JP7484663B2 - 接合構造体、電子装置、接合構造体の製造方法 - Google Patents

Description

この明細書における開示は、接合構造体、電子装置、および接合構造体の製造方法に関する。

特許文献１は、２つの部材が金属接合層により接合された接合構造体を開示している。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開２０１６－１２２８１３号公報

特許文献１では、基板の上面に半導体素子が配置されている。基板の下面と放熱部材の上面とが、金属接合層によって接合されている。このような構成では、金属接合層に、熱応力や外部からの振動などの応力が集中する。特に、金属接合層の端部（外周端）に応力が集中する。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、接合構造体にはさらなる改良が求められている。

開示されるひとつの目的は、接続信頼性を向上できる接合構造体、電子装置、および接合構造体の製造方法を提供することにある。

ここに開示された接合構造体は、
第１面（１１ａ）を有し、銅、銅合金、アルミニウム、およびアルミニウム合金のいずれかを材料とする第１部材（１１）と、
第１部材の第１面と対向する第２面（１２ａ）を有する第２部材（１２）と、
金または金合金を材料とする金接合層（１３ａ、１３ｂ）を少なくとも含み、第１部材の第１面と第２部材の第２面との間に介在して第１部材と第２部材とを接合する金属接合層（１３）と、
を備え、
接合領域において、金属接合層の厚みは第１面の平面度および第２面の平面度よりも小さくされ、
金属接合層において、少なくとも金接合層の内部に、フッ素元素が分散している。

開示された接合構造体によると、金属接合層の厚みが第１部材の第１面および第２部材の第２面の平面度よりも小さい。これにより、熱応力や外部からの振動などの応力を、第１部材および第２部材に受け持たせることができる。つまり、応力が金属接合層に集中するのを抑制することができる。

応力は、金属接合層の端部（外周端）に集中する。応力集中により端部に微小クラックが生じても、フッ素元素により、水分の侵入を抑制することができる。以上により、接続信頼性を向上できる接合構造体を提供することができる。

ここに開示された接合構造体の製造方法は、
銅、銅合金、アルミニウム、およびアルミニウム合金のいずれかを材料とする第１部材（１１）の第１面（１１ａ）、および、第２部材（１２）の第２面（１２ａ）を、接合領域において所定の平面度となるように鏡面化すること、
鏡面化の実行後、第１面および第２面の少なくとも一方に、金含有膜（１４ａ、１４ｂ）を形成すること、
金含有膜の表面の吸着物を除去すること、
吸着物の除去された金含有膜の表面にフッ素含有膜（１４ｆ）を形成すること、
常温接合により、金含有膜由来の金接合層（１３ａ、１３ｂ）を少なくとも含む金属接合層（１３）を形成して、第１部材と第２部材とを接合すること、を含み、
接合領域において、金属接合層の厚みが第１面の平面度および第２面の平面度よりも小さくなるように、金含有膜を形成し、
金属接合層を形成する際に、少なくとも金接合層の内部に、フッ素元素が拡散して分散する。

開示された接合構造体の製造方法によると、形成した金属接合層の厚みが、第１部材の第１面および第２部材の第２面の平面度よりも小さくなる。したがって、熱応力や外部からの振動などの応力が印加されても、第１部材および第２部材に受け持たせることができる。つまり、応力が金属接合層に集中するのを抑制することができる。

また、金含有膜を形成後、吸着物の除去された金含有膜の表面にフッ素含有膜を形成する。これにより、常温接合によって金属接合層を形成する過程で、フッ素元素が金属接合層の少なくとも金接合層内に拡散する。したがって、応力集中により金属接合層の端部に微小クラックが生じても、フッ素元素により、水分の侵入を抑制することができる。以上により、接続信頼性を向上できる接合構造体の製造方法を提供することができる。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

第１実施形態に係る電子装置の断面図である。 第１実施形態に係る接合構造体を示す断面図である。 接合構造体の製造方法を示す断面図である。 接合構造体の製造方法を示す断面図である。 接合構造体の製造方法を示す断面図である。 接合構造体の製造方法を示す断面図である。 接合構造体の参考例を示す断面図である。 接合の条件と結果を示す図である。 サンプルＡ、ＢのＴＥＭ画像および元素マッピング画像を示す図である。 第２実施形態に係る接合構造体において、製造方法を示す断面図である。 第３実施形態に係る接合構造体を示す断面図である。

以下、図面に基づいて複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

（第１実施形態）
先ず、図１に基づき、電子装置の概略構成について説明する。

＜電子装置＞
図１に示すように、電子装置１００は、筐体１０５と、電子部品１１０と、バスバー１１２と、半導体モジュール２１０と、冷却器２２０を備えている。筐体１０５は、複数の部品を収容している。本実施形態の筐体１０５は、複数の部品の少なくとも一部として、電子部品１１０および半導体モジュール２１０を収容している。筐体１０５は、金属材料や樹脂材料を用いて形成されている。

電子部品１１０は、部品本体から突出するリード１１１を有している。リード１１１は、外部接続端子である。バスバー１１２は、板状の配線部材である。リード１１１およびバスバー１１２は、銅などの導電性に優れる金属材料を用いて形成されている。リード１１１とバスバー１１２との間には、金属接合層１１３が介在している。金属接合層１１３は、リード１１１とバスバー１１２とを接合している。金属接合層１１３は、リード１１１とバスバー１１２とを電気的に接続している。金属接合層１１３は、少なくとも金接合層を含んでいる。リード１１１とバスバー１１２とは、常温接合法によって接続されている。

