(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】所定の間隔ｔ５をあけて対向する２つの部材６、７の対向面６ｆ、７ｆ間に介在して、２つの部材６、７を導電接合する導電性接合構造体５であって、樹脂繊維４ｆを用いてシート状に形成され、シート面が対向面６ｆ、７ｆに向くように対向面６ｆ、７ｆ間に敷設された網状樹脂体（樹脂メッシュ）４と、樹脂繊維４ｆの径φ４ｆおよび網状樹脂体４の網目の開口Ｄ４ｆよりも小さな粒子径を有する金属微粒子１を、網目内を含む対向面６ｆ、７ｆ間に充填し、当該金属の融点よりも低い温度で焼結することにより形成される焼結構造体１ｓと、を備えるようにした。【選択図】図１
2011238779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔をあけて対向する２つの部材の対向面間に介在して、前記２つの部材を導電接合する導電性接合構造体であって、
樹脂繊維を用いてシート状に形成され、シート面が前記対向面に向くように前記対向面間に敷設された網状樹脂体と、
前記樹脂繊維の径および前記網状樹脂体の網目の開口よりも小さな粒子径を有する金属微粒子を、前記網目内を含む前記対向面間に充填し、当該金属の融点よりも低い温度で焼結することにより形成される焼結構造体と、
を備えたことを特徴とする導電性接合構造体。
【請求項２】
前記金属微粒子を構成する金属が、銀、金、銅のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の導電性接合構造体。
【請求項３】
前記樹脂繊維の表面が、金属層により被覆されてい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構造体。
【請求項４】
前記金属層の最表面を構成する金属が、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３に記載の導電性接合構造体。
【請求項５】
前記網状樹脂体の厚みが、当該導電性接合構造体の厚みに対して２０〜１００％であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の導電性接合構造体。
【請求項６】
前記金属微粒子の粒径が、１ｎｍ〜１０μｍであり、
前記樹脂繊維の径が、５μｍ〜１００μｍであり、
前記網状樹脂体の網目の開口が、２０μｍ〜５００μｍである、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の導電性接合構造体。
【請求項７】
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６のいずれか１項に記載の導電性接合構造体を用いたことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
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７に記載の半導体装置。
【請求項９】
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８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
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、金属微粒子を骨材とする焼結系のペースト材料の塗布層を形成する工程と、
前記塗布層の塗布面に前記金属微粒子の粒子径よりも大きな径を有する樹脂繊維を用いたシート状の網状樹脂体を載せる工程と、
前記網状樹脂体の上に半導体素子を設置して加圧し、前記網状樹脂体の網目内に前記ペースト材料が充填されるように前記網状樹脂体を前記塗布層中に埋設させる工程と、
前記金属微粒子どうし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工程と、を含む、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
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、金属微粒子を骨材とする焼結系のペースト材料により、第１の塗布層を形成する工程と、
樹脂繊維を用いてシート状に形成された網状樹脂体を内蔵し、前記樹脂繊維の径および前記網状樹脂体の網目の開口よりも小さな粒子径を有する金属微粒子を焼結して形成されたフィルムを、前記第１の塗布層の塗布面に載せる工程と、
前記フィルム上に前記ペースト材料により、第２の塗布層を形成する工程と、
前記第２の塗布層の塗布面に半導体素子を設置する工程と、
前記金属微粒子どうし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工程と、を含む、
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構造体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構造体に関する。
