JP7709955B2 - 接合用シート及び接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、接合用シート及び接合構造に関する。

近年の世界的な省エネルギー化の流れに伴い、インバータなど電力変換・制御装置としてパワーデバイスと呼ばれる半導体デバイスが盛んに用いられるようになってきている。半導体素子の高効率化及び省スペース化を実現するために、金属セラミックス基板上に複数の半導体素子が配されており、該半導体素子の上面に金属層及び金属ワイヤが配されたパワーモジュールと呼ばれる電子部品が用いられている。

パワーモジュールの導電信頼性の向上を目的として、特許文献１には、第１導体板と、第１導体板上に配置された複数の半導体素子と、第１導体板に接続されている第１外部接続端子とを備える半導体装置が開示されている。この半導体装置は、複数の半導体素子がそれぞれはんだ付けされていることも同文献に開示されている。

ＵＳ２０１９／２４４８８８Ａ１

しかし、特許文献１に記載の半導体装置は、接合用材料として、熱伝導性が低いはんだが用いられているため、パワーモジュール駆動時の熱が十分に放熱できず、該モジュールの故障につながるおそれがあった。これに加えて、駆動時の熱によって、はんだが溶融し、導電信頼性が損なわれるおそれがあった。

したがって、本発明は、熱伝導性及び導電信頼性に優れた接合用シート及び接合構造を提供することにある。

本発明は、銅箔と、該銅箔の両面に形成された焼結可能な接合用膜とを有する接合用シートであって、
前記各接合用膜は銅粒子と固体還元剤とを含み、
前記接合用膜のうち少なくとも一方が、表面に金、銀、銅及びニッケルの少なくとも一種の金属を有する接合対象物と接合するように用いられる、接合用シートを提供するものである。

更に本発明は、表面に金、銀、銅及びニッケルの少なくとも一種の金属を有する第１の接合対象物と、表面に金、銀、銅及びニッケルの少なくとも一種の金属を有する第２の接合対象物とが、銅粒子の焼結構造からなる接合層を介して電気的に接続されている接合構造であって、
前記接合層に以下の構造（３）が形成されている、接合構造を提供するものである。
（式中、Ｒ^３ないしＲ^５は、それぞれ独立に、水素原子、水酸基、炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基、又は水酸基を有する炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基を表し、＊は銅との結合部位を表す。）

図１は、接合用シートの一実施形態を模式的に示す側面図である。 図２（ａ）は、接合構造の一実施形態を模式的に示す側面図であり、図２（ｂ）は接合構造の別の実施形態を模式的に示す側面図である。 図３は、接合構造の別の実施形態を模式的に示す側面図である。

以下、本発明の接合用シート及び接合構造を、その好ましい実施形態に基づき説明する。図１に示すように、接合用シート１は、銅箔２と、その両面に形成された接合用膜３，３とを有している。各接合用膜３はいずれも、銅粒子と固体還元剤とを含む。

接合用シート１は、金、銀、銅及びニッケルのうち少なくとも一種の金属を表面に有する接合対象物５（以下、これを単に「接合対象物」ともいう。）と接合するために好適に用いられる。また、本発明の接合用シートは、接合用膜３が銅箔２の両面に形成されているので、２つの接合対象物５，５の間に接合用シート１を配して、接合用膜３の両面に接合対象物５が接合するように用いることもできる。接合対象物５の表面に存在する金属の形態としては、例えば接合対象物５の表面に層状に形成された金属層が挙げられる。

接合用シート１に配されている各接合用膜３，３はいずれも焼結可能な構造となっている。「焼結可能」とは、銅粒子どうしが融着していない状態で接合用膜３中に存在しており、接合用膜３中の銅粒子を焼結させることによって、銅粒子どうしが融着した銅粒子の焼結構造からなる焼結体を形成できることをいう。接合用シート１における接合用膜３と接合対象物５とを好ましくは加圧下で焼成することによって、接合用シート１における銅箔２と、接合対象物５とを接合させることができる。

焼成後の接合用膜３は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、銅粒子の焼結構造からなる導電性の接合層３０となる。接合層３０は、銅箔２と、２つの接合対象物５，５とを接合させるとともに導通させる。接合用シート１は、例えば後述する製造方法によって得ることができる。

接合用シート１を構成する銅箔２は、銅と残部が不可避不純物とからなる銅箔であるか、又は、銅と銅以外の金属とを含む銅合金からなる銅箔である。

銅箔自体の強度と、接合構造の導電性とを両立する観点から、銅箔２中に銅を好ましくは９７質量％以上含み、より好ましくは９９質量％以上含み、更に好ましくは銅及び残部不可避不純物からなる。
同様の観点から、銅箔の厚みは、０．５μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上５００μｍ以下であることが更に好ましい。銅箔の厚みは、例えば接合用シートの厚み方向の断面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察することで測定することができる。

