JP2013069687A - ペースト及びエレクトロニクス構成要素を基材と結合する方法 - Google Patents

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acid
metal particles
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Michael Schaefer
シェーファー ミヒャエル
Schmidt Wolfgang
シュミット ヴォルフガング
Heilmann Albert
ハイルマン アルベアト
Nachreiner Jens
ナハライナー イェンス
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Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
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Heraeus Materials Technology GmbH and Co KG
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Abstract

【課題】本発明の課題は、少なくとも１のエレクトロニクス構成要素を少なくとも１の基材と、コンタクト領域（その際、このコンタクト領域の少なくとも１は卑金属を含む）を介して結合させることを可能にさせる、ペースト並びに方法を提供することであった。
【解決手段】前記課題は、（ａ）金属粒子、（ｂ）少なくとも２個のカルボン酸単位を分子中に有する少なくとも１の活性化剤、及び、（ｃ）分散媒体、を含むペースト、並びに、前記ペーストを準備する工程を含む、少なくとも１のエレクトロニクス構成要素と少なくとも１の基材を、少なくとも１が卑金属を含むコンタクト領域を介して結合させるための方法により解決された。
【選択図】なし

Description

本発明は、エレクトロニクス構成要素を基材と結合させるためのペースト、及び、エレクトロニクス構成要素を基材と結合させるための方法に関する。
パワーエレクトロニクスの分野では、基材へのエレクトロニクス構成要素の固定が特に挑戦されている。
そして、最終装置の運転中に発生する機械的負荷は、エレクトロニクス構成要素が基材から剥離しないように、エレクトロニクス構成要素と基材の間の結合が十分に高い強度を有することを要求する。したがって、従来では、結合技術のために、鉛含有はんだペーストが使用されており、このペーストは強度の観点で高い信頼性を示す結合層をはんだ付けプロセスで生じる。しかし、鉛の毒性及びこれと関連して健康を脅かすリスクのために、この鉛含有はんだペーストについては、適した代替品が模索されている。鉛はんだのための代用品として現在議論されている鉛フリーはんだペーストは、エレクトロニクス構成要素と基材の間に高い強度でもって結合層を作り出すのに適している。しかし、このはんだは、運転の際にエレクトロニクス構成要素が曝露される温度を十分に上回らない、低融点を有する。これによって、エレクトロニクス構成要素の運転の際に、この結合層は、強度に関して信頼性を著しく失うことになる。
エレクトロニクス構成要素と基材の間の結合強度に関する高い信頼性は、種々の接合剤及び接合方法によって達成される。しかし、これらはしばしば、高いプロセス温度及び高いプロセス圧を必要とし、このことは、結合すべき部分の損傷を生じ、かつ、材料装入の際の高排出速度（Ausschlussrate）をもたらす。
この理由から、接合方法に必要なプロセス温度及びプロセス圧を低下させようという試みが存在する。したがって、幾つかの適用では、この部分の結合のために、接着剤が使用される。接着剤では、一部、エレクトロニクス構成要素と基材の間の結合層の高い強度が達成できる。しかし、接着技術では、エレクトロニクス構成要素と基材の間に作り出されたコンタクト部位が、熱伝導率及び電気伝導率に関してしばしば不十分であるという欠点がある。
接合部位の信頼性並びに熱伝導率及び電気伝導率に関する要求を満足するために、エレクトロニクス構成要素及び基材を焼結により相互に結合させることが少し前から提案されている（例えばＤＥ １０２００７０４６９０１ Ａ１を参照のこと）。焼結技術は、構成要素の安定な結合のための極めて簡易な方法である。この焼結方法を用いて、通常は、エレクトロニクス構成要素を基材と結合させることが、これらがそれぞれ１の貴金属含有コンタクト領域を有する場合には、極めて良好に成功する。しかし、エレクトロニクス構成要素及び基材を少なくとも１の卑金属コンタクト領域を介して相互に結合させることが、しばしば必要である。従来の焼結方法では、しばしば、この卑金属コンタクト領域を介しては安定な結合が製造されない。
さらに、エレクトロニクス構成要素及び基材の結合のために、最大１００ｎｍの粒径を有するナノ粒子を基礎とするペーストを使用することが既に提案されている。しかし、ナノ粒子の取り扱いは、健康上懸念すべきであり、したがって、作業場安全性の理由からしばしば回避される。
ＤＥ １０２００７０４６９０１ Ａ１
したがって、本発明の課題は、少なくとも１のエレクトロニクス構成要素を少なくとも１の基材と、コンタクト領域（その際、このコンタクト領域の少なくとも１は卑金属を含む）を介して結合させることを可能にさせる、ペーストを提供することであった。このペーストを用いて、好ましくはさらに、エレクトロニクス構成要素と基材の間に、エレクトロニクス構成要素が運転の際に曝露されている温度で高い信頼性を保証する結合が作り出されることが望ましい。さらに、このペーストを用いて、好ましくは、先行技術から知られている他の欠点が克服されることが望ましい。
加えて、本発明の課題は、少なくとも１のエレクトロニクス構成要素を少なくとも１の基材と、コンタクト領域（その際、このコンタクト領域の少なくとも１は卑金属を含む）を介して結合させるための方法を提供することであった。
この課題は、独立請求項の主題により解決される。
これに応じて、本発明は、（ａ）金属粒子、（ｂ）少なくとも２個のカルボン酸単位を分子中に有する少なくとも１の活性化剤、及び、（ｃ）分散媒体、を含むペーストを提供する。
