JP2012084514A - 焼結される銀ペーストにおける溶媒としての、脂肪族炭化水素およびパラフィンの使用 - Google Patents

Abstract

【課題】プロセス温度が２５０℃未満である、電子部品が基板と安定的に結合されるようにする焼結プロセスを提供すること。
【解決手段】本発明は、基板に電子部品を固定するためのプロセスであって、（ｉ）電子部品および基板を準備する工程と、（ｉｉ）この電子部品と、基板と、それらの間に配置される層であって、（ａ）脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含有するコーティングを有する金属粒子、ならびに（ｂ）少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物を含むペーストを含む層とを有するサンドイッチ構成物を作成する工程と、（ｉｉｉ）このサンドイッチ構成物を焼結する工程と、を含むプロセスを提供する。
【選択図】なし

Description

本発明は、基板上に電子部品を固定するための方法、およびこの方法で使用することができるペーストに関する。

パワー・エレクトロニクスの分野では、基板と、非常に高い圧力および温度の感度を有するＬＥＤまたは非常に薄いシリコンチップなどの部品との接続は、特別の課題を提示する。

この理由のため、基板は、接着剤により結合することで、このような圧力および温度に敏感な部品と結合されることが多い。適切な伝導性接着剤は、通常、銀粒子、熱硬化性ポリマーおよび反応性希釈剤を含有する。しかしながら、接着剤による結合技術は、これが、不十分な熱伝導率および電気伝導率しか有しない、基板と部品との間の接触点を作り出すという短所を有する。

この問題を解決するために、基板と電子部品とを焼結によって互いに結合することが提案された。

しかしながら、従来の焼結プロセスは高いプロセス圧力または高いプロセス温度のいずれかを必要とする。これらの前提条件は、結合対象の部品の損傷につながることが多く、従来の焼結プロセスは、多くの応用例については排除されている。

特許文献１は、パワー・エレクトロニクス用の非常に良好な導電性のおよび熱伝導性の化合物層を作ることを可能にする焼結技術を提案する。この焼結プロセスは、アルコール溶媒に加えて、３００℃未満で元素状の銀へと崩壊する銀化合物を含有する金属ペーストを使用する。これらの金属ペーストによって、プロセス圧力を３ｂａｒ未満まで下げ、かつプロセス温度を２５０℃未満まで下げることが可能になる。この焼結技術は、基板と圧力および温度に敏感な部品との結合において、非常に大きい品質の向上をもたらす。

とはいうものの、作製される接触点の耐せん断性（ｓｈｅａｒｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）に関しての品質低下をまったく考慮する必要なく、このプロセス温度をなおさらに下げることができれば、多くの応用例にとって望ましいであろう。これは、パワー・エレクトロニクスの分野において、結合対象の部品のストレスをより少なくし、これにより構成部品のさらなる品質改善をもたらすであろう。さらには、プロセス温度をなおさらに下げることができれば、エネルギーコストをかなり節約することが可能になろう。

基板上に電子部品を固定するための先行技術のプロセスは、別の観点で改善の余地がある。例えば、特定の場面では、電子部品と基板との間に、高い耐せん断性を有する接触層を生成することが可能である。とはいえ、大量生産においては、概して、この耐せん断性が接触層ごとに大きくばらつくという問題が起こっている。それゆえ、接触点の耐せん断性に関して均一な品質で、電子部品と基板との間に接触層を生成することは、これまで不可能であった。

独国特許出願公開第１０ ２００７ ０４６ ９０１（Ａ１）号明細書

それゆえ、本発明は、電子部品が基板と安定的に結合されるようにする焼結プロセスであって、プロセス温度が２５０℃未満であるプロセスを提供するという目的に基づいている。これにより、高い耐せん断性、低い多孔性ならびに高い導電率および熱伝導率を有する接触点が、均一な品質で基板と結合対象の部品との間に作成されるべきである。

本発明のさらなる目的は、本発明に係る焼結プロセスで使用することができるペーストを提供することである。

これらの目的は、独立請求項の主題によって成し遂げられる。

かくして、本発明は、基板に電子部品を固定するためのプロセスであって、
（ｉ）電子部品および基板を準備する工程と、
（ｉｉ）この電子部品と、基板と、それらの間に配置される層であって、（ａ）脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含有するコーティングを有する金属粒子、ならびに（ｂ）少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物を含有するペーストを含む層と、を有するサンドイッチ構成物を作成する工程と、
（ｉｉｉ）このサンドイッチ構成物を焼結する工程と
を含むプロセスを提供する。

さらには、本発明は、（ａ）脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含有するコーティングを有する金属粒子と、（ｂ）少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物とを含有するペーストを利用できるようにする。

先行技術のペーストは、通常、ペーストの中の金属粒子のアグロメレーションを回避するためにコーティングされている金属粒子を含有する。例えば、二酸化ケイ素、金属酸化物、金属合金、ポリマーまたは脂肪酸が、コーティング化合物として使用される。これらのコーティング化合物により、アグロメレーションを効果的に回避することが可能になる。しかしながら、焼結プロセスは、これらのコーティング化合物は拡散速度をかなり遅くし、その結果として、高いプロセス温度が必要になるという短所を有する。従って、焼結工程は、当該コーティング化合物が加熱除去され金属粒子の表面が露出された後に初めて起こることができる。

本発明は、ペーストの中に含有される金属粒子が脂肪酸（または脂肪酸誘導体）から構成されるコーティングを有し、かつそのペーストがさらに脂肪族炭化水素を含有するとき、焼結温度がかなり低下されうるという驚くべき認識に基づく。

