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JP2006352080A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法および半導体装置 Download PDF

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JP2006352080A
JP2006352080A JP2006078074A JP2006078074A JP2006352080A JP 2006352080 A JP2006352080 A JP 2006352080A JP 2006078074 A JP2006078074 A JP 2006078074A JP 2006078074 A JP2006078074 A JP 2006078074A JP 2006352080 A JP2006352080 A JP 2006352080A
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metal fine
semiconductor device
paste containing
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English (en)
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克己 谷口
Tomoaki Gotou
友彰 後藤
Masahiro Ishikawa
石川　　正宏
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Holdings Ltd
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Abstract

【課題】放熱ベース１，絶縁基板２，パワー半導体素子６などの接合部に、熱膨張係数の相違による応力が印加されても、接合部にクラックを発生させることなく、放熱効率が良く信頼性の高いパワー半導体モジュールを提供すること。
【解決手段】放熱ベースの所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第１塗布工程と、第１塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に前記裏面の導体パターンを接触させるように前記絶縁基板を載置する第１載置工程と、金属微粒子を含むペースト内の金属微粒子を焼結させる加熱工程とを含むものとする。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特に、放熱ベースを備えたパワー半導体モジュールなどの半導体装置の製造方法および放熱ベースを備えたパワー半導体モジュールなどの半導体装置に関する。
ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などパワー半導体素子を搭載した半導体装置としてパワー半導体モジュールが知られている。
図７は従来のパワー半導体モジュールの要部断面図である。
図７において、１は放熱ベースであり、ここでは銅板を用いている。２は絶縁基板であって、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，窒化珪素などを主剤としたセラミック基板３の両面に金属箔（図３の例では金属箔として銅箔４，５）が接合されている。６はＩＧＢＴやＦＷＤ（Free Wheeling Diode）などのパワー半導体素子である。
放熱ベース１と絶縁基板２の裏面の銅箔５とははんだ１１で接合されている。絶縁基板２のおもて面の銅箔４はパターニングされた回路パターンをなし、半導体素子６の裏面の電極とはんだ１１で接合されている。
半導体素子６のおもて面の電極には、パワー半導体素子６の放熱およびピーク温度低減のための均熱化を目的とした銅系材によるヒートスプレッダ７がはんだ１１で接合されている。８はアルミワイヤであって、パワー半導体素子６のおもて面の電極をヒートスプレッダ７を介して絶縁基板の銅箔４あるいは図示しない外部導出端子にワイヤボンディングによって接続している。パワー半導体素子のゲート電極への配線は図示を省略している。
なお、図７において、はんだ１１の濡れ性を高めるために、パワー半導体素子６の両面の電極をニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）メッキによりメタライズ層１２を形成している。
また、図８は、従来のパワー半導体モジュールの別の例であり、図７のアルミワイヤ８に替えて銅製のリードフレーム１３を用いている。図８において、リードフレーム１３は、ヒートスプレッダと絶縁基板４の銅箔４あるいは図示しない外部導出端子との間にはんだ１１によって接続されされている。
このように、リードフレームを用いて配線することにより、リードフレーム１３からも放熱をさせて、放熱効率を向上させている（特許文献１，２など）。
特開平11-204703号公報（第4頁，図４） 特開平8-306288号公報
近年、環境上の配慮から、鉛を含まない（鉛フリー）はんだ材料を用いることが要求されている。パワー半導体モジュールの発熱に対応可能な鉛フリーはんだ材料としてＡｕ−Ｓｎ系のはんだがあるが、高価であるため、実用的ではない。実用性の点から、鉛フリーはんだ材料としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだが使用されている。
しかしながら、パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子の発熱が大きく、Ｓｎ−Ａｇ-Ｃｕ系の鉛フリーはんだでは熱履歴による金属間化合物の成長が信頼性の低下となる。
また、パワー半導体モジュールは、絶縁基板２のセラミック基板３，放熱ベースの銅，パワー半導体素子のシリコンなど、熱膨張係数の異なる材質を接合した構造であるため、接合部への応力集中が大きく、はんだ接合部にクラックが発生する等の課題がある。
また、パワー半導体素子に過電流が流れた場合、瞬間的にはんだの融点を越える熱が発生し、はんだが溶融して他の回路パターンなどに接して短絡し、パワー半導体モジュールが破損する可能性もある。
従来のパワー半導体モジュールの構成において、パワー半導体素子が発生する熱を効率的に放熱するため、絶縁基板のセラミック基板に熱伝導率の高い素材（窒化アルミニウム，窒化珪素，酸化アルミニウム）などを用いたり、パワー半導体素子のおもて面の電極上にヒートスプレッダを配している。
しかしながら、各部の接合に１００μｍ〜２００μｍ厚さのはんだ層を用いているため、はんだ層の部分で放熱効率が低下し、パワー半導体素子の熱が上昇し，その特性を十分に発揮できないという課題があり、はんだ層の厚さの制御が難しいという課題があった。
また、パワー半導体モジュールに過電流が流れた場合、局所的に発熱し、瞬間的に前記鉛フリーはんだの融点を超える場合がある。すると、溶融したはんだが流出して他のはんだ接合部と短絡し、パワー半導体モジュールが破損するという課題がある。
この発明は、前記のような従来のパワー半導体素子における問題点を解決して、放熱効率が良く信頼性の高いパワー半導体モジュール（半導体装置）の製造方法とパワー半導体モジュール（半導体装置）を提供することを目的とする。
前記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、両面に導体パターンが形成された絶縁基板の、おもて面の導体パターンに半導体チップを、裏面の導体パターンに放熱ベースを接合してなる半導体装置の製造方法において、前記放熱ベースの所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第１塗布工程と、第１塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に前記裏面の導体パターンを接触させるように前記絶縁基板を載置する第１載置工程と、前記絶縁基板のおもて面の導体パターンの所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第２塗布工程と、第２塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に前記半導体チップを載置する載置する第２載置工程と、前記半導体チップ上の所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第３塗布工程と、第３塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に金属放熱板を載置する第３載置工程と、前記金属微粒子を含むペースト内の金属微粒子を焼結させる加熱工程とを含むものとする。
また、請求項２に記載の発明は、前記加熱工程の前に、前記金属放熱板上の所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第４塗布工程と、第４塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に金属導体板を載置する第４載置工程を含むものとする。
