(57)【要約】【課題】被接合面上に凹凸があるような場合でも、高耐熱性の接合層を安定して形成できる接合用ペーストを提供する。【解決手段】本発明は、第１金属元素を含む第１粒子（５１）と、第２金属元素を含む第２粒子（５２）と、第３物質からなる第３粒子（５３）とが混在した接合用のペースト（４２０）である。第１金属元素はＳｎである。第２金属元素はＳｎと金属間化合物を生成可能である。第３物質は、第１金属元素と第２金属元素のいずれとも接合時に反応しない。ペースト全体に含まれる第１金属元素に対する第２金属元素の原子比は、接合時に金属間化合物とならない第１金属元素が残留しない範囲である。第２粒子と第３粒子は、第１粒子よりも高融点である。第３粒子は、第１粒子と第２粒子のいずれよりも、ペースト全体に含まれる質量割合が小さくて平均粒径が大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属元素を含む第１粒子と、
第２金属元素を含む第２粒子と、
第３物質からなる第３粒子とが混在した接合用のペーストであって、
該第１金属元素は、Ｓｎであり、
該第２金属元素は、Ｓｎと金属間化合物を生成可能であり、
該第３物質は、該第１金属元素と該第２金属元素のいずれとも接合時に反応せず、
該ペースト全体に含まれる該第１金属元素に対する該第２金属元素の原子比は、接合時に該金属間化合物とならない第１金属元素が残留しない範囲であり、
該第２粒子と該第３粒子は、該第１粒子よりも高融点であり、
該第３粒子は、該第１粒子と該第２粒子のいずれよりも、該ペースト全体に含まれる質量割合が小さいと共に平均粒径が大きい接合用ペースト。
【請求項２】
前記第１粒子と前記第２粒子と前記第３粒子の合計に対する該第３粒子の質量割合は、１〜１０質量％である請求項１に記載の接合用ペースト。
【請求項３】
前記第３粒子は、平均粒径が５〜５００μｍである請求項１または２に記載の接合用ペースト。
【請求項４】
前記第３粒子は、略球状である請求項１〜３のいずれかに記載の接合用ペースト。
【請求項５】
前記第３物質は、Ｃからなる請求項１〜４のいずれかに記載の接合用ペースト。
【請求項６】
前記第２金属元素は、Ｎｉ、ＣｕまたはＡｇの一種以上である請求項１〜５のいずれかに記載の接合用ペースト。
【請求項７】
前記第２金属元素はＮｉであり、
前記原子比（Ｎｉ／Ｓｎ）は０．７５〜４である請求項１〜６のいずれかに記載の接合用ペースト。
【請求項８】
前記第２金属元素はＣｕであり、
前記原子比（Ｃｕ／Ｓｎ）は１．５〜５である請求項１〜６のいずれかに記載の接合用ペースト。
【請求項９】
前記第２金属元素はＡｇであり、
前記原子比（Ａｇ／Ｓｎ）は１．５〜５である請求項１〜６のいずれかに記載の接合用ペースト。
【請求項１０】
前記第２粒子は、前記第１粒子よりも平均粒径が小さい請求項１〜９のいずれかに記載の接合用ペースト。
【請求項１１】
第１部材と、
該第１部材と接合され得る第２部材と、
該第１部材と該第２部材を接合する接合部と、
を備える接合構造体であって、
前記接合部は、第１金属元素と第２金属元素の金属間化合物中に、該第１金属元素および該第２金属元素のいずれとも反応していない第３物質からなる第３粒子が分散している接合層を有する接合構造体。
【請求項１２】
前記第１金属元素は全て、前記接合層中で前記金属間化合物となっている請求項１１に記載の接合構造体。
【請求項１３】
前記接合部は、前記第１金属元素よりも高融点で前記第２金属元素よりも低ヤング率な金属からなる緩和層を含み、
前記接合層は、前記第１部材または前記第２部材の少なくとも一方と該緩和層の間にある請求項１１または１２に記載の接合構造体
【請求項１４】
請求項１〜１０のいずれかに記載の接合用ペーストからなる塗布層を被接合面上に形成する工程と、
該塗布層を加熱して、前記金属間化合物中に前記第３粒子が分散した接合層を得る工程と、
