(57)【要約】  耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて接合対象物を接合することができる接合材、それを用いた接合方法及び接合構造を提供する。本発明の接合材は、２つの接合対象物（１４ａ、１４ｂ）を接合する接合材（１０）であって、Ｓｎを主成分とする第１層（１１）と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層（１２）と、を備え、第１層（１１）と第２層（１２）とは積層され、第１層（１１）におけるＳｎの量は、Ｓｎと金属との間で金属間化合物（１５）を形成するＳｎの化学量論量よりも多い。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とは積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多い、接合材。
【請求項２】
前記第２層の前記金属は、ＣｕＮｉ合金である、請求項１に記載の接合材。
【請求項３】
前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量とＣｕＮｉ合金の化学量論量との合計量を１００ｗｔ％としたとき、ＣｕＮｉ合金の量は４０ｗｔ％であり、Ｓｎの量は６５ｗｔ％以上である、請求項２に記載の接合材。
【請求項４】
前記第２層の前記金属は、粉末である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接合材。
【請求項５】
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合材。
【請求項６】
更に、前記第２層は、フラックスを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合材。
【請求項７】
シート状またはテープ状である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の接合材。
【請求項８】
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多い、接合方法。
【請求項９】
前記第２層の前記金属は、ＣｕＮｉ合金である、請求項８に記載の接合方法。
【請求項１０】
前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量とＣｕＮｉ合金の化学量論量との合計量を１００ｗｔ％としたとき、ＣｕＮｉ合金の量は４０ｗｔ％であり、Ｓｎの量は６５ｗｔ％以上である、請求項９に記載の接合方法。
【請求項１１】
前記第２層の前記金属は、粉末である、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項１２】
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置される、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項１３】
前記第２層は、フラックスを含む、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項１４】
前記接合対象物における接合面は、Ｃｕを主成分とする金属で形成される、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項１５】
前記金属間化合物を形成するステップは、前記接合材を加圧しながら熱処理する、請求項８〜１４のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項１６】
２つの接合対象物を接合する接合構造であって、
Ｓｎと、Ｓｎより高い融点を有する金属との金属間化合物を主成分とする第１接合部と、
Ｓｎを主成分とする第２接合部と、
を備え、
前記第１接合部は、２つの前記接合対象物の間に形成され、
前記第２接合部は、２つの前記接合対象物の間より露出した前記第１接合部の表面に配置される、接合構造。
【請求項１７】
前記第２接合部は、２つの前記接合対象物の間より露出した前記第１接合部の表面を完全に覆っている、請求項１６に記載の接合構造。
【請求項１８】
前記金属は、ＣｕＮｉ合金である、請求項１６又は１７に記載の接合構造。
【請求項１９】
前記第１接合部の前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
更に、前記接合対象物と前記第１接合部との間に、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物を主成分とする第３接合部を備える、請求項１７に記載の接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合対象物を接合する接合材、それを用いた接合方法及び接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
接合対象物を接合する接合体として、Ｓｎ系はんだ材料中にＣｕを主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材を備える接合体が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示されている接合体では、Ｃｕ−Ｓｎ合金によって三次元網目状構造体と接合対象物の接合面とを接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１７９３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の接合体においては、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて接合対象物を接合することができないという課題がある。【０００５】
本発明は、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて接合対象物を接合することができる接合材、それを用いた接合方法及び接合構造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】
【０００６】
本発明の一態様の接合材は、
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とが積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多い。【０００７】
本発明の一態様の接合方法は、
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多い。【０００８】
本発明の一態様の接合構造は、
２つの接合対象物を接合する接合構造であって、
Ｓｎと、Ｓｎより高い融点を有する金属との金属間化合物を主成分とする第１接合部と、
Ｓｎを主成分とする第２接合部と、
を備え、
前記第１接合部は、２つの前記接合対象物の間に形成され、
前記第２接合部は、２つの前記接合対象物の間より露出した前記第１接合部表面に配置されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて接合対象物を接合することができる接合材、それを用いた接合方法及び接合構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施の形態の接合材の構成を示す概略図である。
【図２Ａ】本発明に係る実施の形態の接合材を用いた接合方法を示す図である。
【図２Ｂ】本発明に係る実施の形態の接合材を用いた接合方法を示す図である。
【図２Ｃ】本発明に係る実施の形態の接合材を用いた接合方法を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の接合構造を示す概略図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の接合構造をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により撮影した写真である。
【図５】図４の接合構造のＺ１部分の拡大図である。
【図６】図４の接合構造のＺ２部分の反射電子像である。
【図７】本発明に係る実施の形態の接合材の変形例を示す概略図である。
【図８】実施例３の接合材を用いた接合方法により接合した接合体の接合構造を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明に至った経緯）
特許文献１の接合体では、接合対象物間の接合の耐熱性を高くするためＣｕ−Ｓｎ合金を形成している。本発明者らは、Ｃｕ−Ｓｎ合金を形成する際に、低融点のＳｎが溶融して高融点のＣｕに接触すると、Ｓｎの初期配置部分にボイドが発生し、耐衝撃性を低下させるという課題を新たに発見した。そこで、本発明者らは、接合対象物間の接合の耐熱性の向上と耐衝撃性の向上との両立を実現するため、以下の発明に至った。
【００１２】
本発明の一態様の接合材は、
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とは積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多い。
【００１３】
このような構成により、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて２つの接合対象物を接合することができる。
【００１４】
前記接合材において、前記第２層の前記金属は、ＣｕＮｉ合金であってもよい。
【００１５】
このような構成により、耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００１６】
前記接合材において、前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量とＣｕＮｉ合金の化学量論量との合計量を１００ｗｔ％としたとき、ＣｕＮｉ合金の量は４０ｗｔ％であり、Ｓｎの量は６５ｗｔ％以上であってもよい。
【００１７】
このような構成により、２つの接合対象物の間に形成された金属間化合物である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５の周囲をＳｎで覆うように、接合対象物を接合することができるため、耐衝撃性を向上させることができる。
【００１８】
前記接合材において、前記第２層の前記金属は、粉末であってもよい。
【００１９】
このような構成により、金属間化合物を生成しやすくなり、耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００２０】
前記接合材において、前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されてもよい。
【００２１】
このような構成により、２つの接合対象物を接合する際に、Ｓｎの初期配置部分にボイドが発生することを抑制することができるため、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させることができる。
【００２２】
前記接合材において、前記第２層は、フラックスを含んでもよい。
【００２３】
このような構成により、酸化物を除去し、接合対象物の接合を加速することができる。
