(57)【要約】【課題】ニッケルからなる表面と金属又は合金からなる表面との接合に焼結を利用可能とする。【解決手段】実施形態に係る複合体は、ニッケルからなる第１表面を有している第１部品と、前記第１表面と向き合い、金属又は合金からなる第２表面を有している第２部品と、前記第１及び第２表面間に介在し、それらを互いに接合した接合部であって、錫と、銀及び銅の少なくとも一方とを含有し、前記銀及び銅の少なくとも一部は互いに接合された粒子の形態で存在している接合部とを具備している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケルからなる第１表面を有している第１部品と、
前記第１表面と向き合った第２表面を有している第２部品と、
前記第１及び第２表面間に介在し、それらを互いに接合した接合部であって、錫と、銀及び銅の少なくとも一方とを含有し、前記銀及び銅の少なくとも一部は互いに接合された粒子の形態で存在している接合部と
を具備した複合体。
【請求項２】
前記接合部において、銀と銅との合計量に対する錫の量の原子比は０．０２乃至１％の範囲内にある請求項１に記載の複合体。
【請求項３】
前記粒子の粒径は１乃至１００００ｎｍの範囲内にある請求項１又は２に記載の複合体。
【請求項４】
前記接合部は錫と銀とを含んだ請求項１乃至３の何れか１項に記載の複合体。
【請求項５】
前記第１部品は、銅からなる第１部分と、これを被覆したニッケルからなる第２部分とを備え、前記第２部品は前記接合部を介して前記第２部分に接合されている請求項１乃至４の何れか１項に記載の複合体。
【請求項６】
前記複合体は半導体装置である請求項１乃至５の何れか１項に記載の複合体。
【請求項７】
前記第１部品は、絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられた第１導体層と、これを被覆したニッケルからなる第２導体層とを備え、
前記第２部品は、前記接合部を介して前記第２導体層に接合された半導体チップである請求項６に記載の複合体。
【請求項８】
半導体チップと端子とを更に具備し、
前記第１部品は、前記半導体チップを支持し、絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられた第１導体層と、これを被覆したニッケルからなる第２導体層とを備え、
前記第２部品は、一端が前記端子に接続され、他端が前記接合部を介して前記第２導体層に接合された導線である請求項６に記載の複合体。
【請求項９】
半導体チップを更に具備し、
前記第１部品は、端子本体と、これを被覆したニッケルからなる被覆層とを備え、
前記第２部品は、一端が前記半導体チップに接続され、他端が前記被覆層に接合された導線である請求項６に記載の複合体。
【請求項１０】
ニッケルからなる第１表面と第２表面との接合に使用する導電組成物であって、
極性溶媒と、
前記極性溶媒中に分散され、銀及び銅の少なくとも一方からなる粒子と、
錫を含み、前記極性溶媒中に溶解した溶質と
を含有した導電ペースト。
【請求項１１】
銀と銅との合計量に対する錫の量の原子比は０．０２乃至１％の範囲内にある請求項１０に記載の導電ペースト。
【請求項１２】
前記粒子の粒径は１乃至１００００ｎｍの範囲内にある請求項１０又は１１に記載の導電ペースト。
【請求項１３】
前記粒子は銀を含んだ請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の導電ペースト。
【請求項１４】
前記溶質は錫を含有した化合物である請求項１０乃至１３の何れか１項に記載の導電ペースト。
【請求項１５】
請求項１０乃至１４の何れか１項に記載の導電ペーストを乾燥させてなる乾燥物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、導電ペースト、その乾燥物、及び複合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
半田は、電子機器において、例えば、電子部品と基板とを接合する材料として使用されている。そのような半田については、鉛フリー化が進められている。
【０００３】
しかしながら、パワーデバイスは使用時に高温となる。そのため、パワーデバイスにおける接合の形成に使用する半田については、鉛フリー化が困難であった。
【０００４】
また、近年では、シリコンよりも高温での動作が可能なワイドバンドギャップ半導体の開発が進んでいる。そのような半導体を使用したデバイスの動作温度は３００℃程度に達することが予想されている。このため、接合部には、一般的な半田で達成可能な耐熱性と比較して、より高い耐熱性が求められている。
【０００５】
現在、金属粒子の焼結を利用して、耐熱性に優れた接合部を形成することが試みられている。この技術では、接合材として、例えば、第１の金属からなる微粒子と第２の金属からなる微粒子とを含んだペーストを使用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１９８６７４号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４９２５７号公報
