(57)【要約】【課題】銅の焼結層からなる接合層とＡｕその他の金属で形成された電極との接合部における長期間の接合信頼性を向上する。【解決手段】酸化第二銅と、銅塩の水和物と、溶剤とを含む接合材料において、銅塩の水和物の熱分解温度は、酸化第二銅の還元温度より低くする。電子部品は、２個の電極と、これらの間を電気的に接続した接合層とを有し、接合層は、銅が焼結した層を含み、２個の電極のうち少なくとも１個は、接合層との界面から銅が拡散した領域を有するものとする。接合方法は、酸化第二銅と、銅塩の水和物と、溶剤とを含む接合材料を、接合する部位に塗布し、加熱をすることにより、銅塩を熱分解し、酸化第二銅を還元して接合層を形成する。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
純金又は金合金で形成された電極の表面に焼結層を形成する材料であって、
酸化第二銅と、銅塩の水和物と、溶剤とを含み、
前記銅塩の水和物の熱分解温度は、前記酸化第二銅の還元温度より低く、
前記銅塩の水和物の含有量は、酸化第二銅１００質量部に対して１乃至５０質量部であることを特徴とする接合材料。
【請求項２】
前記銅塩は、酢酸銅又はギ酸銅であることを特徴とする請求項１記載の接合材料。
【請求項３】
２個の電極と、これらの間を電気的に接続した接合層とを有し、
前記２個の電極のうち少なくとも１個は、純金又は金合金で形成されたものであり、
前記接合層は、銅が焼結した層を含み、
前記純金又は金合金で形成された電極は、前記接合層から銅が拡散した領域を有し、前記接合層は、当該電極から金が拡散した領域を有することを特徴とする電子部品。
【請求項４】
前記接合層は、酢酸銅又はギ酸銅の水和物と、酸化第二銅とを含む接合材料を用いて接合したものであり、前記水和物の含有量は、前記酸化第二銅１００質量部に対して１乃至５０質量部であることを特徴とする請求項３記載の電子部品。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の電子部品を備えた電気製品。
【請求項６】
純金又は金合金で形成された電極の表面に焼結層を形成して接合する方法であって、
酸化第二銅と、銅塩の水和物と、溶剤とを含む接合材料を、接合する部位に塗布し、加熱をすることにより、前記銅塩の水和物を熱分解し、前記酸化第二銅を還元する工程を含み、
前記銅塩の水和物の熱分解温度は、前記酸化第二銅の還元温度より低いことを特徴とする接合方法。
【請求項７】
前記銅塩は、酢酸銅又はギ酸銅であることを特徴とする請求項６記載の接合方法。
【請求項８】
前記銅塩の水和物の含有量は、酸化第二銅１００質量部に対して１乃至５０質量部であることを特徴とする請求項６記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合材料、電子部品、電気製品、及び接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体装置は、電力変換装置、その電力変換装置を搭載した電車、風力発電装置、ハイブリッド自動車等の制御装置に多く使用されている。この半導体装置においては、例えば、電子部品の電極端子と回路基板上の回路パターンの電極端子との電気的接合部に、鉛を含むはんだ合金を用いたものが主流であった。
【０００３】
ところが、地球環境保全の観点から、鉛の使用が厳しく制限されており、鉛の使用を制限して鉛を含まない材料で電極等の接合を行なう技術開発が進められている。特に、高温環境設置や半導体素子の高温動作といった課題に対応した高融点はんだに関しては、その代替となる有効な材料がまだ見出されていない。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、この高融点はんだに代わる材料の出現が望まれている。
【０００４】
このような背景から、その開発の一環として金属粒子と有機化合物の複合材料を用いて電極を接合する接合材料が提案されている。
【０００５】
例えば、金属粒子の粒径が１００ｎｍ以下のサイズまで小さくなったナノ粒子のように構成原子数が少なくなると、粒子の体積に対する表面積の比は急激に増大し、その融点や焼結温度がバルクの状態（ナノ粒子より大きい状態）に比較して大幅に低下することが知られている。そして、この低温焼成機能を利用して、粒径が１００ｎｍ以下の有機物を被膜した銀粒子を接合材料として用いることが検討されている。このような接合材料を用いて、加熱により有機物を分解し金属粒子同士を焼結させて接合する方法では、金属粒子がバルク金属へと変化すると同時に、接合部の界面では金属結合により接合されるため、その接合部は、非常に高い耐熱性と高放熱性とを有するものとなる。
【０００６】
一方、最近の半導体装置においては、価格の低減要請や希少金属の確保の困難性等の理由から、金、銀、パラジウム等の貴金属を使用した電極に代えて、ニッケル（Ｎｉ）や銅（Ｃｕ）を電極材料として用いる半導体装置の開発が行われている。このような背景から、ＮｉやＣｕからなる電極に好適な接合材料の探索、開発が要請されている。
【０００７】
しかし、粒径が１００ｎｍ以下の有機物を被膜した銀ナノ粒子を用いた接合方法では、貴金属に対しては優れた接合強度が得られるものの、ＮｉやＣｕに対しては十分な接合強度が得られないという課題があった。
【０００８】
これまでに、本願発明者らは、特許文献１に示すように、Ｎｉ又はＣｕ電極に対して優れた接合強度が得られる接合技術として、酸化第二銅（ＣｕＯ）粒子と有機物からなる還元剤とを含む接合材料を用いて、還元雰囲気下において接合を行う方法を提案している。この方法は、加熱還元の際に平均粒径１００ｎｍ以下のＣｕ微粒子を生成し、Ｃｕ微粒子同士を焼結させて接合する方法である。
【０００９】
また、本願発明者らは、特許文献２においては、接合信頼性向上の観点から、銀系若しくは銅系の金属酸化物粒子又は銀系と銅系を混在させた金属酸化物粒子と、アルコール類、カルボン酸類又はアミン類である有機物とを含有する接合材料を用い、接合材料の還元温度よりも低い温度で保持する第１の加熱処理と、接合材料の還元温度よりも高い温度に昇温して保持する第２の加熱処理を施す接合方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２４４２４２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１０５０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載の接合方法では、Ｃｕ電極又はＮｉ電極との接合強度は優れているが、Ａｕ電極との強度はやや劣り、さらに、半導体素子の動作温度が高い場合、例えば１７５℃、２００℃、更にそれ以上の温度を想定した場合の長期的な接合信頼性もＮｉ又はＣｕに対する信頼性よりやや劣り、改善の余地がある。
【００１２】
