(57)【要約】  焼結性金属粒子およびそれを含む組成物を提供する。そのような組成物は、種々の方法、すなわち、ダイアタッチ材料としてのはんだを置き換えることによって使用することができる。得られる焼結組成物は、従来の半導体アセンブリにおけるはんだの代替品として有用であり、高出力デバイスで向上した熱的および電気的伝導性を提供する。したがって、本発明の組成物は、硬化中に機械的な力に曝さなければならない、ナノ粒子金属の代替物を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
適切なキャリア中に分散させた焼結性金属粒子を含む導電性接着剤組成物であって、
金属粒子の少なくとも一部が、
−０．００２０未満のＸ線回折によって定義されるΨ値を有し、
−少なくとも５０％の結晶化度を有し、および
−結晶方向に対して異方性であることを特徴とする、
導電性接着剤組成物。
【請求項２】
金属が、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｍｇ、ＡｌまたはＭｏから選択される、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
金属が、銀である、請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
適切なキャリアが液体である、請求項１に記載の組成物。
【請求項５】
キャリアが、アルコール、芳香族炭化水素、飽和炭化水素、塩素化炭化水素、エーテル、ポリオール、エステル、二塩基性エステル、ケロシン、高沸点アルコール及びそのエステル、グリコールエーテル、ケトン、アミド、ヘテロ芳香族化合物、およびこれらの任意の２種以上の混合物である、請求項４に記載の組成物。
【請求項６】
アルコールが、ジプロピレングリコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ヘキシレングリコール、１−メトキシ−２−プロパノール、ジアセトンアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、２−エチル−１，３−ヘキサンジオール、トリデカノール、１，２−オクタンジオール、ブチルジグリコール、α−テルピネオールまたはβ−テルピネオールである、請求項４に記載の組成物。
【請求項７】
エステルが、２−（２−ブトキシエトキシ）エチルアセテート、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールジイソブチレート、１，２−プロピレンカーボネート、カルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、エチルカルビトールアセテート、ヘキシレングリコール、またはジブチルフタレートである、請求項４に記載の組成物。
【請求項８】
金属粒子が、組成物の約２０〜約９８重量パーセントの範囲である、請求項１に記載の組成物。
【請求項９】
組成物が、焼結時に、緻密な焼結されたネットワークを形成し、高いダイ剪断強度を有する、請求項１に記載の組成物。
【請求項１０】
組成物が、外部からの機械的力の適用を必要とすることなく、１００〜３５０℃の範囲の温度で硬化することが可能である、請求項１に記載の組成物。
【請求項１１】
導電性ネットワークを作製する方法であって、かかる方法が、適切な構成部品を結合するために適切な基材に、請求項１に記載の組成物を塗布し、その後、かかる組成物を焼結することを含む方法。
【請求項１２】
適切な構成部品が、ベアダイである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
焼結が、０．５〜約１２０分の範囲の時間、１００〜３５０℃の範囲の温度で行われる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
焼結が、１〜約９０分の範囲の時間、１５０〜３００℃の範囲の温度で行われる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
適切な基材が、金属仕上げをその上に有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
適切な基材が、セラミック層である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
適切な基材が、リードフレームである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１１に記載の方法により作製された導電性ネットワーク。
【請求項１９】
１×１０−４オーム．ｃｍ以下の抵抗率を有する異方性銀粒子の焼結体アレイを含む導電性ネットワーク。
【請求項２０】
さらに基材を含み、ダイせん断強度測定により決定される導電性ネットワークおよび基材間の接着が、少なくとも３ｋｇ／ｍｍ２である、請求項１８に記載の導電性ネットワーク。
