(57)【要約】  熱的信頼性に優れた放熱構造体や半導体モジュールを提供することを目的とする。  上記課題を解決するために、本発明に係る放熱構造体は、金属、セラミック、半導体の何れかである第１部材と第２部材とを、ダイボンディング部材を介して接着した放熱構造体、或いは半導体チップと、金属配線と、セラミックス絶縁基板と、金属を含む放熱ベース基板とを、それぞれダイボンディング部材を介して接着した半導体モジュールであって、前記ダイボンディング部材のうち何れか１つ以上が無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子とを含み、前記無鉛低融点ガラス組成物が、次の酸化物換算でＶ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏを主要成分とし、これらの合計が７８モル％以上であり、ＴｅＯ2とＡｇ2Ｏの含有量がＶ2Ｏ5の含有量に対して、それぞれ１〜２倍であり、さらに副成分としてＢａＯ、ＷＯ3又はＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を合計２０モル％以下、及び追加成分としてＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3又はＡｌ2Ｏ3のうち何れか一種以上を合計２．０モル％以下で含有することを特徴とする。
2016043095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属、セラミックス、半導体の何れかである第１部材と第２部材とを、無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子とを含むダイボンディング部材を介して接着した放熱構造体であって、
前記無鉛低融点ガラス組成物が、次の酸化物換算でＶ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏを主要成分とし、これらの合計が７８モル％以上であり、ＴｅＯ2とＡｇ2Ｏの含有量がＶ2Ｏ5の含有量に対して、それぞれ１〜２倍であり、さらに副成分としてＢａＯ、ＷＯ3又はＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を合計２０モル％以下、及び追加成分としてＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3又はＡｌ2Ｏ3のうち何れか一種以上を合計２．０モル％以下で含むことを特徴とする放熱構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の放熱構造体において、
前記ダイボンディング部材が接着される前記第１部材又は／及び前記第２部材の接着面にＡｌ、Ａｌ合金、Ａｇ又はＡｇ合金の膜が形成されていることを特徴とする放熱構造体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の放熱構造体において、
前記ダイボンディング部材に含まれる前記無鉛低融点ガラス組成物は、前記副成分の含有量が３．７〜１６モル％、及び前記追加成分の含有量が０．２〜１．０モル％であることを特徴とする放熱構造体。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載の放熱構造体において、
前記ダイボンディング部材に含まれる前記金属粒子は、Ａｇ、Ａｌ、Ｓｎ又はＣｕの何れか一種以上を含むことを特徴とする放熱構造体。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載の放熱構造体において、
前記ダイボンディング部材は、前記無鉛低融点ガラス組成物を５〜６０体積％、及び前記金属粒子を４０〜９５体積％含むことを特徴とする放熱構造体。
【請求項６】
請求項５に記載の放熱構造体において、
前記ダイボンディング部材は、前記無鉛低融点ガラス組成物を１０〜４０体積％、及び前記金属粒子を６０〜９０体積％含むことを特徴とする放熱構造体。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載の放熱構造体において、
前記第１部材が半導体又は金属、前記第２部材が金属又はセラミックスであることを特徴とする放熱構造体。
【請求項８】
半導体チップと、金属配線と、セラミックス絶縁基板と、金属を含む放熱ベース基板とを、それぞれダイボンディング部材を介して接着した半導体モジュールであって、
前記ダイボンディング部材のうち何れか１つ以上が無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子とを含み、前記無鉛低融点ガラス組成物が、次の酸化物換算でＶ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏを主要成分とし、これらの合計が７８モル％以上であり、ＴｅＯ2とＡｇ2Ｏの含有量がＶ2Ｏ5の含有量に対して、それぞれ１〜２倍であり、さらに副成分としてＢａＯ、ＷＯ3又はＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を合計２０モル％以下、及び追加成分としてＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3又はＡｌ2Ｏ3のうち何れか一種以上を合計２．０モル％以下で含むことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体モジュールにおいて、
前記無鉛低融点ガラス組成物と前記金属粒子とを含む前記ダイボンディング部材が接着される前記半導体チップ、前記金属配線、前記セラミックス絶縁基板、前記放熱ベース基板の接着面にＡｌ、Ａｌ合金、Ａｇ又はＡｇ合金の膜が形成されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の半導体モジュールにおいて、
前記ダイボンディング部材に含まれる前記無鉛低融点ガラス組成物は、前記副成分の含有量が３．７〜１６モル％、及び前記追加成分の含有量が０．２〜１．０モル％であることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１１】
請求項８乃至１０の何れかに記載の半導体モジュールにおいて、
前記ダイボンディング部材に含まれる前記金属粒子は、Ａｇ、Ａｌ、Ｓｎ及びＣｕの何れか一種以上を含むことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１２】
請求項８乃至１１の何れかに記載の半導体モジュールにおいて、
前記ダイボンディング部材は、前記無鉛低融点ガラス組成物を５〜６０体積％、及び前記金属粒子を４０〜９５体積％含むことを特徴とする半導体モジュール。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体モジュールにおいて、
前記ダイボンディング部材は、前記無鉛低融点ガラス組成物を１０〜４０体積％、及び前記金属粒子を６０〜９０体積％含むことを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属、セラミックス、及び半導体の各部材を、ダイボンディング部材を介して接着した放熱構造体と、これを利用した半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力、鉄道、自動車等に搭載される半導体モジュールでは、高い動作電流密度と高い耐電圧が要求される。一般に、その半導体モジュールは、半導体チップ、金属配線、セラミックス絶縁基板及び放熱ベース基板のそれぞれが放熱性に配慮されたダイボンディング部材によって接着された放熱構造体を有している。また、セラミックス絶縁基板のそりを軽減するために、セラミックス絶縁基板と放熱ベース基板の間に金属基板を入れることもあり、これもダイボンディング部材によって接着される。ダイボンディング部材としては、半田や銀ロウが従来から使用され、昨今、環境負荷への影響に配慮した無鉛スズ系半田や金属以外にも接着可能な活性銀ロウ等が適用されるようになった。スズ系半田は、半導体チップと金属配線、及びセラミックス絶縁基板と放熱ベースの接着に用いられる。その際に、半田は、鉛含有の有無に関わらず、直接、半導体チップやセラミックス絶縁基板に接着できないため、予めそれらの接着面には、メッキ等のメタライズ処理が必要となる。活性銀ロウは、金属配線とセラミックス絶縁基板、及びセラミックス絶縁基板とそのそり低減のための金属基板の接着に用いられる。【０００３】
上記のような半導体モジュールは、動作時の半導体チップの発熱を効率的に放熱させることが重要である。このため、半導体モジュールの各構成部材には、高い熱伝導率を有し、しかも半導体チップの熱膨張係数に極力近いことが要求され、金属配線には銅（Ｃｕ）等、セラミックス絶縁基板には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等、及び放熱ベース基板にはアルミニウム（Ａｌ）と炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるＡｌ−ＳｉＣ等が適用されている。また、昨今、より高い動作電流密度が要求され、半導体チップはより大きく発熱することから、半導体チップは今まで使用してきたシリコン（Ｓｉ）から高温動作に優れる炭化シリコン（ＳｉＣ）へ移り変わろうとしている。それとともに、半導体モジュールとしては、より優れた耐熱性、放熱性及び熱サイクル特性が要求されるようになった。特にダイボンディング部材に関しては、半導体モジュールの熱的信頼性に及ぼす影響が大きく、現行の無鉛スズ系半田や活性銀ロウより熱的信頼性が高い接着を可能とするダイボンディング部材の出現が期待されている。【０００４】
特許文献１には、Ｖ2Ｏ5を含む無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子を含有するダイボンディング部材が提案されている。これによれば、金属、セラミックス、半導体の何れかを接着した接合体や半導体モジュールの接着性と熱伝導性を向上することができる。さらに、Ｖ2Ｏ5を含む無鉛低融点ガラス組成物の一つとして、軟化点が著しく低いＶ2Ｏ5−ＴｅＯ2−Ａｇ2Ｏ系低融点ガラスが提案され、５〜６５質量％のＶ2Ｏ5と、１５〜５０質量％のＴｅＯ2と、１０〜６０質量％のＡｇ2Ｏとを含有することが有効とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１５１３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したＶ2Ｏ5−ＴｅＯ2−Ａｇ2Ｏ系低融点ガラスは、他の低融点ガラスに比べると、確かに軟化点が低いが、加熱焼成時に結晶化しやすく、その結晶化傾向によって軟化流動性が阻害されていた。この結晶化は、金属粒子を混ぜ合わせることやペーストの形態で使用することによって、さらに顕著に発生した。この結晶化によってガラスの軟化流動性が損なわれると、被接着材（金属、セラミックス、半導体）に対して高い密着力が得られず、また気泡が数多く残留しやすいことから、接着性と放熱性の両方に優れた放熱構造体や半導体モジュールを提供することが難しかった。さらに、接着性と放熱性が不十分であるため、放熱構造体や半導体モジュールの熱サイクル特性も良好なものではなかった。すなわち、熱的信頼性の改善や向上が大きな課題であった。【０００７】
