WO2024014532A1 - 複層接合体及びそれを用いた半導体装置、並びにこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

絶縁回路基板にヒートシンクを接合する場合など、複層接合体を形成する場合に、低温で接合して反りを抑制する。　セラミックス基板と、セラミックス基板の一方の面に接合された、アルミニウム又はアルミニウム合金を含む第一アルミニウム板と、第一アルミニウム板のセラミックス基板とは反対側の面に接合され、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第一中間金属層と、第一中間金属層の第一アルミニウム板とは反対側の面に接合された第一銅焼結層と、第一銅焼結層の第一中間金属層とは反対側の面に接合され、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第一金属部材と、を備える複層接合体。

Description

複層接合体及びそれを用いた半導体装置、並びにこれらの製造方法

　本発明は、絶縁回路基板として用いることができ、セラミックス基板に接合されたアルミニウム板に、アルミニウム、アルミニウム合金、銅及び銅合金のいずれかを含む金属部材を銅の接合材によって接合した複層接合体、及びそれを用いた半導体装置、並びにこれら複層接合体及び半導体装置の製造方法に関する。本願は、２０２２年７月１５日に日本国に出願された特願２０２２－１１４２９２号および２０２３年７月５日に日本国に出願された特願２０２３－１１０４２８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　ＬＥＤやパワー素子などの電子部品を搭載する絶縁回路基板には、電子部品で生じる熱を放散するためのヒートシンクが設けられる。

　この場合、絶縁回路基板としてセラミックス基板を用いたものも知られており、絶縁層となるセラミックス基板の一方の表面に回路層が形成されるとともに、セラミックス基板の他方の表面に放熱層が形成されている。その放熱層に熱伝導性に優れたヒートシンクがろう材を介して接合され、回路層上にはんだ材を介して電子部品が搭載されて、ヒートシンク付絶縁回路基板が得られる。

　このようなヒートシンク付絶縁回路基板においては、絶縁回路基板のアルミニウム板とヒートシンクとを６００℃などの高温で接合することが行われている。

特開２０２０－３５９６５号公報

　従来、絶縁回路基板とヒートシンクとを高温で接合すると、冷却の過程で低熱膨張係数のセラミックス基板とヒートシンクとの熱膨張差により反りが生じ易い。そのため、低温で絶縁回路基板とヒートシンクとの接合を行うことが望まれる。ヒートシンクに限らず、絶縁回路基板の一方のアルミニウム板に回路層用の銅板などを接合する場合にも、加熱温度が高温であると、冷却時には熱膨張差による反りが発生して接合性低下のおそれがある。

　特許文献１には、セラミックス基板の両面に銅板を接合した絶縁回路基板を用いたパワーモジュールが開示されている。このパワーモジュールでは、銅などで構成された放熱ベース板が、接合材で絶縁回路基板の銅板に接合されている。特許文献１では、セラミックスで構成された絶縁基板の両面に銅板が接合されているため、熱膨張係数の差によって大きな反りが生じて接合性が低下するおそれがある。

　そこで、本発明は、絶縁回路基板にヒートシンクを接合する場合など、複層接合体を形成する場合に、低温で接合して反りを抑制し接合性を向上させることを目的とする。

［複層接合体］
　本発明の複層接合体は、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された、アルミニウム又はアルミニウム合金を含む第一アルミニウム板と、前記第一アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合され、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第一中間金属層と、前記第一中間金属層の前記第一アルミニウム板とは反対側の面に接合された第一銅焼結層と、前記第一銅焼結層の前記第一中間金属層とは反対側の面に接合され、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第一金属部材と、を備える。

　本発明の複層接合体において、前記第一金属部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金を含み、前記第一金属部材と前記第一銅焼結層との間に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第二中間金属層が形成されていてもよい。

　本発明の複層接合体において、前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二アルミニウム板が接合されていてもよい。

　本発明の複層接合体において、前記第二アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合され、銅、ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第三中間金属層と、前記第三中間金属層の前記第二アルミニウム板とは反対側の面に接合された第二銅焼結層と、前記第二銅焼結層の前記第二アルミニウム板とは反対側の面に接合され、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第二金属部材と、をさらに備えていてもよい。

　本発明の複層接合体において、前記第二金属部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金を含み、前記第二金属部材と前記第二銅焼結層との間に、銅、ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第四中間金属層が形成されていてもよい。

　本発明において、「アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第一金属部材」とは、少なくとも前記第一金属部材の第一銅焼結層側の接合面がアルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかでなることを意味し、前記第一金属部材は例えば複合材や積層材として構成されていてもよい。また、「アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第一金属部材」とは、前記第一金属部材がアルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかでなることも対象とするものである。

　本発明の複層接合体は、第一アルミニウム板の表面に形成された第一中間金属層と、第一金属部材とが、第一銅焼結層を介在させて接合されている。この第一銅焼結層は、銅の粒子が焼結されて形成された銅焼結層である。この第一銅焼結層は、銅ペーストを焼結させて形成したものでもよく、複数の銅粒子をバインダーでつないでシート状に形成された接合シートを焼結させて形成したものでもよく、銅粒子を部分焼結させてシート状に形成された銅焼結シートを焼結させたものでもよい。

　接合シートを用いた第一銅焼結層は、複数の銅粒子をバインダーでつないでなるシート状の第一接合材を焼結したものであるが、銅ペーストを用いた第一銅焼結層と比べるとバインダーの量が少ないため、焼結の際の有機成分の揮発に伴うボイドの発生が抑えられているため好ましい。また、第一中間金属層が設けられていることで、第一アルミニウム板と第一銅焼結層との接合性が良好である。

　本発明において、「銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第一中間金属層」とは、少なくとも前記第一中間金属層の第一銅焼結層側の接合面が銅，ニッケル，銀，金のいずれかでなることを意味し、第一中間金属層は、例えば複数のめっき層等で構成されていてもよい。また、「銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第一中間金属層」とは、前記第一中間金属層が、銅，ニッケル，銀，金のいずれかでなることも対象とするものである。

　本発明の複層接合体は、好ましくは、前記第一金属部材と前記第一銅焼結層との間に第二中間金属層が形成されている。前記第一金属部材がアルミニウム又はアルミニウム合金を含む場合には、前記第二中間金属層が、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含んでいることが好ましい。

　本発明において、「銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第二中間金属層」とは、少なくとも前記第二中間金属層の第一銅焼結層側の接合面が、銅，ニッケル，銀，金のいずれかでなることを意味し、第二中間金属層は例えば複数のめっき層等で構成されていてもよい。また、「銅，ニッケル，銀，金のいずれかを含む第二中間金属層」とは、前記第二中間金属層が銅，ニッケル，銀，金のいずれかでなることも対象とするものである。

　前記第一金属部材が銅又は銅合金を含む場合には、前記第二中間金属層にニッケルを含んでいない方が好ましいが、ニッケルを含んでいてもよい。

　本発明において、前記第二中間金属層がニッケルを含むとは、少なくとも前記第二中間層の第一銅焼結層側の接合面がニッケルでなることを意味し、第二中間金属層は例えば複数のめっき層等で構成されていてもよい。また、前記第二中間金属層がニッケルを含むとは、前記第二中間金属層がニッケルでなることも対象とするものである。

　第一中間金属層が介在することで、前記第一アルミニウム板と前記第一銅焼結層との接合性を高めることができる。また、第二中間金属層を形成することで、前記第一金属部材と前記第一銅焼結層との接合性を高めることができる。

　本発明の複層接合体は、好ましくは、前記第一アルミニウム板及び前記第二アルミニウム板が、純度９９．９９質量％以上のアルミニウムからなる。

　前記第一アルミニウム板及び前記第二アルミニウム板がＪＩＳ（日本工業規格）に規定される４Ｎ（純度９９．９９質量％）以上の柔らかい高純度のアルミニウムで構成されていることで、降伏応力が低いために温度サイクルにおけるセラミックス基板と高い接合信頼性を維持することができ、また第一金属部材などとの高熱伝導性や高電気伝導性を発揮することができる。アルミニウムの純度について上限はなく、９９．９９９質量％のアルミニウムや９９．９９９９質量％のいわゆる６Ｎアルミニウムでもよい。

　本発明の複層接合体では、第一アルミニウム板、第一銅焼結層、第一金属部材の大きさ、言い換えるとこれらの接合面の大きさは限定されるものではないが、例えば１００ｍｍ^２以上１００００ｍｍ^２以下が好ましい。

　前記第一銅焼結層の積層方向の厚みが５０μｍ以上１０００μｍ以下であることで、第一アルミニウムと第一金属部材とを良好に接合することができる。

　本発明の複層接合体は、好ましくは、前記第一アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に、複数の溝部が形成されているとよい。

