(57)【要約】      （修正有）【課題】はんだを使用せずに、より高温の環境においても、積層される上下の部材の熱応力を効果的に緩和することのできる実装構造を提供する。【解決手段】材料Ａと材料Ｂの間に導電性を有する材料Ｃが挟まれた積層構造体１０であって、材料ＡとＢの線膨張係数αａとαｂとの比率が１：０．１２５〜８であり、該αａまたはαｂと材料Ｃの線膨張係数αｃとの比率も同じ範囲１：０．１２５〜８であることを特徴とする積層構造体１０が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料Ａと材料Ｂの間に導電性を有する材料Ｃが挟まれた積層構造体であって、
材料ＡとＢの線膨張係数αａとαｂとの比率が１：０．１２５〜８であり、
該αａまたはαｂと材料Ｃの線膨張係数αｃとの比率が１：０．１２５〜８であることを特徴とする積層構造体。
【請求項２】
前記材料Ａが半導体素子であり、前記材料Ｂがセラミック、またはアルミニウム、銅、銀、金およびモリブデン並びにこれらの合金からなる配線電極であることを特徴とする請求項１に記載の積層構造体。
【請求項３】
前記材料Ｃが導電性を有するマトリックス材と微粒子とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の積層構造体。
【請求項４】
前記マトリックス材がニッケルであることを特徴とする請求項３に記載の積層構造体。
【請求項５】
前記微粒子が、セラミックス、フラーレン、炭素繊維、カーボンナノチューブの少なくとも一つからなる材料であることを特徴とする請求項３または４に記載の積層構造体。
【請求項６】
前記微粒子が、表面にＳｉを修飾してなることを特徴とする請求項５に記載の積層構造体。
【請求項７】
前記材料Ｃが、電解めっきによって形成されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項８】
前記材料Ｃが、１２．０×１０−６／Ｋ〜２０．８×１０−６／Ｋの低線膨張係数を有することを特徴とする請求項１または２に記載の積層構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子などを搭載した実装構造に関し、特に、積層構造体をなし、上下の層の部材の熱応力を緩和しうる実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子を基板に搭載する際には、安定した動作のために、素子の発熱が引き起こす影響を低減するように工夫がされている。例えば、半導体素子の発生する熱を効率よく放熱するという観点から、はんだの高い熱伝導率に着目し、炭素焼結体にはんだを含浸させた放熱部材が提案されている（下記特許文献１参照）。このような部材は、半導体素子とパッケージの間に双方に接触させて配置され、半導体素子からの熱を放出する役割を果たす。はんだは熱伝導性に優れ、放熱部材としての使用は物性の点からは適当であるが、環境に有害な鉛を含んでいる。そのため、近年では環境への影響に配慮し、はんだを使用せずにすむよう代替材料が求められている。
【０００３】
一方で、自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入による二酸化炭素排出量の低減に注目が集まっている。このような電気自動車の制御用等にも半導体素子は使用されているが、半導体素子や周辺デバイスは３００℃程度と従来よりも高温の使用環境となるために、これらもより耐熱性を高めることが求められている。そのため、使用される半導体材料としては、従来のシリコンからより耐熱性に優れるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）へと変化してきている。ＳｉＣはシリコンに比べ、耐熱性に優れるだけでなく、高電圧・高電流を流すことができるために、エネルギー効率向上および素子の小型化に対応できるという側面からも好適な材料である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、半導体材料としてＳｉＣが使用されるようになり、半導体素子はより高温で過酷な環境で使用されるようになってきている。それゆえ、熱による新たな問題も生じている。対処の必要なそのような問題の一つとして、熱による材料のひずみ、熱応力が挙げられる。高温の環境で使用されるため、またＳｉＣを使用した半導体素子は発熱量が増加するために、周辺部材との間に大きな熱応力が発生することがある。例えば、半導体素子に接している部材が熱による変形の大きい素材であれば、ＳｉＣが熱によって変形しにくいために、熱応力によって半導体素子にクラックが入ってしまう。そのため、半導体素子と周辺の部材との間で生ずる熱応力を緩和させる手段が必要となる。
【０００６】
上記従来技術のはんだを含浸させた炭素焼結体は、熱応力緩和の能力はあるものの、鉛を含むことから環境問題のために使用することが好ましくない。のみならず、はんだは通常２５０℃以上では融点を超えてしまうため、３００℃程度の高温の使用環境では使用することができない。
【０００７】
