(57)【要約】【課題】金属部材と他の部材とを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からなる接合層を介して接合する際に、接合信頼性を向上させることが可能な金属複合体、この金属複合体からなる回路基板、この回路基板を備えた半導体装置、及び金属複合体の製造方法を提供する。【解決手段】絶縁層１１と、この絶縁層１１の一方の面に配設された金属部材１２と、前記金属部材のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に配設されたＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層１２ａとを備えた金属複合体１０であって、前記Ａｇ下地層１２ａは酸化銀の焼結体からなり、前記金属部材１２と前記Ａｇ下地層１２ａとが直接接合され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】
絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された金属部材と、前記金属部材のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に配設されたＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層とを備えた金属複合体であって、
前記Ａｇ下地層は、酸化銀の焼結体からなり、
前記金属部材と前記Ａｇ下地層とが直接接合されていることを特徴とする金属複合体。
【請求項２】
請求項１に記載の金属複合体からなり、前記金属部材は、前記絶縁層の一方の面に配設された回路層であることを特徴とする回路基板。
【請求項３】
請求項１に記載の金属複合体を有し、前記絶縁層の他方の面に回路層が配設されていることを特徴とする回路基板。
【請求項４】
請求項２に記載の金属複合体を有し、前記絶縁層の他方の面に金属層が配設され、前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面にＡｇ焼結接合用第２Ａｇ下地層が配設され、
前記第２Ａｇ下地層は酸化銀の焼結体からなり、
前記金属層と前記第２Ａｇ下地層とが直接接合されていることを特徴とする回路基板。
【請求項５】
請求項２又は請求項４に記載の回路基板と、前記回路層上のＡｇ下地層に接合された半導体素子と、を備え、
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からなる接合層によって、前記Ａｇ下地層と前記半導体素子とが接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
絶縁層の一方の面に金属部材が配設された金属複合体の製造方法であって、
前記絶縁層の一方の面に前記金属部材を配設する工程と、
前記金属部材のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に、酸化銀ペーストを塗布する工程と、
前記酸化銀ペーストを焼結することにより、前記金属部材と直接接合したＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層を形成する工程と、を備えることを特徴とする金属複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁層の一方の面に金属部材が配設された金属複合体、この金属複合体からなる回路基板、この回路基板を備えた半導体装置、及び金属複合体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
絶縁層の一方の面に金属部材が配設された金属複合体としては、例えばＬＥＤやパワーモジュールの半導体装置等が挙げられる。この半導体装置は、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、電気自動車等の電気車両など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）などからなるセラミックス基板（絶縁層）上に導電性の優れた金属板を回路層（金属部材）として接合した回路基板が、従来から広く用いられている。また、セラミックス基板のうち回路層とは反対側の面に、金属板を金属層（金属部材）として接合されることもある。
特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、回路基板の一方の面にはんだを介して半導体素子が接合されるとともに、他方の面にヒートシンクが接合されており、半導体素子で発生した熱を、セラミックス基板側に伝達し、ヒートシンクを介して外部へ放散する構成とされている。
【０００３】
ところで、特許文献１に記載されたパワーモジュールのように、はんだ材を介して半導体素子などの電子部品と回路層とを接合した場合には、高温環境下で使用した際にはんだの一部が溶融し、半導体素子等の電子部品と回路層との接合信頼性が低下するおそれがあった。また、はんだ材を介してヒートシンクと金属層とを接合した場合においても、同様に、接合信頼性が低下するおそれがあった。
【０００４】