【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、電気伝導性に加え熱伝導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（例えば特許文献１参照。）や、焼結性の金属微粒子中に金属繊維を含むようにした接合材料（例えば特許文献２参照。）が提案されている。
【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）
【特許文献２】特開２００８−４６５１号公報（段落００２１、図１、図５）
【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、焼結性の金属微粒子中に金属繊維を加えた場合や、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構造体、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構造体は、所定の間隔をあけて対向する２つの部材の対向面間に介在して、前記２つの部材を導電接合する導電性接合構造体であって、樹脂繊維を用いてシート状に形成され、シート面が前記対向面に向くように前記対向面間に敷設された網状樹脂体と、前記樹脂繊維の径および前記網状樹脂体の網目の開口よりも小さな粒子径を有する金属微粒子を、前記網目内を含む前記対向面間に充填し、当該金属の融点よりも低い温度で焼結することにより形成される焼結構造体と、を備えたものである。
【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樹脂繊維による低弾性部位が存在することにより、破断のびや電気導電性、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、その導電性接合構造体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構造体および接合体の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる導電性接合構造体に用いる樹脂メッシュの構成を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる導電性接合構造体による接合体の製造方法を説明するための工程ごとの状態を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の構成を説明するための部分を示す図である。
【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工程ごとの状態を示す断面図である。
【図６】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。
【図７】本発明の実施の形態２の変形例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。
【図８】本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法を説明するための工程ごとの状態を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３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〜図３は、本発明の実施の形態１にかかる導電性接合構造体、および導電性接合構造体の形成方法を説明するための図である。図１は導電性接合構造体の構成を説明するための図であり、図１（ａ）は２つの被接合部材を接合した接合体を示す平面図で、導電性接合構造体において樹脂メッシュ（網状樹脂体）が挿入された範囲を示すために一部を透過させた状態の図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線を切断面とする断面図である。図２は導電性接合構造体に用いる樹脂メッシュの構成を説明するための図であり、図２（ａ）は樹脂メッシュの平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるａ−ａ線を切断線とする断面図である。図３は、導電性接合構造体を構成するために、図２（ａ）におけるメッシュのａ−ａ線またはｂ−ｂ線断面に対応する接合工程中の断面の状態を説明するためのものであり、図３（ａ）〜図３（ｄ）は接合材料部分のみを、図３（ｅ）は接合体内での導電性接合構造体部分を示す。
【００１１】
