(57)【要約】      （修正有）【課題】接合部のエッジ部分が変形したり、あるいは接合部の接合材が外部に流れ出すことがなく、アルミニウム系部材の変形が少なく、ボイドの少ない良好な接合部で接合された金属接合体を低コストで提供すること。【解決手段】アルミニウムを主成分とするアルミニウム系部材１の表面に厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの銀めっき皮膜２が形成され、該銀めっき皮膜上に該銀めっき皮膜の１／２以下の厚さの錫めっき皮膜３が形成された複数のアルミニウム系部材の該錫めっき皮膜同士を接触させ、加圧・加熱することによって接合部にＡｌ−Ａｇ−Ｓｎ相を形成させたことを特徴とする金属接合体である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムを主成分とするアルミニウム系部材の表面に厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの銀めっき皮膜が形成され、該銀めっき皮膜上に該銀めっき皮膜の１／２以下の厚さの錫めっき皮膜が形成された複数のアルミニウム系部材の該錫めっき皮膜同士を接触させ、加圧・加熱することによって接合部にＡｌ−Ａｇ−Ｓｎ相を形成させたことを特徴とする金属接合体。
【請求項２】
請求項１に記載の金属接合体の接合部が、導波路の側壁の少なくとも一部を構成していることを特徴とするアンテナ用導波路。
【請求項３】
半導体素子上に形成されたアルミニウムを主成分とするアルミニウム系メタライズの表面に厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの銀めっき皮膜が形成され、該銀めっき皮膜上に該銀めっき皮膜の１／２以下の厚さの錫めっき皮膜が形成された半導体素子の該錫めっき皮膜と、絶縁基板上に形成されたアルミニウムを主成分とするアルミニウム系電極の表面に厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの銀めっき皮膜が形成され、該銀めっき皮膜上に該銀めっき皮膜の１／２以下の厚さの錫めっき皮膜が形成された絶縁基板の該錫めっき皮膜とを接触させ、加圧・加熱することによって接合部にＡｌ−Ａｇ−Ｓｎ相を形成させたことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
絶縁基板上に形成されたアルミニウムを主成分とするアルミニウム系電極の表面に厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの銀めっき皮膜が形成され、該銀めっき皮膜上に該銀めっき皮膜の１／２以下の厚さの錫めっき皮膜が形成された絶縁基板の該錫めっき皮膜と、アルミニウムを主成分とするアルミニウム系放熱板の表面に厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの銀めっき皮膜が形成され、該銀めっき皮膜上に該銀めっき皮膜の１／２以下の厚さの錫めっき皮膜が形成されたアルミニウム系放熱板の該錫めっき皮膜とを接触させ、加圧・加熱することによって接合部にＡｌ−Ａｇ−Ｓｎ相を形成させたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム部材同士を接合させた金属接合体、アンテナ用導波路及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
伝熱性や熱放散性に優れるが軽量化の点で課題のある銅（Ｃｕ）に替わって、軽量化に優れ、伝熱性や熱放散性が銅に次いで優れ、かつ銅よりも安価なアルミニウム（Ａｌ）が、近年、電子機器、通信機器、航空機、自動車等の熱交換器、ヒートパイプ、ヒートシンクあるいはアンテナ用導波管等に幅広く用いられている。
【０００３】
上記の中でアンテナ導波管について、現在、通信用途として３０〜３００ＧＨｚ帯のミリ波が注目を集めている。酸素の吸収帯が５５〜６５ＧＨｚ帯に存在するほか、水蒸気圧や降雨の影響を著しく受けるので、その周波数帯を用いた地上無線は大気による電波の減衰が多く、近距離通信に限定される。そこで、用途としては、例えば自動車の事故回避システムなどが上げられる。自動車では、事故を回避したり、あるいは、避けられないまでも被害を最小限に食い止めるプリクラッシュセーフティシステムが多くの車種で適用されており、今や、ハイブリッドやディーゼルなどのエコ技術と並んでクルマの売れ行きを左右するファクターとなっている。矢野経済研究所の調査（先進運転支援システム（ＡＤＡＳ）用キーデバイス／コンポーネント世界市場に関する調査結果２０１２、２０１２年１１月１４日発表）によると、２０２０年の自動車用レーダー市場について、７６/７７ＧＨｚ帯のミリ波レーダーでは２０１２年の３８２億円から１６９１億円へ、検知距離の短い２４ＧＨｚ帯準ミリ波レーダーも含めると２７４２億円に達するとの見通しを発表している。また、自動車用途以外にも、６０ＧＨｚの周波数を用いて無線通信に用いようとしている。
