(57)【要約】  発熱体と金属の支持体（２０）とを、銅粉（３１）の焼結体（３２）からなる接合部位（３０）を介して接合したボンディング接合構造である。支持体（２０）は、少なくともその最表面に銅又は金が存在している。支持体（２０）と焼結体（３２）との接合界面（４０）を跨ぐように、支持体（２０）の銅又は金と焼結体（３２）の銅との相互拡散部位（４１）が形成されている。相互拡散部位（４１）に、結晶方位が同方向である銅の結晶構造が、接合界面（４０）を跨ぐように形成されていることが好適である。
2017057645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と金属の支持体とを、銅粉の焼結体からなる接合部位を介して接合したボンディング接合構造であって、
前記支持体は、少なくともその最表面に銅又は金が存在しており、
前記支持体と前記焼結体との接合界面を跨ぐように、該支持体の銅又は金と該焼結体の銅との相互拡散部位が形成されている、ボンディング接合構造。
【請求項２】
前記ボンディング接合構造が、前記発熱体としての半導体素子のダイと金属の支持体とを、銅粉の焼結体からなる接合部位を介して接合したダイボンディング接合構造であって、
前記支持体は、少なくともその最表面に銅又は金が存在しており、
前記支持体と前記焼結体との接合界面を跨ぐように、該支持体の銅又は金と該焼結体の銅との相互拡散部位が形成されている、請求項１に記載のボンディング接合構造。
【請求項３】
前記支持体の最表面に銅が存在し、
前記相互拡散部位に、結晶方位が同方向である銅の結晶構造が、前記接合界面を跨ぐように形成されている請求項２に記載のボンディング接合構造。
【請求項４】
結晶方位が同方向である銅の前記結晶構造は、前記接合界面における横断長が１０ｎｍ以上である請求項３に記載のボンディング接合構造。
【請求項５】
前記支持体の最表面に金が存在し、前記相互拡散部位がＣｕ３Ａｕを含む請求項２に記載のボンディング接合構造。
【請求項６】
前記相互拡散部位が、Ｃｕ３Ａｕ、及び金と銅との固溶体を含む請求項５に記載のボンディング接合構造。
【請求項７】
前記ダイの下面に金の層が形成されており、
前記ダイと前記焼結体との接合界面を跨ぐように、金と該焼結体の銅との相互拡散部位が形成されており、
前記相互拡散部位がＣｕ３Ａｕを含む請求項２ないし５のいずれか一項に記載のボンディング接合構造。
【請求項８】
前記相互拡散部位が、Ｃｕ３Ａｕ、及び金と銅との固溶体を含む請求項７に記載のボンディング接合構造。
【請求項９】
発熱体と金属の支持体とを、ニッケル粉の焼結体からなる接合部位を介して接合したボンディング接合構造であって、
前記支持体は、少なくともその最表面にニッケルが存在しており、
前記支持体と前記焼結体との接合界面を跨ぐように、該支持体のニッケルと該焼結体のニッケルとの相互拡散部位が形成されている、ボンディング接合構造。
【請求項１０】
発熱体と金属の支持体とを、銀粉の焼結体からなる接合部位を介して接合したボンディング接合構造であって、
前記支持体は、少なくともその最表面に銀が存在しており、
前記支持体と前記焼結体との接合界面を跨ぐように、該支持体の銀と該焼結体の銀との相互拡散部位が形成されている、ボンディング接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はボンディング接合構造に関し、更に詳細には、半導体素子のダイと金属の支持体とのダイボンディング接合構造に好適に用いられるボンディング接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の接合に関し、特許文献１には、一方の面にコレクタ電極を有し、他方の面にエミッタ電極を有する半導体素子と、一方の面に、第一電極配線を有する絶縁基板とを有する半導体装置が記載されている。絶縁基板の第一電極配線と半導体素子のコレクタ電極は第一接合層を介して接続されている。この第一接合層は、炭酸銀等からなる金属粒子前駆体、及び融解温度が２００度以上であるカルボン酸金属塩の粒子からなる還元剤を含む接合用材料が焼結された焼結層になっている。そして、半導体素子と焼結層とは直接金属結合している。この文献に記載の技術は、接合界面での金属結合による接合をより低温で実現可能にすることを目的としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−０９４８７３号公報
【発明の概要】
【０００４】
ところで、自動車や家電製品、産業機器などの数多くの分野において、インバータやコンバータの電力損失の低減は必須の課題となっている。そこで、機器のエネルギー利用効率を大幅に改善するためにＳｉＣやＧａＮなどの新たな材料を用いた半導体素子が種々提案されている。これらの半導体素子は、その動作時に多量の発熱を伴うことから、その熱によって半導体素子がダメージを受けないようにするために、半導体パッケージには十分な放熱対策が要求される。放熱には一般に半導体素子が接合固定されるリードフレームや基板が利用される。上述した特許文献１に記載の技術は、半導体素子の接合に関するものではあるものの、接合温度に着目したものであり、放熱に関しての検討はなされていない。
【０００５】
したがって本発明の課題は、半導体素子のダイを初めとする各種の発熱体の接合構造の改良にあり、更に詳細には、発熱体から生じた熱を効率よく放散可能な接合構造を提供することにある。
【０００６】
本発明は、発熱体と金属の支持体とを、銅粉の焼結体からなる接合部位を介して接合したボンディング接合構造であって、
前記支持体は、少なくともその最表面に銅又は金が存在しており、
前記支持体と前記焼結体との接合界面を跨ぐように、該支持体の銅又は金と該焼結体の銅との相互拡散部位が形成されている、ボンディング接合構造を提供するものである。
【０００７】
特に本発明は、半導体素子のダイと金属の支持体とを、銅粉の焼結体からなる接合部位を介して接合したダイボンディング接合構造であって、
前記支持体は、少なくともその最表面に銅又は金が存在しており、
前記支持体と前記焼結体との接合界面を跨ぐように、該支持体の銅又は金と該焼結体の銅との相互拡散部位が形成されている、ダイボンディング接合構造を提供するものである。
【０００８】
また、本発明は、発熱体と金属の支持体とを、ニッケル粉の焼結体からなる接合部位を介して接合したボンディング接合構造であって、
前記支持体は、少なくともその最表面にニッケルが存在しており、
前記支持体と前記焼結体との接合界面を跨ぐように、該支持体のニッケルと該焼結体のニッケルとの相互拡散部位が形成されている、ボンディング接合構造を提供するものである。
【０００９】
更に、本発明は、発熱体と金属の支持体とを、銀粉の焼結体からなる接合部位を介して接合したボンディング接合構造であって、
前記支持体は、少なくともその最表面に銀が存在しており、
前記支持体と前記焼結体との接合界面を跨ぐように、該支持体の銀と該焼結体の銀との相互拡散部位が形成されている、ボンディング接合構造を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明のボンディング接合構造の一実施形態としてのダイボンディング接合構造を示す縦断面の模式図である。
【図２】図２は、図１における要部を拡大して示す模式図である。
【図３】図３は、本発明のボンディング接合構造の別の実施形態としてのダイボンディング接合構造を示す縦断面の模式図（図１相当図）である。
【図４】図４（ａ）は、実施例１で得られたダイボンディング接合構造における接合界面付近の透過電子顕微鏡像であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における相互拡散部位の拡大像であり、図４（ｃ）は、図４（ｂ）を更に拡大した像である。
