JP2023038748A - 金属ナノ粒子並びに第二の金属粒子を主成分とする接合剤を付着させた加熱接合材、及び電子機器の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属微粒子を主成分とする焼結型接合材に於いて、接合特性や取扱い性にも優れ、且つ、安価なコストにて提供可能なシート状接合材を提供すること。【解決手段】本発明は、板状金属からなる支持体と当該支持体の両面に、炭素数１８以下のアルコール若しくは当該アルコール誘導体、又はカルボキシル基を含む化合物、若しくはその混合物を主成分とする有機物が被覆された金属ナノ粒子及び金属微粒子及び溶剤を含有する接合剤を付着させたシート状の加熱接合材を構成させることにより、接合特性や取扱い性に優れたシート状の焼結型接合材の提供を可能とした。【選択図】なし

Description

本発明は、金属支持体に金属ナノ粒子と第二の金属微粒子を含有した接合剤を付着させた加熱接合材及び当該接合材を用いた接合方法、及び当該接合方法を用いて電子機器の製造方法に関するものである。

近年、電子部品の接合に於いて、環境負荷の高い鉛を含有したはんだ材の不使用が広まっている。
また、半導体、特にパワーモジュールと言われる電子部品では性能向上の為にチップの素材がＳｉからＳｉＣやＧａＮに変更する試みがなされている。
そこで、耐熱性に課題のある鉛フリーはんだに代わり、ＡｇやＣｕの金属ナノ粒子を用いた焼結型金属微粒子を含有した接合材が検討されている。

しかし、ＡｇやＣｕからなる金属微粒子を用いた接合材は、特に、金属ナノ粒子と高分子分散剤や溶剤とを混合したペースト状の接合材として用いられているため、被接合物への塗布する場合、塗布厚の均一性や印刷工程に於けるペーストのロスが問題となっていた。
とりわけ、印刷工程時に発生するロスは、同形状のはんだ材と大差ない量でありながら、原料となる素材が超微粒子化したＡｇやＣｕのナノ粒子であり、素材となるＡｇナノ粒子やＣｕナノ粒子は、非常に高価であるため、少量のロスでも生産コストの上昇に繋がり大きな問題となっている。

そこで、上記課題を解決するため、導電性金属微粒子を含有し、焼結工程にて接合が可能なシート状の焼結接合用シートに関する技術が、特許文献１に開示されている。
また、特許文献２では、金属バルクからなる金属層の両面に高分子分散剤が被覆された平均一次粒径が５～５００ｎｍである金属微粒子を溶剤に分散させて当該分散液をフィルム状に成形した加熱接合材の技術が開示されている。

しかし、特許文献１で開示されている技術は、導電性金属含有の焼結接合用組成物には熱分解性高分子バインダーが含有されているため、特許文献２で開示されている加熱接合材も高分子分散剤で金属微粒子を被覆しているため、接合特性、特に接合強度に課題が残されている。

国際公開ＷＯ２０１９／０９２９５９号公報 特開２０１８－１０３１８９号公報

発明が解決しようとしている課題

金属ナノ粒子等の金属微粒子を主成分とする焼結型接合材に於いて、接合特性や取扱い性にも優れ、且つ、安価なコストにて提供可能なシート状接合材を提供すること。

本発明は、板状金属からなる支持体と当該支持体の両面に、炭素数１８以下のアルコール若しくは当該アルコール誘導体、又はカルボキシル基を含む化合物、若しくはその混合物を主成分とする有機物が被覆された金属ナノ粒子及び金属微粒子及び溶剤を含有する接合剤を付着させたシート状の加熱接合材を構成させることにより、接合特性や取扱い性に優れたシート状の焼結型接合材の提供を可能とした。

本発明によれば、接合特性や取扱い性に優れ、しかも低価格にてシート状の焼結型接合材の提供が可能となる為、ＳｉＣ等素材を用いた耐熱性が求められるパワーモジュール等の半導体部品や当該部品を用いた電子機器等、また、ヒートシンク等の接合のように高い熱伝導特性が求められる接合部に広く応用が期待できる。

本発明の一実施形態に係るシート状焼成型接合材の断面模式図。

以下に、本発明の実施の形態に係るシート状焼成型接合材を図面に基づき説明する。
図１に示すように、本発明の一実施形態であるシート状焼成型接合材１（以下、「シート状接合材」と称す。）は、金属支持体３の両面に金属ナノ粒子及び第二の金属微粒子の１種以上及び溶剤を含有する接合剤２（以下、「接合剤」と称す。）が付着している構造をしてなる。

