WO2016076094A1

WO2016076094A1 - 接合部材の接合方法、金属組成物

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Publication number: WO2016076094A1
Application number: PCT/JP2015/079770
Authority: WO
Inventors: 野口真純
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2016-05-19
Also published as: JPWO2016076094A1

Abstract

第１接合部材と第２接合部材との間に、ペースト状の金属組成物を設ける（設置工程）。次に、常温の金属組成物を厚み方向から圧縮しながら、温度プロファイルに従って、例えばリフロー装置を用いて加熱する（加熱工程）。この加熱工程は、加熱温度がＳｎ粉末の融点以上に上がってからＳｎ粉末の融点未満に下がるまでの時間ｔ２－ｔ１（ｓ）に、Ｓｎ粉末の融点以上の温度範囲から金属組成物に付与される熱量をＳ（ｋＫ・ｓ）とし、金属組成物に加える圧力をＰ（Ｎ／ｍ^２）としたとき、金属組成物に対して、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施す。

Description

接合部材の接合方法、金属組成物

　本発明は、２つの接合部材を接合する接合部材の接合方法及びこの接合方法で用いられる金属組成物に関するものである。

　従来、電子部品等を接合するために、高温鉛はんだが広く用いられてきた。しかし、高温鉛はんだは、人体に有害とされる鉛を含む。

　そこで、鉛フリー化を達成するため、高温鉛はんだに替わる材料の開発が進められてきた。例えば、特許文献１ではソルダペーストが開示されている。このソルダペーストは、Ｓｎ粉末と、ＣｕＮｉ合金粉末と、Ｓｎ粉末およびＣｕＮｉ合金粉末のそれぞれを被覆する酸化被膜を還元するフラックスと、を含む。

　そして、特許文献１の接合方法は、ソルダペーストを、プリント配線基板上に設けられたランド上に設ける。そして、積層セラミックコンデンサを、ソルダペーストを介してランド上にマウントした後、リフロー装置を用いて加熱している。

　ソルダペーストに含まれるＳｎ粉末と合金粉末とは、加熱されると反応し、金属間化合物を生成する。これにより、金属間化合物を含む金属部材が、プリント配線基板上に設けられたランドと、積層セラミックコンデンサに設けられた外部電極とを接合する。

国際公開第２０１１／０２７６５９号パンフレット

　しかしながら、特許文献１のソルダペーストを加熱すると、ソルダペースト中のフラックスの酸化還元反応によってＨ_２Ｏガスが発生したりフラックスが揮発したりし、大量のガスが発生する。その結果、金属間化合物を主相とする金属間化合物部材中に大量のボイド（気泡）が発生する。よって、特許文献１の接合方法には、大量のボイドによって接合強度が低下するという問題がある。

　本発明の目的は、接合強度を向上できる接合部材の接合方法及び金属組成物を提供することにある。

　本発明の接合部材の接合方法は、設置工程と、加熱工程と、を有する。

　設置工程は、ＣｕＮｉ合金粉末またはＣｕＭｎ合金粉末とＳｎ粉末とを含む金属組成物を２つの接合部材間に設ける。

　加熱工程は、加熱温度がＳｎ粉末の融点以上に上がってからＳｎ粉末の融点未満に下がるまでの時間に、Ｓｎ粉末の融点以上の温度範囲から金属組成物に付与される熱量をＳとし、金属組成物に加える圧力をＰとしたとき、金属組成物に対して、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施す。

　加熱工程は、金属組成物に対する熱処理において、ＣｕＮｉ合金粉末またはＣｕＭｎ合金粉末とＳｎ粉末との反応により、Ｓｎ、ＣｕおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物またはＳｎ、ＣｕおよびＭｎからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物を主相とする金属間化合物相を形成する。

　Ｓ・Ｐ＜１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施した金属組成物では、接合強度が低いが、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施した金属組成物では、接合強度が急激に高まる。

　この理由は、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理が、金属間化合物相中にボイド（気泡）が発生することを抑制できるためであると考えられる。

　したがって、本発明の接合方法によれば、ボイドの発生を抑制し、接合強度を向上できる。

　なお、圧力Ｐは、１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲内であることが好ましい。

　また、本発明の接合方法において、金属組成物は、Ｓｎ粉末、ＣｕＮｉ合金粉末またはＣｕＭｎ合金粉末、及び接合部材のそれぞれを被覆する酸化被膜を還元するフラックスを含まなくても構わない。本発明の接合方法によれば、フラックスを含まなくても、金属組成物が２つの接合部材を接合できる。

