JP2019197620A

JP2019197620A - 導電性接合用ペースト材料及び接合方法

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Publication number: JP2019197620A
Application number: JP2018089846A
Authority: JP
Inventors: 哲郎古谷; Tetsuro Furuya; 美知夫幸松; Michio Komatsu; 康平藤原; Kohei Fujiwara; 近藤　宏司; Koji Kondo; 宏司近藤
Original assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd; Denso Corp
Current assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd; Denso Corp
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2038-05-08
Also published as: JP7131956B2

Abstract

【課題】接合強度が高くて熱膨張率が低い導電性接合用ペースト材料であるため熱膨張率の低い部材の接合に好適に使用することができ、また、パワー半導体等の高温でも作動する電子部品や、自動車のような温度変化の激しい環境で作動する電子部品の接合に用いても、熱変形による熱応力が生じ難いから、接合部分に欠陥が生じ難く接合強度を維持できるため接合信頼性が高く、また、低い温度でも接合できる導電性にも優れた導電性接合用ペースト材料を提供する。【解決手段】導電性金属粉末と有機溶剤とからなる導電性接合用ペースト材料であって、前記導電性金属粉末はＡｇ、Ｓｎ及びＭｏとからなり、前記導電性金属粉末１００重量％中の（Ａｇ＋Ｓｎ）の含有量が４５〜８５重量％、Ｍｏの含有量が１５〜５５重量％であり、前記ＡｇとＳｎはＡｇ／（Ａｇ＋Ｓｎ）が重量比で５０〜６５である導電性接合用ペースト材料。【選択図】なし

Description

本発明は電子部品を基板に実装する際に用いることができる導電性接合用ペースト材料に関する。詳しくは、該導電性接合用ペースト材料は、接合強度が高く、また、熱膨張率が低いため、熱膨張率の低い部材の接合に好適に使用することができ、パワー半導体等の高温環境下でも作動する電子部品の接合や、自動車等の温度変化の激しい環境下で作動する電子部品の接合に用いても、熱変形による熱応力が生じ難いから、接合部分に欠陥が生じ難くて接合強度を維持できるため接合信頼性が高く、しかも、低い温度で接合できる導電性にも優れた導電性接合用ペースト材料に関する。

従来、半導体デバイス等の電子部品を基板上に実装する際の接合には鉛はんだが用いられてきた。

鉛はんだは高い延性を有していることから、電子部品の熱膨張率と鉛はんだの熱膨張率との間に差があったとしても、熱変形による熱応力を鉛はんだが吸収するため接合強度は低下し難いという特長がある。

また、一般的に鉛はんだは融点が低いため、接合のために温度を上げる必要がないから耐熱性の低い基板等にも使用できるという特長がある。

しかし、融点が低いと、高温環境下で電子部品を作動させる場合において接合強度を維持することが困難になるため、近年のパワー半導体デバイス等の高温環境下でも作動する電子部品の接合に使用すれば、接合強度を維持できず接合信頼性が低くなるという問題がある。

また、鉛を含有するため、取り扱いが困難であるという問題もある。

このような鉛はんだによる接合の問題を解決すべく、金属ナノ粒子の高い結合性を利用し、高温環境下で電子部品を作動させた場合であっても接合強度を維持できる接合材料が開発されている。

しかし、金属ナノ粒子としてＡｇやＣｕを用いれば、高い導電性や接合強度は実現できるが、接合材料自体の熱膨張率が高くなるため、シリコンカーバイド半導体のような熱膨張率が低い電子部品を高温環境下で作動させたり、自動車のような高温と低温の温度変化の激しい環境下で作動させたりする場合に、電子部品と接合材料との熱膨張率の差により生じる熱応力によって、接合部分に欠陥が生じて接合強度が低下する虞があり、接合信頼性が低いという問題がある。