一方、特許文献２に示すパワーモジュールにおいては、ろう材を介してヒートシンクと金属層とが接合された構成とされている。このように、ろう材を介してヒートシンクと金属層とを接合した場合、はんだ材の融点と比べてろう材の融点の方が高いため、高温環境下における接合信頼性が向上するが、ろう材の接合温度が高温であるために、回路基板が熱により劣化してしまう問題があった。
【０００５】
上述のはんだ材やろう材の代替として、例えば、非特許文献１には、Ａｇ粒子と有機物とを有するＡｇペースト（接合材）を用いて半導体素子を接合する技術が提案されている。
非特許文献１に記載されたＡｇペーストにおいては、Ａｇ粒子と有機物とを含有しており、Ａｇ粒子が焼結することで、導電性の焼成体からなる接合層が形成され、この接合層を介して半導体素子等の電子部品が回路層上に接合されることになる。このＡｇペーストを用いた接合では、予め回路層や電子部品の表面にＮｉＡｕやＡｇ等のメッキを形成した後に、上述の接合層を介して回路層と電子部品とが接合されている。
【０００６】
また、特許文献３には、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（接合材）を用いて、半導体素子等の電子部品を回路基板上に接合する技術が提案されている。
特許文献３に記載された酸化銀ペーストにおいては、酸化銀粒子が還元剤によって還元されることによって生成するＡｇ粒子が焼結することで、導電性の焼成体からなる接合層が形成され、この接合層を介して半導体素子等の電子部品が回路層上に接合されることになる。
このように、Ａｇ粒子の焼成体によって接合層を形成した場合には、比較的低温条件で接合層を形成できるとともに接合層自体の融点は高くなるため、高温環境下においても接合強度が大きく低下しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１７２３７８号公報
【特許文献２】特開２００８−１６８１３号公報
【特許文献３】特許第４８９５９９４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｃ．  Ｇｏｂｌ、他２名  「Ｌｏｗ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｓｉｎｔｅｒ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｄｉｅ  ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ  ｆｏｒ  ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  ｐｏｗｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（Ｆｒａｎｃｅ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、非特許文献１又は特許文献３に開示されたように、はんだ材やろう材を使用せずにＡｇペースト又は酸化銀ペーストを接合材料として用いて回路基板に半導体素子やヒートシンクを接合する場合、接合面には予めメッキが形成されるが、メッキとＡｇ粒子の焼成体との結合力が低いために、接合信頼性が低下する問題があった。
【００１０】
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、金属部材と他の部材とを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からなる接合層を介して接合する際に、他の部材との接合信頼性を向上させることが可能な金属複合体、この金属複合体からなる回路基板、この回路基板を備えた半導体装置、及び金属複合体の製造方法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】
【００１１】
前述の課題を解決するために、本発明の金属複合体は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に配設された金属部材と、前記金属部材のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に配設されたＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層とを備えた金属複合体であって、前記Ａｇ下地層は、酸化銀の焼結体からなり、前記金属部材と前記Ａｇ下地層とが直接接合されていることを特徴としている。
【００１２】
本発明の金属複合体によれば、金属部材のうち絶縁層が配設された面と反対側の面に、直接接合によって、酸化銀の焼結体からなるＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層が形成されているので、金属部材に、接合強度の高いＡｇ下地層を形成できる。そして、このように酸化銀の焼結体からなるＡｇ下地層が形成された金属部材が、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からなる接合層を介して他の部材に接合される場合、酸化銀の焼結体からなるＡｇ下地層と接合層とが同種の金属同士の接合となり、酸化銀の焼結体からなるＡｇ下地層と接合層との接合強度を向上させることができる。したがって、金属部材と他の部材との接合強度を十分に確保することが可能となり、接合信頼性を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の回路基板は、上述の金属複合体からなり、前記金属部材は、前記絶縁層の一方の面に配設された回路層であることを特徴としている。