１つの理論に結び付けられることは望まないが、この脂肪族炭化水素化合物は、２５０℃未満の温度で、脂肪酸を金属粒子から加熱除去することを促進することができるようである。２５０℃未満の温度で、この脂肪族炭化水素化合物が金属粒子の表面とその上の脂肪酸層との間に導入され、その結果、この脂肪酸はこの脂肪族炭化水素によって取り囲まれてこの脂肪族炭化水素によって部分的に溶解されると想定される。このプロセスは金属粒子のアグロメレーションの妨害に関して不利な効果をまったく示さないが、これは、明らかに２５０℃未満の温度でのこの脂肪酸の加熱除去につながり、その結果、この金属粒子の表面は、焼結プロセスのために、これらの温度ですでに利用できる。さらには、高い耐せん断性および耐せん断性に関しての均一かつ再現性のある品質を有する接触層が、この焼結プロセスで、電子部品と基板との間に作り出される。さらには、この脂肪族炭化水素化合物の使用によって、従来の溶媒を含有するペーストの場合よりも、ペーストの成分のより均一な分布を成し遂げることが可能になる。これは、とりわけ、先行技術のペーストよりも本発明に係るペーストのより良好な加工性をもたらす。

本発明に従って使用されるペーストは、金属粒子を含有する。

本発明に関しては、用語「金属」は、元素の周期表の中で、ホウ素と同じ周期でホウ素の左に、ケイ素と同じ周期でケイ素の左に、ゲルマニウムと同じ周期でゲルマニウムの左に、およびアンチモンと同じ周期でアンチモンの左に見出すことができる元素、ならびに５５よりも大きい原子番号を有するすべての元素を指す。本発明によれば、用語「金属」は、合金および金属間化合物も包含する。

当該金属は、少なくとも９５重量％、好ましくは少なくとも９８重量％、より好ましくは少なくとも９９重量％、さらにより好ましくは少なくとも９９．９重量％の純度を有することが好ましい。

好ましい実施形態によれば、当該金属は、銅、銀、ニッケル、およびアルミニウムからなる群から選択される。非常に好ましい実施形態によれば、この金属は銀である。

当該ペーストの中に含有される金属粒子は、その組成に関しては均一であってもよいしまたは不均一であってもよい。特に、ペーストの中の粒子は異なる金属を含有することができる。

当該金属粒子は、様々な形態のものであってもよい。この金属粒子は、例えば、薄片の形態または球形の（ボールの形状の）形態のものであってもよい。特に好ましい実施形態によれば、この金属粒子は薄片の形態を有する。しかしながら、これは、使用される金属粒子のうちの微量が異なる形態をも有することができるということを排除しない。しかしながら、この粒子の少なくとも７０重量％、より好ましくは少なくとも８０重量％、さらにより好ましくは少なくとも９０重量％または１００重量％が薄片の形態にあることが好ましい。

本発明によれば、金属粒子は、コーティングされている。

本発明によれば、粒子のコーティングは、粒子の表面上の接着層であると理解される。本発明によれば、接着層は、その層が金属粒子から重力作用により分離しないということを意味する。

本発明によれば、金属粒子のコーティングは、少なくとも１つのコーティング化合物を含有する。

この少なくとも１つのコーティング化合物としては、脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される化合物が挙げられる。これらのコーティング化合物は、当該ペーストの中に含有される金属粒子のアグロメレーションを回避して、このペーストの安定化に寄与するべきである。

当該コーティング化合物は、飽和化合物、単不飽和化合物、多価不飽和化合物、およびこれらの混合物からなる群から選択されることが好ましい。

さらには、このコーティング化合物は、分枝状の化合物、非分枝状の化合物およびこれらの混合物からなる群から選択されることが好ましい。

このコーティング化合物は、８〜２８個、さらにより好ましくは１２〜２４個、特に好ましくは１２〜１８個の炭素原子を有することが好ましい。

好ましい実施形態によれば、このコーティング化合物としては、モノ脂肪酸、モノ脂肪酸由来の塩またはモノ脂肪酸エステルが挙げられる。

脂肪酸の塩として、アニオン性成分が脱プロトン化された脂肪酸を構成し、カチオン性成分がアンモニウムイオン、モノアルキルアンモニウムイオン、ジアルキルアンモニウムイオン、トリアルキルアンモニウムイオン、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、銅イオン、およびアルミニウムイオンからなる群から選択される塩が好ましいと考えられる。

好ましい脂肪酸エステルは、上記の対応する脂肪酸から誘導され、酸単位のヒドロキシル基がアルキル基、特にメチル基、エチル基、プロピル基、またはブチル基で置き換えられているものである。

好ましい実施形態によれば、当該少なくとも１つのコーティング化合物は、カプリル酸（オクタン酸）、カプリン酸（デカン酸）、ラウリン酸（ドデカン酸）、ミリスチン酸（テトラデカン酸）、パルミチン酸（ヘキサデカン酸）、ステアリン酸（オクタデカン酸）、これらの混合物、ならびに対応するエステルおよび塩ならびにこれらの混合物からなる群から選択される。

特に好ましい実施形態によれば、この少なくとも１つのコーティング化合物は、ラウリン酸（ドデカン酸）、ステアリン酸（オクタデカン酸）、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン酸カリウム、ステアリン酸アルミニウム、ステアリン酸銅、パルミチン酸ナトリウム、およびパルミチン酸カリウムからなる群から選択される。

本発明に従って使用される金属粒子は、市販品から入手することができる。対応するコーティング化合物は、従来のプロセスおよび公知の先行技術のプロセスによって、金属粒子の表面上に付与される。

例えば、当該コーティング化合物、特に上述のステアリン酸塩またはパルミチン酸塩を溶媒に懸濁させ、懸濁されたコーティング化合物を金属粒子とともにボールミルの中で粉砕することが可能である。当該金属粒子を粉砕した後に、このときには当該コーティング化合物でコーティングされている金属粒子は乾燥され、その後ちりが除かれる。

脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される当該少なくとも１つのコーティング化合物の割合は、当該コーティングの総重量に対して好ましくは少なくとも８０重量％、より好ましくは少なくとも９０重量％、特に好ましくは少なくとも９５重量％、最も特に好ましくは少なくとも９９重量％、特に１００重量％である。