を備える接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品などの接合に用いるペースト等に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ駆動用インバータ等には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Eeffect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のデバイス（半導体素子）を、絶縁基板や電極等に実装したパワーモジュールが用いられる。
【０００３】
このようなデバイスは作動中に発熱するため、デバイスやその周辺の接合部には高い耐熱性が求められる。このため、従来のはんだ接合に替えて、耐熱性に優れる金属間化合物金属間化合物（ＩＭＣ：intermetallic compound）による接合が提案されている。これに関連する記載が下記の特許文献１にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２０１７−０８６３２４号公報
【特許文献２】ＷＯ２００７−１２５９９１号公報
【特許文献３】特開２００７−２７３９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は、Ｓｎ層とＮｉ層の固液相互拡散反応（ＳＬＩＤ：Solid Liquid InterDiffusion））により生成された金属間化合物からなる接合層と、低ヤング率（高延性）なＡｌ層（補強層）とを組み合わせた接合部を提案している。その接合層は耐熱性に優れ、Ａｌ層は熱応力に対する緩和性と耐疲労性を向上させる。このため、特許文献１の接合方法によれば、耐熱性と耐久性（信頼性）の両方に優れる接合構造体（パワーモジュール等）が得られる。
【０００６】
もっとも、本発明者がさらに調査研究したところ、被接合面上に凹凸があるような場合、特許文献１に記載されたような接合方法では、接合面の間隔や接合層の厚さが、不均一になったり傾きを生じることがあった。
【０００７】
ちなみに、特許文献２には、接合面間を離間させる高融点金属粒（Ｎｉ粒）を、鉛フリーはんだ（Ｓｎ系はんだ）に分散させたフォームはんだに関する記載がある。しかし、高融点金属粒はＳｎと反応して金属間化合物を生成する。このため高融点金属粒は、接合前に所望の粒径であっても、接合時にはその形状（粒径）が安定的に維持されないため、接合面間を均一的に離間させることができない。
【０００８】
また、特許文献３は、温度階層接続の高温側はんだとして、Ｓｎ系はんだボールに、Ｎｉ／Ａｕ層で覆われた複数の金属ボール（Ｃｕボール等）を混在させた接続材料を提案している。この接続材料によれば、金属間化合物層で結合された金属ボールにより補強されたＳｎ系はんだ層が形成される。しかし、特許文献２の場合と同様に、その金属ボールもＳｎと反応して金属間化合物を生成するため、接合面間を均一的に離間さることはできない。
【０００９】
なお、特許文献２と特許文献３はあくまでも、はんだ接合を前提としており、金属間化合物を主体とした接合（いわゆるＳＬＩＤ接合）ではない。従って、それらの接合部は、当然、耐熱性が不十分である。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、耐熱性に優れる接合を可能にすると共に、被接合面上に凹凸があるような場合でも良好な接合を可能にする接合用ペースト等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、接合時でも形状安定性に優れる粒子を含むペーストを用いて、金属間化合物からなる高耐熱性の接合層を形成することを着想した。このペーストを用いれば、被接合面上に凹凸がある場合でも、良好な接合ができることも実際に確認した。このような成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１２】
《接合用ペースト》