本発明の回路基板によれば、回路基板の回路層に酸化銀の焼結体からなるＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層が形成されているので、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からなる接合層を介して、半導体素子等と回路層とを接合する場合に、半導体素子等と回路層との接合強度を確保することができる。
【００１４】
さらに、本発明の回路基板は、上述の金属複合体を有し、前記絶縁層の一方の面に回路層が配設されている構成とされても良い。
本発明の回路基板によれば、回路基板の金属層に酸化銀の焼結体からなるＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層が形成されているので、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からなる接合層を介して、金属層とヒートシンク等とを接合する場合に、金属層とヒートシンク等との接合強度を確保することができる。
【００１５】
また、本発明の回路基板は、上述の金属複合体を有し、前記金属部材は、前記絶縁層の一方の面に配設された回路層であるとともに、前記絶縁層の他方の面に金属層が配設され、前記金属層のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面にＡｇ焼結接合用第２Ａｇ下地層が配設され、前記Ａｇ第２下地層は、酸化銀の焼結体からなり、前記金属層と前記第２Ａｇ下地層とが直接接合された構成とされても良い。
本発明の回路基板によれば、回路基板の回路層に酸化銀の焼結体からなるＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層が形成されているので、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からなる接合層を介して、半導体素子等と回路層とを接合する場合に、半導体素子等と回路層との接合強度を確保することができると共に、絶縁層の他方の面に配設された金属部材からなる金属層が備えられているので、回路基板とヒートシンク等が接合され、熱応力が負荷された場合に、回路基板とヒートシンク等の接合信頼性を確保することができる。
【００１６】
また、本発明の半導体装置は、上述の回路基板と、前記回路層上のＡｇ下地層に接合された半導体素子と、を備え、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からなる接合層によって、前記Ａｇ下地層と前記半導体素子とが接合されていることを特徴としている。
本発明の半導体装置によれば、上述のようなＡｇ下地層と半導体素子とが、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からなる接合層によって接合されているので、回路基板と半導体素子との接合強度を高くし、接合信頼性を向上させることができる。
【００１７】
本発明の金属複合体の製造方法は、絶縁層の一方の面に金属部材が配設された金属複合体の製造方法であって、前記絶縁層の一方の面に前記金属部材を配設する工程と、前記金属部材のうち前記絶縁層が配設された面と反対側の面に、酸化銀ペーストを塗布する工程と、前記酸化銀ペーストを焼結することにより、前記金属部材と直接接合したＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層を形成する工程と、を備えることを特徴としている。
【００１８】
本発明の金属複合体の製造方法によれば、金属部材のうち絶縁層が配設された面と反対側の面に、酸化銀ペーストを塗布する工程と、前記酸化銀ペーストを焼結するとともに、金属部材と、前述のＡｇ下地層とを直接接合し、Ａｇ焼結接合用Ａｇ下地層を形成する工程とを備えているので、金属部材に酸化銀の焼結体からなるＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層を確実に形成することができる。
そして、このように形成されたＡｇ下地層は、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からなる接合層との接合性が良好であり、金属部材と他の部材を、接合層を介して接合した場合に、接合信頼性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、金属部材と他の部材とを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からなる接合層を介して接合する際に、他の部材との接合信頼性を向上させることが可能な金属複合体、この金属複合体からなる回路基板、この回路基板を備えた半導体装置、及び金属複合体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る回路基板の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るヒートシンクの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するフロー図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る回路基板の製造方法の途中までを（ａ）から（ｄ）の順に示した断面図である。
