JP6848008B2 - 接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、接合方法に関する。

近年、電力損失の低減が期待できるバンドギャップが広い次世代のパワーモジュール材料として、炭化シリコン（ＳｉＣ）の利用が検討されている。このＳｉＣを用いたパワーモジュールは、高温（例えば、３００℃以上）での動作が予想されることから、パワーモジュールを構成する要素の接合には耐熱性が必要となる。

上記構成要素の接合方法の１つとして、はんだを用いた方法を挙げることができ、耐熱性を備えたはんだ材料の開発が進められてきた（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、はんだによる接合は真空中で行う必要があるため、密閉された室内で構成要素を接合するバッチ処理を行う必要があり、取り回しが悪い問題がある。また、融点の高いはんだ材料は酸化しやすく、ぬれ性が悪いため、接合不良が生じる問題もある。

一方、大気中で行うことが可能な接合方法としては、銀シンター（例えば、特許文献２参照）や銅シンター（例えば、特許文献３参照）などの粉末冶金を用いる方法があり、半導体チップのボンディングにおいて実用化されている。

特開２０１５−７２９５９号公報 特開２０１１−２３６４９４号公報 特開２０１３−９１８３５号公報

特許文献２および特許文献３に記載されたようなシンターを用いた方法では、接合面に圧力を均一に印加してから接合を開始する必要があるが、接合面の面積が大きい場合に圧力を均一に印加するのは困難である。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、接合面の面積が大きい場合にも、パワーモジュールの構成要素を強固に接合することができる接合方法を提案することにある。

上記課題を解決するために、第１の観点に係る接合方法は、金属を有する第１の被接合材及びセラミックスを有する第２の被接合材のうちの一方の表面に酸素イオン伝導体層を形成する酸素イオン伝導体層形成工程と、
前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを、両者が前記酸素イオン伝導体層を介して接触するように配置する配置工程と、
前記第１の被接合材を電圧印加装置の正極側及び負極側のうちの一方に接続するとともに、前記第２の被接合材を電圧印加装置の正極側及び負極側のうちの他方に接続する接続工程と、
前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間に電圧を印加して、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合する電圧印加工程と、
を含み、
前記第１の被接合材は、その表面に酸化物層を有し、
前記酸素イオン伝導体層形成工程において、前記酸素イオン伝導体層は前記第２の被接合材の表面に形成され、
前記配置工程において、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とが、両者が前記酸化物層及び前記酸素イオン伝導体層を介して接触するように配置され、
前記接続工程において、前記第１の被接合材が電圧印加装置の負極側に接続され、前記第２の被接合材が電圧印加装置の正極側に接続されることを特徴とする接合方法。

本発明によれば、接合面の面積が大きい場合にも、パワーモジュールの構成要素を強固に接合することができる。

本発明による接合方法のフローチャートである。 実施例１を説明する図である。 実施例２を説明する図である。 実施例３を説明する図である。 実施例４を説明する図である。 実施例５を説明する図である。 実施例６を説明する図である。 実施例７を説明する図である。 実施例８を説明する図である。 実施例９を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明による接合方法について説明する。図１は、本発明による接合方法のフローチャートを示している。本発明による接合方法は、金属を有する第１の被接合材及びセラミックスを有する第２の被接合材のうちの一方の表面に酸素イオン伝導体層を形成する酸素イオン伝導体層形成工程（ステップＳ１）と、第１の被接合材と第２の被接合材とを、両者が酸素イオン伝導体層を介して接触するように配置する配置工程（ステップＳ２）と、第１の被接合材を電圧印加装置の正極側及び負極側のうちの一方に接続するとともに、第２の被接合材を電圧印加装置の正極側及び負極側のうちの他方に接続する接続工程（ステップＳ３）と、第１の被接合材と第２の被接合材との間に電圧を印加して、第１の被接合材と第２の被接合材とを接合する電圧印加工程（ステップＳ４）とを含むことを特徴とする。

上述のように、パワーモジュールの構成要素を接合する際に、はんだを用いた方法では真空中で行う必要があることから取り回しが悪く、また、はんだ材料の酸化やぬれ性の問題がある。また、銀シンターや銅シンターを用いた方法では、接合面の面積が大きい場合に接合面に圧力を均一に印加することが困難である。

