[发明专利]安装结构体以及纳米粒子安装材料

说明书

使用了一种安装结构体，其包含：半导体元件，其具有元件电极；金属构件；以及烧结体，其将上述半导体元件和上述金属构件接合，上述烧结体包含：第一金属、以及在上述第一金属中固溶的第二金属，上述第二金属是在上述第一金属中的扩散系数大于上述第一金属的自扩散系数的金属，相对于上述烧结体中的上述第一金属以及上述第二金属的质量合计的上述第二金属的含有率是上述第二金属向上述第一金属的固溶极限以下。

技术领域

本发明涉及一种在动力装置等设备中使用的具有两个构件由金属材料接合的结构的安装结构体、以及在其制造中使用的纳米粒子安装材料。

背景技术

动力装置等的具有伴随发热的半导体元件的设备，有时为了以从半导体元件产生的热的散热为目的，进行从搭载了半导体元件的基板向散热部的热输送，而具有将基板与散热部的两个构件间进行接合而得的安装结构。

近年来，作为动力装置，从节能的观点来看，从现有的Si元件起，具有能够高效率地控制电力的优点的SiC元件以及GaN元件等下一代动力装置元件的使用不断增加。这些下一代动力装置元件具有即使在高温下也能够动作的优点，相比于现有的Si元件能够耐受更大的发热，因此，有时能够进行流过更大电流的控制。然而，若流过更大电流，则来自半导体元件的发热量上升，半导体元件被进一步高温化，结果，用于流过由半导体元件控制的电流的引线框等的电极与元件电极之间的接合部的温度Tj也上升。例如，当使用现有的Si元件时，上述接合部的温度Tj是约125℃，然而，当使用SiC元件以及GaN元件时，达到200～250℃。

因此，对于元件电极与引线框电极之间的接合部，需要用于将产生的热高效率地放出至引线框的热传导率、以及与更高的接合部的温度Tj对应的耐热性。

以往，在利用导电体将元件电极与引线框电极之间接合的安装结构体的接合部中使用的接合件中，能够进行低温下的接合，因此，焊锡材料被广泛使用。然而，使用SiC元件以及GaN元件时的接合部的温度Tj即200～250℃由于对一般所使用的Sn以及Pb等为主要成分的焊锡材料而言成为熔点附近或者其以上的温度，是非常苛刻的温度。因此，在将这些焊锡材料用于接合部的安装结构体中，使用SiC元件以及GaN元件时的耐热性的确保是困难的。

针对这样的课题，对于使Ag以及Cu等金属烧结来使元件电极与引线框电极接合而得的安装结构体的期待不断升高。Ag以及Cu等金属具有优异的热传导率，并且各自的熔点相对于上述接合部的温度Tj即200～250℃而足够高，因此，耐热性也优异。然而，由于Ag以及Cu等金属是高熔点，因此，为了如现有的利用焊锡材料的接合那样，使上述金属熔融而通过元件电极与引线框电极之间的固液间扩散使它们接合，需要1000～1200℃的加热，实用化是困难的。

为了使当使用Ag以及Cu等高熔点金属时的上述接合容易，研究了将平均粒径为几nm～几百nm的这些粒子用作纳米粒子安装材料这一情况。纳米尺寸的金属粒子相比于具有微米尺寸以上的平均粒径的金属粒子，相对于粒子的所占的表面积的比例即比表面积非常大。此时的表面的金属粒子相比于大块金属是不稳定的状态，并具有大的表面能。因此，纳米尺寸的金属粒子能够通过远远低于其熔点的低温度(例如150～400℃)下的上述烧结而接合。

然而，当通过Ag以及Cu等的纳米粒子安装材料的烧结进行上述接合时，用于使这些金属在固相间扩散的加热过程所需要的时间是30min至60min以上。该时间与利用现有的焊锡材料的5min左右相比格外大。若想要缩短上述加热过程所需要的时间，需要在更高温下使蒸气纳米粒子安装材料烧结。但是，若提高上述烧结时的温度，则在烧结时，对暴露于高温的周边构件发生热损伤。另一方面，若为了抑制对周边构件的热损伤而使接合时的保持温度为低温，则上述加热过程所需要的时间呈指数函数地增加，特别在量产时成本会增大。这样，若想要通过上述纳米粒子安装材料的烧结来使元件电极与引线框电极接合，则难以兼顾抑制对周边构件的热损伤来提高生产物的品质和缩短进行量产时的准备时间(leadtime)来抑制成本这二者。因此，需要缩短上述接合所需要的时间并且不会使对周边构件的热损伤增大的纳米粒子安装材料。