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KR20220072732A - Joining material and mounting structure using the same - Google Patents

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KR20220072732A
KR20220072732A KR1020210141439A KR20210141439A KR20220072732A KR 20220072732 A KR20220072732 A KR 20220072732A KR 1020210141439 A KR1020210141439 A KR 1020210141439A KR 20210141439 A KR20210141439 A KR 20210141439A KR 20220072732 A KR20220072732 A KR 20220072732A
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KR
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metal
particle
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bonding material
intermetallic compound
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KR1020210141439A
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Korean (ko)
Inventor
기요히로 히네
아키오 후루사와
신지 이시타니
Original Assignee
파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

접합 재료는, 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자와, 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자와, TiO2 나노입자와, 플럭스를 포함하는 접합 재료이다. 제 1 금속 입자는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고, 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다. 제 1 금속 입자와 제 2 금속 입자의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다.The bonding material includes a first metal particle having a melting point of 200° C. or less, a second metal particle including a first metal element contained in the first metal particle, and a second metal element capable of forming an intermetallic compound, TiO 2 It is a bonding material containing nanoparticles and a flux. The first metal particles include only the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, or the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, and the second metal element and the intermetallic compound. It is any one of the composites containing a 3rd metal element which does not generate|occur|produce and the melting|fusing point of the metal element single-piece|unit is 250 degreeC or more. The ratio of the first metal particles to the second metal particles is the first metal element contained in the first metal particle and the second metal contained in the second metal particle in the equilibrium diagram of the first metal element and the second metal element. The ratio at which all elements become intermetallic compounds.

Description

접합 재료 및 그것을 이용하는 실장 구조체{JOINING MATERIAL AND MOUNTING STRUCTURE USING THE SAME}A bonding material and a mounting structure using the same

본 발명은, 파워 디바이스 등의 기기에 이용하는, 2개의 부재를 금속 재료로 접합하기 위한 접합 재료 및 해당 접합 재료를 이용하여 접합한 실장 구조체에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a bonding material for bonding two members to be used in equipment such as a power device with a metallic material, and to a mounting structure joined using the bonding material.

파워 디바이스 등의 발열을 수반하는 기기에 있어서는, 발생한 열의 방열을 목적으로 하여, 소자를 탑재한 기판으로부터 방열부로의 열 수송을 위해서, 기판과 방열부의 2개의 부재 사이를 접합한 실장 구조체를 갖는 것이 있다.In devices that generate heat, such as power devices, for the purpose of dissipating the generated heat, and for transferring heat from the substrate on which the element is mounted to the heat dissipation unit, it is desirable to have a mounting structure in which two members of the substrate and the heat dissipation unit are joined. have.

근년, 파워 디바이스 등의 기기에서는, 에너지 절약화를 목적으로 한 대전류 제어의 요구가 높아지고 있다. 그래서, 고효율로 전력을 제어할 수 있는 이점을 갖는 SiC나 GaN과 같은 차세대 파워 디바이스 소자가, 종래의 Si 소자를 대신하여 증가하고 있다.In recent years, in devices, such as a power device, the request|requirement of large current control for the purpose of energy saving is increasing. Therefore, next-generation power device elements such as SiC and GaN, which have the advantage of being able to control electric power with high efficiency, are increasing in place of the conventional Si elements.

그들 차세대 파워 디바이스 소자는, 고온에서도 동작할 수 있는 이점을 갖고 있어, 종래의 Si 소자보다도 큰 발열에 견딜 수 있기 때문에, 대전류의 제어가 행해짐으로써 소자로부터의 발열량의 상승, 고온화가 일어난다.These next-generation power device elements have the advantage of being able to operate at high temperatures, and can withstand greater heat generation than conventional Si elements.

그 결과, 소자에서 제어한 전류를 흘리는 리드 프레임 등의 전극과, 소자 전극 사이의 접합부 온도 Tj가 상승한다. 예를 들어, 종래의 Si에서는 약 125℃였던 것이, SiC나 GaN에서는 200∼250℃로 상승한다.As a result, the junction temperature Tj between the electrode such as a lead frame through which the current controlled by the element flows and the element electrode rises. For example, in the case of conventional Si, about 125°C rises to 200-250°C in the case of SiC or GaN.

그 때문에, 소자 전극과 리드 프레임 전극 사이의 접합부에는, 발생한 열을 리드 프레임으로 효율 좋게 빠져나가게 하기 위한 열전도율과, 높은 접합부의 온도 Tj에도 대응하는 내열성이 요구된다.Therefore, the junction portion between the element electrode and the lead frame electrode is required to have thermal conductivity for efficiently evacuating the generated heat to the lead frame, and heat resistance corresponding to the high junction temperature Tj.

또한, 차세대 파워 디바이스 소자에 이용되는 SiC나 GaN은, Si와 비교하여 탄성률이 높고, 강도도 높다. 예를 들어, Si의 탄성률이 160GPa인데 반해, SiC나 GaN은 200GPa 이상이다. 그 때문에, 2개의 부재의 선팽창 계수차에 기인하는 온도 변화 시의 열응력은 커진다. 그래서, 접합부의 접합 강도를 보다 높게 하는 것도 요구된다.In addition, SiC and GaN used for next-generation power device elements have a higher modulus of elasticity and higher strength than Si. For example, the elastic modulus of Si is 160 GPa, whereas SiC or GaN is 200 GPa or more. Therefore, the thermal stress at the time of a temperature change resulting from the linear expansion coefficient difference of two members becomes large. Then, it is also calculated|required to make the joint strength of a joint part higher.

종래, 소자와 리드 프레임 전극 사이를 도전체로 접합하는 실장 구조체의 접합부에 이용되는 접합 재료에는, 저온에서의 접합이 가능하므로, 땜납 재료가 널리 이용되고 있었다. 그렇지만, 일반적으로 이용되는 Sn나 Pb를 주성분으로 한 땜납 재료에 있어, 200℃∼250℃는 융점 부근 또는 그 이상의 온도가 되어 매우 과혹한 온도이기 때문에, 이들 땜납을 이용한 실장 구조체에서는, 내열성의 확보는 곤란하다.Conventionally, a solder material has been widely used as a bonding material used for a bonding portion of a mounting structure for bonding between an element and a lead frame electrode with a conductor since bonding at a low temperature is possible. However, in the generally used solder material containing Sn or Pb as a main component, 200°C to 250°C is a temperature near or above the melting point, which is a very severe temperature. is difficult

그와 같은 과제에 대한 하나의 해결 수단으로서, 저융점 금속과 그것과 금속간 화합물을 형성하는 제 2 금속을 혼합한 접합 재료로서, 접합 시에 저융점 금속이 용융되고, 제 2 금속과 반응하여 금속간 화합물을 형성함으로써 고융점의 접합부를 형성하는 액상 소결법의 접합 재료가 제안되어 있다.As one solution to such a problem, as a bonding material in which a low-melting-point metal and a second metal forming an intermetallic compound are mixed therewith, the low-melting-point metal is melted at the time of bonding and reacted with the second metal A bonding material of a liquid phase sintering method in which a high-melting-point bonding portion is formed by forming an intermetallic compound has been proposed.

종래의 고내열의 액상 소결법의 접합 재료로서, 적어도 Cu를 포함하는 2종 이상의 금속 입자와, 폴리다이메틸실록세인 골격을 갖는 고분자를 포함하는 접합 재료이며, 상기 금속 입자가 금속간 화합물을 형성 가능한 것이 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조.).As a bonding material for a conventional high heat-resistant liquid phase sintering method, a bonding material containing at least two kinds of metal particles containing Cu and a polymer having a polydimethylsiloxane skeleton, wherein the metal particles can form an intermetallic compound There is a thing (for example, refer patent document 1.).

