JP2015080812A - 接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】他の部材に対する損傷が少なく、接合部において優れた接続信頼性を得られる接合方法を提供する。【解決手段】実施形態の接合方法は、被接合体１０、２０同士を接合する接合方法であって、被接合体１０の接合面１１に、被接合体１０の母材より硬度の低い表面軟化層１２を形成する工程と、被接合体１０、２０の接合面１１、２１同士を、表面軟化層１２を介して常温接合する工程とを有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、接合方法に関する。

パワーモジュールでは、パワーデバイスとしての半導体チップと回路基板との間、及び回路基板と金属ベースの間がはんだ接合により接合され、回路基板とケースの間の空隙部にはシリコーンゲルなどが充填される。

はんだ付けに使用されるはんだは、Ｐｂ（鉛）はんだ（Ｐｂ−Ｓｎ共晶はんだ）が従来使用されてきた。このＰｂ（鉛）はんだ（Ｐｂ−Ｓｎ共晶はんだ）は、有害物質であるＰｂを高い割合で含んだものであり、欧州のＲｏＨｓ指令により、今後、規制対象となることが想定されている。
このため、近年、はんだ材料のＰｂフリー化が要求されており、Ｐｂはんだ（Ｐｂ−Ｓｎ共晶はんだ）に代えて、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系などのＰｂフリーはんだが広範囲に使用されている。

しかしながら、上記したＣｕ、Ａｇ、Ｓｎ等のはんだ材料は、将来的に枯渇することが予想されている。
また、はんだ接合では、はんだ材料を加熱溶融させる際の熱により、他の部材等に損傷が生じ易い。さらに、はんだ材料は一般に低融点であることから、常温でもクリープ変形が生じることがあり、パワーモジュールの昇温・降温サイクル（パワーサイクル）に伴ってはんだ接合部にひずみが発生したり、又ははんだが再結晶化する等の現象が生じ易い。
この場合、はんだ接合部が脆弱化して亀裂が発生・進展し易く、破断等により接続信頼性が低下するという問題がある。このため、はんだ接合に代わる、新たな接合技術の開発が求められている。

上記したＰｂフリーはんだを用いることなく接合する方法として、各部材と略同等の組成を有し、かつ、各部材の母材よりも高温強度が低い材料で構成される肉盛層を介して、各部材同士の接合部を、摺動による摩擦熱で圧接接合する接合方法が提案されている。

一方、はんだ接合に代わる接合技術として、酸化銀ナノ粒子を用いた接合材料を用いる方法、又は液相拡散により接合する方法も知られている。

特開２００４−２９８９３５号公報

上述した、肉盛層を摩擦熱により圧接接合する方法では、肉盛部を溶融させる際の摩擦熱により、接合部に損傷が生じるおそれがあった。

一方、酸化銀ナノ粒子を用いた接合材料を用いる方法や液相拡散により接合する方法は、未だ発展途上にあり、繰り返し使用したときの接続信頼性に欠ける、又はコストが高くなる等の問題があり、実用化には未だ到っていないのが実情である。

本発明が解決しようとする課題は、他の部材に対する損傷が少なく、接合部において優れた接続信頼性を得られる接合方法を提供することを目的とする。

実施形態の接合方法は、被接合体同士を接合する接合方法であって、少なくとも一方の前記被接合体の接合面に、当該被接合体の母材より硬度の低い表面軟化層を形成する工程と、前記被接合体の接合面同士を、前記表面軟化層を介して常温接合する工程とを有する。

実施形態に係る接合方法により得られる接合体を示す図である。 第１の実施形態に係る接合方法の工程を説明するための流れ図である。 実施形態の接合方法の工程を説明するための図であり、表面軟化層を形成する前の被接合体の断面図である。 実施形態の接合方法の工程を説明するための図であり、表面軟化層を有する被接合体の断面図である。 実施形態の接合方法の工程を説明するための図であり、接合工程における被接合体の断面図である。 第２の実施形態に係る接合方法の工程を説明するための流れ図である。 第２の実施形態の接合方法の工程を説明するための図であり、板状体形成工程における板状体の断面図である。 第２の実施形態の接合方法の工程を説明するための図であり、板状体冷間加工工程における板状体の断面図である。 第２の実施形態の接合方法の工程を説明するための図であり、板状体貼着工程における被接合体及び板状体の断面図である。 第３の実施形態に係る接合方法の工程を説明するための流れ図である。 第４の実施形態に係る接合方法の工程を説明するための流れ図である。 実施形態の接合方法を適用して製造された半導体装置の構成を示す断面図である。 実施例及び比較例で得られた各接合体の引張強度の測定結果をボックスプロットで表示したグラフ図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
以下に、第１の実施形態に係る接合方法について説明する。

図１は、実施形態に係る接合方法により得られる接合体を示す図である。

図１において、接合体１００は、被接合体１０と、被接合体２０と、被接合体１０の接合面１１と被接合体２０の接合面２１との間に介設された表面軟化層１２と、を有している。

第１の実施形態において、被接合体１０の母材は、特に限定されず、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものであってもよく、ＡｌＮ等のセラミックを主成分とするものであってもよく、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド等の樹脂材料を主成分とするものであってもよい。

表面軟化層１２は、被接合体１０より低い硬度を有するものであり、被接合体１０の母材の種類に応じて、適宜選択される。

被接合体１０が、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものである場合、被接合体１０の硬度は、熱処理の条件等により変動するものの、概ねＨｖ１００〜３００程度であり、表面軟化層１２は、この被接合体１０の硬度より低い硬度を有する。