本発明のシート状接合材１に用いることが出来る金属支持体３は、平板且つ均一な厚みを有していれば良く、接合剤を両面に付着させることが出来れば、形状は限定されない。例えば、支持体に孔や、支持体表面に凹凸が存在しても、その他の加工を施しても問題は無く、メッシュ状等が例示できる。
また、使用可能な金属も、本発明の効果を有する範囲に於いて限定はされず、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ，Ｎｉ及びそれらの合金等が例示でき、コストや汎用性を考慮するとＣｕが好ましい。
そして、金属支持体は、上記の組成、例えばＣｕ単体でも、Ｃｕと他の金属の合金や、ＣｕにＮｉやＡｕ、Ａｇ等のメッキを施したものでも良く、電子部品や半導体部品等に組み込まれる部品や製品の用途に合致した金属であれば構わない。

一方、金属支持体３のサイズに関しては、熱伝導特性や電気伝導特性等の接合特性や接合信頼性を考慮すると、厚みに関して、本発明の効果を有する範囲に於いて特段の制限はないが、５０μｍ未満が好ましく、製造時の作業性やコストを考慮すると、１０μｍ～５０μｍ未満がより好ましい。
なお、金属支持体３に孔が存在する場合やメッシュである場合は、本発明の効果を有する範囲に於いて、孔のサイズや数に関しても制限はなく、メッシュの場合も金属線の太さやメッシュの網の目の開口部のサイズに関しても制限はない。

本発明のシート状接合材に用いることが出来る接合剤２に関して、金属ナノ粒子を被覆する有機物は炭素数が１８以下のアルコール若しくは当該アルコール誘導体、又はカルボン酸、若しくはその混合物であれば、特段の制限はなく、炭素数１８以下のアルコール若しくは当該アルコール誘導体、又はカルボキシル基を含む化合物、若しくはその混合物が好ましい。
また、接合剤２に用いることが出来る金属ナノ粒子の金属核となる金属に関しては、本発明の効果を有する範囲に於いて、特に制限はなく、銀及び銅が好ましく、金属ナノ粒子のサイズも本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限はないが、焼結時の温度を考慮すると、一次粒子の平均粒径が１００ｎｍ以下の金属ナノ粒子が好ましい。

そして、接合剤２に用いることが出来る第二の金属微粒子も、本発明の効果を有する範囲に於いて、元素の種類やサイズに特に制限はなく、ＡｇやＣｕが例示できる。
例えば、材質が銅の場合、一次粒子の平均粒径が０．１～１０μｍが好ましく、０．１μｍ以下の場合は酸化防止や粒子の結合防止のために有機物で被覆する等の処理が必要なため、接合剤３に用いるためには処方的な制限が発生する可能性がある。
また、銀の場合も前述の銅と同様である。

また、接合剤２に用いることが出来る溶剤は、本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限は無いが、組成に窒素や硫黄が含有しない有機溶剤が好ましく、アルコール類がより好ましい。
アルコール類として、例えば、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ノナノ―ル、デカノールのような炭素数４～１０のアルコールが好適である。
また、前述のアルコール以外では、テルペンアルコール類が好ましく、シトロネロール、イソボルニルシクロヘキサノール、カルベオール等が挙げられる。

更に、接合剤２に用いることが出来る金属ナノ粒子と第二の金属微粒子、及び溶剤の夫々の配合比率は、本発明のシート状接合材１に加工した場合にその効果を有することが出来れば特に制限はないが、接合剤２を１００とした場合、金属ナノ粒子は０質量部～９０質量部、第二の金属微粒子は０質量部～８０質量部、溶剤は１質量部～３０質量部が夫々好ましいい範囲である。
また、接合剤２には、金属ナノ粒子、第二の金属微粒子、及び溶剤の他、本発明の効果を有する範囲に於いて、有機酸等の活性剤や酸化防止剤、粘度調整剤等を適宜配合しても構わない。

本発明のシート状接合材１の製造方法に関して、本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限はなく、金属支持体３に接合剤２を付着させ、均一な膜厚が保持できれば良い。
例えば、厚さ３０μｍ程度のＣｕ箔の片面に接合剤２を３０～５０μｍの厚みで塗布後、１００℃のホットプレート上に６０秒程度放置して乾燥させた後に、未塗布のＣｕ箔反対面に同様の作業を行い、金属支持体３の両面に接合剤２を付着させて、シート状接合材１を作製することが出来る。
その際、金属支持体１の両面に付着させる接合剤２の表面は、平坦性が高いほど、焼結時の接合特性が向上するため、金属支持体３へ接合剤２を付着させる工程では、専用の冶具や装置を用いて塗布厚の均一化を図ることが好ましい。
また、金属支持体１の両面に接合剤２を付着させる場合、接合剤２にアルコール類やアセトン、トルエン、ジメチルケトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサン等の有機溶剤を添加して、金属支持体１への塗布性を向上させても構わない。

更に、本発明のシート状接合材１は焼結時に溶剤の蒸散と含有する金属粒子の焼結により厚みが焼結前と比較すると、３／１０～７／１０に減少することを考慮して設計・接合ずることにより、接合する電子部品の性能向上や劣化防止に繋がる。

