JP7484097B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

近年、半導体パッケージ材料には、耐熱性（高温・高湿下での安定性や信頼性に優れること）が求められている。例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、電鉄、分散電源では、インバーターにパワー半導体が多く使われているが、パワー密度の向上が著しく、パッケージ材料は高温に晒される。特に、パワー半導体素子の動作時の過渡期に急峻なサージ電圧が発生し、半導体素子の発熱部の温度が急上昇する。サージ電圧が十分大きい場合は絶縁破壊などの現象が観察され、半導体装置の故障に至り、サージ電圧が小さい場合は熱ストレスなどによって半導体装置の劣化が生じる。

従来のパワー半導体装置では、半導体素子と共に基板上にスナバ回路が形成されている。スナバ回路として、抵抗素子及びコンデンサ素子を直列に接続して構成されるＲＣスナバ回路が採用されている。ＲＣスナバ回路により、サージ電圧に起因する高周波のノイズが吸収される（例えば、特許文献１～３参照）。しかし、フィールドで故障した半導体デバイスの調査から、このサージ電圧に起因すると考えられる劣化は実用上無視できない故障モードであることが分かっている（非特許文献１）。特に、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体の場合は、従来のＳｉと比較し高速動作が可能であるため、サージ電圧に起因した劣化の影響がより大きくなる。

特開２０１０－２０６１０６号公報 特開２０１０－２０５８３３号公報 特開２０１０－１９９２０６号公報

ＪＥＩＴＡ ＥＤＲ－４７０１Ｃ 半導体デバイスの取扱いガイド

本発明は、急峻なサージ電圧による半導体素子の損傷を抑制することが可能な、半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、半導体素子搭載用支持部材と、上記半導体素子搭載用支持部材上に第一焼結金属層を介して搭載された半導体素子と、上記半導体素子上に設けられた第二焼結金属層と、を備える、半導体装置を提供する。第二焼結金属層は放熱経路上に配置されないため、上記半導体装置では、半導体素子の放熱経路に影響を与えることなくサージ電圧が発生した際の半導体素子の発熱部の温度上昇が抑制される。このような半導体装置は信頼性に優れた構造を備えていると言える。

一態様において、上記第二焼結金属層が、上記半導体素子との界面に対して略平行に配向したフレーク状の金属粒子に由来する構造を含んでよい。

一態様において、上記第二焼結金属層における金属の含有量が、上記第二焼結金属層の全体積を基準として、６５体積％以上９０体積％以下であってよい。

一態様において、半導体装置が上記第二焼結金属層上に金属板をさらに備えてよい。

一態様において、上記第二焼結金属層又は上記金属板に金属配線が接続されていてよい。

一態様において、上記第二焼結金属層の厚さが１００μｍ以上５００μｍ以下であってよい。

一態様において、上記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体であってよい。

本発明によれば、急峻なサージ電圧による半導体素子の損傷を抑制することが可能な、半導体装置を提供することができる。本発明によれば、より具体的には、パワー半導体素子の動作時の過渡期に急峻なサージ電圧が発生した場合であっても、半導体装置の熱抵抗に影響を与えることなく、パワー半導体素子の発熱部の温度上昇を抑制することができる。

焼結銅層の断面ＳＥＭ像である。 本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。 本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。 本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。 本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。 温度評価の結果を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という。）について詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

以下、図面を参照しながら好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

＜焼結金属層＞
第一焼結金属層及び第二焼結金属層の各々は焼結体からなる。第一焼結金属層及び第二焼結金属層を構成する材料は、焼結性金属であり、例えば銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等を含む。焼結性金属とは、その金属粒子が融点よりも低い温度で加熱されたときに焼結体を形成し得る金属である。第一焼結金属層及び第二焼結金属層は、例えば銀、銅等の焼結性金属粒子が分散された金属ペーストの焼結物である。第一焼結金属層及び第二焼結金属層は同一の組成を有するペーストから形成されてよく、異なる組成を有するペーストから形成されてよい。すなわち、両焼結金属層は同一でも異なっていてもよい。以下、焼結性金属が銅である場合を例にとり、焼結金属層（焼結銅層）の説明をするが、以下の記載において、「銅」を焼結性を有する他の「金属」に置き換えてよい。

（銅ペースト）
焼結銅層を形成するために用いられる銅ペーストは、金属粒子及び分散媒を含む。金属粒子は、サブマイクロ銅粒子及びフレーク状マイクロ銅粒子を含むことができる。

（金属粒子）
金属粒子としては、サブマイクロ銅粒子、フレーク状マイクロ銅粒子、これら以外の銅粒子、その他の金属粒子等が挙げられる。

（サブマイクロ銅粒子）
サブマイクロ銅粒子としては、粒径が０．１２μｍ以上０．８μｍ以下の銅粒子を含むものが挙げられ、例えば、体積平均粒径が０．１２μｍ以上０．８μｍ以下の銅粒子を用いることができる。サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径が０．１２μｍ以上であれば、サブマイクロ銅粒子の合成コストの抑制、良好な分散性、表面処理剤の使用量の抑制といった効果が得られ易くなる。サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径が０．８μｍ以下であれば、サブマイクロ銅粒子の焼結性が優れるという効果が得られ易くなる。より一層上記効果を得易いという観点から、サブマイクロ銅粒子の体積平均粒径は、０．１５μｍ以上０．８μｍ以下であってもよく、０．１５μｍ以上０．６μｍ以下であってもよく、０．２μｍ以上０．５μｍ以下であってもよく、０．３μｍ以上０．４５μｍ以下であってもよい。

なお、体積平均粒径とは５０％体積平均粒径を意味する。銅粒子の体積平均粒径を求める場合、原料となる銅粒子、又は銅ペーストから揮発成分を除去した乾燥銅粒子を、分散剤を用いて分散媒に分散させたものを、光散乱法粒度分布測定装置（例えば、島津ナノ粒子径分布測定装置（ＳＡＬＤ－７５００ｎａｎｏ，株式会社島津製作所製））で測定する方法等により求めることができる。光散乱法粒度分布測定装置を用いる場合、分散媒としては、ヘキサン、トルエン、α－テルピネオール等を用いることができる。

サブマイクロ銅粒子は、粒径が０．１２μｍ以上０．８μｍ以下の銅粒子を１０質量％以上含むことができる。銅ペーストの焼結性の観点から、サブマイクロ銅粒子は、粒径が０．１２μｍ以上０．８μｍ以下の銅粒子を２０質量％以上含むことができ、３０質量％以上含むことができ、９０質量％以上含むことができ、１００質量％含むことができる。サブマイクロ銅粒子における粒径が０．１２μｍ以上０．８μｍ以下の銅粒子の含有割合が１０質量％以上であると、銅粒子の分散性がより向上し、粘度の上昇、ペースト濃度の低下をより抑制することができる。

銅粒子の粒径は、例えば、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像から算出することができる。銅粒子の粉末を、ＳＥＭ用のカーボンテープ上にスパチュラで載せ、ＳＥＭ用サンプルとする。このＳＥＭ用サンプルをＳＥＭ装置により５０００倍で観察する。このＳＥＭ像の銅粒子に外接する四角形を画像処理ソフトにより作図し、その一辺をその粒子の粒径とする。

