(57)【要約】      （修正有）【課題】メタライズ処理をせずに、セラミックス、半導体、ガラスなどの基材をはんだ材程度の処理温度で接合した接合材、接合構造体を提供する。【解決手段】接合構造体は、複数の基材１０１、１０２が接合層１０３を介して接合され、なおかつ少なくとも一方の基材がセラミックス、半導体、ガラスのいずれかの基材であり、接合材層１０３に金属１０４と酸化物１０５を含み、酸化物１０５はＶとＴｅを含み、酸化物１０５が金属１０４と基材の間に存在する。接合材は、Ｖ、Ｔｅを成分に含む酸化物ガラスと金属粒子と溶媒とを含むペースト状、あるいはＶ、Ｔｅを成分に含む酸化物ガラスの粒子が埋め込まれた箔または板状、あるいはＶ、Ｔｅを成分に含む酸化物ガラスの層と金属１０４の層を含む箔または板状である。【選択図】図１０
2014187251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の基材と、
第二の基材と、
前記第一の基材と前記第二の基材を接合する接合材層と、
を具備し、
前記第一の基材はセラミックスまたは半導体またはガラスのいずれかの基材であり、
前記接合材層は金属と酸化物とから成り、
前記酸化物はＶとＴｅを含み、
前記第一の基材と前記金属との間の少なくとも一部に前記酸化物が存在している接合構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の接合構造体において、
前記金属中に前記酸化物が分散している接合構造体。
【請求項３】
請求項２に記載の接合構造体において、
前記金属中に空隙が分散している接合構造体。
【請求項４】
請求項１に記載の接合構造体において、
前記酸化物はＡｇ、Ｐの少なくとも一方を含む接合構造体。
【請求項５】
請求項１に記載の接合構造体において、
前記酸化物はＳｂ、Ｂａ、Ｗ、Ｆｅ、アルカリ金属の少なくとも一種類の元素を含む接合構造体。
【請求項６】
請求項１に記載の接合構造体において、
前記第一の基材は酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、珪素、炭化ケイ素のいずれかであり、
前記第二の基材は金属基材または金属とセラミックスの複合材料基材である接合構造体。
【請求項７】
請求項６に記載の接合構造体において、
前記第二の基材はＣｕまたはＡｌまたはＡｌ−ＳｉＣのいずれかである接合構造体。
【請求項８】
請求項１に記載の接合構造体において、
前記第一の基材は窒化アルミニウム、窒化珪素であって、表面に０．１から５μｍの範囲の主成分が酸化物となっている接合構造体。
【請求項９】
請求項１に記載の接合構造体において、
前記金属が、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｐｔの少なくとも一種類を含む接合構造体。
【請求項１０】
加熱することで基材同士を接合する接合材は、Ｖ、Ｔｅを成分に含み、ＰｂがＲｏＨＳ指令の指定値以下であるガラスと金属粒子とを有する接合材。
【請求項１１】
請求項１０に記載の接合材において、さらに、溶剤を有し、ペースト状であり、前記金属は金属粒子である接合材。
【請求項１２】
請求項１０に記載の接合材において、
前記金属中にガラスの粒子が埋め込まれており、
前記接合材の形状は箔または板状である接合材。
【請求項１３】
請求項１０に記載の接合材は、複数の層を有しており、
前記複数の層のひとつは金属層であり、
前記複数の層のひとつはガラスの層である接合材。
【請求項１４】
請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の接合材において、
前記ガラスがＶ、Ｔｅ、Ｐを含み、酸化物換算でＶ２Ｏ５＞ＴｅＯ２＞Ｐ２Ｏ５（ｍａｓｓ％）である接合材。
【請求項１５】
請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の接合材において、