図１に示すように、接合体１０は、導電性材料である銅板６と半導体材料である半導体素子７とを本発明の実施の形態１にかかる導電性接合構造体５により接合したものであり、導電性接合構造体５は、焼結系の金属微粒子の焼結体１ｓ中に網状樹脂体である樹脂メッシュ４を挿入したものである。樹脂メッシュ４は、図２（ａ）に示すように、縦方向の複数の繊維４ｆＶと横方向の複数の繊維４ｆｈとを編み込んでメッシュ状に形成した樹脂メッシュであり、接合対象物間の間隙（６ｆ−７ｆ間）に形成された導電性接合構造体５内で接合面となる対向面（図１の７ｆ、６ｆ）のほぼ全面をカバーするように接合面の延在方向に平行に配置されている。そして、樹脂メッシュ４の縦方向の繊維４ｆＶと横方向の繊維４ｆｈの径φ４ｆは、後述する焼結系の金属微粒子の径より大きな５〜１００μｍの範囲、網目の開口Ｄ４ｆも金属微粒子の径より大きな２０〜５００μｍのものを用いた。なお、樹脂メッシュ４としての厚みｔ４は、樹脂繊維４ｆの質や編み方、メッシュシートとしての平坦化処理等によって変化するが、おおよそ樹脂繊維の径φ４ｆの２倍の１０〜２００μｍとなる。図２（ｂ）に示すように、樹脂メッシュ４の繊維４ｆＶ、４ｆｈ（まとめて４ｆ）の繊維芯となる樹脂材料部分４ｍａには、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ナイロン、ポリフェニレンサルファイド（PPS）、液晶ポリマー、アラミド繊維などの有機材料を用い、表面は、金属被覆層４ｍｂにより被覆されている。
【００１２】
金属被覆層４ｍｂの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。金属被覆層４ｍｂの厚さは０．０３μｍ〜２μｍの範囲が好適である。これらの金属を被覆する際、最表面の金属層と樹脂繊維芯４ｍａ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。また、金属被覆層４ｍｂは樹脂繊維芯４ｍａを編んだ後（メッシュ化後）に行うのが通常であるが、逆に素線段階（メッシュに編み込む前）で金属被覆層４ｍｂを形成した繊維４ｆを編んで（メッシュ化して）も良い。
【００１３】
図３は本発明の実施の形態に係る導電性接合構造体を形成する際の工程を説明するための、焼結過程毎のイメージを示す概略断面図である。図３（ａ）は、導電性接合構造体の主構成材料である焼結体１ｓのもとになる銀フィラー１を含有する焼結銀ペースト材料３と樹脂メッシュ４の断面（ａ−ａ断面相当）を示すものである。焼結銀ペースト３は表面分散剤（図示せず）で被覆された銀フィラー１を分散媒２に分散させた焼結系ペースト材料であり、分散媒２には、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、焼結系ペースト材料３中の体積分率は約５０％である。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、焼結系ペースト材料の骨材として用いることができる。
【００１４】
はじめに、図３（ａ）に示すように、焼結系ペースト材料３を接合対象である例えば図１における銅板６上（図示せず）に所定厚みで印刷する。そして、印刷した焼結系ペースト材料３の塗膜の上に、接合面の範囲をカバーするように樹脂メッシュ４を乗せる。
【００１５】
つぎに、図３（ｂ）に示すように、樹脂メッシュ４の上から、合計で樹脂メッシュ４の厚さｔ４よりも厚くなるように、焼結系ペースト材料３をさらに塗布し、樹脂メッシュ４を焼結系ペースト材料３中に埋没させた接合構造前駆体５ｐ１が形成される。
【００１６】
上記接合構造前駆体５ｐ１を加熱して乾燥させる。これにより、図３（ｃ）に示すようにペースト材料３に含まれる分散媒２が乾燥すると同時に、銀フィラー１間、樹脂メッシュ４の金属被覆層４ｍｂと銀フィラー１間それぞれの焼結が開始した一次焼結体５ｐ２が形成される。このときの加熱条件は、樹脂メッシュ４の主構成材料である樹脂繊維芯４ｍａが溶融や分解を起こさない温度で行う必要があり、２００℃以下の温度で３０分程度保持している。この温度および保持時間は、骨材である金属微粒子１の表面を覆う表面分散剤の種類や分散媒の種類、および接合面（対向面）の大きさによって異なる。
【００１７】
図３（ｄ）は、図３（ｃ）の一次焼結体５ｐ２を更に加熱したもので、銀フィラー１間、樹脂メッシュ４の金属被覆層４ｍｂと銀フィラー１間それぞれの焼結が完了した二次焼結体、つまり導電性接合構造体５を表している。加熱条件は、樹脂繊維芯４ｍａが溶融や分解を起こず、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、銀フィラー１および銀フィラー１表面の表面分散剤の種類によって異なる。
【００１８】
このようにして、図３（ｅ）に示すように、銅板６と半導体素子７とが導電性接合構造体５により電気的に接合された接合体１０が形成される。このとき、接合層の厚さ、つまり導電性接合構造体５の厚さｔ５に対して樹脂メッシュ４の厚さｔ４が２０〜１００％になるように、焼結性ペースト材料３の塗布量を調節する。これにより、焼結性の骨材である銀フィラー１と樹脂メッシュ４が三次元網目構造で金属結合し、銀焼結体１ｓと樹脂メッシュ４の複合マトリクスが形成できる。すなわち、焼結銀１ｓの剛直な金属マトリクス内に低弾性部位を導入できる。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、樹脂メッシュ４の繊維径φ４ｆが銀粒子１の寸法よりも大きいため、見かけ体積内（樹脂メッシュ４を含む一定体積内）の焼結点が減少し（銀粒子１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もある。
【００１９】
