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WO2019198328A1 - 実装構造体およびナノ粒子実装材料 - Google Patents

実装構造体およびナノ粒子実装材料 Download PDF

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WO2019198328A1
WO2019198328A1 PCT/JP2019/005254 JP2019005254W WO2019198328A1 WO 2019198328 A1 WO2019198328 A1 WO 2019198328A1 JP 2019005254 W JP2019005254 W JP 2019005254W WO 2019198328 A1 WO2019198328 A1 WO 2019198328A1
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WO
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metal
nanoparticles
nanoparticle
mounting structure
mass
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Application number
PCT/JP2019/005254
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English (en)
French (fr)
Inventor
清裕 日根
秀敏 北浦
彰男 古澤
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Publication date
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Priority to JP2020513093A priority patent/JP7194922B2/ja
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Definitions

  • the self diffusion coefficient of Ag in Ag at 200 ° C. is in the order of 10 ⁇ 24 m 2 / sec
  • the diffusion coefficient of Sn in Ag at 200 ° C. is in the order of 10 ⁇ 22 m 2 / sec. is there.
  • the diffusion coefficient of Sb in Ag at 200 ° C. is an order of 10 ⁇ 25 m 2 / sec
  • the diffusion coefficient of Pd in Ag at 200 ° C. is an order of 10 ⁇ 31 m 2 / sec.

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Abstract

素子電極を有する半導体素子と、金属部材と、上記半導体素子と上記金属部材との接合する焼結体と、を含み、上記焼結体は、第１金属と、上記第１金属に固溶した第２金属と、を含み、上記第２金属は、上記第１金属における拡散係数が、上記第１金属の自己拡散係数よりも大きい金属であり、上記焼結体中の上記第１金属および上記第２金属の質量の合計に対する上記第２金属の含有率は、上記第１金属への上記第２金属の固溶限以下である実装構造体を用いる。

Description

実装構造体およびナノ粒子実装材料
　本発明は、パワーデバイスなどの機器で用いられる、２つの部材が金属材料で接合された構造を有する実装構造体、およびその製造に用いるナノ粒子実装材料に関する。
　パワーデバイスなどの発熱を伴う半導体素子を有する機器は、半導体素子から発生した熱の放熱を目的として、半導体素子を搭載した基板から放熱部への熱輸送のために、基板と放熱部の２つの部材間を接合した実装構造を有することがある。
