JP2022001666A - Joining method using microsize particle and joined body - Google Patents

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Hiroshi Nishikawa
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Abstract

To provide an inexpensive and simple low temperature joining method capable of obtaining a joined part in which residual organic components and crystal grain boundaries in a joining layer can be reduced, and having high thermal conductivity and electrical conductivity and further having excellent heat resistance, and a joined body obtained by the joining method.SOLUTION: A joining method comprises a process where, using a composition for joining comprising conductive powder provided with a radially extended projection part and a recessed part at the gap of the projecting part and comprising silver including metallic grains or ceramic grains as a nucleus material for crystally growing silver as a conductive material at the inside, in which the average grain size of the nucleus material is 1 to 10 μm and aluminum nitride grains having the average grain size of 10 to 100 nm, after the composition for joining is interposed between the two members to be joined, the member is heated to 150 to 350°C and is further pressurized.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明はマイクロサイズ銀粒子を用いた接合方法に関し、より具体的には、熱伝導性及び電気伝導性に優れることに加え、高い耐熱性を有する接合部を得ることができる接合方法、及び当該接合方法によって得られる接合体に関する。 The present invention relates to a joining method using micro-sized silver particles, and more specifically, a joining method capable of obtaining a joining portion having high heat resistance in addition to being excellent in thermal conductivity and electrical conductivity, and the above-mentioned. Regarding the joined body obtained by the joining method.

金属部品と金属部品とを機械的及び/又は電気的及び又は熱的に接合するために、従来、はんだ、導電性接着剤、銀ペースト及び異方導電性フィルム等が用いられている。これら導電性接着剤、銀ペースト及び異方導電性フィルム等は、金属部品だけでなく、セラミック部品や樹脂部品等を接合する場合に用いられることもある。例えば、LED等の発光素子の基板への接合、半導体チップの基板への接合、及びこれらの基板の更に放熱部材への接合等が挙げられる。 Conventionally, solders, conductive adhesives, silver pastes, anisotropic conductive films and the like have been used to mechanically and / or electrically and / or thermally bond metal parts to each other. These conductive adhesives, silver pastes, anisotropic conductive films and the like may be used not only for metal parts but also for joining ceramic parts, resin parts and the like. For example, bonding of a light emitting element such as an LED to a substrate, bonding of a semiconductor chip to a substrate, bonding of these substrates to a heat radiating member, and the like can be mentioned.

なかでも、はんだ並びに金属からなる導電フィラーを含む接着剤、ペースト及びフィルムは、電気的な接続を必要とする部分の接合に用いられている。更には、金属は一般的に熱伝導性が高いため、はんだ並びに導電フィラーを含む接着剤、ペースト及びフィルムは、放熱性を上げるために使用される場合もある。 Among them, adhesives, pastes and films containing conductive fillers made of solder and metal are used for joining parts that require electrical connection. Furthermore, since metals generally have high thermal conductivity, adhesives, pastes and films containing solder and conductive fillers may be used to increase heat dissipation.

一方、例えば、LED等の発光素子を用いて高輝度の照明デバイスや発光デバイスを作製する場合、或いは、パワーデバイスと言われる高温で高効率の動作をする半導体素子を用いて半導体デバイスを作製する場合等には、発熱量が上がる傾向にある。デバイスや素子の効率を向上させて発熱を減らす試みも行われているが、現状では十分な成果が出ておらず、デバイスや素子の使用温度が上がっているのが実情である。 On the other hand, for example, when a high-intensity lighting device or a light-emitting device is manufactured using a light-emitting element such as an LED, or a semiconductor device called a power device, which operates at a high temperature and with high efficiency, is manufactured. In some cases, the calorific value tends to increase. Attempts have been made to improve the efficiency of devices and devices to reduce heat generation, but at present, sufficient results have not been achieved, and the actual operating temperature of devices and devices is rising.

また、接合時におけるデバイスの損傷を防ぐという観点からは、低い接合温度(例えば350℃以下)で十分な接合強度を確保できる接合材が求められている。したがって、デバイスや素子等を接合するための接合材に対しては、接合温度の低下とともに、接合後におけるデバイスの動作による使用温度の上昇に耐えて十分な接合強度を維持できる耐熱性が求められているが、従来からの接合材では十分な対応ができないことが多い。例えば、はんだは、金属を融点以上に加熱する工程(リフロー工程)を経て部材同士を接合するが、一般的に融点はその組成に固有であるため、耐熱温度を上げようとすると加熱(接合)温度も上がってしまう。 Further, from the viewpoint of preventing damage to the device during bonding, a bonding material capable of ensuring sufficient bonding strength at a low bonding temperature (for example, 350 ° C. or lower) is required. Therefore, the bonding material for bonding devices, elements, etc. is required to have heat resistance that can withstand a decrease in the bonding temperature and an increase in the operating temperature due to the operation of the device after bonding to maintain sufficient bonding strength. However, it is often not possible to adequately deal with conventional bonding materials. For example, in solder, members are joined together through a process of heating the metal above its melting point (reflow process), but since the melting point is generally unique to its composition, heating (bonding) is performed when trying to raise the heat resistant temperature. The temperature will also rise.