【０００４】
また、ミリ波は、空港等で導入が進むとされている衣服の下を透視する全身スキャナー等に用いられようとしているなど、今後、大きな成長が見込まれる。更に、長野県にある国立天文台野辺山宇宙電波観測所では宇宙からやってくるミリ波の観測が行われており、星の誕生やブラックホールの研究において世界的な成果があがっている。
【０００５】
このミリ波レーダーを受ける側としてミリ波用アンテナが必要である。アンテナ内導波路は、複雑な線路になっているため、ドリルなどで一度に導波路を開けるのは困難である。そのため、通常は導波路が形成された板を何層か積層させて、導波路を形成する。この導波路が形成された板の材質は、通常、ＳＵＳやＣｕが使用されていた。しかし、ＳＵＳは比重が７．７〜８．０ｇ／ｃｍ３であり、Ｃｕは比重がＣｕ：８．９６ｇ／ｃｍ３であるため、何枚も積層すると筐体が重くなってしまう。これに対してＡｌは比重が２．７０ｇ／ｃｍ３であり、軽量であり、取り扱いが容易である。しかし、ＡｌはＳＵＳやＣｕに比べて酸化しやすく、接合するのは比較的困難な材料である。また、ＳＵＳの融点は１４００〜１５００℃であり、また、Ｃｕの融点は１０８５℃であるのに対して、Ａｌは６６０℃と融点が低く且つ軟らかいため、加熱あるいは加圧して接合しようとすると、容易に変形して、導波路が曲がったり、あるいは接合部のエッジ部分が変形して導波路内にはみ出してしまうといった問題が起こる。そのため、Ａｌでは設計通りの経路が形成されず、導波路内でミリ波の減衰が多くなってしまう。
【０００６】
このようなＡｌの接合方法として、例えば、特許文献１では、Ａｌ系金属からなる両材料の間にＡｌと共晶反応を生じる元素として少なくともＺｎを含むインサート材を介在させ、両材料を相対的に加圧した状態で、共晶反応を生じる温度に加熱して両材料の接合界面に母材中のＡｌとの共晶反応による溶融物を生成させ、溶融物と共にＡｌの酸化皮膜を接合界面から排出して両材料を接合することを特徴とする接合方法が開示されている。また、特許文献２では、Ａｌ系材料からなる２つの被接合部材を相互に接合する方法として、被接合部材の接合面にＡｇ被覆層を形成し、Ａｇ被覆層上に平均粒子径５０ｎｍ以下のＡｇ粒子を配設し、両被接合部材を相互に押圧しながら、２８０℃以上でＡｌ系部材の固相線温度以下の温度に加熱する接合方法が開示されている。特許文献２には、押圧を２ＭＰａ以上の圧力で行うことが記載されている。特許文献２には、Ａｇ被覆層を無電解めっき又は電解めっき処理により形成することも記載されている。また、特許文献３では、アルミニウム合金を拡散接合するに際し、窒素雰囲気中で加熱、加圧するアルミニウム合金の拡散接合法が開示されている。特許文献３には、接合に際し、２重量％以上マグネシウムを含む合金をインサート材として用いるか、２重量％以上マグネシウムを含むアルミニウム合金を用いることが記載されている。また、特許文献３では、酸素残存量が７０ｐｐｍ以下の雰囲気で、加熱、加圧しており、加熱温度は、アルミニウム合金の固相線温度から４５℃低い温度から固相線温度の間であり、加圧力は、３ＭＰａ以上５ＭＰａであることも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０２９７８９号
【特許文献２】特開２００７−３１９８９６号公報
【特許文献３】特開２０１０−０９４６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の通り、Ａｌ系部材同士の接合時に、導波路が曲がったり、接合部のエッジ部分が変形したり、あるいは接合材が導波路内にはみ出してはいけない。特許文献１では、ＡｌとＺｎとの共晶反応によって、比較的低温で接合することはできるが、接合時に圧を加えて、Ａｌとの共晶反応による溶融物を生成させて、外部へ排出しているため、導波路内にその溶融物が進入してしまうため、ミリ波が減衰してしまう。また、特許文献２では、接合部に平均粒子径５０ｎｍ以下のＡｇ粒子を配置し、加圧によって接合しているが、ナノ粒子自体の製造方法が非常に複雑で、高コストであり、量産には不向きである。