このような実情に鑑み、本発明では、はんだを使用せずに、より高温の環境においても積層される上下の部材の熱応力を効果的に緩和することのできる実装構造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】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の提供する積層構造体（実装構造）は、材料Ａ、材料Ｂの線膨張係数αａ、αｂが、αａ：αｂ＝１：０．１２５〜８の関係を満たす場合に、材料Ａおよび材料Ｂの間に、熱応力緩和のための材料Ｃを挿入する。その際、材料Ｃが導電性を有し、前記αａまたはαｂと材料Ｃの線膨張係数αｃとの比率にも同様の関係（αａ：αｃ＝１：０．１２５〜８およびαｂ：αｃ＝１：０．１２５〜８の関係）が成り立つことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の積層構造体は、材料Ａと材料Ｂとの間に、小さいαａ／αｂの範囲と同程度のαａ／αｃおよびαｂ／αｃを有する低線膨張係数の材料Ｃを介在させることにより、熱応力の発生を緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による積層構造体を示す断面図である。
【図２】材料Ｃの代表的な実施形態であるＮｉマトリックス中にカーボンナノチューブを含んだ膜（以下、Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料とも称する）の構造を模式的に示した図である。
【図３】本発明の一実施形態による材料Ｃの代表的な実施形態であるＮｉ／ＣＮＴ複合材料の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察した像を示す図である。
【図４】図３の拡大図であり、４０００倍での観察像である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の積層構造体について詳細に説明する。
【００１２】
本発明の積層構造体は、材料Ａと材料Ｂとの間に、導電性がある材料Ｃを挟んで構成される。そして、前記材料Ａ、材料Ｂの線膨張係数αａ、αｂが、αａ：αｂ＝１：０．１２５〜８の関係を満たす場合に、材料Ａおよび材料Ｂの間に、熱応力緩和のための材料Ｃを挿入する。その際、材料Ｃが導電性を有し、前記αａまたはαｂと材料Ｃの線膨張係数αｃとの比率にも同様の関係（αａ：αｃ＝１：０．１２５〜８およびαｂ：αｃ＝１：０．１２５〜８の関係）が成り立つことを特徴とする。ここで、αａは材料Ａの線膨張係数を表し、αｂは材料Ｂの線膨張係数を表し、αｃは材料ｃの線膨張係数を表わす。材料Ａと材料Ｂとの間に、小さいαａとαｂとの比率と同程度のαａまたはαｂとαｃとの比率を有する低線膨張係数の材料Ｃを介在させることにより、段階的に熱応力を変化させることができ、材料Ｃの上下に配置する、線膨張係数の比率が一定範囲の材料Ａおよび材料Ｂの間の熱応力を緩和することができる。
【００１３】
次に本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の好ましい実施形態の積層構造体を示した断面図である。図１中、本実施形態の積層構造体１０は、材料ＡとしてＳｉＣを使用した半導体素子１と、材料Ｂとして電子部品の配線に広く使用される銅を使用した配線電極３との間に、材料Ｃを挟んでいる。材料Ａの線膨張係数は４．５×１０−６／Ｋ、銅の線膨張係数は１６．６×１０−６／Ｋであり、両者の線膨張係数の比率αａ：αb＝１：３．７となる。材料Ｃは、Ｎｉマトリックス中にカーボンナノチューブを含んだ膜（Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料）２である。Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料２は、マトリックス材としてのＮｉの中に微粒子としてカーボンナノチューブを含む膜である。
【００１４】
Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料２は、はんだやＮｉ単独膜に比して、ヤング率が大きく線膨張係数が小さいという性質を有する。すなわち熱による変形をしにくく、通常のはんだやＮｉ箔よりも弾性が高く、外的な力（熱応力）による変形を生じにくく、発生する熱応力を減らすことが可能となる。したがって、高温の環境において、配線電極３が熱変形した場合でもＮｉ／ＣＮＴ複合材料２は外的な力（熱応力）による変形を生じにくく、半導体素子１への熱応力を減らすことができ、熱応力緩和層としての機能を発揮する。このようなＮｉ／ＣＮＴ複合材料２を挿入することにより、高温の環境での熱応力に起因する半導体素子１のクラックを防止でき、信頼性の高い半導体デバイスを提供できる。また、マトリックス材がＮｉ等であるために、Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料２はそれ自身の放熱性や電気伝導性にも優れている。したがって、半導体素子１の発生する熱を吸収することもでき、配線電極３と半導体素子１との間を電気的に接続する役割も果たしている。
【００１５】
以下、本発明の積層構造体の各構成要件ごとに詳しく説明する。
【００１６】
（１）材料Ａと材料Ｂの線膨張係数αａ、αｂの比率
