特許 7492256 接合構造体及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-21

(45)【発行日】2024-05-29

(54)【発明の名称】接合構造体及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/52 20060101AFI20240522BHJP

   B22F 1/00 20220101ALI20240522BHJP

   B22F 7/08 20060101ALI20240522BHJP

   B22F 7/04 20060101ALI20240522BHJP

   B82Y 30/00 20110101ALI20240522BHJP

   B82Y 40/00 20110101ALI20240522BHJP

【ＦＩ】

H01L21/52 B

H01L21/52 D

B22F1/00 K

B22F7/08 E

B22F7/04 D

B82Y30/00

B82Y40/00

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020166908

(22)【出願日】2020-10-01

(65)【公開番号】P2022059274

(43)【公開日】2022-04-13

【審査請求日】2023-08-22

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ▲１▼開催日：令和２年２月４日 集会名、開催場所：大阪大学 新技術説明会 ＪＳＴ東京本部別館１Ｆホール（東京都千代田区五番町７番地） 公開者：陳 伝■

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】100168583

【弁理士】

【氏名又は名称】前井 宏之

(72)【発明者】

【氏名】陳 伝▲トウ▼

(72)【発明者】

【氏名】菅沼 克昭

(72)【発明者】

【氏名】張 政

【審査官】平野 崇

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０１４５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０３１４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１７４９２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０６０９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１０３１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５７５９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／５２

Ｂ２２Ｆ １／００

Ｂ２２Ｆ ７／０８

Ｂ２２Ｆ ７／０４

Ｂ８２Ｙ ３０／００

Ｂ８２Ｙ ４０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材、半導体素子、及び前記基材と前記半導体素子とを接合する接合層を備える接合構造体であって、
前記半導体素子は、前記基材と接合させるためのメタライズ層を有しておらず、
前記接合層は、多孔質銀焼結体と、個数平均一次粒子径１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の銀ナノ粒子とを含み、
少なくとも一部の前記銀ナノ粒子は、前記多孔質銀焼結体と前記半導体素子との間に存在する、接合構造体。

【請求項2】

前記基材は、前記半導体素子とは別の半導体素子である、請求項１に記載の接合構造体。

【請求項3】

基材、半導体素子、及び前記基材と前記半導体素子とを接合する接合層を備える接合構造体の製造方法であって、
前記基材と前記半導体素子とを、銀ペーストを用いて接合する接合工程を少なくとも備え、
前記半導体素子は、前記基材と接合させるためのメタライズ層を有しておらず、
前記銀ペーストは、Ｘ線回折法を用いて測定される残留ひずみが５．０％以上の銀粒子と、溶媒とを含む、接合構造体の製造方法。

【請求項4】

前記銀粒子の体積基準における５０％累積径は、１００ｎｍ以上５０μｍ以下である、請求項３に記載の接合構造体の製造方法。

【請求項5】

前記銀ペースト中の前記銀粒子の含有率は、前記銀ペーストの全質量に対して、８５質量％以上９５質量％以下である、請求項３又は４に記載の接合構造体の製造方法。

【請求項6】

前記銀粒子は、Ｘ線回折法を用いて測定される残留ひずみが２０．０％以下である、請求項３～５のいずれか一項に記載の接合構造体の製造方法。

【請求項7】

前記銀粒子は、フレーク状銀粒子である、請求項３～６のいずれか一項に記載の接合構造体の製造方法。

【請求項8】

前記接合工程は、
前記基材上に前記銀ペーストを塗布する塗布工程と、
前記基材と前記半導体素子とを、前記銀ペーストを介して重ね合わせることにより、積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体を加熱する加熱工程と
を含む、請求項３～７のいずれか一項に記載の接合構造体の製造方法。

【請求項9】

前記加熱工程において、前記積層体を加圧せずに加熱する、請求項８に記載の接合構造体の製造方法。

【請求項10】

前記加熱工程において、１５０℃以上３５０℃以下の温度で前記積層体を加熱する、請求項８又は９に記載の接合構造体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、基材と半導体素子とが接合された接合構造体、及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

基材と半導体素子とが接合された接合構造体（以下、単に「接合構造体」と記載することがある）が知られている。基材と半導体素子との接合強度（以下、単に「接合強度」と記載することがある）を高めるために、接合面側の表層に金属層（以下、「メタライズ層」と記載することがある）を有する半導体素子を使用して、接合構造体を製造することがある。

【0003】

例えば、特許文献１には、メタライズ層としてニッケル層を有する半導体素子を使用して、基材と半導体素子とを接合させた接合構造体（半導体装置）が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１０－７３９０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の接合構造体を製造する場合、メタライズ層の形成工程を設ける必要があるため、製造コストの低減が困難である。

【0006】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを低減できる上、高い接合強度を確保できる接合構造体及びその製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る接合構造体は、基材、半導体素子、及び前記基材と前記半導体素子とを接合する接合層を備える。前記半導体素子は、前記基材と接合させるためのメタライズ層を有しない。前記接合層は、多孔質銀焼結体と、個数平均一次粒子径１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の銀ナノ粒子とを含む。少なくとも一部の前記銀ナノ粒子は、前記多孔質銀焼結体と前記半導体素子との間に存在する。

