JP2010179313A - 二つの部材の接合方法及び該方法による接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】半田またはろう材等を用いて、接合層の厚さが略均一になるように二つの部材を接合する方法および接合層の厚さが略均一な半田またはろう材等の接合材を用いた接合体を提供する。
【解決手段】本発明によって、第１の部材上１０に、第１接合材、複数のセルを有するセル構造体および第２接合材を順に積層し、前記第２接合材上に第２の部材２０を配設して、加圧下において接合することを特徴とする第１の部材１０と第２の部材２０との接合方法が提供される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、二つの部材を接合する方法に関し、特に半田またはろう材等を用いて、二つの部材を接合する方法および該方法によって接合された接合体に関する。

基材と被接合材といった二つの部材を大面積で接合する場合、一般的に、接合材として半田、ろう材または接着剤等が用いられる。ここで、いわゆる低温半田と呼ばれるインジウムやビスマス等を含む半田材を用いて接合する方法があるが、インジウムは希少金属で高価であるため製品コストの上昇を招き、一方ビスマスは毒性があるため環境汚染等の問題がある。また、例えば二つの部材が接合された接合体において熱伝導性能が重要となる場合には、一般的な接着剤は、接合材として機能的に不十分である。従って、一般的には、半田またはろう材による接合が行われ、熱伝導性能が問題とならない場合に、これらに加えて接着剤が用いられることになる。

一方、２つの部材を接合する場合には、接合材の問題だけでなく、接合上次の点が問題となり、特に面同士を接合する場合には重要となる。第一に、部材に平面の歪みが有る場合である。ここで、平面の歪みには、接合される部材が形成された時点から有する歪み（以下、「初期平面歪み」という）と、接合時の熱履歴によって生じる歪み（以下、「二次歪み」という）とが有るが、いずれの場合であっても接合上問題を生じる。第二に、接合される二つの部材の熱膨張率が異なる場合である。第三に接合層の厚さの管理の問題である。接合体の寸法精度に影響を与えるからである。

図を基に説明する。図６は、従来の接合方法により、基材１０と被接合材２０とをシート状に形成した半田を用いて接合した例を示す図であり、図６（Ａ）は、接合体２００の概略図であり、図６（Ｂ）は、接合体２００の拡大断面図である。上述した初期平面歪みや二次歪みを有する部材（被接合材２０）を接合すると、第一に初期平面歪みによって接合層（本例においては、半田層）３０の厚さが不均一になり、熱伝導性能や接合体寸法精度が低下する。また、基材と被接合部材に熱膨張差がある場合は、接合層３０の厚さが不均一になることによって熱応力緩和能力が低下し、被接合材２０に破損が生じる。また、接合中の熱履歴による被接合材２０の二次歪みによって、接合層３０に引け巣（接合層３０内の部分的な空洞）や接合層３０の亀裂を発生させる。これも同様に接合層の強度、熱伝導性能、応力緩和能力、寸法精度を低下させる。一定の大きさを有する接合体を製作する場合、接合層に求められている機能を十分に発揮するためには、接合層の厚さの均一化が必要で、そのためには初期平面歪みや二次歪みの影響を考慮する必要がある。

上述した接合上の問題を解決するためには、接合層の厚さをある程度確保し、かつ接合層の厚さを均一化すればよい。このような接合層の厚さを均一化し、かつ接合層の厚さをある程度厚くするための方法として、特許文献１及び特許文献２において、接合体に凸部を設ける方法や柱状のスペーサを用いる方法が開示されている。

しかし、特許文献１に記載された方法では、基材と被接合材とを大面積で接合することは困難である。即ち、半導体チップ等の極小単位のものであれば、特許文献１に記載の方法によって、接合層の厚さを均一化することは可能である。ところが、例えば、被接合材が、一辺が５０ｍｍ程度以上の部材であれば、被接合材は一般的に初期平面歪みを含んでおり、更に接合時の熱履歴により面全体に及ぶ歪みを部分的な凸部や柱部で均一にすることは困難である。また、大面積で接合する場合、溶融した接合材が外部に流れ出し、柱状スペーサで接合層の厚さを均一化することは困難である場合が多い。従って、接合層の厚さを確保し、かつ接合層の厚さを均一に保ちつつ接合することができる方法が求められている。

特開２００３−２４３６０１号公報 特開平４−３６７５７４号公報

本発明は、半田またはろう材等を用いて接合層の厚さが略均一になるように二つの部材を接合する方法および接合層の厚さが略均一な半田またはろう材等の接合剤を用いた接合体を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、第１の部材上に、第１接合材、複数のセルを有するセル構造体および第２接合材を順に積層し、前記第２接合材上に第２の部材を配設して、加圧下において接合することを特徴とする第１の部材と第２の部材との接合方法が提供される。

本発明の別の実施形態によれば、第１接合材の上に複数のセルを有するセル構造体を配設し、さらに前記セル構造体上に第２接合材を配設して前記第１接合材、前記セル構造体および前記第２接合材の積層体を形成し、第１の部材と第２の部材との間に前記積層体を配設して、加圧下において接合することを特徴とする第１の部材と第２の部材との接合方法が提供される。

