(57)【要約】【課題】銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面に、接合強度、導電性及び熱伝導性に優れたＡｇ下地層を形成することが可能なＡｇ下地層形成用ペーストを提供する。【解決手段】銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面にＡｇ下地層を形成する際に使用されるＡｇ下地層形成用ペーストであって、Ａｇ粉末１１と、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２と、Ｎ２雰囲気における分解温度が４００℃以下のアクリル系樹脂１３と、を含有していることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面にＡｇ下地層を形成する際に使用されるＡｇ下地層形成用ペーストであって、
Ａｇ粉末と、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末と、Ｎ２雰囲気における分解温度が４００℃以下のアクリル系樹脂と、を含有していることを特徴とするＡｇ下地層形成用ペースト。
【請求項２】
前記Ａｇ粉末の平均粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載のＡｇ下地層形成用ペースト。
【請求項３】
前記Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末の平均粒径が０．５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＡｇ下地層形成用ペースト。
【請求項４】
前記Ａｇ粉末の含有量が、５０ｍａｓｓ％以上８０ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＡｇ下地層形成用ペースト。
【請求項５】
前記Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末の含有量が、１５ｍａｓｓ％以上３５ｍａｓｓ％以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のＡｇ下地層形成用ペースト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面にＡｇ下地層を形成する際に使用されるＡｇ下地層形成用ペーストに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤやパワーモジュール等の半導体装置においては、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子においては、発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミ）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）などのセラミックス基板からなる絶縁層と、この絶縁層の一方の面に導電性の優れた金属を配設して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、絶縁層の他方の面に熱伝導性に優れた金属を配設して形成した金属層を備えたものも提供されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をＤＢＣ法によってセラミックス基板に直接接合した絶縁回路基板が提案されている。このＤＢＣ法においては、銅と銅酸化物との共晶反応を利用することにより、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせ、銅板とセラミックス基板とを接合している。
【０００４】
この特許文献１に記載された絶縁回路基板においては、回路層の表面に半導体素子等の電子部品が実装され、金属層の表面にヒートシンクベースがはんだ付けされている。そして、半導体素子等の電子部品で発生した熱を、絶縁回路基板側に伝達し、ヒートシンクベースを介して外部へ放散する構成とされている。
最近では、環境保護の観点から、半導体素子等の電子部品と回路層、ヒートシンクベースと金属層と接合する際に用いられるはんだ材としては、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、若しくはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等の鉛フリーはんだが主流となっている。
【０００５】
ここで、銅又は銅合金からなる回路層や金属層に直接はんだ接合した場合には、溶融したはんだ材と銅とが反応して回路層や金属層の内部にはんだ材の成分が侵入し、回路層や金属層の特性が劣化するおそれがある。このため、従来は、回路層や金属層の表面にＮｉめっき膜を形成し、はんだ接合を実施している。
また、最近では、シリコン半導体からＳｉＣ又はＧａＮなど化合物半導体素子の実用化が期待されており、半導体素子自体の耐熱性の向上が見込まれるため、はんだ材よりも耐熱性に優れた接合材が求められている。
【０００６】
そこで、はんだ材の代替として、例えば、特許文献２には、金属粒子と有機物とを有する金属ペーストを用いて半導体素子等の電子部品やヒートシンクベースを接合する技術が提案されている。
また、特許文献３、４には、金属酸化物粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化物ペーストを用いて、半導体素子等の電子部品やヒートシンクベースを接合する技術が提案されている。
【０００７】
しかしながら、特許文献２−４に開示されたように、はんだ材を使用せずに金属ペーストあるいは酸化物ペーストを用いて半導体素子等の電子部品を接合した場合には、これらペーストの焼成体からなる接合層がはんだ材に比べて厚みが薄く形成されるため、熱サイクル負荷時の応力が半導体素子等の電子部品に作用しやすくなり、半導体素子等の電子部品自体が破損してしまうおそれがあった。同様に、金属層とヒートシンクとの間に形成される接合層が薄くなると、絶縁回路基板とヒートシンクとの熱膨張係数の差によって生じる熱ひずみが絶縁回路基板に作用し、絶縁層に亀裂が生じるおそれがあった。