加えて、金属ナノ粒子は反応性が高いため、保管や取り扱いが困難であり、また、高価であるといった問題もある。

そこで、優れた導電性や接合強度を実現できる金属粉末を含有する導電性接合材料であっても熱膨張率が低く、熱膨張率が低い電子部品等の接合に使用しても熱応力による欠陥が生じ難いため接合強度を維持できる導電性接合材料であって、簡便な方法で製造でき、また、低い温度で接合でき、耐熱性の低い基板等への接合にも使用できる導電性接合材料の開発が望まれている。

ＷＯ２０１６／１２１７６４特開２０１１−４１９５５公報

特許文献１には、金属ナノ粒子と導電性材料のミクロン粒子を含有する接合材料であって、該ミクロン粒子の導電性材料の線熱膨張係数が該金属ナノ粒子の金属の線熱膨張係数より小さい接合材料が開示されている。

特許文献１に開示される接合材料は、金属ナノ粒子由来の金属焼結体によって接合強度を確保するとともに、該金属ナノ粒子と該導電性ミクロン粒子の配合の割合を調整することで、接合する部材間の熱膨張率の差を緩和して、接合部位に熱応力による欠陥が生じ難くすることで、接合強度の低下を抑制しようとする接合材料である。

しかし、特許文献１に開示される接合材料は、導電性材料のミクロン粒子の他に反応性の高い金属ナノ粒子を含有させるため、取り扱いが困難であるとともに、接合しようとする部材間の熱膨張率の差によって、該金属ナノ粒子と該ミクロン粒子の割合を調整する必要があるから製造工程が複雑になるという問題がある。

特許文献２には、金属ナノ粒子を用いて形成させた接合層を厚くすることで、接合層に生じた熱応力を解消する接合材料が開示されている。

しかし、特許文献２に開示される接合材料は、導電性を上げるためにＡｇやＣｕの金属ナノ粒子を用いたときには、接合層自体の熱膨張率が高くなるため、熱膨張率の低い電子部品の接合に使用すると接合強度が低下する虞があるという問題がある。

本発明者らは、前記諸問題点を解決することを技術的課題とし、試行錯誤的な数多くの試作・実験を重ねた結果、導電性金属粉末と有機溶剤とからなる導電性接合用ペースト材料であって、前記導電性金属粉末はＡｇ、Ｓｎ及びＭｏとからなり、前記導電性金属粉末１００重量％中の（Ａｇ＋Ｓｎ）の含有量が４５〜８５重量％、Ｍｏの含有量が１５〜５５重量％であり、前記ＡｇとＳｎはＡｇ／（Ａｇ＋Ｓｎ）が重量比で５０〜６５である導電性接合用ペースト材料であれば、接合強度が高くて熱膨張率が低い導電性接合用ペースト材料になるので、熱膨張率の低い電子部品に好適に使用することができ、また、パワー半導体デバイスのような高温環境下でも作動する電子部品や、自動車のような高温と低温の温度変化の激しい環境下で作動する電子部品の接合に使用しても、熱変形による熱応力が生じ難いから、接合部分に欠陥が生じ難く、接合強度が維持できる接合信頼性の高い導電性接合用ペースト材料になると共に、２８０℃という低い温度でも焼結するので、低い温度で接合できる導電性の高い導電性接合用ペースト材料が得られるという刮目すべき知見を得て、前記技術的課題を達成したものである。

前記技術的課題は次のとおり、本発明によって解決できる。

本発明は、導電性金属粉末と有機溶剤とからなる導電性接合用ペースト材料であって、前記導電性金属粉末はＡｇ、Ｓｎ及びＭｏとからなり、前記導電性金属粉末１００重量％中の（Ａｇ＋Ｓｎ）の含有量が４５〜８５重量％、Ｍｏの含有量が１５〜５５重量％であり、前記ＡｇとＳｎはＡｇ／（Ａｇ＋Ｓｎ）が重量比で５０〜６５である導電性接合用ペースト材料である。

