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WO2013111434A1 - 接合体および半導体モジュール - Google Patents

接合体および半導体モジュール Download PDF

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WO2013111434A1
WO2013111434A1 PCT/JP2012/080121 JP2012080121W WO2013111434A1 WO 2013111434 A1 WO2013111434 A1 WO 2013111434A1 JP 2012080121 W JP2012080121 W JP 2012080121W WO 2013111434 A1 WO2013111434 A1 WO 2013111434A1
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WO
WIPO (PCT)
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adhesive member
glass
mass
metal
adhesive
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2012/080121
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English (en)
French (fr)
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沢井　裕一
内藤　孝
拓也 青柳
正 藤枝
森　睦宏
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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Priority to KR1020147018264A priority patent/KR101572774B1/ko
Priority to DE112012005758.9T priority patent/DE112012005758B4/de
Priority to CN201280060767.2A priority patent/CN104159872A/zh
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    • Y10T428/12014—All metal or with adjacent metals having metal particles

Definitions

  • the present invention relates to a joining member for joining metal, ceramic, and semiconductor, and a semiconductor module using the joining member.
  • a semiconductor module is manufactured by bonding a ceramic substrate to a base metal, bonding a metal wiring to the ceramic substrate, and bonding an element such as a semiconductor chip to the metal wiring.
  • the adhesive used for bonding is called a die bonding material.
  • Solder bonding is the mainstream for element bonding of conventional power device packages.
  • conductive paste or lead-free solder mixed with Ag powder and resin is used as an alternative material because of the need for lead-free soldering.
  • semiconductor elements such as semiconductor chips tend to be highly integrated and miniaturized, and accordingly, the amount of heat generated per unit area tends to increase. Therefore, in a semiconductor module on which a semiconductor element is mounted, it is necessary to efficiently release the heat generated from the semiconductor element to the outside, and improvement of the thermal conductivity of the die bonding material is an issue.
  • the ceramic substrate bonding is mainly performed by metallizing a ceramic substrate such as AlN or Si 3 N 4 and bonding the metallized layer and the semiconductor chip or the metallized layer and the base metal by lead-free solder.
  • a method for forming a strong metallization layer relaxation of the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the semiconductor chip, improvement in heat dissipation of the substrate, and improvement in long-term reliability such as heat cycleability.
  • Patent Document 1 describes a lead-free solder paste, and provides a lead-free solder paste containing Bi solder powder and Cu metal powder and having a thermal conductivity of 52 W / mK.
  • the adhesion between the ceramic substrate and the metal wiring is lowered unless the ceramic substrate is previously metallized. Further, when the lead-free solder is used for joining the metal wiring and the semiconductor chip, the thermal conductivity is lowered.
  • An object of the present invention is to improve the adhesiveness and thermal conductivity of a bonded body in which any one of metal, ceramic, and semiconductor is bonded.
  • the present invention provides a bonded body obtained by bonding a first member made of metal, ceramic, or semiconductor and a second member, and an adhesive member provided on the surface of the first member.
  • the second member is bonded via the glass, and the bonding member contains glass containing V 2 O 5 and metal particles.
  • the ceramic substrate is bonded via a first adhesive member provided on the surface of the base metal, and is attached to the surface of the ceramic substrate.
  • the metal wiring is bonded via a second adhesive member provided
  • the semiconductor chip is bonded via a third adhesive member provided on the surface of the metal wiring, and the first adhesive member and the second adhesive member
  • the third adhesive member contains glass containing V 2 O 5 and metal particles.
  • adhesion and thermal conductivity can be improved.
  • FIG. 7 is a structural cross-sectional view of a semiconductor device. DTA curve of glass. Die shear strength test schematic diagram.
  • the present invention relates to a joined body in which members (first member 1-1, second member 1-2) that are either metal, ceramic, or semiconductor are bonded.
  • the joining member 2 to be joined contains glass and metal particles. It is assumed that vanadium oxide (V 2 O 5 ) is included as glass that can be bonded to any of metal, ceramic, and semiconductor. The thickness in the vertical direction of the figure may not be uniform at any position in the plane of the member. Further, the adhesive member 2 may not be bonded to the entire surface to which both members are bonded, and conversely may protrude from both members. In short, the adhesive member 2 may be formed in a layered manner between the first member 1-1 and the second member 1-2 and may be in close contact with each other.
  • the joined body of the present invention when the joined body of the present invention is in an operating state in which a temperature difference is generated between the first member 1-1 and the second member 1-2 when energized, not only the two members are bonded together, Heat can move through the adhesive member 2 from the high temperature side member to the low temperature side member among the members. Therefore, for example, when the first member 1-1 is a heat generator and the second member 1-2 is a heat radiator, heat is released from the first member 1-1 to the second member 1-2 via the adhesive member 2. be able to.
  • the joining member 2 is presupposed to be supplied and used as a paste. After the paste is applied and dried, calcination is performed to remove organic components, and then a joined body is obtained through a main firing step for joining the members. Therefore, it is desirable that the glass has less crystallinity than amorphous, and the degree of crystallinity is desirably 30% or less in order to reproduce good fluidity.
  • the content of TeO 2 is set to at least 15% by mass.
  • BaO or WO 3 is added to prevent crystallization of the glass.
  • the glass is composed of 35 to 55% by mass of V 2 O 5 , 15 to 35% by mass of TeO 2 , 4 to 20% by mass of P 2 O 5 , and Fe 2 O 3 , WO 3 , MoO 3.
  • MnO 2 , Sb 2 O 3 , Bi 2 O 3 , BaO, K 2 O, and ZnO is 5 to 30% by mass.
  • the content of TeO 2 is set to at least 15% by mass and at the same time, Ag 2 O is used as another component.