更に、はんだを用いて素子や基板を数層重ね合わせて接合する場合、重ね合わせる層の数だけ加熱工程を経る必要であり、既に接合した部分の溶融を防ぐためには、次の接合に用いるはんだの融点(接合温度)を下げる必要があり、また、重ね合わせる層の数だけはんだ組成の種類が必要になり、取扱いが煩雑になる。 Furthermore, when several layers of elements and substrates are laminated and joined using solder, it is necessary to go through heating steps for the number of layers to be overlapped, and in order to prevent melting of the already joined parts, the solder used for the next joining It is necessary to lower the melting point (bonding temperature) of the solder, and the number of types of solder composition required for the number of layers to be overlapped is required, which makes the handling complicated.

このような状況下、近年、高温はんだの代替材料として、銀、金などの貴金属を中心とする金属ナノ粒子を用いた接合材が開発されている(例えば、特許文献1:特開2012−046779号公報)。しかしながら、金属ナノ粒子は高価であるだけでなく、金属ナノ粒子の焼結によって得られる接合層には金属ナノ粒子の分散剤や溶媒として使用される有機物が残留してしまう。また、金属ナノ粒子の焼結によって得られる接合層では結晶粒界の割合が大きくなってしまい、熱伝導性及び電気伝導性を低下させる原因となる。加えて、金属ナノ粒子を接合に用いる場合は有機物の蒸発により、接合中の体積変化が大きくなってしまうという問題が存在する。 Under such circumstances, in recent years, as a substitute material for high-temperature solder, a bonding material using metal nanoparticles mainly composed of precious metals such as silver and gold has been developed (for example, Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-046779). Issue). However, not only are metal nanoparticles expensive, but organic substances used as dispersants and solvents for metal nanoparticles remain in the bonding layer obtained by sintering the metal nanoparticles. Further, in the bonding layer obtained by sintering metal nanoparticles, the ratio of grain boundaries becomes large, which causes a decrease in thermal conductivity and electrical conductivity. In addition, when metal nanoparticles are used for bonding, there is a problem that the volume change during bonding becomes large due to evaporation of organic substances.

これに対し、発明者らは、毬栗状のマイクロサイズ銀粒子を用いて、接合層内の残留有機成分及び結晶粒界を低減することができ、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部を得ることができる安価な接合方法を提案している。具体的には、特許文献2(特開2015−57291号公報)において、放射状に延設された凸部と、前記凸部の間隙に凹部と、を備えるとともに、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、前記核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀を含み、前記核物質の平均粒径が1〜10μmであることを特徴とする導電粉を含む接合用組成物を用い、接合すべき2つの部材の間に前記接合用組成物を介在させた後、前記部材を150〜350℃に加熱するとともに加圧する工程を含むこと、を特徴とする接合方法、を開示している。 On the other hand, the inventors can reduce the residual organic components and grain boundaries in the bonding layer by using the colloidal-shaped micro-sized silver particles, and the joint portion has excellent thermal conductivity and electrical conductivity. We are proposing an inexpensive joining method that can be obtained. Specifically, in Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-57291), a convex portion extending radially and a concave portion in the gap between the convex portions are provided, and silver as a conductive material is provided inside. It is a nuclear material for growing crystals, and the nuclear material contains silver including metal particles or ceramic particles, and the average particle size of the nuclear material is 1 to 10 μm. A step of using a bonding composition containing a conductive powder, interposing the bonding composition between two members to be bonded, and then heating the member to 150 to 350 ° C. and pressurizing the member is included. The characteristic joining method is disclosed.

上記特許文献2に記載の接合方法においては、平均粒径が1〜10μmであるマイクロサイズ銀粒子を使用することで、分散性確保等のための有機物を低減することができ、接合層内の残留有機成分及び接合プロセス中の接合層の体積変化を大幅に低減することができる。また、ナノサイズの金属粒子と比較して接合層内の結晶粒界の割合を低下させることができるため、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部を得ることができる。更に、マイクロサイズ銀粒子は一般的な金属ナノ粒子と比較して安価に製造することができるため、接合にかかるコストを低減することができる。また、マイクロサイズ銀粒子が有する微細な凸部が低温焼結性を担保するため、150〜350℃の低温における接合が可能となる。 In the bonding method described in Patent Document 2, by using micro-sized silver particles having an average particle size of 1 to 10 μm, organic substances for ensuring dispersibility can be reduced, and organic substances in the bonding layer can be reduced. It is possible to significantly reduce the residual organic component and the volume change of the bonding layer during the bonding process. Further, since the ratio of the crystal grain boundaries in the bonding layer can be reduced as compared with the nano-sized metal particles, a bonding portion having excellent thermal conductivity and electrical conductivity can be obtained. Further, since the micro-sized silver particles can be produced at a lower cost as compared with general metal nanoparticles, the cost for bonding can be reduced. Further, since the fine protrusions of the micro-sized silver particles ensure low-temperature sinterability, bonding at a low temperature of 150 to 350 ° C. is possible.

