(57)【要約】本発明によれば、材料の本体は、その間に反応性多層箔およびロウ材またははんだなどの可溶融性接合材料の１つまたは複数の層を配設することによって接合される。本体は箔および接合材料に対して互いに押し付けられ、箔は接合材料を溶融するように点火される。押し付けは臨界圧力近辺であり、実用的な最大圧力で生じさせ得る最大強度の少なくとも７０〜８５％の強度を有する接合部を通常生じさせる。したがって、例えば、従来１００ＭＰａの加圧力で作られた反応的に形成されるステンレス鋼はんだ接合部は、約１０ｋＰａの臨界加圧力で実質的に同じ強度を有して作ることができる。この方法の利点は、ロウ材またははんだの最小の押出し、および特に大きな本体の接合での装置および処理コストの低減である。
2006528556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体間に反応性箔および可溶融性接合材料を配設する工程と、
前記本体を前記箔および前記接合材料に対して互いに押し付ける工程と、
前記接合材料を溶融させるために前記箔を通る自己伝播反応を開始させる工程とを含み、
前記接合工程に対する接合強度対加圧力のプロットが、比較的高い傾きを有するより低い加圧力区域、比較的低い傾きを有するより高い加圧力区域、および前記高い傾きと低い傾きの間の屈曲区域によって特徴づけられ、かつ、前記本体が前記屈曲区域内の圧力で互いに押し付けられる、反応性多層箔および可溶融性接合材料の１つまたは複数の層または被覆を使用して材料の第１および第２の本体を接合する方法。
【請求項２】
前記圧力が約３０ｋＰａ以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧力が約２０ｋＰａ以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記可溶融性接合材料がはんだまたはロウ材材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記圧力が十分低く、前記接合工程によってわずか２０％までしか前記接合材料の厚さが減少しない、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記接合材料の前記溶融が約０．５ｍｓより長い持続時間を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記接合材料が約０．５ミクロンより大きな厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記材料の本体が約０．０３ｃｍ２を超える面積上に接合される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記接合部の強度が約１ＭＰａを超える、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記接合部が約６４．５２ｃｍ２（１０ｉｎ２）より大きな面積を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
本体間に反応性箔および可溶融性接合材料を配設する工程と、
前記本体を前記箔および前記接合材料に対して互いに押し付ける工程と、
前記接合材料を溶融させるために前記箔を通る自己伝播反応を開始させる工程とを含み、
前記押し付けが、前記本体を損傷しない最大実用加圧力より実質的に低い圧力であるが、前記最大実用加圧力での剪断強度の少なくとも７０％に等しい剪断強度を有する接合部をもたらす押し付けである、反応性多層箔および可溶融性接合材料の１つまたは複数の層または被覆を使用して材料の第１および第２の本体を接合する方法。
【請求項１２】
前記圧力が約３０ｋＰａ以下である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記圧力が約２０ｋＰａ以下である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記可溶融性接合材料がはんだまたはロウ材材料を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記圧力が十分低く、前記接合工程によってわずか２０％までしか前記接合材料の厚さが減少しない、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記接合材料の前記溶融が約０．５ｍｓより長い持続時間を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記接合材料が約０．５ミクロンより大きな厚さを有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記材料の本体が約０．０３ｃｍ２を超える面積上に接合される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記接合部の強度が約１ＭＰａを超える、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
前記接合部が約６４．５２ｃｍ２（１０ｉｎ２）より大きな面積を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項２１】
本体間に反応性箔および溶融可能な接合材料を配設する工程と、
前記本体を前記箔および前記接合材料に対して互いに押し付ける工程と、
前記接合材料を溶融させるために前記箔を通る自己伝播反応を開始させる工程とを含み、
前記押し付けが、１００ＭＰａより実質的に低い圧力であるが、１００ＭＰａの加圧力を使用して形成される剪断強度の少なくとも７０％に等しい剪断強度を有する接合部をもたらす押し付けである、反応性多層箔および可溶融性接合材料の１つまたは複数の層または被覆を使用して材料の第１および第２の本体を接合する方法。
【請求項２２】