　前記第一アルミニウム板の前記第一金属部材と接合される面に溝部があることで、焼結時のバインダーの揮発が良好になり、接合部のボイドを減少させることができる。そのため、第一銅焼結層を介する前記第一金属部材との接合性が良好となる。なお、接合によって、接合後は溝部の凹凸が、接合前よりも小さくなっていてもよい。

　本発明の複層接合体において、第一金属部材の表面を電子部品搭載面とする絶縁回路基板とすることができる。

　セラミックス基板において第一アルミニウム板とは反対側の面に第二アルミニウム板を接合した複層接合体を絶縁回路基板とする場合には、第一金属部材の表面を電子部品搭載面としてもよいし、第二アルミニウム板の表面を電子部品搭載面としてもよい。

　絶縁回路基板では、前記第一アルミニウム板及び前記第二アルミニウム板が４Ｎ以上の柔らかい高純度のアルミニウムで構成されていることで、温度サイクルにおけるセラミックス基板と高い接合信頼性を維持することができ、また絶縁回路基板全体として高熱伝導性や高電気伝導性を発揮することができる。アルミニウムの純度について上限はなく、９９．９９９質量％のアルミニウムや９９．９９９９質量％のいわゆる６Ｎアルミニウムでもよい。

　本発明の複層接合体を絶縁回路基板とする場合、第一金属部材の表面を電子部品搭載面とする場合、第二アルミニウム板をヒートシンクとして用いることができる。第二アルミニウム板の表面を電子部品搭載面とした場合には、第一金属部材をヒートシンクとすることができる。

［半導体装置］
　本発明の複層接合体を用いて半導体装置を構成することができる。

　本発明の半導体装置は、前記第一金属部材における前記第一銅焼結層とは反対側の表面に搭載された電子部品と、前記電子部品に接続されたリードフレームと、前記リードフレームの先端部及び前記第二アルミニウム板の少なくとも前記セラミックス基板とは反対側の面を露出させた状態で前記電子部品を封止する絶縁樹脂と、を備える。

　本発明の半導体装置において、前記第二アルミニウム板における前記セラミックス基板とは反対側の表面に搭載された電子部品と、前記電子部品に接続されたリードフレームと、前記リードフレームの先端部及び少なくとも前記第一銅焼結層との接合面を除く前記第一金属部材の表面を露出させた状態で前記電子部品を封止する絶縁樹脂とを備えていてもよい。

　第二金属部材を設けた複層接合体を用いた半導体装置においては、前記第一金属部材における前記第一銅焼結層とは反対側の表面に搭載された電子部品と、前記電子部品に接続されたリードフレームと、前記リードフレームの先端部及び少なくとも前記第二銅焼結層との接合面を除く前記第二金属部材の表面を露出させた状態で前記電子部品を封止する絶縁樹脂とを備えていてもよい。

［複層接合体の製造方法］
　本発明の複層接合体の製造方法は、セラミックス基板の一方の面にろう材とアルミニウム又はアルミニウム合金を含む第一アルミニウム板とを積層して第一積層体を形成する第一積層工程と、前記第一積層体を積層状態で加圧及び加熱することにより接合して第一接合体を形成する第一接合工程と、前記第一接合体における前記第一アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第一中間金属層を形成する中間金属層形成工程と、前記第一中間金属層の上に、複数の銅粒子をバインダーでつないでシート状に形成された第一接合材と、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第一金属部材とを順次積層して第二積層体を形成する第二積層工程と、前記第二積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記第一接合材を焼結させて第一銅焼結層を形成し、該第一銅焼結層により前記第一アルミニウム板における前記第一中間金属層と前記第一金属部材とを接合する第二接合工程と、を備える。

　本発明の複層接合体の製造方法において、前記第一金属部材がアルミニウム又はアルミニウム合金を含み、前記中間金属層形成工程では、さらに、前記第一金属部材の一方の面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第二中間金属層を形成し、前記第二接合工程では、前記第二中間金属層が前記第一銅焼結層に接合されるようにしてもよい。

　第一接合材を用いて第一中間金属層と第一金属部材とを接合させることで、接合の際の有機成分の加熱に伴うボイドの発生を抑えて、接合性を良好にすることができる。なお、複数の銅粒子をバインダーでつないでシート状に形成された第一接合材は、シート状に形成する際に部分焼結されたものであってもよい。

　本発明の複層接合体の製造方法において、前記第一積層工程の前に、前記第一アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に、複数の溝部を形成しておいてもよい。

　本発明の複層接合体の製造方法において、前記第一積層工程では、さらにろう材とアルミニウム又はアルミニウム合金とを含む第二アルミニウム板を前記セラミックス基板の他方の面に積層して前記第一積層体を形成し、前記第一接合工程では、前記第二アルミニウム板を含む前記第一積層体を加圧及び加熱することにより、前記セラミックス基板の一方の面に第一アルミニウム板、他方の面に第二アルミニウム板を接合して前記第一接合体を形成してもよい。

　本発明の複層接合体の製造方法において、前記中間金属層形成工程では、さらに、前記第一接合体における前記第二アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第三中間金属層を形成し、前記第二積層工程では、前記第三中間金属層の上に、さらに、複数の銅粒子をバインダーでつないでシート状に形成された第二接合材と、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第二金属部材とを順次積層し、前記第二接合工程では、さらに前記第二接合材を焼結させて第二銅焼結層を形成し、該第二銅焼結層により前記第三中間金属層と前記第二金属部材とを接合してもよい。

　本発明の複層接合体の製造方法において、前記第二金属部材がアルミニウム又はアルミニウム合金を含み、前記中間金属層形成工程では、さらに、前記第二金属部材の一方の面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第四中間金属層を形成し、前記第二接合工程では、前記第二金属部材における前記第四中間金属層の表面が前記第二銅焼結層に接合されるようにしてもよい。

［半導体装置の製造方法］
　本発明は、上記複層接合体の製造方法を用いて半導体装置を製造する方法も提供する。

　本発明の半導体装置の製造方法は、前記複層接合体の製造方法を用いて半導体装置を製造する方法であって、前記第二接合工程の後に、前記第一金属部材に電子部品を搭載するとともに、該電子部品にリードフレームを接続する実装工程と、前記リードフレームの先端部及び少なくとも前記第二アルミニウムの前記セラミックス基板とは反対側の面を絶縁樹脂から露出させた状態で前記電子部品を前記絶縁樹脂で封止する樹脂封止工程と、をさらに備える。

　本発明の半導体装置の製造方法において、前記中間層形成工程と前記第二積層工程との間に、前記第二アルミニウム板に電子部品を搭載するとともに、該電子部品にリードフレームを接続する実装工程と、前記リードフレームの先端部及び少なくとも第一中間金属層の表面を絶縁樹脂から露出させた状態で前記電子部品を前記絶縁樹脂で封止する樹脂封止工程と、をさらに備えてもよい。

　本発明の半導体装置の製造方法において、前記中間層形成工程では、さらに、前記第一接合体における前記第二アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第三中間金属層を形成し、前記第二接合工程の後に、前記第一金属部材に電子部品を搭載するとともに、該電子部品にリードフレームを接続する実装工程と、前記リードフレームの先端部及び少なくとも前記第三中間金属層の表面を絶縁樹脂から露出させた状態で前記電子部品を絶縁樹脂により封止する樹脂封止工程と、前記第三中間金属層の上に、さらに、複数の銅粒子をバインダーでつないでシート状に形成された第二接合材と、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第二金属部材とを順次積層して、第三積層体を形成する第三積層工程と、前記二次積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記第二接合材を焼結させて第二銅焼結層を形成し、該第二銅焼結層により前記第三中間金属層と前記第二金属部材とを接合する第三接合工程と、をさらに備えてもよい。

　実装工程及び樹脂封止工程の後に、加圧及び加熱を伴う第三接合工程を実施しているが、この第三接合工程では第二銅焼結層により低温で接合するので、電子部品や絶縁樹脂等への熱影響を抑制することができる。

　本発明によれば、絶縁回路基板にヒートシンクを接合する場合など、第一金属部材を銅焼結層によって低温で接合することができるので、反りを抑制して接合性を向上させることができる。

