(57)【要約】  クラックや剥がれの発生を抑制すること等により接合寿命を向上して信頼性に優れる接続構造体を提供する。  被接続体（Ｂ）上に、接続体である多孔質金属層（Ａ）を介して被接続体（Ｃ）が接合されている接続構造体であって、多孔質金属層（Ａ）における、空孔率が２〜３８体積％であり、多孔質金属層（Ａ）は略楕円体形状の空孔（ｈ）を有し、多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０であり、断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下であり、かつ、断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さが３０〜５００ｎｍであることを特徴とする接続構造体。
2014208690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接続体（Ｂ）上に、接続体である多孔質金属層（Ａ）を介して被接続体（Ｃ）が接合されている接続構造体であって、
多孔質金属層（Ａ）における、空孔率が２〜３８体積％であり、
多孔質金属層（Ａ）は略楕円体形状の空孔（ｈ）を有し、多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０であり、
断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下であり、
かつ、断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さが３０〜５００ｎｍであることを特徴とする接続構造体。
【請求項２】
前記断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５０〜５７度であることを特徴とする、請求項１に記載の接続構造体。
【請求項３】
前記多孔質金属層（Ａ）を形成する金属が金、銀、銅、アルミニウム、クロム、ニッケル、チタン、コバルト、及びインジウムから選択された１種、又は２種以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の接続構造体。
【請求項４】
前記被接続体（Ｂ）及び被接続体（Ｃ）における、多孔質金属層（Ａ）との接合表面部がそれぞれ金、銀、銅、クロム、ニッケル、及びチタンから選択される１種、もしくは２種以上の合金で形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の接続構造体。
【請求項５】
前記多孔質金属層（Ａ）に形成された空孔（ｈ）の少なくとも一部に、耐熱性樹脂（Ｒ）が充填されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の接続構造体。
【請求項６】
少なくとも、セラミック基板と、その上に形成された金属回路からなる配線基板（ｉ）、
多孔質金属層（ii）、導体層（iii）、ダイボンド接合層（iv）、半導体素子（ｖ）
がこの順に積層された構造を有する半導体装置であって、
多孔質金属層（ii）における、空孔率が２〜３８体積％であり、
多孔質金属層（ii）は略楕円体形状の空孔（ｈ）を有し、多孔質金属層（ii）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０であり、
断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下であり、
かつ、断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さが３０〜５００ｎｍであることを特徴とする、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージ、半導体チップ等の電子部品の被接続体間を、金属微粒子と有機分散媒を含む加熱接合材料を用いて、加圧下での加熱により多孔質金属層を形成することにより接合された接続構造体、及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、半導体部品の大電力化、モジュール化、高集積化、高信頼性化等が急速に進んでいる。このような実装機器の大電力化、高集積化等を実現するための電流密度の増大に伴う半導体製品の発熱により半導体の動作温度は高温になる傾向にある。従来は、ダイボンド材料等に高温での使用に耐えうる、高温鉛はんだが使用されてきたが、環境問題から高温鉛はんだの使用が抑制される傾向がある。このような状況下で、高温での使用に耐えうる、他のダイボンド材料として、鉛を使用せずにバルク体の金属よりも低温の条件下で接合が可能になる、金属ナノ粒子が配合された導電性ペーストによる接合が着目されてきている。
金属粒子を配合した加熱接合用のペーストや板状の成形体を用いて、電子部品（例えば半導体チップ）を加圧下で加熱・焼結して基板等に接合する方法が知られている。特許文献１では金属微粒子の周囲を有機物で被覆した複合型金属ナノ材料での接合が開示されている。
また、特許文献２によると銅の金属粉末と接着材により接合する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１２８３５７号公報
【特許文献２】特開２０００−０９４３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属粒子を含む加熱接合材料を被接続体間に配置して加熱・加圧して接合部が形成されるが、接合方法としてはフリップチップボンダーやプレスなどの装置を用いて、電子部品（例えば半導体チップ）を加圧加熱して実装する方法が一般的である。しかし、これらの方法を用いて単に接合しただけでは十分な信頼性が得られないことが明らかになってきた。特にパワー半導体ではその使用環境が厳しいことから、厳しい信頼性試験（熱衝撃試験やパワーサイクル試験）が求められる。上記の方法で接合したものでもその状態により、信頼性試験結果に大きな差が出てくることが分かってきた。【０００５】
上記特許文献１のように単に接合しただけでは焼結体の状態が一定でなく再現性良く接合することが困難となる場合がある。特に信頼性に重要な影響を及ぼす空孔に関する記述がなく、更なる信頼性の向上が望まれる。特許文献２では内部に空孔を設けることが開示されているが、これは接合時のガスを逃がすためのものであって、クラック、剥がれ等を抑制して信頼性を向上することには言及していない。本発明は、２つの被接続体を多孔質金属層を介して接合する際に形成される、多孔質金属層といずれか一方又は双方の被接続体との接合部に発生する応力を緩和し、クラックや剥がれの発生を抑制すること等により接合寿命を向上して信頼性に優れる接続構造体、及び半導体装置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】
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、２つの被接続体を加熱接合材料の焼結により形成される多孔質金属層を介して接合する際に、多孔質金属層内に略楕円体形状の空孔を形成すると共に、該多孔質金属層内に形成される空孔の空孔率、多孔質金属層の厚さ方向の断面における空孔の楕円形状の平均円形度と、楕円形状の長軸長さ、及び該断面における厚さ方向の垂線に対して空孔の楕円形状の長軸の傾き角度を制御することにより、上記課題を解決して、接合寿命を向上して信頼性に優れる接続構造体を得られることを見出し、本発明を完成するに至った。【０００７】
即ち、本発明は、以下の（１）〜（６）に記載する発明を要旨とする。
（１）被接続体（Ｂ）上に、接続体である多孔質金属層（Ａ）を介して被接続体（Ｃ）が接合されている接続構造体であって、
多孔質金属層（Ａ）における、空孔率が２〜３８体積％であり、
多孔質金属層（Ａ）は略楕円体形状の空孔（ｈ）を有し、多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０であり、
断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下であり、
かつ、断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さが３０〜５００ｎｍであることを特徴とする接続構造体（以下、第１の実施形態ということがある）。
（２）断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５０〜５７度であることを特徴とする、前記（１）に記載の接続構造体。
（３）前記多孔質金属層（Ａ）を形成する金属が金、銀、銅、アルミニウム、クロム、ニッケル、チタン、コバルト、及びインジウムから選択された１種、又は２種以上であることを特徴とする、前記（１）又は（２）に記載の接続構造体。【０００８】
（４）前記被接続体（Ｂ）及び被接続体（Ｃ）における、多孔質金属層（Ａ）との接合表面部がそれぞれ金、銀、銅、クロム、ニッケル、及びチタンから選択される１種、もしくは２種以上の合金で形成されていることを特徴とする、前記（１）から（３）のいずれかに記載の接続構造体。
（５）前記多孔質金属層（Ａ）に形成された空孔（ｈ）の少なくとも一部に、耐熱性樹脂（Ｒ）が充填されていることを特徴とする、前記（１）から（４）のいずれかに記載の接続構造体。
（６）少なくとも、セラミック基板と、その上に形成された金属回路からなる配線基板（ｉ）、
多孔質金属層（ii）、導体層（iii）、ダイボンド接合層（iv）、半導体素子（ｖ）
がこの順に積層された構造を有する半導体装置であって、
多孔質金属層（ii）における、空孔率が２〜３８体積％であり、
多孔質金属層（ii）は略楕円体形状の空孔（ｈ）を有し、多孔質金属層（ii）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０であり、
断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下であり、
かつ、断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さが３０〜５００ｎｍであることを特徴とする、半導体装置（以下、第２の実施形態ということがある）。
【発明の効果】
【０００９】