サブマイクロ銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、１０質量％以上９０質量％以下であってもよく、３０質量％以上９０質量％以下であってもよく、３５質量％以上８５質量％以下であってもよく、４０質量％以上８０質量％以下であってもよい。サブマイクロ銅粒子の含有量が上記範囲内であれば、所望の焼結銅層を形成することが容易となる。

サブマイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びフレーク状マイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、２０質量％以上９０質量％以下であってもよい。サブマイクロ銅粒子の上記含有量が２０質量％以上であれば、フレーク状マイクロ銅粒子の間を充分に充填することができ、所望の焼結銅層を形成することが容易となる。サブマイクロ銅粒子の上記含有量が９０質量％以下であれば、銅ペーストを焼結した時の体積収縮を充分に抑制できるため、所望の焼結銅層を形成することが容易となる。より一層上記効果を得易いという観点から、サブマイクロ銅粒子の含有量は、サブマイクロ銅粒子の質量及びフレーク状マイクロ銅粒子の質量の合計を基準として、３０質量％以上８５質量％以下であってもよく、３５質量％以上８５質量％以下であってもよく、４０質量％以上８０質量％以下であってもよい。

サブマイクロ銅粒子の形状は、特に限定されるものではない。サブマイクロ銅粒子の形状としては、例えば、球状、塊状、針状、フレーク状、略球状及びこれらの凝集体が挙げられる。分散性及び充填性の観点から、サブマイクロ銅粒子の形状は、球状、略球状、フレーク状であってもよく、燃焼性、分散性、フレーク状マイクロ粒子との混合性等の観点から、球状又は略球状であってもよい。

サブマイクロ銅粒子は、分散性、充填性、及びフレーク状マイクロ粒子との混合性の観点から、アスペクト比が５以下であってもよく、３以下であってもよい。本明細書において、「アスペクト比」とは、粒子の長辺／厚さを示す。粒子の長辺及び厚さの測定は、例えば、粒子のＳＥＭ像から求めることができる。

サブマイクロ銅粒子は、特定の表面処理剤で処理されていてもよい。特定の表面処理剤としては、例えば、炭素数８～１６の有機酸が挙げられる。炭素数８～１６の有機酸としては、例えば、カプリル酸、メチルヘプタン酸、エチルヘキサン酸、プロピルペンタン酸、ペラルゴン酸、メチルオクタン酸、エチルヘプタン酸、プロピルヘキサン酸、カプリン酸、メチルノナン酸、エチルオクタン酸、プロピルヘプタン酸、ブチルヘキサン酸、ウンデカン酸、メチルデカン酸、エチルノナン酸、プロピルオクタン酸、ブチルヘプタン酸、ラウリン酸、メチルウンデカン酸、エチルデカン酸、プロピルノナン酸、ブチルオクタン酸、ペンチルヘプタン酸、トリデカン酸、メチルドデカン酸、エチルウンデカン酸、プロピルデカン酸、ブチルノナン酸、ペンチルオクタン酸、ミリスチン酸、メチルトリデカン酸、エチルドデカン酸、プロピルウンデカン酸、ブチルデカン酸、ペンチルノナン酸、ヘキシルオクタン酸、ペンタデカン酸、メチルテトラデカン酸、エチルトリデカン酸、プロピルドデカン酸、ブチルウンデカン酸、ペンチルデカン酸、ヘキシルノナン酸、パルミチン酸、メチルペンタデカン酸、エチルテトラデカン酸、プロピルトリデカン酸、ブチルドデカン酸、ペンチルウンデカン酸、ヘキシルデカン酸、ヘプチルノナン酸、メチルシクロヘキサンカルボン酸、エチルシクロヘキサンカルボン酸、プロピルシクロヘキサンカルボン酸、ブチルシクロヘキサンカルボン酸、ペンチルシクロヘキサンカルボン酸、ヘキシルシクロヘキサンカルボン酸、ヘプチルシクロヘキサンカルボン酸、オクチルシクロヘキサンカルボン酸、ノニルシクロヘキサンカルボン酸等の飽和脂肪酸；オクテン酸、ノネン酸、メチルノネン酸、デセン酸、ウンデセン酸、ドデセン酸、トリデセン酸、テトラデセン酸、ミリストレイン酸、ペンタデセン酸、ヘキサデセン酸、パルミトレイン酸、サビエン酸等の不飽和脂肪酸；テレフタル酸、ピロメリット酸、ｏ－フェノキシ安息香酸、メチル安息香酸、エチル安息香酸、プロピル安息香酸、ブチル安息香酸、ペンチル安息香酸、ヘキシル安息香酸、ヘプチル安息香酸、オクチル安息香酸、ノニル安息香酸等の芳香族カルボン酸が挙げられる。有機酸は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。このような有機酸と上記サブマイクロ銅粒子とを組み合わせることで、サブマイクロ銅粒子の分散性と焼結時における有機酸の脱離性を両立できる傾向にある。

表面処理剤の処理量は、サブマイクロ銅粒子の表面に一分子層～三分子層付着する量であってもよい。この量は、サブマイクロ銅粒子の表面に付着した分子層数（ｎ）、サブマイクロ銅粒子の比表面積（Ａ_ｐ）（単位ｍ^２／ｇ）と、表面処理剤の分子量（Ｍ_ｓ）（単位ｇ／ｍｏｌ）と、表面処理剤の最小被覆面積（Ｓ_Ｓ）（単位ｍ^２／個）と、アボガドロ数（Ｎ_Ａ）（６．０２×１０^２３個）から算出できる。具体的には、表面処理剤の処理量は、表面処理剤の処理量（質量％）＝｛（ｎ・Ａ_ｐ・Ｍ_ｓ）／（Ｓ_Ｓ・Ｎ_Ａ＋ｎ・Ａ_ｐ・Ｍ_ｓ）｝×１００％の式に従って算出される。

サブマイクロ銅粒子の比表面積は、乾燥させたサブマイクロ銅粒子をＢＥＴ比表面積測定法で測定することで算出できる。表面処理剤の最小被覆面積は、表面処理剤が直鎖飽和脂肪酸の場合、２．０５×１０^－１９ｍ^２／１分子である。それ以外の表面処理剤の場合には、例えば、分子モデルからの計算、又は「化学と教育」（上江田捷博、稲福純夫、森巌、４０（２），１９９２，ｐ１１４－１１７）に記載の方法で測定できる。表面処理剤の定量方法の一例を示す。表面処理剤は、銅ペーストから分散媒を除去した乾燥粉の熱脱離ガス・ガスクロマトグラフ質量分析計により同定でき、これにより表面処理剤の炭素数及び分子量を決定できる。表面処理剤の炭素分割合は、炭素分分析により分析できる。炭素分分析法としては、例えば、高周波誘導加熱炉燃焼／赤外線吸収法が挙げられる。同定された表面処理剤の炭素数、分子量及び炭素分割合から上記式により表面処理剤量を算出できる。

表面処理剤の上記処理量は、０．０７質量％以上２．１質量％以下であってもよく、０．１０質量％以上１．６質量％以下であってもよく、０．２質量％以上１．１質量％以下であってもよい。

サブマイクロ銅粒子としては、市販されているものを用いることができる。市販されているサブマイクロ銅粒子としては、例えば、ＣＨ－０２００（三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径０．３６μｍ）、ＨＴ－１４（三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径０．４１μｍ）、ＣＴ－５００（三井金属鉱業株式会社製、体積平均粒径０．７２μｍ）、Ｔｎ－Ｃｕ１００（太陽日酸株式会社製、体積平均粒径０．１２μｍ）が挙げられる。

