(57)【要約】ナノ構造多層フォイルにおける自己伝播形成反応は、室温で熱の急激な発生をもたらし、よって局所熱源として機能して、はんだ層又はろう材層を溶融するとともに材料を接合する。この反応接合方法は、部品に対し非常に局所的な加熱を行い、接合部の端から端にわたって急速冷却を行う。急速冷却により、はんだ材料又はろう材料が非常に緻密な微細構造となる。はんだ材料又はろう材料の緻密な微細構造のスケールは、反応接合部の冷却速度によって決まり、冷却速度はフォイル及び部品の形状及び特性によって変わる。炉内でのはんだ溶融により形成された接合部のはんだ層又はろう材層の微細構造は、冷却速度が遅いことによりさらに一層粗い。はんだ又はろう材の微細構造がより緻密な反応接合部は、はんだ又はろう材の微細構造がさらに一層粗くなる従来の炉による接合により形成される反応接合部に比較してより高いせん断強度を示す。反応接合部は、従来の炉による接合部に比較して疲労特性もより優れていることが予測される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の本体及び第２の本体をともに接合する方法であって、
前記第１の本体及び前記第２の本体の間に、反応性多層フォイル及び該フォイルに隣接するろう材料又ははんだ材料の少なくとも１つの層を配置する工程と、
前記フォイルとともに前記本体を押し当て、且つ前記フォイルを点火して前記ろう材又ははんだを溶融させる工程とを含み、
前記溶融したろう材又ははんだは、凝固したときに１００ナノメートル未満の層間隔をもたらすのに十分な冷却速度を有する、第１の本体及び第２の本体をともに接合する方法。
【請求項２】
第１の本体及び第２の本体をともに接合する方法であって、
前記第１の本体及び前記第２の本体の間に、反応性多層フォイル及び該フォイルに隣接するろう材料又ははんだ材料の少なくとも１つの層を配置する工程と、
前記フォイルとともに前記本体を押し当て、且つ前記フォイルを点火して前記ろう材又ははんだを溶融させる工程とを含み、
前記溶融したろう材又ははんだは、凝固したときに５０ナノメートル未満の層間隔をもたらすのに十分な冷却速度を有する、第１の本体及び第２の本体をともに接合する方法。
【請求項３】
第１の本体及び第２の本体をともに接合する方法であって、
前記第１の本体及び前記第２の本体の間に、反応性多層フォイル及び該フォイルに隣接するろう材料又ははんだ材料の少なくとも１つの層を配置する工程と、
前記フォイルとともに前記本体を押し当て、且つ前記フォイルを点火して前記ろう材又ははんだを溶融させる工程とを含み、
前記溶融したろう材又ははんだは、凝固した際に１０ナノメートル未満の層間隔をもたらすのに十分な冷却速度を有する、第１の本体及び第２の本体をともに接合する方法。
【請求項４】
前記反応性多層フォイルが、自立形反応性多層フォイルである請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第１の本体と該第１の本体にはんだ又はろう材から成る領域により接合される第２の本体とから成る接合構造体であって、前記領域は、１００ナノメートル未満の層間隔を有する、第１の本体と該第１の本体にはんだ又はろう材から成る領域により接合される第２の本体とから成る接合構造体。
【請求項６】
第１の本体と該第１の本体にはんだ又はろう材から成る領域により接合される第２の本体とから成る接合構造体であって、前記領域は、５０ナノメートル未満の層間隔を有する、第１の本体と該第１の本体にはんだ又はろう材から成る領域により接合される第２の本体とから成る接合構造体。
【請求項７】
第１の本体と該第１の本体にはんだ又はろう材から成る領域により接合される第２の本体とから成る接合構造体であって、前記領域は、１０ナノメートル未満の層間隔を有する、第１の本体と該第１の本体にはんだ又はろう材から成る領域により接合される第２の本体とから成る接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［米国政府利権］
米国政府は、ＮＳＦ（全米科学財団）により支援された助成番号ＤＭＩ−０１１５２３８に従い、本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本願は、Etienne Besnoin他により２００３年５月１３日付けで出願された米国仮特許出願第６０／４６９，８４１号（発明の名称「Method of Controlling Thermal Waves In Reactive Multilayer Joining and Resulting Product」）及びJiaping Wang他により２００３年６月４日付けで出願された同第６０／４７５，８３０号（発明の名称「Microstructure of Solder or Braze in Joints Made With Freestanding Reactive Multilayer Foils」）（これらは双方とも参照により本明細書に援用される）の恩典を主張する。
【０００３】
本願はまた、２００１年５月１日付けで出願された米国特許出願第０９／８４６，４８６号（発明の名称「Freestanding Reactive Multilayer Foils」）（T.Weihsらにより２０００年５月２日に出願された米国仮特許出願第６０／２０１，２９２号（発明の名称「Reactive Multilayer Foils」）の恩典を主張する本出願である）の分割出願として、T.Weihsらにより２００４年１月２１日付けで出願された米国特許出願第１０／７６１，６８８号（発明の名称「Freestanding Reactive Multilayer Foils」）の一部継続出願でもある。本節で引用している出願はすべて、参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００４】
［発明の背景］
同一又は異なる材料の部品を接合することは、船舶及び航空機から小型の半導体及び光学素子に至る範囲の広範な製品を製造する際の基本である。ろう付け又ははんだ付けによる接合は、金属部分から成る製品の組み立て、及び、電子素子及び光学素子の作製の際に特に重要である。
【０００５】
通常、はんだ付け又はろう付け製品は、ろう材又ははんだを各部品の嵌合面の間に挟持し、且つその挟持した構造体を炉内で又はトーチにより加熱することにより製造される。不都合なことに、これらの従来の手法は部品及び接合領域の双方とも有害な熱に曝露する場合が多い。ろう付け又ははんだ付けにおいて、感温部品（temperature-sensitive components）が損傷を受ける可能性があり、接合部に対する熱損傷により、コストが高くなるとともに時間がかかるアニールが必要になりかねない。または、半導体素子等の感熱部品（heat-sensitive components）があることにより、低温で接合する必要があるため、接合が弱くなりかねない。
【０００６】
【特許文献１】米国仮特許出願第６０／４６９，８４１号
【特許文献２】米国仮特許出願第６０／４７５，８３０号
【特許文献３】米国特許出願第０９／８４６，４８６号
【特許文献４】米国仮特許出願第６０／２０１，２９２号
【特許文献５】米国特許出願第１０／７６１，６８８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、ろう材又ははんだにより製品を接合する改良された方法、及び当該方法が製造することができる改良された接合製品が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［発明の概要］
本発明者等は、炉又はトーチを用いてろう付け又ははんだ付けを行う従来の手法により、本質的に、準最良の接合部を形成することを確立した。炉又はトーチは、接合領域だけでなく、接合すべき本体も加熱する。接合領域に隣接するこれらの本体の加熱は、本体の断熱効果と組み合わさって、ろう材又ははんだの冷却を遅め、微細構造が拡大した接合部をもたらし、機械的特性を弱める。
【０００９】
本発明によれば、材料の本体同士は、それらの嵌合面と隣接する１つ又は複数のろう材層又ははんだ層との間にナノ構造反応性フォイルを配置することによって嵌合面間で接合される。フォイルの組成及び厚さは、熱成形法により、本体の破壊的な加熱を最小限にとどめるとともに最適な熱プロファイルを与えるように選択され、優れた機械的特性を有するナノ構造接合部を生成するようにする。
【００１０】
次に、添付の図面とともに詳細に説明する例示的な実施態様を考慮すれば、本発明の性質、利点、及び種々のさらなる特徴がより十分に明らかとなるであろうう。
【００１１】
これらの図面は、本発明の概念を示すためのものであり、グラフ及び顕微鏡写真以外は、等尺率ではないことを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
［詳細な説明］
本明細書は３つのパートに分かれる。パート１では、反応性フォイルの接合及び得られる接合部を説明するとともに示す。パートＩＩでは、反応性フォイルの接合を最適にするのに有用な熱モデリング法を説明し、パートＩＩＩでは、優れた接合部を形成するための熱モデルの適用を例示する。括弧付き符号で示された参照符号については、添付リストに全て挙げる。
【００１３】
Ｉ．方法及び得られる接合製品
Ａ．反応性多層フォイル、及び接合部を形成する際の反応性多層フォイルの使用
自己伝播発熱形成反応（self-propagating exothermic formation reactions）が、Ａｌ／Ｎｉ、Ａｌ／Ｔｉ、Ｎｉ／Ｓｉ、及びＮｂ／Ｓｉフォイル［１−４］のような、種々のナノ構造多層フォイルにおいて観察されている。これらの反応は、原子結合エネルギーの低減により推進される。小さいスパーク又は火炎のようなエネルギーパルスにより反応が開始すると、原子拡散が層に対し垂直に生じる。
【００１４】
図１は、それぞれ、材料Ａ及びＢの交互層１６及び１８から成る反応性多層フォイル１４を概略的に示す。これらの交互層１６及び１８は、刺激に応答して、隣接する原子の混合を受け易い（すなわち化学結合変化を有する）任意の材料とすることができる。好ましくは、要素の対Ａ／Ｂは反応して、生成の多量の負の熱（negative heat）及び高い断熱反応温度を有する安定的な化合物を形成するような方法に基づいて選択される。広範のそのような組み合わせは、上記で言及した米国特許出願第０９／８４６，４８６号（参照により本明細書に援用される）に記載されている。
【００１５】
結合交換により、非常に急速に熱が発生する。熱拡散が層に対し平行に生じ、熱はフォイルに伝導して、さらなる原子混合及び化合物形成を促し、それにより、フォイルに沿って自己伝播反応が確立する。これらの自己伝播発熱反応の速度は、層厚さによって決まり、３０ｍ／秒もの高くなり、最高反応温度は１，２００℃を超える［５］。
【００１６】
反応性多層フォイルは、局所熱源としてフォイルを用いてはんだ層又はろう材層を溶融し、それにより部品を接合することにより、従来のはんだ付け及びろう付け技術を劇的に向上する特有の機会を提供する。反応性フォイルのはんだ付け又はろう付けは、室温で、且つ、空気中、アルゴン中、又は真空で行うことができる。