本発明の実施形態の複層接合体を示す断面図である。 複層接合体の接合に用いられる接合材の模式断面図である。 他の実施形態の複層接合体を示す断面図である。 さらに他の複層接合体を示す断面図である。 図４に示す複層接合体の製造方法及びその後に半導体装置を製造する方法を示すフローチャートである。 図４の複層接合体の製造方法における第一積層工程を示す断面図である。 溝部を形成した第一アルミニウム板の平面図である。 図７のＧ－Ｇ線に沿う矢視断面図であり、溝部を有する第一アルミニウム板の部分断面図である。 図４に示す複層接合体の製造方法における第二積層工程を示す断面図である。 図４の複層接合体を用いた半導体装置の断面図である。 図１０の半導体装置を製造する途中で樹脂封止する工程を示す断面図である。 図４の複層接合体に対して、第一金属部材をヒートシンクとした例を示す断面図である。 図１２の複層接合体の応用例として、第一金属部材をフィン付きヒートシンクとした断面図である。 図１３の複層接合体を用いた半導体装置を示す断面図である。 図１４に示す半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 図１４に示す半導体装置の製造方法において第一接合体に中間金属層を形成した状態を示す断面図である。 図１４に示す半導体装置の製造方法において第二積層工程を示す断面図である。 図４の複層接合体の第二アルミニウム板にさらに銅焼結層を介して第二金属部材を接合した複層接合体の例を示す断面図である。 図１８に示す複層接合体の製造方法において第二積層工程を示す断面図である。 図１８の複層接合体の第二金属部材にさらに第四中間金属層を形成した複層接合体の例を示す断面図である。 図１８の複層接合体を用いた半導体装置を示す断面図である。 図２１に示す半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 図２１に示す半導体装置の製造方法において第三積層工程を示す断面図である。

　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

［複層接合体１０の構成］
　図１に示すように、第一実施形態の複層接合体１０は、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面に積層された第一アルミニウム板１２と、第一アルミニウム板１２のセラミックス基板１１とは反対側の面に接合された第一中間金属層１３と、第一中間金属層１３の第一アルミニウム板１２とは反対側の面に接合された第一銅焼結層１４と、第一銅焼結層１４の第一中間金属層１３とは反対側の面に接合された第一金属部材１５と、を備えている。

　図１に示す例では、第一アルミニウム板１２、第一中間金属層１３、第一銅焼結層１４及び第一金属部材１５は、複数（図１では符号Ａ，Ｂの２つ）に分離した状態で積層されていることにより、セラミックス基板１１の上に、符号Ａ及びＢで示す同じ層構造の積層部が構築されているが、分離した状態でなく、一つの積層部として構築されていてもよい。もちろん、３つ以上の積層部としてもよい。また、図示されている２つの積層部は大きさのみ異なり、同一部材の積層構造であるので、各部材の符号はＡ，Ｂの一方の積層部にのみ付す場合がある（以下、図３等においても同様である）。

　セラミックス基板１１は、絶縁材であって、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等により形成され、その板厚は例えば０．２ｍｍ～１．２ｍｍである。

　第一アルミニウム板１２は、純度９９質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台の純アルミニウム、特に１Ｎ９０（純度９９．９質量％以上：いわゆる３Ｎアルミニウム）又は１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。その厚さは例えば０．４ｍｍ～１．６ｍｍに設定される。

　第一中間金属層１３は、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含んでおり、第一アルミニウム板１２の表面にめっき等によって密着した状態に形成されている。この第一中間金属層１３を介して第一アルミニウム板１２と第一銅焼結層１４とが接合されている。第一中間金属層１３を銀又は金とする場合には、第一アルミニウム板１２に下地層としてニッケル皮膜を施し、その上に第一中間金属層１３を形成するとよい。

　第一銅焼結層１４は、第一中間金属層１３と第一金属部材１５とを接合しており、複数の銅粒子３１１をバインダー（溶媒）３１２でつないでシート状に形成された第一接合材３１０を加熱して焼結させることにより形成される。その詳細は後述する。

　第一金属部材１５は、例えば純度９９．９６質量％以上の銅（無酸素銅）や純度９９．９０質量％以上の銅（タフピッチ銅）又は銅合金からなる板材（銅板）、あるいは、例えば純度が９９．９０質量％未満のアルミニウム板で、ＪＩＳ規格では、純度９９．０質量％以上のいわゆる２Ｎアルミニウム（例えばＡ１０５０等）の純アルミニウム板や、Ａ３００３，Ａ６０６３，Ａ５０５２等のアルミニウム合金からなるアルミニウム板によって形成される。この第一金属部材１５の厚さは例えば０．５ｍｍ～１．５ｍｍに設定される。

（第一銅焼結層１４の詳細）
　第一銅焼結層１４は、第一接合材３１０を加圧すると共に加熱して形成されたものであり、例えば本出願人が申請した特開２０２１－１１６４６３号公報に記載の『接合用シート』を用いることができる。この第一接合材３１０は、図２に示すように、９０質量％以上９９質量％以下の複数の銅粒子３１１と、１質量％以上１０質量％以下の溶媒３１２とにより構成されている。

　この場合、銅粒子３１１は、ＪＩＳ　Ｚ　８８３０に拠る比表面積から真球モデルを用いて換算した平均粒子径（ＢＥＴ径）が５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。銅粒子３１１は、クエン酸銅の水分散液をｐＨ（２．０以上７．５以下）に調整した後に、不活性ガス雰囲気下でヒドラジン化合物を添加して混合し、この混合液を不活性ガス雰囲気下で所定の温度（６０℃以上８０℃以下）で保持（１．５時間以上２．５時間以下）して、溶出した銅イオンを還元して生成することができる。また銅粒子３１１は、有機物（クエン酸由来）の皮膜３１３で覆われて、酸化が抑えられている。

　複数の銅粒子３１１をつなぐバインダーとしての溶媒３１２は、沸点が１５０℃以上であり、有機溶媒や高分子溶媒の一種で構成されるもの、又はこれらを二種以上用いて構成されたものであり、例えばジオール化合物、トリオール化合物を用いることができる。

　第一接合材３１０を銅粒子３１１と溶媒３１２とによって構成した場合、その厚さｔは限定されるものではないが、例えば５０μｍ以上１０００μｍ以下、５００μｍ以上であってもよい。なお、第一接合材３１０としては、複数の銅粒子３１１の全てが未焼結の状態でシート状に形成されたものに限らず、複数の銅粒子３１１の内、一部が焼結してつながっていて残りが未焼結の状態でシート状に形成されたものも利用することができる。

　第一接合材３１０は、第一中間金属層１３に重ねられ、さらに積層方向に加圧した状態で加熱することで、第一接合材３１０中の溶媒３１２や銅粒子３１１周囲の皮膜３１３が揮発し、銅粒子３１１相互が焼結して第一銅焼結層１４に形成される。第一銅焼結層１４では、界面領域に第一中間金属層１３を構成するニッケルや銅、金、銀のいずれかが含まれる。

　この複層接合体１０は、セラミックス基板１１の上に、第一アルミニウム板１２、第一中間金属層１３、第一銅焼結層１４、第一金属部材１５が順次積層状態に接合されており、第一金属部材１５の表面１５ａを電子部品搭載面とした絶縁回路基板として用いることができる。この場合、例えば、セラミックス基板１１の第一アルミニウム板１２とは反対側の面１１ｂに熱伝導性グリース等を塗布して、放熱のためのヒートシンク等（図示略）に接触させ、ねじ止め等によって固定することができる。

［複層接合体１６の構成］
　この複層接合体１０において、第一金属部材１５としてアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板を用いる場合を図３に示す。図３に示す複層接合体１６のように、第一銅焼結層１４と接合される第一金属部材１５の面に、第一アルミニウム板１２の第一中間金属層１３と同様、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第二中間金属層１７がめっき等によって形成され、この第二中間金属層１７が第一銅焼結層１４に接合される。

　この第二中間金属層１７を銀又は金により構成する場合は、第一金属部材１５に下地層としてニッケル皮膜を形成し、その上に第二中間金属層１７を形成するとよい。

　これら複層接合体１０，１６において、第一銅焼結層１４により接合される部材の表面に溝部１３１（図７，８参照）を形成しておいてもよい。具体的には、第一中間金属層１３が形成される第一アルミニウム板１２の表面、及び第一金属部材１５の第一銅焼結層１４側の表面（複層接合体１６においては、第二中間金属層１７が形成される第一金属部材１５の表面）に、それぞれ溝部１３１を形成するとよい。この溝部１３１については後述する。

［複層接合体２０の構成］
　さらに、図１に示す複層接合体１０を基本とし、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面１１ｂに、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二アルミニウム板２１を接合した複層接合体２０とすることもできる。この複層接合体２０を絶縁回路基板とする場合においては、第二アルミニウム板２１をヒートシンクとして用いることができる。

