ろう材、ろう材の接合方法及びろう材接合基板
【課題】高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性を有するとともに接合温度を低くできるろう材の接合方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るろう材の接合方法は、回路板１１と半導体チップ１３との間にＡｇ−Ａｌのろう材１２を配置し、前記ろう材１２を２００℃〜５００℃の温度に加熱することにより、回路板１１と半導体チップ１３を接合するろう材の接合方法であって、前記ろう材１２の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【解決手段】本発明に係るろう材の接合方法は、回路板１１と半導体チップ１３との間にＡｇ−Ａｌのろう材１２を配置し、前記ろう材１２を２００℃〜５００℃の温度に加熱することにより、回路板１１と半導体チップ１３を接合するろう材の接合方法であって、前記ろう材１２の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう材、ろう材の接合方法及びろう材接合基板等に関し、より詳細には、高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性を有するとともに接合温度を低くできるろう材、ろう材の接合方法及びろう材接合基板等に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクスの発展の結果、これまで半導体素子が用いられなかった領域へもその適用が広がりつつある。その結果、例えばより高温環境、あるいは放射線照射下といった厳しい環境での使用を要求されるようになりつつある。
【０００３】
このような要求に応えるべく、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体チップが実用化されつつある。ＳｉＣはＳｉに比べてバンドギャップが２〜３倍、熱伝導度が３．５倍大きいことや、熱的・化学的に極めて安定な半導体であるため、高温、高放射線あるいは化学的に活性な場所（例えば高温で大気中）でも安定に動作する「耐環境性」素子材料として注目されている。また、ＧａＮ等の窒化物はバンドギャップが大きく、また高温で安定なため、高温素子材料として適している。
【０００４】
しかし、現状では、高温で動作するこれらの半導体チップに十分に適した半田が開発されていないという課題がある。比較的高温で使用できる現状の高温半田はＰｂが多く、環境面で適しておらず、また熱伝導（放熱）が低く、強度、熱衝撃に対する信頼性に不安がある。また、Ｓｎ系のろう材は、高温に耐えることができない。
【０００５】
また、Ａｌ系、Ａｇ系、Ｃｕ系などのろう材や特許文献１に記載されたＡｇ−Ｃｕ系のろう材は、融点が高すぎるため、高温でろう材を接合した場合に半導体チップが破壊されるおそれがある。さらに、これらの半田やろう材によってＳｉＣ又はＧａＮと電極を接合した場合に高い接合強度、高い信頼性を得ることは困難である。
【０００６】
一方、ＳｉＣ半導体チップにＡｇ層を蒸着により形成し、このＡｇ層を介して接合材で接合することも考えられる。しかし、Ａｇ層の蒸着工程を追加することになり、工程数が増えて製造コストが増加するという課題が残る。
【０００７】
また、Ａｕ系のろう材は接合強度を除けば特性は良いが、ろう材が高価でコストが高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２３５４６号公報（段落００２３〜００２６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性を有するとともに接合温度を低くできるろう材、ろう材の接合方法及びろう材接合基板等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るろう材は、回路板と半導体チップを接合するＡｇ−Ａｌ系のろう材において、該ろう材の金属成分として、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様に係るろう材は、回路板と半導体チップを接合するＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材において、該ろう材の金属成分として、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様に係るろう材において、前記半導体チップはＳｉＣ半導体チップ又はＧａＮ半導体チップであり、前記回路板は銅板又はアルミニウム板であることが好ましい。
【００１３】
本発明の一態様に係るろう材の接合方法は、回路板と半導体チップとの間にＡｇ−Ａｌ系のろう材を配置し、
前記ろう材を２００℃〜５００℃の温度に加熱することにより、回路板と半導体チップを接合するろう材の接合方法であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の一態様に係るろう材の接合方法は、回路板と半導体チップとの間にＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を配置し、
前記ろう材を２００℃〜５００℃の温度に加熱することにより、回路板と半導体チップを接合するろう材の接合方法であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の一態様に係るろう材接合基板は、回路板上にＡｇ−Ａｌ系のろう材によって接合された半導体チップを有するろう材接合基板であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の一態様に係るろう材接合基板は、回路板上にＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材によって接合された半導体チップを有するろう材接合基板であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように本発明によれば、高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性を有するとともに接合温度を低くできるろう材、ろう材の接合方法及びろう材接合基板等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態によるろう材の接合方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図１を参照しつつ説明する。
本発明の実施形態によるろう材の作製方法は、平均粒子径が５０ｎｍ以下、好ましくは１〜５０ｎｍ、さらに好ましくは２５ｎｍ以下のＡｇ粉末に、平均粒子径が５〜１００μｍのＡｌ粉末と所定量の有機物バインダー及び溶剤を入れて均一に乳鉢等で混ぜた後、三本ロールを通し、印刷用のペースト状のろう材を作製するものである。ペースト状となれば有機溶剤のみでも良い。Ａｇ粉末とＡｌ粉末を混合してから所定量の有機物バインダー及び溶剤を入れてペースト状のろう材を作っても良い。また、金属粉末の総量を１００ｍａｓｓ％としたとき、Ａｌ粉末は５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部にＡｇ粉末が含有されていることが好ましい。また、上記のＡｇ粉末とＡｌ粉末にさらに平均粒子径が５〜１００μｍのＳｉ粉末を加えても良い。このＳｉ粉末は、５〜１５ｍａｓｓ％含有されることが好ましい。
【００２０】
Ａｇ粉末の平均粒子径の上限を５０ｎｍとした理由は、５０ｎｍを超えると接合性が劣るおそれがあるためである。また、Ａｇ粉末の平均粒子径の下限を１ｎｍとした理由は、平均粒子径を１ｎｍより小さくすると粉のコスト（価格）が高くなりすぎるためである。
【００２１】
Ａｌ粉末の含有量を５〜６５ｍａｓｓ％とした理由は、Ａｌ粉末が５ｍａｓｓ％未満あるいは６５ｍａｓｓ％を超えると接合強度が低下するおそれがあるためである。また、Ａｌ粉末のより好ましい含有量は３０〜６０ｍａｓｓ％である。Ａｌ粉末のより好ましい含有量の下限を３０ｍａｓｓ％とした理由は、高価なＡｇ粉の使用を抑制することができ、接合強度や信頼性も保持されるからである。また、Ａｌ粉末の平均粒子径をナノ粉（１００ｎｍ以下）としていない理由は、ろう材のコスト（原料費）を削減するためである。また、Ａｌ粉末のより好ましい平均粒子径は５〜５０μｍである。このように５〜５０μｍの範囲とした理由は、平均粒子径が５μｍより小さいとＡｌ粉末の原料代が高くなるためであり、平均粒子径が５０μｍより大きいと所望するろう材ペーストの厚さが形成しにくい場合があるからである。
【００２２】