【特許文献３】特開２０１２−１２４４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、ニッケルからなる表面と他の表面との接合に焼結を利用可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１実施形態によれば、ニッケルからなる第１表面を有している第１部品と、前記第１表面と向き合った第２表面を有している第２部品と、前記第１及び第２表面間に介在し、それらを互いに接合した接合部であって、錫と、銀及び銅の少なくとも一方とを含有し、前記銀及び銅の少なくとも一部は互いに接合された粒子の形態で存在している接合部とを具備した複合体が提供される。
【０００９】
第２実施形態によれば、ニッケルからなる第１表面と第２表面との接合に使用する導電組成物であって、極性溶媒と、前記極性溶媒中に分散され、銀及び銅の少なくとも一方からなる粒子と、錫を含み、前記極性溶媒中に溶解した溶質とを含有した導電ペーストが提供される。
【００１０】
第３実施形態によれば、第２実施形態に係る導電ペーストを乾燥させてなる乾燥物が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る導電ペーストを概略的に示す図。
【図２】図１の導電ペーストを用いて得られる接合部の一例を概略的に示す断面図。
【図３】実施形態に係る複合体の一例を概略的に示す断面図。
【図４】実施例に係るサンプルの電子顕微鏡写真。
【図５】実施例に係るサンプルについて得られた元素分析の結果を示すグラフ。
【図６】錫の添加量とダイシェア強度との関係の一例を示すグラフ。
【図７】比較例に係るサンプルの電子顕微鏡写真。
【図８】他の比較例に係るサンプルの電子顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同様又は類似した機能を発揮する構成要素には全ての図面を通じて同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
＜導電ペースト＞
図１に示す導電ペースト１は、鉛フリーであって、粒子２と、粒子２が分散した溶液３とを含んでいる。溶液３は、極性溶媒と、これに溶解した溶質とを含んでいる。
【００１４】
粒子２は、導電ペースト１を焼結してなる焼結体において、特には、導電ペースト１を用いて形成する接合部において、母材としての役割を果たす。
【００１５】
粒子２は、銀及び銅の少なくとも一方からなる。粒子２は、銀からなる粒子であってもよく、銅からなる粒子であってもよく、銀と銅との合金からなる粒子であってもよく、これらの２以上を含んだ混合物であってもよい。
【００１６】
粒子２の粒径は、所望の焼結体が形成できる限り、小さいことが好ましい。粒径が小さくなるほど活性が高くなり、しかも、焼結体における粒子同士の接触面積が増大する。その結果、焼結体の電気伝導性や熱伝導性が向上する。また、粒子２の粒径が小さな導電ペースト１を接合に用いた場合には、より高い接合強度を実現できる。
【００１７】
粒子２の粒径は、好ましくは１乃至１００００ｎｍの範囲内にあり、より好ましくは１０乃至５００ｎｍの範囲内にある。粒子２は、特定の粒径範囲のものを単独で使用することができる。或いは、異なる範囲の粒径を有する複数の粒子を組み合わせて使用してもよい。
【００１８】
ここで、「粒径」は、透過電子顕微鏡を用いた観察によって得られる値である。具体的には、先ず、透過電子顕微鏡を用いて粒子を撮影し、視野内の粒子のうち全体が見えているものを選択する。撮影の倍率は、例えば１０００００倍とする。次いで、選択した粒子の各々の面積を求め、その面積と等しい円の直径を算出する。このようにして得られた直径を粒子の粒径とする。
【００１９】
導電ペースト１における粒子２の含有量は、所望の焼結体が形成可能な範囲内であれば特に限定されない。粒子２の含有量が多いほど、接合形成プロセスの初期において、導電ペースト１から得られる塗膜に占める固体の割合を高めることができる。導電ペースト１における粒子２の含有量は、好ましくは５０質量％以上１００質量％未満、より好ましくは５０質量％以上９９質量％未満である。
【００２０】
粒子２の表面は、親水性基で修飾しておいてもよい。例えば、粒子２の表面は、親水性基を有する有機物を吸着していてもよい。或いは、粒子２の表面には、親水性基を有する有機物が結合していてもよい。この有機物は、粒子２の表面を保護するとともに、極性溶媒中における粒子２の分散安定性を高める作用を有する。親水性基によって、粒子２の極性溶媒への分散安定性が向上するので、粒子２の凝集を抑制することができる。親水性基としては、例えば、水酸基、アミノ基及びイミノ基等が挙げられる。なお、これら有機物は、少なくとも粒子２の表面に固定化されている点で、極性溶媒とは異なっている。
【００２１】
導電ペースト１における上記有機物の含有量は、粒子２の含有量を多くするためには可能な限り少量であることが望ましい。この含有量は、例えば、０．１乃至１０質量％の範囲内にあることが好ましい。粒子２の表面に存在する有機物の量は、熱重量分析などによって確認することができる。
【００２２】
溶質は、錫を含んでいる。  
溶質を省略した導電ペーストから得られる層に、例えば２００乃至３５０℃程度の熱処理を施すと、粒子同士が融着し、微細な空隙を有する焼結体が得られる。このようにして得られた焼結体は、上記の熱処理の温度又はそれより高い温度環境に放置すると、銀や銅の流動を生じ、空隙が接合界面近傍へ集まってしまう可能性がある。空隙が接合界面近傍へ集まると、接合強度、電気伝導性、及び熱伝導性などの性能が著しく低下する。
【００２３】