また請求項３に記載の発明は、前記加熱工程を、前記各載置工程の次にそれぞれ行うものとし、請求項４に記載の発明は、前記各塗布工程とその次の前記各の載置工程の間に、それぞれ予熱工程を含むものとする。
さらに、請求項５に記載の発明は、前記載置工程を、第１，第２，第３，第４の順であって、少なくとも第４載置工程に続いて加熱工程を行うこととし、請求項６に記載の発明は、前記加熱工程を、すべての載置工程が完了した後に一括して行うものとする。
また、前記加熱工程は、前記金属微粒子を含むペーストを塗布した接合面に０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の加重を印加し、１５０℃以上３００度以下でかつ１分以上１時間以下の条件で行えばよく（請求項７に記載の発明）、前記各塗布工程は、粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍの、銅，銀，金，白金の少なくとも１種の金属微粒子を含むペーストを塗布すればよい（請求項８に記載の発明）。銅や銀などの熱伝導率の大きい金属を用いることで、パワー半導体素子で発生する熱の放熱効率を向上させることができる。
また、請求項９に記載の発明は、少なくとも前記第２，第３の塗布工程を、粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍであって、前記加熱工程にて焼結する第１の金属微粒子と、粒径が１μｍ〜５０μｍであって、熱膨張係数が前記第１の金属微粒子より小さい第２の金属微粒子を含むペーストを塗布するものとし、前記第２の金属微粒子は、モリブデン，タングステンのうち少なくとも１種の金属微粒子とすればよい（請求項１０に記載の発明）。
あるいは、少なくとも前記第２，第３の塗布工程は、粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍであって、前記加熱工程にて焼結する金属微粒子と、粒径が１μｍ〜５０μｎｍであって、熱膨張係数が前記第１の金属微粒子より小さいセラミックの微粒子を含むペーストを塗布するものとする（請求項１１に記載の発明）。
また、請求項１２に記載の発明は、前記第２の塗布工程を、前記絶縁基板のおもて面の導体パターンの所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第２前塗布工程と、該第２前塗布工程にて塗布したペースト上に発泡金属板を載置する発泡金属板載置工程と、該発泡金属板上に金属微粒子を含むペーストを塗布する第２後塗布工程とし、さらに、前記第３の塗布工程は、前記半導体チップ上の所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第３前塗布工程と、該第３前塗布工程にて塗布したペースト上に発泡金属板を載置する発泡金属板載置工程と、該発泡金属板上に金属微粒子を含むペーストを塗布する第３後塗布工程であることとする（請求項１３に記載の発明）。
あるいは、前記第３載置工程は、前記第３塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に、前記金属放熱板に替えて発泡金属板を載置する工程であることとする（請求項１４に記載の発明）。
また、前記発泡金属板は、電気抵抗が低く熱伝導率が大きい金属の金属多孔質体が好適であって（請求項１５に記載の発明）、前記発泡金属板は、気孔が連続した金属多孔質体であるとよい（請求項１６に記載の発明）。
そして、両面に導体パターンが形成された絶縁基板の、おもて面の導体パターンに半導体チップを、裏面の導体パターンに放熱ベースを接合してなる半導体装置において、前記放熱ベースと前記裏面の導体パターンとの間，前記絶縁基板のおもて面の導体パターンと前記半導体チップの裏面電極との間，および、前記半導体チップのおもて面電極と該電極に接合される金属放熱板との間が、金属微粒子を焼結させてなる金属単体膜で接合して半導体装置を構成することを特徴とするものである。
そして、上記の発明において、次のように構成してもよい。
絶縁基板の金属箔，パワー半導体素子表裏面の電極，ヒートスプレッダ，リードフレームに、銅，銀，金などをメッキしてなるメタライズ膜を形成すればよい。このとき、メタライズ膜を金属微粒子と同じ金属で構成すれば、強固な金属接合を得ることができる。また、接合面の表面酸化膜は接合の特性に影響を与えるため、メタライズ膜として、接合面に酸化膜が形成されにくい銀，金が好ましい。金属微粒子と金属間化合物を形成しにくく、金属結合を有する金属を選択するようにしてもよい。
さらに、前記金属単体膜内に、該単体膜を形成する金属より熱膨張係数が小さい金属微粒子を含む（請求項１８に記載の発明）か、前記金属単体膜を形成する金属より熱膨張係数が小さいセラミック微粒子を含む（請求項１９に記載の発明）ようにしてもよい。
また、前記絶縁基板のおもて面の導体パターンと前記半導体チップの裏面電極との間に、電気抵抗が低く熱伝導率が大きい気孔が連続した金属多孔質体の発泡金属板を備えてもよく、（請求項２０に記載の発明）、前記半導体チップのおもて面電極と該電極に接合される金属放熱板との間に、電気抵抗が低く熱伝導率が大きい気孔が連続した金属多孔質体の発泡金属板であればよい（請求項２１に記載の発明）。
前記のようにこの発明は、パワー半導体モジュールの各接合部が、１５０℃〜３００℃の加熱により、銅あるいは銀の金属単体層による金属結合となり、接合後は銅あるいは銀などの金属融点まで耐熱性が向上し，信頼性の高い接合部をもつパワー半導体モジュール（半導体装置）を得ることができる。
また、前記金属単体層を形成する金属（銅，銀など）の金属間化合物を生じ難い金属あるいはセラミックの粒子を、前記金属単体層内に混入させることにより、金属単体層の膜厚を制御することができる。また、当該粒子の熱膨張係数を半導体チップの熱膨張係数に近づけることにより、接合層の熱膨張係数を各接合部材の熱膨張係数の中間程度にすることができ、接合部材間の熱膨張係数の差によって接合層に生じる応力を緩和することができるため、耐熱性が高く、放熱効率のよい、信頼性の高い接合部を持つパワー半導体モジュール（半導体装置）を得ることができる。
また、接合部材間の熱膨張係数の大きな接合部に、発泡金属をインサートすることにより、熱膨張係数の差によって接合層に生じる応力が直接各部材に作用するのを防ぎ、耐熱性が高く、放熱効率のよい、信頼性の高い接合部を持つパワー半導体モジュール（半導体装置）を得ることができる。
本実施の形態において、パワー半導体モジュールの各接合部には、金属微粒子（ナノ粒子）を含むペーストを用いる。金属微粒子は、粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍの極めて微細な粒子であり、表面は活性状態である。したがってその金属の融点まで加熱しなくても、金属微粒子が互いに結合する（焼結する）ことが知られている（特開2004-130371号など）。
金属微粒子は、保存時や製造工程の途中で金属微粒子同士が凝縮しないように有機分散材が添加され、接合時には有機分散材と反応して有機分散材を除去する分散補助物質が添加され、これらを有機バインダーと混合させてペースト状に構成されている。金属微粒子には、銅，銀を用い、これらの微粒子が一つ一つ独立して前記ペースト内に存在している。
半導体装置の製造方法においては、上記の金属微粒子を含むペースト（以下、金属ナノペーストという）を半導体装置の接合面（放熱ベースと絶縁基板の銅箔との間，絶縁基板の銅箔とパワー半導体素子との間，パワー半導体素子とリードフレームとの間など）にスクリーン印刷などにより塗布する。接合面同士を金属ナノペースとを介して載置（積層）し、１５０℃〜３００℃に加熱する。この加熱状態を所定時間（１分〜１時間程度）保持すると、前記有機分散材と分散補助材が反応して有機分散材が除去され、同時に有機バインダーも揮発して除去される。加熱時に接合面に対して０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの荷重を印加するとよい。また、加熱時の雰囲気は、接合面の金属（銅）が酸化しない程度の酸素濃度が望ましい。これは、酸素が金属ナノペースト中の有機物質と反応して，有機成分揮発の手助けをするためであり、１０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍ程度、好ましくは１００ｐｐｍ〜５００ｐｐｍ程度がよい。
有機分散材，有機バインダーが除去されると、活性状態にある金属微粒子同士が互いに結合し始め、金属微粒子はその金属成分の単体膜となる。
加熱を中止して接合箇所が冷え始めると金属微粒子の金属成分の単体膜は各接合面の金属材料と金属結合を起こし、強固な接合を得る。金属微粒子が一旦焼結し金属単体膜となると、その金属の融点まで加熱しないと溶融しないため、高融点（銅の場合１０８３℃，銀の場合９６１℃）の接合層を得ることができる。
このため、半導体装置のパワー半導体素子に過電流が流れ、瞬間的に接合層の温度が上昇したとしても、従来のはんだであればその融点を越える温度であっても、上記の金属単体膜からなる接合層は溶融することがない。