Ｎｉ電極及びＣｕ電極においては、温度サイクルを繰り返しても、せん断強度の低下はなく、良好な状態が維持できることがわかっている。一方、Ａｕ電極においては、温度サイクルを繰り返した場合におけるせん断強度の低下がやや大きい。
【００１３】
一方、特許文献２に記載の技術によれば、表面が酸化されやすいＣｕ、Ｎｉ及びＡｌについて、酸化銀又は酸化銅と酢酸銀、酢酸銅等とを含む接合材料を用いることにより、接合信頼性を向上することができる。
【００１４】
上述のとおり、Ａｕ電極は、パワー半導体モジュールに用いる半導体素子に大変多く用いられる電極材である。しかし、これらの電極に対して信頼性の高い接合が確保できず、大きな課題として残っていた。
【００１５】
本発明の目的は、銅の焼結層からなる接合層とＡｕその他の金属で形成された電極との接合部における長期間の接合信頼性を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の接合材料は、純金又は金合金で形成された電極の表面に焼結層を形成するものであって、酸化第二銅と、銅塩の水和物と、溶剤とを含み、銅塩の水和物の熱分解温度は、酸化第二銅の還元温度より低く、前記銅塩の水和物の含有量は、酸化第二銅１００質量部に対して１乃至５０質量部であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の電子部品は、２個の電極と、これらの間を電気的に接続した接合層とを有し、２個の電極のうち少なくとも１個は、純金又は金合金で形成されたものであり、接合層は、銅が焼結した層を含み、純金又は金合金で形成された電極は、接合層から銅が拡散した領域を有し、接合層は、当該電極から金が拡散した領域を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の接合方法は、純金又は金合金で形成された電極の表面に焼結層を形成して接合する方法であって、酸化第二銅と、銅塩の水和物と、溶剤とを含む接合材料を、接合する部位に塗布し、加熱をすることにより、銅塩の水和物を熱分解し、酸化第二銅を還元する工程を含み、銅塩の水和物の熱分解温度は、酸化第二銅の還元温度より低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、銅の焼結層からなる接合層とＡｕその他の金属で形成された電極との接合部における長期間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】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態の絶縁型半導体装置を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】他の実施形態の半導体装置を示す断面図である。
【図４】他の実施形態の半導体装置を示す部分断面図である。
【図５】他の実施形態の半導体装置を示す部分断面図である。
【図６】接合部のせん断強度を示すグラフである。
【図７】従来のＡｕ電極の接合部を示す拡大断面模式図である。
【図８】従来の接合材料により形成した接合部の温度サイクル耐性を示すグラフである。
【図９】酢酸銅水和物の含有量と接合部のせん断強度との関係を示すグラフである。
【図１０】接合部の温度サイクル耐性であるクラック伸展率を示すグラフである。
【図１１Ａ】市販材のサンプルの接合部に生ずるクラック伸展を示す断面模式図である。
【図１１Ｂ】本発明のサンプルの接合部に生ずるクラック伸展を示す断面模式図である。
【図１２】本発明のサンプルの接合部を示す拡大断面模式図である。
【図１３】本発明の接合プロセスを示すフロー図である。
【図１４】高結晶性ＣｕＯ粒子と酢酸銅水和物とを混合した粒子材に添加した溶剤の量の影響を調べた結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、電子部品中の電気的接合部（例えば、半導体素子と回路部材との接合部）に関し、特に、酸化第二銅粒子（ＣｕＯ）を主材とする接合材料及びこれを用いて接合した結果として形成した接合層を有する電子部品及びこれを備えた電気製品並びに接合方法に関する。以下、半導体素子や回路部材等をまとめて「電子部材」とも称する。また、上記の接合部を有する半導体装置等を「電子部品」と称する。
【００２２】
特許文献１に記載の酸化第二銅（ＣｕＯ）粒子を用いた接合技術は、従来のナノ粒子接合と比較してＮｉやＣｕに対する接合性を改善することができ、Ｎｉ電極用又はＣｕ電極用の接合材料として期待できる。
【００２３】
一方、半導体素子の裏面、バイポーラ系素子で言えばコレクタ側電極の表面は、多層構造が形成され、かつ、その最外表面はＡｕであることが多い。これは多元スパッタ法により製膜されているもので、広く用いられている製膜技術である。電極構造は、ごく一般的な電極構造である。また、このような電極構造を有する半導体素子は、非常に広く流通している。ウエハから固片化した半導体素子は、各種特性評価の際、高温度の環境にさらすことがある。Ａｕを表面に形成させておくのは、この際に電極表面を酸化させないようにするためである。
【００２４】
特許文献１に記載の接合方法では、Ｃｕ電極又はＮｉ電極との接合強度は優れているが、Ａｕ電極との強度はやや劣り、さらに、半導体素子の動作温度が高い場合、例えば１７５℃、２００℃、更にそれ以上の温度を想定した場合の長期的な接合信頼性もＮｉ又はＣｕに対する信頼性よりやや劣り、改善の余地がある。
【００２５】
図６は、特許文献１に記載の方法によってＮｉ、Ｃｕ及びＡｕ各電極に接合した接合部のせん断強度を比較した結果を示したものである。
【００２６】
この検討においては、平均粒径１μｍ程度の酸化第二銅粒子を含有する材料を用いて、接合温度を４００℃、加圧力を１．０ＭＰａで一定とし、水素中で各電極への接合を行い、接合試験片を作製した。縦軸のせん断強度の値は、Ｃｕ電極に対するせん断強度の初期値で規格化してある。なお、平均粒径の測定は、レーザドップラ計を用いた粒度分布測定器を用いて行った。
【００２７】
本図から、Ｎｉ電極及びＣｕ電極は、ともに高強度であることがわかる。一方、Ａｕ電極に対するせん断強度は、Ｎｉ電極及びＣｕ電極のそれの約７割となっている。
【００２８】
特許文献１にも記載したとおり、接合部の界面においては、各電極と焼結銅との間に拡散領域があることが判っている。
【００２９】
図７は、Ａｕ電極の場合の接合部を拡大して示したものである。
【００３０】
本図に示すように、半導体素子７１のＡｕ電極７２は、接合対象である電極７３に、焼結銅を含む焼結層７４を介して接合されている。Ａｕ電極７２と焼結層７４との間には、クラック７６が生じ、点接触のような脆弱な状態となっている。
【００３１】
詳細な観察の結果、このクラック７６（点接触部位）が破壊の起点になっていることが確認できた。
【００３２】
