(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どうしを接合する焼結体を含む接合層４とを備える接合体１であって、少なくとも一個の前記板状部材２が、当該板状部材２の接合層４側を向く接合面Ｓｂを通って、該板状部材２の外面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焼結体を含む接合層とを備える接合体であって、
少なくとも一個の前記板状部材が、当該板状部材の接合層側を向く接合面を通って、該板状部材の外面に開口する内部ガス通路を有する接合体。
【請求項２】
前記内部ガス通路が、前記板状部材の外面のうちの側面に開口してなる請求項１に記載の接合体。
【請求項３】
前記板状部材が、前記接合面から窪んで該接合面上で延びる溝部を有し、前記内部ガス通路の少なくとも一部が、前記溝部で構成されてなる請求項１又は２に記載の接合体。
【請求項４】
前記溝部の溝幅が０．１ｍｍ〜１．５ｍｍである請求項３に記載の接合体。
【請求項５】
前記溝部の溝深さが０．０１ｍｍ〜１．５ｍｍである請求項３又は４に記載の接合体。
【請求項６】
溝部を除く前記接合面の面積に対する前記溝部の面積の比率である面積率が、３％〜７０％である請求項３〜５のいずれか一項に記載の接合体。
【請求項７】
前記板状部材が、前記溝部を複数有し、前記複数の溝部の間隔は０．３ｍｍ〜６ｍｍである請求項３〜６のいずれか一項に記載の接合体。
【請求項８】
前記溝部の少なくとも底部側の一部に、接合層のない空所が存在してなる請求項３〜７のいずれか一項に記載の接合体。
【請求項９】
前記接合層により相互に接合された板状部材のうち、少なくとも一方の板状部材が金属材料からなる請求項１〜８のいずれか一項に記載の接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書は、接合体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隙の発生により、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焼結体を含む接合層とを備えるものであって、少なくとも一個の前記板状部材が、当該板状部材の接合層側を向く接合面を通って、該板状部材の外面に開口する内部ガス通路を有するものである。
【発明の効果】
【０００８】
上記の接合体によれば、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】
【０００９】
【図１】一の実施形態の接合体を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１の接合体が備える一方の板状部材の接合面側を示す、該板状部材の斜視図である。
【図４】図２の一方の板状部材のみを示す拡大断面図である。
【図５】他の実施形態の接合体が備える一方の板状部材を示す斜視図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【図７】板状部材に設ける貫通孔の変形例を示す断面図である。
【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１〜１８の溝形状を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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の相互を接合する焼結体を含む接合層４とを備えるものである。
【００１１】
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。
【００１２】
またここでは、接合層４は、主として金属粉の焼結体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、３４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、３４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。
【００１３】
これまでは、このような接合層を有する接合体を製造するべく、二個の板状部材の間に金属粉ペーストを挟み込んだ状態で加熱すると、次に述べるような問題があった。すなわち、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。
【００１４】
この問題に対し、図示の実施形態では、板状部材２が、その板状部材２の、接合層４側を向く接合面Ｓｂを通って、板状部材２の外面に開口する内部ガス通路５を有するものとする。これにより、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、板状部材２の外面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。
【００１５】