【0008】

ある実施形態では、前記基材は、前記半導体素子とは別の半導体素子である。

【0009】

本発明に係る接合構造体の製造方法は、基材、半導体素子、及び前記基材と前記半導体素子とを接合する接合層を備える接合構造体の製造方法である。本発明に係る接合構造体の製造方法は、前記基材と前記半導体素子とを、銀ペーストを用いて接合する接合工程を少なくとも備える。前記半導体素子は、前記基材と接合させるためのメタライズ層を有しない。前記銀ペーストは、Ｘ線回折法を用いて測定される残留ひずみが５．０％以上の銀粒子と、溶媒とを含む。

【0010】

ある実施形態では、前記銀粒子の体積基準における５０％累積径は、１００ｎｍ以上５０μｍ以下である。

【0011】

ある実施形態では、前記銀ペースト中の前記銀粒子の含有率は、前記銀ペーストの全質量に対して、８５質量％以上９５質量％以下である。

【0012】

ある実施形態では、前記銀粒子は、Ｘ線回折法を用いて測定される残留ひずみが２０．０％以下である。

【0013】

ある実施形態では、前記銀粒子は、フレーク状銀粒子である。

【0014】

ある実施形態では、前記接合工程は、前記基材上に前記銀ペーストを塗布する塗布工程と、前記基材と前記半導体素子とを、前記銀ペーストを介して重ね合わせることにより、積層体を形成する積層体形成工程と、前記積層体を加熱する加熱工程とを含む。

【0015】

ある実施形態では、前記加熱工程において、前記積層体を加圧せずに加熱する。

【0016】

ある実施形態では、前記加熱工程において、１５０℃以上３５０℃以下の温度で前記積層体を加熱する。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、製造コストを低減できる上、高い接合強度を確保できる接合構造体及びその製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１実施形態に係る接合構造体の一例を示す断面図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る接合構造体の接合箇所の一例を示す部分断面図である。

【図3】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の第２実施形態に係る接合構造体の製造方法の一例を示す工程別断面図である。

【図4】フレーク状銀粒子の一例を示す走査電子顕微鏡写真である。

【図5】球状銀粒子の一例を示す走査電子顕微鏡写真である。

【図6】フレーク状銀粒子の一例を示す透過電子顕微鏡写真である。

【図7】実施例１の接合構造体の接合箇所の断面を示す走査電子顕微鏡写真である。

【図8】図７に示す断面のうち半導体素子と多孔質銀焼結体との接合箇所を拡大した走査電子顕微鏡写真である。

【図9】実施例１の接合構造体の接合箇所の断面を示す透過電子顕微鏡写真である。

【図10】実施例１の接合構造体の剪断強度を測定した後の半導体素子を、接合箇所側から撮影した走査電子顕微鏡写真である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。なお、説明が重複する箇所については、適宜説明を省略する場合がある。

【0020】

まず、本明細書中で使用される用語について説明する。「フレーク状銀粒子」は、球状とは異なる形状を有する銀粒子であり、例えば平板状（より具体的には、葉片状、鱗片状等）の銀粒子である。なお、「球状」には、真球状、及び真球状以外の球状（より具体的には、扁球状等）が含まれる。

【0021】

「多孔質銀焼結体」とは、銀粒子の集合体を、銀粒子の融点よりも低い温度で焼結させて得られる多孔質の焼結体を指す。

【0022】

「体積基準における５０％累積径」は、体積基準の粒度分布（体積粒度分布）における、小粒径側からの頻度の累積が５０％になる粒子径である。以下、体積基準における５０％累積径を、「体積中位径（Ｄ₅₀）」と記載することがある。粒子（詳しくは、粒子の粉体）の体積中位径（Ｄ₅₀）の測定値は、何ら規定していなければ、ゼータ電位・粒径測定システム（大塚電子株式会社製「ＥＬＳＺ－１０００ＺＳ」）を用いて測定されたメディアン径である。粒子の個数平均一次粒子径の測定値は、何ら規定していなければ、透過電子顕微鏡（日本電子株式会社製「ＪＥＭ－２１００」、加速電圧：２００ｋＶ）を用いて測定した、１００個の一次粒子の断面の円相当径（一次粒子の断面の面積と同じ面積を有する円の直径）の個数平均値である。

【0023】

材料の「主成分」は、何ら規定していなければ、質量基準で、その材料に最も多く含まれる成分を意味する。

【0024】

以下、Ｘ線回折法を用いて測定される残留ひずみを、単に「残留ひずみ」と記載することがある。また、本明細書中では、溶媒も分散媒も、「溶媒」と記載する。

【0025】

＜第１実施形態：接合構造体＞
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る接合構造体を説明する。参照する図１は、本発明の第１実施形態に係る接合構造体の一例を示す断面図である。参照する図２は、本発明の第１実施形態に係る接合構造体の接合箇所の一例を示す部分断面図である。なお、参照する図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の大きさ、個数、形状等は、図面作成の都合上から実際とは異なる場合がある。

【0026】

図１に示す接合構造体１０は、基材１１、半導体素子１２、及び基材１１と半導体素子１２とを接合する接合層１３を備える。半導体素子１２は、基材１１と接合させるためのメタライズ層を有しない。よって、接合構造体１０を製造する際、半導体素子１２にメタライズ層を形成する工程が不要となるため、接合構造体１０は、製造コストの低減が可能な接合構造体である。

【0027】

図２に示すように、接合層１３は、多孔質銀焼結体１４と、複数個の銀ナノ粒子１５とを含む。銀ナノ粒子１５の個数平均一次粒子径は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。また、少なくとも一部の銀ナノ粒子１５は、多孔質銀焼結体１４と半導体素子１２との間に存在する。