  • the glass contains 10 to 60% by mass of Ag 2 O, 5 to 65% by mass of V 2 O 5 , and 15 to 50% by mass of TeO 2 .
  • the softening point can be lowered as the content of Ag 2 O is increased within the above composition range.
  • metal particles that do not react with glass containing vanadium oxide are mixed.
  • the metal particles constituting the joining member are at least one of Ag and Sn-containing solder, and occupy 30 to 95% by volume of the joining member.
  • the metal particles constituting the joining member are Ag and occupy 60 to 95% by volume of the joining member.
  • an insulating layer 5 such as a ceramic substrate bonded to the upper surface of a base metal 3 via a first adhesive layer 4
  • the insulating layer 5 is provided with a metal wiring 7 bonded to the upper surface of 5 via a second adhesive layer 6 and a semiconductor chip 9 bonded to the metal wiring 7 via a third adhesive layer 8.
  • the first, second and third adhesive layers contain vanadium oxide glass and metal particles.
  • the insulating layer 5 include a ceramic substrate having high thermal conductivity such as AlN and Si 3 N 4 .
  • first, second and third adhesive layers are included in the semiconductor module of the present invention, but the present invention can naturally be applied to only one of the first, second or third adhesive layers. It is.
  • the adhesive member may be provided between the members to be bonded.
  • the area of the bonding member is smaller than the area of the smaller bonding surface (the metal wiring 7 in the insulating layer 5 and the metal wiring 7 and the semiconductor chip 9 in the metal wiring 7 and the semiconductor chip 9).
  • the area of the adhesive member may be smaller than the area of the smaller adhesive surface.
  • each member may be in contact with the adhesive member on at least one surface, but even if the adhesive layer extends to a plurality of surfaces such as side surfaces, the members can be bonded more firmly.
  • a power device As a semiconductor module, for example, a power device can be cited, and it may be installed in a place where a large vibration or a long-term vibration is applied or a place exposed to a high temperature. Therefore, each part needs to be firmly bonded to each other.
  • the softened vanadium oxide glass adheres to and solidifies with each component with high wettability, so that each of the base metal 3, the insulating layer 5, the metal wiring 7, and the semiconductor chip 9 can be firmly bonded. Therefore, even if ceramics are included in the parts, the adhesion between the parts can be improved without performing metallization.
  • the adhesive member used in the semiconductor module needs to be able to dissipate heat through the adhesive part. Therefore, the adhesive member of the present invention contains metal particles to increase the thermal conductivity of the adhesive.
  • the glass contained in the adhesive member contains V 2 O 5 .
  • V 2 O 5 is 35 to 55% by mass
  • TeO 2 is 15 to 35% by mass
  • P 2 O 5 is 4 to 20% by mass
  • At least one of Sb 2 O 3 , Bi 2 O 3 , BaO, K 2 O, and ZnO is 5 to 30% by mass. Since glass having such a composition range has a glass transition point of 330 ° C. or lower and sufficiently softens even at a temperature of 500 ° C. or lower, all of the base metal 3, the insulating layer 5, the metal wiring 7, and the semiconductor chip 9 are good. Can be adhered to.
  • glass is an oxide, so when mixed and heated, the metal particles are oxidized in most cases.
  • the vanadium oxide glass constituting the present invention is mixed with a metal powder such as Cu, Fe, or Al and heated, the metal powder is oxidized.
  • Ag is known as a metal that is difficult to oxidize, and is not oxidized even when mixed with the vanadium oxide glass constituting the present invention and heated.
  • Sn-based lead-free solder Sn—Ag—Cu-based solder or Sn—Cu—Ni-based solder
  • the metal particles may contain at least one of Ag or Sn-containing solder (Sn—Ag—Cu solder). Since Ag or Sn-containing solder is not easily oxidized even when mixed with vanadium oxide glass, the thermal conductivity when the adhesive member is formed is unlikely to decrease.
  • the second adhesive member 6 is not required to have conductivity, so that it may be Sn-containing solder powder or a mixture of both, in addition to Ag, which is a good electrical conductor.
  • the metal particles may occupy 30 to 95% by volume of the second adhesive member 6. With such a configuration, the insulating layer 5 and the metal wiring 7 can be satisfactorily bonded and have an appropriate thermal conductivity. Further, when the metal particles occupy 60 to 95% by volume of the second adhesive member 6, the thermal conductivity is further improved, and the heat generation of the semiconductor chip 9 can be released more quickly.
  • the glass may contain 10 to 60% by mass of Ag 2 O, 5 to 65% by mass of V 2 O 5 , and 15 to 50% by mass of TeO 2 . By making such a composition range, the glass transition point can be further lowered to 250 ° C. or lower, and sufficient thermal stability can be ensured. Any of the layer 5, the metal wiring 7, and the semiconductor chip 9 can be bonded well.
  • the semiconductor module in which the present invention is applied only to the third adhesive layer 8 includes a semiconductor chip 9 bonded to the metal wiring 7 via the third adhesive layer 8.
  • the third adhesive member 8 contains vanadium oxide glass and metal particles.
  • the metal particles are Ag and occupy 60 to 95% by volume of the third adhesive member 8.
  • the adhesive member of the present invention can be used. That is, in the semiconductor module having the above-described configuration, the semiconductor chip 9 and the metal wiring 7 are connected by the metal members 10 and 11 via the fourth adhesive member 12 and the fifth adhesive member 13.
  • the metal particles are Ag, and occupy 60 to 95% by volume of the fourth adhesive member.
  • composition of the vanadium oxide glass of the third adhesive member 8, the fourth adhesive member 12, and the fifth adhesive member 13 can be the same as that of the second adhesive member 6.