また、ナノ粒子同士とはいえ、拡散反応によって、バルク体と比べれば隙間は少なからず生じてしまい、良好な接合部を形成するのは困難である。さらに、このナノサイズのＡｇ粒子は相互に凝集して粗大化することを防止するために、粒子表面に有機物からなるコーティング膜が形成されている。この有機物は接合時の熱によって分解するが、その分解したガスは完全に抜ききらず、一部は有機残渣として部材に付着する。例えば、導波路付近を接合した場合、その残渣が導波路に付着しているため、例えＡｌ系部材が変形していなくても、残渣付着箇所が突起のような形状となり、ミリ波を減衰させてしまう可能性がある。また、このナノサイズのＡｇ粒子は塗布時にはペースト状であり、このような材料を塗布して加圧すると、はんだのように外部に少なからず流れ出し、導波路にも流れ出してしまい、その箇所が導波路において突起のような形状となってしまうため、ミリ波が減衰してしまう。従って、実用上、ナノ粒子を使用するのは困難であるといえる。これまで、本発明者は、上述のようなＡｇ粒子を適用すべく、様々な粒子径のＡｇ粒子や様々な有機溶剤を用いたペーストで接合を試みたが、流れ出し量を制御するのは困難であり、また内部に有機残渣が必ず残ってしまった。また、流れ出し量を抑制しようと圧を下げると、接合部に空隙が多くなり、良好な接合が得られなかった。
【０００９】
次に、特許文献３では、接合界面にマグネシウムを含むアルミニウム合金を挿入しているが、アルミニウム表面の酸化速度よりもマグネシウムによる還元作用の方が早いため、Ａｌ表面の酸化膜が除去され加圧、加熱によって接合可能だが、接合温度はアルミニウム合金の固相線温度から３０〜４５℃低い５６２℃の場合、変形率（接合前後のブロックと板材の重ね合わせた高さ差／接合前の高さ）は約１５％としている。特許文献３では、ロウ材による接合方法と比較すればアルミニウム合金の変形は少ないとしているが、１５％は変形してしまうため、導波路を形成するには不適である。
【００１０】
従って、本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、接合部のエッジ部分が変形したり、あるいは接合部の接合材が外部に流れ出すことがなく、アルミニウム系部材の変形が少なく、ボイドの少ない良好な接合部で接合された金属接合体を低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、アルミニウムを主成分とするアルミニウム系部材の表面に厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの銀めっき皮膜が形成され、該銀めっき皮膜上に該銀めっき皮膜の１／２以下の厚さの錫めっき皮膜が形成された複数のアルミニウム系部材の該錫めっき皮膜同士を接触させ、加圧・加熱することによって接合部にＡｌ−Ａｇ−Ｓｎ相を形成させたことを特徴とする金属接合体である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、接合部のエッジ部分が変形したり、あるいは接合部の接合材が外部に流れ出すことがなく、アルミニウム系部材の変形が少なく、ボイドの少ない良好な接合部で接合された金属接合体を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１の金属接合体の製造工程を説明するための概略図である。
【図２】実施の形態１で製造した金属接合体の接合部の状態と、比較のために製造した金属接合体の接合部の状態を説明するための模式断面図である。
【図３】実施の形態２の半導体装置の製造工程を説明するための概略図である。
【図４】実施例１で得られた金属接合体の接合部の断面観察結果（ａ）及び比較例１で得られた金属接合体の接合部の断面観察結果（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
本発明を実施するための実施の形態１について説明する。本発明に係る金属接合体の製造工程の概略図を図１に示す。アルミニウムを主成分とするアルミニウム系部材として、例えば長さ１０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ２ｍｍのアルミニウム板１を用意する。このアルミニウム板１は、アルミニウムを主成分とするものであればよく、例えばＡ１０５０のような純アルミニウムからなるものであってもよい。次に、アルミニウム板１の表面に厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの範囲の銀めっき皮膜２を形成する。