パワーモジュールの構成要素としては、ベースプレートや冷却プレート、多層配線基板、外部接続端子などを挙げることができる。これらの構成要素のうち、ベースプレートや多層配線基板における内部配線層、外部接続端子などは、金属で構成されている。また、パワーモジュール基板等の回路基板は、主にセラミックスで構成されている。つまり、パワーモジュールの構成要素の接合は、主に金属とセラミックスとの接合である。

そこで、本発明者は、大面積に亘って金属とセラミックスとを強固に接合することができる方法について鋭意検討した。その結果、本発明者は、酸素イオン伝導体を介在させることにより、金属とセラミックスとの間に電圧を印加して、両者を強固に接合できることを見出したのである。

具体的には、金属の表面に酸素イオン伝導体層を形成し、金属とセラミックスとを酸素イオン伝導体層を介して接触させた後、金属を電圧印加装置の正極側に接続するとともにセラミックスを電圧印加装置の負極側に接続し、金属とセラミックスとの間に直流電圧を印加したところ、両者が強固に接合された。

上記の強固な接合が形成される理由は、金属とセラミックスとの間に電圧を印加すると、接触によって誘起される正電荷と負電荷によって強い静電力が働いて金属の表面に形成された酸素イオン伝導体層とセラミックスとが原子レベルの距離まで近いて密着し、酸素イオン伝導体層を構成する酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）とセラミックス（Ｒ−Ｏ）との間において、下記の式（１）に示すような還元反応が起きて共有結合が形成されるためと考えられる。

Ｘ−Ｏ＋Ｒ−Ｏ＋２ｅ → Ｘ−Ｏ−Ｒ＋Ｏ^２− （１）

上記還元反応によれば、セラミックス（Ｒ−Ｏ）を構成する酸化物が還元され、還元された酸化物の材料（Ｒ）と酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）との間に結合（Ｘ−Ｏ−Ｒ）が形成され、酸素イオン伝導体とセラミックスとが当接面にて強固に接合される。

一方、上記還元反応において生じたＯ^２−イオンは、酸素イオン伝導体層中を移動して陽極側に移動して排出される。このように、陰極側のセラミックスにおいて還元反応が起きた結果、酸素イオン伝導体とセラミックス、ひいては金属とセラミックスとの間で強固な接合が形成されたものと考えられる。

上記式（１）で表される還元反応は、従来の陽極接合法において起こる電気化学反応とは対照的な反応と考えられる。すなわち、陽極接合法により、例えばガラス（Ｘ−Ｏ−Ｎａ）と金属（Ｍ）とを接合する場合、ガラス（Ｘ−Ｏ−Ｎａ）と金属（Ｍ）との間において、下記の式（２）〜（４）に示すような酸化反応が起こると考えられる。

Ｘ−Ｏ−Ｎａ → Ｘ−Ｏ⁻＋Ｎａ^＋ （２）
Ｘ−Ｏ⁻＋Ｍ → Ｘ−Ｏ−Ｍ＋ｅ （３）
Ｎａ^＋＋ｅ → Ｎａ （４）

上記式（２）及び（３）の反応は、陽極側（接触界面）で起きる反応であり、Ｎａがイオン化され離脱してＸ−Ｏ−が生成され、Ｍと結合して接合が形成される。一方、式（４）の反応は、負極側で起きる還元反応であり、ガラス中を陰極側に向かって移動してきたＮａ^＋が電子を受け取ってＮａに還元される。

このように、陰極における還元反応に基づく本発明による接合方法は、陽極における酸化反応に基づく従来の陽極接合法とは対照的かつ新規な接合方法であり、従来の陽極接合法に対して「陰極接合法」と呼ぶものとする。この陰極接合法によれば、酸素イオン伝導体とセラミックス、ひいては金属とセラミックスとを強固に接合することができる。

