(57)【要約】【課題】接合層内への空洞の発生を有効に抑制することができる接合体及び、接合体の製造方法を提供する。【解決手段】互いに重ね合わせて配置された複数個の板状部材２、３と、それらの板状部材２、３の間に介在して該板状部材２、３どうしを接合する接合層４とを備える接合体１であって、前記接合層４が、前記接合層４の内部を通って該接合層４の側面Ｓｓに開口する内部ガス通路５を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに重ね合わせて配置された複数個の板状部材と、それらの板状部材の間に介在して該板状部材どうしを接合する接合層とを備える接合体であって、
前記接合層が、前記接合層の内部を通って該接合層の側面に開口する内部ガス通路を有する接合体。
【請求項２】
前記接合層が、前記内部ガス通路により区画された複数個の接合層セグメントを有する請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
接合層の平面視で、接合層セグメントに内接可能な最大円の直径が４ｍｍ以下である請求項２に記載の接合体。
【請求項４】
接合層の平面視で、前記内部ガス通路が、互いに平行に並んで直線状に延びる複数本の直線状部分を有する請求項１〜３に記載の接合体。
【請求項５】
接合層の平面視で、前記内部ガス通路が格子状部分を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合体。
【請求項６】
接合層の平面視で、前記内部ガス通路が放射状部分を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合体。
【請求項７】
接合体を製造する方法であって、
少なくとも二個の板状部材及び、金属粉ペーストを準備する部材準備工程と、
一方の板状部材及び／又は他方の接合部材の、互いに接合しようとする接合面に、金属粉ペーストを塗布し、ペースト塗布域内に、該ペースト塗布域の外縁まで延びる溝部を設けるペースト塗布工程と、
前記金属粉ペーストを挟んで互いに重ね合わせた板状部材を加熱し、該金属粉ペーストを、前記板状部材どうしを接合する接合層にする加熱工程と
を有する、接合体の製造方法。
【請求項８】
前記ペースト塗布工程にて、前記ペースト塗布域の平面視で、前記溝部を、互いに平行に並ぶ複数本の直線状溝で構成する、請求項７に記載の接合体の製造方法。
【請求項９】
前記ペースト塗布工程にて、前記ペースト塗布域の平面視で、前記溝部を格子状に設ける、請求項７又は８に記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書は、接合体及び、接合体の製造方法に関する技術を開示するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種の半導体素子と基板等の二個の板状部材に相互に接合するに当り、近年は、銀や銅等の導電性金属からなる金属粉を溶剤やバインダー等に分散させた金属粉ペーストが用いられることがある。
【０００３】
かかる金属粉ペーストは、接合対象である二個の板状部材の間への介在下で、そこに含まれる金属粉が、加熱によって焼結するとともに拡散することにより接合層になる。この接合層により二個の板状部材が相互に接合されて、接合体が得られる。
なお、これに関連する技術としては、特許文献１〜４に記載されたもの等がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２３２５２７号公報
【特許文献２】特開２０１４−１６７１４５号公報
【特許文献３】特開２０１８−１５２１７６号公報
【特許文献４】特開２０１３−２０６７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、金属粉ペーストを、板状部材の相互間に挟み込んで加熱する場合は、加熱時に、金属粉ペースト中の溶剤の揮発やバインダーの分解等によるガスが発生する。このガスは、加熱後に得られる接合体の接合層内への大きな空隙ないし空洞の発生原因になる。そして、このような大きな空洞の発生により、板状部材どうしの接合強度の低下を招くという問題がある。
【０００６】