　また、本発明の接合方法において、金属組成物は、Ｓｎ粉末、ＣｕＮｉ合金粉末またはＣｕＭｎ合金粉末、及び接合部材のそれぞれを被覆する酸化被膜を還元するフラックスを含まないことが好ましい。本発明の接合方法によれば、フラックスを含む場合の接合強度よりフラックスを含まない場合の接合強度の方が高い。

　また、本発明の接合方法において、金属組成物はペースト状に成形されていることが好ましい。

　この接合方法では、金属成分の流動性が高まり、溶融したＳｎとＣｕＮｉ合金粉末またはＣｕＭｎ合金粉末とが接触し易くなる。すなわち、溶融したＳｎとＣｕＮｉ合金粉末またはＣｕＭｎ合金粉末とが反応し易くなる。

　また、本発明の接合方法において、接合部材の少なくとも表面は、Ｃｕ又はＮｉで構成されていることが好ましい。

　この接合方法では、金属組成物が加熱されると、同時に、接合部材の表面を構成するＣｕ又はＮｉと溶融したＳｎとの反応によって、接合部材と金属組成物との間に合金層が生成される。そのため、接合部材と金属組成物との間は強固に接合される。

　また、本発明の接合方法において、接合部材は電極端子であり、金属組成物は導電性を有することが好ましい。

　この接合方法では、電極端子どうしの接合に金属組成物を用いることができる。

　また、本発明の金属組成物は、ＣｕＮｉ合金粉末またはＣｕＭｎ合金粉末とＳｎ粉末とを含み、
　加熱温度がＳｎ粉末の融点以上に上がってからＳｎ粉末の融点未満に下がるまでの時間に、Ｓｎ粉末の融点以上の温度範囲から金属組成物に付与される熱量をＳとし、金属組成物に加える圧力をＰとしたとき、
　Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理によりＣｕＮｉ合金粉末またはＣｕＭｎ合金粉末とＳｎ粉末とが反応し、Ｓｎ、ＣｕおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物またはＳｎ、ＣｕおよびＭｎからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物を主相とする金属間化合物相を形成する。

　この構成において本発明の金属組成物は、本発明の接合部材の接合方法で用いられる。そのため、本発明の金属組成物は、本発明の接合部材の接合方法と同様の効果を奏する。

　本発明によれば、ボイドの発生を抑制し、接合強度を向上できる。

本発明の第１実施形態に係る接合部材の接合方法で行われる設置工程を模式的に示す断面図である。本発明の第１実施形態に係る接合部材の接合方法で行われる加熱工程を模式的に示す断面図である。本発明の第１実施形態に係る接合部材の接合方法で得られた接合構造１００を模式的に示す断面図である。本発明の第１実施形態に係る接合部材の接合方法で行われる加熱工程の温度プロファイルを示す図である。本発明の第２実施形態に係る接合部材の接合方法で行われる設置工程を模式的に示す断面図である。本発明の第２実施形態に係る接合部材の接合方法で行われる加熱工程を模式的に示す断面図である。本発明の第２実施形態に係る接合部材の接合方法で得られた接合構造２００を模式的に示す断面図である。

　以下、本発明の第１実施形態に係る接合部材の接合方法について説明する。

　図１は、本発明の第１実施形態に係る接合部材の接合方法で行われる設置工程を模式的に示す断面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る接合部材の接合方法で行われる加熱工程を模式的に示す断面図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る接合部材の接合方法で得られた接合構造１００を模式的に示す断面図である。図４は、本発明の第１実施形態に係る接合部材の接合方法で行われる加熱工程の温度プロファイルを示す図である。

　まず、金属組成物１０５と第１接合部材１０１と第２接合部材１０２とを用意する。金属組成物１０５は、ペースト状に成形されている。金属組成物１０５は、図１に示すように、例えば、第１接合部材１０１と第２接合部材１０２とを接合するために用いられる。

　第１接合部材１０１は、例えば、バスバーのような単独で構成される電極部材であってもよいし、積層セラミックコンデンサ等の電子部品の表面電極のような素体の表面に形成された電極部材であってもよい。