　近年、パワーデバイスとしては、省エネの観点から、従来のＳｉ素子から、高効率で電力を制御できる利点を持ったＳｉＣ素子およびＧａＮ素子などの次世代パワーデバイス素子の使用が増加している。これらの次世代パワーデバイス素子は、高温でも動作できる利点を有しており、従来のＳｉ素子よりも大きな発熱に耐えることができるため、より大きな電流を流しての制御が行われることがある。しかし、より大きな電流を流すと、半導体素子からの発熱量が上昇し、半導体素子がより高温化される結果、半導体素子で制御した電流を流すためのリードフレームなどの電極と、素子電極との間の接合部の温度Ｔｊも上昇してしまう。たとえば、上記接合部の温度Ｔｊは、従来のＳｉ素子を用いるときは約１２５℃だったが、ＳｉＣ素子およびＧａＮ素子を用いるときは２００～２５０℃にも達する。
　そのため、素子電極とリードフレーム電極との間の接合部には、発生した熱をリードフレームに効率よく逃がすための熱伝導率と、より高い接合部の温度Ｔｊにも対応する耐熱性とが求められる。
　従来、素子電極とリードフレーム電極との間を導電体で接合する実装構造体の接合部に用いられる接合材には、低温での接合が可能であることから、はんだ材料が広く用いられていた。しかしながら、ＳｉＣ素子およびＧａＮ素子を用いるときの接合部の温度Ｔｊである２００～２５０℃は、一般的に用いられるＳｎおよびＰｂなどを主成分としたはんだ材料にとっては融点付近またはそれ以上の温度となり非常に過酷な温度である。そのため、これらのはんだ材料を接合部に用いた実装構造体では、ＳｉＣ素子およびＧａＮ素子を用いるときの耐熱性の確保は困難である。
　このような課題に対し、ＡｇおよびＣｕなどの金属を焼結させて素子電極とリードフレーム電極とを接合させた実装構造体に対する期待が高まっている。ＡｇおよびＣｕなどの金属は、優れた熱伝導率を有しており、かつ、それぞれの融点は上記接合部の温度Ｔｊである２００～２５０℃に対して十分に高いため、耐熱性にも優れる。しかしながら、ＡｇおよびＣｕなどの金属は、高融点であるがゆえに、従来のはんだ材料での接合のように上記金属を溶融させて素子電極とリードフレーム電極との間での固液間拡散によりこれらを接合させるためには、１０００～１２００℃の加熱が必要であり、実用化は困難である。
　ＡｇおよびＣｕなどの高融点金属を用いたときの上記接合を容易にするために、平均粒径が数ｎｍ～数百ｎｍであるこれらの粒子をナノ粒子実装材料として用いることが研究されている。ナノサイズの金属粒子は、ミクロンサイズ以上の平均粒径を有する金属粒子と比較して、粒子に占める表面積の割合である比表面積が非常に大きくなる。このときの表面の金属粒子は、バルクの金属と比較して不安定な状態であり、大きな表面エネルギーを有している。そのため、ナノサイズの金属粒子は、その融点よりはるかに低い温度（たとえば１５０～４００℃）での上記焼結による接合が可能となる。
　しかしながら、ＡｇおよびＣｕなどのナノ粒子実装材料の焼結により上記接合を行うときは、これらの金属を固相間で拡散させるための加熱プロセスに要する時間が３０ｍｉｎから６０ｍｉｎ以上となる。この時間は、従来のはんだ材料での５ｍｉｎ程度と比較して各段に大きい。上記加熱プロセスに要する時間を短くしようとすると、より高温で蒸気ナノ粒子実装材料を焼結させる必要がある。しかし、上記焼結時の温度を高くすると、焼結時に高温に晒される周辺部材への熱ダメージが発生する。一方で、周辺部材への熱ダメージを抑制するために接合時の保持温度を低温にすると、上記加熱プロセスに要する時間は指数関数的に増加し、特に量産時にコストが増大してしまう。このように、上記ナノ粒子実装材料の焼結により素子電極とリードフレーム電極とを接合させようとすると、周辺部材への熱ダメージを抑制して生産物の品質を高めることと、量産を行う際のリードタイムを短くしてコストを抑制することと、を両立させることが困難である。そのため、上記接合に要する時間を短くしつつ、周辺部材への熱ダメージを増大させないナノ粒子実装材料が求められる。