前記ガラスがＶ２Ｏ５、ＴｅＯ２、Ａｇ２Ｏを含み、酸化物換算でＶ２Ｏ５＋ＴｅＯ２＋Ａｇ２Ｏ≧８５ｍａｓｓ％である接合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合材に関し、例えば、セラミックス、半導体、ガラスの基材を別の基材と接合した接合構造体に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
電気電子部品、ＬＥＤ照明、半導体モジュールでは、セラミックス、ガラス、金属、半導体チップの接合箇所が存在し、その接合箇所が熱流や電流経路を兼ねた場合がある。このような接合箇所では、これらの基材同士は、通常、はんだ材やろう材によって接合される。
【０００３】
特許文献１には、半導体デバイスをセラミック基材に接合するための銀ガラスペーストはその焼成温度が３００〜４２０℃であることが開示されている。基本的なガラス組成は酸化鉛と酸化バナジウムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０４−２７０１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
はんだ材を用いてセラミックス、半導体、ガラスなどを接合するときはメタライズ処理が必要であり、工程が複雑になることに加え、廃液処理が必要になる。一方、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）などの活性金属を含むろう材ではメタライズ処理をせずにセラミックスの接合が可能であるが、８００℃の高温での処理が必要である。このため、メタライズ処理をすることなく、セラミックス、半導体、ガラスなどを３００℃程度の低温で接合できる技術が求められている。
【０００６】
本発明の目的は、メタライズ処理をせずに、セラミックス、半導体、ガラスなどの基材をはんだ材程度の処理温度で接合できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
すなわち、接合構造体は、複数の基材が接合層を介して接合され、なおかつ少なくとも一方の基材がセラミックス、半導体、ガラスのいずれかの基材であり、接合材層に金属と酸化物を含み、酸化物はＶとＴｅを含み、酸化物が金属と基材の間に存在する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、メタライズ処理をせずに、セラミックス、半導体、ガラスなどの基材をはんだ材程度の処理温度で接合できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガラス組成物の代表的なＤＴＡ曲線を示す図である。
【図２】接合構造体の模式図である。
【図３】接合性の評価用試料を示す図である。
【図４】実施例１に係る接合構造体の接合強度試験結果を示す図である。
【図５】実施例１に係る接合構造体の断面図である。
【図６】変形例１に係る接合構造体の断面図である。
【図７】実施例２に係る接合構造体の断面図である。
【図８】変形例２および変形例３に係る箔状の接合材の断面図である。
【図９】実施例３に係る半導体モジュールの断面図である。
【図１０】実施の形態に係る接合構造体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態、実施例および変形例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明は省略する。なお、本発明はここで取り上げた実施の形態、実施例および変形例に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００１１】
＜実施の形態＞
図１０は実施の形態に係る接合構造体の断面図である。接合構造体は複数の基材を接合したものであり、これら複数の基材の少なくとも一部（第一の基材）１０１がセラミックス、半導体、ガラスのいずれかである。基材同士は接合層を介して接合される。接合層１０３は金属１０４と酸化物１０５から構成され、酸化物１０５にはＶ（バナジウム）、Ｔｅ（テルル）が含まれる。セラミックス、半導体、ガラスの基材に対しては、接合層１０３内の金属１０４と基材１０１とが上述した組成の酸化物１０５を介して接合されている。また、基材１０１が窒化物の場合には、基材１０１表面を酸化させると高い接合強度が得られる場合があり、この場合の基材１０１には、表面酸化膜も含まれるものとする。この表面酸化膜は、表面に０．１から５μｍの範囲の主成分が酸化物となっていればよい。他のいかなる表面処理をした場合も同様に、改質された表面層も基材に含まれるものとする。