導電ペースト１は、上記の通り、錫を含んでいる。そのような導電ペースト１から得られる焼結体は、錫がニッケルと銀との間で接合を形成するため、ニッケルに対して容易に接合を形成できる。それ故、この導電ペースト１を用いた場合、通常の錫を含まない銀又は銅粒子からなる導電ペーストでは接合をすることが困難であった、表面処理として一般的なニッケルめっきを施した電子部品や基板の電極・端子の接合が可能となる。
【００２４】
錫は、例えば、有機金属化合物、有機金属錯体及び塩などの化合物の形態で導電ペースト１に含まれている。この錫含有化合物は、極性溶媒に溶解している。なお、錫含有化合物が錯体である場合、錫は錯イオンの形態で極性溶媒に溶解している。また、錫含有化合物が有機金属化合物又は塩である場合、錫は有機金属イオン又は金属単体のイオンの形態で極性溶媒に溶解している。
【００２５】
導電ペーストが錫を粒子の形態で含んでいる場合、ニッケルに対する接合を得るには、比較的大量の錫が必要である。また、錫粒子が凝集した場合は、接合層の中に融点の低い錫が残留して耐熱性を損ねやすい。
【００２６】
上記の通り、導電ペースト１は、錫を錫含有化合物の形態で含み、この化合物は極性溶媒に溶解している。それ故、この導電ペースト１から得られる焼結体では、錫は、極めて小さな微粒子の形態で、焼結体全体に亘って均一に分布し得る。従って、この導電ペースト１を用いた場合、少量の錫で接合層の耐熱性を大きく低下させることなく、ニッケルへの接合性を得ることができる。
【００２７】
また、導電ペースト１を焼結した場合、錫の少なくとも一部は、銀及び銅の少なくとも一部と金属間化合物を形成し得る。そのような金属間化合物は、錫と比較して高い融点を有している。そして、錫の少なくとも一部が銀及び銅の少なくとも一部と金属間化合物を形成した焼結体は、そのような金属間化合物が形成されていない焼結体と比較して、高い高度を有している。即ち、上記の金属間化合物を生じさせると、焼結体の熱安定性及び機械的強度が向上する。
【００２８】
錫含有化合物は、酢酸錫などの錫のカルボン酸塩のように、極性溶媒に溶解し、熱処理又は還元処理によって分解し得るものであれば、どのようなものであってもよい。錫含有化合物は、単独で使用してもよく、２以上を併用してもよい。
【００２９】
錫含有化合物としては、極性溶媒への溶解性の観点では、錫のカルボン酸塩を使用することが好ましい。また、半導体素子などへの熱による影響を考慮すると、焼結のための熱処理の温度は、例えば、４００℃以下であることが好ましい。従って、錫含有化合物は、例えば４００℃以下で分解するものであることが好ましい。
【００３０】
導電ペースト１における錫の含有量は、導電ペースト１における粒子２の含有量と比較して少ない。導電ペースト１において、銀と銅との合計量に対する錫の量の原子比は、好ましくは０．００１乃至１％の範囲内にあり、より好ましくは０．０２乃至１％の範囲内にあり、更に好ましくは０．０２乃至０．２％の範囲内にある。この比が小さい場合、ピン止め効果が小さい。錫の含有量を多くすると、錫含有化合物の一部が極性溶媒に溶解しない可能性がある。そして、この比を過剰に大きくすると、硬化物の機械的強度、電気伝導性及び熱伝導性などの性能が低下する。
【００３１】
導電ペースト１が極性溶媒に溶解していない錫含有化合物を含んでいる場合、焼結体において、錫を銀や銅の粒界に均一に分散させることができない。場合によっては、焼結体中に粗大粒子や粗大空隙などの欠陥が発生することがある。なお、粗大粒子は、錫の析出及び凝集によって生じる。また、粗大空隙は、錫含有化合物に含まれる有機成分が焼結の際にガス化することによって生じる。
【００３２】
粗大粒子や粗大空隙を含んだ焼結体は、粗大粒子や粗大空隙を含んでいない焼結体と比較して、機械的強度、電気伝導性及び熱伝導性などの性能が低い傾向にある。従って、錫含有化合物の含有量の上限は、それが極性溶媒へ完全に溶けきる量以下であることが望まれる。即ち、錫含有化合物の含有量は、その極性溶媒に対する溶解度以下の量であることが好ましい。
【００３３】
極性溶媒は、錫含有化合物を溶解させ得るものであれば、どのようなものを使用してもよい。極性溶媒としては、例えば、（ａ）アルコール、（ｂ）グリコールエーテル、（ｃ）グリコールエステル、（ｄ）グリコールエーテルエステル、（ｅ）エステル、又は（ｆ）アミノ化合物を使用することができる。
【００３４】
（ａ）アルコールとしては、例えば、脂肪族アルコール、脂環式アルコール、芳香脂肪族アルコール、及び多価アルコールが挙げられる。脂肪族アルコールとしては、例えば、ヘプタノール；１−オクタノール及び２−オクタノール等のオクタノール；１−デカノール等のデカノール；ラウリルアルコール；テトラデシルアルコール；セチルアルコール；オクタデシルアルコール；ヘキサデセノール；並びにオレイルアルコール等の飽和又は不飽和脂肪族アルコールが挙げられる。脂環式アルコールとしては、例えば、シクロヘキサノール等のシクロアルカノール；及び、モノテルペンアルコール等のテルペンアルコール、例えば、テルピネオール又はジヒドロテルピネオールが挙げられる。芳香脂肪族アルコールとしては、例えば、ベンジルアルコール及びフェネチルアルコールが挙げられる。多価アルコールとしては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、及びジプロピレングリコールが挙げられる。
【００３５】
