(57)【要約】【課題】各種炭素膜と金属材料とをはんだにより接合した新規の接合体およびその製造方法を提供する。【解決手段】基材１ｓと基材１ｓの表面の少なくとも一部に被覆された炭素膜１ｆとからなる第一部材１と、少なくとも一部が金属材料２からなる第二部材２と、を備え炭素膜１ｆと金属材料２とがはんだ付けされた接合部３をもつ接合体であって、  炭素膜１ｆは、少なくとも被接合面１ｊに酸素を含み、  接合部３は、錫を主成分とし亜鉛および希土類元素からなる群から選択される一種以上を含み、炭素膜１ｆの酸素と化学結合するとともに金属材料２と拡散結合または金属材料２の表面に形成された酸化物の酸素と化学結合する錫はんだ３ｊで接合されている。【選択図】図１
2010046700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と該基材の表面の少なくとも一部に被覆された炭素膜とからなる第一部材と、少なくとも一部が金属材料からなる第二部材と、を備え該炭素膜と該金属材料とがはんだ付けされた接合部をもつ接合体であって、
前記炭素膜は、少なくとも被接合面に酸素を含み、
前記接合部は、錫を主成分とし亜鉛および希土類元素からなる群から選択される一種以上を含み、前記炭素膜の酸素と化学結合するとともに前記金属材料と拡散結合または該金属材料の表面に形成された酸化物の酸素と化学結合する錫はんだで接合されていることを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記炭素膜は、非晶質炭素膜である請求項１記載の接合体。
【請求項３】
前記炭素膜は、少なくとも被接合面に珪素を含む請求項１または２記載の接合体。
【請求項４】
前記炭素膜は、全体を１００原子％としたときに珪素を２〜４０原子％含む請求項１〜３のいずれかに記載の接合体。
【請求項５】
前記接合部の接合剪断強度が５ＭＰａ以上である請求項１〜４のいずれかに記載の接合体。
【請求項６】
基材の少なくとも一部に炭素膜が被覆されてなる第一部材と、少なくとも一部が金属材料からなる第二部材と、を備え該炭素膜と該金属材料とがはんだ付けされた接合部をもつ接合体の製造方法であって、
前記炭素膜の少なくとも被接合面に酸素を付与する酸素含有炭素膜形成工程と、
前記炭素膜と前記金属材料とを、錫を主成分とし亜鉛および希土類元素からなる群から選択される一種以上を含む錫はんだではんだ付けするはんだ付け工程と、
を含むことを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項７】
前記炭素膜は、非晶質炭素膜である請求項６記載の接合体の製造方法。
【請求項８】
前記炭素膜は、少なくとも被接合面に珪素を含み、
前記酸素含有炭素膜形成工程は、少なくとも珪素に酸素を付加する工程である請求項６または７記載の接合体の製造方法。
【請求項９】
前記酸素含有炭素膜形成工程は、前記第一部材の前記炭素膜に酸素を含む雰囲気中で紫外線を照射する工程である請求項６〜８のいずれかに記載の接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記酸素含有炭素膜形成工程は、前記第一部材の前記炭素膜を酸素を含むプラズマに曝す工程である請求項６〜８のいずれかに記載の接合体の製造方法。
【請求項１１】
前記酸素含有炭素膜形成工程は、前記炭素膜の被接合面の水素を除く酸素含有量を５０〜７０原子％とする工程である請求項６〜１０のいずれかに記載の接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記酸素含有炭素膜形成工程は、前記炭素膜の被接合面の水素を除く珪素含有量を２０〜４０原子％とする工程である請求項９または１０記載の接合体の製造方法。
【請求項１３】
請求項６〜１２のいずれかに記載の製造方法により作製された接合体。
【請求項１４】
前記炭素膜は、全体を１００原子％としたときに珪素を２〜４０原子％含む請求項１３記載の接合体。
【請求項１５】
