(57)【要約】【課題】アルミニウム構造体において、簡素な構成であっても、アルミニウム単体またはアルミニウム合金からなるアルミニウム基材部に良好にはんだ付けを行うことができるようにする。【解決手段】アルミニウム単体またはアルミニウム合金からなるアルミニウム基材部２のアルミニウム表面２ａに、はんだ付けを行うためのはんだ接合部３を有するアルミニウム構造体１であって、はんだ接合部３は、アルミニウム表面２ａに、はんだと合金形成可能なアルミニウム以外の金属からなる金属層部４を備え、金属層部４の層厚は、はんだ付け時に金属層部４がはんだに溶解することで、はんだが層厚方向に貫通可能な層厚とされた構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム単体またはアルミニウム合金からなるアルミニウム基材部の表面に、はんだ付けを行うためのはんだ接合部を有するアルミニウム構造体であって、
前記はんだ接合部は、
前記アルミニウム基材部の表面に、はんだと合金形成可能なアルミニウム以外の金属からなる金属層部を備え、
前記金属層部の層厚は、
はんだ付け時に前記金属層部がはんだに溶解することで該はんだが層厚方向に貫通可能な層厚とされた
ことを特徴とするアルミニウム構造体。
【請求項２】
前記金属層部は、
前記金属が、層厚１ｎｍ以上５０ｎｍ以下で、前記アルミニウム基材部の表面を覆う金属薄膜からなる
ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム構造体。
【請求項３】
前記金属層部は、
前記金属が高さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒子状または塊状をなす金属粒体として層状領域に分散され、該層状領域における前記金属の面密度が１μｇ／ｃｍ２以上１００μｇ／ｃｍ２以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム構造体。
【請求項４】
前記金属層部における前記金属は、電気化学列においてアルミニウムよりも貴な金属である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム構造体。
【請求項５】
アルミニウム単体またはアルミニウム合金からなるアルミニウム基材部の表面に、はんだ付けを行うためのはんだ接合部を有するアルミニウム構造体の製造方法であって、
前記アルミニウム基材部を薬液に浸漬して、前記アルミニウム基材部の表面の酸化アルミニウム被膜を除去する酸化膜除去工程と、
前記酸化アルミニウム被膜が除去された前記アルミニウム基材部の表面に、はんだと合金形成可能なアルミニウム以外の金属を、はんだ付け時に前記金属がはんだに溶解することで該はんだが層厚方向に貫通する層厚まで付着させて金属層部を形成する金属層部形成工程と、
を備えることを特徴とするアルミニウム構造体の製造方法。
【請求項６】
前記金属層部形成工程では、
前記金属層部をめっきにより形成する
ことを特徴とする請求項５に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
【請求項７】
前記金属層部形成工程では、
前記めっきに用いるめっき液にはハロゲン元素を含む
ことを特徴とする請求項６に記載のアルミニウム構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム構造体と、
該アルミニウム構造体の前記はんだ接合部に、はんだ付けによって接合された被接合部材とを
備えることを特徴とするアルミニウム構造体組立体。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム構造体で形成された電気回路を備えることを特徴とするアルミニウム配線基板。
【請求項１０】
請求項９に記載のアルミニウム配線基板と、
該アルミニウム配線基板の前記はんだ接合部にはんだ付けされた半導体素子と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
請求項９に記載のアルミニウム配線基板と、
該アルミニウム配線基板の前記はんだ接合部にはんだ付けされた太陽電池セルと
を備えることを特徴とする太陽電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム構造体、その製造方法、アルミニウム構造体組立体、アルミニウム配線基板、半導体装置、および太陽電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、電気回路の配線には、銅、金、銀等の金属が用いられてきたが、これらの金属に代えて、より安価なアルミニウムまたはアルミニウム合金（以下、単に、アルミニウム）を代替することが検討されている。
アルミニウムは、空気中に放置されると表面が酸化アルミニウム膜で覆われる。この酸化膜が存在するとはんだ付けを非常に困難になる。このため、アルミニウムにはんだ付けするための種々の技術が検討されている。
例えば、特許文献１には、酸化膜を除去した後に、表面にはんだ付けし易い金属のめっきを施すことが提案されている。すなわち、複数のアルミブスバーである被処理体の表面から油分を除去し、強アルカリ溶液によって被処理体表面の酸化物を除去してから、硝酸溶液によって被処理体の表面を活性化し、被処理体の表面に亜鉛めっき、銅めっき、錫めっきをこの順に施すアルミブスバーのめっき方法が記載されている。
このように複数の金属による多層めっきを行うのは、はんだ濡れ性が大きくはんだ付けに好適な金属のめっきではアルミニウムに対するめっきの密着強度が小さいため、アルミニウムに対するめっきの密着強度が高くなる中間層を介する必要があるからである。