材料Ａと材料Ｂの線膨張係数αａ、αｂは、αａ：αｂ＝１：０．１２５〜８、好ましくは１：０．１６７〜６、より好ましくは１：０．２０〜５の関係を満足するものである。上記線膨張係数の比率（αａ：αｂ）が上記範囲を満足する場合には、これらの線膨張係数の比率を有する材料Ａ，Ｂの間に低線膨張特性を有する材料Ｃを挟んだ積層構造体とすることで、熱応力の発生を防止し、耐久信頼性の向上を実現できる。一方、上記線膨張係数の比（αａ：αｂ）が上記範囲を外れる場合には、これらの線膨張係数の比率を有する材料Ａ，Ｂの間に低線膨張特性を有する材料Ｃを挟んだ積層構造体とした場合であっても、十分な熱応力の発生を防止することができない。
【００１７】
上記材料Ａと材料Ｂの線膨張係数αａ、αｂの比率を満足する組合せの例を示せば、以下の通りである。
（ｉ）材料ＡがＳｉ、材料ＢがＡｌの場合；
αａ（αＳｉ）＝３×１０−６／Ｋ、          αｂ（αＡｌ）＝２３．５×１０−６／Ｋ、
αａ：αｂ＝１：７．８となる。
（ｉｉ）材料ＡがＳｉＣ、材料ＢがＡｌの場合；
αａ（αＳｉＣ）＝４．５×１０−６／Ｋ、      αａ（αＡｌ）＝２３．５×１０−６／Ｋ、
αａ：αｂ＝１：５．２となる。
（ｉｉｉ）材料ＡがＳｉＣ、材料ＢがＡｇの場合；
αａ（αＳｉＣ）＝４．５×１０−６／Ｋ、      αｂ（αＡｇ）＝１９．１×１０−６／Ｋ、
αａ：αｂ＝１：４．２となる。
【００１８】
なお、本発明では、材料Ｂがセラミックスの場合、材料Ａよりも線膨張係数が逆転する場合もあり得るが、その場合、線膨張係数の比率が１以下の場合も適用可能となり得るものである。これは、材料Ｃが配線とはんだの機能を兼ね備える場合、材料Ｂと材料Ａの線膨張係数が逆転する場合があり得る。例えば、ＳｉＣ（４．５）と窒化ケイ素（３）の場合などが挙げられる。このような組み合わせの場合でも、従来のＳｎ系はんだはやはり高温になるので使用できません。一方で、材料ＣとしてＣｕあるいはＡｌを使用し、同じように配線とはんだの機能を期待すると、ＣｕもＡｌも線膨張係数が大きいことから、自身が大変形し、ＳｉＣへ負荷を与えます。よって発明の構成であります低線膨張なＮｉ／ＣＮＴ複合材料を使用した方がメリットが期待できる。
【００１９】
（２）前記αａまたはαｂと材料Ｃの線膨張係数αｃとの比率
本発明では、上記材料Ａおよび材料Ｂの間に、熱応力緩和のための上記材料Ｃを挿入してなる積層構造である。
【００２０】
上記材料Ｃは導電性を有し、前記αａまたはαｂと材料Ｃの線膨張係数αｃとの比率にも、上記線膨張係数の比率（αａ：αｂ）と同様の関係が成り立つことを特徴とする。
【００２１】
詳しくは、上記した材料Ａと材料Ｃの線膨張係数の比率が、αａ：αｃ＝１：０．１２５〜８、好ましくは１：０．１６７〜６、より好ましくは１：０．２〜５の関係を満足するものである。加えて、上記した材料Ｂと材料Ｃの線膨張係数の比率が、αｂ：αｃ＝１：０．１２５〜８、好ましくは１：０．１６７〜６、より好ましくは１：０．２〜５の関係を満足するものである。
【００２２】
これらの線膨張係数の比率（αａ：αｃ）及び（αｂ：αｃ）が上記範囲を満足する場合には、これらの線膨張係数の比率を有する材料Ａ，Ｂの間に、既存のはんだよりも低線膨張特性を有する材料Ｃを挟んだ積層構造体とすることで、熱応力の発生を防止し、耐久信頼性の向上を実現できる。一方、上記線膨張係数の比率（αａ：αｃ）及び（αｂ：αｃ）が上記範囲を外れる場合には、材料Ａ、Ｂの間に材料Ｃを挟んだ積層構造体とした場合であっても、十分な熱応力の発生を防止することができない。
【００２３】
これらの材料Ａ、Ｂ、Ｃの線膨張係数αａ、αｂおよびαｃを、熱機械分析装置（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ；  ＴＭＡ）による測定で求めた。昇温、降温速度は５℃／分で、２３〜３００℃の平均線膨張係数を求めた値を、材料Ａ、Ｂ、Ｃの線膨張係数αａ、αｂおよびαｃの線膨張係数とする。
【００２４】
（３）材料Ａ
材料Ａとしては、材料Ｂ、Ｃとの線膨脹係数の比率が上記した一定の範囲内にあればよく、特に制限されるものではないが、半導体素子（半導体チップ）が好ましい。半導体素子を基板に搭載する際に、素子の発熱が引き起こす影響を低減することができ、安定した動作を得ることができるためである。半導体素子（半導体チップ）に好適な材料Ａとしては、ＳｉＣを使用したものに限られず、ＧａＡｓ、Ｓｉ等従来公知の素材の素子に本発明は適用できる。中でも、特に高温環境で用いられるパワーモジュールへの適用による将来型電動車両を実現できることから、ＳｉＣを使用したものが特に望ましい。本発明では材料ＡにＳｉＣを使用した場合でも、高温環境での熱応力の発生を防止でき、耐久信頼性の向上を図ることができるためである。ただし、材料Ａとしては、半導体素子（半導体チップ）以外にも、種々の表面実装素子（チップ部品）、例えば赤外線受光素子、側面発光ダイオード、水晶発振子なども利用可能である。
【００２５】
（ａ）材料Ａの好適な線膨張係数
材料Ａとしては、最も線膨張係数（ＣＴＥ）の小さいＳｉから、現実的な化合物半導体までを使用可能範囲とし得ることから、２．６×１０−６／Ｋ〜８×１０−６／Ｋ、好ましくは、２．６×１０−６／Ｋ〜６．８×１０−６／Ｋ、より好ましくは、２．６×１０−６／Ｋ〜４．５×１０−６／Ｋの小さい線膨張係数を有することが望ましい。
【００２６】