また、本発明は、前記導電性金属粉末の平均粒径（ｄ５０）が１〜２０μｍである導電性接合用ペースト材料である。

また、本発明は、前記有機溶剤は、沸点が１８０℃以上の多価アルコール、炭化水素、アルコールエステルを１以上含む有機溶剤である導電性接合用ペースト材料である。

また、本発明は、前記導電性金属粉末と前記有機溶剤との重量比が１００：５〜２０である導電性接合用ペースト材料である。

また、本発明は、２８０℃以上で焼結させることを特徴とする前記導電性接合用ペースト材料を使用した接合方法である。

また、本発明は、前記導電性金属粉末と有機溶剤とを攪拌して製造することを特徴とする前記導電性接合用ペースト材料の製造方法である。

本発明は、銀粉末（Ａｇ）とスズ粉末（Ｓｎ）を４５〜８５重量％とモリブデン粉末（Ｍｏ）を１５〜５５重量％とで１００重量％になる導電性金属粉末であって、前記銀粉末とスズ粉末はＡｇ／（Ａｇ＋Ｓｎ）が重量比で５０〜６５である導電性金属粉末を含有するため、焼結によって電子部品を接合させた場合には、該導電性金属粉末の焼結体により高い接合強度と高い導電性が得られる。

また、本発明における導電性接合用ペースト材料は、線膨張係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎ以下「ＣＴＥ」と言う）が低いので、ＣＴＥが低い部材の接合にも好適に用いることができ、また、パワー半導体デバイスのように高温環境下でも作動する電子部品や、自動車のような高温と低温の温度変化の激しい環境下で作動する電子部品の接合に使用しても、熱膨張率の差を少なくすることができるから、熱変形による熱応力が抑制されるため接合部分に欠陥が生じ難く、接合強度が低下し難い。

また、導電性金属粉末として、平均粒径（ｄ５０）が１〜２０μｍの金属粉末を用いることができるから、保管や取り扱いも容易であり、また、導電性金属粉末を有機溶剤に攪拌するといった簡便な方法で製造できる。

また、２８０℃という低い温度でも焼結するから、耐熱性が低い電子部品と基板の接合にも使用することができる。

本発明における導電性金属粉末は銀粉末（Ａｇ）、スズ粉末（Ｓｎ）と、銀及びスズよりもＣＴＥが低いモリブデン粉末（Ｍｏ）からなる。

Ａｇ及びＳｎは焼結の際にＡｇ３Ｓｎを形成するため拡散し易くなって、銅基板に対しても固相拡散接合できるようになり高い接合強度を実現できると共に高い導電性も実現できる。

また、Ｍｏを含有することにより、導電性接合用ペースト材料の熱膨張を抑制するから、ＣＴＥの低い導電性接合用ペースト材料になる。

導電性金属粉末１００重量％におけるＡｇ＋Ｓｎの含有量は４５〜８５重量％であり、更に好ましいのは５５〜７５重量％、最も好ましいのは６０〜７０重量％である。

Ａｇ＋Ｓｎの含有量が４５重量％未満であると接合強度が低くなり、また、Ａｇ＋Ｓｎの含有量が８５重量％を超えると、ＣＴＥが高くなり過ぎるため、高温環境下では熱変形して熱応力による欠陥が生じ易くなり、接合強度が低下する虞があるからである。

また、Ａｇ／（Ａｇ＋Ｓｎ）が重量比で５０〜６５であることが好ましい。
Ｓｎが基材と固相拡散接合し易くなって、またＳｎが液相焼結することにより、接合強度及び導電性に資するからである。

Ａｇ／（Ａｇ＋Ｓｎ）が重量比で５０未満であると焼結阻害により接合強度及び導電性が低くなる虞があり、Ａｇ／（Ａｇ＋Ｓｎ）が重量比で６５を超えると接合強度が低下する虞がある。

導電性金属粉末１００重量％におけるＭｏの含有量は１５〜５５重量％が好ましく、より好ましくは、２５〜４５重量％、最も好ましいのは３０〜４０重量％である。

Ｍｏの含有量が1５重量％未満であると導電性接合用ペースト材料のＣＴＥが上がりすぎ、また、５５重量％を超えると接合強度が低下する虞があるからである。

なお、Ｍｏは、Ａｇ、Ｓｎ、Ａｕ等でめっきしたものを用いてもよい。

また、本発明には、Ｍｏと共に、又は、Ｍｏの代わりにＣＴＥの低いＷ（タングステン）、Ｃｒ（クロム）、Ａｕ（金）等の金属、ＡＩＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ（シリコン）等のセラミックスを含有させてもよい。