好ましい実施形態によれば、当該コーティング化合物の割合は、コーティングされた金属粒子の重量に対して、０．０５〜３重量％、より好ましくは０．０７〜２．５重量％、さらにより好ましくは０．１〜２．２重量％である。

コーティングの程度は、金属粒子の表面に対するコーティング化合物の質量の関係として規定され、このコーティングの程度は、金属粒子の表面１平方メートル（ｍ^２）あたり好ましくは０．００００５〜０．０３ｇ、より好ましくは０．０００１〜０．０２ｇ、さらにより好ましくは０．０００５〜０．０２ｇのコーティング化合物である。

本発明によれば、当該ペーストは、少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物を含有する。

本発明によれば、脂肪族炭化水素化合物は、炭素原子および水素原子から構成されかつ芳香族ではない化合物であると理解される。従って、本発明に係る脂肪族炭化水素化合物はヘテロ原子を含有しない。

この少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物は、当該金属粒子上にコーティング化合物として含まれる脂肪酸または脂肪酸誘導体が２５０℃未満の温度で加熱除去されることを促進することができるようであり、そのため、金属粒子の反応性表面がより低い温度での焼結プロセスのためにすでに利用できる。結果として、焼結温度の明らかな低下を成し遂げることができる。

さらには、この少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物は溶媒の代用物としての役割を果たすことができ、その非極性に基づいて効果的に水分保持量を減らすことができる。

この少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物は、飽和化合物、単不飽和化合物、多価不飽和化合物およびこれらの混合物からなる群から選択されることが好ましい。特に好ましい実施形態によれば、この脂肪族炭化水素化合物は、飽和脂肪族炭化水素化合物からなる群から選択される。

さらには、この少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物は、環状または非環状化合物であってもよい。

好ましい実施形態によれば、この少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物は、ｎ−アルカン、イソアルカン、シクロアルカン、およびこれらの混合物からなる群から選択される。

本発明に従って使用される少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物は、５〜３２個の炭素原子、より好ましくは１０〜２５個の炭素原子、さらにより好ましくは１６〜２０個の炭素原子を有することが好ましい。

好ましい実施形態によれば、この脂肪族炭化水素化合物は、式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２、Ｃ_ｎＨ_２ｎおよびＣ_ｎＨ_２ｎ−２（式中、ｎは５〜３２の間、好ましくは１０〜２５の間、より好ましくは１６〜２０の間の整数を表す）によって表される飽和炭化水素からなる群から選択される。

最も好ましい実施形態によれば、この少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物は、ヘキサデカン、オクタデカン、イソヘキサデカン、イソオクタデカン、シクロヘキサデカン、およびシクロオクタデカンからなる群から選択される。例えば、この少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物は、例えばＥｘｘｓｏｌ（商標） Ｄ１４０の商標名でまたはＩｓｏｐａｒ Ｍ（商標）の商標名でＥｘｘｏｎ Ｍｏｂｉｌによって流通されている脂肪族炭化水素化合物の混合物であってもよい。

本発明に係るペーストは、好ましくは、当該ペーストの総重量に対して７５〜９０重量％、より好ましくは７７〜８９重量％、さらにより好ましくは８０〜８８重量％の金属粒子を含有する。

好ましい実施形態によれば、このペーストは、当該ペーストの総重量に対して、０．０５〜２．５重量％、より好ましくは０．０７〜２．２重量％、さらにより好ましくは０．１〜２重量％の、脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される少なくとも１つのコーティング化合物を含有する。

当該ペーストの中でのこの少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物の割合は特に限定されない。当該ペーストの良好な加工性を成し遂げるために、当該ペーストが、ペーストの総重量に対して３〜２５重量％、より好ましくは４〜２０重量％、さらにより好ましくは５〜１８重量％の当該少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物を含有することが有利である可能性がある。

２５０℃未満の温度での当該コーティング化合物の簡単な加熱除去を可能にするのに十分大きい量の当該少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物を当該ペーストの中に与えることが特に有利であるということも判明している。従って、当該少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物の重量割合に対する当該コーティング化合物の重量割合の比は最大で０．１％である。

他方、本発明に係る効果を得ることができるように、脂肪族炭化水素の量もまた、コーティング化合物の量に対して特に高く選択されるべきではない。特に好ましい実施形態によれば、当該少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物の重量割合に対するコーティング化合物の重量割合の比は、従って０．００１〜１．０の範囲、より好ましくは０．００５〜０．８５の範囲、さらにより好ましくは０．０１〜０．７の範囲にある。

さらなる好ましい実施形態によれば、当該少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物の主成分に対する脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される当該コーティングの主成分のモル比は、０．００１〜１．０の範囲、より好ましくは０．００５〜０．８５の範囲、さらにより好ましくは０．０１〜０．７の範囲にある。本発明に関しては、モル比は、当該ペーストの中のそれぞれの要素の物質量の比を指す。本発明によれば、当該コーティングの主成分は、脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される当該コーティング化合物から形成され、この主成分は、脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される成分のほかの他の任意の含有されるコーティング化合物よりも大量に存在する。本発明によれば、当該少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物の主成分は、上記脂肪族炭化水素化合物から形成され、これは、任意に他の含有される脂肪族炭化水素化合物よりも大量に存在する。

驚くべきことに、本発明によって対処される対象である焼結温度の低下は、一方で、脂肪酸または脂肪酸誘導体（これは金属粒子のコーティングの中に主に含有される）の主鎖の長さに関連し、他方で当該脂肪族炭化水素化合物（これは、上記少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物または上記脂肪族炭化水素化合物からの混合物の主な成分を表す）の主鎖に関連するということが明らかにされた。従って、焼結温度の特に大きな低下は、この脂肪酸またはこの脂肪酸誘導体の主鎖およびこの脂肪族炭化水素化合物の主鎖が同じまたは同等の数の炭素原子を有する場合に成し遂げることができるということが見出された。