この明細書では、接合層内への空洞の発生を有効に抑制することができる接合体及び、接合体の製造方法を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この明細書で開示する接合体は、互いに重ね合わせて配置された複数個の板状部材と、それらの板状部材の間に介在して該板状部材どうしを接合する接合層とを備えるものであって、前記接合層が、前記接合層の内部を通って該接合層の側面に開口する内部ガス通路を有するものである。
【０００８】
この明細書で開示する接合体の製造方法は、少なくとも二個の板状部材及び、金属粉ペーストを準備する部材準備工程と、一方の板状部材及び／又は他方の接合部材の、互いに接合しようとする接合面に、金属粉ペーストを塗布し、ペースト塗布域内に、該ペースト塗布域の外縁まで延びる溝部を設けるペースト塗布工程と、前記金属粉ペーストを挟んで互いに重ね合わせた板状部材を加熱し、該金属粉ペーストを、前記板状部材どうしを接合する接合層にする加熱工程とを有するものである。
【発明の効果】
【０００９】
上記の接合体及び、接合体の製造方法によれば、接合層内への空洞の発生を有効に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一の実施形態の接合体を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１の接合体を製造する際の板状部材への金属粉ペーストの塗布態様を示す斜視図である。
【図４】板状部材への金属粉ペーストの他の塗布態様を示す斜視図である。
【図５】図１の接合体の一方の板状部材を取り除いて接合層を示す斜視図である。
【図６】図４の塗布態様で製造された接合体の一方の板状部材を取り除いて接合層を示す斜視図である。
【図７】他の実施形態の接合体の接合層を示す部分拡大断面図である。
【図８】さらに他の実施形態の接合体を示す斜視図である。
【図９】実施例１〜１２及び比較例１、２のペースト塗布域を示す概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を参照しながら、この明細書で開示する実施の形態について詳細に説明する。
一の実施形態の接合体１は、図１及び２に例示するように、互いに重ね合わせて配置された複数個、たとえば二個の板状部材２、３と、それらの板状部材２、３の間に介在して板状部材２、３の相互を接合する接合層４とを備えるものである。接合層４は、一方の板状部材２と他方の板状部材３との間における、空間を含む部分を表す。換言すれば、接合層４は、後述する接合層セグメント４ａ等の焼結体と、内部ガス通路５等の空間とを含む概念である。
【００１２】
ここで、複数個の板状部材２、３の少なくとも一個は、たとえば、銅、アルミニウムもしくはニッケル又は、その合金等の金属材料及び、それらにめっき等の表面処理をした材料からなるものとすることができる。また、少なくとも一個の板状部材２、３は、銅及び銅合金などの金属材料、Ｓｉ、ＳｉＣ等の半導体チップ又はＤＣＢ基板等のセラミックス材料からなるものとすることができる。板状部材２、３の厚みは、たとえば０．１ｍｍ〜８．０ｍｍ、典型的には０．３ｍｍ〜４．０ｍｍとすることができる。なお図示は省略するが、さらに他の板状部材を積層させて、三個以上の板状部材を備えるものとすることもできる。また、板状部材を平行に接合するだけでなく、図８に示す接合体３１のように、片方の板状部材３２を直角に立てて、その側方側で、もう片方の板状部材３２上に接合する構造とすることも可能である。
【００１３】
またここでは、接合層４は、主として、金属粉の焼結体及び、後述の内部ガス通路５からなるものである。金属粉としては、銅粉又は銀粉等を挙げることができる。この接合層４は、詳細については後述するが、金属粉ペーストを所定の温度で加熱したことにより、金属粉ペースト中の溶剤やバインダー等が除去され、また、金属粉ペースト中の金属粉が焼結して形成されたものである。
なお、接合層４、１４の平均厚みは、たとえば３μｍ〜４００μｍ、典型的には５μｍ〜１００μｍである。接合層４、１４の平均厚みは、接合体１の全体の厚みから板状部材２、３の各厚みを差し引いて算出される、板状部材２、３の相互間の隙間とする。この際に、接合体１の全体の厚み及び板状部材２、３の各厚みは、５点で測定した測定値の平均値とする。
【００１４】