【００２４】
前記接合材は、シート状またはテープ状であってもよい。
【００２５】
このような構成により、取扱い性を向上させることができる。
【００２６】
本発明の一態様の接合方法は、
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多い。
【００２７】
このような構成により、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて２つの接合対象物を接合することができる。即ち、耐熱性の向上と耐衝撃性の向上との両立を実現した接合対象物の接合が可能となる。
【００２８】
前記接合方法において、前記第２層の前記金属は、ＣｕＮｉ合金であってもよい。
【００２９】
このような構成により、耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００３０】
前記接合方法において、前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量とＣｕＮｉ合金の化学量論量との合計量を１００ｗｔ％としたとき、ＣｕＮｉ合金の量は４０ｗｔ％であり、Ｓｎの量は６５ｗｔ％以上であってもよい。
【００３１】
このような構成により、２つの接合対象物の間に形成された金属間化合物である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５の周囲がＳｎで覆われるため、耐衝撃性を向上させることができる。
【００３２】
前記接合方法において、前記第２層の前記金属は、粉末であってもよい。
【００３３】
このような構成により、金属間化合物を生成しやすくなり、耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００３４】
前記接合方法において、前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されてもよい。
【００３５】
このような構成により、Ｓｎの初期配置部分にボイドが発生することを抑制することができるため、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させることができる。
【００３６】
前記接合方法において、前記第２層は、フラックスを含んでもよい。
【００３７】
このような構成により、酸化物を除去し、接合対象物の接合を加速することができる。
【００３８】
前記接合方法において、前記接合対象物における接合面は、Ｃｕを主成分とする金属面で形成されていてもよい。
【００３９】
このような構成により、接合対象物における接合面と接合材とが接触しやすくなり、接合対象物の接合を容易にすることができる。
【００４０】
前記接合方法において、前記金属間化合物を形成するステップは、前記接合材を加圧しながら熱処理してもよい。
【００４１】
このような構成により、Ｓｎの溶融時に、圧力に応じて接合体積が減少し、余剰のＳｎが露出した金属間化合物の表面に移動し、金属間化合物の露出した表面をＳｎで覆うことができる。これにより、耐衝撃性を向上させることができる。
【００４２】
本発明の一態様の接合構造は、
２つの接合対象物を接合する接合構造であって、
Ｓｎと、Ｓｎより高い融点を有する金属との金属間化合物を主成分とする第１接合部と、
Ｓｎを主成分とする第２接合部と、
を備え、
前記第１接合部は、２つの前記接合対象物の間に形成され、
前記第２接合部は、２つの前記接合対象物の間より露出した前記第１接合部の表面に配置されている。
【００４３】
このような構成により、Ｓｎを主成分とする第２接合部が金属間化合物を主成分とする第１接合部の表面に配置されることにより、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて２つの接合対象物を接合することができる。
【００４４】
前記接合構造において、前記第２接合部は、２つの前記接合対象物の間より露出した前記第１接合部の表面を完全に覆っていてもよい。
【００４５】
このような構成により、Ｓｎを主成分とする第２接合部が金属間化合物を主成分とする第１接合部の露出した表面を完全に覆うことで、耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００４６】
前記接合構造において、前記金属は、ＣｕＮｉ合金であってもよい。
【００４７】
このような構成により、耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００４８】
前記接合構造において、前記第１接合部の前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
更に、前記接合対象物と前記第１接合部との間に、Ｃｕ３Ｓｎの金属間化合物を主成分とする第３接合部を備えてもよい。
【００４９】
このような構成により、耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００５０】
以下、本発明に係る実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。また、各図においては、説明を容易なものとするため、各要素を誇張して示している。
【００５１】
（実施の形態）
［接合材］
本発明に係る実施の形態の接合材について説明する。
【００５２】
図１は、本発明に係る実施の形態の接合材１０の構成を示す概略図である。図１に示すように、接合材１０は、Ｓｎを主成分とする第１層１１と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層１２とを備える。第１層１１と第２層１２とは、積層されており、第２層１２は、対向する２つの第１層１１の間に接触して配置されている。また、第２層１２は、フラックス１３を含む。
【００５３】
＜第１層＞
第１層１１は、Ｓｎを主成分とする金属の層である。Ｓｎを主成分とする金属とは、例えば、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−Ｓｂ等を含む。第１層１１は、接合対象物の接合面と接触する金属製の薄膜層である。第１層１１の厚さは、例えば、５０μｍ以上２００μｍ以下である。なお、接合対象物の接合面と接触する側の第１層１１の表面には、接着性の樹脂又はフラックスが配置されていてもよい。これにより、接合対象物との接合を容易に行うことができる。実施の形態においては、２つの第１層１１が、第２層１２を挟んで対向して配置されている。
なお、上記の金属の表記において、例えば「Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｃｕ」の数字３．５は当該成分(この場合はＡｇ)の重量％、数字０．５は当該成分(この場合はＣｕ)の重量％の値を示している。
【００５４】
＜第２層＞
第２層１２は、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする層である。Ｓｎより高い融点を有する金属とは、例えば、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｍｎ合金等を含む。第２層１２の厚さは、例えば、１０μｍ以上５０μｍ以下である。実施の形態において、第２層１２は、Ｃｕ−１０Ｎｉ（以下、「ＣｕＮｉ合金」と称する）の粉末層である。Ｃｕ−１０Ｎｉとは、Ｎｉが１０ｗｔ％含まれることを意味している。粉末層とは、金属粉末を含む材料によって形成された層である。第２層１２は、対向する２つの第１層１１との間に挟み込まれている。
【００５５】
＜フラックス＞
フラックス１３は、第２層１２内に含まれている。フラックスは、接合対象物又は金属の表面の酸化膜を除去するものである。フラックスは、例えば、ビヒクル、溶剤、チキソ剤、活性剤等の、公知の種々のものを用いることができる。
【００５６】
実施の形態において、接合材１０をＳｎの融点、即ち２３１．９３℃以上で熱処理すると、第１層１１におけるＳｎと第２層１２におけるＣｕＮｉ合金とが化学反応して、金属間化合物である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成する。第１層１１のＳｎの量は、ＣｕＮｉ合金と金属間化合物を生成する化学量論量よりも多い。具体的には、金属間化合物である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量（６０ｗｔ％）とＣｕＮｉ合金の化学量論量（４０ｗｔ％）との合計量を１００ｗｔ％としたとき、接合材１０において、第２層１２のＣｕＮｉ合金の量は４０ｗｔ％であり、第１層１１のＳｎの量は６５ｗｔ％以上である。言い換えると、接合材１０において、第１層１１のＳｎの量は、第２層１２のＣｕＮｉ合金の量の１．６倍以上である。
【００５７】
接合材１０は、例えば、取扱い性を考慮して、シート状又はテープ状に形成されている。
【００５８】
接合対象物１４ａ、１４ｂは、金属の接合面を有する対象物であればよい。接合対象物１４ａ、１４ｂとしては、例えば、電子部品の電極に用いられるＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ及びＡｕ、Ｃｕのブスバー、Ｓｎめっき鋼板等が挙げられる。
【００５９】
［接合方法］
本発明の実施の形態の接合材１０を用いた接合方法について説明する。
【００６０】
図２Ａ〜図２Ｃは、本発明に係る実施の形態の接合材１０を用いた接合方法の各工程を示す。
【００６１】
図２Ａに示すように、対向する２つの接合対象物１４ａ、１４ｂとの間に接合材１０を配置する。接合材１０は、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間に挟み込まれる。なお、実施の形態において、接合対象物１４ａ、１４ｂにおいて、接合材１０と接触する面は、Ｃｕを主成分とする金属で形成されている。
【００６２】
図２Ｂに示すように、接合対象物１４ａから接合対象物１４ｂへ向かう方向３０に接合材１０を加圧しながら熱処理を行う。具体的には、対向する２つの接合対象物１４ａ、１４ｂ間の距離が小さくなるように、加圧治具によって接合対象物１４ａの上面を押圧する方向３０へ加圧する。また、Ｓｎ合金の融点、例えば純Ｓｎであれば２３１℃以上であって、且つＣｕの融点、即ち１０８４℃より低い温度で接合材１０に対して熱処理を行う。
【００６３】
この熱処理によって、第１層１１のＳｎが溶融する。溶融したＳｎが、第２層１２のＣｕＮｉ合金と接触することによって化学反応が起こり、２５０℃以上の融点の金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５が形成される。金属間化合物１５の形成に伴い、体積が減少することによって金属間化合物１５中に隙間が形成される。この隙間に溶融したＳｎが次々に流入するため、ボイドの発生を抑制することができる。これは、Ｓｎの量がＣｕとの間で（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成する化学量論量よりも多いためである。
【００６４】