Ｓｉ粉末の含有量を５〜１５ｍａｓｓ％とした理由は、Ｓｉの添加することでコストを下げながら、この範囲内であれば接合強度また信頼性を保持することができるためである。また、Ｓｉ粉末の平均粒子径をナノ粉（１００ｎｍ以下）としていない理由は、ろう材のコスト（原料費）を削減するためである。また、Ｓｉ粉末のより好ましい平均粒子径は５〜５０μｍである。このように５〜５０μｍの範囲とした理由は、平均粒子径が５μｍより小さいとＳｉ粉末の原料代が高くなるためであり、平均粒子径が５０μｍより大きいと所望するろう材ペースの厚さが形成しにくい場合があるからである。
【００２３】
図１は、上記のろう材を用いてＳｉＣ又はＧａＮの半導体チップをセラミックス回路基板に実装する実装方法を説明するための断面図である。
【００２４】
まず、セラミックス基板１０として例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用意し、このセラミック基板１０の表面上に溶湯接合法によりアルミニウム膜を接合する。なお、本実施形態では、セラミックス基板１０として窒化アルミニウム基板を用いているが、他のセラミックス基板、例えばアルミナ基板や窒化珪素基板等を用いることも可能である。また、本実施形態では、金属板としてアルミニウム膜を用いているが、他の金属板、例えばＡｌ合金板や銅板等を用いることも可能である。また、本実施形態では、溶湯接合法を用いているが、他の接合法、例えばろう接や直接接合法等を用いることも可能である。
【００２５】
次いで、このアルミニウム膜にインクレジスト（図示せず）を回路パターン形状にスクリーン印刷する。次いで、このインクレジストに紫外線を照射することによりインクレジストを硬化させる。なお、インクレジストは、プリント回路用に一般的に市販されている印刷用のＵＶインク（紫外線硬化型インク）が好ましい。
【００２６】
この後、このインクレジストをマスクとしてアルミニウム膜をエッチングする。詳細には、インクレジストをマスクとしたアルミニウム膜に例えば塩化鉄を含む溶液などのエッチング液をスプレーで噴射して供給することにより、アルミニウム膜の不要部分がエッチング除去される。次いで、インクレジストを例えば水酸ナトリウム水溶液で剥離する。これにより、セラミックス基板１０上にはアルミニウム膜からなる回路板１１が形成される。
【００２７】
次に、回路板１１の上に前記の方法で作製したＡｇ−Ａｌ系又はＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材１２をスクリーン印刷により形成し、所定の温度に加熱し、乾燥させる。このろう材１２の上にＳｉＣ又はＧａＮの半導体チップ１３を配置する。ろう材１２の厚さは、２０〜２００μｍが好ましく、より好ましくは２０〜１００μｍである。このようにろう材を形成することにより、被接合部材である回路板１２及び半導体チップ１３それぞれの接合面の凹凸に追従させることができ、接合欠陥（ボイド）の発生を抑制することができる。また、ろう材を薄くすることで、ろう材の原材料コストを低減できる。
【００２８】
次いで、半導体チップ１３に所定の荷重を負荷し、ろう材１２を２００℃〜５００℃に加熱して所定時間保持することにより、ろう材１２からなる接合層を形成し、この接合層を介して回路板１１に半導体チップ１３の電極を接合する。
【００２９】
その後、セラミックス基板１０の裏面にフィン（図示せず）を取り付ける。
【００３０】
上記実施形態によれば、平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末のナノパウダーを用いたＡｇ−Ａｌ又はＡｇ−Ａｌ−Ｓｉのろう材１２を作製しているため、このろう材１２による回路板１１と半導体チップ１３との接合温度を２００℃〜５００℃程度の温度に下げることができる。これにより、製造コストを低減することができる。
【００３１】
また、Ａｇ−Ａｌ系又はＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材１２を用いることにより、例えば５００℃の高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性及び熱衝撃に対する信頼性と優れた熱伝導性を確保することができる。また、Ｐｂレスのろう材とすることにより環境面にも適している。
【００３２】
また、ろう材１２はＡｌ粉末を５〜６５ｍａｓｓ％含有するとともにＳｉ粉末を５〜１５ｍａｓｓ％含有するため、ろう材１２の接合強度を向上させることができる。
【００３３】
また、回路板１１にアルミニウム膜又は銅膜を用い、半導体チップにＳｉＣ又はＧａＮを用いた場合、両者の熱膨張差から応力が発生するが、ろう材１２を２０〜２００μｍと厚く形成することにより応力を緩和することができる。
【００３４】
また、２９．５ｍａｓｓ％Ａｇ−Ａｌ合金の共晶温度５６６℃であるが、５０ｎｍ以下の平均粒子径を有するＡｇ粉末を所定の量とすることで、共晶温度より低い温度で接合することができる。５０ｎｍ以下のナノＡｇ粉は、表面が非常に活性な状態となっており、低温でも焼結が進むと考えられる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
一方の被接合材として厚さ１ｍｍ、縦横２ｍｍ角の大きさのＳｉＣ半導体チップを用意する。
他方の被接合材としてＡｌ−ＡｌＮ接合基板を用意する。このＡｌ−ＡｌＮ接合基板は、厚さ０．６ｍｍのＡｌＮ基板上に溶湯接合法により厚さ０．４ｍｍのアルミニウム膜を接合したものである。
【００３６】
粒子径が１６ｎｍ以下、平均粒子径８．８ｎｍのＡｇ粉末と、平均粒子径が７μｍのＡｌ粉末（粒径３７μｍ以下、＃３５０）と、テレピネオールを用意する。８０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と２０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、８０Ａｇ−２０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００３７】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に８０Ａｇ−２０Ａｌのペースト状のろう材をチップと同じ長さと幅で厚さ１００μｍになるように印刷し、大気中において８０℃で３０分加熱し、ろう材を乾燥する。このろう材の上にＳｉＣ半導体チップを配置し、１０−５ｔｏｒｒの真空中において４００℃で３０分加熱し、ろう接を行うことにより、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００３８】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。この際の評価方法は、下記のとおりである。
チップが接合されたＡｌ−ＡｌＮ接合基板をプル試験機（小型の引張試験機）の台に水平に固定し、チップの側面をプル試験機のチャックではさみ、プル試験機を作動させ鉛直方向に引っ張った。そのときにチップが接合基板から剥がされたときの荷重（破壊荷重）をチップの面積で除し、接合強度とした。
【００３９】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップにヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。この際のヒートサイクル試験方法は、下記のとおりである。
チップが接合されたＡｌ−ＡｌＮ基板をヒートサイクル試験機に投入し、１００サイクル（１サイクル：室温→−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分、大気中）終了後、ヒートサイクル試験機から取り出した。そのときに、チップが剥がれていない場合をヒートサイクル性良好とした。
【００４０】
（実施例２）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００４１】
実施例１と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とビヒクルを用意する。７０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と３０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、７０Ａｇ−３０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００４２】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に７０Ａｇ−３０Ａｌのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００４３】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。
