WO2023190591A1 - 銀ペースト及び複合体 - Google Patents

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paste
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翔 英
毅 倉知
香織 宮崎
耕平 丸尾
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パナソニックIpマネジメント株式会社
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/08Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools with one or more parts not made from powder
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H01L21/52Mounting semiconductor bodies in containers

Definitions

  • the present disclosure relates to a silver paste and a composite, and specifically relates to a silver paste containing silver particles, a silver compound, and an amine, and a composite produced using this silver paste.
  • Patent Document 1 discloses a sintered silver paste material having a structure in which approximately spherical silver particles and an organic silver complex are kneaded into a slurry.
  • Patent Document 2 describes a silver paste containing silver powder, fatty acid silver, and an aliphatic amine, wherein the silver powder contains 55% by volume or more and 95% by volume of ferrous silver particles having a particle size of 100 nm or more and less than 500 nm. Contains 5% to 40% by volume of ferric silver particles with a particle size of 50 nm or more and less than 100 nm, and 5% by volume or less of tertiary silver particles with a particle size of less than 50 nm.
  • a silver paste comprising a range is disclosed.
  • a method is used to increase the amount of silver compound added to the silver paste in order to increase the bonding strength between the semiconductor chip and the sintered body.
  • the amount of silver compound added to the silver paste is increased, the storage stability of the silver paste will decrease, and nanosilver (fine silver particles) will be generated in the silver paste over time. Since the dispersion state of nanosilver and silver particles is no longer uniform, there is a possibility that in actual use, the performance of mounted products manufactured by bonding chips using silver paste may vary.
  • the main objective of the present disclosure is to provide a silver paste with excellent storage stability and a composite made using this silver paste.
  • a silver paste according to one embodiment of the present disclosure contains silver particles (A), a silver compound (B), an amine (C), and a solvent (D).
  • the proportion of the silver particles (A) is 80% by mass or more and 92% by mass or less.
  • the proportion of the amine (C) is less than 6% by mass.
  • a composite according to one aspect of the present disclosure includes a base material, a body to be bonded, and a bonding layer interposed between the base material and the body to be bonded.
  • the bonding layer includes a sintered body of the silver paste.
  • the silver paste according to the present embodiment contains silver particles (A), a silver compound (B), an amine (C), and a solvent (D).
  • Silver paste (X) according to one aspect of the present embodiment is characterized by the following (i) and (ii).
  • the proportion of silver particles (A) is 80% by mass or more and 92% by mass or less.
  • the proportion of amine (C) is less than 6% by mass.
  • the silver paste (X) according to one aspect of the present embodiment has excellent storage stability.
  • the reason why the above problem can be solved by the silver paste (X) having (i) and (ii) is not necessarily clear, but it can be inferred as follows, for example.
  • By setting the silver particles (A) in (i) to 92% by mass or less it becomes possible to prepare the silver paste (X) in a paste form.
  • the silver paste (X) according to one aspect of the present embodiment further has the following characteristics (iii) to (v).
  • the proportion of the silver compound (B) is 0.5% by mass or more and 1.8% by mass or less.
  • the molar concentration of the silver compound (B) relative to the solvent (D) is 0.1 mol/L or more and 10 mol/L or less.
  • the molar ratio of the amino group of the amine (C) to the silver compound (B) (hereinafter also referred to as amino group/silver compound molar ratio) is more than 2.5.
  • black precipitation reactive silver generation of particles
  • the occurrence of this black precipitate is considered to be one of the causes of variations in performance of mounted products. It is thought that by reducing the occurrence of black precipitate, it is possible to suppress variations in the performance of mounted products. Further, by setting the silver particles (A) (i) to 80% by mass or more and the silver compound (B) (iii) to 0.5% by mass or more, the bonding strength becomes sufficient.
  • the silver compound (B) is 0.5% by mass or more and 1.8% by mass or less
  • the amine (C) is less than 6% by mass
  • the amino group/silver compound It has been found that when the molar ratio is greater than 2.5, the sintered body obtained after sintering the silver paste has a porous structure. It is believed that this structure provides high bonding strength even after reliability testing.
  • the silver paste (X) according to this embodiment contains silver particles (A), a silver compound (B), an amine (C), and a solvent (D).
  • Silver paste (X) may contain other components (E) in addition to the above components, within a range that does not impair the effects of this embodiment. Each component will be explained below.
  • Silver particles (A) are metal particles containing silver as a main component, and silver is exposed on the surface of the particles.
  • Main component refers to the component having the largest content in the silver particles (A), and refers to a component whose content is usually 50% by mass or more, preferably 70% by mass or more.
  • Silver particles (A) can be synthesized, for example, by a method such as a plasma method.
  • the average particle size of the silver particles (A) is preferably 50 nm or more and 500 nm or less.
  • the average particle size of the silver particles (A) is less than 50 nm, the surface area increases and the activity of the silver particles (A) increases, so that sintering progresses even at room temperature and the silver paste (X) is kept stable. It may become difficult.
  • the average particle size of the silver particles (A) exceeds 500 nm, the surface area of the silver particles (A) becomes small, and the progress of sintering may be slowed down.
  • the average particle size of the silver particles (A) refers to the particle size calculated using a SEM (scanning electron microscope) photograph.
  • the average particle diameter of the silver particles (A) is more preferably 100 nm or more and 400 nm or less.
  • the surface of the silver particles (A) may be coated with at least one of an organic acid and an alkylamine.
  • organic acids include ascorbic acid, formic acid, tartaric acid, citric acid, malic acid, lactic acid, succinic acid, butyric acid, fumaric acid, propionic acid, and the like.
