JP6861073B2 - ニッケル被覆銅粒子、接合材及び接合方法 - Google Patents
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(i)レーザー回折/散乱法による平均粒子径が0.3〜200μmの範囲内である;
(ii)コア層及び前記コア層の表面の少なくとも一部を被覆する被覆層から形成されている;
(iii)前記被覆層は、ニッケル元素を原子数濃度にして50%以上含む;
(iv)前記コア層は、銅元素を50重量%以上含む;
を具備することを特徴とする。
本発明のニッケル被覆銅粒子は、以下の条件(i)〜(iv)
(i)レーザー回折/散乱法による平均粒子径が0.3〜200μmの範囲内である;
(ii)コア層及び前記コア層の表面の少なくとも一部を被覆する被覆層から形成されている;
(iii)前記被覆層は、ニッケル元素を原子数濃度にして50%以上含む;
(iv)前記コア層は、銅元素を50重量%以上含む;
を具備することを特徴とする。
本発明の接合体は、前記ニッケル被覆銅粒子の含有量が10〜90重量%の範囲内である。この範囲であれば、ニッケル被覆銅粒子の特長である、コストが低く、熱伝導率が高く、酸化による劣化が起きにくい接合材が得られる。
他の粒子としてニッケル粒子を使用する場合、他の粒子において、ニッケル以外の金属を50重量%未満の範囲で含有していてもよい。10重量%以下であることが好ましく、2重量%以下であることがより好ましい。金属成分がニッケルのみであることが、さらに好ましい。以後、前記他の粒子を「成分A」ともいい、ニッケル被覆銅粒子を「成分B」ともいう。
例えば、前記成分Aがニッケル粒子である場合、接合材を350℃の温度で加熱して焼結させる場合は、成分Aの平均一次粒子径は30〜160nmの範囲内であることがさらに好ましい。成分Aの平均一次粒子径が20nm未満であると、成分Aどうしが凝集しやすくなり、成分Bとの均一な混合が困難となる。一方、成分Aの平均一次粒子径が300nmを超えると、成分Aどうしの、又は、成分Aと成分Bとの焼結性が不十分であり、接合強度の低下を招く。
なお、本明細書において、成分Aの平均一次粒子径は、実施例で用いた値を含めて、電界放出形走査電子顕微鏡(Field Emission−Scanning Electron Microscope:FE−SEM)により試料の写真を撮影して、その中から無作為に200個を抽出してそれぞれの面積を求め、真球に換算したときの粒子径を個数基準として算出した値である。
なお、配合比は、例えばICP発光分光分析法(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法、ICP−OES/ICP−AES)及び/又はSEM−EDXによる粒子の断面観察により測定することができる。
接合材は、成分Bと任意成分を、均質に混合することによって調製できる。混合方法は、特に限定されるものではなく、公知のミキサーなどの混合手段を用いることができる。なお、接合材の調製においては、成分Bと成分Aを混合してから他の任意成分と混合することが好ましいが、配合の順序は任意であり、例えば、成分A又は成分Bのいずれか片方を他の任意成分と混合した後で、他の片方を添加してもよい。
また、上記接合材を、被接合部材の間に介在させて、還元性ガス雰囲気下で、例えば100℃〜500℃の範囲内、好ましくは200〜400℃の範囲内、より好ましくは230〜350℃の範囲内の温度で加熱することにより、被接合部材の間に接合層を形成し、被接合部材どうしを接合することができる。ここで、「還元性ガス雰囲気下」とは、水素ガスを含む雰囲気下、ギ酸を含む雰囲気下が挙げられる。好ましくは、還元効率の良い、水素ガスを含む雰囲気下である。
