(57)【要約】      （修正有）【課題】分散剤や溶媒を使用することなく種々の部材を低温で接合可能であり、高強度で耐マイグレーション特性に優れた接合部を得ることができる、低コストかつ簡便な高鉛はんだ代替の接合方法を提供する。また、緻密かつ均質な接合層を有する高強度で耐マイグレーション特性に優れた接合体を提供する。【解決手段】一方の被接合部材と他方の被接合部材との間に表面を酸化させた銅シートを介在させ、被接合界面を形成させる第一工程Ｓ０１と、還元雰囲気下で被接合界面を加熱する第二工程Ｓ０２と、を含むこと、を特徴とする低温接合方法。【選択図】図１
2020063505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の被接合部材と他方の被接合部材との間に表面を酸化させた銅シートを介在させ、被接合界面を形成させる第一工程と、
還元雰囲気下で前記被接合界面を加熱する第二工程と、を含むこと、
を特徴とする低温接合方法。
【請求項２】
前記銅シートの表面は酸化銅によって平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下の凹凸を有し、
前記第二工程において、前記加熱によって前記酸化銅が還元されて銅粒子が生成し、
前記銅粒子の焼結によって、前記一方の被接合部材と前記銅シート、及び前記他方の被接合部材と前記銅シートを接合すること、
を特徴とする請求項１に記載の低温接合方法。
【請求項３】
前記第二工程において、
前記還元雰囲気をギ酸雰囲気とし、
加熱温度及び加熱時間をそれぞれ１５０〜３５０℃及び１〜６０分とすること、
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の低温接合方法。
【請求項４】
前記酸化の雰囲気を大気とし、
酸化温度及び酸化時間をそれぞれ１５０〜３５０℃及び５〜４０分とすること、
を特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載の低温接合方法。
【請求項５】
前記一方の被接合材及び／又は前記他方の被接合材を銅又は銅合金とすること、
を特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載の低温接合方法。
【請求項６】
前記第二工程において、前記被接合界面に対して略垂直に１〜５０ＭＰａの圧力を印加すること、
を特徴とする請求項１〜５のうちのいずれかに記載の低温接合方法。
【請求項７】
前記第二工程における前記還元が進行した後に、前記加圧を印加すること、
を特徴とする請求項１〜６のうちのいずれかに記載の低温接合方法。
【請求項８】
一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合された接合体であって、
前記一方の被接合材と前記他方の被接合材との接合界面に銅シートを有し、
前記銅シートと前記一方の被接合部材とが冶金的に接合され、
前記銅シートと前記他方の被接合部材とが冶金的に接合されていること、
を特徴とする接合体。
【請求項９】
前記銅シートの厚さが１０〜１０００μｍであること、
を特徴とする請求項８に記載の接合体。
【請求項１０】
前記一方の被接合材及び／又は前記他方の被接合材が銅又は銅合金であること、
を特徴とする請求項８又は９に記載の接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種部材の低温接合方法及び接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
高い使用温度において用いられる高温はんだには、従来より鉛を含むはんだが用いられている。しかしながら、鉛は有毒性があるため、はんだは鉛フリー化への流れが顕著である。高温はんだには他に良い代替材料が存在しないため、依然として鉛はんだが使用されているが、環境問題の観点から、鉛を使用しない接合材が切望されている。
【０００３】
これに対し、高温はんだの代替材料として、銀、金などの貴金属を中心とする金属ナノ粒子を用いた接合材が盛んに開発されている（例えば、特開２０１２−０４６７７９号公報）。しかしながら、金属ナノ粒子は高価であるだけでなく、金属ナノ粒子の焼結によって得られる接合層には金属ナノ粒子の分散剤や溶媒として使用される有機物が残留してしまう。また、金属ナノ粒子の焼結によって得られる接合層では結晶粒界の割合が大きくなってしまい、熱伝導性及び電気伝導性を低下させる原因となる。加えて、金属ナノ粒子を接合に用いる場合は有機物の蒸発により、接合中の体積変化が大きくなってしまうという問題が存在する。
