(57)【要約】【課題】デバイスと金属板とを接合する場合に，単純な装置を用いて，接合部の高いシール性を実現する。【解決手段】デバイスＢに，厚みが１〜５μｍの金枠７１をめっきする。金属板Ａに，デバイスＢの金枠７１と同じ大きさで厚みが５〜１０μｍの金枠６０をめっきする。デバイスＢと金属板Ａとを２５０〜３５０℃まで加熱し，デバイスＢの金枠７１と金属板Ａの金枠６０同士を互いに５．０〜７．０ｋｇ/ｍｍ２の圧力で１５〜７０分間加圧して接合する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスと被接合部材とを接合する方法であって，
デバイスに，枠状に金をめっきする工程と，
被接合部材に，枠状に金をめっきする工程と，
前記金がめっきされたデバイスと被接合部材とを加熱し，前記デバイスと被接合部材の金枠の部分同士を互いに加圧して接合する工程と，を有し，
デバイスと被接合部材との接合部のＨｅリークレートが１×１０−１１Ｐａ・ｍ３/ｓｅｃ以下になるように，
（１）被接合部材の金枠の厚み，
（２）デバイスの金枠の厚み，
（３）デバイスと被接合部材との加熱温度，
（４）デバイスと被接合部材との加圧圧力，
（５）デバイスと被接合部材との加圧時間，
の条件を調節することを特徴とする，接合方法。
【請求項２】
前記（１）を，５〜１０μｍに調整することを特徴とする，請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記（２）を，１〜５μｍに調整することを特徴とする，請求項１又は２のいずれかに記載の接合方法。
【請求項４】
前記（３）を，２５０〜３５０℃に調整することを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
【請求項５】
前記（４）を，５．０〜７．０ｋｇ/ｍｍ２に調整することを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の接合方法。
【請求項６】
前記（５）を，１５〜７０分に調整することを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載の接合方法。
【請求項７】
デバイスと被接合部材とを接合する方法であって，
デバイスに，厚みが１〜５μｍの枠状に金をめっきする工程と，
被接合部材に，厚みが５〜１０μｍの枠状に金をめっきする工程と，
前記金がめっきされたデバイスと被接合部材とを２５０〜３５０℃で加熱し，前記デバイスと被接合部材の金枠の部分同士を互いに５．０〜７．０ｋｇ/ｍｍ２の圧力で１５〜７０分間加圧して接合する工程と，を有することを特徴とする，接合方法。
【請求項８】
前記デバイスは，非金属製の表面を有し，
前記デバイスには，前記非金属製の表面に中間材を介在して金がめっきされ，
前記中間材は，クロム又はチタンであることを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の接合方法。
【請求項９】
前記デバイスの表面の材質は，シリコン，サファイア，石英又はセラミックスのいずれかであることを特徴とする，請求項８に記載の接合方法。
【請求項１０】
前記被接合部材は，金属製であることを特徴とする，請求項１〜９のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１１】
前記被接合部材は，ステンレス鋼であることを特徴とする，請求項１０に記載の接合方法。
【請求項１２】
前記デバイスは，ＭＥＭＳであることを特徴とする，請求項１〜１１のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１３】
前記デバイスは，流量センサ，圧力センサ，温度センサ又はひずみセンサのいずれかであることを特徴とする，請求項１〜１２のいずれかに記載の接合方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の接合方法によって接合されたデバイスと被接合部材からなる接合ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，デバイスと被接合部材とを接合する方法と，デバイスと被接合部材からなる接合ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，流量センサや圧力センサなどの機能を備えたＭＥＭＳ(Micro  Electro  Mechanical  System)などの極めて微小なデバイスが開発されている。このようなデバイスを，流体が流れる配管などに実装する場合，例えばデバイスを，例えば配管に取り付けるための金属板に接合し，その金属板を，配管に取り付けることが行われる。