前記圧力が約３０ｋＰａ以下である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記圧力が約２０ｋＰａ以下である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記可溶融性接合材料がはんだまたはロウ材材料を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記圧力が十分低く、前記接合工程によってわずか２０％までしか前記接合材料の厚さが減少しない、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記接合材料の前記溶融が約０．５ｍｓより長い持続時間を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記接合材料が約０．５ミクロンより大きな厚さを有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記材料の本体が約０．０３ｃｍ２を超える面積上に接合される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記接合部の強度が約１ＭＰａを超える、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記接合部が約６４．５２ｃｍ２（１０ｉｎ２）より大きな面積を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
本体間に反応性箔および可溶融性接合材料を配設する工程と、
前記本体を前記箔および前記接合材料に対して互いに押し付ける工程と、
前記接合材料を溶融させるために前記箔を通る自己伝播反応を開始させる工程とを含み、
第１および第２の本体のうちの少なくとも１つが超小型回路素子または半導体を含み、前記押し付けが、前記接合部からのはんだのしぶきを排除するのに十分に低いが、前記接合部を形成するのに使用される前記はんだまたはロウ材材料の剪断強度の少なくとも７０％に等しい剪断強度を有する接合部を形成するのに十分に高い圧力である、反応性多層箔および可溶融性接合材料の１つまたは複数の層または被覆を使用して材料の第１および第２の本体を接合する方法。
【請求項３２】
前記圧力が約３０ｋＰａ以下である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記圧力が約２０ｋＰａ以下である、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記可溶融性接合材料がはんだまたはロウ材材料を含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
前記圧力が十分低く、前記接合工程によってわずか２０％までしか前記接合材料の厚さが減少しない、請求項３１に記載の方法。
【請求項３６】
前記接合材料の前記溶融が約０．５ｍｓより長い持続時間を有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記接合材料が約０．５ミクロンより大きな厚さを有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３８】
前記材料の本体が約０．０３ｃｍ２を超える面積上に接合される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３９】
前記接合部の強度が約１ＭＰａを超える、請求項３１に記載の方法。
【請求項４０】
請求項１に記載の方法によって接合された材料の少なくとも２つの本体を備える製品。
【請求項４１】
請求項１１に記載の方法によって接合された材料の少なくとも２つの本体を備える製品。
【請求項４２】
請求項２１に記載の方法によって接合された材料の少なくとも２つの本体を備える製品。
【請求項４３】
請求項３１に記載の方法によって接合された材料の少なくとも２つの本体を備える製品。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、Ｊｉａｐｉｎｇ  Ｗａｎｇ他による２００３年７月２３日出願の（「Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｆｌｏｗ  ｏｆ  Ｍｏｌｔｅｎ  Ｓｏｌｄｅｒ  ｏｒ  Ｂｒａｚｅ  ｉｎ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｊｏｉｎｉｎｇ」という名称の）米国特許仮出願第６０／４８９３７８号明細書の利益を主張する。
【０００２】
この出願はまた、２つの米国特許仮出願、１）Ｅｔｉｅｎｎｅ  Ｂｅｓｎｏｉｒ他による、２００３年５月１３日出願の（「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｗａｖｅｓ  Ｉｎ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｊｏｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ  Ｐｒｏｄｕｃｔ」という名称の）第６０／４６９８４１号明細書、および２）Ｊｉａｐｉｎｇ  Ｗａｎｇ他による２００３年６月４日出願の（「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  Ｓｏｌｄｅｒ  ｏｒ  Ｂｒａｚｅ  ｉｎ  Ｊｏｉｎｔｓ  Ｍａｄｅ  Ｗｉｔｈ  Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｆｏｉｌｓ」という名称の）第６０／４７５８３０号明細書の利益を主張する、Ｊｉａｐｉｎｇ  Ｗａｎｇ他による２００４年５月１３日出願の（「Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｏｌｄｅｒｅｄ  ｏｒ  Ｂｒａｚｅｄ  Ｊｏｉｎｔｓ  Ｍａｄｅ  Ｗｉｔｈ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｅｄ  Ｆｏｉｌｓ」という名称の）米国特許出願第１０／８４４８１６号明細書の一部継続出願である。
【０００３】
この出願はまた、２００１年５月１日出願の（「Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｆｏｉｌｓ」という名称の）米国特許出願第０９／８４６４８６号明細書の分割としての、Ｔ．Ｗｅｉｈｓ他による２００４年１月２１日出願の（「Ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｆｏｉｌｓ」という名称の）米国特許出願第１０／７６１６８８号明細書の一部継続出願である。この’４８６出願は、Ｔ．Ｗｅｉｈｓ他による２０００年５月２日出願の（「Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｆｏｉｌｓ」という名称の）米国特許仮出願第６０／２０１２９２号明細書の利益を主張する非仮出願である。この節で言及した全ての出願は、本明細書で参考として援用する。
