JP6840450B2 - Joining method - Google Patents
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Description
本発明は、接合方法に関する。 The present invention relates to a joining method.
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。 In recent years, the use of silicon carbide (SiC) has been studied as a next-generation power module material having a wide bandgap, which can be expected to reduce power loss. Since the power module using this SiC is expected to operate at a high temperature (for example, 300 ° C. or higher), heat resistance is required for joining the elements constituting the power module.
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。 As one of the methods for joining the above components, a method using solder can be mentioned, and the development of a solder material having heat resistance has been promoted (see, for example, Patent Document 1). However, since the soldering needs to be performed in a vacuum, it is necessary to perform a batch process of joining the components in a closed room, which causes a problem of poor maneuverability. Further, a solder material having a high melting point is easily oxidized and has poor wettability, so that there is a problem that bonding failure occurs.
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。 On the other hand, as a bonding method that can be performed in the atmosphere, there is a method using powder metallurgy such as silver sinter (see, for example, Patent Document 2) or copper sinter (for example, see Patent Document 3), and bonding of semiconductor chips. It has been put to practical use in.
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。 In the method using a sinter as described in Patent Documents 2 and 3, it is necessary to apply pressure uniformly to the joint surface before starting the joint, but when the area of the joint surface is large, the pressure is applied. It is difficult to apply evenly.
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。 The present invention has been made by paying attention to the above problems, and an object of the present invention is to propose a joining method capable of firmly joining the components of a power module even when the area of the joining surface is large. To do.
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の被接合材及び前記第２の被接合材のうちの一方が、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１の被接合材及び前記第２の被接合材のうちの他方の表面に形成され、
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の被接合材及び前記第２の被接合材のうちの前記金属めっき層が設けられた一方が電圧印加装置の負極側に接続され、他方が正極側に接続されることを特徴とする接合方法。
In order to solve the above problems, in the joining method according to the first aspect, an oxygen ion conductor layer is formed on one surface of a first material to be joined having a metal and a second material to be joined having ceramics. Oxygen ion conductor layer forming process to be formed and
An arrangement step of arranging the first material to be joined and the second material to be joined so as to be in contact with each other via the oxygen ion conductor layer.
The first material to be joined is connected to one of the positive electrode side and the negative electrode side of the voltage applying device, and the second material to be joined is connected to the other of the positive electrode side and the negative electrode side of the voltage applying device. Connection process and
A voltage application step of applying a voltage between the first material to be joined and the second material to be joined to join the first material to be joined and the second material to be joined.
Including
One of the first material to be bonded and the second material to be bonded has a metal plating layer on its surface, and the metal plating layer has an oxide layer on its surface.
In the oxygen ion conductor layer forming step, the oxygen ion conductor layer is formed on the other surface of the first material to be bonded and the second material to be bonded.
In the arrangement step, the first material to be bonded and the second material to be bonded are arranged so as to be in contact with each other via the oxide layer and the oxygen ion conductor layer.
In the connection step, one of the first material to be joined and the second material to be joined provided with the metal plating layer is connected to the negative electrode side of the voltage applying device, and the other is connected to the positive electrode side. A joining method characterized by the fact that.
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。 According to the present invention, the components of the power module can be firmly joined even when the area of the joining surface is large.
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。 Hereinafter, the joining method according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a flowchart of a joining method according to the present invention. The bonding method according to the present invention is an oxygen ion conductor layer forming step (step) in which an oxygen ion conductor layer is formed on the surface of one of a first material to be bonded having a metal and a second material to be bonded having ceramics. An arrangement step (step S2) in which S1), the first material to be joined, and the second material to be joined are arranged so as to be in contact with each other via the oxygen ion conductor layer, and the first material to be joined. Is connected to one of the positive electrode side and the negative electrode side of the voltage applying device, and the second material to be joined is connected to the other of the positive electrode side and the negative electrode side of the voltage applying device (step S3). The voltage application step (step S4) of applying a voltage between the first material to be joined and the second material to be joined to join the first material to be joined and the second material to be joined is included. It is characterized by that.
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。 As described above, when joining the components of the power module, the method using solder requires that the soldering be performed in a vacuum, which makes it difficult to handle, and there is a problem of oxidation and wettability of the solder material. Further, in the method using a silver sinter or a copper sinter, it is difficult to uniformly apply pressure to the joint surface when the area of the joint surface is large.