【０００８】
そこで、特許文献５、６には、ガラス含有Ａｇペーストを用いて銅又は銅合金からなる回路層上にＡｇ下地層を形成した後に、はんだ材又はＡｇペーストを介して回路層と半導体素子を接合する技術が提案されている。この技術では、ガラス含有Ａｇペーストを銅又は銅合金からなる回路層の表面に塗布し、焼成することによって回路層の表面に形成されている酸化被膜をガラスに反応させて除去してＡｇ下地層を形成し、このＡｇ下地層が形成された回路層上に、はんだ材又はＡｇペーストによって半導体素子を接合している。
ここで、このＡｇ下地層は、ガラスが回路層の酸化被膜と反応することにより形成されたガラス層と、このガラス層上に形成されたＡｇ層とを備えている。このガラス層中には導電性粒子が分散しており、この導電性粒子によってガラス層の導通が確保されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０４−１６２７５６号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２９３８号公報
【特許文献３】特開２００８−２０８４４２号公報
【特許文献４】特開２００９−２６７３７４号公報
【特許文献５】特開２０１２−１０９３１５号公報
【特許文献６】特開２０１３−０１２７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、特許文献５、６のガラス含有ペーストを用いて銅又は銅合金からなる回路層の表面にＡｇ下地層を形成し、回路層と半導体素子等の電子部品とを接合した場合、Ａｇ下地層においてガラス層が厚く形成されると電気抵抗値が大きくなることから、回路層と半導体素子等の電子部品との間の導電性を確保できなくなるおそれがあった。
また、特許文献５、６のガラス含有ペーストを用いて銅又は銅合金からなる金属層の表面にＡｇ下地層を形成し、金属層とヒートシンクとを接合した場合、電気抵抗値が高くなると熱伝導性も劣化することから、金属層からヒートシンクへの熱伝達も阻害され、熱を効率的に放散することができなくなるおそれがあった。
【００１１】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面に、接合強度、導電性及び熱伝導性に優れたＡｇ下地層を形成することが可能なＡｇ下地層形成用ペーストを提供することを目的とする
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明のＡｇ下地層形成用ペーストは、銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面にＡｇ下地層を形成する際に使用されるＡｇ下地層形成用ペーストであって、Ａｇ粉末と、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末と、Ｎ２雰囲気における分解温度が４００℃以下のアクリル系樹脂と、を含有していることを特徴としている。
【００１３】
この構成のＡｇ下地層形成用ペーストにおいては、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末を有しているので、このＡｇ下地層形成用ペーストを金属部材の銅層の表面に塗布して上記Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末の固相線温度以上に加熱することにより、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末が溶融し、溶融層が形成される。ここで、Ｓｎと回路層の銅とが互いに拡散して合金化するとともに、Ａｇ粉末が溶融層によって囲まれて、Ａｇ粉末とＳｎとが互いに拡散して合金化する。
そして、溶融層とＡｇ及びＣｕの相互拡散がさらに進展し、溶融層は融点の高いＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物となり、凝固することによって、複数のＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物で結合された構造のＡｇ下地層が形成される。なお、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物には、ＡｇとＳｎの金属間化合物の他に、ＡｇとＣｕの金属間化合物やＣｕとＳｎの金属間化合物が含まれる。さらに、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末としてＳｎ合金を用いた場合、Ｓｎ合金に含まれる元素とＡｇ、Ｃｕ、Ｓｎとの金属間化合物が含まれる。例えば、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末としてＳｎ−Ｓｂ合金を用いた場合、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物には、ＡｇとＳｂ、ＣｕとＳｂ、ＳｎとＳｂ等の金属間化合物が含まれる。
このように、導電性、熱伝導性に優れたＡｇ粒子がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物で銅層に結合されていることから、接合強度、導電性及び熱伝導性に優れたＡｇ下地層を形成することが可能となる。
また、Ｎ２雰囲気における分解温度が４００℃以下のアクリル系樹脂を含有しているので、Ａｇ下地層形成用ペーストを塗布した後の加熱温度を４００℃以上とすることで、アクリル系樹脂を分解除去することが可能となり、Ａｇ下地層内部にアクリル系樹脂が残存することを抑制できる。
【００１４】