（ｂ）グリコールエーテルとしては、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、及びトリプロピレングリコールブチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル；並びに、２−フェノキシエタノール等の（ポリ）アルキレングリコールモノアリールエーテルが挙げられる。
【００３６】
（ｃ）グリコールエステルとしては、例えば、酢酸カルビトール等の（ポリ）アルキレングリコールアセテートが挙げられる。
【００３７】
（ｄ）グリコールエーテルエステルとしては、例えば、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテルアセテートが挙げられる。
【００３８】
（ｅ）エステルとしては、例えば、酢酸ベンジル、酢酸イソボルネオール、安息香酸メチル、及び安息香酸エチルが挙げられる。
【００３９】
（ｆ）アミノ化合物としては、例えば、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、Ｎ−メチルジエタノールアミン、及びＮ−エチルジエタノールアミンが挙げられる。
【００４０】
また、極性溶媒として水を用いることもできる。  
これらの極性溶媒は、単独で使用することができる。或いは、これらの極性溶媒は、相分離せず均一に混合できる限り、２種以上組み合わせて使用してもよい。
【００４１】
導電ペースト１は、極性溶媒に加え、非極性溶媒を更に含むことができる。この場合、相分離を生じないように、非極性溶媒の量は、極性溶媒と比較して少ない量とする。非極性溶媒としては、例えば、（ｇ）脂肪族炭化水素、及び、（ｈ）芳香族炭化水素が挙げられる。
【００４２】
（ｇ）脂肪族炭化水素としては、例えば、テトラデカン、オクタデカン、ヘプタメチルノナン、及びテトラメチルペンタデカン等の飽和又は不飽和脂肪族炭化水素が挙げられる。  
（ｈ）芳香族炭化水素としては、例えば、トルエン及びキシレンが挙げられる。
【００４３】
導電ペースト１は、例えば、粒子２と錫含有化合物と極性溶媒とを混合することによって調製することができる。例えば、先ず、粒子２を極性溶媒中に分散させ、得られた分散液に錫含有化合物を溶解させる。或いは、錫含有化合物を極性溶媒に溶解させ、得られた溶液中に粒子２を分散させる。或いは、粒子２を極性溶媒中に分散させたペーストを準備し、このペーストと錫含有化合物とを混合してもよい。銀からなるナノ粒子をテルピネオール中に分散させたペーストは、配線形成や接合用途向けの金属ナノ粒子ペーストとして知られている。
【００４４】
＜接合の形成＞
上述した導電ペースト１は、ニッケルからなる第１表面を有している第１部品と、第２表面を有している第２部品との接合に使用する。接合は、例えば、以下の方法により行う。
【００４５】
先ず、第１及び第２表面の少なくとも一方に、導電ペースト１を供給する。導電ペースト１の供給は、例えば、印刷又は塗布によって行う。導電ペースト１の供給は、連続膜の形態の塗膜が形成されるように行ってもよく、１以上のパターンの形態の塗膜が形成されるように行ってもよい。
【００４６】
次いで、必要に応じて、塗膜を乾燥させる。例えば、塗膜に対して、加熱、減圧、又はそれらの両方を行う。或いは、塗膜を常温常圧下に放置する。
【００４７】
導電ペースト１が含有している極性溶媒は、場合によっては、粒子２同士の接合を阻害することがある。塗膜を乾燥させることによって、そのような不都合を回避することができる。
【００４８】
乾燥後の塗膜には、溶媒の一部が残留していてもよい。また、加熱を行う場合、錫含有化合物の少なくとも一部を熱分解させてもよい。この乾燥工程は省略することができる。
【００４９】
その後、第１及び第２部品を、塗膜が第１及び第２表面間に介在するように重ね合わせる。この際、第１及び第２部品を互いに対して押し当ててもよい。この加圧により、粒子２同士の接触面積、並びに、粒子２と第１及び第２表面との接触面積が増加する。その結果、接合強度、電気伝導性、及び熱伝導性などの性能が向上する。加圧を行う場合、圧力は、５ＭＰａ以上とすることが好ましい。
【００５０】
続いて、第１及び第２部品を重ね合わせた状態で熱処理を行う。  
この熱処理は、例えば、還元雰囲気又は不活性雰囲気中で、好ましくは還元雰囲気中で行う。例えば、この熱処理は、窒素で希釈した蟻酸雰囲気中で行う。還元雰囲気中で熱処理を行うと、ニッケル酸化膜の還元も生じさせることができる。
【００５１】
熱処理温度は、好ましくは２００乃至４００℃とし、より好ましくは２５０乃至３００℃とする。
【００５２】
熱処理は、第１及び第２部品を互いに対して押し当てた状態で行ってもよい。
【００５３】
この熱処理は、粒子２同士の接合並びに粒子２と第１及び第２表面との接合を促進し得る。加えて、この熱処理は、錫含有化合物の熱分解と、粒子２の表面上での錫の析出とを生じさせ得る。  
以上のようにして、第１及び第２表面に接合された接合部が得られる。
【００５４】
図２は、上述した方法により得られる接合部の一例を概略的に示す断面図である。  
図２に示す構造では、第１部品１０は、本体１０ａと、これを被覆した被覆層１０ｂとを含んでいる。第１部品１０と第２部品２０とは、被覆層１０ｂが第２部品２０と向き合うように、互いから離間している。
【００５５】
本体１０ａは、例えば、金属、合金、半導体、又は絶縁体からなる。被覆層１０ｂは、ニッケルからなる。第２部品２０は、例えば、金属、合金、半導体、又は絶縁体からなる表面を有している。