【図５】図５は、実施例２で得られたダイボンディング接合構造における接合界面付近の元素分布を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例及び比較例で得られたダイボンディング接合構造の放熱性を評価するための装置を示す模式図である。
【図７】図７は、実施例３で得られたダイボンディング接合構造における接合界面付近の透過電子顕微鏡像である。
【図８】図８は、実施例４で得られたダイボンディング接合構造における接合界面付近の透過電子顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。本発明のボンディング接合構造（以下、単に「接合構造」とも言う。）は、発熱体と金属の支持体とを、接合部位を介して接合した構造になっている。接合部位は、銅粉の焼結体から構成されている。発熱体の種類に特に制限はなく、発熱自体を目的とした部材であるか否かを問わず、使用に際して熱を生じる部材が対象となる。そのような部材の例としては、半導体素子のダイ（以下、単に「ダイ」とも言う。）が典型的なものとして挙げられるが、これに限られず、例えばＣＰＵ、ＬＥＤ素子、抵抗体、電気回路などを発熱体として用いてもよい。また、本発明においては、発熱体から熱を受けた他の部材、例えば発熱体と接合されており、且つ発熱体から生じた熱が伝導されて熱を帯びる部材も発熱体の一態様と捉えることとする。以下では、発熱体としてダイを用いたダイボンディング接合構造を例に挙げて本発明を説明する。
【００１２】
ダイは、ウエハに形成された複数の半導体素子が個々に切り離されてなるものであり、チップやベアダイ等とも呼ばれている。ダイは、例えばダイオード、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、サイリスタなどの半導体素子からなる。これらの半導体素子の構成材料としては、例えばシリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などが挙げられる。後述するとおり、本発明の接合構造は放熱性に優れたものであることから、本発明で接合の対象となるダイとして、いわゆるパワーデバイスと呼ばれている発熱量の大きい半導体素子を用いた場合に、本発明の効果が顕著に奏される。そのようなパワーデバイスとしては、例えばＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ、並びにＳｉＣ及びＧａＮからなる各種半導体素子が挙げられる。
【００１３】
支持体は、半導体素子のダイを固定し、支持するために用いられるものである。この目的のために支持体としては、例えばリードフレームや基板などが用いられる。支持体の形態がいかなるものであっても、該支持体は金属製のものからなる。金属はセラミックス等の他の材料に比べて伝熱性が良好な材料であることから、金属製の支持体を用いることで、半導体素子の動作時に発生した熱が支持体を通じて放出されやすくなるという利点がある。
【００１４】
支持体を構成する金属の種類に特に制限はなく、半導体の技術分野においてこれまで用いられてきた材料と同様の材料を用いることができる。例えば、銅、アルミニウムなどの金属単体を用いることができる。あるいは、銅−鉄合金、鉄−ニッケル合金、及びステンレス合金などの合金を用いることもできる。更に、互いに異なる金属材料の層が厚み方向に複数積層された積層構造の支持体を用いることもできる。各層は、金属単体であってもよく、あるいは合金であってもよい。積層構造の支持体としては、母材層がニッケル、銅、又はアルミニウム等の単体又は合金からなり、最表層が金の単体からなる構造のものが一例として挙げられる。支持体は、少なくともその最表面に銅又は金が存在した状態になっている。支持体の最表面とは、発熱体又は半導体素子のダイが接合部位により固定される面のことである。すなわち、接合部位との対向面のことである。少なくともその最表面に銅又は金が存在した状態になっている支持体の例としては、銅単体の支持体、銅−金合金等の銅基合金の支持体、母材層がニッケル、銅、又はアルミニウム等の単体又は合金からなり、最表層が金の単体からなる積層構造の支持体、母材層がニッケル、銅、又はアルミニウム等の単体又は合金からなり、最表層が金を含む合金からなる積層構造の支持体などが挙げられる。
【００１５】
半導体素子のダイと支持体とは、接合部位を介して接合されている。接合部位は、銅粉の焼結体（以下、単に「焼結体」とも言う。）からなる。接合部位は、ダイにおける支持体との対向面の全域又は該対向面のうちの一部に形成することができる。接合部位を構成する銅粉の焼結体は、複数の銅粒子を含む銅粉を、所定の雰囲気下で、所定時間にわたり、銅の融点前後の温度で加熱して、銅粒子間にネッキング部位が生じるように結合することで形成されたものである。接合部位の原料となる銅粉は、銅単体の粉末であってもよく、あるいは銅を母材とする銅基合金粉末であってもよい。好ましくは銅単体の粉末を用いる。接合部位を構成する銅粉の焼結体には、必要に応じ、銅又は銅合金に加えて他の材料を含んでいてもよい。そのような材料としては例えば焼結体の酸化防止を目的として用いられる有機化合物などが挙げられる。
【００１６】
本発明の接合構造においては、支持体と焼結体との接合界面を跨ぐように、支持体の金属元素と焼結体の構成元素との相互拡散部位が形成されている。つまり、支持体の銅又は金と焼結体の銅とが相互に拡散した部位が、接合界面を挟んで、支持体側から焼結体側にわたって形成されている。この状態を、図１を参照しながら説明する。同図に示すとおり、接合構造１は、ダイ１０と支持体２０とを、複数の銅粒子３１を含む銅粉の焼結体３２からなる接合部位３０を介して接合した構造を有している。更にダイボンディング接合構造１は、支持体２０と、焼結体３２との接合界面４０を有している。接合構造１には、接合界面４０を跨ぐように、支持体２０の金属元素と焼結体３２の構成元素との相互拡散部位４１が形成されている。接合構造１を、接合界面に直交する断面に沿う方向である縦断面方向Ｘに沿って、すなわち図１における紙面の上下方向に沿って見たとき、相互拡散部位４１は、接合界面４０を跨ぐように、縦断面方向Ｘに沿って存在している。その縦断面で見たときに、接合界面に沿う方向である平面方向Ｙ、すなわち図１における紙面の左右方向に関しては、相互拡散部位４１を構成するそれぞれの銅粒子３１は、最大で、接合界面において、支持体２０を平面方向Ｙに伸びる領域Ｒにわたって存在している。
【００１７】
詳細には、相互拡散部位４１は、図２に示すとおり、縦断面方向Ｘに沿って見たときに支持体２０と接合している銅粒子３１を構成している複数の一次粒子３１ａは、接合界面４０に相当する面に沿った結晶粒界を持たない。一次粒子とは、外見上の幾何学的形態から判断して、粒子としての最小単位と認められる物体のことを言う。
【００１８】
相互拡散部位４１においては、その構成元素は金属結合をしている。具体的には、支持体２０の最表層に存在する金属元素と焼結体３２の構成元素とが同一である場合には、相互拡散部位４１には、金属単体又は合金からなる単一相が形成されている。支持体２０の金属元素と焼結体３２の構成元素とが異なる場合には、支持体２０の金属元素と焼結体３２の構成元素とを含む合金相が形成されている。金属結合とは、自由電子による金属原子の間の結合のことである。
【００１９】
接合構造１に相互拡散部位４１が形成されており、該相互拡散部位４１が金属結合している相を含んでいることで、相互拡散部位４１には自由電子が存在することから、その伝熱性が良好になる。その結果、半導体素子のダイ１０がその動作によって発熱した場合、その熱が、接合部位３０を挟んで反対側に位置する部材である支持体２０に伝わりやすくなる。換言すれば、半導体素子のダイ１０で生じた熱が放熱される。それによって、半導体素子が熱的ダメージを受けづらくなる。このことは、半導体素子の動作安定性や信頼性の点から重要である。