本発明のまた別の実施形態によれば、第１の部材上に、第１接合材、複数のスペーサ材および第２接合材を順に積層し、前記第２接合材上に第２の部材を配設して、加圧下において接合することを特徴とする第１の部材と第２の部材との接合方法が提供される。

本発明のさらに別の実施形態によれば、第１接合材の上に複数のスペーザ材を配設し、さらに前記複数のスペーサ材上に第２接合材を配設して前記第１接合材、前記複数のスペーサ材および前記第２接合材の積層体を形成し、第１の部材と第２の部材との間に前記積層体を配設して、加圧下において接合することを特徴とする第１の部材と第２の部材との接合方法が提供される。

本発明の他の実施形態によれば、第１の部材と、接合材および複数のセルを有するセル構造体を含み、前記第１の部材上に略均一の厚さに形成された接合層と、前記接合層によって前記第１の部材に接合された第２の部材と、を備え、前記セル構造体の複数のセルのそれぞれは、少なくとも一つ以上の他のセルと連結されていることを特徴とする接合体が提供される。

本発明のさらに他の実施形態によれば、第１の部材と、接合材および複数のスペーサ材を含み、前記第１の部材上に略均一の厚さに形成された接合層と、前記接合層によって前記第１の部材に接合された第２の部材と、を備え、前記複数のスペーサ材は、前記接合層内に略均一に分散配置されたことを特徴とする接合体が提供される。

前記第１の部材と前記第２の部材は、熱膨張率が異なるか、少なくとも一方が平面歪みを有する部材であるか、あるいは少なくとも一方が熱履歴による二次歪みを生じる部材であってもよい。

前記セル構造体の複数のセルのそれぞれは、少なくとも一つ以上の他のセルと連結されていてもよい。

前記セル構造体は、金属線によってメッシュ状に形成された金網であってもよい。

前記セル構造体は、金属箔に複数の貫通孔を設け、前記複数の貫通孔のそれぞれを少なくとも１つ以上の他の貫通孔と接続して形成したパンチングシートであってもよい。

前記セル構造体は、金属線によって形成された金属ウールであってもよい。

前記第１接合材および前記第２接合材は、それぞれシート状に形成した半田、ろう材または接着材のいずれかであってもよい。

本発明によって、半田またはろう材等を用いて、接合層の厚さが略均一になるように二つの部材を接合する方法および接合層の厚さが略均一な半田またはろう材等の接合材を用いた接合体が提供される。

本発明の一実施の形態に係る第１の部材と第２の部材との接合方法により、第１の部材１０と第２の部材２０とをシート状に形成した半田を用いて接合した例を示す図であり、図１（Ａ）は接合体１００の概略図であり、図１（Ｂ）は接合体１００の拡大断面図である。 本発明の一実施の形態に係る第１の部材と第２の部材との接合方法に用いるセル構造体の一例を示す図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の線Ａ−Ａ’における断面図である。 図１に示す線Ｘ−Ｘ’，線Ｙ−Ｙ’の断面における半田層の厚さのグラフである。 本発明の一実施の形態に係る第１の部材と第２の部材との接合方法により接合した接合体の断面の電子顕微鏡写真である。 本発明の一実施の形態に係る第１の部材と第２の部材との接合方法に用いるセル構造体の他の例を示す図であり、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の線Ｂ−Ｂ’における断面図である。 従来の接合方法により、第１の部材１０と第２の部材２０とをシート状に形成した半田を用いて接合した例を示す図であり、図６（Ａ）は、接合体２００の概略図であり、図６（Ｂ）は、接合体２００の拡大断面図である。 図６に示す線Ｘ−Ｘ”，線Ｙ−Ｙ”の断面における半田層の厚さのグラフである。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の一実施の形態に係る第１の部材と第２の部材との接合方法および該方法による接合体について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施の形態においては、本発明の第１の部材と第２の部材との接合方法および該方法による接合体の例を示しており、本発明の第１の部材と第２の部材との接合方法および該方法による接合体は、それら実施の形態に限定されるわけではない。また、以下においては、基材および被接合材をそれぞれ第１の部材および第２の部材という。

［接合体の構造］
図１は、本発明の一実施の形態に係る第１の部材と第２の部材との接合方法により、第１の部材１０と第２の部材２０とをシート状に形成した半田を用いて接合した例を示す図であり、図１（Ａ）は接合体１００の概略図であり、図１（Ｂ）は接合体１００の拡大断面図である。また、図２は、本発明の一実施の形態に係る第１の部材と第２の部材との接合方法に用いるセル構造体の一例を示す図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の線Ａ−Ａ’における断面図である。なお、接合材として半田を使用しているが、接合材は半田に限定されず、ろう材や接着剤であってもよく、接合する二つの部材の材質に応じて適宜選択され得る。