導電性金属粉末は、いずれも脂肪酸等で前処理を施したものを用いてもよい。

導電性金属粉末の平均粒径（ｄ５０）は１〜２０μｍが好ましい。

平均粒径（ｄ５０）が１μｍ未満であると粘度が上がり過ぎてペースト化が困難になり、また、２０μｍを超えると印刷による塗布が困難になる虞があるからである。

Ａｇ、Ｓｎ及びＭｏの各金属粒子は粒子径が０．１〜６０μｍの範囲の粒子であることが好ましい。

各金属粒子の粒子径が０．１μｍ未満の粒子や６０μｍを超える粒子が多いと、粘度が上昇し、ペースト化が困難になったり、分散し難くなるため接合強度が低下したりする虞があるからである。

本発明における有機溶剤は特に限定されないが、沸点が１８０℃以上の多価アルコール、炭化水素、アルコールエステルを１以上含有することが好ましい。

沸点が１８０℃以上であると、スクリーン印刷が好適に行えるが、１８０℃に満たないと、スクリーン印刷が困難になるからである。

本発明における有機溶剤として、テルピネオール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ジヒドロターピネオール、テキサノールを例示する。

本発明における導電性金属粉末と有機溶剤との割合は重量比で１００：５〜２０であることが好ましい。

導電性金属粉末１００に対し、重量比で有機溶剤が５未満であると、ペースト化が困難になり、また、２０を超えて含有すると気泡（ボイド）が発生して接合強度が低下する虞があるからである。

本発明における導電性接合用ペースト材料は、導電性金属粉末に有機溶剤を添加し、自公転ミキサー等を用いて、３００〜２０００ｒｐｍ、３０秒以上攪拌するという簡便な方法で製造することができる。

本発明における導電性接合用ペースト材料のＣＴＥは、１０〜２０ｐｐｍであることが好ましい。

ＣＴＥが低い電子部品を高温環境下や、高温と低温の温度変化の激しい環境下で作動させても接合強度が維持できるからである。

本発明における導電性接合用ペースト材料は接合する部材の一方又は両方に塗布、印刷又はディスペンス塗布し、Ａｉｒ雰囲気、２８０℃以上で５〜３０分間焼結することで接合できる。

焼結の温度は２８０℃以上であればよいが、２８０〜４８０℃の範囲であることが好ましい。
４８０℃を超えるとＡｇ３Ｓｎが融解して拡散し難くなる虞があるからである。

なお、本発明における導電性接合用ペースト材料は、導電性が高く、熱膨張率が低いので、電子部品を基板に接合する以外にも、熱電素子の形成、配線（回路）形成、電極形成にも好適に使用できる。

本発明の実施例及び比較例を以下に示すが、本発明はこれに限定されない。

表１及び表２記載の通りＡｇ、Ｓｎ及びＭｏを配合した導電性金属粉末１００ｇにテルピネオールを６ｇ添加し、自公転ミキサー（株式会社シンキー製）にて、２０００ｒｐｍ、２分間攪拌して実施例及び比較例の各導電性接合用ペースト材料を得た。

（平均粒径）
各導電性金属粉末の５０％平均粒径（ｄ５０）はレーザー回折式粒子径分布測定装置ＳＡＬＤ−３１００（株式会社島津製作所製）を用いて測定した。

（ＣＴＥ）
＜試験片の作成＞
実施例及び比較例の導電性接合用ペースト材料を２００ｍｅｓｈのスクリーンを用いて印刷成型した。その後、真空熱プレス機ＫＶＨＣ−II（北川精機株式会社製）によって、３．２ＭＰａで、実施例１３以外は３２０℃、１５分間処理し、実施例１３は２８０℃、１５分間処理した後、約４ｍｍ×３０ｍｍ×０．１ｍｍのサイズの試験片を作製した。

