(57)【要約】【課題】本発明の目的は、厚さの異なる複数の半導体素子を同時に加熱・加圧した場合であったとしても、各半導体素子間の加圧のむらを低減し、それぞれの半導体素子で十分な接合強度を確保した半導体装置を提供することにある。【解決手段】本発明にかかる半導体装置は、第一の半導体素子と、第一の半導体素子よりも薄い第二の半導体素子と、前記第一の半導体素子と前記第二の半導体素子を搭載する配線回路を有する絶縁基板と、前記第一の半導体素子における前記配線回路が配置される面とは反対側の面で第一の焼結層を介して接続される第一の金属体と、前記第二の半導体素子における前記配線回路が配置される面とは反対側の面で第二の焼結層を介して接続される第二の金属体とを有し、前記第二の金属体は前記第一の金属体よりも厚く、さらに前記第二の金属体の密度は前記第一の金属体よりも密度が高いことを特徴とする。【選択図】図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の半導体素子と、
第一の半導体素子よりも薄い第二の半導体素子と、
前記第一の半導体素子と前記第二の半導体素子を搭載する配線回路を有する絶縁基板と、
前記第一の半導体素子における前記配線回路が配置される面とは反対側の面で第一の焼結層を介して接続される第一の金属体と、
前記第二の半導体素子における前記配線回路が配置される面とは反対側の面で第二の焼結層を介して接続される第二の金属体とを有し、
前記第二の金属体は前記第一の金属体よりも厚く、さらに前記第二の金属体の密度は前記第一の金属体よりも密度が高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第一の金属体は空隙を有する発泡金属で構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記第二の金属体は空隙を有する発泡金属で構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、
前記第二の金属体の空隙率は、前記第一の金属体の空隙率よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一の焼結層及び前記第二の焼結層はそれぞれ酸化銀粒子を焼結して形成された焼結層であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第一の焼結層及び前記第二の焼結層はそれぞれ酸化銅粒子を焼結して形成された焼結層であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体素子が焼結金属で接合された半導体モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ等に用いられる半導体装置では、配線層が設けられた絶縁基板に半導体素子が搭載される。この半導体素子と配線層とを接合する際にはSn-Pb系はんだ付け材料などが用いられていた。しかし、近年半導体装置の小型化・高密度化の要求から、配線層や接合層には数アンペア以上の電流が流れ、特にスイッチングする半導体素子では大きな発熱が生じる。そこで、従来のSn-Pb系はんだ付け材料よりもより放熱性の良い材料や接合信頼性を向上させる材料が求められていた。
【０００３】
一方で、高い発熱と信頼性を有する材料として、粒子状金属化合物を含む導電性組成物を用いた接合材料が知られている。特に、金属粒子の粒径が１００ｎｍ以下のサイズまで小さくした金属ナノ粒子では、構成原子数が少なくなり粒子の体積に対する表面積比が急激に増大し、融点や焼結温度がバルクの状態と比較して大幅に低下することが知られている。この低温焼結機能を利用して、有機物で表面が被覆された平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子を接合材料として用いて、加熱により有機物を分解させて当該金属粒子同士を焼結させる接合方法が、特許文献１に開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には複数の半導体素子が搭載され、半導体素子のそれぞれの上面部にヒートスプレッダを有しており、さらにそれぞれの接続部に金属ナノペーストを配置して加熱することによって、放熱性を向上させた半導体装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１０７７２８号公報