半導体モジュール２１０は、ヒートシンク２１１および絶縁板２１２を含む放熱ユニットと、半導体チップ２１４と、封止樹脂体２１５を有している。放熱ユニットは、一対のヒートシンク２１１を有しており、ヒートシンク２１１の間に絶縁板２１２が配置されている。一対のヒートシンク２１１は、絶縁板２１２よりも半導体チップ２１４に対して近い位置に配置されたヒートシンク２１１ａと、絶縁板２１２よりも半導体チップ２１４に対して離れた位置に配置されたヒートシンク２１１ｂを含んでいる。ヒートシンク２１１は、銅などの導電性、熱伝導性が良好な金属材料を用いて形成されている。

絶縁板２１２は、ヒートシンク２１１ａとヒートシンク２１１ｂとを、電気的に分離している。絶縁板２１２は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などの熱伝導性が良好なセラミクス材料を用いて形成されている。ヒートシンク２１１のそれぞれと絶縁板２１２との間には、金属接合層２１３が介在している。絶縁板２１２は、ヒートシンク２１１に熱的に接続されている。金属接合層２１３のひとつは、ヒートシンク２１１ａと絶縁板２１２とを接合している。金属接合層２１３の他のひとつは、ヒートシンク２１１ｂと絶縁板２１２とを接合している。金属接合層２１３のそれぞれは、少なくとも金接合層を含んでいる。ヒートシンク２１１と絶縁板２１２とは、常温接合法によって接続されている。

半導体チップ２１４は、半導体基板に、スイッチング素子などの素子が形成されたものである。半導体チップ２１４はひとつの素子のみを有してもよいし、複数の素子を有してもよい。もちろん、複数種類の素子を有してもよい。半導体チップ２１４は、単独で所定の機能を実現するように構成されてもよいし、図示しない他の電子部品とともに、所定機能を実現する回路をなしてもよい。半導体チップ２１４は、通電により発熱する発熱部品である。

半導体チップ２１４は、ヒートシンク２１１ａに実装されている。半導体チップ２１４は、ヒートシンク２１１ａにおける絶縁板２１２との接合面とは反対の面に実装されている。半導体チップ２１４は、ヒートシンク２１１ａに固定されている。半導体チップ２１４は、ヒートシンク２１１ａに熱的に接続されている。半導体チップ２１４は、ヒートシンク２１１ａに電気的に接続されてもよい。この場合、ヒートシンク２１１ａは、半導体チップ２１４に対する配線部材として機能する。半導体チップ２１４は、ヒートシンク２１１ａに電気的に接続されず、図示しない他の配線部材に接続されてもよい。

封止樹脂体２１５は、半導体チップ２１４を封止している。本実施形態において、封止樹脂体２１５は、絶縁板２１２の一面ごと、金属接合層２１３、ヒートシンク２１１ａ、および半導体チップ２１４を封止している。封止樹脂体２１５は、たとえばエポキシ樹脂を材料とする成形体である。封止樹脂体２１５は、トランスファモールド、ポッティング等により形成することができる。

冷却器２２０は、熱交換部と称されることがある。冷却器２２０は、その内部に、冷媒が流通する流路（図示略）を有している。冷媒としては、水やアンモニアなどの相変化する冷媒や、エチレングリコール系などの相変化しない冷媒を用いることができる。

上記した半導体モジュール２１０は、冷却器２２０の一面上に配置されている。半導体モジュール２１０と冷却器２２０との間には、放熱ゲル、放熱グリス、放熱シートなどの柔軟性を有する放熱部材２３０が介在している。放熱部材２３０は、ヒートシンク２１１ｂにおける絶縁板２１２との接合面とは反対の面に密着している。半導体モジュール２１０は、放熱部材２３０を介して冷却器２２０に熱的に接続されている。半導体チップ２１４の生じた熱は、ヒートシンク２１１ａ、絶縁板２１２、およびヒートシンク２１１ｂを介して、冷却器２２０に伝達される。ヒートシンク２１１ａは、発熱部品が実装された基板である。絶縁板２１２は、基板に接合され、発熱部品の生じた熱を基板を介して伝達する熱伝導部材である。

＜接合構造体＞
次に、図２に基づき、接合構造体について説明する。

図２に示すように、接合構造体１０は、第１部材１１と、第２部材１２と、第１部材１１と第２部材１２とを接合する金属接合層１３を備えている。電子装置１００において、リード１１１が第１部材１１、バスバー１１２が第２部材１２、金属接合層１１３が金属接合層１３に相当する。また、ヒートシンク２１１が第１部材１１、絶縁板２１２が第２部材、金属接合層２１３が金属接合層１３に相当する。電子装置１００は、接合構造体１０を備えている。図１では、金属接合層１１３、２１３を、簡略化して図示している。

第１部材１１は、銅、銅合金、アルミニウム、およびアルミニウム合金のいずれかを材料として形成された金属部材である。第１部材１１は、第２部材１２と対向する面である第１面１１ａを有している。

第２部材１２は、第１部材１１および金属接合層１３とともに、接合構造体を構成する部材である。本実施形態の第２部材１２は、たとえば、銅やアルミニウムなどの純金属、銅合金やアルミニウム合金などの合金、および窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などのセラミクスのいずれかを材料として形成されている。第２部材１２の構成材料としては、上記以外にも、シリコンなどの半導体、樹脂等を用いてもよい。第２部材１２は、第１部材１１とは異なる材料を用いて形成されてもよいし、同じ材料を用いて形成されてもよい。第２部材１２は、第１部材１１（第１面１１ａ）と対向する面である第２面１２ａを有している。第１面１１ａおよび第２面１２ａは、接合面である。