（フレーク状マイクロ銅粒子）
フレーク状マイクロ銅粒子としては、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が４以上の銅粒子を含むものが挙げられ、例えば、平均最大径が１μ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が４以上の銅粒子を用いることができる。フレーク状マイクロ銅粒子の平均最大径及びアスペクト比が上記範囲内であれば、銅ペーストを焼結した際の体積収縮を充分に低減でき、所望の焼結銅層を形成することが容易となる。より一層上記効果を得易いという観点から、フレーク状マイクロ銅粒子の平均最大径は、１μｍ以上１０μｍ以下であってもよく、３μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。フレーク状マイクロ銅粒子の最大径及び平均最大径の測定は、例えば、粒子のＳＥＭ像から求めることができ、後述するフレーク状構造の長径Ｘ及び長径の平均値Ｘａｖとして求められる。

フレーク状マイクロ銅粒子は、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下の銅粒子を５０質量％以上含むことができる。焼結銅層内での配向、補強効果、接合ペーストの充填性の観点から、フレーク状マイクロ銅粒子は、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下の銅粒子を７０質量％以上含むことができ、８０質量％以上含むことができ、１００質量％含むことができる。接合不良を抑制する観点から、フレーク状マイクロ銅粒子は、例えば、最大径が２０μｍを超える粒子等の接合厚さを超えるサイズの粒子を含まないことが好ましい。

フレーク状マイクロ銅粒子の長径ＸをＳＥＭ像から算出する方法を例示する。フレーク状マイクロ銅粒子の粉末を、ＳＥＭ用のカーボンテープ上にスパチュラで載せ、ＳＥＭ用サンプルとする。このＳＥＭ用サンプルをＳＥＭ装置により５０００倍で観察する。ＳＥＭ像のフレーク状マイクロ銅粒子に外接する長方形を画像処理ソフトにより作図し、長方形の長辺をその粒子の長径Ｘとする。複数のＳＥＭ像を用いて、この測定を５０個以上のフレーク状マイクロ銅粒子に対して行い、長径の平均値Ｘａｖを算出する。

フレーク状マイクロ銅粒子は、アスペクト比が４以上であってもよく、６以上であってもよい。アスペクト比が上記範囲内であれば、銅ペースト内のフレーク状マイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向することにより、銅ペーストを焼結させたときの体積収縮を抑制でき、所望の焼結銅層を形成することが容易となる。

フレーク状マイクロ銅粒子の含有量は、金属粒子の全質量を基準として、１質量％以上９０質量％以下であってもよく、１０質量％以上７０質量％以下であってもよく、２０質量％以上５０質量％以下であってもよい。フレーク状マイクロ銅粒子の含有量が、上記範囲内であれば、所望の焼結銅層を形成することが容易となる。

サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、８０質量％以上であってもよい。サブマイクロ銅粒子の含有量及びマイクロ銅粒子の含有量の合計が上記範囲内であれば、所望の焼結銅層を形成することが容易となる。より一層上記効果を奏するという観点から、サブマイクロ銅粒子の含有量及びフレーク状マイクロ銅粒子の含有量の合計は、金属粒子の全質量を基準として、９０質量％以上であってもよく、９５質量％以上であってもよく、１００質量％であってもよい。

フレーク状マイクロ銅粒子において、表面処理剤の処理の有無は特に限定されるものではない。分散安定性及び耐酸化性の観点から、フレーク状マイクロ銅粒子は表面処理剤で処理されていてもよい。表面処理剤は、接合時に除去されるものであってもよい。このような表面処理剤としては、例えば、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、オレイン酸等の脂肪族カルボン酸；テレフタル酸、ピロメリット酸、ｏ－フェノキシ安息香酸等の芳香族カルボン酸；セチルアルコール、ステアリルアルコール、イソボルニルシクロヘキサノール、テトラエチレングリコール等の脂肪族アルコール；ｐ－フェニルフェノール等の芳香族アルコール；オクチルアミン、ドデシルアミン、ステアリルアミン等のアルキルアミン；ステアロニトリル、デカニトリル等の脂肪族ニトリル；アルキルアルコキシシラン等のシランカップリング剤；ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、シリコーンオリゴマー等の高分子処理材等が挙げられる。表面処理剤は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用してもよい。

表面処理剤の処理量は、粒子表面に一分子層以上の量であってもよい。このような表面処理剤の処理量は、フレーク状マイクロ銅粒子の比表面積、表面処理剤の分子量、及び表面処理剤の最小被覆面積により変化する。表面処理剤の処理量は、通常０．００１質量％以上である。フレーク状マイクロ銅粒子の比表面積、表面処理剤の分子量、及び表面処理剤の最小被覆面積については、上述した方法により算出することができる。

上記サブマイクロ銅粒子のみから銅ペーストを調製する場合、分散媒の乾燥に伴う体積収縮及び焼結収縮が大きいため、銅ペーストの焼結時に被着面より剥離し易くなり、半導体素子等の接合においては充分なダイシェア強度及び接続信頼性が得られにくい。サブマイクロ銅粒子とフレーク状マイクロ銅粒子とを併用することで、銅ペーストを焼結させたときの体積収縮が抑制され、所望の焼結銅層を形成することが容易となる。

銅ペーストにおいて、金属粒子に含まれる、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が２未満のマイクロ銅粒子の含有量は、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が４以上のフレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、５０質量％以下が好ましく、４０質量％以下とすることがより好ましく、３０質量％以下とすることが更に好ましい。平均最大径が１μｍ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が２未満のマイクロ銅粒子の含有量を制限することにより、銅ペースト内のフレーク状マイクロ銅粒子が、接合面に対して略平行に配向し易くなり、銅ペーストを焼結させたときの体積収縮をより有効に抑制することができる。これにより、所望の焼結銅層を形成することが容易となる。このような効果が更に得られ易くなる点で、平均最大径が１μｍ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が２未満のマイクロ銅粒子の含有量は、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が４以上のフレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、２０質量％以下であってもよく、１０質量％以下であってもよい。

フレーク状マイクロ銅粒子としては、市販されているものを用いることができる。市販されているフレーク状マイクロ銅粒子としては、例えば、ＭＡ－Ｃ０２５（三井金属鉱業株式会社製、平均最大径４．１μｍ）、３Ｌ３（福田金属箔粉工業株式会社製、体積最大径７．３μｍ）、１１１０Ｆ（三井金属鉱業株式会社製、平均最大径５．８μｍ）、２Ｌ３（福田金属箔粉工業株式会社製、平均最大径９μｍ）が挙げられる。

銅ペーストにおいては、配合するマイクロ銅粒子として、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が４以上のフレーク状マイクロ銅粒子を含み、且つ、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が２未満のマイクロ銅粒子の含有量が、上記フレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、５０質量％以下、より好ましくは４０質量％以下、更に好ましくは３０質量％以下であるマイクロ銅粒子を用いることができる。市販されているフレーク状マイクロ銅粒子を用いる場合、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が４以上のフレーク状マイクロ銅粒子を含み、且つ、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下であり、アスペクト比が２未満のマイクロ銅粒子の含有量が、上記フレーク状マイクロ銅粒子全量を基準として、５０質量％以下、より好ましくは４０質量％以下、更に好ましくは３０質量％以下であるものを選定してもよい。

