JP7297148B2 - 金属接合体、半導体装置、導波管及び被接合部材の接合方法 - Google Patents

金属接合体、半導体装置、導波管及び被接合部材の接合方法 Download PDF

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Description

本開示は、金属接合体、半導体装置、導波管及び被接合部材の接合方法に関する。
従来、半導体装置及び導波管等の工業製品における金属部材同士の接合には、はんだ付けが広く用いられている。しかしながら、製品の高温動作化に伴い高融点のはんだを用いる場合には、還元雰囲気下での接合が必須となる。そこで、Ｚｎ（亜鉛）を含むインサート材を用いて加圧及び加熱することで共晶反応による溶融物を生成させ、大気中で金属部材同士を接合するという技術があった（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１３－１７６７８２号公報
しかしながら、インサート材を用いた接合では、共晶反応による溶融物を生成させて接合するため、溶融物のはみ出しを考慮して被接合物の寸法を調整する必要があるという課題があった。
本開示は、上記した課題を解決するためになされたものであり、接合材を溶融することなく接合することができる金属接合体を得ることを目的とするものである。
本開示に係る金属接合体は、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層と、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層の両面に設けられたＡｌ－Ａｇ合金層と、を備える。
本開示に係る金属接合体は、固相接合により接合されており、接合材の溶融によるはみ出しが生じないことから、寸法安定性を向上することができるという効果を有する。
実施の形態１の金属接合体を示す断面図である。 実施の形態１の被接合部材の接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態２の半導体装置を示す断面図である。 実施の形態２の半導体装置の製造工程の一部である金属ベースと配線基板との接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態２の半導体装置の製造工程の一部である半導体素子と配線基板との接合方法を説明するための断面図である。 実施の形態３の導波管を説明するための斜視図である。 実施の形態３の導波管を示す断面図である。 実施の形態３の導波管の製造方法を説明するための断面図である。 実施の形態３の導波管の変形例を示す断面図である。 実施の形態３の導波管の変形例の製造方法を説明するための断面図である。 実施例の金属接合体について、Ａｌ－Ａｇ合金層中のＡｇ含有率に対する接合強度を示すグラフである。 実施例の金属接合体について、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中のＺｎ含有率に対する接合強度を示すグラフである。 実施例の金属接合体について、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中のＡｌ含有率に対する接合強度を示すグラフである。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一又は相当する部分には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
実施の形態１．
実施の形態１の金属接合体及び被接合部材の接合方法について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態の金属接合体１００を示す断面図である。また、図２は、金属接合体１００の製造方法を説明するための断面図である。
まず、金属接合体１００の構成について、図１を用いて簡単に説明する。なお、金属接合体１００の詳細については、被接合部材の接合方法の説明において後述する。
金属接合体１００は、図１に示すように、２個の被接合部材としてのＡｌ基材１同士の間に設けられ、Ａｌ基材１同士を接合する部分であって、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層５の両面にＡｌ－Ａｇ合金層４が設けられて積層された部分である。すなわち、ここでは、２個の被接合部材としてのＡｌ基材１間の接合のために、Ａｌ－Ａｇ合金層４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層５／Ａｌ－Ａｇ合金層４からなる金属接合体１００が設けられており、積層体全体の構成としては、Ａｌ基材１／Ａｌ－Ａｇ合金層４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層５／Ａｌ－Ａｇ合金層４／Ａｌ基材１、となっている。
次に、被接合部材としてのＡｌ基材１の接合方法について、図２を用いて説明する。
金属接合体１００の製造方法としては、まず、図２（Ａ）に示すように、被接合部材としてのＡｌ基材１（Ａｌ層）上にＺｎ層としてのＺｎ膜２を成膜し、Ｚｎ膜２のＡｌ基材１上に接合された第１面２ａの反対側の第２面２ｂ上にＡｇ層としてのＡｇ膜３を成膜することにより、金属積層体１０を２個作製する。すなわち、金属積層体１０は、Ａｌ基材１／Ｚｎ膜２／Ａｇ膜３、が順次積層された構成となっている。
ここで、Ａｌ基材１は、Ａｌ（アルミニウム）を主成分とするＡｌ合金部材である。なお、Ａｌ基材１は、Ａｌを主成分とするものであればＡｌ合金部材に限られるものではなく、例えばＡｌを主成分として残部に不純物を含有する部材でも良いし、Ａｌのみで構成された部材でも良い。Ａｌ基材１は、主成分であるＡｌを９９ａｔｏｍ％以上含有することが望ましく、Ａｌが１００ａｔｏｍ％であるとさらに良い。
また、Ｚｎ膜２は、Ｚｎ（亜鉛）を主成分とする薄膜状の層であり、Ａｇ膜３は、Ａｇ（銀）を主成分とする薄膜状の層である。Ｚｎ膜２及びＡｇ膜３は、それぞれ主成分であるＺｎ又はＡｇを９９ａｔｏｍ％以上含有することが望ましく、Ｚｎ又はＡｇが１００ａｔｏｍ％であるとさらに良い。Ｚｎ膜２及びＡｇ膜３は、残部に不純物を含有していても問題は無い。
なお、ここではＡｌ層が被接合部材としてのＡｌ基材１で構成される場合を例として説明しているが、これに限られるものではなく、Ａｌ層としては、Ａｌ基材１に替えて、別個の部材である被接合部材上に薄膜状に設けられるＡｌ膜としても良い。すなわち、被接合部材はＡｌ基材あるいは別個の部材であっても良い。被接合部材がＡｌ基材である場合は、Ａｌ基材がＡｌ層であり、被接合部材が別個の部材である場合は、被接合部材上に形成されるＡｌ膜がＡｌ層である。
また、Ａｌ層については、本実施の形態のＡｌ基材１のように１個の部材として設けられる場合又は別個の部材上に薄膜状にＡｌ膜が設けられる場合のいずれであっても、その厚さに関しては特に限定されるものではない。一方で、Ｚｎ膜２は、安定した密着性を確保するために、十分な原子の拡散による合金を形成する観点から、０．１μｍ以上２μｍ以下に形成することが好ましい。また、Ａｇ膜３は、十分な原子の拡散による接合強度の向上に加え、より均一に成膜する観点から、０．１μｍ以上５０μｍ以下に形成することが好ましい。
Ｚｎ膜２及びＡｇ膜３の成膜の手法は特に限定されず、例えば、電解めっき又は無電解めっきのほか、物理蒸着（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ／ＰＶＤ）、化学蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ／ＣＶＤ）、スパッタ等により形成することができる。成膜条件に関しては特に限定されず、使用する方法及び装置に応じ適宜設定することができる。また、膜厚に関しては、選択した手法における成膜レ―トから適切な成膜時間を算出することにより決定する。なお、Ａｌ層として別個の部材上にＡｌ膜を設ける場合にも、同様の手法で成膜することができる。
このようにして金属積層体１０が作製された後、図２（Ａ）に示すように、２個の金属積層体１０においてその表面が露出されたＡｇ膜３同士を対向させる。そして、図２（Ｂ）に示すように、２個の各金属積層体１０のＡｇ膜３同士を接触させる（第１工程）。その後、Ａｇ膜３同士が接触された状態で加圧しながら加熱を行い、Ａｇ膜３同士を密着させる（第２工程）。これにより、各層間で原子の拡散が生じることで、２個の金属積層体１０同士が固相接合される。
ここで、「固相接合」とは、金属積層体の各金属層における金属材料を溶融することなく、すなわち固相（固体）の状態のまま接合することを意味する。特に、金属層間での固相接合では、十分な密着が重要となる。固相接合では、密着するに従い原子の拡散が容易となり、より短時間かつ低加圧での接合が可能となるためである。また、密着性を向上するには、各層の接触時に清浄かつ活性な面同士を接触させることが重要である。本実施の形態では、加圧をしながら加熱することによりＡｇ膜３表面の酸化膜を除去することで、Ａｇ膜３同士の密着性を向上させ、固相接合を促進している。