  • FIG. 3 shows a sectional view of the structure of an LED lighting device.
  • the LED lighting device includes a light emitting module in which an LED light emitting element 16 is bonded to a substrate 14 via an adhesive member 15, and a power supply circuit unit (not shown) that supplies power to the light emitting module.
  • the adhesive member 15 is the same as that of the semiconductor module.
  • ⁇ LED light emitting elements are easily deteriorated by heat, so heat generated by light emission must be quickly released to the outside. For this reason, when the metal particles are made of Ag and occupy 60 to 95% by volume of the adhesive member, the substrate and the LED light-emitting element can be favorably bonded and have high thermal conductivity.
  • FIG. 4 shows a semiconductor device such as a personal computer motherboard.
  • the semiconductor device includes a microcomputer IC in which a CPU 19 is connected to a heat sink 20 via an adhesive member 18 on a substrate 17.
  • the adhesive member 18 is the same as that of the semiconductor module.
  • the glass contained in the adhesive member 18 includes V 2 O 5 of 35 to 55% by mass, TeO 2 of 15 to 35% by mass, P 2 O 5 of 4 to 20% by mass, and Fe 2 O 3 ,
  • One or more of WO 3 , MoO 3 , MnO 2 , Sb 2 O 3 , Bi 2 O 3 , BaO, K 2 O, and ZnO is 5 to 30% by mass. Since glass having such a composition range has a glass transition point of 330 ° C. or lower, it is sufficiently softened even at a temperature of 500 ° C. or lower, so that the substrate and the LED light emitting element or the CPU and the heat sink are good at a temperature of 500 ° C. or lower. Can be adhered to.
  • the glass transition point can be lowered to 250 ° C. or lower, and sufficient thermal stability can be secured, and the substrate and the LED light emitting element at a temperature of 400 ° C. or lower, Alternatively, the CPU and the heat sink can be favorably bonded.
  • vanadium oxide glasses having various compositions were prepared, and the softening point and moisture resistance of the glass were investigated.
  • Each starting material powder was mixed at a mass ratio shown in Table 1, and a total of 200 g of the mixed powder was put in a crucible.
  • a platinum crucible was used when the Ag 2 O ratio in the raw material was 40% by mass or less, and an alumina crucible was used when the proportion was 40% by mass or more.
  • mixing in consideration of avoiding excessive moisture absorption to the raw material powder, mixing was performed in a crucible using a metal spoon.
  • the crucible containing the raw material mixed powder was placed in a glass melting furnace and heated and melted. The temperature was raised at a rate of 10 ° C./min, and the molten glass was held for 1 hour with stirring at the set temperature (700 to 900 ° C.). Thereafter, the crucible was taken out from the glass melting furnace, and the glass was cast into a graphite mold heated to 150 ° C. in advance. Next, the cast glass was moved to a strain relief furnace that had been heated to a strain relief temperature in advance, strain was removed by holding for 1 hour, and then cooled to room temperature at a rate of 1 ° C./min. The glass cooled to room temperature was pulverized to produce glass powder having the composition shown in the table.
  • the characteristic temperature was measured by differential thermal analysis (DTA) with respect to each glass powder obtained above.
  • the DTA measurement was performed at a temperature increase rate of 5 ° C./min in the atmosphere with the reference sample ( ⁇ -alumina) and the measurement sample weighing 650 mg each.
  • the second endothermic peak temperature of the DTA curve of the glass was defined as the softening point Ts (see FIG. 5). The results are also shown in Table 1.
  • VTC2-01 was pulverized into a fine powder having an average particle size of 0.5 ⁇ m or less.
  • the pulverized VTC2-01 and Ag powder or Sn—Ag—Cu solder powder were mixed at a predetermined ratio, and mixed for 15 minutes with a mortar to prepare a mixed powder.
  • Thermal conductivity of Various mixed powders were formed into molded bodies having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm using a mold. Using the electric muffle furnace, the produced molded body was fired at 450 ° C. for 30 minutes in the atmosphere, and used as a simulated sample for evaluating the thermal conductivity of the first adhesive layer. Using the sintered body sample thus produced, the thermal conductivity was measured by the xenon flash method.
  • the xenon flash method is a method in which one side of a simulated sample is irradiated with pulsed light, and the thermal diffusivity is measured from the time change of the back surface temperature, and the thermal conductivity is calculated based on this.
  • the thermal conductivity of each sample is summarized in Table 2.
  • a die bonding material paste was printed on a ceramic substrate in a range of 5 ⁇ 5 mm 2 , dried at 150 ° C., and then pre-fired in air at 450 ° C. for 30 minutes. Thereafter, a Cu, Al, AlSiC plate cut out to 4 ⁇ 4 mm 2 was placed on the die bonding material, and 100 g of a weight was placed thereon, followed by firing at 450 ° C. for 30 minutes in the atmosphere.
  • a die shear test sample in which a metal plate was bonded to a ceramic substrate was produced.
  • the bond strength between the metal plate and the ceramic substrate was evaluated by a die shear strength test.
  • the die shear strength test is performed by pressing a metal plate 18 joined on a substrate via an adhesive member 17 in a horizontal direction from the side by a dedicated jig 19, and the metal plate is peeled off from the substrate.
  • This is a test method for measuring the load value, that is, the shear strength (die shear strength; N) of the metal plate.
  • Table 2 summarizes the evaluation results when an AlN substrate is used as the ceramic substrate
  • Table 3 summarizes the evaluation results when an Si 3 N 4 substrate is used.
  • a sample having an adhesive strength> 20 Mpa and a thermal conductivity> 10 W / mK was accepted.
  • the die bonding material of the example can bond a metal plate to a ceramic substrate without a metallized layer with high thermal conductivity and adhesive strength.