【特許文献２】特開２００６−３５２０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２に記載の半導体装置では、加熱のみによって焼結層を形成しているので、各接合層の接合強度が十分でない可能性がある。一方で、接合層の強度を向上させるためには、半導体チップを加圧しながら加熱することによって接合層を緻密化することが可能であるが、複数の半導体素子を同時に加圧する場合、素子毎で厚さが異なることに起因して、一方の半導体素子は加圧が十分であるが、他方の半導体素子は加圧が不十分となる可能性がある。
【０００７】
そこで本発明の目的は上記課題に鑑み、厚さの異なる複数の半導体素子を同時に加熱・加圧した場合であったとしても、各半導体素子間の加圧のむらを低減し、それぞれの半導体素子で十分な接合強度を確保した半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる半導体装置は、第一の半導体素子と、第一の半導体素子よりも薄い第二の半導体素子と、前記第一の半導体素子と前記第二の半導体素子を搭載する配線回路を有する絶縁基板と、前記第一の半導体素子における前記配線回路が配置される面とは反対側の面で第一の焼結層を介して接続される第一の金属体と、前記第二の半導体素子における前記配線回路が配置される面とは反対側の面で第二の焼結層を介して接続される第二の金属体とを有し、前記第二の金属体は前記第一の金属体よりも厚く、さらに前記第二の金属体の密度は前記第一の金属体よりも密度が高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体装置を用いることによって、厚さの異なる複数の半導体素子を同時に加熱・加圧した場合であったとしても、各半導体素子間の加圧のむらを低減し、それぞれの半導体素子で十分な接合強度を確保した半導体装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る半導体装置１５０の（ａ）分解斜視図、及び（ｂ）断面図である。
【図２】図１（ｂ）のＢ部の拡大図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は本発明の接合プロセスを説明する図である。
【図４】第三の実施形態にかかる半導体装置を示す図である。
【図５】第三の実施形態にかかる半導体装置の接合プロセスの一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
《第一の実施形態》
以下、本発明について具体的に説明する。まず図１を用いて、簡単に本発明に係る半導体装置１５０について説明する。
【００１２】
図１（ａ）は半導体装置１５０の分解斜視図である。放熱板１１５上に絶縁基板１４０が搭載されている。この絶縁基板１４０の上には配線層１３０（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ）が形成されており、当該配線層１３０ｂ上にダイオード１１０とＩＧＢＴ１２０とが搭載されている。ＩＧＢＴ１２０のゲート電極（不図示）はエミッタ電極（不図示）と同一面に形成され、当該ゲート電極は配線層１３０ａとワイヤボンディングで接続されている。
【００１３】
一方、ＩＧＢＴ１２０のエミッタ電極には金属体１７０が配置されており、その上面にバスバー１２２が配置され、当該バスバー１２２の一端は配線層１３０ｃと接続される構成となっている。
【００１４】
また、ダイオード１１０のアノード電極側には金属体１６０が配置されている。
【００１５】
図１（ｂ）は図１（ａ）をＡ−Ａ断面を表す図である。絶縁基板１４０の一方の面には配線層１３０（１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ）が設けられており、他方の面には裏面配線層１３１が設けられている。裏面配線層１３１は銀ペーストや焼結金属で構成された接続層１１４を介して放熱板１１５と接続される。この放熱板は銅などの熱伝導性の良い部材で構成されている。