前記接合部の接合剪断強度が５ＭＰａ以上である請求項１３または１４記載の接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種炭素膜と金属材料との間がはんだ付けされた接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素は、埋設量がほぼ無限であり、かつ無害であることから資源問題および環境問題の面からも極めて優れた材料である。炭素材料としては、原子間の結合形態により、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、グラファイト、グラッシーカーボン、フラーレン、カーボンナノチューブなど、様々な結晶構造のものが知られている。なかでも、非晶質構造を有する非晶質炭素（ダイヤモンドライクカーボン：ＤＬＣ）は、耐摩耗性、固体潤滑性などの機械的特性に優れ、耐食性、絶縁性、可視光／赤外光透過率、酸素バリア性などを合わせもつ。そのため、非晶質炭素膜は、各種基材の表面に被覆されて用いられることが多い。たとえば、電気機器では、絶縁性の非晶質炭素膜で被覆されたヒートシンク（放熱板）上に半導体素子を搭載して使用されることもある。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、放熱板と、放熱板を覆う絶縁性非晶質炭素膜と、絶縁性非晶質炭素膜上に設けられた三層からなる電極としての多層金属体と、多層金属体上にはんだ付けされて搭載された半導体素子と、を備える半導体装置が開示されている。多層金属体のうち、絶縁性非晶質炭素膜上の第一層は絶縁性非晶質炭素膜との密着性が高い金属からなり、第二層は第一層と第三層との接合性に優れた金属からなり、第三層は導電性を有しはんだとの密着性が高い金属からなる。つまり、特許文献１では、電極を多層金属体としたことにより、絶縁性非晶質炭素膜と電極との接合性を確保している。
【０００４】
非晶質炭素膜を電気機器などに使用するためには、特許文献１のように、種々の金属材料と非晶質炭素膜とを接合する技術が必要となる。接合には、実用的な強度が求められる他、熱的、電気的な接触が得られること、構成材料の特性を損なわないこと、など使用目的に応じた接合条件が必須となる。
【特許文献１】特開２００６−２４５２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非晶質炭素膜と金属材料とを接合する方法として、ろう付けがある。ろう付けによる接合では、接合温度が４００℃を超える高温となる。そのため、非晶質炭素膜および金属材料のうち一方でも耐熱性が低い場合には、ろう付けできない場合がある。さらに、ろう付けに用いる多くの合金は、非晶質炭素膜との濡れ性が悪いため、両者を接合できない場合が多い。
【０００６】
また、非晶質炭素膜と金属材料とを有機接着剤で接合する方法がある。しかしながら、有機接着剤は、熱伝導性、導電性ともに低く、高湿環境では強度が弱いという問題があるため、用途によっては不都合である。熱伝導性および導電性を補うことを目的として、有機接着剤に銀や銅などを含有させた有機接着剤もあるが、はんだのような合金からなる接合材料と比較すると、特性は不十分である。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、各種炭素膜と金属材料とをはんだにより接合した新規の接合体およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、セラミックスを接合することが可能なセラミックス用はんだに着目した。しかしながら、炭素膜と金属材料との接合に、単にセラミックス用はんだを使用しても、実用的な接合強度が得られなかった。そこで、本発明者らは、炭素膜を特定の組成とすることで、炭素膜と金属材料とを強固にはんだ付けできることに想到した。
【０００９】
すなわち、本発明の接合体は、基材と該基材の表面の少なくとも一部に被覆された炭素膜とからなる第一部材と、少なくとも一部が金属材料からなる第二部材と、を備え該炭素膜と該金属材料とがはんだ付けされた接合部をもつ接合体であって、
前記炭素膜は、少なくとも被接合面に酸素を含み、