【０００４】
加えて、銀ナノ粒子を使用する場合は接合強度等の点では優れるものの、コストが高くなるという問題のほか、高湿度下での使用において、銀がイオン化して回路外で再析出することによって電極間を短路するマイグレーションという現象が非常に起こりやすいことが問題視されている。
【０００５】
これに対し、発明者は比較的安価に製造することができ、耐マイグレーション特性にも優れた銅粒子を用いた接合方法について検討を行っている。例えば、特開２０１７−７４５９８号公報では、銅粒子を用いた接合方法であって、銅粒子の平均粒径が１〜５０μｍであり、銅粒子を酸化させて表面酸化銅粒子を得る第一工程と、２つの被接合部材の間に表面酸化銅粒子を介在させた後、還元雰囲気下で加熱する第二工程と、を含むこと、を特徴とする低温接合方法、を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０４６７７９号公報
【特許文献２】特開２０１７−７４５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献２に記載の銅粒子を用いた接合方法で得られる接合部は、銀ナノ粒子によって得られる接合部と比較して優れた耐マイグレーション特性を有し、接合に要するコストも低減することができる。
【０００８】
しかしながら、粒子を用いた接合剤では分散剤や溶媒の割合が高くなり、例えば、被接合領域が数ｍｍ角以上となるような大面積の場合、「加熱後も有機物が残留し易い」、「有機物の蒸発により体積変化が大きい」という不可避的な問題点が存在する。加えて、微細粒子を用いることで保存性や取り扱い性が悪くなることに加え、汎用の接合剤としては価格が十分に低減されているとは言い難い。
【０００９】
以上のような状況に鑑み、本発明の目的は、分散剤や溶媒を使用することなく種々の部材を低温で接合可能であり、高強度で耐マイグレーション特性に優れた接合部を得ることができる、低コストかつ簡便な高鉛はんだ代替の接合方法を提供することにある。また、本発明は、緻密かつ均質な接合層を有する高強度で耐マイグレーション特性に優れた接合体を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記目的を達成すべく低温接合方法について鋭意研究を重ねた結果、適当な条件で酸化させた銅シートを被接合面に介在させた状態で還元させること等が上記目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。
【００１１】
即ち、本発明は、
一方の被接合部材と他方の被接合部材との間に表面を酸化させた銅シートを介在させ、被接合界面を形成させる第一工程と、
還元雰囲気下で前記被接合界面を加熱する第二工程と、を含むこと、
を特徴とする低温接合方法、を提供する。
【００１２】
銅シートの表面に形成された酸化銅が第二工程で還元され、微小形状を有する銅が生成すると同時に当該銅が焼結することで、銅シートを介して一方の被接合部材と他方の被接合部材とを接合することができる。銅シートは一般的な銅粒子と比較して安価に製造することができるため、接合にかかるコストを大幅に低減することができる。
【００１３】
また、銅シートを使用することで、金属ナノ粒子を用いた従来の接合用組成物で必須であった金属ナノ粒子の分散性を確保するための有機被覆層が完全に不要となり、接合層内の在留有機成分及び接合プロセス中の接合層の体積変化を防止することができる。
【００１４】
加えて、金属粒子の焼結によって形成される接合層の組織は当該金属粒子に依存するところが大きく、例えば、金属粒子の粒径が小さい場合は結晶粒界の割合が高くなる。これに対し、銅シートの組織は用いる銅シートの熱処理等によって任意の状態にすることができ、結晶粒界の割合を低下させることも可能である。その結果、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部を得ることができる。
【００１５】
ここで、銅シートは被接合界面に配置した後に酸化してもよい。例えば、第二工程で用いる雰囲気制御が可能な加熱装置を用いて酸化処理を施すことで、酸化と還元を一連のプロセスとして進めることができる。この場合、加熱装置の雰囲気を変更することで容易に目的を達成することができる。なお、酸化処理を接合プロセスと切り離すことで、銅シート表面の酸化の状況をより精密に制御することができることから、接合の安定性及び信頼性を重視する場合は、予め表面を酸化させた銅シートを被接合界面に配置することが好ましい。
【００１６】