上述した接合層厚さｔ５に対する樹脂メッシュ４の厚さｔ４の割合（２０〜１００％）、樹脂メッシュ４の繊維径φ４ｆの範囲（金属微粒子の径より大きく、５〜１００μｍ）、樹脂メッシュの網目の開口Ｄ４ｆの範囲（金属微粒子の径より大きく、２０〜５００μｍ）は、上記のような複合マトリクスの機能を発現させるために必要なものである。樹脂メッシュ４の厚さｔ４の割合、繊維径φ４ｆ（厳密には樹脂繊維芯の径）が上記範囲より小さくなる、あるいは網目の開口Ｄ４ｆが上記範囲より大きくなると、低弾性部位が機能しなくなり、応力緩和効果が低下する。一方、樹脂メッシュ４の厚さｔ４の割合、繊維径φ４ｆが上記範囲より大きくなる、あるいは網目の開口Ｄ４ｆが上記範囲より小さくなると、金属マトリクスが分断されて３次元網目構造が形成できなくなり、電気伝導と熱伝導パスの機能が低下する。
【００２０】
また、樹脂メッシュ４の金属被覆層４ｍｂにより、繊維４ｆの機械的強度を向上させることができ、金属被覆層４ｍｂの最表面が金、銀、パラジウム、白金、銅のいずれかである場合、焼結系銀粒子１と焼結反応するため、金属焼結体１ｓと樹脂メッシュ４の複合マトリクスが形成できる。すなわち、焼結銀１ｓと金属被覆層４ｍｂとの剛直な金属マトリクス内に低弾性部位である樹脂メッシュの樹脂繊維芯４ｍａを導入できる。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。
【００２１】
なお、上記利点を有するため、本実施の形態では金属被覆層４ｍｂを有する樹脂メッシュ４で説明したが、金属被覆層４ｍｂは必ずしも必要ではない。金属被覆層４ｍｂがなくても、樹脂メッシュ４の繊維４ｆは断面が波型形状であるため、アンカー効果により硬い金属焼結体１ｓの中で強く保持される。金属被覆層４ｍｂがある場合と比較して電気伝導性と熱伝導性に劣るが、低弾性化効果と焼結収縮の低減効果は発現する。
【００２２】
なお、図３（ｅ）では、半導体素子７の接合面となる対向面７ｆには金属層７ｃが設けられており、例えばＮｉ（７μｍ厚）／Ａｕ（０．０２μｍ厚）を施している。また、半導体素子７との接合対象である導電体６の本体は銅からなり、その接合面となる対向面６ｆ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６ｃを形成している。
【００２３】
つぎに、本発明の実施の形態１にかかる導電性接合構造体の性能を試験するために、ガラス板上に導電性接続構造体５を作成し、フィルム状の導電性接続構造体５部分を取り出して、特性試験を実施した。
【００２４】
本発明の実施の形態にかかる実施例１として、樹脂メッシュ４には、セーレン（株）製Sui-40-20047を使用した。使用した樹脂メッシュ４は、線径φ４ｆ＝４７μｍのポリエチレンテレフタレート（PET）繊維芯をメッシュ数２００（１インチ当たり等間隔で２００本）で編んだもので、樹脂繊維芯４ｍａの表面に、中間被覆層として０．９μｍのＣｕ層を介し、最表面に厚さ０．１μｍのＮｉ層を配置した金属被覆層４ｍｂを形成し、メッシュとしての厚みｔ４を８８μｍとした。そして、焼結性の金属微粒子１としては、表面分散剤で被覆された平均粒径１〜２μｍの銀フィラーを採用し、アルコール系分散媒２に分散および混練して、焼結系ペースト材料３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と分散媒２の比は、重量比で９１：９（体積比で４８：５２相当）とした。
【００２５】
上記焼結系ペースト材料３をガラス板上に１００μｍの厚さで印刷し、次に樹脂メッシュ４に張力を与えながら焼結系ペースト材料３の塗膜に押しつけた。更にその上から合計１５０μｍの厚さになるように、焼結系ペースト材料３を印刷し、循環式オーブンで８０℃・３０分の条件で加熱し、分散媒２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、厚さｔ５＝約１００μｍの樹脂メッシュ内蔵導電性焼結フィルム、つまり、実施例１にかかる導電性接合構造体５からなる焼結フィルム５Ｆを得た。
【００２６】
比較例１として、樹脂メッシュを内蔵せずに焼結系ペースト材料のみで形成した導電性接合構造体からなる焼結フィルム５ＣＦを作成した。焼結系ペースト材料３をガラス板上に２００μｍ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２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９０μｍ厚の焼結フィルム５ＣＦを得た。
【００２７】
得られた焼結フィルム５Ｆと５ＣＦをそれぞれ、０．５×１０×０．１ｍｍ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、引張速度を７５μｍ／ｍｉｎに調整して引張強度試験を行った。評価結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