  • VTC3-01 was pulverized into a fine powder having an average particle size of 0.5 ⁇ m or less.
  • the ground VTC3-01 and Ag powder were blended at a predetermined ratio, and mixed for 15 minutes with a mortar to prepare a mixed powder.
  • Thermal conductivity and electrical resistivity Various mixed powders were formed into molded bodies having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm using a mold. Using the electric muffle furnace, the produced molded body was fired at 350 ° C. for 30 minutes in the atmosphere, and used as a simulation sample for evaluating the thermal conductivity and electrical resistivity of the third adhesive layer.
  • the electrical resistivity of the sintered body sample was measured using a simple low resistivity meter (Loresta AX; MCP-T370 type) manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation. Thereafter, the thermal conductivity was measured by the xenon flash method using the same sample.
  • a die bonding material paste (Adhesive strength) Various mixed powders, a resin binder, and a solvent were mixed to prepare a die bonding material paste in the same manner as in Example 2.
  • a die bonding material paste was printed on a ceramic substrate in a range of 5 ⁇ 5 mm 2 , dried at 150 ° C., and then pre-fired at 350 ° C. for 30 minutes in the air. Thereafter, a 4 ⁇ 4 mm 2 Si semiconductor chip is placed on the die bonding material, a 100 g weight is placed on the die bonding material, fired at 350 ° C. for 30 minutes in the air, and the Si semiconductor chip is bonded to the Cu substrate. It was.
  • the bond strength between the Si semiconductor chip and the Cu substrate was evaluated by a die shear strength test. Table 4 summarizes the evaluation results.
  • the die bonding material of the example can be bonded to a ceramic substrate having no metallized layer with high thermal conductivity and adhesive strength.

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Abstract

　金属、セラミック、半導体のいずれかを接着した接合体の接着性と熱伝導性を向上させる。金属、セラミック、半導体の何れかである第１部材と第２部材とを接着した接合体において、前記第１部材の面に設けられた接着部材を介して前記第２部材が接着され、前記接着部材は、Ｖ2Ｏ5を含むガラスと金属粒子とを含有する。ベース金属とセラミック基板と金属配線と半導体チップとを備えた半導体モジュールにおいて、前記ベース金属の面に設けられた第１接着部材を介して前記セラミック基板が接着され、前記セラミック基板の面に設けられた第２接着部材を介して前記金属配線が接着され、前記金属配線の面に設けられた第３接着部材を介して前記半導体チップが接着され、前記第１接着部材と第２接着部材と第３接着部材は、Ｖ2Ｏ5を含むガラスと金属粒子とを含有する。

Description

接合体および半導体モジュール
　本発明は、金属、セラミック、半導体を接合する接合部材と、これを用いた半導体モジュールに関する。
　一般に半導体モジュールは、ベース金属にセラミック基板を接着し、セラミック基板に金属配線を接着し、また該金属配線に半導体チップなどの素子接着して製造する。ここで接着に使用する接着剤をダイボンディング材と呼ぶ。従来のパワーデバイス用パッケージの素子接着は半田接合が主流であったが、無鉛化の必要性から、Ａｇ粉末と樹脂を混合した導電性ペーストや無鉛半田が代替材料として使用されている。
　半導体チップ接合に関し、半導体チップ等の半導体素子は高集積化および微細化の傾向にあり、それに伴い単位面積当たりの発熱量が増加する傾向にある。そのため半導体素子が搭載された半導体モジュールにおいては、半導体素子から発生した熱を外部に効率的に逃がす必要があり、ダイボンディング材の熱伝導性の向上が課題となっている。