【００１２】
また、接合層１０３において、金属１０４との酸化物１０５との界面はそれほど強固ではなく、酸化物１０５が凝集するとその部分は脆くなるので、接合層１０３内では金属１０４中に酸化物１０５が分散した形態となるのが好ましい。
【００１３】
さらに、接合する基材１０１の熱膨張係数が大きく異なるような場合には、熱サイクルにより剥離の問題が生じることがある。この場合には、接合層１０３内に空隙を分散させることで、熱応力が緩和して熱サイクルに対する耐性を高めることが可能である。
【００１４】
接合層１０３の形成は、Ｖ、Ｔｅを含むガラス組成物、金属粒子に適宜溶媒を加えてペースト化したものを、基材に塗布して加熱することによって得られる。あるいは、ガラス粒子を埋め込んだ金属箔を基材間に挟み、加熱することによっても得られる。さらには、金属とガラスからなる層状体を基材間に挟み、加熱することによっても得られる。
【００１５】
接合層１０３を形成するためのガラス組成物として、Ｖ、Ｔｅの他にＰ（リン）を含有させると、ガラス転移温度が２３０〜３４０℃程度、軟化流動する温度が３５０〜４５０℃程度となり、耐熱性の高い接合が得られる。また、Ｖ、Ｔｅの他にＡｇ（銀）を含有させると、ガラス転移温度が１６０〜２７０℃程度、軟化流動する温度が２１０〜３５０℃程度となり、低温での接合が可能となる。また、はんだ材と同様に、接合層に熱伝導と電気伝導を担わせることができる。
【００１６】
接合前の酸化物はガラス状態（ガラス組成物）であるが、接合後の酸化物は必ずしもガラス状態を保つ必要はなく、ガラスの自己の結晶化、基材や接合層内の金属との反応により他の物質への変化を伴っても構わない。このとき、結晶化や変化後の物質の融点が高ければ、接合の耐熱性が向上する。一方で、結晶化や変化後の物質が脆く、接合強度を低下させるような場合も生じる。このときには、上述したガラス組成物に、Ｆｅ（鉄）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｗ（タングステン）、Ｂａ（バリウム）、Ｋ（カリウム）を適宜含有させることで、ガラス構造がより安定に保たれ、接合強度の低下を防止できるようになる。
【００１７】
Ｖ、Ｔｅ、Ｐを主成分とするガラス組成物では、ＴｅとＰはガラス化させるための成分であり、これらを含むことで電磁波照射によっても容易に軟化流動させることができる。Ｐは低熱膨張化にも有効であるが、酸化物換算でＰ２Ｏ５（五酸化二リン）の含有量（質量％）をＴｅＯ２（二酸化テルル）よりも多くするとガラス転移点（Ｔg）が高くなりやすいので、Ｐ２Ｏ５の含有量をＴｅＯ２の含有量以下にするとよい。
【００１８】
Ｖ、Ｔｅ、Ａｇを主成分とするガラス組成物では、酸化物換算でＶ２Ｏ５（五酸化バナジウム）＋ＴｅＯ２＋Ａｇ２Ｏ（酸化銀（I））≧８５ｍａｓｓ％とすると、特に低い軟化流動温度と安定なガラス構造の両立が可能になる。
【００１９】
ＴｅとＰはガラス化させるための成分であり、これらを含むことで電磁波照射によっても容易に軟化流動させることができる。Ｐは低熱膨張化にも有効であるが、酸化物換算でＰ２Ｏ５の含有量（質量％）をＴｅＯ２よりも多くすると転移点（Ｔg）が高くなりやすいので、Ｐ２Ｏ５の含有量をＴｅＯ２の含有量以下にするとよい。
【００２０】
接合する基材１０１に用いるセラミックスの例としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素などが挙げられ、半導体の例としては珪素、炭化ケイ素などが挙げられる。また、接合する基材は金属であっても、良好な接合が得られる。一般に、セラミックス、半導体は熱膨張係数が異なるため、金属と接合すると熱サイクルに弱くなるが、本接合構造では、接合層を形成する金属や金属内に分散した空隙によって、大きい熱膨張係数差に起因した大きな熱応力が緩和されるため、熱サイクルに強いと考えられる。
