JP2004025196A - 固体接合方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】はんだやインジウム等の接合材を使用することなく低温、低圧力で強固な接合が可能な固体接合方法を提供する。
【解決手段】本発明の固体接合方法は、所定の粒径の金属微粒子７を第１の被接合部材４１の接合部分４１ａに被着させ、所定の加圧下で金属微粒子７を第１及び第２の被接合部材４１、４２に固体接合させることによって第１及び第２の被接合部材４１、４２同士を接合する工程を有する。第１及び第２の被接合部材４１、４２の接合部分４１ａ、４２ａの平坦度および表面粗さを、第１の被接合部材４１の接合部分４１ａに被着された金属微粒子７の粒径もしくはその集合体の厚さより小さくなるようにする。金属微粒子７として、粒径が１μｍ以下の金粒子等を用いる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属と金属あるいは金属とセラミックス等の固体同士を接合する固体接合方法に係り、特に被接合部材の少なくとも一方の被接合部材の接合部に金属微粒子を付着させ、各被接合部材を相互に接合する固体接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属同士あるいは金属とセラミックス、金属とガラスなどの固体同士を接合する場合、低融点のはんだやインジウムなどの接合材料を溶融して接合するのが一般的である。
【０００３】
この場合、特に低融点のはんだやインジウムなどが被接合部材に濡れない場合は、濡れ性を高めるため、フラックスを使用したり、あるいははんだやインジウムなどの接合部の表面にスパッタリングやメッキなどで予め被膜を形成しておく必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような被膜を形成する際には、接合に必要な部分以外にも被膜が形成され不必要な部分にもはんだや接合材が付着することがある。
【０００５】
これに対し、マスクを使用することによって接合に必要な部分にだけ被膜を形成することも可能であるが、接合する領域が複雑である場合には、高価なマスクが必要となる。
【０００６】
また、従来技術として、本発明と同じガス中蒸発法で生成した微粒子を接合面に吹き付ける技術が提案されているが（特開平６−１６９１６１号公報参照）、この方法では、金属間化合物を形成するという欠点がある。
【０００７】
このような点に鑑み、近年、はんだやインジウム等の接合材を使用しない固体接合方法として、例えば超平滑面を形成して低温、低圧力で直接接合する技術が提案されているが、この方法では、高度な表面加工技術が要求され、高価なものとなる。
【０００８】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、はんだやインジウム等の接合材を使用することなく、比較的簡易な表面加工でも低温、低圧力で強固な接合が可能な固体接合方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、所定の粒径の金属微粒子を一対の被接合部材の少なくとも一方の接合部分に被着させ、所定の加圧下で前記金属微粒子を前記被接合部材に固体接合させることによって前記被接合部材同士を接合する工程を有することを特徴とする固体接合方法である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記被接合部材の接合部分の表面粗さが、前記被接合部材の接合部分に被着された前記金属微粒子の粒径もしくはその集合体の厚さより小さいことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、前記金属微粒子の粒径が１μｍ以下であることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発明において、前記金属微粒子を吹き付けることにより前記被接合部材の接合部分に被着させることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の発明において、前記金属微粒子は、原料金属を減圧下で蒸発させるガス中蒸発法にて生成し、この金属微粒子を前記被接合部材の少なくとも一方の接合部分に被着させることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載の発明において、前記金属微粒子が、所定の貴金属であることを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項記載の発明において、所定のハロゲンを用いて前記接合部分のハロゲン化処理を行うことを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、前記ハロゲンが、フッ素または塩素の蒸気を含むガスであることを特徴とする。
【００１０】
本発明の場合、一対の被接合部材の少なくとも一方の接合部分に被着させた所定の粒径の金属微粒子（例えば金などの貴金属）を、所定の加圧下で被接合部材に固体接合させることによって被接合部材同士を接合するようにしたことから、はんだやインジウム等の接合材を使用することなく、比較的簡易な表面加工でも低圧で、かつ、金属微粒子及び被接合部材の融点よりはるかに低い温度で強固な接合を行うことが可能になる。