あるいは、半導体装置の製造工程において、はんだ接合の工程が含まれていたとしても、はんだの融点は上記の金属単体層の融点よりはるかに低いため、はんだ接合工程は金属単体層による接合層には何ら影響しない。
以下にこの発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の第１の実施例の製造工程を示す図である。図７，図８と同一の構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。図１において、９は銅（Ｃｕ）の金属微粒子と、この微粒子を独立分散させるための有機分散材と、加熱により有機分散材と反応・除去する分散材補足物質と、これらをペースト状態とし加熱により揮発する有機バインダーとを混合させた金属ナノペーストである。金属微粒子としては銅のほかに、銀（Ａｇ），金（Ａｕ），白金（Ｐｔ）などが適用可能である。
銅は、熱伝導率が高いため半導体装置の放熱に有利であり、安価であるためコスト的にも有利である。銀は熱伝導率が高いため半導体装置の放熱に有利であり、剛性が銅に比べて低いため接合層に、熱サイクルに伴う応力が印加された場合であっても接合層に亀裂等が生じにくい。
図１（ａ）に示すように、まず、放熱ベース１（銅板）上にスクリーン印刷などにより、金属ナノペースト９を１０〜５００μｍの厚さとなるように塗布する。この金属ナノペースト９の塗布面に絶縁基板の裏面の銅箔５が接触するように絶縁基板を載置し、接合面に対し図示しない治具により０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲から選択した荷重をかける。荷重をかけた状態で図示しない加熱炉に入れ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。荷重の選定は、後述のパワー半導体素子６が破損しない範囲で選択すればよい。加熱温度の選定は、接合される材料間の熱膨張係数の差による応力の影響を軽減するため低いほうが好ましい。金属微粒子の焼結温度は金属ナノペースト９に含まれる有機分散材，有機バインダーの揮発温度とも関連するため、有機分散材，有機バインダーの反応温度に基づいて選定する。加熱時間の選定は、接合面性や、金属ナノペーストに含まれる有機分散材，有機バインダーの反応速度，含有量に基づいて選定する。
加熱炉内の雰囲気は、放熱ベースの銅が酸化しない程度の酸素濃度が望ましい。酸素が金属ナノペースト９中の有機物質と反応し、燃焼揮発現象の補助的役割を示す場合があるため、酸素濃度を１０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍ程度、好ましくは１００〜５００ｐｐｍとすると効果的である。
あるいは、加熱炉内を減圧雰囲気とすることで、有機物質の揮発に伴う気泡が金属単体層から抜けやすくなり、接合層のボイドの低減に効果的である。
また、加熱炉内を水素あるいは窒素と水素の混合ガス雰囲気にすることにより、放熱ベース１の銅の表面が還元され、金属ナノペーストの金属粒子と金属結合を形成し易くなる。
不活性ガスと酸素との混合ガスによって酸素濃度を制御して有機材料と酸素の反応を促し、有機材料の反応が活発になった時点で徐々に減圧してもよい。
金属ナノペースト９の有機分散材，有機バインダーが除去されると、活性状態にある金属微粒子同士が互いに結合し始め、金属微粒子は銅の金属単体膜１０となる。この状態で加熱を中止して接合箇所の冷却を始めると金属微粒子が焼結して、厚さ０・１μｍ〜５０μｍの銅の単体膜１０となり、放熱ベース１の銅と絶縁基板２の裏面の銅箔５とそれぞれ金属結合を起こし、強固で信頼性の高い接合を得る。
金属微粒子が一旦焼結し金属単体膜１０となると、その金属の融点まで加熱しないと溶融しないため、高融点（銅の場合１０８３℃，銀の場合９６１℃）の接合層を得ることができる。
次に、図１（ｂ）に示すように、絶縁基板２のおもて面の銅箔４上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１００〜５００μｍの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布する。
この金属ナノペースト９の塗布面にパワー半導体素子６の裏面電極（メタライズ層１２）が接触するように載置し、接合面に対し図示しない治具により０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲から選択した荷重をかける。荷重をかけた状態で図示しない加熱炉に入れ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。加熱炉内の雰囲気は、上述のとおりである。
パワー半導体素子６の裏面電極は、接合面となる表面に銅，金，銀などをメッキ処理などでメタライズ膜１２を形成すると、金属単体層１０と絶縁基板２の銅箔４およびパワー半導体素子６に形成したメタライズ膜１２間で金属結合を形成し、高融点化された信頼性の高い接合層が得られる。
次に、図１（ｃ）に示すように、パワー半導体素子６のおもて面の電極上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μmの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布する。パワー半導体素子６のおもて面の電極についても、裏面電極と同様に接合面となる表面に銅，金，銀などをメッキ処理などでメタライズ膜１２を形成しておくとよい。
この金属ナノペースト９の塗布面に、銅あるいは銅合金のヒートスプレッダ７を接触させ、荷重・加熱条件を選定して接合を行う。このヒートスプレッダは、電導性，熱伝導性に優れ、線膨張係数がパワー半導体素子を構成するシリコンに近いものが好適である。銅とモリブデン（Ｍｏ）あるいは銅とタングステン（Ｗ）などの合金を用いるとよい。銅合金を用いる場合、ヒートスプレッダ７の表面全体にパワー半導体素子６の電極と同様に、銅，金，銀などをメッキ処理などでメタライズ膜１２を形成しておくことで良好な接合が得られる。
次に、図１（ｄ）に示すように、ヒートスプレッダ７上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μmの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布する。
この金属ナノペースト９の塗布面に、リードフレーム１３を接触させ、荷重・加熱条件を選定して接合を行う。このリードフレーム１３は銅材を打ち抜きプレス加工したものを用いればよい。
ここで、リードフレーム１３はヒートスプレッダ７と絶縁基板２の銅箔４との間、あるは図示しない外部導出端子との間で配線として接続する場合がある。この場合は、絶縁基板の銅箔４上（図示しない外部導出端子上）にも同様に金属ナノペーストを塗布し、同時に接合を行う。
この実施例では、金属ナノペーストの塗布、接合面の載置（積層）の都度、加熱工程を行い接合層を形成したが、金属微粒子が一旦焼結し金属単体膜となると、その金属の融点まで加熱しないと溶融しない高融点（銅の場合１０８３℃，銀の場合９６１℃）の接合層となるため、次の接合層形成のための加熱（１５０℃〜３００℃）で先の接合層が剥れることない。
また、金属微粒子に銅，銀を用いることで、はんだのように金属間化合物が生成されることはない。
図１（ｅ）に示すように、熱伝導率が大きい銅や銀を接合層に用いることで、放熱効率の良い信頼性の高い接合層をもつパワー半導体モジュールを形成することができる。
なお、本実施例において、放熱ベース１の表面に金属ナノペーストを塗布しその上に絶縁基板２を載置したように、積層構造の下層の構造物の上面に金属ナノペーストを塗布しその上に上層の構造物を載置したが、これに限るものではない。即ち、上層の裏面に金属ナノペーストを予め塗布しておき、これを下層の構造物上に載置してもよい。例えば、絶縁基板２の裏面の銅箔５に予め金属ナノペースト９を塗布しておき、これを放熱ベース１に載置してもよい。
図２は、本発明の第２の実施例の製造工程を示す図である。図１と同一の構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
図２（ａ）に示すように、放熱ベース１の銅板上にスクリーン印刷などにより、金属ナノペースト９を１０〜５００μｍの厚さとなるように塗布する。この金属ナノペースト９の塗布面に絶縁基板の裏面の銅箔５が接触するように絶縁基板を載置する。続いて、絶縁基板２のおもて面の銅箔４上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μmの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布する。この金属ナノペースト９の塗布面にパワー半導体素子６の裏面電極が接触するように載置する。
同様に、パワー半導体素子６のおもて面の電極上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μｍの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布し、銅あるいは銅合金のヒートスプレッダ７を載置する。さらに、ヒートスプレッダ７上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μｍの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布し、リードフレーム１３を載置する。リードフレーム１３を絶縁基板２の銅箔４に接合する場合は、銅箔４に金属ナノペースト９を塗布する工程で、リードフレーム１３の接合予定箇所にも同時に金属ナノペーストを塗布９しておけばよい。
