JP5877276B2

JP5877276B2 - 接合構造および電子部材接合構造体

Info

Publication number: JP5877276B2
Application number: JP2015512823A
Authority: JP
Inventors: 直之児島; 和人日笠; 佐藤　俊一郎; 俊一郎佐藤; 藤原　英道; 英道藤原; 雅人渡邉
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2034-10-03
Also published as: JPWO2015053193A1; KR101887290B1; KR20160067119A; EP3057123A4; EP3057123A1; WO2015053193A1; EP3057123B1

Description

本発明は、金属を含有する部材に金属多孔質体を接合させた接合構造および電子部材接合構造体に関し、特に、金属を含有する部材が、回路基板、金属層等をもつセラミックス基板等の基板またはリードフレームなどである場合の接合構造に関する。

電力の制御や供給等を行う半導体素子（いわゆるパワー半導体素子）と回路基板、セラミックス基板等の基板またはリードフレームなどの配線体との接続では、一般に半田が使用されている。このような半田としては、半田の粉末にフラックスを加えて適当な粘度にしたクリーム半田が主に用いられている。しかしながら、フラックスを用いると、半導体素子表面を汚染する可能性があり、洗浄工程が必要になるという問題があった。また、近年、環境上の配慮から、鉛を含まない鉛フリー半田材料を用いることが要求されている。パワー半導体素子の発熱に対応可能な鉛フリー半田材料としてＡｕ−Ｓｎ系半田があるが、高価であるため、実用的ではない。Ａｕ−Ｓｎ系半田より安価な半田材料としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田があるが、熱履歴による金属間化合物の成長が信頼性の低下につながるという問題があった。

一方、半田を用いない接合部材として、熱硬化性樹脂に導電性を持つ微細な金属粒子を混ぜ合わせたものを膜状に成形した異方性導電フィルム（Anisotropic Conductive Film：ＡＣＦ）がある。しかしながら、ＡＣＦは、高熱による熱硬化性樹脂の劣化が懸念されるため、発熱量の大きいパワー半導体素子の接続には適さない。

そこで、半田を用いない他の接合部材として、Ａｇの粒子を樹脂に分散させたＡｇペーストを用いることが提案されている。パワー半導体素子の接合部材としてＡｇペーストを適用する場合、高熱伝導性と高導電性が要求されるため、ペースト中のＡｇの含有量を高くする必要がある。ところが、Ａｇの含有量が高くなると、弾性変形しやすい樹脂の比率が小さくなるため、硬化処理後の接合層の剛性が増して接合層の歪吸収能力が低くなる。この接合層に歪吸収能力を超える歪が加わると、半導体素子の電極あるいはダイパッドとＡｇ粒子との接触界面や接続材料内で欠陥が生じ、剥離が生じる問題があった。

また、半導体素子の電極や基板の電極がＮｉを含有する場合、接合部材としてＡｇペーストを用いると、接合強度（密着性）が低く、取扱い時の外力で界面が破断したり、必要な長期信頼性が得られないという問題があるため、半導体素子の電極や基板の電極に貴金属めっきを施す必要がある。ところが、このように貴金属めっきを施して接合した場合、部材間の熱膨張差による半導体チップへの熱応力が増大するため、耐久性が低下するという問題があった。

そこで、近時、有機物で表面が被覆された平均粒径１００ｎｍ以下の金属粒子を被接合材間に供給し、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１）。

また、被接合材の接合界面に酸素を含む酸化物層を形成し、この接合界面に、平均粒径が１ｎｍ以上５０μｍ以下の金属化合物粒子と有機物からなる還元剤とを含む接合材を配置し、被接合材間を加熱、加圧することにより被接合材を接合することが提案されている（例えば、特許文献２）。この構成では、金属化合物粒子単体を加熱分解するよりも低温で金属化合物粒子が還元され、その際に平均粒径が１００ｎｍ以下の金属粒子が作製されるとされている。また、接合前にあらかじめ接合面に酸化物層を生成させた後に、その層に酸化処理を施して自然酸化膜厚以上の厚さの酸化層を生成させておくことで、接合時に接合材中の有機物の排出を効率的に行うことができ、これにより接合面のせん断強度を上げることが可能となるとされている。

また、同じ金属イオン及び／又は金属原子間の置換拡散によって形成される、導電性を有する接続が形成可能であるように、２つの金属表面を処理した後に２つの金属表面同士を接続することが提案されている（例えば、特許文献３）。

特開２００４−１０７７２８号公報特開２００８−２０８４４２号公報特表２０１３−５２４４９４号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載の構成では、金属微粒子による接合において、金属微粒子間の接合に比べて、金属微粒子のペースト接続部と金属部材の銅との間に結晶粒径の大きな差があり、その界面に歪集中が起こり（降伏歪の差）、繰り返し歪付加時のクラック発生点が形成されやすいという問題があった。また、特許文献３の構成では、２つの金属表面の界面近傍における結晶粒径については何ら開示されていない。

本発明の目的は、金属を含有する部材と金属多孔質体との接合部でのクラック発生を防止して、信頼性の高い接合を実現することができる接合構造および電子部材接合構造体を提供することにある。

以上のような目的を達成するため、本発明に係る接合構造は、金属を含有する部材と、前記金属を含有する部材上に接合部材として形成された金属多孔質体とを有する接合構造であって、前記金属を含有する部材は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された第１外部金属層と、前記第１外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された第１内部金属層とを有し、前記第１外部金属層の平均結晶粒径ｄｓが、前記第１内部金属層の平均結晶粒径ｄｉよりも小さく、前記金属多孔質体の平均結晶粒径ｄｐが、前記第１外部金属層の平均結晶粒径ｄｓよりも小さい又は同じであることを特徴とすることを特徴とする。