第１の実施形態において、表面軟化層１２は、被接合体１０より低い融点を有する金属又は合金からなる。被接合体１０の母材が、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものである場合には、その融点は概ね６００〜１１００℃である。この場合、表面軟化層１２としては、６００〜１１００℃より低い融点を有するように例えばＩｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｚｎからなる群から選択された金属又は合金を主成分とすることができる。

第１の実施形態において、表面軟化層１２は、例えば、Ｇａ−Ｉｎ−Ｚｎ、Ｇａ−Ａｇ−Ｉｎ若しくはＩｎ−Ｂｉ−Ｓｎから選択される３元系合金、又はＩｎ−Ｂｉ、Ｇａ−Ｉｎ、Ｉｎ−Ｚｎ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、若しくはＡｌ−Ｇａから選択される２元系合金を用いることができる。

第１の実施形態において、表面軟化層１２を形成する金属又は合金としては、具体的には、例えば、Ｇａ−Ｉｎ−Ｚｎ（融点１３℃）、Ｇａ−Ａｇ−Ｉｎ（融点１４℃）、５１Ｉｎ−３２．５Ｂｉ−１６．５Ｓｎ（融点６２℃）、５７Ｂｉ−１７Ｓｎ−２６Ｉｎ（融点７８．９℃）等の三元系合金（構成成分の前に記載された数字は各構成成分の含有率（質量％））や、Ｉｎ−４８Ｓｎ（Ｓｎを４８質量％、残部がＩｎからなる合金（融点１１７℃））、Ｂｉ−３３Ｉｎ（Ｉｎを３３質量％、残部がＢｉからなる合金（融点１１０℃））、Ｉｎ−３４Ｂｉ（Ｂｉを３４質量％、残部がＩｎからなる合金（融点７２℃））、Ｇａ−２４．５Ｉｎ（Ｉｎを２４．５質量％、残部がＧａからなる合金（融点１５．７℃））等の二元系合金を好適に用いることができる。

以下に、図１に示す接合体１００を得るための第１の実施形態に係る接合方法について説明する。

図２は、第１の実施形態に係る接合方法の工程を説明するための流れ図である。

第１の実施形態においては、まず、被接合体１０の接合面１１（図３参照。）に、図４で示すように、被接合体１０の母材よりも低い硬度を有する表面軟化層１２を形成する（表面軟化層形成工程（ステップＳ１０））。第１の実施形態においては、表面軟化層１２として、例えば上記したように、被接合体１０の母材より低い融点を有する金属又は合金からなる層を形成する。

表面軟化層１２は、例えば、化学メッキ法、冷間クラッド法、又は拡散接合法の少なくとも１つの方法を用いて形成することができる。

表面軟化層１２は、１０〜５００μｍの厚さとすることが好ましく、５０〜２００μｍの厚さとすることがより好ましい。表面軟化層１２の厚さが１０μｍ未満であると、後述する接合工程（ステップＳ１１）において、被接合体１０又は２０に対して加圧したときに、表面軟化層１２において、被接合体２０の表面形状に応じた変形を十分に得られず、均一な接合強度を得られないおそれがある。一方、表面軟化層１２の厚さが５００μｍを超えると、常温接合時に、接合面１１と接合面２１との間の幅が過度に大きくなり、接合状態が不安定となるおそれがある。

次に、被接合体１０、２０の接合面１１、２１同士を、表面軟化層１２を介して常温接合し、接合体１００を得る（接合工程（ステップＳ１１））。

具体的には、図５に示すように、接合面１１に表面軟化層１２を形成した被接合体１０と、他方の被接合体２０とを、接合面１１、２１を対向させるように突き合わせた後、接合面１１と接合面２１とを、表面軟化層１２を介して衝合させて常温接合する（図１参照。）。

以下の各実施形態において、常温接合とは、室温〜１８０℃以下の低温加熱下、好ましくは室温で接合する方法を示す。常温接合時の温度は、好ましくは１００℃以下であり、より好ましくは５０℃以下である。

被接合体１０の接合面１１と被接合体２０の接合面２１との接合は、被接合体１０、２０のうちの少なくとも一方を所定の圧力で加圧しながら行ってもよく、さらに、被接合体１０、２０のうちの少なくとも一方を摺動させながら行ってもよい。

表面軟化層１２を、例えば、５１Ｉｎ−３２．５Ｂｉ−１６．５Ｓｎ合金で形成した場合、摺動により接合を行うことで、共晶組成が変化し、表面軟化層１２としての融点が高められる。このため、高温下でも、安定した接合状態を維持することができる。

接合工程（ステップＳ１１）は、大気圧下で行ってもよく、減圧下で行ってもよいが、被接合体１０、２０の接合をより円滑に行う観点からは、減圧下で行うことが好ましい。一方、大気圧下で接合を行う場合には、被接合体１０、２０のうちの一方を摺動させながら、接合を行うことが好ましい。

また、接合工程（ステップＳ１１）は、大気下で行ってもよく、不活性雰囲気下で行ってもよいが、接合工程を円滑に進める観点からは、例えばアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下や、水素ガス等の還元ガス雰囲気下で行うことが好ましい。

第１の実施形態では、被接合体１０と被接合体２０とを常温接合した後（接合工程（ステップＳ１１））、表面軟化層１２の融点より高い温度で熱処理を実施することが好ましい（熱処理工程（ステップＳ１２））。

