JP2005197334A - 部材の接合構造及び接合方法 - Google Patents

部材の接合構造及び接合方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 接合信頼性が高く、接合する部材へのダメージが少ない部材の接合構造及び接合方法を提供する。
【解決手段】 複数の部材１がナノ粒子３によって接合された接合構造であって、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材１にナノ粒子３が保持される受理層２が設けられているものである。または、複数の部材１がナノ粒子３によって接合された接合構造であって、接合された部材１のうち少なくとも１以上の部材１の表面に、ナノ粒子３が保持される受理構造が形成されているものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は部材の接合構造及び接合方法に関し、特に複数の部材をナノ粒子によって接合する接合構造及び接合方法に関する。
従来の超小型電気機械システム用電気的相互接続部の結晶粒成長では、ＭＥＭＳデバイスの第１層と第２層の間に導電性結晶粒を成長させて、第１層と第２層を電気的に接続していた（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の部材の接合構造及び接合方法では、ナノ粒子を複数の部材間に介在させて複数の部材を接合するものがあった。
特表２００３−５１９３７８号公報（図１）
従来の超小型電気機械システム用電気的相互接続部の結晶粒成長では（例えば、特許文献１参照）、微細な結晶粒を成長させてＭＥＭＳデバイスの第１層と第２層を電気的に接続しているものの、一般的な、半導体素子と基板の接合のような部材同士の接合には、構造的にも強度的にも適用できないという問題点があった。
また、従来の部材の接合構造及び接合方法では、一般的に、ナノ粒子のみを接着剤のように使用して複数の部材を接合すると、ナノ粒子の接合強度が十分でなく、複数の部材同士の接合信頼性が低いという問題点があった。
本発明は、接合信頼性が高く、接合する部材へのダメージが少ない部材の接合構造及び接合方法を提供することを目的とする。
本発明に係る部材の接合構造は、複数の部材がナノ粒子によって接合された接合構造であって、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材にナノ粒子が保持される受理層が設けられているものである。
複数の部材を溶融温度の低いナノ粒子で接合するため、比較的低温で部材の接合が可能となり、接合する部材へのダメージが少なくなる。また、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材にナノ粒子が保持される受理層が設けられているため、接合強度が高くなり、従来接合が困難であった部材同士の接合も可能となる。
また本発明に係る部材の接合構造は、上記の部材が２個であって、該２個の部材の両方に受理層が設けられているものである。
２個の部材の両方に受理層が設けられているため、例えば両方の受理層にナノ粒子を塗布して接合するようにすれば、更に部材同士の接合信頼性が向上する。
また本発明に係る部材の接合構造は、複数の部材がナノ粒子によって接合された接合構造であって、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材自体が、ナノ粒子が保持される受理層となっているものである。
接合された部材のうち少なくとも１以上の部材自体が、ナノ粒子が保持される受理層となっているため、この部材に直接ナノ粒子を塗布して部材を接合することができ、また接合信頼性も向上する。
また本発明に係る部材の接合構造は、複数の部材がナノ粒子によって接合された接合構造であって、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材の表面に、ナノ粒子が保持される受理構造が形成されているものである。
接合された部材のうち少なくとも１以上の部材の表面に、ナノ粒子が保持される受理構造が形成されているため、上記の受理層が設けられた部材の接合構造と同様に、接合強度が高くなる。
また本発明に係る部材の接合構造は、上記の受理構造が、部材の表面を化学的又は物理的に改質して形成されているものである。
例えば、部材の表面を化学的に改質して親水基を導入するようにすれば、ナノ粒子の保持力が向上し、部材の接合強度も向上する。
また本発明に係る部材の接合構造は、複数の部材がナノ粒子によって接合された接合構造であって、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材にナノ粒子が混練されている受理層が設けられているものである。
複数の部材を溶融温度の低いナノ粒子で接合するため、比較的低温で部材の接合が可能となり、接合する部材へのダメージが少なくなる。また、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材にナノ粒子が混練されている受理層が設けられているため、接合強度が高くなり、従来接合が困難であった部材同士の接合も可能となる。