【００２１】
接合層の形成に用いられる金属１０４としては、例えば、Ａｇ、Ｃｕ（銅）、Ａｌ、Ｓｎ（錫）、Ｚｎ（亜鉛）、Ａｕ（金）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｐｔ（プラチナ）、またはこれらを含む合金を用いることができる。
【００２２】
なお、上述したガラス組成物はいずれも環境への配慮から無鉛（鉛を含まないもの、鉛フリー）とする。本発明でいう無鉛とは、ＲоＨＳ指令（Restriction of Hazardous Substances：２００６年７月１日施行）における禁止物質を指定値以下の範囲で含有することを容認するものとする。
【実施例１】
【００２３】
＜ガラス組成物＞
接合材に用いるガラス組成物の作製方法について説明する。出発原料を所定の重量比となるように評量した。出発原料としては、（株）高純度化学研究所製の酸化物粉末（純度９９.９％）を用いた。一部の試料においては、Ｂａ源およびＰ源としてラサエ業（株）製のＢａ（ＰＯ３）２（バリウム・メタリン酸塩）を用いた。出発原料を混合して白金るつぼに入れた。原料中のＡｇ２Ｏの比率が４０ｍａｓｓ％以上の場合にはアルミナるつぼを用いた。混合にあたっては、原料粉末への余分な吸湿を避けることを考慮して、金属製スプーンを用いて、るつぼ内で混合した。原料混合粉末が入ったるつぼをガラス溶融炉内に設置し、加熱・融解した。１０℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、設定温度（７００〜９５０℃）で融解しているガラスを撹拌しながら１時間保持した。その後、るつぼをガラス溶融炉から取り出し、あらかじめ１５０℃に加熱しておいた黒鉛鋳型にガラスを鋳込んだ（溶かして流し込んだ）。
【００２４】
次に、鋳込まれたガラスを、あらかじめ歪取り温度に加熱しておいた歪取り炉に移動し、１時間保持により歪を除去した後、１℃／ｍｉｎの速度で室温まで冷却した。室温まで冷却したガラスを粗粉砕し、ガラス組成物のフリットを作製した。ガラス組成物のフリットは平均体積粒径が２０μｍ以下であり、ＤＴＡ（Differential Thermal Analysis）によりガラス転移温度を測定した。ＤＴＡは試料及び基準物質の温度を一定のプログラムによって変化させながら、その試料と基準物質との温度差を温度の関数として測定する方法である。
【００２５】
表１に本実施例に係るガラス組成物の特性を示す。表中にはガラス転移点が示されているが、この測定方法は次の通りである。作成したガラスは体積平均粒子径が２０μｍ以下になるまで粉砕し、５℃／ｍｉｎの昇温速度で５５０℃まで示唆熱分析（ＤＴＡ）を行うことによって、ガラス転移点（Ｔｇ）を測定した。標準試料としてアルミナ粉末を、試料容器としてＡｌを用いた。図１にガラス組成物の代表的なＤＴＡ曲線を示す。図中に示すように、ガラス転移点（Ｔｇ）は第一吸熱ピークの開始温度とした。この他に、第一吸熱ピーク温度として屈伏点（Ｍｇ）、第二吸熱ピーク温度として軟化点（Ｔｓ）、結晶化温度として発熱ピークの開始温度（Ｔｃ）が求められる。接合温度は、ガラスの粒径、接合時の加圧条件と保持時間などの様々な因子に依存するため一概には規定できないが、少なくとも粘度＝１０７．６５ ｐｏｉｓｅに相当する軟化点Ｔｓよりは高い温度に加熱する必要がある。軟化点（Ｔｓ）はガラス組成にもよるが、ガラス転移温度（Ｔｇ）よりも５０〜１００℃程度高い温度となる。
【００２６】
各ガラス組成物の組成とガラス転移温度を表１に示す。表中のＮｏ．１〜１０のように、ガラス組成物に、Ｖ、Ｔｅ、Ｐを含有させ、酸化物状態での関係式Ｖ２Ｏ５＞ＴｅＯ２＞Ｐ２Ｏ５（ｍａｓｓ％）を満たすようにすることで、ガラス転移点を２５０〜３４０℃の低い値にすることができた。一方、表中のＮｏ．１１〜３１のようにガラス組成物にＡｇ、Ｔｅ、Ｖを含有させ、酸化物状態でＡｇ２Ｏ、Ｖ２Ｏ５、ＴｅＯ２の合計が８５ｍａｓｓ％以上とすると、ガラス転移温度は１６０〜２７０℃の非常に低い値とすることができた。
【００２７】
【表１】
2014187251.tif 000003