本発明の低温接合方法においては、前記銅シートの表面は酸化銅によって平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下の凹凸を有し、前記第二工程において、前記加熱によって前記酸化銅が還元されて銅粒子が生成し、前記銅粒子の焼結によって、前記一方の被接合部材と前記銅シート、及び前記他方の被接合部材と前記銅シートを接合すること、が好ましい。
【００１７】
銅シートの表面が酸化銅によって平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下の凹凸を有していることで、第二工程における還元によって十分な低温焼結性を有する微小形状の銅粒子を生成することができる。その結果、金属ナノ粒子を用いた接合方法と同等程度の接合温度及び接合強度を発現することができる。なお、銅粒子は銅シートの表面に形成した酸化銅の還元によって生成するものであり、完全に粒子状である必要は無く、例えば、当該銅シート表面に凸状に生成してもよい。
【００１８】
また、本発明の低温接合方法においては、前記第二工程において、前記還元雰囲気をギ酸雰囲気とし、加熱温度及び加熱時間をそれぞれ１５０〜３５０℃及び１〜６０分とすること、が好ましい。
【００１９】
本発明の低温接合方法においては、前記第二工程において、銅シート表面の酸化銅を還元する必要がある。ここで、当該酸化銅を還元して微小な銅粒子が形成される限りにおいて、還元雰囲気及び処理温度等は特に限定されず、還元雰囲気としてはギ酸雰囲気や水素を含む雰囲気等を用いることができるが、還元雰囲気をギ酸雰囲気とすることが好ましく、表面酸化銅を１５０〜３５０℃のギ酸雰囲気下に１〜６０分間保持すること、がより好ましい。酸化銅を１５０〜３５０℃のギ酸雰囲気下に１〜６０分間保持することで、銅シートの表面を被覆している酸化銅を効率的かつ簡便に還元することができ、微小な銅粒子で被覆された銅シートを得ることができる。また、水素を含む雰囲気ではなくギ酸雰囲気を用いることで、安全性を担保することができる。
【００２０】
また、本発明の低温接合方法においては、前記酸化の雰囲気を大気とし、酸化温度及び酸化時間をそれぞれ１５０〜３５０℃及び５〜４０分とすること、が好ましい。大気中において、１５０℃以上で加熱することで銅シートの表面に酸化銅を形成することができ、３５０℃以下で加熱することで、緻密かつ厚い酸化銅層の形成により還元後の銅の低温焼結性が低下することを抑制することができる。また、酸化時間を５分以上とすることで、銅シートの表面に均一に酸化銅を形成することができ、４０分以下とすることで、酸化銅の粗大化に起因する銅の低温焼結性低下を抑制することができる。
【００２１】
また、本発明の低温接合方法においては、前記一方の被接合材及び／又は前記他方の被接合材を銅又は銅合金とすること、が好ましい。本発明の効果を損なわない限りにおいて、被接合材の種類は特に限定されず、従来公知の種々の部材を接合することができるが、被接合材を銅又は銅合金とすることで、銅シートの表面に生成する微小な銅粒子との親和性が高くなり、より信頼性の高い接合体を得ることができる。
【００２２】
また、本発明の低温接合方法においては、前記第二工程において、前記被接合界面に対して略垂直に１〜５０ＭＰａの圧力を印加すること、が好ましい。従来の金属ナノ粒子を用いた接合方法においては、金属ナノ粒子焼結体によって接合層が形成されるため、十分な密度を得るためには加圧を伴った焼成プロセスが必要であり、加圧の印加は当該接合方法の適用範囲を大きく制限していた。これに対し、本発明の低温接合方法においては接合層の大部分を銅シートが占めることに加え、生成した銅ナノ粒子同士が速やかに焼成していくことから、１ＭＰａ以上の圧力を印加することによって産業上利用可能な接合強度を得ることができる。また、圧力を５０ＭＰａ以下とすることで、適用可能は接合箇所を拡大することができる。
【００２３】
更に、本発明の低温接合方法においては、前記第二工程における前記還元が進行した後に、前記加圧を印加すること、が好ましい。被接合界面に対する加圧は銅粒子の接合を促進する反面、酸化銅を還元するためのガスの供給を阻害してしまう。特に、接合部中心における還元が滞ってしまう虞がある。これに対し、第二工程の初期は無加圧として酸化銅の均一な還元を促進し、その後に加圧することで、均質な接合部を得ることができる。
【００２４】
また、本発明は、
一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合された接合体であって、