WO2016/031551호 공보Publication WO2016/031551

본 발명에 따른 접합 재료는, 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자와, 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자와, TiO2 나노입자와, 플럭스를 포함한다.The bonding material according to the present invention includes a first metal particle having a melting point of 200° C. or less, and a second metal particle including a first metal element included in the first metal particle and a second metal element capable of forming an intermetallic compound. and TiO 2 nanoparticles, and a flux.

제 1 금속 입자는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고 그 금속 원소 단체(單體)의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다.The first metal particles include only the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, or the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, and the second metal element and the intermetallic compound. It is any one of the composites containing the 3rd metal element which does not generate|occur|produce and the melting|fusing point of the metal element single-piece|unit is 250 degreeC or more.

제 1 금속 입자와 제 2 금속 입자의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다.The ratio of the first metal particles to the second metal particles is the first metal element included in the first metal particle and the second metal element included in the second metal particle in the equilibrium diagram of the first metal element and the second metal element. are all intermetallic compounds.

[도 1] 본 실시형태 1에 따른 접합 재료의 구성을 나타내는 개략도이다.
[도 2] 실시예 1-1∼1-8, 비교예 1-1∼1-12에 있어서의 접합 재료에 포함되는 성분과, 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 나타내는 표 1이다.
[도 3] 실시예 2-1∼2-6, 비교예 2-1∼2-4에 있어서의 접합 재료에 포함되는 성분과, 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 나타내는 표 2이다.
[도 4] 실시예 3-1∼3-11에 있어서의 접합 재료에 포함되는 성분과, 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 나타내는 표 3이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram which shows the structure of the bonding material which concerns on this Embodiment 1. FIG.
2 is Table 1 showing the components contained in the bonding materials in Examples 1-1 to 1-8 and Comparative Examples 1-1 to 1-12, their weight ratios, and evaluation results.
3 is Table 2 showing the components contained in the bonding materials in Examples 2-1 to 2-6 and Comparative Examples 2-1 to 2-4, their weight ratios, and evaluation results.
4 is Table 3 showing the components contained in the bonding material in Examples 3-1 to 3-11, the weight ratio thereof, and the evaluation results.

특허문헌 1에 기재된 접합 재료에서는, 저융점 금속이 용융되고, Cu와 반응하여 고융점의 금속간 화합물을 형성하기 때문에 높은 내열성을 나타내지만, 금속간 화합물의 결정립은 조대해지는 경우가 있어, 접합 강도의 향상이 곤란하다.In the bonding material described in Patent Document 1, the low-melting-point metal melts and reacts with Cu to form a high-melting intermetallic compound, so it exhibits high heat resistance, but the crystal grains of the intermetallic compound may become coarse, and the bonding strength is difficult to improve.

본 발명은, 종래의 과제를 해결하는 것으로, 보다 높은 접합 강도를 발현하는 것이 가능한 접합 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention solves the conventional problems, and an object of the present invention is to provide a bonding material capable of exhibiting higher bonding strength.

제 1 태양에 따른 접합 재료는, 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자와, 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자와, TiO2 나노입자와, 플럭스를 포함한다.The bonding material according to the first aspect includes a first metal particle having a melting point of 200° C. or less, and a second metal including a first metal element included in the first metal particle and a second metal element capable of forming an intermetallic compound. It contains particles, TiO 2 nanoparticles, and a flux.

제 1 금속 입자는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다.The first metal particles include only the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, or the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, and the second metal element and the intermetallic compound. It is any one of the composites containing the 3rd metal element which does not generate|occur|produce and the melting|fusing point of the metal element single-piece|unit is 250 degreeC or more.

제 1 금속 입자와 제 2 금속 입자의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다.The ratio of the first metal particle to the second metal particle is the first metal element contained in the first metal particle and the second metal contained in the second metal particle in the equilibrium diagram of the first metal element and the second metal element. The ratio at which all elements become intermetallic compounds.

제 2 태양에 따른 접합 재료는, 상기 제 1 태양에 있어서, TiO2 나노입자가, 메디안 직경 20∼80nm여도 된다.In the bonding material according to the second aspect, in the first aspect, the TiO 2 nanoparticles may have a median diameter of 20 to 80 nm.

제 3 태양에 따른 접합 재료는. 상기 제 1 또는 제 2 태양에 있어서, TiO2 나노입자의 함유율이, 제 1 금속 입자, 제 2 금속 입자, 및 TiO2 나노입자의 총합 중, 0.1wt%∼1wt%여도 된다.A bonding material according to a third aspect is provided. In the first or second aspect, the content of the TiO 2 nanoparticles may be 0.1 wt% to 1 wt% in the total of the first metal particles, the second metal particles, and the TiO 2 nanoparticles.

제 4 태양에 따른 접합 재료는. 상기 제 1 내지 제 3 중 어느 하나의 태양에 있어서, 제 1 금속 입자가, Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, 및 In의 군으로부터 선택되는 적어도 하나여도 된다.A bonding material according to a fourth aspect. The first metal particle according to any one of the first to third aspects may be at least one selected from the group consisting of Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, and In.

제 5 태양에 따른 접합 재료는. 상기 제 1 내지 제 4 중 어느 하나의 태양에 있어서, 제 2 금속 입자가, Cu를 포함하고 있어도 된다.A bonding material according to a fifth aspect. The aspect in any one of said 1st - 4th WHEREIN: The 2nd metal particle may contain Cu.

제 6 태양에 따른 접합 재료는. 상기 제 1 내지 제 5 중 어느 하나의 태양에 있어서, 제 1 금속 입자가, 메디안 직경 3∼30μm의 입자를 적어도 포함해도 된다.A bonding material according to a sixth aspect. The aspect in any one of said 1st - 5th WHEREIN: 1st metal particle|grains may contain at least particle|grains with a median diameter of 3-30 micrometers.

제 7 태양에 따른 접합 재료는, 상기 제 1 내지 제 6 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 제 2 금속 입자가, 메디안 직경 100∼2000nm여도 된다.In the bonding material according to a seventh aspect, in any one of the first to sixth aspects, the second metal particles may have a median diameter of 100 to 2000 nm.

제 8 태양에 따른 실장 구조체는, SiC 또는 GaN의 파워 디바이스 소자와, 파워 디바이스 소자의 전극과 외부 전극을 접합하는, 상기 제 1 내지 제 7 중 어느 하나의 태양에 따른 접합 재료를 구비한다.A mounting structure according to an eighth aspect includes a power device element made of SiC or GaN, and a bonding material according to any one of the first to seventh aspects for bonding an electrode of the power device element and an external electrode.

상기 태양에 따른 접합 재료에 의하면, 액상 소결법에 있어서 금속간 화합물 생성 시의 결정립 조대화를 억제하여, 보다 높은 접합 강도의 접합부를 형성 가능한 접합 재료를 제공하는 것이 가능하다.According to the bonding material according to the above aspect, it is possible to provide a bonding material capable of forming a bonding portion having a higher bonding strength by suppressing grain coarsening at the time of generation of an intermetallic compound in the liquid phase sintering method.

이하, 실시형태에 따른 접합 재료 및 실장 구조체에 대해 첨부 도면을 참조하면서 상술한다.Hereinafter, a bonding material and a mounting structure according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(실시형태 1)(Embodiment 1)

<접합 재료><Joint material>

도 1은, 본 실시형태 1에 따른 접합 재료의 구성을 나타내는 개략도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram which shows the structure of the bonding material which concerns on this Embodiment 1. As shown in FIG.

본 실시형태 1에 따른 접합 재료(101)는, 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자(102)와, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자(103)와, TiO2 나노입자(104)와, 플럭스(105)를 포함한다.The bonding material 101 according to the first embodiment is capable of generating an intermetallic compound with the first metal particles 102 having a melting point of 200° C. or less, and the first metal element contained in the first metal particles 102 . A second metal particle 103 including a second metal element, TiO 2 nanoparticles 104, and a flux 105 are included.