加熱接合材料（Ｍ）を電子部品の被接続体（Ｂ）と被接続体（Ｃ）間に配置して、加圧下での加熱、焼成により被接続体（Ｂ）と被接続体（Ｃ）間を接合する際、一定粘度の加熱接合材料（Ｍ）にかける加圧を制御することにより、略楕円体形状を有する多孔質金属層（Ａ）の空孔率、多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度と、楕円形状の長軸長さ、及び断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度を最適化して、接合寿命を向上することができ、放熱性と導電性を維持し、接合寿命を向上して信頼性の高い、接合を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における、楕円形状の空孔断面の概念図である。
【図２】実施例、比較例で使用した焼結炉断面の概念図である。
【図３】実施例１〜４、８、９、比較例１〜４で得られた接続構造体の「焼成時の加圧」と「楕円形状の長軸の平均傾き角度」との関係を示すグラフである。
【図４】実施例１〜４、８、９、比較例１〜４で得られた接続構造体の「焼成時の加圧」と「平均円形度」との関係を示すグラフである。
【図５】実施例１〜４、８、９、比較例１〜４で得られた接続構造体の「焼成時の加圧」と「楕円形状の平均長軸長さ」との関係を示すグラフである。
【図６】実施例１〜４、８、９、比較例１〜４で得られた接続構造体の「使用可能回数」と「楕円形状の長軸の平均傾き角度」との関係を示すグラフである。
【図７】実施例１〜４、８、９、比較例１〜４で得られた接続構造体の「使用可能回数」と「平均円形度」との関係を示すグラフである。
【図８】実施例１〜４、８、９、比較例１〜４で得られた接続構造体の「使用可能回数」と「空孔率」との関係を示すグラフである。
【図９】第２の実施形態に係る半導体装置を模式的に示す断面図である。
【図１０】第２の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を模式的に説明する説明図である。
【図１１】第２の実施形態に係る半導体装置を製造する方法を模式的に説明する説明図である。
【図１２】実施例８で得られた多孔質金属層断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察された画像写真（５０００倍）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明の第１の実施形態である、〔１〕接続構造体、及び第１の実施形態の応用発明である、第２の実施形態のである〔２〕半導体装置、について説明する。
〔１〕接続構造体（第１の実施形態）
以下に本発明の第１の実施形態である、接続構造体について説明する。
本発明の第１の実施形態の接続構造体は、被接続体（Ｂ）上に、接続体である多孔質金属層（Ａ）を介して被接続体（Ｃ）が接合されている接続構造体であって、多孔質金属層（Ａ）における、空孔率が２〜３８体積％であり、多孔質金属層（Ａ）は略楕円体形状の空孔（ｈ）を有し、多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０であり、断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下であり、かつ、断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さが３０〜５００ｎｍであることを特徴とする。
本発明の接続構造体は、多孔質金属層（Ａ）を介して被接続体（Ｂ）と被接続体（Ｃ）とが接合されている接続構造体であり、特に電気・電子部品に好適に使用することができる。以下に本発明の接続構造体を構成する（１）被接続体、（２）多孔質金属層（Ａ）、（３）多孔質金属層（Ａ）の形成、（４）接続構造体について説明する。
【００１２】
（１）被接続体
本発明の接続構造体が電気・電子部品である場合には、例えば、以下に記載するように、半導体モジュールを作製する場合には、一方の被接続体（Ｂ）は基板等とし、他方の被接続体（Ｃ）を半導体素子等とすることができる。また、セラミック回路基板を作製する場合には、一方の被接続体（Ｂ）は基板等とし、他方の被接続体（Ｃ）を金属箔等とすることができる。
【００１３】
（１−１）基板
半導体装置に使用する基板（Ｋ）は、セラミックス等の絶縁層の一方の面上に銅板等の導体パターンをめっきやスパッタ、あるいは、ロウ材等で接合して形成したもの、セラミック基板に直接電極板を接合したＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板等が好適に使用できる。尚、他方の面に放熱等の目的で銅板を接合することもできる。また、基板（Ｋ）の他方の面には放熱等を目的として金属板を接合することができる。セラミックスとしては、例えばＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ガラスのいずれかの粉末原料、２種以上の粉末原料、またはこれらを主成分とする粉末原料に必要に応じてバインダー成分などを配合し、シート状に成形した後、焼成することにより作製されたものを使用することができる。
【００１４】
特に、高強度が期待できることからＳｉ３Ｎ４を使用することが好ましい。また、セラミックスからなる基板は適宜、表面を砥粒で研磨する等して、平滑化してもよい。セラミックス基板の厚さは、適宜設計することができるが、１００〜１０００μｍ程度であることが好ましい。特に、配線基板の金属層側の面に、放熱デバイスを設ける場合、セラミックス基板の厚さを１００〜３００μｍと薄くすることで半導体素子から放熱デバイスへの熱抵抗を小さくすることが可能になる。なお、本発明において、基板（Ｋ）の他にリードフレーム（Ｌ）も使用することができる。半導体素子（Ｓ）をリードフレーム（Ｌ）上に実装すると、放熱性が高まることが期待できる。
【００１５】
（１−２）半導体素子（Ｓ）
半導体素子（Ｓ）は、半導体による電子部品、または電子部品の機能中心部の素子である。半導体ウエハはまずチップ単位に切断（ダイシング）して素子化される。その後、外部接続用電極を有する基板（Ｋ）とを貼り合わせる。尚、半導体素子（Ｓ）には通常電極等との接合面に合金等の金属層が設けられている。
（１−３）金属箔
金属回路層および金属層の厚さは、３０〜５００μｍであることが好ましい。製造上シワなどなくセラミックス上に形成し、さらに使用時にセラミックスにかかる熱応力を低減させる観点から１００〜３００μｍであることが特に好ましい。
材料としてはＣｕの他に、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなど導電性に優れた金属元素群から選ばれる１種の金属、２種以上の合金、または、１種以上を主成分とする合金を採用することができるが、特に、Ｃｕは電気抵抗が低く種々厚みのものの入手が容易で一般的である。また、Ａｌは電気抵抗が低くＡｌワイヤーボンディングが容易であることが至便である。
【００１６】
（２）多孔質金属層（Ａ）
多孔質金属層（Ａ）は、空孔率が２〜３８体積％であり、略楕円体形状の空孔（ｈ）を有し、多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０であり、断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下であり、かつ、断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さが３０〜５００ｎｍである。
本発明の接続構造体における、対向する被接続体（Ｂ）と被接続体（Ｃ）を、前記特定の範囲にある、空孔率、空孔（ｈ）の平均円形度、楕円形状の長軸の傾き角度の平均値、及び楕円形状の平均長軸長さの多孔質金属層（Ａ）で接合することにより、被接続体（Ｂ）と多孔質金属層（Ａ）間の接合界面端部、及び多孔質金属層（Ａ）と被接合体（Ｃ）の接合界面端部に発生する応力が緩和されて、接合寿命を向上することができ、また、放熱性と導電性を維持し接合信頼性を向上することができる。
図１に多孔質金属層（Ａ）における、金属部分２１、空孔（ｈ）２２、多孔質金属層（Ａ）の厚み方向２３、楕円形状の長軸の傾き角度の平均値２４、楕円形状の平均長軸長さ２５をそれぞれ示す。また、ここでいう略楕円体形状とは断面形状が楕円形状とみなせるものであり、例えば、筒状、葉形、繊維状または楕円体形状が織り合わされた形状を含むものである。尚、該多孔質金属層（Ａ）に形成される空孔（ｈ）は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の観察から、略楕円形状（又は楕円形状）であることが確認されている。
【００１７】
（２−１）多孔質金属層（Ａ）の空孔率
多孔質金属層（Ａ）における、空孔率は２〜３８体積％である。本発明において、多孔質金属層（Ａ）の空孔率の測定は、該多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ(scanning electron microscope)）を用いて画像を作成し、その画像を画像処理ソフト（例えば、画像処理ソフト「pickmap」）を用いて２値化処理することで行うことができる。２値化処理は、多孔質金属層（Ａ）に含まれている金属微粒子（Ｍ）に由来する金属部分を白色、空孔を黒色に画像処理する。この際、２５６階調のグレースケールの画像を画像処理ソフトで閾値を８０に設定することで測定者によるバラツキがないようにする。画像の白色と黒色面積の比率から断面の空孔率を算出する。また、体積あたりの空孔率（体積％）の算出は、幾何学的確率論（定量形態学）を基礎とするステオロジー（Stereology）法より行う。以後、表記の空孔率は、体積あたりの空孔率を表す。
尚、上記多孔質金属層（Ａ）の空孔率は、単位体積当たりの金属層における「金属以外から形成されている体積割合」をいい、金属以外の耐熱性樹脂（Ｒ）、焼成後に残存する有機分散媒（Ｄ）等が占める体積は「金属以外から形成されている体積割合」中に含まれる。多孔質金属層（Ａ）の上記断面（Ｖ）は、包埋樹脂で埋込、断面を切断と研磨により形成することができる。
【００１８】