【００５６】
第１部品１０と第２部品２０とは、接合部３０を介して互いに接合されている。接合部３０は、母材３１と、これに担持された錫３２とを含んでいる。
【００５７】
母材３１は、図１に示す粒子２を互いに接合させてなる。母材３１を構成している粒子の粒径は、典型的には、導電ペースト１における粒子２の粒径と同様である。
【００５８】
母材３１は、多孔質の層である。母材３１の一方の面は被覆層１０ｂに接合され、他方の面は第２部品２０に接合されている。
【００５９】
錫３２は、粒子の形態で母材３１に担持されている。一例によれば、錫３２は、例えば１乃至５００ｎｍの、典型的には１００ｎｍ以下の粒径を有している粒子の形態で、接合部３０の全体に亘って均一に分布している。錫が粒子の形態で存在している場合、典型的には、その平均粒径は、母材を構成している粒子の平均粒径と比較してより小さい。
【００６０】
金属粒子の焼結を利用した接合法には、接合すべき部品の少なくとも一方の表面がニッケルからなる場合に、接合強度、電気伝導性、及び熱伝導性などの性能の点で改善の余地があった。例えば、導電ペースト１において、錫含有化合物の代わりに、他の金属を含有した化合物を使用した場合、接合部とニッケルからなる第１表面との界面に大きな空隙を生じ、接合強度、電気伝導性、及び熱伝導性などの性能、特には接合強度が不十分となることがある。
【００６１】
この接合部３０では、母材３１を構成している粒子は、第１部品１０と第２部品２０との隙間全体に亘って均一に分布している。換言すれば、この接合部３０では、微細な空隙が、第１部品１０と第２部品２０との隙間全体に亘って均一に分布している。そして、この母材３１と第１部品１０との界面や、この母材３１と第２部品２０との界面には、大きな空隙はない。従って、上述した方法によると、接合強度、電気伝導性、及び熱伝導性などの性能に優れた接合を形成することができる。
【００６２】
また、この接合部３０では、錫３２は、非常に小さな粒径を有している粒子の形態で、接合部３０の全体に亘って均一に分布している。それ故、この接合部は、ピン止め効果が大きい。換言すれば、この接合部３０は、高い熱安定性を有している。従って、このようにして接合を形成した場合、高温環境下においても、空隙が接合界面近傍へ集まることに起因した性能の低下を生じ難い。
【００６３】
即ち、ここで説明した技術によれば、第１表面はニッケルからなるにも拘らず、優れた性能を達成することができる。
【００６４】
また、この接合部３０は、４００℃以上の融点を有している。即ち、この接合部３０は、半導体装置の製造プロセスにおいて行う熱処理の温度や半導体装置の動作温度に対して十分な耐熱性を有している。
【００６５】
接合部３０では、錫３２は、粒子の形態で存在していなくてもよい。錫３２が母材３１の粒界又はその近傍に存在していれば、十分に大きなピン止め効果が得られる。
【００６６】
また、錫３２は、接合部３０が十分な電気伝導性及び熱伝導性を有している限り、金属酸化物等の化合物や合金の形態であってもよい。
【００６７】
＜複合体＞
複合体は、第１部品と第２部品と接合部とを含んでいる。第１部品は、ニッケルからなる第１表面を有している。第２部品は、第１表面と向き合った第２表面を有している。接合部は、第１及び第２表面間に介在し、それらを互いに接合している。接合部は、錫と、銀及び銅の少なくとも一方とを含有し、銀及び銅の少なくとも一部はこれを含んだ粒子の形態で存在している。
【００６８】
複合体は、例えば、電子機器又はその一部である。一例によれば、複合体は、パワーモジュールなどの半導体装置である。複合体は、電子機器以外の構造体であってもよい。
【００６９】
第１部品は、全体がニッケル製であってもよく、ニッケル以外の材料からなる部分とニッケルからなる部分とを含んでいてもよい。一例によれば、第１部品は、回路基板、端子、又はそれらの一部である。
【００７０】
第２部品は、一体品であってもよく、複数の要素で構成されていてもよい。一例によれば、第２部品は、半導体チップ又は導線である。なお、典型的には、第２表面は、金属又は合金からなる。
【００７１】
複合体は、第１及び第２部品に加え、他の部品を更に含んでいてもよい。例えば、第２部品が導線である場合、複合体は、半導体チップを更に含んでいてもよい。
【００７２】
図３は、実施形態に係る複合体を概略的に示す断面図である。  
図３に示す複合体は、半導体装置、具体的にはパワーモジュール１００である。
【００７３】
パワーモジュール１００は、ケース１０１を含んでいる。ケース１０１は、例えば、絶縁体からなるか、又は、絶縁体からなる表面を有している。
【００７４】
ケース１０１には、ヒートシンク１０２、ベースプレート１０３、絶縁基板１０４、並びに端子１０５ａ及び１０５ｂが取り付けられている。
【００７５】
ヒートシンク１０２、ベースプレート１０３、及び絶縁基板１０４は、この順に重ねられている。
【００７６】
ヒートシンク１０２は、ここでは、一方の主面に多数のフィン又はピンが設けられた板である。ヒートシンク１０２は、例えば、銅などの金属又は合金からなる。
【００７７】
ベースプレート１０３は、銅などの金属又は合金からなる板である。ベースプレート１０３は、ヒートシンク１０２のフィン又はピンが設けられた面の裏面に接合されている。
【００７８】
