(57)【要約】【課題】製造時や動作時の熱サイクルにおいて半導体素子と回路パターン間の接合部にかかる応力を低減できる導電性接合材料、および信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。【解決手段】導電性接合材料１０の構成として、第１の金属からなり、第１の金属の融点よりも低い温度で焼結可能な金属微粒子１と、金属微粒子１よりも粒径が大きな樹脂の粒２ａに第１の金属と焼結可能な第２の金属を被覆した金属被覆樹脂粒２と、を骨材として備えるようにした。【選択図】図１
2011198674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属からなり、前記第１の金属の融点よりも低い温度で焼結可能な金属微粒子と、
前記金属微粒子よりも粒径が大きな樹脂の粒に前記第１の金属と焼結可能な第２の金属を被覆した金属被覆樹脂粒と、
を骨材として備えたことを特徴とする導電性接合材料。
【請求項２】
前記骨材中の前記金属被覆樹脂粒の体積割合が１５〜７５％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の導電性接合材料。
【請求項３】
前記第１の金属が、銀、金、銅のうちのいずれかであり、
前記第２の金属が、金、銀、パラジウム、白金、すず、銅、ＳｎＡｇはんだ、ＳｎＰｂはんだ、ＡｕＳｎはんだのうちのいずれかである、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の導電性接合材料。
【請求項４】
前記金属微粒子の粒径が、１ｎｍ〜１０μｍの範囲であり、
前記金属被覆樹脂粒の粒径が、１μｍ〜２０μｍの範囲である、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の導電性接合材料。
【請求項５】
回路パターンが形成された回路基板と、
前記回路パターン上に実装された半導体素子と、を備え
前記半導体素子の前記回路パターンへの接合に、
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の導電性接合材料を用いたことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料により形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記ワイドバンドギャップ半導体材料は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、ダイヤモンド、またはガリウムヒ素のうちのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体装置を構成する回路基板の回路パターン上の所定範囲に、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の導電性接合材料を塗布し、
前記導電性接合材料を塗布した部分に半導体素子を設置し、
前記金属微粒子どうし、および前記金属微粒子と前記金属被覆樹脂粒が焼結するように加熱して、前記半導体素子を前記回路パターンの所定位置に接合する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性を有する接合材料の構成に関するもので、とくに高温で動作する半導体装置に適した導電性接合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバーターなどの電力用半導体装置に使用されるスイッチング素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）や整流素子では、電力損失を低減する必要があり、近年、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ガリウムのようなワイドバンドギャップ半導体の電力用半導体装置が開発されている。ワイドギャップ半導体の場合、素子自身の耐熱性が高く、大電流による高温動作が可能であるが、その特性を発揮するためには、動作発熱を効率的に放熱するため、導電性に加え伝熱性に優れた接合材料が必要とされる。
【０００３】