さらに、本発明は、次の工程：
（ｉ）第１のコンタクト領域を有する基材と第２のコンタクト領域を有するエレクトロニクス構成要素を準備する工程、その際、これらコンタクト領域の少なくとも１が卑金属を含む、
（ｉｉ）次のものを含むペーストを準備する工程、
（ａ）金属粒子、
（ｂ）少なくとも２個のカルボン酸単位を分子中に有する少なくとも１の活性化剤、及び
（ｃ）分散媒体、
（ｉｉｉ）構造物を生じさせる工程、その際、基材の第１のコンタクト領域はペーストを介してエレクトロニクス構成要素の第２のコンタクト領域と接触している、及び、
（ｉｖ）構造物を焼結する工程、その際、焼結されたペーストを介して相互に結合している少なくとも基材及びエレクトロニクス構成要素を有するモジュールが製造される、
を含み、
少なくとも１のエレクトロニクス構成要素を少なくとも１の基材と、少なくとも１が卑金属を含むコンタクト領域を介して結合させるための方法を提供する。
本発明は、ペーストが少なくとも２個のカルボン酸単位を分子中に有する活性化剤を含む場合に、従来可能でなかった、卑金属を有する少なくとも１のコンタクト領域を介したエレクトロニクス構成要素と基材との結合がペーストを用いた焼結によって可能になるという、完全に意外な知見を部分的に基礎とする。
本発明により、ペーストが提供される。
ペーストとの概念は、この場合に、更に制限されない。しかし、好ましくは、ペーストとは、通常の塗布技術を用いて、例えば印刷方法（例えば、スクリーン印刷又はステンシル印刷）、ディスペンサー技術（Dispenstechnik）、スプレー技術、ピントランスファー又は浸漬を用いて設けられることができ、かつ、次工程においてこの設けられたペーストの加工を可能にする十分な粘度及び凝集力（Kohaesion）を有する、分散物が理解される。
本発明のペーストは（ａ）金属粒子を含有する。
金属粒子とは、好ましくは、金属を含有する粒子が理解される。
好ましい一実施態様によれば、金属は、銅、銀、ニッケル及びアルミニウムからなる群から選択されている。特に好ましい一実施態様によれば、金属は銀である。
金属は、金属粒子中に、純粋な形で、例えば少なくとも９９質量％の純度、少なくとも９９．９質量％の純度、少なくとも９９．９９質量％の純度又は少なくとも９９．９９９質量％の純度で存在できる。他方では、金属粒子は複数の金属を含有することもできる。同様に、金属粒子は、複数の金属からの合金又は金属間相を含有することもできる。
好ましい一実施態様によれば、金属粒子は主成分として、銀、銅、ニッケル及びアルミニウムからなる群から選択されている元素を有する。本発明によれば、主成分とは、考慮される金属粒子中に、この金属粒子中に含有されている他の全ての元素よりも、より多い質量割合で存在する元素が理解される。
特に好ましい一実施態様によれば、金属粒子は、銀粒子、銅粒子、ニッケル粒子又はアルミニウム粒子である。事情によっては、この金属粒子はその表面で部分的に又は完全に酸化されていることができる。
特にとりわけ好ましい一実施態様によれば、金属粒子は銀粒子である。
金属粒子の形は、更に制限されない。好ましくは、金属粒子は、フレークの形、楕円形又は丸形を有する。同様に、金属粒子が複数の形の混合物であることが可能である。特に好ましい一実施態様によれば、金属粒子はフレークの形を有する。フレークの割合は、この実施態様では、金属粒子の全質量に対して、好ましくは少なくとも７０質量％、より好ましくは少なくとも８０質量％、さらにより好ましくは少なくとも９０質量％、特に好ましくは少なくとも９９質量％である。
更なる好ましい一実施態様によれば、金属粒子は、１．０より多い縦横比（Laengenverhaeltnis）、より好ましくは１．２より多い縦横比、さらにより好ましくは１．５より多い縦横比、特に好ましくは２．０より多い縦横比を有する。金属粒子は、好ましくは、多くとも２０の縦横比、より好ましくは多くとも１５の縦横比、さらにより好ましくは多くとも１０の縦横比を有する。縦横比とは、この場合に、金属粒子の断面の最も幅の広い部位を経過する距離（ａ）対、距離（ａ）に対して垂直な、この断面の最も幅の広い部位を経過する距離（ｂ）の比が理解される。この場合に、断面は、最大面積でもって金属粒子を切った切断面である。金属粒子が例えば長方形の断面を有する場合には、この縦横比は断面の長さ対幅の比である。例えば、長さ２μｍ及び幅１μｍを有する長方形の断面を有する金属粒子は、縦横比２を有する。
なお更なる好ましい一実施態様によれば、１．０より多い縦横比を有する金属粒子の割合、より好ましくは１．２より多い縦横比を有する金属粒子の割合、そしてさらにより好ましくは１．５より多い縦横比を有する金属粒子の割合は、金属粒子の全質量に対して、少なくとも７０質量％、より好ましくは少なくとも８０質量％、さらにより好ましくは少なくとも９０質量％である。
このペーストに含まれている金属粒子は、様々な粒径分布を有してよい。
好ましい一実施態様によれば、金属粒子の平均粒径（ｄ５０値）は、少なくとも５００ｎｍ、より好ましくは少なくとも６５０ｎｍ、さらにより好ましくは少なくとも１μｍである。平均粒径（ｄ５０値）は、好ましくは多くとも２０μｍ、より好ましくは多くとも１５μｍ、さらにより好ましくは多くとも１０μｍである。これに応じて、平均粒径（ｄ５０値）は、好ましくは５００ｎｍ〜２０μｍの範囲、より好ましくは６５０ｎｍ〜１５μｍの範囲、さらにより好ましくは１〜１０μｍの範囲にある。平均粒径（ｄ５０値）とは、金属粒子の５０体積パーセントが下回り、かつ、金属粒子の５０体積パーセントが上回る粒径が好ましくは理解される。
更なる好ましい一実施態様によれば、金属粒子の粒径ｄ１０（ｄ１０値）は、少なくとも１５０ｎｍ、より好ましくは少なくとも２００ｎｍ、さらにより好ましくは少なくとも２５０μｍである。粒径ｄ１０（ｄ１０値）は、好ましくは、多くとも５μｍ、より好ましくは多くとも４μｍ、さらにより好ましくは多くとも３μｍである。これに応じて、粒径ｄ１０（ｄ１０値）は、好ましくは１５０ｎｍ〜５μｍの範囲、より好ましくは２００ｎｍ〜４μｍの範囲、さらにより好ましくは２５０ｎｍ〜３μｍの範囲にある。粒径ｄ１０（ｄ１０値）とは、金属粒子の１０体積パーセントが下回り、かつ、金属粒子の９０体積パーセントが上回る粒径が好ましくは理解される。
