(57)【要約】【課題】熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造を容易に形成できる自己発熱型接合フォイルの提供を目的とする。【解決手段】本発明の自己発熱型接合フォイルは、少なくとも一部の領域に多層膜構造を有し、上記多層膜構造が、アルミニウム又はその合金により形成される１又は複数のアルミニウム層と、ニッケル又はその合金により形成される１又は複数のニッケル層と、亜鉛アルミニウム合金により形成される１又は複数の亜鉛アルミニウム合金層とを備え、上記１又は複数のニッケル層のうち少なくとも一層が上記アルミニウム層に直接積層されることを特徴とする。上記１又は複数のニッケル層の全ての層と１又は複数のアルミニウム層の全ての層とがそれぞれ直接積層されるとよい。上記亜鉛アルミニウム合金の平均結晶粒径としては、１０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下が好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部の領域に多層膜構造を有する自己発熱型接合フォイルであって、
上記多層膜構造が、
アルミニウム又はその合金により形成される１又は複数のアルミニウム層と、
ニッケル又はその合金により形成される１又は複数のニッケル層と、
亜鉛アルミニウム合金により形成される１又は複数の亜鉛アルミニウム合金層と
を備え、
上記１又は複数のニッケル層のうち少なくとも一層が上記アルミニウム層に直接積層されることを特徴とする自己発熱型接合フォイル。
【請求項２】
上記１又は複数のニッケル層の全ての層と１又は複数のアルミニウム層の全ての層とがそれぞれ直接積層される請求項１に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項３】
上記亜鉛アルミニウム合金の平均結晶粒径が１０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項４】
上記亜鉛アルミニウム合金層におけるアルミニウムの含有率が３１ｍｏｌ％以上５２ｍｏｌ％以下である請求項１、請求項２又は請求項３に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項５】
上記亜鉛アルミニウム合金層において等軸晶により形成されている領域の断面面積率が６０％以上である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項６】
上記多層膜構造における亜鉛アルミニウム合金層の出現頻度が厚さ方向に傾斜している請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項７】
上記多層膜構造における亜鉛アルミニウム合金層の出現頻度が厚さ方向に周期的に変調している請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項８】
上記亜鉛アルミニウム合金層の一層の平均厚みが、上記多層膜構造の厚さ方向に傾斜している請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項９】
上記ニッケル層及び亜鉛アルミニウム合金層の合計層数が１０以上であり、
上記ニッケル層の層数と上記亜鉛アルミニウム合金層の層数との比が３：７以上７：３以下である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項１０】
上記多層膜構造の少なくとも一方の表面に積層されるハンダ層をさらに備える請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項１１】
上記多層膜構造が、平面視で櫛歯状又は葉脈状に配設される副多層膜構造を有し、
この副多層膜構造が、少なくとも上記アルミニウム層及びニッケル層を含む請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項１２】
上記多層膜構造が、平面視で全面に形成されている請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の自己発熱型接合フォイル。
【請求項１３】
部材間を電気的又は物理的に接合する接合方法であって、
請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の自己発熱型接合フォイルを部材間に配設する工程と、
上記自己発熱型接合フォイルの側面にレーザー光を照射する工程と
を備える接合方法。
【請求項１４】
少なくとも一部の領域に多層膜構造を有し、この多層膜構造がアルミニウム又はその合金により形成される１又は複数のアルミニウム層と、ニッケル又はその合金により形成される１又は複数のニッケル層と、亜鉛アルミニウム合金により形成される１又は複数の亜鉛アルミニウム合金層とを備える自己発熱型接合フォイルの製造方法であって、
上記アルミニウム層、ニッケル層又は亜鉛アルミニウム合金層をスパッタリングにより形成する工程
を備え、
上記１又は複数のニッケル層のうち少なくとも一層が上記アルミニウム層に直接積層されることを特徴とする自己発熱型接合フォイルの製造方法。
【請求項１５】
少なくとも一部の領域に多層膜構造を有し、この多層膜構造がアルミニウム又はその合金により形成される１又は複数のアルミニウム層と、ニッケル又はその合金により形成される１又は複数のニッケル層と、亜鉛アルミニウム合金により形成される１又は複数の亜鉛アルミニウム合金層とを備える自己発熱型接合フォイルの製造方法であって、
上記アルミニウム層の形成材料としての１又は複数のアルミニウム板又はアルミニウム合金板、上記ニッケル層の形成材料としての１又は複数のニッケル板又はニッケル合金板、及び上記亜鉛アルミニウム合金層の形成材料としての１又は複数の亜鉛アルミニウム合金板を重畳する工程と、
上記重畳体を圧延する工程と
を備え、
上記１又は複数のニッケル層のうち少なくとも一層が上記アルミニウム層に直接積層されることを特徴とする自己発熱型接合フォイルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己発熱型接合フォイル及びその製造方法、並びに接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーエレクトロニクスの自動車への実装は、ハイブリッドカー、電気自動車、燃料電池自動車等の次世代自動車をはじめ、従来のガソリンエンジンを主体とする低公害車においても進んでいる。その結果、これら自動車の製造においては、電池、電動機等の材料費のみならず、電子部品の接合工程が全体の製造コストに大きく影響しつつあり、低コストで短時間に接合可能な接合方法が要求されている。
【０００３】
他方、上述の自動車に実装するパワーエレクトロニクスとして、電費性能に優れ、かつ２００℃以上での高温動作が可能なため複雑な冷却機構を必要としないＳｉＣ（炭化ケイ素）半導体素子が注目されている。それに伴い、このＳｉＣ半導体素子に用いる接合方法には、上述の高温動作が可能であるという長所を最大限に発揮させるため、ネジ、ハンダ等を用いた一般的な接合方法よりも熱サイクルに対する耐久性の高い接合構造を形成できることが要求されている。
【０００４】
このような要求に対し、アルミニウム層とニッケル層とを備える多層膜構造を有する自己発熱型接合フォイルが検討されている。この自己発熱型接合フォイルの具体例としては、例えば発熱的に反応する交互の層からなるフォイルを含む反応性多層フォイルであって、このフォイルを貫く複数の開口を有することを特徴とするものが挙げられる（特開２００６−６９８８５号公報参照）。この自己発熱型接合フォイルは、接合する部材間に配設し、その端部に放電スパークの接触や機械的刺激の付与等を行うことで、アルミニウム層とニッケル層とが界面付近で混和してアルミニウムニッケル合金層を生じる。この反応は、結晶構造の変態等に起因する発熱を伴う自己伝播性発熱反応であるため、界面全体に伝播しながら自己発熱型接合フォイルを高温化し、その結果、上記部材間がアルミニウムニッケル合金層を備える接合構造により接合される。この自己発熱型接合フォイルは、ネジ止め、高温リフロー等が不要で比較的簡便な操作で短時間に接合可能なため、接合工程のコストを低減でき、また接合する部材への熱ダメージも抑制できる。
【０００５】
