JP2011071301A - 金属ナノ粒子を用いた接合方法及び接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ナノ粒子を用いた接合技術において、スペーサを接合層に残しつつ、接合強度を高めることができる接合技術を提供することを課題とする。
【解決手段】接合体１０は、第１の部材１１と、第２の部材１２と、これらの部材１１、１２とを接合する接合層１３とからなり、この接合層１３に塑性変形されたスペーサ１４が残されている。
【効果】スペーサを採用したため、接合層の膜厚を必要なだけ厚くすることができる。次に、スペーサを塑性変形させるため、金属ナノ粒子を主体とするペーストを、大きな加圧力で加圧することができ、緻密化を高めることができる。緻密化により、金属ナノ粒子同士の接合を促すことができ、焼結後の接合強度を高めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の部材を金属ナノ粒子で接合する接合技術に関する。

複数の部材を接着剤やはんだで接合することは広く知られている。ただし、一方の部材から他方の部材へ熱を伝えるような用途に供する場合は、接着剤は不向きである。はんだは金属であるため、伝熱の問題はないが、融点が低く、高温の用途には使えないなど、温度的な制約が大きい。

対策として、熱伝導率が高く、融点が高い金属ナノ粒子で接合する技術が提案されてきた（例えば、特許文献１（図１）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１１は従来の技術の基本構造を説明する図であり、絶縁基板１０１と半導体チップ１０２は、金属ナノ粒子を主体とする接合層１０３で接合され、半導体チップ１０２とヒートスプレッタ１０４は、金属ナノ粒子を主体とする接合層１０５で接合されている。

なお、絶縁基板１０１と半導体チップ１０２との間に、金属コアと称するスペーサ１０６が挟まれ、同様に、半導体チップ１０２とヒートスプレッタ１０４との間に、スペーサ１０６が挟まれている。このスペーサ１０６は、製造過程で発生する熱分解ガスを逃がす蒸散経路を確保する役割を果たす。
また、スペーサ１０６は文字通り、空間を確保する部材であるから、接合層１０３や接合層１０５の厚さを確保することや均一化する役割を果たす。

ところで、本発明者らが検討したところ、特許文献１の技術には、次に述べる問題点があることが判明した。
接合層１０３、１０５は、金属ナノ粒子を含むペーストを塗布し、乾燥し、焼結させることで、完成する。この際、焼結は加圧しながら実施する。無加圧では、接合層１０３、１０５の緻密化が期待できず、必要な強度が得られないからである。
しかし、特許文献１では、スペーサ１０６が存在するため、加圧作用が半減され、緻密化が不十分となる。すなわち、金属ナノ粒子同士の接合が弱くなり、接合強度が低くなるため、接合層１０３、１０５の強度が低くなる。

対策として、始めからスペーサ１０６を使用しない方法と、製造の途中でスペーサ１０６を撤去する方法とが考えられる。
金属ナノ粒子を含むペーストは、ある程度の流動性を有するため、部材との表面張力により膜厚が決まってしまい、接合層が必然的に薄くなる。そのため、始めからスペーサ１０６を使用しない方法は、用途が限定される。
また、製造の途中でスペーサ１０６を撤去する方法は、撤去コストが発生すると共に生産性が低下し、好ましくない。