また、特許文献２には、スパッタリングによって、半導体基板上に、アルミニウムを含む第１金属層、チタンを含む第２金属層、ニッケルを含む第３金属層、銅、スズ、チタンのいずれか１つを含んでいる第４金属層がこの順に積層した裏面電極を有する半導体装置が記載されている。
このように、スパッタリングによって金属層を積層する場合にも、多層構造としているのは、最上層のはんだ濡れ性の良好な金属層を直にアルミニウムにスパッタしても、アルミニウムに対する十分な密着強度が得られないためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２８５６５２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１７１１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような従来技術には、以下のような問題があった。
特許文献１、２に記載の技術では、いずれも、はんだ濡れ性が良好となる最上層の金属層をアルミニウムに対して高強度に接合するため、アルミニウムとの間に複数の中間層を積層させる必要がある。このように、多層の中間層を形成すると工程数が増大するため、製造コストが大きくなってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成であっても、アルミニウム単体またはアルミニウム合金からなるアルミニウム基材部に良好にはんだ付けを行うことができるアルミニウム構造体、その製造方法、およびアルミニウム配線基板を提供することを目的とする。
また、本発明は、製造が容易であり製造コストを低減することができるアルミニウム構造体組立体、半導体装置、および太陽電池モジュール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】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、アルミニウム単体またはアルミニウム合金からなるアルミニウム基材部の表面に、はんだ付けを行うためのはんだ接合部を有するアルミニウム構造体であって、前記はんだ接合部は、前記アルミニウム基材部の表面に、はんだと合金形成可能なアルミニウム以外の金属からなる金属層部を備え、前記金属層部の層厚は、はんだ付け時に前記金属層部がはんだに溶解することで該はんだが層厚方向に貫通可能な層厚とされた構成とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のアルミニウム構造体において、前記金属層部は、前記金属が、層厚１ｎｍ以上５０ｎｍ以下で、前記アルミニウム基材部の表面を覆う金属薄膜からなる構成とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載のアルミニウム構造体において、前記金属層部は、前記金属が高さ１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒子状または塊状をなす金属粒体として層状領域に分散され、該層状領域における前記金属の面密度が１μｇ／ｃｍ２以上１００μｇ／ｃｍ２以下であることを特徴とする構成とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム構造体において、前記金属層部における前記金属は、電気化学列においてアルミニウムよりも貴な金属である構成とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明では、アルミニウム構造体の製造方法において、アルミニウム単体またはアルミニウム合金からなるアルミニウム基材部の表面に、はんだ付けを行うためのはんだ接合部を有するアルミニウム構造体の製造方法であって、前記アルミニウム基材部を薬液に浸漬して、前記アルミニウム基材部の表面の酸化アルミニウム被膜を除去する酸化膜除去工程と、前記酸化アルミニウム被膜が除去された前記アルミニウム基材部の表面に、はんだと合金形成可能なアルミニウム以外の金属を、はんだ付け時に前記金属がはんだに溶解することで該はんだが層厚方向に貫通する層厚まで付着させて金属層部を形成する金属層部形成工程と、を備える方法とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載のアルミニウム構造体の製造方法において、前記金属層部形成工程では、前記金属層部をめっきにより形成する方法とする。
【００１２】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載のアルミニウム構造体の製造方法において、前記金属層部形成工程では、前記めっきに用いるめっき液にはハロゲン元素を含む方法とする。
【００１３】
請求項８に記載の発明では、アルミニウム構造体組立体において、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム構造体と、該アルミニウム構造体の前記はんだ接合部に、はんだ付けによって接合された被接合部材とを備える構成とする。
【００１４】
請求項９に記載の発明では、アルミニウム配線基板において、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム構造体で形成された電気回路を備える構成とする。
【００１５】
請求項１０に記載の発明では、半導体装置において、請求項９に記載のアルミニウム配線基板と、該アルミニウム配線基板の前記はんだ接合部にはんだ付けされた半導体素子と、を備える構成とする。
【００１６】