一方、接合材料としてこれまで半導体装置や半導体モジュールで使用されてきた鉛入り高融点はんだに替わり、Ａｕ−Ｓｎ系またはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の熱伝導率の高い鉛フリーはんだ材料が使用されるようになってきた。しかし、これらの鉛フリーはんだでは、熱履歴による金属間化合物の成長や異種材料を接合することで接合部に応力集中が発生し、接合部の信頼性を損なわれることがあった。そこで、銅、銀、金、白金の粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍといったナノサイズの金属微粒子を含むペーストを接合材として用い、金属微粒子同士を焼結させ、絶縁基板の銅箔とパワー半導体チップの電極を接合する半導体装置の製造方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３５２０８０号公報（段落００３６、００４４〜００４６、図1）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようにナノサイズの金属微粒子を用いると、粒子表面の活性により、例えば、融点が９６１℃の銀でも、１５０〜３００℃という低い温度で焼結し接合を行うことができる。しかしながら、焼結系金属微粒子ペーストは、焼結反応によって引き起こされる焼結収縮により、接合部に収縮応力が発生する。収縮は半導体素子と金属板を接合面内に圧縮する方向に働き、接合層に応力（接合層の弾性率と歪みの積）として残留する。また、焼結体の金属組織は硬い（弾性率が大きい）ため、半導体装置の駆動や停止の繰返しに伴う温度サイクル等において、熱応力が大きくなる。これら収縮応力と熱応力は、しばしば半導体素子自身のクラック、接合層のクラック、接合界面の剥離など半導体装置の機能を損傷する問題を引き起こす。この現象は、たとえば、特許文献１の段落００８０に記されているように粒子径の異なる金属微粒子を加えた場合でも同様に生じる。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、製造時や動作時の熱サイクルにおいて接合部にかかる応力を低減できる導電性接合材料、および信頼性の高い半導体装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる導電性接合材料は、第１の金属からなり、前記第１の金属の融点よりも低い温度で焼結可能な金属微粒子と、前記金属微粒子よりも粒径が大きな樹脂の粒に前記第１の金属と焼結可能な第２の金属を被覆した金属被覆樹脂粒と、を骨材として備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、金属微粒子焼結体による剛直な金属マトリクス内に金属被覆樹脂粒による低弾性部位が存在することにより、破断のびや電気伝導性、熱伝導性を維持しながら接合部材の弾性率を低く抑えることができるので、焼結時やヒートサイクル時に接合部にかかる応力を低減し、接合部の信頼性を向上させることができる。また、その接合部材を用いて半導体素子を接合した半導体装置は信頼性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる導電性接合材料を説明するための接合過程における状態を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる導電性接合材料の構成を説明するための等価回路図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の構成を説明するための部分を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の接合部分の拡大断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１と図２は、本発明の実施の形態１にかかる導電性接合材料の構成を説明するための図である。図１は導電性接合材料および接合時の状態を模式したイメージを示す概略図であり、図１（ａ）は接合前のペースト材料の状態を、図１（ｂ）は接合途中の分散媒が乾燥したときの状態を、図１（ｃ）は焼結が進行して接合が完了したときの状態を示す。図２は接合完了時の導電性接合材料の基本的な２種類の骨材の働きを等価回路として示したものである。以下、詳細に説明する。
