JP5677685B2 - 回路基板、及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明はパワー半導体モジュール等に適用するセラミックス回路基板、およびそれを用いた半導体装置に関する。

半導体素子基体を金属支持部材上に搭載した半導体装置は、全ての電極が金属支持部材を含む全てのパッケージ部材から電気的に絶縁して外部へ引き出されているため、回路適用上の自由度が高い。例えば、一対の主電極が回路上の接地電位から浮いている使用例であっても、電極電位とは無関係にパッケージを接地電位部に固定できるので半導体装置の実装が容易になる。

半導体素子を安全かつ安定に動作させるためには、半導体装置の動作時に発生する熱をパッケージの外へ効率良く放散させる必要がある。この熱放散は通常、発熱源である半導体素子基体からこれと接着された各部材を通じて気中へ熱伝達させることで達成される。半導体装置では、この熱伝達経路中に絶縁体，半導体基体を接着する部分等に用いられる接着材層，金属支持部材等が含まれる。

また、半導体装置を含む回路の扱う電力が高くなり、要求される信頼性（経時的安定性，耐湿性，耐熱性等）が高くなるほど、完全な絶縁性が要求される。ここで言う耐熱性には、半導体装置の周囲温度が外因により上昇した場合のほか、半導体装置の扱う電力が大きく、半導体基体で発生する熱が大きくなった場合の耐熱性も含む。

一方、半導体装置では一般に半導体素子基体を含むあるまとまった電気回路が組み込まれるため、その回路の少なくとも一部と支持部材とを電気的に絶縁する必要がある。例えば、第１先行技術として、Ｓｉチップを両面に銅板が接合されたＡｌＮセラミックス基板（以下、銅貼りＡｌＮ基板と言う）に搭載したアッセンブリを、銅支持部材にはんだ付け一体化したパワーモジュール装置が知られている。

この第１先行技術において、銅貼りＡｌＮ基板はＡｌＮの持つ高熱伝導性（１９０Ｗ／ｍ・Ｋ），低熱膨張係数（４.３ppm／℃），高絶縁性（１０１５Ω・cm）等の特徴と、銅の持つ高熱伝導性（４０３Ｗ／ｍ・Ｋ），高電気伝導性（１.７×１０^-6Ω・cm）等の特徴とを組み合わせたもので、電流密度が高く、発熱の著しい電力用半導体素子基体（Ｓｉ：３.５ppm／℃）を直接はんだ付け搭載し、優れた放熱性と信頼性を備えたモジュール装置を得るのに有効な部品である。

一般に、銅貼りＡｌＮ基板は、これにはんだ付け搭載された半導体素子基体、又はこれに形成された電気回路を銅支持部材から電気的に絶縁するとともに、半導体基体から冷却フィンに至る熱流路を形成してその放熱効果を高める役割を担う。また、銅貼りＡｌＮ基板によれば、熱膨張係数の小さい半導体基体を特別な熱膨張緩和材（例えば、ＭｏやＷ）を用いずに直接搭載できるため、パワーモジュール装置の部品点数や組み込み工数を削減できる。

又、第２先行技術（特許文献１）には、サイリスタチップをアルミナ基板に搭載したアッセンブリを、Ａｌ又はＡｌ合金にＳｉＣセラミックス粉末を分散させた複合材（以下、Ａｌ／ＳｉＣ複合材と言う）からなる支持部材に搭載した半導体モジュール装置が開示されている。本先行技術において、アルミナ基板（７.５ppm／℃）はこれと熱膨張係数が略近似したＡｌ／ＳｉＣ複合材支持部材（６.７〜１４ppm／℃）に搭載されているため、これら部材間の接続部は優れた信頼性を有し、放熱性劣化の防止に有効に作用する。

第３先行技術（特許文献２）には、セラミックス基板の両面にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して回路配線用Ａｌ板と熱拡散用Ａｌ板をそれぞれ接着した絶縁基板と、Ａｌ／ＳｉＣ複合材により形成されたヒートシンクとを、Ａｌ合金を介して接合したヒートシンク付セラミック回路基板が開示されている。これによれば、両面に変形抵抗の小さいＡｌ板が接合されているためセラミックス基板のクラック破壊が防止され、ヒートシンクは熱拡散用Ａｌ板にヒートシンク中のＡｌ合金を介してあらかじめ接合されているのでパワーモジュールの製作工数を削減できる。