本発明の目的は、熱的信頼性に優れた放熱構造体や半導体モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、金属、セラミック、半導体の何れかである第１部材と第２部材とを、無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子とを含むダイボンディング部材を介して接着した放熱構造体であって、前記無鉛低融点ガラス組成物が、次の酸化物換算でＶ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏを主要成分とし、これらの合計が７８モル％以上であり、ＴｅＯ2とＡｇ2Ｏの含有量がＶ2Ｏ5の含有量に対して、それぞれ１〜２倍であり、さらに副成分としてＢａＯ、ＷＯ3又はＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を合計２０モル％以下、及び追加成分としてＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3又はＡｌ2Ｏ3のうち何れか一種以上を合計２．０モル％以下で含むことを特徴とする。【０００９】
また、本発明は、半導体チップと、金属配線と、セラミックス絶縁基板と、金属を含む放熱ベース基板とを、それぞれダイボンディング部材を介して接着した半導体モジュールであって、前記ダイボンディング部材のうち何れか１つ以上が無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子とを含み、前記無鉛低融点ガラス組成物が、次の酸化物換算でＶ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏを主要成分とし、これらの合計が７８モル％以上であり、ＴｅＯ2とＡｇ2Ｏの含有量がＶ2Ｏ5の含有量に対して、それぞれ１〜２倍であり、さらに副成分としてＢａＯ、ＷＯ3又はＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を合計２０モル％以下、及び追加成分としてＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3又はＡｌ2Ｏ3のうち何れか一種以上を合計２．０モル％以下で含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱的信頼性に優れた放熱構造体や半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る放熱構造体の概略斜視図である。
【図２】図１に示す放熱構造体の接着部分の概略拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体モジュールの概略断面図である。
【図４】ガラス特有の代表的な示差熱分析（ＤＴＡ）カーブの一例である。
【図５】接着性評価試料の作製方法を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施例に係るダイボンディング部材に含まれる無鉛低融点ガラス組成物（Ｇ−４２）と金属粒子（Ａｇ）の配合割合が熱伝導率及びせん断応力に与える影響を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながらより詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
（放熱構造体）
代表的な放熱構造体の概略斜視図を図１、その接着部分の概略拡大断面図を図２に示す。本実施形態は、図１及び図２に示すように、金属、セラミックス、半導体の何れかである第１部材1、1’、1’’、1’’’と第２部材2とをダイボンディング部材3、3’、3’’、3’’’を介して接着した放熱構造体に関するものであり、そのダイボンディング部材3、3’、3’’、3’’’には無鉛低融点ガラス組成物4と金属粒子5とが含まれる。
【００１３】
この無鉛低融点ガラス組成物4に、次の酸化物換算でＶ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏを主要成分とし、これらの合計が７８モル％以上であり、ＴｅＯ2の含有量がＶ2Ｏ5の含有量に対して１〜２倍であり、Ａｇ2Ｏの含有量がＶ2Ｏ5の含有量に対して１〜２倍である。さらに副成分としてＢａＯ、ＷＯ3及びＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を合計２０モル％以下、及び追加成分としてＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3のうち何れか一種以上を合計２．０モル％以下で含むＶ2Ｏ5−ＴｅＯ2−Ａｇ2Ｏ系無鉛低融点ガラス組成物を適用することが最も大きな特徴である。なお、無鉛とは不純物量以上の鉛を含まないことを意味し、不可避の不純物量は許容するものとする。
【００１４】
上記無鉛低融点ガラス組成物において、主要成分であるＶ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏの含有効果について、次に説明する。Ａｇ2Ｏは、転移点、屈伏点、軟化点等の特性温度の低温化と化学的安定性の向上のために含有する。Ｖ2Ｏ5は、ガラス作製時にＡｇ2Ｏが還元され、金属Ａｇが析出しないようにするために含有する。ガラス成分として含有するＡｇ2Ｏは、ガラス中にＡｇ+イオンの状態で存在しないと、所望の低温化の効果が得られない。Ａｇ2Ｏの含有量を多くすると、すなわちガラス中のＡｇ+イオン量を多くすると、低温化を図れるが、その際には金属Ａｇの析出を防止或いは抑制するためにＶ2Ｏ5の含有量も増やす必要がある。ガラス作製時にＶ5+イオン１つに対してＡｇ+イオンを２つまでガラス中に含有できる。これを超えると、金属Ａｇが析出してしまう可能性がある。
【００１５】
ＴｅＯ2は、ガラス作製時にガラス化させるためのガラス化成分である。そのため、ＴｅＯ2を含有しないと、ガラスを形成することができない。しかし、Ｖ5+イオン１つに対してＴｅ4+イオンは１つまでが有効で、これを超えると、ＴｅとＡｇの化合物が析出してしまう可能性がある。
【００１６】
上記のＶ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏ含有の効果を考慮すると、本実施形態に係る無鉛低融点ガラス組成物は、次の酸化物換算でＶ2Ｏ5，ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏの合計が７８モル％以上であり、ＴｅＯ2とＡｇ2Ｏの含有量がＶ2Ｏ5の含有量に対して、それぞれ１〜２倍であることが好ましい。これらの組成範囲を下回ったり、或いは上回ったりすると、ガラス作製時に金属Ａｇが析出したり、低温化効果が小さくなったり、加熱焼成時に顕著に結晶化したり、または化学的安定性が低下したりする等の問題が発生する可能性がある。
【００１７】
また、本実施形態に係る無鉛低融点ガラス組成物を均一なガラス状態（非晶質状態）として得られやすくするため、及び得られたガラスの結晶化傾向を促進させないために、副成分として、次の酸化物換算でＢａＯ、ＷＯ3及びＰ2Ｏ5のうちいずれか一種以上を合計２０モル％以下で含むことが望ましい。２０モル％を超えると、高温化してしまうためである。追加成分として含有されるＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3は、少量の含有によって、顕著に結晶化傾向を低減できる効果があり、その含有量は合計２．０モル％以下が有効である。２．０モル％を超えると、転移点、屈伏点、軟化点等の特性温度が上昇したり、逆に結晶化傾向が大きくなることがあるためである。上記の副成分と追加成分の効果的な含有量は、副成分が３．７〜１６モル％、追加成分が０．２〜１．０モル％である。
【００１８】
上記で説明したＶ2Ｏ5−ＴｅＯ2−Ａｇ2Ｏ系低融点ガラス組成物は、Ａｌ、Ａｌ合金、Ａｇ及びＡｇ合金とのぬれ性や反応性に優れるため、図１及び図２で示した第１部材1、1’、1’’、1’’’と第２部材2の接着面に、予めＡｌ、Ａｌ合金、Ａｇ或いはＡｇ合金の膜を形成することが有効であり、より良好な接着性が得られる。また、ダイボンディング部材3、3’、3’’、3’’’に含有される金属粒子5には、Ａｇ、Ａｌ、Ｓｎ及びＣｕの何れか１種以上を含むことが有効である。これらの金属粒子は、上記Ｖ2Ｏ5−ＴｅＯ2−Ａｇ2Ｏ系の無鉛低融点ガラス組成物4の軟化流動によってネッキングされやすく、良好な放熱性が得られる。
【００１９】
本実施形態の放熱構造体を適用した形態の代表例として、半導体モジュールを挙げることができる。図３に代表的な半導体モジュールの概略断面図を示す。この半導体モジュールは、半導体チップ6と、金属配線7と、セラミックス絶縁基板8と、放熱ベース基板9とを、それぞれ第１ダイボンディング部材10、第２ダイボンディング部材11及び第３ダイボンディング部材12を介して接着されている。また、半導体チップ6の上面よりエミッタ電極13とゲート電極14がそれぞれ金属配線7’と7’’へ電気的に接続されている。
【００２０】
半導体モジュールの作動時には、半導体チップ6が高温にまで発熱するため、その熱を第１ダイボンディング部材10→金属配線7→第２ダイボンディング部材11→セラミックス絶縁基板8→第３ダイボンディング部材12を介して放熱ベース基板9より放熱される。このため、金属配線7、第１ダイボンディング部材10、セラミックス絶縁基板8、第２ダイボンディング部材11、第３ダイボンディング部材12及び放熱ベース基板9は、熱伝導率が高いほど有効である。
【００２１】
半導体チップ6にはＳｉやＳｉＣ、金属配線7にはＣｕやＡｌ、セラミックス絶縁基板8にはＡｌＮやＳｉ3Ｎ4、放熱ベース基板9にはＡｌ−ＳｉＣ等が適用されている。第１〜３ダイボンディング部材10〜13には、低温で接着できることやセラミックスへの接着を可能とするために、今までは無鉛スズ系半田や活性銀ロウが使用されてきた。しかし、無鉛スズ系半田や活性銀ロウは純金属ではなく、合金化されたものであり、この合金化は熱伝導率を低く、放熱性を低下させていた。また、この合金化は、高温にさらされることやその熱サイクルによって、脆化することもあり、半導体モジュールの熱的信頼性を低下させていた。本実施形態の半導体モジュールでは、第１〜３ダイボンディング部材10〜12のうち何れか１つ以上に、先に説明したダイボンディング部材を展開することによって、その半導体モジュールの放熱性、耐熱性及び熱サイクル特性を向上することができる。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいてより詳細に説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた実施例に限定されることはなく、そのバリエーションを含むものである。〔実施例１〕
本実施例では、図１〜３で示したような放熱構造体や半導体モジュールを製作するためのダイボンディング部材に関して、そのダイボンディング部材に含有する無鉛低融点ガラス組成物を作製し、その組成がガラス特性に及ぼす影響について検討した。また、作製した無鉛低融点ガラス組成物において、金属粒子としてＡｇ粒子を９０体積％混合し、加熱焼成して作製した試料の熱伝導率を評価した。さらに、作製した無鉛低融点ガラス組成物において、金属粒子としてＡｇ粒子を９０体積％混合してダイボンディング部材用のペーストを作製し、金属、セラミックス或いは半導体の部材へ塗布、乾燥、焼成及び接合することによって、各部材への接着性を検討した。【００２３】