材料Ａの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、半導体素子（半導体チップ）などの材料Ａと材料Ｂとの間に、後述する低線膨張係数かつ高ヤング率の材料Ｃを介在させることにより、高温動作される半導体素子の材料Ａにより材料Ｂが変形することで発生する熱応力を、当該材料Ｃにより緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００２７】
（４）材料Ｂ
材料Ｂとしては、材料Ａ、Ｃとの線膨脹係数の比率が上記した一定の範囲内にあればよく、特に制限されるものではないが、セラミック（基板）であることが好ましい。半導体素子を基板に搭載する際に、素子の発熱が引き起こす影響を低減することができ、安定した動作を得ることができるためである。上記セラミック（基板）に好適な材料Ｂとしては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体等の電気絶縁材料で形成されているものが使用可能である。中でも、特に高温環境で用いられるパワーモジュールへの適用による将来型電動車両を実現できることから、ＡｌＮを使用したものが特に望ましい。本発明では材料ＢにＡｌＮを使用した場合でも、高温環境での熱応力の発生の防止でき、耐久信頼性の向上を図ることができるためである。また、材料Ａに半導体素子を用い、材料Ｂにセラミックを用いた積層構造体では、既存のセラミック基板上に配線電極（層）、はんだ（層）、半導体素子を順次積層する形態に比して、材料Ｃにより配線電極（層）とはんだ（層）の機能を兼ね備えさせることができる。ただし、材料Ｂとしては、セラミック（基板）以外にも、配線電極（層）として、銅、アルミニウム、銀、金およびモリブデン並びにこれらの合金から選ばれた少なくとも一種に適用できる。
【００２８】
（ａ）材料Ｂがセラミック（基板）の場合の好適な線膨張係数
材料Ｂが、セラミック（基板）の場合、窒化珪素の焼結体からアルミナまでを使用可能範囲とし得ることから、２．６×１０−６／Ｋ〜７．０×１０−６／Ｋ、好ましくは、２．６×１０−６／Ｋ〜５．０×１０−６／Ｋ、より好ましくは、２．６×１０−６／Ｋ〜４．５×１０−６／Ｋの小さい線膨張係数を有することが望ましい。
【００２９】
材料Ｂがセラミック（基板）の場合、当該材料Ｂの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、共に小さい線膨張係数を有する、半導体素子（半導体チップ）などの材料Ａとセラミック（基板）の材料Ｂとの間に、後述する低線膨張係数かつ高ヤング率の材料Ｃを介在させることにより、高温動作される半導体素子の材料Ａにより材料Ｂが熱変形することで発生する熱応力を、当該材料Ｃにより緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００３０】
（ｂ）材料Ｂが配線電極（金属材料）の場合の好適な線膨張係数
材料Ｂが、配線電極（金属材料）の場合、Ｍｏ（５．１）、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ（２３．５）のどれも使用される可能性があるため、使用可能な範囲をより好適な範囲に段階的に定義することなく、５．１×１０−６／Ｋ〜２３．５×１０−６／Ｋの大きな線膨張係数を有するものである。
【００３１】
材料Ｂが配線電極（金属材料）の場合、当該材料Ｂの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、小さい線膨張係数を有する半導体素子（半導体チップ）などの材料Ａと、大きな線膨張係数を有する配線電極（金属材料）の材料Ｂとの間に、後述する低線膨張係数かつ高ヤング率の材料Ｃを介在させることによって、材料Ｃの材料Ｂに接している側においても材料Ｂにより材料Ｃの変形が抑えられ、あまり変形せず、材料Ａに加わる熱応力を材料Ｂにより緩和できる。その結果、材料Ａと材料Ｂとの間の熱応力を緩和することができ、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００３２】
（５）材料Ｃ
（ａ）材料Ｃの導電性
上記材料Ｃは導電性を有するものである。材料Ｃが導電性を有するとは、上記の好ましい実施形態での配線電極と半導体素子のように電気によって駆動させる通常の用途において、配線と同等の導電性を有していることを意味する。詳しくは、材料Ｃは絶縁体でなければよく、電気伝導率（導電率）が１０−６Ｓ／ｍ以上であればよい。一般に電気伝導率（導電率）がグラファイト（電気伝導率：１０６Ｓ／ｍ）と同等以上のものが導体、１０−６Ｓ／ｍ以下のものを不導体（絶縁体）、その中間の値をとるものを半導体と分類されている。本実施形態の材料Ｃでは半導体の電気伝導率以上のものであればよいが、好ましくは導体の電気伝導率以上が望ましい。なお、後述する導電性を有するマトリックス材についても、同様の導電率を有するものであればよい。
【００３３】
（ｂ）材料Ｃの厚さ
本実施形態の積層構造体におけるＮｉ／ＣＮＴ複合材料２に代表される、低線膨張係数の材料Ｃで構成される層（膜）の好ましい厚さは、熱応力を効果的に緩和するために、１０〜３００μｍであることが好ましく、より好ましくは５０〜２００μｍである。
【００３４】
（ｃ）材料Ｃの好適な構成