絶縁基板１０４は、例えば、セラミックスなどの絶縁体からなる板である。絶縁基板１０４は、ベースプレート１０３に接合されている。なお、図３には、絶縁基板１０４を１つのみ描いているが、ベースプレート１０３上には、複数の絶縁基板１０４を配置してもよい。
【００７９】
絶縁基板１０４の少なくとも一方の主面、ここでは、ベースプレート１０３側の面の裏面には、導体パターン（図示せず）が設けられている。導体パターンは、例えば、銅からなる第１導体層と、これを被覆したニッケルからなる第２導体層とを含んでいる。
【００８０】
パワーモジュール１００は、半導体チップ１０６ａ及び１０６ｂと、導線１０８ａ１、１０８ａ２及び１０８ｂとを更に含んでいる。
【００８１】
半導体チップ１０６ａ及び１０６ｂは、例えば、ＳｉＣからなる半導体基板を含んでいる。この半導体基板には、例えば、トランジスタなどの半導体素子が形成されている。ここでは、一例として、半導体チップ１０６ａ及び１０６ｂの各々は、表面電極及び裏面電極を有しているとする。
【００８２】
半導体チップ１０６ａ及び１０６ｂの各々は、接合部１０７を介して絶縁基板上の導体パターンに接合されている。接合部１０７は、ここでは、上述した導電ペースト１を用いて形成したものであるとする。
【００８３】
導線１０８ａ１、１０８ａ２及び１０８ｂは、例えば、銅などの金属又は合金からなる。導線１０８ａ１の一端は、絶縁基板１０４上の導体パターンに接合されており、他端は端子１０５ａに接合されている。導線１０８ａ２の一端は、半導体チップ１０６ａの表面電極に接合されており、他端は端子１０５ｂに接合されている。導線１０８ｂの一端は、半導体チップ１０６ｂの表面電極に接合されており、他端は端子１０５ｂに接合されている。
【００８４】
このパワーモジュール１００では、接合部１０７を、上述した導電ペースト１を用いて形成している。それ故、このパワーモジュール１００は、接合部１０７の性能、具体的には、接合強度、電気伝導性、及び熱伝導性に優れている。
【００８５】
なお、ここでは、導電ペースト１を用いた接合は、半導体チップ１０６ａ及び１０６ｂと絶縁基板１０４との接合に利用している。導電ペースト１を用いた接合は、他の接合に利用してもよい。
【００８６】
例えば、導電ペースト１を用いた接合は、ヒートシンク１０２とベースプレート１０３との接合に利用してもよい。例えば、ヒートシンク１０２を、例えば銅からなるヒートシンク本体と、その一方の面を被覆したニッケルからなる被覆層とで構成し、導電ペースト１を用いて、ベースプレート１０３を被覆層へ接合してもよい。
【００８７】
導電ペースト１を用いた接合は、ベースプレート１０３と絶縁基板１０４との接合に利用してもよい。例えば、ベースプレート１０３をベースプレート本体とその一方の面を被覆したニッケルからなる被覆層とで構成し、導電ペースト１を用いて、絶縁基板１０４を被覆層へ接合してもよい。
【００８８】
導電ペースト１を用いた接合は、導線１０８ａ１と絶縁基板１０４上の導体パターンとの接合に利用してもよい。例えば、導体パターンを、銅からなる第１導体層と、これを被覆したニッケルからなる第２導体層とで構成し、導電ペースト１を用いて、導線１０８ａ１を第２導体層へ接合してもよい。
【００８９】
導電ペースト１を用いた接合は、導線１０８ａ１と端子１０５ａとの接合に利用してもよい。例えば、端子１０５ａを、銅からなる端子本体と、これを被覆したニッケルからなる被覆層とで構成し、導電ペースト１を用いて、導線１０８ａ１を被覆層へ接合してもよい。
【００９０】
導電ペースト１を用いた接合は、導線１０８ａ２又は１０８ｂと半導体チップ１０６ａの表面電極との接合に利用してもよい。例えば、表面電極を、銅からなる第１導体層と、これを被覆したニッケルからなる第２導体層とで構成し、導電ペースト１を用いて、導線１０８ａ２又は１０８ｂを第２導体層へ接合してもよい。
【００９１】
導電ペースト１を用いた接合は、導線１０８ａ２又は１０８ｂと端子１０５ｂとの接合に利用してもよい。例えば、端子１０５ｂを、銅からなる端子本体と、これを被覆したニッケルからなる被覆層とで構成し、導電ペースト１を用いて、導線１０８ａ２又は１０８ｂを被覆層へ接合してもよい。
【００９２】
＜乾燥物＞
導電ペースト１を第１又は第２部品へ印刷又は塗布する代わりに、導電ペースト１を乾燥させてなる乾燥物と、これを剥離可能に支持した支持体とを含んだ転写部材を準備しておき、この乾燥物を、支持体から第１又は第２部品へ転写してもよい。なお、この場合、乾燥物は、典型的にはシートの形態にある。
【００９３】
転写部材は、例えば、剥離シートと、その上に導電ペースト１を印刷又は塗布し、これにより得られる塗膜を乾燥させてなる導電シートとを含んだ転写シートである。導電シートは、剥離シートの剥離面全体に形成してもよく、その一部の領域にのみ形成してもよい。塗膜は、常温で放置することにより乾燥させてもよく、低温で加熱することにより乾燥させてもよい。塗膜の乾燥は、常圧下で行ってもよく、減圧下で行ってもよい。
【００９４】
なお、ここでは、導電ペースト中の溶媒の大部分が除去され、流動性が失われた状態を、「乾燥」と称する。従って、乾燥物は、少量の溶媒を含んでいても構わない。
【００９５】
乾燥物の調製に使用する導電ペーストには、バインダや可塑剤を添加してもよい。この場合、乾燥物の形状精度や可塑性を高めることができる。
【００９６】