　またセラミック基板接合は、主にＡｌＮやＳｉ3Ｎ4等のセラミック基板に対しメタライズを行い、メタライズ層と半導体チップ、あるいはメタライズ層とベース金属とを無鉛半田によって接合する。強固なメタライズ層の形成方法、基板と半導体チップとの熱膨張係数差の緩和、基板の放熱性の向上、耐熱サイクル性などの長期信頼性の向上が必要とされている。
　特許文献１には無鉛半田ペーストについて記されており、Ｂｉ半田粉とＣｕ金属粉を含む、熱伝導率５２Ｗ／ｍＫの無鉛半田ペーストを提供している。
特開２０１１－２５１３２９号公報
　しかし無鉛半田は、セラミック基板をあらかじめメタライズ処理をしなければ、セラミック基板と金属配線との接着性が低下する。また同無鉛半田を金属配線と半導体チップの接合に使用する場合、熱伝導率が低下する。
　本発明の目的は、金属、セラミック、半導体のいずれかを接着した接合体の接着性と熱伝導性を向上させることにある。
　上記目的を達成するために、本発明は、金属、セラミック、半導体の何れかである第１部材と第２部材とを接着した接合体において、前記第１部材の面に設けられた接着部材を介して前記第２部材が接着され、前記接着部材は、Ｖ2Ｏ5を含むガラスと金属粒子とを含有することを特徴とする。
　また、ベース金属とセラミック基板と金属配線と半導体チップとを備えた半導体モジュールにおいて、前記ベース金属の面に設けられた第１接着部材を介して前記セラミック基板が接着され、前記セラミック基板の面に設けられた第２接着部材を介して前記金属配線が接着され、前記金属配線の面に設けられた第３接着部材を介して前記半導体チップが接着され、前記第１接着部材と第２接着部材と第３接着部材は、Ｖ2Ｏ5を含むガラスと金属粒子とを含有することを特徴とする。
　本発明によれば、接着性と熱伝導性を向上することができる。
接合体の構造断面図。 半導体モジュールの構造断面図。 ＬＥＤ照明装置の構造断面図。 半導体装置の構造断面図。 ガラスのＤＴＡ曲線。 ダイシェア強度試験模式図。
　本発明は、図１に示すように、金属、セラミック、半導体のいずれかである部材（第１部材１－１、第２部材１－２）を接着した接合体に関するものであり、２者を接合する接合部材２はガラスと金属粒子とを含有する。金属、セラミック、半導体の何れにも接着できるガラスとして、酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）を含むことを前提とする。図の上下方向の厚みは、部材の面内におけるどの位置においても均一でなくてもよい。また接着部材２は両部材の接着される側の面全体と接着されていなくてもよく、逆に両部材からはみ出ていてもよい。要は、接着部材２は第１部材１－１と第２部材１－２との間に層状に形成され、密着していればよい。
　また本発明の接合体は、通電され第１部材１－１と第２部材１－２との間に温度差が生じるような運転状態とする場合は、両部材を接着するだけでなく、両部材のうち高温側の部材から低温側の部材に向かって接着部材２を通って熱が移動することができる。従って、例えば第１部材１－１を発熱体、第２部材１－２を放熱体である場合、第１部材１－１から接着部材２を経由して第２部材１－２へ熱を逃がすことができる。
　接合部材２はペーストとして支給、使用することを前提としており、ペーストを塗布、乾燥後に仮焼きをおこなって有機成分を除去した後に、部材同士を接合する本焼成工程を経て接合体を得る。そのためガラスは非晶質よりも結晶質が少ない方が望ましく、良好な流動性を再現するためには結晶化度が３０％以下であることが望ましい。
　ガラスをなるべく結晶化させないため、ＴｅＯ2の含有量を少なくとも１５質量％以上にする。またガラスの結晶化を防止するためＢａＯやＷＯ3を添加する。具体的には、ガラスは、Ｖ2Ｏ5が３５～５５質量％、ＴｅＯ2が１５～３５質量％、Ｐ2Ｏ5が４～２０質量％、及びＦｅ2Ｏ3、ＷＯ3、ＭｏＯ3、ＭｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＢａＯ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯのうち１種以上が５～３０質量％である。
　さらに、ガラスの軟化点を低くするためには、ＴｅＯ2の含有量を少なくとも１５質量％以上にすると同時にＡｇ2Ｏをもう一つの成分とする。具体的には、ガラスは、１０～６０質量％のＡｇ2Ｏと、５～６５質量％のＶ2Ｏ5と、１５～５０質量％のＴｅＯ2とを含有する。上記組成範囲内でＡｇ2Ｏの含有量を増やすほど軟化点を低温化できる。
　前記接合部材に熱伝導性を付与するため、酸化バナジウムを含むガラスと反応しない金属粒子を混合する。前記接合部材を構成する金属粒子はＡｇあるいはＳｎ含有半田の少なくともいずれかであり、前記接合部材の３０～９５体積％を占める。
　また前記接合部材を構成する金属粒子はＡｇであり、前記接合部材の６０～９５体積％を占める。
　本発明を適用した形態の１つは半導体モジュールであり、図２に示すように、ベース金属３の上面に第１接着層４を介して接着されたセラミック基板等の絶縁層５、該絶縁層５の上面に第２接着層６を介して接着された金属配線７、該金属配線７上に第３接着層８を介して接着された半導体チップ９を備える。該絶縁層５と第１および第２接着層の界面にメタライズ層を有さず、第１、第２および第３接着層は酸化バナジウムガラスおよび金属粒子を含有する。絶縁層５としては例えばＡｌＮやＳｉ3Ｎ4等の熱伝導率の高いセラミック基板が挙げられる。
　すなわち本発明の半導体モジュールには第１、第２および第３接着層が含まれるが、第１、第２あるいは第３の接着層のいずれか１つのみに本発明を適用することも当然可能である。
　接着部材は、接着される部材の間に設けられていればよい。図では接着される部材のうち、接着面の小さな方（絶縁層５と金属配線７とでは金属配線７、金属配線７と半導体チップ９とでは半導体チップ９）の面積よりも接着部材の面積が大きくなるように描かれているが、接着面の小さな方の面積よりも接着部材の面積が小さいものであってもよい。また、各部材は少なくとも１つの面において接着部材と接していればよいが、側面等の複数の面にも接着層が及ぶようにしても、より強固に接着できる。
