JP2011041955A - 接合体の製造方法及び接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】金属ナノ粒子で接合してなる接合体において、有機バインダーを使用しないでも、熱サイクルに対する耐久性を高めることができる接合体の製造技術を提供する。
【解決手段】第１の被接合体３１に、分散媒１３中の金属ナノ粒子１２の含有量が大なる粘度の高い第１ペースト１０を、塗布し、その上に分散媒２３中の金属ナノ粒子２２の含有量が小で粘度の低い第２ペースト２０を塗布し第２の被接合体３２を搭載して加熱焼結し、第１接合層３４ａと第２接合層３４ｂとからなる接合部３４を有する接合体３５を形成する。粘度、含有金属ナノ粒子の量の異なるペーストを組合せる事により、厚さ、密度の異なる複層の接合層を形成し、被接合体の熱膨張の差より生ずる応力を緩和する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の被接合材を、金属ナノ粒子で接合してなる接合体の製造技術に関する。

例えば、半導体装置では、発熱性半導体素子を収めた筐体に、ヒートシンクと呼ばれる放熱手段を付設して、筐体の温度上昇を抑える構造にしたものが、広く知れている。ヒートシンクには熱伝導率の大きな銅合金やアルミニウム合金が好んで用いられる。一方、筐体は電気絶縁性の高いセラミックスや樹脂がよく採用される。この場合、異種材料である筐体とヒートシンクは、接合材（接合剤）で接合される。

接合剤に、通常の樹脂系接着剤を使用すると、熱伝導性が低下して好ましくない。そこで、高い熱伝導性が期待できる金属粒子、特に超微細な金属ナノ粒子を接合材とすることが提案されてきた（例えば、特許文献１（図１）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図４は従来の技術に係る製造フローを説明する図であり、（ａ）にて、第１の被接合材１０１に、接合材１０２を塗布する。この接合材１０２は、有機保護膜で被覆されている金属ナノ粒子と、バインダーと、溶剤とからなる。バインダーは、樹脂系フラックス、溶剤はアルコールである（特許文献１段落番号［００１６］第１０行）。

（ｂ）にて、乾燥させることにより、接合材１０２中の溶剤を蒸発させる。
（ｃ）にて、接合材１０２に、表面コート材１０３を被せる。この表面コート材１０３は、樹脂系コート材である（特許文献１段落番号［００１６］第１７行）。
（ｄ）にて、表面コート材１０３を乾燥させ、（ｅ）にて、第２の被接合材１０４を載せる。

（ｆ）にて、矢印Ｐ、Ｐの如く加圧しながら、接合温度まで加熱することにより、（ｇ）に示す、接合体１０６を得ることができる。
バインダー及び表面コート材により、接合部の強度向上が期待される。
ところで、バインダーとして樹脂系フラックスを用いているため、樹脂、すなわち有機物が接合部に一部残留する。残留有機物が、熱伝導性の低下や接合強度の低下の要因となり、期待通りに接合部の強度が上がらないことがある。

対策として、有機性バインダーを使用しないことが考えられる。本発明者らは、次に述べる実験を行った。
図５（ａ）に示すように、有機物１１１で被覆されている金属ナノ粒子１１２を、分散媒１１３に分散させてなる、軟らかなペースト１１４を準備した。分散媒１１４は、エチレングリコールや水やテルピネオールなどからなり、有機性バインダーは含んでいない。

次に、（ｂ）で、ペースト１１４を第１の被接合材１１５に塗布する。軟らかなペースト１１４は、表面張力の関係で、流れてしまい薄い膜になる。その分、第１の被接合材１１５との濡れ性が高まり、第１の被接合材１１５の表面によく密着する。

続いて、（ｃ）で、第２の被接合材１１６を被せる。この状態で、接合温度まで加熱する。加熱により、分散媒１１３及び金属ナノ粒子１１２を被覆していた有機物１１１が蒸発し飛散する。露出状態になった金属ナノ粒子１１２同士が原子間結合を行い、金属ナノ粒子１１２と第１・第２の被接合材１１５、１１６が原子間結合するため、接合体１１７が得られる。

ところで、第１の被接合材１１５がセラミックスで、第２の被接合材１１６が銅合金である場合、線膨張係数が異なるため、両被接合材１１５、１１６に、（ｄ）で示すような膨張差δが発生する。この膨張差δは、接着部１１８が第１の被接合材１１５側から第２の被接合材１１６側へ徐々に弾性変形しながら吸収される。