多孔質金属層（Ａ）における、空孔率は、前述の通り、２〜３８体積％である。空孔率が前記２体積％以上の場合、被接続体（Ｂ）と多孔質金属層（Ａ）間の接合界面、多孔質金属層（Ａ）と被接続体（Ｃ）間の接合界面、及び被接続体（Ｃ）に発生する応力集中を緩和する機能が効果的に発揮される点から好ましい。一方、空孔率が３８体積％以下の場合、多孔質金属層（Ａ）の必要な機械強度が確保されて、多孔質金属層（Ａ）内での材料破壊を抑制することができ、信頼性試験（パワーサイクル試験）をした場合の強度は確保できる。空孔率が３８体積％を超えると、前記強度と導電率が低下するおそれがある。
【００１９】
（２−２）断面（Ｖ）における空孔楕円形状の平均円形度
多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向に断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度は０．８０〜０．９０である。上記平均円形度Ｅは、下記式で定義される。
円形度Ｅ＝４×円周率×[粒子投影面積]÷[粒子投影像の周囲長]２
この平均円形度は、空孔率の算出と同様に作成した切断面のＳＥＭ画像を、空孔率の算出と同様に二値化処理し、さらに画像処理により求められる。画像処理は、例えば、米国国立衛生研究所（National Institutes of Health：NIH）のImageJなどの画像解析ソフトウェアなどを用いて計算できる。前記均円形度が０．８０以上では、空孔の端部での応力集中が小さくなり、亀裂が伸展しにくくなり、信頼性が向上する。一方、平均円形度が０．９以上の円形度の空孔は実質的に作製することが困難なことから、平均円形度は０．９以下となる。
【００２０】
（２−３）断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値
多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して、空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値は、５７度以下である。前記楕円形状の長軸の傾き角度とは、図１に示す通り、多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対する空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度である。
この楕円形状の長軸の傾き角度の平均値は、空孔率の算出と同様に作成した切断面のＳＥＭ画像を空孔率の算出と同様に二値化処理し、画像処理により求められる。画像処理は、例えば、米国国立衛生研究所（National Institutes of Health：NIH）のImageJなどの画像解析ソフトウェアなどを用いて計算できる。
【００２１】
該楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が小さくなると信頼性が良くなる理由は、「楕円孔のある無限平板の応力集中」の理論から説明可能であると考えられる。銅ナノペーストを用いて焼結したものは厚さ１５０μｍ程度に対して、チップの大きさが７ｍｍ角程度と縦、横比率が５０倍程度ある。そのため、温度を上げることで材料が熱膨張することによる伸びは横方向の方が良く伸びる。そのため、熱応力は銅ナノ焼結体の面内方向にかかることになる。
この状況で焼結体に楕円体形状の空孔が存在し、面内方向に応力が発生している場合を考えると、楕円形状の長軸の傾きにより応力集中の状態が異なり、９０度では楕円の曲率半径の小さい部分に応力集中するのに対して、０度では応力集中がしない。また、円形度が１に近いほうが真円に近いため、応力集中が小さくなることもわかる。楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下で、空孔（ｈ）の端部の応力集中が低減され、亀裂伸展が抑制されて信頼性が向上する。かかる観点から、楕円形状の長軸の傾き角度の平均値は５０〜５７度が好ましい。
【００２２】
（２−４）断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さ
前記断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の該楕円形状の平均長軸長さは３０〜５００ｎｍである。図１に示す通り、前記楕円形状の平均長軸長さ２５は、多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さである。この楕円形状の平均長軸長さは、空孔率を算出するのと同様に作成した切断面のＳＥＭ画像を、空孔率の算出と同様に二値化処理し、画像処理により求められる。画像処理は、例えば、米国国立衛生研究所（National Institutes of Health：NIH）の「ImageJ」などの画像解析ソフトウェアなどを用いて計算される。
空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さは３０ｎｍ以上である。該平均長軸長さが３０ｎｍ未満であると焼結体がバルク体に近づき、応力緩和性が乏しくなり、信頼性が低下する為に、３０ｎｍ以上であることが望ましい。一方、空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さが５００ｎｍを超えると、空孔の部分に応力が集中して、信頼性が低下するため、５００ｎｍ以下とする必要がある。
【００２３】
（３）多孔質金属層（Ａ）の形成
多孔質金属層（Ａ）における、空孔率が２〜３８体積％であり、多孔質金属層（Ａ）は略楕円体形状の空孔（ｈ）を有し、多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０であり、断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下であり、かつ、断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さが３０〜５００ｎｍである。
本発明における多孔質金属層（Ａ）は、後述する金属微粒子（Ｐ）と、分子中に２以上の水酸基を有する１種または２種以上の多価アルコールを含む有機分散媒（Ｄ）とを含有してなる加熱接合材料（Ｍ）を被接続体（Ｂ）、（Ｃ）間に配置して、加圧下の加熱・焼結により形成される。以下に加熱接合材料（Ｍ）について説明する。
【００２４】
（３−１）加熱接合材料（Ｍ）の成分
加熱接合材料（Ｍ）は、有機分散媒（Ｄ）中に金属微粒子（Ｐ）が分散している金属微粒子分散材料である。
（Ａ）金属微粒子（Ｐ）
金属微粒子（Ｐ）は、焼結性を有する、平均一次粒子径１〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｐ１）のみでも可能であるが、更に該金属微粒子（Ｐ１）と、平均一次粒子径０．５〜５０μｍの金属微粒子（Ｐ２）とを併用することが好ましい。金属微粒子の金属種としては、特に制限はないが金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫、インジウム、チタン、白金、パラジウム、及びシリコンから選択される１種もしくは２種以上を使用することが好ましい。
加熱接合材料（Ｍ）に使用する金属微粒子（Ｐ）は、はんだペーストの場合と異なり、少なくとも１種以上の高純度銅微粒子をそのまま使用することができるので、接合強度と導電性に優れる接合体を得ることが可能になる。一般にはんだペーストの場合、実装対象である基板の銅パッド部分の酸化を取り除くためにフラックス（有機成分）を含有しており、更に金属材料に含まれる不純物として少量ではあるがＡｌ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｓ等の金属が含まれることが多い。
【００２５】
（ｉ）金属微粒子（Ｐ１）
金属微粒子（Ｐ１）は、一次粒子の平均粒子径が１〜５００ｎｍの金属微粒子であれば特に制限されるものではない。金属微粒子（Ｐ１）の一次粒子の平均粒子径が１ｎｍ未満のものは製造上の困難性を伴い、一方、一次粒子の平均粒子径が５００ｎｍ以下で精密な導電パターンを形成することができ、焼成も容易になる。１次粒子の平均粒子径は粒子を電子顕微鏡で１粒径を十分観察できる倍率（２０万倍）で観察し、任意に２０個粒子を抽出しその直径を測長しその平均とした。ここで、一次粒子の粒子径とは、二次粒子を構成する個々の金属微粒子の一次粒子の直径の意味である。
【００２６】
（ii）金属微粒子（Ｐ２）
加熱接合材料（Ｍ）に、一次粒子の平均粒子径が１〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｐ１）に加えて、一次粒子の平均粒子径０．５〜５０μｍの金属微粒子（Ｐ２）を分散させて使用することが好ましい。使用する金属微粒子としては、金属微粒子（Ｐ１）と同種のものが好ましい。金属微粒子（Ｐ）として、平均一次粒子径が１〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｐ１）に、更に平均一次粒子径が０．５〜５０μｍの金属微粒子（Ｐ２）を使用すると、金属微粒子（Ｐ２）間に金属微粒子（Ｐ１）が分散して、加熱処理する際に金属微粒子（Ｐ１）の自由な移動を効果的に抑制することができ、金属微粒子（Ｐ１）の分散性と安定を向上する。その結果、加熱焼成でより均質な粒子径と空孔（ｈ）を有する多孔質体を形成することが可能になる。金属微粒子（Ｐ２）の平均一次粒子径は、０．５〜５０μｍが好ましい。金属微粒子（Ｐ２）の平均一次粒子径が０．５μｍ未満では金属微粒子（Ｐ２）の添加効果が発現せず、５０μｍを超えると焼成が困難になるおそれがある。金属微粒子（Ｐ２）の測定方法はレーザー回折法などを用いることにより測定することが出来る。また、平均粒子径はメディアン径（粉体をある粒子径から２つに分けたとき、大きい側と小さい側が等量となる径）とした。
【００２７】
金属微粒子（Ｐ）中の金属微粒子（Ｐ１）と金属微粒子（Ｐ２）の配合割合（［Ｐ１／Ｐ２］質量比）は、９０／１０〜２０／８０である。
金属微粒子（Ｐ１）は金属微粒子（Ｐ２）同士を繋ぐ役割をしていることから、金属微粒子（Ｐ１）が少ないと多孔質金属層全体の強度が低下し、チップ電極の接点が減少するため、その部分に応力が集中して、信頼性が低下する。金属微粒子（Ｐ２）が８０％を超えると多孔質金属層内部を密に充填することが困難となり、空孔率が３８％を超えるおそれがあり、また大きな空孔の発生確率も上昇するおそれがある。そのために信頼性が低下するので、金属微粒子（Ｐ２）は８０％以下が望ましい。