TiO2 나노입자를 포함하는 것에 의해, 제 2 금속 입자의 제 2 금속 원소가 제 1 금속 입자(102)로 확산하여, 금속간 화합물이 생성될 때에, 초정(初晶)의 결정핵의 생성을 촉진한다고 생각된다. 또한, 발생한 결정핵이 성장할 때에, 고체의 TiO2가 성장을 저해한다고 생각된다. 그들에 의해, 금속간 화합물의 결정립을 미세화할 수 있다.By including TiO 2 nanoparticles, when the second metal element of the second metal particle diffuses into the first metal particle 102 and an intermetallic compound is generated, the generation of crystal nuclei of primary crystal is prevented. is thought to promote Moreover, when the generated crystal nuclei grow, it is thought that solid TiO2 inhibits growth. Thereby, the crystal grains of an intermetallic compound can be refine|miniaturized.

제 1 금속 입자는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다.The first metal particles include only the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, or the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, and the second metal element and the intermetallic compound. It is any one of the composites containing the 3rd metal element which does not generate|occur|produce and the melting|fusing point of the metal element single-piece|unit is 250 degreeC or more.

제 1 금속 입자와 제 2 금속 입자의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다.The ratio of the first metal particle to the second metal particle is the first metal element contained in the first metal particle and the second metal contained in the second metal particle in the equilibrium diagram of the first metal element and the second metal element. The ratio at which all elements become intermetallic compounds.

이것에 의해, 이 접합 재료를 이용한 액상 소결법의 프로세스로 생성된 접합부는, 250℃ 이하에서는 재용융이 생기지 않는다. 그 때문에, 접합 후의 디바이스의 동작 온도가 200℃ 이상이 되어도 용융되지 않는 높은 내열성을 발현할 수 있다.Thereby, re-melting does not occur in the joint part produced|generated by the process of the liquid phase sintering method using this joining material at 250 degrees C or less. Therefore, even if the operating temperature of the device after bonding becomes 200 degreeC or more, high heat resistance which does not melt can be expressed.

이하에, 이 접합 재료를 구성하는 각 부재에 대해 설명한다.Below, each member which comprises this bonding material is demonstrated.

<제 1 금속 입자><First metal particle>

제 1 금속 입자(102)는, 액상 소결법의 프로세스에 있어서 액상 성분이 되어, 제 2 금속 입자(103)와 반응하여 고융점의 금속간 화합물을 생성하기 위한 제 1 금속 원소를 포함한다.The first metal particles 102 are liquid phase components in the liquid phase sintering process, and contain a first metal element for reacting with the second metal particles 103 to produce an intermetallic compound having a high melting point.

제 1 금속 입자(102)는, 융점이 200℃ 이하인 합금 또는 단체의 금속으로 구성된다. 이것에 의해, 200℃ 이하의 저온에서의 액상 소결을 가능하게 한다.The first metal particles 102 are made of an alloy having a melting point of 200° C. or less or a single-piece metal. This enables liquid phase sintering at a low temperature of 200°C or less.

제 1 금속 입자(102)를 구성하는 합금 또는 단체의 금속으로서는, 융점이 200℃ 이하인 합금 또는 단체의 금속이면 되지만, 특히 Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, 및 In의 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.The alloy or single metal constituting the first metal particle 102 may be an alloy or a single metal having a melting point of 200° C. or less, but in particular, Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, and Any one selected from the group of In is preferable.

제 1 금속 원소로서는, 예를 들어, Sn, In이다. 한편, 제 1 금속 원소는, 1종류에 한정되지 않고, Sn 및 In의 양쪽을 포함해도 된다. 제 1 금속 원소는, 제 2 금속 입자(103)에 포함되는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 형성한다.The first metal element is, for example, Sn or In. In addition, a 1st metal element is not limited to one type, You may also contain both Sn and In. The first metal element forms an intermetallic compound with the second metal element contained in the second metal particles 103 .

<제 2 금속 입자><Second Metal Particles>

제 2 금속 입자(103)는, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함한다. 이것에 의해, 용융 상태의 제 1 금속 입자에 용해되어, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와의 고융점의 금속간 화합물을 생성할 수 있다.The second metal particle 103 includes a first metal element included in the first metal particle 102 and a second metal element capable of forming an intermetallic compound. Thereby, it can melt|dissolve in the 1st metal particle in a molten state, and can produce|generate the high melting|fusing point intermetallic compound with the 1st metal element contained in the 1st metal particle 102.

제 2 금속 입자(103)는, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와 적어도 1종 이상의 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하고 있으면 된다.The second metal particle 103 may contain the first metal element contained in the first metal particle 102 and the second metal element capable of forming at least one or more intermetallic compounds.

제 2 금속 원소로서는, 예를 들어, Cu이다. 한편, 제 2 금속 원소는, Cu에 한정되지 않지만, Cu를 포함하고 있는 것이 바람직하다.The second metal element is, for example, Cu. In addition, although a 2nd metal element is not limited to Cu, it is preferable that Cu is included.

또한, 제 1 금속 입자(102)는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고, 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다.In addition, the first metal particles 102 contain only the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, or the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, and the second metal element. and a third metal element that does not form an intermetallic compound and the melting point of the metal element alone is 250° C. or higher.

제 3 금속 원소는, 예를 들어, Bi이다. 한편, 제 3 금속 원소는, Bi에 한정되지 않는다.The third metal element is, for example, Bi. In addition, the 3rd metal element is not limited to Bi.

더욱이, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103)의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다. 이것에 의해, 액상 소결법의 프로세스로 생성된 접합부는, 250℃ 이하에서는 재용융이 생기지 않는다. 그 때문에, 접합 후의 디바이스의 동작 온도가 200℃ 이상이 되어도 용융되지 않는 높은 내열성을 발현할 수 있다.Furthermore, the ratio of the first metal particles 102 and the second metal particles 103 is the first metal element contained in the first metal particle in the equilibrium diagram of the first metal element and the second metal element, and the second metal element It is a ratio in which all the 2nd metal elements contained in a metal particle become an intermetallic compound. Thereby, re-melting does not occur in the joint part produced|generated by the process of the liquid phase sintering method at 250 degrees C or less. Therefore, even if the operating temperature of the device after bonding becomes 200 degreeC or more, high heat resistance which does not melt can be expressed.

<TiO2 나노입자><TiO 2 nanoparticles>

TiO2 나노입자(104)는, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103) 사이에 금속간 화합물을 생성할 때에, 그 계면에 고체로서 존재한다. 이것에 의해, 제 2 금속 입자의 제 2 금속 원소가 제 1 금속 입자(102)로 확산하여, 금속간 화합물이 생성될 때에, 초정의 결정핵의 생성을 촉진한다고 생각된다. 또한, 발생한 결정핵이 성장할 때에, 고체의 TiO2가 성장을 저해한다고 생각된다. 그들에 의해, 금속간 화합물의 결정립을 미세화하기 위해서 포함된다.When the TiO 2 nanoparticles 104 form an intermetallic compound between the first metal particle 102 and the second metal particle 103 , the TiO 2 nanoparticles exist as a solid at the interface. As a result, it is thought that when the second metal element of the second metal particle diffuses into the first metal particle 102 and an intermetallic compound is generated, the production of primary crystal nuclei is promoted. Moreover, when the generated crystal nuclei grow, it is thought that solid TiO2 inhibits growth. Thereby, it is included in order to refine|miniaturize the crystal grain of an intermetallic compound.

