專利名稱：導電材料、導電膏、電路板以及半導體器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及導電材料、導電膏、電路板以及半導體器件，更具體地說，涉及在印刷 電路板等電路板上形成導體電路或者對電路之間進行層間連接等的處理中所使用的導電 材料、導電性膏以及使用該導電材料或導電膏的電路板以及半導體器件。
背景技術：
對于在印刷電路板等電路板上形成導體電路或者對電路之間進行層間連接的處 理中所使用的導電材料，要求其化學性質(zhì)穩(wěn)定，且電阻小。另一方面，在用于搭載電子部件 的印刷電路板等電路板中，要求高密度地形成多層導體電路。因此，近年來，使用如下印刷 電路板，在該印刷電路板上高密度地形成有內(nèi)部導通孔(NH=Irmer Via Hole)或盲導通孔 (Blind Via Hole)等，由此能夠高密度地安裝電子部件，其中，上述內(nèi)部導通孔或盲導通孔 通過在通孔(through-hole)或導通孔(via hole)內(nèi)埋入導電材料來連接上下布線層。作為在這樣的電路板上形成導體電路的方法，使用如下金屬面腐蝕法 (subtractive method)，S卩，在印刷電路板的整個表面上形成用作導體電路的金屬膜，接 著，利用光刻技術，通過蝕刻來去除不需要的金屬膜，由此在電路板上形成導體電路。而且， 作為其他方法，有如下方法等，即，為了實現(xiàn)低成本化，利用導電膏的被膜并通過網(wǎng)板印刷 法在電路板的表面上形成電路，其中，上述導電膏含有銀(Ag)、銅(Cu)、碳(C)等導電材料 的粒子和溶解在溶劑中的粘結劑(binder)。另外，還提出了如下方法，S卩，通過在上述內(nèi)部導通孔或盲導通孔內(nèi)填充形成導電 膏并進行固化處理，形成用于連接電路板層間的導體電路。而且，提出了如下導電性材料，該導電性材料由多個粒子形成，各粒子具有導電性 涂層，上述導電性涂層熔融而在相鄰的粒子上形成導電性涂層，從而形成熔融的粒子的網(wǎng) 狀結構(參照專利文獻1)。另外，提出了如下方式，S卩，混合導電填充劑和規(guī)定藥品而制作導電性膏，利用該 導電性膏并通過網(wǎng)板印刷法來形成導體電路和通孔，其中，上述導電填充劑是通過無電解 電鍍法在銅(Cu)粒子表面上形成厚度為Iym的錫(Sn)的被膜而形成的(參照專利文獻 2)。而且，提出了一種用于層疊陶瓷電子部件的端子電極的導電性金屬膏，該導電性 金屬膏利用了如下特性利用兩種金屬元素來形成的合金的熔點比各元素的熔點低，并且 利用兩種金屬元素來形成的金屬間化合物具有高熔點(參照專利文獻3)。在該提案中，將 在銅(Cu)粉末的表面上涂敷鋅(Zn)而制作的復合金屬粉末用作層疊陶瓷電子部件的端子 電極，當以500至600°C的溫度進行燒結時，在鋅(Zn)和銅(Cu)之間發(fā)生相互擴散，從而使 鋅(Zn)部分變成黃銅，能夠得到高密度的燒結體，另外，通過用黃銅包圍銅(Cu)粉末，防止 銅(Cu)端子的電極表面被氧化。專利文獻1 JP特開平8-227613號公報；專利文獻2 JP特開2006-19306號公報；