図１に示すように、接合用シート１における接合用膜３は、銅箔２の両面の全域に形成されていてもよく、銅箔２の一方の面に不連続に形成され且つ銅箔２の他方の面の全域に形成されていてもよく、銅箔２の両面に不連続に形成されていてもよい。接合用膜３が銅箔２の面に不連続に形成されている場合、接合用膜３が形成されていない部位は銅箔２が露出した部位となっている。

図１に示すように、接合用シート１において、銅箔２と接合用膜３との間には、何らの固体層も介在していないことが好ましい。
また同図に示すように、接合用シート１において、接合用シート１の第１面１Ａ及び第２面１Ｂにおいて、追加の銅箔や追加の接合用膜をはじめとする他の固体層も存在していないことが好ましい。
なお、本発明の効果が奏される限りにおいて、接合用シート１における表面の少なくとも一方に他の固体層が存在することは妨げられない。

接合用膜３に含まれる銅粒子は、例えば、(i)銅及び残部が不可避不純物のみからなる銅粒子、(ii)銅及び銅以外の他の金属を含む銅合金からなる銅粒子、(iii)前記(i)及び(ii)の混合物のいずれかの態様とすることができる。本発明においては、これらの態様を総称して単に「銅粒子」ともいう。また文脈に応じて、「銅粒子」は、銅粒子そのものを指すか、あるいは銅粒子の集合体である銅粉を指す。

熱伝導性の向上と導電性の向上とを両立する観点から、銅粒子は、銅を好ましくは５０質量％以上含み、より好ましくは７０質量％以上含み、更に好ましくは９０％質量以上含む銅及び残部が不可避不純物からなる。また同様の観点から、銅粒子の含有態様として、(i) 銅及び残部が不可避不純物のみからなる銅粒子の集合体であることが更に好ましい。銅粒子の集合体に複数種の粒子を含む場合、銅の含有量は、全ての銅粒子を基準として算出する。

接合用膜３に含まれる固体還元剤は、１気圧、室温（２５℃）において固体であり、接合用膜３の焼成による銅粒子の焼結を促進させるために用いられる。この目的のために、固体還元剤は少なくとも１個のアミノ基及び複数の水酸基を有する化学構造のものであることが有利である。このような構造を有する還元剤を用いることで、複数の水酸基を有し且つアミノ基を含まない還元剤と比較して、焼結時における銅粒子の酸化を抑制することができるので、銅粒子どうしの焼結の促進に起因する緻密な焼結構造を得ることができる。その結果、熱伝導性及び導電信頼性の高い接合構造を得ることができる。「室温（２５℃）において固体」とは、固体還元剤の融点が２５℃超であることを指す。

固体還元剤の融点は、３００℃以下であることが好ましい。また、固体還元剤の沸点は、後述する液媒体の沸点よりも高いことも好ましい。このような物性を有する固体還元剤を用いることによって、接合用膜３を焼成する際に、還元剤が溶融して接合用膜３中に均一に広がることにより、銅粒子の焼結が均一に促進され、より緻密な焼結構造を有する。その結果、熱伝導性及び導電信頼性を両立して向上し、且つ耐熱性の高い接合構造を得ることができる。
これに加えて、固体還元剤は、焼成する前には接合用膜３中に固体として残留するので、接合用膜３の保形性を高くすることができる。その結果、接合用膜３の焼成時に、接合用膜３が加圧された場合でも、接合対象物５と銅箔２との間から接合用膜３がはみ出し難く、厚みの制御が一層容易になるので、接合強度の高い接合構造を得ることができる。

上述した構成を有する接合用シート１は、接合用膜３中に固体還元剤を含むことによって、接合対象物５との焼結時において、銅粒子どうしが十分に焼結して、密な焼結構造が形成される。その結果、銅箔２と接合対象物５との間において、熱伝導性と導電信頼性とが両立して向上した焼結構造を得ることができる。これに加えて、銅箔２と接合対象物５との間に高い接合強度が発現した焼結構造が得られる。
また、銅箔２及び接合用膜３はともに銅を含んでいるので、接合用シート１をパワーモジュールの製造過程で用いた場合、接合強度を高めるためのメタライズ等の表面処理工程を別途行わずに接合させることができるので、熱伝導性と導電信頼性とを高いレベルで発現しつつ、接合強度の高いパワーモジュールを得ることができる。

焼結構造における高い熱伝導性と高い導電信頼性とを両立する観点から、接合用膜３は、固体還元剤としてアミノアルコール化合物を含むことが好ましく、以下の化学式（１）又は（２）で表されるアミノアルコール化合物を含むことがさらに好ましい。「アミノアルコール化合物」とは、第一級ないし第三級アミンの少なくとも一種のアミンと、第一級ないし第三級アルコールの少なくとも一種のアルコールとを一つの化学構造中に有する有機化合物を指す。

