JP2016225461A - 複数部材の摩擦摺動接合方法およびこの方法によって得られた接合体ならびに半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】接合時に割れず、高い接合面積率で、使用時には優れた耐熱サイクル性を発揮する複数部材の摩擦摺動接合体及び半導体素子を提供する。【解決手段】複数部材の重ね合せ物Ａを、垂直方向に押圧しつつ平行方向に往復的微摺動を繰り返す一対の摩擦摺動治具Ｂ１、Ｂ２の間に挟み摩擦摺動に付し、複数部材を接合する方法である。複数部材のうちの、第一部材１０が表面にＡｌ電極を、裏面に金属薄膜層１２を有する半導体１３からなり、第二部材２０が第一部材を実装させる基板であり、第三部材３０が第一部材と片方の摩擦摺動治具との間に配置された軟質金属部材であり、第四の部材４０が第一の部材と第二の部材との間に配置された軟質金属材料であり、更に重合せ物を摩擦摺動に付した後、第三部材の微摺動の方向に沿った方向の外形寸法が、第一部材の同方向の外形寸法よりも大きくない。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、複数部材の摩擦摺動接合方法、およびこの方法によって得られた接合体、ならびに半導体素子に関する。

従来より、半導体部材やこれを実装する基板部材などの複数の部材を接合する際には、その後のはんだ付け処理での再溶融を回避するために、より高融点な鉛はんだによる接合が行われてきた。しかしながら、鉛フリー化が指向されている近年では、Ｓｎ−Ｓｂはんだなどの比較的高融点の鉛フリーの材料も使用されるようになってきた。

また、はんだに代わる高融点接合層が形成可能な技術として、溶融させたＳｎに周囲に配したＣｕ、Ａｇ、Ａｕなどの他の金属を溶解、拡散させて高融点化する液相拡散接合が特開２００６−２３７４１９号公報に示されている。この他、ナノ粒子化した高融点のＡｇを焼結することで接合層を形成する方法が特開２０１４−３３３９号公報に示されている。

特開２００６−２３７４１９号公報 特開２０１４−３３３９号公報

近年、パワーデバイス用半導体の実装においては、冷却効率の向上を目的として、半導体をより高温で動作させようとする傾向があって、ジャンクション温度は１７５℃以上まで高温化してきている。このような高温においては、半導体のＯｎ／Ｏｆｆにより大きな熱応力が接合部に発生し、熱疲労寿命などの観点から、Ｓｎ−ＳｂといったＳｎ系のはんだ材料ではもはや対応が困難である。

また、液相拡散接合では、Ｃｕ_５Ｓｎ_６等の金属間化合物が形成されるため、半導体の寸法が大きい場合、発生する熱応力も大きくなることから対応可能な範囲が限定される。Ａｇナノ粒子接合では高融点の接合層が形成できるが、高価なＡｇを用いているため、コストパフォーマンスの観点から、その普及には工業上の制約がある。

上述のような状況を鑑み、本発明者らは、脆化相を生成せずに高融点の接合相の形成が可能で、かつ、安価なプロセスコストが期待でき、かつ、熱応力の影響を緩和できる半導体とこれを実装する基板との接合方法を見出すに至った。

すなわち、本発明の実施形態による複数部材の摩擦摺動接合方法は、金属表面を有する複数の部材の重ね合わせ物を、この重ね合わせ物の重ね合わせ面に対して垂直方向に押圧を印加しつつ、重ね合わせ面に対して平行方向に往復的な微摺動を繰り返す一対の摩擦摺動治具の間に挟んで摩擦摺動に付すことによって、前記の複数の部材を互いに接合する方法であって、
前記の複数の部材のうちの、第一の部材が、表面にＡｌ電極を有しかつ裏面に金属薄膜層を有する半導体からなり、
第二の部材が、前記の第一の部材を実装させる基板であり、
第三の部材が、前記の第一の部材と前記の一対の摩擦摺動治具のうちの片方の摩擦摺動治具との間に配置された軟質金属部材であり、
第四の部材が、前記の第一の部材と第二の部材との間に配置された軟質金属材料であり、さらに、
前記の重ね合わせ物を摩擦摺動に付した後の段階における、前記の第三の部材の前記の往復的な微摺動の方向に沿った方向の外形寸法が、前記の第一の部材の同方向における外形寸法よりも大きくないこと、を特徴とする。

そして、本発明の実施形態による接合体は、上記の複数部材の摩擦摺動接合方法によって得られた接合体である。
そして、本発明の実施形態による半導体素子は、上記の接合体を含んでなるものである。