表１に示すように、実施例１にかかる焼結フィルム５Ｆの弾性率は、比較例１にかかる焼結フィルム５ＣＦに比べて、弾性率が２／３に減少している一方、破断延びが９．５倍に増加している。つまり、樹脂メッシュ４を内蔵した実施例１にかかる導電性接合構造体の焼結フィルム５Ｆは、樹脂メッシュを含まない比較例１の焼結フィルム５ＣＦに比べて、破断延びを向上させるとともに、弾性率を低くできたことが分かる。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（本例では導電性接合構造体５）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構造体は、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。
【００３０】
なお、焼結系ペースト材料３として、市販の材料（日本データマテリアル（株）製MAX102）を用いて実施例と比較例のサンプルを製作し、性能評価試験を行ったが、同様の結果を得ることができた。
【００３１】
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構造体によれば、所定の間隔ｔ５をあけて対向する２つの部材６、７の対向面６ｆ、７ｆ間に介在して、２つの部材６、７を導電接合する導電性接合構造体５であって、樹脂繊維４ｆを用いてシート状に形成され、シート面が対向面６ｆ、７ｆに向くように対向面６ｆ、７ｆ間に敷設された網状樹脂体（樹脂メッシュ）４と、樹脂繊維４ｆの径φ４ｆおよび網状樹脂体４の網目の開口Ｄ４ｆよりも小さな粒子径を有する金属微粒子１を、網目内を含む対向面６ｆ、７ｆ間に充填し、当該金属の融点よりも低い温度で焼結することにより形成される焼結構造体である金属微粒子焼結体１ｓと、を備えるように構成したので、金属微粒子焼結体１Ｓによる剛直な金属マトリクス内に樹脂繊維４ｆ（厳密には樹脂繊維芯４ｍａ）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導電性接合構造体５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。
【００３２】
とくに、金属微粒子１を構成する金属が、銀、金、銅のうちのいずれかであるようにしたので、樹脂繊維芯４ｍａが溶融や分解を起こさない温度で焼結させることができ、接合部の信頼性を向上させることができる。
【００３３】
さらに、樹脂繊維４ｆの表面が、金属層４ｍｂにより被覆されているようにしたので、繊維４ｆの機械的強度を向上させることができ、電気伝導や熱伝導も良好となる。
【００３４】
そして、金属層４ｍｂの最表面を構成する金属が、金、銀、パラジウム、白金、銅のいずれかである場合、焼結系銀粒子１と焼結反応するため、金属焼結体１ｓと樹脂メッシュ４の複合マトリクスを形成し、接合信頼性がさらに向上する。
【００３５】
また、樹脂メッシュ４の厚みｔ４が、導電性接合構造体厚みｔ５に対して２０〜１００％であるようにすると、金属微粒子焼結体１Ｓによる剛直な金属マトリクス内で樹脂繊維芯４ｍａ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導電性接合構造体５の弾性率を効果的に低く抑えることができる。
【００３６】
また、金属微粒子１の粒径が、１ｎｍ〜１０μｍの範囲であり、樹脂繊維の径φ４ｆが、５μｍ〜１００μｍの範囲であり、樹脂メッシュ４の網目の開口Ｄ４ｆが、２０μｍ〜５００μｍ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導電性接合構造体５の弾性率を効果的に低く抑えることができる。
【００３７】
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構造体を用いて製造し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４〜図６は、実施の形態１で示した導電性接合構造体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４（ａ）は半導体装置の一部を示す平面図で、導電性接合構造体において樹脂メッシュが挿入された範囲を示すために一部を透過させた状態の図、図４（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線を切断面とする断面図である。図５は半導体素子と回路パターン間の接合部分の断面を拡大した拡大図で、図５（ａ）は接合直前の状態（図２のａ−ａ断面に対応）、図５（ｂ）は接合後の状態（図２のｂ−ｂ断面に対応）を示す。また、図６は導電性接合構造体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。
【００３８】
図４は、本発明の導電性接合構造体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材料からなる半導体素子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、図において、電力用半導体装置１００は、絶縁性の回路基板１１上に複数の銅の回路パターン６、１２が形成され、そのうちのひとつの回路パターン６にドレイン電極側を接合したＳｉＣからなる半導体素子７が配置されている。
【００３９】
この回路パターン６と半導体素子７との導電接合に実施の形態１で説明した樹脂メッシュ４を内蔵する導電性接合構造体を用いた。樹脂メッシュ４は、接合対象物である回路パターン６と半導体素子７の対向面６ｆ／７ｆ間の所定の面積範囲内に形成された導電性接合構造体５内で面積範囲のほぼ全面をカバーするように対向面の延在方向に平行に配置されている。
