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JP2012094873A - 金属粒子を用いた接合方法及び接合材料 - Google Patents

金属粒子を用いた接合方法及び接合材料 Download PDF

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JP2012094873A
JP2012094873A JP2011241832A JP2011241832A JP2012094873A JP 2012094873 A JP2012094873 A JP 2012094873A JP 2011241832 A JP2011241832 A JP 2011241832A JP 2011241832 A JP2011241832 A JP 2011241832A JP 2012094873 A JP2012094873 A JP 2012094873A
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JP
Japan
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bonding
metal
semiconductor device
silver
particles
Prior art date
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Abandoned
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JP2011241832A
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English (en)
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Yusuke Yasuda
雄亮 保田
Toshiaki Morita
俊章 守田
Hidekazu Ide
英一 井出
Hiroyuki Hozoji
裕之 宝蔵寺
Toshiaki Ishii
利昭 石井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • H01L2224/32175—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being arranged next to each other, e.g. on a common substrate the item being metallic
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    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
    • H01L2224/45099—Material
    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45117—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124—Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/44—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001—Core members of the connector
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    • H01L2224/451—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45147—Copper (Cu) as principal constituent
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    • H01L2224/48221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/48245—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic
    • H01L2224/48247—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being metallic connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/485—Material
    • H01L2224/48505—Material at the bonding interface
    • H01L2224/48699—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al)
    • H01L2224/487—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48738—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Aluminium (Al) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48739—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
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    • H01L2224/485—Material
    • H01L2224/48505—Material at the bonding interface
    • H01L2224/48799—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu)
    • H01L2224/488—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/48838—Principal constituent of the connecting portion of the wire connector being Copper (Cu) with a principal constituent of the bonding area being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/48839—Silver (Ag) as principal constituent