　特許文献１には、加熱により脱離可能な有機被膜がその表面に配置された第１金属微粒子と、上記有機被膜の脱離開始温度より低い液相生成温度を有し、かつ、上記第１金属微粒子との反応により金属間化合物を形成可能な金属を含む第２金属微粒子と、を含有する接合材料が開示されている。特許文献１に記載の接合材料は、はじめに第２金属粒子が液相を生成する温度（２５０℃以下）で加熱し、その後、有機被膜が第１金属微粒子の表面から脱離する温度（２５０℃～３５０℃程度）で加熱することにより、金属間化合物を生成させる。上記方法で接合層を形成すると、金属間化合物の形成が接合材料中で均一に起こり、接合強度に優れた接合層が形成されると、特許文献１には記載されている。
特開２０１７－１０１３１３号公報
　特許文献１に記載の接合材料によれば、より低温での接合を可能として、周辺部材への熱ダメージを増大させずに、従来の接合に要する時間を短くすることもできると期待される。しかしながら、特許文献１に記載のように、第２金属微粒子の溶融によって第１金属微粒子との金属間化合物を形成すると、金属間化合物に特有の脆性が発現されることにより、第１金属が有する耐熱性が変化してしまうという問題がある。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、金属のナノ粒子の焼結により素子電極と金属部材とを接合した実装構造体であって、上記焼結による接合に要する時間を短くしたことで、焼結時の周辺部材への熱ダメージが小さくなっており、かつ、上記焼結による金属間化合物の生成を抑制してナノ粒子を構成する金属の持つ物性を低減させにくい実装構造体、および当該実装構造体の製造に用いるナノ粒子実装材料を提供することを目的としている。
　上記課題を達成するために、素子電極を有する半導体素子と、金属部材と、上記半導体素子と上記金属部材との接合する焼結体と、を含み、上記焼結体は、第１金属と、上記第１金属に固溶した第２金属と、を含み、上記第２金属は、上記第１金属における拡散係数が、上記第１金属の自己拡散係数よりも大きい金属であり、上記焼結体中の上記第１金属および上記第２金属の質量の合計に対する上記第２金属の含有率は、上記第１金属への上記第２金属の固溶限以下である実装構造体を用いる。
　また、第１金属のナノ粒子と、上記第１金属に固溶する第２金属のナノ粒子と、が少なくとも含有され、上記第１金属のナノ粒子の全個数に対する、粒径が１００ｎｍ以下である上記第１金属のナノ粒子の割合は、５０％以上であり、上記第２金属のナノ粒子の平均粒径は１００ｎｍ以下であり、上記第２金属は、上記第１金属における拡散係数が、上記第１金属の自己拡散係数よりも大きい金属であり、上記第１金属および上記第２金属の質量の合計に対する上記第２金属の質量の割合は、上記第１金属への固溶限以下であるナノ粒子実装材料を用いる。
　本発明によれば、焼結による接合に要する時間を短くしたことで、焼結時の周辺部材への熱ダメージが小さくなっており、かつ、上記焼結による金属間化合物の生成を抑制してナノ粒子を構成する金属の持つ物性が低減しにくい実装構造体、および当該実装構造体の製造に用いるナノ粒子実装材料を提供することが可能である。
図１は、本実施形態における実装構造体の半導体素子からリードフレームまでの接合部の厚み方向に対して平行方向の断面図である。 図２は、本実施形態における、実施例１－４の実装構造体における焼結体の断面ＳＥＭ像である。 図３は、比較例１－１の実装構造体における焼結体の断面ＳＥＭ像である。
　以下、本発明の１つの実施形態における実装構造体、上記実装構造体を製造するために用いられるナノ粒子実装材料、および上記実装構造体の製造方法について詳述する。
　＜構造＞
　図１は、本実施の形態における実装構造体の半導体素子からリードフレームまでの接合部の厚み方向に対して平行方向の断面図である。
　本実施形態における実装構造体１０８は、素子電極１０２を有する半導体素子１０１と、リードフレーム電極１０４を有するリードフレーム１０５とが、焼結体１０３を介して接合された実装構造体である。
　実装構造体１０８は、トランジスタなどの半導体素子１０１が、リードフレーム１０５に支持され、リードフレーム１０５によって外部配線に接続された構造を有する。半導体素子１０１とリードフレーム１０５とは、半導体素子１０１が有する素子電極１０２とリードフレーム１０５が有するリードフレーム電極１０４とが焼結体１０３を介して接合されることにより、電気的および機械的に接続されている。
　本実施形態において、焼結体１０３は、ナノサイズの金属粒子を焼結させてなる構造体であり、第１金属と第２金属とを含有する焼結体である。