更なる好ましい一実施態様によれば、金属粒子の粒径ｄ９０（ｄ９０値）は、少なくとも１．７５μｍ、より好ましくは少なくとも２μｍ、さらにより好ましくは少なくとも２．２５μｍである。粒径ｄ９０（ｄ９０値）は、好ましくは多くとも１００μｍ、より好ましくは多くとも５０μｍ、さらにより好ましくは多くとも２５μｍである。これに応じて、粒径ｄ９０（ｄ９０値）は、好ましくは１．７５〜１００μｍの範囲、より好ましくは２〜５０μｍの範囲、さらにより好ましくは２．２５〜２５μｍの範囲にある。粒径ｄ９０（ｄ９０値）とは、金属粒子の９０体積パーセントが下回り、かつ、金属粒子の１０体積パーセントが上回る粒径が好ましくは理解される。
粒径に関する前述の記載は、好ましくは、ＩＳＯ １３３２０（２００９）に応じたＬＡＬＬＳ（Ｌｏｗ Ａｎｇｌｅ Ｌａｓｅｒ Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）法による粒径測定のための分析に関する。測定機器として、この場合に、好ましくはＭａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ ２０００（Ｍａｌｖｅｒｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｌｔｄ．，Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ、英国）が使用される。この測定及び評価を、この場合に、適した条件下で行う（例えば、標準：屈折率０．１４、吸収３．９９を有する銀；分散媒体：屈折率１．３６を有するエタノール；方法：粉末０．５グラムをエタノール２００ｍｌと混合し、この得られる懸濁液を５分間超音波処理し、かつ、この懸濁液の一部を測定のためにＨｙｄｒｏ ＡｃｃｅｓｓｏｒｙへとＭａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ ２０００に移す；評価のための光学的モデル：ミー理論）。
好ましくは、金属粒子はＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ、Ｅｍｅｔｔ、Ｔｅｌｌｅｒ）測定による比表面積を１〜５ｍ2／ｇの範囲、より好ましくは１〜４ｍ2／ｇの範囲に有する。ＢＥＴ測定をこの場合に、好ましくはＤｌＮ ＩＳＯ ９２７７：２００３−０５に応じて行う。
金属粒子は、場合によって、金属粒子の複数のフラクション（Fraktion）の混合物として存在することもできる。このフラクションは、例えば、金属粒子の組成、形態又はサイズに応じて異なってよい。
金属粒子の割合は、ペーストの全質量に対して、好ましくは少なくとも５０質量％、より好ましくは少なくとも６０質量％、さらにより好ましくは少なくとも７０質量％、特に好ましくは少なくとも８０質量％である。好ましくは、金属粒子の割合は、ペーストの全質量に対して、多くとも９５質量％、より好ましくは多くとも９３質量％、さらにより好ましくは多くとも９０質量％である。これに応じて、金属粒子の割合は、ペーストの全質量に対して、５０〜９５質量％の範囲、より好ましくは６０〜９３質量％の範囲、さらにより好ましくは７０〜９０質量％の範囲にある。
金属粒子は、コーティングを有することもできる。
金属粒子のコーティングとは、本発明によれば、金属粒子の表面に固着する（festhaftend）層が理解される。固着する層とは、好ましくは、この層が、既に重力が原因で金属粒子から剥離しないことを意味する。
金属粒子のコーティングは、通常は、少なくとも１のコーティング化合物を含有する。
この少なくとも１のコーティング化合物は、好ましくは、有機化合物である。
コーティング化合物は、好ましくは、飽和化合物、一カ所不飽和の化合物、複数箇所不飽和の化合物及びその混合物からなる群から選択されている。
好ましくは、コーティング化合物は、分枝した化合物、分枝していない化合物、及びその混合物からなる群から選択されている。
コーティング化合物は、好ましくは８〜２８個、さらにより好ましくは１２〜２４個、特に好ましくは１２〜１８個の炭素原子を有する。
好ましい一実施態様によれば、コーティング化合物は、脂肪酸、脂肪酸塩及び脂肪酸エステルからなる群から選択されている。
脂肪酸塩として、好ましくは、そのアニオン性成分が脱プロトンした脂肪酸であり、かつ、そのカチオン性成分が、アンモニウムイオン、モノアルキルアンモニウムイオン、ジアルキルアンモニウムイオン、トリアルキルアンモニウムイオン、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、銅イオン及びアルミニウムイオンからなる群から選択されている、塩が考慮される。
好ましい脂肪酸エステルは、相応する脂肪酸から誘導され、その際、カルボン酸単位のヒドロキシル基は、アルキル基、特にメチル基、エチル基、プロピル基又はブチル基により置換されている。
好ましい一実施態様によれば、少なくとも１のコーティング化合物は、カプリル酸（オクタン酸）、カプリン酸（デカン酸）、ラウリン酸（ドデカン酸）、ミリスチン酸（テトラデカン酸）、パルミチン酸（ヘキサデカン酸）、ステアリン酸（オクタデカン酸）、その混合物、並びに、その相応するエステル及び塩、並びにその混合物、からなる群から選択されている。
特に好ましい一実施態様によれば、少なくとも１のコーティング化合物は、ラウリン酸（ドデカン酸）、ステアリン酸（オクタデカン酸）、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン酸カリウム、ステアリン酸アルミニウム、ステアリン酸銅、パルミチン酸ナトリウム及びパルミチン酸カリウムからなる群から選択されている。
好ましく使用されるコーティングされた金属粒子は、市販されていてよい。相応するコーティング化合物は、当業界で通常の方式で金属粒子の表面に設けられてよい。
