金属基複合材料を使用した積層構造体
【課題】はんだを使用せずに、より高温の環境においても、積層される上下の部材の熱応力を効果的に緩和することのできる金属基複合材料を使用した積層構造体を提供する。
【解決手段】材料Ａ１と、材料Ｂ５と、材料Ａ１と材料Ｂ５との間に挟まれた材料Ｃ４とからなり、材料Ａ１および材料Ｂ５の線膨張係数が、αａ＜αｂの関係を満たし（ここで、αａは材料Ａ１の線膨張係数を表し、αｂは材料Ｂの線膨張係数を表わす）、材料Ｃ４は２元素からなるマトリックス材および微粒子を含み、緻密状態２および多孔質状態３を含み、材料Ｃ４の材料Ａ１に接する側が緻密状態２であり、材料Ｂ５に接する側が多孔質状態３であることを特徴とする積層構造体１０。
【解決手段】材料Ａ１と、材料Ｂ５と、材料Ａ１と材料Ｂ５との間に挟まれた材料Ｃ４とからなり、材料Ａ１および材料Ｂ５の線膨張係数が、αａ＜αｂの関係を満たし（ここで、αａは材料Ａ１の線膨張係数を表し、αｂは材料Ｂの線膨張係数を表わす）、材料Ｃ４は２元素からなるマトリックス材および微粒子を含み、緻密状態２および多孔質状態３を含み、材料Ｃ４の材料Ａ１に接する側が緻密状態２であり、材料Ｂ５に接する側が多孔質状態３であることを特徴とする積層構造体１０。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子などを搭載した積層構造体に関し、特に、上下の層の部材の熱応力を効果的に緩和しうる金属基複合材料を使用した積層構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子を基板に搭載する際には、安定した動作のために、素子の発熱が引き起こす影響を低減するように工夫がされている。例えば、半導体素子の発生する熱を効率よく放熱するという観点から、はんだの高い熱伝導率に着目し、炭素焼結体にはんだを含浸させた放熱部材が提案されている（下記特許文献１参照）。このような部材は、半導体素子とパッケージの間に双方に接触させて配置され、半導体素子からの熱を放出する役割を果たす。はんだは熱伝導性に優れ、放熱部材としての使用は物性の点からは適当であるが、環境に有害な鉛を含んでいる。そのため、近年では環境への影響に配慮し、はんだを使用せずにすむよう代替材料が求められている。
【０００３】
一方で、自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入による二酸化炭素排出量の低減に注目が集まっている。このような電気自動車の制御用等にも半導体素子は使用されているが、半導体素子や周辺デバイスは３００℃程度と従来よりも高温の使用環境となるために、これらもより耐熱性を高めることが求められている。そのため、使用される半導体材料としては、従来のシリコンからより耐熱性に優れるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）へと変化してきている。ＳｉＣはシリコンに比べ、耐熱性に優れるだけでなく、高電圧・高電流を流すことができるために、エネルギー効率向上および素子の小型化に対応できるという側面からも好適な材料である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、半導体材料としてＳｉＣが使用されるようになり、半導体素子はより高温で過酷な環境で使用されるようになってきている。それゆえ、熱による新たな問題も生じている。対処の必要なそのような問題の一つとして、熱による材料のひずみ、熱応力が挙げられる。高温の環境で使用されるため、またＳｉＣを使用した半導体素子は発熱量が増加するために、周辺部材との間に大きな熱応力が発生することがある。そのため、半導体素子と周辺の部材との間で生ずる熱応力を緩和させる手段が必要となる。
【０００６】
上記従来技術のはんだを含浸させた炭素焼結体は、熱応力緩和の能力はあるものの、鉛を含むことから環境問題のために使用することが好ましくない。のみならず、はんだは通常２５０℃以上では融点を超えてしまうため、３００℃程度の高温の使用環境では使用することができない。
【０００７】
このような実情に鑑み、本発明では、はんだを使用せずに、より高温の環境においても積層される上下の部材の熱応力を効果的に緩和することのできる積層構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の提供する積層構造体は、材料Ａと、材料Ｂと、材料Ａと材料Ｂとの間に挟まれた材料Ｃとからなり、材料Ａおよび材料Ｂの線膨張係数が、αａ＜αｂの関係を満たしている。ここで、αａは材料Ａの線膨張係数を表し、αｂは材料Ｂの線膨張係数を表わす。材料Ｃは２元素からなるマトリックス材および微粒子を含み、緻密状態および多孔質状態を含み、材料Ｃの材料Ａに接する側が緻密状態であり、材料Ｂに接する側が多孔質状態であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の積層構造体は、材料Ｃが２元素からなるマトリックス材および微粒子で構成される緻密状態と多孔質状態とを含んでおり、多孔質状態が低弾性を示し、緻密状態は低線膨張性を示す。このことにより、材料Ａと材料Ｂとの間の熱応力を効果的に緩和でき、材料Ｂが熱により変形した場合に、その変形に追随しないことに起因する材料Ａの損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による積層構造体を示す断面図である。
【図２】ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料の断面の元素分析の結果を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態による材料Ｃの断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察した像を示す図である。
【図４】図３を拡大した図である。
【図５】図４に示す断面の多孔質状態の部分を拡大した図である。
【図６】図４に示す断面の緻密状態の部分を拡大した図である。
【図７】多孔質状態の構造を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の積層構造体について詳細に説明する。
【００１２】
本発明の積層構造体は、線膨張係数が、αａ＜αｂの関係を満たす材料Ａと材料Ｂとの間に、材料Ｃを挟んで構成される。ここで、αａは材料Ａの線膨張係数を表し、αｂは材料Ｂの線膨張係数を表わす。すなわち、発熱などの温度変化が生じたときに、材料Ａは線膨張係数が小さく伸びにくい、すなわち変形しにくく、材料Ｂは線膨張係数が大きく伸びやすい、すなわち変形しやすい素材である。材料Ｃは、この材料Ａと材料Ｃとの間の熱応力を緩和するために挿入され、２元素からなるマトリックス材および微粒子を含み、緻密状態および多孔質状態を含み、材料Ａに接する側が緻密状態であり、材料Ｂに接する側が多孔質状態である。
【００１３】
材料Ｃの緻密状態は、マトリックス材と微粒子とが互いに強固に密着して構成され、それゆえに緻密状態部分は低線膨張性を示す。この性質は、線膨張係数の小さい材料Ａに近いものである。したがって、熱変形しにくい材料Ａと接する側に材料Ｃの緻密状態を配置することにより、高温の環境で材料Ａが線膨張係数の大きい材料Ｂと接したための熱応力によって損傷することを防止できる。
【００１４】
一方、材料Ｃの多孔質状態は、マトリックス材と微粒子との間に空隙が生じて多孔質となっており、同一の材料で多孔質ではないものよりも見かけの弾性が低下し、変形しやすい。したがって、線膨張係数の大きい材料Ｂと接する側に材料Ｃの多孔質状態を配置することにより、材料Ｃは材料Ｂの伸びに合わせて変形する。したがって、材料Ｂの熱変形が材料Ａに影響することを防止する。すなわち、材料Ｃは、材料Ａと材料Ｂとの間の熱応力緩和層として機能する。
【００１５】