実施の形態において、第２層１２は２つの第１層１１の間に挟まれている。そのため、ＳｎとＣｕＮｉとの化学反応は、接合材１０の厚み方向において、第２層１２の外表面、即ち第２層１２と第１層１１との接触面から第２層１２の中央に向かって徐々に生じていく。言い換えると、金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５は、接合材１０の厚み方向において、第２層１２の外表面から中央に向かって徐々に形成される。これにより、フラックス１３由来のガスが発生しても、接合材１０の延在方向において、ガスは第２層１２の中央部分から外部へ抜ける。このため、フラックス１３由来のガスによるボイドの発生を抑制することができる。
【００６５】
図２Ｃに示すように、ＳｎとＣｕＮｉとの化学反応が更に進み、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂとの間に、金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を主成分とする第１接合部１６が形成される。第１接合部１６が形成された状態から更に方向３０へ加圧すると、余剰のＳｎが（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５の周囲に移動する。これにより、Ｓｎを主成分とする金属が、接合対象物１４ａ、１４ｂを接合している第１接合部１６の露出した表面を覆う第２接合部１７を形成する。
【００６６】
また、接合対象物１４ａ、１４ｂの接合面がＣｕで形成されている場合、接合対象物１４ａ、１４ｂの接合面のＣｕと第１層１１のＳｎとが化学反応する。この化学反応により、第１接合部１６と接合対象物１４ａ、１４ｂとの間に、ＳｎとＣｕとの金属間化合物であるＣｕ３Ｓｎを主成分とする第３接合部が形成される。この第３接合部は、接合対象物１４ａ、１４ｂとの接合をより容易にすることができる。第３接合部については、後述する。
【００６７】
［接合構造］
本発明の実施の形態の接合構造について説明する。
【００６８】
図３は、本発明に係る実施の形態の接合構造２０を示す概略図である。
【００６９】
図３に示すように、接合構造２０は、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂ間において、第１接合部１６と、第１接合部１６の周りを覆う第２接合部１７と、第１接合部１６と接合対象物１４ａ、１４ｂとの間に形成される第３接合部１８とを備える。
【００７０】
＜第１接合部＞
第１接合部１６は、ＳｎとＣｕＮｉとの金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を主成分とする部分である。第１接合部１６は、対向する２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間に形成されており、接合対象物１４ａ、１４ｂを接合している。なお、第１接合部１６は、主成分の（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５以外に、Ｓｎ又はＣｕＮｉを含んでいてもよい。
【００７１】
＜第２接合部＞
第２接合部１７は、Ｓｎを主成分とする部分である。第２接合部１７は、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間より露出した第１接合部１６の表面に配置されている。第２接合部１７は、第１接合部１６よりも靱性が高い。このため、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間より露出した第１接合部１６の表面に第２接合部１７を配置することによって、耐衝撃性を向上させることができる。実施の形態においては、第２接合部１７は、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間より露出した第１接合部１６表面を完全に覆っている。また、第２接合部１７は、主成分のＳｎ以外に、金属間化合物１５を含んでいてもよい。
【００７２】
＜第３接合部＞
第３接合部１８は、ＳｎとＣｕとの金属間化合物であるＣｕ３Ｓｎを主成分とする部分である。第３接合部１８は、接合対象物１４ａ、１４ｂの接合面がＣｕで形成されている場合に、接合対象物１４ａ、１４ｂと第１接合部１６との間に形成される。第３接合部１８は、接合対象物１４ａと接合対象物１４ｂとの接合の耐熱性及び耐衝撃性を向上させるものである。
【００７３】
図４は、接合構造２０をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により撮影した写真である。図５は、図４の接合構造２０のＺ１部分の拡大図である。図４及び図５において、黒色の部分はボイドを示す。図４及び図５に示すように、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間に形成された第１接合部１６において、黒色の部分が少なくボイドの発生が抑制されていることがわかる。また、第１接合部１６において、Ｓｎと化学反応できなかったＣｕＮｉの金属粉末１９が一部含まれているが、金属間化合物１５の（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５が大半を占めていることがわかる。
【００７４】
図６は、図４の接合構造２０のＺ２部分の反射電子像である。図６において、白色の部分は、Ｓｎを主成分とする第２接合部１７を示し、灰色の部分は、金属間化合物１５を主成分とする第１接合部１６を示し、黒色の部分は、ＣｕＮｉの金属粉末１９を示す。図６に示すように、対向する接合対象物１４ａ、１４ｂ間に形成された第１接合部１６の露出した部分において、第２接合部１７が形成されている。即ち、第１接合部１６の主成分である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５の露出した表面を、第２接合部１７の主成分であるＳｎが覆っている。
【００７５】
［効果］
本発明に係る実施の形態の接合材１０、接合方法及び接合構造２０によれば、以下の効果を得ることができる。
【００７６】
接合材１０は、Ｓｎを主成分とする第１層１１と、Ｓｎより高融点のＣｕＮｉ合金を主成分とする第２層１２とを積層して配置している。また、第１層１１におけるＳｎの量は、Ｓｎと第２層１２のＣｕＮｉとの間で金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量よりも多い。接合材１０を用いた接合方法では、接合材１０を２つの接合対象物１４ａ、１４ｂ間に配置して、熱処理することによりＳｎとＣｕＮｉとの金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成している。この接合方法においては、ＳｎとＣｕＮｉとの拡散反応により、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂを接合する接合部に、Ｓｎよりも高い融点を有する金属間化合物１５を形成することができる。この金属間化合物１５によって、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂを、耐熱性を向上させて接合することができる。また、第１層１１のＳｎの量が、金属間化合物１５を形成する化学量論量よりも多いため、金属間化合物１５の生成により生じる隙間に溶融した余剰のＳｎが流入する。これにより、ボイドの発生を抑制することができ、接合の耐衝撃性を向上させることができる。
【００７７】
接合方法において、接合材１０を加圧することによって、金属間化合物１５の露出した表面をＣｕＮｉ合金と化学反応しなかった余剰のＳｎで覆うことができる。Ｓｎは、金属間化合物１５よりも靱性が高いため、金属間化合物１５を保護することができる。これにより、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂを、耐衝撃性を向上させて接合することができる。
【００７８】
接合方法において、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの接合面がＣｕで形成されている場合、熱処理により第１層１１のＳｎと接合面のＣｕとが化学反応を起こし、金属間化合物であるＣｕ３Ｓｎを形成する。このＣｕ３Ｓｎにより、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの接合の耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００７９】
接合材１０において、第２層１２をＣｕＮｉ合金の金属粉末層にすることによって、金属間化合物１５を生成しやすくなり、耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００８０】
接合材１０において、第２層１２は、２つの第１層１１の間に配置されているため、ＳｎとＣｕＮｉとの化学反応が、接合材１０の厚み方向において、第１層１１と第２層１２との接触面から、第２層１２の中央部に向かって徐々に生じていく。これにより、熱処理によって発生するフラックス１３由来のガスが、接合材１０の延在方向において、第２層１２の中央部分から外部へ抜けるため、フラックス１３由来のガスによるボイドの発生を抑制することができる。
【００８１】
接合材１０は、シート状またはテープ状にすることによって、取り扱い性を向上させることができる。
【００８２】
接合構造２０は、接合材１０を用いた接合方法によって作ることができる。接合構造２０は、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間に形成された金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を主成分とする第１接合部１６と、第１接合部１６の露出した表面を覆うＳｎを主成分とする第２接合部１７と、を備えている。このような構成により、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの接合の耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させることができる。
【００８３】
接合構造２０において、接合対象物１４ａ、１４ｂと第１接合部１６との間にＣｕ３Ｓｎを主成分とする第３接合部１８を備えることによって、耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００８４】
なお、実施の形態において、第２層１２は、ＣｕＮｉ合金の金属粉末層を説明したが、これに限定されない。第２層１２は、例えば、ＣｕＮｉ合金の金属板層であってもよい。第２層１２を金属板層にすることによって、第１層１１と第２層１２とを容易に積層することができる。また、第２層１２は、ＣｕＮｉ合金に限らず、Ｓｎより高い融点を有し、且つＳｎとの間で金属間化合物を形成することができる金属であればよい。
【００８５】
また、ＣｕＮｉ合金は、少なくともＣｕとＮｉを含んでいればよい。例えば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のように、ＣｕとＮｉ以外の金属（この場合はＣｏ）を含んでもよい。
【００８６】
実施の形態の接合方法において、加圧治具により加圧しながら熱処理することによって金属間化合物を形成する例について説明したが、これに限定されない。接合方法は、例えば、接合対象物１４ａの自重によって、接合対象物１４ａ、１４ｂ間の距離を小さくしてもよい。このように、加圧治具を使用せずに熱処理するだけで接合対象物１４ａ、１４ｂを接合することもできる。
