(57)【要約】【課題】放熱性と熱応力等の緩和性を両立できる高信頼性の接合構造体が得られる接合シートを提供する。【解決手段】本発明は、接合される第１部材（１０）と第２部材（２０）の接合面間に介装される芯材（３０）を備えた接合シート（３）である。芯材は、内包部（３０１）と内包部の外周側を包囲する外周部（３０２）とを有する。内包部は、外周部よりも熱伝導率が高い高熱伝導金属からなる。外包部は、内包部よりもヤング率および耐力が小さい軟質金属からなる。内包部は、第１部材から第２部材へ効率的に熱伝導し、第１部材の放熱性を確保する。外周部は、塑性変形等することにより、第１部材や接合部等に作用する熱応力や熱歪みを緩和する。内包部と外周部が相乗的に作用することにより、高信頼性の接合構造体（例えばパワーモジュール）が得られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合される第１部材と第２部材の接合面間に介装される芯材を備えた接合シートであって、
前記芯材は、内包部と該内包部の外周側を包囲する外周部とを有し、
該内包部は、該外周部よりも熱伝導率が高い高熱伝導金属からなり、
該外包部は、該内包部よりもヤング率および耐力が小さい軟質金属からなる接合シート。
【請求項２】
前記高熱伝導金属は、Ｃｕ、Ａｕ若しくはＡｇまたはそれらいずれかの合金からなる請求項１に記載の接合シート。
【請求項３】
前記軟質金属は、Ａｌまたはその合金からなる請求項１または２に記載の接合シート。
【請求項４】
前記芯材は、接合面全体に対する前記内包部の面積割合が１〜６０％である請求項１〜３のいずれかに記載の接合シート。
【請求項５】
さらに、前記芯材の少なくとも一方の表面に、該芯材と前記第１部材または前記第２部材との接合に供される接合金属層が形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の接合シート。
【請求項６】
前記接合金属層は、前記芯材側に第１金属からなる第１層を有する請求項５に記載の接合シート。
【請求項７】
前記第１金属は、Ｎｉ、Ｃｕ、ＡｕまたはＡｇである請求項６に記載の接合シート。
【請求項８】
前記接合金属層は、さらに、前記第１層上にあり該第１金属よりも低融点であると共に該第１金属との間で金属間化合物を生成する第２金属からなる第２層を有する請求項６または７に記載の接合シート。
【請求項９】
前記第２金属は、Ｓｎである請求項８に記載の接合シート。
【請求項１０】
第１部材と、
該第１部材と接合され得る第２部材と、
該第１部材と該第２部材を接合する接合部と、
を備える接合構造体であって、
前記接合部は、前記第１部材と前記第２部材の接合面間に介装される芯材と、
該第１部材と該芯材を接合する第１接合層と、
該第２部材と該芯材を接合する第２接合層とを備え、
該芯材は、内包部と該内包部の外周側を包囲する外周部とを有し、
該内包部は、該外周部よりも熱伝導率が高い高熱伝導金属からなり、
該外包部は、該内包部よりもヤング率および耐力が小さい軟質金属からなる接合構造体。
【請求項１１】
前記内包部は、前記第１部材の接合面上または前記第２部材の接合面上で最高温度となる発熱中心を含む領域に対面している請求項１０に記載の接合構造体。
【請求項１２】
前記第１接合層および／または前記第２接合層は、金属間化合物層である請求項１０または１１に記載の接合構造体。
【請求項１３】
前記第１部材は半導体素子であり、
前記第２部材は金属電極または基板である請求項１０〜１２のいずれかに記載の接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高信頼性の接合構造体を得ることができる接合シート等に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ駆動用インバータ等には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のデバイス（半導体素子）を、絶縁基板や電極等に実装したパワーモジュールが用いられる。
【０００３】