【００１６】
一方、配線層１３０ｂとダイオード１１０のカソード電極側は焼結金属からなる接続層１１１を介して接続され、配線層１３０ｂとＩＧＢＴ１２０のコレクタ電極側は焼結金属から構成される接続層１２１と接続される。この部分の詳細については、後の説明で詳細に説明する。
【００１７】
また、ダイオード１１０のアノード電極側及び、ＩＧＢＴ１２０のコレクタ電極側はそれぞれ接続層１１６、接続層１１７を介して、それぞれ金属体１６０、１７０に接続されている。さらに、金属体１６０、１７０の半導体素子と接続される側と反対の面は、それぞれ接続層１６１、１７１を介してバスバー１２２と接続されている。また、当該バスバー１２２のダイオード１１０及びＩＧＢＴ１２０が接続される側とは反対側は配線層１３０ｃと接続層１１２を介して接続されている。
【００１８】
続いて、図１（ａ）及び（ｂ）を用いて本発明の特徴となる部分についてより詳細に説明をする。接続層１１１、１１２には放熱性の良い焼結金属材料を用いる。焼結金属材料を用いる場合には、半導体素子と配線層１３０との接合強度を向上させるため半導体素子を加圧しながら焼結を行なう。
【００１９】
また、ダイオード１１０の厚さＴ１とＩＧＢＴ１２０の厚さＴ２では、一般的にダイオードの厚さＴ１の方が厚く構成されている。従って、図１（ａ）のように接続層２１１を同様の材料で構成して、ダイオード１１０とＩＧＢＴ１２０を一括で配線層１３０に接続させようとするとＴ１とＴ２の差分分の隙間が生じてしまい、ＩＧＢＴ１２０が十分加圧されなくなってしまう。そうすると、ＩＧＢＴ１２０の接続層１２１の接合強度を向上させることができないという課題が発生する。
【００２０】
そこで、本発明では、厚さの異なる金属体１６０、１７０をスペーサーとして用いることによって、金属体（１６０、１７０）と半導体素子（１１０、１２０）を一括で加圧して接合することによって、加圧むらを無くしそれぞれの半導体素子（１１０、１２０）の接合強度を向上させた半導体装置を提供することが可能となる。
【００２１】
図１（ｂ）のＢ部（点線部分）を拡大したものが図２である。上述したように、ダイオード１１０の厚さＴ１とＩＧＢＴ１２０の厚さＴ２では、ダイオードの厚さＴ１の方が厚く構成されている。従って、厚さの薄いＩＧＢＴ１２０側の上面に配置する金属体１７０の厚さを金属体１６０の厚さよりも厚いものを用いる構成となっている。つまり、金属体１７０の厚さＴ４＞金属体１６０の厚さＴ５となっている。
【００２２】
また、このとき金属体１６０、１７０に通常の金属板を用いた場合には、焼結金属がはんだと比較して少しの高さの差で加圧むらが生じやすいことから、十分に加圧むらを無くすことが出来ない恐れがある。そこで、金属体１６０、１７０は空隙を有する金属体する。ここで言う空隙を有する金属体とは、発泡金属や所定の空隙を有する焼結金属体の塊を指す。
【００２３】
金属体１６０、１７０を共に空隙を有する金属体で構成することによって、仮に焼結前の時点で金属体１６０の上面と金属体１７０の上面に差があったとしても、加圧・焼結時に高さが高い方の金属体の空隙が潰されて両方の金属体の高さが同一になったとき、それぞれの半導体素子（１１０、１２０）に均一に圧力がかかるようになる。従って、複数の半導体素子を均一に加圧することが可能となり、加圧むらがなくなり、十分な接合強度を確保した半導体装置の提供が可能となる。
【００２４】
また、接合層１１１、１２１、１１６、１１７は全て同じ種類の焼結金属材料で構成することが望ましい。異なる種類の焼結金属材料を使用した場合には、その体積収縮率の違いにより焼結時の沈み込みに差ができ、金属体１６０、１７０の空隙率によっては高さの差を吸収出来ない可能性があるからである。
【００２５】
続いて、接続層１１１、１２１、１１６、１１７を構成する焼結金属材料の詳細について説明する。
《接合材料》
焼結金属材料としては、以下の（１）銀ナノ粒子・銅ナノ粒子・金ナノ粒子、（２）酸化銅粒子・酸化銀粒子が挙げられる。
（１）銀ナノ粒子・銅ナノ粒子・金ナノ粒子