【００２０】
支持体２０の最表面が銅単体から構成されており、且つ銅粉も銅単体から構成されている場合には、相互拡散部位４１は銅単体の結晶構造からなる単一相を含むことになる。この単一相の結晶構造は、図２に示すとおり、接合界面４０を挟んで焼結体３２側に位置する部位４１ａと、支持体２０側に位置する部位４１ｂとで結晶方位が同方向になっていることが好ましい。このように、接合界面４０を挟んで焼結体３２側に位置する相互拡散部位４１ａと、支持体２０側に位置する相互拡散部位４１ｂとで結晶方位が同方向になっていると、その結晶方位が接合界面４０と交わり、相互拡散部位４１ａ，４１ｂ間での自由電子の行き来が円滑になり、相互拡散部位４１はその伝熱性が一層良好になる。その結果、半導体素子のダイ１０で生じた熱が一層放熱されやすくなり、半導体素子が熱的ダメージを一層受けづらくなる。銅の結晶構造の結晶方位は、相互拡散部位４１の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像から確認することができる。
【００２１】
なお、相互拡散部位に、結晶方位が同方向である銅の結晶構造が、接合界面を跨ぐように形成されるためには、接合部位の銅源として銅粉を用いることが好ましい。他の銅源、例えば酸化第二銅などの各種の酸化銅を用いた場合には、焼結体を得ることはできるが、相互拡散部位に、結晶方位が同方向である銅の結晶構造を、接合界面を跨ぐように形成することは容易でない。
【００２２】
相互拡散部位４１においては、銅の結晶構造におけるいずれかの面の結晶方位が同方向になっていればよく、特定の面の結晶方位が同方向になっている必要はない。後述する実施例（図４）においては、銅の｛１１１｝面の結晶方位を測定しているが、この理由は銅の｛１１１｝面をＴＥＭ観察することが容易であることによるものであり、銅の｛１１１｝面が同方向になっていることを要求するものではない。また、１つの銅粒子３１が複数の単結晶の結晶構造（結晶粒）を有する場合、各結晶構造における結晶方位は互いに異なっていてもよい。
【００２３】
相互拡散部位４１を介しての伝熱を一層効率よくする観点から、結晶方位が同方向である銅の結晶構造は、接合界面４０における横断長（図２においては、各結晶粒の幅又は平面方向Ｙの長さ）が１０ｎｍ以上であることが好ましく、５０ｎｍ以上であることが更に好ましい。横断長の上限は特にないが、典型的には５００ｎｍ程度である。この横断長は、相互拡散部位４１の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像から測定することができる。横断長は、５箇所の部位について測定し、その平均値とする。
【００２４】
前記と同様の観点から、結晶方位が同方向である銅の結晶構造は、接合界面４０を跨ぐ厚みが、最大箇所において１０ｎｍ以上であることが好ましく、５０ｎｍ以上であることが更に好ましい。接合界面４０を跨ぐ厚みの上限は特にないが、典型的には１０００ｎｍ程度、より典型的には５００ｎｍ程度である。この厚みは、相互拡散部位４１の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像から測定することができる。厚みは、接合界面面方向に沿う等間隔の５箇所の部位について測定し、その最大値とする。
【００２５】
以上の構造を有する接合構造１においては、焼結体３２が銅を含んでおり、且つ支持体２０が金属製なので、焼結体３２と支持体２０とは電気的に導通している。一方、焼結体３２とダイ１０とは電気的に導通していてもよく、あるいは導通していなくてもよい。本発明の目的が、半導体素子のダイ１０から生じた熱の放散にあることに鑑みれば、焼結体３２と支持体２０とが電気的に導通していることや、焼結体３２とダイ１０とが電気的に導通していることが、本発明において本質でないことは明らかである。
【００２６】
以上の説明は、接合部位が銅粉の焼結体からなる場合の説明であったが、接合部位は、銅の焼結体に代えてニッケル粉の焼結体又は銀粉の焼結体からなっていてもよい。この場合、支持体の最表面の材質は、ニッケル粉の焼結体を用いるときには該材質はニッケルであり、銀粉の焼結体を用いるときには該材質は銀である。そして本発明の接合構造においては、ニッケル粉の焼結体を用いるときには、支持体と焼結体との接合界面を跨ぐように、該支持体のニッケルと該焼結体のニッケルとの相互拡散部位が形成されている。一方、銀粉の焼結体を用いるときには、支持体と焼結体との接合界面を跨ぐように、該支持体の銀と該焼結体の銀との相互拡散部位が形成されている。
【００２７】
接合部位にニッケルの相互拡散部位が形成されている場合、及び銀の相互拡散部位が形成されている場合のいずれの場合であっても、該相互拡散部位においては、結晶方位が同方向であるニッケル又は銀の結晶構造が、接合界面を跨ぐように形成されていることが、接合部位の伝熱性が一層良好になる点から好ましい。相互拡散部位においては、ニッケル又は銀の結晶構造におけるいずれかの面の結晶方位が同方向になっていればよく、特定の面の結晶方位が同方向になっている必要はない。
【００２８】
接合部位がニッケル又は銀からなる場合の詳細に関し、特に説明しない点については、先に述べた、接合部位が銅からなる場合の詳細が適宜適用される。
【００２９】
図３には、本発明のダイボンディング接合構造の別の実施形態が示されている。なお、本実施形態に関し特に説明しない点については、図１及び図２に示す実施形態についての説明が適宜適用される。本実施形態は、母材２０ａの最表面が金単体２０ｂからなる支持体２０と、銅単体からなる銅粉を焼結させて形成された接合構造１に係るものである。この接合構造１においては、相互拡散部位４１はＣｕ３Ａｕを含むことが好ましい。Ｃｕ３Ａｕは合金の状態になっていることが好ましい。Ｃｕ３Ａｕからなる部位４１ｃは、その伝熱性が良好なものである。その結果、半導体素子のダイ１０で生じた熱が一層放熱される。それによって、半導体素子が熱的ダメージを一層受けづらくなる。
【００３０】
合金の状態のＣｕ３Ａｕ部位４１ｃが相互拡散部位４１に存在していることは、相互拡散部位４１を対象とした元素マッピングを行い、縦断面方向Ｘに沿った元素分布を測定することで確認できる。この元素分布において、銅と金とのモル比が３：１であり、且つその比率が維持された領域が確認できるとき、その領域には合金の状態のＣｕ３Ａｕが存在すると判断できる。また、相互拡散部位４１の電子回折測定によっても、合金の状態のＣｕ３Ａｕの存否を判断できる。
【００３１】
図３に示す実施形態の接合構造１は、相互拡散部位４１が、Ｃｕ３Ａｕ部位４１ｃを含むことに加えて、金と銅との固溶体からなる固溶部位４１ｄを含むことが更に好ましい。固溶部位４１ｄは、銅の母材中に金が固溶してなる部位である。固溶部位４１ｄにおいては、接合構造１の縦断面方向Ｘに沿ってみたときの銅の分布が、焼結体３２側から支持体２０側に向けて漸減していることが好ましい。一方、金の分布に関しては、接合構造１の縦断面方向Ｘに沿ってみたときに、焼結体３２側から支持体２０側に向けて漸増していることが好ましい。固溶部位４１ｄは、相互拡散部位４１において、Ｃｕ３Ａｕ部位４１ｃと焼結体３２との間に位置することが好ましく、そのような配置形態によって、Ｃｕ３Ａｕ部位４１ｃと焼結体３２の接合強度を高める働きを有する。また固溶部位４１ｄは、焼結体３２からＣｕ３Ａｕ部位４１ｃへの伝熱を円滑に行う働きも有する。これらの働きを一層顕著なものとする観点から、固溶部位４１ｄにおける銅と金との割合は、銅１モルに対して、金が０．０１モル以上０．３３モルの範囲内で変化していることが好ましい。
【００３２】