【００４４】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００４５】
（実施例３）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００４６】
実施例１と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とビヒクルを用意する。６０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と４０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、６０Ａｇ−４０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００４７】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００４８】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。
【００４９】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００５０】
（実施例４）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００５１】
実施例１と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とビヒクルを用意する。４０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と６０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、４０Ａｇ−６０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００５２】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に４０Ａｇ−６０Ａｌのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００５３】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。
【００５４】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００５５】
（実施例５）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００５６】
実施例１と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とビヒクルと、平均粒子径が７μｍのＳｉ粉末（粒径３７μｍ以下、＃３５０）を用意する。４０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と５０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末と１０ｍａｓｓ％のＳｉ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、４０Ａｇ−５０Ａｌ−１０Ｓｉの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００５７】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に４０Ａｇ−５０Ａｌ−１０Ｓｉのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００５８】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は４０ＭＰａ以上であった。
【００５９】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００６０】
（実施例６）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００６１】
実施例５と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とＳｉ粉末とビヒクルを用意する。６０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と３０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末と１０ｍａｓｓ％のＳｉ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、６０Ａｇ−３０Ａｌ−１０Ｓｉの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００６２】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に６０Ａｇ−３０Ａｌ−１０Ｓｉのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００６３】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は４０ＭＰａ以上であった。
【００６４】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００６５】
（実施例７）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００６６】
実施例５と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とＳｉ粉末とビヒクルを用意する。８０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と１０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末と１０ｍａｓｓ％のＳｉ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、８０Ａｇ−１０Ａｌ−１０Ｓｉの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００６７】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に８０Ａｇ−１０Ａｌ−１０Ｓｉのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００６８】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は４０ＭＰａ以上であった。
【００６９】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００７０】
実施例５〜７によれば、ろう材１２はＡｌ粉末を１０〜５０ｍａｓｓ％含有するとともにＳｉ粉末を１０ｍａｓｓ％含有するため、ろう材１２の接合強度を向上させることができる。
【００７１】
（実施例８）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００７２】
実施例３と同様の６０Ａｇ−４０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００７３】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を厚さ５０μｍになるように印刷し、大気中において８０℃で３０分加熱し、ろう材を乾燥する。このろう材の上にＳｉＣ半導体チップを配置し、常圧のＡｒ雰囲気において４００℃で３時間加熱し、ろう接を行うことにより、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００７４】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。
【００７５】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。また、ろう材の厚さが１００μｍのものと比べて、原料粉末代が半分となるメリットがある。
【００７６】
（実施例９）
実施例８と同様の被接合材を用意する。
【００７７】
実施例８と異なる平均粒子径が１００ｎｍ以下のＡｇ粉末と、実施例８と同様のＡｌ粉末とビヒクルを用意する。実施例８と同様の混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、実施例８と同様の６０Ａｇ−４０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００７８】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を実施例８と異なる厚さ２００μｍになるように印刷し、実施例８と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００７９】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は実施例８と同様の３０ＭＰａ以上であった。
