(57)【要約】【課題】加熱及び冷却の熱サイクルの繰り返しに対して十分な耐久性を得ることができる部材の接合方法を提供する。【解決手段】  部材の接合方法では、２つの被接合部材２，４の間に、Ａｇ層６，８，７とＢｉ層９ａ，９ｂとを形成し、Ａｇ層６，８，７及びＢｉ層９ａ，９ｂを加熱してＡｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成する。接合層３は、Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉが３５質量％未満となっている。一方の被接合部材４はＡｌからなり、他方の被接合部材２はＳｉからなる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの被接合部材の間にＡｇ層とＢｉ層とを形成し、該Ａｇ層及び該Ｂｉ層を加熱してＡｇ−Ｂｉ合金からなる接合層を形成することを特徴とする部材の接合方法。
【請求項２】
前記接合層は、前記Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉが３５質量％未満であることを特徴とする請求項１記載の部材の接合方法。
【請求項３】
前記２つの被接合部材の間に形成される前記Ａｇ層と前記Ｂｉ層とが、第１のＡｇ層、第１のＢｉ層、第２のＡｇ層、第２のＢｉ層、第３のＡｇ層の順に積層されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の部材の接合方法。
【請求項４】
前記２つの被接合部材の間に形成される前記Ａｇ層と前記Ｂｉ層は、一方の前記被接合部材の接合面に第１のＡｇ層を形成し、他方の前記被接合部材の接合面に第３のＡｇ層を形成し、該第１のＡｇ層と該第３のＡｇ層とにより、両面に前記第１のＢｉ層及び前記第２のＢｉ層が形成された前記第２のＡｇ層としてのＡｇ膜を挟持させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の部材の接合方法。
【請求項５】
一方の前記被接合部材がＡｌからなり、他方の前記被接合部材がＳｉからなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの被接合部材の接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、パワーデバイス（電力用半導体素子）が接合された電子基板のように、接合された状態で加熱及び冷却の熱サイクルが繰り返される２つの被接合部材を接合する接合方法として、該２つの被接合部材の間に５質量％のＳｎを含むＰｂからなる接合層を形成する方法が知られている。
【０００３】
近年、接合層にＰｂを使用しないことが求められていることから、前記５質量％のＳｎを含むＰｂからなる接合層に代えて、２０質量％のＳｎを含むＡｕからなる接合層や、２．５質量％のＡｇを含むＢｉからなる接合層を形成する方法が検討されているが、得られた接合層が脆弱である、Ａｕが高価である等の理由により、実用化が困難となっている。
【０００４】
そこで、従来、Ａｇ及びＢｉを真空下で９６０〜１０００℃の温度で加熱し溶解させた後に室温まで冷却してワイヤ形状に成形された、２〜１８質量％のＡｇを含み残部がＢｉであるＡｇ−Ｂｉ合金を含むハンダを用いて、ハンダ付けにより２つの被接合部材を接合する接合方法が提案されている（特許文献１参照）。前記ハンダ付けは、４３０℃以下の温度で３０秒間加熱することにより行われる。また、０．０１〜５質量％のＡｇを含み残部がＢｉであるＡｇ−Ｂｉ合金からなるハンダを用いて、３２５℃の温度でハンダ付けすることにより２つの被接合部材を接合する接合方法も提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
しかしながら、前記従来の接合方法によれば、前記ハンダ付けにより形成された接合層に対して加熱及び冷却の熱サイクルが繰り返されたときに、十分な耐久性を得ることができないという不都合がある。
【特許文献１】特開２００４−５３３３２７号公報
【特許文献２】特開２００７−１８１８８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる不都合を解消して、加熱及び冷却の熱サイクルの繰り返しに対して十分な耐久性を得ることができる部材の接合方法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】
【０００７】
本発明者らは、前記従来のＡｇ−Ｂｉ合金を含むハンダを用いた接合方法によれば、形成された接合層において、Ａｇ−Ｂｉ合金中にＢｉが多量に偏析していて、該Ｂｉの熱膨張率が該Ａｇ−Ｂｉ合金の熱膨張率よりも小さいために、熱及び冷却の熱サイクルの繰り返しの際に、Ｂｉにクラックが生じることを知見した。
【０００８】
そこで、かかる目的を達成するために、本発明の部材の接合方法は、２つの被接合部材の間にＡｇ層とＢｉ層とを形成し、該Ａｇ層及び該Ｂｉ層を加熱してＡｇ−Ｂｉ合金からなる接合層を形成することを特徴とする。
【０００９】
本発明では、まず、前記２つの被接合部材の間に前記Ａｇ層と前記Ｂｉ層とを形成する。次に、形成された前記Ａｇ層及び前記Ｂｉ層を加熱して前記Ａｇ−Ｂｉ合金からなる前記接合層を形成する。
【００１０】
前記加熱により、まず、前記Ａｇ層と前記Ｂｉ層との境界部において、前記Ａｇ−Ｂｉ合金からなる前記接合層が形成される。これにより、前記２つの被接合部材が仮接合される。しかし、前記境界部から離れた部分では、前記Ａｇ−Ｂｉ合金からなる前記接合層は形成されず、前記Ａｇ層又は前記Ｂｉ層のままとなっている。Ｂｉの熱膨張率はＡｇやＡｇ−Ｂｉ合金の熱膨張率よりも小さいために、仮接合された前記２つの被接合部材が加熱及び冷却の熱サイクルの繰り返しに曝されると、前記Ｂｉ層にクラックが生じ、十分な耐久性を得ることができない。
【００１１】
そこで、本発明では、前記２つの被接合部材が仮接合された後も前記加熱を継続することにより、前記境界部から離れた部分に存在するＡｇ又はＢｉを互いに拡散させる。これにより、前記境界部から離れた部分においてもＡｇ−Ｂｉ合金からなる前記接合層が形成される。以上により、前記２つの被接合部材が前記Ａｇ−Ｂｉ合金からなる前記接合層により確実に接合される。