【００２８】
＜ペースト＞
接合構造体を作製するにあたり、上記方法で作製したガラス組成物のフリット（粉末ガラス）と金属粒子と溶媒から成るペーストの作製方法を説明する。まず、ガラス組成物のフリットをジェットミルで平均体積粒径が２μｍ以下に粉砕した。続いて、ガラス組成物と金属粒子とを所定の配合比で混合した。混合にはメノウ乳鉢を用いた。表１のＮｏ．１〜１０のガラス組成物に対しては、４％の樹脂バインダーを添加した溶剤を混合してペースト化した。ここで、樹脂バインダーにはエチルセルロース、溶剤にはブチルカルビトールアセテートを用いた。ブチルカルビトールアセテートは、Ｎｏ．１〜１０のガラス組成物とそれ程反応することがない。しかし、溶剤だけでは粘度が低く塗布性が悪いため樹脂バインダーを添加した。なお、エチルセルロースは３００℃程度に加熱することで揮発させることが可能であり、Ｎｏ．１〜１０のガラス組成物を軟化流動させることなく除去可能である。すなわち、Ｎｏ．１〜１０のガラス組成物を用いたペーストは、接合基材に塗布した後、３００℃程度に加熱して溶剤と樹脂バインダーを除去して用いる。
【００２９】
一方、表１のＮｏ．１１〜３１のガラス組成物に対しては、溶剤のみを混合してペースト化した。ここで、溶剤にはαテルピネオールを用いた、αテルピネオールは、Ｎｏ．１１〜３１のガラス組成物とそれ程反応することがない上、比較的高い粘度を有するため、樹脂バインダーを添加しなくても良好な塗布性を有する。なお、Ｎｏ．１〜１０のガラス組成物に対してαテルピネオールは反応するため溶剤としては用いることができない。αテルピネオールは１００〜１５０℃程度に加熱すれば揮発させることが可能であり、Ｎｏ．１１〜３１のガラス組成物を軟化流動させることなく除去できる。
【００３０】
＜接合構造体の形態＞
接合構造体の模式図を図２に示す。図２は基材１と別の基材３とを接合材層２を介して接合された構造を示している。基材１または基材３のいずれか一方は、セラミックス、半導体、ガラスのいずれかとする。また、接合の形態は、一種類に限られる訳ではなく、図２（ａ）のように同一形状の基板の全面を接合する構造、図２（ｂ）のように内部にスペースを残す形で接合する構造、図２（ｃ）のように大きさの異なる基板同士を接合する構造、図２（ｄ）のように少なくとも一方が板状ではない基材を接合する構造のいずれであってもよい。
【００３１】
＜試料および評価方法＞
以下、接合性の簡易的な試験には、図３に示すような試料を用いる。図３（ａ）は評価用試料の外観の斜視図であり、図３（ｂ）は評価用試料の断面図である。基材４は板状であり、セラミックス、半導体、ガラスのいずれかとする。基材５は厚さ２ｍｍ、直径５ｍｍの円柱状であり、材質は問わないとする。
【００３２】
強度試験は、基材５の側面からツールを当てて、試料が破壊されるのに要する最大の力を測定した。また、基材５と基材４の接合面積の２０ｍｍ２で除した値を、せん断接合強度として定義した。
【００３３】
接合構造の評価として、図３（ｂ）に示すような断面試料を作製し、走査型電子顕微鏡で微細組織を観察した。試料断面は、耐水研磨紙を用いて湿式で研磨した後、アルミナ粉末によるバフ研磨を施し、アルゴンイオンミリングにより平滑に仕上げた。
【００３４】
＜接合構造体＞
本実施例に係る接合構造体では、セラミックスの一例である酸化アルミニウム基材４ａと金属基材の一例である無酸素銅基材５ａとを用いた。接合材の材料にはガラス組成物として表１のＮｏ．１、金属粒子として粒径１μｍのＡｇ粒子を用いた。以下に、本実施例に係る接合構造体の作製方法について説明する。
【００３５】
金属粒子とガラス組成物の総体積に対するガラス組成物の割合をガラス添加量ｘＧと定義する。ｘＧ＝０、５、１０、２０、３０、５０ｖｏｌ％の粉末混合体を各比率で混合した後、ブチルカルビトールアセテートと４ｗｔ％のエチルセルロースの混合体を適量加えてペースト化した。得られたペーストを、酸化アルミニウム基材４ａに塗布した。ホットプレート上で１５０℃に加熱してブチルカルビトールアセテートを揮発させて除去した後、大気中で３５０℃に加熱してエチルセルロースを揮発させて除去した。無酸素銅基材５ａを塗布膜の上に重ねた後、窒素中で４００℃に加熱した。加熱中には無酸素銅基材５ａの上に錘を載せ、１ＭＰａで加圧した。ここで、加圧力の定義は、錘の重量を接合面積である２０ｍｍ２で除した値として定義した。