化学式（１）又は（２）中、Ｒ^１ないしＲ^６は、それぞれ独立に、水素原子、水酸基、炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基、又は水酸基を有する炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基を表す。炭化水素基としては飽和又は不飽和の脂肪族基が挙げられる。この脂肪族基は直鎖状のものであってもよく、あるいは分岐鎖状のものであってもよい。Ｒ^１ないしＲ^６における炭化水素基の例としては、メチル基、エチル基、プロピル基などが挙げられる。

式（２）中、Ｒ^７は、炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基、又は水酸基を有する炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基を表す。炭化水素基としては飽和又は不飽和の脂肪族基が挙げられる。この脂肪族基は直鎖状のものであってもよく、あるいは分岐鎖状のものであってもよい。Ｒ^７における炭化水素基の例としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基などが挙げられる。

化学式（１）において、銅粒子の焼結性を高める観点から、Ｒ^１ないしＲ^５の少なくとも２つは水酸基を含んでいる。すなわち、Ｒ^１ないしＲ^５の少なくとも２つは、水酸基であるか、又は水酸基を有する炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基である。また式（２）においては、Ｒ^１ないしＲ^６の少なくとも２つは水酸基を含んでいる。すなわち、Ｒ^１ないしＲ^６の少なくとも２つは、水酸基であるか、又は水酸基を有する炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基である。特に化学式（１）において、Ｒ^１ないしＲ^５の少なくとも２つは水酸基を有する炭素数１以上４以下の炭化水素基であることが好ましい。また化学式（２）において、Ｒ^１ないしＲ^６の少なくとも２つは水酸基を有する炭素数１以上４以下の炭化水素基であることが好ましい。この場合、ヒドロキシアルキル基における水酸基は、アルキル基の末端に結合していることが好ましい。

化学式（１）で表される還元剤は、銅粒子の焼結性を高める観点から、Ｒ^１ないしＲ^５のうちの３つ以上が水酸基を含んでいることが好ましく、４つ以上が水酸基を含んでいることがより好ましく、Ｒ^１ないしＲ^５のすべてが水酸基を含むことが更に好ましい。同様の観点から、化学式（２）で表される還元剤は、Ｒ^１ないしＲ^６のうちの３つ以上が水酸基を含んでいることが好ましく、４つ以上が水酸基を含んでいることがより好ましい。

化学式（１）又は（２）で表されるアミノアルコール化合物の具体例としては、ビス（２－ヒドロキシエチル）イミノトリス（ヒドロキシメチル）メタン（ＢＩＳ－ＴＲＩＳ、融点：１０４℃、沸点：３００℃超、化学式（１）に該当）、２－アミノ－２－（ヒドロキシメチル）－１，３－プロパンジオール（ＴＲＩＳ、融点：１６９～１７３℃、沸点：３００℃超、化学式（１）に該当）、１，３－ビス（トリス（ヒドロキシメチル）メチルアミノ）プロパン（ＢＩＳ－ＴＲＩＳ ｐｒｏｐａｎｅ、融点：１６４～１６５℃、沸点：３００℃超、化学式（２）に該当）などが挙げられる。これらのうち、銅粒子どうしの焼結性を高めて緻密な接合層を有する接合構造を得る観点から、固体還元剤としてビス（２－ヒドロキシエチル）イミノトリス（ヒドロキシメチル）メタン（ＢＩＳ－ＴＲＩＳ）を用いることが好ましい。

上述した固体還元剤は、一種を単独で用いることができ、あるいは二種以上を組み合わせて用いることができる。いずれの場合であっても、接合用膜における固体還元剤の割合は、銅粒子の焼結性を高める観点から、銅粒子１００質量部に対して０．１質量部以上であることが好ましく、１質量部以上であることが更に好ましい。また、接合用組成物中に占める銅粒子の割合を維持しつつ、銅箔への好適な塗布性能を発揮する観点から、１０質量部以下とすることが現実的であり、８質量部以下とすることが好ましく、５質量部以下とすることが更に好ましい。

接合用膜３は、１気圧における沸点が３００℃未満の液媒体を更に含んでいてもよい。液媒体は、接合用膜を形成する際に、接合用膜３の成形性を良好にするために用いられる。このような観点から、上述の液媒体は１気圧、室温（２５℃）において液体であることが好ましい。

接合用膜に液媒体を含有させる場合、銅粒子の酸化を抑制する観点から、液媒体は非水媒体であることも好ましい。

接合用膜の成形性と、液媒体の適度な揮発性とを兼ね備える観点から、液媒体は、一価又は多価のアルコールであることが好ましく、多価アルコールであることが更に好ましい。多価アルコールとしては、例えばプロピレングリコール（沸点：１８８℃）、エチレングリコール（沸点：１９７℃）、ヘキシレングリコール（沸点：１９７℃）、ジエチレングリコール（沸点：２４５℃）、１，３－ブタンジオール（沸点：２０７℃）、１，４－ブタンジオール（沸点：２２８℃）、ジプロピレングリコール（沸点：２３１℃）、トリプロピレングリコール（沸点：２７３℃）、グリセリン（沸点：２９０℃）、ポリエチレングリコール２００（沸点：２５０℃）、ポリエチレングリコール３００（沸点：２５０℃）などが挙げられる。液媒体は一種を単独で又は二種以上を組み合わせて用いることができる。これらのうち、接合用膜３の保形性を高めるとともに、接合用膜３中の成分の分散性を高めて、均一且つ緻密な焼結構造とする観点から、液媒体が、ヘキシレングリコール、並びにポリエチレングリコール２００及びポリエチレングリコール３００等のポリエチレングリコールのうち一種以上を含むことが好ましい。