最も特に好ましい実施形態によれば、少なくとも当該脂肪族炭化水素化合物の主成分の主鎖に含有される炭素原子に対する当該コーティングの主成分の主鎖に含有される炭素原子の比は、従って、０．５〜２．０の範囲、より好ましくは０．６〜１．４の範囲、さらにより好ましくは０．８〜１．２の範囲、最も特に好ましくは０．８５〜１．１５の範囲にある。

当該金属粒子が、例えば、２０重量％ ラウリン酸（１２個の炭素原子の主鎖を有する脂肪酸）、３５重量％ ミリスチン酸（１４個の炭素原子の主鎖を有する脂肪酸）および４５重量％ ステアリン酸カリウム（１８個の炭素原子の主鎖を有する脂肪酸の塩）の混合物を含有するコーティングを有する場合、従ってステアリン酸カリウムが当該コーティングの主成分である。この場合、単一の脂肪族炭化水素化合物または脂肪族炭化水素化合物の混合物の主成分が同様または同一の数の炭素原子を有する主鎖を有する場合には、焼結温度の著しい低下が達成されうる。従って、単一の脂肪族炭化水素化合物または脂肪族炭化水素化合物の混合物の主成分が１６〜２０個の炭素原子、特に１８個の炭素原子を有する主鎖であれば、好ましいであろう。

本発明に係るペーストは、上述の成分に加えて他の物質を含有することができる。

好ましい実施形態によれば、当該ペーストは、少なくとも１つの金属前駆体を含有する。

本発明に関しては、金属前駆体は、当該ペーストの中に含有される金属粒子の存在下で、２５０℃未満の温度でその金属前駆体の金属へと分解される化合物を指す。従って、焼結プロセスの間に金属前駆体を使用するとき、金属は、イン・サイチュで形成されることが好ましい。当該化合物がこの好ましい実施形態に係る金属前駆体に関連するかどうかは簡単に判定することができる。試験対象の化合物を含有するペーストは、例えば銀表面を有する基板上に堆積し、２５０℃に加熱しこの温度で２０分間放置することができる。その後、これらの条件下で試験対象の化合物が金属へと分解したかどうかが検討される。この目的のために、試験前に金属含有ペースト成分の含有量を秤量することができ、それから金属の理論質量を算出することができる。試験後、基板上に堆積された物質の質量を、重量測定によって決定することができる。通常の測定のばらつきは考慮に入れて、基板上に堆積された物質の質量がその金属の理論質量に対応するならば、試験された化合物は、この好ましい実施形態に係る金属前駆体である。

さらに好ましい実施形態では、この金属前駆体は当該金属粒子の中にも含有される金属を有する。特に好ましい実施形態によれば、このための金属前駆体は金属として銀または銅を有する。

金属前駆体として金属炭酸塩、金属乳酸塩、金属ギ酸塩、金属クエン酸塩、金属酸化物、または金属脂肪酸塩、好ましくは６〜２４個の炭素原子を有する脂肪酸の塩を使用することが好ましい。

炭酸銀、乳酸銀、ギ酸銀、クエン酸銀、酸化銀（例えばＡｇＯまたはＡｇ_２Ｏ）、乳酸銅、ステアリン酸銅、酸化銅（例えばＣｕ_２ＯまたはＣｕＯ）、酸化金（例えばＡｕ_２ＯまたはＡｕＯ）、またはこれらの混合物が、特定の実施形態で金属前駆体として使用される。

特に好ましい実施形態によれば、この金属前駆体は、炭酸銀および酸化銀からなる群から選択される。

存在する場合、この金属前駆体は、当該ペーストの中に、好ましくは微粒子形態で、特に好ましくは薄片の形態で存在する。

焼結プロセスの間にイン・サイチュで金属を放出する金属前駆体の使用によって、焼結プロセスの間にイン・サイチュで形成される金属が、このペーストの中に含有される金属粒子間の孔を塞ぐということが生じる。このようにして、結合対象の２つの部品の間の接触点の多孔性を減少させることができる。

当該ペーストは、少なくとも１つの焼結助剤をも含有することができる。この焼結助剤は、２５０℃未満の温度での焼結プロセスの間の２５０℃未満でのコーティング化合物の加熱除去を確実にし、従って２５０℃未満の温度で焼結することができるようにすることができることが好ましい。特に適切な焼結助剤は、直接的に、または中間的に形成される化合物を介して間接的に、２５０℃未満の温度での当該コーティング化合物の加熱除去を確実にする。

好ましい実施形態によれば、この焼結助剤は酸化剤であることができる。酸化剤は、他の物質を酸化することができこれにより自身は還元される物質であると理解される。酸化剤は電子を奪うことができ、従って電子アクセプターである。またこの焼結助剤は、酸素キャリアであることが好ましい。これは、酸素を与えることができる物質を意味する。この実施形態によれば、例えば（ｉ）有機過酸化物（クミルペルオキシドなど）、（ｉｉ）無機過酸化物および（ｉｉｉ）無機酸を焼結助剤として使用することができる。これらの化合物は、焼結助剤としての役割を果たすことができる。なぜなら、これらは少なくとも１つの酸素原子を含有し、当該ペーストの金属粒子上に存在するコーティング化合物の、２５０℃未満の温度での燃焼を可能にするからである。