また、前記平均結晶粒径ｄｓと前記平均結晶粒径ｄｐが１≦ｄｓ／ｄｐ＜１００を満たすことが好ましい。

また、前記平均結晶粒径ｄｓが０．２μｍ以上１０μｍ未満であることが好ましい。

また、前記平均結晶粒径ｄｉが１０μｍ以上１００μｍ未満であることが好ましい。

また、前記平均結晶粒径ｄｐが０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

また、前記金属を含有する部材及び前記金属多孔質体を構成する金属材料がＣｕ若しくはＣｕ合金又はＡｇ若しくはＡｇ合金であることが好ましい。

前記金属多孔質体上に、さらに、金属板を備えることが好ましい。

前記金属板は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された第２外部金属層と、前記第２外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された第２内部金属層とを有し、前記第２外部金属層における平均結晶粒径ｄｓ’が、前記第２内部金属層における平均結晶粒径ｄｉ’よりも小さいことが好ましい。

前記金属を含有する部材がリードフレーム用基材であることが好ましい。

本発明に係る電子部材接続構造体は、金属を含有する部材と、前記金属を含有する部材上に接合部材として形成された金属多孔質体と、前記金属多孔質体上に配置された電子部材とを有する電子部材接続構造体であって、前記金属を含有する部材は、セラミックス体と、前記セラミックス体上に形成された金属層とを有し、前記金属層は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された外部金属層と、前記外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された内部金属層とを有し、前記外部金属層の平均結晶粒径ｄｓが、前記内部金属層の平均結晶粒径ｄｉよりも小さく、前記金属多孔質体の平均結晶粒径ｄｐが、前記外部金属層の平均結晶粒径ｄｓよりも小さい又は同じであることを特徴とする。

前記金属多孔質体と前記電子部材との間に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ，Ｐｔのいずれか１種又は２種以上からなる電極層を有することが好ましい。

本発明の接合構造によれば、積層体の厚み方向に関して連続的に降伏歪みが変化するため、歪み集中が抑制され、繰り返し歪みが付加される際にクラック発生点が形成され難い。また、金属を含有する部材の内部金属層の結晶粒径が大きいため、全体としての歪み緩和効果が大きい。したがって、金属を含有する部材と金属多孔質体との接合部でのクラック発生を防止して、信頼性の高い接合を実現することが可能となる。

本発明の実施形態に係る接合構造を概略的に示す断面図である。本発明の実施形態に係る接合構造を説明するための金属多孔質体と金属を含有する部材の界面部分の拡大断面模式図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態に係る接合構造を形成するための方法を示す図である。（ａ）および（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る接合構造の断面図である。結晶粒径の算出方法を説明するための図である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

［本実施形態］
図１は、本実施形態に係る接合構造を概略的に示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の接合構造は、金属を含有する部材１と、金属を含有する部材１の一方の主面上に形成された金属多孔質体２とを有する。金属多孔質体２上には、半導体チップ１０が配置されている。

金属を含有する部材１は、例えば、回路基板、リードフレーム等を有する基板やコネクタ材等が挙げられる。金属を含有する部材を構成する金属材料は、Ｃｕ若しくはＣｕ合金又はＡｇ若しくはＡｇ合金であることが好ましい。また、回路基板としては、銅板をセラミックス基板と接合させたＤＢＣ（Direct Bonding Copper）基板やＡＭＣ（Active-metal brazed copper）基板を用いることができる。なお、ＤＢＣ基板のセラミックスにはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を、ＡＭＣ基板のセラミックスには窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）や窒化アルミ（ＡｌＮ）などを用いることができる。

金属多孔質体２は、金属微粒子と有機分散媒とを含む金属微粒子分散液を焼結させることにより形成される。金属微粒子は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｓｂ及びＰｄからなる金属元素群から選ばれる１種の金属からなる微粒子、当該金属元素群から選ばれる２種以上の金属を混合した微粒子、当該金属元素群から選ばれる２種以上の元素の合金からなる微粒子、当該金属元素群から選ばれる１種の微粒子又は当該金属元素群から選ばれる２種以上を混合した微粒子と当該金属元素群から選ばれる２種以上の元素の合金からなる微粒子とを混合した微粒子であることが好ましい。また、金属微粒子は、前記金属の酸化物からなる微粒子、前記合金の酸化物からなる微粒子であってもよく、酸化は微粒子の一部であってもよい。

金属微粒子の平均粒径（一次粒子の平均粒子径）は、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。ここで、一次粒子の平均粒子径とは、二次粒子を構成する個々の金属微粒子である一次粒子の直径の平均を意味する。一次粒子径は、電子顕微鏡を用いて測定することができる。また、平均粒子径とは、一次粒子の数平均粒子径を意味する。金属微粒子の平均粒径が５ｎｍ以上であることにより、焼成後に均質な粒径と空孔を有する金属多孔質体を得ることができる。

有機分散媒としては、多価アルコールが好ましく、より好ましくは分子中に２以上のヒドロキシル基を有する１種又は２種以上のポリオールである。具体的には、エチレングリコール、ジエチレングリコール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、２−ブテン−１，４−ジオール、１，２，６−ヘキサントリオール、グリセリン、及び２−メチル−２，４−ペンタンジオールから選択された１種又は２種以上を挙げることができる。