しかしながら、上記従来の自己発熱型接合フォイルにより形成される接合構造は、上記アルミニウムニッケル合金層の柔軟性及び熱膨張率が比較的低いため、接合している部材の温度変化に伴う変形に追従し難い。その結果、上記接合構造は、加熱及び冷却を繰り返した場合に、破壊されるおそれや、接合している部材と剥離するおそれがあり、熱サイクルに対する耐久性が十分とはいえない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−６９８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造を容易に形成できる自己発熱型接合フォイルを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた発明は、少なくとも一部の領域に多層膜構造を有する自己発熱型接合フォイルであって、上記多層膜構造が、アルミニウム又はその合金により形成される１又は複数のアルミニウム層と、ニッケル又はその合金により形成される１又は複数のニッケル層と、亜鉛アルミニウム合金により形成される１又は複数の亜鉛アルミニウム合金層とを備え、上記１又は複数のニッケル層のうち少なくとも一層が上記アルミニウム層に直接積層されることを特徴とする。
【０００９】
当該自己発熱型接合フォイルは、アルミニウム層と、ニッケル層と、亜鉛アルミニウム合金層とを備える多層膜構造を有し、このニッケル層のうち少なくとも一層がアルミニウム層に直接積層されることで、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造を容易に形成できる。つまり、当該自己発熱型接合フォイルは、接合する２つの部材間に配設した後、側面にレーザー光等で刺激を与えることにより、アルミニウム層とニッケル層との界面付近で自己伝播性発熱反応が生じる。この反応は、当該自己発熱型接合フォイルの全体に伝播して高温化させ、その結果、上記２つの部材間を電気的又は物理的に接合する接合構造が形成される。また、当該自己発熱型接合フォイルにより形成された接合構造は、上記反応によって形成された１又は複数のアルミニウムニッケル合金層と、１又は複数の亜鉛アルミニウム合金層とを備える。このアルミニウムニッケル合金層は優れた強度及び安定性を有し、また亜鉛アルミニウム合金層は塑性に優れ、かつ熱膨張率が比較的高い。そのため、当該自己発熱型接合フォイルにより形成される接合構造は、強度、安定性及び塑性のバランスが良く、かつ適度に熱膨張できるため、接合した部材が温度変化により変形した際に発生する応力を緩和でき、その結果、熱サイクルに対する耐久性に優れる。
【００１０】
上記１又は複数のニッケル層の全ての層と１又は複数のアルミニウム層の全ての層とがそれぞれ直接積層されるとよい。このように、１又は複数のニッケル層の全ての層と１又は複数のアルミニウム層の全ての層とがそれぞれ直接積層されることで、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造をより確実に形成できる。
【００１１】
上記亜鉛アルミニウム合金の平均結晶粒径としては、１０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下が好ましい。このように、亜鉛アルミニウム合金の平均結晶粒径を上記範囲とすることで、亜鉛アルミニウム合金層の塑性が向上し、超塑性が発現し易くなる。その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上することができる。
【００１２】
上記亜鉛アルミニウム合金層におけるアルミニウムの含有率としては、３１ｍｏｌ％以上５２ｍｏｌ％以下が好ましい。このように、上記亜鉛アルミニウム合金層におけるアルミニウムの含有率を上記範囲とすることで、超塑性を付与する金属間化合物ＺｎＡｌの含有量が増加するため、亜鉛アルミニウム合金層の塑性が向上し、超塑性が発現し易くなる。その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上することができる。
【００１３】
上記亜鉛アルミニウム合金層において等軸晶により形成されている領域の断面面積率としては、６０％以上が好ましい。上記亜鉛アルミニウム合金層において等軸晶により形成されている領域の断面面積率を上記下限以上とすることで、亜鉛アルミニウム合金層の塑性が向上し、超塑性が発現し易くなる。その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上することができる。
【００１４】
上記多層膜構造における亜鉛アルミニウム合金層の出現頻度が厚さ方向に傾斜しているとよい。このように、多層膜構造における亜鉛アルミニウム合金層の出現頻度が厚さ方向に傾斜していることで、形成される接合構造の熱膨張率及び塑性が厚さ方向に傾斜するため、熱膨張率に差のある部材の接合に好適に用いることができる。
【００１５】
上記多層膜構造における亜鉛アルミニウム合金層の出現頻度が厚さ方向に周期的に変調していてもよい。このように、多層膜構造における亜鉛アルミニウム合金層の出現頻度が厚さ方向に周期的に変調していることで、形成される接合構造の厚さ方向の全領域において亜鉛アルミニウム合金層をバランスよく出現させることができ、その結果、熱サイクルに対する耐久性をより確実に向上できる。
【００１６】
上記亜鉛アルミニウム合金層の一層の平均厚みが、上記多層膜構造の厚さ方向に傾斜しているとよい。このように、亜鉛アルミニウム層の一層の平均厚みが多層膜構造の厚さ方向に傾斜していることで、形成される接合構造の熱膨張率及び塑性が厚さ方向に傾斜するため、熱膨張率に差のある部材の接合に好適に用いることができる。
【００１７】
上記ニッケル層及び亜鉛アルミニウム合金層の合計層数としては、１０以上が好ましい。この場合、上記ニッケル層の層数と上記亜鉛アルミニウム合金層の層数との比としては、３：７以上７：３以下が好ましい。このように、ニッケル層及び亜鉛アルミニウム合金層の合計層数を１０以上とし、かつニッケル層の層数と亜鉛アルミニウム合金層の層数との比を上記範囲とすることで、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造をより確実に形成できる。
【００１８】
当該自己発熱型接合フォイルは、上記多層膜構造の少なくとも一方の表面に積層されるハンダ層をさらに備えるとよい。このように、当該自己発熱型接合フォイルは、上記多層膜構造の少なくとも一方の表面に積層されるハンダ層をさらに備えることで、上記多層膜構造の表面のアルミニウム層等の酸化を抑制できる。また、接合時に自己伝播性発熱反応による熱で上記ハンダ層が融解し、形成される接合構造の表面と接合する部材とがハンダ付けされることで、その密着性が向上する。
【００１９】
上記多層膜構造が、平面視で櫛歯状又は葉脈状に配設される副多層膜構造を有し、この副多層膜構造が、少なくとも上記アルミニウム層及びニッケル層を含むとよい。この副多層膜構造は、平面視で櫛歯状又は葉脈状に配設されるため、比較的小さい面積のアルミニウム層及びニッケル層によって多層膜構造の全面に自己伝播性発熱反応を伝播させることができる。そのため、多層膜構造が平面視で櫛歯状又は葉脈状に配設される副多層膜構造を有し、この副多層膜構造が少なくともアルミニウム層及びニッケル層を含むことで、多層膜構造におけるアルミニウム及びニッケルの含有量を減少させることができる。つまり、多層膜構造における亜鉛アルミニウム合金の含有量を相対的に増加させることができる。その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上できる。
【００２０】
当該自己発熱型接合フォイルは、上記多層膜構造が、平面視で全面に形成されているとよい。このように、上記多層膜構造が平面視で全面に形成されていることで、アルミニウム層とニッケル層との界面を増加できるため、多層膜構造の全面に自己伝播性発熱反応をより確実に伝播させることができる。その結果、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造をより確実に形成できる。
【００２１】
上記課題を解決するためになされた別の発明は、部材間を電気的又は物理的に接合する接合方法であって、当該自己発熱型接合フォイルを部材間に配設する工程と、当該自己発熱型接合フォイルの側面にレーザー光を照射する工程とを備える。
【００２２】
当該接合方法は、当該自己発熱型接合フォイルを用いて部材間を接合するため、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造を容易かつ確実に形成できる。また、当該接合方法は、照射量や照射位置を調整し易いレーザー光を用いて上記自己伝播性発熱反応を生じさせるため、オートメーション化が容易である。
【００２３】
上記課題を解決するためになされたさらに別の発明は、少なくとも一部の領域に多層膜構造を有し、この多層膜構造がアルミニウム又はその合金により形成される１又は複数のアルミニウム層と、ニッケル又はその合金により形成される１又は複数のニッケル層と、亜鉛アルミニウム合金により形成される１又は複数の亜鉛アルミニウム合金層とを備える自己発熱型接合フォイルの製造方法であって、上記アルミニウム層、ニッケル層又は亜鉛アルミニウム合金層をスパッタリングにより形成する工程を備え、上記１又は複数のニッケル層のうち少なくとも一層が上記アルミニウム層に直接積層されることを特徴とする。
【００２４】