さらに、焼結層の界面をＴＥＭ−ＥＤＸによる元素分布測定を行った結果、Ａｕ電極７２には、ほぼ全域にわたってＣｕが拡散しているが、焼結銅（焼結層７４）側にはほとんどＡｕの拡散が無く、相互拡散構造とはなっていないことが確認できた。
【００３３】
図８は、従来の接合材料を用いて特許文献１に記載の方法によりＮｉ、Ｃｕ及びＡｕの電極を接合した場合における接合部の温度サイクル耐性を示したものである。
【００３４】
この検討においては、図６のせん断試験の場合と同様に、平均粒径１μｍ程度の酸化第二銅粒子を含有する材料を用いて、接合温度を４００℃、加圧力を１．０ＭＰａで一定とし、水素中で各種電極への接合を行い、接合試験片を作製した。この接合試験片を用いて、−５５℃から１５０℃までの温度サイクル回数に対する接合強度の変化を測定した。縦軸のせん断強度の値は、それぞれの電極に対するせん断強度の初期値で規格化したものである。
【００３５】
図８から、Ｎｉ電極及びＣｕ電極においては、温度サイクルを繰り返してもせん断強度の低下はなく、良好な状態が維持できることがわかる。一方、Ａｕ電極においては、温度サイクルを繰り返した場合におけるせん断強度の低下がやや大きく、約１０００サイクルで約２０％の強度低下となる。
【００３６】
温度サイクル試験では、一般に１０００回以上が目標とされることが多い。これを考慮すると、本図に示すように、Ａｕ電極を有する半導体素子を用いた場合、ＮｉやＣｕに比べ長期信頼性の確保にやや難があることが判明した。
【００３７】
この原因を詳細に調べたところ、図７に示すように、焼結層の界面の脆弱部で破断していることが確認できた。界面の脆弱性は、繰り返し加わる応力及びひずみに対して強度耐性を低下させると考えられる。
【００３８】
一方、特許文献２に記載の技術によれば、表面が酸化されやすいＣｕ、Ｎｉ及びＡｌについて、酸化銀又は酸化銅と酢酸銀、酢酸銅等とを含む接合材料を用いることにより、接合信頼性を向上することができる。
【００３９】
上述のとおり、Ａｕ電極は、パワー半導体モジュールに用いる半導体素子に大変多く用いられる電極材である。しかし、これらの電極に対して信頼性の高い接合が確保できず、大きな課題として残っていた。
【００４０】
本発明の主目的であるＡｕ電極との接合を改善するため、本発明者は、酸化第二銅及び酢酸銅を配合した接合材料を調合し、水素雰囲気下でＡｕ電極との接合性を検討したところ、初期は良好に接合できることが確認できた。しかし、前述した温度サイクル試験を実施すると、やはり１０００回後には強度の劣化が生じることがわかった。
【００４１】
焼結層の界面を精査した結果、特許文献１と同様の状態になり、長期信頼性を併せ持つＡｕ電極との高強度接合は達成できていないことを確認した。なお、特許文献１と同様、Ｎｉ電極又はＣｕ電極との接合は、長期信頼性も良好であることも確認した。
【００４２】
前述したＮｉ電極又はＣｕ電極との接合性に比べ、Ａｕ電極との接合性が劣る要因を以下のように考察した。
【００４３】
特許文献１に記載の材料の場合、酸化第二銅の還元の際に生成した微細なＣｕ粒子が焼結する前にＡｕ電極に素早く拡散する。平易な表現をすれば、Ｃｕ微粒子がＡｕ電極に吸い取られる形となり、Ｃｕが拡散したＡｕ電極と、吸い取られずに残ったＣｕ粒子による焼結層との間が、図７に示すように脆弱になる。
【００４４】
特許文献２の材料に関しても同様の現象となり、酢酸銅及びギ酸銅は、酸化第二銅の還元促進剤としての効果は有するものの、Ａｕ電極との接合には、特許文献１に記載の材料と同様の作用を示す。
【００４５】
このような結果をふまえ、Ａｕ電極との接合性の向上を図るには、酸化第二銅が還元する前にＡｕ電極中にＣｕを拡散させておき、酸化第二銅が還元して生成するＣｕをＡｕ電極に拡散させず、その多くを焼結に寄与するようにすれば、接合界面が脆弱な構造となることを防止することができると考えた。
【００４６】
このためには、酸化第二銅の還元前という低温度条件でＣｕを生成し、かつ、生じたＣｕをＡｕ電極中に素早く拡散することが重要となる。この場合に、液相状態となる添加材が有効である。また、接合部の界面付近にＡｕとＣｕとの相互拡散層が形成されれば、界面強度の向上が期待できる。
【００４７】
前述の課題を解決するため、酸化第二銅（ＣｕＯ）の還元温度よりも熱分解温度が低く、熱分解時に液相状態となる有機酸の銅塩等の探索を目的として示差熱分析を行った。その結果、酢酸銅系及びギ酸銅系の水和物は、熱分解し易いことが判った。これらの材料は、示差熱分析において酸化第二銅の還元温度より低い温度で吸熱反応を示す。また、水和物であるため熱分解時には水を主体とした液相を生ずる。
【００４８】
具体的には、酢酸銅及びギ酸銅の水和物は、加熱すると、雰囲気及び溶液の種類その他の条件にもよるが、およそ１５０〜２００℃で分解し、純銅を生成する。そして、更に加熱していくと、およそ３００℃で酸化第二銅（ＣｕＯ）が還元され、純銅が生じる。すなわち、純銅は、昇温の過程で二つの温度レベルで生成する。
【００４９】
半導体素子等を備えた電子部品の熱処理温度の上限が３５０℃程度であることを考慮すると、本発明の接合材料として、酢酸銅及びギ酸銅の熱分解温度並びに酸化第二銅の還元温度は適切である。
【００５０】
この結果を基に、上記課題を解決するために本発明者が鋭意検討した結果、酸化第二銅粒子を主材とし、これに酸化第二銅（ＣｕＯ）の還元温度よりも熱分解温度が低い有機酸の銅塩の水和物を添加した接合材料を用い、還元雰囲気下、加熱及び加圧をして接合を行うことにより、Ａｕ電極に対して優れた接合強度と長期信頼性とが得られることを見出した。
【００５１】
接合強度及び長期信頼性が向上する理由は、次のとおりである。
【００５２】
まず、酢酸銅水和物又はギ酸銅水和物は、主剤の酸化第二銅の還元温度より低い温度で熱分解する際、水和物であるため、水を主体とした液相を生ずる。この液相は、加圧状態となっている接合部接合面、つまり接合相手のＡｕ電極全面に広がる。一方、この液相中には熱分解時に生成した銅イオンが含まれ、これが銅クラスター化、すなわちナノメートルサイズの銅の微粒子となる。このため、Ａｕ電極の表面は、銅微粒子による薄膜が形成された状態になる。このナノメートルサイズの銅微粒子は、その表面が非常に活性であるため、Ａｕ電極と接触した後、直ちにＡｕ電極中に拡散する。
【００５３】
他方、前記水和物の熱分解温度より高い温度で還元し、その際生成してきた銅微粒子は、主剤の酸化第二銅より生成したものである。その生成量は多いが、すでに銅が拡散した状態にあるＡｕ電極中には大量に拡散することが無い。このため、Ａｕ電極（銅拡散状態）と酸化第二銅から還元生成した銅微粒子による銅焼結層の界面が粗な状態になることは無い。また、銅焼結層中にはＡｕ電極から金が拡散した拡散層が形成され、接合部の界面付近にはＡｕとＣｕとの相互拡散層が形成される。この結果、焼結銅層とＡｕ電極とは強固に接合され、優れた接合強度と長期信頼性が得られる。