金属微粒子分散液には、分散補助物質や溶剤を適宜含有させることができる。分散補助物質としては、公知のものを適宜使用することができるが、金属微粒子の分散性、焼結性の向上等を考慮すると、アミド基を有する化合物、アミン化合物等を用いることが好ましい。

図２は、本実施形態に係る接合構造を説明するための拡大断面模式図である。図２に示すように、金属を含有する部材１は、一方の主面１ａを含み、金属多孔質体２側に形成された外部金属層１ｂと、外部金属層１ｂよりも厚み方向において金属多孔質体２から離れた位置（他方の主面を含む）に形成された内部金属層１ｃとを有する。図２では、説明の便宜上、外部金属層１ｂと内部金属層１ｃの境界を破線で示しているが、実際には、境界にはある程度の凸凹が形成されている。外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓは、内部金属層１ｃの平均結晶粒径ｄｉよりも小さく、また、金属多孔質体２の平均結晶粒径ｄｐは、外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓよりも小さい又は同じである（ｄｐ≦ｄｓ＜ｄｉ）。平均結晶粒径ｄｓと平均結晶粒径ｄｐが、下記式
１≦ｄｓ／ｄｐ＜１００
を満たすことが好ましい。外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓが内部金属層１ｃの平均結晶粒径ｄｉよりも小さく、金属多孔質体２の平均結晶粒径ｄｐが外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓよりも小さい又は同じであることにより、連続的に降伏歪が変化するため歪集中が抑制され、繰り返し歪付加時のクラック発生点が形成し難い。また、内部金属層１ｃの平均結晶粒径ｄｉが大きいため、全体としての歪み緩和効果が大きい。また、ｄｓ／ｄｐ＜１００であることにより、金属多孔質体２の平均結晶粒径ｄｐが外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓより小さくなりすぎず連続的に降伏歪が変化しやすいため、歪集中が抑制され、繰り返し歪を付加した際にクラック発生点が形成され難い。

外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓは０．２μｍ以上１０μｍ未満であることが好ましい。平均結晶粒径ｄｓが０．２μｍ未満であると、降伏歪が大きくなるため、金属多孔質体２と外部金属層１ｂの界面（主面１ａ）に応力が集中しクラックが発生しやすくなる。一方、平均結晶粒径ｄｓが１０μｍ以上であると、金属多孔質体２の平均結晶粒径ｄｐに比べ、外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓが大きすぎるために、金属多孔質体２と外部金属層１ｂの界面において連続的な降伏歪とならず、繰り返し歪が付加された時のクラックが発生しやすくなる。なお、外部金属層１ｂの厚さは、特に限定はされないが、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。

内部金属層１ｃの平均結晶粒径ｄｉは１０μｍ以上１００μｍ未満であることが好ましい。平均結晶粒径ｄｉが１０μｍ未満であると、金属多孔質体２と金属を含有する部材１の全体における歪緩和効果が小さくなる。一方、平均結晶粒径ｄｉが１００μｍ以上であると、外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓに比べ内部金属層１ｃの平均結晶粒径ｄｉが大きすぎることになり、金属を含有する部材１において連続的な降伏歪とならず、繰り返し歪が付加された時にクラックが発生しやすくなる。

金属多孔質体２の平均結晶粒径ｄｐは０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。平均結晶粒径ｄｐが０．１μｍ未満であると、金属多孔質体２の焼結が不十分であり、金属粒子間の密着が弱くなりやすい。一方、平均結晶粒径ｄｐが１μｍを超えると、金属微粒子の金属拡散が進んでいるため金属多孔質体２中の微細空孔が減少し、金属多孔質体２全体の剛性が上がるため、被接続体である電子部材（例えば、半導体チップ）への応力負荷が増大してしまう。なお、金属多孔質体２を構成する金属材料がＡｇ又はＡｇ合金である場合には、金属多孔質体２の平均結晶粒径ｄｐは１μｍを超えてもよい。

次に、金属を含有する部材１と半導体チップ１０とを、金属多孔質体２を介して接合させる方法について説明する。

まず、金属を含有する部材１の主面１ａに外部金属層１ｂを形成する処理を行う。外部金属層１ｂの形成は、金属を含有する部材１の表面に、原子空孔および／または転位を生じさせるもので、ブラストやバフによる研磨等、機械的加工によることが好ましい。ブラストによる研磨の場合、研磨材としては、ガラスビーズ、アルミナビーズ、ジルコニアビーズが挙げられる。研磨材の形状は、特に限定されないが、例えば球形、多角形である。

外部金属層１ｂの厚さは、特に限定はされないが、０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。また、外部金属層１ｂの表面粗さＲａは、特に限定はされないが、０．１μｍ以上２．０μｍ以下であることが好ましい。

また、金属を含有する部材１の主面１ａに外部金属層１ｂを形成する処理の前に熱処理を行ってもよい。熱処理を行うことで、金属を含有する部材１の再結晶化が促進され、結晶粒径を成長させることができる。再結晶化の点から、熱処理条件は３００〜４００℃程度、１時間以内が好ましい。

次に、金属を含有する部材１に金属微粒子分散液を塗布し、１００℃〜１５０℃で５分〜２０分加熱することで予備乾燥を行う。金属微粒子が載置された金属を含有する部材の上に、半導体チップ１０を配置する。そして、金属を含有する部材１、金属多孔質体２、半導体チップ１０がこの順に載置されてなる積層体を図３に示すような焼結装置にセットする。

