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