【００１２】
したがって、本発明によれば、前記加熱により、前記接合層において、前記Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析するＡｇ及びＢｉを減少させることができるので、接合された前記２つの被接合部材が加熱及び冷却の熱サイクルの繰り返しに曝されたときに、十分な耐久性を得ることができる部材の接合方法を提供することができる。
【００１３】
前記接合層において、前記Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉが３５質量％以上である場合には、Ｂｉが過剰となって、熱サイクルが繰り返されたときにＢｉにクラックが生じることがある。そこで、本発明においては、前記接合層において、前記Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉが３５質量％未満であることが好ましい。これにより、接合された前記２つの被接合部材が加熱及び冷却の熱サイクルの繰り返しに曝されたときに、クラックを生ずることなくさらに十分な耐久性を得ることができる。
【００１４】
前記２つの被接合部材の間に形成される前記Ａｇ層と前記Ｂｉ層とは、例えば、第１のＡｇ層、第１のＢｉ層、第２のＡｇ層、第２のＢｉ層、第３のＡｇ層の順に積層されていてもよい。また、前記２つの被接合部材の間に形成される前記Ａｇ層と前記Ｂｉ層とは、例えば、一方の前記被接合部材の接合面に第１のＡｇ層を形成し、他方の前記被接合部材の接合面に第３のＡｇ層を形成し、該第１のＡｇ層と該第３のＡｇ層とにより、両面に前記第１のＢｉ層及び前記第２のＢｉ層が形成された前記第２のＡｇ層としてのＡｇ膜を挟持することにしてもよい。
【００１５】
また、本発明において、例えば、一方の前記被接合部材が金属部材であって、他方の前記被接合部材が該金属部材と同種の金属部材、又は、他方が該金属部材と異種の金属部材、或いは、他方が非金属部材としてもよい。例えば、一方の前記被接合部材がＡｌからなり、他方の前記被接合部材がＳｉからなるようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の部材の接合方法により接合されたＳｉ−Ａｌ基板を説明する説明的断面図であり、図２は本実施形態の部材の接合方法の一例を説明する説明的断面図であり、図３は本実施形態の部材の接合方法の変形例を説明する説明的断面図である。
【００１７】
図１に示す本実施形態の部材の接合方法により接合されたＳｉ−Ａｌ基板１は、Ｓｉチップ２を、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３によりＡｌ板４に接合されたものである。接合層３とＡｌ基板４との間には、Ｎｉ層５が形成されている。接合層３において、Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉは３５質量％未満となっている。次に、図２に従って、本実施形態の部材の接合方法によるＳｉ−Ａｌ基板１の接合方法について説明する。
【００１８】
まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉチップ２の接合面に、例えばスパッタリングにより、厚さが２００ｎｍであるＡｇ層６を形成する。
【００１９】
次に、Ａｌ板４の接合面に、例えばメッキにより、厚さが１〜２μｍであるＮｉ層５を形成する。続いて、Ｎｉ層５の上に、例えば蒸着により、厚さが１２０ｎｍであるＡｇ層７を形成する。
【００２０】
次に、厚さが２０μｍである銀箔８の両面に、例えばスパッタリングにより、厚さが０．２μｍであるＢｉ膜９ａ，９ｂを形成する。
【００２１】
次に、図２（ｂ）に示すように、Ａｌ板４の接合面に形成されたＡｇ層７の上に、Ｂｉ膜９ｂを対向させて銀箔８を積層し、銀箔８に形成されたＢｉ膜９ａの上に、Ａｇ層６を対向させてＳｉチップ２を積層することにより、積層板１ａを形成する。このとき、積層板１ａにおいて、上から順に、Ｓｉチップ２、第１のＡｇ層としてのＡｇ層６、第１のＢｉ層としてのＢｉ膜９ａ、第２のＡｇ層としての銀箔８、第２のＢｉ層としてのＢｉ膜９ｂ、第３のＡｇ層としてのＡｇ層７、Ｎｉ層５、Ａｌ板４が積層されている。
【００２２】
次に、積層板１ａを、２００ｇ／ｃｍ２の荷重を負荷した状態で、１００ｋＰａの圧力のＡｒガス雰囲気下で、２５０〜２６５℃の範囲の温度に３〜６０分の範囲の時間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成する。
【００２３】
前記加熱により、まず、図２（ｃ）に示すように、Ａｇ層６、Ｂｉ膜９ａ、銀箔８、Ｂｉ膜９ｂ、Ａｇ層７の各境界部において、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３ａが形成される。これにより、Ｓｉチップ２及びＡｌ板４が仮接合される。しかし、前記境界部から離れた部分では、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３ａは形成されず、Ａｇ層６、Ｂｉ膜９ａ、銀箔８、Ｂｉ膜９ｂ、Ａｇ層７のままとなっている。
【００２４】
Ｂｉの熱膨張率はＡｇ及びＡｇ−Ｂｉ合金の熱膨張率よりも小さいために、仮接合されたＳｉチップ２及びＡｌ板４は、加熱及び冷却の熱サイクルの繰り返しに曝されると、Ｂｉ膜９ａ，９ｂにクラックが生じ、十分な耐久性を得ることができない。
【００２５】
そこで、本実施形態では、Ｓｉチップ２及びＡｌ板４が仮接合された後も前記加熱を継続することにより、Ａｇ層６、Ｂｉ膜９ａ、銀箔８、Ｂｉ膜９ｂ、Ａｇ層７の各境界部から離れた部分に存在するＡｇ又はＢｉを互いに拡散させる。これにより、図１に示すように、前記境界部から離れた部分においてもＡｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３が形成されるとともに、接合層３において、Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉは３５質量％未満となる。以上により、Ｓｉチップ２及びＡｌ板４が、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３により確実に接合されて、図１に示すＳｉ−Ａｌ基板１が形成される。