熱処理工程（ステップＳ１２）の熱処理の温度は、表面軟化層１２の組成に応じて適宜調整されるが、概ね、１００〜３００℃の温度で行うことが好ましい。表面軟化層１２を介して一旦接合した被接合体１０、２０に対して、熱処理を施すことで、表面軟化層１２と、被接合体１０、２０の母材との間で、それぞれの構成原子の拡散が生じるため、表面軟化層１２の組成を、より高融点を有する組成に変化させることができる。このため、高温下でも、安定した接合状態を維持することができるため好ましい。

接合後の熱処理を行う条件は、特に限定されないが、減圧下で行うことが好ましい。

上記した第１の実施形態によれば、はんだ材を用いることなく、常温で接合を行うため、はんだ材を加熱溶融させる際の熱による、他の部材に対する損傷を抑制することができる。また、はんだ材を用いることなく接合を行うため、はんだ接合部のクリープ変形や、これに伴うはんだ接合部の亀裂や破断等を回避することができ、接続信頼性を向上させることができる。

また、第１の実施形態では、高真空雰囲気を必要とせず、また、プラズマ等による表面活性化処理用の設備も必要としないため、接合工程を低コストで行うことができる。

また、第１の実施形態では、被接合体１０の表面に、被接合体１０の母材より硬度が低い表面軟化層１２を形成することで、表面軟化層１２を介して接合面１１、２１同士を衝合させ、例えば加圧及び／又は摺動させたときに、被接合体２０の形状に応じて、表面軟化層１２が変形する。このため、接合面２１との接合面における接触面積が増大し、高い接合強度が得られる。また、表面軟化層１２が被接合体２０の形状に応じて変形することで、接合面において均一な荷重が付加されるため、接合強度のばらつきが抑制され、高い接続信頼性を得ることができる。さらに、被接合体１０より硬度の低い表面軟化層１２を形成することで、被接合体１０又は２０を摺動させながら接合を行った場合でも、接合体１００における接合面１１、接合面２１間の厚さを所望の範囲に調整することができ、均一な接合体１００を得ることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る接合方法について説明する。

なお、第２の実施形態においては、図１に示す接合体１００を得るための接合方法について説明する。

第２の実施形態において、被接合体１０の母材としては、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とすることができる。

表面軟化層１２は、被接合体１０より低い硬度を有するものであり、第２の実施形態においては、表面軟化層１２は、被接合体１０の母材と同等の組成を有する金属又は合金を主成分とすることができる。

被接合体１０が、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものである場合、被接合体１０の硬度は、熱処理の条件等により変動するものの、概ねＨｖ１００〜３００程度であり、表面軟化層１２は、この被接合体１０の硬度より低い硬度を有する。

図６は、第２の実施形態に係る接合方法の工程を説明するための流れ図である。

第２の実施形態においては、まず、図７に示すように、板状体１３を形成する（板状体形成工程（ステップ２０））。

板状体１３は、被接合体１０の母材と同等の組成を有する金属又は合金を板状にして形成する。

被接合体１０が、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものである場合、板状体１３としては、被接合体１０の母材と略同等の組成を有する金属又は合金、すなわち、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分として形成することができる。

次いで、この板状体１３に冷間加工を行い、板状体１３を加工硬化させる（板状体冷間加工工程（ステップＳ２１）、図８参照。）。冷間加工は、例えばプレス加工や圧延加工として行うことができる。

例えば、被接合体１０がＣｕを主成分とするものである場合には、後述するように、冷間加工工程（ステップＳ２１）後に行う板状体熱処理工程（ステップ２３）は、２００℃以下の温度で行うことが好ましいことから、板状体１３に対する冷間加工は、冷間加工処理後の板状体１３の再結晶化温度が２００℃以下となるように、その加工率を調整して行うことが好ましい。

なお、実施形態において、加工率（％）とは、（冷間加工前の試料高さ−冷間加工後の試料高さ）／（冷間加工前の試料高さ）×１００で示される値をいう。

例えば、Ｃｕを９９．９６％含む導電用Ｃｕ合金（例えば、JISC1020）においては、加工率を９０％以上として冷間加工を行うと、２００℃以下の温度で再結晶化する。このため、上記した導電用Ｃｕ合金を板状体１３の構成材料として使用する場合には、冷間加工は、加工率を９０％以上として行うことが好ましい。

次いで、図９に示すように、冷間加工工程後の板状体１３（図８参照。）を、例えば冷間クラッド法により、被接合体１０の接合面１１に貼着する（板状体貼着工程（ステップＳ２２））。

次いで、被接合体１０の接合面１１に貼着した板状体１３の表面に熱処理を施す（板状体熱処理工程（ステップ２３））。

熱処理の方法は特に限定されないが、例えば、板状体１３の表面領域のみを加熱できるヒータ等を用いて行うことができる。

接合面１１に貼着された板状体１３に対する熱処理は、冷間加工工程（ステップＳ２１）後の板状体１３の再結晶化温度以上の温度で行えばよいが、被接合体１０に対する損傷を抑制する観点から、２００℃以下の温度で行うことが好ましい。このため、板状体１３の構成材料としては、冷間加工処理後において、２００℃以下の再結晶化温度を得られる金属又は合金を選択することが好ましく、例えば、Ｃｕ、Ａｌから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分として形成することが好ましい。

このように、冷間加工後の板状体１３に対して、再結晶化温度以上の温度で表面に熱処理を加えることで、冷間加工により加工硬化した結晶組織が再結晶化して粗大化し、硬度が低下する。これにより、被接合体１０の母材より硬度の低い表面軟化層１２が形成される（図４参照）。例えば、上記した、Ｃｕを９９．９６％含む導電用Ｃｕ合金（例えば、JISC1020）では、冷間加工処理前の室温（２０℃程度）での硬さがＨｖ１１０程度であるのに対し、冷間加工処理後、１８０℃で熱処理を行った後の硬度は、Ｈｖ９０程度まで低減する。