前記接合部は、錫を主成分とし亜鉛および希土類元素からなる群から選択される一種以上を含み、前記炭素膜の酸素と化学結合するとともに前記金属材料と拡散結合または該金属材料の表面に形成された酸化物の酸素と化学結合する錫はんだで接合されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の接合体において、炭素膜と金属材料との接合部は、錫を主成分とし、亜鉛および希土類元素からなる群から選択される一種以上を含む錫はんだによりはんだ付けされている。この錫はんだは、酸素との結合力が極めて強い酸素親和力の高い元素である亜鉛および希土類元素からなる群から選択される一種以上を含む。本発明の接合体において、炭素膜は少なくとも被接合面に酸素を含むため、この酸素が酸素親和力の高い元素と化学結合することで、炭素膜に錫はんだが接合される。また、金属材料に対しては、錫はんだの成分が金属材料へと拡散して合金を生成することで、金属材料に錫はんだが接合される。あるいは、ステンレス鋼やアルミニウム合金のように金属材料の表面に酸化物（不動態皮膜）を形成する場合には、この酸素が酸素親和力の高い元素と化学結合することで、金属材料に錫はんだが接合される。その結果、本発明の接合体は、第一部材の表面が炭素膜で被覆されていても、第一部材と第二部材とが錫はんだによるはんだ付けで強固に接合される。
【００１１】
特に、炭素膜は、少なくともその被接合面に珪素を含むのが望ましい。珪素は酸素親和力が高いため炭素膜の被接合面に酸素を導入しやすいだけでなく、炭素膜が非晶質炭素膜であれば珪素を含有することで高密着性、高硬度、高耐摩耗性、低摩擦係数、高絶縁性などの性質が付与されるため、接合強度の面でも炭素膜の特性向上の面でも好ましい。
【００１２】
また、本発明の接合体の製造方法は、基材の少なくとも一部に炭素膜が被覆されてなる第一部材と、少なくとも一部が金属材料からなる第二部材と、を備え該炭素膜と該金属材料とがはんだ付けされた接合部をもつ接合体の製造方法であって、
前記炭素膜の少なくとも被接合面に酸素を付与する酸素含有炭素膜形成工程と、
前記炭素膜と前記金属材料とを、錫を主成分とし亜鉛および希土類元素からなる群から選択される一種以上を含む錫はんだではんだ付けするはんだ付け工程と、
を含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の接合体およびその製造方法を実施するための最良の形態を説明する。
【００１４】
［接合体］
本発明の接合体は、基材の少なくとも一部に炭素膜が被覆されてなる第一部材と、少なくとも一部が金属材料からなる第二部材と、を備え炭素膜と金属材料とが錫はんだによりはんだ付けされた接合部をもつ。
【００１５】
第一部材は、基材と、基材の表面の少なくとも一部に被覆された炭素膜とからなる。基材の形状および材質に特に限定はないが、炭素膜が被覆される基材の表面は、炭素膜との密着性が高いとよい。基材と炭素膜との密着性が低いと、接合部での接合強度が高くても、基材と炭素膜との間で剥離が生じて接合体が破壊することがあるためである。基材は、鉄、アルミニウム、チタンまたは珪素などの金属またはこれを主成分とする合金、炭化物、窒化物などのセラミックスからなれば、炭素膜との密着性に優れるため、好ましい。
【００１６】
炭素膜は、炭素を主成分とする炭素材料からなる膜である。炭素膜を構成する炭素材料としては、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、グラファイト、グラッシーカーボン、フラーレン、カーボンナノチューブ等が挙げられるが、平滑な面を形成しやすく、酸素を付加しやすい点から、非晶質構造をもつ非晶質炭素（ダイヤモンドライクカーボン：ＤＬＣ）膜であるのが好ましい。炭素膜の組成は、少なくとも被接合面に酸素を含むのであれば特に限定はなく、酸素の他、珪素、水素、金属元素、窒素などを含んでもよい。酸素は、後述のように、接合部において錫はんだと化学結合する。そのため、酸素は、炭素膜の被接合面に含まれればよいが、炭素膜の全体に含まれていてもよい。このとき、炭素膜の最表面からの厚さが０．５〜５００ｎｍの表層が、酸素含有量の多い高酸素含有層であるとよい。高酸素含有層は、高酸素含有層を１００原子％（水素を含む場合は水素を除く）としたとき、酸素を５０〜７０原子％さらには５５〜６５原子％含む層であるのが好ましい。