【図６】図５に続く製造方法を（ａ）から（ｃ）の順に示した断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るヒートシンクの製造方法を（ａ）（ｂ）の順に示した断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る回路基板とヒートシンクとを積み重ねた状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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、本発明の一実施形態に係る半導体装置１を示す。この半導体装置１は、回路基板１０（金属複合体）と、この回路基板１０の一方の面（図１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、回路基板１０の他方の面に接合層５を介して接合されたヒートシンク３０とを備えている。
【００２２】
回路基板１０は、図２に示すように、絶縁層を構成するセラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図２において上面）に配設された回路層１２（金属部材）と、セラミックス基板１１の他方の面（図２において下面）に配設された金属層１３と、を備えている。
【００２３】
セラミックス基板１１は、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）、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１１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。
【００２４】
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面（図２において上面）に、導電性を有する銅の金属板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１２は、純度９９．９５質量％以上の無酸素銅の圧延板を接合することで形成されている。なお、回路層１２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、０．６ｍｍに設定されている。
この回路層１２の一方の面には、酸化銀の焼結体からなるＡｇ下地層１２ａが形成されている。
【００２５】
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面（図２において下面）に、導電性を有するアルミニウムの金属板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、金属層１３は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムの圧延板を接合することで形成されている。なお、金属層１３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、０．６ｍｍに設定されている。
この金属層１３のうちセラミックス基板１１が接合された面と反対側の面には、酸化銀の焼結体からなる第２Ａｇ下地層１３ａが形成されている。
【００２６】
Ａｇ下地層１２ａ及び第２Ａｇ下地層１３ａは、Ａｇ焼結接合用の下地層であり、本実施形態においては、酸化銀ペーストを回路層１２及び金属層１３の一方の面に塗布し、この酸化銀ペーストを焼結するとともに回路層１２及び金属層１３とそれぞれ直接接合されることにより形成されている。
Ａｇ下地層１２ａ及び第２Ａｇ下地層１３ａの焼結後における厚さは、０．００３ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲に設定されており、本実施形態においては、０．０１ｍｍに設定されている。なお、回路層１２上に形成されたＡｇ下地層１２ａは、回路層１２の一方の面のうち、半導体素子３と接合される領域に形成されている。また、金属層１３上に形成された第２Ａｇ下地層１３ａは、金属層１３の全面に形成されている。
【００２７】
ヒートシンク３０は、回路基板１０側の熱を放散するためのものである。
ヒートシンク３０は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、Ａ６０６３（Ａｌ合金）で構成されている。図１及び図３に示すとおり、このヒートシンク３０には、冷却用の流体が流れるための流路３１が設けられている。
ヒートシンク３０の一方の面（図３において上面）には、酸化銀の焼結体からなる第３Ａｇ下地層３０ａが形成されている。この第３Ａｇ下地層３０ａは、上述のＡｇ下地層１２ａ及び第２Ａｇ下地層１３ａと同様の構成とされており、Ａｇ焼結接合用の下地層として形成されている。