また、上記式（２）〜（４）から明らかなように、ガラス中で電気を運んでいるのはＮａ^＋であり、単独のＯ^２−は介在しない。陰極側にＮａが析出するため、汚染源になったりガラスにメッキ面がある場合には界面でのメッキ剥離の原因になったりする。この点、本発明においては、酸素イオン伝導をＯ^２−が担うため、酸化、還元いずれにも対応した接合が形成される。酸素はガスであるため、上記ガラス中での反応において生じる汚染やメッキ剥離の問題も生じない。

なお、上記具体例においては、酸素イオン伝導体層は金属の表面に形成されているが、セラミックスの表面に形成した場合にも、金属とセラミックスとを強固に接合できることも分かった。ただし、この場合には、金属を電圧印加装置の負極側に接続するとともにセラミックスを電圧印加装置の正極側に接続し、電圧の極性を反転させる必要があることが分かった。

この場合にも、上述した陰極接合と同様の電気化学反応が生じたものと考えられる。すなわち、パワーモジュールを構成する金属（Ｍ）の表面には一般に酸化物層である自然酸化膜（Ｍ−Ｏ）が形成されており、酸素イオン伝導体層とセラミックスとの間に電圧を印加すると、酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）と自然酸化膜（Ｍ−Ｏ）との間において、下記の式（５）に示すような還元反応が起きると考えられる。

Ｘ−Ｏ＋Ｍ−Ｏ＋２ｅ → Ｘ−Ｏ−Ｍ＋Ｏ^２− （５）

上記還元反応によれば、自然酸化膜（Ｍ−Ｏ）を構成する金属酸化物が還元され、還元された金属酸化物の金属（Ｍ）と酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）との間に結合（Ｘ−Ｏ−Ｍ）が形成され、金属と酸素イオン伝導体、ひいては金属とセラミックスとが当接面にて強固に接合される。

さらに、本発明者は、上記金属の表面の自然酸化膜を研磨処理などにより除去した場合や、金などのような自然酸化膜が形成されにくいものについても、金属を電圧印加装置の正極側に接続するとともにセラミックスを電圧印加装置の負極側に接続して電圧を印加することにより、金属とセラミックスとが強固に接合されることも分かった。

上記の強固な接合が形成される理由は、酸素イオン伝導体と金属との間に電圧を印加すると、酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）と金属（Ｍ）との間において、下記の式（６）〜（８）に示すような酸化反応が起きるためと考えられる。

Ｘ−Ｏ＋Ｏ^２−＋Ｍ → Ｘ−Ｏ_２−Ｍ＋２ｅ （６）
Ｏ^２−＋Ｍ → Ｍ−Ｏ＋２ｅ （７）
Ｘ−Ｏ＋Ｏ^２−＋Ｍ−Ｏ → Ｘ−Ｏ_３−Ｍ＋２ｅ （８）

上記酸化反応により、酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）と金属（Ｍ）との当接面では、酸素空孔位置に入った酸素イオンが電子を放出して金属（Ｍ）並びに酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）と新たに強固な結合（Ｘ−Ｏ_３−Ｍ）を形成し、当接面にて強固な接合が形成されたものと考えられる。

このように、本発明者は、金属とセラミックスとを酸素イオン伝導体を介して強固に接合できることを見出し、本発明を完成させたのである。以下、本発明の各工程について説明する。

まず、ステップＳ１において、金属を有する第１の被接合材及びセラミックスを有する第２の被接合材のうちの一方の表面に酸素イオン伝導体層を形成する（酸素イオン伝導体層形成工程）。

本発明における第１の被接合材は、パワーモジュールを構成するベースプレートや多層配線基板における内部配線層、外部接続端子などの金属を有する部材とすることができる。このうち、ベースプレートは、アルミニウムや銅、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などで構成することができる。また、内部配線層及び外部接続端子は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）などで構成することができる。

上記金属の表面には、酸化物層が形成されていてもよい。この酸化物層は、第１の被接合材を構成する金属の自然酸化膜とすることができるし、第１の被接合材の表面に、第１の被接合材を構成する金属とは別の金属の酸化膜を形成してもよい。