しかし、接着部１１８が薄いと、吸収しきれなくなる。すると、接着部１１８に亀裂が入るなど、寿命の低下を来す。特に、温度が周期的に変化する半導体装置では、熱サイクル劣化が著しくなる。

そこで、有機バインダーを使用しないことを前提に、熱サイクルに対する耐久性を高めることができると共に、接合強度を高めることができる接合体の製造技術が求められる。

特開２００８−２０２０８４公報

本発明は、金属ナノ粒子で接合してなる接合体において、有機バインダーを使用しないでも、接合部の強度を高めることができる接合体の製造技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、第１の被接合材と第２の被接合材とを、金属ナノ粒子で接合してなる接合体の製造方法であって、
有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させてなり流動性に乏しい第１ペースト、及び有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させてなり前記第１ペーストより低粘度で流動性に富む第２ペーストを準備する工程と、
前記第１の被接合材上に、前記第１ペーストを塗布する第１塗布工程と、
塗布された前記第１ペースト上に、前記第２ペーストを塗布する第２塗布工程と、
塗布された前記第２ペースト上に、前記第２の被接合材を被せることで、積層体を得る合体工程と、
得られた積層体を、押圧しながら加熱焼結することで接合体を得る焼結工程と、
からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、第１の被接合材と第２の被接合材とを、金属ナノ粒子で接合してなる接合体の製造方法であって、
有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させてなり流動性に乏しい第１ペースト、及び有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させてなり前記第１ペーストより低粘度で流動性に富む第２ペーストを準備する工程と、
前記第１の被接合材上に、前記第２ペーストを塗布する予備塗布工程と、
塗布された前記第２ペースト上に、前記第１ペーストを塗布する第１塗布工程と、
塗布された前記第１ペースト上に、前記第２ペーストを塗布する第２塗布工程と、
塗布された前記第２ペースト上に、前記第２の被接合材を被せることで、積層体を得る合体工程と、
得られた積層体を、押圧しながら加熱焼結することで接合体を得る焼結工程と、
からなることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、第１ペーストは、粘度が少なくとも１００００Ｐａ．ｓであって厚塗りが可能な硬いペーストであり、
前記第２ペーストは、粘度が大きくとも１０Ｐａ．ｓであって流動性に富む軟らかいペーストであることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、複数の被接合材を、金属ナノ粒子からなる接合部で接合した接合体であって、
前記金属ナノ粒子層は、所定の密度の第１接合層と、この第１接合層より低密度の第２接合層とからなる、少なくとも２層構造となっていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、いわゆる硬い第１ペーストと、軟らかい第２ペーストとを準備し、第１の被接合材に第１ペーストを塗布する。第１ペーストは厚塗りが可能である。
第１ペーストが厚塗り可能であるため、第１・第２の被接合材を接合する接合部の厚さが大きくなる。接合部の厚さが大きければ、熱サイクルに対する、接合部の耐久性を高めることができる。

塗布した第１ペーストの上面は不可避的に凹凸ができるため、このような第１ペーストの上面に軟らかな第２ペーストを塗り、この第２ペーストに第２の被接合材を載せるようにした。第２ペーストは軟らかいため第２の被接合材との濡れ性が高い。濡れ性が高ければ、接合部と第２の被接合材との接合強度を高めることができ、接合体の接合強度を高めることができる。

請求項２に係る発明では、請求項１に対して、第１の被接合材と第１ペーストとの間に、軟らかい第２ペーストを介在させて、第１の被接合材と接合部との接合強度を高めるようにした。請求項１の効果に加えて、接合体の接合強度を更に高めることができる。

請求項３に係る発明では、第１ペーストは、粘度が少なくとも１００００Ｐａ．ｓであり、第２ペーストは、粘度が大きくとも１０Ｐａ．ｓである。
粘度が１００００Ｐａ．ｓ以上であれば、流動性が小さく、塗布厚さを高めることができる。また、粘度が１０Ｐａ・ｓ以下であれば、流動性が大きく、被接合材との濡れ性が高まる。

銀のナノ粒子を８２質量％以上、残りを分散媒としたペーストは、粘度が１００００Ｐａ．ｓ以上になる。また、銀のナノ粒子を８０質量％以下、残りを分散媒としたペーストは、粘度が１０Ｐａ．ｓ以下になる。１００００Ｐａ．ｓ以上の粘度と、１０Ｐａ．ｓ以下の粘度は、容易にコントロールすることができ、製造が容易になる。