【0028】

接合構造体１０が高い接合強度を確保できる理由は、以下のように推測される。銀ナノ粒子１５は、比較的表面自由エネルギーが高いため、多孔質銀焼結体１４と半導体素子１２との間において、多孔質銀焼結体１４と半導体素子１２とを接着させる接着剤として機能する。これにより、接合層１３と半導体素子１２との接合強度を高めることができる。従って、接合構造体１０によれば、高い接合強度を確保できる。

【0029】

接合構造体１０の製造コストをより低減するためには、基材１１は、半導体素子１２と接合させるためのメタライズ層を有しないことが好ましい。この場合、一部の銀ナノ粒子１５は、多孔質銀焼結体１４と基材１１との間に存在することが好ましい。一部の銀ナノ粒子１５が多孔質銀焼結体１４と基材１１との間に存在する場合、基材１１がメタライズ層を有しなくても、接合層１３と基材１１との間の接合強度を高めることができる。

【0030】

より高い接合強度を確保するためには、銀ナノ粒子１５の個数平均一次粒子径は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましく、３ｎｍ以上８ｎｍ以下であることがより好ましい。銀ナノ粒子１５の個数平均一次粒子径は、例えば、後述する特定銀粒子の体積中位径（Ｄ₅₀）を変更することにより調整できる。

【0031】

半導体素子１２としては、例えば、シリコンを主成分として含む半導体素子（以下、Ｓｉ半導体素子と記載することがある）、ガリウムナイトライドを主成分として含む半導体素子（以下、ＧａＮ半導体素子と記載することがある）、シリコンカーバイドを主成分として含む半導体素子（以下、ＳｉＣ半導体素子と記載することがある）、シリコンナイトライドを主成分として含む半導体素子、及び窒化アルミニウム（アルミニウムナイトライド）を主成分として含む半導体素子が挙げられる。なお、半導体素子１２の表面には、酸化物層が形成されていてもよい。

【0032】

より高い接合強度を確保するためには、半導体素子１２の面積は、０．１ｍｍ²以上１０００ｍｍ²以下であることが好ましく、１ｍｍ²以上１００ｍｍ²以下であることがより好ましい。

【0033】

より高い接合強度を確保するためには、半導体素子１２の厚さは、０．１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることがより好ましい。

【0034】

基材１１の構成材料は、特に限定されない。また、基材１１の面積についても、半導体素子１２を接合するための領域を確保できる限り、特に限定されない。基材１１の厚さは、例えば、０．１ｍｍ以上１０００ｍｍ以下である。基材１１の例としては、半導体素子１２を実装させるための基板（実装基板）、セラミックス板、ガラス板、及びフレキシブル基材が挙げられる。

【0035】

基材１１として使用可能な実装基板としては、例えば、アルミニウム製回路付きセラミックス基板（より具体的には、ＤＢＡ（登録商標）基板）、銅製回路付きセラミックス基板（より具体的には、ＤＢＣ基板）、及びフレキシブル基板が挙げられる。実装基板としてフレキシブル基板を使用する場合、フレキシブル基板を形成するためのフレキシブル基材としては、例えば、ポリイミドフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、及びポリエチレンナフタレートフィルムが挙げられる。

【0036】

基材１１として使用可能なセラミックス板としては、例えば、窒化アルミニウム板、アルミナ板、及びジルコニア板が挙げられる。

【0037】

基材１１として使用可能なフレキシブル基材としては、例えば、上述したフレキシブル基板を形成するためのフレキシブル基材として例示した基材が挙げられる。

【0038】

また、基材１１は、半導体素子１２とは別の半導体素子（以下、第２半導体素子と記載することがある）であってもよい。基材１１が第２半導体素子である場合、接合構造体１０は、所謂チップオンチップ構造を有する。よって、基材１１が第２半導体素子である場合、接合構造体１０を用いて形成される実装構造体（電子部品が実装された構造体）の高密度化が可能となる。

【0039】

第２半導体素子は、半導体素子１２と同種の半導体素子であってもよく、半導体素子１２とは異なる種類の半導体素子であってもよい。第２半導体素子の例としては、上述した半導体素子１２として例示した半導体素子が挙げられる。また、第２半導体素子の寸法は、半導体素子１２の寸法と同じであっても異なっていてもよい。

【0040】

以上、本発明の第１実施形態に係る接合構造体について説明したが、本発明の接合構造体は、上述した第１実施形態に限定されない。例えば、本発明の接合構造体は、３個以上の半導体素子が接合層を介して接合された接合構造体であってもよい。

【0041】

＜第２実施形態：接合構造体の製造方法＞
以下、図面を参照して、本発明の第２実施形態に係る接合構造体の製造方法を説明する。第２実施形態に係る接合構造体の製造方法は、例えば上述した第１実施形態に係る接合構造体の好適な製造方法である。以下、上述した第１実施形態と重複する内容については、説明を省略する場合がある。なお、参照する図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の大きさ、個数、形状等は、図面作成の都合上から実際とは異なる場合がある。

【0042】

まず、第２実施形態に係る接合構造体の製造方法の概要について、図３（ａ）～（ｃ）を参照しながら説明する。図３（ａ）～（ｃ）は、第２実施形態に係る接合構造体の製造方法の一例を示す工程別断面図である。第２実施形態に係る接合構造体の製造方法は、基材１１（図３（ａ）参照）と半導体素子１２（図３（ｂ）参照）とを、銀ペーストを用いて接合する接合工程を備える。また、第２実施形態では、接合工程が、塗布工程と、積層体形成工程と、加熱工程とを含む。なお、図３（ａ）～（ｃ）において、図１に示される構成要素と同一の構成要素については、図１と同一の符号を付している。