【００８７】
実施の形態において、接合対象物１４ａ、１４ｂと第１層１１との間にＣｎ３Ｓｎを主成分とする第３接合部１８を有する接合構造２０について説明したが、これに限定されない。接合構造２０は、第３接合部１８を備えなくてもよい。これにより、第３接合部１８を形成するためのコスト、例えば、接合対象物１４ａ、１４ｂの接合面をＣｕで形成するコストを低減することができる。
【００８８】
実施の形態において、第２層１２が２つの第１層１１の間に配置される構成について説明したが、これに限定されない。図７は、実施の形態の変形例の接合材１０Ａを示す。図７に示すように、接合材１０Ａは、１つの第１層１１と、１つの第２層１２とを備え、第１層１１の上に第２層１２を積層している。このように、第２層１２の片側の面に第１層１１が接触する構成であってもよい。このような構成により、接合材１０Ａが製造しやすくなる。
【００８９】
以下、実施例について説明する。
【００９０】
（実施例１）
実施例１において、第１層１１におけるＳｎの量を変化させて耐衝撃性の評価を行った。
【００９１】
耐衝撃性の評価において、ＳｎとＣｕＮｉとの金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量（６０ｗｔ％）とＣｕＮｉの化学量論量（４０ｗｔ％）との合計量が１００ｗｔ％であるとした。実施例１は、接合材１０のＣｕＮｉの量を４０ｗｔ％に固定して、Ｓｎの量を６５ｗｔ％、７０ｗｔ％、７５ｗｔ％、１００ｗｔ％、及び２００ｗｔ％に変化させている。言い換えると、Ｓｎの化学量論量をＣｕの量の１．５倍であるとした場合に、実施例１では、Ｓｎの量を、Ｃｕの量の１．６倍、１．７倍、１．８倍、２．５倍、及び５倍に変化させている。
【００９２】
実施例１の接合材１０の製造方法について説明する。
５０μｍ以上２００μｍ以下の種々の厚みのＳｎ箔（株式会社ニラコ製）に、粒径５μｍのＣｕＮｉ粉末とフラックスとを含むペーストを塗布厚さ２０μｍとなるようにドクターブレードで印刷した後、ペーストを乾燥させる。次に、ペーストが塗布されたＳｎ箔を５ｍｍ角で切り出し、ペーストの上に別のＳｎ箔を配置する。
【００９３】
実施例１の接合材１０を用いた接合方法について説明する。
縦５ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２ｍｍの２つのＣｕ板の間に、接合材１０を挟み込む。このときの構造は、下からＣｕ板、Ｓｎ箔、ＣｕＮｉペースト、Ｓｎ箔、Ｃｕ板となる。接合材１０を挟んだＣｕ板に、加圧治具によって１０ＭＰａの圧力を加える。圧力を加えた状態で、接合材１０を挟んだＣｕ板をホットプレートに載せ、２７０℃になるように加熱する。昇温速度は、約１００℃／ｍｉｎ、保持時間は２ｍｉｎとする。この条件で、接合材１０を挟んだＣｕ板を加圧しながら加熱した後、ホップレートから取り出して空冷する。
【００９４】
耐衝撃性の評価について説明する。
耐衝撃性は、実施例１の接合材１０を用いて接合された種々のＣｕ板を用いて落下試験を行うことにより評価を行った。落下試験は、接合されたＣｕ板を２０ｃｍの高さから落下させ、Ｃｕ板が剥離するか否かを確認することによって行った。即ち、Ｃｕ板を落下させた衝撃により、Ｃｕ板の接合が破壊されるか否かを確認した。耐衝撃性の評価は、２０回の落下試験を行い、故障率を算出することによって行った。故障率とは、落下試験でＣｕ板の接合が破壊された割合を意味する。表１は、耐衝撃性の評価の結果を示す。
【００９５】
【表１】
2017134974.tif 000003
【００９６】
表１において、比較例は、接合材１０におけるＳｎの量を、金属間化合物１５を形成する化学量論量である６０ｗｔ％でＣｕ板を接合した接合構造２０を有する。実施例１は、前述したように、接合材１０におけるＳｎの量を、金属間化合物１５を形成する化学量論量より多くしてＣｕ板を接合した接合構造２０を有する。具体的には、実施例１では、ＣｕＮｉの量が４０ｗｔ％であるのに対し、Ｓｎの量をそれぞれ６５ｗｔ％、７０ｗｔ％、７５ｗｔ％、１００ｗｔ％、及び２００ｗｔ％としている。
【００９７】
表１に示すように、比較例１では、落下試験による故障率が１００％であった。これに対し、実施例１では、Ｓｎの量が６５ｗｔ％、７０ｗｔ％、及び７５ｗｔ％のとき、故障率は、それぞれ２５％、２０％、及び１５％であった。また、Ｓｎの量が１００ｗｔ％及び２００ｗｔ％のとき、故障率は、両方とも０％であった。
【００９８】
実施例１において、Ｓｎの量が６５ｗｔ％、７０ｗｔ％、及び７５ｗｔ％の場合、金属間化合物１５の露出した表面がＳｎにより部分的に覆われた状態になると考えられる。そのため、金属間化合物１５の一部がＳｎに覆われずに露出し、落下による衝撃で破壊されたものと考えられる。一方、実施例１において、Ｓｎの量が１００ｗｔ％、及び２００ｗｔ％の場合、金属間化合物１５の露出した表面がＳｎにより完全に覆われた状態になると考えられる。そのため、金属間化合物１５の周囲をＳｎにより完全に保護することができると考えられる。
【００９９】
このように、実施例１において、ＣｕＮｉに対してＳｎの量が増大するほど、故障率が低下していることがわかる。したがって、接合材１０においては、ＣｕＮｉの量が４０ｗｔ％であるのに対し、Ｓｎの量を６５ｗｔ％以上にすることが好ましい。より好ましくは、ＣｕＮｉの量が４０ｗｔ％であるのに対し、Ｓｎの量は、６５ｗｔ％以上２００ｗｔ％以下にすることが好ましい。言い換えると、Ｓｎの量は、ＣｕＮｉの量の１．６倍以上にすることが好ましい。より好ましくは、Ｓｎの量は、ＣｕＮｉの量の１．６倍以上５倍以下であることが好ましい。
【０１００】
（実施例２）
実施例２において、第２層１２のＣｕＮｉにおけるＮｉ含有量を変化させて耐熱接合性の評価を行った。
【０１０１】
実施例２においては、第２層１２のＣｕＮｉにおけるＮｉの含有量を、３ｗｔ％、４ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％、２０ｗｔ％、３０ｗｔ％、及び４０ｗｔ％に変化させている。
【０１０２】
実施例２の接合材１０を用いた接合方法は、実施例１の接合方法と同様であるため、説明を省略する。
【０１０３】
耐熱接合性の評価について説明する。
耐熱接合性は、前述した接合方法により接合されたＣｕ板の片方を持ち上げた場合に、Ｃｕ板が剥離するか否かを確認することによって評価を行った。なお、この評価において、ＣｕＮｉの量を４０ｗｔ％、Ｓｎの量を６０ｗｔ％とした。表２に、耐熱整合性の評価の結果を示す。
【０１０４】
【表２】
2017134974.tif 000004
【０１０５】
表２に示すように、実施例２において、ＣｕＮｉにおけるＮｉの含有量が３ｗｔ％、４ｗｔ％、及び４０ｗｔ％のとき、Ｃｕ板の片方を持ち上げた場合、Ｃｕ板が剥離した。これは、Ｎｉの含有量が少なすぎるか、又は多すぎることにより、ＳｎとＣｕＮｉとの金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成することができなかったからであると考えられる。一方、実施例２において、ＣｕＮｉにおけるＮｉの含有量が５ｗｔ％、１０ｗｔ％、２０ｗｔ％、及び３０ｗｔ％のとき、Ｃｕ板の剥離が生じなかった。
【０１０６】
このように、ＣｕＮｉにおけるＮｉの含有量が５ｗｔ〜３０ｗｔ％のとき、ＳｎとＣｕＮｉとの金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成することができるため、耐熱接合性を向上させることができる。
【０１０７】
（実施例３）
実施例３において、第１層１１をＳｎペースト、第２層１２ａをＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏ箔で形成した接合材１０を用いた接合方法について説明する。
【０１０８】
実施例３の接合材１０は、厚み２００μｍのＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏ箔の両主面に、それぞれ約４０ｍｇのＳＮ１００Ｃ（日本スペリア製）のソルダーペースト（Ｓｎペースト）を塗布することによって形成される。
【０１０９】
実施例３の接合材１０を用いた接合方法について説明する。
接合対象物１４ａ、１４ｂである一辺が２ｍｍの２つのＣｕの立方体の間に、接合材１０を挟み込む。このときの構造は、下からＣｕの立方体、Ｓｎペースト、Ｃｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏ箔、Ｓｎペースト、Ｃｕの立方体となる。接合材１０Ｂを挟んだＣｕの立方体を２６０℃のホットプレート上で３秒間加熱し、その後、パルスヒートユニット（日本アビオニクス製）を用いて拡散接合を行った。拡散接合の条件は、温度３００℃、加圧力１０ＭＰａ、接合時間５ｍｉｎとした。このときの昇温時間は５０秒とした。
【０１１０】
実施例３の接合材１０を用いた接合方法により接合された接合体の接合構造２０Ａについて図８を用いて説明する。
図８は、実施例３の接合材１０を用いた接合方法により接合された接合体の接合構造２０Ａの一部を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により撮影した写真である。なお、図８に示す写真は、日立ハイテクノロジーズ製の電界放射型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ、Ｓ−４８００）を用いて、加速電圧５ｋＶで撮影した反射電子像である。図８に示すように、接合構造２０Ａにおいては、第２層１２ａであるＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏ箔の一部が２つの接合対象物１４ａと１４ｂとの間に残った状態となる。また、接合構造２０Ａにおいては、接合対象物１４ａであるＣｕの立方体と、Ｃｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏとの間に金属間化合物１５が形成されている。なお、図示されていないが、接合対象物１４ｂであるＣｕの立方体と、Ｃｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏとの間にも金属間化合物１５が形成されている。即ち、接合構造２０Ａは、上から接合対象物１４ａであるＣｕの立方体、金属間化合物１５、第２層１２ａであるＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏ箔、金属間化合物１５、接合対象物１４ｂであるＣｕの立方体で構成されている。
【０１１１】
図８に示すように、接合構造２０Ａは、接合対象物１４ａであるＣｕの立方体と第２層１２ａであるＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏとの間に形成された金属間化合物１５は、界面にボイドの少ない構造となっている。
【０１１２】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した特許請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明は、例えば、電子部品実装，配線接合，銅配管接合，ホビー用途等の分野に有用である。
【符号の説明】
【０１１４】
１０、１０Ａ  接合材
１１  第１層
１２、１２ａ  第２層
１３  フラックス
１４ａ、１４ｂ  接合対象物
１５  金属間化合物