なお、第１の被接合材が配線基板の内部配線層の場合には、ガラスフリットを軟化させた後硬化させて形成されるガラスフリット層によって内部配線層を被覆してもよい。ガラスフリットは主に酸化シリコン（Ｓｉ−Ｏ）で構成されているため、上述した陰極接合法により、酸化シリコンが還元されて、酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）と酸化シリコン（Ｓｉ−Ｏ）とが当接面にて強固に接合される。

第２の被接合材を構成するセラミックスとしては特に限定されず、例えばパワーモジュールを実装するためのパワーモジュール基板として使用されるものとすることができる。こうしたセラミックスとしては、典型的にはアルミナやムライトなどのセラミックス材料で構成することができ、例えばチタニアやイットリア、マグネシア、アルミナ、シリカ、クロミアなどを挙げることができる。

酸素イオン伝導体層は、酸素イオンを透過させることができる層である。酸素イオン伝導体層を構成する材料は、酸素イオンを透過させるものであれば特に限定されないが、酸化物イオン伝導体であることが好ましい。例えば、ジルコニア（ＺｒＯ_２）やイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）をドープした安定化ジルコニア（ＹＳＺ）や酸化ネオジム（Ｎｄ_２Ｏ_３）、サマリア（Ｓｍ_２Ｏ_３）、ガドリア（Ｇｄ_２Ｏ_３）、スカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）などを用いることができる。また、酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、ランタンガレート酸化物（ＬａＧａＯ_３）、酸化インジウムバリウム（Ｂａ_２Ｉｎ_２Ｏ_５）、酸化ニッケルランタン（Ｌａ_２ＮｉＯ_４）、フッ化ニッケルカリウム（Ｋ_２ＮｉＦ_４）などを用いることもできる。

酸素イオン伝導体層を構成する材料は、上記のものに限定されるものではなく、他の公知の酸素イオン伝導体材料を用いることができる。また、これらの材料は、１種を単独で用いることも、複数種を組み合わせて用いることもできる。

上記酸素イオン伝導体層の第１の被接合材又は第２の被接合材上への形成は、セラミックス微粒子や気化したセラミックス微粒子を直接表面に積層させる既知の様々な方法により形成できる。具体的には、溶射法やスパッタ法、化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）、物理気相成長法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＶＤ）、コールドスプレー法などを用いて、適切な成膜条件下で形成することができる。

なお、第１の被接合材を構成する金属が比較的硬いＣｕやＳＵＳの場合には、第１の被接合材及び第２の被接合材のうちの一方の表面に、バッファ層としてのめっき層を形成してもよい。めっきを構成する材料は、従来公知のものを用いることができ、金メッキや銀メッキなどを用いることができる。

本発明においては、数１００Ｖの高電圧を印加することによって、酸素イオン伝導体層と第１の被接合材又は第２の被接合材との当接面どうしを静電引力によって強く引き合わせる。当接面どうしが原子間距離程度まで接近すると、近接した当接面の原子間で上述した電気化学反応によって共有結合が形成される。したがって、接合予定面の平坦度は重要であり、できるだけ鏡面に仕上げることが望ましい。具体的には、酸素イオン伝導体層と第１の被接合材又は第２の被接合材との当接面が、鏡面研磨処理により、平坦に仕上げられているか、あるいは、酸素イオン伝導体層、及び第１の被接合材又は第２の被接合材の少なくとも一方が、互いが密接できるように薄く構成されていることが好ましい。これにより、酸素イオン伝導体層と第１の被接合材又は第２の被接合材との間の接合強度を高めることができる。

次に、ステップＳ２において、第１の被接合材と第２の被接合材とを、両者が酸素イオン伝導体層を介して接触するように配置する（配置工程）。

続いて、ステップＳ３において、第１の被接合材を電圧印加装置の正極側及び負極側のうちの一方に接続するとともに、第２の被接合材を電圧印加装置の正極側及び負極側のうちの他方に接続する（接続工程）。

本工程において、第１の被接合材及び第２の被接合材のうちのどちらを電圧印加装置の正極側に接続するかは、上記配置工程において酸素イオン伝導体層と接触する材料が酸素を含むか否かに依存する。