TiO2 나노입자(104)는, 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103), TiO2 나노입자(104)의 총합 중, 0.1wt%∼1wt%인 것이 바람직하다.The TiO 2 nanoparticles 104 are preferably 0.1 wt% to 1 wt% in the total of the first metal particles 102 , the second metal particles 103 , and the TiO 2 nanoparticles 104 .

<플럭스><Flux>

플럭스(105)는, 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103)의 표면에 존재하는 산화막의 제거와, 재산화의 억제를 위해서 포함된다. 플럭스(105)는, 제 1 금속 입자(102)의 용융과, 용융된 제 1 금속 입자(102)로의 제 2 금속 입자(103) 표면의 제 2 금속 원소의 확산을 용이하게 한다. 플럭스(105)는, 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103)의 표면에 존재하는 산화막을 제거하는 성분과, 액상 소결법의 프로세스 중에 있어서의 재산화 방지를 위해서 제 1 금속 입자(102)의 융점보다 높은 비점을 갖는 용매를 포함한다.The flux 105 is included for removal of the oxide film existing on the surface of the 1st metal particle 102 and the 2nd metal particle 103, and suppression of re-oxidation. The flux 105 facilitates the melting of the first metal particles 102 and diffusion of the second metal element on the surface of the second metal particles 103 into the molten first metal particles 102 . The flux 105 is a component that removes the oxide film present on the surface of the first metal particles 102 and the second metal particles 103, and the first metal particles ( 102) a solvent having a boiling point higher than the melting point.

(실시예)(Example)

본 실시형태 1의 효과를 확인하기 위해서, 실시예 1-1∼1-8, 비교예 1-1∼1-12로서, 제 1 금속 입자(102) 및 제 2 금속 입자(103)의 종류를 바꾼 접합 재료(101)를 제작한다. 실시예 1-1∼1-8, 비교예 1-1∼1-12에 있어서의 접합 재료(101)에 포함되는 성분과, 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 도 2의 표 1에 나타낸다. 도 2의 표 1에 나타내는 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103), TiO2 나노입자(104)의 입경은, 모두 메디안 직경이다.In order to confirm the effect of this Embodiment 1, as Examples 1-1 to 1-8 and Comparative Examples 1-1 to 1-12, the types of the first metal particles 102 and the second metal particles 103 were selected. The replaced bonding material 101 is produced. The components contained in the bonding material 101 in Examples 1-1 to 1-8 and Comparative Examples 1-1 to 1-12, the weight ratio thereof, and the evaluation results are shown in Table 1 of FIG. 2 . The particle diameters of the 1st metal particle 102, the 2nd metal particle 103, and the TiO 2 nanoparticle 104 shown in Table 1 of FIG. 2 are all median diameters.

<접합 재료(101)><Joining material 101>

본 실시형태 1에 있어서의 제 1 금속 입자(102)로서, Sn-58Bi, Sn-51In, Sn-55Bi-20In, In, Sn, Sn-3.5Ag, Sn-5Sb를 평가한다. 또한, 제 2 금속 입자(103)로서, Cu, Cu-20Sn, Zn을 평가한다. TiO2 나노입자는 30nm의 것을 이용한다.As the 1st metal particle 102 in this Embodiment 1, Sn-58Bi, Sn-51In, Sn-55Bi-20In, In, Sn, Sn-3.5Ag, and Sn-5Sb are evaluated. Further, as the second metal particles 103, Cu, Cu-20Sn, and Zn are evaluated. TiO 2 Nanoparticles of 30 nm are used.

접합 재료(101)는 다음과 같이 제작한다.The bonding material 101 is produced as follows.

(1) 우선, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103), TiO2 나노입자를 칭량하고, 기계적으로 혼련하여 균일하게 혼합한다.(1) First, the first metal particles 102 , the second metal particles 103 , and TiO 2 nanoparticles are weighed and mechanically kneaded to uniformly mix.

(2) 그 후, 플럭스를 칭량, 첨가하고, 2축 유성식 혼련기로 혼련함으로써, 접합 재료(101)를 얻는다.(2) Thereafter, the bonding material 101 is obtained by weighing, adding, and kneading the flux using a twin-screw planetary kneader.

<접합 프로세스><Joining process>

본 실시형태 1의 효과를 확인하기 위해서 실장 구조체를 제작한다. 접합 프로세스는 다음과 같다.In order to confirm the effect of this Embodiment 1, a mounting structure is produced. The bonding process is as follows.

우선, 제작한 접합 재료(101)를 이용하여 접합을 행한다.First, bonding is performed using the produced bonding material 101 .

(a) Cu판 상에 두께 100μm, 개구 1mm×1mm의 메탈 마스크를 이용하여 접합 재료(101)를 공급한다.(a) A bonding material 101 is supplied on a Cu plate using a metal mask having a thickness of 100 µm and an opening of 1 mm × 1 mm.

(b) 공급한 접합 재료(101) 상에 SiC 소자를 탑재한다. 접합 재료(101)로 접합하는 SiC 소자의 전극은, SiC측으로부터 Ti/Ni/An의 도금으로 구성된다.(b) A SiC element is mounted on the supplied bonding material 101 . The electrode of the SiC element to be joined with the bonding material 101 is composed of Ti/Ni/An plating from the SiC side.

(c) 탑재한 SiC 소자 위로부터 1MPa의 하중을 걸고, N2 분위기에서 200℃에서 10min의 가열을 행하여, SiC 소자의 전극과 Cu판을 접합 재료(101)로 접합한 실장 구조체를 제작한다.(c) A load of 1 MPa is applied from the top of the mounted SiC element, and heating is performed at 200° C. for 10 min in an N 2 atmosphere to prepare a mounting structure in which an electrode of the SiC element and a Cu plate are joined with a bonding material 101 .

<접합 평가><Joint evaluation>

본 실시형태 1의 효과를 확인하기 위한 평가의 결과에 대해서도, 도 2의 표 1에 아울러 나타내고 있다.The result of evaluation for confirming the effect of this Embodiment 1 is also combined with Table 1 of FIG. 2, and is shown.

이 일련의 접합 프로세스를 행한 후에, Cu판과 SiC 소자의 전극이 접합되어 있는지를 확인한다. 도 2의 표 1에 있어서, 접합되어 있는 경우는 Yes, 접합되어 있지 않은 경우는 No로 표기되어 있다.After performing this series of bonding processes, it is confirmed whether the Cu plate and the electrode of a SiC element are joined. In Table 1 of FIG. 2, when it is joined, it is indicated by Yes, and when it is not joined, it is indicated by No.

다음에, 접합되어 있는 실장 구조체에 대해, 내열성을 평가한다. 제작한 실장 구조체를 재차 200℃로 가열하여, 접합 재료(101)가 재용융되는지 여부를 평가한다. 도 2의 표 1에 있어서, 재용융이 발생하지 않고 접합이 확보되는 경우(즉 접합 재료(101)가 내열성을 갖는 경우)는 Yes, 재용융이 발생하는 경우(즉 접합 재료(101)가 내열성을 갖지 않는 경우)는 No로 표기되어 있다.Next, the heat resistance of the joined mounting structure is evaluated. The produced mounting structure is heated to 200°C again to evaluate whether the bonding material 101 is re-melted. In Table 1 of FIG. 2, when bonding is secured without re-melting (that is, when the bonding material 101 has heat resistance), Yes, when re-melting occurs (ie, when the bonding material 101 has heat resistance). ) is marked as No.

더욱이, 재용융이 발생하지 않는 접합 구조체에 대해, 접합 강도를 평가한다. 제작한 접합 구조체의 SiC 소자에 전단 방향의 힘을 인가하여, 파괴 강도를 측정한다. 종래 땜납 평균인 20MPa보다도 큰 경우를 B(호적), 30MPa보다도 큰 경우를 A(보다 호적), 20MPa 이하인 경우를 C(부적)로 판정한다.Furthermore, for the bonded structure in which re-melting does not occur, the bonding strength is evaluated. A force in the shear direction is applied to the SiC element of the produced bonded structure, and the breaking strength is measured. A case larger than the conventional solder average of 20 MPa is determined as B (family registration), a case larger than 30 MPa is determined as A (more family registration), and a case of 20 MPa or less is determined as C (negative).