特開2012−046779号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-046779 特開2015−57291号公報JP-A-2015-57291

近年、各種パワーデバイス内部の半導体材料として、SiCやGaN等の使用も検討されており、これらの材料においては300℃以上の高温条件で高い性能を示すものも存在することから、半導体チップと基板との間の接合を担う接合層においても、高い耐熱性が求められている。 In recent years, the use of SiC, GaN, etc. as semiconductor materials inside various power devices has been studied, and some of these materials exhibit high performance under high temperature conditions of 300 ° C. or higher. Therefore, semiconductor chips and substrates High heat resistance is also required for the bonding layer that is responsible for bonding with.

これに対し、上記特許文献2に記載の接合方法によって得られる接合層は、ナノサイズの金属粒子と比較して接合層内の結晶粒界の割合を低下させることができ、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部を得ることができるが、耐熱性については十分に考慮されていない。また、金属粒子の焼結によって得られる接合層は、高温暴露によって組織変化が生じることが報告されている。 On the other hand, the bonding layer obtained by the bonding method described in Patent Document 2 can reduce the ratio of grain boundaries in the bonding layer as compared with nano-sized metal particles, and has thermal conductivity and electricity. A joint having excellent conductivity can be obtained, but heat resistance is not sufficiently considered. It has also been reported that the bonding layer obtained by sintering metal particles undergoes structural changes due to high temperature exposure.

以上のような状況に鑑み、本発明の目的は、接合層内の残留有機成分及び結晶粒界を低減することができ、高い熱伝導性及び電気伝導性を有すると共に優れた耐熱性を有する接合部を得ることができる安価かつ簡便な低温接合方法、及び当該接合方法によって得られる接合体を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to reduce residual organic components and grain boundaries in the bonding layer, and to bond with high thermal conductivity and electrical conductivity as well as excellent heat resistance. It is an object of the present invention to provide an inexpensive and simple low-temperature joining method capable of obtaining a portion, and a bonded body obtained by the joining method.

本発明者は、上記目的を達成すべく接合用組成物の組成について鋭意研究を重ねた結果、接合層に優れた耐熱性を付与するための窒化アルミニウム粒子を、毬栗形状を有するマイクロサイズの銀粒子の凸部と凹部によって形成される空隙を利用して均一に分散させること等が、上記目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 As a result of intensive research on the composition of the bonding composition in order to achieve the above object, the present inventor has obtained aluminum nitride particles for imparting excellent heat resistance to the bonding layer, and micro-sized silver having a chestnut shape. We have found that it is extremely effective to uniformly disperse the particles by utilizing the voids formed by the convex portions and the concave portions of the particles in order to achieve the above object, and have reached the present invention.

即ち、本発明は、
放射状に延設された凸部と、前記凸部の間隙に凹部と、を備えるとともに、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、前記核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀を含み、前記核物質の平均粒径が1〜10μmであることを特徴とする導電粉と、
平均粒径が10〜100nmの窒化アルミニウム粒子と、を含む接合用組成物を用い、接合すべき2つの部材の間に前記接合用組成物を介在させた後、前記部材を150〜350℃に加熱するとともに加圧する工程を含むこと、
を特徴とする接合方法、を提供する。
That is, the present invention
It is provided with a convex portion extending radially and a concave portion in the gap between the convex portions, and is a nuclear material for growing silver as a conductive material inside, and is a metal-based material as the nuclear material. A conductive powder containing silver containing particles or ceramic particles and having an average particle size of the nuclear material of 1 to 10 μm.
Using a bonding composition containing aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm, the bonding composition is interposed between two members to be bonded, and then the member is brought to 150 to 350 ° C. Including the process of heating and pressurizing,
A joining method, which is characterized by the above.

本発明の接合方法においては、平均粒径が10〜100nmの窒化アルミニウム粒子を接合層に均一に分散させることで、導電粉が焼結してなる接合層に良好な高温安定性を付与することができる。また、窒化アルミニウムは熱伝導性や線膨張率の観点から銀焼結層との相性がよく、銀焼結層に異材を分散させることによる悪影響を低減することができる。 In the bonding method of the present invention, aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm are uniformly dispersed in the bonding layer to impart good high-temperature stability to the bonding layer formed by sintering conductive powder. Can be done. Further, aluminum nitride has good compatibility with the silver sintered layer from the viewpoint of thermal conductivity and linear expansion coefficient, and can reduce the adverse effect of dispersing different materials in the silver sintered layer.

窒化アルミニウム粒子の平均粒径を10nm以上とすることで、接合層を高温に保持した際の組織変化を効果的に抑制することができる。また、窒化アルミニウム粒子の平均粒径を100nm以下とすることで、窒化アルミニウム粒子の分散による接合層の緻密性や強度の低下を抑制することができる。ここで、窒化アルミニウム粒子の平均粒径は15〜80nmであることが好ましく、20〜60nmであることがより好ましい。 By setting the average particle size of the aluminum nitride particles to 10 nm or more, it is possible to effectively suppress the structural change when the bonded layer is kept at a high temperature. Further, by setting the average particle size of the aluminum nitride particles to 100 nm or less, it is possible to suppress a decrease in the denseness and strength of the bonding layer due to the dispersion of the aluminum nitride particles. Here, the average particle size of the aluminum nitride particles is preferably 15 to 80 nm, more preferably 20 to 60 nm.

