接合方法及び接合体
【課題】大面積の接合に有利で、且つ、製造コストの増加を抑制できる接合方法及び接合体を提供する。
【解決手段】第１部材における金属からなる第１接合部と、第２部材における金属からなる第２接合部との間に、金属ナノ粒子を有機溶媒中に分散してなる金属ペーストを介在させ、該金属ペーストを少なくとも加熱して金属ナノ粒子を焼結し、内部に空孔を有する接合部材として第１接合部と第２接合部を接合する接合方法であって、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを調整することで、第１接合部と第２接合部との間に、空孔の占める割合である空孔率が互いに異なる複数種類の接合層を、隣接する接合層で空孔率が互いに異なるように積層形成して接合部材とする。
【解決手段】第１部材における金属からなる第１接合部と、第２部材における金属からなる第２接合部との間に、金属ナノ粒子を有機溶媒中に分散してなる金属ペーストを介在させ、該金属ペーストを少なくとも加熱して金属ナノ粒子を焼結し、内部に空孔を有する接合部材として第１接合部と第２接合部を接合する接合方法であって、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを調整することで、第１接合部と第２接合部との間に、空孔の占める割合である空孔率が互いに異なる複数種類の接合層を、隣接する接合層で空孔率が互いに異なるように積層形成して接合部材とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの部材を接合する接合方法及び接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、金属ナノ粒子を主とする接合材料を用いて２つの部材を接合する方法やその接合体が知られている。この接合方法においては、平均直径１００ｎｍ以下の金属微粒子の周囲を有機保護膜で被覆してなる金属ナノ粒子を接合材料の主成分とし、２つの部材の接合部間に接合材料を介在させた状態で、加熱・焼成して接合する。
【０００３】
しかしながら、この接合方法では、２つの部材を大面積で接合する場合、金属ナノ粒子の有機保護膜やペースト化するための有機溶媒を揮発させることが接合面の中央付近では難しく、その結果、炭化物が接合層に残存し、接合部の強度劣化や電気的特性、熱的特性の劣化を招くという問題がある。すなわち、従来のはんだやろう付けに比べ、大面積の接合には不向きであった。
【０００４】
これに対し、例えば特許文献２、３には、金属ナノ粒子を主とする接合材料を用いながらも、大面積の接合に有利な接合方法が提案されている。特許文献２においては、部材の接合部の表面に、接合部の端部まで至る凹部を設けている。そして、接合材料が入り込んだ凹部、又は、空洞とされた凹部を有機成分の揮発経路とすることで、接合材料中の有機成分を揮発させやすくし、炭化物の残存を低減するようにしている。また、特許文献３においては、接合する２つの部材間に多孔質金属層を介在させ、多孔質金属層と部材の接合部との間に接合材料を配置することで、多孔質金属層を通して接合材料中の有機成分を揮発させやすくし、炭化物の残存を低減するようにしている。
【特許文献１】特開２００４−１２８３５７号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２５８６号公報
【特許文献３】特開２００６−２０２９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に示される接合方法の場合、凹部を必要としない接合方法に比べ、２つの部材の接合部の少なくとも一方に凹部を形成する工程が新たに必要となるため、製造コストが増加する。
【０００６】
また、特許文献３に示される接合方法の場合、２つの部材の接合部間に、接合材料とは別の新たな部材（多孔質金属層）を介在させる必要があるので、製造コストが増加する。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、大面積の接合に有利で、且つ、製造コストの増加を抑制できる接合方法及び接合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、第１部材における金属からなる第１接合部と、第２部材における金属からなる第２接合部との間に、金属ナノ粒子を有機溶媒中に分散してなる金属ペーストを介在させ、該金属ペーストを少なくとも加熱して金属ナノ粒子を焼結し、内部に空孔を有する接合部材として第１接合部と第２接合部を接合する接合方法であって、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを調整することで、第１接合部と第２接合部との間に、空孔の占める割合である空孔率が互いに異なる複数種類の接合層を、隣接する接合層で空孔率が互いに異なるように積層形成して接合部材とすることを特徴とする。
【０００９】
このように本発明においては、金属ペースト中の有機成分を揮発させつつ金属ナノ粒子を焼結する際に、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを調整することで、空孔率が互いに異なる複数種類の接合層を形成する。また、この接合層を、隣接する接合層で空孔率が互いに異なるように形成することで、内部に空孔を有し、第１接合部と第２接合部を接合する接合部材とする。したがって、互いに隣接する２つの接合層において、空孔率が小さく、有機成分が揮発しにくい接合層を形成するに際に、隣接する空孔率の大きい接合層（の空孔）を、有機成分の揮発経路として利用することができる。すなわち、大面積の接合であっても、各接合層において有機成分の残存が生じにくく、接合部の強度劣化や電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。なお、空孔率とは、接合層における空孔の占める割合であり、具体的には接合層の断面において空孔の占める割合を複数断面で平均した値である。
【００１０】
また、本発明では、従来からある接合工程（金属ペーストの配置と加熱による金属ナノ粒子の焼結）を工夫することで、有機成分の残存を生じにくくする。したがって、大面積の接合に有利でありながら、従来のように、接合工程とは別に凹部を形成する工程を新たに必要とする場合や、接合部材とは別の新たな部材（多孔質金属層）を介在させる場合に比べて、製造コストの増加を抑制することができる。
【００１１】
なお、有機成分の揮発経路として利用することができる空孔率の大きい接合層だけで接合部材を構成しても、有機成分の残存を生じにくくすることができる。しかしながら、このような構成とすると、接合部材全体での空孔率が大きくなり、例えば電気的、熱的特性が劣化することとなる。これに対し、本発明によれば、空孔率が互いに異なる複数種類の接合層によって接合部材を構成するので、有機成分の残存を生じにくくしつつ、電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。
【００１２】
請求項２に記載のように、金属ペーストの配置及び金属ナノ粒子の焼結を、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを変えて複数回実行し、第１部材と第２部材の積層方向において、焼結回数に応じて接合層を多層に形成しても良い。
【００１３】
このように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを変えながら金属ペーストの配置及び金属ナノ粒子の焼結を複数回実行することにより、第１部材と第２部材の積層方向に接合層が多層に積層された接合部材を形成することもできる。また、積層方向の厚さが同じであれば、接合層１層辺りの厚さが薄くなるので、有機成分を揮発しやすくし、有機成分の残存をより生じにくくすることができる。
【００１４】
例えば請求項３に記載のように、第１接合部及び第２接合部の少なくとも一方に隣接して接合層を形成し、形成された接合層に隣接して、接合層よりも空孔率の小さい接合層を積層形成しても良い。
【００１５】
このように、先に空孔率の大きい接合層を形成し、形成した接合層上に該接合層よりも空孔率の小さい接合層を形成する場合、空孔率の大きい接合層の形成においては、自身の空孔を利用して、有機成分を揮発させることができる。また、焼結時に加圧しない場合には、接合部との接触面を除く外周面から有機成分を揮発させることができる。空孔率の小さい接合層を形成する際には、少なくとも、自身の空孔とともに、先に形成した空孔率の大きい接合層（の空孔）を有機成分の揮発経路として利用することができる。また、焼結時に加圧せず、且つ、接合部と接触しない場合には、空孔率の大きい接合層との接触面を除く外周面から有機成分を揮発させることもできる。したがって、各接合層において有機成分の残存を生じにくくすることができる。
【００１６】
また、請求項４に記載のように、第１接合部及び第２接合部の少なくとも一方に隣接して接合層を形成し、形成された接合層に隣接して、接合層よりも空孔率の大きい接合層を積層形成しても良い。
【００１７】
このように、先に空孔率の小さい接合層を形成し、形成した接合層上に該接合層よりも空孔率の大きい接合層を形成する場合、空孔率の小さい接合層の形成で有機成分が残存しても、空孔率の大きい接合層を形成する際に、空孔率の大きい接合層（の空孔）を有機成分の揮発経路として利用することができる。なお、焼結時に加圧しない場合には、接合部との接触面を除く外周面から有機成分を揮発させることができる。空孔率の大きい接合層を形成する際には、少なくとも自身の空孔を有機成分の揮発経路として利用することができる。特に焼結時に加圧せず、且つ、接合部と接触しない場合には、空孔率の小さい接合層との接触面を除く外周面から有機成分を揮発させることもできる。したがって、各接合層において有機成分の残存を生じにくくすることができる。
【００１８】
請求項２〜４いずれか１項に記載の発明においては、請求項５に記載のように、積層方向に垂直な方向において、空孔率の最も大きい接合層が、接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部となるように、複数種類の接合層を形成（並設）し、積層方向において、並設された複数種類の接合層に隣接して、複数種類の接合層とは空孔率の異なるベタ状の接合層を形成しても良い。
【００１９】
このように、積層方向において多層構造の接合部材を構成する少なくとも１層を、積層方向に垂直な方向において、複数種類の接合層が並設（積層）された並設層としても良い。この並設層を形成する際、空孔率の最も大きい接合層が、接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部となるようにすると、空孔率の最も大きい接合層（の空孔）を有機成分の揮発経路として利用することができる。
【００２０】
また、並設層を形成後、並設層に隣接して、積層方向にベタ状の接合層を形成するので、並設層の形成が、最後の接合層を形成する工程（第１接合部と第２接合部を接合する工程）とならない。したがって、並設層を構成する接合層ごとに形成しても、第１接合部と第２接合部との間の接合強度を確保することができる。
【００２１】
また、請求項１〜４いずれか１項に記載の発明においては、請求項６に記載のように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを部分的に変えることにより、第１部材と第２部材の積層方向に垂直な方向において、空孔率の最も大きい接合層が、接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部となるように、複数種類の接合層を同時に形成（並設）しても良い。
【００２２】
このように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを部分的に変えることで、並設層を構成する複数種類の接合層を同時に形成することもできる。したがって、並設層の形成を、最後の接合層を形成する工程（第１接合部と第２接合部を接合する工程）としても、第１接合部と第２接合部との間の接合強度を確保することができる。
【００２３】
請求項１〜６いずれか１項に記載の発明においては、請求項７に記載のように、金属ナノ粒子の焼結条件として、金属ペーストの加熱温度及び加熱時間の少なくとも一方を含んでも良い。加熱温度が高いと金属ナノ粒子がしっかりと焼結されて空孔率が小さくなり、加熱温度が低いと一部の金属ナノ粒子が粒子状のまま残り、空孔率が大きくなる。また、加熱時間が長いと金属ナノ粒子がしっかりと焼結されて空孔率が小さくなり、加熱時間が短いと一部の金属ナノ粒子が粒子状のまま残り、空孔率が大きくなる。
【００２４】
また、請求項８に記載のように、金属ナノ粒子の焼結条件として、外部から金属ペーストに印加する圧力を含んでも良い。印加圧力が高いと金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、印加圧力が低いと金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。
【００２５】
また、請求項９に記載のように、金属ナノ粒子の焼結条件として、外部から金属ペーストに印加する超音波振動のエネルギーの大きさを含んでも良い。超音波振動を加えることで、金属ペースト中の金属ナノ粒子が均等に詰まった密な状態となる。すなわち、印加する超音波振動のエネルギーを大きくすると、金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、印加する超音波振動のエネルギーを小さくすること、金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。
【００２６】
請求項１０に記載のように、金属ペーストの構成条件として、金属ナノ粒子の平均粒径を含んでも良い。金属ナノ粒子には、粒子径が小さいほど焼結温度が低くなり、粒子径が大きいほど焼結温度が高くなるという性質がある。また、金属ナノ粒子の粒子径にはばらつきがあるため、このばらつきにより粒子径の大きい一部の粒子が焼結されずに残ると、その結果空孔が大きくなる。したがって、平均粒径が大きいと、焼結されずに残る粒子径が大きいので空孔率が大きくなり、平均粒径が小さいと、焼結されずに残る粒子径が小さいので空孔率が小さくなる。また、異なる平均粒径の接合層を同時に同じ焼結条件で形成する場合には、平均粒径の大きいものの方が、焼結されずに残る金属ナノ粒子の比率が大きいので、これによっても空孔率を大きくすることができる。
【００２７】
請求項１１に記載のように、金属ペーストの構成条件として、金属ナノ粒子と有機溶媒との混合比を含んでも良い。金属ペースト中の金属ナノ粒子の比率を高めると、金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、金属ナノ粒子の比率を低くすると、金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。
【００２８】
請求項１２に記載のように、金属ペーストの構成条件として、金属ナノ粒子よりも大きい金属部材の混入量を含んでも良い。このような金属部材の混入量が多いほど、接合層中において、金属ナノ粒子の焼結体が配置されない部分が増え、空孔も増える（空孔率が大きくなる）こととなる。また、金属部材の混入量が少ないほど、接合層中において、金属ナノ粒子の焼結体が配置されない部分が減り、空孔も減少する（空孔率が小さくなる）こととなる。
【００２９】
請求項１３に記載の発明は、その作用効果が請求項１に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【００３０】
請求項１４に記載の発明は、その作用効果が請求項２に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【００３１】
請求項１５に記載の発明は、その作用効果がそれぞれ請求項３又は請求項４に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【００３２】
請求項１６に記載のように、接合部材を、接合層が、第１接合部と第２接合部の一方から他方に向けて、空孔率が小さい順、又は、空孔率が大きい順に多層に積層されてなる構成としても良い。これによれば、各接合層間での空孔率の差に基づいて生じる応力を低減
することができる。
【００３３】