【０００４】
政府の利益
合衆国政府は、ＮＳＦによって支持されるＡｗａｒｄ  ＤＭＩ−０１１５２３８にしたがって、この発明に一定の権利を有する。
【０００５】
同じまたは異なる材料の構成部品の接合は、大きな船および航空機から小さな半導体および光学素子にいたる多種多様の製品の製造の基礎である。ロウ付けまたははんだ付けによる接合は、金属部品からなる製品の組み立ておよび電子的、光学的素子の製作に特に重要である。
【０００６】
伝統的には、はんだ付けまたはロウ付けされる製品は、それぞれの構成部品の対合する表面間にロウまたははんだをサンドイッチし、このサンドイッチされた構造体を炉内またはトーチで加熱することによって作られる。残念なことに、これらの従来手法は、しばしば構成部品および接合領域の両方を有害な熱に曝す。ロウ付けまたははんだ付けでは、温度感受性の高い構成部品が損傷を受ける可能性があり、接合部に対する熱損傷は、コストの高い時間の掛かるアニールを必要とする可能性がある。熱膨張係数の大きな不適合（ＣＴＥ不適合）は、層間剥離または他の損傷を引き起こす可能性がある。低温接合への代替は通常、より弱い接合部を生じさせる。
【０００７】
２００４年５月１８日に発行されたＴ．Ｗｅｉｈｓ他による米国特許第６７３６９４２号明細書に開示された反応性多層箔は、高度に局所化された加熱によって接合部を生じさせる熱源として使用することができる。この反応性箔は、発熱および自己伝播反応で互いに反応する材料から選択される交互層から構成される。反応するときにこの箔は、接合層に加えることができる高度に局所化された熱エネルギを供給する。接合材料（ロウ材またははんだ）が使用される場合は、箔反応は、冷却時に材料の大きな本体を接合する強い接合部を形成するであろう接合材料を溶融させるのに十分な熱を供給することができる。
【０００８】
反応性多層箔を使用して本体を接合することは通常、本体の間に反応性多層箔および可溶融性の接合材料の１つまたは複数の層または被覆を配設し、箔および接合材料に対して本体を高い加圧力で互いに押し付け、接合材料を溶融させるように箔を通り自己伝播する化学反応(self-propagating chemical reaction)を開始させることを含む。
【０００９】
この方法はうまく働き、本体の有害な加熱を最小限にすることができるが、一方いくつかの用途では、溶融した接合材料が接合部を通り横方向に逃げ、冷却時に望ましくない薄い接合層および接合材料の望ましくない外側残留物を残すことが観察されてきた。この方法で通常使用される（１００ＭＰａまでの）圧力が、非常に大きな構成部品を接合する必要があるとき困難をもたらすことも注目されてきている。大きな構成部品に高圧力で負荷を掛けることは困難であり、かつ大きな、高価な装置を必要とする。
【００１０】
【特許文献１】米国特許仮出願第６０／４８９３７８号
【特許文献２】米国特許出願第１０／８４４８１６号
【特許文献３】米国特許仮出願第６０／４６９８４１号
【特許文献４】米国特許仮出願第６０／４７５８３０号
【特許文献５】米国特許出願第１０／７６１６８８号
【特許文献６】米国特許出願第０９／８４６４８６号
【特許文献７】米国特許仮出願第６０／２０１２９２号
【特許文献８】米国特許第６７３６９４２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、高い接合強度、接合材料の挙動に対するさらなる制御、および使用のさらなる利便性をもたらす、反応性多層箔による製品の接合の改良された方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発明者等は、反応性多層箔による材料の本体の接合では、実質的により高い圧力によって製造された強度と比較して、最大接合強度に近い強度をもたらすであろう臨界加圧力が存在することを確認してきた。さらに、彼等は、溶融材料の体積および／または溶融の持続時間を増加させることによって、臨界加圧力を適度に減少させることができることをさらに発見してきた。
【００１３】
したがって本発明によれば、材料の本体は、本体間に反応性多層箔、およびロウ材またははんだなどの１つまたは複数の可溶融性接合材料を配設することによって接合される。本体は箔および接合材料に対して互いに押し付けられ、箔が接合材料を溶融させるために点火される。押し付けは臨界圧力近くであり、通常は実用最大圧力で製造可能な最大強度の少なくとも７０〜８５％の強度を有する接合部を生じさせる。したがって例えば、以前に約１００ＭＰａの加圧力で作られた反応的に形成されたステンレス鋼はんだ付け接合部は、約１０ｋＰａの臨界加圧力で実質的に同じ強度を有して作ることができる。この方法の利点は、ロウ材またははんだの最小限の押出しと、特に大きな本体の接合では、装置および処理コストの低減である。
【００１４】
本発明の性質、利点および様々な追加の特徴は、次いで添付の図面を参照して詳細に開示する、図示の実施形態を考慮するときより完全に現れるであろう。
【００１５】
これらの図は、本発明の概念を示すことが目的であり、グラフおよび顕微鏡写真を除きノンスケールであることを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この説明は、２つの部分に分けられている。部分Iは、反応性箔接合を説明、図示し、部分IIは、接合工程での溶融した接合材料の制御を説明する。括弧で囲まれた数字によって示される参照番号は、添付のリストに全て列挙されている。
【００１７】
I．反応性多層箔を使用する本体の接合
自己伝播発熱形成反応(self-propagating exothermic formation reaction)は、Ａｌ／Ｎｉ、Ａｌ／Ｔｉ、Ｎｉ／ＳｉおよびＮｂ／Ｓｉ箔などの様々なナノ構造の多層箔で観察されてきている［１〜４］。これらの反応は、原子接合エネルギの減少によって駆動される。小さなスパークまたは炎などのエネルギパルスによって反応が開始した後、原子拡散が積層に対し法線方向に起きる。
【００１８】
図１は、材料ＡおよびＢそれぞれの交互層１６および１８によって構成される多層反応性箔１４を概略的に示す。これらの交互層１６および１８は、刺激(stimulus) に反応して隣接する原子の混合に対して敏感に反応する（または化学結合の変化を有する）任意の材料であり得る。元素Ａ／Ｂの対は、それらが大きな負の生成熱および高い断熱反応温度を有する安定な化合物を形成するように反応する方式に基づいて選択することが好ましい。多種多様のそのような組合せが、本明細書に参考として援用する上記で参照した米国特許出願第０９／８４６４８６号明細書に開示されている。