　第２接合部材１０２は、例えば、バスバーのような単独で構成される電極部材であってもよいし、第１接合部材が電子部品の表面電極であれば、この電子部品を実装するプリント配線基板の表面に設けられた電極部材である。

　バスバーは、大電流が流れる電極端子である。金属組成物１０５は、バスバーどうしの接合に用いることができる。また、第１接合部材１０１及び第２接合部材１０２の少なくとも表面は、めっき処理が施され、Ｃｕ膜で覆われている。

　金属組成物１０５は、金属成分１１０と有機成分１０８とを含む。金属成分１１０は、Ｓｎ粉末１０６と、ＣｕＮｉ合金粉末１０７と、からなる。本実施形態では、金属組成物１０５において、金属成分１１０の含有量は、１００／１１０重量部であり、有機成分１０８の含有量は、１０／１１０重量部である。また、金属成分１１０においてＳｎ粉末１０６の含有量は、６５重量部であり、ＣｕＮｉ合金粉末１０７の含有量は、３５重量部である。

　ＣｕＮｉ合金粉末１０７は、金属組成物１０５の加熱によって溶融するＳｎ粉末１０６と反応し、金属間化合物を生成し得る。本実施形態において、金属間化合物の詳細については後述する。

　なお、Ｓｎ粉末１０６とＣｕＮｉ合金粉末１０７との配合比は、重量比で、Ｓｎ粉末：ＣｕＮｉ合金粉末＝５：９５～５０：５０の範囲内であることが好ましい。Ｓｎ粉末１０６の配合量が多すぎると、反応後に未反応のＳｎ成分が過剰に残存するおそれがある。一方、ＣｕＮｉ合金粉末１０７の配合量が多すぎると、反応後に未反応のＣｕＮｉ合金成分が過剰に残存するおそれがある。

　また、Ｓｎ粉末１０６の平均粒径（Ｄ５０）は、５～５０μｍの範囲内であることが好ましい。さらに、ＣｕＮｉ合金粉末１０７の平均粒径（Ｄ５０）は、０．１～８０μｍの範囲内であることが好ましい。本実施形態では、平均粒径２０μｍのＳｎ粉末、及び平均粒径５μｍのＣｕＮｉ合金粉末を用いた。Ｓｎ粉末１０６は例えば、ＳＦＲ－Ｓｎ－１０（日本アトマイズ製）を用いる。

　Ｓｎ粉末１０６の平均粒径が５μｍよりも小さいと、Ｓｎ粉末１０６が溶融しないことがある。一方、Ｓｎ粉末１０６の平均粒径が５０μｍよりも大きいと、反応物内での組成バラツキが大きくなってしまうことがある。

　また、ＣｕＮｉ合金粉末１０７の平均粒径が０．１μｍよりも小さいと、ＣｕＮｉ合金粉末１０７とＳｎ粉末１０６の濡れ性が悪くなって分離してしまうことがある。一方、ＣｕＮｉ合金粉末１０７の平均粒径が８０μｍよりも大きいと、反応後に未反応のＣｕＮｉ合金粉末１０７が過剰に残存するおそれがある。

　次に、有機成分１０８は、フラックス、溶剤、チキソ剤などを含む。フラックスは、ロジンと活性剤を含む。フラックスは、第１接合部材１０１、第２接合部材１０２、Ｓｎ粉末１０６、及びＣｕＮｉ合金粉末１０７のそれぞれの表面の酸化被膜を除去する機能を果たす。

　ロジンは例えば、ロジンを変性した変性ロジン及びロジンなどの誘導体からなるロジン系樹脂、その誘導体からなる合成樹脂、またはこれらの混合体などである。ロジンは例えば、重合ロジンＲ－９５（荒川化学製）を用いる。

　また、活性剤は例えば、アミンのハロゲン化水素酸塩、有機ハロゲン化合物、有機酸、有機アミン、多価アルコールなどである。活性剤は例えば、アジピン酸（和光純薬製）を用いる。その他、活性剤はセバシン酸（和光純薬製）を用いても良い。

　溶剤は、金属組成物１０５の粘度を調整する。溶剤は例えば、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、芳香族系、炭化水素類などである。溶剤は例えば、ヘキシルジグリコール（ＨｅＤＧ）（東邦化学製）を用いる。