１６  第１接合部
１７  第２接合部
１８  第３接合部
１９  金属粉末
２０、２０Ａ  接合構造
３０  方向
【図１】
2017134974.tif 000005
【図２Ａ】
2017134974.tif 000006
【図２Ｂ】
2017134974.tif 000007
【図２Ｃ】
2017134974.tif 000008
【図３】
2017134974.tif 000009
【図４】
2017134974.tif 000010
【図５】
2017134974.tif 000011
【図６】
2017134974.tif 000012
【図７】
2017134974.tif 000013
【図８】
2017134974.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月11日(2018.5.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とは積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層の前記金属は、粉末である、接合材。
【請求項２】
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とは積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層は、フラックスを含む、接合材。
【請求項３】
前記第２層の前記金属は、ＣｕＮｉ合金である、請求項１又は２に記載の接合材。
【請求項４】
前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量とＣｕＮｉ合金の化学量論量との合計量を１００ｗｔ％としたとき、ＣｕＮｉ合金の量は４０ｗｔ％であり、Ｓｎの量は６５ｗｔ％以上である、請求項３に記載の接合材。
【請求項５】
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合材。
【請求項６】
シート状またはテープ状である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合材。
【請求項７】
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層の前記金属は、粉末である、接合方法。
【請求項８】
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層は、フラックスを含む、接合方法。
【請求項９】
前記第２層の前記金属は、ＣｕＮｉ合金である、請求項７又は８に記載の接合方法。
【請求項１０】
前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量とＣｕＮｉ合金の化学量論量との合計量を１００ｗｔ％としたとき、ＣｕＮｉ合金の量は４０ｗｔ％であり、Ｓｎの量は６５ｗｔ％以上である、請求項９に記載の接合方法。
【請求項１１】
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置される、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項１２】
前記接合対象物における接合面は、Ｃｕを主成分とする金属で形成される、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項１３】
前記金属間化合物を形成するステップは、前記接合材を加圧しながら熱処理する、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の接合方法。
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月24日(2018.8.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とは積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層の前記金属は、粉末であり、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている、接合材。
【請求項２】
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とは積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層は、フラックスを含み、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている、接合材。
【請求項３】
前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎとＣｕＮｉとの割合として、Ｓｎ／ＣｕＮｉの重量の比率は１．６以上である、請求項１又は２に記載の接合材。
【請求項４】
シート状またはテープ状である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の接合材。
【請求項５】
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層の前記金属は、粉末であり、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている、接合方法。
【請求項６】
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層は、フラックスを含み、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている、接合方法。
【請求項７】
前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎとＣｕＮｉとの割合として、Ｓｎ／ＣｕＮｉの重量の比率は１．６以上である、請求項６に記載の接合方法。
【請求項８】
前記接合対象物における接合面は、Ｃｕを主成分とする金属で形成される、請求項５〜７のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項９】
前記金属間化合物を形成するステップは、前記接合材を加圧しながら熱処理する、請求項５〜８のいずれか一項に記載の接合方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合対象物を接合する接合材、それを用いた接合方法及び接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
接合対象物を接合する接合体として、Ｓｎ系はんだ材料中にＣｕを主成分とする三次元網目状構造体を含有するはんだ部材を備える接合体が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示されている接合体では、Ｃｕ−Ｓｎ合金によって三次元網目状構造体と接合対象物の接合面とを接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１７９３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の接合体においては、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて接合対象物を接合することができないという課題がある。
【０００５】
本発明は、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて接合対象物を接合することができる接合材、それを用いた接合方法及び接合構造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】
【０００６】
本発明の一態様の接合材は、
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とが積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層の前記金属は、粉末であり、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている。
【０００７】
本発明の一態様の接合材は、
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とは積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層は、フラックスを含み、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている。
【０００８】
本発明の一態様の接合方法は、
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層の前記金属は、粉末であり、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている。
【０００９】
本発明の一態様の接合方法は、
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層は、フラックスを含み、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている。。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて接合対象物を接合することができる接合材、それを用いた接合方法及び接合構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る実施の形態の接合材の構成を示す概略図である。
【図２Ａ】本発明に係る実施の形態の接合材を用いた接合方法を示す図である。
【図２Ｂ】本発明に係る実施の形態の接合材を用いた接合方法を示す図である。
【図２Ｃ】本発明に係る実施の形態の接合材を用いた接合方法を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の接合構造を示す概略図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の接合構造をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により撮影した写真である。
【図５】図４の接合構造のＺ１部分の拡大図である。
【図６】図４の接合構造のＺ２部分の反射電子像である。
【図７】本発明に係る実施の形態の接合材の変形例を示す概略図である。
【図８】実施例３の接合材を用いた接合方法により接合した接合体の接合構造を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（本発明に至った経緯）
特許文献１の接合体では、接合対象物間の接合の耐熱性を高くするためＣｕ−Ｓｎ合金を形成している。本発明者らは、Ｃｕ−Ｓｎ合金を形成する際に、低融点のＳｎが溶融して高融点のＣｕに接触すると、Ｓｎの初期配置部分にボイドが発生し、耐衝撃性を低下させるという課題を新たに発見した。そこで、本発明者らは、接合対象物間の接合の耐熱性の向上と耐衝撃性の向上との両立を実現するため、以下の発明に至った。
【００１３】
本発明の一態様の接合材は、