具体的には、酸素イオン伝導体層と接触する材料が酸素を含む場合には、第１の被接合材及び第２の被接合材のうちの酸素イオン伝導体層が形成された一方を電圧印加装置の正極側に接続し、他方を電圧印加装置の負極側に接続する。

これに対して、酸素イオン伝導体層と接触する材料が酸素を含まない場合には、第１の被接合材及び第２の被接合材のうちの酸素イオン伝導体層が形成された一方を電圧印加装置の負極側に接続し、他方を電圧印加装置の正極側に接続する。

なお、本接続工程において電圧印加装置に接続される第１の被接合材及び第２の被接合材の位置は限定されず、後述するステップＳ４において、第１の被接合材と第２の被接合材との接触界面において接合が形成できればよい。

次いで、ステップＳ４において、第１の被接合材と第２の被接合材との間に電圧を印加して、第１の被接合材と第２の被接合材とを接合する（電圧印加工程）。具体的には、第１の被接合材及び第２の被接合材を加熱しつつ、第１の被接合材と第２の被接合材との間に直流電圧を印加する。

第２の被接合材を構成するセラミックスは、温度上昇とともに導電性を有するようになる。また、酸素イオン伝導体層を構成する酸素イオン伝導体は、温度上昇とともに酸素イオン伝導度が上昇し、電気を流すようになる。これにより、酸素イオン伝導体層と第１の被接合材又は第２の被接合材、ひいては第１の被接合材と第２の被接合材とが接合される。

第１の被接合材と第２の被接合材との間に印加する電圧は、作業温度によって第２の被接合材を構成するセラミックス及び酸素イオン伝導体層を構成する酸素イオン伝導体の抵抗値が変わるため、温度に応じて最適な範囲がある。セラミックス及び酸素イオン伝導体の材料特性や接合後の使用条件を考慮して用途に応じて最適になるように選択する。作業温度や電圧が低すぎる場合には、セラミックスを流れる電流及び酸素イオン伝導体の酸素イオン伝導電流が少なくなり、接合形成に要する時間が長くなる。一方、温度が高い場合には、接合形成に要する時間は短くなるが、接合後の残留ストレスが大きくなり、耐久性の観点から不適である。電圧についても、高すぎる場合には、接合部以外への放電が発生して接合が困難になる。典型的には、温度条件３００℃以上５００℃以下の下で、電圧５０Ｖ以上５００Ｖ以下の範囲で最適値を選ぶのが好ましい。これにより、酸素イオン伝導体層と第１の被接合材又は第２の被接合材、ひいては第１の被接合材と第２の被接合材とをより強固に接合することができる。

次に、第１の被接合材と第２の被接合材との間に電圧を印加する時間の目安について説明する。本発明では、電流値の変化に着目して最適な時間の目安を決めることができる。開始して間もなくは、酸素イオン伝導体層と第１の被接合材又は第２の被接合材との接合形成面積が拡大している間、電流値はわずかな増減を繰り返しながら平均電流としては増加傾向を示す。そして接合がほぼ完了すると、平均電流は減少に転じる。この電流値が減少に転じる点をもって、電圧の印加を停止する目安にすることが好ましい。これにより、第１の被接合材と第２の被接合材とを接合面全面にわたって強固に接合することができる。

上述のように、接合を行う際の温度は、概ね３００℃以上５００℃以下であるが、第１の被接合材と第２の被接合材との接合界面において電解によって表面層の原子間で共有結合を形成するのに必要な電荷から、適切な温度を設定することができる。

すなわち、接合界面において共有結合を形成するために必要な電荷Ｑ（Ｃ）は、下記の式（９）で与えられる。
Ｑ＝ｑＳＮｓ （９）
ここで、ｑは電荷素量（１．６×１０^−１９（Ｃ ））、Ｓは接合界面の面積（ｃｍ^２）、Ｎｓは原子の平面密度（ｃｍ^−２）である。

一方、回路方程式から上記電荷Ｑを表記すると、下記の式（１０）のようになる。
Ｑ＝Ｉｔ＝Ｖｔ／Ｒ （１０）
ここで、Ｒは回路（すなわち、セラミックス）の抵抗値（Ω）、Ｖは第１の被接合材と第２の被接合材との間に印加する電圧（Ｖ）、ｔは電圧印加時間、すなわち接合時間（ｓ）である。