当該自己発熱型接合フォイルの製造方法は、上述の自己発熱型接合フォイルを容易かつ確実に製造できる。また、当該自己発熱型接合フォイルの製造方法は、主要な工程をスパッタリングにより行うため、上記多層膜構造の各層の不純物混入及び酸化を抑制でき、かつ各層の一層の厚みを制御し易い。
【００２５】
上記課題を解決するためになされたさらに別の発明は、少なくとも一部の領域に多層膜構造を有し、この多層膜構造がアルミニウム又はその合金により形成される１又は複数のアルミニウム層と、ニッケル又はその合金により形成される１又は複数のニッケル層と、亜鉛アルミニウム合金により形成される１又は複数の亜鉛アルミニウム合金層とを備える自己発熱型接合フォイルの製造方法であって、上記アルミニウム層の形成材料としての１又は複数のアルミニウム板又はアルミニウム合金板、上記ニッケル層の形成材料としての１又は複数のニッケル板又はニッケル合金板、及び上記亜鉛アルミニウム合金層の形成材料としての１又は複数の亜鉛アルミニウム合金板を重畳する工程と、上記重畳体を圧延する工程とを備え、上記１又は複数のニッケル層のうち少なくとも一層が上記アルミニウム層に直接積層されることを特徴とする。
【００２６】
当該自己発熱型接合フォイルの製造方法は、上述の自己発熱型接合フォイルを容易かつ確実に製造できる。この自己発熱型接合フォイルは、側面に刺激を与えることにより、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造を容易に形成できる。また、当該自己発熱型接合フォイルの製造方法は、主要な工程を大気中で行えるため、製造コストを低減し易い。
【００２７】
ここで「アルミニウム合金」及び「ニッケル合金」とは、それぞれアルミニウム又はニッケルを主成分とする合金をいう。「主成分」とは、最も含有量が多い成分であり、例えば含有量が５０質量％以上の成分をいう。「亜鉛アルミニウム合金」とは、亜鉛及びアルミニウムのうち一方が最も含有量が多い成分、他方が二番目に含有量が多い成分である合金をいう。「出現頻度が厚さ方向に周期的に変調している」とは、多層膜構造において一定の層数ごとに特定の層の出現頻度が増加又は減少することをいう。自己発熱型接合フォイルの「表面」とは、厚さ方向の両外面をいう。自己発熱型接合フォイルの「側面」とは、上記表面と略垂直な面をいう。「平均結晶粒径」とは、電子顕微鏡（例えば走査型電子顕微鏡）で断面を観察し、任意の１０個の結晶粒の面積と等面積の真円の径を平均することで求められる値をいう。「等軸晶」とは、長径に対する短径の比が０．２以上１未満である結晶、及び真円状の結晶をいう。
【発明の効果】
【００２８】
当該自己発熱型接合フォイル及び当該接合方法は、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造を容易に形成できる。また、当該自己発熱型接合フォイルの製造方法は、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造を容易に形成できる自己発熱型接合フォイルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る自己発熱型接合フォイルを示す模式的断面図である。
【図２】アルミニウム−亜鉛系の２元系状態図である。
【図３】本発明の別の一実施形態に係る接合方法の配設工程を示す模式的断面図である。
【図４】図３の接合方法により形成される接合構造を示す模式的断面図である。
【図５】ニッケル−アルミニウム系の２元系状態図である。
【図６】本発明のさらに別の一実施形態に係る自己発熱型接合フォイルを示す模式的断面図である。
【図７】図６のＸ−Ｘ線における模式的断面図である。
【図８】実施例のＮｏ．１及びＮｏ．３の亜鉛アルミニウム合金薄膜の断面画像である。
【図９】超塑性の発現が確認されている亜鉛アルミニウム合金のナノ組織の画像である。
【図１０】超塑性の発現が確認されている別の亜鉛アルミニウム合金のナノ組織の画像である。
【図１１】超塑性を発現しないことが確認されている亜鉛アルミニウム合金のナノ組織の画像である。
【図１２】実施例のＮｏ．７の亜鉛アルミニウム合金薄膜の断面画像である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しつつ説明する。
【００３１】
＜第１実施形態＞
［自己発熱型接合フォイル］
図１の当該自己発熱型接合フォイル１は、厚さ方向の全領域において平面視で全面に形成される多層膜構造５を有する。当該自己発熱型接合フォイル１の平面形状としては、接合する部材等に合わせて適宜選択されるものであるが、例えば略正方形、略矩形、略円形、略楕円形等が挙げられる。また、当該自己発熱型接合フォイル１の平面形状が略正方形又は略矩形の場合、１辺の平均長さとしては、例えば１ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。また、当該自己発熱型接合フォイル１の平面形状が略円形の場合、平均径としては、例えば１ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。
【００３２】
当該自己発熱型接合フォイル１の平均厚みの下限としては、２００ｎｍが好ましく、１μｍがより好ましく、３μｍがさらに好ましく、５μｍが特に好ましい。一方、当該自己発熱型接合フォイル１の平均厚みの上限としては、５００μｍが好ましく、１００μｍがより好ましく、３０μｍがさらに好ましく、２０μｍが特に好ましく、１５μｍがさらに特に好ましい。当該自己発熱型接合フォイル１の平均厚みが上記下限より小さい場合、形成される接合構造の強度が低下するおそれがある。逆に、当該自己発熱型接合フォイル１の平均厚みが上記上限を超える場合、多層膜構造５の層数の増加により製造コストが増加するおそれがある。また、各層の一層の平均厚みが増加することで、自己伝播性発熱反応が多層膜構造５の厚さ方向に十分に伝播せず、その結果、形成される接合構造における未反応物の残留量が増加するおそれがある。
【００３３】
（多層膜構造）
多層膜構造５は、アルミニウム又はその合金により形成される複数のアルミニウム層２と、ニッケル又はその合金により形成される複数のニッケル層３と、亜鉛アルミニウム合金により形成される複数の亜鉛アルミニウム合金層４とを備える。ニッケル層３のうち少なくとも４層は、アルミニウム層２に直接積層されている。多層膜構造５は、アルミニウム層２をＡｌ、ニッケル層３をＮｉ、亜鉛アルミニウム合金層４をＺｎＡｌで表すと、一方の最外層から順に、例えばＡｌ／Ｎｉ／ＺｎＡｌ／Ａｌ／Ｎｉ・・・Ｎｉ／Ａｌ／ＺｎＡｌ／Ｎｉ／Ａｌのように各層が積層される。多層膜構造５の一方の最外層、及び他方の最外層は、アルミニウム層２である。但し、多層膜構造５における各層の積層順は、これに限定されない。
【００３４】
多層膜構造５の層数の下限としては、３０が好ましく、４５がより好ましく、７５がさらに好ましい。多層膜構造５の層数が上記下限より小さい場合、当該自己発熱型接合フォイル１の平均厚みが低下し、形成される接合構造の強度が低下するおそれがある。
【００３５】
〔アルミニウム層〕
アルミニウム層２は、アルミニウム又はその合金により形成される。アルミニウム層２におけるアルミニウムの含有率の下限としては、９９．５ｍｏｌ％が好ましく、９９．９ｍｏｌ％がより好ましく、９９．９５ｍｏｌ％がさらに好ましい。アルミニウム層２におけるアルミニウムの含有率が上記下限より小さい場合、自己伝播性発熱反応の発生が不十分となり、その結果、形成される接合構造に未反応のアルミニウム層２及びニッケル層３が残留するおそれがある。
【００３６】
多層膜構造５の全層数におけるアルミニウム層２の層数の割合の下限としては、５％が好ましく、１５％がより好ましく、２５％がさらに好ましい。一方、多層膜構造５の全層数におけるアルミニウム層２の層数の割合の上限としては、７０％が好ましく、５０％がより好ましく、４０％がさらに好ましい。アルミニウム層２の層数の割合が上記下限より小さい場合、アルミニウム層２とニッケル層３との界面が減少することで自己伝播性発熱反応の発生が不十分となり、その結果、形成される接合構造における未反応物の残留量が増加するおそれがある。逆に、アルミニウム層２の層数の割合が上記上限を超える場合、ニッケル層３の層数が減少することでアルミニウム層２とニッケル層３との界面が減少し、その結果、自己伝播性発熱反応の発生が不十分となるおそれがある。また、亜鉛アルミニウム合金層４の層数が減少し、その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性が不十分となるおそれがある。
【００３７】
〔ニッケル層〕
ニッケル層３は、ニッケル又はその合金により形成される。ニッケル層３におけるニッケルの含有率の下限としては、８０ｍｏｌ％が好ましく、９５ｍｏｌ％がより好ましく、９９ｍｏｌ％がさらに好ましく、９９．９ｍｏｌ％が特に好ましい。
【００３８】