第１部材１１と第２部材１２との対向方向、すなわち金属接合層１３の厚み方向からの平面視において、第１部材１１と第２部材１２との配置、すなわち大きさの関係は特に限定されない。以下では、厚み方向からの平面視を、単に平面視と示すことがある。第１部材１１および第２部材１２は、平面視において少なくとも互いに重なる領域を有せばよい。本実施形態では、第２部材１２の第２面１２ａが、平面視において第１面１１ａの全域を内包している。第１部材１１の第１面１１ａは、その全域が第２部材１２の第２面１２ａに対向している。第２部材１２の第２面１２ａは、その一部が第１部材１１の第１面１１ａに対向し、残りの部分が第１部材１１に対して非対向の領域となっている。

金属接合層１３は、第１部材１１の第１面１１ａと第２部材１２の第２面１２ａとの間に介在し、第１部材１１と第２部材１２とを接合している。金属接合層１３は、第１部材１１と第２部材１２との対向領域の少なくとも一部に介在している。本実施形態では、金属接合層１３が、第１部材１１と第２部材１２との対向領域のほぼ全域に介在している。

金属接合層１３は、第１接合層と、第１部材１１と第１接合層との間、および／または、第２部材１２と第１接合層との間に介在する第２接合層を含んでいる。第１接合層は、金または金合金を材料として形成されている。第１接合層は、金接合層、金含有接合層と称されることがある。第１接合層は、金属接合層１３において、第１部材１１と第２部材１２とを接合している。本実施形態の金属接合層１３は、第１接合層１３ａ、１３ｂを含んでいる。

後述するように、第１接合層１３ａは、主として、第１部材１１の第１面１１ａ上に形成された第１金属膜１４ａ由来の接合層である。第１接合層１３ｂは、主として、第２部材１２の第２面１２ａ上に形成された第１金属膜１４ｂ由来の接合層である。第１金属膜１４ａ、１４ｂのそれぞれは、金または金合金を材料として形成された金含有膜である。第１金属膜１４ａ中の金と第１金属膜１４ｂ中の金とが相互拡散することで、第１接合層１３ａ、１３ｂが形成されている。よって、第１接合層１３ａ、１３ｂは、ひとつの金含有接合層をなしている。図２に示すように、接合構造体１０は、第２部材１２の第２面１２ａの非対向領域上に、第１金属膜１４ｂを有している。第１金属膜１４ｂは、平面視において、第１接合層１３ｂ、ひいては金属接合層１３を取り囲んでいる。非対向領域の第１金属膜１４ｂは、第１金属膜１４ａ、１４ｂのうち、接合に寄与せず、膜として残った部分である。

第２接合層は、第１接合層を構成する材料よりも熱膨張係数の小さい材料を用いて形成されている。第２接合層は、たとえば、タンタル、タングステン、チタン、およびクロムの少なくともひとつを材料として形成されている。これら金属は、金または金合金よりも熱膨張係数が小さい。第２接合層は、金属接合層１３において、たとえば応力を緩和するために設けられている。本実施形態の金属接合層１３は、第２接合層１３ｃ、１３ｄを含んでいる。

第２接合層１３ｃは、第１部材１１と金接合層（第１接合層１３ａ）との間に介在している。第２接合層１３ｄは、第２部材１２と金接合層（第１接合層１３ｂ）との間に介在している。第２接合層１３ｃ、１３ｄのそれぞれは、タンタル、タングステン、チタン、およびクロムのいずれかを含む単層構造でもよいし、多層構造でもよい。後述するように、第２接合層１３ｃは、第１部材１１の第１面１１ａ上に形成された第２金属膜１４ｃ由来の接合層である。第２接合層１３ｄは、第２部材１２の第２面１２ａ上に形成された第２金属膜１４ｄ由来の接合層である。第２金属膜１４ｃ、１４ｄのそれぞれは、タンタル、タングステン、チタン、およびクロムの少なくともひとつを材料として形成された金属膜である。図２に示すように、接合構造体１０は、第２部材１２の第２面１２ａの非対向領域上に、第２金属膜１４ｄを有している。第２金属膜１４ｄは、平面視において、第２接合層１３ｄ、ひいては金属接合層１３を取り囲んでいる。非対向領域の第２金属膜１４ｄは、第２金属膜１４ｃ、１４ｄのうち、接合に寄与せず、膜として残った部分である。

以下では、第１接合層１３ａ、１３ｂ、第２接合層１３ｃ、１３ｄを、単に接合層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと示すことがある。また、第１金属膜１４ａ、１４ｂ、第２金属膜１４ｃ、１４ｃを、単に金属膜１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄと示すことがある。後述するように、金属膜１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄのそれぞれは、スパッタリング法により形成される。これにより、接合層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄのそれぞれの厚みは、ｎｍオーダ、たとえば十数ｎｍである。金属接合層１３の厚みｔ１は、接合領域における第１部材１１の第１面１１ａの平面度Ｆ１および第２部材１２の第２面１２ａの平面度Ｆ２よりも小さい。厚みｔ１は、ｎｍオーダ、たとえば数十ｎｍである。平面度Ｆ１、Ｆ２のそれぞれは、μｍオーダ、たとえば１～３μｍである。接合領域とは、対向領域において金属接合層１３が形成された領域である。

上記した金属接合層１３は、少なくとも第１接合層１３ａ、１３ｂに、フッ素元素を含んでいる。フッ素元素は、第１接合層１３ａ、１３ｂの内部、つまり金含有接合層の内部において分散している。