この接合方法(以下「本接合方法」という。)において、成分Bどうし、又は成分Bと成分Aとの間の焼結を進行させるためには、成分B及び成分Aの被覆層表面を露出させることが必要であると考えられる。これらの表面に存在する有機物を揮発又は分解させ、かつ、不動態層を除去する加熱温度は、200℃以上が好ましく、250℃以上がより好ましい。一方、加熱温度が400℃を超えると、被接合部材としての半導体デバイス周辺にダメージを与える場合がある。
従って、本発明の接合材は、例えば、高温領域で使用する各用途について、特に好適に使用することができる。例えば、例えば、250℃以上の高温領域での駆動時の信頼性が必要となる、SiCを使用したパワー半導体チップと実装基板を接合するための接合材として、好適に使用することができる。その他、Siを使用した半導体チップと実装基板との接合や、LEDと電極との接合等にも使用することができる。
成分A(他の粒子)の平均粒子径の測定は、電界放出形走査電子顕微鏡(Field Emission−Scanning Electron Microscope:FE−SEM)により試料の写真を撮影して、その中から無作為に200個を抽出してそれぞれの面積を求め、真球に換算したときの粒子径を個数基準として一次粒子の平均粒子径を算出した。
成分B(ニッケル被覆銅粒子)の平均粒子径の測定は、レーザー回折/散乱法によって行った。装置は株式会社セイシン企業製LMS−30を用い、水を分散媒としてフローセル中で測定した。
ステンレス製マスク(マスク幅;5.0mm×長さ;25.0mm×厚さ;0.2mm)を用いて、試料をガラス板(15mm×30mm×1mmt)上に塗布して塗布膜を形成し、水素を3体積%混合した窒素ガスフロー下で焼成を行った。得られた焼成体は容易にガラスから剥離することができ、これを熱伝導率測定用サンプルとした。
熱伝導率の測定は、熱伝導率測定用サンプルを用いて光交流法により測定し、比較例1における熱伝導率を1とした場合の、熱伝導率の比で表した。
成分Bの被覆層の平均厚さは、熱伝導率測定用サンプルの走査型電子顕微鏡による断面観察像(倍率50,000倍)を撮影して、成分Bの被覆層厚さを8粒子について測長し、その平均値として求めた。
以下の手順に従いニッケル微粒子スラリーを作製した。なお、使用した試薬の分量や加熱処理時間などは表1及び表2に示した。
182重量部(910g)のオレイルアミンに、18.5重量部(92.5g)のギ酸ニッケル二水和物を加え、窒素気流下で、120℃で10分間加熱することでニッケル塩を溶解し、錯化反応液1を得た(以上、錯化反応工程)。この錯化反応液1に、121重量部(605g)のオレイルアミンを加え、マイクロ波を用いて180℃で10分間加熱することで、ニッケル微粒子スラリー1を得た(以上、加熱処理工程)。このニッケル微粒子スラリー1の上澄み液を取り除き、トルエンとメタノールで洗浄した後、真空乾燥機で乾燥し、ニッケル微粒子1を得た。
得られたニッケル微粒子スラリー1を100重量部分取し、これに20重量部のオクタン酸を加え、15分間撹拌した後、トルエンで洗浄し、ニッケルスラリー1(固形分濃度65.0重量%)を調製した(以上、ニッケルスラリー調製工程)。
使用した原料、得られたニッケル微粒子1の粒径及び組成、並びにニッケルスラリー1の固形分濃度を、表1及び表2に示す。
各原料の重量部、反応温度、反応時間を表1及び表2の通りとした他は、合成例1と同様の方法で、錯化反応液2〜4、ニッケル微粒子スラリー2〜4、ニッケル微粒子2〜4、ニッケルスラリー2〜4を得た。得られたニッケル微粒子2〜4の平均粒子径及び組成、並びにニッケルスラリー2〜4の固形分濃度を、表1及び表2に示す。なお、ニッケル微粒子1〜4は、上記「成分A」に相当する他の粒子である。
以下の手順に従いニッケルペーストを作製した。なお、使用した試薬名や分量などは表3及び表4に示した。
コア層となる銅粒子(古河ケミカルズ社製FMC−10)に、ニッケルめっきを施し、銅粒子のコア層と、ニッケルの被覆層を有するニッケル被覆銅粒子を調製した。