（銅粒子以外のその他の金属粒子）
金属粒子としては、上述したサブマイクロ銅粒子及びマイクロ銅粒子以外のその他の金属粒子を含んでいてもよく、例えば、ニッケル、銀、金、パラジウム、白金等の粒子を含んでいてもよい。その他の金属粒子は、体積平均粒径が０．０１μｍ以上１０μｍ以下であってもよく、０．０１μｍ以上５μｍ以下であってもよく、０．０５μｍ以上３μｍ以下であってもよい。金属粒子がこれらその他の金属粒子を含んでいる場合、その含有量は、充分な接合性を得るという観点から、金属粒子の全質量を基準として、２０質量％未満であってもよく、１０質量％以下であってもよい。その他の金属粒子は、含まれなくてもよい。その他の金属粒子の形状は、特に限定されるものではない。

金属粒子が銅粒子以外の金属粒子を含むことで、複数種の金属が固溶又は分散した焼結銅層を得ることができるため、焼結銅層の降伏応力、疲労強度等の機械的な特性が改善され、接続信頼性が向上し易い。また、複数種の金属粒子を添加することで、形成される焼結銅層は、特定の被着体に対して、接合強度及び接続信頼性が向上し易い。

（分散媒）
分散媒は特に限定されるものではなく、揮発性のものであってもよい。揮発性の分散媒としては、例えば、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、α－テルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール（ＭＴＰＨ）等の一価及び多価アルコール類；エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールイソブチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類；エチレングリコールエチルエーテルアセテート、エチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＤＰＭＡ）、乳酸エチル、乳酸ブチル、γ－ブチロラクトン、炭酸プロピレン等のエステル類；Ｎ－メチル－２－ピロリドン、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド等の酸アミド；シクロヘキサノン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン等の脂肪族炭化水素；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素；炭素数１～１８のアルキル基を有するメルカプタン類；炭素数５～７のシクロアルキル基を有するメルカプタン類が挙げられる。炭素数１～１８のアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、エチルメルカプタン、ｎ－プロピルメルカプタン、ｉ－プロピルメルカプタン、ｎ－ブチルメルカプタン、ｉ－ブチルメルカプタン、ｔ－ブチルメルカプタン、ペンチルメルカプタン、ヘキシルメルカプタン及びドデシルメルカプタンが挙げられる。炭素数５～７のシクロアルキル基を有するメルカプタン類としては、例えば、シクロペンチルメルカプタン、シクロヘキシルメルカプタン及びシクロヘプチルメルカプタンが挙げられる。

分散媒の含有量は、金属粒子の全質量を１００質量部として、５～５０質量部であってもよい。分散媒の含有量が上記範囲内であれば、銅ペーストをより適切な粘度に調整でき、また、銅粒子の焼結を阻害しにくい。

（添加剤）
銅ペーストには、必要に応じて、ノニオン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤等の濡れ向上剤；シリコーン油等の消泡剤；無機イオン交換体等のイオントラップ剤等を適宜添加してもよい。

（銅ペーストの調製）
銅ペーストは、上述のサブマイクロ銅粒子、マイクロ銅粒子、その他の金属粒子及び任意の添加剤を分散媒に混合して調製してもよい。各成分の混合後に、撹拌処理を行ってもよい。分級操作により銅ペーストに含まれる金属粒子の最大粒径を調整してもよい。

銅ペーストは、サブマイクロ銅粒子、表面処理剤、分散媒を予め混合して、分散処理を行ってサブマイクロ銅粒子の分散液を調製し、更にマイクロ銅粒子、その他の金属粒子及び任意の添加剤を混合して調製してもよい。このような手順とすることで、サブマイクロ銅粒子の分散性が向上してマイクロ銅粒子との混合性が良くなり、銅ペーストの性能がより向上する。サブマイクロ銅粒子の分散液に対し分級操作を行うことで、凝集物を除去してもよい。

図１は、上記銅ペーストの焼結物である、焼結銅層の断面ＳＥＭ像である。同図には、フレーク状マイクロ銅粒子に由来する典型的なモルフォロジーが現れている。図１に示される焼結銅層は、積層界面（例えば、半導体素子搭載用支持部材との界面、半導体素子との界面）に対して略平行に配向したフレーク状の銅粒子に由来する構造（以下、「フレーク状構造」という場合もある）を有する焼結銅１と、他の銅粒子に由来する焼結銅２と、空孔３とを含む。

焼結銅層は、構成する元素のうち軽元素を除いた元素中の銅元素の割合が９５質量％以上であってもよく、９７質量％以上であってもよく、９８質量％以上であってもよく、１００質量％であってもよい。焼結銅層における銅元素の割合が、上記範囲内であれば、金属間化合物の形成又は金属銅結晶粒界への異種元素の析出を抑制でき、焼結銅層を構成する金属銅の性質が強固になり易く、より一層優れた接続信頼性が得られ易い。

フレーク状構造を有する焼結銅は、フレーク状の銅粒子を含む銅ペーストを焼結することにより形成することができる。なお、フレーク状とは板状、鱗片状等の平板状の形状を包含する。フレーク状構造において、長径と厚さとの比が５以上であってもよい。フレーク状構造の長径の数平均径は２μｍ以上であってもよく、３μｍ以上であってもよく、４μｍ以上であってもよい。このような形状を有するフレーク状構造であれば、焼結銅層の補強効果が向上し、部材と焼結銅層との接合体が接合強度及び接続信頼性により一層優れるものとなる。

フレーク状構造の長径及び厚さは、例えば、部材と焼結銅層との接合体のＳＥＭ像から求めることができる。以下に、フレーク状構造の長径と厚さをＳＥＭ像から測定する方法を例示する。接合体をエポキシ注形樹脂でサンプル全体が埋まるように注ぎ、硬化する。注形したサンプルの観察したい断面付近で切断し、研磨で断面を削り、ＣＰ（クロスセクションポリッシャ）加工を行う。サンプルの断面をＳＥＭ装置により５０００倍で観察する。接合体の断面画像（例えば５０００倍）を取得し、稠密な連続部であり、直線状、直方体状、楕円体状の部分で、この部分の内に内包される直線の中で最大の長さのものを長径、それと直交してこの部分に内包される直線の中で最大の長さのものを厚さとしたときに、長径の長さが１μｍ以上で且つ長径／厚さの比が４以上であるものをフレーク状構造とみなし、測長機能のある画像処理ソフトによりフレーク状構造の長径と厚さを測長することができる。それらの平均値については、無作為に選んだ２０点以上で数平均を計算することで得られる。

焼結銅層における銅の含有量（体積割合）は、焼結銅層の体積を基準として、６５体積％以上とすることができる。焼結銅層における銅の含有量が上記範囲内であれば、焼結銅層の内部に大きな空孔が形成されたり、フレーク状構造を繋ぐ焼結銅が疎になったりすることを抑制できる。そのため、焼結銅層における銅の含有量が上記範囲内であれば、充分な熱伝導性が得られるとともに、部材と焼結銅層との接合強度が向上し、得られる接合体は接続信頼性に優れるものとなる。焼結銅層における銅の含有量は、焼結銅層の体積を基準として、６７体積％以上であってもよく、７０体積％以上であってもよい。焼結銅層における銅の含有量は、焼結銅層の体積を基準として、製造プロセスの容易さの観点から、９０体積％以下であってもよい。