【００２６】
本実施形態の部材の接合方法によれば、Ｓｉ−Ａｌ基板１のＡｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３は、該Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉが３５質量％未満であるので、熱サイクルの繰り返しに対して、クラックを生ずることなく十分な耐久性を得ることができる。
【００２７】
Ｓｉ−Ａｌ基板１は、上述の部材の接合方法に代えて、図３に示す部材の接合方法によっても形成することができる。
【００２８】
まず、図３に示すように、Ｓｉチップ２の接合面に、例えばスパッタリングにより、厚さが２００ｎｍであるＡｇ層６を形成する。
【００２９】
次にＡｌ板４の接合面に、例えばメッキにより、厚さが２μｍであるＮｉ層５を形成する。続いて、Ｎｉ層５の上に、例えばメッキにより、厚さが１０μｍであるＡｇ層７を形成する。さらに、Ａｇ層７の上に、スパッタリングにより、厚さが０．１μｍであるＢｉ層１０を形成する。
【００３０】
次に、Ａｌ板の接合面に形成されたＢｉ層１０の上に、Ａｇ層６を対向させてＳｉチップ２を積層することにより、積層板（図示せず）を形成する。このとき、前記積層板において、上から順に、Ｓｉチップ２、第１のＡｇ層としてのＡｇ層６、第１のＢｉ層としてのＢｉ層１０、第２のＡｇ層としてのＡｇ層７、Ｎｉ層５、Ａｌ板４が積層されている。
【００３１】
次に、前記積層板を、２００ｇ／ｃｍ２の荷重を負荷した状態で、１００ｋＰａの圧力のＡｒガス雰囲気下で、２６５〜３００℃の範囲の温度に３〜１８０分の範囲の時間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成する。以上により、Ｓｉチップ２及びＡｌ板４が、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３により確実に接合されて、図１に示すＳｉ−Ａｌ基板１が形成される。
【００３２】
次に、実施例と比較例とを示す。
【実施例１】
【００３３】
本実施例では、図２に示す方法に従って、まず、寸法が１０ｍｍ×１０ｍｍであるＳｉチップ２の接合面に、スパッタリングにより、厚さが２００ｎｍであるＡｇ層６を形成した。
【００３４】
次に、寸法が２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍであるＡ１０５０からなるＡｌ板４の接合面に、メッキにより厚さが２μｍのＮｉ層５を形成した。続いて、Ｎｉ層５の上に、蒸着により、厚さが１２０ｎｍであるＡｇ層７を形成した。
【００３５】
次に、厚さが２０μｍである銀箔８の両面に、スパッタリングにより、厚さが０．２μｍであるＢｉ膜９ａ，９ｂを形成した。
【００３６】
次に、Ａｌ板４の接合面に形成されたＡｇ層７の上に、Ｂｉ膜９ｂを対向させて銀箔８を積層し、銀箔８の上のＢｉ膜９ａの上に、Ａｇ層６を対向させてＳｉチップ２を積層することにより、積層板１ａを形成した。
【００３７】
次に、積層板１ａを、２００ｇ／ｃｍ２の荷重を負荷した状態で、１００ｋＰａの圧力のＡｒガス雰囲気下で、２６５℃の温度に１８０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成し、Ｓｉ−Ａｌ基板１を完成させた。
【００３８】
次に、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）により、Ｓｉ−Ａｌ基板１の接合層３において、Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉの濃度を定量分析した。前記Ｂｉ定量分析は、Ａｇ層６の中心部に相当する箇所について１点、Ｂｉ膜９ａの中心部に相当する箇所について２点、銀箔８の中心部に相当する箇所について１点の計４点について行われた。結果として、４点の定量分析におけるＢｉの最大濃度を表１に示す。
【００３９】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１を、大気中で室温から１８０℃まで加熱し再び室温まで冷却する処理を１サイクルとする熱サイクル試験を５０００サイクルまで行い、該サイクルの繰り返しに対する耐久性を評価した。結果として、接合部が剥離するまでの耐久サイクル数とその評価を表１に示す。表１の「評価」において、“○”は耐久サイクル数が５０００以上であることを示し、“×”は耐久サイクル数が５０００未満であることを示す。
【実施例２】
【００４０】
本実施例では、積層板１ａを、２７０℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００４１】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
【実施例３】
【００４２】
本実施例では、積層板１ａを、２７０℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００４３】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
【実施例４】
【００４４】
本実施例では、積層板１ａを、２８０℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００４５】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
【実施例５】
【００４６】
本実施例では、積層板１ａを、２８０℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００４７】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