【0043】

塗布工程では、図３（ａ）に示すように、基材１１上に銀ペーストを塗布し、銀ペーストからなる塗布膜２０を形成する。基材１１上に塗布する銀ペーストは、Ｘ線回折法を用いて測定される残留ひずみが５．０％以上の銀粒子と、溶媒とを含む。銀粒子の残留ひずみの測定方法は、後述する実施例と同じ方法又はそれに準ずる方法である。以下、Ｘ線回折法を用いて測定される残留ひずみが５．０％以上の銀粒子を、特定銀粒子と記載することがある。

【0044】

塗布工程後かつ積層体形成工程前に、塗布膜２０中の溶媒の少なくとも一部を除去するために、塗布膜２０を加熱する工程を設けてもよい。

【0045】

積層体形成工程では、図３（ｂ）に示すように、基材１１と半導体素子１２とを、銀ペーストからなる塗布膜２０を介して重ね合わせることにより、積層体４０を形成する。

【0046】

加熱工程では、積層体形成工程で得られた積層体４０を加熱する。積層体４０を加熱することにより、塗布膜２０（図３（ｂ）参照）中の特定銀粒子同士が焼結し、基材１１と半導体素子１２とを接合する接合層１３（図３（ｃ）参照）が形成される。これにより、図３（ｃ）に示す接合構造体１０が得られる。

【0047】

次に、第２実施形態に係る接合構造体の製造方法が備える各工程について詳述する。

【0048】

［塗布工程］
塗布工程で使用される銀ペーストは、特定銀粒子と、溶媒とを含む。特定銀粒子の体積中位径（Ｄ₅₀）は、１００ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、１．０μｍ以上１０．０μｍ以下であることがより好ましく、１．０μｍ以上５．０μｍ以下であることが更に好ましい。特定銀粒子の体積中位径（Ｄ₅₀）が１００ｎｍ以上である場合、特定銀粒子の残留ひずみを５．０％以上の範囲に容易に調整できる。また、特定銀粒子の体積中位径（Ｄ₅₀）が５０μｍ以下である場合、接合強度をより高めることができる。

【0049】

印刷法により基材１１上に銀ペーストを塗布する場合、基材１１上に塗布膜２０を容易に形成するためには、銀ペースト中の特定銀粒子の含有率は、銀ペーストの全質量に対して、８５質量％以上９５質量％以下であることが好ましく、９０質量％以上９５質量％以下であることがより好ましい。なお、銀ペーストには、特定銀粒子以外の銀粒子が含まれていてもよい。ただし、接合強度をより高めるためには、銀ペースト中の特定銀粒子の含有率は、銀ペースト中の銀粒子の全質量に対して、５０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましく、１００質量％であることが特に好ましい。

【0050】

接合強度をより高めるためには、特定銀粒子の残留ひずみは、１０．０％以上であることが好ましい。また、銀ペースト中において、特定銀粒子の結晶構造を安定して維持するためには、特定銀粒子の残留ひずみは、２０．０％以下であることが好ましく、１５．０％以下であることがより好ましい。

【0051】

接合強度を更に高めるためには、特定銀粒子の残留ひずみが１０．０％以上１５．０％以下であり、かつ特定銀粒子の体積中位径（Ｄ₅₀）が１．０μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましく、特定銀粒子の残留ひずみが１１．０％以上１４．０％以下であり、かつ特定銀粒子の体積中位径（Ｄ₅₀）が２．０μｍ以上４．０μｍ以下であることがより好ましい。

【0052】

特定銀粒子としては、例えば、フレーク状銀粒子が挙げられる。残留ひずみを有するフレーク状銀粒子は、例えば、銀化合物（より具体的には、銀塩等）を還元剤により還元して得られた球状銀粒子を、攪拌装置（より具体的には、ボールミル等）で攪拌することにより得られる。フレーク状銀粒子の残留ひずみ及び体積中位径（Ｄ₅₀）は、各々、例えば上記攪拌装置により攪拌する際の攪拌条件（より具体的には、攪拌速度、攪拌時間等）を変更することにより調整できる。

【0053】

銀ペーストに含まれる溶媒としては、例えば、エーテル結合を有する溶媒（以下、エーテル系溶媒と記載することがある）、及びアルコールが挙げられる。エーテル系溶媒としては、例えば、エーテル、及びグリコールエーテルが挙げられる。銀ペーストに含まれる溶媒として、一種の溶媒を単独で使用してもよく、二種以上の溶媒を組み合わせて使用してもよい。

【0054】

銀ペーストの溶媒としてエーテルを使用する場合、使用可能なエーテルとしては、例えば、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、及び１，４－ジオキサンが挙げられる。

【0055】

銀ペーストの溶媒としてグリコールエーテルを使用する場合、使用可能なグリコールエーテルとしては、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、及びジエチレングリコールモノ２－エチルヘキシルエーテルが挙げられる。

【0056】

銀ペーストの溶媒としてアルコールを使用する場合、使用可能なアルコールとしては、例えば、１－プロパノール、２－プロパノール、１－ブタノール、２－メチル－１－プロパノール、２－ブタノール、２－メチル－２－プロパノール、１－ペンタノール、１－オクタノール、及び２－オクタノールが挙げられる。