また、無鉛低融点ガラス組成物と、金属粒子とを含むダイボンディング部材としての接着温度、熱伝導率及び接着性を総合的に評価した。表１に作製した無鉛低融点ガラス組成物の組成を示す。作製した無鉛低融点ガラス組成物は、主要成分がＶ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏ、副成分がＢａＯ、ＷＯ3及びＰ2Ｏ5、追加成分がＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3である。また、作製した無鉛低融点ガラス組成物のガラス化状態、特性温度と結晶化傾向、及び化学的安定性の評価結果を表２に示す。表３には、ダイボンディング部材として無鉛低融点ガラス組成物が１０体積％、及びＡｇ粒子が９０体積％としたときの接着温度、熱伝導率、及び金属、セラミックス及び半導体への接着性評価結果を示す。また、表３にはこれらを総合的に判定した総合評価結果も示す。
（無鉛低融点ガラス組成物の作製）
表１に示した無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−０１〜７７を作製した。表１に示した組成は、ガラス作製時の配合組成である。表１の単位は全てモル％である。Ｇ−０１〜１９、７２〜７７が比較例で、Ｇ２０〜７１が実施例である。出発原料としては、新興化学製Ｖ2Ｏ5、高純度化学研究所製ＴｅＯ2、和光純薬製Ａｇ2Ｏ、高純度化学研究所製ＢａＣＯ3、高純度化学研究所製ＷＯ3、高純度化学研究所製Ｐ2Ｏ5、高純度化学研究所製Ｙ2Ｏ3、高純度化学研究所製Ｌａ2Ｏ3及び高純度化学研究所製Ａｌ2Ｏ3の粉末を用いた。【００２４】
各出発原料粉末を合計で２００ｇ程度になるように秤量、配合、混合し、石英ガラスるつぼに投入した。原料混合粉末を投入した石英ガラスるつぼをガラス溶融炉内に設置し、約１０℃／分の昇温速度で７００〜７５０℃まで加熱し、石英ガラスるつぼ内の融液の組成均一化を図るためにアルミナ棒で撹拌しながら１時間保持した。その後、石英ガラスるつぼをガラス溶融炉から取り出し、予め１２０℃前後に加熱しておいたステンレス鋳型へ融液を流し込み、無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−０１〜７７をそれぞれ作製した。次に、作製した無鉛低融点ガラス組成物を約１０μｍにまで粉砕した。
（ガラス化状態の評価）
作製した無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−０１〜７７のガラス化状態は、そのガラス粉末を用い、Ｘ線回折によって結晶が析出しているどうかによって評価した。評価結果を表２に示す。結晶が析出している場合には、シャープな回折ピークが観測され、一方析出していない場合には、ブロードな回折ピークのみが観測される。シャープな回折ピークが認められなった無鉛低融点ガラス組成物は、ガラス化状態が良好と見なし「合格」と評価した。一方、シャープな回折ピークが認められた場合には、結晶が既に析出し、ガラス化状態が均一な非晶質状態になっておらず、「不合格」と評価した。ガラス作製時に既に結晶が析出していると、その後の加熱焼成によって結晶化が促進され、良好な軟化流動性が得られなくなるために好ましくはない。良好な軟化流動性が得られないと、ダイボンディング部材としての接着性や密着性、及び緻密性が乏しくなる。
（特性温度と結晶化傾向の評価）
作製した無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−０１〜７７の特性温度と結晶化傾向は、そのガラス粉末を用い、示差熱分析（ＤＴＡ）によって評価した。評価結果を表２に示す。ＤＴＡには、マクロセルタイプを使用し、そのマクロセルに約５００ｍｇのガラス粉末を入れ、標準試料として高純度のアルミナ（α−Ａｌ2Ｏ3）粉末を用いて、大気中５℃／分の昇温速度で室温から４００℃まで加熱し、作製した各無鉛低融点ガラス組成物のＤＴＡカーブを測定した。測定したＤＴＡカーブより転移点Ｔg、屈伏点Ｍg、軟化点Ｔs、結晶化開始温度Ｔcry及び結晶化による発熱量を求めた。【００２５】
図４にガラス特有の代表的なＤＴＡカーブの一例を示す。このＤＴＡカーブにおいて、第一吸熱ピークの開始温度が転移点Ｔg、その吸熱ピーク温度が屈伏点Ｍg、第二吸熱ピーク温度が軟化点Ｔs、及び結晶化による発熱ピークの開始温度が結晶化開始温度Ｔcryである。なお、それぞれの特性温度は、接線法によって求められることが一般的である。Ｔg、Ｍg及びＴsの特性温度は、ガラスの粘度によって定義され、Ｔgは１０13.3ｐｏｉｓｅ、Ｍgは１０11.0ｐｏｉｓｅ、Ｔsは１０7.65ｐｏｉｓｅに相当する温度である。結晶化傾向は、Ｔcryと、結晶化による発熱ピークのサイズ、すなわちその発熱量から判定され、Ｔcryの高温化、すなわちＴsとＴcryとの温度差増加と、結晶化発熱量の減少が結晶化しにくいガラスと言える。しかし、通常では、Ｔsの低温化は、Ｔcryの低温化も招き、ＴsとＴcryとの温度差を小さくする傾向がある。【００２６】
低融点ガラス組成物を含むダイボンディング部材を用いて、放熱構造体や半導体モジュールへ展開する際の接着温度は、ダイボンディング部材に含有する金属粒子の種類、含有量及び粒径、また昇温速度、雰囲気、圧力等の焼成条件等にも影響されるが、通常では軟化点Ｔsより２０〜６０℃程度高く設定されることが多い。金属粒子の含有量が多く、しかもその粒径が小さいほど、ダイボンディング部材の接着温度は、低融点ガラス組成物の軟化点Ｔsに対してより高温に設定する必要があり、場合によってはＴsより６０℃以上高温化し、ダイボンディング部材中の低融点ガラス組成物を十分に軟化流動性させ、良好な接着性や密着性、及び緻密性を達成させる。そのためには、この接着温度において低融点ガラス組成物を結晶化させないことが大変重要となる。その結晶化傾向の評価は、Ｔs及びＴcryとその発熱量より五段階評価した。Ｔsが３００℃以下と低温であり、しかも４００℃まで結晶化による発熱ピークが認められなかった場合には、極めて良好「ａ」と判定した。また、Ｔsが３００℃を若干越えるが、４００℃まで結晶化による発熱ピークが認められなかった場合には、良好「ｂ」と判定した。一方、ＴsとＴcryとの温度差が５０℃以上あり、しかも結晶化による発熱量が５μＶ未満の場合には若干問題あり「ｃ」、ＴsとＴcryとの温度差が５０℃未満、或いは結晶化による発熱量が５μＶ以上の場合には問題あり「ｄ」、両方の場合には大きく問題あり「ｅ」と判定した。
（化学的安定性の評価）
作製した無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−０１〜７７の化学的安定性は、耐水性試験と耐酸性試験で評価した。評価結果を表２に示す。ガラス試験片には、粉砕前の１０〜２０ｍｍ程度のカレットを使用した。耐水性試験は、そのカレットを５０℃の純水に４８時間浸漬した。また、耐酸性試験は、そのカレットを室温で１規定硝酸水溶液に２４時間浸漬した。両試験後のカレット外観を目視で観察して、その外観に変化が見られなかった場合には「合格」とし、一方変化が見られた場合には「不合格」と判定した。
（熱伝導率の評価）
作製した無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−０１〜７７をさらに微細に粉砕し、平均粒径が２μｍ以下になるようにした。また、Ｇ−０１〜７７の密度は、おおよそ４．５〜６．０ｇ／ｃｍ3の範囲にあった。Ａｇ粒子としては、平均粒径が約１．５μｍの球状粒子を用いた。その無鉛低融点ガラス組成物の粉末を１０体積％と、Ａｇ粒子を９０体積％とを配合、混合して、ハンドプレス機を用い、直径１０ｍｍ、厚み２ｍｍの成形体を作製した。なお、この際の加圧は５００ｋｇｆ／ｃｍ2とした。作製した成形体を電気炉にて大気中１０℃／分の昇温速度で各無鉛低融点ガラス組成物の軟化点Ｔsより５０〜６０℃高い温度まで加熱し３０分間保持することによって、焼結体を作製した。作製した焼結体の上下面を研磨し、キセノンフラッシュ法にて熱伝導率を測定した。測定結果を表３に示す。
（ダイボンディング部材用ペーストの作製）
平均粒径が２μｍ以下の無鉛低融点ガラス組成物の粉末を１０体積％と、平均粒径が約１．５μｍの球状Ａｇ粒子を９０体積％とを配合し、これらの固形分の含有率が７５〜８０質量％になるように、溶剤と粘度調整剤を加え、よく混合、混練することによってダイボンディング部材用ペーストを作製した。本実施例では、溶剤としてα−テルピネオール、粘度調整剤としてイソボニルシクロヘキサノールを用いた。
（接着性評価試料の作製）
図５に接着性評価試料の作製方法を示す。先ずは、金属、セラミックス或いは半導体からなる直径５ｍｍの円板状基材15と一辺１０ｍｍの角板状基材16を用意した（ａ）。これらの円板状基材15と角板状基材16の材質には、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｌ−ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉの何れかを用いた。また、これらの接着面17、18にＡｌ膜、Ｃｕ膜、Ａｇ膜を形成した場合についても検討し、各無鉛低融点ガラス組成物に対して、以下の１１種類の組み合わせで接着性を評価した。なお、下記において、前者が円板状基材15、後者が角板状基材16である。また、接着面17、18へのＡｌ膜、Ｃｕ膜、Ａｇ膜の形成に当たっては、粒径が４５μｍ以下の球状粒子をそれぞれ用い、低圧のコールドスプレーによって行った。【００２７】
(1)ＡｌＮ基材とＡｌ−ＳｉＣ基材
(2)Ａｌ膜形成ＡｌＮ基材とＡｌ膜形成Ａｌ−ＳｉＣ基材
(3)Ａｌ基材とＡｌ−ＳｉＣ基材
(4)Ｃｕ基材とＡｌ−ＳｉＣ基材
(5)Ａｇ膜形成Ｃｕ基材とＡｌ膜形成Ａｌ−ＳｉＣ基材
(6)Ａｌ基材とＡｌＮ基材
(7)Ｃｕ基材とＡｌＮ基材
(8)Ａｇ膜形成Ｃｕ基材とＡｌ膜形成ＡｌＮ基材
(9)Ａｌ膜形成Ｓｉ基材とＡｌ膜形成ＡｌＮ基材
(10)Ａｌ膜形成Ｓｉ基材とＣｕ膜形成ＡｌＮ基材
(11)Ａｌ膜形成Ｓｉ基材とＡｇ膜形成ＡｌＮ基材
円板状基材15の接着面17に上記で作製したダイボンディング部材用ペースト19をディスペンサー法にて塗布した（ｂ）。その後、大気中１２０〜１５０℃で乾燥した。この接着面17と、角板状基材16の接着面18を合わせ、耐熱用加圧ジグに固定した。その際の加圧は３０〜５０ｋＰａとした。これを電気炉内に設置し、大気中或いは不活性ガス中（窒素中）において１０℃／分の昇温速度で２２０℃まで加熱し３０分間保持した後に、同じ昇温速度でそれぞれの無鉛低融点ガラス組成物の軟化点Ｔsより５０〜６０℃高い温度まで加熱し３０分間保持することによって、接合体を作製した（ｃ）。上記(1)(2)(3)(6)(9)(11)は大気中、(4)(5)(7)(8)(10)は不活性ガス中（窒素中）で加熱した。
（接着性の評価）
上記で作製した接合体の接着性は、せん断応力を測定することによって評価した。せん断応力が３０ＭＰａ以上のときには優秀「ａ」、２０ＭＰａ以上３０ＭＰａ未満のときには良好「ｂ」、１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ未満のときには不十分「ｃ」、１０ＭＰａ未満のときには不適合「ｄ」と評価した。
（総合評価）