焼結銅層を構成する材料の組成が分かっている場合には、例えば、以下の手順で焼結銅層における銅の含有量を求めることができる。まず、焼結銅層を直方体に切り出し、焼結銅層の縦、横の長さをノギス又は外形形状測定装置で測定し、厚さを膜厚計で測定することにより焼結銅層の体積を計算する。切り出した焼結銅層の体積と、精密天秤で測定した焼結銅層の重量とから見かけの密度Ｍ_１（ｇ／ｃｍ^３）を求める。求めたＭ_１と、銅の密度８．９６ｇ／ｃｍ^３とを用いて、下記式から焼結銅層における銅の含有量（体積％）が求められる。
焼結銅層における銅の含有量（体積％）＝［（Ｍ_１）／８．９６］×１００

部材と焼結銅層との接合体の接合強度は、１０ＭＰａ以上であってもよく、１５ＭＰａ以上であってもよく、２０ＭＰａ以上であってもよく、３０ＭＰａ以上であってもよい。接合強度は、万能型ボンドテスタ（４０００シリーズ、ＤＡＧＥ社製）等を用いて測定することができる。

＜半導体装置１００＞
図２は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図２に示される半導体装置１００は、半導体素子搭載用支持部材６と、半導体素子搭載用支持部材６上に第一焼結金属層４を介して搭載された半導体素子５と、半導体素子５上に設けられた第二焼結金属層７と、を備える。第一焼結金属層４は、主として半導体素子５と半導体素子搭載用支持部材６との接合を担うことから接合層ということができ、第二焼結金属層７は、主としてサージ電圧が発生した際の熱を瞬時に蓄熱することから蓄熱層ということができる。

半導体素子５としては、例えば、ＩＧＢＴ、ダイオード、ショットキーバリヤダイオード、ＭＯＳ－ＦＥＴ、サイリスタ、ロジック、センサー、アナログ集積回路、ＬＥＤ、半導体レーザー、発信器等の半導体素子が挙げられる。半導体素子５は、Ｓｉの他、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体であってよい。また、半導体素子搭載用支持部材６としては、リードフレーム、金属板貼付セラミックス基板（例えばＤＢＣ）、ＬＥＤパッケージ等の半導体素子搭載用基材、金属ブロック等のブロック体、端子等の給電用部材、放熱板、水冷板などが挙げられる。

第一焼結金属層４及び第二焼結金属層７としては、上述した焼結金属層を用いることができる。第一焼結金属層４及び第二焼結金属層７共に、積層界面に対して略平行に配向したフレーク状の金属粒子に由来する構造を含むことができる。特に第二焼結金属層７は、半導体素子との界面に対して略平行に配向したフレーク状の金属粒子に由来する構造を含むことができる。

上述のとおり、これら焼結金属層における金属の含有量は、焼結金属層の全体積を基準として、６５体積％以上とすることができる。焼結金属層における金属の含有量は、焼結金属層の体積を基準として、６７体積％以上であってもよく、７０体積％以上であってもよい。焼結金属層における金属の含有量は、焼結金属層の体積を基準として９０体積％以下であってもよい。

第一焼結金属層４及び第二焼結金属層７の厚さは、１μｍ以上、５μｍ以上、１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上、５０μｍ以上、１００μｍ以上等とすることができ、また３０００μｍ以下、１０００μｍ以下、５００μｍ以下、３００μｍ以下、２５０μｍ以下、２００μｍ以下、１５０μｍ以下等とすることができる。特に第二焼結金属層７において、厚さを１００μｍ以上５００μｍ以下とすることで、サージ電圧が発生した際の半導体素子５の発熱部の温度上昇を抑制する熱容量を確保しつつ、焼結接合する際に加圧せずに所望の焼結金属層を形成することができる。

第二焼結金属層７は半導体素子５の主面全面に形成されていてもよく、一部に形成されていてもよい。

＜半導体装置１００の製造方法＞
半導体装置１００の製造方法は特に限定されず、例えば下記の方法により製造される。

（１）予め、半導体素子５と、半導体素子搭載用支持部材６と、半導体素子５と半導体素子搭載用支持部材６とを接合する第一焼結金属層４とを備えた部材を準備する。その後、半導体素子５の表面に金属ペーストを設けて焼結を行い、第二焼結金属層７を形成する。
（２）半導体素子搭載用支持部材６上に金属ペーストを設けて、その上に半導体素子５を積層し、さらに半導体素子５の上に銅ペーストを設けて、焼結を行う。これにより、半導体素子５と半導体素子搭載用支持部材６とを第一焼結金属層４により接合すると共に、半導体素子５上に第二焼結金属層７を形成する。
（３）予め、半導体素子５の表面に金属ペーストを設けて焼結を行い、第二焼結金属層７を形成する。その後、半導体素子搭載用支持部材６上に金属ペーストを設けて、予め第二焼結金属層７を設けた半導体素子５を積層し、焼結を行う。半導体素子５としてＳｉチップ等を用いた場合、このように、Ｓｉチップ等の表面に金属ペーストを設けてから焼結を行い、予めＳｉチップの表面に第二焼結金属層７を設けておくことが可能である。このようなＳｉチップは、ウエハの状態で全面に第二焼結金属層７を設け、これをダイシングして個片にすることで得てもよい。また、当該Ｓｉチップは、ウエハの状態で部分的に第二焼結金属層７を設け、これをダイシングして個片にすることで得てもよい。

金属ペーストを、半導体素子搭載用支持部材や半導体素子の必要な部分に設ける方法としては、金属ペーストを堆積させられる方法であればよい。このような方法としては、例えば、スクリーン印刷、転写印刷、オフセット印刷、ジェットプリンティング法、ディスペンサー、ジェットディスペンサ、ニードルディスペンサ、カンマコータ、スリットコータ、ダイコータ、グラビアコータ、スリットコート、凸版印刷、凹版印刷、グラビア印刷、ステンシル印刷、ソフトリソグラフ、バーコート、アプリケータ、粒子堆積法、スプレーコータ、スピンコータ、ディップコータ、電着塗装等が挙げられる。金属ペーストの厚さは、所望の厚さの焼結金属層が得られれば特に制限されない。すなわち、金属ペーストの厚さは、１μｍ以上、５μｍ以上、１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上、５０μｍ以上、１００μｍ以上等とすることができ、また３０００μｍ以下、１０００μｍ以下、５００μｍ以下、３００μｍ以下、２５０μｍ以下、２００μｍ以下、１５０μｍ以下等とすることができる。当該厚さは、例えば１μｍ以上１０００μｍ以下であってもよく、１０μｍ以上５００μｍ以下であってもよく、５０μｍ以上２００μｍ以下であってもよく、１０μｍ以上３０００μｍ以下であってもよく、１５μｍ以上５００μｍ以下であってもよく、２０μｍ以上３００μｍ以下であってもよく、５μｍ以上５００μｍ以下であってもよく、１０μｍ以上２５０μｍ以下であってもよく、１５μｍ以上１５０μｍ以下であってもよい。