また本発明に係る部材の接合構造は、上記のナノ粒子の一部又は全部が、互いに融着しているものである。
例えば、ナノ粒子の一部又は全部を加熱によって互いに融着するようにすれば、接合強度の高い接合構造を実現することができる。
また本発明に係る部材の接合構造は、上記のナノ粒子が、金属物質を含むものである。
金属物質を含むナノ粒子を使用して部材の接合を行うようにすれば、接合強度が高くなり、また低コストで部材の接合を行うことができる。
また本発明に係る部材の接合構造は、上記のナノ粒子が、金、銀又は銅であるものである。
ナノ粒子として、金、銀又は銅を使用して部材の接合を行うようにすれば、接合強度が高くなる。また、金、銀又は銅からなるナノ粒子は入手が容易であり、低コスト化を実現することができる。
本発明に係る部材の接合方法は、複数の部材をナノ粒子によって接合する接合方法であって、接合する部材のうち少なくとも１以上の部材に受理層を設け、少なくとも１つの受理層の表面にナノ粒子を塗布した後に、複数の部材同士を対向させて加熱するものである。
複数の部材を溶融温度の低いナノ粒子で接合するため、比較的低温の加熱で部材の接合が可能となり、接合する部材へのダメージが少なくなる。また、接合される部材のうち少なくとも１つの受理層の表面にナノ粒子を塗布するため、接合強度が高くなり、従来接合が困難であった部材同士の接合も可能となる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記の部材が２個であって、該２個の部材の両方に受理層を設けるものである。
２個の部材の両方に受理層を設けるため、例えば両方の受理層にナノ粒子を塗布して接合するようにすれば、更に部材同士の接合信頼性が向上する。
また本発明に係る部材の接合方法は、複数の部材をナノ粒子によって接合する接合方法であって、接合する部材のうち少なくとも１以上の部材自体が受理層となっており、少なくとも１つの部材の表面にナノ粒子を塗布した後に、複数の部材同士を対向させて加熱するものである。
接合された部材のうち少なくとも１以上の部材自体が、ナノ粒子が保持される受理層となっているため、この部材に直接ナノ粒子を塗布して部材を接合することができ、また接合信頼性も向上する。
また本発明に係る部材の接合方法は、複数の部材をナノ粒子によって接合する接合方法であって、接合する部材のうち少なくとも１以上の部材の表面に受理構造を形成し、少なくとも１つの受理構造にナノ粒子を塗布した後に、複数の部材同士を対向させて加熱するものである。
接合された部材のうち少なくとも１以上の部材の表面に、ナノ粒子が保持される受理構造を形成するため、上記の受理層が設けられた部材の接合構造と同様に、接合強度が高くなる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記の受理構造を、部材の表面を化学的又は物理的に改質して形成するものである。
例えば、部材の表面を化学的に改質して親水基を導入するようにすれば、ナノ粒子の保持力が向上し、部材の接合強度も向上する。
また本発明に係る部材の接合方法は、複数の部材をナノ粒子によって接合する接合方法であって、接合する部材のうち少なくとも１以上の部材に受理層を設け、少なくとも１つの受理層にナノ粒子が混練されており、複数の部材同士を対向させて加熱するものである。
複数の部材を溶融温度の低いナノ粒子で接合するため、比較的低温で部材の接合が可能となり、接合する部材へのダメージが少なくなる。また、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材にナノ粒子が混練されている受理層を設けるため、接合強度が高くなり、従来接合が困難であった部材同士の接合も可能となる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記のナノ粒子の一部又は全部を、互いに融着させるものである。
例えば、ナノ粒子の一部又は全部を加熱によって互いに融着するようにすれば、接合強度の高い接合構造を実現することができる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記のナノ粒子が、金属物質を含むものである。
金属物質を含むナノ粒子を使用して部材の接合を行うようにすれば、接合強度が高くなり、また低コストで部材の接合を行うことができる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記のナノ粒子が、金、銀又は銅であるものである。
ナノ粒子として、金、銀又は銅を使用して部材の接合を行うようにすれば、接合強度が高くなる。また、金、銀又は銅からなるナノ粒子は入手が容易であり、低コスト化を実現することができる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記のナノ粒子が、加熱する前において分散材でコーティングされているものである。
上記のナノ粒子が、加熱する前において分散材でコーティングされているため、安定した状態でナノ粒子を受理層等に塗布することができる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記の受理層の表面に、ナノ粒子をインクジェット方式で塗布するものである。