加圧及び加熱の方法としては、所定の荷重を印加しながら、固相接合が開始できる温度に金属積層体１０を加熱した状態で一定時間保持する。Ａｇ膜３は、常温・常圧下で酸化膜が形成されるが、２００℃以上で加熱を行うことで分解除去される。したがって、例えば真空雰囲気下での処理、あるいは、ギ酸、水素又は窒素雰囲気等のような還元性雰囲気下での処理に限定されず、大気中で加圧及び加熱を行うことでＡｇ膜３表面の酸化膜を除去することができる。
加熱について、固相接合が開始できる温度とは、大気下におけるＡｇの場合は一般的に２００℃以上であるが、部材の変形や原子の拡散を考慮すると、２５０℃以上４００℃以下が好ましい。また、加圧力に関しては、特に限定されないが、０．１ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下で、かつ、変形を抑える観点から部材の強度を下回るようにすることが好ましい。特に、加熱している状態では、密着による接合を促進する観点と金属膜の軟化に対する変形を抑制する観点とから、加圧力は０．５ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下がより好ましい。加圧及び加熱の時間に関しては、加熱温度と加圧力とに応じて適宜設定すれば良いが、１分以上１２時間以下とすることが好ましく、さらには１０分以上３時間以下とすることがより好ましい。
このようにして、Ａｇ膜３同士が加圧及び加熱して密着されることで、２個の金属積層体１０においてＺｎ膜２中のＺｎ原子がＡｇ膜３中に拡散すると共に、Ａｌ基材１中の一部のＡｌ原子とＡｇ膜３中のＡｇ原子とが相互に拡散する。そして、２個の金属積層体１０が固相接合されると、図２（Ｃ）に示すように、全体の構成として、Ａｌ基材１／Ａｌ－Ａｇ合金層４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層５／Ａｌ－Ａｇ合金層４／Ａｌ基材１の積層構造となる。このとき、接合前の金属積層体１０のＡｌ基材１のうちの一部が接合後のＡｌ基材１として残る。そして、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層５の両面にＡｌ－Ａｇ合金層を有し、Ａｌ－Ａｇ合金層４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層５／Ａｌ－Ａｇ合金層４の積層構造となる部分が金属接合体１００であり、金属接合体１００を介して２個の被接合部材としてのＡｌ基材１が接合された構成となる。
固相接合によってＡｌ－Ａｇ合金層４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層５／Ａｌ－Ａｇ合金層４の積層構造が形成された後は加圧及び加熱を停止し、自然放熱により冷却することが好ましい。また、固相接合では原子の拡散により各層で濃度の勾配を持つことがあるが、これにより接合強度の低下は生じない。したがって、各層の構成は層全体において均一でなくても良い。また、形成された金属接合体１００はその両面のＡｌ基材１と共に一体となっているため、各層間の境界は実際には不明確であっても良い。
Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層５は、全体を１００ａｔｏｍ％としたとき、Ａｌを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、Ｚｎ成分を１ａｔｏｍ％以上４０ａｔｏｍ％以下含有し、かつ、残部にＡｇを主成分として含有することが好ましい。また、Ａｌ－Ａｇ合金層４は、全体を１００ａｔｏｍ％としたとき、Ａｇを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、かつ、残部にＡｌを主成分として含有することが好ましい。なお、接合強度の要求がそれほど高くない場合等には、必ずしもこの成分比でなくても良い。
このようにして構成された金属接合体１００及び被接合部材の接合方法の効果について説明する。
従来、はんだ材やインサート材等の接合材を溶融することにより部材間を接合する方法があるが、このような方法の場合、接合時に溶融したはんだ材やインサート材が接合面からはみ出す場合があるため、その大きさの調整が必要となる。また、接合材を安定に配置するために十分な面積が必要となり、全体での大きさや重量が増加してしまう。さらに、溶融した接合材の接合面積又は厚みが大きいと、ボイドが抜けにくく硬化後に空隙を発生してしまうことがあるため、空隙を発生させないために接合面積の調整を行う必要がある。また、Ｚｎを主成分としたインサート材等を用いる場合、接合後の表面に析出するＺｎが湿度の高い環境などで腐食しやすいため使用に問題がある。
そこで、本実施の形態の金属接合体１００及び被接合部材の接合方法では、固相接合により接合され、従来のはんだ材やインサート材等を用いておらず、接合材の溶融によるはみ出しが生じないことから、寸法安定性を向上することができるという効果を奏する。さらに、これにより、接合後の部材全体での大きさを小さく、重量を軽くすることができるという効果を奏する。
また、本実施の形態の金属接合体１００及び被接合部材の接合方法は、金属接合体１００が固相接合にて形成され接合材を溶融させないことから、はんだ材やインサート材のように接合材のはみ出しやボイドが生じないため、接合面積に関わる設計の自由度を向上することができるという効果を奏する。そして、固相接合により接合することから、溶融に伴う変形を抑制した接合信頼性の高い金属接合体を得ることができるという効果をさらに奏する。
さらに、本実施の形態の金属接合体１００は、Ｚｎを含有しているが、Ａｌ－Ａｇ合金層４ではＡｌを、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層５ではＡｇを、それぞれ主成分としており、Ｚｎが主成分ではないため、高湿度の環境等でも信頼性の高い接合を行うことができるという効果を奏する。その上、金属接合体１００全体としてＡｇが主成分となる構成とすることで、熱伝導性及び耐熱性の面においても優位となる。
また、金属接合体１００が形成される前の金属積層体１０においては、めっき等により各層を成膜することで密着性が確保されているため、部材間の接合層であるＡｇ膜３間以外の境界面では強度低下の懸念がない。したがって、生産の安定性及び接合信頼性を向上することができるという効果を奏する。
さらに、本実施の形態の被接合部材の接合方法では、真空雰囲気や、ギ酸、水素、窒素等のような還元性雰囲気を必要とせず、大気中での接合が可能である。そのため、真空加熱炉や加熱還元炉のような設備を必要とせず、コストを低減することができ、設備維持管理が容易であるという効果を奏する。加えて、大気中でＺｎやＡｌの酸化を抑制した状態での接合をすることができるため、接合信頼性を向上することができるという効果を奏する。
実施の形態２．
実施の形態２の半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態の半導体装置２０００を示す断面図である。
まず、半導体装置２０００の全体構成について説明する。
半導体装置２０００は、図３に示すように、金属ベース１１、金属ベース１１上に裏面導体層１２ｃが接合された配線基板１２、配線基板１２の表面導体層１２ｂ上に搭載された２個の半導体素子１３、金属ベース１１の外周側面に接着剤１４によって接着されたケース１５、ケース１５に取り付けられた複数の外部端子１６、配線基板１２の表面導体層１２ａと半導体素子１３と外部端子１６とを電気的に接続するワイヤ１７、並びに金属ベース１１とケース１５とで囲まれた領域に充填される封止材１８から構成される。
そして、金属ベース１１と配線基板１２の裏面導体層１２ｃとの間、及び配線基板１２の表面導体層１２ｂと半導体素子１３との間は、それぞれ金属接合体２００及び金属接合体２００の両面に設けられたＡｌ膜２１を介して接合されている。
なお、本実施の形態では、金属ベース１１と配線基板１２の裏面導体層１２ｃとの間、及び配線基板１２の表面導体層１２ｂと半導体素子１３との間の両方に金属接合体２００が設けられて接合されている場合を説明するが、これに限られるものではなく、金属ベースと配線基板との間及び配線基板と半導体素子との間のうち少なくともいずれか一方に金属接合体２００が設けられ、接合されているものであれば良い。金属ベースと配線基板との間及び配線基板と半導体素子との間のうちいずれか一方のみが金属接合体２００を介して接合されている場合、他方は例えばはんだ、焼結銀等によって接合することができる。