半導体素子搭載用支持部材や半導体素子上に設けられた金属ペーストは、焼結時の流動及びボイドの発生を抑制する観点から、適宜乾燥させてもよい。乾燥時のガス雰囲気は大気中であってもよく、窒素、希ガス等の無酸素雰囲気中であってもよく、水素、ギ酸等の還元雰囲気中であってもよい。乾燥方法は、常温放置による乾燥であってもよく、加熱乾燥であってもよく、減圧乾燥であってもよい。加熱乾燥又は減圧乾燥には、例えば、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉、熱板プレス装置等を用いることができる。乾燥の温度及び時間は、使用した分散媒の種類及び量に合わせて適宜調整してもよい。乾燥の温度及び時間としては、例えば、５０℃以上１８０℃以下で１分以上１２０分間以下とすることができる。

金属ペースト上に半導体素子を配置する方法としては、例えば、チップマウンター、フリップチップボンダー、カーボン製又はセラミックス製の位置決め冶具が挙げられる。なお、前述の乾燥工程は、半導体素子を配置する工程の後に行っても良い。

金属ペーストを加熱処理することで、金属ペーストの焼結を行う。加熱処理には、例えば、ホットプレート、温風乾燥機、温風加熱炉、窒素乾燥機、赤外線乾燥機、赤外線加熱炉、遠赤外線加熱炉、マイクロ波加熱装置、レーザー加熱装置、電磁加熱装置、ヒーター加熱装置、蒸気加熱炉等を用いることができる。

焼結時のガス雰囲気は、焼結体、半導体素子及び半導体素子搭載用支持部材の酸化抑制の観点から、無酸素雰囲気であってもよい。焼結時のガス雰囲気は、金属ペーストの金属粒子の表面酸化物を除去するという観点から、還元雰囲気であってもよい。無酸素雰囲気は、例えば、窒素、希ガス等の無酸素ガスの導入や、減圧（真空下）により実現される。還元雰囲気としては、例えば、純水素ガス、フォーミングガスに代表される水素及び窒素の混合ガス、ギ酸ガスを含む窒素、水素及び希ガスの混合ガス、ギ酸ガスを含む希ガス等の雰囲気が挙げられる。

加熱処理時の到達最高温度は、半導体素子及び半導体素子搭載用支持部材への熱ダメージの低減及び歩留まりを向上させるという観点から、２５０℃以上４５０℃以下であってもよく、２５０℃以上４００℃以下であってもよく、２５０℃以上３５０℃以下であってもよい。到達最高温度が、２００℃以上であれば、到達最高温度保持時間が６０分以下において焼結が充分に進行する傾向にある。

到達最高温度保持時間は、分散媒を全て揮発させ、また、歩留まりを向上させるという観点から、１分以上６０分以下であってもよく、１分以上４０分未満であってもよく、１分以上３０分未満であってもよい。

焼結時の圧力は、焼結体における金属の含有量（堆積割合）が、焼結体を基準として６５体積％以上となる条件とすることができる。例えば、上記金属ペースト（銅ペースト）を用いることで、焼結時に加圧せずに、所望の焼結金属層を形成することができる。例えば、第一金属層形成時であれば、金属ペースト上に載置した半導体素子による自重のみ、又は半導体素子の自重に加え、０．０１ＭＰａ以下、より好ましくは０．００８ＭＰａ以下、更に好ましくは０．００５ＭＰａ以下の圧力を受けた状態で、充分な接合強度を得ることができる。焼結時に受ける圧力が上記範囲内であれば、特別な加圧装置が不要なため歩留まりを損なうこと無く、ボイドの低減、接合強度及び接続信頼性をより一層向上させることができる。金属ペーストが０．０１ＭＰａ以下の圧力を受ける方法としては、例えば、半導体素子上に重りを載せる方法等が挙げられる。第二金属層形成時であれば、例えば、後述の金属板を用いない場合は非荷重にて焼結してよく、金属板を用いる場合は必要に応じ金属板上に重りを載せて焼結してよい。

＜半導体装置１１０＞
図３は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図３に示される半導体装置１１０は、半導体素子搭載用支持部材６と、半導体素子搭載用支持部材６上に第一焼結金属層４を介して搭載された半導体素子５と、半導体素子５上に設けられた第二焼結金属層７と、第二焼結金属層上に設けられた金属板８と、を備える。金属板８以外の構成は、半導体装置１００と同様である。

金属板の材料としては、銅、アルミニウム、モリブデン、タングステン、銅－インバー－銅の３層構造を有する複合材等を用いることができる。金属板の厚さは、１μｍ以上、５μｍ以上、１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上、５０μｍ以上等とすることができ、また３０００μｍ以下、２０００μｍ以下、１５００μｍ以下、１３００μｍ以下、１２００μｍ以下、１０００μｍ以下等とすることができる。

金属板８の主面の面積は、第二焼結金属層７の主面の面積と同じであってよく、異なっていてもよい。

＜半導体装置１１０の製造方法＞
半導体装置１１０の製造方法は特に限定されず、例えば下記の方法により製造される。

（１）予め、半導体素子５と、半導体素子搭載用支持部材６と、半導体素子５と半導体素子搭載用支持部材６とを接合する第一焼結金属層４とを備えた部材を準備する。その後、半導体素子５の表面に金属ペーストを設け、その上に金属板８を積層し、焼結を行う。これにより、第二焼結金属層７を介して金属板８を設ける。
（２）半導体素子搭載用支持部材６上に金属ペーストを設けて、その上に半導体素子５を積層する。さらに、半導体素子５の上に金属ペーストを設けて、金属板８を積層してから、焼結を行う。これにより、半導体素子５と半導体素子搭載用支持部材６とを第一焼結金属層４により接合すると共に、半導体素子５と金属板８とを第二焼結金属層７により接合する。
（３）予め、半導体素子５の表面に金属ペーストを設け、その上に金属板８を積層してから焼結を行い、半導体素子５の表面に第二焼結金属層７を介して金属板８を設けておく。その後、半導体素子搭載用支持部材６上に金属ペーストを設けて、予め第二焼結金属層７を介して金属板８を設けた半導体素子５を積層し、焼結を行う。半導体素子５としてＳｉチップ等を用いた場合、このように、Ｓｉチップ等の表面に金属ペーストを設け、金属板８を積層してから焼結を行い、予めＳｉチップの表面に第二焼結金属層７を介して金属板８を設けておくことが可能である。このようなＳｉチップは、ウエハの状態で全面に第二焼結金属層７及び金属板８を設け、これをダイシングして個片にすることで得てもよい。

＜半導体装置２００＞
図４は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図４に示される半導体装置２００は、リードフレーム１０と、リードフレーム１０上に第一焼結金属層４を介して搭載された半導体素子５と、半導体素子５上に設けられた第二焼結金属層７と、を備える。第二焼結金属層７の上部と、リードフレームのアウターリード１０ｂとは金属配線１１で接続されており、リードフレームの放熱面１０ｃ、並びにリードフレームのアウターリード１０ａ及び１０ｂの一部を除いた部分が、絶縁性の封止樹脂硬化物１２で封止されている。半導体装置２００は、リードフレーム１０上に半導体素子５を１個有しているが、２個以上有していてもよい。この場合、複数ある半導体素子５はそれぞれ第二焼結金属層７によって金属配線１１と接合することができる。なお、金属配線１１は、半導体素子５の上部と、リードフレームのアウターリード１０ｂとを接続していてもよい。

金属配線１１は、ワイヤボンディングやリボンボンディング等によって形成される。ワイヤやリボンの材料にはＡｌ、Ｃｕ等の金属が通常用いられるが、第二焼結金属層７及び半導体素子５に損傷を与えずに配線材を形成できるものであれば、特に限定されない。