【００２８】
（Ｂ）有機分散媒（Ｄ）
有機分散媒（Ｄ）には、分子中に２以上の水酸基を有する１種または２種以上の多価アルコール（Ａ１）が含有されるが、他の有機溶媒として、アミド基を有する化合物（Ａ２）、アミン化合物（Ａ３）、低沸点有機溶媒（Ａ４）等を含有させることができる。
【００２９】
（ｉ）多価アルコール（Ａ１）
多価アルコール（Ａ１）としては、分子中に２以上の水酸基を有する、エチレングリコ−ル、ジエチレングリコ−ル、１，２−プロパンジオ−ル、１，３−プロパンジオ−ル、１，２−ブタンジオ−ル、１，３−ブタンジオ−ル、１，４−ブタンジオ−ル、２−ブテン−１，４−ジオール、２，３−ブタンジオ−ル、ペンタンジオ−ル、ヘキサンジオ−ル、オクタンジオ−ル、グリセロール、１，１，１−トリスヒドロキシメチルエタン、２−エチル−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、１，２，３−ヘキサントリオール、１，２，４−ブタントリオール、トレイトール、エリトリト−ル、ペンタエリスリト−ル、ペンチト−ル、１−プロパノール、２−プロパノール、２−ブタノール、２−メチル２−プロパノール、キシリトール、リビトール、アラビトール、ヘキシト−ル、マンニトール、ソルビトール、ズルシトール、グリセリンアルデヒド、ジオキシアセトン、トレオース、エリトルロース、エリトロース、アラビノース、リボース、リブロース、キシロース、キシルロース、リキソース、グルコ−ス、フルクト−ス、マンノース、イドース、ソルボース、グロース、タロース、タガトース、ガラクトース、アロース、アルトロース、ラクト−ス、イソマルト−ス、グルコヘプト−ス、ヘプト−ス、マルトトリオース、ラクツロース、及びトレハロースの中から選択される１種又は２種以上を挙げることができる。多価アルコール（Ａ１）は還元性を有するので、加熱接合材料（Ｍ）を加熱、焼結する際に金属微粒子（Ｐ）表面が還元され、更に加熱処理を行うことで多価アルコール（Ａ１）が連続的に蒸発して、その液体および蒸気が存在する雰囲気で還元・焼成されると金属微粒子（Ｐ）の焼結が促進される。尚、加熱接合材料（Ｍ）の焼結性を考慮すると、多価アルコール（Ａ１）が有機分散媒（Ｄ）中に４０質量％以上含有されていることが好ましい。
【００３０】
（ii）アミド基を有する化合物（Ａ２）
アミド基を有する化合物（Ａ２）としては、Ｎ−メチルアセトアミド、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ−メチルプロパンアミド、ホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、１−メチル−２−ピロリドン、ヘキサメチルホスホリックトリアミド、２−ピロリジノン、ε−カプロラクタム、及びアセトアミドの中から選択される１種又は２種以上を挙げることができる。アミド基を有する化合物（Ａ２）は有機分散媒（Ｄ）中で１０〜８０質量％となるように配合することができる。
【００３１】
（iii）アミン化合物（Ａ３）
アミン化合物（Ａ３）としては、脂肪族第一アミン、脂肪族第二アミン、脂肪族第三アミン、脂肪族不飽和アミン、脂環式アミン、芳香族アミン、及びアルカノールアミンの中から選択される１種又は２種以上のアミン化合物が挙げられる。その具体例としてはメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、ｎ−プロピルアミン、ジ−ｎ−プロピルアミン、トリ−ｎ−プロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、ジ−ｎ−ブチルアミン、トリ−ｎ−ブチルアミン、ｔ−プロピルアミン、ｔ−ブチルアミン、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、テトラメチレンジアミン、テトラメチルプロピレンジアミン、ペンタメチルジエチレントリアミン、モノ−ｎ−オクチルアミン、モノ−２エチルヘキシルアミン、ジ−ｎ−オクチルアミン、ジ−２エチルヘキシルアミン、トリ−ｎ−オクチルアミン、トリ−２エチルヘキシルアミン、トリイソブチルアミン、トリヘキシルアミン、トリイソオクチルアミン、トリイソノニルアミン、トリフェニルアミン、ジメチルココナットアミン、ジメチルオクチルアミン、ジメチルデシルアミン、ジメチルラウリルアミン、ジメチルミリスチルアミン、ジメチルパルミチルアミン、ジメチルステアリルアミン、ジメチルベヘニルアミン、ジラウリルモノメチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、メタノールアミン、ジメタノールアミン、トリメタノールアミン、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、プロパノールアミン、イソプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、トリイソプロパノールアミン、ブタノールアミン、Ｎ−メチルエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、Ｎ，Ｎ−ジメチルエタノールアミン、Ｎ−エチルエタノールアミン、Ｎ−エチルジエタノールアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチルエタノールアミン、Ｎ−ｎ−ブチルエタノールアミン、Ｎ−ｎ−ブチルジエタノールアミン、及び２−（２−アミノエトキシ）エタノールの中から選択される１種又は２種以上を挙げることができる。アミン化合物（Ａ３）は有機分散媒（Ｄ）中で０．３〜３０質量％となるように配合することができる。
【００３２】
（iv）有機溶媒（Ａ４）
有機溶媒（Ａ４）は、常圧における沸点が６０〜１２０℃（以下、沸点は常圧における沸点をいう。）で、比較的沸点の低い有機溶媒である。有機溶媒（Ａ４）としては、分子中に１つのヒドロキシル基を有するアルコール、エーテル、及びケトンから選択される１種又は２種以上が好ましい。前記分子中に１つのヒドロキシル基を有するアルコールとしては、メタノール（６４．７℃）、エタノール（７８．０℃）、１−プロパノール（９７．１５℃）、２−プロパノール（８２．４℃）、２−ブタノール（１００℃）、２−メチル２−プロパノール（８３℃）の中から選択される１種又は２種以上を例示することができる。前記エーテルとしては、ジエチルエーテル（３５℃）、メチルプロピルエーテル（３１℃）、ジプロピルエーテル（８９℃）、ジイソプロピルエーテル（６８℃）、メチル−ｔ−ブチルエーテル（５５．３℃）、ｔ−アミルメチルエーテル（８５℃）、ジビニルエーテル（２８．５℃）、エチルビニルエーテル（３６℃）、アリルエーテル（９４℃）の中から選択される１種又は２種以上を例示することができる。また、前記ケトンとしては、アセトン（５６．５℃）、メチルエチルケトン（７９．５℃）、ジエチルケトン（１００℃）の中から選択される１種又は２種以上を例示することができる。上記かっこ内の温度は沸点である。
有機分散媒（Ｄ）中に低沸点有機溶媒である有機溶媒（Ａ４）が含まれることで、有機分散媒（Ｄ）の粘度を調整してパターン形成の精度を向上することができる。有機分散媒（Ｄ）中の有機溶媒（Ａ４）の含有割合は１〜３０質量％程度配合することができる。
【００３３】
（３−２）加熱接合材料（Ｍ）
本発明の加熱接合材料（Ｍ）は、金属微粒子（Ｐ）が有機分散媒（Ｄ）中に分散している、接合材料である。加熱接合材料（Ｍ）中の金属微粒子（Ｐ）の割合は、塗工性やシート成形性を考慮すると、４０〜９０質量％がより好ましい。このような配合割合で加熱接合材料（Ｍ）を製造すると加熱接合材料（Ｍ）の粘度は１０Ｐａ・ｓ〜１００Ｐａ・ｓとなり、接合性の良好な接合材料となる。なお、加熱接合材料（Ｍ）の粘度はBROOKFIELD社のDV-III Ultraを用いてスピンドル回転数を１０回転で行うことができる。本発明の加熱接合材料（Ｍ）は、金属微粒子（Ｐ）が有機分散媒（Ｄ）中に分散している、常温でシート形状の接合材料、又は加熱接合ペースト状物とすることができる。加熱接合材料（Ｍ）は、公知の混合機、捏和機等を使用して、金属微粒子（Ｐ）を有機分散媒（Ｄ）に分散させることにより得ることができる。加熱接合材料（Ｍ）は、はんだペーストに含まれるような不純物を含まない、高純度の金属微粒子（Ｐ）を使用することが可能であるので、接合強度と導電率を向上することが可能になる。
【００３４】
（４）接続構造体
本発明の接続構造体は、被接続体（Ｂ）上（例えば、セラミック板表面）に、加熱接合材料（Ｍ）からなるパターン化物を配置し、更に該パターン化物上に被接続体（Ｃ）を配置して、金属微粒子（Ｐ）が焼結する温度の範囲で加熱して形成される。該加熱の際に、多価アルコール（Ａ１）が金属微粒子（Ｐ）表面を還元して活性化し、金属微粒子（Ｐ）同士の焼結を促進する。
その結果、ナノサイズの金属微粒子を含むペーストを用いた場合と同様に、電極と基板を電気的、機械的に接合することが可能になる。尚、加熱接合材料（Ｍ）を加熱焼結する際に有機分散媒（Ｄ）は分解、蒸発等により除去される。
【００３５】
加熱接合材料（Ｍ）の焼結は、例えば、被接続体（Ｂ）の接合部面に加熱接合材料（Ｍ）を配置し、更に配置された加熱接合材料（Ｍ）の他の接合部面に被接続体（Ｃ）を配置したのち、真空中でプレス出来る装置に導入する。尚、加熱接合材料（Ｍ）がペースト状の場合は塗布や印刷法を用いることが出来る。その後、ヒータを内蔵したプレス板で挟んだ後、真空引きを行い十分に減圧にする。このとき大気圧分の圧力がかかっているので、それを考慮しながら油圧や空圧により圧力を加える。
加圧の圧力が５ＭＰａ未満になると、空孔が十分につぶされず大きい空孔が存在してしまう。また、理由は十分に解明されていないが、加圧することにより空孔はつぶされて、表面エネルギーが最小になるように真円に近づくと考えられる。そのため、加圧力が低いと円形度が０．８以下の粒子が多くなってしまう。また、加圧時にはペーストが横方向に流動するために楕円の長軸の傾き角度が小さくなる。そのため、加圧力が低いと前記断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の平均傾き角度の大きい空孔（ｈ）が多くなること等から、加圧は５〜２０ＭＰａが好ましい。