【００５４】
一方、特許文献２の材料のように、主剤の酸化第二銅中への添加物が水和物ではない酢酸銅又はギ酸銅である場合、上記のような液相が生じないため、Ａｕ電極への均一な銅拡散効果が少なく、強固な接合が得られ難くなると考えられる。  ここで、本明細書において還元雰囲気下とは、酸化第二銅粒子を接合時に還元できる雰囲気であり、水素雰囲気やギ酸を含む還元ガス雰囲気の他、接合材料中に酸化第二銅粒子を還元するための還元剤を含ませた環境を意味する。
【００５５】
また、酸化第二銅（ＣｕＯ）は、単結晶あるいは多結晶体で結晶性を有する粒子を用いることが好ましい。これは、結晶状態によって還元性が異なり、ＣｕＯ粒子の結晶性が高い方がより低温で還元され、還元により生成した銅粒子の拡散が促進され、高い接合強度が得られるためである。ここで、単結晶あるいは多結晶体で結晶性を有するＣｕＯ粒子は、少なくともエックス線回折（ＸＲＤ）分析で明らかにピークが認められ、かつ、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で格子模様が確認できるものであり、ＣｕＯ粒子の７０％以上が結晶質であることが望ましい。以下では、このようなＣｕＯ粒子を「高結晶性ＣｕＯ粒子」と呼ぶことにする。
【００５６】
このような結晶性に優れた高結晶性ＣｕＯ粒子は、例えば、水相反応法を用いた合成を用いることで作製することができる。水相反応法を用いて合成条件を調整することによって、少なくともＣｕＯ粒子の結晶質の割合を４０〜８０％の範囲で調整できることを確認している。また、結晶性の高いＣｕＯ粒子が作製できれば、他の合成法を用いてもよい。ここで、結晶質の割合は、透過電子顕微鏡によって撮影したＣｕＯ粒子の画像から非晶質部と結晶質部とを分け、二値化処理をすることにより算出できる。
【００５７】
以下、本発明について更に詳細に説明する。
【００５８】
高結晶性ＣｕＯ粒子を主材とする接合材料を用い、酢酸銅水和物（ＩＩ）を添加し、還元雰囲気下、加熱及び加圧をしてＡｕ電極との接合を行った。
【００５９】
ここでは、水相反応法を用いた合成により高結晶性ＣｕＯ粒子を作製した。高結晶性ＣｕＯ粒子の作製の手順は、以下のとおりである。
【００６０】
まず、作製に用いる純水に含まれる溶存酸素を取り除くために、窒素によるバブリング撹拌をした（３０ｍｉｎ）。その後、この純水に硝酸銅水和物（Ｃｕ（ＮＯ３）２・３Ｈ２Ｏ）を溶解し、Ｃｕの濃度０．０１ｍｏｌ／ｌの硝酸銅水溶液を作製した。この水溶液に更に１ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液を加え、１０℃で２４時間窒素によるバブリング撹拌を続けた。ここで、硝酸銅水溶液と水酸化ナトリウム水溶液との混合比は、体積基準で１：１９〜１６．２：３．８の範囲とした。
【００６１】
その後、生成したＣｕ２（ＯＨ）３ＮＯ３の沈殿を回収した。回収した沈殿を大気中４００℃で１時間加熱し、高結晶性ＣｕＯ粒子を得た。高結晶性ＣｕＯ粒子の平均粒径は、０．５μｍであった。なお、以下では、Ｃｕの濃度を［Ｃｕ］と表記する場合もある。
【００６２】
この高結晶性ＣｕＯ粒子は、ＸＲＤにより確認した結果、一部に非晶質部はあるものの結晶性が良好であった。高結晶性ＣｕＯ粒子の結晶質の割合は７０％であった。
【００６３】
上述のように作製した平均粒径０．５μｍの高結晶性ＣｕＯ粒子と酢酸銅水和物（ＩＩ）と、ジエチレングリコールモノブチルエーテル溶剤との混合物を接合材料とした。
【００６４】
Ａｕ電極の表面に接合材料を配置し加圧した状態で、水素雰囲気中で温度を３５０℃に上昇させ、５分間保持することにより、Ａｕ電極への接合を行った。
【００６５】
比較として、市販のＣｕＯ粒子についても同様の測定を行った。ここで用いた市販のＣｕＯ粒子は、平均粒径が２マイクロメートルであり、形状に規則性は無く、非晶質に近い状態、すなわち、明確な結晶性を持たない粒子を全体の４０％程度含むものである。
【００６６】
図９は、酢酸銅水和物の含有量と接合部の強度との関係を示すグラフである。横軸は酢酸銅水和物（ＩＩ）の添加量を示し、縦軸はせん断強度を示す。市販材のＡｕ電極のせん断強度の値で規格化したものである。市販材には酢酸銅水和物（ＩＩ）は添加していない。
【００６７】
この結果、酢酸銅水和物（ＩＩ）が僅かでも加わることにより、酢酸銅水和物（ＩＩ）が全く含まれない場合に比べて、接合強度が２０％以上向上し、強固な接合が達成されることが示唆された。
【００６８】
しかし、酢酸銅水和物（ＩＩ）の添加量が５０質量部を超えると強度は低下した。酢酸銅水和物から生成されるＣｕの量は、酸化第二銅から生成されるそれより少なく、この結果から、酢酸銅水和物が多いと焼結密度が低下するため、強度が小さくなる。添加する酢酸銅水和物は、主剤の酸化第二銅の量を１００質量部としたとき、５０質量部以下とすることが好ましい。より好ましくは、４０質量部以下である。なお、他種の酢酸塩やギ酸銅の水和物を添加した場合も同様の結果であった。
【００６９】
図１４は、高結晶性ＣｕＯ粒子（酸化第二銅（ＩＩ））と酢酸銅水和物（ＩＩ）との質量比が８：２の粒子材に対し、溶剤添加量の影響を調べた結果を示すグラフである。溶剤はジエチレングリコールモノブチルエーテルである。横軸は溶剤添加量であり、縦軸はボイド率で溶剤を含まない場合の値で規格化したものである。
【００７０】
本図から、溶剤添加量が増加するとボイド率が増加する。溶剤添加量が３０質量部では、ボイド率が溶剤無しの場合より２割上昇することがわかる。この理由は、溶剤からの揮発ガスが多くなり、銅の焼結層中にその生成ガスが残ることによる。ボイド率が２割を超えて増加すると熱抵抗が増加する影響がある。よって、溶剤種によらず、添加溶剤量は３０質量部未満が望ましい。なお、溶剤無添加では粉末のままであり、印刷接合には用いることはできない。粘性を有する流体とするには、３．０質量部以上が必要であった。
【００７１】
以上より、溶剤添加量は、３．０質量部以上３０質量部未満が望ましいことがわかった。
【００７２】
図１０は、図９の評価で用いた接合材料を用いて１２ｍｍ×１２ｍｍのＩＧＢＴチップと窒化アルミニウム回路基板とを接合したサンプルに対して、温度サイクル試験実施後のクラック伸展率を示したものである。
【００７３】
横軸は温度サイクル回数である。縦軸のクラック伸展率は、接合面の長さに対するクラックの長さの比である。接合材料に含まれる酢酸銅水和物の含有量は５質量％である。また、クラック長さは、断面観察により算出したものである。
【００７４】
ＩＧＢＴの接合面（コレクタ側）の電極構造は、Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕで最外表面はＡｕである。また、接合相手の窒化アルミ回路基板の配線は、表面にＮｉめっきが施された銅配線である。ＩＧＢＴチップのコレクタ電極と窒化アルミ回路基板の配線との間に接合材料を配置した状態で、１．０ＭＰａの圧力を加え、圧力を加えた状態で水素雰囲気中に設置し、温度を３５０℃に上昇させ、１５分間保持した。このようにして接合材料を銅焼結層に変化させ、ＩＧＢＴチップのコレクタ電極と窒化アルミ回路基板の配線とを接合した。