材料Ｃとしては、材料Ａ、Ｂとの線膨脹係数の比率が上記した一定の範囲内にあればよく、特に制限されるものではないが、導電性を有するマトリックス材と微粒子から構成されてなるものが望ましい。導電性を有するマトリックス材と微粒子の濡れ性のよさを利用することによるマトリックス材と微粒子の密着性を増進することができ、微粒子によるマトリックスの変形抑制による低線膨張特性を実現できるからである。
【００３５】
図２は、導電性を有するマトリックス材と微粒子からなる材料Ｃの好適な実施形態であるＮｉ／ＣＮＴ複合材料中の該マトリックス材であるＮｉと微粒子のＣＮＴとの界面がしっかりと馴染んで密着している様子を模式的に示した図である。図３は、図２のＮｉ／ＣＮＴ複合材料中のＮｉ（マトリックス材）とＣＮＴ（微粒子）との界面がしっかりと馴染んで密着している様子を、Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料の断面をＳＥＭにて１０００倍で観察した像を示す図である。図４は、図３の拡大図であり、４０００倍での観察像である。
【００３６】
図２〜図４に示すように、Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料において、Ｎｉ（マトリックス材）４中にはＣＮＴ（微粒子）６が含まれている。Ｎｉマトリックス材４とＣＮＴ６との濡れ性を良くすることで、両者の界面（ＣＮＴ６の周囲）には空隙がなく、マトリックス材（Ｎｉ）４との密着性が高く緻密な組織が形成された構成となっている。
【００３７】
（ｄ）材料Ｃのヤング率
材料Ｃは、マトリックスと微粒子の濡れ性のよさを利用することで、Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料２などのように、はんだやマトリックス材単独膜（例えば、Ｎｉ膜やＣｕ膜）に比してヤング率を大きくできる。具体的には、こうした濡れ性の良さを利用して形成した材料Ｃのヤング率σｃは、１２５ＧＰａ以上、より好ましくは１２５〜２００ＧＰａ、最も好ましくは１５０〜２００ＧＰａである。本実施形態においては、半導体素子１（ＳｉＣなど）と配線電極３（Ｃｕなど）との熱応力を効果的に緩和するために、Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料２のヤング率は１５０ＧＰａ以上、好ましくは１５０〜２００ＧＰａである。
【００３８】
材料Ｃのヤング率は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じ、但し高精度ビデオ伸び計を用いた引張試験により室温（２５℃）でそれぞれ、試験速度１．０ｍｍ／ｍｉｎ、票点間距離２５ｍｍにて測定した値を用いる。
【００３９】
本実施形態の積層構造体におけるＮｉ／ＣＮＴ複合材料２に代表される低線膨張係数の材料Ｃが、高ヤング率となるのは、マトリックス材（Ｎｉ）と微粒子（ＣＮＴ）の濡れ性が良好であることによる。これにより、製造工程において微粒子（ＣＮＴ）界面がマトリックス材をはじき、両者の界面に空孔が生じ、全体が多孔質化するのを抑制できるためである。すなわち、両者の界面がしっかりと馴染んで密着性が高く緻密な組織が形成された構成となっているため、ヤング率が増大し、大きく変形する材料Ｂ（ＣｕやＡｌなどの配線電極）からの応力にも十分耐えることができる。
【００４０】
（ｅ）材料Ｃを構成するマトリックス材
本実施形態において、マトリックス材の例としては、微粒子との濡れ性、材料Ｃへの導電性付与の観点から、ニッケルである。マトリックス材を導電体とすることにより、材料Ｃ全体の導電性を確保することができ、導電性と熱応力発生防止の両立を図ることができる。マトリックス材を微粒子と濡れ性の良いものとすることにより、微粒子との密着性が高く緻密な組織の材料Ｃを形成することができ、低線膨張係数を実現できる。ただし、互いの濡れ性が悪くとも、適当な表面改質などにより濡れ性を改善できる場合には、マトリックス材は上記ニッケルに限られない。例えば、Ｃｕ、Ａｌなどが挙げられる。
【００４１】
（ｆ）材料Ｃを構成する微粒子
本実施形態において、微粒子の例としては、マトリックス材との濡れ性の関係から、セラミックス、フラーレン、炭素繊維、カーボンナノチューブの少なくとも一つからなる材料を使用することができる。微粒子をマトリックス材と濡れ性の良いものとすることにより、マトリックス材との密着性が高く緻密な組織の材料Ｃを形成することができ、低線膨張係数を実現できる。
【００４２】
ただし、互いの濡れ性が悪くとも、適当な表面改質などにより濡れ性を改善できる場合には、微粒子は上記のものに限られない。かかる微粒子としては、フラーレン、炭素繊維、カーボンナノチューブなどの炭素材料の表面にＳｉを修飾してなるものなどを用いることができる。これら炭素材料微粒子表面にＳｉを修飾することにより、濡れ性を増進させることができ、微粒子によるマトリックスの変形抑制による低線膨張特性を実現できる。互いの濡れ性が悪いＣｕマトリックスと炭素材料微粒子とを使用する場合などに好適に利用できる。
【００４３】
（ｆ−１）微粒子の直径