図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る接合構造を形成するための方法を示す図である。図３（ａ）に示すように、焼結装置２０の下熱盤２１にレイアップ用のプレス板２２を載置し、その上に積層体２３を載置する。プレス板２２は、テフロン（登録商標）、ポリイミド、４２アロイ等からなる板である。なお、レイアップ用のプレス板は、積層体２３の上下に載置されてもよい。

次に、チャンバー２４を閉じて、チャンバー２４内を不活性雰囲気とする（図３（ｂ））。不活性雰囲気とは、窒素などの不活性ガスを充填した雰囲気、又は真空雰囲気のことである。チャンバー２４内を不活性雰囲気とすることで、金属微粒子表面の酸化層を取り除き、金属微粒子の焼結性を向上させることが可能になる。

そして、図３（ｃ）に示すように、加圧シリンダー２５により加圧した状態で、積層体２３を下熱盤２１と上熱盤２６とで挟持して、加熱・焼成する。焼結温度は１５０℃以上４００℃以下であることが好ましい。また、焼結時の圧力は５ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であることが好ましく、焼結時間は０分超２０分未満であることが好ましい。焼結時間は、短ければ短いほど、金属を含有する部材１における外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓを、内部金属層１ｃの平均結晶粒径ｄｉよりも小さく、かつ、金属多孔質体の平均結晶粒径ｄｐと同じか大きくすることができることから、１５分以下であることがより好ましい。本焼成により、積層体２３中の金属微粒子が焼結され、金属を含有する部材１と半導体チップ１０との間に金属多孔質体２が形成される。

また、金属微粒子を焼結した後、さらに加熱処理を行ってもよい。加熱処理を行うことで、拡散接合が促進される。十分な拡散接合が得られる点から、熱処理条件は３００〜５００℃程度、３０分〜１時間程度が好ましい。結晶粒径は、再結晶化が促進されることにより成長する。

上述したように、本実施形態の接合構造によれば、金属を含有する部材１における外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓは、内部金属層１ｃの平均結晶粒径ｄｉよりも小さく、金属多孔質体２の平均結晶粒径ｄｐは、外部金属層１ｂの平均結晶粒径ｄｓよりも小さい又は同じである。これにより、接合の厚み方向に関して連続的に降伏歪みが変化するため、歪み集中が抑制され、繰り返し歪みが付加される際にクラック発生点が形成され難くなる。また、金属を含有する部材１の内部金属層の結晶粒径が大きいため、全体としての歪み緩和効果が大きい。特に、金属を含有する部材１と金属多孔質体２との界面に沿って横方向に形成されるクラックの進行を防止することが可能となる。

［他の実施形態］
本実施形態では、金属を含有する部材１の一方の主面１ａ上に金属多孔質体２が形成されているが、金属を含有する部材１の両方の主面上に金属多孔質体が形成されてもよい。

例えば、図４（ａ）に示す接合構造は、金属を含有する部材１と、金属を含有する部材１の一方の主面上に形成された金属多孔質体２と、金属多孔質体２上に形成された半導体チップ１０と、金属を含有する部材１の他方の主面上に形成された金属多孔質体３とを有する。金属を含有する部材１は、金属多孔質体２側の主面を含む第１外部金属層と、更に、金属多孔質体３側の主面を含む第２外部金属層とを有する。そして、これら第１外部金属層と第２外部金属層の間に形成された第１内部金属層とを有する。金属を含有する部材１の第１外部金属層の平均結晶粒径ｄｓ_１２は、金属を含有する部材１の第１内部金属層の平均結晶粒径ｄｉ_１よりも小さく、金属多孔質体２の平均結晶粒径ｄｐ_２は、金属を含有する部材１の第１外部金属層の平均結晶粒径ｄｓ_１２よりも小さい又は同じである（ｄｐ_２≦ｄｓ_１２＜ｄｉ_１）。また、金属を含有する部材１の第２外部金属層の平均結晶粒径ｄｓ_１３は、金属を含有する部材１の第１内部金属層の平均結晶粒径ｄｉ_１よりも小さい（ｄｓ_１３＜ｄｉ_１）。この場合、金属を含有する部材１の両方の主面にブラストなどの機械的加工が施される。図４（ａ）の構成によれば、金属を含有する部材１の両面に形成された接合部でのクラック発生を抑制することが可能となる。

また、図４（ｂ）に示す接合構造は、厚銅板（金属を含有する部材）４と、厚銅板４の一方の主面上に形成された金属多孔質体５と、金属多孔質体５上に形成された半導体チップ１０を有し、さらに厚銅板４の他方の主面には、金属多孔質体６、銅板７、セラミックス板８および銅板９がこの順に積層されている。厚銅板４は、金属多孔質体５側の主面を含む第１外部金属層と、更に、金属多孔質体６側の主面を含む第２外部金属層とを有する。そして、これら第１外部金属層と第２外部金属層の間に形成された第１内部金属層とを有する。厚銅板４の第１外部金属層の平均結晶粒径ｄｓ_４５は、厚銅板４の第１内部金属層の平均結晶粒径ｄｉ_４よりも小さく、金属多孔質体５の平均結晶粒径ｄｐ_５は、第１外部金属層の平均結晶粒径ｄｓ_４５よりも小さい又は同じである（ｄｐ_５≦ｄｓ_４５＜ｄｉ_４）。また、厚銅板４の第２外部金属層の平均結晶粒径ｄｓ_４６は、厚銅板４の第１内部金属層の平均結晶粒径ｄｉ_４よりも小さく、金属多孔質体６の平均結晶粒径ｄｐ_６は、厚銅板４の第２外部金属層の平均結晶粒径ｄｓ_４６よりも小さい又は同じである（ｄｐ_６≦ｄｓ_４６＜ｄｉ_４）。