受理層の表面に、ナノ粒子をインクジェット方式で塗布するため、ナノ粒子を均一にかつ正確に塗布することができる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記の受理層の表面に、ナノ粒子を印刷方式で塗布するものである。
例えば、受理層の表面に、ナノ粒子をスクリーン印刷で塗布すれば、ナノ粒子を均一かつ正確に塗布することができる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記の受理層の表面に、ナノ粒子を転写方式で塗布するものである。
例えば、平板状のものにナノ粒子を載置して転写するようにすれば、インクジェット方式等と同様に、ナノ粒子を均一かつ正確に塗布することができる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記の受理層の表面に、ナノ粒子を滴下方式で塗布するものである。
受理層の表面に、ナノ粒子を滴下方式で塗布するようにすれば、インクジェット方式等に比べて短時間で広い範囲にナノ粒子を塗布することができる。
また本発明に係る部材の接合方法は、上記の加熱の際に、加圧を行うものである。
加熱と同時に加圧を行うようにすれば、更に部材の接合信頼性を向上させることができる。
実施形態１．
図１は、本発明の実施形態１に係る部材の接合方法により、複数の部材を接合するときの接合工程を示す縦断面模式図である。なお図１では、２個の部材を接合する場合を示しているが、例えば、１つの基板に複数の半導体素子を接合する場合など、３個以上の部材を接合する場合にも適応できる。
まず、２個の部材１の両方に受理層２を形成する（図１（ａ））。この部材１としては、金属、ガラス、合成樹脂、半導体などのほぼあらゆる固体状のものが考えられ、本実施形態１の部材の接合構造及び接合方法の対象となる。なお図１では、部材１が平板状のものとなっているが、異なる形状のものであってもよい。また２個の部材１はそれぞれ異種の材料のものでもよく、それぞれに配線等が形成されていてもよい。
受理層２としては、主に、ポリアミク酸、アクリル樹脂、アルミナ水和物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、合成微粒子シリカ、タルク、カオリン、硫酸カルシウム、硫酸バリウム等が使用され、機械による塗布や噴霧等により形成される。なお部材１に受理層２を形成する前に、部材１と受理層２の密着力が高まるように、部材１の表面を粗くしておいてもよい。
次に、部材１に形成された受理層２の両方に、分散材４でコーティングされたナノ粒子３を塗布する（図１（ｂ））。このナノ粒子３としては、例えば、直径１０ｎｍ程度の金属物質が使用され、特に、金、銀又は銅が使用される場合が多い。このような金属物質からなるナノ粒子３を使用して複数の部材１を接合すれば、接合強度が高くなる。また、分散材４はナノ粒子３を保護するためのものであり、ナノ粒子３の加熱前においてナノ粒子３を安定した状態に維持する。分散材４としては、様々な種類の炭化水素等を用いることができる。
分散材４でコーティングされたナノ粒子３は、例えば、溶剤に混ぜられてペースト状又はインク状にされて受理層２に塗布される。このようにペースト状又はインク状になっているナノ粒子３は、例えば、インクジェット方式、印刷方式、転写方式、滴下方式等によって塗布することができる。ここでインクジェット方式とは、インクジェットヘッドを用いて溶剤に混ぜられたナノ粒子３を飛ばして塗布するものであり、印刷方式とは、スクリーン印刷等で溶剤に混ぜられたナノ粒子３を印刷して塗布するものである。また転写方式とは、平板状のものにナノ粒子３を載置して転写することにより塗布するものである。なお転写方式では、必ずしもナノ粒子３を溶剤等に混ぜてペースト状又はインク状にする必要はない。さらに滴下方式とは、ディスペンサ等によって溶剤に混ぜられたナノ粒子３を飛ばして塗布するものである。
そして、図１（ｂ）で受理層２にナノ粒子３の塗布された部材１を、互いに接触する形で対向させる（図１（ｃ））。なおこの状態では、ナノ粒子３は分散材４で保護されているため、安定した状態で受理層２に保持されている。
その後、図１（ｃ）で互いに接触させる形で対向させた２個の部材１を加熱する（図１（ｄ））。２個の部材１を加熱することにより、受理層２に塗布されているナノ粒子３の一部又は全部が互いに融着する。またナノ粒子３と受理層２も、ナノ粒子３が一部融解して密着することにより、２個の部材１が接合されることとなる。このときの加熱温度は、ナノ粒子３が体積に対して表面積が大きく、反応性が高いため、例えば、１５０〜２００℃程度の低温でよい。なお図１（ｄ）では、ナノ粒子３がそのままの形で残った状態を示しているが、実際にはナノ粒子３の一部又は全部が互いに融着して繋がった状態となる。
この図１（ｄ）の工程で部材１が加熱されると、一般的に、ナノ粒子３をコーティングしている分散材４の大半が蒸発して無くなる場合が多い。