図１に示すように、本実施の形態に係る第１の部材１０と第２の部材２０との接合方法によって形成した接合体１００は、第１の部材１０と、第１接合材、複数のセルを有するセル構造体および第２接合材を含み、第１の部材１０上に略均一の厚さに形成された接合層３０と、接合層３０によって第１の部材１０に接合された第２の部材２０と、を備える。なお、本実施例においては、第１接合材と第２接合材は同じ接合材を用いている。また、第１の部材１０と第２の部材２０とは、熱膨張率が異なる部材を使用したが、これに限定されず、同じ熱膨張率を有する部材同士であってもよい。また、第１の部材１０と第２の部材２０は、少なくとも一方が平面歪みを有する部材であるか、または少なくとも一方が熱履歴により二次歪みを生じる部材であってもよい。なお、以下の説明においては、第１の部材１０と第２の部材２０との熱膨張率が異なる場合を例にとって説明する。

第１の部材１０は、被接合材である第２の部材２０を接合するベースとなる部材である。本実施の形態においては第１の部材１０は金属からなる部材を用い、第１の部材１０として一辺が５０ｍｍの正方形の銅板（ここでは、第１酸化銅を含む銅複合材の板）を使用したが、本実施の形態に係る第１の部材１０はこれに限定されず、使用目的によって、材質および大きさは適宜変更され得る。

第２の部材２０は、接合層３０によって第１の部材１０に接合される被接合材であり、第１の部材１０と熱膨張率の異なる材質から形成されるが、これに限定されない。本実施の形態においては、第２の部材２０としてセラミックス板（ここでは、アルミナあるいは窒化アルミなどからなるセラミックスの板）を使用したが、第２の部材２０はこれに限定されず、例えば第１の部材１０と異なる金属を材料とするものであってもよい。また、第１の部材１０と同種の金属を材料とするものであってもよい。また、第２の部材２０は、初期平面歪みを有する部材や、熱履歴により二次歪みを生じる部材であってもよい。第２の部材２０の材質は使用目的および第１の部材１０の材質に合わせて適宜変更され得る。また、本発明に係る接合方法は、初期歪みを有し、または二次歪みを生じる部材にも応用できる。第２の部材２０の大きさは、第１の部材１０の大きさに合わせて、一辺が５０ｍｍの正方形のものを使用した。また、厚さは、６０μｍである。

接合層３０は、第１の部材１０と第２の部材２０とを接合する層である。図１（Ｂ）に示すように、接合層３０は、第１接合材（図示せず）と、接合層３０の厚さを調整するための部材である複数のセルを有するセル構造体と、第２接合材（図示せず）とを含む。但し、本実施の形態においては、上述したように第１接合材と第２接合材は同じ接合材を使用した。本実施の形態においては、セル構造体として金属線からなる金網１を使用した。なお、図１（Ｂ）においては、接合層３０中において、セル構造体（金網１）が第１の部材１０と第２の部材２０とにそれぞれ接触しているが、接合層３０中におけるセル構造体の位置はこれに限定されず、セル構造体が第１の部材１０および第２の部材２０からそれぞれ乖離した位置にあってもよい。

第１接合材（図示せず）および第２接合材（図示せず）は、第１の部材１０と第２の部材２０とを接合する部材であり、所定の温度に加熱されて溶融し、冷却されて固化することで、第１の部材１０と第２の部材２０とを接合する。本実施の形態においては、第１接合材および第２接合材として半田を使用したが、第１接合材予備第２接合材はこれに限定されるわけではなく、ろう材等であってもよく、接合する第１の部材１０および第２の部材２０の材質に応じて適宜選択され得る。本実施の形態においては、シート状に形成した半田を、第１の部材１０とセル構造体（金網１）との間に第１接合材として配設し、およびセル構造体（金網１）と第２の部材２０との間に第２接合材として配設して、２１０℃〜２２０℃に加熱して接合した。

ここでセル構造体とは、本明細書においては、第１の部材１０と第２の部材２０との間に配設された際に、小部屋状のセルを構成する構造体を総称するものとする。例えば本実施の形態における金網１は、図２（Ａ）に示すように縦方向および横方向のそれぞれ２本の銅線によって囲まれたセル５を有し、第１の部材１０と第２の部材２０との間に配設された際に、それぞれのセル５が３次元の６方向が囲まれた小部屋状の空間を形成する。このように、通常の状態においては、それ自体小部屋状の空間を有していなくても、第１の部材１０と第２の部材２０との間に配設された際に小部屋状の空間を形成するものを、セル構造体と呼称する。なお、それぞれのセルは、他のセルから完全に独立しているわけではなく、少なくとも一つ以上の他のセルと連結されている。これは、溶融した接合材がセル間を流動することで、接合層３０の厚さを均一化するためである。

本実施の形態において、接合層３０にセル構造体を含むのは、接合時の荷重をセル構造体で保持するとともに、溶融した接合材をセルに流入させて外部に流れ出すのを防止し、接合層３０の厚さを均一化して熱応力緩和能力を向上させるためである。