このように、必要な部位に金属ナノペースト９を塗布した放熱ベース１，絶縁基板２，パワー半導体素子６，ヒートスプレッダ７リードフレーム１３のそれぞれの接合面を接触させ、接合面に対し０．１〜１０ＭＰａの一定荷重をかけ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。この際，雰囲気は実施例１に記載の雰囲気と同様とする。
これにより、同図（ｂ）に示すように金属ナノペーストは金属成分の０．１μｍ〜５０μｍの厚さの金属単体膜１０となり、それぞれの接合面において金属結合を形成される。高融点化された放熱効率の良い信頼性の高い接合部をもつパワー半導体モジュールを、一回の加熱工程により得ることができる。
実施例１の説明でも述べたが、金属ナノペーストの塗布は上記の面に限らない。即ち、絶縁基板２，パワー半導体素子６，ヒートスプレッダ７の裏面側，およびリードフレーム１３接合面にそれぞれ金属ナノペーストを予め塗布してもよい。
また、パワー半導体素子６の両面の電極表面ならびにヒートスプレッダ７の表面に、金属ナノペースト塗布前に、銅，金，銀などのメッキ処理によりメタライズ層を形成すればよいこと、および、ヒートスプレッダ７に銅−モリブデン，銅−タングステンの合金を用いればよいことについては、実施例１で述べたとおりである。
なお、上記の実施例１では、金属ナノペーストを塗布して接合部材を載置する都度、また実施例２では、すべての載置の完了後に一括して加熱工程を実施したが、これに限るものではなく、所定の塗布・載置工程の後に加熱工程を実施することができる。例えば、まず、放熱ベース１に金属ナノペーストを塗布して絶縁基板２を載置し、加熱工程を実施して放熱ベース１と金属ナノペーストとを接合し、続いて、絶縁基板２への金属ナノペーストを塗布からリードフレーム１３の載置までを行った後に加熱工程を実施して、これらを一括して接合してもよい。
加熱工程の際、接合箇所に荷重を印加する場合、載置工程の都度加熱するようにすると接合面に均等に荷重をかけやすくなる。また、荷重をほとんど印加しなくてもよい場合には、一括して加熱することで塗布〜載置〜加熱の工数を減らすことができる。
実施例１，２では、加熱時の雰囲気について、酸素濃度が１００〜５００ｐｐｍの場合を例に説明した。
本発明の第３の実施例では、実施例１，２の加熱時の雰囲気を次のいずれかに変更した。
（１）酸素濃度を１００〜５００ｐｐｍあるいは１０００Ｐａ以下。
（２）水素あるいは窒素と水素の混合ガス雰囲気。
このような雰囲気において、７０℃〜１２０℃の範囲で１分〜１時間の予備加熱を実施する。接合する双方の構造物（放熱ベース１と絶縁基板２など）を同時に予備加熱する。これにより有機バインダーのみを揮発させ、同雰囲気下で接合面を接触させ、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲から選択した荷重をかけ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行って、金属微粒子を焼結させる。
（１）の条件においては、接合面の酸化膜の成長が抑制されて、（２）の条件においては、接合面の酸化膜が還元されて、いずれも信頼性の高い接合層を形成することができる。
この予熱工程により、有機バインダーの揮発によって発生する気泡を予め抜くことができ、金属単体膜中のボイドを低減することが可能となり、信頼性の高い接合部をもつパワー半導体モジュールを得ることができる。
上記の実施例２に適用する場合は、所定箇所への金属ナノペーストの塗布を行って、治具等で保持しながら上記の予備加熱を行う。予備加熱によって有機バインダーを揮発させたあと、同雰囲気下でそれぞれの接合面を順次接触させ、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲から選択した荷重をかけ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。それぞれの接合面において金属微粒子を焼結し、金属結合がなされ金属単体膜が形成される。
図３は、本発明の第４の実施例の製造工程を示す図である。図１と同一の構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。図３において、９１は、表面は活性状態で粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍの極めて微細な第１の金属微粒子（例えば銅（Ｃｕ））と、粒径が１μｍ〜５０μｍの第２の金属微粒子（例えばモリブデン（Ｍｏ）、以下マイクロ粒子ともいう）と、この微粒子を独立分散させるための有機分散材と、加熱により有機分散材と反応・除去する分散材補足物質と、これらをペースト状態とし加熱により揮発する有機バインダーとを混合させた金属ナノペーストである。以下、マイクロ粒子入り金属ナノペースト９１という。
第１の金属微粒子としては銅のほかに、銀（Ａｇ），金（Ａｕ），白金（Ｐｔ）などが適用可能である。銅は、熱伝導率が高いため半導体装置の放熱に有利であり、安価であるためコスト的にも有利である。銀は熱伝導率が高いため半導体装置の放熱に有利であり、剛性が銅に比べて低いため接合層に、熱サイクルに伴う応力が印加された場合であっても接合層に亀裂等が生じにくい。
第２の金属微粒子としてはモリブデンのほかにタングステン（Ｗ）などが適用可能である。第２の金属微粒子は、第１の金属微粒子として用いる第１の金属の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を有する金属の中から選択するとよい。詳しくは後述するが、第１の金属からなる接合層中に熱膨張係数が小さな第２の金属微粒子が存在することにより、接合層の熱膨張係数を、第１の金属の熱膨張係数より低くすることができるからである。
また、第２の金属微粒子として用いる金属は、前記第１の金属と金属間化合物を生成し難い金属がよい。金属間化合物が生成されるとその部分で脆くなるため、部材間の熱膨張係数の差による応力が印加されたときに脆性破壊を起こしやすくなる。したがって、金属間化合物を生成し難い金属を選択することにより、接合の信頼性の低下を防ぐことができる。
ここで、第１の金属微粒子として銅、第２の金属微粒子としてモリブデンを選択した場合、銅：モリブデン＝２〜６：８〜４の比率（重量比）で調整するとよい。銅の熱膨張係数が１６ｐｐｍ／Ｋ程度、モリブデンの熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／Ｋ程度であるので、例えば、銅：モリブデン＝３．５：６．５とすると、熱膨張係数は約８ｐｐｍ／Ｋとなり、熱膨張係数は単結晶シリコンの熱膨張係数（３．５ｐｐｍ／Ｋ程度）に近くなり、熱膨張係数の差による応力を緩和することができる。なお、銅の割合が多いと熱伝導率が高く（銅単体の熱伝導率に近く）なるが、熱膨張係数が大きく（銅単体の熱膨張率に近く）なり、モリブデンの割合が大きくなると、熱伝導率は銅単体より低くなるため、所望の放熱特性ならびに熱膨張係数に応じてその比を選択すればよい。また、接合層の際表面が銅の単体であれば、接合強度にも影響がない。
ここでは、第1の金属微粒子に銅，第２の金属微粒子にモリブデンを選択した場合について記載したが上記以外の金属を選択した場合も同様のことがいえる。
以下図３を参照しながら製造工程を説明する。図３（ａ）に示すように、まず、放熱ベース１（銅板）上にスクリーン印刷などにより、金属ナノペースト９を１０〜５００μｍの厚さとなるように塗布する。この金属ナノペースト９は、第１の実施例で説明したものと同じく、表面は活性状態で粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍの極めて微細な金属微粒子（例えば銅（Ｃｕ））と、この微粒子を独立分散させるための有機分散材と、加熱により有機分散材と反応・除去する分散材補足物質と、これらをペースト状態とし加熱により揮発する有機バインダーとを混合させた金属ナノペーストである。
塗布面に絶縁基板の裏面の銅箔５が接触するように絶縁基板を載置し、接合面に対し図示しない治具により０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲から選択した荷重をかける。荷重をかけた状態で図示しない加熱炉に入れ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。荷重の選定は、後述のパワー半導体素子６が破損しない範囲で選択すればよい。加熱温度の選定は、接合される材料間の熱膨張係数の差による応力の影響を軽減するため低いほうが好ましい。金属微粒子の焼結温度は金属ナノペースト９に含まれる有機分散材，有機バインダーの揮発温度とも関連するため、有機分散材，有機バインダーの反応温度に基づいて選定する。加熱時間の選定は、接合面性や、金属ナノペーストに含まれる有機分散材，有機バインダーの反応速度，含有量に基づいて選定する。