平均粒径が100nm以下の金属ナノ粒子を用いることが可能である。金属粒子を被覆する有機物としてはアルキルカルボン酸、アルキルアミン、アルキルチオールがある。
【００２６】
上記金属粒子としては金、銀、銅の3種類が挙げられる。3種類の金属とも放熱性が非常に高い。しかしコストを考えると、銀、銅を用いることが好ましい。
【００２７】
なお、導電性接合材料は分散材が加えられた構成（プラス他の金属粒子）のみで使用してもよいが、ペースト状の接合材料として用いる場合には沸点が３５０℃以下の溶媒を加えて用いてもよい。このような溶媒としては例えばアルコール類等が挙げられる。ここで、沸点３５０℃以下としたのは、接合温度のターゲットが２００〜２５０℃であるので、あまり沸点が高いと蒸発するのに時間が掛かりすぎるからであり、３５０℃を限度にするのが適当と考えられるからである。ただし、その温度を超える沸点を有するアルコール類等の有機物が絶対に不適かというとそうではない。用途によってはそのような有機物を用いても良いのはもちろんである。
【００２８】
利用可能なアルコール基を有する有機物としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、ヘプチルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルルコール、ウンデシルアルコール、
ドデシルアルコール、トリデシルアルコール、テトラデシルアルコール、ペンタデシルアルコール、ヘキサデシルアルコール、ヘプタデシルアルコール、オクタデシルアルコール、ノナデシルアルコール、イコシルアルコール、がある。また、ジエチレングリコール、
エチレングリコール、トリエチレングリコール、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテルなどのグリコール系を用いることができる。さらには１級アルコール型に限らず、２級アルコール型、３級アルコール型、及びアルカンジオール、環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にも、テルピネオール、エチレングリコール、トリエチレングリコールを用いてより。これらの中でもグリコール系の溶媒を用いることが好ましい。これはグリコール系の溶媒は安価で、人体等に対する毒性も少ないからである。さらに、これらのアルコール系の溶媒は溶媒としてだけでなく、酸化銀に対する還元剤としても作用することが可能であるため、酸化銀粒子の量に対する還元剤として適度な量に調整して用いることができる。
【００２９】
また、上記アルコール基を含む有機物に限らず、カルボン酸、アミン、アルデヒド基やエステル基、スルファニル基、ケトン基などを含む有機物を用いることができる。さらには、上記のような官能基を有さない、トルエンや、炭化水素のみからなる有機物を用いてもよく、そのような例としてはヘキサン、シクロへキサンなどが挙げられる。このように用いる有機溶剤としては沸点が３５０℃以下であればよく、そのような中からは１種のみではなく、２種類以上の混合物を用いることが可能である。
【００３０】
焼結時に銀粉より粒径の小さいナノ粒子を用いることによって、ナノ粒子同士の接触面積が大きくなり、銀粉よりも接合強度が大きくなると言う利点がある。
（２）酸化銅粒子・酸化銀粒子
続いて、本発明で用いる酸化物粒子の接合材料について説明する。本発明の接合材料は大きく分けて、金属前駆体粒子、有機物からなる還元剤、溶媒の３つを含んでいる。本発明では、金属前駆体粒子として平均粒径１ｎｍ〜５０μｍ以下の金属酸化物粒子を用いる。この金属酸化物粒子の具体的な例としては、酸化銀粒子、酸化銅粒子（酸化銅第一、酸化銅第二）、が挙げられる。
【００３１】
なお、この金属酸化物粒子は接合中に粒径１００ｎｍ以下の金属粒子が作成されるため、有機物で表面を保護した金属粒子の作製が不要であり、接合用材料の製造、接合プロセスの簡易化、及びコストダウンを図ることが可能である。
【００３２】