【００１７】
図２は、反応性多層フォイル１４を用いて２つの部品２０Ａ及び２０Ｂをともに接合することを概略的に示す。この反応性フォイル１４は、部品の嵌合面２１Ａ及び２１Ｂと、ろう材又ははんだの隣接する１つ又は複数のこの層２２Ａ、２２Ｂとの間に挟持される。反応性フォイル１４は、好ましくは、上述した米国特許出願第０９／８４６，４８６号に記載の自立形反応性フォイルであるが、１つ又は複数の部品の被覆とすることもできる。ろう材層又ははんだ層も又、自立形とすることができるか、又は部品の被覆とすることができる。
【００１８】
部品、フォイル、及びはんだ又はろう材が組み立てられると、点火刺激（ignition stimulus）２３がフォイル１４に加えられてフォイルの熱波面として急速で激しい熱拡散が生じる。
【００１９】
この新たな反応接合（reactive joining）プロセスにより、炉又は他の外部熱源の必要性がなくなり、非常に局所的な加熱により、感温部品又は感温材料が、熱損傷することなく接合することができる。反応性フォイルによりなされる局所加熱は、非常に様々な熱膨張係数で材料を接合する、例えば金属及びセラミックを接合するのにも有利である。通常、金属がセラミックにはんだ付け又はろう付けされると、高いはんだ付け温度又はろう付け温度から冷却の際に著しい熱応力が生じるが、この理由は、熱膨張係数が金属及びセラミック間で一致しないためである。これらの熱応力により、金属／セラミックの接合領域の大きさが制限される。反応性多層と接合する際、金属及びセラミック部品は、熱をほとんど吸収せず、温度の上昇が非常に限られている。はんだ層又はろう材層、及び部品の表面のみが実質的に加熱される。したがって、金属部品及びセラミック部品間の熱収縮の一般的な不一致、並びにその結果生じる離層が回避され、この反応接合プロセスにより、大面積を有する強力な金属／セラミック接合部を形成することができる。
【００２０】
さらに、反応接合プロセスは迅速であり、コスト効果的であるため、強力な熱伝導接合部が得られる。よって、特に微細電子素子の組み立てに対しかなりの商業的利点を達成することができる。
【００２１】
Ｂ．接合部の微細構造に影響を及ぼす因子
これらの接続部の種々の用途に応じて、機械的、熱的、及び電気的特性のような、はんだ接合部又はろう材接合部を考慮した多くの種々の特性がある。これらのうち、機械的特性が多くの接合用途において最も重要である場合が多く、この理由は、機械的強度のない接合部は実際に用いることができないからである。はんだ接合部又はろう材接合部の有益な挙動にとって重要である機械的特性には、強度及び疲労抵抗が含まれる。耐荷部品として反応接合部を用いる可能性を考慮すれば、接合部の機械的特性の向上がさらに一層重要な問題となる。反応接合部の機械的特性を最適にするために、接合部内のはんだ又はろう材の微細構造を調べ、微細構造が、接合部の機械的特性にどのように影響を及ぼし得るかを理解することが重要である。
【００２２】
反応接合は、非常に迅速なプロセスであるため、加熱及び冷却の全体が１秒未満で完了する。５００℃／秒よりも高い急速冷却速度では、反応接合部のはんだ材料又はろう材料の微細構造は、従来の炉内はんだ付け又は炉内ろう付けから得られる微細構造とは非常に異なり得る。反応接合に関するこれまでの研究は、この問題に対処していない。本発明は、反応性フォイル接合及び従来の炉による接合の２つのプロセスでの異なる冷却速度に起因する、反応性フォイル接合部及び従来の炉による接合部のはんだ材料又はろう材料の非常に異なる微細構造を説明し、これらの接合部の機械的特性を有する、はんだ材料又はろう材料の微細構造に関する。
【００２３】
冷却速度は材料の微細構造に大きく影響を及ぼし、機械的特性は材料の微細構造によって決まることが文献に示されている。層状共晶微細構造は従来のはんだ接合部で観察することができるため、層状共晶微細構造を有する合金における機械的特性に対する冷却速度及び微細構造の影響についての現在の研究をより詳細に再考察する。
【００２４】
冷却速度が共晶微細構造に及ぼす影響をいくつかの合金系で試験した。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金は、電子産業において最も一般的に用いられるはんだ材料の１つである。Noguchiら［６］は、種々の冷却速度、すなわち、２００、１００、６０、５０、及び１０℃／分で形成したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだボール結合の微細構造を試験した。層間隔は、冷却速度が速くなるほど小さくなる。この試験では、層間隔は４００〜２，０００ｎｍの範囲である。冷却速度Ｒｃと層間隔λの関係は、以下の式：
λ＝Ｋ／Ｒｃ１／２
（式中、Ｋは定数である）
として実験的に求められ、Kimら［７］もまた、異なる冷却速度、すなわち０．０１２℃／ｓ、０．４３℃／ｓ、及び８℃／ｓで製造されたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の微細構造を試験し、この試験により、共晶微細構造は冷却速度を下げることによって粗くなることが示された。
【００２５】
冷却速度は、他の合金の共晶微細構造に同様の影響を与える。例えば、二相Ｔｉ−４８Ａｌ合金の層間隔が、Tangら［８］により冷却速度に応じて調べられ、層間隔は、冷却速度に反比例することが分かった。冷却速度が０．１℃／ｓから１℃／ｓに上がると、層間隔は２，０００ｎｍから２５０ｎｍに減る。
【００２６】
Mei及びMorris［９］は、異なる状態、すなわち、氷水で急冷した状態、約５分間室温に空冷した状態、約３０分間炉冷した状態、で冷却したＳｎ６０−Ｐｂ４０はんだ接合部の微細構造を試験した。炉冷したはんだ接合部の外観は、典型的な層状のコロニーであり、長い範囲で二相が並んで配置され、コロニーを形成するアレイの向きは異なっている。空冷したはんだ接合部では、コロニーの大きさは小さく見え、層は短くなっている。急冷したはんだ接合部は、より細かな特徴を有する。６０Ｓｎ／４０Ｐｂのはんだ接合部の冷却速度が増すことは、層／コロニー微細構造が規則的に形成することに関与し、その結果、より微小粒化した微細構造が得られる。
【００２７】
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉ合金のようないくつかのはんだ合金において、冷却速度を増大させることによって得られるより緻密な共晶微細構造により、より高い強度及びより高い硬度が得られることが分かった［７］、［１０］、［６］、［１１］。Ｔｉ−Ａｌ合金のような他の共晶合金では、層間隔がより緻密であるとともにコロニーの大きさがより小さいことにより、より高い強度及び硬度が得られた［１２］、［１３］、［１４］、［１５］。層間隔とコロニーの大きさとの、また、合金の耐力との関係は、層状微細構造に対する以下のホール・ペッチの方程式［１６］：
【００２８】
【数１】
2007502214.tif 000003
又は
【００２９】
【数２】
2007502214.tif 000004
【００３０】
（式中、σｙは降伏応力であり、λは層間隔であり、ｄはコロニーの大きさであり、σｙ及びＫは定数である）。
【００３１】
材料の疲労特性もまた微細構造によって決まることが文献において報告されている。例えば、６０Ｓｎ／４０Ｐｂはんだ合金［９］では、はんだ接合の冷却速度が増大することにより、より微小粒化した微細構造が得られるため、粒界変形機構（grain boundary deformation mechanism）が促され、疲労耐用寿命がより長くなる。層状微細構造を有するＴｉＡｌ合金において、より粗いコロニー微細構造（約１，４００μｍまで）では、疲労亀裂成長閾値（ΔＫｔｈ）が、より緻密なコロニー微細構造（９０μｍ）に比して著しく低くなるが、耐亀裂成長性は変わらず一定のままであることが分かった。緻密な層間隔（０．２〜０．７μｍ）微細構造により、粗い層間隔（約５．５μｍまで）の微細構造に比してΔＫｔｈ及び耐亀裂成長性が高くなる。このように耐疲労性が高いことは、主として、亀裂増進に抗して層界面の数が多くなること、及び閉塞効果が高くなることに関与する。コロニーの境界及び層界面は、室温での亀裂の増進を遅らせるのに重要な役割を果たし、転位運動に対する障壁として、また、転位重畳に対するシンク（sink）として作用する［１７］。
【００３２】
Ｃ．接合特性を有する微細構造に関する実験
反応接合プロセスにおいて用いられる反応性多層は、通常、硼化物（例えばＴｉ／Ｂ）、炭化物（例えばＴｉ／Ｃ）、珪化物（例えばＮｉ／Ｓｉ及びＺｒ／Ｓｉ等）、アルミナイド（例えばＮｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ、及びＺｒ／Ａｌ等）、又はその他のような混合による多量の負の熱を有する原素間に交互配置される多数のナノスケール層を蒸着することにより一般的に作製されるナノ構造材料［１〜４、７〜１１］である。はんだ材料又はろう材料は、ＡｕＳｎ、ＡｇＳｎ、ＰｂＳｎ、Ｃｕｓｉｌ、Ｉｎｃｕｓｉｌ、又はその他のような、はんだ付け／ろう付け産業において用いられる商業的はんだ／ろう合金である。
【００３３】
一例として、ここでは、Ａｌ／Ｎｉ反応性多層フォイル及びＡｕＳｎはんだを用いた。フォイルは、マグネトロンスパッタリングにより得られ、最終反応生成物は、ＡｌＮｉ化合物であった。接合の際、ＡｕＳｎはんだによりフォイルの濡れを高めるために、フォイルをＩｎｃｕｉｓｌ  ＡＢＡろう材の１μｍ厚の濡れ層で被覆した。Ａｌ／Ｎｉフォイル及びＡｕＳｎはんだを用いての金被覆ステンレス鋼試験片とＡｌ試験片の接合は、詳細に後述する。反応接合プロセスの加熱及び冷却速度は、赤外線撮像を用いて評価した。得られる接合部の微細構造及びせん断強度は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及び引張せん断重なり試験を用いて特徴化した。
【００３４】
図３を参照すると、ステンレス鋼接合部３０は、２つのステンレス鋼試料３３Ａ、３３Ｂ間に、ＡｕＳｎはんだ３１Ａ、３１Ｂ、及び１つの反応性フォイル３２を積み重ねることにより作製した。ステンレス鋼試験片の寸法は０．５ｍｍ×６ｍｍ×２５ｍｍであり、ステンレス鋼試験片をＮｉで電気めっきし、その後Ａｕで電気めっきして、結合を高めた。Ｎｉ層は、自然酸化膜を除去した後でステンレス鋼に接着をしやすくする役割を果たし、Ａｕ被覆は、表面酸化を防止し、それにより、溶融ＡｕＳｎはんだによる濡れを高めるように設計される。これらのステンレス鋼試料は、空気中、約１００ＭＰａの圧力下で反応性フォイルを点火することにより室温で接合させた。接合領域は、約５ｍｍ×６ｍｍであった。Ａｕ及びＮｉでめっきしたＡｌ（６０６１）試験片を同様にして３ｍｍ×６ｍｍの接合領域で接合した。より小さな接合領域を用いることで、Ａｌ６０６１合金の引張強度が低いことに起因して、はんだ接合がきちんと行なわれないうちにＡｌ試験片が自身を変形又は破壊することがないようにした。
【００３５】