專利文獻3 JP特開平02-46603號公報。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題然而，在通過上述網(wǎng)板印刷來形成導體電路的方法中，在用于導電膏的導電材料 由銀(Ag)形成的情況下，電阻值為5.0Χ10_6[Ω · cm]，導電性優(yōu)異，但是存在與硫黃⑶ 發(fā)生反應而形成硫化銀或引起遷移(migration)等問題。另外，在用于導電膏的導電材料 由銅(Cu)形成的情況下，電阻值為2.5 X 10_4[ Ω ·πι]，存在導電性比銀(Ag)差的問題。進 而，在用于導電性膏的導電材料由碳(C)形成的情況下，雖然不會與硫黃⑶發(fā)生反應而硫 化或者引起遷移，但是其電阻值為3.0Χ10_2[Ω ·πι]，存在導電性比銅(Cu)還差的問題。另外，作為連接電路板層間的連接材料，必須選擇例如以金(Au)為主成分的材 料，如下的以錫(Sn)為主成分的連接材料幾乎不存在，即，在將溫度分級接合應用于不含 鉛(Pb)的錫(Sn)系列的焊料的情況下，在比錫(Sn)-銀(Ag)合金的熔點即221°C (錫 (Sn)-3銀(Ag)-0.5銅(Cu)的情況下為217°C )高的240至260°C的溫度下能夠進行連接， 并且熔點的溫度區(qū)域是電路板的耐熱溫度即260°C以上。然而，以金(Au)為主成分的合金系列，其熔點溫度區(qū)域高，例如，金(Au)-錫(Sn) 合金的熔點是280(°C )，金(Au)-鍺(Ge)合金的熔點是356 (°C )，金(Au)-硅(Si)合金 的熔點是370CC )。因此，在將這些材料用作為對電路板的層間進行連接的連接材料的情 況下，對構成電路的其他構件帶來的熱損傷變大，并且由于這些材料以金(Au)為主成分， 因此在材料成本方面也存在問題。而且，以金(Au)為主成分的合金系的材料與鉛(Pb)-錫 (Sn)系的焊錫材料相比，硬并且脆，因此在連接可靠性方面也存在問題。另外，由于電子部件的連接部的微細化而導致在將電子部件連接到電路板時施加 的熱以及電子部件和電路板的熱膨脹系數(shù)不同，由此，上述連接部的位置偏移成為決定是 否可連接的致命的問題。因此，連接時的加熱溫度越低越好。例如，在熱膨脹系數(shù)大的有機 系的電路板的情況下，需要將該加熱溫度設為至少160°C以下。另一方面，在連接溫度低的 情況下，如果利用其他工序來使連接部再次熔融，則有可能使可靠性下降，因此要求最終產(chǎn) 品中的連接部是耐受于高溫的結構。作為對應于該問題的對策之一，近年來不斷開發(fā)利用納米尺寸粒子的納米膏材 料。然而，在采用納米膏材料的情況下，雖然存在在低溫下容易燒結(或者凝結)的優(yōu)點， 但是存在納米尺寸粒子的制造方法特殊且成本也高的缺點。因此，本發(fā)明是鑒于上述問題而提出的，其目的在于提供一種導電材料、導電性膏 以及利用該導電材料或導電膏的電路板以及半導體器件，該導電材料及導電性膏與現(xiàn)有的 導電材料相比電阻值低，在用作為電路板的絕緣基板的耐熱溫度以下的溫度下能夠熔融和 結合，而且，通過金屬反應而具有比上述絕緣基板的耐熱溫度高的熔點，能夠耐受電子部件 的錫焊溫度，而且能夠實現(xiàn)可靠性高的電連接以及確保充分的強度的連接。用于解決課題的手段根據(jù)本發(fā)明的一個技術方案，提供一種導電材料，其具有第一金屬部，其以第一 金屬為主成分；第二金屬部，其以第二金屬為主成分，并形成在上述第一金屬部的表面上， 該第二金屬具有比上述第一金屬的熔點低的熔點，并且該第二金屬能夠與上述第一金屬形