【００７５】
比較のため、図９に示す市販材のＣｕＯ粒子を用い、同様の接合試験サンプルを作製し、同様の試験に供した。
【００７６】
図１０に示すように、温度サイクル回数に対してクラックの伸展が市販材を用いて作製した比較サンプルより遅いことが判った。市販材サンプルは、２００回を超えると急激に増加し、３００回で約４０％伸展し、１０００回で約５０％になった。
【００７７】
図１１Ａは、温度サイクル試験後の市販材のサンプルの断面を模式的に示したものである。
【００７８】
本図において、半導体素子８１（チップ）とＡｕ電極８２とが焼結層８３を介して接合されている。半導体素子８１と焼結層８３との界面付近には、クラック８４が生じている。
【００７９】
図１１Ｂは、温度サイクル試験後の本発明のサンプルの断面を模式的に示したものである。
【００８０】
本図においては、半導体素子８１とＡｕ電極８２とが焼結層８６を介して接合されている。焼結層８６の内部のクラック８８は、図１１Ａのクラック８４ほどは伸展していないことがわかる。
【００８１】
以下、更に詳しく説明する。
【００８２】
図１１Ａに示すように、半導体素子８１側の電極界面に、クラック８４がほぼ一直線に伸展している領域があることが判った。上述のとおり、Ａｕ電極８２と焼結層との界面が脆弱な状態になっており、この部位でクラック８４が進展したものと考えられる。
【００８３】
一方、図１１Ｂに示すように、本発明の接合部においては、焼結層８６の端部がクラック８８の起点ではあるが、半導体素子８１側又はＡｕ電極８２側との界面にはクラック８８が伸展しない。そして、焼結層８６中において、定まった方向では無く、複雑な方向に伸展していることが判った。このことは、界面が非常に強い接合状態であることを示す。このため、破断及びクラック伸展が界面に生じることなく、焼結層８６内で伸展していったと考えられる。
【００８４】
このような界面破断のない破断モードを呈することは、モジュール設計に欠かすことのできない指標である。界面破断が支配的である場合、寿命策定ができず、信頼性設計が困難又は不可能となる。
【００８５】
図１２は、図１１Ｂの接合部の状態を示したものである。
【００８６】
本図において、半導体素子２０１は、Ａｕ電極２０２を有する。Ａｕ電極２０２と電極２０３とは、焼結層２０４を含む接合層を介して接合されている。焼結層２０４の内部には、焼結欠損２０５がある。Ａｕ電極２０２には、焼結層２０４の銅（Ｃｕ）が拡散している。焼結層２０４側にも、非常に薄い層ではあるが、Ａｕ電極２０２の金（Ａｕ）が拡散し、Ａｕ拡散層２０６を形成している。ここで、Ａｕ電極２０２に対して銅（Ｃｕ）が拡散した領域では銅（Ｃｕ）よりも金（Ａｕ）の割合が多く、Ａｕ拡散層２０６では金（Ａｕ）よりも銅（Ｃｕ）の割合が多くなっている。なお、Ａｕ電極２０２と焼結層２０４との界面付近には、空隙２０７が存在するが、この空隙２０７が伸展して破断に結びつくことはない。
【００８７】
本明細書においては、接合層は、焼結欠損２０５を含む焼結層２０４と、Ａｕ拡散層２０６とを含むものとする。
【００８８】
図１２の状態は、ＴＥＭ−ＥＤＸによる元素分布測定を行った結果、確認したものである。
【００８９】
このように、本発明の接合材料を用いて形成した接合部は、従来、観察された脆弱構造にはなっておらず、強固な状態が保たれる。焼結層２０４側にＡｕ拡散層２０６が形成されたことにより、界面強度が向上し、長期信頼性の確保につながったと考えられる。
【００９０】
なお、本発明は、酸化第二銅還元焼結接合におけるＡｕ電極との長期信頼性向上を目的としたものであるが、Ｎｉ電極やＣｕ電極の場合にも優れた効果が得られた。具体的には、初期接合強度は、特許文献１の場合よりも約２０％向上しており、温度サイクル１０００回においてもクラック進展率は１０％以下であった。よって、相手電極がＮｉ電極やＣｕ電極の場合にも強固な接合が達成されていると考えられる。
【００９１】
本発明で使用する接合材料は、有機溶剤に溶けたペースト状の態様を呈しており、電極への塗布方法は種々あるが、以下にその代表的な方法を説明する。例としては、下記の４つの方法がある。
【００９２】
（１）塗布部分を開口したメタルマスクを用いて必要部分にのみ塗布を行う方法
（２）ディスペンサを用いて必要部分に塗布する方法
（３）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で塗布し、又は感光性のある撥水性樹脂を基板若しくは電子部品上に塗布し、露光及び現像をすることにより接合材料のペーストを塗布する部分を除去し、その後に接合材料のペーストをその開口部に塗布する方法
（４）撥水性樹脂を基板又は電子部品に塗布した後、接合材料のペーストを塗布する部分をレーザーにより除去し、その後に接合材料のペーストをその開口部に塗布する方法
これらの塗布方法は、接合する電極の面積や形状に応じて、組み合わせて実施することもできる。
【００９３】
本発明の接合材料を用いた接合においては、接合過程で銅粒子前駆体から粒径が１００ｎｍ以下の銅粒子を生成し、焼結結合を行うため、所定の温度に保つための加熱と０．０１〜２ＭＰａの加圧とにより接合することが望ましい。
【００９４】
焼結接合過程においては、接合材料の主材であるＣｕＯ粒子が還元する際、純Ｃｕの粒子が生成し、この純Ｃｕの粒子同士が相互に融合してバルク状態となる。
【００９５】
バルク状態になった後の銅の溶融温度は、通常の銅の融点と同じであるため、銅粒子は低温度の加熱で溶融し、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。
【００９６】
この特徴は、融点よりも低い温度で接合を行うことができ、接合後は溶融温度が高くなることから、その後の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長所をもたらすことになる。
【００９７】
また、接合後の高密度接合層及び焼結層は、熱伝導率を５０〜３９０Ｗ／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、前駆体が銅酸化物であるため、低コストで作製可能であるという長所もある。
【００９８】
なお、本発明の接合は、水素を含む還元雰囲気のもとで行うことができる。
【００９９】
還元雰囲気を用いた接合方法の一例を述べる。
【０１００】
接合材料は、高結晶性ＣｕＯ粒子と有機溶剤との混合物を用いて行うことができる。高結晶性ＣｕＯ粒子９０質量部と１０質量部の酢酸銅水和物（ＩＩ）とを含む粒子材にジエチレングリコールモノブチルエーテル溶剤を混合したものを接合材料とし、これを接合すべき電極の塗布部分にメタルマスクによって印刷した。ここでは、粒子材８５質量部に対して溶剤１５質量部を混合したものを使用した。