次に本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の好ましい実施形態の積層構造体を示した断面図である。図１中、本実施形態の積層構造体１０は、材料ＡとしてＳｉＣを使用した半導体素子１と、材料Ｂとして電子部品の配線に広く使用される銅を使用した配線電極５との間に、材料Ｃを挟んでいる。ＳｉＣの線膨張係数は４．５×１０−６／Ｋ、銅の線膨張係数は１６．６×１０−６／Ｋであり、両者の線膨張係数は大きく異なる。そのまま積層すると、半導体素子に接している配線電極は熱変形しやすく、ＳｉＣが熱によって変形しにくいために、熱応力によって半導体素子にクラックが入ってしまう。材料Ｃは、ニッケルおよび銅の２元素からなるマトリックス材中に、微粒子としてカーボンナノチューブを含んだ金属基複合材料（以下、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料と称する）の薄膜である。ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４中には、緻密状態２および多孔質状態３がそれぞれの薄層を互いに重ねたような状態で含まれており、それぞれ半導体素子１および配線電極５に接している。緻密状態２は低線膨張性を示し、多孔質状態３は低弾性を示す。なお、後述するように緻密状態２と多孔質状態３とは相互に混じり合って連続しているが、図１においては、説明のために緻密状態２と多孔質状態３を区分して示した。
【００１６】
ニッケルと銅は全率で固溶体を形成するが、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４中、マトリックス材としてのニッケルと銅とには濃度勾配がある。図２は、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４の断面を厚み方向に元素分析した結果を示すグラフである。図２において、横軸は厚み方向の距離であり、０は半導体素子１に接する表面で右端は配線電極５に接する表面である。半導体素子１に近い部分、すなわち緻密状態２はニッケルがリッチであるのに対して、Ｂに近い部分の多孔質状態３は銅がリッチになっている。このマトリックス材の２元素の濃度勾配により、緻密状態２と多孔質状態３とが形成される。
【００１７】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４は、上記のように緻密状態と多孔質状態を含むことにより、全体としては、ヤング率が小さく線膨張係数が小さいという性質を有する。すなわち、低弾性であり外的な力による変形に追随しやすく、かつ、熱による変形もしにくい。特に、明確に区分することは難しいが、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４のうち緻密状態２の側では低線膨張性が、多孔質状態３の側では低弾性が、より顕著に現れる。それぞれの特性は薄膜の表面に近くなるほど顕著である。したがって、高温の環境において、電極が熱変形した場合には、配線電極５に接する多孔質状態３がその変形に追随して変形する。一方の半導体素子１に接する緻密状態２は半導体素子１と共に形を維持したままとなる。ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４は、機能的な面からは、低線膨張性の層と低弾性の層とが積層されているとも言える。このように本実施形態の積層構造体は、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４が熱応力緩和層としての機能を発揮し、半導体素子の実装に好適である。高温の環境や素子の発熱による熱応力に起因する半導体素子１のクラックを防止でき、信頼性の高い半導体デバイスを提供できるためである。
【００１８】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４が緻密状態と多孔質状態とで構成されていることは、上記のように低線膨張性および低弾性という物性に反映され、断面を観察することと共に、ヤング率および線膨張係数の測定によって知ることができる。本発明において、緻密状態と多孔質状態とを含むとは、材料Ｃは線膨張係数が１０〜２０×１０−６／Ｋおよびヤング率が５０〜１２５ＧＰａを示す。より好ましくは、線膨張係数が１２〜１８×１０−６／Ｋ、ヤング率が５０〜１００ＧＰａであり、さらに好ましくは、線膨張係数が１６．５〜１７．６×１０−６／Ｋ、ヤング率が６４〜７２．１ＧＰａである。
【００１９】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４は、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察すると、緻密状態および多孔質状態を確認することができる。図３は、本実施形態のＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４の断面をＳＥＭにて１０００倍で観察した像を示す図であり、多孔質状態３は上側、緻密状態２は下側である。図４は、図３の拡大図であり、４０００倍での観察像である。
【００２０】
図５は、図４の多孔質状態３を拡大し、１００００倍で観察した像である。観察像のほぼ全域にわたり空隙が観察され、特に膜表面近くの断面において、多数の細かい空孔を確認することができる。一方図６は、図４の緻密状態２を拡大し、１００００倍で観察した像である。多孔質状態３に比較して空隙が少なく全体に滑らかであり、特に下側の膜表面近くの断面は空隙がなくとても滑らかであることが観察される。このように、緻密状態と多孔質状態とは、ＳＥＭにて１０００〜１００００倍で断面を観察することにより互いに区別される。本実施形態においては、膜の断面を上記のように観察したときにこのように状態に明確な相違が認められること、および、膜全体について上記のような物性を示すことが確認されれば、狙いとする熱応力緩和の効果が得られる。
【００２１】
緻密状態２と多孔質状態３との比率は、本発明の効果を十分に発揮するためには、図３のＳＥＭにより観察した断面において、それぞれの厚み方向の長さを計測した場合に、緻密状態：多孔質状態が５：５〜３：７である。より好ましくは４：６〜３：７である。本実施形態においては、最も好ましい比率は３：７である。
【００２２】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４はそれ自身の放熱性や導電性にも優れている。したがって、半導体素子１の発生する熱を吸収することもでき、配線電極５と半導体素子１との間を電気的に接続する役割も果たしている。ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４が導電性を有することにより、半導体素子の動作に影響することなく、半導体実装に好適である。
【００２３】
本実施形態におけるＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４の全体の厚さは、熱応力を効果的に緩和するために、１０〜３００μｍであることが好ましく、より好ましくは５０〜２００μｍである。
【００２４】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４が緻密状態および多孔質状態を含んで構成されるのは、マトリックス材であるニッケルまたは銅と微粒子であるカーボンナノチューブと濡れ性の相違による。ニッケルとカーボンナノチューブとは濡れ性がよく、製造工程において互いに強固に密着するため、緻密状態となり低線膨張性を示す。一方、銅とカーボンナノチューブとは濡れ性が悪く、そのために製造工程においてカーボンナノチューブが銅をはじき、両者の界面に空孔が生じ、全体が多孔質状態となる。また、それゆえに低弾性を示す。
【００２５】
図７は、多孔質状態３中の空孔の様子を模式的に示した図である。図２に示すように、マトリックス材６中にはカーボンナノチューブ７が含まれている。マトリックス材６とカーボンナノチューブ７との濡れ性の悪さから、両者の界面には、製造工程において生じた空孔８が多数存在している。