5成金屬間化合物；第三金屬部，其以第三金屬為主成分，該第三金屬能夠與上述第二金屬發(fā) 生共晶反應。優(yōu)選地，在絕緣基板的?；瘻囟纫韵禄蛏晕⒊^玻化溫度的溫度下，在作為上述 第二金屬部的主成分的上述第二金屬和作為上述第三金屬部的主成分的上述第三金屬之 間發(fā)生共晶反應。另外，優(yōu)選地，由作為上述第一金屬部的主成分的上述第一金屬和作為上 述第二金屬部的主成分的上述第二金屬形成金屬化合物，上述金屬化合物的熔點溫度比絕 緣基板的耐熱溫度高。根據(jù)本發(fā)明的其他技術方案，提供一種導電膏，該導電膏是混合上述導電材料和 樹脂成分而形成的。根據(jù)本發(fā)明的其他技術方案，提供一種電路板，該電路板具有電路部，上述電路部 通過具有上述導電材料的連接部而彼此連接。根據(jù)本發(fā)明的其他技術方案，提供一種半導體器件，在電路板的主面上連接半導 體元件而形成，上述電路板和上述半導體元件通過具有上述導電材料的連接部而彼此連接。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種導電材料、導電性膏以及利用該導電材料或導電膏的 電路板以及半導體器件，該導電材料及導電性膏與現(xiàn)有的導電材料相比電阻值低，在用作 為電路板的絕緣基板的耐熱溫度以下的溫度下能夠熔融/結合，而且，通過金屬反應而具 有比上述絕緣基板的耐熱溫度高的熔點，能夠耐受電子部件的錫焊溫度，而且能夠實現(xiàn)可 靠性高的電連接以及確保充分的強度的連接。


圖1是用于說明本發(fā)明的原理的圖。圖2是表示在本發(fā)明的第一實施例中兩次加熱處理所引起的溫度變化和熱量的 測定結果的曲線圖。圖3是用于說明本發(fā)明的第二實施例的圖。圖4是用于說明本發(fā)明的第三實施例的圖。圖5是用于說明本發(fā)明的第四實施例的圖。圖6是用于說明本發(fā)明的第五實施例的圖。附圖標記的說明10:導電材料11:第-一金屬部
12 第:一金屬部
13廉Ξ金屬部
14:第:二金屬和第三Ξ金屬的金屬化合物
15 第-一金屬和第二二金屬的金屬化合物
20,41布線基板
21,22導電圖案
30 多層布線基板
35 粘接帶40、50 半導體器件42 電極端子43 半導體元件44:凸狀外部連接端子45 外部連接端子
具體實施例方式下面，首先對本發(fā)明的原理進行說明，然后對本發(fā)明的實施例進行說明。(本發(fā)明的原理)圖1示出了本發(fā)明的原理。如圖1的(a)部分所示，在本發(fā)明實施方式的導電材料10中，在成為導電材料10 的核的第一金屬部11的表面上，形成有第二金屬部12，其中，上述第一金屬部11是以第一 金屬為主成分的金屬或合金的粒子，上述第二金屬部12是以第二金屬為主成分的合金被 膜，上述第二金屬具有比上述第一金屬的熔點低的熔點且能夠與上述第一金屬形成金屬間 化合物。而且，在導電材料10中，混合有由以第三金屬為主成分的金屬或合金的粉末形成 的第三金屬部13，該第三金屬能夠與第二金屬發(fā)生共晶反應。作為用于形成第一金屬部11的第一金屬，例如，能夠使用如黃銅或磷銅等的粉末 那樣的銅(Cu)或銅(Cu)合金。作為用于形成第二金屬部12的第二金屬，能夠使用錫(Sn)或者以錫(Sn)為主 成分的錫(Sn)合金，該以錫(Sn)為主成分的錫(Sn)合金為錫(Sn)-銀(Ag)、錫(Sn)-鋅 (Zn)、錫(Sn)-銦(In)、錫(Sn)-銻(Sb)或錫(Sn)-鉍(Bi)等。作為用于形成第三金屬部13的第三金屬，能夠使用鉍(Bi)、銦(In)或者以鉍 (Bi)為主成分的鉍(Bi)-銀(Ag)或鉍(Bi)-銅(Cu)等的粉末。由于上述粒子用于微細電路的形成、通孔的填埋或電子部件的連接，因此，優(yōu)選將 上述粉末的粒子直徑設定為ΙΟμπι以下。因此，在第一金屬的表面上覆蓋形成第二金屬時， 優(yōu)選使用無電解電鍍法，其中，上述第一金屬形成第一金屬部11，上述第二金屬形成第二金 屬部12。作為鍍在粉末狀的金屬上的方法，一般使用基于電鍍的滾鍍(barrel plating) 法，但是在使用該方法對微粉末進行處理時，成品率下降，鍍膜厚度的控制也困難，因此優(yōu) 選使用不引起這樣的問題的無電解電鍍法。