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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    • H01L2224/8319—Arrangement of the layer connectors prior to mounting
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    • H01L2224/83203—Thermocompression bonding, e.g. diffusion bonding, pressure joining, thermocompression welding or solid-state welding
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83399—Material
    • H01L2224/834—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83444—Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83447—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/83399—Material
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    • H01L2224/83438—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83455—Nickel [Ni] as principal constituent
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/83986—Specific sequence of steps, e.g. repetition of manufacturing steps, time sequence
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Abstract

【課題】平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を用いた接合用材料と比較して、接合界面で金属結合による接合をより低温で実現可能な接合用材料，接合方法を提供することを目的とする。
【解決手段】平均粒径が１ｎｍ〜５０μｍ以下の金属酸化物，金属炭酸塩、又はカルボン酸金属塩の粒子から選ばれる少なくとも１種以上の金属粒子前駆体と、有機物からなる還元剤とを含み、前記金属粒子前駆体の含有量が接合用材料中における全質量部において５０質量部を超えて９９質量部以下である接合用材料を特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は半導体モジュールにおける接合材料及びその製造方法に関するものである。
インバータ等に用いられるパワー半導体装置の一つである非絶縁型半導体装置において、半導体素子を固定する部材は半導体装置の電極の一つでもある。例えば、パワートランジスタを固定部材上にＳｎ−Ｐｂ系はんだ付け材を用いて搭載した半導体装置では、固定部材（ベース材）はパワートランジスタのコレクタ電極となる。このコレクタ電極部は半導体装置稼動時には数アンペア以上の電流が流れトランジスタチップは発熱する。この発熱に起因する特性の不安定化や寿命の低下を避けるためは、はんだ付け部の放熱性，長期信頼性（耐熱性）が確保できていなければならない。このはんだ付け部の耐熱性及び放熱性の確保には高放熱性の材料が必要になってくる。
絶縁型半導体装置においても、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半導体装置の外へ効率良く放散させ、さらにはんだ付け部の接続信頼性を確保する必要がある。
高い放熱性と信頼性を有する接続材料として、粒子状銀化合物を含む導電性組成物を用いた導電性接着剤が知られている（例えば、特許文献１）。しかしながら、この導電性接着剤は界面での接合機構がバインダを用いた方法であるために、界面において金属結合を達成した場合と比較すると放熱性，接合信頼性という点では劣っている。
一方、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、有機物で表面が被覆された平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子を接合材料として用い、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知られている（例えば、特許文献２）。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、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。
なお、特許文献３では接合時における加熱中において、その場で銀ナノ粒子を作製して導電性樹脂間の隙間をうめることにより、界面での接続信頼性と接合層における緻密化により導電性の向上及び電気的接続の信頼性の向上できることが開示されている。
特開２００３−３０９３５２号公報 特開２００４−１０７７２８号公報 特開２００６−４１００８号公報
特許文献２等に記載の平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を用いた接合方法では、上述の通り、接合界面では金属結合による接合が行われていることから、高い耐熱性と信頼性及び高放熱性を有する。その反面、平均粒径が１００ｎｍ以下と非常に微細な金属粒子は凝集を起こしやすく、このような金属粒子は安定化させるために有機物の保護膜を形成する必要がある。この有機物の保護膜は接合時には除去する必要があるが、低温での加熱では保護膜を完全に除去することが難しく十分な接合強度を得ることが困難となる。一方、金属粒子の有機物の保護膜を低温で分解するように分子設計を行った場合には、２０℃〜３０℃の室温下でこのような金属粒子を作製した際には直ちに金属粒子同士の凝集が起こることから、低温で焼結可能な金属粒子の作製は困難である。また、平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を作製するには金属粒子の作製後、不純物の除去等の手間がかかる作業もあることから、接合材料のコストダウンが困難であった。このように、平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を用いた接合方法では、金属粒子の作製、作製後の不純物の除去や保管，取り扱い等、実用面での課題が残されている。