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とは積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層の前記金属は、粉末であり、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている。  
【００１４】
本発明の一態様の接合材は、
２つの接合対象物を接合する接合材であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、
Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層とは積層され、
前記第１層におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層は、フラックスを含み、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている。
【００１５】
このような構成により、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて２つの接合対象物を接合することができる。
【００１６】
前記接合材において、前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎとＣｕＮｉとの割合として、Ｓｎ／ＣｕＮｉの重量の比率は１．６以上であってもよい。
【００１７】
このような構成により、２つの接合対象物の間に形成された金属間化合物である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５の周囲をＳｎで覆うように、接合対象物を接合することができるため、耐衝撃性を向上させることができる。
【００１８】
前記接合材は、シート状またはテープ状であってもよい。
【００１９】
このような構成により、取扱い性を向上させることができる。
【００２０】
本発明の一態様の接合方法は、
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層の前記金属は、粉末であり、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている。
【００２１】
本発明の一態様の接合方法は、
２つの接合対象物を接合する接合方法であって、
Ｓｎを主成分とする第１層と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層とを積層した接合材を、２つの前記接合対象物との間に配置するステップ、
Ｓｎの融点以上であり、且つ前記金属の融点より低い温度で前記接合材を熱処理することによって金属間化合物を形成するステップ、
を含み、
前記接合材におけるＳｎの量は、Ｓｎと前記金属との間で前記金属間化合物を形成するＳｎの化学量論量よりも多く、
前記第２層は、フラックスを含み、
前記第２層の前記金属は、Ｎｉの含有量が５〜３０重量％であるＣｕＮｉ又はＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏであり、
前記第２層は、２つの前記第１層の間に配置されている。
【００２２】
このような構成により、耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させて２つの接合対象物を接合することができる。即ち、耐熱性の向上と耐衝撃性の向上との両立を実現した接合対象物の接合が可能となる。
【００２３】
前記接合方法において、前記金属間化合物は、（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５であり、
（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎとＣｕＮｉとの割合として、Ｓｎ／ＣｕＮｉの重量の比率は１．６以上であってもよい。
【００２４】
このような構成により、２つの接合対象物の間に形成された金属間化合物である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５の周囲がＳｎで覆われるため、耐衝撃性を向上させることができる。
【００２５】
前記接合方法において、前記接合対象物における接合面は、Ｃｕを主成分とする金属面で形成されていてもよい。
【００２６】
このような構成により、接合対象物における接合面と接合材とが接触しやすくなり、接合対象物の接合を容易にすることができる。
【００２７】
前記接合方法において、前記金属間化合物を形成するステップは、前記接合材を加圧しながら熱処理してもよい。
【００２８】
このような構成により、Ｓｎの溶融時に、圧力に応じて接合体積が減少し、余剰のＳｎが露出した金属間化合物の表面に移動し、金属間化合物の露出した表面をＳｎで覆うことができる。これにより、耐衝撃性を向上させることができる。
【００２９】
以下、本発明に係る実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。また、各図においては、説明を容易なものとするため、各要素を誇張して示している。
【００３０】
（実施の形態）
［接合材］
本発明に係る実施の形態の接合材について説明する。
【００３１】
図１は、本発明に係る実施の形態の接合材１０の構成を示す概略図である。図１に示すように、接合材１０は、Ｓｎを主成分とする第１層１１と、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする第２層１２とを備える。第１層１１と第２層１２とは、積層されており、第２層１２は、対向する２つの第１層１１の間に接触して配置されている。また、第２層１２は、フラックス１３を含む。
【００３２】
＜第１層＞
第１層１１は、Ｓｎを主成分とする金属の層である。Ｓｎを主成分とする金属とは、例えば、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−Ｓｂ等を含む。第１層１１は、接合対象物の接合面と接触する金属製の薄膜層である。第１層１１の厚さは、例えば、５０μｍ以上２００μｍ以下である。なお、接合対象物の接合面と接触する側の第１層１１の表面には、接着性の樹脂又はフラックスが配置されていてもよい。これにより、接合対象物との接合を容易に行うことができる。実施の形態においては、２つの第１層１１が、第２層１２を挟んで対向して配置されている。
なお、上記の金属の表記において、例えば「Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｃｕ」の数字３．５は当該成分(この場合はＡｇ)の重量％、数字０．５は当該成分(この場合はＣｕ)の重量％の値を示している。
【００３３】
＜第２層＞
第２層１２は、Ｓｎより高い融点を有する金属を主成分とする層である。Ｓｎより高い融点を有する金属とは、例えば、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ−Ｍｎ合金等を含む。第２層１２の厚さは、例えば、１０μｍ以上５０μｍ以下である。実施の形態において、第２層１２は、Ｃｕ−１０Ｎｉ（以下、「ＣｕＮｉ合金」と称する）の粉末層である。Ｃｕ−１０Ｎｉとは、Ｎｉが１０ｗｔ％含まれることを意味している。粉末層とは、金属粉末を含む材料によって形成された層である。第２層１２は、対向する２つの第１層１１との間に挟み込まれている。
【００３４】
＜フラックス＞
フラックス１３は、第２層１２内に含まれている。フラックスは、接合対象物又は金属の表面の酸化膜を除去するものである。フラックスは、例えば、ビヒクル、溶剤、チキソ剤、活性剤等の、公知の種々のものを用いることができる。
【００３５】
実施の形態において、接合材１０をＳｎの融点、即ち２３１．９３℃以上で熱処理すると、第１層１１におけるＳｎと第２層１２におけるＣｕＮｉ合金とが化学反応して、金属間化合物である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成する。第１層１１のＳｎの量は、ＣｕＮｉ合金と金属間化合物を生成する化学量論量よりも多い。具体的には、金属間化合物である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量（６０ｗｔ％）とＣｕＮｉ合金の化学量論量（４０ｗｔ％）との合計量を１００ｗｔ％としたとき、接合材１０において、第２層１２のＣｕＮｉ合金の量は４０ｗｔ％であり、第１層１１のＳｎの量は６５ｗｔ％以上である。言い換えると、接合材１０において、第１層１１のＳｎの量は、第２層１２のＣｕＮｉ合金の量の１．６倍以上である。
【００３６】
接合材１０は、例えば、取扱い性を考慮して、シート状又はテープ状に形成されている。
【００３７】
接合対象物１４ａ、１４ｂは、金属の接合面を有する対象物であればよい。接合対象物１４ａ、１４ｂとしては、例えば、電子部品の電極に用いられるＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ及びＡｕ、Ｃｕのブスバー、Ｓｎめっき鋼板等が挙げられる。
【００３８】
［接合方法］
本発明の実施の形態の接合材１０を用いた接合方法について説明する。
【００３９】
図２Ａ〜図２Ｃは、本発明に係る実施の形態の接合材１０を用いた接合方法の各工程を示す。
【００４０】
図２Ａに示すように、対向する２つの接合対象物１４ａ、１４ｂとの間に接合材１０を配置する。接合材１０は、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間に挟み込まれる。なお、実施の形態において、接合対象物１４ａ、１４ｂにおいて、接合材１０と接触する面は、Ｃｕを主成分とする金属で形成されている。
【００４１】
図２Ｂに示すように、接合対象物１４ａから接合対象物１４ｂへ向かう方向３０に接合材１０を加圧しながら熱処理を行う。具体的には、対向する２つの接合対象物１４ａ、１４ｂ間の距離が小さくなるように、加圧治具によって接合対象物１４ａの上面を押圧する方向３０へ加圧する。また、Ｓｎ合金の融点、例えば純Ｓｎであれば２３１℃以上であって、且つＣｕの融点、即ち１０８４℃より低い温度で接合材１０に対して熱処理を行う。
【００４２】
この熱処理によって、第１層１１のＳｎが溶融する。溶融したＳｎが、第２層１２のＣｕＮｉ合金と接触することによって化学反応が起こり、２５０℃以上の融点の金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５が形成される。金属間化合物１５の形成に伴い、体積が減少することによって金属間化合物１５中に隙間が形成される。この隙間に溶融したＳｎが次々に流入するため、ボイドの発生を抑制することができる。これは、Ｓｎの量がＣｕとの間で（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成する化学量論量よりも多いためである。
【００４３】
実施の形態において、第２層１２は２つの第１層１１の間に挟まれている。そのため、ＳｎとＣｕＮｉとの化学反応は、接合材１０の厚み方向において、第２層１２の外表面、即ち第２層１２と第１層１１との接触面から第２層１２の中央に向かって徐々に生じていく。言い換えると、金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５は、接合材１０の厚み方向において、第２層１２の外表面から中央に向かって徐々に形成される。これにより、フラックス１３由来のガスが発生しても、接合材１０の延在方向において、ガスは第２層１２の中央部分から外部へ抜ける。このため、フラックス１３由来のガスによるボイドの発生を抑制することができる。