【実施例６】
【００４８】
本実施例では、積層板１ａを、３００℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００４９】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
【実施例７】
【００５０】
本実施例では、積層板１ａを、３００℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００５１】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
［比較例１］
本比較例では、積層板１ａを、２５０℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００５２】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
［比較例２］
本比較例では、積層板１ａを、２５０℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００５３】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
［比較例３］
本比較例では、積層板１ａを、２６０℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００５４】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
［比較例４］
本比較例では、積層板１ａを、２６０℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００５５】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
［比較例５］
本比較例では、積層板１ａを、２６５℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００５６】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
［比較例６］
本比較例では、積層板１ａを、２６５℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例１と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００５７】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
表１から、接合層３のＡｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉが３５質量％未満になっている実施例１〜７の接合方法によれば、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３において、熱サイクルに対して５０００サイクル以上の優れた耐久性を得ることが明らかである。従って、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３により、Ｓｉチップ２とＡｌ板４とを確実に接合できることが明らかである。
【００６０】
一方、接合層３のＡｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉが３５質量％以上になっている比較例１〜６の接合方法によれば、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３において、熱サイクルに対する耐久性が５０００サイクル未満であり、十分な耐久性を得られないことが明らかである。
【実施例８】
【００６１】
本実施例では、図３に示す方法に従って、まず、寸法が１０ｍｍ×１０ｍｍであるＳｉチップ２の接合面に、スパッタリングにより、厚さが２００ｎｍであるＡｇ層６を形成した。
【００６２】
次に、寸法が２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍであるＡ１０５０からなるＡｌ板４の接合面に、メッキにより厚さが２μｍのＮｉ層５を形成した。続いて、Ｎｉ層５の上に、メッキにより、厚さが１０μｍであるＡｇ層７を形成した。さらに、Ａｇ層７の上に、スパッタリングにより厚さが０．１μｍであるＢｉ層を形成した。
【００６３】
次に、Ａｌ板の接合面に形成されたＢｉ層１０の上に、Ａｇ層６を対向させてＳｉチップ２を積層することにより、積層板（図示せず）を形成した。
【００６４】
次に、前記積層板を、２００ｇ／ｃｍ２の荷重を負荷した状態で、１００ｋＰａの圧力のＡｒガス雰囲気下で、２６５℃の温度に１８０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成し、Ｓｉ−Ａｌ基板１を完成させた。
【００６５】
次に、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）により、Ｓｉ−Ａｌ基板１の接合層３において、Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉの濃度を定量分析した。前記Ｂｉ定量分析は、Ａｇ層６の中心部に相当する箇所について１点、Ｂｉ層１０の中心部に相当する箇所について２点、Ａｇ層７の中心部に相当する箇所について１点の計４点について行われた。結果として、４点の定量分析におけるＢｉの最大濃度を表２に示す。
【００６６】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
【実施例９】
【００６７】
本実施例では、前記積層板を、２７０℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００６８】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