【０１０１】
接合材料の上にＡｕ電極を有する半導体素子を配置した。このとき、半導体素子に数ヘルツから数十ヘルツの振動を加え、接合材料の濡れを向上させた場合、更に良好な接合が可能であることがわかった。
【０１０２】
この後、２００Ｐａ程度で減圧乾燥し、次いで０．８ＭＰａで加圧状態にした後、その状態を維持したままで、９５ｖｏｌ％の窒素と５ｖｏｌ％の水素とを混合した還元雰囲気下で、常温から２０℃／ｍｉｎの昇温速度で温度を３００℃まで上昇させ、そのまま１５分間に亘ってこの状態を維持した。これにより、良好な接合状態を得ることができた。
【０１０３】
以下、本発明の接合プロセスにおける作用について説明する。
【０１０４】
昇温過程においては、まず、酸化第二銅（ＣｕＯ）が還元する温度より低い温度で酢酸銅水和物（ＩＩ）が熱分解し、溶融（液相）状態となるとともにＣｕ粒子が生成される。このＣｕ粒子を含む液相がＡｕ電極の表面を覆う。さらに、ＣｕがＡｕ電極中に拡散する。次いで、還元雰囲気中でＣｕＯが還元され、これにより生成したＣｕ粒子とＣｕが拡散したＡｕ電極とが高密度に焼結し、接合層を形成する。本明細書において「接合層が高密度である」とは、焼結密度が９０％以上であることをいう。焼結密度は、断面ＳＥＭ観察から算出したものである。すなわち、断面画像から焼結銅部と焼結欠陥部とを二値化処理し、全体の面積に対する焼結欠陥部以外の面積の割合から算出する。ここで、断面画像の観察倍率は、１００倍として面積の計算をした。なお、観察倍率を５００倍、１０００倍としても計算結果に影響がないことを確認した。言い換えると、焼結接合層の断面全体が観察できる倍率であればよい。
【０１０５】
以上の接合プロセスは、フォーミングガス還元雰囲気での接合プロセスを示したものであるが、水素雰囲気のみを用いても良好な接合が得られる。
【０１０６】
図１３は、上述の接合プロセスをまとめて示したものである。
【０１０７】
本図において、電子部品等の構成要素である電極等を接合する部位に接合材料を塗布し（Ｓ１０１）、加熱を開始する（Ｓ１０２）。その後、昇温過程において酢酸銅又はギ酸銅の水和物が熱分解し（Ｓ１０３）、ついで、酸化第二銅が還元される（Ｓ１０４）。
【０１０８】
酢酸銅又はギ酸銅の水和物の熱分解（Ｓ１０３）は、およそ１５０〜２００℃で生じる。一方、酸化第二銅の還元（Ｓ１０４）は、およそ３００℃で生じる。
【０１０９】
次に、この水素雰囲気を用いた接合方法の一例を述べる。
【０１１０】
高結晶性ＣｕＯ粒子８５質量部とギ酸銅水和物１５質量部とを混合して粒子材とした。この粒子材８５質量部とトリエチレングリコール溶剤１５質量部とを混合して接合材料とし、これを接合すべき電極上にメタルマスクによって印刷し、その上にＡｕ電極を有する半導体素子を配置した。
【０１１１】
この後、１．０ＭＰａで加圧状態とし、その状態を維持したままで、水素雰囲気下で常温から２０℃／ｍｉｎの昇温速度で温度を３５０℃まで上昇させ、そのまま２０分間に亘ってこの状態を維持した。これにより、良好な接合状態を得ることができた。
【０１１２】
以上で説明した接合材料及び接合方法を半導体装置のＡｕ電極の接合に適用することにより、優れた接合信頼性を得ることができる。
【０１１３】
溶剤としては、上記の溶剤以外にも、還元作用を有する有機物を用いることができる。
【０１１４】
例えば、アルコール類、カルボン酸類及びアミン類からなる群から選ばれた１種又は２種以上の混合物を用いることができる。
【０１１５】
利用可能なアルコール基を含む化合物としては、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、デシルアルコール、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等のアルキルアルコール、ジエチレングリコールモノブチルエーテルなどがある。また、一価アルコールに限らず、エチレングリコール、トリエチレングリコールなどの二価アルコール、若しくは三価アルコール、アルカンジオール、又は環状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。
【０１１６】
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、１級カルボン酸に限らず、２級カルボン酸若しくは３級カルボン酸、ジカルボン酸、又は環状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。
【０１１７】
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級アミンに限らず、２級アミン若しくは３級アミン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構造を有していてもよい。
【０１１８】
また、用いる溶剤としては、上記のアルコール、カルボン酸又はアミン等に限らず、アルデヒド基、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よい。
【０１１９】
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溶剤は、ＣｕＯと混ぜて放置すると一日後にはＣｕ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。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。
【０１２０】
メタノール、エタノール、プロパノール、テルピネオール等も還元作用があるため、混合後、すぐに用いる必要がある。長期間に保管する場合であれば、常温での還元作用が弱い水、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を用いることが好ましい。また、溶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。
【０１２１】
Ｃｕ粒子前駆体（銅酸化物）の溶媒への分散性を向上させるため、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。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、接合材料中において０．０１質量％以上でかつ４５質量％を超えない範囲とする。
【０１２２】