（１）本発明の接合用ペーストは、第１金属元素を含む第１粒子と、第２金属元素を含む第２粒子と、第３物質からなる第３粒子とが混在した接合用のペーストであって、該第１金属元素は、Ｓｎであり、該第２金属元素は、Ｓｎと金属間化合物を生成可能であり、該第３物質は、該第１金属元素と該第２金属元素のいずれとも接合時に反応せず、該ペースト全体に含まれる該第１金属元素に対する該第２金属元素の原子比は、接合時に該金属間化合物とならない第１金属元素が残留しない範囲であり、該第２粒子と該第３粒子は、該第１粒子よりも高融点であり、該第３粒子は、該第１粒子と該第２粒子のいずれよりも、該ペースト全体に含まれる質量割合が小さいと共に平均粒径が大きい。
【００１３】
（２）本発明の接合用ペースト（単に「ペースト」という。）によれば、被接合面上に凹凸があるような場合でも、高耐熱性の接合層を安定して形成できる。この理由は、次のように考えられる。
【００１４】
先ずペーストは、凹凸やうねり等がある被接合面にも、均一的な塗布（スクリーン印刷等）が可能である。このようなペーストからなる塗布層を適切に加熱することにより、金属間化合物からなる接合層が得られる。
【００１５】
ペーストには、接合層中に第１金属元素による低融点成分が残留しないように、十分な第２金属元素が含まれている。例えば、ペースト中に含まれる第１金属元素に対する第２金属元素の原子比は、接合時に生成すれ得る金属間化合物の理論組成比よりも大きくするとよい。接合時に複数種の金属間化合物が生成される場合、理論組成比は、例えば、各種の金属間化合物の組成比と生成率に応じて算出され得る。但し、接合時に生成され得る各金属間化合物のうちで、第１金属元素（Ｍ１）に対する第２金属元素（Ｍ２）の組成比（Ｍ２／Ｍ１）が最大となるときの組成比を理論組成比とすると簡潔である。本明細書では、特に断らない限り、その後者に基づいて、ペースト中の第２粒子量（第２金属元素量）を調整する。
【００１６】
いずれにしても、金属間化合物とならない未反応な第１金属元素は接合層中に実質的に残留しない。このため、第１金属元素からなる低融点成分による接合層の耐熱性（融点等）の低下も抑止される。
【００１７】
次に、ペーストは、第３物質からなる第３粒子を含んでいる。第３物質は、第１金属元素や第２金属元素と接合時に反応しない。換言すると、第３物質は、接合層を構成する金属間化合物の生成には関与しない。このため、被接合面間に介在する第３粒子は、第１粒子が溶融する接合時でも、接合面間の間隔をほぼ一定に保持するスペーサとして機能し得る。こうして、被接合面の少なくとも一方に凹凸等があるような場合でも、接合面間隔または接合層の厚さが、均一的な安定した接合が可能となる。こうして、本発明のペーストを用いてＳＬＩＤ接合すると、耐熱性に優れる良好な接合が可能となる。
【００１８】
《接合方法》
本発明は、上述した接合用ペーストを用いた接合方法としても把握できる。例えば、本発明は、上述した接合用ペーストからなる塗布層を被接合面上に形成する工程と、該塗布層を加熱して、前記金属間化合物中に前記第３粒子が分散した接合層を得る工程とを備える接合方法でもよい。
【００１９】
《接合構造体》
本発明は、その接合方法により得られる結果物としても把握できる。例えば、本発明は、第１部材と、該第１部材と接合され得る第２部材と、該第１部材と該第２部材を接合する接合部と、を備える接合構造体であって、前記接合部は、第１金属元素と第２金属元素の金属間化合物中に、該第１金属元素および該第２金属元素のいずれとも反応していない第３物質からなる第３粒子が分散している接合層を有する接合構造体でもよい。
【００２０】
ここでも、第１金属元素は全て、接合層中で金属間化合物となっているとよい。つまり、耐熱性（融点）を低下させる未反応な第１金属元素が接合層中に残存していないとよい。
【００２１】
