JP2013197436A - 高熱伝導低熱膨張接合材料及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置を製造する際に接合部等に残留する熱応力ないし熱ひずみを軽減するとともに、接合部の熱抵抗が低くする。
【解決手段】酸化銀粒子201と、還元剤203と、アモルファスカーボン粒子202とを含む接合材料200を用いる。接合材料200を用いて半導体素子を接合した半導体装置は、接合部において銀を主成分とする焼結母層にアモルファスカーボンを分散した構成である熱伝導率が高く熱膨張係数が低い焼結層を有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、高熱伝導低熱膨張接合材料及び半導体装置に関する。
半導体素子を金属支持部材上に搭載した半導体装置は、全ての電極が金属支持部材を含む全てのパッケージ部材から電気的に絶縁して外部へ引き出されているため、回路適用上の自由度が高い。例えば、一対の主電極が回路上の接地電位から浮いている使用例であっても、電極電位とは無関係にパッケージを接地電位部に固定できるので、半導体装置の実装が容易になる。
半導体素子を安全かつ安定に動作させるためには、半導体装置の動作時に発生する熱をパッケージの外へ効率良く放散する必要がある。この熱放散は、通常、発熱源である半導体素子からこれと接合された各部材を通じて気中へ熱伝達させることで達成される。半導体装置では、この熱伝達経路中に絶縁体、半導体素子を接合する部分等に用いられる接合材層、金属支持部材等が含まれる。
また、半導体装置を含む回路の扱う電力が高くなり、要求される信頼性（経時的安定性、耐湿性、耐熱性等）が高くなるほど、高い絶縁性が要求される。ここでいう耐熱性には、半導体装置の周囲温度が外因により上昇した場合のほか、半導体装置の扱う電力が大きく、半導体素子で発生する熱が大きくなった場合の耐熱性も含まれる。
一方、半導体装置においては、一般に、半導体素子を含むまとまった電気回路が組み込まれるため、その回路の少なくとも一部と支持部材とを電気的に絶縁する必要がある。
例えば、非特許文献１には、AlNに0.2〜0.5mm程度の厚い銅板が接合された回路基板（以下、「銅貼りAlN基板」という。）にSiチップを接合したアッセンブリを、銅支持部材にはんだ付け一体化したパワーモジュール構造が記載されている。この非特許文献１における銅貼りAlN基板は、AlNの持つ高熱伝導性(約200W/m・K)、低熱膨張係数(4.6×10-6/K)、高絶縁性(14kV/mm)等の特徴と、銅の持つ高熱伝導性(403W/m・K)、高電気伝導性(1.7×10-6Ω・cm)等の特徴とを組み合わせたもので、電流密度が高く、発熱の著しい電力用半導体素子(Si: 3.5ppm/℃)を直接はんだ付けすることができ、優れた放熱性及び信頼性を備えたモジュール装置を得るのに有効な部品である。
一般に、銅貼りAlN基板は、これにはんだ付けをして搭載された半導体素子、又はこれに形成された電気回路を銅支持部材から電気的に絶縁するとともに、半導体素子から冷却フィンに至る熱流路を形成してその放熱効果を高める役割を担う。また、銅貼りAlN基板によれば、熱膨張係数の小さい半導体素子を特別な熱膨張緩和材（例えば、MoやW）を用いずに直接搭載できるため、パワーモジュール装置の部品点数や組込み工数を削減できる。
また、特許文献１には、２×１０−６／Ｋと１３×１０−６／Ｋとの間にある熱膨張率と３１００ｋｇ／ｍ３以下の密度とを有し、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、及びマグネシウム合金の４種類の金属の中から選択された少なくとも１つの金属と、緑色炭化ケイ素粒子または多粒子状黒鉛であるセラミックとによって構成されており、セラミックが５０〜９０体積％の比率で用いられている補助電子部品材料が開示されている。
特許文献２には、セラミック基板の両面にAl-Si系ろう材を介して回路配線用Al板と熱拡散用Al板をそれぞれ接合した絶縁基板と、Al/SiC複合材により形成されたヒートシンクとを、Al合金を介して接合したヒートシンク付セラミック回路基板が開示されている。
特許文献３には、セラミックス基板とSiC粉末で形成された多孔質プリフォームを隣接させ、プリフォームに溶融Alを含浸することによりAl/SiC複合材を作製すると同時にAl/SiC複合材とセラミックス基板を溶融Alにより一体化接合し、セラミックス基板の表面にAl回路部を形成した回路基板が開示されている。
特公平７−２６１７４号公報 特開平１０−６５０７５号公報 特開２０００−２７７９５３号公報