本実施形態の接合構造体１０は、さらにフッ素含有膜１４ｆを備えている。フッ素含有膜１４ｆは、フッ素元素（フッ素原子）を含む膜であればよい。後述するように、第１接合層１３ａ、１３ｂの内部に分散しているフッ素は、第１金属膜１４ａ、１４ｂ上に形成されたフッ素含有膜１４ｆ由来である。接合構造体１０が備える非対向領域のフッ素含有膜１４ｆは、金属接合層１３に拡散せずに、膜として残った部分である。フッ素含有膜１４ｆは、平面視において、第２接合層１３ｄ、ひいては金属接合層１３を取り囲んでいる。

＜接合構造体の製造方法＞
次に、図２～図６に基づき、接合構造体１０の製造方法の一例について説明する。図３～図６は、図２に対応する断面図である。図５では、大気圧プラズマ処理を簡素化して図示している。また、便宜上、第２部材１２側の処理のみを図示している。図３、図４、および図６では、図２との関係性を分かりやすくするために、第１部材１１と第２部材１２とを対向させて図示している。第１部材１１と第２部材１２とを対向させない状態で、それぞれの処理を行ってもよい。接合前において、第１部材１１と第２部材１２とを個別に処理してもよいし、共通工程で処理してもよい。

先ず、鏡面化処理を行う。図３に示すように、第１部材１１の第１面１１ａ、および、第２部材１２の第２面１２ａを、接合領域において所定の平面度となるように鏡面化する。所定の平面度とは、μｍオーダ、たとえば１～３μｍである。具体的には、ＣＭＰ（ChemicalMechanical Polishing）等の研磨、研削、ラッピングなどの処理により、第１面１１ａおよび第２面１２ａを鏡面化する。

次いで、金属接合層１３を形成するための金属膜を形成する処理を行う。本実施形態では、大気圧で常温接合により第１部材１１と第２部材１２を接合するため、第１面１１ａおよび第２面１２ａの両面に金属膜を形成する。具体的には、図４に示すように、第１部材１１の第１面１１ａ上に、たとえばスパッタリング法により、第２金属膜１４ｃを形成する。次いで、第２金属膜１４ｃ上に、たとえばスパッタリング法により、第１金属膜１４ａ、つまり金含有膜を形成する。本実施形態では、第１面１１ａの全面に、第２金属膜１４ｃおよび第１金属膜１４ａを成膜する。

同様に、第２部材１２の第２面１２ａ上に、たとえばスパッタリング法により、第２金属膜１４ｄを形成する。次いで、第２金属膜１４ｄ上に、たとえばスパッタリング法により、第１金属膜１４ｂ、つまり金含有膜を形成する。本実施形態では、第２面１２ａの全面に、第２金属膜１４ｄおよび第１金属膜１４ｂを成膜する。

上記したように、第１面１１ａ上および第２面１２ａ上に、多層構造の金属膜を形成する。第１金属膜１４ａ、１４ｂは上地膜、第２金属膜１４ｃ、１４ｄは下地膜と称されることがある。接合領域において、金属接合層１３の厚みｔ１が平面度Ｆ１、Ｆ２よりも小さくなるように、各金属膜１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを形成する。本実施形態では、接合領域におけるそれぞれの厚みが、ｎｍオーダ、たとえば十数ｎｍとなるように、金属膜１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを形成する。

次いで、金属膜を形成してから接合処理を行うまでの間に、上地膜である第１金属膜（金含有膜）の表面の吸着物を除去する処理と、吸着物の除去された第１金属膜の表面にフッ素含有膜を形成する処理を行う。

本実施形態では、吸着物の除去処理とフッ素含有膜の成膜処理とを共通の工程で行う。図５に示すように、第１金属膜１４ｂおよび第２金属膜１４ｄが形成された第２部材１２と、フッ素含有部材２０とに対して、大気圧プラズマ処理を施す。キャリアガスは、Ａｒなどの不活性ガスを用いる。これにより、フッ素含有部材２０は、フッ素元素を含む部材であればよい。たとえば、ポリテトラフルオロエチレンのシート部材など用いることができる。

プラズマ処理により、第１金属膜１４ｂの表面の吸着物、たとえば空気中の含まれる水分、酸素などが除去される。また、フッ素含有部材２０からフッ素元素がはじき飛ばされる。はじき飛ばされたフッ素元素は、吸着物が除去された第１金属膜１４ｂの表面に堆積し、フッ素含有膜１４ｆを形成する。フッ素含有膜１４ｆは、フッ素元素を少なくとも含む膜である。フッ素含有膜１４ｆの厚みは、ｎｍオーダであり、金属膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの厚み以下である。このように、プラズマ処理によって、第１金属膜１４ｂの表面の吸着物を除去するとともに、第１金属膜１４ｂ上にフッ素含有膜１４ｆを成膜する。吸着物の除去後、再吸着が生じる前にフッ素含有膜１４ｆを成膜する。

図示を省略するが、同様に、第１金属膜１４ａおよび第２金属膜１４ｃが形成された第１部材１１と、フッ素含有部材２０とに対して、大気圧プラズマ処理を施す。プラズマ処理により、第１金属膜１４ａの表面の吸着物が除去される。また、フッ素含有部材２０からはじき飛ばされたフッ素元素は、吸着物が除去された第１金属膜１４ａの表面に堆積し、フッ素含有膜１４ｆを形成する。このように、プラズマ処理によって、第１金属膜１４ａの表面の吸着物を除去するとともに、第１金属膜１４ａ上にフッ素含有膜１４ｆを成膜する。吸着物の除去後、再吸着が生じる前にフッ素含有膜１４ｆを成膜する。