式（１０）から、セラミックスの抵抗値Ｒ（Ω）は、下記の式（１１）で与えられる。
Ｒ＝Ｖｔ／Ｑ （１１）
セラミックスの抵抗率をρ（Ω・ｃｍ）とすると、ρは下記の式（１２）で与えられる。
ρ＝ＲＳ／ｄ （１２）
ただし、ｄはセラミックスの厚み（ｃｍ）である。

上記式（９）、（１０）及び（１２）から、抵抗率ρは下記の式（１３）で与えられる。

例えば、面積が１ｃｍ^２、厚みが１ｍｍのアルミナ板材を１００Ｖの電圧で１００秒以内に接合するために必要なセラミックスの抵抗率ρは６．２ＭΩ・ｃｍ以下であることが必要であると計算される。セラミックスは、高温になると抵抗率が下がるため、抵抗率ρが６．２ＭΩ・ｃｍ以下となる温度を選んで接合を行えばよい。

こうして、本発明の接合方法によれば、従来のような外部的に加圧する手段を必要としないため、接合面の面積が大きい場合にも、パワーモジュールの構成要素を強固に接合することができる。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されない。

（実施例１）
パワーモジュールを構成するベースプレートとパワーモジュール基板とを接合した。まず、アルミニウムで構成されたベースプレート１１及びアルミナで構成されたパワーモジュール基板１２を用意した。そして、図２（ａ）に示すように、ＹＳＺからなる酸素イオン伝導体層１３をベースプレート１１の表面に形成した。次に、図２（ｂ）に示すように、ベースプレート１１を電圧印加装置Ｖの正極側に接続された電極板Ｐを接触させるとともに、パワーモジュール基板１２を電圧印加装置Ｖの負極側に接続された電極板Ｐを接触させた。そして、ベースプレート１１、パワーモジュール基板１２および酸素イオン伝導体層１３を５００℃に加熱した状態で、ベースプレート１１とパワーモジュール基板１２との間に１００Ｖの直流電圧を印加した。その結果、ベースプレート１１とパワーモジュール基板１２とが強固に接合された（陰極接合）。

（実施例２）
実施例１と同様に、パワーモジュールを構成するベースプレートとパワーモジュール基板とを接合した。ただし、図３（ａ）に示すように、酸素イオン伝導体層１３はパワーモジュール基板１２の表面に形成した。ここで、ベースプレート１１の表面には、ベースプレート１１を構成するアルミニウムの自然酸化膜１１ａ（酸化物層）が形成されていた。そして、図３（ｂ）に示すように、ベースプレート１１を電圧印加装置Ｖの負極側に接続された電極板Ｐを接触させるとともに、パワーモジュール基板１２を電圧印加装置Ｖの正極側に接続された電極板Ｐを接触させた。その結果、ベースプレート１１とパワーモジュール基板１２とが強固に接合された。

（実施例３）
実施例１と同様に、パワーモジュールを構成するベースプレートとパワーモジュール基板とを接合した。ただし、ベースプレート１１１はアルミニウムよりも硬いＳＵＳで構成し、図４（ａ）に示すように、パワーモジュール基板１２の表面に、銅からなるめっき層１４を形成した。ここで、めっき層１４の表面には、めっき層１４を構成する銅の自然酸化膜（酸化物層）１４ａが形成されていた。そして、図４（ｂ）に示すように、ベースプレート１１１とパワーモジュール基板１２とを、両者が酸素イオン伝導体層１３及びめっき層１４を介して接触するように配置した。続いて、ベースプレート１１１を電圧印加装置Ｖの正極側に接続された電極板Ｐに接触させるとともに、パワーモジュール基板１２を電圧印加装置Ｖの負極側に接続された電極板Ｐに接触させ、ベースプレート１１１とパワーモジュール基板１２との間に直流電圧を印加した。その結果、ベースプレート１１１とパワーモジュール基板１２とが強固に接合された（陰極接合）。このように、めっき層を形成することにより、硬い材料同士でも均一に接合することができる。