【００１７】
また、本発明の接合体では、炭素膜、なかでもＤＬＣ膜の少なくとも被接合面に珪素を含むとよい。珪素は、酸素親和力が高い元素であるため、少なくとも炭素膜の被接合面に珪素が存在することで、被接合面に酸素を導入しやすい。珪素は、炭素膜の被接合面に含まれればよいが、炭素膜の全体に含まれていてもよい。炭素膜は、全体を１００原子％としたときに珪素を２〜４０原子％含むのが好ましい。特に、炭素膜全体を１００原子％としたときに珪素を４原子％以上さらには６原子％以上さらには９原子％以上含むと、接合部の接合強度が向上するため好ましい。
【００１８】
炭素膜は、少なくとも被接合面に酸素を含むのであれば単層構造からなるものであってもよいが、絶縁性や密着性などといった炭素膜に求められる種々の特性を高いレベルで達成するために、膜厚方向に対して水素や珪素の含有量が異なる２層以上の多層構造や傾斜構造からなるものであってもよい。
【００１９】
炭素膜の膜厚は、接合体の用途や要求される特性に応じて適宜選択すればよいが、基材との密着性の面から０．１〜１００μｍさらには０．５〜５０μｍとするのがよい。
【００２０】
第二部材は、少なくとも一部が金属材料からなれば、その形状や材質に特に限定はない。たとえば、金属材料からなるバルク体や薄膜の他、金属材料以外の材料からなる基材の表面の少なくとも一部に金属皮膜が被覆された部材であってもよい。金属材料の種類にも特に限定はなく、鉄、銅、ニッケル、モリブデン、タングステンなどの他、ステンレス、アルミニウムなどのように表面に不動態皮膜が形成される金属材料または合金であってもよい。
【００２１】
ここで、図１は、本発明の接合体を模式的に示す断面図である。接合部３では、第一部材１と第二部材２とが接合される。具体的には、基材１ｓに被覆された炭素膜１ｆと金属材料（すなわち第二部材２）とが錫はんだ３ｊではんだ付けされて接合される。錫はんだは、錫を主成分とし亜鉛および希土類元素からなる群から選択される一種以上を含む。亜鉛および希土類元素からなる群から選択される添加元素は、酸素親和力が高い。そのため、添加元素が炭素膜１ｆの被接合面１ｊに存在する酸素と化学結合し、錫はんだ３ｊは炭素膜１ｆに直接接合される。また、錫はんだ３ｊは、金属材料２に対しては、通常のはんだ付けと同様に被接合面２ｊから金属材料へと拡散結合し、錫はんだ３ｊは金属材料２に直接接合される。表面に酸化物（不動態皮膜）をもつ金属からなる金属材料２であっても、上記の添加元素が被接合面２ｊに存在する酸化物の酸素と結合し、錫はんだ３ｊは金属材料２に直接接合される。
【００２２】
上記の添加元素は、錫はんだを１００質量％としたとき、０．５〜７．５質量％さらには２〜４質量％含まれれば、十分な接合強度が得られる。添加元素は、亜鉛および希土類元素の中でも、亜鉛および／またはルテニウムが特に好ましい。なお、錫はんだは、銅、銀、鉛、ビスマス、インジウム、アンチモン、ニッケルといった通常のはんだに含まれる元素のうち少なくとも一種以上を含んでもよい。また、錫はんだは、鉛を含まないのがよい。
【００２３】
上記の構成を有する本発明の接合体は、高い接合剪断強度をもつ。具体的には、接合部の接合剪断強度が、好ましくは５ＭＰａ以上さらに好ましくは６ＭＰａ以上を示す。なお、本明細書において、接合部の接合剪断強度は、日本工業規格ＪＩＳＺ３１９８−５「鉛フリーはんだ試験方法−第５部：はんだ継手の引張及びせん断試験方法」に規定された方法により測定される値とする。
【００２４】
［接合体の用途］
以上説明した本発明の接合体は、半導体素子に発生する熱を放散・冷却するための半導体素子放熱部材に好適に用いることができる。半導体素子放熱部材は、半導体素子を搭載し、半導体素子に発生する熱を放散および／または冷却する部材であって、具体的には、ヒートシンク、ヒートスプレッダー、放熱板、冷却板等と呼ばれるような、半導体素子に発生する熱の放散や冷却に関与する放熱部材を意味する。以下に、半導体素子放熱部材を、図２を用いて説明する。