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。 Examples of the components of the power module include a base plate, a cooling plate, a multi-layer wiring board, and an external connection terminal. Among these components, the internal wiring layer, the external connection terminal, and the like in the base plate and the multilayer wiring board are made of metal. Further, a circuit board such as a power module board is mainly composed of ceramics. That is, the joining of the components of the power module is mainly the joining of metal and ceramics.
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。 Therefore, the present inventor has diligently studied a method capable of firmly joining a metal and a ceramic over a large area. As a result, the present inventor has found that by interposing an oxygen ion conductor, a voltage can be applied between the metal and the ceramics to firmly bond the two.
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。 Specifically, an oxygen ion conductor layer is formed on the surface of the metal, the metal and the ceramics are brought into contact with each other via the oxygen ion conductor layer, and then the metal is connected to the positive electrode side of the voltage applying device and the ceramics are formed. When it was connected to the negative electrode side of the voltage application device and a DC voltage was applied between the metal and the ceramics, the two were firmly bonded.
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。 The reason why the above-mentioned strong bond is formed is that when a voltage is applied between the metal and the ceramics, a strong electrostatic force acts due to the positive and negative charges induced by the contact, and oxygen ions formed on the surface of the metal. The following formula (RO) is used between the oxygen ion conductor (XO) and the ceramics (RO) that form the oxygen ion conductor layer when the conductor layer and the ceramics are in close contact with each other up to an atomic level distance. It is considered that the reduction reaction as shown in 1) occurs and a covalent bond is formed.
Ｘ−Ｏ＋Ｒ−Ｏ＋２ｅ → Ｘ−Ｏ−Ｒ＋Ｏ２− （１） X-O + RO + 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。 According to the above reduction reaction, the oxide constituting the ceramics (RO) is reduced, and a bond (X-) is formed between the material (R) of the reduced oxide and the oxygen ion conductor (X-O). OR) is formed, and the oxygen ion conductor and the ceramics are firmly bonded at the contact surface.
一方、上記還元反応において生じたＯ２−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。 On the other hand, the O2 - ions generated in the reduction reaction move in the oxygen ion conductor layer, move to the anode side, and are discharged. As a result of the reduction reaction occurring in the ceramics on the cathode side in this way, it is considered that a strong bond was formed between the oxygen ion conductor and the ceramics, and by extension, the metal and the ceramics.
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。 The reduction reaction represented by the above formula (1) is considered to be a reaction in contrast to the electrochemical reaction that occurs in the conventional anode bonding method. That is, when joining glass (X-O-Na) and metal (M) by the anode joining method, for example, the following formula (2) is used between the glass (X-O-Na) and the metal (M). )-(4) is considered to occur.
Ｘ−Ｏ−Ｎａ → Ｘ−Ｏ−＋Ｎａ＋ （２）
Ｘ−Ｏ−＋Ｍ → Ｘ−Ｏ−Ｍ＋ｅ （３）
Ｎａ＋＋ｅ → Ｎａ （４）
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。 The reactions of the above formulas (2) and (3) are reactions that occur on the anode side (contact interface), and Na is ionized and desorbed to generate XO-, which is bonded to M to form a bond. .. On the other hand, the reaction of the formula (4) is a reduction reaction that occurs on the negative electrode side, and Na + that has moved toward the cathode side in the glass receives an electron and is reduced to Na.
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。 As described above, the bonding method according to the present invention based on the reduction reaction at the cathode is a novel bonding method in contrast to the conventional anode bonding method based on the oxidation reaction at the anode, and is "cathode" as opposed to the conventional anode bonding method. It shall be called "joining method". According to this cathode bonding method, the oxygen ion conductor and the ceramics, and by extension, the metal and the ceramics can be firmly bonded.
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Ｏ２−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Ｏ２−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。 Further, as is clear from the above equations (2) to (4), it is Na + that carries electricity in the glass, and O 2- alone does not intervene. Since Na is deposited on the cathode side, it becomes a pollution source, and if the glass has a plated surface, it may cause plating peeling at the interface. In this respect, in the present invention, since O 2- is responsible for oxygen ion conduction, a junction corresponding to both oxidation and reduction is formed. Since oxygen is a gas, the problems of contamination and plating peeling that occur in the reaction in the glass do not occur.
