JP2011021255A - 3金属成分型複合ナノ金属ペースト、接合方法及び電子部品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この複合ナノ金属ペーストは、平均粒径X(nm)の金属核の周囲に有機被覆層を形成した複合金属ナノ粒子と、平均粒径d(nm)の金属ナノフィラー粒子と、平均粒径D(nm)の金属フィラー粒子を金属成分として含有し、X<d<Dの第1関係及びX<d<100(nm)の第2関係を有する。更には、前記平均粒径dは、前記金属フィラー粒子3個が平面上で相互に接触状態に配置される場合に形成されるスリーポケットの中に前記金属ナノフィラー粒子が内入されるようなサイズを有し、前記平均粒径Xは、前記スリーポケット内において残った隙間を充填するようなサイズを有する複合ナノ金属ペーストである。
【選択図】図9
Description
まず、特許文献2として特開2008−161907が公開された。この公開公報は、平均粒径100nm以下の有機被覆金属粒子と平均粒径100nm〜100μmの粒度分布を有する有機被覆金属粒子を混合した接合用材料を開示している。有機被覆金属材料とは、金属核の周囲を有機被覆層が取り巻く複合金属粒子であり、本願発明が利用する複合金属ナノ粒子と共通している。この公開公報の要点は、100nm以下の有機被覆金属粒子が100nm以上の金属粒子の隙間を埋めるため、接合強度が増大することを述べているが、メカニズムの詳細は不明であるとしている。2種の金属粒子の粒径関係については、100nm以下の金属粒子と100nm以上の金属粒子と述べているだけで、メカニズムが不明であるため、粒径関係についてもそれ以上の言及は全く無いのが実情である。
た。この国際公開公報には、金属塩から得られる粒径が1〜100nmの金属核の周囲に炭素数4以上のアルコール性水酸基を含む有機化合物からなる被覆層を形成した複合金属ナノ粒子が開示されている。しかも、吸着性を有する官能基を含む有機化合物として、炭素数6以上の高級アルコールが記載されている。
しかも、上記複合金属ナノ粒子として200℃以下の低温で金属化が可能な複合金属ナノ粒子を開発し、この低温焼成用の複合金属ナノ粒子を本発明のナノ金属ペーストに応用したものである。このような技術思想は、特許文献1には記載もされず、示唆さえされていない。上記複合金属ナノ粒子の重要性を確認するために、特許文献6〜9と対比説明する。
Ag2CO3→Ag2O+CO2 (150℃<T<210℃) (A)
Ag2O→2Ag+1/2O2 (T>400℃) (B)
まず、式(A)の反応が生起するが、式(B)の分解温度は400℃以上であり、200℃以下の金属化を達成できず、融点183℃のSn−Pb半田の代替品としても不適格である。しかも、銀核の結晶性は全く記載されておらず、電気伝導性と熱伝導性の良否の判定は全く不能である。
X≦[1/3−2/{3(2√3−1)}]D及び
d≦(2/√3−1)Dを満足する複合ナノ金属ペーストである。
本発明の複合ナノ金属ペーストでは、前記溶剤及び/又は粘性付与剤の蒸発温度或いは分解温度は極力低く設定されることが望ましい。従って、ペーストの焼成温度は複合銀ナノ粒子の金属化温度だけでは決まらず、溶剤及び/又は粘性付与剤の蒸発温度や分解温度にも依存する。また、加熱により蒸発・分解気散する必要があり、炭化して残留するものは除かれる。また、使用形態として、溶剤だけ添加したペースト、粘性付与剤だけ添加したペースト、溶剤と粘性付与剤の両者を添加したペーストが利用できる。
本発明の複合ナノ金属ペーストは、1℃/min測定で金属化温度T3がT3≦200℃の複合金属ナノ粒子を含有することにより、その結果、ペースと全体として、1℃/minでのペースト金属化温度Tp3(℃)を300℃以下に設定することが可能になった。ペースト金属化温度Tp3が1℃/minで300℃以下であるから、製造装置や製造設備のコストも大幅に低減できる。従って、本発明の複合ナノ銀ペーストは、プリント配線・接合材料・導電性材料などの電子材料、磁気記録媒体・電磁波吸収体・電磁波共鳴器などの磁性材料、遠赤外材料・複合皮膜形成材などの構造材料、焼結助剤・コーティング材料などのセラミックス・金属材料、医療材料などの各種用途に適用できる。
T1(VT)<Tp1(VT)<T1(VT)+100 (P7)
T2(VT)<Tp2(VT)<T2(VT)+100 (P8)
T3(VT)<Tp3(VT)<T3(VT)+100 (P9)
この不等式により、複合銀ナノ粒子の特性温度T1、T2、T3を測定することによって、その複合ナノ金属ペーストの特性温度のTp1、Tp2、Tp3を推定することが可能になった。