ここで、本発明のＡｇ下地層形成用ペーストにおいては、前記Ａｇ粉末の平均粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記Ａｇ粉末の平均粒径が０．１μｍ以上とされているので、Ａｇ下地層ペースト中にＡｇ粉末を均一に分散させることができ、Ａｇ下地層を確実に形成することが可能となる。一方、前記Ａｇ粉末の平均粒径が１０μｍ以下とされているので、Ａｇ粒子同士がＡｇ下地層中において比較的緻密に配置されることになり、導電性および熱伝導性に優れたＡｇ下地層を形成することが可能となる。
【００１５】
また、本発明のＡｇ下地層形成用ペーストにおいては、前記Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末の平均粒径が０．５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末の平均粒径が０．５μｍ以上とされているので、Ａｇ下地層ペースト中にＳｎ又はＳｎ合金の粉末を均一に分散させることができ、Ａｇ下地層を確実に形成することが可能となる。一方、前記Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末の平均粒径が１５μｍ以下とされているので、Ａｇ粉末とＳｎ又はＳｎ合金の粉末との均一に混合することができ、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物によってＡｇ粒子同士を確実に結合することができる。
【００１６】
さらに、本発明のＡｇ下地層形成用ペーストにおいては、前記Ａｇ粉末の含有量が、５０ｍａｓｓ％以上８０ｍａｓｓ％以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記Ａｇ粉末の含有量が５０ｍａｓｓ％以上とされているので、Ａｇ下地層中にＡｇ粒子を十分に配置することができ、導電性、熱伝導性及び銀又は酸化銀との接合性に優れたＡｇ下地層を形成することが可能となる。一方、前記Ａｇ粉末の含有量が８０ｍａｓｓ％以下とされているので、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末およびアクリル系樹脂の含有量が確保されることになり、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物によってＡｇ粒子を確実に結合することができるとともに、ペーストの塗布性や塗布後の形状保持性を確保することができる。
【００１７】
さらに、本発明のＡｇ下地層形成用ペーストにおいては、前記Ｓｎ又はＳｎ合金粉末の含有量が、１５ｍａｓｓ％以上３５ｍａｓｓ％以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末の含有量が１５ｍａｓｓ％以上とされているので、溶融層を十分に形成することができ、銅層との接合強度に優れたＡｇ下地層を形成することが可能となる。一方、前記Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末の含有量が３５ｍａｓｓ％以下とされているので、Ａｇ粒子およびアクリル系樹脂の含有量が確保されることになり、比較的多数のＡｇ粒子を結合して導電性および熱伝導性を確保することができるとともに、ペーストの塗布性や塗布後の形状保持性を確保することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅層を有する金属部材のうち被接合体と接合される前記銅層の表面に、接合強度、導電性及び熱伝導性に優れたＡｇ下地層を形成することが可能なＡｇ下地層形成用ペーストを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態であるＡｇ下地層形成用ペーストおよびＡｇ下地層の説明図である。
【図２】本発明の実施形態であるＡｇ下地層形成用ペーストの製造方法のフロー図である。
【図３】本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペーストを用いてＡｇ下地層を形成した接合体（半導体装置）の一例を示す説明図である。
【図４】図３に示す接合体（半導体装置）の製造方法を示すフロー図である。
【図５】図３に示す接合体（半導体装置）の製造方法を示す説明図である。
【図６】本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペーストを用いてＡｇ下地層を形成した接合体（半導体装置）の他の例を示す説明図である。
【図７】実施例において、Ａｇ下地層の厚さ方向の電気抵抗値の測定方法を示す上面説明図である。
【図８】実施例において、Ａｇ下地層の厚さ方向の電気抵抗値の測定方法を示す側面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０およびこのＡｇ下地層形成用ペースト１０を用いて形成されたＡｇ下地層２０の概略図を示す。
このＡｇ下地層形成用ペースト１０は、図１に示すように、Ａｇ粉末１１と、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２と、Ｎ２雰囲気における分解温度が４００℃以下のアクリル系樹脂１３と、を含有している。なお、必要に応じて、溶剤及び分散剤を添加してもよい。
【００２１】
Ａｇ粉末１１の平均粒径（マイクロトラック法で測定した中心粒径ｄ５０）が０．１μｍ以上１０μｍ以下とされ、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２の平均粒径（マイクロトラック法で測定した中心粒径ｄ５０）が０．５μｍ以上１５μｍ以下とされている。
また、Ａｇ粉末１１の含有量が、５０ｍａｓｓ％以上８０ｍａｓｓ％以下とされ、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２の含有量が、１５ｍａｓｓ％以上３５ｍａｓｓ％以下とされている。
【００２２】