前記一方の被接合材と前記他方の被接合材との接合界面に銅シートを有し、
前記銅シートと前記一方の被接合部材とが冶金的に接合され、
前記銅シートと前記他方の被接合部材とが冶金的に接合されていること、
を特徴とする接合体、も提供する。
【００２５】
本発明の接合体では接合層の大部分が緻密な銅シートとなっており、金属ナノ粒子ペースト等の接合用組成物で得られるポーラス状の接合層とは全く異なっている。また、分散剤や溶媒等の有機成分が存在しないため、銅シートと一方の被接合部材及び銅シートと他方の被接合部材の接合界面にも揮発成分に起因する欠陥が存在しない。更に、当該接合界面は銅粒子と被接合部材との冶金的な接合によって強固に形成されており、接着剤等による接合体と比較して極めて高い接合強度及び信頼性を有している。
【００２６】
また、銅シートの組織は用いる銅シートの熱処理等によって任意の状態にすることができ、結晶粒界の割合を低下させることも可能である。その結果、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部とすることができる。加えて、緻密な銅のバルク体であることから、銀ナノ粒子等で形成された接合層と比較して、優れた耐マイグレーション特性を有している。
【００２７】
本発明の接合体においては、前記銅シートの厚さが１０〜１０００μｍであること、が好ましい。銅シートの厚さを１０μｍ以上とすることで、均質な接合界面を形成することに加えて、取り扱いの容易さやコスト面からも有利である。また、銅シートの厚さを１０００μｍ以下とすることで、接合界面における銅シートの割合が高くなり過ぎることを抑制でき、接合部の機械的性質に及ぼす銅シートの影響を小さくすることができる。
【００２８】
更に、本発明の接合体においては、前記一方の被接合材及び／又は前記他方の被接合材が銅又は銅合金であること、が好ましい。本発明の効果を損なわない限りにおいて、被接合材の種類は特に限定されず、従来公知の種々の部材を接合することができるが、被接合材を銅又は銅合金とすることで、銅シートの表面に生成する微小な銅粒子との親和性が高くなり、より信頼性の高い接合体を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、分散剤や溶媒を使用することなく種々の部材を低温で接合可能であり、高強度で耐マイグレーション特性に優れた接合部を得ることができる、低コストかつ簡便な高鉛はんだ代替の接合方法を提供することができる。また、本発明によれば、緻密かつ均質な接合層を有する高強度で耐マイグレーション特性に優れた接合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の低温接合方法の工程図である。
【図２】本発明の低温接合方法の模式図である。
【図３】本発明の接合体の概略断面図である。
【図４】実施例１における酸化処理前の純銅シートの表面のＳＥＭ写真である。
【図５】実施例１における酸化処理後の純銅シートの表面のＳＥＭ写真である。
【図６】実施例における酸化処理前後の純銅シート表面からのＸＲＤパターンである。
【図７】実施例における接合試験片の状態を示す外観写真である。
【図８】実施例で得られた接合体のせん断強度を示すグラフである。
【図９】実施例１で得られた接合体断面のＳＥＭ写真である。
【図１０】実施例１の処理条件で酸化及び還元処理後の純銅シートの表面のＳＥＭ写真である。
【図１１】実施例１で得られた接合体の破面のＳＥＭ写真である。
【図１２】実施例２の処理条件で酸化及び還元処理後の純銅シートの表面のＳＥＭ写真である。
【図１３】実施例３の処理条件で酸化処理後の純銅シートの表面のＳＥＭ写真である。
【図１４】実施例３の処理条件で酸化及び還元処理後の純銅シートの表面のＳＥＭ写真である。
【図１５】実施例３で得られた接合体の破面のＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の低温接合方法及び接合体の好適な一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の一実施形態を示すに過ぎず、これらによって本発明が限定されるものではなく、また、重複する説明は省略することがある。
【００３２】
≪低温接合方法≫
図１は、本発明の低温接合方法の工程図である。本発明の低温接合方法は、銅シート表面に形成させた酸化銅の還元及び当該還元によって生成する銅粒子の低温焼結性を利用して接合を達成するものであり、銅シートを介在させた被接合界面を形成させる第一工程（Ｓ０１）と、酸化銅を還元すると共に接合を行う第二工程（Ｓ０２）と、を含むものである。