この接合体１では、接合層４に、接合層４の内部を通って接合層４の側面Ｓｓに開口する内部ガス通路５が設けられている。内部ガス通路５は、接合層４の内部で延びて、側面Ｓｓに開口部５ａを有するものである。なお、接合層４の側面Ｓｓは、板状部材２、３の間で外側に露出する周囲の面を意味し、この実施形態では四面存在する。
【００１５】
これにより、接合体１を製造する際の加熱時に金属粉ペーストから発生し得るガスによる接合強度の低下を有効に抑制することができる。
【００１６】
より詳細には、接合体１の製造における加熱時には、二個の板状部材の間に介在する金属粉ペースト中の溶剤が揮発したり、またバインダーが分解したりすること等に起因して、二個の板状部材の間でガスが発生する。このガスは、加熱後の接合体の接合層中に大きな空洞を形成する。そして、接合層中に大きな空洞が形成されると、二個の板状部材間の接合強度が低下する。
これに対し、この実施形態では、接合層４が上記の内部ガス通路５を有することにより、加熱時に金属粉ペーストから発生するガスは、企図した内部ガス通路５を通って、接合層４の側面Ｓｓにある内部ガス通路５の開口部５ａから円滑に排出される。その結果として、接合層４中への、意図しない大きな空洞の発生を抑制することができて、所要の接合強度が確保されやすくなる。
【００１７】
このような接合層４への内部ガス通路５の形成を含む接合体１の製造方法の一例を、次に説明する。
はじめに、少なくとも二個の板状部材２、３及び、金属粉ペーストを準備する部材準備工程を行う。
【００１８】
次いで、二個の板状部材２及び３の、互いに接合しようとする接合面のうち、少なくとも一方の接合面、たとえば板状部材３の接合面に、アプリケーター等を用いて金属粉ペーストＰｍを塗布するペースト塗布工程を行う。
【００１９】
このとき、図３に示すように、板状部材３上のペースト塗布域Ａｐ内に、ペースト塗布域の外縁まで延びる溝部６を設ける。溝部６は、ペースト塗布域Ａｐ内の金属粉ペーストＰｍを部分的に無くし、又は金属粉ペーストＰｍの塗布厚みを部分的に薄くすることにより、ペースト塗布域Ａｐの他の部分の表面よりも窪ませて設けることができる。溝部６内には金属粉ペーストＰｍが少し存在することもある。
【００２０】
ペースト塗布域Ａｐへの溝部６の形成は、たとえば、ペースト塗布域Ａｐの全体に金属粉ペーストＰｍを塗布した後に、溝部６の形状に合わせて金属粉ペーストＰｍを部分的に除去したり、又は、溝部６の形状に対応する所定の形状にくり抜いたカバーでペースト塗布域Ａｐ覆って、その上から金属粉ペーストＰｍを塗布したりすること等により行うことができる。
【００２１】
ペースト塗布域Ａｐの平面視における溝部６の形状は、ペースト塗布域Ａｐ内からペースト塗布域Ａｐの外縁まで延びるものであればよく、適宜選択することができる。
図３に示すところでは、ペースト塗布域Ａｐの平面視で、互いに平行な複数本（図３の例では四本）の直線状溝を略直角に交差させて配置することにより、格子状部分を有する溝部６を設けている。格子状部分は、単に溝が交差していればよく、曲線状溝により構成されるものや、交差角度が直角ではないものも含まれる。
一方、図４では、ペースト塗布域Ａｐの平面視にて、互いに平行に並ぶ複数本（図３の例では四本）の直線状溝で、溝部１６が構成されている。
図示は省略するが、曲線状の溝部や、途中で屈曲し又は分岐する溝部等も可能である。また、接合層の平面視の中央付近から外側に向けて直線状もしくは曲線状に又は屈曲して延びる複数本の溝を含む放射状部分を有する溝部も有効である。溝部を構成する溝の本数は一本以上とすることができる。
このような溝部６、１６の形状は、後述する加熱工程を経て製造される接合体における接合層の内部ガス通路の形状に対応し得る。
【００２２】
そして、板状部材２、３を、それらの両接合面が互いに対向する向きで重ね合わせる。これにより、板状部材２、３の間に、ペースト塗布域Ａｐに溝部６等を設けて塗布された金属粉ペーストＰｍが挟み込まれて介在することになる。この際に、ペースト塗布域Ａｐ内の溝部６等を設けた部分は、その周囲の部分に比して金属粉ペーストＰｍが少なくなって、そこに通路が形成される。なお、板状部材２、３を重ね合わせる際に、金属粉ペーストＰｍに圧力が加わり、溝部６の面積は小さくなる。そのため、ペースト塗布域Ａｐは、溝部６が互いに隣接する金属粉ペーストＰｍによって架橋されないように、金属粉ペーストＰｍの厚み、及び金属粉ペーストＰｍに加わる圧力に基づいて適宜設定され得る。