金属ベース１１は、Ｃｕ（銅）によって形成される。金属ベース１１上には、金属接合体２００及び金属接合体２００の両面に設けられたＡｌ膜２１を介して配線基板１２の裏面導体層１２ｃが接合されており、金属ベース１１の外周側面には、接着剤１４によってケース１５が接着されている。なお、金属ベース１１は、Ｃｕ製に限られるものではなく、例えばＡｌＳｉＣ（アルミニウム－炭化ケイ素）合金又はＣｕＭｏ（銅－モリブデン）合金のような合金で形成されても良い。
また、金属ベースは、Ａｌで形成されても良い。この場合、金属ベース上にさらにＡｌ膜を形成する必要はなく、金属ベース上に金属接合体２００が接して設けられた構成とすることができる。
配線基板１２は、図１に示すように、絶縁層としてのＡｌＮ（窒化アルミニウム）製のセラミック基材１２ｄと、セラミック基材１２ｄの両面に設けられたＣｕ製の表面導体層１２ａ、１２ｂ及び裏面導体層１２ｃからなる導体層と、から一体に構成されている。配線基板１２において金属ベース１１に接合された裏面導体層１２ｃの反対側の面には、図３に示すように、導体層として表面導体層１２ａ、１２ｂがパターン形成されている。そして、表面導体層１２ｂ上には、半導体素子１３が搭載されている。
なお、本実施の形態では、配線基板１２のセラミック基材１２ｄの材料にＡｌＮを用いる場合について説明するが、これに限られるものではなく、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＳｉＮ（窒化ケイ素）等のセラミック材料を用いても良い。また、配線基板としてガラスエポキシ基板を用いることもできる。また、表面導体層１２ａ、１２ｂ及び裏面導体層１２ｃは、Ｃｕ製に限られず、例えばＮｉ製でも良いし、Ａｌ製であっても良い。表面導体層１２ａ、１２ｂ及び裏面導体層１２ｃがＡｌ製である場合は、表面導体層及び裏面導体層上にさらにＡｌ膜を設けた構成にする必要はなく、実施の形態１の金属接合体１００のように表面導体層１２ａ、１２ｂ及び裏面導体層１２ｃをＡｌ基材として接合することもできる。
また、本実施の形態では、金属ベース１１と配線基板１２とが別個に設けられる場合について説明するが、これに限られるものではなく、ＣｕやＡｌ等によって構成される金属ベース板と、ＢＮ（窒化ホウ素）やＡｌ２Ｏ３等の熱伝導性フィラーをエポキシ樹脂等に分散させた絶縁層とが一体に積層され、金属ベースと配線基板との機能を併せ持つ金属ベース絶縁基板を用いても良い。金属ベース絶縁基板を用いることで、半導体装置の軽量化や小型化ができる。一体化された金属ベース絶縁基板を用いる場合は、金属ベース絶縁基板と半導体素子との間に金属接合体２００が設けられ、接合される。
配線基板１２の表面導体層１２ｂ上には、半導体素子１３として、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ／絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）とダイオードとが１個ずつ、それぞれ金属接合体２００及び金属接合体２００の両面に設けられたＡｌ膜２１を介して接合され、搭載されている。半導体素子１３は、例えばＳｉ（シリコン）を半導体材料とする。また、表面導体層１２ｂ上の半導体素子１３が設けられていない領域には、図３に示すように、Ａｌ膜２１、Ｚｎ膜２２及びＡｇ膜２３がこの順で形成されている。
また、本実施の形態では、半導体素子１３としてＩＧＢＴとダイオードとを備える半導体装置について説明するが、これに限られるものではなく、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ―Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ／金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）等の半導体素子を備えても良いし、半導体素子を駆動制御する制御用ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ／集積回路）を備えても良い。また、本実施の形態では、半導体素子がＳｉを半導体材料とする例について説明するが、これに限られるものではなく、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）又はダイヤモンドのようなワイドバンドギャップ半導体材料としても良い。
さらに、本実施の形態では、ＩＧＢＴとダイオードとが１対搭載された１ｉｎ１のモジュール構成の場合について説明するが、これに限られるものではなく、半導体素子が１個搭載されたディスクリート部品や、２対搭載された２ｉｎ１又は６対搭載された６ｉｎ１等の構成としても良い。
ケース１５は、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）によって形成され、金属ベース１１及び配線基板１２の外周を取り囲む複数の面を有する枠状の形状を有し、金属ベース１１にシリコーン製の接着剤１４によって接着されている。ケース１５には、Ｃｕ製の複数の外部端子１６が、それぞれインサート成形により取り付けられている。なお、本実施の形態では、ケース１５の材料としてＰＰＳを用いる場合について説明するが、これに限られるものではなく、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）のような熱可塑性樹脂で形成されても良いし、ＬＣＰ（液晶ポリマー）で形成されても良い。
また、本実施の形態では、ケース１５が金属ベース１１の外周側面に接着剤１４によって接着されている構成について説明するが、これに限られるものではなく、配線基板の外周側面にケースが設けられ、配線基板とケースとが接着剤によって接合される構成とすることもできる。
ワイヤ１７は、Ａｌ製であり、配線基板１２の表面導体層１２ａ、１２ｂと、半導体素子１３と、外部端子１６とを電気的に接続する。なお、本実施の形態では、ワイヤ１７がＡｌ製である場合について説明するが、これに限られるものではなく、Ｃｕ製ワイヤ、Ａｌ被覆Ｃｕワイヤ、又はＡｕ（金）製ワイヤ等を用いても良いし、リボンボンド等を用いることもできる。また、ワイヤの代わりに電極板をはんだ付けすることにより回路形成する構成としても良い。
封止材１８は、金属ベース１１とケース１５とで囲まれた領域に充填され、半導体素子１３を封止する。封止材１８は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂又はアクリル樹脂のような電気的に絶縁性を有する樹脂で形成される。封止材１８は、封止材１８の機械強度及び熱伝導性を向上させるフィラーが分散された絶縁性複合材料で形成されても良い。封止材１８の機械強度及び熱伝導性を向上させるフィラーは、例えば、ＳｉＯ2（二酸化ケイ素）、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化ケイ素）、ダイヤモンド、ＳｉＣ（炭化ケイ素）又はＢ2Ｏ3（酸化ホウ素）のような無機セラミックス材料で形成されても良い。
次に、半導体装置２０００の製造方法について、図４及び図５を用いて説明する。図４は、本実施の形態の半導体装置２０００の製造工程の一部である金属ベース１１と配線基板１２の裏面導体層１２ｃとの接合方法を説明するための断面図、図５は、半導体装置２０００の製造工程の一部である半導体素子１３と配線基板１２の表面導体層１２ｂとの接合方法を説明するための断面図である。なお、本実施の形態で説明する半導体装置２０００の製造方法は、その接合方法について実施の形態１で説明した被接合部材の接合方法と一部で共通するため、異なる点を中心に説明する。
まず、金属ベース１１上に配線基板１２の裏面導体層１２ｃを固相接合する。これにより、金属接合体２００が形成され、金属接合体２００及び金属接合体２００の両面に形成されたＡｌ膜２１を介して、金属ベース１１と裏面導体層１２ｃとが接合される。
以下、図４を用いて、金属ベース１１と裏面導体層１２ｃとの接合方法の詳細について説明する。
まず、図４（Ａ）に示すように、被接合部材としての金属ベース１１上にＡｌ層としてのＡｌ膜２１を成膜し、Ａｌ膜２１上にＺｎ膜２２を成膜し、さらに、Ｚｎ膜２２のＡｌ膜２１上に接合された第１面２２ａの反対側の第２面２２ｂ上にＡｇ膜２３を成膜することにより積層された積層体と、金属ベース１１と同様に被接合部材としての配線基板１２の裏面導体層１２ｃ上にＡｌ膜２１、Ｚｎ膜２２及びＡｇ膜２３を成膜して積層された積層体とを作製する。
ここで、Ａｌ膜２１は、Ａｌを主成分とする薄膜状の層である。なお、Ａｌ膜２１は、Ａｌを主成分とするものであればよく、例えばＡｌを主成分として残部に不純物を含有する部材でも良いし、Ａｌのみで構成された部材でも良い。Ａｌ膜２１は、主成分であるＡｌを９９ａｔｏｍ％以上含有することが望ましく、Ａｌが１００ａｔｏｍ％であるとさらに良い。
