(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銀、または銅を主材とした焼結層とアルミニウムを主材とした導体が酸化アルミニウムの非晶質層を介して接合しており、
前記酸化アルミニウムの非晶質層と、前記銀または銅を主材とした焼結層とが直接結合した状態にあることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記アルミニウムを主材とした導体は配線層であり、
前記配線層は、前記銀または銅を主材とした焼結層を介して半導体素子と接合されることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記銀または銅を主材とした焼結層の熱伝導率は５０乃至４３０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記銀または銅を主材とした焼結層は、金属酸化物粒子、酢酸系化合物粒子及び有機物からなる還元剤を用いて焼結された層であり、
前記金属酸化物粒子は酸化銀粒子、又は酸化銅粒子のうちから選ばれる１種以上の金属酸化物粒子であり、
前記酢酸系化合物粒子は、酢酸銀粒子、酢酸銅粒子、ギ酸銀粒子、又はギ酸銅粒子のうちから選ばれる１種以上の酢酸系化合物粒子であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置において、
前記金属酸化物の粒子は、１ｎｍ以上５０μｍ以下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、粒径が１ｎｍ〜５０μｍの金属粒子を接合の主剤とする接合材に係り、また、その接合材を使用して接合が行われた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粒子の粒径が１００ｎｍ以下のサイズまで小さくなり構成原子数が少なくなると、粒子の体積に対する表面積比は急激に増大し、融点や焼結温度がバルクの状態に比較して大幅に低下することが知られている。この低温焼成機能を利用して、粒径が１〜１００ｎｍ金属粒子を接合材として用いることが検討されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子からなる核の周囲に有機物よりなる皮膜を施した接合材料を用いて、加熱により有機物を分解させて金属粒子同士を焼結させることで接合を行うことが記載されている。本接合方法では、接合後の金属粒子はバルク金属へと変化すると同時に接合界面では金属結合により接合されているため、非常に高い耐熱性と信頼性及び高放熱性を有する。また、電子部品等の接続において、はんだの鉛フリー対応が迫られているが、高温はんだに関してはその代替えとなる材料が出ていない。実装においては階層はんだを用いることが必要不可欠なため、この高温はんだに代わる材料の出現が望まれている。従って、本接合技術はこの高温はんだに代わる材料としても期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１０７７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１等に記載の平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子を接合の主剤として用いた接合材料について、本発明者らが検討したところ、被接合部材としてＡｕ，Ａｇ，Ｐｄ等の相手電極に対しては良好な接合強度が得られるものの、半導体実装で多く適用されているＡｌに対しては十分な接合強度が得られないことが判明した。図８に各電極材に対して行った接合強度評価結果を示す。接合温度を２５０℃、加圧１.０ＭＰａ一定とし、接合材料として、アミン系有機材料を被膜した平均粒径１０ｎｍの銀粒子を用いて、大気中でＡｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｎｉ及びＣｕ電極への接合を行った。図８の縦軸はせん断強度を示し、Ａｇ電極の値で規格化したものである。この結果、大気中での接合では、Ａｕ，Ａｇ電極に対しては良好な接合強度が得られているが、Ｎｉ，Ｃｕ電極に対しては十分な接合強度が得られず、Ａｌ電極に対してはまったく接合できないことが判った。
【０００５】
特許文献１に記載の超微粒子に被膜されている有機材料は大気中加熱でのみ消失する材料であり、酸化されにくい電極に対しては有効であるが、酸化されやすいＡｌの接合には適さない。