　なお、ナノサイズの金属粒子の大きさは、平均粒径５０ｎｍ～１００ｎｍが好ましい。
　なお、平均粒径は、レーザー粒度分布計を用いて算出した。平均粒径は、メジアン径ｄ５０％（μｍ、体積換算）の値である。以下同様である。
　上記第１金属は、導電性を有し、熱伝導率が高く、かつ、接合部の温度Ｔｊは、ＳｉＣ素子およびＧａＮ素子などを用いるときの半導体素子１０１とリードフレーム１０５との接合部（焼結体１０３）の温度Ｔｊである２００～２５０℃に耐えうるような耐熱性を有する金属である。第１金属の例には、ＡｇおよびＣｕなどが含まれる。
　ここで、接合部の温度Ｔｊとは、半導体素子が動作する際の接合部界面の達する最高温度である。
　上記第２金属は、第１金属に固溶可能な金属であり、焼結体１０３においては、少なくともその一部が第１金属に固溶して存在する。また、上記第２金属は、第１金属中における拡散係数が、第１金属の自己拡散係数よりも大きい元素である。ここで、自己拡散係数とは、金属原子が、その金属中で拡散する係数である。
　第２金属の例には、第１金属がＡｇであるときのＳｎ、Ｃｕ、ＰｂおよびＧｅ、ならびに、第１金属がＣｕであるときの、Ｇｅなどが含まれる。
　後述するように、焼結体１０３は、上記第１金属のナノ粒子および上記第２金属のナノ粒子を含むナノ粒子実装材料を焼結させて形成される。この焼結時に、上記第２金属のナノ粒子は、第１金属中における拡散係数が第１金属の自己拡散係数よりも大きいため、上記第１金属よりも速やかに拡散して、第１金属のナノ粒子同士を結合させやすくする。そのため、上記第２金属は、第１金属のナノ粒子の結合に要する時間を短くし、焼結による接合に要する時間を短くすることができる。これにより、焼結時の周辺部材への熱ダメージを小さくすることができる。さらにこのとき、上記第２金属のナノ粒子は、上記拡散により上記第２金属が上記第１金属に固溶して消滅するため、焼結体１０３には、第２金属の相は形成されず、第１金属が有する導電性、熱伝導率および耐熱性などの特性は損なわれにくい。
　上記第１金属中における第２金属の拡散係数、および第１金属の自己拡散係数は、公知の値を用いることができるが、焼結体１０３を作製するための温度、たとえば２００℃における値をもとに判断すればよい。
　焼結体１０３は、上記第１金属および第２金属の質量の合計に対する上記第２金属の含有率が、上記第１金属への上記第２金属の固溶限以下である。これにより、第２金属が第１金属と金属間化合物を形成することによる、第１金属が有する導電性、熱伝導率および耐熱性などの特性の変化を抑制することができる。
　一方で、低温および短時間での焼結時にも、第１金属のナノ粒子を十分に結合させて、未焼結のナノ粒子が残存することによる導電性、熱伝導率および耐熱性などの低下を抑制するためには、第２金属の含有率を、上記固溶限以下でなるべく高めることが好ましい。具体的には、第２金属の含有率は、上記固溶限に対して７０％以上１００％以下とすることができ、たとえば第１金属がＡｇであり第２金属がＳｎであるとき（Ｓｎの固溶限は１０質量％）は、第２金属であるＳｎの含有率は、第１金属および第２金属の質量の合計に対して７質量％以上１０質量％以下とすることができる。
　上記第１金属への上記第２金属の固溶限は、上記第１金属と上記第２金属との平衡状態図から求めることができるが、焼結体１０３を作製するための温度、たとえば２００℃における固溶限とすればよい。
　＜ナノ粒子実装材料＞
　本実施形態におけるナノ粒子実装材料は、上述した第１金属のナノ粒子と、上述した第２金属のナノ粒子と、が少なくとも含有された実装材料である。
　本実施形態においても、上記第１金属は、導電性を有し、熱伝導率が高く、かつ、接合部の温度Ｔｊは、ＳｉＣ素子およびＧａＮ素子などを用いるときの半導体素子１０１とリードフレーム１０５との接合部（焼結体１０３）の温度Ｔｊである２００～２５０℃に耐えうるような耐熱性を有する金属である。第１金属の例には、ＡｇおよびＣｕなどが含まれる。
　また、本実施形態においても、上記第２金属は、第１金属に固溶可能な金属であり、第１金属中における拡散係数が、第１金属の自己拡散係数よりも大きい元素である。第２金属の例には、第１金属がＡｇであるときのＳｎ、Ｃｕ、ＰｂおよびＧｅ、ならびに、第１金属がＣｕであるときの、Ｇｅなどが含まれる。