【００２６】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４は、電解めっき方法によって製造することができる。例えば、銅イオンおよびニッケルイオンを含むめっき液に、カーボンナノチューブ、光沢剤および界面活性剤を混合して複合めっき液を調製し、この複合めっき液に金属電極を投入して、電解めっきを施す。その後、得られためっき膜を金属電極からはがし、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料の薄膜を得る。より詳細には、特開２００８−１６３３７６号公報に記載の複合めっき方法を用いることができる。したがって、本実施形態のＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４には、電解めっきの際に使用される微量の光沢剤や滑剤が含まれていてもよい。また、カーボンナノチューブはシリコン等で被覆されていてもよい。
【００２７】
本実施形態に好適なＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料を得るには、直径０．４〜１５０ｎｍ、より好ましくは１０〜１５０ｎｍ、さらに好ましくは５０〜１５０ｎｍのカーボンナノチューブを使用する。カーボンナノチューブの直径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）または原子間力電子顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定するものとする。カーボンナノチューブの長さとしては、通常数μｍ〜１００μｍである。カーボンナノチューブの添加量としては０．００１〜１０質量％、より好ましくは０．００１〜１質量％、さらに好ましくは０．５〜１質量％である。この範囲の添加量であれば、上記の物性を示す緻密状態および多孔質状態を含むＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４を製造するのに適している。
【００２８】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料を半導体素子および配線電極と積層するには、接合剤として銀ナノペーストを使用する。銀ナノペーストは接合剤の一種であり、粒径が約１０ｎｍの銀のナノ粒子を有機保護膜でコーティングしたものを、溶媒に分散しペースト状にしたものである。銀ナノペーストが加熱により一定温度に達すると、溶媒や有機保護膜は分解して揮発し、超微粒子の銀が露出する。露出した銀ナノ粒子は互いに焼結し、接合剤として機能するものである。本実施形態では、半導体素子とＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料との間、およびＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料と配線電極との間に、銀ナノペーストを１０〜１００μｍの範囲の厚さで塗布し、２つの部材を接合する。
【００２９】
上記のとおり、本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、本発明は上記の実施形態に制限されない。図１では、半導体素子１がＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４と接する面積は、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４が配線電極５と接する面積より小さく描かれているが、逆であってもよい。また半導体素子１、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４および配線電極５がすべて同じ大きさであってもよい。要は、半導体素子１と配線電極５との間の熱応力を十分緩和できる程度に、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４の少なくとも一部が両者に接触していればよい。
【００３０】
材料Ａの半導体素子としては、ＳｉＣを使用したものに限られず、ＧａＡｓ、Ｓｉ等従来公知の素材の素子に本発明は適用できる。また、材料Ａとしては、半導体素子（半導体チップ）以外にも、種々の表面実装素子（チップ部品）、例えば赤外線受光素子、側面発光ダイオード、水晶発振子なども利用可能である。そして、材料Ａの好適な線膨張係数としては、２．６×１０−６／Ｋ〜８×１０−６／Ｋ、好ましくは、２．６×１０−６／Ｋ〜６．８×１０−６／Ｋ、より好ましくは、２．６×１０−６／Ｋ〜４．５×１０−６／Ｋの範囲にあることが望ましい。材料Ａの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、半導体素子（半導体チップ）などの材料Ａと材料Ｂとの間に、後述する材料Ｃを介在させることにより、高温動作される半導体素子の材料Ａにより材料Ｂが変形することで発生する熱応力を、当該材料Ｃにより緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。材料Ｂの配線電極材料としては、銅に限られず、アルミニウム、銅、銀、金およびモリブデン並びにこれらの合金から選ばれた少なくとも一種に本発明は適用できる。この場合、５．１×１０−６／Ｋ〜２３．５×１０−６／Ｋの線膨張係数を有することが望ましい。
【００３１】
材料Ｂの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、相対的に小さい線膨張係数を有する半導体素子（半導体チップ）などの材料Ａと、相対的に大きな線膨張係数を有する配線電極（金属材料）の材料Ｂとの間に、後述する材料Ｃを介在させることができる。これによって、材料Ｃの材料Ｂに接している側においても材料Ｂにより材料Ｃの変形が抑えられ、あまり変形せず、材料Ａに加わる熱応力を材料Ｂにより緩和できるためである。その結果、材料Ａと材料Ｂとの間の熱応力を緩和することができ、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００３２】
また、材料Ｃの好適な線膨張係数としては、１２×１０−６／Ｋ以上、２２×１０−６／Ｋ未満の範囲であり、好ましくは、１２×１０−６／Ｋ〜２０×１０−６／Ｋ、より好ましくは、１６×１０−６／Ｋ〜１８×１０−６／Ｋの低線膨張係数を有することが望ましい。
【００３３】
材料Ｃの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、材料Ａと材料Ｂとの間に、上記範囲の低線膨張係数の材料Ｃを介在させることにより、熱応力の発生を緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００３４】
材料Ｃの好適なヤング率としては、５０〜９０ＧＰａ、好ましくは６０〜８０ＧＰａ、より好ましくは６４〜７３ＧＰａを有することが望ましい。
【００３５】
材料Ｃの好適なヤング率が上記範囲内であれば、材料Ａと材料Ｂとの間に、上記範囲の低線膨張係数かつ高ヤング率の材料Ｃを介在させることにより、材料Ｃの上下に配置する材料Ａないし材料Ｂに発生する熱応力を緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００３６】
緻密状態および多孔質状態を形成するのに好ましい微粒子の例としては、カーボンナノチューブに限られず、ニッケルおよび銅との濡れ性の関係から、以下のものが挙げられる。すなわち、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボン繊維およびセラミックの少なくとも一種を使用することができる。しかし、２元素からなるマトリックス材と微粒子との互いの濡れ性の関係から緻密状態および多孔質状態を形成でき、低線膨張性と低弾性を実現できれば、マトリックス材および微粒子は上記のものに限られない。
【００３７】
また、多孔質体に含まれる微粒子としてカーボンナノチューブ以外の材料、カーボン繊維、フラーレン等の添加量については、添加量としては０．００１〜１０質量％、より好ましくは０．００１〜１質量％、さらに好ましくは０．１〜１質量％である。
【００３８】
また、材料Ａと材料Ｂとがαａ＜αｂの関係を満たしていれば、本発明の用途は半導体デバイスに限られない。例えば、樹脂製の部品を金属板の上に固定するなど、温度変化が想定される環境で、線膨張係数差が大きい材料同士を接合する場合にも本発明は適用できる。