第４先行技術（特許文献３）には、セラミックス基板とＳｉＣ粉末で形成された多孔質プリフォームを隣接させ、前記プリフォームに溶融Ａｌを含浸することによりＡｌ／ＳｉＣ複合材を作製すると同時にＡｌ／ＳｉＣ複合材とセラミックス基板を溶融Ａｌにより一体化接合し、セラミックス基板の表面にＡｌ回路部を形成した回路基板が開示されている。これにより、低コストの回路基板を得ることが可能である。

特公平７−２６１７４号公報 特開平１０−６５０７５号公報 特開２０００−２７７９５３号公報

一般に、半導体装置では第１先行技術のように、半導体基体をはんだ付け搭載した銅貼りＡｌＮ基板を、同様のはんだ付けにより銅支持部材と一体化している。ここで、熱伝導率の高い銅板が支持部材として用いられる理由は、銅貼りＡｌＮ基板から伝達される熱流を広げて放熱効果を高めるためである。

この場合、銅支持部材と銅貼りＡｌＮ基板の間の熱膨張係数差が大きいことに起因して、はんだ層の破壊，熱流路の遮断という信頼性低下を生じやすい。具体的には以下の（１）〜（３）の問題がある。

（１）熱応力，ひずみ
銅貼りＡｌＮ基板と銅支持部材の熱膨張係数が互いに異なるため、これらの一体化物には残留熱応力ないし熱ひずみが発生する。銅貼りＡｌＮ基板や銅支持部材は一体化の際に、はんだ材の融点以上に加熱した後室温まで冷却する熱処理工程を経る。この場合、各部材ははんだ材の凝固点で互いに固定されたまま各部材固有の熱膨張係数に従って収縮し、接着部に熱応力ないし熱ひずみが残留するとともに変形を生ずる。

一般に、電力用の半導体基体はサイズが大きく、また、半導体装置では複数の半導体基体や他の素子も搭載されるので、絶縁基板やろう付け部の面積も大きくなる。このため、残留熱応力や熱ひずみが大きく、各部材の変形も促進されやすい。半導体装置に稼働時の熱ストレスが繰返し与えられ、これが上記残留熱応力ないし熱ひずみに重畳されると、はんだ層（特に後述する＃２はんだ層）の疲労破壊による熱流路の遮断を生ずる。このような事柄は半導体装置の正常動作を阻害する。

（２）そりによる熱的係合や絶縁板の破損
銅貼りＡｌＮ基板と銅支持部材の熱膨張係数が互いに異なるため、これらの一体化物にはそりを発生する。半導体装置にそりを生ずると、これを冷却フィンに取り付ける際に熱伝導グリースの装填が均一になされない。この結果、銅支持部材と冷却フィン間の熱的係合が良好になされず、この経路の放熱性が損なわれ、半導体装置の正常動作を困難にする。

（３）組み立て工数の問題及び鉛フリーはんだ化の困難性
半導体基体と銅貼りＡｌＮ基板をはんだ付けする工程（＃１はんだ層の形成）と、同様のはんだ付けによる銅貼りＡｌＮ基板と銅支持部材との一体化工程（＃２はんだ層の形成）が必要で、半導体装置の組み立て工数が多くなる。また、一般には＃１はんだ層と＃２はんだ層の形成工程では温度階層性（異なる融点を持つはんだ材）が必要になるが、既存の鉛フリーはんだ材の組み合わせでは十分な温度階層性を得ることは困難である。

第２先行技術における支持部材は複合材であって、ＳｉＣセラミックス粉末からなる多孔質プリフォームにＡｌを主成分とする溶融金属を含浸させることにより、Ａｌマトリックス金属中にＳｉＣ粉末を分散させたのものである（以下Ａｌ／ＳｉＣと言う）。この部材の熱膨張係数はＳｉＣ粉末の添加量によって制御されるため、上記（１）や（２）の問題はクリヤすることが可能である。しかし、半導体装置の組み立てには＃１及び＃２はんだ層形成の両工程を通す必要があり上記（３）の問題が残る。また、アルミナ絶縁部材とＡｌ／ＳｉＣ支持部材は別々の工程で作製されるためコストの問題が残る。