例えば、コーティング化合物、特に前述のステアラート又はパルミタートを溶媒中でスラリー化し、このスラリー化したコーティング化合物をボールミル中で金属粒子と一緒に破砕することが可能である。破砕後に、こうしてこのコーティング化合物でコーティングされた金属粒子を乾燥させ、引き続きダスト除去する。
好ましくは、脂肪酸、脂肪酸塩及び脂肪酸エステルからなる群から選択されている少なくとも１のコーティング化合物の割合は、コーティングの全質量に対して、少なくとも８０質量％、より好ましくは少なくとも９０質量％、特に好ましくは少なくとも９５質量％、特にとりわけ好ましくは少なくとも９９質量％、とりわけ１００質量％である。
好ましい一実施態様によれば、このコーティング化合物の全割合は、このコーティングされた金属粒子の全質量に対して、０．０５〜３質量％、より好ましくは０．０７〜２．５質量％、さらにより好ましくは０．１〜２．２質量％である。
コーティング度（金属粒子の表面に対するコーティング化合物の質量割合として定義されている）は、金属粒子表面積の１平方メートル（ｍ2）あたり、好ましくは０．００００５〜０．０３ｇ、より好ましくは０．０００１〜０．０２ｇ、さらにより好ましくは０．０００５〜０．０２ｇのコーティング化合物である。
意外なことに、ペーストの金属粒子上へのコーティングが、エレクトロニクス構成要素と基材の間の結合の信頼性を強度に関して著しくより好ましいものにすることが見出された。
本発明により、ペーストは少なくとも１の活性化剤（ｂ）を含有する。
活性化剤は、分子中に少なくとも２個のカルボン酸単位を有する。これに応じて、活性化剤は２より多い、３より多い、又は４より多いカルボン酸単位を分子中に有してもよい。
分子中のカルボン酸単位の位置は、さらに制限されない。しかし、好ましくは、活性化剤のカルボン酸単位は末端に配置されている。
さらに、活性化剤のカルボン酸単位は、多くとも５個の炭素原子、より好ましくは多くとも４個の炭素原子、さらにより好ましくは多くとも３個の炭素原子、特に好ましくは多くとも２個の炭素原子、特にとりわけ好ましくは多くとも１個の炭素原子を介して相互に結合していることが好ましいことが判明した。好ましくは、さらに、活性化剤のカルボン酸単位は少なくとも１個の炭素原子を介して相互に結合している。活性化剤のカルボン酸単位が相互に結合するのを媒介する炭素原子の数を算出するときには、本発明の範囲では、カルボン酸単位の炭素原子自体は考慮しない。これに応じて、例えば、マロン酸（ＨＯＯＣＣＨ2ＣＯＯＨ）の場合には、このカルボン酸単位は１個の炭素原子を介して相互に結合されており、その一方で、マレイン酸（ＨＯＯＣ（ＣＨ）2ＣＯＯＨ）の場合には、このカルボン酸単位は２個の炭素原子を介して相互に結合されている。
好ましい一実施態様によれば、活性化剤は少なくとも２個の炭素原子、より好ましくは少なくとも３個の炭素原子を有する。活性化剤は、好ましくは多くとも１８個の炭素原子、より好ましくは多くとも１４個の炭素原子、さらにより好ましくは多くとも１２個の炭素原子、特に好ましくは多くとも１０個の炭素原子、特に好ましくは多くとも８個の炭素原子、特に多くとも６個の炭素原子を有する。これに応じて、活性化剤は、好ましくは２〜１８個の炭素原子、より好ましくは２〜１４個の炭素原子、さらにより好ましくは２〜１２個の炭素原子、特に好ましくは２〜１０個の炭素原子、特にとりわけ好ましくは２〜８個の炭素原子、特に２〜６個の炭素原子又は３〜６個の炭素原子を有する。
活性化剤は、飽和化合物又は不飽和化合物であってよい。
不飽和活性化剤は、好ましくは少なくとも１個の炭素−炭素−二重結合を分子中に有する。さらに、特に好ましい活性化剤は、ｃｉｓ異性体であることが判明した。
活性化剤は、分枝した化合物又は非分枝化合物であってよい。
分枝した活性化剤では、側鎖の長さ、種類及び位置はさらに制限されない。好ましくは、分枝した活性化剤は、１〜８個の炭素原子の長さを有する側鎖少なくとも１を有する。通常は、この側鎖とは、場合によって置換されていてもよいアルキル鎖である。
活性化剤は、芳香族化合物又は脂肪族化合物であってよい。しかし、好ましくは、活性化剤は脂肪族化合物である。
カルボン酸単位中に含まれている酸素原子の他に、本発明の活性化剤は更なるヘテロ原子を有してよい。しかし、好ましくは、活性化剤は、カルボン酸単位の酸素原子の他に、ヘテロ原子を含まない。
活性化剤のカルボン酸単位は、好ましくは、脱プロトン化していない形でペースト中に存在する。したがって、カルボン酸単位の解離が生じないように分散媒体を選択することが好ましいことがあり得る。
種々の場合に、活性化剤が温度３００℃未満、より好ましくは温度２７０℃未満、さらにより好ましくは温度２４０℃未満、特に好ましくは温度２００℃未満の分解点を有することが好ましいことが判明した。この場合に、活性化剤の分解点は、好ましくは１００〜３００℃の範囲、より好ましくは１１０〜２７０℃の範囲、さらにより好ましくは１２０〜２４０℃の範囲、特に好ましくは１３０〜２００℃の範囲にある。
種々の場合に、さらに、活性化剤の融点が少なくとも８０℃、より好ましくは少なくとも９０℃、さらにより好ましい場合には少なくとも１００℃であることが好ましいことが判明した。好ましくは、融点はこの場合に、２００℃を超えず、より好ましくは１８０℃を超えず、さらにより好ましくは１６０℃を超えない。これに応じて、活性化剤の融点は、好ましくは８０℃〜２００℃の範囲、より好ましくは９０〜１８０℃の範囲、さらにより好ましくは１００〜１６０℃の範囲にある。
活性化剤は、錯化していない形で存在していてよい。他方では、活性化剤は、錯化した形にあってもよく、好ましくは、元素の周期表の亜族元素との錯体として存在する。活性化剤が、錯化した形で存在する場合には、特に錯化したジカルボン酸であってよい。
好ましい一実施態様によれば、活性化剤は、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、ｃｉｓ−ブテン二酸（マレイン酸）、ｔｒａｎ−ブテン二酸（フマル酸）、ｃｉｓ−２−ペンテン酸、ｔｒａｎｓ−２−ペンテン酸及びジメチルマロン酸からなる群から選択されている。
特に好ましい一実施態様によれば、活性化剤は、シュウ酸、マロン酸、マレイン酸及びジメチルマロン酸からなる群から選択されている。