【００３９】
また、材料Ｃが導電性を有するとは、上記の好ましい実施形態での配線電極と半導体素子のように電気によって駆動させる通常の用途において、配線と同等の導電性を有していることを意味する。
【００４０】
以上説明してきたように、本発明は、以下のような効果を示す。
（ａ）緻密状態および多孔質状態を含む材料Ｃを、線膨張係数差のある材料ＡおよびＢの間に挿入し、緻密状態の示す低線膨張性および多孔質状態の示す低弾性により、高温の環境においても材料ＡＢ間の熱応力を効果的に緩和できる。
（ｂ）材料Ａとして半導体素子、材料Ｂとして配線電極を選択すれば、半導体素子と配線電極間の熱応力を効果的に緩和できるため、高温の環境における半導体素子の損傷を防止でき、信頼性の高い半導体デバイスを実現できる。
（ｃ）マトリックス材が導電性であることにより、半導体素子および配線電極間に本発明を適用した際、素子の動作に影響することなく、半導体実装に好適である。
（ｄ）マトリックス材がニッケルおよび銅であると、微粒子との濡れ性の差があることにより、緻密状態および多孔質状態を含む金属基複合材料が得られる。
（ｅ）微粒子がカーボンナノチューブ、フラーレン、カーボン繊維およびセラミックの少なくとも一種であると、２元素からなるマトリックス材との濡れ性に差があることにより、緻密状態および多孔質状態を含む金属基複合材料が得られる。
（ｆ）電解めっきを用いることにより、熱応力緩和に好適な２元素からなるマトリックス材と微粒子を含む金属基複合材料を製造できる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明を実施例および比較例を通して説明する。
（実施例１および２）
後掲の表１に示すように、材料ＡとしてＳｉＣ（大きさ：５ｍｍ×５ｍｍ×０．３ｍｍ）、材料ＢとしてＣｕ（大きさ：１３ｍｍ×１３ｍｍ×０．５ｍｍ）を準備した。材料Ｃとしては、銅・ニッケル合金マトリックス中にそれぞれ表１に示す添加量のマルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ；直径１５０ｎｍ）を含む多孔質体（大きさ：７ｍｍ×７ｍｍ×０．０１３ｍｍ）を準備した。
【００４２】
金属基複合材料は、特開２００８−１６３３７６号公報に記載の電解めっき方法によって製造した。
【００４３】
これらの材料の平均線膨張係数αａ、αｂおよびαｃを、熱機械分析装置（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ； ＴＭＡ）による測定で求めた。昇温、降温速度は５℃／分で、２３〜３００℃の平均線膨張係数を求めた。
【００４４】
また、これらの材料のヤング率σａ、σｂおよびσｃをＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じ、但し高精度ビデオ伸び計を用いた引張試験により、試験速度１．０ｍｍ／ｍｉｎ、票点間距離２５ｍｍ、室温（２５℃）でそれぞれ測定した。
【００４５】
測定結果は、材料と共に表１に示す。これらの測定結果を基に、材料Ａ、材料Ｃ、材料Ｂを積層した場合の、材料Ｃの熱応力緩和層としての効果について後述するように考察した。また、得られた金属基複合材料の断面をＳＥＭにて４０００倍で観察したところ、緻密状態と多孔質状態とが形成されていることが確認された。
（比較例１）
従来技術との比較のため、比較例１では材料ＣとしてＳｎ−３７Ｐｂはんだを用いた。それ以外は、実施例１と同様にして、材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃを準備し線膨張係数およびヤング率をそれぞれ測定した。測定結果を表１に示す。
（比較例２）
比較例２では、材料Ｃとして微粒子を含まないニッケルと銅との合金箔を用いた以外は、実施例１と同様にして、材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃを準備し線膨張係数およびヤング率をそれぞれ測定した。めっき浴は、カーボンナノチューブを添加しなかった以外は、実施例１と同様のものを使用した。測定結果を表１に示す。また、得られた金属基複合材料の断面をＳＥＭにて４０００倍で観察したところ、断面は厚み方向に一様であり、緻密状態と多孔質状態とは形成されていなかった。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１に示すように、ＳｉＣと銅、ＳｉＣとアルミニウムでは、ＳｉＣの線膨張係数が４．５×１０−６／Ｋに対して、銅が１６．６×１０−６／Ｋ、アルミニウムが２３．５×１０−６／Ｋと、線膨張係数差が大きい。そのため、ＳｉＣと銅またはアルミニウムを直接積層すると、温度の上昇によってＳｉＣにクラックが入るおそれがある。
【００４８】
実施例１および２の材料Ｃは、線膨張係数が１６．５×１０−６／Ｋおよび１７．６×１０−６／Ｋであり、比較例１の従来技術のはんだの線膨張係数２３．５×１０−６／Ｋと比較して、低線膨張性が実現されていることが分かる。低線膨張性は、ＳＥＭで観察された緻密状態においてより顕著であり、線膨張係数は多孔質状態へと連続的に変化する。そのため、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料の膜の緻密状態の側をＳｉＣと接するように配置すれば、高温の環境においてＳｉＣが損傷することを防止できる。
【００４９】
実施例１および２のヤング率は６４．０ＧＰａおよび７２．１ＧＰａであり、例えば銅の１２０ＧＰａに比較して低弾性を示すことが分かる。低弾性は、ＳＥＭで観察された多孔質状態においてより顕著である。そのため、多孔質状態の面を配線電極である銅またはアルミニウムと接するように配置すれば、配線電極の熱変形に追随できる。したがって、実施例１および２の金属基複合材料をＳｉＣと銅またはアルミニウム間に挿入することにより、両者の間の熱応力を緩和できることが分かる。
【００５０】
比較例１では、はんだを使用しているために、ヤング率は小さく最も低弾性であるが、上述のようにはんだは融点が低いため、３００℃付近の高温の環境で使用することはできない。また、線膨張係数は大きく、はんだ自身も熱変形するため、ＳｉＣとの間に応力が発生し好ましくない。ＣｕＮｉ箔を使用した比較例２では、線膨張係数は小さくなっているものの、ヤング率が１１５ＧＰａと十分な低弾性を示してはいない。したがって、配線電極が熱により変形した際、Ａｌのようにより線膨張係数の大きい金属の場合には特に、ＡｌとＣｕＮｉ箔の界面が割れる可能性がある。
【符号の説明】
【００５１】
１ 半導体素子、
２ 緻密状態、
３ 多孔質状態、
４ ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料、
５ 配線電極、
６ マトリックス材、
７ カーボンナノチューブ、
８ 空孔、
１０ 積層構造体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子などを搭載した積層構造体に関し、特に、上下の層の部材の熱応力を効果的に緩和しうる金属基複合材料を使用した積層構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子を基板に搭載する際には、安定した動作のために、素子の発熱が引き起こす影響を低減するように工夫がされている。例えば、半導体素子の発生する熱を効率よく放熱するという観点から、はんだの高い熱伝導率に着目し、炭素焼結体にはんだを含浸させた放熱部材が提案されている（下記特許文献１参照）。このような部材は、半導体素子とパッケージの間に双方に接触させて配置され、半導体素子からの熱を放出する役割を果たす。はんだは熱伝導性に優れ、放熱部材としての使用は物性の点からは適当であるが、環境に有害な鉛を含んでいる。そのため、近年では環境への影響に配慮し、はんだを使用せずにすむよう代替材料が求められている。
【０００３】