　この第二アルミニウム板２１は第一アルミニウム板１２と同じ板厚とするか、差がわずかな程度の板厚とすることが好ましいが、ヒートシンクとしての熱容量を増大させるために、第一アルミニウム板１２よりも厚く、又は大面積に形成してもよい。

［複層接合体２０の製造方法］
　図４に示す複層接合体２０の製造方法について説明する。

　図５に示すフローチャートの内、Ｅで示す範囲の各工程が複層接合体２０の製造にかかる工程である。すなわち、その製造方法は、セラミックス基板１１に第一アルミニウム板１２、第二アルミニウム板２１をそれぞれろう材４１およびろう材４２を介して積層して第一積層体５０を形成する第一積層工程と、この第一積層体５０を加圧及び加熱することにより接合して第一接合体５１を形成する第一接合工程と、第一接合体５１の第一アルミニウム板１２に対してセラミックス基板１１とは反対側の面に第一中間金属層１３を形成する中間金属層形成工程と、その第一中間金属層１３の上に、第一接合材３１０と、第一金属部材１５とを順次積層して、第二積層体５２を形成する第二積層工程と、第一接合材３１０を焼結させて第一銅焼結層１４を形成することにより、第一中間金属層１３と第一金属部材１５とを接合する第二接合工程と、を備える。以下、この工程順に説明する。

　図５は、複層接合体２０を製造するＥで示す工程の後に、製造した複層接合体２０に電子部品等を実装して樹脂封止して半導体装置を製造するまでの工程を示している。この半導体装置の製造方法については後述する。

（第一積層工程）
　図６に示すように、セラミックス基板１１の一方の面１１ａに第一アルミニウム板１２、他方の面１１ｂに第二アルミニウム板２１をそれぞれろう材４１およびろう材４２を介して積層することにより、第一積層体５０を形成する。ろう材４１およびろう材４２としては、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｇｅ系、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｎ系、又はＡｌ－Ｓｉ－Ｍｇ系ろう材が用いられる。このろう材４１およびろう材４２は、箔として供給されてもよいし、ペーストとして供給されてもよい。

　前述したように、第一アルミニウム板１２の第一銅焼結層１４側の表面に溝部１３１を形成する場合、図７及び図８（Ｇ－Ｇ線に沿う矢視断面図）に示すように、第一アルミニウム板１２の矩形の表面１２ａに対して、その一方の辺から他方の辺まで溝部１３１が形成され、各溝部１３１が平行に並んで形成されていることにより、第一アルミニウム板１２の表面１２ａが凹凸状に形成されている。溝部１３１は断面が例えば横断面Ｖ字状に形成される。

　各溝部１３１は同じ寸法で形成されており、例えば、溝部１３１のピッチをａ［ｍｍ］、溝部１３１の深さをｂ［ｍｍ］、溝部１３１の幅をｃ［ｍｍ］，溝部１３１間に設けられる平坦部１３２の幅をｄ［ｍｍ］とすると、ａ＞ｄ＞ｃ≧ｂの関係に設定される。これにより、第一アルミニウム板１２の表面１２ａを平面視した場合に、溝部１３１が占める面積ｓ１よりも平坦部１３２が占める面積ｓ２が大きく（ｓ２＞ｓ１）設定されている。

　溝部１３１は、第一アルミニウム板１２の表面に第一中間金属層１３が形成された後にも溝部として残存する大きさに形成される。

　第一金属部材１５の第一銅焼結層１４側の表面にも、同様の溝部１３１を形成するとよい。

（第一接合工程）
　第一積層体５０を積層方向に加圧した状態で加熱した後に、冷却することにより、セラミックス基板１１の一方の面１１ａに第一アルミニウム板１２、他方の面１１ｂに第二アルミニウム板２１を接合した第一接合体５１（図９参照）を形成する。

　このとき、ろう材４１およびろう材４２は加熱により溶融し、さらに第一アルミニウム板１２や第二アルミニウム板２１中に拡散して、これらをセラミックス基板１１と強固に接合する。ろう材４１およびろう材４２の成分は、全て第一アルミニウム板１２や第二アルミニウム板２１中に拡散してもよく、層として残存していてもよい。

　このときの接合条件は、必ずしも限定されるものではないが、真空雰囲気中で、積層方向の加圧力が０．１ＭＰａ～３．４ＭＰａで、６１０℃以上６５５℃以下の加熱温度で１分以上６０分以下保持するのが好適である。

（中間金属層形成工程）
　図９に示すように、第一接合体５１の第一アルミニウム板１２のセラミックス基板１１とは反対側の面に、めっき等によって第一中間金属層１３を形成する。めっき以外の薄膜形成技術によって形成してもよく、また、第一アルミニウム板１２の表面に銅、ニッケル、銀、金のいずれかの箔を配置して拡散接合することによって形成してもよい。

（第二積層工程）
　この第一中間金属層１３の上に、図９の矢印で示すように、第一接合材３１０を配置し、第一接合材３１０の上に第一金属部材１５を載置して第二積層体５２を形成する。

（第二接合工程）
　第二積層体５２を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、第一接合材３１０を焼結させる。このとき、積層方向の加圧力は５ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下で、２５０℃以上３００℃以下の加熱温度に３分以上６０分以下保持するのが好適である。

　この加熱及び加圧によって、第一接合材３１０の溶媒３１２及び銅粒子３１１周囲の皮膜３１３が焼失し、さらに複数の銅粒子３１１どうしが焼結して、第一銅焼結層１４を形成する。そして、この第一銅焼結層１４に対して第一中間金属層１３と第一金属部材１５とが接合し、図４に示す複層接合体２０が形成される。

　このように製造された複層接合体２０は、第一金属部材１５の表面１５ａを電子部品搭載面、第二アルミニウム板２１をヒートシンクとしたヒートシンク付き絶縁回路基板として利用することができる。

　この製造方法では、まず、第一接合工程によりセラミックス基板１１の両面に第一アルミニウム板１２及び第二アルミニウム板２１を接合し、その後、第二接合工程により、第一アルミニウム板１２の上に第一金属部材１５を第一銅焼結層１４を介して接合している。

　この場合、第一接合工程では、ろう材４１を用いた接合であるので高温での処理となるが、セラミックス基板１１の両面に同じ種類のアルミニウム板１２，２１が接合されるので、接合後の反りは生じにくい。特に、第一アルミニウム板１２及び第二アルミニウム板２１として純度の高いアルミニウムを用いることにより反りが生じにくく、また、同じ板厚又は同じ程度の板厚とすることにより反りが一層生じにくくなる。

　そして、次の第二接合工程では、セラミックス基板１１の一方の面側（第一アルミニウム板１２側）にのみ部材１３，１４，１５が接合されることから、セラミックス基板１１を介して両側の積層構造にアンバランスが生じるものの、加熱温度が抑えられて低温の２５０℃以上３００℃以下で接合するので、反りの発生を抑えることができる。

　このように、この複層接合体（ヒートシンク付き絶縁回路基板）２０では、第一接合材３１０を用いることで、反りが抑制された良好な接合を行わせることができるので、第一金属部材１５と第一アルミニウム板１２との接合面積の拡大化をも図ることができる。

　すなわち、これらを銅ペーストを用いて接合する場合では、有機成分が接合時の加熱によってボイドの発生の原因となることがあるため、大量の銅ペーストを用いることができないことで第一金属部材１５や第一アルミニウム板１２の接合面積を大きくすることが制約される場合があった。これに対して、本実施形態ではシート状に形成された第一接合材３１０を用いており、銅ペーストに比べて、有機成分が減量されているため、第二接合工程でのボイドの発生を抑えることができる。

　この場合、第一アルミニウム板１２、第一金属部材１５の平面サイズ、つまり第一接合材３１０により接合される面（接合面）の大きさは、特に限定されないが、１００ｍｍ^２を超える大きさの第一接合材３１０を用いて接合されるようにしてもよい。特に、第一接合材３１０として、複数の銅粒子３１１をバインダーでつないで形状がシート状に形成した接合シートを用いる場合や、銅粒子３１１を部分焼結させてシート状にした状態の銅焼結シートを用いる場合、第一銅焼結層１４の第一金属部材１５と接合される面を、銅ペーストを用いた場合よりも大きくすることができる。

　１００ｍｍ^２より大きい面積の場合であっても、第一接合材３１０として銅焼結シートを用いて接合することでバインダーの揮発に伴うボイドを減少させることができる。接合面の大きさは、２００ｍｍ^２以上でもよく、５００ｍｍ^２以上でもよい。また、接合面の上限は、特に限定されないが、２０００ｍｍ^２以下でもよく、１０００ｍｍ^２以下でもよい。