本発明の実施形態によれば、半導体と基板の摩擦摺動接合において、接合時に発生するせん断応力と使用時に発生する熱応力を緩和することができる、複数部材の接合方法を見い出すに至った。

そして、その結果、接合時に割れを発生することなく、高い接合面積率を達成し、また使用時には優れた耐熱サイクル性を発揮する半導体素子を、効率的に、かつ安価に得ることができるようになった。

本発明の好ましい実施形態による複数部材の摩擦摺動接合方法の概要を示す図。 本発明の好ましい実施形態による半導体素子の概要を示す図。 本発明の好ましい実施形態による半導体素子の概要を示す図。

一般に、摩擦摺動接合は、超音波接合に代表されるように微摺動摩擦によって被接合材表面の金属の酸化膜を除去し、新生面同士を接合する方法である。このため、圧力を加える摩擦摺動治具には、通常、被接合材を固定するための凹凸が設けられており、脆性材料ではこの凹凸による破壊が発生するリスクがある。また、摩擦摺動時には大きなせん断力が被接合材に加わるため、脆性材料ではせん断破壊が発生し易いことから、半導体表面のワイヤボンディングなどのような限られた用途において実施されているに留まっている。特に、半導体と金属フレームまたは絶縁基板の金属回路との接合には本発明者らが知るところでは全く使用されていない。

本発明の実施形態による複数部材の摩擦摺動接合方法は、従来は摩擦摺動接合が困難であった脆性材料に対しても適用可能なものであって、例えば、好ましくはＳｉＣのような半導体を含んでなる部材を摩擦摺動によって強固にかつ確実に接合することができるものである。そして、優れた熱サイクル寿命特性が得られ、更に、低コストで経済性の高い接合が実現できる。

＜複数部材の摩擦摺動接合方法＞
以下、本発明の実施形態による複数部材の摩擦摺動接合方法を、必要に応じて、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明による複数部材の摩擦摺動接合方法の好ましい一具体例を示すものである。この図１に示される複数部材の摩擦摺動接合方法は、金属表面を有する複数の部材（即ち、第一の部材１０、第二の部材２０、第三の部材３０、第四の部材４０）の重ね合わせ物Ａを、この重ね合わせ物Ａの重ね合わせ面に対して垂直方向に押圧を印加しつつ、重ね合わせ面に対して平行方向に往復的な微摺動を繰り返す一対の摩擦摺動治具（Ｂ１およびＢ２）の間に挟んで摩擦摺動に付すことによって、前記の複数の部材（即ち、第一の部材１０、第二の部材２０、第三の部材３０、第四の部材４０）を互いに接合する方法である。

重ね合わせ物Ａの重ね合わせ面に対して垂直方向に印加される押圧力は、好ましくは２０〜８０ＭＰａ、特に好ましくは３０〜４０ＭＰａ、であり、重ね合わせ面に対して平行方向に印加される往復的な微摺動は、好ましくは摺動する接合面を保持する加圧治具の相対振幅が接合体を加圧していない無負荷の状態で１０〜５０μｍ、特に好ましくは２０〜３０μｍである。摩擦摺動の時間は、好ましくは０．２〜５秒、特に好ましくは０．５〜３秒である。

そして、前記の複数の部材のうちの、第一の部材１０が、表面にＡｌ電極１１を有しかつ裏面に金属薄膜層１２を有する半導体１３からなり、
第二の部材２０が、前記の第一の部材１０を実装させる基板であり、
第三の部材３０が、前記の第一の部材１０と前記の一対の摩擦摺動治具（Ｂ１、Ｂ２）のうちの片方の摩擦摺動治具（Ｂ１）との間に配置された軟質金属部材であり、
第四の部材が、前記の第一の部材と第二の部材との間に配置された軟質金属材料であり、さらに、
前記の重ね合わせ物Ａを摩擦摺動に付した後の段階における、前記の第三の部材３０の前記の往復的な微摺動αの方向に沿った方向の外形寸法ｎが、前記の第一の部材１０の同方向（即ち、往復的な微摺動αの方向）における外形寸法ｍよりも大きくないこと、を特徴とする。

ここで、第一の部材１０は、表面（おもて面）にＡｌ電極１１を有しかつ裏面に金属薄膜層１２を有する半導体１３からなるが、ここで「表面」とは、第一の部材１０が、これを実装させる基板（即ち、第二の部材２０）の上の重ね合わされた姿において、第二の部材２０とは反対面側に位置して外部から視認できる面を意味し、「裏面」とは、第二の部材２０側であって外部から視認できない面を意味する。

