(57)【要約】      （修正有）【課題】接合材料として金属微粒子含有ペーストを用いる被接合部材の接合方法において、切欠きが発生せず、耐久性に優れた接合体を得る接合方法を提供する。【解決手段】第１の被接合部材１および第２の被接合部材２を金属微粒子含有ペースト３で接合する接合方法において、金属微粒子含有ペーストを第１の被接合部材の面積より広い面積で第２の被接合部材に塗布する工程と、第１の被接合部材をペーストに積層させ、第１の被接合部材を加圧して、第１の被接合部材を塗布されたペーストの厚さの３０％以上の厚さでペーストに押し込む工程と、加熱する工程とを含む、方法。【選択図】図１
2014110282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の被接合部材および第２の被接合部材を金属微粒子含有ペーストで接合する接合方法において、
金属微粒子含有ペーストを第１の被接合部材の面積より広い面積で第２の被接合部材に塗布する工程と、
第１の被接合部材を金属微粒子含有ペーストに積層させ、第１の被接合部材を加圧して、第１の被接合部材を塗布されたペーストの厚さの３０％以上の厚さでペーストに押し込む工程と、
加熱する工程とを含む、前記方法。
【請求項２】
加熱を第１の被接合部材側から行う、請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
金属微粒子含有ペーストを第１の被接合部材の面積より０．５％以上広い面積で第２の被接合部材に塗布する、請求項１または２に記載の接合方法。
【請求項４】
加熱する工程を無加圧下で行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属微粒子含有ペーストを用いる被接合部材の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、接合材料としてはんだが使用されていたが、動作温度の高いパワーデバイス素子に対して使用することは困難であった。そのため、現在では接合材料として耐熱性の高い金属微粒子含有ペーストが使用されてきている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
接合材料としてはんだを使用する接合方法では、はんだが溶融して被接合部材の重みでぬれ広がるためフィレットが形成される。しかし、金属微粒子含有ペーストを接合材料として使用する場合、金属微粒子含有ペーストは溶融しないため、ぬれ広がらず、ペーストに含まれる溶媒の温度上昇による気化により、ペーストは収縮する。このため、応力集中部となる切欠きがペーストに発生し、得られる接合体の耐久性が低下してしまう。図８は従来の金属微粒子含有ペーストを用いる接合方法を示す。被接合部材５に、被接合部材４と同面積で金属微粒子含有ペースト６を塗布し、被接合部材４をペースト６に積層させ、加熱して被接合部材４と被接合部材５を接合すると、ペースト６に含まれる溶媒が気化することにより、ペースト６は収縮する。このため、図９の接合部分の拡大図に示すように、被接合部材４と被接合部材５の間に応力集中部分となる切欠きが発生し、得られる接合体の耐久性が低下する。
【０００４】
また、一般に、金属微粒子含有ペーストを被接合部材よりも広い面積に塗布し、無加圧で接合する場合、加熱中にペースト層内で温度勾配が発生するため、ペーストが熱源と逆方向に反り返り、被接合部材とペーストの間に応力集中部となる切欠きが発生し、得られる接合体の耐久性が低下することが知られている。
【０００５】
さらに、特定の金属粒子前駆体及び還元剤を含む金属微粒子含有ペーストを接合材料として用いた場合に、接合界面で金属結合による接合をより低温で実現可能であることが報告されているが（特許文献２）、この文献には、接合時に加圧した場合には接合体の接合面積率は２０％以上となるが、加圧しない場合には接合体の接合面積率は５％以下となるので、接合時に被接合部材を加圧することが必須であると記載されている。このため、接合時に加圧を必要としない従来のはんだ用の設備では被接合部材を接合できず、接合するためには設備を改造する必要が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２１２５５号公報
【特許文献２】特開２０１２−９４８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の通り、金属微粒子含有ペーストを接合材料として用いる場合、被接合部材間に切欠きが発生し、得られる接合体の耐久性が低下する場合がある。
【０００８】
また、金属微粒子含有ペーストを被接合部材よりも広い面積に塗布し、無加圧で接合する場合にも、被接合部材とペーストの間に切欠きが発生し、得られる接合体の耐久性が低下する場合がある。
【０００９】
そのため、本発明は、接合材料として金属微粒子含有ペーストを用いる被接合部材の接合方法において、切欠きが発生せず、耐久性に優れた接合体を得る接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は以下の発明を包含する。
（１）第１の被接合部材および第２の被接合部材を金属微粒子含有ペーストで接合する接合方法において、