도 2의 표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1-1∼1-8 중, 실시예 1-1∼1-6에서는 접합, 내열성이 Yes, 강도가 A, 실시예 1-7, 1-8에서는 접합, 내열성이 Yes, 강도가 B로, 모두 평가 기준을 상회하고 있다. 이들 실시예에서는, 제 2 금속 입자(103)가, Cu 또는 Cu-20Sn으로 Cu를 포함하고 있고, 제 1 금속 입자(102)가 Sn-58Bi, Sn-51In, Sn-55Bi-20In, In의 어느 것에 있어서도 1종 이상의 금속 원소와 반응하여 금속간 화합물을 형성한다. 금속간 화합물을 형성하지 않는 제 3 금속 원소(여기에서는 Bi)는, 융점 271℃이다.As shown in Table 1 of Fig. 2, among Examples 1-1 to 1-8, in Examples 1-1 to 1-6, bonding and heat resistance were Yes, and strength was A, and Examples 1-7 and 1-8. In this case, the bonding and heat resistance were Yes, and the strength was B, all exceeding the evaluation criteria. In these embodiments, the second metal particles 103 include Cu as Cu or Cu-20Sn, and the first metal particles 102 include Sn-58Bi, Sn-51In, Sn-55Bi-20In, and In. In either case, it reacts with one or more metal elements to form an intermetallic compound. The third metal element that does not form an intermetallic compound (here, Bi) has a melting point of 271°C.

더욱이, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103)의 비율은 40:60이며, 어느 실시예에 있어서도, 제 1 금속 입자(102) 중의 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소인 Cu가, 평형 상태도에 있어서 모두 금속간 화합물이 되는 함유율이 되는 비율이다.Furthermore, the ratio of the first metal particles 102 to the second metal particles 103 is 40:60, and in any embodiment, Cu as the first metal element and the second metal element in the first metal particle 102 . A is a ratio which becomes the content rate which turns into an intermetallic compound all in an equilibrium state diagram.

한편, 비교예 1-10, 1-11, 1-12에서는, 일련의 접합 프로세스를 실시해도, 접합이 형성되어 있지 않다. 이것은, 비교예 1-10, 1-11, 1-12에서 이용한 제 1 금속 입자(102)의 조성이, 각각 Sn, Sn-3.5Ag, Sn-5Sb이며, 그 융점은 각각 232℃, 221℃, 235℃로 가열 온도 200℃보다도 높기 때문이라고 생각된다. 즉, 일련의 접합 프로세스에 있어서, 제 1 금속 입자(102)가 용융되지 않아, 액상 소결이 되지 않기 때문에, 충분한 접합이 확보되지 않는다고 생각된다.On the other hand, in Comparative Examples 1-10, 1-11, and 1-12, even if a series of bonding processes were performed, bonding was not formed. As for this, the composition of the 1st metal particle 102 used in Comparative Examples 1-10, 1-11, and 1-12 is Sn, Sn-3.5Ag, Sn-5Sb, respectively, The melting|fusing point is 232 degreeC and 221 degreeC, respectively. , 235°C, which is considered to be higher than the heating temperature of 200°C. That is, in a series of bonding processes, since the 1st metal particle 102 does not melt and liquid phase sintering does not occur, it is thought that sufficient bonding is not ensured.

또한, 비교예 1-9에서는, 내열 평가에 있어서 재용융이 발생한다. 이것은, 비교예 1-9에서 이용한 제 1 금속 입자(102)의 In과, 제 2 금속 입자(103)의 Zn은 금속간 화합물을 형성하지 않기 때문이라고 생각된다. 접합 프로세스에 있어서 액상 소결이 진행되지 않고, In 및 Zn이 잔존하여, 재가열에 의해 In이 재용융하기 때문이라고 생각된다.Further, in Comparative Examples 1-9, re-melting occurred in the heat resistance evaluation. This is considered to be because In of the 1st metal particle 102 used in Comparative Example 1-9, and Zn of the 2nd metal particle 103 do not form an intermetallic compound. It is thought that this is because liquid phase sintering does not proceed in the bonding process, In and Zn remain, and In is re-melted by reheating.

비교예 1-2, 1-4, 1-6, 1-8도, 비교예 1-9와 마찬가지로, 내열 평가에 있어서 재용융이 발생한다.Similarly to Comparative Examples 1-2, 1-4, 1-6, and 1-8 and Comparative Example 1-9, remelting occurs in the heat resistance evaluation.

이것은, 제 1 금속 입자(102)에 있어서의 제 1 금속 원소(비교예 1-2에서는 Sn, 비교예 1-4 및 비교예 1-6에서는 Sn 및 In, 비교예 1-8에서는 In)와, 제 2 금속 원소인 Cu의 혼합 비율에 주목한다고 이해할 수 있다. 즉, 비교예 1-2, 1-4, 1-6, 1-8에서는, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103)의 혼합 비율은 모두 70:30이다. 이 경우에는, 제 1 금속 입자(102)에 있어서의 제 1 금속 원소가, 평형 상태도에 있어서 모두 제 2 금속 원소와의 금속간 화합물이 되는 비율보다도 과잉으로 존재하기 때문이라고 생각된다.This is the first metal element in the first metal particles 102 (Sn in Comparative Example 1-2, Sn and In in Comparative Examples 1-4 and 1-6, and In in Comparative Example 1-8) , it can be understood that attention is paid to the mixing ratio of Cu, which is the second metal element. That is, in Comparative Examples 1-2, 1-4, 1-6, and 1-8, the mixing ratio of the first metal particles 102 and the second metal particles 103 is 70:30. In this case, it is thought that it is because the 1st metal element in the 1st metal particle 102 exists in excess than the ratio which becomes an intermetallic compound with a 2nd metal element all in an equilibrium state diagram.

그 때문에, 접합 프로세스를 거친 후의 접합 재료(101)에 있어서, 비교예 1-2에서는 Sn, 비교예 1-4 및 비교예 1-6에서는 Sn 및 In, 비교예 1-8에서는 In이 잔존하고, 이들의 융점이 200℃보다 낮기 때문에, 200℃ 이하에서 재용융이 발생한다고 생각된다.Therefore, in the bonding material 101 after the bonding process, Sn in Comparative Example 1-2, Sn and In in Comparative Examples 1-4 and Comparative Examples 1-6, and In in Comparative Example 1-8 remain, , since their melting point is lower than 200°C, it is considered that re-melting occurs at 200°C or less.

더욱이, 비교예 1-1, 1-3, 1-5, 1-7에 주목하면, 초기 접합과 내열성은 기준치를 넘고 있지만, 접합 강도가 각각 16.8, 13.4, 14.7, 12.2MPa로 그만큼 크지 않아, 판정은 C이다.Furthermore, paying attention to Comparative Examples 1-1, 1-3, 1-5, and 1-7, although the initial bonding and heat resistance exceed the standard values, the bonding strength is not so great as 16.8, 13.4, 14.7, and 12.2 MPa, respectively, The verdict is C.

비교예 1-1, 1-3, 1-5, 1-7과, 실시예 1-1, 1-3, 1-5, 1-7을 각각 비교하면, 30nm의 TiO2 나노입자(104)를 첨가함으로써 접합 강도가 2배 이상으로 커짐을 알 수 있다.Comparative Examples 1-1, 1-3, 1-5, 1-7 and Examples 1-1, 1-3, 1-5, and 1-7 are compared respectively, 30nm TiO 2 nanoparticles (104) It can be seen that the bonding strength is doubled or more by adding .