バインダとしては、以下の群から選ばれる樹脂等を用いることができる。即ち、バインダとして用いられる樹脂は、例えば、ポリエステル樹脂；ウレタン変性ポリエステル樹脂、エポキシ変性ポリエステル樹脂、及びアクリル変性ポリエステル樹脂などの変性ポリエステル樹脂；ポリエーテルウレタン樹脂；ポリカーボネートウレタン樹脂；アクリルウレタン樹脂；塩化ビニル・酢酸ビニル共重合体；エポキシ樹脂；フェノール樹脂；フェノキシ樹脂；アクリル樹脂；ポリビニルブチラール樹脂；ポリアミドイミド；ポリイミド；ポリアミド；ニトロセルロース、セルロース・アセテート・ブチレート（ＣＡＢ）、及びセルロース・アセテート・プロピオネート（ＣＡＰ）などの変性セルロース；酢酸ビニル及びポリフッ化ビニリデンなどのビニル樹脂；エチルセルロース及びニトロセルロースなどのセルロース樹脂；又はパラフィン等である。これらバインダは、単独で、又は、分離しない限りは２種以上を混合して使用することができる。
【００９７】
可塑剤は、例えば、ジカルボン酸エステル、リン酸エステル、ポリエステル、エポキシ化植物油、ポリエーテルポリオール、フタル酸エステル、ジブチルフタレート、ジオクチルフタレート、ポリエチレングリコール、及びグリセリンからなる群から選択することができる。可塑剤もまた、単独で、又は、分離しない限りは２種以上を混合して使用することができる。
【００９８】
バインダ及び可塑剤の合計量は、乾燥物に対して０．１乃至１０質量％であることが好ましい。
【００９９】
なお、乾燥物においては、粒子２をドメイン（一次粒子）として、アグリゲート（凝集体）が形成される。アグリゲートの表面には、錫からなる粒径１００ｎｍ以下程度の粒子が均一に形成される。乾燥物の状態は、電子顕微鏡により観察することができる。
【０１００】
＜変形例＞
以上、導電ペースト１を用いた接合の形成について説明したが、類似の接合は、他の方法で形成することも可能である。例えば、先ず、第１部品のニッケルからなる第１表面上に、錫からなる層を薄く形成する。次いで、この錫層上に、銀からなる層を設ける。この銀層は、例えば、銀粒子を含んだペーストを印刷又は塗布することにより形成する。その後、錫層及び銀層を間に挟んで、第２部品を第１部品に押し当てる。続いて、これを熱処理に供する。これにより、錫を銀層内へと拡散させるとともに、接合を形成する。
【０１０１】
なお、この方法では、導電ペースト１を用いた方法と比較して、銀に対する錫の原子比を高くする必要がある。また、この方法では、銀に対する錫の原子比が、第２部分側と比較して第１部品側においてより高くなる傾向にある。
【実施例】
【０１０２】
以下に、具体例を記載する。
【０１０３】
＜導電ペーストの調製＞
粒径が約２０ｎｍの銀粒子とテルピネオールとを含んだペーストを準備した。このペーストにおける銀粒子の量は、８０質量％程度であった。
【０１０４】
次に、このペーストに酢酸錫を添加した。酸化錫は、銀に対する錫の原子比が０．０１％となるように添加した。
【０１０５】
続いて、酢酸錫をテルピネオールに溶解させた。  
以上のようにして、導電ペーストを調製した。以下、この導電ペーストを、導電ペーストＡと呼ぶ。
【０１０６】
また、銀に対する錫の原子比を０．０２％及び０．２％としたこと以外は、導電ペーストＡと同様の導電ペーストを調製した。以下、上記原子比を０．０２％とした導電ペーストを導電ペーストＢと呼ぶ。また、上記原子比を０．２％とした導電ペーストを導電ペーストＣと呼ぶ。
【０１０７】
また、酢酸錫を添加しなかったこと以外は導電ペーストＡと同様の導電ペーストを調製した。以下、この導電ペーストを導電ペーストＤと呼ぶ。
【０１０８】
更に、酢酸錫の代わりに蟻酸ニッケルを使用し、銀に対するニッケルの原子比を０．２％としたこと以外は導電ペーストＡと同様の導電ペーストを調製した。以下、この導電ペーストを導電ペーストＥと呼ぶ。
【０１０９】
＜ダイボンディング＞
次に、導電ペーストＡを用いて、ダイボンディングを行った。  
具体的には、導電ペーストＡを、銅フレームに印刷した。ここで使用した銅フレームは、ニッケルからなるめっき層が設けられており、厚さが０．５ｍｍであり、縦横の寸法が１２．５ｍｍ×１２．５ｍｍであった。また、この印刷の際には、厚さが０．０５ｍｍのメタルマスクを使用した。
【０１１０】
次いで、導電ペーストＡからなる塗膜の上に半導体チップを載置した。半導体チップの縦横の寸法は、２ｍｍ×２ｍｍであった。  
続いて、５Ｎの荷重を加え、スクラブ動作を行った。スクラブ動作の振幅は１０μｍとした。  
その後、窒素で希釈した蟻酸雰囲気中、２７５℃で３０分間の熱処理を行った。  
以上のようにして、銅フレームに半導体チップを接合してなるサンプルを得た。以下、このサンプルを、サンプルＡと呼ぶ。
【０１１１】
また、導電ペーストＡの代わりに導電ペーストＢ乃至Ｅを用いたこと以外は、サンプルＡについて説明したのと同様の方法によりダイボンディングを行った。以下、導電ペーストＢ乃至Ｅを用いて製造したサンプルを、それぞれ、サンプルＢ乃至Ｅと呼ぶ。
【０１１２】
＜評価＞
サンプルＡ乃至Ｅの各々について、研磨加工及びＡｒイオンミリング処理を行った。これにより、厚さ方向に沿った断面を露出させた。そして、これらを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。
【０１１３】
また、エネルギー分散型Ｘ線分光器を備えたＳＥＭ（ＳＥＭ−ＥＤＳ）を用いて、サンプルＡ乃至Ｅの各々の接合部に対し、その厚さ方向に元素分析を行った。  
また、サンプルＡ乃至Ｅの各々を、ダイシェア試験に供した。試験速度は０．２ｍｍ／秒とした。