接合用膜が液媒体を含む場合、接合用膜における液媒体の含有量は、接合用膜の保形性を高める観点から、銅粒子１００質量部に対して９質量部以下であることが好ましく、７質量部以下であることが更に好ましい。接合用膜における液媒体の含有割合は、例えば後述する製造方法に従って製造した場合、塗膜と、該塗膜を乾燥させた乾燥塗膜である接合用膜３とは、液媒体以外の各構成材料の含有量は実質的に同一となっているので、例えば、乾燥前後の塗膜の質量変化を測定して算出することができる。

接合用膜３に含まれる銅粒子の形状は、例えば、球状、扁平状（フレーク状）、デンドライト状（樹枝状）、棒状等であり、これらを単独で又は複数組み合わせて用いることができる。銅粒子の形状は、その製造方法に依存する。例えば、銅粒子の製造方法として、湿式還元法やアトマイズ法を用いた場合には球状の粒子が得られやすい。電解還元法を用いた場合にはデンドライト状や棒状の粒子が得られやすい。扁平状の粒子は、例えば球状の粒子に機械的な外力を加えて塑性変形させることで得られる。

銅粒子は、その形状が球状であることが好ましい。この場合、球状の銅粒子の粒径は、走査型電子顕微鏡像の画像解析により測定できる。具体的には、マウンテック社製Ｍａｃ－Ｖｉｅｗを用い、走査型電子顕微鏡により取得された銅粒子の画像データを読み込んだ後、画像データ上の銅粒子を無作為に５０個以上選んで、該粒子の粒径（ヘイウッド径）、該粒子の二次元投影像の面積Ｓ、及び該粒子の二次元投影像の周囲長Ｌをそれぞれ測定する。次いで、得られたヘイウッド径から、粒子が真球であると仮定したときの体積を算出し、該体積の累積体積５０容量％における体積累積粒径をＤ_SEM50とする。

また、銅粒子が球形であるか否かは、上述の方法で無作為に選んだ各粒子の面積Ｓと周囲長Ｌとから円形度係数４πＳ／Ｌ^２を算出し、さらにその算術平均値を算出する。円形度係数の算術平均値が０．８５以上、特に０．９０以上である場合に、銅粒子が球状であると定義する。

球状の銅粒子の粒径は、上述した累積体積５０容量％における体積累積粒径Ｄ_SEM50で表して、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、４０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることが更に好ましい。このような構成となっていることによって、銅箔と接合対象物との接合の際に密な焼結構造を形成することができ、その結果、接合用シートを用いた接合構造に、高い熱伝導性、耐熱性及び高い接合強度とを兼ね備えて発現させることができる。これに加えて、比較的低温の焼結条件であっても密な焼結構造を形成することができるので、製造時における接合対象物への過度な熱負荷を抑制して、所望の性能を発現できる接合構造を得ることができる。

銅粒子は、その形状が扁平状のものを含むことも好ましい。このとき、扁平状の銅粒子は、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積５０容量％における体積累積粒径Ｄ_５０が、０．３μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上７０μｍ以下あることがより好ましく、０．７μｍ以上５０μｍ以下であることが更に好ましい。このような粒径の粒子を含むことによって、接合用シートを用いた接合構造に、高い熱伝導性と導電信頼性を両立して発現できるとともに、耐熱性及び高い接合強度とを兼ね備えて発現させることができる。これに加えて、比較的低温の焼結条件であっても密な焼結構造を形成することができる。扁平状とは、粒子の主面を形成している一対の板面と、これらの板面に交差する側面とを有する形状を指し、板面及び側面はそれぞれ独立して、平面、曲面又は凹凸面でありうる。

Ｄ₅₀の測定は、例えば、０．１ｇの測定試料と純水５０ｍＬとを混合し、超音波ホモジナイザ（日本精機製作所製、ＵＳ－３００Ｔ）で１分間分散させる。その後、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置として、例えばマイクロトラックベル製ＭＴ３３００ ＥＸＩＩを用いて粒度分布を測定する。

扁平状の銅粒子を含む場合、扁平状銅粒子は、その板面における短軸の長さに対する長軸の長さの比（以下、これを「アスペクト比」ともいう。）が２以上８０以下であることが好ましく、５以上４０以下であることが好ましい。このような形状の粒子を更に含むことによって、緻密に焼結した接合層を形成することができ、熱伝導性の向上と、導電信頼性の向上とを実現することができる。