銀めっき皮膜２の好ましい厚さは０．５μｍ〜１．２μｍである。次に、銀めっき皮膜２上に錫めっき皮膜３を銀めっき皮膜２の１／２以下の厚さで形成する。錫めっき皮膜３の好ましい厚さは、銀めっき皮膜２の厚さの３／１０以上４／１０以下である。銀めっき皮膜２及び錫めっき皮膜３の形成方法は、特に限定されるものではないが、電解めっき法、無電解めっき法等の公知の方法を採用することができる。この銀めっき皮膜２及び錫めっき皮膜３が形成されたアルミニウム板１を２枚用意し、アルミニウム板１の錫めっき皮膜３同士を接触させ、簡易ジグによって０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａ、好ましくは０．１ＭＰａ〜１ＭＰａの圧４を加える。このような簡易ジグは、市販されているものをそのまま用いてもよいし、あるいはカスタマイズしたものを用いてもよく、例えば、岸田エンジニアリング、アユミ工業株式会社等から入手することができる。次に、簡易ジグで圧を加えた状態のアルミニウム板１を、還元雰囲気下（錫の酸化膜を除去できる雰囲気であればよく、例えば、ギ酸還元雰囲気）で加熱が可能なバッチ炉に投入し、錫の融点（約２３０℃）よりも高い温度、好ましくは２５０℃〜２８０℃で好ましくは５分間〜２０分間加熱保持し、その後、温度を下げ、金属接合体を得ることができる。加熱温度及び加熱時間を上記範囲内とすることにより、接合部のエッジ部分の変形や、アルミニウム板１そのものの変形をより少なくすることができる。このような還元雰囲気下で加熱が可能なバッチ炉は、市販されているものをそのまま用いてもよいし、あるいはカスタマイズしたものを用いてもよく、例えば、アユミ工業株式会社等から入手することができる。こうして得られる本発明の金属接合体の接合部にはボイドが極めて少なく、良好な接合部となる。
【００１５】
比較のため、アルミニウム板１に銀めっき皮膜２及び錫めっき皮膜３を形成する前にアルミニウムあるいは銀に対して拡散抑制効果のあるニッケル皮膜を形成してから、ニッケル皮膜上に銀めっき皮膜２及び錫めっき皮膜３を本発明と同様の厚み範囲で形成した後、本発明と同様の条件でアルミニウム板１を接合して金属接合体を製造すると、金属接合体の接合部には微小なボイドが散見される。
【００１６】
アルミニウム板１と銀めっき皮膜２との界面に、アルミニウムあるいは銀に対して拡散抑制効果の高いニッケルの有無によって、接合部のボイド量に差が見られることから、以下に説明するような現象が起きていると考えられる。即ち、本発明では、図１に示すように、表面に銀めっき皮膜２及び錫めっき皮膜３が形成されたアルミニウム板１を加熱・加圧すると、アルミニウムと銀との間で拡散反応が進み、Ａｌ−Ａｇ拡散相５が形成されると共に、銀と錫との界面にもＡｇ−Ｓｎ拡散相６が形成される。Ａｌ−Ａｇ拡散相５とは、例えば、少なくともＡｇ２Ａｌ（ａｔ％）及びＡｇ３Ａｌ（ａｔ％）を含む相のことを言う。Ａｇ−Ｓｎ拡散相６とは、例えば、少なくともＡｇ３Ｓｎ（ａｔ％）及びＡｇ４Ｓｎ（ａｔ％）を含む相のことを言う。その後、加熱・加圧状態を保持することによって反応が進み、Ａｌ−Ａｇ拡散相５及びＡｇ−Ｓｎ拡散相６が合わさり、内部で均一に拡散し、Ａｌ−Ａｇ−Ｓｎ相７が形成されるものと考えられる。Ａｌ−Ａｇ―Ｓｎ相７とは、例えば、少なくともＡｇ２〜５（Ａｌ，Ｓｎ）を含む相のことを言う。このような拡散反応は、Ａｌ−Ａｇ−Ｓｎの３元系反応であり、図２（ａ）に示すように、それぞれの元素が結晶を粗大化するのを抑制するように働き、Ａｌ−Ａｇ−Ｓｎ相７が凹凸にならずに比較的平坦になると考えられる。これは、Ｃｕ−Ｓｎ反応において、例えばＮｉを添加すると、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎという３元系反応となり、結晶成長が微細化されて凹凸形状の形成が抑制されることが良く知られており、この反応と同様のメカニズムによるものと考えられる。
【００１７】
一方、アルミニウムあるいは銀に対して拡散抑制効果の高いニッケルめっき皮膜１５をアルミニウム板１と銀めっき皮膜２との間に挿入すると、アルミニウムと銀との反応が無くなるため、主に銀と錫との拡散反応のみとなる。このような拡散反応は、Ａｇ−Ｓｎの２元系反応であり、図２（ｂ）に示すように、Ａｇ−Ｓｎ拡散相６は凹凸形状が形成されると考えられる。これは、Ａｇ−Ｓｎでなくとも、Ｃｕ−Ｓｎ及びＮｉ−Ｓｎでも同様の傾向があり、Ｓｎとの２元系反応においては、一つ一つの結晶成長が粗大化してしまい、その結晶成長を抑制するような添加元素がなく、かつそれぞれの結晶成長が多少ばらつきを持ち、拡散の起点となるポイントから等方的に成長するため、凹凸形状が形成され易いと考えられる。このような凹凸形状を重ね合わせると、凸部は先に重なるが、凹部は重ならず、やがて、残りのＳｎ相８がＡｇ−Ｓｎ拡散相６に変わるときの体積収縮によって、凹部に微小なボイドが形成されてしまうと考えられる。