　チキソ剤は、金属成分１１０と有機成分１０８を均一に混和させた後、これらが分離しないようにバインダーとして維持する。チキソ剤は例えば、硬化ヒマシ油、カルナバワックス、アミド類、ヒドロキシ脂肪酸類、ジベンジリデンソルビトール、ビス（ｐ－メチルベンジリデン）ソルビトール類、蜜蝋、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミドなどである。

　次に、図３に示す接合構造１００を得るため、図１に示すように、第１接合部材１０１と第２接合部材１０２との間に、ペースト状の金属組成物１０５を設ける（設置工程）。

　次に、図１に示した常温の金属組成物１０５を厚み方向から圧縮しながら、図４に示す温度プロファイルに従って、例えばリフロー装置を用いて加熱する（加熱工程）。

　加熱により金属組成物１０５がＳｎの融点Ｔ_ｍ以上に達すると、Ｓｎ粉末１０６が、図２に示すように溶融する。Ｓｎの融点Ｔ_ｍは、２３１．９℃である。

　なお、有機成分１０８に含まれる溶剤は、加熱を開始してから、時間ｔ_１が経過するまでの間に、燃焼または分解する。

　溶融したＳｎと、ＣｕＮｉ合金粉末１０７との反応によって金属間化合物が生成される。この反応は、例えば、液相拡散接合（「ＴＬＰ接合：ＴｒａｎｓｉｅｎｔＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅＤｉｆｆｕｓｉｏｎＢｏｎｄｉｎｇ」）に伴う反応である。生成される金属間化合物は、Ｃｕ、ＮｉおよびＳｎからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ合金である。具体的には、金属間化合物は、例えばＣｕ_６Ｓｎ_５、Ｎｉ_３Ｓｎ_４、Ｃｕ_２ＮｉＳｎ等である。

　次に、図４に示すように、時間ｔ_２が経過した後、リフロー装置は加熱を停止する。これにより、溶融したＳｎとＣｕＮｉ合金粉末１０７との反応は完了し、金属組成物１０５は、金属ペーストから、図３に示すようにＣｕＮｉ合金粉末１０７を含む金属間化合物相１０９へ変化する。

　また、金属組成物１０５が加熱されると、同時に、第１接合部材１０１及び第２接合部材１０２の表面を覆うＣｕ膜と溶融したＳｎとの化学反応によって、図３に示すようにＣｕＳｎ合金層２５が生成される。ＣｕＳｎ合金層２５は、例えばＣｕ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５からなる。

　なお、時間ｔ_２の後、金属組成物１０５は常温まで自然冷却していく。

　ここで、以上の加熱工程は、加熱温度がＳｎ粉末の融点Ｔ_ｍ（Ｋ）以上に上がってからＳｎ粉末の融点未満に下がるまでの時間（ｔ_２－ｔ_１）（ｓ）に、Ｓｎ粉末の融点Ｔ_ｍ以上の温度範囲から金属組成物１０５に付与される熱量をＳ（ｋＫ・ｓ）とし、金属組成物１０５に加える圧力をＰ（Ｎ／ｍ^２）としたとき、金属組成物１０５に対して、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施す。

　熱処理におけるピーク温度は、第１金属Ｓｎの融点（２３１．９℃）以上の温度であり、例えば２５０℃～３００℃である。また、加熱時間（ｔ_２－ｔ_１）（ｓ）は、例えば３０秒～１８０秒である。

　図４に示すように、Ｓｎ粉末の融点Ｔ_ｍ以上の温度範囲から金属組成物１０５に付与される熱量Ｓ（ｋＫ・ｓ）は、以下の数式で示される。ｆ_Ｔ（ｔ）は、所定の時間ｔにおける接合部（金属組成物１０５）の温度を示す温度関数である。熱量Ｓの単位ｋＫは、ｋｉｌｏ　ｋｅｌｖｉｎの略である。

　なお、１ＭＰａ未満では金属組成物１０５を減圧することとなり、３０ＭＰａより高い場合は第１接合部材１０１及び第２接合部材１０２が破損するおそれがあるため、圧力Ｐは、１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲内であることが好ましい。圧力Ｐは、後述の加圧冶具により設定する。

　以上の接合方法により、第１接合部材１０１と第２接合部材１０２とを接合する接合構造１００が得られる。Ｃｕ、ＮｉおよびＳｎからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物は、高い融点（例えば４００℃以上）を有する。そのため、この金属間化合物で構成される金属組成物１０５（図３参照）は、高い耐熱性を有する。

