkanethiol having 6 or more carbon atoms.

[0057] Examples of the higher fatty acid include a straight-chain saturated fatty acid such as pentadecanoic acid, hexadecane acid, heptadecanoic acid, octadecanoic acid, 12-hydroxy octadecanoic acid, eicosanoic acid, docosanoic acid, tetracosanoic acid, hexacosanoic acid (cerinic acid) , or octacosanoic acid; a branched saturated fatty acid such as 2-pentyl nonanoic acid, 2-hexyl decanoic acid, 2-heptyl dodecanoic acid, or isostearic acid; and an unsaturated  fatty acid such as palmitoleic acid, oleic acid, isooleic acid, elaidic acid, linoleic acid, linolenic acid, recinoleic acid, gadoleic acid, erucic acid, and selacholeic acid.

[0058] Examples of the middle fatty acid include a straight-chain saturated fatty acid such as hexanoic acid, heptanoic acid, octanoic acid, nonanoic acid, decanoic acid, undecanoic acid, dodecanoic acid, tridecanoic acid, or tetradecanoic acid; a branched saturated fatty acid such as isohexanoic acid, isoheptanoic acid, 2-ethylhexanoic acid, isooctane acid, isononanoic acid, 2-propyl heptanoic acid, isodecanoic acid, isoundecanoic acid, 2-butyl octanoic acid, isododecanoic acid, and isotridecanoic acid; and an unsaturated fatty acid such as 10-undecenoic acid.

[0059] Examples of a method for manufacturing silver flake particles having a surface coated with an organic substance include, but are not particularly limited to, a method for manufacturing silver particles in the presence of an organic solvent by a reductive method. Specifically, the silver particles can be obtained by mixing a carboxylic acid silver salt with a primary amine and depositing a conductive filler using a reducing agent in the presence of an organic solvent.

[0060] It is possible to use commercially available silver particles in the present invention. Examples thereof include TC-505 available from Tokuriki Honten Co., Ltd., FA DAB 195 and FA-SAB-238 available from Dowa, 18040-NM2 Ag Powder and S0003-NM2 from Ames.

[0061] When the surface of the silver particles is coated with the organic substance, the aggregation of the silver particles in the adhesive material can be more prevented or reduced.

[0062] With particular preference, the silver particles (C) may be incorporated in the sinterable bonding material in an amount of from 6%to 54.8%by weight, preferably from 10%to 50%by weight, such as 6, 8, 11, 18, 22, 28, 33, 45, 48, 50, 52 wt. %, or any ranges between two numbers listed above, based on the total weight of the sinterable bonding material.

[0063] (D) Silver coated copper particles

[0064] The sinterable bonding material according to the present invention comprises at least one silver coated copper particles, as the second electrically conductive filler.

[0065] The “silver coated copper particles” used herein refers to a composite material made up of silver and copper, where silver particles are encapsulated on the surface of copper particles. The incorporation of the silver coated copper particles is for cost reduction while remaining the performance of the sinterable bonding material. The shape of the silver particles silver coated copper particles is not limited, which can be flake, plate or sphere. The shape herein is a shape  when analyzed from scanning electron microscope (SEM) observation. In preferred embodiments, the aspect ratio of the silver coated copper particles is from 0.5 to 1.2.

[0066] Preferably, the silver content may be less than 25%by weight relative to the total amount of silver coated copper particles (D) .

[0067] In preferred embodiments, the silver coated copper particles (D) have a specific surface area of less than 0.5. If the specific surface area of the silver coated copper particles is 0.5 or above, sintering performance may be not satisfactory. This is because the high SSA of the silver-coated copper results in an uneven surface or an excessive amount of organic coatings on the surface of the silver-coated copper. This unevenness or excess can impede the sintering process between the silver-coated copper and the silver particles.

