(57)【要約】【課題】金属微粒子ペーストの焼成温度を下げるための新たな技術を提供する。【解決手段】焼結体の製造方法は、圧力０．７５ＭＰａ以上、焼成温度３００℃以下の雰囲気で金属微粒子ペーストを焼成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力０．７５ＭＰａ以上、焼成温度３００℃以下の雰囲気で金属微粒子ペーストを焼成することを特徴とする焼結体の製造方法。
【請求項２】
前記金属微粒子ペーストは、分散されている金属微粒子の平均粒子径が１〜１００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の焼結体の製造方法。
【請求項３】
前記焼成温度が２００℃以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の焼結体の製造方法。
【請求項４】
前記金属微粒子ペーストは、銅ナノ粒子が分散されており、
前記雰囲気は、非酸化性ガスを含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の焼結体の製造方法。
【請求項５】
圧力０．７５ＭＰａ以上、焼成温度３００℃以下の雰囲気で金属微粒子ペーストを焼成することで形成された焼結体。
【請求項６】
半導体発光素子の電極を金属微粒子ペーストを介して実装基板の給電部に搭載する工程と、
前記電極と前記給電部との間の前記金属微粒子ペーストを、圧力０．７５ＭＰａ以上、焼成温度３００℃以下の雰囲気で焼成する工程と、
を有する発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結体に関し、例えば、金属微粒子ペーストを焼成して焼結体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金、銀、銅などの電気抵抗率が小さな金属のナノ粒子ペーストを焼結することで、熱伝導率が高い金属の焼結体を形成し、これを電子部品の配線や放熱材、接合材へ適用する試みがなされている。しかしながら、一般的な金属ナノ粒子ペーストの焼成温度は３５０℃以上のものが多く、高温プロセスに対応できる電子部品以外には適用が困難である。
【０００３】
そこで、炭素数５以上の１，２−アルカンジオール及び／又はその誘導体を含む有機物の存在下、非酸化性雰囲気下で有機銅化合物を当該化合物の分解開始温度以上かつ完全分解温度未満の温度で熱処理することにより得られた、有機成分を含む銅系ナノ粒子を用いることで、焼成温度を下げる技術が考案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第１０／０１８７８２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属微粒子ペーストの焼成温度を下げるための新たな技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の焼結体の製造方法は、圧力０．７５ＭＰａ以上、焼成温度３００℃以下の雰囲気で金属微粒子ペーストを焼成する。
【０００７】
この態様によると、大気圧では金属微粒子ペーストが焼結体とはならない比較的低温の焼成温度でも焼結体を製造できる。
【０００８】
金属微粒子ペーストは、分散されている金属微粒子の平均粒子径が１〜１００ｎｍの範囲であってもよい。これにより、金属微粒子が沈殿しづらくなり、組成が均一な金属微粒子ペーストを得やすくなる。
【０００９】
焼成温度が２００℃以下であってもよい。これにより、焼成によって焼結体を製造する際に、他の部品に熱的なダメージを与えづらくなる。
【００１０】
金属微粒子ペーストは、銅ナノ粒子が分散されていてもよい。雰囲気は、非酸化性ガスを含有してもよい。これにより、酸化しやすい材料である銅であっても、均一な焼結体を製造しやすくなる。
【００１１】
本発明の更に別の態様は、焼結体である。この焼結体は、圧力０．７５ＭＰａ以上、焼成温度３００℃以下の雰囲気で金属微粒子ペーストを焼成することで形成されている。
【００１２】
この態様によると、大気圧では金属微粒子ペーストが焼結体とはならない比較的低温の焼成温度によって形成された焼結体が得られる。
【００１３】
本発明の更に別の態様は、発光装置の製造方法である。この方法は、半導体発光素子の電極を金属微粒子ペーストを介して実装基板の給電部に搭載する工程と、電極と給電部との間の金属微粒子ペーストを、圧力０．７５ＭＰａ以上、焼成温度３００℃以下の雰囲気で焼成する工程と、を有する。
【００１４】