被接合体１０が、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものである場合、上記したように、被接合体１０の硬度は、概ねＨｖ１００〜３００程度であり、表面軟化層１２は、この被接合体１０の硬度より低い硬度とする。

表面軟化層１２は、１０〜５００μｍの厚さとすることが好ましく、５０〜２００μｍの厚さとすることがより好ましい。表面軟化層１２の厚さが１０μｍ未満であると、後述する接合工程（ステップ２４）において、被接合体１０又は２０に対して加圧したときに、表面軟化層１２において、被接合体２０の表面形状に応じた変形を十分に得られず、均一な接合強度を得られないおそれがある。
一方、表面軟化層１２の厚さが５００μｍを超えると、常温接合時に、接合面１１と接合面２１との間の幅が過度に大きくなり、接合状態が不安定となるおそれがある。

次に、被接合体１０、２０の接合面１１、２１同士を、表面軟化層１２を介して常温接合し、接合体１００を得る（接合工程（ステップ２４））。

具体的には、第１の実施形態と同様、図５に示すように、接合面１１に表面軟化層１２を形成した被接合体１０と、他方の被接合体２０とを、接合面１１、２１を対向させるように突き合わせた後、接合面１１と接合面２１とを、表面軟化層１２を介して衝合させて常温接合する（図１参照。）。

被接合体１０の接合面１１と被接合体２０の接合面２１との接合は、被接合体１０、２０のうちの少なくとも一方を所定の圧力で加圧しながら行ってもよく、さらに、被接合体１０、２０のうちの少なくとも一方を摺動させながら行ってもよい。

接合工程（ステップ２４）は、大気圧下で行ってもよく、減圧下で行ってもよいが、被接合体１０、２０の接合をより円滑に行う観点からは、減圧下で行うことが好ましい。一方、大気圧下で接合を行う場合には、被接合体１０、２０のうちの一方を摺動させながら、接合を行うことが好ましい。

また、接合工程（ステップ２４）は、大気下で行ってもよく、不活性雰囲気下で行ってもよいが、接合工程を円滑に進める観点からは、例えばアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下や、水素ガス等の還元ガス雰囲気下で行うことが好ましい。

上記した第２の実施形態によれば、はんだ材を用いることなく、常温で接合を行うため、はんだ材を加熱溶融させる際の熱による、他の部材に対する損傷を抑制することができる。また、はんだ材を用いることなく接合を行うため、はんだ接合部のクリープ変形や、これに伴うはんだ接合部の亀裂や破断等を回避することができ、接続信頼性を向上させることができる。

また、第２の実施形態では、高真空雰囲気を必要とせず、また、プラズマ等による表面活性化処理用の設備も必要としないため、接合工程を低コストで行うことができる。

また、第２の実施形態では、被接合体１０の表面に、被接合体１０の母材と同等の組成を有する金属又は合金と同等の組成を有する金属又は合金からなり、かつ被接合体１０の母材より硬度が低い表面軟化層１２を形成することで、表面軟化層１２を介して接合面１１、２１同士を衝合させ、例えば加圧及び／又は摺動させたときに、被接合体２０の形状に応じて、表面軟化層１２が変形する。このため、接合面２１との接合面における接触面積が増大し、高い接合強度が得られる。また、表面軟化層１２が被接合体２０の形状に応じて変形することで、接合面において均一な荷重が付加されるため、接合強度のばらつきが抑制され、高い接続信頼性を得ることができる。さらに、被接合体１０より硬度の低い表面軟化層１２を形成することで、被接合体１０又は２０を摺動させながら接合を行った場合でも、接合体１００における接合面１１、接合面２１間の厚さを所望の範囲に調整することができ、均一な接合体１００を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、第３の実施形態に係る接合方法について説明する。

なお、第３の実施形態においては、図１に示す接合体１００を得るための接合方法について説明する。

第３の実施形態において、被接合体１０の母材としては、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とすることができる。

表面軟化層１２は、被接合体１０より低い硬度を有するものであり、第３の実施形態においては、表面軟化層１２は、被接合体１０の母材と同等の組成を有する金属又は合金を主成分としている。

被接合体１０が、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものである場合、被接合体１０の硬度は、上記したように、概ねＨｖ１００〜３００程度であり、表面軟化層１２は、この被接合体１０の硬度より低い硬度を有する。

図１０は、第３の実施形態に係る接合方法の工程を説明するための流れ図である。

第３の実施形態においては、まず、被処理体１０に対して冷間加工を行う（冷間加工工程（ステップＳ３０））。

冷間加工は、例えばプレス加工や圧延加工として行うことができる。この冷間加工により、被接合体１０を加工硬化させる。

冷間加工の加工率は、被接合体１０の母材の種類に応じて適宜選択することができる。例えば、被接合体１０の母材がＡｌを主成分とするものである場合には、後述する熱処理工程（ステップ３１）後、得られる表面軟化層１２において所望の硬度を得る観点から、冷間加工の加工率は、８５％以上とすることが好ましく、被接合体１０の母材がＣｕを主成分とするものである場合には、同様の観点から、冷間加工の加工率は、５０％以上とすることが好ましい。

被接合体１０に対して冷間加工工程（ステップＳ３０）を行った後、後述する熱処理工程（ステップＳ３１）を行う前に、適宜、熱間圧延加工を行ってもよい。例えば、被接合体１０の母材がＡｌを主成分とするものである場合には、冷間圧延加工を行った後、熱間圧延加工を行うことが好ましい。この場合、Ａｌを主成分とする被接合体１０に対する熱間圧延加工処理は、３５０〜４５０℃の温度範囲で行うことが好ましい。