본 실시형태 1의 결과로부터, 다음의 것이 확인된다.From the result of this Embodiment 1, the following is confirmed.

본 개시의 효과를 발현하기 위해서는, 우선, 융점 200℃ 이하의 제 1 금속 입자와, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자(103)와, TiO2 나노입자(104)와, 플럭스(105)를 포함하는 접합 재료인 것이 필요하다.In order to express the effects of the present disclosure, first, a first metal particle having a melting point of 200° C. or less, and a first metal element included in the first metal particle 102 and a second metal element capable of generating an intermetallic compound It is necessary to be a bonding material including the second metal particles 103 including the TiO 2 nanoparticles 104 and the flux 105 .

더욱이, 제 1 금속 입자(102)가, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고, 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나인 것이 필요하다.Furthermore, the first metal particles 102 contain only the first metal element that forms the intermetallic compound with the second metal element, or the first metal element that forms the second metal element and the intermetallic compound, and the second metal element It is necessary to be any one of a complex containing a third metal element with a melting point of 250° C. or higher without generating an intermetallic compound.

그리고, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103)의 비율이, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율인 것이 필요하다.And the ratio of the 1st metal particle 102 and the 2nd metal particle 103 is the 1st metal element contained in the 1st metal particle in the equilibrium diagram of a 1st metal element and a 2nd metal element, and the 2nd It is necessary that all the 2nd metal elements contained in a metal particle are a ratio used as an intermetallic compound.

이들을 만족시키는 접합 재료(101)에 있어서, 높은 접합 강도의 접합부를 형성 가능한 접합 재료를 제공하는 것이 가능하다.In the bonding material 101 satisfying these requirements, it is possible to provide a bonding material capable of forming a bonding portion having high bonding strength.

(실시형태 2)(Embodiment 2)

본 실시형태 2로서, TiO2 나노입자(104)의 입경 및 함유율의 영향을 평가한다. 본 실시형태 2의 실시예 2-1∼2-6, 비교예 2-1∼2-4에 있어서의 접합 재료(101)에 포함되는 성분과, 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 도 3의 표 2에 나타낸다. 접합 재료(101)의 제작 방법, 접합 프로세스, 및 평가 방법은 실시형태 1과 마찬가지이다.As this Embodiment 2, the influence of the particle size and content rate of the TiO 2 nanoparticles 104 is evaluated. The components contained in the bonding material 101 in Examples 2-1 to 2-6 of this Embodiment 2 and Comparative Examples 2-1 to 2-4, the weight ratio thereof, and the evaluation result are shown in the table of FIG. 3 . 2 is shown. The manufacturing method of the bonding material 101, the bonding process, and the evaluation method are the same as that of Embodiment 1.

도 3의 표 2로부터, TiO2 나노입자(104)의 입경에 주목하면, 입경이 각각 20, 50, 80nm인 실시예 2-1, 2-2, 2-3에서는, 접합, 내열성이 Yes, 강도가 A이며, 모두 평가 기준을 상회하고 있다.From Table 2 of FIG. 3, when paying attention to the particle size of the TiO 2 nanoparticles 104, in Examples 2-1, 2-2, and 2-3 having a particle size of 20, 50, and 80 nm, respectively, bonding and heat resistance are Yes, The intensity|strength is A, and all are exceeding evaluation criteria.

한편, TiO2 나노입자(104)의 입경이 100nm, 300nm로 큰 비교예 2-1, 2-2에서는, 접합 강도가 각각 17.1MPa, 10MPa 미만으로 높지 않기 때문에 판정은 C이다.On the other hand, in Comparative Examples 2-1 and 2-2 where the TiO 2 nanoparticles 104 have large particle diameters of 100 nm and 300 nm, the bonding strength is not as high as 17.1 MPa and less than 10 MPa, respectively, so the determination is C.

이것은, TiO2 나노입자(104)의 입경이 크기 때문에, 액상 소결 시의 핵생성의 기점이 되는 개소가 적어지고, 또한, 접합 후에는 금속간 화합물 사이에 큰 이물이 혼입되는 형태가 된다.In this case, since the particle size of the TiO 2 nanoparticles 104 is large, the locations serving as the starting point of nucleation during liquid phase sintering are reduced, and after bonding, large foreign substances are mixed between the intermetallic compounds.

그 때문에, TiO2 나노입자(104)를 함유하는 효과가 작아짐과 함께, 계면 부근이 구조적으로 약해져, 접합 강도가 작아진다고 생각된다.Therefore, it is considered that the effect of containing the TiO 2 nanoparticles 104 is reduced, the vicinity of the interface is structurally weakened, and the bonding strength is reduced.

다음에, TiO2 나노입자(104)의 함유율에 주목하면, TiO2 나노입자의 함유율이 각각 0.1, 0.2, 1.0wt%인 실시예 2-4∼2-6에서는, 접합, 내열성이 Yes, 강도가 A로, 모두 평가 기준을 상회하고 있다.Next, paying attention to the content of TiO 2 nanoparticles 104, in Examples 2-4 to 2-6 in which the content of TiO 2 nanoparticles is 0.1, 0.2, and 1.0 wt%, respectively, bonding and heat resistance are Yes, and strength is is A, all exceeding the evaluation criteria.

한편, TiO2 나노입자(104)의 함유율이 0.05wt%로 작은 비교예 2-3에서는, 접합 강도가 18.1MPa로 높지 않다.On the other hand, in Comparative Example 2-3 in which the content of TiO 2 nanoparticles 104 is as small as 0.05 wt%, the bonding strength is not as high as 18.1 MPa.

이것은 TiO2 나노입자(104)의 함유율이 작기 때문에, 첨가의 효과가 작기 때문이라고 생각된다.This is considered to be because the effect of addition is small because the content rate of the TiO 2 nanoparticles 104 is small.

또한, TiO2 나노입자(104)의 함유율이 2.0wt.%로 큰 비교예 2-4에서는, 접합 강도가 14.3MPa로 작아, 판정은 ×이다. 이것은, TiO2 나노입자(104)의 함유율이 높기 때문에, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103) 사이에 형성되는 금속간 화합물 사이의 강도를 저하시켜 버리기 때문이라고 생각된다.Further, in Comparative Example 2-4 in which the content of the TiO 2 nanoparticles 104 is 2.0 wt.% and large, the bonding strength is as small as 14.3 MPa, and the determination is x. This is considered to be because the strength between the intermetallic compound formed between the first metal particle 102 and the second metal particle 103 is lowered because the content of the TiO 2 nanoparticles 104 is high.

본 실시형태 2의 결과로부터, 다음의 것이 확인된다.From the result of this Embodiment 2, the following is confirmed.

TiO2 나노입자(104)의 입경은, 메디안 직경 20∼80nm인 것이 바람직하다.The particle size of the TiO 2 nanoparticles 104 is preferably 20 to 80 nm in median diameter.

또한, TiO2 나노입자(104)의 함유율은, 0.1∼1 wt.%인 것이 바람직하다.In addition, the content of the TiO 2 nanoparticles 104 is preferably 0.1 to 1 wt.%.

이들을 만족시키는 접합 재료(101)에 있어서, 높은 접합 강도의 접합부를 형성 가능한 접합 재료를 제공하는 것이 가능하다.In the bonding material 101 satisfying these requirements, it is possible to provide a bonding material capable of forming a bonding portion having high bonding strength.

(실시형태 3)(Embodiment 3)

본 실시형태 3으로서, 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103), TiO2 나노입자(104)의 입경의 영향을 평가한다.In this Embodiment 3, the influence of the particle diameter of the 1st metal particle 102, the 2nd metal particle 103, and the TiO 2 nanoparticle 104 is evaluated.