これにより被接続体（Ｂ）、加熱接合材料（Ｍ）、被接続体（Ｃ）がそれぞれ相互に接触された状態で、加熱・焼結を行うことにより、加熱接合材料（Ｍ）中の金属微粒子（Ｐ）が焼結されて、多孔質である多孔質金属層（Ａ）が形成されるにより、多孔質金属層（Ａ）を介して被接続体（Ｂ）と被接続体（Ｃ）が接合される。加熱焼結温度１９０〜３５０℃程度に達したら、５〜１２０分間程度保持することが好ましい。
【００３６】
その後、ヒータ板の加熱を維持した状態で所定の温度、時間を経た後、プレスを中止して試料を取り出す。この方法により形成される多孔質金属層（Ａ）の厚みは、５〜５００μｍ程度とすることが好ましい。該厚みが５μｍ未満では導電性金属板のような被接続体（Ｂ）上に大きな熱を発する部品（パワーデバイス）を実装した場合、部品から発生した熱を下の金属板に伝える際の熱抵抗は小さくなるが接合信頼性が低下するおそれがある。一方、該厚みが５００μｍを越えると熱抵抗が大きくなるという不都合を生ずるおそれがある。上記焼成条件の採用により、前記多孔質金属層（Ａ）における、空孔率が２〜３８体積％、前記空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０で、平均長軸長さが３０〜５００ｎｍ、前記楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下とすることができる。
【００３７】
加熱焼結は、例えば図２に示す、焼結装置を使用して加熱接合材料（Ｍ）を以下の操作により焼結して接続構造体を形成することができる。
図２（ａ）に示す、レイアップ用のプレス板４２を用意して、ワーク４１をそのプレス板４２上にレイアップし、真空プレス機４３の下熱盤４４上にセットする。その後、図２（ｂ）に示すように、チャンバー４５を閉じてチャンバー４５内を真空状態にする。そして、図２（ｃ）に示すように、加圧シリンダー４６により圧力を加えた状態で、ワーク４１を上熱盤４７と下熱盤４４とで挟持して、加熱する。これにより、加熱接合材料（Ｍ）が焼結されて、多孔質金属層が形成され、被接続体（Ｂ）上に多孔質金属層（Ａ）を介して被接続体（Ｃ）が接合されている接続構造体を製造することができる。
【００３８】
本発明の多孔質金属層（Ａ）を形成する際に、加熱接合材料（Ｍ）に更に、耐熱性樹脂（Ｒ）を配合することにより、被接続体（Ｃ）の上部側からの加熱下に焼成すると、該耐熱性樹脂（Ｒ）が有機分散媒（Ｄ）と共に外周側に押出されて、多孔質金属層（Ａ）、及び／又は被接続体（Ｃ）の外周側面の少なくとも一部が耐熱性樹脂（Ｒ）からなる被覆層で覆われるようになり、被接続体（Ｃ）の側面から金属微粒子等が付着するのを防止して、特性のよい半導体装置を得ることが可能になる。また、加熱接合材料（Ｍ）に、耐熱性樹脂（Ｒ）を配合することにより、多孔質金属層（Ａ）に形成された空孔（ｈ）の少なくとも一部に、耐熱性樹脂（Ｒ）が充填された多孔質金属層（Ａ）を形成することができる。
このような耐熱性樹脂（Ｒ）を形成する成分として、プレポリマー溶液、樹脂溶液等が挙げられる。プレポリマー溶液の成分としては、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂系、ポリイミドプレポリマー溶液等が挙げられる。また、樹脂溶液としては、シリコン樹脂、アミドイミド樹脂、マレイミド樹脂、ポリビニルピロリドン等の樹脂が挙げられる。上記耐熱性樹脂（Ｒ）は、荷重たわみ温度が１５０℃以上で、かつガラス転移温度（Ｔｇ）が１００℃以上であることが好ましい。
【００３９】
〔２〕半導体装置（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の「半導体装置」は、第１の実施形態の「接続構造体」を利用した発明である。以下に、第２の実施形態の半導体装置、及びその製造方法について説明する。
〔２−１〕半導体装置
第２の実施形態である半導体装置は、少なくとも、セラミック基板と、その上に形成された金属回路からなる配線基板（ｉ）、多孔質金属層（ii）、導体層（iii）、ダイボンド接合層（iv）、半導体素子（ｖ）がこの順に積層された構造を有する半導体装置であって、多孔質金属層（ii）における、空孔率が２〜３８体積％であり、多孔質金属層（ii）は略楕円体形状の空孔（ｈ）を有し、多孔質金属層（ii）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０であり、断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下であり、かつ、前記断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さが３０〜５００ｎｍであることを特徴とする。
【００４０】
図９に示す通り、上記半導体装置１は、「セラミックス基板２と、該セラミックス基板２の一方の面側に形成された金属回路層３と、前記金属回路層３上に形成され、金属粒子の焼結体からなる多孔質金属層（ii）８と、前記多孔質金属層（ii）８上に形成され、前記金属回路層３と互いに対向する面の面積が前記金属回路層３よりも小さい導体層（iii）７とを有する電子回路基板」における導体層（iii）７上に更に、ダイボンド接合層（iv）６を介して半導体素子（ｖ）９が結合されている。
【００４１】
以下に第２の実施形態の「半導体装置」を図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態に係る半導体装置１は、図９に示すように、セラミックス基板２とセラミックス基板２の一方の面上に形成された、金属回路層３（第１の実施形態の被接続体（Ｂ）に対応する。）とセラミックス基板２の他方の面上に形成された熱拡散用及び反り防止用の金属層４とを備える配線基板（ｉ）５を有している。配線基板（ｉ）５の金属回路層３の上面には、金属粒子の焼結体からなる多孔質金属層（ii）８（第１の実施形態の多孔質金属層（Ａ）に相当する。）が設けられており、多孔質金属層（ii）８上には導体層（iii）７（第１の実施形態の被接続体（Ｃ）に対応する。）が設けられている。金属回路層３と導体層（iii）７の互いに対向する面の面積は、導体層（iii）７の方が金属回路層３よりも小さくなっている。そして、導体層（iii）７には、ダイボンド接合層（iv）６を介して半導体素子（ｖ）９が接合されている。また、半導体素子（ｖ）９の上面（ダイボンド接合層（iv）６に接合されていない側の面）に形成された端子（図示しない）と配線基板５の配線３ａとがワイヤー１０により接続されている。
【００４２】
以下、第２の実施形態に係る半導体装置１の各層等について詳細に説明する。
（１）配線基板（ｉ）
第２の実施形態における配線基板（ｉ）５は、金属回路層３として銅回路板が、金属層４として銅板がそれぞれセラミックス基板２上に共晶反応によって接合されたＤＢＣ基板を用いることができる。セラミックス基板２としては、例えばＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ガラスのいずれかの粉末原料、２種以上の粉末原料、またはこれらを主成分とする粉末原料に必要に応じてバインダー成分などを配合し、シート状に成形した後、焼成することにより作製されたものを使用することができる。特に、高強度が期待できることからＳｉ３Ｎ４を使用することが好ましい。また、セラミックスからなる基板は適宜、表面を砥粒で研磨する等して、平滑化してもよい。
【００４３】
セラミックス基板２の厚さは、適宜設計することができるが、１００〜１０００μｍであることが好ましい。特に、配線基板（ｉ）５の金属層４側の面に、放熱デバイスを設ける場合、セラミックス基板２の厚さを１００〜３００μｍと薄くすることで半導体素子９から放熱デバイスへの熱抵抗を小さくすることが可能である。金属回路層３および金属層４の厚さは、３０〜５００μｍであることが好ましい。製造上シワなどなくセラミックス上に形成し、さらに使用時にセラミックスにかかる熱応力を低減させる観点から１００〜３００μｍであることが特に好ましい。
【００４４】
第２の実施形態においては、配線基板５としてＤＢＣ基板を用いることができるが、これに限定されるものではない。金属回路層３および金属層４の材料として、Ｃｕの他に、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなど導電性に優れた金属元素群から選ばれる１種の金属、２種以上の合金、または、１種以上を主成分とする合金を採用することができるが、特に、Ｃｕは電気抵抗が低く種々の厚みのものの入手が容易で一般的である。また、Ａｌは電気抵抗が低くＡｌワイヤーボンディングが容易であることが至便である。また、ＴｉやＺｒなどの活性な金属を添加したろう材を介して、セラミックス基板２上に金属回路層３や金属層４を接合したものを用いてもよい。
【００４５】
更に、下地層を介して、セラミックス基板２上に金属回路層３や金属層４を積層したものを用いてもよい。下地層は、金属材料、有機材料、または金属材料と有機材料とを混合した材料により形成される。金属材料としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕを好適に用いることができる。また、有機材料としては、ポリアミド、エポキシ、ポリイミド、多価アルコール等の材料やこれらに置換めっき性、感光性を付与した材料全般を好適に用いることができる。また、金属材料と有機材料とを混合した材料としては、上記の金属材料と有機材料を任意の割合で混合したものを好適に用いることができる。さらに、後述の多孔質金属層（ii）８と同様の材料をセラミックス基板２に均一に供給した後、不活性もしくは還元雰囲気中で、焼成またはプラズマ処理を行うことにより下地層とすることもできる。プラズマ処理を行うことで、通常の加熱に比較して成形時間が短縮することができる。下地層の厚さは、適宜設計することができるが、０．０１〜５μｍであることが好ましい。
【００４６】
また、第２の実施形態においては、基板としてセラミックス基板２の使用を記載したが、これに代えて有機材料からなる基板を用いてもよい。有機材料としては、ポリアミド、エポキシ、ポリイミド等の材料やこれらに置換めっき性、感光性を付与した材料全般を使用することができる。尚、使用可能な材料はこれらに限定されることはなく、本願発明の目的に適合するものであれば使用可能である。
【００４７】
（２）多孔質金属層（ii）