この態様によると、大気圧では金属微粒子ペーストが焼結体とはならない比較的低温の焼成温度でも、実装基板の給電部と搭載された半導体発光素子の電極との間を、金属微粒子ペーストが焼成された焼結体で導通できる。
【００１５】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、金属微粒子ペーストの焼成温度を下げるための新たな技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】低温焼成を説明するための模式図である。
【図２】加熱加圧処理装置の焼成プログラムにおける処理時間と圧力および温度の変化を示す図である。
【図３】金属微粒子ペーストを高圧（０．９ＭＰａ）環境下で焼成した場合、常圧で焼成した場合の各焼結体の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。
【図４】試料１を焼成温度を変えて作成した焼結体の示差走査熱量測定（Differential scanning calorimetry：DSC）の結果を示す図である。
【図５】試料１をガス加圧の圧力を変えて作成した各焼結体のＤＳＣの結果を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、熱抵抗測定に用いたＬＥＤパッケージの上面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＬＥＤパッケージのＡ−Ａ断面図である。
【図７】通電時間と熱抵抗との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述される全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１９】
（金属微粒子ペースト）
本実施の形態に係る金属微粒子ペーストは、金、銀、銅などの導電性の微粒子（平均粒子径が１〜１００μｍ程度）が、炭化水素系溶媒、高級アルコール、テルピネオール、トルエン等の溶剤に分散されている。これにより、金属微粒子が沈殿しづらくなり、組成が均一な金属微粒子ペーストを得やすくなる。
【００２０】
このような金属微粒子ペーストは、３５０℃以上の温度で焼成することが推奨されている。高温で焼成することで緻密な金属の焼結体が形成されるが、金属微粒子ペーストが使用できる部品や製品は、その部品や製品が焼成温度まで加熱されても問題なく機能するものに限られる。一方、金属微粒子ペーストを３５０℃より低温で焼成すると、焼結体とならずに残存したナノサイズの微粒子が観察される。このような場合、緻密な焼結体が形成されておらず十分な導電性が得られない、または、緻密な構造が形成されていないことから十分な熱伝導性も得られない。
【００２１】
そこで、本発明者が鋭意検討したところ、焼成時の圧力を高めることで微粒子同士を密着させることに想到した。具体的には、大気圧の数倍の圧力環境下で焼成することで、比較的低い焼成温度でも、ナノサイズの微粒子がほとんど残存していない焼結体が得られることがわかった。
【００２２】
（低温焼成）
図１は、低温焼成を説明するための模式図である。図１に示すように、金属等の基板１０の上に金属微粒子ペースト１２を塗布し、自動加熱加圧処理装置ＡＣＳ−２３０（チヨダエレクトリック株式会社製）の処理室に載置する。
【００２３】
図２は、加熱加圧処理装置の焼成プログラムにおける処理時間と圧力および温度の変化を示す図である。焼成処理が開始すると処理室の大気が数分間かけて排気される。その後、処理室を窒素雰囲気にした後、圧力が０．９ＭＰａになるまでガス加圧するとともに、温度を室温から１５０℃まで昇温する。そして、圧力０．９ＭＰａ、温度１５０℃の状態で１５ｍｉｎ焼成することで、図１に示すように、基板１０の上に焼結体１４が形成される。なお、図１に示すように、処理装置内での金属微粒子ペースト１２の焼成中は、雰囲気ガス以外に金属微粒子ペースト１２に働く加圧力は必要ない。
【００２４】
図３は、金属微粒子ペーストを高圧（０．９ＭＰａ）環境下で焼成した場合、常圧で焼成した場合の各焼結体の表面の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。本実施の形態では、４種類の金属微粒子ペーストの試料１〜４（全て大研化学工業株式会社製）について実験を行った。試料１は銅ナノペースト（ＮＣＵ−１６）、試料２は金ナノペースト（ＮＡＵ−Ｋ０５Ｃ）、試料３は銀ナノペースト（ＮＡＧＳ２１１−７３Ｂ）、試料４は銅−銀ナノペースト（ＮＡＧＮＣＵ２８−Ｋ０６）である。