【請求項２１】
金属基材に金属粒子を付着させるための方法であって、かかる方法が、
基材に焼結性金属粒子を塗布し、その後
かかる組成物を焼結することを含み、
ここで、
−金属粒子が、０．００２０未満のＸ線回折によって定義されるΨ値を有し、
−金属粒子が、少なくとも５０％の結晶化度を有し、および
−金属粒子の少なくとも一部が、結晶方向に対して異方性である方法。
【請求項２２】
適切な基材が、金属仕上げをその上に有する支持体を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
金属基材に金属粒子が充填された配合物の接着性を改善するための方法であって、かかる方法が、金属充填剤として、
−０．００２０未満のＸ線回折によって定義されるΨ値を有し、
−少なくとも一部が、結晶方向に対して異方性であり、
−少なくとも５０％の結晶化度を有することを特徴とする、
焼結性金属粒子を使用することを含む方法。
【請求項２４】
焼結可能な金属粉末を識別する方法であって、かかる方法が、
−０．００２０未満のΨ値、
−少なくとも５０％の結晶化度、および
−金属粒子の少なくとも一部が、結晶方向に対して異方性である、金属粉末を焼結性金属粉末として識別することを含む方法。
【請求項２５】
金属粉末が焼結可能か否かを決定するための方法であって、かかる方法が、
Ψ値、その結晶化度、およびサンプルが異方性であるか否かを測定し、
−０．００２０未満のΨ値、
−少なくとも５０％の結晶化度、および
−金属粒子の少なくとも一部が、結晶方向に対して異方性である金属粉末を焼結性金属粉末として識別することを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結性金属粒子、およびその種々の使用に関する。一態様では、本発明は、焼結性金属粒子を含む組成物に関する。別の態様では、本発明は、金属基材に金属粒子を付着する方法に関する。さらに別の態様では、本発明は、金属基材への金属成分の付着性を改善するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の規制当局によって公布されたガイドライン（例えば、有害物質の規制（ＲｏＨＳ）規則は、電子機器からのＰｂの完全な除去が必要である）を満たすために、ダイアタッチ市場は鉛含有はんだの代替を探している。Ｂｉ合金、Ｚｎ−合金、およびＡｕ−Ｓｎ合金などの現在の候補のはんだは、その多くの制限、例えば、不十分な電気および熱伝導率、脆性、不十分な加工性、不十分な耐食性、高コストなどにより関心が低い。
【０００３】
市場における別の傾向は、シリコン技術に代わるシリコンカーバイド技術の出現である。より高い性能を達成するために、シリコンカーバイド技術は、シリコン技術の場合よりも著しく高い温度、電力および電圧で動作する。上述の候補はんだは、２５０℃より高い温度で適用することができない。従って、上記鉛フリーはんだの欠点に加えて、鉛フリーはんだは、鉛含有はんだと比較して、より低い動作温度ウィンドウを有する。
【０００４】
焼結は、金属の融点より低い温度に加熱して、金属粒子を一緒に溶接／結合することである。駆動力は表面積および表面自由エネルギーの減少の結果としての自由エネルギーの変化である。焼結温度での拡散プロセスは、これらの接点の増大を導くネック形成をもたらす。焼結工程の完了後に、隣接する金属粒子は、冷溶接によって共に結合する。良好な接着性、熱的および電気的特性を有するために、異なる粒子がほぼ完全にともに結合し、限定された細孔量の金属の非常に緻密な構造が得られる。
【０００５】
金属粒子の焼結のほとんどの研究は、ナノ粒子について行われてきた。ナノ粒子での研究により、焼結を推進する、それらの高い表面積のために、ナノ粒子が、従来の金属フレークよりも低い温度で、焼結することが明らかにされた。残念ながら、高温で焼結した後に形成される材料は、多孔質で脆性のままである。細孔の存在は、導電性組成物中に空隙をもたらし得、充填剤粒子が使用される半導体またはマイクロ電子デバイスの故障につながる。細孔の存在を克服し、結合強度を高めるために、ナノ粒子金属は、一般に、細孔を除去するための機械的な力を受けながら、高温で焼結され、半導体製造に使用するのに適するための十分な緻密化を得る。ナノ粒子金属の使用の別の問題は、それによって現れる潜在的な健康および環境課題である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、焼結性金属粒子を含む組成物を提供する。このような組成物は、種々の方法、すなわち、ダイアタッチ用途ではんだを置き換えることによって、またはダイアタッチ材料としてはんだを置き換えることで使用することができる。得られる焼結組成物は、従来の半導体アセンブリにおけるはんだの代替品として有用であり、高出力デバイスで改善された導電性を提供する。したがって、本発明の組成物は、硬化中に機械的な力に曝されなければならないナノ粒子金属の代替物を提供する。