接合部はさらに、第１金属元素よりも高融点で第２金属元素よりも低ヤング率な金属からなる緩和層を含んでもよい。接合層を介して、第１部材または第２部材の少なくとも一方に緩和層が接合されていると、接合部に作用する熱応力が緩和され、接合部の耐疲労性や耐久性が向上し得る。ちなみに、ここでいう緩和層は、既述した特許文献（ＷＯ２０１７−０８６３２４号公報）にある補強層と対応する。このため、特許文献に記載されている内容も、適宜、本明細書の一部として組み込まれ得る。
【００２２】
なお、第１部材側の接合構造と第２部材側の接合構造は同じでも異なってもよい。例えば、凹凸がある一方側の被接合面のみを上述したペーストでＳＬＩＤ接合し、他方側の被接合面ははんだ接合や積層した金属層（接合シート）によるＳＬＩＤ接合等してもよい。
【００２３】
《その他》
（１）本明細書でいう「金属元素を含む粒子」は、その金属元素の単体、合金または化合物等からなる粒子を意味する。「第１金属元素（Ｍ１）に対する第２金属元素（Ｍ２）の原子比（Ｍ２／Ｍ１）」は、各金属元素の存在形態を問わず、対象物物（粒子または接合層）に含まれる第１金属元素の原子数（ｎ１）と第２金属元素の原子数（ｎ２）の比率（ｎ２／ｎ１）を意味する。
【００２４】
「接合時に生成され得る金属間化合物」は、状態図（特に第１金属元素と第２金属元素の二元系状態図）に基づいて、接合時の温度域から定まる。このような金属間化合物は一種類とは限らない。金属間化合物が複数種であっても、状態図に基づけば、第１金属元素（Ｓｎ）に対する理論的な第２金属元素の理論的な組成比が定まる。本発明のペーストは、未反応な第１金属元素が接合後の接合層中に残存しないように、金属間化合物の理論組成比よりも第２金属元素を過剰に含む。
【００２５】
「第１金属元素と第２金属元素のいずれとも接合時に反応しない第３物質」とは、接合時の環境下（温度、雰囲気等）で、第１金属元素や第２金属元素と化合物等を形成しない第３物質という意味である。換言すると、第３物質からなる第３粒子の形態（粒形、サイズ）が接合時の環境下で、実質的に殆ど変化しないことを意味する。
【００２６】
（２）本明細書でいう機械的特性（ヤング率等）は、日本工業規格（ＪＩＳ）に準拠して決定される。各特性は室温域におけるものとする。
【００２７】
（３）本明細書でいう各粒子の平均粒径は、メジアン径（頻度の累積が５０％になる粒子径：Ｄ５０）により定める。具体的には、原料粉末またはペースト中から抽出・分離した粒子群について、レーザ回折散乱式粒度分布測定装置を用いた測定により定める。
【００２８】
（４）特に断らない限り、本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。また、特に断らない限り、本明細書でいう「α〜βμｍ」はαμｍ〜βμｍを意味する。他の単位系についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】接合構造体の一例であるパワーモジュールの模式断面図である。
【図２】ペースト（塗布層）の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】接合後の接合層の一例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、ペーストのみならず、接合構造体や接合方法にも該当し得る。「方法」に関する構成要素は「物」に関する構成要素ともなり得る。
【００３１】
《第１金属元素・第２金属元素》
第１金属元素と第２金属元素の組み合わせは種々考えられる。接合温度または接合部材の耐熱温度、ＩＭＣの特性（融点、強度等）等を考慮して、各金属元素が選択される。第１金属元素は低融点なＳｎ（単体融点：約２３０℃）がよい。
【００３２】
第２金属元素として、Ｎｉ、Ｃｕ，Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等がある。好例として、第２金属元素は、Ｎｉ（単体融点：約１４５０℃）、Ｃｕ（単体融点：約１０８５℃）、Ａｇ（単体融点：約９６２℃）の一種以上であるとよい。なお、複数種の第２金属元素がペーストに含まれるとき、各原子数の合計値に基づいて、本明細書でいう原子比を算出する。
【００３３】