次に、冷間加工を施した被処理体１０の接合面１１に対して熱処理を施し、表面軟化層１２（図４参照。）を形成する（熱処理工程（ステップ３１））。

熱処理工程（ステップ３１）は、例えば焼なまし処理により行うことができる。焼なまし処理の温度は、被接合体１０の母材の種類に応じて、その再結晶化温度との関係で適宜設定される。例えば、被処理体１０がＡｌを主成分とするものである場合には、１００〜２００℃の温度範囲で行うことが好ましく、１３０〜１７０℃の温度範囲で行うことがより好ましい。また、被処理体１０がＣｕを主成分とするものである場合には、１５０〜２５０℃の温度範囲で行うことが好ましく、１８０〜２２０℃の温度範囲で行うことがより好ましい。

このように、冷間加工後の被接合体１０の接合面１１に対して、再結晶化温度以上の温度で熱処理を加えることで、冷間加工により加工硬化した結晶組織が再結晶化して粗大化し、硬度が低下する。これにより、被接合体１０の接合面１１に、被接合体１０の母材より硬度の低い表面軟化層１２が形成される（図４参照。）。

被接合体１０が、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものである場合、上記したように、被接合体１０の硬度は、概ねＨｖ１００〜３００程度であり、表面軟化層１２は、この被接合体１０の硬度より低い硬度とする。

表面軟化層１２は、１０〜５００μｍの厚さとすることが好ましく、５０〜２００μｍの厚さとすることがより好ましい。表面軟化層１２の厚さが１０μｍ未満であると、後述する接合工程（ステップＳ３２）において、被接合体１０又は２０に対して加圧したときに、表面軟化層１２において、被接合体２０の表面形状に応じた変形を十分に得られず、均一な接合強度を得られないおそれがある。一方、表面軟化層１２の厚さが５００μｍを超えると、常温接合時に、接合面１１と接合面２１との間の幅が過度に大きくなり、接合状態が不安定となるおそれがある。

次に、被接合体１０、２０の接合面１１、２１同士を、表面軟化層１２を介して常温接合し、接合体１００を得る（接合工程（ステップＳ３２））。

具体的には、第１の実施形態と同様、図５に示すように、接合面１１に表面軟化層１２を形成した被接合体１０と、他方の被接合体２０とを、接合面１１、２１を対向させるように突き合わせた後、接合面１１と接合面２１とを、表面軟化層１２を介して衝合させて常温接合する（図１参照）。

被接合体１０の接合面１１と被接合体２０の接合面２１との接合は、被接合体１０、２０のうちの少なくとも一方を所定の圧力で加圧しながら行ってもよく、さらに、被接合体１０、２０のうちの少なくとも一方を摺動させながら行ってもよい。

接合工程（ステップＳ３２）は、大気圧下で行ってもよく、減圧下で行ってもよいが、被接合体１０、２０の接合をより円滑に行う観点からは、減圧下で行うことが好ましい。一方、大気圧下で接合を行う場合には、被接合体１０、２０のうちの一方を摺動させながら、接合を行うことが好ましい。

また、接合工程（ステップＳ３２）は、大気下で行ってもよく、不活性雰囲気下で行ってもよいが、接合工程を円滑に進める観点からは、例えばアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下や、水素ガス等の還元ガス雰囲気下で行うことが好ましい。

上記した第３の実施形態によれば、はんだ材を用いることなく、常温で接合を行うため、はんだ材を加熱溶融させる際の熱による、他の部材に対する損傷を抑制することができる。また、はんだ材を用いることなく接合を行うため、はんだ接合部のクリープ変形や、これに伴うはんだ接合部の亀裂や破断等を回避することができ、接続信頼性を向上させることができる。

また、第３の実施形態では、高真空雰囲気を必要とせず、また、プラズマ等による表面活性化処理用の設備も必要としないため、接合工程を低コストで行うことができる。

また、第３の実施形態では、被接合体１０の表面に、被接合体１０の母材より硬度が低い表面軟化層１２を形成することで、表面軟化層１２を介して接合面１１、２１同士を衝合させ、例えば加圧及び／又は摺動させたときに、被接合体２０の形状に応じて、表面軟化層１２が変形する。このため、接合面２１との接合面における接触面積が増大し、高い接合強度が得られる。また、表面軟化層１２が被接合体２０の形状に応じて変形することで、接合面において均一な荷重が付加されるため、接合強度のばらつきが抑制され、高い接続信頼性を得ることができる。さらに、被接合体１０より硬度の低い表面軟化層１２を形成することで、被接合体１０又は２０を摺動させながら接合を行った場合でも、接合体１００における接合面１１、接合面２１間の厚さを所望の範囲に調整することができ、均一な接合体１００を得ることができる。

（第４実施形態）
次に、第４の実施形態に係る接合方法について説明する。

なお、第４の実施形態においては、図１に示す接合体１００を得るための接合方法について説明する。

第４の実施形態において、被接合体１０の母材は、特に限定されず、例えばＣｕ、Ａｌ、等の金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものであってもよく、ＡｌＮ等のセラミックを主成分とするものであってもよく、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド等の樹脂材料を主成分とするものであってもよい。

表面軟化層１２は、被接合体１０より低い硬度を有するものであり、第４の実施形態においては、表面軟化層１２は、被接合体１０の母材と同等の組成を有するものとしてもよく、被接合体１０の母材と異なる組成を有するものとしてもよい。