相互拡散部位４１に、銅と金との固溶部位４１ｄが存在していることは、固溶部位４１ｄを対象とした元素マッピングを行い、縦断面方向Ｘに沿った元素分布を測定することで確認できる。また、固溶部位４１ｄの電子回折測定によっても、銅と金とが固溶体を形成しているか否かを判断できる。
【００３３】
本実施形態の接合構造１は、半導体素子のダイ１０が、その下面、すなわち支持体２０との対向面に、金単体からなる表面層１０ａを有しており、そのようなダイ１０と、銅単体からなる銅粉を焼結させて形成されたものであってもよい。この場合、ダイ１０と焼結体３２との接合界面４３を跨ぐように、ダイ１０の下面に形成された表面層１０ａの金と、焼結体の構成元素である銅とを含む相互拡散部位４４が形成されていることが好ましい。この相互拡散部位４４は好ましくはＣｕ３Ａｕからなる部位４４ｃを含んでいる。相互拡散部位４４の詳細は、先に述べた相互拡散部位４１と同様なので、重ねての説明は省略する。
【００３４】
更に接合構造１における相互拡散部位４４は、Ｃｕ３Ａｕ部位４４ｃに加えて金と銅との固溶体からなる固溶部位４４ｄを有することが更に好ましい。固溶部位４４ｄは、Ｃｕ３Ａｕ部位４４ｃと焼結体３２との間に位置することが好ましい。固溶部位４４ｄにおいては、接合構造１の縦断面方向Ｘに沿ってみたときの銅の分布が、焼結体３２側からダイ１０側に向けて漸減していることが好ましい。一方、金の分布に関しては、接合構造１の縦断面方向Ｘに沿ってみたときに、焼結体３２側からダイ１０側に向けて漸増していることが好ましい。
【００３５】
ダイ１０と焼結体３２との間にＣｕ３Ａｕを含む相互拡散部位４４が形成されていることや、相互拡散部位４４がＣｕ３Ａｕ部位４４ｃに加えて固溶部位４４ｄを含んでいることで、ダイ１０で生じた熱が焼結体３２に円滑に伝わり、更にその熱が、支持体２０側の相互拡散部位４１を介して支持体２０に伝わる。その結果、半導体素子のダイ１０で生じた熱が更に一層放熱される。それによって、半導体素子が熱的ダメージを更に一層受けづらくなる。
【００３６】
次に、上述した接合構造１の好適な製造方法について説明する。まず、銅粒子が銅単体からなる銅粉と、最表面が銅単体からなる支持体を用いて図１に示す接合構造１を製造する場合について説明する。
【００３７】
銅粉は一般にペーストの状態で供されることが取り扱い性の点で好ましい。ペーストには、銅粉の他に有機溶媒が含まれていることが好ましい。有機溶媒としては、銅の導電性ペーストに用いられているものと同様のものを特に制限なく用いることができる。例えばモノアルコール、多価アルコール、多価アルコールアルキルエーテル、多価アルコールアリールエーテル、エステル類、含窒素複素環化合物、アミド類、アミン類、飽和炭化水素などが挙げられる。これらの有機溶媒は、単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。ペースト中の銅の濃度は、取り扱いに適した濃度に適宜調整される。
【００３８】
ペースト状態の銅粉は、支持体２０における最表面に施される。例えばディスペンサなどの装置を用いてペースト状態の銅粉を、支持体２０における最表面に施すことができる。その際、ペースト状態の銅粉の配置形態は、サイコロの目のような点状であってもよいし、線状や面状であってもよい。次いで、ペースト状態の銅粉の上にダイ１０が載置される。この状態下に所定温度での加熱を行うことで、銅粉を構成する銅粒子どうしの焼結が起こり、焼結体３２が生じる。これとともに、銅粒子と支持体２０の最表面との焼結、及び銅粒子とダイ１０の下面との焼結も生じる。これらの結果、ダイボンディング接合構造１が形成され、ダイ１０は、焼結体３２を介して支持体２０上に固定される。そして、支持体２０と焼結体３２との接合界面を跨ぐように相互拡散部位４１が形成される。
【００３９】
焼結の条件は、温度に関しては、１５０℃以上４００℃以下であることが好ましく、２３０℃以上３００℃以下であることが更に好ましい。時間は、温度がこの範囲内であることを条件として、５分以上６０分以下であることが好ましく、７分以上３０分以下であることが更に好ましい。雰囲気は、大気等の酸化性雰囲気、窒素やアルゴン等の不活性雰囲気、窒素−水素等の還元性雰囲気を用いることができる。また、真空下で焼結を行ってもよい。特に、トリエタノールアミンの存在下、窒素等の不活性雰囲気で焼結を行うと、相互拡散部位に、結晶方位が同方向である銅の結晶構造が、接合界面を跨ぐように首尾よく形成されることから好ましい。
【００４０】
接合構造１における接合部位がニッケル又は銀からなる場合には、上述した銅粉に代えてニッケル粉又は銀粉を用いればよい。特にニッケル粉に関しては、例えば特開２００９−１８７６７２号公報等に記載されている、いわゆるポリオール法によって製造されたニッケル粉を用いることが、相互拡散部位に、結晶方位が同方向であるニッケルの結晶構造が、接合界面を跨ぐように首尾よく形成されることから好ましい。一方、銀粉に関しては、特開２００９−２４２９１３号公報等に記載されている、いわゆる湿式還元法で製造された銀粉を用いると、相互拡散部位に、結晶方位が同方向である銀の結晶構造が、接合界面を跨ぐように首尾よく形成されることから好ましい。
【００４１】
銅粉に代えて、ニッケル粉を用いる場合、その粉の一次粒子の平均粒径Ｄは２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。銅粉に代えて、銀粉を用いる場合、その粉の一次粒子の平均粒径は０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。
【００４２】
次に、銅粒子が銅単体からなる銅粉と、最表面が金単体からなる支持体と、下面が金単体からなるダイを用いて図３に示す接合構造１を製造する場合について説明する。
【００４３】
銅粉については、上述した方法と同様に、ペーストの状態で用いることが好ましい。ペースト状態の銅粉は、例えばディスペンサなどの装置を用いて支持体２０における最表面に施される。その際、上述したとおり、ペースト状態の銅粉は、ダイにおける支持体との対向面の全域又は該対向面のうちの一部に施すことができる。例えば、ペースト状態の銅粉の配置形態は、サイコロの目のような点状であってもよいし、線状や面状であってもよい。次いで、ペースト状態の銅粉の上にダイ１０が載置される。この状態下に所定温度での加熱を行うことで、銅粉を構成する銅粒子どうしの焼結が起こり、焼結体３２が生じる。これとともに、銅粒子３１が、支持体２０の最表面の金及びダイ１０の下面の金とネッキングを形成し、主に銅が金の側に拡散していく。そして、支持体２０の最表面の金及びダイ１０の下面の金は、Ｃｕ３Ａｕを主体とした金属結合を形成し、それが相互拡散部位４１，４４となる。更に相互拡散部位４１，４４中に銅と金との固溶部位４１ｄ，４４ｄが形成される。焼結の条件は、上述の場合と同様である。
【００４４】
上述した各製造方法において、各相互拡散部位を首尾よく形成するためには、銅粉として特定のものを用いることが有利である。具体的には、一次粒子の平均粒径Ｄが０．１５μｍ以上０．６μｍ以下であり、一次粒子の平均粒径ＤとＢＥＴ比表面積に基づく真球換算での平均粒径ＤBETとの比であるＤ／ＤBETの値が０．８以上４．０以下であり、且つ粒子間での凝集を抑制するための層を粒子表面に有していない銅粉を用いると、各相互拡散部位を首尾よく形成できる。この銅粉を単独で用いるか、又は他の銅粉と併用することが好ましい。焼結時の収縮を抑制し、接合強度を高める観点から、この銅粉よりも粒径の大きい（例えば平均粒径Ｄが１〜５μｍ程度の）他の銅粉を併用することが好ましい。本発明の意義を損なわない程度であれば、粒子間での凝集を抑制するための層を粒子表面に備えた銅粉が含まれていてもよい。この銅粉を他の銅粉と併用する場合、この銅粉は、銅粉全体に対して好ましくは５０質量％以上、更に好ましくは５５質量％以上の割合で用いることができる。以下、この銅粉について説明する。