多層膜構造５の全層数におけるニッケル層３の層数の割合の下限としては、５％が好ましく、１５％がより好ましく、２５％がさらに好ましい。一方、多層膜構造５の全層数におけるニッケル層３の層数の割合の上限としては、７５％が好ましく、５０％がより好ましく、４０％がさらに好ましい。ニッケル層３の層数の割合が上記下限より小さい場合、アルミニウム層２とニッケル層３との界面が減少することで自己伝播性発熱反応の発生が不十分となり、その結果、形成される接合構造における未反応物の残留量が増加するおそれがある。逆に、ニッケル層３の層数の割合が上記上限を超える場合、アルミニウム層２の層数が減少することでアルミニウム層２とニッケル層３との界面が減少することで自己伝播性発熱反応の発生が不十分となり、その結果、形成される接合構造における未反応物の残留量が増加するおそれがある。また、亜鉛ニッケル合金層４の層数が減少し、その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性が低下するおそれがある。
【００３９】
〔亜鉛アルミニウム合金層〕
亜鉛アルミニウム合金層４は、亜鉛アルミニウム合金により形成される。この亜鉛アルミニウム合金層４における亜鉛及びアルミニウムの合計含有率の下限としては、９０ｍｏｌ％が好ましく、９５ｍｏｌ％がより好ましく、９９ｍｏｌ％がさらに好ましく、９９．９ｍｏｌ％が特に好ましい。
【００４０】
上記亜鉛アルミニウム合金の平均結晶粒径の下限としては、１０ｎｍが好ましく、３０ｎｍがより好ましく、４５ｎｍがさらに好ましい。一方、上記亜鉛アルミニウム合金の平均結晶粒径の上限としては、３５０ｎｍが好ましく、２５０ｎｍがより好ましく、２００ｎｍがさらに好ましい。亜鉛アルミニウム合金は、結晶粒が微細であるほど結晶粒界を介した結晶粒の回転が促進されて超塑性を発現し易くなるが、結晶粒があまりにも微細過ぎる場合には硬度が増加するおそれがある。そのため、上記平均結晶粒径を上記範囲とすることで、亜鉛アルミニウム合金層４の塑性が向上し、超塑性が発現し易くなる。その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上することができる。
【００４１】
亜鉛アルミニウム合金層４におけるアルミニウムの含有率の下限としては、３１ｍｏｌ％が好ましく、３５ｍｏｌ％がより好ましく、３８ｍｏｌ％がさらに好ましい。一方、上記アルミニウムの含有率の上限としては、５２ｍｏｌ％が好ましく、４８ｍｏｌ％がより好ましく、４５ｍｏｌ％がさらに好ましい。このように、上記アルミニウムの含有率を上記範囲とすることで、図２のアルミニウム−亜鉛系の２元系状態図にＡで示すように、超塑性を付与する金属間化合物ＺｎＡｌの含有量が増加するため、亜鉛アルミニウム合金層４の塑性が向上し、超塑性が発現し易くなる。その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上することができる。
【００４２】
亜鉛アルミニウム合金層４における亜鉛の含有率の下限としては、４８ｍｏｌ％が好ましく、５２ｍｏｌ％がより好ましく、５５ｍｏｌ％がさらに好ましい。一方、上記亜鉛の含有率の上限としては、６９ｍｏｌ％が好ましく、６５ｍｏｌ％がより好ましく、６２ｍｏｌ％がさらに好ましい。このように、上記アルミニウムの含有率を上記範囲とすることで、図２のアルミニウム−亜鉛系の２元系状態図にＡで示すように、超塑性を付与する金属間化合物ＺｎＡｌの含有量が増加するため、亜鉛アルミニウム合金層４の塑性が向上し、超塑性が発現し易くなる。その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上することができる。亜鉛アルミニウム合金層４が超塑性を発現し易くなる。
【００４３】
亜鉛アルミニウム合金層４において等軸晶により形成されている領域の断面面積率の下限としては、６０％が好ましく、７５％がより好ましく、９０％がさらに好ましい。このように、上記等軸晶により形成されている領域の断面面積率を上記下限以上とすることで、亜鉛アルミニウム合金層４の塑性が向上し、超塑性が発現し易くなる。その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上することができる。
【００４４】
多層膜構造５の全層数における亜鉛アルミニウム合金層４の層数の割合の下限としては、５％が好ましく、１５％がより好ましく、２５％がさらに好ましい。一方、多層膜構造５の全層数における亜鉛アルミニウム合金層４の層数の割合の上限としては、７０％が好ましく、５０％がより好ましく、４０％がさらに好ましい。亜鉛アルミニウム合金層４の層数の割合が上記下限より小さい場合、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性が不十分となるおそれがある。逆に、亜鉛アルミニウム合金層４の層数の割合が上記上限を超える場合、アルミニウム層２とニッケル層３との界面が減少し、自己伝播性発熱反応の発生が不十分となるおそれがある。
【００４５】
多層膜構造５におけるアルミニウム層２及びニッケル層３の合計層数の下限としては、２０が好ましく、３０がより好ましく、５０がさらに好ましい。アルミニウム層２及びニッケル層３の合計層数が上記下限より小さい場合、ニッケル層３とアルミニウム層２との界面が減少し、その結果、自己伝播性発熱反応が不十分となるおそれがある。一方、アルミニウム層２及びニッケル層３の合計層数の上限としては、特に限定されないが、例えば３３０である。
【００４６】
多層膜構造５におけるニッケル層３及び亜鉛アルミニウム合金層４の合計層数としては、１０以上が好ましい。この場合、ニッケル層３の層数と亜鉛アルミニウム合金層４の層数との比（ニッケル層：亜鉛アルミニウム合金層）の下限としては、３：７が好ましく、４：６がより好ましく、４．５：５．５がさらに好ましい。一方、ニッケル層３の層数と亜鉛アルミニウム合金層４の層数との比の上限としては、７：３が好ましく、６：４がより好ましく、５．５：４．５がさらに好ましい。ニッケル層３の層数と亜鉛アルミニウム合金層４の層数との比が上記下限より小さい場合、形成される接合構造における亜鉛アルミニウム合金層４の割合が低下し、自己伝播性発熱反応の発生が不十分となるおそれがある。逆に、ニッケル層３の層数と亜鉛アルミニウム合金層４の層数との比が上記上限を超える場合、熱サイクルに対する耐久性が不十分となるおそれがある。
【００４７】
複数のニッケル層３の全ての層と複数のアルミニウム層２の全ての層とがそれぞれ直接積層されるとよい。アルミニウム層２に直接積層されていないニッケル層３、及びニッケル層３に直接積層されていないアルミニウム層２は、自己伝播性発熱反応による熱が多層膜構造５中を厚さ方向に移動することを阻害するおそれや、形成される接合構造の強度、安定性、塑性及び熱膨張率を低下させるおそれがある。そのため、複数のニッケル層３の全ての層と複数のアルミニウム層２の全ての層とがそれぞれ直接積層されることで、当該自己発熱型接合フォイル１は熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造をより確実に形成できる。
【００４８】
アルミニウム層２、ニッケル層３及び亜鉛アルミニウム合金層４の各層の一層の平均厚みの下限としては、１０ｎｍが好ましく、２０ｎｍがより好ましく、５０ｎｍがさらに好ましい。一方、各層の一層の平均厚みの上限としては、１μｍが好ましく、８００ｎｍがより好ましく、５００ｎｍがさらに好ましい。各層の一層の平均厚みが上記下限より小さい場合、当該自己発熱型接合フォイル１の平均厚みが不十分となり、形成される接合構造の強度が低下するおそれがある。逆に、各層の一層の平均厚みが上記上限を超える場合、自己伝播性発熱反応による熱が厚さ方向に十分に伝播せず、その結果、形成される接合構造における未反応物の残留量が増加するおそれがある。
【００４９】
多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度は、厚さ方向に一定でもよく、厚さ方向に変調していてもよい。多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度の変調パターンとしては、例えば厚さ方向に傾斜させるパターン、厚さ方向に周期的に変調させるパターン等が挙げられる。
【００５０】
多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度を厚さ方向に傾斜させる方法としては、例えば多層膜構造５の厚さ方向に亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度の異なる複数の領域を設け、各領域を亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度の高い順番に整列させる方法が挙げられる。また、亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度を厚さ方向に漸次的に傾斜させる方法も挙げられる。多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度を厚さ方向に漸次的に傾斜させる場合、傾斜の割合は、一定でもよく、不定でもよい。