請求項１１に記載の発明では、太陽電池モジュールにおいて、請求項９に記載のアルミニウム配線基板と、該アルミニウム配線基板の前記はんだ接合部にはんだ付けされた太陽電池セルとを備える構成とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のアルミニウム構造体、その製造方法、およびアルミニウム配線基板によれば、はんだ接合部がアルミニウム生地虻の表面に金属層部が形成され、この金属層部は、はんだ付け時にはんだに溶解することではんだが層厚方向に貫通可能な層厚とされるため、簡素な構成であっても、アルミニウム単体またはアルミニウム合金からなるアルミニウム基材部に良好にはんだ付けを行うことができるという効果を奏する。
また、本発明のアルミニウム構造体組立体、半導体装置、および太陽電池モジュールは、本発明のアルミニウム構造体を備えるため、製造が容易であり製造コストを低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態のアルミニウム構造体の概略構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のアルミニウム構造体の製造工程を示す工程説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態のアルミニウム構造体の作用を説明する模式説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態のアルミニウム構造体を用いたはんだ付け後の一形態を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のアルミニウム構造体の概略構成を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態のアルミニウム構造体の製造工程を示す工程説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態のアルミニウム構造体の作用を説明する模式説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態のアルミニウム構造体組立体の例を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に対応する実施例のアルミニウム構造体の表面の一例を示す写真画像、および比較例の表面の一例を示す写真画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００２０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態のアルミニウム構造体について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態のアルミニウム構造体の概略構成を示す模式的な断面図である。
【００２１】
本実施形態のアルミニウム構造体１は、図１に示すように、アルミニウム単体またはアルミニウム合金からなるアルミニウム基材部２と、アルミニウム基材部２のアルミニウム表面２ａにはんだ付けを行うためのはんだ接合部３とを備える。
ここで、アルミニウム単体とは、純度９９％以上のアルミニウムを意味し、アルミニウム合金は、アルミニウムを５０％以上含む合金を意味する。例えば、アルミニウム合金の例としては、アルミニウム銅合金、アルミニウムケイ素合金、アルミニウムマグネシウム合金等を挙げることができる。
また、アルミニウム単体またはアルミニウム合金は、空気中に放置されると、表面が酸化されて酸化アルミニウムによる酸化被膜５（酸化アルミニウム被膜）が形成されるため、酸化被膜表面５ａがアルミニウム基材部２の最外面を構成している。以下では、この酸化被膜表面５ａと区別して、酸化被膜５が形成されない状態におけるアルミニウム基材部２の表面をアルミニウム表面２ａと称する。
【００２２】
アルミニウム構造体１の用途は、他の被接合部材をはんだ接合部３上にはんだ付けして用いる用途であれば、特に限定されない。
また、本実施形態のアルミニウム構造体１は、金属部材をはんだ接合部３にはんだ付けすると、金属部材とアルミニウム基材部２とを電気的に接続することができるため、電気配線や電気回路等の用途に特に好適である。すなわち、はんだ接合部３に、リード線、電気素子、電子部品等（以下、電気部品と総称する場合がある）をはんだ付けするアルミニウム配線基板として用いることが可能である。
【００２３】
アルミニウム基材部２の形状は、特に限定されず、アルミニウム構造体１の用途に応じて、例えば、板状、シート状、箔状、棒状、筒状、線状、球状、その他適宜の立体状等の形状を採用することができる。また、アルミニウム基材部２は、平面または湾曲面上で、例えば、線状、曲線状、円状、多角形状、櫛歯状、ループ状、渦巻き状等の適宜の２次元的なパターンを描いた形状をとすることができる。
また、アルミニウム基材部２は、それ自体で自立して用いられる部材でもよいし、例えば絶縁性基板などのベース部材の表面上に貼り付けられたり、印刷されたり、成膜されたりして形成されたものであってもよい。
例えば、アルミニウム構造体１をアルミニウム配線基板における電気回路として用いる場合、アルミニウム基材部２は、必要な回路パターンに形成され、良好な導電性が得られる断面形状に形成される。
【００２４】
はんだ接合部３は、はんだと合金形成可能なアルミニウム以外の金属からなる金属層部として、アルミニウム表面２ａを略均一な層厚で覆うとともに、アルミニウム表面２ａに密着された金属薄膜４（金属層部）を有する。
はんだの種類としては、例えば、鉛フリーはんだ、共晶はんだ等を採用することができる。
また、はんだ付け方法としては、特に限定されず、はんだごてを使用する方法やはんだフロー装置などを用いることが可能である。
【００２５】
この金属薄膜４の層厚は、はんだ付け時に金属薄膜４がはんだに溶解することで、はんだが層厚方向に貫通可能な層厚Ｈ４とされている。