上記微粒子の直径は、０．４〜１５０ｎｍ、より好ましくは１０〜１５０ｎｍ、さらに好ましくは５０〜１５０ｎｍである。微粒子の直径が上記範囲内である場合には、マトリックス材との密着性が高く緻密な組織を有する、低線膨張係数の材料Ｃを実現することができる。なお、微粒子が、繊維状の形態である炭素繊維、カーボンナノチューブなどの場合、該直径は、繊維断面の直径とする。繊維状微粒子の直径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）または原子間力電子顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定し、数〜数十視野中に観察される繊維状微粒子の繊維断面の直径の平均値として算出される値を採用するものとする。微粒子の直径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）または原子間力電子顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定するものとする。微粒子が、繊維状の形態である炭素繊維、カーボンナノチューブなどの場合、該微粒子の長さとしては、通常数μｍ〜１００μｍである。
【００４４】
一方、粉末状の形態であるセラミックスやフラーレンなどの場合、該直径は、粉末状微粒子の平均粒子径とする。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、粉末状微粒子の輪郭線上の任意の２点間の距離のうち、最大の距離を意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。
【００４５】
（ｆ−２）微粒子の添加量
微粒子の添加量としては、材料Ｃ全量に対して０．００１〜１０質量％、より好ましくは０．００１〜５質量％、その中でも最適な範囲は０．００１〜１質量％である。上記範囲内とすることで、マトリックス材との密着性が高く緻密な組織を有する、低線膨張係数の材料Ｃを実現することができる。
【００４６】
材料Ｃは、マトリックス材と微粒子の濡れ性のよさを利用することにより、マトリックス材と微粒子の密着性を増進することができ、低線膨張係数を実現できる。こうした材料Ｃでは熱変形し難いため、従来の機械的強度の補強のためにＣＮＴを添加するような用途に比較して、本実施形態では微粒子（ＣＮＴ）の添加量は、上記に規定するように、極少量でも十分にその目的を達成することができることがわかった。即ち、ＣＮＴ等の微粒子の添加量を上記範囲内に調整することにより、材料Ｃは本実施形態に好適な低線膨張係数となる。
【００４７】
（ｇ）材料Ｃの好適な線膨張係数
材料Ｃとしては、１２×１０−６／Ｋ以上、２２×１０−６／Ｋ未満の範囲であり、好ましくは、１２×１０−６／Ｋ〜２０×１０−６／Ｋ、より好ましくは、１２×１０−６／Ｋ〜１５×１０−６／Ｋの線膨張係数を有することが望ましい。
【００４８】
特に、マトリックス材がＮｉの場合、材料Ｃの好適な線膨張係数としては、１２×１０−６／Ｋ以上、１５×１０−６／Ｋ未満の範囲である。
【００４９】
マトリックス材がＣｕの場合、材料Ｃの好適な線膨張係数としては、１５×１０−６／Ｋ以上、２２×１０−６／Ｋ未満の範囲であり、好ましくは１６×１０−６／Ｋ〜１９×１０−６／Ｋの範囲である。
【００５０】
更にマトリックス材がＡｌの場合、材料Ｃの好適な線膨張係数としては、１５×１０−６／Ｋ〜２０×１０−６／Ｋの範囲が好適である。
【００５１】
材料Ｃの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、材料Ａと材料Ｂとの間に、上記範囲の低線膨張係数の材料Ｃを介在させることにより、熱応力の発生を緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００５２】
（ｈ）材料Ｃの好適なヤング率
材料Ｃとしては、５０〜１８０ＧＰａ、好ましくは１１０〜１７５ＧＰａ、より好ましくは１１０〜１７０ＧＰａの高ヤング率を有することが望ましい。
【００５３】
特に、マトリックス材がＮｉの場合、材料Ｃの好適なヤング率としては、１１０〜１８０ＧＰａ、好ましくは１１０〜１７０ＧＰａの範囲である。
【００５４】
マトリックス材がＣｕの場合、材料Ｃの好適なヤング率としては、５０〜１２５ＧＰａ、好ましくは５０〜９０ＧＰａの範囲である。
【００５５】
更にマトリックス材がＡｌの場合、材料Ｃの好適なヤング率としては、７０〜１００ＧＰａ、好ましくは７０〜８０ＧＰａの範囲である。
【００５６】
材料Ｃの好適なヤング率が上記範囲内であれば、材料Ａと材料Ｂとの間に、上記範囲の低線膨張係数かつ高ヤング率の材料Ｃを介在させることにより、材料Ｃの上下に配置する材料Ａないし材料Ｂに発生する熱応力を緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００５７】
（ｉ）材料Ｃの製造方法
Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料などの材料Ｃは、既存の電解めっき方法や無電解めっき方法によって製造することができる。積層構造体を生成する際に有利となる工法であることから、電解めっきによって生成されているのが望ましい。かかる電解めっき方法では、所望の場所への被覆を実現することができる。
【００５８】