請求項４に係る発明は、複数の被接合材を、金属ナノ粒子からなる接合部で接合した接合体であって、金属ナノ粒子層は、所定の密度の第１接合層と、この第１接合層より低密度の第２接合層とからなる。
高密度の第１接合層は、焼結処理前の塗布段階でペーストの厚塗りが可能であるため、層厚さを大きくすることができる。第２接合層は層厚さが小さくなるが、第１接合層と第２接合層を合わせた接合部の厚さを大きくすることができる。接合部の厚さが大きければ、熱サイクルに対する、接合体の耐久性を高めることができる。

さらには、低密度の第２接合層は、金属ナノ粒子間に空隙がより多く存在する。空隙が多く存在すると、ヤング率が小さくなり、外力を受けたときに変形し易くなり、応力を緩和させる作用が増大する。すなわち、低密度の第２接合層の存在により、応力緩和の効果が期待でき、被接合材の線膨張の差に対応させることができる。よって、本発明よれば、熱サイクルに対する、接合体の耐久性を高めることができる。

本発明の実施例１に係る製造フローを説明する図である。 金属ナノ粒子の配合割合とペースト粘度の相関を示すグラフである。 本発明の実施例２に係る製造フローを説明する図である。 従来の技術に係る製造フローを説明する図である。 従来の技術に係る別の製造フローを説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

先ず、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、有機物１１で被覆されている金属ナノ粒子１２を分散媒１３に分散させてなる第１ペースト１０を準備する。
また、（ｂ）に示すように、有機物２１で被覆されている金属ナノ粒子２２を分散媒２３に分散させてなり第１ペースト１０より低粘度で流動性に富む第２ペースト２０を準備する。

粘度に差を付けるには、分散媒１３と分散媒２３の種類を変える方法や、金属ナノ粒子１２と金属ナノ粒子２２との粒径を変える方法など、幾つかの方法が適用できる。
本実施例では、金属ナノ粒子１２、２２のペーストにおける配合割合を変えることにした。

図２は金属ナノ粒子の配合割合とペースト粘度の相関を示すグラフであり、金属ナノ粒子が銀の場合、銀のナノ粒子が８０質量％、分散媒が２０質量％のときに、ペースト粘度は１０Ｐａ・ｓ未満であった。また、銀のナノ粒子が８３質量％、分散媒が１７質量％のときに、ペースト粘度は１０^５（１００，０００）Ｐａ・ｓ超であった。このように、金属ナノ粒子１２、２２のペーストにおける配合割合を変えることにより、ペーストの粘度を変えることができる。
この例によれば、図１（ａ）に示す分散媒１３と分散媒２３は同じでよく、金属ナノ粒子１２と金属ナノ粒子２２とは同じでよいため、出発材料の調達が容易になる。混同する心配がないので、保管・管理も容易になる。

図１（ｃ）に示すように、第１の被接合材３１に、第１ペースト１０を塗る。第１ペースト１０は硬く、流れる心配がないので、厚塗りが可能となる。
塗布方法は任意であるが、何れの方法においても、第１ペースト１０の下面は、第１の被接合材３１に倣い、第１の被接合材３１との密着性が確保できる。一方、第１ペースト１０の上面は、不可避的に波状の凹凸が発生する。

そこで、（ｄ）において、第１ペースト１０の上面に、第２ペースト２０を塗布する。第２ペースト２０は軟らかいため、第１ペースト１０の上面の凹凸を払拭する作用を発揮する。
次に、（ｅ）に示すように、第２の被接合材３２を載せる。

得られた積層体３３を、（ａ）、（ｂ）に示す溶媒１３、２３が蒸発、除去できる温度に加熱する。例えば、１００℃で６０分間保持する。これで、溶媒１３、２３が除去される。
次に、積層体３３を、適度に加圧しながら、接合温度（金属ナノ粒子の焼結温度）に加熱する。

この加熱により、有機物１１、２１が蒸発、除去され、金属ナノ粒子１２、２２同士が結合（焼結結合）し、金属ナノ粒子１２と第１の被接合材３１とが結合し、金属ナノ粒子２２と第２の被接合材３２とが結合する。
すなわち、（ｆ）に示すように、第１の被接合材３１と第２の被接合材３２とが、接合部３４で接合された接合体３５を得ることができる。

接合部３４は第１接合層３４ａと第２接合層３４ｂとからなる。第１接合層３４ａは、第１ペースト１０が出発材料であるため、密度は高くなる。一方、第２接合層３４ｂは、第２ペースト２０が出発材料であるため、密度は低くなる。