【００１８】
また、本発明において、錫めっき皮膜３の厚さを銀めっき皮膜２の１／２以下の厚さに設定したのは、以下の計算結果に基づいている。銀と錫との拡散反応では、Ａｇ３Ｓｎが主に形成されることが良く知られており、Ａｇ３Ｓｎは、ａｔ％で３：１であるので、Ａｇ：７５ａｔ％及びＳｎ：２５ａｔ％となる。このａｔ％を、Ａｇの原子量を１０８ｇ／ｍｏｌ、Ｓｎの原子量を１１９ｇ／ｍｏｌとしてｗｔ％に換算すると、Ａｇ：７３ｗｔ％及びＳｎ：２７ｗｔ％となる。更に、このｗｔ％を、Ａｇの密度を１０．５ｇ／ｃｍ３、Ｓｎの密度を７．４ｇ／ｃｍ３としてｖｏｌ％に換算すると、Ａｇ：６６ｖｏｌ％及びＳｎ：３４ｖｏｌ％となる。即ち、銀の周りに錫が無限にあっても、Ａｇ３Ｓｎになるのは、銀の体積の約半分（３４／６６＝０．５２≒０．５）で、残りの錫は反応せずに、残存し、接合部の外部に流れ出すと考えられるためである。
【００１９】
なお、本実施の形態では、銀めっき皮膜２の材質は、純銀であることが好ましいが、銀を主成分とするものであればよく、本発明の効果を阻害しない限り、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｐ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｃ等が微量添加されていてもよい。また、本発明において、錫めっき皮膜３の材質は、純錫であることが好ましいが、錫を主成分とするものであればよく、本発明の効果を阻害しない限り、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｐ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｃ等が微量添加されていてもよい。なお、銀、錫及びアルミニウム以外の上記した別の添加元素が微量添加されていると、加熱時にそれらの添加元素も界面の反応に加わることになり、多元系反応となるため、反応相の凹凸はより低減する方向に働くと考えられる。
【００２０】
本発明の金属接合体は、接合部のエッジ部分が変形したり、あるいは接合部の接合材が外部に流れ出すことがなく、アルミニウム系部材の変形が少なく、ボイドの少ない良好な接合部で接合されているので、ミリ波アンテナ用導波路に有用である。アンテナ用導波路に用いる場合、本発明の金属接合体の接合部が、導波路の側壁の少なくとも一部を構成するようにすればよい。また、ミリ波用途でなくても、サブミリ波（３００ＧＨｚ〜）、マイクロ波（３〜３０ＧＨｚ）、超短波（３０ＭＨｚ〜０．３ＧＨｚ）、短波（３〜３０ＭＨｚ）、中波（３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ）、長波（３０〜３００ｋＨｚ）、超長波（３〜３０ｋＨｚ）、極超長波（３〜３ｋＨｚ）のあらゆる導波路に使用可能である。
【００２１】
実施の形態２．
まず、近年のパワー半導体を用いた半導体装置関連では、Ｓｉよりも高温下で動作可能なＳｉＣやＧａＮが使用され始めており、半導体素子の耐熱性が高くなることで、接合部にも耐熱性や厳しい環境下での高い信頼性が求められている。具体的な使用温度は、Ｓｉの場合、１２５℃あるいは一部使用用途を限定すれば１５０℃までは実用上問題はないが、ＳｉＣの場合、単体では４００℃まで動作可能であるため、少なくともＳｉよりも高温の１７５℃あるいは２００℃で、ＳｉＣ半導体素子を用いたパワー半導体装置は使用される。このような高い耐熱性を有する接合材として、Ｐｂを主成分とする高Ｐｂ含有はんだやＡｕを主成分とするＡｕ系はんだが候補として挙げられるが、Ｐｂは有毒性の観点で問題があり、Ａｕ系はんだは高価であるという問題がある。この他に、特許文献２に記載されるような反応性の高いナノ粒子あるいはマイクロ粒子を有機剤で被覆し、適当な溶剤でペースト化した金属粒子ペーストも候補に挙がるが、ペーストの製造工程が複雑なため高コストである、また、印刷ばらつきも生じ易く、接合後に、有機残渣が部材に付着して汚染してしまうという問題もある。また、加熱・加圧によって形成された金属の接合部がよりバルクに近くて緻密であれば、応力緩和性が低く、ＳｉＣの高温動作による高歪み域では、熱歪みによって容易にクラックが発生する。一方、低圧低温接合で緻密性を落とすと、粒子同士の反応が進まず、高い応力緩和性によってクラックの進展は抑制できても、パワー半導体に必要な放熱性を確保することはできない。