[0068] In preferred embodiments, the silver coated copper particles shall have a D50 particle size of from 1 μm to 10 μm, preferably from 2 μm to 8 μm. If the D50 particle size of the silver coated copper particles is less than 1 μm or larger than 10 μm, the sintering performance may be not satisfactory. This is because, if the particles are too small, the material tends to sinter within itself, resulting in poor bonding to the lead frame. Conversely, if the particles are too large, the silver-coated copper cannot provide enough surface area to form a proper backbone, leading to low die shear strength.

[0069] In preferred embodiments, the silver coated copper particles have a tap density of from 2 to 15 g / cm3, preferably from 3.5 to 7.2 g / cm3.

[0070] The silver coated copper particles used in the present invention can be manufactured by a known method such as electroless plating method.

[0071] The silver coated copper particles (D) may be used singly or in combination of two or more.

[0072] It is possible to use commercially available silver coated copper particles in the present invention. Examples thereof include AgCu 300-15 and AgCu 500-10 available from Ames Goldsmith.

[0073] The silver coated copper particles are more cost-effective alternative to silver particles, however, according to the present invention, the components (C) and (D) constitute more than 70%of the total weight of the sinterable bonding material in order to maintain good sintering adhesion. Preferably, the sinterable bonding material contains no electrically conductive fillers other than components (C) and (D) .

[0074] With particular preference, the silver coated copper particles (D) may be incorporated in the sinterable bonding material in an amount of from 40%to 65%by weight, preferably from 45%to 60%by weight, such as 40, 45, 48, 52, 55, 58, 60, 62, 65 wt. %, or any ranges between two numbers listed above, based on the total weight of the sinterable bonding material. Within this content range, the reliability performance of the sinterable bonding material may be greatly improved while without impairing other properties, such as die shearing strength and volume resistivity.

[0075] (E) Diluent

[0076] The sinterable bonding material according to the present invention comprises at least one diluent (E) .

[0077] A diluent is added to the sinterable bonding material of the present embodiment in order to make the sinterable bonding material an appropriate viscosity in consideration of the ability to apply to a semiconductor element or a substrate and the ability to fill details. A reactive diluent or a non-reactive solvent can be used as the diluent. Here, "reactive diluent" refers to a compound having a reactive group that participates in the crosslinking reaction of the binder resin contained in the bonding material, and "non-reactive solvent" refers to a solvent that does not have a reactive group that participates in the crosslinking reaction of the binder resin.

[0078] Examples of reactive diluents used as diluents include glycol monomers, acrylic monomers, epoxy monomers, maleimide monomers, and the like.

[0079] Examples of the glycol monomer used as the reactive diluent include ethylene glycol, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol mono n-propyl ether, ethylene glycol monoisopropyl ether, Ethylene glycol mono n-butyl ether, ethylene glycol monoisobutyl ether, ethylene glycol monohexyl ether, ethylene glycol mono 2-ethylhexyl ether, ethylene glycol monoallyl ether; Ethylene glycol monophenyl ether, ethylene glycol monobenzyl ether, diethylene glycol, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol mono n-propyl ether, Diethylene glycol monoisopropyl ether, diethylene glycol mono n-butyl ether, diethylene glycol monoisobutyl ether, diethylene glycol monohexyl ether, diethylene glycol mono 2-ethylhexyl ether, diethylene glycol monobenzyl ether, Triethylene glycol, triethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol monoethyl ether, triethylene glycol mono n-butyl ether, tetraethylene glycol, tetrabutylene glycol monomethyl, tetrabutylene glycol monoethyl; Tetraethylene glycol mono n-butyl, propylene glycol, propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, propylene glycol mono n-propyl ether, propylene glycol monoisopropyl ether, Propylene glycol mono n-butyl ether, propylene glycol monophenyl ether, dipropylene glycol, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monoethyl ether, dipropylene glycol mono n-propyl ether, Dipropylene glycol mono n-butyl  ether, tripropylene glycol, tripropylene glycol monomethyl ether, tripropylene glycol monoethyl ether, tripropylene glycol mono n-butyl ether, and the like. One type of these may be used alone, or two or more types may be used in combination.