リードフレームの放熱面１０ｃとリードフレームのアウターリード１０ａ，１０ｂの一部が露出するようにして、第一焼結金属層４、半導体素子５、第二焼結金属層７、金属配線１１等が封止樹脂硬化物１２によって封止される。封止樹脂硬化物１２は、例えばエポキシ樹脂と無機フィラーとを含有する熱硬化性樹脂（封止樹脂）の硬化物であってよい。

＜半導体装置２１０＞
図５は、本実施形態の半導体装置の一例を示す模式断面図である。半導体装置２１０は、第二焼結金属層７上にさらに金属板８を備えている点、及び金属板８の上部と、リードフレームのアウターリード１０ｂとが金属配線１１で接続されている点を除き、半導体装置２００と同様の構成を有している。

以下、実施例（但し、実施例１～６は参考例）により本発明を更に具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

＜半導体装置の作製＞
（実施例１）
（工程ａ：焼結銅ペーストの準備）
分散媒としてα－テルピネオール（和光純薬工業株式会社製）５．２ｇ及びイソボルニルシクロヘキサノール（ＭＴＰＨ、日本テルペン化学株式会社製）６．８ｇと、サブマイクロ銅粒子としてＣＨ－０２００（三井金属鉱業株式会社製、粒径が０．１２μｍ以上０．８μｍ以下の銅粒子の含有量９５質量％）５２．８ｇとをポリ瓶に混合し、これを超音波ホモジナイザー（ＵＳ－６００、日本精機株式会社製）により１９．６ｋＨｚ、６００Ｗ、１分処理し分散液を得た。この分散液に、フレーク状マイクロ銅粒子としてＭＡ－Ｃ０２５（三井金属鉱業株式会社製、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下の銅粒子の含有量１００質量％）３５．２ｇを添加し、スパチュラで乾燥粉がなくなるまでかき混ぜた。ポリ瓶を密栓し、自転公転型攪拌装置（Ｐｌａｎｅｔｒｙ Ｖａｃｕｕｍ Ｍｉｘｅｒ ＡＲＶ－３１０、株式会社シンキー製）を用いて、２０００ｒｐｍで２分間撹拌し、減圧下、２０００ｒｐｍで２分間撹拌して焼結用銅ペーストを得た。

（工程ｂ：サンプルの準備）
リードフレーム（ＴＯ２４７）の半導体素子搭載面上に、厚さ２００μｍのステンレス板に６×６ｍｍ正方形の開口を有するメタルマスクを載せ、メタルスキージを用いたステンシル印刷により、工程ａで得た焼結用銅ペーストを塗布した。また、後述のようにして無電解ニッケルめっき・無電解パラジウムめっき被膜を施したＳｉＣショットキーバリアダイオードチップ（５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ４００μｍ：以下、単に「ＳｉＣチップ」ということがある。）を準備し、そのめっき被膜面とは反対側の面を下にして、上記のとおり塗布した焼結用銅ペースト上に載置した。これをチューブ炉（株式会社エイブイシー製）にセットし、アルゴンガスを１Ｌ／ｍｉｎで流して空気をアルゴンガスに置換した。その後、水素ガスを３００ｍＬ／ｍｉｎで流しながら昇温１０分、３５０℃１０分の条件で焼結処理して、リードフレームの半導体素子搭載面上に第一焼結銅層及びＳｉＣチップを積層した。第一焼結銅層の厚さは１００μｍであった。その後、アルゴンガスを０．３Ｌ／ｍｉｎに換えて冷却し、５０℃以下でサンプルを空気中に取り出した。

（無電解ニッケルめっき被膜の形成）
ＳｉＣチップを、液温２５℃のめっき活性処理液であるＳＡ－１００（日立化成株式会社製、商品名）へ５分間浸漬させた後、共振周波数２８ｋＨｚ、出力１００Ｗの超音波を照射しながら２分間水洗した。続いて、液温８５℃の無電解ニッケルめっき液であるＮＩＰＳ－１００（日立化成株式会社製、商品名）へ、ＳｉＣチップを共振周波数２８ｋＨｚ、出力１００Ｗの超音波を照射しながら２５分間浸漬させた後、共振周波数２８ｋＨｚ、出力１００Ｗの超音波を照射しながら１分間水洗した。形成した無電解ニッケルめっき被膜の厚さは０．５μｍであった。なお、無電解ニッケルめっき被膜におけるリン濃度は７重量％であった。

（無電解パラジウムめっき被膜の形成）
液温５５℃の無電解パラジウムめっき液であるパレット（小島化学薬品株式会社製、商品名）へ、無電解ニッケルめっき済みのＳｉＣチップを、共振周波数２８ｋＨｚ、出力１００Ｗの超音波を照射しながら９秒間浸漬させた後、共振周波数２８ｋＨｚ、出力１００Ｗの超音波を照射しながら１分間水洗した。形成した無電解パラジウムめっき被膜の厚さは０．１μｍであった。なお、無電解パラジウム被膜におけるパラジウム濃度はほぼ１００重量％であった。

（工程ｃ：ＳｉＣチップへの焼結銅層の形成）
ＳｉＣチップのめっき被膜面上に、厚さ２００μｍのステンレス板に４×４ｍｍ正方形の開口を有するメタルマスクを載せ、メタルスキージを用いたステンシル印刷により、工程ａで得た、焼結用銅ペーストを塗布した。これをチューブ炉（株式会社エイブイシー製）にセットし、アルゴンガスを１Ｌ／ｍｉｎで流して空気をアルゴンガスに置換した。その後、水素ガスを３００ｍＬ／ｍｉｎで流しながら昇温１０分、３５０℃１０分の条件で焼結処理して、ＳｉＣチップ上に第二焼結銅層を形成した。第二焼結銅層の厚さは１００μｍであった。その後、アルゴンガスを０．３Ｌ／ｍｉｎに換えて冷却し、５０℃以下でサンプルを空気中に取り出した。第二焼結銅層における銅の含有量（体積割合）は、焼結銅層の体積を基準として、９０体積％であった。第二焼結金属層は、ＳｉＣチップとの界面に対して略平行に配向したフレーク状の銅粒子に由来する構造を含んでいた。

（工程ｄ：ワイヤボンディング）
第二焼結銅層とリードフレームのアウターリードとを、直径２００μｍのＡｌワイヤ６本によって接続した。なお、ワイヤボンダーによって、超音波を加えながらＡｌワイヤを第二焼結銅層に押し付けることで、Ａｌワイヤの接続を行った。

（工程ｅ：モールド）
リードフレームの放熱面及びアウターリードの一部を除いた部分を固形封止材（ＣＥＬ、日立化成株式会社製）で封止した。封止は、トンラスファーモールド装置を用いて、金型温度１８０℃、成形圧力６．９ＭＰａ、硬化加熱時間９０秒の条件にて、行った。その後、封止後のサンプルを２００℃のオーブンにて６時間加熱することで、封止樹脂の硬化を完了した。最後に余分なアウターリードを切断し、半導体装置を得た。

（実施例２）
第二焼結銅層における銅の含有量が８０体積％になるように、溶剤の量を調整した焼結用銅ペーストを用いたこと以外は、実施例１と同様にして半導体装置を作製した。

（実施例３）
第二焼結銅層における銅の含有量が７０体積％になるように、溶剤の量を調整した焼結用銅ペーストを用いたこと以外は、実施例１と同様にして半導体装置を作製した。