そこで、スペーサを接合層に残しつつ、接合強度を高めることができる接合技術が求められる。

特開２００８−１０７０３公報

本発明は、金属ナノ粒子を用いた接合技術において、スペーサを接合層に残しつつ、接合強度を高めることができる接合技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させたペーストを用いて複数の部材を接合する接合方法において、
第１の部材に、少なくとも１本のスペーサを載せる工程と、
このスペーサに被せるようにして、前記第１の部材上に前記ペーストを塗布する工程と、
このペーストに第２の部材を載せて積層体を得る工程と、
前記分散媒が蒸発するが前記有機物は蒸発しない温度で、前記積層体を加熱する工程と、
前記スペーサが塑性変形する大きさの加圧力で加圧しながら、前記有機物が蒸発し且つ前記金属ナノ粒子が焼結する温度で、更に加熱する工程と、からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させたペーストを用いて複数の部材を接合する接合方法において、
第１の部材上に、スクリーン印刷法で前記ペーストを塗布する工程と、
このペーストに挿入するようにして、前記第１の部材上に、少なくとも１本のスペーサを載せる工程と、
このペーストに第２の部材を載せて積層体を得る工程と、
前記分散媒が蒸発するが前記有機物は蒸発しない温度で、前記積層体を加熱する工程と、
前記スペーサが塑性変形する大きさの加圧力で加圧しながら、前記有機物が蒸発し且つ前記金属ナノ粒子が焼結する温度で、更に加熱する工程と、からなることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させたペーストを用いて複数の部材を接合させてなる接合体において、
焼結結合された前記金属ナノ粒子で構成される接合層に、この接合層の製造過程で加圧され塑性変形されたスペーサが残されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、スペーサを採用したため、金属ナノ粒子を主体とするペーストの膜厚を必要なだけ厚くすることができる。次に、スペーサを塑性変形させるため、金属ナノ粒子を主体とするペーストを、大きな加圧力で加圧することができ、緻密化を高めることができる。緻密化により、金属ナノ粒子同士の接合を促すことができ、焼結後の接合強度を高めることができる。

そして、接合層に残すスペーサは、それ自体が補強材の役割を果たす。加えて、スペーサは塑性変形が施されることで、いわゆる加工硬化現象による強度付加が期待される。強度付加された補強材であるスペーサが、接合層に残されているため、接合体の強度向上が図れる。

請求項２に係る発明では、スクリーン印刷されたペーストに、スペーサを挿入するため、スペーサの位置ずれを防止することができる。
仮に、スペーサを置いた後に、スクリーン印刷を行うと、スクリーン印刷時にペーストの一部が第１の部材の面に平行に流れ、この流れでスペーサが押されて、スペーサの位置ずれが発生する。本発明では、この欠点を解消することができる。

請求項２に係る発明も、スペーサを採用したため、金属ナノ粒子を主体とするペーストの膜厚を必要なだけ厚くすることができる。次に、スペーサを塑性変形させるため、金属ナノ粒子を主体とするペーストを、大きな加圧力で加圧することができ、緻密化を高めることができる。緻密化により、金属ナノ粒子同士の接合を促すことができ、焼結後の接合強度を高めることができる。

加えて、接合層に残すスペーサは、塑性変形されているため、加工硬化作用により、硬くなる。硬くなったスペーサは、接合層を補強し、接合体の強度向上に寄与する。

請求項３に係る接合体は、接合層に、この接合層の製造過程で加圧され塑性変形されたスペーサが残されている。接合層に残すスペーサは、それ自体が補強材の役割を果たす。加えて、スペーサは塑性変形が施されることで、いわゆる加工硬化現象による強度付加が期待される。強度付加された補強材であるスペーサが、接合層に残されているため、接合体の強度向上が図れる。

さらに、スペーサを採用したので、金属ナノ粒子を主体とするペーストの膜厚を必要なだけ厚くすることができ、接合層を厚くすることができる。
第１の部材と第２の部材との間に温度差に基づく熱膨張差が繰り返し発生すると、接合層が疲労破壊する虞がでてくる。
熱膨張差の影響は、接合層が薄いと大きくなり、厚いと小さくなる。本発明によれば、接合層を厚くすることができるため、疲労破壊の発生を防止し、熱疲労特性の向上を図ることができる。

本発明に係る接合体の平面図である。 図１の２−２線断面図である。 スペーサの断面図である。 スペーサの配置例を説明する図である。 接合体の製造方法を説明するフロー図である。 接合体の別の製造方法を説明するフロー図である。 比較例１に係るテスト品を説明する図である。 比較例２に係るテスト品を説明する図である。 実施例に係るテスト品を説明する図である。 テスト品の断面図である。 従来の技術の基本構造を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、接合体１０は、第１の部材１１と、第２の部材１２と、これらの部材１１、１２とを接合する接合層１３とからなる。
なお、部材１１、１２は、３個以上であってもよい。この場合は、隣り合う部材が接合層１３で接合されるため、接合層１３の数は部材の数から１を減じた数となる。