【００８０】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、実施例８と同様にヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００８１】
（実施例１０）
実施例１と同様に、一方の被接合材として厚さ１ｍｍ、縦横２ｍｍ角の大きさのＳｉＣ半導体チップを用意する。
実施例１と異なり、他方の被接合材としてＣｕ−ＡｌＮ接合基板を用意する。このＣｕ−ＡｌＮ接合基板は、ＡｌＮ基板上にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材により銅膜を接合したものである。
【００８２】
実施例８と同様の６０Ａｇ−４０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００８３】
次に、Ｃｕ−ＡｌＮ接合基板の銅膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例８と同様の接合条件によりＣｕ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００８４】
このようにして接合したＣｕ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。
【００８５】
また、接合したＣｕ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、実施例８と同様にヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００８６】
（実施例１１）
実施例１０と同様の被接合材を用意する。
【００８７】
実施例１０と同様の６０Ａｇ−４０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００８８】
次に、Ｃｕ−ＡｌＮ接合基板の銅膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を実施例１０と同様に、厚さ１００μｍになるように印刷し、大気中において８０℃で３０分加熱し、ろう材を乾燥する。このろう材の上にＳｉＣ半導体チップを配置し、実施例１０と同様に常圧のＡｒ雰囲気において実施例１０と異なる温度である５００℃で３時間加熱し、ろう接を行うことにより、Ｃｕ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００８９】
このようにして接合したＣｕ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は実施例１０と同様の３０ＭＰａ以上であった。
【００９０】
また、接合したＣｕ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、実施例１０と同様にヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００９１】
（比較例１）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００９２】
実施例１と同様のＡｇ粉末とビヒクルを用意する。１００ｍａｓｓ％のＡｇ粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、１００Ａｇの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００９３】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は２０ＭＰａ以下であった。
【００９４】
（比較例２）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００９５】
実施例１と同様のＡｌ粉末とビヒクルを用意する。１００ｍａｓｓ％のＡｇ粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、１００Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００９６】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に１００Ａｌのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合した結果、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップが接合しなかった。
【００９７】
（比較例３）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００９８】
実施例４と同様の組成の４０Ａｇ−６０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００９９】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を実施例と異なる厚さ２０μｍになるように印刷し、実施例８と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。なお、ろう材中のＡｇ粉末の粒径（１〜３７μｍ）は大きくナノ粉末ではない。
【０１００】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合しなかった。
【０１０１】
上記実施例１〜１１及び比較例１〜３によれば、平均粒子径が１００ｎｍ以下のＡｇ粉末のナノパウダーを用いたＡｇ−Ａｌ又はＡｇ−Ａｌ−Ｓｉのろう材を作製しているため、このろう材によるＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップとの接合温度を５００℃以下に下げることができる。これにより、製造コストを低減することができる。
【０１０２】
また、上記実施例１〜１１及び比較例１〜３では、Ａｇ−Ａｌ又はＡｇ−Ａｌ−Ｓｉのろう材を用いることにより、高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性及び熱衝撃に対する信頼性と優れた熱伝導性を確保することができる。
【０１０３】
尚、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０ セラミックス基板
１１ 回路板
１２ ろう材
１３ 半導体チップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろう材、ろう材の接合方法及びろう材接合基板等に関し、より詳細には、高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性を有するとともに接合温度を低くできるろう材、ろう材の接合方法及びろう材接合基板等に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクスの発展の結果、これまで半導体素子が用いられなかった領域へもその適用が広がりつつある。その結果、例えばより高温環境、あるいは放射線照射下といった厳しい環境での使用を要求されるようになりつつある。
【０００３】
このような要求に応えるべく、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体チップが実用化されつつある。ＳｉＣはＳｉに比べてバンドギャップが２〜３倍、熱伝導度が３．５倍大きいことや、熱的・化学的に極めて安定な半導体であるため、高温、高放射線あるいは化学的に活性な場所（例えば高温で大気中）でも安定に動作する「耐環境性」素子材料として注目されている。また、ＧａＮ等の窒化物はバンドギャップが大きく、また高温で安定なため、高温素子材料として適している。
【０００４】
しかし、現状では、高温で動作するこれらの半導体チップに十分に適した半田が開発されていないという課題がある。比較的高温で使用できる現状の高温半田はＰｂが多く、環境面で適しておらず、また熱伝導（放熱）が低く、強度、熱衝撃に対する信頼性に不安がある。また、Ｓｎ系のろう材は、高温に耐えることができない。
【０００５】
また、Ａｌ系、Ａｇ系、Ｃｕ系などのろう材や特許文献１に記載されたＡｇ−Ｃｕ系のろう材は、融点が高すぎるため、高温でろう材を接合した場合に半導体チップが破壊されるおそれがある。さらに、これらの半田やろう材によってＳｉＣ又はＧａＮと電極を接合した場合に高い接合強度、高い信頼性を得ることは困難である。