【0057】

なお、塗布工程で使用される銀ペーストは、特定銀粒子及び溶媒以外の成分（他の成分）を更に含んでもよい。他の成分としては、例えば、銀ペースト中における特定銀粒子の分散性を高めるための分散剤が挙げられる。

【0058】

基材１１上に銀ペーストを塗布する方法としては、特に限定されないが、例えば、印刷法及びポッティング法が挙げられる。基材１１上に塗布膜２０を容易に形成するためには、基材１１上に銀ペーストを塗布する方法としては、印刷法（より具体的には、スクリーン印刷法等）が好ましい。

【0059】

［積層体形成工程］
積層体形成工程で使用する半導体素子１２は、基材１１と接合させるためのメタライズ層を有しない。第２実施形態に係る接合構造体の製造方法では、半導体素子１２にメタライズ層を形成する工程が不要となるため、第２実施形態に係る接合構造体の製造方法によれば、製造コストを低減できる。

【0060】

［加熱工程］
加熱工程において積層体４０を加熱する方法としては、例えば、積層体４０をホットプレートで加熱する方法、及び積層体４０を加熱炉で加熱する方法が挙げられる。

【0061】

積層体４０を加熱する際の加熱温度は、塗布膜２０中の特定銀粒子同士が焼結する温度である限り、特に限定されず、例えば、１００℃以上４００℃以下である。接合強度をより高めるためには、積層体４０を加熱する際の加熱温度は、１５０℃以上３５０℃以下であることが好ましい。なお、加熱温度に到達するまでの昇温速度は、例えば１０℃／分以上２０℃／分以下である。また、接合強度をより高めるためには、積層体４０を加熱する際の加熱時間（加熱温度を維持する時間）は、１５分以上５時間以下であることが好ましく、３０分以上３時間以下であることがより好ましい。

【0062】

積層体４０の加熱は、大気圧下で行われてもよいし、減圧下で行われてもよい。また、積層体４０の加熱は、空気中で行われてもよいし、不活性ガス（より具体的には、アルゴンガス、窒素ガス等）雰囲気下で行われてもよい。

【0063】

加熱工程では、積層体４０を加圧せずに加熱してもよいし、積層体４０に圧力を印加しながら積層体４０を加熱してもよい。半導体素子１２の破損を抑制するためには、加熱工程において積層体４０を加圧せずに加熱することが好ましい。第２実施形態では、特定銀粒子を含む銀ペーストを用いて、基材１１と半導体素子１２とを接合するため、加熱工程において積層体４０を加圧しなくても、基材１１と半導体素子１２との間の接合強度を高めることができる。

【0064】

加熱工程において塗布膜２０中の特定銀粒子同士が焼結することにより得られる接合層１３の厚さは、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下である。接合層１３の厚さは、例えば、塗布工程で使用する銀ペースト中の特定銀粒子の含有率を変更することにより調整できる。

【0065】

また、第２実施形態に係る接合構造体の製造方法によれば、高い接合強度を確保できる。その理由は、以下のように推測される。

【0066】

第２実施形態では、加熱工程において塗布膜２０中の特定銀粒子の残留ひずみが緩和される。特定銀粒子の残留ひずみが緩和される際に、特定銀粒子の結晶中の転位箇所（結晶欠陥部位）から微小な銀ナノ粒子１５（図２参照）が生成する。

【0067】

以下、図２を参照しながら、特定銀粒子の転位箇所から生成した銀ナノ粒子１５について説明する。銀ナノ粒子１５の個数平均一次粒子径は、例えば１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、好ましくは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、より好ましくは、３ｎｍ以上８ｎｍ以下である。少なくとも一部の銀ナノ粒子１５は、多孔質銀焼結体１４と半導体素子１２との間に存在する。生成した銀ナノ粒子１５は、特定銀粒子に比べて表面自由エネルギーが高いため、多孔質銀焼結体１４と半導体素子１２との間において、多孔質銀焼結体１４と半導体素子１２とを接着させる接着剤として機能する。これにより、接合層１３と半導体素子１２との接合強度を高めることができる。従って、第２実施形態に係る接合構造体の製造方法によれば、高い接合強度を確保できる。

【0068】

接合層１３には、例えば酸化銀（不図示）が存在していてもよい。酸化銀は、例えば、特定銀粒子の残留ひずみが緩和される際に、特定銀粒子の結晶中の転位箇所から生成する。

【0069】

特定銀粒子から生成した、一部の銀ナノ粒子１５は、加熱工程において多孔質銀焼結体１４と一体化してもよい。

【0070】

接合強度をより高めるためには、多孔質銀焼結体１４と半導体素子１２との間に銀ナノ粒子１５が存在する領域は、銀ナノ粒子１５のみが存在する領域、又は銀ナノ粒子１５及び酸化銀（不図示）のみが存在する領域であることが好ましい。

【0071】

以上、第２実施形態に係る接合構造体の製造方法について説明したが、本発明の接合構造体の製造方法は、上述した第２実施形態に限定されない。

【0072】

例えば、図３（ａ）～（ｃ）を参照して説明したように、第２実施形態に係る接合構造体の製造方法は、接合工程が、塗布工程と、積層体形成工程と、加熱工程とを含むが、本発明の接合構造体の製造方法において、接合工程は、上述した特定の銀ペーストを用いて半導体素子と基材とを接合する限り、特に限定されない。