【００３３】
（１）第一工程（Ｓ０１：被接合界面の形成）
図２に本発明の低温接合方法の模式図を示す。第一工程（Ｓ０１）では、一方の被接合部材２と他方の被接合部材４との間に銅シート６を介在させて、被接合界面を形成する。銅シート６の表面には酸化銅層８が存在するため、被接合界面においては、酸化銅層８と一方の被接合部材２、酸化銅層８と他方の被接合部材４が当接することになる。銅シート６には銅を主成分とする金属製のシートを用いることができ、純銅や種々の銅合金製のシートを用いることができるが、被接合部材（２，４）と機械的及び／又は電気的な特性等が近い材質とすることで、より良好な接合部を得ることができる。
【００３４】
ここで、被接合界面に銅シート６を配置した後に、銅シート６を酸化してもよい。例えば、第二工程（Ｓ０２）で用いる雰囲気制御が可能な加熱装置を用いて酸化処理を施すことで、酸化と還元を一連のプロセスとして進めることができる。この場合、加熱装置の雰囲気を変更することで容易に目的を達成することができる。なお、酸化処理を接合プロセスと切り離すことで、銅シート６表面の酸化の状況をより精密に制御することができる。よって、接合の安定性及び信頼性を重視する場合は、予め表面を酸化させた銅シート６を被接合界面に配置することが好ましい。
【００３５】
銅シート６の酸化については、雰囲気を大気とし、酸化温度及び酸化時間をそれぞれ１５０〜３５０℃及び５〜４０分とすること、が好ましい。大気中において、１５０℃以上で加熱することで銅シート６の表面に酸化銅を形成することができ、３５０℃以下で加熱することで、緻密かつ厚い酸化銅層の形成により、還元後の銅が粗大化して低温焼結性が低下することを抑制することができる。また、酸化時間を５分以上とすることで、銅シート６の表面に均一に酸化銅を形成することができ、４０分以下とすることで、酸化銅の粗大化により得られる銅の低温焼結性が低下することを抑制することができる。より好ましい酸化温度は１７５〜３２５℃であり、最も好ましい酸化温度は２００〜３００℃である。また、例えば、酸化温度が３００℃でのより好ましい酸化時間は１０〜３０分であり、最も好ましい酸化時間は１５〜２５分である。
【００３６】
酸化銅層８の形成により、銅シート６の表面は平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下の凹凸を有していることが好ましい。銅シート６の表面が酸化銅によって平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下の凹凸を有していることで、第二工程（Ｓ０２）における還元によって十分な低温焼結性を有する微小形状の銅粒子を生成することができる。その結果、金属ナノ粒子を用いた接合方法と同等程度の接合温度及び接合強度を発現することができる。なお、銅粒子は銅シート６の表面に形成した酸化銅層８の還元によって生成するものであり、完全に粒子状である必要は無く、例えば、銅シート６表面に凸状に生成してもよい。
【００３７】
ここで、銅シート６のより好ましい平均粗さ（Ｒａ）は７００ｎｍ以下であり、最も好ましい平均粗さ（Ｒａ）は５００ｎｍ以下である。銅シート６の表面における酸化銅を微小な凹凸構造とすることにより、第二工程（Ｓ０２）で生成する銅粒子を微細化することができ、より優れた低温焼結性を発現することができる。なお、平均粗さ（Ｒａ）は表面粗さ計で測定してもよく、電子顕微鏡写真等から簡易的に求めてもよい。
【００３８】
本実施形態において用いることのできる被接合部材（２，４）としては、銅粒子の加熱及び焼結により接合が達成されるものであればよく、特に制限はないが、接合時の温度で損傷しない程度の耐熱性を具備した材質であることが好ましい。
【００３９】
被接合部材（２，４）を構成する材料としては、例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等のポリエステル、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ビニル樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマー、セラミクス、ガラス又は金属等を挙げることができるが、なかでも、金属製の被接合部材（２，４）を用いることが好ましい。金属製の被接合部材（２，４）が好ましいのは、耐熱性に優れているとともに、銅粒子との親和性に優れているからである。金属製の被接合部材（２，４）としては、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金、鉄及び鉄合金、チタン及びチタン合金、ステンレス、銅及び銅合金等を挙げることができるが、なかでも、電導性・熱伝導性・展延性に優れているという理由から、銅及び銅合金を用いることが好ましい。