加熱炉内の雰囲気は、放熱ベースの銅が酸化しない程度の酸素濃度が望ましい。酸素が金属ナノペースト９中の有機物質と反応し、燃焼揮発現象の補助的役割を示す場合があるため、酸素濃度を１０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍ程度、好ましくは１００〜５００ｐｐｍ程度とすると効果的である。
あるいは、加熱炉内を減圧雰囲気とすることで、有機物質の揮発に伴う気泡が金属単体層から抜けやすくなり、接合層のボイドの低減に効果的である。
また、加熱炉内を水素あるいは窒素と水素の混合ガス雰囲気にすることにより、放熱ベース１の銅の表面が還元され、金属ナノペーストの金属粒子と金属結合を形成し易くなる。
不活性ガスと酸素との混合ガスによって酸素濃度を制御して有機材料と酸素の反応を促し、有機材料の反応が活発になった時点で徐々に減圧してもよい。
金属ナノペースト９の有機分散材，有機バインダーが除去されると、活性状態にある金属微粒子同士が互いに結合し始め、金属微粒子は銅の金属単体膜１０となる。この状態で加熱を中止して接合箇所の冷却を始めると金属微粒子が焼結して、厚さ０・１μｍ〜５０μｍの銅の単体膜１０となり、放熱ベース１の銅と絶縁基板２の裏面の銅箔５とそれぞれ金属結合を起こし、強固で信頼性の高い接合を得る。
金属微粒子が一旦焼結し金属単体膜１０となると、その金属の融点まで加熱しないと溶融しないため、高融点（銅の場合１０８３℃，銀の場合９６１℃）の接合層を得ることができる。
次に、図３（ｂ）に示すように、絶縁基板２のおもて面の銅箔４上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１００〜５００μｍの厚さとなるように金属ナノペーストを塗布するのであるが、ここでは、マイクロ粒子入り金属ナノペースト９１を塗布する。
このマイクロ粒子入り金属ナノペースト９１の塗布面にパワー半導体素子６の裏面電極（メタライズ層１２）が接触するように載置し、接合面に対し図示しない治具により０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲から選択した荷重をかける。荷重をかけた状態で図示しない加熱炉に入れ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。加熱炉内の雰囲気は、上述のとおりである。
マイクロ粒子入り金属ナノペースト９１の有機分散材，有機バインダーが除去されると、活性状態にある第１の金属微粒子同士が互いに結合し始める。マイクロ粒子入り金属ナノペースト９１は、第２の金属微粒子であるモリブデンのマイクロ粒子を含んでいるため、マイクロ微粒子を取り囲みながら、第１の金属微粒子は互いに結合する。この状態で加熱を中止して接合箇所の冷却を始めると第１の金属微粒子が焼結して、厚さが０・１μｍ〜５０μｍで、モリブデンのマイクロ粒子を含んだ銅の金属単体膜（マイクロ粒子入り金属単体膜）９２となる。マイクロ粒子入り金属単体膜９２は、絶縁基板２の銅箔４とパワー半導体素子６の裏面の電極とそれぞれ金属結合を起こし、強固で信頼性の高い接合を得る。パワー半導体素子６の裏面電極は、接合面となる表面に銅，金，銀などをメッキ処理などでメタライズ膜１２を形成するとより強固な接合を得られる。
ここで、マイクロ粒子入り金属単体膜９２は、その内部にマイクロ粒子が分散している。マイクロ粒子は、第１の金属（銅）より熱膨張係数が低く、パワー半導体素子（単結晶シリコン）の熱膨張係数に近いため、マイクロ粒子入り金属単体膜９２全体の熱膨張係数は、単結晶シリコンの熱膨張係数と銅の熱膨張係数のほぼ中間の値となる。したがって、絶縁基板２の銅箔４とパワー半導体チップ６との熱膨張係数の差によって接合層に印加される応力を緩和することができ、高融点化された信頼性の高い接合層が得られる。
また、第２の金属微粒子（モリブデン（Ｍｏ）のマイクロ粒子）の粒径は１μｍ〜５０μｍであるため、マイクロ粒子入り金属単体膜９２の膜厚は、マイクロ粒子の粒径より厚くなる。マイクロ粒子がマイクロ粒子入り金属単体膜９２内に均一に分散しているため、パワー半導体素子６が接合時に傾くことがなく、マイクロ粒子入り金属単体膜９２の膜厚の制御も容易となる。
金属微粒子が一旦焼結し金属単体膜１０となると、その金属の融点まで加熱しないと溶融しないため、高融点（銅の場合１０８３℃，銀の場合９６１℃）の接合層を得ることができる。
次に、図３（ｃ）に示すように、パワー半導体素子６のおもて面の電極上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μｍの厚さとなるように金属ナノペーストを塗布する。ここでも、マイクロ粒子入り金属ナノペースト９１を塗布する。パワー半導体素子６のおもて面の電極についても、裏面電極と同様に接合面となる表面に銅，金，銀などをメッキ処理などでメタライズ膜１２を形成しておくとよい。
このマイクロ粒子入り金属ナノペースト９１の塗布面に、銅あるいは銅合金のヒートスプレッダ７を接触させ、荷重・加熱条件を選定して接合を行う。このヒートスプレッダは、電導性，熱伝導性に優れ、線膨張係数がパワー半導体素子を構成するシリコンに近いものが好適である。銅とモリブデン（Ｍｏ）あるいは銅とタングステン（Ｗ）などとの合金を用いるとよい。銅合金を用いる場合、ヒートスプレッダ７の表面全体にパワー半導体素子６の電極と同様に、銅，金，銀などをメッキ処理などでメタライズ膜（図示せず）を形成しておくことで良好な接合が得られる。
次に、図３（ｄ）に示すように、ヒートスプレッダ７上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μｍの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布する。
この金属ナノペースト９の塗布面に、リードフレーム１３を接触させ、荷重・加熱条件を選定して接合を行う。このリードフレーム１３は銅材を打ち抜きプレス加工したものを用いればよい。
ここで、リードフレーム１３はヒートスプレッダ７と絶縁基板２の銅箔４との間、あるは図示しない外部導出端子との間で配線として接続する場合がある。この場合は、絶縁基板の銅箔４上（図示しない外部導出端子上）にも同様に金属ナノペーストを塗布し、同時に接合を行う。
この実施例では、金属ナノペーストの塗布、接合面の載置（積層）の都度、加熱工程を行い接合層を形成したが、金属微粒子が一旦焼結し金属単体膜となると、その金属の融点まで加熱しないと溶融しない高融点（銅の場合１０８３℃，銀の場合９６１℃）の接合層となるため、次の接合層形成のための加熱（１５０℃〜３００℃）で先の接合層が剥れることない。
また、金属微粒子に銅，銀を用いることで、はんだのように金属間化合物が生成されることはない。
図３（ｅ）に示すように、熱伝導率が大きい銅や銀を接合層に用いることで、放熱効率の良い信頼性の高い接合層をもつパワー半導体モジュールを形成することができる。
ここでは、絶縁基板２の銅箔４とパワー半導体素子６との間及びパワー半導体素子６とヒートスプレッダ７との間の接合にマイクロ粒子入り金属ナノペースト９１を用いた。このように、熱膨張係数の差の大きな部材間の接合に好適である。また、マイクロ粒子入りは高価なため、必要な箇所に絞って用いることによりコスト増を防ぐことができる。
図４は、本発明の第５の実施例の製造工程を示す図である。図３と同一の構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
図４（ａ）に示すように、放熱ベース１の銅板上にスクリーン印刷などにより、金属ナノペースト９を１０〜５００μｍの厚さとなるように塗布する。この金属ナノペースト９の塗布面に絶縁基板の裏面の銅箔５が接触するように絶縁基板を載置する。
続いて、絶縁基板２のおもて面の銅箔４のうち、パワー半導体素子６を載置する部分にはマイクロ粒子入り金属ナノペースト９１を、後述のリードフレームが載置される部分イは金属ナノペースト９を、それぞれ上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μmの厚さとなるように塗布する。このマイクロ粒子入り金属ナノペースト９１の塗布面にパワー半導体素子６の裏面電極が接触するように載置する。
同様に、パワー半導体素子６のおもて面の電極上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μｍの厚さとなるようにマイクロ粒子いり金属ナノペースト９１を塗布し、銅あるいは銅合金のヒートスプレッダ７を載置する。さらに、ヒートスプレッダ７上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μｍの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布し、ヒートスプレッダ７上および絶縁基板２の銅箔４上に塗布された金属ナノペースト９の上にリードフレーム１３を載置する。リードフレーム１３を絶縁基板２の銅箔４に接合する場合は、銅箔４にマイクロ粒子入り金属ナノペースト９１を塗布する工程の前もしくは後に、リードフレーム１３の接合予定箇所に金属ナノペーストを塗布９しておけばよい。