次に、ニッケルスラリー1を100重量部、ニッケル被覆銅粒子を160重量部、溶剤としてヘキシルカルビトールを16.0重量部、バインダー樹脂としてポリビニルアセタール樹脂(エスレックBH−A;積水化学工業社製)を1.23重量部のそれぞれを計量して混合し、60℃、100hPaで濃縮し、245重量部のニッケルペースト1(固形分濃度:93重量%)を得た。このニッケルペースト1について、熱伝導率測定サンプルを作製し、熱伝導率を測定した。
使用した原料、平均粒子径及び組成、ニッケル被覆銅粒子の性状、焼成温度、並びに熱伝導率の測定結果を、表3及び表4に示す。
使用した原料の重量部、ニッケル被覆銅粒子の種類を表3及び表4の通りとした他は、実施例1と同様の方法でニッケルペースト2〜11を得た。さらに、焼成温度を表3及び表4の通りとした他は、実施例1と同様の方法で、ニッケルペースト2〜11について、熱伝導率測定サンプルを作製し、熱伝導率を測定した。なお、比較例1のニッケルペースト11では、ニッケル被覆銅粒子に代えて、被覆層を有しない銅粒子を用いた。
使用した原料、平均粒子径及び組成、ニッケル被覆銅粒子の性状、焼成温度、並びに熱伝導率の測定結果を、表3及び表4に示す。
以下の手順に従いせん断強度(シェア強度)の評価を行った。
ステンレス製マスク(マスク幅;2.0mm×長さ;2.0mm×厚さ;0.1mm)を用いて、実施例3で得たペースト3及び比較例1で得たペースト11をそれぞれニッケルめっき銅基板(幅;10mm×長さ;10mm×厚さ;1.0mm)上の別々の部位に塗布して塗布膜を形成した。各塗布膜の上に、シリコンダイ(幅;2.0mm×長さ;2.0mm×厚さ;0.40mm)を搭載し、水素を3体積%混合した窒素ガスフロー下で5MPaで加圧しながら焼成を行った。得られた接合体(接合層の厚さ;10〜30μm)のせん断強度を接合強度試験機(デイジ・ジャパン社製、商品名;ボンドテスター4000)により測定した。ダイ側面からボンドテスターツールを、基板からの高さ50μm、ツール速度100μm/秒で押圧し、接合部がせん断破壊したときの荷重をせん断強度(シェア強度)とした。なお、ニッケルめっき銅基板は、Cu基板(厚さ;1.0mm)の表面に、Niを4μmの厚みでめっきしたものであり、シリコンダイは、Si基板(厚さ;0.40mm)の接合面に、Auをスパッタリングにより製膜したものである。結果を表5に示す。
Claims (8)
- 以下の条件(i)〜(iv);
(i)レーザー回折/散乱法による平均粒子径が1〜30μmの範囲内である;
(ii)コア層及び前記コア層の表面のほぼ全面を被覆する被覆層から形成されている;
(iii)前記被覆層は、ニッケル元素を原子数濃度にして50%以上含む;
(iv)前記コア層は、銅元素を50重量%以上含む;
を具備するニッケル被覆銅粒子。 - 前記被覆層のニッケル元素の含有量が原子数濃度にして90%以上である、請求項1に記載のニッケル被覆銅粒子。
- 前記被覆層の平均厚さが0.01μm〜1μmの範囲内である、請求項1に記載のニッケル被覆銅粒子。
- 接合材用途である、請求項1に記載のニッケル被覆銅粒子。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のニッケル被覆銅粒子を含む接合材であって、
前記ニッケル被覆銅粒子の含有量が10〜90重量%の範囲内であることを特徴とする、接合材。 - 沸点が100〜350℃の範囲内にある有機溶媒を含有し、前記有機溶媒の含有量が2〜40重量%の範囲内である、請求項5に記載の接合材。
- さらに、全粒子量に対して、0.05〜5.0重量%の範囲内で有機バインダーを含有する、請求項5または6に記載の接合材。
- 請求項5〜7のいずれか一項に記載の接合材を、被接合部材の間に介在させて、還元性ガス雰囲気下で、100℃〜500℃の範囲内の温度で加熱することにより、被接合部材の間に接合層を形成し、被接合部材同士を接合することを特徴とする、接合方法。
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