JP2018172771A - Nickel coating copper particles, joint material, and joining method - Google Patents

Nickel coating copper particles, joint material, and joining method Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide metal particles that can realize low cost and high reliability, and are excellent particularly in thermal conductivity.SOLUTION: Nickel coating copper particles have an average particle size by a laser diffraction/scattering method in a range of 0.5 to 100 μm, and each of which is formed of a core layer and a coating layer that covers at least a part of surface of the core layer, in each of which the coating layer contains nickel elements of 50% or more as a concentration of the number of atoms, and the core layer contains 50 wt.% or more of copper elements. When, with a joint material containing nickel coating copper particles interposed between joint members to be joined containing the nickel coating copper particles, by heating at a temperature in a range of 100°C to 500°C, under a reducing gas atmosphere, a joint layer is formed between the joint members to be joined to join the joint members to be joined.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、電子部品の製造に利用可能なニッケル被覆銅粒子、接合材及びそれを用いた接合方法に関する。   The present invention relates to nickel-coated copper particles that can be used in the manufacture of electronic components, a bonding material, and a bonding method using the same.

近年、省電力化への取り組みのなかで、インバータなどの電力変換器における、電力変換効率の高効率化が進められている。その中でも、電力損失の低減が期待できる次世代のパワーデバイス半導体材料として、SiC(シリコンカーバイド)の実用化が検討されている。しかしながら、現行のSi(シリコン)パワーデバイスの駆動温度が125℃程度に対して、SiCでは250℃以上が想定されるため、SiCを使用したパワー半導体チップと実装基板を接合する接合材料(以下、「接合材」ともいう。)には、250℃以上の高温領域での駆動時の信頼性が必要となる。   In recent years, in an effort to save power, higher power conversion efficiency is being promoted in power converters such as inverters. Among these, the practical application of SiC (silicon carbide) is being studied as a next-generation power device semiconductor material that can be expected to reduce power loss. However, since the driving temperature of the current Si (silicon) power device is about 125 ° C., SiC is assumed to be 250 ° C. or higher, and therefore, a bonding material (hereinafter referred to as a bonding material) for bonding a power semiconductor chip using SiC and a mounting substrate. (Also referred to as “bonding material”) requires reliability during driving in a high temperature region of 250 ° C. or higher.

従来、接合材としては、はんだ材料が使用されてきた。このはんだ材料については、2006年にEUにおいて施行されたRoHS指令により、鉛フリーのはんだ材料が求められているが、上記高温領域での駆動に耐えうる鉛フリーのはんだ材料やその代替材料は、得られていない。   Conventionally, a solder material has been used as the bonding material. Regarding this solder material, a lead-free solder material is required by the RoHS directive enforced in the EU in 2006, but a lead-free solder material that can withstand driving in the high temperature region and its alternative material are: Not obtained.

はんだ材料に代わり、金属微粒子を利用した接合材が検討されている。例えば特許文献1では、サブマイクロ〜数マイクロメートルサイズの銀微粒子接合材を200℃で揮発性成分を揮散させ、300℃あるいは350℃で加熱することにより20〜40MPa程度の接合強度が得られている。   Joining materials using metal fine particles instead of solder materials are being studied. For example, in Patent Document 1, a bonding strength of about 20 to 40 MPa is obtained by evaporating a volatile component at 200 ° C. and heating at 300 ° C. or 350 ° C. in a silver microparticle bonding material having a size of sub-micrometer to several micrometers. Yes.

また、銀微粒子に替えて、より低コストな銅微粒子を用いる接合材も開示されている。例えば特許文献2には、粒径1〜35nmの銅ナノ粒子と35〜1000nmの銅粒子を含む接合材を水素中400℃5分間で加圧焼結させることにより、40MPa以上の高い接合強度を示す材料が提案されている。   Moreover, it replaces with silver microparticles | fine-particles and the joining material using a lower cost copper microparticle is also disclosed. For example, in Patent Document 2, a bonding material containing copper nanoparticles having a particle size of 1 to 35 nm and copper particles having a particle size of 35 to 1000 nm is subjected to pressure sintering in hydrogen at 400 ° C. for 5 minutes, thereby providing a high bonding strength of 40 MPa or more. The materials shown are proposed.

以上のように金属微粒子系接合材(「ナノシンター系接合材」ともいう。)の開発が進められているが、銀微粒子系(銀シンター系)は高コストであり、加えて冷熱サイクルなどの信頼性試験を実施するとボイドの粗大化や接合層脆化の問題がある。一方、銅微粒子系(銅シンター系)は低コストではあるものの、酸化による劣化が起こる問題がある。   As described above, metal particulate bonding materials (also referred to as “nano-sinter bonding materials”) are being developed, but silver particulates (silver sintering) are expensive, and in addition, reliability such as thermal cycle When the property test is carried out, there are problems of coarsening of voids and embrittlement of the bonding layer. On the other hand, although the copper fine particle type (copper sinter type) is low in cost, there is a problem that deterioration due to oxidation occurs.

そこで、本発明者は、低コストであり、かつ、酸化による劣化が起きにくい、高い信頼性が期待できる、ニッケル(Ni)微粒子系の接合材を検討してきた。例えば、非特許文献1においては、90nmのNiナノ粒子を用いた接合材が、−40℃〜+250℃の冷熱サイクル試験において、1000cyc経過後においても接合強度は10MPa以上を維持し、更に断面観察においてはクラックが観察されない、という高い信頼性を示すことを開示した。   In view of this, the present inventor has studied a nickel (Ni) fine particle-based bonding material that is low in cost and is unlikely to be deteriorated by oxidation and that can be expected to have high reliability. For example, in Non-Patent Document 1, a bonding material using 90 nm Ni nanoparticles maintains a bonding strength of 10 MPa or more after a lapse of 1000 cyc in a cooling cycle test of −40 ° C. to + 250 ° C. Disclosed that it shows high reliability that no cracks are observed.

しかし、ニッケルは、熱伝導率が90.9W/m・Kであり、銀(420W/m・K)や銅(398W/m・K)と比較して低く、上記高温領域での駆動を担保するうえで重要な特性である、放熱性の更なる向上が期待されていた。   However, nickel has a thermal conductivity of 90.9 W / m · K, which is lower than silver (420 W / m · K) and copper (398 W / m · K), and guarantees driving in the above high temperature range. Therefore, further improvement of heat dissipation, which is an important characteristic, was expected.

特開2011−236494号公報JP2011-236494A 特開2013−91835号公報JP2013-91835A

スマートプロセス学会誌 Vol.4 No.4 190頁〜195頁Journal of Smart Process Society Vol. 4 No. 4 pages 190-195

本発明の目的は、低コスト、かつ、高信頼性を実現でき、特に熱伝導性に優れる金属粒子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide metal particles that can realize low cost and high reliability and are particularly excellent in thermal conductivity.

本発明者らは、低コストで、熱伝導率に優れる銅をコア層とし、低コストで、酸化による劣化が起きにくい、高い信頼性が期待できる、ニッケルを被覆層とする、コア−シェル型粒子である、ニッケル被覆銅粒子により、上記課題を解決できることを見出した。   The present inventors have a core-shell type in which copper having a low cost and excellent thermal conductivity is used as a core layer, nickel is used as a coating layer at a low cost and is not easily deteriorated by oxidation, and high reliability can be expected. It discovered that the said subject could be solved by the nickel covering copper particle which is particle | grains.

本発明のニッケル被覆銅粒子は、以下の条件(i)〜(iv)
(i)レーザー回折/散乱法による平均粒子径が0.3〜200μmの範囲内である;
(ii)コア層及び前記コア層の表面の少なくとも一部を被覆する被覆層から形成されている;
(iii)前記被覆層は、ニッケル元素を原子数濃度にして50%以上含む;
(iv)前記コア層は、銅元素を50重量%以上含む;
を具備することを特徴とする。
The nickel-coated copper particles of the present invention have the following conditions (i) to (iv)
(I) the average particle size by laser diffraction / scattering method is in the range of 0.3-200 μm;
(Ii) formed of a core layer and a coating layer covering at least a part of the surface of the core layer;
(Iii) The coating layer contains nickel element in an atomic number concentration of 50% or more;
(Iv) The core layer contains 50% by weight or more of copper element;
It is characterized by comprising.