【００１９】
結合交換は極めて急速に熱を発生させる。熱拡散が積層に平行に起き、熱は箔を下がって伝導し、さらなる原子混合および化合物生成を促進し、それによって箔に沿った自己伝播反応(self-propagating reaction)を形成する。これらの自己伝播発熱反応(self-propagating exothermic reaction)の速度は層厚さに依存し、１２００℃を超える最高反応温度で、３０ｍ／秒と同じ程度に高く上昇する可能性がある［５］。
【００２０】
反応性多層箔は、箔をはんだまたはロウ材層を溶融させるための局所的熱源として使い、それによって構成部品を接合することによって、従来のはんだおよびロウ付け技術を劇的に改善する類の無い機会を提供する。反応性箔はんだ付けまたはロウ付けは、室温で、かつ、空気、アルゴンまたは真空中で行うことができる。
【００２１】
図２は、２つの構成部品２０Ａおよび２０Ｂを互いに接合するための、多層反応性箔１４の使用を概略的に示す。反応性箔１４は、構成部品の対合表面２１Ａおよび２１Ｂと隣接するロウ材またははんだの１つまたは複数の層または被覆２２Ａ、２２Ｂの間にサンドイッチされる。反応性箔１４は、上述の出願第０９／８４６４８６に開示されるように独立の反応性箔であることが好ましいが、１つまたは複数の構成部品２０Ａ、２０Ｂ上の被覆であることができる。ロウ材またははんだ２２Ａ、２２Ｂは、構成部品上で独立物、または被覆であることができる。
【００２２】
構成部品、箔およびはんだまたはロウ材が組み立てられ、互いに押し付けられた後、点火刺激物２３が箔１４に加えられ、箔を通る熱波面としての迅速かつ激しい熱拡散が生じる。
【００２３】
この新しい反応性接合方法によって、炉または他の外部熱源は必要性なくなる。さらに、反応性接合は、非常に局所的な加熱をもたらし、温度感受性構成部品または材料は、熱損傷無しに接合することができる。反応性箔によって提供されるこの局所的加熱は、極めて異なる熱膨張係数を有する材料を接合するために、例えば、金属とセラミックを接合するためにも有利である。通常は、金属がセラミックにはんだ付けまたはロウ付けされるとき、金属とセラミックの間の熱膨張係数が不一致であるため、高温のはんだ付けまたはロウ付け温度からの冷却時に大きな熱応力が発生する。これらの熱応力によって、金属／セラミック接合部領域の寸法が制限される。反応性多層で接合するときは、金属およびセラミック構成部品がほとんど熱を吸収せず、温度の非常に限られた上昇しか有さない。はんだまたはロウ材層および構成部品の表面のみが実質的に加熱される。したがって、接合時のＣＴＥ問題および接合時の層間剥離問題は回避される。
【００２４】
加えるに反応性接合方法は、迅速、かつコスト効率が高く、強い、熱的に伝導性を有する接合部を結果としてもたらす。したがって、特にマイクロエレクトロニクス素子の組み立てに対して実質的な商業的利点が実現される。
【００２５】
II．接合工程での溶融接合材料の制御
反応性箔およびはんだまたはロウ材を使用する構成部品の接合に関する以前の調査は、１００ＭＰａの加圧力の下で、Ａｌ／Ｎｉ反応性箔およびＡｕＳｎはんだ層を使用してステンレス鋼試料を剪断強度５０ＭＰａでうまく接合できることを示唆している［８］。接合部から流れ出した大量のＡｕＳｎはんだが存在することも観察された。接合部領域から外への溶融はんだの流出は、高い接合加圧力に起因するはんだ材料のしぶきが同じ基板上の別の構成部品および回路を損傷させる可能性があるので、非常に繊細な電子基板上に構成部品を接合するとき、この方法の適用が制限される。
【００２６】
文献では、より薄いはんだ層を有する接合部は、熱疲労をより受けやすい可能性があることも示唆していた［９］。接合中の加圧力が高すぎる場合は、溶融はんだまたはロウ材の過剰な流れが存在するであろう。このため、過剰なはんだまたはロウ材が接合部領域の外に押し出され、接合部の熱疲労および機械的疲労寿命を低下させる可能性のある、非常に薄いはんだまたはロウ材層に結果としてなる。
【００２７】
文献では、従来方式の接合および反応性接合の両方の接合中の加圧力は、得られる接合部の性能に影響を与えることが示されてきた。例えば、ＡｌＮ構成部品がＰｂＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、およびＳｉＯ２を含む商業的なはんだガラスを使用して、従来方式で炉接合されたとき、接合工程中に接合アセンブリ上に１９ｋＰａの圧力を加えるとはんだガラスの粘性流を高め、空隙をなくするのに役立つ。加圧力は、はんだガラスの強制的粘性流によって、処理時間および温度も減少させる［１０］。
【００２８】
加圧力は、反応性多層溶接工程でも重要な役割を果たす。例えば、Ｚｒベースの大きな金属ガラスサンプルが、反応性Ａｌ／Ｎｉ箔を使用して接合されたとき、接合圧力が２０から１６０ＭＰａに増加したとき、接合部の剪断強度は１００から５００ＭＰａに増大した。接合中の加圧力の増加は、柔らかなガラスが反応性箔の割れ目に流れ込む駆動力を高めることが示唆されている。この場合は、はんだまたはロウ材が全く使われておらず、接合部は構成部品それ自体を軟化させることによって形成される。しかしながら、反応性接合方法の多種多様な用途でははんだまたはロウ材が使用され、このはんだまたはロウ材材料を溶融させ、かつ構成部品上に濡れさせることによって接合部が形成される。これらの幾何学的形状に対する反応性接合への加圧力の影響は、以前の調査では取り組まれてきておらず、その効果の性質は予測するのが困難である。
【００２９】
本発明は、接合性能を改善するため、反応性多層接合での溶融はんだまたはロウ材の流動性を制御する方法論を開示する。我々は、接合加圧力、はんだまたはロウ材材料の溶融持続時間、および溶融はんだまたはロウ材材料の体積について示した順に考察する。次に我々は、接合を最適にするための臨界接合加圧力の決定を説明する。
【００３０】
（ａ）接合加圧力
最初に、我々は接合加圧力がどのように溶融はんだまたはロウ材材料の流動性、接合中の界面の熱抵抗、および結果として生じる接合部強度に影響を及ぼすかを説明する。より高い接合加圧力は、溶融はんだまたはロウ材材料の流動性を高め、濡れ状態を改善し、より強い接合部を形成させることができる。反応性Ａｌ／Ｎｉ箔およびＡｕＳｎまたはＡｇＳｎはんだ層を使用するステンレス鋼構成部品の接合によるそのような接合部が図示されている。これらの接合部は、図３に概略的に示すように、２つのＡｕＳｎまたは２つのＡｇＳｎはんだ層２２Ａ、２２Ｂおよび１つの反応性箔を２つのステンレス鋼試料２０Ａ、２０Ｂの間に積み重ねることによって組み立てられる。このステンレス鋼試料の寸法は０．５ｍｍ×６ｍｍ×２５ｍｍであり、接合力を高めるためにＮｉおよびＡｕ被覆３０で電気めっきされた。これらのステンレス鋼試料は、室温で２ｋＰａから３００ＭＰａの圧力範囲の下で、反応性箔に点火することによって接合された。