【００１１】
しかも、本発明によれば、接合の際に金属間化合物を生成することなく異種の金属を低圧かつ低温で強固に接合することが可能になる。
【００１２】
この場合、金属微粒子を吹き付けることにより被接合部材の接合部分に被着させるようにすれば、被接合部材の任意の領域に金属微粒子を被着させることができ、マスクを必要とするスパッタや蒸着などによるメタライジングと比べて高い効率で資源を有効利用することができる。
【００１３】
また、ガス中蒸発法で生成した金属微粒子を被接合部材の少なくとも一方の接合部分に被着させるようにすれば、きわめて活性な金属微粒子を利用できるため、より低温で接合することが可能になる。
【００１４】
一方、金属微粒子を被着させた後に、所定のハロゲン（フッ素または塩素の蒸気を含むガスなど）を用いて接合部分のハロゲン化処理を行うようにすれば、より低温で接合を行うことが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る固体接合方法の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。本発明の方法は、同種又は異種の金属からなる被接合部材に適用することができるものである。
【００１６】
図１は、本発明を実施するための固体接合装置の概略構成図、図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態の工程を模式的に示す説明図である。
図１に示すように、この固体接合装置は、図示しない真空排気系に接続された処理室２を有し、この処理室２内の下部に設けられた支持台３上に第１及び第２の被接合部材４（４１、４２）が載置されるようになっている。
【００１７】
処理室２内の上部には、被接合部材４を加圧するための加圧部５が配設されている。この加圧部５は、上下動自在に構成されている。
なお、支持台３及び加圧部５の内部には、被接合部材４を加熱するための図示しないヒータが設けられている。
【００１８】
また、処理室２の外部には、後述する金属微粒子７を供給するための供給源６が設けられている。この供給源６は、例えば減圧下で所定の不活性ガスを流しながら、金、銀、白金等の貴金属を、例えばレーザー・アブレーション、高周波加熱溶解、抵抗加熱溶解、アーク溶解等の手段によって蒸発させ金属微粒子７を生成するように構成されている。
【００１９】
そして、生成された金属微粒子７を、所定のガスとともに導入管８を介して処理室２内に導入し、導入管８の先端に設けられたノズル９から被接合部材４に対して吹き付けるようになっている。
【００２０】
次に、本発明の固体接合方法の実施の形態を説明する。
本実施の形態においては、まず、処理室２内を所定の圧力に調整した後、供給源６において生成された金属微粒子７を、図２（ａ）に示すように、ノズル９の先端から第１の被接合部材４１の接合部分４１ａに吹き付けて被着させる。
【００２１】
この状態では、金属微粒子７は、ファンデルワールス力によって第１の被接合部材４１の接合部分４１ａに吸着された状態になっている。
【００２２】
本発明の場合、金属微粒子７の粒径もしくはその集合体の厚さは特に限定されることはないが、接合面の表面加工法や金属微粒子の特性を考慮すると、１ｎｍ〜１μｍとすることが好ましく、より好ましくは、１ｎｍ〜１０ｎｍである。
【００２３】
また、第１の被接合部材４１上に被着される金属微粒子７は、接合部分４１ａの全面を覆うように層状に形成してもよく、また、島状に層を形成してもよい。
【００２４】
一方、第１の被接合部材４１は、確実な接合を行う観点から、その接合部分４１ａの表面粗さが、第１の被接合部材４１上に被着される金属微粒子７の粒径もしくはその集合体の厚さより小さくなるように表面処理を施しておくことが好ましい。
【００２５】
好ましい接合部分４１ａの表面粗さは、１６００ｎｍ以下（機械研磨、上仕上げ）であり、より好ましくは、２００ｎｍ以下（機械研磨、精密仕上げ）であり、特に好ましくは、１ｎｍ以下（化学研磨）である。
【００２６】
次いで、図２（ｂ）に示すように、第１の被接合部材４１上に被着された金属微粒子７の上に接合すべき第２の被接合部材４２を載置し、上述した加圧部５を下降させて所定の圧力で加圧を行う。
【００２７】
また、確実な接合を行う観点から、第２の被接合部材４２についても、その接合部分４２ａの表面粗さが、第１の被接合部材４１上に被着される金属微粒子７の粒径もしくはその集合体の厚さより小さくなるように表面処理を施しておくことが好ましい。
【００２８】
好ましい接合部分４２ａの表面粗さは、接合部分４１ａと同様に１６００ｎｍ以下であり、より好ましくは、２００ｎｍ以下であり、特に好ましくは、１ｎｍ以下である。
【００２９】
また、加圧の際には、確実な接合を行う観点から、第１及び第２の被接合部材４１、４２を加熱することが好ましい。
【００３０】
本発明の場合、第１及び第２の被接合部材４１、４２の加熱温度は特に限定されることはないが、低温接合の観点からは、第１及び第２の被接合部材４１、４２及び前記金属微粒子７の融点以下の所定の温度で加熱することが好ましい。