【０００７】
したがって、本発明の一態様によれば、定義された特性を有する金属粒子を含む組成物を提供する。このような組成物は、良好な焼結能力を示し、内部の細孔の発生が低減された焼結体が作成され、かつ緻密な構造を作成するために、必ずしも過剰な熱及び機械的な力の適用下で焼結する必要がなく、また、接点を伴うより多くの接触点および強力な結合をもたらす。
【０００８】
具体的には、以下の特性の組み合わせを有する金属粒子はまた良好な焼結性を有することが見出された。：
１．粒子は、特定の結晶サイズ（例えば、Ｒｉｅｔｖｅｌｔ精密化法によるＸ線分析から得られる結晶サイズ）である必要がある。結晶サイズ以外の要因（結晶転位、粒界、微小応力など）も部分的にピークの広がりに寄与しうるので、異なるピークのピークの位置で割った、（ローレンツ関数に適合させた）回折ピークのピーク幅から推定した平均値である係数Ψで動作することが選択された。
２．焼結性粒子が、結晶方向に対して異方性である必要がある。結晶異方性は、その結晶格子の主軸（または結晶面）に関連する方向における結晶材料の形状、物理的又は化学的特性の変化として定義することができる。このような異方性の特性を有する材料は、互いに優先的な配向を示すことが見出されている。複数の粒子のそのような配向は、関連する面が互いに平行に配向され、容易に焼結されるので、焼結のための良い出発点を提供する。結晶が異方性であるかどうかを決定するための例示的な方法は、特定の回折ピークの、完全に等方性の材料のものとの相対強度を比較することが挙げられる（たとえば、Ｙｕｇａｎｇ  ＳｕｎおよびＹｏｕｎａｎ  Ｘｉａ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２９８巻、２００２年、２１７６−７９頁参照）。さらに好ましくは、粒子の５０％以上は、そのような異方性を示し、特に同じ結晶方向で、このような異方性を示す。
３．粒子は、少なくとも５０％の結晶化度を有していなければならない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、典型的な焼結性金属の代表として、３つの例示的な粒子銀サンプルの生のＸ線回折データを示す。
【図２】図２は、すべてのピーク位置の関数として、７つの異なるサンプルのピーク幅のプロットを示す。ダイせん断試験で良好な性能を有するサンプルは、下位「バンド」に分類され、一般的に狭いピーク、および、Ｓｃｈｅｒｒｅｒの式によれば、一般的により大きな結晶であることに注意すべきである。
【図３】図３は、分析したすべてのサンプルについての、この「ｐｓｉ」パラメータのプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明によれば、適切なキャリア中に分散させた焼結性金属粒子を含む組成物であって、
金属粒子の少なくとも一部が、
−０．００２０未満のＸ線回折によって定義されるΨ値を有し、
−少なくとも５０％の結晶化度を有し、および
−結晶方向に対して異方性であることを特徴とする、
組成物を提供する。
【００１１】
本明細書での使用のために考慮される焼結性金属粒子は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｍｏなど、ならびにこれらの任意の２種以上の混合物が挙げられる。いくつかの態様では、焼結性金属粒子は、銀である。
【００１２】
Ψ値は、（器具と試料の両方からの寄与によるものである）回折ピークの広がりを表すために本明細書では使用される。本出願の目的のために、「試料広がり（Ｓｐｅｃｉｍｅｎ  Ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ」は、「機器広がり（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）」と区別する。
【００１３】
回折ピークの形状を記載する関数に通常使用される用語は、プロファイル形状関数（ＰＳＦ）である。本開示の目的のために、本明細書では、ピークに適合するようにローレンツ関数を使用することを選択した。
【００１４】
したがって、生データから「ｐｓｉ」パラメータの決定が、始めに例示的な材料の生のＸ線回折データを取得することによって行われる（例えば、図１を参照）。次いで、ピーク幅は、全てのサンプルで得られる（例えば、図２を参照）。
【００１５】
サンプルの特徴付けを簡単にするために、ピーク幅を、そのピーク位置で割った「ｐｓｉ」パラメータを定義することができる（したがって、値は無次元である）。各ピークについて、「ｐｓｉ」の平均値を計算し、最終的な平均値に到達することができる。
【００１６】
図３は、分析したすべてのサンプルについてのこの「ｐｓｉ」パラメータのプロットを示す。
【００１７】
各サンプルについて、「ｐｓｉ」は、機器広がりおよび試料広がりの両方からの寄与を表していることに注意すべきである。図３の点線は、機器からの「ｐｓｉ」に寄与する（他のサンプルと同じ機器で参照ＮＡＣ結晶の分析から得られた定数である）。