【００４０】
また、被接合部材（２，４）は、例えば、板状又はストリップ状等の種々の形状であってよく、リジッドでもフレキシブルでもよい。基材の厚さも適宜選択することができる。接着性若しくは密着性の向上又はその他の目的ために、表面層が形成された部材や親水化処理等の表面処理を施した部材を用いてもよい。
【００４１】
（２）第二工程（Ｓ０２：酸化銅の還元及び接合）
第二工程（Ｓ０２）は、第一工程（Ｓ０１）で形成させた被接合界面を還元雰囲気下で昇温し、銅シート６表面の酸化銅層８を還元して微小な銅粒子を生成すると共に、当該銅粒子の低温焼結を利用して接合を行う工程である。
【００４２】
銅シート６表面が酸化銅によって平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下の凹凸を有していることで、第二工程における還元によって十分な低温焼結性を有する微小形状の銅粒子を生成することができる。その結果、金属ナノ粒子を用いた接合方法と同等程度の接合温度及び接合強度を発現することができる。銅粒子の粒径は３００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以下であることが最も好ましい。なお、銅粒子は銅シート６の表面に形成した酸化銅の還元によって生成するものであり、完全に粒子状である必要は無く、例えば、銅シート６の表面に凸状に生成してもよい。
【００４３】
酸化銅を還元して微小な銅粒子が形成される限りにおいて、還元雰囲気及び処理温度等は特に限定されず、還元雰囲気としてはギ酸雰囲気や水素を含む雰囲気等を用いることができるが、還元雰囲気をギ酸雰囲気とすることが好ましく、酸化銅を１５０〜３５０℃のギ酸雰囲気下に１〜６０分間保持することがより好ましい。酸化銅を１５０〜３５０℃のギ酸雰囲気下に１〜６０分間保持することで、銅シート６の表面を被覆している酸化銅層８を効率的かつ簡便に還元することができ、微小な銅粒子で被覆された銅シート６を得ることができる。また、還元雰囲気としてギ酸雰囲気を用いることで、作業の安全性を担保することができることに加え、微小な銅粒子の生成に好適な還元速度等を容易に実現することができる。
【００４４】
より具体的には、ギ酸雰囲気下における保持温度を１５０℃以上とすることで、酸化銅層８の還元を進めることができ、３５０℃以下とすることで、酸化銅層８の還元によって生成した微小な銅粒子の部分的かつ急激な粒成長に起因する、接合層における空隙の形成等を抑制することができる。更に、保持温度を１５０℃以上とすることで銅粒子の焼成プロセスを進行させることができ、３５０℃以下とすることで、各種電子デバイスの接合用途に好適に用いることができる。
【００４５】
また、第二工程（Ｓ０２）では、被接合界面に対して略垂直に１〜５０ＭＰａの圧力を印加することが好ましい。従来の金属ナノ粒子を用いた接合方法においては、金属ナノ粒子焼結体によって接合層が形成されるため、十分な密度を得るためには加圧を伴った焼成プロセスが必要であり、加圧の印加は当該接合方法の適用範囲を大きく制限していた。これに対し、本発明の低温接合方法においては接合層の大部分を銅シートが占めることに加え、生成した銅ナノ粒子同士が速やかに焼成していくことから、１ＭＰａ以上の圧力を印加することによって産業上利用可能な接合強度を得ることができる。また、圧力を５０ＭＰａ以下とすることで、適用可能は接合箇所を拡大することができる。ここで、より好ましい印加圧力は１０〜４０ＭＰａであり、最も好ましい印加圧力は２０〜３０ＭＰａである。
【００４６】
加圧を施す場合、酸化銅層８の還元が進行した後に印加することが好ましい。被接合界面に対する加圧は銅粒子の接合を促進する反面、酸化銅を還元するためのガスの供給を阻害してしまう。特に、接合部中心における還元が滞ってしまう虞がある。これに対し、第二工程（Ｓ０２）の初期は無加圧として酸化銅層８の均一な還元を促進し、その後に加圧することで、均質な接合部を得ることができる。
【００４７】
被接合界面を昇温する方法は特に限定されるものではなく、例えば従来公知の雰囲気制御が可能なオーブン等を用いて、被接合界面の温度を、例えば１５０〜３５０℃となるように焼成することによって接合することができる。ここで、被接合界面には有機成分等の揮発成分が基本的に存在しないことから、接合層がポーラスとなることを抑制することができる。
【００４８】