無鉛低融点ガラス組成物と、金属粒子とを含むダイボンディング部材としての接着温度、熱伝導率及び接着性を総合的に評価した。評価結果を表３に示す。接着温度が３００℃以下、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上及び接着性が２０ＭＰａ以上の場合には優秀「Ａ」、接着温度が３００℃を超えるが、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上及び接着性が２０ＭＰａ以上の場合には良好「Ｂ」と評価した。一方、接着温度が低く、熱伝導率が高くても、接着性が乏しいと、ダイボンディング部材としての信頼性に欠けるため、接着温度が低く、熱伝導率が高い場合でも１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ未満の接着性が一つでも得られる場合には不十分「Ｃ」、またすべての接着性が１０ＭＰａ未満の場合には不適合「Ｄ」と評価した。【００２８】
表１に示したとおり、比較例Ｇ−０１〜０４の無鉛低融点ガラス組成物は、Ｖ2Ｏ5−ＴｅＯ2−Ａｇ2Ｏの三元系であり、比較例Ｇ−０５〜１９は、さらに副成分として、ＢａＯ、ＷＯ3及びＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を２０モル％以下含有した。実施例Ｇ−２０〜７１及び比較例Ｇ−７２〜７７は、さらに追加成分として、Ｙ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3のうち何れか一種を含有し、その含有量は実施例Ｇ−２０〜７１では２モル％以下、比較例Ｇ−７２〜７７では３〜５モル％であった。【００２９】
表２に示したとおり、Ｇ−０１〜７７のガラス化状態は、どのガラスにおいても結晶の析出は認められず、「合格」であり、良好であった。また、どのガラスも転移点Ｔg、屈伏点Ｍg及び軟化点Ｔsの特性温度が低かった。しかし、結晶化開始温度Ｔcryと結晶化による発熱量には大きな違いが認められた。Ｖ2Ｏ5−ＴｅＯ2−Ａｇ2Ｏの三元系である比較例Ｇ−０１〜０４は、結晶化による発熱量が非常に大きく、結晶化が顕著であることが分った。また、比較例Ｇ−０１では、軟化する前に結晶化が発生したため、軟化点Ｔsは認められなかった。比較例Ｇ−０５〜１９は、副成分として、ＢａＯ、ＷＯ3及びＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を２０モル％以下含有することによって、その発熱量を大きく低減した。しかし、結晶化を防止するまでには至らず、良好な軟化流動性が得られず、金属粒子とともにダイボンディング部材へ展開するには不十分であることが予測された。【００３０】
これらに対して、実施例Ｇ−２０〜７１は、追加成分としてＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3のうち少なくとも一種を合計２モル％以下含有することによって、結晶化を防止し、良好な軟化流動性が得られるようになった。また、副成分の含有量を３．７〜１６モル％とすることによって、Ｔsの低温化が図られた。さらに、追加成分は０．２〜１．０モル％の含有で十分な結晶化防止効果が得られることが分った。しかし、その追加成分が２モル％を越えて含有すると、比較例Ｇ−７２〜７７のように結晶化が再発するようになり、その結晶化傾向はその含有量ともに増加した。【００３１】
Ｇ−０１〜７７の化学的安定性に関しては、どのガラスも耐水性は良好であった。耐酸性は、比較例Ｇ−１６のみ不十分であったが、他のガラスは良好であった。比較例Ｇ−１６の耐酸性が低かった原因は、副成分であるＰ2Ｏ5の含有量が多かったためである。【００３２】
以上のガラス組成検討により、ダイボンディング部材に含有される無鉛低融点ガラス組成物は、表１と表２で示した実施例Ｇ−２０〜７１の組成と特性から、Ｖ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏを主要成分とし、これらの合計が７８モル％以上であり、ＴｅＯ2とＡｇ2Ｏの含有量がＶ2Ｏ5の含有量に対して、それぞれ１〜２倍であり、さらに副成分としてＢａＯ、ＷＯ3及びＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を合計２０モル％以下、及び追加成分としてＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3のうち何れか一種以上を合計２．０モル％以下で含まれることが有効であったことが分かった。さらに、この無鉛低融点ガラス組成物は、副成分の含有量が３．７〜１６モル％、及び追加成分の含有量が０．２〜１．０モル％であることが特に好ましいことが分かった。【００３３】
次に、無鉛低融点ガラス組成物を１０体積％と、金属粒子としてＡｇ粒子を９０体積％とを含有したダイボンディング部材おいて、その実現可能性を検討した。表３に示したとおり、Ｖ2Ｏ5−ＴｅＯ2−Ａｇ2Ｏの三元系無鉛低融点ガラス組成物である比較例Ｇ−０１〜０４を用いた場合には、接着温度が２５０〜３２０℃で熱伝導率が１１７〜１５２Ｗ／ｍＫであった。この熱伝導率は、純銀のバルク体の熱伝導率（４２９Ｗ／ｍＫ）に比べると非常に低かったが、一方、従来の無鉛スズ系半田や活性銀ロウの熱伝導率（２０〜７０Ｗ／ｍＫ）に比べるとかなり高いものであった。しかし、各接合体における接着性は、どれも非常に乏しく、ダイボンディング部材へ展開できるものではなかった。これは、比較例Ｇ−０１〜０４のガラスの結晶化が顕著であり、加熱焼成時に良好な軟化流動性が得られなかったことが原因であった。さらに、この結晶化は、ガラスの平均粒径を２μｍ以下にまで微細化したので、表２で示した結晶化傾向よりもさらに顕著に結晶化した可能性が高い。【００３４】
副成分としてＢａＯ、ＷＯ3及びＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を含有した比較例Ｇ−０５〜１９を用いた場合には、接着温度が２７０〜３５０℃で熱伝導率が１５１〜１８８Ｗ／ｍＫであり、上記の比較例Ｇ−０１〜０４よりも熱伝導率は高い傾向を示した。これは、ＢａＯ、ＷＯ3及びＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を含有することによって、結晶化傾向が少しでも抑制されたことが示唆された結果である。しかし、各接合体における接着性に関しては、比較例Ｇ−０７、１１、１３〜１６及び１９で多少の改善は認められるものの不十分であった。それら以外の比較例Ｇ−０５、０６、０８〜１０、１２、１７及び１８では、比較例Ｇ−０１〜０４と同様に不適合なものであった。比較例Ｇ−０１〜１９において、熱伝導率と接着性の関連性について考察したところ、接着性の改善傾向が認められた比較例Ｇ−０７、１１、１３〜１６及び１９を用いた場合では、熱伝導率が１７０〜１８８Ｗ／ｍＫと高いことが分かった。このことより、Ｖ2Ｏ5−ＴｅＯ2−Ａｇ2Ｏ系無鉛低融点ガラス組成物の結晶化を防止して、良好な軟化流動性を得ることは、ダイボンディング部材としての放熱性と接着性の両方を向上できることが期待及び見出された。【００３５】
上記副成分の他に、さらに追加成分としてＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3のうち何れか一種以上を含有し、結晶化を防止した実施例Ｇ−２０〜７１を用いた場合には、接着温度が２７０〜３７０℃で熱伝導率が２２０〜２４６Ｗ／ｍＫと高くなった。また、(1)〜(11)のどの接合体においても２０ＭＰａ以上のせん断応力が得られ、接着性は良好であった。特にＡｌ膜やＡｇ膜を接着面に形成した接合体(2)(5)(8)(9)(11)においては、３０ＭＰａ以上と非常に高いせん断応力を達成した。実施例Ｇ−２０〜７１は、上述した比較例Ｇ−０１〜１９に比べると、結晶化を防止し、良好な軟化流動性を達成することによって、熱伝導率、すなわち放熱性はさらに向上し、接着性も大きく改善された。特に、実施例Ｇ−２３〜２８、３４〜３６、３９、４１〜４３、５０、５１及び５４〜５８を用いた場合には、３００℃以下での低温接着、すなわち低温でのダイボンディングが可能であった。実施例Ｇ−２０〜７１を用いることによって、熱伝導率が向上する理由は、ガラスが軟化流動することで、金属粒子として用いたＡｇ粒子間のネッキングを促進させるためであった。実施例Ｇ−２０〜７１は、加熱による軟化流動時に接着面へ形成したＡｌ膜やＡｇ膜とぬれ性が良好であった。また、これらと適度に反応し、ガラス構成成分との化合物が接着界面に形成された。Ａｌ膜を用いた場合には、ガラスとの反応によって、表面の酸化被膜が除去された。これらにより、強固な密着や接着を達成できたものと考えられる。これは、純Ａｌや純Ａｇの膜に限らず、Ａｌ合金やＡｇ合金の膜においても同様な効果が期待できることは言うまでもない。【００３６】
しかし、上記追加成分の含有量が多いと、表２で示したとおりに結晶化が再発し、軟化流動性が劣化する。このため、比較例Ｇ−７２〜７７を用いた場合には、接着温度が３１０〜３２０℃で熱伝導率が１６８〜２０１Ｗ／ｍＫと低下した。さらに、どの接合体においても、その接着性は低下し、せん断応力が２０ＭＰａ未満となった。【００３７】
以上、説明した表１〜３より、高い放熱性と接着性を有するダイボンディング部材として、金属粒子とともに含有する無鉛低融点ガラス組成物は、Ｖ2Ｏ5、ＴｅＯ2及びＡｇ2Ｏを主要成分とし、これらの合計が７８モル％以上であり、ＴｅＯ2とＡｇ2Ｏの含有量がＶ2Ｏ5の含有量に対して、それぞれ１〜２倍であり、さらに副成分としてＢａＯ、ＷＯ3及びＰ2Ｏ5のうち何れか一種以上を２０モル％以下、及び追加成分としてＹ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3及びＡｌ2Ｏ3のうち何れか一種以上を２．０モル％以下で含まれることが有効であった。特に副成分の含有量が３．７〜１６モル％、及び追加成分の含有量が０．２〜１．０モル％であることが好ましかった。この無鉛低融点ガラス組成物を含むダイボンディング部材は、放熱構造体や半導体モジュールへ有効に展開できるものであった。また、放熱構造体や半導体モジュールの接着面にＡｌ膜やＡｇ膜、或いはＡｌ合金膜やＡｇ合金膜が形成されていると、より強力な接着が可能であった。【００３８】
【表１】
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【００３９】
【表２】
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【００４０】
【表３】
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【００４１】
〔実施例２〕
本実施例では、図１〜３で示したような放熱構造体や半導体モジュールを製作するためのダイボンディング部材に関して、そのダイボンディング部材に含有する金属粒子について検討した。金属粒子には、Ａｇ、Ａｌ、Ｓｎ及びＣｕの球状粒子を用いた。使用した粒径は、Ａｇ、Ａｌ及びＣｕが４５μｍ以下、Ｓｎが３８μｍ以下であった。また、ダイボンディング部材に含有する無鉛低融点ガラス組成物としては、表１と表２で示した実施例Ｇ−３０と３４を用いた。これらの無鉛低融点ガラス組成物の平均粒径は、２μｍ以下とした。無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子の割合は、体積％で３０：７０とし、実施例１と同様にして熱伝導率を評価するための試料を作製した。ただし、この試料の作製に当たっては、金属粒子が極力、酸化されないように大気中ではなく、不活性ガス中（アルゴン中）で加熱することによって焼結体を得た。【００４２】