請求項１７に記載のように、接合部材を、第１接合部に隣接する接合層と、第２接合部に隣接する接合層との間に、２つの接合層よりも空孔率の大きい接合層が介在された３層構造としても良い。これによれば、接合部材と接合部との接触面積が大きくなり、接合強度を向上することができる。
【００３４】
請求項１８に記載の発明は、その作用効果が請求項５又は請求項６に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、接合体１００は、２つの部材１１０、１２０を、接合部材１３０を用いて接合してなるものである。２つの部材１１０、１２０としては、金属からなる接合部材１３０との接合部１１１、１２１をそれぞれ有するものであれば採用することができる。
【００３６】
本実施形態においては、第１部材１１０として、金属製の基板（例えばＣｕ基板）を採用しており、基板表面の一部が、接合部材１３０との接合部１１１（特許請求の範囲に記載の第１接合部に相当）となっている。また、第２部材１２０として、シリコン基板を用いて構成された半導体素子を採用しており、スパッタ、蒸着、メッキ等によって基板表面の一部に形成された導体膜が、接合部材１３０との接合部１２１（特許請求の範囲に記載の第２接合部に相当）となっている。なお、第１部材１１０及び第２部材１２０は、ともに平面矩形状とされ、第１部材１１０の平面内に第２部材１２０の平面が内包されるように、第１部材１１０と第２部材１２０が積層されている。また、平面矩形状の第２部材１２０の一面全面が接合部１２１となっている。
【００３７】
接合部材１３０は、内部に空孔を有する金属ナノ粒子の焼結体であり、後述するように、金属ナノ粒子を有機溶媒中に分散してなる金属ペーストを少なくとも加熱することで形成されたものである。この接合部材１３０は、第１部材１１０の接合部１１１及び第２部材１２０の接合部１２１とそれぞれ接合されており、第１部材１１０と第２部材１２０を機械的に接続するとともに電気的、熱的にも接続している。本実施形態においては、接合部材１３０が、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向（以下、単に積層方向と示す）において、空孔率が異なる２種類の接合層１３１、１３２を、第１部材１１０側から接合層１３１、接合層１３２の順に積層してなる２層構造となっている。なお、接合部材１３０（各接合層１３１、１３２）も平面矩形状となっており、接合部１２１とほぼ一致している。
【００３８】
詳しくは、接合部材１３０を構成する２種類の接合層１３１、１３２は、厚さのほぼ等しいＡｇナノ粒子の焼結体として構成されている。そして、第１部材１１０の接合部１１１と隣接する接合層１３１（以下、第１接合層１３１と示す）のほうが、第２部材１２０の接合部１２１と隣接する接合層１３２（以下、第２接合層１３２と示す）よりも、空孔率が大きくなっている。なお、空孔率とは、各接合層１３１、１３２における空孔の占める割合であり、具体的には接合層１３１、１３２の任意断面において空孔の占める割合を、複数断面で平均した値である。
【００３９】
次に、上述した接合体１００を構成する方法、すなわち、第１部材１１０と第２部材１２０との接合方法について説明する。図２は、図１に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は第１接合層の形成時、（ｂ）は第１接合層の形成後、（ｃ）は第２接合層の形成時、（ｄ）は第２接合層の形成後を示している。
【００４０】
本実施形態においては、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を制御することで、各接合層１３１、１３２の空孔率が異なるようにする。空孔率を制御可能な金属ペーストの構成条件としては、例えば金属ナノ粒子の平均粒径がある。金属ナノ粒子には、粒子径が小さいほど焼結温度が低くなり、粒子径が大きいほど焼結温度が高くなるという性質がある。また、金属ナノ粒子の粒子径にはばらつきがあるため、ばらつきの範囲内で粒子径の大きい一部の粒子が焼結されずに残ると、その結果空孔が大きくなる。したがって、平均粒径が大きいと、焼結されずに残る粒子径が大きいので空孔率が大きくなり、平均粒径が小さいと、焼結されずに残る粒子径が小さいので空孔率が小さくなる。また、異なる平均粒径の接合層を同時に同じ焼結条件で形成する場合には、平均粒径の大きいものの方が、焼結されずに残る金属ナノ粒子の比率が大きいので、これによっても空孔率を大きくすることができる。
【００４１】
また、金属ナノ粒子の平均粒径以外にも、金属ナノ粒子と有機溶媒との混合比や金属ナノ粒子よりも大きい金属部材の混入量がある。金属ペースト中の金属ナノ粒子の比率（有機溶媒に対する）を高めると、金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、金属ナノ粒子の比率を低くすると、金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。また、金属ペースト（有機溶媒）中に、金属ナノ粒子とは別に、焼結条件で揮発しない金属ナノ粒子よりも大きい金属部材（例えば、鱗片形状や繊維形状の金属部材）を混入させると、この金属部材がスペーサとして機能する。したがって、混入量が多いほど、接合層中において、金属ナノ粒子の焼結体が配置されない部分が増え、空孔も増える（空孔率が大きくなる）こととなる。また、金属部材の混入量が少ないほど、接合層中において、金属ナノ粒子の焼結体が配置されない部分が減り、空孔も減少する（空孔率が小さくなる）こととなる。
【００４２】
空孔率を制御可能な金属ナノ粒子の焼結条件としては、例えば金属ペーストの加熱温度及び加熱時間の少なくとも一方がある。加熱温度が高いと金属ナノ粒子がしっかりと焼結されて空孔率が小さくなり、加熱温度が低いと一部の金属ナノ粒子が粒子状のまま残り、空孔率が大きくなる。また、加熱時間が長いと金属ナノ粒子がしっかりと焼結されて空孔率が小さくなり、加熱時間が短いと一部の金属ナノ粒子が粒子状のまま残り、空孔率が大きくなる。
【００４３】
また、金属ペーストの加熱温度及び加熱時間の少なくとも一方以外にも、外部から金属ペーストに印加する圧力、外部から金属ペーストに印加する超音波振動のエネルギーの大きさがある。印加圧力が高いと金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、印加圧力が低いと金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。また、超音波振動を加えることで、金属ペースト中の金属ナノ粒子が均等に詰まった密な状態となる。すなわち、印加する超音波振動のエネルギーを大きくすると、金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、印加する超音波振動のエネルギーを小さくすること、金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。
【００４４】
このように、本実施形態においては、金属ペーストを構成する金属ナノ粒子の平均粒径、金属ナノ粒子と有機溶媒の混合比、他部材の混入量、金属ペーストの加熱温度、加熱時間、印加圧力、振動エネルギーの少なくとも１つを調整することで、各接合層１３１、１３２の空孔率に差をつけるようにする。
【００４５】
具体的には、先ず、第１部材１１０としての基板（Ｃｕ基板）、第２部材１２０としての半導体素子、及び接合部材１３０（各接合層１３１、１３２）を形成するための金属ペースト（本実施形態においては、Ａｇペースト）を準備する。ここで、金属ペーストとは、周囲が有機保護膜でコーティングされたナノレベル（例えば粒径が１００ｎｍ以下）の金属粒子（金属ナノ粒子）を、有機溶媒中に分散させたペースト状のものである。この金属ペーストを少なくとも加熱すると、所定温度で有機保護膜や有機溶媒などの有機成分が分解されて揮発し、これにより金属ナノ粒子表面が露出されて金属ナノ粒子が互いに焼結する。金属ナノ粒子の場合、この焼結を比較的に低温で実施することができる。このように、有機成分を揮発させることで、金属ナノ粒子を焼結させ、ひいては接着剤として機能させることができる。
【００４６】
次に、準備した金属ペーストを第１部材１１０の接合部１１１上に塗布し、金属ペースト層１３３を形成する。金属ペーストの塗布には、スクリーン印刷、ディスペンサ、インクジェット等による塗布を採用することができる。本実施形態においては、スクリーン印刷法を採用して、厚さがほぼ一定の金属ペースト層１３３を形成する。そして、接合部１１１上に積層された金属ペースト層１３３を少なくとも加熱し、金属ペースト中の有機成分を揮発させつつ金属ナノ粒子同士を焼結させて、図２（ｂ）に示すように、金属ナノ粒子の焼結体であり、内部に空孔を有する第１接合層１３１を形成する。この時点で、接合部材１３０を構成する第１接合層１３１と、第１部材１１０の接合部１１１とが接合状態となる。第１接合層１３１に形成においては、加熱後の状態で有機成分が残存せず、第２接合層１３２よりも空孔率が大きくなるように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を調整する。
【００４７】
詳しくは、図２（ａ）に矢印で示すように、金属ペースト層１３３を、接合部１１１との接触面の裏面側から第１部材１１０側に向けて加圧しつつ加熱する。この加熱により、金属ペースト層１３３において、有機成分の飛びやすい外表面から焼結が始まる。金属ペースト層１３３の内部の有機成分は、先に焼結された外表面側の部位の空孔を介して揮発される。本実施形態においては、図２（ａ）に白抜き矢印で示すように、金属ペースト層１３３の外表面のうち、接合部１１１との接触面及び加圧しつつ加熱する冶具が当接される面を除く面（端面）から有機成分が揮発される。この有機成分の揮発に際し、第１接合層１３１は空孔率が大きいので、自身の空孔を介して有機成分を効率よく揮発させることができる。また、接合部材１３０を２層構造としており、第１接合層１３１に対応する金属ペースト層１３３の厚さが１層構造に比べて薄いので、有機成分を揮発させやすい。したがって、図２（ｂ）に示す第１接合層１３１においては、有機成分の残存が抑制される。
【００４８】
第１接合層１３１の形成後、第２接合層１３２を形成するための金属ペーストを第１接合層１３１上（第１接合層１３１における接合部１１１との接触面の裏面上）に塗布して、金属ペースト層１３４を形成する。金属ペースト層１３４は金属ペースト層１３３と同様の手法によって形成する。そして、図２（ｃ）に示すように、金属ペースト層１３４上（金属ペースト層１３４における第１接合層１３１との接触面の裏面上）に、接合部１２１が当接するように第２部材１２０を積層配置し、この積層体を少なくとも加熱する。これにより、金属ペースト中の有機成分を揮発させつつ金属ナノ粒子同士を焼結させて、図２（ｄ）に示すように、金属ナノ粒子の焼結体であり、内部に空孔を有する第２接合層１３２が形成される。この時点で、接合部材１３０を構成する第２接合層１３２と第１接合層１３１が接合され、第２接合層１３２と第２部材１２０の接合部１２１が接合される。すなわち、接合体１００が完成する。第２接合層１３２に形成においては、第１接合層１３１よりも空孔率が小さくなるように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を調整する。
【００４９】
詳しくは、図２（ｃ）に矢印で示すように、第２部材１２０側から第１部材１１０側に向けて加圧しつつ加熱する。この加熱により、金属ペースト層１３４において、有機成分の飛びやすい外表面から焼結が始まる。金属ペースト層１３４の内部の有機成分は、先に焼結された外表面側の部位の空孔を介して、金属ペースト層１３４の外表面のうち、第１接合層１３１との接触面及び第２部材１２０の接合部１２１との接触面を除く面（端面）から揮発される。この揮発に際し、第２接合層１３２は空孔率が第１接合層１３１よりも小さいので、自身の空孔を介して有機成分を揮発させる能力は、第１接合層１３１よりも劣っている。しかしながら、接合部材１３０を２層構造としており、第２接合層１３２に対応する金属ペースト層１３４の厚さが１層構造に比べて薄いので、この点で有機成分を揮発させやすくなっている。また、金属ペースト層１３４において先に焼結された外表面側の部位の空孔と、金属ペースト層１３４に隣接する空孔率の大きい第１接合層１３１の空孔を介して、第１接合層１３１の端面からも有機成分を揮発させることができる。このように、本実施形態においては、先に形成した空孔率の大きい第１接合層１３１を有機成分の揮発経路として利用するので、第１接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２を、内部に有機成分を残存させずに形成することができる。
【００５０】
なお、本実施形態においては、金属ナノ粒子（Ａｇナノ粒子）の平均粒径を１０ｎｍ以下、金属ペースト中に含まれる有機溶媒の含有率を１０ｗｔ％以下、焼結時の温度を２８０℃以上、加熱時間（最高温度保持時間）を１００秒以上、印加圧力を２．５ＭＰａ以上、印加する超音波振動のエネルギーを１６ｋＨｚ以上とすることで、第１接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２を形成している。また、第２接合層１３２の形成条件に対し、少なくとも１つの条件を満たさないようにする（例えば金属ナノ粒子の平均粒径を１０ｎｍよりも大きくする）ことで、第２接合層１３２よりも空孔率の大きい第１接合層１３１を形成している。
【００５１】
このように本実施形態によれば、先に空孔率の大きい第１接合層１３１を形成した後に、第１接合層１３１上に該接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２を形成することで、接合体１００を得るようにしている。第１接合層１３１の形成においては、自身の空孔を利用して、有機成分を揮発させることができる。また、空孔率の小さい第２接合層１３２を形成する際には、少なくとも、自身の空孔とともに、先に形成した第１接合層１３１（の空孔）を有機成分の揮発経路として利用することができる。したがって、各接合層１３１、１３２において有機成分の残存を生じにくくすることができる。すなわち、大面積の接合であっても、各接合層１３１、１３２において有機成分の残存が生じにくく、接合部の強度劣化や電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。
【００５２】
また、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを変えながら金属ペーストの配置及び金属ナノ粒子の焼結を２回実行することにより、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向に接合層１３１、１３２が積層された接合部材１３０を形成するようにしている。したがって、積層方向において接合部材１３０の厚さが同じであれば、接合層１層辺りの厚さが薄くすることができるので、これによっても有機成分を揮発しやすくし、有機成分の残存をより生じにくくすることができる。
【００５３】
また、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを調整することで、各接合層１３１、１３２において空孔率に差をつけるようにしている。すなわち、従来からある接合工程（金属ペーストの配置と加熱による金属ナノ粒子の焼結）を工夫することで、有機成分の残存を生じにくくしている。したがって、大面積の接合に有利でありながら、従来のように、接合工程とは別に凹部を形成する工程を新たに必要とする場合や、接合部材１３０とは別の新たな部材（多孔質金属層）を介在させる場合に比べて、製造コストの増加を抑制することができる。
【００５４】
また、空孔率が互いに異なる２つの接合層１３１、１３２によって接合部材１３０を構成するので、２つの接合層１３１、１３２の一方のみによって接合部材１３０を構成する場合に比べて、有機成分の残存を生じにくくしつつ、電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。
【００５５】
なお、本実施形態においては、第１接合層１３１を、第１部材１１０である基板の接合部１１１上に形成する例を示した。しかしながら、第１接合層１３１を、第２部材１２０の接合部１２１上に形成し、形成された第１接合層１３１上に、金属ペースト層１３４（第２接合層１３２）、第１部材１１０の順に積層配置しても良い。