【０００６】
半導体装置を構成する電子部品を、金属超微粒子を接合の主剤とした接合材を用いて接合する場合には、電気的導通を確保することが必要になる。また、接合材には熱ひずみの緩和，熱伝導性も要求される。さらに多く用いられているＡｌ電極に対しても接合できなければならない。また、半導体素子とＡｌ電極の接合に限らず、電子部品を構成するＡｌ系配線やＡｌ系ベース板（放熱板）等のＡｌ部材と導体の接合においても同様の課題を有する。
【０００７】
本発明は、電子部品のＡｌ部材と、金属粒子を接合の主剤とする接合材との接合部の接合信頼性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明者らが誠意検討した結果、金属粒子前駆体である平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍの金属酸化物粒子と、酢酸系化合物またはギ酸系化合物と、有機物を含む還元剤とを含む接合材料により、大気雰囲気中において接合を行うことで電子部品のＡｌ部材に対して優れた接合強度を得ることができることを見出した。
【０００９】
本発明は、半導体素子とＡｌ電極がＡｇ、又はＣｕで構成された接合層を介して接続された半導体装置であって、前記接合層と前記Ａｌ電極とが非晶質層を介して接合している構造を備えた半導体装置を特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、セラミックス絶縁基板の両面に配線層を有する配線基板と、前記配線基板の一方の面に接続された半導体素子と、前記配線基板の他方の面に接続された支持部材とを有する半導体装置であって、前記配線層の接合面がＡｌで構成され、銀粒子又は銅粒子の焼成層により前記半導体素子又は支持部材と配線層とが接合され、前記焼成層と前記配線層とが非晶質層を介して接合していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、電子部品のＡｌ部材と、金属粒子を接合の主剤とする接合材との接合部の接合信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は本発明の実施例による絶縁型半導体装置の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図２】図１の要部を示した斜視図である。
【図３】図１における半導体素子搭載部分を拡大して示した断面図である。
【図４】本発明による接合部の接合性を示す図である。
【図５】本発明による接合部の状態を示す図である。
【図６】半導体装置の回路図である。
【図７】ハイブリッド自動車電動機の回転数制御用インバータ装置を示す概略図である。
【図８】従来のナノ粒子接合の接合性を示す図である。
【図９】本発明の実施例によるアルミベース絶縁基板の模式図である。
【図１０】従来のアルミベース絶縁基板の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について詳細に説明する。従来の平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子を接合の主剤とする接合材料を用いた場合では、Ａｌ電極表面の酸化物層と接合材とが接合されないことが判明した。これに対して、本発明者らが誠意検討した結果、特定の接合材を用いて大気雰囲気中において接合を行うことにより、Ａｌ電極に対して優れた接合強度が得られることを見出した。すなわち、金属粒子前駆体である平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍの金属酸化物粒子と酢酸系化合物、またはギ酸系化合物、及び有機物からなる還元剤とを含む接合材料により、大気雰囲気中において接合を行うことでＡｌ電極に対して優れた接合強度が得ることができる。本接合では、金属粒子前駆体に対して有機物からなる還元剤を添加することによって、金属粒子前駆体単体を加熱分解するよりも低温で金属粒子前駆体が還元され、その際に平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が作製され、金属粒子同士が相互に融合することで接合が行われるという現象を利用している。