通常、微細なセラミックス粒子を接合用組成物中に均一分散させることは極めて困難であるが、本発明の接合方法においては放射状に延設された凸部と当該凸部の間隙に凹部を備える、所謂毬栗状のマイクロ粒子を金属粒子として用いることで、窒化アルミニウム粒子の均一分散を達成している。具体的には、凸部と凹部によって、窒化アルミニウム粒子が分散するための適当な空間が十分かつ均一に形成される。また、凸部と凹部を有する導電粉はマイクロサイズ(1〜10μm)であり、一般的な金属ナノ粒子のように凝集等によって分散状況が不均質となることが抑制されている。 Normally, it is extremely difficult to uniformly disperse fine ceramic particles in a bonding composition, but in the bonding method of the present invention, a concave portion is provided in the gap between the radially extending convex portion and the convex portion. By using so-called ceramic-shaped microparticles as metal particles, uniform dispersion of aluminum nitride particles is achieved. Specifically, the convex portions and the concave portions sufficiently and uniformly form an appropriate space for dispersing the aluminum nitride particles. Further, the conductive powder having convex portions and concave portions has a micro size (1 to 10 μm), and unlike general metal nanoparticles, it is suppressed that the dispersion state becomes inhomogeneous due to aggregation or the like.

また、平均粒径が1〜10μmであるマイクロサイズ銀粒子を使用することで、分散性確保等のための有機物を低減することができ、接合層内の残留有機成分及び接合プロセス中の接合層の体積変化を大幅に低減することができる。また、ナノサイズの金属粒子と比較して接合層内の結晶粒界の割合を低下させることができるため、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部を得ることができる。更に、マイクロサイズ銀粒子は一般的な金属ナノ粒子と比較して安価に製造することができるため、接合にかかるコストを低減することができる。ここで、マイクロサイズ銀粒子が有する微細な凸部が低温焼結性を担保するため、150〜350℃の低温における接合が可能となる。 Further, by using micro-sized silver particles having an average particle size of 1 to 10 μm, it is possible to reduce organic substances for ensuring dispersibility, etc., and the residual organic components in the bonding layer and the bonding layer in the bonding process. The volume change of can be significantly reduced. Further, since the ratio of the crystal grain boundaries in the bonding layer can be reduced as compared with the nano-sized metal particles, a bonding portion having excellent thermal conductivity and electrical conductivity can be obtained. Further, since the micro-sized silver particles can be produced at a lower cost as compared with general metal nanoparticles, the cost for bonding can be reduced. Here, since the fine protrusions of the micro-sized silver particles ensure low-temperature sinterability, bonding at a low temperature of 150 to 350 ° C. is possible.

また、本発明の接合方法においては、前記工程の加圧を10MPa程度と低くすることができ、前記部材の自重圧下で行うことも可能である。 Further, in the joining method of the present invention, the pressurization in the step can be as low as about 10 MPa, and the pressurization can be performed under the own weight of the member.

本発明の接合方法においては、前記接合用組成物における前記窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4〜1.8質量%とすること、が好ましい。窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4質量%以上とすることで、接合層の高温安定性付与に十分な数の窒化アルミニウム粒子を分散させることができる。また、窒化アルミニウム粒子の含有量を1.8質量%以下とすることで、窒化アルミニウム粒子の分散による接合層の緻密性や強度の低下を抑制することができることに加え、接合用組成物に実用上問題のない塗布特性を付与することができる。ここで、窒化アルミニウム粒子の含有量は0.7〜1.3質量%とすることが好ましく、0.9〜1.1質量%とすることがより好ましい。 In the bonding method of the present invention, it is preferable that the content of the aluminum nitride particles in the bonding composition is 0.4 to 1.8% by mass. By setting the content of the aluminum nitride particles to 0.4% by mass or more, a sufficient number of aluminum nitride particles can be dispersed to impart high temperature stability to the bonding layer. Further, by setting the content of the aluminum nitride particles to 1.8% by mass or less, it is possible to suppress a decrease in the density and strength of the bonding layer due to the dispersion of the aluminum nitride particles, and in addition, it is practically used in a bonding composition. It is possible to impart coating characteristics that do not cause any problems. Here, the content of the aluminum nitride particles is preferably 0.7 to 1.3% by mass, more preferably 0.9 to 1.1% by mass.

本発明の接合方法においては、前記凸部の形状が、針状、桿状、又は花弁状からなる群から選択される少なくとも一つの形状であること、が好ましい。また、前記凸部の形状が針状からなる前記導電粉、前記凸部の形状が桿状からなる前記導電粉、及び前記凸部の形状が花弁状からなる前記導電粉を全て含む前記接合用組成物を用いること、が好ましい。凸部がこれらの形状を有していることで、窒化アルミニウム粒子が侵入(分散)可能な微小空間が効率的かつ均一に形成され、最終的に得られる接合層内に窒化アルミニウム粒子を均一分散させることができる。 In the joining method of the present invention, it is preferable that the shape of the convex portion is at least one shape selected from the group consisting of a needle shape, a rod shape, or a petal shape. Further, the bonding composition including all of the conductive powder having a needle-like shape of the convex portion, the conductive powder having a rod-like shape of the convex portion, and the conductive powder having a petal-like shape of the convex portion. It is preferable to use a thing. Since the convex portion has these shapes, a minute space in which the aluminum nitride particles can penetrate (disperse) is efficiently and uniformly formed, and the aluminum nitride particles are uniformly dispersed in the finally obtained bonding layer. Can be made to.