【００４５】
銅粉の一次粒子の平均粒径Ｄを０．６μｍ以下に設定することによって、該銅粉を用いて焼結体３２を形成するときに、銅粉が低温で焼結しやすくなる。また、粒子３１間に空隙が生じにくく、焼結体３２の比抵抗を低下させることができる。一方、銅粉の一次粒子の平均粒径Ｄを０．１５μｍ以上に設定することによって、銅粉を焼結するときの粒子の収縮を防止することができる。これらの観点から、前記の一次粒子の平均粒径Ｄは、０．１５〜０．６μｍであることが好ましく、０．１５〜０．４μｍであることが一層好ましい。銅粉の一次粒子の平均粒径Ｄは、走査型電子顕微鏡を用い、倍率１０，０００倍又は３０，０００倍で、銅粉を観察し、視野中の粒子２００個について水平方向フェレ径を測定し、測定した値から、球に換算した体積平均粒径である。銅粒子３１の粒子形状は球状であることが、銅粉の分散性を高める観点から好ましい。
【００４６】
銅粉は、粒子間での凝集を抑制するための層（以下、保護層ともいう）を粒子表面に有していないことが好ましい。銅粉が、前記の数値範囲の平均粒径Ｄを有し、且つ粒子表面に保護層を有しないことは、その良好な低温焼結性に大きく寄与している。前記の保護層は、例えば分散性等を高める目的で、銅粉製造の後工程において銅粒子表面を表面処理剤で処理することによって形成される。このような表面処理剤としては、ステアリン酸、ラウリル酸、オレイン酸といった脂肪酸等の各種の有機化合物が挙げられる。また、ケイ素、チタン、ジルコニウム等の半金属又は金属を含有するカップリング剤等も挙げられる。更に銅粉製造の後工程において表面処理剤を用いない場合であったとしても、湿式還元法によって銅粉を製造する際に、銅源を含有する反応液に分散剤を添加することによって、保護層が形成される場合もある。このような分散剤としては、ピロリン酸ナトリウム等のリン酸塩や、アラビアゴム等の有機化合物が挙げられる。
【００４７】
本発明の銅粉の低温焼結性を一層良好とする観点から、該銅粉は、前記保護層を形成する元素の含有量が極力少ないことが好ましい。具体的には、従来、保護層の成分として銅粉に存在していた炭素、リン、ケイ素、チタン及びジルコニウムの含有量の総和が、銅粉に対して０．１０質量％以下であることが好ましく、０．０８質量％以下であることが更に好ましく、０．０６質量％以下であることが更に一層好ましい。
【００４８】
前記の含有量の総和は、小さければ小さいほどよいが、０．０６質量％程度までの量あれば、十分に銅粉の低温焼結性を高めることができる。また、銅粉の炭素含有量が過度に多いと、銅粉を焼成して焼結体３２を形成する際に炭素を含むガスが発生し、そのガスに起因して膜にクラックが発生したり、膜が基板から剥離したりすることがある。銅粉において前記の含有量の総和が低い場合には、炭素含有ガスの発生による不具合を防止することができる。
【００４９】
銅粉は、不純物の含有量が少なく、銅の純度が高いものであることが好ましい。具体的には、銅粉における銅の含有量は９８質量％以上であることが好ましく、９９質量％以上であることが更に好ましく、９９．８質量％以上であることが更に一層好ましい。
【００５０】
銅粉は、粒子３１間での凝集を抑制するための層を粒子表面に有していないにも関わらず、一次粒子の凝集が少ないものである。一次粒子の凝集の程度は、ＢＥＴ比表面積に基づく真球換算での平均粒径ＤBETと一次粒子の平均粒径Ｄとの比であるＤ／ＤBETの値を尺度として評価することができる。銅粉は、このＤ／ＤBETの値が０．８以上４．０以下である。Ｄ／ＤBETの値は、銅粉の粒径が均一で凝集のない理想の単分散状態に比べて、どれほど粒径分布が広いかを示す尺度であり、凝集度の推定に用いることができる。
【００５１】
Ｄ／ＤBETの値の評価は、基本的に、銅粉の粒子表面に細孔が少なく均質であることに加え、連続分布（１山分布）を有することを前提条件とする。この前提条件下、Ｄ／ＤBETの値が１である場合、銅粉は前述した理想の単分散状態と解釈できる。一方、Ｄ／ＤBETの値が１よりも大きいほど、銅粉の粒径分布が広く、粒径が不揃いであるか、又は凝集が多いと推測できる。Ｄ／ＤBETの値が１よりも小さいことは稀であり、これは、銅粉が前記の前提条件から外れた状態にある場合に観察されることが多い。前記の前提条件から外れた状態とは、例えば粒子表面に細孔がある状態や、粒子表面が不均一である状態、凝集が局所的に存在する状態等が挙げられる。
【００５２】
銅粉を、一次粒子の凝集が一層少ないものとする観点から、Ｄ／ＤBETの値は、好ましくは、０．８以上４．０以下であり、より好ましくは０．９以上１．８以下である。ＤBETの値は、銅粉のＢＥＴ比表面積をガス吸着法で測定することによって求めることができる。ＢＥＴ比表面積は、例えば（株）島津製作所製フローソーブII２３００を用い、１点法で測定する。測定粉末の量を１．０ｇとし、予備脱気条件は１５０℃で１５分間とする。平均粒径ＤBETは、得られたＢＥＴ比表面積（ＳＳＡ）の値及び銅の室温近傍の密度（８．９４ｇ／ｃｍ3）から下記式によって求める。
ＤBET（μｍ）＝６／（ＳＳＡ（ｍ2／ｇ）×８．９４（ｇ／ｃｍ3））
【００５３】
ＤBETの値そのものは好ましくは０．０８μｍ以上０．６μｍ以下であり、更に好ましくは０．１μｍ以上０．４μｍ以下であり、更に一層好ましくは０．２μｍ以上０．４μｍ以下である。また、銅粉におけるＢＥＴ比表面積の値は、好ましくは１．７ｍ2／ｇ以上８．５ｍ2／ｇ以下であり、更に好ましくは２．５ｍ2／ｇ以上４ｍ2／ｇ以下である。
【００５４】
銅粉は、その結晶子径が好ましくは６０ｎｍ以下、更に好ましくは５０ｎｍ以下、更に一層好ましくは４０ｎｍ以下である。下限値は２０ｎｍであることが好ましい。結晶子径の大きさをこの範囲に設定することで、銅粉の低温焼結性が一層良好となる。結晶子径は、例えば（株）リガク製のＲＩＮＴ−ＴＴＲIIIを用いて銅粉のＸ線回折測定を行い、得られた｛１１１｝ピークを用いて、シェラー（Ｓｃｈｅｒｒｅｒ）法によって結晶子径（ｎｍ）を算出する。
【００５５】
このような銅粉は低温でも焼結しやすいという特徴を有する。低温でも焼結しやすい銅粉を利用することで、その銅粉の焼結体でダイと支持体を接合した際に、ダイ又は支持体と、焼結体との間で金属結合が形成されやすくなり、その結果、本発明における相互拡散部位を容易に得ることができる。
【００５６】
銅粉が低温で焼結しやすいものであることは、銅粉の焼結開始温度を尺度として判断することができる。本発明で好適に用いられる銅粉は、その焼結開始温度が好ましくは１７０℃以上２４０℃以下であり、更に好ましくは１７０℃以上２３５℃以下であり、更に一層好ましくは１７０℃以上２３０℃である。
【００５７】
上述した焼結開始温度は、３体積％Ｈ２−Ｎ２雰囲気の炉の中に銅粉を静置し、炉の温度を次第に上昇させることによって測定することができる。具体的には、以下に述べる方法によって測定できる。焼結が開始したか否かは、炉から取り出した銅粉を走査型電子顕微鏡で観察し、粒子同士の間に面会合が起きているか否かによって判断する。面会合とは、一つの粒子の面と他の粒子の面とが連続するように粒子同士が一体化した状態をいう。
【００５８】
〔焼結開始温度の測定方法〕
銅粉をアルミニウム製の台に乗せて、３体積％Ｈ２−Ｎ２雰囲気下、１６０℃の設定温度で１時間保持する。その後、炉から銅粉を取り出し、走査型電子顕微鏡を用いて倍率５０，０００倍で銅粉を観察し、面会合の有無を調べる。面会合が観察されない場合、炉の設定温度を、前記の設定温度から１０℃高い温度に設定し直し、新たな設定温度において面会合の有無を前記と同様にして調べる。この操作を繰り返し、面会合が観察された炉の設定温度を、焼結開始温度（℃）とする。
【００５９】