第２金属元素がＮｉのとき、ＳｎとＮｉのＩＭＣとして、Ｎｉ３Ｓｎ４、Ｎｉ３Ｓｎ２、Ｎｉ３Ｓｎ等が接合時に生成され得る。接合温度が４００℃以下のときなら、主に生成されるＩＭＣはＮｉ３Ｓｎ４（液相生成（開始）温度：約７９６℃）である。ペースト中に含まれる全Ｓｎに対する全Ｎｉの原子数の比率（原子比：Ｎｉ／Ｓｎ）は、例えば、０．７５〜４、０．８〜２さらには０．８３〜１．５であるとよい。
【００３４】
第２金属元素がＣｕのとき、ＳｎとＣｕのＩＭＣとして、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎ２、Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ４１Ｓｎ１１等が接合時に生成され得る。接合温度が４００℃以下のときなら、主に生成されるＩＭＣはＣｕ３Ｓｎ（液相生成温度：約６２８℃）である。ペースト中に含まれる全Ｓｎに対する全Ｃｕの原子比（Ｃｕ／Ｓｎ）は、１．５〜５、２〜４．５さらには３〜４とするとよい。
【００３５】
第２金属元素がＡｇのとき、ＳｎとＡｇのＩＭＣとして、Ａｇ３Ｓｎ、Ａｇ４Ｓｎ等が接合時に生成され得る。接合温度が４００℃以下のときなら、主に生成されるＩＭＣはＡｇ３Ｓｎ（液相生成温度：約４８０℃）である。ペースト中に含まれる全Ｓｎに対する全Ａｇの原子比（Ａｇ／Ｓｎ）は、１．５〜５、２〜４．５さらには３〜４とするとよい。
【００３６】
《第３物質》
第３物質は、第１金属元素と第２金属元素のいずれとも接合時に反応しない安定な物質がよい。また、第３物質は、接合時に、ペーストの溶融開始温度（または液相線温度）を第１粒子（例えばＳｎ）の融点よりも低下させない物質がよい。さらに第３物質は、熱伝導性および／または電気伝導性に優れる物質がよい。
【００３７】
第３物質は、金属でも非金属でもよく、純物質でも合金でも化合物でもよい。第３物質を構成する第３元素として、例えば、Ｃがある。このとき、第３物質は、例えば、黒鉛、ダイヤモンド等である。その他、第３物質として窒化アルミニウム等がある。
【００３８】
《粒子》
ペーストは、少なくとも３種の粒子を含む。第１粒子は、第１金属元素であるＳｎの単体、合金または化合物からなる。通常、第１粒子は、純Ｓｎ粒子またはＳｎ合金粒子である。第１粒子は、種々あるはんだの粒子（はんだボール）でもよい。はんだは、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系（Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ等）、Ｓｎ−Ｃｕ系（Ｓｎ−０．７％Ｃｕ等）である。ここでいう組成（％）は質量割合（質量％）である。特に断らない場合も同様とする。
【００３９】
第２粒子は、ＳｎとＩＭＣを生成する第２金属元素の単体、合金または化合物からなる。第２粒子は、例えば、Ｎｉ、ＣｕまたはＡｇのいずれかの純金属粒子または合金粒子であるとよい。その合金粒子は、Ｎｉ、ＣｕまたはＡｇのいずれかを、８０原子％以上、９０原子％以上さらには９５原子％以上含むものがよい。
【００４０】
第３粒子は、第３物質からなる。第３粒子は、被接合面の間隔を均一的に保持するスペーサとして作用すればよい。このため、第３粒子は、第１粒子と第２粒子のいずれよりも、ペースト全体に含まれる量（質量割合）が少なくてよい。例えば、第３粒子は、第１粒子と第２粒子と第３粒子の合計量に対する質量割合が１〜１０質量％さらには３〜８質量％である。第３粒子が過少では、被接合面の間隔等が不安定になる。第３粒子が過多では、相対的に接合層中のＩＭＣが少なくなり、接合性が低下する。
【００４１】
第３粒子が被接合面間でスペーサとして機能するように、第３粒子の平均粒径は、被接合面の凹凸の大きさに応じて選択されるとよい。例えば、第３粒子の平均粒径は、５〜５００μｍ、１０〜３００μｍさらには１５〜１００μｍとするとよい。第３粒子が過小では、被接合面上の凹凸内に埋没し易い。第３粒子が過大では、ペーストの塗布性（被接合面上への均一的なスクリーン印刷性）が低下し易い。この点は、第１粒子や第２粒子についても同様であり、それらの粒子の平均粒径も５００μｍ以下であるとよい。なお、第３粒子は、第１粒子と第２粒子のいずれよりも平均粒径が大きいと、塗布時の状態が接合後も維持され易くなる。