即ち、上述したように、第２の部材２０は第１の部材１０と熱膨張率が異なり、または初期平面歪みを有し、あるいは接合時の熱履歴によって、二次歪みを生じる部材である。そこで、接合時には、初期平面歪みを矯正し、二次歪みを抑制するために荷重を加えることが必要になる。しかし、接合材のみを使用して矯正荷重を加えると、接合材が圧力によって外部に流れ出て接合層３０が薄くなり、接合層３０での熱応力緩和能力が低下してしまう。そして、接合層３０が不均一になると、第１の部材１０や第２の部材２０に局所的に集中荷重が加わり、第２の部材２０の破損等を生じてしまう。本実施の形態において、セル構造体を接合層３０に含むのは、接合体の歪みの位置に特段の注意を払う必要なく、セル構造体に厚さに沿うように接合体全体に荷重を加え、均一に矯正できること、及び接合層３０での熱応力緩和能力を向上させるためである。

本実施の形態においては、セル構造体として、銅線を用いてメッシュ状に形成した金網１を用いた。セル構造体として用いた金網１は、直径４０μｍの銅線をメッシュ状に編み込んだものである。従って、それぞれの銅線は編み込まれることによって波状となり、平常時において２本の銅線の交差点における高さは約１００μｍ程度となるが、加圧された場合には２本の銅線の直径の合計である８０μｍとなる。但し、接合時には、溶融した接合材がこの交差点の部分にも流入するため、８０μｍを上回る。なお、金網１はこれに限定されるわけでなく、使用目的および要求される接合層３０の高さに応じて材質および金網を構成する金属線の直径が適宜変更され得る。なお、金網１は、Ｘ方向、Ｙ方向にそれぞれ切込みを入れて、金網１が複数ブロックに分割された物であってもよい。かかる金網１は、それぞれのブロック毎に可動できるため、例えば、初期平面歪みに追従して金網１全体の配設が可能となる。

本実施形態においては、金網１は、めっき処理した上で使用した。即ち、まずニッケルめっき処理を行い、さらに金メッキ処理を施した。これは、接合材として使用する半田の濡れ性等を調整するためである。従って、本実施の形態に係る金網１の銅線は、表面にニッケルからなる第１のめっき層および金からなる第２のめっき層を有することとなる。なお、めっき処理は、金網１に使用する金属線の材質および使用する接合材に応じて適宜選択され得る。また、必ずしも二層のめっき層を形成することに限定されず、めっき層は一層でも三層以上であってもよい。

ここで、本実施の形態においてセル構造体として金網１を使用したのは、金網１が以下の特徴を有し、接合層３０の厚さを均一化して熱応力緩和能力の低下を防止する目的に適するからである。即ち、第一に、金網１は、線径に依存して厚み方向の寸法精度に優れるため目的に応じて任意の線径や編み込みの粗さを選択でき、所定の接合層３０の厚さを確保しやすいからである。また、金網１の枚数を増やすことで、所定の接合層３０の厚さを確保することもできるからである。

第二に、金網１は、表面をめっきすることで、半田等の接合材の保持性や濡れ性（流れ性）を調整することができるからである。本実施の形態においては、上述したように４０μｍの銅線からなる金網１を用いたため、メッシュの目が非常に細かくなり、半田の保持性が向上した。

第三に、金網１を構成する金属線の材料を変更することで、接合層３０に機能を付加することができるからである。即ち、金属線として銅線を使用すれば、接合層３０に熱伝導性機能を付加することができる。金属線の材料として低熱膨張金属を使用すれば、熱膨張抑制機能を付加することができ、金属線の材料として軟金属を使用すれば、応力緩和機能を付加することができる。このように、目的に応じて接合層３０に機能を付加することが可能となる。本実施の形態においては、熱伝導性を向上させるために上述したように銅の金網１を用いたが、熱伝導率は半田のみで接合した場合に比して約２〜３倍程度に向上している。

第四に、金網１はガス抜けがよく、接合時に発生するガスによる接合層３０内のボイドの発生を抑制できるからである。

さらに第五に、金網１は、細い金属線から構成されるため変形性に優れ、接合層３０の応力緩和能力を妨げないからである。なお、金網１の所定箇所に切れ目を入れたものは、さらに変形性に優れるため、より効果が期待できる。

［接合体の製造方法］
以下、上述した構造を有する接合体１００の、製造方法について説明する。なお、以下の製造方法においては、第１接合材と第２接合材を、同じ半田を使用した場合について説明するが、第１接合材と第２接合材が、異なる接合材であってもよく、この場合でも製造方法は同様である。

まず、１辺が５０ｍｍの正方形の第１の部材１０上に、第１接合材としてシート状に形成した半田を配設する。半田の厚さは、金網１等の厚さも考慮して約７５μｍに形成する。

次に、シート状の半田（第一接合材）上に金網１を配設する。金網１は、４０μｍ径の銅線を編み込んだ一辺が５０ｍｍの正方形のものを用いた。また、金網１は、ニッケルめっき処理し、更に金メッキ処理を施したものを使用する。

次に、金網１上に第１接合材と同じシート状の半田を第２接合材として配設し、さらに半田（第２接合材）上に第２の部材２０を配設する。第２の部材２０は、上述の第１の部材１０と同じ一辺が５０ｍｍの正方形のものを用いる。以上によって、第１の部材１０、半田シート（第１接合材）、金網１、半田シート（第２接合材）、第２の部材２０が積層された構造となる。