更に、本発明の接合方法においては、前記接合用組成物に、平均粒径が10〜100μmの球状セラミックス粒子を0.001〜0.1質量%含むこと、が好ましい。平均粒径が10〜100μmの球状セラミックス粒子はスペーサーとして機能し、接合層の厚さ方向に少量の球状セラミックス粒子が存在すれば、任意の厚さを有する接合層を再現性良く形成させることができる。球状セラミックス粒子の平均粒径は20〜90μmとすることが好ましく、30〜80μmとすることがより好ましい。また、球状セラミックス粒子の含有量は0.002〜0.01質量%とすることがより好ましい。球状セラミックス粒子には、例えば、シリカ粒子等を用いることができる。 Further, in the bonding method of the present invention, it is preferable that the bonding composition contains 0.001 to 0.1% by mass of spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm. Spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm function as spacers, and if a small amount of spherical ceramic particles are present in the thickness direction of the bonding layer, the bonding layer having an arbitrary thickness can be formed with good reproducibility. can. The average particle size of the spherical ceramic particles is preferably 20 to 90 μm, more preferably 30 to 80 μm. Further, the content of the spherical ceramic particles is more preferably 0.002 to 0.01% by mass. For the spherical ceramic particles, for example, silica particles or the like can be used.

また、本発明は、
一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合された接合体であって、
前記一方の被接合部材と前記他方の被接合部材とは接合層を介して冶金的に接合され、
前記接合層は、金属粒子と、窒化アルミニウム粒子と、を含み、
前記金属粒子は、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、前記核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀粒子であり、
前記窒化アルミニウム粒子の平均粒径は10〜100nmであり、
前記接合層における前記窒化アルミニウム粒子の含有量が0.4〜1.8質量%であること、
を特徴とする接合体、も提供する。
Further, the present invention
A bonded body in which one member to be joined and the other member to be joined are joined.
The one member to be joined and the other member to be joined are metallurgically joined via a joining layer.
The bonding layer contains metal particles and aluminum nitride particles.
The metal particles are nuclear materials for growing silver as a conductive material inside, and are silver particles containing metal particles or ceramic particles as the nuclear material.
The average particle size of the aluminum nitride particles is 10 to 100 nm, and the average particle size is 10 to 100 nm.
The content of the aluminum nitride particles in the bonding layer is 0.4 to 1.8% by mass.
Also provided are conjugates, characterized by.

本発明の接合体においては、主として銀粒子の焼結によって形成された接合層に、平均粒径が10〜100nmの窒化アルミニウム粒子が分散されており、当該窒化アルミニウム粒子の含有量が0.4〜1.8質量%であっても均一分散が達成されていることから、接合層は優れた熱安定性を有している。 In the bonded body of the present invention, aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm are dispersed in a bonded layer mainly formed by sintering silver particles, and the content of the aluminum nitride particles is 0.4. Since uniform dispersion is achieved even at ~ 1.8% by mass, the bonded layer has excellent thermal stability.

窒化アルミニウム粒子の平均粒径は15〜80nmであることが好ましく、20〜60nmであることがより好ましい。また、窒化アルミニウム粒子の含有量は0.7〜1.3質量%とすることが好ましく、0.9〜1.1質量%とすることがより好ましい。 The average particle size of the aluminum nitride particles is preferably 15 to 80 nm, more preferably 20 to 60 nm. The content of the aluminum nitride particles is preferably 0.7 to 1.3% by mass, more preferably 0.9 to 1.1% by mass.

また、本発明の接合体においては、主として接合層を形成する銀粒子の内部に、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでおり、これらの粒子も接合層の熱安定性向上に寄与している。特に、銀粒子の内部にセラミック系粒子を含む場合は、当該効果が顕著である。 Further, in the bonded body of the present invention, metal-based particles or ceramic-based particles are mainly contained inside the silver particles forming the bonding layer, and these particles also contribute to the improvement of the thermal stability of the bonding layer. .. In particular, when ceramic particles are contained inside the silver particles, the effect is remarkable.

また、本発明の接合体においては、前記接合層の断面観察によって測定される空隙のサイズに関して、面積が0.2μm2以下となる空隙数の割合が、全ての空隙数に対して90%以上となること、が好ましい。前記接合層において粗大な空隙の形成を抑制することで、良好な機械的性質及び熱安定性を実現している。 Further, in the bonded body of the present invention, the ratio of the number of voids having an area of 0.2 μm 2 or less with respect to the size of the voids measured by observing the cross section of the bonded layer is 90% or more with respect to the total number of voids. Is preferable. By suppressing the formation of coarse voids in the bonding layer, good mechanical properties and thermal stability are realized.