【００５１】
多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度が厚さ方向に傾斜していることで、形成される接合構造の熱膨張率及び塑性が厚さ方向に傾斜するため、当該自己発熱型接合フォイル１を熱膨張率に差のある部材の接合に好適に用いることができる。具体的には、当該自己発熱型接合フォイル１の亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度が高い側を放熱基板等の熱膨張率の高い部材に配設し、亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度の低い側を半導体素子等の熱膨張率の低い部材に配設し、接合を行う。その結果、形成される接合構造は、亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度の高さに起因して熱膨張率及び塑性が高い側の表面が熱膨張率の高い部材と当接し、亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度の低さに起因して熱膨張率及び塑性が低い側の表面が熱膨張率の低い部材と当接する。この接合構造は、熱サイクルに伴い、上記熱膨張率の高い部材が熱膨張率の低い部材よりも大きく変形しても、熱膨張率及び塑性が高い側の表面が上記熱膨張率の高い部材と当接し、その変形量の差を緩和し易いため、耐久性に優れる。
【００５２】
多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度を厚さ方向に周期的に変調させるパターンとしては、例えばアルミニウム層２及びニッケル層３の２層構造と亜鉛アルミニウム合金層４とを同じ数だけ連続させたブロックを繰り返し配設するパターン等が挙げられる。上記２層構造及び亜鉛アルミニウム合金層４を連続させる数としては、例えば２以上１０以下である。
【００５３】
多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度が厚さ方向に周期的に変調していることで、形成される接合構造の厚さ方向の全領域において亜鉛アルミニウム合金層４をバランスよく出現させることができる。これにより、上記接合構造の厚さ方向の全領域において塑性及び熱膨張率をバランスよく向上でき、その結果、熱サイクルに対する耐久性をより確実に向上できる。また、当該自己発熱型接合フォイル１は、多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度が厚さ方向に周期的に変調していることで、形成される接合構造の熱膨張率を厚さ方向に略一定にできるため、熱膨張率が同程度の部材の接合に好適に用いることができる。
【００５４】
多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度を変調させる代わりに、又は出現頻度を変調させると伴に、アルミニウム層２、ニッケル層３及び亜鉛アルミニウム合金層４の一層の平均厚みを多層膜構造５の厚さ方向に変調させてもよい。
【００５５】
亜鉛アルミニウム合金層４の一層の平均厚みは、多層膜構造５の厚さ方向に一定でもよいが、上述のように多層膜構造５の厚さ方向に変調していてもよい。多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の一層の平均厚みが多層膜構造５の厚さ方向に変調している場合、アルミニウム層２及びニッケル層３の一層の平均厚み及び出現頻度は、多層膜構造５の厚さ方向に一定であるとよい。亜鉛アルミニウム合金層４の一層の平均厚みの変調パターンとしては、例えば多層膜構造５の厚さ方向に傾斜させるパターン等が挙げられる。
【００５６】
亜鉛アルミニウム合金層４の一層の平均厚みを多層膜構造５の厚さ方向に傾斜させる方法としては、例えば多層膜構造５の厚さ方向に略同厚の複数の亜鉛アルミニウム合金層４を含む領域を設け、各領域を亜鉛アルミニウム合金層４の一層の平均厚みの高い順番に整列させる方法、亜鉛アルミニウム合金層４の一層の平均厚みを多層膜構造５の厚さ方向に漸次的に傾斜させる方法等が挙げられる。亜鉛アルミニウム合金層４の一層の平均厚みを多層膜構造５の厚さ方向に漸次的に傾斜させる場合、傾斜の割合は一定でもよく、不定でもよい。
【００５７】
多層膜構造５における亜鉛アルミニウム合金層４の一層の平均厚みが厚さ方向に傾斜していることで、形成される接合構造の熱膨張率及び塑性が厚さ方向に傾斜する。その結果、当該自己発熱型接合フォイル１は、上述の亜鉛アルミニウム合金層４の出現頻度を厚さ方向に傾斜させた場合と同様に、熱膨張率に差のある部材の接合に好適に用いることができる。
【００５８】
なお、亜鉛アルミニウム合金層４の一層の平均厚みを多層膜構造５の厚さ方向に変調させる代わりに、アルミニウム層２及びニッケル層３の一層の平均厚みを多層膜構造５の厚さ方向に変調させてもよい。アルミニウム層２及びニッケル層３の一層の平均厚みを多層膜構造５の厚さ方向に変調させるパターンとしては、例えば上述の亜鉛アルミニウム合金層４の平均厚みを多層膜構造５の厚さ方向に傾斜させるパターンと同様のパターン等が挙げられる。
【００５９】
［自己発熱型接合フォイルの第１の製造方法］
当該自己発熱型接合フォイルの第１の製造方法は、１又は複数のアルミニウム層、１又は複数のニッケル層又は１又は複数の亜鉛アルミニウム合金層をスパッタリングにより形成する工程（スパッタリング工程）を備える。当該自己発熱型接合フォイルの第１の製造方法は、スパッタリング工程後、得られた多層膜構造を加熱処理する工程を備えることが好ましい。
【００６０】
（スパッタリング工程）
本工程では、１又は複数のアルミニウム層、１又は複数のニッケル層又は１又は複数の亜鉛アルミニウム合金層をスパッタリングにより形成する。各層をスパッタリングにより形成する方法としては、例えば各層と同じ成分の金属材料をスパッタリングターゲットとして用い、支持体上に積層体を形成する方法等が挙げられる。上記支持体としては、例えばフィルム、ガラス等が挙げられる。また、当該自己発熱型接合フォイルにより接合する部材の一方を上記支持体として用い、接合する部材の一方に予め当該自己発熱型接合フォイルを接合してもよい。スパッタリング方法としては、例えばＤＣ（直流）マグネトロンスパッタ法、ＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタ法等が挙げられ、これらの中でスパッタ効率の観点から、ＤＣマグネトロンスパッタ法が好ましい。
【００６１】
スパッタリング時に使用するガス種としては、例えばアルゴン等の不活性ガスを用いることができる。スパッタリング時の成膜ガス圧としては、例えば１ｍＴｏｒｒ以上２０ｍＴｏｒｒ以下である。スパッタリング時の投入パワー密度（スパッタリングターゲットの単位面積あたりの投入パワー）としては、例えば１Ｗ／ｃｍ２以上１５Ｗ／ｃｍ２以下である。スパッタリング時の基板温度としては、特に限定されないが、例えば０℃以上２００℃以下である
【００６２】
（加熱処理工程）
本工程では、スパッタリング工程で得られた多層膜構造を加熱処理する。本工程により、亜鉛アルミニウム合金層の結晶構造を微細化し、超塑性を発現させ易くできる。その結果、当該自己発熱型接合フォイルにより形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上できる。
【００６３】
加熱温度の下限としては、２００℃が好ましく、３５０℃がより好ましい。一方、加熱温度の上限としては、５５０℃が好ましく、５００℃がより好ましい。また、加熱時間の下限としては、３０秒が好ましく、３分がより好ましい。一方、加熱時間の上限としては、３０分が好ましく、７分がより好ましい。加熱温度及び加熱時間が上記下限より小さい場合、亜鉛アルミニウム合金層の結晶構造を十分に微細化できないおそれがある。逆に、加熱温度及び加熱時間が上記上限を超える場合、アルミニウム層、ニッケル層及び亜鉛アルミニウム合金層が酸化するおそれがある。なお、加熱時の雰囲気としては、特に限定されないが、例えば大気下で行うことができる。
【００６４】
［自己発熱型接合フォイルの第２の製造方法］
当該自己発熱型接合フォイルの第２の製造方法は、アルミニウム層の形成材料としての１又は複数のアルミニウム板又はアルミニウム合金板、ニッケル層の形成材料としての１又は複数のニッケル板又はニッケル合金板、及び上記亜鉛アルミニウム合金層の形成材料としての１又は複数の亜鉛アルミニウム合金板を重畳する工程（重畳工程）と、上記重畳体を圧延する工程（圧延工程）とを備える。当該自己発熱型接合フォイルの第２の製造方法は、圧延工程後、得られた多層膜構造を加熱処理する工程を備えることが好ましい。