実施の形態１で説明した通り、本発明の金属接合体では、Ａｌ−Ａｇ拡散相５及びＡｇ−Ｓｎ拡散相６が合わさり、Ａｌ−Ａｇ−Ｓｎ相７になることで、結晶粒が微細化し、反応相の凹凸を抑制し、錫の凝固収縮によるボイドを抑制することができ、更に、反応相の結晶粒が微細化することで、熱歪みに対する応力耐性も高くなることが期待できる。そこで、実施の形態２では、実施の形態１で説明した金属接合体を半導体装置（特にパワー半導体装置）の接合部に適用する場合について説明する。
【００２２】
本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造工程の概略図を図４に示す。まず、上下面にアルミニウムを主成分とするアルミニウム系上電極９及び下電極１０が形成されている絶縁基板１１を用意する。このような絶縁基板１１としては、半導体装置に用いられている公知のものを用いることができ、例えば、ＤＯＷＡパワーデバイス社製のものが挙げられる。なお、ＤＯＷＡパワーデバイス社が２０１３年に発表した文献（ＭＥＳ２０１３：銀ナノペーストとＡｌＮ基板との接合信頼性評価）によれば、アルミニウムを主成分とするアルミニウム系上電極９及び下電極１０と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板とは溶湯接合法により直接接合されている。次に、上電極９及び下電極１０表面の接合部となる部分にのみ、厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの範囲の銀めっき皮膜２を形成する。次に、銀めっき皮膜２上に錫めっき皮膜３を銀めっき皮膜２の１／２以下の厚さで形成する。
アルミニウムを主成分とするアルミニウム系放熱板１２を用意する。このアルミニウム系放熱板１２は、アルミニウムを主成分とするものであればよく、例えばＡ１０５０のような純アルミニウムからなるものであってもよい。次に、アルミニウム系放熱板１２表面の接合部となる部分にのみ、厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの範囲の銀めっき皮膜２を形成する。次に、銀めっき皮膜２上に錫めっき皮膜３を銀めっき皮膜２の１／２以下の厚さで形成する。
表面にアルミニウムを主成分とするアルミニウム系メタライズ１３が形成された半導体素子１４を用意する。この半導体素子１４は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等であることができる。次に、アルミニウム系メタライズ１３の表面に厚さ０．３μｍ〜１．５μｍの範囲の銀めっき皮膜２を形成する。次に、銀めっき皮膜２上に錫めっき皮膜３を銀めっき皮膜２の１／２以下の厚さで形成する。
次に、半導体素子１４の錫めっき皮膜３と、絶縁基板１１の錫めっき皮膜３とを接触させると共に、絶縁基板１１の錫めっき皮膜３と、アルミニウム系放熱板１２の錫めっき皮膜３とを接触させ、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａ、好ましくは０．１ＭＰａ〜１ＭＰａの圧４を加える。圧を加えた状態のものを、還元雰囲気下（錫の酸化膜を除去できる雰囲気であればよく、例えば、ギ酸還元雰囲気）で加熱が可能なバッチ炉に投入し、錫の融点（約２３０℃）よりも高い温度に保持し、その後、温度を下げ、半導体装置を得ることができる。こうして得られる本発明の半導体装置では、接合部にボイドが極めて少なく、また、熱歪みに対する応力耐性が高いという利点を有する。
【００２３】
なお、本実施の形態では、銀めっき皮膜２の好ましい厚さ、錫めっき皮膜３の好ましい厚さ並びに銀めっき皮膜２及び錫めっき皮膜３の形成方法は、実施の形態１で説明した通りであるので、ここでは説明を省略する。また、半導体素子１４と絶縁基板１１とアルミニウム系放熱板１２との接合を同時に行ったが、これらの接合は別々に行ってもよい。
【実施例】
【００２４】
以下、実施例及び比較例により本発明の詳細を説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
＜実施例１＞