　第一銅焼結層１４の積層方向の厚みは、例えば５０μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、５００μｍ以上であってもよい。特に銅粒子３１１を部分焼結させてシート状にした銅焼結シートを第一接合材３１０として用いて接合した場合、第一銅焼結層１４の積層方向の厚みを、銅ペーストを用いた場合よりも厚くすることができる。

　中間金属層形成工程において、第一アルミニウム板１２の表面に、銅，ニッケル，銀及び金のうちのいずれかを含む第一中間金属層１３を形成しておいたので、第二接合工程では、この第一中間金属層１３を介して第一アルミニウム板１２および第一銅焼結層１４を強固に接合することができる。

　さらに、第一銅焼結層１４と対向する第一アルミニウム板１２の表面及び第一金属部材１５の表面に溝部１３１を形成しておくことにより、接合の際の加熱で、第一接合材３１０の有機成分からガスが生じても、溝部１３１を通って外部へ流出するため、ボイドの発生を一層抑えることができる。これにより、接合性がより一層向上するとともに、より一層、接合面積の拡大化に貢献することができる。

［半導体装置１００の構成］
　図４に示す複層接合体２０の第一金属部材１５の表面１５ａに、パワーデバイス等の電子部品７０を搭載して、図１０に示すパワーモジュール等の半導体装置１００を製造することができる。図１０に示す半導体装置１００は、第一金属部材１５の表面１５ａに電子部品７０が接合され、その電子部品７０に銅合金からなるリードフレーム７１の先端部が接合され、絶縁樹脂７２によって封止されている。

　この場合、絶縁樹脂７２は、第二アルミニウム板２１のセラミックス基板１１とは反対側の面２１ａ及びリードフレーム７１の端部を露出した状態で全体を埋設している。なお、図示例では、複数の電子部品７０が搭載されており、電子部品７０と一部の第一金属部材１５にリードフレーム７１がそれぞれ接続され、各リードフレーム７１の端部が絶縁樹脂７２から突出した状態に露出している。符号７３は、はんだ材を示す。

［半導体装置１００の製造方法］
　この半導体装置１００を製造する方法について説明すると、図５のＥで示す複層接合体２０の製造工程の後に記載したように、第二接合工程の後に、電子部品７０等を搭載する実装工程、及び、実装工程の後に電子部品７０等を絶縁樹脂７２によって封止する樹脂封止工程と、を備える。以下、これら工程を説明する。

（実装工程）
　複層接合体２０における第一金属部材１５の表面にニッケルめっき等によって皮膜を形成し、その上に、はんだ材７３を用いて電子部品７０を接合する。はんだ材７３としては、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、Ｚｎ‐Ａｌ系、Ｓｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｃｕ系、Ｓｎ‐Ｓｂ系もしくはＰｂ‐Ｓｎ系等のはんだ材が用いられる。また、電子部品７０に、リードフレーム７１の一端部をはんだ材７３を用いて接続する。このリードフレーム７１は銅又は銅合金からなり、細幅の板状等に形成される。

　複数の電子部品７０相互を接続する場合などに、電子部品７０をワイヤボンディングによって接続してもよく、電子部品７０にリードフレーム７１を接続する場合も、はんだ材７３によって接続してもよいし、ワイヤボンディングによって接続してもよい。この場合、ボンディングワイヤは次の樹脂封止工程によって絶縁樹脂７２に埋設される。

（樹脂封止工程）
　複層接合体２０における第二アルミニウム板２１のセラミックス基板１１とは反対側の面２１ａ、及び各リードフレーム７１の電子部品７０とは反対側の端部を露出させた状態で絶縁樹脂７２により電子部品７０を含めた全体を封止する。

　具体的には、図１１に示すように、射出成形用金型８０を用い、第二アルミニウム板２１の面２１ａを金型８０の内面に接触させた状態で複層接合体２０を金型８０のキャビティ８１内に配置する。また、各リードフレーム７１の電子部品７０とは反対側の端部は、金型の隙間等の中に配置してキャビティ８１に露出しないように保持される。

　この図１１に示すように射出成形用金型８０内に配置した状態で複層接合体２０がキャビティ８１内で移動しないように固定し、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂７２をキャビティ８１内に射出する。絶縁樹脂７２が固化した後、金型８０を開放すれば、絶縁樹脂７２により封止された状態の半導体装置１００を取り出すことができる。

　このようにして製造された半導体装置１００（図１０参照）は、第二アルミニウム板２１の絶縁樹脂７２から露出している面２１ａに導電性グリース等を塗布して、冷却器等に接触させた状態に固定する、などの形態で使用に供される。

　図４に示す複層接合体２０において、中間金属層形成工程で図３に示すように第一金属部材１５と第一銅焼結層１４との間に第二中間金属層１７を形成してもよい。具体的には、図５に示す中間金属層形成工程で第一アルミニウム板１２に第一中間金属層１３を形成するとともに第一金属部材１５の表面に第二中間金属層１７を形成し、第二積層工程で、第一金属部材１５の表面の第二中間金属層１７を第一接合材３１０（図９参照）に接するようにして第一金属部材１５を載置し、第二接合工程で接合する。第一金属部材１５がアルミニウム又はアルミニウム合金を含む場合に有効である。

　図１０に示す半導体装置１００では、図４に示した複層接合体２０における第一金属部材１５の表面１５ａを電子部品搭載面とする例を示したが、第二アルミニウム板２１のセラミックス基板１１と反対側の面２１ａを電子部品搭載面とすることも可能である。

［複層接合体４０の構成］
　図１２は、図４とは逆に、第二アルミニウム板２１のセラミックス基板１１と反対側の面２１ａを電子部品搭載面とした複層接合体４０を示している。各部品の符号は図４と同じ符号を用いている（図１３以降においても同様）が、図４と対比し易いように、セラミックス基板１１の一方側の第一アルミニウム板１２等は一つの積層部として示し、第二アルミニウム板２１をＡ，Ｂの二つに分離して示している。この複層接合体４０の積層構造は図４に示す複層接合体２０と同じである。

［複層接合体４５の構成］
　図１３は、図１２に示す複層接合体４０の応用例の複層接合体４５を示す。この複層接合体４５は、セラミックス基板１１の一方の面に第一アルミニウム板１２、他方の面に第二アルミニウム板２１が接合されるとともに、これら第一アルミニウム板１２の表面に第一中間金属層１３、第二アルミニウム板２１の表面に第三中間金属層１８が形成されており、第一アルミニウム板１２の第一中間金属層１３に第一銅焼結層１４を介して第一金属部材６０が接合されている。絶縁回路基板としては、第二アルミニウム板２１が回路層に相当し、第一金属部材６０がヒートシンクに相当する。

　この図１３に示す例では、第一中間金属層１３は銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含むめっきによって形成されている。回路層として電子部品との密着性を高めるために、第二アルミニウム板２１の表面にも第三中間金属層１８が銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含むめっきによって形成されている。

　第一アルミニウム板１２は一つの積層部として示しているが、回路層を構成する第二アルミニウム板２１は、図１等と同様に、Ａ，Ｂの二つに分離して示している。また、第一金属部材６０は、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含み、平板状の金属板部６１の片面にピン状又は板状の多数のフィン６２が相互に平行に立設したフィン付きヒートシンクの形状に形成されている。

［半導体装置１１０の構成］
　次に、この複層接合体４５を用いた半導体装置１１０について説明する。

　この半導体装置１１０は、図１４に示すように、複層接合体４５の符号Ｂで示す第二アルミニウム板２１に形成した第三中間金属層１８の上にはんだ材７３を介して電子部品７０が接合されるとともに、この電子部品７０及び符号Ａで示す第二アルミニウム板２１の第三中間金属層１８にリードフレーム７１がはんだ材７３によって接合されており、第一金属部材（ヒートシンク）６０及び各リードフレーム７１の端部を露出させた状態で電子部品７０が絶縁樹脂７２によって封止されている。詳細には、第一アルミニウム板１２の表面の第一中間金属層１３と第一銅焼結層１４との界面から第一金属部材６０の全体が絶縁樹脂７２から露出している。

［半導体装置１１０の製造方法］
　この半導体装置１１０を製造する方法を図１５に示すフローチャートに沿って説明すると、まず、セラミックス基板１１の両面に第一アルミニウム板１２及び第二アルミニウム板２１をそれぞれろう材４１およびろう材４２（図６参照）を介して積層して第一積層体を形成し（第一積層工程）、その第一積層体を加圧及び加熱して接合することにより図１６に示すような第一接合体５３を形成する（第一接合工程）。