【００５６】
また、本実施形態においては、第１接合層１３１の形成時において、金属ペースト層１３３に冶具が当接されて、加圧・加熱される例を示した。しかしながら、金属ペースト層１３３の接合部１１１との接触面の裏面に、加圧や加熱の冶具を接触させない場合には、金属ペースト層１３３における接合部１１１との接触面を除く面、すなわち金属ペースト層１３３におけるより広い外表面から、有機成分を揮発させることができる。
【００５７】
また、本実施形態においては、第１接合層１３１と第２接合層１３２の厚さがほぼ等しい例を示した。しかしながら、互いに異なる厚さとしても良い。例えば、接合部材１３０の厚さを変えずに、第１接合層１３１よりも第２接合層１３２を厚くする（第２接合層１３２の占める比率を大きくする）ことで、電気的、熱的な特性を向上するようにしても良い。
【００５８】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。図４は、図３に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は第２接合層の形成時、（ｂ）は第２接合層の形成後、（ｃ）は第１接合層の形成時、（ｄ）は第１接合層の形成後を示している。なお、上述した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付与するものとする。
【００５９】
本実施形態においては、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向に、２つの接合層１３１、１３２を積層して接合部材１３０とする構成において、先に空孔率の小さい第２接合層１３２を形成し、その後に第２接合層１３２よりも空孔率の大きい第１接合層１３１を形成する点を特徴とする。これにより、図３に示すように、第２接合層１３２が第１部材１１０に隣接形成され、第１接合層１３１が第２部材１２０に隣接形成された接合体１００となっている。それ以外の点は、第１実施形態と同様である。
【００６０】
第１実施形態同様、先ず、第１部材１１０としての基板（Ｃｕ基板）、第２部材１２０としての半導体素子、及び接合部材１３０（各接合層１３１、１３２）を形成するための金属ペースト（本実施形態においては、Ａｇペースト）を準備する。次に、準備した金属ペーストを第１部材１１０の接合部１１１上に塗布し、第２接合層１３２を形成すべく金属ペースト層１３４を形成する。そして、接合部１１１上に積層された金属ペースト層１３４を少なくとも加熱し、金属ペースト中の有機成分を揮発させつつ金属ナノ粒子同士を焼結させて、図４（ｂ）に示すように、金属ナノ粒子の焼結体であり、内部に空孔を有する第２接合層１３２を形成する。この時点で、接合部材１３０を構成する第２接合層１３２と第１部材１１０の接合部１１１が接合される。この第２接合層１３２に形成においては、第１実施形態同様、第１接合層１３１よりも空孔率が大きくなるように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を調整する。
【００６１】
詳しくは、図４（ａ）に矢印で示すように、金属ペースト層１３４を、接合部１１１との接触面の裏面側から第１部材１１０側に向けて加圧しつつ加熱する。この加熱により、金属ペースト層１３４において、有機成分の飛びやすい外表面から焼結が始まる。金属ペースト層１３４の内部の有機成分は、先に焼結された外表面側の部位の空孔を介して揮発される。本実施形態においては、図４（ａ）に白抜き矢印で示すように、金属ペースト層１３４の外表面のうち、接合部１１１との接触面及び加圧しつつ加熱する冶具が当接される面を除く面（端面）から有機成分が揮発される。この有機成分の揮発に際しては、接合部材１３０を２層構造としており、第２接合層１３２に対応する金属ペースト層１３４の厚さが１層構造に比べて薄いので、この点で有機成分を揮発させやすくなっている。しかしながら、第２接合層１３２は空孔率が第１接合層１３１よりも小さいので、自身の空孔を介して有機成分を揮発させる能力は、第１接合層１３１よりも劣っている。すなわち、第２接合層１３２の内部に有機成分が残存することも考えられる。特に本実施形態に示すように、金属ペースト層１３４を加圧しつつ加熱する場合には、金属ペースト層１３４の外表面のうち、有機成分の揮発に寄与する露出部位が端面に限られるため、第２接合層１３２の内部に有機成分がより残存しやすい。
【００６２】
第２接合層１３２の形成後、第１接合層１３１を形成するための金属ペーストを第２接合層１３２上（第２接合層１３２における接合部１１１との接触面の裏面上）に塗布して、金属ペースト層１３３を形成する。そして、図４（ｃ）に示すように、金属ペースト層１３３上（金属ペースト層１３３における第２接合層１３２との接触面の裏面上）に、接合部１２１が当接するように第２部材１２０を積層配置し、この積層体を少なくとも加熱する。これにより、金属ペースト中の有機成分を揮発させつつ金属ナノ粒子同士を焼結させて、図４（ｄ）に示すように、金属ナノ粒子の焼結体であり、内部に空孔を有する第１接合層１３１を形成する。この時点で、接合部材１３０を構成する第１接合層１３１と第２接合層１３２が接合され、第１接合層１３１と第２部材１２０の接合部１２１が接合される。すなわち、接合体１００が完成する。第１接合層１３１に形成においては、加熱後の状態で有機成分が残存せず、第２接合層１３２よりも空孔率が大きくなるように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を調整する。
【００６３】
詳しくは、図４（ｃ）に矢印で示すように、第２部材１２０側から第１部材１１０側に向けて加圧しつつ加熱する。この加熱において、金属ペースト層１３３は、有機成分の飛びやすい外表面から焼結が始まる。金属ペースト層１３３の内部の有機成分は、先に焼結された外表面側の部位の空孔を介して揮発される。本実施形態においては、図４（ｃ）に白抜き矢印で示すように、金属ペースト層１３３の外表面のうち、第２接合層１３２との接触面及び接合部１２１との接触面を除く面（端面）から有機成分が揮発される。この有機成分の揮発に際し、第１接合層１３１は空孔率が大きいので、自身の空孔を介して有機成分を効率よく揮発させることができる。また、接合部材１３０を２層構造としており、第１接合層１３１に対応する金属ペースト層１３３の厚さが１層構造に比べて薄いので、有機成分を揮発させやすい。したがって、図４（ｄ）に示す第１接合層１３１においては、有機成分の残存が抑制される。
【００６４】
また、上述したように、第２接合層１３２の内部に有機成分が残存していたとしても、第１接合層１３１の形成時において、第２接合層１３２の内部に残存する有機成分を、隣接する空孔率の大きい第１接合層１３１の空孔を介して、第１接合層１３１の端面から揮発させることができる。このように、本実施形態においては、後から形成する空孔率の大きい第１接合層１３１を有機成分の揮発経路として利用するので、第１接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２を、内部に有機成分を残存させずに形成することができる。
【００６５】
また、本実施形態においては、第１部材１１０がＣｕ基板、第２部材１２０が半導体素子、接合部材１３０が金属であり、接合部材１３０と第２部材１２０との間の方が、接合部材１３０と第１部材１１０との間よりも線膨張係数の差が大きくなっている。これに対し、図３に示すように、空孔率の大きい第１接合層１３１を第２部材１２０側に設けると、空孔率の小さい第２接合層１３２を第２部材１２０側に設ける構成よりも、線膨張係数差に基づく応力を緩和することができる。すなわち、接続信頼性を向上することができる。
【００６６】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。なお、上述した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付与するものとする。
【００６７】
上述した実施形態においては、接合部材１３０が、積層方向に２層構造とされる例を示した。しかしながら、接合部材１３０は、積層方向において２層構造に限定されるものではない。３層以上としても良い。３層以上の接合部材１３０においても、隣接する接合層の空孔率を異なるものとすればよい。積層方向に隣接する２層において、空孔率の大きい接合層を、該接合層よりも空孔率の小さい接合層を形成する際に有機成分の揮発経路として利用することで、各接合層において有機成分の残存が生じにくく、接合部の強度劣化や電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。
【００６８】
一例として図５に示す接合部材１３０は、空孔率の小さい第２接合層１３２によって、第２接合層１３２よりも空孔率の大きい第１接合層１３１が挟まれた３層構造となっている。そして、各層の厚さがほぼ等しくなっている。このように、第２接合層１３２の厚さの和を第１接合層１３１の厚さよりも厚くすると、接合部材１３０の電気的特性及び熱的特性を向上することができる。また、各接合部１１１、１２１と隣接する接合層を、ともに空孔率の小さい第２接合層１３２としているので、空孔率の大きい第１接合層１３１と比べて、接合部１１１、１２１との接触面積が大きく、これにより機械的な接続信頼性も向上することができる。また、接合部材１３０の厚さが同じであれば、層数を増すほど、１層当たりの厚さを薄くすることができるので、焼結時に有機成分を揮発させやすくすることができる。
【００６９】
なお、このような構成の接合体１００は、上述した実施形態に示した方法によって形成することができる。例えば、第１部材１１０の接合部１１１上に、第２接合層１３２（下層）、第１接合層１３１（中層）、第２接合層１３２（上層）の順で形成しても良い。この場合、焼結によって第２接合層１３２（上層）となる金属ペースト層１３４上に第２部材１２０を積層配置し、少なくとも加熱することで、接合体１００を得ることができる。また、第２部材１２０の接合部１２１上に、第２接合層１３２、第１接合層１３１、第２接合層１３２の順で形成しても良い。
【００７０】
さらには、第１部材１１０の接合部１１１上及び第２部材１２０の接合部１２１上に、第２接合層１３２をそれぞれ形成しても良い。この場合、いずれか一方の第２接合層１３２上に、焼結によって第１接合層１３１となる金属ペースト層１３３を形成し、他方の第２接合層１３２を含む部材を金属ペースト層１３３上に積層配置する。そして積層体を少なくとも加熱することで、接合体１００を得ることができる。
【００７１】
なお、本実施形態においては、３層構造の例を示したが、４層以上の多層構造としても良い。その場合も、空孔率の小さい接合層を接合部１１１、１２１と隣接する接合層とすれば、機械的な接続信頼性を向上することができる。
【００７２】
また、積層方向に３層以上の接合層が積層された接合体１００として、例えば図６に示すように、第１部材１１０（接合部１１１）から第２部材１２０（接合部１２１）に向けて、空孔率が小さい順に接合層１３２、１３５、１３１が積層された構成としても良い。なお、接合層１３５は、第１接合層１３１の空孔率と第２接合層１３２の空孔率との間の空孔率を有する第３接合層である。すなわち、接合部材１３０は、第１部材１１０側から第２部材１２０に向けて空孔率が徐々に大きくなるように構成されている。このような構成とすると、各接合層間での空孔率の差に基づいて生じる応力を低減することができる。図６は、変形例を示す断面図である。なお、第１部材１１０（接合部１１１）から第２部材１２０（接合部１２１）に向けて、空孔率が大きい順に接合層が積層された構成（第１部材１１０側から、第１接合層１３１、第３接合層１３５、第２接合層１３２の順）としても、同様の効果を期待することができる。また、層数も３層に限定されるものではなく、４層以上においても、同様の効果を期待することができる。
【００７３】
（第４実施形態）
図７は、第４実施形態に係る接合体の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は接合部材の平面図である。図８は、図７に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は加熱時、（ｂ）は加熱後を示している。なお、上述した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付与するものとする。
【００７４】
上述した各実施形態においては、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向において、空孔率の異なる接合層が積層されて、接合部材１３０が多層構造とされる例を示した。これに対し、本実施形態においては、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向に垂直な方向において、空孔率の異なる接合層が積層されて、積層方向に垂直な方向において接合部材１３０が多層構造とされる点を特徴とする。
【００７５】
接合部材１３０は、図７（ａ）に示すように、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向において１層構造となっており、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、積層方向に垂直な一方向において、空孔率の大きい第１接合層１３１と、第１接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２とが積層（並設）されて多層構造となっている。詳しくは、積層方向における同一層において、第１接合層１３１と第２接合層１３２とが交互に配置されたストライプパターンとなっている。本実施形態においては、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、４層の第１接合層１３１と５層の第２接合層１３２が交互に積層されている。また、９層の各接合層１３１、１３２の大きさ（厚さ、並設方向の幅、並設方向に垂直な方向の長さ）がほぼ同一となっており、各層の一部が、接合部材１３０における接合部１１１、１２１との接触面を除く外周面の一部となっている。
【００７６】
このような構成の接合体１００は、例えば以下の手順で形成することができる。先ず、上述した実施形態同様、第１部材１１０、第２部材１２０、及び金属ペーストを準備する。そして、準備した金属ペーストを例えば第１部材１１０の接合部１１１上に部分的（選択的）に塗布し、金属ペースト層１３３を形成する。また、金属ペースト層１３３を構成する金属ペーストとは構成条件の異なる金属ペースト（例えば有機溶媒に対する金属ナノ粒子の比が大きい金属ペースト）を準備し、この金属ペーストを、金属ペースト層１３３の形成されない接合部１１１上に部分的に塗布する。そして、金属ペースト層１３３とほぼ同じ厚さの金属ペースト層１３４を形成する。これら金属ペーストの塗布には、スクリーン印刷、ディスペンサ、インクジェット等による塗布を採用することができる。本実施形態においては、ディスペンサを用いて、接合部１１１上に、ストライプパターンの金属ペースト層１３３、１３４を形成する。
【００７７】
次に、金属ペースト層１３３、１３４上（金属ペースト層１３３、１３４における接合部１１１との接触面の裏面上）に、接合部１２１が当接するように第２部材１２０を積層配置し、この積層体を少なくとも加熱する。詳しくは、図８（ａ）に矢印で示すように、第２部材１２０側から第１部材１１０側に向けて加圧しつつ加熱する。この加熱により、各金属ペースト層１３３、１３４において、有機成分の飛びやすい外表面から焼結が始まり、内部の有機成分は、先に焼結された外表面側の部位の空孔を介して揮発される。本実施形態においては、金属ペースト層１３３、１３４の外表面のうち、接合部１１１との接触面及び加圧しつつ加熱する冶具が当接される面を除く面（端面）から有機成分がそれぞれ揮発される。
【００７８】