部材１１、１２は、銅板が好適であるが、種類は特定しない。ただし、酸化膜で覆われるアルミニウム板の場合は、金めっきや銀めっきを施し、表面のぬれ性を確保することが推奨される。

接合体１０の断面は、図２に示されるように、接合層１３中に、１本以上（この例では２本）のスペーサ１４が残されている。
このスペーサ１４は、図３に示されるように、直径Ａの丸断面の変形前スペーサ１５が、上から加圧されて、高さＢの横長断面に塑性変形されている。直径Ａは例えば７０μｍ、高さＢは例えば４５μｍである。すなわち、スペーサ１４は、塑性変形後のスペーサを指し、塑性変形前のスペーサ（変形前スペーサ１５）と、区別して説明する。

変形前スペーサ１５は、金属ワイヤが好適であるが、金属線、金属網でもよく、断面は丸の他、角、楕円であってよく、形状は任意である。

スペーサ１４の配置は、図４に示すように、任意である。
すなわち、図４（ａ）に示すように、第１の部材１１上に２本（又は３本以上）のスペーサ１４を平行に配置する他、（ｂ）に示すように中央に１本のスペーサ１４を配置することや、（ｃ）に示すように、Ｘ字状にスペーサ１４を配置することが可能である。Ｘ字の場合は、中央で交差しないように長いスペーサ１本と短いスペーサ２本とを組み合わせる。仮に、交差させるとＸの中央一点に第２の部材が載ることとなり、加圧時に圧力が均等に掛からなる。加えて、加圧時に第２の部材の移動が、不安定になる。そのため、交差させないようにした。

また（ｄ）に示すように、格子状にスペーサ１４を配置することができる。この場合は、加圧時に第２の部材の移動が、不安定にならないので、スペーサ１４同士を交差させることができる。

以上の構成からなる接合体１０の製造方法を説明する。
図５（ａ）に示すように、有機物１６で被覆されている金属ナノ粒子１７を分散媒１８に分散させてなるペースト１９を準備する。
また、（ｂ）に示すように、第１の部材１１に、変形前スペーサ１５を、例えば２本載せる。変形前スペーサ１５は、金ワイヤ、銅ワイヤが採用できる。

次に、（ｃ）に示すように、変形前スペーサ１５に被せるようにして、第１の部材１１にペースト１９を塗布する。変形前スペーサ１５の線径が７０μｍであれば、塗布厚さは、１００μｍとすることが望ましい。
次に、（ｄ）に示すように、第２の部材１２を載せ、積層体２０を得る。

次に、（ｅ）に示すように、積層体２０を乾燥炉２１に入れ、分散媒１８が蒸発する温度（ただし、有機物１６は蒸発しない温度）で乾燥させる。これで、分散媒１８は除去される。

次に、（ｆ）に示すように、乾燥済みの積層体２２を加熱炉２３に入れる。そして、変形前スペーサ１５が塑性変形する大きさの加圧力のプレス２４を用いて、積層体２２を加圧する。並行して、有機物が蒸発し且つ金属ナノ粒子１７が焼結する温度で、加熱する。
すると、変形前スペーサ１５が塑性変形されると共に、金属ナノ粒子１７同士が強く接触しながら焼結結合され、図２に示す接合体１０が得られる。

次に、図５の変形例を図６に基づいて説明する。図６（ａ）、（ｄ）〜（ｆ）は図５と同一であるが、再度説明する。
図６（ａ）に示すように、有機物１６で被覆されている金属ナノ粒子１７を分散媒１８に分散させてなるペースト１９を準備する。

次に、（ｂ）に示すように、スクリーン２５を用いたスクリーン印刷法により、第１の部材１１にペースト１９を塗布する。
なお、スクリーン印刷法では、ペースト１９の一部が第１の部材１１の上面に沿って流れる。仮に、第１の部材１１上に変形前スペーサ１５が置かれていれば、ペースト１９の流れで変形前スペーサ１５が押されて位置ずれを起こす。この不具合を解消するために、先にペースト１９を塗布するようにした。