また、本発明の接合体においては、前記接合層に、平均粒径が10〜100μmの球状セラミックス粒子が0.001〜0.1質量%含まれること、が好ましい。平均粒径が10〜100μmの球状セラミックス粒子はスペーサーとして機能し、接合層厚さを均質化することができる。球状セラミックス粒子の平均粒径は20〜90μmとすることが好ましく、30〜80μmとすることがより好ましい。また、球状セラミックス粒子の含有量は0.002〜0.01質量%とすることがより好ましい。球状セラミックス粒子には、例えば、シリカ粒子等とすることができる。 Further, in the bonded body of the present invention, it is preferable that the bonded layer contains 0.001 to 0.1% by mass of spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm. Spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm function as spacers and can homogenize the thickness of the bonding layer. The average particle size of the spherical ceramic particles is preferably 20 to 90 μm, more preferably 30 to 80 μm. Further, the content of the spherical ceramic particles is more preferably 0.002 to 0.01% by mass. The spherical ceramic particles can be, for example, silica particles or the like.

また、本発明の接合体においては、前記接合層の空隙率が10%以下であり、300℃で500時間の高温放置により当該空隙率が10%以上に増加しないこと、が好ましい。接合層が緻密であると共に、高温での長時間保持によって空隙率が10%以上に増加しないことで、例えば、300℃以上の高温条件で高い性能を示す半導体材料が使用されている半導体チップと基板との間を接合した接合体として、好適に用いることができる。 Further, in the bonded body of the present invention, it is preferable that the porosity of the bonding layer is 10% or less, and the porosity does not increase to 10% or more by leaving at a high temperature of 300 ° C. for 500 hours. With a semiconductor chip that uses a semiconductor material that exhibits high performance under high temperature conditions of 300 ° C or higher, for example, because the bonding layer is dense and the porosity does not increase to 10% or more due to long-term holding at high temperatures. It can be suitably used as a bonded body bonded to and from a substrate.

更に、本発明の接合体においては、前記接合層のせん断強度が40MPa以上であり、300℃で500時間の高温放置後の前記接合層のせん断強度が30MPa以上であること、が好ましい。接合層がこれらのせん断強度を有すると共に、高温での長時間保持後も高いせん断強度を維持することで、例えば、300℃以上の高温条件で高い性能を示す半導体材料が使用されている半導体チップと基板との間を接合した接合体として、好適に用いることができる。 Further, in the bonded body of the present invention, it is preferable that the shear strength of the bonded layer is 40 MPa or more, and the shear strength of the bonded layer after being left at a high temperature of 300 ° C. for 500 hours is 30 MPa or more. A semiconductor chip in which a semiconductor material that exhibits high performance under high temperature conditions of, for example, 300 ° C. or higher is used because the bonding layer has these shear strengths and maintains high shear strength even after being held at high temperature for a long time. It can be suitably used as a bonded body in which the substrate is bonded to the substrate.

本発明によれば、接合層内の残留有機成分及び結晶粒界を低減することができ、高い熱伝導性及び電気伝導性を有すると共に優れた耐熱性を有する接合部を得ることができる安価かつ簡便な低温接合方法、及び当該接合方法によって得られる接合体を提供することができる。 According to the present invention, residual organic components and grain boundaries in the joint layer can be reduced, and a joint portion having high thermal conductivity and electrical conductivity and excellent heat resistance can be obtained at low cost. It is possible to provide a simple low temperature bonding method and a bonded body obtained by the bonding method.

本発明において窒化アルミニウム粒子が均一分散する機構を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mechanism which the aluminum nitride particles are uniformly dispersed in this invention. 実施例で用いたマイクロサイズ銀粒子のSEM写真である。6 is an SEM photograph of micro-sized silver particles used in the examples. 実施例で用いた窒化アルミニウム粒子のSEM写真である。It is an SEM photograph of the aluminum nitride particles used in the Example. 実施例で用いたシリカ粒子の光学顕微鏡写真である。It is an optical micrograph of the silica particle used in the Example. 実施例で用いた接合試験片の概略図である。It is a schematic diagram of the joining test piece used in an Example. 実施例で得た接合体の接合層断面のSEM写真である。It is an SEM photograph of the junction layer cross section of the junction obtained in Example. 比較例で得た接合体の接合層断面のSEM写真である。It is an SEM photograph of the junction layer cross section of the junction obtained in the comparative example. 実施接合体の接合層に形成されている空隙の面積分布を表すヒストグラムである。It is a histogram which shows the area distribution of the void formed in the junction layer of the implementation junction. 比較接合体の接合層に形成されている空隙の面積分布を表すヒストグラムである。It is a histogram which shows the area distribution of the void formed in the junction layer of a comparative junction. 実施例1で得られた実施接合体の接合層断面のSEM観察像及びAl元素マッピングである。It is an SEM observation image and Al element mapping of the cross section of the junction layer of the embodiment junction obtained in Example 1. 実施例1で得られた実施接合体の接合層のTEM観察像及び元素マッピングである。It is a TEM observation image and element mapping of the junction layer of the embodiment junction obtained in Example 1. 実施例2で得られた各実施接合体のせん断強度と窒化アルミニウム粒子含有量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the shear strength and the aluminum nitride particle content of each embodiment obtained in Example 2. FIG. 比較例2で得られた接合体及び高温暴露後の接合体の接合強度を示すグラフである。It is a graph which shows the bonding strength of the bonded body obtained in Comparative Example 2 and the bonded body after high temperature exposure.