次に、本発明のシート状接合材について、実施例を基に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
（試料の作製）
１．金属支持体
市販の厚さ２０μｍの無酸素銅箔を準備し、１０×１０ｍｍサイズに切断し、
金属支持体とした。
２．接合剤
株式会社応用ナノ粒子研究所製アルコナノ銀ペーストＡＮＰ－８を用いた。
３．製法
指定のサイズに切断した銅箔の１面に、開口部が９×９ｍｍである厚さ３０μｍ
ステンレス製のステンシルを用いて接合剤であるアルコナノ銀ペーストＡＮＰ
－８を塗布した。
次に未塗布の面が加熱面上に接触するように、１００℃のホットプレート上にア
ルコナノ銀ペーストＡＮＰ－８が塗布された銅箔を置き、６０秒間放置後、室温
になるまで冷却する。
冷却後、未塗布の銅箔面に、ステンシルを用いてアルコナノ銀ペーストＡＮＰ－
８を塗布し、その後１００℃のホットプレートにて同様に乾燥させた後、冷却し、
シート状接合材試料とした。

（シート状接合材試料の評価方法）
銅製の試験片Ａ（サイズ：厚み２ｍｍ、直径５ｍｍ）と銅製の試験片Ｂ（サイズ：厚み２ｍｍ、直径５ｍｍ）との間に、前述の方法にて作製したシート状接合材試料を置き、日本アビオニクス社製の焼成装置（上下パルスヒートユニット接合装置）を用い、焼成温度３００℃、保持時間１８０秒、３０ＭＰａ、大気雰囲気、の条件で焼成を行い、その後、装置より取出し、室温まで冷却後、評価試料とした。

（評価方法）
評価試料の接合強度を、Ａ＆Ｄ社製テンシロン万能試験機を用いて測定した。
その測定結果を表１に示す。
比較例として、アルコナノ銀ペーストＡＮＰ－８を用いて、同様の銅試験片を接合し
た比較試料を作製して確認した。
なお、比較試料の作製条件は、以下のとおりである。
・銅試験片への塗布厚
５０μｍ（ステンレス製ステンシルを用いて銅試験片に塗布）
・焼成条件
予備乾燥：銅試験片へアルコナノ銀ペーストＡＮＰ－８を塗布後、１３０℃にセッ
トしたホットプレート上にて約９０秒放置後、室温にて約３０分間放置冷却する。
・比較試料：予備乾燥し室温まで冷却したＡＮＰ－８ナノ銀ペート層の上に銅試験片
を置き、シート状接合材試料の評価方法と同条件にて焼成を行い、比較試料とした。

評価結果を表１に示す。

表１より、実施例と比較例の接合強度は同等の値を示しており、実施例１は、半導体向け接合材としての機能を有していると判断できる。
また、評価試料の破断面を観察すると、実施例１及び比較例１共に焼結層で破断していることが確認された。
更に、実施例１では、評価試料の接合強度測定後の銅試験片の焼結層の付着状況を確認したところ、試験片一面にほぼ均一に付着しており、付着状態は比較例１と比較しても均一性が高いことから、被接合体の面積が広く、被接合体が大きい場合の接合にたいして、ペースト状の形状をした焼結型接合材に比べて接合品質の向上が期待でき、大面積接合に対しての適性が期待できる。

１：本発明のシート状接合材
２：接合剤
３：金属支持体

Claims (4)

1. 板状金属からなる支持体の両面に金属ナノ粒子又は第二の金属微粒子又はその両方を主成分とする接合剤を付着させた接合材であって、
   当該板状金属の支持体の厚みが５０μｍ未満のＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、及びＮｉの中より選択される１種以上の金属単体若しくは合金であり、
   当該指示体に付着させる金属ナノ粒子及び当該第二の金属微粒子を主成分とする接合剤の金属ナノ粒子の金属がＡｇ及びＣｕの中より選択される金属単体、若しくは両方から構成される合金又はそれぞれ単体の金属の両方からなり、
   当該第二の金属微粒子の金属がＡｇ及びＣｕの中より選択される金属単体、若しくは両方から構成される合金又はそれぞれ単体の金属の両方からなり、
   当該金属ナノ粒子は、有機物が被覆されており、その平均粒径が１００ｎｍ以下であり、金属微粒子は、その平均粒径が１０μｍ以下であること、
   前記接合剤は少なくとも金属ナノ粒子及び第二の金属微粒子の一種以上及び溶剤を含有し、当該板状金属支持体の両面に前記接合剤を厚さ３００μｍ以下で付着させて、あるいは付着させた後に乾燥させた状態としたことを特徴とする接合材。
2. 金属ナノ粒子を被覆する有機物が、炭素数１８以下のアルコール若しくは当該アルコール誘導体、又はカルボキシル基を含む化合物、若しくはその混合物であることを特徴とする請求項１に記載の接合材。
3. 請求項１及び請求項２記載の接合材を用い、且つ加熱処理工程を用いて接合することを特徴とする接合方法。
4. 請求項３記載の接合方法にて接合した電気機器、電子機器、半導体部品、及び放熱部品。
   
   
   
   
   

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