【００４４】
図２Ｃに示すように、ＳｎとＣｕＮｉとの化学反応が更に進み、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂとの間に、金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を主成分とする第１接合部１６が形成される。第１接合部１６が形成された状態から更に方向３０へ加圧すると、余剰のＳｎが（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５の周囲に移動する。これにより、Ｓｎを主成分とする金属が、接合対象物１４ａ、１４ｂを接合している第１接合部１６の露出した表面を覆う第２接合部１７を形成する。
【００４５】
また、接合対象物１４ａ、１４ｂの接合面がＣｕで形成されている場合、接合対象物１４ａ、１４ｂの接合面のＣｕと第１層１１のＳｎとが化学反応する。この化学反応により、第１接合部１６と接合対象物１４ａ、１４ｂとの間に、ＳｎとＣｕとの金属間化合物であるＣｕ３Ｓｎを主成分とする第３接合部が形成される。この第３接合部は、接合対象物１４ａ、１４ｂとの接合をより容易にすることができる。第３接合部については、後述する。
【００４６】
［接合構造］
本発明の実施の形態の接合構造について説明する。
【００４７】
図３は、本発明に係る実施の形態の接合構造２０を示す概略図である。
【００４８】
図３に示すように、接合構造２０は、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂ間において、第１接合部１６と、第１接合部１６の周りを覆う第２接合部１７と、第１接合部１６と接合対象物１４ａ、１４ｂとの間に形成される第３接合部１８とを備える。
【００４９】
＜第１接合部＞
第１接合部１６は、ＳｎとＣｕＮｉとの金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を主成分とする部分である。第１接合部１６は、対向する２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間に形成されており、接合対象物１４ａ、１４ｂを接合している。なお、第１接合部１６は、主成分の（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５以外に、Ｓｎ又はＣｕＮｉを含んでいてもよい。
【００５０】
＜第２接合部＞
第２接合部１７は、Ｓｎを主成分とする部分である。第２接合部１７は、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間より露出した第１接合部１６の表面に配置されている。第２接合部１７は、第１接合部１６よりも靱性が高い。このため、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間より露出した第１接合部１６の表面に第２接合部１７を配置することによって、耐衝撃性を向上させることができる。実施の形態においては、第２接合部１７は、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間より露出した第１接合部１６表面を完全に覆っている。また、第２接合部１７は、主成分のＳｎ以外に、金属間化合物１５を含んでいてもよい。
【００５１】
＜第３接合部＞
第３接合部１８は、ＳｎとＣｕとの金属間化合物であるＣｕ３Ｓｎを主成分とする部分である。第３接合部１８は、接合対象物１４ａ、１４ｂの接合面がＣｕで形成されている場合に、接合対象物１４ａ、１４ｂと第１接合部１６との間に形成される。第３接合部１８は、接合対象物１４ａと接合対象物１４ｂとの接合の耐熱性及び耐衝撃性を向上させるものである。
【００５２】
図４は、接合構造２０をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により撮影した写真である。図５は、図４の接合構造２０のＺ１部分の拡大図である。図４及び図５において、黒色の部分はボイドを示す。図４及び図５に示すように、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間に形成された第１接合部１６において、黒色の部分が少なくボイドの発生が抑制されていることがわかる。また、第１接合部１６において、Ｓｎと化学反応できなかったＣｕＮｉの金属粉末１９が一部含まれているが、金属間化合物１５の（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５が大半を占めていることがわかる。
【００５３】
図６は、図４の接合構造２０のＺ２部分の反射電子像である。図６において、白色の部分は、Ｓｎを主成分とする第２接合部１７を示し、灰色の部分は、金属間化合物１５を主成分とする第１接合部１６を示し、黒色の部分は、ＣｕＮｉの金属粉末１９を示す。図６に示すように、対向する接合対象物１４ａ、１４ｂ間に形成された第１接合部１６の露出した部分において、第２接合部１７が形成されている。即ち、第１接合部１６の主成分である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５の露出した表面を、第２接合部１７の主成分であるＳｎが覆っている。
【００５４】
［効果］
本発明に係る実施の形態の接合材１０、接合方法及び接合構造２０によれば、以下の効果を得ることができる。
【００５５】
接合材１０は、Ｓｎを主成分とする第１層１１と、Ｓｎより高融点のＣｕＮｉ合金を主成分とする第２層１２とを積層して配置している。また、第１層１１におけるＳｎの量は、Ｓｎと第２層１２のＣｕＮｉとの間で金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量よりも多い。接合材１０を用いた接合方法では、接合材１０を２つの接合対象物１４ａ、１４ｂ間に配置して、熱処理することによりＳｎとＣｕＮｉとの金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成している。この接合方法においては、ＳｎとＣｕＮｉとの拡散反応により、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂを接合する接合部に、Ｓｎよりも高い融点を有する金属間化合物１５を形成することができる。この金属間化合物１５によって、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂを、耐熱性を向上させて接合することができる。また、第１層１１のＳｎの量が、金属間化合物１５を形成する化学量論量よりも多いため、金属間化合物１５の生成により生じる隙間に溶融した余剰のＳｎが流入する。これにより、ボイドの発生を抑制することができ、接合の耐衝撃性を向上させることができる。
【００５６】
接合方法において、接合材１０を加圧することによって、金属間化合物１５の露出した表面をＣｕＮｉ合金と化学反応しなかった余剰のＳｎで覆うことができる。Ｓｎは、金属間化合物１５よりも靱性が高いため、金属間化合物１５を保護することができる。これにより、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂを、耐衝撃性を向上させて接合することができる。
【００５７】
接合方法において、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの接合面がＣｕで形成されている場合、熱処理により第１層１１のＳｎと接合面のＣｕとが化学反応を起こし、金属間化合物であるＣｕ３Ｓｎを形成する。このＣｕ３Ｓｎにより、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの接合の耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００５８】
接合材１０において、第２層１２をＣｕＮｉ合金の金属粉末層にすることによって、金属間化合物１５を生成しやすくなり、耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００５９】
接合材１０において、第２層１２は、２つの第１層１１の間に配置されているため、ＳｎとＣｕＮｉとの化学反応が、接合材１０の厚み方向において、第１層１１と第２層１２との接触面から、第２層１２の中央部に向かって徐々に生じていく。これにより、熱処理によって発生するフラックス１３由来のガスが、接合材１０の延在方向において、第２層１２の中央部分から外部へ抜けるため、フラックス１３由来のガスによるボイドの発生を抑制することができる。
【００６０】
接合材１０は、シート状またはテープ状にすることによって、取り扱い性を向上させることができる。
【００６１】
接合構造２０は、接合材１０を用いた接合方法によって作ることができる。接合構造２０は、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの間に形成された金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を主成分とする第１接合部１６と、第１接合部１６の露出した表面を覆うＳｎを主成分とする第２接合部１７と、を備えている。このような構成により、２つの接合対象物１４ａ、１４ｂの接合の耐熱性を向上させつつ、且つ耐衝撃性を向上させることができる。
【００６２】
接合構造２０において、接合対象物１４ａ、１４ｂと第１接合部１６との間にＣｕ３Ｓｎを主成分とする第３接合部１８を備えることによって、耐熱性及び耐衝撃性を更に向上させることができる。
【００６３】
なお、実施の形態において、第２層１２は、ＣｕＮｉ合金の金属粉末層を説明したが、これに限定されない。第２層１２は、例えば、ＣｕＮｉ合金の金属板層であってもよい。第２層１２を金属板層にすることによって、第１層１１と第２層１２とを容易に積層することができる。また、第２層１２は、ＣｕＮｉ合金に限らず、Ｓｎより高い融点を有し、且つＳｎとの間で金属間化合物を形成することができる金属であればよい。
【００６４】
また、ＣｕＮｉ合金は、少なくともＣｕとＮｉを含んでいればよい。例えば、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ合金のように、ＣｕとＮｉ以外の金属（この場合はＣｏ）を含んでもよい。
【００６５】
実施の形態の接合方法において、加圧治具により加圧しながら熱処理することによって金属間化合物を形成する例について説明したが、これに限定されない。接合方法は、例えば、接合対象物１４ａの自重によって、接合対象物１４ａ、１４ｂ間の距離を小さくしてもよい。このように、加圧治具を使用せずに熱処理するだけで接合対象物１４ａ、１４ｂを接合することもできる。
【００６６】
実施の形態において、接合対象物１４ａ、１４ｂと第１層１１との間にＣｎ３Ｓｎを主成分とする第３接合部１８を有する接合構造２０について説明したが、これに限定されない。接合構造２０は、第３接合部１８を備えなくてもよい。これにより、第３接合部１８を形成するためのコスト、例えば、接合対象物１４ａ、１４ｂの接合面をＣｕで形成するコストを低減することができる。
