JP2012045617A - 導電性接合剤及びその接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノ粒子のアンカー効果により如何なる材質の基材間を強固に接着し、耐久性の優れた強固な接合体を提供する。
【解決手段】低温焼結性を有する金属ナノ粒子とハンダ粉末とを混ぜた導電性接合剤を接合すべき部材間に挿入し、当該ハンダ粉末が融解した後に焼結現象が起きる加熱条件の下で溶融接合を行なうことを特徴とする導電性接合剤の接合方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、導電性接合剤及びその接合方法を提供するものである。

導電性接合剤は電子回路の心臓部に使用され、主に半導体・機能部品の基板への接続を担っている。この接合剤は、Ａｇ・Ａｕをはじめとする金属微粒子や金属めっき樹脂粒子などの導電粒子をエポキシ樹脂などの有機バインダーに均一分散させた有機・無機複合系の材料が一般には使用されており、その組成は、接着性・密着性・剛直柔軟性・耐湿性・耐熱性を発現させるバインダー、電気・熱の伝導性を確保するためのフィラー、加熱などの系外エネルギーによりバインダーの硬化反応を発現させる潜在性硬化剤（含む触媒）、フィラーの沈降防止や硬化物の特性向上の目的で微量添加される各種添加剤および塗布性・相溶性・粘度調整用途の溶剤の５成分から成立っており^{１）−３）}、これらに関する多くの特許が出願されている。しかしながら、この様に複雑な系なるが故に製剤の安定性は極めて悪く、保存時には極低温での冷凍保存が必須であり、しかも解凍時には急速解凍するなど使用時に複雑な配慮が必要であるばかりか、接合した後でも、導電性のフィラー同士や基板との接着がバインダーを介して行なわれているため、導電性の低さ、耐熱・耐久性の悪さが根源的な欠陥となっており、特に近年は、携帯電話やＰＣを始めとする小型モバイル機器、部品の小型化・軽量化・高集積化が急速に進んでおり、これら樹脂系接合剤の使用限界が見え始めている。

小日向茂："導電性接着剤の基礎（その１）"エレクトロニクス実装学会誌，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ６，ｐｐ４９５−５０４（２００６） 小日向茂："導電性接着剤の基礎（その２）"エレクトロニクス実装学会誌，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ７，ｐｐ５８１−５８６（２００６） 小日向茂："導電性接着剤の基礎（その３）"エレクトロニクス実装学会誌，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ１，ｐｐ８８−９８（２００７） 廣瀬明夫、井出英一、小林紘二郎："ナノ粒子を用いた新しい接合技術"，エレクトロニクス実装学会誌，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ６，ｐｐ５１１−５１５（２００４）

この欠陥を解消する手段として、金属のナノ粒子の焼結現象を利用して直接接合剤に使用する提案がなされており、それに関する幾多の研究報文も出されている。即ち、金属のナノ粒子は膨大な比表面積を有するため、その金属が本来持っている融点より遥かに低い、３００℃以下という低温で融解焼結した後、元の純粋な金属へ戻るため、焼結後は高い導電性を持つだけでなく、耐熱性や耐久性にも優れている。しかもナノ粒子は、その微小な粒子径なるが故に、基板表面の微細な凹凸の奥深くまで浸透した状態で其の儘焼結するため（アンカー効果）、前記バインダー等を使用することなく、多くの金属やプラスチックの基板表面との間に強固な接着が得られる。しかしながら、この焼結現象は隣接した粒子同士と言うごく近傍でしか起きず、結果として極めて目の粗い焼結体にしかならない。そのため、接合体自身の破断強度が極めて低く、極めて高い圧力で圧着しながら接合すると言う特殊な条件下で接合できたとの報文^４）はあるものの、接合剤として実用化された例は未だかつてない。

この焼結体の粗な部分にハンダなどの溶融金属を流し込み、焼結体の穴を埋めることによって強固な構造体を得ようとするのが本発明の技術的趣旨である。

即ち、低温焼結性を有する金属ナノ粒子とハンダ粉末とを混ぜた導電性接合剤と当該ハンダが融解した後に焼結現象が起きる加熱条件の下で溶融接合を行なうことを特徴とする導電性接合剤の接合方法を提案する。その結果、上述したナノ粒子のアンカー効果により如何なる材質の基板へも強固に接着し、耐久性の優れた接合が実現する。しかもナノ粒子が溶融金属の中に分散した状態で焼結するため、一部合金を作りながら緻密な構造をした強固な接合体が得られる。更に、この合金組成のため、元の溶融金属の融点より遥かに高い融点にシフトし、全体として高い耐熱性を有する結果となる。また、分散媒や被覆剤は焼結時に完全に飛散除去されるように設計されており、焼結後の焼結体は純粋な金属のみとなっているので、極めて高い導電性が発現する。勿論、製剤は簡単な組成であるため、安定した配合条件を選択することが容易であり、冷凍保存など特別な扱いをする必要はない。