본 실시형태 3의 실시예 3-1∼3-11에 있어서의 접합 재료(101)에 포함되는 성분과 그의 중량 비율, 및 평가 결과를 도 4의 표 3에 나타낸다. 접합 재료(101)의 제작 방법, 접합 프로세스, 및 평가 방법은 실시형태 1 및 실시형태 2와 마찬가지이다.Table 3 of FIG. 4 shows the components contained in the bonding material 101 in Examples 3-1 to 3-11 of the third embodiment, the weight ratio thereof, and the evaluation results. The manufacturing method of the bonding material 101, a bonding process, and an evaluation method are the same as that of Embodiment 1 and Embodiment 2.

도 4의 표 3의 결과로부터, 제 1 금속 입자(102)의 입경에 주목하면, 제 1 금속 입자(102)의 입경이 각각 3, 20, 30μm인 실시예 3-2∼3-4의 경우는, 접합, 내열성의 판정은 Yes, 강도의 판정은 A이며, 입경이 0.5, 45μm인 실시예 3-1, 3-5는 접합, 내열성의 판정은 Yes, 강도의 판정은 B이다.From the results of Table 3 in FIG. 4 , paying attention to the particle diameter of the first metal particle 102 , in the case of Examples 3-2-3-4 in which the particle diameter of the first metal particle 102 is 3, 20, and 30 μm, respectively is, the judgment of bonding and heat resistance is Yes, the judgment of strength is A, and in Examples 3-1 and 3-5 with particle diameters of 0.5 and 45 μm, the judgment of bonding and heat resistance is Yes, and the judgment of strength is B.

제 1 금속 입자(102)의 입자경이 작은 실시예 3-1의 경우, 제 2 금속 입자(103)의 입경과 가깝기 때문에, 제 2 금속 입자(103)와 접하는 개소가 많아진다. 그 때문에, 접합 프로세스에 있어서의 가열 시에 액상 소결의 속도가 매우 커서, 접합하는 2개의 부재의 전극에 충분히 젖어 퍼지기 전에 금속간 화합물의 형성이 완료되기 때문에, 그 외의 실시예와 비교하여 강도가 작아진다고 생각된다.In the case of Example 3-1 in which the particle diameter of the first metal particle 102 is small, since the particle diameter of the second metal particle 103 is close to that of the second metal particle 103, the number of points in contact with the second metal particle 103 increases. Therefore, the speed of liquid phase sintering during heating in the bonding process is very large, and the formation of the intermetallic compound is completed before the electrodes of the two members to be joined are sufficiently wetted and spread, so the strength is lower than in other examples. I think it gets smaller

반대로, 제 1 금속 입자(102)의 입경이 큰 실시예 3-5의 경우, 제 2 금속 입자(103)와 비교하여 제 1 금속 입자(102)의 입경이 매우 크기 때문에, 접합 재료(101)를 제작할 때의 균일성이 저하되었기 때문에, 그 외의 실시예와 비교하여 접합 강도도 비교적 작아진다고 생각된다.Conversely, in the case of Example 3-5 in which the particle diameter of the first metal particle 102 is large, compared to the second metal particle 103, the particle diameter of the first metal particle 102 is very large, so that the bonding material 101 Since the uniformity at the time of manufacturing fell, compared with the other Example, it is thought that the joint strength also becomes comparatively small.

제 2 금속 입자(103)의 입경에 주목하면, 제 2 금속 입자(103)의 입경이 각각 100, 400, 1200, 2000nm인 실시예 3-7∼3-10의 경우는, 접합, 내열성의 판정이 Yes, 강도의 판정이 A이며, 50, 6000nm인 실시예 3-6, 3-11은 접합, 내열성의 판정이 Yes, 강도의 판정이 B이다.Paying attention to the particle diameter of the second metal particle 103, in the case of Examples 3-7 to 3-10, wherein the particle diameter of the second metal particle 103 is 100, 400, 1200, and 2000 nm, respectively, bonding and heat resistance determination This Yes, determination of strength is A, and in Examples 3-6 and 3-11 which are 50 and 6000 nm, determination of bonding and heat resistance is Yes, and determination of strength is B.

제 2 금속 입자(103)의 입경이 작은 실시예 3-6에서는, 제 2 금속 입자(103)의 입경이 매우 작은 것에 의해, 접합 재료(101)의 제작 중이나 접합 프로세스의 가열에 있어서 제 2 금속 입자(103)의 응집이 생겨 균일성이 저하되기 때문에, 그 외의 실시예와 비교하여 접합 강도도 비교적 작아지기 때문이라고 생각된다.In Example 3-6 in which the particle diameter of the second metal particle 103 is small, the particle diameter of the second metal particle 103 is very small, so that the second metal during production of the bonding material 101 or during heating of the bonding process. Since aggregation of the particle|grains 103 arises and uniformity falls, it is thought that this is because the bonding strength also becomes comparatively small compared with the other Example.

제 2 금속 입자(103)의 입자경이 큰 실시예 3-11에서는, 제 2 금속 입자(103)의 입경이 큼으로써, 접합 프로세스 중에서 용융하고 있는 제 1 금속 입자(102)로의 확산이 느려, 금속간 화합물의 입경이 커지기 때문이라고 생각된다.In Example 3-11 in which the particle diameter of the second metal particles 103 is large, diffusion into the melting first metal particles 102 in the bonding process is slow due to the large particle diameter of the second metal particles 103, and the metal particles It is thought that this is because the particle size of the liver compound becomes large.

본 실시형태 3의 결과로부터, 다음의 것이 확인된다.From the result of this Embodiment 3, the following is confirmed.

제 1 금속 입자(102)는, 메디안 직경 3∼30μm의 입자를 적어도 포함하고 있는 것이 바람직하다.It is preferable that the 1st metal particle 102 contains the particle|grains with a median diameter of 3-30 micrometers at least.

제 2 금속 입자(103)는, 메디안 직경 100∼2000nm인 것이 바람직하다. 이들을 만족시키는 접합 재료(101)에 있어서, 높은 접합 강도의 접합부를 형성 가능한 접합 재료를 제공하는 것이 가능하다.It is preferable that the 2nd metal particle 103 has a median diameter of 100-2000 nm. In the bonding material 101 satisfying these requirements, it is possible to provide a bonding material capable of forming a bonding portion having high bonding strength.

<본 발명의 호적한 조건><Suitable conditions for the present invention>

이상, 본 실시형태 1∼3의 결과로부터, 본 개시의 접합 재료의 효과를 발현하기 위한 호적한 조건으로서, 접합 재료는, 융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자(102)와, 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자(103)와, TiO2 나노입자(104)와, 플럭스(105)를 포함하는 접합 재료(101)이다.As described above, from the results of Embodiments 1 to 3, as suitable conditions for expressing the effect of the bonding material of the present disclosure, the bonding material has a melting point of 200° C. or less, the first metal particles 102 , and the first metal particles. A first metal element included in 102 and a second metal particle 103 including a second metal element capable of generating an intermetallic compound, TiO 2 nanoparticles 104 , and a flux 105 . It is a bonding material 101 that

또한, 제 1 금속 입자(102)는, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소만, 또는 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고, 그 금속 원소 단체의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체 중 어느 하나이다.In addition, the first metal particles 102 contain only the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, or the first metal element that generates the second metal element and the intermetallic compound, and the second metal element. and a third metal element that does not form an intermetallic compound and the melting point of the metal element alone is 250° C. or higher.