【００２８】
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
接合層２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２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。
【００２９】
本実施形態において、Ａｇ下地層形成用の酸化銀ペースト及び接合層形成用の酸化銀ペーストは、同様な組成を有しており、酸化銀粉末（酸化銀粒子）と、還元剤と、樹脂と、溶剤と、を含有している。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６０質量％以上９２質量％以下とされ、還元剤の含有量が酸化銀ペースト全体の５質量％以上２０質量％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０質量％以上１０質量％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Ａｇ下地層１２ａ、第２Ａｇ下地層１３ａ、第３Ａｇ下地層３０ａ及び接合層２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。
【００３０】
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。
アルコールであれば、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブチルアルコール、ペンチルアルコール、ヘキシルアルコール、オクチルアルコール、ノニルアルコール、デシルアルコール、ウンデシルアルコール、ドデシルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール等の１級アルコールを用いることができる。なお、これら以外にも、エチレングリコール、ジエチレングリコール、その他のグリコール、グリセリンなどの多価アルコール類を用いてもよい。
有機酸であれば、例えば、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナンデカン酸などの飽和脂肪酸を用いることができる。なお、これら以外にも、不飽和脂肪酸を用いてもよい。
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、例えば蟻酸銀、酢酸銀、プロピオン酸銀、安息香酸銀、シュウ酸銀などのカルボン酸系金属塩等が適用される。
溶剤は、酸化銀ペーストの保存安定性、印刷性を確保する観点から、高沸点（１５０℃〜３００℃）のものを用いることが好ましい。具体的には、２−メチルプロパノエート、α−テルピネオール、酢酸２−エチルヘキシル、酢酸３−メチルブチル等を用いることができる。
なお、この酸化銀ペーストは、ティー・エイ・インスツルメント社製の回転粘度計ＡＲ−１０００を用いた場合、回転数が１０回転／分のときの粘度が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。
【００３１】
次に、本実施形態である回路基板１０、半導体装置１の製造方法について、図４のフロー図、及び図５〜図８に示す工程ごとの断面図を参照して説明する。以下では、Ａｇ下地層１２ａ、第２Ａｇ下地層１３ａ、第３Ａｇ下地層３０ａを特に区別しない場合は、これらを単にＡｇ下地層と称する。
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１１の一方の面に銅板２２を接合し、回路層１２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。ここで、窒化物形成元素はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ及びＮｂから選択される１種又は２種以上の元素である。
【００３２】
具体的には、セラミックス基板１１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、図５（ａ）に示すようにＡｇ及び窒化物形成元素層２５を形成する。このＡｇ及び窒化物形成元素層２５の厚さは、乾燥後で６０μｍ以上３００μｍ以下とされている。次に、銅板２２をセラミックス基板１１の一方の面側に積層する。すなわち、セラミックス基板１１と銅板２２との間にＡｇ及び窒化物形成元素層２５を介在させる（図５（ｂ）参照）。
【００３３】
そして、図５（ｂ）に示すように、銅板２２、セラミックス基板１１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１１の一方の面に回路層１２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２５のＡｇが銅板２２に向けて拡散する。このとき、銅板２２の一部がＣｕとＡｇとの反応によって溶融し、銅板２２とセラミックス基板１１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１１と銅板２２とが接合され、回路層１２が形成される（図５（ｃ）参照）。