【００３１】
反応性Ａｌ／Ｎｉ箔およびＡｕＳｎはんだ層によって作成された、試験されていないステンレス鋼接合部の断面が、１μｍ仕上げに研磨され、次いでＪＥＯＬ顕微鏡の走査型顕微鏡検査（ＳＥＭ）を使用して特長付けられた。図４（ａ）および図４（ｂ）は、１つのＡｌ／Ｎｉ反応性箔（１００μｍ厚さ）および２つの独立のＡｕＳｎはんだ（２５μｍ厚さ）層を使用して、異なる圧力：１０ｋＰａおよび６０ＭＰａの下で接合されたステンレス鋼試料を示す。低い加圧力（１０ｋＰａ）の下で接合されたときは、はんだ層の厚さははんだ付けの前後で２５μｍで一定のままであった（図４（ａ））。しかしながら、ずっと高い加圧力（６０ＭＰａ）の下で接合されたときは、ＡｕＳｎはんだ層は２５μｍから５μｍに厚さが減少し（図４（ｂ））、より高い加圧力は溶融はんだの流動性を高めることができ、はんだの流れが反応した箔に形成された割れ目内に流れ込み、かつ流れが接合領域から流れ出すことを示している。これらの流れが結果としてより薄いはんだ層になる。前に説明したように、薄いはんだ層接合部は、熱疲労および機械的疲労もより受けやすい。さらに、高い接合加圧力に起因する余分なはんだの押し出しは、好ましからざる回路短絡を作り出すなどによって、近接する他の素子を損傷させる可能性がある。
【００３２】
強固な接合部を形成させるのに必要な接合加圧力を求めるために、Ａｌ／Ｎｉ箔（１００μｍ）およびＡｕＳｎはんだ（２５μｍ）層によって作られたステンレス鋼接合部が、室温でインストロン（Ｉｎｓｔｒｏｎ）試験機を使用し、クロスヘッド速度０．１ｍｍ／分で引っ張り試験が行われた。これらの接合部の剪断強度が、最大破断負荷を接合部面積で割ることによって得られ、図５に接合加圧力の関数としてプロットされた。接合加圧力が２ｋＰａから１０ｋＰａに増大すると、接合部の剪断強度も８ＭＰａから５０ＭＰａに増加する。反応性接合に必要とされるこの非常に低い圧力によって、その適用が、広い表面領域にわたる構成部品の接合に対し可能になる。接合加圧力をさらに増加させても、接合部の剪断強度は実質的に上昇しなかった。１０ｋＰａと３００ＭＰａの間の圧力の下で形成された接合部の剪断強度は、約５０ＭＰａでほぼ一定のままであった。
【００３３】
ステンレス鋼接合部がＡｌ／Ｎｉ箔（４０μｍ）およびＡｇＳｎはんだ（２５μｍ）層によって作られた。ＡｇＳｎはんだがＡｕＳｎはんだと比較してずっと低い融点を有しているので、４０μｍ厚さのＡｌ／Ｎｉ箔は、全てのＡｇＳｎはんだを溶融させるのに十分な熱を提供することができる。これらの接合部の機械的試験は同様な傾向を示す。これらの接合部の剪断強度は、臨界値に達するまで加圧力の増加と共に増大する。図５に示すように、その後は接合部の剪断強度がほとんど一定であった。加圧力に伴うこの剪断強度の変動は、異なる種類の反応性箔およびはんだまたはロウ材材料を使用して他の材料または構成部品を接合するときも見られるであろうことが期待される。一般に、構成部品が反応性箔および独立のはんだまたはロウ材材料を使用して接合されるとき、加圧力を増大させることは、結果として得られる接合部の剪断強度をある最大値まで改善するであろう。より高い加圧力に対しては、測定された剪断強度は比較的一定のままであろう。換言すれば、強固な接合部を形成するために、接合加圧力が臨界値に達する必要がある。
【００３４】
我々は、Ａｌ／Ｎｉ箔（１００μｍ厚さ）および独立のＡｕＳｎはんだ層（２５μｍ厚さ）を使用して異なる接合圧力で作られたステンレス鋼接合部の破断表面を、接合加圧力、および溶融したはんだまたはロウ材の流動性および構成部品の濡れを伴う接合部の剪断強度に直接関連付けるために、光学立体顕微鏡を使用して調査した。図６（ａ）に示すように、２ｋＰａの加圧力の下で形成された接合部に対しては、Ａｕ被覆されたステンレス鋼試料の部分的な濡れが存在し、全てのＡｕＳｎはんだは接合領域に残っていた。この非常に限られた濡れが、結果として接合部の低い剪断強度、すなわち９ＭＰａになっている。加圧力が１０ｋＰａに増加すると、Ａｕ被覆されたステンレス鋼試料の全面濡れが存在し、かつ全てのＡｕＳｎはんだが接合領域内に依然として残っていた（図６（ｂ））。接合部の剪断強度は全面濡れに起因して５０ＭＰａに増大した。３０ＭＰａなどのずっと高い加圧力の下では、やはりＡｕ被覆されたステンレス鋼試料の全面濡れが存在するが、図６（ｃ）に示すように、接合領域からのＡｕＳｎはんだのかなりの流出も存在した。これは、ＳＥＭを使用して断面で観察された（図４（ｂ））、高い接合加圧力の下で形成されたステンレス鋼接合部の非常に薄いはんだ層に一致している。図４（ｂ）の接合部も、ＡｕＳｎはんだ層が１０ｋＰａの加圧力の下で形成された接合部と比較して相当より薄いにも関わらず、サンプルの全面濡れに起因して約５０ＭＰａの高い剪断強度を示した。反応性接合部の断面のＳＥＭ顕微鏡写真および破断表面の光学立体顕微鏡写真は、これらの接合部の剪断強度と共に、接合加圧力が増大すると溶融したＡｕＳｎはんだの流動性が高められ、結果的により良い濡れとなり、その結果より強い接合部になることを示唆している。一方では、接合領域から外へのＡｕＳｎはんだの押し出しも増大する接合加圧力に伴って増大し、結果として熱疲労により曝されやすい、より薄いはんだ層になる。
【００３５】
この手法は、別の材料または構成部品が異なる種類の反応性箔およびはんだまたはロウ材材料を使用して接合される、様々な別の材料システムに対して一般化することができる。加圧力は、試料を完全に濡らし、その結果強固な接合部を形成できるように、溶融したはんだまたはロウ材材料の流動性を最適化する臨界的な加圧力に近づく必要がある。さらに、はんだまたはロウ材の押し出しが最小限に維持され、はんだまたはロウ材層の厚さが最大に維持されるように、加圧力は臨界圧力をはるかに超えるべきではない。この方法によって、結果として得られる接合部の性能を最適化することができる。
【００３６】
加圧力は、接合部内の界面熱抵抗にも影響を及ぼす。より高い接合加圧力は、界面熱抵抗を減少させ、溶融したはんだまたはロウ材の流動性を高め、その結果接合性能を改善することができる。このことは、加熱板と冷却板の間に締め付けられた１つのＴｉブロックおよび１つのＳｉＣブロックの熱測定に基づいて図示される。１つの反応性箔１４および２つのはんだ層２２Ａ、２２Ｂが図７に示すようにＴｉとＳｉＣブロック２０Ａ、２０Ｂの間に置かれた。ＳｉＣおよびＴｉブロック内の温度が赤外線カメラを使用して平衡状態で測定され、図８にプロットされた。界面熱抵抗Ｒは、