【０００３】
上述したデバイスと金属板との接合は，配管内の流体が漏れないように，その接合部において高いシール性が要求され，一般的にはＯリングを介在してネジ止めしたり，溶接したり或いはロウ付けすることが考えられる。しかし，ミリメートルオーダーの微小なデバイスを接合する場合，ネジ止めの場合には，デバイスの大きさに合うＯリングがなく，溶接やロウ付けの場合には，精度の高い接合はできない。したがって，ネジ止めや溶接などを用いる場合，大きなデバイスに限られる。こうなると，デバイスの実装部に場所をとり，また高価になる。そこで，例えばめっきによってデバイス又は被接合物に輪郭状に金属を盛り付け，減圧チャンバ内で電子ビームなどにより接合表面を活性化し，１８０℃以下の低温で接合することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１９１５５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら，上述した接合方法においても，減圧チャンバ内を減圧したり，電子ビームなどにより接合表面を活性化する必要があり，装置の大型化，高価化は避けられない。また，デバイスの接合部におけるシール性も十分ではない。
【０００６】
本発明は，かかる点に鑑みてなされたものであり，ＭＥＭＳなどの微小なデバイスと金属板などの被接合部材とを接合する場合に，より単純な装置を用いて，接合部の高いシール性を実現することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明は，デバイスと被接合部材とを接合する方法であって，デバイスに，枠状に金をめっきする工程と，被接合部材に，枠状に金をめっきする工程と，前記金がめっきされたデバイスと被接合部材とを加熱し，前記デバイスと被接合部材の金枠の部分同士を互いに加圧して接合する工程と，を有し，デバイスと被接合部材との接合部のＨｅリークレートが１×１０−１１Ｐａ・ｍ３/ｓｅｃ以下になるように，（１）被接合部材の金枠の厚み，（２）デバイスの金枠の厚み，（３）デバイスと被接合部材との加熱温度，（４）デバイスと被接合部材との加圧圧力，（５）デバイスと被接合部材との加圧時間，の条件を調節することを特徴とする。
【０００８】
発明者によれば，上記（１）〜（５）の条件と接合部のリークレートに相関があることが確認されている。本発明によれば，（１）〜（５）の条件を調整することにより，デバイスと被接合部材との接合部のリークレートを１×１０−１１Ｐａ・ｍ３/ｓｅｃ以下にすることができる。したがって，金のめっき処理と，デバイスと被接合部材との加熱，加圧により接合ができるので，従来に比べて単純な装置を用いて，高いシール性を確保できる。
【０００９】
前記（１）の被接合部材の金枠の厚みを，５〜１０μｍに調整してもよく，また，前記（２）のデバイスの金枠の厚みを，１〜５μｍに調整してもよい。前記（３）のデバイスと被接合部材との加熱温度を，２５０〜３５０℃に調整してもよく，前記（４）のデバイスと被接合部材との加圧圧力を，５．０〜７．０ｋｇ/ｍｍ２に調整してもよい。さらに，前記（５）のデバイスと被接合部材との加圧時間を，１５〜７０分に調整してもよい。
【００１０】
別の観点の本発明は，デバイスと被接合部材とを接合する方法であって，デバイスに，厚みが１〜５μｍの枠状に金をめっきする工程と，被接合部材に，厚みが５〜１０μｍμｍの枠状に金をめっきする工程と，前記金がめっきされたデバイスと被接合部材とを２５０〜３５０℃で加熱し，前記デバイスと被接合部材の金枠の部分同士を互いに５．０〜７．０ｋｇ/ｍｍ２の圧力で１５〜７０分間加圧して接合する工程と，を有することを特徴とする。
【００１１】
前記デバイスは，非金属製の表面を有し，前記デバイスには，前記非金属製の表面に中間材を介在して金がめっきされ，前記中間材は，クロム又はチタンであってもよい。
【００１２】
前記デバイスの表面の材質は，シリコン，サファイア，石英又はセラミックスのいずれかであってもよい。
【００１３】
前記被接合部材は，金属製であってもよい。また，前記被接合部材は，ステンレス鋼であってもよい。
【００１４】
前記デバイスは，ＭＥＭＳであってもよい。また，前記デバイスは，流量センサ，圧力センサ，温度センサ又はひずみセンサのいずれかであってもよい。
【００１５】