　ここまでの工程は、図４に示す複層接合体２０におけるものと同様である。なお、第一アルミニウム板１２のセラミックス基板とは反対側の面に複数の溝部１３１を形成しておくとよい。

　次いで、第一接合体５３の第一アルミニウム板１２の表面に銅、ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第一中間金属層１３をめっき等により形成する（中間金属層形成工程）。前述したように、図１６に示す例では、電子部品との接合性を向上させるため、第二アルミニウム板２１の表面にも同様に銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第三中間金属層１８の皮膜を形成する。第一中間金属層１３あるいは第三中間金属層１８を銀又は金により構成する場合は、下地層としてニッケル皮膜を形成して、その上に第一中間金属層１３あるいは第三中間金属層１８を形成するとよい。

　中間金属層形成工程の後、第二アルミニウム板２１の上にはんだ材７３を用いて電子部品７０を接合し、電子部品７０に、リードフレーム７１の一端部を接続する（実装工程）。

　次いで、図１７に示すように、第一アルミニウム板１２のセラミックス基板１１とは反対側の面における第一中間金属層１３、及び各リードフレーム７１の電子部品７０とは反対側の端部を露出させた状態で、絶縁樹脂７２により電子部品７０を含めた全体を封止する（樹脂封止工程）。

　次に、絶縁樹脂７２から露出している第一中間金属層１３に、図１７の矢印で示すように第一接合材３１０、第一金属部材６０を順次積層して第二積層体５４を形成する（第二積層工程）。この場合、第一金属部材６０は、金属板部６１の片面に複数のフィン６２を有するフィン付きヒートシンクに形成されているので、その金属板部６１のフィン６２とは反対側の表面６１ａが第一接合材３１０に接触させられる。

　この第一接合材３１０は前述したように、９０質量％以上９９質量％以下の複数の銅粒子３１１と、１質量％以上１０質量％以下の溶媒（バインダー）３１２とにより構成されており、銅粒子３１１は有機物の皮膜３１３で覆われている。

　第一金属部材６０において第一接合材３１０に接する表面（図１７の場合、金属板部６１のフィン６２とは反対側の面）６１ａに、銅，ニッケル，銀及び金のいずれか一方を含む中間金属層（第二中間金属層）を形成しておいてもよい。特に、第一金属部材６０をアルミニウム又はアルミニウム合金により形成する場合、中間金属層を形成しておくことにより、次の第二接合工程での接合を良好に行わせることができる。

　さらに、この第一金属部材６０において第一接合材３１０に接する表面６１ａに、複数の溝部（図７及び図８に示す溝部１３１）を形成しておいてもよい。

　そして、この第二積層体５４を積層方向に加圧及び加熱して第一接合材３１０の銅粒子３１１を焼結させることにより、第一金属部材６０と第一中間金属層１３とを第一銅焼結層１４を介して接合し（第二接合工程）、図１４に示す半導体装置１１０を形成する。このとき、加圧力は５ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下で、２５０℃以上３００℃以下の加熱温度に３分以上６０分以下保持するのが好適である。

　この製造方法では、実装工程及び樹脂封止工程の後に、加圧及び加熱を伴う第二接合工程を実施しているが、この第二接合工程では第一銅焼結層１４により接合がなされ、加熱温度が抑えられており、低温の２５０℃以上３００℃以下で接合するので、電子部品７０や絶縁樹脂７２等への熱影響を抑制することができる。

［複層接合体３０の構成］
　図４に示す複層接合体２０の第二アルミニウム板２１にさらに銅焼結層を介して第二金属部材を接合することも可能である。

　図１８は、そのような複層接合体３０を示しており、第二アルミニウム板２１に第三中間金属層１８、第二銅焼結層１９を介して第二金属部材６５が接合されている。第三中間金属層１８は銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む。第二銅焼結層１９は第一銅焼結層１４と同様、銅粒子３１１相互を焼結させてなるものである。

　この図１８に示される複層接合体３０の場合、第二金属部材６５は、図１３等の第一金属部材６０と同様、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含み、平板状の金属板部６１の片面に複数のフィン６２を有するフィン付きヒートシンクの形状に形成されている。

　つまり、図４に示す複層接合体２０では第二アルミニウム板２１をヒートシンクとして用いることができるが、この図１８に示す複層接合体３０では、第二アルミニウム板２１を伝熱のための金属板とし、この第二アルミニウム板２１にさらにヒートシンクとしての第二金属部材６５を接合している。

［複層接合体３０の製造方法］
　この複層接合体３０を製造する場合、図５の符号Ｅの範囲に示すように、第一積層工程及び第一接合工程を経て、セラミックス基板１１に第一アルミニウム板１２及び第二アルミニウム板２１をろう付け接合し、第一接合体５１を形成する。

　次いで、中間金属層形成工程により、第一アルミニウム板１２及び第二アルミニウム板２１のセラミックス基板１１とは反対側の各面に、第一中間金属層１３及び第三中間金属層１８をそれぞれ形成する。次いで、図１９に示すように、第一中間金属層１３の上に第一接合材３１０を介して第一金属部材１５を配置するとともに、第三中間金属層１８の上に第二接合材３２０を介して第二金属部材６５を配置（第二積層工程）して、第二積層体５５を形成する。

　第二接合材３２０は第一接合材３１０と同様、９０質量％以上９９質量％以下の複数の銅粒子３１１と、１質量％以上１０質量％以下の溶媒３１２とにより構成されている（図２参照）。

　そして、この第二積層体５５を積層方向に５ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の圧力で加圧した状態で、２５０℃以上３００℃以下の加熱温度に３分以上６０分以下保持することによって、第一接合材３１０及び第二接合材３２０の銅粒子３１１を焼結させて、第一銅焼結層１４及び第二銅焼結層１９を形成し、第一アルミニウム板１２表面の第一中間金属層１３と第一金属部材１５、及び第二アルミニウム板２１表面の第三中間金属層１８と第二金属部材６５をそれぞれ接合する（第二接合工程）。

　このように製造された複層接合体３０は、第一金属部材１５の表面１５ａを電子部品搭載面とし、第二金属部材６５をヒートシンクとしたヒートシンク付き絶縁回路基板として用いることができる。

　なお、複層接合体３０において、第二金属部材６５をアルミニウム又はアルミニウム合金を含む材料で形成する場合、図２０の複層接合体９０に示すように、第二金属部材６５の一方の面、すなわち金属板部６１の表面（第二金属部材６５と第二銅焼結層１９との間）に第四中間金属層２２を形成するとよい。

　第四中間金属層２２は銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含むものであり、第二金属部材６５と第二銅焼結層１９との接合性を高めることができる。この第二金属部材６５の第二銅焼結層１９と接合される金属板部６１の表面に溝部１３１を形成しておいてもよい。

［半導体装置１２０の構成］
　複層接合体３０は、図２１に示す半導体装置１２０とすることもできる。この半導体装置１２０は、図１０に示す半導体装置１００に対して、第二アルミニウム板２１の絶縁樹脂７２から露出する面２１ａに、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第三中間金属層１８が形成されるともに、この第三中間金属層１８に第二銅焼結層１９を介してアルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含むフィン付きヒートシンクの形状の第二金属部材６５が接合されている。

［半導体装置１２０の製造方法］
　この半導体装置１２０を製造する場合、図２２に示すように、セラミックス基板１１に第一アルミニウム板１２及び第二アルミニウム板２１をろう材４１，４２を介して積層して（第一積層工程）、加圧及び加熱することにより第一接合体を形成する（第一接合工程）。この第一接合体に対して、第一アルミニウム板１２及び第二アルミニウム板２１の少なくともセラミックス基板１１とは反対面にそれぞれ第一中間金属層１３及び第三中間金属層１８を形成し（中間金属層形成工程）、第一中間金属層１３の上に第一接合材３１０を介して第一金属部材１５を積層する（第二積層工程）。

　次いで、加圧及び加熱することにより、第一接合材３１０を焼結させて、第一中間金属層１３と第一金属部材１５とを第一銅焼結層１４により接合する（第二接合工程）。

　その後、第一金属部材１５の表面に電子部品７０及びリードフレーム７１をはんだ材７３により接合するとともに（実装工程）、第三中間金属層１８の表面及びリードフレーム７１の端部を露出させた状態で電子部品７０等を絶縁樹脂７２により封止する（樹脂封止工程）。

　ここまでの工程により、図１０に示す半導体装置１００と類似の構造体が製造される。半導体装置１００と異なる点は、絶縁樹脂７２から露出している第二アルミニウム板２１の面２１ａに第三中間金属層１８が形成されている点である。