第３先行技術に基づくヒートシンク付き回路基板を用いて得られる半導体装置は、絶縁基板と支持部材があらかじめ一体化されているため、後続の半導体装置の組み立て工程は簡素化される。しかし、このヒートシンク付き回路基板は、それぞれ別工程で作製されたＡｌ張りＡｌＮ板とＡｌ／ＳｉＣヒートシンクを積層し、これらを加圧しながら真空中で加熱する工程を経て得られる。このプロセスには多大のコストを要し、最終的には半導体装置の廉価化の障害になる。また、あらかじめ製作されたＡｌ張りＡｌＮ板とＡｌ／ＳｉＣヒートシンクの表面に形成された酸化物が接合後の界面に残留し、この界面の接続性及び信頼性を損ないやすい。

第４先行技術に基づくセラミックス回路基板はＡｌ／ＳｉＣベース板とセラミックス絶縁板があらかじめ直接一体化されているため、後続のパワーモジュール組み立て工程は簡素化される。しかも、Ａｌ合金溶湯を所定の型に注入することにより、一体化と同一工程でＡｌ／ＳｉＣの製作とセラミックス絶縁板への配線が施される。このため、セラミックス回路基板を比較的低コストで製作できる可能性を持ち、最終的には半導体装置の廉価化に貢献できることが期待される。しかし、本構造の場合はＡｌ／ＳｉＣベース板とセラミックス絶縁板が６００℃を超える比較的高温のもとで直接一体化されるため、一体化物に応力やひずみ，そり変形を生じやすく、上述の（２）の問題が残る。

本発明の目的は、製造時の熱応力ないし熱ひずみを軽減し、低熱抵抗，低コストの回路基板およびそれを用いた半導体装置を提供することにある。

本発明の回路基板は、窒化物を含むセラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に接合層を介して接合された回路配線板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合層を介して接合された金属支持部材と、を備え、前記接合層が銀または銅を含む焼結体であり、前記セラミックス基板と前記焼結体の接合界面に酸化物層を有し、前記酸化物層は前記セラミックス基板側が多結晶層で構成され、前記焼結体側が非晶質層で構成されていることを特徴とする。

また、前記酸化物層の厚さが１ｎｍ〜１０μｍであり、前記非晶質層の厚さが０.１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。

また、前記セラミックス基板としては、窒化珪素または窒化アルミニウムを用いることが好ましい。この場合、前記酸化物層は珪素またはアルミニウムの酸化物である。

また、前記焼結体の熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ〜４３０Ｗ／ｍＫであることが好ましい。

また、本発明の半導体装置は、上記回路基板の回路配線板上に半導体素子を搭載することにより得られる。

以上説明したように本発明は、製造時に生ずる熱応力ないし熱ひずみを軽減し、放熱性が優れるとともに、低コストの回路基板および半導体装置を提供することができる。また、接合部の少数化の実現により、長期信頼性の確保が容易になり、かつ製造プロセスの簡略化も実現できる。これらのことから大幅なコストダウンを図ることができる。

本発明の回路基板の構成を説明する図である。 （ａ）は本発明の絶縁型半導体装置の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 本発明の半導体装置回路基板の断面模式図である。 本発明による接合部の接合性を示す図である。 本発明による接合部の接合性を示す図である。 本発明による接合部の状態を示す図である。 本発明による接合部の状態を示す図である。 本発明による接合部の接合性を示す図である。 本発明による接合部の接合性を示す図である。 本発明の半導体装置の要部を説明する鳥瞰模式図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明に係る回路基板の構成を説明する図である。回路基板１２５は、窒化物を含むセラミックス基板１１０と、セラミックス基板１１０の一方の面に接合層１２０を介して接合された回路配線板１３０と、セラミックス基板１１０の他方の面に接合層１２０を介して接合された支持部材１２５′で構成される。後述するようにセラミックス基板１１０と接合層１２０の接合界面には酸化物層を有し、酸化物層はセラミックス基板側が多結晶層となり、焼結体側が非晶質層となっている。

支持部材１２５′は、耐熱性，熱伝導性に優れた金属または金属を含む複合材料が適している。具体的には、銅または銅を含む合金、またはアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金が良い。

また、支持部材１２５′と接合層１２０が接する面とは相対する面に、凹凸状のフィンを設けて放熱性を向上させても良い。

セラミックス基板１１０は、耐熱性，耐圧性に優れ、高強度なセラミックスが適している。セラミックス材料として、アルミニウムや珪素を含む酸化物や窒化物が挙げられるが、中でも高強度かつ熱伝導性の良い窒化物が好ましい。具体的には窒化アルミニウム，窒化珪素が挙げられる。特に、窒化珪素は高強度セラミックスとして知られている。また、絶縁基板の厚さは回路基板１１０に求められる絶縁耐圧および強度で決められる。セラミックス板は必要に応じて複数枚搭載されていてもよく、この際窒化珪素板，窒化アルミニウム板を必要に応じて組み合わせてもよい。