【数１】
2006528556.tif 000003
として表すことができ、ここでΔＴは界面での温度差、Ａは界面の面積、ｋは１つの構成部品の熱伝導度、およびｄＴ／ｄｘはこの構成部品内の温度勾配である。加圧力が１０ＭＰａから２０ＭＰａに増加すると、界面熱抵抗が５．０Ｋ／Ｗから３．４Ｋ／Ｗに低下することが計算された。この実験は、より高い接合加圧力は界面熱抵抗を減少させ、その結果熱伝達方法を改善し、はんだまたはロウ材の溶融および流動性を高めることを実証している。
【００３７】
（ｂ）はんだまたはロウ材の溶融持続時間
はんだまたはロウ材の溶融持続時間も、はんだまたはロウ材の流動性、したがって、反応性接合の性能に影響を及ぼす。異なる材料システムに対しては、十分なはんだまたはロウ材の流れを可能にし、したがって、強固な接合部を形成することができるようにするために必要な臨界加圧力は、はんだまたはロウ材材料の溶融の持続時間に依存する。一般に、はんだまたはロウ材材料のより長い持続時間は、結果としてより低い臨界接合加圧力を生じさせる構成部品の濡れおよび溶融したはんだまたはロウ材の流動性を高めることができる。これは、図９に概略的に示すように、反応性Ａｌ／Ｎｉ箔（１００μｍ）および独立のＡｕＳｎはんだ層（２５μｍ）を使用するＡｕ被覆されたステンレス鋼試料（０．５ｍｍ×６ｍｍ×２５ｍｍ）の反応性接合を、Ａｕ被覆されたＡｌ合金試料（０．５ｍｍ×６ｍｍ×２５ｍｍ）の反応性接合と比較することによって示される。このステンレス鋼接合部およびＡｌ合金接合部の剪断強度が、接合加圧力の関数として図１０にプロットされた。１０ｋＰａの接合加圧力の下では、ステンレス鋼試料は５０ＭＰａを超える剪断強度を伴って成功裏に接合することができるが、一方Ａｌ合金接合部は、１０ＭＰａ未満の剪断強度を伴い、依然として極めて弱い。加圧力１０ｋＰａの下で形成されたステンレス鋼接合部およびＡｌ合金接合部両方の破断表面が図１１に示された。ステンレス鋼接合部に対しては、ステンレス鋼試料上に結果として強固な接合部になるＡｕＳｎはんだの全面的な濡れが存在する。しかしながら、Ａｌ合金接合部に対しては、Ａｌ合金試料上に部分的な濡れしか観察されず、したがって接合部は極めて弱い。ステンレス鋼接合部およびＡｌ合金接合部の濡れ状態のこれらの相違は、ステンレス鋼の熱伝導率（１６．２Ｗ／ｍＫ）と比較してずっと高いＡｌ合金の熱伝導率（１６７Ｗ／ｍＫ）に起因する。以前の特許に開示されているステンレス鋼およびＡｌ合金試料の反応性接合内のＡｕＳｎはんだ層の溶融の数値予測によれば［１２］、反応性Ａｌ／Ｎｉ箔（１００μｍ）およびＡｕＳｎはんだ層（２５μｍ）を使用してステンレス鋼およびＡｌ合金試料が接合された条件で、ＡｕＳｎはんだのＡｌ合金接合部の溶融持続時間は、ステンレス鋼接合部内の５ｍｓと比較してわずか１ｍｓである。Ａｌ合金接合部のＡｕＳｎはんだ材料の溶融のそのような短い持続時間に伴い、溶融はんだの流動性を高め、Ａｕ被覆された試料の濡れを改善し、かつ接合部内のいかなる隙間も満たすために、より高い圧力が必要になる。図１０に示すように、Ａｌ合金接合部の剪断強度は、増加する接合圧力に伴い徐々に増大する。これらの結果は、臨界加圧力の値がＡｕＳｎはんだの溶融の持続時間に依存することを示唆している。ＡｕＳｎはんだの溶融のより長い持続時間は、溶融はんだの流動性を高めることができ、したがって、より低い臨界加圧力に結果としてなる。この分野の技術者には、この原理を様々な他の材料システムに対して一般化することは明らかであろう。以前の特許で示唆されているように［１２］、はんだまたはロウ材材料溶融の持続時間は、反応性箔、構成部品およびはんだまたはロウ材材料の幾何学的形状および特性などのいくつかの要因によって決まる。したが��て、反応性接合での溶融はんだまたはロウ材の流動性は、反応性接合部の性能を最大化できるように、これらの要因および接合加圧力を変化させることによって制御することができる。
【００３８】
（ｃ）溶融したはんだまたはロウ材の体積
次いで我々は、反応性接合部に使用できる溶融したはんだまたはロウ材の体積が、どのようにはんだまたはロウ材の流動性および接合性能に影響する可能性があるかについて説明する。反応性接合部内のより大きな溶融したはんだまたはロウ材材料の体積は、はんだまたはロウ材の流動性を高め、それによって試料の濡れおよび接合性能を改善することができる。結果として強固な接合部を形成するためにより低い臨界加圧力が必要になる。これは、Ａｌ／Ｎｉ箔および異なる体積のはんだまたはロウ材材料を使用する、Ａｕ被覆されたステンレス鋼試料（０．５ｍｍ×６ｍｍ×２５ｍｍ）の反応性接合に基づいて示される。いくつかのステンレス鋼接合部が、図３に示すように、Ａｌ／Ｎｉ箔およびＡｕＳｎはんだ層（２５μｍ）、またはＡｇＳｎはんだ層（２５μｍ）を使用して、２ｋＰａから３００ＭＰａの範囲の加圧力の下で作られた。いくつかのステンレス鋼接合部は、図１２に概略的に示すように、２つのステンレス鋼サンプルの間に１つのＩｎｃｕｓｉｌ被覆された反応性箔を置くことによって作られた。ここで、反応性箔上の１μｍ厚さのＩｎｃｕｓｉｌ被覆はロウ材材料として働き、独立のはんだまたはロウ材層は全く使用されない。これらのサンプルは、１０ｋＰａから１００ＭＰａの範囲の加圧力の下で接合され、適切な厚さの箔がＡｇＳｎおよびＡｕＳｎはんだおよびＩｎｃｕｓｉｌロウ材を溶融するのに使用された。実験結果は、２５μｍ厚さのＡｇＳｎまたはＡｕＳｎはんだ材料が使用されるとき、強固な接合部を形成する臨界加圧力は１０ｋＰａであることを示す。一方、図１３に示すように、１μｍ厚さのＩｎｃｕｓｉｌロウ材が使用されるとき、強固な接合部を形成するために６ＭＰａと同じくらい高い加圧力が必要である。反応性Ａｌ／Ｎｉ箔および１μｍ厚さのＩｎｃｕｓｉｌロウ材で作られたステンレス鋼接合部の破断表面は図１４に示された。１０ｋＰａの加圧力の下で形成された接合部は、Ａｕ被覆されたステンレス鋼試料は濡れがほとんど０であり、かつ剪断強度がほとんど０であることを示すが、一方６ＭＰａの加圧力の下で形成された接合部は、Ａｕ被覆されたステンレス鋼試料の全面的濡れおよび８０ＭＰａの非常に高い剪断強度を示す。この接合の幾何学的形状では、溶融したロウ材材料の体積が非常に限定されているので、より厚いはんだまたはロウ材層を有する他の接合の幾何学的形状と比較してずっと高い圧力が、接合中、溶融ロウ材の流動性を高め、試料全面を濡れさせ、かつ強固な接合部を形成するために必要となる。これは他の材料システムにも適用することができる。一般に、接合中に使用できる溶融はんだまたはロウ材のより大きな体積は、はんだまたはロウ材材料の流動性を高め、したがって、良好な接合部を形成するためにより低い臨界圧力が必要となる。