この有機成分の揮発に際し、金属ペースト層１３３においては、焼結によって形成する第１接合層１３１の空孔率が大きいので、自身の空孔を介して有機成分を効率よく揮発させることができる。これに対し、金属ペースト層１３４においては、焼結によって形成する第２接合層１３２の空孔率が第１接合層１３１よりも小さいため、自身の空孔を介して有機成分を揮発させる能力は第１接合層１３１よりも劣っている。しかしながら、金属ペースト層１３４に隣接する空孔率の大きい第１接合層１３１の空孔（金属ペースト層１３３のうち、先に焼結された部分）を介して、第１接合層１３１（金属ペースト層１３３）の端面からも有機成分を揮発させることができる。したがって、本実施形態によれば、有機成分の残存を抑制しつつ、第１接合層１３１と第２接合層１３２を同時に形成することができる。この時点で、接合部材１３０を構成する第１接合層１３１と第２接合層１３２が接合されるとともに、第１接合層１３１及び第２接合層１３２と各接合部１１１、１２１が接合される。すなわち、接合体１００が完成する。
【００７９】
このように、本実施形態によれば、積層方向における同一層において、金属ペーストの構成条件の少なくとも１つを部分的に変えることで、空孔率の異なる接合層１３１、１３２を、隣接する層で空孔率が異なるように、同時に形成することができる。したがって、第１接合層１３１（の空孔）を有機成分の揮発経路として利用することができるので、大面積の接合であっても、各接合層１３１、１３２において有機成分の残存が生じにくく、接合部の強度劣化や電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。
【００８０】
また、本実施形態に示したように、接合部材１３０を、積層方向において１層構造とする場合には、積層方向に多層とする場合よりも、接合部材１３０の厚さを薄くすることが可能であり、薄くした場合には電気的特性、熱的特性をより向上することもできる。
【００８１】
また、並設される接合層１３１、１３２を同時に形成する。すなわち、接合層１３１、１３２が同時に接着剤としての機能を発揮することができる。したがって、接合層１３１、１３２を同時に形成する際の加熱を、接合体１００を形成する際の最後の工程としても、各接合層１３１、１３２を介して、第１部材１１０と第２部材１２０とを、機械的、電気的、熱的に接続することができる。
【００８２】
なお、本実施形態においては、積層方向における同一層において、金属ナノ粒子と有機溶媒の混合比を部分的に変えることで、各接合層１３１、１３２の空孔率に差をつける例を示した。しかしながら、各接合層１３１、１３２の空孔率に差をつける条件は上記例に限定されるものではない。第１実施形態に示した金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを部分的に変えることで、積層方向における同一層に、空孔率の異なる接合層１３１、１３２を多層に積層（並設）することができる。例えば、各接合層１３１、１３２ごとに平均粒径の異なる金属ナノ粒子を用いても良い。また、加熱温度を、同一層において部分的に異なる温度としても良い。また、同一層において印加圧力に差をつけても良い。また同一層において一部分（第２接合層１３２を形成する部分）に超音波振動を印加しても良い。
【００８３】
また、本実施形態においては、積層方向における同一層において、第１接合層１３１と第２接合層１３２とが交互に配置されてストライプパターンとなっている例を示した。しかしながら、同一層における接合層の積層構造（並設構造）は上記例に限定されるものではない。同一層に第１接合層１３１と第２接合層１３２とが積層されて接合部材１３０が構成される場合、例えば図９に示すように、空孔率の大きい第１接合層１３１が格子状に形成され、格子間の矩形領域に第２接合層１３２が形成された構成としても良い。このような構造の場合、一部の第２接合層１３２は、その外表面が外部に露出されない。しかしながら、第１接合層１３１は、その外表面の一部が外部に露出されている。すなわち、焼結後の状態で、接合部材１３０における接合部１１１、１２１との接触面を除く外周面の一部となる。したがって、第１接合層１３１を有機成分の揮発経路として利用することができるので、第２接合層１３２における有機成分の残存を抑制することができる。また、図１０に示すように、接合部材１３０の平面中心から放射状に第１接合層１３１を形成し、残りの部分を第２接合層１３２としても良い。この場合も、第１接合層１３１を有機成分の揮発経路として利用することができるので、第２接合層１３２における有機成分の残存を抑制することができる。すなわち、空孔率の小さい第２接合層１３２に有機成分が残存しないように、効率的に（分散して）第１接合層１３１を設けた構成とすれば良い。図９、図１０は、ともに変形例を示す平面図である。
【００８４】
また、本実施形態においては、接合部材１３０が、積層方向に１層構造である例を示した。しかしながら、積層方向において多層構造とされても良い。上述したように、積層方向の同一層を構成する各接合層を同時に形成する場合には、接合体１００を形成する際の最後の工程とすることもできるので、積層方向においてどの層の形成にも適用することができる。
【００８５】
また、本実施形態においては、積層方向において同一の層を構成する第１接合層１３１と第２接合層１３２を同時に形成する例を示した。しかしながら、この並設層に対して積層方向にベタ状の接合層が隣接配置される場合には、異なるタイミングで形成することも可能である。例えば図１１においては、接合部材１３０が積層方向において２層構造とされ第１部材１１０側の層が、空孔率の大きい第１接合層１３１と第１接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２が積層された構造となっている。また、第２部材１２０側の層が、第１接合層１３１と第２接合層１３２との間の空孔率を有する第３接合層１３５によって構成されている。このような接合部材１３０を形成する場合、例えば第１部材１１０の接合部１１１上に、金属ペースト層１３３を部分的に形成した後、少なくとも加熱して第１接合層１３１を形成する。この時点で、第１接合層１３１と接合部１１１が接合される。次に、接合部１１１上の第１接合層１３１を除く部分に金属ペースト層１３４を選択的に形成した後、少なくとも加熱して第２接合層１３２を形成する。この時点で、第２接合層１３２と接合部１１１が接合され、第２接合層１３２と第１接合層１３１が接合される。そして、第１接合層１３１及び第２接合層１３２上に、第３接合層１３５に対応する金属ペースト層を形成し、この金属ペースト層上に第２部材１２０を積層した状態で少なくとも加熱して第３接合層１３５を形成する。この時点で、接合部材１３０を構成する第３接合層１３５と、第１接合層１３１及び第２接合層１３２が接合され、第３接合層１３５と第２部材１２０の接合部１２１が接合される。すなわち、接合体１００が完成する。なお、各接合層１３１、１３２、１３５の形成においては、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を調整することで、空孔率に差をもたせている。このように、並設層に対して積層方向にベタ状の接合層が隣接配置される場合には、並設層を構成する各接合層を異なるタイミングで形成することも可能である。図１１は、変形例を示す断面図である。
【００８６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００８７】
本実施形態においては、第１部材１１０がＣｕ基板であり、第２部材１２０が半導体素子である例を示した。しかしながら、各部材１１０、１２０は上記例に限定されるものではない。例えば図１２に示すように、第１部材１１０として、絶縁基板１１２（例えば窒化アルミニウムや窒化珪素等のセラミックス）の表面に、例えばアルミニウム、銅、金などを蒸着、スパッタ、メッキして金属膜を形成し、この金属膜の少なくとも一部を接合部１１１としたものを採用しても良い。これにより、接合体１００において、第２部材１２０の絶縁性を確保することもできる。図１２は、その他変形例を示す断面図である。
【００８８】
上述した実施形態において、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向に接合部材１３０が多層構造の場合、１層ごとに金属ペースト層の形成と焼結を実施する例を示した。しかしながら、例えば第１部材１１０の接合部１１１上に、金属ペースト層１３３を形成後、焼結しない程度の低温で金属ペースト層１３３を加熱し、金属ペースト層１３３の皮膜強度を積層可能な程度としておく。そして、皮膜強度の確保された金属ペースト層１３３上に金属ペースト層１３４を積層形成し、さらに金属ペースト層１３４上に第２部材１２０を積層した状態で、焼結すべく少なくとも加熱を実施する。これにより、金属ペースト層１３３、１３４をほぼ同時に焼結（同じ加熱タイミングで焼結）して、第１接合層１３１と第２接合層１３２を形成することもできる。このように、積層方向に接合部材１３０が多層であっても、各接合層を同時に（同じ加熱タイミングで）形成することも可能である。ただし、それぞれの接合層を形成する金属ペースト層から同時に有機成分を揮発させることとなるので、上述したように、１層ごとに金属ペースト層の形成と焼結を実施するほうが、有機成分の残存を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は第１接合層の形成時、（ｂ）は第１接合層の形成後、（ｃ）は第２接合層の形成時、（ｄ）は第２接合層の形成後を示している。
【図３】第２実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。
【図４】図３に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は第２接合層の形成時、（ｂ）は第２接合層の形成後、（ｃ）は第１接合層の形成時、（ｄ）は第１接合層の形成後を示している。
【図５】第３実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。
【図６】変形例を示す断面図である。
【図７】第４実施形態に係る接合体の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は接合部材の平面図である。
【図８】図７に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は加熱時、（ｂ）は加熱後を示している。
【図９】変形例を示す平面図である。
【図１０】変形例を示す平面図である。
【図１１】変形例を示す断面図である。
【図１２】その他変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０・・・加圧冶具
１００・・・接合体
１１０・・・第１部材
１１１・・・接合部（第１接合部）
１２０・・・第２部材
１２１・・・接合部（第２接合部）
１３０・・・接合部材
１３１・・・第１接合層
１３２・・・第２接合層
１３５・・・第３接合層
１３４、１３４・・・金属ペースト層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの部材を接合する接合方法及び接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、金属ナノ粒子を主とする接合材料を用いて２つの部材を接合する方法やその接合体が知られている。この接合方法においては、平均直径１００ｎｍ以下の金属微粒子の周囲を有機保護膜で被覆してなる金属ナノ粒子を接合材料の主成分とし、２つの部材の接合部間に接合材料を介在させた状態で、加熱・焼成して接合する。
【０００３】
しかしながら、この接合方法では、２つの部材を大面積で接合する場合、金属ナノ粒子の有機保護膜やペースト化するための有機溶媒を揮発させることが接合面の中央付近では難しく、その結果、炭化物が接合層に残存し、接合部の強度劣化や電気的特性、熱的特性の劣化を招くという問題がある。すなわち、従来のはんだやろう付けに比べ、大面積の接合には不向きであった。
【０００４】
これに対し、例えば特許文献２、３には、金属ナノ粒子を主とする接合材料を用いながらも、大面積の接合に有利な接合方法が提案されている。特許文献２においては、部材の接合部の表面に、接合部の端部まで至る凹部を設けている。そして、接合材料が入り込んだ凹部、又は、空洞とされた凹部を有機成分の揮発経路とすることで、接合材料中の有機成分を揮発させやすくし、炭化物の残存を低減するようにしている。また、特許文献３においては、接合する２つの部材間に多孔質金属層を介在させ、多孔質金属層と部材の接合部との間に接合材料を配置することで、多孔質金属層を通して接合材料中の有機成分を揮発させやすくし、炭化物の残存を低減するようにしている。
【特許文献１】特開２００４−１２８３５７号公報
【特許文献２】特開２００６−２０２５８６号公報
【特許文献３】特開２００６−２０２９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に示される接合方法の場合、凹部を必要としない接合方法に比べ、２つの部材の接合部の少なくとも一方に凹部を形成する工程が新たに必要となるため、製造コストが増加する。
【０００６】
また、特許文献３に示される接合方法の場合、２つの部材の接合部間に、接合材料とは別の新たな部材（多孔質金属層）を介在させる必要があるので、製造コストが増加する。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、大面積の接合に有利で、且つ、製造コストの増加を抑制できる接合方法及び接合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、第１部材における金属からなる第１接合部と、第２部材における金属からなる第２接合部との間に、金属ナノ粒子を有機溶媒中に分散してなる金属ペーストを介在させ、該金属ペーストを少なくとも加熱して金属ナノ粒子を焼結し、内部に空孔を有する接合部材として第１接合部と第２接合部を接合する接合方法であって、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを調整することで、第１接合部と第２接合部との間に、空孔の占める割合である空孔率が互いに異なる複数種類の接合層を、隣接する接合層で空孔率が互いに異なるように積層形成して接合部材とすることを特徴とする。
【０００９】
このように本発明においては、金属ペースト中の有機成分を揮発させつつ金属ナノ粒子を焼結する際に、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを調整することで、空孔率が互いに異なる複数種類の接合層を形成する。また、この接合層を、隣接する接合層で空孔率が互いに異なるように形成することで、内部に空孔を有し、第１接合部と第２接合部を接合する接合部材とする。したがって、互いに隣接する２つの接合層において、空孔率が小さく、有機成分が揮発しにくい接合層を形成するに際に、隣接する空孔率の大きい接合層（の空孔）を、有機成分の揮発経路として利用することができる。すなわち、大面積の接合であっても、各接合層において有機成分の残存が生じにくく、接合部の強度劣化や電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。なお、空孔率とは、接合層における空孔の占める割合であり、具体的には接合層の断面において空孔の占める割合を複数断面で平均した値である。
【００１０】
また、本発明では、従来からある接合工程（金属ペーストの配置と加熱による金属ナノ粒子の焼結）を工夫することで、有機成分の残存を生じにくくする。したがって、大面積の接合に有利でありながら、従来のように、接合工程とは別に凹部を形成する工程を新たに必要とする場合や、接合部材とは別の新たな部材（多孔質金属層）を介在させる場合に比べて、製造コストの増加を抑制することができる。
【００１１】
なお、有機成分の揮発経路として利用することができる空孔率の大きい接合層だけで接合部材を構成しても、有機成分の残存を生じにくくすることができる。しかしながら、このような構成とすると、接合部材全体での空孔率が大きくなり、例えば電気的、熱的特性が劣化することとなる。これに対し、本発明によれば、空孔率が互いに異なる複数種類の接合層によって接合部材を構成するので、有機成分の残存を生じにくくしつつ、電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。
【００１２】
請求項２に記載のように、金属ペーストの配置及び金属ナノ粒子の焼結を、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを変えて複数回実行し、第１部材と第２部材の積層方向において、焼結回数に応じて接合層を多層に形成しても良い。
【００１３】