また、銅板７は、金属多孔質体６側の主面を含む第３外部金属層と、第３外部金属層よりも厚み方向において金属多孔質体６から離れた位置であり、セラミックス板８側に形成された第３内部金属層とを有する。銅板７の第３外部金属層の平均結晶粒径ｄｓ_７６は、銅板７の第３内部金属層の平均結晶粒径ｄｉ_７よりも小さく、また、金属多孔質体６の平均結晶粒径ｄｐ_６は、銅板７の第３外部金属層の平均結晶粒径ｄｓ_７６よりも小さい又は同じである（ｄｐ_６≦ｄｓ_７６＜ｄｉ_７）。この場合、厚銅板４の金属多孔質体６側及び金属多孔質体５側の主面（両面）と、銅板７の金属多孔質体６側の主面とにブラスト処理などの機械的加工が施される。図４（ｂ）の構成によれば、金属多孔質体５の一方の面に形成された接合部だけでなく、金属多孔質体６の両面に形成された接合部でのクラック発生を抑制することが可能となる。

なお、金属多孔質体２，５と半導体チップ１０との間に、不図示の電極層を設けてもよい。電極層は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ，Ｐｔのいずれか１種又は２種以上から構成される。

以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

本実施例、比較例で使用した（１）原材料、（２）装置、及び（３）評価方法を以下に記載する。

（１）原材料
（イ）半導体チップ
半導体チップのサイズは７ｍｍ×７ｍｍ、厚さは２３０μｍであり、その接合面はＮｉ−Ｔｉ―Ａｕ合金でメタライズされている。材質は、ＳｉＣである。
（ロ）金属微粒子分散液
銅微粒子分散液：ジエチレングリコール中に、Ｃｕ濃度８０質量％で銅微粒子が分散している銅微粒子分散液を用いた。なお、該銅微粒子分散液には、高分子分散剤としてポリビニルピロリドンが０．３質量％配合されている。
銀微粒子分散液：オクタンジオール中に、Ａｇ濃度８９質量％の濃度で銀微粒子が分散している銀微粒子分散液（ＤＯＷＡメタルテック（株）製、銀ナノペースト）を用いた。
（ハ）金属を含有する部材
（ｉ）ＤＢＣ基板
日鉄住金エレクトロデバイス社製のＤＢＣ基板（Ｃｕ／Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）／Ｃｕ）を使用した。Ｃｕ板の厚さ：０．３ｍｍ／セラミックス板：厚さ０．３２ｍｍ／Ｃｕ板の厚さ：０．３ｍｍである。
（ｉｉ）薄膜＋めっき付きセラミックス基板
厚さ０．６４ｍｍのＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）の白板セラミックス基板にＮｉ・Ｃｒ／Ｃｕ（０．２μｍ／６μｍ）を蒸着し、その後以下のめっき条件にて、Ｃｕの厚さが両面０．３ｍｍｔとなるまで厚付した。
めっき液：ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ２５０ｇ／Ｌ（水）、Ｈ_２ＳＯ_４５０ｇ／Ｌ（水）、ＮａＣｌ０．１ｇ／Ｌ（水）
電流密度：５Ａ／ｄｍ^２、温度４０℃
（ｉｉｉ）リードフレーム材
無酸素銅Ｃ１０２０を使用した。厚さは１．２ｍｍである。
（ｉｖ）厚銅板積層ＤＢＣ基板
日鉄住金エレクトロデバイス社製のＤＢＣ基板（Ｃｕ／Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）／Ｃｕ）を使用した。Ｃｕ板の厚さ：０．３ｍｍ／セラミックス板の厚さ：０．３２ｍｍ／Ｃｕ板の厚さ：０．３ｍｍである。
ＤＢＣ基板の一方の銅板７表面を洗浄後、粒径４０μｍであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト（ＷＢ）法により、圧力０．２０ＭＰａで処理速度１０ｍｍ／ｓｅｃで処理した。次に、銅微粒子分散液を１００μｍの厚さになるようにＷＢ処理された面に塗布し、１１０℃で１５分間乾燥させた。更に、厚さ０．３ｍｍの厚銅板４を、乾燥させた銅微粒子分散液上に搭載した後、焼結装置にセットした。焼結は、減圧雰囲気下（酸素濃度１０００ｐｐｍ以下）、３００℃、圧力１０ＭＰａで１５分間行い、厚銅板４とＤＢＣ基板の銅板７の間に金属多孔質体６を形成した。
（ｖ）めっき層付き銅箔積層ＤＢＣ基板
日鉄住金エレクトロデバイス社製のＤＢＣ基板（Ｃｕ／Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）／Ｃｕ）を使用した。Ｃｕ板の厚さ：０．３ｍｍ／セラミックス板の厚さ：０．３２ｍｍ／Ｃｕ板の厚さ：０．３ｍｍである。
厚さ０．１ｍｍの銅箔を５００℃で１時間加熱処理を行った後、以下のめっき条件で銅箔の両表面にめっき層を０．１ｍｍ形成した厚銅板４を形成した。
ＤＢＣ基板の一方の銅板７表面を洗浄後、粒径４０μｍであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト（ＷＢ）法により、圧力０．２０ＭＰａで処理速度１０ｍｍ／ｓｅｃで処理した。次に、銅微粒子分散液を１００μｍの厚さになるようにＷＢ処理された面に塗布し、１１０℃で１５分間乾燥させた。更に、銅箔の両表面にめっき層を形成しためっき層付き銅箔を、乾燥させた銅微粒子分散液上に搭載した後、焼結装置にセットした。焼結は、減圧雰囲気下（酸素濃度１０００ｐｐｍ以下）、３００℃、圧力１０ＭＰａで１５分間行い、厚銅板４とＤＢＣ基板の銅板７の間に金属多孔質体６を形成した。めっき液：ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ２５０ｇ／Ｌ（水）、Ｈ_２ＳＯ_４５０ｇ／Ｌ（水）、ＮａＣｌ０．１ｇ／Ｌ（水）
電流密度：５Ａ／ｄｍ^２、温度４０℃