本発明のニッケル被覆銅粒子は、前記被覆層のニッケル元素の含有量が原子数濃度にして90%以上であってもよい。また、前記被覆層の平均厚さが0.01μm〜1μmの範囲内であってもよい。また、接合材用途であってもよい。   In the nickel-coated copper particles of the present invention, the content of nickel element in the coating layer may be 90% or more in terms of atomic number concentration. Moreover, the average thickness of the said coating layer may exist in the range of 0.01 micrometer-1 micrometer. Further, it may be used for a bonding material.

また、本発明の接合材は、前記ニッケル被覆銅粒子の含有量が10〜90重量%の範囲内であることを特徴とする。   In the bonding material of the present invention, the content of the nickel-coated copper particles is in the range of 10 to 90% by weight.

本発明の接合材は、さらに、沸点100〜350℃の範囲内にある有機溶媒を含有してもよく、前記有機溶媒の含有量が2〜40重量%の範囲内であってもよい。また、さらに、全粒子量に対して、0.05〜5.0重量%の範囲内で有機バインダーを含有してもよい。   The bonding material of the present invention may further contain an organic solvent having a boiling point in the range of 100 to 350 ° C., and the content of the organic solvent may be in the range of 2 to 40% by weight. Furthermore, you may contain an organic binder in the range of 0.05 to 5.0 weight% with respect to the total amount of particles.

また、本発明の接合方法は、前記接合材を、被接合部材の間に介在させて、還元性ガス雰囲気下で、100℃〜500℃の範囲内の温度で加熱することにより、被接合部材の間に接合層を形成、被接合部材同士を接合することを特徴とする。   Moreover, the joining method of this invention interposes the said joining material between to-be-joined members, and heats it by the temperature within the range of 100 to 500 degreeC in reducing gas atmosphere, to-be-joined member A bonding layer is formed between the members to be bonded, and the members to be bonded are bonded to each other.

本発明のニッケル被覆銅粒子、接合材及び接合方法によれば、ニッケル微粒子系の接合材の特長である、低コスト、高信頼性を維持しつつ、さらに、銅微粒子系の特長である、優れた熱伝導性を有する接合層を形成することが可能になる。そのため、例えば、250℃以上の高温領域での駆動時の信頼性が必要となる、SiCを使用したパワー半導体チップと実装基板を接合するための接合材として、好適に使用することができる。また、LEDと電極との接合といった、その他の放熱性が求められる接合体としても使用できる。   According to the nickel-coated copper particles, the bonding material and the bonding method of the present invention, while maintaining the low cost and high reliability, which are the characteristics of the nickel particle-based bonding material, the copper particle-based characteristics are excellent. It is possible to form a bonding layer having high thermal conductivity. Therefore, for example, it can be suitably used as a bonding material for bonding a power semiconductor chip using SiC and a mounting substrate, which requires reliability during driving in a high temperature region of 250 ° C. or higher. Moreover, it can also be used as a joined body that requires other heat dissipation, such as joining of an LED and an electrode.

以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.

(ニッケル被覆銅粒子)
本発明のニッケル被覆銅粒子は、以下の条件(i)〜(iv)
(i)レーザー回折/散乱法による平均粒子径が0.3〜200μmの範囲内である;
(ii)コア層及び前記コア層の表面の少なくとも一部を被覆する被覆層から形成されている;
(iii)前記被覆層は、ニッケル元素を原子数濃度にして50%以上含む;
(iv)前記コア層は、銅元素を50重量%以上含む;
を具備することを特徴とする。
(Nickel coated copper particles)
The nickel-coated copper particles of the present invention have the following conditions (i) to (iv)
(I) the average particle size by laser diffraction / scattering method is in the range of 0.3-200 μm;
(Ii) formed of a core layer and a coating layer covering at least a part of the surface of the core layer;
(Iii) The coating layer contains nickel element in an atomic number concentration of 50% or more;
(Iv) The core layer contains 50% by weight or more of copper element;
It is characterized by comprising.

前記ニッケル被覆銅粒子は、例えば、接合材用途として使用する場合、接合する被接合体間に存在し、被接合体間の熱伝導を良好に行う観点、及び、加熱による接合層形成時の体積収縮を抑制するという観点から、レーザー回折/散乱法による平均粒子径(D50)が0.3〜200μmの範囲内であり、好ましくは、0.5〜100μmの範囲内であり、より好ましくは1〜30μmである。ニッケル被覆銅粒子の平均粒子径が0.3μm未満であると、加熱による接合層形成時において体積収縮が大きく、被接合体どうしが十分に接合しない。また、一方、ニッケル被覆銅粒子の平均粒子径が200μmを超えると、被接合体への塗布性が悪化する、接合層厚みの調整が困難となるなどの不具合が生じる。   When the nickel-coated copper particles are used as, for example, a bonding material, the nickel-coated copper particles are present between the bonded objects to be bonded, the viewpoint of favorably conducting the heat conduction between the bonded objects, and the volume when the bonding layer is formed by heating. From the viewpoint of suppressing shrinkage, the average particle diameter (D50) by laser diffraction / scattering method is in the range of 0.3 to 200 μm, preferably in the range of 0.5 to 100 μm, more preferably 1. ˜30 μm. When the average particle diameter of the nickel-coated copper particles is less than 0.3 μm, the volume shrinkage is large when the bonding layer is formed by heating, and the objects to be bonded are not sufficiently bonded to each other. On the other hand, when the average particle diameter of the nickel-coated copper particles exceeds 200 μm, problems such as poor applicability to the joined body and difficulty in adjusting the bonding layer thickness occur.

前記ニッケル被覆銅粒子は、コア層及び被覆層の形状や組成により、熱伝導率が異なるが、接合層を形成した際に優れた熱伝導率を発現させるため、熱伝導率が100W/m・K以上である形状や組成であることが好ましい。   The nickel-coated copper particles have different thermal conductivity depending on the shape and composition of the core layer and the coating layer. However, in order to develop excellent thermal conductivity when the bonding layer is formed, the thermal conductivity is 100 W / m · It is preferable that the shape or composition is K or more.

コア層は、ニッケル被覆銅粒子として上記の平均粒子径の範囲であれば、形状や組成を問わない。つまり、熱伝導率に優れる、という理由から、コア層は、銅元素を50重量%以上、好ましくは70重量%以上、より好ましくは90重量%以上含んでいればよく、その形状や、銅元素以外の含有成分は問わない。銅元素以外の成分としては、例えば、単体としての熱伝導率が100W/m・K以上である、銀、金、白金、アルミニウム、ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンドが好ましく挙げられる。形状は、球状、多面体形状、繊維状、スパイク形状、フレーク形状など様々なものが利用できる。好ましくは、接合材として充填性や結合強度に優れる、球状又はスパイク状である。より好ましくはスパイク状である。   If a core layer is a range of said average particle diameter as nickel covering copper particle, a shape and a composition will not ask | require. That is, for the reason of excellent thermal conductivity, the core layer only needs to contain 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, more preferably 90% by weight or more of the copper element. Any other components are not required. Preferred examples of the component other than the copper element include silver, gold, platinum, aluminum, silicon, silicon carbide, aluminum nitride, and diamond having a thermal conductivity of 100 W / m · K or more as a simple substance. Various shapes such as a spherical shape, a polyhedron shape, a fiber shape, a spike shape, and a flake shape can be used. Preferably, the bonding material is spherical or spiked, which is excellent in filling property and bonding strength. More preferably, it has a spike shape.