Ａｌ電極１１の厚さは、好ましくは１０〜１００μｍ、特に好ましくは２０〜５０μｍ、である。これらのＡｌ電極１１および金属薄膜層１２は、半導体１３の上面および下面に存在し、半導体１３を挟みこんでいることから、摩擦摺動が実施される際に、半導体１３に部分的に過度な応力がかかることが防止している。そして、摩擦摺動が実施される際は、主として、Ａｌ電極１１の表面と第三部材３０との接触界面、ならびに金属薄膜層１２と第二の部材２０との接触界面において、摺動による摩擦の発生、これによる発熱ないし溶融が開始されるので、半導体１３に部分的に過度な応力がかかることが防止されている。

この第一の部材１０の表面のＡｌ電極１１は、第一の部材１０の表面おもて面）の全領域に設けることができる。また、第一の部材１０の表面に設けられたＡｌ電極１１の周縁部には、必要に応じて、絶縁層１４を設けることができる。この絶縁層１４の形成材料としては、好ましくはＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４を挙げることができる。第一の部材１０裏面の金属薄膜層１２は、好ましくは、最表面層が例えばＡｕ、Ａｇによって形成することができ、その厚さは、好ましくは１０〜１０００ｎｍ、特に好ましくは１０〜１００ｎｍ、である。

第一の部材１０の半導体１３としては、例えば半導体電子素子用として公知の任意の半導体が対象になる。好ましい半導体としては、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ等を挙げることができる。半導体１３の大きさや厚さも、目的とする半導体素子の種類、用途、目的等に応じて適宜定めることができる。大きさは、１〜１５ｍｍ程度、好ましくは３〜１０ｍｍ、であり、厚さは、０．１〜１．５ｍｍ程度、好ましくは０．２〜０．５ｍｍ、である。

第二の部材２０は、前記の第一の部材１０を実装する基板である。図１に示される第二の部材２０は、第一の部材１０の実装する表面側に金属層２１を有し、かつ反対の裏面側面にも金属層２２を有する絶縁基板２３からなるものである。なお、図１では、第二の部材２０の上に一つの第一の部材１０が配置されているが、第二の部材２０の上に複数個の第一の部材を配置することができる。従って、第二の部材２０の上の金属層２１の数ないしその形状（パターン）等は、第二の部材２０上の第一の部材の数や配置等に応じて適時定めることができる。なお、第二の部材２０の上の金属層２１は、本発明による接合体を例えば半導体素子として利用される際は、半導体１３への配線層として機能しうるものである。よって、そのような場合、金属層２１の数ないしその形状（パターン）等は、第二の部材２０上の第一の部材の数、大きさ、半導体の用途、目的等に応じて適宜定めることができる。

金属層２１は、好ましくは、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金によって形成することができ、その厚さは、好ましくは０．１〜１μｍ、特に好ましくは０．１〜０．５μｍ、である。

また、第二の部材２０の別の好ましい具体例としては、図３に示されるような、金属基板２４（金属フレーム）を挙げることができる。

第三の部材３０は、第一の部材１０と前記の一対の摩擦摺動治具（Ｂ１、Ｂ２）のうちの第一の部材側の片方の摩擦摺動治具（Ｂ１）との間に配置された軟質金属部材である。この第三の部材３０を形成する軟質金属材料としては、例えばブリネル硬さが１０〜１５０程度、好ましくは１００〜１５０である金属材料を挙げることができる。ブリネル硬さが１００超過の場合は第三の部材が摩擦摺動治具の表面に存在する凹凸を吸収する層として機能できず、一方、１０未満の場合は、摩擦摺動治具の表面に存在する凹凸が第三の部材を貫通し半導体を損傷するため、好ましくない。従って、第三の部材３０は、好ましくは、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金およびこれらを層状にクラッドした材料によって形成することができる。特に、Ｃｕを含む金属材料層、あるいはＣｕ層とＡｌ層とを有するクラッド材が好ましい。第三の部材３０の厚さは、好ましくは、摩擦摺動治具の表面に存在する凹凸の高さ以上で５００μｍ以下、特に好ましくは摩擦摺動治具の表面に存在する凹凸の高さ×１．２５以上で３００μｍ以下である。