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２５のＡｇが十分に拡散されており、セラミックス基板と銅板との接合界面にＡｇ及び窒化物形成元素層２５が残存することはない。
【００３４】
次に、アルミニウム板２３をセラミックス基板１１の他方の面にろう材を用いて接合し、金属層１３を形成する（金属層形成工程Ｓ０２）。図５（ｃ）に示すように、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３との間には、厚さ５〜５０μｍのろう材箔２６を介在させる。本実施形態では、厚さ１４μｍのろう材とした。また、ろう材箔２６は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ系のろう材とされている。
【００３５】
次いで、アルミニウム板２３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加熱して、セラミックス基板１１の他方の面にろう材箔２６を融解、凝固させて金属層１３を形成する。
ここで、金属層形成工程Ｓ０２において、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５５０℃以上６５０℃以下、保持時間は３０分以上１８０分以下の範囲内に設定している。
上記のようにして、図５（ｄ）に示すようにセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２、他方の面に金属層１３が接合される。
【００３６】
次に、図６（ａ）に示すようにＡｇ下地層形成用酸化銀ペースト２２ａ、２３ａを回路層１２、金属層１３の一方の面にそれぞれ塗布するとともに、図７（ａ）に示すようにヒートシンク３０の一方の面にもＡｇ下地層形成用酸化銀ペースト４０ａを塗布する（Ａｇ下地層形成用酸化銀ペースト塗布工程Ｓ０３）。Ａｇ下地層形成用酸化銀ペーストを塗布した後、乾燥（例えば、室温、大気雰囲気で２４時間保管）させる。
次いで、回路層１２、金属層１３上にＡｇ下地層形成用酸化銀ペースト２２ａ、２３ａが形成されたセラミックス基板１１、及びＡｇ下地層形成用酸化銀ペースト４０ａが形成されたヒートシンク３０をそれぞれ真空加熱炉内に挿入し加熱して、Ａｇ下地層形成用酸化銀ペースト２２ａ、２３ａ、４０ａを還元焼結するとともに回路層１２、金属層１３、ヒートシンク３０に直接接合し、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すように、酸化銀の焼結体からなるＡｇ焼結接合用Ａｇ下地層１２ａ，１３ａ、３０ａを形成する（Ａｇ下地層形成工程Ｓ０４）。この図６（ｂ）に示すものが本実施形態の回路基板１０である。
【００３７】
ここで、本実施形態ではＡｇ下地層形成工程Ｓ０４において、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３５０℃以上５６７℃以下、保持時間は１５分以上２７０分以下の範囲内に設定している。また、より好ましい加熱温度は、ＡｇとＡｌの共晶温度（５６７．０℃）より５℃低い温度から共晶温度未満の範囲とされている。
なお、回路層１２、金属層１３及びヒートシンク３０と酸化銀ペースト２２ａ、２３ａ、３０ａとが接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、直接接合されている。
【００３８】
次に、図６（ｃ）に示すように、酸化銀の焼結体からなるＡｇ下地層１２ａ，１３ａの表面に、接合層２，５となる接合層形成用酸化銀ペースト４，６をそれぞれ塗布する（接合層形成用酸化銀ペースト塗布工程Ｓ０５）。
なお、酸化銀ペースト４，６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４，６を印刷した。
【００３９】
次に、接合層形成用酸化銀ペースト４，６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、図８に示すように、回路基板１０の接合層形成用酸化銀ペースト４の上に半導体素子３を積層し、接合層形成用酸化銀ペースト６の下に、酸化銀ペースト３０ａが接合されたヒートシンク３０を積層する（半導体素子及びヒートシンク積層工程Ｓ０６）。
そして、半導体素子３と回路基板１０、及びヒートシンク３０とを積層した状態で加熱炉内に装入し、接合層形成用酸化銀ペースト４，６の焼成を行う（接合層形成用酸化銀ペースト焼成工程Ｓ０７）。このとき、半導体素子３と回路基板１０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１２ａの上に接合層２が形成され、半導体素子３と回路層１２とが接合される。また、回路基板１０とヒートシンク３０とが接合層５を介して接合される。これにより、本実施形態である半導体装置１が製造される。
【００４０】