特許文献３に記載の接合方法では、導電性組成物中において導電性組成物１００質量部に対して５〜５０質量部の三級脂肪酸銀塩を混合し、接合時においてその場で銀ナノ粒子を作製して、熱硬化後における樹脂の隙間を埋めることにより導電性等の向上を図っている。しかし、ここでは銀ナノ粒子の前駆体である三級脂肪酸銀塩の体積収縮が起こること、三級脂肪酸銀塩における銀含有量が高くないこと、三級脂肪酸銀塩が分解した際に発生する有機物の揮発温度が低くないことから、銀ナノ粒子前駆体を接合用材料における導電性組成物１００質量部に対して５０質量部を越えて用いることが困難であった。さらに加熱時間を１０分以上必要としているため、プロセス時間の短縮も困難であった。また、特許文献１と同様に界面でのバインダを用いた接着が主であるために、接合後における緻密な焼結銀層の達成及び界面での金属接合の達成が困難であった。
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を用いた接合用材料と比較して、接合界面での金属結合による接合をより低温で実現可能な接合用材料，接合方法を提供することを目的とする。
平均粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の金属酸化物，炭酸銀、又は酢酸銀粒子から選ばれる少なくとも１種以上で構成される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ることを見出した。
この際に平均粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の金属酸化物，金属炭酸塩、又はカルボン酸金属塩の粒子から選ばれる少なくとも１種以上の金属粒子前駆体が、接合用材料中における全質量部において５０質量部を超えて９９質量部以下であることを特徴とする接合用材料とし、接合部材間に圧力を加えることにより、５０質量部以下しか用いなかった場合よりも緻密な焼成層の達成と接合界面における金属結合による接合が可能であることを見出した。
すなわち、本発明は、平均粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の金属酸化物，金属炭酸塩、又はカルボン酸金属塩の粒子から選ばれる少なくと１種以上の金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤とを含む接合用材料を特徴とする。
また、半導体素子の電極と、金属部材との間に、平均粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の金属酸化物，金属炭酸塩、又はカルボン酸金属塩の粒子から選ばれる１種以上の金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤とを含む接合用材料を配置し、加熱，加圧により前記半導体素子の電極と金属部材とを接合する接合方法を特徴とする。
本発明により、平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子を用いた接合用材料と比較して、接合界面での金属結合による接合をより低温で実現可能な接合用材料，接合方法を提供することができる。
ミリスチルアルコールの熱重量減少測定結果。 酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールをトルエンに分散させたペーストを用いて接合を行った際の概念図。 酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを４：１で混合した接合材料を用いた場合に加圧を変化させた場合のせん断試験結果。 酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールの混合比を変化させた場合のせん断試験結果。 炭酸銀粒子とミリスチルアルコールを混合させた接合材料及び酢酸銀粒子とミリスチルアルコールを混合させた接合材料を用いた場合の接合温度とせん断強度の図。 本発明の実施例の一つである非絶縁型半導体装置の構造を示した図。 本発明絶縁型半導体装置のサブアッセンブリ部を示した図。 半導体素子と基板接合部の拡大概略図。 非絶縁型半導体装置のサブアッセンブリ部の他の実施例構造を示した図。 半導体素子と基板接合部の拡大概略図。 本発明の実施例の一つである非絶縁型半導体装置の構造を示した図。ワイヤボンディングの代わりにクリップ形状の端子を本発明の接合材料を用いて接合を行った場合の図。 本実施例絶縁型半導体装置の断面模式図。 本実施例ミニモールド型非絶縁型半導体装置の断面模式図。 超音波映像装置を用いた場合の接合部と未接合部の図。
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。
本発明は平均粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の金属酸化物，金属炭酸塩、又はカルボン酸金属塩の粒子から選ばれる少なくとも１種以上の金属粒子前駆体と有機物からなる還元剤を含む接合用材料を用いて、接合中における加熱と加圧時に粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が作製された後、凝集が起こりバルクな金属に変化する現象を用いて接合を行うものである。接合時において加圧を施すことで接合層における有機物の排出により緻密な銀層、及び界面での金属結合を達成できる。
また、金属酸化物，金属炭酸塩，カルボン酸金属塩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、１００ｎｍ以下の表面が有機物で被覆された金属粒子を接合材料に用いた場合には不可能であった２００℃以下の低温でも接合を達成することが可能となる。これにより、従来技術では困難であった２５０℃以下の温度でも、接合層の接合界面におけるせん断強度が５ＭＰａ以上の強固な接合が可能となり、接合時のチップ周辺部材の劣化が３００℃以上の接合と比較すると大幅に低減できる。このように低温接合が可能であるため、例えば、半導体素子のアクティブエリア上に設けた電極とこれを搭載する配線基板の搭載部との接合に適用可能である。また、接合後の接合層は従来のはんだ材と比較して高い耐熱性を有しているため、二次実装等の熱工程において半導体素子搭載部の溶融等の問題もなく、半導体装置の小型化と高信頼化を実現することができる。
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成されるため、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。
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，金属炭酸塩，カルボン酸金属塩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であり、本発明においては金属酸化物，金属炭酸塩，カルボン酸金属塩のことをいう。
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。