回路配線板１３０は、耐熱性，熱伝導性、そして導電性に優れた金属または金属を含む複合材料が適している。具体的には、銅または銅を含む合金、またはアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金が良い。

接合層１２０には、銀または銅を含む焼結体を用いる。接合層１２０は、支持部材１２５′とセラミックス基板１１０、およびセラミックス基板１１０と回路配線板１３０のそれぞれの界面を低温で接合できることが望ましい。低温で接合することにより、接合部に残留する熱応力および反りを低減できるためである。

金属焼結体により低温で接合する接合技術としては、金属ナノ粒子の低温焼成機能を利用した接合材料が知られている。しかしながら、従来の平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子を接合の主剤とする接合材料を用いた場合では、金属とセラミックスは接合できない。一方、金属酸化物粒子と金属酸化物粒子を還元する有機物からなる還元剤から構成される接合材を用いた接合技術がある。この接合技術は、接合時における加熱と加圧時に金属酸化物粒子が還元されることで平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子が生成され、平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子の焼結が起こり、バルクな金属に変化するという現象を利用したものである。この接合技術によれば、酸化物系のセラミックスであるアルミナに対しても接合が可能である。しかしながら、窒化物系のセラミックスに対しては十分な接合強度を得ることはできない。これは、非酸化物系セラミックスの絶縁基板との接合では、酸化金属粒子の還元反応熱で金属元素をセラミックス内部に拡散させて接合強度を強める必要があるが、窒化物中に金属元素を拡散させるのが容易でないためである。そこで、本発明者らが誠意検討した結果、窒化物系セラミックス表面に金属元素が拡散しやすい酸化層を形成し、金属粒子の拡散を促進することで、窒化物系のセラミックスに対して接合ができることを見出した。すなわち、窒化物系のセラミックスの表面に酸化物層を形成して、金属粒子前駆体である平均粒径が１ｎｍ〜１００μｍの金属酸化物粒子と金属酸化物粒子を還元する有機物からなる還元剤から構成される接合材を用いて大気雰囲気中において接合を行うことにより、窒化物セラミックスに対して優れた接合強度を得ることができる。接合後のセラミックス基板と前記焼結体の接合界面には酸化物層が存在しており、この酸化物層はセラミックス基板側が多結晶層で構成され、焼結体側が非晶質層で構成されている。この酸化物層の厚さを１ｎｍ〜１０μｍとし、非晶質層の厚さを０.１ｎｍ〜１００ｎｍとすることで優れた接合強度を得ることができる。

セラミックス基板に酸化物層を形成する方法としては、例えば、セラミックス基板を大気中で１０００℃の温度で焼成することで、厚さ数ｎｍの酸化層をセラミックス表面に形成できる。また、高濃度の酸素雰囲気中で焼成しても良い。また、蒸着法，溶射法，エアロゾルデポジション法による成膜技術を利用して絶縁基板表面に酸化層を形成することも可能である。

本接合では、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、金属粒子同士が相互に融合することで接合が行われるという現象を利用している。酸化銀粒子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、従来困難であった５００℃以下の低温でもセラミックスと金属との接合を達成することが可能である。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製されるため、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。また還元剤の還元発熱作用により窒化物セラミックス表面に形成した酸化物層表面が活性状態になり、この表面活性化した酸化物層と銀が強固な結合を達成することができる。

窒化物を含むセラミックス基板と回路配線板，支持部材を接合する接合材料について説明する。上述のように、本発明で使用する接合材料は、金属粒子前駆体である平均粒径が１ｎｍ〜１００μｍの金属酸化物粒子と金属酸化物粒子を還元する有機物からなる還元剤から構成される接合材料である。