　半導体モジュールとしては、例えばパワーデバイスが挙げられ、大きな振動や長期的な振動が加わる場所、高温にさらされる場所に設置されることがある。そのため、各部品同士が強固に接着されている必要がある。本発明では軟化した酸化バナジウムガラスが各部品と高い濡れ性で密着し固化するので、ベース金属３、絶縁層５、金属配線７、半導体チップ９の各々を強固に接着することができる。従って、部品にセラミックが含まれていてもメタライズ処理をすることなく、部品同士の接着性を向上することができる。
　また、半導体モジュールに用いられる接着部材は、接着部分を介して放熱できることが必要である。そのため、本発明の接着部材には金属粒子を含有させて、接着剤の熱伝導率を高めている。
　接着部材に含まれるガラスはＶ2Ｏ5が含まれることを前提とする。具体的には、Ｖ2Ｏ5が３５～５５質量％、ＴｅＯ2が１５～３５質量％、Ｐ2Ｏ5が４～２０質量％、及びＦｅ2Ｏ3、ＷＯ3、ＭｏＯ3、ＭｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＢａＯ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯのうち１種以上が５～３０質量％とする。このような組成範囲のガラスはガラス転移点が３３０℃以下であるため、５００℃以下の温度でも十分に軟化するため、ベース金属３、絶縁層５、金属配線７、半導体チップ９の何れも良好に接着できる。
　一般にガラスは酸化物であるため、金属粒子を混合し加熱すると、ほとんどの場合に金属粒子は酸化する。本発明を構成する酸化バナジウムガラスも同じく、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｌ等の金属粉末と混合し加熱すれば金属粉末は酸化する。一方Ａｇは酸化しにくい金属として知られており、本発明を構成する酸化バナジウムガラスと混合し加熱しても酸化されない。それに加え発明者らは、Ｓｎ系無鉛半田（Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系半田あるいはＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系半田）粉末と酸化バナジウムガラスを混合し加熱してもほとんど酸化されないことを見いだした。
　金属粒子はＡｇあるいはＳｎ含有半田（Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系半田）の少なくともいずれかを含むのが良い。ＡｇあるいはＳｎ含有半田は酸化バナジウムガラスと混合しても酸化され難いので、接着部材を形成した際の熱伝導率が低下し難い。一般に第２接着部材６に導電性は必要とされないため、電気の良導体であるＡｇ以外にも、Ｓｎ含有半田粉末でもよく、両者を混合してもよい。また金属粒子は、第２接着部材６の３０～９５体積％を占めると良い。このような構成にすることにより、絶縁層５と金属配線７を良好に接着でき、かつ、適度な熱伝導率を有することができる。更に、金属粒子が第２接着部材６の６０～９５体積％を占めるようにすると、熱伝導率が更に向上し、半導体チップ９の発熱をより速やかに逃がすことができる。
　またガラスは、１０～６０質量％のＡｇ2Ｏと、５～６５質量％のＶ2Ｏ5と、１５～５０質量％のＴｅＯ2とを含有するものでも良い。このような組成範囲にすることによりガラス転移点を２５０℃以下に更に低温化することができると共に、十分な熱的安定性を確保することができ、４００℃以下の温度でもベース金属３、絶縁層５、金属配線７、半導体チップ９の何れも良好に接着できる。
　第３接着層８のみに本発明を適用した半導体モジュールは、金属配線７上に第３の接着層８を介して接着された半導体チップ９を備える。第３接着部材８は酸化バナジウムガラスおよび金属粒子を含有する。ここで、該金属粒子はＡｇであり、第３接着部材８の６０～９５体積％を占める。このような構成にすることにより、金属配線７と半導体チップ９を良好に接着でき、かつ、高い熱伝導率と低い電気抵抗率を付与することができる。
　また図２に示すように、半導体チップ９と金属配線７を金属部材１０，１１で接続する際、本発明の接着部材を用いることができる。すなわち、前記構成の半導体モジュールにおいて、半導体チップ９と金属配線７を第４接着部材１２，第５接着部材１３を介して金属部材１０，１１で接続する。ここで、該金属粒子はＡｇであり、第４接着部材の６０～９５体積％を占める。このような構成にすることにより、金属配線７と半導体チップ９を良好に接着でき、かつ、高い熱伝導率と低い電気抵抗率を付与することができる。
　第３接着部材８や第４接着部材１２，第５接着部材１３の酸化バナジウムガラスの組成は、第２接着部材６と同様にすることができる。
　本発明の別の形態として図３にＬＥＤ照明装置の構造断面図を示す。ＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤ発光素子１６が接着部材１５を介して基板１４に接着された発光モジュールと、該発光モジュールに電力を供給する電源回路部（図示なし）とを備える。接着部材１５については、上記半導体モジュールと同様である。
　ＬＥＤ発光素子は熱により劣化しやすいため、発光に伴う発熱は速やかに外部に逃がさなければならない。このため、金属粒子をＡｇとし、接着部材の６０～９５体積％を占めるような構成にすることにより、基板とＬＥＤ発光素子を良好に接着でき、かつ、高い熱伝導率を有することができる。
　本発明の更に別の形態として、図４にパソコンのマザーボードなどの半導体装置を示す。該半導体装置は、基板１７上に接着部材１８を介してＣＰＵ１９がヒートシンク２０に接続されたマイコンＩＣを備える。接着部材１８については、上記半導体モジュールと同様である。