＜ＣＴＥの測定＞
ＴＭＡ装置（ＴＭＡ/ＳＳ１２０／セイコーインスツルメンツ株式会社製）を用い、測定温度−４０〜３００℃（昇温５℃/ｍｉｎ）、分銅加重１ｇｆ（引張モード）、Ａｒ雰囲気にて線膨張係数（ＣＴＥ／１０^−６［１／℃］）を測定した。

ＣＴＥが２０ｐｐｍ以下であると○、２０ｐｐｍを超えると×として評価した。

（接合強度）
接合強度はダイシェア強度を測定した。

＜試験片の作成＞
実施例及び比較例の導電性接合用ペースト材料を２００ｍｅｓｈのスクリーンを用いて厚さ２ｍｍ、長さ１０ｍｍの正方形の銅板上に長さ１．５ｍｍの正方形を印刷し、真空熱プレス機ＫＶＨＣ−II（北川精機株式会社製）にて、５．０ＭＰａで、実施例１３以外は３２０℃、１５分間処理し、実施例１３は２８０℃、１５分間処理して試験片を作製した。

＜ダイシェア強度の測定＞
ダイシェア試験機（Ｄａｇｅシリーズ４０００／デイジ社製）とロードセル（ＤＳ１００ＫＧ）を用い、試験速度１００μｍ／ｓｅｃ、室温にてダイシェア強度を測定した。

ダイシェア強度が２００ＭＰａ以上であれば○、２００ＭＰａに満たないものを×として評価した。

（電気接続）
テスター（ＨＩＯＫＩ製ミリオームハイテスタ）で導通が得られるかどうかを確認し、電気接続が得られたものを○、得られなかったものを×として評価した。

結果を表１及び表２に示す。

表１及び表２より、本発明における導電性接合用ペースト材料は接合強度が高く、また、ＣＴＥが低く、しかも、２８０℃や３２０℃という低い温度でも接合できる導電性に優れた導電性接合用ペースト材料であることが証明された。

本発明における導電性接合用ペースト材料は、導電性金属粉末としてＡｇ、Ｓｎ及びＭｏを含有するので、導電性及び接合強度が高く、熱膨張率が低い導電性接合用ペースト材料であるから、熱膨張率の低い電子部品等の部材の接合に好適に使用することができる。
また、熱膨張率が低いので、高温環境下や、高温と低温の温度変化の激しい環境下において作動する電子部品の接合に用いても、熱変形による熱応力が生じ難く、接合部分に欠陥が生じ難いため、接合強度が低下し難く、接合信頼性の高い導電性接合用ペースト材料である。
加えて、２８０℃という低い温度でも焼結するので、耐熱性の低い電子部品と基板の接合にも使用することができる。
したがって、本発明は産業上の利用可能性の高い発明であると言える。

Claims

導電性金属粉末と有機溶剤とからなる導電性接合用ペースト材料であって、
前記導電性金属粉末はＡｇ、Ｓｎ及びＭｏとからなり、前記導電性金属粉末１００重量％中の（Ａｇ＋Ｓｎ）の含有量が４５〜８５重量％、Ｍｏの含有量が１５〜５５重量％であり、前記ＡｇとＳｎはＡｇ／（Ａｇ＋Ｓｎ）が重量比で５０〜６５である導電性接合用ペースト材料。
前記導電性金属粉末の平均粒径（ｄ５０）が１〜２０μｍである請求項１記載の導電性接合用ペースト材料。
前記有機溶剤は、沸点が１８０℃以上の多価アルコール、炭化水素、アルコールエステルを１以上含む有機溶剤である請求項１又は２記載の導電性接合用ペースト材料。
前記導電性金属粉末と前記有機溶剤との重量比が１００：５〜２０である請求項１乃至３いずれか記載の導電性接合用ペースト材料。
２８０℃以上で焼結させることを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の導電性接合用ペースト材料を使用した接合方法。
前記導電性金属粉末と有機溶剤とを攪拌して製造することを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載の導電性接合用ペースト材料の製造方法。