このように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを変えながら金属ペーストの配置及び金属ナノ粒子の焼結を複数回実行することにより、第１部材と第２部材の積層方向に接合層が多層に積層された接合部材を形成することもできる。また、積層方向の厚さが同じであれば、接合層１層辺りの厚さが薄くなるので、有機成分を揮発しやすくし、有機成分の残存をより生じにくくすることができる。
【００１４】
例えば請求項３に記載のように、第１接合部及び第２接合部の少なくとも一方に隣接して接合層を形成し、形成された接合層に隣接して、接合層よりも空孔率の小さい接合層を積層形成しても良い。
【００１５】
このように、先に空孔率の大きい接合層を形成し、形成した接合層上に該接合層よりも空孔率の小さい接合層を形成する場合、空孔率の大きい接合層の形成においては、自身の空孔を利用して、有機成分を揮発させることができる。また、焼結時に加圧しない場合には、接合部との接触面を除く外周面から有機成分を揮発させることができる。空孔率の小さい接合層を形成する際には、少なくとも、自身の空孔とともに、先に形成した空孔率の大きい接合層（の空孔）を有機成分の揮発経路として利用することができる。また、焼結時に加圧せず、且つ、接合部と接触しない場合には、空孔率の大きい接合層との接触面を除く外周面から有機成分を揮発させることもできる。したがって、各接合層において有機成分の残存を生じにくくすることができる。
【００１６】
また、請求項４に記載のように、第１接合部及び第２接合部の少なくとも一方に隣接して接合層を形成し、形成された接合層に隣接して、接合層よりも空孔率の大きい接合層を積層形成しても良い。
【００１７】
このように、先に空孔率の小さい接合層を形成し、形成した接合層上に該接合層よりも空孔率の大きい接合層を形成する場合、空孔率の小さい接合層の形成で有機成分が残存しても、空孔率の大きい接合層を形成する際に、空孔率の大きい接合層（の空孔）を有機成分の揮発経路として利用することができる。なお、焼結時に加圧しない場合には、接合部との接触面を除く外周面から有機成分を揮発させることができる。空孔率の大きい接合層を形成する際には、少なくとも自身の空孔を有機成分の揮発経路として利用することができる。特に焼結時に加圧せず、且つ、接合部と接触しない場合には、空孔率の小さい接合層との接触面を除く外周面から有機成分を揮発させることもできる。したがって、各接合層において有機成分の残存を生じにくくすることができる。
【００１８】
請求項２〜４いずれか１項に記載の発明においては、請求項５に記載のように、積層方向に垂直な方向において、空孔率の最も大きい接合層が、接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部となるように、複数種類の接合層を形成（並設）し、積層方向において、並設された複数種類の接合層に隣接して、複数種類の接合層とは空孔率の異なるベタ状の接合層を形成しても良い。
【００１９】
このように、積層方向において多層構造の接合部材を構成する少なくとも１層を、積層方向に垂直な方向において、複数種類の接合層が並設（積層）された並設層としても良い。この並設層を形成する際、空孔率の最も大きい接合層が、接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部となるようにすると、空孔率の最も大きい接合層（の空孔）を有機成分の揮発経路として利用することができる。
【００２０】
また、並設層を形成後、並設層に隣接して、積層方向にベタ状の接合層を形成するので、並設層の形成が、最後の接合層を形成する工程（第１接合部と第２接合部を接合する工程）とならない。したがって、並設層を構成する接合層ごとに形成しても、第１接合部と第２接合部との間の接合強度を確保することができる。
【００２１】
また、請求項１〜４いずれか１項に記載の発明においては、請求項６に記載のように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを部分的に変えることにより、第１部材と第２部材の積層方向に垂直な方向において、空孔率の最も大きい接合層が、接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部となるように、複数種類の接合層を同時に形成（並設）しても良い。
【００２２】
このように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを部分的に変えることで、並設層を構成する複数種類の接合層を同時に形成することもできる。したがって、並設層の形成を、最後の接合層を形成する工程（第１接合部と第２接合部を接合する工程）としても、第１接合部と第２接合部との間の接合強度を確保することができる。
【００２３】
請求項１〜６いずれか１項に記載の発明においては、請求項７に記載のように、金属ナノ粒子の焼結条件として、金属ペーストの加熱温度及び加熱時間の少なくとも一方を含んでも良い。加熱温度が高いと金属ナノ粒子がしっかりと焼結されて空孔率が小さくなり、加熱温度が低いと一部の金属ナノ粒子が粒子状のまま残り、空孔率が大きくなる。また、加熱時間が長いと金属ナノ粒子がしっかりと焼結されて空孔率が小さくなり、加熱時間が短いと一部の金属ナノ粒子が粒子状のまま残り、空孔率が大きくなる。
【００２４】
また、請求項８に記載のように、金属ナノ粒子の焼結条件として、外部から金属ペーストに印加する圧力を含んでも良い。印加圧力が高いと金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、印加圧力が低いと金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。
【００２５】
また、請求項９に記載のように、金属ナノ粒子の焼結条件として、外部から金属ペーストに印加する超音波振動のエネルギーの大きさを含んでも良い。超音波振動を加えることで、金属ペースト中の金属ナノ粒子が均等に詰まった密な状態となる。すなわち、印加する超音波振動のエネルギーを大きくすると、金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、印加する超音波振動のエネルギーを小さくすること、金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。
【００２６】
請求項１０に記載のように、金属ペーストの構成条件として、金属ナノ粒子の平均粒径を含んでも良い。金属ナノ粒子には、粒子径が小さいほど焼結温度が低くなり、粒子径が大きいほど焼結温度が高くなるという性質がある。また、金属ナノ粒子の粒子径にはばらつきがあるため、このばらつきにより粒子径の大きい一部の粒子が焼結されずに残ると、その結果空孔が大きくなる。したがって、平均粒径が大きいと、焼結されずに残る粒子径が大きいので空孔率が大きくなり、平均粒径が小さいと、焼結されずに残る粒子径が小さいので空孔率が小さくなる。また、異なる平均粒径の接合層を同時に同じ焼結条件で形成する場合には、平均粒径の大きいものの方が、焼結されずに残る金属ナノ粒子の比率が大きいので、これによっても空孔率を大きくすることができる。
【００２７】
請求項１１に記載のように、金属ペーストの構成条件として、金属ナノ粒子と有機溶媒との混合比を含んでも良い。金属ペースト中の金属ナノ粒子の比率を高めると、金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、金属ナノ粒子の比率を低くすると、金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。
【００２８】
請求項１２に記載のように、金属ペーストの構成条件として、金属ナノ粒子よりも大きい金属部材の混入量を含んでも良い。このような金属部材の混入量が多いほど、接合層中において、金属ナノ粒子の焼結体が配置されない部分が増え、空孔も増える（空孔率が大きくなる）こととなる。また、金属部材の混入量が少ないほど、接合層中において、金属ナノ粒子の焼結体が配置されない部分が減り、空孔も減少する（空孔率が小さくなる）こととなる。
【００２９】
請求項１３に記載の発明は、その作用効果が請求項１に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【００３０】
請求項１４に記載の発明は、その作用効果が請求項２に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【００３１】
請求項１５に記載の発明は、その作用効果がそれぞれ請求項３又は請求項４に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【００３２】
請求項１６に記載のように、接合部材を、接合層が、第１接合部と第２接合部の一方から他方に向けて、空孔率が小さい順、又は、空孔率が大きい順に多層に積層されてなる構成としても良い。これによれば、各接合層間での空孔率の差に基づいて生じる応力を低減
することができる。
【００３３】
請求項１７に記載のように、接合部材を、第１接合部に隣接する接合層と、第２接合部に隣接する接合層との間に、２つの接合層よりも空孔率の大きい接合層が介在された３層構造としても良い。これによれば、接合部材と接合部との接触面積が大きくなり、接合強度を向上することができる。
【００３４】
請求項１８に記載の発明は、その作用効果が請求項５又は請求項６に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、接合体１００は、２つの部材１１０、１２０を、接合部材１３０を用いて接合してなるものである。２つの部材１１０、１２０としては、金属からなる接合部材１３０との接合部１１１、１２１をそれぞれ有するものであれば採用することができる。
【００３６】
本実施形態においては、第１部材１１０として、金属製の基板（例えばＣｕ基板）を採用しており、基板表面の一部が、接合部材１３０との接合部１１１（特許請求の範囲に記載の第１接合部に相当）となっている。また、第２部材１２０として、シリコン基板を用いて構成された半導体素子を採用しており、スパッタ、蒸着、メッキ等によって基板表面の一部に形成された導体膜が、接合部材１３０との接合部１２１（特許請求の範囲に記載の第２接合部に相当）となっている。なお、第１部材１１０及び第２部材１２０は、ともに平面矩形状とされ、第１部材１１０の平面内に第２部材１２０の平面が内包されるように、第１部材１１０と第２部材１２０が積層されている。また、平面矩形状の第２部材１２０の一面全面が接合部１２１となっている。
【００３７】
接合部材１３０は、内部に空孔を有する金属ナノ粒子の焼結体であり、後述するように、金属ナノ粒子を有機溶媒中に分散してなる金属ペーストを少なくとも加熱することで形成されたものである。この接合部材１３０は、第１部材１１０の接合部１１１及び第２部材１２０の接合部１２１とそれぞれ接合されており、第１部材１１０と第２部材１２０を機械的に接続するとともに電気的、熱的にも接続している。本実施形態においては、接合部材１３０が、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向（以下、単に積層方向と示す）において、空孔率が異なる２種類の接合層１３１、１３２を、第１部材１１０側から接合層１３１、接合層１３２の順に積層してなる２層構造となっている。なお、接合部材１３０（各接合層１３１、１３２）も平面矩形状となっており、接合部１２１とほぼ一致している。
【００３８】
詳しくは、接合部材１３０を構成する２種類の接合層１３１、１３２は、厚さのほぼ等しいＡｇナノ粒子の焼結体として構成されている。そして、第１部材１１０の接合部１１１と隣接する接合層１３１（以下、第１接合層１３１と示す）のほうが、第２部材１２０の接合部１２１と隣接する接合層１３２（以下、第２接合層１３２と示す）よりも、空孔率が大きくなっている。なお、空孔率とは、各接合層１３１、１３２における空孔の占める割合であり、具体的には接合層１３１、１３２の任意断面において空孔の占める割合を、複数断面で平均した値である。
【００３９】
次に、上述した接合体１００を構成する方法、すなわち、第１部材１１０と第２部材１２０との接合方法について説明する。図２は、図１に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は第１接合層の形成時、（ｂ）は第１接合層の形成後、（ｃ）は第２接合層の形成時、（ｄ）は第２接合層の形成後を示している。
【００４０】
本実施形態においては、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を制御することで、各接合層１３１、１３２の空孔率が異なるようにする。空孔率を制御可能な金属ペーストの構成条件としては、例えば金属ナノ粒子の平均粒径がある。金属ナノ粒子には、粒子径が小さいほど焼結温度が低くなり、粒子径が大きいほど焼結温度が高くなるという性質がある。また、金属ナノ粒子の粒子径にはばらつきがあるため、ばらつきの範囲内で粒子径の大きい一部の粒子が焼結されずに残ると、その結果空孔が大きくなる。したがって、平均粒径が大きいと、焼結されずに残る粒子径が大きいので空孔率が大きくなり、平均粒径が小さいと、焼結されずに残る粒子径が小さいので空孔率が小さくなる。また、異なる平均粒径の接合層を同時に同じ焼結条件で形成する場合には、平均粒径の大きいものの方が、焼結されずに残る金属ナノ粒子の比率が大きいので、これによっても空孔率を大きくすることができる。
【００４１】
また、金属ナノ粒子の平均粒径以外にも、金属ナノ粒子と有機溶媒との混合比や金属ナノ粒子よりも大きい金属部材の混入量がある。金属ペースト中の金属ナノ粒子の比率（有機溶媒に対する）を高めると、金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、金属ナノ粒子の比率を低くすると、金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。また、金属ペースト（有機溶媒）中に、金属ナノ粒子とは別に、焼結条件で揮発しない金属ナノ粒子よりも大きい金属部材（例えば、鱗片形状や繊維形状の金属部材）を混入させると、この金属部材がスペーサとして機能する。したがって、混入量が多いほど、接合層中において、金属ナノ粒子の焼結体が配置されない部分が増え、空孔も増える（空孔率が大きくなる）こととなる。また、金属部材の混入量が少ないほど、接合層中において、金属ナノ粒子の焼結体が配置されない部分が減り、空孔も減少する（空孔率が小さくなる）こととなる。
【００４２】
空孔率を制御可能な金属ナノ粒子の焼結条件としては、例えば金属ペーストの加熱温度及び加熱時間の少なくとも一方がある。加熱温度が高いと金属ナノ粒子がしっかりと焼結されて空孔率が小さくなり、加熱温度が低いと一部の金属ナノ粒子が粒子状のまま残り、空孔率が大きくなる。また、加熱時間が長いと金属ナノ粒子がしっかりと焼結されて空孔率が小さくなり、加熱時間が短いと一部の金属ナノ粒子が粒子状のまま残り、空孔率が大きくなる。
【００４３】
また、金属ペーストの加熱温度及び加熱時間の少なくとも一方以外にも、外部から金属ペーストに印加する圧力、外部から金属ペーストに印加する超音波振動のエネルギーの大きさがある。印加圧力が高いと金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、印加圧力が低いと金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。また、超音波振動を加えることで、金属ペースト中の金属ナノ粒子が均等に詰まった密な状態となる。すなわち、印加する超音波振動のエネルギーを大きくすると、金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が高まって空孔率が小さくなり、印加する超音波振動のエネルギーを小さくすること、金属ペースト中の金属ナノ粒子の密度が低くなって空孔率が大きくなる。
【００４４】
このように、本実施形態においては、金属ペーストを構成する金属ナノ粒子の平均粒径、金属ナノ粒子と有機溶媒の混合比、他部材の混入量、金属ペーストの加熱温度、加熱時間、印加圧力、振動エネルギーの少なくとも１つを調整することで、各接合層１３１、１３２の空孔率に差をつけるようにする。
【００４５】