被接合体１０が、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものである場合、上記したように、被接合体１０の硬度は、概ねＨｖ１００〜３００程度であり、表面軟化層１２は、この被接合体１０の硬度より低い硬度を有する。

図１１は、第４の実施形態に係る接合方法の工程を説明するための流れ図である。

第４の実施形態においては、まず、接合面１１に対してナノドット形成を行い、表面軟化層１２（図４参照。）を形成する（ナノドット形成工程（ステップＳ４０））。

なお、実施形態において、ナノドットとは、典型的には１ナノメートルから１０００ナノメートルまでの大きさの微細構造を意味する。

例えば、被接合体１０が、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅから選ばれる金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものである場合、上記したように、被接合体１０の硬度は、概ねＨｖ１００〜３００であり、表面軟化層１２は、この被接合体１０の硬度より低い硬度とする。

ナノドットは、上記したように、被接合体１０の母材と同等の組成を有するもので形成してもよく、被接合体１０の母材と異なる組成を有するもので形成してもよいが、被接合体１０との馴染み性を向上させる観点からは、被接合体１０と同等の組成を有するものでナノドットを形成することが好ましい。

例えば、被接合体１０の母材と同等の組成によりナノドットを形成した場合、ナノオーダーのドットを形成することで、被接合体１０の母材と比較して、常温下での融点が低下する。このため、常温下において、被接合体１０の母材より低い硬度を有する表面軟化層１２を形成することができる。

ナノドット形成は、例えば、自己組織化による焼なまし法、エピタキシャル成長法、又はポーラスアルミナテンプレート法を用いて行うことができる。

表面軟化層１２は、１０〜５００μｍの厚さとすることが好ましく、５０〜２００μｍの厚さとすることがより好ましい。表面軟化層１２の厚さが１０μｍ未満であると、後述する接合工程（ステップ４１）において、被接合体１０又は２０に対して加圧したときに、表面軟化層１２において、被接合体２０の表面形状に応じた変形を十分に得られず、均一な接合強度を得られないおそれがある。一方、表面軟化層１２の厚さが５００μｍを超えると、常温接合時に、接合面１１と接合面２１との間の幅が過度に大きくなり、接合状態が不安定となるおそれがある。

次に、被接合体１０、２０の接合面１１、２１同士を、表面軟化層１２を介して常温接合し、接合体１００を得る（接合工程（ステップ４１））。

具体的には、第１の実施形態と同様、図５に示すように、接合面１１に表面軟化層１２を形成した被接合体１０と、他方の被接合体２０とを、接合面１１、２１を対向させるように突き合わせた後、接合面１１と接合面２１とを、表面軟化層１２を介して衝合させ、常温接合する（図１参照）。

本実施形態では、上記したように、表面軟化層１２を均一なナノドットにより形成しているので、被接合体１０又は２０に押圧力を付与したときに、接合面２１との接合面において均一な荷重を得られる。また、表面軟化層１２が、接合面２１に対して複数の点（ドット）で接触することで、被接合体１０、２０に対して付与した押圧力よりも大きい荷重が接合面２１に対して付与される。このため、接合体において均一かつ高い接合強度を得ることができ、良好な接合状態を得ることができる。

被接合体１０の接合面１１と被接合体２０の接合面２１との接合は、被接合体１０、２０のうちの少なくとも一方を所定の圧力で加圧しながら行ってもよく、さらに、被接合体１０、２０のうちの少なくとも一方を摺動させながら行ってもよい。被接合体１０、２０のうちの少なくとも一方を摺動させることで、接合面において両者の接合が促進され、良好な接合状態を得ることができる。

接合工程（ステップ４１）は、大気圧下で行ってもよく、減圧下で行ってもよいが、被接合体１０、２０の接合をより円滑に行う観点からは、減圧下で行うことが好ましい。一方、大気圧下で接合を行う場合には、被接合体１０、２０のうちの一方を摺動させながら、接合を行うことが好ましい。

また、接合工程（ステップ４１）は、大気下で行ってもよく、不活性雰囲気下で行ってもよいが、接合工程を円滑に進める観点からは、例えばアルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下や、水素ガス等の還元ガス雰囲気下で行うことが好ましい。

上記した第４の実施形態によれば、はんだ材を用いることなく、常温で接合を行うため、はんだ材を加熱溶融させる際の熱による、他の部材に対する損傷を抑制することができる。また、はんだ材を用いることなく接合を行うため、はんだ接合部のクリープ変形や、これに伴うはんだ接合部の亀裂や破断等を回避することができ、接続信頼性を向上させることができる。

また、第４の実施形態では、高真空雰囲気を必要とせず、また、プラズマ等による表面活性化処理用の設備も必要としないため、接合工程を低コストで行うことができる。

また、第４の実施形態では、被接合体１０の表面に、被接合体１０の母材より硬度が低い表面軟化層１２を形成することで、表面軟化層１２を介して接合面１１、２１同士を衝合させ、例えば加圧及び／又は摺動させたときに、被接合体２０の形状に応じて、表面軟化層１２が変形する。このため、接合面２１との接合面における接触面積が増大し、高い接合強度が得られる。また、表面軟化層１２が被接合体２０の形状に応じて変形することで、接合面において均一な荷重が付加されるため、接合強度のばらつきが抑制され、高い接続信頼性を得ることができる。さらに、被接合体１０より硬度の低い表面軟化層１２を形成することで、被接合体１０又は２０を摺動させながら接合を行った場合でも、接合体１００における接合面１１、接合面２１間の厚さを所望の範囲に調整することができ、均一な接合体１００を得ることができる。