１００ｎｍ以下の金属粒子を作製する平均粒径が１ｎｍ以上１００μｍ以下の金属粒子前駆体として、金属酸化物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。上記接合材に用いられる金属酸化物粒子としては、酸化銀（Ａｇ₂Ｏ，ＡｇＯ）のほか、酸化銅（ＣｕＯ）も挙げられ、これらの群から少なくとも１種類以上の金属を用いることができる。酸化銀（Ａｇ₂Ｏ，ＡｇＯ），酸化銅（ＣｕＯ）からなる金属酸化物粒子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、体積減少率も小さい。また、金属酸化物粒子は、平均粒径が１ｎｍ以上１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下の粒子とすることが望ましい。平均粒径を１００μｍ以下としたのは、金属酸化物粒子の還元によって接合中に粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が生成されにくくなり、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、平均粒径を１ｎｍ以上としたのは、平均粒径が１ｎｍ以下の金属酸化物粒子を作製することが困難なためである。また、この接合材では、接合中に１００ｎｍ以下の金属粒子が生成されることで接合が行われるため、金属酸化物粒子の粒径は１００ｎｍ以下とする必要はなく、金属酸化物粒子の作製，取扱い性，長期保存性の観点からは平均粒径が１μｍ以上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。

上記接合材に用いられる還元剤としては、金属酸化物粒子を還元する作用を有するものであればよく、例えば、アルコール類，カルボン酸類，アミン類から選ばれた１種類以上の有機物を用いることができる。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を用いても良い。

利用可能なアルコール基を含む化合物としては、アルキルアルコールが挙げられ、例えば、エタノール，プロパノール，ブチルアルコール，ペンチルアルコール，ヘキシルアルコール，ヘプチルアルコール，オクチルアルコール，ノニルアルコール，デシルアルコール，ウンデシルアルコール，ドデシルアルコール，トリデシルアルコール，テトラデルアルコール，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、還元剤にはカルボン酸金属塩を用いても良い。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、カルボン酸金属塩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。

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５０℃以上４００℃以下の加熱と０.０１〜１０ＭＰａの加圧を加えることが好ましい。

本発明の接合では、金属酸化物粒子は接合時の加熱によって粒径０.１〜５０ｎｍ程度の酸化物ではない純金属超微粒子化し、この純金属超粒子同士が相互に融合してバルクになる。バルクになった後の溶融温度は通常のバルクの状態での金属の溶融温度と同じであり、純金属超微粒子は低温の加熱で溶融し、溶融後はバルクの状態での溶融温度に加熱されるまで再溶融しないという特徴を有する。これは、純金属超微粒子を用いた場合に低い温度で接合を行うことができ、接合後は溶融温度が向上することから、その後、他の電子部品を接合している際に接合部が再溶融しないというメリットをもたらす。また、接合後の接合層の熱伝導率は５０乃至４３０Ｗ／ｍＫとすることが可能であり、放熱性にも優れている。さらに前駆体が金属酸化物であるため低コストというメリットもある。なお、金属酸化物粒子には還元効果を促進するため、アルコールなどの有機物を被膜させておくことが必要である。接合時の雰囲気は大気雰囲気でよい。

以上の接合材料と接合方法を経て接合された界面には非晶質層が形成される。還元して生成した金属粒子は、接合によって相手部材と金属的に結合されることが接合強度を高めるために要求される。なお、酸化銀と酸化銅混在の場合も上述と同様に接合でき、かつ耐食性向上が図れる利点を有する。

図１で示した回路基板の回路配線板１３０に半導体素子を接合することによって半導体装置を得ることができる。

以上で説明した接合材，接合方法をセラミックス基板と回路配線板、支持部材との間の接合に用いることにより、製造時の熱応力ないし熱ひずみを軽減し、低熱抵抗，低コストの回路基板およびそれを用いた半導体装置を得ることが可能となる。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