【００２５】
図２は、半導体素子放熱部材を模式的に示す断面図である。半導体素子放熱部材は、金属基体１１上に、少なくともこの金属基体１１と半導体素子４１との間を電気的に絶縁するように絶縁性のＤＬＣ膜１２を設けたものであり、この絶縁性ＤＬＣ膜１２上に電極２１を介して半導体素子４１を搭載するものである。このとき、ＤＬＣ膜１２と電極２１とは、接合部３０において錫はんだ３１によりはんだ付けされている。また、半導体素子４１は、一般的なはんだ４３により電極２１に固定される。すなわち、金属基体１１およびＤＬＣ膜１２が本発明の接合体の第一部材、電極２１（あるいは電極２１、はんだ４３および半導体素子４１）が本発明の接合体の第二部材、にそれぞれ相当する。
【００２６】
金属基体は、熱伝導性を有する公知の金属材料からなるものであれば特に限定されない。たとえば、金属基体の熱伝導率が、８Ｗ／ｍ・Ｋ以上さらには１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのがよい。ヒートシンク等の半導体素子放熱部材として用いた場合には、金属基体は放熱板の役割を担う。半導体素子の熱を効率的に放散させるためには、金属基体の熱伝導率は高い程好ましい。このような観点から、金属基体は、少なくともＡｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、ＳｉおよびＦｅから選ばれる少なくとも一種を含む金属または合金からなるのが好ましい。また、金属基体の形状および寸法は、使用目的に応じて適宜決定すればよい。
【００２７】
絶縁性ＤＬＣ膜は、炭素を主成分とし、水素を含むのが好ましい。水素を含んだ絶縁性ＤＬＣ膜は強度が強く、金属基体の表面から剥離が起こりにくい。絶縁性ＤＬＣ膜に含まれる水素の含有量は特に限定されないが、剥離防止の観点からは、絶縁性ＤＬＣ膜を１００原子％としたときに２０原子％以上さらには２５原子％以上であるのが好ましい。水素の含有量は多ければ多いほど絶縁性ＤＬＣ膜がより柔軟になるために剥離防止の上では好ましいが、水素の含有量が多すぎる場合には、ＤＬＣ膜が有機的な構造となり、強度が大幅に低下することにより逆に剥離が起こりやすくなる場合がある。そのため、絶縁性ＤＬＣ膜を１００原子％としたときの水素の含有量は、４０原子％以下さらには３５原子％以下であるのが好ましい。
【００２８】
絶縁性ＤＬＣ膜は、さらに珪素を含むことにより、ＤＬＣ膜に酸素を導入しやすいだけでなく、金属基体との密着性が向上する。また、珪素を含むことで、珪素を主たる構成成分とする半導体素子と絶縁性ＤＬＣ膜との熱膨張係数の差を小さくすることができ、両者の熱膨張係数差に起因する応力の発生を緩和できる。絶縁性ＤＬＣ膜に含まれる珪素の含有量は特に限定されないが、１〜３０原子％さらには５〜２０原子％であるとよい。珪素含有量が１原子％以上であれば、半導体素子放熱部材が大きな温度変化に曝されても、半導体素子と絶縁性ＤＬＣ膜との熱膨張係数差に起因する応力を緩和でき、剥離の発生が防止される。また、珪素含有量が３０原子％以下さらには２０原子％以下であれば、絶縁性ＤＬＣ膜の導電性が増大するのを防止でき、半導体素子と金属基体との間の絶縁性を十分に確保できる。
【００２９】
また、半導体素子放熱部材における絶縁性ＤＬＣ膜の膜厚は、半導体素子と金属基体との絶縁性を十分に確保する観点から、０．１μｍ以上さらには０．５μｍ以上が好ましい。また、半導体素子に発生した熱を金属基体へと効率的に放散させるためには数十μｍ以下とするのが好ましい。
【００３０】
以上説明した本発明の接合体からなる半導体素子放熱部材は、半導体素子に発生する熱の放熱特性に優れ、半導体素子やその他の部材との密着性に優れる。
【００３１】
本発明の構造体は、上述の半導体素子放熱部材のほか、電子部品（抵抗、コンデンサーなど）を搭載するための基板または筐体などに用いることができる。
【００３２】
［接合体の製造方法］