反応接合の冷却速度を評価するために、反応接合の際のステンレス鋼部品の温度を、７０μｍのＡｌ／Ｎｉフォイル及び２５μｍ厚のＡｕＳｎはんだシートに対し赤外線カメラを用いて測定した。接合プロセスの前に、ステンレス鋼試験片の両側を慎重に研磨して６μｍ仕上げにし、白色に着色して、均一な放射率を保証するようにした。次いで、反応接合の際に、部品の側面の温度を１０８μｍの空間分解能及び０．２秒の時間分解能を有する赤外線カメラを用いて監視した。一連の熱プロファイルに基づき、全加熱時間は０．２秒未満であることが推定された。反応の後、ステンレス鋼試験片の温度は非常に急速に下がった。ステンレス鋼部品では、はんだ層とステンレス鋼との界面から１００μのところでは、反応から０．２秒後及び０．８秒後ではそれぞれ、温度は６０．４℃及び３８．８℃に下がった。ここでは、冷却速度は非常に急速であり、１，０００℃／秒よりも大きいものと推定される。
【００３６】
比較のため、いくつかのステンレス試験片を、ＡｕＳｎはんだを加熱するのに反応性フォイルを用いる代わりに炉を用いて接合した。この場合では、２片のステンレス鋼試験片及び１片のＡｕＳｎはんだ（２５μｍ厚）をともに押圧し、空気中でＡｕＳｎはんだの融解温度よりも高く加熱した。ここでは、冷却速度はさらに一層低速であり、約１℃／秒である。
【００３７】
試験されていないステンレス鋼接合部の交差部分を、１μｍ仕上げに研磨し、次いで、ＪＥＯＬ顕微鏡の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて特徴化した。図４（ａ）は、２片の自立形ＡｕＳｎはんだ（２５μｍ厚）及び１片のＡｌ／Ｎｉ反応性フォイル（８０μｍ厚）を用いて接合された２つのステンレス鋼試験片を示す。亀裂が、反応したフォイル内において観察され、この亀裂は、フォイルは反応すると密度上昇により収縮し、また、高い反応温度からの冷却によっても収縮することに起因する。収縮の起因は双方とも、周囲材料により余儀なくされ得り、そのため、亀裂がもたらされる。溶融したＡｕＳｎはんだは、通常、これらの亀裂に流れ込み、はんだマトリックスにおいて反応性フォイルの硬片との粒子複合界面を形成する。ＡｕＳｎはんだ層の厚さは２５μｍから数μに減り、このことは、加えられた圧力により、はんだの大部分が亀裂に流れ込み、境界領域から流出したことを示唆することに留意されたい。ＡｕＳｎはんだ層の微細構造は、より高い倍率で図５（ａ）に示す。明るいＡｕリッチ相（ξ相、Ａｕ５Ｓｎ）及び暗いＳｎリッチ相（δ相、ＡｕＳｎ）を含めた、非常に緻密な層状共晶構造が観察される。これらの２つの相は、同時に成長し、粒状コロニーの平行板を形成する。これら板間の間隔は約５０ｎｍである。
【００３８】
図４（ｂ）は、炉内で加熱された自立形ＡｕＳｎはんだ（２５μｍ厚）片を用いて接合された２つのステンレス鋼試験片を示す。ＡｕＳｎはんだ層の厚さは、反応接合による接合部に残された数μのＡｕＳｎはんだに比して、はんだ付け後でも２５μｍのままである。炉内でのはんだ溶融により形成された接合部のＡｕＳｎはんだの微細構造は、より高い倍率で図５（ｂ）に示すようにより一層粗い。このことは、従来のはんだ付けにおける低速冷却速度に起因する。層状共晶微細構造は、単位体積あたり非常に高い界面面積を有するため、熱力学的に不安定である。Ａｕリッチ相及びＳｎリッチ相は成長し、最終的に各自を再構成して、より粗い等軸組織（equiaxed structure）となる。
【００３９】
反応接合及び従来の炉によるはんだ接合でのＡｕＳｎはんだ層の微細構造の試験により、反応接合プロセスの際にその非常に急速な冷却速度により、より一層緻密な微細構造を有するはんだ材料を得ることができることが示唆される。
【００４０】
反応接合及び従来の炉によるはんだ付けの双方により形成されたステンレス鋼接合部の引張りを、インストロン試験機を用いて０．１ｍｍ／分のクロスヘッド速度で、室温で試験した。これらの接合部のせん断強度は、最大破損荷重を接合面積で除算することにより求めた。反応接合によるステンレス鋼接合部の平均せん断強度は、約４８±３ＭＰａであった。これに比較して、従来のはんだ付けによって形成されたステンレス鋼接合部の平均せん断強度は、３８±１ＭＰａにすぎなかった。これらの接合部の強度が低いことは、非常に急速に冷却される多層反応接合部の場合の緻密な共晶微細構造（図５（ａ））に比較して、より粗い微細構造（図５（ｂ））に起因する可能性がある。このことは、また、反応接合部における数μ厚のＡｕＳｎはんだ層（図４（ａ））に比較して、２５μｍ厚さのＡｕＳｎはんだ層（図４（ｂ））に起因する可能性がある。厚さが重要な因子ではないことを実証するために、反応接合により形成されたいくつかのステンレス鋼接合部をＡｕＳｎはんだの融解温度で５分間アニールした。従来の炉によるはんだ付けによるステンレス鋼接合部の平均せん断強度と同様に、これらのアニールされた接合部の平均せん断強度は約３９ＭＰａに下がることが分かった。これらの接合部の場合、ＡｕＳｎはんだ層は、微細構造の粗い数μ厚である。このことは、従来の炉によるはんだ付けによるこれらの接合部の強度が低いことが、そのはんだ層がより厚いことにではなくその微細構造がより粗いことに起因することを実証している。他のはんだ材料又はろう材料を用いる場合、緻密な微細構造のはんだ材料又はろう材料が、急速冷却速度に起因して反応接合によっても得ることができること、したがって、反応接合部のせん断強度は、従来のはんだ付け又はろう付けによる接合により形成される接合部のせん断強度よりも高いことが予測される。
【００４１】
文献のデータは、微細構造がより緻密な材料は、微細構造がより一層粗い材料に比較して、硬度及び強度がより高く、疲労特性がより優れ得ることを示す。はんだ層又はろう材層の微細構造がさらに一層緻密である反応接合部も、従来の炉による接合に比較して疲労特性がより優れていることが予測される。このことは、反応接合プロセスの用途にとって非常に重要な利点である。
【００４２】
このことは、反応接合の際の非常に局所的な加熱及び非常に急速な冷却により、感温材料又は異なる材料を接合する能力を提供するだけでなく、はんだ材料又はろう材料の非常に緻密な微細構造を生成することによって接合部の機械的特性を高めることもできることを実証した。
【００４３】
さらに、はんだ材料又はろう材料の緻密な微細構造のスケールは、フォイル及び部品の形状及び特性により変わる反応接合部の冷却速度によって決まる。例えば、ステンレス鋼及びＡｌの熱伝導率の違いもまた、反応接合後の冷却速度の違いをもたらす。図６は、２つの２５μｍ厚さのＡｕＳｎはんだ層及び１つの８０μｍ厚さのＡｌ／Ｎｉフォイルを用いて形成されたステンレス鋼接合部及びＡｌ接合部におけるＡｕＳｎはんだ層の中心での温度対時間のプロットである。予測値は、フォイルの反応後の、ステンレス鋼接合部のはんだ層の中心の温度が、１ｍｓ以内で７００℃〜４００℃に下がり、最高冷却速度が０．７×１０６℃／ｓであることを示す。はんだ層の中心をその融解温度である２８０℃に冷却するのに３ｍｓかかる。はんだ層の中心の冷却速度はこの時点で２×１０４℃／ｓである。Ａｌ接合部は、ステンレス鋼接合部よりも速く冷却し、はんだ層の中心の温度は１ｍｓ以内で６００℃から２６０℃に下がり、最高冷却速度は１．１×１０６℃／ｓとより高くなる。はんだ層の中心をその融解温度である２８０℃に冷却するのに０．７ｍｓかかる。この時点で、はんだ層の中心の冷却速度は、１．１×１０５℃／ｓである。
【００４４】
冷却速度の違いは、図７に見られるようにはんだ層の微細構造に影響を及ぼすことになる。Ａｌ接合部及びステンレス鋼接合部（双方とも８０μｍ厚さのＡｌ／Ｎｉフォイル及び２５μｍ厚さのＡｕＳｎはんだ層を用いて形成されている）のＡｕＳｎはんだの微細構造を、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す。ステンレス鋼接合部及びＡｌ接合部のいずれにおいても、明るいＡｕリッチ相及び暗いＳｎリッチ相を含めた、非常に緻密な層状共晶構造が観察される。この緻密な層状構造の形成は、反応接合部の非常に急速な冷却に起因する。ステンレス鋼接合部及びＡｌ接合部のＡｕＳｎはんだの層間隔はそれぞれ、約３０ｎｍ及び２０ｎｍである。また、はんだ層の微細構造は、はんだ層に弱さが生じる場合、接合強度に影響を及ぼす。
【００４５】
ＩＩ．反応性フォイル接合部の微細構造を最適化するのに有用な熱モデリング法
本発明の一実施形態では、計算モデル式を用いて、接合部の微細構造を最適化する反応性フォイルを選択する。このモデルは、反応性多層フォイル、周りの接合層（例えばはんだ及び／又はろう材）、及び接合すべき部品のうち１つ又は複数の特性を含む計算ドメイン（例えば計算入力及び／又は限界を含む）に不定のエネルギー方程式（unsteady energy equation）を離散すること（すなわち、数学的に離散を行うこと、有限集合又は可算集合の値を定義すること、連続させないこと）により適用される。一例では、この離散は、入力として、反応性多層フォイル、周りの接合層、及び部品のうち１つ又は複数の種々の寸法及び物理的特性（物性）、並びに計算ドメインの限界条件（boundary conditions）を用いて、本明細書中に記載のモデル式を積分することにより実施される。一例として、二次元離散が挙げられ、ここでは、フォイル、接合層、及び部品を表すドメインは矩形ドメインであり、それぞれ、長さ及び厚さに関して指定される。
【００４６】
以下の実施形態は、かかる構造の具体的な例を示し、ここでは、発熱率（heat release rate）
【数３】
2007502214.tif 000005
は、反応性多層フォイルの長さに沿って移動するほぼ平坦な自己伝播エネルギーフロント(front)（例えば、反応性多層フォイルが着火した際の、反応性多層フォイル、周りの接合層、及び部品のうち１つ又は複数にわたって生成されるエネルギー波面又は熱波面）に相当する。かかる実施態様の場合、計算モデルに対する入力として、（ａ）部品、はんだ層及び／又はろう材層、及び反応性フォイルの寸法（長さ及び厚さ）、（ｂ）部品の密度、熱容量、及び熱伝導率、（ｃ）はんだ層及び／又はろう材層の密度、熱容量、熱伝導率、融解熱、及び融解温度、（ｄ）反応熱及び伝播速度、（ｅ）点火位置、（ｆ）反応性多層フォイルの反応生成物の密度、熱容量、熱伝導率、融解熱、及び融解温度、及び（ｇ）ドメイン境界（domain boundaries）に関する熱流束及び質量流束条件が挙げられる。この場合、離散モデル方程式の計算の解によって、フォイル、接合層、及び部品における熱波の過渡的変化（transient evolution）が得られる。
【００４７】
例えば、モデルの適用は、反応性多層フォイル、第１の部品、第２の部品、第１の接合層、及び第２の接合層のそれぞれの長さ、幅、及び厚さを規定することを含み得る。これらの各長さ、幅、及び厚さを入力として用いて、並びにドメイン境界に関する熱流束及び質量流束条件を用いて、以下に示す式を、反応性多層フォイル、第１の部品、第２の部品、第１の接合層、及び第２の接合層のそれぞれについて積分する。積分されると、その出力は、反応性多層ナノフォイルが着火した際に、エネルギー波面又は熱波面が反応性多層フォイル、第１の部品、第２の部品、第１の接合層、及び第２の接合層のそれぞれにどのように伝播するかの予測となる。