  • the number of carbon atoms in the alkyl group of the alkylamine to be surface coated is preferably 3 or more and 20 or less. When the number of carbon atoms is more than 20, sintering of the silver particles (A) may be inhibited due to steric hindrance of the alkylamine, leading to a decrease in conductivity and bonding strength.
  • the proportion of the silver particles (A) is 80% by mass or more and 92% by mass or less with respect to the silver paste (X). If the proportion of silver particles (A) is less than 80% by mass, there will be fewer points of contact between silver particles or between silver particles and nanosilver during the sintering process, so sintering between silver particles and nanosilver will be difficult. As a result, the bonding strength between the sintered body and the chip becomes insufficient. When the proportion of silver particles (A) exceeds 92% by mass, other constituent materials cannot wet the surface of silver particles (A), making it difficult to prepare a paste.
  • the silver compound (B) is a compound containing silver, and usually a compound containing silver ions. Silver particles (A) are not included in the silver compound (B).
  • Examples of the silver compound (B) include silver salts and silver complexes.
  • silver salts include silver acetate, silver propionate, silver myristate, silver butyrate, silver neodecanoate, silver oleate, silver linoleate, silver caprylate, silver caprate, silver 2-methylpropanoate, 2- Monocarboxylic acid silver salts such as silver methylbutanoate, silver 2-ethylbutanoate, silver 2-ethylhexanoate, Examples include carboxylic acid silver salts such as dicarboxylic acid silver salts such as silver oxalate.
  • Examples of the silver complex include silver ethylenediamine complex.
  • the silver compound (B) preferably contains a silver salt, more preferably contains a silver carboxylate salt, further preferably contains at least one of a silver monocarboxylate salt and a silver dicarboxylic acid salt, and a silver compound (B) preferably contains a silver salt of a monocarboxylic acid. It is particularly preferred to contain an acid silver salt, most preferably silver acetate. When the silver compound (B) contains the above salt, storage stability can be further improved.
  • the proportion of the silver compound (B) is preferably 0.5% by mass or more and 1.8% by mass or less with respect to the silver paste (X). If the proportion of the silver compound (B) is less than 0.5% by mass, the amount of nanosilver generated in the sintering process will be small, so the nanosilver necessary to connect the silver particles (A) will be generated. As a result, the bonding strength between the sintered body and the chip may become insufficient. When the proportion of the silver compound (B) exceeds 1.8% by mass, silver precipitates in the silver paste (X) and nanosilver is generated in excess with respect to the silver particles (A). ) may be difficult to maintain stably within a range suitable for printing.
  • the proportion of the silver compound (B) is preferably 0.5% by mass or more and 1.5% by mass or less, more preferably 0.8% by mass or more and 1.3% by mass or less.
  • the molar concentration of the silver compound (B) with respect to the solvent (D) is preferably 0.1 mol/L or more and 10 mol/L or less. If the molar concentration of the silver compound (B) with respect to the solvent (D) is less than 0.1 mol/L, the complex formation of the silver compound (B) will be insufficient and the bond between the silver particles (A) and nanosilver will be impaired. It is thought that there may be cases where the bonding strength does not progress and the bonding strength decreases.
  • the silver complex produced from the silver compound (B) has high activity, if the molar concentration of the silver compound (B) to the solvent (D) exceeds 10 mol/L, the silver complex produced from the silver compound (B) The complexes may react with each other to precipitate silver, and this silver precipitation reduces the viscosity of the silver paste (X), resulting in poor printability of the paste.
  • amine (C) for example, Primary amines such as 2-ethylhexylamine, hexylamine, heptylamine, octylamine, nonylamine, aminodecane, dodecylamine, tetradecylamine, cyclohexylamine, aniline, etc.
  • the amine (C) is preferably at least one of a monoamine and an amino alcohol, more preferably an amino alcohol, and even more preferably 1-amino-2-propanol.
  • a monoamine and an amino alcohol more preferably an amino alcohol, and even more preferably 1-amino-2-propanol.
  • the proportion of the amine (C) is less than 6% by mass relative to the silver paste (X). If the proportion of amine (C) is 6% by mass or more, nanosilver is excessively generated in the silver paste, making it difficult to stably maintain the viscosity of the silver paste within a range suitable for printing.
  • the proportion of amine (C) is preferably 5% by mass or less, more preferably 4% by mass or less, and even more preferably 3% by mass or less.
  • the lower limit of the proportion of amine (C) is not particularly limited, but is, for example, 0.1% by mass or more, preferably 1% by mass or more, and more preferably 2% by mass or more.
  • This molar ratio is preferably 3 or more, more preferably 4 or more, and even more preferably 5 or more.
  • the upper limit of this molar ratio is not particularly limited, but is, for example, 30 or less, preferably 20 or less, and more preferably 15 or less.
  • the solvent (D) is not particularly limited as long as it can prepare a paste-like silver paste (X) by being mixed with constituent materials such as the silver particles (A).
  • the boiling point of the solvent (D) is preferably 180°C or higher. In this case, by setting the boiling point of the solvent (D) to 180°C or higher, fewer components will volatilize at room temperature, making it possible to suppress changes in the solid content of the paste, and as a result, the silver paste (X) The viscosity during printing can be kept stable.
  • Examples of the solvent (D) include alcohol solvents, glycol solvents, glycol ether solvents, acetate solvents, ketone solvents, hydrocarbon solvents, and mixed solvents thereof.
  • alcoholic solvents examples include isopropyl alcohol, butanol, heptanol, octanol, decanol, lauryl alcohol, tetradecyl alcohol, cetyl alcohol, terpineol, dihydroterpineol, isobornylcyclohexanol, and the like.