金属酸化物としては、酸化銀（Ａｇ2Ｏ，ＡｇＯ），酸化銅，酸化金，金属炭酸塩としては炭酸銀，カルボン酸金属塩としては酢酸銀などが挙げられ、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。
この中でも、酸化金，酸化銀（Ａｇ2Ｏ，ＡｇＯ），酸化銅からなる金属酸化物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ことから金属酸化物を用いることが好ましい。
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。
また、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、がある。さらには１級アルコール型に限らず、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、エチレングリコール，トリエチレングリコールなど多数のアルコール基を有する化合物を用いてもよく、また、クエン酸，アスコルビン酸，グルコースなどの化合物を用いてもよい。
また、利用可能なカルボン酸を含む化合物としてアルキルカルボン酸がある。具体例としては、ブタン酸，ペンタン酸，ヘキサン酸，ヘプタン酸，オクタン酸，ノナン酸，デカン酸，ウンデカン酸，ドデカン酸，トリデカン酸，テトラデカン酸，ペンタデカン酸，ヘキサデカン酸，ヘプタデカン酸，オクタデカン酸，ノナデカン酸，イコサン酸が挙げられる。また、上記アミノ基と同様に１級カルボン酸型に限らず、２級カルボン酸型，３級カルボン酸型、及びジカルボン酸，環状型の構造を有するカルボキシル化合物を用いることが可能である。
また、利用可能なアミノ基を含む化合物としてアルキルアミンを挙げることができる。
例えば、ブチルアミン，ペンチルアミン，ヘキシルアミン，ヘプチルアミン，オクチルアミン，ノニルアミン，デシルアミン，ウンデシルアミン，ドデシルアミン，トリデシルアミン，テトラデシルアミン，ペンタデシルアミン，ヘキサデシルアミン，ヘプタデシルアミン，オクタデシルアミン，ノナデシルアミン，イコデシルアミンがある。また、アミノ基を有する化合物としては分岐構造を有していてもよく、そのような例としては、２−エチルヘキシルアミン，１，５ジメチルヘキシルアミンなどがある。また、１級アミン型に限らず、２級アミン型，３級アミン型を用いることも可能である。さらにこのような有機物としては環状の形状を有していてもよい。
また、用いる還元剤は上記アルコール，カルボン酸，アミンを含む有機物に限らず、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、あるいはカルボン酸金属塩などの有機物を含有する化合物を用いても良い。カルボン酸金属塩は金属粒子の前駆体としても用いられるが、有機物を含有しているために、金属酸化物粒子の還元剤としても用いてよい。ここで、接合温度よりも低い融点を有する還元剤は接合時に凝集し、ボイドの原因となるが、例えば、カルボン酸金属塩などは接合時の加熱により融解しないため、ボイド低減のために用いることが可能である。カルボン酸金属塩以外にも有機物を含有する金属化合物であれば還元剤として用いても良い。
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、還元剤が有機物のみから構成される場合には、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，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。
さらに、これら接合用材料には鱗片状の銀と熱硬化性樹脂からなる樹脂を混ぜて用いてもよい。このときに用いられる熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂，ポリイミド樹脂等が挙げられるが、本発明においては特にこれらに限定されるものではない。この際、金属結合による強固な接合を達成するため、金属酸化物，炭酸銀，酢酸銀粒子から選ばれた１種または２種以上の混合物の含有量が接合用材料中における全質量部において５０を超えて９９以下とすることが好ましい。
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圧力を加えることが必須である。接合条件としては、１秒以上１０分以内で４０℃以上４００℃以下の加熱と０より大きく１０Ｍｐａより小さい加圧を加えることが好ましい。
接合時に加圧を必須としたのは、加圧をかけないと、接合部の面積の向上、強いては強固な接合が達成されないためである。加圧の有無の接合部面積率（％）への影響を表１に示す。本評価は、Ｓｉからなり裏面が銀でめっきされたＭＯＳＦＥＴ素子（サイズ４mm×４mm×０.２８mm）と表面が銀めっきされた厚さ０.３mmのリードフレームを接合することで行った。接合材料には酸化銀粒子とミリスチルアルコールを４：１の重量比において混合した試料を用いた。接合条件は温度が２５０℃、加圧が２.５ＭＰａ、接合時間を２分３０秒にて行った。このようにして得られた試料について、接合後の接合部面積の評価を日立建機ファインテック（株）製超音波映像装置 ＨＹＥ−ＦＯＣＵＳを用いて行った。サンプル数はそれぞれ３つずつ評価した。上記評価により得られる像からは図１４に示すように、接合部分と未接合部部の情報が得られる。ここで、チップ全体の面積をＳ0とし、接合部分をＳ1とすると接合部面積率Ｓ（％）はＳ0／Ｓ1と表すことが出来る。この方法により各サンプルの接合部面積率を算出した。表１より接合の際に加圧をしたものは接合部面積率が２０％以上であったが、加圧をしていないものは５％以下であった。これより、接合部面積の向上には加圧が必須であることがわかる。
Figure 2012094873
加圧力を０を超えてとしたのは、実施例１に示すが、加圧力が０を超えれば接合強度が増加する効果が出始めるからである。また、本発明では、加圧時に加える加圧を１０ＭＰａより下とした。これは表２に示したように、１０ＭＰａ以上の加圧を加えると、接合するチップが破壊されてしまうからである。このように十分な接合強度を得るためには加圧をかけることが重要である。
Figure 2012094873
従来の樹脂が入った銀ペーストではこのような加圧を必要としていないが、それは樹脂による界面における接着によるものが支配的だったからである。本発明においては、接合界面では金属結合による接合が達成されており、それには加圧をかけることが必須であるといえる。
加熱温度を４０℃以上としたのは、これよりも低温での加熱をするとでは、金属粒子前駆体が還元して銀粒子を作製するのに、１日近くかかってしまい、そのような作製条件は大量生産に不向きであるからである。
加熱時間を６０分以下としたのは加熱時間を６０分以上とすると、一つの製品を作製するのにあまりにも多くの時間がかかり、大量生産を行うことが難しくなるからである。