【００３６】
上記作製方法により得られた接合構造体に対して、せん断接合強度を評価した。図４は実施例１に係る接合構造体の接合強度試験結果を示す図である。図４にはペーストへのガラス組成物の添加量ｘＧとせん断接合強度Ｐとの関係が示されている。ｘＧ＝０ｖｏｌ％のときはＰ〜０であり、強度試験前に試料は剥離してしまった。ｘＧ＝５、１０ｖｏｌ％では２０ＭＰａを超える高いせん断接合強度が得られた。なお、評価装置の制約からＰ＞２０ＭＰａとなる試料の破壊前に試験を止めた。このような場合には、図中に上向の矢印で示している。ｘＧ≧２０ｖｏｌ％ではｘＧの増加にともないＰは減少する傾向があり、ｘＧ＝５０ｖｏｌ％で再び強度試験前に試料は剥離した。なお、接合が起きなかったｘＧ＝０、５０ｖｏｌ％のときは、いずれも接合材層２ａと酸化アルミニウム基材４ａの間で剥離が起きた。
【００３７】
図５は実施例１に係る接合構造体の断面図である。図５には、ｘＧ＝５ｖｏｌ％、３０ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％のときの試料に対して電子顕微鏡により観察した断面組織が示されている。ｘＧ＝５ｖｏｌ％のときは、図５（ａ）のように、接合材層２ａ５は金属粒子同士が強固に結合することで緻密な金属焼結体６が形成されており、金属焼結体６と酸化アルミニウム基材４ａの間は、多くの部分が厚さ１００ｎｍ以下の薄い酸化物の層７１を介して接合されていた。また、金属焼結体６の中に酸化物７２や空隙８が分散した構造となっていた。また、金属焼結体６と酸化アルミニウム基材４ａの間は、多くの部分が厚さ１００ｎｍ以下の薄い酸化物の層７２を介して接合されていた。ＳＥＭ−ＥＤＸにより、酸化物７１、７２の元素分析をすると、Ｖ、Ｔｅ、Ｐ、Ｆｅが検出され、この部分はガラス組成物に由来すると考えられる。ＳＥＭ−ＥＤＸとは、電子顕微鏡（ＳＥＭ）付属のエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）で、ＳＥＭで像観察を行いながら、その視野に対して元素分析を行う装置で、試料に電子線を照射して得られるＸ線から、元素の種類を特定する。ただし、必ずしもガラス（非晶質）構造を保っている必要はなく、単一の組成である必要はない。実際、酸化物７１、７２は場所ごとにコントラストが異なり、一部結晶と考えられる角張った組織が観察された。ｘＧ＝３０ｖｏｌ％のときは、図５（ｂ）に示すように、接合材層２ａ３０の金属焼結体６の内部に分散する酸化物７２のサイズが大きくなり、また、金属焼結体６と酸化物７２の界面付近で亀裂９が観察されるようになった。さらに、ガラスが多いｘＧ＝５０ｖｏｌ％のときは、図５（ｂ）に示すように、接合材層２ａ５０は金属粒子６１が酸化物７２のマトリックスの内部に分散する形態となっていた。
【００３８】
高い強度が得られるｘＧの範囲は、使用するガラス組成物の成分、金属粒子の材質や粒径、接合時の温度条件や加圧力など、多数のパラメータの影響を受けるため一概には規定できないが、これらの結果は、高い接合強度を得られるときは、接合構造に次の特徴があることを示唆している。
（１）金属粒子同士が十分に結合して金属焼結体になっている。
（２）金属焼結体は酸化アルミニウム基板と極薄い酸化物の層によって接合されており、酸化物はガラス組成物の成分を含む。
（３）接合材層中の酸化物や空隙は、金属焼結体内で分散した状態で存在する。
【００３９】
接合材層中の酸化物や空隙は、存在した方が良い場合と、存在しない方が良い場合がある。
【００４０】
＜変形例１＞
本変形例に係る接合構造体では、セラミックスの一例である窒化アルミニウム基材４ｂと無酸素銅基材５ａとを用いた。しかし、接合材の材料および接合構造体の作製方法は実施例１と同じである。ここでは、実施例１と全く同様の検討をしたが、ガラス組成物の添加量は実施例の結果を踏まえ、ｘＧ＝１０ｖｏｌ％のみを実施した。
【００４１】