層厚Ｈ４は、使用するはんだ量や、はんだ付けに要する時間にもよるが、例えば、電気部品のはんだ付けを行う程度のはんだ量、時間では、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好適である。
金属薄膜４の層厚は、例えば、蛍光Ｘ線膜厚計を用いることによりはんだ接合部３における平均厚さとして測定することが可能である。
金属薄膜４の平面視の大きさ、形状は、被接合部材の大きさや形状に応じて適宜に設定することができる。例えば、アルミニウム構造体１をアルミニウム配線基板として用いる場合、例えばプリント基板において銅箔などで形成されるはんだ付け用のランドパターンと同様の形状を採用することができる。
【００２６】
金属薄膜４を形成する金属材料としては、はんだと合金形成可能なアルミニウム以外の金属はすべて採用することができる。例えば、ニッケル、銅は、はんだと合金を形成しやすいため、特に好適である。
ただし、金属薄膜４を、めっきによって形成する場合には、電気化学列でアルミニウムよりも貴な金属を用いる必要がある。この条件を満たすことにより、酸化被膜５が除去された状態のアルミニウム表面２ａ上に容易に金属が析出させることができる。
このような金属材料は多数知られている。例えば、上記ニッケル、銅の他にも、金、銀、パラジウム、錫などを挙げることができる。
【００２７】
次に、このようなアルミニウム構造体１の製造方法について説明する。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本発明の第１の実施形態のアルミニウム構造体の製造工程を示す工程説明図である。
【００２８】
アルミニウム構造体１を製造するには、酸化膜除去工程、金属層部形成工程をこの順に行う。
まず、酸化膜除去工程を行う。本工程は、アルミニウム基材部２を薬液に浸漬して、アルミニウム基材部２のアルミニウム表面２ａ上の酸化被膜５を除去する工程である。
酸化被膜５を除去する薬液は、例えば、アルカリ性の例としては、水酸化ナトリウムや水酸化カリウム、アンモニア等を挙げることができる。また、酸性の例としては、例えば、フッ化水素、塩酸、リン酸等を挙げられることができる。ただし、薬液はこれらに限定されるものではなく、酸化アルミニウムを除去可能なアルカリ性、酸性の適宜の薬液を採用することができる。
例えば、図２（ａ）に示すようなアルミニウム表面２ａに酸化被膜５が形成されたアルミニウム基材部２を水酸化ナトリウム溶液に浸漬させることにより、図２（ｂ）に示すように、酸化被膜５を除去することができる。
以上で、酸化膜除去工程が終了する。
【００２９】
次に、酸化被膜５が除去されたアルミニウム基材部２を脱酸素雰囲気中で、洗浄してから、金属層部形成工程を行う。
本工程は、酸化被膜５が除去されたアルミニウム基材部２のアルミニウム表面２ａに、金属薄膜４を形成する工程である。
本工程では、アルミニウム基材部２を脱酸素雰囲気中に配置し、例えば、無電解めっき、電解めっき等のめっき、スパッタ、溶射などによって、アルミニウム表面２ａ上に金属薄膜４を成膜する。
その際、図２（ｃ）に二点鎖線で示すように、アルミニウム表面２ａにおいて金属薄膜４を形成する領域以外の領域は、マスク６を配置して、金属薄膜４が成膜されないようにしておく。マスク６としては、金属薄膜４の形成方法に応じて、例えば、めっき用マスク、ソルダレジスト等の周知のマスク部材やマスク処理を採用することができる。
このようにして、必要な層厚の金属薄膜４が形成されたら、成膜を止める。これにより、金属部形成工程が終了する。
その後、アルミニウム基材部２からマスク６を除去し、必要に応じて、洗浄を行う。このとき、アルミニウム表面２ａと金属薄膜４とは密着されており、アルミニウム表面２ａと金属薄膜４との間が酸化されることはない。このため、脱酸素雰囲気から取り出して作業を行うことが可能である。
このようにして、図２（ｄ）に示すように、アルミニウム構造体１が製造される。
なお、図２（ｄ）で酸化被膜５が形成されているのは、アルミニウム表面２ａは大気中に取り出されて酸素と接触すると、自然に酸化されてしまうためである。
【００３０】
次に、アルミニウム構造体１の作用について、はんだ付け時の作用を中心として説明する。
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の第１の実施形態のアルミニウム構造体の作用を説明する模式説明図である。図４は、本発明の第１の実施形態のアルミニウム構造体を用いたはんだ付け後の一形態を示す模式図である。
【００３１】
アルミニウム構造体１は、図３（ａ）に示すように、はんだ接合部３上にはんだ溶融体７および図示略の被接合部材を配置し、はんだ溶融体７を固化させることで、はんだ付けを行うことができる。以下では、はんだ溶融体７のアルミニウム基材部２に対する接合状態の形成過程を中心に説明するため、被接合部材の図示は省略している。なお、被接合部材とはんだ溶融体７との接合過程は従来のはんだ付けの場合と同様である。
【００３２】
金属薄膜４の薄膜表面４ａ上ではんだを溶かして、はんだ溶融体７を形成すると、金属薄膜４の金属材料がはんだと合金形成可能な金属であるため、はんだ溶融体７と当接した薄膜表面４ａから、金属薄膜４の金属がはんだ溶融体７に溶解し、はんだ溶融体７内に金属原子として拡散していく。
はんだ溶融体７は、金属薄膜４の量に比べて十分多いため、図３（ｂ）に示すように、金属薄膜４の溶解が進行していき、はんだ溶融体７と金属薄膜４との間の界面Ｓが金属薄膜４の層厚内に広がっていく。
そして、図３（ｃ）に示すように、界面Ｓが、アルミニウム表面２ａに達すると、はんだ溶融体７とアルミニウム表面２ａとが直接接触する状態となる。
これにより、アルミニウム表面２ａとはんだ溶融体７とが密着して錫アルミニウム合金が形成され、強固に接合される。
はんだ溶融体７の放熱が進むと、はんだ溶融体７は、はんだ固化体７Ａとなり、はんだ固化体７Ａがアルミニウム表面２ａと接合される。