【００６７】
実施の形態において、第２層１２が２つの第１層１１の間に配置される構成について説明したが、これに限定されない。図７は、実施の形態の変形例の接合材１０Ａを示す。図７に示すように、接合材１０Ａは、１つの第１層１１と、１つの第２層１２とを備え、第１層１１の上に第２層１２を積層している。このように、第２層１２の片側の面に第１層１１が接触する構成であってもよい。このような構成により、接合材１０Ａが製造しやすくなる。
【００６８】
以下、実施例について説明する。
【００６９】
（実施例１）
実施例１において、第１層１１におけるＳｎの量を変化させて耐衝撃性の評価を行った。
【００７０】
耐衝撃性の評価において、ＳｎとＣｕＮｉとの金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成するＳｎの化学量論量（６０ｗｔ％）とＣｕＮｉの化学量論量（４０ｗｔ％）との合計量が１００ｗｔ％であるとした。実施例１は、接合材１０のＣｕＮｉの量を４０ｗｔ％に固定して、Ｓｎの量を６５ｗｔ％、７０ｗｔ％、７５ｗｔ％、１００ｗｔ％、及び２００ｗｔ％に変化させている。言い換えると、Ｓｎの化学量論量をＣｕＮｉの量の１．５倍であるとした場合に、実施例１では、Ｓｎの量を、ＣｕＮｉの量の１．６倍、１．７倍、１．８倍、２．５倍、及び５倍に変化させている。
【００７１】
実施例１の接合材１０の製造方法について説明する。
５０μｍ以上２００μｍ以下の種々の厚みのＳｎ箔（株式会社ニラコ製）に、粒径５μｍのＣｕＮｉ粉末とフラックスとを含むペーストを塗布厚さ２０μｍとなるようにドクターブレードで印刷した後、ペーストを乾燥させる。次に、ペーストが塗布されたＳｎ箔を５ｍｍ角で切り出し、ペーストの上に別のＳｎ箔を配置する。
【００７２】
実施例１の接合材１０を用いた接合方法について説明する。
縦５ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２ｍｍの２つのＣｕ板の間に、接合材１０を挟み込む。このときの構造は、下からＣｕ板、Ｓｎ箔、ＣｕＮｉペースト、Ｓｎ箔、Ｃｕ板となる。接合材１０を挟んだＣｕ板に、加圧治具によって１０ＭＰａの圧力を加える。圧力を加えた状態で、接合材１０を挟んだＣｕ板をホットプレートに載せ、２７０℃になるように加熱する。昇温速度は、約１００℃／ｍｉｎ、保持時間は２ｍｉｎとする。この条件で、接合材１０を挟んだＣｕ板を加圧しながら加熱した後、ホップレートから取り出して空冷する。
【００７３】
耐衝撃性の評価について説明する。
耐衝撃性は、実施例１の接合材１０を用いて接合された種々のＣｕ板を用いて落下試験を行うことにより評価を行った。落下試験は、接合されたＣｕ板を２０ｃｍの高さから落下させ、Ｃｕ板が剥離するか否かを確認することによって行った。即ち、Ｃｕ板を落下させた衝撃により、Ｃｕ板の接合が破壊されるか否かを確認した。耐衝撃性の評価は、２０回の落下試験を行い、故障率を算出することによって行った。故障率とは、落下試験でＣｕ板の接合が破壊された割合を意味する。表１は、耐衝撃性の評価の結果を示す。
【００７４】
【表１】
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【００７５】
表１において、比較例は、接合材１０におけるＳｎの量を、金属間化合物１５を形成する化学量論量である６０ｗｔ％でＣｕ板を接合した接合構造２０を有する。実施例１は、前述したように、接合材１０におけるＳｎの量を、金属間化合物１５を形成する化学量論量より多くしてＣｕ板を接合した接合構造２０を有する。具体的には、実施例１では、ＣｕＮｉの量が４０ｗｔ％であるのに対し、Ｓｎの量をそれぞれ６５ｗｔ％、７０ｗｔ％、７５ｗｔ％、１００ｗｔ％、及び２００ｗｔ％としている。
【００７６】
表１に示すように、比較例１では、落下試験による故障率が１００％であった。これに対し、実施例１では、Ｓｎの量が６５ｗｔ％、７０ｗｔ％、及び７５ｗｔ％のとき、故障率は、それぞれ２５％、２０％、及び１５％であった。また、Ｓｎの量が１００ｗｔ％及び２００ｗｔ％のとき、故障率は、両方とも０％であった。
【００７７】
実施例１において、Ｓｎの量が６５ｗｔ％、７０ｗｔ％、及び７５ｗｔ％の場合、金属間化合物１５の露出した表面がＳｎにより部分的に覆われた状態になると考えられる。そのため、金属間化合物１５の一部がＳｎに覆われずに露出し、落下による衝撃で破壊されたものと考えられる。一方、実施例１において、Ｓｎの量が１００ｗｔ％、及び２００ｗｔ％の場合、金属間化合物１５の露出した表面がＳｎにより完全に覆われた状態になると考えられる。そのため、金属間化合物１５の周囲をＳｎにより完全に保護することができると考えられる。
【００７８】
このように、実施例１において、ＣｕＮｉに対してＳｎの量が増大するほど、故障率が低下していることがわかる。したがって、接合材１０においては、ＣｕＮｉの量が４０ｗｔ％であるのに対し、Ｓｎの量を６５ｗｔ％以上にすることが好ましい。より好ましくは、ＣｕＮｉの量が４０ｗｔ％であるのに対し、Ｓｎの量は、６５ｗｔ％以上２００ｗｔ％以下にすることが好ましい。言い換えると、Ｓｎの量は、ＣｕＮｉの量の１．６倍以上にすることが好ましい。より好ましくは、Ｓｎの量は、ＣｕＮｉの量の１．６倍以上５倍以下であることが好ましい。
【００７９】
（実施例２）
実施例２において、第２層１２のＣｕＮｉにおけるＮｉ含有量を変化させて耐熱接合性の評価を行った。
【００８０】
実施例２においては、第２層１２のＣｕＮｉにおけるＮｉの含有量を、３ｗｔ％、４ｗｔ％、５ｗｔ％、１０ｗｔ％、２０ｗｔ％、３０ｗｔ％、及び４０ｗｔ％に変化させている。
【００８１】
実施例２の接合材１０を用いた接合方法は、実施例１の接合方法と同様であるため、説明を省略する。
【００８２】
耐熱接合性の評価について説明する。
耐熱接合性は、前述した接合方法により接合されたＣｕ板の片方を持ち上げた場合に、Ｃｕ板が剥離するか否かを確認することによって評価を行った。なお、この評価において、ＣｕＮｉの量を４０ｗｔ％、Ｓｎの量を６０ｗｔ％とした。表２に、耐熱整合性の評価の結果を示す。
【００８３】
【表２】
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【００８４】
表２に示すように、実施例２において、ＣｕＮｉにおけるＮｉの含有量が３ｗｔ％、４ｗｔ％、及び４０ｗｔ％のとき、Ｃｕ板の片方を持ち上げた場合、Ｃｕ板が剥離した。これは、Ｎｉの含有量が少なすぎるか、又は多すぎることにより、ＳｎとＣｕＮｉとの金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成することができなかったからであると考えられる。一方、実施例２において、ＣｕＮｉにおけるＮｉの含有量が５ｗｔ％、１０ｗｔ％、２０ｗｔ％、及び３０ｗｔ％のとき、Ｃｕ板の剥離が生じなかった。
【００８５】
このように、ＣｕＮｉにおけるＮｉの含有量が５ｗｔ〜３０ｗｔ％のとき、ＳｎとＣｕＮｉとの金属間化合物１５である（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５を形成することができるため、耐熱接合性を向上させることができる。
【００８６】
（実施例３）
実施例３において、第１層１１をＳｎペースト、第２層１２ａをＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏ箔で形成した接合材１０を用いた接合方法について説明する。
【００８７】
実施例３の接合材１０は、厚み２００μｍのＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏ箔の両主面に、それぞれ約４０ｍｇのＳＮ１００Ｃ（日本スペリア製）のソルダーペースト（Ｓｎペースト）を塗布することによって形成される。
【００８８】
実施例３の接合材１０を用いた接合方法について説明する。
接合対象物１４ａ、１４ｂである一辺が２ｍｍの２つのＣｕの立方体の間に、接合材１０を挟み込む。このときの構造は、下からＣｕの立方体、Ｓｎペースト、Ｃｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏ箔、Ｓｎペースト、Ｃｕの立方体となる。接合材１０Ｂを挟んだＣｕの立方体を２６０℃のホットプレート上で３秒間加熱し、その後、パルスヒートユニット（日本アビオニクス製）を用いて拡散接合を行った。拡散接合の条件は、温度３００℃、加圧力１０ＭＰａ、接合時間５ｍｉｎとした。このときの昇温時間は５０秒とした。
【００８９】
実施例３の接合材１０を用いた接合方法により接合された接合体の接合構造２０Ａについて図８を用いて説明する。
図８は、実施例３の接合材１０を用いた接合方法により接合された接合体の接合構造２０Ａの一部を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により撮影した写真である。なお、図８に示す写真は、日立ハイテクノロジーズ製の電界放射型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ、Ｓ−４８００）を用いて、加速電圧５ｋＶで撮影した反射電子像である。図８に示すように、接合構造２０Ａにおいては、第２層１２ａであるＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏ箔の一部が２つの接合対象物１４ａと１４ｂとの間に残った状態となる。また、接合構造２０Ａにおいては、接合対象物１４ａであるＣｕの立方体と、Ｃｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏとの間に金属間化合物１５が形成されている。なお、図示されていないが、接合対象物１４ｂであるＣｕの立方体と、Ｃｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏとの間にも金属間化合物１５が形成されている。即ち、接合構造２０Ａは、上から接合対象物１４ａであるＣｕの立方体、金属間化合物１５、第２層１２ａであるＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏ箔、金属間化合物１５、接合対象物１４ｂであるＣｕの立方体で構成されている。
【００９０】
図８に示すように、接合構造２０Ａは、接合対象物１４ａであるＣｕの立方体と第２層１２ａであるＣｕ−２Ｎｉ−４Ｃｏとの間に形成された金属間化合物１５は、界面にボイドの少ない構造となっている。
【００９１】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した特許請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、例えば、電子部品実装，配線接合，銅配管接合，ホビー用途等の分野に有用である。
【符号の説明】
【００９３】
１０、１０Ａ  接合材
１１  第１層
１２、１２ａ  第２層
１３  フラックス
１４ａ、１４ｂ  接合対象物
１５  金属間化合物
１６  第１接合部
１７  第２接合部
１８  第３接合部
１９  金属粉末
２０、２０Ａ  接合構造
３０  方向
【国際調査報告】
2017134974.tif 000017
2017134974.tif 000018
2017134974.tif 000019
2017134974.tif 000020