パワーモジュールの信頼性を確保するため、デバイスの作動中に生じる発熱をヒートシンクや冷却器等を介して効率的に放熱させると共に、その接合部（周辺）に生じる熱膨張係数（ＣＴＥ：coefficient of thermal expansion）差（ＣＴＥ不整合）に起因した熱応力を緩和したり、その熱応力に対する耐久性（耐熱疲労性）を高めることが重要となる。このような傾向は、搭載自由度の向上や軽量化を図るために小型化が進められている車載用パワーモジュールにおいて顕著である。
【０００４】
このような事情の下、パワーモジュールのさらなる信頼性の向上等を図れる接合構造体に関する提案が下記の特許文献でなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３２８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、降伏応力が小さく塑性変形し易いＡｌ等からなる金属層を介装して、リードフレーム上にパワー半導体素子をダイマウント接続した半導体装置を提案している。特許文献１の半導体装置は、接合部に作用する熱応力を金属層の塑性変形により緩和することで、信頼性の向上を図っている。
【０００７】
しかし、そのような金属層は必ずしも熱伝導率が高くないため、特許文献１の半導体装置は放熱性が必ずしも十分とはいえない。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、放熱性と熱応力緩和性に優れた高信頼性の接合構造体を得ることができる接合シート等を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、高熱伝導金属と軟質金属を組合わせた接合シートを用いることを着想し、実際に高信頼性の接合構造体を得ることに成功した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１０】
《接合構造体》
（１）本発明の接合構造体は、接合される第１部材と第２部材の接合面間に介装される芯材を備えた接合シートであって、前記芯材は、内包部と該内包部の外周側を包囲する外周部とを有し、該内包部は、該外周部よりも熱伝導率が高い高熱伝導金属からなり、該外包部は、該内包部よりもヤング率および耐力が小さい軟質金属からなる。
【００１１】
（２）本発明の接合シートを用いると、接合される第１部材と第２部材の間の熱伝導性（放熱性）と、クラック等を生じさせる熱歪みや熱応力の緩和性（単に「応力緩和性」という。）とを両立させることができ、高信頼性の接合構造体を得ることができる。この理由は次のように考えられる。
【００１２】
一例として、第１部材が発熱源である半導体素子である場合を想定すると、その駆動時（稼働時）、その中央付近で最も発熱を生じる。このため第１部材の被接合面は、その中央域が最も高温となり易い。本発明の接合シートの芯材は、高熱伝導金属からなる内包部が、その高温な中央域に対面可能となっている。これにより、第１部材の発熱は、その内包部を通じて第２部材へ効率的に熱伝導されて放熱される。こうして放熱性が確保される結果、第１部材は温度上昇が抑制されて保護されると共に、その周囲に生じる熱歪みや熱応力も抑制される。
【００１３】
第１部材の被接合面の外周域は、中央域ほど高温とはならないものの、中央域から離れているため、ＣＴＥ不整合等に起因して生じる歪み量や熱応力が大きくなる。ここで本発明の接合シートの芯材は、軟質金属からなる外周部が、その外周域に対面可能となっており、熱歪みや熱応力に応じて弾性変形または塑性変形することにより、それらが大幅に緩和される。この結果、第１部材や接合部に熱応力によってクラック等が生じ得ることが十分に抑止される。
【００１４】
このように本発明の接合シートは、優れた熱伝導性（放熱性）と歪みや応力の緩和性とを発揮し、接合シートを用いて接合された第１部材と第２部材からなる接合構造体は、高温環境下や冷熱サイクル下等でも高信頼性が確保される。
【００１５】
なお、本発明に係る芯材は、内包部および外周部が共に金属からなるため、種々の方法で比較的容易に製造可能であり、それらの境界（内包部の外縁）で分離や剥離等もし難い。このような点でも、本発明の接合シートは、高信頼性の接合構造体の構成部材に好適である。
【００１６】
《接合構造体》