  • glycol solvents examples include 2-ethyl-1,3-hexanediol, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, and 2,3-butanediol.
  • glycol ether solvents include ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, propylene glycol monomethyl ether, and diethylene glycol monomethyl ether.
  • glycol ether solvents include propylene glycol monomethyl ether.
  • acetate-based solvents examples include butyl carbitol acetate.
  • ketone solvents examples include methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and isophorone.
  • the proportion of the solvent (D) is preferably 16% by mass or less based on the silver paste (X). In this case, the viscosity of the silver paste (X) can be stably maintained at a viscosity more suitable for printing.
  • the proportion of the solvent (D) is more preferably 12% by mass or less, even more preferably 9% by mass or less, and particularly preferably 7% by mass or less.
  • the lower limit of the proportion of the solvent (D) is not particularly limited, but is, for example, 0.1% by mass or more, preferably 1% by mass or more.
  • Other components (E) include, for example, dispersants, epoxy resins, silicone resins, acrylic resins, and mixtures thereof.
  • the proportion of other components (E) is preferably 3% by mass or less with respect to silver paste (X).
  • Silver paste (X) is obtained, for example, by mixing amine (C), solvent (D), and other components (E) as necessary, and dissolving silver compound (B) in the resulting mixture. It can be prepared by kneading a mixed solution and silver particles (A).
  • the method of kneading the silver particles (A) and the mixed solution is not particularly limited, and a general kneading method can be used. For example, after stirring using a planetary planetary stirrer, a rotation-revolution mixer, etc., Examples include a method of kneading with a roll mill or the like.
  • the composite according to this embodiment (hereinafter also referred to as composite (Y)) includes a base material, an object to be joined, and a joining layer.
  • the bonding layer is interposed between the base material and the object to be bonded.
  • the bonding layer includes a sintered body of the above-mentioned silver paste (X). Since the composite (Y) is produced using the above-mentioned silver paste (X), high bonding strength can be obtained even after the reliability test.
  • the base material is, for example, a wiring board, and more specifically includes, for example, a mother board, a package board, an interposer board, etc.
  • the object to be bonded is, for example, a semiconductor chip, and more specifically, a bare chip (die) or the like.
  • the composite (Y) can be produced by, for example, printing silver paste (X) on a base material, prebaking to evaporate the solvent, and attaching an object such as a semiconductor chip to the printed silver paste (X). It can be produced by stacking (chip mounting) and sintering.
  • the method of chip mounting is not particularly limited, and may be performed with or without pressure, or with the addition of ultrasonic vibration.
  • the method of the sintering process is not particularly limited either, and it may be a continuous process or a batch process, and a general method can be used.
  • the heating temperature profile of the sintering process includes, for example, (a) raising the temperature from room temperature to 250 °C at a rate of about 3.5 °C/min, and then holding at 250 °C for 1 hour; (b) heating from room temperature to 250 °C; Examples include raising the temperature to about 350°C at a temperature increase rate of about 1.5°C/sec, then holding the temperature at about 350°C for 30 seconds, and then cooling at a temperature decreasing rate of 2°C/sec or more.
  • the silver paste (X) according to the first aspect contains silver particles (A), a silver compound (B), an amine (C), and a solvent (D), and the proportion of the silver particles (A) is is 80% by mass or more and 92% by mass or less, and the proportion of the amine (C) is less than 6% by mass.
  • the storage stability of the silver paste (X) can be made excellent.
  • the proportion of the silver compound (B) is 0.5% by mass or more and 1.8% by mass or less, and the silver compound (B)
  • the molar concentration with respect to the solvent (D) is 0.1 mol/L or more and 10 mol/L or less, and the molar ratio of the amino group possessed by the amine (C) to the silver compound (B) is more than 2.5. .
  • the silver compound (B) contains a carboxylic acid silver salt.
  • the storage stability of the silver paste (X) can be further improved.
  • the storage stability of the silver paste (X) can be further improved.
  • the sixth aspect by manufacturing using the silver paste (X), it is possible to obtain a composite (Y) with excellent bonding strength even after a reliability test.
  • Silver paste (X) was prepared using silver particles (A), silver compound (B), amine (C), and solvent (D) in amounts shown in Table 1 below.
  • Silver particles (A) were manufactured by the following wet method.
  • a silver amine complex solution was prepared by mixing 3-methoxypropylamine (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 27 g) and silver oxalate (manufactured by Toyo Kagaku Kogyo Co., Ltd., 9 g).
  • 2 mol equivalent of hydrazine acetate manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
  • was added to the silver amine complex was heated to 35°C to react, resulting in a suspension in which silver particles were precipitated. Ta.
  • the suspension was washed, subjected to solid recovery operations such as centrifugation, and dried to obtain silver particles.
  • Silver acetate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used as the silver compound (B).
  • amine (C) 1-amino-2-propanol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used.
  • solvent (D) 2-ethyl-1,3-hexanediol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used.
  • silver compound solution ( ⁇ ) a silver compound solution (hereinafter also referred to as silver compound solution ( ⁇ )).
  • a silver paste (X) was prepared by kneading this silver compound solution ( ⁇ ) and silver particles (A).
  • a silver-plated DBC (Direct Bonded Copper) substrate (manufactured by Hirai Seimitsu Kogyo Co., Ltd.) was prepared as a base material.
  • the silver paste (X) prepared above was printed on the surface of the base material by a screen printing method so as to have dimensions (2.7 mm x 2.7 mm) and thickness (0.9 mm) in plan view.
  • the base material printed with this silver paste (X) was placed on a hot plate and heated at 40° C. for 15 minutes to perform prebaking.