このように、必要な部位に金属ナノペースト９を塗布した放熱ベース１，絶縁基板２，パワー半導体素子６，ヒートスプレッダ７リードフレーム１３のそれぞれの接合面を接触させ、接合面に対し０．１〜１０ＭＰａの一定荷重をかけ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。この際，雰囲気は実施例１に記載の雰囲気と同様とする。
これにより、同図（ｂ）に示すように金属ナノペーストは金属成分の０．１μｍ〜５０μｍの厚さの金属単体膜１０となり、それぞれの接合面において金属結合を形成される。高融点化された放熱効率の良い信頼性の高い接合部をもつパワー半導体モジュールを、一回の加熱工程により得ることができる。
実施例３の説明でも述べたが、金属ナノペーストの塗布は上記の面に限らない。即ち、絶縁基板２，パワー半導体素子６，ヒートスプレッダ７の裏面側，およびリードフレーム１３接合面にそれぞれ金属ナノペーストを予め塗布してもよい。
また、パワー半導体素子６の両面の電極表面ならびにヒートスプレッダ７の表面に、金属ナノペースト塗布前に、銅，金，銀などのメッキ処理によりメタライズ層を形成すればよいこと、および、ヒートスプレッダ７に銅−モリブデン，銅−タングステンの合金を用いればよいことについては、実施例３で述べたとおりである。
上記の実施例４，５において、マイクロ粒子入り金属ナノペースト９２には、表面は活性状態で粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍの極めて微細な第１の金属微粒子（例えば銅（Ｃｕ））と、粒径が１μｍ〜５０μｍの第２の金属微粒子（例えばモリブデン（Ｍｏ）、以下マイクロ粒子ともいう）を用いた。
第６の実施例では、上記の第２の金属微粒子（マイクロ粒子）に替えて、粒径が１μｍ〜５０μｍのセラミック微粒子（以下マイクロ粒子ともいう）を用いる。その他、第１の金属微粒子を独立分散させるための有機分散材と、加熱により有機分散材と反応・除去する分散材補足物質と、これらをペースト状態とし加熱により揮発する有機バインダーとを混合させる点は、実施例４，５と同じであるので図示は省略する。
マイクロ粒子入り金属ナノペースト９３（実施例４のマイクロ粒子入り金属ナノペースト９１と区別するため符号を９３とする）は、マイクロ粒子としてセラミック微粒子を含有している。セラミック微粒子は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３），酸化珪素（ＳｉＯ２），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化珪素（ＳｉＮＸ）などを基材とするセラミックを粒径が１μｍ〜５０μｍのセラミック微粒子にしたものである。
実施例４で述べたように、第１の金属微粒子としては銅のほかに、銀（Ａｇ），金（Ａｕ），白金（Ｐｔ）などが適用可能である。銅は、熱伝導率が高いため半導体装置の放熱に有利であり、安価であるためコスト的にも有利である。銀は熱伝導率が高いため半導体装置の放熱に有利であり、剛性が銅に比べて低いため接合層に、熱サイクルに伴う応力が印加された場合であっても接合層に亀裂等が生じにくい。
第１の金属からなる接合層中に熱膨張係数が小さなセラミック微粒子が存在することにより、接合層の熱膨張係数を、第１の金属の熱膨張係数より低くすることができる。本実施例においては、セラミック微粒子の熱膨張係数は、前記第２の金属微粒子（モリブデンなど）よりもさらに小さく、例えば窒化珪素で３．１ｐｐｍ／Ｋ程度である。
したがって、マイクロ粒子入り金属ナノペーストにマイクロ粒子として熱伝導率がより小さい（低い）セラミック微粒子を混入することにより、接合層の熱膨張係数をさらに小さくすることができる。
接合層の熱膨張係数を小さくすることができるため、単結晶シリコンより熱膨張係数が小さい炭化珪素（ＳｉＣ）をパワー半導体素子に用いた場合、接合部材間の熱膨張係数の差を緩和することができるため有効である。
また、実施例４〜６において、マイクロ粒子入り金属ナノペースト（９１，９３）を用いた接合では、接合層内に粒径が１μｍ〜５０μｍの微粒子を混入しているため、接合層の膜厚の制御も容易である。
図５Ａ，５Ｂは、本発明の第７の実施例の製造工程を示す図である。図７，図８と同一の構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。図５Ａ，５Ｂにおいて、９は銅（Ｃｕ）の金属微粒子と、この微粒子を独立分散させるための有機分散材と、加熱により有機分散材と反応・除去する分散材補足物質と、これらをペースト状態とし加熱により揮発する有機バインダーとを混合させた金属ナノペーストである。金属微粒子としては銅のほかに、銀（Ａｇ），金（Ａｕ），白金（Ｐｔ）などが適用可能である。
銅は、熱伝導率が高いため半導体装置の放熱に有利であり、安価であるためコスト的にも有利である。銀は熱伝導率が高いため半導体装置の放熱に有利であり、剛性が銅に比べて低いため接合層に、熱サイクルに伴う応力が印加された場合であっても接合層に亀裂等が生じにくい。また、２０は発泡金属板である。発泡金属板２０については後述する。
図５Ａ（ａ）に示すように、まず、放熱ベース１（銅板）上にスクリーン印刷などにより、金属ナノペースト９を１０〜５００μｍの厚さとなるように塗布する。この金属ナノペースト９の塗布面に絶縁基板の裏面の銅箔５が接触するように絶縁基板を載置し、接合面に対し図示しない治具により０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲から選択した荷重をかける。荷重をかけた状態で図示しない加熱炉に入れ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。荷重の選定は、後述のパワー半導体素子６が破損しない範囲で選択すればよい。加熱温度の選定は、接合される材料間の熱膨張係数の差による応力の影響を軽減するため低いほうが好ましい。金属微粒子の焼結温度は金属ナノペースト９に含まれる有機分散材，有機バインダーの揮発温度とも関連するため、有機分散材，有機バインダーの反応温度に基づいて選定する。加熱時間の選定は、接合面性や、金属ナノペーストに含まれる有機分散材，有機バインダーの反応速度，含有量に基づいて選定する。
加熱炉内の雰囲気は、放熱ベースの銅が酸化しない程度の酸素濃度が望ましい。酸素が金属ナノペースト９中の有機物質と反応し、燃焼揮発現象の補助的役割を示す場合があるため、酸素濃度を１０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍ程度、好ましくは１００〜５００ｐｐｍ程度とすると効果的である。
あるいは、加熱炉内を減圧雰囲気とすることで、有機物質の揮発に伴う気泡が金属単体層から抜けやすくなり、接合層のボイドの低減に効果的である。
また、加熱炉内を水素あるいは窒素と水素の混合ガス雰囲気にすることにより、放熱ベース１の銅の表面が還元され、金属ナノペーストの金属粒子と金属結合を形成し易くなる。
不活性ガスと酸素との混合ガスによって酸素濃度を制御して有機材料と酸素の反応を促し、有機材料の反応が活発になった時点で徐々に減圧してもよい。
金属ナノペースト９の有機分散材，有機バインダーが除去されると、活性状態にある金属微粒子同士が互いに結合し始め、金属微粒子は銅の金属単体膜１０となる。この状態で加熱を中止して接合箇所の冷却を始めると金属微粒子が焼結して、厚さ０・１μｍ〜５０μｍの銅の単体膜１０となり、放熱ベース１の銅と絶縁基板２の裏面の銅箔５とそれぞれ金属結合を起こし、強固で信頼性の高い接合を得る。
金属微粒子が一旦焼結し金属単体膜１０となると、その金属の融点まで加熱しないと溶融しないため、高融点（銅の場合１０８３℃，銀の場合９６１℃）の接合層を得ることができる。
次に、図５Ａ（ｂ）に示すように、絶縁基板２のおもて面の銅箔４上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１００〜５００μｍの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布する。同様に、パワー半導体素子６の裏面の接合面にも金属ナノペースト９を塗布する。そして、銅箔４，パワー半導体素子６にそれぞれ塗布した金属ナノペースト９にて、厚さが０．０５ｍｍ〜２ｍｍの発泡金属板２０を挟むようにパワー半導体素子６を載置する。
このとき、パワー半導体素子６の接合面となる表裏の電極に銅，金，銀などをメッキ処理などでメタライズ膜１２を形成すると、金属単体層１０と絶縁基板２の銅箔４およびパワー半導体素子６に形成したメタライズ膜１２間で金属結合を形成し、高融点化された信頼性の高い接合層が得られる。
そして、図示しない治具により０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲から選択した荷重をかける。荷重をかけた状態で図示しない加熱炉に入れ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。加熱炉内の雰囲気は、上述のとおりである。発泡金属板はオープンセル構造であるため、金属ナノペースト９の有機分散材や分散材補足物質は発泡金属板の気孔より接合層の外へ容易に排出され、金属微粒子が気孔内に含浸される。よって、加熱工程の後、接合層は、気孔内に金属微粒子が充填されると共に、部材間（ここでは、銅箔４とパワー半導体素子６との間）の接合層の膜厚を発泡金属板２０にて確保する。同時に、銅箔４とパワー半導体素子６との間が金属単体膜１０にて接合される。