【００１１】
本発明の実施の形態１にかかる導電性接合材料は、金属からなり当該金属の融点よりも低い温度で焼結可能な金属微粒子１と、金属微粒子１よりも粒径が大きな樹脂の粒２ａに金属微粒子１と焼結可能な金属２ｂを表面に被覆した金属被覆樹脂粒２とを骨材として備え、２種類の骨材を分散媒３中に分散させたペースト材料１０Ｐである。図１（ａ）に示すように、焼結可能な金属微粒子として表面分散剤（図示せず）で被覆された銀フィラー１と、金属被覆樹脂粒として金を被覆した樹脂粒２とを分散媒３に分散させてペースト１０Ｐをなしている。
【００１２】
＜骨材１：金属微粒子＞
銀フィラー１の粒径は１ｎｍ〜１０μｍであり、形状は球状であってもフレーク状であっても良い。銀フィラー１の表面分散剤は例えば有機のアルコキシド系であり、銀フィラー１の表面を保護している。また、金属微粒子としては銀（Ａｇ）が熱伝導性、電気伝導性、安定性の観点から好適材料であるが、その他、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）などの微粒子も、その金属の融点よりも低い温度で焼結することができるので、第１の金属からなる金属微粒子１の材料として用いることができる。
【００１３】
＜骨材２：金属被覆樹脂粒＞
金被覆樹脂粒２は、ジビニルベンゼン架橋重合体からなり、金属微粒子１よりも粒径が大きく、粒径が１μｍ〜２０μｍの球状の樹脂のコア（樹脂の粒）２ａの表面に金属層２ｂを被覆したものである。金属層２ｂとしては、ニッケル（Ｎｉ）を３０ｎｍ以上めっきし、更に金（最表面）を２０ｎｍ以上めっきして形成した。樹脂コア２ａの材料にはジビニルベンゼン架橋重合体が耐熱性や安定性の面で優れているが、その他にフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂を用いることもできる。また、形状は球状であってもフレーク状であっても良い。最表面の被覆金属としては、金が優れているが、銀、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）も安定性に優れて適している。また、貴金属以外でもすず（Ｓｎ）、銅が使用可能で、はんだ（ＳｎＡｇ、ＳｎＰｂ、ＡｕＳｎ）も適用可能である。これらの金属を被覆する際、最表面の金属層と樹脂コア２ａとの間の密着性を改善するために、上記のような金に対してニッケル層を設けるように、はんだに対して銅層等の中間層を設けることも可能である。また、被覆方法としては、無電解メッキを用いたが、その他プラズマ蒸着等の一般的な被覆技術を用いることができる。
【００１４】
＜分散媒＞
分散媒３は、アルコール系、エーテル系、グリコールエーテル系、酢酸エステル系などを用いる。
【００１５】
つぎに、本発明の実施の形態１にかかる導電性接合材料により接合を行う方法および接合後の動作について導電性接合材料の状態を用いて説明する。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すペースト状の導電性接合材料１０Ｐを加熱した状態を示すもので、ペーストに含まれる分散媒３が乾燥すると同時に、銀フィラー１どうし、金属被覆樹脂粒２の被覆金属２ｂと銀フィラー１との焼結が開始した一次焼結体１０Ｓ１を表している。加熱条件は、樹脂コア２ａが溶融や分解を起こさず分散媒３を効率よく蒸発させる温度で行う必要があり、加熱温度２００℃以下、加熱時間３０分程度であるが、この温度および時間は、金属微粒子表面の表面分散剤の種類や分散媒３の種類および接合部分の面積によって異なる。
【００１６】
図１（ｃ）は、図１（ｂ）の一次焼結体１０Ｓ１を更に加熱したもので、銀フィラー１どうし、金属被覆樹脂粒２の被覆金属２ｂと銀フィラー１との焼結が完了した二次焼結体１０ＳＣを表している。加熱条件は、樹脂コア２ａが溶融や分解を起こさず、銀フィラー１の焼結が進行する温度で行う必要があり、加熱温度２５０℃以下、加熱時間６０分程度である。この温度および時間は、金属微粒子および金属微粒子表面の表面分散剤の種類によって異なる。
【００１７】
このように焼結が進行すると、銀フィラー１（金属微粒子）と金属被覆樹脂粒２が三次元網目構造で金属結合し、銀焼結体１Ｓと金属被覆樹脂粒２の複合マトリクスが形成できる。すなわち、図２の等価回路に示すように、焼結銀１Ｓの剛直な金属マトリクス内に金属被覆樹脂粒２による低弾性部位を導入できる。