一方で、自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入による二酸化炭素排出量の低減に注目が集まっている。このような電気自動車の制御用等にも半導体素子は使用されているが、半導体素子や周辺デバイスは３００℃程度と従来よりも高温の使用環境となるために、これらもより耐熱性を高めることが求められている。そのため、使用される半導体材料としては、従来のシリコンからより耐熱性に優れるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）へと変化してきている。ＳｉＣはシリコンに比べ、耐熱性に優れるだけでなく、高電圧・高電流を流すことができるために、エネルギー効率向上および素子の小型化に対応できるという側面からも好適な材料である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、半導体材料としてＳｉＣが使用されるようになり、半導体素子はより高温で過酷な環境で使用されるようになってきている。それゆえ、熱による新たな問題も生じている。対処の必要なそのような問題の一つとして、熱による材料のひずみ、熱応力が挙げられる。高温の環境で使用されるため、またＳｉＣを使用した半導体素子は発熱量が増加するために、周辺部材との間に大きな熱応力が発生することがある。そのため、半導体素子と周辺の部材との間で生ずる熱応力を緩和させる手段が必要となる。
【０００６】
上記従来技術のはんだを含浸させた炭素焼結体は、熱応力緩和の能力はあるものの、鉛を含むことから環境問題のために使用することが好ましくない。のみならず、はんだは通常２５０℃以上では融点を超えてしまうため、３００℃程度の高温の使用環境では使用することができない。
【０００７】
このような実情に鑑み、本発明では、はんだを使用せずに、より高温の環境においても積層される上下の部材の熱応力を効果的に緩和することのできる積層構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の提供する積層構造体は、材料Ａと、材料Ｂと、材料Ａと材料Ｂとの間に挟まれた材料Ｃとからなり、材料Ａおよび材料Ｂの線膨張係数が、αａ＜αｂの関係を満たしている。ここで、αａは材料Ａの線膨張係数を表し、αｂは材料Ｂの線膨張係数を表わす。材料Ｃは２元素からなるマトリックス材および微粒子を含み、緻密状態および多孔質状態を含み、材料Ｃの材料Ａに接する側が緻密状態であり、材料Ｂに接する側が多孔質状態であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の積層構造体は、材料Ｃが２元素からなるマトリックス材および微粒子で構成される緻密状態と多孔質状態とを含んでおり、多孔質状態が低弾性を示し、緻密状態は低線膨張性を示す。このことにより、材料Ａと材料Ｂとの間の熱応力を効果的に緩和でき、材料Ｂが熱により変形した場合に、その変形に追随しないことに起因する材料Ａの損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態による積層構造体を示す断面図である。
【図２】ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料の断面の元素分析の結果を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態による材料Ｃの断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察した像を示す図である。
【図４】図３を拡大した図である。
【図５】図４に示す断面の多孔質状態の部分を拡大した図である。
【図６】図４に示す断面の緻密状態の部分を拡大した図である。
【図７】多孔質状態の構造を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の積層構造体について詳細に説明する。
【００１２】
本発明の積層構造体は、線膨張係数が、αａ＜αｂの関係を満たす材料Ａと材料Ｂとの間に、材料Ｃを挟んで構成される。ここで、αａは材料Ａの線膨張係数を表し、αｂは材料Ｂの線膨張係数を表わす。すなわち、発熱などの温度変化が生じたときに、材料Ａは線膨張係数が小さく伸びにくい、すなわち変形しにくく、材料Ｂは線膨張係数が大きく伸びやすい、すなわち変形しやすい素材である。材料Ｃは、この材料Ａと材料Ｃとの間の熱応力を緩和するために挿入され、２元素からなるマトリックス材および微粒子を含み、緻密状態および多孔質状態を含み、材料Ａに接する側が緻密状態であり、材料Ｂに接する側が多孔質状態である。
【００１３】
材料Ｃの緻密状態は、マトリックス材と微粒子とが互いに強固に密着して構成され、それゆえに緻密状態部分は低線膨張性を示す。この性質は、線膨張係数の小さい材料Ａに近いものである。したがって、熱変形しにくい材料Ａと接する側に材料Ｃの緻密状態を配置することにより、高温の環境で材料Ａが線膨張係数の大きい材料Ｂと接したための熱応力によって損傷することを防止できる。
【００１４】
一方、材料Ｃの多孔質状態は、マトリックス材と微粒子との間に空隙が生じて多孔質となっており、同一の材料で多孔質ではないものよりも見かけの弾性が低下し、変形しやすい。したがって、線膨張係数の大きい材料Ｂと接する側に材料Ｃの多孔質状態を配置することにより、材料Ｃは材料Ｂの伸びに合わせて変形する。したがって、材料Ｂの熱変形が材料Ａに影響することを防止する。すなわち、材料Ｃは、材料Ａと材料Ｂとの間の熱応力緩和層として機能する。
【００１５】
次に本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の好ましい実施形態の積層構造体を示した断面図である。図１中、本実施形態の積層構造体１０は、材料ＡとしてＳｉＣを使用した半導体素子１と、材料Ｂとして電子部品の配線に広く使用される銅を使用した配線電極５との間に、材料Ｃを挟んでいる。ＳｉＣの線膨張係数は４．５×１０−６／Ｋ、銅の線膨張係数は１６．６×１０−６／Ｋであり、両者の線膨張係数は大きく異なる。そのまま積層すると、半導体素子に接している配線電極は熱変形しやすく、ＳｉＣが熱によって変形しにくいために、熱応力によって半導体素子にクラックが入ってしまう。材料Ｃは、ニッケルおよび銅の２元素からなるマトリックス材中に、微粒子としてカーボンナノチューブを含んだ金属基複合材料（以下、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料と称する）の薄膜である。ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４中には、緻密状態２および多孔質状態３がそれぞれの薄層を互いに重ねたような状態で含まれており、それぞれ半導体素子１および配線電極５に接している。緻密状態２は低線膨張性を示し、多孔質状態３は低弾性を示す。なお、後述するように緻密状態２と多孔質状態３とは相互に混じり合って連続しているが、図１においては、説明のために緻密状態２と多孔質状態３を区分して示した。
【００１６】
ニッケルと銅は全率で固溶体を形成するが、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４中、マトリックス材としてのニッケルと銅とには濃度勾配がある。図２は、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４の断面を厚み方向に元素分析した結果を示すグラフである。図２において、横軸は厚み方向の距離であり、０は半導体素子１に接する表面で右端は配線電極５に接する表面である。半導体素子１に近い部分、すなわち緻密状態２はニッケルがリッチであるのに対して、Ｂに近い部分の多孔質状態３は銅がリッチになっている。このマトリックス材の２元素の濃度勾配により、緻密状態２と多孔質状態３とが形成される。