特にとりわけ好ましい一実施態様によれば、活性化剤は、シュウ酸、マロン酸、マレイン酸及びジメチルマロン酸からなる群から選択されている。
活性化剤の割合は、ペーストの全質量に対して、好ましくは少なくとも０．１質量％、より好ましくは少なくとも０．３質量％、さらにより好ましくは少なくとも０．５質量％、特に好ましくは少なくとも１質量％、特にとりわけ好ましくは少なくとも２質量％である。好ましくは、活性化剤の割合は、ペーストの全質量に対して、多くとも３０質量パーセント、より好ましくは多くとも２０質量％、さらにより好ましくは多くとも１０質量％、特に好ましくは多くとも７質量％、特にとりわけ好ましくは多くとも５質量％である。これに相応して、活性化剤の割合は、ペーストの全質量に対して、好ましくは０．１〜３０質量％の範囲、より好ましくは０．３〜２０質量％の範囲、さらにより好ましくは０．５〜１０質量％の範囲、特に好ましくは１〜７質量％の範囲、特にとりわけ好ましくは２〜５質量％の範囲にある。
本発明のペーストは、さらに、分散媒体（ｃ）を含有する。
分散媒体（ｃ）中では、好ましくは、金属粒子（ａ）が分散可能である。少なくとも１の活性化剤（ｂ）は、分散媒体（ｃ）中で同様に分散可能であってよい。しかし、活性化剤（ｂ）が分散媒体（ｃ）中で溶解性であることも可能である。
分散媒体とは、当業界で通常の分散媒体であってよい。
これに相応して、分散媒体は１又は複数の溶媒を含有してよい。
この場合に、溶媒として例えば有機化合物が考慮される。
有機化合物は、好ましくは５〜５０個の炭素原子、より好ましくは８〜３２個の炭素原子、さらにより好ましくは１８〜３２個の炭素原子を含有する。
有機化合物は、分枝しているか又は非分枝であってよい。有機化合物は、環状化合物であってもよい。
有機化合物は、さらに、脂肪族又は芳香族の性質であってよい。
さらに、溶媒として使用される有機化合物は、飽和の又は１カ所又は複数箇所不飽和の化合物であってよい。
有機化合物は、さらに、ヘテロ原子、特に酸素原子又は窒素原子を有してもよい。このヘテロ原子は、官能基の一部であってよい。官能基として、例えばカルボン酸基、エステル基、ケト基、アルデヒド基、ヒドロキシル基、アミノ基、アミド基、アゾ基、イミド基、シアノ基又はニトリル基が考慮される。
これに応じて、溶媒として例えばα−テルピネオール（（Ｒ）−（＋）−α−テルピネオール、（Ｓ）−（−）−α−テルピネオール又はラセマート）、β−テルピネオール、γ−テルピネオール、δ−テルピネオール、前述のテルピネオールの混合物、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、エチレングリコール、ジメチルアセトアミド、アルコール、特に５〜９個の炭素原子を有する非分枝の又は分枝した鎖を有するもの、１−ヘキサノール、１−オクタノール、１−ドデカノール、１−トリデカノール、２−トリデカノール、３−トリデカノール、４−トリデカノール、５−トリデカノール、６−トリデカノール、イソトリデカノール、二塩基性エステル（好ましくは、グルタル酸、アジピン酸又はコハク酸のジメチルエステル、又はその混合物）、グリセリン、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール又はその混合物が使用される。
更なる好ましい一実施態様によれば、分散媒体は少なくとも１の非プロトン性溶媒を含有する。少なくとも１の非プロトン性溶媒の割合が、温度２５℃及び圧力１．１０１３ｂａｒでペーストの液状成分全ての全質量に対して、少なくとも７０質量％、より好ましくは少なくとも８０質量％、さらにより好ましくは少なくとも９０質量％、特に好ましくは少なくとも９５質量％、特にとりわけ好ましくは９９質量％を有することも好ましくあり得る。
非プロトン性溶媒は、好ましくは、脂肪族炭化水素化合物、カルボン酸エステル及びエーテルからなる群から選択されている。
特に好ましい一実施態様によれば、分散媒体は少なくとも１の脂肪族炭化水素化合物を含有する。この脂肪族炭化水素化合物は、好ましくは５〜５０個の炭素原子、より好ましくは８〜３２個の炭素原子、さらにより好ましくは１８〜３２個の炭素原子を含有する。
脂肪族炭化水素化合物は、これに応じて、例えばパラフィンであってもよい。
分散媒体の割合は、ペーストの全質量に対して、好ましくは少なくとも５質量％、より好ましくは少なくとも８質量％、さらにより好ましくは少なくとも１０質量％である。好ましくは、分散媒体の割合は、ペーストの全質量に対して、多くとも４０質量％、より好ましくは多くとも３０質量％、さらにより好ましくは多くとも２０質量％、特に好ましくは多くとも１５質量％である。これに応じて、分散媒体の割合は、ペーストの全質量に対して、好ましくは５〜４０質量％の範囲、より好ましくは８〜３０質量％の範囲、さらにより好ましくは１０〜２０質量％の範囲にある。
本発明のペーストは、金属粒子（ａ）、少なくとも１の活性化剤（ｂ）及び分散媒体（ｃ）の他に、場合によって更なる物質を含有してよい。
更なる物質として、例えば、当業界で通常の希釈剤、増粘剤及び安定剤が考慮される。
好ましくは、（ａ）金属粒子、（ｂ）分子中に少なくとも２個のカルボン酸単位を有する少なくとも１の活性化剤及び（ｃ）分散媒体以外の他の物質の割合は、ペーストの全質量に対して、多くとも２０質量％、より好ましくは多くとも１５質量％、さらにより好ましくは多くとも１０質量％、特に好ましくは多くとも５質量％、特にとりわけ好ましくは多くとも３質量％、特に多くとも１質量％である。
本発明のペーストは、当業界で通常の方式で製造してよい。
例えば、ペーストは、金属粒子（ａ）、少なくとも２個のカルボン酸単位を分子中に有する少なくとも１の活性化剤（ｂ）及び分散媒体（ｃ）の混合により製造してよい。
特別に好ましい一実施態様によれば、このペーストは複数の工程で製造される。
第１の工程において、この場合に、少なくとも１の活性化剤（ｂ）が破砕される。この破砕は、ミルにおいて行われ、そして、分散媒体（ｃ）中での活性化剤の分散能を改善するために利用される。