另外，根據(jù)第一金屬的粉末的粒子直徑、第三金屬的粒子直徑以及混合比等來適 時設定通過無電解電鍍法來形成的鍍膜厚度，但是考慮到低溫下的熔敷以及高熔點化，需 要使擴散現(xiàn)象不停滯而繼續(xù)，為此，優(yōu)選設定為約1至3 μ m的厚度。另外，表面上覆蓋有第二金屬部12的第一金屬部11的第一金屬的粉末和形成第 三金屬部13的第三金屬的粉末的混合比例可以根據(jù)用途來適時變更，但是考慮到低溫下 的熔敷以及高熔點化，需要使擴散現(xiàn)象不停滯而繼續(xù)，為此，優(yōu)選將第三金屬的粉末的混合 比設為約20至60%。另外，在使導電材料變成膏狀時，考慮到利用印刷供給進行膏供給，優(yōu)選將粉末比 例設為約70至95wt%。其中，例如，在通過利用點膠法(dispensemethod)或噴墨法(ink
7jet method)等的其他供給方法來進行膏供給時，也可以在不脫離本發(fā)明的原理的范圍內(nèi) 將粉末比例設為70wt%以下。如果對具有這樣的結構的導電材料實施加熱及加壓處理，則在溫度達到既是用作 為電路板的絕緣基板的耐熱溫度以下又是該基板的玻化溫度以下的溫度(例如，160°C以 下的溫度)時，在形成第二金屬部12的第二金屬和形成第三金屬部13的第三金屬之間發(fā) 生共晶反應。其結果，如圖1的(b)部分所示，在第一金屬部11的周圍形成第二金屬和第 三金屬的金屬化合物14，該金屬化合物14呈液體狀。當進一步進行加熱及加壓處理時，如圖1的(C)部分所示，在形成第一金屬部11 的第一金屬和金屬化合物14中的第二金屬之間發(fā)生反應，從而分離并變化為第一金屬與 第二金屬的金屬化合物15以及第三金屬部13，其中，上述第一金屬與第二金屬的金屬化合 物15具有比用作為電路板的絕緣基板的耐熱溫度高的溫度(例如，260°C以上的溫度)的 熔點。第三金屬部13也與金屬化合物15同樣地具有比用作為電路板的絕緣基板的耐熱溫 度高的溫度(例如，260°C以上的溫度)的熔點。因此，處于圖1的(c)部分所示的狀態(tài)的 導電材料的熔點上升，在比用作為電路板的絕緣基板的耐熱溫度高的溫度(例如，260°C以 上的溫度)下不會熔融。具有這樣的導電材料的電路部，其熱特性穩(wěn)定，在將電子部件搭載在電路板時的 回流焊溫度即約220至240°C的溫度下不會再熔融。另外，能夠將這樣的導電材料用作為混合有樹脂成分的導電膏。此時，作為樹脂成 分，以環(huán)氧(印oxy)系、酚(phenol)系或硅(silicone)系中的任意一種成分為基礎，添加 有機酸等，由此能夠去除或防止導電材料的氧化，從而能夠形成良好的金屬結合物。例如， 如釬焊膏那樣，混合導電材料、松香樹脂(rosin resin)、有機酸或鹵素系活性成分、溶劑而 能夠形成作為連接材料的導電膏。而且，第一金屬與第二金屬的金屬化合物15具有能夠用作為電路板的導體電路 的電阻值，能夠在具有如下導體電路的電路板上搭載電子部件，上述導體電路是使用本發(fā) 明實施方式的導電材料或導電膏來形成的。而且，能夠將上述導電材料及導電性膏用作為半導體元件等電子部件的連接構 件。代替含有熔點高的鉛(Pb)的焊錫而能夠使用上述導電材料及導電性膏，能夠在熱膨脹 差的影響小的低溫下連接半導體元件等電子部件，然后，形成熔點上升的高可靠性的連接 部。(第一實施例)下面，基于上述本發(fā)明的原理對本發(fā)明的第一實施例進行說明。本發(fā)明的發(fā)明者首先準備了圖2所示的七種導電材料A至G。