さらに好ましい実施形態によれば、またこの焼結助剤は、当該ペーストの中に含有される金属粒子の表面上に存在することができかつ焼結プロセスと干渉することができる金属酸化物が還元されるということも確実にすることができる。この理由のため、焼結プロセスの過程で還元剤を放出する化合物は、焼結助剤として使用することができる。この還元剤は、好ましくは一酸化炭素である。この実施形態によれば、この焼結助剤は、例えば、（ｉｖ）１〜４個の炭素原子を有する有機酸の塩（ギ酸アルミニウムなど）、（ｖ）１〜４個の炭素原子を有する有機酸のエステル、および（ｖｉ）カルボニル錯体からなる群から選択することができる。これらの化合物は、これらは焼結プロセスの間に一酸化炭素を放出するか、または一酸化炭素の放出に関与し、従って当該金属ペーストの中に含有される金属粒子の表面上に含有される金属酸化物を、２５０℃未満の温度で、対応する金属に還元することを可能にするという点で、焼結助剤としての役割を果たすことができる。

当該脂肪族炭化水素化合物に加えて、当該ペーストは、溶媒として働くことができるさらなる化合物を含有することができる。金属ペーストのために通常使用される溶媒が、このために考慮される。例えば、以下のものを溶媒として使用することができる：α−テルピネオール（（Ｒ）−（＋）−α−テルピネオール、（Ｓ）−（−）−α−テルピネオールまたはラセミ化合物）、β−テルピネオール、γ−テルピネオール、δ−テルピネオール、上述のテルピネオールの混合物、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、エチレングリコール、ジメチルアセトアミド、１−トリデカノール、２−トリデカノール、３−トリデカノール、４−トリデカノール、５−トリデカノール、６−トリデカノール、イソトリデカノール、二塩基酸エステル（好ましくはグルタル酸、アジピン酸またはコハク酸もしくはこれらの混合物のジメチルエステル）、グリセリン、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、またはこれらの混合物。しかしながら、当該脂肪族炭化水素のほかに当該金属ペーストの中には、溶媒が存在しないかまたはそうでなければ少量の溶媒しか存在しないことも好ましい場合がある。例えば、当該金属ペースト中のさらなる溶媒の割合は、最大で１０重量％、より好ましくは最大５重量％、さらにより好ましくは最大３重量％、特に好ましくは最大１重量％であることが有利である場合がある。さらに好ましい実施形態では、脂肪族炭化水素およびさらなる溶媒の総重量に対する脂肪族炭化水素の割合は、３０〜１００重量％の範囲、より好ましくは５０〜１００重量％の範囲、さらにより好ましくは７０〜１００重量％の範囲、特に好ましくは８０〜１００重量％の範囲にある。

さらには、当該ペーストは、そのペーストに所望の特徴を与えるための少なくとも１つのポリマーを含有することができる。しかしながら他方で、このペーストは、ポリマーを含有しないか、またはその割合が小さいことが有利である場合がある。なぜなら、ポリマー、とりわけ熱硬化物は、通常は２５０℃を超える温度で除去され尽くし、従って当該ペーストの焼結性に対して不利な効果を及ぼすからである。これは、熱硬化物またはその前駆生成物について特に当てはまる。熱硬化物の前駆生成物は、さらなるペースト成分の存在下で熱硬化物へと硬化することができる化合物を指す。これらの熱硬化物またはその前駆生成物は、通常は７００未満の重量平均分子量を有する。好ましい実施形態によれば、７００未満の重量平均分子量を有するポリマーの割合は、このペーストの総重量に対して６重量％以下である。

加えて、さらなる成分、例えば一般的な分散剤、界面活性剤、消泡剤、結合剤、または粘度調整剤が、この金属ペーストの中に含有されてもよい。

これまでに記載されたペーストは、基板上に電子部品を固定するために、本発明に従って使用することができる。

この固定は、焼結によって実現されることが好ましい。本発明によれば、焼結は、流体相を通しながら加熱することにより、２以上の部品を結合することであると理解される。

電子部品は、一般に、電子機器アセンブリの一部でありうる物体であると理解される。好ましい実施形態によれば、これは、さらに分解することはできず、しかも電子回路の部品としての役割を果たすことができる個々の部分であると理解される。この電子部品は、複数の構成部分のユニットを任意に含むことができる。この電子部品は、例えば、能動素子または受動素子であってもよい。特定の実施形態によれば、この電子部品は高性能電子機器の中で使用される。好ましい実施形態によれば、この電子部品は、ダイオード（例えば、ＬＥＤ、発光ダイオード）、トランジスタ（例えばＩＧＢＴ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、絶縁されたゲート電極を具えるバイポーラトランジスタ）、集積回路、半導体チップ、ベアチップ（ダイ）、レジスタ、センサ、コンデンサ、コイル、および冷却素子からなる群から選択される。

基板は、一般に、電子部品に接続されうる物体として理解される。好ましい実施形態によれば、基板は、リードフレーム、ＤＣＢ基板（ダイレクト・カッパー・ボンディッド基板、Ｄｉｒｅｃｔ−Ｃｏｐｐｅｒ−Ｂｏｎｄｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）およびセラミック基板からなる群から選択される。

好ましい実施形態によれば、以下の電子部品および基板の対が、互いに固定される：ＬＥＤ／リードフレーム、ＬＥＤ／セラミック基板、ダイ／リードフレーム、ダイ／セラミック基板、ダイ／ＤＣＢ基板、ダイオード／リードフレーム、ダイオード／セラミック基板、ダイオード／ＤＣＢ基板、ＩＧＢＴ／リードフレーム、ＩＧＢＴ／セラミック基板、ＩＧＢＴ／ＤＣＢ基板、集積回路／リードフレーム、集積回路／セラミック基板、集積回路／ＤＣＢ基板、センサ／リードフレーム、センサ／セラミック基板、冷却素子（好ましくは銅またはアルミニウム冷却素子）／ＤＣＢ、冷却素子（好ましくは銅またはアルミニウム冷却素子）／セラミック基板、冷却素子／リードフレーム、コンデンサ（好ましくはタンタルコンデンサ、より好ましくは収容されていない状態のもの）／リードフレーム。