ここで、用いる金属前駆体粒子の粒径を１ｎｍ〜５０μｍとしたのは、金属粒子の平均粒径が５０μｍより大きくなると、接合中に粒径１００ｎｍ以下の金属粒子が作製されにくくなり、そのため粒子間の隙間が多くなってしまい緻密な接合層を得ることが困難になるからである。また、１ｎｍ以上としたのは、平均粒子が１ｎｍ以下の金属前駆体粒子を実際に作製することが困難なためである。本発明では、接合中に粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が作製されるため、金属前駆体粒子の粒径は１００ｎｍ以下とする必要はなく、金属粒子前駆体の作製，取り扱い性，長期保存性の観点からは粒径が１〜５０μｍの粒子を用いることが好ましい。また、より緻密な接合層を得るために粒径が１ｎｍ〜１００ｎｍの金属前駆体粒子を用いることも可能である。
【００３３】
金属粒子前駆体の含有量としては、接合材料中における全質量部において５０質量部を超えて９９質量部以下とすることが好ましい。これは接合材料中にける金属含有量が多い方が低温での接合後に有機物残渣が少なくなり、低温での緻密な焼成層の達成及び接合界面での金属結合の達成が可能となり、接合強度の向上さらには高放熱性，高耐熱性を有する接合層とすることが可能になるからである。
【００３４】
続いて、有機物からなる還元剤の具体的な例について説明する。有機物からなる還元剤の大きな例としては上述したように、アルコール類、カルボン酸類、アミン類のいずれかが好ましい。
【００３５】
より具体的には、利用可能なアルコール基を含む化合物としては、アルキルアルコールが挙げられ、例えば、エタノール，プロパノール，ブチルアルコール，ペンチルアルコール，ヘキシルアルコール，ヘプチルアルコール，オクチルアルコール，ノニルアルコール，デシルルコール，ウンデシルアルコール，ドデシルアルコール，トリデシルアルコール，テトラデシルアルコール，ペンタデシルアルコール，ヘキサデシルアルコール，ヘプタデシルアルコール，オクタデシルアルコール，ノナデシルアルコール，イコシルアルコール、がある。さらには１級アルコール型に限らず、２級アルコール型，３級アルコール型、及びアルカンジオール，環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にも、エチレングリコール，トリエチレングリコールなど多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよく、また、クエン酸，アスコルビン酸，グルコースなどの化合物を用いてもよい。
【００３６】
また、利用可能なカルボン酸を含む化合物としてアルキルカルボン酸がある。具体例としては、ブタン酸，ペンタン酸，ヘキサン酸，ヘプタン酸，オクタン酸，ノナン酸，デカン酸，ウンデカン酸，ドデカン酸，トリデカン酸，テトラデカン酸，ペンタデカン酸，ヘキサデカン酸，ヘプタデカン酸，オクタデカン酸，ノナデカン酸，イコサン酸が挙げられる。また、上記アミノ基と同様に１級カルボン酸型に限らず、２級カルボン酸型，３級カルボン酸型、及びジカルボン酸，環状型の構造を有するカルボキシル化合物を用いることが可能である。
【００３７】
また、利用可能なアミノ基を含む化合物としてアルキルアミンを挙げることができる。例えば、ブチルアミン，ペンチルアミン，ヘキシルアミン，ヘプチルアミン，オクチルアミン，ノニルアミン，デシルアミン，ウンデシルアミン，ドデシルアミン，トリデシルアミン，テトラデシルアミン，ペンタデシルアミン，ヘキサデシルアミン，ヘプタデシルアミン，オクタデシルアミン，ノナデシルアミン，イコデシルアミンがある。また、アミノ基を有する化合物としては分岐構造を有していてもよく、そのような例としては、２−エチルヘキシルアミン，１，５ジメチルヘキシルアミンなどがある。また、１級アミン型に限らず、２級アミン型，３級アミン型を用いることも可能である。さらにこのような有機物としては環状の形状を有していてもよい。
【００３８】
また、用いる還元剤は上記アルコール，カルボン酸，アミンを含む有機物に限らず、アルデヒド基やエステル基，スルファニル基，ケトン基などを含む有機物、あるいはカルボン酸金属塩などの有機物を含有する化合物を用いても良い。カルボン酸金属塩は金属粒子の前駆体としても用いられるが、有機物を含有しているために、金属酸化物粒子の還元剤としても用いてよい。ここで、接合温度よりも低い融点を有する還元剤は接合時に凝集し、ボイドの原因となるが、例えば、カルボン酸金属塩などは接合時の加熱により融解しないため、ボイド低減のために用いることが可能である。カルボン酸金属塩以外にも有機物を含有する金属化合物であれば還元剤として用いても良い。