金属酸化物粒子は還元剤の存在下では、２００℃以下で１００ｎｍ以下の金属粒子が作製され始めることから、従来困難であった２００℃以下の低温でも接合を達成することが可能である。また、接合中においてその場で粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が作製されるため、有機物で表面を保護した金属粒子の作製が不要であり、接合用材料の製造，接合プロセスの簡易化，接合材料の大幅なコストダウンを達成することが可能である。また酢酸系化合物、またはギ酸系化合物の熱分解時に発生する酸成分、及び還元剤の還元作用によりＡｌ電極表面に形成した酸化物層表面が活性状態になり、この表面活性化した酸化物層とＡｇ、またはＣｕが強固な結合を達成することができる。
【００１４】
１００ｎｍ以下の金属粒子を作製する平均粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の金属粒子前駆体として、金属酸化物と規定したのは金属粒子前駆体中における金属含有量が高いことから、接合時における体積収縮が小さく、かつ分解時に酸素を発生するために、有機物の酸化分解を促進するからである。ここで、金属粒子前駆体とは還元剤と混合し、加熱により還元された後に、粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を作製する物質のことをいう。
【００１５】
ここで用いる金属粒子前駆体の粒径を平均粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下としたのは、金属粒子の平均粒径５０μｍより大きくなると、接合中に粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が作製されにくくなり、これにより粒子間の隙間が多くなり、緻密な接合層を得ることが困難になるためである。また、１ｎｍ以上としたのは、平均粒子が１ｎｍ以下の金属粒子前駆体を実際に作製することが困難なためである。本発明では、接合中に粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が作製されるため、金属粒子前駆体の粒径は１００ｎｍ以下とする必要はなく、金属粒子前駆体の作製，取り扱い性，長期保存性の観点からは粒径が１〜５０μｍの粒子を用いることが好ましい。また、より緻密な接合層を得るために粒径が１ｎｍ〜１００ｎｍの金属粒子前駆体を用いることも可能である。
【００１６】
金属酸化物粒子としては、酸化銀（Ａｇ2Ｏ，ＡｇＯ），酸化銅（ＣｕＯ）が挙げられ、これらの群から少なくとも１種類の金属あるいは２種類の金属からなる接合材料を用いることが可能である。酸化銀（Ａｇ2Ｏ，ＡｇＯ），酸化銅（ＣｕＯ）からなる金属酸化物粒子は還元時に酸素のみを発生するために、接合後における残渣も残りにくく、体積減少率も非常に小さい。
【００１７】
酢酸系化合物粒子としては、酢酸銀，酢酸銅が挙げられ、ギ酸系化合物粒子としては、ギ酸銀，ギ酸銅が挙げられ、これらの群から少なくとも１種類の金属あるいは２種類以上の金属からなる接合材料を用いることが可能である。先に挙げた酸化物粒子と酢酸系化合物粒子、またはギ酸系化合物粒子が混在している状態が必要である。
【００１８】
金属粒子前駆体の含有量としては、接合材料中における全質量部において５０質量部を超えて９９質量部以下とすることが好ましい。これは接合材料中にける金属含有量が多い方が低温での接合後に有機物残渣が少なくなり、低温での緻密な焼成層の達成及び接合界面での金属結合の達成が可能となり、接合強度の向上さらには高放熱性，高耐熱性を有する接合層とすることが可能になるからである。
【００１９】
有機物からなる還元剤としては、アルコール類，カルボン酸類，アミン類から選ばれた１種以上の混合物を用いることができる。
【００２０】
また、利用可能なアルコール基を含む化合物としては、アルキルアルコールが挙げられ、例えば、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，ヘプチルアルコール，オクチルアルコール，ノニルアルコール，デシルルコール，ウンデシルアルコール，ドデシルアルコール，トリデシルアルコール，テトラデシルアルコール，ペンタデシルアルコール，ヘキサデシルアルコール，ヘプタデシルアルコール，オクタデシルアルコール，ノナデシルアルコール，イコシルアルコール、がある。さらには１級アルコール型に限らず、エチレングリコール，トリエチレングリコール、などの２級アルコール型，３級アルコール型、及びアルカンジオール，環状型の構造を有するアルコール化合物を用いることが可能である。それ以外にもクエン酸，アスコルビン酸など４つのアルコール基を有する化合物を用いてもよい。