本発明は接合構造体としても把握できる。すなわち本発明は、第１部材と、該第１部材と接合され得る第２部材と、該第１部材と該第２部材を接合する接合部とを備える接合構造体であって、前記接合部は、前記第１部材と前記第２部材の接合面間に介装される芯材と、該第１部材と該芯材を接合する第１接合層と、該第２部材と該芯材を接合する第２接合層とを備え、該芯材は、内包部と該内包部の外周側を包囲する外周部とを有し、該内包部は、該外周部よりも熱伝導率が高い高熱伝導金属からなり、該外包部は、該内包部よりもヤング率および耐力が小さい軟質金属からなる接合構造体でもよい。
【００１７】
この接合構造体は、内包部が第１部材の接合面上または第２部材の接合面上で最高温度となる発熱中心を含む領域に対面していると好ましい。
【００１８】
《その他》
（１）本明細書でいう「内包部」は、第１部材または第２部材の被接合面内で最も高温となる点（発熱中心）を含む領域（中央域）に対応して設けられ、その形態や大きさ等は適宜調整される。但し、接合シートは、接合構造体（半導体素子等）の各形態に個別に対応した専用品に限らず、汎用品でもよい。
【００１９】
（２）本明細書では、説明の便宜上、第１または第２という呼称を用いており、第１部材側を例示して主に説明している。第２部材側の接合構造は、第１部材側と同じでも、異なってもよい。
【００２０】
（３）本明細書でいうヤング率（弾性率）や耐力等は、日本工業規格（ＪＩＳ）に準拠して決定される。例えば、本明細書でいう耐力は、応力−ひずみ曲線図に基づき定まる０．２％耐力である。各特性は室温域におけるものとする。
【００２１】
（４）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】接合構造体の一形態であるパワーモジュールの接合過程を示す模式断面図である。
【図２】接合シートの一形態を模式的に示す平面図と正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明の接合シートや接合構造体のみならず、それらの製造方法にも該当し得る。「方法」に関する構成要素は「物」に関する構成要素ともなり得る。
【００２４】
《芯材》
接合シートは少なくとも芯材を備える。接合シートは、芯材のみでもよいが、その少なくとも一方の接合面上に後述する接合金属層が形成されているとより好ましい。
【００２５】
芯材は高熱伝導金属の内包部と軟質金属の外周部とからなるシート状または箔状の複合金属層である。芯材の厚さは１０〜５００μｍさらには１５〜２００μｍあると好ましい。芯材が薄くなると、外周部の軟質金属による応力緩和性（歪み低減効果）が小さくなり、また、接合シートの取扱い難くなる。芯材が厚くなると、第１部材と第２部材の間の熱伝導性が低下し、接合構造体も大型化する。
【００２６】
（１）内包部
内包部は、芯材の内側にあり、第１部材等の中央域（発熱中心または最高温点を含む領域）に対応した形状または大きさを有する。接合面側から観た内包部の形状（外縁）は、例えば、方形、円形、波形等である。
【００２７】
芯材の接合面全体に対する内包部の面積割合は、１〜６０％、１０〜５５％さらには２０〜５０％であると好ましい。内包部が小さくなると、熱伝導性（放熱性、冷却性）も小さくなる。逆に内包部が大きくなると、弾性率や耐力の大きい高熱伝導金属が増加し、外周部の軟質金属が相対的に減少するため、第１部材等や接合部に作用する熱応力等の緩和性が低下し得る。なお、「芯材の接合面全体」の面積は、通常、内包部の面積と外周部の面積との合計である。但し、芯材または接合シートが第１部材または第２部材の被接合面よりも拡張している場合、外周囲への拡張領域を除いた領域（実質的な接合領域）の面積を「芯材の接合面全体」の面積とする。
【００２８】
内包部を構成する高熱伝導金属は、軟質金属よりも熱伝導率が高い金属であり、その熱伝導率は、例えば、２５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、３００Ｗ／ｍ・Ｋ以上さらには３５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であると好ましい。高熱伝導金属の具体例として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、それらの合金等がある。なお、本明細書でいう「Ｘ合金」とは、主元素であるＸを合金全体に対して５０原子％以上含むものである。