次に前記の銅粉の好適な製造方法について説明する。本製造方法は、還元剤としてヒドラジンを用いた湿式での銅イオンの還元において、溶媒として、水と相溶性を有し、且つ水の表面張力を低下させ得る有機溶媒を用いることを特徴の一つとする。本製造方法は、該有機溶媒を用いることによって、銅粉を、容易且つ簡便に製造できるものである。
【００６０】
本製造方法においては、水及び前記有機溶媒を液媒体とし、且つ一価又は二価の銅源を含む反応液と、ヒドラジンとを混合し、該銅源を還元して銅粒子を生成させる。本製造方法においては、意図的に保護層を形成する操作は行わない。
【００６１】
前記有機溶媒としては、例えば、一価アルコール、多価アルコール、多価アルコールのエステル、ケトン、エーテル等を挙げることができる。一価アルコールとしては、炭素原子数が１以上５以下、特に１以上４以下のものが好ましい。具体例としては、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｔ−ブタノール等を挙げることができる。
【００６２】
多価アルコールとしては、エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール及び１，３−プロピレングリコール等のジオール、グリセリン等のトリオール等を挙げることができる。多価アルコールのエステルとしては、上述した多価アルコールの脂肪酸エステルが挙げられる。脂肪酸としては例えば炭素原子数が１以上８以下、特に１以上５以下の一価脂肪酸が好ましい。多価アルコールのエステルは、少なくとも１個の水酸基を有していることが好ましい。
【００６３】
ケトンとしては、カルボニル基に結合しているアルキル基の炭素原子数が１以上６以下、特に１以上４以下のものが好ましい。ケトンの具体例としては、エチルメチルケトン、アセトン等が挙げられる。エーテルとしては、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ジエチルエーテルや、環状エーテルであるオキタセン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピランや、ポリエーテルであるポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の高分子化合物等が挙げられる。
【００６４】
上述した各種の有機溶媒のうち、一価アルコールを用いることが、経済性及び安全性等の観点から好ましい。
【００６５】
前記の液媒体は、水の質量に対する前記有機溶媒の質量の比率（有機溶媒の質量／水の質量）が好ましくは１／９９から９０／１０であり、更に好ましくは  １．５／９８．５から９０／１０である。水及び有機溶媒の比率がこの範囲内であると、湿式還元時における水の表面張力を適度に低下させることができ、Ｄ及びＤ／ＤBETの値が前記の範囲内にある銅粉を容易に得ることができる。
【００６６】
前記の液媒体は、好ましくは前記有機溶媒及び水のみからなる。このことは、分散剤等を用いずに、保護層を有さず且つ不純物の少ない銅粉を製造する観点等から好ましい。
【００６７】
本製造方法においては、前記の液媒体に、銅源を溶解又は分散させることによって反応液を調製する。反応液の調製方法としては、例えば、液媒体と銅源とを混合して撹拌する方法が挙げられる。反応液において、液媒体に対する銅源の割合は、銅源１ｇに対して液媒体の質量が好ましくは４ｇ以上２０００ｇ以下、更に好ましくは８ｇ以上１０００ｇ以下とする。液媒体に対する銅源の割合がこの範囲内であると、銅粉合成の生産性が高くなるので好ましい。
【００６８】
前記の銅源としては、一価又は二価の各種の銅化合物を用いることができる。特に、酢酸銅、水酸化銅、硫酸銅、酸化銅又は亜酸化銅を用いることが好ましい。銅源としてこれらの銅化合物を用いると、Ｄ及びＤ／ＤBETの値が前記の範囲内にある銅粉を容易に得ることができる。また不純物が少ない銅粉を得ることができる。
【００６９】
次いで、前記の反応液とヒドラジンとを混合する。ヒドラジンの添加量は、銅１モルに対して好ましくは０．５モル以上５０モル以下、更に好ましく１モル以上２０モル以下となるような量とする。ヒドラジンの添加量がこの範囲であると、Ｄ／ＤBETの値が前記の範囲内となる銅粉が得られやすい。同様の理由から、反応液の温度は、混合開始時点から終了時点にわたって、４０℃以上９０℃以下、特に５０℃以上８０℃以下に維持することが好ましい。同様の理由から、混合開始時点から反応終了時点にわたって、反応液の撹拌を継続することが好ましい。
【００７０】
前記反応液とヒドラジンとの混合は、以下の（ａ）及び（ｂ）のいずれかのように行うことが好ましい。こうすることで、急激な反応に起因して不都合が生じることを効果的に防止することができる。
（ａ）前記反応液中に、ヒドラジンを、時間をおいて複数回にわたって添加する。
（ｂ）前記反応液中に、ヒドラジンを、連続して所定時間にわたって添加する。
（ａ）の場合、複数回とは、２回以上６回以下程度であることが好ましい。ヒドラジンの各添加の間隔は５分以上９０分以下程度であることが好ましい。
（ｂ）の場合、前記の所定時間とは１分以上１８０分以下程度であることが好ましい。反応液は、ヒドラジンとの混合が終了した後も、撹拌を継続して、熟成することが好ましい。こうすることで、Ｄ／ＤBETの値が前記の範囲内となる銅粉が得やすいからである。
【００７１】
本製造方法においては、還元剤としてヒドラジンのみを用いることが、不純物の少ない銅粉を得られるので好ましい。このようにして、目的とする銅粉を得ることができる。
【００７２】
以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば、図１に示す実施形態において、相互拡散部位４１における銅の結晶構造の結晶方位は、後述する実施例で採用している｛１１１｝面以外の面を対象としてもよい。
【００７３】
また前記の各実施形態は、発熱体として半導体素子のダイを用いたダイボンディング構造についてのものであったが、本発明はこれに限られず、発熱体として半導体素子のダイ以外の部材を用いたボンディング接合に、本発明を適用することができる。
【実施例】
【００７４】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「％」及び「部」はそれぞれ「質量％」及び「質量部」を意味する。【００７５】
〔実施例１〕
本実施例では、図１に示す構造のダイボンディング接合構造を製造した。
（１）銅粉及び銅ペーストの製造
撹拌羽を取り付けた容量５００ｍｌの丸底フラスコを用意した。この丸底フラスコに、銅源として酢酸銅一水和物１５．７１ｇを投入した。丸底フラスコに、更に水１０ｇと、有機溶媒としてイソプロパノール７０．６５ｇとを加えて反応液を得た。この反応液を、１５０ｒｐｍで撹拌しながら液温を６０℃まで上げた。撹拌を続けたまま、反応液にヒドラジン一水和物１．９７ｇを一度に添加した。次いで、反応液を３０分間撹拌した。その後、反応液にヒドラジン一水和物１７．７３ｇを添加した。更に反応液を３０分間撹拌した。その後、反応液にヒドラジン一水和物７．８８ｇを添加した。その後、反応液を、液温を６０℃に保ったまま、１時間撹拌し続けた。反応終了後、反応液全量を固液分離した。得られた固形分について、純水を用いたデカンテーション法による洗浄を行った。洗浄は、上澄み液の導電率が１０００μＳ／ｃｍ以下になるまで繰り返した。洗浄物を固液分離した。得られた固形分にエタノール１６０ｇを加え、加圧濾過器を用いて濾過した。得られた固形分を常温で減圧乾燥し、目的とする銅粉を得た。この銅粉の一次粒子の平均粒径Ｄは０．１９μｍ、ＢＥＴ比表面積（ＳＳＡ）は３．９１ｍ２／ｇ、ＤBETは０．１７μｍ、Ｄ／ＤBETは１．１、Ｃ，Ｐ，Ｓｉ，Ｔｉ及びＺｒの含有量の総和は０．０５％、銅含有量は９９．８％超、結晶子径は３５ｎｍ、焼結開始温度は１７０℃であった。この銅粉と、三井金属鉱業（株）製の湿式合成銅粒子からなる銅粉であるＣＳ−２０（商品名）（レーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積５０容量％における体積累積粒径Ｄ５０＝３．０μｍ）を、５６：４４の質量割合で混合し、混合銅粉を得た。この混合銅粉と、混合有機溶媒としてのトリエタノールアミンと、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシランと、メタノールとを混合して銅ペーストを調製した。混合有機溶媒におけるトリエタノールアミンの割合は５４％、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシランの割合は２９％、メタノールの割合は１７％であった。銅ペースト中の混合銅粉の割合は８６％、有機溶媒の割合は１４％であった。【００７６】