【００１７】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４は、上記のように緻密状態と多孔質状態を含むことにより、全体としては、ヤング率が小さく線膨張係数が小さいという性質を有する。すなわち、低弾性であり外的な力による変形に追随しやすく、かつ、熱による変形もしにくい。特に、明確に区分することは難しいが、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４のうち緻密状態２の側では低線膨張性が、多孔質状態３の側では低弾性が、より顕著に現れる。それぞれの特性は薄膜の表面に近くなるほど顕著である。したがって、高温の環境において、電極が熱変形した場合には、配線電極５に接する多孔質状態３がその変形に追随して変形する。一方の半導体素子１に接する緻密状態２は半導体素子１と共に形を維持したままとなる。ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４は、機能的な面からは、低線膨張性の層と低弾性の層とが積層されているとも言える。このように本実施形態の積層構造体は、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４が熱応力緩和層としての機能を発揮し、半導体素子の実装に好適である。高温の環境や素子の発熱による熱応力に起因する半導体素子１のクラックを防止でき、信頼性の高い半導体デバイスを提供できるためである。
【００１８】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４が緻密状態と多孔質状態とで構成されていることは、上記のように低線膨張性および低弾性という物性に反映され、断面を観察することと共に、ヤング率および線膨張係数の測定によって知ることができる。本発明において、緻密状態と多孔質状態とを含むとは、材料Ｃは線膨張係数が１０〜２０×１０−６／Ｋおよびヤング率が５０〜１２５ＧＰａを示す。より好ましくは、線膨張係数が１２〜１８×１０−６／Ｋ、ヤング率が５０〜１００ＧＰａであり、さらに好ましくは、線膨張係数が１６．５〜１７．６×１０−６／Ｋ、ヤング率が６４〜７２．１ＧＰａである。
【００１９】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４は、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察すると、緻密状態および多孔質状態を確認することができる。図３は、本実施形態のＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４の断面をＳＥＭにて１０００倍で観察した像を示す図であり、多孔質状態３は上側、緻密状態２は下側である。図４は、図３の拡大図であり、４０００倍での観察像である。
【００２０】
図５は、図４の多孔質状態３を拡大し、１００００倍で観察した像である。観察像のほぼ全域にわたり空隙が観察され、特に膜表面近くの断面において、多数の細かい空孔を確認することができる。一方図６は、図４の緻密状態２を拡大し、１００００倍で観察した像である。多孔質状態３に比較して空隙が少なく全体に滑らかであり、特に下側の膜表面近くの断面は空隙がなくとても滑らかであることが観察される。このように、緻密状態と多孔質状態とは、ＳＥＭにて１０００〜１００００倍で断面を観察することにより互いに区別される。本実施形態においては、膜の断面を上記のように観察したときにこのように状態に明確な相違が認められること、および、膜全体について上記のような物性を示すことが確認されれば、狙いとする熱応力緩和の効果が得られる。
【００２１】
緻密状態２と多孔質状態３との比率は、本発明の効果を十分に発揮するためには、図３のＳＥＭにより観察した断面において、それぞれの厚み方向の長さを計測した場合に、緻密状態：多孔質状態が５：５〜３：７である。より好ましくは４：６〜３：７である。本実施形態においては、最も好ましい比率は３：７である。
【００２２】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４はそれ自身の放熱性や導電性にも優れている。したがって、半導体素子１の発生する熱を吸収することもでき、配線電極５と半導体素子１との間を電気的に接続する役割も果たしている。ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４が導電性を有することにより、半導体素子の動作に影響することなく、半導体実装に好適である。
【００２３】
本実施形態におけるＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４の全体の厚さは、熱応力を効果的に緩和するために、１０〜３００μｍであることが好ましく、より好ましくは５０〜２００μｍである。
【００２４】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４が緻密状態および多孔質状態を含んで構成されるのは、マトリックス材であるニッケルまたは銅と微粒子であるカーボンナノチューブと濡れ性の相違による。ニッケルとカーボンナノチューブとは濡れ性がよく、製造工程において互いに強固に密着するため、緻密状態となり低線膨張性を示す。一方、銅とカーボンナノチューブとは濡れ性が悪く、そのために製造工程においてカーボンナノチューブが銅をはじき、両者の界面に空孔が生じ、全体が多孔質状態となる。また、それゆえに低弾性を示す。
【００２５】
図７は、多孔質状態３中の空孔の様子を模式的に示した図である。図２に示すように、マトリックス材６中にはカーボンナノチューブ７が含まれている。マトリックス材６とカーボンナノチューブ７との濡れ性の悪さから、両者の界面には、製造工程において生じた空孔８が多数存在している。
【００２６】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４は、電解めっき方法によって製造することができる。例えば、銅イオンおよびニッケルイオンを含むめっき液に、カーボンナノチューブ、光沢剤および界面活性剤を混合して複合めっき液を調製し、この複合めっき液に金属電極を投入して、電解めっきを施す。その後、得られためっき膜を金属電極からはがし、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料の薄膜を得る。より詳細には、特開２００８−１６３３７６号公報に記載の複合めっき方法を用いることができる。したがって、本実施形態のＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４には、電解めっきの際に使用される微量の光沢剤や滑剤が含まれていてもよい。また、カーボンナノチューブはシリコン等で被覆されていてもよい。
【００２７】
本実施形態に好適なＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料を得るには、直径０．４〜１５０ｎｍ、より好ましくは１０〜１５０ｎｍ、さらに好ましくは５０〜１５０ｎｍのカーボンナノチューブを使用する。カーボンナノチューブの直径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）または原子間力電子顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定するものとする。カーボンナノチューブの長さとしては、通常数μｍ〜１００μｍである。カーボンナノチューブの添加量としては０．００１〜１０質量％、より好ましくは０．００１〜１質量％、さらに好ましくは０．５〜１質量％である。この範囲の添加量であれば、上記の物性を示す緻密状態および多孔質状態を含むＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４を製造するのに適している。
【００２８】
ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料を半導体素子および配線電極と積層するには、接合剤として銀ナノペーストを使用する。銀ナノペーストは接合剤の一種であり、粒径が約１０ｎｍの銀のナノ粒子を有機保護膜でコーティングしたものを、溶媒に分散しペースト状にしたものである。銀ナノペーストが加熱により一定温度に達すると、溶媒や有機保護膜は分解して揮発し、超微粒子の銀が露出する。露出した銀ナノ粒子は互いに焼結し、接合剤として機能するものである。本実施形態では、半導体素子とＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料との間、およびＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料と配線電極との間に、銀ナノペーストを１０〜１００μｍの範囲の厚さで塗布し、２つの部材を接合する。