【００４８】
計算モデル式の上記予測のいずれか（例えば、反応性多層フォイル、第１の部品、第２の部品、第１の接合層、及び第２の接合層のそれぞれにおいてエネルギー波面又は熱波面がどのように挙動するかの予測）を用いて、はんだ層及び／又はろう材層の溶融、臨界面（critical interface）の濡れ、及び部品の熱曝露等の種々の接合パラメータの度合い及び持続時間を評価することができる。したがって、モデルは、はんだ及び／又はろう材の溶融が不十分であること、臨界面の濡れが不足していること、溶融時間が短過ぎること、又は部品の熱曝露が過度であることを予測することができ、この場合、反応接合構造のパラメータは体系的に変更することができる。変更した構造にモデルを再適用して、パラメータが適しているかどうかを確かめることができる。例として、フォイルの厚さ、はんだ層及び／又はろう材層の厚さ、反応熱（例えば、組成又は微細構造を変えることによる）、及び／又ははんだ材料を体系的に変更することが挙げられる。パラメータのそのような体系的な変更は、適した構造が確定するまで繰り返し適用することができる。当業者には、他の構造パラメータ及び繰り返し方法を含めるようにそのような繰り返し手法を一般化する方法は明らかであるものとする。例えば、モデルに対する入力は、本明細書中に記載の材料のいずれかの物理的特性のいずれかの任意の組み合わせであってもよい。
【００４９】
本発明の実施形態は、反応接合プロセスをシミュレートする多次元計算コードを含む。このコードは、コンピュータ又は任意の他の適したコンピュータ可読媒体上で実行され、且つ／又は格納することができる。コードは、自己伝播反応の特性、並びに反応性ナノフォイル、溶融性材料、及び／又は部品の物理的特性を考慮したエネルギー方程式の多次元過渡定式化（transient formulation）を実施することができる。本発明に一貫した計算モデル式を次に説明する。
【００５０】
多次元過渡定式（transient fomula）は、以下の不定のエネルギー方程式：
【００５１】
【数４】
2007502214.tif 000006
【００５２】
を組み合わせる特別に合わせられた数式に基づいて得られ、この数式は、
【数５】
2007502214.tif 000007
で表される反応フロントを単純に記述している。方程式（１）では、ｈはエンタルピーを示し、
【数６】
2007502214.tif 000008
は密度であり、ｔは時間であり、ｑは熱流束ベクトルであり、
【数７】
2007502214.tif 000009
は発熱率である。材料の熱容量ｃＰ及び潜熱ｈｆを含む詳細な関係により、エンタルピーｈは、温度Ｔに関連する。用語
【数８】
2007502214.tif 000010
は、自己伝播フロントが反応性フォイルを移動する際に発する発熱率を表す。自己伝播フロントは、その表面に対し垂直方向に伝播する薄いフロントに関して説明される。伝播速度は、測定値又は計算値を用いて記述される。測定伝播速度及び計算伝播速度の例は、図１３（ｂ）に示す。したがって、
【数９】
2007502214.tif 000011
の強度は、既知の反応速度及び所与の反応性フォイルに対する反応熱を組み合わせることによって得られる。
【数１０】
2007502214.tif 000012
は、ナノフォイルを移動するフロント内にあり、１つ又は複数の溶融性材料及び／又は部品内でなくなることに留意されたい。
【００５３】
構造内の熱波又はエネルギー波の伝播（例えば温度の発生）、及び１つ又は複数の溶融性材料の溶融及び／又は凝固への進行は、構造全体に対し方程式（１）を積分することによって求めることができる。このために上述の式の過渡的な定差計算モデル（transient finite-difference computational model）を展開した。定差離散は、ドメインを固定格子（fixed grid）サイズの計算セルに分割することに基づく。エンタルピーは、セルの中心に画定され、流束はセルのエッジに画定される。２次中央差分近似値(second-order centered-difference approximations)を用いて空間微分の近似値を求める。この空間離散（spatial discretization）定式により、対になった常微分方程式（ＯＤＥ）の有限集合が得られ、これによりセルの中心におけるエンタルピーの変化を統制する。ＯＤＥの集合は、陽的３次アダムス・バッシュフォース法を用いて時間積分される。得られた解に基づき、反応接合プロセスの種々の特性、例えば、特定の断面又は空間位置で溶融するはんだ量、対応する溶融持続時間、及びフォイル、はんだ層又はろう材層、及び部品における温度の発生を容易に確定することができる。当業者には、例えば有限要素、スペクタル要素、又はコロケーション近似、及び種々の陰的、陽的、又は半陰的時間積分法として、任意の次元（arbitary order）の種々の代替的な空間離散を実施する方法は明らかであるものとする。
【００５４】
１次元の（すなわち平坦な）反応フロントの場合では、方程式（１）の安定な定式は、反応フロントと同じ速度で移動する移動基準系（moving reference system）の動きの方程式を再計算することにより得ることができる（例えば、温度及び他の測定値を、反応性多層ナノフォイル、接合層、及び／又は部品のうち１つ又は複数の表面に対しほぼ垂直なラインに沿って様々な位置でとることができる）。しかしながら、この代替的な定式（alternative formulation）は、いくつかの欠点を有し、それら欠点として、例えば、サーマルインタフェース抵抗の変化を温度（例えば反応前及び／又は反応後の）により特定する際、後処理及びデータ解析（例えば溶融持続時間）の際、及び実験測定値との比較の際の難点が挙げられる。また、隣接する層間の界面が最初に結合されない場合、この定式は、サーマルインタフェース抵抗に対応することができ、溶融がこれらの界面に沿って生じる際のサーマルインタフェース抵抗の変化を考慮することができる。
【００５５】
シミュレーションの結果を用いて、反応接合プロセス内で生じる溶融性材料の溶融度、及び臨界面で濡れが起こる持続時間を確定することができる。本願で用いる際、臨界面とは、界面に適当な結合を形成するために濡れを必要とする界面である。たいていの場合、臨界面は、最初は結合されていない界面である。臨界面の構成は、部材（例えば、反応性ナノフォイル、溶融性材料、及び／又は部品）及び特定の構成にある当該部材の構造に応じて変わり得る。
【００５６】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、臨界面の例を示す。図８（ａ）に示すように、１つ又は複数の溶融性材料８０ａ、８０ｂを１つ又は複数の部品８１ａ、８１ｂに予め堆積することにより、適した結合をなすことができるようにしてから、１つ又は複数の溶融性材料８０ａ、８０ｂと１つ又は複数の部品８１ａ、８１ｂとの間でナノフォイル８８の化学的変換（例えば点火）を行う。したがって、図８（ａ）の臨界面は、ナノフォイル８２と溶融性材料８０ａ、８０ｂとの界面８３ａ、８３ｂにあり、溶融性材料８０ａ、８０ｂと部品８１ａ、８１ｂとの界面８４ａ、８４ｂにあるのではない。この構成では、適当な部材（例えば、反応性ナノフォイル、溶融性材料、及び／又は部品）を選択し（例えば、大きさ、形状、及び／又は組成を考慮する）、且つ／又は、反応性ナノフォイル８２が化学的に変換した（例えば着火した）ときに、着火した反応性ナノフォイル８２からの熱が溶融性材料８０ａ、８０ｂの層の一部のみを溶融させることができるように特に配置する。換言すれば、着火した反応性ナノフォイル８２からの熱は、溶融性材料８０ａ、８０ｂを完全には溶融せず、且つ／又は溶融性材料８０ａ、８０ｂのうち各部品８１ａ、８１ｂに結合される部分は溶融しないことができる。この構成では、溶融性材料８０ａ、８０ｂがすべて溶融すること、及び／又は、溶融性材料８０ａ、８０ｂのうち部品８１ａ、８１ｂに結合される部分が溶融することは、いくつかの理由から望ましくない。まず、溶融性材料８０ａ、８０ｂを完全に溶融するのに十分な熱を発生させるには、より厚く、且つ／又はエネルギーがより強力なナノフォイル８２（例えば、より強力な化学組成を有する）が必要となる場合があり、このことは、手順のコストを不必要に増大させる可能性がある。次に、溶融性材料８０ａ、８０ｂのうち部品８１ａ、８１ｂに結合され得る部分が溶融することは、溶融性材料８０ａ、８０ｂと部品８１ａ、８１ｂとの界面８４ａ、８４ｂにおける既存の強力な結合を弱める可能性がある。
【００５７】
図８（ｂ）では、溶融性材料８５ａ、８５ｂの自立形シートが、部品８６ａ、８６ｂと反応性ナノフォイル８７との間に配置される。この場合、溶融性材料８５ａ、８５ｂの双方の界面は、最初は結合されず、したがって、溶融性材料８５ａ、８５ｂの双方の界面８８ａ、８８ｂ、８９ａ、８９ｂ（例えば、反応性ナノフォイル８７に隣接する界面８８ａ、８８ｂ、及び／又は部品８６ａ、８６ｂに隣接する界面８９ａ、８９ｂ）は、臨界面８８ａ、８８ｂ、８９ａ、８９ｂとして見なすことができる。したがって、この構成の場合、適当な部材（例えば、１つ又は複数の反応性ナノフォイル８７、溶融性材料８５ａ、８５ｂ、及び／又は部品８６ａ、８６ｂ）を選択し（例えば、大きさ、形状、及び／又は組成を考慮する）、且つ／又は、反応性ナノフォイル８７が着火したときに、着火した反応性ナノフォイル８７からの熱により１つ又は複数の溶融性材料８５ａ、８５ｂがほぼ完全に溶融することができるように特に配置される。
【００５８】
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す構成は限定的なものではなく、本明細書中に記載の態様のいくつかを組み合わせ、除き、変更し、且つ／又は用いて、任意の数の適した構造及び／又は任意の数の適した製品を実現することを理解されたい。構成によって、濡れる必要がある臨界面を構成するものも変わり得る。例えば、１つ又は複数の部品面は、処理されていなくてもよく、又は処理層（例えば、Ｎｉ及び／又はＡｕめっきの接着材下地層、はんだ層若しくはろう材層、又はそれらの双方（例えば、はんだ層又はろう材層は、接着材層上に堆積されるようになっている））を有していてもよい。別の例では、溶融性材料の自立形シートをナノフォイルと部品のそれぞれとの間に配置することができるが、この自立形シートは用いても用いなくてもよい。他の例では、反応性多層ナノフォイルは、その１つ又は複数の側面に１つ又は複数の溶融層を有することができる。さらに別の例では、溶融性材料の１つ又は複数の層を、１つ又は複数の反応性多層と１つ又は複数の部品との間に設けることができる。さらに他の例では、１つ又は複数の反応性多層を１つ又は複数の部品間に配置することができる。かかる構造では、１つ又は複数の反応性多層は、１つ又は複数の部品と直接接触することができる（例えば、特定の反応性ナノフォイルが、１つ又は複数の部品の溶融を行うのに十分なエネルギーを与えることができる）。このようなプロセスは、反応はんだ付け又はろう付けに対し、反応溶接と呼ぶことができる。反応溶接の一例は、２００１年５月１日付けで出願された、「Free Standing Reactive Multilayer Foils」と題する米国特許出願第０９／８４６，４８６号（全体が参照により本明細書中に援用される）に開示されている。