【００１８】
二次焼結体１０ＳＣは分散媒３が完全に乾燥しているため、元のペースト１０Ｐにおける金属被覆樹脂粒２の体積分率が１０％であった場合、焼結体１０ＳＣの組成は金属被覆樹脂粒２が体積２０％で、残りの体積８０％が焼結銀１Ｓとなる。金属マトリクス内に低弾性部位を導入した複合マトリクスは電気伝導と熱伝導のパスとして機能する。また、金属被覆樹脂粒２の寸法が銀粒子１の寸法よりも大きいため、金属被覆樹脂粒２を含む一定体積内の焼結点が減少し（銀の焼結密度が低下し）、焼結過程で発生する収縮応力を緩和する効果がある。
【００１９】
＜配合＞
上記のように金属マトリクス内に低弾性部位を導入した複合マトリクスを形成するため、本実施の形態１にかかる導電性接合材料では、２種類の骨材１、２と分散媒３を以下のように配合した。骨材中の金属被覆樹脂粒２と金属微粒子１の割合を体積比で１対４とし、骨材と分散媒を体積比で１対１としてペースト状に仕上げた。つまり、骨材中の金属被覆樹脂粒２の割合は２０％で、ペースト中の骨材の体積割合は５０％となる。なお、上記割合は後述する応力緩和効果を得るために以下の範囲内に設定すればよいことがわかった。
【００２０】
骨材中の金属被覆樹脂粒２の体積割合は、１５％〜７５％の範囲とする。金属被覆樹脂粒２が金属マトリクス内で低弾性部位として働くためには、骨材中の割合が１５％以上必要である。金属被覆樹脂粒２の骨材中の割合が１５％未満の場合、焼結銀１Ｓによるマトリクスが強固なものとなりすぎて、弾性率を低下させることができず、応力緩和効果を発揮できなくなるからである。一方、金属被覆樹脂粒２の骨材中の割合が７５％を超えると、焼結銀１Ｓが金属被覆樹脂２により分断されてマトリクスが形成できず、接合体強度が低下するとともに導電性や熱伝導性が損なわれて接合材として基本的に求められている物性が得られなくなるからである。なお、本実施の形態では、骨材としては、金属微粒子１と金属被覆樹脂粒２の２種類を有する導電性接合部材について説明したが、その他の種類の骨材として、例えば、ファイバーや鱗状といった形状の異なるフィラーや金属種の異なるフィラー等を適宜添加しても良く、その場合でも骨材中の金属被覆樹脂粒２の割合を上記範囲に定めるのが好ましい。
【００２１】
また、ペースト中の骨材の体積割合は塗布のしやすさ、および塗布後の収縮の少なさを考慮すると４５〜５０％程度が適している。この場合も骨材の割合が５０％を超えると、ペーストの流動性が悪くなって、思い通りのパターンに塗布できなくなり、逆に４５％未満だと塗布後の乾燥工程において収縮が大きくなって接合部内の均一性が損なわれたり、半導体素子と回路パターン間の位置決めが困難になったりするからである。なお、ペースト中の金属被覆樹脂粒２の体積割合範囲は、上記のような条件を考慮すると約７％〜３５％の範囲となり、例えば、市販されている焼結系銀ペーストに金属被覆樹脂粒２を添加して導電性接合部材１を得ようとする場合には、ペースト中に金属被覆樹脂粒２が７〜３５％含まれるように金属被覆樹脂粒２を添加すればよい。
【００２２】
つぎに、本発明の実施の形態１にかかる導電性接合材料の性能を試験するために、比較試験を実施した。
実施例１として、表面分散剤で被覆された平均粒径１〜２μｍの焼結系銀フィラー１と、粒径５μｍ（Ａｕ層２０ｎｍ、中間Ｎｉ層３０ｎｍ）の金属被覆樹脂粒２（ミクロパールAU-205：積水化学（株）製）を、アルコール系分散媒３に分散および混練し、導電性ペースト１０Ｐを作成した。アルコール系分散媒として、２−エチル−１，３−ヘキサンジオールを用いた。焼結系銀フィラー１、金属被覆樹脂粒２、および分散媒３の比は、重量比で８５．３：４．５：１０．２（体積比で３９．１：８．８：５２．１相当）とした。本導電性ペースト１０Ｐをガラス板上に１００μｍの厚さで印刷し、循環式オーブンで８０℃・３０分の条件で加熱し分散媒３を乾燥させた後、同じく循環式オーブンで２００℃・６０分の条件で加熱し、約６０μｍ厚の焼結体１０ＳＣのフィルムを得た。
【００２３】
比較例１として、金属被覆樹脂粒２を備えない焼結系銀ペーストとして、実施例１と同じ表面分散剤で被覆された平均粒径１〜２μｍの焼結系銀フィラー１を、実施例１と同じアルコール系分散媒３に分散および混練し、導電性ペーストを作成した。焼結系銀フィラー１、および分散媒３の比は、重量比で９１：９（体積比で４８：５２相当）とした。比較例のペーストもガラス板上に１００μｍの厚さで印刷し、循環式オーブンで８０℃・３０分の条件で加熱し分散媒３を乾燥させた後、同じく循環式オーブンで２００℃・６０分の条件で加熱し、約６０μｍ厚の焼結体のフィルムを得た。