〔実施例〕
（実施例１）
図２は本発明の半導体装置１０００の基本構造を説明する平面及び断面模式図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ′断面をそれぞれ示す。セラミックス基板１１０として表面に酸化物層１５０が形成された窒化珪素を用いた。セラミックス基板１１０の一方の面に銅製の回路配線板１３０が銀系の接合層１２０で接合され、他方の面に銅製の支持部材１２５′が銀系の接合層１２０で接合されて回路基板１２５を構成している。回路配線板１３０の上には半導体基体１０１が搭載されている。半導体基体１０１はＭＯＳ ＦＥＴ素子である。主端子３０や補助端子３１を設けてあるポリフェニルサルファイド製の樹脂ケース２０が支持部材１２５′に取り付けられている。素子基体１０１と回路配線板１３０の間、半導体素子基体１０１と補助端子３１の間、回路配線板１３０と主端子３０の間には、Ａｌ細線１１７のワイヤボンディングが施されている。樹脂ケース２０内にはシリコーンゲル樹脂２２が充填され、樹脂ケース２０の上部にはポリフェニルサルファイド製の樹脂蓋２１が設けられている。ここで、セラミックス基板１１０に設けられた回路配線板１３０上には８個の素子基体１０１が銀系の接合層１１３により固着されている。また、回路配線板１３０には温度検出用サーミスタ素子がはんだ（いずれも図示を省略）により接合され、回路配線板１３０はＡｌ細線１１７により補助端子３１へ連絡されている。なお、図面では省略しているが、樹脂ケース２０と支持部材１２５′の間、そして樹脂ケース２０と樹脂蓋２１の間はシリコーン接着樹脂（図示を省略）を用いて固定されている。樹脂蓋２１の肉厚部には凹み２５，主端子３０には穴３０′がそれぞれ設けられ、半導体装置１０００を外部回路配線に連絡するためのネジ（図示を省略）が収納されている。主端子３０や補助端子３１はあらかじめ所定形状に打抜き成形された銅板にＮｉめっきを施したものであり、射出成形法によって樹脂ケース２０に取り付けられている。

図３は、本発明の半導体装置用回路基板の断面模式図である。回路基板１２５は、セラミックス基板１１０である窒化珪素板（熱膨張係数：３.４ppm／℃，熱伝導率：９０Ｗ／ｍ・Ｋ，厚さ：０.３mm，サイズ：３０×５０mm）１１０の一方の主面に回路配線板１３０が銀系の接合層１２０により接合され、セラミックス基板１１０の他方の面に銅または銅合金からなる支持部材１２５′が銀系の接合層１２０により接合された構成を備える。ここで、接合層１２０は厚さ５０μｍ、回路配線板１３０は厚さ０.４mmに調整されている。セラミックス基板１１０の表面には厚さ５μｍの酸化物膜１５０が形成されている。

絶縁基板１２５における回路配線板１３０と支持部材１２５′は、（ａ）熱伝導率の高い点、（ｂ）セラミックス板１１０との接合性に優れること等が要求される。（ａ）は半導体基体から放出された熱流がマトリックス領域を経由する際に効率良く外部へ放出されるのに重要な意味を持つ。

上述の配線，放熱板一体化基板は、無電解湿式めっき工程にて回路配線板１３０と支持部材１２５′の表面金属層にＮｉめっき層（厚さ：６μｍ 図示せず）が形成される。回路配線板１３０にＮｉめっき層を設ける理由は、回路配線板１３０のワイヤボンディング性を高める点にある。また、外気雰囲気から遮断して内部の変質を防ぐ意味でＮｉめっき層が設けられる。

回路基板１２５の製造工程は、先ずセラミックス板には前述した酸化銀系のペーストを印刷した後、セラミックス板の両面に配線用及び裏打ち用の金属板（銅板）を積層し、積層体を加圧，加熱して金属板とセラミックス板を接合する。セラミックスは窒化物系で表面酸化されている。酸化方法は、１０００℃で大気中６０分加熱により行った。酸化銀系ペーストはミリスチルアルコールを５ｗｔ％含有した９０ｗｔ％の酸化銀粒子と、１０ｗｔ％のグリコール系溶剤を混合したものを用いた。この酸化銀ペーストを接合すべき部材の間に配置し、その状態で４００℃の熱を約６０分間加え、同時に１.０ＭＰａの圧力を大気中で加えることにより、接合を行うことができる。接合後の焼結体は純銀化されている。また、接合の際に超音波振動を加えることもできる。

回路基板１２５は、後続の半導体装置の製作工程の簡略化へ反映される。回路基板１２５においては既に、放熱板を兼ねる支持部材１２５′と絶縁板を兼ねるセラミックス基板１１０が接合層１２０により一体化され、しかもセラミックス基板１１０の半導体基体搭載面には回路配線板１３０が形成されている。したがって、半導体装置１０００を製作する段階では、もう１つの主要部材である半導体基体１０１を搭載するだけでよい。このことは半導体装置１０００の組み立て段階で従来法より工数と部品点数を削減できる。これは当然ながら半導体装置１０００のコスト低減に寄与する。さらに縦構造の簡略化に伴い、半導体装置の低熱抵抗化に大きく寄与できる。なお、半導体装置を完成させるためにはワイヤボンディング，樹脂ケース取り付け，樹脂モールド等の工程を経る必要がある。これらの工程は従来工程の場合にも共通する点である。