【００１８】
次に総「ｐｓｉ」係数および「ｐｓｉ」スター（ｓｔａｒ）（試料のみによる回折ピークの広がりを表す）とを比較する。０．００２の閾値が良好な性能サンプルと不十分な性能サンプルとを区別した。
【００１９】
本明細書で使用に考慮される金属粒子は、少なくとも５０％の結晶化度を有する。ある態様では、本明細書で使用に考慮される金属粒子は、少なくとも６０％の結晶化度を有する。ある態様では、本明細書で使用に考慮される金属粒子は、少なくとも７０％の結晶化度を有する。ある態様では、本明細書で使用に考慮される金属粒子は、少なくとも８０％の結晶化度を有する。ある態様では、本明細書で使用に考慮される金属粒子は、少なくとも９０％の結晶化度を有する。ある態様では、本明細書で使用に考慮される金属粒子は、少なくとも９５％の結晶化度を有する。ある態様では、本明細書で使用に考慮される金属粒子は、少なくとも９８％の結晶化度を有する。ある態様では、本明細書で使用に考慮される金属粒子は、少なくとも９９％の結晶化度を有する。ある態様では、本明細書で使用に考慮される金属粒子は、実質的に１００％の結晶化度を有する。
【００２０】
本明細書で使用される場合、結晶異方性は、結晶格子の主軸（または結晶面）に関連する方向における結晶材料の物理的又は化学的特性の変化を意味する。多くの方法は、例えば、光学的、磁気的、電気的またはＸ線回折法を含む、結晶の異方性を決定するために用いることができる。特に銀の結晶異方性の識別の後者の方法の一つは、Ｙｕｇａｎｇ  ＳｕｎおよびＹｏｕｎａｎ  Ｘｉａ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２９８巻、２００２年、２１７６〜７９頁によって参照される。
【００２１】
（２００）及び（１１１）回折ピークの強度の比が、従来の値（０．６７対０．４）よりも高かったことは注目に値し、それは我々のナノキューブが｛１００｝相（ｆａｃｅｔ）で十分であり、したがって、その｛１００｝面は、好ましくは、支持基材（２６）の表面に平行に配向（または集合組織化（ｔｅｘｔｕｒｅｄ））する傾向にあることを示す。
（２２０）及び（１１１）ピークの強度の比もまた、わずかに従来の値（０．３３対０．２５）よりも高く、これは我々の銀ナノキューブの表面上で｛１１０｝相が相対的に十分であることによるものである。
【００２２】
本発明の一態様によれば、本発明の組成物中の金属粒子の少なくとも２０％が結晶方向に対して異方性である。いくつかの態様では、本発明の組成物中の金属粒子の少なくとも５０％が結晶方向に対して異方性である。いくつかの態様では、本発明の組成物中の金属粒子の少なくとも６０％が結晶方向に対して異方性である。いくつかの態様では、本発明の組成物中の金属粒子の少なくとも８０％が結晶方向に対して異方性である。いくつかの態様では、本発明の組成物中の金属粒子の少なくとも９５％が結晶方向に対して異方性である。
【００２３】
焼結性金属粒子は、典型的には、組成物の少なくとも約２０重量％〜約９８重量パーセントまで含む。いくつかの態様では、焼結性金属粒子は、本発明による組成物の約４０〜約９８重量％まで含む。いくつかの態様では、焼結性金属粒子は、本発明による組成物の約８５〜約９７重量％まで含む。
【００２４】
本発明によって得られる利点を実現するためには、本明細書で使用に考慮される金属粒子の一部が、本明細書に記載された複数の条件を満たすことが必要なだけである。したがって、いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも５％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも１０％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも２０％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも３０％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも４０％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも５０％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも６０％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも７０％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも８０％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも９０％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも９５％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、使用される金属粒子の少なくとも９８％が、本明細書に記載された条件の各々を満たす。いくつかの態様では、実質的にすべての使用される金属粒子は、本明細書に記載された条件の各々を満たす。