具体的には、先ず、第１部材１１０としての基板（Ｃｕ基板）、第２部材１２０としての半導体素子、及び接合部材１３０（各接合層１３１、１３２）を形成するための金属ペースト（本実施形態においては、Ａｇペースト）を準備する。ここで、金属ペーストとは、周囲が有機保護膜でコーティングされたナノレベル（例えば粒径が１００ｎｍ以下）の金属粒子（金属ナノ粒子）を、有機溶媒中に分散させたペースト状のものである。この金属ペーストを少なくとも加熱すると、所定温度で有機保護膜や有機溶媒などの有機成分が分解されて揮発し、これにより金属ナノ粒子表面が露出されて金属ナノ粒子が互いに焼結する。金属ナノ粒子の場合、この焼結を比較的に低温で実施することができる。このように、有機成分を揮発させることで、金属ナノ粒子を焼結させ、ひいては接着剤として機能させることができる。
【００４６】
次に、準備した金属ペーストを第１部材１１０の接合部１１１上に塗布し、金属ペースト層１３３を形成する。金属ペーストの塗布には、スクリーン印刷、ディスペンサ、インクジェット等による塗布を採用することができる。本実施形態においては、スクリーン印刷法を採用して、厚さがほぼ一定の金属ペースト層１３３を形成する。そして、接合部１１１上に積層された金属ペースト層１３３を少なくとも加熱し、金属ペースト中の有機成分を揮発させつつ金属ナノ粒子同士を焼結させて、図２（ｂ）に示すように、金属ナノ粒子の焼結体であり、内部に空孔を有する第１接合層１３１を形成する。この時点で、接合部材１３０を構成する第１接合層１３１と、第１部材１１０の接合部１１１とが接合状態となる。第１接合層１３１に形成においては、加熱後の状態で有機成分が残存せず、第２接合層１３２よりも空孔率が大きくなるように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を調整する。
【００４７】
詳しくは、図２（ａ）に矢印で示すように、金属ペースト層１３３を、接合部１１１との接触面の裏面側から第１部材１１０側に向けて加圧しつつ加熱する。この加熱により、金属ペースト層１３３において、有機成分の飛びやすい外表面から焼結が始まる。金属ペースト層１３３の内部の有機成分は、先に焼結された外表面側の部位の空孔を介して揮発される。本実施形態においては、図２（ａ）に白抜き矢印で示すように、金属ペースト層１３３の外表面のうち、接合部１１１との接触面及び加圧しつつ加熱する冶具が当接される面を除く面（端面）から有機成分が揮発される。この有機成分の揮発に際し、第１接合層１３１は空孔率が大きいので、自身の空孔を介して有機成分を効率よく揮発させることができる。また、接合部材１３０を２層構造としており、第１接合層１３１に対応する金属ペースト層１３３の厚さが１層構造に比べて薄いので、有機成分を揮発させやすい。したがって、図２（ｂ）に示す第１接合層１３１においては、有機成分の残存が抑制される。
【００４８】
第１接合層１３１の形成後、第２接合層１３２を形成するための金属ペーストを第１接合層１３１上（第１接合層１３１における接合部１１１との接触面の裏面上）に塗布して、金属ペースト層１３４を形成する。金属ペースト層１３４は金属ペースト層１３３と同様の手法によって形成する。そして、図２（ｃ）に示すように、金属ペースト層１３４上（金属ペースト層１３４における第１接合層１３１との接触面の裏面上）に、接合部１２１が当接するように第２部材１２０を積層配置し、この積層体を少なくとも加熱する。これにより、金属ペースト中の有機成分を揮発させつつ金属ナノ粒子同士を焼結させて、図２（ｄ）に示すように、金属ナノ粒子の焼結体であり、内部に空孔を有する第２接合層１３２が形成される。この時点で、接合部材１３０を構成する第２接合層１３２と第１接合層１３１が接合され、第２接合層１３２と第２部材１２０の接合部１２１が接合される。すなわち、接合体１００が完成する。第２接合層１３２に形成においては、第１接合層１３１よりも空孔率が小さくなるように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を調整する。
【００４９】
詳しくは、図２（ｃ）に矢印で示すように、第２部材１２０側から第１部材１１０側に向けて加圧しつつ加熱する。この加熱により、金属ペースト層１３４において、有機成分の飛びやすい外表面から焼結が始まる。金属ペースト層１３４の内部の有機成分は、先に焼結された外表面側の部位の空孔を介して、金属ペースト層１３４の外表面のうち、第１接合層１３１との接触面及び第２部材１２０の接合部１２１との接触面を除く面（端面）から揮発される。この揮発に際し、第２接合層１３２は空孔率が第１接合層１３１よりも小さいので、自身の空孔を介して有機成分を揮発させる能力は、第１接合層１３１よりも劣っている。しかしながら、接合部材１３０を２層構造としており、第２接合層１３２に対応する金属ペースト層１３４の厚さが１層構造に比べて薄いので、この点で有機成分を揮発させやすくなっている。また、金属ペースト層１３４において先に焼結された外表面側の部位の空孔と、金属ペースト層１３４に隣接する空孔率の大きい第１接合層１３１の空孔を介して、第１接合層１３１の端面からも有機成分を揮発させることができる。このように、本実施形態においては、先に形成した空孔率の大きい第１接合層１３１を有機成分の揮発経路として利用するので、第１接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２を、内部に有機成分を残存させずに形成することができる。
【００５０】
なお、本実施形態においては、金属ナノ粒子（Ａｇナノ粒子）の平均粒径を１０ｎｍ以下、金属ペースト中に含まれる有機溶媒の含有率を１０ｗｔ％以下、焼結時の温度を２８０℃以上、加熱時間（最高温度保持時間）を１００秒以上、印加圧力を２．５ＭＰａ以上、印加する超音波振動のエネルギーを１６ｋＨｚ以上とすることで、第１接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２を形成している。また、第２接合層１３２の形成条件に対し、少なくとも１つの条件を満たさないようにする（例えば金属ナノ粒子の平均粒径を１０ｎｍよりも大きくする）ことで、第２接合層１３２よりも空孔率の大きい第１接合層１３１を形成している。
【００５１】
このように本実施形態によれば、先に空孔率の大きい第１接合層１３１を形成した後に、第１接合層１３１上に該接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２を形成することで、接合体１００を得るようにしている。第１接合層１３１の形成においては、自身の空孔を利用して、有機成分を揮発させることができる。また、空孔率の小さい第２接合層１３２を形成する際には、少なくとも、自身の空孔とともに、先に形成した第１接合層１３１（の空孔）を有機成分の揮発経路として利用することができる。したがって、各接合層１３１、１３２において有機成分の残存を生じにくくすることができる。すなわち、大面積の接合であっても、各接合層１３１、１３２において有機成分の残存が生じにくく、接合部の強度劣化や電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。
【００５２】
また、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを変えながら金属ペーストの配置及び金属ナノ粒子の焼結を２回実行することにより、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向に接合層１３１、１３２が積層された接合部材１３０を形成するようにしている。したがって、積層方向において接合部材１３０の厚さが同じであれば、接合層１層辺りの厚さが薄くすることができるので、これによっても有機成分を揮発しやすくし、有機成分の残存をより生じにくくすることができる。
【００５３】
また、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを調整することで、各接合層１３１、１３２において空孔率に差をつけるようにしている。すなわち、従来からある接合工程（金属ペーストの配置と加熱による金属ナノ粒子の焼結）を工夫することで、有機成分の残存を生じにくくしている。したがって、大面積の接合に有利でありながら、従来のように、接合工程とは別に凹部を形成する工程を新たに必要とする場合や、接合部材１３０とは別の新たな部材（多孔質金属層）を介在させる場合に比べて、製造コストの増加を抑制することができる。
【００５４】
また、空孔率が互いに異なる２つの接合層１３１、１３２によって接合部材１３０を構成するので、２つの接合層１３１、１３２の一方のみによって接合部材１３０を構成する場合に比べて、有機成分の残存を生じにくくしつつ、電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。
【００５５】
なお、本実施形態においては、第１接合層１３１を、第１部材１１０である基板の接合部１１１上に形成する例を示した。しかしながら、第１接合層１３１を、第２部材１２０の接合部１２１上に形成し、形成された第１接合層１３１上に、金属ペースト層１３４（第２接合層１３２）、第１部材１１０の順に積層配置しても良い。
【００５６】
また、本実施形態においては、第１接合層１３１の形成時において、金属ペースト層１３３に冶具が当接されて、加圧・加熱される例を示した。しかしながら、金属ペースト層１３３の接合部１１１との接触面の裏面に、加圧や加熱の冶具を接触させない場合には、金属ペースト層１３３における接合部１１１との接触面を除く面、すなわち金属ペースト層１３３におけるより広い外表面から、有機成分を揮発させることができる。
【００５７】
また、本実施形態においては、第１接合層１３１と第２接合層１３２の厚さがほぼ等しい例を示した。しかしながら、互いに異なる厚さとしても良い。例えば、接合部材１３０の厚さを変えずに、第１接合層１３１よりも第２接合層１３２を厚くする（第２接合層１３２の占める比率を大きくする）ことで、電気的、熱的な特性を向上するようにしても良い。
【００５８】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。図４は、図３に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は第２接合層の形成時、（ｂ）は第２接合層の形成後、（ｃ）は第１接合層の形成時、（ｄ）は第１接合層の形成後を示している。なお、上述した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付与するものとする。
【００５９】
本実施形態においては、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向に、２つの接合層１３１、１３２を積層して接合部材１３０とする構成において、先に空孔率の小さい第２接合層１３２を形成し、その後に第２接合層１３２よりも空孔率の大きい第１接合層１３１を形成する点を特徴とする。これにより、図３に示すように、第２接合層１３２が第１部材１１０に隣接形成され、第１接合層１３１が第２部材１２０に隣接形成された接合体１００となっている。それ以外の点は、第１実施形態と同様である。
【００６０】
第１実施形態同様、先ず、第１部材１１０としての基板（Ｃｕ基板）、第２部材１２０としての半導体素子、及び接合部材１３０（各接合層１３１、１３２）を形成するための金属ペースト（本実施形態においては、Ａｇペースト）を準備する。次に、準備した金属ペーストを第１部材１１０の接合部１１１上に塗布し、第２接合層１３２を形成すべく金属ペースト層１３４を形成する。そして、接合部１１１上に積層された金属ペースト層１３４を少なくとも加熱し、金属ペースト中の有機成分を揮発させつつ金属ナノ粒子同士を焼結させて、図４（ｂ）に示すように、金属ナノ粒子の焼結体であり、内部に空孔を有する第２接合層１３２を形成する。この時点で、接合部材１３０を構成する第２接合層１３２と第１部材１１０の接合部１１１が接合される。この第２接合層１３２に形成においては、第１実施形態同様、第１接合層１３１よりも空孔率が大きくなるように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を調整する。
【００６１】
詳しくは、図４（ａ）に矢印で示すように、金属ペースト層１３４を、接合部１１１との接触面の裏面側から第１部材１１０側に向けて加圧しつつ加熱する。この加熱により、金属ペースト層１３４において、有機成分の飛びやすい外表面から焼結が始まる。金属ペースト層１３４の内部の有機成分は、先に焼結された外表面側の部位の空孔を介して揮発される。本実施形態においては、図４（ａ）に白抜き矢印で示すように、金属ペースト層１３４の外表面のうち、接合部１１１との接触面及び加圧しつつ加熱する冶具が当接される面を除く面（端面）から有機成分が揮発される。この有機成分の揮発に際しては、接合部材１３０を２層構造としており、第２接合層１３２に対応する金属ペースト層１３４の厚さが１層構造に比べて薄いので、この点で有機成分を揮発させやすくなっている。しかしながら、第２接合層１３２は空孔率が第１接合層１３１よりも小さいので、自身の空孔を介して有機成分を揮発させる能力は、第１接合層１３１よりも劣っている。すなわち、第２接合層１３２の内部に有機成分が残存することも考えられる。特に本実施形態に示すように、金属ペースト層１３４を加圧しつつ加熱する場合には、金属ペースト層１３４の外表面のうち、有機成分の揮発に寄与する露出部位が端面に限られるため、第２接合層１３２の内部に有機成分がより残存しやすい。
【００６２】
第２接合層１３２の形成後、第１接合層１３１を形成するための金属ペーストを第２接合層１３２上（第２接合層１３２における接合部１１１との接触面の裏面上）に塗布して、金属ペースト層１３３を形成する。そして、図４（ｃ）に示すように、金属ペースト層１３３上（金属ペースト層１３３における第２接合層１３２との接触面の裏面上）に、接合部１２１が当接するように第２部材１２０を積層配置し、この積層体を少なくとも加熱する。これにより、金属ペースト中の有機成分を揮発させつつ金属ナノ粒子同士を焼結させて、図４（ｄ）に示すように、金属ナノ粒子の焼結体であり、内部に空孔を有する第１接合層１３１を形成する。この時点で、接合部材１３０を構成する第１接合層１３１と第２接合層１３２が接合され、第１接合層１３１と第２部材１２０の接合部１２１が接合される。すなわち、接合体１００が完成する。第１接合層１３１に形成においては、加熱後の状態で有機成分が残存せず、第２接合層１３２よりも空孔率が大きくなるように、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を調整する。
【００６３】
詳しくは、図４（ｃ）に矢印で示すように、第２部材１２０側から第１部材１１０側に向けて加圧しつつ加熱する。この加熱において、金属ペースト層１３３は、有機成分の飛びやすい外表面から焼結が始まる。金属ペースト層１３３の内部の有機成分は、先に焼結された外表面側の部位の空孔を介して揮発される。本実施形態においては、図４（ｃ）に白抜き矢印で示すように、金属ペースト層１３３の外表面のうち、第２接合層１３２との接触面及び接合部１２１との接触面を除く面（端面）から有機成分が揮発される。この有機成分の揮発に際し、第１接合層１３１は空孔率が大きいので、自身の空孔を介して有機成分を効率よく揮発させることができる。また、接合部材１３０を２層構造としており、第１接合層１３１に対応する金属ペースト層１３３の厚さが１層構造に比べて薄いので、有機成分を揮発させやすい。したがって、図４（ｄ）に示す第１接合層１３１においては、有機成分の残存が抑制される。
【００６４】
また、上述したように、第２接合層１３２の内部に有機成分が残存していたとしても、第１接合層１３１の形成時において、第２接合層１３２の内部に残存する有機成分を、隣接する空孔率の大きい第１接合層１３１の空孔を介して、第１接合層１３１の端面から揮発させることができる。このように、本実施形態においては、後から形成する空孔率の大きい第１接合層１３１を有機成分の揮発経路として利用するので、第１接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２を、内部に有機成分を残存させずに形成することができる。
【００６５】