セラミックス 41 (2006) No.12，pp.1044〜1046
一般に、半導体装置においては、非特許文献１及び特許文献１〜３のように、半導体素子を回路基板にはんだを介して搭載されている。さらに、非特許文献１のように、半導体素子をはんだ付け搭載した銅貼りAlN基板を、同様のはんだ付けにより銅支持部材と一体化している。ここで、熱伝導率の高い銅板が支持部材として用いられる理由は、銅貼りAlN基板から伝達される熱流を広げて放熱効果を高めるためである。
この場合、Siで構成された半導体素子と銅貼りAlN基板との間、及び銅支持部材と銅貼りAlN基板との間の熱膨張係数差が大きいこと、並びにはんだ材自体の熱膨張係数が大きいことに起因して、はんだ層の破壊及び熱流路の遮断という信頼性低下を生じやすい。
具体的には、以下の問題がある。
Siで構成された半導体素子と銅貼りAlN基板との間、及び、銅貼りAlN基板と銅支持部材との間の熱膨張係数がそれぞれ異なるため、これらを一体化した半導体装置には残留熱応力ないし熱ひずみが発生する。加えて、各接合に用いられるはんだ材の熱膨張係数自体が大きいため、接合部に熱応力ないし熱ひずみが残留するとともに変形を生ずる。
一般に、電力用の半導体素子は、サイズが大きく、また、半導体装置には複数の半導体素子や他の素子も搭載されるため、絶縁基板やはんだ付け部の面積も大きくなる。このため、残留熱応力や熱ひずみが大きく、各部材の変形も促進されやすい。半導体装置に稼働時の熱ストレスが繰返し与えられ、これが上記残留熱応力ないし熱ひずみに重畳されると、はんだ層の疲労破壊による熱流路の遮断を生ずる。この結果、半導体装置の正常動作は阻害される。
本発明の目的は、半導体装置を製造する際に接合部等に残留する熱応力ないし熱ひずみを軽減するとともに、接合部の熱抵抗が低くすることにある。
本発明においては、酸化銀粒子と、還元剤と、アモルファスカーボン粒子とを含む接合材料を用いる。この接合材料を用いて半導体素子を接合した半導体装置の接合部には、銀にアモルファスカーボンを分散した構成である熱伝導率が高く熱膨張係数が低い焼結層が形成される。
本発明によれば、熱膨張差に起因する熱応力ないし熱ひずみを軽減し、放熱性に優れた半導体装置を低コストで提供することができる。
実施例の絶縁型半導体装置を示す平面図である。 図１ＡのＡ−Ａ’断面図である。 図１Ａの半導体素子の設置部分を示す拡大断面図である。 接合部の接合強度を示すグラフである。 接合部の熱膨張性を示すグラフである。 接合部の熱伝導性を示すグラフである。 実施例の接合材料を適用した半導体装置の信頼性評価結果を示すグラフである。 実施例の接合材料を模式的に示す拡大断面図である。 実施例の接合材料を模式的に示す拡大断面図である。
本発明は、高熱伝導低熱膨張接合材料及び半導体装置に関し、特に半導体素子と電極板とを焼結金属層を介して接合した構造を有する絶縁型半導体装置に関する。
本発明の半導体装置は、半導体素子と、焼結層と、配線層とを含み、半導体素子がセラミックス板の一方の面に設けられた銅系、アルミニウム系等の配線層の表面に固着され、焼結層は、銀又は銅を主成分とする焼結母層にアモルファスカーボンが複合化された構造を有することを特徴とする。
本発明者は、金属粒子前駆体である平均粒径が０．１〜１０μｍの酸化銀粒子(Ag2O，AgO)と還元剤とを含む接合材料が、アモルファス状カーボン系素材（アモルファスカーボン）と接合でき、優れた接合強度が得ることができることを見出した。さらに、本発明者は、アモルファス状カーボン材（アモルファスカーボン）の粉末材を上記の接合材料に混合し、これを焼成することにより、優れた熱伝導性を確保するとともに熱膨張を抑制することを見出した。
以下、本発明の実施形態に係る高熱伝導低熱膨張接合材料及び半導体装置について説明する。以下、高熱伝導低熱膨張接合材料は、単に「接合材料」とも呼ぶ。
前記高熱伝導低熱膨張接合材料は、酸化銀と、還元剤と、アモルファスカーボンとを含み、酸化銀及びアモルファスカーボンが粒子状であることを特徴とする。
前記高熱伝導低熱膨張接合材料において、還元剤は、ヒドロキシ基、カルボキシ基、アミノ基、アルデヒド基、ケトン基、スルファニル基及びエステル結合のうちのいずれかの化学構造を有することが望ましい。
前記高熱伝導低熱膨張接合材料において、還元剤は、エチレングリコール、トリエチレングリコール、ミリスチルアルコール、ラウリルアミン、アスコルビン酸又は脂肪族カルボン酸であることが望ましい。
前記高熱伝導低熱膨張接合材料は、さらに、分散媒を含むことが望ましい。
前記高熱伝導低熱膨張接合材料において、アモルファスカーボンの含有量が酸化銀100重量部に対して0.1〜5重量部であることが望ましい。