【００２４】
得られた焼結体のフィルムを１×１０×０．０６ｍｍの試験片に加工し、引っ張り強度試験機（TMA/SS6300：エスアイアイナノテクノロジー社製）を用いて、引張強度試験を行った。評価結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
2011198674.tif 000003
【００２６】
表１に示すように、本発明の実施例１の導電性接合材料の焼結体１０ＳＣの弾性率は、比較例１の焼結体に比べて、破断延びを損なうことなく、弾性率を低くできたことが分かる。なお、表１において破断強度および破断延びに絶対値ではなく、下限値を入れたのは、試験機の上限荷重を超えたためである。半導体素子や回路パターンといった被接合体の接合面にかかる応力は接合層（本例では焼結体）の弾性率に比例する（応力は弾性率と歪みの積）が、本発明の実施の形態にかかる導電性接合材料は、接合強度（破断強度、破断のび）を保ったまま、弾性率を低く抑えているので、応力緩和特性に優れていることがわかる。
【００２７】
＜導電性接合材料の調整＞
導電性接合材料のペースト組成は、効果の観点からは、体積で管理すべきものであるが、実際の製造（調整）では、重量により管理している。具体的には、焼結後の体積比で銀フィラー１と金属被覆樹脂粒２の配合が上記範囲に入るよう、各材料の調合を重量比で行う。ここで、銀の比重は物性から１０．４９、金属被覆樹脂の比重は各構成材料の物性値と割合から表２および、以下に示すように２．４７となる。
【００２８】
【表２】
2011198674.tif 000004
【００２９】
ここで、各構成材料の重量分率は、金属被覆樹脂粒２の重量分析により得られた。得られた各々の重量分率をそれぞれの物性値である比重（金：１９．３２、ニッケル：比重８．９１、樹脂：比重１．１９）で除した値（商）が体積比である。次に、各々の体積比を体積比の総和で除した値（商）が体積分率である。最後に、各々について比重と体積分率の積を算出し総和を求め、金属被覆樹脂の比重２．４７を得た。
【００３０】
焼結後に、金属微粒子１：金属被覆樹脂粒２の体積比を実施例で示したように８１．７：１８．３とする場合（表３）について解説する。
【００３１】
【表３】
2011198674.tif 000005
【００３２】
各々の体積比と比重の積から重量比が求まり、その重量比を重量比の総和で除した値（商）が重量分率である。重量分率が金属微粒子１：金属被覆樹脂粒２＝９５：５であるので、固形（骨材）分１００ｇのペーストを作るには、銀フィラー１を９５ｇ、金属被覆樹脂粒２を５ｇ配合すれば良いことになる。
【００３３】
上記２種の骨材１、２を分散媒３中に分散させてペーストにするためには、ペースト中の固形分体積が４５〜５０％（分散媒３が５０〜５５％）にするのが適正である。金属微粒子１である銀フィラー９５ｇ、金属被覆樹脂粒２である金被覆樹脂粒５ｇの体積は、それぞれを比重で除して、銀フィラーは９．１ｃｍ３（＝９５／１０．４９）、金被覆樹脂粒は２．０ｃｍ３（＝５／２．４７）なので、固形分体積は１１．１ｃｍ３（＝９．１＋２．０）である。分散媒３の体積分率を５２．１％にするには、分散媒３を１２．１ｃｍ３（＝１１．１×５２．１／（１００−５２．１））加える必要があるが、分散媒３の管理も重量で行うため、分散媒の比重０．９４２から算出した１１．４ｇ（＝１２．１×０．９４２）を分散媒３の混合量とした。
【００３４】
なお、上記の導電性接合部材は、金属微粒子１、金属被覆樹脂粒２のそれぞれを分散媒３に混合して調整する例を示したが、市販の焼結系銀フィラーペーストに金属被覆樹脂粒２と適量の分散媒３を追加することによって調整することも可能である。例えば、市販の焼結系金属微粒子ペースト（ＭＡＸ１０２：日本データマテリアル（株）製）に対して、金属被覆樹脂粒２（ミクロパールAU-205：積水化学（株）製）を、２−エチル−１，３−ヘキサンジオールとともに添加して調整しても実施例１に示したものと同様の効果を奏する導電性接合部材を得ることができる。
【００３５】