ここで、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２としては、Ｓｎの他に、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金等を用いることができる。
また、Ａｇ下地層形成用ペースト５０にＮｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｂｉ等がＳｎ又はＳｎ合金の粉末重量に対し０．２ｍａｓｓ％以下添加されていてもよい。Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｂｉ等を添加することでＳｎ又はＳｎ合金の粉末が溶融した際に濡れ性が向上し、回路層との反応が進みやすくなり、接合信頼性が向上する。なお、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｐ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｂｉ等を添加する場合、これらの元素とＳｎ又はＳｎ合金との合金（例えば、Ｓｎ−Ｎｉ合金やＳｎ−Ｓｂ−Ｎｉ合金）として添加することが望ましい。
【００２３】
Ｎ２雰囲気における分解温度が  ４００℃以下のアクリル系樹脂１３としては、例えば、メタクリル酸メチル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸ｉ−ブチル、メタクリル酸t-ブチル、メタクリル酸２−エチルヘキシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸アルキル、メタクリル酸トリデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸ベンジル、メタクリル酸イソボルニル、メタクリル酸グリシジル、メタクリル酸テトラヒドロフルフリル、メタクリル酸アリル、メタクリル酸２−ヒドロキシエチル、メタクリル酸２−メトキシエチル、メタクリル酸２−エトキシエチル、メタクリル酸ジメチルアミノエチル、ジメタクリル酸エチレングリコール、ジメタクリル酸１，３−ブチレングリコール等の重合体を用いることができる。
なお、アクリル系樹脂１３の含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上２ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
また、有機溶剤としては、アクリル系の樹脂を溶解することができるものを用いることができ、例えば、α−テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、ジエチレンクリコールジブチルエーテル等を用いることができる。有機溶剤量としては、アクリル系樹脂重量１に対して有機溶剤７〜２４倍の有機溶剤を用いることができる。
さらに、必要に応じて分散剤を添加することができる。分散剤を添加する場合には、上記有機溶剤に溶解するもので、カルボン酸系のものやアミン系のものが望ましく、分散剤量としては、有機溶剤重量１に対して分散剤０．０５〜０．５０の範囲で用いることが望ましい。
【００２４】
次に、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０の製造方法について、図２に示すフロー図を参照して説明する。
まず、前述したＡｇ粉末１１と、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２とを混合して混合粉末を生成する（粉末混合工程Ｓ１）。また、アクリル系樹脂１３、分散剤、溶剤を混合して有機混合物を生成する（有機物混合工程Ｓ２）。
【００２５】
そして、粉末混合工程Ｓ１で得られた混合粉末と、有機物混合工程Ｓ２で得られた有機混合物とをミキサーによって予備混合する（予備混合工程Ｓ３）。
次いで、予備混合物を、複数のロールを有するロールミル機を用いて練り込みながら混合する（混錬工程Ｓ４）。  
混錬工程Ｓ４によって得られた混錬物を、ペーストろ過機によってろ過する（ろ過工程Ｓ５）。
このようにして、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０が製出されることになる。
【００２６】
次に、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０を用いて、銅または銅合金からなる銅層１８の表面にＡｇ下地層２０を形成する過程を、図１を参照にして説明する。
まず、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０を、銅または銅合金からなる銅層１８の表面に塗布する。
次に、このＡｇ下地層形成用ペースト１０を加熱処理する。加熱処理条件は、例えば、窒素雰囲気下で、温度４００℃以上６００℃以下、保持時間３０分以上２時間以下とすることが好ましい。これにより、図１（ｂ）に示すように、Ａｇ下地層形成用ペースト１０中のアクリル系樹脂が分解して除去されるとともに、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２が溶融して溶融層１２ａが形成される。このとき、溶融層１２ａのＳｎと銅層１８中の銅とが互いに拡散して合金化するとともに、Ａｇ粉末１１が溶融層１２ａによって囲まれて、Ａｇ粉末１１と溶融層１２ａとが互いに拡散して合金化する。
そして、図１（ｃ）に示すように、溶融層１２ａとＡｇ及びＣｕの相互拡散がさらに進展し、溶融層１２ａは融点の高いＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物となり、凝固することによって、複数のＡｇ粒子２１がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２で結合された構造のＡｇ下地層２０が形成される。なお、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２には、ＡｇとＳｎの金属間化合物の他に、ＡｇとＣｕの金属間化合物やＣｕとＳｎの金属間化合物が含まれる。さらに、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２としてＳｎ合金を用いた場合、Ｓｎ合金に含まれる元素とＡｇ、Ｃｕ、Ｓｎとの金属間化合物が含まれる。例えば、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２としてＳｎ−Ｓｂ合金を用いた場合、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２には、ＡｇとＳｂ、ＣｕとＳｂ、ＳｎとＳｂ等の金属間化合物が含まれる。