また、コア層の製造方法は限定されず、市販品でもよい。例えば、福田金属箔粉工業社製銅粉(製品名:Cu−HWQ)、古河ケミカルズ社製銅粉(製品名:FMC−10)、太平洋ランダム社製炭化ケイ素粉(製品名:GMF)などの市販品を好ましく利用できる。   Moreover, the manufacturing method of a core layer is not limited, A commercial item may be sufficient. For example, copper powder (product name: Cu-HWQ) manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Co., Ltd., copper powder manufactured by Furukawa Chemicals (product name: FMC-10), silicon carbide powder manufactured by Taiheiyo Random (product name: GMF), etc. Commercial products can be preferably used.

また、被覆層は、ニッケル元素の含有量が、原子数濃度にして50%以上であればよい。この濃度を下回ると、接合材として使用する際、表層部及び接合点におけるニッケル元素の含有量が少ないため、接合強度や信頼性が低下する。好ましいニッケル元素の含有量は、原子数濃度にして60%以上、より好ましくは80%以上である。さらに好ましくは90%以上であり、最も好ましくは95%以上である。   Further, the coating layer may have a nickel element content of 50% or more in terms of atomic number concentration. Below this concentration, when used as a bonding material, the content of nickel element at the surface layer portion and the bonding point is small, so that the bonding strength and reliability are lowered. The content of nickel element is preferably 60% or more, more preferably 80% or more in terms of atomic number concentration. More preferably, it is 90% or more, and most preferably 95% or more.

また、被覆層の外観形状や、ニッケル元素以外の含有成分は問わない。なお、被覆層の外観形状は、ニッケル被覆銅粒子の形状を表す。例えば、球状、多面体形状、繊維状、スパイク形状、フレーク形状が挙げられる。好ましくは、接合材として充填性や結合強度に優れる、球状又はスパイク状である。より好ましくはスパイク状である。また、ニッケル元素以外の含有成分は銅、銀、金、白金、アルミニウムなどから選ばれる1種以上の金属との合金が例示され、さらに、ケイ素、炭素、ダイヤモンド粉などを含有していてもよい。   Moreover, the external appearance shape of a coating layer and containing components other than a nickel element are not ask | required. The appearance shape of the coating layer represents the shape of the nickel-coated copper particles. For example, spherical shape, polyhedron shape, fiber shape, spike shape, flake shape can be mentioned. Preferably, the bonding material is spherical or spiked, which is excellent in filling property and bonding strength. More preferably, it has a spike shape. Examples of the component other than nickel element include alloys with one or more metals selected from copper, silver, gold, platinum, aluminum and the like, and may further contain silicon, carbon, diamond powder, and the like. .

また、被覆層の平均厚さは、0.01μm〜1μmの範囲内であることが好ましい。被覆層の平均厚さが0.01μm未満では、他の粒子中の金属原子が被覆層に拡散できず、接合強度や信頼性が低下する傾向にある。一方、被覆層の平均厚さが1μmを超えると、熱伝導率が低下する傾向にある。被覆層の平均厚さは、走査型電子顕微鏡による断面観察から測定することができる。また、被覆層は、前記コア層の表面の少なくとも一部を被覆していればよいが、被覆率が多い方が好ましく、コア層のほぼ全面を被覆していることがより好ましい。なお、上記「他の粒子」とは、例えば接合材中に、ニッケル被覆銅粒子と組み合わせて配合される微粒子である。   Moreover, it is preferable that the average thickness of a coating layer exists in the range of 0.01 micrometer-1 micrometer. If the average thickness of the coating layer is less than 0.01 μm, metal atoms in other particles cannot diffuse into the coating layer, and the bonding strength and reliability tend to be reduced. On the other hand, when the average thickness of the coating layer exceeds 1 μm, the thermal conductivity tends to decrease. The average thickness of the coating layer can be measured from cross-sectional observation with a scanning electron microscope. Further, the coating layer only needs to cover at least a part of the surface of the core layer, but it is preferable that the coating rate is high, and it is more preferable to cover almost the entire surface of the core layer. The “other particles” are, for example, fine particles blended in combination with nickel-coated copper particles in a bonding material.

また、ニッケル被覆銅粒子の作製には、公知の様々な手法を用いることができる。例えば、コア層(粒子)の表面に、粉体めっき、スパッタリングなどで、被覆層を形成する方法が挙げられる。好ましくは、低コストであり、コア層の厚さの制御が容易な、紛体めっきである。   In addition, various known methods can be used for producing nickel-coated copper particles. For example, a method of forming a coating layer on the surface of the core layer (particles) by powder plating, sputtering, or the like can be mentioned. Preferably, it is powder plating that is low cost and easy to control the thickness of the core layer.

(接合材)
本発明の接合体は、前記ニッケル被覆銅粒子の含有量が10〜90重量%の範囲内である。この範囲であれば、ニッケル被覆銅粒子の特長である、コストが低く、熱伝導率が高く、酸化による劣化が起きにくい接合材が得られる。
(Joining material)
In the joined body of the present invention, the content of the nickel-coated copper particles is in the range of 10 to 90% by weight. If it is this range, the joining material which is the feature of nickel covering copper particle, low cost, high thermal conductivity, and hardly to be deteriorated by oxidation can be obtained.

本実施の形態の接合材は、さらに、任意成分として、沸点100〜350℃の範囲内にある有機溶媒を含有することができる。接合材に含有される溶媒の沸点は、実使用上の観点から、150〜260℃の範囲内が好ましい。使用する有機溶媒の沸点が100℃未満であると、長期安定性に欠ける傾向があり、350℃を超えると、加熱時に揮発せずに、接合層中に残炭が生じ、粒子どうしの焼結や金属間化合物の形成を阻害する傾向がある。接合材は、高沸点の有機溶媒を添加後、濃縮し、ペーストの形態とすることが好ましい。   The bonding material of the present embodiment can further contain an organic solvent having a boiling point in the range of 100 to 350 ° C. as an optional component. The boiling point of the solvent contained in the bonding material is preferably in the range of 150 to 260 ° C. from the viewpoint of practical use. If the boiling point of the organic solvent used is less than 100 ° C, long-term stability tends to be lacking, and if it exceeds 350 ° C, it does not volatilize during heating, resulting in residual carbon in the bonding layer, and sintering of the particles. And tends to inhibit the formation of intermetallic compounds. The joining material is preferably concentrated after adding a high-boiling organic solvent to form a paste.

沸点が100〜350℃の範囲内にある溶媒として、例えば、アルコール系、芳香族系、炭化水素系、エステル系、ケトン系、エーテル系の溶媒が使用できる。アルコール系溶媒の例としては、1−ヘプタノール、1−オクタノール、2−オクタノール、2−エチル−1−ヘキサノール、1−ノナノール、3,5,5−トリメチル−1−ヘキサノール、1−デカノール、1−ウンデカノール、イソボルニルシクロヘキサノールなどの炭素数7以上の脂肪族アルコール類、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,8−オクタンジオール、テトラメチレングリコール、メチルトリグリコール等の多価アルコール類、α−テルピネオール、β−テルピネオール、γ−テルピネオール等のテルピネオール類、さらにエチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、メチルメトキシブタノール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、2−フェノキシエタノール、1−フェノキシ−2−プロパノール等のエーテル基を有するアルコール類を挙げることができる。また、炭化水素系の溶媒として、例えば、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、ペンタデカンなどを挙げることができる。   As the solvent having a boiling point in the range of 100 to 350 ° C., for example, alcohol-based, aromatic-based, hydrocarbon-based, ester-based, ketone-based, and ether-based solvents can be used. Examples of alcohol solvents include 1-heptanol, 1-octanol, 2-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, 1-nonanol, 3,5,5-trimethyl-1-hexanol, 1-decanol, 1-decanol, C7 or more aliphatic alcohols such as undecanol, isobornylcyclohexanol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, trimethylene glycol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butane Polyols such as diol, 1,6-hexanediol, 1,8-octanediol, tetramethylene glycol and methyltriglycol, terpineols such as α-terpineol, β-terpineol and γ-terpineol, and ethylene glycol mono The Pil ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monohexyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, methyl methoxybutanol, diethylene glycol, dipropylene glycol, 2-phenoxyethanol, 1-phenoxy-2-propanol Alcohols having an ether group such as Examples of the hydrocarbon solvent include octane, nonane, decane, undecane, dodecane, tridecane, tetradecane, and pentadecane.