摩擦摺動接合に用いられる一般的な摩擦摺動治具には、その把持面に凹凸（Ｂ１１、Ｂ２２）があることから、仮にこの第三の部材３０が存在しない場合、摩擦摺動治具（ｂ
）の凹凸（Ｂ１１）によって、第一の部材１０の表面に設けられたＡｌ電極１１に傷が付いたり、場合によりＡｌ電極１１を貫通したり、さらには半導体１３に局部的に過大な圧力を加えたりすることが予想されるが、本発明による摩擦摺動接合方法においては、この第三の部材３０が、摩擦摺動治具（Ｂ１）の表面に存在する凹凸（Ｂ１１）形状を吸収する層として機能することから、摩擦摺動に際して半導体１３が損傷することが有効に防止されている。

そして、第三の部材３０は、重ね合わせ物Ａを摩擦摺動に付した後の段階における、第三の部材３０の前記の往復的な微摺動αの方向に沿った方向の外形寸法ｎが、第一の部材１０の同方向（即ち、往復的な微摺動αの方向）における外形寸法ｍよりも大きくないこと（即ち、ｎはｍと等しいか、ｍより小さいこと（即ち、ｍ≧ｎ））が肝要である。このことにより、第三の部材３０と第一の部材１０とを良好に摺動接合することができる。仮に、第三の部材３０の外形寸法ｎが、第一の部材１０の外形寸法ｍよりも大きい場合、第三部材が摩擦摺動によって変形した際に、その変形した第三部材の一部が第一の部材１０の側面部に漏出ないし押し出されて、それが第三の部材３０と第一の部材１０との間の摩擦摺動の動きを拘束してしまい、第一の部材１０と第三の部材３０との間の摺動および接合を妨げて、十分な摺動状態および接合強度が得られなかったり、半導体１３の側面部に局部的な応力がかかって半導体１３を損傷させる可能性が考えられる。

ここで、「外形寸法ｍ」とは、詳細には、重ね合わされた第一の部材と第三の部材との接触界面における、往復的な微摺動αの方向に沿った方向についての第一の部材の長さを意味し、「外形寸法ｎ」とは、重ね合わされた第一の部材と第三の部材との接触界面における、往復的な微摺動αの方向に沿った方向についての第三の部材の長さを意味している。そして、これらの「外形寸法ｍ」および「外形寸法ｎ」は、両部材の接触界面に存在する、微摺動αの方向に沿った方向の共通の直線の中に占める第一の部材の長さｍであり、第三の部材の長さｎである。

従って、本発明の実施形態による複数部材の摩擦摺動接合方法によって得られた接合体では、その第一の部材１０と第三の部材３０との接合部分を、往復的な微摺動αの方向に沿って任意の箇所で切断した断面図に示される「外形寸法ｍ」および「外形寸法ｎ」は、いづれの切断箇所においても、「外形寸法ｎが外形寸法ｍよりも大きくない」という関係が成立する。第三の部材３０の外形寸法ｎと第一の部材１０の外形寸法ｍとの大きさの割合は、ｎを１００とした場合に、ｍが、好ましくは１００〜１５０、特に好ましくは１２０〜１５０、である。

なお、本発明では、「第三の部材の前記の往復的な微摺動αの方向に沿った方向の外形寸法ｎが、第一の部材の同方向（微摺動αの方向に沿った方向）における外形寸法ｍよりも大きくないこと」を必須とするが、しかし、微摺動αの方向以外の方向（例えば、図１の断面図において、その奥行き方向（または手前側方向））における第一の部材の長さと第三の部材の長さとの間には、上記のような関係が成立している必要はない（例えば、第一の部材の長さと第三の部材の長さとが同じである場合、第一の部材の方が長い場合、第三の部材の方が長い場合があり得る）。

第四の部材４０は、第一の部材１０と第二の部材２０との間に介在して、第一の部材１０と第二の部材２０とを接合するものである。この第四の部材４０を形成する軟質金属材料としては、例えば引張強度が３０〜１３０ＭＰａ、好ましくは４０〜１００ＭＰａ、である金属材料を挙げることができる。第四の部材４０の引張強度が１３０ＭＰａを超えると摩擦摺動によって接合が形成された後、摩擦摺動に伴う応力を緩和することができず、半導体が破壊してしまう。一方、引張強度が３０ＭＰａ未満の場合、摩擦摺動による第四の部材の塑性流動が激しく、接合部から押し出されてしまうため応力緩和の機能が不十分となる。好ましくは、例えばＡｌを含む金属材料によって形成することができ、その厚さは、好ましくは１０〜１００μｍ、特に好ましくは３０〜６０μｍ、である。