図４は本発明の接合部位に対して行った接合強度評価結果を示したもので、接合温度を４００℃、加圧１.０ＭＰａ一定とし、接合相手材との影響を調べた結果を示す。本評価で用いた酸化銀系ペーストは９０ｗｔ％の酸化銀粒子（ミリスチルアルコールを５ｗｔ％含有、接合後は純銀化）と１０ｗｔ％のグリコール系溶剤（接合後は純銀化）を混合した構成、大気中でそれぞれＡｕ，Ａｇ、及びＳｉ₃Ｎ₄（表面酸化有無），ＡｌＮ（表面酸化有無）への接合を行った。図４の縦軸はせん断強度を示し、Ａｇ電極に対するせん断強度値で規格化したものである。

その結果、表面酸化した高熱伝導窒化物セラミックス（Ｓｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮ）に対する接合強度は、Ａｕ，Ａｇに対して接合した場合と同等以上の接合強度が得られており、強固な接合が達成されている。一方、表面酸化していない窒化物セラミックス（Ｓｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮ）に対する接合強度は、酸化した場合に比べて大幅に低く、強固な接合は得られていないことが判った。

図５は表面酸化した高熱伝導窒化物セラミックス（Ｓｉ₃Ｎ₄，ＡｌＮ）に対する接合強度を示したもので、その表面酸化膜層の厚さに対するせん断強度を示したものである。縦軸は図４と同様、Ａｇ電極に対するせん断強度値で規格化したものである。この結果、酸化膜厚さは１ｎｍ以上あると高強度になり、１０μｍを超えると強度は低下することが判った。厚くなると低強度になる理由は、せん断破壊が酸化膜層内で生じることによる。一方、わずかでも表面が酸化していれば高強度を確保できる。このことは、熱伝導率を損なわずに高接合強度化になる利点がある。

図６および図７は図３の表面酸化Ｓｉ₃Ｎ₄との接合部断面の状態を示した図である。本実施例の回路基板では窒化物セラミックス１１０の表面に形成した焼結銀層１２０に対し、図６に示すような酸化物層１５０を介した接合状態にあり、特にその構造は、図７に示すように窒化物セラミックス表面の酸化物層の厚さが１ｎｍ乃至１０μｍで、かつ焼結銀との接合部界面から０.１ｎｍ乃至１００ｎｍの厚さの領域が非晶質状態である。なお、本実施例のようにセラミックス基板１１０の表面全体に酸化物を形成した場合には、セラミックス基板と焼結体の接合部における酸化物層は図７に示したように非晶質層１５０１と多結晶層１５０２で構成されているが、焼結体により接合されていない領域のセラミックス基板表面の酸化物層は多結晶層のみで構成されている。すなわち、接合前のセラミックス基板表面の酸化物層は多結晶層で構成されているが、接合時に接合界面の多結晶層が非晶質層にかわることで、非晶質層と焼結体との界面で強固な接合が達成されているものと推測される。また、表面酸化ＡｌＮを用いた場合であっても、上述した表面酸化Ｓｉ₃Ｎ₄を用いた場合と同様の接合状態であった。なお、上述した酸化物の多結晶層及び非晶質層は、セラミックス基板を構成する元素の酸化物層となっている。例えば表面酸化Ｓｉ₃Ｎ₄を用いた場合、酸化物の多結晶層及び非晶質層はＳｉＯ₂から構成され、表面酸化ＡｌＮを用いた場合、酸化物の多結晶層及び非晶質層はＡｌ₂Ｏ₃から構成される。

図８は、この非晶質層の厚さに対する接合強度を示したものである。縦軸は図４と同様、Ａｇ電極に対するせん断強度値で規格化したものである。この結果、非晶質膜厚さは０.１ｎｍ以上あると高強度になり、１００ｎｍを超えると強度は低下することが判った。

図９は、焼結銀接合層の熱伝導率に対する表面酸化窒化珪素板に対するせん断強度変化を示したものである。縦軸は図４と同様、Ａｇ電極に対するせん断強度値で規格化したものである。この結果、５０Ｗ／ｍＫ以上で良好な接合強度を示すことが判った。４００Ｗ／ｍＫを超えるとバルク値４３０Ｗ／ｍＫと同等の強度になることも判った。