また、Ｚｎ膜２２は、Ｚｎを主成分とする薄膜状の層であり、Ａｇ膜２３は、Ａｇを主成分とする薄膜状の層である。Ｚｎ膜２２及びＡｇ膜２３は、それぞれ主成分であるＺｎ又はＡｇを９９ａｔｏｍ％以上含有することが望ましく、Ｚｎ又はＡｇが１００ａｔｏｍ％であるとさらに良い。Ｚｎ膜２２及びＡｇ膜２３は、残部に不純物を含有していても問題は無い。
また、Ａｌ膜２１については、その厚さに関しては特に限定されるものではない。一方で、Ｚｎ膜２２は、安定した密着性を確保するために、十分な原子の拡散による合金を形成する観点から、０．１μｍ以上２μｍ以下に形成することが好ましい。また、Ａｇ膜２３は、十分な原子の拡散による接合強度の向上に加え、より均一に成膜する観点から、０．１μｍ以上５０μｍ以下に形成することが好ましい。
Ａｌ膜２１、Ｚｎ膜２２及びＡｇ膜２３の成膜の手法は特に限定されず、例えば、電解めっき又は無電解めっきのほか、物理蒸着、化学蒸着、スパッタ等により形成することができる。成膜条件に関しては特に限定されず、使用する方法及び装置に応じ適宜設定することができる。また、膜厚に関しては、その手法各々における成膜レ―トから適切な成膜時間を算出することにより決定する。
次に、図４（Ａ）に示すように、金属ベース１１上及び配線基板１２の裏面導体層１２ｃ上にＡｌ膜２１／Ｚｎ膜２２／Ａｇ膜２３がそれぞれ形成された積層体において、その表面が露出されたＡｇ膜２３同士を対向させる。そして、図４（Ｂ）に示すように、Ａｇ膜２３同士を接触させる（第１工程）。その後、Ａｇ膜２３同士が接触された状態で加圧しながら加熱を行い、Ａｇ膜２３同士を密着させる（第２工程）。これにより、各層間で原子の拡散が生じることで、金属ベース１１と裏面導体層１２ｃとが金属接合体２００を介して固相接合される。なお、固相接合の温度や圧力等の条件については実施の形態１の被接合部材の接合方法と同様であるため、説明を省略する。
このようにして、Ａｇ膜２３同士が加圧及び加熱して密着されることで、２個の積層体においてＺｎ膜２２中のＺｎ原子がＡｇ膜２３に拡散すると共に、Ａｌ膜２１中の一部のＡｌ原子とＡｇ膜２３中のＡｇ原子とが相互に拡散する。そして、金属ベース１１と裏面導体層１２ｃとが固相接合されると、図４（Ｃ）に示すように、接合部位は、金属ベース１１／Ａｌ膜２１／Ａｌ－Ａｇ合金層２４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５／Ａｌ－Ａｇ合金層２４／Ａｌ膜２１／裏面導体層１２ｃの積層構造となる。このとき、接合前の積層体のＡｌ膜２１のうちの一部が接合後のＡｌ膜２１として残る。そして、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５の両面にＡｌ－Ａｇ合金層２４を有し、Ａｌ－Ａｇ合金層２４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５／Ａｌ－Ａｇ合金層２４の積層構造となる部分が金属接合体２００であり、金属接合体２００及びその両面のＡｌ膜２１を介して金属ベース１１と裏面導体層１２ｃとが接合された構成となる。
固相接合によってＡｌ－Ａｇ合金層２４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５／Ａｌ－Ａｇ合金層２４の積層構造が形成された後は加圧及び加熱を停止し、自然放熱により冷却することが好ましい。また、固相接合では原子の拡散により各層で濃度の勾配を持つことがあるが、これにより接合強度の低下は生じない。したがって、各層の構成は層全体において均一でなくても良い。さらに、形成された金属接合体２００はその両面のＡｌ膜２１と共に一体となっているため、各層間の境界は実際には不明確となる。
Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５は、全体を１００ａｔｏｍ％としたとき、Ａｌを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、Ｚｎ成分を１ａｔｏｍ％以上４０ａｔｏｍ％以下含有し、かつ、残部にＡｇを主成分として含有することが好ましい。また、Ａｌ－Ａｇ合金層２４は、全体を１００ａｔｏｍ％としたとき、Ａｇを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、かつ、残部にＡｌを主成分として含有することが好ましい。なお、接合強度の要求がそれほど高くない場合等には、必ずしもこの成分比でなくても良い。
このようにして、金属接合体２００が形成され、金属接合体２００及び金属接合体２００の両面に形成されたＡｌ膜２１を介して、被接合部材としての金属ベース１１と裏面導体層１２ｃとが接合される。
次に、配線基板１２の表面導体層１２ｂ上に半導体素子１３を固相接合する。これにより、金属接合体２００が形成され、金属接合体２００及び金属接合体２００の両面に形成されたＡｌ膜２１を介して、表面導体層１２ｂと半導体素子１３とが接合される。
以下、図５を用いて、表面導体層１２ｂと半導体素子１３との接合方法の詳細について説明する。
まず、図５（Ａ）に示すように、半導体素子１３上にＡｌ層としてのＡｌ膜２１を成膜し、Ａｌ膜２１上にＺｎ膜２２を成膜し、さらに、Ｚｎ膜２２のＡｌ膜２１上に接合された第１面２２ａの反対側の第２面２２ｂ上にＡｇ膜２３を成膜することにより積層された積層体と、半導体素子１３と同様に配線基板１２の表面導体層１２ｂ上にＡｌ膜２１、Ｚｎ膜２２及びＡｇ膜２３を成膜して積層された積層体とを作製する。
なお、ここでは配線基板１２の表面導体層１２ｂの全面にＡｌ膜２１／Ｚｎ膜２２／Ａｇ膜２３が形成された例を示しているが、これに限られるものではなく、例えば接合に寄与する半導体素子１３と接触する範囲にのみ成膜しても良い。また、ここでは半導体素子１３上に直接Ａｌ膜２１、Ｚｎ膜２２及びＡｇ膜２３を順次形成する例を示しているが、半導体素子１３とＡｌ膜２１との間には密着性付与層として例えばＴｉ膜を形成しても良い。これは、密着性が確保できるものであればその種類や膜厚が限定されるものでは無い。その他にも、配線基板１２の表面導体層１２ｂ又は裏面導体層１２ｃ上や、金属ベース１１上に、各種金属等の皮膜がさらに形成されていても良い。
ここで、Ａｌ膜２１は、Ａｌを主成分とする薄膜状の層である。なお、Ａｌ膜２１は、Ａｌを主成分とするものであればよく、例えばＡｌを主成分として残部に不純物を含有する部材でも良いし、Ａｌのみで構成された部材でも良い。Ａｌ膜２１は、主成分であるＡｌを９９ａｔｏｍ％以上含有することが望ましく、Ａｌが１００ａｔｏｍ％であるとさらに良い。
また、Ｚｎ膜２２は、Ｚｎを主成分とする薄膜状の層であり、Ａｇ膜２３は、Ａｇを主成分とする薄膜状の層である。Ｚｎ膜２２及びＡｇ膜２３は、それぞれ主成分であるＺｎ又はＡｇを９９ａｔｏｍ％以上含有することが望ましく、Ｚｎ又はＡｇが１００ａｔｏｍ％であるとさらに良い。Ｚｎ膜２２及びＡｇ膜２３は、残部に不純物を含有していても問題は無い。
また、Ａｌ膜２１については、その厚さに関しては特に限定されるものではない。一方で、Ｚｎ膜２２は、安定した密着性を確保するために、十分な原子の拡散による合金を形成する観点から、０．１μｍ以上２μｍ以下に形成することが好ましい。また、Ａｇ膜２３は、十分な原子の拡散による接合強度の向上に加え、より均一に成膜する観点から、０．１μｍ以上５０μｍ以下に形成することが好ましい。
Ａｌ膜２１、Ｚｎ膜２２及びＡｇ膜２３の成膜の手法は特に限定されず、例えば、電解めっき又は無電解めっきのほか、物理蒸着、化学蒸着、スパッタ等により形成することができる。成膜条件に関しては特に限定されず、使用する方法及び装置に応じ適宜設定することができる。また、膜厚に関しては、その手法各々における成膜レ―トから適切な成膜時間を算出することにより決定する。
次に、図５（Ａ）に示すように、半導体素子１３上及び配線基板１２の表面導体層１２ｂ上にＡｌ膜２１／Ｚｎ膜２２／Ａｇ膜２３がそれぞれ形成された積層体において、その表面が露出されたＡｇ膜２３同士を対向させる。そして、図５（Ｂ）に示すように、Ａｇ膜２３同士を接触させる（第１工程）。その後、Ａｇ膜２３同士が接触された状態で加圧しながら加熱を行い、Ａｇ膜２３同士を密着させる（第２工程）。これにより、各層間で原子の拡散が生じることで、半導体素子１３と表面導体層１２ｂとが金属接合体２００を介して固相接合される。なお、固相接合の温度や圧力等の条件については実施の形態１の被接合部材の接合方法と同様であるため、説明を省略する。