扁平状銅粒子における長軸及び短軸の長さは、以下のようにして求める。即ち、測定対象の粒子を走査型電子顕微鏡により観察し、該粒子の板面に水平な方向において３６０度回転させながら、各二次元投影像における仮想的な外接長方形を考えたときに、その中で外接長方形の一辺が最大となるものについて、その長辺を長軸とし、その短辺を短軸とする。同様にして、当該粒子を無作為に５０個以上選んで長軸及び短軸をそれぞれ測定し、これらの算術平均値から求める。

次に、上述した接合用シート１の製造方法について説明する。接合用シート１の製造方法は、例えば銅箔２の表面に接合用組成物を塗布して塗膜を形成する塗布工程、及び該塗膜を乾燥させて、乾燥塗膜である接合用膜３を形成する乾燥塗膜形成工程を備える。

接合用シート１の製造方法として、例えば（ａ）第１の塗布工程として、銅箔２の一方の面に接合用組成物を塗布して塗膜を形成したあと、第１の乾燥塗膜形成工程を行い、次いで、第２の塗布工程として、銅箔２の他方の面に接合用組成物を塗布して塗膜を形成したあと、第２の乾燥塗膜形成工程を行ってもよい。これに代えて、（ｂ）銅箔２の両面に接合用組成物を塗布して塗膜を形成したあと、乾燥塗膜形成工程を行ってもよい。以下の説明は、前記（ａ）及び（ｂ）の双方の態様に適用される。

まず、銅粒子と固体還元剤とを含む接合用組成物を銅箔２の表面に塗布して、塗膜を形成する。接合用組成物の塗布の手段に特に制限はなく、公知の塗布手段を用いることができる。例えばスクリーン印刷、ディスペンス印刷、グラビア印刷、オフセット印刷などを用いることができる。接合用組成物の塗布工程を効率よく行う観点から、接合用組成物は、液媒体を含むペースト状又はインク状のものであることが好ましい。接合用組成物は、上述した銅粒子及び固体還元剤、並びに必要に応じて上述の液媒体を混合することによって得ることができる。

形成する塗膜の厚みは、高い保形性を有する接合用膜を得る観点、並びに熱伝導性及び導電信頼性を安定的に発現する接合構造を形成する観点から、塗布直後において１μｍ以上１０００μｍ以下に設定することが好ましく、５μｍ以上７００μｍ以下に設定することが更に好ましい。

接合用組成物に液媒体を含む場合、接合用組成物における液媒体の含有量は、接合用組成物に適度な粘性を付与し、該接合用組成物を銅箔上に塗布したときの塗膜の保形性を高める観点から、銅粒子１００質量部に対して４０質量部以下であることが好ましく、３５質量部以下であることが更に好ましい。また、接合用組成物における液媒体の含有量は、１０質量部以下であることが好ましい。

接合用組成物は、銅箔への塗膜の塗布性及び保形性を高める観点から、未加熱時において、せん断速度１０ｓ^－１及び２５℃における粘度が、２０Ｐａ・ｓ以上２００Ｐａ・ｓ以下であることが好ましく、２５Ｐａ・ｓ以上１８０Ｐａ・ｓ以下であることが更に好ましい。接合用組成物の粘度は、センサーをパラレルプレート型とし、レオメーター（粘弾性測定装置）にて測定することができる。

接合用組成物は、本発明の効果が奏される限りにおいて、他の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、例えばバインダー成分、表面張力調整剤、消泡剤、粘度調整剤などが挙げられる。他の成分の割合は、その総量が、銅粒子１００質量部に対して０．１質量部以上１０質量部以下であることが好ましい。

次に、銅箔表面に形成した塗膜を乾燥させて、接合用膜３と、銅箔２とを有する接合用シート１を得る。本工程では、塗膜の乾燥を行うことによって、該塗膜から液媒体の少なくとも一部を除去して、塗膜中の液媒体の量が低減した接合用膜３を銅箔２の表面に形成する。塗膜から液媒体を除去することで、接合用膜３の保形性を一層高めることができる。更に、銅箔２及び接合用膜３を有する接合用シート１と接合対象物５とを焼成により接合させたときに、接合層３０の密着性を高め、熱伝導性及び導電信頼性を両立して高いものとすることができる。接合用膜３は、上述のとおり、銅粒子１００質量部に対する液媒体の割合が９質量部以下のものであることが好ましい。本工程では、塗膜と、該塗膜を乾燥させた乾燥塗膜である接合用膜３とは、液媒体以外の各構成材料の含有量は実質的に同一となっている。また本工程で形成される接合用膜は、接合用膜中の銅粒子は互いに融着しておらず、焼結可能なものである。

