JP2010010502A

JP2010010502A - 半導体装置及び接合材料

Info

Publication number: JP2010010502A
Application number: JP2008169769A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Morita; 俊章守田; Takesuke Yasuda; 雄亮保田; Hidekazu Ide; 英一井出
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP5135079B2

Abstract

【課題】
半導体装置のＣｕ，Ｎｉ，Ａｌを含めた各種電極と、金属酸化物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。
【解決手段】
半導体素子と電極がＡｇ系またはＣｕ系材で構成された接合層を介して接続された半導体モジュールであって、半導体素子と前記接合層との界面、及び前記接合層と前記電極との界面に前記接合層と同種の薄膜が形成し、かつ前記薄膜の厚さが１乃至２００ｎｍであることを特徴とする。また、半導体素子と電極とを接合する際に、接合材料の還元温度を超えない低温で熱処理し、その後、還元よりも高温での熱処理する２段加熱により接合することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、金属酸化物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。

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。

特開２００４−１０７７２８号公報

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Ｃｕ，Ｎｉ，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。

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Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌの接合には適さない。

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、接合材には熱伝導性，耐食性も要求される。

図９は特許文献１に記載の材料を用いて、耐食性を評価した結果である。接合相手電極材は、初期接合強度が良好であったＡｇ、およびＡｇより劣っていたＣｕに対して行った。耐食性は温度８５℃，湿度８５％の密閉容器に接合サンプルを放置し、所定時間に到達したときにせん断試験を行い、その強度劣化で評価した。図９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、Ａｇ電極，Ｃｕ電極とも、１００時間を越えると強度劣化が始まり、５００時間ではほとんど接合していない状態となったことが判った。強度劣化の要因は接合層の腐食である。その機構は、相手電極との接合部界面に存在していた空洞部において、その空洞部周囲から水分などの腐食物質が外部から侵入して空洞部に溜まり、これが腐食の起点となっていたことによる。通常、１０００時間は強度劣化のないようにする必要があり、特許文献１に記載の材料では接合信頼性が確保できないことも判った。

本発明は、半導体装置のＣｕ，Ｎｉ，Ａｌを含めた各種電極と、金属酸化物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。

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有機物からなる還元剤とを含む接合材料により、金属粒子が作製される温度以下で加熱保持し、その後、金属粒子焼結に必要な温度に昇温して保持する２段階加熱によって接合を行うことで、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌ電極に対して優れた接合強度が得ることができることを見出した。

本発明は半導体素子と電極がＡｇ系またはＣｕ系材で構成された接合層を介して接続された半導体モジュールであって、半導体素子と前記接合層との界面、及び前記接合層と前記電極との界面に前記接合層と同種の薄膜を有し、かつ前記薄膜の厚さが１乃至２００ｎｍであることを特徴とする。

また、粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の銀系，銅系、あるい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，アミン類から選ばれた１種以上の有機物を含有する接合材料を接合部材間に配置し、前記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の加熱処理を施すことにより、接合部材間を接合する接合方法を特徴とする。

本発明により、半導体装置の電極と、金属酸化物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。

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、Ｃｕ，Ｎｉ，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接合を行うことにより、貴金属、及びＣｕ，Ｎｉ，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、接合を行うことで貴金属、Ｃｕ，Ｎｉ，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。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し、接合に至る機構は、（１）生成した１００ｎｍ以下の金属粒子が相手電極表面に１から２００ｎｍの層を形成、（２）この層は非常に薄く、平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子表面と同様に表面が活性なため、１から２００ｎｍの層形成に寄与しなかった金属粒子と融合（金属粒子と電極界面における接合を促進）、（３）さらに金属粒子同士の融合によって接合層を形成し、接合が達成される。本発明において、前記機構（１）に示したように、接合部界面、すなわち電極表面に１から２００ｎｍの薄層が形成していることが特徴である。この層の存在は、図４に示すように接合界面に形成した空洞、すなわちボイド部を観る事で判る。つまり、ボイドと相手電極間に前記薄層が形成しているので、これを確認すれば良い。