また、本実施形態においては、第１部材１１０がＣｕ基板、第２部材１２０が半導体素子、接合部材１３０が金属であり、接合部材１３０と第２部材１２０との間の方が、接合部材１３０と第１部材１１０との間よりも線膨張係数の差が大きくなっている。これに対し、図３に示すように、空孔率の大きい第１接合層１３１を第２部材１２０側に設けると、空孔率の小さい第２接合層１３２を第２部材１２０側に設ける構成よりも、線膨張係数差に基づく応力を緩和することができる。すなわち、接続信頼性を向上することができる。
【００６６】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。なお、上述した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付与するものとする。
【００６７】
上述した実施形態においては、接合部材１３０が、積層方向に２層構造とされる例を示した。しかしながら、接合部材１３０は、積層方向において２層構造に限定されるものではない。３層以上としても良い。３層以上の接合部材１３０においても、隣接する接合層の空孔率を異なるものとすればよい。積層方向に隣接する２層において、空孔率の大きい接合層を、該接合層よりも空孔率の小さい接合層を形成する際に有機成分の揮発経路として利用することで、各接合層において有機成分の残存が生じにくく、接合部の強度劣化や電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。
【００６８】
一例として図５に示す接合部材１３０は、空孔率の小さい第２接合層１３２によって、第２接合層１３２よりも空孔率の大きい第１接合層１３１が挟まれた３層構造となっている。そして、各層の厚さがほぼ等しくなっている。このように、第２接合層１３２の厚さの和を第１接合層１３１の厚さよりも厚くすると、接合部材１３０の電気的特性及び熱的特性を向上することができる。また、各接合部１１１、１２１と隣接する接合層を、ともに空孔率の小さい第２接合層１３２としているので、空孔率の大きい第１接合層１３１と比べて、接合部１１１、１２１との接触面積が大きく、これにより機械的な接続信頼性も向上することができる。また、接合部材１３０の厚さが同じであれば、層数を増すほど、１層当たりの厚さを薄くすることができるので、焼結時に有機成分を揮発させやすくすることができる。
【００６９】
なお、このような構成の接合体１００は、上述した実施形態に示した方法によって形成することができる。例えば、第１部材１１０の接合部１１１上に、第２接合層１３２（下層）、第１接合層１３１（中層）、第２接合層１３２（上層）の順で形成しても良い。この場合、焼結によって第２接合層１３２（上層）となる金属ペースト層１３４上に第２部材１２０を積層配置し、少なくとも加熱することで、接合体１００を得ることができる。また、第２部材１２０の接合部１２１上に、第２接合層１３２、第１接合層１３１、第２接合層１３２の順で形成しても良い。
【００７０】
さらには、第１部材１１０の接合部１１１上及び第２部材１２０の接合部１２１上に、第２接合層１３２をそれぞれ形成しても良い。この場合、いずれか一方の第２接合層１３２上に、焼結によって第１接合層１３１となる金属ペースト層１３３を形成し、他方の第２接合層１３２を含む部材を金属ペースト層１３３上に積層配置する。そして積層体を少なくとも加熱することで、接合体１００を得ることができる。
【００７１】
なお、本実施形態においては、３層構造の例を示したが、４層以上の多層構造としても良い。その場合も、空孔率の小さい接合層を接合部１１１、１２１と隣接する接合層とすれば、機械的な接続信頼性を向上することができる。
【００７２】
また、積層方向に３層以上の接合層が積層された接合体１００として、例えば図６に示すように、第１部材１１０（接合部１１１）から第２部材１２０（接合部１２１）に向けて、空孔率が小さい順に接合層１３２、１３５、１３１が積層された構成としても良い。なお、接合層１３５は、第１接合層１３１の空孔率と第２接合層１３２の空孔率との間の空孔率を有する第３接合層である。すなわち、接合部材１３０は、第１部材１１０側から第２部材１２０に向けて空孔率が徐々に大きくなるように構成されている。このような構成とすると、各接合層間での空孔率の差に基づいて生じる応力を低減することができる。図６は、変形例を示す断面図である。なお、第１部材１１０（接合部１１１）から第２部材１２０（接合部１２１）に向けて、空孔率が大きい順に接合層が積層された構成（第１部材１１０側から、第１接合層１３１、第３接合層１３５、第２接合層１３２の順）としても、同様の効果を期待することができる。また、層数も３層に限定されるものではなく、４層以上においても、同様の効果を期待することができる。
【００７３】
（第４実施形態）
図７は、第４実施形態に係る接合体の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は接合部材の平面図である。図８は、図７に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は加熱時、（ｂ）は加熱後を示している。なお、上述した構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付与するものとする。
【００７４】
上述した各実施形態においては、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向において、空孔率の異なる接合層が積層されて、接合部材１３０が多層構造とされる例を示した。これに対し、本実施形態においては、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向に垂直な方向において、空孔率の異なる接合層が積層されて、積層方向に垂直な方向において接合部材１３０が多層構造とされる点を特徴とする。
【００７５】
接合部材１３０は、図７（ａ）に示すように、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向において１層構造となっており、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、積層方向に垂直な一方向において、空孔率の大きい第１接合層１３１と、第１接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２とが積層（並設）されて多層構造となっている。詳しくは、積層方向における同一層において、第１接合層１３１と第２接合層１３２とが交互に配置されたストライプパターンとなっている。本実施形態においては、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、４層の第１接合層１３１と５層の第２接合層１３２が交互に積層されている。また、９層の各接合層１３１、１３２の大きさ（厚さ、並設方向の幅、並設方向に垂直な方向の長さ）がほぼ同一となっており、各層の一部が、接合部材１３０における接合部１１１、１２１との接触面を除く外周面の一部となっている。
【００７６】
このような構成の接合体１００は、例えば以下の手順で形成することができる。先ず、上述した実施形態同様、第１部材１１０、第２部材１２０、及び金属ペーストを準備する。そして、準備した金属ペーストを例えば第１部材１１０の接合部１１１上に部分的（選択的）に塗布し、金属ペースト層１３３を形成する。また、金属ペースト層１３３を構成する金属ペーストとは構成条件の異なる金属ペースト（例えば有機溶媒に対する金属ナノ粒子の比が大きい金属ペースト）を準備し、この金属ペーストを、金属ペースト層１３３の形成されない接合部１１１上に部分的に塗布する。そして、金属ペースト層１３３とほぼ同じ厚さの金属ペースト層１３４を形成する。これら金属ペーストの塗布には、スクリーン印刷、ディスペンサ、インクジェット等による塗布を採用することができる。本実施形態においては、ディスペンサを用いて、接合部１１１上に、ストライプパターンの金属ペースト層１３３、１３４を形成する。
【００７７】
次に、金属ペースト層１３３、１３４上（金属ペースト層１３３、１３４における接合部１１１との接触面の裏面上）に、接合部１２１が当接するように第２部材１２０を積層配置し、この積層体を少なくとも加熱する。詳しくは、図８（ａ）に矢印で示すように、第２部材１２０側から第１部材１１０側に向けて加圧しつつ加熱する。この加熱により、各金属ペースト層１３３、１３４において、有機成分の飛びやすい外表面から焼結が始まり、内部の有機成分は、先に焼結された外表面側の部位の空孔を介して揮発される。本実施形態においては、金属ペースト層１３３、１３４の外表面のうち、接合部１１１との接触面及び加圧しつつ加熱する冶具が当接される面を除く面（端面）から有機成分がそれぞれ揮発される。
【００７８】
この有機成分の揮発に際し、金属ペースト層１３３においては、焼結によって形成する第１接合層１３１の空孔率が大きいので、自身の空孔を介して有機成分を効率よく揮発させることができる。これに対し、金属ペースト層１３４においては、焼結によって形成する第２接合層１３２の空孔率が第１接合層１３１よりも小さいため、自身の空孔を介して有機成分を揮発させる能力は第１接合層１３１よりも劣っている。しかしながら、金属ペースト層１３４に隣接する空孔率の大きい第１接合層１３１の空孔（金属ペースト層１３３のうち、先に焼結された部分）を介して、第１接合層１３１（金属ペースト層１３３）の端面からも有機成分を揮発させることができる。したがって、本実施形態によれば、有機成分の残存を抑制しつつ、第１接合層１３１と第２接合層１３２を同時に形成することができる。この時点で、接合部材１３０を構成する第１接合層１３１と第２接合層１３２が接合されるとともに、第１接合層１３１及び第２接合層１３２と各接合部１１１、１２１が接合される。すなわち、接合体１００が完成する。
【００７９】
このように、本実施形態によれば、積層方向における同一層において、金属ペーストの構成条件の少なくとも１つを部分的に変えることで、空孔率の異なる接合層１３１、１３２を、隣接する層で空孔率が異なるように、同時に形成することができる。したがって、第１接合層１３１（の空孔）を有機成分の揮発経路として利用することができるので、大面積の接合であっても、各接合層１３１、１３２において有機成分の残存が生じにくく、接合部の強度劣化や電気的特性、熱的特性の劣化を抑制することができる。
【００８０】
また、本実施形態に示したように、接合部材１３０を、積層方向において１層構造とする場合には、積層方向に多層とする場合よりも、接合部材１３０の厚さを薄くすることが可能であり、薄くした場合には電気的特性、熱的特性をより向上することもできる。
【００８１】
また、並設される接合層１３１、１３２を同時に形成する。すなわち、接合層１３１、１３２が同時に接着剤としての機能を発揮することができる。したがって、接合層１３１、１３２を同時に形成する際の加熱を、接合体１００を形成する際の最後の工程としても、各接合層１３１、１３２を介して、第１部材１１０と第２部材１２０とを、機械的、電気的、熱的に接続することができる。
【００８２】
なお、本実施形態においては、積層方向における同一層において、金属ナノ粒子と有機溶媒の混合比を部分的に変えることで、各接合層１３１、１３２の空孔率に差をつける例を示した。しかしながら、各接合層１３１、１３２の空孔率に差をつける条件は上記例に限定されるものではない。第１実施形態に示した金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを部分的に変えることで、積層方向における同一層に、空孔率の異なる接合層１３１、１３２を多層に積層（並設）することができる。例えば、各接合層１３１、１３２ごとに平均粒径の異なる金属ナノ粒子を用いても良い。また、加熱温度を、同一層において部分的に異なる温度としても良い。また、同一層において印加圧力に差をつけても良い。また同一層において一部分（第２接合層１３２を形成する部分）に超音波振動を印加しても良い。
【００８３】
また、本実施形態においては、積層方向における同一層において、第１接合層１３１と第２接合層１３２とが交互に配置されてストライプパターンとなっている例を示した。しかしながら、同一層における接合層の積層構造（並設構造）は上記例に限定されるものではない。同一層に第１接合層１３１と第２接合層１３２とが積層されて接合部材１３０が構成される場合、例えば図９に示すように、空孔率の大きい第１接合層１３１が格子状に形成され、格子間の矩形領域に第２接合層１３２が形成された構成としても良い。このような構造の場合、一部の第２接合層１３２は、その外表面が外部に露出されない。しかしながら、第１接合層１３１は、その外表面の一部が外部に露出されている。すなわち、焼結後の状態で、接合部材１３０における接合部１１１、１２１との接触面を除く外周面の一部となる。したがって、第１接合層１３１を有機成分の揮発経路として利用することができるので、第２接合層１３２における有機成分の残存を抑制することができる。また、図１０に示すように、接合部材１３０の平面中心から放射状に第１接合層１３１を形成し、残りの部分を第２接合層１３２としても良い。この場合も、第１接合層１３１を有機成分の揮発経路として利用することができるので、第２接合層１３２における有機成分の残存を抑制することができる。すなわち、空孔率の小さい第２接合層１３２に有機成分が残存しないように、効率的に（分散して）第１接合層１３１を設けた構成とすれば良い。図９、図１０は、ともに変形例を示す平面図である。
【００８４】
また、本実施形態においては、接合部材１３０が、積層方向に１層構造である例を示した。しかしながら、積層方向において多層構造とされても良い。上述したように、積層方向の同一層を構成する各接合層を同時に形成する場合には、接合体１００を形成する際の最後の工程とすることもできるので、積層方向においてどの層の形成にも適用することができる。
【００８５】
また、本実施形態においては、積層方向において同一の層を構成する第１接合層１３１と第２接合層１３２を同時に形成する例を示した。しかしながら、この並設層に対して積層方向にベタ状の接合層が隣接配置される場合には、異なるタイミングで形成することも可能である。例えば図１１においては、接合部材１３０が積層方向において２層構造とされ第１部材１１０側の層が、空孔率の大きい第１接合層１３１と第１接合層１３１よりも空孔率の小さい第２接合層１３２が積層された構造となっている。また、第２部材１２０側の層が、第１接合層１３１と第２接合層１３２との間の空孔率を有する第３接合層１３５によって構成されている。このような接合部材１３０を形成する場合、例えば第１部材１１０の接合部１１１上に、金属ペースト層１３３を部分的に形成した後、少なくとも加熱して第１接合層１３１を形成する。この時点で、第１接合層１３１と接合部１１１が接合される。次に、接合部１１１上の第１接合層１３１を除く部分に金属ペースト層１３４を選択的に形成した後、少なくとも加熱して第２接合層１３２を形成する。この時点で、第２接合層１３２と接合部１１１が接合され、第２接合層１３２と第１接合層１３１が接合される。そして、第１接合層１３１及び第２接合層１３２上に、第３接合層１３５に対応する金属ペースト層を形成し、この金属ペースト層上に第２部材１２０を積層した状態で少なくとも加熱して第３接合層１３５を形成する。この時点で、接合部材１３０を構成する第３接合層１３５と、第１接合層１３１及び第２接合層１３２が接合され、第３接合層１３５と第２部材１２０の接合部１２１が接合される。すなわち、接合体１００が完成する。なお、各接合層１３１、１３２、１３５の形成においては、金属ペーストの構成条件及び金属ナノ粒子の焼結条件を調整することで、空孔率に差をもたせている。このように、並設層に対して積層方向にベタ状の接合層が隣接配置される場合には、並設層を構成する各接合層を異なるタイミングで形成することも可能である。図１１は、変形例を示す断面図である。
【００８６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００８７】
本実施形態においては、第１部材１１０がＣｕ基板であり、第２部材１２０が半導体素子である例を示した。しかしながら、各部材１１０、１２０は上記例に限定されるものではない。例えば図１２に示すように、第１部材１１０として、絶縁基板１１２（例えば窒化アルミニウムや窒化珪素等のセラミックス）の表面に、例えばアルミニウム、銅、金などを蒸着、スパッタ、メッキして金属膜を形成し、この金属膜の少なくとも一部を接合部１１１としたものを採用しても良い。これにより、接合体１００において、第２部材１２０の絶縁性を確保することもできる。図１２は、その他変形例を示す断面図である。