　また、本実施形態においても、上記第１金属および上記第２金属の全質量に対する上記第２金属の質量の割合は、上記第１金属への固溶限以下である。なお、第２金属の含有率は、上記固溶限に対して７０％以上１００％以下とすることができ、第１金属がＡｇであり第２金属がＳｎであるとき（Ｓｎの固溶限は１０質量％）、第２金属であるＳｎの含有率は、第１金属および第２金属の質量の合計に対して７質量％以上１０質量％以下とすることができる。
　本実施形態において、上記第１金属のナノ粒子の全個数に対する、粒径が１００ｎｍ以下である上記第１金属のナノ粒子の割合は、５０％以上である。第１金属のナノ粒子の粒径が小さいほど、ナノ粒子の比表面積が大きくなり、より低温でも焼結させやすくなる。
　また、本実施形態において、上記第２金属のナノ粒子の平均粒径は、１００ｎｍ以下である。第２金属のナノ粒子の平均粒径が小さいほど、第２金属が第１金属に拡散して固溶しやすくなり、焼結に要する時間も短くすることができる。また、第２金属のナノ粒子の平均粒径が小さいほど、第２金属を第１金属に固溶させやすくなり、固溶しなかった第２金属のナノ粒子が焼結後の焼結体１０３に残存することによる、第１金属が有する導電性、熱伝導率および耐熱性などの特性の変化を抑制することができる。
　上記ナノ粒子実装材料は、電極への塗布性を付与したり上記ナノ粒子に分散性を付与したりするための有機溶剤、保管中のナノ粒子の凝集を防止するための分散剤、およびナノ粒子の表面に形成された酸化膜を除去するための還元剤を含有してもよい。
　＜プロセス＞
　本実施形態における実装構造体の製造方法は、上述したナノ粒子実装材料を用いて、上記第１金属のナノ粒子および第２金属のナノ粒子の焼結により半導体素子が有する素子電極とリードフレームが有するリードフレーム電極とを接合させる工程を含む。
　（１）ナノ粒子実装材料準備工程
　まず、上記第１金属のナノ粒子および上記第２金属のナノ粒子を含むナノ粒子実装材料を準備する。ナノ粒子実装材料は、有機溶剤、分散剤および還元剤などを含んでもよい。
　（２）ナノ粒子実装材料供給工程
　次に、リードフレーム１０５上のリードフレーム電極１０４に、メタルマスクなどを用いてナノ粒子実装材料を供給する。リードフレーム電極１０４は、Ｃｕなどで形成されたものとすることができる。
　（３）素子載置工程
　さらに、供給したナノ粒子実装材料の上に、半導体素子１０１を素子電極１０２がナノ粒子実装材料と接するように載置する。素子電極１０２は、最表層がＡｕなどで形成されたものとすることができる。
　（４）接合工程
　最後に、半導体素子１０１およびナノ粒子実装材料が載置されたリードフレーム１０５を、気流式の加熱炉中に投入し、大気雰囲気において加熱する。加熱条件は特に限定されないが、たとえば、２００℃で２０ｍｉｎ程度とすることができる。
　これによって、ナノ粒子実装材料中の第１金属のナノ粒子及び第２金属の焼結によって粒子の成長が発生し、２００ｎｍ以上の組織の集合で構成される焼結体１０３が形成される。このとき、素子電極１０２を構成する元素と、第１金属および第２金属と、の界面から厚み数ｎｍ程度の範囲で互いの元素が相互拡散し、リードフレーム電極１０４を構成する元素と、第１金属および第２金属と、の界面から厚み数ｎｍ程度の範囲で互いの元素が相互拡散して、素子電極１０２とリードフレーム電極１０４とが接合し、実装構造体１０８が作製される。
　本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
　［実施例１］
　１．実装構造体の作製
　第１金属のナノ粒子として平均粒径が１００ｎｍであるＡｇのナノ粒子を、第２金属のナノ粒子として、平均粒径が１００ｎｍであるＳｎのナノ粒子、平均粒径が１００ｎｍであるＳｂのナノ粒子、および平均粒径が１００ｎｍであるＰｄのナノ粒子を、それぞれ用意した。上記第１金属のナノ粒子を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、観察された第１金属のナノ粒子の個数に対する、粒径が１００ｎｍ以下であるナノ粒子の割合は、５０％であった。