【0073】

また、本発明の接合構造体の製造方法は、接合工程以外の工程（他の工程）を備えてもよい。他の工程としては、例えば、半導体素子と基材とを電気的に接続する工程が挙げられる。

【実施例】

【0074】

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は実施例の範囲に何ら限定されるものではない。なお、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真は、いずれもＳＥＭ（株式会社日立ハイテク製「ＳＵ８０２０」）を用いて、加速電圧５ｋＶの条件で撮影した。また、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真は、いずれもＴＥＭ（日本電子株式会社製「ＪＥＭ－２１００」）を用いて、加速電圧２００ｋＶの条件で撮影した。

【0075】

また、銀粒子（詳しくは、後述するフレーク状銀粒子ＦＰ及び球状銀粒子ＳＰのいずれか）の残留ひずみは、Ｘ線回折法を用いて銀粒子（粉体）の結晶格子の面間隔を得た後、得られた結晶格子の面間隔から求めた。銀粒子の残留ひずみの測定方法の詳細を、以下に示す。

【0076】

＜銀粒子の残留ひずみの測定方法＞
まず、湾曲ＩＰＸ線回折装置（株式会社リガク製「ＲＩＮＴ（登録商標） ＲＡＰＩＤＩＩ」）を用いて、以下に示す測定条件で銀粒子の粉体（試料）のＸ線回折スペクトルを測定した。
特性Ｘ線：Ｃｕ－Ｋα線（λ＝１．５４１８Å）
管電圧：４０ｋＶ
管電流：３０ｍＡ
測定範囲（２θ）：０°以上１６０°以下
走査速度：１°／秒

【0077】

次いで、得られたＸ線回折スペクトルに基づいて、統合粉末Ｘ線解析ソフトウェア（株式会社リガク製「ＰＤＸＬ Ｖｅｒ．２．０」）を用いて、試料の結晶格子の（１１１）面、（２００）面及び（２２０）面のそれぞれの面間隔を算出した。以下、得られた（１１１）面の面間隔をｄ１と記載し、得られた（２００）面の面間隔をｄ２と記載し、得られた（２２０）面の面間隔をｄ３と記載する。

【0078】

次いで、ｄ１と、残留ひずみがない銀の結晶の（１１１）面の面間隔（以下、ｄ１₀と記載する）とから、下記式（１）に基づいて残留ひずみε１（単位：％）を算出した。また、ｄ２と、残留ひずみがない銀の結晶の（２００）面の面間隔（以下、ｄ２₀と記載する）とから、下記式（２）に基づいて残留ひずみε２（単位：％）を算出した。また、ｄ３と、残留ひずみがない銀の結晶の（２２０）面の面間隔（以下、ｄ３₀と記載する）とから、下記式（３）に基づいて残留ひずみε３（単位：％）を算出した。
残留ひずみε１＝１００×（ｄ１－ｄ１₀）／ｄ１₀・・・（１）
残留ひずみε２＝１００×（ｄ２－ｄ２₀）／ｄ２₀・・・（２）
残留ひずみε３＝１００×（ｄ３－ｄ３₀）／ｄ３₀・・・（３）

【0079】

次いで、残留ひずみε１、残留ひずみε２及び残留ひずみε３の平均値を、式「（残留ひずみε１＋残留ひずみε２＋残留ひずみε３）／３」により算出し、得られた平均値を試料の残留ひずみ（単位：％）とした。

【0080】

＜銀粒子の準備＞
後述する銀ペーストに使用する銀粒子として、フレーク状銀粒子ＦＰ（福田金属箔粉工業株式会社製「シルコート（登録商標）ＡｇＣ－２３９」、体積中位径（Ｄ₅₀）：３．０μｍ、残留ひずみ：１２．５％）、及び球状銀粒子ＳＰ（大研化学工業株式会社製「Ｓ２１１Ａ－１０」、体積中位径（Ｄ₅₀）：３２０ｎｍ、残留ひずみ：０％）を準備した。図４に、フレーク状銀粒子ＦＰのＳＥＭ写真を示す。また、図５に、球状銀粒子ＳＰのＳＥＭ写真を示す。なお、フレーク状銀粒子ＦＰの体積中位径（Ｄ₅₀）及び残留ひずみは、いずれも、後述する接合構造体ＳＡ－１の作製に使用した銀ペーストから溶媒を除去して得られたフレーク状銀粒子ＦＰの粉体を、測定対象として測定した場合も、同じ結果が得られた。同様に、球状銀粒子ＳＰの体積中位径（Ｄ₅₀）及び残留ひずみは、いずれも、後述する接合構造体ＳＢ－１の作製に使用した銀ペーストから溶媒を除去して得られた球状銀粒子ＳＰの粉体を、測定対象として測定した場合も、同じ結果が得られた。

【0081】

また、フレーク状銀粒子ＦＰについては、ＴＥＭを用いて観察した。図６に、フレーク状銀粒子ＦＰのＴＥＭ写真を示す。図６に示すように、フレーク状銀粒子ＦＰは、転位箇所（転位線ＤＬ）を有していた。