【００６５】
（重畳工程）
本工程では、１又は複数のアルミニウム板又はアルミニウム合金板、１又は複数のニッケル板又はニッケル合金板、及び１又は複数の亜鉛アルミニウム合金板を重畳する。上記アルミニウム板又はアルミニウム合金板、ニッケル板又はニッケル合金板、及び亜鉛アルミニウム合金板としては、それぞれ当該自己発熱型接合フォイルのアルミニウム層、ニッケル層及び亜鉛アルミニウム合金層の各層と同成分の金属板を用いることができる。各金属板の平均厚みとしては、特に限定されないが、例えば０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。
【００６６】
（圧延工程）
本工程では、上記重畳体を圧延する。上記重畳体を圧延する方法としては、例えば冷間圧延、熱間圧延等が挙げられ、形成される各層の厚みを精密に制御する観点から、冷間圧延が好ましい。また、圧延は、各層が所望の厚みとなるまで複数回繰り返してもよい。
【００６７】
（加熱処理工程）
本工程では、圧延工程で得られた多層膜構造を加熱処理する。本工程により、亜鉛アルミニウム合金層の結晶構造を微細化し、超塑性を発現させ易くできる。その結果、当該自己発熱型接合フォイルにより形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上できる。加熱条件としては、例えば上述の第１の製造方法の加熱処理工程で例示した条件と同様の条件とすることができる。
【００６８】
［接合方法］
本発明の接合方法は、部材間を電気的又は物理的に接合する接合方法であって、当該自己発熱型接合フォイル１を部材間に配設する工程（配設工程）と、当該自己発熱型接合フォイル１の側面にレーザー光を照射する工程（照射工程）とを備える。以下、図３及び図４を参照しつつ当該接合方法について説明する。
【００６９】
当該接合方法により接合する部材としては、特に限定されないが、例えばケイ素半導体素子、炭化ケイ素半導体素子等の半導体素子、銅やアルミニウム等の金属、セラミック等の絶縁体などが挙げられる。接合する部材の組み合わせとしては、同種材料でもよく、異種材料でもよく、具体的には、半導体及び金属、金属同士、金属及び絶縁体等の様々な組み合わせが挙げられる。なお、図３及び図４では、接合する部材の一例として半導体素子Ｘ１及び放熱基板Ｘ２を用いている。
【００７０】
（配設工程）
本工程では、図３に示すように、当該自己発熱型接合フォイル１を接合する部材間に配設する。当該自己発熱型接合フォイル１を部材間に配設する方法としては、特に限定されないが、例えば一方の部材に当該自己発熱型接合フォイル１の一方の表面を重ねて配設し、この当該自己発熱型接合フォイル１の他方の表面にもう一方の部材を重ねて配設する方法が挙げられる。また、一方の部材に当該自己発熱型接合フォイル１の一方の表面をハンダ付け等で予め接合しておき、この当該自己発熱型接合フォイル１の他方の表面にもう一方の部材を重ねて配設する方法等が挙げられる。なお、本工程では、接合する部材間に複数の当該自己発熱型接合フォイル１を平面視で並べて配設してもよい。複数の当該自己発熱型接合フォイル１の平均間隔の下限としては、例えば１ｍｍとすることができる。
【００７１】
（照射工程）
本工程では、当該自己発熱型接合フォイル１の側面にレーザー光を照射する。図４に示すように、このレーザー光の刺激により、アルミニウム層２とニッケル層３との界面を中心に自己伝播性発熱反応が生じ、アルミニウムニッケル合金層６が形成される。また、この反応によって当該自己発熱型接合フォイル１が高温化し、当該自己発熱型接合フォイル１の一方の表面が半導体素子Ｘ１と、他方の表面が放熱基板Ｘ２と電気的又は物理的に接合される。その結果、半導体素子Ｘ１及び放熱基板Ｘ２は、アルミニウムニッケル合金層６と亜鉛アルミニウム合金層４とを備える接合構造７を介して接合される。
【００７２】
上記レーザー光としては、例えば赤外線レーザー、可視光線レーザー、紫外線レーザー、Ｘ線レーザー等が挙げられる。レーザー光を照射する位置としては、アルミニウム層２とニッケル層３との界面を含む領域が好ましい。
【００７３】
［接合構造］
上述の通り、図４の接合構造７は、アルミニウムニッケル合金層６と亜鉛アルミニウム合金層４とを備える。
【００７４】
（アルミニウムニッケル合金層）
アルミニウムニッケル合金層６は、アルミニウムニッケル合金により形成される。アルミニウムニッケル合金層６の厚さ方向中央におけるニッケルのアルミニウムに対する組成比の下限としては、０．２が好ましく、０．２５がより好ましく、０．２８がさらに好ましい。一方、上記組成比の上限としては、０．５が好ましく、０．４５がより好ましく、０．４０がさらに好ましい。上記組成比を上記範囲とすることで、図５のニッケル−アルミニウム系の２元系状態図にＢで示すように、優れた強度及び安定性を有する金属間化合物ＮｉＡｌ３がアルミニウムニッケル合金層６に形成され易くなり、その結果、接合構造７の強度及び安定性を向上できる。ここで「アルミニウムニッケル合金」とは、アルミニウム及びニッケルのうち一方が最も含有量が多い成分、他方が二番目に含有量が多い成分である合金をいう。「組成比」とは、各元素のモル比をいう。
【００７５】
上記組成比を上記範囲とする方法としては、当該自己発熱型接合フォイル１のアルミニウム層２及びニッケル層３の平均厚みを調節する方法等が挙げられる。例えば当該自己発熱性接合フォイル１のアルミニウム層（Ａ）／ニッケル層／アルミニウム層（Ｂ）から形成されるアルミニウムニッケル合金層６の場合、所望の組成比を得るために必要な各層の平均厚みの近似値は、下記式（１）によって算出できる。
【００７６】
【数１】
2017202952.tif 000003
【００７７】
上記式（１）中、ｔＮｉは、ニッケル層の平均厚みである。ｔＡＡｌは、アルミニウム層（Ａ）の平均厚みである。ｔＢＡｌは、アルミニウム層（Ｂ）の平均厚みである。ρＮｉは、ニッケルの密度である。ρＡｌは、アルミニウムの密度である。ＭＮｉは、ニッケルの原子量である。ＭＡｌは、アルミニウムの原子量である。
【００７８】
但し、上記式（１）は、あくまで「ニッケル層を挟設するアルミニウム層（Ａ）及びアルミニウム層（Ｂ）において、厚さ方向中央から上記ニッケル層に当接する側の外面までが合金化反応に関与する」という仮定に基づくものである。厳密さを追求すれば、上記式（１）には補正係数が必要であるが、比熱や熱伝導性等の境界条件の影響因子が伴うことから、膜構造設計においては、上記式（１）で実用上十分な精度が得られる。
【００７９】
（亜鉛アルミニウム合金層）
亜鉛アルミニウム合金層４の組成については、当該自己発熱型接合フォイル１で説明したものと同様である。亜鉛アルミニウム合金層４は、塑性に優れ、かつ熱膨張率が比較的高いため、接合構造７の熱サイクルに対する耐久性を向上できる。
【００８０】
［利点］
当該自己発熱型接合フォイル１は、接合する部材間に挟み、側面にレーザー光等で刺激を与えることにより、アルミニウム層２とニッケル層３との界面を中心に自己伝播性発熱反応を生じ、接合構造７を容易に形成できる。この接合構造７は、アルミニウムニッケル合金層６と、亜鉛アルミニウム合金層４とを備える。このアルミニウムニッケル合金層６は優れた強度及び安定性を有する。また、亜鉛アルミニウム合金層４は、塑性に優れ、かつ熱膨張率が比較的高い。そのため、当該自己発熱型接合フォイル１により形成される接合構造７は、強度、安定性及び塑性のバランスが良く、かつ適度に熱膨張できるため、接合した部材が温度変化により変形した際に発生する応力を緩和でき、その結果、熱サイクルに対する耐久性に優れる。
【００８１】
当該自己発熱型接合フォイル１の第１の製造方法は、当該自己発熱型接合フォイル１を容易かつ確実に製造できる。また、当該自己発熱型接合フォイル１の第１の製造方法は、主要な工程をスパッタリングにより行うため、製造される自己発熱型接合フォイル１の各層における不純物混入及び酸化を抑制でき、かつ各層の一層の厚みを制御し易い。
【００８２】
当該自己発熱型接合フォイル１の第２の製造方法は、当該自己発熱型接合フォイル１を容易かつ確実に製造できる。また、当該自己発熱型接合フォイル１の第２の製造方法は、主要な工程を大気中で行えるため、製造コストを低減し易い。
【００８３】
当該接合方法は、当該自己発熱型接合フォイル１を用いて部材間を接合するため、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造７を容易かつ確実に形成できる。また、当該接合方法は、照射量や照射位置を調整し易いレーザー光を用いて上記自己伝播性発熱反応を生じさせるため、オートメーション化が容易である。
【００８４】
＜第２実施形態＞
［自己発熱型接合フォイル］