【００２３】
その後、加熱工程では、金属粉ペーストＰｍの介在下で互いに重ね合わせた板状部材２、３を加熱する。このとき、金属粉ペーストＰｍに含まれる溶剤やバインダー等が、板状部材２、３間にガスを発生させるが、当該ガスは、上述したように金属粉ペーストＰｍのペースト塗布域Ａｐに設けた溝部６等による内部ガス通路５を通って、ペースト塗布域Ａｐの外縁（接合層４の側面Ｓｓ）から円滑に排出される。その結果として、加熱後に形成される接合層４への大きな空洞の発生が抑えられ、板状部材２、３間の所要の接合強度を有効に確保することができる。
【００２４】
また、溝部６等による内部ガス通路５が存在することにより、金属粉の焼結による体積減少が緩和されて、接合層４への割れの発生を防止するべくも機能するので、接合強度の低下をさらに効果的に抑制することができる。
【００２５】
なおここでは、加熱時は数ステップで行うことが望ましい。たとえば１ステップ目として８０℃〜１５０℃の温度を３分〜６０分にわたって維持することができる。この温度での加熱により、ペースト内の溶剤を揮発させる。このときに接合層に大きな空洞が発生しやすい。加熱温度が低いと溶剤が揮発しないため、次の加熱ステップで空洞が発生する。加熱温度が高いと大きな空洞が発生してしまうため、上記の温度と時間が望ましい。２ステップ目以降に焼結するための熱処理を実施する。２ステップ目としては、４００〜９００℃で５分〜６０分の熱処理を実施すると密に焼成した接合層が得られる。温度が低すぎると金属粉自体は軽い焼成しかしないため、金属粉同士がまばらに繋がったポーラス状になり、板状部材２、３間の熱膨張の差が緩和されやすくなるが、接合強度自体を高めることが出来ない。上記の温度範囲のように比較的高温にすることで、緻密な接合層４が得られて、接合強度が大きく高まる。また、高温加熱により発生しやすくなるガスは、上述したように内部ガス通路５から良好に流出するので、空洞の問題は生じない。
【００２６】
加熱時には、必要に応じて加圧することも可能であるが、板状部材２、３の間に金属粉ペーストＰｍを挟み込んで加熱すれば、加圧なしでも、板状部材２、３を強固に接合可能である。なお、板状部材２、３を重ね合わせる前に、いずれかの板状部材２、３の接合面上の金属粉ペーストＰｍに含まれる溶剤を揮発させ、その後に板状部材２、３を重ね合わせて加熱する場合は、接合をするために加圧が必要になることが多い。
【００２７】
上述したようにして製造された接合体１は、板状部材２、３の相互が接合層４で強固に接合されたものとなる。
【００２８】
そして、接合体１が備える接合層４の内部ガス通路５は、接合体１から一方の板状部材２を取り除いて観察すると、図５に示すように、図３のペースト塗布域Ａｐに設けた溝部６と実質的に同様の形状の格子状部分を有する。なお、板状部材２、３を重ね合わせる際に金属粉ペーストＰｍに圧力が加わることに起因して、接合層セグメント４ａの接合面積は、金属粉ペーストＰｍの塗布面積よりも大きくなる。そのため、内部ガス通路５は、ペースト塗布域Ａｐに設けた溝部６と完全に対応する訳ではない。
また、ペースト塗布域Ａｐに図４に示すような溝部１６を設けた場合、それにより製造された接合体における接合層１４の内部ガス通路１５は、図６に示すように、図４の溝部１６と実質的に同様の形状の、互いに平行に並んで直線状に延びる複数本の直線状部分を有する。
【００２９】
また、これらの接合層４、１４は、内部に側面ＳＳに開口する内部ガス通路５、１５が存在することにより、当該内部ガス通路５、１５で複数個の接合層セグメント４ａ、１４ａに区画されている。
【００３０】
図５では、内部ガス通路５が平面視で格子状をなすことから、接合層４を構成する各接合層セグメント４ａは、立方体もしくは直方体その他の方形状を有する。また図６では、複数本の平行な直線状部分の溝部により、横断面が矩形等の棒状の接合層セグメント１４ａが互いに平行に並んで配置されている。ただし、板状部材２、３を重ね合せるときに、金属粉ペーストＰｍに力が加わり変形するため、完全な立方体や直方体の形と一致するわけではない。
【００３１】