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、従来では困難であった２００℃以下の低温でも接合を達成することが可能である。特に前記接合機構（１）にある相手電極表面の薄層を形成させるには、金属粒子が作製される温度以下に加熱して保持し、その後金属粒子焼結に必要な温度に昇温して保持する２段階加熱によって促進される。２段階加熱は、接合材料の還元温度を超えない低温で熱処理し、その後、還元よりも高温での熱処理を行うことが好ましい。ここで、還元温度は、酸化物から酸素を供給して還元剤が酸化する燃焼温度のことである。低温側の熱処理温度としては、接合材料の成分により異なるが、４０℃以上１５０℃以下、より好ましくは４０℃以上８０℃以下の温度とすることが望ましい。

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。

図５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、接合プロセスを（１）６０℃の熱を約１０分間加え、同時に１.０ＭＰａの圧力を大気中で加える、（２）加圧は加えたまま温度を２００℃に上昇させ、５分間保持する、プロセスとした。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５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、Ｃｕ電極に対して接合温度を２５０℃，加圧１.０ＭＰａ一定とし、相手電極の影響を調べた結果も示した。その結果、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ各電極に対する接合強度は、全て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ことが判った。しかし、２段階加熱を経ない場合は、２段階加熱を経た場合より２０％ほど接合強度が低かった。２段階加熱を経ないと、相手電極との界面に形成する薄膜層が均一に生成されにくくなることを確認している。このため接合性が劣ったと考えられる。

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。

次に耐食性を評価した結果を図６に示す。接合相手電極材はＡｇおよびＣｕに対して行った。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接合材として用いた。耐食性は温度８５℃，湿度８５％の密閉容器に接合サンプルを放置し、所定時間に到達したときにせん断試験を行い、その強度劣化で評価した。図６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、Ａｇ電極，Ｃｕ電極とも、１０００時間を越えても強度劣化がないことが確認できた。図４のように界面の空洞部において、電極表面に接合層と同物質の薄膜層があるため、外部から腐食物質の進入を妨げることができ、耐食性が向上した。

図７は、Ｃｕ電極に対して、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接合したサンプルに対して、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を測定した結果である。接合方法は図５と同様である。比較のため、特許文献１に記載の従来材を用いた場合の結果も記した。これの接合方法は図８と同様である。縦軸は熱伝導率であり、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接合したサンプルの時の値で規格化した。この結果から、本発明構造にくらべ従来材を用いた場合は、熱伝導率が２０％低下していることがわかった。本発明構造は図４にあるように、相手電極との界面には薄膜が形成しているため、相手電極との界面に存在する空洞部においても熱的パスが確保できる。このため、薄膜が存在しない従来構造に比べて放熱性が向上した。

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。

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。

図４に示す薄膜層の厚さを１から２００ｎｍとしたのは、１ｎｍ以下であると薄膜の均一性が損なわれ、耐食性が確保できなくなるからである。またその厚さが２００ｎｍを超えると膜自体のち密さが損なわれ、やはり耐食性が確保できなくなるからである。

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。

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。

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。

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。他には、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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０.０１〜１０ＭＰａの圧力を加えることが好ましい。

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。接合時の雰囲気は還元雰囲気，非酸化雰囲気，大気雰囲気でもよい。

以上の接合材料と接合方法を経て接合された界面には薄膜層が形成される。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。

以上で説明した接合材，接合方法を半導体装置の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。

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。

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。

本実施例において、半導体素子１０１の一方の面は、図示しないコレクタ電極が、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Ｃｕ配線である。接合層１０５は厚さ８０μｍである。半導体素子１０１の他方の面は、エミッタ電極が接続用端子２０１と酸化銀粒子酢酸銀粒子混合接合材（１０５と同一材、接合後は純銀層化）を用いて接合されており、接続用端子２０１はセラミックス絶縁基板１０３上のＡｌ配線１０４と酸化銀粒子酢酸銀粒子混合接合材（１０５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。