次に、５層に積層された構造体に、第２の部材２０の初期平面歪みの矯正および二次歪みの防止を目的として、矯正荷重を加えながら（即ち、加圧しながら）半田の融解温度である２１０℃〜２２０℃に加熱する。この時、窒素雰囲気中で加熱する。このように、接合体のフラックスの洗浄が困難な場合には、上述したように金網１には金メッキ等の処理を施し、窒素雰囲気下で加熱することで、フラックスを使用しないで接合することができ、フラックスレスを実現することができる。ここで、矯正荷重は、第２の部材２０の大きさおよび厚さ等によって適宜選択されるが、本実施の形態においては、第２の部材２０の大きさが、一辺が５０ｍｍの正方形で厚さ６０μｍの場合に、全体で２．４ｋｇ加えた。第１接合材および第２接合材の半田が溶融し、冷却によって固化して、上述した接合体１００が形成された。

なお、予め２枚の半田シート（第１接合材と第２接合材）の間に金網１を配設して積層体を形成し、この積層体を第１の部材１０の上に配設し、さらに積層体の上に第２の部材２０を配設して、その後加圧および加熱してもよい。この方法によれば、予め積層体を形成するため、接合前にフラックスの洗浄が容易に行えるので、金網１に金メッキ処理等を施す必要はなく、フラックスを用いて簡易に積層体を形成することができる。但しこの方法に限定されず、金網１を溶融半田に浸漬して積層体を形成してもよい。接合材中に金網１等のセル構造体が埋設された積層体を予め形成しておくことで、効率的に作業を行うことができる。

［効果］
本発明の一実施の形態に係る第１の部材と第２の部材との接合方法および該方法による接合体の効果について、図を基に説明する。図３は、本発明の一実施の形態に係る接合方法の効果を示すグラフであり、図１（Ａ）の線Ｘ−Ｘ’および線Ｙ−Ｙ’の半田層の厚さを示す。図４は、本発明の一実施の形態に係る接合方法で形成した接合体１００の断面の電子顕微鏡写真である。また、図７は、比較例として、図６に示す従来の接合方法によって接合した接合体２００の線Ｘ−Ｘ”，線Ｙ−Ｙ”の断面における半田層の厚さを示すグラフである。なお、比較例においては、上述の一実施の形態と同一の部材を使用し、接合材として１５０μｍ厚に形成した半田シートを使用した。

図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る第１の部材１０と第２の部材２０との接合方法によれば、接合層３０の厚さを均一化することができる。即ち、図３によれば、Ｘ−Ｘ’断面における半田層の厚さの最大値は１７０μｍ強であり、最小値は１６０μｍ弱である。また、Ｙ−Ｙ’断面における半田層の厚さの最大値は１７０μｍ強であり、最小値は１６０弱μｍである。本測定結果によれば、Ｘ−Ｘ’方向における乖離差は約１０μｍであり、Ｙ−Ｙ’方向における乖離差は約１０μｍである。一方、従来の接合方法によれば、図７に示したように、接合された接合体２００の任意の直交するＸ−Ｘ”断面およびＹ−Ｙ”断面における接合層（ここでは、半田層）３０の厚さは、それぞれ不均一である。Ｘ−Ｘ”断面における接合層３０の厚さの最大値は１７０μｍ，最小値は８０μｍ強であり、Ｙ−Ｙ”断面における接合層３０の厚さの最大値は２００μｍ，最小値は１１０μｍである。接合体２００のＸ−Ｘ”、Ｙ−Ｙ”断面における半田層の厚さの最大値と最小値の乖離差が、いずれも９０μｍである。以上のように、本実施の形態に係る接合方法は、従来の接合方法に比して約１／９の乖離差である。本発明の一実施の形態に係る第１の部材１０と第２の部材２０との接合方法によれば、接合層３０の均一化を図り、かつ接合層３０の厚さを確保できることが容易に把握される。従って、熱応力緩和能力の低下を抑制する接合が可能となる。また、寸法精度の向上を図ることができるため、第２の部材上への部品の取り付け等の次工程で作業性が向上する。なお、接合層３０の厚さの均一性は、図４の断面の電子顕微鏡写真からも把握される。

接合層３０に銅線からなる金網１というセル構造体を含むため、接合層３０の熱伝達性能を妨げない接合が可能となる。言い換えれば、熱伝達率を保持した接合体１００を提供することができる。上述した例では、半田のみの場合に比して約２〜３倍程度の熱伝達率を確保できた。

また、本発明の一実施の形態に係る第１の部材１０と第２の部材２０との接合方法は、接合時に矯正荷重を負荷するが、このように荷重を負荷しても、セル構造体を含むため第１の部材１０や第２の部材２０に局所的に集中荷重が加わることがなく、従って、第２の部材２０等の破損等を生じることを防止することができる。このことはまた、コスト削減効果をも生じる。図４からも、第２の部材２０に破損等がなく、また接合層３０に引け巣や亀裂が生じていないことが把握される。