【０００６】
一方、ＳｉＣ半導体チップにＡｇ層を蒸着により形成し、このＡｇ層を介して接合材で接合することも考えられる。しかし、Ａｇ層の蒸着工程を追加することになり、工程数が増えて製造コストが増加するという課題が残る。
【０００７】
また、Ａｕ系のろう材は接合強度を除けば特性は良いが、ろう材が高価でコストが高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２３５４６号公報（段落００２３〜００２６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性を有するとともに接合温度を低くできるろう材、ろう材の接合方法及びろう材接合基板等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るろう材は、回路板と半導体チップを接合するＡｇ−Ａｌ系のろう材において、該ろう材の金属成分として、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一態様に係るろう材は、回路板と半導体チップを接合するＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材において、該ろう材の金属成分として、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様に係るろう材において、前記半導体チップはＳｉＣ半導体チップ又はＧａＮ半導体チップであり、前記回路板は銅板又はアルミニウム板であることが好ましい。
【００１３】
本発明の一態様に係るろう材の接合方法は、回路板と半導体チップとの間にＡｇ−Ａｌ系のろう材を配置し、
前記ろう材を２００℃〜５００℃の温度に加熱することにより、回路板と半導体チップを接合するろう材の接合方法であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の一態様に係るろう材の接合方法は、回路板と半導体チップとの間にＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を配置し、
前記ろう材を２００℃〜５００℃の温度に加熱することにより、回路板と半導体チップを接合するろう材の接合方法であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の一態様に係るろう材接合基板は、回路板上にＡｇ−Ａｌ系のろう材によって接合された半導体チップを有するろう材接合基板であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の一態様に係るろう材接合基板は、回路板上にＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材によって接合された半導体チップを有するろう材接合基板であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように本発明によれば、高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性を有するとともに接合温度を低くできるろう材、ろう材の接合方法及びろう材接合基板等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態によるろう材の接合方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図１を参照しつつ説明する。
本発明の実施形態によるろう材の作製方法は、平均粒子径が５０ｎｍ以下、好ましくは１〜５０ｎｍ、さらに好ましくは２５ｎｍ以下のＡｇ粉末に、平均粒子径が５〜１００μｍのＡｌ粉末と所定量の有機物バインダー及び溶剤を入れて均一に乳鉢等で混ぜた後、三本ロールを通し、印刷用のペースト状のろう材を作製するものである。ペースト状となれば有機溶剤のみでも良い。Ａｇ粉末とＡｌ粉末を混合してから所定量の有機物バインダー及び溶剤を入れてペースト状のろう材を作っても良い。また、金属粉末の総量を１００ｍａｓｓ％としたとき、Ａｌ粉末は５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部にＡｇ粉末が含有されていることが好ましい。また、上記のＡｇ粉末とＡｌ粉末にさらに平均粒子径が５〜１００μｍのＳｉ粉末を加えても良い。このＳｉ粉末は、５〜１５ｍａｓｓ％含有されることが好ましい。
【００２０】
Ａｇ粉末の平均粒子径の上限を５０ｎｍとした理由は、５０ｎｍを超えると接合性が劣るおそれがあるためである。また、Ａｇ粉末の平均粒子径の下限を１ｎｍとした理由は、平均粒子径を１ｎｍより小さくすると粉のコスト（価格）が高くなりすぎるためである。
【００２１】
Ａｌ粉末の含有量を５〜６５ｍａｓｓ％とした理由は、Ａｌ粉末が５ｍａｓｓ％未満あるいは６５ｍａｓｓ％を超えると接合強度が低下するおそれがあるためである。また、Ａｌ粉末のより好ましい含有量は３０〜６０ｍａｓｓ％である。Ａｌ粉末のより好ましい含有量の下限を３０ｍａｓｓ％とした理由は、高価なＡｇ粉の使用を抑制することができ、接合強度や信頼性も保持されるからである。また、Ａｌ粉末の平均粒子径をナノ粉（１００ｎｍ以下）としていない理由は、ろう材のコスト（原料費）を削減するためである。また、Ａｌ粉末のより好ましい平均粒子径は５〜５０μｍである。このように５〜５０μｍの範囲とした理由は、平均粒子径が５μｍより小さいとＡｌ粉末の原料代が高くなるためであり、平均粒子径が５０μｍより大きいと所望するろう材ペーストの厚さが形成しにくい場合があるからである。
【００２２】
Ｓｉ粉末の含有量を５〜１５ｍａｓｓ％とした理由は、Ｓｉの添加することでコストを下げながら、この範囲内であれば接合強度また信頼性を保持することができるためである。また、Ｓｉ粉末の平均粒子径をナノ粉（１００ｎｍ以下）としていない理由は、ろう材のコスト（原料費）を削減するためである。また、Ｓｉ粉末のより好ましい平均粒子径は５〜５０μｍである。このように５〜５０μｍの範囲とした理由は、平均粒子径が５μｍより小さいとＳｉ粉末の原料代が高くなるためであり、平均粒子径が５０μｍより大きいと所望するろう材ペースの厚さが形成しにくい場合があるからである。
【００２３】
図１は、上記のろう材を用いてＳｉＣ又はＧａＮの半導体チップをセラミックス回路基板に実装する実装方法を説明するための断面図である。
【００２４】
まず、セラミックス基板１０として例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用意し、このセラミック基板１０の表面上に溶湯接合法によりアルミニウム膜を接合する。なお、本実施形態では、セラミックス基板１０として窒化アルミニウム基板を用いているが、他のセラミックス基板、例えばアルミナ基板や窒化珪素基板等を用いることも可能である。また、本実施形態では、金属板としてアルミニウム膜を用いているが、他の金属板、例えばＡｌ合金板や銅板等を用いることも可能である。また、本実施形態では、溶湯接合法を用いているが、他の接合法、例えばろう接や直接接合法等を用いることも可能である。
【００２５】
次いで、このアルミニウム膜にインクレジスト（図示せず）を回路パターン形状にスクリーン印刷する。次いで、このインクレジストに紫外線を照射することによりインクレジストを硬化させる。なお、インクレジストは、プリント回路用に一般的に市販されている印刷用のＵＶインク（紫外線硬化型インク）が好ましい。
【００２６】
この後、このインクレジストをマスクとしてアルミニウム膜をエッチングする。詳細には、インクレジストをマスクとしたアルミニウム膜に例えば塩化鉄を含む溶液などのエッチング液をスプレーで噴射して供給することにより、アルミニウム膜の不要部分がエッチング除去される。次いで、インクレジストを例えば水酸ナトリウム水溶液で剥離する。これにより、セラミックス基板１０上にはアルミニウム膜からなる回路板１１が形成される。
【００２７】
次に、回路板１１の上に前記の方法で作製したＡｇ−Ａｌ系又はＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材１２をスクリーン印刷により形成し、所定の温度に加熱し、乾燥させる。このろう材１２の上にＳｉＣ又はＧａＮの半導体チップ１３を配置する。ろう材１２の厚さは、２０〜２００μｍが好ましく、より好ましくは２０〜１００μｍである。このようにろう材を形成することにより、被接合部材である回路板１２及び半導体チップ１３それぞれの接合面の凹凸に追従させることができ、接合欠陥（ボイド）の発生を抑制することができる。また、ろう材を薄くすることで、ろう材の原材料コストを低減できる。
【００２８】