本実施の形態の接合材における有機溶媒の含有量は、2〜40重量%の範囲内であることが好ましく、4〜30重量%の範囲内であることがより好ましく、5〜15重量%の範囲内がさらに好ましい。接合材における有機溶媒の含有量が2重量%未満であると、流動性が低下して接合材としての使用性が低下する傾向にある。一方、有機溶媒の含有量が40重量%を超えると、例えば塗布などを複数回繰り返す必要が生じてムラの原因となり、また十分な接合強度が得られない傾向にある。   The content of the organic solvent in the bonding material of the present embodiment is preferably in the range of 2 to 40% by weight, more preferably in the range of 4 to 30% by weight, and 5 to 15% by weight. Within the range is more preferable. When the content of the organic solvent in the bonding material is less than 2% by weight, the fluidity tends to decrease and the usability as a bonding material tends to decrease. On the other hand, when the content of the organic solvent exceeds 40% by weight, for example, it becomes necessary to repeat coating several times, which causes unevenness, and sufficient bonding strength tends not to be obtained.

また、本発明における接合材では、任意成分として、有機バインダーを含有することができる。有機バインダーは、ニッケル被覆銅粒子どうし又はニッケル被覆銅粒子と他の粒子とを連結させ、広範囲のネットワーク構造を作ることにより、高い接合強度を有する塊状の接合層の形成に寄与する。   Moreover, in the joining material in this invention, an organic binder can be contained as an arbitrary component. The organic binder contributes to the formation of a massive bonding layer having high bonding strength by connecting nickel-coated copper particles or nickel-coated copper particles and other particles to form a wide-range network structure.

上記有機バインダーとしては、有機溶媒に溶解可能なバインダーであれば特に制限なく使用できるが、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ナイロン樹脂、アセタール樹脂、ポリビニルアセタール樹脂等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。これらの中でも、ポリビニルアセタール樹脂が好ましく、特に、分子内に、アセタール基のユニットと、アセチル基のユニットと、水酸基のユニットとを有するポリビニルアセタール樹脂がより好ましい。   As the organic binder, any binder that can be dissolved in an organic solvent can be used without particular limitation. For example, a thermosetting resin such as a phenol resin, an epoxy resin, an unsaturated polyester resin, a urea resin, a melamine resin, or polyethylene. Examples thereof include thermoplastic resins such as resin, acrylic resin, methacrylic resin, nylon resin, acetal resin, and polyvinyl acetal resin. Among these, a polyvinyl acetal resin is preferable, and a polyvinyl acetal resin having an acetal group unit, an acetyl group unit, and a hydroxyl unit in the molecule is more preferable.

また、上記有機バインダーは、ニッケル被覆銅粒子や他の粒子の沈降を抑制し、十分な分散状態に維持するため、分子量が30000以上のものが好ましく、100000以上のものがより好ましい。   The organic binder preferably has a molecular weight of 30000 or more, more preferably 100000 or more in order to suppress the sedimentation of nickel-coated copper particles and other particles and maintain a sufficiently dispersed state.

また、上記有機バインダーは、例えば、積水化学工業社製ポリビニルアセタール樹脂(エスレックBH−A;商品名)などの市販品を好ましく用いることができる。   Moreover, as said organic binder, commercial items, such as Sekisui Chemical Co., Ltd. product polyvinyl acetal resin (ESREC BH-A; brand name), can be used preferably, for example.

また、接合材における上記有機バインダーの配合量は、接合材中の全粒子量に対して、0.05〜5.0重量%の範囲内であることが好ましく、より0.1〜2.5重量%の範囲内であり、更に好ましくは0.3〜1.5重量%の範囲内であり、更に好ましくは0.5〜1.2重量%である。ここで、「全粒子量」は、ニッケル被覆銅粒子どうし又はニッケル被覆銅粒子と他の粒子との間の焼結が不十分になる傾向にあり、上記範囲を下回ると、配合の効果が得られない傾向にある。   Moreover, it is preferable that the compounding quantity of the said organic binder in a joining material exists in the range of 0.05 to 5.0 weight% with respect to the total amount of particles in a joining material, More preferably, it is 0.1-2.5. It is in the range of wt%, more preferably in the range of 0.3 to 1.5 wt%, and still more preferably in the range of 0.5 to 1.2 wt%. Here, the “total particle amount” tends to result in insufficient sintering between the nickel-coated copper particles or between the nickel-coated copper particles and the other particles. It tends to be impossible.

本実施の形態の接合材は、さらに、任意成分として、他の粒子を含むことができる。他の粒子の材質及び形状は制限がないが、焼結材としての熱伝導性に優れる、スズ、チタン、コバルト、銅、クロム、マンガン、鉄、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、バナジウム等の卑金属、金、銀、白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、ロジウム、レニウム等の貴金属などの金属元素を挙げることができる。これらは、単独で又は2種以上含有していてもよい。より好ましくは、導電性及び焼結性に優れる、コバルト、銀、銅、ハンダ、ニッケルであり、さらに好ましくは、ニッケルである。
他の粒子としてニッケル粒子を使用する場合、他の粒子において、ニッケル以外の金属を50重量%未満の範囲で含有していてもよい。10重量%以下であることが好ましく、2重量%以下であることがより好ましい。金属成分がニッケルのみであることが、さらに好ましい。以後、前記他の粒子を「成分A」ともいい、ニッケル被覆銅粒子を「成分B」ともいう。
The bonding material of the present embodiment can further contain other particles as an optional component. The material and shape of other particles are not limited, but excellent thermal conductivity as a sintered material, such as tin, titanium, cobalt, copper, chromium, manganese, iron, zirconium, tungsten, molybdenum, vanadium, and other base metals, gold And metal elements such as noble metals such as silver, platinum, palladium, iridium, osmium, ruthenium, rhodium and rhenium. These may be contained alone or in combination of two or more. More preferred are cobalt, silver, copper, solder, and nickel, which are excellent in conductivity and sinterability, and more preferred is nickel.
When nickel particles are used as the other particles, the other particles may contain a metal other than nickel in a range of less than 50% by weight. It is preferably 10% by weight or less, and more preferably 2% by weight or less. More preferably, the metal component is only nickel. Hereinafter, the other particles are also referred to as “component A”, and the nickel-coated copper particles are also referred to as “component B”.