（ｇ）に示すモデルにおいて、第１の被接合材３１の線膨張係数をα１、上面の温度をＴ１とし、接合部３４の厚さをｈとし、第２の被接合材３２の線膨張係数をα２、下面の温度をＴ２とする。接合部の剪断歪は、（線膨張係数の差）・（温度差）／接合部の厚さに比例する。すなわち、接合部の剪断歪＝Ｋ・｜α１−α２｜・｜Ｔ１−Ｔ２｜／ｈ。（Ｋは常数）。

｜α１−α２｜・｜Ｔ１−Ｔ２｜がある一定の値であれば、ｈが大きいほど、接合部の剪断歪が小さくなり、接合部３４が破壊する心配がなくなる。ｈが大きければ、温度変化が繰り返される半導体装置であっても、サイクル疲労を解消することができる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図３（ａ）に示すように、有機物１１で被覆されている金属ナノ粒子１２を分散媒１３に分散させてなる第１ペースト１０を準備する。

また、（ｂ）に示すように、有機物２１で被覆されている金属ナノ粒子２２を分散媒２３に分散させてなり第１ペースト１０より低粘度で流動性に富む第２ペースト２０を準備する。

そして、（ｃ）に示すように、第１の被接合材３１に、第２ペースト２０を塗る。第２ペースト２０は軟らかいため、第１の被接合材３１に対して高い濡れ性を発揮し、良好に密着する。
次に、（ｄ）に示すように、第２ペースト２０の上に第１ペースト１０を塗る。この第１ペースト１０は硬く、流れる心配がないので、厚塗りが可能とである。

次に、（ｅ）において、第１ペースト１０の上面に、第２ペースト２０を塗布する。第２ペースト２０は軟らかいため、第１ペースト１０の上面の凹凸を払拭する作用を発揮する。
次に、（ｆ）に示すように、第２の被接合材３２を載せる。

得られた積層体３３を、溶媒１３、２３が蒸発、除去できる温度に加熱する。例えば、１００℃で６０分間保持する。これで、溶媒１３、２３が除去される。
次に、積層体３３を、適度に加圧しながら、接合温度（金属ナノ粒子の焼結温度）に加熱する。

この加熱により、図３（ａ）、（ｂ）に示される有機物１１、２１が蒸発、除去され、金属ナノ粒子１２、２２同士が結合（焼結結合）し、金属ナノ粒子２２と第１の被接合材３１とが結合し、金属ナノ粒子２２と第２の被接合材３２とが結合する。
すなわち、（ｇ）に示すように、第１の被接合材３１と第２の被接合材３２とが、接合部３４で接合された接合体３６を得ることができる。接合部３４は第２接合層３４ｂと第１接合層３４ａと第２接合層３４ｂとからなる。

この接合体３６が、図１（ｆ）に示される接合体３５より、接合強度が高いか否かを実験で確認した。実験の詳細を次に述べる。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない
○材料：
第１の被接合材：２０ｍｍ×２０ｍｍの銅板（無酸素銅、合金番号１０２０Ｐ）
第２の被接合材：７ｍｍ×７ｍｍの銅板（無酸素銅、合金番号１０２０Ｐ）
有機物で被覆される金属ナノ粒子：２５ｎｍ銀粒子
分散媒：エチレングリコール

○準備：
第１ペースト：金属ナノ粒子８２質量％が有機物４．５質量％で被覆されたものを、分散媒１３．５質量％に分散させてなるペーストであって、粘度は約１００００Ｐａ・ｓである（図２参照）。
第２ペースト：金属ナノ粒子８０質量％が有機物４．５質量％で被覆されたものを、分散媒１５．５質量％に分散させてなるペーストであって、粘度は約１０Ｐａ・ｓである（図２参照）。

○前処理：
第１・第２の被接合材は、アセトンで１０分間洗浄し、次に、純水で１０分間洗浄する。
○塗布：
実験１では、スキージと厚さが１２０μｍのメタルマスクとを用いて、第２ペーストのみを塗布。
実験２では、同様のスキージとメタルマスクを用いて、第１ペーストのみを塗布。
実験３では、同様のスキージとメタルマスクを用いて、第１ペースト、第２ペーストをこの順に塗布。
実験４では、同様のスキージとメタルマスクを用いて、第２ペースト、第１ペースト、第２ペーストをこの順に塗布。

○第１加熱：
中間製品を、無加圧、１００℃、６０分の条件で加熱し、ペースト中の分散媒を除去する。
○第２加熱：
中間製品をさらに、２ＭＰａで加圧し、２００℃、１２０分の条件で加熱し、焼結接合を実施する。なお、加圧により、第２ペーストは大幅に圧縮された。一方、第１ペーストは若干圧縮されたに留まった。