したがって、金属単体膜１０により、銅箔４とパワー半導体素子６と発泡金属板２０とが、それぞれ金属結合によって相互に強固に接合される。銅箔４とパワー半導体素子６との間の接合層は、高融点の接合層となって耐熱性が向上する。また、ヒートサイクル時に接合部材間（銅箔４とパワー半導体素子６との間）の熱膨張係数の差による応力は、表面積の大きな発泡金属板と金属単体膜１０との金属結合によって緩和され、信頼性の高い接合層が得られる。
次に、図５Ａ（ｃ）に示すように、パワー半導体素子６のおもて面の電極上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μmの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布する。パワー半導体素子６のおもて面の電極についても、裏面電極と同様に接合面となる表面に銅，金，銀などをメッキ処理などでメタライズ膜１２を形成しておくとよい。さらに、銅あるいは銅合金のヒートスプレッダ７の裏面にも同様に金属ナノペースト９を塗布する。そして、パワー半導体素子６，ヒートスプレッダ７にそれぞれ塗布した金属ナノペースト９にて、厚さが０．０５ｍｍ〜２ｍｍの発泡金属板２０を挟むようにヒートスプレッダ７を載置する。
そして、図示しない治具により０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの範囲から選択した荷重をかける。荷重をかけた状態で図示しない加熱炉に入れ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。加熱炉内の雰囲気は、上述のとおりである。このヒートスプレッダは、電導性，熱伝導性に優れ、線膨張係数がパワー半導体素子を構成するシリコンに近いものが好適である。銅とモリブデン（Ｍｏ）あるいは銅とタングステン（Ｗ）などの合金を用いるとよい。銅合金を用いる場合、ヒートスプレッダ７の表面全体にパワー半導体素子６の電極と同様に、銅，金，銀などをメッキ処理などでメタライズ膜１２を形成しておくことで良好な接合が得られる。発泡金属板はオープンセル構造であるため、金属ナノペースト９の有機分散材や分散材補足物質は発泡金属板の気孔より接合層の外へ容易に排出され、金属微粒子が気孔内に含浸される。よって、加熱工程の後、接合層は、気孔内に金属微粒子が充填されると共に、部材間（ここでは、パワー半導体素子６とヒートスプレッダ７の間）の接合層の膜厚を発泡金属板２０にて確保する。同時に、パワー半導体素子６とヒートスプレッダ７との間が金属単体膜１０にて接合される。
したがって、金属単体膜１０により、パワー半導体素子６とヒートスプレッダ７と発泡金属板２０とが、それぞれ金属結合によって相互に強固に接合される。銅箔４とパワー半導体素子６との間の接合層は、高融点の接合層となって耐熱性が向上する。また、ヒートサイクル時に接合部材間（パワー半導体素子６とヒートスプレッダ７との間）の熱膨張係数の差による応力は、表面積の大きな発泡金属板と金属単体膜１０との金属結合によって緩和され、信頼性の高い接合層が得られる。
次に、図５Ｂ（ｄ）に示すように、ヒートスプレッダ７上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μmの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布する。
この金属ナノペースト９の塗布面に、リードフレーム１３を接触させ、荷重・加熱条件を選定して接合を行う。このリードフレーム１３は銅材を打ち抜きプレス加工したものを用いればよい。
ここで、リードフレーム１３はヒートスプレッダ７と絶縁基板２の銅箔４との間、あるは図示しない外部導出端子との間で配線として接続する場合がある。この場合は、絶縁基板の銅箔４上（図示しない外部導出端子上）にも同様に金属ナノペーストを塗布し、同時に接合を行う。
この実施例では、金属ナノペーストの塗布、接合面の載置（積層）の都度、加熱工程を行い接合層を形成したが、金属微粒子が一旦焼結し金属単体膜となると、その金属の融点まで加熱しないと溶融しない高融点（銅の場合１０８３℃，銀の場合９６１℃）の接合層となるため、次の接合層形成のための加熱（１５０℃〜３００℃）で先の接合層が剥れることない。
また、金属微粒子に銅，銀を用いることで、はんだのように金属間化合物が生成されることはない。
図５Ｂ（ｅ）に示すように、熱伝導率が大きい銅や銀を接合層に用いることで、放熱効率の良い信頼性の高い接合層をもつパワー半導体モジュールを形成することができる。
なお、本実施例において、放熱ベース１の表面に金属ナノペーストを塗布しその上に絶縁基板２を載置したように、積層構造の下層の構造物の上面に金属ナノペーストを塗布しその上に上層の構造物を載置したが、これに限るものではない。即ち、上層の裏面に金属ナノペーストを予め塗布しておき、これを下層の構造物上に載置してもよい。例えば、絶縁基板２の裏面の銅箔５に予め金属ナノペースト９を塗布しておき、これを放熱ベース１に載置してもよい。
ここで、発泡金属板２０について説明する。図５Ｂ（ｆ）は、発泡金属板２０を概念的に示した図である。発泡金属板２０は、その内部に多数の気孔２１を有するものである。気孔２１は連続したオープンセル構造であり、空隙率が９５％以上のものが応力緩和には好適である。発泡金属としては各種金属材料のものが提供されるが、電気抵抗が低い，熱伝導率が大きい、などの理由で銅または銀が選択される。金属ナノペーストに用いる金属微粒子と同一の金属を用いるとよい。
金属ナノペーストによる接合にあたり、接合層（焼結膜層）が薄いと、接合部材間の熱膨張係数の差による応力が各部材に作用することがある。銅の熱膨張係数はパワー半導体素子に用いられる単結晶シリコンの２〜３倍であり、ヒートサイクル時には応力も大きくなる場合がある。
発泡金属板２０を接合層に挿入することにより、接合層の厚さを厚いものとして、応力の緩和を図ることができる。
図６は、本発明の第８の実施例の製造工程を示す図である。図５と同一の構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
図６（ａ）に示すように、放熱ベース１の銅板上にスクリーン印刷などにより、金属ナノペースト９を１０〜５００μｍの厚さとなるように塗布する。この金属ナノペースト９の塗布面に絶縁基板の裏面の銅箔５が接触するように絶縁基板を載置する。
続いて、絶縁基板２のおもて面の銅箔４上に金属ナノペースト９をスクリーン印刷などにより、１０〜５００μmの厚さとなるように塗布する。パワー半導体素子を載置する箇所には、まず発泡金属板２０を載置する。続いて、予め裏面側に金属ナノペースト９を塗布したパワー半導体素子６を塗布面が発泡金属板２０側となるように載置し、同様に、パワー半導体素子６のおもて面の電極上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μｍの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布する。
続いて、パワー半導体素子６に塗布された金属ナノペースト９上に発泡金属板２０を載置する。そして、予め、裏面側に金属ナノペースト９を塗布した銅あるいは銅合金のヒートスプレッダ７を載置する。さらに、ヒートスプレッダ７上に、上記と同様にスクリーン印刷などにより、１０〜５００μｍの厚さとなるように金属ナノペースト９を塗布し、ヒートスプレッダ７上および絶縁基板２の銅箔４上に塗布された金属ナノペースト９の上にリードフレーム１３を載置する。リードフレーム１３を絶縁基板２の銅箔４に接合する場合は、銅箔４にマイクロ粒子入り金属ナノペースト９１を塗布する工程の前もしくは後に、リードフレーム１３の接合予定箇所に金属ナノペーストを塗布９しておけばよい。
このように、必要な部位に金属ナノペースト９を塗布した放熱ベース１，絶縁基板２，パワー半導体素子６，ヒートスプレッダ７リードフレーム１３のそれぞれの接合面を接触させ、接合面に対し０．１〜１０ＭＰａの一定荷重をかけ、１５０℃〜３００℃で１分〜１時間の加熱・保持を行う。この際，雰囲気は実施例１に記載の雰囲気と同様とする。
これにより、同図（ｂ）に示すように金属ナノペーストは金属成分の０．１μｍ〜５０μｍの厚さの金属単体膜１０となり、それぞれの接合面において金属結合を形成される。高融点化された放熱効率の良い信頼性の高い接合部をもつパワー半導体モジュールを、一回の加熱工程により得ることができる。
発泡金属板を介して接合される接合層が強固となるのは実施例７で説明したとおりである。実施例７の説明でも述べたが、金属ナノペーストの塗布は上記の面に限らない。即ち、絶縁基板２，パワー半導体素子６，ヒートスプレッダ７の裏面側，およびリードフレーム１３接合面にそれぞれ金属ナノペーストを予め塗布してもよい。
また、パワー半導体素子６の両面の電極表面ならびにヒートスプレッダ７の表面に、金属ナノペースト塗布前に、銅，金，銀などのメッキ処理によりメタライズ層を形成すればよいこと、および、ヒートスプレッダ７に銅−モリブデン，銅−タングステンの合金を用いればよいことについては、実施例７で述べたとおりである。