【００４０】
なお、半導体素子７のドレイン電極側の接合面には、図５に示すように金属層７ｃ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７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７と対向する金属板である回路パターン６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６ｃを形成している。
【００４１】
つぎに、図５の拡大断面図および図６のフローチャートを用いて製造方法について説明する。
半導体素子７を実装するための回路パターン６が形成された回路基板１１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）。図５（ａ）に示すように、銅の回路パターン６上（厳密には貴金属メッキ層６ｃ上）の所定の範囲に焼結系ペースト３を印刷またはディスペンスにより樹脂メッシュ４の厚みｔ４よりも厚く塗布（ステップＳ２０）し、塗布膜の上に樹脂メッシュ４を載せる（ステップＳ３０）。その上から半導体素子７を搭載し、半導体素子７の上から荷重をかけ、網目内に焼結系ペースト巻き込みながら樹脂メッシュ４を導電性ペースト３中に埋没させる（ステップＳ４０）。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Ｓ５０）。温度を維持して３０分程度加熱すると、導電性ペースト３中の分散媒２の乾燥（揮発）が完了する（ステップＳ６０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Ｓ７０）。温度を維持して６０分程度加熱すると、図５（ｂ）に示すように、銀フィラー１どうしおよび銀フィラー１と樹脂メッシュ４の金属被覆層（金）４ｍｂの焼結が完了（ステップＳ８０で「Ｙ」）し、導電性接合構造体５による半導体素子７と回路パターン６との接合が完了する（ステップＳ９０）。
【００４２】
キュア（ステップＳ５０〜Ｓ８０）の際、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。図示しないが、このようにして上記導電性接合構造体５を接合体の構成部分とした半導体装置１００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１００は、特に導電性接合構造体５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。なお、図では金属被覆層４ｍｂを有する樹脂メッシュ４で説明したが、実施の形態１で説明したように金属被覆層４ｍｂがなくても、樹脂メッシュ４は、アンカー効果により硬い金属焼結体１ｓの中で強く保持される。金属被覆層４ｍｂがある場合と比較して電気伝導性と熱伝導性に劣るが、低弾性化効果と焼結収縮の低減効果は発現する。
【００４３】
上記のような手順で導電性接合構造体５を構成することにより、焼結系ペースト材料３の塗膜内に空気を巻き込みこと無く、被接合体である半導体素子７や金属板６等を濡らす塗膜を形成することが可能である。また、均一な厚さの樹脂メッシュ４を介在させて接合するため、接合層厚さｔ５に対する樹脂メッシュ４の厚さｔ４の割合の範囲を５０％〜１００％に高めると、流動性のある焼結系ペースト３のみを塗布したときと較べて、半導体素子７の姿勢を制御することが可能である。つまり、導電性接合構造体５中に埋設した樹脂メッシュ４が、接合層の厚さｔ５のばらつきを抑えて、半導体素子７の傾きを抑制する効果が生じる。これは、樹脂メッシュ４の縦横の繊維４ｆＶ，４ｆｈが焼結系ペースト３の接合面に平行な方向への流動を抑える効果に加え、例えば、半導体素子７に加わる力のほとんどが樹脂メッシュ４を介して回路パターン６に伝わるような条件、例えば、焼結系ペースト３の塗布厚みに対して樹脂メッシュ４の初期厚み（接合工程前の解放時の生地厚み）を９０〜１２０％程度に調整したような場合には、顕著となる。この場合、最終的な接合層厚さｔ５に対する樹脂メッシュ４の厚さｔ４の割合の範囲は８０％〜１００％とさらに高めに制限される。さらに、樹脂メッシュ４に金属被覆層４ｍｂがある場合は、樹脂メッシュ４のうねりやカーリングが無く、前記の効果がより顕著となる。
【００４４】
なお、上記製造方法では、樹脂メッシュ４を樹脂メッシュ４の厚みｔ４よりも厚い焼結系ペースト３の塗膜にのせ、加圧することにより、焼結系ペースト３中に埋没させていた（ステップＳ２０〜ステップＳ４０）が、これに限られることはない。例えば、図７に示すように、ステップＳ２０〜ステップＳ４０の代わりに、焼結系ペースト３を樹脂メッシュ４の厚みの半分程度の厚みで下塗り（ステップＳ２２）し、薄い塗布膜の上に樹脂メッシュ４を載せ（ステップＳ３０）、その上からさらに焼結系ペースト３を合計で樹脂メッシュ４の厚み以上になるように上塗り（ステップＳ３６）し、最後に半導体素子７を搭載する（ステップＳ４２）ようにしてもよい。このとき、半導体素子７の上から荷重をかけ、樹脂メッシュ４を確実に導電性ペースト３中に埋没させるようにしてもよい。