【００２１】
また、利用可能なカルボン酸を含む化合物としてアルキルカルボン酸がある。具体例としては、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，ノナデカン酸，イコサン酸が挙げられる。また、上記アミノ基と同様に１級カルボン酸型に限らず、２級カルボン酸型，３級カルボン酸型、及びジカルボン酸，環状型の構造を有するカルボキシル化合物を用いることが可能である。
【００２２】
また、利用可能なアミノ基を含む化合物としてアルキルアミンを挙げることができる。例えば、ブチルアミン，ペンチルアミン，ヘキシルアミン，ヘプチルアミン，オクチルアミン，ノニルアミン，デシルアミン，ウンデシルアミン，ドデシルアミン，トリデシルアミン，テトラデシルアミン，ペンタデシルアミン，ヘキサデシルアミン，ヘプタデシルアミン，オクタデシルアミン，ノナデシルアミン，イコデシルアミンがある。また、アミノ基を有する化合物としては分岐構造を有していてもよく、そのような例としては、２−エチルヘキシルアミン，１，５ジメチルヘキシルアミンなどがある。また、１級アミン型に限らず、２級アミン型，３級アミン型を用いることも可能である。さらにこのような有機物としては環状の形状を有していてもよい。
【００２３】
また、用いる還元剤は上記アルコール，カルボン酸，アミンを含む有機物に限らず、アルデヒド基やエステル基，スルファニル基，ケトン基などを含む有機物を用いても良い。
【００２４】
ここで、エチレングリコール，トリエチレングリコール等の２０〜３０℃において液体である還元剤は、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）などと混ぜて放置すると一日後には銀に還元されてしまうため、混合後はすぐに用いる必要がある。
【００２５】
一方、２０〜３０℃の温度範囲において固体であるミリスチルアルコール，ラウリルアミン，アスコルビン酸等は金属酸化物等と１ヵ月ほど放置しておいても大きくは反応が進まないため、保存性に優れており、混合後に長期間保管する場合にはこれらを用いることが好ましい。また、用いる還元剤は金属酸化物等を還元させた後には、精製された１００ｎｍ以下の粒径を有する金属粒子の保護膜として働くために、ある程度の炭素数があることが望ましい。具体的には、２以上で２０以下であることが望ましい。これは炭素数が２より少ないと、金属粒子が作製されると同時に粒径成長が起こり、１００ｎｍ以下の金属粒子の作製が困難になるからである。また、２０より多いと、分解温度が高くなり、金属粒子の焼結が起こりにくくなった結果、接合強度の低下を招くからである。
【００２６】
還元剤の使用量は金属粒子前駆体の全重量に対して１質量部以上で５０質量部以下の範囲であればよい。これは還元剤の量が１質量部より少ないと接合材料における金属粒子前駆体を全て還元して金属粒子を作製するのに十分な量ではないためである。また、５０質量部を超えて用いると接合後における残渣が多くなり界面での金属接合と接合銀層中における緻密化の達成が困難であるためである。さらに、還元剤としては、４００℃までの加熱時における熱重量減少率が９９％以上であることが好ましい。これは、還元剤の分解温度が高いと接合後における残渣が多くなり、界面での金属接合と接合銀層中における緻密化の達成が困難であるためである。ここで、４００℃までの加熱時における熱重量減少率の測定は、一般に市販されている、Seiko Instruments製ＴＧ／ＤＴＡ６２００や、島津製作所製ＴＧＡ−５０等の熱重量測定が可能な装置を用いて１０℃／minにおいて大気中
で行った場合のものとする。
【００２７】
金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤の組み合わせとしては、これらを混合することにより金属粒子を作製可能なものであれば特に限定されないが、接合用材料としての保存性の観点から、常温で金属粒子を作製しない組み合わせとすることが好ましい。
【００２８】