（２）装置
図３（ａ）〜（ｃ）に示す焼結装置を使用した。

（３）評価方法
（イ）金属を含有する部材の表面粗さ
レーザー顕微鏡（KEYENCE VK9710）にて測定を行った。
（ロ）金属多孔質体の平均結晶粒径ｄｐ
金属を含有する部材上に金属多孔質体と半導体チップとを形成したサンプルを作製し、その半導体チップ側から半導体チップを１０μｍ程度残すまで研磨する。その後、ナノ加工顕微鏡システム（ＦＩＢ装置；エスアイアイ・ナノテクノロジー社製ＳＭＩ３０５０ＴＢ）を用いてＧａビームエッチングにより厚さを５０ｎｍ程度に加工して、マイクロプローブで切断してサンプルを切り出す。ＴＥＭ（日本電子製ＪＥＭ３０１０）にそのサンプルをセットし、加速電圧２００ＫＶ、５０００倍の条件でＴＥＭ画像を得て、金属多孔質体の結晶粒径を確認した。ＴＥＭ画像上で、ＴＥＭ（日本電子製ＪＥＭ３０１０）付属ソフトを用いて金属多孔質体の厚み方向の中心に直線（ａ）を引き、その直線（ａ）上に存在する結晶２０個について（長径＋短径）／２の平均値を算出した。直線（ａ）は次のように引いた。
まず、金属基板と金属多孔質体との界面において、直線距離が金属多孔質体の厚さとなるような任意の２点を選択し、この２点を結ぶ直線（ｂ）を引いた。次に、直線（ｂ）から金属多孔質体の厚さ方向へ、金属多孔質体の半分の厚さ分離れた位置に、直線（ｂ）と平行な直線である直線（ａ）を引いた（図５）
（ハ）外部金属層の平均結晶粒径ｄｓ
（ロ）と同様にして得られたサンプルを、（ロ）と同条件でＴＥＭを使用し、金属を含有する部材の外部金属層の結晶粒径を確認した。ＴＥＭ画像において、金属多孔質体と金属を含有する部材との界面から金属を含有する部材側へ１μｍ離れた位置に、当該界面に沿った線（ｃ）を引いた。線（ｃ）上に存在する結晶２０個について（長径＋短径）／２の平均値を算出した（図５）。
（ニ）内部金属層の平均結晶粒径ｄｉ
（ロ）と同様にして得られたサンプルを、（ロ）と同条件でＴＥＭを使用し、金属を含有する部材の内部金属層の結晶粒径を確認した。ＴＥＭ画像において、金属を含有する部材の厚み方向の中心に直線（ｄ）を引き、その直線（ｄ）上に存在する結晶２０個について（長径＋短径）／２の平均値を算出した。直線（ｄ）は次のように引いた。
まず、金属基板と金属多孔質体との界面において、直線距離が金属を含有する部材の厚みとなるような任意の２点を選択し、この２点を結ぶ直線（ｅ）を引いた。次に、直線（ｅ）から金属を含有する部材の厚さ方向へ、金属を含有する部材の半分の厚さ分離れた位置に、直線（ｅ）と平行な直線である直線（ｄ）を引いた（図５）。
（ホ）熱衝撃試験（ＴＣＴ）
金属を含有する部材上に金属多孔質体と半導体チップとを形成したサンプルを作製した。温度サイクル試験（１５０℃で３０分間、その後−４０℃で３０分間保持するサイクル試験）へサンプルを投入し、１００サイクルごとに超音波探傷機（ＳＡＴ）で観察した。超音波探傷機（日立建機株式会社製、Ｍｉ-Ｓｃｏｐｅ）とプローブ（型式ＰＱ２−１３、５０ＭＨｚ）を使用して、半導体素子側から超音波を照射し、反射法で半導体素子裏面から金属を含有する部材表面まで入るようにゲートを調整し、接合面や金属多孔質体内に剥離やボイドなどの欠陥がないか測定を行った。金属を含有する部材と金属多孔質体との接合面の面積１０％以上で剥離が見られるまで試験を繰り返した。剥離が見られるまでのサイクル数について、サンプル２０個の平均値を算出した。
金属を含有する部材がセラミックス基板を有する場合には、平均サイクル数が１０００以上を「○」、１０００未満を「×」とした。金属を含有する部材がリードフレーム材である場合には、平均サイクル数が５００以上を「○」、５００未満を「×」とした。