アルミニウムを主成分とするアルミニウム系部材として、長さ１０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ２ｍｍのアルミニウム板（Ａ１０５０）を用意した。アルミニウム板の表面に厚さ１μｍの銀めっき皮膜を形成した。次に、銀めっき皮膜上に厚さ０．５μｍの錫めっき皮膜を形成した。この銀めっき皮膜及び錫めっき皮膜が形成されたアルミニウム板を２枚用意し、アルミニウム板の錫めっき皮膜同士を接触させ、簡易ジグによって０．５ＭＰａの圧を加えた。ギ酸還元雰囲気下で加熱が可能なバッチ炉に投入し、錫の融点（約２３０℃）よりも２０℃高い２５０℃で５分間加熱保持し、その後、温度を下げ、実施例１の金属接合体サンプルを得た。
【００２５】
実施例１の金属接合体サンプルの接合部の断面観察結果を図４（ａ）に示す。図４（ａ）より、接合部にはボイドがなく、良好な接合部が得られたことが分かる。また、実施例１の金属接合体サンプルの全体の空隙量を評価するため、超音波探傷装置（ＳＡＴ（Scanning Acoustic Tomograph）、日立エンジニアリング・アンド・サービス製Fine SATIII））による観察を行った。得られたＳＡＴ画像をパーソナルコンピューター（ＰＣ）の解析ソフト（Adobe Photoshop Elements 11）にて２値化を行い、得られた２値化画像からボイド率を算出した。なお、ボイド率は誤差±０．５％であり、小数点以下第１位を四捨五入して算出した。また、断面観察により、接合部から溶融した錫を主成分とする相の流れ出しの有無を確認したところ、流れ出しは５μｍ未満であった。これらの結果より、実施例１の金属接合体サンプルでは、接合部の接合材が外部に殆ど流れ出ず、また、ボイド率が０％であり、非常に良好な接合部が得られていることが確認された。
【００２６】
＜比較例１＞
アルミニウムを主成分とするアルミニウム系部材として、長さ１０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ２ｍｍのアルミニウム板（Ａ１０５０）を用意した。アルミニウム板の表面に厚さ１μｍのニッケル皮膜を形成してから、ニッケル皮膜上に銀めっき皮膜及び錫めっき皮膜を実施例１と同様の厚みで形成した後、実施例１と同様の条件でアルミニウム板を接合し、比較例１の金属接合体サンプルを得た。
【００２７】
比較例１の金属接合体サンプルの接合部の断面観察結果を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）より、接合部には微小なボイドが散見され、実施例１の金属接合体サンプルと比較しても明確な差が見られた。また、実施例１と同様にして金属接合体サンプルの全体の空隙量を評価したところ、比較例１の金属接合体サンプルでは、ボイド率が約２０％であり、断面観察結果と相関が得られた。また、断面観察により、接合部から溶融した錫を主成分とする相の流れ出しの有無を確認したところ、流れ出しは５μｍ未満であった。
【００２８】
＜実施例２〜６及び比較例２〜６＞
次に、表１に示すように銀めっき皮膜及び錫めっき皮膜の厚さを変えて、実施例１と同様に金属接合体サンプルを各１０個（ｎ＝１０）作製した。得られた金属接合体サンプルについて、実施例１と同様にＳＡＴ画像の２値化画像からボイド率を算出した。１０個（ｎ＝１０）のサンプルのうち最も大きいボイド値をその金属接合体サンプルのボイド率とした。また、断面観察により、接合部から溶融した錫を主成分とする相の流れ出しの有無を確認し、接合部から５μｍ以上の流れ出しが確認された場合は「×」とし、５μｍ未満である場合は「○」とした。なお、通常の強力な還元能力を有するフッ素系フラックスを用いてＳｎ系はんだを接合したときのボイド率が１０％程度であるので、金属接合体サンプルのボイド率が１０％以下であれば合格と判断でき、１０％よりも高ければ不合格と判断できる。
【００２９】
【表１】
2015155108.tif 000003
【００３０】
表１の結果から分かるように、銀めっき皮膜の厚さが０．３μｍ〜１．５μｍの範囲で、且つ錫めっき皮膜の厚さが銀めっき皮膜の１／２以下であれば、ボイド率が小さく、且つ外部への流れ出しもなく良好な結果であった。
【００３１】
銀めっき皮膜の厚さが０．３μｍ未満である比較例２では、ボイド率は４０％と急激に悪化する傾向が確認された。これは、加熱時に酸化し易い母材のアルミニウムが、銀めっき皮膜及び錫めっき皮膜内を拡散したり、銀めっき皮膜あるいは錫めっき皮膜の粒界から表面に現れてしまい、その結果、ギ酸還元雰囲気中ではアルミニウムの酸化膜を還元することができず、強固なアルミニウムの酸化膜が表面に一部介在してしまったため、極端に錫の濡れ性が低下し、ボイドが発生したと考えられる。また、銀めっき皮膜が１．５μｍ超である比較例３では、アルミニウムがＡｇ−Ｓｎ拡散相に十分に拡散せず、実質的にはＡｇ−Ｓｎという２元系反応となってしまい、反応相が凹凸形状となり、凹部での錫の凝固収縮によって微小なボイドが多数発生してしまい、ボイド率が１０％以上となったと考えられる。