このようにして、Ａｇ膜２３同士が加圧及び加熱して密着されることで、２個の積層体においてＺｎ膜２２中のＺｎ原子がＡｇ膜２３に拡散すると共に、Ａｌ膜２１中の一部のＡｌ原子とＡｇ膜２３中のＡｇ原子とが相互に拡散する。そして、半導体素子１３と表面導体層１２ｂとが固相接合されると、図５（Ｃ）に示すように、接合部位は、半導体素子１３／Ａｌ膜２１／Ａｌ－Ａｇ合金層２４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５／Ａｌ－Ａｇ合金層２４／Ａｌ膜２１／表面導体層１２ｂの積層構造となる。このとき、接合前の積層体のＡｌ膜２１のうちの一部が接合後のＡｌ膜２１として残る。そして、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５の両面にＡｌ－Ａｇ合金層２４を有し、Ａｌ－Ａｇ合金層２４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５／Ａｌ－Ａｇ合金層２４の積層構造となる部分が金属接合体２００であり、金属接合体２００及びその両面のＡｌ膜２１を介して半導体素子１３と表面導体層１２ｂとが接合された構成となる。
固相接合によってＡｌ－Ａｇ合金層２４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５／Ａｌ－Ａｇ合金層２４の積層構造が形成された後は加圧及び加熱を停止し、自然放熱により冷却することが好ましい。また、固相接合では原子の拡散により各層で濃度の勾配を持つことがあるが、これにより接合強度の低下は生じない。したがって、各層の構成は層全体において均一でなくても良い。さらに、形成された金属接合体２００はその両面のＡｌ膜２１と共に一体となっているため、各層間の境界は実際には不明確となる。
Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５は、全体を１００ａｔｏｍ％としたとき、Ａｌを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、Ｚｎ成分を１ａｔｏｍ％以上４０ａｔｏｍ％以下含有し、かつ、残部にＡｇを主成分として含有することが好ましい。また、Ａｌ－Ａｇ合金層２４は、全体を１００ａｔｏｍ％としたとき、Ａｇを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、かつ、残部にＡｌを主成分として含有することが好ましい。なお、接合強度の要求がそれほど高くない場合等には、必ずしもこの成分比でなくても良い。
なお、ここでは表面導体層１２ｂ上において、半導体素子１３上のＡｇ膜２３が接触された範囲にのみ固相接合部としてのＡｌ－Ａｇ合金層２４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５／Ａｌ－Ａｇ合金層２４からなる金属接合体２００が形成され、表面導体層１２ｂ上のその他の範囲にはＡｌ膜２１／Ｚｎ膜２２／Ａｇ膜２３が残る例を示しているが、これに限られるものではなく、配線基板１２の表面導体層１２ｂ上において半導体素子１３が搭載されない範囲に関してもＡｌ－Ａｇ合金層２４及びＡｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層２５が順次積層して形成される場合はある。これは、Ａｇ膜２１同士の密着が無くとも加熱により原子が拡散することによるものである。
このようにして、金属接合体２００が形成され、金属接合体２００及び金属接合体２００の両面に形成されたＡｌ膜２１を介して、被接合部材としての表面導体層１２ｂと半導体素子１３とが接合される。
なお、本実施の形態の半導体装置２０００の製造方法においては、裏面導体層１２ｃと金属ベース１１との間を接合した後、表面導体層１２ｂと半導体素子１３との間を接合する接合方法について説明したが、これに限られるものではなく、裏面導体層１２ｃと金属ベース１１との間、及び表面導体層１２ｂと半導体素子１３との間のそれぞれの接合は同時に行われても良い。
以上のようにして金属接合体２００が完成した後、半導体素子１３を搭載した配線基板１２に接合された金属ベース１１の外周側面と、ケース１５とを、シリコーン製の接着剤１４を用いて接着する。
そして、複数のワイヤ１７を、それぞれワイヤボンディングして形成し、配線基板１２の表面導体層１２ａ、１２ｂと半導体素子１３と外部端子１６とを電気的に接続する。なお、ワイヤの代わりに電極板を用いる場合は、この工程においては電極板をはんだ付けすることにより電気的に接続する。
次に、液状の樹脂材料を金属ベース１１とケース１５とで囲まれた領域に重点し、加熱をすることで硬化させる。これにより、半導体素子１３が封止材１８により絶縁封止される。以上により、半導体装置２０００が完成する。
このようにして構成される半導体装置２０００及び半導体装置２０００の製造方法の効果について説明する。
本実施の形態の半導体装置２０００の金属接合体２００による接合は、従来用いられるはんだ材による接合強度に比べ数倍大きい接合強度を有するため、熱応力での歪に伴う劣化に対する耐性が向上し、耐熱性が向上する効果を奏する。また、金属接合体２００による接合部は全体としてＡｇが主成分となるため、融点は９００℃を超える。したがって、融点約２００℃のはんだ材等と比較して、高温動作環境においても溶融等が生じず、接合信頼性を向上することができる効果を奏する。
特に、近年省エネルギ―化の観点から、電力損失の少ないＳｉＣやＧａＮ等を半導体素子の材料とした半導体装置の開発が盛んに行われている。これらの半導体素子は動作時に２００℃を超える高温となるため、半導体装置の動作温度もが年々上昇している。したがって、本実施の形態の半導体装置２０００は、このような高温動作の半導体装置に対しても耐熱性があり、信頼性を向上することができる効果を奏する。
さらに、本実施の形態の半導体装置２０００の製造方法においては、電解めっき等の成膜方法により金属膜を形成するため、印刷、ろう材のような部材のインサ―トによる接合層の形成による方法に比べ、積層体の被膜を薄膜かつ均一に形成することが容易であるという効果を奏する。
なお、本実施の形態では、ケースを備えた半導体装置において、金属接合体２００が設けられる構成を例として説明したが、半導体素子と配線基板との間あるいは配線基板と金属ベースとの間に金属接合体２００が設けられて接合されている構成のものであれば、例えばケースを備えないモールド成形の半導体装置等でも良いことは言うまでもない。
実施の形態３．
実施の形態３の導波管及び導波管の製造方法について、図６から図８を用いて説明する。図６は、本実施の形態の導波管３０００を説明するための斜視図、図７は、図６（Ｂ）のＡ－Ａ線における導波管３０００の断面図である。また、図８は、本実施の形態の導波管３０００の製造方法を説明するための断面図である。
まず、導波管３０００の全体構成について、図６及び図７を用いて簡単に説明する。なお、導波管３０００の詳細については、導波管３０００の製造方法の説明において後述する。
導波管３０００は、例えばアンテナ用に用いられるものであって、図６（Ａ）に示すように、長尺の板状の上部Ａｌ部材３１ａと、長尺で断面が凹形状の下部Ａｌ部材３１ｂとが接合され、図６（Ｂ）に示すように、内部が空洞の筒状に一体成形されている。導波管３０００の側壁の一部は、図７に図６（Ｂ）のＡ－Ａ断面図を示すように、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５の両面にＡｌ－Ａｇ合金層３４を有する金属接合体３００が形成されることにより接合されている。なお、図６（Ｂ）では導波管３０００の全体構造を示すために、接合部である金属接合体３００等は省略して示している。
導波管３０００に設けられた金属接合体３００は、上部Ａｌ部材３１ａと下部Ａｌ部材３１ｂとを接合する部分であって、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５の両面にＡｌ－Ａｇ合金層３４が形成されて積層された部分である。すなわち、少なくとも上部Ａｌ部材３１ａと下部Ａｌ部材３１ｂとの接合箇所には、Ａｌ－Ａｇ合金層３４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５／Ａｌ－Ａｇ合金層３４からなる金属接合体３００が設けられており、側壁における接合部位の積層体全体の構成としては、上部Ａｌ部材３１ａ／Ａｌ－Ａｇ合金層３４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５／Ａｌ－Ａｇ合金層３４／下部Ａｌ部材３１ｂ、となっている。
次に、導波管３０００の製造方法について、図８を用いて説明する。なお、本実施の形態の導波管３０００における被接合部材としての上部Ａｌ部材３１ａと下部Ａｌ部材３１ｂとの接合方法は、実施の形態１の被接合部材の接合方法と一部で共通するため、異なる点を中心に説明する。
まず、図８（Ａ）に示すように、被接合部材としての上部Ａｌ部材３１ａ（Ａｌ層）上にＺｎ膜３２を成膜し、Ｚｎ膜３２の上部Ａｌ部材３１ａ上に接合された第１面３２ａの反対側の第２面３２ｂ上にＡｇ膜３３を成膜することにより積層された上部積層体３０ａと、同様に被接合部材としての下部Ａｌ部材３１ｂ（Ａｌ層）上にＺｎ膜３２及びＡｇ膜３３を成膜することにより順次積層された下部積層体３０ｂと、を作製する。