【実施例１０】
【００６９】
本実施例では、前記積層板を、２７０℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００７０】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
【実施例１１】
【００７１】
本実施例では、前記積層板を、２８０℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００７２】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
【実施例１２】
【００７３】
本実施例では、前記積層板を、２８０℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００７４】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
【実施例１３】
【００７５】
本実施例では、前記積層板を、３００℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００７６】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
【実施例１４】
【００７７】
本実施例では、前記積層板を、３００℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００７８】
次に、本実施例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
［比較例７］
本比較例では、前記積層板を、２５０℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００７９】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
［比較例８］
本比較例では、前記積層板を、２５０℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００８０】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
［比較例９］
本比較例では、前記積層板を、２６０℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００８１】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
［比較例１０］
本比較例では、前記積層板を、２６０℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００８２】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
［比較例１１］
本比較例では、前記積層板を、２６５℃の温度に３分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００８３】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
［比較例１２］
本比較例では、前記積層板を、２６５℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３を形成した点を除いて、実施例８と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板１を形成した。
【００８４】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例８と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表２に示す。
【００８５】
【表２】
2009183995.tif 000004
【００８６】
表２から、接合層３のＡｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉが３５質量％未満になっている実施例１１〜１４の接合方法によれば、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３において、熱サイクルに対して５０００サイクル以上の優れた耐久性を得ることが明らかである。従って、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３により、Ｓｉチップ２とＡｌ板４とを確実に接合できることが明らかである。
【００８７】
一方、接合層３のＡｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉが３５質量％以上になっている比較例７〜１２の接合方法によれば、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層３において、熱サイクルに対する耐久性が５０００サイクル未満であり、十分な耐久性を得られないことが明らかである。
［比較例１３］
本比較例では、まず、寸法が１０ｍｍ×１０ｍｍであるＳｉチップの接合面に、スパッタリングにより、厚さが２００ｎｍであるＡｇ層を形成した。
【００８８】
次に、寸法が２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍであるＡ１０５０からなるＡｌ板の接合面に、メッキにより厚さが２μｍのＮｉ層を形成した。続いて、Ｎｉ層５の上に、蒸着により、厚さが１２０ｎｍであるＡｇ層を形成した。
【００８９】
次に、Ａｌ板の接合面に形成されたＡｇ層の上に、厚さが１００μｍであって、２．５質量％のＡｇを含み残部がＢｉからなるロウ材シートを積層し、該ロウ材シートの上に、Ａｇ層を対向させてＳｉチップを積層することにより、積層板を形成した。
【００９０】
次に、前記積層板を、２００ｇ／ｃｍ２の荷重を負荷した状態で、１００ｋＰａの圧力のＡｒガス雰囲気下で、２６５℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層を形成し、Ｓｉ−Ａｌ基板を完成させた。