さらに好ましい実施形態によれば、複数の電子部品を基板に接続することができる。複数の電子部品が基板の両側に位置することがさらに好ましい場合がある。

さらには、電子部品、基板または電子部品および基板は、少なくとも１つの金属化層を含むことができる。この金属化層は、例えば純粋な金属または金属合金を有することができる。この金属化層が金属を含む場合、これが、銅、銀、金、パラジウム、および白金からなる群から選択されることが好ましい。この金属化層が金属合金を含む場合、これが、銀、金、ニッケル、パラジウム、および白金からなる群から選択される少なくとも１つの金属を含有することが好ましい。この金属化層は多層化構成を有することもできる。さらに好ましい実施形態によれば、この金属化層は、ガラスも含有する。

本発明によれば、この電子部品は、焼結によって基板上に固定される。これに関して、「上」は、単に、電子部品の表面が基板の表面に接続されており、この接続は電子部品、基板または、構成物の相対的位置に依存しないということを意味する。

本発明によれば、この電子部品および基板は、焼結の目的のために、互いに接触させられる。これに関して、この接触は、本発明に係るペーストを介して起こる。好ましい実施形態によれば、この電子部品および基板はともに、金属化層を有し、当該電子部品の金属化層および当該基板の金属化層は、当該ペーストを介して互いに接触している。本発明によれば、電子部品、基板およびその間に置かれる、本発明に係るペーストを含有する層を有するサンドイッチ構成物が最初に作成される。好ましくは、サンドイッチ構成物は、電子部品が基板の上に置かれ、または基板が電子部品の上に置かれ、この電子部品および基板が実質的に互いに平行に配置されている構成物であると理解される。

電子部品、基板およびそれらの間に存在するペーストから構成されるサンドイッチ構成物は、公知の先行技術のプロセスに従って製造することができる。好ましくは、基板の少なくとも１つの表面、好ましくは金属化層を具える基板の表面には、最初に本発明に係るペーストが具えられる。このペーストは、従来のプロセスによって基板の表面に付与することができる。このペーストは、好ましくは加圧（ｐｒｅｓｓｉｎｇ）プロセス、例えばスクリーン印刷またはステンシル印刷によって付与される。他方、このペーストは、分注技術によって、噴霧技術によって、ピン転写によって、または浸漬によって付与することができる。その後、この電子部品は、その表面のうちの１つ、好ましくは金属化層を有する表面を、基板の表面上にすでに付与されたペーストに向けて置かれる。この結果、ペースト層は、基板と電子部品との間、好ましくは基板の金属化層と電子部品の金属化層との間に置かれる。

基板と電子部品との間の未乾燥時の層密度は、２０〜２００μｍの範囲にあることが好ましい。好ましくは未乾燥時の層密度は、基板と電子部品との対向する表面間の距離として理解される。好ましい未乾燥時の層密度は、当該金属ペーストを付与するために選択されるプロセスに依存する。この金属ペーストが例えばスクリーン印刷によって付与される場合、好ましくは未乾燥時の層密度は２０〜５０μｍであることができる。この金属ペーストがステンシル印刷によって付与される場合、好ましい未乾燥時の層密度は５０〜２００μｍの範囲にあることができる。

好ましい実施形態によれば、乾燥工程は、焼結プロセスに先立って行われる。好ましくは乾燥は、当該金属ペーストの中の溶媒の割合の減少として理解される。好ましい実施形態によれば、乾燥後の当該金属ペーストの中の溶媒の割合は、乾燥された金属ペーストの重量に対して１〜５重量％の範囲にある。

一方で、乾燥は、上記サンドイッチ構成物の製造後に行うことができる。他方、また乾燥は、基板または電子部品の少なくとも１つの表面上へのペーストの付与の直後で、かつ接続するべき電子部品または基板と接触させる前に行うことができる。乾燥温度は、好ましくは５０〜１００℃の範囲にある。乾燥時間がペーストのそれぞれの組成および焼結対象のサンドイッチ構成物のサイズに依存することは明らかである。しかしながら、一般的な乾燥時間は、５〜４５分間の範囲にある。

電子部品、基板およびそれらの間に配置される、本発明に係るペーストを含有する層のサンドイッチ構成物は、最後に焼結プロセスにかけられる。この焼結プロセスは低温焼結プロセスである。本発明によれば、低温焼結プロセスは、好ましくは２５０℃未満の温度で、より好ましくは２２０℃未満の温度で、さらにより好ましくは２００℃未満の温度で、特に好ましくは１８０℃未満の温度で稼動する焼結プロセスとして理解される。

焼結の間のプロセス圧力は、好ましくは３０ＭＰａ未満、より好ましくは５ＭＰａ未満、さらにより好ましくは１ＭＰａ未満である。本発明に係るペーストの使用に基づくと、この焼結は、プロセス圧力をなんら使用せずにでも、つまり０ＭＰａのプロセス圧力でも良好に行われる。

焼結時間はプロセス圧力に依存し、２〜４５分の範囲にあることが好ましい。

本発明によれば、焼結プロセスは、特に限定されない雰囲気の中で行うことができる。好ましくは、焼結は、酸素を含有する雰囲気の中で行われる。

焼結は、焼結に適した従来の装置の中で行われ、その装置では、上記のプロセスパラメータが設定できることが好ましい。

以降では、本発明は、以下の実施例に基づいて詳細に説明される。しかしながら、これらの実施例は、限定を意図するものと考えるべきではない。

実施例１：
本発明に係る金属ペースト、ペースト１を、
８３重量％の、薄片の形態で存在しステアリン酸でコーティングされた銀粒子、および
１７重量％のＩｓｏｐａｒ Ｍ（商標）、主に１２〜１５個の炭素原子を有するイソパラフィンからなる石油留出分、
を均一なペーストになるまで混合して、製造した。

５０μｍの密度を有するペースト１の堆積層をＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディッド）基板の上へとプレスし、その後、これを１００ｍｍ^２の底表面を有するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）チップに載せ、基板、ペースト１およびチップのサンドイッチ構成物を作成した。このサンドイッチ構成物を、再循環式空気乾燥機の中で、１００℃の温度で５分間乾燥した。