次いで、半導体チップ１３に所定の荷重を負荷し、ろう材１２を２００℃〜５００℃に加熱して所定時間保持することにより、ろう材１２からなる接合層を形成し、この接合層を介して回路板１１に半導体チップ１３の電極を接合する。
【００２９】
その後、セラミックス基板１０の裏面にフィン（図示せず）を取り付ける。
【００３０】
上記実施形態によれば、平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末のナノパウダーを用いたＡｇ−Ａｌ又はＡｇ−Ａｌ−Ｓｉのろう材１２を作製しているため、このろう材１２による回路板１１と半導体チップ１３との接合温度を２００℃〜５００℃程度の温度に下げることができる。これにより、製造コストを低減することができる。
【００３１】
また、Ａｇ−Ａｌ系又はＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材１２を用いることにより、例えば５００℃の高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性及び熱衝撃に対する信頼性と優れた熱伝導性を確保することができる。また、Ｐｂレスのろう材とすることにより環境面にも適している。
【００３２】
また、ろう材１２はＡｌ粉末を５〜６５ｍａｓｓ％含有するとともにＳｉ粉末を５〜１５ｍａｓｓ％含有するため、ろう材１２の接合強度を向上させることができる。
【００３３】
また、回路板１１にアルミニウム膜又は銅膜を用い、半導体チップにＳｉＣ又はＧａＮを用いた場合、両者の熱膨張差から応力が発生するが、ろう材１２を２０〜２００μｍと厚く形成することにより応力を緩和することができる。
【００３４】
また、２９．５ｍａｓｓ％Ａｇ−Ａｌ合金の共晶温度５６６℃であるが、５０ｎｍ以下の平均粒子径を有するＡｇ粉末を所定の量とすることで、共晶温度より低い温度で接合することができる。５０ｎｍ以下のナノＡｇ粉は、表面が非常に活性な状態となっており、低温でも焼結が進むと考えられる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
一方の被接合材として厚さ１ｍｍ、縦横２ｍｍ角の大きさのＳｉＣ半導体チップを用意する。
他方の被接合材としてＡｌ−ＡｌＮ接合基板を用意する。このＡｌ−ＡｌＮ接合基板は、厚さ０．６ｍｍのＡｌＮ基板上に溶湯接合法により厚さ０．４ｍｍのアルミニウム膜を接合したものである。
【００３６】
粒子径が１６ｎｍ以下、平均粒子径８．８ｎｍのＡｇ粉末と、平均粒子径が７μｍのＡｌ粉末（粒径３７μｍ以下、＃３５０）と、テレピネオールを用意する。８０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と２０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、８０Ａｇ−２０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００３７】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に８０Ａｇ−２０Ａｌのペースト状のろう材をチップと同じ長さと幅で厚さ１００μｍになるように印刷し、大気中において８０℃で３０分加熱し、ろう材を乾燥する。このろう材の上にＳｉＣ半導体チップを配置し、１０−５ｔｏｒｒの真空中において４００℃で３０分加熱し、ろう接を行うことにより、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００３８】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。この際の評価方法は、下記のとおりである。
チップが接合されたＡｌ−ＡｌＮ接合基板をプル試験機（小型の引張試験機）の台に水平に固定し、チップの側面をプル試験機のチャックではさみ、プル試験機を作動させ鉛直方向に引っ張った。そのときにチップが接合基板から剥がされたときの荷重（破壊荷重）をチップの面積で除し、接合強度とした。
【００３９】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップにヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。この際のヒートサイクル試験方法は、下記のとおりである。
チップが接合されたＡｌ−ＡｌＮ基板をヒートサイクル試験機に投入し、１００サイクル（１サイクル：室温→−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分、大気中）終了後、ヒートサイクル試験機から取り出した。そのときに、チップが剥がれていない場合をヒートサイクル性良好とした。
【００４０】
（実施例２）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００４１】
実施例１と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とビヒクルを用意する。７０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と３０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、７０Ａｇ−３０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００４２】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に７０Ａｇ−３０Ａｌのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００４３】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。
【００４４】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００４５】
（実施例３）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００４６】
実施例１と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とビヒクルを用意する。６０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と４０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、６０Ａｇ−４０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００４７】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００４８】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。
【００４９】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００５０】
（実施例４）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００５１】
実施例１と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とビヒクルを用意する。４０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と６０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、４０Ａｇ−６０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００５２】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に４０Ａｇ−６０Ａｌのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００５３】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。
【００５４】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００５５】
（実施例５）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００５６】