　また、図３に示すようにＣｕＳｎ合金層２５が生成される。そのため、第１接合部材１０１と第２接合部材１０２と金属組成物１０５との間は強固に接合される。

　また、金属組成物１０５がペースト状に成形されているため、金属成分１１０の流動性が高まり、溶融したＳｎとＣｕＮｉ合金粉末１０７とが接触し易くなる。すなわち、溶融したＳｎとＣｕＮｉ合金粉末１０７とが反応し易くなる。

　以下、本発明の第１実施形態の比較例に係る接合部材の接合方法について説明する。

　第１実施形態の比較例に係る接合部材の接合方法が、第１実施形態に係る接合部材の接合方法と相違する点は、金属組成物１０５に対して、Ｓ・Ｐ＜１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施す点である。その他の点に関しては同じであるため、説明を省略する。

　以下、前述の熱量Ｓと圧力Ｐを変えて、第１実施形態の接合方法及びその比較例の接合方法で複数の試料を作製し、各試料の接合強度を評価した実験例について詳述する。評価は接着材の引張りせん断接着強さ試験方法（ＪＩＳＫ６８５０）を参考に行った。

　詳述すると、まず、第１接合部材１０１及び第２接合部材１０２として、一対の無酸素銅板を準備した。各無酸素銅板の寸法は、幅１０ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ２０ｍｍである。各無酸素銅板の端部より５ｍｍの範囲に２．５ｍｇのペースト（金属組成物１０５）を塗布して各無酸素銅板を重ね合わせ、加圧冶具により１ＭＰａ～１５ＭＰａの圧力を２枚の無酸素銅板の接合部に加えた。２３０℃～４００℃に熱したオーブンに２枚の無酸素銅板（試料）を入れ、加圧冶具ごと接合部を加熱した。所定の時間加圧・加熱した後、試料を加圧冶具から取り除き、接合された銅板（接合構造１００）を得た。図４に示すように、加熱している間の接合部の温度を測定し、ＳおよびＰを求めた。

　この実験例では、各試料の接合強度を、引張りせん断強度（ＭＰａ）で評価した。引張りせん断強度（ＭＰａ）は、図３の矢印に示すように、第１接合部材１０１の端と第２接合部材１０２の端とを反対方向へ引っ張って測定した。

　前述の熱量Ｓと圧力Ｐを変えて作製した４８個の試料のＳ・Ｐ値を表１に示す。そして、４８個の試料のそれぞれの引張りせん断強度（ＭＰａ）を表２に示す。

　なお、表２における「－」は、引張りせん断強度が極めて弱く、引張りせん断強度を測定できなかったことを示している。

　実験より、Ｓ・Ｐ＜１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施した比較例の試料では、引張りせん断強度が９ＭＰa未満であることが明らかとなった。

　一方、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施した試料では、引張りせん断強度が１０ＭＰa以上と急激に高まることが明らかとなった。

　以上のような結果となった理由は、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理が、金属間化合物相１０９中にボイド（気泡）が発生することを抑制できたためであると考えられる。すなわち、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理によって生成された金属組成物１０５は、ボイドの少ない緻密な構造を有すると考えられる。

　したがって、本実施形態の接合方法によれば、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を行うことにより、ボイドの発生を抑制し、接合強度を向上できる。

　ただし、反応前のペースト状の金属組成物１０５の有機成分１０８がフラックスを含むため、図３に示すように、金属組成物１０５中に極僅かなボイド９９が残留する。

　以下、本発明の第２実施形態に係る接合部材の接合方法について説明する。

　図５は、本発明の第２実施形態に係る接合部材の接合方法で行われる設置工程を模式的に示す断面図である。図６は、本発明の第２実施形態に係る接合部材の接合方法で行われる加熱工程を模式的に示す断面図である。図７は、本発明の第２実施形態に係る接合部材の接合方法で得られた接合構造２００を模式的に示す断面図である。

　第２実施形態に係る接合部材の接合方法が、第１実施形態に係る接合部材の接合方法と相違する点は、反応前のペースト状の金属組成物２０５の有機成分２０８がフラックスを含まない点である。本実施形態では、金属組成物２０５において、金属成分１１０の含有量は、１００／１１０重量部であり、有機成分２０８の含有量は、１０／１１０重量部である。その他の点に関しては同じであるため、説明を省略する。