また、はんだ溶融体７と金属薄膜４との界面Ｓは、金属薄膜４がはんだと合金を形成するため、はんだ固化体７Ａは、金属薄膜４とも密着して接合されている。
このようにして、はんだ固化体７Ａは、金属薄膜４およびアルミニウム表面２ａと密着して接合され、それぞれの界面では合金が形成されているため、良好な接合強度と、電気導電性が得られる。
【００３３】
なお、図３（ｃ）では、金属薄膜４の一部においてはんだ溶融体７が層厚方向に貫通した状態で、はんだ付けが完了する場合の例を図示したが、例えば、金属薄膜４の金属材料としてニッケルを用いる場合、金属薄膜４とアルミニウム表面２ａとの接合強度は、はんだ固化体７Ａとアルミニウム表面２ａとの接合強度に比べて小さいため、金属薄膜４の残留量が多いと、はんだ固化体７Ａがはんだ接合部３上のすべてのアルミニウム表面２ａと接合している場合に比べて接合強度が低くなる。
このため、はんだ量と、金属薄膜４の面積および層厚で決まる金属量とを適宜設定することにより、金属薄膜４の残留量ができるだけ少なくなるようにすることが好ましい。
【００３４】
図４は、はんだ量と金属薄膜４の金属量を適宜調整することにより、金属薄膜４全体がはんだ溶融体７に溶解されてはんだ接合部３の全領域にはんだ固化体７Ａが形成した場合の断面形状を示す。
この場合、金属薄膜４と隣接する領域には、通常、酸化被膜５が形成されているため、はんだ溶融体７が酸化被膜５上に進出することはない。したがって、はんだ溶融体７は、金属薄膜４が形成された平面視形状の範囲内で固化して、はんだ固化体７Ａとなる。
このような接合形態では、はんだ接合部３の領域全体で、アルミニウム表面２ａとはんだ固化体７Ａとが直接接合されており、金属薄膜４の金属材料として、アルミニウム表面２ａとの接合強度があまり高くない金属を採用しても、良好なはんだ付けを行うことができる。これにより金属薄膜４の金属材料の選択自由度が広くなる。
【００３５】
このように、アルミニウム構造体１によれば、はんだ接合部３ではんだ付けを行うと、金属薄膜４の少なくとも一部が層厚方向に溶解した状態となるため、はんだ固化体７Ａがアルミニウム表面２ａと直に接合される。これにより、アルミニウム基材部２に良好なはんだ付けを行うことができる。
金属薄膜４は、一種類の金属材料により、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の１層の薄膜を形成するだけでよいため、複数の中間層を成膜する従来技術に比べて、製造工程が簡素化される。これにより製造コストを削減することができる。
また、複数の中間層による接合では、はんだは、最上層のみと接合され、アルミニウム基材部とは、間接的に接合されているにすぎないため、アルミニウム基材部に対する接合特性（接合強度、電気抵抗）は、各層間が接合特性に依存することになる。これに対して、本実施形態のアルミニウム構造体１によれば、はんだ固化体７Ａとアルミニウム表面２ａとは直接的に接合されているため、接合特性を向上することができる。
【００３６】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態のアルミニウム構造体について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態のアルミニウム構造体の概略構成を示す模式的な断面図である。
【００３７】
本実施形態のアルミニウム構造体１１は、図５に示すように、上記第１の実施形態のはんだ接合部３に代えてはんだ接合部１３を備える。また、金属粒体１４は、上記第１の実施形態のアルミニウム構造体１と同様の用途に用いることができる。
以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３８】
はんだ接合部１３は、アルミニウム基材部２のアルミニウム表面２ａに、はんだと合金形成可能なアルミニウム以外の金属が粒子状または塊状をなす金属粒体１４が層状領域に分散された金属層部により形成されている。
【００３９】
金属粒体１４の形状は、複数の金属原子が結晶化または非晶化された状態で結合している粒子状または塊状の形状であれば、特に限定されない。図５は模式図のため、金属粒体１４を球状に描いているが、球状を含む適宜の外形を採用することができる。
すなわち、金属粒体１４は、略均等な大きさの粒子状のものが、互いに離間して分散されていてもよいし、長径と短径とが異なる細長い粒子状のものが分散されていてもよい。
また、不規則な外形を有する塊状のものが分散されていてもよい。
また、複数の金属粒体１４を有していれば、１つの金属粒体１４は、複数の粒子状の金属が互いに連結して密に一体化された塊状体からなっていてもよいし、多孔質状に一体化された塊状体からなっていてもよい。
【００４０】
また、金属粒体１４は、はんだ接合部１３内の少なくとも一部において、金属粒体１４の突出部１４ａが酸化被膜５の外側に突出されるとともに、突出部１４ａと反対側の表面である接触部１４ｂにおいて、アルミニウム表面２ａと密着する状態に形成されている。接触部１４ｂは、金属粒体１４の形状に応じて、点状、線状、面状の接触状態が可能である。
また、金属粒体１４のアルミニウム表面２ａからの高さは、はんだ付け時に金属粒体１４がはんだに溶解することで、はんだが突出部１４ａの頂部から接触部１４ｂまで貫通可能な高さＨ１４とされている。
ここで、各金属粒体１４の突出部１４ａの頂部の包絡面は、金属粒体１４が構成する金属層部の層厚に対応している。
高さＨ１４は、使用するはんだ量や、はんだ付けに要する時間にもよるが、例えば、電気部品のはんだ付けを行う程度のはんだ量、時間では、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好適である。