図６は変形例１に係る接合構造体の断面図である。強度試験の結果、せん断接合強度は１３ＭＰａとなり、比較的強い接合が得られたが、実施例１と比較すると接合強度が低かった。剥離は窒化アルミニウム基材４ｂと接合材層２ｂ１０との間で起きていた。そこで、大気中１１００℃１ｈｒの熱処理により窒化アルミニウム基材４ｂの表面に厚さ約１μｍの酸化アルミニウム層１０を形成して、無酸素銅基材５ａと接合した。その結果、せん断接合強度は２０ＭＰａを超え、実施例１と同等の強度が得られた。このときの接合構造体の断面が図６に模式的に示されている。
【００４２】
したがって、窒化物基材の場合には接合強度が低下するが、表面を酸化物にすることによって、酸化物基材と同等の接合強度が得られるようになる。今回の熱処理のような前処理によって、あらかじめ基材の表面に別の物質の層を形成した場合は、別の物質の層も含めて基材と呼ぶことにする。
【実施例２】
【００４３】
本実施例に係る接合構造体では、ソーダガラス基材４ｃと無酸素銅基材５ａとを用いた。ガラス組成物には、表１のＮｏ．２７を用い、金属粒子には粒径５０μｍのＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ粒子を用いた。図７は実施例２に係る接合構造体の断面図である。以下に、本実施例に係る接合構造体の作製方法について説明する。
【００４４】
ここでは、実施例１の結果を踏まえ、金属粒子に対してガラス組成物を１０ｖｏｌ％添加した後にαテルピネオールを加えてペースト化した。得られたペーストを、厚さ１ｍｍ、一辺１０ｍｍのガラス基板上に塗布した。ホットプレート上で１５０℃に加熱してブチルカルビトールアセテートを揮発させた後、無酸素銅基材５ａを塗布膜の上に乗せた後、大気中で３００℃に加熱することで、接合させた。実施例１ではガラスの軟化点が高く接合温度を４００℃とする必要があったので、銅の酸化抑制のために窒素中で加熱したが、今回はガラスの軟化点が低いので接合温度を３００℃として大気中での接合とした。また、加熱中に錘をのせることで、０．１ＭＰａの加圧をした。その結果、図７に示すようにソーダガラス基材４ｃと無酸素銅基材とが接合材層２ｃ１０を介して接合された接合構造体が得られた。
【００４５】
上記作製方法により得られた接合構造体のせん断接合強度は１２ＭＰａであり、比較的強固な接合が得られた。また、接合構造体の断面組織は図７のようになった。金属粒子同士が強固に結合した金属バルク体６ｃが形成され、この中に酸化物７２が分散した構造となっていた。実施例１と比較して空隙量が少なかったが、これは今回用いたＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇの融点が２２０℃と低く、液相での接合となっているためである。また、接合材層２の内部にＳｎの酸化物１２が多く認められたが、原料の金属粒子の表面酸化膜が残留したためと考えられる。
【００４６】
＜変形例２＞
実施例２において強度の低下要因となったＳｎの酸化物はＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇの粒子の表面酸化物に由来するため、接合材を箔の形状で供給すればより接合強度が向上すると考えた。そこで、１００μｍのＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇの箔を作製した後、Ｎｏ．２７のガラス粉末を箔の上に乗せて圧延して接合材２ｄを製作した。図８（ａ）は変形例２に係る箔状の接合材の断面図である。圧延後（接合材２ｄ）の断面組織は、図８（ａ）に示すように、ガラス粒子１４がＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇの内部に分散した構造となった。なお、ガラス粒子１４は金属箔１３の表面近傍に多く存在した。
【００４７】