  • a 2.5 mm silver-plated Cu chip (manufactured by Hirai Seimitsu Kogyo Co., Ltd.) was prepared as the object to be bonded, and the substrate and silver paste (X) were stacked on top of the prebaked silver paste (X).
  • a laminate consisting of X) and the object to be joined was produced. This laminate was held at 250° C. for 60 minutes to sinter the silver paste (X) to form a bonding layer, thereby producing a composite (Y) including a base material, a bonding layer, and an object to be bonded.
  • the silver pastes of Experimental Examples 1 to 10 have excellent storage stability. It also has high bonding strength even after reliability tests.
  • the storage stability of the silver compound was evaluated as "B", and the bonding strength after the reliability test was less than 40 MPa.
  • the silver paste of Experimental Example 13 had a storage stability of "B”.
  • the silver paste of Experimental Example 15 had a storage stability of "C”. Since the silver paste of Experimental Example 17 could not be prepared into a paste form, evaluations (2) to (4) were not conducted.

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Abstract

本開示の課題は、保存安定性に優れる銀ペーストを提供することである。銀ペーストは、銀粒子(A)と、銀化合物(B)と、アミン(C)と、溶媒(D)とを含有する。前記銀粒子(A)の割合が、80質量%以上92質量%以下である。前記アミン(C)の割合が、6質量%未満である。

Description

銀ペースト及び複合体
 本開示は、銀ペースト及び複合体に関し、詳しくは、銀粒子と銀化合物とアミンとを含有する銀ペースト、及びこの銀ペーストを用いて作製される複合体に関する。
 基板に半導体チップを実装する場合、半導体チップと基板との間に金属粉ペーストを介在させた状態で、金属粉ペーストを焼結させることで、接合層を作成し、この接合層によって半導体チップを基板に固定する、一般にダイボンディングと呼ばれる技術が行われている。
 ダイボンディングに用いる銀ペーストとして、種々のものが検討されている。特許文献1には、略球状銀粒子と有機銀錯体とをスラリー状に混錬した構成を有する焼結銀ペースト材料が開示されている。特許文献2には、銀粉と、脂肪酸銀と、脂肪族アミンとを含む銀ペーストであって、前記銀粉は、粒径が100nm以上500nm未満である第1銀粒子を55体積%以上95体積%以下の範囲で含み、粒径が50nm以上100nm未満である第2銀粒子を5体積%以上40体積%以下の範囲で含み、粒径が50nm未満である第3銀粒子を5体積%以下の範囲で含む銀ペーストが開示されている。
 このようなダイボンディング用途の銀ペーストにおいて、半導体チップと焼結体との接合強度を上げるために、銀ペースト中の銀化合物の添加量を上げる方法が用いられている。しかし、銀ペースト中の銀化合物の添加量を上げると、銀ペーストの保存安定性が低下し、経時的に、銀ペースト中にナノ銀(微粒子銀)が発生することが想定され、結果として、ナノ銀と銀粒子との分散状態が均一でなくなるため、実使用において、銀ペーストを用いてチップを接合して作製される実装製品の性能にバラつきを引き起こす可能性があった。
特開2011-249257号公報 特開2020-164974号公報
 本開示の主な課題は、保存安定性に優れる銀ペースト、及びこの銀ペーストを用いて作製される複合体を提供することである。
 本開示の一態様に係る銀ペーストは、銀粒子(A)と、銀化合物(B)と、アミン(C)と、溶媒(D)とを含有する。前記銀粒子(A)の割合が、80質量%以上92質量%以下である。前記アミン(C)の割合が、6質量%未満である。
 本開示の一態様に係る複合体は、基材と、被接合体と、前記基材と前記被接合体との間に介在する接合層とを備える。前記接合層が、前記銀ペーストの焼結体を含む。
1.概要
 本実施形態に係る銀ペースト(以下、銀ペースト(X)ともいう)は、銀粒子(A)と、銀化合物(B)と、アミン(C)と、溶媒(D)とを含有する。
 発明者らは、前述した課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、銀ペースト(X)の各成分の量及び量比と、銀ペースト(X)及びこれを用いて作製される複合体の性能との間に関連があることを見出し、本開示を完成させた。
 本実施形態の一態様に係る銀ペースト(X)は、以下の(i)及び(ii)を特徴とする。