得られた焼結体は、実施例１と同様にしてキセノンフラッシュ法にて熱伝導率を測定した。また、上記の金属粒子と無鉛低融点ガラス組成物の粉末を用い、上記と同じ配合割合で実施例１と同様にしてダイボンディング部材用のペーストをそれぞれ作製した。そして、そのペーストを用いて、実施例１と同様にして各種の接合体を作製し、その接着性をせん断応力によって評価した。ただし、各接合体の作製に当たっては、加熱雰囲気は、大気中は使用せずに、すべて不活性ガス中（アルゴン中）とした。【００４３】
表４に、無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−３０と３４を含むダイボンディング部材の接着温度、熱伝導率及びそれを用いた接合体の接着性評価結果を示す。なお、接着温度は実施例１と同様に使用する無鉛低融点ガラス組成物、ここではＧ−３０と３４の軟化点Ｔsより５０~６０℃高い温度に設定した。Ａｇ、Ａｌ、Ｓｎ及びＣｕのバルクの熱伝導率は、４２９Ｗ／ｍＫ、２３７Ｗ／ｍＫ、６７Ｗ／ｍＫ及び４０１Ｗ／ｍＫである。これらは、純金属の熱伝導率であり、共晶等で合金化すると、低融点化し、接着温度を低温化できるものの、その熱伝導率は極端に低下してしまうことはよく知られたことである。【００４４】
たとえば、従来からダイボンディング部材として使用されてきたスズ系半田や活性銀ロウの熱伝導率は、２０〜７０Ｗ／ｍＫ程度である。本実施例のように無鉛低融点ガラス組成物を含むダイボンディング部材では、金属粒子に純金属を使用でき、しかもその純金属粒子を低温でネッキングできる点も大変有利な点である。本実施例においては、これを証明する。【００４５】
金属粒子としてＡｇを７０体積％含有したダイボンディング部材では、表４に示したとおり、無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−３０、３４ともに１６０Ｗ／ｍＫ前後の熱伝導率が得られた。バルクのＡｇの熱伝導率に比べると著しく低いが、従来のスズ系半田や活性銀ロウに比べると非常に高く、Ｇ−３０や３４によってＡｇ粒子のネッキングが促進されていた。これは、Ｇ−３０や３４が軟化流動することによってＡｇ粒子の一部がガラス中に溶解し、一方でガラス中からＡｇのナノ粒子が析出して、Ａｇ粒子のネッキングが進行すると言ったメカニズムでネッキングが進行したものと考えられる。【００４６】
また、作製した接合体の接着性は、(1)〜(11)のどの接合体においても２０ＭＰａ以上のせん断応力が得られ、接着性は良好であった。特にＡｌ膜やＡｇ膜を接着面に形成した接合体(2)(5)(8)(9)(11)においては、３０ＭＰａ以上と非常に高いせん断応力を達成し、その接着性は優秀であった。これは、Ｇ−３０や３４がＡｌ膜やＡｇ膜とぬれ性がよく、しかも適度に反応するためである。【００４７】
金属粒子としてＡｌを７０体積％含有したダイボンディング部材では、表４に示したとおり、無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−３０、３４ともに９０Ｗ／ｍＫ前後の熱伝導率が得られた。バルクのＡｌの熱伝導率に比べると著しく低いが、従来のスズ系半田や活性銀ロウに比べると高く、Ｇ−３０や３４によってＡｌ粒子のネッキングが促進されていた。これは、Ｇ−３０や３４が軟化流動することによってＡｌ粒子表面の酸化被膜が除去され、Ａｌとガラス中のＶが反応し、これらの合金層が形成されるとともに、ガラスからＡｇのナノ粒子が析出し、Ａｌ粒子のネッキングが進行すると言ったメカニズムでネッキングが進行したものと考えられる。【００４８】
また、作製した接合体の接着性は、(1)〜(11)のどの接合体においても２０ＭＰａ以上のせん断応力が得られ、接着性は良好であった。特にＡｌ膜やＡｇ膜を接着面に形成した接合体(2)(5)(8)(9)(11)においては、３０ＭＰａ以上と非常に高いせん断応力を達成し、その接着性は優秀であった。これは、Ａｇ粒子を含有した場合と同様に、Ｇ−３０や３４がＡｌ膜やＡｇ膜とぬれ性がよく、適度に反応するためである。【００４９】
金属粒子としてＳｎを７０体積％含有したダイボンディング部材では、表４に示したとおり、無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−３０、３４ともに４０Ｗ／ｍＫ前後の熱伝導率が得られた。バルクのＳｎの熱伝導率に比べると低いが、従来のスズ系半田と同レベルであった。【００５０】
また、作製した接合体の接着性は、(1)〜(11)のどの接合体においても２０ＭＰａ以上のせん断応力が得られ、接着性は良好であった。特にＣｕ基材を使用した接合体(4)、Ｃｕ膜やＡｇ膜を接着面に形成した接合体(5)(8)(10)(11)においては、３０ＭＰａ以上と非常に高いせん断応力を達成し、その接着性は優秀であった。これは、含有したＳｎ粒子によってＣｕ基材やＣｕ膜との接着性が向上したためである。従来からの半田では、ＣｕやＡｇとは接着可能であるが、Ａｌやセラミックスとの接着性は乏しかった。これに対し、Ｓｎ粒子を用いた本実施例では、Ｓｎ自身の熱伝導率がＡｇ等と比べると良くないので、従来のスズ系半田とほぼ同等の熱伝導率であったが、本実施例に係る無鉛低融点ガラス組成物の含有によってＣｕやＡｇ以外のＡｌやセラミックスにも接着が可能となった。【００５１】
金属粒子としてＣｕを７０体積％含有したダイボンディング部材では、表４に示したとおり、無鉛低融点ガラス組成物Ｇ−３０、３４ともに９０Ｗ／ｍＫ前後の熱伝導率が得られた。バルクのＣｕの熱伝導率に比べると著しく低いが、従来のスズ系半田や活性銀ロウに比べると高く、Ｇ−３０や３４によってＣｕ粒子のネッキングが促進されていた。これは、Ａｇ粒子と同様にＧ−３０や３４が軟化流動することによってＣｕ粒子の一部がガラス中に溶解し、一方でガラス中からＡｇのナノ粒子が析出して、Ｃｕ粒子のネッキングが進行すると言ったメカニズムでネッキングが進行したものと考えられる。しかし、一方で酸化物ガラスであるＧ−３０や３４が軟化流動することで、Ｃｕ粒子の表面が酸化されることもあり、このためにＡｇ粒子ほどに熱伝導率が高くならなかったものと考えられる。【００５２】
また、作製した接合体の接着性は、(1)〜(11)のどの接合体においても２０ＭＰａ以上のせん断応力が得られ、接着性は良好であった。しかし、Ａｇ粒子、Ａｌ粒子及びＳｎ粒子とは異なり、Ｃｕ粒子では３０ＭＰａ以上の高いせん断応力は得られなかった。これは、Ｇ−３０や３４のガラス中にＣｕが溶解していくと、その軟化流動性が乏しくなり、また結晶化傾向が大きくなるためであった。【００５３】
以上、本実施例における放熱構造体や半導体モジュールでは、ダイボンディング部材に含有する金属粒子としてＡｇ、Ａｌ、Ｓｎ及びＣｕが適用できることが分かった。特にＡｇ粒子の含有が熱伝導率を高くでき、放熱性に優れていた。本実施例では、金属粒子としてＡｇ、Ａｌ、Ｓｎ及びＣｕを検討したが、本実施例に係る無鉛低融点ガラス組成物を適用することによって、他の金属粒子の適用可能性が十分にあることは言うまでもない。【００５４】
【表４】
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【００５５】
〔実施例３〕
本実施例では、図１〜３で示したような放熱構造体や半導体モジュールを製作するためのダイボンディング部材に関して、そのダイボンディング部材に含有する無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子の配合割合について検討した。無鉛低融点ガラス組成物としては、表１と表２に示した実施例Ｇ−４２、金属粒子としては、平均粒径が１．５μｍの球状Ａｇ粒子を用いた。Ｇ−４２のガラス粉末とＡｇ粒子の配合割合は、体積％で１００：０、２０：８０、３０：７０、４０：６０、５０：５０、６０：４０、７０：３０、８０：２０、９０：１０、及び９５：５の１０種類とし、実施例１と同様にして熱伝導率を評価するための試料を作製した。なお、Ｇ−４２粉末の平均粒径は２μｍ以下とした。また、加熱雰囲気は不活性ガス中（窒素中）とし、３００℃で焼結体を得た。【００５６】
得られた焼結体は、実施例１と同様にしてキセノンフラッシュ法にて熱伝導率を測定し、放熱性を評価した。また、上記のＧ−４２粉末とＡｇ粒子を用い、上記と同じ１０種類の配合割合で実施例１と同様にしてダイボンディング部材用のペーストをそれぞれ作製した。そして、これらのペーストを用いて、実施例１と同様にして前記(2)のＡｌ膜形成ＡｌＮ基材とＡｌ膜形成Ａｌ−ＳｉＣ基材との接合体を作製し、その接着性をせん断応力によって評価した。ただし、(2)の接合体の作製に当たって、加熱雰囲気は不活性ガス中（窒素中）とし、３００℃で焼成した。【００５７】
図６にＧ−４２粉末とＡｇ粒子の配合割合と熱伝導率、及びせん断応力との関係を示す。Ｇ−４２のバルクの熱伝導率は約０．６Ｗ／ｍＫであったが、Ｇ−４２粉末のみ（１００体積％）で作製した焼結体では、図６に示すように約３Ｗ／ｍＫに増加していた。これは、ガラスからＡｇが析出したために、熱伝導率が大きくなったものと考えられる。熱伝導率の変化は、Ａｇ粒子の増加とＧ−４２粉末の減少によって増加し、Ａｇ粒子が４０体積％、Ｇ−４２粉末が６０体積％で、従来の無鉛スズ系半田並みの熱伝導率となった。また、Ａｇ粒子が６０体積％以上、Ｇ−４２粉末が４０体積％以下で、従来の無鉛スズ系半田や活性銀ロウを超える１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率が得られた。Ａｇ粒子の増加は、Ａｇ粒子のネッキングによるネットワークが緻密化したために、熱伝導率が向上したものである。そのネッキングは、Ｇ−４２が軟化流動することによってもたらされるものであり、Ｇ−４２の含有は必要不可欠である。【００５８】
せん断応力は、図６に示したとおりＡｇ粒子の増加とＧ−４２粉末の減少によって増加し、Ａｇ粒子が７０〜８０体積％、Ｇ−４２粉末が２０〜３０体積％当たりで最大値となり、その後大きく減少した。せん断応力が２０ＭＰa以上の良好な接着性が得られた範囲は、Ａｇ粒子で４０体積％以上９５体積％未満、Ｇ−４２粉末で５体積％超６０体積％以下であった。特に３０ＭＰａ以上の優秀な接着性は、Ａｇ粒子が５５体積％以上９０体積％以下、Ｇ−４２粉末が１０体積％以上４５体積％以下の範囲であった。【００５９】
以上、熱伝導率とせん断応力、すなわち放熱性と接着性の両方に配慮すると、ダイボンディング部材に含有する無鉛低融点ガラス組成物は５〜６０体積％、及び金属粒子は４０〜９５体積％であることが好ましかった。特に無鉛低融点ガラス組成物が１０〜４０体積％、及び金属粒子が６０〜９０体積％であることが有効であった。
〔実施例４〕
本実施例では、実施例１乃至３の知見を活かし、図１と図２で示した放熱構造体を作製し、熱サイクル試験を実施した。図１中の第１部材1、1’、1’’及び1’’’には、横３０ｍｍ、縦４０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板、第２部材2には、横８０ｍｍ、縦１００ｍｍ、厚み５．０ｍｍのＡｌ−ＳｉＣ基板を用いた。ダイボンディング部材3、3’、3’’及び3’’’には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−５０、金属粒子として平均粒径が１．５μｍの球状Ａｇ粒子を用い、その割合は体積％で２０：８０とした。また、Ｇ−５０の平均粒径は２μｍ以下とした。【００６０】