実施例１と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とビヒクルと、平均粒子径が７μｍのＳｉ粉末（粒径３７μｍ以下、＃３５０）を用意する。４０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と５０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末と１０ｍａｓｓ％のＳｉ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、４０Ａｇ−５０Ａｌ−１０Ｓｉの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００５７】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に４０Ａｇ−５０Ａｌ−１０Ｓｉのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００５８】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は４０ＭＰａ以上であった。
【００５９】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００６０】
（実施例６）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００６１】
実施例５と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とＳｉ粉末とビヒクルを用意する。６０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と３０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末と１０ｍａｓｓ％のＳｉ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、６０Ａｇ−３０Ａｌ−１０Ｓｉの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００６２】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に６０Ａｇ−３０Ａｌ−１０Ｓｉのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００６３】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は４０ＭＰａ以上であった。
【００６４】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００６５】
（実施例７）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００６６】
実施例５と同様のＡｇ粉末とＡｌ粉末とＳｉ粉末とビヒクルを用意する。８０ｍａｓｓ％のＡｇ粉末と１０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末と１０ｍａｓｓ％のＳｉ粉末を混合した混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、８０Ａｇ−１０Ａｌ−１０Ｓｉの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００６７】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に８０Ａｇ−１０Ａｌ−１０Ｓｉのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００６８】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は４０ＭＰａ以上であった。
【００６９】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００７０】
実施例５〜７によれば、ろう材１２はＡｌ粉末を１０〜５０ｍａｓｓ％含有するとともにＳｉ粉末を１０ｍａｓｓ％含有するため、ろう材１２の接合強度を向上させることができる。
【００７１】
（実施例８）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００７２】
実施例３と同様の６０Ａｇ−４０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００７３】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を厚さ５０μｍになるように印刷し、大気中において８０℃で３０分加熱し、ろう材を乾燥する。このろう材の上にＳｉＣ半導体チップを配置し、常圧のＡｒ雰囲気において４００℃で３時間加熱し、ろう接を行うことにより、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００７４】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。
【００７５】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、ヒートサイクル性が良好であることが確認された。また、ろう材の厚さが１００μｍのものと比べて、原料粉末代が半分となるメリットがある。
【００７６】
（実施例９）
実施例８と同様の被接合材を用意する。
【００７７】
実施例８と異なる平均粒子径が１００ｎｍ以下のＡｇ粉末と、実施例８と同様のＡｌ粉末とビヒクルを用意する。実施例８と同様の混合粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、実施例８と同様の６０Ａｇ−４０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００７８】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を実施例８と異なる厚さ２００μｍになるように印刷し、実施例８と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００７９】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は実施例８と同様の３０ＭＰａ以上であった。
【００８０】
また、接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、実施例８と同様にヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００８１】
（実施例１０）
実施例１と同様に、一方の被接合材として厚さ１ｍｍ、縦横２ｍｍ角の大きさのＳｉＣ半導体チップを用意する。
実施例１と異なり、他方の被接合材としてＣｕ−ＡｌＮ接合基板を用意する。このＣｕ−ＡｌＮ接合基板は、ＡｌＮ基板上にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材により銅膜を接合したものである。
【００８２】
実施例８と同様の６０Ａｇ−４０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００８３】
次に、Ｃｕ−ＡｌＮ接合基板の銅膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例８と同様の接合条件によりＣｕ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００８４】
このようにして接合したＣｕ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は３０ＭＰａ以上であった。
【００８５】
また、接合したＣｕ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、実施例８と同様にヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００８６】
（実施例１１）
実施例１０と同様の被接合材を用意する。
【００８７】
実施例１０と同様の６０Ａｇ−４０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００８８】
次に、Ｃｕ−ＡｌＮ接合基板の銅膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を実施例１０と同様に、厚さ１００μｍになるように印刷し、大気中において８０℃で３０分加熱し、ろう材を乾燥する。このろう材の上にＳｉＣ半導体チップを配置し、実施例１０と同様に常圧のＡｒ雰囲気において実施例１０と異なる温度である５００℃で３時間加熱し、ろう接を行うことにより、Ｃｕ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。
【００８９】