別の観点による本発明によれば，請求項１〜１３のいずれかに記載の接合方法によって接合されたデバイスと被接合部材からなる接合ユニットが提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば，単純な装置でデバイスと被接合部材との接合が可能であり，さらに，高いシール性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下，本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は，本実施の形態にかかる接合方法に用いられる接合装置１の構成の概略を示す縦断面の説明図である。
【００１８】
接合装置１は，例えば気密に閉鎖可能な処理容器１０を有している。処理容器１０の中央には，例えば被接合部材としての金属板Ａを載置して保持する第１の保持部材としての下部チャック１１が設けられている。また，下部チャック１１の上方で，下部チャック１１に対向する位置には，例えばデバイスＢを保持する第２の保持部材としての上部チャック１２が設けられている。
【００１９】
下部チャック１１は，例えば厚みのある略円盤形状を有している。下部チャック１１の上面の中央には，上に凸の突出部１１ａが形成されており，その突出部１１ａの上面に金属板Ａが保持される。突出部１１ａは，例えば金属板Ａと同程度の径に形成されている。例えば突出部１１ａの上面の保持面１１ｂには，図示しない吸引口が形成されており，この吸引口からの吸引により，金属板Ａを保持面１１ｂに吸着できる。
【００２０】
例えば下部チャック１１の内部には，電源２０からの給電により発熱するヒータ２１が内蔵されている。このヒータ２１の熱により，下部チャック１１上の金属板Ａを加熱できる。下部チャック１１は，支持台２２によって支持されている。
【００２１】
上部チャック１２は，例えば厚みのある略円盤形状を有している。上部チャック１２の下面の中央には，下部チャック１１の突出部１１ａに対向するように，下に凸の突出部１２ａが形成されており，この突出部１２ａの下面にデバイスＢが保持される。突出部１２ａは，例えばデバイスＢと同程度の径に形成されている。例えば突出部１２ａの上面の保持面１２ｂには，図示しない吸引口が形成されており，この吸引口からの吸引により，デバイスＢを保持面１２ｂに吸着できる。上部チャック１２は，デバイスＢの接合面を下に向けた状態で，下部チャック１１の金属板Ａに対向するようにデバイスＢを保持できる。
【００２２】
上部チャック１２の内部には，電源３０からの給電により発熱するヒータ３１が内蔵されている。このヒータ３１の熱により，例えば上部チャック１２に保持されたデバイスＢを加熱できる。
【００２３】
上部チャック１２の上面は，例えば上下に駆動するシリンダ４０によって支持されている。これによって，上部チャック１２を上下動させ，上部チャック１２に保持されたデバイスＢを下部チャック１１上の金属板Ａに押し付けて加圧することができる。
【００２４】
例えばシリンダ４０の動作の制御は，例えば制御部５０によって行われている。制御部５０により，上部チャック１２を上下動させ，デバイスＢと金属板Ａを所定のタイミングで所定の圧力で接合することができる。また，各ヒータ２１，３１の電源２０，３０の制御も，制御部５０によって行われている。この制御部５０により，下部チャック１１と上部チャック１２を所定の熱量を供給し，金属板ＡとデバイスＢを所定の温度に加熱することができる。なお，制御部５０は，例えば汎用コンピュータであり，例えば本実施の形態にかかる接合方法を実現するプログラムを実行して，金属板ＡとデバイスＢの加熱拡散接合処理を行うことができる。
【００２５】
次に，本実施の形態にかかる接合方法について説明する。本実施の形態においては，図２に示すように中央に開口部Ｃが形成された四角形の金属板Ａと，図３に示すように中央に電子回路領域Ｄが形成された四角形のデバイスＢとを接合する場合を例にとって説明する。なお，この実施の形態においては，金属板Ａは，ステンレス鋼により形成されている。デバイスＢは，流量センサの機能を有するＭＥＭＳであり，例えば一辺が１０ｍｍ以下の寸法を有するものである。デバイスＢの基材には，サファイアが用いられている。
【００２６】
先ず，金属板Ａには，図４に示すように開口部Ｃを囲むように突条の金枠６０がめっきされる。金枠６０は，図５に示すように厚みが５〜１０μｍ，好ましくは１０μｍ（条件（１））に形成される。また，デバイスＢには，図６に示すように電子回路領域Ｄを囲むように，例えばクロム層７０を介在して突条の金枠７１がめっきされる。この金枠７１は，図７に示すように厚みが１〜５μｍ，好ましくは５μｍ（条件（２））に形成される。また，クロム層７０は，例えば０．０２〜０．０４μｍ程度に形成される。金枠６０，７１の算術表面粗さＲａは，０．０１〜０．２μｍの範囲に設定されている。これらのめっき処理は，電鋳装置などのメッキ装置により行われる。非金属との密着性のより材料であってもよい。