以上により、図６に示すように、第１金属膜１４ａ、１４ｂの表面にフッ素含有膜１４ｆをそれぞれ形成する。つまり第１金属膜１４ａ、１４ｂの表面を、フッ素コーティングする。

本実施形態では、大気圧中でプラズマ処理を行う例を示すが、これに限定されない。真空（減圧）下でプラズマ処理を行ってもよい。また、プラズマ処理に代えて、イオンビーム処理を行ってもよい。

次いで、金属接合層１３を形成する処理を行う。つまり、第１部材１１と第２部材１２とを常温で接合する処理を行う。本実施形態では、金属接合層１３の形成を、大気中で行う。図６に示したように、第１部材１１の第１面１１ａと第２部材１２の第２面１２ａとの接合領域が互いに対向するように、第１部材１１と第２部材１２とを位置決めする。そして、図示を省略するが、第１面１１ａと第２面１２ａとが近づく方向に第１部材１１と第２部材１２とを相対的に変位させ、フッ素含有膜１４ｆ同士を接触させる。この状態で、第１部材１１と第２部材１２の並び方向に加圧すると、フッ素含有膜１４ｆ中のフッ素元素が、少なくとも第１金属膜１４ａ、１４ｂの内部に拡散する。また、第１金属膜１４ａ、１４ｂ同士が接触して金が相互に拡散し、金接合層（第１接合層１３ａ、１３ｂ）が形成される。第２金属膜１４ｃ、１４ｄのうち、各部材１１、１２と金接合層との間に介在する部分が、第２接合層１３ｃ、１３ｄをなす。このように、第１接合層１３ａ、１３ｂと第２接合層１３ｃ、１３ｄとを含む金属接合層１３が形成される。

上記したように、常温接合によって金属接合層１３を形成する際に、少なくとも第１接合層１３ａ、１３ｂの内部に、フッ素元素が拡散して分散する。このため、形成された金属接合層１３において、少なくとも第１接合層１３ａ、１３ｂの内部には、フッ素元素が分散している。金属膜１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄのうち、金属接合層１３の形成に寄与しない部分は金属膜として残る。本実施形態では、第２部材１２の第２面１２ａ上に形成された第１金属膜１４ｂおよび第２金属膜１４ｄのうち、第１部材１１の第１面１１ａと対向しない非対向領域のほとんどの部分が、第１金属膜１４ｂおよび第２金属膜１４ｄとして残る。フッ素含有膜１４ｆは、接合領域において消失し、非対向領域のほとんどにおいて残る。

＜第１実施形態のまとめ＞
２つの部材の接合構造体には、熱応力や外部振動などの応力が作用する。たとえば、接合構造体をなす２つの部材の熱膨張係数が異なると、接合構造体内部の膨張、収縮要因で、熱応力（第１の熱応力）が発生する。また、接合構造体を備える電子装置の場合、複数の異なる材料を用いて組み上げられたことから生ずる電子装置全体の膨張、収縮要因で、熱応力（第２の熱応力）が発生する。第２の熱応力は、同種材料同士の接合構造体にも作用する。また、熱応力に限らず、接合構造体と機械的に接続された外部機構、外部装置から伝達される振動などの応力も、接合構造体に作用する。はんだなどの接合部材を用いて２つの部材を接続する場合、接合部材が厚いため、接合部材に応力が集中する。

本実施形態に係る接合構造体１０では、金属接合層１３の厚みｔ１が、第１部材１１の第１面１１ａの接合領域における平面度Ｆ１、および、第２部材１２の第２面１２ａの接合領域における平面度Ｆ２よりも小さい。金属接合層１３が薄いため、応力を、金属接合層１３近傍の第１部材１１および第２部材１２にて受け持つことができる。よって、応力が金属接合層１３に集中するのを抑制することができる。これにより、高い接合強度と、高い耐久疲労強度を有することができる。

図７は、参考例の接合構造体１０ｒを示している。参考例では、本実施形態の要素と同一または関連する要素について、本実施形態の符号の末尾にｒを付け加えて示している。上記した応力は、第１部材１１ｒと第２部材１２ｒとを接合する金属接合層１３ｒの端部に集中する。端部とは、平面視において金属接合層１３ｒの外周端である。応力集中により組織が肥大化すると、微小なクラックＣＲ１、ＣＲ２が発生する。例示するクラックＣＲ１は、金属接合層１３ｒの端部であって、第１部材１１ｒと第２接合層１３ｃｒとの界面を起点としている。クラックＣＲ２は、金属接合層１３ｒの端部であって、第１接合層１３ａｒと第２接合層１３ｃｒとの界面を起点としている。

空気中の水分が侵入すると、腐食等により、クラックＣＲ１、ＣＲ２が進展する。クラックＣＲ１は、たとえば、第１部材１１ｒと第２接合層１３ｃｒとの界面に沿って進展する。クラックＣＲ１は、たとえば、第１接合層１３ａｒまで進展する。クラックＣＲ２は、たとえば、第１接合層１３ｂｒまで進展する。よって、疲労に対する耐久性が低下する。

本実施形態では、金属接合層１３のうち、少なくとも第１接合層１３ａ、１３ｂ（金接合層）の内部に分散するフッ素元素の撥水効果により、水分の侵入を防ぐことができる。応力集中により金属接合層１３の端部に微小なクラックが生じても、空気中の水分の侵入によるクラック進展を抑制することができる。これにより、高い耐久疲労強度を有することができる。以上より、接合構造体１０は、高い接続信頼性を有することができる。