 (i)銀粒子(A)の割合が、80質量%以上92質量%以下である。
 (ii)アミン(C)の割合が、6質量%未満である。
 本実施形態の一態様に係る銀ペースト(X)は、保存安定性に優れている。銀ペースト(X)が(i)及び(ii)を具備することで、前記課題を解決することができる理由は、必ずしも明確ではないが、例えば以下のように推察することができる。(i)の銀粒子(A)を92質量%以下とすることで、銀ペースト(X)をペースト状に調製することが可能となる。また、(ii)のアミン(C)を6質量%未満とすることで、銀ペースト(X)の粘度を適度な範囲に保つことができ、保存安定性が向上する。
 また、本実施形態の一態様に係る銀ペースト(X)は、銀ペースト(X)を用いて作製された実装製品の性能のバラつきを抑制することができる。さらに、実装製品において、信頼性試験後でも高い接合強度を得ることができる。
 本実施形態の一態様に係る銀ペースト(X)は、さらに以下の(iii)~(v)の特徴を有することが好ましい。
 (iii)銀化合物(B)の割合が、0.5質量%以上1.8質量%以下である。
 (iv)銀化合物(B)の溶媒(D)に対するモル濃度が、0.1mol/L以上10mol/L以下である。
 (v)銀化合物(B)に対するアミン(C)が有するアミノ基のモル比(以下、アミノ基/銀化合物モル比ともいう)が2.5超である。
 このように、さらに(iii)の銀化合物(B)を1.8質量%以下とし、(v)のアミノ基/銀化合物モル比を2.5超とすることで、黒色沈殿(反応性銀粒子)の発生が低減される。この黒色沈殿の発生は、実装製品の性能のバラつきの一つの原因と考えられる。黒色沈殿の発生を低減することで、実装製品の性能のバラつきを抑制できると考えられる。また、(i)の銀粒子(A)を80質量%以上とし、(iii)の銀化合物(B)を0.5質量%以上とすることで、接合強度が十分となる。これに加えて、(iii)の銀化合物(B)を0.5質量%以上1.8質量%以下、(ii)アミン(C)を6質量%未満、かつ(v)アミノ基/銀化合物モル比を2.5超とすると、銀ペースト焼結後に得られる焼結体がポーラスな構造となることが分かった。この構造によって、信頼性試験後においても、高い接合強度が得られると考えられる。
 以上のように、本開示によれば、保存安定性に優れる銀ペースト、及びこの銀ペーストを用いて作製される複合体を提供することができる。
2.詳細
<銀ペースト>
 本実施形態に係る銀ペースト(X)は、銀粒子(A)と、銀化合物(B)と、アミン(C)と、溶媒(D)とを含有する。銀ペースト(X)は、本実施形態の効果を損なわない範囲において、前記成分以外に、その他の成分(E)を含有していてもよい。
 以下、各成分について説明する。
[銀粒子(A)]
 銀粒子(A)は、銀を主成分とする金属粒子であり、粒子表面に銀が露出しているものである。「主成分」とは、銀粒子(A)中、最も含有量が大きい成分をいい、含有量が通常50質量%以上、好ましくは70質量%以上である成分をいう。銀粒子(A)は、例えばプラズマ法等の方法により合成することができる。
 銀粒子(A)の平均粒径は、50nm以上500nm以下であることが好ましい。銀粒子(A)の平均粒径が50nm未満である場合、表面積が増大して銀粒子(A)の活性が上がることにより、室温でも焼結が進行し、銀ペースト(X)を安定に保つことが難しくなる場合がある。銀粒子(A)の平均粒径が500nmを超えると、銀粒子(A)の表面積が小さくなり、焼結の進行が遅くなる場合がある。銀粒子(A)の平均粒径は、SEM(走査型電子顕微鏡)写真を用いて算出される粒子径をいう。銀粒子(A)の平均粒径は、100nm以上400nm以下であることがより好ましい。
 銀粒子(A)の表面は、有機酸及びアルキルアミンの少なくとも一方で被覆されていてもよい。有機酸としては、例えば、アスコルビン酸、ギ酸、酒石酸、クエン酸、リンゴ酸、乳酸、コハク酸、酪酸、フマル酸、プロピオン酸等が挙げられる。表面被覆するアルキルアミンのアルキル基の炭素数は、3以上20以下であることが好ましい。炭素数が20超である場合、アルキルアミンの立体障害により銀粒子(A)の焼結が阻害され、導電性及び接合強度の低下が引き起こされるおそれがある。
 銀粒子(A)の割合は、銀ペースト(X)に対して、80質量%以上92質量%以下であることが重要である。銀粒子(A)の割合が80質量%未満であると、焼結プロセス中における銀粒子同士又は銀粒子とナノ銀との接点が少なくなるため、銀粒子とナノ銀との間の焼結が進まなくなり、焼結体とチップとの間の接合強度が不充分になる。銀粒子(A)の割合が92質量%を超えると、他の構成材料が銀粒子(A)の表面を濡らすことができなくなるため、ペーストの作製が困難になる。
[銀化合物(B)]
 銀化合物(B)は、銀を含む化合物であり、通常、銀イオンを含む化合物である。銀粒子(A)は、銀化合物(B)には含まれない。
 銀化合物(B)としては、例えば銀塩、銀錯体等が挙げられる。
 銀塩としては、例えば、酢酸銀、プロピオン酸銀、ミリスチン酸銀、酪酸銀、ネオデカン酸銀、オレイン酸銀、リノール酸銀、カプリル酸銀、カプリン酸銀、2-メチルプロパン酸銀、2-メチルブタン酸銀、2-エチルブタン酸銀、2-エチルヘキサン酸銀等のモノカルボン酸銀塩、
 シュウ酸銀等のジカルボン酸銀塩などのカルボン酸銀塩などが挙げられる。
 銀錯体としては、銀エチレンジアミン錯体等が挙げられる。
 銀化合物(B)は、銀塩を含むことが好ましく、カルボン酸銀塩を含むことがより好ましく、モノカルボン酸銀塩及びジカルボン酸銀塩のうちの少なくとも一方を含むことがさらに好ましく、モノカルボン酸銀塩を含むことが特に好ましく、酢酸銀を含むことが最も好ましい。銀化合物(B)が前記塩を含むことで、保存安定性をより向上させることができる。