【００３９】
ここで、エチレングリコール，トリエチレングリコール等の２０〜３０℃において液体である還元剤は、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）などと混ぜて放置すると一日後には銀に還元されてしまうため、混合後はすぐに用いる必要がある。一方、２０〜３０℃の温度範囲において固体であるミリスチルアルコール，ラウリルアミン，アスコルビン酸等は金属酸化物等と１ヵ月ほど放置しておいても大きくは反応が進まないため、保存性に優れており、混合後に長期間保管する場合にはこれらを用いることが好ましい。また、用いる還元剤は金属酸化物等を還元させた後には、精製された１００ｎｍ以下の粒径を有する金属粒子の保護膜として働くために、ある程度の炭素数があることが望ましい。具体的には、２以上で２０以下であることが望ましい。これは炭素数が２より少ないと、金属粒子が作製されると同時に粒径成長が起こり、１００ｎｍ以下の金属粒子の作製が困難になるからである。また、２０より多いと、分解温度が高くなり、金属粒子の焼結が起こりにくくなった結果、接合強度の低下を招くからである。
【００４０】
還元剤の使用量は金属粒子前駆体の全重量に対して１質量部以上で５０質量部以下の範囲であればよい。これは還元剤の量が１質量部より少ないと接合材料における金属粒子前駆体を全て還元して金属粒子を作製するのに十分な量ではないためである。また、５０質量部を超えて用いると接合後における残渣が多くなり界面での金属接合と接合銀層中における緻密化の達成が困難であるためである。さらに、還元剤が有機物のみから構成される場合には、４００℃までの加熱時における熱重量減少率が９９％以上であることが好ましい。これは、還元剤の分解温度が高いと接合後における残渣が多くなり、界面での金属接合と接合銀層中における緻密化の達成が困難であるためである。
【００４１】
金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤の組み合わせとしては、これらを混合することにより金属粒子を作製可能なものであれば特に限定されないが、接合用材料としての保存性の観点から、常温で金属粒子を作製しない組み合わせとすることが好ましい。
【００４２】
また、接合材料中には比較的粒径の大きい平均粒径５０μｍ〜１００μｍの金属粒子を混合して用いることも可能である。これは接合中において作製された１００ｎｍ以下の金属粒子が、平均粒径５０μｍ〜１００μｍの金属粒子同士を焼結させる役割を果たすからである。また、粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を予め混合しておいてもよい。この金属粒子の種類としては、金，銀，銅があげられる。上記以外にも白金，パラジウム，ロジウム，オスミウム，ルテニウム，イリジウム，鉄，錫，亜鉛，コバルト，ニッケル，クロム，チタン，タンタル，タングステン，インジウム，ケイ素，アルミニウム等の中から少なくとも１種類の金属あるいは２種類以上の金属からなる合金を用いることが可能である。
【００４３】
この発明で用いられる接合材料は金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤のみで用いてもよいが、ペースト状として用いる場合に溶媒を加えてもよい。混合後、すぐに用いるのであれば、メタノール，エタノール，プロパノール，エチレングリコール，トリエチレングリコール，テルピネオールのアルコール類等の還元作用があるものを用いてもよいが、長期間に保管する場合であれば、水，ヘキサン，テトラヒドロフラン，トルエン，シクロヘキサン、など常温での還元作用が弱いものを用いることが好ましい。また、還元剤としてミリスチルアルコールのように常温で還元が起こりにくいものを用いた場合には長期間保管可能であるが、エチレングリコールのような還元作用の強いものを用いた場合には使用時に混合して用いることが好ましい。