【００２９】
高熱伝導金属は、単相金属に限らず複相金属でもよいし、さらには複合材料でもよい。例えば、上述したＣｕ等の金属マトリックス相中に、粒子状または繊維状の化合物（金属間化合物を含む）が分散したものでもよい。
【００３０】
（２）外周部
外周部は、内包部の外周側にある。外周部の内縁は、基本的に内包部の外縁と一致し、外周部の外縁は、基本的に接合シートの外縁と一致する。外周部は、熱応力（特にＣＴＥ不整合による熱応力）や熱歪みを緩和するものであるため、少なくとも高温側（例えば第１部材側）の被接合面の外周域に対応した形状、大きさであると好ましい。
【００３１】
外周部を構成する軟質金属は、ヤング率（縦弾性係数）と耐力が共に上述した高熱伝導金属よりも小さい金属である。軟質金属のヤング率は、例えば、１００ＧＰａ以下さらには８５ＧＰａ以下であると好ましい。軟質金属の０．２％耐力は、例えば、２００ＭＰａ以下、１５０ＭＰａ以下さらには１００ＭＰａ以下であると好ましい。軟質金属の具体例として、Ａｌまたはその合金等がある。
【００３２】
ちなみに、Ｃｕ（無酸素銅／ＪＩＳ  Ｃ１０２０）は、熱伝導率：４００Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率：１２０ＧＰａ、０．２％耐力：２５０ＭＰａである。Ａｌ（純アルミニウム／ＪＩＳ  Ａ１０５０）は、熱伝導率：２００Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率：７０ＧＰａ、０．２％耐力：９０ＭＰａである。
【００３３】
（３）接合金属層
接合シートは、第１部材または第２部材との接合を容易とするため、芯材の少なくとも一方の表面に、それら部材との接合に供される接合金属層が形成されていると好適である。接合金属層は、単層でも複層でもよい。また接合金属層は、芯材の片面だけに形成されていても、両面に形成されていてもよい。両面に形成される場合、各面に形成される接合金属層は同じでも異なっていてもよい。接合金属層の構成（金属の種類、層数等）は、各部材の被接合面や接合層の構成に応じて選択される。
【００３４】
例えば、第１部材と芯材を、ＳＬＩＤ反応により形成される金属間化合物層で接合（ＳＬＩＤ接合）する場合なら、両被接合面間には、芯材側にあり第１金属からなる第１層と、第１層上にあり第１金属よりも低融点であると共に第１金属との間で金属間化合物（ＩＭＣ）を生成する第２金属からなる第２層とが必要となる。接合シートの接合金属層は、少なくとも第１層を備えると好ましい。第２層は第１部材側にあってもよいが、接合シート側の第１層上に有るとより好ましい。
【００３５】
なお、いずれの場合、第１部材の被接合面上には第１金属からなる被覆層が形成されていると好ましい。但し、第１部材の被接合面が第１金属からなるような場合は改めて、そのような被覆層を形成する必要はない。
【００３６】
第１金属は、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐｔやそれらの合金等であり、第２金属は、例えば、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｚｎやそれらの合金等である。第１金属と第２金属の組合わせは接合構造体の耐熱温度、接合工程中の加熱温度、各部の熱膨張係数等を考慮して選択される。なお、本明細書では、適宜、第１金属からなる層を単に第１金属層、第２金属からなる層を単に第２金属層、金属間化合物（ＩＭＣ）からなる層を単に金属間化合物層（ＩＭＣ層）という。
【００３７】
好例として、第１金属をＮｉまたはＣｕとし、第２金属をＳｎとするとよい。Ｎｉの融点は約１４５０℃、Ｃｕの融点は約１０８５℃、Ｓｎの融点は約２３０℃である。例えば、Ｎｉからなる第１金属層とＳｎからなる第２金属層を接触させつつ、例えば、約３５０℃で５分間程度加熱すると、ニッケルスズ（ＮｉｘＳｎｙ（ｘ,ｙ：実数）／単に「ＮｉＳｎ」という。）というＩＭＣ層が得られる。このＮｉＳｎ（ＩＭＣ）の融点は約７９５℃である。従って、第１金属をＮｉ、第２金属をＳｎとする組合わせは、例えば、ＳｉＣ等からなる次世代半導体素子（第１部材）を用いたパワーモジュール（接合構造体）のように、１５０℃以上の耐熱性が必要とされる一方で、接合工程時の加熱温度を４００℃以下にする必要がある場合に有効である。