図１に示すところでは、内部ガス通路５が、板状部材２の外面のうちの側面Ｓｓに開口し、側面Ｓｓ上に内部ガス通路５の開口部５ａが存在する。板状部材２の側面Ｓｓに、内部ガス通路５を開口させることにより、開口部がない場合や貫通穴を開ける場合と比べて溝形成の加工が容易であり、また、強度低下を抑制しながら材料を軽量化できるという利点がある。
【００１６】
また、図１及び２に示す実施形態では、図３に一方の板状部材２のみを上下反転させて示すところから解かるように、接合面Ｓｂから窪んで接合面Ｓｂ上で所定の形態で延びる一本以上の溝部６を有し、内部ガス通路５の少なくとも一部が、当該溝部６で構成されるものとしている。このような溝部６を含む内部ガス通路５は、加工が容易なことや、製品として板状部材２に貫通させることが出来ない場合にも対応できる点で好ましい。また、板を直角に立てる場合には貫通穴の加工は極端に難しくなるため、溝部６の形状が好ましい。
【００１７】
板状部材２の接合面Ｓｂの正面視にて、接合面Ｓｂ上での溝部６の延びる形態は特に問わないが、この実施形態では、図３に示すように、一方の側面Ｓｓ側から他方の側面Ｓｓ側に向けて直線状に延びる四本の溝部６を、互いに間隔をおいて平行に並べて配置している。この板状部材２を備える接合体１では、内部ガス通路５が、一方の側面Ｓｓと他方の側面Ｓｓの両方に開口部５ａを有することになる。但し、内部ガス通路がいずれか一方の側面のみに開口するように溝部を設けることができる。また、溝部の本数は一本〜三本又は五本以上としてもよい。
【００１８】
加熱時に発生するガスをより円滑に排出するとの観点からは、接合面Ｓｂの中央部から周縁部に向けて直線状に延びる溝部が好ましい。図示は省略するが、接合面Ｓｂの正面視で、格子状または放射状等の溝部を設けることも可能である。なお、曲線状の溝部や、途中で屈曲し又は分岐する溝部等も考えられる。
【００１９】
内部ガス通路５は、加熱時に発生し得るガスが通過できて外部に排出される寸法形状であればよい。
具体的には、板状部材２に内部ガス通路５用の溝部６を設ける場合、図４に拡大断面図で示すように、溝部６の溝幅Ｗｐは、０．１ｍｍ〜１．５ｍｍ、さらに０．１５ｍｍ〜１．２であることが好ましい。溝幅Ｗｐが狭すぎると、金属粉ペーストの金属粉が溝部６に詰まりやすくなり、これがガスの排出を阻害することが懸念される。一方、溝幅Ｗｐが広すぎると、他方の板状部材３との接合面積の減少によって、接合強度が低下するおそれがある。この溝幅Ｗｐは、溝部６の底部Ｂｐから最も離れた位置（図４では最も下方側の位置）で、溝部６の延びる方向に直交する向きに測定する。溝部の位置で溝幅が異なる場合は、５点以上の平均を溝幅Ｗｐとする。
【００２０】
また、溝部６の溝深さＤｐは、底部Ｂｐの最も深い点から板厚方向に沿って測って、０．０１ｍｍ〜１．５ｍｍ、さらに０．０２ｍｍ〜１．０であることが好適である。溝深さＤｐが浅い場合は、溝部６が金属粉で埋まってしまう可能性があり、ガスの排出が効果的に行われない懸念がある。溝深さＤｐが深い場合は、板材の剛性が低下し得る。
【００２１】
また、隣接する溝部６の間隔は、０．３ｍｍ〜６ｍｍであることが好ましい。溝部６の間隔が広い場合は、ガスの排出が効果的に行われない懸念がある。一方、溝部６の間隔が狭い場合は、接合強度が低下し得る。溝部６の間隔は、隣接する溝部６のいずれか一方の延びる方向に直交する向きに沿って測定する。溝部の位置で間隔が異なる場合は、５点以上の平均値とする。
なお、図３に示される例では、板状部材２に形成された溝部６が平行に並べて配置されているが、溝部が格子状に配置される実施形態において、略平行に隣接して配置される溝部の間隔は溝幅の３倍以上６倍未満が好ましい。
【００２２】
そしてまた、接合面Ｓｂの正面視で、溝部６を除く接合面Ｓｂ（接合面Ｓｂの溝部６が無い部分）の面積に対する溝部６の面積の比率（溝部６の面積率）は、好ましくは３％〜７０％、より好ましくは５％〜５０％、さらに好ましくは１０％〜３０％である。溝部６の面積率が大きすぎると、接合面積が減少して接合強度が低下する可能性がある。また溝部６の面積率が小さすぎると、加熱時に、内部ガス通路５からのガスの排出が不十分となって、接合層４へのある程度大きな空洞の発生が懸念される。
【００２３】
接合面Ｓｂにこのような溝部６を設けた板状部材２を、金属粉ペーストを用いて、他方の板状部材３に接合しようとした場合、金属粉ペーストの一部が、板状部材２の溝部６に入り込んだ状態で、そこで金属粉が焼結されることがある。しかるに、この場合でも、板状部材２の溝部６が金属粉で完全に埋まってしまうことがないように、溝部６の寸法形状を調整することにより、加熱時の内部ガス通路５からのガスの排出を良好に行わせることができる。
【００２４】
このようにして、溝部６が金属粉で完全に埋まらない状態で加熱して得られた接合体１では、図２に示すところから解かるように、溝部６の少なくとも底部Ｂｐ側の一部に、接合層４が入り込んでいない空所Ｖｐが存在することになる。板状部材２の溝部６に空所Ｖｐがある接合体１は、加熱時にガスが内部ガス通路５から効果的に排出された結果として、所要の接合強度が十分に確保されたものであると考えられる。
【００２５】