本実施形態では、金属接合層１３が、第１接合層１３ａと第１部材１１との間に配置された第２接合層１３ｃと、第１接合層１３ｂと第２部材１２との間に配置された第２接合層１３ｄを含んでいる。このような多層構造の金属接合層１３において、厚みｔ１が、第１面１１ａの平面度Ｆ１および第２面１２ａの平面度Ｆ２よりも小さい。よって、応力を、金属接合層１３近傍の第１部材１１および第２部材１２にて受け持つことができる。また、第２接合層１３ｃ、１３ｄの熱膨張係数が小さいため、金属接合層１３の端部への熱応力の集中を低減することができる。これにより、接合強度と耐久疲労強度をさらに高めることができる。

特に本実施形態では、第２接合層１３ｃ、１３ｄは、材料としてタンタル、タングステン、チタン、およびクロムの少なくともひとつを含んでいる。これらの材料は、第１部材１１と第２部材１２との密着力が高めるとともに、第１接合層１３ａ、１３ｂへの熱応力集中を低減し、初期強度、耐久疲労強度の向上に寄与する。

たとえば第２接合層１３ｃ、１３ｄの材料としてタンタルを用いた場合、後述するように、フッ素元素は第２接合層１３ｃ、１３ｄにも拡散する。よって、第２接合層１３ｃ、１３ｄの内部に分散するフッ素元素の撥水効果により、水分の侵入をより効果的に防ぐことができる。

本実施形態では、金含有膜である第１金属膜１４ａ、１４ｂを形成後、金属接合層１３を形成するまでの間に、第１金属膜１４ａ、１４ｂの表面の吸着物を除去し、吸着物の除去された第１金属膜１４ａ、１４ｂの表面にフッ素含有膜１４ｆを形成する。吸着物の除去により、接合不良が生じるのを抑制することができる。また、フッ素含有膜１４ｆが待機中の吸着物の第１金属膜１４ａ、１４ｂ表面への再吸着を防ぐため、大気中での接合を安定化することができる。

また、常温接合によって金属接合層１３を形成する過程で、フッ素含有膜１４ｆ由来のフッ素元素が金属接合層１３の少なくとも第１接合層１３ａ、１３ｂ（金接合層）の内部に拡散する。したがって、応力集中により金属接合層１３の端部に微小クラックが生じても、フッ素元素により、水分の侵入を抑制することができる。以上により、接続信頼性を向上できる接合構造体１０を提供することができる。また、常温で接合するため、接合時の残留応力を最小化することもできる。

本実施形態では、大気圧プラズマ処理により、第１金属膜１４ａ、１４ｂの表面の吸着物を除去する。真空（減圧）に較べて、製造工程を簡素化することができる。

本実施形態では、第１金属膜１４ｂおよび第２金属膜１４ｄが形成された第２部材１２と、フッ素含有部材２０とに対して、大気圧プラズマ処理を施す。これにより、第１金属膜１４ａ、１４ｂの表面の吸着物の除去と、第１金属膜１４ａ、１４ｂ上へのフッ素含有膜１４ｆの生成とを、共通の工程行うことができる。これにより、製造工程を簡素化することができる。また、吸着物の除去後、直ちにフッ素含有膜１４ｆを成膜することができる。これにより、吸着物の除去後の再吸着をより確実に防ぐことができる。

＜試作結果＞
図８は、試作時の接合条件と結果を示す図である。図８に示すように、いずれの条件でもＮ数を３とした。図８に示す大気中放置時間とは、第１金属膜（金含有膜）の成膜後に、大気中に放置した時間を示す。接合前処理とは、大気中放置時間が経過してから、接合前に行った処理を示している。大気中プラズマ処理とは、Ａｒをキャリアガスとした大気圧でのプラズマ処理を示している。フッ素処理とは、上記したフッ素含有膜の形成処理を示している。試作時には、上記したように、プラズマ処理によって吸着物を除去しつつフッ素含有膜を形成した。よって、大気圧プラズマ処理のみの記載は、フッ素処理を伴わない処理を示している。接合前処理を行った後の表面フッ素量は、ＴＯＦ－ＳＩＭＳのカウント比率を示している。ＴＯＦ－ＳＩＭＳ（飛行時間型２次イオン質量分析）とは、Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometryの略称である。

図８に示すように、接合前処理を行わなかった場合、すなわち無処理の場合、３週間放置、１か月以上放置のいずれにおいても第１部材と第２部材とを接合できなかった。また、接合前処理として、フッ素処理を伴わない大気圧プラズマ処理を行った場合、３週間経過後では一部に接合が確認できたが、１か月以上放置では、第１部材と第２部材とを接合できなかった。すなわち、３週間放置、１か月以上放置のいずれにおいても第１部材と第２部材とを安定的に接合できなかった。一方、大気圧プラズマ処理とフッ素処理を行った場合は、全数について第１部材と第２部材とを接合できた。サンプルＡとサンプルＢとは、フッ素量が異なっている。サンプルＢは、サンプルＡよりもフッ素量の多いサンプルである。

図９は、図８に記載したサンプルＡ、ＢのＴＥＭ画像とＥＤＸ分析の元素マッピング画像を示す図である。図９では、元素マッピング画像として、金（Ａｕ）とフッ素（Ｆ）を示している。ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）とは、Transmission Electron Microscopeの略称である。ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）とは、Energy Dispersive X-ray Spectroscopyの略称であり、ＥＤＳと称されることもある。