また、金属粒体１４の分散程度は、はんだ接合部１３内の金属粒体１４の面密度が１μｇ／ｃｍ２以上１００μｇ／ｃｍ２以下であることが好適である。ここで、面密度は、単位面積当たりの質量を表す。
例えば、金属粒体１４が、直径１００ｎｍの球であって、はんだ接合部１３上に一層で密集した場合、同様の金属量を金属薄膜４で実現しようとすると、層厚約５０ｎｍになることから、Ｈ１４の数値範囲は、金属量としては、金属薄膜４に好適な層厚と略同等になっている。また、面密度の好適な範囲の上限値１００μｇ／ｃｍ２以下は、金属粒体１４がニッケルの場合に、金属薄膜４の層厚５０ｎｍの場合と略同等になっている。（
【００４１】
また、本実施形態のように、微細な金属粒体１４の高さを正確に測定することは難しいが、上記のように、金属粒体１４の高さや粒子径、分布状態に対応して決まる金属として存在量を制御することが重要である。このため、めっきの条件出しなどの際には、例えば、蛍光Ｘ線膜厚計を用いることではんだ接合部１３における平均厚さを測定することで、代用することが可能である。すなわち、上記の高さＨ１４および面密度の条件を、平均層厚が１ｎｍ以上５０ｎｍ以下として代用することが可能である。
また電子顕微鏡を使用することで金属粒体１４の粒子径等の測定もできることから、これらを併用して、好適な分布状態の金属粒体１４が形成されるかどうか評価を行うことが可能である。
【００４２】
金属粒体１４を形成する金属材料、および金属粒体１４の形成方法は、上記第１の実施形態の金属薄膜４と同様な金属材料、形成方法を採用することができる。
ただし、金属粒体１４の特に好適な形成方法はめっきであり、金属材料もめっきに好適な材料を採用することが好ましい。
【００４３】
次に、このようなアルミニウム構造体１１の製造方法について説明する。
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本発明の第２の実施形態のアルミニウム構造体の製造工程を示す工程説明図である。
【００４４】
アルミニウム構造体１１を製造するには、酸化膜除去工程、金属層部形成工程をこの順に行う。
本実施形態の酸化膜除去工程は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、上記第１の実施形態における酸化膜除去工程とまったく同様の工程である。
また、金属層部形成工程の開始前に、酸化被膜５が除去されたアルミニウム基材部２を脱酸素雰囲気中で洗浄することも、上記第１の実施形態と同様である。
【００４５】
次に、本実施形態の金属層部形成工程を行う。
本工程は、酸化被膜５が除去されたアルミニウム基材部２のアルミニウム表面２ａに、金属粒体１４による金属層部を形成する工程である。金属粒体１４は、スパッタ、溶射などによっても可能であるが、以下では、より容易に製造することができるめっきによる工程の例で説明する。
【００４６】
本工程では、アルミニウム基材部２を脱酸素雰囲気中に配置し、上記第１の実施形態と同様、はんだ接合部１３を形成する領域外をマスク６（図６（ｃ）参照）で覆った状態で、ハロゲン元素と金属粒体１４を形成する金属の金属塩とを含むめっき液に浸漬する。ここで、めっき液にハロゲン元素を含めているのは、酸化膜除去工程後の作業で酸化アルミニウムが発生した場合にもその酸化アルミニウムを溶解させて、円滑にめっきを進行させるためである。
これにより、図６（ｂ）に示すように、ハロゲン化合物が酸化アルミニウムを溶解し、アルミニウムと金属が置換反応により、金属粒体１４がアルミニウム表面２ａに析出する。
このようにして、金属粒体１４が必要な高さ、面密度に形成されたら、めっきを止める。これにより、本実施形態の金属部形成工程が終了する。
めっきを止めるまでの時間は、予めめっき時間を変えた実験を行い、金属粒体１４の高さ、面密度、そして粒子の大きさを測定して、好適な時間を求めておくことができる。
その後、アルミニウム基材部２からマスク６を除去し、洗浄を行う。このとき、アルミニウム表面２ａと金属粒体１４の接触部１４ｂとは密着されており、アルミニウム表面２ａと接触部１４ｂとの間が酸化されることはないため、脱酸素雰囲気から取り出して作業を行うことが可能である。
このようにして、図６（ｄ）に示すように、アルミニウム構造体１１が製造される。
なお、図６（ｄ）で酸化被膜５が形成されているのは、上記第１の実施形態と同様、大気中に取り出すと自然に酸化されて酸化被膜５が形成されるためである。
【００４７】
次に、アルミニウム構造体１１の作用について、はんだ付け時の作用を中心として説明する。
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の第２の実施形態のアルミニウム構造体の作用を説明する模式説明図である。
【００４８】
アルミニウム構造体１１は、図７（ａ）に示すように、はんだ接合部１３上にはんだ溶融体７を配置し、図示略の被接合部材をはんだ溶融体７中に配置することで、はんだ付けを行うことができる。ただし、上記第１の実施形態の説明と同様、被接合部材の図示は省略している。
【００４９】
金属粒体１４の突出部１４ａを含むはんだ接合部１３上ではんだを溶かして、はんだ溶融体７を形成すると、金属粒体１４は、上記第１の実施形態と同様にしてはんだ溶融体７と当接した突出部１４ａから、はんだ溶融体７に溶解し、はんだ溶融体７内に金属粒体１４の金属原子が拡散していく。
はんだ溶融体７は、金属粒体１４の量に比べて十分多いため、図７（ｂ）に示すように、はんだ溶融体７と接触した金属粒体１４（例えば、図示の金属粒体１４Ａ等）の溶解が進行して、金属原子を溶解したはんだ溶融体７と金属粒体１４との間の界面Ｓが、金属粒体１４内に広がっていく。
ただし、酸化被膜５は、はんだ溶融体７に溶解されないため、金属粒体１４を囲む酸化被膜５は、そのまま残存する。
そして、図７（ｃ）に示すように、界面Ｓが、接触部１４ｂまで達すると、はんだ溶融体７とアルミニウム表面２ａとが直接接触する状態となる。