式(10)及び式(11)は、銀核とその周囲に形成される有機被覆層の構成式を示す。有機被覆層はアルコキシド基ORnの場合もあれば、カルボン酸Rn−1COOHの場合もある。勿論、カルボン酸(脂肪酸)からHが脱離したカルボン酸基Rn−1COOの場合も有る。従って、有機被覆層は、アルコキシド、アルコキシド基、カルボン酸、カルボン酸基、又はそれらの混合形も存在する。
表4は、C1〜C12の複合銀ナノ粒子C1AgAL〜C12AgALの生成条件(反応条件)と粒子構造の一覧表である。C1からC12へと炭素数が増加すると、生成時間は300分から20分へと短縮され、逆に生成温度は40℃から151℃へと増加する。また、金属核の平均粒径X(nm)は51から10へと減少し、C数が少ないほど平均粒径Xは大きくなる傾向を示す。粒径分布は、C数の増加に応じて小さくなる傾向にあるが、分布の最大値でも100nmより小さかった。分布の最大値は生成時間を短縮すると小さくなる。更に、金属含有率は、C数の増加とともに小さくなるが、最小でも91.8%と大きな値を示す。このことは逆に有機物含有率がC数とともに増加することを意味する。特に注目すべきは、例えばC1AgALの金属核平均粒径がX=51nmであっても、分布は10〜89nmまで広く分布し、平均粒径よりもかなり小さな極微細粒子が大量に含有されている事実である。本発明では、前述したようにスリーポケット条件で平均粒径の範囲を決定したが、その平均粒径よりもかなり小さな極微細粒子が大量に存在するため、スリーポケットの小さな隙間にこれらの極微細粒子群が埋設され、焼結により形成される金属層を緻密化する理由にもなっている。この事情は全ての複合銀ナノ粒子に共通する事実である。
d≦(2/√3−1)D (14)
d≦0.1547D (15)
X≦[1/3−2/{3(2√3−1)}]D (16)
X≦0.06278D (17)
表9は、3種金属成分複合ナノ銀ペーストPC1AgAL〜PC6AgALの具体的組成表である。複合銀ナノ粒子はCnAgALで表記されるが、3種金属成分複合ナノ銀ペーストはPCnAgALで表現される。3種金属成分とは、CnAgALと銀ナノフィラーと銀フィラーである。CnAgALは表4で与えられる複合銀ナノ粒子で、その重量%(wt%)と金属核の平均粒径X(nm)が示されている。銀ナノフィラーとは表7で与えられる大径化された複合銀ナノ粒子で、その重量%(wt%)と金属核の平均粒径d(nm)とそのC数が示されている。銀フィラーとは市販されている銀微粒子で、その重量%(wt%)と平均粒径D(nm)が示されている。粒径条件とは、表8で与えられる粒径条件であり、具体的なスリーポケット条件を示している。粘度を低下させる溶剤としては、各種溶剤が利用できるが、ここではメタノール、エタノール、ブタノール、キシレン、トルエンが利用されている。また、粘度を増加させる粘性付与剤としては、各種粘性付与剤が利用できるが、ここではテレピンオイル、テルピン誘導体が使用されている。溶剤と粘度付与剤の割合によってペースト粘度を自在に調整できるが、ここでは、溶剤は6.0wt%、粘度付与剤は4.0wt%に固定されている。
表10は、3種金属成分複合ナノ銀ペーストPC7AgAL〜PC12AgALの具体的組成表である。複合銀ナノ粒子はCnAgALで表記され、3種金属成分複合ナノ銀ペーストはPCnAgALで表現されている。3種金属成分とは、CnAgALと銀ナノフィラーと銀フィラーである。CnAgALは表4で与えられる複合銀ナノ粒子で、その重量%(wt%)と金属核の平均粒径X(nm)が示されている。銀ナノフィラーとは表7で与えられる大径化された複合銀ナノ粒子で、その重量%(wt%)と金属核の平均粒径d(nm)とそのC数が示されている。銀フィラーとは市販されている銀微粒子で、その重量%(wt%)と平均粒径D(nm)が示されている。粒径条件とは、表8で与えられる粒径条件であり、具体的なスリーポケット条件を示している。粘度を低下させる溶剤としては、各種溶剤が利用できるが、ここではブタノール、エタノール、ヘキサンが利用されている。また、粘度を増加させる粘性付与剤としては、各種粘性付与剤が利用できるが、ここではテレピンオイル、テルピン誘導体が使用されている。溶剤と粘度付与剤の割合によってペースト粘度を自在に調整できるが、ここでも、溶剤は6.0wt%、粘度付与剤は4.0wt%に固定されている。
Tp1<Tp2<Tp3 (P1)
Tp2−100<Tp1<Tp2 (P2)
Tp3≦300 (P3)
以上の結果は、CnAgAL粉体と同様である。
更に、昇温速度VTを1〜20(℃/min)で変化させた試験から次の結果が得られた。VTは1(℃/min)≦VT≦20(℃/min)の範囲から選択される。
Tp1(VT)<Tp2(VT)<Tp3(VT) (P4)
Tp2(VT)−100<Tp1(VT)<Tp2(VT) (P5)
Tp3(VT)<Tp3(1℃/min)+100 (P6)
T1(VT)<Tp1(VT)<T1(VT)+100 (P7)