このような第四の部材４０は、第一の部材１０と第二の部材２０との間の接合強度ならびに接合体全体としての接合強度の向上や、各部材、特に第一の部材１０中の半導体１３、にかかる応力緩和等の機能を有するものである。この第四の部材４０の大きさは、第一の部材１０と第二の部材２０との両者に対し十分な接合強度が達成されるならば任意である。例えば、第一の部材１０と第二の部材２０との間の実質的に全ての領域に第四の部材を介在させることができる。従って、例えば、第一の部材１０よりも第二の部材２０の方が大きい場合には、図１に示されるように、好ましくは、第一の部材１０とほぼ同じ大きさの第四の部材４０を用いることができる。あるいは、第一の部材１０よりも大きい第四の部材を用いることができるし、第一の部材１０よりも小さい第四の部材を用いることができる。

本発明の実施形態による複数部材の摩擦摺動接合方法においては、摩擦摺動に付す前に、必要に応じて、各部材の接合される金属表面に対して酸化防止処理を行うことができる。このような酸化防止処理によって、金属表面に酸化被膜が形成されるのを防止し、酸化皮膜による接合強度の低下を防止ないし抑制することができる。特に好ましい酸化防止処理としては、有機酸を施した後に、アミンとを施す方法を挙げることができる。処理に用いる好ましい有機酸としては、例えばカルボン酸およびスルホン酸を用いることができ、アミンとしては、第一アミン、第二アミン、第三アミン、脂肪族アミン、芳香族アミン、脂環式アミンのいずれも用いることができる。

＜接合体および半導体素子＞
本発明の実施形態による接合体は、上述した複数部材の摩擦摺動接合方法によって得られた接合体である。

このような本発明の実施形態による接合体は、複数の部材（即ち、第一の部材１０、第二の部材２０、第三の部材３０、第四の部材４０）とが、高い接合強度で接合したものである。かつ、接合体の構成部材である第一の部材中の半導体１３が、摩擦摺動に付された際に、局部的な圧力を受けることが有効に防止されたものである。そして、高温への加熱や冷却、ならびに外部からの振動に繰り返し曝されたとしても、各部材（特に、半導体１３）自体の損傷や劣化が抑制されており、そして各部材間の接合強度等も良好に保持されている。

このことから、本発明の実施形態による接合体は、種々の用途に適用可能なものである。本発明の実施形態による接合体の特に好ましい用途としては、例えば半導体素子としての用途を挙げることができる。

本発明は、このような半導体素子に関するものでもある。従って、本発明の実施形態による半導体素子は、上記の接合体を含んでなるものである。

さて、図１に示される本発明の実施形態による接合体における第三の部材３０は、接合体を製造する際に、例えば半導体１３等の部材の傷つきや損傷を単に抑制するだけのものではなくて、第一の部材１０上の電極層１１と電気的に接続されていることから、半導体１３への配線部材としても機能しうるものである。このようなことから、本発明の実施形態によれば、接合体の製造の際に半導体１３への配線の形成も同時に行うことができる。

よって、本発明の実施形態による接合体は、好ましい態様として、第三の部材が第一の部材の表面のＡｌ電極と接続された電気回路の一部分として機能しうる接合体、ならびに第三の部材が、第一の部材の表面のＡｌ電極と前記の第二の部材に存在するかあるいは存在しない配線または電子素子とに接続された前記回路の一部分として機能しうる接合体が包含される。

上述した図１を含め、図２および図３は、本発明の実施形態による摩擦摺動接合方法によって得られた、本発明の好ましい半導体素子の具体例を示すものである。

図２に示される本発明の実施形態による半導体素子６０は、前述の本発明の実施形態による摩擦摺動接合方法によって得られた接合体を含んでなるものであって、
第一の部材１０が、表面にＡｌ電極１１を有しかつ裏面に金属薄膜層１２を有する半導体１３からなり、
第二の部材２０が、第一の部材１０を実装させる金属基板２４（金属フレーム）であり、
第三の部材３０が、摩擦摺動接合時に、前記の第一の部材１０と前記の一対の摩擦摺動治具（Ｂ１、Ｂ２）（図示せず）のうちの片方の摩擦摺動治具（Ｂ１）との間に配置された軟質金属部材であり、
第四の部材が、前記の第一の部材と第二の部材との間に配置された軟質金属材料であり、さらに、
前記の第三の部材３０が第一の部材１０の表面のＡｌ電極１１と接続された電気回路の一部分として機能しうるようになっている、半導体素子である。