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。 In the above specific example, the oxygen ion conductor layer is formed on the surface of the metal, but it was also found that the metal and the ceramic can be firmly bonded even when the oxygen ion conductor layer is formed on the surface of the ceramic. However, in this case, it was found that it is necessary to connect the metal to the negative electrode side of the voltage applying device and connect the ceramics to the positive electrode side of the voltage applying device to invert the polarity of the voltage.
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。 In this case as well, it is considered that the same electrochemical reaction as the above-mentioned cathode bonding occurred. That is, a natural oxide film (MO), which is generally an oxide layer, is formed on the surface of the metal (M) constituting the power module, and when a voltage is applied between the oxygen ion conductor layer and the ceramics, , It is considered that a reduction reaction as shown in the following formula (5) occurs between the oxygen ion conductor (XO) and the natural oxide film (MO).
Ｘ−Ｏ＋Ｍ−Ｏ＋２ｅ → Ｘ−Ｏ−Ｍ＋Ｏ２− （５） X-O + MO + 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。 According to the above reduction reaction, the metal oxide constituting the natural oxide film (MO) is reduced, and between the metal (M) of the reduced metal oxide and the oxygen ion conductor (XO). A bond (XOM) is formed, and the metal and the oxygen ion conductor, and thus the metal and the ceramics, are firmly bonded at the contact surface.
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。 Further, the present inventor puts the metal on the positive electrode side of the voltage applying device even when the natural oxide film on the surface of the metal is removed by polishing treatment or the like, or when a natural oxide film such as gold is difficult to be formed. It was also found that the metal and the ceramics are firmly bonded by connecting the ceramics to the negative electrode side of the voltage applying device and applying the voltage.
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。 The reason why the above-mentioned strong bond is formed is that when a voltage is applied between the oxygen ion conductor and the metal, the following equation ( It is considered that this is because the oxidation reaction as shown in 6) to (8) occurs.
Ｘ−Ｏ＋Ｏ２−＋Ｍ → Ｘ−Ｏ２−Ｍ＋２ｅ （６）
Ｏ２−＋Ｍ → Ｍ−Ｏ＋２ｅ （７）
Ｘ−Ｏ＋Ｏ２−＋Ｍ−Ｏ → Ｘ−Ｏ３−Ｍ＋２ｅ （８）
X-O + O 2- + M → X-O 2- M + 2e (6)
O 2- + M → MO + 2e (7)
X-O + O 2- + MO-> 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−Ｏ３−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。 By the above oxidation reaction, on the contact surface between the oxygen ion conductor (XO) and the metal (M), the oxygen ions that have entered the oxygen vacancies position emit electrons to release the electrons to the metal (M) and the oxygen ion conductor. It is probable that a new strong bond ( XO 3- M) was formed with (XO), and a strong bond was formed on the contact surface.
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。 As described above, the present inventor has found that the metal and the ceramic can be firmly bonded to each other via the oxygen ion conductor, and completed the present invention. Hereinafter, each step of the present invention will be described.
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）。 First, in step S1, an oxygen ion conductor layer is formed on the surface of one of the first material to be bonded having metal and the second material to be bonded having ceramics (oxygen ion conductor layer forming step).
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。 The first material to be joined in the present invention can be a member having metal such as a base plate constituting a power module, an internal wiring layer in a multilayer wiring board, and an external connection terminal. Of these, the base plate can be made of aluminum, copper, stainless steel (SUS), or the like. Further, the internal wiring layer and the external connection terminal can be made of copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), titanium (Ti), tungsten (W) or the like.
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。 An oxide layer may be formed on the surface of the metal. This oxide layer can be a natural oxide film of a metal constituting the first material to be bonded, and is different from the metal constituting the first material to be bonded on the surface of the first material to be bonded. The metal oxide film of the above may be formed.
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。 When the first material to be joined is the internal wiring layer of the wiring board, the internal wiring layer may be covered with the glass frit layer formed by softening and then curing the glass frit. Since the glass frit is mainly composed of silicon oxide (Si—O), the silicon oxide is reduced by the above-mentioned cathode bonding method to reduce the oxygen ion conductor (X—O) and silicon oxide (Si—O). Is firmly joined at the contact surface.
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。 The ceramics constituting the second material to be joined are not particularly limited, and can be used, for example, as a power module substrate for mounting a power module. Such ceramics can typically be made of a ceramic material such as alumina or mullite, and examples thereof include titania, yttria, magnesia, alumina, silica, and chromia.