図６及び図７の当該自己発熱型接合フォイル１１は、厚さ方向の全領域において形成される多層膜構造１５を有し、この多層膜構造１５が、平面視で櫛歯状に配設される副多層膜構造８を有する。副多層膜構造８は、亜鉛アルミニウム合金層９によって囲繞され、かつ２層の亜鉛アルミニウム合金層４に挟設されている。多層膜構造１５における副多層膜構造８、及びこの副多層膜構造８を囲繞する亜鉛アルミニウム合金層９以外の部分は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００８５】
（副多層膜構造）
副多層膜構造８は、アルミニウム層８ａ及びニッケル層８ｂを含む２層構造である。副多層膜構造８は、一部が当該自己発熱型接合フォイル１１の側面に露出している。副多層膜構造８は、上述の露出している部分におけるアルミニウム層８ａ及びニッケル層８ｂの界面付近にレーザー光を照射することで、多層膜構造１５の全面に自己伝播性発熱反応を伝播させることができる。このように、多層膜構造１５が副多層膜構造８を有することで、比較的少ない面積のアルミニウム層８ａ及びニッケル層８ｂによって多層膜構造１５の全面に自己伝播性発熱反応を伝播させることができる。そのため、多層膜構造１５が副多層膜構造８を有することで、アルミニウム及びニッケルの含有量を低減し、代わりに亜鉛アルミニウム合金の含有量を増加できる。その結果、当該自己発熱型接合フォイル１１により形成される接合構造における亜鉛アルミニウム合金の含有量を増加し、熱サイクルに対する耐久性をより向上できる。また、多層膜構造１５が副多層膜構造８を有することで、自己伝播性発熱反応による熱量を調整することもできる。
【００８６】
副多層膜構造８の平均厚みの下限としては、１０ｎｍが好ましく、２０ｎｍがより好ましく、５０ｎｍがさらに好ましい。一方、副多層膜構造８の平均厚みの上限としては、１μｍが好ましく、８００ｎｍがより好ましく、５００ｎｍがさらに好ましい。副多層膜構造８の平均厚みが上記下限より小さい場合、形成される接合構造における亜鉛アルミニウム合金の含有量を十分に増加できないおそれがある。逆に、副多層膜構造８の平均厚みが上記上限を超える場合、形成される接合構造におけるアルミニウムニッケル合金の含有量が低下し、強度及び安定性が不十分となるおそれがある。
【００８７】
多層膜構造１５は、副多層膜構造８を複数有していてもよい。すなわち、多層膜構造１５は、厚さ方向の複数の領域に副多層膜構造８及びこの副多層膜構造８を囲繞する亜鉛アルミニウム合金層９が形成されていてもよい。多層膜構造１５が有する副多層膜構造８の数の下限としては、通常１であり、２が好ましく、３がより好ましい。一方、多層膜構造１５が有する副多層膜構造８の数の上限としては、２０が好ましく、１０がより好ましく、５がさらに好ましい。副多層膜構造８の数が上記下限より小さい場合、形成される接合構造における亜鉛アルミニウム合金の含有量を十分に増加できないおそれがある。逆に、副多層膜構造８の数が上記上限を超える場合、形成される接合構造におけるアルミニウムニッケル合金の含有量が低下し、強度及び安定性が不十分となるおそれがある。
【００８８】
［自己発熱型接合フォイルの第１の製造方法］
当該自己発熱型接合フォイルの第１の製造方法は、アルミニウム層、ニッケル層又は亜鉛アルミニウム合金層をスパッタリングにより形成する工程（スパッタリング工程）を備え、このスパッタリング工程がマスキングを用いて副多層膜構造を含む金属膜を形成する工程（金属膜形成工程）を有する。スパッタリング工程は、金属膜形成工程を有する以外は第１実施形態における当該自己発熱型接合フォイルの第１の製造方法と同様であるため説明を省略する。
【００８９】
（金属膜形成工程）
本工程は、マスキングを用いて副多層膜構造を含む金属膜を形成する。マスキングを用いて副多層膜構造を含む膜を形成する方法としては、例えば副多層膜構造を形成する領域をマスキングしてスパッタリングを行うことで副多層膜構造を囲繞する亜鉛アルミニウム合金層を形成した後、この亜鉛アルミニウム合金層をマスキングしてスパッタリングを行うことで副多層膜構造を形成する方法が挙げられる。また、副多層膜構造を形成する領域以外をマスキングしてスパッタリングを行うことで副多層膜構造を形成した後、この副多層膜構造をマスキングしてスパッタリングを行うことで副多層膜構造を囲繞する亜鉛アルミニウム合金層を形成する方法も挙げられる。
【００９０】
［自己発熱型接合フォイルの第２の製造方法］
当該自己発熱型接合フォイルの第２の製造方法は、１又は複数のアルミニウム板又はアルミニウム合金板、１又は複数のニッケル板又はニッケル合金板、及び１又は複数の亜鉛アルミニウム合金板を重畳する工程（重畳工程）と、上記重畳体を圧延する工程（圧延工程）とを備え、この重畳工程が副多層膜構造を含む金属膜を重畳する工程（金属膜重畳工程）を有する。重畳工程及び圧延工程は、重畳工程が金属膜重畳工程を有する以外は第１実施形態における当該自己発熱型接合フォイルの第２の製造方法と同様であるため説明を省略する。
【００９１】
（金属膜重畳工程）
本工程は、副多層膜構造を含む金属膜を重畳する。副多層膜構造を含む金属膜を形成する方法としては、例えば第１の製造方法の膜形成工程と同様の方法等が挙げられる。
【００９２】
［接合方法］
当該自己発熱型接合フォイル１１を用いた接合方法は、当該自己発熱型接合フォイル１１を部材間に配設する工程（配設工程）と、当該自己発熱型接合フォイル１１の側面にレーザー光を照射する工程（照射工程）とを備える。配設工程は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００９３】
〔照射工程〕
本工程では、当該自己発熱型接合フォイル１１の側面にレーザー光を照射する。このレーザー光としては、第１実施形態で例示したものと同様のもの等が挙げられる。レーザー光を照射する位置としては、当該自己発熱型接合フォイル１１の側面に露出する副多層膜構造８におけるアルミニウム層８ａ及びニッケル層８ｂの界面を含む領域が好ましい。
【００９４】
［利点］
当該自己発熱型接合フォイル１１は、多層膜構造１５が、比較的少ない面積のアルミニウム層８ａ及びニッケル層８ｂによって多層膜構造１５の全面に自己伝播性発熱反応を伝播させることができる副多層膜構造８を有する。そのため、当該自己発熱型接合フォイル１１は、多層膜構造１５における亜鉛アルミニウム合金の含有量を増加させることができ、その結果、形成される接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上できる。
【００９５】
［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
【００９６】
多層膜構造におけるアルミニウム層、ニッケル層及び亜鉛アルミニウム合金層の各層数は、それぞれ１層であってもよい。
【００９７】
多層膜構造は、ニッケル層のうち少なくとも一層がアルミニウム層に直接積層される限り、例えば２層以上のアルミニウム層が連続して積層されていてもよく、２層以上のニッケル層が連続して積層されていてもよく、２層以上の亜鉛アルミニウム合金層が連続して積層されていてもよい。また、多層膜構造の最外層は、アルミニウム層でなくてもよい。
【００９８】
当該接合方法において自己伝播性発熱反応を誘起する方法としては、上記レーザー光の照射による方法には限定されず、例えば放電スパークを接触させる方法、機械的刺激を与える方法等を用いることもできる。
【００９９】
当該自己発熱型接合フォイルは、少なくとも一部の領域に多層膜構造を有する限り、他の領域に多層膜構造以外の構造を有してもよい。具体的には、当該自己発熱型接合フォイルは、上記多層膜構造の少なくとも一方の表面に積層されるハンダ層をさらに備えてもよい。このハンダ層は、多層膜構造の表面のアルミニウム層等の酸化を抑制し、また接合時に自己伝播性発熱反応による熱で融解して多層膜構造の表面と接合する部材とをハンダ付けすることで密着性を向上する。また、当該自己発熱型接合フォイルは、上記多層膜構造の両面にハンダ層を備えてもよい。
【０１００】
ハンダ層の形成材料としては、例えば鉛、錫、銀、これらを主成分とする合金等が挙げられ、これの中で、銀及び錫の合金が好ましい。ハンダ層を比較的高い濡れ性及び融点を有する銀及び錫の合金により形成することで、形成される接合構造と接合する部材との密着性をより向上でき、かつ接合後の熱サイクルによる融解を抑制できる。
【０１０１】
当該自己発熱型接合フォイルがハンダ層を備える場合、ハンダ層の平均厚みの下限としては、１μｍが好ましく、５μｍがより好ましく、１０μｍがさらに好ましい。一方、ハンダ層の平均厚みの上限としては、１００μｍが好ましく、８０μｍがより好ましく、６０μｍがさらに好ましい。ハンダ層の平均厚みが上記下限より小さい場合、上述の表面のアルミニウム層等の酸化の抑制、形成される接合構造と接合する部材との密着性の確保等が不十分となるおそれがある。逆に、ハンダ層の平均厚みが上記上限を超える場合、接合時に自己伝播性発熱反応による発熱では十分に融解せず、接合する部材との密着性を十分に向上できないおそれがある。
【０１０２】
当該自己発熱型接合フォイルの製造方法としては、上記実施形態に示した製造方法の他に、蒸着法、ＣＶＤ法等によって各層を形成する方法なども採用できる。