液媒体を乾燥して除去するためには、該液媒体の揮発性を利用した自然乾燥、熱風乾燥、赤外線の照射、ホットプレート乾燥等の乾燥方法を用いて、液媒体を揮発させればよい。本工程は、用いる接合用組成物の組成に応じて適宜変更可能であるが、銅粒子の融点未満で行うことが好ましく、例えば大気雰囲気下で、６０℃以上１５０℃以下、大気圧、１分以上３０分以下で行うことができる。

接合用膜３の厚みは、接合対象物５との密着性を高めて、優れた熱伝導性及び導電信頼性を有する接合構造１０を得る観点から、０．５μｍ以上であることが好ましく、３μｍ以上であることが更に好ましい。また、接合用膜３の厚みは、電子部品の省スペース化を実現する観点から、９８０μｍ以下であることが好ましく、６００μｍ以下であることが更に好ましい。接合用膜３の厚みは、例えば上述の工程において形成する塗膜の厚さを適宜調整することによって調整することができる。接合用膜３の厚みは、例えば走査型電子顕微鏡を用いて、接合用シート１の厚み方向断面を観察することで測定することができる。

次に、接合構造１０の製造方法について説明する。一実施形態として、上述の工程を経て得られた接合用シート１と、接合対象物５とをともに接合して、図２（ａ）及び（ｂ）に示す構造を有する接合構造１０を得ることができる。本実施形態における接合構造１０は、金、銀、銅及びニッケルの少なくとも一種の金属を表面に有する第１の接合対象物５１と、金、銀、銅及びニッケルの少なくとも一種の金属を表面に有する第２の接合対象物５２とが、銅粒子どうしの焼結構造からなる接合層３０を介して電気的に接続されている。

接合構造１０における接合対象物５としては、例えば金、銀、又は銅等の金属からなるスペーサーや放熱板、半導体素子、並びに金、銀、銅及びニッケルの少なくとも一種の金属を表面に有する基板等が挙げられる。基板としては、例えば、ＤＢＣ（Direct Bonded Copper）基板等といった、セラミックス又は窒化アルミの板の表面に銅を有する絶縁基板等を用いることができる。

接合構造１０の製造工程では、まず、上述の工程を経て接合用シート１が得られたら、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、接合用シート１における接合用膜３と、接合対象物５とを対向させて、接合対象物５と、該接合用シート１における銅箔２との間に接合用膜３が配された積層体１０Ａを得る。

図２（ａ）に示す実施形態では、積層体１０Ａは、接合用シート１における接合用膜３の存在面である第１面１Ａと、第１の接合対象物５１とが互いに面接触した状態で配されている。これに加えて、積層体１０Ａは、接合用シート１における接合用膜３の存在面である第２面１Ｂと、第２の接合対象物５２とが互いに面接触した状態で配されている。
つまり、図２（ａ）に示す積層体１０Ａは、第１の接合対象物５１と、第２の接合対象物５２との間に接合用シート１が配されている。積層体１０Ａを形成した状態では、接合用膜３はいずれも焼結されていない。

図２（ｂ）に示す実施形態では、積層体１０Ａは、第１の接合用シート１Ｓにおける接合用膜３の存在面である第１面１Ａと、第１の接合対象物５１とが互いに面接触した状態で配されている。これに加えて、積層体１０Ａは、第１の接合用シート１Ｓにおける接合用膜３の存在面である第２面１Ｂと、第３の接合対象物５３とが互いに面接触した状態で配されている。
更に、積層体１０Ａは、第２の接合用シート１Ｔにおける接合用膜３の存在面である第１面１Ｃと、第３の接合対象物５３とが互いに面接触した状態で配されている。これに加えて、積層体１０Ａは、第２の接合用シート１Ｔにおける接合用膜３の存在面である第２面１Ｄと、第２の接合対象物５２とが互いに面接触した状態で配されている。
つまり、図２（ｂ）に示す積層体１０Ａは、第１の接合対象物５１と第２の接合対象物５２との間に第３の接合対象物５３が配されており、第１の接合対象物５１と第３の接合対象物５３との間、並びに第２の接合対象物５２と第３の接合対象物５３との間にそれぞれ接合用シート１Ｓ，１Ｔが配されている。本実施形態においても、積層体１０Ａを形成した状態では、接合用膜３はいずれも焼結されていない。

積層体１０Ａにおける接合対象物５としては、接合構造１０における接合対象物５と同様のものを用いることができる。図２（ｂ）に示す実施形態では、第３の接合対象物５３は、好ましくは半導体素子であるか、又は金、銀、銅及びニッケルの少なくとも一種の金属を表面に有する基板である。

次いで、この積層体１０Ａを加熱して、接合用膜３に含まれる銅粒子を焼結させて、接合対象物５と銅箔２とを接合する接合層３０を形成する。

焼結時の雰囲気は、窒素等の不活性ガス雰囲気であることが好ましい。
焼結温度は、好ましくは３００℃未満、より好ましくは１５０℃以上３００℃未満、更に好ましくは２００℃以上３００℃未満、一層好ましくは２３０℃以上３００℃未満である。
焼結時間は、焼結温度が前記範囲であることを条件として、好ましくは３０分以下、より好ましくは０．５分以上２５分以下、更に好ましくは１分以上２０分以下である。