例えば、電解めっき方法によりＮｉ／ＣＮＴ複合材料等の材料Ｃを作製する場合を例にとり説明する。まず、マトリックス材の金属めっき液（Ｎｉめっき液やＣｕめっき液等）に導電性の微粒子（例えば、ＣＮＴ、炭素繊維、フラーレン等）、更には必要に応じて適宜、光沢剤および界面活性剤などを混合して、複合めっき液を調製する。この複合めっき液に金属材料（基材）を投入して、電解めっきを施す。その後、得られためっき膜を金属材料（基材）から剥がし、Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料などの材料Ｃを得ることができる。より詳細には、特開２００８−１６３３７６号公報に記載の複合めっき方法を用いることができる。したがって、本実施形態の電解めっき方法によるＮｉ／ＣＮＴ複合材料等の材料Ｃには、電解めっきの際に使用される微量の光沢剤や滑剤が含まれていてもよい。
【００５９】
（６）材料Ａ、Ｂ、Ｃの各層間の接合方法
Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料（材料Ｃ）を半導体素子（材料Ａ）および配線電極ないしセラミック（材料Ｂ）と積層するには、銀ナノペーストなどの公知の接合剤を使用することができる。銀ナノペーストは接合剤の一種であり、粒径が約１０ｎｍの銀のナノ粒子を有機保護膜でコーティングしたものを、溶媒に分散しペースト状にしたものである。銀ナノペーストが加熱により一定温度に達すると、溶媒や有機保護膜は分解して揮発し、超微粒子の銀が露出する。露出した銀ナノ粒子は互いに焼結し、接合剤として機能するものである。本実施形態では、半導体素子（材料Ａ）とＮｉ／ＣＮＴ複合材料（材料Ｃ）との間、およびＮｉ／ＣＮＴ複合材料（材料Ｃ）と配線電極ないしセラミック（材料Ｂ）との間に、銀ナノペーストを１０〜１００μｍの範囲の厚さで塗布し、２つの部材（層間）を接合することができる。
【００６０】
また、上記した炭素材料微粒子表面にＳｉを修飾してなる微粒子（Ｓｉ被覆微粒子）も、従来公知の修飾方法によって製造することができる。例えば、適当な粒径（例えば、１０μｍ以下）の炭素と反応して化合物を生成するＳｉ微粒子を適量（例えば、１０〜１００質量部）と、カーボンナノチューブ等の微粒子を適量（例えば、１００質量部）とを混合する。その後、適当な容器に入れ、真空炉で加熱（例えば、炉温１２００〜１４５０℃程度、加熱時間１０〜２０時間）することで、Ｓｉ被覆微粒子（カーボンナノチューブ）を得ることができる。より詳細には、特開２００８−１６３３７６号公報に記載のＳｉ被覆微粒子の作製方法（修飾方法）を用いることができる。
【００６１】
上記のとおり、本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、本発明は上記の実施形態に制限されない。図１では、半導体素子１がＮｉ／ＣＮＴ複合材料２と接する面積は、銅ＣＮＴ複合材料２が配線電極３と接する面積より小さく描かれているが、逆であってもよい。また半導体素子１、Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料２および配線電極３がすべて同じ大きさであってもよい。要は、半導体素子１と配線電極３との間の熱応力を十分緩和できる程度に、Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料２の少なくとも一部が両者に接触していればよい。
【００６２】
本発明の用途は、半導体デバイスに限られない。例えば、樹脂製の部品を金属板の上に固定するなど、温度変化が想定される環境で、線膨張係数の各比率が、上記関係を満足する場合にも本発明は適用できる。
【００６３】
以上説明してきたように、本発明の積層構造体は、以下のような効果を示す。
（ａ）所定の線膨張係数差（比率）の材料Ａと材料Ｂの間に、導電性を有し、材料Ａまたは材料Ｂと所定の線膨張係数差（比率）を有する低線膨張係数の材料Ｃを挿入することにより、高温環境でもその上下の材料の熱応力発生を防止でき、耐久信頼性を向上できる。
（ｂ）半導体素子とセラミック（基板）に本発明を適用することにより、高温の動作環境や半導体素子からの発熱があっても、素子とセラミックとの間に生じる熱応力発生により半導体素子が損傷するのを防止し、耐久信頼性の高い半導体デバイスを実現できる。その結果、パワーモジュールへの適用による将来型電動車両の実現に大いに貢献できる。また、素子とセラミックとの間の材料Ｃが、配線電極（層と）はんだ（層）の機能を兼ね備える構造をとることができる。
（ｃ）導電性を有するマトリックス材と微粒子とを含むことにより、両者の濡れ性のよさを利用することにより、マトリックスと微粒子の密着性を増進でき、微粒子によるマトリックスの変形抑制による低線膨張特性を実現できる。
（ｄ）マトリックス材がニッケルであると、マトリックス材を導電体とすることができ、材料Ｃの導電性を確保し、半導体実装に好適な導電性を付与することができる。
（ｅ）微粒子が、セラミックス、フラーレン、炭素繊維、カーボンナノチューブの少なくとも一つからなる材料であると、低線膨張特性を実現できる。
（ｆ）微粒子が、フラーレン、炭素繊維、カーボンナノチューブの少なくとも一つからなる材料であると、これら炭素材料表面にＳｉを修飾することにより、濡れ性を向上することができ、該微粒子によるマトリックスの変形抑制による低線膨張特性を実現することができる。