以下に本発明の導電性接合剤とその接合方法の詳細を述べる。
低温焼結性を有する金属ナノ粒子とは粒子径が１０ｎｍ以下、実用的には５ｎｍ以下のナノ粒子を指す。即ち、ナノ粒子はその膨大な比表面積なるが故に、粒子径が１０ｎｍ以下になると融点が急速に降下し、例えば、粒子径５ｎｍの銀のナノ粒子では、銀自身の融点である９７０℃より遥かに低い、１５０℃以下まで融点が下がる。なお、この融点降下は膨大な比表面積なるが故に起きる現象であって、ナノ粒子を形成している金属の種類には依存しない。ただ、現在までに粒子径５ｎｍ以下のナノ粒子が単独で存在しているのは金のナノ粒子と銀のナノ粒子のみであり、それ以外の金属で低温焼結現象が観察された例はない。
さらに、このナノ粒子同士の凝集は理論的にはナノ粒子が形成された直後に起きてしまうため、実用上は粒子が形成されると同時に粒子の表面を被覆剤で覆い凝集を防いでいる。この被覆剤として一定温度で揮散し、しかもその温度が、上記ナノ粒子同士が凝集する温度より高いものを選べば、被覆剤が剥がれると同時にナノ粒子の凝集（焼結）が起きるため、焼結温度をコントロールすることが出来る。この性質を本発明の接合剤に応用した。なおこの被覆剤としては、高級アルコールの他、高級脂肪酸、各種アミン、界面活性剤などが使われているが、低温で焼結が起きれば本発明では被覆剤の種類を特定しない。
また、本発明の接合剤は、その取り扱い性を考慮してペースト状に製剤化されている。このペースト化剤には一般の有機溶剤が使われるが、その選定に当たってはナノ粒子が良好に分散することを考慮する必要があり、上記したナノ粒子の被覆剤の種類に依存する。加えて、本発明では焼結後の焼結体は導電性を考慮して純粋な金属でなければならず、ペースト化剤は焼結温度以下の温度で揮散するものが選ばれなければならない。
ナノ粒子に混合するハンダ粉末は一般に市販されている鉛フリーハンダを使用する。勿論、接合しようとしている基板の材質によって適正な溶融温度のものを選択すべきである。ナノ粒子とハンダ粉末との混合比も基板の材質に依存するが、一般的にはハンダ部分が多いと接合後の耐熱温度が低くなるだけでなく基板との接着強度も悪くなるし、反対にナノ粒子の割合が多くなると焼結体自体の破断強度が低下する。
さらに、構造体を形成することを要求する接合の場合には、構造体形成のためのフィラーを混ぜることが望ましく、そのフィラーは、導電性など求める構造体の性質によって選択され、銀や銅などの金属粉末が用いられる。
本発明の接合方法では溶融金属の中にナノ粒子を分散させてから焼結させることを特徴としているため、ナノ粒子が焼結する前にハンダが溶けている必要がある。ナノ粒子の焼結する温度以下の温度で融解するハンダを選択すれば問題なくこの条件を満たすが、焼結温度より高い融点を持つハンダを使用した場合でも、分散媒が揮散して、ナノ粒子を被覆している被覆剤が飛ぶまでにはある程度の時間が掛かるため、ハンダの融点以上の温度まで一気に加熱する急速加熱方式下であれば、焼結前に溶融体を得る条件を満たすことができる。レーザー加熱や超音波加熱などの加熱方式の場合がこれに該当する。