なお、第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態において、被接合体１０の母材は、特に限定されず、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属又はこれらの金属を含む合金を主成分とするものであってもよく、ＡｌＮ等のセラミックを主成分とするものであってもよく、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド等の樹脂材料を主成分とするものであってもよい。

上記した第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態では、被接合体１０の接合面１１に表面軟化層１２を形成する態様を例に説明したが、表面軟化層１２は、被接合体２０の接合面２１に形成するようにしてもよく、被接合体１０の接合面１１、被接合体２０の接合面２１の双方の形成するようにしてもよい。

上記した実施形態の接合方法は、例えば、図１２に示す構成の半導体装置の製造工程において適用することができる。

すなわち、図１２に示す半導体装置５０は、例えばＳｉＮ等のセラミックからなる絶縁基板５１の表面及び裏面に、例えばＣｕからなる配線層５２が形成された実装基板５３と、配線層５２上に載置された、Ｓｉ、ＳｉＣ又はＧａＮ等からなる半導体素子５４と、半導体素子５４と配線層５２とを接続するＡｌワイヤ５５と、実装基板５３を支持するベース板５６と、実装基板５３を覆うようにベース板５６上に設置されたケース５７と、を有している。ベース板５６には、サーマルグリース５８を介して、実装基板５３からの熱を放散するヒートシンク５９が接合されており、ケース５７内には、例えばシリコーンゲル等からなるゲル６０が充填されている。

図１２に示す半導体装置５０の製造方法においては、まず、表面軟化層６１を形成したベース板５６を、上記した実施形態に係る接合方法により、他方の被接合体である実装基板５３（絶縁基板５１の表面及び裏面に配線層５２が形成された基板）と接合する。さらに、実装基板５３とベース板５６との接合面の反対側の面に表面軟化層６２を形成した実装基板５３を、上記した実施形態に係る接合方法により、他方の被接合体である半導体素子５４と接合する。

図１２においては、ベース板５６の接合面に表面軟化層６１を形成し、このベース板５６を、実装基板５３と接合して得られた半導体装置５０の例を示したが、ベース板５６と実装基板５３との接合は、表面軟化層６１を、実装基板５３の接合面に形成して行うことも可能である。
ベース板５６の接合面に表面軟化層１２を形成する場合には、上記した第１の実施形態乃至第４の実施形態のいずれの形態の接合方法も適用することが可能である。一方、実装基板５３の接合面に表面軟化層１２を形成する場合には、第１の実施形態又は第４の実施形態の接合方法を適用することが可能である。

また、図１２においては、実装基板５３の接合面に表面軟化層６２を形成し、この実装基板５３を、半導体素子５４と接合して得られた半導体装置５０の例を示したが、実装基板５３と半導体素子５４との接合は、表面軟化層６２を、半導体素子５４の接合面に形成して行うことも可能である。ただし、表面軟化層６２の形成し易さの面からは、実装基板５３の接合面に表面軟化層６２を形成することが好ましい。
実装基板５３の接合面に表面軟化層１２を形成する場合、及び半導体素子５４の接合面に表面軟化層１２を形成する場合には、上記した第１の実施形態又は第４の実施形態を適用することが可能である。

次いで、ベース板５６を、サーマルグリース５８を介して、ヒートシンク５９と接合した後、実装基板５３を覆うようにケース５７を設置し、ケース５７内にゲル６０を注入する。

上記した各実施形態に係る接合方法は、例えば、電気鉄道車両や電気自動車などの長期の信頼性と耐環境変動性が要求される分野の機器や、家電機器などに使用されるパワーモジュールの製造に適用することができる。また、これ以外にも、上記した各実施形態に係る接合方法は、医療用診断装置として活用されている磁気共鳴イメージング（以下、ＭＲＩ装置という。）やＸ線ＣＴ装置の製造工程において、Ａｌ、Ｃｕ又はこれらの複合材料からなるコイルの接合にも適用することができる。また、上記した各実施形態に係る接合方法は、発電機等に用いられる回転機の製造工程において、樹脂材料製の軸受けと金属材料との接合などにも適用することができる。

（接合強度の評価）
以下に、２枚の銅板を接合した接合体について、接合強度の評価を行った。

まず、純度９９．９６％（例えば、JISC1020）の２枚の銅板（厚さ１０００μｍ、硬度Ｈｖ１００）を用意した。次いで、上記した２枚の銅板（被接合体）と同じ組成を有する銅製の板状体（厚さ１ｍｍ）を用意し、この板状体に対して、加工率９０％で冷間圧延加工を行った。この銅製の板状体を、冷間クラッド法により、銅板の一方の主面に貼着した後、板状体の表面を、２００℃の温度で２時間保持して熱処理を行い、表面軟化層（硬度Ｈｖ５０）を形成した。この表面軟化層を、他方の銅板の主面と突き合わせ、１００℃の温度下で、２Ｐａの圧力で加圧しつつ３０秒間摺動させて、常温接合を行った。上記した接合工程を、合計１５組の銅板に対して行い、１５個の試験片を得た（実施例）。

一方、比較例は、以下のようにして銅板の接合を行った。すなわち、実施例で用いたのと同じ２枚の銅板を用意し、この２枚の銅板のいずれに対しても、表面軟化層の形成を行わなかったこと以外は、実施例１と同様にして、２枚の銅板の接合を行った。上記した接合工程を、合計１５組の銅板に対して行い、１５個の試験片を得た（比較例）。