（実施例４）
実施例３と同様に、パワーモジュールを構成するベースプレートと冷却プレートとを接合した。ただし、図５（ａ）に示すように、めっき層１１４を金で形成した。ここで、めっき層１１４の表面には自然酸化膜は形成されていなかった。そして、図５（ｂ）に示すように、ベースプレート１１１とパワーモジュール基板１２とを、両者が酸素イオン伝導体層１３及びめっき層１１４を介して接触するように配置した。続いて、ベースプレート１１１を電圧印加装置Ｖの負極側に接続された電極板Ｐを接触させるとともに、パワーモジュール基板１２を電圧印加装置Ｖの正極側に接続された電極板Ｐに接触させ、実施例３と同様に直流電圧を印加した。その結果、ベースプレート１１１とパワーモジュール基板１２とが強固に接合された（陽極接合）。

（実施例５）
実施例３と同様に、パワーモジュールを構成するベースプレートとパワーモジュール基板とを接合した。ただし、図６（ｂ）に示すように、パワーモジュール基板１２を貫通する貫通孔を形成し、めっき層１４を電圧印加装置Ｖの負極側に直接接続するとともに、ベースプレート１１１を電圧印加装置Ｖの正極側に接続された電極板Ｐに接触させた。そして、ベースプレート１１１、パワーモジュール基板１２および酸素イオン伝導体層１３を３００℃に加熱した状態で、ベースプレート１１１とパワーモジュール基板１２との間に１００Ｖの直流電圧を印加した。その結果、ベースプレート１１１とパワーモジュール基板１２とが強固に接合された。本実施例においては、実施例３に比べて低温で接合することができ、また短時間で接合を完了させることができた（陰極接合）。

（実施例６）
パワーモジュールの多層配線基板を構成する配線基板を接合した。まず、図７（ａ）に示すように、アルミナで構成された基板２１ａの表面に銅やアルミニウムからなる内部配線層２１ｂを形成して配線基板２１を構成した。ここで、内部配線層２１ｂの表面には、内部配線層２１ｂを構成する銅やアルミニウムの自然酸化膜２１ｃが形成されていた。そして、隣接する配線基板２２の表面に、ＹＳＺからなる酸素イオン伝導体層２３を形成した。次に、図７（ｂ）に示すように、配線基板２１を電圧印加装置Ｖの負極側に接続された電極板Ｐを接触させるとともに、配線基板２２を電圧印加装置Ｖの正極側に接続された電極板Ｐを接触させた。そして、配線基板２１、２２および酸素イオン伝導体層２３を５００℃に加熱した状態で、配線基板２１と配線基板２２との間に１００Ｖの直流電圧を印加した。その結果、配線基板２１と配線基板２２とが強固に接合された。このように、本発明により、パワーモジュールを構成する多層配線基板の配線基板同士を強固に接合することができる。また、組み立て工程において、内部配線層を変更することができるため、設計及び製造の自由度を向上させることができる。

（実施例７）
実施例６と同様に、パワーモジュールの多層配線基板を構成する配線基板を接合した。ただし、図８（ａ）に示すように、内部配線層１２１ｂを金メッキで構成し、その表面には自然酸化膜が形成されていなかった。また、図８（ｂ）に示すように、配線基板２１を電圧印加装置Ｖの正極側に接続された電極板Ｐを接触させるとともに、配線基板２２を電圧印加装置Ｖの負極側に接続された電極板Ｐを接触させ、実施例６同様に直流電圧を印加した。その結果、配線基板２１と配線基板２２とが強固に接合された（陽極接合）。

（実施例８）
実施例６と同様に、パワーモジュールの多層配線基板を構成する配線基板を接合した。ただし、図９（ａ）に示すように、ガラスフリットを軟化させた後、硬化させてガラスフリット層２１ｄを形成して内部配線層２１ｂを被覆した。そして、図９（ｂ）に示すように、実施例６同様に直流電圧を印加した。その結果、配線基板２１と配線基板２２とが強固に接合された（陰極接合）。このように、ガラスフリット層２１ｄにより、内部配線層２１ｂの周囲に隙間のない接合を形成することができ、外力や耐候性に対する信頼性を向上させることができる。