また、成分Aの粒径は、充填性、接合性の観点から、走査型電子顕微鏡(SEM)観察による平均一次粒子径が20〜300nmの範囲内である。例えば、接合層を形成するために、成分Bを300℃の温度で加熱して焼結させる場合は、成分Aの平均一次粒子径は30〜200nmの範囲内であることが好ましく、30〜100nmの範囲内であることがより好ましい。
例えば、前記成分Aがニッケル粒子である場合、接合材を350℃の温度で加熱して焼結させる場合は、成分Aの平均一次粒子径は30〜160nmの範囲内であることがさらに好ましい。成分Aの平均一次粒子径が20nm未満であると、成分Aどうしが凝集しやすくなり、成分Bとの均一な混合が困難となる。一方、成分Aの平均一次粒子径が300nmを超えると、成分Aどうしの、又は、成分Aと成分Bとの焼結性が不十分であり、接合強度の低下を招く。
なお、本明細書において、成分Aの平均一次粒子径は、実施例で用いた値を含めて、電界放出形走査電子顕微鏡(Field Emission−Scanning Electron Microscope:FE−SEM)により試料の写真を撮影して、その中から無作為に200個を抽出してそれぞれの面積を求め、真球に換算したときの粒子径を個数基準として算出した値である。
Moreover, the particle diameter of the component A has the average primary particle diameter by scanning electron microscope (SEM) observation within the range of 20-300 nm from a viewpoint of a filling property and bondability. For example, when the component B is heated and sintered at a temperature of 300 ° C. to form a bonding layer, the average primary particle size of the component A is preferably in the range of 30 to 200 nm, preferably 30 to 100 nm. It is more preferable to be within the range.
For example, when the component A is nickel particles, when the bonding material is heated and sintered at a temperature of 350 ° C., the average primary particle size of the component A is more preferably in the range of 30 to 160 nm. When the average primary particle size of component A is less than 20 nm, components A tend to aggregate and uniform mixing with component B becomes difficult. On the other hand, when the average primary particle diameter of component A exceeds 300 nm, the sinterability between components A or between component A and component B is insufficient, resulting in a decrease in bonding strength.
In this specification, the average primary particle diameter of component A, including the values used in the examples, was taken with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). Then, 200 are randomly extracted from these, the respective areas are obtained, and the values are calculated on the basis of the number of particles when converted to a true sphere.

また、成分Aは、酸素元素、炭素元素などの非金属元素を含有していてもよい。成分A中に炭素元素を含有する場合、その含有率は、好ましくは0.3〜2.5重量%の範囲内であり、より好ましくは0.5〜2.0重量%の範囲内である。炭素元素は、成分Aの表面に存在する有機化合物に由来するものであり、成分Aの分散性向上に寄与する。従って、この範囲であれば、優れた分散性及び導電性を有するので好ましい。成分Aの炭素元素の含有量が0.3重量%未満では、分散性が低下する傾向にあり、2.5重量%を超える場合は、焼成後に炭化して残炭となり、接合層の導電性を低下させる傾向にある。また、成分Aに酸素元素を含有する場合、焼結性が低下する恐れがあるため、その含有率は、例えば7.5重量%以下、好ましくは2.0重量%以下、より好ましくは1.0重量%以下である。この範囲内であれば、より焼結しやすくなるので好ましい。   In addition, the component A may contain a nonmetallic element such as an oxygen element or a carbon element. When carbon element is contained in component A, the content is preferably in the range of 0.3 to 2.5% by weight, more preferably in the range of 0.5 to 2.0% by weight. . The carbon element is derived from an organic compound present on the surface of the component A, and contributes to improving the dispersibility of the component A. Therefore, if it is this range, since it has the outstanding dispersibility and electroconductivity, it is preferable. If the carbon content of component A is less than 0.3% by weight, the dispersibility tends to decrease. If it exceeds 2.5% by weight, carbonization occurs after firing to become residual carbon, and the conductivity of the bonding layer Tends to decrease. Further, when component A contains an oxygen element, the sinterability may be lowered, so the content thereof is, for example, 7.5% by weight or less, preferably 2.0% by weight or less, more preferably 1. 0% by weight or less. If it is in this range, since it becomes easier to sinter, it is preferable.

上記接合材は、上記成分以外に、任意成分として、例えば増粘剤、チキソ剤、レベリング剤、界面活性剤などを含むことができる。   In addition to the above components, the bonding material can include, for example, a thickener, a thixotropic agent, a leveling agent, a surfactant, and the like as optional components.

また、上記接合材において、成分Aを含む場合、成分Bと成分Aを均質に混合することによって調製できる。混合方法は、特に限定されるものではなく、公知のミキサーなどの混合手段を用いることができる。   Moreover, when the said joining material contains the component A, it can prepare by mixing the component B and the component A homogeneously. The mixing method is not particularly limited, and a mixing means such as a known mixer can be used.

また、上記接合材において、成分Aを含む場合、成分Bと成分Aの重量比(成分A:成分B)が10:90〜90:10の範囲内であることが好ましい。上記範囲よりも成分Bの割合が大きくなると、接合層の形成時に、体積収縮が大きくなり、信頼性が低下する傾向にある。また、成分Bの割合が大きくなると、成分Aと成分Bの間の接点数が少ないため、信頼性が低下する傾向にある。より好ましくは、20:80〜80:20の範囲内である。
なお、配合比は、例えばICP発光分光分析法(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法、ICP−OES/ICP−AES)及び/又はSEM−EDXによる粒子の断面観察により測定することができる。
Moreover, in the said joining material, when the component A is included, it is preferable that the weight ratio (component A: component B) of the component B and the component A exists in the range of 10: 90-90: 10. When the ratio of the component B is larger than the above range, the volume shrinkage is increased during the formation of the bonding layer, and the reliability tends to be lowered. Further, when the ratio of the component B is increased, the number of contacts between the component A and the component B is small, and thus the reliability tends to be lowered. More preferably, it exists in the range of 20: 80-80: 20.
In addition, a compounding ratio can be measured by the cross-sectional observation of the particle | grains, for example by ICP emission spectroscopy analysis (high frequency inductively coupled plasma emission spectroscopy, ICP-OES / ICP-AES) and / or SEM-EDX.

(接合材の調製)
接合材は、成分Bと任意成分を、均質に混合することによって調製できる。混合方法は、特に限定されるものではなく、公知のミキサーなどの混合手段を用いることができる。なお、接合材の調製においては、成分Bと成分Aを混合してから他の任意成分と混合することが好ましいが、配合の順序は任意であり、例えば、成分A又は成分Bのいずれか片方を他の任意成分と混合した後で、他の片方を添加してもよい。
(Preparation of bonding material)
The bonding material can be prepared by mixing component B and an optional component homogeneously. The mixing method is not particularly limited, and a mixing means such as a known mixer can be used. In the preparation of the bonding material, it is preferable to mix component B and component A and then mix with other optional components, but the order of blending is arbitrary, for example, either component A or component B After mixing with other optional components, the other may be added.

(接合方法)
また、上記接合材を、被接合部材の間に介在させて、還元性ガス雰囲気下で、例えば100℃〜500℃の範囲内、好ましくは200〜400℃の範囲内、より好ましくは230〜350℃の範囲内の温度で加熱することにより、被接合部材の間に接合層を形成し、被接合部材どうしを接合することができる。ここで、「還元性ガス雰囲気下」とは、水素ガスを含む雰囲気下、ギ酸を含む雰囲気下が挙げられる。好ましくは、還元効率の良い、水素ガスを含む雰囲気下である。
この接合方法(以下「本接合方法」という。)において、成分Bどうし、又は成分Bと成分Aとの間の焼結を進行させるためには、成分B及び成分Aの被覆層表面を露出させることが必要であると考えられる。これらの表面に存在する有機物を揮発又は分解させ、かつ、不動態層を除去する加熱温度は、200℃以上が好ましく、250℃以上がより好ましい。一方、加熱温度が400℃を超えると、被接合部材としての半導体デバイス周辺にダメージを与える場合がある。
(Joining method)
Further, the bonding material is interposed between the members to be bonded, and in a reducing gas atmosphere, for example, in the range of 100 ° C. to 500 ° C., preferably in the range of 200 to 400 ° C., more preferably 230 to 350. By heating at a temperature in the range of ° C., a bonding layer can be formed between the members to be bonded, and the members to be bonded can be bonded to each other. Here, “under a reducing gas atmosphere” includes an atmosphere containing hydrogen gas and an atmosphere containing formic acid. Preferably, it is under an atmosphere containing hydrogen gas with good reduction efficiency.
In this joining method (hereinafter referred to as “the present joining method”), in order to advance the sintering between the components B or between the components B and A, the coating layer surfaces of the components B and A are exposed. It is considered necessary. The heating temperature for volatilizing or decomposing organic substances present on these surfaces and removing the passive layer is preferably 200 ° C. or higher, more preferably 250 ° C. or higher. On the other hand, if the heating temperature exceeds 400 ° C., the periphery of the semiconductor device as the bonded member may be damaged.