【００３９】
（ｄ）臨界加圧力の決定
所与の用途に対する臨界加圧力は、図１６に示す種類の、接合加圧力対剪断強度のプロットから求めることができる。圧力が対数目盛でプロットされていることに注目すべきである。出願者等は、そのようなプロットのデータ点は２つの群に分割できることを見出した。より低い加圧力に対応する１つの群１６０では、加圧力が上昇すると接合部強度は高い傾きで劇的に増大する。より高い接合加圧力に対応する別の群１６１では、圧力が増加するとき、接合部強度は、平らまたは非常に小さな傾きで、少ししか増加しない。臨界加圧力は、高い傾きの群と低い傾きの群の間の曲線の屈曲点のところの圧力である。それは、曲線当てはめによって、例えば、高い傾きの群１６０を通る当てはめられた線１６２が低い傾きの群を通る当てはめられた線１６３と交差する点Ｐとしてより精密に求めることができる。
【００４０】
次いで我々は、どのようにして異なる材料に対して、臨界接合加圧力を特定するかの具体的な例を示す。図１５に示すように、Ａｕめっきされたステンレス鋼構成部品１５０が、Ａｕめっきされたロジャーズ（Ｒｏｄｇｅｒｓ）ＰＣ基板１５１上に、反応性Ａｌ／Ｎｉ箔１５２（１００μｍ）およびＡｕＳｎはんだ層１５３（２５μｍ）を使用して接合された。ステンレス鋼構成部品１５０の寸法は、０．５ｍｍ×６ｍｍ×２５ｍｍであり、ロジャーズＰＣ基板１５１の寸法は、１ｍｍ×１５ｍｍ×２５ｍｍである。接合領域は１８から３０ｍｍ２の範囲である。接合工程は空気中室温で、２ｋＰａから１００ＭＰａの範囲の圧力下で反応性箔を点火することによって行われた。図１６にＡｌ／Ｎｉ箔およびＡｕＳｎはんだ層で作られた接合部の剪断強度を示す。接合加圧力が２ｋＰａから３０ｋＰａに増大すると、接合部剪断強度は１０から３０ＭＰａに劇的に増大する。１００ＭＰａまでのさらなる接合加圧力の増大は、結果として、接合部剪断強度の少しの増大、すなわち３０から４０ＭＰａへの増大となる。したがって、１００ＭＰａの加圧力を使用して生産可能な強度に対し、３０％の加圧力で形成された接合部は約７５％の強度を有する。このプロットは、Ａｕめっきされたステンレス鋼構成部品をＡｕめっきされたロジャーズＰＣ基板上に接合するためには、臨界接合加圧力は、おおよそ３０ｋＰａの屈曲点区域にあることを示す。
【００４１】
多くの用途に対して、臨界加圧力は、接合すべき材料を損傷しないであろう実用的な最大圧力によって得られる最大値の少なくとも７０％の接合強度を実現する。上記で注目したように、ロウ材またははんだの押出し、および結果としてのそれらの厚さの減少を避けるため、最適圧力は臨界圧力を大きく超えるべきではない。かつ、圧力は接合すべき構成部品の最適な濡れを得るために、臨界圧力に近接すべきである。したがって、加圧力は臨界圧力に近いこと、通常は最大接合部強度の約７０％から８５％を生じさせる範囲内の臨界圧力の±５％以内であることが有利である。金属、セラミックまたは他の構造材料を接合するほとんどの用途に対しては、望ましい臨界圧力は、最大実用加圧力の約１０％未満である。そのような用途には、最大実用圧力での接合強度は、約１００ＭＰａの加圧力での接合部強度によって近似することができる。より低い加圧力は、６４．５２ｃｍ２（１０ｉｎ２）より大きな面積を有する大きな面積の接合部の形成を容易にする。
【００４２】
要約すると、反応性多層箔接合部での溶融したはんだまたはロウ材材料の流動性は、接合加圧力、はんだまたはロウ材材料の溶融持続時間、および接合部内で使用可能な溶融したはんだまたはロウ材材料の体積を変化させることによって制御することができる。より高い接合加圧力は、はんだまたはロウ材材料の流動性を高め、濡れ状態を改善し、それによってより強固な接合部を形成させる。接合加圧力は、溶融したはんだまたはロウ材材料の十分な流れを可能にし、良好な接合部を形成させるために、ほぼ臨界値である必要がある。加圧力が臨界値に到達した後は、接合部の剪断強度はほとんど一定のままである。反応性接合部内のはんだまたはロウ材層の厚さは、接合加圧力の増大と共に減少する。はんだまたはロウ材材料の溶融持続時間および接合部内の使用可能な溶融したはんだまたはロウ材材料体積も反応性接合での溶融はんだまたはロウ材の流動性に影響を及ぼす。より長い持続時間および溶融したはんだまたはロウ材のより大きな体積は、はんだまたはロウ材の流動性を高め、結果としてより低い臨界加圧力になる。はんだまたはロウ材の溶融持続時間は、反応性箔、はんだまたはロウ材材料、および構成部品の特性および幾何学的形状によって決まる。したがって、反応性接合での溶融したはんだまたはロウ材の流動性は、結果として得られる接合部の性能を最大にするために、接合加圧力、反応性箔、はんだまたはロウ材材料、および構成部品の特性および幾何学的形状を変化させることによって制御することができる。
【００４３】
したがって、この発明は、反応性多層箔および可溶融性接合材料の１つまたは複数の層または被覆を使用する、材料の第１および第２の本体を接合する方法を含むことが分かる。それは、本体の間に反応性箔および可溶融性接合材料を配設し、本体を箔および接合材料に対して互いに押し付け、接合材料を溶融させるために箔を通る自己伝播反応を開始させることを含む。本体は、加圧力の対数値対接合部強度（剪断強度）のプロットの屈曲部区域内の圧力またはその近くで互いに押し付けられる。具体的には、プロットは、比較的高い傾きを有するより低い圧力区域、比較的低い傾きを有するより高い圧力区域および高い傾きの区域と低い傾きの区域の間の屈曲部によって特徴付けられる。本体は、最大接合部強度に近く、最小はんだ流れ、接合表面の良好な濡れおよび接合部を横方向に通る材料の最小の押出しを伴う接合材料厚さの高い保持という、最適な組合せを得るために、この屈曲区域内の加圧力で押し付けられるべきである。
【００４４】
接合工程で使用されるこの望ましい圧力を特定する別の方法は、本体を損傷させることなしに加えることができる最大実用圧力で得ることができる接合強度に則することである。望ましい圧力は、実質的に最大圧力より低いが、最大圧力での剪断強度の少なくとも７０％に等しい剪断強度を有する接合部を生じさせる。この望ましい圧力は、典型的には最大圧力の２０％未満であり、通常は１０％未満である。
【００４５】