더욱이, 제 1 금속 입자(102)와 제 2 금속 입자(103)의 비율은, 제 1 금속 원소와 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 제 1 금속 입자(102)에 포함되는 제 1 금속 원소와, 제 2 금속 입자(103)에 포함되는 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율이다.Furthermore, the ratio of the first metal particle 102 and the second metal particle 103 is the first metal element contained in the first metal particle 102 in the equilibrium diagram of the first metal element and the second metal element, and , a ratio in which all of the second metal elements included in the second metal particles 103 become intermetallic compounds.

보다 호적한 조건으로서, TiO2 나노입자(104)가, 메디안 직경 20∼80nm여도 된다.As a more suitable condition, the TiO 2 nanoparticles 104 may have a median diameter of 20 to 80 nm.

보다 더 호적한 조건으로서, TiO2 나노입자(104)의 함유율이, 제 1 금속 입자(102), 제 2 금속 입자(103), 및 TiO2 나노입자(104)의 총합 중, 0.1wt%∼1wt%여도 된다.As a more suitable condition, the content of the TiO 2 nanoparticles 104 is 0.1 wt% to the total of the first metal particles 102 , the second metal particles 103 , and the TiO 2 nanoparticles 104 . 1 wt% may be sufficient.

보다 더 호적한 조건으로서, 제 1 금속 입자(102)가, Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, 및 In의 군으로부터 선택되는 적어도 하나여도 된다.As an even more suitable condition, the first metal particle 102 may be at least one selected from the group consisting of Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, and In.

보다 더 호적한 조건으로서, 제 2 금속 입자(103)가, Cu를 포함하고 있어도 된다.As more suitable conditions, the 2nd metal particle 103 may contain Cu.

보다 더 호적한 조건으로서, 제 1 금속 입자(102)가, 메디안 직경 3∼30μm의 입자를 적어도 포함하고 있어도 된다.As more suitable conditions, the 1st metal particle 102 may contain the particle|grains with a median diameter of 3-30 micrometers at least.

보다 더 호적한 조건으로서, 제 2 금속 입자(103)가, 메디안 직경 100∼2000nm여도 된다.As a more suitable condition, the second metal particle 103 may have a median diameter of 100 to 2000 nm.

또한, 실장 구조체는, SiC 또는 GaN의 파워 디바이스 소자와, 파워 디바이스 소자의 전극과 외부 전극을 접합하는 상기 접합 재료(101)를 구비한다.Further, the mounting structure includes a power device element made of SiC or GaN, and the bonding material 101 for bonding an electrode of the power device element to an external electrode.

한편, 본 실시형태에 있어서, 평가에 이용한 SiC 소자의 전극은 Ti/Ni/Au를 이용하고 있지만, 본 개시는 이것으로 한정되는 것은 아니고, 제 1 금속 입자(102)로 접합 가능한 전극이면 본 개시의 효과를 발현할 수 있다.In addition, in this embodiment, although Ti/Ni/Au is used for the electrode of the SiC element used for evaluation, this indication is not limited to this, If it is an electrode which can be joined by the 1st metal particle 102, it is this indication can exhibit the effect of

한편, 본 개시에 있어서는, 전술한 다양한 실시형태 및/또는 실시예 중의 임의의 실시형태 및/또는 실시예를 적절히 조합하는 것을 포함하는 것이고, 각각의 실시형태 및/또는 실시예가 갖는 효과를 발휘할 수 있다.On the other hand, in the present disclosure, any embodiment and/or example among the various embodiments and/or examples described above is appropriately combined, and the effect of each embodiment and/or example can be exhibited. have.

본 발명에 따른 접합 재료에 의하면, SiC나 GaN과 같은 고탄성률의 소자를 이용하여, 또한 고온 동작을 행하는 디바이스에 있어서 요구되는, 내열성과 높은 강도를 가진 실장 구조체를 실현할 수 있다.According to the bonding material according to the present invention, it is possible to realize a mounting structure having heat resistance and high strength, which is required for a device that operates at a high temperature using an element with a high modulus of elasticity such as SiC or GaN.

101 접합 재료
102 제 1 금속 입자
103 제 2 금속 입자
104 TiO2 나노입자
105 플럭스
101 bonding material
102 first metal particles
103 second metal particles
104 TiO 2 Nanoparticles
105 flux

Claims (8)

융점이 200℃ 이하인 제 1 금속 입자와,
상기 제 1 금속 입자에 포함되는 제 1 금속 원소와 금속간 화합물을 생성할 수 있는 제 2 금속 원소를 포함하는 제 2 금속 입자와,
TiO2 나노입자와,
플럭스
를 포함하는 접합 재료로서,
상기 제 1 금속 입자는,
상기 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 상기 제 1 금속 원소만, 또는
상기 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하는 상기 제 1 금속 원소와, 상기 제 2 금속 원소와 금속간 화합물을 생성하지 않고 그 금속 원소 단체(單體)의 융점이 250℃ 이상인 제 3 금속 원소를 포함하는 복합체
중 어느 하나이고,
상기 제 1 금속 입자와 상기 제 2 금속 입자의 비율은, 상기 제 1 금속 원소와 상기 제 2 금속 원소의 평형 상태도에 있어서 상기 제 1 금속 입자에 포함되는 상기 제 1 금속 원소와, 상기 제 2 금속 입자에 포함되는 상기 제 2 금속 원소가 모두 금속간 화합물이 되는 비율인,
접합 재료.
A first metal particle having a melting point of 200° C. or less, and
a second metal particle including a first metal element included in the first metal particle and a second metal element capable of forming an intermetallic compound;
TiO 2 nanoparticles and,
flux
As a bonding material comprising:
The first metal particles,
only the first metal element forming an intermetallic compound with the second metal element, or
The first metallic element that forms the second metallic element and the intermetallic compound, and the third metallic element that does not form the second metallic element and the intermetallic compound and the melting point of the metallic element alone is 250° C. or higher a complex comprising
any one of
The ratio of the first metal particle to the second metal particle is the first metal element contained in the first metal particle in the equilibrium diagram of the first metal element and the second metal element, and the second metal The ratio in which all of the second metal elements contained in the particles are intermetallic compounds,
bonding material.
제 1 항에 있어서,
상기 TiO2 나노입자가, 메디안 직경 20∼80nm인, 접합 재료.
The method of claim 1,
The said TiO 2 nanoparticles are a median diameter of 20 to 80 nm, a bonding material.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 TiO2 나노입자의 함유율이, 상기 제 1 금속 입자, 상기 제 2 금속 입자, 및 상기 TiO2 나노입자의 총합 중, 0.1wt%∼1wt%인, 접합 재료.
3. The method of claim 1 or 2,
The content of the TiO 2 nanoparticles is 0.1 wt% to 1 wt% in the total of the first metal particles, the second metal particles, and the TiO 2 nanoparticles.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 금속 입자가, Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, 및 In의 군으로부터 선택되는 적어도 하나인, 접합 재료.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The bonding material, wherein the first metal particles are at least one selected from the group consisting of Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, and In.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 금속 입자가, Cu를 포함하고 있는, 접합 재료.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The bonding material in which the said 2nd metal particle contains Cu.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 금속 입자가, 메디안 직경 3∼30μm의 입자를 적어도 포함하는, 접합 재료.
6. The method according to any one of claims 1 to 5,
The bonding material in which the said 1st metal particle contains at least particle|grains with a median diameter of 3-30 micrometers.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 금속 입자가, 메디안 직경 100∼2000nm인, 접합 재료.
7. The method according to any one of claims 1 to 6,
The bonding material, wherein the second metal particles have a median diameter of 100 to 2000 nm.
SiC 또는 GaN의 파워 디바이스 소자와,
상기 파워 디바이스 소자의 전극과 외부 전극을 접합하는, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 상기 접합 재료
를 구비한, 실장 구조체.
A power device element of SiC or GaN;
The said bonding material in any one of Claims 1-7 which joins the electrode of the said power device element, and an external electrode.
A mounting structure provided with.
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