図９のＴＥＭ画像に示すように、サンプルＡ、Ｂいずれも、金の結晶粒が２つの第１接合層にわたって形成されている。金が相互に拡散し、良好な接合状態を形成していることが明らかである。また、元素マッピング画像に示すように、サンプルＡ、Ｂいずれも、第１接合層の内部にフッ素元素が分散している。また、タンタル（Ｔａ）を材料とする第２接合層の内部にも、フッ素元素が分散している。図８および図９の結果から、プラズマ処理とフッ素処理を行うと、第１部材と第２部材とを良好に接合できることが明らかとなった。また、金属接合層の内部にフッ素元素が分散していることも明らかとなった。これにより、水分の侵入抑制の効果、ひいては接続信頼性の向上の効果が期待できる。

（第２実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、第１金属膜１４ａ、１４ｂの表面の吸着物の除去（洗浄）と、フッ素含有膜１４ｆの成膜とを共通の工程で行っていた。これに代えて、吸着物の除去とフッ素含有膜１４ｆの成膜とを個別に行ってもよい。

第１金属膜１４ａ、１４ｂの成膜までの工程は、先行実施形態に記載の工程と同じである。本実施形態では、第１金属膜１４ａ、１４ｂの成膜後、図１０に示すように、吸着物の除去処理を行う。この除去処理は、フッ素含有膜１４ｆの成膜を伴わない処理である。先行実施形態同様、大気圧または真空でのプラズマ処理やイオンビーム処理により、第１金属膜１４ａ、１４ｂの表面の吸着物を除去する。

そして、吸着物の除去処理が終了した後に、第１金属膜１４ａ、１４ｂ上にフッ素含有膜１４ｆを形成する処理を行う。図示を省略するが、たとえば、フッ素プラズマ処理により、フッ素含有膜１４ｆを形成してもよい。また、チャンバー内で、ＣＨＦ_３、ＣＦ_６などのフッ化物ガスに晒すことで、フッ素含有膜１４ｆを形成してもよい。さらには、フッ素含有部材２０にプラズマ処理を施すことで、フッ素含有膜１４ｆを形成してもよい。

フッ素含有膜１４ｆの形成後は、先行実施形態と同様に接合処理を行う。これにより、接合構造体１０を得ることができる。上記以外の構成は、先行実施形態に記載の構成と同じである。

＜第２実施形態のまとめ＞
上記したように、第１金属膜１４ａ、１４ｂの表面の吸着物を除去する工程とは別の工程で、フッ素含有膜１４ｆを成膜してもよい。吸着物を除去した後、できる限り速やかに（直ちに）フッ素含有膜１４ｆを成膜することで、再吸着を抑制することができる。

（第３実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、金属接合層１３が、第２接合層１３ｃ、１３ｄを含んでいた。これに代えて、金属接合層１３が、第１接合層１３ａ、１３ｂのみを含んでもよい。

図１１に示す接合構造体１０において、金属接合層１３は、第１接合層１３ａ、１３ｂのみを含んでいる。第２部材１２の第２面１２ａ上において、非対向領域には、第１金属膜１４ｂおよびフッ素含有膜１４ｆが配置されている。上記以外の構成は、先行実施形態に記載の構成と同じである。金属接合層１３の厚みｔ１は、第１面１１ａの接合領域の平面度Ｆ１および第２面１２ａの接合領域の平面度Ｆ２よりも小さい。第１接合層１３ａ、１３ｂ、すなわち金属接合層１３の全体に、フッ素元素が分散している。このような接合構造体１０は、金属膜を形成する処理において、第２金属膜１４ｃ、１４ｄを形成することなく、第１金属膜１４ａ、１４ｂを形成することで得ることができる。

＜第３実施形態のまとめ＞
金属接合層１３が金接合層（第１接合層１３ａ、１３ｂ）のみを備える構成において、金属接合層１３の厚みｔ１が、第１面１１ａの平面度Ｆ１および第２面１２ａの平面度Ｆ２よりも小さい。したがって、応力を、金属接合層１３近傍の第１部材１１および第２部材１２にて受け持つことができる。また、金属接合層１３の全体に分散するフッ素元素の撥水効果により、水分の侵入を防ぐことができる。以上より、接合構造体１０は、高い接続信頼性を有することができる。

（他の実施形態）
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

空間的に相対的な用語「下」、「上」は、図示されているような、ひとつの要素または特徴の他の要素または特徴に対する関係を説明する記載を容易にするためにここでは利用されている。空間的に相対的な用語は、図面に描かれている向きに加えて、使用または操作中の装置の異なる向きを包含することを意図することができる。例えば、図中の装置をひっくり返すと、他の要素または特徴の「下」として説明されている要素は、他の要素または特徴の「上」に向けられる。したがって、用語「下」は、上と下の両方の向きを包含することができる。この装置は、他の方向に向いていてもよく（９０度または他の向きに回転されてもよい）、この明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。

第１部材１１と第２部材１２とを、大気中で常温接合する例を示したが、これに限定されない。真空下（減圧下）において常温接合してもよい。真空下での接合の場合、金属膜１４ａ、１４ｂの両方を設けてもよいし、金属膜１４ａ、１４ｂの一方のみを設けてもよい。たとえば、第１面１１ａに金属膜１４ａを設けず、第２面１２ａに金属膜１４ｂを設け、真空下で常温接合してもよい。この場合、金属接合層１３は、金接合層として第１接合層１３ｂを含む。つまり、金属接合層１３は、第１接合層１３ａ、１３ｂ（金接合層）の一方のみを有してもよい。