【００２５】
本発明の実施における使用に考慮される焼結性金属粒子は、典型的には約１００ナノメートル〜約１５マイクロメートルの範囲の粒径を有する。一態様では、本明細書で使用に考慮される焼結性金属粒子は、少なくとも２００ナノメートルの粒径を有する。本発明の他の実施態様では、本明細書で使用に考慮される焼結性金属粒子は、少なくとも２５０ナノメートルの粒径を有する。一態様では、本明細書で使用に考慮される焼結性金属粒子は、少なくとも３００ナノメートルの粒径を有する。したがって、いくつかの態様では、約２００ｎｍ〜１０マイクロメートルの範囲の粒径を有する焼結性金属粒子が、本明細書で使用に考慮される。いくつかの態様では、約２５０ｎｍ〜１０マイクロメートルの範囲の粒径を有する焼結性金属粒子が、本明細書で使用に考慮される。いくつかの態様では、約３００ｎｍ〜１０マイクロメートルの範囲の粒径を有する焼結性金属粒子が、本明細書で使用に考慮される。いくつかの態様では、約２００ｎｍ〜５マイクロメートルの範囲の粒径を有する焼結性金属粒子が、本明細書で使用に考慮される。いくつかの態様では、約２５０ｎｍ〜５マイクロメートルの範囲の粒径を有する焼結性金属粒子が、本明細書で使用に考慮される。いくつかの態様では、約３００ｎｍ〜５マイクロメートルの範囲の粒径を有する焼結性金属粒子が、本明細書で使用に考慮される。いくつかの態様では、約２００ｎｍ〜１マイクロメートルの範囲の粒径を有する焼結性金属粒子が、本明細書で使用に考慮される。いくつかの態様では、約２５０ｎｍ〜１マイクロメートルの範囲の粒径を有する焼結性金属粒子が、本明細書で使用に考慮される。いくつかの態様では、約３００ｎｍ〜１マイクロメートルの範囲の粒径を有する焼結性金属粒子が、本明細書で使用に考慮される。
【００２６】
本明細書での使用に考慮される焼結性金属粒子は、様々な形状、例えば、実質的に球状で不規則な形状の粒子、楕円形粒子、フレーク（例えば、薄い、平坦な単結晶フレーク）などで存在することができる。本明細書での使用に考慮される焼結性金属粒子は、銀コーティング／メッキされた銀微粒子が含まれ、実質的に基礎となる微粒子を銀コーティング／メッキする限り、基礎となる微粒子は、種々の材料のいずれかであることができ、得られる組成物は、全体に分散された銀被覆粒子を有する熱可塑性マトリックスを含む。
【００２７】
本明細書での使用に考慮されるキャリアは、アルコール、芳香族炭化水素、飽和炭化水素、塩素化炭化水素、エーテル、ポリオール、エステル、二塩基酸エステル、ケロシン、高沸点アルコールおよびそのエステル、グリコールエーテル、ケトン、アミド、複素環式芳香族化合物などおよびこれらの任意の２種以上の混合物が挙げられる。
【００２８】
本明細書での使用に考慮される例示的なアルコールは、ｔ−ブチルアルコール、１−メトキシ−２−プロパノール、ジアセトンアルコール、ジプロピレングリコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ヘキシレングリコール、オクタンジオール、２−エチル−１，３−ヘキサンジオール、トリデカノール、１，２−オクタンジオール、ブチルジグリコール、α−テルピネオール、β−テルピネオールなどが挙げられる。
【００２９】
本明細書での使用に考慮される例示的な芳香族炭化水素は、ベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。
【００３０】
本明細書での使用に考慮される例示的な飽和炭化水素は、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、テトラデカンなどが挙げられる。
【００３１】
本明細書での使用に考慮される例示的な塩素化炭化水素は、ジクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロホルム、ジクロロメタンなどが挙げられる。
【００３２】
本明細書での使用に考慮される例示的なエーテルは、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどが挙げられる。
【００３３】
本明細書での使用に考慮される例示的なエステルは、酢酸エチル、酢酸ブチル、メトキシプロピルアセテート、２−（２−ブトキシエトキシ）エチルアセテート、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールジイソブチレート、１，２−プロピレンカーボネート、カルビトールアセテート、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、エチルカルビトールアセテート、ジブチルフタレートなどが挙げられる。