 銀化合物(B)の割合は、銀ペースト(X)に対して、0.5質量%以上1.8質量%以下であることが好ましい。銀化合物(B)の割合が0.5質量%未満であると、焼結プロセスでのナノ銀の発生量が少なくなるため、銀粒子(A)間を繋ぐために必要なナノ銀を発生させることができなくなり、焼結体とチップ間の接合強度が不充分になる場合がある。銀化合物(B)の割合が1.8質量%を超えると、銀ペースト(X)中で銀が析出し、ナノ銀が銀粒子(A)に対して過剰に発生するため、銀ペースト(X)の粘度を印刷に適した範囲に安定に保つことが困難になる場合がある。銀化合物(B)の割合は、0.5質量%以上1.5質量%以下であることが好ましく、0.8質量%以上1.3質量%以下であることがより好ましい。
 また、銀化合物(B)の溶媒(D)に対するモル濃度は、0.1mol/L以上10mol/L以下であることが好ましい。銀化合物(B)の溶媒(D)に対するモル濃度が、0.1mol/L未満であると、銀化合物(B)の錯形成が不充分となって、銀粒子(A)とナノ銀の結合が進まず、接合強度が低くなる場合があると考えられる。また、銀化合物(B)から生成される銀錯体は活性が高いため、銀化合物(B)の溶媒(D)に対するモル濃度が10mol/L超過になると、銀化合物(B)から生成された銀錯体同士が反応して、銀が析出する場合があり、この銀の析出により、銀ペースト(X)の粘度が低下するため、ペーストの印刷性が悪くなる。
[アミン(C)]
 アミン(C)は、アミノ基(-NR、R=H又は1価の炭化水素基)を有する化合物である。アミン(C)は、アミノ基を1個又は2個以上有していてもよい。
 アミン(C)としては、例えば、
 2-エチルヘキシルアミン、ヘキシルアミン、へプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、アミノデカン、ドデシルアミン、テトラデシルアミン、シクロヘキシルアミン、アニリン等の第1級アミン、
 ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ジヘキシルアミン等の第2級アミン、
 トリプロピルアミン、トリブチルアミン等の第3級アミンなどのモノアミン、
 ジメチルアミノプロピルアミン、ジエチルアミノプロピルアミン、ジブチルアミノプロピルアミン等のジアミン、
 3-アミノ-1-プロパノール、1-アミノ-2-プロパノール、N-メチルエタノールアミン、3-(ジメチルアミノ)-1-プロパノール、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、N-メチルジエタノールアミン、N-エチルジエタノールアミン等のアミノアルコール、
 アンモニアなどが挙げられる。
 アミン(C)としては、モノアミン及びアミノアルコールのうちの少なくとも一方が好ましく、アミノアルコールがより好ましく、1-アミノ-2-プロパノールがさらに好ましい。アミン(C)が前記化合物を含むことで、保存安定性をより向上させることができる。
 アミン(C)の割合は、銀ペースト(X)に対して、6質量%未満であることが重要である。アミン(C)の割合が6質量%以上であると、銀ペースト中でナノ銀が過剰に発生するため、銀ペーストの粘度を印刷に適した範囲に安定に保つことが困難になる。アミン(C)の割合は、5質量%以下であることが好ましく、4質量%以下であることがより好ましく、3質量%以下であることがさらに好ましい。アミン(C)の割合の下限は特に限定されないが、例えば0.1質量%以上であり、1質量%以上であることが好ましく、2質量%以上であることがより好ましい。
 銀化合物(B)に対するアミン(C)が有するアミノ基のモル比(アミノ基/銀化合物モル比)は2.5超であることが好ましい。「アミノ基/銀化合物モル比」とは、銀化合物(B)のモル数に対するアミン(C)が有するアミノ基のモル数の比の値を意味する。アミノ基/銀化合物モル比が2.5以下であると、銀化合物(B)の溶液の冷蔵保存中に黒色沈殿(反応性銀粒子)が発生する場合があることから、同様に、銀ペーストの保存中にも黒色沈殿が発生すると考えられる。それにより、実使用における実装製品の性能のバラつきが生じると考えられる。このモル比は、3以上であることが好ましく、4以上であることがより好ましく、5以上であることがさらに好ましい。このモル比の上限は特に限定されないが、例えば30以下であり、20以下であることが好ましく、15以下であることがさらに好ましい。
[溶媒(D)]
 溶媒(D)としては、銀粒子(A)等の構成材料と混合されることで、ペースト状の銀ペースト(X)を調製できるものであれば特に限定されない。溶媒(D)の沸点は、180℃以上であることが好ましい。この場合、溶媒(D)の沸点を180℃以上にすることにより、常温で揮発する成分が少なくなるため、ペーストの固形分率変化を抑えることが可能になり、結果として、銀ペースト(X)の印刷時の粘度を安定に保つことができる。
 溶媒(D)としては、例えばアルコール系溶媒、グリコール系溶媒、グリコールエーテル系溶媒、アセテート系溶媒、ケトン系溶媒、炭化水素系溶媒、これらの混合溶媒等が挙げられる。
 アルコール系溶媒としては、例えば、イソプロピルアルコール、ブタノール、ヘプタノール、オクタノール、デカノール 、ラウリルアルコール、テトラデシルアルコール、セチルアルコール、テルピネオール、ジヒドロテルピネオール、イソボルニルシクロヘキサノール等が挙げられる。
 グリコール系溶媒としては、例えば、2-エチル-1,3-ヘキサンジオール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、2,3-ブタンジオール等が挙げられる。
 グリコールエーテル系溶媒としては、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル等が挙げられる。