これにより、アルミニウム表面２ａとはんだ溶融体７とが密着して接触部１４ｂの位置で錫アルミニウム合金が形成され、強固に接合される。
はんだ溶融体７の放熱が進むと、はんだ溶融体７は、はんだ固化体７Ａとなり、はんだ固化体７Ａが一部の酸化被膜５を覆った状態で、アルミニウム表面２ａと接合される。
このようにして、はんだ固化体７Ａは、アルミニウム表面２ａと密着して接合され、その界面では合金が形成されているため、良好な接合強度と、電気導電性が得られる。
【００５０】
なお、図７（ｃ）では、はんだ溶融体７と接触した金属粒体１４がすべて溶解する様子が描かれているが、上記第１の実施形態と同様に、一部の金属粒体１４は、はんだ固化体７Ａと接触した状態で残存していてもよい。この場合、金属粒体１４とはんだ固化体７Ａとは、良好にはんだ付けされている。
また、本実施形態では、各金属粒体１４が分散して形成されているため、溶解した金属原子がはんだ溶融体７において金属粒体１４の周囲に拡散しやすくなっているため、はんだ溶融体７の全面が金属薄膜４と当接する上記第１の実施形態の場合に比べて、溶解が効率的に進みやすくなっている。
【００５１】
このように、アルミニウム構造体１１によれば、はんだ接合部１３ではんだ付けを行うと、金属粒体１４の少なくとも一部が高さ方向に溶解した状態となるため、はんだ固化体７Ａがアルミニウム表面２ａと直に接合される。これにより、アルミニウム基材部２に良好なはんだ付けを行うことができる。
金属粒体１４は、一種類の金属材料により、１層の層状領域に形成するだけでよいため、複数の中間層を成膜する従来技術に比べて、製造工程が簡素化される。これにより製造コストを削減することができる。
また、複数の中間層による接合では、はんだは、最上層のみと接合され、アルミニウム基材部とは、間接的に接合されているにすぎないため、アルミニウム基材部に対する接合特性（接合強度、電気抵抗）は、各層間が接合特性に依存することになる。これに対して、本実施形態のアルミニウム構造体１１によれば、はんだ固化体７Ａとアルミニウム表面２ａとは直接的に接合されているため、接合特性を向上することができる。
【００５２】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態のアルミニウム構造体組立体について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態のアルミニウム構造体組立体の例を示す模式的な断面図である。
【００５３】
上記第１、第２の本実施形態のアルミニウム構造体１、１１は、はんだ付けが可能な種々の被接合部材を接合したアルミニウム構造体組立体を形成することが可能である。
【００５４】
図８（ａ）に示す組立体２０（アルミニウム構造体組立体）は、アルミニウム構造体１（１１）のはんだ接合部３（１３）に、被接合部材２１の端部２１ａをはんだ付けしたものである。このため、被接合部材２１は、はんだ接合部３（１３）上に形成されたはんだ固化体７Ａと接合され、はんだ固化体７Ａを介して、アルミニウム基材部２と電気的に接続されている。
被接合部材２１は、はんだ付け可能な金属部材、または、非金属部材の表面にはんだ付け可能な金属被覆を設けた部材を採用することができる。
【００５５】
また、被接合部材２１自体も、上記第１、第２の実施形態と同様な構成を有するアルミニウム構造体１（１１）と同様の構成を採用することが可能である。この場合、端部２１ａは、はんだ接合部３（１３）と同様に構成を備えるようにする。
具体的には、例えば、アルミニウム基材部２を電極、被接合部材２１をアルミニウムワイヤーとすることが可能である。この場合、端部２１ａには、例えば、ニッケルなどによって、上記第１または第２の実施形態と同様なはんだ接合部を形成すればよい。
【００５６】
また、図８（ｂ）に示す半導体装置３０は、アルミニウム構造体組立体の他の例である。
半導体装置３０は、絶縁基板３１上に電気回路を構成するアルミニウム構造体１（１１）が設けられたアルミニウム配線基板３２と、このアルミニウム配線基板３２の各はんだ接合部３（１３）上に、はんだ固化体７Ａを介して、接合された半導体素子３３（被接合部材）とを備える。
半導体素子３３は、はんだ接合部３（１３）と対向する裏面側の位置に接続電極３３ａが設けられており、接続電極３３ａとはんだ接合部３（１３）とが、はんだ付けされて、アルミニウム基材部２による電気回路と、半導体素子３３との電気的な接続がとられている。
半導体素子３３の例としては、種々のＩＣチップや、太陽電池セルを挙げることができる。半導体素子３３が太陽電池セルの場合、半導体装置３０は太陽電池モジュールとすることが可能である。
【００５７】
なお、上記の各実施形態、各変形例で説明した構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり、削除したりして実施することができる。
【実施例】
【００５８】
以下では、具体的な実施例について比較例とともに説明する。
図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に対応する実施例のアルミニウム構造体の表面の一例を示す写真画像、および比較例の表面の一例を示す写真画像である。
【００５９】
実施例１〜４、比較例１、２は、上記第２の実施形態の構成を有するアルミニウム構造体１１において、金属粒体１４にニッケルを用いてめっき時間を変えて製造した実施例と、その比較例である。
これらの製造条件および後述する評価結果について、下記表１にまとめて示す。
【００６０】
【表１】
2013154392.tif 000003
【００６１】
［実施例１］
純アルミニウム箔（厚さ５０μｍ）からなるアルミニウム基材部２を水酸化ナトリウム溶液に浸漬し、表面をエッチングして、表面の酸化被膜５除去した（酸化膜除去工程）。