（実施例４）
工程ｃにおけるステンレス板の厚さを１０００μｍとしたこと、第二焼結銅層の厚さを５００μｍとしたこと、及び第二焼結銅層における銅の含有量が９０体積％になるように、溶剤の量を調整した焼結用銅ペーストを用いたこと以外は、実施例１と同様にして半導体装置を作製した。

（実施例５）
第二焼結銅層における銅の含有量が８０体積％になるように、溶剤の量を調整した焼結用銅ペーストを用いたこと以外は、実施例４と同様にして半導体装置を作製した。

（実施例６）
第二焼結銅層における銅の含有量が７０体積％になるように、溶剤の量を調整した焼結用銅ペーストを用いたこと以外は、実施例４と同様にして半導体装置を作製した。

（実施例７）
工程ｃにおいて、塗布した焼結用銅ペースト上に銅板（４ｍｍ×４ｍｍ×厚さ５００μｍ）を積層したこと、及び工程ｄにおいて、銅板とリードフレームのアウターリードとを直径２００μｍのＡｌワイヤ６本によって接続したこと以外は、実施例１と同様にして半導体装置を作製した。

（実施例８）
第二焼結銅層における銅の含有量が８０体積％になるように、溶剤の量を調整した焼結用銅ペーストを用いたこと以外は、実施例７と同様にして半導体装置を作製した。

（実施例９）
第二焼結銅層における銅の含有量が７０体積％になるように、溶剤の量を調整した焼結用銅ペーストを用いたこと以外は、実施例７と同様にして半導体装置を作製した。

（実施例１０）
工程ｃにおけるステンレス板の厚さを１０００μｍとしたこと、及び第二焼結銅層の厚さを５００μｍとしたこと以外は、実施例７と同様にして半導体装置を作製した。

（実施例１１）
第二焼結銅層における銅の含有量が８０体積％になるように、溶剤の量を調整した焼結用銅ペーストを用いたこと以外は、実施例１０と同様にして半導体装置を作製した。

（実施例１２）
第二焼結銅層における銅の含有量が７０体積％になるように、溶剤の量を調整した焼結用銅ペーストを用いたこと以外は、実施例１０と同様にして半導体装置を作製した。

（比較例１）
リードフレーム（ＴＯ２４７）の半導体素子搭載面上に、はんだのシート（９５質量％Ｐｂ－３．５質量％Ｓｎ－１．５質量％Ａｇ、縦６ｍｍ×横６ｍｍ×厚さ１００μｍ）を載置した。そして、ＳｉＣチップのカソード側とはんだのシートとが接触するように、ＳｉＣチップを載置した。これをギ酸リフロー炉内のヒーター上に設置し、炉内を１３Ｐａまで真空排気した。次に、ギ酸容器に窒素を導入し、バブリングさせながら、ギ酸容器から炉内にギ酸ガスを飽和させた窒素を８Ｌ／ｍｉｎで導入した。炉内圧力が８００００Ｐａに達した後に、ギ酸ガスを飽和させた窒素の導入を停止し、炉内圧力が８００００Ｐａを維持するように、真空排気量を調整した。ヒーターを１５℃／ｍｉｎで室温から３５０℃まで昇温させた。昇温過程の２３０℃の時に排気を開始し、１３Ｐａ以下に真空排気した。３５０℃に達した後、温度を３５０℃に保持し、保持から５分経過後に窒素を炉内に１０Ｌ／ｍｉｎで導入した。炉内圧力が大気圧に達した後に、２０℃／ｍｉｎで３５０℃から５０℃までヒーターを降温させた。その後、サンプルを炉内から取り出した。続いて、ＳｉＣチップのアノード側とリードフレームのアウターリードとを、直径２００μｍのＡｌワイヤ６本によって接続した。それ以降は、実施例１と同様にして半導体装置を作製した。

（比較例２）
工程ｃを実施しなかったこと、及び工程ｄにおいて、ＳｉＣチップのアノード側とリードフレームのアウターリードとを、直径２００μｍのＡｌワイヤ６本によって接続したこと以外は、実施例１と同様にして半導体装置を作製した。

＜半導体装置の温度評価＞
２５℃の冷却水によって温度調節された銅製冷却ブロック（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ２０ｍｍ）に、放熱シート（信越化学工業株式会社製、ＴＣ－１００ＴＸＳ、熱伝導率５Ｗｍ^－１Ｋ^－１、縦６０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ１００μｍ）を貼り、その上に、半導体装置のリードフレームの放熱面が放熱シートに接するように、各実施例及び比較例の半導体装置を載置した。半導体装置の上面にガラスエポキシ板（縦８０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を配置し、上部から押さえつけることで半導体装置を固定し、評価サンプルとした。

この評価サンプルに対し、急峻なサージ電圧が発生した場合を模した実験を行った。すなわち、アノード側アウターリードからカソード側アウターリードに電流を３０Ａ通電させ、１．１秒後に通電を停止した。また、Ｉ_ＯＮの通電直前から通電後まで微小電流Ｉ_Ｃを１０ｍＡ通電し、３０Ａ通電直後にアノード側アウターリードとカソード側アウターリードの両側に発生する微小電圧Ｖ_ｊをオシロスコープにて測定した。Ｖ_ｊの温度依存性を用いて、通電停止直後のＶ_ｊの最小値から最高到達温度を求めた。１０回測定し、その平均値を図６に示す。

実施例１～３の結果に示されるように、第二焼結銅層の緻密度を上げる（第二焼結銅層における銅の含有量を増やす）ことによって、チップの温度上昇をより抑えることができた。実施例１，４に示されるように、第二焼結銅層の厚さを増すことで、チップの温度上昇をより抑えることができた。実施例７～１２に示されるように、チップを、第二焼結銅層及び金属板を介してワイヤに接続することで、チップの温度上昇をより抑えることができた。一方、比較例に示されるように、チップとワイヤとの間に第二焼結銅層を設けない場合、チップの温度が大幅に上昇した。このような大幅な温度上昇により、チップが損傷する虞がある。

１…フレーク状構造を有する焼結銅、２…銅粒子に由来する焼結銅、３…空孔、４…第一焼結金属層、５…半導体素子、６…半導体素子搭載用支持部材、７…第二焼結金属層、８…金属板、１０…リードフレーム、１０ａ，１０ｂ…リードフレームのアウターリード、１０ｃ…リードフレームの放熱面、１１…金属配線、１２…封止樹脂硬化物、１００，１１０，２００，２１０…半導体装置。

Claims (5)

1. 半導体素子搭載用支持部材と、前記半導体素子搭載用支持部材上に第一焼結金属層を介して搭載された半導体素子と、前記半導体素子上に設けられた第二焼結金属層と、前記第二焼結金属層上に設けられた金属板と、を備え、
   前記第二焼結金属層が、前記半導体素子との界面に対して略平行に配向したフレーク状の金属粒子に由来する構造を含み、
   前記第二焼結金属層の厚さが１００μｍ以上５００μｍ以下であり、
   前記金属板の厚さが５０μｍ以上である、半導体装置。
2. 前記第二焼結金属層における金属の含有量が、前記第二焼結金属層の全体積を基準として、６５体積％以上９０体積％以下である、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記金属板の厚さが１０００μｍ以下である、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記金属板に金属配線が接続されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記半導体素子がワイドバンドギャップ半導体である、請求項１～４のいずれか一項に記載の半導体装置。

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