なお部材１の接合強度を高めるために、図１（ｄ）の加熱と同時に加圧をするようにしてもよい。また図１では、２個の部材１の両方に設けられた受理層２の両方にナノ粒子３を塗布するようにしているが、片側の受理層２のみにナノ粒子３を塗布するようにしてもよい。
図１では、部材１が２個であって２個の部材１の両方に受理層２を設けた場合を示したが、複数の部材（例えば、３個以上）を接合する際に、少なくとも１以上の部材に受理層を設けるようにしてもよい。
また、接合される複数の部材１のうち、少なくとも１以上の部材１自体が受理層２になっていてもよい。これは、例えば接合される部材１がポリアミク酸からなる場合であり、この場合は、接合される部材１に別材料の受理層２を形成する必要はない。
さらに、接合される部材１のうち少なくとも１以上の部材に、ナノ粒子３が混練されている受理層２が設けられるようにしてもよい。このナノ粒子３が混練された受理層２は、例えば、粉末のポリアミク酸とナノ粒子を混練し、塗布や噴霧により形成すればよい。この場合は、例えば受理層２同士を接触させて加熱することにより部材１を接合すればよく、受理層２の表面に改めてナノ粒子を塗布する必要はない。
本実施形態１では、複数の部材１を溶融温度の低いナノ粒子で接合するため、比較的低温で部材１の接合が可能となり、接合する部材１へのダメージが少なくなる。また、接合された部材１のうち少なくとも１以上の部材１にナノ粒子３が保持される受理層２が設けられているため、接合強度が高くなり、従来接合が困難であった部材１同士の接合も可能となる。
また、２個の部材１の両方に受理層２を設けるようにして、両方の受理層２にナノ粒子３を塗布して接合するようにすれば、更に部材１同士の接合信頼性が向上する。
さらに、接合される複数の部材１のうち、少なくとも１以上の部材１自体を受理層２にしたり、接合される部材１のうち少なくとも１以上の部材に、ナノ粒子３が混練されている受理層２が設けられるようにすれば、上記の接合構造と同様の効果が得られる。
実施形態２．
図２は、本発明の実施形態２に係る部材の接合方法により、複数の部材を接合するときの接合工程を示す縦断面模式図である。なお本実施形態２では、実施形態１の受理層２の代わりに、部材１の表面にナノ粒子３が保持される受理構造５が形成される。本実施形態２では、実施形態１の図１（ａ）及び図１（ｂ）の接合工程が、図２（ａ）及び図２（ｂ）に置き換わり、その後の接合工程は図１（ｃ）及び図１（ｄ）と同様である。またその他の点は、実施形態１と同様であり、同一の部分は実施形態１と同一の符号を付して説明する。
まず、２個の部材１の両方に受理構造５を形成する（図２（ａ））。この部材１としては、実施形態１と同様に、金属、ガラス、合成樹脂、半導体などのほぼあらゆる固体状のものが考えらる。なお図２では、部材１が平板状のものとなっているが、異なる形状のものであってもよい。また２個の部材１はそれぞれ異種の材料のものでもよく、それぞれに配線等が形成されていてもよい。また実施形態１と同様に、接合される複数の部材１のうち、少なくとも１以上の部材１に受理構造５を形成するようにしてもよい。
この受理構造５は、ペースト状又はインク状のナノ粒子３が混練されている溶剤等の濡れ性が向上するものであれば何でもよく、例えば、部材１の表面を化学的又は物理的に改質して形成することができる。部材１の表面を化学的に改質する方法としては、例えば、酸化プロセスや水酸化プロセスにより、部材１の表面に親水基を導入する方法が考えられる。また、カップリング剤等を塗布するようにしてもよい。また、部材１の表面を物理的に改質する方法としては、機械的研磨、化学的研磨等により部材１の表面荒れを増したり、電子ビームや光を照射することにより部材１の表面エネルギーを増加させる方法が考えられる。
また、部材１の表面に有機物や、無機物を蒸着、スパッタ等の方法で付着させることで受理構造５としてもよく、無電解法や電解法によるメッキによって受理構造５を形成してもよい。これらの、受理構造５に用いる物質は、前述した溶剤等の濡れ性が向上するものであれば何でもよい。
そして、実施形態１と同様に部材１に形成された受理構造５の両方に、分散材４でコーティングされたナノ粒子３を塗布する（図２（ｂ））。その後の接合工程は、実施形態１の図１（ｃ）及び図１（ｄ）と同様である。
本実施形態２では、接合された部材１のうち少なくとも１以上の部材の表面に、ナノ粒子が保持される受理構造５が形成されているため、実施形態１の受理層２が設けられた部材１の接合構造と同様に、接合強度が高くなる。
実施形態３．
図３は、本発明の実施形態３に係る部材の接合構造を適用した製品の例を示した図である。図３では、実施形態１に示される接合方法により部材を接合した液晶パネルを示している。図３に示すように、本発明の実施形態１及び実施形態２に示される接合構造は、液晶パネル６の液晶７を封止するための機密封止構造等にも適用することができる。
実施形態１に係る部材の接合方法の接合工程を示す縦断面模式図。 実施形態２に係る部材の接合方法の接合工程を示す縦断面模式図。 本発明の実施形態３に係る部材の接合構造を適用した製品の例を示した図。
符号の説明
１ 部材、２ 受理層、３ ナノ粒子、４ 分散材、５ 受理構造、６ 液晶パネル、７ 液晶。

Claims (24)