実施例１
１８５℃で揮散する高級アルコールを被覆した平均粒子径５ｎｍの銀のナノ粒子に、錫−銀−銅系のハンダ粉末（融点２２０〜２４０℃）を１：２の混合比（重量ベース）で混ぜ、１４０℃近辺で揮散するテレピン油でペースト化して導電性接合剤を作る。▲１▼ステンレス板、▲２▼チタン合金板、▲３▼ＩＴＯ板、▲４▼ガラス版のそれぞれの基板の上に銅版を重ねて、間にこの接合剤を塗布し、圧着電熱式スポット溶接装置（ミヤチテクノス製）で加熱接合する。加熱時間はそれぞれ３００℃下で１５秒間であった。
実施例２
１８５℃で揮散する高級アルコールを被覆した平均粒子径５ｎｍの銀のナノ粒子に、錫−ビスマス系のハンダ粉末（融点１４０〜１４５℃）を１：２の混合比（重量ベース）で混ぜ、１４０℃近辺で揮散するテレピン油でペースト化して導電性接合剤を作る。２枚の▲１▼ステンレス板、▲２▼チタン合金板、▲３▼ＩＴＯ板、▲４▼ガラス板のそれぞれの基板の上に銅版を重ねて、間にこの接合剤を塗布し、圧着電熱式スポット溶接装置（ミヤチテクノス製）で加熱接合する。加熱時間はそれぞれ２５０℃下で１５秒間であった。
実施例３
１８５℃で揮散する高級アルコールを被覆した平均粒子径５ｎｍの銀のナノ粒子に、錫−銀−銅系のハンダ粉末（融点２２０〜２４０℃）を１：３の混合比（重量ベース）で混ぜ、１４０℃近辺で揮散するテレピン油でペースト化して導電性接合剤を作る。▲１▼ステンレス板、▲２▼チタン合金板、▲３▼ＩＴＯ板、▲４▼ガラス板のそれぞれの基板の上に接合剤で突起状物を作り、中央に銅線を埋め込んで、電気オーブンで加熱処理した。加熱時間はそれぞれ２５０℃下で１５分間であった。
実施例４
１８５℃で揮散する高級アルコールを被覆した平均粒子径５ｎｍの銀のナノ粒子に、錫−ビスマス系のハンダ粉末（融点１４０〜１４５℃）を１：３の混合比（重量ベース）で混ぜ、１４０℃近辺で揮散するテレピン油でペースト化して導電性接合剤を作る。▲１▼ステンレス板、▲２▼チタン合金板、▲３▼ＩＴＯ板、▲４▼ガラス板のそれぞれの基板の上に接合剤で突起状物を作り、中央に銅線を埋め込んで、電気オーブンで加熱処理した。加熱時間はそれぞれ２２０℃下で１５分間であった。
実施例５
１８５℃で揮散する高級アルコールを被覆した平均粒子径５ｎｍの銀のナノ粒子に、錫−ビスマス系のハンダ粉末（融点１４０〜１４５℃）を３：１の混合比（重量ベース）で混ぜ、１４０℃近辺で揮散するテレピン油でペースト化して導電性接合剤を作る。２枚の▲１▼ステンレス板、▲２▼チタン合金板、▲３▼ＩＴＯ板、▲４▼ガラス板のそれぞれの基板の上に銅版を重ねて、間にこの接合剤を塗布し、圧着電熱式スポット溶接装置（ミヤチテクノス製）で加熱接合する。加熱時間はそれぞれ２５０℃下で１５秒間であった。
実施例６
１８５℃で揮散する高級アルコールを被覆した平均粒子径５ｎｍの銀のナノ粒子に、錫−ビスマス系のハンダ粉末（融点１４０〜１４５℃）を２：１の混合比（重量ベース）で混ぜ、１４０℃近辺で揮散するテレピン油でペースト化して導電性接合剤を作る。▲１▼ステンレス板、▲２▼チタン合金板、▲３▼ＩＴＯ板、▲４▼ガラス板のそれぞれの基板の上に接合剤で突起状物を作り、中央に銅線を埋め込んで、電気オーブンで加熱処理した。加熱時間はそれぞれ２２０℃下で１５分間であった。
（実施例の結果）
それぞれの実施例の評価結果は以下の通りであった。

注）◎：実用上問題ない接合諸特性が得られた
○：基板の熱伝導性に若干問題があり結果にバラツキが出る
△：一応接合はするが接合強度が弱いため用途が限定される
×：焼結体が一体化していないため接合強度が悪く実用化できない

Claims (2)

1. 低温焼結性を有する金属ナノ粒子とハンダ粉末とを混ぜた導電性接合剤を接合すべき部材間に挿入し、当該ハンダ粉末が融解した後に焼結現象が起きる加熱条件の下で溶融接合を行なうことを特徴とする導電性接合剤の接合方法。
2. 低温焼結性を有する金属ナノ粒子とハンダ粉末とが混合されている導電性接合剤。