【００４４】
本実施形態では、接続層１１１、１２１、１１６、１１７は同種の焼結材料で作成する方が好ましい。つまり言い換えると、接続層１１１を上記（１）の銀ナノ粒子で構成するならば、他の接続層１２１、１１６、１１７も（１）の銀ナノ粒子で構成し、接続層１１１を上記（１）の酸化銅粒子で構成するならば、他の接続層１２１、１１６、１１７も酸化銅粒子で構成した方が良いということである。同種の材料を用いることによって、材料ごとに異なる体積収縮率の差で高さ変動が発生することを抑制できるからである。
【００４５】
続いて図３を用いて、本発明の接合方法について説明する。なお、ここでは焼結金属材料として酸化銀ペースト剤を用いた場合について説明する。まず、図３（ａ）のように、酸化銀からなるペースト剤１０１、１０２を絶縁基板１４０上に設けられた配線層１３０に塗布する。このとき、マスクなどを用いてペースト剤を塗布することによって、それぞれのペースト剤の厚さを均一にして塗布する。そしてその上にダイオード１１０及びＩＧＢＴ１２０を搭載する。その後、ペースト剤１０１、１０２と同種の材料から構成されるペースト剤１０３、１０４を塗布する。このときのペースト剤１０３とペースト剤１０４の塗布厚は同じ厚さであることが、焼結時の体積収縮の差を抑制できることから好ましい。
【００４６】
そして、ペースト剤１０３上には厚さＴ６の金属体１６０を配置し、ペースト剤１０４上には厚さＴ７の金属体１７０を配置する。このとき、厚さＴ７＞厚さＴ６となっている。また、金属体１６０、１７０はそれぞれ空隙１６２ａ、１７２ａを有している。
【００４７】
続いて、図３（ｂ）に示すように、加圧板５６０で金属体１６０及び金属体１７０を同時に加圧して加熱する。このとき、加圧当初は金属体１６０側と金属体１７０側で高さが異なるため、高さの高い金属体１７０側に力がかかり、高さの低い金属体１６０にはほぼ力がかからない状態となる。
【００４８】
その後、金属体１７０内にある空隙１７２ａが金属体１６０と同一の高さになるまで潰れて空隙が空隙１７２ｂに示すような扁平状態となる。そして、金属体１７０と金属体１６０に均一に力が加わり、金属体１６０側の空隙１６２ａも変形した空隙１６２ｂとなる。このとき、金属体１７０の方の空隙１７２ｂの方が変形が大きく、空隙１６２ｂよりも空隙１７２ｂの方が潰れた状態になっている。従って、空隙率は金属体１６０よりも金属体１７０の方が小さくなっている。その状態を示す図が図３（ｃ）である。
【００４９】
その後、ペースト剤１０１、１０２、１０３、１０４の焼結が進み、完全に焼結してそれぞれ接続層１１１、１２１、１１６、１１７になる。焼結が完了した状態を示す図が、図３（ｄ）である。
【００５０】
図３（ａ）〜（ｄ）の手順で接合を行なった後、金属体１６０及び金属体１７０の上面にペースト剤を塗布し、バスバー１２２を接合する。このとき金属体１６０と金属体１７０の高さが同じになっているため、金属体１６０上の接続層１６１と金属体１７０上の接続層１７１は同じペースト剤を用いた方が好ましい。
【００５１】
接続層１６１、１７１を形成する材料を同じにするとペースト剤の体積収縮率が同じであるため、バスバー１１２の上面から圧力をかけて焼結した場合に金属体１６０側及び金属体１７０側の両方の均一の力がかけることができる。そのため、接合強度にむらがなくなるという利点がある。
【００５２】
以上、上述したように焼結金属材料を用いて素子厚さの異なる複数の半導体素子接合する場合に、それぞれ厚さが異なり、かつ空隙率を有する金属体をそれぞれ配置したため、一括に複数の半導体素子を接合させたとしても、均一に加圧をかけることが出来る。そのため、焼結時の加圧むらがなくなり、各素子間で接合強度にばらつきがなく、接合強度が向上した半導体装置１５０を提供することが可能となる。
【００５３】
また、焼結金属は焼結時の加圧が大きい程、焼結密度が高くなる。焼結密度が高い程、実効的な熱伝導性が高くなる。実効的な熱伝導性が高くなるということは、放熱性が高いことを意味するため、半導体装置の寿命が延びることを意味する。
【００５４】
従って、発熱の大きいＩＧＢＴ１２０側の金属体１７０の密度が、金属体１６０の密度よりも高くなるように構成することによって、放熱性の高い半導体装置を提供することが出来る。