さらに、セル構造体として金網１を使用したため、ガス抜けがよく、接合時に発生するガスに起因するボイドの発生を抑制できる。図４からも、接合層３０にボイドが発生していないことが把握される。また、上述したように窒素雰囲気中で加熱することで、フラックスレスでの接合が可能になり、製造工程の簡素化およびコスト削減効果も向上できる。

以上説明した本発明の一実施の形態に係る第１の部材と第２の部材との接合方法は、様々な産業分野において利用することができるが、一例として、例えば、金属基材とセラミックス板とを接合する、半導体製造装置用の静電チャック装置やセラミックスヒーター等の製造に利用することができる。

［変形実施例１］
本発明の一実施の形態に係る第１の部材１０と第２の部材２０との接合方法の変形実施例について説明する。変形実施例１は、セル構造体として、金網の変わりに、金属薄板のパンチングシートを使用した例である。なお、上述した一実施の形態に係る構成要素と同じ構成要素については、同じ符合を付し、また、重複する説明は省略する。

本実施の形態に係る接合体１００は、接合層３０の厚さを均一化するために、接合層３０に所定の高さを有するセル構造体を含み、セル構造体として銅線で編みこまれた金網１を使用した。かかるセル構造体は、第１の部材１０と第２の部材２０との間に配設された場合に、３次元的に小部屋状のセルを複数構成するものであれば、金網１に限定されない。そこで、本変形実施例１においては、銅の薄板に複数の微細な貫通孔を設けたパンチングシート２を用いた。なお、パンチングシート２は、上述の一実施の形態と同様に、ニッケルめっきおよび金メッキを施した上で使用した。

図５は、本発明の一実施の形態に係る第１の部材と第２の部材との接合方法に用いるセル構造体の他の例を示す図であり、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の線Ｂ−Ｂ’における断面図である。図５（Ａ）に示すように、パンチングシート２は、第１の部材１０と同様の一辺が５０ｍｍの正方形の薄板であり、セル５に該当する貫通孔が複数配設される。本変形実施例１においては、それぞれのセル５は、水平方向のセル５がそれぞれ連結されて列を形成し、垂直方向に複数列が配置されている。このように、一列に並ぶ各セル５について連結しているのは、溶融した第１接合材および第２接合材（いずれも図示せず。）が１つのセルに流入しても溢れ出さずに、連結された隣接するセル５に相互に流入するようにして接合層３０の厚さを均一化するためである。図５（Ｂ）に示すように、線Ｂ−Ｂ’の断面をみれば、各セル５が連結されているのが把握される。

なお、図５（Ａ）においては、貫通孔である各セル５の形状は円形であるが、これに限定されるわけではなく、三角形、四角形さらには六角形等の多角形や、楕円形状等であってもよい。また、配設される貫通孔（セル５）の数は限定されないが、溶融した接合材が流入しやすいようにできる限り貫通孔の数を多く配設することが好ましい。さらに、配設される貫通孔の径は限定されないが、溶融した接合材が流入し易い大きさで、かつ、多数の貫通孔を全面に均等に分散できる大きさであることを要する。

また、図５（Ａ）においては、各セル５は水平方向に連結されているが、図５（Ａ）の垂直方向に連結されてもよく、また、一列の連結に限定されるわけではなく、例えばゴルフボールのディンプルのように複数個のセル５が規則正しく多角形を構成するように連結されてもよい。少なくとも各セル５が一つ以上の他のセル５と連結されていればよい。さらに、薄板の材質は、銅に限定されず、タングステン等であってもよいし、高耐熱性樹脂であってもよい。薄板の材質は限定されない。

以上のような構造を有するパンチングシート２を、第１の部材１０の上に配設された第１接合材上に配接し、さらに、パンチングシート２上に第２接合材を配設する。そして第２接合材上に第２の部材２０を配設して、加圧下において接合することで、接合層３０の厚さが均一化された接合体１００を得ることができる。上述した一実施の形態と同様に、第１接合材上にパンチングシート２を配設し、さらにパンチングシート２上に第２接合材を配設して予め積層体を形成し、この積層体を第１の部材１０と第２の部材２０との間に挟んで加圧下において接合してもよい。なお、第１接合材および第２接合材は、同じものを使用したが、異なる接合材であってもよい。

本変形実施例１は、セル構造体として薄板のパンチングシート２を使用するため、接合層３０の厚さを所定の厚さに制御し易く、厚み方向の寸法精度に特に優れる。

一方で、パンチングシート２は、金網１に比して変形能が劣るため、接合層３０の熱応力緩和能力は金網１に比して劣る。なお、本変形実施例１の他の効果は、上述した一実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

［変形実施例２］
本発明の一実施の形態に係る第１の部材１０と第２の部材２０との接合方法の他の変形実施例について説明する。変形実施例２は、セル構造体として複数のセルが３次元方向に連結した３次元セル構造体を用い、本変形実施例２では、一例として、いわゆる金属ウールを用いる。