【００４２】
第３粒子は、略球状であるとよい。被接合面の間隔が均一的になり、接合面の傾きや接合層の厚さのバラツキ等が抑止され易くなる。第３粒子が（略）球状であるか否かは、例えば、次のようにして判断される。任意に抽出した粒子を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察する。その視野内にある粒子について、最長径と最短径を測定して短長比（最短径／最長径）を求める。短長比の算術平均値が０．８〜１であるとき、第３粒子は略球状とする。
【００４３】
その他、第２粒子は、第１粒子よりも平均粒径が小さいとよい。接合時に、第１粒子が溶融してできたＳｎと第２粒子の反応が促進される。第２粒子は、第１粒子と異なり、その一部が未反応な状態で接合層中に残留し得る。初期の第２粒子の平均粒径が小さいと、そのような第２粒子の残留物も小さくなり、接合層の熱的、電気的または機械的な特性の低下が抑止される。第２粒子の平均粒径は、例えば、１０ｎｍ〜１５μｍさらには１μｍ〜１０μｍである。ちなみに、溶融する第１粒子は、例えば、１０ｎｍ〜１００μｍさらには１０μｍ〜５０μｍ程度でもよい。なお、いずれの粒子も、平均粒径が過小になると、化学的に不安定となり、取扱性が低下する。
【００４４】
第１粒子の融点は、例えば、２００〜３００℃さらには２１０〜２６０℃である。第２粒子も第３粒子も、第１粒子よりも高融点である。さらに第３粒子が、第２粒子よりも高融点であってもよい。
【００４５】
《ペースト》
ペーストは、上述した各粒子を含む粉末と分散媒（バインダ）を混練することにより得られる。その粉末は、例えば、第１粒子からなる第１粉末、第２粒子からなる第２粉末および第３粒子からなる第３粉末の混合粉末である。分散媒には、接合時に消失する液体を用いるとよい。例えば、水等の他、テルペン類（ａ−テルピネオール等）、アルコール類（グリセリン、１−デカノール等）の有機溶剤を用いるとよい。なお、分散媒の滴下量、混練度等は、ペーストの仕様（塗布性等）に応じて調整される。
【００４６】
《接合方法》
ペーストを用いた接合は、ペーストの塗布層を被接合面上に形成する塗布工程と、塗布層を加熱して金属間化合物中に第３粒子が分散した接合層を得る加熱工程とによりなされる。被接合部材によるが、塗布工程は、例えば、（スクリーン）印刷工程である。加熱工程は、第１粒子の融点以上で、第１金属元素と第２金属元素が反応してＩＭＣを生成する反応温度以上に塗布層を昇温する工程ある。加熱温度、加熱時間、雰囲気等は、ペーストの特性、被接合部材の耐熱性等により調整され得る。
【００４７】
《接合構造体》
本発明の接合構造体には、種々の形態が考えられる。その代表例は、半導体からなる第１部材と、金属からなる第２部材とを接合した半導体装置等である。より具体的にいうと、半導体素子を、金属製の電極や配線上に接合したパワーモジュール等である。
【００４８】
半導体素子は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等からなり、そのＣＴＥは３〜５ｐｐｍ／Ｋ程度である。一方、金属の電極や配線は、Ｃｕ、Ａｌ等からなり、そのＣＴＥは１７〜２２ｐｐｍ／Ｋ程度である。このようにＣＴＥ不整合の大きな部材を接合する場合、接合部に緩和層があると、接合構造体の信頼性が高まる。
【００４９】
緩和層は、低ヤング率または高延性な金属からなるとよい。例えば、低ヤング率（高延性）で、熱伝導性や電導性に優れるＡｌ、Ｃｕまたはそれらの合金の金属箔等を緩和層とすることができる。緩和層を接合層よりも厚くすれば、接合構造体の耐久性をより高められる。
【００５０】