接合後の接合層の接合強度としては、接合界面におけるせん断強度が５ＭＰａ以上であれば、界面における接合において金属結合による効果が出始めると考えられる。表３に本発明における接合方法を用いて接合を行い、せん断試験を行った際のせん断強度と破断面の観察を行った結果を示す。試料Ｉ−（１）は酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子のみを、Ｉ−（２）は酸化銀（Ａｇ2Ｏ）とミリスチルアルコールを重量ｗｔ％において酸化銀（Ａｇ2Ｏ）２０％，ミリスチルアルコール８０％として混合したものを、Ｉ−（３）は酸化銀（Ａｇ2Ｏ）とミリスチルアルコールを重量ｗｔ％において酸化銀（Ａｇ2Ｏ）２０％、ミリスチルアルコール８０％として混合したものを用いた場合のものである。接合強度が５ＭＰａより小さい値を有するＩ−（１）の破断面は界面破壊であった。一方、せん断強度が５ＭＰａ以上のＩ−（２），Ｉ−（３）は焼結銀層中における破壊であった。試料破断面が界面での破壊の場合にはアンカー効果による接合が主であり、焼結銀層中における破壊は金属接合が主によるものである。これより、接合界面のせん断強度が５ＭＰａ以上であれば金属結合による効果が出始める強度と考えられる。
Figure 2012094873
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
（実施例１）
実施例１では平均粒径が約２μｍ程度の酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子を用い、還元剤である有機物にはミリスチルアルコール（和光純薬製）を用いた。図１にミリスチルアルコールの熱重量測定結果を示す。熱重量測定はSeiko Instruments 製ＴＧ／ＤＴＡ６２００を用いて行った。このとき昇温速度を１０℃／minとし、大気中で測定を行った。この結果よりミリスチルアルコールは２４４℃における重量減少率が９９％以上であることが得られた。次に、このミリスチルアルコールと酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子の混合比が重量比において１：４の割合になるように混合した。実際には酸化銀（Ａｇ2Ｏ）０.８ｇとミリスチルアルコールを０.２ｇ用いて接合材料を作製した。ミリスチルアルコールは常温では固体であるために、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子と混合させる際には乳鉢を用いてすり潰すことにより１０分間混合を行った。さらにこれら混合粉末にトルエン溶液を０.４ｇ加えてペースト状にした後、１時間ほど振動機を用いて振動を加えることにより、混合溶液中に酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを分散させた。
このペースト溶液を用いて接合を行った後、せん断強度の測定を行った。測定用に用いた試験片の大きさは上側が直径５mm，厚さ２mmで下側が直径１０mm，厚さ５mmのものであ
り、表面にＡｇめっきがされたものである。この下側の試験片の上に上記ペースト溶液を塗布した後、６０℃で５分間乾燥を行い、トルエン溶液を蒸発させた後、上側の試験片を接合材料の上に設置し、加熱と加圧を加えることにより接合を行った。接合時の条件は接合温度が２５０℃、接合時間は２分３０秒にて行った。加圧の大きさが接合強度に及ぼす影響を調べるために加圧を無加圧、０.５，１.０，２.５ＭＰａと変化させて実験を行った。このとき、図２の概念図で示したように、加熱と加圧を加えた場合には、接合部材２０１の間に配置されたペースト材が粒径１００ｎｍ以下の酸化銀粒子２０２が作製され、酸化銀粒子２０２の表面にミリスチルアルコール２０３が被覆された状態となり、ミリスチルアルコール２０３が分解，除去されることで酸化銀粒子２０２が焼結し、焼結銀層２０４が形成される。この際、焼結銀層２０４と接合部材２０１の接合界面は金属結合による接合が達成される。次に、上記接合材料を用いて接合を行うことにより得られた試料を用い、純粋せん断応力下での接合部強度を測定した。せん断試験には西進商事製ボンドテスターＳＳ−１００ＫＰ（最大荷重１００kg）を用いた。せん断速度は３０mm／minとし、試験片をせん断ツールで破断させ、破断時の最大荷重を測定した。この最大荷重を接合面積で割り、せん断強度とした。
図３に加圧力を変化させて接合した場合のせん断強度の変化を示す。せん断強度は高融点はんだを用い、接合温度３５０℃において無加圧で５分間加熱して接合を行った場合のせん断強度に対する本実施例における接合材料を用いた場合の相対強度比を示した。この高融点はんだは鉛と錫からなり、２８０℃から３００℃の間に融点を有するはんだである。図３より、本実施例における加圧の大きさを０.５，１.０，２.５ＭＰａと増加させるに従ってせん断強度が増加していくことが示された。これは加圧力を増加させることで、接合中における焼結銀層の緻密化、また焼結銀層と接合部材の界面での接触面積が増加するためにより広い面積において金属接合が達成されるようになるためである。また、図３では酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを混合させた接合材料では加圧力を増加させることで、徐々に接合強度が高融点はんだに近づくことが示されている。
図４に酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールの混合比を変化させた場合のせん断強度試験結果を示す。ここでも上記高融点はんだで接合を行った場合のせん断強度に対する相対強度比を示した。
混合比は重量比において酸化銀（Ａｇ2Ｏ）：ミリスチルアルコール＝１：１，４：１，７：３とした。また、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子だけを用いたせん断強度試験も行った。
これらは２.５ＭＰａの加圧で２.５分間加熱，加圧をすることで接合を行った。さらに、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）：ミリスチルアルコール＝１：１の混合比にて作製した接合材に加圧をしないで、２.５分間、２００，２５０，３００，３５０℃で接合を行った。まず、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子のみを用いた場合には２００，２５０，３００，３５０℃のどの温度においても金属接合に起因する高い接合強度を得る事は出来なかった。次に７：３の混合比で混ぜた場合には低温側の２００，２５０℃では接合時にはミリスチルアルコールの残存量が多いために高い接合強度を得ることは出来なかったが、３００，３５０℃では加熱温度が高くなり、接合後の還元剤による残渣が少なくなった結果、高いせん断強度が得られている。４：１の混合比においては低温側では７：３と比較すると高いせん断強度を有することができており、高温側の３００，３５０℃でも同程度の接合が達成される。このように金属粒子前駆体の量が接合材の５０％以下であるとせん断強度が低いが、５０％よりも多くなり、７０％，８０％となると高いせん断強度が得られる。さらに金属粒子前駆体の量が接合材において５０よりも大きくないと十分な接合強度が得らないことがわかる。また、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）：ミリスチルアルコール＝１：１の接合材は加圧なしではほとんど接合されていない。