また、溶剤は、金属酸化物等を還元した後、生成された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、ある程度の炭素数があることが望ましい。具体的には、２〜２０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、炭素数が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る結果、接合強度の低下を招くからである。
【０１２３】
溶剤の使用量は、Ｃｕ粒子前駆体（銅酸化物）の全質量を１００質量部としたとき、１質量部〜５０質量部の範囲であればよい。溶剤の量が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。一方、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層中における緻密化の達成が困難である。溶剤の更に好ましい範囲は、１０〜５０質量部である。
【０１２４】
さらに、溶剤としては、５００℃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、溶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、５００℃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である。
【０１２５】
金属粒子前駆体と有機物からなる溶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、接合材料としての保存性の観点から、常温で金属粒子を生成しない組み合わせとすることが好ましい。
【０１２６】
また、接合材料中には比較的粒径の大きい平均粒径５０μｍ〜１００μｍの酸化第二銅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生成する１００ｎｍ以下のＣｕ粒子が、平均粒径５０μｍ〜１００μｍのＣｕ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Ｃｕ粒子を接合材料に予め混合しておいてもよい。
【０１２７】
この酸化第二銅粒子に添加可能な金属は、金、銀、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、アルミニウム等であり、これらの中から選択した少なくとも１種類の金属又は２種類以上の金属を含む合金を用いることが可能である。ただし、金、銀及び銅は、合金成分の３０質量％以下が好ましく、１０質量％以下が更に好ましい。その他の金属は、合金成分の１０質量％以下が好ましく、５質量％以下が更に好ましい。
【０１２８】
以下、本発明を適用した半導体装置について図面を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１２９】
（実施形態１）
図１及び図２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る。図１は平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ’の断面図である。
【０１３０】
これらの図に示すように、半導体装置は、支持部材１１０の上にケース１１１を設け、その中に、はんだ層１０９、配線層１０２、セラミックス絶縁基板１０３及び配線層１０２をこの順に積層した構造を有する。上側の配線層１０２には、接合層１０５を介して半導体素子１０１が固定してある。接合層１０５の厚さは、８０μｍである。
【０１３１】
半導体素子１０１の上面には、エミッタ電極が接続用のアルミワイヤ２０１を用いて接合されており、アルミワイヤ２０１は、セラミックス絶縁基板１０３の上面の配線層１０２に接合されている。また、配線層１０２は、ボンディングワイヤ１１３を介して外部端子１１２に電気的に接続されている。ケース１１１の内部は、絶縁用の封止材１１４で満たされている。配線層１０２は、純銅又は銅合金で形成されている。ここで、セラミックス絶縁基板１０３及び配線層１０２をまとめて配線基板と称する。なお、封止材１１４は、一般に、シリコーンゲル、熱硬化性樹脂等が用いられる。
【０１３２】
セラミックス絶縁基板１０３の上面の配線層１０２と半導体素子１０１のコレクタ電極（図示していない）との間にある接合層１０５は、接合材料を用いて形成されたものである。コレクタ電極の電極構造はＡｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕであり、その最外表面はＡｕである。
【０１３３】
本実施形態においては、水相反応法を用いた合成で作製した９０質量部の高結晶性ＣｕＯ粒子（接合後は純銅化）と、１０質量部の酢酸銅水和物（ＩＩ）とを配合して粒子材とした。この粒子材８０質量部と、２０質量部のジエチレングリコールモノブチルエーテルとを混合して接合材料とした。
【０１３４】
接合材料は、接合すべき部位にメタルマスクによって印刷し、その上に半導体素子１０１を配置する。このとき、厚さの異なるメタルマスクを用いて接合材料を塗布する２度塗りを加えても良い。また、半導体素子１０１に低周波振動を加え、接合材料の濡れを向上させると、更に良好に接合できる。
【０１３５】
この後、０．５ＭＰａで加圧状態にする。その状態で水素中にて２０℃／ｍｉｎの昇温速度でピーク温度を３５０℃に上昇させ、そのまま２０分間保持する。このときに圧力は加えたままでよいが、ピーク温度到達後は圧力を加えなくてもよい。
【０１３６】
（実施形態２）
本実施形態においては、水相反応法を用いた合成で作製した８０質量部の高結晶性ＣｕＯ粒子（接合後は純銅化）と、２０質量部のギ酸銅水和物とを配合して粒子材とした。この粒子材９０質量部と、ジエチレングリコールモノブチルエーテル１０質量部とを混合して接合材料とした。図１及び２に示す配線層１０２は、表面にＮｉめっきを有する銅配線である。コレクタ電極の電極構造はＡｌＳｉ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕであり、最外表面はＡｕである。接合層１０５の厚さは、５０μｍである。
【０１３７】
接合材料は、実施形態１と同様に、メタルマスクによって印刷し、その上に半導体素子１０１を配置する。この後、１．０ＭＰａで加圧状態にし、水素中にて温度を３００℃に上昇させ、そのまま１５分間保持した。
【０１３８】
本実施形態においては、セラミックス絶縁基板１０３よりも配線層１０２を厚くしてあり、熱放散に優れた構造としている。本発明の接合材料を用いれば、前述したように界面の接合強度が非常に強く、かつ、繰り返し付加される熱応力に対する耐性が高いため、従来ならば接合部にひずみが増大するために実現できなかった配線層の厚板化を実現することができる。具体的には、従来のはんだを用いた場合には、界面強度が低いため、配線層の厚さは０．２〜０．３ｍｍ程度であるが、本発明の接合材料を用いれば、配線層の厚さを０．５〜１．０ｍｍ、更には１．５ｍｍ程度まで増加させることができる。
【０１３９】