【００３４】
本明細書で使用に考慮される例示的なケトンは、アセトン、メチルエチルケトンなどが挙げられる。
【００３５】
本発明に従って使用に考慮されるキャリアの量は、広く変えることができ、典型的には組成物の約２〜約８０重量パーセントの範囲である。一態様では、キャリアの量は、全組成物の約２〜６０重量パーセントの範囲である。いくつかの態様では、キャリアの量は、全組成物の約３〜約１５重量％の範囲である。
【００３６】
本発明の別の態様によれば、適切なキャリア中に分散させた焼結性金属粒子を含む組成物であって、
組成物中の実質的にすべての金属粒子が、
−０．００２０未満のＸ線回折によって定義されるΨ値を有し、
−少なくとも５０％の結晶化度を有し、および
−結晶方向に対して異方性であることを特徴とする組成物を提供する。  
【００３７】
本発明のさらに別の態様によれば、導電性ネットワークを作製する方法が提供され、該方法は：  
適切な構成部品を結合するために適切な基材に、本明細書に記載の組成物を塗布し、その後、かかる組成物を焼結することを含む。
【００３８】
多種多様な基材、たとえばセラミック層が、本明細書での使用に考慮され、任意に金属仕上げをその上に有する。
【００３９】
本明細書で使用に考慮される適切な構成部品は、ベアダイが挙げられ、たとえば、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）などが挙げられる。
【００４０】
本発明による組成物の特別な利点は、比較的低温で焼結することができ、たとえば、いくつかの態様では、約１００〜３５０℃の範囲の温度である。このような温度で焼結した場合には、組成物は０．５〜約１２０分の範囲の時間、焼結条件にさらされることが考えられる。
【００４１】
一態様では、焼結は、約３００℃を超えない温度（典型的には約１５０〜３００℃の範囲）で行うことができる。このような温度で焼結した場合には、組成物は０．１〜約２時間の範囲の時間、焼結条件にさらされることが考えられる。
【００４２】
本発明のさらに別の態様によれば、１×１０−４オーム．ｃｍ以下の抵抗率を有する焼結性金属粒子の焼結体アレイを含む導電ネットワークを提供する。本発明のさらに別の実施形態によれば、１×１０−５オーム．ｃｍ以下の抵抗率を有する焼結性金属粒子の焼結体アレイを含む導電ネットワークを提供する。
【００４３】
このような導電性ネットワークは、典型的には、基材および実質的にそれに結合しているディスプレイに適用される。基材と導電性のネットワークによって提供された適切な成分との間の接着が、種々の方法、たとえば、ダイせん断強度（ＤＳＳ）の測定、引張重ねせん断強度（ＴＬＳＳ）測定などによって、決定することができる。本発明によれば、基材および結合した成分間の少なくとも３ｋｇ／ｍｍ２のダイせん断強度接着が、典型的には得られる。
【００４４】
本発明のさらに別の態様によれば、金属基材に焼結性金属粒子を付着させるための方法を提供し、かかる方法は、基材に本明細書に記載の組成物を適用し、その後、かかる組成物を焼結することを含む。
【００４５】
本発明のこの実施形態によれば、低温下（例えば、約１５０℃を超えない温度、または約１２０℃を超えない温度）での焼結が考えられる。
【００４６】
金属仕上げをその上に有する適切な基材は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、水酸化アルミニウム、シリカ、バーミキュライト、雲母、珪灰石、炭酸カルシウム、チタニア、砂、ガラス、硫酸バリウム、ジルコニウム、カーボンブラックなどのセラミック材料が挙げられる。
【００４７】
金属仕上げは、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｌなどから選択される金属を用いて種々の方法で上記セラミック材料に適用することができる。
【００４８】
本発明のさらに別の実施形態によれば、金属基材に金属粒子が充填された配合物の接着性を改善するための方法を提供し、かかる方法は、
−０．００２０未満のＸ線回折によって定義されるΨ値を有し、
−金属粒子の少なくとも一部が、結晶方向に対して異方性であり、
−少なくとも５０％の結晶化度を有することを特徴とする、
焼結性金属粒子を金属充填剤の少なくとも一部として用いることを含む。
【００４９】
本発明のさらに別の態様によれば、焼結可能な金属粉末を識別する方法を提供し、かかる方法が、
−０．００２０未満のΨ値、
−少なくとも５０％の結晶化度、および
−金属粒子の少なくとも一部が、結晶方向に対して異方性である、金属粉末を焼結性金属粉末として識別することを含む。
【００５０】
本発明のさらなる態様によれば、金属粉末が焼結可能か否かを決定するための方法を提供し、かかる方法が、
Ψ値、その結晶化度、およびサンプルが異方性であるか否かを測定し、
−０．００２０未満のΨ値、
−少なくとも５０％の結晶化度、および
−金属粒子の少なくとも一部が、結晶方向に対して異方性である金属粒子を焼結性金属粉末として識別することを含む。