これより、金属粒子前駆体の含有量が接合材１００質量部において５０質量部以下では加圧の有無に関わらず、強固な接合を得る事は出来ない。さらに、上記実験結果より、本発明は金属粒子前駆体を接合材１００質量部において５０質量部以上含有させ、さらに加圧を加えることで達成される技術であることがわかる。
（実施例２）
実施例２では平均粒子径が１μｍ程度の炭酸銀粒子（和光純薬製）とミリスチルアルコールを４：１の重量比において混合した接合材料（接合材料（１））と酢酸銀粒子（和光純薬製）とミリスチルアルコールを４：１の重量比において混合した接合材料（接合材料（２））及び平均粒径が約２μｍ程度の酸化銀粒子と酢酸銀粒子（和光純薬製）を４：１の重量比において混合した接合材料（接合材料（３））用いて接合を行い、せん断強度の測定を行った。試料の混合はそれぞれ乳鉢を用いて行った。接合用の試験片は上側の大きさが直径５mm，厚さ２mmで下側が直径１０mm，厚さ５mmのものであり、表面に銀めっきが
されたものである。この下側の試験片に上記接合材料を粉末のまま厚さ１００μｍのマスクを用いて塗布した後、上側の試験片を接合材料の上に設置し、加熱と加圧を同時に加えることで接合を行った。接合時の条件は加圧が２.５ＭＰａ、接合温度が２００，２５０℃，３００，３５０℃にて、接合時間は２分３０秒にて行った。
次に、上記接合材料を用いて接合を行うことにより得られた試料を用い、純粋せん断応力下での接合部強度を測定した。せん断試験には西進商事製ボンドテスターＳＳ−１００ＫＰ（最大荷重１００kg）を用いた。せん断速度は３０mm／minとし、試験片をせん断ツールで破断させ、破断時の最大荷重を測定した。この最大荷重を接合面積で割り、せん断強度とした。
図５に上記接合材料をそれぞれ用いて接合を行った場合のせん断強度試験の結果を示す。実施例１と同様に鉛と錫からなり２８０℃から３００℃の間に融点を有する高融点はんだを用いて、接合温度３５０℃において無加圧で５分間加熱して接合を行った場合のせん断強度に対する、本実施例における接合材料を用いた場合の相対強度比を示した。また、比較のため、酸化銀とミリスチルアルコールを重量比において４：１の割合で混合した接合材料（接合材料（４））を用いた場合の結果を示す。接合材料（１），（２）においては２００，２５０℃の接合温度では接合状態が弱いが、接合温度が３００℃では半分程度のせん断強度が得られる。
一方、接合材料（３）は接合温度２００，２５０，３００℃において（４）と同程度であり、３５０℃では高温鉛はんだを用いた場合よりも高い接合強度を有する。
表４に接合材料（１）〜（４）を用いた接合面積比を示す。本評価は、Ｓｉからなり裏面が銀でめっきされたＭＯＳＦＥＴ素子（サイズ４mm×４mm×０.２８mm）と表面が銀め
っきされた厚さ０.３mmのリードフレームを接合することで行った。接合条件は温度が２５０℃、加圧が２.５ＭＰａ、接合時間を２分３０秒にて行った。このようにして得られた試料について、接合後の接合部面積の評価を日立建機ファインテック（株）製超音波映像装置 ＨＹＥ−ＦＯＣＵＳを用いて行った。サンプル数はそれぞれ３つずつ評価した。上記評価により得られる像からは図１に示すように、接合部分と未接合部部の情報が得られる。ここで、チップ全体の面積をＳ0とし、接合部分をＳ1とすると接合部面積率Ｓ（％）はＳ0／Ｓ1と表すことが出来る。この方法により各サンプルの接合部面積率を算出し、それぞれの接合材料の接合面積比は接合材料（４）を用いた場合の接合面積を１とし、それに対する相対比で示した。表４より酢酸銀を還元剤として用いた場合に最も接合面積比が高いことが分かる。このように、ボイドを低減させ接合面積比を高くするには、融解しない還元剤である酢酸銀を用いることが有効である。
（実施例３）
図６は本発明の実施例の一つである非絶縁型半導体装置の構造を示した図である。図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は図６（ａ）Ａ−Ａ′部の断面図である。半導体素子（ＭＯＳＦＥＴ）３０１をセラミックス絶縁基板３０２上に、セラミックス絶縁基板３０２をベース材３０３上にそれぞれ搭載した後、エポキシ系樹脂ケース３０４，ボンディングワイヤ３０５，エポキシ系樹脂ふた３０６を設け、同一ケース内にシリコーンゲル樹脂３０７を充填した。ここで、ベース材３０３上のセラミックス絶縁基板３０２は平均粒径が２μｍ程度の酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを４：１の重量比においてトルエン溶液に分散したペースト材で構成された接合層３０８で接合され、セラミックス絶縁基板３０２の銅板３０２ａ上には８個のＳｉからなるＭＯＳＦＥＴ素子３０１が上記酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールをトルエンに分散したペースト材で構成された接合層３０９で接合されている。この酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールをトルエンに分散したペースト材で構成された接合層３０８及び３０９による接合は、先ず、セラミックス絶縁基板３０２の銅板３０２ａ（Ｎｉめっきが施されている）上、及びベース材３０３上に上記酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを４：１の重量比でトルエン溶液に分散させたペースト材を銅板３０２ａ（Ｎｉめっきが施されている）上とベース材３０３上にそれぞれ塗布する。
これら酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを４：１の重量比においてトルエンに分散したペースト材の接合層上に半導体素子３０１、及びセラミックス絶縁基板３０２を配置させ接続する。このとき２５０℃程度において５分間、加圧力１ＭＰａの条件下で接合を行った。
各素子３０１に形成されたゲート電極，エミッタ電極等と、絶縁基板上に形成した電極３０２ａ，３０２ｂ、エポキシ系樹脂ケース３０４にあらかじめ取り付けられている端子３１０の間は、直径３００μｍのＡｌ線３０５を用い超音波接合法によりでワイヤボンディングした。３１１は温度検出用サーミスタ素子で、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールをトルエンに分散したペースト材で構成された接合層３０９で構成され、電極３０２ｂと端子３１０との間を直径３００μｍのＡｌ線３０５でワイヤボンディングし外部へ連絡されている。