焼結は、加圧下で行うことが好ましく、このとき接合用膜に加える圧力は、好ましくは０．００１ＭＰａ以上、より好ましくは０．００１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下、更に好ましくは０．０１ＭＰａ以上１５ＭＰａ以下である。

以上の工程を経て形成された接合層３０は、接合用膜３に含まれる銅粒子の焼結構造となる。つまり、接合層３０は、接合用膜３に含まれる銅粒子の焼結体からなり、接合用膜３が焼結されることによって形成されたものである。

図２（ａ）に示す実施形態の積層体１０Ａを焼結した場合、各接合用膜３に含まれる銅粒子が焼結し、接合用シート１が配されている部位が、銅箔２と、銅箔２の両面に形成された接合層３０とを有する複合接合層１Ｌとなる。したがって、図２（ａ）に示す実施形態の積層体１０Ａを焼結して得られた接合構造１０は、第１の接合対象物５１と第２の接合対象物５２とが、銅箔２と、銅箔２の両面に形成された接合層３０，３０とを有する複合接合層１Ｌを介して電気的に接続されているものとなる。

また、図２（ｂ）に示す実施形態の積層体１０Ａを焼結した場合、各接合用膜３に含まれる銅粒子が焼結し、各接合用シート１Ｓ，１Ｔがそれぞれ、銅箔２と、銅箔２の両面に形成された接合層３０とを有する複合接合層１Ｌとなる。したがって、図２（ｂ）に示す実施形態の積層体１０Ａを焼結して得られた接合構造１０は、第１の接合対象物５１及び第３の接合対象物５３どうし、並びに第２の接合対象物５２及び第３の接合対象物５３どうしがそれぞれ、複合接合層１Ｌを介して電気的に接続されているものである。

図２（ａ）及び（ｂ）に示す実施形態の積層体１０Ａを焼結した場合、上述した化学式（１）又は（２）で表される固体還元剤が接合用膜３に含まれる場合、銅粒子中の銅と固体還元剤とに由来する以下の構造（３）が接合層３０に形成されてなる。

式中、Ｒ^３ないしＲ^５は、それぞれ独立に水素原子、水酸基、炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基、又は水酸基を有する炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基を表す。Ｒ^３ないしＲ^５の詳細は、上述した化学式（１）及び（２）の説明が適宜適用される。また、＊は、銅との結合部位を表す。

接合層３０に前記構造（３）が形成されているか否かは、接合層の断面を対象として、ＴＯＦ－ＳＩＭＳによる質量分析等を行うことによって確認することができる。例えば固体還元剤としてＢＩＳ－ＴＲＩＳを用いる場合、ＴＯＦ－ＳＩＭＳでの正極側のマススペクトルにおいて、Ｃ－Ｎ（Ｃｕ）_２に起因する分子量１５２のフラグメントが観察される。

接合層３０は、その厚みが、銅箔と接合対象物とを確実に結合し、且つ十分に高い導電性及び熱伝導性となるように調整されることが好ましい。具体的には、接合層３０の厚みを０．１μｍ以上９５０μｍ以下とすることが好ましく、１μｍ以上５００μｍ以下とすることが更に好ましい。接合層３０は、その製造過程において、接合用膜３中の液媒体が存在しない状態となるので、接合層３０の厚みは接合用膜３の厚みと同一であるか、又は接合用膜３の厚みよりも薄くなる。

接合層３０の厚みは、例えば上述した接合用組成物を用いて形成した膜の厚み、接合用膜３の厚み、又は焼成時における加圧条件を調整することで適宜制御できる。また、接合層３０の厚みは、該接合層を樹脂包埋した後に研磨し、その研磨面を電子顕微鏡により観察することで測定される。

上述した接合用シート１、及び上述した接合層３０を有する接合構造１０は、その高い熱伝導性及び導電信頼性の特性を活かして、高温に曝される環境、例えば車載用電子回路やパワーデバイスが実装された電子回路に好適に用いられる。
接合構造１０は、パワーモジュール構造体として好適に用いられる。パワーモジュール構造体としては、例えば、複数の接合構造１０と、リードフレーム等の電極とがそれぞれ、金や銅等の金属からなる金属ワイヤを介して電気的に接続されている態様が挙げられる。金属ワイヤは、例えば半導体素子や、銅などの金属を表面に有する基板等の接合対象物５上に単独で又は複数配されており、接合構造１０及び電極をそれぞれ電気的に接続しているものである。

パワーモジュール構造の一例を図２（ｂ）を参照して説明すると、第１の接合対象物５１として半導体素子を用い、第２の接合対象物５２として銅などの金属からなる放熱板を用い、第３の接合対象物５３としてＤＢＣ基板を用いる。そして、両接合対象物５１，５２との間、並びに両接合対象物５２，５３との間のうち少なくとも一方に接合用シート１の焼結体である複合接合層１Ｌが形成された接合構造１０とすることができる。