前記高熱伝導低熱膨張接合材料において、酸化物の平均粒径は０．１μｍ〜１０μｍであることが望ましい。
前記高熱伝導低熱膨張接合材料において、アモルファスカーボンの平均粒径は０．１μｍ〜１０μｍであることが望ましい。
前記高熱伝導低熱膨張接合材料は、さらに、平均粒径２０μｍ〜５０μｍの大粒径金属粒子を含むことが望ましい。
前記高熱伝導低熱膨張接合材料は、さらに、平均粒径が100nm以下の小粒径金属粒子を含むことが望ましい。
前記半導体装置は、半導体素子と、焼結層と、配線層とを含み、半導体素子と配線層との間には焼結層が配置された構成であり、焼結層には、銀又は銅にアモルファスカーボンが分散されていることを特徴とする。
前記半導体装置において、配線層は、銅又はアルミニウムを含む合金であることが望ましい。
前記半導体装置において、焼結層のアモルファスカーボン含有量は、5〜50vol％であることが望ましい。
前記半導体装置において、焼結層の熱膨張係数は、5〜15ppm/℃であることが望ましい。
前記半導体装置において、焼結層の熱伝導率は、100〜500W/mKであることが望ましい。
以下、本発明について更に詳細に説明する。
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、セラミックス等の非金属材とは接合が困難であることが判明した。
これに対して、本発明者が鋭意検討した結果、特定の接合材料を用いて大気雰囲気中において接合を行うことにより、アモルファスカーボン材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０．１μｍ〜１０μｍの酸化銀粒子と酸化銀粒子を還元する還元剤とを含む接合材料を用いることが有効であることがわかった。
さらに、本発明者は、以上の知見を基に、上記の接合材料にアモルファスカーボン粉末を混合し、焼結して形成した層（焼結層）は、酸化銀が還元されて生じた金属層の内部にアモルファスカーボン粉末材が点在する構成となった。この焼結層は、熱伝導率が高く、かつ、熱膨張係数が低いことがわかった。
焼結層におけるアモルファスカーボンの割合（含有量）は5〜50vol％である。また、焼結層におけるアモルファスカーボン粉末の平均粒径は０．１μｍ〜１０μｍである。この焼結層は、熱膨張係数が5〜15ppm/℃であり、熱伝導率が100W/mK〜500W/mKである。
酸化銀粒子に還元剤を添加することによって、酸化銀単体を加熱分解するよりも低温で酸化銀が銀粒子に還元され、その際、銀粒子の平均粒径は100nm以下となる。この還元反応は、発熱量が大きいため、銀粒子同士は相互に融合するとともに、銀粒子が被接合部材と金属的に結合する。さらに、還元剤の還元発熱作用によりアモルファスカーボンの表面が活性状態になるため、この活性化したアモルファスカーボン粒子と銀とが強固に結合する。この現象を利用して接合を確実なものとしている。
この還元反応により、酸化銀粒子は、200℃以下で金属に変化することから、従来困難であった500℃以下の低温度でも接合が可能である。
平均粒径100nm以下の銀粒子を作製するために酸化銀粒子の平均粒径を０．１ｎｍ〜１０μｍの範囲に限定したのは、酸化銀粒子における金属含有量が多いことから、接合の際の体積収縮が小さく、かつ、酸化銀粒子が分解する際に酸素を発生し、有機物の酸化分解を促進するからである。
酸化銀粒子の平均粒径が１０μｍより大きくなると、接合の際に平均粒径が100nm以下の銀粒子が作製されにくくなり、これにより粒子間の隙間が広くなり、緻密な接合層を得ることが困難になる。また、接合の際の反応によって金属粒子の平均粒径は100nm以下となるため、酸化銀粒子の平均粒径は100nmよりも小さくする必要はなく、酸化銀粒子の作製、取り扱い性及び長期保存性の観点からは、酸化銀粒子の平均粒径を500nm〜１０μｍ、より望ましくは１〜５μｍとすることが好ましい。このように、接合時に平均粒径が100nm以下の銀粒子が作製されるため、粒径が100nmよりも大きい酸化物粒子を用いることができるため、従来のように凝集を防止するために有機物で表面を保護した金属粒子を作製する必要がなくなる。このため、接合材料の製造、接合プロセスの簡易化、及び接合材料の大幅なコストダウンを達成することができる。
酸化銀粒子の含有量は、酸化銀粒子と還元剤の合計を100質量％として50〜99質量％とすることが好ましい。還元剤に対して酸化銀粒子の含有量が多い方が低温で接合した後の有機物残渣が少なくなり、低温での緻密な焼結層（接合層）の作製及び接合界面での金属結合が可能となるからである。そして、接合強度を向上し、放熱性及び耐熱性を高めた接合層を得ることが可能になるからである。