【００３１】
そして、上述した条件の下で、以下に述べるように、金属微粒子７を第１及び第２の被接合部材４１、４２に固体接合させることによって第１及び第２の被接合部材４１、４２を接合させる。
【００３２】
図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ｄ）〜（ｆ）は、本発明の原理を示す説明図である。
上述したように、本発明にあっては、接合部分の表面粗さが１６００ｎｍ以下であれば接合が可能であるが、この程度の表面粗さの被接合部材同士を直接密着させた場合には、その接触面積は非常に小さいものである。
【００３３】
例えば、上記第１及び第２の被接合部材４１、４２を直接密着させた場合、それらの接合部分４１ａ、４２ａの接触状態は、図３（ａ）に示すように、点状態となる（点Ａ、点Ｂ）。
【００３４】
これに対し、本発明では、図３（ｂ）（ｃ）に示すように、第１及び第２の被接合部材４１、４２間に金属微粒子７を配置した状態で加圧を行うことにより、加圧に伴って接合部分４１ａ、４２ａと金属微粒子７との接触面積が大きくなり、その結果、金属微粒子７の原子が第１及び第２の被接合部材４１、４２の金属原子と置き換わり、あるいは金属原子間に配置され（図２（ｃ）参照）、これにより、図４（ｄ）（ｅ）に示すように、第１及び第２の被接合部材４１、４２の接合部分４１ａ、４２ａが接触する領域において接合が始まる（接合領域Ｃ）。
【００３５】
そして、さらに加圧を継続すると、図４（ｆ）に示すように、これら接合部分４１ａ、４２ａの接合領域Ｃが徐々に拡大し、最終的に第１及び第２の被接合部材４１、４２同士が完全に接合される（図２（ｄ）及び図４（ｇ）参照）。
【００３６】
このように、本発明の方法によれば、はんだやインジウム等の接合材を使用することなく、比較的簡易な表面加工でも低圧で、かつ、金属微粒子７及び被接合部材４の融点よりはるかに低い温度で強固な接合を行うことができる。
【００３７】
しかも、本発明によれば、金属間化合物を生成することなく異種の金属を低圧かつ低温で強固に接合することが可能になる。
【００３８】
また、上記実施の形態の場合は、金属微粒子７を吹き付けることにより金属微粒子７の被着を行うようにしたことから、第１の被接合部材４１の任意の領域に金属微粒子７を被着させることができ、マスクを必要とするスパッタや蒸着などによるメタライジングと比べて高い効率で資源を有効利用することができる。
【００３９】
また、ガス中蒸発法で生成した金属微粒子７を用いることから、きわめて活性な金属微粒子を利用できるため、より低温で接合することが可能になる。
【００４０】
図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の他の実施の形態の工程の要部を模式的に示す説明図である。
図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施の形態においては、例えば、上述した方法によって金属微粒子７を第１の被接合部材４１の接合部分４１ａに吹き付けて被着させた後加圧前に、第１の被接合部材４１の接合部分４１ａ及び金属微粒子７に対して所定のハロゲン２０を付着させるハロゲン化処理を行う。
【００４１】
本発明の場合、処理の際のハロゲン２０の状態は特に限定されることはないが、工程簡便化の観点からは、第１の被接合部材４１の接合部分４１ａ及び金属微粒子７に対してハロゲン２０の蒸気を曝して付着させることが好ましい。
【００４２】
この場合、例えば、金属微粒子７を被着させた第１の被接合部材４１を所定の処理容器１０内に配置し、同様に処理容器１０内に配置したハロゲン２０の液体を加熱蒸発させ、ハロゲン２０の気体を処理容器１０内に充満させることによって容易にハロゲン２０の付着を行うことができる。
【００４３】
また、使用するハロゲン２０の種類は特に限定されることはないが、確実な接合の観点からは、フッ素または塩素を用いることが好ましい。
【００４４】
そして、このようなハロゲン化処理を行った後に、上記実施の形態と同様の工程による接合を行う。なお、本発明の場合、上記ハロゲン化処理後又はハロゲン化処理と同時に金属微粒子７の被着を行うことも可能である。
【００４５】
本実施の形態の方法によれば、さらに低温での接合が可能になる。
その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００４６】
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、上記実施の形態においては、第１の被接合部材に対して金属微粒子を被着させるようにしたが、本発明はこれに限られず、第２の被接合部材に対して金属微粒子を被着させることもでき、また、両方の被接合部材に対して金属微粒子を被着させることもできる。
【００４７】
そして、本発明は、３つ以上の部材からなる被接合部材を接合する場合にも適用することができる。
【００４８】
さらに、被接合部材に被着させた金属微粒子はファンデルワールス力によって被接合部材に吸着されるため、被接合部材の接合部分を上にして金属微粒子を被着させる必要はなく例えば下向きや傾斜させた状態で被着させることができ、また、被着後に移動させることも可能である。
【００４９】