本実施形態においては、被接合部材（２，４）と接合層との密着性を更に高めるため、被接合部材（２，４）の表面処理を行ってもよい。表面処理方法としては、例えば、コロナ処理、プラズマ処理、ＵＶ処理、電子線処理等のドライ処理を行う方法、表面上にあらかじめプライマー層や導電性ペースト受容層を設ける方法等が挙げられる。
【００４９】
≪接合体≫
図３は、本発明の接合体の概略断面図である。接合体１０は、銅シート６を介して一方の被接合部材２と他方の被接合部材４とが接合されており、より詳細には、銅シート６と被接合部材２が冶金的に接合され、銅シート６と被接合部材４が冶金的に接合されている。ここで、「冶金的に接合されている」とは、接着剤や粘着テープ等の接着層を用いた接合や機械的締結による接合ではなく、被接合部材（２，４）と銅シート６が直接接合されていることを意味している。
【００５０】
接合体１０では接合層１２の大部分が緻密な銅シート６となっており、金属ナノ粒子ペースト等の接合剤で得られるポーラス状の接合層とは全く異なっている。また、分散剤や溶媒等の有機成分が存在しないため、銅シート６と一方の被接合部材２及び銅シート６と他方の被接合部材４の接合界面にも揮発成分に起因する欠陥が存在しない。
【００５１】
銅シート６の組織は用いる銅シート６の熱処理等によって任意の状態にすることができ、結晶粒界の割合を低下させることも可能である。その結果、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部とすることができる。加えて、銀ナノ粒子等で形成された接合層と比較して、優れた耐マイグレーション特性を有している。
【００５２】
銅シート６の厚さは１０〜１０００μｍであることが好ましい。銅シート６の厚さを１０μｍ以上とすることで、均質な接合界面が形成されることに加えて、取り扱いの容易さやコスト面からも有利である。また、銅シート６の厚さを１０００μｍ以下とすることで、接合界面における銅シート６の割合が高くなり過ぎることを抑制でき、接合部の機械的性質に及ぼす銅シート６の影響を小さくすることができる。
【００５３】
銅シート６の組織は用いる銅シートの熱処理等によって任意の状態にすることができ、結晶粒界の割合を低下させることも可能である。その結果、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部１０を得ることができる。
【００５４】
一方の被接合材２及び／又は他方の被接合材４は銅又は銅合金であることが好ましい。本発明の効果を損なわない限りにおいて、被接合材（２，４）の種類は特に限定されず、従来公知の種々の部材とすることができるが、被接合材（２，４）を銅又は銅合金とすることで、銅シート６の表面に生成する微小な銅粒子との親和性が高くなり、より信頼性の高い接合体１０とすることができる。
【００５５】
なお、接合体１０は、上述の本発明の低温接合方法によって容易に得ることができる。
【００５６】
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５７】
以下、実施例において本発明の低温接合方法及び接合体について更に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００５８】
≪実施例１≫
厚さ１００μｍの純銅シートを３００℃の大気中で２０分間酸化させ、表面に酸化銅層を形成させた。酸化処理前後の純銅シートの表面のＳＥＭ写真を図４及び図５にそれぞれ示す。酸化前は極めて滑らかな表面状態となっているが、酸化後は酸化銅膜によって平均粗さ（Ｒａ）が１μｍ以下の極めて微小な凹凸が形成されている。なお、ＳＥＭ観察には株式会社日立ハイテクノロジーズの超高分解能分析走査電子顕微鏡ＳＵ−７０を用いた。
【００５９】
酸化処理前後における純銅シート表面からのＸＲＤパターンを図６に示す。酸化処理前の純銅シートからは銅（Ｃｕ）に起因するピークしか検出されないが、酸化処理後の純銅シートの表面には酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）が生成していることが確認できる。なお、ＸＲＤ測定には株式会社リガク社製のＵｌｔｉｍａＩＶを用い、加速電圧を４０ｋＫとしてＣｕ−Ｋα線（λ＝１．５４０５Å）を用いた。
【００６０】
酸化処理を施した銅シートを用いて、無酸素銅同士の接合を行った。接合試験に用いた無酸素銅からなる接合試験片及び当該接合試験片の間に配置した銅シートの状態を図７に示す。酸化処理を施した純銅シートを介して大径及び小径の円柱状の純銅部材が当接しており、被接合界面が形成されている（第一工程）。なお、それぞれの試験片の接合面はＲｍａｘ＝３．２Ｓとなるように旋盤加工により仕上げ、アセトン中での超音波洗浄と塩酸中での酸洗いを行った後、水洗と乾燥を経て試験に供した。