[0080] With particular preference, the diluent (E) may be incorporated in the sinterable bonding material in an amount of from 0.5%to 10%by weight, preferably from 2%to 10%by weight, such as 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 wt. %, or any ranges between two numbers listed above, based on the total weight of the sinterable bonding material.

[0081] (F) Optional components

[0082] The sinterable bonding material may optionally comprise an electrically conductive filler other than component (C) or (D) , such as copper alloy and the like.

[0083] 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 53 to 90 wt%copper (Cu) , and even more preferably from 60 to 90 wt%copper (Cu) , based on the weight of the alloy.

[0084] It is preferably to not have an additional electrically conductive filler as above, but if present, the metal filler other than component (A) or (B) may be incorporated into the sinterable bonding material in an amount of from 0.01%to 20%by weight, based on the total weight of the sinterable bonding material.

[0085] The sinterable bonding material may optionally comprise an additive selected from a silane coupling agent, a solvent, a fluxing agent, a peroxide, a flow additive, an adhesion promoter, a rheology modifier, a toughening agent, and a combination thereof.

[0086] The solvent may be added to decrease the viscosity of the sinterable bonding material. There is no limitation on the type of the solvent. Preferably the solvent 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- (2-ethoxy-ethoxy) -ethyl acetate, propylene glycol monoethyl ether, butylethoxy ethyl acetate, propylene carbonate, cyclooctenone, cycloheptanone, cyclohexanone, linear or branched alkanes, and a mixture thereof.

[0087] With particular preference, the additives may be optionally incorporated into the sinterable bonding material in an amount of not more than 10%by weight, based on the total weight of the sinterable bonding material.

[0088] Preferably, the sinterable bonding material is free of tackifying resins, because tackifying resin hinders the sintering between the silver and silver coated copper therefore compromises the rigidity of the cured material, leading to a decrease in die shear strength.

[0089] In one particular embodiment, the sinterable bonding material, based on the total weight of the sinterable bonding material, comprising:

[0090] from 0.1%to 10%by weight, preferably from 1%to 8%by weight of at least one epoxy resin,

[0091] from 0.1%to 5.0%by weight, preferably from 0.1%to 4.0%by weight of at least one aromatic amine curing agent,

[0092] from 6%to 54.8%by weight, preferably from 10%to 50%by weight of at least one silver particles,

[0093] from 40%to 65%by weight, preferably from 45%to 60%by weight of at least one silver coated copper particles,

[0094] from 0.5%to 10%by weight, preferably from 2%to 10%by weight of at least one dilute; and from 0 to no more than 10%by weight of at least one additive.

[0095] The present sinterable bonding material employs a combination of the component (C) and (D) as electrically conductive fillers to achieve strong sintering adhesion and high reliability without being costly, rather than relying on resins for adhesion in order to bond micro-size chips. In addition, by selection of particular curing agent, the reliability, sintering adhesion and electrical conductivity are further enhanced.

[0096] The present sinterable bonding material is particularly suitable for bonding micro-sized chips in the LED industry, particularly effective for a die area of no larger than 0.5mm*0.5mm.

[0097] In another aspect of the invention, sintered product of the sinterable bonding material according to this invention is provided.

[0098] The sinterable bonding materials described herein are prepared at room temperature. When used in semiconductor fabrication, these materials have sufficient adhesion upon sintering to bond metal coated dies to metal coated substrates. In particular, the bonding material can be used to bond silver or gold coated semiconductor dies to silver, gold or copper lead-frames or laminated substrates. In some embodiments, the materials of this invention sinters at temperatures of from 120℃ to 300℃, preferably from 120℃ to 200℃, for 10 to 200 minutes. No pressure is needed to induce the sintering.