○結果：
結果を、次表に示す。

実験１は、第２ペーストが軟らかいため、加圧焼結後の接合部の厚さは１５μｍであった。ただし、ペーストと第１・第２の被接合材との濡れ性は良好であるため、２５００Ｎもの高い接合強度が得られた。第１・第２の被接合材と接合部との接合が良好であるため、破断部位へ接合部内であった。強度の評価は○であるが、熱サイクルでの評価は×であり、総合評価は×であった。

実験２は、第１ペーストが硬いため、加圧焼結後の接合部の厚さは１１０μｍとなった。ただし、ペーストと第２の被接合材との濡れ性はよくない。第２の被接合材と接合部との間で破断が起こり、接合強度は１２００Ｎに留まった。強度の評価は×であり、熱サイクルでの評価は○であるものの、総合評価は×であった。

実験３は、図１（ｆ）に示す形態で行い、接合部の厚さは１１０μｍとなった。接合強度は２０００Ｎに達した。強度評価、熱サイクル評価とも○であり、総合評価は○であった。ただし、破断部位は第１の被接合材と接合部との間であり、第１の被接合材との濡れ性を改良することが望まれる。

実験４は、図３（ｇ）に示す形態で行い、接合部の厚さは１１０μｍとなった。破壊部位は接合部内であった。すなわち、ペーストと第１・第２の被接合材との濡れ性は良好であった。そのため、接合強度は２２００Ｎに達し、強度評価、熱サイクル評価とも○であり、総合評価は○であった。

尚、金属ナノ粒子の金属は、銀の他、金、銅、鉄、ニッケルであってもよく、種類は任意である。
また、接合体は、半導体装置が好適であるが、積層体であれば、種類や用途は限定しない。
また、焼結工程は、実施例では第１加熱及び第２加熱からなる２段階処理としたが、１段階処理又は３段階以上の処理であってもよく、実施例に限定されるものではない。

本発明の接合体は、半導体装置が好適である。

１０…第１ペースト、１１、２１…有機物、１２、２２…金属ナノ粒子、１３、２３…分散媒、２０…第２ペースト、３１…第１の被接合材、３２…第２の被接合材、３３…積層体、３４…接合部、３４ａ…第１接合層、３４ｂ…第２接合層、３５、３６…接合体。

Claims (4)

1. 第１の被接合材と第２の被接合材とを、金属ナノ粒子で接合してなる接合体の製造方法であって、
   有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させてなり流動性に乏しい第１ペースト、及び有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させてなり前記第１ペーストより低粘度で流動性に富む第２ペーストを準備する工程と、
   前記第１の被接合材上に、前記第１ペーストを塗布する第１塗布工程と、
   塗布された前記第１ペースト上に、前記第２ペーストを塗布する第２塗布工程と、
   塗布された前記第２ペースト上に、前記第２の被接合材を被せることで、積層体を得る合体工程と、
   得られた積層体を、押圧しながら加熱焼結することで接合体を得る焼結工程と、
   からなることを特徴とする接合体の製造方法。
2. 第１の被接合材と第２の被接合材とを、金属ナノ粒子で接合してなる接合体の製造方法であって、
   有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させてなり流動性に乏しい第１ペースト、及び有機物で被覆されている金属ナノ粒子を分散媒に分散させてなり前記第１ペーストより低粘度で流動性に富む第２ペーストを準備する工程と、
   前記第１の被接合材上に、前記第２ペーストを塗布する予備塗布工程と、
   塗布された前記第２ペースト上に、前記第１ペーストを塗布する第１塗布工程と、
   塗布された前記第１ペースト上に、前記第２ペーストを塗布する第２塗布工程と、
   塗布された前記第２ペースト上に、前記第２の被接合材を被せることで、積層体を得る合体工程と、
   得られた積層体を、押圧しながら加熱焼結することで接合体を得る焼結工程と、
   からなることを特徴とする接合体の製造方法。
3. 前記第１ペーストは、粘度が少なくとも１００００Ｐａ．ｓであって厚塗りが可能な硬いペーストであり、
   前記第２ペーストは、粘度が大きくとも１０Ｐａ．ｓであって流動性に富む軟らかいペーストであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の接合体の製造方法。
4. 複数の被接合材を、金属ナノ粒子からなる接合部で接合した接合体であって、
   前記金属ナノ粒子層は、所定の密度の第１接合層と、この第１接合層より低密度の第２接合層とからなる、少なくとも２層構造となっていることを特徴とする接合体。

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