【0082】

＜接合構造体の作製＞
次に、実施例１～５の接合構造体及び比較例１の接合構造体の作製方法を説明する。以下、実施例１の接合構造体、実施例２の接合構造体、実施例３の接合構造体、実施例４の接合構造体、実施例５の接合構造体、及び比較例１の接合構造体を、それぞれ接合構造体ＳＡ－１、接合構造体ＳＡ－２、接合構造体ＳＡ－３、接合構造体ＳＡ－４、接合構造体ＳＡ－５、及び接合構造体ＳＢ－１と記載することがある。なお、接合構造体ＳＡ－１～ＳＡ－５及びＳＢ－１を作製する際に使用した半導体素子は、いずれも基材と接合させるためのメタライズ層を有していなかった。また、接合構造体ＳＡ－１～ＳＡ－５及びＳＢ－１を作製する際に使用した基材は、いずれも半導体素子と接合させるためのメタライズ層を有していなかった。

【0083】

［接合構造体ＳＡ－１の作製］
（接合させる対象物の準備）
半導体素子として、Ｓｉ半導体素子（寸法：３ｍｍ×３ｍｍ×０．４ｍｍ、以下、「第１Ｓｉ半導体素子」と記載する）を準備した。また、基材として、Ｓｉ半導体素子（寸法：５ｍｍ×５ｍｍ×０．４ｍｍ、以下、「第２Ｓｉ半導体素子」と記載する）を準備した。

【0084】

（銀ペーストの調製工程）
フレーク状銀粒子ＦＰと、エーテル系溶媒（株式会社ダイセル製「ＣＥＬＴＯＬ（登録商標）ＩＡ」）とを、質量比（フレーク状銀粒子ＦＰ：エーテル系溶媒）が１２：１となるように混合し、銀ペーストを得た。

【0085】

（接合工程）
第２Ｓｉ半導体素子の電極が形成されていない方の主面に、厚さ１００μｍのマスクを用いて、スクリーン印刷法により銀ペースト（上述した調製工程により得られた銀ペースト）を塗布した（塗布工程）。次いで、印刷された銀ペーストからなる塗布膜に第１Ｓｉ半導体素子を載置して、積層体を得た（積層体形成工程）。第１Ｓｉ半導体素子を載置する際は、第１Ｓｉ半導体素子の電極が形成されていない方の主面が塗布膜に接触するように第１Ｓｉ半導体素子を載置した。次いで、得られた積層体をホットプレートにより加熱した（加熱工程）。加熱工程では、大気圧下、ホットプレートの加熱部に積層体を載置した状態で、室温（温度２５℃）から加熱温度である２５０℃まで１５℃／分の昇温速度でホットプレートの加熱部を昇温させた後、加熱部の温度を２５０℃に３０分間維持した。なお、加熱工程では、積層体を、加圧せずに加熱した。以上説明した作製方法により、接合構造体ＳＡ－１を得た。

【0086】

［接合構造体ＳＡ－２の作製］
以下に示す変更点以外は、接合構造体ＳＡ－１の作製と同じ方法で接合構造体ＳＡ－２を得た。

【0087】

（変更点）
接合構造体ＳＡ－２の作製では、半導体素子として、第１Ｓｉ半導体素子の代わりにＧａＮ半導体素子（寸法：３ｍｍ×３ｍｍ×０．４ｍｍ）を準備した。接合構造体ＳＡ－２の作製では、基材として、第２Ｓｉ半導体素子の代わりにＧａＮ半導体素子（寸法：５ｍｍ×５ｍｍ×０．４ｍｍ）を準備した。

【0088】

［接合構造体ＳＡ－３の作製］
以下に示す変更点以外は、接合構造体ＳＡ－１の作製と同じ方法で接合構造体ＳＡ－３を得た。

【0089】

（変更点）
接合構造体ＳＡ－３の作製では、半導体素子として、第１Ｓｉ半導体素子の代わりにＳｉＣ半導体素子（寸法：３ｍｍ×３ｍｍ×０．４ｍｍ）を準備した。接合構造体ＳＡ－３の作製では、基材として、第２Ｓｉ半導体素子の代わりにＳｉＣ半導体素子（寸法：５ｍｍ×５ｍｍ×０．４ｍｍ）を準備した。

【0090】

［接合構造体ＳＡ－４の作製］
以下に示す変更点以外は、接合構造体ＳＡ－１の作製と同じ方法で接合構造体ＳＡ－４を得た。

【0091】

（変更点）
接合構造体ＳＡ－４の作製では、基材として、第２Ｓｉ半導体素子の代わりにガラス板（松浪硝子工業株式会社製「Ｓ１１１１」、寸法：１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．０ｍｍ）を準備した。

【0092】

［接合構造体ＳＡ－５の作製］
以下に示す変更点以外は、接合構造体ＳＡ－１の作製と同じ方法で接合構造体ＳＡ－５を得た。

【0093】

（変更点）
接合構造体ＳＡ－５の作製では、基材として、第２Ｓｉ半導体素子の代わりに窒化アルミニウム板（株式会社トクヤマ製「ＳＨ－３０」、寸法：５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍ）を準備した。

【0094】

［接合構造体ＳＢ－１の作製］
以下に示す変更点以外は、接合構造体ＳＡ－１の作製と同じ方法で接合構造体ＳＢ－１を得た。

【0095】

（変更点）
接合構造体ＳＢ－１の作製では、基材として、第２Ｓｉ半導体素子の代わりに窒化アルミニウム板（株式会社トクヤマ製「ＳＨ－３０」、寸法：５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍ）を準備した。接合構造体ＳＢ－１の作製では、銀ペーストの調製工程において、フレーク状銀粒子ＦＰの代わりに球状銀粒子ＳＰを使用して銀ペーストを調製した。詳しくは、接合構造体ＳＢ－１の作製では、銀ペーストの調製工程において、球状銀粒子ＳＰと、エーテル系溶媒（株式会社ダイセル製「ＣＥＬＴＯＬ（登録商標）ＩＡ」）とを、質量比（球状銀粒子ＳＰ：エーテル系溶媒）が１２：１となるように混合し、銀ペーストを得た。