具體地說，混合導 電粒子和作為形成第三金屬部13的第三金屬的鉍(Bi)粉末、鉍(Bi)-銀(Ag)粉末或鉍 (Bi)-銅(Cu)粉末而制作了七種導電材料A至G，其中，上述導電粒子是通過如下方法來 形成的，即，作為圖1所示的用于形成第一金屬部11的第一金屬，使用粒子直徑約為5至 IOym的Cu(銅)粉末，并在該第一金屬的表面上覆蓋形成厚度約為2μπι的無電解錫(Sn) 鍍層或無電解錫(Sn)-銀(Ag)或無電解錫(Sn)-銦(In)鍍層來作為形成第二金屬部12 的第二金屬，從而形成上述導電粒子，上述第三金屬的粒子直徑約為5至10 μ m。另外，關于形成第三金屬部13的第三金屬與形成第一金屬部11的第一金屬的混合比例，為了得到低溫結合以及熔點上升，能夠在約20至60%的范圍內(nèi)任意進行選擇，其 中，上述第一金屬部在表面上覆蓋形成有第二金屬部12，就導電材料A至F而言，如表1所 示地設定比例。[表 1]
導電材料第二金屬第三金屬第三金屬的 混合比ACu粉末無電解SnBi粉末50%BCu粉末無電解SnAgBi粉末50%CCu粉末無電解SnBiAg粉末60%DCu粉末無電解SnAgBiAg粉末60%ECu粉末無電解SnBiCu粉末40%FCu粉末無電解SnAgBiCu粉末40%GCu粉末無電解SnInBi粉末50%然后，以6 4的比例分別混合上述導電材料A至G和通過混合雙酚F類型的環(huán) 氧系樹脂、固化劑以及己二酸(adipin acid)而得的樹脂成分，從而制作七種導電膏1至7。 進而，對各導電膏1至7，將約100至290°C的加熱處理重復進行兩次。圖2示出了該兩次加熱處理中的溫度變化和熱量的測定結果。在圖2所示的曲線圖中，縱軸表示熱量[μ W]，橫軸表示溫度[°C ]。另外，實線表 示第一次加熱處理中的溫度變化和熱量的測定結果，點劃線表示第二次加熱處理中的溫度 變化和熱量的測定結果。從圖2可知，任何導電膏1至7都在第一次加熱處理中在137. 9°C時發(fā)生第二金屬 和第三金屬之間的共晶反應，從而形成第二金屬和第三金屬的金屬化合物，進而在198. 9°C 時第一金屬和用于形成第二金屬和第三金屬的金屬化合物的第二金屬發(fā)生了反應。當在第 一次加熱處理結束并冷卻后進行了第二次加熱處理時，發(fā)現(xiàn)在137. 9°C時無法觀察到第二 金屬和第三金屬之間的共晶反應，在達到271°C的時刻熱量初次發(fā)生下降。該現(xiàn)象表示導電膏1至7的熔點上升并且該熔點已達到比用作為電路板的絕緣基 板的耐熱溫度高的溫度(例如，260°C以上的溫度)。本發(fā)明的發(fā)明者通過確認加熱處理后的導電膏的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)了 導電膏1至7變化 為在由銅(Cu)形成的第一金屬部的表面上形成有銅(Cu)和錫(Cn)的金屬化合物并在該 金屬化合物的上表面上形成有鉍(Bi)的結構。然后，測定加熱處理后的各導電膏1至7的 電阻發(fā)現(xiàn)了如表2所示地均變?yōu)?. OX 10_6至2. OX 10_6的低電阻。[表 2]
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權利要求
一種導電材料，其特征在于，具有第一金屬部，其以第一金屬為主成分；第二金屬部，其以第二金屬為主成分，并形成在上述第一金屬部的表面上，該第二金屬具有比上述第一金屬的熔點低的熔點，并且該第二金屬能夠與上述第一金屬形成金屬間化合物；第三金屬部，其以第三金屬為主成分，該第三金屬能夠與上述第二金屬發(fā)生共晶反應。