（実施形態３）
本実施形態は、図３を用いて説明する。
【０１４０】
本図の半導体装置においては、図１に示す支持部材１１０及びはんだ層１０９を設けていない。
【０１４１】
本実施形態においては、水相反応法を用いた合成で作製した８８質量部の高結晶性ＣｕＯ粒子（接合後は純銅化）と、１２質量部の酢酸銅水和物（ＩＩ）とを配合して粒子材とした。この粒子材８５質量部と、ジエチレングリコールモノブチルエーテル１５質量部とを混合して接合材料とした。配線層１０２は、表面にＮｉめっきを有する銅配線である。コレクタ電極の電極構造はＡｌ／Ｎｉ／Ａｕであり、最外表面はＡｕである。セラミックス絶縁基板１０３よりも配線層１０２を厚くしてあり、熱放散に優れた構造としている。図１に示す支持部材１１０及びはんだ層１０９を省いて簡素化した構造とした。
【０１４２】
（実施形態４）
次に、別の実施形態による半導体装置の例について説明する。
【０１４３】
図４は、ワイヤボンディングではなく、銅などの金属板で結線した半導体装置の例を示したものである。
【０１４４】
半導体素子１０１のコレクタ電極４０６と配線層１０２とは、接合層１０５で接合されている。接合層１０５は、半導体素子１０１のエミッタ電極４０７と接続用端子４０１との接合部、及び接続用端子４０１と配線層１０４の接合部にも、同様の構成で適用されている。配線層１０２、１０４は、純銅又は銅合金で形成されている。接続用端子４０１は、純銅又は銅合金で構成されている。コレクタ電極４０６及びエミッタ電極４０７の電極構造はそれぞれ、Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｌ／Ｎｉである。それぞれの接合層１０５は、個別に接合してもよいし、同時に接合してもよい。
【０１４５】
本実施形態においては、水相反応法を用いた合成で作製した高結晶性ＣｕＯ粒子９０質量部と、ギ酸銅水和物１０質量部とを配合して粒子材とした。この粒子材９０質量部と、トリエチレングリコール１０質量部とを混合して接合材料とした。
【０１４６】
接合材料は、実施形態１と同様に、メタルマスクを用いて塗布し、０．８ＭＰａの圧力を水素雰囲気中で加えた。その後、温度を３００℃に上昇させ、そのまま２０分間保持した。このときにも圧力は加えたままで作製した。
【０１４７】
本実施形態の半導体装置（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、熱膨張係数約１６ｐｐｍ／℃の接合材料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、接合材料の熱膨張係数を配線基板のそれに一致させることで、接合材料に生じる熱応力が最小になり、長期信頼性が向上する。
【０１４８】
（実施形態５）
図５は、別の実施形態の半導体装置の例を示したものである。
【０１４９】
本図においては、ワイヤボンディングではなく、銅などで形成された金属板５０１を半導体素子１０１上に設置し、この金属板５０１から銅製のリボン５０２で結線している。
【０１５０】
半導体素子１０１のコレクタ電極４０６と配線層１０２とは、接合層１０５で接合されている。この接合層１０５は、半導体素子１０１のエミッタ電極４０７と金属板５０１との接合部にも適用されている。配線層１０２、１０４は、純銅又は銅合金で形成されている。金属板５０１は、純銅若しくは銅合金、又は銅／インバー／銅などの低熱膨張銅クラッド材などで構成されており、半導体素子１０１より面積が小さい。半導体素子１０１のコレクタ電極４０６及びエミッタ電極４０７の電極構造はそれぞれ、Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｌ／Ｎｉである。それぞれの接合層１０５は、個別に接合してもよいし、同時に接合してもよい。
【０１５１】
本実施形態においては、水相反応法を用いた合成で作製した高結晶性ＣｕＯ粒子９０質量部と、ギ酸銅水和物１０質量部とを配合して粒子材とした。この粒子材９０質量部と、トリエチレングリコール１０質量部とを混合して接合材料とした。
【０１５２】
接合材料は、接合すべき部位にメタルマスクを用いて塗布し、０．８ＭＰａの圧力を水素雰囲気中で加えた。その後、温度を３００℃に上昇させ、そのまま２０分間保持した。このときにも圧力は加えたままで作製した。
【０１５３】
本実施形態の半導体装置（パワー半導体モジュール）は、半導体素子１０１の上に金属板５０１を設置したことにより、アルミワイヤではなく、幅広の銅製のリボン５０２をボンディングしても半導体素子１０１へのボンディングダメージの発生を抑止することができ、大幅な生産歩留まり向上を図ることができる。さらに、実施形態４と同様、高温環境に対する長期信頼性が向上する。
【０１５４】
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り、高温環境の場所に設置することができ、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。
【０１５５】
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。このような自動車は、動力源から車輪に至る駆動機構を簡素化できるため、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、変速の際のショックが軽減され、スムーズな走行が可能となり、振動や騒音の面でも従来よりも軽減することができる。
【０１５６】
さらに、本実施形態の半導体装置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。
【０１５７】
これらの効果は、半導体装置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。
【符号の説明】
【０１５８】
１０１、２０１：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、１０９：はんだ層、１１０：支持部材、１１１：ケース、１１２：外部端子、１１３：ボンディングワイヤ、１１４：封止材、２０１：接続用端子、２０２：Ａｕ電極、２０３：電極、２０４：焼結層、２０５：焼結欠損、２０６：Ａｕ拡散層、２０７：空隙、４０１：接続用端子、４０６：コレクタ電極、４０７：エミッタ電極、５０１：金属板、５０２：リボン。
【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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【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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