次に、塗布したペースト１９に挿入するようにして、第１の部材１１に、変形前スペーサ１５を、例えば２本載せる。
次に、（ｃ）に示すように、変形前スペーサ１５に被せるようにして、第１の部材１１にペースト１９を塗布する。変形前スペーサ１５の線径が７０μｍであれば、塗布厚さは、１００μｍとすることが望ましい。
次に、（ｄ）に示すように、第２の部材１２を載せ、積層体２０を得る。

次に、（ｅ）に示すように、積層体２０を乾燥炉２１に入れ、分散媒１８が蒸発する温度（ただし、有機物１６は蒸発しない温度）で乾燥させる。これで、分散媒１８は除去される。

次に、（ｆ）に示すように、乾燥済みの積層体２２を加熱炉２３に入れる。そして、変形前スペーサ１５が塑性変形する大きさの加圧力のプレス２４を用いて、積層体２２を加圧する。並行して、有機物が蒸発し且つ金属ナノ粒子１７が焼結する温度で、加熱する。
すると、変形前スペーサ１５が塑性変形されると共に、金属ナノ粒子１７同士が強く接触しながら焼結結合され、図２に示す接合体１０が得られる。

本発明方法で製造された接合体１０が、従来の接合体より優れていることを確認するために、次に述べる実験を行った。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。

○材料：
第１の部材：５ｍｍ×５ｍｍの銅板（無酸素銅、合金番号Ｃ１０２０Ｐ）
第２の部材：５ｍｍ×５ｍｍの銅板（無酸素銅、合金番号Ｃ１０２０Ｐ）
変形前スペーサ：７０μｍ径の銅ワイヤ
ペースト：有機物で被覆される金属ナノ粒子を分散媒に分散させたもの
有機物で被覆される金属ナノ粒子：２５ｎｍ銀粒子（銀８０質量％、有機物５質量％）
分散媒：エチレングリコール（１５質量％）

○比較例１：
図７（ａ）に示すように、第１の部材１１上に１００μｍの厚さでペースト１４を塗布し、（ｂ）に示すように、第２の部材１２を載せ、１００℃で１５分間乾燥させた。
次に、（ｃ）に示すように、２．５ＭＰａの軽加圧力で加圧しながら、１７０℃で３０分間焼結処理を行い、（ｄ）に示すテスト品１１１を得た。このテスト品１１１では、接合層１３の厚さは２０μｍと、１／５まで薄くなっていた。

○比較例２：
図８（ａ）に示すように、第１の部材１１上に、７０μｍ径の変形前スペーサ１５を載せ、１００μｍの厚さでペースト１４を塗布し、（ｂ）に示すように、第２の部材１２を載せ、１００℃で１５分間乾燥させた。
次に、（ｃ）に示すように、２．５ＭＰａの軽加圧力で加圧しながら、１７０℃で３０分間焼結処理を行い、（ｄ）に示すテスト品１１２を得た。２．５ＭＰａでは変形前スペーサ１５は塑性変形されない。そのため、テスト品１１２では、接合層１３の厚さは７０μｍのままであった。

○実施例：
図９（ａ）に示すように、第１の部材１１上に、７０μｍ径の変形前スペーサ１５を載せ、１００μｍの厚さでペースト１４を塗布し、（ｂ）に示すように、第２の部材１２を載せ、１００℃で１５分間乾燥させた。
次に、（ｃ）に示すように、１０ＭＰａの大きな加圧力で加圧しながら、１７０℃で３０分間焼結処理を行い、（ｄ）に示すテスト品２７を得た。１０ＭＰａでは変形前スペーサ１５は塑性変形される。そのため、テスト品２７では、接合層１３の厚さは４５μｍとなった。

以上の結果を、一覧表にすると共に、テスト品１１１、１１２及び２７について剪断強さを測定した。

比較例１では、スペーサが無いため１００μｍのペーストが、十分に圧縮された。この圧縮により、金属ナノ粒子同士が密着し、接合強度が高まった。結果、剪断強さは４０ＭＰａであった。ただし、接合層の厚さが２０μｍと薄くなり、次に述べる不具合が発生する。