【００８８】
上述した実施形態において、第１部材１１０と第２部材１２０の積層方向に接合部材１３０が多層構造の場合、１層ごとに金属ペースト層の形成と焼結を実施する例を示した。しかしながら、例えば第１部材１１０の接合部１１１上に、金属ペースト層１３３を形成後、焼結しない程度の低温で金属ペースト層１３３を加熱し、金属ペースト層１３３の皮膜強度を積層可能な程度としておく。そして、皮膜強度の確保された金属ペースト層１３３上に金属ペースト層１３４を積層形成し、さらに金属ペースト層１３４上に第２部材１２０を積層した状態で、焼結すべく少なくとも加熱を実施する。これにより、金属ペースト層１３３、１３４をほぼ同時に焼結（同じ加熱タイミングで焼結）して、第１接合層１３１と第２接合層１３２を形成することもできる。このように、積層方向に接合部材１３０が多層であっても、各接合層を同時に（同じ加熱タイミングで）形成することも可能である。ただし、それぞれの接合層を形成する金属ペースト層から同時に有機成分を揮発させることとなるので、上述したように、１層ごとに金属ペースト層の形成と焼結を実施するほうが、有機成分の残存を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は第１接合層の形成時、（ｂ）は第１接合層の形成後、（ｃ）は第２接合層の形成時、（ｄ）は第２接合層の形成後を示している。
【図３】第２実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。
【図４】図３に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は第２接合層の形成時、（ｂ）は第２接合層の形成後、（ｃ）は第１接合層の形成時、（ｄ）は第１接合層の形成後を示している。
【図５】第３実施形態に係る接合体の概略構成を示す断面図である。
【図６】変形例を示す断面図である。
【図７】第４実施形態に係る接合体の概略構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は接合部材の平面図である。
【図８】図７に示す接合体の形成方法（接合方法）の一例を示す工程別の断面図であり、（ａ）は加熱時、（ｂ）は加熱後を示している。
【図９】変形例を示す平面図である。
【図１０】変形例を示す平面図である。
【図１１】変形例を示す断面図である。
【図１２】その他変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９０】
１０・・・加圧冶具
１００・・・接合体
１１０・・・第１部材
１１１・・・接合部（第１接合部）
１２０・・・第２部材
１２１・・・接合部（第２接合部）
１３０・・・接合部材
１３１・・・第１接合層
１３２・・・第２接合層
１３５・・・第３接合層
１３４、１３４・・・金属ペースト層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材における金属からなる第１接合部と、第２部材における金属からなる第２接合部との間に、金属ナノ粒子を有機溶媒中に分散してなる金属ペーストを介在させ、
前記金属ペーストを少なくとも加熱して前記金属ナノ粒子を焼結し、内部に空孔を有する接合部材として前記第１接合部と前記第２接合部を接合する接合方法であって、
前記金属ペーストの構成条件及び前記金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを調整することで、前記第１接合部と前記第２接合部との間に、前記空孔の占める割合である空孔率が互いに異なる複数種類の接合層を、隣接する前記接合層で空孔率が互いに異なるように積層形成して前記接合部材とすることを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記金属ペーストの配置及び前記金属ナノ粒子の焼結を、前記金属ペーストの構成条件及び前記金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを変えて複数回実行し、
前記第１部材と前記第２部材の積層方向において、前記焼結回数に応じて、前記接合層を多層に形成することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記第１接合部及び前記第２接合部の少なくとも一方に隣接して前記接合層を形成し、
形成された前記接合層に隣接して、前記接合層よりも空孔率の小さい接合層を積層形成することを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記第１接合部及び前記第２接合部の少なくとも一方に隣接して前記接合層を形成し、
形成された前記接合層に隣接して、前記接合層よりも空孔率の大きい接合層を積層形成することを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
【請求項５】
前記積層方向に垂直な方向において、空孔率の最も大きい接合層が、前記接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部となるように、複数種類の前記接合層を形成し、
前記積層方向において、並設された複数種類の前記接合層に隣接して、複数種類の前記接合層とは空孔率の異なるベタ状の接合層を形成することを特徴とする請求項２〜４いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項６】
前記金属ペーストの構成条件及び前記金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを部分的に変えることにより、前記第１部材と前記第２部材の積層方向に垂直な方向において、空孔率の最も大きい接合層が、前記接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部となるように、複数種類の前記接合層を同時に形成することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項７】
前記金属ナノ粒子の焼結条件として、前記金属ペーストの加熱温度及び加熱時間の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項８】
前記金属ナノ粒子の焼結条件として、外部から前記金属ペーストに印加する圧力を含むことを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項９】
前記金属ナノ粒子の焼結条件として、外部から前記金属ペーストに印加する超音波振動のエネルギーの大きさを含むことを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項１０】
前記金属ペーストの構成条件として、前記金属ナノ粒子の平均粒径を含むことを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項１１】
前記金属ペーストの構成条件として、前記金属ナノ粒子と前記有機溶媒との混合比を含むことを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項１２】
前記金属ペーストの構成条件として、前記金属ナノ粒子よりも大きい金属部材の混入量を含むことを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項１３】
第１部材における金属からなる第１接合部と、
第２部材における金属からなる第２接合部とが、
金属ナノ粒子の焼結体であり、内部に空孔を有する接合部材を介して接合された接合体であって、
前記接合部材は、前記空孔の占める割合である空孔率が異なる複数種類の接合層を、隣接する前記接合層で空孔率が互いに異なるよう多層に配置して構成されていることを特徴とする接合体。
【請求項１４】
前記接合部材において、前記接合層が、少なくとも前記第１部材と前記第２部材の積層方向に多層に積層されていることを特徴とする請求項１３に記載の接合体。
【請求項１５】
前記接合部材は、前記第１接合部及び前記第２接合部の一方に隣接する接合層と、前記第１接合部及び前記第２接合部の他方及び前記接合層に隣接する前記接合層よりも空孔率の大きい接合層の２層構造とされていることを特徴とする請求項１４に記載の接合体。
【請求項１６】
前記接合部材は、前記接合層が、前記第１接合部と前記第２接合部の一方から他方に向けて、空孔率が小さい順、又は、空孔率が大きい順に多層に積層されて構成されていることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の接合体。
【請求項１７】
前記接合部材は、前記第１接合部に隣接する接合層と、前記第２接合部に隣接する接合層との間に、２つの前記接合層よりも空孔率の大きい接合層が介在された３層構造とされていることを特徴とする請求項１４に記載の接合体。
【請求項１８】
前記接合部材において、前記接合層が、前記第１部材と前記第２部材の積層方向に垂直な方向に並設され、
並設された前記接合層のうち、空孔率の最も大きい接合層が、前記接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部とされていることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の接合体。
【請求項１】
第１部材における金属からなる第１接合部と、第２部材における金属からなる第２接合部との間に、金属ナノ粒子を有機溶媒中に分散してなる金属ペーストを介在させ、
前記金属ペーストを少なくとも加熱して前記金属ナノ粒子を焼結し、内部に空孔を有する接合部材として前記第１接合部と前記第２接合部を接合する接合方法であって、
前記金属ペーストの構成条件及び前記金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを調整することで、前記第１接合部と前記第２接合部との間に、前記空孔の占める割合である空孔率が互いに異なる複数種類の接合層を、隣接する前記接合層で空孔率が互いに異なるように積層形成して前記接合部材とすることを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記金属ペーストの配置及び前記金属ナノ粒子の焼結を、前記金属ペーストの構成条件及び前記金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを変えて複数回実行し、
前記第１部材と前記第２部材の積層方向において、前記焼結回数に応じて、前記接合層を多層に形成することを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記第１接合部及び前記第２接合部の少なくとも一方に隣接して前記接合層を形成し、
形成された前記接合層に隣接して、前記接合層よりも空孔率の小さい接合層を積層形成することを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記第１接合部及び前記第２接合部の少なくとも一方に隣接して前記接合層を形成し、
形成された前記接合層に隣接して、前記接合層よりも空孔率の大きい接合層を積層形成することを特徴とする請求項２に記載の接合方法。
【請求項５】
前記積層方向に垂直な方向において、空孔率の最も大きい接合層が、前記接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部となるように、複数種類の前記接合層を形成し、
前記積層方向において、並設された複数種類の前記接合層に隣接して、複数種類の前記接合層とは空孔率の異なるベタ状の接合層を形成することを特徴とする請求項２〜４いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項６】
前記金属ペーストの構成条件及び前記金属ナノ粒子の焼結条件の少なくとも１つを部分的に変えることにより、前記第１部材と前記第２部材の積層方向に垂直な方向において、空孔率の最も大きい接合層が、前記接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部となるように、複数種類の前記接合層を同時に形成することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項７】
前記金属ナノ粒子の焼結条件として、前記金属ペーストの加熱温度及び加熱時間の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項８】
前記金属ナノ粒子の焼結条件として、外部から前記金属ペーストに印加する圧力を含むことを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項９】
前記金属ナノ粒子の焼結条件として、外部から前記金属ペーストに印加する超音波振動のエネルギーの大きさを含むことを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項１０】
前記金属ペーストの構成条件として、前記金属ナノ粒子の平均粒径を含むことを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項１１】
前記金属ペーストの構成条件として、前記金属ナノ粒子と前記有機溶媒との混合比を含むことを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項１２】
前記金属ペーストの構成条件として、前記金属ナノ粒子よりも大きい金属部材の混入量を含むことを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載の接合方法。
【請求項１３】
第１部材における金属からなる第１接合部と、
第２部材における金属からなる第２接合部とが、
金属ナノ粒子の焼結体であり、内部に空孔を有する接合部材を介して接合された接合体であって、
前記接合部材は、前記空孔の占める割合である空孔率が異なる複数種類の接合層を、隣接する前記接合層で空孔率が互いに異なるよう多層に配置して構成されていることを特徴とする接合体。
【請求項１４】
前記接合部材において、前記接合層が、少なくとも前記第１部材と前記第２部材の積層方向に多層に積層されていることを特徴とする請求項１３に記載の接合体。
【請求項１５】
前記接合部材は、前記第１接合部及び前記第２接合部の一方に隣接する接合層と、前記第１接合部及び前記第２接合部の他方及び前記接合層に隣接する前記接合層よりも空孔率の大きい接合層の２層構造とされていることを特徴とする請求項１４に記載の接合体。
【請求項１６】
前記接合部材は、前記接合層が、前記第１接合部と前記第２接合部の一方から他方に向けて、空孔率が小さい順、又は、空孔率が大きい順に多層に積層されて構成されていることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の接合体。
【請求項１７】
前記接合部材は、前記第１接合部に隣接する接合層と、前記第２接合部に隣接する接合層との間に、２つの前記接合層よりも空孔率の大きい接合層が介在された３層構造とされていることを特徴とする請求項１４に記載の接合体。
【請求項１８】
前記接合部材において、前記接合層が、前記第１部材と前記第２部材の積層方向に垂直な方向に並設され、
並設された前記接合層のうち、空孔率の最も大きい接合層が、前記接合部材における第１接合部及び第２接合部との接触面を除く外周面の一部とされていることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の接合体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−３１１３７１（Ｐ２００８−３１１３７１Ａ）
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５６８１８（Ｐ２００７−１５６８１８）
【出願日】平成１９年６月１３日（２００７．６．１３）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１３日（２００７．６．１３）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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