ここで、上部Ａｌ部材３１ａ及び下部Ａｌ部材３１ｂは、Ａｌを主成分とするＡｌ合金部材である。なお、上部Ａｌ部材３１ａ及び下部Ａｌ部材３１ｂは、Ａｌを主成分とするものであればＡｌ合金部材に限られるものではなく、例えばＡｌを主成分として残部に不純物を含有する部材でも良いし、Ａｌのみで構成された部材でも良い。上部Ａｌ部材３１ａ及び下部Ａｌ部材３１ｂは、主成分であるＡｌを９９ａｔｏｍ％以上含有することが望ましく、Ａｌが１００ａｔｏｍ％であるとさらに良い。
また、Ｚｎ膜３２は、Ｚｎを主成分とする薄膜状の層であり、Ａｇ膜３３は、Ａｇを主成分とする薄膜状の層である。Ｚｎ膜３２及びＡｇ膜３３は、それぞれ主成分であるＺｎ又はＡｇを９９ａｔｏｍ％以上含有することが望ましく、Ｚｎ又はＡｇが１００ａｔｏｍ％であるとさらに良い。Ｚｎ膜３２及びＡｇ膜３３は、残部に不純物を含有していても問題は無い。
また、被接合部材としての上部Ａｌ部材３１ａ及び下部Ａｌ部材３１ｂについては、その厚さに関しては特に限定されるものではない。一方で、Ｚｎ膜３２は、安定した密着性を確保するために、十分な原子の拡散による合金を形成する観点から、０．１μｍ以上２μｍ以下に形成することが好ましい。また、Ａｇ膜３３は、十分な原子の拡散による接合強度の向上に加え、より均一に成膜する観点から、０．１μｍ以上５０μｍ以下に形成することが好ましい。
Ｚｎ膜３２及びＡｇ膜３３の成膜の手法は特に限定されず、例えば、電解めっき又は無電解めっきのほか、物理蒸着、化学蒸着、スパッタ等により形成することができる。成膜条件に関しては特に限定されず、使用する方法及び装置に応じ適宜設定することができる。また、膜厚に関しては、その手法各々における成膜レ―トから適切な成膜時間を算出することにより決定する。
このように形成された上部積層体３０ａ及び下部積層体３０ｂにおいて、図８（Ａ）に示すように、その表面が露出されたＡｇ膜３３同士を対向させる。そして、図８（Ｂ）に示すように、上部積層体３０ａ及び下部積層体３０ｂのＡｇ膜３３同士を接触させる（第１工程）。その後、Ａｇ膜３３同士が接触された状態で加圧しながら加熱を行い、Ａｇ膜３３同士を密着させる（第２工程）。これにより、各層間で原子の拡散が生じることで、上部積層体３０ａと下部積層体３０ｂとが固相接合される。なお、固相接合の温度や圧力等の条件については実施の形態１の金属接合体１００の製造方法と同様であるため、説明を省略する。
このようにして上部積層体３０ａと下部積層体３０ｂとが固相接合されると、図８（Ｃ）に示すように、接合部位は、上部Ａｌ部材３１ａ／Ａｌ－Ａｇ合金層３４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５／Ａｌ－Ａｇ合金層３４／下部Ａｌ部材３１ｂの積層構造となる。このとき、接合前の上部Ａｌ部材３１ａ及び下部Ａｌ部材３１ｂのうちの一部が接合後の上部Ａｌ部材３１ａ及び下部Ａｌ部材３１ｂとして残る。そして、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５の両面にＡｌ－Ａｇ合金層３４を有し、Ａｌ－Ａｇ合金層３４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５／Ａｌ－Ａｇ合金層３４の積層構造となる部分が金属接合体３００であり、金属接合体３００によって上部Ａｌ部材３１ａと下部Ａｌ部材３１ｂとが接合された構成となって、導波管３０００が完成する。
固相接合によってＡｌ－Ａｇ合金層３４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５／Ａｌ－Ａｇ合金層３４の積層構造が形成された後は加圧及び加熱を停止し、自然放熱により冷却することが好ましい。また、固相接合では原子の拡散により各層で濃度の勾配を持つことがあるが、これにより接合強度の低下は生じない。したがって、各層の構成は層全体において均一でなくても良い。さらに、形成された金属接合体３００はと上部Ａｌ部材３１ａ、下部Ａｌ部材３１ｂ、Ｚｎ膜３２及びＡｇ膜３３と共に一体となっているため、各層間の境界は実際には不明確となる。
Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５は、全体を１００ａｔｏｍ％としたとき、Ａｌを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、Ｚｎ成分を１ａｔｏｍ％以上４０ａｔｏｍ％以下含有し、かつ、残部にＡｇを主成分として含有することが好ましい。また、Ａｌ－Ａｇ合金層３４は、全体を１００ａｔｏｍ％としたとき、Ａｇを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、かつ、残部にＡｌを主成分として含有することが好ましい。なお、接合強度の要求がそれほど高くない場合等には、必ずしもこの成分比でなくても良い。
なお、図７及び図８（Ｃ）では、金属接合体３００が断面視で長方形状、すなわち上部Ａｌ部材３１ａ側のＡｌ－Ａｇ合金層３４と下部Ａｌ部材３１ｂ側のＡｌ－Ａｇ合金層３４とが同一の幅で形成される場合を示しているが、これに限られるものではなく、上部Ａｌ部材３１ａ側のＡｌ－Ａｇ合金層３４のほうが下部Ａｌ部材３１ｂ側のＡｌ－Ａｇ合金層３４よりも幅が広く形成されても良い。この場合、金属接合体３００は、上部Ａｌ部材３１ａ側のＡｌ－Ａｇ合金層３４から下部Ａｌ部材３１ｂ側のＡｌ－Ａｇ合金層３４にかけて徐々に幅が小さくなる構造を有する。
このようにして構成される導波管３０００及び導波管３０００の製造方法の効果について説明する。
本実施の形態の導波管３０００及び導波管３０００の製造方法は、ねじ等による締結構造では必ず必要となるねじの座面やそれに対応するための部材の厚さが必要無く、設計自由度が向上するという効果を奏する。また、薄膜化によって、形状の集積化と軽量化ができるという効果を奏する。
さらに、上部Ａｌ部材３１ａ及び下部Ａｌ部材３１ｂの厚さを薄くした場合でも、ろう付けのように融剤を用いた活性化とろう材の融点までの加熱を必要としないため、加熱による熱変形による部材の収縮や変形を抑制できる効果を奏する。また、ろう材で生じる導波管内部へのはみ出しの懸念が無い上、ろう材であれば厚さのばらつきによる形状が不安定になる懸念があるが、そのようなことを抑制できる効果を奏する。
本実施の形態の導波管の変形例について、図９及び図１０を用いて説明する。図９は、本実施の形態の導波管３０００の変形例である導波管３００１を示す断面図である。また、図１０は、導波管３００１の製造方法を説明するための断面図である。
導波管の導波路においては、ＡｌにＡｇめっきがされていたほうが電気伝導率等の特性が向上するが、必ずしも全体にＡｇめっきを必要とするわけではなく、Ａｌのままでも必要特性を満たす場合がある。また、特に接合前の部材に凹凸がある場合は、めっき等により均一に成膜をすることが難しく、例えば溝形成等でその厚さに精度が求められる場合は、全面にＡｇ膜を形成しないほうが良い場合もある。よって、要求される電気特性や構造に応じて、成膜の方法を選定する、あるいは部分的に成膜する等の選択が必要となる。
そこで、導波管３００１においては、図９及び図１０に示すように、上部Ａｌ部材３１ａと下部Ａｌ部材３１ｂとの接合部位以外の領域にＺｎ膜２２及びＡｇ膜２３が形成されていない点で、本実施の形態の導波管３０００と異なる。なお、導波管３００１及び金属接合体３０１のその他の構成については本実施の形態の導波管３０００及び金属接合体３００と同じであるため、以下では異なる点を中心に説明する。
導波管３００１は、導波管３０００と同様に、長軸の板状の上部Ａｌ部材３１ａと、長軸で断面が凹形状の下部Ａｌ部材３１ｂとが接合され、内部が空洞の筒状に一体成形されている。導波管３００１の側壁は、図９に示すように、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５の両面にＡｌ－Ａｇ合金層３４を有する金属接合体３０１が形成されることにより接合されている。
次に、導波管３００１及び導波管３００１の製造方法について、図１０を用いて説明する。
まず、図１０（Ａ）に示すように、被接合部材としての上部Ａｌ部材３１ａの接合部位のみにＺｎ膜３２及びＡｇ膜３３が順次積層された上部積層体３６ａと、被接合部材としての下部Ａｌ部材３１ｂの接合部位のみにＺｎ膜３２及びＡｇ膜３３が順次積層された下部積層体３６ｂと、を作製する。具体的には、接合部位以外の部位に予めマスキングしてから成膜する、あるいは全体に成膜した後に接合部位以外を切削加工等により除去することによって上部積層体３６ａ及び下部積層体３６ｂを作製することができる。
そして、図１０（Ａ）に示すように、その表面が露出されたＡｇ膜３３同士を対向させた後、図１０（Ｂ）に示すように、上部積層体３６ａ及び下部積層体３６ｂのＡｇ膜３３同士を接触させる（第１工程）。その後、Ａｇ膜３３同士が接触された状態で加圧しながら加熱を行い、Ａｇ膜３３同士を密着させる（第２工程）。これにより、各層間で原子の拡散が生じることで、上部積層体３６ａと下部積層体３６ｂとが固相接合される。