　第１金属のナノ粒子および第２金属のナノ粒子の合計量が７０質量％、有機溶剤としてのポリエチレングリコール（平均分子量は２００）の量が２９質量％、ならびに分散剤および還元剤の合計量が１質量％、となるようにこれらを混合して、ナノ粒子実装材料を調製した。このとき、上記第１金属のナノ粒子および第２金属のナノ粒子は、合計量が７０質量％となるように異なる比率で混合して、複数のナノ粒子実装材料を得た。
　リードフレーム上にＣｕ製のリードフレーム電極を配置した。さらに、上記リードフレーム電極の表面に配置した、長さ１ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ５０μｍのメタルマスクに、上記ナノ粒子実装材料を流し込んだ。さらに、最表層がＡｕで形成された素子電極を有する半導体素子を、上記素子電極が上記ナノ粒子実装材料と接するように載置した。その後、上記半導体素子が載置されたリードフレームを、気流式の加熱炉中に投入して、大気雰囲気下で２００℃で２０ｍｉｎ加熱して、実装構造体を得た。
　なお、２００℃におけるＡｇ中のＡｇの自己拡散係数は１０－２４ｍ２／ｓｅｃの桁であるのに対し、２００℃におけるＡｇ中のＳｎの拡散係数は１０－２２ｍ２／ｓｅｃの桁である。また、２００℃におけるＡｇ中のＳｂの拡散係数は１０－２５ｍ２／ｓｅｃの桁であり、２００℃におけるＡｇ中のＰｄの拡散係数は１０－３１ｍ２／ｓｅｃの桁である。
　また、Ａｇに対するＳｎの固溶限は、１０質量％である。
　２．評価
　作製された実装構造体をエポキシ樹脂に埋め込んだ後に、半導体素子側から研磨紙およびバフを用いて鏡面研磨して、ナノ粒子実装材料の上記加熱により形成された焼結体１０３の、厚み方向の中心付近の断面を露出させた。ＳＥＭで上記断面を観察し、未焼結のナノ粒子の割合、金属間化合物の有無および第２金属のナノ粒子の残存状態を観察した。
　（未焼結のナノ粒子の割合）
　ＳＥＭで１０万倍の像を撮影し、視野内に観察された全粒子数に対する、粒径が１００ｎｍ以下の粒子が占める割合を算出して、未焼結のナノ粒子の割合とした。
　未焼結のナノ粒子の割合が、第２金属であるＳｎを添加しない場合の値より小さいものを合格とした。
　（金属間化合物の有無）
　上記ＳＥＭ像で明度の異なる相が確認されたときに、当該明度の異なる相生のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ分析）を行った。当該明度の異なる相が、上記第１金属および第２金属を含む相であるとき、金属間化合物が生成したものと判断した。
　金属間化合物がないもの合格とした。
　（第２金属のナノ粒子の残存）
　上記ＳＥＭ像で明度の異なる相が確認されたときに、当該明度の異なる相生のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ分析）を行った。当該明度の異なる相が、ほぼ上記第２金属のみからなる相であるとき、第２金属のナノ粒子が焼結せずに残存したものと判断した。
　第２金属が残存しないものを合格にした。
　表１に、実施例１における第１金属および第２金属の種類、第１金属（Ａｇ）のナノ粒子および第２金属（Ｓｎ）のナノ粒子の質量の合計に対する第２金属（Ｓｎ）のナノ粒子の質量の割合（含有率）、ならびに上記評価の結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図２に実施例１－４の実装構造体における焼結体１０３の断面ＳＥＭ像を示す。また、比較のために、図３に比較例１－１の実装構造体における焼結体１０３の断面ＳＥＭ像を示す。
　図２では、接合後の組織は、点線で示した部分を除いては、粒径が１００ｎｍ以下の粒子は見当たらない。実施例１－４の実装構造体における焼結体１０３では、ナノ粒子実装材料の焼結が良好に進行していたことが確認された。一方、図３では、点線で示粒径が１００ｎｍ以下の粒子を含む組織の占める割合が、図２と比較して明らかに大きい。比較例１－１の実装構造体における焼結体１０３では、ナノ粒子実装材料の焼結がさほど良好に進行しなかったことが確認された。
　また、表１から明らかなように、実施例１－１～１－４の実装構造体では、未焼結のナノ粒子の割合が比較例１－１の実装構造体よりも低かった。さらに、金属間化合物（Ａｇ５Ｓｎなど）の発生や第２金属（Ｓｎ）のナノ粒子の残存は見られなかった。