還元剤は、アルコール類、カルボン酸類及びアミン類から選択して用いることができる。また、還元剤は、アルデヒド基、スルファニル基、ケトン基、エステル結合などを含む有機物を用いても良い。すなわち、還元剤は、ヒドロキシ基、カルボキシ基、アミノ基、アルデヒド基、ケトン基、スルファニル基及びエステル結合のうちのいずれかの化学構造を有することが望ましい。これらの還元剤は、２種以上を混合して用いてもよい。
ここで、還元剤が20〜30℃において液体であるエチレングリコール、トリエチレングリコール等である場合、酸化銀と混ぜて放置すると一日後には還元反応が進行してしまうため、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、セチルアルコール、ステアリルアルコール、ラウリルアミン、アスコルビン酸等は、酸化銀と混合して１か月ほど放置しておいても還元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。さらに、ギ酸、酢酸、ミリスチン酸、ステアリン酸、ラウリン酸等の脂肪族カルボン酸は、同炭素数のアルコールやアルデヒドよりも沸点が高く、常温放置では還元反応が進みにくく、保存安定性に優れる。
また、用いる還元剤は、酸化銀を還元した後には、還元により生成した100nm以下の粒径を有する銀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、炭素数が2以上かつ20以下であることが望ましい。炭素数が2より少ない場合、銀粒子が生成すると同時に粒径成長が起こり、平均粒径100nm以下の金属粒子が得られにくくなる。また、炭素数が20より多い場合、分解温度が高くなり、銀粒子の焼結が起こりにくくなる。その結果、接合強度の低下を招く。
還元剤の添加量は、酸化銀粒子と還元剤の合計を100質量％として1〜50質量％の範囲であればよい。還元剤の添加量が1質量％より少ない場合、接合材料に含まれる酸化銀粒子を全て還元して銀粒子を生成するのに十分な量ではない。一方、還元剤の添加量が50質量％を超えている場合、接合後における残渣が多くなり、銀粒子間の結合が弱くなり、接合層の緻密化の達成が困難となる。
さらに、還元剤は、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、銀粒子間の結合が弱くなり、接合層の緻密化の達成が困難となるためである。ここで、400℃までの加熱時における熱重量減少率は、一般に市販されているセイコーインスツル（株）製TG/DTA6200や、（株）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において大気中で測定した場合のものとする。
酸化銀粒子と還元剤との組み合わせとしては、これらを混合し加熱することにより銀粒子を得ることができるものであれば特に限定されないが、接合材料の保存性の観点から、常温で還元反応が進行しない組み合わせとすることが好ましい。
接合材料に混合するアモルファスカーボン粒子としては、平均粒径が０．１μｍ〜１０μｍであることが望ましい。平均粒径が１０μｍよりも大きくなると還元剤の還元発熱による表面の活性化が起こりにくく、銀との結合が達成されず焼結層の接合強度が低くなるためである。また、平均粒径が大きくなると充填密度が低くなり、焼結層の低熱膨張化の効果が低下することからも平均粒径は１０μｍよりも小さくすることが好ましい。粒子形状は短分散球形が好ましいが、棒状、フレーク形状、コンペイトウ形状等であっても良い。また、粒径や形状の異なる複数種類の粒子を混在したものであっても良い。また、粒子の作製、取り扱い性の観点から平均粒径は０．１μｍよりも大きいものと使用することが好ましい。また、半導体モジュール及び半導体パッケージにおける半導体素子の接合層（焼結層）の厚さは、熱伝導性および熱歪耐性の観点から１０μｍ〜５０μｍ程度とすることが好ましく、これに対応する観点からも、混合するアモルファスカーボン粉末の平均粒径は０．１μｍ〜１０μｍとすることが望ましい。焼結層の低熱膨張化、高熱伝導化のために、焼結層におけるアモルファスカーボンの含有量を5〜50vol％とすることが好ましい。接合材料中のアモルファスカーボン粉末の含有量としては、酸化銀100重量部に対して0.1〜5重量部とし、焼結層におけるアモルファスカーボンの含有量が5〜50vol％となるように調整される。なお、本発明において、アモルファスカーボン粒子とは、電子線回折像でハローパターンを示すものをいう。