【００３８】
この他、第１金属／第２金属の組合わせとして、Ｃｕ／Ｓｎ、Ａｇ／Ｓｎ、Ｐｔ／Ｓｎ／、Ａｕ／Ｓｎ等があり、それぞれ、ＣｕＳｎ、ＡｇＳｎ、ＰｔＳｎ、ＡｕＳｎ等のＩＭＣが形成される。いずれの場合でも、第１金属層と第２金属層は、それぞれの厚さが、例えば、１００ｎｍ〜５０μｍさらには３μｍ〜１５μｍであると好ましい。接合金属層は、厚さ（合計）が１〜１００μｍさらには５〜３０μｍであると好ましい。各層が薄過ぎると所望する接合層の形成が難しくなり、各層が厚過ぎると接合層も厚くなり放熱性等が低下し得る。なお、第２金属層は、接合シート側に設ける他、第１部材側に設けてもよい。さらに、第２金属層を被接合面に設ける他、第１部材と接合シートの間に、別な第２金属シートを介挿させてもよい。
【００３９】
（４）製法
芯材は種々の方法で製造できる。例えば、高熱伝導金属の素材を軟質金属の素材で囲繞したクラッド材を、冷間または熱間で塑性加工（圧延、鍛造等）した原材を、所望する厚さにスライス等して得られる。また、クラッド材は、高熱伝導金属の圧粉体または焼結体を、軟質金属の圧粉体または焼結体で囲繞したものを用いてもよい。
【００４０】
接合金属層も種々の方法で形成できる。例えば、めっき等の化学的な堆積法、スパッタリング等の物理的な堆積法、圧延等の機械的な積層法などにより接合金属層が形成される。なお、芯材と接合される部材の被接合面に第１金属層や第２金属層を形成する場合、スパッタリング等の物理的な堆積法を用いると好ましい。
【００４１】
《接合構造体》
接合構造体には様々な形態が考えられる。接合構造体の好例は、第１部材である半導体素子を、第２部材である基板（金属配線層）上や金属電極上に接合したパワーモジュールである。半導体素子で生じる発熱は、接合シートの内包部（高熱伝導金属）を通じて、基板極等へ効率的に熱伝導され、基板等から冷却器等へ放熱される。また、半導体素子は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等からなり、そのＣＴＥは３〜７ｐｐｍ／Ｋである。一方、金属電極等は、ＣｕまたはＡｌ等からなり、そのＣＴＥは１５〜２５ｐｐｍ／Ｋである。それらのＣＴＥ不整合に起因して生じる熱応力や熱歪みは、接合シートの外周部（軟質金属）が塑性変形等することにより緩和される。こうして本発明の一形態であるパワーモジュールは、放熱性と応力等の緩和性を両立することにより高い信頼性を発揮し得る。
【００４２】
第１部材と芯材の第１接合層や第２部材と芯材の第２接合金属層を金属間化合物層とする場合、第１部材、接合シートおよび第２部材の積層体を、第２金属の融点以上で、第１金属と第２金属が反応してＩＭＣを生成する反応温度以上に加熱するとよい。この際、第１金属と第２金属の種類、第１部材と第２部材の耐熱性等により反応温度や保持時間は調整される。
【実施例】
【００４３】
本発明の接合構造体の一例であるパワーモジュールについて、具体的な形態を示すことにより、本発明をさらに詳しく説明する。
【００４４】
《パワーモジュール》
（１）パワーモジュールＭについて、接合前→加熱過程（接合工程）→接合後の各様子を図１に示した。接合前のパワーモジュールＭは、ＳｉＣからなるチップ１０（第１部材）とその下面側にあるＮｉが成膜された電極面１１とを有する半導体素子１と、Ｃｕ板２０（第２部材）とその上にＮｉが成膜された電極面２１を有する金属電極２と、接合シート３からなる。
【００４５】
接合シート３は、図２に示すように、Ｃｕからなる内包部３０１とＡｌからなる外周部３０２と備える芯材３０と、その両面側に形成されたＮｉからなる層３１１、３２１（第１層、第１金属層）と、それらの両面側にそれぞれ形成されたＳｎからなる層３１２、３２２（第２層、第２金属層）とを有する。層３１１、３１２または層３２１、３２２が本発明でいう接合金属層に相当する。なお、接合シート３は、金属電極２よりも小さいが、半導体素子１とほぼ同じ大きさとなっている。
【００４６】