多孔質金属層（ii）は、前記の通り、略楕円体形状の空孔（ｈ）を有していて、空孔率が２〜３８体積％であり、多孔質金属層（ii）の厚さ方向の断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度が０．８０〜０．９０であり、断面（Ｖ）における厚さ方向の垂線に対して空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値が５７度以下であり、かつ、断面（Ｖ）における空孔（ｈ）の該楕円形状の平均長軸長さが３０〜５００ｎｍである。
多孔質金属層（ii）における、上記空孔（ｈ）の楕円形状の平均円形度、空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度の平均値、及び空孔（ｈ）の楕円形状の平均長軸長さは、第１の実施形態の「多孔質金属層（Ａ）」についての記載と同様である。また、ここでいう略楕円体形状とは断面形状が楕円形状とみなせるものであり、例えば、筒状、葉形、繊維状または楕円体形状が織り合わされた形状を含むものである。
【００４８】
多孔質金属層（ii）は、前記加熱接合材料（Ｍ）を加圧下に焼成して形成される層であるが、該加熱接合材料（Ｍ）に使用する金属微粒子（Ｐ）は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、錫、インジウム、チタン、白金、パラジウム、及びシリコンの内、いずれか１種または２種以上の金属を主たる構成要素とすることが好ましい。特にマイグレーションを抑制することができることからＣｕが好適である。また、金属回路層３や導体層（iii）７と同じ素材にすると接合しやすい。使用する金属微粒子（Ｐ）としては、金属微粒子（Ｐ）として、平均一次粒子径が１〜５００ｎｍの金属微粒子（Ｐ１）に、更に平均一次粒子径が０．５〜５０μｍの金属微粒子（Ｐ２）を使用することが好ましいこと、及び好ましい金属微粒子（Ｐ１）と金属微粒子（Ｐ２）の材質、平均一次粒子径、それぞれの使用割合等については第１の実施形態の「多孔質金属層（Ａ）」についての記載と同様である。また、加熱接合材料（Ｍ）に、耐熱性樹脂（Ｒ）を配合することにより、多孔質金属層（ii）に形成された空孔（ｈ）の少なくとも一部に、耐熱性樹脂（Ｒ）が充填された多孔質金属層（ii）を形成することができる。このような耐熱性樹脂（Ｒ）を形成する成分については、第１の実施形態の「多孔質金属層（Ａ）」についての記載と同様である。
【００４９】
多孔質金属層（ii）８の厚さは、５〜５００μｍであることが好ましい。５μｍ未満であると、回路層の結晶サイズが大きいため表面が粗くなり局所的なボイドが生じることがある。該厚みが
５００μｍ超であると供給厚さバラつきも大きくなり接続ムラが生じる。また、確実に接続させる観点から１０〜３００μｍであることが特に好ましい。多孔質金属層（ii）８を設けることにより、多孔質金属層（ii）８を構成する金属材料が熱により膨張しようとしたときや、セラミックス基板２と金属回路層３および導体層（iii）７との線膨張率差に起因する応力が生じたときに、その応力を吸収することができるため、金属回路層３の端部にかかる応力が緩和される。また多孔質金属層（ii）８による金属回路層３と導体層（iii）の接合のため熱抵抗が低くなり、放熱性がよい。
【００５０】
（３）導体層（iii）
導体層（iii）７は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕからなる金属元素群から選ばれる１種の金属、２種以上の合金、または、１種以上を主成分とする合金からなることが好ましく、特に金属回路層（ii）８と同じ材料からなることが、放熱性や線膨張の差から焼結体層に発生する熱応力の観点から、好ましい。
【００５１】
（４）ダイボンド接合層（iv）
ダイボンド接合層（iv）６としては、前述の多孔質金属層（ii）８と同様の金属粒子の焼結体であって焼結後の融点が２５０℃以上のものを用いることができる。特に、導体層（iii）７との接合性という理由から銅微粒子の焼結体が好ましい。金属微粒子の焼結体を介して、導体層（iii）７と半導体素子（ｖ）９とを接続することにより、導体層（iii）７を構成する金属が熱により膨張しても、空孔に吸収されるため、見かけ上の弾性率が低下する。また、半導体素子（ｖ）９と配線基板（ｉ）５と導体層（iii）７の線膨張率差に起因する応力が生じても、空孔に吸収されるため、応力が緩和される。従って、半導体素子（ｖ）９と導体層（iii）７との間で生じる剥離やクラックを低減することができる。なお、ダイボンド接合層（iv）６は、金属粒子の焼結体に限定されるものではなく、融点が２５０℃以上のろう材（はんだ）を使用してもよい。
【００５２】
（５）半導体素子（ｖ）
半導体素子（ｖ）９は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓなどが採用でき、特に、耐熱性に優れるＳｉＣが好適である。
【００５３】
〔２−２〕半導体装置の製造方法
第２の実施形態に係る半導体装置１の製造方法について説明する。
図１０（Ａ）に示すように、セラミックス基板２の上面に金属回路層３、下面に金属層４が接合された配線基板（ｉ）５を準備する。次に、図１０（Ｂ）に示すように、金属回路層３上の半導体素子（ｖ）９を実装する位置に対応する位置に、導体層（iii）７の大きさに対応する大きさの開口を有するマスク１１を配置し、スキージ１２を用いて、金属微粒子（Ｐ）を有機分散媒（Ｄ）に分散させた加熱接合材料（Ｍ）であるペースト１３を印刷する。マスク１１としては、ステンレス等のメタルマスクを使用することができる。スキージ１２は、金属製であることが好ましく、ゴム製であれば、なるべく硬度が高い方が、印圧によるマスク１１の開口部での変形を抑えられるため、供給量をコントロールしやすい。印刷後、大気雰囲気で乾燥させる。
【００５４】
なお、第２の実施形態においては、印刷により、加熱接合材料（Ｍ）としてペースト１３を金属回路層３上に塗布できるが、これに限定されるものではなく、ディスペンサーにより塗布することができ、金属微粒子（Ｐ）を有機分散媒（Ｄ）に分散させたペースト１３を予めシート状に形成したものを金属回路層３上の所定の位置に配置することもできる。ペースト１３を予めシート状に形成する方法としては、特開２０１３−０４１８９５号公報に記載の方法を用いることができる。
【００５５】
その後、図１０（Ｃ）に示すように、ペースト１３上に導体層（iii）７を配置し、真空プレス機１４を用いて、減圧雰囲気下に、加圧、加熱して多孔質金属層（Ａ）を形成することにより接合する。この時の条件は、温度１９０〜３５０℃、加圧５〜２０ＭＰａ、時間は５分〜１２０分程度とし、時間は長いほどが好ましい。また、雰囲気は、不活性雰囲気、還元雰囲気であってもよい。なお、この際、配線基板５の下面と導体層（iii）７の上面は、均一に加圧した。更に、プレス盤への局所的加圧による変形や有機分散媒（Ｄ）などの有機物の付着などを防止するために、副資材１５を配置するとよい。副資材１５としては、耐熱性のある材料、たとえば、ポリイミドフィルムや液晶ポリマー、テフロン（登録商標）シートなどのような樹脂材料からなるシートや、銅箔やＳＵＳのような金属材料からなるシートを用いることができる。加圧したときの焼結体の体積変化に追従しやすいと、製品内・製品間での圧力バラつきやムラを低減できるため、テフロンシートを使用することが好ましい。
【００５６】
次に、図１１（Ａ）に示すように、導体層（iii）７上の半導体素子（ｖ）９を実装する位置に対応する位置に、ペースト１３を供給し、乾燥させた後、その上に半導体素子（ｖ）９を配置する。供給方法、乾燥方法としては、上述の金属回路層３上にペースト１３の供給、乾燥方法と同様の方法を用いることができる。その後、図１１（Ｂ）に示すように、配線基板５上に多孔質金属層（ii）８を介して設けられた導体層（iii）７上にペーストおよび半導体素子（ｖ）９を配置したものを、真空プレス機１４を用いて、減圧雰囲気下、加圧、加熱して半導体素子（ｖ）９と導体層（iii）７をダイボンド接合層（iv）６（本実施の形態においては、該ダイボンド接合層は、金属粒子を有機分散媒に分散させたペースト１３の焼結体を使用できる）を介して接合する。この時の条件は、温度３００〜３５０℃、圧力５〜２０ＭＰａ、時間は５分〜１２０分程度とし、時間は長いほどが好ましい。また、雰囲気は、不活性雰囲気、還元雰囲気であってもよい。この際も、配線基板（ｉ）５の下面と半導体素子（ｖ）９の上面には、副資材１５を配置するとよい。なお、金属粒子の焼結体に替えてダイボンド接合層（iv）６としてはんだを用いる場合は、リフロー装置を使用できる。
【００５７】
その後、半導体素子（ｖ）９の上面（ダイボンド接合層（iv）６に接合されていない側の面）に形成された端子（図示しない）と配線基板（ｉ）５の配線３ａとをワイヤー１０を用いてワイヤーボンディングにより接続して、半導体装置１が製造される。尚、第２の実施形態においては、配線基板（ｉ）５としてＤＢＣ基板を用い、ＤＢＣ基板の上に多孔質金属層（ii）８、導体層（iii）７、ダイボンド接合層（iv）６、および半導体素子（ｖ）９を実装することができるが、ＤＢＣ基板上に多孔質金属層（ii）８および導体層（iii）７を形成したものを予め作製しておき、これを配線基板として用いて、半導体素子（ｖ）９をダイボンド接合層（iv）６を介して実装することもできる。
【実施例】
【００５８】
実施例により本発明をより具体的に説明する。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
第１の実施形態に係る、実施例１〜９、及び比較例１〜５では、セラミックス回路基板と半導体素子間の接合を加熱接合材料を用いて、焼結により接合した場合を示し、その評価方法としては半導体素子加熱による熱ストレス試験にて評価した。
また、第２の実施形態に係る、実施例１０〜１４、及び比較例６、７では、セラミック回路基板を作製する際に既に金属回路が形成されているセラミック回路基板に更に加熱接合体を用いて金属箔をセラミックス回路基板の全部または一部に接合する場合を示し、その評価方法としては、冷熱衝撃試験と放熱性を採用した。【００５９】
〔１〕実施例１〜９、及び比較例１〜５
以下に、第１の実施形態に係る、実施例１〜９、及び比較例１〜５で使用した材料、及び評価方法、実施例、及びその評価結果について記載する。
（１）使用した材料
（１−１）加熱接合材料の調製