 アセテート系溶媒としては、例えばブチルカルビトールアセテート等が挙げられる。
 ケトン系溶媒としては、例えばメチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、イソホロン等が挙げられる。
 炭化水素系溶媒としては、例えばデカン、ドデカン、テトラデカン等が挙げられる。
 溶媒(D)の割合としては、銀ペースト(X)に対して、16質量%以下であることが好ましい。この場合、銀ペースト(X)の粘度をより印刷に適した粘度に安定に保つことができる。溶媒(D)の割合は、12質量%以下であることがより好ましく、9質量%以下であることがさらに好ましく、7質量%以下であることが特に好ましい。溶媒(D)の割合の下限は特に限定されないが、例えば0.1質量%以上であり、1質量%以上であることが好ましい。
[その他の成分(E)]
 その他の成分(E)としては、例えば、分散剤、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂及びこれらの混合物などが挙げられる。銀ペースト(X)がその他の成分(E)を含有する場合、その他の成分(E)の割合は、銀ペースト(X)に対して、3質量%以下であることが好ましい。
<銀ペーストの調製方法>
 銀ペースト(X)は、例えばアミン(C)と溶媒(D)と必要に応じてその他の成分(E)とを混合し、得られた混合物に銀化合物(B)を溶解させて得られた混合溶液と、銀粒子(A)とを混錬することにより、調製することができる。銀粒子(A)と混合溶液との混錬方法は特に限定されず、一般的な混錬手法を用いることができ、例えばプラネタリー遊星撹拌機、自転公転ミキサー等を用いて撹拌した後、3本ロールミル等で混錬する方法などが挙げられる。
<複合体>
 本実施形態に係る複合体(以下、複合体(Y)ともいう)は、基材と、被接合体と、接合層とを備える。接合層は、基材と被接合体との間に介在する。接合層は、上述の銀ペースト(X)の焼結体を含む。複合体(Y)は、上述の銀ペースト(X)を用いて作製されるので、信頼性試験後においても、高い接合強度が得られる。
 基材は、例えば配線板等であり、より具体的には、例えばマザー基板、パッケージ基板、インターポーザー基板等が挙げられる。被接合体は、例えば半導体チップ等であり、より具体的には、ベアチップ(ダイ)等が挙げられる。
<複合体の作製方法>
 複合体(Y)は、例えば、基材に銀ペースト(X)を印刷等した後、プリベークを行って溶媒を揮発させ、印刷された銀ペースト(X)に、半導体チップ等の被接合体を重ねて(チップマウント)から、焼結を行うことにより作製することができる。
 チップマウントの方法は、特に限定されず、加圧でも無加圧でもよく、超音波振動を加えながら行ってもよい。
 焼結プロセスの手法も特に限定されず、連続プロセスでもバッチプロセスでもよく、一般的な手法を用いることができる。焼結プロセスの加熱温度プロファイルとしては、例えば、(a)室温から昇温速度約3.5℃/分で250℃まで上昇させ、続いて、250℃で1時間保持する、(b)室温から昇温速度約1.5℃/秒で約350℃まで上昇させ、続いて、約350℃で30秒間保持した後、2℃/秒以上の降温速度で冷却を行う、などが挙げられる。
(まとめ)
 上述の実施形態から明らかなように、本開示は、下記の態様を含む。
 第1の態様に係る銀ペースト(X)は、銀粒子(A)と、銀化合物(B)と、アミン(C)と、溶媒(D)とを含有し、前記銀粒子(A)の割合が、80質量%以上92質量%以下であり、前記アミン(C)の割合が、6質量%未満である。
 第1の態様によれば、銀ペースト(X)の保存安定性を優れたものとすることができる。
 第2の態様に係る銀ペースト(X)では、第1の態様において、前記銀化合物(B)の割合が、0.5質量%以上1.8質量%以下であり、前記銀化合物(B)の前記溶媒(D)に対するモル濃度が、0.1mol/L以上10mol/L以下であり、前記銀化合物(B)に対する前記アミン(C)が有するアミノ基のモル比が2.5超である。
 第2の態様によれば、信頼性試験後においても、高い接合強度が得られる。
 第3の態様に係る銀ペースト(X)では、第1又は第2の態様において、前記銀化合物(B)が、カルボン酸銀塩を含む。
 第3の態様によれば、銀ペースト(X)の保存安定性をより向上させることができる。
 第4の態様に係る銀ペースト(X)では、第1から第3のいずれか一の態様において、前記アミン(C)が、モノアミン及びアミノアルコールのうちの少なくとも一方を含む。
 第4の態様によれば、銀ペースト(X)の保存安定性をより向上させることができる。
 第5の態様に係る銀ペースト(X)では、第1から第4のいずれか一の態様において、前記溶媒(D)の沸点が、180℃以上である。
 第5の態様によれば、銀ペースト(X)の印刷時の粘度を安定に保つことができる。
 本開示の第6の態様に係る複合体(Y)は、基材と、被接合体と、前記基材と前記被接合体との間に介在する接合層とを備え、前記接合層が、第1から第5のいずれか一の態様の銀ペースト(X)の焼結体を含む。
 第6の態様によれば、前記銀ペースト(X)を用いて作製することにより、信頼性試験後においても、接合強度に優れた複合体(Y)を得ることができる。
 以下、本開示を実施例によってさらに詳しく説明するが、本開示はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
1.銀ペーストの調製
 下記表1に示す量の銀粒子(A)、銀化合物(B)、アミン(C)及び溶媒(D)を用いて銀ペースト(X)を調製した。
 銀粒子(A)は、以下の湿式法により製造した。
 3-メトキシプロピルアミン(富士フイルム和光純薬株式会社製、27g)とシュウ酸銀(東洋化学工業株式会社製、9g)との混合により銀アミン錯体溶液を作製した。得られた溶液に、銀アミン錯体に対して2mol当量の酢酸ヒドラジン(富士フイルム和光純薬株式会社製)を加え、35℃に加温し反応させ、銀粒子が析出した懸濁液が得られた。次いで、懸濁液を洗浄し、遠心分離等の固体回収操作を行い、乾燥させることで、銀粒子を得た。