以下、本発明の接合方法及び接合体の好適な一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の一実施形態を示すに過ぎず、これらによって本発明が限定されるものではなく、また、重複する説明は省略することがある。 Hereinafter, the joining method of the present invention and a preferred embodiment of the joined body will be described in detail. It should be noted that the following description merely shows one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited thereto, and duplicate description may be omitted.

1.接合方法
(1)接合用組成物
本実施形態の接合用組成物は、金属粒子として、平均粒径が1〜10μmである毬栗状の導電粉(マイクロサイズ銀粒子)と平均粒径が10〜100nmの窒化アルミニウム粒子と有機溶媒等との混合物であることを特徴とし、必要に応じて分散剤等を含有している。以下においてこれら各成分について説明する。
1. 1. Bonding method (1) Bonding composition The bonding composition of the present embodiment contains metal particles having an average particle size of 1 to 10 μm and a chestnut-shaped conductive powder (micro-sized silver particles) having an average particle size of 10 to 10. It is characterized by being a mixture of 100 nm aluminum nitride particles and an organic solvent or the like, and contains a dispersant or the like as necessary. Each of these components will be described below.

(1−1)導電粉(マイクロサイズ銀粒子)
本実施形態の接合用組成物の金属粒子としては、平均粒径が1〜10μmである毬栗状の導電粉を用いることが好ましい。平均粒径をマイクロサイズとすることで、ナノサイズの粒子と比較して分散性及び安定性が向上するため、分散性及び安定性を確保するために必要となる有機物の量を大幅に低減することができる。加えて、平均粒径を10μm未満とすることで、金属粒子間の接点等を確保するために十分な表面積を得ることができる。導電粉の平均粒径は、レーザー方式のパーティクルカウンターにより測定することができるし、あるいは電子顕微鏡写真から実測することもでき、さらには、当該電子顕微鏡写真から、画像処理装置を用いて算出することもできる。
(1-1) Conductive powder (micro-sized silver particles)
As the metal particles of the bonding composition of the present embodiment, it is preferable to use a sardine-shaped conductive powder having an average particle size of 1 to 10 μm. By setting the average particle size to micro size, dispersibility and stability are improved compared to nano-sized particles, so that the amount of organic matter required to ensure dispersibility and stability is significantly reduced. be able to. In addition, by setting the average particle size to less than 10 μm, a sufficient surface area can be obtained to secure contacts between metal particles and the like. The average particle size of the conductive powder can be measured by a laser particle counter, or can be actually measured from an electron micrograph, and further, it can be calculated from the electron micrograph using an image processing device. You can also.

また、本実施形態の接合用組成物の金属粒子として好ましいのは、(a)凹凸{即ち、粒子の中心からみて放射状に延設された凸部(突起と称することがある)、及び当該凸部同士の間隙にある凹部(窪みと称することがある)と、}を備えるとともに、(b)内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、当該核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀を含み、前記核物質の平均粒径が1〜10μmであることを特徴とする導電粉である。放射状に延設された凸部同士、及び放射状に延設された凸部と当該凸部の間隙の凹部とが良好に接触し、低温(150〜350℃)に保持することで当該接触部から焼結が効果的に進行する。 Further, the metal particles of the bonding composition of the present embodiment are preferably (a) unevenness {that is, a convex portion (sometimes referred to as a protrusion) extending radially from the center of the particle, and the convex portion. It is provided with recesses (sometimes referred to as depressions) in the gaps between the parts, and}, and is a nuclear material for growing silver as a conductive material inside (b), and as the nuclear material, It is a conductive powder containing silver including metal particles or ceramic particles, and the average particle size of the nuclear material is 1 to 10 μm. The convex portions extending radially and the concave portions in the gap between the convex portions extending radially and the convex portions are in good contact with each other, and the contact portion is kept at a low temperature (150 to 350 ° C.). Sintering proceeds effectively.

上述のとおり、導電粉の凸部の形状は、針状(若しくは繊維状)、桿状、及び花弁状からなる群から選択される少なくとも一つの形状であること、が好ましい。更には、接合用組成物に、凸部の形状が針状からなる導電粉、凸部の形状が桿状からなる導電粉、及び凸部の形状が花弁状からなる導電粉を全て含むことが好ましい。 As described above, the shape of the convex portion of the conductive powder is preferably at least one shape selected from the group consisting of needle-like (or fibrous), rod-like, and petal-like. Further, it is preferable that the bonding composition contains all of the conductive powder having a needle-shaped convex portion, the conductive powder having a rod-shaped convex portion, and the petal-shaped convex portion. ..

針状の凸部を有する銀粉と、桿状の凸部を有する銀粉と、花弁状の凸部を有する銀粉とを組合せることにより、接点の形成が容易となって、低温焼結性がさらに向上する。より具体的には、導電粉の全体量を100重量%としたときに、針状の凸部を有する銀粉を10〜50重量%、桿状の凸部を有する銀粉を15〜50重量%、及び花弁状の凸部を有する銀粉を20〜50重量%の範囲内で適宜混合使用することが好ましい。 By combining a silver powder having a needle-shaped convex portion, a silver powder having a rod-shaped convex portion, and a silver powder having a petal-shaped convex portion, contact formation becomes easy and low-temperature sinterability is further improved. do. More specifically, when the total amount of the conductive powder is 100% by weight, the silver powder having needle-shaped protrusions is 10 to 50% by weight, the silver powder having rod-shaped protrusions is 15 to 50% by weight, and It is preferable to appropriately mix and use silver powder having petal-shaped protrusions within the range of 20 to 50% by weight.