また、接合材料中には比較的粒径の大きい平均粒径５０μｍ〜１００μｍの金属粒子を混合して用いることも可能である。これは接合中において作製された１００ｎｍ以下の金属粒子が、平均粒径５０μｍ〜１００μｍの金属粒子同士を焼結させる役割を果たすからである。また、粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を予め混合しておいてもよい。この金属粒子の種類としては、金，銀，銅があげられる。上記以外にも白金，パラジウム，ロジウム，オスミウム，ルテニウム，イリジウム，鉄，錫，亜鉛，コバルト，ニッケル，クロム，チタン，タンタル，タングステン，インジウム，ケイ素，アルミニウム等の中から少なくとも１種類の金属あるいは２種類以上の金属からなる合金を用いることが可能である。
【００２９】
この実施形態で用いられる接合材料は金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤のみで用いてもよいが、ペースト状として用いる場合に溶媒を加えてもよい。混合後、すぐに用いるのであれば、メタノール，エタノール，プロパノール，エチレングリコール，トリエチレングリコール，テルピネオールのアルコール類等の還元作用があるものを用いてもよいが、長期間に保管する場合であれば、水，ヘキサン，テトラヒドロフラン，トルエン，シクロヘキサン、など常温での還元作用が弱いものを用いることが好ましい。また、還元剤としてミリスチルアルコールのように常温で還元が起こりにくいものを用いた場合には長期間保管可能であるが、エチレングリコールのような還元作用の強いものを用いた場合には使用時に混合して用いることが好ましい。
【００３０】
また、金属粒子前駆体の溶媒への分散性を向上させるために必要に応じて分散剤を用いて金属粒子前駆体の周りを有機物で被覆し、分散性を向上させてもよい。本発明で用いられる分散剤としては、ポリビニルアルコール，ポリアクリルニトリル，ポリビニルピロリドン，ポリエチレングリコールなどの他に、市販の分散剤として、例えばディスパービック１６０，ディスパービック１６１，ディスパービック１６２，ディスパービック１６３，ディスパービック１６６，ディスパービック１７０，ディスパービック１８０，ディスパービック１８２，ディスパービック１８４，ディスパービック１９０（以上ビックケミー社製），メガファックＦ−４７９（大日本インキ製），ソルスパース２００００，ソルスパース２４０００，ソルスパース２６０００，ソルスパース２７０００，ソルスパース２８０００（以上、アビシア社製）などの高分子系分散剤を用いることができる。このような分散剤の使用量は金属粒子前駆体に接合用材料中において０.０１ｗｔ％以上でかつ４５ｗｔ％を超えない範囲とする。
【００３１】
これらペースト材料は、インクジェット法により微細なノズルからペーストを噴出させて基板上の電極あるいは電子部品の接続部に塗布する方法や、あるいは塗布部分を開口したメタルマスクやメッシュ状マスクを用いて必要部分にのみ塗布を行う方法，ディスペンサを用いて必要部分に塗布する方法，シリコーンやフッ素等を含む撥水性の樹脂を必要な部分のみ開口したメタルマスクやメッシュ状マスクで塗布したり、感光性のある撥水性樹脂を基板あるいは電子部品上に塗布し、露光および現像することにより前記微細粒子等からなるペーストを塗布する部分を除去し、その後接合用ペーストをその開口部に塗布する方法や、さらには撥水性樹脂を基板あるいは電子部品に塗布後、前記金属粒子からなるペースト塗布部分をレーザーにより除去し、その後接合用ペーストをその開口部に塗布する方法がある。これらの塗布方法は、接合する電極の面積，形状に応じて組み合わせ可能である。また、ミリスチルアルコールやアスコルビン酸のような常温で固体のものを還元剤として用いた際には金属粒子前駆体と混合し加圧を加えることでシート状に成形して接合材料として用いる方法がある。
【００３２】
本接合材料を用いた接合では、接合時に金属粒子前駆体から粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を作製し、接合層における有機物を排出しながら粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子の融着による金属結合を行うために熱と圧力を加えることが必須である。接合条件としては、１秒以上１０分以内で５０℃以上４００℃以下の加熱と０.０１〜１０ＭＰａの加圧を加えることが好ましい。
【００３３】