図１０に示すモデルにおいて、第１の部材１１の線膨張係数をα１、上面の温度をＴ１とし、接合層１３の厚さをｈとし、第２の部材１２の線膨張係数をα２、下面の温度をＴ２とする。接合層の剪断歪は、（線膨張係数の差）・（温度差）／接合層の厚さに比例する。すなわち、接合層の剪断歪＝Ｋ・｜α１−α２｜・｜Ｔ１−Ｔ２｜／ｈ。（Ｋは常数）。

｜α１−α２｜・｜Ｔ１−Ｔ２｜がある一定の値であれば、ｈが大きいほど、接合層の剪断歪が小さくなり、接合層１３が破壊する心配がなくなる。ｈが大きければ、温度変化が繰り返される半導体装置であっても、サイクル疲労（熱疲労）を解消することができる。
しかし、ｈが小さな比較例１では熱疲労の問題が発生する。

表に戻って、比較例２では、スペーサがあるため１００μｍのペーストが、７０μｍに圧縮されただけである。圧縮不足で、金属ナノ粒子同士が密着不良となり、接合強度が低くなる。結果、剪断強さは１２ＭＰａであった。

実施例では、スペーサはあるが、１００μｍのペーストが、４５μｍまで圧縮された。この圧縮により、金属ナノ粒子同士が密着し、接合強度が高まった。
そして、接合層に残すスペーサは、それ自体が補強材の役割を果たす。加えて、スペーサは塑性変形が施されることで、いわゆる加工硬化現象による強度付加が期待される。強度付加された補強材であるスペーサが、接合層に残されているため、接合体の強度向上が図れる。結果、剪断強さは６５ＭＰａであった。
実施例では、接合層の厚さが４５μｍと大きいため、熱疲労特性が改善される。

尚、金属ナノ粒子の金属は、銀の他、金、銅、鉄、ニッケルであってもよく、種類は任意である。
また、接合体は、半導体装置が好適であるが、積層体であれば、種類や用途は限定しない。

本発明の接合体は、半導体装置が好適である。

１０…接合体、１１…第１の部材、１２…第２の部材、１３…接合層、１４…スペーサ（塑性変形工後のスペーサ）、１５…変形前スペーサ、１６…有機物、１７…金属ナノ粒子、１８…分散媒、１９…ペースト、２０、２２…積層体、２１…乾燥炉、２３…加熱炉、２４…プレス、２５…スクリーン。

Claims (3)

1. 有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させたペーストを用いて複数の部材を接合する接合方法において、
   第１の部材に、少なくとも１本のスペーサを載せる工程と、
   このスペーサに被せるようにして、前記第１の部材上に前記ペーストを塗布する工程と、
   このペーストに第２の部材を載せて積層体を得る工程と、
   前記分散媒が蒸発するが前記有機物は蒸発しない温度で、前記積層体を加熱する工程と、
   前記スペーサが塑性変形する大きさの加圧力で加圧しながら、前記有機物が蒸発し且つ前記金属ナノ粒子が焼結する温度で、更に加熱する工程と、からなることを特徴とする金属ナノ粒子を用いた接合方法。
2. 有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させたペーストを用いて複数の部材を接合する接合方法において、
   第１の部材上に、スクリーン印刷法で前記ペーストを塗布する工程と、
   このペーストに挿入するようにして、前記第１の部材上に、少なくとも１本のスペーサを載せる工程と、
   このペーストに第２の部材を載せて積層体を得る工程と、
   前記分散媒が蒸発するが前記有機物は蒸発しない温度で、前記積層体を加熱する工程と、
   前記スペーサが塑性変形する大きさの加圧力で加圧しながら、前記有機物が蒸発し且つ前記金属ナノ粒子が焼結する温度で、更に加熱する工程と、からなることを特徴とする金属ナノ粒子を用いた接合方法。
3. 有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させたペーストを用いて複数の部材を接合させてなる接合体において、
   焼結結合された前記金属ナノ粒子で構成される接合層に、この接合層の製造過程で加圧され塑性変形されたスペーサが残されていることを特徴とする接合体。

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