以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。例えば、図２（ｂ）に示す実施形態の積層体１０Ａを焼結して得られた接合構造１０は、各接合対象物５１，５２，５３の間にそれぞれ複合接合層１Ｌが配された態様となっていたが、当該形態に限られない。詳細には、各接合対象物５１，５３の間に複合接合層１Ｌが配され、且つ各接合対象物５２，５３の間に接合層３０のみが配されていてもよく、各接合対象物５１，５３の間に接合層３０のみが配され、且つ各接合対象物５２，５３の間に複合接合層１Ｌが配されていてもよい。

また、図３に示すように、２つの接合対象物５，５の間に接合層３０のみが配された接合構造１０を採用してもよい。当該接合構造１０の製造方法としては、例えば第１の接合対象物５１に接合用組成物を塗布して塗膜を形成し、該塗膜を乾燥させて接合用膜３を得る。その後、接合用膜３上に第２の接合対象物５２を配置し、接合用膜３を各接合対象物５１，５２とともに焼結し接合させることで形成することができる。本実施形態では、各接合対象物５１，５２が、接合層３０のみを介して電気的に接続されているものとなる。この実施形態は、接合用シート１を用いる設計と比較して、接合層３０となる接合用膜３のみを必要最低限の寸法となるように形成すればよいので、製造過程にて余剰に形成された接合層３０（又は接合用膜３）を除去する等の後加工が不要となる利点がある。接合用組成物、接合用膜３、各接合対象物５及び接合層３０に関する説明は、上述した各実施形態に関する説明が適宜適用される。

また、本発明の効果を損なわない範囲で、防食等を目的として、銅箔２の少なくとも一面が、ベンゾトリアゾール等の有機化合物によって表面処理されていてもよい。

本発明によれば、熱伝導性及び導電信頼性に優れた接合用シート及び接合構造が提供される。

Claims (5)

1. 銅箔と、該銅箔の両面に形成された焼結可能な接合用膜とを有する接合用シートであって、
   前記各接合用膜は銅粒子と固体還元剤と液媒体とを含み、
   前記銅粒子は、球状の銅粒子及び扁平状の銅粒子を含み、
   前記球状の銅粒子の、走査型電子顕微鏡像の画像解析により測定した累積体積５０容量％における体積累積粒径Ｄ _{ＳＥＭ５０} が、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、
   前記扁平状の銅粒子の、レーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積体積５０容量％における体積累積粒径Ｄ _５０ が、０．７μｍ以上５０μｍ以下であり、
   前記扁平状の銅粒子のアスペクト比が、５以上４０以下であり、
   前記固体還元剤がアミノアルコール化合物であり、
   前記液媒体が多価アルコールであり、
   前記接合用膜における前記固体還元剤の割合は、前記銅粒子１００質量部に対して０．１質量部以上１０質量部以下であり、
   前記接合用膜における前記液媒体の含有量が、前記銅粒子１００質量部に対して９質量部以下であり、
   前記接合用膜のうち少なくとも一方が、表面に金、銀、銅及びニッケルの少なくとも一種の金属を有する接合対象物と接合するように用いる、接合用シート。
2. 前記接合用膜の両面が、前記接合対象物と接合するように用いる、請求項１に記載の接合用シート。
3. 前記液媒体がへキシレングリコール及びポリエチレングリコールのうち一種以上を含む、請求項１又は２に記載の接合用シート。
4. 表面に金、銀、銅及びニッケルの少なくとも一種の金属を有する第１の接合対象物と、表面に金、銀、銅及びニッケルの少なくとも一種の金属を有する第２の接合対象物とが、銅粒子の焼結構造からなる接合層を介して電気的に接続されている接合構造であって、
   第１の接合対象物と第２の接合対象物とが、銅箔と、該銅箔の両面に形成された前記接合層とを有する複合接合層を介して電気的に接続されており、
   第１の接合対象物及び第２の接合対象物は、スペーサー、放熱板、半導体素子及び基板から選ばれる任意の組み合わせであり、
   前記接合層に以下の構造（３）が形成されている、接合構造。
   （式中、Ｒ^３ないしＲ^５は、それぞれ独立に、水素原子、水酸基、炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基、又は水酸基を有する炭素原子数１以上１０以下の炭化水素基を表し、＊は銅との結合部位を表す。）
5. 第１の接合対象物と第２の接合対象物との間に、第３の接合対象物が更に配されており、
   第１の接合対象物及び第３の接合対象物どうし、並びに第２の接合対象物及び第３の接合対象物どうしがそれぞれ、前記接合層を介して電気的に接続されているか、又は前記複合接合層を介して電気的に接続されており、
   第１の接合対象物が、前記半導体素子であり、
   第２の接合対象物が、前記放熱板であり、
   第３の接合対象物が、絶縁基板である、請求項４に記載の接合構造。