【００２７】
ここで、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０を用いてＡｇ下地層２０を形成した接合体（半導体装置５１）の一例を図３に示す。
この半導体装置５１は、絶縁回路基板６０と、この絶縁回路基板６０の一方の面（図３において上面）に接合層５２を介して接合された半導体素子５３と、を備えている。
【００２８】
絶縁回路基板６０は、絶縁層となるセラミックス基板６１と、このセラミックス基板６１の一方の面（図３において上面）に配設された回路層６２と、を備えている。
セラミックス基板６１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミ）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）等で構成されている。本実施形態では、放熱性の優れたＡｌＮ（窒化アルミ）で構成されている。また、セラミックス基板６１の厚さは、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００２９】
回路層６２は、図５に示すように、セラミックス基板６１の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板７２が接合されることにより形成されている。本実施形態においては、回路層６２を構成する銅板７２として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層６２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図３において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。ここで、回路層６２の厚さ（銅板７２の厚さ）は０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．３ｍｍに設定されている。この半導体装置５１（絶縁回路基板６０）においては、回路層６２が図１における銅層１８に該当することになる。
【００３０】
そして、この回路層６２の一方の面には、上述したＡｇ下地層２０が形成されている。このＡｇ下地層２０は、図１（ｃ）に示すように、Ａｇ粒子２１と、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２と、を備えており、複数のＡｇ粒子２１がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２によって結合された構造とされている。
また、本実施形態では、Ａｇ下地層２０の厚さが１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とされている。
【００３１】
ここで、Ａｇ下地層２０と半導体素子５３との間に介在する接合層５２は、Ａｇ粒子及び酸化銀粒子の少なくとも一方又は両方と有機物とを含む接合材の焼成体とされており、本実施形態においては、酸化銀粒子と有機物からなる還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされている。すなわち、接合層５２は、酸化銀が還元されたＡｇの焼成体とされているのである。ここで、酸化銀を還元することにより生成される粒子は、例えば粒径１０ｎｍ〜１μｍと非常に微細であることから、緻密なＡｇの焼成層が形成されることになる。
【００３２】
この酸化銀ペーストは、酸化銀粉末（酸化銀粒子）と、還元剤と、樹脂と、溶剤と、を含有しており、本実施形態では、これらに加えて有機金属化合物粉末を含有している。
酸化銀粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の６０ｍａｓｓ％以上９２ｍａｓｓ％以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下とされ、有機金属化合物粉末の含有量が酸化銀ペースト全体の０ｍａｓｓ％以上１０ｍａｓｓ％以下とされており、残部が溶剤とされている。この酸化銀ペーストにおいては、焼結によって得られる接合層５２に未反応の有機物が残存することを抑制するために、分散剤及び樹脂は添加していない。
【００３３】
還元剤は、還元性を有する有機物とされており、例えば、アルコール、有機酸を用いることができる。
有機金属化合物は、熱分解によって生成する有機酸によって酸化銀の還元反応や有機物の分解反応を促進させる作用を有するものであり、例えば蟻酸Ａｇ、酢酸Ａｇ、プロピオン酸Ａｇ、安息香酸Ａｇ、シュウ酸Ａｇなどのカルボン酸系金属塩等が適用される。
なお、この酸化銀ペーストは、その粘度が１０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下、より好ましくは５０Ｐａ・ｓ以上３００Ｐａ・ｓ以下に調整されている。
【００３４】
次に、図３に示す半導体装置５１の製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。
まず、Ａｇ及び窒化物形成元素を含む銅部材接合用ペーストを用いてセラミックス基板６１の一方の面に銅板７２を接合し、回路層６２を形成する（回路層形成工程Ｓ０１）。