（実施例９）
パワーモジュールを構成する外部接続端子と配線基板とを接合した。まず、Ｃｕからなる２つの外部接続端子３１及びアルミナからなる配線基板３２を用意した。ここで外部接続端子３１の表面には自然酸化膜３１ａが形成されていた。そして、図１０（ａ）に示すように、ＹＳＺからなる酸素イオン伝導体層３３を配線基板３２の表面に形成した。次に、図１０（ｂ）に示すように、外部接続端子３１を電圧印加装置Ｖの負極側に接続された電極板Ｐを接触させるとともに、配線基板３２を電圧印加装置Ｖの正極側に接続された電極板Ｐを接触させた。そして、外部接続端子３１、配線基板３２および酸素イオン伝導体層３３を５００℃に加熱した状態で、外部接続端子３１と配線基板３２との間に１００Ｖの直流電圧を印加した。これにより、外部接続端子３１と配線基板３２とが強固に接合された。このように、本発明により、パワーモジュールを構成する外部接続端子と配線基板とを強固に接合でき、配線と端子の接続が容易になり、設計及び製造の自由度を向上させることができる。

本発明によれば、接合面の面積が大きい場合にも、パワーモジュールの構成要素を強固に接合することができる。

１１，１１１ ベースプレート
１１ａ，１４ａ，２１ｃ 自然酸化膜
１２ パワーモジュール基板
１３，２３，３３ 酸素イオン伝導体層
１４，１１４ めっき層
１４ａ 自然酸化膜
２１，２２，３２ 配線基板
２１ａ 基板
２１ｂ，１２１ｂ 内部配線層
２１ｄ ガラスフリット層
３１ 外部接続端子
Ｐ 電極板
Ｖ 電圧印加装置

Claims (5)

1. 金属を有する第１の被接合材及びセラミックスを有する第２の被接合材のうち、前記第２の被接合材の表面に酸素イオン伝導体層を形成する酸素イオン伝導体層形成工程と、
   前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを、両者が前記酸素イオン伝導体層を介して接触するように配置する配置工程と、
   前記第１の被接合材を電圧印加装置の負極側に接続するとともに、前記第２の被接合材を電圧印加装置の正極側に接続する接続工程と、
   前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間に電圧を印加して、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを接合する電圧印加工程と、
   を含み、
   前記第１の被接合材は、その表面に酸化物層を有し、
   前記配置工程において、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とが、両者が前記酸化物層及び前記酸素イオン伝導体層を介して接触するように配置されることを特徴とする接合方法。
2. 前記第１の被接合材が、その表面に金属めっき層を有し、該金属めっき層がその表面に前記酸化物層を有し、
   前記配置工程において、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とが、両者が前記酸化物層及び前記酸素イオン伝導体層を介して接触するように配置される、請求項１に記載の接合方法。
3. 前記第１の被接合材は、その表面に金属を有する内部配線層を有し、該内部配線層の表面に前記酸化物層が設けられており、
   前記配置工程において、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とが、両者が前記酸化物層及び前記酸素イオン伝導体層を介して接触するように配置される、請求項１に記載の接合方法。
4. 前記第１の被接合材は、その表面に金属を有する内部配線層を有し、前記酸化物層として、前記内部配線層を覆う、酸化シリコンで構成されたガラスフリットを軟化させた後硬化させたガラスフリット層を有し、
   前記配置工程において、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とが、両者が前記酸素イオン伝導体層及び前記ガラスフリット層を介して接触するように配置される、請求項１に記載の接合方法。
5. 前記電圧印加工程は、前記セラミックスの抵抗率ρ（Ω・ｃｍ）が下記の式（Ａ）で与えられる値以下となる温度で行う、請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合方法。
   

   

   ここで、ｑは電荷素量（１．６×１０^−１９（Ｃ））、ｄは前記セラミックスの厚み（ｃｍ）、Ｎｓは前記酸素イオン伝導体の表面の原子の平面密度（ｃｍ^−２）、Ｖは前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間に印加する電圧（Ｖ）、ｔは接合時間（ｓ）である。
   

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