【００２７】
めっきが施された金属板ＡとデバイスＢは，接合装置１に搬入され，接合処理が施される。図８は，この接合処理における金属板Ａ及びデバイスＢの温度と，加圧圧力を示すグラフである。
【００２８】
接合装置１に搬入された金属板ＡとデバイスＢは，下部チャック１１と上部チャック１２に，図９（ａ）に示すように互いに対向するように吸着保持される。次に，上部チャック１２が下降し，図９（ｂ）に示すようにデバイスＢの金枠７１が金属板Ａの金枠６０に接触されて合わせられる。このとき金属板ＡとデバイスＢとの加圧圧力は，金属板Ａの金枠６０とデバイスＢの金枠７１との接触が維持される程度に，０．２ｋｇ/ｍｍ２以下に維持される。また，例えば金属板Ａの金枠６０とデバイスＢの金枠７１が接触されると同時に，下部チャック１１のヒータ２１と上部チャック１２のヒータ３１により，金属板ＡとデバイスＢが例えば常温（例えば２３℃）から２５０〜３５０℃，好ましくは３００℃（条件（３））まで加熱される。このときの温度上昇の速度は，８０〜９０℃/ｍｉｎ程度に設定される。また，金属板ＡとデバイスＢの温度の面内均一性は，±０．５℃以内に設定される。
【００２９】
金属板ＡとデバイスＢが例えば３００℃に昇温されると，金属板ＡとデバイスＢは，この温度に維持される。また，上部チャック１２が僅かに下降し，デバイスＢの金枠７１が金属板Ａの金枠６０に押し付けられ，例えば５.０〜７．０ｋｇ/ｍｍ２，好ましくは６．４８ｋｇ/ｍｍ２（条件（４））の圧力で加圧される。この加圧状態で，例えば１５〜７０分，好ましくは６０分（条件（５））間維持される。こうして，金属板ＡとデバイスＢが加熱拡散接合される。
【００３０】
例えば６０分経過後，上部チャック１２が僅かに上昇され，金属板ＡとデバイスＢとの加圧力が０．２ｋｇ/ｍｍ２以下の低圧に戻される。例えば金属板ＡとデバイスＢの加圧圧力が低圧に戻されると同時に，下部チャック１１のヒータ２１と上部チャック１２のヒータ３１の発熱が停止され，金属板ＡとデバイスＢが，例えば加熱時の温度変動速度よりも遅い速度で自然冷却される。
【００３１】
金属板ＡとデバイスＢの温度が常温に戻されると，上部チャック１２のデバイスＢの吸着が解除され，上部チャック１２が上昇する。こうして，金属板ＡとデバイスＢの接合処理が終了し，金属板ＡとデバイスＢからなる接合ユニットＵが形成される。
【００３２】
ここで，上記条件（１）〜（５）の下で，金属板ＡとデバイスＢを接合した場合のシール性について検証する。図１０は，このシール性をビルトアップ法により検証する実験装置１００の構成の概略を示す。実験装置１００は，上面が開口した容器１０１を備え，その容器１０１の側壁には，真空ポンプ１０２に通じる管路１０３が接続されている。管路１０３には，バルブ１０４と圧力計１０５が接続されている。そして，実験の際には，接合ユニットＵが容器１０１の上面の開口部にボルト１０６によって固定され，その接合ユニットＵによって容器１０１の開口部が閉鎖される。次に真空ポンプ１０２によって容器１０１内が真空にされる。その後，バルブ１０４が閉じられ，圧力計１０５によって容器１０１内の圧力上昇が計測される。図１１は，上記条件（１）１０μｍ，（２）５μｍ，（３）３００℃，（４）６．４８ｋｇ/ｍｍ２，（５）６０分の下で接合された３つの接合ユニットＵについての圧力計測結果を示すグラフである。縦軸は，容器１０１内の圧力であり，横軸は，経過時間である。このグラフから，各接合ユニットＵの接合部のリークレートを算出すると，３．１７×１０−９，３．４９×１０−９，２．３２×１０−９Ｐａ・ｍ３/ｓｅｃになる。この結果から，上記条件（１）〜（５）の下で接合を行うと，金属板ＡとデバイスＢのリークレートが３．５×１０−９Ｐａ・ｍ３/ｓｅｃ以下になることが分かる。
【００３３】
また，実験装置１００において，図１２に示すように真空ポンプ１０２の代わりにＨｅリークディテクタ１１０を備え，容器１０１の上面の外側にＨｅガスノズル１１１を設けて，接合ユニットＵを通過するＨｅガスを検出し，Ｈｅリークレートを測定した場合，上記３つの各接合ユニットＵについて，１×１０−１１Ｐａ・ｍ３/ｓｅｃ以下のＨｅリークレートが得られた。
【００３４】
なお，発明者の知見によれば，金属板Ａの金枠６０とデバイスＢの金枠７１の厚みは，厚いほどシール性が向上する。その一方で，厚すぎると，金枠の表面が粗くなり，（接合強度）が低下する恐れがある。このような観点から，条件（１）の金属板Ａの金枠６０の厚みは，５〜１０μｍの範囲で上述の実験条件と同等の効果が得られると推測できる。また，条件（２）のデバイスＢの金枠７１の厚みは，１〜５μｍの範囲で上述の実験条件と同等の効果が得られると推測できる。