金属微粒子含有ペーストを第１の被接合部材の面積より広い面積で第２の被接合部材に塗布する工程と、
第１の被接合部材を金属微粒子含有ペーストに積層させ、第１の被接合部材を加圧して、第１の被接合部材を塗布されたペーストの厚さの３０％以上の厚さでペーストに押し込む工程と、
加熱する工程とを含む、前記方法。
（２）加熱を第１の被接合部材側から行う、（１）に記載の接合方法。
（３）金属微粒子含有ペーストを第１の被接合部材の面積より０．５％以上広い面積で第２の被接合部材に塗布する、（１）または（２）に記載の接合方法。
（４）加熱する工程を無加圧下で行う、（１）〜（３）のいずれかに記載の接合方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、接合材料として金属微粒子含有ペーストを用いる接合方法において、切欠きが発生せず、耐久性に優れた接合体が得られる接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の接合方法の工程を示す図である。
【図２】本発明の接合方法により得られた接合体の接合部分の拡大図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の比較例の冷熱衝撃試験前の超音波顕微鏡像を示す図である。
【図５Ａ】本発明の実施例１の−５５℃／１５０℃の条件における冷熱衝撃試験前の超音波顕微鏡像を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の実施例１の−５５℃／１５０℃の条件における冷熱衝撃試験後の超音波顕微鏡像を示す図である。
【図６Ａ】本発明の実施例１の−６５℃／１７５℃の条件における冷熱衝撃試験前の超音波顕微鏡像を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の実施例１の−６５℃／１７５℃の条件における冷熱衝撃試験後の超音波顕微鏡像を示す図である。
【図７Ａ】本発明の実施例２の−６５℃／１７５℃の条件における冷熱衝撃試験前の超音波顕微鏡像を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の実施例２の−６５℃／１７５℃の条件における冷熱衝撃試験後の超音波顕微鏡像を示す図である。
【図８】従来の接合方法を示す図である。
【図９】従来の接合方法により得られた接合体の接合部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態について、以下のとおり説明する。
【００１４】
本発明は、第１の被接合部材および第２の被接合部材を金属微粒子含有ペーストで接合する接合方法に関する。本発明の方法によると、切欠きが発生せず、耐久性に優れた接合体を得ることができる。
【００１５】
金属微粒子含有ペーストに含まれる金属微粒子として使用される金属の種類は特に限定されず、貴金属および卑金属のいずれも使用することができる。貴金属としては、例えば、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、白金などを挙げることができる。卑金属としては、例えば、銅、アルミニウム、鉄、ニッケルなどを挙げることができる。使用する金属の種類は１種でもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。金属微粒子は電気・熱伝導性を維持している限り、金属酸化物や金属塩の形態であってもよい。本発明では、特に限定するものではないが、電気伝導性および熱伝導性の観点から銀を使用することが好ましい。
【００１６】
金属微粒子の平均粒径は、例えば、１〜６０ｎｍ、好ましくは１〜２０ｎｍである。平均粒径が小さくなるほど粒子同士の接触面積が増大し接合強度や電気・熱伝導率が向上するため、平均粒径は小さいほど好ましい。金属微粒子は特定の平均粒径の範囲のものを単独で使用してもよいし、異なる平均粒径の範囲のものを複数組み合わせて使用してもよい。本発明の好ましい実施形態において、金属ナノ粒子ペーストが金属微粒子含有ペーストとして用いられる。
【００１７】
金属微粒子含有ペースト中の金属微粒子の含有量は例えば、８０〜９９重量％、好ましくは９５〜９９重量％である。
【００１８】
本発明の金属微粒子含有ペーストは溶媒または添加剤を含むことができる。
溶媒としては、特に限定されず、水やアルコールなどのプロトン性極性溶媒、アミド（例えばジメチルアセトアミド）、ニトリル（例えばアセトニトリル）、ケトン（例えばアセトン）、環状エーテル（例えばテトラヒドロフラン）などの非プロトン性極性溶媒などを使用することができる。
【００１９】
添加剤としては、特に限定されず、粘度調整剤、分散剤などを挙げることができる。
粘度調整剤としては、特に限定されず、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、カルボキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどのセルロース誘導体、ポリオキシエチレンまたはその変性体、ポリビニルアルコールまたはその変性体、多糖類、極性溶媒などを挙げることができる。
【００２０】