ちなみに、既述した特許文献（ＷＯ２０１７−０８６３２４号公報）にあるように、熱応力やクラックを緩和層へ導く誘導部をさらに設けてもよい。このため、その特許文献に記載されている内容も、適宜、本明細書内に組み込まれ得る。
【実施例】
【００５１】
種々の接合用ペーストを用いて接合構造体（パワーモジュール）を試作し、各ペーストの接合性を評価した。このような具体例に基づいて、本発明をさらに詳しく説明する。
【００５２】
《パワーモジュール》
（１）評価用に製作したパワーモジュールＭの断面を図１に模式的に示した。パワーモジュールＭは、半導体素子１（第１部材）と、金属配線２（第２部材）と、それらを接合する接合部４とを備える。なお、本実施例では、説明の便宜上、現実の天地方向とは関係なく、図１に示す方向を上下方向とする。
【００５３】
半導体素子１は、Ｓｉからなるチップ１０とその下面にＴｉ（下地層）とＮｉ（最表層）が順に成膜された電極面１１とを有する。金属配線２（第２部材）は、Ｃｕ板２０とその上面に回路を形成するための絶縁層２１とを有する。
【００５４】
接合部４は、緩和層３０と、半導体素子１の電極面１１を緩和層３０と接合する接合層４１と、金属配線２のＣｕ板２０を緩和層３０と接合する接合層４２とを有する。緩和層３０は、両面にＮｉ（下地層）とＳｎ（最表層）が順に成膜されたＡｌ箔（これを「接合シート３」という。）を用いて形成される。但し、接合時、最表面にあるＳｎは溶融して、ＩＭＣの生成に消費される。接合後の緩和層３０の両面には、通常、ＩＭＣの生成に消費されなかった残存Ｎｉからなる中間層３１、３２ができる。
【００５５】
本実施例に係る各部の仕様は次の通りとした。半導体素子１のチップ１０は、１０ｍｍ□×厚さ５２５μｍのシリコンからなる。その下面（電極面１１）は、厚さ１００ｎｍのＴｉ層と厚さ３μｍのＮｉ層が順にスパッタリングされてなる。
【００５６】
Ｃｕ板２０は、２０ｍｍ□×厚さ３ｍｍの無酸素銅（Ｃ１０２０）からなる。絶縁層２１は、Ｃｕ板２０の中心部（１ｍｍ□）に印刷されたポリイミド(日立化成デュポンマイクロシステムズ株式会社製)の凸部（高さ１５μｍ）からなる。
【００５７】
接合シート３は、１０ｍｍ□×厚さ１００μｍのＡｌ箔（Ａ１１００：純度９９％以上）の両面に、厚さ３μｍのＮｉ層と厚さ３μｍのＳｎ層が順にスパッタリングされてなる。
【００５８】
（２）半導体素子１（チップ１０）と金属配線２（Ｃｕ板２０）の接合は次のように行った。先ず、絶縁層２１を含むＣｕ板２０の中央域（１０ｍｍ□）に、メタルマスクを用いて、調製した各種のペースト（詳細は後述）を塗布した（塗布工程）。こうして厚さ５０μｍの塗布層４２０を形成した。
【００５９】
塗布層４２０上に、接合シート３および半導体素子１を順に配置した。これらの積層体を加圧（挟持）しつつ加熱（焼成）した。加圧は、被接合面に対して垂直方向（上下方向）に１ＭＰａを印加して行った。加熱は、還元雰囲気中（水素気流中）の電気炉内で、３５０℃×１時間行った。こうして、接合層４１、４２により接合された種々のパワーモジュールＭを得た。
【００６０】
（３）接合前の塗布層４２０の断面を模式的に図２に示した。また、接合後の塗布層４２０（つまり接合層４２）の断面を模式的に図３に示した。塗布層４２０は、第１金属（Ｓｎ）からなる第１粒子５１と、第２金属からなる第２粒子５２と、第３物質からなる第３粒子と、それらを結合するバインダ５４とからなる。
【００６１】
塗布層４２０が接合時に加熱されると、バインダ５４は消失し、第１粒子５１は溶融して第２粒子５２とＳＬＩＤ反応し、ＩＭＣ５１２が生成される。第２粒子５２は、未反応粒子５２１となり、ＩＭＣ５１２中に残存する。また、第３粒子５３は、ほぼ接合前のままの状態で、ＩＭＣ５１２中に残留する。こうして、ＩＭＣ５１２中に、未反応粒子５２１と第３粒子５３が分散（複合化）した接合層４２が形成される。
【００６２】
なお、接合層４１は、接合シート３のＳｎ層と、その下層側にあるＮｉ層および半導体素子１側のＮｉ層（一部）とがＳＬＩＤ反応して生成したＩＭＣからなる。電極面１１と緩和層３０の各接合面は平坦面であるため、薄いＩＭＣ層である接合層４１だけでも、良好な接合が可能となる。