ここで、銅部材接合用ペーストは、Ａｇおよび窒化物形成元素を含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものであり、粉末成分は、Ａｇ及び窒化物形成元素以外に、Ｉｎ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ及びＺｎから選択される１種又は２種以上の添加元素を含有するものとされている。本実施形態では、窒化物形成元素としてＴｉを用いた。
【００３５】
具体的には、図５に示すように、セラミックス基板６１の一方の面にスクリーン印刷によって、銅部材接合用ペーストを塗布して乾燥させることにより、Ａｇ及び窒化物形成元素層７４を形成する。このＡｇ及び窒化物形成元素層７４の厚さは、乾燥後で６０μｍ以上３００μｍ以下とされている。次に、銅板７２をセラミックス基板６１の一方の面側に積層する。すなわち、セラミックス基板６１と銅板７２との間にＡｇ及び窒化物形成元素層７４を介在させる。
【００３６】
そして、銅板７２、セラミックス基板６１を積層方向に加圧（圧力１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）した状態で真空加熱炉内に挿入して加熱することにより、セラミックス基板６１の一方の面に回路層６２を形成する。この加熱時において、Ａｇ及び窒化物形成元素層７４のＡｇが銅板７２に向けて拡散する。このとき、銅板７２の一部がＣｕとＡｇとの反応によって溶融し、銅板７２とセラミックス基板６１との界面に、溶融金属領域が形成されることになる。そして、溶融金属領域が凝固することにより、セラミックス基板６１と銅板７２とが接合され、回路層６２が形成される。
【００３７】
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は７９０℃以上８５０℃以下の範囲内に設定している。
なお、凝固が終了した後では、Ａｇ及び窒化物形成元素層７４のＡｇが十分に拡散されており、セラミックス基板６１と銅板７２との接合界面にＡｇ及び窒化物形成元素層７４が残存していない。
【００３８】
次に、回路層６２の一方の面にＡｇ下地層２０を形成する（Ａｇ下地層形成工程Ｓ０２）。
このＡｇ下地層形成工程Ｓ０２においては、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０を回路層６２の一方の面に塗布して加熱処理することにより、図１に示すように、Ａｇ下地層２０を形成する。
このようにして、銅又は銅合金からなる回路層６２の表面にＡｇ下地層２０が形成された本実施形態である絶縁回路基板６０が製造される。
【００３９】
次に、Ａｇ下地層２０の表面に、接合層５２となる酸化銀ペーストを塗布する（酸化銀ペースト塗布工程Ｓ０３）。
なお、酸化銀ペーストを塗布する際には、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、感光性プロセス等の種々の手段を採用することができる。本実施形態では、スクリーン印刷法によって酸化銀ペーストを印刷した。
【００４０】
次に、酸化銀ペーストを塗布した状態で乾燥（例えば、室温、大気雰囲気で２４時間保管）した後、絶縁回路基板６０の酸化銀ペーストの上に半導体素子５３を積層する（半導体素子積層工程Ｓ０４）。
そして、半導体素子５３と絶縁回路基板６０とを積層した状態で加熱炉内に装入し、酸化銀ペーストの焼成を行う（焼成工程Ｓ０５）。このとき、半導体素子５３と絶縁回路基板６０とを積層方向に加圧した状態で加熱することによって、より確実に接合することができる。この場合、加圧圧力は０．５〜１０ＭＰａとすることが望ましい。
このようにして、Ａｇ下地層２０の上に接合層５２が形成され、半導体素子５３と回路層６２とが接合される。これにより、本実施形態である半導体装置５１が製造される。
【００４１】
以上のような構成とされた本実施形態に係るＡｇ下地層形成用ペースト１０によれば、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２を有しているので、このＡｇ下地層形成用ペースト１０を銅層１８（回路層６２）の表面に塗布して上記Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２の固相線温度以上に加熱することにより、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２が溶融し、溶融層１２ａが形成される。この溶融層１２ａは、銅層１８（回路層６２）と互いに拡散して合金化するとともに、Ａｇ下地層形成用ペースト１０中の複数のＡｇ粉末１１同士の間に存在し、これらＡｇ粉末１１とも互いに拡散して合金化する。そして、この溶融層１２ａとＡｇ及びＣｕの相互拡散がさらに進展し、溶融層１２ａは融点の高いＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物となり、凝固することによって、複数のＡｇ粒子２１がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２で結合された構造のＡｇ下地層２０が形成される。よって、接合強度、導電性及び熱伝導性に優れたＡｇ下地層２０を形成することができる。
また、Ｎ２雰囲気における分解温度が４００℃以下のアクリル系樹脂１３を含有しているので、Ａｇ下地層形成用ペースト１０を塗布した後の加熱温度を４００℃以上とすることで、アクリル系樹脂１３を分解除去することが可能となり、Ａｇ下地層２０内部にアクリル系樹脂１３が残存することを抑制できる。
【００４２】
また、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０においては、Ａｇ粉末１１の平均粒径（マイクロトラック法で測定した中心粒径ｄ５０）が０．１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とされているので、Ａｇ下地層形成用ペースト１０中にＡｇ粉末１１を均一に分散させることができ、Ａｇ下地層２０を確実に形成することができる。さらに、Ａｇ下地層２０中においてＡｇ粒子２１同士が比較的緻密に配置されることになり、導電性、熱伝導性及び接合性に優れたＡｇ下地層２０を形成することが可能となる。