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（ＺｒＯ２）やイットリア（Ｙ２Ｏ３）をドープした安定化ジルコニア（ＹＳＺ）や酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、サマリア（Ｓｍ２Ｏ３）、ガドリア（Ｇｄ２Ｏ３）、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）などを用いることができる。また、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、ランタンガレート酸化物（ＬａＧａＯ３）、酸化インジウムバリウム（Ｂａ２Ｉｎ２Ｏ５）、酸化ニッケルランタン（Ｌａ２ＮｉＯ４）、フッ化ニッケルカリウム（Ｋ２ＮｉＦ４）などを用いることもできる。 The oxygen ion conductor layer is a layer capable of allowing oxygen ions to permeate. The material constituting the oxygen ion conductor layer is not particularly limited as long as it allows oxygen ions to permeate, but is preferably an oxide ion conductor. For example, stabilized zirconia (YSZ) doped with zirconia (ZrO 2 ) or yttria (Y 2 O 3 ), neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), Samaria (Sm 2 O 3 ), gadria (Gd 2 O 3 ), Scandia (Sc 2 O 3 ) and the like can be used. In addition, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), cerium oxide (CeO), zirconium oxide (ZrO 2 ), lanthanum gallate oxide (LaGaO 3 ), indium barium oxide (Ba 2 In 2 O 5 ), nickel lanthanum oxide (La). 2 NiO 4 ), nickel potassium fluoride (K 2 NiF 4 ) and the like can also be used.
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。 The material constituting the oxygen ion conductor layer is not limited to the above, and other known oxygen ion conductor materials can be used. Further, these materials may be used alone or in combination of a plurality of types.
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。 The formation of the oxygen ion conductor layer on the first material to be bonded or the second material to be bonded can be formed by various known methods in which ceramic fine particles or vaporized ceramic fine particles are directly laminated on the surface. Specifically, appropriate film formation conditions are used by using a thermal spraying method, a sputtering method, a chemical vapor deposition (CVD), a physical vapor deposition (PVD), a cold spray method, or the like. Can be formed below.
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。 When the metal constituting the first material to be bonded is Cu or SUS, which is relatively hard, the surface of one of the first material to be bonded and the second material to be bonded is plated as a buffer layer. Layers may be formed. As the material constituting the plating, conventionally known materials can be used, and gold plating, silver plating and the like can be used.
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。 In the present invention, by applying a high voltage of several hundreds of volts, the contact surfaces of the oxygen ion conductor layer and the first material to be bonded or the second material to be bonded are strongly attracted to each other by electrostatic attraction. When the abutting surfaces approach each other to an interatomic distance, a covalent bond is formed between the atoms of the abutting surfaces close to each other by the above-mentioned electrochemical reaction. Therefore, the flatness of the planned joining surface is important, and it is desirable to finish it as mirror-finished as possible. Specifically, the contact surface between the oxygen ion conductor layer and the first material to be bonded or the second material to be bonded is finished flat by a mirror polishing treatment, or the oxygen ion conductor layer. , And at least one of the first material to be joined or the second material to be joined is preferably formed thin so that they can be brought into close contact with each other. Thereby, the bonding strength between the oxygen ion conductor layer and the first material to be bonded or the second material to be bonded can be increased.
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）。 Next, in step S2, the first material to be bonded and the second material to be bonded are arranged so as to be in contact with each other via the oxygen ion conductor layer (arrangement step).
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）。 Subsequently, in step S3, the first material to be joined is connected to one of the positive electrode side and the negative electrode side of the voltage applying device, and the second material to be joined is connected to one of the positive electrode side and the negative electrode side of the voltage applying device. Connect to the other side of (connection process).
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。 In this step, which of the first material to be bonded and the second material to be bonded is connected to the positive electrode side of the voltage applying device is determined by the material in contact with the oxygen ion conductor layer in the above-mentioned arrangement step. It depends on whether or not it is included.
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。 Specifically, when the material in contact with the oxygen ion conductor layer contains oxygen, a voltage is applied to one of the first material to be bonded and the second material to be bonded to which the oxygen ion conductor layer is formed. It is connected to the positive electrode side of the applying device and the other is connected to the negative electrode side of the voltage applying device.