この第三の部材３０は、例えば、第二の部材２０（金属基板２４（金属フレーム））に存在しない配線（図示せず）または電子素子（図示せず）に接続することができる。そして、第二の部材２０（金属基板２４（金属フレーム））も、配線２５によって、第二の部材に存在しない配線ないし電気回路または電子素子（図示せず）等に接続することができる。

図３に示される本発明の実施形態による半導体素子６１は、前述の本発明の実施形態による摩擦摺動接合方法によって得られた接合体を含んでなるものであって、
第一の部材１０が、表面にＡｌ電極１１を有しかつ裏面に金属薄膜層１２を有する半導体１３からなり、
第二の部材２０が、第一の部材１０を実装させる基板（具体的には、第一の部材１０の実装する表面側に金属層２１を有し、かつ反対の裏面側面にも金属層２２を有する絶縁基板２３からなる基板）であり、
第三の部材３０が、摩擦摺動接合時に、前記の第一の部材１０と前記の一対の摩擦摺動治具（Ｂ１、Ｂ２）（図示せず）のうちの片方の摩擦摺動治具（Ｂ１）との間に配置された軟質金属部材であり、
第四の部材が、前記の第一の部材と第二の部材との間に配置された軟質金属材料であり、さらに、
前記の第三の部材３０が第一の部材１０の表面のＡｌ電極１１と接続された電気回路の一部分として機能しうるようになっている、半導体素子である。

この第三の部材３０は、第二の部材２０に存在する配線（金属回路）２６と接続されている。そして、第二の部材２０は、配線２７によって、第二の部材２０に存在しない配線ないし電気回路または電子素子（図示せず）等に接続することができる。

以下において、外形５ｍｍ×５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＳｉＣ半導体と、外形３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍで０．３ｍｍのＣｕ製金属回路を両面に有する絶縁基板との接合を例にとり、本発明の実施例を説明する。

なお、以下の実施例は、本発明の実施形態のうち、好ましい具体例について更に詳細に示すものである。したがって、本発明は、実施例に具体的に開示された範囲内のみに限定して解釈されないことは言うまでもない。

＜実施例１＞
図１に、本発明の摩擦摺動接合プロセスにおける被接合材および摩擦摺動治具の配置を示す。
摩擦摺動治具の凹凸の高さは８０μｍである。摩擦摺動治具加圧面の外形寸法は５×５ｍｍであるが、そのうち凹凸が形成されている部分の外形寸法は４×４ｍｍである。

この凹凸が食い込む凹凸吸収金属箔は、Ｃｕから成り、厚さは１５０μｍで、外形寸法は４×４ｍｍである。ＳｉＣ半導体は表面外周部に幅０．４ｍｍの絶縁層を有し、その内側の表面部にＡｌ電極が露出している。凹凸吸収金属箔は半導体表面Ａｌ電極に重なるように配置され、その表面に一方の摩擦摺動治具の全ての凹凸先端が接触するように配置されている。半導体裏面と絶縁基板の金属回路との間には半導体と外形寸法が同じ５ｍｍ×５ｍｍで３０μｍの厚さを有する軟質金属箔が半導体と重なるように配置されている。本実施例では軟質金属にはＡｌを使用した。

この構成で摩擦摺動治具間に３３ＭＰａの加圧力を加えた後、４００Ｗで１秒の摩擦摺動エネルギーを印加して半導体と絶縁基板の接合を行った。

接合体の断面観察の結果、接合体の半導体部および絶縁セラミックス部分には割れが発生していないことが明らかとなった。

接合部を超音波探傷法で調べた結果、絶縁基板の金属回路と半導体裏面金属層とは９９％の接合面積率で接合されていることが判明した。

また、接合体を−４０℃と２００℃の間の熱サイクルを１０００回印加した後、超音波探傷法で再び接合面の状態を調べた結果においても、剥離やボイドなどが全く見られないことがわかった。

＜比較例１＞
実施例１で用いた凹凸吸収金属箔を使用しない図２の構成で接合を実施し、同様の評価を行った。
断面観察の結果、接合体の半導体部分に摩擦摺動治具の加圧方向に割れが発生している様子が観察された。摩擦摺動治具の凹凸の突起部の直下に見られていることから、治具突起との接触部で応力集中が発生したことによる割れであることが判明した。