　実施例１－１～１－４の実装構造体の作製において用いたナノ粒子実装材料は、次の共通点がある。まず、第１金属のナノ粒子と上記第１金属に固溶する第２金属のナノ粒子とを含有したナノ粒子実装材料を用いている。また、上記第２金属は、上記第１金属における拡散係数が、上記第１金属の自己拡散係数よりも大きい金属である。さらに、上記第１金属および上記第２金属の全質量に対する上記第２金属のナノ粒子の質量の割合は、上記第１金属への固溶限以下である。
　一方、第１金属（Ａｇ）のナノ粒子および第２金属（Ｓｎ）のナノ粒子の質量の合計に対する第２金属（Ｓｎ）の含有率が１２．５質量％であり、Ａｇ中のＳｎの固溶限以上である比較例１－２では、未焼結のナノ粒子は認められなかったが、焼結体１０３中に金属間化合物であるＡｇ５Ｓｎの発生が見られた。
　また、Ａｇ中での拡散係数がＡｇ中のＡｇの自己拡散係数と比較して小さいＳｂおよびＰｄをそれぞれ含有する比較例１－３、１－４では、未焼結のナノ粒子の占める割合が比較例１－１よりも大きくなっており未焼結のナノ粒子を測定すると、ＳｂおよびＰｄの残存が見られた。
　［実施例２］
　実施例２では、第２金属をＣｕ、ＰｂおよびＧｅとした以外は実施例１と同様にして、実装構造体を作製し、評価した。
　なお、２００℃におけるＡｇ中のＣｕの拡散係数は１０－１７ｍ２／ｓｅｃの桁であり、２００℃におけるＡｇ中のＰｂの拡散係数は１０－２２ｍ２／ｓｅｃの桁であり、２００℃におけるＡｇ中のＧｅの拡散係数は１０－２２ｍ２／ｓｅｃの桁である。これらの拡散係数は、いずれも２００℃におけるＡｇ中のＡｇの自己拡散係数よりも大きい。
　また、Ａｇの全質量に対するＣｕ、ＰｂおよびＧｅの質量は、Ａｇとそれぞれの元素との平衡状態図における２００℃での固溶限の半分となるように、第２金属のナノ粒子の配合比を調整した。
　表２に、実施例２における第１金属および第２金属の種類、第１金属（Ａｇ）のナノ粒子および第２金属（Ｓｎ）のナノ粒子の質量の合計に対する第２金属（Ｓｎ）のナノ粒子の質量の割合（含有率）、ならびに上記評価の結果を示す。なお、比較を容易にするため、実施例１－２および比較例１－１で用いたナノ粒子実装材料および評価結果も、表２に掲載する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２から明らかなように、第２金属としてＳｎ以外を用いた時でも、実施例２－１～２－３の実装構造体では、未焼結のナノ粒子の割合が比較例１－１の実装構造体よりも低かった。さらに、金属間化合物の発生や第２金属のナノ粒子の残存は見られなかった。
　実施例２－１～２－３の実装構造体の作製において用いたナノ粒子実装材料は、次の共通点がある。まず、第１金属のナノ粒子と上記第１金属に固溶する第２金属のナノ粒子とを含有したナノ粒子実装材料を用いている。また、上記第２金属は、上記第１金属における拡散係数が、上記第１金属の自己拡散係数よりも大きい金属である。さらに、上記第１金属および上記第２金属の全質量に対する上記第２金属のナノ粒子の質量の割合は、上記第１金属への固溶限以下である。
　なお、第２金属としてＣｕを用いた実施例２－１では、第２金属の重量比率が少量であるにもかかわらず、未焼結のナノ粒子の割合が減少していた。これは、ＣｕのＡｇ中での拡散係数が他の元素と比較してかなり大きいためと考える。
　［実施例３］
　実施例３では、第１金属をＣｕとし、第２元素をＧｅとした以外は実施例１と同様にして、実装構造体を作製し、評価した。
　なお、２００℃におけるＣｕ中のＧｅの拡散係数は１０－２３ｍ２／ｓｅｃの桁であり、２００℃におけるＣｕ中のＣｕの自己拡散係数は１０－２９ｍ２／ｓｅｃの桁である。２００℃におけるＣｕ中のＧｅの拡散係数は、２００℃におけるＣｕ中のＣｕの自己拡散係数よりも大きい。
　また、Ｃｕの全質量に対するＧｅの質量は、ＣｕとＧｅとの平衡状態図における２００℃での固溶限の半分となるように、第２金属（Ｇｅ）のナノ粒子の配合比を調整した。
　表３に、実施例３における第１金属および第２金属の種類、第１金属（Ｃｕ）のナノ粒子および第２金属（Ｇｅ）のナノ粒子の質量の合計に対する第２金属（Ｇｅ）のナノ粒子の質量の割合（含有率）、ならびに上記評価の結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３から明らかなように、第１金属としてＡｇ以外を用いた時でも、実施例３－１の実装構造体では、未焼結のナノ粒子の割合が比較例３－１の実装構造体よりも低かった。さらに、金属間化合物の発生や第２金属のナノ粒子の残存は見られなかった。