[0099] At sintering temperatures, the solvent (if any) , the additives such as the silane coupling agent, peroxide, or fluxing agent (if any) and the unreacted organic substances contained in the silver particles and silver coated copper particles used in the material are burned off, leaving only the sintered product comprising the sintered silver, silver coated copper and reacted epoxy resin.

[0100] In another aspect of the invention, provided is a semiconductor device comprising a substrate; and a semiconductor element mounted on the substrate via an adhesive layer, the adhesive layer comprising a sintered product of the sinterable bonding material according to the present invention.

[0101] In some embodiments, the substate can be selected from silver, copper, copper alloy, gold, nickel, titanium, brass and the like, or other non-metal substrate coated with the same.

[0102] In yet another aspect of the invention, provided is a method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:

[0103] (i) providing two members to be bonded,

[0104] (ii) disposing the two members and a sinterable bonding material according to the present invention so that surfaces to be bonded of the two members face to each other with the sinterable bonding material disposed therebetween, and

[0105] (iii) heating the two members with the sinterable bonding material disposed therebetween to a predetermined temperature for a predetermined time.

[0106] Preferably, the predetermined temperature in step (iii) is of from 120℃ to 300℃, preferably from 120℃ to 200℃, and the predetermined time is from 10 to 200 minutes.

[0107] 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.

[0108] 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.

[0109] Examples

[0110] 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.

[0111] Raw materials:

[0112] Resin:

[0113] EPICLON N-730-A is bisphenol-F, epichlorohydrin resin available from DIC Corporation.

[0114] Curing agent:

[0115] Seikacure S is 4, 4-diaminodiphenyl sulfone, available from Wakayama Seiko.

[0116] Kayahard A-Ais 4, 4'-methylenebis (2-ethylaniline) , available from Nippon Kayaku.

[0117] SD-1731 is phenol novolac resin, available from Hexion.

[0118] OMICURETM DDA 5 is dicyandiamide, available from CVC Thermoset Specialties.

[0119] Curezol 2 PHZ is an imidazole curing agent, available from Shikoku Chemicals.

[0120] Silver particles:

[0121] FA DAB 195 is silver flake particles having an average D50 particle size of 2.1 μm, available from Dowa.

[0122] 18040-NM2 Ag Powder is silver particles having an average D50 particle size of 0.41 μm, available from Ames Goldsmith.

[0123] AgCu 300-15 is silver coated copper particles having a silver content of 15 wt. %and a specific surface area of 0.4, available from Ames Goldsmith.

[0124] AgCu 500-10 is silver coated copper particles having a silver content of 10 wt. %and a specific surface area of 0.24, available from Ames Goldsmith.

[0125] JD-342 is o-cresyl glycidyl ether (diluent) , available from Jiadida Chemical.

[0126] KBM-573 is a silane coupling agent, available from Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.

[0127] Preparation method:

[0128] In the following examples, the samples were prepared by mixing and stirring at 1000 rpm in  at a temperature of below 30℃, preferably at room temperature to obtain a homogeneous material paste. Then all samples were used to be sintered at 5℃  / min to 160℃ for 120 minutes at the air atmosphere. No pressure was used.

[0129] Test Methods:

[0130] <Viscosity>

[0131] The viscosity of each sample was measured with Brookfield Thermosel viscometer using spindle Cp51 under 5 rpm, 25 ℃. The viscosity under 5 rpm of from 8000 to 17000 cps is acceptable in the present invention.

[0132] <Volume resistivity>

[0133] The volume resistivity was determined in the following manner: aliquots of the prepared formulations were drawn down the surface of glass slides giving strips with strip dimensions of 6.35cm length, 2.54 mm width and approximately 50-micron thickness and then heated in an oven at 5℃  / min to 160℃ for 120 minutes at the air atmosphere. After curing the strips were approximately 0.010 to 0.03 cm thick. Resistance was determined by measuring the voltage (V) drop along a 6.35 cm strip while passing current (I) through the strip, (R=V / I) . Three separate strips were prepared and measured for resistance and dimensions. The volume resistivity (VR) was calculated for each strip using the formula Rv= (R (w) (t)  / L) where R is the electrical resistance of the sample in ohms measured using an ohmmeter or equivalent resistance measuring device, w and t are the width and thickness of the sample, in centimeters, and L is the distance in centimeters between the electrical conductors of the resistance measuring device. Volume resistivity units are reported in Ohm·cm. The target volume resistivity is less than 1.00E-04 Ohm·cm.