＜比較例２＞
実施例２で用いた摩擦摺動治具の凹凸形成部および凹凸吸収金属箔の外形寸法を６ｍｍ×６ｍｍとして半導体外形寸法より大きくした図３の構成で接合を実施し、同様の評価を行った。
断面観察の結果、凹凸吸収箔に半導体全体が食い込んでしまっており、半導体側面の凹凸吸収層への食い込み部と食い込んでいない部分との境界部から、クラックが発生し、半導体がせん断破壊していることが明らかとなった。凹凸吸収箔が側面から半導体にせん断力を加えて破壊に至らしめるメカニズムであることが明白となった。

＜比較例３＞
実施例１で用いた軟質金属箔を使用しない図４の構成で接合を実施し、同様の評価を行った。断面観察の結果、半導体側面から、クラックが発生し、半導体がせん断破壊していることが明らかとなった。半導体表面のＡｌ電極層のみでは、摩擦摺動時のせん断力が十分緩和できないことが原因である。

＜比較例４＞
実施例１で用いた軟質金属箔を１０μｍの厚さとした構成で接合を実施し、同様の評価を行った。断面観察の結果、接合体の半導体部および絶縁セラミックス部分には割れが発生していないことが明らかとなった。接合部を超音波探傷法で調べた結果、絶縁基板の金属回路と半導体裏面金属層とは９９％の接合面積率で接合されていることが判明した。しかしながら、接合体を−４０℃と２００℃の間の熱サイクルを１０００回印加した後超音波探傷法で再び接合面の状態を調べた結果、剥離が全接合面積の５０％以上発生していることがわかった。

＜実施例２＞
実施例１の接合構成において、半導体裏面にＣｕの薄膜層を設け、このＣｕ薄膜層を形成した半導体および絶縁基板のＣｕ回路基板を沸点直下に保持したギ酸に浸漬して、表面の酸化膜除去を行うとともにギ酸金属塩錯体の保護膜を形成して再酸化を防止したものを使用した。接合部の超音波探傷により、接合面積率は１００％であることがわかった。接合体の表面を事前にギ酸処理で清浄化した状態で摩擦摺動接合を行うと、摩擦エネルギーによってギ酸金属塩錯体保護膜が分解して清浄面が露出し、酸化による非接合部を残すことなく完全に接合することができる。処理に使用するギ酸の代わりに酢酸を用いても同様の効果が得られる。また、浸漬する代わりに蒸気に曝す方法でも同様の効果が得られる。

軟質金属箔としては、ＡｇまたはＺｎを用いた場合でも同様に接合時のせん断応力および使用時の熱応力に対する緩和効果が得られるが、実施例のようにＡｌを用いた場合、最も大きな効果が得られる。また、半導体と金属フレームの接合においても本発明の上記効果は有効である。

さらに、軟質金属箔は、金属箔を単独で挿入する方法の他、メッキやイオンプレーティングのような方法で被覆層を金属フレームまたは絶縁基板の金属回路上に形成しても効果が期待できる。
摩擦摺動は半導体側、絶縁基板側のいずれか一方もしくは両側から印加しても本発明の効果は得られるが、両側から印加した方が、より低い摩擦摺動エネルギーにて効果が得られる。

＜まとめ＞
以上詳述したように、本発明においては、まず加圧時に摩擦摺動治具の凹凸による破壊から半導体を保護するために、摩擦摺動治具と半導体との間に凹凸吸収金属箔を挿入している。この凹凸吸収金属箔と接する半導体の表面にはＡｌ電極が配置されているが、凹凸吸収金属箔と摩擦摺動治具との接触部の外形寸法が半導体の外形寸法より大きくしてしまうと、凹凸吸収金属箔に半導体が食い込み、せん断力が半導体側面の表面近傍のみに集中してかかるため、半導体のせん断破壊が起こり易い。本発明では凹凸吸収金属箔と摩擦摺動治具との接触部の外形寸法を半導体の外形寸法より小さくすることで、このようなせん断破壊を避ける工夫を施し、隣接する摩擦摺動治具から受けるせん断力を半導体表面のＡｌ電極によって吸収、緩和させている。

一方、半導体裏面の金属薄膜層と金属フレームまたは絶縁基板の金属回路とを直接摩擦摺動させた場合、両者の間に摩擦摺動による接合が形成された時点から、半導体に大きなせん断力が発生する。そこで本発明においては、半導体裏面の金属薄膜層と金属フレームまたは絶縁基板の金属回路との間に軟質金属箔を介在させることによって、半導体裏面金属薄膜層／軟質金属および軟質金属／金属フレームまたは絶縁基板の金属回路の間の接合が形成された後に発生するせん断力を軟質金属が変形することによって低減することが可能となる。