【００９１】
次に、電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）により、Ｓｉ−Ａｌ基板１の接合層において、Ａｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉの濃度を定量分析した。前記Ｂｉ定量分析は、前記ロウ材シートの一端面に相当する箇所について１点、中心部に相当する箇所について２点、他端面に相当する箇所について１点の計４点について行われた。結果として、４点の定量分析におけるＢｉの最大濃度を表３に示す。
【００９２】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板１について、実施例１と全く同一にして、熱サイクル試験を行った。結果を表３に示す。
［比較例１４］
本比較例では、前記積層板を、２８０℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層を形成した点を除いて、比較例１３と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板を形成した。
【００９３】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板について、比較例１３と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表３に示す。
［比較例１５］
本比較例では、前記積層板を、３００℃の温度に６０分間保持することにより、Ａｇ−Ｂｉ合金からなる接合層を形成した点を除いて、比較例１３と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板を形成した。
【００９４】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板について、比較例１３と全く同一にして、Ｂｉ定量分析と熱サイクル試験を行った。結果を表３に示す。
［比較例１６］
本比較例では、まず、寸法が１０ｍｍ×１０ｍｍであるＳｉチップの接合面に、スパッタリングにより、厚さが２００ｎｍであるＡｇ層を形成した。
【００９５】
次に、寸法が２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍであるＡ１０５０からなるＡｌ板の接合面に、メッキにより厚さが２μｍのＮｉ層を形成した。続いて、Ｎｉ層５の上に、蒸着により、厚さが１２０ｎｍであるＡｇ層を形成した。
【００９６】
次に、Ａｌ板の接合面に形成されたＡｇ層の上に、厚さが１００μｍであって、２０質量％のＳｎを含み残部がＡｕからなるロウ材シートを積層し、該ロウ材シートの上に、Ａｇ層を対向させてＳｉチップを積層することにより、積層板を形成した。
【００９７】
次に、前記積層板を、２００ｇ／ｃｍ２の荷重を負荷した状態で、１００ｋＰａの圧力のＡｒガス雰囲気下で、３００℃の温度に５分間保持することにより、Ａｕ−Ｓｎ合金からなる接合層を形成し、Ｓｉ−Ａｌ基板を完成させた。
【００９８】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板について、比較例１３と全く同一にして、熱サイクル試験を行った。結果を表３に示す。ただし、Ｂｉ定量分析は行わなかった。
［比較例１７］
本比較例では、前記積層板を、３２０℃の温度に５分間保持することにより、Ａｕ−Ｓｎ合金からなる接合層を形成した点を除いて、比較例１６と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板を形成した。
【００９９】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板について、比較例１３と全く同一にして、熱サイクル試験を行った。結果を表３に示す。
［比較例１８］
本比較例では、前記積層板を、３４０℃の温度に５分間保持することにより、Ａｕ−Ｓｎ合金からなる接合層を形成した点を除いて、比較例１６と全く同一にして、Ｓｉ−Ａｌ基板を形成した。
【０１００】
次に、本比較例で得られたＳｉ−Ａｌ基板について、比較例１３と全く同一にして、熱サイクル試験を行った。結果を表３に示す。
【０１０１】
【表３】
2009183995.tif 000005
【０１０２】
表３から、２．５質量％のＢｉを含み残部がＡｇからなるロウ材シートを用いた比較例１３〜１５の接合方法によれば、接合層のＡｇ−Ｂｉ合金中に偏析しているＢｉが９７質量％以上になり、熱サイクルに対する耐久性が５０００サイクル未満であり、十分な耐久性を得られないことが明らかである。
【０１０３】
また、表３から、２０質量％のＳｎを含み残部がＡｕからなるロウ材シートを用いた比較例１６〜１８の接合方法によれば、熱サイクルに対する耐久性が５０００サイクル未満であり、十分な耐久性を得られないことが明らかである。
【０１０４】
したがって、表１乃至表３から、実施例１〜１４の接合方法によれば、従来技術の接合方法である比較例１３〜１８と比較して、熱サイクルに対して５０００サイクル以上の優れた耐久性を得ることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本実施形態の部材の接合方法により接合されたＳｉ−Ａｌ基板を説明する説明的断面図。
【図２】本実施形態の部材の接合方法の一例を説明する説明的断面図。
【図３】本実施形態の部材の接合方法の変形例を説明する説明的断面図。
【符号の説明】
【０１０６】
２…被接合部材、Ｓｉ  ３…接合層、  ４…被接合部材、Ａｌ、  ６…第１のＡｇ層、  ７…第３のＡｇ層、  ８…第２のＡｇ層、Ａｇ膜、  ９ａ…第１のＢｉ層、  ９ｂ…第２のＢｉ層。
【図１】
2009183995.tif 000006
【図２】
2009183995.tif 000007
【図３】
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