[0134] <Die Shear Strength>

[0135] Die Shear Strength (DSS) at room temperature and high temperature was measured respectively using DAGE4000 with a heater adapter plate capable of reaching 260℃. The materials were coated onto 0.5x0.5 mm2 silver coated dies and employed to a commercial type of Ag coated copper lead-frame (QPL) used in the semiconductor industry. The samples were sintered according to the sintering profile stated above. Each sample was tested eight times under the same condition and the average die shear strength was calculated and recorded by simplistic average method so as to eliminate error. The target of the average DSS at room temperature was equal to or greater than 0.9 Kg. The target of the average DSS at 160℃ was equal to or greater than 0.5 Kg. And the target of the average DSS at 260℃ was equal to or greater than 0.5 Kg.

[0136] <Pressure Cooker Test (PCT) >

[0137] The Pressure Cooker Test was measured by putting the sample to a chamber with high-pressure steam at a temperature of 121℃ and a relative humidity of 100%. The test was conducted for at least 16 hours.

[0138] After PCT test, the sample exhibiting a DSS of greater than 0.5 Kg at 260℃ was considered to have high reliability.

[0139] Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4

[0140] In this set of examples, one sinterable bonding material without silver particles according to the present invention (CE1) , two samples without silver coated copper particles (CE2 and CE3) , one sample having a total amount of the component (C) and (D) of 70% (CE4) , and three sinterable bonding materials according to this invention (EX1 to EX3) were prepared based on weight percentage specified in the following table. And the test results were also shown in the Table 1.

[0141] Table 1

[0142] As shown in Table 1, Examples 1 to 3 demonstrated improved electrical conductivity and higher DSS at both room temperature and high temperatures as well as higher reliability after aging compared with Comparative Examples 1 to 4 where no silver particles were used (CE1) , no silver coated copper particles (CE2 and CE3) and insufficient electrically conductive filler loading were used (CE4) .

[0143] Examples 4 to 6 and Comparative Examples 5 to 8

[0144] In this set of examples, sinterable bonding materials having curing agent outside the claimed range (CE5 to CE8) , three sinterable bonding materials with the aromatic amine curing agent  (EX4 to EX6) were prepared based on weight percentage specified in the following table. And the test results were also shown in the Table 2.

[0145] Table 2

[0146] As shown in Table 2, when a combination of two different aromatic amine curing agents according to this invention was used (EX5) , higher DSS and reliability after aging were achieved. Comparative Examples 5 to 8 (CE5 to CE8) further demonstrated that without aromatic amine curing agent or in replace of other type of curing agent cannot reach ideal electrical conductivity, good DSS and high reliability after aging.