【００２５】
図３に示すように、ガス加圧で焼成した試料１〜４の焼結体は、いずれもナノ粒子が観察されず緻密な表面形態を有する。一方、常圧で焼成した試料１〜４の焼結体は、少なくとも表面にナノ粒子が多く観察されており、凹凸や隙間の多い表面状態である。
【００２６】
図４は、試料１を焼成温度を変えて作成した焼結体の示差走査熱量測定（Differential scanning calorimetry：DSC）の結果を示す図である。ＤＳＣは、一定の熱を与えながら試料の吸熱反応や発熱反応により試料の状態変化を測定するものであり、溶融のような単純な熱による状態変化の反応だけでなく、構造の相転移、結晶化などの状態変化を検知することができる。
【００２７】
本実施の形態では、ＤＳＣ装置として、Ｔｈｅｒｍｏ  ｐｌｕｓ  Ｅｖｏ  ＤＳＣ８２３０（株式会社リガク製）を用いた。測定条件は以下の通りである。
測定雰囲気：窒素（４０ｍｌ／ｍｉｎ）
試料重量：５ｍｇ
基準試料：アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）
試料ホルダ：アルミニウム（Ａｌ）
昇温速度：２０℃／ｍｉｎ
測定終了温度：３００℃
試料：試料１（銅ナノペースト：ＮＣＵ−１６）
【００２８】
図４に示すように、試料１の焼成温度が１５０度の場合、発熱や吸熱のピークが見られず、残存するナノ粒子といった焼成時に未反応なものがなく、緻密な焼結体であることがわかる。一方、試料１の焼成温度が１３０度の場合、発熱ピークや吸熱ピークが見られ、未反応なナノ粒子の結晶化や融解が生じているため、緻密な焼結体ではない可能性が高い。また、試料１の焼成温度が１４０度の場合、わずかに発熱ピークが見られ、完全に緻密な焼結体ではない可能性がある。
【００２９】
したがって、本実施の形態に係る焼結体の製造方法は、焼成温度が１３０℃より高く、少なくとも１４０℃以上であり、好ましくは１５０℃以上であるとよい。
【００３０】
（ガス加圧）
次に、ガス加圧の影響について説明する。図５は、試料１をガス加圧の圧力を変えて作成した各焼結体のＤＳＣの結果を示す図である。なお、各焼結体の焼成温度は全て１５０℃である。図５に示すように、試料１のガス加圧の圧力が０．６ＭＰａの場合、吸熱ピークが見られており、未反応なナノ粒子の融解が生じているため、緻密な焼結体ではない可能性が高い。また、また、試料１のガス加圧の圧力が０．７５ＭＰａの場合、わずかに吸熱ピークが見られ、完全に緻密な焼結体ではない可能性がある。一方、試料１のガス加圧の圧力が０．８ＭＰａ、０．９ＭＰａの場合、発熱や吸熱のピークが見られず、残存するナノ粒子といった焼成時に未反応なものがなく、緻密な焼結体であることがわかる。
【００３１】
したがって、本実施の形態に係る焼結体の製造方法は、ガス加圧の圧力が０．７５ＭＰａ以上、好ましくは０．８ＭＰａ以上であるとよい。
【００３２】
（熱抵抗測定）
次に、本実施の形態に係る金属微粒子ペーストをＬＥＤチップと基板との接合に用いた場合の熱抵抗について測定した。また、比較例としてはんだをＬＥＤチップと基板との接合に用いた場合の熱抵抗について測定した。
【００３３】
図６（ａ）は、熱抵抗測定に用いたＬＥＤパッケージの上面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＬＥＤパッケージのＡ−Ａ断面図である。ＬＥＤパッケージ１６は、板厚が１．５ｍｍの銅板１８の上に絶縁体からなる保護層２０が積層されている。保護層２０は、複数箇所に窓部が形成されており、下層である銅板１８の一部が露出している。露出した部分は、給電用パッド２２となり、半導体発光素子であるＬＥＤチップ２４が搭載される給電部として機能する。
【００３４】
ＬＥＤチップ２４は、出射面２４ａと反対側の裏面側に一対の電極２４ｂが形成されている。そして、電極２４ｂと給電用パッド２２との間に、本実施の形態に係る焼結体が接合体２６として配置されている。
【００３５】
本実施の形態に係るＬＥＤパッケージ１６は、ＬＥＤチップ２４の電極２４ｂが、接合体２６となる金属微粒子ペーストを介して実装基板である銅板１８の給電用パッド２２に搭載されている。その後、ＬＥＤパッケージ１６を加熱加圧処理装置の処理室に載置し、金属微粒子ペーストを圧力０．７５ＭＰａ以上、焼成温度３００℃以下の雰囲気で約１５分焼成する。その後、加熱加圧処理装置からＬＥＤパッケージ１６を取り出し、必要な配線等を行う。
【００３６】
なお、好ましくは焼成温度が２００℃以下であるとよい。これにより、焼成によって焼結体を製造する際に、ＬＥＤパッケージ１６が有する受動素子や部品に熱的なダメージを与えづらくなる。