［実施例１−１］
ＤＢＣ基板の銅板表面を洗浄後、粒径１４μｍであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト（ＷＢ）法により、圧力０．２０ＭＰａで処理速度２０ｍｍ／ｓｅｃで処理した。次に、銅微粒子分散液を１００μｍの厚さになるように塗布し、１１０℃で１５分間乾燥させた。半導体チップを搭載した後、焼結装置にセットした。焼結は、減圧雰囲気下（酸素濃度１０００ｐｐｍ以下）、３００℃、圧力１０ＭＰａで１５分間行った。
［実施例１−２］
実施例１−１において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、５００℃で３０分間行った。
［実施例１−３］
実施例１−１において、表面処理の条件を変更した以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径４０μｍであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト（ＷＢ）法により、圧力０．２０ＭＰａで処理速度１０ｍｍ／ｓｅｃで行った。
［実施例１−４］
実施例１−２において、ＤＢＣ基板に代えて、セラミックス板にスパッタによりＮｉ／Ｃｒ／Ｃｕの薄膜層とめっき層を形成した、薄膜＋めっき付きセラミックス基板を使用し、表面処理の前に加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、４００℃で３０分間行った。
［実施例１−５］
実施例１−３において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、５００℃で３０分間行った。
［実施例１−６］
実施例１−４において、表面処理の条件を変更し、焼結後にさらに加熱処理を行わなかった以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径７μｍであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト（ＷＢ）法により、圧力０．２ＭＰａで処理速度２０ｍｍ／ｓｅｃで行った。
［実施例１−７］
実施例１−１において、表面処理の条件を変更した以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径７μｍであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト（ＷＢ）法により、圧力０．２ＭＰａで処理速度２０ｍｍ／ｓｅｃで行った。
［実施例１−８］
実施例１−４において、表面処理の前における加熱処理を４００℃で１５分間行った以外は同様の方法で実施した。
［実施例１−９］
実施例１−１において、ＤＢＣ基板に代えて、セラミックス板にスパッタによりＮｉ／Ｃｒ／Ｃｕの薄膜層とめっき層を形成した、薄膜＋めっき付きセラミックス基板を使用した以外は同様の方法で実施した。
［実施例１−１０］
実施例１−１において、焼結を２５０℃で行った以外は同様の方法で実施した。
［実施例１−１１］
実施例１−２において、表面処理の前に加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、４００℃で１時間行った。
［実施例１−１２］
実施例１−３において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、５００℃で３０分間行った。
［実施例１−１３］
実施例１−６において、焼結を２００℃で行い、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、５００℃で３０分間行った。
［実施例１−１４］
実施例１−１２において、焼結を２００℃で行った以外は同様の方法で実施した。
［実施例１−１５］
実施例１−１３において、表面処理の前に加熱処理を行わず、焼結を２５０℃で行った以外は同様の方法で実施した。
［実施例１−１６］
実施例１−１１において、表面処理の条件を変更し、焼結を２００℃で行った以外は同様の方法で実施した。表面処理は、具体的には、粒径４０μｍであるアルミナビーズのメディアを使用したウエットブラスト（ＷＢ）法により、圧力０．２ＭＰａで処理速度２０ｍｍ／ｓｅｃで行った。
［比較例１−１］
実施例１−１において、表面処理を行わなかった以外は同様の方法で実施した。
［比較例１−２］
実施例１−１において、表面処理をＷＢ処理からプラズマ処理に変更した以外は同様の方法で実施した。具体的に、まず、ＤＢＣ基板をスパッタリング装置のチャンバー内にセットし、真空引きを行った。そして、Ａｒガスをチャンバー内に導入し、チャンバー内圧力を１Ｐａとした。ＲＦ電源によって電力を供給することで、ＤＢＣ基板の銅板表面付近にＡｒプラズマを発生させ、銅板表面に照射した。このＲＦ電源の入カパワーの条件は、０．２５Ｗ／ｃｍ^２とし、照射時間は５分間とした。
［比較例１−３］
実施例１−１０において、焼結後にさらに加熱処理を行った以外は同様の方法で実施した。加熱処理は、５００℃で３０分間行った。

［実施例２−１〜実施例２−１６］
実施例１−１ないし実施例１−１６において、金属を含有する部材をリードフレーム材に変更した以外は同様の方法で実施した。
［比較例２−１］
実施例２−２において、表面処理を行わなかった以外は同様の方法で実施した。
［比較例２−２］
実施例２−１において、表面処理をＷＢ処理からプラズマ処理に変更した以外は同様の方法で実施した。なお、プラズマ処理は比較例１−２と同様の方法で行った。

［実施例３−１〜実施例３−１６］
ＤＢＣ基板に焼結体を介して厚銅板を接続した厚銅板積層ＤＢＣ基板を用いた。
厚銅板積層ＤＢＣ基板の厚銅板の上下両表面に対して、実施例１−１ないし実施例１−１６と同様に表面処理及び加熱処理を行い、半導体チップを、金属多孔質体を介して厚銅板上に搭載した。
［実施例３−１７］
実施例３−１において、厚銅板積層ＤＢＣ基板の金属多孔質体側の厚銅板のセラミックス基板側の表面に対して表面処理を行わず、厚銅板の半導体チップ側の表面のみに表面処理を行った以外は同様の方法で実施した。