なお、エポキシ系樹脂ケース３０４とベース材３０３の間はシリコーン接着樹脂（図示せず）を用いて固定した。エポキシ系樹脂ふた３０６の内厚部には凹み３０６′、端子３１０には穴３１０′がそれぞれ設けられ、絶縁型半導体装置１０００を外部回路と接続するためのネジ（図示せず）が装着されるようになっている。端子３１０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、エポキシ系樹脂ケース３０４に取り付けられている。
図７は図６に示した本発明絶縁型半導体装置のサブアッセンブリ部を示した図で、セラミック基板と半導体素子をベース材としての複合材３０３に搭載した。ベース材には周辺部に取付穴３０３Ａが設けられている。ベース材はＣｕで構成されており、表面にＮｉめっきが施してある。ベース材３０３上には前記酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを４：１の重量比においてトルエンに分散したペースト層によりセラミックス絶縁基板３０２を、そしてセラミックス絶縁基板３０２上には前記酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールをトルエンに分散したペースト材による層によりＭＯＳＦＥＴ素子３０１がそれぞれ搭載されている。
図８は図７におけるＭＯＳＦＥＴ素子搭載部の接合前の断面の拡大概略図である。図８に示すように、接合層に酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを４：１の重量比においてトルエンに分散したペースト材を用いることが可能である。また実施例１における酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールをトルエンに分散したペースト材の塗布時の溶液流れ防止のために、ベース材３０３上にはセラミックス絶縁基板３０２搭載領域に対応するように撥水膜３２２が施されている。さらに、セラミックス絶縁基板３０２上には、半導体素子３０１の搭載領域に対応するように撥水膜３２１が施されており、上記ペースト塗布時の溶液流れ防止を図っている。
（実施例４）
図９は本発明を用いた非絶縁型半導体装置における他の実施例の一つを示した図である。
半導体素子４０１およびセラミックス絶縁基板４０２は前記実施例３と同様に平均粒径が約２μｍ程度の酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを４：１の重量比においてトルエンに分散したペースト材接合層により接合されている。半導体素子のエミッタ電極も接合端子４３１を介しセラミックス絶縁基板上に形成された表面ＡｕおよびＮｉめっきを施した銅配線４０２ｂは、上記混合比により作製された酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを重量比において４：１にてトルエンに分散したペースト材粒子層により接続されている。
図１０は図９における半導体素子搭載部分の接合前の断面拡大概略図である。接続端子４３１は銅板にＮｉめっきを施しさらにその表面に金めっきを行ったものを使用し、絶縁基板の銅配線４０２ａ上に半導体素子７０１を搭載した後、酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを重量比において４：１にてトルエンに分散したペースト材を半導体素子のエミッタ電極（上側）に置く。さらに、セラミックス絶縁基板４０２上に形成した銅配線パターンで表面にＮｉめっき処理を行い、さらに半導体素子のエミッタ電極と接続端子４３１を介して接続する部分にＡｕめっき処理を行った銅配線４０２ｂのＡｕめっき部分に上記シート材料を置いた後、接続用端子４３１を酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを４：１の重量比においてトルエンに分散したペースト材の電極上部に搭載し２５０℃程度の熱を０.５ＭＰａの加圧の下で５分間加えることにより半導体素子４０１と銅配線４０２ｂとの接続が完了する。絶縁型半導体装置においてはコレクタ電極だけではなくエミッタ電極部分にも大きな電流が流れるため、配線幅の大きい接続端子４３１を用いることによりエミッタ電極側の接続信頼性をさらに向上させることが可能になる。
（実施例５）
図１１は実施例３と同様の非絶縁型半導体装置の構造を示した図である。本実施例では、実施例３のボンディングワイヤ３０５をクリップ状の接続端子５０５とした。
各素子３０１に形成されたゲート電極，エミッタ電極等と、絶縁基板上に形成した電極３０２ａ，３０２ｂ、エポキシ系樹脂ケース３０４にあらかじめ取り付けられている端子３１０の間は、クリップ状の接続端子５０５を酸化銀（Ａｇ2Ｏ）とミリスチルアルコールを４：１の重量比においてトルエンに分散したペースト材からなる接合層５１１，５１１′の上に置き、上記クリップ状端子５０５に対して０.１ＭＰａ程度の荷重をかけながら２５０℃において２分間加熱を行うことにより、接合を行っている。
（実施例６）
本実施例ではセルラー電話機等の送信部に用いる高周波電力増幅装置としての絶縁型半導体装置について説明する。
本実施例絶縁型半導体装置（サイズ１０.５mm×４mm×１.３mm）は以下の構成からなる。図１２は本実施例絶縁型半導体装置の断面模式図である。ここでは、支持部材１００としての多層ガラスセラミック基板（サイズ１０.５mm×４mm×０.５mm，３層配線，熱膨張率６.２ppm／℃，熱伝導率２.５Ｗ／ｍ.Ｋ，曲げ強度０.２５ＧＰａ，ヤング率１１０Ｇｐａ，誘電率５.６（１ＭＨｚ））上に、ＭＯＳＦＥＴ素子（サイズ２.４mm×１.８mm×０.２４mm）１，チップ抵抗（約７ppm／℃）１０１，チップコンデンサ（約１１.５ppm／℃）１０２を含むチップ部品が搭載されている。ＭＯＳＦＥＴ素子１と多層ガラスセラミック基板１００の間には、例えばＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材からなる中間金属部材１０３が装備されている。多層ガラスセラミック基板１００の内部には厚膜内層配線層（Ａｇ−１ｗｔ％Ｐｔ，厚さ１５μｍ），多層配線間の電気的連絡のための厚膜スルーホール導体（Ａｇ−１ｗｔ％Ｐｔ，直径１４０μｍ），放熱路のための厚膜サーマルビア（Ａｇ−１ｗｔ％Ｐｔ，直径１４０μｍ）が設けられている。また、多層ガラスセラミック基板１００の一方の主面上に厚膜配線パターン（Ａｇ−１ｗｔ％Ｐｔ，厚さ１５μｍ）１０４が設けられ、この厚膜配線パターン１０４上にはチップ抵抗１０１，チップコンデンサ１０２を含むチップ部品が、平均粒径が２μｍ程度の酸化銀（Ａｇ2Ｏ）とアスコルビン酸を４：１の重量比で乳鉢を用いることにより混合した接合材料を厚膜配線パターン上に塗布し、チップ部品に対して０.５ＭＰａの荷重を３００℃において２分間加えることにより、焼結銀層１０５により導電的に固着されている。ＭＯＳＦＥＴ素子（Ｓｉ，３.５ppm／℃）１は、多層ガラスセラミック基板１００の一方の主面に設けた凹みの部分に中間金属部材１０３を介して搭載される。搭載は１０のマイナス３乗の真空中で行った。中間金属部材１０３のサイズは２.８mm×２.２mm×０.２mmである。