　より詳しくは、接着部材１８に含まれるガラスは、Ｖ2Ｏ5が３５～５５質量％、ＴｅＯ2が１５～３５質量％、Ｐ2Ｏ5が４～２０質量％、及びＦｅ2Ｏ3、ＷＯ3、ＭｏＯ3、ＭｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＢａＯ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯのうち１種以上が５～３０質量％であることを特徴とする。このような組成範囲のガラスはガラス転移点が３３０℃以下であるため、５００℃以下の温度でも十分に軟化するため、５００℃以下の温度で基板とＬＥＤ発光素子、あるいはＣＰＵとヒートシンク等を良好に接着できる。
　あるいは、１０～６０質量％のＡｇ2Ｏと、５～６５質量％のＶ2Ｏ5と、１５～５０質量％のＴｅＯ2とを含有することを特徴とする。このような組成範囲にすることによりガラス転移点を２５０℃以下に低温化することができると共に、十分な熱的安定性を確保することができ、４００℃以下の温度で基板とＬＥＤ発光素子、あるいはＣＰＵとヒートシンク等を良好に接着できる。
　本実施例においては、種々の組成を有する酸化バナジウムガラスを作製し、該ガラスの軟化点と耐湿性とを調査した。
（ガラスの作製）
　表１に示す組成を有するガラス（ＶＴＣ２－０１～０３およびＶＴＣ３－０１～０３）を作製した。表中の組成は、各成分の酸化物換算における質量比率で表示してある。出発原料としては、（株）高純度化学研究所製の酸化物粉末（純度９９.９％）を用いた。一部の試料においては、Ｂａ源およびＰ源としてＢａ(ＰＯ3)2（リン酸バリウム、ラサ工業（株）製）を用いた。
　表１に示した質量比で各出発原料粉末を混合し、合計２００ｇの混合粉末をるつぼに入れた。ここで原料中のＡｇ2Ｏの比率が４０質量％以下の場合には白金るつぼを、４０質量％以上の場合にはアルミナるつぼを用いた。混合にあたっては、原料粉末への余分な吸湿を避けることを考慮して、金属製スプーンを用いて、るつぼ内で混合した。
　原料混合粉末が入ったるつぼをガラス溶融炉内に設置し、加熱・融解した。１０℃／minの昇温速度で昇温し、設定温度（７００～９００℃）で、融解しているガラスを撹拌しながら１時間保持した。その後、るつぼをガラス溶融炉から取り出し、あらかじめ１５０℃に加熱しておいた黒鉛鋳型にガラスを鋳込んだ。次に、鋳込まれたガラスを、あらかじめ歪取り温度に加熱しておいた歪取り炉に移動し、１時間保持により歪を除去した後、１℃／minの速度で室温まで冷却した。室温まで冷却したガラスを粉砕し、表に示した組成を有するガラスの粉末を作製した。
（軟化点の評価）
　上記で得られた各ガラス粉末に対して、示差熱分析（ＤＴＡ）により特性温度を測定した。ＤＴＡ測定は、参照試料（α－アルミナ）および測定試料の質量をそれぞれ６５０mgとし、大気中５℃／minの昇温速度で行った。本実施例では、ガラスのＤＴＡ曲線の第２吸熱ピーク温度を軟化点Ｔｓとした（図５参照）。結果を表１に併記する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本実施例では、ＡｌＮやＳｉ3Ｎ4のようなセラミック基板と金属材料との接着について検討した。
　実施例１で作製したガラスＶＴＣ２－０１を用いて以下の手順で接合サンプルを作製した。まずＶＴＣ２－０１を粉砕し、平均粒子径０.５μｍ以下の微細粉にした。粉砕したＶＴＣ２－０１とＡｇ粉末あるいはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系半田粉末を所定の比率で配合し、乳鉢により１５min混合し、混合粉末を作製した。
（熱伝導率）
　各種混合粉末を、金型を用いて直径１０mm、厚み２mmの成形体にした。電気マッフル炉を用い、作製した成形体を大気中、４５０℃×３０min焼成し、第１の接着層の熱伝導率を評価するための模擬サンプルとした。このようにして作製した焼結体試料を用い、キセノンフラッシュ法にて熱伝導率を測定した。キセノンフラッシュ法とは、模擬サンプルの片面にパルス光を照射し、裏面温度の時間変化より熱拡散率を測定するもので、それを元に熱伝導率を算出する。各サンプルの熱伝導率を表２にまとめる。
　その後、各種混合粉末と樹脂バインダーと溶剤とを混合して、自動混練器（泡とり練太郎）にて混練し、ダイボンディング材ペーストを作製した。樹脂バインダーとしてはエチルセルロースを用い、溶剤としてはブチルカルビトールアセテートを用いた。このようにして作製したダイボンディング材ペーストを用い、以下に示す方法によって接着強度を評価した。
（接着強度）
　セラミック基板上に５×５mm2の範囲でダイボンディング材ペーストを印刷し、１５０℃で乾燥させた後、大気中４５０℃×３０min仮焼成をした。その後、４×４mm2に切り出したＣｕ，Ａｌ，ＡｌＳｉＣ板をダイボンディング材の上に載せ、その上に１００ｇの分銅を乗せ、大気中４５０℃×３０min焼成をした。
　このようにして、セラミック基板上に金属板を接着した、ダイシェアテストサンプルを作製した。金属板とセラミック基板の接着強度を、ダイシェア強度試験により評価した。ここでダイシェア強度試験とは図６に示すように、基板上に接着部材１７を介して接合された金属板１８を専用治具１９により横側から水平方向に押し、金属板が基板から剥離した荷重値、つまり金属板のせん断強度（ダイシェア強度；Ｎ）を測定する試験方法である。セラミック基板としてＡｌＮ基板を用いた場合の評価結果を表２に、Ｓｉ3Ｎ4基板を用いた場合の評価結果を表３にまとめる。本実施例では接着強度＞２０Ｍｐａでありかつ熱伝導率＞１０Ｗ／ｍＫのサンプルを合格とした。
　表からわかるように、実施例のダイボンディング材は、メタライズ層を有さないセラミック基板に高い熱伝導率と接着強度で金属板を接着可能であることが示された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　本実施例では、Ｃｕ基板とＳｉ半導体チップの接着について検討した。
　実施例１で作製したガラスＶＴＣ３－０１を用いて以下の手順で接合サンプルを作製した。まずＶＴＣ３－０１を粉砕し、平均粒子径０.５μｍ以下の微細粉にした。粉砕したＶＴＣ３－０１とＡｇ粉末を所定の比率で配合し、乳鉢により１５min混合し、混合粉末を作製した。
（熱伝導率および電気抵抗率）
　各種混合粉末を、金型を用いて直径１０mm、厚み２mmの成形体にした。電気マッフル炉を用い、作製した成形体を大気中、３５０℃×３０min焼成し、第３の接着層の熱伝導率および電気抵抗率を評価するための模擬サンプルとした。