分散剤としては、特に限定されずに、リン酸系分散剤、例えば、リン酸エステル系分散剤、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルリン酸系分散剤、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテルリン酸系分散剤などを挙げることができる。
【００２１】
本発明に用いる被接合部材は、特に限定されず、金属材料、プラスチック材料、セラミック材料などを使用することができる。金属材料としては、例えば、金属基板、例えば、銅基板、金基板、アルミ基板などを挙げることができる。プラスチック材料としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレートなどを挙げることができる。セラミック材料としては、例えば、ガラス、シリコンなどを挙げることができる。
【００２２】
また、被接合部材として電子部品を使用することもできる。電子部品としては、例えば、シリコン素子、シリコンカーバイド素子、窒化ガリウム素子などの化合物半導体などを挙げることができる。
【００２３】
本発明において、後述するように金属微粒子含有ペーストを第１の被接合部材の接合面積より広い面積で第２の被接合部材に塗布するので、第２の被接合部材の接合面の面積は第１の被接合部材の接合面の面積よりも広い。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態において、第１の被接合部材は電子部品であり、第２の被接合部材は金属基板である。
【００２５】
第１の被接合部材および第２の被接合部材を金属微粒子含有ペーストで接合する本発明の接合方法の工程を図１に示す。本発明の接合方法は、金属微粒子含有ペースト３を第１の被接合部材１の接合面積より広い面積で第２の被接合部材２に塗布する工程（工程（ｉ））と、第１の被接合部材１を金属微粒子含有ペースト３に積層させ、第１の被接合部材１を加圧して、第１の被接合部材１を塗布されたペースト３の厚さの３０％以上の厚さでペースト３に押し込む工程（工程（ｉｉ））と、加熱して第１の被接合部材１および第２の被接合部材２を接合する工程（工程（ｉｉｉ））とを含む。
【００２６】
工程（ｉ）について
本発明の接合方法の工程（ｉ）において、金属微粒子含有ペースト３が第１の被接合部材１の面積より広い面積で第２の被接合部材２に塗布される。これにより、図２の本発明の接合方法により得られた接合体の接合部分の拡大図に示すように、加熱によるペーストの収縮により切欠きが形成することを防ぎ、得られる接合体の耐久性が向上する。
【００２７】
本発明において、「被接合部材の面積」とは、第１の被接合部材または第２の被接合部材が他方の被接合部材と接合する面の面積を意味する。
【００２８】
好ましい実施形態において、金属微粒子含有ペースト３は第１の被接合部材１の面積より０．５％以上広い面積、かつ第２の被接合部材２の面積以下の面積で第２の被接合部材２に塗布される。
【００２９】
本発明において、塗布される金属微粒子含有ペーストの厚さは、特に限定されずに５０〜１５０μｍ、好ましくは１００〜１５０μｍであることができる。
【００３０】
工程（ｉｉ）について
工程（ｉ）の後、第１の被接合部材１を工程（ｉ）で塗布された金属微粒子含有ペースト３に積層させ、第１の被接合部材１を加圧して、第１の被接合部材１を塗布されたペースト３の厚さの３０％以上の厚さでペースト３に押し込む。これにより、加熱によるペーストの収縮により切欠きが形成することを防ぎ、得られる接合体の耐久性が向上する。
【００３１】
前記のように、金属微粒子含有ペースト３は第１の被接合部材１の面積よりも広い面積で第２の被接合部材２に塗布される。本発明において、第１の被接合部材１をペースト３に積層させる際、第１の被接合部材１は塗布されたペースト３からはみ出さないように積層させる。
【００３２】
第１の被接合部材１をペースト３に押し込む際の圧力は、特に限定されず、第１の被接合部材１をペースト３の厚さの３０％以上の厚さでペーストに押し込むことができる圧力であればよい。
【００３３】
工程（ｉｉｉ）について
次に、第１の被接合部材１および第２の被接合部材２ならびに塗布されたペースト３を加熱して第１の被接合部材１および第２の被接合部材２を接合する。本発明の加熱工程は無加圧条件下で実施することができる。ここで、「無加圧条件」とは、機械などを用いて高い圧力をかけることを必要としないという意味であり、人の手によって被接合部材を押し付ける程度の圧力を除外するものではない。本発明の接合方法は従来技術と比較して無加圧条件下でも強固に被接合部材を接合することが可能である。本発明の接合方法は被接合部材を無加圧条件下で接合できるので、従来のはんだを接合材料として用いる設備を改造することなく、接合体を製造することができる。
【００３４】
加熱工程は、例えば２００℃以上、好ましくは２５０℃以上で実施する。
加熱は、第１の被接合部材１および第２の被接合部材２のいずれの側から行ってもよいが、好ましくは、第１の被接合部材側から加熱する。
【００３５】