かかる接合層セグメント４ａ、１４ａはいずれも、接合層４、１４の平面視で、該接合層セグメント４ａ、１４ａに内接可能な最大円の直径が、４ｍｍ以下の寸法形状であることが好ましい。これにより、金属粉ペーストＰｍ内で発生するガスが金属粉ペーストＰｍ外まで拡散する距離が抑えられ、空洞の形成を抑制することが出来る。接合層セグメント４ａ、１４ａの一個以上において、当該内接可能な最大円の直径が４ｍｍより大きくなる場合、その接合層セグメント４ａ、１４ａに空洞が発生し、接合力が低下することが懸念される。この観点から、上記内接可能な最大円の直径は、２ｍｍ以下とすること一層好適である。
【００３２】
図７に他の実施形態の接合体２１を示す。
図７の接合体２１は、上述した接合体１と同様に、接合層２４が、その内部を通って側面Ｓｓに開口する内部ガス通路２５を有するものである。但し、この接合体２１は、内部ガス通路２５と一方の板状部材２２の接合面との間に、接合層２４の焼結体の薄肉部分２４ａが介在している。より詳細には、内部ガス通路２５は、板厚方向（図７の上下方向）で、他方の板状部材２３には達するが一方の板状部材２２に到達せず、上記の薄肉部分２４ａにより、一方の板状部材２２の接合面から離されて位置している。
【００３３】
このような接合体１は、接合層２４が先述の接合層セグメントを有しないが、内部ガス通路２５で加熱時のガス抜きが有効に行われるので、接合層２４内への空洞の発生を有効に抑制することができる。
【実施例】
【００３４】
次に、上述したような接合体を試作し、その効果を確認したので以下に説明する。但し、ここでの説明は単なる例示を目的としたものであり、これに限定されることを意図するものではない。
【００３５】
板状部材を模擬した二個の銅製の試験片の間に、金属粉ペーストを挟み込んだ状態で、１ステップ目の加熱として１２０℃に加熱し、その後、２ステップ目の加熱として８００℃に加熱して、二個の板状部材の間で金属粉が焼結して接合層となった接合体を得た。金属粉ペーストとしては、溶剤及びバインダー等に銅粉を分散させたものを用いた。試験片の寸法は１０×１０×１．５ｔ（ｍｍ）とし、金属粉ペーストの塗布厚みは０．１ｍｍとした。
【００３６】
ここで、上記の方法により、表１に示すように、試験片上に塗布する金属粉ペーストのペースト塗布域の形態が異なる実施例１〜１２及び比較例１、２の各接合体を作製した。実施例１〜１２ならびに比較例１及び２のペースト塗布域の平面形状を図９に示す。
【００３７】
【表１】
2020155498.tif 000003
【００３８】
これらの接合体について、接合した銅製試験片を剥離することにより接合強度を測定する試験を行った、それらの結果も表１に示している。表１中には、接合強度の低いものから高いものの順に「×」「△」「○」「◎」の４段階が示されている。「×」は容易に剥離したこと（接合強度が低いこと）を意味し、「◎」は無理に剥離させてようやく剥離したこと（接合強度が高いこと）を意味する。「△」は少し力を加えたときに剥離が可能であったことを意味し、「○」は、「△」よりも強い力であって「◎」よりも弱い力を加えたときに剥離が可能であったことを意味する。
【００３９】
表１から、実施例１〜１２では、接合層の側面に開口する内部ガス通路により、加熱時のガスが効果的に排出された結果として、空洞の面積率が小さくなり、比較的高い接合強度が得られた。これに対し、比較例１及び２では、空洞の面積率が大きく、接合強度が低くなった。これは、比較例１は内部ガス通路がなく、また比較例２は内部ガス通路が側面に開口しなかったことにより、加熱時のガスで大きな空洞が発生したことによるものと考えられる。
【符号の説明】
【００４０】
１、２１、３１  接合体
２、３、２２、２３、３２、３３  板状部材
４、１４、２４、３４  接合層
２４ａ  焼結体の薄肉部分
５、１５、２５、３５  内部ガス通路
５ａ、１５ａ  開口部
６、１６  溝部
Ｓｓ  側面
ｔ  接合層の平均厚み
Ａｐ  ペースト塗布域
Ｐｍ  金属粉ペースト
【図１】
2020155498.tif 000004
【図２】
2020155498.tif 000005
【図３】
2020155498.tif 000006
【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】
2020155498.tif 000011
【図９】
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