このようにして、上部積層体３６ａと下部積層体３６ｂとが固相接合されると、図１０（Ｃ）に示すように、全体の構成として、上部Ａｌ部材３１ａ／Ａｌ－Ａｇ合金層３４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５／Ａｌ－Ａｇ合金層３４／下部Ａｌ部材３１ｂの積層構造となる。このとき、接合前の上部Ａｌ部材３１ａ及び下部Ａｌ部材３１ｂのうちの一部が接合後の上部Ａｌ部材３１ａ及び下部Ａｌ部材３１ｂとして残る。そして、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５の両面にＡｌ－Ａｇ合金層３４を有し、Ａｌ－Ａｇ合金層３４／Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層３５／Ａｌ－Ａｇ合金層３４の積層構造となる部分が金属接合体３０１であり、金属接合体３０１によって被接合部材としての上部Ａｌ部材３１ａと下部Ａｌ部材３１ｂとが接合された構成となって、導波管３００１が完成する。
このようにして構成される導波管３００１及び導波管３００１の製造方法にあっては、溝成形等で厚さに精度が要求される箇所においてはその精度を保つことができ、かつ設計自由度を向上し、形状ばらつきを抑制することができるという効果を奏する。
なお、以上の例においては、導波管を形成する部材として一方が板形状、他方が断面凹形状の部材を接合することで形成する例を説明したが、これに限られるものではなく、例えば断面が凹形状の２個の部材同士を接合して形成するものであっても良い。また、接合面の高さは全て一定である必要はなく、接合面に凹凸があっても構わない。さらに、２個の部材同士の接合によるものに限らず、例えば上部、側部及び下部からなる３層構造等の多層構造であっても良い。
以下、実施例及び比較例について、表１及び図１１から図１３を用いて具体的に説明する。表１は、各実施例及び各比較例について、接合前の積層体におけるＺｎ膜の膜厚及びＡｇ膜の膜厚、接合後の金属接合体におけるＡｌ－Ａｇ合金層中のＡｇ比、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中のＺｎ比及びＡｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中のＡｌ比、並びに接合信頼性を示す。また、図１１は、Ａｌ－Ａｇ合金層中のＡｇ含有率に対する接合強度を示すグラフ、図１２は、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中のＺｎ含有率に対する接合強度を示すグラフ、図１３は、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中のＡｌ含有率に対する接合強度を示すグラフである。なお、図１１から図１３のグラフには、表１に示す各実施例及び各比較例のデータのプロットが含まれる。
＜実施例１＞
まず、Ａｌ合金部材の表面を機械加工によって平坦にした後、その上に成膜時間を４５秒としためっき処理によって０．３μｍのＺｎ膜を形成し、さらにその上に成膜時間を３４分としためっき処理によって５μｍのＡｇ膜を順次成膜することにより、金属積層体を作製した。
上記した金属積層体を２個用いて、金属積層体のＡｇ膜同士を接触させ、大気中において１０ＭＰａで加圧しながら３２０℃で加熱することを１時間行い、固相接合することで金属接合体を得た。
以上により作製された実施例１の金属接合体は、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層の両面にＡｌ－Ａｇ合金層が設けられ、Ａｌ合金部材同士を接合している部分である。実施例１の金属接合体は、Ａｌ－Ａｇ合金層中にＡｇを８．０ａｔｏｍ％含有し、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中にＺｎを６．０ａｔｏｍ％、Ａｌを２．０ａｔｏｍ％含有していた。
＜実施例２＞
まず、Ａｌ合金部材の表面を機械加工によって平坦にした後、その上に成膜時間を４５秒としためっき処理によって０．３μｍのＺｎ膜を形成し、さらにその上に成膜時間を３１分としためっき処理によって２μｍのＡｇ膜を順次成膜することにより、金属積層体を作製した。
上記した金属積層体を２個用いて、金属積層体のＡｇ膜同士を接触させ、大気中においてし２０ＭＰａで加圧しながら３２０℃で加熱することを１時間行い、固相接合することで金属接合体を得た。
以上により作製された実施例２の金属接合体は、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層の両面にＡｌ－Ａｇ合金層が設けられ、Ａｌ合金部材同士を接合している部分である。実施例２の金属接合体は、Ａｌ－Ａｇ合金層中にＡｇを３．０ａｔｏｍ％含有し、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中にＺｎを１７．０ａｔｏｍ％、Ａｌを２．２ａｔｏｍ％含有していた。
＜実施例３＞
まず、Ａｌ合金部材の表面を機械加工によって平坦にした後、その上に成膜時間を２分としためっき処理によって１μｍのＺｎ膜を形成し、さらにその上に成膜時間を３４分としためっき処理によって５μｍのＡｇ膜を順次成膜することにより、金属積層体を作製した。
上記した金属積層体を２個用いて、金属積層体のＡｇ膜同士を接触させ、大気中において１０ＭＰａで加圧しながら３２０℃で加熱することを２時間行い、固相接合することで金属接合体を得た。
以上により作製された実施例３の金属接合体は、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層の両面にＡｌ－Ａｇ合金層が設けられ、Ａｌ合金部材同士を接合している部分である。実施例３の金属接合体は、Ａｌ－Ａｇ合金層中にＡｇを５．０ａｔｏｍ％含有し、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中にＺｎを２４．０ａｔｏｍ％、Ａｌを３．６ａｔｏｍ％含有していた。
＜実施例４＞
まず、Ａｌ合金部材の表面を機械加工によって平坦にした後、その上に成膜時間を４５秒としためっき処理によって０．３μｍのＺｎ膜を形成し、さらにその上に成膜時間を８０分としためっき処理によって１μｍのＡｇ膜を順次成膜することにより、金属積層体を作製した。
上記した金属積層体を２個用いて、金属積層体のＡｇ膜同士を接触させ、大気中において２０ＭＰａで加圧しながら３２０℃で加熱することを２時間行い、固相接合することで金属接合体を得た。
以上により作製された実施例４の金属接合体は、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層の両面にＡｌ－Ａｇ合金層が設けられ、Ａｌ合金部材同士を接合している部分である。実施例４の金属接合体は、Ａｌ－Ａｇ合金層中にＡｇを２．０ａｔｏｍ％含有し、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中にＺｎを３３．０ａｔｏｍ％、Ａｌを４．２ａｔｏｍ％含有していた。
＜比較例１＞
まず、Ａｌ合金部材の表面を機械加工によって平坦にした後、その上に成膜時間を２０秒としためっき処理によって０．１μｍのＺｎ膜を形成し、さらにその上に成膜時間を４４分としためっき処理によって１５μｍのＡｇ膜を順次成膜することにより、金属積層体を作製した。
上記した金属積層体を２個用いて、金属積層体のＡｇ膜同士を接触させ、大気中において２０ＭＰａで加圧しながら３５０℃で加熱することを４時間行い、固相接合することで金属接合体を得た。
以上により作製された比較例１の金属接合体は、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層の両面にＡｌ－Ａｇ合金層が設けられ、Ａｌ合金部材同士を接合している部分である。比較例１の金属接合体は、Ａｌ－Ａｇ合金層中にＡｇを１３．０ａｔｏｍ％含有し、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中にＺｎを０。６ａｔｏｍ％、Ａｌを１１．０ａｔｏｍ％含有していた。
＜比較例２＞
まず、Ａｌ合金部材の表面を機械加工によって平坦にした後、その上に成膜時間を４５秒としためっき処理によって０．３μｍのＺｎ膜を形成し、さらにその上に成膜時間を３０分としためっき処理によって０．５μｍのＡｇ膜を順次成膜することにより、金属積層体を作製した。
上記した金属積層体を２個用いて、金属積層体のＡｇ膜同士を接触させ、大気中において２０ＭＰａで加圧しながら２８０℃で加熱することを４時間行い、固相接合することで金属接合体を得た。