次に、第２の工程において、この破砕された活性化剤（ｂ）は、分散媒体（ｃ）と合一にされてよい。通常は、この工程において、分散媒体（ｃ）中の活性化剤（ｂ）の均質な懸濁物が製造される。この均質な懸濁物の形成のために、この混合物は、場合によってミキサー、例えばウルトラチュラックスミキサーを用いて処理されてよい。
第３の工程において、最後に、第２の工程からの懸濁物は金属粒子（ａ）と合一にされてよい。場合によって、この得られる混合物は、この後、例えば手作業でスパチュラを用いて均質化される。これに続き、この混合物を、必要な場合には、複数回ローラーミル（Walzenstuhl）に供し、さらに均質化してよい。この後に、得られるペーストを意図する用途に使用できる。
本発明のペーストは、好ましくは、少なくとも１のエレクトロニクス構成要素と少なくとも１の基材との結合に使用される。
この場合に、少なくとも１のエレクトロニクス構成要素を基材上に好ましくは固定する。
この固定を焼結により行う。焼結とは、本発明によれば、２又はそれより多くの構成要素を、液相を回避しつつ、加熱により結合することが理解される。これに応じて、焼結によって、好ましくは、少なくとも１のエレクトロニクス構成要素と基材の間に材料結合部（stoffschluessige Verbindung）が製造される。
エレクトロニクス構成要素とは、当業界で通常は、エレクトロニクス装置の一部であってよい物品が理解される。好ましい一実施態様によれば、中でも、電子回路のコンポーネントとして利用されてよい、更に分解可能でない個々の部品が理解される。エレクトロニクス構成要素は、ユニットとして場合によって複数の構成部品からなってよい。エレクトロニクス構成要素とは、例えば、能動素子又は受動素子であってよい。特別な一実施態様によれば、エレクトロニクス構成要素はハイパワーエレクトロニクスにおいて使用される。好ましくは、エレクトロニクス構成要素は、ダイオード（例えば、ＬＥＤｓ、Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ、発光ダイオード）、トランジスタ（例えば、ＩＧＢＴｓ、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ、絶縁ゲート電極を有するバイポーラトランジスタ）、集積回路、半導体チップ、ベアチップ（Ｄｉｅｓ）、抵抗器、センサ、コンデンサ、コイル及び冷却体からなる群から選択されている。
基材とは、一般的な形で、エレクトロニクス構成要素と結合可能な物品が理解される。好ましい一実施態様によれば、基材は、リードフレーム、ＤＣＢ基材（Ｄｉｒｅｃｔ−Ｃｏｐｐｅｒ−Ｂｏｎｄｅｄ−Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）及びセラミック基材からなる群から選択されている。
好ましい一実施態様によれば、エレクトロニクス構成要素と基材とからの次の対が相互に結合させられる：ＬＥＤ／リードフレーム、ＬＥＤ／セラミック基材、ダイ／リードフレーム、ダイ／セラミック基材、ダイ／ＤＣＢ基材、ダイオード／リードフレーム、ダイオード／セラミック基材、ダイオード／ＤＣＢ基材、ＩＧＢＴ／リードフレーム、ＩＧＢＴ／セラミック基材、ＩＧＢＴ／ＤＣＢ基材、集積回路／リードフレーム、集積回路／セラミック基材、集積回路／ＤＣＢ基材、センサ／リードフレーム、センサ／セラミック基材、冷却体（好ましくは銅−又はアルミニウム冷却体）／ＤＣＢ、冷却体（好ましくは銅−又はアルミニウム冷却体）／セラミック基材、冷却体／リードフレーム、コンデンサ（好ましくはタンタルコンデンサ、より好ましくはハウジングしていない状態にある）／リードフレーム。
更なる好ましい一実施態様によれば、基材と複数のエレクトロニクス構成要素が結合されることができる。エレクトロニクス構成要素を、基材の向かい側に配置することがさらに好ましくあり得る。
エレクトロニクス構成要素及び基材は、それぞれ少なくとも１のコンタクト領域を有する。
コンタクト領域とは、この場合に、本発明によれば、本発明のペーストを介して基材の接触が行われるエレクトロニクス構成要素の領域、又は、本発明のペーストを介してエレクトロニクス構成要素の接触が行われる基材の領域、が理解される。相応して、エレクトロニクス構成要素のコンタクト領域は、好ましくは、基材との結合後にこれによって覆われているコンタクト表面を有する。同様に、基材のコンタクト領域は、好ましくは、エレクトロニクス構成要素との結合後にこれによって覆われているコンタクト表面を有する。好ましくは、エレクトロニクス構成要素のコンタクト領域は、エレクトロニクス構成要素のコンタクト領域のコンタクト表面積（コンタクト表面の幅及び長さにより定義される）と５０ｎｍの厚さによって定義されている体積を有する。同様に、基材のコンタクト領域は、好ましくは、基材のコンタクト領域のコンタクト表面積（コンタクト表面の幅及び長さにより定義される）と５０ｎｍの厚さによって定義されている体積を有する。エレクトロニクス構成要素及び基材のコンタクト領域のこの体積は、所定の質量を有する。この質量は、例えば、オージェ分光法を用いてこのコンタクト領域をスパッタリングにより取り除き、この後に、この取り除いた領域の質量を算出することによって、決定されることができる。
このコンタクト領域は、エレクトロニクス構成要素又は基材に設けられている領域であってよい。例えば、種々の場合に、エレクトロニクス構成要素の結合させるべき表面にメタライジングが設けられる。このメタライジングは種々の場合に１００〜４００ｎｍの範囲の厚さをとってよい。このようなメタライジング又はこの領域は、本発明のコンタクト領域であってよい。
他方では、コンタクト領域は、エレクトロニクス構成要素又は基材の一体的な部分であってもよい。例えば、本発明により、基材として、銅製のリードフレームが使用されてよい。このようなリードフレームは、数ミリメートルの範囲にある厚さを有してよい。このような場合には、このリードフレームの領域（必ずしも、材料上又は構造上、このリードフレームの他の領域と異なる必要はない）は、本発明のコンタクト領域であってよい。
エレクトロニクス構成要素及び基材のコンタクト領域の少なくとも１は、卑金属少なくとも１を含む。