（ｇ）材料Ｃの形成に電解めっきを用いることにより、積層構造を生成する際に工法上有利となる、所望の場所への被覆を実現することができる。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明を実施例および比較例を通して説明する。
【００６５】
（実施例１および２）
後掲の表１に示すように、材料ＡとしてＳｉＣ（大きさ：５ｍｍ×５ｍｍ×０．３ｍｍ）、材料ＢとしてＣｕ（大きさ：１３ｍｍ×１３ｍｍ×０．５ｍｍ）を準備した。材料Ｃとしては、Ｎｉマトリックス中に、微粒子としてそれぞれ表１に示す添加量の多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ；直径１５０ｎｍ、長さ８０μｍ）を含んだ膜（Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料）（大きさ：７ｍｍ×７ｍｍ×０．０３２ｍｍ）を準備した。
【００６６】
材料ＣのＮｉ／ＣＮＴ複合材料は、特開２００８−１６３３７６号公報の実施例１に記載の電解めっき方法及びめっき条件によって製造した。めっき浴（複合めっき液）は以下のものを使用した。
【００６７】
（ａ）めっき浴（複合めっき液）組成；
水          ：１．０ｍ３
硫酸ニッケル：２４０ｋｇ／ｍ３
塩化ニッケル：  ４５ｋｇ／ｍ３
ほう酸      ：  ３０ｋｇ／ｍ３
光沢剤：２−ブチン−１，４−ジオール    ０．２ｋｇ／ｍ３
＋サッカリンナトリウム    ２ｋｇ／ｍ３
界面活性剤：ポリアクリル酸    ０．１ｋｇ／ｍ３
微粒子（ＭＷＣＮＴ）：後掲の表１参照のこと。
【００６８】
（ｂ）電解めっきにおける条件
陰極：ＳＵＳ板（脱脂処理した清浄な板）
陽極：電解ニッケル板
めっき液温：５０℃
電流密度：１Ａ／ｄｍ２（実施例１）、１Ａ／ｄｍ２（実施例２）
処理時間：６０分（実施例１）、６０分（実施例２）
これらの材料の線膨張係数αａ、αｂおよびαｃを、熱機械分析装置（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ；  ＴＭＡ）による測定で求めた。昇温、降温速度は５℃／分で、−５０〜３００℃の平均線膨張係数を求め、これらを各材料の線膨張係数αａ、αｂおよびαｃとした。
【００６９】
また、これらの材料のヤング率σａ、σｂおよびσｃをＪＩＳ  Ｚ  ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じ、但し高精度ビデオ伸び計を用いた引張試験により室温（２５℃）、試験速度１．０ｍｍ／ｍｉｎ、票点間距離２５ｍｍにてそれぞれ測定した。
【００７０】
測定結果は、材料と共に表１に示す。これらの測定結果を基に、材料Ａ、材料Ｃ、材料Ｂを積層した場合の、材料Ｃの熱応力緩和層としての効果について後述するように考察した。
【００７１】
（実施例３）
材料Ｂとして、ＡｌＮを用いた以外は、実施例１と同様に材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃを準備し線膨張係数およびヤング率をそれぞれ測定した。測定結果を表１に示す。
【００７２】
（比較例１）
従来技術との比較のため、比較例１では材料ＣとしてＳｎ−３７Ｐｂはんだを用いた。それ以外は、実施例１と同様にして、材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃを準備し線膨張係数およびヤング率をそれぞれ測定した。測定結果を表１に示す。
【００７３】
【表１】
2010267745.tif 000003
【００７４】
表中のαｘは、材料Ｘの線膨張係数（×１０−６／Ｋ）を表す。
【００７５】
表中のσＸは、材料Ｘのヤング率（ＧＰａ）を表す。
【００７６】
表中のＭＷＣＮＴは、多層カーボンナノチューブの略号である。
【００７７】
表１に示すように、実施例１〜６では、材料ＡのＳｉＣと材料ＢのＣｕまたはＡｌ（配線電極）の線膨張係数差が大きい（ＳｉＣ：αＳｉＣ＝４．５×１０−６／Ｋに対して、Ｃｕ：αＣｕ＝１６．６×１０−６／Ｋ、Ａｌ：αＡｌ＝２３．５×１０−６／Ｋ）。このままでは、配線金属がたくさん伸びて、ＳｉＣあるいはそれとの界面が割れ、クラックが入るおそれがあるが、そこに材料ＣとしてＮｉ／ＣＮＴ複合材料を材料Ａと材料Ｂの間に介する（挿入する）と、段階的に熱応力を変化（緩和・低減）させることができる。また、材料Ｃのヤング率がはんだやマトリックス材単独膜に比して増大するため、大きく変化するＣｕまたはＡｌ（配線電極）からの応力に耐えることができる。
【００７８】
比較例１では、はんだを使用しているために、ヤング率は小さく最も低弾性である。しかも、上述のようにはんだは融点が低いため、３００℃付近の高温の環境で使用することはできない（３００℃の運転環境に耐えられない）。
【符号の説明】
【００７９】
１  半導体素子、
２  Ｎｉ／ＣＮＴ複合材料、
３  配線電極（配線金属）、
４  マトリックス材（Ｎｉ）、
６  カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、
１０  積層構造体。
【図１】
2010267745.tif 000004
【図２】
2010267745.tif 000005
【図３】
2010267745.tif 000006
【図４】
2010267745.tif 000007