【００３７】
つまり、大気圧では金属微粒子ペーストが焼結体とはならない比較的低温の焼成温度でも、銅板１８の給電用パッド２２と搭載されたＬＥＤチップ２４の電極２４ｂとの間を、金属微粒子ペーストが焼成された焼結体で導通できる。
【００３８】
次に、ＬＥＤパッケージ１６の状態で熱抵抗の測定を行った。熱抵抗測定は、順方向電流Ｉｆ＝１．２Ａ、環境温度Ｔａ＝２５℃、通電時間２ｓで行った。図７は、通電時間と熱抵抗との関係を示す図である。図７に示すラインＬ１は、接合体として焼結体を用いたＬＥＤパッケージがヒートシンクに搭載されている場合の測定結果である。また、図７に示すラインＬ１’は、接合体として焼結体を用いたＬＥＤパッケージがヒートシンクに搭載されていない場合の測定結果である。
【００３９】
各ＬＥＤパッケージに対する測定は３回行い、その平均値をラインＬ１，Ｌ１’としている。ここで、通電時間０．１ｓでの測定値を熱抵抗の値としたのは、０．１ｓを超えるまではヒートシンクの有無によって各ＬＥＤパッケージの熱抵抗の値にほとんど差はないが、０．１ｓを超えたあたりからヒートシンクに搭載されていないＬＥＤパッケージの熱抵抗の値（ラインＬ１’）とヒートシンクに搭載されているＬＥＤパッケージの熱抵抗の値（ラインＬ１）との乖離が大きくなっているためである。
【００４０】
その結果、ヒートシンクに搭載されているＬＥＤパッケージ（ラインＬ１）の通電時間０．１ｓでの熱抵抗の値（任意単位）は、１０．１４，１０．２４，１０．４４［ａ．ｕ．］であり、平均値は１０．２８［ａ．ｕ．］であった。
【００４１】
次に、比較例として、ＬＥＤチップ２４の電極２４ｂと実装基板である銅板１８の給電用パッド２２との接合体としてはんだを用いたＬＥＤパッケージを作成した。作製方法は、電極２４ｂと給電用パッド２２との間にはんだを付け、窒素リフロー炉（ＵＮＩ−６１１６Ｓ：アントム株式会社製）にセットし、１６０〜１８０℃で２ｍｉｎ予備加熱し、ピーク温度２６０℃で１０ｓ加熱処理した。
【００４２】
そして、作成したＬＥＤパッケージの熱抵抗を前述と同様の方法で測定した。図７に示すラインＬ２は、接合体としてはんだを用いたＬＥＤパッケージがヒートシンクに搭載されている場合の測定結果である。また、図７に示すラインＬ２’は、接合体としてはんだを用いたＬＥＤパッケージがヒートシンクに搭載されていない場合の測定結果である。各ＬＥＤパッケージに対する測定は３回行い、その平均値をラインＬ２，Ｌ２’としている。
【００４３】
その結果、ヒートシンクに搭載されているＬＥＤパッケージ（ラインＬ２）の通電時間０．１ｓでの熱抵抗の値（任意単位）は、１１．１４，１１．３４，１１．５０［ａ．ｕ．］であり、平均値は１１．３２［ａ．ｕ．］であった。
【００４４】
したがって、接合体として銅の焼結体を用いた本実施の形態に係るＬＥＤパッケージ１６は、接合体としてはんだを用いたＬＥＤパッケージの熱抵抗の値よりも１．０４［ａ．ｕ．］低下しており、駆動電流を５％以上増大させることができる。
【００４５】
このように、本実施の形態に係る焼結体の製造方法によれば、大気圧では金属微粒子ペーストが焼結体とはならない比較的低温の焼成温度でも焼結体を製造できる。また、本実施の形態に係る焼結体の製造方法によれば、はんだに対する加熱温度と大差ない焼成温度で、はんだよりも低抵抗の焼結体を形成できる。
【００４６】
また、銅ナノ粒子が分散されている金属微粒子ペーストを焼成する場合、雰囲気は、非酸化性ガス（窒素や希ガス）を含有しているとよい。これにより、酸化しやすい材料である銅であっても、均一な焼結体を製造しやすくなる。一方、銀や金のナノ粒子が分散されている金属微粒子ペーストを焼成する場合、非酸化性ガス以外に大気であってもよい。
【００４７】
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の焼結体や発光装置は、車両用灯具の発光モジュールに利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０  基板、  １２  金属微粒子ペースト、  １４  焼結体、  １６  ＬＥＤパッケージ、  １８  銅板、  ２０  保護層、  ２２  給電用パッド、  ２４  ＬＥＤチップ、  ２４ａ  出射面、  ２４ｂ  電極、  ２６  接合体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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