【００４３】
また、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０においては、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２の平均粒径（マイクロトラック法で測定した中心粒径ｄ５０）が０．５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であるので、Ａｇ下地層形成用ペースト１０中にＳｎ又はＳｎ合金の粉末１２を均一に分散させることができ、Ａｇ下地層２０を確実に形成することが可能となる。さらに、Ａｇ粉末１１とＳｎ又はＳｎ合金の粉末１２との均一に混合することができ、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２によってＡｇ粒子２１同士を確実に結合することができる。
【００４４】
さらに、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０においては、Ａｇ粉末１１の含有量が、５０ｍａｓｓ％以上とされているので、Ａｇ下地層２０中にＡｇ粒子２１を十分に配置することができ、導電性、熱伝導性及び接合性に優れたＡｇ下地層２０を形成することが可能となる。一方、Ａｇ粉末１１の含有量が８５ｍａｓｓ％以下とされているので、低融点金属の粉末１２およびアクリル系樹脂１３の含有量が確保されることになり、Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２によってＡｇ粒子２１を確実に結合することができるとともに、ペーストの塗布性や塗布後の形状保持性を確保することができる。
【００４５】
また、本実施形態であるＡｇ下地層形成用ペースト１０においては、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２の含有量が１５ｍａｓｓ％以上とされているので、溶融層１２ａを十分に形成することができ、銅層１８（回路層６２）との接合強度に優れたＡｇ下地層２０を形成することが可能となる。一方、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２の含有量が３５ｍａｓｓ％以下とされているので、Ａｇ粉末１１およびアクリル系樹脂１３の含有量が確保されることになり、比較的多数のＡｇ粒子２１を結合して導電性および熱伝導性を確保することができるとともに、ペーストの塗布性や塗布後の形状保持性を確保することができる。
【００４６】
さらに、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２として、本実施形態では、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金等を用いているので、Ａｇ下地層形成工程Ｓ０２において、４００℃以上６００℃以下の温度条件で加熱処理することにより、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末１２を溶融させてＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２を確実に形成することが可能となる。
【００４７】
また、図３に示す半導体装置５１においては、上述のように、回路層６２の表面に、複数のＡｇ粒子２１がＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２によって結合された構造のＡｇ下地層２０が形成されているので、回路層６２とＡｇ及びＳｎを含む金属間化合物２２とが強固に接合され、回路層６２とＡｇ下地層２０との接合強度を十分に高くすることができる。そして、このＡｇ下地層２０が形成された回路層６２と半導体素子５３とが、酸化銀ペーストの焼成体からなる接合層５２を介して接合されているので、Ａｇ下地層２０と接合層５２とが同種の金属（Ａｇ）同士の接合となり、Ａｇ下地層２０と接合層５２との接合強度が向上し、絶縁回路基板６０と半導体素子５３との接合信頼性を向上させることが可能となる。また、Ａｇ下地層２０の電気抵抗が低く抑えられており、絶縁回路基板６０と半導体素子５３との間の導電性を確保することができる。さらに、熱伝導性も確保されることから、半導体素子５３で発生した熱を絶縁回路基板６０側へと効率的に放散することが可能となる。
【００４８】
さらに、本実施形態では、接合層５２が、酸化銀粉末と還元剤とを含む酸化銀ペーストの焼成体とされているので、酸化銀ペーストを焼成する際に、酸化銀が還元剤によって還元されて微細なＡｇ粒子となり、接合層５２を緻密な構造とすることができる。また、還元剤は、酸化銀を還元する際に分解されるため、接合層５２中に残存しにくく、接合層５２における導電性及び強度を確保することができる。さらに、酸化銀ペーストは、例えば３００℃といった比較的低温条件で焼成することが可能であるため、半導体素子５３の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子５３への熱負荷を低減することができる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
上記実施形態では、Ａｇ下地層を形成する金属部材の一例として、銅板からなる回路層を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、例えば図６に示すように、銅層１６２ｂとアルミニウム層１６２ａとが固相拡散接合されて構成された回路層１６２（金属部材）の銅層１６２ｂの表面にＡｇ下地層１２０を形成するものであってもよい。
【実施例】
【００５０】
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
【００５１】
（本発明例１−９、比較例）