第１実施形態において、第１部材１１と第１金属膜１４ａとの間に第２金属膜１４ｃを設け、第２部材１２と第１金属膜１４ｂとの間に第２金属膜１４ｄを設ける例を示したが、これに限定されない。第２金属膜１４ｃ、１４ｄの一方のみを設けてもよい。たとえば第１金属膜１４ｂのみを形成する構成において、第２部材１２の第２面１２ａと第１金属膜１４ｂとの間に第２金属膜１４ｄを設け、第１金属膜１４ａのない第１面１１ａ上には第２金属膜１４ｃを設けない構成としてもよい。

１０…接合構造体、１１…第１部材、１１ａ…第１面、２…第２部材、１２ａ…第２面、１３…金属接合層、１３ａ、１３ｂ…第１接合層（金接合層）、１３ｃ、１３ｄ…第２接合層、１４ａ、１４ｂ…第１金属膜（金含有膜）、１４ｃ、１４ｄ…第２金属膜、１４ｆ…フッ素含有膜、２０…フッ素含有部材、１００…電子装置、１０５…筐体、１１０…電子部品、１１１…リード、１１２…バスバー、１１３…金属接合層、１０…半導体モジュール、２１１、２１１ａ、２１１ｂ…ヒートシンク、２１２…絶縁板、２１３…金属接合層、２１４…半導体チップ、２１５…封止樹脂体、２２０…冷却器、２３０…放熱部材

Claims (11)

1. 第１面（１１ａ）を有し、銅、銅合金、アルミニウム、およびアルミニウム合金のいずれかを材料とする第１部材（１１）と、
   前記第１部材の前記第１面と対向する第２面（１２ａ）を有する第２部材（１２）と、
   金または金合金を材料とする金接合層（１３ａ、１３ｂ）を少なくとも含み、前記第１部材の前記第１面と前記第２部材の前記第２面との間に介在して前記第１部材と前記第２部材とを接合する金属接合層（１３）と、
   を備え、
   接合領域において、前記金属接合層の厚みは前記第１面の平面度および前記第２面の平面度よりも小さくされ、
   前記金属接合層において、少なくとも前記金接合層の内部に、フッ素元素が分散している、接合構造体。
2. 前記金属接合層は、前記第１部材と前記金接合層である第１接合層との間、および、前記第２部材と前記第１接合層との間の少なくとも一方に介在し、前記第１接合層を構成する材料よりも熱膨張係数が小さい第２接合層（１３ｃ、１３ｄ）を含む、請求項１に記載の接合構造体。
3. 前記第２接合層は、材料として、タンタル、タングステン、チタン、およびクロムの少なくともひとつを含む、請求項２に記載の接合構造体。
4. 発熱部品（２１４）と、
   前記発熱部品が実装された基板（２１１ａ）と、
   前記基板に接合され、前記発熱部品の生じた熱を前記基板を介して伝達する熱伝導部材（２１２）と、
   を備え、
   前記基板と前記熱伝導部材との接合構造体は、請求項１～３いずれか１項に記載の前記接合構造体である、電子装置。
5. リード（１１１）を有する電子部品（１１０）と、
   前記リードに接合された配線部材（１１２）と、
   を備え、
   前記リードと前記配線部材との接合構造体は、請求項１～３いずれか１項に記載の前記接合構造体である、電子装置。
6. 銅、銅合金、アルミニウム、およびアルミニウム合金のいずれかを材料とする第１部材（１１）の第１面（１１ａ）、および、第２部材（１２）の第２面（１２ａ）を、接合領域において所定の平面度となるように鏡面化すること、
   前記鏡面化の実行後、前記第１面および前記第２面の少なくとも一方に、金含有膜（１４ａ、１４ｂ）を形成すること、
   前記金含有膜の表面の吸着物を除去すること、
   前記吸着物の除去された前記金含有膜の表面にフッ素含有膜（１４ｆ）を形成すること、
   常温接合により、前記金含有膜由来の金接合層（１３ａ、１３ｂ）を少なくとも含む金属接合層（１３）を形成して、前記第１部材と前記第２部材とを接合すること、を含み、
   前記接合領域において、前記金属接合層の厚みが前記第１面の平面度および前記第２面の平面度よりも小さくなるように、前記金含有膜を形成し、
   前記金属接合層を形成する際に、少なくとも前記金接合層の内部に、フッ素元素が拡散して分散する、接合構造体の製造方法。
7. プラズマ処理により、前記吸着物を除去する、請求項６に記載の接合構造体の製造方法。
8. 前記プラズマ処理は、大気圧プラズマ処理である、請求項７に記載の接合構造体の製造方法。
9. 前記金含有膜の表面とフッ素含有部材（２０）とに前記プラズマ処理を施すことにより、前記金含有膜の表面から前記吸着物を除去するとともに前記金含有膜の表面に前記フッ素含有膜を形成する、請求項７または請求項８に記載の接合構造体の製造方法。
10. 前記吸着物を除去する処理を行った後に、前記フッ素含有膜を形成する処理を行う、請求項６～８いずれか１項に記載の接合構造体の製造方法。
11. 前記第１面および前記第２面に、前記金含有膜をそれぞれ形成し、
    前記第１面の前記金含有膜上および前記第２面の前記金含有膜上に、前記フッ素含有膜をそれぞれ形成し、
    お互いの前記フッ素含有膜が接触するように前記第１部材と前記第２部材とを配置して、大気圧での前記常温接合により、前記第１部材と前記第２部材とを接合する、請求項６～１０いずれか１項に記載の接合構造体の製造方法。

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