好ましい一実施態様によれば、卑金属を有する、エレクトロニクス構成要素及び基材のコンタクト領域の少なくとも１は、（ｉ）銅、アルミニウム、亜鉛及びニッケル、（ｉｉ）銅、アルミニウム、亜鉛及びニッケルから選択されている少なくとも１の元素を有する合金、及び、（ｉｉｉ）銅、アルミニウム、亜鉛及びニッケルから選択されている少なくとも１の元素を有する金属間相、からなる群から選択されている、少なくとも１の元素を含有する。
少なくとも１の卑金属、例えば、銅、アルミニウム、亜鉛及びニッケルからなる群から選択されている少なくとも１の卑金属の割合は、卑金属を有するコンタクト領域の質量に対して、好ましくは少なくとも５質量％、より好ましくは少なくとも７質量％、さらにより好ましくは少なくとも１０質量％、特に好ましくは少なくとも１５質量％、特にとりわけ好ましくは少なくとも５０質量％、特に少なくとも９０質量％である。
好ましくは、卑金属、より好ましくは銅、アルミニウム、亜鉛及びニッケルからなる群から選択されている卑金属は、コンタクト領域の主成分を形成する。コンタクト領域の主成分とは、本発明によれば、コンタクト領域中で、このコンタクト領域中に含有されている他の元素よりも、より多い質量割合で存在する元素が理解される。
本発明の範囲では、卑金属を有するコンタクト領域は、さらに、他の元素、特に貴金属をも有してよい。
卑金属を有するコンタクト領域が、銅、アルミニウム、亜鉛及びニッケルから選択されている少なくとも１の元素を有する合金を含有する場合には、この合金は、例えば、実質的に銅、ニッケル、亜鉛及び通常の不純物からなる合金、又は、実質的にスズ、金及び通常の不純物からなる合金であってよい。
本発明の方法の第１の工程において、第１のコンタクト領域を有する基材と第２のコンタクト領域を有するエレクトロニクス構成要素が提供され、その際、このコンタクト領域の少なくとも１は卑金属を含有する。
これに応じて、基材のコンタクト領域、エレクトロニクス構成要素のコンタクト領域、又は、基材のコンタクト領域及びエレクトロニクス構成要素のコンタクト領域のいずれかが、卑金属を含有してよい。
定義によれば、基材が第１のコンタクト領域を、そして、エレクトロニクス構成要素が第２のコンタクト領域を有する。さらに、基材又はエレクトロニクス構成要素は、場合によって更なるコンタクト領域を有してよい。基材として例えばリードフレームが使用される場合には、このリードフレームは通常は、集成体を形成すべく、多数のエレクトロニクス構成要素との結合が予定されている、多数の（隣り合っている）コンタクト領域を含有する。
本発明の方法の次工程では、前もって定義したようなペーストが提供される。
したがって、このペーストは、（ａ）金属粒子、（ｂ）少なくとも２個のカルボン酸単位を分子中に有する少なくとも１の活性化剤、及び（ｃ）分散媒体を含む。
本発明の方法の更なる工程において、構造物（Aufbau）が作成される。
この構造物は、少なくとも１の基材、エレクトロニクス構成要素及びペーストを含む。このペーストは、この場合に、基材の第１のコンタクト領域と、エレクトロニクス構成要素の第１のコンタクト領域の間にある。これに応じて、基材の第１の表面は、エレクトロニクス構成要素の第２の表面とペーストを介して接触する。
この構造物は、例えば、ペーストを基材の第１のコンタクト領域のコンタクト表面に設け、そして、この設けたペースト上に、第２のコンタクト領域のコンタクト表面でもってエレクトロニクス構成要素を配置することによって、作成することができる。同じように、この構造物は、ペーストをエレクトロニクス構成要素の第２のコンタクト領域のコンタクト表面に設け、そして、この設けたペースト上に、第１のコンタクト領域のコンタクト表面でもって基材を配置することによっても、作成することができる。ペーストは、好ましくは当業界で通常の塗布技術、例えば、例えば印刷方法（例えば、スクリーン印刷又はステンシル印刷）、ディスペンサー技術、スプレー技術、ピントランスファー又は浸漬を用いて、設けることができる。
基材の第１の表面とエレクトロニクス構成要素の第２の表面の間の間隔は、実質的にペーストの厚みにより決定されるが、構造物の作成直後に好ましくは２０〜２００μｍの範囲、より好ましくは５０〜１００μｍの範囲にある。
構造物の作成後に、これは場合によって乾燥されてよい。構造物の乾燥を、好ましくは８０〜２００℃の範囲の温度、より好ましくは１００〜１５０℃の範囲の温度で実施する。この乾燥を、好ましくは２〜２０分の期間、より好ましくは５〜１０分の期間行う。乾燥は、所望の場合に、代わりに又は追加的に、そして好ましくは、前述の条件下で、構造物が作成される間に行うこともでき、例えば、基材に設けられたペーストにエレクトロニクス構成要素が配される前に、又は、エレクトロニクス構成要素に設けられたペーストに基材が配される前に、行われる。
本発明の方法の更なる工程において、基材、エレクトロニクス構成要素及びペーストを含有する構造物は、焼結される。
焼結の際には、ペースト中に含まれる金属粒子及びコンタクト領域の少なくとも一部のベーキング（Verbacken）が生じる。ペースト中に含まれる残りの成分は、例えば、場合によって事前の化学反応後に、蒸発されることによって、この過程の際に通常はペーストから除去される。焼結は、分散プロセスに基づいて行われ、その際、ペーストの金属粒子中に含有されている元素は、コンタクト領域へと拡散し、コンタクト領域中に含有されている元素は、ペーストの金属粒子により形成される中間室（Zwischenraum）へと拡散する。この過程の際に支配的である温度及び拡散速度に基づいて、安定な材料結合が形成される。
構造物の焼結は、好ましくは少なくとも１５０℃の温度、より好ましくは少なくとも１７５℃の温度、さらにより好ましくは少なくとも２００℃の温度への加熱により行われる。好ましくは、構造物の焼結は、高くとも３５０℃の温度、より好ましくは高くとも３００℃の温度への加熱により行われる。これに応じて、構造物の加熱は、好ましくは１５０〜３５０℃の範囲の温度、より好ましくは１５０〜３００℃の範囲の温度、さらにより好ましくは１７５〜３００℃の範囲の温度、特に好ましくは２００〜３００℃の範囲の温度で行われる。
加熱は、好ましくはプロセス圧の適用無しに行われ、すなわち、０ｋｂａｒのプロセス圧で行われ、しかし、高められたプロセス圧、例えば１ｋｂａｒ以上のプロセス圧で実施されてもよい。