また、接合材料には、比較的粒径の大きい平均粒径２０μｍ〜５０μｍの大粒径金属粒子を混合して用いることも可能である。これは、接合の際に酸化銀粒子が還元されて生成する100nm以下の銀粒子が、上記の大粒径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、緻密な焼結層を得るために平均粒径が100nm以下の小粒径金属粒子を接合材料に予め混合しておいてもよい。この小粒径金属粒子の種類としては、金、銀及び銅が挙げられる。これら以外にも、小粒径金属粒子として白金、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、アルミニウム等の群から選択された１種類以上の金属又は２種類以上の金属からなる合金を接合材料に予め混合して用いることも可能である。
接合材料は、酸化銀粒子、還元剤、及び、アモルファスカーボン粒子だけで構成してもよいが、ペースト状にして用いる場合には溶媒（分散媒）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反応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する直前に混合することが好ましい。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などがある。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。
また、酸化銀粒子の溶媒への分散性を向上させるため、必要に応じて、界面活性剤等の分散剤を用いて酸化銀粒子の周りを有機物で被覆し、分散性を向上させてもよい。分散剤の添加量は、接合材料全体のうち0.01wt％〜45wt％とすることが望ましい。ここで、分散剤の添加量が45wt％よりも多くなると発生ガスが多くなり、焼結層内の隙間が多くなり接合強度が低下するため、45wt％以下とすることが好ましい。
上記のようにしてペースト状にした接合材料の塗布方法としては、微細なインクジェットノズルから噴出させて基板上の電極若しくは電子部品の接続部に塗布する方法、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な部分にのみ塗布する方法、ディスペンサを用いて必要な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する方法、感光性を有する撥水性樹脂を基板若しくは電子部品の表面に塗布し、露光および現像することにより接合材料を塗布する部分の樹脂を除去した後、樹脂を除去した部分に接合材料を塗布する方法、又は撥水性樹脂を基板若しくは電子部品に塗布した後、接合材料を塗布する部分をレーザーにより除去し、その後、樹脂を除去した部分に接合材料を塗布する方法がある。これらの塗布方法は、接合する部分の面積及び形状に応じて組み合わせてもよい。
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る場合には、酸化銀粒子と混合し、加圧することにより、シート状に成形して接合材料として用いることもできる。
接合の際には、接合層の有機物を排出しながら銀粒子の融着による金属結合を行うために熱及び圧力を加えることが望ましい。接合条件としては、1秒〜10分で50〜400℃の加熱及び0.01〜10MPaの圧力を加えることが好ましい。
接合の際、酸化銀粒子は、加熱によって粒径0.1〜50nm程度の純金属超微粒子に変化し、この純金属超微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（以下、「接合層」又は「焼結層」ともいう。）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、100〜500W/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、前駆体が酸化銀であるため、低コストであるというメリットもある。なお、酸化銀粒子には、還元反応を促進するため、アルコールなどの有機物で被覆しておくことが望ましい。また、接合の際の雰囲気は大気雰囲気でよい。
以下、図面を用いて実施例を説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
図１Ａは、半導体装置の基本構造を示す平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ’断面図である。