　実施例３－１の実装構造体の作製において用いたナノ粒子実装材料は、次の特徴がある。まず、第１金属のナノ粒子と上記第１金属に固溶する第２金属のナノ粒子とを含有したナノ粒子実装材料を用いている。また、上記第２金属は、上記第１金属における拡散係数が、上記第１金属の自己拡散係数よりも大きい金属である。さらに、上記第１金属および上記第２金属の全質量に対する上記第２金属のナノ粒子の質量の割合は、上記第１金属への固溶限以下である。
　（全体として）
　リードフレーム１０５で説明したが、金属部材でもよい。例えば、放熱板でもよい。
　本発明の実装構造体によれば、パワーデバイスなどの大きな発熱を伴うデバイスにおいて求められる、接合に要する時間を短くし、周辺部材への熱ダメージが小さく、ナノ粒子の金属の持つ物性を確保した実装構造体を提供することができる。
１０１　半導体素子
１０２　素子電極
１０３　焼結体
１０４　リードフレーム電極
１０５　リードフレーム
１０８　実装構造体

Claims (12)

  1. 素子電極を有する半導体素子と、
    金属部材と、
    前記半導体素子と前記金属部材との接合する焼結体と、を含み、
    前記焼結体は、第１金属と、前記第１金属に固溶した第２金属と、を含み、
    前記第２金属は、前記第１金属における拡散係数が、前記第１金属の自己拡散係数よりも大きい金属であり、
    前記焼結体中の前記第１金属および前記第２金属の質量の合計に対する前記第２金属の含有率は、前記第１金属への前記第２金属の固溶限以下である実装構造体。
  2. 　前記第１金属は、Ａｇであり、
    　前記第２金属は、Ｓｎである、
    　請求項１に記載の実装構造体。
  3. 　前記第１金属は、Ａｇであり、
    　前記第２金属は、Ｃｕである、
    　請求項１に記載の実装構造体。
  4. 　前記第１金属は、Ａｇであり、
    　前記第２金属は、Ｐｂである、
    　請求項１に記載の実装構造体。
  5. 　前記第１金属は、Ａｇであり、
    　前記第２金属は、Ｇｅである、
    　請求項１に記載の実装構造体。
  6. 　前記第１金属は、Ｃｕであり、
    　前記第２金属は、Ｇｅである、
    　請求項１に記載の実装構造体。
  7. 　前記第１金属は、Ａｇであり、
    　前記第２金属は、Ｓｎであり、
    　前記焼結体の前記第１金属および前記第２金属の質量の合計に対する、前記第２金属の含有率は、７質量％以上１０質量％以下である、
    　請求項１に記載の実装構造体。
  8. 前記金属部材は、リードフレーム、または、放熱板である請求項１に記載の実装構造体。
  9. 　第１金属のナノ粒子と、前記第１金属に固溶する第２金属のナノ粒子と、が少なくとも含有され、
    　前記第１金属のナノ粒子の全個数に対する、粒径が１００ｎｍ以下である前記第１金属のナノ粒子の割合は、５０％以上であり、
    　前記第２金属のナノ粒子の平均粒径は１００ｎｍ以下であり、
    　前記第２金属は、前記第１金属における拡散係数が、前記第１金属の自己拡散係数よりも大きい金属であり、
    　前記第１金属および前記第２金属の質量の合計に対する前記第２金属の質量の割合は、前記第１金属への固溶限以下であるナノ粒子実装材料。
  10. 　前記第１金属は、Ａｇであり、
    　前記第２金属は、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｐｂ、またはＧｅである、
    　請求項９に記載のナノ粒子実装材料。
  11. 　前記第１金属は、Ｃｕであり、
    　前記第２金属は、Ｇｅである、
    　請求項９に記載のナノ粒子実装材料。
  12. 　前記第１金属は、Ａｇであり、
    　前記第２金属は、Ｓｎであり、
    　前記第１金属および前記第２金属の全質量に対する前記第２金属のナノ粒子の質量の割合は、７質量％以上１０質量％以下である
    　請求項９に記載のナノ粒子実装材料。
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