以上のように、本発明の実施の形態１にかかる導電性接合材料によれば、第１の金属からなり、第１の金属の融点よりも低い温度で焼結可能な金属微粒子１と、金属微粒子１よりも粒径が大きな樹脂の粒２ａに第１の金属と焼結可能な第２の金属を被覆した金属被覆樹脂粒２と、を骨材として備えるように構成したので、接合後に金属微粒子焼結体１Ｓによる剛直な金属マトリクス内に金属被覆樹脂粒２による低弾性部位が存在することになり、破断のびや電気導電性、熱伝導性を維持しながら接合部材１０ＳＣの弾性率を低く抑えることができるので、焼結時やヒートサイクル時に接合部にかかる応力を低減し、接合部の信頼性を向上させることができる。
【００３６】
とくに、焼結後に残る骨材中の金属被覆樹脂粒２の割合を体積分率で１５％〜７５％の間に調整したので、接合後の金属微粒子焼結体１Ｓによる剛直な金属マトリクス内で金属被覆樹脂粒２による低弾性部位が有効に機能し、破断のびや電気導電性、熱伝導性を維持しながら接合部材１０ＳＣの弾性率を効果的に低く抑えることができる。
【００３７】
また、金属微粒子１の第１の金属が、銀、金、銅のうちのいずれかであり、金属被覆樹脂粒２の第２の金属が、金、銀、パラジウム、白金、すず、銅、ＳｎＡｇはんだ、ＳｎＰｂはんだ、ＡｕＳｎはんだのうちのいずれかであるように構成すると、金属微粒子１を構成する金属の融点よりも低い温度で金属微粒子１どうしおよび金属微粒子１と金属被覆樹脂粒２が容易に焼結できる。
【００３８】
また、金属微粒子１粒径が１ｎｍ〜１０μｍの範囲であり、金属被覆樹脂粒２の粒径が、１μｍ〜２０μｍの範囲であるように構成したので、焼結後に剛直な金属マトリクス内で金属被覆樹脂粒２による低弾性部位が有効に機能し、破断のびや電気導電性、熱伝導性を維持しながら接合部材１０ＳＣの弾性率を効果的に低く抑えることができる接合体が得られる。
【００３９】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、上述した導電性接合材料を用いた半導体装置および半導体装置の製造方法について説明する。図３〜図５は、実施の形態１で示した導電性接合材料を用いて半導体素子を装着した半導体装置および半導体装置の製造方法を説明するためのもので、図３は半導体装置の半導体素子を装着した部分の平面図（図３（ａ））と断面図（図３（ｂ））、図４は半導体素子と回路パターン間の接合部分を拡大したいわば図３（ｂ）と同じ断面部分の拡大図、図５は導電性接合材料を用いて半導体装置を製造する方法を説明するためのフローチャートである。
【００４０】
図３は本発明の導電性接合部材を用いて製造した炭化ケイ素を用いたワイドギャップ半導体を実装した電力用半導体装置の部分を示す模式図であり、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）が図３（ａ）のＡ−Ａ線による断面図である。図において、電力用半導体装置１００は、絶縁性の回路基板７上に複数の銅の回路パターンが形成され、そのうちのひとつの回路パターン５にドレイン電極側を接合したＳｉＣからなる半導体素子４が配置されている。
【００４１】
この回路パターン５への半導体素子４の接合を上述した導電性接合部材１０を用いて行った。図４に示すように、半導体素子４のドレイン電極側の接合面には金属層４ｃが設けられており、例えばＮｉ（７μｍ厚）／Ａｕ（０．０２μｍ厚）を施している。半導体素子４は、上述した炭化ケイ素以外にも、シリコンやいわゆるワイドバンドギャップ半導体である、ガリウム−ヒ素、窒化ガリウム、ダイヤモンドなどが用いられる。また、半導体素子４と対向する金属板である回路パターン５は銅からなり、その接合面にも１μｍ厚程度の金、銀、パラジウム、白金などの貴金属めっき層５ｃを形成している。
【００４２】
つぎに、具体的な接合手順について図５のフローチャートも用いて説明する。
半導体素子４を実装するための回路パターン５が形成された回路基板７を所定位置にセッティングして接合を開始する（ステップＳ１０）。銅の回路パターン５上（厳密には貴金属メッキ層５ｃ上）の所定の範囲に導電性接合材料１０を印刷またはディスペンスにより塗布（ステップＳ２０）し、次に半導体素子４を搭載する（ステップＳ３０）。次に、ホットプレートまたはオーブンのような乾燥装置により、８０℃の温度で加熱する（ステップＳ４０）。温度を維持して３０分程度加熱すると、分散媒３の乾燥（揮発）が完了する（ステップＳ５０で「Ｙ」）ので、第２の加熱として、設定温度を２００℃に上昇させて加熱する（ステップＳ６０）。温度を維持して６０分程度加熱すると、銀フィラー１どうしおよび銀フィラー１と金属被覆樹脂粒２の被覆金属（金）２ｂの焼結が完了（ステップＳ７０で「Ｙ」）し、半導体素子４と回路パターン５との接合が完了する（ステップＳ８０）。