以上のような構成とされた本実施形態に係る半導体装置１及び回路基板１０によれば、酸化銀が還元焼結したＡｇ下地層１２ａ、１３ａ、３０ａのＡｇの一部が、金属部材（回路層１２、金属層１３、ヒートシンク３０）中に固相拡散していると考えられる。すなわち、酸化銀が還元焼結したＡｇ下地層と金属部材とは、直接接合によって接合されているので、金属部材とＡｇ下地層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１２ａが形成された回路基板１０と半導体素子３とが、接合層形成用酸化銀ペースト４の焼成体からなる接合層２を介して接合されているので、Ａｇ下地層１２ａと接合層２とが同種の金属（Ａｇ）同士の接合となり、Ａｇ下地層１２ａと接合層２との接合強度を向上させることができる。したがって、回路基板１０と半導体素子３との接合強度を十分に確保することが可能となり、接合信頼性を向上させることができる。
さらに、Ａｇ下地層１３ａが形成された回路基板１０とＡｇ下地層３０ａが形成されたヒートシンク３０とが、接合層形成用酸化銀ペースト６の焼成体からなる接合層５を介して接合されているので、Ａｇ下地層１３ａ、３０ａと接合層５とが同種の金属（Ａｇ）同士の接合となり、Ａｇ下地層１３ａ、３０ａと接合層５との接合強度を向上させることができる。したがって、回路基板１０とヒートシンク３０との接合強度を十分に確保することが可能となり、接合信頼性を向上させることができる。
【００４１】
また、本実施形態においては、金属部材（回路層１２、金属層１３、ヒートシンク３０）とＡｇ下地層１２ａ，１３ａ、３０ａの接合は、金属部材と下地層形成用酸化銀ペーストを積層し、３５０℃以上５６７℃以下に保持する構成とされているので、金属部材表面の酸化被膜が、下地層形成用酸化銀ペーストに含まれる還元剤によって除去され、また、酸化銀が銀の焼結体となることで、金属部材の一方の面にＡｇ下地層を確実に形成することができる。
【００４２】
金属部材とＡｇ下地層を接合する際の温度が３５０℃以上の場合には、金属部材表面の酸化被膜が、下地層形成用酸化銀ペーストに含まれる還元剤によって除去されることで確実に接合することができる。また、５６７℃以下の場合には、Ａｇと接合する金属部材との液相が生じて接合界面にコブが生じたり、厚みが変動したりすることを抑制できる。そのため、金属部材とＡｇ下地層を接合する好ましい温度範囲は、上記の範囲に設定されている。
【００４３】
また、金属部材とＡｇ下地層との接合時におけるより望ましい加熱温度は、接合する金属部材がＣｕの場合には、ＡｇとＣｕの共晶温度（７７９．１℃）より５℃低い温度から共晶温度未満の範囲とされ、接合する金属部材がＡｌの場合には、ＡｇとＡｌの共晶温度（５６７．０℃）より５℃低い温度から共晶温度未満の範囲とされている。このような温度範囲を選択したときには、液相が形成されずＡｇとＣｕの化合物若しくはＡｇとＡｌの化合物が生成されないので、固相拡散接合の接合信頼性が良好となることに加えて、固相拡散接合の際の拡散速度が速く、比較的短時間で固相拡散接合できる。
【００４４】
また、金属部材とＡｇ下地層を接合する際に、接合される面に傷がある場合、接合時に隙間が生じる場合があるが、本実施形態では、接合する金属部材とＡｇ下地層１２ａ，１３ａ、３０ａとの接合される面は、予め当該面の傷が除去されて平滑にされた後に、接合されているので、それぞれの接合界面に隙間が生じることを抑制して接合することが可能である。
【００４５】
また、本実施形態では、接合層２，５が、酸化銀粉末と還元剤とを含む接合層形成用酸化銀ペースト４，６の焼成体とされているので、接合層形成用酸化銀ペースト４，６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２，５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２，５中に残存しにくく、接合層２，５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、接合層形成用酸化銀ペースト４，６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３の接合温度を低く抑えることができ、半導体素子３への熱負荷を低減することができる。また、金属層１３とヒートシンク３０との反りを低減し、接合信頼性を向上することが可能となる。
【００４６】
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。
【００４７】
例えば、上記実施形態では、銅部材接合用ペーストの粉末成分は、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したが、粉末成分がＡｇ，Ｃｕ，Ｔｉからなるペーストを用いることもできる。
【００４８】
また、上記実施形態では、接合層が、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が、これに限定されることなく、ナノ銀ペーストの焼成体とされていても良い。また、Ａｇ粉末を含む導電性接着剤で接合層を構成することも可能である。
【００４９】
また、上記の実施形態では、セラミックス基板の他方の面に形成される金属層を、純度９９．９９％の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度９９％のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）やアルミニウム合金、銅又は銅合金等であっても良い。さらに、金属層が、セラミックス基板の他方の面に配設されたアルミニウム層と、このアルミニウム層のうちセラミックス基板が配設された面と反対側の面に積層された銅層とを有する構成とされても良い。