まず、表１に示した種類及び量のＡｇ粉末、Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末、アクリル系樹脂、残部を溶剤（α−テルピネオール）として用いて、実施形態に記載した方法により、本発明例１−９及び比較例のＡｇ下地層形成用ペーストを作成した。
【００５２】
（本発明例１１−１９、比較例）
セラミックス基板の一方の面に回路層となる銅板を活性金属ろう付け法にて接合し、セラミックス基板の他方の面に金属層となるアルミニウム板をろう付け法にて接合し、絶縁回路基板を製作した。ここで、セラミックス基板は、ＡｌＮとし、サイズは２７ｍｍ×１７ｍｍ×０．６ｍｍとした。回路層となる銅板は、無酸素銅を使用し、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×０．３ｍｍとした。金属層となるアルミニウム板は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウムとし、サイズは２５ｍｍ×１５ｍｍ×１．６ｍｍとした。
【００５３】
回路層の表面に、表１に示す組成のＡｇ下地層形成用ペーストを塗布して加熱処理することにより、Ａｇ下地層を形成した。
【００５４】
次に、酸化銀ペーストとして、市販の酸化銀粉末（和光純薬工業株式会社製）と、還元剤としてミリスチルアルコールと、溶剤として２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート）と、を用いて、酸化銀粉末；８０質量％、還元剤（ミリスチルアルコール）；１０質量％、溶剤（２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノ（２−メチルプロパノエート））；残部、の割合で混合したものを準備した。
【００５５】
そして、Ａｇ下地層上に上述の酸化銀ペーストを塗布（塗布厚さ：１０μｍ）し、接合面にＡｕ膜を形成した半導体素子を配置し、酸化銀ペーストを焼成することで接合層を形成して、本発明例１１−１９、比較例の半導体装置を作製した。
ここで、酸化銀ペーストの焼成条件は、真空雰囲気、焼成温度３００℃、焼成時間１０分、加圧圧力５ＭＰａとした。
【００５６】
（従来例）
銅板からなる回路層の表面に、ガラス含有Ａｇペーストを用いてＡｇ下地層を形成し、酸化銀ペーストを焼成した接合層によって回路層と半導体素子とを接合し、比較例の半導体装置を作製した。なお、それ以外の条件は、本発明例１１−１９と同様とした。
回路層上にガラス含有Ａｇペーストを塗布した後に加熱炉内に装入して、６００℃で焼成することによって、回路層上にＡｇ下地層を形成した。ここで使用したガラス含有Ａｇペーストは、セルロース系樹脂と、Ｂｉ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３系無鉛ガラスフリット、溶剤としてα−テルピネオール及びＡｇを含有するガラス含有Ａｇペーストとした。
【００５７】
得られた各種半導体装置について、シェア強度、熱抵抗及び電気抵抗を評価した。評価結果を表１に示す。
【００５８】
（シェア強度）
２．５ｍｍ×２．５ｍｍ×０．２００ｍｍの半導体素子を接合した半導体装置に対し、せん断強度評価試験機を用いてシェア強度を測定した。測定は、半導体装置の回路層を水平に固定し、回路層表面から５０μｍ上方の位置をシェアツールで横から水平に押して、半導体素子が破断されたときの強度を測定した。シェアツールの移動速度は０．１ｍｍ／ｓｅｃとした。一条件に付き３回強度試験を行い、それらの算術平均値を測定値とした。せん断強度評価試験機として株式会社レスカ製ボンディングテスタ（Ｍｏｄｅｌ：ＰＴＲ−１１０１）を用いた。
【００５９】
（熱抵抗）
半導体素子としてヒータチップ（１３ｍｍ×１０ｍｍ×０．２５ｍｍ）を用いて、半導体装置を作製し、これらの半導体装置を冷却器にろう付け接合した。次に、ヒータチップを１００Ｗの電力で加熱し、熱電対を用いてヒータチップの温度を実測した。また、冷却器を流通する冷却媒体（エチレングリコール：水＝９：１）の温度を実測した。そして、ヒータチップの温度と冷却媒体の温度差を電力で割った値を熱抵抗とした。  なお、ガラス含有Ａｇペーストを用いてＡｇ下地層を形成した従来例を基準として１とし、この従来例との比率で評価した。
【００６０】
（電気抵抗）
Ａｇ下地層を形成した絶縁回路基板について、図７及び図８に記載された方法により、テスタ（ＫＥＩＴＨＬＥＹ社製：２０１０ＭＵＬＴＩＭＥＴＥＲ）を用いて、Ａｇ下地層の厚さ方向の電気抵抗値を測定した。電気抵抗の測定は、Ａｇ下地層の上面中央点と、Ａｇ下地層の上面中央点からＡｇ下地層端部までの距離Ｈとした場合に、Ａｇ下地層端部からＨだけ離れた回路層上の点と、の間で行った。
【００６１】
【表１】
2015115535.tif 000003
【００６２】
【表２】
2015115535.tif 000004
【００６３】
回路層の表面にガラス含有ＡｇペーストにてＡｇ下地層を形成した従来例では、電気抵抗が本発明例に比べて高かった。
分解温度が４００℃を超えるアクリル系樹脂を用いた比較例では、熱抵抗及び電気抵抗が本発明例に比べて高かった。
これに対して、回路層の表面に本発明のＡｇ下地層形成用ペーストを用いてＡｇ下地層を形成した本発明例１１−１９においては、熱抵抗及び電気抵抗が低かった。
【符号の説明】
【００６４】
１０  Ａｇ下地層形成用ペースト
１１  Ａｇ粉末
１２  Ｓｎ又はＳｎ合金の粉末
１３  アクリル系樹脂
２０  Ａｇ下地層
２１  Ａｇ粒子
２２  Ａｇ及びＳｎを含む金属間化合物
【図１】
2015115535.tif 000005
【図２】
2015115535.tif 000006
【図３】
2015115535.tif 000007
【図４】
2015115535.tif 000008
【図５】
2015115535.tif 000009
【図６】
2015115535.tif 000010
【図７】
2015115535.tif 000011
【図８】
2015115535.tif 000012