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。 On the other hand, when the material in contact with the oxygen ion conductor layer does not contain oxygen, one of the first material to be bonded and the second material to be bonded is formed with the oxygen ion conductor layer. It is connected to the negative electrode side of the voltage application device, and the other is connected to the positive electrode side of the voltage application device.
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。 The positions of the first material to be joined and the second material to be joined to be connected to the voltage application device in this connection step are not limited, and in step S4 described later, the first material to be joined and the second material to be joined are not limited. It suffices if a bond can be formed at the contact interface with the bonding material.
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。 Next, in step S4, a voltage is applied between the first material to be joined and the second material to be joined to join the first material to be joined and the second material to be joined (voltage application step). ). Specifically, a DC voltage is applied between the first material to be joined and the second material to be joined while heating the first material to be joined and the second material to be joined.
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。 The ceramics constituting the second material to be joined become conductive as the temperature rises. Further, the oxygen ion conductor constituting the oxygen ion conductor layer increases in oxygen ion conductivity as the temperature rises, so that electricity flows. As a result, the oxygen ion conductor layer is bonded to the first material to be bonded or the second material to be bonded, and thus the first material to be bonded and the second material to be bonded are bonded.
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。 The voltage applied between the first material to be bonded and the second material to be bonded is the resistance of the ceramics constituting the second material to be bonded and the oxygen ion conductor constituting the oxygen ion conductor layer depending on the working temperature. Since the value changes, there is an optimum range depending on the temperature. Select the optimum according to the application in consideration of the material properties of ceramics and oxygen ion conductors and the conditions of use after bonding. If the working temperature or voltage is too low, the current flowing through the ceramics and the oxygen ion conducting current of the oxygen ion conductor will decrease, and the time required for bonding will increase. On the other hand, when the temperature is high, the time required for joining is shortened, but the residual stress after joining becomes large, which is unsuitable from the viewpoint of durability. If the voltage is too high, discharge to other than the joint will occur, making joining difficult. Typically, it is preferable to select the optimum value in the range of voltage 50 V or more and 500 V or less under the temperature condition of 300 ° C. or more and 500 ° C. or less. As a result, the oxygen ion conductor layer and the first material to be bonded or the second material to be bonded, and thus the first material to be bonded and the second material to be bonded can be more firmly bonded.
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。 Next, a guideline for the time for applying a voltage between the first material to be joined and the second material to be joined will be described. In the present invention, the optimum time can be determined by paying attention to the change in the current value. Shortly after the start, while the bonding formation area between the oxygen ion conductor layer and the first material to be bonded or the second material to be bonded is expanding, the current value repeatedly slightly increases and decreases as an average current. Shows an increasing trend. And when the joining is almost completed, the average current starts to decrease. It is preferable to use the point at which the current value starts to decrease as a guideline for stopping the application of the voltage. As a result, the first material to be joined and the second material to be joined can be firmly joined over the entire surface of the joint surface.
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。 As described above, the temperature at the time of bonding is generally 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, but at the bonding interface between the first material to be bonded and the second material to be bonded, electrolysis is performed between the atoms of the surface layer. The appropriate temperature can be set from the charge required to form a covalent bond.
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（ｃｍ２）、Ｎｓは原子の平面密度（ｃｍ−２）である。
That is, the charge Q (C) required to form a covalent bond at the bonding interface is given by the following equation (9).
Q = qSNs (9)
Here, q is the elementary charge (1.6 × 10-19 (C)), S is the area of the bonding interface (cm 2 ), and Ns is the planar density of the atom (cm- 2 ).
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。
On the other hand, when the above charge Q is expressed from the circuit equation, it becomes as shown in the following equation (10).
Q = It = Vt / R (10)
Here, R is the resistance value (Ω) of the circuit (that is, ceramics), V is the voltage (V) applied between the first material to be bonded and the second material to be bonded, and t is the voltage application time. That is, the joining time (s).
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。
From the formula (10), the resistance value R (Ω) of the ceramics is given by the following formula (11).
R = Vt / Q (11)
Assuming that the resistivity of the ceramics is ρ (Ω · cm), ρ is given by the following equation (12).
ρ = RS / d (12)
However, d is the thickness (cm) of the ceramics.