　次いで、この第三中間金属層１８に、図２３の矢印で示すように、第二接合材３２０、第二金属部材６５を順次積層し、第三積層体５６を形成する（第三積層工程）。

　最後に、この第三積層体５６を加圧及び加熱することにより、第二接合材３２０の銅粒子を焼結させて第二銅焼結層１９を形成し、この第二銅焼結層１９により第二アルミニウム板２１表面の第三中間金属層１８と第二金属部材６５とを接合する（第三接合工程）。この第三接合工程により、図２１に示す半導体装置１２０が製造される。

　この半導体装置１２０の製造方法においても、実装工程及び樹脂封止工程の後に、加圧及び加熱を伴う第三接合工程を実施しているが、この第三接合工程では第二銅焼結層１９により接合がなされ、加熱温度が抑えられており、低温の２５０℃以上３００℃以下で接合するので、電子部品７０や絶縁樹脂７２等への熱影響を抑制することができる。

　本発明は以上の実施形態に限るものではない。

　セラミックス基板１１に接合される第一アルミニウム板１２及び第二アルミニウム板２１はアルミニウム又はアルミニウム合金を含む材料で形成され、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる構成とするのが好ましいが、第一金属部材１５，６０及び第二金属部材６５は、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む材料により構成してよい。

　第一アルミニウム板１２及び第二アルミニウム板２１は、銅焼結層１４，１９との接合性を向上させるために、表面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む中間金属層１３，１８が形成される。第一金属部材１５，６０及び第二金属部材６５もアルミニウム又はアルミニウム合金を含む材料で形成される場合は、銅焼結層１４，１９との接合面に銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む中間金属層（第二中間金属層１７）を形成するとよい。

　なお、第一金属部材１５，６０及び第二金属部材６５を銅又は銅合金を含む材料で形成する場合も、銅焼結層との接合面に銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む中間金属層を形成してもよい。

　さらに、銅焼結層と接合される第一アルミニウム板１２及び第二アルミニウム板２１の表面、及び第一金属部材１５，６０及び第二金属部材６５の表面に、それぞれ溝部１３１を形成しておくとよい。この場合、接合の際の加熱で、接合材３１０，３２０の有機成分からガスが生じても、溝部１３１を通って外部へ流出するため、ボイドの発生を一層抑えることができる。

　本発明の効果を確認すべく実験を行った。

（１）第一接合体の製造
　先ず、セラミックス基板の両面にアルミニウム板をそれぞれろう材を介して積層し、積層方向に加圧した状態で加熱することにより、セラミックス基板１１の一方の面に第一アルミニウム板１２、他方の面に第二アルミニウム板２１を形成して、第一接合体を製造した。

（１―１）第一接合体の材料
　セラミックス基板　：　Ｓｉ_３Ｎ_４（厚さ０．３２ｍｍ）
　第一アルミニウム板及び第二アルミニウム板　　：　４Ｎアルミニウム（厚さ０．６ｍｍ，縦３０ｍｍ、横４０ｍｍ）
　ろう材　：　Ａｌ－７．５ｍａｓｓ％Ｓｉ合金からなるろう材箔（厚さ０．０２ｍｍ）

（１－２）第一接合体の製造条件
　接合加圧力　：　０．２ＭＰａ
　加熱温度　：　６５０℃
　保持時間　：　３０分
　接合雰囲気：　真空

（２）第二接合体の製造
　次に、第一アルミニウム板１２のセラミックス基板１１とは反対側の表面に、めっき処理によって銅，ニッケル，銀及び金のいずれか（実施例１～９）のめっき皮膜からなる第一中間金属層１３を形成し、第一中間金属層１３に第一接合材３１０を介して第一金属部材１５を積層した状態で加熱して第一銅焼結層１４を形成することにより第一金属部材１５を接合して、第二接合体（試料）を製造した。

　比較例１は第一中間金属層１３を形成せず、比較例２は第一中間金属層１３としてクロムめっき（Ｃｒめっき）皮膜を形成したが、それ以外は実施例１～９と同様に第二接合体（試料）を製造した。

　第一金属部材１５はアルミニウム板又は銅板により矩形状に形成されており、縦３０ｍｍ、横４０ｍｍである。各実施例の第一中間金属層（めっき膜）は表１に記載した通りである。第一中間金属層１３をクロム、金又は銀により構成する場合は、第一アルミニウム板１２表面に下地層としてニッケルめっき皮膜を形成しておいた。

（２－１）溝部
　試料としての第二接合体のうち実施例８では、溝部１３１が第一アルミニウム板１２の第一中間金属層１３形成面に形成されている。この溝部１３１は、図７に示す溝部１３１のピッチ（最深部の間隔）ａが１．５［ｍｍ］、溝部１３１の深さｂが０．３［ｍｍ］、溝部１３１の幅ｃが０．５［ｍｍ］，溝部１３１間に設けられる平坦部１３２の幅ｄが１．０［ｍｍ］である。第一銅焼結層１４に接合される面に、一方の縁から他方の縁まで延びて２０本の溝部１３１が形成されている。

（２－２）第一金属部材１５の第一銅焼結層１４との接合面について
　第一金属部材１５は、アルミニウム合金（ＪＩＳ６０６３系）又は銅合金（ＪＩＳ１０２０系）で構成されており、第一銅焼結層１４と接合される面に、第二中間金属層１７として、表面処理によってニッケルめっき皮膜を設けたもの（実施例２～４，比較例２）と、めっき皮膜（第二中間金属層）を設けていないもの（実施例１，５～９，比較例１）とを用意した。各実施例の第一金属部材１５の材質および第二中間金属層は表１に記載した通りである。

（２－３）第一接合材について
　第一接合材は、銅粒子で構成されたＣｕ焼結材であり、加熱で銅粒子が焼結することで第一中間金属層１３と第一金属部材１５（又はその表面の第二中間金属層１７）とを接合する。実施例１～７，９では銅粒子３１１が溶媒３１２によってつながってシート状に形成された接合材を用い、実施例８、比較例１，２ではペースト状接合材を用いた。

（２－４）第二接合体の製造条件
　加圧力　　：　５ＭＰａ
　加熱温度　　：　３００℃
　保持時間　　：　１５分
　接合雰囲気　：　真空
　シート状の接合材　：　厚さ３００μｍ、縦と横の寸法はアルミニウム板と同じ

（２－５）樹脂封止について
　実施例９については、第二接合工程の前に、第一接合体の第二アルミニウム板のセラミックス基板とは反対側の表面を露出させた状態で絶縁樹脂により封止した。

（３）接合率評価
（３－１）評価方法
　第二接合体における第一アルミニウムと第一金属部材との接合界面を超音波探傷装置で観察し、接合界面の超音波画像を画像処理して、評価した。

　評価方法として、以下の式（１）から接合率を算出した。
接合率（％）＝［｛（接合面積）－（剥離面積）｝／（接合面積）］×１００

　超音波探傷の像（二値化した画像）では、接合されている箇所が黒色に対して、剥離している箇所（未接合の箇所）が白色で示されることから、この白色箇所の総面積を剥離面積とした。

　接合率が９０％以上ものを合格とし、その内、９７％以上のものを『Ａ』、９０％以上９７％未満を『Ｂ』とした。また、接合率が０％以上９０％未満を不合格（ＮＧ）とし、「Ｃ」と表記した。

　これらの結果を表１に示す。

　表１では、第一中間金属層について、銅めっき皮膜を「Ｃｕめっき膜」、ニッケルめっき皮膜を「Ｎｉめっき膜」、金めっき皮膜を「Ａｕめっき膜」、銀めっき皮膜を「Ａｇめっき膜」、クロムめっき皮膜を「Ｃｒめっき」、第一中間金属層を形成していないものを「めっき無し」と示し、接合材の形態として、シート状の接合材を「シート」と示し、ペースト状接合材を「ペースト」と示している。

（３－２）評価
　表１に示すように、実施例１～実施例９の第二接合体では、何れも接合状態が良好であり、接合界面における未接合部が存在しない又は少ないものであり、剥離し難いことが確認できた。

　実施例１～７及び９では、シート状の接合材の銅粒子３１１が焼結して銅焼結層を構成していて、この銅焼結層は第一アルミニウム板と第一金属部材との間でボイド発生が抑えられており、第一アルミニウム板と第一金属部材とを良好な接合状態で接合している。また、実施例８では、銅ペーストを用いているものの第一アルミニウム板に溝部が形成されているため、何れも接合状態が良好であった。