下記の銅微粒子（Ｐ１）と、銅微粒子（Ｐ２）を表１、２に示す質量割合で配合した。有機分散媒としてグリセリンとノルマルメチルアセトアミドを使用して、加熱接合材料全体に占める金属微粒子（Ｐ）の割合が４０質量％になるように配合した。具体的にはグリセリン１０８ｇとノルマルメチルアセトアミド１２ｇからなる有機分散媒１２０ｇに、平均一次粒子５０ｎｍの銅微粒子（Ｐ１）と平均一次粒子径４．３μｍの銅微粒子（Ｐ２）を合計が８０ｇとなるように表１に記載の割合で配合する。材料を乳鉢によって十分混合することで加熱接合材料を得た。得られた加熱接合材料を厚さ１００μｍのメタルマスクとスキージを用いて接合する電子部品より大きいサイズに印刷した。その後溶媒を蒸発させ、金属濃度を調節するために１１０℃、大気雰囲気のオーブンで乾燥を行った。【００６０】
（１−２）基板（被接続体（Ｂ））と電子部品（被接続体（Ｃ））
（ｉ）基板
基板は、厚み３２０μｍの窒化ケイ素基板の表面に厚み３２０μｍ、その反対の面に厚み２００μｍの銅箔を張った基板（京セラ（株）製、型番：KO-PER110681）を用いた。
（ii）半導体素子
半導体素子は、サイズが７．２×７．２×０．４（厚）ｍｍのシリコンチップである。シリコン基板はｎ型を用いて、シリコンチップの片面にスパッタ法によりＴｉ／Ａｌ電極、反対側の面にスパッタ法により厚みがＴｉ／Ｎｉ／Ａｕ＝１００／４５０／２００ｎｍの層を形成した物を用いた。【００６１】
（iii）実装方法
上記「半導体装置の製造方法」
開口部８ｍｍ角で厚さ１００μｍのメタルマスクを用意する。このメタルマスクを用いて基板にスキージを用いて印刷する。その後溶媒を蒸発させるために１１０℃で大気雰囲気のオーブンで３０分乾燥させた。接合は、前述の「半導体装置の製造方法」の項で示されている方法で行った。接合条件は、減圧雰囲気下、温度３００℃、時間は２０分とした（加圧は、表１、２に示す通りである）。また、図１１に示す副資材１５として、テフロンを使用した。【００６２】
（２）評価方法
（２−１）信頼性の評価
作製したシリコンチップ実装サンプルに太さ０．３ｍｍのワイヤーを１０本実装した。その後、該シリコンチップ実装サンプルを、厚さ３ｍｍ、大きさ４０×５０ｍｍの銅板に鉛９０質量％錫１０質量％のはんだを用いて接合することにより固定した。このサンプルに通電することによりチップ部分のみを１秒で２２０℃まで温度が上がるように印可電圧を設定し加熱し、９秒冷却することにより接合体に熱ストレスを与えた。この試験を設定した印可電圧を一定にして繰り返した。熱ストレスを与えると接合部にクラック等が入り、熱抵抗が上昇する。この熱抵抗の上昇率が２０％を故障とし、故障までの「使用可能回数」を測定した。【００６３】
（２−２）多孔質金属層断面の評価法
多孔質金属層の断面観察は試料を包埋樹脂で埋込、断面を切断と研磨により形成する。その後クロスセクションポリッシャ（日本電子（株）製、ＳＭ-09010）により、Ａｒビームを用いて断面を成形した。Ａｒビームの加速電圧は４．６ｋV  真空度は１×１０−３Ｐａ以下で行った。その後ＳＥＭ（日立ハイテクノロジー社製、ＳＥＭＥＤＸ ＴｙｐｅＮ）により断面を観察した。加速電圧は２０ｋＶで２次電子像を観察した。得られたＳＥＭ画像（５０００倍）から、加速電圧の情報など解析上障害のなる部分が入らないように２５．６μｍ×１１．１μｍ角の解析する画像を切り出す。手順は画像処理ソフト「ImageJ」（米国国立衛生研究所（National Institutes of Health：NIH））を使用し、画像を読み込んだ後必要な領域を選択し、「Image」→「Crop」の手順で切り出し、画像を保存した。【００６４】
保存された画像を画像処理ソフト「pickmap」を用い、画像を読み込み後「pickmap」の機能の一つである「ツール（２値化して白／黒の面積を算出するツール）」で２値化処理を行った。多孔質金属層（Ａ）に含まれている金属微粒子（Ｍ）に由来する金属部分を白色、空孔を黒色に画像処理する。この際の閾値は８０とした。そして、断面（２５．６μｍ×１１．１μｍ角）の白黒の面積比率から空孔率を求めた。断面の空孔率からステレオロジー理論により体積当たりの空孔率を求めた。その後画像処理ソフト「ImageJ」（米国国立衛生研究所（National Institutes of Health：NIH））により円形度、楕円の長軸の傾き角度、平均長軸長さの算出を行った。手順はImageJの機能の一つである「Analyze」→「Set Measurement」のうち、Area、Fit ellipse、Shape descriptorsを選択した。次に、画質のサイズを決定するためにスケールを設定した。解析に使用したスケール入りのＳＥＭ写真を読み込み、スケールの部分に合わせて、画面上で線を引く。その後「Analyze」→「Set Scale」において「Known distance」 ： 10.00を入力し、「Unit of length」にμｍを入力した。その後、画像を読み込み、「Image」→「Adjust」→「Threshold」を行ったのち「Analyze」→「Analyze Particles」を行い、平均円形度、楕円形状長軸の傾き角度、楕円形状長軸の平均長さを算出した。【００６５】
（２−３）ダイシェア強度評価法
サンプルにせん断力を与えて、ダイシェア強度の評価を行った。
半導体素子の側面に多孔質銅層を含む異物を除くために、実装した半導体素子の外周にある多孔質銅層を削り取り、シェア強度を評価するサンプルを得た。半導体素子の側面に多孔質銅層を含む異物が含まれるとシェアツールが半導体素子の側面に対し、横から水平にあたらず接続強度に影響を与え、測定ばらつきを発生するおそれがある。シェア試験（デイジ社製、装置名：万能型ボンドテスター  シリーズ４０００）を用いて評価を行った。シェアツールは、サンプル設置面から多孔質銅層と緻密金属層との界面より５０μｍ高くし、シェアツールの送り速度は５０μｍ／ｓｅｃと、半導体素子を横から水平に押し、せん断力を与えた。評価基準は、シェア強度の測定値が半導体素子の外径面積に対し５０ＭＰａ未満のものを不良とした。
以下に、実施例１〜９、及び比較例１〜５を記載する。【００６６】
［実施例１〜９］
図２に示す、焼結装置を使用して、前記基板とシリコンチップ間に加熱接合材料を配置して、加圧下に焼結を行った。
厚さ０．１ｍｍ、開口部が８ｍｍ角のメタルマスクとスキージを用いて、基板上に加熱接合材料を印刷した。印刷の条件はスキージ圧１ＭＰａ、スキージ角度５度、スキージ速度５ｍｍ／秒、オンコンタクトで行った。次ぎに、オーブンを用いて、該印刷された加熱接合材料を温度１１０℃、窒素雰囲気下で予備乾燥した。その後、該印刷部分にシリコンチップを載せ、上記焼結装置を用いて、加熱・焼結により接合を行った。表１に示す通り、１０〜２０ＭＰａの加圧下、焼結温度３００℃、焼結時間２０分間で焼結した。その後、焼結したサンプルについて、前記評価法で評価を行った。【００６７】
実施例８で得られた多孔質金属層断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察された画像写真（５０００倍）を図１２に示す。画像解析では、図１２に示す５０００倍の画像写真を用い、それを２値化して、その結果を解析した。この場合には５６７個の楕円形が検出され、空孔率２．１（体積％）、楕円形状の平均長軸長さ１９６ｎｍ、楕円形状の平均傾き角度５１．３°、平均円形度０．８２と計算された。実施例１〜９の評価結果をまとめて、表１、及び図３〜８に示す。
焼結時に加圧するのと同時にペーストが適度な流動性を持つことにより、ペーストが横方向(基板とチップの間の面内方向)に流れて、楕円体形状が形成されると考えられる。ペーストに流動性を持たせる方法として、本実施例、比較例では有機分散媒として、ＮＭＡ（ノルマルメチルアセトアミド）をグリセリン９に対して１の質量割合で添加することにより調製した。【００６８】
［比較例１〜５］
焼結時の加圧のみを、表２に示す通り、２〜２０ＭＰａに変更して焼結した以外は、上記実施例１〜９に記載したと同様に加熱・焼結により接合を行って接続構造体を得た。
比較例１〜５の評価結果をまとめて、表２、及び図３〜８に示す。【００６９】
【表１】
2014208690.tif 000003
【００７０】
【表２】
2014208690.tif 000004
【００７１】
［評価結果］
表１〜２から、図３〜５に、横軸を焼結時の加圧、縦軸をそれぞれ「楕円形状長軸の傾き角度」、「平均円形度」、及び「楕円形状長軸の平均長さ」としてプロットした。図３から焼結時の加圧が高くなるほど、「楕円形状長軸の傾き角度」は小さくなることが確認された。図４から焼結時の加圧が高くなるほど、平均円形度が高くなることが確認された。図５から焼結時の加圧が高くなるほど、「楕円形状長軸の平均長さ」は短くなることが確認された。図３〜５から、焼結時の加圧の調整により、「楕円形状長軸の傾き角度」、「平均円形度」、及び「楕円形状長軸の平均長さ」をある程度制御可能なことが確認された。【００７２】
図６〜８に、表１〜２から、横軸を「使用可能サイクル」、縦軸をそれぞれ「楕円形状長軸の傾き角度」、「平均円形度」、及び「空孔率」としてプロットした。図８から、空孔率が高くなると信頼性が劣化することが分かった。「平均円形度」が高いほど信頼性が良好であり、「楕円形状長軸の傾き角度」が小さい程信頼性が良好で有ることが分かった。なお、空孔率は２体積％未満になると焼結体の特性がバルクに近づき応力緩和性が乏しくなり、２０〜３８％になると焼結体そのもののダイシェア試験等、チップと焼結体の機械的な強度がやや弱くなるものの信頼性試験（パワーサイクル試験）をした場合の強度は確保できる。空孔率が３８％を超えると、信頼性試験をした場合の強度を確保できないことから、空孔率は２〜３８体積％に調整する必要がある。このようにして得られた実施例１〜９に係る半導体装置は、超音波探傷機にて各層間の剥がれやボイド、接合不良がないことを確認した。【００７３】
〔２〕実施例１０〜１４、及び比較例６、７
以下に、第２の実施形態に係る、実施例１０〜１４、及び比較例６、７で使用した材料、及び評価方法、実施例、及びその評価結果について記載する。
（１）使用した材料
（１−１）加熱接合材料の調製
前記実施例８で使用した加熱接合材料と同様のものを使用した。
（１−２）基板と電子部品
使用した、基板１、２、及び電子部品１〜５を以下に記載する。尚、実施例１０〜１４、及び比較例６、７においてそれぞれ使用した下記基板、電子部品を表３に示す。【００７４】