なお、裏面金属板１２５′、配線板１３０は銅以外に、銅系材，アルミニウム，アルミニウム系材でもよい。

本実施例では、接合材の金属粒子前駆体として酸化銀粒子を用いたが、それ以外にも酸化銅も選択できることを確認している。さらに酢酸銀，ギ酸銀，酢酸銅，ギ酸銅も選択でき、同様の効果があることを確認している。

以上の結果より、酸化物金属粒子と還元剤を含む接合材料を用いて、大気中にて接合を行うことで表面酸化セラミックスへの接合が可能であることが判った。

（実施例２）
図１０は半導体装置の要部を説明する模式図である。この図は、セラミックス板１１０としての窒化珪素板（３０×５０×０.３mm；表面酸化）と支持部材としての銅板１２５を一体化した絶縁基板２０００に、半導体基体１０１をはんだ付け搭載した状態を示す。支持部材１２５の露出部にはＮｉめっき層（厚さ：６μｍ、図示を省略）が設けられている。支持部材１２５は４２.４mm×８５mm×３mmなる寸法を有し、その周縁部に取り付け穴（直径：５.６mm）１２５Ｆが設けられている。支持部材１２５とセラミックス基板１１０は実施例１と同様の酸化銀系系材からなる接合層１２０（厚さ：５０μｍ、図示を省略）により一体化され、窒化珪素絶縁板１１０上に設けられた銅合金からなる回路配線板１３０（厚さ：０.４mm、図示を省略）に半導体基体１０１としてのＭＯＳ ＦＥＴ素子基体（７×７×０.２８mm）１０１が８個搭載されている。

素子基体１０１と回路配線板１３０の間はＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ材１１３（厚さ：１００μｍ、図示を省略）により接合されている。このような要部構造を有する本実施例半導体装置１０００は最大消費電力４００Ｗのもので、図２に示した断面構造を有する絶縁基板２０００が適用されている。

２０ 樹脂ケース
２１ 樹脂蓋
２２ シリコーンゲル樹脂，エポキシ樹脂
２５ 凹み
３０ 主端子，端子
１０１ 半導体基体，ＭＯＳ ＦＥＴ素子基体，ＩＧＢＴ素子基体
１１０ セラミックス基板，窒化珪素板，窒化アルミニウム板
１１３，１２４ 接合層
１２０ 接合層
１２５ 回路基板
１２５′ 支持部材
１２５Ｆ 取り付け穴
１３０ 回路配線板
１０００ 半導体装置

Claims (10)

1. 窒化物を含むセラミックス基板と、
   前記セラミックス基板の一方の面に接合層を介して接合された回路配線板と、
   前記セラミックス基板の他方の面に接合層を介して接合された金属支持部材と、を備え、
   前記接合層が銀または銅を含む焼結体であり、
   前記セラミックス基板と前記焼結体の接合界面に酸化物層を有し、
   前記酸化物層は前記セラミックス基板側が多結晶層で構成され、前記焼結体側が非晶質層で構成され、
   前記酸化物層が珪素またはアルミニウムの酸化物であることを特徴とする回路基板。
2. 請求項１に記載の回路基板において、前記酸化物層の厚さが１ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする回路基板。
3. 請求項１または２に記載の回路基板において、前記非晶質層の厚さが０.１ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする回路基板。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の回路基板において、前記セラミックス基板が窒化珪素または窒化アルミニウムであることを特徴とする回路基板。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の回路基板において、前記焼結体の熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ〜４３０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする回路基板。
6. 窒化物を含むセラミックス基板と、
   前記セラミックス基板の一方の面に接合層を介して接合された回路配線板と、
   前記セラミックス基板の他方の面に接合層を介して接合された金属支持部材と、
   前記回路配線板に搭載された半導体素子と、を備え、
   前記接合層が銀または銅を含む焼結体であり、
   前記セラミックス基板と前記焼結体の接合界面に酸化物層を有し、
   前記酸化物層は前記セラミックス基板側が多結晶層で構成され、前記焼結体側が非晶質層で構成され、
   前記酸化物層が珪素またはアルミニウムの酸化物であることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項６に記載の半導体装置において、前記酸化物層の厚さが１ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項６または７に記載の半導体装置において、前記非晶質層の厚さが０.１ｎｍ〜１００ｎｍであることを特徴とする半導体装置。
9. 請求項６〜８のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記セラミックス基板が窒化珪素または窒化アルミニウムであることを特徴とする半導体装置。
10. 請求項６〜９のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記焼結体の熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ〜４３０Ｗ／ｍＫであることを特徴とする半導体装置。

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