2.根據(jù)權利要求1所述的導電材料，其特征在于，在絕緣基板的玻化溫度以下的溫度下，在作為上述第二金屬部的主成分的上述第二金 屬和作為上述第三金屬部的主成分的上述第三金屬之間發(fā)生共晶反應。
3.根據(jù)權利要求2所述的導電材料，其特征在于， 上述共晶反應在160°C以下的溫度下發(fā)生。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的導電材料，其特征在于，由作為上述第一金屬部的主成分的上述第一金屬和作為上述第二金屬部的主成分的 上述第二金屬形成金屬化合物，上述金屬化合物的熔點溫度比絕緣基板的耐熱溫度高。
5.根據(jù)權利要求4所述的導電材料，其特征在于， 上述金屬化合物的熔點溫度為260°C以上。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的導電材料，其特征在于， 上述第二金屬部通過無電解電鍍法形成在上述第一金屬部的表面上。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的導電材料，其特征在于， 上述第一金屬是銅(Cu)或銅(Cu)合金。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的導電材料，其特征在于， 上述第二金屬是錫(Sn)或錫(Sn)合金。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的導電材料，其特征在于， 上述第三金屬是鉍(Bi)、銦(In)或以鉍(Bi)為主成分的粉末。
10.一種導電膏，其特征在于，該導電膏是將權利要求1至9中任一項所述的導電材料和樹脂成分混合而形成的。
11.一種電路板，具有電路部，其特征在于，上述電路部通過具有權利要求1至9中任一項所述的導電材料的連接部而彼此連接。
12.根據(jù)權利要求11所述的電路板，其特征在于，上述連接部由上述金屬化合物和作為上述第三金屬部的主成分的上述第三金屬形成， 上述金屬化合物由作為上述第一金屬部的主成分的上述第一金屬和作為上述第二金屬部 的主成分的上述第二金屬形成。
13.根據(jù)權利要求12所述的電路板，其特征在于，上述電路板是層疊具有上述電路部的多個樹脂基板而形成的多層布線基板。
14.一種半導體器件，在電路板的主面上連接半導體元件而形成，其特征在于， 上述電路板是權利要求11至13中任一項所述的電路板。
15.一種半導體器件，在電路板的主面上連接半導體元件而形成，其特征在于， 上述電路板和上述半導體元件通過具有權利要求1至9中任一項所述的導電材料的連接部而彼此連接。
16.根據(jù)權利要求15所述的半導體器件，其特征在于，上述連接部由上述金屬化合物和作為上述第三金屬部的主成分的上述第三金屬形成， 上述金屬化合物由作為上述第一金屬部的主成分的上述第一金屬和作為上述第二金屬部 的主成分的上述第二金屬形成。
全文摘要
導電材料(10)具有第一金屬部(11)，其以第一金屬為主成分；第二金屬部(12)，其以第二金屬為主成分，并形成在上述第一金屬部的表面上，該第二金屬具有比上述第一金屬的熔點低的熔點，并且該第二金屬能夠與上述第一金屬形成金屬間化合物；第三金屬部(13)，其以第三金屬為主成分，該第三金屬能夠與上述第二金屬發(fā)生共晶反應。
文檔編號H01B5/00GK101965617SQ20088012783
公開日2011年2月2日 申請日期2008年3月7日 優(yōu)先權日2008年3月7日
發(fā)明者作山誠樹, 酒井泰治 申請人:富士通株式會社