本接合方法は、例えば、ペースト状の接合材を一対の被接合部材の片方又は両方の被接合面に塗布する工程(塗布工程)、被接合面どうしを貼り合せ、好ましくは温度200〜400℃の範囲内、より好ましくは250〜400℃の範囲内、更に好ましくは250〜350℃の範囲内で加熱することにより、接合材を焼結させる工程(焼成工程)を含むことができる。   This bonding method is, for example, a step of applying a paste-like bonding material to one or both bonded surfaces of a pair of bonded members (application step), bonding the bonded surfaces together, preferably at a temperature of 200 to 400 ° C. In the range of 250 to 400 ° C., more preferably in the range of 250 to 350 ° C., thereby heating the bonding material (sintering step).

塗布工程では、例えばスプレー塗布、インクジェット塗布、印刷等の方法を採用できる。接合材は、目的に応じて、例えばパターン状、アイランド状、メッシュ状、格子状、ストライプ状など任意の形状に塗布することができる。塗布工程では、塗布膜の厚みが50〜200μmの範囲内となるように、接合材を塗布することが好ましい。このような厚みで塗布をすることで、接合部分の欠陥を少なくできるため、電気抵抗の上昇や接合強度の低下を防止できる。   In the coating process, for example, methods such as spray coating, ink jet coating, and printing can be employed. The bonding material can be applied in an arbitrary shape such as a pattern shape, an island shape, a mesh shape, a lattice shape, or a stripe shape according to the purpose. In the coating step, it is preferable to apply the bonding material so that the thickness of the coating film is in the range of 50 to 200 μm. By applying with such a thickness, defects in the joint portion can be reduced, so that an increase in electrical resistance and a decrease in joint strength can be prevented.

また、焼成工程では、被接合部材どうしを、加圧下又は無加圧下で行う。加圧下で行う場合、好ましくは10MPa以下、より好ましくは1MPa以下で加圧する。10MPa以下の低圧下又は無加圧下で加圧することで、焼成工程を簡略化でき、さらには、加圧による被接合部材へのダメージを減らすことができる。   Moreover, in a baking process, to-be-joined members are performed under pressurization or no pressurization. When performed under pressure, the pressure is preferably 10 MPa or less, more preferably 1 MPa or less. By pressurizing under a low pressure of 10 MPa or less or under no pressure, the firing step can be simplified, and further, damage to the bonded member due to pressurization can be reduced.

本接合方法は、例えば、Si系、SiC系の半導体材料の接合や、電子部品の製造工程で利用できる。ここで、電子部品としては、主に半導体装置、エネルギー変換モジュール部品などを例示できる。電子部品が半導体装置である場合、例えば、半導体素子の裏面と基板との間、半導体電極と基板電極との間、半導体電極と半導体電極との間、パワーデバイス若しくはパワーモジュールと放熱部材との間などの接合に適用できる。   This bonding method can be used, for example, in the bonding of Si-based and SiC-based semiconductor materials and the manufacturing process of electronic components. Here, examples of the electronic component mainly include a semiconductor device and an energy conversion module component. When the electronic component is a semiconductor device, for example, between the back surface of the semiconductor element and the substrate, between the semiconductor electrode and the substrate electrode, between the semiconductor electrode and the semiconductor electrode, between the power device or the power module and the heat dissipation member. It can be applied to joining.

電子部品を接合させる際は、接合強度を高めるため、予め被接合面の片方又は両方に、Au,Cu,Pd,Ni,Ag,Cr,Ti、又は、それらの合金などの材質の接触層を設けておくことが好ましい。また、被接合面の材質が、SiCもしくはSiあるいはそれらの表面の酸化膜である場合は、Ti,TiW,TiN,Cr,Ni、Pd,V、又は、それらの合金などの材質の接触層を設けておくことが好ましい。   When bonding electronic components, in order to increase the bonding strength, a contact layer made of a material such as Au, Cu, Pd, Ni, Ag, Cr, Ti, or an alloy thereof is previously provided on one or both of the surfaces to be bonded. It is preferable to provide it. When the material of the surface to be joined is SiC or Si or an oxide film on the surface thereof, a contact layer made of a material such as Ti, TiW, TiN, Cr, Ni, Pd, V, or an alloy thereof is used. It is preferable to provide it.

以上のとおり、本発明のニッケル被覆銅粒子は、空気中に晒される部位の大部分がニッケル元素により構成されている。ニッケルは空気中で金属表面に酸化ニッケルの酸化不動態膜を形成することで、一定以上の酸化進行を抑えることができるため、材料が高温に晒された場合においても、材料の経時変化を防止し、高い信頼性を有する。また、接合層中に分散されたニッケル被覆銅粒子が熱パスとなることで、接合層全体の熱伝導率が向上する。こうして、高信頼性と高熱伝導率を両立することが可能となる。
従って、本発明の接合材は、例えば、高温領域で使用する各用途について、特に好適に使用することができる。例えば、例えば、250℃以上の高温領域での駆動時の信頼性が必要となる、SiCを使用したパワー半導体チップと実装基板を接合するための接合材として、好適に使用することができる。その他、Siを使用した半導体チップと実装基板との接合や、LEDと電極との接合等にも使用することができる。
As described above, in the nickel-coated copper particles of the present invention, most of the parts exposed to the air are composed of nickel element. Nickel forms an oxidation passivation film of nickel oxide on the metal surface in the air, so that the progress of oxidation over a certain level can be suppressed, preventing the material from changing over time even when exposed to high temperatures. And has high reliability. Further, the nickel-coated copper particles dispersed in the bonding layer become a heat path, whereby the thermal conductivity of the entire bonding layer is improved. Thus, both high reliability and high thermal conductivity can be achieved.
Therefore, the bonding material of the present invention can be used particularly suitably for each application used in a high temperature region, for example. For example, for example, it can be suitably used as a bonding material for bonding a power semiconductor chip using SiC and a mounting substrate, which requires reliability during driving in a high temperature region of 250 ° C. or higher. In addition, it can be used for bonding between a semiconductor chip using Si and a mounting substrate, bonding between an LED and an electrode, or the like.

以下に実施例を示し、本発明の特徴をより具体的に説明する。ただし、本発明は、実施例によって制約されるものではない。なお、以下の実施例において、特にことわりのない限り各種測定、評価は下記によるものである。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the examples. In the following examples, various measurements and evaluations are as follows unless otherwise specified.

[成分Aの平均粒子径の測定]
成分A(他の粒子)の平均粒子径の測定は、電界放出形走査電子顕微鏡(Field Emission−Scanning Electron Microscope:FE−SEM)により試料の写真を撮影して、その中から無作為に200個を抽出してそれぞれの面積を求め、真球に換算したときの粒子径を個数基準として一次粒子の平均粒子径を算出した。
[Measurement of average particle diameter of component A]
The average particle size of component A (other particles) was measured by taking a picture of a sample with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and randomly 200 samples. The respective areas were determined and the average particle diameter of primary particles was calculated based on the number of particles when converted to a true sphere.

[成分Bの平均粒子径の測定]
成分B(ニッケル被覆銅粒子)の平均粒子径の測定は、レーザー回折/散乱法によって行った。装置は株式会社セイシン企業製LMS−30を用い、水を分散媒としてフローセル中で測定した。
[Measurement of Average Particle Size of Component B]
The average particle size of component B (nickel-coated copper particles) was measured by a laser diffraction / scattering method. The apparatus used was LMS-30 manufactured by Seishin Co., Ltd., and measurement was performed in a flow cell using water as a dispersion medium.