図１Ａにおいて、半導体装置1000は、複数個の半導体素子101（MOS FET素子）と、窒化珪素板110及びその両面に形成された表面酸化膜150からなるセラミックス絶縁板と、板状の配線130（銅製）とを含む。これらは、絶縁基板125の上に設置され、周囲を主端子30及び補助端子31を有する樹脂ケース20（ポリフェニルサルファイド樹脂製）で囲まれている。
半導体素子101は、セラミックス絶縁板に設けられた配線130の上に銀系の接合金属層113（焼結層）を介して設置されている。絶縁基板125は、銅板141と、その上に設置されたセラミックス絶縁板で構成されている。これらは、銀系の接合金属層120により接合されている。
半導体素子101と配線130との間（図１Ａに示す。）、半導体素子101と補助端子31との間（図１Ａに示す。）、配線130と補助端子31との間（図１Ａに示す。）、及び配線130と主端子30との間（図１Ｂに示す。）には、Al細線117のワイヤボンディングが施されている。樹脂ケース20の内部にはシリコーンゲルからなる樹脂充填材22が充填され、樹脂ケース20の上部は樹脂蓋21（ポリフェニルサルファイド樹脂製）で覆われている。
図１Ａにおいては、窒化珪素板110に設けられた配線130の上に８個の半導体素子101が接合金属層113により固着されている。
また、配線130には、温度検出用サーミスタ素子（図示を省略）がはんだにより接合されている。なお、図面では省略しているが、樹脂ケース20と絶縁基板125との間、及び樹脂ケース20と樹脂蓋21との間は、シリコーン樹脂を用いて接着され、固定されている。樹脂蓋21の肉厚部にはネジ穴となる凹部25が設けられ、主端子30には穴142が設けられている。この凹部25及び穴142に半導体装置1000を外部回路配線に連絡するためのネジ（図示を省略）が収納されている。主端子30及び補助端子31は、あらかじめ所定形状に打抜き成形された銅板にNiめっきを施したものであり、射出成形法によって樹脂ケース20に取り付けられている。
図２は、図１Ａの半導体素子の設置部分を拡大して示した断面図である。
半導体素子101は、コレクタ電極151と、エミッタ電極106とを有し、セラミックス基板103（セラミックス絶縁板）の表面に設けられた配線層102（図１Ａの配線130と同じものである。）の表面に接合金属層105を介して接合されている。配線層102は、銅配線にニッケルめっきを施したものである。セラミックス基板103の表面には、導線の機能を有する配線104も設けられている。
接合金属層105は、接合材料に含まれる酸化銀が還元されて生成した銀を主成分とする焼結層である。接合金属層105の内部には、アモルファスカーボン107の粒子が分散されている。このアモルファスカーボン107は、接合材料に混合された構成要素の一つである。
ここで、図７及び８を用いて接合材料の構成について説明する。
接合材料の作製方法としては、例えば、平均粒径が１０〜３０μｍ程度の酸化銀粒子の凝集体、還元剤、及び、平均粒径が１０〜３０μｍ程度のアモルファスカーボン粒子の凝集体を遊星ボールミルを用いて１時間程度、酸化銀粒子とアモルファスカーボン粒子の粉末（凝集体）を平均粒径１０μｍ以下、好ましくは１μｍ程度に粉砕したのち、遠心力を用いた混錬装置を用いて30秒間混錬し、接合ペーストを作製することにより得られる。
図７においては、接合材料200は、酸化銀粒子201と、アモルファスカーボン粒子202と、少量の還元剤203とで構成されている。還元剤203は、酸化銀粒子201及びアモルファスカーボン粒子202の表面に被膜を形成している。還元剤203が少量であるため、酸化銀粒子201とアモルファスカーボン粒子202との間には、空隙が存在する。
一方、図８においては、接合材料200は、酸化銀粒子201と、アモルファスカーボン粒子202と、分散媒205とで構成されている。分散媒205は、還元剤を含有する液状の材料であり、酸化銀粒子201及びアモルファスカーボン粒子202はこの分散媒205に分散されている。すなわち、分散媒205は、酸化銀粒子201とアモルファスカーボン粒子202との間に充填されている。分散媒205により、接合材料200はペースト状になっており、塗布が容易である。
接合に際しては、接合材料200を接合すべき部材、すなわち、図２のコレクタ電極151又は配線層102に塗布する（コレクタ電極151と配線層102との間に配置する。）。そして、コレクタ電極151と配線層102とを接着する。この状態で大気中において250℃の温度（接合温度）で約3分間加熱し、同時に接着面に0.1MPaの圧力を加えることにより接合を行う。
以下、接合部の特性についてグラフを用いて説明する。