【００５５】
以上、本発明を実施することによって接合層の密度を高めることが出来るため、半導体装置のパワーサイクル寿命も延ばすことが出来る。
＜実験例１＞
図１に示す半導体装置Ａを以下のようにして作製した。絶縁基板上の回路電極部に酸化銀ペーストを60μm塗布した。その上に、厚さの異なるダイオードとIGBTをそれぞれマウントした。一方、厚さの異なる2枚の発泡金属体に酸化銀ペーストを60μm塗布した。そして、酸化銀ペーストを塗布した金属体を半導体素子上に貼り付けた。この状態で、金属体上より加圧し、加熱した。
【００５６】
また、リファレンスとして半導体装置Bを以下のようにして作製した。絶縁基板上の回路電極部に酸化銀ペーストを60μm塗布した。その上に、厚さの異なるダイオードとIGBTをそれぞれマウントした。一方、厚さの等しい金属体に酸化銀ペーストを60μm塗布した。そして、酸化銀ペーストを塗布した金属体を半導体素子上に貼り付けた。この状態で、金属体上より加圧を加え、加熱した。
＜半導体装置の評価＞
半導体装置A及びBのパワーサークル寿命評価を行った。本発明の半導体装置Aは、半導体装置Bに比べ、約2倍のパワーサイクル寿命となった。
【００５７】
《第二の実施形態》
第二の実施形態では図１（ｂ）の接続層１１１、１２１、１１６、１１７が酸化銀粒子で作成されたものの替わりに、酸化銅粒子を用いて接続層１１１、１２１、１１６、１１７が形成されている点が第一の実施形態と異なる。
酸化銅は酸化銀と比較して、安く、耐マイグレーション性に優れると言う利点がある。従って、ダイオード１１０の両面側及びＩＧＢＴ１２０の両面側に当該酸化銅を用いることによって、耐マイグレーション性を向上させ、信頼性が向上した半導体装置を提供することが可能となる。
【００５８】
《第三の実施形態》
第三の実施形態では図１（ｂ）の金属体１７０に発泡金属ではなく、銅板２７０で構成した点が第一の実施形態と異なる。
【００５９】
図４は本実施形態の半導体装置３５０を示す図である。本実施形態では、銅板２７０が変形できないため、半導体装置作成前の金属体２６０の高さを銅板２７０側の高さよりも高くする必要がある。
【００６０】
図５は加圧・加熱接合している状態を示す図である。上述したように、本実施形態では半導体装置作成前の金属体２６０の高さを銅板２７０側の高さよりも高くする必要がある。そのため、ペースト剤１０１の厚さをＴ３１、ペースト剤１０２の厚さをＴ３２、ペースト剤１０３の厚さをＴ３３、ペースト剤１０４の厚さをＴ３４、ダイオード１１０の厚さをＴ１、ＩＧＢＴ１２０の厚さを１２０、銅板２７０の厚さをＴ１１とした場合に、（Ｔ１＋Ｔ３１＋Ｔ３３＋Ｔ１０）＞（Ｔ２＋Ｔ３２＋Ｔ３４＋Ｔ１１）とする必要がある。
【００６１】
すなわち、半導体装置作成前の金属体２６０の厚さＴ１０はＴ１０＞Ｔ２＋Ｔ３２＋Ｔ３４＋Ｔ１１）―（Ｔ１＋Ｔ３１＋Ｔ３３）である必要がある。
【００６２】
また、ペースト剤の塗布厚が均一に出来る場合は、より簡単にＴ１０＞Ｔ２＋Ｔ１１―Ｔ１とすることが出来る。
【００６３】
このような構成にすることによって、ＩＧＢＴ１２０側の銅板２７０の密度が、金属体２６０の空隙２６２（２６２ａは潰す前の空隙、２６２ｂは潰された空隙）を潰すよりも高く出来るため、接合強度を向上させつつ放熱性も向上させることができる。また、コストアップに繋がる発泡金属の使用を抑えることが出来るため、コスト的にも好ましい。
【００６４】
また、本実施形態でも第一の実施形態と同様、ダイオード１１０側の金属体２６０の方がＩＧＢＴ１２０側に配置されている金属体よりも密度が低い構成になっていることは言うまでも無い。
【００６５】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１１０  ダイオード
１１１，１２１，１１６，１１７  接続層
１２０  ＩＧＢＴ
１３０  配線層
１４０  絶縁基板
１６０，１７０  金属体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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