　絶縁樹脂により封止した後に第二接合工程を実施した実施例９については、目視により外観検査した結果、絶縁樹脂への熱影響（変色、変形等）は確認されなかった。

　これに対して、比較例１，２の第二接合体では、何れも接合率が９０％未満であり、界面の未接合及び剥離を確認した。

　絶縁回路基板にヒートシンクを接合する場合など、第一金属部材を銅焼結層によって低温で接合することができるので、反りを抑制して接合性を向上させることができる。

１０，１６，２０，３０，４０，４５，９０　複層接合体
１１　セラミックス基板
１２　第一アルミニウム板
１３　第一中間金属層
１４　第一銅焼結層
１５，６０　第一金属部材
１７　第二中間金属層
１８　第三中間金属層
２１　第二アルミニウム板
４１，４２　ろう材
５０　第一積層体
５１，５３　第一接合体
５２，５４、５５　第二積層体
５６　第三積層体
６５　第二金属部材
７０　電子部品
７１　リードフレーム
７２　絶縁樹脂
７３　はんだ材
８０　射出成形用金型
８１　キャビティ
１００，１１０，１２０　半導体装置
１３１　溝部
１３２　　　　平坦部
３１０　第一接合材
３２０　第二接合材

 

Claims (17)

1. 　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された、アルミニウム又はアルミニウム合金を含む第一アルミニウム板と、
   　前記第一アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合され、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第一中間金属層と、
   　前記第一中間金属層の前記第一アルミニウム板とは反対側の面に接合された第一銅焼結層と、
   　前記第一銅焼結層の前記第一中間金属層とは反対側の面に接合され、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第一金属部材と、を備えることを特徴とする、複層接合体。
2. 　前記第一金属部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金を含み、
   　前記第一金属部材と前記第一銅焼結層との間に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第二中間金属層が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の複層接合体。
3. 　前記セラミックス基板の他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる第二アルミニウム板が接合されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の複層接合体。
4. 　前記第二アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に接合され、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第三中間金属層と、
   　前記第三中間金属層の前記第二アルミニウム板とは反対側の面に接合された第二銅焼結層と、
   　前記第二銅焼結層の前記第二アルミニウム板とは反対側の面に接合され、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第二金属部材と、をさらに備えることを特徴とする、請求項３に記載の複層接合体。
5. 　前記第二金属部材が、アルミニウム又はアルミニウム合金を含み、
   　前記第二金属部材と前記第二銅焼結層との間に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第四中間金属層が形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の複層接合体。
6. 　請求項３に記載の複層接合体を用いた半導体装置であって、
   　前記第一金属部材における前記第一銅焼結層とは反対側の表面に搭載された電子部品と、
   　前記電子部品に接続されたリードフレームと、
   　前記リードフレームの先端部及び前記第二アルミニウム板の少なくとも前記セラミックス基板とは反対側の面を露出させた状態で前記電子部品を封止する絶縁樹脂と、
   を備えることを特徴とする、半導体装置。
7. 　請求項３に記載の複層接合体を用いた半導体装置であって、
   　前記第二アルミニウム板における前記セラミックス基板とは反対側の表面に搭載された電子部品と、
   　前記電子部品に接続されたリードフレームと、
   　前記リードフレームの先端部及び少なくとも前記第一銅焼結層との接合面を除く前記第一金属部材の表面を露出させた状態で前記電子部品を封止する絶縁樹脂と、
   を備えることを特徴とする、半導体装置。
8. 　請求項４に記載の複層接合体を用いた半導体装置であって、
   　前記第一金属部材における前記第一銅焼結層とは反対側の表面に搭載された電子部品と、
   　前記電子部品に接続されたリードフレームと、
   　前記リードフレームの先端部及び少なくとも前記第二銅焼結層との接合面を除く前記第二金属部材の表面を露出させた状態で前記電子部品を封止する絶縁樹脂と、
   を備えることを特徴とする、半導体装置。
9. 　セラミックス基板の一方の面にろう材とアルミニウム又はアルミニウム合金を含む第一アルミニウム板とを積層して第一積層体を形成する第一積層工程と、
   　前記第一積層体を積層状態で加圧及び加熱することにより接合して第一接合体を形成する第一接合工程と、
   　前記第一接合体における前記第一アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第一中間金属層を形成する中間金属層形成工程と、
   　前記第一中間金属層の上に、複数の銅粒子をバインダーでつないでシート状に形成された第一接合材と、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第一金属部材とを順次積層して第二積層体を形成する第二積層工程と、
   　前記第二積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記第一接合材を焼結させて第一銅焼結層を形成し、該第一銅焼結層により前記第一中間金属層と前記第一金属部材とを接合する第二接合工程と、を備えることを特徴とする、複層接合体の製造方法。
10. 　前記第一金属部材がアルミニウム又はアルミニウム合金を含み、
    　前記中間金属層形成工程では、さらに、前記第一金属部材の一方の面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第二中間金属層を形成し、
    　前記第二接合工程では、前記第二中間金属層が前記第一銅焼結層に接合されることを特徴とする、請求項９に記載の複層接合体の製造方法。
11. 　前記第一積層工程の前に、前記第一アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に、複数の溝部を形成しておくことを特徴とする、請求項９に記載の複層接合体の製造方法。
12. 　前記第一積層工程では、さらにろう材とアルミニウム又はアルミニウム合金を含む第二アルミニウム板とを前記セラミックス基板の他方の面に積層して前記第一積層体を形成し、
    　前記第一接合工程では、前記第二アルミニウム板を含む前記第一積層体を加圧及び加熱することにより前記セラミックス基板の一方の面に前記第一アルミニウム板、他方の面に前記第二アルミニウム板を接合して前記第一接合体を形成することを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一項に記載の複層接合体の製造方法。
13. 　前記中間金属層形成工程では、さらに、前記第一接合体における前記第二アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第三中間金属層を形成し、
    　前記第二積層工程では、前記第三中間金属層の上に、さらに、複数の銅粒子をバインダーでつないでシート状に形成された第二接合材と、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第二金属部材とを順次積層して前記第二積層体を形成し、
    　前記第二接合工程では、さらに前記第二接合材を焼結させて第二銅焼結層を形成し、該第二銅焼結層により前記第三中間金属層と前記第二金属部材とを接合することを特徴とする、請求項１２に記載の複層接合体の製造方法。
14. 　前記第二金属部材がアルミニウム又はアルミニウム合金を含み、
    　前記中間金属層形成工程では、さらに、前記第二金属部材の一方の面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第四中間金属層を形成し、
    　前記第二接合工程では、前記第四中間金属層が前記第二銅焼結層に接合されることを特徴とする、請求項１３に記載の複層接合体の製造方法。
15. 　請求項１２に記載の複層接合体の製造方法を用いて半導体装置を製造する方法であって、
    　前記第二接合工程の後に、
    　前記第一金属部材に電子部品を搭載するとともに、該電子部品にリードフレームを接続する実装工程と、
    　前記リードフレームの先端部及び少なくとも前記第二アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面を絶縁樹脂から露出させた状態で前記電子部品を前記絶縁樹脂で封止する樹脂封止工程と、をさらに備えることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
16. 　請求項１２に記載の複層接合体の製造方法を用いて半導体装置を製造する方法であって、
    　前記中間金属層形成工程と前記第二積層工程との間に、
    　前記第二アルミニウム板に電子部品を搭載するとともに、該電子部品にリードフレームを接続する実装工程と、
    　前記リードフレームの先端部及び少なくとも前記第一中間金属層の表面を絶縁樹脂から露出させた状態で前記電子部品を前記絶縁樹脂で封止する樹脂封止工程と、をさらに備えることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
17. 　請求項１２に記載の複層接合体の製造方法を用いて半導体装置を製造する方法であって、
    　前記中間金属層形成工程では、さらに、前記第一接合体における前記第二アルミニウム板の前記セラミックス基板とは反対側の面に、銅，ニッケル，銀及び金のいずれかを含む第三中間金属層を形成し、
    　前記第二接合工程の後に、
    　前記第一金属部材に電子部品を搭載するとともに、該電子部品にリードフレームを接続する実装工程と、
    　前記リードフレームの先端部及び少なくとも前記第三中間金属層の表面を絶縁樹脂から露出させた状態で前記電子部品を絶縁樹脂により封止する樹脂封止工程と、
    　前記第三中間金属層の上に、さらに、複数の銅粒子をバインダーでつないでシート状に形成された第二接合材と、アルミニウム，アルミニウム合金，銅及び銅合金のいずれかを含む第二金属部材とを順次積層して、第三積層体を形成する第三積層工程と、
    　前記第三積層体を積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記第二接合材を焼結させて第二銅焼結層を形成し、該第二銅焼結層により前記第三中間金属層と前記第二金属部材とを接合する第三接合工程と、
    をさらに備えることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
    
     

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