金属、セラミックまたは他の構造材料のほとんどの本体の典型的な接合に対して、加圧力１００ＭＰａによって生じる剪断強度は、実用最大圧力での剪断強度の妥当な近似値である。それ故、望ましい加圧力は、１００ＭＰａでの剪断強度の少なくとも７０％に等しい剪断強度を有する接合部を生じさせる、実質的に１００ＭＰａ未満の圧力である。典型的なマイクロエレクトロニクスまたは半導体材料の接合に対しては、実用最大圧力での剪断強度は、約１．０ＭＰａでの剪断強度によって近似することができる。
【００４６】
この工程で使用される望ましい圧力を特定するさらに別の方法は、強度対圧力の低い傾きの区域を強度対圧力の低い傾きの区域から分離する臨界加圧力に則することである。望ましい加圧力は、この臨界圧力の±５％以内であることが有利である。
【００４７】
上記の方法の有利な追加の特徴は、加圧力が約３０ｋＰａ未満、好ましくは約２０ｋＰａ未満であることである。接合材料は、約０．５ミクロンより厚い厚さを有し、加圧力が十分に低いのでこの厚さは接合工程によってわずか２０％までしか減少しない。接合材料の溶融は、約０．５ｍｓより長い持続時間を有し、本体は約０．０３ｃｍ２を超える面積上に接合される。この方法は、約６４．５２ｃｍ２（１０ｉｎ２）を超える大きな面積の接合部の形成に特に有利である。
【００４８】
上記で説明した実施形態は、本発明の用途を示すことができる多くの可能性のある具体的な実施形態のいくつかのみを例示したものであることを理解されたい。当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くのかつ種々の他の構成を作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】原子および熱拡散の断面図を示す、多層箔内の自己伝播反応の概略図である。
【図２】加圧力を伴う、反応性多層箔および２つのはんだまたはロウ材層を使用する２つの構成部品の反応性接合を示す概略図である。
【図３】Ｉｎｃｕｓｉｌ被覆されたＡｌ／Ｎｉ箔および２つのＡｕＳｎまたはＡｇＳｎはんだ層を使用する、Ａｕ被覆されたステンレス鋼構成部品の反応性接合を示す概略図である。
【図４】図４ａは、１０ｋＰａの接合圧力が加えられた下での、反応性Ａｌ／Ｎｉ箔（１００μｍ厚さ）および２つの独立のＡｕＳｎはんだ（２５μｍ厚さ）層を使用して接合された、ステンレス鋼構成部品のＳＥＭ顕微鏡写真の画像である。ここで、はんだ層の厚さははんだ付けの前と後で２５μｍで一定のままである。図４ｂは６０ｋＰａ。ほとんどのＡｕＳｎはんだが接合部から外へ流れ出て、はんだ層の厚さは約５μｍしかないことに注目されたい。
【図５】白丸で示す反応性Ａｌ／Ｎｉ箔（１００μｍ厚さ）およびＡｕＳｎはんだ（２５μｍ厚さ）、または黒丸で示すＡｌ／Ｎｉ箔（４０μｍ厚さ）およびＡｇＳｎはんだ（２５μｍ厚さ）によって作られたステンレス鋼接合部の剪断強度を、接合加圧力の関数として示す図である。これらの２つのデータ・セットは、溶融したＡｕＳｎまたはＡｇＳｎはんだの十分な流れを可能にし、かつ強固な接合部を形成するために、加えられる接合圧力は、臨界値に達する必要があることを示唆している。
【図６】図６は、光学立体顕微鏡によって得られた、反応性Ａｌ／Ｎｉ箔（１００μｍ厚さ）およびＡｕＳｎはんだ層（２５μｍ厚さ）によって作られたステンレス鋼の接合部の破断表面の画像である。図６ａは、２ｋＰａの加圧力の下で形成された接合部の画像である。接合部はＡｕ被覆されたステンレス鋼試料の部分的濡れ、および８ＭＰａの剪断強度を示す。全てのはんだ材料は接合領域内に残った。図６ｂは、１０ｋＰａの加圧力の下で形成された接合部の画像である。接合部はＡｕ被覆されたステンレス鋼試料の全面的濡れ、および５０ＭＰａの剪断強度を示す。全てのはんだ材料は接合領域内に残った。図６ｃは３０ｋＰａの加圧力の下で形成された接合部の画像である。接合部はＡｕ被覆されたステンレス鋼試料の全面的濡れ、および５０ＭＰａの剪断強度を示す。接合領域の外に流れ出した大量のはんだ材料が存在する。
【図７】図７ａは１つの反応性箔および２つの独立のはんだ層がＴｉおよびＳｉＣブロックの間に置かれた、界面の熱抵抗測定のための実験的な設定の図である。図７ｂは、各構成部品内の温度勾配および界面での温度差を使用する、界面熱抵抗の計算を示す概略図である。
【図８】異なる圧力で締め付けられたＴｉとＳｉＣブロックの表面での温度の図である。界面の熱抵抗は、界面での温度差、１つの構成部品内の温度勾配、およびこの構成部品の熱伝導度から計算することができる。
【図９】Ｉｎｃｕｓｉｌ被覆されたＡｌ／Ｎｉ箔および２つのＡｕＳｎはんだ層を使用するＡｕ被覆されたステンレス鋼とＡｌ構成部品の反応性接合部の概略図である。
【図１０】ステンレス鋼接合部およびＡｌ合金接合部の剪断強度を接合加圧力の関数として示す図である。
【図１１】図１１ａは、全面的な濡れを示す、ステンレス鋼接合部の画像である。図１１ｂは、共に１０ｋＰａの加圧力の下で、反応性Ａｌ／Ｎｉ箔（１００μｍ厚さ）およびＡｕＳｎはんだ層（２５μｍ厚さ）によって作られたＡｌ合金接合部の、光学立体顕微鏡によって得られた部分的な濡れを示す画像である。
【図１２】Ｉｎｃｕｓｉｌ被覆されたＡｌ／Ｎｉ箔を使用するＡｕ被覆されたステンレス鋼構成部品の反応性接合部の概略図である。Ｉｎｃｕｓｉｌ被覆がロウ付け材料として働き、独立のはんだまたはロウ材層が存在しない。
【図１３】Ａｌ／Ｎｉ箔およびＡｕＳｎまたはＡｇＳｎはんだ（２５μｍ厚さ）あるいはＩｎｃｕｓｉｌロウ材（１μｍ厚さ）によって作られたステンレス鋼接合部の剪断強度の接合加圧力を関数とした図である。臨界的な加圧力の値がはんだまたはロウ材の特性および幾何学的形状に依存することを示唆している。
【図１４】図１４は、反応性Ａｌ／Ｎｉ箔（１５０μｍ厚さ）およびＩｎｃｕｓｉｌロウ材（１μｍ厚さ）によって作られたステンレス鋼接合部の、光学立体顕微鏡によって得られた破断表面の画像である。図１４ａは、１０ｋＰａの圧力の下で形成された、Ａｕ被覆されたステンレス鋼試料の濡れをほとんど示さず、かつほとんど０ＭＰａの剪断強度を示す接合部の画像である。図１４ｂは、６ｋＰａの圧力の下で形成され、Ａｕ被覆されたステンレス鋼試料の全面的に濡れを示し、かつ８０ＭＰａの高い剪断強度を示す接合部の画像である。
【図１５】反応性箔およびはんだ層を使用する、ＡｕめっきされたＰＣ板上に接合された、Ａｕめっきされたステンレス鋼構成部品の概略図である。
【図１６】図１５の接合構造に対し、加圧力対剪断強度をプロットした図である。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
2006528556.tif 000019
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