【００５９】
他の例では、本発明の実施形態は、シミュレート結果を実験観察と組み合わせて、反応接合方法において実施することができる条件の適した範囲を確定し、適した接合部特性を有する反応接合部をもたらすことができる。
【００６０】
本発明の実施形態は、適した反応接合方法を用いて適した反応接合部を実現及び／又は作製することに関し、本明細書中に記載した態様のうちのいずれかの任意の構造及び組み合わせを含み得る。１つの実施形態は、部材（例えば、１つ又は複数の反応性ナノフォイル、溶融性材料、及び／又は部品）が反応性ナノフォイルの中心線を中心にほぼ対称に配置される構造を含み得る。別の実施形態は、上記部材が反応性ナノフォイルの中心線を中心に非対称に配置される構造を含み得る。これらの及び他の実施形態は後述する。
【００６１】
対称構造を有する実施形態では、ナノフォイルの中心線の各側の対応する対称位置におけるいずれかの部分の熱物性はほぼ同じであり得る。一例は、ほぼ同じ材料から成る部品の反応接合であってもよく、且つ／又は溶融性材料のほぼ同一の層を用いるものであってもよい。非対称構造を有する実施形態では、ナノフォイルの各側の対応する対称位置の材料特性は異なっていてもよい。一例として、異なる材料から成る部品の接合構造、及び／又は反応性ナノフォイルの各側に異なるろう材層又ははんだ層を用いる反応接合構造が挙げられ得る。本明細書中に開示されたモデル結果及び実験観察に示されるように、これら２つの構造の際立った特徴の１つは、対称構造では、反応熱はナノフォイルの中心線に関して対称に移動することができ、それにしたがって、対称的な温度分布が広がり得るということであろう。非対称構造では、反応熱は、ナノフォイルの中心線に関して不均一に移動し、その結果、非対称な温度場が形成され得る。本明細書中にさらに開示されるように、これらの特徴は、反応接合の際の熱の移動に影響を及ぼし、当業者に対し、新たな構成及び構造を示唆するであろう。
【００６２】
本明細書中に記載した技法は、特にＣｕ部品、Ａｕめっきしたステンレス鋼（ＳＳ）部品、Ｔｉ部品、及び金めっきしたＡｌの反応接合のための広範の対称構造を解析するために用いられている。Ｃｕ−Ｃｕ接合部、及びＡｕめっきしたステンレス鋼とＡｕめっきしたステンレス鋼との接合、及びＡｕめっきしたＡｌとＡｕめっきしたＡｌとの接合部から得られた例示的な結果を本明細書中に提示する。当該方法、及びＣｕ−Ｃｕ接合部及びＳＳ−ＳＳ接合部に対する結果は、他の材料に用いることも可能である。
【００６３】
設計モデルは、計算予測値を、反応中に赤外線（ＩＲ）温度測定を用いて行われた温度測定値と比較することによって確かめられる。図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す２つの構造の場合の結果が提示されており、図９（ａ）には２つのＣｕ部品９０ａ、９０ｂの反応接合が示され、図９（ｂ）には２つのＡｕめっきステンレス鋼部品９０ｃ、９０ｄの反応接合が示されている。図９（ａ）に示すように、部品９０ａ、９０ｂの表面９１ａ、９１ｂは、約７５μｍの厚さを有するＡｇ−Ｓｎはんだ層９２ａ、９２ｂにより前もってぬれ性を付与されてもよい。自立形Ｎｉ−Ａｌナノフォイル９９は、約５５μｍの厚さを有し得り、ナノフォイル９９の各側面には、約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌ９４ａ、９４ｂが堆積されてもよい。図９（ｂ）に示すように、Ａｕ−Ｓｎはんだ９２ｃ、９２ｄの自立形シートは、約２５μｍの厚さを有し、反応性ナノフォイル９３ｃと各Ａｕめっきしたステンレス鋼部品９０ｃ、９０ｄとの間に配置されてもよい。自立形Ｎｉ−Ａｌナノフォイル９３ｃは、約７０μｍの厚さを有し、ナノフォイル９３ｃの各側面には、約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌ９４ｃ、９４ｄが堆積されてもよい。本明細書中に開示されている材料及び／又は値は例示にすぎない。本発明は、他の材料及び／又は寸法に適用できる。
【００６４】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、図３（ａ）に示すＣｕ−Ｃｕ接合構造についての測定温度及び予測温度の対比である。図１０（ａ）は、Ｃｕ部品の反応接合の際の、種々の時間、及びＣｕ−Ｃｕ接合構造のほぼ定位置で測定された瞬間的な温度プロファイルを示す。図１０（ｂ）は、Ｃｕ部品の反応接合の際の、反応性多層ナノフォイルの点火から０秒後、２００ミリ秒後、１，０００ミリ秒後、６３０ミリ秒後、８３０ミリ秒後、及び１，０３０ミリ秒後にＣｕ−Ｃｕ接合構造のほぼ同じ定位置で予測された温度プロファイルを開示している。測定ピーク温度と計算ピーク温度とは非常によく一致していることに留意されたい。また、反応接合プロセスの持続時間は短いことにも留意されたい。図１０（ａ）及び１０（ｂ）に見られるように、反応接合プロセスは、フロントの通過（例えば、通常はそのピーク値での、反応性多層ナノフォイル、接合層、及び部品のうち１つ又は複数の種々の位置を通る熱又はエネルギーの通過）を数百ミリ秒以内でほぼ完了する。
【００６５】
図１１（ａ）は、図９（ａ）に示すステンレス鋼接合部の端から端にわたる瞬間的な予測温度プロファイルを示す。曲線は、自己伝播フロントの通過モーメントに対応して、０．１ｍｓ、０．５ｍｓ、１ｍｓ、１０ｍｓ、５０ｍｓ、及び４００ｍｓ後の選択時間で生じている。これらの結果により、接合部の端から端にわたる温度は、フロントの通過から４００ｍｓでは４８℃に非常に急速に下がることが示され、このことは、４７℃という実験温度測定値に相当し得る。図１１（ｂ）は、はんだ層とステンレス鋼との界面から１００μのところでの、図９（ｂ）に示すステンレス鋼構造の温度変化を示す。数値的シミュレーション（予測）及びＩＲ（実際）測定値の双方から得られた結果が示されている。モデル予測値と実験測定値とは非常によく一致しており、温度は急降下し、部品の熱曝露は制限されていることに留意されたい。
【００６６】
モデルを用いて、臨界面の濡れ、溶融性材料の溶融、及び／又は部品の熱曝露に対するナノフォイル厚の影響を体系的に検査することができる。例えば、図１２は、最初に薄いＮｉ下地層１２１ａ、１２１ｂで被覆され、次いで、Ａｕ層１２２ａ、１２２ｂで被覆され得るＡｌ−６０６１−Ｔ６部品１２０ａ、１２０ｂの反応接合の一実施形態を示す。図１２に示すように、Ａｕ−Ｓｎはんだ１２３ａ、１２３ｂの自立形シートは、約２５μｍの厚さを有し得り、溶融性材料１２３ａ、１２３ｂとして用いることができる。ナノフォイル１２４の各側面には、約１μｍのＩｎｃｕｓｉｌ１２５ａ、１２５ｂが堆積されてもよい。はんだ１２３ａ、１２３ｂと部品１２０ａ、１２０ｂとの臨界面１２６ａ、１２６ｂ（層１２１ａ、１２１ｂ、１２２ａ、１２２ｂのうち１つ又は複数を含んでいてもいなくてもよい）の濡れに対するナノフォイル１２４の厚さの影響は、持続時間を定量化することによって解析することができ、この持続時間中、はんだ１２３ａ、１２３ｂは、局所的に溶融した状態にある。このため、ナノフォイル１２４の厚さは体系的に変わり得るが、他のパラメータ（例えばナノフォイル１２４、層１２１ａ、１２１ｂ、１２２ａ、１２２ｂ、１２５ａ、１２５ｂ、及び／又は溶融性材料１２３ａ、１２３ｂ）は固定されたままである。
【００６７】
本明細書中に記載するように、計算モデル式に対するモデル入力としては、ナノフォイル及び部品の熱物性が挙げられ得る。例えば、下記の表は、Ａｌ−６０６１−Ｔ６、Ａｕ−Ｓｎ、Ｉｎｃｕｓｉｌ−ＡＢＡ、Ａｌ−ＮｉＶフォイル、及び／又はステンレス鋼の熱伝導率、熱容量、及び／又は密度等の考えられ得る入力を開示する。
【００６８】
【表１】
2007502214.tif 000013
【００６９】
他の考えられ得る入力としては、Ｉｎｃｕｓｉｌの固相線温度（Ｔｓ＝８７８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの液相線温度（Ｔｌ＝９８８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの融解熱（Ｈｆ＝１０，７９２Ｊ／ｍｏｌ）、Ａｕ−Ｓｎはんだの固相線温度（Ｔｓ＝５５３Ｋ）、Ａｕ−Ｓｎはんだの液相線温度（Ｔｌ＝５５３Ｋ）、及び／又はＡｕ−Ｓｎはんだの融解熱（Ｈｆ＝６１８８Ｊ／ｍｏｌ）が挙げられ得る。
【００７０】
フォイル二層厚に基づいた予測値及び測定値の双方を図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す。図１３（ａ）は、「厚い」フォイル（例えば約２，０００二層を有するＲＦ１６）及び「薄い」フォイル（例えば約６４０二層を有するＲＦ１８）の場合でのＡｌ−Ｎｉフォイル厚による反応熱への影響の様子を示す。線は、Ａｌ−Ｎｉフォイルの特定の二層厚の予測反応熱を示し、丸は、特定の厚さを有する二層の測定反応熱を示す。予測反応熱は、測定反応熱とほぼ相関していることに留意されたい。他の例では、図１３（ｂ）は、フロント速度が二層厚に応じて決まる様子を示している。図１３（ｂ）に示す線は、Ａｌ−Ｎｉフォイルの特定の二層厚の予測フロント速度を示し、丸は、特定の厚さを有する二層の測定フロント速度を示す。予測フロント速度は、測定フロント速度とほぼ相関していることに留意されたい。
【００７１】
図１４は、ナノフォイル厚に応じたはんだ層の溶融量、及びはんだ−部品の臨界面での溶融持続時間についての計算予測値を示す。破線は、例えば、図９（ｂ）に描いた構造で示すようなＡｌ−Ａｌ部品の反応接合の場合に得ることができる結果を示し、実線は、例えば、図１２に描いた構造で示すようなＡｕめっきしたステンレス鋼部品の反応接合の場合に得ることができる結果を示す。
【００７２】
Ａｌ−Ａｌ接合の場合、図１４のモデル予測値は、ナノフォイル厚さが約３５μｍよりも薄い場合に、約２５μｍ厚さのＡｕ−Ｓｎはんだ層さが部分的にしか溶融しないということが起こり得ることを示す。したがって、はんだと部品との臨界面での溶融の持続時間は約０ｍｓであり得る。その一方、約３５μｍにほぼ等しいか又はそれ以上の厚さを有するナノフォイルが用いられる場合、はんだ層全体が溶融し、臨界面の濡れの持続時間（例えばＡｕ−Ｓｎはんだ層のすくなくとも一部の溶融持続時間）がゼロより大きくなり得る。特に、溶融持続時間はナノフォイル厚さが増すにつれて増加し得る。モデル予測値はまた、約２５μｍ厚のＡｕ−Ｓｎはんだ層を溶融するのに必要とされる最小限のナノフォイル厚がＳＳ−ＳＳ接合の場合よりもＡｌ−Ａｌ接合の場合の方がより厚いことも示めす。さらに、対応するナノフォイル厚さ（例えば約２０μｍよりも大きい）の場合、モデルは、はんだ層の溶融持続時間がＡｌ−Ａｌ接合の場合よりもＳＳ−ＳＳ接合の場合の方が長くなり得る（また、ナノフォイル厚が増すにつれ実質的に長くなる）ことを示す。このことは、ステンレス鋼の熱伝導率がＡｌ−６０６１−Ｔ６の熱伝導率よりも一層小さい可能性があることに起因し得る。したがって、熱は、ＡｌよりもＳＳへ、より一層低速で伝導し得る。これらの予測結果値は、反応性多層フォイル、溶融性材料、及び／又は部品の熱物性に基づいて、反応接合構造（例えばナノフォイル厚）の設計、構造、及び／又は寸法を慎重に最適にすることの必要性を強く示している。