乾燥したサンドイッチ構成物を、最後に２００℃の温度および１０ＭＰａの圧力で２分間焼結した。

この実験を同じ条件下で複数回行った。

比較例１：
比較ペースト、比較ペースト１を、
８３重量％の、薄片の形態で存在しステアリン酸でコーティングされた銀粒子、
９重量％のテルピネオール、および
８重量％のトリデカノール
を均一なペーストになるまで混合して、製造した。

５０μｍの密度を有する比較ペースト１の堆積層をＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディッド）基板の上へとプレスし、その後、これを１００ｍｍ^２の底表面を有するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）チップに載せ、基板、比較ペースト１およびチップのサンドイッチ構成物を作成した。このサンドイッチ構成物を、再循環式空気乾燥機の中で、１００℃の温度で５分間乾燥した。

乾燥したサンドイッチ構成物を最後に２００℃の温度および１０ＭＰａの圧力で２分間焼結した。

この実験を同じ条件下で複数回行った。

実施例１および比較例１で含有される接触層の比較：
それぞれ実施例１および比較例１で含有される基板とチップとの間の接触層の信頼性を、剥離試験（Ｍｅｒｔｅｎｓ，Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ：Ｔｈｅ Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｒｅｐｏｒｔ ＶＤＩ Ｓｅｒｉｅｓ ２１，Ｎｏ．３６５、Ｄｕｅｓｓｅｌｄｏｒｆ、ＶＤＩ Ｖｅｒｌａｇ ２００４、Ｃｈａｐｔｅｒ ４．２に記載されている）によって判定した。ここで、これより、ペースト１の使用によって得た接触層は、比較ペースト１の使用によって得た接触層と比較して、著しく増加した剥離強度を有するということが明らかになった。特に、ペースト１の使用によって生成した接触層は、比較ペースト２の使用によって生成した接触層と比較して、剥離強度に関して均一な品質を与えた。

実施例２：
本発明に係る金属ペースト、ペースト２を、
８３重量％の、薄片の形態で存在しステアリン酸でコーティングされた銀粒子、
１２重量％のＥｘｘｓｏｌ（商標） Ｄ１２０、１４〜１８個の炭素原子を有する炭化水素（主としてｎ−アルカン、イソアルカンおよび環状炭化水素）の混合物、ならびに
５重量％の炭酸銀
を均一なペーストになるまで混合して、製造した。

５０μｍの密度を有するペースト２の堆積層をＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディッド）基板の上へとプレスし、これを７５℃の温度で５分間乾燥し、基板、ペースト２およびチップのサンドイッチ構成物を作成するために、その後、１０ｍｍ^２の底表面およびニッケル−銀金属化を有するチップに載せた。

このサンドイッチ構成物を、最後に２２０℃の温度で１５分間焼結した。

この実験を同じ条件下で複数回行った。

比較例２：
比較ペースト、比較ペースト２を、
８３重量％の、薄片の形態で存在しステアリン酸でコーティングされた銀粒子、
１２重量％のテルピネオールおよび
５重量％の炭酸銀
を均一なペーストになるまで混合して、製造した。

５０μｍの密度を有する比較ペースト２の堆積層をＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディッド）基板の上へとプレスし、これを７５℃の温度で５分間乾燥し、基板、比較ペースト２およびチップのサンドイッチ構成物を作成するために、その後、１０ｍｍ^２の底表面およびニッケル−銀金属化を有するチップに載せた。

このサンドイッチ構成物を、最後に２２０℃の温度で１５分間焼結した。

この実験を同じ条件下で複数回行った。

実施例２および比較例２に含有される接触層の比較：
基板とチップとの間でそれぞれ実施例２および比較例２で得た接触層の剥離強度を、従来の剥離試験によって判定した。ここで、これより、ペースト２の使用によって得た接点は、比較ペースト２の使用によって得た接触層と比較して約５０％高い剥離強度を示すということが明らかになった。実施例２で得た構成物を用いた剥離試験は、一部はチップの破壊に終わり、すなわち、チップは、とても強く基板に結合されており、そのチップを壊さない限りそれを取り除くことはできなかった。特に、比較ペースト２の使用によって生成した接触層と比較して、剥離強度に関して均一な品質を有する接触層が、ペースト２の使用によって生成した。

実施例３：
本発明に係る金属ペースト、ペースト３を、
８３重量％の、薄片の形態で存在しステアリン酸でコーティングされた銀粒子、
７重量％のＥｘｘｓｏｌ（商標） Ｄ１２０、１４〜１８個の炭素原子を有する炭化水素（主としてｎ−アルカン、イソアルカンおよび環状炭化水素）の混合物、
５重量％の炭酸銀、ならびに５重量％のジクミルペルオキシド
を均一なペーストになるまで混合して、製造した。

５０μｍの密度を有するペースト３の堆積層をＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディッド）基板の上へとプレスし、これを７５℃の温度で５分間乾燥し、基板、ペースト３およびチップのサンドイッチ構成物を作成するために、その後、１０ｍｍ^２の底表面およびニッケル−銀金属化を有するチップに載せた。

このサンドイッチ構成物を、最後に２００℃の温度で１５分間焼結した。

この実験を同じ条件下で複数回行った。

比較例３：
比較ペースト、比較ペースト３を、
８３重量％の、薄片の形態で存在しステアリン酸でコーティングされた銀粒子、
７重量％のテルピネオール、
５重量％の炭酸銀、および
５重量％のジクミルペルオキシド
を均一なペーストになるまで混合し、製造した。

５０μｍの密度を有する比較ペースト３の堆積層をＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディッド）基板の上へとプレスし、これを７５℃の温度で５分間乾燥し、基板、比較ペースト３およびチップからサンドイッチ構成物を作成するために、その後、１０ｍｍ^２の底表面およびニッケル−銀金属化を有するチップに載せた。