上述したように、セル構造体は、接合層３０の厚さを均一化し、第１の部材１０および第２の部材２０に集中荷重を加えないなどの目的から使用するものである。特に溶融した接合材が各セル５に流入し易く、また、１つのセル５から溢れ出さないように、各セル５が少なくとも一つ以上の他のセル５と連結されていることを要する。そこで、各セル５の形状が不定形であるが、それぞれが密に連結した構造を有する金属ウールを、セル構造体として用いることが考えられる。本変形実施形態２は、セル構造体として金属ウールを用いた例である。なお、金属ウールは、上述の一実施の形態および変形実施例１と同様に、金属ウールの表面にニッケルめっきおよび金メッキを施した上で使用した。

上述した金網１に用いた銅線の表面を削ることで、銅繊維（ウール）を形成すことができる。これを適宜積層して、銅のウールを形成する。そして、これをＸ方向およびＹ方向に適宜伸ばして、第１の部材と同様の一辺が５０ｍｍの正方形で所望の厚さの銅のウールを形成する。これを、セル構造体として用いて上述した一実施の形態に係る接合方法を実施することで、所望の接合体１００を得ることができる。なお、第１接合材および第２接合材は、同じものを使用したが、異なる接合材であってもよい。さらに、ウールの材質は銅に限定されず、他の金属であっても良い。

本変形実施例２で用いる金属ウールは、金網１よりも細い金属線で形成されるため、変形能に優れ、接合層３０の応力緩和能力を妨げることがない。また、ガス抜けがよく、接合時に発生するガスによるボイドの発生を抑制する上で効果を有する。

一方、本変形実施形態２に係る金属ウールは、金網１に比して厚み方向の寸法精度が低く、接合層の厚さ寸法にばらつきが生じる可能性がある。なお、本変形実施例２の他の効果は、上述した一実施の形態と同様であるので説明を省略する。

［変形実施例３］
本発明の一実施の形態に係る第１の部材１０と第２の部材２０との接合方法のさらに別の変形実施例について説明する。

上述した例は、いずれも接合層３０の厚さの均一化および第１の部材１０や第２の部材２０に対する局所的な集中荷重の抑制を図るために、セル構造体を用いた。接合層３０の厚さの均一化および１の部材１０や第２の部材２０に対する局所的な集中荷重の抑制を図ること可能であれば、セル構造体に代えてスペーサ材を用いてもよい。変形実施例３はスペーサ材を用いる例である。

本変形実施例３においては、セル構造体に代えて、多数の極小サイズのスペーサ材を用いる。本変形実施例３においては、スペーサ材として、液晶パネルのシールスペーサとして用いられるシリカスペーサを用いた。形状が一定し、接合時に加える矯正荷重に耐える強度を有するからである。このシリカスペーサは、直径２００μｍの球状である。但し、スペーサの材質、形状および大きさはこれに限定されず、目的に応じて適宜変更され得る。例えば、形状については、スペーサ材の配設の容易性および矯正荷重を加えた場合のスペーサ材の移動を規制するために、球体の上下を切断した樽型が好ましい。また、ラグビーボール状等であってもよい。かかる形状を総称して、略球形と称する。また、スペーサ材の材質についてもシリカに限定されず、目的に応じて接合材より高融点を有する高耐熱性樹脂等を使用することができる。他の部材については上述した一実施の形態等と同様であるので、説明を省略する。また、構造的に上述の一実施の形態と同様の接合体１００となるので、図示も省略する。

第１の部材１０上に、シート状に形成した第１接合材（半田）を配設する。第１の部材１０およびシート状の第１接合材の大きさは、上述した一実施の形態と同様である。第１接合材の全面にスペーサ材を均一に分散配置する。即ち、第１接合材の全面がスペーサ材で均一に覆われるようにスペーサ材を配置する。これによって、さらに第２接合材および第２の部材２０を積層した際に、隣接する複数のスペーサ材の間に小部屋状の空間（セル）が形成される。

スペーサ材上にシート状に形成した第２接合材（半田）を配設し、さらに第２接合材上に第２の部材２０を配設する。その後加圧下において接合することで、接合層３０の厚さが均一化した接合体１００を得ることができる。溶融した接合材は、隣接する複数のスペーサ材間に形成される小部屋状の空間（セル）に流入し、接合体１００の外部に流出することが抑制され、スペーサ材によって接合層３０の厚みを均一化することができる。また、スペーサ材によって第１の部材１０および第２の部材２０に、局所的に集中荷重が掛かることを防止することができ、第１の部材１０および第２の部材２０の破損等を防止することができる。なお、第１接合材および第２接合材は、同じものを使用したが、異なる接合材であってもよい。

本変形実施例３についても、予め第１接合材、スペーサ材、第２接合材の積層体を形成しておいてもよい。また、スペーサ材を第１接合材の全面に均一に分散配置するために、接着剤を塗布したシート上にスペーサ材を敷き詰めたものを用いてもよい。

シリカボールは液晶パネル等に大量に使用されているため単価が安いので、スペーサ材としてシリカボール等を使用する場合、金網１等のセル構造体に比して、製造コストを抑制することができる。