このようにして接合したＣｕ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は実施例１０と同様の３０ＭＰａ以上であった。
【００９０】
また、接合したＣｕ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップに実施例１と同様の方法でヒートサイクル試験を行った結果、実施例１０と同様にヒートサイクル性が良好であることが確認された。
【００９１】
（比較例１）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００９２】
実施例１と同様のＡｇ粉末とビヒクルを用意する。１００ｍａｓｓ％のＡｇ粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、１００Ａｇの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００９３】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合強度は２０ＭＰａ以下であった。
【００９４】
（比較例２）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００９５】
実施例１と同様のＡｌ粉末とビヒクルを用意する。１００ｍａｓｓ％のＡｇ粉末に一定量のテレピネオールを加えて自動乳鉢で混合した後、三本ロールを３回通し、１００Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００９６】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に１００Ａｌのペースト状のろう材を実施例１と同様の厚さ１００μｍになるように印刷し、実施例１と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合した結果、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップが接合しなかった。
【００９７】
（比較例３）
実施例１と同様の被接合材を用意する。
【００９８】
実施例４と同様の組成の４０Ａｇ−６０Ａｌの印刷用のペースト状のろう材を作製する。
【００９９】
次に、Ａｌ−ＡｌＮ接合基板のアルミニウム膜上に６０Ａｇ−４０Ａｌのペースト状のろう材を実施例と異なる厚さ２０μｍになるように印刷し、実施例８と同様の接合条件によりＡｌ−ＡｌＮ接合基板にＳｉＣ半導体チップを接合する。なお、ろう材中のＡｇ粉末の粒径（１〜３７μｍ）は大きくナノ粉末ではない。
【０１００】
このようにして接合したＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップの接合強度を実施例１と同様の方法で評価した結果、その接合しなかった。
【０１０１】
上記実施例１〜１１及び比較例１〜３によれば、平均粒子径が１００ｎｍ以下のＡｇ粉末のナノパウダーを用いたＡｇ−Ａｌ又はＡｇ−Ａｌ−Ｓｉのろう材を作製しているため、このろう材によるＡｌ−ＡｌＮ接合基板とＳｉＣ半導体チップとの接合温度を５００℃以下に下げることができる。これにより、製造コストを低減することができる。
【０１０２】
また、上記実施例１〜１１及び比較例１〜３では、Ａｇ−Ａｌ又はＡｇ−Ａｌ−Ｓｉのろう材を用いることにより、高温で動作する半導体チップの使用温度に耐える耐熱性及び熱衝撃に対する信頼性と優れた熱伝導性を確保することができる。
【０１０３】
尚、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０ セラミックス基板
１１ 回路板
１２ ろう材
１３ 半導体チップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路板と半導体チップを接合するＡｇ−Ａｌ系のろう材において、該ろう材の金属成分として、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材。
【請求項２】
回路板と半導体チップを接合するＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材において、該ろう材の金属成分として、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記半導体チップはＳｉＣ半導体チップ又はＧａＮ半導体チップであり、前記回路板は銅板又はアルミニウム板であることを特徴とするろう材。
【請求項４】
回路板と半導体チップとの間にＡｇ−Ａｌ系のろう材を配置し、
前記ろう材を２００℃〜５００℃の温度に加熱することにより、回路板と半導体チップを接合するろう材の接合方法であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材の接合方法。
【請求項５】
回路板と半導体チップとの間にＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を配置し、
前記ろう材を２００℃〜５００℃の温度に加熱することにより、回路板と半導体チップを接合するろう材の接合方法であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材の接合方法。
【請求項６】
回路板上にＡｇ−Ａｌ系のろう材によって接合された半導体チップを有するろう材接合基板であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材接合基板。
【請求項７】
回路板上にＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材によって接合された半導体チップを有するろう材接合基板であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材接合基板。
【請求項１】
回路板と半導体チップを接合するＡｇ−Ａｌ系のろう材において、該ろう材の金属成分として、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材。
【請求項２】
回路板と半導体チップを接合するＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材において、該ろう材の金属成分として、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記半導体チップはＳｉＣ半導体チップ又はＧａＮ半導体チップであり、前記回路板は銅板又はアルミニウム板であることを特徴とするろう材。
【請求項４】
回路板と半導体チップとの間にＡｇ−Ａｌ系のろう材を配置し、
前記ろう材を２００℃〜５００℃の温度に加熱することにより、回路板と半導体チップを接合するろう材の接合方法であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材の接合方法。
【請求項５】
回路板と半導体チップとの間にＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を配置し、
前記ろう材を２００℃〜５００℃の温度に加熱することにより、回路板と半導体チップを接合するろう材の接合方法であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材の接合方法。
【請求項６】
回路板上にＡｇ−Ａｌ系のろう材によって接合された半導体チップを有するろう材接合基板であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材接合基板。
【請求項７】
回路板上にＡｇ−Ａｌ−Ｓｉ系のろう材によって接合された半導体チップを有するろう材接合基板であって、
前記ろう材の金属成分は、Ａｌ粉末が５〜６５ｍａｓｓ％含有され、Ｓｉ粉末が５〜１５ｍａｓｓ％含有され、残部に平均粒子径が５０ｎｍ以下のＡｇ粉末が含有されていることを特徴とするろう材接合基板。
【図１】
【公開番号】特開２０１０−２３４４０１（Ｐ２０１０−２３４４０１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８４７９７（Ｐ２００９−８４７９７）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（５０６３６５１３１）ＤＯＷＡメタルテック株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（５０６３６５１３１）ＤＯＷＡメタルテック株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
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