（２）半導体素子１（チップ１０）と金属電極２（Ｃｕ板２０）の接合は次のようになされる。上側から下側に向けて順番に、半導体素子１、接合シート３および金属電極２を積層して配置する。半導体素子１と金属電極２で接合シート３を挟持した状態の積層体（挟持体）を、不活性雰囲気（真空雰囲気を含む）や活性雰囲気（水素雰囲気、還元雰囲気等）の加熱炉に入れて、所定の反応温度まで加熱して、一定時間保持する。例えば、挟持する圧力（加圧量）を０．５ＭＰａとして、還元雰囲気の電気炉中で、３５０℃×５分間加熱するとよい。
【００４７】
その昇温過程中に、接合シート３の層３１２、３２２が先ず溶融する。これにより、電極面１１と層３１１の間および電極面２１と層３２１の間で、溶融したＳｎが濡れ拡がる。層３１２、３２２の厚さと上記加圧量を調整すれば、Ｓｎの濡れ拡がる領域も制御できる。
【００４８】
この状態でさらに昇温すると、層３１２が溶融してできたＳｎは、電極面１１および層３１１と固液相互拡散（ＳＬＩＤ）反応を生じて、ＮｉＳｎ（ＩＭＣ／固相）からなる接合層４１４を形成する。このとき電極面１１と層３１１は、一部が残存して、それぞれ層４１１と層４３１１になる。こうしてチップ１０と芯材３０は、層４１１と層４３１１（中間層）を介して、接合層４１４により接合された状態となる。
【００４９】
また、層３２２が溶融してできたＳｎは、電極面２１および層３２１と反応して、ＮｉＳｎからなる接合層４２４を形成する。このとき電極面２１と層３２１は、一部が残存して、それぞれ層４２１と層４３２１となる。こうしてＣｕ板２０と芯材３０は、層４２１と層４３２１（中間層）を介して、接合層４２４により接合された状態となる。
【００５０】
こうして、最上層である層４１１から最下層である層４２１までの各層により構成された接合部４により、チップ１０（半導体素子１）とＣｕ板２０（金属電極２）が接合されたパワーモジュールＭが得られる。
【００５１】
ところで、パワーモジュールＭは、チップ１０の発熱中心となる（発熱）中央域近傍に芯材３０の内包部３０１があり、その外周側に芯材３０の外周部３０２がある。内包部３０１はＣｕ（高熱伝導金属）からなるため、チップ１０で生じた発熱は効率的に金属電極２側へ熱伝導させて放熱される。また、チップ１０と金属電極２のＣＴＥ不整合により生じる熱応力や熱歪みは、外周部３０２を構成するＡｌ（軟質金属）が弾性変形や塑性変形して緩和される。このように芯材３０の介装により、チップ１０の温度上昇が抑制されると共に、熱応力（パワーサイクルストレスや温度サイクルストレス）に起因したチップ１０や接合部４の損傷が回避され、パワーモジュールＭの信頼性が確保される。
【００５２】
《評価試験》
パワーモジュールを模擬した試験体を種々製造し、冷熱サイクル下における信頼性を評価した。このような具体例を示すことにより、本発明をさらに詳しく説明する。なお、既述したパワーモジュールＭの各部に相当する試験体の各部にも、敢えて同符号を付して、それらに関する説明を部分的に省略した。
【００５３】
［試料１］
（１）接合シート
先ず、上述した接合シート３の芯材３０を次のようにして製造した。無酸素銅（ＪＩＳ  Ｃ１０２０）からなる断面正方形の角棒（□２．５ｍｍ／単に「Ｃｕ角棒」という。）と、直線状の角溝（幅２．５ｍｍ×深さ１．２５ｍｍ）を有する純アルミニウム板（単に「Ａｌ板」という。）とを用意した。Ｃｕ角棒を２枚のＡｌ板の角溝に嵌入して挟み込んだクラッド材を、Ｃｕ角棒の長手方向と平行な方向に熱間圧延した。熱間圧延はロールの温度を３００℃として大気雰囲気中で行った。
【００５４】
こうして得られた圧延板からＣｕ角棒の延在方向に対する直行面を切り出すと共に研磨して、厚さ１００μｍの箔材を得た。Ｃｕ部分（□２．５ｍｍ）が中央に配置されるように箔材の周囲を切り取った。こうして、Ｃｕ製の内包部３０１（□２．５ｍｍ）を、Ａｌ製の外周部３０２が包囲した□5ｍｍの芯材３０を得た。
【００５５】
次に、その両面にスパッタリングにより、厚さ５μｍのＮｉ層（第１層、第１金属層）と、厚さ５μｍのＳｎ層（第２層、第２金属層）とを順に成膜した。こうして接合シート３を得た。なお、Ｎｉ層は、上述した層３１１、３２１に相当し、Ｓｎ層は、上述した層３１２、３２２に相当する。また本試料の場合、Ｎｉ層とＳｎ層が本発明でいう接合金属層を構成する。