【００２９】
上記のとおり、本発明の好ましい実施形態を説明してきたが、本発明は上記の実施形態に制限されない。図１では、半導体素子１がＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４と接する面積は、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４が配線電極５と接する面積より小さく描かれているが、逆であってもよい。また半導体素子１、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４および配線電極５がすべて同じ大きさであってもよい。要は、半導体素子１と配線電極５との間の熱応力を十分緩和できる程度に、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料４の少なくとも一部が両者に接触していればよい。
【００３０】
材料Ａの半導体素子としては、ＳｉＣを使用したものに限られず、ＧａＡｓ、Ｓｉ等従来公知の素材の素子に本発明は適用できる。また、材料Ａとしては、半導体素子（半導体チップ）以外にも、種々の表面実装素子（チップ部品）、例えば赤外線受光素子、側面発光ダイオード、水晶発振子なども利用可能である。そして、材料Ａの好適な線膨張係数としては、２．６×１０−６／Ｋ〜８×１０−６／Ｋ、好ましくは、２．６×１０−６／Ｋ〜６．８×１０−６／Ｋ、より好ましくは、２．６×１０−６／Ｋ〜４．５×１０−６／Ｋの範囲にあることが望ましい。材料Ａの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、半導体素子（半導体チップ）などの材料Ａと材料Ｂとの間に、後述する材料Ｃを介在させることにより、高温動作される半導体素子の材料Ａにより材料Ｂが変形することで発生する熱応力を、当該材料Ｃにより緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。材料Ｂの配線電極材料としては、銅に限られず、アルミニウム、銅、銀、金およびモリブデン並びにこれらの合金から選ばれた少なくとも一種に本発明は適用できる。この場合、５．１×１０−６／Ｋ〜２３．５×１０−６／Ｋの線膨張係数を有することが望ましい。
【００３１】
材料Ｂの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、相対的に小さい線膨張係数を有する半導体素子（半導体チップ）などの材料Ａと、相対的に大きな線膨張係数を有する配線電極（金属材料）の材料Ｂとの間に、後述する材料Ｃを介在させることができる。これによって、材料Ｃの材料Ｂに接している側においても材料Ｂにより材料Ｃの変形が抑えられ、あまり変形せず、材料Ａに加わる熱応力を材料Ｂにより緩和できるためである。その結果、材料Ａと材料Ｂとの間の熱応力を緩和することができ、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００３２】
また、材料Ｃの好適な線膨張係数としては、１２×１０−６／Ｋ以上、２２×１０−６／Ｋ未満の範囲であり、好ましくは、１２×１０−６／Ｋ〜２０×１０−６／Ｋ、より好ましくは、１６×１０−６／Ｋ〜１８×１０−６／Ｋの低線膨張係数を有することが望ましい。
【００３３】
材料Ｃの好適な線膨張係数が上記範囲内であれば、材料Ａと材料Ｂとの間に、上記範囲の低線膨張係数の材料Ｃを介在させることにより、熱応力の発生を緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００３４】
材料Ｃの好適なヤング率としては、５０〜９０ＧＰａ、好ましくは６０〜８０ＧＰａ、より好ましくは６４〜７３ＧＰａを有することが望ましい。
【００３５】
材料Ｃの好適なヤング率が上記範囲内であれば、材料Ａと材料Ｂとの間に、上記範囲の低線膨張係数かつ高ヤング率の材料Ｃを介在させることにより、材料Ｃの上下に配置する材料Ａないし材料Ｂに発生する熱応力を緩和することができる。その結果、積層構造体の熱応力による損傷等を防止でき、耐久信頼性を向上することができる。
【００３６】
緻密状態および多孔質状態を形成するのに好ましい微粒子の例としては、カーボンナノチューブに限られず、ニッケルおよび銅との濡れ性の関係から、以下のものが挙げられる。すなわち、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボン繊維およびセラミックの少なくとも一種を使用することができる。しかし、２元素からなるマトリックス材と微粒子との互いの濡れ性の関係から緻密状態および多孔質状態を形成でき、低線膨張性と低弾性を実現できれば、マトリックス材および微粒子は上記のものに限られない。
【００３７】
また、多孔質体に含まれる微粒子としてカーボンナノチューブ以外の材料、カーボン繊維、フラーレン等の添加量については、添加量としては０．００１〜１０質量％、より好ましくは０．００１〜１質量％、さらに好ましくは０．１〜１質量％である。
【００３８】
また、材料Ａと材料Ｂとがαａ＜αｂの関係を満たしていれば、本発明の用途は半導体デバイスに限られない。例えば、樹脂製の部品を金属板の上に固定するなど、温度変化が想定される環境で、線膨張係数差が大きい材料同士を接合する場合にも本発明は適用できる。
【００３９】
また、材料Ｃが導電性を有するとは、上記の好ましい実施形態での配線電極と半導体素子のように電気によって駆動させる通常の用途において、配線と同等の導電性を有していることを意味する。
【００４０】
以上説明してきたように、本発明は、以下のような効果を示す。
（ａ）緻密状態および多孔質状態を含む材料Ｃを、線膨張係数差のある材料ＡおよびＢの間に挿入し、緻密状態の示す低線膨張性および多孔質状態の示す低弾性により、高温の環境においても材料ＡＢ間の熱応力を効果的に緩和できる。
（ｂ）材料Ａとして半導体素子、材料Ｂとして配線電極を選択すれば、半導体素子と配線電極間の熱応力を効果的に緩和できるため、高温の環境における半導体素子の損傷を防止でき、信頼性の高い半導体デバイスを実現できる。
（ｃ）マトリックス材が導電性であることにより、半導体素子および配線電極間に本発明を適用した際、素子の動作に影響することなく、半導体実装に好適である。
（ｄ）マトリックス材がニッケルおよび銅であると、微粒子との濡れ性の差があることにより、緻密状態および多孔質状態を含む金属基複合材料が得られる。
（ｅ）微粒子がカーボンナノチューブ、フラーレン、カーボン繊維およびセラミックの少なくとも一種であると、２元素からなるマトリックス材との濡れ性に差があることにより、緻密状態および多孔質状態を含む金属基複合材料が得られる。
（ｆ）電解めっきを用いることにより、熱応力緩和に好適な２元素からなるマトリックス材と微粒子を含む金属基複合材料を製造できる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明を実施例および比較例を通して説明する。
（実施例１および２）
後掲の表１に示すように、材料ＡとしてＳｉＣ（大きさ：５ｍｍ×５ｍｍ×０．３ｍｍ）、材料ＢとしてＣｕ（大きさ：１３ｍｍ×１３ｍｍ×０．５ｍｍ）を準備した。材料Ｃとしては、銅・ニッケル合金マトリックス中にそれぞれ表１に示す添加量のマルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ；直径１５０ｎｍ）を含む多孔質体（大きさ：７ｍｍ×７ｍｍ×０．０１３ｍｍ）を準備した。
【００４２】
金属基複合材料は、特開２００８−１６３３７６号公報に記載の電解めっき方法によって製造した。
【００４３】
これらの材料の平均線膨張係数αａ、αｂおよびαｃを、熱機械分析装置（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ； ＴＭＡ）による測定で求めた。昇温、降温速度は５℃／分で、２３〜３００℃の平均線膨張係数を求めた。