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１ｃｍ２、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。 For example, it is calculated that the resistivity ρ of ceramics required to join an alumina plate with an area of 1 cm 2 and a thickness of 1 mm at a voltage of 100 V within 100 seconds must be 6.2 MΩ · cm or less. To. Since the resistivity of ceramics decreases at high temperatures, bonding may be performed by selecting a temperature at which the resistivity ρ is 6.2 MΩ · cm or less.
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。 As described above, according to the joining method of the present invention, since the conventional means for externally pressurizing is not required, the components of the power module can be firmly joined even when the area of the joining surface is large. ..
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。 Hereinafter, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the examples.
（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）。
(Example 1)
The base plate constituting the power module and the power module board were joined. First, a
（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。
(Example 2)
Similar to the first embodiment, the base plate constituting the power module and the power module substrate were joined. However, as shown in FIG. 3A, the oxygen
（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。
(Example 3)
Similar to the first embodiment, the base plate constituting the power module and the power module substrate were joined. However, the
（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）。
(Example 4)
Similar to Example 3, the base plate and the cooling plate constituting the power module were joined. However, as shown in FIG. 5A, the
（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）。
(Example 5)
Similar to Example 3, the base plate constituting the power module and the power module substrate were joined. However, as shown in FIG. 6B, a through hole penetrating the
（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。
(Example 6)
The wiring boards that make up the multi-layer wiring board of the power module were joined. First, as shown in FIG. 7A, an
（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）。
(Example 7)
Similar to Example 6, the wiring boards constituting the multi-layer wiring board of the power module were joined. However, as shown in FIG. 8A, the
（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。
(Example 8)
Similar to Example 6, the wiring boards constituting the multi-layer wiring board of the power module were joined. However, as shown in FIG. 9A, the glass frit was softened and then cured to form the
（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。
(Example 9)
The external connection terminals that make up the power module and the wiring board were joined. First, two
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。 According to the present invention, the components of the power module can be firmly joined even when the area of the joining surface is large.
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
11,111
Claims (3)
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の被接合材及び前記第２の被接合材のうちの一方が、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１の被接合材及び前記第２の被接合材のうちの他方の表面に形成され、
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の被接合材及び前記第２の被接合材のうちの前記金属めっき層が設けられた一方が電圧印加装置の負極側に接続され、他方が正極側に接続されることを特徴とする接合方法。 An oxygen ion conductor layer forming step of forming an oxygen ion conductor layer on the surface of one of a first material to be bonded having a metal and a second material to be bonded having ceramics,
An arrangement step of arranging the first material to be joined and the second material to be joined so as to be in contact with each other via the oxygen ion conductor layer.
The first material to be joined is connected to one of the positive electrode side and the negative electrode side of the voltage applying device, and the second material to be joined is connected to the other of the positive electrode side and the negative electrode side of the voltage applying device. Connection process and
A voltage application step of applying a voltage between the first material to be joined and the second material to be joined to join the first material to be joined and the second material to be joined.
Including
One of the first material to be bonded and the second material to be bonded has a metal plating layer on its surface, and the metal plating layer has an oxide layer on its surface.
In the oxygen ion conductor layer forming step, the oxygen ion conductor layer is formed on the other surface of the first material to be bonded and the second material to be bonded.
In the arrangement step, the first material to be bonded and the second material to be bonded are arranged so as to be in contact with each other via the oxide layer and the oxygen ion conductor layer.
In the connection step, one of the first material to be joined and the second material to be joined provided with the metal plating layer is connected to the negative electrode side of the voltage applying device, and the other is connected to the positive electrode side. A joining method characterized by the fact that.
前記第１の被接合材と前記第２の被接合材とを、両者が前記金属めっき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する配置工程と、An arrangement step of arranging the first material to be bonded and the second material to be bonded so as to be in contact with each other via the metal plating layer and the oxygen ion conductor layer.
前記第１の被接合材を電圧印加装置の正極側に接続するとともに、前記金属めっき層を電圧印加装置の負極側に接続する接続工程と、A connection step of connecting the first material to be joined to the positive electrode side of the voltage applying device and connecting the metal plating layer to the negative electrode side of the voltage applying device.
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、A voltage application step of applying a voltage between the first material to be joined and the second material to be joined to join the first material to be joined and the second material to be joined.
を含むことを特徴とする接合方法。A joining method comprising.
The joining method according to claim 1 or 2, wherein the voltage application step is performed at a temperature at which the resistivity ρ (Ω · cm) of the ceramics is equal to or less than a value given by the following formula (A).
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