以上のように、半導体上下に軟質金属の層を存在させることで、半導体を摩擦摺動時にせん断破壊させることなく、十分に接合を進展させることが可能となる。また、この軟質金属箔は使用時の熱応力の緩和にも有効に作用し、優れた熱サイクル寿命特性の発現に寄与する。さらに、軟質金属にＡｌを選択することにより、低コストで経済性の高い接合が実現できる。

さらに、以上の方法で半導体表面に接合される凹凸吸収金属箔を延長すれば、半導体の絶縁基板への接合と配線の半導体への接合を一回の接合で行うことができ、極めて効率的な半導体素子の形成が可能となる。特に、パワーデバイスのような絶縁基板上に半導体が配置された素子では、絶縁基板の半導体を接合した金属回路と独立した別の金属回路まで延長して接続することにより、幅の広い配線が形成され、電流容量の増大を図ることができる。

１０ 第一の部材
１１ Ａｌ電極
１２ 金属薄膜層
１３ 半導体
２０ 第二の部材
２１、２２ 金属層
２３ 絶縁基板
２４ 金属基板（金属フレーム）
２５、２６、２７ 配線
３０ 第三の部材
４０ 第四の部材
Ａ 重ね合わせ物
Ｂ１、Ｂ２ 摩擦摺動治具
６０、６１ 半導体素子

Claims (11)

1. 金属表面を有する複数の部材の重ね合わせ物を、この重ね合わせ物の重ね合わせ面に対して垂直方向に押圧を印加しつつ、重ね合わせ面に対して平行方向に往復的な微摺動を繰り返す一対の摩擦摺動治具の間に挟んで摩擦摺動に付すことによって、前記の複数の部材を互いに接合する方法であって、
   前記の複数の部材のうちの、第一の部材が、表面にＡｌ電極を有しかつ裏面に金属薄膜層を有する半導体からなり、
   第二の部材が、前記の第一の部材を実装させる基板であり、
   第三の部材が、前記の第一の部材と前記の一対の摩擦摺動治具のうちの片方の摩擦摺動治具との間に配置された軟質金属部材であり、
   第四の部材が、前記の第一の部材と第二の部材との間に配置された軟質金属材料であり、さらに、
   前記の重ね合わせ物を摩擦摺動に付した後の段階における、前記の第三の部材の前記の往復的な微摺動の方向に沿った方向の外形寸法が、前記の第一の部材の同方向における外形寸法よりも大きくないことを特徴とする、複数部材の摩擦摺動接合方法。
2. 前記の重ね合わせ物を摩擦摺動に付す前の段階ならびに前記の重ね合わせ物を摩擦摺動に付した後の段階のいずれにおいても、前記の第三の部材の往復的な微摺動方向に沿った方向の外形寸法が、前記の第一の部材の同方向における外形寸法よりも大きくない、請求項１に記載の摩擦摺動接合方法。
3. 前記の第四の部材が、Ａｌを含む金属材料層からなる、請求項１または２に記載の複数部材の摩擦摺動接合方法。
4. 前記の第三の部材が、前記の一対の摩擦摺動治具のうちの片方の摩擦摺動治具の表面に存在する凹凸を吸収する層として機能する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複数部材の摩擦摺動接合方法。
5. 前記の第三の部材が、Ｃｕを含む金属材料層、あるいはＣｕ層とＡｌ層とを有するクラッド層である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複数部材の摩擦摺動接合方法。
6. 前記の半導体が、ＳｉＣである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複数部材の摩擦摺動接合方法。
7. 前記の金属表面を有する複数の部材のその金属表面の少なくとも一部分が、ギ酸または酢酸による表面処理に付されたものである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の複数部材の摩擦摺動接合方法。
8. 前記の請求項１〜７のいずれか１項に記載の複数部材の摩擦摺動接合方法によって得られた接合体。
9. 前記の第三の部材が、前記の第一の部材の表面のＡｌ電極と接続された電気回路の一部分として機能しうる、請求項８に記載の接合体。
10. 前記の第三の部材が、前記の第一の部材の表面のＡｌ電極と、前記の第二の部材に存在するかあるいは存在しない配線ないし電気回路または電子素子とに接続された電気回路の一部分として機能しうる、請求項９に記載の接合体。
11. 前記の請求項８〜１０のいずれか１項に記載の接合体を含んでなる、半導体素子。

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