図３は、接合部に対して行った接合強度の評価結果を示したものである。
本図においては、接合温度を250℃、圧力を0.1MPaで一定とし、平均粒径１μｍのアモルファスカーボン粉末、及び平均粒径１μｍの結晶質カーボン粉末の含有量の影響を調べた結果を示している。横軸のカーボンの含有量は、焼結層におけるものである。
この評価においては、接合材料としてミリスチルアルコール（還元剤）5重量部と、平均粒径２μｍの酸化銀粒子100重量部とを混合したものを用い、大気中で金電極との接合を行った。本図の縦軸は、せん断強度を示し、アモルファスカーボン及び結晶質カーボンを含まない場合の値で規格化したものである。
本図から、アモルファスカーボンを含む場合は良好な接合強度が得られているが、結晶質カーボンを含む場合は十分な接合強度が得られないことが判った。結晶質カーボンを含ませた場合には、結晶質カーボンと焼結銀とは接合してなく、接触しているだけの状態であることを確認している。そのため、充分な接合強度が得られていないと考えられる。
さらに、焼結層にアモルファスカーボンを含ませた場合でもアモルファスカーボンの含有量が50vol％を超えると接合強度が低下することが判った。
酸化銀は、還元後、純金属となって焼結するため、体積収縮するのに対して、体積収縮しないアモルファスカーボンの焼結層中に占める割合が支配的になると、焼結密度が低下し、焼結層自体の強度が低下する。すなわち、本発明者が行った各種解析から、接合部が脆くなるとともに、相手電極（金）とアモルファスカーボンとは接触しているだけであるため、結果的に接合強度が低下することが判っている。 図４は、接合部の熱膨張性を検討した結果を示したものである。焼結層におけるアモルファスカーボン含有量を横軸にとり、焼結層の熱膨張係数を縦軸にとっている。
接合材料は、平均粒径１μｍのアモルファスカーボン粉末を混合したものである。焼結条件は、図３の場合と同様に、接合温度を250℃、圧力を0.1MPaで一定とした。図３と同様に、接合材料としてミリスチルアルコール（還元剤）5重量部と、平均粒径２μｍの酸化銀粒子100重量部とを混合したものを用い、大気中で焼結を行った。熱膨張係数の測定には、熱機械分析装置（TMA）を用いた。
本図に示すように、焼結層におけるアモルファスカーボン含有量を5vol％とした場合であっても熱膨張係数が銀（約19ppm/℃）より低い約15ppm/℃となり、焼結層におけるアモルファスカーボン含有量を50vol％以上とした場合では約5ppm/℃で一定となった。図３の接合強度の結果を併せて考えると、熱膨張係数の下限値は約5ppm/℃であると考えられる。
図５は、接合部の熱伝導性を検討した結果を示したものである。
接合材料に平均粒径１μｍのアモルファスカーボン粉末を混合したものであり、焼結層におけるアモルファスカーボン含有量を横軸にとり、焼結層の熱伝導率を縦軸にとっている。焼結条件は、図３の場合と同様に、接合温度を250℃、圧力を0.1MPaで一定とした。図３と同様に、接合材料としてミリスチルアルコール（還元剤）5重量部と、平均粒径２μｍの酸化銀粒子100重量部とを混合したものを用い、大気中で焼結を行った。熱伝導率の測定には、光交流法を用いた。
本図に示すように、熱伝導率は、アモルファスカーボンを5vol％加えただけでも、加えない場合（50W/mK）の２倍である約100W/mKとなる。アモルファスカーボンを加えない場合には、焼結層が多孔質状態（スポンジ状）になっているため、熱伝導率が低い。これに対して、アモルファスカーボンを適量加えた場合には、焼結層の空隙（空孔）がアモルファスカーボンの粒子で埋められるため、熱伝導率が高くなる。アモルファスカーボン含有量が約50vol％の場合に熱伝導率は500w/mKで極大となることがわかる。また、アモルファスカーボン含有量が50vol％以上になると、熱伝導率が低下する。これは、焼結層自体が脆くなり、接触抵抗が高くなるためと考える。焼結層におけるアモルファスカーボン含有量は、5〜50vol％であることが望ましい。
以上の検討結果から、接合材料は、アモルファスカーボンを混合し、その含有量をコントロールすることによって、純金属焼結の場合よりも高熱伝導化し、かつ、低熱膨張化することができることが判った。
図６は、図３に示すもののうち、アモルファスカーボン含有量が10vol％の焼結層で半導体素子を接合したパワー半導体モジュールについて温度サイクル試験を行い、焼結層における熱抵抗の変化を調べた結果を示したものである。比較例としては、従来の鉛含有はんだ（Pb含有はんだ）を用いて半導体素子を接合した同一型のパワー半導体モジュールについて同様の温度サイクル試験を行った結果を示した。温度サイクル条件は、−60℃で30分保持、155℃で30分保持とした。