【００７３】
モデルのさらなる数的予測値（例えば、溶融性材料の溶融及び／又は臨界面の濡れに関連する）を、さらなる実験測定値（例えば反応接合のせん断強度）と対比することができる。
【００７４】
例えば、図１５は、Ａｌ−Ａｌ接合及び／又はＳＳ−ＳＳ接合の測定せん断強度がナノフォイル厚さに関連し、且つ／又はナノフォイル厚さによって決まり得ることを示す。この試験では、約５５μｍよりも厚いフォイルはＲＦ１６系（例えば約２，０００二層を有する）に対応し、約５５μｍよりも薄いフォイルはＲＦ１８系（例えば約６４０二層を有する）に対応する。接合強度は、引張せん断重なり試験を用いて測定した。図１４に示す予測値と一致して、図１５の測定値は、Ａｌ−Ａｌ接合では反応性ナノフォイルの厚さが約３５μｍである場合に、また、ＳＳ−ＳＳ接合では反応性ナノフォイルの厚さが約２０μｍの場合に良い接合を得ることができることを示す。特に、図１５は、Ａｌ−Ａｌ接合は、反応性ナノフォイルが約３５μｍよりも薄い場合に失敗し、ＳＳ−ＳＳ接合は、ナノフォイル厚さが約２０μｍ未満である場合に失敗し得ることを示す。図１５に示す測定値はまた、各接合強度は、プラトー及び／又はピーク強度に達するまで、各反応性ナノフォイルの厚さの増加に伴い一定して増大し得ることも示す。ピーク及び／プラトーに達すると、接合強度は変わらない状態のままとなり、且つ／又はナノフォイル厚が引き続き増加しても接合部にさらなる強度を与えることがなくなるであろう。ＳＳ−ＳＳ接合では、ナノフォイルが約４２μｍよりも厚い場合にプラトーに達し、Ａｌ−Ａｌ接合の場合、ナノフォイルが約８０μｍ厚さの場合にピーク強度に達し得る。
【００７５】
したがって、図１４のモデル予測値及び図１５の測定結果値を用いることによって、特定の接合の最適な且つ／又は最大限の強度と、はんだが臨界面で溶融状態のままである持続時間とを相関させることができるであろう。例えば、この構造の場合、Ａｕ−Ｓｎはんだは、最適な且つ／最大限の強度の結合を達成するために臨界面を約０．５ｍｓ間濡らさねばならないという結論に至ることができるであろう。結合強度はまた、この構造の他のパラメータ（例えば溶融性材料と部品との界面におけるピーク温度）によっても影響を及ぼされ得る。本明細書中に記載した予測値及び／又は対応する測定値は、Ａｌ−Ａｌ接合及びＳＳ−ＳＳ接合の双方にあてはまる。当業者には、本実施形態を種々の他の材料システムに対し一般化することは明らかであるものとする。
【００７６】
本明細書中に記載の設計手法は、非対称構造（すなわち、熱特性等の材料特性がナノフォイルの異なる側面で異なり得る構造）を解析するのに用いることができる。このような非対称構造の一例は図１６に示し、この図はＳｉＣとＴｉ−６−４との反応接合を示し、ここでは、ＳｉＣ及びＴｉに予め堆積されているＩｎｃｕｓｉｌ層の厚さが一定に保持され得る。
【００７７】
ＳｉＣはＴｉ−６−４よりも一層大きな熱伝導率を有し得るため、反応接合中の熱プロファイルは、ナノフォイルの中心線に対して非対称となり得る。ＳｉＣ及びＴｉ−６−４の組立品の端から端までの温度プロファイルにおけるこのような非対称性は、図１７（ａ）に示し、この図は、熱波は、Ｔｉ側よりもＳｉＣ側でより高速で拡散し得ることをグラフで示す。さらに、ピーク温度は概ね、ＳｉＣ側よりもＴｉ側でより高くなり得る。同様の作用（例えば、Ｔｉ側よりもＳｉＣ側でより高速に拡散すること及び／又はＳｉＣ側よりもＴｉ側でピーク温度がより高くなること）は、反応接合の際、ＳｉＣ−Ｔｉ組立品のＩＲ温度測定画像の解析により観察され、その例示的なサンプルは、図１７（ｂ）及び図１７（ｃ）に示される。図１７（ｂ）は、反応性多層ナノフォイルの点火時における構造のＩＲ画像を示し、図１７（ｃ）は、点火から約２４０ｍｓ後における構造のＩＲ画像を示す。本明細書中でさらに説明するように、非対称接合構造の熱特性のこのような理解を用いて、新たな反応接合構造を設計することができる。
【００７８】
図１６を再び参照すると、Ｔｉ１６２に予め堆積され得るＩｎｃｕｓｉｌ層１６１の厚さは約６２μｍ厚であり、ＳｉＣ１６４に予め堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層１６３は約１００μｍ厚であり得る。以下に記載するこのような特定の設計解析では、まず、反応性ナノフォイル１６７の両側に予め堆積されるろう材層１６５、１６６の厚さの影響のパラメータの検討を行い得る。このため、ＳｉＣ（図１６のｔ１）に面するろう材層１６５及びＴｉ（図１６のｔ２）に面する１６６の厚さは独立的に変化することができる。その一方、ナノフォイル１６７の全厚（１８０μｍ）、反応熱（１１８９Ｊ／ｇ）及び反応速度（２．９ｍ／ｓ）、並びに隣接する層１６５、１６６の厚さは一定に保持され得る。ＳｉＣ／Ｔｉ−６−４接合の解析に用いられるナノフォイルは、ＲＦ１６系（この特性は図１３に示す）に対応し得る。この設計モデルに対する他の入力は下記の表に挙げる。
【００７９】
【表２】
2007502214.tif 000014
【００８０】
他の考えられ得る入力としては、Ｉｎｃｕｓｉｌの固相線温度（Ｔｓ＝８７８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの液相線温度（Ｔｌ＝９８８Ｋ）、及びＩｎｃｕｓｉｌの融解熱（Ｈｆ＝１０，７９２Ｊ／ｍｏｌ）が挙げられ得る。
【００８１】
図１６の場合のモデル計算は、臨界面の濡れに焦点を置いており、これら臨界面は、この例では、ナノフォイル１６７に予め堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層１６５、１６６と、各部品１６２、１６４それぞれに予め堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層１６１、１６３との界面１６８、１６９に対応する。具体的には、図１６に示す構造では、ナノフォイル１６７に予め堆積されるろう材層１６５、１６６を溶融するのに、また、Ｔｉ１６２及びＳｉＣ１６４に予め堆積されるろう材層１６１、１６３を部分的に溶融するのに十分な熱が反応により生じることが必要であろう。当該計算では、ＳｉＣ１６４及びＴｉ１６２での溶融ろう材層１６１、１６３のピーク厚さ（それぞれｔＳｉＣ及びｔＴｉ）を監視することによりこのような現象（例えば、１つ又は複数のろう材層の溶融）を定量化する。下記の表は、ナノフォイル１６７に予め堆積される１つ又は複数のろう材層１６５、１６６の厚さｔ１、ｔ２の種々の組み合わせについての溶融ろう材層１６３、１６１の種々の厚さｔＳｉＣ、ｔＴｉ（すなわちろう材の溶融量）を示す。
【００８２】
【表３】
2007502214.tif 000015
【００８３】
図１８は、等しい厚さのろう材層１６５、１６６（すなわちｔ１＝ｔ２）が反応性ナノフォイル１６７の各側面に堆積される組み合わせについての、反応性ナノフォイル１６７の各側面に堆積される１つ又は複数のろう材層１６５、１６６に応じた溶融ろう材層１６１、１６３の厚さをグラフで示す。破曲線はＴｉ部品の溶融量を示し、実曲線はＳｉＣ部品の溶融量を示す。
【００８４】
上記の表の結果値の検討によって、ＳｉＣ部品１６４で溶融するろう材層１６３の量であるｔＳｉＣは、ナノフォイル１６７のＳｉＣ側でのろう材層１６５の厚さｔ１によって決まり得ることが明らかになる。具体的には、ｔＳｉＣはｔ１が増すにつれて減り得る。同様に、Ｔｉ部品１６２で溶融するろう材層１６１の量であるｔＴｉは、ナノフォイル１６７のＴｉ側でのろう材層１６６の厚さｔ２によって決まり得り、ｔ２が増すにつれて減る。この作用は、図１８にグラフにより示し、ここでは、双方の曲線（ｔＳｉＣ及びｔＴｉ）は、ナノフォイル１６７に予め堆積され得るろう材層１６５、１６６（例えばｔ１及びｔ２の厚さを有する）の厚さが増すにつれて減る。この図はまた、ＳｉＣ部品よりもＴｉ部品でより多くのろう材が溶融し得る（ｔＴｉ＞ｔＳｉＣ）ことを示す。この予測値は、ＳｉＣがＴｉ−６−４よりも一層熱伝導率が高いことに起因し得る。組み合わせた場合、本結果値は、ナノフォイル１６７に予め堆積されるろう材層１６５、１６６の厚さを可能な限り薄く保つことが望ましいであろうことを示す。この結果値はまた、ナノフォイル１６７の両側面に予め堆積される約１μｍ厚のＩｎｃｕｓｉｌ層１６５、１６６を有する約１８０μｍの全厚（層１６５、１６６を含んでも含まなくてもよい）を有するナノフォイル１６７の場合、双方の部品１６２、１６４に堆積されるろう材層１６１、１６３のかなりの溶融が行われ得る。したがって、このような構造により、接合プロセスに適した設計がもたらされる。これらの結果に基づき、当業者には、反応性ナノフォイルに予め堆積される溶融性材料の厚さを設計することにより、接合プロセスを設計すること、及び部品の熱曝露の制限等の他の効果を達成することは自明であるものとする。
【００８５】
また、図１６の非対称構造を用いて、ｔＴｉ（チタニウム１６２での溶融ろう材層１６１の厚さ）及びｔＳｉＣ（シリコンカーバイド１６４での溶融ろう材層１６３の厚さ）でのナノフォイルの全厚さｔＦの影響を調べることができる。上記の結果に鑑みて、厚さｔ１（ナノフォイル１６７のＳｉＣ側でのろう材層１６５の厚さ）及びｔ２（ナノフォイル１６７のＴｉ側でのろう材層１６６の厚さ）は、ｔ１＝ｔ２に固定することができ、ここでは、例えば、ｔ１及びｔ２は約１μｍに等しいものとすることができる。図１３に示すように、ナノフォイル厚さｔＦは、約６０μｍ〜約２７０μｍの範囲で変化し、ｔＴｉ及びｔＳｉＣの計算値はｔＦに対してプロットされている。この結果は、ｔＴｉ及びｔＳｉＣがそれぞれ、ナノフォイル厚さｔＦが増すにつれて減り得ることを示す。ナノフォイル厚さｔＦが約１６０μｍよりも薄い場合、ｔＴｉ及びｔＳｉＣが双方とも約１６μｍ未満に減り得るため、部品１６２、１６４に予め堆積されるろう材層１６１、１６３の溶融量は、非常の少ないものとなり得る。その一方、ナノフォイル厚さｔＦが約２００μｍよりも厚い場合、Ｔｉ１６３に予め堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層１６１全体が溶融し得る。したがって、本結果は、図１６の構造では、適した且つ／又は望ましい作用を達成するのに適した且つ／又は望ましいナノフォイル厚さは、約１５０μｍ〜約２００μｍの範囲にあるものとし得ることを示す。約１５０μｍ〜約２００μｍのナノフォイル厚さが適している、且つ／又は望ましいが、その理由は、そのようなナノフォイル厚さにより、臨界面１６８、１６９の十分な濡れが保証され、且つ／又は部品１６２、１６４に予め堆積されるろう材層１６１、１６３を完全に溶融しないようにすることができるからである。この方法を用いれば、当業者には、特に、最初に結合される界面でのこのような作用は回避しつつ臨界面１６８、１６９での溶融を誘導するようにナノフォイル厚を設計する方法は自明であるものとする。