（２）ダイボンディング接合構造の製造
１０ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍの無酸素銅（純度９９．９６％）からなる支持体に、厚さ５０μｍの樹脂フィルム版を用いたスクリーン印刷によって、直径０．８ｍｍ形状の銅ペーストを５箇所に塗布した。支持体の中央に、ダイとして、５ｍｍ角、厚さ１ｍｍの無酸素銅（純度９９．９６％）を載置した。窒素雰囲気下、２６０℃で１０分にわたり焼成を行い、目的とする接合構造を得た。得られた接合構造における焼結体と支持体との接合界面付近のＴＥＭ像を図４（ａ）ないし（ｃ）に示す。これらの図から明らかなとおり、支持体と焼結体との接合界面を跨ぐように、支持体の銅と焼結体の銅との相互拡散部位が形成されており、該相互拡散部位に、結晶方位が同方向である銅の結晶構造が、接合界面を跨ぐように形成されていることが判る。結晶方位が同方向である銅の結晶構造は、接合界面における横断長が９４ｎｍであった。また、接合界面を跨ぐ銅の結晶構造の厚みは最大で１７０ｎｍであった。【００７７】
〔比較例１〕
（１）銅ペーストの製造
混合銅粉として、三井金属鉱業（株）製の湿式合成銅粒子からなる銅粉である１０５０Ｙ（商品名）と、三井金属鉱業（株）製の湿式合成銅粒子からなる銅粉である１３００Ｙ（商品名）とを、５６：４４の質量割合で混合したものを用いた。比較例１と比較例２で使用した２種類の銅粉はいずれも表面に有機保護層を備えたものである。これ以外は実施例１（１）と同様にして、銅ペーストを調製した。【００７８】
（２）ダイボンディング接合構造の製造
実施例１の（２）と同様に接合構造を形成した。得られた接合構造は、ダイと焼結体と支持体の接合を維持するだけの機械強度を有しておらず、得られた接合構造の放熱性の評価及び焼結体と支持体との接合界面付近のＴＥＭ像観察を行うことができなかった。【００７９】
〔比較例２〕
（１）銅ペーストの製造
混合銅粉として、三井金属鉱業（株）製の湿式合成銅粒子からなる銅粉である１０５０Ｙ（商品名）と、三井金属鉱業（株）製の湿式合成銅粒子からなる銅粉である１３００Ｙ（商品名）とを、５６：４４の質量割合で混合したものを用いた。混合樹脂として、日本化薬（株）製のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂であるＲＥ−３０３ＳＬと、日本化薬（株）製のフェノールノボラック型エポキシ樹脂であるＲＥ−３０６と、日本化薬（株）製のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂であるＲＥ−３１０Ｓと、日本化薬（株）製の液状エポキシ樹脂であるＧＡＮと、日本化薬（株）製の硬化剤であるカヤハードＭＣＤと、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシランと、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシランと、味の素ファインテクノ（株）製の硬化促進剤であるアミキュアＭＹ２４とを混合したものを用意した。混合銅粉と混合樹脂を混合し、銅ペーストを調製した。混合樹脂におけるＲＥ−３０３ＳＬの割合は３１％、ＲＥ−３０６の割合は１５％、ＲＥ−３１０Ｓの割合は１５％、ＧＡＮの割合は６％、カヤハードＭＣＤの割合は２８％、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシランの割合は１％、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシランの割合は１％、アミキュアＭＹ２４の割合は３％であった。銅ペースト中の混合銅粉の割合は８９％、混合樹脂の割合は１１％であった。【００８０】
（２）ダイボンディング接合構造の製造
実施例１の（２）と同様にして、接合構造を形成した。得られた接合構造における焼成体と支持体との接合界面付近のＴＥＭ像を撮影したところ、結晶方位が同方向である銅の結晶構造が、接合界面を跨ぐように形成されている相互拡散部位は観察されなかった。【００８１】
〔比較例３〕
比較例３は、銅粉を用いない接合構造の例である。
（１）はんだペーストの準備
市販のはんだペースト（組成：Ｓｎ６３質量％−Ｐｂ３７質量％、ＨＯＮＧ ＫＯＮＧ ＷＥＬＳＯＬＯ ＭＥＴＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＩＭＩＴＥＤ製）を用意した。【００８２】
（２）ダイボンディング接合構造の製造
１０ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍの無酸素銅（純度９９．９６％）からなる支持体に、厚さ５０μｍの樹脂フィルム版を用いたスクリーン印刷によって、直径０．８ｍｍ形状のはんだペーストを５箇所に塗布した。支持体の中央に、ダイとして、５ｍｍ角、厚さ１ｍｍの無酸素銅（純度９９．９６％）を載置した。窒素雰囲気下、２００℃で１０分にわたり焼成を行い、接合構造を得た。【００８３】
〔実施例２〕
本実施例では、図３に示す構造のダイボンディング接合構造を製造した。
（１）銅粉及び銅ペーストの製造
実施例１においてイソプロパノールの使用量を３９．２４ｇとし、水の使用量を５０ｇとした。これ以外は実施例１と同様にして銅粉を得た。この銅粉の平均粒径Ｄは０．２４μｍ、ＢＥＴ比表面積（ＳＳＡ）は３．１７ｍ２／ｇ、ＤBETは０．２１μｍ、Ｄ／ＤBETは１．２、Ｃ，Ｐ，Ｓｉ，Ｔｉ及びＺｒの含有量の総和は０．０４％、銅含有量は９９．８％超、結晶子径は３５ｎｍ、焼結開始温度は１７０℃であった。この銅粉と、三井金属鉱業（株）製の湿式合成銅粒子からなる銅粉であるＣＳ−２０（商品名）とを、５６：４４の質量割合で混合し、混合銅粉を得た。その後は実施例１と同様にして銅ペーストを調製した。【００８４】
（２）ダイボンディング接合構造の製造
１０ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍのニッケルからなる母材の表面に厚み１μｍの金めっき層を形成した支持体を用いた。この支持体における金めっき層の表面に、厚み５０μｍの樹脂フィルム版を用いたスクリーン印刷によって、直径０．８ｍｍ形状の銅ペーストを５箇所に塗布した。支持体の中央に、ダイとして、５ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍのニッケル板を載置した。ダイの下面には、厚み１μｍの金めっき層を形成しておいた。窒素雰囲気下、２６０℃で１０分にわたり焼成を行い、目的とする接合構造を得た。得られた接合構造における焼結体と支持体との接合界面付近の深さ方向の元素分布を、エネルギー分散形Ｘ線分析装置を備える走査透過型電子顕微鏡（日本電子株式会社製）を用いて測定した。その結果を図５に示す。同図から明らかなとおり、支持体と焼結体との接合界面を跨ぐように、Ｃｕ３Ａｕからなる部位及びＡｕ及びＣｕからなる部位を含む相互拡散部位が形成されていることが判る。電子回折の結果から、相互拡散部位は、Ｃｕ３Ａｕの合金と、ＣｕにＡｕが固溶した固溶部位からなることが確認された。また、図５から、固溶部位では、焼結体側から支持体側に向けて銅の割合が漸減しており、且つ焼結体側から支持体側に向けて金が漸増していることが判る。固溶部位では、Ｃｕ１モルに対するＡｕのモル数は、０．０１モル〜０．３３モルの範囲であった。【００８５】