初期熱抵抗を比較すると、上記のアモルファスカーボン含有量が10vol％の焼結層（本発明材）を適用したパワー半導体モジュールにおいては、従来の鉛含有はんだで半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールに比べ、20％程度低下させることができ、焼結層の高熱伝導化の効果を確認することができた。
また、温度サイクルが数百回に達した際、鉛含有はんだを適用したパワー半導体モジュールにおいては、熱抵抗が上昇した。これは、接合部に熱応力に起因する損傷が生じたためである。これに対して、本発明材を適用したパワー半導体モジュールにおいては、温度サイクルが数百回に達しても熱抵抗が変化せず、焼結層の低熱膨張化の効果を確認することができた。
以上のように、本発明材は、高熱伝導と低熱膨張との両立することができ、より厳しい温度環境に対して有効なことが確認できた。
20：樹脂ケース、21：樹脂蓋、22：樹脂充填材、25：凹部、30：主端子、31：補助端子、101：半導体素子、102：配線層、105、113：接合金属層、107：アモルファスカーボン、110：窒化珪素板、120：接合金属層、125：絶縁基板、130：配線、141：銅板、支持部材、200：接合材料、201：酸化銀粒子、202：アモルファスカーボン粒子、203：還元剤、205：分散媒、1000：半導体装置。

Claims (14)

  1. 酸化銀と、還元剤と、アモルファスカーボンとを含み、前記酸化銀及び前記アモルファスカーボンが粒子状であることを特徴とする高熱伝導低熱膨張接合材料。
  2. 前記還元剤は、ヒドロキシ基、カルボキシ基、アミノ基、アルデヒド基、ケトン基、スルファニル基及びエステル結合のうちのいずれかの化学構造を有することを特徴とする請求項１記載の高熱伝導低熱膨張接合材料。
  3. 前記還元剤は、エチレングリコール、トリエチレングリコール、ミリスチルアルコール、ラウリルアミン、アスコルビン酸又は脂肪族カルボン酸であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高熱伝導低熱膨張接合材料。
  4. 分散媒を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の高熱伝導低熱膨張接合材料。
  5. 前記アモルファスカーボンの含有量が前記酸化銀１００重量部に対して０．１〜５重量部であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の高熱伝導低熱膨張接合材料。
  6. 前記酸化物の平均粒径は０．１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の高熱伝導低熱膨張接合材料。
  7. 前記アモルファスカーボンの平均粒径は０．１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の高熱伝導低熱膨張接合材料。
  8. 平均粒径２０μｍ〜５０μｍの大粒径金属粒子を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の高熱伝導低熱膨張接合材料。
  9. 平均粒径が100nm以下の小粒径金属粒子を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の高熱伝導低熱膨張接合材料。
  10. 半導体素子と、焼結層と、配線層とを含み、前記半導体素子と前記配線層とが前記焼結層によって接合された構成であり、前記焼結層は、銀を主成分とする焼結母層にアモルファスカーボンが分散された焼結体であることを特徴とする半導体装置。
  11. 前記配線層は、銅又はアルミニウムを含む合金であることを特徴とする請求項１０記載の半導体装置。
  12. 前記焼結層のアモルファスカーボン含有量は、5〜50vol％であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の半導体装置。
  13. 前記焼結層の熱膨張係数は、5〜15ppm/℃であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
  14. 前記焼結層の熱伝導率は、100〜500W/mKであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の半導体装置。
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