本発明の接合体は、以下に説明する本発明の接合体の製造方法（以下「本発明の接合方法」と記載）により作製が可能である。すなわち、本発明の製造方法は、基材の少なくとも一部に炭素膜が被覆されてなる第一部材と、少なくとも一部が金属材料からなる第二部材と、を備え該炭素膜と該金属材料とがはんだ付けされた接合部をもつ接合体の製造方法であって、主として、酸素含有炭素膜形成工程およびはんだ付け工程を含む。
【００３３】
ここで、第一部材は、プラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法、スパッタリング法など、既に公知のＣＶＤ法、ＰＶＤ法により、基材の表面に炭素膜を成膜することで得られる。炭素膜の成膜の前には、基材表面との密着性を高めるために、基材に対して表面処理をしてもよい。たとえば、基材の表面に微細な凹凸を形成してアンカー効果により密着性を高めたり、密着性を高める中間層を形成したりするなど、基材の種類に応じて行えばよい。
【００３４】
酸素含有炭素膜形成工程は、炭素膜の少なくとも被接合面に酸素を付与する工程である。炭素膜の少なくとも被接合面に酸素を付与するためには、炭素膜を形成する際に、あらかじめ酸素を含有する炭素膜を成膜してもよいし、炭素膜を成膜後に炭素膜の少なくとも被接合面に酸素を付与する処理を施してもよい。たとえば、炭素膜に酸素を含む雰囲気中で紫外線を照射したり（ＵＶ処理）、炭素膜を酸素を含むプラズマに曝したり（プラズマ処理）することで、成膜後の炭素膜であっても被接合面に酸素を付与することができる。ＵＶ処理やプラズマ処理では、−Ｏ、＝Ｏ、−ＯＨ等で表される含酸素官能基が付加されるとよい。炭素膜の少なくとも被接合面に含まれる炭素や珪素に含酸素官能基が結合することで、被接合面においてＣ−Ｏ、Ｃ−ＯＨ、Ｃ＝Ｏ、Ｓｉ−Ｏ、Ｓｉ−ＯＨなどの形態で存在する。
【００３５】
酸素含有炭素膜形成工程は、炭素膜の被接合面の水素を除く酸素含有量を５０〜７０原子％さらには５５〜６５原子％とする工程であるのが望ましい。炭素膜の被接合面の酸素含有量を５０原子％以上とすることで、接合部の接合剪断強度が高い接合体が得られる。酸素含有量が多いほど接合剪断強度が大きくなる傾向にあるが、炭素膜の被接合面の酸素含有量が７０原子％を超えても大きな向上は見られない。炭素膜の被接合面の酸素含有量は、炭素膜の成膜条件や、ＵＶ処理やプラズマ処理の処理条件を変更することで所望の含有量とすることができる。なお、本明細書において、炭素膜の表面の酸素含有量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）による表面分析により得られた値とする。ＸＰＳでは、炭素膜の表面から３ｎｍ程度までの最表面の元素分析が可能である。
【００３６】
また、前記酸素含有炭素膜形成工程は、前記炭素膜の被接合面の水素を除く珪素含有量を２０〜４０原子％さらには２５〜４０原子％とする工程であるのが望ましい。珪素を含む炭素膜であれば、ＵＶ処理またはプラズマ処理を施すことで処理中に表面の炭素は酸化されて気化するため、炭素膜の表層の珪素含有量を高められる。炭素膜の被接合面の珪素含有量を２０〜４０原子％とすることで、接合部の接合剪断強度が高い接合体が得られる。炭素膜の被接合面の珪素含有量は、炭素膜の成膜条件や、ＵＶ処理やプラズマ処理の処理条件を変更することで所望の含有量とすることができる。なお、本明細書において、炭素膜の表面の珪素含有量は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）による表面分析により得られた値とする。
【００３７】
はんだ付け工程は、炭素膜と金属材料とを、錫を主成分とし亜鉛および希土類元素からなる群から選択される一種以上を含む錫はんだではんだ付けする工程である。はんだ付け工程は、上記組成の錫はんだを用い、通常の手順ではんだ付けを行えばよい。超音波接合によりはんだ付けを行うと、超音波の印加によるキャビテーション効果により溶融した錫はんだと被接合面との接合が良好になるとともに、被接合面の酸素がトラップされやすくなるため望ましい。このとき、１００〜４００℃ではんだ付けを行うことができるため、炭素膜や金属材料の熱による劣化が防止される。
【００３８】
以上、本発明の接合体およびその製造方法の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【実施例】