本発明の接合では、金属酸化物粒子，酢酸系化合物粒子，ギ酸系化合物粒子は接合時の加熱によって粒径０.１〜５０ｎｍ程度の酸化物ではない純金属超微粒子化し、この純金属超粒子同士が相互に融合してバルクになる。バルクになった後の溶融温度は通常のバルクの状態での金属の溶融温度と同じであり、純金属超微粒子は低温の加熱で溶融し、溶融後はバルクの状態での溶融温度に加熱されるまで再溶融しないという特徴を有する。これは、純金属超微粒子を用いた場合に低い温度で接合を行うことができ、接合後は溶融温度が向上することから、その後、他の電子部品を接合している際に接合部が再溶融しないというメリットをもたらす。また、接合後の接合層の熱伝導率は５０乃至４３０Ｗ／ｍＫとすることが可能であり、放熱性にも優れている。さらに前駆体が金属酸化物であるため低コストというメリットもある。なお、金属酸化物粒子には還元効果を促進するため、アルコールなどの有機物を被膜させておくことが必要である。接合時の雰囲気は大気雰囲気でよい。
【００３４】
以上の接合材料と接合方法を経て接合された界面には非晶質層が形成される。還元して生成した金属粒子は、接合によって相手部材と金属的に結合されることが接合強度を高めるために要求される。なお、酸化銀と酸化銅混在の場合も上述と同様に接合でき、かつ耐食性向上が図れる利点を有する。
【００３５】
以上で説明した接合材，接合方法を半導体装置のＡｌ電極の接合に用いることにより、優れた接合信頼性を得ることが可能となる。
【００３６】
以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３７】
図１は本発明を適用した絶縁型半導体装置を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′の断面図を示したものである。また、図２は図１の要部を示した斜視図である。
【００３８】
本実施例において、半導体素子１０１の一方の面に形成されたコレクタ電極が、８０ｗｔ％の酸化銀粒子（ミリスチルアルコールを５ｗｔ％含有、接合後は純銀化）と２０ｗｔ％の酢酸銀（接合後は純銀化）を混合した接合材を用いた接合層１０５によって、セラミックス絶縁基板１０３上の配線層１０２に接合されている。セラミックス絶縁基板１０３は支持部材１１０にはんだ層１０９を介して接合されている。セラミックス絶縁基板１０３と配線層１０２をもって配線基板と称する。配線層１０２はＡｌ配線である。接合層１０５は厚さ８０μｍである。半導体素子１０１の他方の面に形成されたエミッタ電極と接続用端子２０１とが、酸化銀粒子と酢酸銀粒子の混合接合材（接合層１０５の接合材と同一材、接合後は純銀層化）を用いて接合されている。また、接続用端子２０１はセラミックス絶縁基板１０３上のＡｌ配線層１０４と酸化銀粒子と酢酸銀粒子の混合接合材（接合層１０５の接合材と同一材、接合後は純銀層化）を用いて接合されている。なお、図１における他の符号は、それぞれ、ケース１１１，外部端子１１２，ボンディングワイヤ１１３，封止材１１４を示している。
【００３９】
図３は図１における半導体素子搭載部分を拡大して示した断面図である。半導体素子１０１のコレクタ電極１０６′と配線層１０２が酸化銀粒子と酢酸銀粒子の混合接合材（接合後は純銀層化）で接合されている。配線層１０２はＡｌ配線である。酸化銀粒子と酢酸銀粒子の混合接合材（接合後は純銀層化）は、半導体素子のエミッタ電極１０６と接続用端子２０１の接合部、及び接続用端子２０１と配線層１０４の接合部にも、同様の構成で適用されている。また、接続用端子２０１はＣｕまたはＣｕ合金で構成されている。それぞれの酸化銀粒子と酢酸銀粒子の混合接合材を用いた接合層１０５は個別に接合してもよいし、同時に接合しもよい。酸化銀粒子と酢酸銀粒子の混合接合材を接合すべき部材の間に配置し、その状態で２５０℃の熱を約１分間加え、同時に１.０ＭＰａの圧力を大気中で加えることにより、接合を行うことができる。接合に当たり、超音波振動を加えることもできる。
【００４０】
図４は本発明の接合部位に対して行った接合強度評価結果を示したもので、接合温度を２５０℃，加圧１.０ＭＰａ一定とし、相手電極の影響を調べた結果を示す。本評価では接合材料として、ミリスチルアルコール５ｗｔ％含んだ平均粒径２μｍの酸化銀粒子と平均粒径１０μｍの酢酸銀粒子の混合材を用いて、大気中でそれぞれＡｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ、及びＡｌ電極への接合を行った。図４の縦軸はせん断強度を示し、Ａｇ電極に対するせん断強度値で規格化したものである。比較のため、Ａｌ電極に対して酸化銀のみ、ミリスチルアルコールを含有した酸化銀、及び酢酸銀粒子のみの評価も加えた。