［実施例４−１〜実施例４−１６］
実施例１−１〜実施例１−１６において、銅微粒子分散液を銀微粒子分散液に変更し、焼結を大気雰囲気下で行った以外は同様の方法で実施した。
［比較例４−１〜比較例４−３］
比較例１−１〜比較例１−３において、銅微粒子分散液を銀微粒子分散液に変更し、焼結を大気雰囲気下で行った以外は同様の方法で実施した。

表１、２に示すように、実施例１−１〜１−１６では、ＴＣＴにおける平均サイクル数がいずれも１０００以上であり、クラックの発生防止性が良好であることが分かった。特に、実施例１−１〜１−９では、ＴＣＴにおける平均サイクル数がいずれも１２００以上であり、クラックの発生防止性が特に優れていることが分かった。一方、外部金属層の結晶粒径と内部金属層の結晶粒径が同じである比較例１−１、比較例１−２では、ＴＣＴにおける平均サイクル数が６００、５８０と少なかった。また、外部金属層の結晶粒径が内部金属層の結晶粒径より大きい比較例１−３では、ＴＣＴにおける平均サイクル数が５１０と非常に少なかった。

表３、４に示すように、実施例２−１〜２−１６では、ＴＣＴにおける平均サイクル数がいずれも６００以上であり、クラックの発生防止性が良好であることが分かった。特に、実施例２−１〜２−９では、ＴＣＴにおける平均サイクル数がいずれも６５０以上であり、クラックの発生防止性が特に優れていることが分かった。一方、外部金属層の結晶粒径と内部金属層の結晶粒径が同じである比較例２−１、比較例２−２では、ＴＣＴにおける平均サイクル数が３３０、４１０と少なかった。

表５、６に示すように、実施例３−１〜３−１７では、ＴＣＴにおける平均サイクル数がいずれも１０００以上であり、クラックの発生防止性が良好であることが分かった。特に、実施例３−１〜３−１６では、ＴＣＴにおける平均サイクル数がいずれも２０００以上であり、クラックの発生防止性が極めて優れていることが分かった。

表７、８に示すように、実施例４−１〜４−１６では、ＴＣＴにおける平均サイクル数がいずれも１０００以上であり、クラックの発生防止性に優れていることが分かった。一方、外部金属層の結晶粒径と内部金属層の結晶粒径が同じである比較例４−１、比較例４−２では、ＴＣＴにおける平均サイクル数が５９０、５３０と少なかった。また、外部金属層の結晶粒径が内部金属層の結晶粒径より大きい比較例４−３では、ＴＣＴにおける平均サイクル数が５００と非常に少なかった。

１金属を含有する部材
１ａ主面
１ｂ外部金属層
１ｃ内部金属層
２，３，５，６金属多孔質体
４厚銅板
７，９銅板
８セラミックス板
２１下熱盤
２２プレス板
２３積層体
２４チャンバー
２５加圧シリンダー
２６上熱盤

Claims

金属を含有する部材と、前記金属を含有する部材上に接合部材として形成された金属多孔質体とを有する接合構造であって、
前記金属を含有する部材は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された第１外部金属層と、前記第１外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された第１内部金属層とを有し、
前記第１外部金属層の平均結晶粒径ｄｓが、前記第１内部金属層の平均結晶粒径ｄｉよりも小さく、
前記金属多孔質体の平均結晶粒径ｄｐが、前記第１外部金属層の平均結晶粒径ｄｓよりも小さい、又は同じであることを特徴とする接合構造。
前記平均結晶粒径ｄｓと前記平均結晶粒径ｄｐが
１≦ｄｓ／ｄｐ＜１００
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の接合構造。
前記平均結晶粒径ｄｓが０．２μｍ以上１０μｍ未満であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の接合構造。
前記平均結晶粒径ｄｉが１０μｍ以上１００μｍ未満であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の接合構造。
前記平均結晶粒径ｄｐが０．１μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の接合構造。
前記金属を含有する部材及び前記金属多孔質体を構成する金属材料がＣｕ若しくはＣｕ合金又はＡｇ若しくはＡｇ合金であることを特徴する、請求項１から５のいずれか１項に記載の接合構造。
前記金属多孔質体上に、さらに、金属板を備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の接合構造。
前記金属板は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された第２外部金属層と、前記第２外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された第２内部金属層とを有し、
前記第２外部金属層における平均結晶粒径ｄｓ’が、前記第２内部金属層における平均結晶粒径ｄｉ’よりも小さいことを特徴とする、請求項７に記載の接合構造。
前記金属を含有する部材がリードフレーム用基材であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の接合構造。
金属を含有する部材と、前記金属を含有する部材上に接合部材として形成された金属多孔質体と、前記金属多孔質体上に配置された電子部材とを有する電子部材接合構造体であって、
前記金属を含有する部材は、セラミックス体と、前記セラミックス体上に形成された金属層とを有し、
前記金属層は、少なくとも一方の主面を含み前記金属多孔質体側に形成された外部金属層と、前記外部金属層よりも厚み方向において前記金属多孔質体から離れた位置に形成された内部金属層とを有し、
前記外部金属層の平均結晶粒径ｄｓが、前記内部金属層の平均結晶粒径ｄｉよりも小さく、
前記金属多孔質体の平均結晶粒径ｄｐが、前記外部金属層の平均結晶粒径ｄｓよりも小さい、又は同じであることを特徴とする電子部材接続構造体。
前記金属多孔質体と前記電子部材との間に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ，Ｐｔのいずれか１種又は２種以上からなる電極層を有する請求項１０に記載の電子部材接合構造体。