【００３５】
また，発明者の知見によれば，条件（３）の加熱温度は，２５０〜３５０℃の範囲，条件（４）の加圧圧力は，５．０〜７．０ｋｇ/ｍｍ２の範囲，条件（５）の加圧時間は，１５〜７０分の範囲であっても，同等のシール性が得られる。
【００３６】
以上の実施の形態によれば，条件（１）〜（５）を調整して，金属板Ａに，５〜１０μｍの金枠６０をめっきし，デバイスＢに，１〜５μｍの金枠７１をめっきし，その後，金属板ＡとデバイスＢを２５０〜３５０℃に加熱し，金属板Ａの金枠６０とデバイスＢの金枠７１を互いに５．０〜７．０ｋｇ/ｍｍ２の圧力で１５〜７０分間加圧して接合したので，Ｈｅリークレートが１×１０−１１Ｐａ・ｍ３/ｓｅｃ以下のシール性を得ることができる。この場合，金のめっき処理と，接合時の加熱及び加圧で足りるので，従来に比べて単純な装置を用いて，シール性の高い接合を行うことができる。また，従来の電子ビームなどを用いない熱拡散接合では，加熱温度を４００℃以上に上げる必要があり，デバイスにダメージを与える恐れがあったが，本発明によれば，３５０℃以下の低温でデバイスＢを接合できるので，デバイスＢへの熱によるダメージを防止できる。
【００３７】
デバイスＢの基材の表面に，クロム層７０を介在して金枠７１をめっきしたので，デバイスＢの非金属面と金枠７１とを高い接合強度で適正に接合できる。なお，デバイスＢの非金属面と金枠７１との間に，中間材としてクロムに換えて，チタンなどの非金属と密着性が良好な材料を介在してもよい。
【００３８】
また，以上の実施の形態では，金属板ＡにデバイスＢの金枠７１と同じ幅の金枠６０を形成していたが，図１３に示すように金属板Ａに，金枠７１よりも広い幅の金枠６０を形成してもよい。このとき，金属板Ａの開口部Ｃ以外の表面全体に金枠６０を形成してもよい。
【００３９】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。例えば以上の実施の形態において，加熱後の金属板ＡとデバイスＢを自然冷却していたが，ノズルから冷却ガスを供給したり，チャック１１，１２に冷却体を内蔵したりして強制的に冷却してもよい。以上の実施の形態において，デバイスＢの表面の基材は，サファイアであったが，同じ非金属のシリコン，石英，セラミックスなどの他の材質であっても，同等のシール性が得られる。また，金属板Ａは，ステンレス鋼であったが，Ｎｉ鋼，Ｃｒ鋼などの他の金属であっても同様のシール性が得られる。さらに，デバイスＢと接合する被接合部材は，シリコンなどの非金属製であってもよい。また，デバイスＢは，流量センサであったが，圧力センサ，温度センサ，ひずみセンサなど他のセンサであってもよい。デバイスＢは，ＭＥＭＳであったが，他のデバイスであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は，デバイスと被接合部材との接合を単純な装置を用いて行い，なおかつ高いシール性の接合を実現する際に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本実施の形態における接合装置の構成の概略を示す縦断面の説明図である。
【図２】金属板の斜視図である。
【図３】デバイスの斜視図である。
【図４】金枠を形成した金属板の斜視図である。
【図５】金枠を形成した金属板の縦断面図である。
【図６】金枠を形成したデバイスの斜視図である。
【図７】金枠を形成したデバイスの縦断面図である。
【図８】接合処理時のデバイスと金属板の温度と，加圧圧力を示すグラフである。
【図９】（ａ）は，デバイスと金属板を対向配置させた状態を示す縦断面の説明図である。（ｂ）は，デバイスと金属板を接合した状態を示す縦断面の説明図である。
【図１０】実験装置の構成の概略を示す説明図である。
【図１１】接合ユニットのシール性を評価する実験結果を示すグラフである。
【図１２】Ｈｅリークレートを測定する実験装置の説明図である。
【図１３】幅のある金枠を形成した金属板の縦断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    接合装置
６０  金枠
７１  金枠
Ａ    金属板
Ｂ    デバイス
Ｕ    接合ユニット
【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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