【００４３】
このとき、キュアは図示しない治具または組立装置により荷重を印加した状態で行っても良い。このようにして回路パターン上に半導体素子やその他の部材を実装した半導体装置または半導体モジュールが製造できる。これらの半導体装置は、特に接合部において優れた電気伝導性、熱伝導性、応力緩和性を有するため、高温動作環境に対応でき、熱ストレスに優れる。特に、パワー半導体装置は高温で使用されるので、更に効果が顕著となる。
【００４４】
上記のように回路基板に実装された半導体素子４に対して、例えば、半導体素子４と銅端子８間を銅製のインナーフレーム６によって電気的に接続し、半導体素子４と図示しない外部電極とを電気接続する。こういった接続を繰り返し、半導体装置１００が形成されていく。なお、半導体素子４の上面には厳密にはゲートパッドやソース電極が形成されているが、図では簡略化して上面全体にソース電極が形成されているものとして記載している。また、半導体素子４のソース電極の表面には、接続を良くするための図示しない厚さ数μｍの薄いアルミニウムの下地（電極）が形成されている。
【００４５】
上記半導体素子１００を動作させると、動作温度が２００℃以上に上昇し、一時的には数百度まで上昇することがある。しかし、本実施の形態のような２種類の骨材を備えた導電性接合部材で接合していると、接合部は基本的にその金属の融点以下では融けることがなく、半導体素子の動作温度以内であれば、強固に接合強度を維持することができる。一方、接合部材１０ＳＣは上述したように金属マトリクス中に低弾性部材を導入して弾性率を抑制しているので、温度変化が激しくなっても接合部（被接合体である半導体素子４や回路パターン５の端部や接合部材自身）にかかる応力を低減できるので、接合強度を長期間保つことができる。さらに、半導体装置においては、被接合体である半導体素子４の上側にはボンディングワイヤやボンディングリボン等が接合され、ボンディング材６と回路基板７との線膨張率差により、半導体素子４と回路パターン５間に応力がかかる場合もあるが、その場合でも金属マトリクスによる強固な接合に加え低弾性部材による弾性率抑制の効果により、接合部分にかかる応力を低減し、接合部の信頼性を向上させることができる。
【００４６】
ここで、たとえば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子に、炭化ケイ素や、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたケイ素で形成された素子よりも電力損失が低いため、電力用半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、電力用半導体装置の小型化が可能となる。さらにワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、電力用半導体装置の一層の小型化が可能になる。
【００４７】
一方、ワイドバンドギャップ半導体素子の性能を発揮するには、半導体素子に電流が流れるときの電気抵抗を下げるとともに、半導体素子で発生した熱を効率よく放熱する必要がある。そのため、本発明の実施の形態に記載した接合部材を用いて半導体素子を実装すれば、放熱特性、電気伝導性にも優れるとともに、製造時や駆動時の熱サイクル下でも強固な接合を維持できるので、信頼性の高い半導体装置や半導体モジュールを得ることができる。
【００４８】
以上のように、本実施の形態にかかる半導体装置によれば、回路パターン５が形成された回路基板７と、回路パターン５上に実装された半導体素子４とを備え、半導体素子４と回路パターン５への接合に、上述した導電性接合材料１０を用いるようにしたので、製造時や駆動時の熱サイクル下でも強固な接合を維持し、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００４９】