 得られた銀粒子をSEM(JEOL製 JSM-7800F)により倍率30,000倍で観察し、SEM画像を取得した。500個の凝集体のSEM画像中において、画像処理ソフト(Image-J)を用いて、各銀粒子の面積を測定し、得られた面積から銀粒子の円径を算出した。平均粒子径を算出したところ、200nmであった。
 銀化合物(B)として、酢酸銀(富士フイルム和光純薬株式会社製)を用いた。アミン(C)として、1-アミノ-2-プロパノール(富士フイルム和光純薬株式会社製)を用いた。溶媒(D)として、2-エチル-1,3-ヘキサンジオール(富士フイルム和光純薬株式会社製)を用いた。
 まず、アミン(C)と溶媒(D)とを混合し、得られた混合物に、銀化合物(B)を溶解させて、銀化合物溶液(以下、銀化合物溶液(α)ともいう)を得た。この銀化合物溶液(α)と、銀粒子(A)とを混錬することにより、銀ペースト(X)を調製した。
2.複合体の作製
 基材として銀メッキを施したDBC(Direct Bonded Copper)基板(平井精密工業株式会社製)を用意した。基材の表面に、前記調製した銀ペースト(X)を、スクリーン印刷法により、平面視寸法(2.7mm×2.7mm)、厚み(0.9mm)になるように印刷した。この銀ペースト(X)を印刷した基材を、ホットプレート上に配置し、40℃で15分間加熱し、プリベークを行った。被接合体として、2.5mm銀メッキCuチップ(平井精密工業株式会社製)を用意し、プリベークを行なった銀ペースト(X)の上に被接合体を重ねることで、基材、銀ペースト(X)及び被接合体からなる積層体を作製した。この積層体を、250℃で60分間保持して、銀ペースト(X)を焼結させて接合層を形成させ、基材、接合層及び被接合体を備える複合体(Y)を作製した。
3.評価
 前記調製した銀ペースト(X)の評価として、(1)ペースト化評価、(2)銀ペーストの保存安定性評価、(3)銀化合物溶液の保存安定性評価、及び(4)熱衝撃試験(シェア強度)評価を行った。
(1)ペースト化評価
 ペースト化評価は、銀ペースト(X)をペースト状に調製できた場合は「A」と、ペースト状に調製できず、粒子状のものが目視で確認できた場合は「B」と評価した。
(2)銀ペーストの保存安定性
 前記調製した銀ペースト(X)を、室温下で1週間放置した。放置前後の銀ペーストの粘度を測定し、放置前後の粘度変化率を算出した。粘度は、東機産業株式会社製の「RC-215U/RE-215U(ローター:SPP)」を用いて測定した。
 銀ペーストの室温保存安定性は、放置前後の粘度変化率が、±50%以内である場合は「A」と、±50%の範囲外である場合は「B」と評価した。実験例15では、3日放置後に粘度変化率が±50%を超えたため、室温保存安定性を「C」と評価した。
(3)銀化合物溶液の保存安定性
 銀ペーストの調製中に得られた銀化合物溶液(α)を、冷蔵(4℃)下で1週間放置した。放置後の銀化合物溶液における黒色沈殿の有無を目視で確認した、銀化合物溶液の冷蔵保存安定性は、黒色沈殿が認められない場合は「A」と、黒色沈殿が認められた場合は「B」と評価した。
(4)熱衝撃試験(シェア強度)評価
 前記作製した複合体(Y)を、-40℃の雰囲気に5分間曝露し、続いて複合体(Y)を175℃の雰囲気に5分間曝露することを1サイクルとする処理を、500サイクル繰り返した。この試験後の複合体(Y)について、被複合体(銀メッキCuチップ)と基材(銀メッキDBC基板)との間のシェア強度(MPa)を、4000万能型ボンドテスター(Nordson社製)を用いて測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1の結果から分かるように、実験例1~10の銀ペーストは、保存安定性に優れている。また信頼性試験後でも高い接合強度を有する。実験例11,12,14,16,18の銀ペーストは銀化合物の保存安定性の評価が「B」であり、信頼性試験後の接合強度が40MPaに満たなかった。実験例13の銀ペーストは銀ペーストの保存安定性が「B」であった。実験例15の銀ペーストは銀ペーストの保存安定性が「C」であった。実験例17の銀ペーストは、ペースト状に調製することができなかったので、(2)~(4)の評価を行っていない。

Claims (6)

  1.  銀粒子(A)と、銀化合物(B)と、アミン(C)と、溶媒(D)とを含有し、
     前記銀粒子(A)の割合が、80質量%以上92質量%以下であり、
     前記アミン(C)の割合が、6質量%未満である、
     銀ペースト。
  2.  前記銀化合物(B)の割合が、0.5質量%以上1.8質量%以下であり、
     前記銀化合物(B)の前記溶媒(D)に対するモル濃度が、0.1mol/L以上10mol/L以下であり、
     前記銀化合物(B)に対する前記アミン(C)が有するアミノ基のモル比が2.5超である、
     請求項1に記載の銀ペースト。
  3.  前記銀化合物(B)が、カルボン酸銀塩を含む、
     請求項1に記載の銀ペースト。
  4.  前記アミン(C)が、モノアミン及びアミノアルコールのうちの少なくとも一方を含む、
     請求項1に記載の銀ペースト。
  5.  前記溶媒(D)の沸点が、180℃以上である、
     請求項1に記載の銀ペースト。
  6.  基材と、被接合体と、前記基材と前記被接合体との間に介在する接合層とを備え、
     前記接合層が、請求項1から5のいずれか一項に記載の銀ペーストの焼結体を含む、
     複合体。
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