【００３２】
錫めっき皮膜の厚さが銀めっき皮膜の１／２超である比較例４〜６では、いずれも外部への流れ出しが生じてしまい、良好な接合が得られなかった。
【００３３】
なお、上記実施例及び比較例における銀めっき皮膜の厚さ及び錫めっき皮膜の厚さは、予め算出しためっき成膜速度とめっき処理時間とから計算した値である。
【００３４】
＜実施例７＞
厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム板の上下面に厚さ０．４ｍｍのアルミニウムｌ上電極及び厚さ０．４ｍｍのアルミニウム下電極が形成されている絶縁基板（長さ４５ｍｍ×幅４５ｍｍ、ＤＯＷＡパワーデバイス社製）。この上電極及び下電極両方の接合部となる部分にのみ、厚さ１μｍの銀めっき皮膜を形成した。次に、両方の銀めっき皮膜上に厚さ０．５μｍの錫めっき皮膜を形成した。
次に、アルミニウム（Ａ１０５０）放熱板（長さ５０ｍｍ×幅６０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）を用意し、放熱板の接合部となる部分にのみ、厚さ１μｍの銀めっき皮膜を形成した。次に、銀めっき皮膜上に厚さ０．５μｍの錫めっき皮膜を形成した。
次に、ＳｉＣ半導体素子（長さ８ｍｍ×幅８ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を用意し、表面に厚さ３μｍのアルミニウムメタライズを形成し、アルミニウムメタライズ上に厚さ１μｍの銀めっき皮膜を形成した。次に、銀めっき皮膜上に厚さ０．５μｍの錫めっき皮膜を形成した。
このように調製した絶縁基板と放熱板とを、絶縁基板とＳｉＣ半導体素子とを、それぞれ順に０．５ＭＰａの圧を加えた状態でギ酸還元雰囲気下にて錫の融点（約２３０℃）よりも２０℃高い２５０℃で５分間加熱保持し、実施例７の半導体装置サンプルを得た。
【００３５】
＜比較例７＞
アルミニウムと銀との間に厚さ１μｍのニッケルめっき皮膜を挿入したこと以外は実施例７と同様にして、比較例７の半導体装置サンプルを得た。
【００３６】
実施例７及び比較例７で得られた半導体装置サンプルの接合後及びヒートサイクル（低温−４０℃×３０分、高温＋２００℃×３０分）の６００サイクル後において、半導体素子と絶縁基板との接合部及び絶縁基板と放熱板との接合部のＳＡＴ観察を行い、得られたＳＡＴ像をＰＣのソフトウェア解析によって２値化し、ボイド率を算出した。ヒートサイクル前のボイド率を表２に示し、ヒートサイクル後のボイド率を表３に示す。なお、初期接合時のボイド率の合否判定は半導体素子と絶縁基板との接合部は５％、絶縁基板と放熱板との接合部は１０％とした。半導体素子と絶縁基板との間の方がボイド率の合否判定が厳しいのは、実動作では、半導体素子周辺部が発熱するため、発熱源により近い接合部では厳しい条件としている。実施例７と比較例７とでは、どちらの接合部も実施例７が優れており、基準を満たしていた。比較例７では、どちらの接合部も基準を満たすことができなかった。その後、ヒートサイクル後においては、表３に示すように実施例７ではどちらの接合部でも僅かに微増したが、十分基準を満たしていることが分かった。比較例７では、どちらも接合後から更に大きく増加する傾向が確認された。これは、接合時の微小なボイド伝いにクラックが進展してしまったためと推定される。一方、実施例７では、アルミニウムが拡散したことによって、Ａｌ−Ａｇ−Ｓｎ相の結晶粒径が微細化され、分散強化により、クラックの進展が抑制されたと推定される。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
【表３】
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【符号の説明】
【００３９】
１  アルミニウム板、２  銀めっき皮膜、３  錫めっき皮膜、４  圧、５  Ａｌ−Ａｇ拡散相、６  Ａｇ−Ｓｎ拡散相、７  Ａｌ−Ａｇ−Ｓｎ相、８  Ｓｎ相、９  上電極、１０  下電極、１１  絶縁基板、１２  放熱板、１３  メタライズ、１４  半導体素子、１５  ニッケルめっき皮膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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