【００６３】
《ペースト》
（１）原料
第１粒子の粉末として、錫粉末（平均粒径：１８μｍ／株式会社高純度化学研究所製）を用意した。
【００６４】
第２粒子の粉末として、ニッケル粉末（平均粒径：２．５μｍ／株式会社高純度化学研究所製）、銅粉末（平均粒径：３μｍ／福田金属箔粉工業株式会社製）、銀粉末（平均粒径：２．５μｍ／福田金属箔粉工業株式会社製）を用意した。
【００６５】
第３粒子の粉末として、球状黒鉛粉末（平均粒径：２０μｍ／伊藤黒鉛工業株式会社製)と、球状黒鉛粉末（平均粒径：８μｍ／伊藤黒鉛工業株式会社製)と、球状銅粉末（平均粒径：２０μｍ／福田金属箔粉工業株式会社製）を用意した。
【００６６】
（２）混練
各粉末を表１に示す割合で秤量、配合した混合粉末に、バインダとなる有機溶媒（ａ−テルピネオール／和光純薬工業株式会社製)を滴下した。それを自公転ミキサーで撹拌してペースト化した。第３粒子は、第１粒子と第２粒子と第３粒子の合計量（１００質量％）に対して、５質量％とした。有機溶媒の滴下量は、ペースト全体に対して７質量％とした。
【００６７】
こうして試料１〜３および試料Ｃ１〜Ｃ３に係る接合用のペーストを得た。各ペーストを用いて、前述した接合（接合層４２の形成）を行った。なお、表１に示した試料Ｃ４は、ペーストを塗布せずに接合した。
【００６８】
《観察》
パワーモジュールＭを、各試料毎に５個づつ製作した。それら全てについて、次の３点を観察・検査した。
1) 超音波顕微鏡により、接合部４における剥離や未接合部の有無を調べた。
2) パワーモジュールＭの断面をＳＥＭで観察して、半導体素子１の電極面１１と金属配線２のＣｕ板２０との間における１°以上の傾きの有無を調べた。
3) 接合層４２の断面をＳＥＭで観察して、低融点成分（未反応なＳｎ）の残留の有無を調べた。
【００６９】
いずれかの欠陥があるときを「不良」、欠陥が無いときを「良」と判定した。５個のうちで、良品判定された個数を表１にあわせて示した。例えば、検査した５個全部が欠陥のない良品のときは「５／５」と表示した。
【００７０】
《評価》
表１から明らかなように、被接合面の凸部（絶縁層２１）の大きさ（高さ１５μｍ）に対して、適切な大きさの第３粒子を含むペーストを用いると、良好な接合を安定して確保できた（試料１〜３）。
【００７１】
一方、試料Ｃ１のように、第１粒子に対して第２粒子が少ないと、低融点成分（未反応なＳｎ）が残留した。試料Ｃ２のように、第３粒子が凸部よりも小さいと、接合部４（特に接合層４２）に、未接合や傾き等が生じた。
【００７２】
試料Ｃ３のように、第３粒子が凸部よりも大きくても、第１粒子と反応する場合も同様に、接合部４（特に接合層４２）に、未接合や傾き等が生じた。試料Ｃ４のように、ペーストを用いないと、５個全ての接合部４（特に接合層４２）に未接合や傾き等が生じた。
【００７３】
以上から、本発明のペーストを用いると、被接合面に凹凸があるような場合でも、耐熱性に優れた接合層を安定して形成できることがわかった。
【００７４】
【表１】
2020132909.tif 000003
【符号の説明】
【００７５】
Ｍ          パワーモジュール（接合構造体）
１          半導体素子（第１部材）
１０        チップ
１１        電極面（被覆層）
２          金属電極（第２部材）
２０        Ｃｕ板
３          接合シート
４          接合部
４２        接合層
４２０      塗布層（ペースト）
５１        第１粒子
５２        第２粒子
５３        第３粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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