上記のＧ−５０粉末とＡｇ粒子を用いて、実施例１と同様にしてダイボンディング部材用のペーストを作製した。このペーストをスクリーン印刷法にてＡｌＮ基板とＡｌ−ＳｉＣ基板の接着面にそれぞれ塗布し、大気中で１２０〜１５０℃で乾燥した。次に、これらを電気炉にて大気中１０℃／分の昇温速度で２２０℃まで加熱し、３０分間保持した後に同じ昇温速度で２８０℃まで加熱し３０分保持することによってＡｌＮ基板とＡｌ−ＳｉＣ基板の接着面に仮焼成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中０．５ＭＰａの加圧で３００℃まで加熱し、３０分間保持することによって、図１に示したような放熱構造体を作製した。作製した放熱構造体の接着状態は、超音波探傷端法によって、剥離等もなく、良好に接着されていたことを確認した。また、実施例１乃至３で述べた通り、本実施例におけるダイボンディング部材の熱伝導率は高く、作製した放熱構造体は、高い放熱性を有することは言うまでもない。【００６１】
作製した放熱構造体を熱サイクル試験機に入れ、−４０から＋１５０℃までの熱サイクルを１０００回繰り返した。熱サイクル試験後の放熱構造体は、超音波探傷端法によってその接着状態を評価した。その結果、熱サイクル試験前後での変化は認められず、良好な熱サイクル特性を有することが確認された。
〔実施例５〕
本実施例では、実施例４と同様に実施例１乃至３の知見を活かし、図１と図２で示した放熱構造体を作製し、熱サイクル試験を実施した。図１中の第１部材1、1’、1’’及び1’’’には、横１５ｍｍ、縦２０ｍｍ、厚み１．０ｍｍのＳｉ基板、第２部材2には、横４０ｍｍ、縦５０ｍｍ及び厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板を用いた。さらに、Ｓｉ基板の接着面には、スパッタリング法にて厚み１〜２μｍのＡｌ膜、及びＡｌＮ基板の接着面には、粒径が７５μｍ以下の球状Ａｌ粒子を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００~２００μｍ程度のＡｌ膜を形成した。なお、ＡｌＮ基板の接着面へのＡｌ膜の形成に当たっては、Ｓｉ基板が接着される箇所だけではなく、全面にＡｌ膜を施した。ダイボンディング部材3、3’、3’’及び3’’’には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−６１、金属粒子として平均粒径が１．５μｍの球状Ａｇ粒子を用い、その割合は体積％で１５：８５とした。また、Ｇ−６１の平均粒径は２μｍ以下とした。【００６２】
上記のＧ−６１粉末とＡｇ粒子を用いて、実施例１と同様にしてダイボンディング部材用のペーストを作製した。このペーストをスクリーン印刷法にてＡｌ膜を形成したＳｉ基板とＡｌＮ基板の接着面に塗布し、大気中で１２０〜１５０℃で乾燥した。次に、これらを電気炉にて不活性ガス中（窒素中）１０℃／分の昇温速度で２２０℃まで加熱し、３０分間保持した後に同じ昇温速度で３３０℃まで加熱し３０分保持することによって、それぞれの接着面にダイボンディング部材を仮焼成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中１ＭＰａの加圧で３５０℃まで加熱し、３０分間保持することによって、図１に示したような放熱構造体を作製した。作製した放熱構造体の接着状態は、超音波探傷端法によって、剥離等もなく、良好に接着されていたことを確認した。また、実施例１乃至３で述べた通り、本実施例におけるダイボンディング部材の熱伝導率は高く、作製した放熱構造体は、高い放熱性を有することは言うまでもない。【００６３】
作製した放熱構造体を熱サイクル試験機に入れ、−４０から＋１５０℃までの熱サイクルを１０００回繰り返した。熱サイクル試験後の放熱構造体は、超音波探傷端法によってその接着状態を評価した。その結果、熱サイクル試験前後での変化は認められず、良好な熱サイクル特性を有することが確認された。
〔実施例６〕
本実施例では、実施例４と同様に実施例１乃至３の知見を活かし、図１と図２で示した放熱構造体を作製し、熱サイクル試験を実施した。図１中の第１部材1、1’、1’’及び1’’’には、横３０ｍｍ、縦４０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板、第２部材2には、横８０ｍｍ、縦１００ｍｍ及び厚み５．０ｍｍのＡｌ−ＳｉＣ基板を用いた。さらに、ＡｌＮ基板とＡｌ−ＳｉＣ基板の接着面には、粒径が７５μｍ以下の粒状Ａｌ粒子を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００〜２００μｍ程度のＡｌ膜をそれぞれ形成した。なお、Ａｌ−ＳｉＣ基板の接着面へのＡｌ膜の形成に当たっては、ＡｌＮ基板が接着される箇所だけではなく、全面にＡｌ膜を施した。ダイボンディング部材3、3’、3’’及び3’’’には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−５８、金属粒子として平均粒径が１．５μｍの球状Ａｇ粒子を用い、その割合は体積％で２５：７５とした。また、Ｇ−５８の平均粒径は２μｍ以下とした。【００６４】
上記のＧ−５８粉末とＡｇ粒子を用いて、実施例１と同様にしてダイボンディング部材用のペーストを作製した。このペーストをスクリーン印刷法にてＡｌ膜を形成したＡｌＮ基板とＡｌ−ＳｉＣ基板の接着面に塗布し、大気中で１２０〜１５０℃で乾燥した。次に、これらを電気炉にて大気中１０℃／分の昇温速度で２２０℃まで加熱し、３０分間保持した後に同じ昇温速度で２８０℃まで加熱し３０分保持することによって、それぞれの接着面にダイボンディング部材を仮焼成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中０．５ＭＰａの加圧で３００℃まで加熱し、３０分間保持することによって、図１に示したような放熱構造体を作製した。作製した放熱構造体の接着状態は、超音波探傷端法によって、剥離等もなく、良好に接着されていたことを確認した。また、実施例１乃至３で述べた通り、本実施例におけるダイボンディング部材の熱伝導率は高く、作製した放熱構造体は、高い放熱性を有することは言うまでもない。【００６５】
作製した放熱構造体を熱サイクル試験機に入れ、−４０から＋１７５℃までの熱サイクルを１０００回繰り返した。熱サイクル試験後の放熱構造体は、超音波探傷端法によってその接着状態を評価した。その結果、熱サイクル試験前後での変化は認められず、良好な熱サイクル特性を有することが確認された。
〔実施例７〕
本実施例では、実施例４と同様に実施例１乃至３の知見を活かし、図１と図２で示した放熱構造体を作製し、熱サイクル試験を実施した。図１中の第１部材1、1’、1’’及び1’’’には、横３０ｍｍ、縦４０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板、第２部材2には、横８０ｍｍ、縦１００ｍｍ及び厚み５．０ｍｍのＡｌ−ＳｉＣ基板を用いた。ダイボンディング部材3、3’、3’’及び3’’’には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−３８、金属粒子として粒径が７５μｍ以下の球状Ａｌ粒子を用い、その割合は体積％で３０：７０とした。また、Ｇ−３８の平均粒径は２μｍ以下とした。【００６６】
上記のＧ−３８粉末とＡｌ粒子をできるだけ均一になるようによく混合し、この混合粉末を用いて、低圧のコールドスプレーによってＡｌＮ基板とＡｌ−ＳｉＣ基板の接着面にガラスとＡｌの混合膜を１００〜２００μｍ程度形成した。なお、Ａｌ−ＳｉＣ基板の接着面への形成に当たっては、ＡｌＮ基板が接着される箇所だけではなく、全面にガラスとＡｌの混合膜を施した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中０．８ＭＰａの加圧で３１０℃まで加熱し、３０分間保持することによって、図１に示したような放熱構造体を作製した。作製した放熱構造体の接着状態は、超音波探傷端法によって、剥離等もなく、良好に接着されていたことを確認した。また、実施例１乃至３で述べた通り、本実施例におけるダイボンディング部材の熱伝導率は高く、作製した放熱構造体は、高い放熱性を有することは言うまでもない。【００６７】
作製した放熱構造体を熱サイクル試験機に入れ、−４０から＋２００℃までの熱サイクルを１０００回繰り返した。熱サイクル試験後の放熱構造体は、超音波探傷端法によってその接着状態を評価した。その結果、熱サイクル試験前後での変化は認められず、良好な熱サイクル特性を有することが確認された。
〔実施例８〕
本実施例では、実施例４と同様に実施例１乃至３の知見を活かし、図１と図２で示した放熱構造体を作製し、熱サイクル試験を実施した。図１中の第１部材1、1’、1’’及び1’’’には、横１５ｍｍ、縦２０ｍｍ、厚み１．０ｍｍのＳｉＣ基板、第２部材2には、横４０ｍｍ、縦５０ｍｍ及び厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板を用いた。ダイボンディング部材3、3’、3’’及び3’’’には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−４６、金属粒子として粒径が７５μｍ以下の球状Ａｌ粒子を用い、その割合は体積％で１０：９０とした。また、Ｇ−４６の平均粒径は２μｍ以下とした。【００６８】
上記のＧ−４６粉末とＡｌ粒子をできるだけ均一になるようによく混合し、この混合粉末を用いて、低圧のコールドスプレーによってＳｉＣ基板とＡｌＮ基板の接着面にガラスとＡｌの混合膜を１００〜２００μｍ程度形成した。なお、ＡｌＮ基板の接着面への形成に当たっては、ＳｉＣ基板が接着される箇所だけではなく、全面にガラスとＡｌの混合膜を施した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中１．２ＭＰａの加圧で３４０℃まで加熱し、３０分間保持することによって、図１に示したような放熱構造体を作製した。作製した放熱構造体の接着状態は、超音波探傷端法によって、剥離等もなく、良好に接着されていたことを確認した。また、実施例１乃至３で述べた通り、本実施例におけるダイボンディング部材の熱伝導率は高く、作製した放熱構造体は、高い放熱性を有することは言うまでもない。【００６９】
作製した放熱構造体を熱サイクル試験機に入れ、−４０から＋２００℃までの熱サイクルを１０００回繰り返した。熱サイクル試験後の放熱構造体は、超音波探傷端法によってその接着状態を評価した。その結果、熱サイクル試験前後での変化は認められず、良好な熱サイクル特性を有することが確認された。
〔実施例９〕
本実施例では、実施例１乃至８の知見を活かし、図３で示した半導体モジュールを作製し、熱サイクル試験を実施した。図３中の半導体チップ6には、約１２ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍサイズのＳｉチップ、金属配線7、7’及び7’’には、厚みが約０．３ｍｍのＣｕ配線、セラミックス絶縁基板8には、約６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍサイズのＡｌＮ基板、放熱ベース基板9には、約１６０ｍｍ×１８０ｍｍ×５ｍｍサイズのＡｌ−ＳｉＣ基板、第１ダイボンディング部材10と第３ボンディング部材12には、上記実施例に係る無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子を含むダイボンディング部材、第２ボンディング部材11、11’及び11’’には、従来からの活性銀ロウを用いた。【００７０】