　三菱化学（株）の簡易型低抵抗率計（ロレスタＡＸ；ＭＣＰ－Ｔ３７０型）を用いて同焼結体サンプルの電気抵抗率を測定した。その後同サンプルを用い、キセノンフラッシュ法にて熱伝導率を測定した。
（接着強度）
　各種混合粉末と樹脂バインダーと溶剤とを混合して、実施例２と同様にしてダイボンディング材ペーストを作製した。セラミック基板上に５×５mm2の範囲でダイボンディング材ペーストを印刷し、１５０℃で乾燥させた後、大気中３５０℃×３０min仮焼成をした。その後、４×４mm2のＳｉ半導体チップをダイボンディング材の上に載せ、その上に１００ｇの分銅を乗せ大気中３５０℃×３０min焼成し、Ｃｕ基板上にＳｉ半導体チップを接着したダイシェアテストサンプルとした。Ｓｉ半導体チップとＣｕ基板の接着強度を、ダイシェア強度試験により評価した。表４に評価結果をまとめる。
　本実施例では接着強度＞２０Ｍｐａであり、熱伝導率＞５０Ｗ／ｍＫであり、かつ電気抵抗率＜１.０×１０-5Ω・cmのサンプルを合格とした。
　表４からわかるように、実施例のダイボンディング材は、メタライズ層を有さないセラミック基板に高い熱伝導率と接着強度で接着可能であることが示された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
１－１　第１部材
１－２　第２部材
２、１５、１８、２１　接着部材
３　ベース金属
４　第１接着部材
５　絶縁層
６　第２接着部材
７　金属配線
８　第３接着部材
９　半導体チップ
１０、１１　金属部材
１２　第４接着部材
１３　第５接着部材
１４　ＬＥＤ搭載基板
１６　ＬＥＤ発光素子
１７　基板
１９　ＣＰＵ
２０　ヒートシンク
２２　チップ
２３　専用治具

Claims (17)

  1. 　金属、セラミック、半導体の何れかである第１部材と第２部材とを接着した接合体において、
    　前記第１部材の面に設けられた接着部材を介して前記第２部材が接着され、前記接着部材は、Ｖ2Ｏ5を含むガラスと金属粒子とを含有することを特徴とする接合体。
  2. 　請求項１において、通電され前記第１部材と前記第２部材との間に温度差が生じることを特徴とする接合体。
  3. 　請求項１又は２において、前記第１部材を発熱体、前記第２部材を放熱体としたことを特徴とする接合体。
  4. 　請求項１乃至３の何れかにおいて、前記第１部材を半導体又は金属、前記第２部材を金属又はセラミックとしたことを特徴とする接合体。
  5. 　請求項１乃至４の何れかにおいて、前記ガラスは、Ｖ2Ｏ5が３５～５５質量％、ＴｅＯ2が１５～３５質量％、Ｐ2Ｏ5が４～２０質量％、及びＦｅ2Ｏ3、ＷＯ3、ＭｏＯ3、ＭｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＢａＯ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯのうち１種以上が５～３０質量％であることを特徴とする接合体。
  6. 　請求項１乃至４の何れかにおいて、前記ガラスは、Ａｇ2Ｏが１０～６０質量％、Ｖ2Ｏ5が５～６５質量％、ＴｅＯ2が１５～５０質量％であることを特徴とする接合体。
  7. 　請求項５又は６において、前記Ｖ2Ｏ5は非晶質よりも結晶質が少なく、その結晶化度は３０％以下であることを特徴とする接合体。
  8. 　請求項１乃至７の何れかにおいて、前記金属粒子がＡｇあるいはＳｎ含有半田の少なくともいずれかであり、前記接着部材の３０～９５体積％を占めることを特徴とする接合体。
  9. 　請求項１乃至７の何れかにおいて、前記金属粒子がＡｇであり、前記接着部材の６０～９５体積％を占めることを特徴とする接合体。
  10. 　ベース金属とセラミック基板と金属配線と半導体チップとを備えた半導体モジュールにおいて、
    　前記ベース金属の面に設けられた第１接着部材を介して前記セラミック基板が接着され、前記セラミック基板の面に設けられた第２接着部材を介して前記金属配線が接着され、前記金属配線の面に設けられた第３接着部材を介して前記半導体チップが接着され、
    　前記第１接着部材と第２接着部材と第３接着部材は、Ｖ2Ｏ5を含むガラスと金属粒子とを含有することを特徴とする半導体モジュール。
  11. 　請求項９において、前記第１接着部材のガラス又は第２接着部材のガラス又は第３接着部材のガラスは、Ｖ2Ｏ5が３５～５５質量％、ＴｅＯ2が１５～３５質量％、Ｐ2Ｏ5が４～２０質量％、及びＦｅ2Ｏ3、ＷＯ3、ＭｏＯ3、ＭｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、ＢａＯ、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯのうち１種以上が５～３０質量％であることを特徴とする半導体モジュール。
  12. 　請求項９において、前記第１接着部材のガラス又は第２接着部材のガラス又は第３接着部材のガラスは、Ａｇ2Ｏが１０～６０質量％、Ｖ2Ｏ5が５～６５質量％、ＴｅＯ2が１５～５０質量％であることを特徴とする半導体モジュール。
  13. 　請求項１１又は１２において、前記Ｖ2Ｏ5は非晶質よりも結晶質が少なく、その結晶化度は３０％以下であることを特徴とする接合体。
  14. 　請求項１０乃至１３の何れかにおいて、前記第１接着部材の金属粒子又は前記第２接着部材の金属粒子がＡｇあるいはＳｎ含有半田の少なくともいずれかであり、前記第１接着部材又は前記第２接着部材の３０～９５体積％を占めることを特徴とする半導体モジュール。
  15. 　請求項１０乃至１３の何れかにおいて、前記第３の接着部材の金属粒子がＡｇであり、前記第３の接着部材の６０～９５体積％を占めることを特徴とする半導体モジュール。
  16. 　請求項１０において、前記半導体チップがＬＥＤ発光素子であることを特徴とする半導体モジュール。
  17. 　請求項１０において、前記半導体チップがＣＰＵであり、前記ベース基板がヒートシンクであることを特徴とする半導体モジュール。
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