図６（ｃ）は実施例７，８の変形例を示す図である。図６（ｃ）において、２１は、その厚さを０．５ｍｍ以上とした発泡金属板であり、同図（ｂ）との相違は、ヒートスプレッダ７を用いていない点である。発泡金属板２１は、発泡金属板２０と同様に、電気抵抗が低く、熱伝導率の大きな材料が選択され、銅や銀が好適である。発泡金属板２１の厚さを厚めに設定することにより、発泡金属板２１にヒートスプレッダの機能を持たせている。 発泡金属板２１に熱伝導率の大きな材料を選択しているため金属ナノペーストによりリードフレームを接合することが可能である。
第１の実施例の製造工程を説明する図である。 第２の実施例の製造工程を説明する図である。 第４の実施例の製造工程を説明する図である。 第５の実施例の製造工程を説明する図である。 第７の実施例の製造工程（ａ）〜（ｃ）を説明する図である。 第７の実施例の製造工程（ｄ）〜（ｆ）を説明する図である。 第８の実施例の製造工程および変形例を説明する図である。 従来の半導体モジュールの構成を示す図である。 従来の他の半導体モジュールの構成を示す図である。
符号の説明
１ 放熱ベース
２ 基板
３ ラミック基板
４，５ 銅箔
６ パワー半導体素子
７ トスプレッダ
９ 金属ナノペースト
１０ 金属単体膜
１２ メタライズ膜
１３ リードフレーム
２０，２１ 発泡金属板
９１ マイクロ粒子入り金属ナノペースト
９２ マイクロ粒子入り金属単体層

Claims (21)

  1. 両面に導体パターンが形成された絶縁基板の、おもて面の導体パターンに半導体チップを、裏面の導体パターンに放熱ベースを接合してなる半導体装置の製造方法において、
    前記放熱ベースの所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第１塗布工程と、
    第１塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に前記裏面の導体パターンを接触させるように前記絶縁基板を載置する第１載置工程と、
    前記絶縁基板のおもて面の導体パターンの所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第２塗布工程と、
    第２塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に前記半導体チップを載置する載置する第２載置工程と、
    前記半導体チップ上の所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第３塗布工程と、
    第３塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に金属放熱板を載置する第３載置工程と、
    前記金属微粒子を含むペースト内の金属微粒子を焼結させる加熱工程とを含む半導体装置の製造方法。
  2. 前記加熱工程の前に、
    前記金属放熱板上の所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第４塗布工程と、
    第４塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に金属導体板を載置する第４載置工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記加熱工程を、前記各載置工程の次にそれぞれ行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記各塗布工程とその次の前記各の載置工程の間に、それぞれ予熱工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記載置工程は、第１，第２，第３，第４の順であって、少なくとも第４載置工程につづいて加熱工程を行うことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記加熱工程は、すべての載置工程が完了した後に一括して行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記加熱工程は、前記金属微粒子を含むペーストを塗布した接合面に０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の加重を印加し、１５０℃以上３００度以下でかつ１分以上１時間以下の条件で行うことを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記各塗布工程は、粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍの、銅，銀，金，白金の少なくとも１種の金属微粒子を含むペーストを塗布する工程であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 少なくとも前記第２，第３の塗布工程は、
    粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍであって、前記加熱工程にて焼結する第１の金属微粒子と、粒径が１μｍ〜５０μｍであって、熱膨張係数が前記第１の金属微粒子より小さい第２の金属微粒子を含むペーストを塗布する工程であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第２の金属微粒子は、モリブデン，タングステンのうち少なくとも１種の金属微粒子であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 少なくとも前記第２，第３の塗布工程は、
    粒径が１ｎｍ〜２０ｎｍであって、前記加熱工程にて焼結する金属微粒子と、粒径が１μｍ〜５０μｎｍであって、熱膨張係数が前記第１の金属微粒子より小さいセラミックの微粒子を含むペーストを塗布する工程であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記第２の塗布工程は、
    前記絶縁基板のおもて面の導体パターンの所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第２前塗布工程と、
    該第２前塗布工程にて塗布したペースト上に発泡金属板を載置する発泡金属板載置工程と、
    該発泡金属板上に金属微粒子を含むペーストを塗布する第２後塗布工程であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記第３の塗布工程は、
    前記半導体チップ上の所定の箇所に金属微粒子を含むペーストを塗布する第３前塗布工程と、
    該第３前塗布工程にて塗布したペースト上に発泡金属板を載置する発泡金属板載置工程と、
    該発泡金属板上に金属微粒子を含むペーストを塗布する第３後塗布工程であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記第３載置工程は、
    前記第３塗布工程で塗布された金属微粒子を含むペースト上に、前記金属放熱板に替えて発泡金属板を載置する工程であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記発泡金属板は、電気抵抗が低く熱伝導率が大きい金属の金属多孔質体であることを特徴とする請求項１２〜１４に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 前記発泡金属板は、気孔が連続した金属多孔質体であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 両面に導体パターンが形成された絶縁基板の、おもて面の導体パターンに半導体チップを、裏面の導体パターンに放熱ベースを接合してなる半導体装置において、
    前記放熱ベースと前記裏面の導体パターンとの間，前記絶縁基板のおもて面の導体パターンと前記半導体チップの裏面電極との間，および、前記半導体チップのおもて面電極と該電極に接合される金属放熱板との間が、金属微粒子を焼結させてなる金属単体膜で接合されていることを特徴とする半導体装置。
  18. 前記金属単体膜内に、該単体膜を形成する金属より熱膨張係数が小さい金属微粒子を含むことを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置。
  19. 前記金属単体膜内に、該単体膜を形成する金属より熱膨張係数が小さいセラミック微粒子を含むことを特徴とする請求項１７に記載の半導体装置。
  20. 前記絶縁基板のおもて面の導体パターンと前記半導体チップの裏面電極との間に、電気抵抗が低く熱伝導率が大きい気孔が連続した金属多孔質体の発泡金属板を備えること請求項１７に記載の半導体装置。
  21. 前記半導体チップのおもて面電極と該電極に接合される金属放熱板との間に、電気抵抗が低く熱伝導率が大きい気孔が連続した金属多孔質体の発泡金属板を備えること請求項１７に記載の半導体装置。
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