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の接合層１０５（接合後は純銀層化）で接合されている。配線層１０２はＣｕ配線である。酸化銀粒子酢酸銀粒子混合接合材（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酢酸銀粒子を用いた接合層１０５は個別に接合してもよいし、同時に接合しもよい。酸化銀粒子酢酸銀粒子使用接合材を接合すべき部材の間に配置し、その状態で６０℃の熱を約１０分間加え、同時に１.０ＭＰａの圧力を大気中で加える。次に温度を２００℃に上昇させ、５分間保持する。このときにも圧力は加えたままとしたが、加えなくてもよい。接合に当たり、超音波振動を加えることもできる。

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。

図３に示す金属接合部１０５は放熱部位である。このため、粒子層の材料に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。

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。

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。

図１０は半導体装置の回路を説明する図である。４個のＭＯＳＦＥＴ素子４０１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。

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１１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。

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。

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。

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。

（ａ）は本発明の位置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１の要部を示した斜視図である。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。本発明による接合部の状態を示す図である。本発明による接合部の接合強度を示す図である。本発明による接合部の耐食性を示す図である。本発明による接合部の熱伝導率を示す図である。従来材による接合部の接合強度を示す図である。従来材による接合部の耐食性を示す図である。半導体装置の回路図である。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。

符号の説明

１０１半導体素子
１０２配線層
１０３セラミックス絶縁基板
１０４配線層
１０５接合層
１０６エミッタ電極
１１０支持部材
２０１接続用端子

Claims

半導体素子と電極がＡｇ系またはＣｕ系材で構成された接合層を介して接続された半導体モジュールであって、半導体素子と前記接合層との界面、及び前記接合層と前記電極との界面に前記接合層と同種の薄膜を有し、かつ前記薄膜の厚さが１乃至２００ｎｍであることを特徴とした半導体モジュール。
請求項１において、半導体素子と前記接合層との界面、及び前記接合層と前記電極との界面に空洞部があり、前記空洞部と前記半導体素子との界面、及び前記空洞部と前記電極との界面に、前記接合層と同種の薄膜を有し、かつ前記薄膜の厚さが１乃至２００ｎｍであることを特徴とした半導体モジュール。
請求項１に記載の半導体モジュールを内蔵していることを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置がエンジンルームに搭載されることを特徴とするハイブリット自動車。
粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の銀系，銅系、あるい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，アミン類から選ばれた１種以上の有機物を含有する接合材料を接合部材間に配置し、前記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の加熱処理を施すことにより、接合部材間を接合することを特徴とする接合方法。
請求項５に記載の接合方法において、接合部材の最表面がＣｕ，Ｎｉ，Ａｌのいずれかであることを特徴とする接合方法。
請求項６に記載の接合方法において、前記第１の加熱処理は、４０℃以上１５０℃以下の温度で行われることを特徴とする接合方法。
半導体素子と、最表面がＣｕ，Ｎｉ，Ａｌのいずれかで構成される電極とがＡｇ系またはＣｕ系材で構成された接合層を介して接続された半導体モジュールの製造方法であって、
半導体素子又は電極の表面に、粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の銀系，銅系、あるい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，アミン類から選ばれた１種以上の有機物を含有する接合材料を配置し、半導体素子と電極とを重ね合わせる工程と、
前記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、前記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の加熱処理により、半導体素子及び電極を接合する工程と、
を有することを特徴とする半導体モジュールの製造方法。
請求項８に記載の半導体モジュールの製造方法において、４０℃以上１５０℃以下の温度で前記第１の加熱処理を施し、２００℃以上の温度で第２の加熱処理を施すことを特徴とする半導体モジュールの製造方法。