実施例及び比較例で得られた各試験片について、インストロン試験機を用い、引張速度２０ｍｍ／ｓで、引張試験を行った。

図１３は、実施例及び比較例において得られた各接合体の引張強度の測定結果を、ボックスプロット（boxplot）に表示したグラフ図である。

図１３に示すボックスプロットは、縦軸が引張強度（ＭＰａ）を表しており、引張強度の全データを小さい方から並べたときの第１四分位点（２５％点）から第３四分位点（７５％点）までを「箱」形状（実線）に表示し、第１四分位点（２５％点）から最小値（５％点）までの点、及び第３四分位点（７５％点）から最大値（９５％点）までの点をそれぞれ線で結んで「ひげ」状に表示し、中央値（５０％点）を破線で表示している。また、全データの平均値は黒丸に示している。
なお、比較例においては、第１四分位点（２５％点）と最小値（５％）とが一致しているため、第１四分位点（２５％点）から最小値（５％）までの線は表記されない。
また、実施例においては、中央値と第１四分位点（２５％点）とが一致しているため、中央値を表す破線は、「箱」形状の表１３中下側の実線と一致している。

実施例及び比較例で得られた各試験片の引張強度（ＭＰａ）の測定値から算出される、平均値及び標準偏差の値を、表１に示す。

銅板（被接合体）に対して表面軟化層を形成して接合を行った実施例では、図１３で示すように、各接合体（各試験体）間の引張強度の値に殆どばらつきがなく、標準偏差が０．９８６と小さい値を得られていた。さらに、引張強度の平均値も、１８．４０と高い値を得られており、均一かつ良好な接合強度が得られることが確認された。

一方、表面軟化層を形成することなく接合を行った比較例では、図１３で示すように、実施例と比較して、引張強度のばらつきが大きくなっており、標準偏差も３．００と高く、各接合体（各試験体）間で得られる接合強度が不均一となり易いことが確認された。

上記した実施形態によれば、他の部材に対する損傷を抑制しつつ、安定した接合状態を得ることができ、接合部において優れた接続信頼性を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

１０，２０…被接合体、１１，２１…接合面、１２，６１，６２…表面軟化層、１３…板状体、５０…半導体装置、５１…絶縁基板、５２…配線層、５３…実装基板、５４…半導体素子、５５…Ａｌワイヤ、５６…ベース板、５７…ケース、５８…サーマルグリース、５９…ヒートシンク、６０…ゲル、１００…接合体

Claims (15)

1. 被接合体同士を接合する接合方法であって、
   少なくとも一方の前記被接合体の接合面に、当該被接合体の母材より硬度の低い表面軟化層を形成する工程と、
   前記被接合体の接合面同士を、前記表面軟化層を介して常温接合する工程とを有することを特徴とする接合方法。
2. 前記接合面に、この接合面を有する前記被接合体の母材より低い融点を有する金属又は合金からなる表面軟化層を形成することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
3. 前記表面軟化層を構成する金属又は合金は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｚｎからなる群から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
4. 前記表面軟化層を構成する合金は、Ｉｎ−Ｂｉ−Ｓｎからなる３元系合金、又はＩｎ−Ｂｉ、Ｇａ−Ｉｎ、Ｉｎ−Ｚｎ、Ｉｎ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、若しくはＡｌ−Ｇａから選択される２元系合金からなることを特徴とする請求項２又は３に記載の接合方法。
5. 前記表面軟化層を形成する工程を、化学メッキ法、冷間クラッド法、又は拡散接合法の少なくとも１つの方法を用いて行うことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の接合方法。
6. 前記接合工程では、前記接合面同士を常温接合した後、前記表面軟化層の融点より高い温度で熱処理を行うことを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の接合方法。
7. 前記表面軟化層を形成する工程は、前記被接合体の母材と同等の組成を有する金属又は合金を板状体に形成した後、前記板状体に冷間加工を施し、前記冷間加工後の前記板状体を前記接合面に貼着した後、前記板状体の表面に熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
8. 前記冷間加工後の前記板状体の再結晶化温度を２００℃以下とすることを特徴とする請求項７に記載の接合方法。
9. 前記冷間加工後の前記板状体を前記接合面に貼着する工程は、冷間クラッド法を用いて行うことを特徴とする請求項７又は８に記載の接合方法。
10. 前記表面軟化層を形成する工程は、前記被処理体に冷間加工を施した後、該冷間加工を施した前記被処理体の接合面に熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
11. 前記表面軟化層形成工程は、Ａｌを主成分とする前記被接合体に対して、加工率を８５％以上として冷間加工を施した後、３５０〜４５０℃の温度範囲で熱間圧延加工を施し、該熱間圧延加工後の前記被接合体の前記接合面に対して、１００〜２００℃の温度範囲で焼なまし処理を行うことを特徴とする請求項１０に記載の接合方法。
12. 前記表面軟化層形成工程は、Ｃｕを主成分とする前記被接合体に対して、加工率を５０％以上として冷間加工を施した後、該冷間加工後の前記被接合体の前記接合面に対して、１５０〜２５０℃の温度範囲で焼なまし処理を施して行うことを特徴とする請求項１０に記載の接合方法。
13. 前記表面軟化層を形成する工程は、前記接合面に対してナノドットを形成して行うことを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
14. 前記ナノドットの形成は、自己組織化による焼なまし法、エピタキシャル成長法、又はポーラスアルミナテンプレート法から選択されるいずれかを用いて行うことを特徴とする請求項１３に記載の接合方法。
15. 前記常温接合は、１８０℃以下の温度範囲で行うことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の接合方法。

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