【００６１】
次に、図７に示す状態で、小径無酸素銅部材／純銅シート／大径無酸素銅部材を３００℃のギ酸雰囲気下に４０分間保持し、純銅シート表面の酸化銅層を還元することで微小な銅粒子を生成させると共に、当該銅粒子の焼結を進行させて実施接合体１を得た（第二工程）。なお、当該高温保持の間、被接合界面には略垂直方向に２０ＭＰａの圧力を印加し、試験後は直ちに試験片を空冷した。
【００６２】
接合試験により得られた接合体について、ボンドテスターを用いてせん断試験を行い、接合強度を求めた。得られたせん断強度を図８に示す。せん断試験機には株式会社レスカ社製の継手強度試験機（ＳＴＲ−１０００）を用い、せん断速度：１ｍｍ／ｍｉｎ及びせん断高さ：０．２ｍｍの条件で試験を行った。接合体のせん断強度は約３１．６ＭＰａであり、実用上十分に高い強度を有していることが分かる。
【００６３】
接合体断面のＳＥＭ写真を図９に示す。接合部の大部分は純銅シートであることから極めて緻密であり、純銅シートと被接合材（無酸素銅部材）の接合界面にも顕著な欠陥は認められない。
【００６４】
還元処理による酸化銅層の変化を確認するため、上記の酸化処理を施した純銅シートに対して上記条件で還元処理を施した。当該還元処理後の純銅シートの表面のＳＥＭ写真を図１０に示す。表面は融着・焼結した銅粒子で被覆されており、還元処理によって生成した微小な銅粒子同士が融着・焼結したものと考えられる。
【００６５】
せん断試験後の接合体破面のＳＥＭ写真を図１１に示す。せん断試験後の接合体の破面は図１０に示す純銅シートの表面と同様の状態となっており、接合プロセスにおいても還元処理によって生成した微小な銅粒子同士が融着・焼結して接合が達成されるものと思われる。
【００６６】
≪実施例２≫
還元処理時間を１０分間としたこと以外は実施例１と同様にして、実施接合体２を得た。
【００６７】
実施例１と同様にして求めたせん断強度を図８に示す。接合体のせん断強度は約２６．７ＭＰａであり、実用上十分に高い強度を有していることが分かる。
【００６８】
還元処理による酸化銅層の変化を確認するため、上記の酸化処理を施した純銅シートに対して１０分間の還元処理を施した。当該還元処理後の純銅シートの表面のＳＥＭ写真を図１２に示す。還元時間４０分と比較すると表面の凹凸に乏しく、当該形状が還元時間４０分の場合よりもせん断強度が低くなった原因の一つであると考えられる。
【００６９】
≪実施例３≫
酸化処理時間を４０分間とし、還元処理時間を２０分間としたこと以外は実施例１と同様にして、実施接合体３を得た。
【００７０】
実施例１と同様にして求めたせん断強度を図８に示す。接合体のせん断強度は約３２．２ＭＰａであり、実用上十分に高い強度を有していることが分かる。
【００７１】
酸化処理後の純銅シート表面からのＸＲＤパターンを図６に示す。酸化処理後の純銅シートの表面には酸化銅（Ｃｕ２Ｏ及びＣｕＯ）が生成していることが確認できる。
【００７２】
還元処理による酸化銅層の変化を確認するため、上記の酸化処理を施した純銅シートに対して２０分間の還元処理を施した。当該還元処理前後の純銅シートの表面のＳＥＭ写真を図１３及び１４にそれぞれ示す。還元処理前の表面は１００ｎｍ〜３００ｎｍの酸化銅で被覆されており、還元処理後の表面は酸化銅よりもやや粗大化した銅粒子で被覆されている。
【００７３】
せん断試験後の接合体破面のＳＥＭ写真を図１５に示す。せん断試験後の接合体の破面は図１４に示す純銅シートの表面と同様の状態となっている。
【００７４】
≪実施例４≫
接合試験片の表面に金めっき層を形成させたこと以外は実施例３と同様にして、実施接合体４を得た。即ち、実施接合体４では「金／純銅シート／金」の接合となっている。
【００７５】
実施例１と同様にして接合体のせん断強度を測定したところ、２４．６ＭＰａであり、実用上十分に高い強度を有していることが分かる。当該結果より、本発明の低温接合方法は銅以外の金属材の接合にも効果的であることが確認された。
【符号の説明】
【００７６】
２・・・一方の被接合部材、
４・・・他方の被接合部材、
６・・・銅シート、
８・・・酸化銅層、
１０・・・接合体、
１２・・・接合層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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