従って、本発明の接合方法の第２の実施形態は、金属微粒子含有ペーストを第１の被接合部材の面積より広い面積で第２の被接合部材に塗布する工程と、第１の被接合部材を金属微粒子含有ペーストに積層させ、第１の被接合部材を加圧して、第１の被接合部材を塗布されたペーストの厚さの３０％以上の厚さでペーストに押し込む工程と、第１の被接合部材側から加熱する工程とを含む、第１の被接合部材および第２の被接合部材を金属微粒子含有ペーストで接合する接合方法である。
【００３６】
図３に第１の被接合部材側から加熱した場合の本発明の接合方法を接合部分を拡大して示した。第１の被接合部材１側から加熱すると、加熱中に金属微粒子含有ペースト３の内部で、第１の被接合部材１側の温度が高くなり、第２の被接合部材２側に向かって温度が低くなる温度勾配が生じる。従って、第１の被接合部材１側のペースト３が先に焼結し、その後、第２の被接合部材２側のペースト３が焼結する。ペースト３に含まれる溶媒が温度上昇により気化し、ペースト３が収縮する際、第１の被接合部材１側のペーストは第２の被接合部材２側のペースト３よりも速く焼結しているので、第２の被接合部材２側のペースト３が大きく収縮し、その結果、ペースト３は第２の被接合部材２側に反り返る。従って、ペースト３と第２の被接合部材２の接合面積が大きくなり、切欠きも発生しない。よって、第１の被接合部材側から加熱した場合、第２の被接合部材側から加熱した場合と比較して、金属微粒子含有ペーストと第２の接合体の接合面積が大きくなり、切欠きも発生しないので、得られる接合体の耐久性が向上する。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３８】
（実施例１）
金属微粒子含有ペーストとして表１に示した銀ナノ粒子ペーストを用いた。
【表１】
2014110282.tif 000003
【００３９】
第１の被接合部材として、シリコン素子（７．６ｍｍ×７．６ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を、第２の被接合部材として銅基板（３０ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ）を用いた。
【００４０】
銅基板に銀ナノ粒子ペーストを８．６ｍｍ×８．６ｍｍの面積、厚さ１１０μｍで塗布した。シリコン素子を銀ナノ粒子ペーストに積層させ、シリコン素子を加圧して銀ナノ粒子ペースト中に３５μｍ押し込んだ。シリコン素子、銅基板および銀ナノ粒子ペーストをホットプレートで、大気中、無加圧下、２５０℃の条件下で３０分間、銅基板側から加熱した。得られた接合体の冷熱衝撃試験を−５５℃／＋１５０℃および−６５℃／＋１７５℃の条件でそれぞれ５００サイクル行い、接合面積率（シリコン素子の接合面の面積に対する接合面積の割合）を二値化処理して算出し、比較した。
【００４１】
（実施例２）
ホットプレートによる加熱をシリコン素子側から行う以外は実施例１と同様にした。
【００４２】
（比較例）
銅基板に銀ナノ粒子ペーストを７．６ｍｍ×７．６ｍｍの塗布面積で塗布する以外は実施例１と同様にした。
【００４３】
実施例１、２および比較例の接合体の冷熱衝撃試験前後の超音波顕微鏡像を図４〜図７Ｂに示した。ここで、図４〜図７Ｂの超音波顕微鏡像において、正方形の輪郭はシリコン素子の接合面の輪郭を表し、灰色の部分は接合面積に対応している。比較例の接合体は、冷熱衝撃試験前の状態で接合面積が確保されておらず（図４）、−５５℃／１５０℃の条件の冷熱衝撃試験を行うとシリコン素子が剥離した。実施例１の接合体は、−５５℃／１５０℃の条件の冷熱衝撃試験後においても接合面積が確保されていた（図５Ａ、図５Ｂ）。しかし、より広い温度範囲の−６５℃／１７５℃の条件の冷熱衝撃試験を行うと試験後の接合面積が大きく低下した（図６Ａ、図６Ｂ）。実施例２の接合体は、−５５℃／１５０℃および−６５℃／１７５℃のいずれの条件下でも冷熱衝撃試験後の接合面積は低下しなかった。実施例２の−６５℃／１７５℃の条件の冷熱衝撃試験の超音波顕微鏡像を図７Ａ、図７Ｂに示した。
【００４４】
実施例１、２および比較例の各温度条件における冷熱衝撃試験前後の接合面積の評価を表２にまとめた。
【表２】
2014110282.tif 000004
【００４５】
以上の結果から、比較例の接合体の接合面積低下は、実施例１の接合方法により解決され、さらに、実施例２の接合方法により、より広い温度範囲で接合面積低下の問題を解決することができた。
【符号の説明】
【００４６】
１．第１の被接合部材
２．第２の被接合部材
３．金属微粒子含有ペースト
４．被接合部材
５．被接合部材
６．金属微粒子含有ペースト
【図１】
2014110282.tif 000005
【図２】
2014110282.tif 000006
【図３】
2014110282.tif 000007
【図４】
2014110282.tif 000008
【図５Ａ】
2014110282.tif 000009
【図５Ｂ】
2014110282.tif 000010
【図６Ａ】
2014110282.tif 000011
【図６Ｂ】
2014110282.tif 000012
【図７Ａ】
2014110282.tif 000013
【図７Ｂ】
2014110282.tif 000014
【図８】
2014110282.tif 000015
【図９】
2014110282.tif 000016