図５及び６に、他の実施形態の接合体が備える板状部材１２を示す。図５の実施形態では、板状部材１２に、接合面Ｓｂと表面Ｓｆとの間に延びて、接合面Ｓｂ及び表面Ｓｆのそれぞれに開口する一個以上の貫通孔１６を形成している。そして、かかる貫通孔１６により、接合面Ｓｂを通って外面のうちの表面Ｓｆに開口する内部ガス通路１５を構成している。貫通孔１６は、接合面Ｓｂから表面Ｓｆに向けて直線状に延びるものとしているが、曲線状または途中で屈曲する形状等の種々の形状とすることができる。また、側面Ｓｓに開口する貫通孔としてもよい。
【００２６】
図５及び６のような貫通孔１６による内部ガス通路１５では、金属粉ペーストを加熱した際に、それにより発生したガスは、内部ガス通路１５を通って、板状部材１２の表面Ｓｆに存在する開口部１５ａから円滑に排出することができる。
【００２７】
また、図７に示すような貫通孔２６で構成される内部ガス通路２５でも、金属粉ペースト加熱時のガスを有効に排出させることができる。
この内部ガス通路２５は、貫通孔２６の接合面Ｓｂ側の開口部近傍を拡大させ、そこに、接合面Ｓｂから窪む凹部２６ａを設けたことを除いて、図５及び６に示す内部ガス通路２５と実質的に同様の構成を有する。先述したような接合面Ｓｂ上で延びる図３の溝部６ではなく、図７のような接合面Ｓｂ内で窪む凹部２６ａを含む内部ガス通路２５でも、たとえば貫通孔２６で表面Ｓｆ等の外面に開口させることにより、当該開口部２５ａからガスが効果的に流出する。それによって、この内部ガス通路２５でも、ガスの発生に起因する大きな空洞の発生を抑制することが可能である。
【００２８】
なお図示しないが、板状部材に設けた溝部と貫通孔とを組み合わせて、内部ガス通路を構成することもできる。
また、内部ガス通路は、他方の板状部材に設けることができる他、一方の板状部材と他方の板状部材の両方に設けてもよい。
【００２９】
以上に述べたような接合体を製造する方法について、図１に示す接合体１を例として説明する。
はじめに板状部材２、３を準備する。ここでは、切削その他の加工又は、鋳造もしくは成形等により、一方の板状部材２に溝部６を設けておく。
【００３０】
次いで、一方の板状部材２の接合面Ｓｂもしくは、他方の板状部材３の接合面、又は、それらの両接合面に、アプリケーター等を用いて金属粉ペーストを塗布する。そして、それらの両接合面が互いに対向する向きで、板状部材２、３を重ね合わせる。これにより、板状部材２、３の間に、金属粉ペーストが挟み込まれて介在することになる。
【００３１】
その後、金属粉ペースト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、上述したように板状部材２に設けた内部ガス通路５を通って、該板状部材２の外面の開口部５ａ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。
【００３２】
また、溝部６等の内部ガス通路５の空間は、金属粉の焼結による体積減少に伴う応力を緩和して、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。
【００３３】
なおここでは、加熱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。
【００３４】
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。
【００３５】
これにより、板状部材２、３の相互が接合層４で強固に接合された接合体１を得ることができる。
【実施例】
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
ここで、上記の方法により、表１に示すように、試験片の接合面に設ける溝ないし貫通孔の形態が異なる実施例１〜２３及び比較例１、２の各接合体を作製した。実施例１〜１８の溝形状を図９に示す。
【００３９】
【表１】
2020155497.tif 000003
【００４０】
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。
【００４１】
表１から、実施例１〜２３は、空洞の面積率がある程度小さくなり、比較的高い接合強度が得られたことが解かる。これは、加熱時に内部ガス通路によるガスの排出が効果的に行われて、接合層への大きな空洞の発生が有効に抑制されたことによるものと考えられる。一方、比較例１、２は、空洞の面積率が増大し、接合強度が低下した結果となった。
【符号の説明】
【００４２】
１、３１  接合体
２、３、１２、３２  板状部材
４、３４  接合層
５、１５、２５、３５  内部ガス通路
５ａ、１５ａ、２５ａ、３５ａ  開口部
６  溝部
１６、２６  貫通孔
２６ａ  凹部
Ｓｓ  側面
Ｓｂ  接合面
Ｓｆ  表面
Ｗｐ  溝幅
Ｄｐ  溝深さ
Ｖｐ  空所
【図１】
2020155497.tif 000004
【図２】
2020155497.tif 000005
【図３】
2020155497.tif 000006
【図４】
2020155497.tif 000007
【図５】
2020155497.tif 000008
【図６】
2020155497.tif 000009
【図７】
2020155497.tif 000010
【図８】
2020155497.tif 000011
【図９】
2020155497.tif 000012