一方、スペーサ材を使用する場合、特にシリカボールを使用する場合は、ボールの水平位置の制御が難しい。スペーサ材表面のめっき処理等が容易でなく、半田等の接合材の濡れ性や保持性の確保に工夫を要する。本変形実施例３の他の効果は、上述した一実施の形態、変形実施例１および変形実施例２と同様であるので、説明を省略する。

１：金網
２：パンチングシート
５：セル
１０：第１の部材（基材）
２０：第２の部材（被接合材）
３０：接合層
１００、２００：接合体

Claims (21)

1. 第１の部材上に、第１接合材、複数のセルを有するセル構造体および第２接合材を順に積層し、
   前記第２接合材上に第２の部材を配設して、加圧下において接合することを特徴とする第１の部材と第２の部材との接合方法。
2. 第１接合材の上に複数のセルを有するセル構造体を配設し、
   さらに前記セル構造体上に第２接合材を配設して前記第１接合材、前記セル構造体および前記第２接合材の積層体を形成し、
   第１の部材と第２の部材との間に前記積層体を配設して、加圧下において接合することを特徴とする第１の部材と第２の部材との接合方法。
3. 前記第１の部材と前記第２の部材は、熱膨張率が異なるか、少なくとも一方が平面歪みを有する部材であるか、あるいは少なくとも一方が熱履歴による二次歪みを生じる部材であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の第１の部材と第２の部材との接合方法。
4. 前記セル構造体の複数のセルのそれぞれは、少なくとも一つ以上の他のセルと連結されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の第１の部材と第２の部材との接合方法。
5. 前記セル構造体は、金属線によってメッシュ状に形成された金網であることを特徴とする請求項３に記載の第１の部材と第２の部材との接合方法。
6. 前記セル構造体は、金属箔に複数の貫通孔を設け、前記複数の貫通孔のそれぞれを少なくとも１つ以上の他の貫通孔と接続して形成したパンチングシートであることを特徴とする請求項３に記載の第１の部材と第２の部材との接合方法。
7. 前記セル構造体は、金属線によって形成された金属ウールであることを特徴とする請求項４に記載の第１の部材と第２の部材との接合方法。
8. 第１の部材上に、第１接合材、複数のスペーサ材および第２接合材を順に積層し、
   前記第２接合材上に第２の部材を配設して、加圧下において接合することを特徴とする第１の部材と第２の部材との接合方法。
9. 第１接合材の上に複数のスペーザ材を配設し、
   さらに前記複数のスペーサ材上に第２接合材を配設して前記第１接合材、前記複数のスペーサ材および前記第２接合材の積層体を形成し、
   第１の部材と第２の部材との間に前記積層体を配設して、加圧下において接合することを特徴とする第１の部材と第２の部材との接合方法。
10. 前記第１の部材と前記第２の部材は、熱膨張率が異なるか、少なくとも一方が平面歪みを有する部材であるか、あるいは少なくとも一方が熱履歴による二次歪みを生じる部材であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の第１の部材と第２の部材との接合方法。
11. 前記スペーサ材は、略球形であることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の第１の部材と第２の部材との接合方法。
12. 前記第１接合材および前記第２接合材は、それぞれシート状に形成した半田、ろう材または接着剤のいずれかであることを特徴とする請求項４または請求項１１に記載の第１の部材と第２の部材との接合方法。
13. 前記第１接合材と前記第２接合材は同一の接合材であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項８および請求項９のいずれか一に記載の第１の部材と第２の部材との接合方法。
14. 第１の部材と、
    接合材および複数のセルを有するセル構造体を含み、前記第１の部材上に略均一の厚さに形成された接合層と、
    前記接合層によって前記第１の部材に接合された第２の部材と、を備え、
    前記セル構造体の複数のセルのそれぞれは、少なくとも一つ以上の他のセルと連結されていることを特徴とする接合体。
15. 前記セル構造体は、金属線によってメッシュ状に形成された金網であることを特徴とする請求項１４に記載の接合体。
16. 前記セル構造体は、金属箔に複数の貫通孔を設け、前記複数の貫通孔のそれぞれを少なくとも１つ以上の他の貫通孔と接続して形成したパンチングシートであることを特徴とする請求項１４に記載の接合体。
17. 前記セル構造体は、金属線によって形成された金属ウールであることを特徴とする請求項１４に記載の接合体。
18. 第１の部材と、
    接合材および複数のスペーサ材を含み、前記第１の部材上に略均一の厚さに形成された接合層と、
    前記接合層によって前記第１の部材に接合された第２の部材と、を備え、
    前記複数のスペーサ材は、前記接合層内に略均一に分散配置されたことを特徴とする接合体。
19. 前記スペーサ材は、略球形であることを特徴とする請求項１８に記載の接合体。
20. 前記接合材は、半田、ろう材または接着剤のいずれかであることを特徴とする請求項１４または請求項１８に記載の接合体。
21. 前記第１の部材と前記第２の部材は、熱膨張率が異なるか、少なくとも一方が平面歪みを有する部材であるか、あるいは少なくとも一方が熱履歴による二次歪みを生じる部材であることを特徴とする請求項１４または請求項１８に記載の接合体。