【０１０３】
上記副多層膜構造は、多層膜構造に平面視で葉脈状に配設されていてもよい。また、上記副多層膜構造は、２層のアルミニウム層、２層のニッケル層、又はアルミニウム層及びニッケル層に挟設されていてもよい。さらに、上記副多層膜構造は、当該自己発熱型接合フォイルの側面に露出していなくてもよい。さらに、上記副多層膜構造は、３層以上により構成されていてもよい。上記副多層膜構造を構成する層数の上限としては、例えば５である。
【実施例】
【０１０４】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１０５】
本実施例では、当該自己発熱型接合フォイルにおいて応力緩和の役割を担う亜鉛アルミニウム合金層の成膜と組織観察を行い、超塑性を発現させ易い亜鉛アルミニウム合金層の成膜条件を検討した。亜鉛アルミニウム合金は、ナノサイズの微小な結晶粒を等軸晶状で存在させることで、超塑性を発現させることができる。このような超塑性の発現し易さは、亜鉛アルミニウム合金の成分に主に依存し、具体的には、アルミニウム含有率が４３ｍｏｌ％付近の場合に超塑性が発現し易いとされる。そのため、本実施では、アルミニウム含有率を４３ｍｏｌ％前後とした。また、本実施例では、強制固溶状態で微細な組織を形成し易いスパッタリング法を用いた。
【０１０６】
＜スパッタリング成膜条件＞
スパッタリング成膜により、亜鉛アルミニウム合金薄膜を形成した。各種条件を以下に示す。形成される薄膜の成分は、Ａｌスパッタリングターゲットに接着したＺｎ金属チップの個数で調整した。スパッタリング成膜を行った後、膜質を向上させるため、４００℃大気中で５分間の加熱処理を行った。
【０１０７】
（装置及び材料）
使用装置：イオンビームスパッタ（アルバック社の「Ｓ１Ｈ−Ｓ１００」）
使用ターゲット：純ＡｌにＺｎ金属チップを接着したもの
基板：Ｓｉ基板
（製膜条件）
投入パワー：ＤＣ  ５８０Ｗ
成膜ガス圧：６ｍＴｏｒｒ（ガス種：Ａｒ、流量：４４ｓｃｃｍ）
基板温度：室温（２５℃）
平均膜厚：１μｍ
【０１０８】
上述したスパッタリング成膜及び加熱処理によって形成した亜鉛アルミニウム合金膜について、薄膜の成分分析と組織観察とを行うため、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察及びＸ線回折測定を実施した。具体的には、成分分析はＸＲＦ法（蛍光Ｘ線分析法）を用いて亜鉛及びアルミニウムの成分比を分析した。ＳＥＭ観察は、ＣＰ（クロスセクションポリッシ）加工によって断面を加工したものを試料として用い、断面組織の観察を行った。
【０１０９】
＜成分分析結果＞
表１に、形成した亜鉛アルミニウム合金薄膜Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７の成分分析結果を示す。亜鉛含有率は、最小がＮｏ．４の４８．４ｍｏｌ％、最大がＮｏ．７の７４．３ｍｏｌ％であった。
【０１１０】
＜ＳＥＭ観察結果＞
図８にＮｏ．１及びＮｏ．３の亜鉛アルミニウム合金薄膜の断面をＳＥＭ観察した結果を示す。図８（ａ）は加熱処理を行わなかったＮｏ．１の薄膜断面、図８（ｂ）は加熱処理を行ったＮｏ．３の薄膜断面を示す。図８（ａ）の加熱処理を行わなかったＮｏ．１の薄膜のナノ組織は、結晶粒が基板上方向に向かって柱状に成長し、その結晶粒径が１００〜２００ｎｍ程度であった。一方、図８（ｂ）の加熱処理を行ったＮｏ．３の薄膜断面のナノ組織は、Ｎｏ．１の薄膜断面で観察された柱状組織が崩れ、結晶粒が球状、つまり等軸晶状であった。また、その結晶粒径は、１００〜３００ｎｍ程度であった。
【０１１１】
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すナノ組織が観察されるＮｏ．１及びＮｏ．３の亜鉛アルミニウム合金薄膜が超塑性を発現するか調べるため、超塑性の発現の有無が確認されている亜鉛アルミニウム合金のナノ組織と比較した。図９及び１０は、超塑性の発現が確認されている亜鉛アルミニウム合金のナノ組織の画像であり、いずれも結晶粒が等軸晶状であることがわかる。一般的に、亜鉛アルミニウム合金は、結晶粒径が数１００ｎｍサイズ以下、かつ粒子が等軸晶状である場合、結晶粒界で結晶粒の回転が起こり、超塑性が発現するといわれる。一方、図１１は、超塑性を発現しないことが確認されている亜鉛アルミニウム合金のナノ組織の画像である。この亜鉛アルミニウム合金は、亜鉛が固溶したものであるが、亜鉛及びアルミニウムの結晶が別々に析出して層状組織になっている。このような層状組織の場合、超塑性の発現は期待できないとされる。なお、図９及び図１１は、特開２００９−１１３０５０号公報に記載の画像である。また、図１０は、「神戸製鋼技報」Ｖｏｌ．５５，Ｎｏ．１（２００５）に記載の画像である。
【０１１２】
Ｎｏ．１の亜鉛アルミニウム合金薄膜のナノ組織は、図８（ａ）のＳＥＭ画像に示すように、結晶粒径が柱状であるため、図１１の超塑性を発現しないナノ組織に近い。これに対し、Ｎｏ．３の亜鉛アルミニウム合金薄膜のナノ組織は、図８（ｂ）のＳＥＭ画像に示すように、結晶粒が等軸晶状であり、図９及び図１０の超塑性を発現するナノ組織に近い。従って、Ｎｏ．１の亜鉛アルミニウム合金薄膜は超塑性を発現しないが、Ｎｏ．３の亜鉛アルミニウム合金薄膜は超塑性を発現すると判断される。
【０１１３】
＜亜鉛アルミニウム合金組織の成分依存性＞
Ｎｏ．２及びＮｏ．４〜７の亜鉛アルミニウム合金薄膜についても、Ｎｏ．１及びＮｏ．３と同様にＳＥＭ観察を行った。結果を表１に示す。上述のＮｏ．３の亜鉛アルミニウム合金薄膜以外にも、Ｎｏ．２及び４〜６の亜鉛アルミニウム合金薄膜は、結晶粒径が数１００ｎｍ以下、結晶粒が等軸晶状であり、超塑性を発現するナノ組織が観察された。一方、Ｎｏ．７の亜鉛アルミニウム合金薄膜は、結晶粒径及び粒形がいずれも超塑性を発現する条件を満たしているが、図１２に示すように薄膜中に空洞を示す黒い部分が多く見られ、密度の低いナノ組織になっていた。このような低密度なナノ組織では、結晶粒同士の接触が少ないため超塑性を発現しにくいと考えられることから、Ｎｏ．７の亜鉛アルミニウム合金薄膜は超塑性を発現しないと判断される。なお、Ｎｏ．７の亜鉛アルミニウム合金薄膜で密度の低い構造が形成された理由としては、例えば以下のように推測される。すなわち、亜鉛は蒸気圧が高く薄膜形成時に脱離しやすいため、亜鉛が多い成分系であるＮｏ．７の亜鉛アルミニウム合金薄膜は、亜鉛の脱離により疎なナノ組織が形成されたものと考えられる。
【０１１４】
【表１】
2017202952.tif 000004
【０１１５】
以上より、当該自己発熱型接合フォイルの亜鉛アルミニウム合金層をスパッタリングにより形成する際には、アルミニウムの含有率を３１ｍｏｌ％以上５２ｍｏｌ％以下とし、かつ成膜後に加熱処理を行うことが好ましいと判断される。つまり、当該自己発熱型接合フォイルの亜鉛アルミニウム合金層を上述の条件で形成することで、上記亜鉛アルミニウム合金層に超塑性を発現させ、形成される接合構造の塑性をより向上できる。その結果、上記接合構造の熱サイクルに対する耐久性をより向上できると判断される。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
当該自己発熱型接合フォイル及び当該接合方法は、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造を容易に形成できる。また、当該自己発熱型接合フォイルの製造方法は、熱サイクルに対する耐久性に優れる接合構造を容易に形成できる自己発熱型接合フォイルを提供できる。
【符号の説明】
【０１１７】
１、１１  自己発熱型接合フォイル
２  アルミニウム層
３  ニッケル層
４  亜鉛アルミニウム合金層
５、１５  多層膜構造
６  アルミニウムニッケル合金層
７  接合構造
８  副多層膜構造
８ａ  副多層膜構造中のニッケル層
８ｂ  副多層膜構造中のアルミニウム層
９  副多層膜構造を囲繞する亜鉛アルミニウム合金層
Ｘ１  半導体素子
Ｘ２  放熱基板
Ａ  金属間化合物ＺｎＡｌが形成され易い組成比
Ｂ  金属間化合物ＮｉＡｌ３が形成され易い組成比
【図１】
2017202952.tif 000005
【図２】
2017202952.tif 000006
【図３】
2017202952.tif 000007
【図４】
2017202952.tif 000008
【図５】
2017202952.tif 000009
【図６】
2017202952.tif 000010
【図７】
2017202952.tif 000011
【図８】
2017202952.tif 000012
【図９】
2017202952.tif 000013
【図１０】
2017202952.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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