【００４１】
その結果、Ａｌ電極に対する接合強度は、Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ電極に対して接合した場合と同等の接合強度が得られており、強固な接合が達成されている。しかし、酸化銀のみ，酢酸銀のみでは接合できていないことが判った。本評価結果から、ミリスチルアルコールによる酸化銀の還元効果、あるいは酢酸銀の熱分解に伴う酸成分による還元効果だけではＡｌ電極への接合は達成できないことが判った。
【００４２】
なお、酸化銀以外に酸化銅も選択できることを確認している。さらに酢酸銀以外にギ酸銀，酢酸銅，ギ酸銅も選択でき、同様の効果があることを確認している。
【００４３】
以上の結果より、酸化物金属粒子と酢酸系化合物、またはギ酸系化合物、及び還元剤を含む接合材料を用いて、大気中にて接合を行うことでＡｌ電極への接合が可能であることが判った。
【００４４】
図５は図４のＡｌとの接合部断面の状態を示した図である。本発明方法ではＡｌ表面に形成した非晶質層に対して結合状態にあり、良好な接合が達成できていることが判った。
界面の非晶質層の厚さは０.１〜１００ｎｍ程度である。
【００４５】
次に、本実施例による半導体装置の好ましい例について説明する。
【００４６】
図３に示す金属超微粒子による接合層１０５は放熱部位となる。このため、接合層１０５は放熱性に優れていることが重要であり、接合材料中の金属酸化物粒子としては酸化銀のほかに酸化銅も有効な材料である。あるいは酸化銀と酸化銅の混合材を用いても良い。これらの場合も加熱時の還元効果（アルコールなどの有機物による還元作用、および還元雰囲気の併用）で、生成したナノサイズ粒子が相手電極と接合し、その際の接合温度は２００℃以下でも行うことができる。Ｃｕ又はその合金の熱膨張係数は約８〜１６ppm／℃である。セラミックス絶縁基板１０３には窒化珪素を用いることが好ましい。窒化珪素の熱膨張係数は約９ppm／℃である。またはんだ層１０９を、酸化物を用いた接合層とすることは放熱性向上のため望ましい構成である。
【００４７】
本構造のパワー半導体モジュールは、半導体素子１０１と熱膨張係数が約９ppm／℃の絶縁配線基板とが、熱膨張係数８〜１６ppm／℃の接合材を介して接合されているため、高温環境で顕著になる各部材の熱膨張差に起因する熱応力を小さくすることができる。理想的には接合材の熱膨張係数を配線基板のそれに一致させることで、接合材に生じる熱応力が最小になり、長期信頼性が向上する。
【００４８】
本発明の半導体装置は各種の電力変換装置に適用することができる。電力変換装置に本発明の半導体装置を適用することによって、高温環境の場所に搭載でき、かつ専用の冷却器を持たなくても長期的な信頼性を確保することが可能になる。
【００４９】
図６は半導体装置の回路を説明する図である。４個のＭＯＳ  ＦＥＴ素子１０１が並列に配置された２系統のブロック９１０を有し、各ブロック９１０は直列に接続され、入力主端子３０ｉｎ，出力主端子３０ｏｕｔ，補助端子３１が所定部から引き出されて半導体装置９００の要部を構成している。また、この回路の稼働時における温度検出用サーミスタ３４が半導体装置９００内に独立して配置されている。
【００５０】
また、インバータ装置及び電動機は、電気自動車にその動力源として組み込むことができる。この自動車においては、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できたため、ギヤーの噛込み比率の違いにより変速していた従来の自動車に比べ、変速時のショックが軽減され、スムーズな走行が可能で、振動や騒音の面でも従来よりも軽減することができる。
なお、本実施例の半導体装置９００は、図７に示すハイブリッド自動車電動機９６０の回転数制御用インバータ装置に組み込むことが可能である。
【００５１】
更に、本実施例の半導体装置９００を組み込んだインバータ装置は冷暖房機に組み込むことも可能である。この際、従来の交流電動機を用いた場合よりも高い効率を得ることができる。これにより、冷暖房機使用時の電力消費を低減することができる。また、室内の温度が運転開始から設定温度に到達するまでの時間を、従来の交流電動機を用いた場合よりも短縮できる。
【００５２】