　そのため、第２実施形態の接合方法においても、図５に示した常温の金属組成物２０５を厚み方向から圧縮しながら、図４に示す温度プロファイルに従って、例えばリフロー装置を用いて加熱する。そして、金属組成物２０５に対して、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施す。圧力Ｐは、１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲内であることが好ましい。

　なお、反応前のペースト状の金属組成物２０５の有機成分２０８がフラックスを含まないため、反応後の金属間化合物相２０９中にはフラックスが完全に存在しない。

　以下、本発明の第２実施形態の比較例に係る接合部材の接合方法について説明する。

　第２実施形態の比較例に係る接合部材の接合方法が、第２実施形態に係る接合部材の接合方法と相違する点は、金属組成物２０５に対して、Ｓ・Ｐ＜１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施す点である。その他の点に関しては同じであるため、説明を省略する。

　以下、前述の熱量Ｓと圧力Ｐを変えて第２実施形態の接合方法及びその比較例の接合方法で複数の試料を作製し、各試料の接合強度を評価した実験例について詳述する。評価は接着材の引張りせん断接着強さ試験方法（ＪＩＳＫ６８５０）を参考に行った。

　詳述すると、まず、第１接合部材１０１及び第２接合部材１０２として、一対の無酸素銅板を準備した。各無酸素銅板の寸法は、幅１０ｍｍ、厚み２ｍｍ、長さ２０ｍｍである。各無酸素銅板の端部より５ｍｍの範囲に２．５ｍｇのペースト（金属組成物１０５）を塗布して各無酸素銅板を重ね合わせ、加圧冶具により１ＭＰａ～１５ＭＰａの圧力を２枚の無酸素銅板の接合部に加えた。２３０℃～４００℃に熱したオーブンに２枚の無酸素銅板（試料）を入れ、加圧冶具ごと接合部を加熱した。所定の時間加圧・加熱した後、試料を加圧冶具から取り除き、接合された銅板（接合構造２００）を得た。図４に示すように、加熱している間の接合部の温度を測定し、ＳおよびＰを求めた。

　この実験例では、各試料の接合強度を、引張りせん断強度（ＭＰａ）で評価した。引張りせん断強度（ＭＰａ）は、図７の矢印に示すように、第１接合部材１０１の端と第２接合部材１０２の端とを反対方向へ引っ張って測定した。

　前述の熱量Ｓと圧力Ｐを変えて作製した４８個の試料のＳ・Ｐ値を表３に示す。表３の内容は、表１の内容と同じである。そして、４８個の試料のそれぞれの引張りせん断強度（ＭＰａ）を表４に示す。

　なお、表４における「－」は、引張りせん断強度が極めて弱く、引張りせん断強度を測定できなかったことを示している。

　実験より、Ｓ・Ｐ＜１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施した比較例の試料では、引張りせん断強度が極めて弱く、引張りせん断強度を測定できなかったことが明らかとなった。

　一方、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施した試料では、引張りせん断強度が４ＭＰa以上と急激に高まることが明らかとなった。すなわち、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を行うことにより、フラックスを含まなくても、金属組成物２０５が第１接合部材１０１及び第２接合部材１０２を接合できることが明らかとなった。また表４に示すフラックスを含まない場合の接合強度は、表２に示すフラックスを含む場合の接合強度よりも高いことも明らかとなった。

　以上のような結果となった理由は、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理が、金属間化合物相２０９中にボイド（気泡）が発生することを抑制できたためであると考えられる。すなわち、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理によって生成された金属組成物２０５は、ボイドの少ない緻密な構造を有すると考えられる。

　したがって、本実施形態の接合方法によれば、ボイドの発生を抑制し、接合強度を向上できる。

《他の実施形態》
　なお、本実施形態において金属組成物１０５は、ペーストの形態であるが、これに限るものではない。実施の際、金属組成物は、たとえばシート状の固体やパテ状の形態であってもよい。

　また、本実施形態においてＳｎ粉末１０６の材料は、Ｓｎ単体であるが、これに限るものではない。実施の際は、Ｓｎ粉末１０６の材料は、Ｓｎを含む合金（具体的にはＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、ＴｅおよびＰからなる群より選ばれる少なくとも１種とＳｎとを含む合金）であってもよい。