さらにまた、上記実施の形態においては、一方の被接合部材に対してハロゲン化処理を行うようにしたが、本発明はこれに限られず、他方の被接合部材に対してハロゲン化処理を行うこともでき、また、両方の被接合部材に対してハロゲン化処理を行うこともできる。
【００５０】
さらにまた、本発明は、例えば溶液に分散させた金属微粒子を被接合部材の接合部分に塗布して被着させることも可能である。
【００５１】
【実施例】
以下、本発明に係る固体接合方法の実施例を比較例とともに詳細に説明する。＜実施例１＞
被接合部材として機械的に研磨した銅ペレットと銅シートを用い、レーザー・アブレーションによる粒径１０ｎｍの金微粒子を銅ペレットに被着させて接合を行った。その結果を表１に示す。
【００５２】
この場合、接合圧力は１４．８ｋｇ／ｍｍ２で接合時間は１分とした。また、接合雰囲気は大気中で行った。
【００５３】
＜実施例２＞
金微粒子の被着後、ハロゲン化処理としてフッ素蒸気に１分間暴露させた以外は実施例１と同様の工程で接合を行った。その結果を表１に示す。
【００５４】
＜比較例１＞
金微粒子を使用せず、また、ハロゲン化処理を行わずに実施例１と同様の工程で接合を行った。その結果を表１に示す。
【００５５】
＜比較例２＞
ハロゲン化処理のみを行い、実施例１と同様の工程で接合を行った。その結果を表１に示す。
【００５６】
【表１】
Figure 2004025196
【００５７】
表１から明らかなように、金微粒子を接合材として用いた実施例１、２は、金微粒子を接合材として用いない比較例１、２では接合できない低温（３２０℃）で接合が可能になる。
【００５８】
また、金微粒子とフッ素蒸気によるハロゲン化処理を併用した実施例２の場合は、ハロゲン化処理を行わない実施例１よりさらに低温（２５０℃）で接合が可能になる。
【００５９】
＜実施例３＞
平坦度の良いＳｉ基板に銅をスパッタリングによりコーティングした後にその面をさらにＣＭＰを施して被接合部材とし、レーザー・アブレーションによる１０ｎｍの金微粒子を一方の被接合部材に被着させて接合を行った。その結果を表２に示す。
【００６０】
この場合、接合圧力は２．９ｋｇ／ｍｍ２で接合時間は１分とした。また、接合雰囲気は大気中で行った。
【００６１】
＜実施例４＞
金微粒子の被着後、ハロゲン化処理としてフッ素蒸気に１分間暴露させた以外は実施例３と同様の工程で接合を行った。その結果を表２に示す。
【００６２】
【表２】
Figure 2004025196
【００６３】
表２から明らかなように、被接合部材の平坦度の良い実施例３、４は、実施例１、２に比べてさらに低温、低荷重での接合ができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、はんだやインジウム等の接合材を使用することなく、低圧、かつ、低い温度で強固な接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための固体接合装置の概略構成図
【図２】（ａ）〜（ｄ）：本発明の実施の形態の工程を模式的に示す説明図
【図３】（ａ）〜（ｃ）：本発明の原理を示す説明図
【図４】（ｄ）〜（ｇ）：本発明の原理を示す説明図
【図５】（ａ）〜（ｃ）：本発明の他の実施の形態の工程の要部を模式的に示す説明図
【符号の説明】
１…固体接合装置　２…処理室　４（４１、４２）…第１及び第２の被接合部材
７…金属微粒子

Claims (8)

  1. 所定の粒径の金属微粒子を一対の被接合部材の少なくとも一方の接合部分に被着させ、所定の加圧下で前記金属微粒子を前記被接合部材に固体接合させることによって前記被接合部材同士を接合する工程を有することを特徴とする固体接合方法。
  2. 前記被接合部材の接合部分の表面粗さが、前記被接合部材の接合部分に被着された前記金属微粒子の粒径もしくはその集合体の厚さより小さいことを特徴とする請求項１記載の固体接合方法。
  3. 前記金属微粒子の粒径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の固体接合方法。
  4. 前記金属微粒子を吹き付けることにより前記被接合部材の接合部分に被着させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の固体接合方法。
  5. 前記金属微粒子は、原料金属を減圧下で蒸発させるガス中蒸発法にて生成し、この金属微粒子を前記被接合部材の少なくとも一方の接合部分に被着させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の固体接合方法。
  6. 前記金属微粒子が、所定の貴金属であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の固体接合方法。
  7. 所定のハロゲンを用いて前記接合部分のハロゲン化処理を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の固体接合方法。
  8. 前記ハロゲンが、フッ素または塩素の蒸気を含むガスであることを特徴とする請求項７記載の固体接合方法。
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