ここで、ＭＯＳＦＥＴ素子１と中間金属部材１０３を接続する焼結銀層１０５や、中間金属部材１０３と多層ガラスセラミック基板１００を接続する接合層１０６は、いずれも平均粒径が約２μｍ程度の酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とアスコルビン酸を重量比において４：１において混合した接合材料を用いて接合された層である。ＭＯＳＦＥＴ素子１と厚膜配線パターン１０４の所定部間には、Ｃｕからなるクリップ型の接続端子１０７が酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とアスコルビン酸を重量比において４：１において混合した接合材料を用いて接合されている。このとき、クリップには０.１ＭＰａの荷重を３００℃において２分間加えることにより接合を行った。多層ガラスセラミック基板１００の他方の主面には、厚膜外部電極層１０４′（Ａｇ−１ｗｔ％Ｐｔ，厚さ１５μｍ）が設けられている。厚膜外部電極層１０４′は多層ガラスセラミック基板１００の内部に設けられた内部配線層やスルーホール配線を中継して厚膜配線パターン１０４と電気的に接続されている。多層ガラスセラミック基板１００の一方の主面側にはエポキシ樹脂層１０８が設けられ、これにより搭載チップ部品等は封止されている。
（実施例７）
本発明ではミニモールド型トランジスタ用のリードフレームとして複合材を適用した非絶縁型半導体装置について説明する。
図１３は本実施例ミニモールド型非絶縁型半導体装置の断面模式図である。半導体素子１としてのＳｉからなるトランジスタ素子（サイズ１mm×１mm×０.３mm）は、例えばＣｕ−Ｃｕ2Ｏ複合材からなるリードフレーム（厚さ０.３mm）６００に平均粒子径が１μｍ程度の炭酸銀とテトラデカン酸を重量比において４：１で乳鉢を用いて混合した接合用材料を塗布した後、３００℃において２.０ＭＰａの荷重の下、２分間過熱を行うことにより、焼結銀層６０１により接合されている。トランジスタ素子１のコレクタは炭酸銀とテトラデカン酸を重量比において４：１で乳鉢を用いて混合した接合用材料を用いて接合された側に配置されている。エミッタ及びベースは炭酸銀とミリスチルアルコールにより接合された側と反対側に設けられ、トランジスタ素子１から引出されたクリップ形状の端子６０２によりリードフレーム６００に平均粒径が２μｍ程度の酸化銀（Ａｇ2Ｏ）粒子とミリスチルアルコールを９：１の重量比において混合した接合用材料を塗布し、クリップ形状の端子に１.０ＭＰａの荷重を２５０℃において２分間加えることにより接合されている。また、トランジスタ素子１の搭載とクリップ形状の端子６０２が施された主要部は、トランスファモールドによってエポキシ樹脂６０３で覆われている。リードフレーム６００はエポキシ樹脂６０３によるモールドが完了した段階で切り離され、それぞれ独立した端子としての機能が付与される。
（実施例８）
ＬＥＤを基板に実装する際に本発明の接合材料を用いて接合を行うことで、従来の半田，熱伝導性接着材よりも放熱性を向上させることが可能になる。
２０１ 接合部材
２０２ 酸化銀粒子
２０３ ミリスチルアルコール（還元剤）
２０４ 焼結銀層
３０１，４０１ 半導体素子
３０２，４０２ セラミックス絶縁基板
３０２ａ 銅板
３０３，４０３ ベース材
３０４ エポキシ系樹脂ケース
３０５ ボンディングワイヤ
３０６ エポキシ系樹脂ふた
３０７ シリコーンゲル樹脂
３０８，３０９ 接合層
３１０ 端子
３１１ 温度検出用サーミスタ素子
４０２ａ，４０２ｂ 配線
４３１ 接合端子

Claims (8)

  1. 一方の面にコレクタ電極を有し、他方の面にエミッタ電極を有する半導体素子と、
    一方の面に、第一電極配線を有する絶縁基板と、を有し、
    前記絶縁基板の第一電極配線と前記半導体素子のコレクタ電極は第一接合層を介して接続され、
    前記第一接合層は、炭酸銀、または酸化銀からなる金属粒子前駆体、及び融解温度が２００度以上であるカルボン酸金属塩の粒子からなる還元剤とを含む接合用材料が焼結された焼結層であり、かつ、前記半導体素子と当該焼結層とが直接金属結合している接合面積が当該半導体素子の面積の２０％以上であることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記半導体装置は、リードフレームを有し、
    前記リードフレームの一端と前記エミッタ電極は、第二接合層を介して接合され、
    当該第二接合層は、炭酸銀、または酸化銀からなる金属粒子前駆体、及び融解温度が２００度以上であるカルボン酸金属塩の粒子からなる還元剤とを含む接合用材料が焼結された焼結層であり、かつ、前記半導体素子と当該焼結層とが直接金属結合している接合面積が当該半導体素子の面積の２０％以上であることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項２に記載の半導体装置において、
    前記絶縁基板は、前記第一電極配線を有する面と同一面内に第二電極配線を有し、
    前記第二電極配線と前記リードフレームの他端は、第三接合層を介して接合され、
    当該第三接合層は、炭酸銀、または酸化銀からなる金属粒子前駆体、及び融解温度が２００度以上であるカルボン酸金属塩の粒子からなる還元剤とを含む接合用材料が焼結された焼結層であることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項３に記載の半導体装置において、
    前記第一電極配線及び前記第二電極配線は、銅で構成され、
    前記リードフレームは、銅で構成されることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項３または４に記載の半導体装置において、
    前記第一電極配線及び前記第二電極配線は、表面がニッケルめっきされ、
    前記リードフレームの一端及び他端は、表面がニッケルめっきされていることを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置において、
    前記カルボン酸金属塩は、酢酸銀であることを特徴とする半導体装置。
  7. 半導体素子と、
    リードフレームと、を備え、
    前記半導体素子と前記リードフレームは、接合層を介して接合され、
    前記半導体素子における前記リードフレームと対向する面は銀めっきされ、
    前記接合層は、炭酸銀、または酸化銀からなる金属粒子前駆体、及び融解温度が２００度以上であるカルボン酸金属塩の粒子からなる還元剤とを含む接合用材料が焼結された焼結層であり、かつ、前記半導体素子と当該焼結層とが直接金属結合している接合面積が当該半導体素子の面積の２０％以上であることを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項７に記載の半導体装置において、
    前記カルボン酸金属塩は、酢酸銀であることを特徴とする半導体装置。
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