金属配線7、7’及び7’’のＣｕ配線は、セラミックス絶縁基板8のＡｌＮ基板に、活性銀ロウからなる第２ボンディング部材11、11’及び11’’によって事前に接着しておいた。その際に、セラミックス絶縁基板8のＡｌＮ基板のそりを防止するために、反対の面にも同時に活性銀ロウを用いて、厚みが約０．２ｍｍのＣｕの薄板を接着した。本実施例では、Ｃｕ配線とＣｕ薄板を活性銀ロウで接着したＡｌＮ基板のＣｕ配線側の面に８つの半導体チップ6（Ｓｉチップ）を第１ダイボンディング部材10によって搭載し、さらにこれを第３ボンディング部材12によって放熱ベース基板9（Ａｌ−ＳｉＣ基板）へ６つ搭載した放熱構造体とした。【００７１】
第１ダイボンディング部材10と第３ボンディング部材12は、ペーストの形態で用いた。第１ダイボンディング部材10には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−３２、金属粒子として平均粒径が１．５μｍの球状Ａｇ粒子を用い、その割合は体積％で１５：８５とした。また、第３ダイボンディング部材12には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−３５、金属粒子として平均粒径が１．５μｍの球状Ａｇ粒子を用い、その割合は体積％で３０：７０とした。なお、Ｇ−３２と３５の平均粒径は２μｍ以下とした。上記のＧ−３２粉末とＡｇ粒子、及びＧ−３５粉末とＡｇ粒子を用いて、実施例１と同様にして第１及び第３ダイボンディング部材用のペーストをそれぞれ作製した。【００７２】
より詳細な構造と製法に関して、以下に説明する。Ｓｉチップの接着面には、スパッタリング法によって、厚みが１~２μｍのＡｌ膜を形成した。ＡｌＮ基板に活性銀ロウで接着したＣｕ配線とＣｕ薄板の両接着面及びＡｌ−ＳｉＣ基板の接着面には、粒径が７５μｍ以下の球状Ａｌ粒子を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００〜２００μｍ程度のＡｌ膜をそれぞれ形成した。次に、Ｓｉチップに形成したＡｌ膜上の接着面とＣｕ配線に形成したＡｌ膜上の接着面には上記第１ダイボンディング部材用のペーストを用い、スクリーン印刷法にて塗布し、大気中で１２０~１５０℃で乾燥した。乾燥後に、これらを電気炉にて不活性ガス中（アルゴン中）１０℃／分の昇温速度で２２０℃まで加熱し、３０分間保持した後に同じ昇温速度で３１０℃まで加熱し３０分保持することによって、それぞれの接着面に第１ダイボンディング部材を仮焼成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中０．８ＭＰａの加圧で３３０℃まで加熱し、３０分間保持することによって接着した。【００７３】
次に、Ｃｕ薄板に形成したＡｌ膜上の接着面とＡｌ−ＳｉＣ基板に形成したＡｌ膜上の接着面には、上記第３ダイボンディング部材用のペーストを用い、スクリーン印刷法にて塗布し、大気中で１２０~１５０℃で乾燥した。乾燥後に、これらを電気炉にて不活性ガス中（アルゴン中）１０℃／分の昇温速度で２２０℃まで加熱し、３０分間保持した後に同じ昇温速度で２７０℃まで加熱し３０分保持することによって、それぞれの接着面に第３ダイボンディング部材を仮焼成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中０．５ＭＰａの加圧で２９０℃まで加熱し、３０分間保持することによって接着した。【００７４】
そして、図３に示したようにエミッタ電極13とゲート電極14を接続することによって半導体モジュールを作製した。作製した半導体モジュールの第１ダイボンディング部材10と第３ダイボンディング部材12の各接着状態は、超音波探傷端法によって、剥離等もなく、良好に接着されていたことを確認した。また、作製した半導体モジュールは、高い電流密度においても動作することも確認した。さらに、実施例１乃至３で述べた通り、本実施例における第１ダイボンディング部材10と第３ダイボンディング部材12の熱伝導率は高く、作製した半導体モジュールは、高い放熱性を有することは言うまでもない。【００７５】
作製した半導体モジュールを熱サイクル試験機に入れ、−４０から＋１５０℃までの熱サイクルを１０００回繰り返した。熱サイクル試験後の半導体モジュールは、超音波探傷端法によってそれぞれの箇所の接着状態を評価した。その結果、熱サイクル試験前後での変化は認められず、良好な熱サイクル特性を有することが確認された。また、試験前同様に高い電流密度においても動作することを確認した。
〔実施例１０〕
本実施例では、実施例９と同様にして、実施例１乃至８の知見を活かし、図３で示した半導体モジュールを作製し、熱サイクル試験を実施した。図３中の半導体チップ6、金属配線7、7’及び7’’、セラミックス絶縁基板8及び放熱ベース基板9には、実施例９と同じ材質及び形状のものを用いた。さらに、実施例９と同様に第２ボンディング部材11、11’及び11’’として従来からの活性銀ロウを用いて、Ｃｕ配線とＣｕ薄板をＡｌＮ基板に接着しておいた。また、Ｓｉチップの接着面には、実施例９と同様にしてスパッタリング法によって、厚みが１~２μｍのＡｌ膜を形成しておいた。【００７６】
第１ダイボンディング部材10には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−５５、金属粒子として粒径が７５μｍ以下の球状Ａｇ粒子を用い、その割合は体積％で２０：８０とした。また、第３ダイボンディング部材12には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−４７、金属粒子として粒径が７５μｍ以下の球状Ａｌ粒子を用い、その割合は体積％で１５：８５とした。なお、Ｇ−５５と４７は、平均粒径を２μｍ以下とした。本実施例の第１ダイボンディング部材10と第３ダイボンディング部材12の形成に当たっては、実施例９で適用したようなペーストの形態ではなく、上記のＧ−５５粉末とＡｇ粒子、及びＧ−４７粉末とＡｌ粒子をできるだけ均一になるようによく混合し、これらの混合粉末を用いた低圧のコールドスプレーによった。【００７７】
より詳細な構造と製法に関して、以下に説明する。先ずは、ＡｌＮ基板に活性銀ロウで接着したＣｕ薄板の接着面とＡｌ−ＳｉＣ基板の接着面には、上記Ｇ−４７粉末とＡｌ粒子からなる混合粉末を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００〜２００μｍ程度の第３ダイボンディング部材の膜をそれぞれ形成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中１ＭＰａの加圧で３４０℃まで加熱し、３０分間保持することによって接着した。次にＳｉチップに形成したＡｌ膜上の接着面とＣｕ配線に形成したＡｌ膜上の接着面には、上記Ｇ−５５粉末とＡｇ粒子からなる混合粉末を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００〜２００μｍ程度の第１ダイボンディング部材の膜をそれぞれ形成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中０．７ＭＰａの加圧で３００℃まで加熱し、３０分間保持することによって接着した。【００７８】
そして、図３に示したようにエミッタ電極13とゲート電極14を接続することによって半導体モジュールを作製した。作製した半導体モジュールの第１ダイボンディング部材10と第３ダイボンディング部材12の各接着状態は、超音波探傷端法によって、剥離等もなく、良好に接着されていたことを確認した。また、作製した半導体モジュールは、高い電流密度においても動作することも確認した。さらに、実施例１乃至３で述べた通り、本実施例における第１ダイボンディング部材10と第３ダイボンディング部材12の熱伝導率は高く、作製した半導体モジュールは、高い放熱性を有することは言うまでもない。【００７９】
作製した半導体モジュールを熱サイクル試験機に入れ、実施例９と同様にして−４０から＋１５０℃までの熱サイクルを１０００回繰り返した。熱サイクル試験後の半導体モジュールは、超音波探傷端法によってそれぞれの箇所の接着状態を評価した。その結果、熱サイクル試験前後での変化は認められず、良好な熱サイクル特性を有することが確認された。また、試験前同様に高い電流密度においても動作することを確認した。
〔実施例１１〕
本実施例では、実施例９及び実施例１０と同様にして、実施例１乃至８の知見を活かし、図３で示した半導体モジュールを作製し、熱サイクル試験を実施した。図３中の半導体チップ6には、約１２ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍサイズのＳｉチップ、金属配線7、7’及び7’’には、厚みが約０．５ｍｍのＡｌ配線、セラミックス絶縁基板8には、約６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍサイズのＡｌＮ基板、放熱ベース基板9には、約１６０ｍｍ×１８０ｍｍ×５ｍｍサイズのＡｌ−ＳｉＣ基板を用いた。【００８０】
また、第１ダイボンディング部材10と、第２ボンディング部材11、11’及び11’’と、第３ボンディング部材12には、上記実施例に係る無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子を含むダイボンディング部材を用いた。Ｓｉチップの接着面及びＡｌＮ基板の両接着面には、実施例９と同様にしてスパッタリング法によって、厚みが１~２μｍのＡｌ膜を形成しておいた。なお、ＡｌＮ基板のＡｌ配線側は、配線形状でＡｌ膜を形成した。【００８１】
第１ダイボンディング部材10には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−５１、金属粒子として粒径が７５μｍ以下の球状Ａｇ粒子を用い、その割合は体積％で１５：８５とした。また、第２ダイボンディング部材11、11’及び11’’と第３ダイボンディング部材12には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−５９、金属粒子として粒径が７５μｍ以下の球状Ａｌ粒子を用い、その割合は体積％で２５：７５とした。なお、Ｇ−５１と５９は、平均粒径を２μｍ以下とした。本実施例の第１ダイボンディング部材10、及び第２ダイボンディング部材11、11’及び11’’と第３ダイボンディング部材12の形成に当たっては、実施例１０と同様に上記のＧ−５１粉末とＡｇ粒子、及びＧ−５９粉末とＡｌ粒子をできるだけ均一になるようによく混合し、これらの混合粉末を用いた低圧のコールドスプレーによった。【００８２】