このように作製したＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇの箔（接合材２ｄ）をソーダガラス基材４ｃと無酸素銅基材５ａの間に挟み、大気中で３００℃に加熱して接合させた。なお、加熱中に錘をのせることで０．１ＭＰａの加圧をした。その結果、Ｓｎの酸化物の量は大幅に低減され、２０ＭＰａ以上のせん断接合強度が得られた。このように接合材を箔の形態で提供することには、ペーストの形態で提供する場合と比較して、金属粒子の表面酸化膜の影響を排除できるだけでなく、溶媒を揮発させて除去する工程をなくすことができ、プロセスの簡略化の観点でも有効であるといえる。
【００４８】
＜変形例３＞
変形例２の箔形状の接合材は、必ずしも金属中にガラスを粒子として分散させる必要はない。図８（ｂ）は変形例３に係る箔状の接合材の断面図である。例えば、図８（ｂ）のように、金属箔１３の表面に薄いガラス層１５を形成した形態でも構わない。このような形態とすると、例えば、金属よりもガラスの方が接合されやすい基材側だけに、ガラスを供給することが可能になる。
【００４９】
このような形態は、板状の金属の上に板状のガラスを乗せ、ガラスの軟化点より若干低温で圧延することによって作製できる。ガラスは温度とともに連続的に粘度が変化していくため、形状が維持され、なおかつ変形が起こるような温度に調整することによって、このような圧延加工が可能となる。
【００５０】
＜変形例４＞
この他に、本発明者らは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムなどのセラミックス、ソーダガラスなどのガラス以外にも、窒化珪素、珪素、炭化珪素などの半導体に対する接合性も評価し、良好な接合性を確認した。また、もう一方の基材として、無酸素銅だけでなく、アルミニウム、金属とセラミックスの複合材料（Ａｌ−ＳｉＣ）に対しても良好な接合性を確認した。
【００５１】
さらに、接合材に用いる金属としては、Ａｇ、Ｓｎ−３．５％Ａｇだけでなく、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｐｔなどを適用可能である。特に、貴金属は大気中の接合としても酸化されにくいことに利点があり、低融点金属は接合時の加圧を小さくしても良好な接合が得られるという利点がある。
【実施例３】
【００５２】
上記実施例１、変形例１、実施例２、変形例２、変形例３、変形例４に記載の接合材、接合構造体は、例えば、半導体モジュールにおける様々な接合箇所に適用することができる。図９は実施例３に係る半導体モジュールの断面図である。本実施例に係る半導体モジュールにおいては、フィンの付属した金属またはＡｌ−ＳｉＣのベース基板１６とセラミックスの絶縁基板１８の間の接合材１７、セラミックスの絶縁基板１８と金属配線２０の間の接合材１９、金属配線２０と珪素チップ２２との間の接合材２１などに適用されている。また、ＬＥＤ照明のチップと基板の接合にも適用可能である。
【００５３】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態、実施例および変形例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施の形態、実施例および変形例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・一方の基材
２・・・接合材層
３・・・他方の基材
４・・・セラミックス、半導体、ガラスのいずれかの基材
５・・・もう一方の基材
６・・・金属
７１・・・Ｖ、Ｔｅを含む酸化物（金属と基材の間に存在）
７２・・・Ｖ、Ｔｅを含む酸化物（金属中に分散）
８・・・空隙
９・・・亀裂
１０・・・前処理により窒化物基板表面に形成した酸化物層
１２・・・Ｓｎの酸化物
１３・・・金属箔
１４・・・Ｖ、Ｔｅを含むガラス粒子
１５・・・Ｖ、Ｔｅを含むガラス層
１６・・・フィンのついたベース基板
１７・・・ベース基板と絶縁基板の間の接合材層
１８・・・絶縁基板
１９・・・絶縁基板と金属配線の間の接合材層
２０・・・金属配線
２１・・・金属配線と半導体チップの間の接合材層
２２・・・半導体チップ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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