  1. 複数の部材がナノ粒子によって接合された接合構造であって、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材にナノ粒子が保持される受理層が設けられていることを特徴とする部材の接合構造。
  2. 前記部材が２個であって、該２個の部材の両方に前記受理層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の部材の接合構造。
  3. 複数の部材がナノ粒子によって接合された接合構造であって、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材自体が、ナノ粒子が保持される受理層となっていることを特徴とする部材の接合構造。
  4. 複数の部材がナノ粒子によって接合された接合構造であって、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材の表面に、ナノ粒子が保持される受理構造が形成されていることを特徴とする部材の接合構造。
  5. 前記受理構造が、前記部材の表面を化学的又は物理的に改質して形成されていることを特徴とする請求項４記載の部材の接合構造。
  6. 複数の部材がナノ粒子によって接合された接合構造であって、接合された部材のうち少なくとも１以上の部材にナノ粒子が混練されている受理層が設けられていることを特徴とする部材の接合構造。
  7. 前記ナノ粒子の一部又は全部が、互いに融着していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の部材の接合構造。
  8. 前記ナノ粒子が、金属物質を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の部材の接合構造。
  9. 前記ナノ粒子が、金、銀又は銅であることを特徴とする請求項８記載の部材の接合構造。
  10. 複数の部材をナノ粒子によって接合する接合方法であって、接合する部材のうち少なくとも１以上の部材に受理層を設け、少なくとも１つの前記受理層の表面に前記ナノ粒子を塗布した後に、前記複数の部材同士を対向させて加熱することを特徴とする部材の接合方法。
  11. 前記部材が２個であって、該２個の部材の両方に前記受理層を設けることを特徴とする請求項１０記載の部材の接合方法。
  12. 複数の部材をナノ粒子によって接合する接合方法であって、接合する部材のうち少なくとも１以上の部材自体が受理層となっており、少なくとも１つの前記部材の表面に前記ナノ粒子を塗布した後に、前記複数の部材同士を対向させて加熱することを特徴とする部材の接合方法。
  13. 複数の部材をナノ粒子によって接合する接合方法であって、接合する部材のうち少なくとも１以上の部材の表面に受理構造を形成し、少なくとも１つの前記受理構造に前記ナノ粒子を塗布した後に、前記複数の部材同士を対向させて加熱することを特徴とする部材の接合方法。
  14. 前記受理構造を、前記部材の表面を化学的又は物理的に改質して形成することを特徴とする請求項１３記載の部材の接合方法。
  15. 複数の部材をナノ粒子によって接合する接合方法であって、接合する部材のうち少なくとも１以上の部材に受理層を設け、少なくとも１つの前記受理層に前記ナノ粒子が混練されており、前記複数の部材同士を対向させて加熱することを特徴とする部材の接合方法。
  16. 前記ナノ粒子の一部又は全部を、互いに融着させることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載の部材の接合方法。
  17. 前記ナノ粒子が、金属物質を含むことを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載の部材の接合方法。
  18. 前記ナノ粒子が、金、銀又は銅であることを特徴とする請求項１７記載の部材の接合方法。
  19. 前記ナノ粒子は、加熱する前において分散材でコーティングされていることを特徴とする請求項１０〜１８のいずれかに記載の部材の接合方法。
  20. 前記受理層の表面に、前記ナノ粒子をインクジェット方式で塗布することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の部材の接合方法。
  21. 前記受理層の表面に、前記ナノ粒子を印刷方式で塗布することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の部材の接合方法。
  22. 前記受理層の表面に、前記ナノ粒子を転写方式で塗布することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の部材の接合方法。
  23. 前記受理層の表面に、前記ナノ粒子を滴下方式で塗布することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の部材の接合方法。
  24. 前記加熱の際に、加圧を行うことを特徴とする請求項１０〜２３のいずれかに記載の部材の接合方法。
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