【００４５】
上記のような導電性接合構造体５を用いて半導体素子７を実装した半導体素子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、本実施の形態にかかる導電性接合構造体５部分は、基本的に焼結系ペースト材料３中の金属微粒子１の金属の融点以下では融けることがなく、半導体素子７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、導電性接合構造体５内には、接合面の延在方向において接合領域を網羅するように樹脂メッシュ４が内蔵されているので、上述したように金属マトリクス中に導入した低弾性部材により、弾性率が抑制されているので、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７や回路パターン６の端部や導電性接合構造体５の部材自身）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７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１３と回路基板１１との線膨張率差により、半導体素子７と回路パターン６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等のいわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を用いた場合、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導電性接合構造体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２にかかる半導体装置１００によれば、回路パターン６が形成された回路基板１１と、回路パターン６上に実装された半導体素子７とを備え、半導体素子７と回路パターン６への接合に、上述した導電性接合構造体５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２にかかる半導体装置１００の製造方法によれば、半導体装置１００を構成する回路基板１１の回路パターン６上の所定範囲に、金属微粒子１を骨材とする焼結系のペースト材料３の塗布層を形成する工程（ステップＳ２０）と、ペースト材料３の塗布面に金属微粒子１の粒子径よりも大きな径φ４ｆを有する樹脂繊維４ｆを用いたシート状の網状樹脂体である樹脂メッシュ４を載せる工程（ステップＳ３０）と、樹脂メッシュ４の上に半導体素子７を設置して加圧し、網目内に樹脂ペースト３が充填されるように樹脂メッシュ４を塗布層中に埋設させる工程（ステップＳ４０）と、金属微粒子１どうしが焼結するように加熱して、半導体素子７を回路パターン６の所定位置に接合する工程（ステップＳ５０〜Ｓ８０）と、を含むようにしたので、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．
本実施の形態３では、実施の形態１の比較試験で用いたような樹脂メッシュを内蔵した焼結フィルムを用いて半導体素子を回路パターンに接合する導電性接合構造体を形成した。その他の部材については実施の形態２の半導体装置と同様であるので、説明を省略する。
【００５１】
図８と図９は、本実施の形態３にかかる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８は図５と同様に半導体素子と回路パターン間の接合部分の断面を拡大した拡大図で、図８（ａ）は接合直前の状態（図２のａ−ａ断面に対応）、図８（ｂ）は接合途中の状態（図２のｂ−ｂ断面に対応）、図８（ｃ）は接合後の状態（図２のｂ−ｂ断面に対応）を示す。また、図９は導電性接合構造体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。なお、半導体装置としての構成は実施の形態２で説明した図４と同様であるので記載を省略する。
【００５２】
図８の拡大断面図および図９のフローチャートを用いて製造方法について説明する。ただし、図９において、ステップＳ５０以降は実施の形態２で示した工程と同様であるので説明を省略する。
半導体素子７を実装するための回路パターン６が形成された回路基板１１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）。図８（ａ）に示すように、銅の回路パターン６上（厳密には貴金属メッキ層６ｃ上）の所定の範囲に焼結系ペースト材料３を印刷またはディスペンスにより塗布（ステップＳ２２）し、塗布膜の上に樹脂メッシュを内蔵した焼結フィルム５Ｆを載せる（ステップＳ３２）。さらに、図８（ｂ）に示すように、焼結フィルム５Ｆ上に焼結系ペースト材料３をディスペンスにより塗布（ステップＳ３６）し、半導体素子７を搭載する（ステップＳ４２）。以降、図６で示したステップ５０以降の工程を実施すると、図８（ｃ）に示すように半導体素子７と回路パターン６との接合が完了する（ステップＳ９０）。
【００５３】