加熱を、好ましくは１〜６０分の期間、より好ましくは２〜４５分の期間行ってよい。
加熱が行われる雰囲気は、さらに制限されない。しかし、好ましくは加熱は酸素を含む雰囲気中で実施される。
焼結は、当業界で通常の、焼結に適した装置中で実施され、この中では好ましくは前述のプロセスパラメーターが調節される。
焼結後に、焼結されたペーストを介して相互に結合している少なくとも基材及びエレクトロニクス構成要素を有するモジュールが得られる。
特に好ましい一実施態様によれば、本発明の方法は、コンタクト領域を介した少なくとも１のエレクトロニクス構成要素と少なくとも１の基材の結合のために実施され、その際、少なくとも１のこのコンタクト領域は卑金属として銅を含む。この場合に、（ａ）金属粒子、（ｂ）活性化剤として、マロン酸、マレイン酸及びシュウ酸からなる群から選択されている少なくとも１の化合物、及び、（ｃ）分散媒体を含有するペーストを使用することが特に適していることが判明した。
更なる特に好ましい一実施態様によれば、本発明の方法は、コンタクト領域を介した少なくとも１のエレクトロニクス構成要素と少なくとも１の基材の結合のために実施され、その際、少なくとも１のこのコンタクト領域は卑金属としてニッケルを含む。この場合に、（ａ）金属粒子、（ｂ）活性化剤として、ジメチルマロン酸及びシュウ酸からなる群から選択されている少なくとも１の化合物、及び、（ｃ）分散媒体を含有するペーストを使用することが特に適していることが判明した。
本発明を、以下において実施例をもとに説明するが、これにより保護範囲は限定されない。
本発明のペースト１〜３及び比較ペースト１〜３を、以下に挙げる表１に応じた組成でもって次のように製造した。
Figure 2013069687
 表１：ペースト１〜３及び比較ペースト１〜３の組成
６つの異なるアプローチ（ペースト１〜３及び比較ペースト１〜３に関する）において、それぞれの活性化剤をまずコーヒーミル中で微細に破砕し、この後に分散媒体に添加した。ウルトラチュラックスミキサーを用いて、この混合物から均質な懸濁物を製造した。この均質な懸濁物を、引き続き銀粉末に添加した。得られる混合物をまずスパチュラを用いて手作業で均質化し、この後に３回ローラーミルに供し、再度均質化して、ペースト１〜３及び比較ペースト１〜３を得た。
ペースト１〜３及び比較ペースト１〜３を、リードフレームと半導体チップの結合のために使用した。
このために、銅又はニッケル製のリードフレーム及び銀メタライジングを備える半導体チップを使用した。
６つのアプローチにおいて、ペースト１〜３及び比較ペースト１〜３をそれぞれのリードフレームに設けた。この後に、この設けたペースト上に半導体チップを配した。リードフレームと半導体チップの向かい合う面の間の間隔は８０μｍであった。この得られる構造物を１５０℃の温度で５分間予備乾燥した。引き続き、この得られる構造物を無圧で２５０℃の温度で焼結した。
焼結プロセス後に、半導体チップとリードフレームの間の結合の存在並びにこの結合の信頼性に関して評価を行った。
この評価の結果は表２にまとめられている。
Figure 2013069687
 表２：ペースト１〜３及び比較ペースト１〜３を用いた検査の結果
この試験は、安定な結合の形成が、本発明のペースト１〜３を使用した場合にだけ達成でき、比較ペースト１〜３を使用した場合には達成できないことを示す。

Claims (10)

  1. （ａ）金属粒子、
    （ｂ）少なくとも２個のカルボン酸単位を分子中に有する少なくとも１の活性化剤、及び
    （ｃ）分散媒体
    を含むペースト。
  2. 金属粒子が銀粒子であることを特徴とする請求項１記載のペースト。
  3. 活性化剤が、１００〜３００℃の範囲に分解点を有することを特徴とする請求項１又は２記載のペースト。
  4. 活性化剤が、ジカルボン酸及び錯化したジカルボン酸からなる群から選択されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のペースト。
  5. 活性化剤が、マロン酸、マレイン酸、ジメチルマロン酸及びシュウ酸からなる群から選択されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のペースト。
  6. 分散媒体が、脂肪族炭化水素化合物を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のペースト。
  7. 次の工程：
    （ｉ）第１のコンタクト領域を有する基材と第２のコンタクト領域を有するエレクトロニクス構成要素を準備する工程、その際、これらコンタクト領域の少なくとも１が卑金属を含む、
    （ｉｉ）次のものを含むペーストを準備する工程、
    （ａ）金属粒子、
    （ｂ）少なくとも２個のカルボン酸単位を分子中に有する少なくとも１の活性化剤、及び
    （ｃ）分散媒体、
    （ｉｉｉ）構造物を生じさせる工程、その際、基材の第１のコンタクト領域はペーストを介してエレクトロニクス構成要素の第２のコンタクト領域と接触している、及び、
    （ｉｖ）構造物を焼結する工程、その際、焼結されたペーストを介して相互に結合している少なくとも基材及びエレクトロニクス構成要素を有するモジュールが製造される、
    を含み、
    少なくとも１のエレクトロニクス構成要素と少なくとも１の基材を、少なくとも１が卑金属を含むコンタクト領域を介して結合させるための方法。
  8. 少なくとも１のコンタクト領域が、エレクトロニクス構成要素の又は基材の一体的な部分であることを特徴とする請求項７記載の方法。
  9. 卑金属が銅であり、かつ、活性化剤がマロン酸、マレイン酸及びシュウ酸からなる群から選択されていることを特徴とする請求項７又は８記載の方法。
  10. 卑金属がニッケルであり、かつ、活性化剤がジメチルマロン酸及びシュウ酸からなる群から選択されていることを特徴とする請求項７又は８記載の方法。
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