〔比較例４〕
（１）銅ペーストの製造
比較例１（１）と同様にして、銅ペーストを調製した。【００８６】
（２）ダイボンディング接合構造の製造
実施例２の（２）と同様にして、接合構造を形成した。得られた接合構造は、ダイと焼結体と支持体の接合を維持するだけの機械強度を有しておらず、得られた接合構造の放熱性の評価及び接合構造における焼結体と支持体との接合界面付近の深さ方向の元素分布を測定することができなかった。【００８７】
〔比較例５〕
（１）銅ペーストの製造
比較例２の（１）と同様にして、銅ペーストを調製した。【００８８】
（２）ダイボンディング接合構造の製造
実施例２の（２）と同様にして、接合構造を形成した。得られた接合構造における焼成体と支持体との接合界面付近の深さ方向の元素分布を、エネルギー分散形Ｘ線分析装置を備える走査透過型電子顕微鏡（日本電子株式会社製）を用いて測定したところ、支持体と焼成体との接合界面を跨ぐようなＣｕ３Ａｕからなる部位を含む相互拡散部位は観察されなかった。【００８９】
〔比較例６〕
（１）はんだペーストの準備
比較例３の（１）と同様にして、銅粉を用いないはんだペーストを用意した。【００９０】
（２）ダイボンディング接合構造の製造
１０ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍのニッケルからなる母材の表面に厚み１μｍの金めっき層を形成した支持体を用いた。この支持体における金めっき層の表面に、厚さ５０μｍの樹脂フィルム版を用いたスクリーン印刷によって、直径０．８ｍｍ形状のはんだペーストを５箇所に塗布した。支持体の中央に、ダイとして、５ｍｍ角、厚さ０．５ｍｍのニッケル板を載置した。ダイの下面には、厚み１μｍの金めっき層を形成しておいた。窒素雰囲気下、２００℃で１０分にわたり焼成を行い、接合構造を得た。【００９１】
〔評価〕
実施例及び比較例で得られたダイボンディング接合構造について、その放熱性を以下の方法で評価した。図１に示す構造のダイボンディング接合構造に関する実施例及び比較例の結果を以下の表１に示す。図３に示す構造のダイボンディング接合構造に関する実施例及び比較例の結果を以下の表２に示す。【００９２】
〔放熱性の評価方法〕
接合構造の支持体の裏面、すなわち、ダイを載置していない面に対してカーボンスプレーの塗布による黒化処理を施し、次いで、当該面に対し真空理工株式会社製の熱定数測定装置であるＴＣ−７０００を用いて３ｋＶのパルスレーザー光を照射した後のダイの表面温度の時間変化を熱電対で測定した。測定結果から、温度上昇量ΔＴの１／２だけ温度が上昇するのに要した時間ｔ(1/2)を算出し、放熱性を評価する指標とした。ここでは試験
の便宜上、支持体から接合部位を介したダイ側への放熱性を評価したが、熱をかける方向は本発明の評価において本質的ではない。温度上昇量ΔＴは、レーザー照射後の温度最大値とレーザー照射前の温度の差に相当する。ｔ(1/2)が小さいほど、支持体の裏面に入射された熱が速やかにダイの表面へ伝達されていることを表しており、良好な放熱性を有することを示す。【００９３】
【表１】
2017057645.tif 000003
【００９４】
【表２】
2017057645.tif 000004
【００９５】
表１及び表２に示す結果から明らかなとおり、各実施例で得られた接合構造は、比較例の接合構造に比べて放熱性が高いことが判る。【００９６】
〔実施例３〕
本実施例では、図１に示す構造の、ニッケルからなるダイボンディング接合構造を製造した。
（１）ニッケルペーストの製造
ニッケル粉として三井金属鉱業社製ＮＮ−２０を用いた。このニッケル粉の一次粒子の平均粒径Ｄは２０ｎｍであった。このニッケル粉８５部、トリエタノールアミン（関東化学社製）１５部を３本ロールミルにて混練しニッケルペーストを得た。【００９７】
（２）ダイボンディング接合構造の製造
１５ｍｍ角、厚さ０．１ｍｍのニッケル板（純度９９．９８％）からなる支持体に、厚さ５０μｍのメタルマスクを用いたスクリーン印刷によって、１０ｍｍ角形状のニッケルペーストを塗布した。支持体の中央に、ダイとして、１０ｍｍ角、厚さ０．１ｍｍのニッケル板（純度９９．９８％）を載置した。大気中、５℃／ｍｉｎで３００℃まで昇温し、３０分保持し、目的とする接合構造を得た。得られた接合構造における焼結体と支持体との接合界面付近のＴＥＭ像を図７に示す。同図から明らかなとおり、支持体と焼結体との接合界面を跨ぐように、支持体のニッケルと焼結体のニッケルとの相互拡散部位が形成されており、該相互拡散部位に、結晶方位が同方向であるニッケルの結晶構造が、接合界面を跨ぐように形成されていることが判った。【００９８】
〔実施例４〕
本実施例では、図１に示す構造の、銀からなるダイボンディング接合構造を製造した。
（１）銀ペーストの製造
銀粉として神岡鉱業株式会社製ＳＰＱ−０５Ｓを用いた。この銀粉の結晶子径は２１ｎｍ、平均粒径Ｄは１．０５μｍ、比表面積は１．００ｍ２／ｇであった。この銀粉９９部と、エチルセルロース（日進化成株式会社製エトセルＳＴＤ１００）１部と、テルピネオール１７部（日本テルペン化学株式会社製）とを、３本ロールミルにて混練し銀ペーストを得た。【００９９】
（２）ダイボンディング接合構造の製造
１５ｍｍ角、厚さ０．１ｍｍの銀板（純度９９．９８％）からなる支持体に、厚さ５０μｍのメタルマスクを用いたスクリーン印刷によって、１０ｍｍ角形状の銀ペーストを塗布した。支持体の中央に、ダイとして、１０ｍｍ角、厚さ０．１ｍｍの銀板（純度９９．９８％）を載置した。大気中、５℃／ｍｉｎで３００℃まで昇温し、３０分保持し、目的とする接合構造を得た。得られた接合構造における焼結体と支持体との接合界面付近のＴＥＭ像を図８に示す。同図から明らかなとおり、支持体と焼結体との接合界面を跨ぐように、支持体の銀と焼結体の銀との相互拡散部位が形成されており、該相互拡散部位に、結晶方位が同方向である銀の結晶構造が、接合界面を跨ぐように形成されていることが判った。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明のボンディング接合構造によれば、半導体素子のダイを初めとする各種の発熱体から生じた熱が効率的に支持体に伝導する。つまり本発明のボンディング接合構造は放熱性の高いものである。したがって本発明のボンディング接合構造は、コンバータやインバータ等の電力変換器で、その電力制御に利用されるパワーデバイスの接合構造として特に有用なものである。
【符号の説明】
【０１０１】
１  ダイボンディング接合構造
１０  半導体素子のダイ
２０  支持体
３０  接合部位
３１  銅粒子
３２  焼結体
４０，４３  接合界面
４１，４４  相互拡散部位
【図１】
2017057645.tif 000005
【図２】
2017057645.tif 000006
【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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【国際調査報告】
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