【００４４】
また、これらの材料のヤング率σａ、σｂおよびσｃをＪＩＳ Ｚ ２２８０：１９９３（金属材料の高温ヤング率試験方法）に準じ、但し高精度ビデオ伸び計を用いた引張試験により、試験速度１．０ｍｍ／ｍｉｎ、票点間距離２５ｍｍ、室温（２５℃）でそれぞれ測定した。
【００４５】
測定結果は、材料と共に表１に示す。これらの測定結果を基に、材料Ａ、材料Ｃ、材料Ｂを積層した場合の、材料Ｃの熱応力緩和層としての効果について後述するように考察した。また、得られた金属基複合材料の断面をＳＥＭにて４０００倍で観察したところ、緻密状態と多孔質状態とが形成されていることが確認された。
（比較例１）
従来技術との比較のため、比較例１では材料ＣとしてＳｎ−３７Ｐｂはんだを用いた。それ以外は、実施例１と同様にして、材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃを準備し線膨張係数およびヤング率をそれぞれ測定した。測定結果を表１に示す。
（比較例２）
比較例２では、材料Ｃとして微粒子を含まないニッケルと銅との合金箔を用いた以外は、実施例１と同様にして、材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃを準備し線膨張係数およびヤング率をそれぞれ測定した。めっき浴は、カーボンナノチューブを添加しなかった以外は、実施例１と同様のものを使用した。測定結果を表１に示す。また、得られた金属基複合材料の断面をＳＥＭにて４０００倍で観察したところ、断面は厚み方向に一様であり、緻密状態と多孔質状態とは形成されていなかった。
【００４６】
【表１】
【００４７】
表１に示すように、ＳｉＣと銅、ＳｉＣとアルミニウムでは、ＳｉＣの線膨張係数が４．５×１０−６／Ｋに対して、銅が１６．６×１０−６／Ｋ、アルミニウムが２３．５×１０−６／Ｋと、線膨張係数差が大きい。そのため、ＳｉＣと銅またはアルミニウムを直接積層すると、温度の上昇によってＳｉＣにクラックが入るおそれがある。
【００４８】
実施例１および２の材料Ｃは、線膨張係数が１６．５×１０−６／Ｋおよび１７．６×１０−６／Ｋであり、比較例１の従来技術のはんだの線膨張係数２３．５×１０−６／Ｋと比較して、低線膨張性が実現されていることが分かる。低線膨張性は、ＳＥＭで観察された緻密状態においてより顕著であり、線膨張係数は多孔質状態へと連続的に変化する。そのため、ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料の膜の緻密状態の側をＳｉＣと接するように配置すれば、高温の環境においてＳｉＣが損傷することを防止できる。
【００４９】
実施例１および２のヤング率は６４．０ＧＰａおよび７２．１ＧＰａであり、例えば銅の１２０ＧＰａに比較して低弾性を示すことが分かる。低弾性は、ＳＥＭで観察された多孔質状態においてより顕著である。そのため、多孔質状態の面を配線電極である銅またはアルミニウムと接するように配置すれば、配線電極の熱変形に追随できる。したがって、実施例１および２の金属基複合材料をＳｉＣと銅またはアルミニウム間に挿入することにより、両者の間の熱応力を緩和できることが分かる。
【００５０】
比較例１では、はんだを使用しているために、ヤング率は小さく最も低弾性であるが、上述のようにはんだは融点が低いため、３００℃付近の高温の環境で使用することはできない。また、線膨張係数は大きく、はんだ自身も熱変形するため、ＳｉＣとの間に応力が発生し好ましくない。ＣｕＮｉ箔を使用した比較例２では、線膨張係数は小さくなっているものの、ヤング率が１１５ＧＰａと十分な低弾性を示してはいない。したがって、配線電極が熱により変形した際、Ａｌのようにより線膨張係数の大きい金属の場合には特に、ＡｌとＣｕＮｉ箔の界面が割れる可能性がある。
【符号の説明】
【００５１】
１ 半導体素子、
２ 緻密状態、
３ 多孔質状態、
４ ＮｉＣｕ−ＣＮＴ複合材料、
５ 配線電極、
６ マトリックス材、
７ カーボンナノチューブ、
８ 空孔、
１０ 積層構造体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料Ａと、材料Ｂと、材料Ａと材料Ｂとの間に挟まれた材料Ｃとからなり、材料Ａおよび材料Ｂの線膨張係数が、αａ＜αｂの関係を満たし（ここで、αａは材料Ａの線膨張係数を表し、αｂは材料Ｂの線膨張係数を表わす）、材料Ｃは２元素からなるマトリックス材および微粒子を含み、緻密状態および多孔質状態を含み、材料Ｃの材料Ａに接する側が緻密状態であり、材料Ｂに接する側が多孔質状態であることを特徴とする積層構造体。
【請求項２】
前記材料Ａが半導体素子であり、前記材料Ｂがアルミニウム、銅、銀、金およびモリブデン並びにこれらの合金のいずれか一種からなる配線電極である請求項１に記載の積層構造体。
【請求項３】
前記材料Ｃが導電性を有する請求項１または２に記載の積層構造体。
【請求項４】
前記マトリックス材がニッケルおよび銅である請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項５】
前記微粒子が、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボン繊維およびセラミックからなる群から選ばれた少なくとも一種の材料からなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項６】
前記材料Ｃが、電解めっきによって形成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項１】
材料Ａと、材料Ｂと、材料Ａと材料Ｂとの間に挟まれた材料Ｃとからなり、材料Ａおよび材料Ｂの線膨張係数が、αａ＜αｂの関係を満たし（ここで、αａは材料Ａの線膨張係数を表し、αｂは材料Ｂの線膨張係数を表わす）、材料Ｃは２元素からなるマトリックス材および微粒子を含み、緻密状態および多孔質状態を含み、材料Ｃの材料Ａに接する側が緻密状態であり、材料Ｂに接する側が多孔質状態であることを特徴とする積層構造体。
【請求項２】
前記材料Ａが半導体素子であり、前記材料Ｂがアルミニウム、銅、銀、金およびモリブデン並びにこれらの合金のいずれか一種からなる配線電極である請求項１に記載の積層構造体。
【請求項３】
前記材料Ｃが導電性を有する請求項１または２に記載の積層構造体。
【請求項４】
前記マトリックス材がニッケルおよび銅である請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項５】
前記微粒子が、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボン繊維およびセラミックからなる群から選ばれた少なくとも一種の材料からなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項６】
前記材料Ｃが、電解めっきによって形成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体。
【図１】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２６７７４７（Ｐ２０１０−２６７７４７Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１６９８８（Ｐ２００９−１１６９８８）
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（０００２２７０５４）日精樹脂工業株式会社 (293)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１３日（２００９．５．１３）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【出願人】（０００２２７０５４）日精樹脂工業株式会社 (293)
【Ｆターム（参考）】
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