その後、はんだ接合部１３以外のアルミニウム表面２ａをマスクで覆ってから、フッ化物、およびニッケル塩を含む水溶液（めっき液）に３０秒間浸漬し、ニッケル粒子を析出させて（金属層部形成工程）、アルミニウム構造体１１を製造した。
はんだ接合部１３の金属粒体１４による金属層部の層厚を、蛍光Ｘ線膜厚計によって測定したところ、平均層厚が５ｎｍと測定された（表１参照）。
このときの金属層部の表面を、電子顕微鏡で観察すると、図９（ａ）に示すように、アルミニウム表面２ａ（暗色部）上に、きわめて微細な粒子状の金属粒体１４（白色部）が多数分散して析出していることが分かった。
このはんだ接合部１３上で、はんだごてを用いて共晶はんだ（鉛４０％  錫６０％）を溶融し、被接合部材である銅ワイヤーとはんだ付けした。
【００６２】
［実施例２〜４］
実施例２〜４は、上記実施例１のめっき時間のみを、順に、１分、３分、５分に変えて製造した例である。
実施例２〜４では、表１に示すように、蛍光Ｘ線膜厚計によって測定した平均層厚は、めっき時間が増大するにつれて増大しており、それぞれ、９ｎｍ、７０ｎｍ、９５ｎｍであった。
これらに実施例２〜４にも実施例１と同様にして銅ワイヤーをはんだ付けした。
【００６３】
［比較例１、２］
比較例１、２は、上記実施例１のめっき時間のみを、順に、７分、１０分に変えて製造した例である。
比較例１、２では、表１に示すように、蛍光Ｘ線膜厚計によって測定した平均層厚は、めっき時間が増大するにつれて増大しており、それぞれ、１５４ｎｍ、２１５ｎｍであった。
これらに比較例１、２にも実施例１と同様にして銅ワイヤーをはんだ付けした。
なお、このように、めっき時間が長くなると、析出する金属粒体は著しく粒径が増大する。一例として、図９（ｂ）に、比較例２の場合の表面の写真画像を示す。
図９（ｂ）から分かるように、金属粒体の形は１μｍを越えていることが分かる。
【００６４】
［評価］
実施例１〜４、比較例１、２の評価として、抵抗測定器を用いた導電性評価と、銅ワイヤーを引っ張ることで、接合状態の評価を行った。
導電性評価では、各実施例、各比較例とも通電性を有することが確認された、
接合状態の評価では、銅ワイヤーを引っ張った場合の破壊発生部を観察した。この結果は、表１に示すように、実施例１〜４では、いずれも、はんだ接合部の周囲のアルミニウム箔が破れたものの、はんだ固化体とアルミニウム箔との接合は破壊されていなかった。
これに対して、比較例１、２では、いずれも、はんだ固化体とアルミニウム箔との界面が破壊されていた。
このため、比較例１、２では、はんだ固化体とアルミニウム箔との接合強度が低いのに対して、実施例１〜４は、良好な密着性、接合強度を有していることが分かる。
【００６５】
また、表１には、蛍光Ｘ線膜厚計によって測定した平均膜厚から、計算によって求めた金属の面密度を示している。これによると、実施例１〜４では、面密度が１００μｇ／ｃｍ２以下になっているのに対して、比較例１、２では、１００μｇ／ｃｍ２を越えている。
また、電子顕微鏡にて観察を行うことによって、実施例１〜４では、金属粒体１４の高さ（層厚）が１００ｎｍ以下であったのに対して、比較例１、２では１００ｎｍを越えていた。
このように、実施例１〜４では、綿密度と層厚とが、それぞれ適切であるためにはんだ固化体７Ａとアルミニウム表面２ａとが直に接合される結果、良好な接合強度が得られることが分かる。
【００６６】
また、経時的な接合強度変動を調べるため、実施例１で製造したアルミニウム構造体１１を、大気中に１週間放置した。これにより、アルミニウム表面２ａの酸化が進むとともに、金属粒体１４の表面のニッケルにも酸化膜が形成された状態になっている。
この状態で、上記と同様にして銅ワイヤーをはんだ付けした。
これにより、上記と同様の導電性評価をしたところ、導電性を有することを確認した。
また、銅ワイヤーを引っ張ると、アルミニウム箔が破れた。これより、ニッケル粒子が酸化しても密着力が得られることがわかった。
【００６７】
［実施例５］
実施例５は、金属粒体１４の金属材料を銅に変えた例である。
すなわち、実施例１の金属層部形成工程において、めっき液を、硫酸銅を含む水溶液に３０秒間浸漬し、銅粒子を析出させて、アルミニウム構造体１１を製造した。
蛍光Ｘ線膜厚計によって測定したところ、平均層厚は２０ｎｍと測定された。
上記と同様の評価を行ったところ、導電性評価では、導電性を有することが確認された。また、接合状態の評価では、実施例１と同様に、アルミニウム箔が破れて破壊したため、金属粒体１４を銅で形成しても、金属粒体１４の高さ（層厚）を適切に設定することにより、はんだ固化体７Ａとアルミニウム表面２ａとが直に接合される結果、良好な接合強度が得られることが分かる。
【符号の説明】
【００６８】
１、１１  アルミニウム構造体
２  アルミニウム基材部
２ａ  アルミニウム表面
３、１３  はんだ接合部
４  金属薄膜（金属層部）
５  酸化被膜
７  はんだ溶融体
７Ａ  はんだ固化体
１４、１４Ａ  金属粒体（金属層部）
１４ａ  突出部
１４ｂ  接触部
２０  組立体（アルミニウム構造体組立体）
２１  被接合部材
２１ａ  端部
３０  半導体装置（アルミニウム構造体組立体、太陽電池モジュール）
３２  アルミニウム配線基板
３３  半導体素子（太陽電池セル）
【図１】
2013154392.tif 000004
【図２】
2013154392.tif 000005
【図３】
2013154392.tif 000006
【図４】
2013154392.tif 000007
【図５】
2013154392.tif 000008
【図６】
2013154392.tif 000009
【図７】
2013154392.tif 000010
【図８】
2013154392.tif 000011
【図９】
2013154392.tif 000012