このサンドイッチ構成物を、最後に２００℃の温度で１５分間焼結した。

この実験を同じ条件下で複数回行った。

実施例３および比較例３で得た接触層の比較：
基板とチップとの間でそれぞれ実施例３および比較例３で得た接触層の剥離強度を、従来の剥離試験によって判定した。ここで、これより、ペースト３の使用によって得た接触層は、比較ペースト３の使用によって得た接触層と比較して、約５０％高い剥離強度を示すということが明らかになった。実施例３で得た構成物を用いた剥離試験は、ほとんどがチップの破壊に終わり、すなわち、チップは、とても強く基板に結合されており、そのチップを壊さない限りそれを取り除くことはできなかった。特に、比較ペースト３の使用によって生成した接触層と比較して、剥離強度に関して均一な品質を有する接触層が、ペースト３の使用によって生成した。さらには、ペースト３は、比較ペースト３と比較して、明らかに良好な作業性を有していた。

実施例４：
本発明に係る金属ペースト、ペースト４を、
８３重量％の、薄片の形態で存在しステアリン酸でコーティングされた銀粒子、
１２重量％のＥｘｘｓｏｌ（商標） Ｄ１２０、１４〜１８個の炭素原子を有する炭化水素（主としてｎ−アルカン、イソアルカンおよび環状炭化水素）の混合物、ならびに
５重量％のギ酸アルミニウム
を均一なペーストになるまで混合し、製造した。

５０μｍの密度を有するペースト４の堆積層をＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディッド）基板の上へとプレスし、これを７５℃の温度で５分間乾燥し、基板、ペースト４およびチップのサンドイッチ構成物を作成するために、１０ｍｍ^２の底表面およびニッケル−銀金属化を有するチップに載せた。

このサンドイッチ構成物を、最後に２２０℃の温度で１５分間焼結した。

この実験を同じ条件下で複数回行った。

比較例４：
比較ペースト、比較ペースト４を、
８３重量％の、薄片の形態で存在しステアリン酸でコーティングされた銀粒子、
１２重量％のテルピネオール、および
５重量％のギ酸アルミニウム
を均一なペーストになるまで混合し、製造した。

５０μｍの密度を有する比較ペースト４の堆積層をＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディッド）基板の上へとプレスし、これを７５℃の温度で５分間乾燥し、基板、比較ペースト４およびチップのサンドイッチ構成物を作成するために、その後、１０ｍｍ^２の底表面およびニッケル−銀金属化を有するチップに載せた。

このサンドイッチ構成物を、最後に２２０℃の温度で１５分間焼結した。

この実験を同じ条件下で複数回行った。

実施例４および比較例４で得た接触層の比較：
基板とチップとの間でそれぞれ実施例４および比較例４で得た接触層の剥離強度を、従来の剥離試験によって判定した。ここで、これより、ペースト４の使用によって得た接触層は、比較ペースト４の使用によって得た接触層と比較して、約５０〜７０％高い剥離強度を示すということが明らかになった。実施例４で得た構成物を用いた剥離試験は、一部がチップの破壊に終わり、すなわち、チップは、とても強く基板に結合されており、そのチップを壊さない限りそれを取り除くことはできなかった。特に、比較ペースト４の使用によって生成した接触層と比較して、剥離強度に関して均一な品質を有する接触層が、ペースト４の使用によって生成した。

Claims (13)

1. ペーストであって、（ａ）脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含むコーティングを有する金属粒子と、（ｂ）少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物とを含有する、ペースト。
2. 前記金属粒子は銀粒子である、請求項１に記載のペースト。
3. 前記金属粒子は薄片として存在する、請求項１または請求項２に記載のペースト。
4. 前記少なくとも１つのコーティング化合物は、８〜２８個の炭素原子を有する飽和脂肪酸、８〜２８個の炭素原子を有する飽和脂肪酸の塩、８〜２８個の炭素原子を有する飽和脂肪酸のエステル、およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のペースト。
5. 前記少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物は、式Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２、Ｃ_ｎＨ_２ｎおよびＣ_ｎＨ_２ｎ−２（式中、ｎは５〜３２の間の整数を表す）によって表される飽和炭化水素からなる群から選択される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のペースト。
6. 前記少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物の重量割合に対する、脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される前記コーティング化合物の重量割合の比は、０．００１〜１．０の範囲にある、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のペースト。
7. 前記少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物の主成分の主鎖に含有される炭素原子に対する、前記コーティングの主成分の主鎖に含有される炭素原子の比は、０．５〜２．０の範囲にある、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のペースト。
8. 前記ペーストの総重量に対する金属粒子の割合は、７５〜９０重量％の範囲にある、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のペースト。
9. 前記ペーストの総重量に対するコーティング化合物の割合は、０．０５〜２．５重量％の範囲にある、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のペースト。
10. 前記ペーストの総重量に対する前記少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物の割合は、３〜２５重量％の範囲にある、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のペースト。
11. ７００未満の重量平均分子量を有するポリマーの割合は、前記ペーストの総重量に対して、６重量％以下である、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のペースト。
12. 基板上に電子部品を固定するための、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のペーストの使用。
13. 基板上に電子部品を固定するためのプロセスであって、
    （ｉ）電子部品および基板を準備する工程と、
    （ｉｉ）前記電子部品と、前記基板と、それらの間に配置される層であって、（ａ）脂肪酸、脂肪酸塩および脂肪酸エステルからなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含有するコーティングを有する金属粒子、ならびに（ｂ）少なくとも１つの脂肪族炭化水素化合物を含むペーストを含む層とを有するサンドイッチ構成物を作成する工程と、
    （ｉｉｉ）前記サンドイッチ構成物を焼結する工程と、
    を含むプロセス。