（ｉ）基板
本発明の被接続体（Ｂ）に対応する基板として、下記の基板１、基板２を使用した。
基板１：配線基板として、３０ｍｍ角のセラミックス基板上の外縁から１ｍｍ内側に２８ｍｍ角の銅回路板および銅板が接合されたＤＢＣ基板（日鉄住金エレクトロデバイス（株）製、Ｃｕ（０．３ｍｍｔ）／Ａｌ２Ｏ３（０．６３５ｍｍｔ）／Ｃｕ（０．３ｍｍｔ））を使用した。
基板２：配線基板として、３０ｍｍ角のセラミックス基板上の外縁から１ｍｍ内側に２８ｍｍ角の銅回路板および銅板が接合されたＤＢＣ基板（東芝マテリアル製、Ｃｕ（０．３ｍｍｔ）／Ｓｉ３Ｎ４（０．３２ｍｍｔ）／Ｃｕ（０．３ｍｍｔ））を使用した。【００７５】
（ii）電子部品
本発明の被接続体（Ｃ）（導体層）に対応する電子部品として、下記の電子部品１〜４を使用した。
電子部品１：２０ｍｍ角、厚さ０．３ｍｍの銅箔
電子部品２：２８ｍｍ角、厚さ０．３ｍｍの銅箔
電子部品３：２５ｍｍ角、厚さ０．３ｍｍの銅箔
電子部品４：１５ｍｍ角、厚さ０．３ｍｍの銅箔【００７６】
【表３】
2014208690.tif 000005
【００７７】
（２）実装方法
［実施例１０〜１４］
表３示す基板、電子部品を用意する。
電子部品１〜５と同じ大きさの開口部の１００μｍ厚のメタルマスクを用意する。このメタルマスクを用いて基板１、２に搭載する電子部品に応じたメタルマスクとスキージを用いて印刷する。その後、ペースト中の有機分散媒を蒸発させるために１１０℃で大気雰囲気のオーブンで３０分乾燥させた。接合は実施例８に記載したと同様の方法で行う。接合条件は温度３００℃、圧力１０ＭＰａ、時間は２０分とした。雰囲気は減圧雰囲気下で行った。また副資材１５はテフロンを使用した。焼結体断面の形状を観察するために実施例１０で作成した物と同じものを観察用として作成した。試料の加工方法、観察方法は実施例８に記載の方法で行った。
観察の結果、空孔率は３．３％、楕円形状長軸の平均長さ１８２ｎｍ、平均円形度０．８４、楕円形状長軸の傾き角度５２．３（度）であった。この値は、実施例８に同じである。【００７８】
［比較例６］
比較例６で使用する部材を用意する。表３で示す基板と電子部品を準備し、銅回路板上にＡｇ７１．０質量％、Ｃｕ１６．５質量％、Ｔｉ２．５質量％からなるろう材を３０μｍ厚で塗布し、電子部品を搭載し、真空炉内で加熱接合した。その後の半導体素子の載置とワイヤーボンディングによる接続は実施例１と同様にして行った。【００７９】
［比較例７］
比較例７では被接続体（Ｃ）（導体層）による接合は行わないで、後述するはんだにより接合した。【００８０】
（３）評価方法
（３−１）クラック、各層間の剥離の評価
実施例１０〜１４、及び比較例６、７における各々２０個（ｎ＝２０）の半導体パッケージについて、−４０℃で３０分保持した後、１５０℃まで昇温して３０分保持するサイクルを繰り返すヒートサイクル試験を行った。その後、超音波探傷機にて基板へのクラックと各層間の剥離の有無を観察評価した。その結果を表４に示す。
超音波探傷機にて接合部である焼結体層の面積の１０％に剥離もしくはクラックがみられた時のサイクル数（ｎ）を確認し、２０００回未満のサイクル数で剥離もしくはクラックがみられたサンプルの平均サイクル数を示す。括弧内の数は剥離もしくはクラックがみられたサンプル数を示す。また、２０００回のサイクル数で剥離もしくはクラックがみられなかったものについては、「−」を記す。【００８１】
（３−２）発熱用半導体チップの実装方法
実施例１０〜１４、比較例６においてはまず、評価のために、作製した電子部品の上部に発熱用の半導体チップを接合する。接合方法は、多孔質金属層と同様の、実施例８で使用した銅ナノペーストで、５ｍｍ角の開口を有するメタルマスクを用いて同じ条件で、電子部品の上部に印刷し、実施例８と同じ条件で乾燥させ、その上に半導体素子を搭載し、実施例８と同じ条件で加圧加熱して接合した。その後、半導体素子の上面に形成された端子と配線基板の配線とをワイヤーボンディングにより接続した。半導体素子としては、５ｍｍ×５ｍｍの面積で０．２３ｍｍの厚さを有するものを用いた。
比較例７については必要なＤＢＣ基板を準備し、銅回路板上の半導体素子を実装する位置に対応する位置に、Ｓｎ−０．１Ａｇ−０．７Ｃｕはんだ層を形成し、はんだ層上に半導体素子を載置し、２４０℃の窒素雰囲気下で、０．５分、加熱して接合した。その後、半導体素子の上面に形成された端子と配線基板の配線とをワイヤーボンディングにより接続した。半導体素子としては、５ｍｍ×５ｍｍの面積で０．２３ｍｍの厚さを有するものを用いた。【００８２】
（３−３）放熱評価法
実施例８に記載したのと同様の方法で行った。
実施例１０〜１４、比較例６、７に係る各々２０個の半導体パッケージについて、入熱が１００Ｗとなるように半導体素子に電流を流し、半導体素子上面の上昇温度を測定した。
評価基準は下記の通りである。
◎：平均上昇温度が１７５℃以下の場合である。放熱効果に特に優れる。
○：平均上昇温度１７５℃超２００℃以下の場合である。放熱効果に優れる。
×：平均上昇温度２００℃超の場合である。放熱効果に劣る。【００８３】
［評価結果］
結果を表４に示す。
実施例１０〜１４は、金属回路層上に金属粒子の焼結体からなる焼結体層が形成され、焼結体層上には導体層が形成されているため、クラックや層間剥離が良好に抑制され、放熱効果も良好な結果となった。【００８４】
比較例６は、ロウ材によって金属回路層と導体層が接合されており、金属回路層と導体層の間での熱伝導率が高くないために放熱特性が実施例１０に比べて劣っている。また、ロウ材と金属回路層及び導体層の線膨張の違いによって、金属回路層と導体層の接合面での剥離が生じてしまった。なお、平均７００サイクルで全てのサンプルでクラック及び剥離が生じてしまったため、セラミックス基板と金属回路層での耐久確認はできなかった。比較例７では、金属回路層に対して直接はんだを用いて半導体素子を接続しているため、層間での剥離などは生じないが、導体層を介さずに接続されているために発熱源である半導体素子からの熱に対して、金属回路層の熱容量が小さいために放熱特性が著しく悪かった。【００８５】
以上のように、金属回路層上に金属微粒子の焼結体からなる多孔質金属層が形成され、該多孔質金属層上には導体層が形成されている実施例１０〜１４では、比較例６、７が実現できなかった良好な放熱特性と接合面における剥離の抑制を実現することができた。特に、実施例１０及び１２は、金属回路層と導体層間、及びセラミックス基板と金属回路層間のクラックや層間剥離が効果的に抑制され、かつ放熱特性も良好であった。また、実施例１２から分かるようにセラミックス基板にＳｉ３Ｎ４のように破壊靱性が高いセラミックスを用いることで、より効果的にセラミックス基板と金属回路層間のクラックの抑制と高い放熱特性を実現することができた。【００８６】
以上のように、パワー半導体素子のように高周波大電流動作すると駆動時の発熱が著しくなるような半導体素子に対しては、熱を瞬時に逃がすために半導体素子の下側に配される層の熱抵抗を小さくする必要がある。そのために、金属回路層の面積や厚みを大きくするなどして金属回路層の熱容量を大きくすることが提案されている（例えば、特開２００３−１８８３１６号公報）。
しかしながら、金属回路層の面積や厚みを大きくした場合、製造段階において低温環境下におかれた後に高温環境下におかれるという温度サイクルが繰り返されると、セラミックス基板の線膨張率と金属回路層の線膨張率との差が大きいため、セラミックス基板が金属回路層の界面に沿って破壊する問題があった。【００８７】
また、金属回路層の端部にエッチングにより段差を形成する技術（例えば、特許第３９３２３４３号公報）があるが、このような技術は、金属回路層端部の段差の形状や高さを精度よく形成することが困難である。また、セラミック基板上に、主に高融点金属からなる高融点金属層と、融点が１０００℃以下でニッケル、銅、鉄の少なくとも１種を主成分とする金属介在層とを備え、該金属介在層上に銅を主体とする導体層を接合する技術（例えば、特開２０００−３１１９６９号公報）は、金属介在層を現実的にはめっきで形成することになり、めっきが施される高融点金属層あるいは導体層は薄くバルク状であることから局所的に線膨張が異なるため、金属介在層において剥離が生じ、信頼性が低下するという問題がある。【００８８】
以上のようなことから、特に発熱を伴う半導体装置においては、セラミックス基板の一方の面側に形成された金属回路層と、前記金属回路層上に形成され、金属微粒子（Ｐ）の焼結体からなる多孔質金属層（ii）と、該多孔質金属層（ii）上に形成された導体層（iii）と、前記導体層にダイボンド接合層（iv）を介して接合された半導体素子（ｖ）からなる構造をとることが好ましく、放熱性を向上させることができる。特に、金属回路層と導体層（iii）間のクラックや剥離を抑制することができ、高い信頼性を有する半導体装置を実現することができる。【００８９】
【表４】
2014208690.tif 000006
【符号の説明】
【００９０】
１  半導体装置
２  セラミックス基板
３  金属回路層（第１の実施形態の被接続体（Ｂ）に相当する）
４  金属層
５  配線基板（ｉ）
６  ダイボンド接合層（iv）
７  導体層（iii）（第１の実施形態の被接続体（Ｃ）に相当する）
８  多孔質金属層（ii）（第１の実施形態の多孔質金属層（Ａ）に相当する）
９  半導体素子（ｖ）
２１  金属部分
２２  空孔（ｈ）
２３  多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の垂線
２４  多孔質金属層（Ａ）の厚さ方向の垂線に対する空孔（ｈ）の楕円形状の長軸の傾き角度
２５  空孔（ｈ）の楕円形状の長軸長さ
４１  ワーク
４２  プレス板
４３  真空プレス機
４４  下熱盤
４５  チャンバー
４６  加圧シリンダー
４７  上熱盤
【図１】
2014208690.tif 000007
【図２】
2014208690.tif 000008
【図３】
2014208690.tif 000009
【図４】
2014208690.tif 000010
【図５】
2014208690.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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