[熱伝導率測定用サンプルの作製]
ステンレス製マスク(マスク幅;5.0mm×長さ;25.0mm×厚さ;0.2mm)を用いて、試料をガラス板(15mm×30mm×1mmt)上に塗布して塗布膜を形成し、水素を3体積%混合した窒素ガスフロー下で焼成を行った。得られた焼成体は容易にガラスから剥離することができ、これを熱伝導率測定用サンプルとした。
[Preparation of thermal conductivity measurement sample]
Using a stainless steel mask (mask width; 5.0 mm × length; 25.0 mm × thickness; 0.2 mm), the sample is applied onto a glass plate (15 mm × 30 mm × 1 mmt) to form a coating film. Calcination was performed under a nitrogen gas flow mixed with 3% by volume of hydrogen. The obtained fired body could be easily peeled from the glass, and this was used as a sample for measuring thermal conductivity.

[熱伝導率の評価]
熱伝導率の測定は、熱伝導率測定用サンプルを用いて光交流法により測定し、比較例1における熱伝導率を1とした場合の、熱伝導率の比で表した。
[Evaluation of thermal conductivity]
The thermal conductivity was measured by the optical alternating current method using a sample for thermal conductivity measurement, and expressed as a thermal conductivity ratio when the thermal conductivity in Comparative Example 1 was 1.

[成分Bの被覆層の平均厚さの算出]
成分Bの被覆層の平均厚さは、熱伝導率測定用サンプルの走査型電子顕微鏡による断面観察像(倍率50,000倍)を撮影して、成分Bの被覆層厚さを8粒子について測長し、その平均値として求めた。
[Calculation of average thickness of coating layer of component B]
The average thickness of the coating layer of component B was measured by taking a cross-sectional observation image (magnification of 50,000 times) of the sample for thermal conductivity measurement with a scanning electron microscope, and measuring the coating layer thickness of component B for 8 particles. Lengthened and obtained as the average value.

[ニッケル微粒子スラリーの作製]
以下の手順に従いニッケル微粒子スラリーを作製した。なお、使用した試薬の分量や加熱処理時間などは表1及び表2に示した。
[Preparation of nickel fine particle slurry]
A nickel fine particle slurry was prepared according to the following procedure. The amounts of reagents used and the heat treatment time are shown in Tables 1 and 2.

[合成例1]
182重量部(910g)のオレイルアミンに、18.5重量部(92.5g)のギ酸ニッケル二水和物を加え、窒素気流下で、120℃で10分間加熱することでニッケル塩を溶解し、錯化反応液1を得た(以上、錯化反応工程)。この錯化反応液1に、121重量部(605g)のオレイルアミンを加え、マイクロ波を用いて180℃で10分間加熱することで、ニッケル微粒子スラリー1を得た(以上、加熱処理工程)。このニッケル微粒子スラリー1の上澄み液を取り除き、トルエンとメタノールで洗浄した後、真空乾燥機で乾燥し、ニッケル微粒子1を得た。
[Synthesis Example 1]
To 182 parts by weight (910 g) of oleylamine, 18.5 parts by weight (92.5 g) of nickel formate dihydrate was added, and the nickel salt was dissolved by heating at 120 ° C. for 10 minutes under a nitrogen stream. A complexing reaction solution 1 was obtained (the complexing reaction step). 121 parts by weight (605 g) of oleylamine was added to this complexing reaction solution 1 and heated at 180 ° C. for 10 minutes using a microwave to obtain a nickel fine particle slurry 1 (the heat treatment step). The supernatant of this nickel fine particle slurry 1 was removed, washed with toluene and methanol, and then dried with a vacuum dryer to obtain nickel fine particles 1.

[ニッケルスラリーの調製]
得られたニッケル微粒子スラリー1を100重量部分取し、これに20重量部のオクタン酸を加え、15分間撹拌した後、トルエンで洗浄し、ニッケルスラリー1(固形分濃度65.0重量%)を調製した(以上、ニッケルスラリー調製工程)。
使用した原料、得られたニッケル微粒子1の粒径及び組成、並びにニッケルスラリー1の固形分濃度を、表1及び表2に示す。
[Preparation of nickel slurry]
Take 100 parts by weight of the obtained nickel fine particle slurry 1, add 20 parts by weight of octanoic acid thereto, stir for 15 minutes, and then wash with toluene to obtain nickel slurry 1 (solid content concentration 65.0% by weight). Prepared (Nickel slurry preparation step).
Tables 1 and 2 show the raw materials used, the particle diameter and composition of the obtained nickel fine particles 1, and the solid content concentration of the nickel slurry 1.

[合成例2〜4]
各原料の重量部、反応温度、反応時間を表1及び表2の通りとした他は、合成例1と同様の方法で、錯化反応液2〜4、ニッケル微粒子スラリー2〜4、ニッケル微粒子2〜4、ニッケルスラリー2〜4を得た。得られたニッケル微粒子2〜4の平均粒子径及び組成、並びにニッケルスラリー2〜4の固形分濃度を、表1及び表2に示す。なお、ニッケル微粒子1〜4は、上記「成分A」に相当する他の粒子である。
[Synthesis Examples 2 to 4]
The complexing reaction liquids 2 to 4, the nickel fine particle slurries 2 to 4, the nickel fine particles are the same as in Synthesis Example 1 except that the weight parts of each raw material, the reaction temperature, and the reaction time are as shown in Tables 1 and 2. 2 to 4 and nickel slurries 2 to 4 were obtained. Tables 1 and 2 show the average particle diameter and composition of the obtained nickel fine particles 2 to 4 and the solid content concentration of the nickel slurries 2 to 4. The nickel fine particles 1 to 4 are other particles corresponding to the “component A”.

Figure 2018172771
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Figure 2018172771
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[ニッケルペーストの調製]
以下の手順に従いニッケルペーストを作製した。なお、使用した試薬名や分量などは表3及び表4に示した。
[Preparation of nickel paste]
A nickel paste was prepared according to the following procedure. The names and amounts of reagents used are shown in Tables 3 and 4.

[実施例1]
コア層となる銅粒子(古河ケミカルズ社製FMC−10)に、ニッケルめっきを施し、銅粒子のコア層と、ニッケルの被覆層を有するニッケル被覆銅粒子を調製した。
次に、ニッケルスラリー1を100重量部、ニッケル被覆銅粒子を160重量部、溶剤としてヘキシルカルビトールを16.0重量部、バインダー樹脂としてポリビニルアセタール樹脂(エスレックBH−A;積水化学工業社製)を1.23重量部のそれぞれを計量して混合し、60℃、100hPaで濃縮し、245重量部のニッケルペースト1(固形分濃度:93重量%)を得た。このニッケルペースト1について、熱伝導率測定サンプルを作製し、熱伝導率を測定した。
使用した原料、平均粒子径及び組成、ニッケル被覆銅粒子の性状、焼成温度、並びに熱伝導率の測定結果を、表3及び表4に示す。
[Example 1]
The copper particles (FMC-10 manufactured by Furukawa Chemicals Co., Ltd.) to be the core layer were subjected to nickel plating to prepare nickel-coated copper particles having a core layer of copper particles and a nickel coating layer.
Next, 100 parts by weight of nickel slurry 1, 160 parts by weight of nickel-coated copper particles, 16.0 parts by weight of hexyl carbitol as a solvent, and polyvinyl acetal resin as a binder resin (ESREC BH-A; manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) Each of 1.23 parts by weight was weighed and mixed, and concentrated at 60 ° C. and 100 hPa to obtain 245 parts by weight of nickel paste 1 (solid content concentration: 93% by weight). About this nickel paste 1, the heat conductivity measurement sample was produced and the heat conductivity was measured.
Tables 3 and 4 show the raw materials used, the average particle size and composition, the properties of the nickel-coated copper particles, the firing temperature, and the measurement results of the thermal conductivity.