なお、半導体素子７を搭載する際に加圧して、焼結系ペースト材料３を平坦化したり、塗布膜との界面のガス抜きをしたりするようにしてもよい。キュア（ステップＳ５０〜Ｓ８０）の際、実施の形態２と同様に、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。図示しないが、このようにして上記導電性接合構造体５を接合体の構成部分とした半導体装置１００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１００は、特に導電性接合構造体５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。なお、図では金属被覆層４ｍｂを有する樹脂メッシュ４で説明したが、実施の形態１で説明したように金属被覆層４ｍｂがなくても、樹脂メッシュ４は、アンカー効果により硬い金属焼結体１ｓの中で強く保持される。金属被覆層４ｍｂがある場合と比較して電気伝導性と熱伝導性に劣るが、低弾性化効果と焼結収縮の低減効果は発現する。
【００５４】
予め作成された樹脂メッシュ内蔵焼結フィルム５Ｆを半導体素子７と回路パターン６のような導電体との間に挟み込んだ状態で、新たに塗布した焼結系ペースト材料３を焼結させることで、容易に接合層の厚さｔ５を増大させることが可能である。接合層の厚さｔ５を増大することで、横歪みに対する応力緩和性能が増大し、より信頼性の高い半導体装置および半導体モジュールを得ることができる。また、予め作成された焼結フィルム５Ｆは機械的に把持（減圧吸着保持など）できる剛性を持つので、半導体装置および半導体モジュールの製造工程において、容易に取り扱うことができる。
【００５５】
また、均一な厚さの焼結フィルム５Ｆを挟んで焼結系ペースト材料３を塗布するので、接合層厚さｔ５に対する樹脂メッシュ４の厚さｔ４の割合の範囲を２０％〜８０％の範囲に低く設定しても、流動性のある焼結系ペースト３のみを塗布したときと較べて、半導体素子７の姿勢を制御することが可能である。
【００５６】
なお、焼結フィルム５Ｆには、図３（ｃ）で示したような焼結が完了していない一次焼結体５ｐ２の状態のものを使用してもよく、その場合、焼結フィルムの上下に塗布した焼結性ペースト３の金属微粒子１に対する接合力も高くなる。
【００５７】
以上のように、本実施の形態３にかかる半導体装置の製造方法によれば、半導体装置１００を構成する回路基板１１の回路パターン６上の所定範囲に、金属微粒子１を骨材とする焼結系のペースト材料３により、第１の塗布層を形成する工程（ステップＳ２２）と、樹脂繊維４ｍａを用いてシート状に形成された網状樹脂体である樹脂メッシュ４を内蔵し、樹脂繊維４ｍａの径φ４ｆおよび樹脂メッシュ４の網目の開口Ｄ４ｆよりも小さな粒子径を有する金属微粒子１を焼結して形成されたフィルム５Ｆを、第１の塗布層の塗布面に載せる工程（ステップＳ３２）と、フィルム５Ｆ上にペースト材料３により、第２の塗布層を形成する工程（ステップＳ３６）と、第２の塗布層の塗布面に半導体素子７を設置する工程（ステップＳ４２）と、金属微粒子１どうしが焼結するように加熱して、半導体素子７を回路パターン６の所定位置に接合する工程（ステップＳ５０〜８０）と、を含む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。また、フィルム５Ｆは樹脂メッシュ４単独の場合よりも容易に把持できるので工程が簡略される。
【００５８】
なお、上記各実施の形態においては、樹脂メッシュには縦繊維と横繊維が直交する場合を示したがそれに限られることはない。また、縦繊維と横繊維が１対１で編み込んでいなくてもよく、交差回数を一つおきに飛ばしたり、あるいは一方向の繊維をからめてメッシュ状に形成したりと、適宜変更してもよい。また、上記各実施の形態においては、導電性接合構造体中に樹脂メッシュを１層介在させた例のみを記したが、これに限定されることはなく、複数層設けてもよい。
【００５９】
もちろん、本発明の実施の形態にかかる導電性接合構造体やこれを用いた接合方法は、半導体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言うまでもない。
【符号の説明】
【００６０】
１  銀フィラー（金属微粒子）、  １ｓ  焼結構造体（金属微粒子焼結体）、  ２  分散媒、  ３  焼結性ペースト、  ４  網状樹脂体（樹脂メッシュ）、  ４ｍａ  樹脂繊維（芯）、  ４ｍｂ  金属被覆層、  ４ｆ  繊維（４ｆｖ：縦繊維、４ｆｈ：横繊維）、  ５  導電性接合構造体、  ５Ｆ  樹脂メッシュ内蔵導電性焼結フィルム、  ５ｐ１  導電性接合構造前駆体、  ５ｐ２  導電性接合構造一次焼結体。
６  回路パターン（導体）、  ６ｆ  （回路パターンの）対向面、  ７  半導体素子、  ７ｆ  （半導体素子の）対向面、  １０  接合体、  １１  回路基板、  １００  半導体装置。
Ｄ４ｆ  網目の開口（目開き）、  ｔ４  樹脂メッシュの厚み、  ｔ５  導電性接合構造体の厚み、  φ４ｆ  樹脂繊維の径。
【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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