本実施例と同様の効果は、半導体装置９００が他の流体を撹拌又は流動させる装置、例えば洗濯機，流体循環装置等に組み込まれた場合でも享受できる。
【００５３】
なお、本発明の金属超微粒子仕様接合材は、例えばＬＥＤバックライトのような発熱が大きい部位の接合にも適用可能である。
【実施例２】
【００５４】
実施例２として、Ａｌで構成されるベース板の上に電子素子を搭載するための配線層を有するアルミベース絶縁配線基板に本発明の接合を適用した例を説明する。図９を用いて本実施例の構造を説明する。まず、Ａｌベース板４０１にアルマイト処理を施し、Ａｌベース板４０１の表面に酸化アルミニウム層４０２を形成した。このＡｌベース板表面の酸化アルミニウムと、金属配線層４０４を本発明の接合材を用いて接合し、アルミベース絶縁配線基板を作成した。本実施例では金属配線層４０４は銅とした。また、接合材として実施例１と同様の接合材を用いて、大気中２５０℃，加圧１ＭＰａ，時間１分の条件で接合を行った。
【００５５】
アルマイト処理が施されたＡｌベース板と接合層の断面を確認したところ、Ａｌベース板のアルミニウムと銀層が、非晶質層の酸化アルミニウムを介して結合されており、良好な接合が達成できていることが判った。
【００５６】
また、このサンプルに対して導通試験を実施したところ、電気的導通は確認できなかった。すなわち、Ａｌベース板と配線との絶縁はＡｌベース板表面に形成した酸化層によって確保されている。酸化層の厚みとしては、絶縁性を確保するために、１０μｍ以上とすることが好ましい。また、酸化層の厚みが厚すぎると母材のアルミニウムと酸化物層との間の熱膨張率差による熱応力により反り等の不具合が生じるため、酸化層の厚みは５００μｍ以下とすることが好ましい。
【００５７】
ここで、従来のアルミベース絶縁配線基板の一例を図１０に示す。図１０に示したように、従来構造ではＡｌベース板４０１と金属配線層４０４との絶縁を確保するために、Ａｌベース板４０１と金属配線層４０４との間に樹脂絶縁層４０５を配置している。樹脂絶縁層４０５と金属配線層４０４は接着剤４０６を用いて接合され、接着剤４０６としては、エポキシ系接着剤などが用いられる。このように樹脂絶縁層４０５により絶縁性を確保したアルミベース絶縁配線基板では、樹脂絶縁層４０５や接着剤４０６を用いるために１５０℃以上の環境で使用することは難しく、耐熱性の面で制限があった。また、樹脂絶縁層や接着剤の熱伝導率を高くできないため、放熱性の向上にも限界があった。図１０の構成以外にも絶縁部材として樹脂絶縁層の代わりにセラミックス基板を用いた構造もある。この場合、セラミックス基板と配線層の接合は融点が約８００℃の銀ろう材により行われる。この構造において、耐熱性は問題ないが、樹脂絶縁層を用いた場合と同様に放熱性の向上には限界がある。
【００５８】
これに対して、本実施例の構造では、Ａｌベース板４０１の表面に形成した酸化アルミニウム層４０２により絶縁を確保しているため、樹脂絶縁層やセラミックス基板は不要である。酸化アルミニウム層は、樹脂絶縁層やセラミックス基板と比較して耐熱性，熱伝導率に優れている。また、本実施例では、Ａｌベース板と配線層の接合は金属粒子の焼結体により達成されており、従来の接着剤よりも耐熱性，熱伝導率に優れている。このことから、本実施例のアルミベース絶縁配線基板は、従来の構造と比較して耐熱性，放熱性を向上することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１０１  半導体素子
１０２，１０４  配線層
１０３  セラミックス絶縁基板
１０５  接合層
１０６  エミッタ電極
１１０  支持部材
２０１  接続用端子
３０１  金属基材
３０２  粒子層
４０１  Ａｌベース板
４０２  酸化アルミニウム層（アルマイト処理面）
４０３  銀系接合層
４０４  金属配線層
４０５  樹脂絶縁層
４０６  接着剤
【図１】
0005286115.tif 000002
【図２】
0005286115.tif 000003
【図３】
0005286115.tif 000004
【図４】
0005286115.tif 000005
【図５】
0005286115.tif 000006
【図６】
0005286115.tif 000007
【図７】
0005286115.tif 000008
【図８】
0005286115.tif 000009
【図９】
0005286115.tif 000010
【図１０】
0005286115.tif 000011