[実施例2〜10、比較例1]
使用した原料の重量部、ニッケル被覆銅粒子の種類を表3及び表4の通りとした他は、実施例1と同様の方法でニッケルペースト2〜11を得た。さらに、焼成温度を表3及び表4の通りとした他は、実施例1と同様の方法で、ニッケルペースト2〜11について、熱伝導率測定サンプルを作製し、熱伝導率を測定した。なお、比較例1のニッケルペースト11では、ニッケル被覆銅粒子に代えて、被覆層を有しない銅粒子を用いた。
使用した原料、平均粒子径及び組成、ニッケル被覆銅粒子の性状、焼成温度、並びに熱伝導率の測定結果を、表3及び表4に示す。
[Examples 2 to 10, Comparative Example 1]
Nickel pastes 2 to 11 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the weight parts of the raw materials used and the types of nickel-coated copper particles were as shown in Tables 3 and 4. Furthermore, the heat conductivity measurement sample was produced about the nickel pastes 2-11 by the method similar to Example 1 except having made baking temperature as Table 3 and Table 4, and the heat conductivity was measured. In addition, in the nickel paste 11 of the comparative example 1, it replaced with the nickel covering copper particle and used the copper particle which does not have a coating layer.
Tables 3 and 4 show the raw materials used, the average particle size and composition, the properties of the nickel-coated copper particles, the firing temperature, and the measurement results of the thermal conductivity.

Figure 2018172771
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Figure 2018172771
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[せん断強度(シェア強度)の評価]
以下の手順に従いせん断強度(シェア強度)の評価を行った。
ステンレス製マスク(マスク幅;2.0mm×長さ;2.0mm×厚さ;0.1mm)を用いて、実施例3で得たペースト3及び比較例1で得たペースト11をそれぞれニッケルめっき銅基板(幅;10mm×長さ;10mm×厚さ;1.0mm)上の別々の部位に塗布して塗布膜を形成した。各塗布膜の上に、シリコンダイ(幅;2.0mm×長さ;2.0mm×厚さ;0.40mm)を搭載し、水素を3体積%混合した窒素ガスフロー下で5MPaで加圧しながら焼成を行った。得られた接合体(接合層の厚さ;10〜30μm)のせん断強度を接合強度試験機(デイジ・ジャパン社製、商品名;ボンドテスター4000)により測定した。ダイ側面からボンドテスターツールを、基板からの高さ50μm、ツール速度100μm/秒で押圧し、接合部がせん断破壊したときの荷重をせん断強度(シェア強度)とした。なお、ニッケルめっき銅基板は、Cu基板(厚さ;1.0mm)の表面に、Niを4μmの厚みでめっきしたものであり、シリコンダイは、Si基板(厚さ;0.40mm)の接合面に、Auをスパッタリングにより製膜したものである。結果を表5に示す。
[Evaluation of shear strength (shear strength)]
Shear strength (shear strength) was evaluated according to the following procedure.
Using a stainless steel mask (mask width: 2.0 mm × length; 2.0 mm × thickness: 0.1 mm), the paste 3 obtained in Example 3 and the paste 11 obtained in Comparative Example 1 were each nickel-plated. A coating film was formed by applying to different parts on a copper substrate (width: 10 mm × length; 10 mm × thickness: 1.0 mm). A silicon die (width: 2.0 mm × length; 2.0 mm × thickness: 0.40 mm) was mounted on each coating film, and pressurized at 5 MPa under a nitrogen gas flow in which 3% by volume of hydrogen was mixed. While firing. The shear strength of the obtained bonded body (bonding layer thickness; 10 to 30 μm) was measured with a bonding strength tester (manufactured by Daisy Japan, trade name: Bond Tester 4000). A bond tester tool was pressed from the side of the die at a height of 50 μm from the substrate and a tool speed of 100 μm / second, and the load when the joint was sheared was determined as shear strength (shear strength). The nickel-plated copper substrate is obtained by plating Ni on the surface of a Cu substrate (thickness: 1.0 mm) with a thickness of 4 μm, and the silicon die is bonded to the Si substrate (thickness: 0.40 mm). On the surface, Au is formed by sputtering. The results are shown in Table 5.

Figure 2018172771
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実施例3は、高熱伝導性のニッケル被覆銅粒子を含有するニッケルペースト3を使用することによって、ニッケル被覆銅粒子に代えてニッケル粒子を用いた比較例1のニッケルペースト11と比べて、接合層としての熱伝導率の向上が確認できた。また、実施例3の接合強度は、比較例1とほぼ同等であり、接合材として好適に利用可能であることが確認できた。   Example 3 uses a nickel paste 3 containing nickel-coated copper particles with high thermal conductivity, so that the bonding layer is compared with the nickel paste 11 of Comparative Example 1 using nickel particles instead of nickel-coated copper particles. As a result, improvement in thermal conductivity was confirmed. Further, the bonding strength of Example 3 was almost the same as that of Comparative Example 1, and it was confirmed that the bonding strength was suitably usable as a bonding material.

以上、本発明の実施の形態を例示の目的で詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に制約されることはない。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail for the purpose of illustration, this invention is not restrict | limited to the said embodiment.

Claims (8)

以下の条件(i)〜(iv);
(i)レーザー回折/散乱法による平均粒子径が0.3〜200μmの範囲内である;
(ii)コア層及び前記コア層の表面の少なくとも一部を被覆する被覆層から形成されている;
(iii)前記被覆層は、ニッケル元素を原子数濃度にして50%以上含む;
(iv)前記コア層は、銅元素を50重量%以上含む;
を具備するニッケル被覆銅粒子。
The following conditions (i) to (iv);
(I) the average particle size by laser diffraction / scattering method is in the range of 0.3-200 μm;
(Ii) formed of a core layer and a coating layer covering at least a part of the surface of the core layer;
(Iii) The coating layer contains nickel element in an atomic number concentration of 50% or more;
(Iv) The core layer contains 50% by weight or more of copper element;
Nickel-coated copper particles comprising:
前記被覆層のニッケル元素の含有量が原子数濃度にして90%以上である、請求項1に記載のニッケル被覆銅粒子。   The nickel-coated copper particles according to claim 1, wherein the content of nickel element in the coating layer is 90% or more in terms of atomic number concentration. 前記被覆層の平均厚さが0.01μm〜1μmの範囲内である、請求項1に記載のニッケル被覆銅粒子。   The nickel-coated copper particles according to claim 1, wherein an average thickness of the coating layer is in a range of 0.01 µm to 1 µm. 接合材用途である、請求項1に記載のニッケル被覆銅粒子。   The nickel-coated copper particles according to claim 1, which are used for a bonding material. 請求項1〜4のいずれか一項に記載のニッケル被覆銅粒子を含む接合材であって、
前記ニッケル被覆銅粒子の含有量が10〜90重量%の範囲内であることを特徴とする、接合材。
A bonding material comprising the nickel-coated copper particles according to any one of claims 1 to 4,
Content of the said nickel covering copper particle exists in the range of 10 to 90 weight%, The joining material characterized by the above-mentioned.
沸点が100〜350℃の範囲内にある有機溶媒を含有し、前記有機溶媒の含有量が2〜40重量%の範囲内である、請求項5に記載の接合材。   The bonding | jointing material of Claim 5 which contains the organic solvent which has a boiling point in the range of 100-350 degreeC, and contains the content of the said organic solvent in the range of 2-40 weight%. さらに、全粒子量に対して、0.05〜5.0重量%の範囲内で有機バインダーを含有する、請求項5または6に記載の接合材。   Furthermore, the bonding | jointing material of Claim 5 or 6 which contains an organic binder in the range of 0.05 to 5.0 weight% with respect to the total amount of particles. 請求項5〜7のいずれか一項に記載の接合材を、被接合部材の間に介在させて、還元性ガス雰囲気下で、100℃〜500℃の範囲内の温度で加熱することにより、被接合部材の間に接合層を形成し、被接合部材同士を接合することを特徴とする、接合方法。


By interposing the joining material according to any one of claims 5 to 7 between the members to be joined and heating at a temperature in a range of 100 ° C to 500 ° C under a reducing gas atmosphere, A bonding method comprising forming a bonding layer between bonded members and bonding the bonded members together.


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