[0147] 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 epoxy resin,(B) at least one aromatic amine curing agent,(C) at least one silver particles,(D) at least one silver coated copper particles, and(E) at least one dilute;wherein the components (C) and (D) constitute more than 70%of the total weight of the sinterable bonding material.2.The sinterable bonding material according to claim 1, wherein the epoxy resin (A) is selected from bisphenol A-type epoxy resin, bisphenol F-type epoxy resin, bisphenol S-type epoxy resin, 2, 2’-diallyl bisphenol A-type epoxy resin, hydrogenated bisphenol-type epoxy resin, propylene oxide addition bisphenol A-type epoxy resin, resorcinol-type epoxy resin, bisphenyl-type epoxy resin, sulfide-type epoxy resin, diphenyl ether-type epoxy resin, dicyclopentadiene-type epoxy resin, naphthalene-type epoxy resin, phenol novolac-type epoxy resin, naphthalene phenol novolac-type epoxy resin, glycidyl amine-type epoxy resin, alkyl polyol-type epoxy resin, rubber-modified-type epoxy resin, glycidyl ester compounds, bisphenol A-type episulfide resin, and a combination thereof.3.The sinterable bonding material according to claim 1 or 2, wherein the aromatic amine curing agent (B) is selected from 4, 4'-methylenebis (2-ethylaniline) , 1- (2-ethylphenyl) propane-1, 1-diamine, 2, 4-dimethylaniline, 4, 4'-methylenedianiline, 4, 4-diaminodiphenyl sulfone, 3, 3'-Sulfonyldianiline, 4, 4'-Tthiodianiline, 4-Amino-N-phenylbenzenesulfonamide, 4- (methylsulfonyl) aniline, 2- (phenylsulfonyl) aniline, 4- (phenylthio) aniline, benzidine, 4-aminobiphenyl, 2-aminobiphenyl, O-tolidine, 3, 3', 5, 5'-tetramethylbenzidine, 4, 4'-methylenebis (2-methylaniline) , 4, 4'-methylenedianiline dihydrochloride, 3, 3'-dimethylbenzidine dihydrochloride, and a combination thereof, preferably 4, 4'-methylenebis (2-ethylaniline) , 4, 4-diaminodiphenyl sulfone and a combination thereof.4.The sinterable bonding material according to any one of preceding claims, wherein the silver particles (C) have a D50 particle size of from 0.1 μm to 6.0 μm, preferably from 0.2 μm to 5.0 μm.5.The sinterable bonding material according to claim 4, the silver particles (C) comprise (C-1) micro silver particles having a D50 particle size of from 1 μm to 6.0 μm, preferably from 1 μm to 5.0 μm, and (C-2) sub-micro silver particles having a D50 particle size of from 0.1 μm to less than 1 μm, preferably from 0.1 μm to 0.6 μm.6.The sinterable bonding material according to any one of preceding claims, wherein the silver coated copper particles (D) have a specific surface area of less than 0.5.7.The sinterable bonding material according to any one of preceding claims, wherein the sinterable bonding material further comprises an additive selected from a silane coupling agent, a solvent, a fluxing agent, a peroxide, a flow additive, an adhesion promoter, a rheology modifier, a toughening agent, and a combination thereof.8.The sinterable bonding material according to any one of preceding claims, wherein the component (A) is present in an amount of from 0.1%to 10%by weight, preferably from 1%to 8%by weight, based on the total weight of the sinterable bonding material.9.The sinterable bonding material according to any one of preceding claims, wherein the component (B) is present in an amount of from 0.1%to 5.0%by weight, preferably from 0.1%to 4.0%by weight, based on the total weight of the sinterable bonding material.10.The sinterable bonding material according to any one of preceding claims, wherein the component (C) is present in an amount of from 6%to 54.8%by weight, preferably from 10%to 50%by weight, based on the total weight of the sinterable bonding material.11.The sinterable bonding material according to any one of preceding claims, wherein the component (D) is present in an amount of from 40%to 65%by weight, preferably from 45%to 60%by weight, based on the total weight of the sinterable bonding material.12.A sintered product of the sinterable bonding material according to any one of claims 1 to 11.13.A semiconductor device comprising a substrate; and a semiconductor element mounted on the substrate via an adhesive layer, the adhesive layer comprising a sintered product of the sinterable bonding material according to any one of claims 1 to 11.14.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 sinterable bonding material according to any one of claims 1 to 11 so that surfaces to be bonded of the two members face to each other with the sinterable bonding material disposed therebetween, and(iii) heating the two members with the sinterable bonding material according to any one of claims 1 to 11 disposed therebetween to a predetermined temperature for a predetermined time.15.Use of the sinterable bonding material according to any one of claim 1 to 11 or the sintered product according to claim 12 in the manufacturing of semiconductor devices.

Images