【0096】

＜接合構造体の電子顕微鏡による観察＞
［ＳＥＭによる観察］
得られた接合構造体ＳＡ－１をＳＥＭにより観察した。図７は、接合構造体ＳＡ－１の接合箇所の断面を示すＳＥＭ写真である。図７に示すように、接合構造体ＳＡ－１では、第１Ｓｉ半導体素子５０と第２Ｓｉ半導体素子６０とが接合層１３を介して接合されていた。また、図７に示す断面のうち、第１Ｓｉ半導体素子５０と多孔質銀焼結体１４との接合箇所を拡大したＳＥＭ写真である図８に示すように、第１Ｓｉ半導体素子５０と多孔質銀焼結体１４との接合性は良好であった。

【0097】

［ＴＥＭによる観察］
得られた接合構造体ＳＡ－１をＴＥＭにより観察した。図９は、接合構造体ＳＡ－１の接合箇所の断面を示すＴＥＭ写真である。図９に示すように、接合構造体ＳＡ－１では、一部の銀ナノ粒子１５が、多孔質銀焼結体１４と第１Ｓｉ半導体素子５０との間に存在していた。また、接合構造体ＳＡ－１に含まれる銀ナノ粒子１５は、個数平均一次粒子径が５ｎｍであった。

【0098】

なお、図示はしないが、接合構造体ＳＡ－２～ＳＡ－５でも、一部の銀ナノ粒子が、多孔質銀焼結体と半導体素子との間に存在していた。また、接合構造体ＳＡ－２～ＳＡ－５に含まれる銀ナノ粒子は、いずれも個数平均一次粒子径が５ｎｍであった。一方、接合構造体ＳＢ－１は、個数平均一次粒子径１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の銀ナノ粒子を含んでいなかった。

【0099】

＜接合構造体の剪断強度の測定＞
［接合構造体ＳＡ－１の剪断強度の測定］
剪断試験機（Ｎｏｒｄｓｏｎ ＤＡＧＥ社製「ＸＤ－７５００」）を用いて、接合構造体ＳＡ－１の剪断強度（第１Ｓｉ半導体素子５０と第２Ｓｉ半導体素子６０との間の剪断強度）を測定した。詳しくは、上記剪断試験機を用いて、第１Ｓｉ半導体素子５０と第２Ｓｉ半導体素子６０とに対して剪断力を加えて、剪断強度（剪断破壊が起きたときの剪断応力）を測定した。その結果、４６．０ＭＰａの剪断強度が得られた。なお、剪断強度が大きいほど、接合構造体の接合強度が高いことを示す。

【0100】

図１０は、接合構造体ＳＡ－１の剪断強度を測定した後の第１Ｓｉ半導体素子５０を、接合箇所側から撮影したＳＥＭ写真である。図１０に示すように、第１Ｓｉ半導体素子５０の表面には、多孔質銀焼結体１４が残存していた。つまり、接合構造体ＳＡ－１では、上記剪断試験機により剪断力を加えても、多孔質銀焼結体１４の一部が第１Ｓｉ半導体素子５０と接合していた。

【0101】

［接合構造体ＳＡ－２の剪断強度の測定］
上述した接合構造体ＳＡ－１の剪断強度の測定と同じ条件で、接合構造体ＳＡ－２の剪断強度を測定した。その結果、４５．８ＭＰａの剪断強度が得られた。

【0102】

［接合構造体ＳＡ－３の剪断強度の測定］
上述した接合構造体ＳＡ－１の剪断強度の測定と同じ条件で、接合構造体ＳＡ－３の剪断強度を測定した。その結果、５３．５ＭＰａの剪断強度が得られた。

【0103】

［接合構造体ＳＡ－４の剪断強度の測定］
上述した接合構造体ＳＡ－１の剪断強度の測定と同じ条件で、接合構造体ＳＡ－４の剪断強度を測定した。その結果、２９．０ＭＰａの剪断強度が得られた。

【0104】

［接合構造体ＳＡ－５の剪断強度の測定］
上述した接合構造体ＳＡ－１の剪断強度の測定と同じ条件で、接合構造体ＳＡ－５の剪断強度を測定した。その結果、２９．８ＭＰａの剪断強度が得られた。

【0105】

［接合構造体ＳＢ－１の剪断強度の測定］
上述した接合構造体ＳＡ－１の剪断強度の測定と同じ条件で、接合構造体ＳＢ－１の剪断強度を測定した。その結果、０．４ＭＰａの剪断強度が得られた。

【0106】

接合構造体ＳＡ－１～ＳＡ－５及びＳＢ－１の剪断強度の測定結果から、本発明によれば、高い接合強度を確保できる接合構造体を提供できることが示された。

【産業上の利用可能性】

【0107】

本発明に係る接合構造体は、例えば、電子部品が実装された実装構造体の部材として利用することができる。

【符号の説明】

【0108】

１０ ：接合構造体
１１ ：基材
１２ ：半導体素子
１３ ：接合層
１４ ：多孔質銀焼結体
１５ ：銀ナノ粒子
４０ ：積層体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】