以上により作製された比較例２の金属接合体は、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層の両面にＡｌ－Ａｇ合金層が設けられ、Ａｌ合金部材同士を接合している部分である。比較例２の金属接合体は、Ａｌ－Ａｇ合金層中にＡｇを０．２ａｔｏｍ％含有し、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中にＺｎを４７．０ａｔｏｍ％、Ａｌを０．５ａｔｏｍ％含有していた。
そして、以上のようにして得られた各実施例及び比較例の金属接合体の接合強度をシェア試験により測定した。なお、本実施例及び比較例においては、シェア試験によって接合強度を測定するために、接合前の一方の金属積層体と他方の金属積層体とは、大きさが異なるものを用いた。
表１に示す接合信頼性の判定については、半導体装置や導波管の接合に用いられるはんだ材の接合強度である５０ＭＰａを指標としている。表１では、測定された接合強度が５０ＭＰａ以上であれば接合信頼性が高いと判断して○と、５０ＭＰａ未満であれば接合信頼性が劣ると判断して△と示している。今回、測定された接合強度が５０ＭＰａ以上で接合信頼性が高いと判定した４サンプルが実施例１～４、測定された接合強度が５０ＭＰａ未満で接合信頼性が劣ると判定した２サンプルが比較例１～２である。
Figure 0007297148000001
また、図１１に示すグラフより、Ａｌ－Ａｇ合金層中のＡｇ含有率が１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲で接合強度が基準の５０ＭＰａ以上となっていることがわかる。したがって、金属接合体のＡｌ－Ａｇ合金層では、Ａｇは１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有されることが好ましいといえる。表１においても、接合信頼性が高い実施例１～４については、Ａｌ－Ａｇ合金層中のＡｇ含有率が１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲内である。
また、図１２に示すグラフより、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中のＺｎ含有率が１ａｔｏｍ％以上４０ａｔｏｍ%以下の範囲で接合強度が基準の５０ＭＰａ以上となっていることがわかる。したがって、金属接合体のＡｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層では、Ｚｎは１ａｔｏｍ％以上４０ａｔｏｍ%以下含有されていることが好ましいといえる。表１においても、接合信頼性が高い実施例１～４については、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中のＺｎ含有率が１ａｔｏｍ％以上４０ａｔｏｍ%以下の範囲内である。
さらに、図１３に示すグラフより、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中のＡｌ含有率が１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下の範囲で接合強度が基準の５０ＭＰａ以上となっていることがわかる。したがって、金属接合体のＡｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層では、Ａｌは１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有されていることが好ましいといえる。表１においても、接合信頼性が高い実施例１～４については、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層中のＡｌ含有率が１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ%以下の範囲内である。
以上の結果より、Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層は、全体を１００ａｔｏｍ％としたとき、Ａｌを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、Ｚｎ成分を１ａｔｏｍ％以上４０ａｔｏｍ％以下含有し、かつ、残部にＡｇを主成分として含有することが好ましいと判断した。また、Ａｌ－Ａｇ合金層は、全体を１００ａｔｏｍ％としたとき、Ａｇを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、かつ、残部にＡｌを主成分として含有することが好ましいと判断した。なお、接合強度の要求が５０ＭＰａ未満である場合には、必ずしもこの成分比でなくても良い。
なお、各実施の形態を、適宜、組み合わせたり、変形や省略することも、本開示の範囲に含まれる。
１ Ａｌ基材（Ａｌ層）、２、２２、３２ Ｚｎ膜（Ｚｎ層）、３、２３、３３ Ａｇ膜（Ａｇ層）、４、２４、３４ Ａｌ－Ａｇ合金層、５、２５、３５ Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層、
１０ 金属積層体、
１１ 金属ベース、１２ 配線基板、１２ａ、１２ｂ 表面導体層、１２ｃ 裏面導体層、１２ｄ セラミック基材、１３ 半導体素子、１４ 接着剤、１５ ケース、１６ 外部端子、１７ ワイヤ、１８ 封止材、
２１ Ａｌ膜（Ａｌ層）、
３０ａ、３６ａ 上部積層体、３０ｂ、３６ｂ 下部積層体、
３１ａ 上部Ａｌ部材（Ａｌ層）、３１ｂ 下部Ａｌ部材（Ａｌ層）、
１００、２００、３００、３０１ 金属接合体、
２０００ 半導体装置、
３０００、３００１ 導波管

Claims (10)

  1. Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層と、
    前記Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層の両面に設けられたＡｌ－Ａｇ合金層と、
    を備えた金属接合体。
  2. 前記Ａｇ－Ｚｎ－Ａｌ合金層は、Ａｌを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有し、Ｚｎを１ａｔｏｍ％以上４０ａｔｏｍ％以下含有していること
    を特徴とする請求項１に記載の金属接合体。
  3. 前記Ａｌ－Ａｇ合金層は、Ａｇを１ａｔｏｍ％以上１０ａｔｏｍ％以下含有していること
    を特徴とする請求項２に記載の金属接合体。
  4. 金属ベースと、
    前記金属ベース上に接合された配線基板と、
    前記配線基板の前記金属ベースに接合された面の反対側の面上に接合された半導体素子と、
    を備えた半導体装置であって、
    前記金属ベースと前記配線基板との間及び前記配線基板と前記半導体素子との間のうち少なくともいずれか一方に請求項１から３のいずれか１項に記載の金属接合体が設けられていること
    を特徴とする半導体装置。
  5. 内部に空洞を有する筒状の導波管であって、
    前記導波管の一部の側壁が請求項１から３のいずれか１項に記載の金属接合体によって接合されていること
    を特徴とする導波管。
  6. 前記導波管は、第１部材と第２部材とからなり、前記第１部材と前記第２部材とで囲まれた領域に前記空洞を形成し、
    前記第１部材と前記第２部材とが前記金属接合体によって接合されていること
    を特徴とする請求項５に記載の導波管。
  7. 被接合部材としてのＡｌ基材又は被接合部材上に形成されたＡｌ膜のいずれかであるＡｌ層上にＺｎ層が接合して積層され、前記Ｚｎ層の前記Ａｌ層上に接合された面の反対側の面上にＡｇ層が接合して積層された積層体を用いた金属接合体の製造方法であって、
    ２個の前記積層体の各々の前記Ａｇ層同士を互いに対向させて接触させる第１工程と、
    前記Ａｇ層同士が接触された２個の前記積層体を加圧しながら固相接合可能な温度で加熱する第２工程と、
    を含み、
    前記Ｚｎ層は、厚さが０．１μｍ以上２μｍ以下であり、
    前記Ａｇ層は、厚さが０．１μｍ以上５０μｍ以下であること
    を特徴とする被接合部材の接合方法。
  8. 前記Ｚｎ層は、Ｚｎを９９ａｔｏｍ％以上含有し、
    前記Ａｇ層は、Ａｇを９９ａｔｏｍ％以上含有していること
    を特徴とする請求項７に記載の被接合部材の接合方法。
  9. 前記第２工程は、大気中で行われること
    を特徴とする請求項７又は８に記載の被接合部材の接合方法。
  10. 前記第２工程では、２５０℃以上４００℃以下の温度で加熱を行うこと
    を特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の被接合部材の接合方法。
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