より詳細な構造と製法に関して、以下に説明する。先ずは、ＡｌＮ基板に両面に形成したＡｌ膜上の接着面とＡｌ−ＳｉＣ基板の接着面には、上記Ｇ−５９粉末とＡｌ粒子からなる混合粉末を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００〜２００μｍ程度の第２ダイボンディング部材と第３ダイボンディング部材の膜をそれぞれ形成した。これらを合わせ、さらにその上にＡｌ配線を設置し、ホットプレスにて真空中０．７ＭＰａの加圧で３３０℃まで加熱し、３０分間保持することによって接着した。次にＳｉチップに形成したＡｌ膜上の接着面とＡｌ配線の接着面には、上記Ｇ−５１粉末とＡｇ粒子からなる混合粉末を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００〜２００μｍ程度の第１ダイボンディング部材の膜をそれぞれ形成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中０．９ＭＰａの加圧で３００℃まで加熱し、３０分間保持することによって接着した。【００８３】
そして、図３に示したようにエミッタ電極13とゲート電極14を接続することによって半導体モジュールを作製した。作製した半導体モジュールの第１ダイボンディング部材10と、第２ボンディング部材11、11’及び11’’と、第３ボンディング部材12の各接着状態は、超音波探傷端法によって、剥離等もなく、良好に接着されていたことを確認した。また、作製した半導体モジュールは、高い電流密度においても動作することも確認した。さらに、実施例１乃至３で述べた通り、本実施例における第１ダイボンディング部材、第２ダイボンディング部材及び第３ダイボンディング部材の熱伝導率は高く、作製した半導体モジュールは、高い放熱性を有することは言うまでもない。【００８４】
作製した半導体モジュールを熱サイクル試験機に入れ、−４０から＋１７５℃までの熱サイクルを１０００回繰り返した。熱サイクル試験後の半導体モジュールは、超音波探傷端法によってそれぞれの箇所の接着状態を評価した。その結果、熱サイクル試験前後での変化は認められず、良好な熱サイクル特性を有することが確認された。また、試験前同様に高い電流密度においても動作することを確認した。
〔実施例１２〕
本実施例では、実施例９~１１と同様にして、実施例１乃至８の知見を活かし、図３で示した半導体モジュールを作製し、熱サイクル試験を実施した。図３中の半導体チップ6には、約１２ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍサイズのＳｉＣチップ、金属配線7、7’及び7’’には、厚みが約０．５ｍｍのＡｌ配線、セラミックス絶縁基板8には、約６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍサイズのＡｌＮ基板、放熱ベース基板9には、約１６０ｍｍ×１８０ｍｍ×５ｍｍサイズのＡｌ−ＳｉＣ基板を用いた。また、第１ダイボンディング部材10と、第２ボンディング部材11、11’及び11’’と、第３ボンディング部材12には、上記実施例に係る無鉛低融点ガラス組成物と金属粒子を含むダイボンディング部材を用いた。ＳｉＣチップの接着面及びＡｌＮ基板の両接着面には、実施例９及び実施例１１と同様にしてスパッタリング法によって、厚みが１~２μｍのＡｌ膜を形成しておいた。なお、ＡｌＮ基板のＡｌ配線側は、配線形状でＡｌ膜を形成した。【００８５】
第１ダイボンディング部材10には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−２３、金属粒子として粒径が７５μｍ以下の球状Ａｌ粒子を用い、その割合は体積％で１２：８８とした。また、第２ダイボンディング部材11、11’及び11’’と第３ダイボンディング部材12には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−４９、金属粒子として粒径が７５μｍ以下の球状Ａｌ粒子を用い、その割合は体積％で２０：８０とした。なお、Ｇ−２３と４９は、平均粒径を２μｍ以下とした。本実施例の第１ダイボンディング部材10、及び第２ダイボンディング部材11、11’及び11’’と第３ダイボンディング部材12の形成に当たっては、実施例１０や実施例１１と同様に上記のＧ−２３粉末とＡｌ粒子、及びＧ−４９粉末とＡｌ粒子をできるだけ均一になるようによく混合し、これらの混合粉末を用いた低圧のコールドスプレーによった。【００８６】
より詳細な構造と製法に関して、以下に説明する。先ずは、ＡｌＮ基板に両面に形成したＡｌ膜上の接着面とＡｌ−ＳｉＣ基板の接着面には、上記Ｇ−４９粉末とＡｌ粒子からなる混合粉末を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００〜２００μｍ程度の第２ダイボンディング部材と第３ダイボンディング部材の膜をそれぞれ形成した。これらを合わせ、さらにその上にＡｌ配線を設置し、ホットプレスにて真空中１ＭＰａの加圧で３４０℃まで加熱し、３０分間保持することによって接着した。次にＳｉＣチップに形成したＡｌ膜上の接着面とＡｌ配線の接着面には、上記Ｇ−２３粉末とＡｌ粒子からなる混合粉末を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００〜２００μｍ程度の第１ダイボンディング部材の膜をそれぞれ形成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中０．７ＭＰａの加圧で２７０℃まで加熱し、３０分間保持することによって接着した。【００８７】
そして、図３に示したようにエミッタ電極13とゲート電極14を接続することによって半導体モジュールを作製した。作製した半導体モジュールの第１ダイボンディング部材10と、第２ボンディング部材11、11’及び11’’と、第３ボンディング部材12の各接着状態は、超音波探傷端法によって、剥離等もなく、良好に接着されていたことを確認した。また、作製した半導体モジュールは、高い電流密度においても動作することも確認した。さらに、実施例１乃至３で述べた通り、本実施例における第１ダイボンディング部材、第２ダイボンディング部材及び第３ダイボンディング部材の熱伝導率は高く、作製した半導体モジュールは、高い放熱性を有することは言うまでもない。【００８８】
作製した半導体モジュールを熱サイクル試験機に入れ、−４０から＋２００℃までの熱サイクルを１０００回繰り返した。熱サイクル試験後の半導体モジュールは、超音波探傷端法によってそれぞれの箇所の接着状態を評価した。その結果、熱サイクル試験前後での変化は認められず、良好な熱サイクル特性を有することが確認された。また、試験前同様に高い電流密度においても動作することを確認した。
〔実施例１３〕
本実施例では、実施例９~１２と同様にして、実施例１乃至８の知見を活かし、図３で示した半導体モジュールを作製し、熱サイクル試験を実施した。図３中の半導体チップ6には、約１２ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍサイズのＳｉＣチップ、金属配線7、7’及び7’’には、厚みが約０．３ｍｍのＣｕ配線、セラミックス絶縁基板8には、約６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍサイズのＳｉ3Ｎ4基板、放熱ベース基板9には、約１６０ｍｍ×１８０ｍｍ×５ｍｍサイズのＡｌ−ＳｉＣ基板を用いた。さらに、実施例９や実施例１０と同様に第２ボンディング部材11、11’及び11’’として従来からの活性銀ロウを用いて、Ｃｕ配線とＣｕ薄板をＳｉ3Ｎ4基板に接着しておいた。また、ＳｉＣチップの接着面には、実施例１２と同様にしてスパッタリング法によって、厚みが１~２μｍのＡｌ膜を形成しておいた。【００８９】
第１ダイボンディング部材10には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−３０、金属粒子として粒径が７５μｍ以下の球状Ａｌ粒子を用い、その割合は体積％で１１：８９とした。また、第３ダイボンディング部材12には、無鉛低融点ガラス組成物として表１と表２で示した実施例Ｇ−３４、金属粒子として粒径が７５μｍ以下の球状Ａｌ粒子を用い、その割合は体積％で１８：８２とした。なお、Ｇ−３０と３４は、平均粒径を２μｍ以下とした。本実施例の第１ダイボンディング部材10と第３ダイボンディング部材12の形成に当たっては、実施例１０~１２と同様に上記のＧ−３０粉末とＡｌ粒子、及びＧ−３４粉末とＡｌ粒子をできるだけ均一になるようによく混合し、これらの混合粉末を用いた低圧のコールドスプレーによった。【００９０】
より詳細な構造と製法に関して、以下に説明する。先ずは、ＳｉＣチップに形成したＡｌ膜上の接着面とＳｉ3Ｎ4基板に活性銀ロウで接着したＣｕ配線の接着面には、上記Ｇ−３０粉末とＡｌ粒子からなる混合粉末を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００〜２００μｍ程度の第１ダイボンディング部材の膜をそれぞれ形成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中１．２ＭＰａの加圧で３３０℃まで加熱し、３０分間保持することによって接着した。次に、Ｓｉ3Ｎ4基板に活性銀ロウで接着したＣｕ薄板の接着面とＡｌ−ＳｉＣ基板の接着面には、上記Ｇ−３４粉末とＡｌ粒子からなる混合粉末を用い、低圧のコールドスプレーで厚み１００〜２００μｍ程度の第３ダイボンディング部材の膜をそれぞれ形成した。これらを合わせ、ホットプレスにて真空中０．８ＭＰａの加圧で２９０℃まで加熱し、３０分間保持することによって接着した。【００９１】
そして、図３に示したようにエミッタ電極13とゲート電極14を接続することによって半導体モジュールを作製した。作製した半導体モジュールの第１ダイボンディング部材10と第３ダイボンディング部材12の各接着状態は、超音波探傷端法によって、剥離等もなく、良好に接着されていたことを確認した。また、作製した半導体モジュールは、高い電流密度においても動作することも確認した。さらに、実施例１乃至３で述べた通り、本実施例における第１ダイボンディング部材10と第３ダイボンディング部材12の熱伝導率は高く、作製した半導体モジュールは、高い放熱性を有することは言うまでもない。【００９２】
作製した半導体モジュールを熱サイクル試験機に入れ、実施例１２と同様にして−４０から＋２００℃までの熱サイクルを１０００回繰り返した。熱サイクル試験後の半導体モジュールは、超音波探傷端法によってそれぞれの箇所の接着状態を評価した。その結果、熱サイクル試験前後での変化は認められず、良好な熱サイクル特性を有することが確認された。また、試験前同様に高い電流密度においても動作することを確認した。【００９３】
以上によれば、良好な接着性、放熱性、耐熱性及び熱サイクル特性を有する、すなわち熱的信頼性に優れた放熱構造体や半導体モジュールを提供することができるものである。
【符号の説明】
【００９４】
１、1’、1’’、1’’’：第１部材
2：第２部材
3、3’、3’’、3’’’：ダイボンディング部材
4：無鉛低融点ガラス組成物
5：金属粒子
6：半導体チップ
7、7’、7’’：金属配線
8：セラミックス絶縁基板
9：放熱ベース基板
10：第１ダイボンディング部材
11、11’、11’’：第２ダイボンディング部材
12：第３ダイボンディング部材
13：エミッタ電極
14：ゲート電極
15：円板状基材
16：角板状基材
17：接着面
18：接着面
19：ダイボンディング部材用ペースト
【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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【国際調査報告】
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