　また、本実施形態においてＣｕＮｉ合金粉末１０７の材料は、ＣｕＮｉ合金であるが、これに限るものではない。実施の際は、ＣｕＮｉ合金粉末１０７に代えて、例えばＣｕＭｎ合金粉末を用いてもよい。この場合、溶融したＳｎとＣｕＭｎ合金粉末との反応により、Ｃｕ、ＭｎおよびＳｎからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物が生成される。

　また、第１接合部材１０１及び第２接合部材１０２の少なくとも表面は、めっき処理によってＣｕ膜で覆われているが、これに限るものではない。実施の際は、例えば第１接合部材１０１及び第２接合部材１０２の少なくとも表面は、めっき処理によってＮｉ膜で覆われていてもよい。この場合、ＣｕＳｎ合金層２５の代わりにＮｉＳｎ合金層が形成される。ＮｉＳｎ合金層は、例えばＮｉ_３Ｓｎ_４、Ｎｉ_３Ｓｎ_２、Ｎｉ_３Ｓｎからなる。

　また、以上に示した実施形態の加熱工程において、熱風加熱以外に遠赤外線加熱や高周波誘導加熱、ホットプレート等を用いてもよい。

　最後に、前記実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２５…ＣｕＳｎ合金層
９９…ボイド（気泡）
１００…接合構造
１０１…第１接合部材
１０２…第２接合部材
１０５…金属組成物
１０６…Ｓｎ粉末
１０７…ＣｕＮｉ合金粉末
１０８…有機成分
１０９…金属間化合物相
１１０…金属成分
２００…接合構造
２０５…金属組成物
２０８…有機成分
２０９…金属間化合物相

Claims

　ＣｕＮｉ合金粉末またはＣｕＭｎ合金粉末とＳｎ粉末とを含む金属組成物を２つの接合部材間に設ける設置工程と、
　加熱温度が前記Ｓｎ粉末の融点以上に上がってから前記Ｓｎ粉末の融点未満に下がるまでの時間に、前記Ｓｎ粉末の融点以上の温度範囲から前記金属組成物に付与される熱量をＳとし、前記金属組成物に加える圧力をＰとしたとき、前記金属組成物に対して、Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理を施す加熱工程と、を含み、
　前記加熱工程は、前記金属組成物に対する前記熱処理において、前記ＣｕＮｉ合金粉末または前記ＣｕＭｎ合金粉末と前記Ｓｎ粉末との反応により、Ｓｎ、ＣｕおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物またはＳｎ、ＣｕおよびＭｎからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物を主相とする金属間化合物相を形成する、接合部材の接合方法。
　前記圧力Ｐは、１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の範囲内である、請求項１に記載の接合部材の接合方法。
　前記金属組成物は、前記Ｓｎ粉末、前記ＣｕＮｉ合金粉末または前記ＣｕＭｎ合金粉末、及び前記接合部材のそれぞれを被覆する酸化被膜を還元するフラックスを含まない、請求項２に記載の接合部材の接合方法。
　前記金属組成物は、前記Ｓｎ粉末、前記ＣｕＮｉ合金粉末または前記ＣｕＭｎ合金粉末、及び前記接合部材のそれぞれを被覆する酸化被膜を還元するフラックスを含む、請求項１又は２に記載の接合部材の接合方法。
　前記金属組成物はペースト状に成形されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の接合部材の接合方法。
　前記接合部材の少なくとも表面は、Ｃｕ又はＮｉで構成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の接合部材の接合方法。
　前記接合部材は電極端子であり、
　前記金属組成物は導電性を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の接合部材の接合方法。
　ＣｕＮｉ合金粉末またはＣｕＭｎ合金粉末とＳｎ粉末とを含む金属組成物であって、
　加熱温度が前記Ｓｎ粉末の融点以上に上がってから前記Ｓｎ粉末の融点未満に下がるまでの時間に、前記Ｓｎ粉末の融点以上の温度範囲から前記金属組成物に付与される熱量をＳとし、前記金属組成物に加える圧力をＰとしたとき、
　Ｓ・Ｐ≧１５（ｋＫ・ｓ・Ｎ／ｍ^２）を満たす熱処理により前記ＣｕＮｉ合金粉末または前記ＣｕＭｎ合金粉末と前記Ｓｎ粉末とが反応し、Ｓｎ、ＣｕおよびＮｉからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物またはＳｎ、ＣｕおよびＭｎからなる群より選ばれる少なくとも２種を含んだ金属間化合物を主相とする金属間化合物相を形成する、ことを特徴とする金属組成物。