【００５１】
本発明の種々の態様は、以下の非限定的な例によって例示される。例は、例示の目的のためであり、本発明のいずれの実施を限定するものではない。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、変更および変形がなされ得ることが理解される。当業者は、容易に合成または商業的に、本明細書に記載の試薬および成分を得る方法を知る。
【実施例】
【００５２】
例１
表１は、本明細書で用いられたいくつかの異なる銀の粒子物質を同定する。すべての銀材料は、ナノサイズの銀である最後を除き、サブミクロン〜ミクロンサイズの銀である。同じキャリアを銀のそれぞれに使用した。主要な性能特性は、接着（ＤＳＳとＴＬＳＳ）とバルク導電率（体積抵抗率（Ｖｒ）で示される）であり、表１を参照。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
すべてのサンプルについて、ダイおよびＤＢＣ（銅直接接合）基材の両方の表面仕上げは銀である。試験ダイは、３×３ｍｍ２である。銀ペーストは、ＤＢＣ基材上に７５ミクロンの厚さの層にスクリーン印刷し、ダイは、銀ペーストの上に手動で配置した。積層（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）を低圧力下で、１５分間で室温から２５０℃まで上昇させ、温度を２５０℃で１時間維持したオーブン内で焼結した。
【００５５】
ＴＬＳＳ（引張重ねせん断強度）試験のために、２つのＡｇメッキＤＢＣを銀ペーストによってともに焼結した。ＤＢＣの重なりは、０．８×０．８ｃｍ２である。
【００５６】
例示的な焼結性銀粒子は、低圧力下の焼結後、７．８ｋｇ／ｍｍ２の優れたダイせん断強度（ＤＳＳ）の値を示す。低圧力下の焼結時、同じ銀粒子のＴＬＳＳは、１６ＭＰａである。これは、この好ましい銀粒子材料が、Ａｇ−ＤＢＣ相間の強い結合を増大することを示す。
【００５７】
他のすべての銀粒子は、より低い接着値を有する。バルク導電率は、４．１  １０−６オーム・ｃｍである。好適な焼結銀粒子の形態学的分析は、緻密な焼結構造を示す。焼結は、向かい合った面およびエッジ間で発生した。本明細書で定める基準を満たすいくつかの他の焼結性金属粒子は、上述した好ましい材料と同等に機能する。
【００５８】
最も低く機能する銀は、わずか０．６５ｋｇ／ｍｍ２のＤＳＳおよびわずか４．６ＭＰａのＴＬＳＳを有した。導電率は、わずか１．６  １０−５オーム・ｃｍである。本明細書で考慮される要件から外れるこの銀微粒子の形態学的分析は、異なる初期粒子間の限られた結合点と弱い結合点を示す。
【００５９】
中間性能の銀粒子材料は、わずか約２．６ｋｇ／ｍｍ２のＤＳＳおよび１１．７ＭＰａのＴＬＳＳを有した。導電率は、５  １０−６オーム・ｃｍである。形態学的解析は、焼結は、エッジ間で発生し、向かい合った面でより少ないこと示す。
【００６０】
本明細書中で検討したナノサイズの銀は、４．１ＭＰａの非常に低いＴＬＳＳ値を示す。形態学的解析は、ナノ粒子の１クラスタ内で異なるナノ粒子間の焼結は、非常に緻密であるが、ナノ粒子の異なる焼結クラスタ間では、非常に弱い架橋が形成されることを示す。
【００６１】
ＸＲＤ（Ｘ線回折）で異なる銀を比較すると、焼結可能なすべての銀は、同じ特性を共有していることを示した。：
１）Ψは、０．００２０より低くあるべきである。
２）（回折ピーク２００のピーク強度と回折ピーク１１１のピーク強度）の比が０．５より大きくあるべきである。
３）結晶化度は、５０％を超えるべきである。
【００６２】
例２
＜サンプルのアモルファス／結晶割合の定量化＞
【００６３】
結晶化度の定量化は、サンプルのＸ線回折データのリートベルト精密化法を用いて行うことができ、調査されるサンプルは、既知の関係で、１００％の結晶性化合物と混合する。本発明の目的のために、銀サンプルの一定量を、完全に結晶質のＳｉＯ２と混合した（両方の重量関係は、１：１に近い）。次にＸ線回折パターンを測定し、リートベルト解析は、当業者に公知の方法に従って行った。銀およびＳｉＯ２の既知の量、および得られた銀の重量割合から、結晶銀の量（および割合）が得られた。リートベルト精密化法の他の変形、および結晶割合を決定する別の方法も本発明の目的のために使用される結晶化度を得るために使用することができる。
【００６４】
本明細書に記載および示されたものに加えて、本発明の多くの改変は、上述の当業者には明らかである。そのような改変もまた、添付の特許請求の範囲の範囲内であることを意味する。
【００６５】
本明細書で言及した特許および刊行物は、本発明が関連する当業者のレベルを示す。これらの特許および刊行物が、それぞれ個々の出願または刊行物が明確にかつ個々に本明細書で参照により組み込まれるのと同程度に本明細書では、参照により組み込まれる。
【００６６】