【０１１４】
更に、サンプルＡ乃至Ｅの各々の接合部の熱伝導率を測定した。具体的には、厚さが０．０５ｍｍのメタルマスクを用いて、導電ペーストＡ乃至Ｅの各々を、ガラス基板上へ印刷した。これにより、縦横が５５ｍｍ×５ｍｍの矩形状のパターンを形成した。次いで、これらを、窒素ガスで希釈した蟻酸雰囲気中、２７５℃で３０分間の熱処理に供した。以上のようにして、硬化物を得た。続いて、各硬化物の電気抵抗率を、四探針法により測定した。そして、下記等式に示すヴィーデマン・フランツ則から、熱伝導率を求めた。
【０１１５】
【数１】
2016167379.tif 000003
【０１１６】
上記等式において、Ｋは熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を表し、σは電気伝導率（Ωｍ）を表し、Ｌはローレンツ数を表し、Ｔは温度（Ｋ）を表している。なお、ここでは、ローレンツ数Ｌは２．４４×１０-8ＷΩＫ-2とした。  
以上の結果を、図４乃至図８及び表１に示す。
【０１１７】
【表１】
2016167379.tif 000004
【０１１８】
図４は、サンプルＣのＳＥＭ写真である。図５は、サンプルＣについて得られた元素分析の結果を示すグラフである。図６は、錫の添加量とダイシェア強度との関係の一例を示すグラフである。図７は、サンプルＤのＳＥＭ写真である。図８は、サンプルＥのＳＥＭ写真である。なお、表１に示す熱伝導率は、錫−銀半田の熱伝導率を１とした場合の相対値である。
【０１１９】
銀に対する錫の原子比を０．２％としたサンプルＣでは、表１に示すように、接合部は、錫−銀半田を用いた場合に得られる接合部に対して４倍を超える熱伝導率を示した。また、サンプルＣでは、図４に示すように、銀粒子は、接合部全体に亘って均一に分布し、空隙が均一に分布した多孔質の母材を構成していた。そして、図４に示すように、サンプルＣでは、接合部とめっき層との界面に大きな空隙は存在していなかった。また、図５に示すように、サンプルＣでは、接合部における錫と銀との原子比は、その厚さ方向に一定であった。そして、図６に示すように、サンプルＣは高いダイシェア強度を示した。
【０１２０】
銀粒子は接合部全体に亘って均一に分布しているので、錫も接合部全体に亘って均一に分布していることが分かる。また、接合部のうちめっき層との界面に隣接した領域において銀と錫とが存在していることから、銀だけでなく錫も接合に関与していることが分かる。
【０１２１】
銀に対する錫の原子比を０．０２％としたサンプルＢでは、表１に示すように、接合部は、サンプルＣの接合部と同等の熱伝導率を示した。また、サンプルＢでは、サンプルＣと同様に、銀粒子及び錫は接合部全体に亘って均一に分布しており、接合部とめっき層との界面に大きな空隙は存在していなかった。そして、図６に示すように、サンプルＢは、サンプルＣとほぼ同等のダイシェア強度を示した。
【０１２２】
銀に対する錫の原子比を０．０１％としたサンプルＡでは、表１に示すように、接合部は、サンプルＢ及びＣの接合部と同等の熱伝導率を示した。また、サンプルＡでは、サンプルＢ及びＣと同様に、銀粒子及び錫は接合部全体に亘って均一に分布しており、接合部とめっき層との界面に大きな空隙は存在していなかった。そして、図６に示すように、サンプルＡは、サンプルＢ及びＣほどではないが、高いダイシェア強度を示した。
【０１２３】
導電ペーストに酢酸錫を添加しなかったサンプルＤでは、表１に示すように、接合部は、錫−銀半田を用いた場合に得られる接合部に対して４倍の熱伝導率を示した。但し、サンプルＤでは、図７に示すように、接合部における空隙の分布が厚さ方向において不均一であった。また、図４に示すように、サンプルＤでは、接合部とめっき層との界面に大きな空隙が存在していた。そして、図６に示すように、サンプルＤは、ダイシェア強度が低かった。
【０１２４】
導電ペーストに酢酸錫の代わりに蟻酸ニッケルを添加したサンプルＥでは、表１に示すように、接合部は、錫−銀半田を用いた場合に得られる接合部に対して４倍の熱伝導率を示した。但し、サンプルＥでは、図８に示すように、接合部とめっき層との界面に非常に大きな空隙が存在しており、接合を形成することはできなかった。
【０１２５】
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１２６】
１…導電ペースト、２…粒子、３…溶液、１０…第１部品、１０ａ…本体、１０ｂ…被覆層、２０…第２部品、３０…接合部、３１…母材、３２…錫、１００…パワーモジュール、１０１…ケース、１０２…ヒートシンク、１０３…ベースプレート、１０４…絶縁基板、１０５ａ…端子、１０５ｂ…端子、１０６ａ…半導体チップ、１０６ｂ…半導体チップ、１０８ａ１…導線、１０８ａ２…導線、１０８ｂ…導線。
【図１】
2016167379.tif 000005
【図２】
2016167379.tif 000006
【図３】
2016167379.tif 000007
【図４】
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【図５】
2016167379.tif 000009
【図６】
2016167379.tif 000010
【図７】
2016167379.tif 000011
【図８】
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