また、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、回路パターン５上に上述したペースト状の導電性接合材料１０Ｐを所定範囲に塗布し（ステップＳ２０）、導電性接合材料を塗布した部分に半導体素子４を設置し（ステップＳ３０）、加熱して、金属微粒子１どうしおよび金属微粒子１と金属被覆樹脂粒を焼結させる（ステップＳ４０〜Ｓ７０）、ようにしたので、製造時や駆動時の熱サイクル下でも強固な接合を維持し、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００５０】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、上述した導電性接合材料を用いた太陽電池モジュールの製造方法について説明する。
【００５１】
太陽電池セルは、Ｓｉ基板に異種元素をドープした半導体であり、その表裏面にはＩＴＯ透明導電膜および高温焼成Ａｇによるグリッド配線、およびグリッド配線と垂直に交差するバス電極が形成されている。これらグリッド配線、バス電極は高温焼成Ａｇペーストをスクリーン印刷法で描画し、４００℃程度の高温で焼成して形成される。また、個々のバス電極にはセルから片側に突出する形でＣｕリボンタブ線が接合される。その際のＣｕリボンタブ線の突出方向は、セル上下面において逆方向となるように接合される。このバス電極へのＣｕリボンタブ線の接合を上述した導電性接合部材１０を用いて行った。
【００５２】
隣接する太陽電池セルを直列に電気的接続するため、Ｃｕリボンタブ線を曲げて溶接接続する。具体的には左右に太陽電池セルが並べて接続する場合、左のセルの上面には右方向突出したＣｕリボンタブ線があり、右のセルの下面には左に突出したＣｕリボンタブ線がある。それらＣｕリボンタブ線の突出部同志を重ね合わせスポット的にはんだを使って熱圧着することで接合する。このような組み立て作業を繰り返し、大面積の太陽電池セル連結体を得る。これら太陽電池セル連結体はＥＶＡ（エチレン酢酸ビニル共重合体）で封止され、更に上下面を強化ガラス板やバックフィルムを貼り合わせることで、太陽電池モジュールが完成する。
【００５３】
このように、太陽電池モジュールは太陽電池セル同士をＣｕリボンタブ線で電気的に連結した構成を採る。太陽電池の場合、セル上で発電した電力を効率良く集電するために、Ｃｕリボンタブ線の接合部において、導電性に優れた接合材料が必要とされる。
【００５４】
従来の製造方法では、太陽電池セルの接続部はＡｌパターン上に高温焼成Ａｇのパターンを形成し、高温焼成Ａｇのパターン（バス電極）とＣｕリボンタブ線との接合材としてＳｎ-Ａｇ系はんだが使用されてきた。高効率化を低コストで実現するために、Ｓｎ-Ａｇ系はんだの代替として熱硬化性樹脂中に銀粉を分散させたＡｇペーストや前記半導体装置と同様の金属微粒子を含むペーストを用いることも提案されているが、冒頭で説明したように、低電気抵抗の導電性と太陽電池セルを損傷しない低応力性を両立させることはできなかった。
【００５５】
しかし、本実施の形態３に示すように本発明の実施の形態１にかかる導電性接合材料１０を用いて接合することにより、低電気抵抗の導電性と太陽電池セルを損傷しない低応力性を両立させることができる。特にバス電極とＣｕリボンタブ線の接合部において、優れた電気伝導性、応力緩和性を有するため、太陽電池モジュールの製造工程および使用環境下における熱ストレス耐性を向上させ、信頼性の高い太陽電池モジュールを得ることができるようになった。
【００５６】
もちろん、本発明の実施の形態にかかる導電性接合材料やこれを用いた接合方法は、半導体や太陽電池モジュール以外の部材に用いても信頼性の高い接合体を形成することができることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５７】
１  銀フィラー（金属微粒子）、  ２  金属被覆樹脂粒（２ａ：樹脂の粒（樹脂コア）、２ｂ：被覆金属）、  ３  分散媒、  １０  導電性接合部材（１０Ｐ：ペースト、１０Ｓ１  一次焼結体、  １０ＳＣ  二次焼結体）
４  半導体素子、  ５  回路パターン（金属板）、  ７  回路基板、  １００  半導体装置。
【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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