前述の記載は、本発明の特定の態様の例示であるが、本発明の実施の際に限定することを意味しない。そのすべての均等を含む、以下の特許請求の範囲は、本発明の範囲を定義することを意図する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年10月26日(2016.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
適切なキャリア中に分散させた焼結性金属粒子を含む導電性接着剤組成物であって、
金属粒子の少なくとも一部が、
−０．００２０未満のＸ線回折によって定義されるΨ値を有し、
−少なくとも５０％の結晶化度を有し、および
−結晶方向に対して異方性であることを特徴とする、
導電性接着剤組成物。
【請求項２】
金属が、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｍｇ、ＡｌまたはＭｏから選択される、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
金属が、銀である、請求項１に記載の組成物。
【請求項４】
キャリアが、アルコール、芳香族炭化水素、飽和炭化水素、塩素化炭化水素、エーテル、ポリオール、エステル、二塩基性エステル、ケロシン、高沸点アルコール及びそのエステル、グリコールエーテル、ケトン、アミド、ヘテロ芳香族化合物、およびこれらの任意の２種以上の混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の組成物。
【請求項５】
アルコールが、ジプロピレングリコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ヘキシレングリコール、１−メトキシ−２−プロパノール、ジアセトンアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、２−エチル−１，３−ヘキサンジオール、トリデカノール、１，２−オクタンジオール、ブチルジグリコール、α−テルピネオールまたはβ−テルピネオールである、請求項４に記載の組成物。
【請求項６】
エステルが、２−（２−ブトキシエトキシ）エチルアセテート、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールジイソブチレート、１，２−プロピレンカーボネート、カルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、ヘキシレングリコール、またはジブチルフタレートである、請求項４に記載の組成物。
【請求項７】
金属粒子が、組成物の２０〜９８重量パーセントの範囲である、請求項１に記載の組成物。
【請求項８】
組成物が、外部からの機械的力の適用を必要とすることなく、１００〜３５０℃の範囲の温度で硬化することが可能である、請求項１に記載の組成物。
【請求項９】
導電性ネットワークを作製する方法であって、かかる方法が、適切な構成部品を結合するために適切な基材に、請求項１に記載の組成物を塗布し、その後、かかる組成物を焼結することを含む方法。
【請求項１０】
適切な構成部品が、ベアダイである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
焼結が、０．５〜１２０分の範囲の時間、１００〜３５０℃の範囲の温度で行われる、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
焼結が、１〜９０分の範囲の時間、１５０〜３００℃の範囲の温度で行われる、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
適切な基材が、セラミック層である、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
適切な基材が、リードフレームである、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の方法により作製された導電性ネットワーク。
【請求項１６】
さらに基材を含み、ダイせん断強度測定により決定される導電性ネットワークおよび基材間の接着が、少なくとも３ｋｇ／ｍｍ２である、請求項１５に記載の導電性ネットワーク。
【請求項１７】
焼結可能な金属粉末を識別する方法であって、かかる方法が、
−０．００２０未満のΨ値、
−少なくとも５０％の結晶化度、および
−金属粒子の少なくとも一部が、結晶方向に対して異方性である、金属粉末を焼結性金属粉末として識別することを含む方法。
【請求項１８】
金属粉末が焼結可能か否かを決定するための方法であって、かかる方法が、
Ψ値、その結晶化度、およびサンプルが異方性であるか否かを測定し、
−０．００２０未満のΨ値、
−少なくとも５０％の結晶化度、および
−金属粒子の少なくとも一部が、結晶方向に対して異方性である金属粉末を焼結性金属粉末として識別することを含む方法。
【国際調査報告】
2017512258.tif 000006