【００３９】
以下に、本発明の接合体およびその製造方法の実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。
【００４０】
純アルミニウム板材から２つで一組の試験片を作製し、一方にＤＬＣ膜を成膜したのち、両者をはんだ付けして、接合体を得た。なお、接合体の形状は、ＪＩＳＺ３１９８−５に規定された１号せん断試験片試験材と同じとした。以下に、作製手順を説明する。
【００４１】
［ＤＬＣ膜の成膜］
直流プラズマＣＶＤ法により、アルミニウム製の試験片の表面全体にＤＬＣ膜を成膜した。成膜条件は、希釈ガスとしてアルゴン、水素、原料ガスとして、メタン、珪素を含むＤＬＣ膜を成膜する場合には、さらにテトラメチルシランを用い、直流電圧を印加することでプラズマを生成し、水素を含み珪素含有量の異なるＤＬＣ膜を成膜した。珪素含有量は、テトラメチルシランの量を変えることで調整した。
【００４２】
［酸素含有炭素膜形成工程］
試験片に成膜されたＤＬＣ膜に対し、ＵＶ処理またはプラズマ処理を行い、ＤＬＣ膜の表面に酸素を付与した。ＵＶ処理は、ＵＶオゾンクリーナー（フィルジェン株式会社製ＵＶ４２）を用い、波長：１８４．９ｎｍおよび２５３．７ｎｍ、紫外線強度：２８ｍＷ／ｃｍ２の条件の下、１〜１２０分の範囲で処理時間を変えて行った。また、プラズマ処理は、電子顕微鏡用親水化処理装置（日本電子株式会社製ＨＤＴ−４００）を用い、プラズマ出力５００Ｗとし、１０〜１２０秒の範囲で処理時間を変えて行った。
【００４３】
［ＤＬＣ膜の分析］
ＤＬＣ膜中の珪素含有量は、電子プローブ微小部分析法（ＥＰＭＡ）およびＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により定量した。また、膜中の水素含有量は、弾性反跳粒子検出法（ＥＲＤＡ）により定量した。ＥＲＤＡは、２ＭｅＶのヘリウムイオンビームを膜表面に照射して、膜からはじき出される水素を半導体検出器により検出し、膜中の水素濃度を測定する方法である。
【００４４】
さらに、ＤＬＣ膜の表面の炭素、酸素および珪素含有量をＸＰＳにより測定した。この表面分析には、アルバック・ファイ株式会社製ＸＰＳ分析装置を用い、Ｘ線源：単色ＡｌＫα、光電子取出角：５°、分析領域：約２００μｍφとし、最表面から３ｎｍ程度のＣ１ｓ、Ｏ１ｓおよびＳｉ２ｐのスペクトルからＤＬＣ膜の表面に含まれる各元素の含有量を求めた。
【００４５】
酸素含有非晶質炭素膜形成工程後の各ＤＬＣ膜のＸＰＳ分析結果を、図３〜図７に示す。図３は、ＤＬＣ膜を１００原子％としたとき珪素を含まず水素含有量が２０原子％のＤＬＣ膜に行ったプラズマ処理の時間に対する表面元素含有量を示す。図４は、ＤＬＣ膜を１００原子％としたとき珪素を含まず水素含有量が２０原子％のＤＬＣ膜に行ったＵＶ処理の時間に対する表面元素含有量を示す。図５は、ＤＬＣ膜を１００原子％としたときの珪素含有量が５原子％で水素含有量が３４原子％のＤＬＣ膜に行ったプラズマ処理の時間に対する表面元素含有量を示す。図６は、ＤＬＣ膜を１００原子％としたときの珪素含有量が６原子％で水素含有量が３０原子％のＤＬＣ膜に行ったＵＶ処理の時間に対する表面元素含有量を示す。図７は、ＤＬＣ膜を１００原子％としたときの珪素含有量が１０原子％で水素含有量が３１原子％のＤＬＣ膜に行ったＵＶ処理の時間に対する表面元素含有量を示す。
【００４６】
珪素を含まないＤＬＣ膜（図３および図４）では、酸素量の大きな増加は見られなかったが、未処理（処理時間が０）のものに比べて酸素量が増加した。これは、ＵＶ処理やプラズマ処理によりＣ−Ｃ結合やＣ−Ｈ結合が、Ｃ−Ｏ結合やＣ＝Ｏ結合となったためである。しかし、処理時間を長くしても酸素量はほぼ一定であり、処理方法で大きな差もなかった。酸素量が大きく増加しなかったのは、処理中に炭素は酸化されて気化するため、付与できる酸素の量に限界があるのだと推測される。一方、珪素を含むＤＬＣ膜（図５〜図７）では、処理時間が長くなるほど、表面の酸素量が増加する傾向にあった。また、処理中に炭素は酸化されて気化するため、表面の珪素が濃化するので、酸素が付与されやすい状態にあると言える。