【００８６】
また、図１６の非対称構造を用いて、溶融性材料１６１、１６３、１６５、１６６の溶融及び臨界面１６８、１６９の濡れに対する反応熱の影響を調べることもできる。本明細書中で述べたように、反応性多層ナノフォイル１６７の反応熱は、種々の手段を用いて、例えば、化学量論、堆積率（プレミックス幅（premix width）に影響を及ぼす）、及び／又は二層厚さのうち１つ又は複数を変えることによって、且つ／又は、Gavens and Glockerにおいて考察されているように、不活性環境中、中温でナノフォイルをアニールすることによって制御することができる。
【００８７】
反応熱を変えることが、溶融性材料１６１、１６３、１６５、１６６の溶融、及び／又は臨界面１６８、１６９の濡れに影響を及ぼすことを示すために、約１８０μｍの一定の厚さｔFを有するナノフォイル１６７、及びナノフォイル１６７に予め堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層１６５、１６６（それぞれ約１μｍの一定厚さｔ１及びｔ２を有する）を用いて計算シミュレートを行った。フロント速度は、約２．９ｍ／ｓに固定した。これらの固定値では、反応熱は、約８００Ｊ／ｇ〜約１，６００Ｊ／ｇの範囲で変化した。これらの入力を用いて、ｔＴｉ及びｔＳｉＣの予測値をシミュレートにより計算し、図１４に示すように反応熱に対しプロットした。この結果は、ｔＴｉ及び／又はｔＳｉＣが反応熱に対する強い依存性及び／又は相関性を呈することを示す。例えば、図１４に示すように、反応熱が約９００Ｊ／ｇ未満に下がる場合、この結果により、ろう材層１６１、１６３の著しい溶融が起こり得ることが予測される。反応熱が約９００Ｊ／ｇを超える場合、この結果により、ｔＴｉ及び／又はｔＳｉＣが急速に増大し得ることが予測される。特に、反応熱が約１，３００Ｊ／ｇを超える場合、この結果により、Ｔｉ１６２に予め堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層１６１のほぼ全体が反応接合プロセス中に溶融し得ることが予測される。これらの結果は、反応熱を慎重に制御又は特徴化することの必要性及び／又は利益を強く示す。例えば、図１６に示すこの非対称構造では、用いる反応熱は、好ましくは、約１，１６０Ｊ／ｇ〜約１，３００Ｊ／ｇの範囲にあるものとし得る。反応熱は、ろう材の溶融量を制御し、それにより、部品の熱曝露を制限し、且つ／又は他の関連した結果及び／又は影響を制御するように、既知の方法で制御することができる。
【００８８】
本発明の別の実施形態では、１つ又は複数の溶融性材料２１０、２１１の１つ又は複数の自立形シート２１０、２１１を非対称構造に用いてもよい。例えば、図２１は、ＳｉＣ２１２及びＴｉ２１３の接合のための交互構造を示す。図２１に示すように、交互構造は、溶融性材料として、Ａｕ−Ｓｎはんだ２１０、２１１の自立形シート２１０、２１１を用いる。シート２１０、２１１はそれぞれ、約２５μｍの厚さを有し得る。ＳｉＣ２１２及びＴｉ２１３は、本明細書中に記載の構造のいずれかとほぼ同じ方法で処理することができる。例えば、約６２μｍの厚さを有するＩｎｃｕｓｉｌ層２１５をＴｉ２１３に予め堆積することができ、且つ／又は約１００μｍの厚さを有するＩｎｃｕｓｉｌ層２１４をＳｉＣ２１２に予め堆積することができる。反応性ナノフォイル１６０の各側面にＩｎｃｕｓｉｌ層２１６、２１７を予め堆積しておくことができる。反応性ナノフォイルに予め堆積されるＩｎｃｕｓｉｌ層２１６、２１７は、約１μｍの厚さを有し得る。
【００８９】
図２１に示す構造では、ナノフォイルは、自立形Ａｕ−Ｓｎ層２１０、２１１を完全に溶融するのに十分な熱量を放出し得ることが好ましい。しかしながら、ろう材自体が溶融するか否かに関係なく、各Ａｕ−Ｓｎはんだ層２１０、２１１が各Ｉｎｃｕｓｉｌろう材層２１４、２１５、２１６、２１７に十分に接着し得るため、Ｉｎｃｕｓｉｌろう材層２１４、２１５、２１６、２１７の１つ又は複数の溶融は必要ない。以下に示すように、パラメータの検討を行って、ナノフォイルの厚さが、はんだ層２１０、２１１の溶融、及び／又はＴｉ２１３及びＳｉＣ２１４に予め堆積される１つ又は複数のＩｎｃｕｓｉｌろう材層２１４、２１５の溶融に対する影響を確定する。反応性ナノフォイル１６０の厚さは、約３０μｍ〜約２７０μｍの範囲で変化した。
【００９０】
この構造ではＡｕ−Ｓｎはんだ２１０、２１１をほぼ完全に溶融する必要があるため、予測的解析は、各Ａｕ−Ｓｎはんだ層２１０、２１１と、部品Ｔｉ２１３及び／又はＳｉＣ２１２に予め堆積される各Ｉｎｃｕｓｉｌろう材層２１４、２１５との界面２１８、２１９におけるはんだ温度を監視することによって行われる。いくつかの構造（例えば、反応性ナノフォイル層１６０の厚さは変化した）のそれぞれの場合について、はんだ層２１０、２１１が界面２１８、２１９のそれぞれでの融解温度を超えたままとなる時間間隔を記録した。この予測結果は図１６に示し、ここでは、はんだ層２１０、２１１が界面２１８、２１９のそれぞれで融解温度を超えたままとなる時間間隔をナノフォイル厚に対してプロットした。この予測結果は、Ａｕ−Ｓｎはんだ層２１０、２１１の双方（例えばＴｉ側及び／又はＳｉＣ側のＡｕ−Ｓｎはんだ層）を溶融するために約３０μｍの最小限のナノフォイル厚さが必要であり得ることを示す。約３０μｍ未満の厚さを有するナノフォイル１６０の場合、モデルにより、１つ又は複数のＡｕ−Ｓｎはんだ層２１０、２１１の溶融は部分的にしか起こり得ず、したがって、Ａｕ−Ｓｎはんだ層２１０、２１１の１つ又は複数と１つ又は複数のＩｎｃｕｓｉｌろう材層２１４、２１５との結合には欠如があることが予想される。
【００９１】
Ａｕ−Ｓｎはんだを用いて形成される反応接合の強度を、本明細書中に記載の実験による例から確定し、せん断強度測定値を計算予測値と比較した。下記に記載の解析は、Ａｕ−Ｓｎはんだの溶融持続時間が増すにつれ、接合強度が最初に増大し得ること、また、臨界面でのＡｕ−Ｓｎはんだが、約０．５ｍｓを超える持続時間の間、融解温度を超えることを示す。この解析に基づき、十分な接合強度を達成するには約７０μｍのナノフォイル厚さが必要とされ得る。また、計算値（その例は本明細書中に記載されている）を用いて、部品に予め堆積されるＩｎｃｕｓｉｌの可能な溶融を調べた。この結果は、ナノフォイル厚さが約２００μｍよりも薄い場合、Ｔｉ及びＳｉＣに予め堆積されるろう材層は、Ｉｎｃｕｓｉｌの融解温度未満のままであり得ることを示す。ナノフォイルがより厚い場合、これらの層２１４、２１５の一方又は双方のＩｎｃｕｓｉｌの部分的な溶融が起こり得る。
【００９２】
本発明の別の実施形態では、得られる反応接合部の強度に及ぼす、はんだ又はろう材の溶融持続時間の影響を、実験的に解析した。実験調査は、フォイル、はんだ層、及び部品のうち１つ又は複数の長さ及び幅は異なるが、フォイル、はんだ層、及び部品のうち１つ又は複数の厚さは一定である構造に用いられた。具体的には、ＳｉＣ及びＴｉ−６−４の反応接合部は、溶融性材料として、Ｉｎｃｕｓｉｌ（ろう材）及びＡｇＳｎＳｂ（はんだ）を用いて形成された。小面積（０．５インチ×０．５インチ）及び大面積（４インチ×４インチ）の双方を考慮して、得られる接合部の強度を実験的に求めた。双方の場合において、９０μｍの反応性フォイルを用いた。接合部の測定強度は、接合面積に応じて下記の表に示す：
【００９３】
【表４】
2007502214.tif 000016
【００９４】
この条件の場合、モデル予測値は、接合面積に関係なく、ろう材の溶融持続時間は約０．２８ｍｓであり、はんだについては、溶融持続時間は約５．４９ｍｓであることを示す。実際に、はんだの融解温度はより一層低いため、はんだの溶融持続時間の方が長いことが予測される。測定せん断強度との溶融持続時間の予測値の比較により、この構造（すなわち接合面積）の長さ及び幅が大きいほど、反応接合部の十分な強度を達成するのにより長い溶融持続時間が必要であることが示される。このことは、溶融性材料としてＩｎｃｕｓｉｌを用いる場合では、溶融持続時間が短く、小面積接合部に対し強力な結合が得られるが、同じプロトコルを大面積の接合に用いるときは得られないことで実証される。その一方、はんだ材料としてＡｇＳｎＳｂを用いる場合、溶融持続時間はより長く、小面積接合部及び大面積接合部の双方において同様の強度が得られた。当業者には、これらの結果を他の材料系及び接合面積に対し一般化することは自明であるものとする。
【００９５】
本発明の別の実施形態では、Ａｌ−６１０１−Ｔ６とＡｌ２Ｏ３との反応接合に対応する別の非対称構造が図２３において考慮されている。特に、図２３における構造を用いて、フォイル２３０とはんだ２３１、２３２との臨界面の濡れに対するフォイル２３０の厚さの影響を、具体的には、はんだ２３１、２３２が局所的に溶融状態にある持続時間を定量化することによって、解析することができる。このため、フォイル２３０の厚さは体系的に変わり得るが、残りのパラメータは固定されたままにすることができる。モデル入力は、下記の表及び図１３に示すように、フォイル２３０、接合層２３１、２３２、２３３、２３４、及び部品２３５、２３６の熱物性を含む。
【００９６】
【表５】
2007502214.tif 000017
【００９７】
他の考えられ得る入力としては、Ｉｎｃｕｓｉｌの固相線温度（Ｔｓ＝８７８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの液相線温度（Ｔｌ＝９８８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの融解熱（Ｈｆ＝１０，７９２Ｊ／ｍｏｌ）、Ａｇ−Ｓｎはんだの固相線温度（Ｔｓ＝４９４Ｋ）、Ａｇ−Ｓｎはんだの液相線温度（Ｔｌ＝４９４Ｋ）、及び／又はＡｇ−Ｓｎはんだの固相線温度（Ｈｆ＝１４，２００Ｊ／ｍｏｌ）が挙げられ得る。
【００９８】
図２３に示す構造では、Ａｌ２Ｏ３部品２３５でのはんだ層２３１は約１００μｍ厚さを有し、Ａｌ−６１０１−Ｔ６部品２３６でのはんだ層２３２は約７５μｍ厚さを有し得る。反応性多層フォイル２３０は、フォイル２３０の両側面に堆積される約１μｍ厚さのＩｎｃｕｓｉｌ層２３３、２３４を有し得る。
【００９９】
反応接合プロセスの際の温度分布の詳細を図２４に示し、この図では、異なる時点で約１４８μｍ厚さを有するフォイル２３０の化学的変換による接合部の端から端までの瞬時のプロファイルを示す。図２４に見られるように、フォイル２３０の各側面で非対称に熱移動が生じ得り、はんだ層２３１、２３２の温度勾配は、Ａｌ−６１０１−Ｔ６部品２３６の側よりもＡｌ２Ｏ３部品２３５の側でより緩やかになり得る。これらの現象は、部品２３５、２３６の熱拡散率の不一致に直接起因し、熱拡散率は、Ａｌ２Ｏ３部品２３５の場合よりもＡｌ−６１０１−Ｔ６部品２３６の場合でより一層高いものとなり得る。
【０１００】