T2(VT)<Tp2(VT)<T2(VT)+100 (P8)
T3(VT)<Tp3(VT)<T3(VT)+100 (P9)
これらの式が意味することは、ペーストの特性温度Tp1、Tp2、Tp3は、粉体の特性温度T1、T2、T3の夫々上側100℃以内に存在する、ということである。
4 下体円板
6 ペースト層
8 金属層
d2 直径
d4 直径
T6 ペースト厚
T8 金属層厚
f せん断力
S 接合面積
BS 接合強度
F 金属フィラー粒子
NFmax 第1内接円
NSmax 第2内接円
NF 金属ナノフィラー粒子
NS 複合銀ナノ粒子
Claims (13)
- 平均粒径X(nm)の金属核の周囲に有機被覆層を形成した複合金属ナノ粒子と、平均粒径d(nm)の金属ナノフィラー粒子と、平均粒径D(nm)の金属フィラー粒子を金属成分として含有し、X<d<Dの第1関係及びX<d<100(nm)の第2関係を有し、焼成により前記有機被覆層が気散して金属層が形成されるときに前記複合金属ナノ粒子と前記金属ナノフィラー粒子と前記金属フィラー粒子が緻密に焼結することを特徴とする複合ナノ金属ペースト。
- 前記金属ナノフィラー粒子は金属核の周囲に有機被覆層を形成した複合金属ナノフィラー粒子であり、前記焼成により前記金属ナノフィラー粒子の有機被覆層も気散して前記金属層が形成される請求項1に記載の複合ナノ金属ペースト。
- 前記金属ナノフィラー粒子の平均粒径dは、前記金属フィラー粒子3個が平面上で相互に接触状態に配置される場合に形成されるスリーポケットの中に前記金属ナノフィラー粒子が内入されるようなサイズを有し、前記複合金属ナノ粒子の金属核の平均粒径Xは、前記スリーポケット内において前記金属フィラー粒子と前記金属ナノフィラー粒子の隙間に前記複合金属ナノ粒子の金属核が内入されるようなサイズを有する請求項1又は2に記載の複合ナノ金属ペースト。
- 前記平均粒径X、d、Dが、
X≦[1/3−2/{3(2√3−1)}]D及び
d≦(2/√3−1)Dを満足する請求項3に記載の複合ナノ金属ペースト。 - 溶剤及び/又は粘性付与剤を添加した請求項1〜4のいずれかに記載の複合ナノ金属ペースト。
- 前記複合ナノ金属ペーストを昇温速度VT=1℃/minで大気中熱分析した場合に、ペースト金属化温度Tp3(℃)が300℃以下である請求項1〜5のいずれかに記載の複合ナノ金属ペースト。
- 前記複合ナノ金属ペーストを昇温速度VT=1〜20℃/minで大気中熱分析した場合に、温度単位を℃とするとき、ペースト金属化温度Tp3(VT)が、Tp3(VT)<Tp3(1℃/min)+100を満足する請求項1〜5のいずれかに記載の複合ナノ金属ペースト。
- 前記複合ナノ金属ペーストを昇温速度VT=1〜20℃/minで大気中熱分析した場合に、温度単位を℃とするとき、ペースト分解開始温度Tp1(VT)とペースト分解温度Tp2(VT)が、Tp2(VT)−100<Tp1(VT)<Tp2(VT)を満足する請求項1〜5のいずれかに記載の複合ナノ金属ペースト。
- 前記複合ナノ金属ペーストを昇温速度VT=1〜20℃/minで大気中熱分析した場合に、温度単位を℃とするとき、ペースト分解開始温度Tp1(VT)とペースト分解温度Tp2(VT)とペースト金属化温度Tp3(VT)が、Tp1(VT)<Tp2(VT)<Tp3(VT)の関係を満足しながら前記昇温速度VTの増加に従って増加する請求項1〜5のいずれかに記載の複合ナノ金属ペースト。
- 温度単位を℃とするとき、昇温速度VT(℃/min)で大気中熱分析した場合における複合金属ナノ粒子の分解開始温度T1(VT)、分解温度T2(VT)及び金属化温度T3(VT)とし、昇温速度VT(℃/min)で大気中熱分析した場合における複合ナノ金属ペーストのペースト分解開始温度Tp1(VT)、ペースト分解温度Tp2(VT)及びペースト金属化温度Tp3(VT)としたとき、T1(VT)<Tp1(VT)<T1(VT)+100、T2(VT)<Tp2(VT)<T2(VT)+100又はT3(VT)<Tp3(VT)<T3(VT)+100の一つ以上が成立する請求項1〜5のいずれかに記載の複合ナノ金属ペースト。
- 請求項1〜10のいずれかに記載の複合ナノ金属ペーストを用意し、前記複合ナノ金属ペーストにより下体と上体の間にペースト層を形成し、加熱により前記ペースト層を金属層に焼結して前記下体と前記上体を接合することを特徴とする接合方法。
- 無荷重下且つ不活性ガス中で前記下体と前記上体を前記金属層を介して接合したとき、前記下体と前記上体を前記金属層と平行な方向にせん断するときのせん断応力、即ち接合強度が10(MPa)以上である請求項11に記載の接合方法。
- 請求項11又は12に記載の接合方法により製造されたことを特徴とする電子部品。
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