【００４７】
［はんだ付け工程］
次に、ＤＬＣ膜を成膜後ＵＶ処理またはプラズマ処理した試験片とＤＬＣ膜をもたない試験片とを、セラミックス用はんだ（栄信工業株式会社製セラソルザ・エコ＃２１７）ではんだ付けした。なお、このセラミックス用はんだは、Ｓｎ−３．８Ｚｎ−１．２４Ｓｂ−０．０３Ａｌ（数値は質量％）である。はんだ付けには、超音波はんだ付け装置（栄信工業株式会社製特殊サンボンダーＳＯ−６）を使用し、各試験片を２９０℃以上に保持したヒータ上に載置し、それぞれのはんだ付部（被接合面）にセラミックス用はんだを超音波を印加しながら予備はんだした後、接合治具上で被接合面を重ね合わせて接合した。
【００４８】
［評価］
図４、図６および図７に示した各試験片を上記の手順によりはんだ付けして得られた接合体の接合強度（接合剪断強度）を、ＪＩＳＺ３１９８−５に規定された方法により測定した。測定結果を図８および図９に示す。図８はＤＬＣ膜の表面酸素含有量に対する接合剪断強度を示すグラフであり、図９は、表面珪素含有量に対する接合剪断強度を示すグラフである。なお、ＵＶ処理時間を０時間とした試験片を用いた接合体は、比較例（図８および図９で「未処理」と表記）である。
【００４９】
図８より、珪素を含まないＤＬＣ膜では、ＵＶ処理されて表面酸素含有量が３０ａｔ％程度となったＤＬＣ膜をもつ各接合体は、未処理（酸素１５ａｔ％）のものに比べ、接合剪断強度が向上した。また、珪素を含むＤＬＣ膜では、表面酸素含有量が高いほど接合剪断強度も向上、特に、表面酸素含有量が５４〜６３ａｔ％のＤＬＣ膜をもつ各接合体では、４．９ＭＰａを超える接合剪断強度を示した。
【００５０】
また、図９より、表面珪素含有量が２５ａｔ％以上であるＤＬＣ膜をもつ各接合体は、４．９ＭＰａを超える接合剪断強度を示した。
【００５１】
［比較例］
珪素を１０原子％含むＵＶ処理をしたＤＬＣ膜（図７の各試験片）に対し、Ｓｎ−Ｃｕはんだを用いて接合体を作製した。はんだ付けは２３０℃以上に保持して行った。
【００５２】
はんだ付けでは、いずれの試験片においても、ＤＬＣ膜とＳｎ−Ｃｕはんだとが全く濡れなかった。つまり、ＵＶ処理の有無に関わらず、接合することすらできなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の接合体を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の接合体からなる半導体素子放熱部材を模式的に示す断面図である。
【図３】珪素を含まないＤＬＣ膜に行ったプラズマ処理の時間に対する表面元素含有量を示す。
【図４】珪素を含まないＤＬＣ膜に行ったＵＶ処理の時間に対する表面元素含有量を示す。
【図５】珪素含有量が５原子％のＤＬＣ膜に行ったプラズマ処理の時間に対する表面元素含有量を示す。
【図６】珪素含有量が６原子％のＤＬＣ膜に行ったＵＶ処理の時間に対する表面元素含有量を示す。
【図７】珪素含有量が１０原子％のＤＬＣ膜に行ったＵＶ処理の時間に対する表面元素含有量を示す。
【図８】ＤＬＣ膜の表面酸素含有量に対する接合剪断強度を示すグラフである。
【図９】ＤＬＣ膜の表面珪素含有量に対する接合剪断強度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１：第一部材  １ｓ：基材  １ｆ：炭素膜  １ｊ：被接合面
１１：金属基体  １２：絶縁性非晶質炭素膜
２：第二部材（金属材料）  ２ｊ：被接合面  ２１：電極
３，３０：接合部  ３ｊ，３１：錫はんだ
【図１】
2010046700.tif 000003
【図２】
2010046700.tif 000004
【図３】
2010046700.tif 000005
【図４】
2010046700.tif 000006
【図５】
2010046700.tif 000007
【図６】
2010046700.tif 000008
【図７】
2010046700.tif 000009
【図８】
2010046700.tif 000010
【図９】
2010046700.tif 000011