フォイル２３０の厚さの影響は図２５（ａ）及び図２５（ｂ）において解析している。図１９（ａ）は、はんだ層２３１、２３２の溶融量を示し、図２５（ｂ）は、フォイル−はんだ臨界面２３７、２３８及びはんだ−部品界面２３９、１９０での溶融持続時間を示す。予測は、考慮したフォイル厚さ（約２０μｍ〜約１４８μｍの範囲）のすべてに接合が起こり得ることを示す。フォイル２３０の厚さが約６０μｍ未満である場合、はんだ層２３１、２３２の双方においても部分的な溶融が起こり得ることに留意されたい。フォイル厚さが約６０μｍ〜約１００μｍである場合、Ａｌ２Ｏ３部品２３５の側にあるはんだ層２３１の完全な溶融が起こり、Ａｌ−６１０１−Ｔ６部品２３６の側のはんだ層２３２の部分的な溶融が起こり得る。フォイル２３０の厚さが約１００μｍよりも大きい場合、はんだ層２３１、２３２は双方とも完全に溶融し得る。フォイル２３０の厚さが約１００μｍよりも大きい場合では、その結果は、はんだ層２３１、２３２の局所的な溶融持続時間がフォイル２３０の厚さが増すとともにほぼ線形に増え得ることを示す。図２３の結果と一致して、図２５（ａ）及び図２５（ｂ）もまた、Ａｌ−６１０１−Ｔ６部品２３６の側よりもＡｌ２Ｏ３部品２３５の側でより完全に且つ一様に溶融し得ることを示している。特に、Ａｌ２Ｏ３側でのはんだ−フォイル界面２３７の溶融持続時間は、図２５（ｂ）に示すように、Ａｌ２Ｏ３側でのはんだ−部品界面２３９での溶融持続時間にほぼ等しくなり得る。その一方、これらの溶融持続時間は、図１９（ａ）の界面２３８、１９０の示すように、Ａｌ側で実質的に異なり得る。図２３、図２５（ａ）、及び図２５（ｂ）の結果は、組み合わせた場合、はんだ及び部品の熱拡散率が持続時間、溶融の均一性、ひいては接合部の強度に対し重要となり得ることを実証する。したがって、反応接合用途の設計は、これらのパラメータを慎重に考慮すべきである。
【０１０１】
本発明の別の実施形態では、化学的に異なる複数の溶融性材料層を含む反応接合構造を用いることができる。一つの特定の構造を図２６に示す。図２６は、２つの溶融性材料２６２、２６３が用いられる非対称構造を示し、ここでは、融解温度Ｔ１がより高い溶融性材料２６２が、熱伝導率ｋ１がより低い部品２６０の側で用いられ、融解温度がより低い溶融性材料２６３が、熱伝導率ｋ２が比較的高い、伝導性がより高い部品２６１の側で用いられ得る。そのような構成の例として、ＳｉＣ及びＴｉの接合が挙げられ、その場合、Ｉｎｃｕｓｉｌような、融解温度がより低いろう材が伝導性がより高いＳｉＣに予め堆積され、Ｇａｐａｓｉｌ又はＴｉＣｕＮｉような、融解温度がより高いろう材が伝導性がより低い導電性Ｔｉ部品に用いる。かかる構成により、反応の際の熱移動の設計の可能性、近接する部品用の個々のろう材層又ははんだ層との化学的適合性、並びに反応接合部の熱物性が与えられる。当業者には、本実施形態を種々の他の構造に対し一般化することは自明であるものとする。
【０１０２】
ＩＩＩ．反応性フォイル接合部の最適化
上記のパートＩに示したように、ろう付け又ははんだ付け接合部の機械的特性は、形成された接合部のろう付け又ははんだ層の微細構造を改良することによって高められる。具体的には、層間隔を、炉又はトーチによる加熱により一般的に製造されるμｍ範囲からナノメートル範囲（約１００ｎｍ未満）、好ましくは、約５０ｎｍ未満、さらにより好ましくは、約１０ｎｍ未満に減少することが望ましい。パートＩにさらに示すように、層間隔λは、以下の関係式により冷却速度Ｒｃに関連する。
λ＝Ｋ／Ｒｃ１／２
【０１０３】
パートＩＩで説明するとともに示した熱モデル法を用いて、接合部の反応性フォイル形成部の熱流をモデリングし、それにより、冷却速度Ｒｃを規定した。熱モデリング法は、各セルの中心で、且つ時間工程で温度を計算する。各セルの中心での、且つ時間工程での冷却／加熱速度は、予測温度の時間変化率を導くことによって（時間に対する温度の一次微分を数値的に導くことによって）計算されることができる。したがって、フォイル厚、フォイルの反応熱、瞬間的反応、及び平均速度、及び加えられた圧力を含めた関連パラメータの各組み合わせに対し、モデルにより、はんだ／ろう材領域全体、及び接合手順（はんだ／ろう材が凝固するときを含める）の始めから終わりまでの冷却速度の分布の予測が与えられる。したがって、モデルを用いて、上記パラメータのどの組み合わせが、所望の冷却速度勾配及びその結果生じる層間隔を得られるかを決定することができる。
【０１０４】
はんだ材料又はろう材料の層間隔は、反応接合部の形成中の冷却速度に依存し、反応接合部は、フォイル及び接合されている部品の形状及び特性により変わる。冷却速度がより高いことにより、用いられているはんだ材料又はろう材料に対し、より緻密な微細構造が得られることが予測される。
【０１０５】
反応接合プロセス中の熱移動の数値的予測は、はんだ材料又はろう材料の冷却速度が、フォイル、はんだ又はろう材、及び部品の形状及び特性を変えることにより制御されることができることを示す。例えば、熱伝導率が非常に低い薄部品（１ｍｍ）、例えばシリコンンを接合する場合、凝固温度でのはんだ層の冷却速度は、５℃／秒もの低さであると推定される。これとは対照的に、ダイヤモンドのような、熱伝導率が非常に高い部品が、融解温度の低いはんだの代わりに６０μｍ厚の反応性フォイル層及びＩｎｃｕｓｉｌろう材層を用いて接合される場合、凝固温度でのろう材層の冷却速度は、５×１０６℃／秒もの高さであり得る。部品、反応性フォイル、及びはんだ材料の関連の物理特性は、表１に挙げる。
【０１０６】
概して、はんだ層又はろう材層における冷却速度を増大させることで、はんだ材料又はろう材料の改良された微細構造を得て、反応接合部の能力を高めるようにするいくつかの方法がある。部品の形状及び特性については、熱伝導率がより高く、密度がより低く、熱容量がより低く、且つ厚さがより厚い場合に、はんだ層又はろう材層において高い冷却速度が得られる。反応性フォイルでは、より薄いフォイルを用いることにより、熱の発生がより少なくなり、よって、接合部の端から端にわたって冷却速度が増大する。さらに、熱容量がより低く、密度がより低く、且つ反応熱（Ｊ／ｇ）がより高いフォイルを用いることにより、凝固温度でのはんだ層又はろう材層における冷却速度が増大する。はんだ層又はろう材層では、融点がより高く、熱伝導率がより高く、熱容量がより低く、且つ密度がより低いはんだ又はろう材を用いることにより、概して高い冷却速度がもたらされる。
【０１０７】
【表６】
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【０１０８】
関連パラメータとしては、Ｉｎｃｕｓｉｌの固相線温度及び液相線温度（それぞれ、Ｔｓ＝８７８Ｋ及びＴｌ＝９８８Ｋ）、Ｉｎｃｕｓｉｌの融解熱（Ｈｆ＝１０，７９２Ｊ／ｍｏｌ）、ＩｎＳｎはんだの固相線温度及び液相線温度（それぞれ、Ｔｓ＝Ｔｌ＝３９１Ｋ）、及びＩｎＳｎはんだの融解熱（Ｈｆ＝５，２００Ｊ／ｍｏｌ）が挙げられる。
【０１０９】
上記の実施形態は、多数の考えられ得る特定の実施形態のわずかな例にすぎず、本発明の代表的な用途とすることができることを理解されたい。本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、当業者によりいくつかの変更した他の構成をなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】反応性多層フォイルの自己伝播反応の概略図である。
【図２】反応性フォイル及び一対のろう材層又ははんだ層を用いての、２つの部品の反応結合を示す概略図である。
【図３】Ａｕ被覆ステンレス鋼せん断ラップ（shear lap）試験片の反応結合を示す図である。
【図４】（ａ）はＡｌ／Ｎｉフォイル及び自立形ＡｕＳｎはんだシートを用いて結合されているステンレス鋼部品のＳＥＭ顕微鏡写真である。（ｂ）は従来のはんだ付け炉を用いて結合されているステンレス鋼部品のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図５】（ａ）は反応性フォイル結合からのＡｕＳｎはんだの微細構造を示す顕微鏡写真である。（ｂ）は従来のはんだ付け炉からのＡｕＳｎはんだの微細構造を示す顕微鏡写真である。
【図６】（１）ステンレス鋼接合部、及び（２）アルミニウム接合部における反応性フォイルによりできているＡｕＳｎはんだ層の中心における予測温度対時間のプロットを示すグラフである。
【図７】（ａ）は反応性フォイルが接合したステンレス鋼におけるＡｕＳｎはんだの微細層状共晶構造を示す顕微鏡写真である。（ｂ）は反応性フォイルが接合したアルミニウムにおけるＡｕＳｎはんだの微細層状共晶構造を示す顕微鏡写真である。
【図８ａ】第１の多層反応接合構造の概略図である。
【図８ｂ】第２の多層反応接合構造の概略図である。
【図９ａ】第３の多層反応接合構造の概略図である。
【図９ｂ】第４の多層反応接合構造の概略図である。
【図１０ａ】図９ａの多層反応接合構造の例示的な測定温度プロファイルを示す図である。
【図１０ｂ】図９ａの多層反応接合構造の例示的な予測温度プロファイルを示す図である。
【図１１ａ】図９ｂの多層反応接合構造の一例の予測温度プロファイルを示す図である。
【図１１ｂ】図９ｂの多層反応接合構造の一例の測定温度及び予測温度プロファイルを示す図である。
【図１２】多層反応接合構造の概略図を示す図である。
【図１３ａ】フォイル厚さと反応熱の関係の例示的なグラフ表示を示す図である。
【図１３ｂ】フォイル厚さとフロント（前進）速度の関係の例示的なグラフ表示を示す図である。
【図１４】図９（ｂ）及び図１２の多層反応接合構造の例示的なグラフ結果を示す図である。
【図１５】図９（ｂ）及び図１２の多層反応接合構造の例示的なグラフ成果を示す図である。
【図１６】多層反応接合構造の概略図である。
【図１７ａ】図１６の多層反応接合構造の例示的な予測温度プロファイルを示す図である。
【図１７ｂ】図１６の多層反応接合構造の例示的な測定赤外線温度分布を示す図である。
【図１７ｃ】図１６の多層反応接合構造の例示的な測定赤外線温度分布を示す図である。
【図１８】図１６の多層反応接合構造の例示的なグラフ結果を示す図である。
【図１９】図１６の多層反応接合構造の例示的なグラフ結果を示す図である。
【図２０】図１６の多層反応接合構造の例示的なグラフ結果を示す図である。
【図２１】多層反応接合構造の概略図である。
【図２２】図２１の多層反応接合構造の例示的なグラフ予測を示す図である。
【図２３】多層反応接合構造の概略図である。
【図２４】図２１の多層反応接合構造の例示的な予測温度プロファイルを示す図である。
【図２５ａ】図２１の多層反応接合構造の例示的な予測結果を示す図である。
【図２５ｂ】図２１の多層反応接合構造の例示的な予測結果を示す図である。
【図２６】多層反応接合構造の概略図である。
【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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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【図１７ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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