【００５６】
（２）半導体素子
単結晶炭化珪素板（５ｍｍ×５ｍｍ×０．３５ｍｍ／単に「ＳｉＣ板」という。）を用意し、その表面にスパッタリングにより厚さ１００ｎｍのＴｉ層と、さらに厚さ５μｍのＮｉ層とを順に成膜した。こうしてＳｉＣ板からなるチップ１０上に、Ｎｉ層からなる電極面１１を有する模擬的な半導体素子１を得た。
【００５７】
（３）金属電極
無酸素銅（ＪＩＳ  Ｃ１０２０）からなる板（２０ｍｍ×２０ｍｍ×３ｍｍ／単に「Ｃｕ板」という。）を用意し、その表面にスパッタリングにより厚さ５μｍのＮｉ層を成膜した。こうしてＣｕ板２０上に電極面２１（Ｎｉ層）を有する模擬的な金属電極２を得た。
【００５８】
（４）接合
接合シート３の各面をそれぞれ半導体素子１の電極面１１と金属電極２の電極面２１とで挟持した積層体を、水素雰囲気中で３５０℃×１５分間加熱した。加熱時に半導体素子１と金属電極２の間に印加した面圧は０．５ＭＰａとした。その加熱後、常温まで炉冷して、評価試験に供する模擬的なパワーモジュールＭ（試験体）を得た。
【００５９】
（５）試験
パワーモジュールＭ（接合構造体）を、低温環境下（−４０℃×３０分間）と高温環境下（２００℃×３０分間）に交互に曝す冷熱サイクル試験を１００サイクル行った。なお、冷熱サイクル試験は大気雰囲気中で行った。
【００６０】
用意した５個のパワーモジュールＭのいずれについても、冷熱サイクル試験後に、ＳｉＣ板や接合部にクラック等の損傷は見られなかった。なお、本試料は、接合面全体に対する内包部３０１の面積割合は２５％に相当する。
【００６１】
［試料２］
□３．５ｍｍのＣｕ角棒と、幅３．５ｍｍ×深さ１．７５ｍｍの角溝を有するＡｌ板を用いて、内包部３０１のサイズが試料１と異なる接合シート３も製造した。この接合シート３を用いて、試料１の場合と同様に、パワーモジュールＭの製作とその評価（冷熱サイクル試験）を行った。本試料では、接合シート３の内包部３０１の面積割合が４９％に相当する。
【００６２】
本試料の場合も、用意した５個のパワーモジュールＭのいずれについても、冷熱サイクル試験後に、ＳｉＣ板や接合部にクラック等の損傷は見られなかった。
【００６３】
［試料３］
試料１のＣｕ角棒およびＡｌ板に替えて、φ３ｍｍのＣｕ丸棒と半径１．５ｍｍの半円溝を有するＡｌ板を用いて、試料１と異なる形状の内包部３０１（φ３ｍｍの円形状）を有する接合シート３も製造した。この接合シート３を用いて、試料１の場合と同様に、パワーモジュールＭの製作とその評価（冷熱サイクル試験）を行った。本試料では、接合シート３の内包部３０１の面積割合が約２８％に相当する。
【００６４】
本試料の場合も、用意した５個のパワーモジュールＭのいずれについても、冷熱サイクル試験後に、ＳｉＣ板や接合部にクラック等の損傷は見られなかった。
【００６５】
［試料４］
試料１に対して、接合シート３に層３１２、３２２（Ｓｎ層）を設けず、半導体素子１の電極面１１上と金属電極２の電極面２１上とに、それぞれＳｎ層（５μｍ）をスパッタリングした試料も用意した。この場合も、試料１の場合と同様にパワーモジュールＭの製作とその評価（冷熱サイクル試験）を行った。
【００６６】
本試料の場合も、用意した５個のパワーモジュールのいずれについても、冷熱サイクル試験後に、ＳｉＣ板や接合部にクラック等の損傷は見られなかった。
【００６７】
［比較試料］
試料４に対して、接合シート３を介装せずに、半導体素子１と金属電極２を直接積層することにより、試料１の場合と同様に、パワーモジュールＭの製作とその評価を行った。
【００６８】
作製した５個のパワーモジュールＭ中、１個は、作製直後にＳｉＣ板が割れた。残り４個はいずれも、冷熱サイクル試験後にＳｉＣ板が割れた。
【符号の説明】
【００６９】
Ｍ          パワーモジュール（接合構造体）
１          半導体素子
１０        チップ（第１部材）
１１        電極面（被覆層）
２          金属電極
２０        Ｃｕ板（第２部材）
３          接合シート
３０１      内包部
３０２      外周部
４          接合部
【図１】
2019036603.tif 000003
【図２】
2019036603.tif 000004