【００５０】
また、上記の実施形態では、回路層は無酸素銅の銅板で構成されている場合について説明したが、これに限定されることはなく、その他の純銅や銅合金等の銅板で構成されても良いことは当然である。また、アルミニウム又はアルミニウム合金を用いることもできる。さらに、アルミニウム又はアルミニウム合金と銅又は銅合金の積層回路層であっても構わない。
さらに、絶縁層としてＡｌＮ等からなるセラミックス基板を用いたものとして説明したが、これに限定されることはなく、絶縁樹脂によって絶縁層を構成しても良い。
【実施例】
【００５１】
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
（本発明例１〜４）
表１に示す金属部材上に、Ａｇ下地層形成用酸化銀ペーストを塗布し、還元焼結することによって、金属部材に直接接合された厚さ１０μｍのＡｇ下地層を形成した。なお、このＡｇ下地層の形成は、真空加熱炉内の圧力を１０−６Ｐａ以上、１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、表１に示す条件で実施した。
【００５２】
そして、Ａｇ下地層上に接合層形成用酸化銀ペーストを塗布（塗布厚さ：５０μｍ）し、さらに２．５ｍｍ×２．５ｍｍ×０．２ｍｍｔのＳｉ板を配置し、接合層形成用酸化銀ペーストを焼成することで接合層を形成して、金属部材とＳｉ板とを接合した。なお、Ｓｉ板には、Ａｕ膜を形成した後に接合を行った。
また、焼成条件として、焼成温度を３００℃、焼成時間を１０分、加圧圧力を５ＭＰａとした。さらに、本発明例１、２は真空雰囲気で接合層形成用酸化銀ペーストの焼成を行い、本発明例３、４は大気雰囲気で接合層形成用酸化銀ペーストの焼成を実施した。
上記のようにして、本発明例１〜４の接合体を作製した。
【００５３】
ここで、Ａｇ下地層形成用酸化銀ペースト及び接合層形成用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、の割合で混合した酸化銀ペーストを用いた。  
【００５４】
（比較例１〜４）
比較例１、２については、金属部材上にＡｇ下地層を形成しないこと以外は本発明例１、２と同様にして作製した。すなわち、金属部材上にＡｇ下地層を形成せずに、接合層形成用酸化銀ペーストを焼成した接合層によって、金属部材とＳｉ板とを接合することにより比較例１、２の接合体を作製した。なお、比較例１、２は、真空雰囲気で酸化銀ペーストの焼成を実施した。
比較例３は、金属部材上にＡｇめっきを施した後に、接合層形成用酸化銀ペーストを焼成した接合層によって、金属部材とＳｉ板とを接合した。また、比較例４は、金属部材上にＡｇめっきを施した後にＡｇ下地層を形成し、そのＡｇ下地層の上に接合層形成用酸化銀ペーストを塗布して焼成した接合層によって、金属部材とＳｉ板とを接合した。
【００５５】
（評価）
得られた接合体において、シェアテストによって、シェア強度（せん断強度）の測定を行った。Ｓｉ板を上にして金属部材を水平に固定し、Ｓｉ板をシェアツール（レスカ社製ＰＴＲ−１１０１）でシェア速度０．１ｍｍ／秒、高さ２０μｍの位置を横から水平に押圧して、金属部材とＳｉ板との接合が破壊されたときの強度及び破壊の位置（破壊モード）を確認した。なお、強度は、３回のシェア強度試験を実施してその平均値とした。結果を表２に示す。
【００５６】
【表１】
2015115521.tif 000003
【００５７】
【表２】
2015115521.tif 000004
【００５８】
金属部材にＡｇ下地層を直接接合した本発明例１〜４ではシェア強度が２０ＭＰａ以上であり、金属部材とＳｉ板との接合強度が高く、また、破壊も接合層内で起こっていることから、十分な接合強度が確保されていることが確認された。
金属部材にＡｇ下地層を形成しなかった比較例１、２では、シェア強度が２０ＭＰａ以下と低く、破壊も接合層と金属部材の界面で発生していた。
また、金属部材にＡｇ下地層ではなくＡｇめっきを施した比較例３は、シェア強度が２０ＭＰａ以下と低く、破壊も接合層とＡｇめっき層の界面で発生していた。
金属部材にＡｇめっき層を介してＡｇ下地層を接合した比較例４では、シェア強度が２０ＭＰａ以下と低く、破壊もＡｇ下地層とＡｇめっき層の界面で発生していた。
【符号の説明】
【００５９】
１  半導体装置
２、５  接合層
３  半導体素子（他の部材）
２２ａ、２３ａ、４０ａ  Ａｇ下地層形成用酸化銀ペースト
４、６  接合層形成用酸化銀ペースト（接合材）
１０  回路基板（金属複合体）
１１  セラミックス基板（絶縁層）
１２  回路層（金属部材）
１２ａ  Ａｇ下地層
１３ａ  第２Ａｇ下地層
３０ａ  第３Ａｇ下地層
１３  金属層（金属部材）
【図１】
2015115521.tif 000005
【図２】
2015115521.tif 000006
【図３】
2015115521.tif 000007
【図４】
2015115521.tif 000008
【図５】
2015115521.tif 000009
【図６】
2015115521.tif 000010
【図７】
2015115521.tif 000011
【図８】
2015115521.tif 000012