凸部の長さは、当該凸部の先端に接して囲む閉曲面の成す球の平均半径の40%超とすることが好ましい。この理由は、このような凸部であれば、適当な大きさを有することになり、凹部との嵌合連結がより確実なものとなり、嵌合部分の機械的安定性も向上するためである。 The length of the convex portion is preferably more than 40% of the average radius of the sphere formed by the closed curved surface that is in contact with and surrounds the tip of the convex portion. The reason for this is that such a convex portion has an appropriate size, the fitting connection with the concave portion becomes more reliable, and the mechanical stability of the fitting portion is also improved. ..

凹部は、凸部同士の間隙に設けられた窪み形状であって、断面方向横からみた場合に、凸部が入り込むことのできる形状(より理想的には凸部が凹部に嵌合連結可能な形状)であれば良い。この理由は、このように構成することにより、隣接する導電粉間で、凸部と凹部とが容易に嵌合連結することができるためである。また、凹部の深さ(大きさ)を導電粉に占める凹部の体積、すなわち凹部からなる空隙率で表すことが可能である。具体的に、凸部の先端を囲む閉曲線からなる球の体積を100容量%としたときに、凹部からなる空隙率を40容量%以上の値とすることが好ましい。この理由は、かかる凹部からなる空隙率が40容量%未満の値となると、凸部と、凹部との嵌合連結が不十分となる場合があるためである。一方、かかる凹部からなる空隙率が過度に大きくなると、導電粉の機械的強度が著しく低下する場合があることに加え、窒化アルミニウム粒子の凝集領域が形成される恐れがある。したがって、凹部からなる空隙率を42〜70容量%の範囲内の値とすることがより好ましく、45〜60容量%の範囲内の値とすることがさらに好ましい。 The concave portion has a concave shape provided in the gap between the convex portions, and has a shape in which the convex portion can enter when viewed from the side in the cross-sectional direction (more ideally, the convex portion can be fitted and connected to the concave portion). Shape) is fine. The reason for this is that, with such a configuration, the convex portion and the concave portion can be easily fitted and connected between the adjacent conductive powders. Further, the depth (size) of the recess can be expressed by the volume of the recess in the conductive powder, that is, the porosity of the recess. Specifically, when the volume of the sphere having a closed curve surrounding the tip of the convex portion is 100% by volume, the porosity of the concave portion is preferably set to a value of 40% by volume or more. The reason for this is that if the porosity of the concave portion is less than 40% by volume, the fitting connection between the convex portion and the concave portion may be insufficient. On the other hand, if the porosity of the recesses becomes excessively large, the mechanical strength of the conductive powder may be significantly reduced, and an aggregated region of the aluminum nitride particles may be formed. Therefore, the porosity of the recesses is more preferably set to a value in the range of 42 to 70% by volume, and further preferably set to a value in the range of 45 to 60% by volume.

核物質は、金属系粒子又はセラミック系粒子(無機系粒子)であることが好ましい。この理由は、金属系粒子を使用することにより、比重や粒径の調整が容易になるばかりか、形状保持性や電気抵抗率の調整についても容易になるためである。さらに、セラミック系粒子を使用することにより、比重や粒径の調整が容易になるばかりか、形状保持性や耐熱性等の特性についてもさらに向上させることができるためである。 The nuclear material is preferably metal particles or ceramic particles (inorganic particles). The reason for this is that by using metallic particles, not only the specific gravity and the particle size can be easily adjusted, but also the shape retention and the electrical resistivity can be easily adjusted. Further, by using the ceramic particles, not only the specific gravity and the particle size can be easily adjusted, but also the characteristics such as shape retention and heat resistance can be further improved.

ここで、金属系粒子としては、銀粒子、金粒子、銅粒子、アルミニウム粒子、亜鉛粒子、半田粒子、錫粒子、ニッケル粒子等の一種単独又は二種以上の組合せが挙げられるが、銀粒子を用いることが好ましい。さらに、セラミック系粒子としては、シリカ粒子(ホワイトカーボン)、酸化チタン粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化アルミニウム粒子、酸化亜鉛粒子、酸化スズ粒子、酸化ニオブ粒子等の一種単独又は二種以上の組合せが挙げられる。特に、これらの粒子のうち、シリカ粒子(ホワイトカーボン)や酸化チタン粒子を使用することにより、比重や粒径、あるいは電気抵抗率の調整が容易になるばかりか、形状保持性等の特性についても著しく向上させることができることから、好ましい核物質である Here, examples of the metal-based particles include one type alone or a combination of two or more types such as silver particles, gold particles, copper particles, aluminum particles, zinc particles, solder particles, tin particles, and nickel particles. It is preferable to use it. Further, examples of the ceramic particles include one type alone or a combination of two or more types such as silica particles (white carbon), titanium oxide particles, zirconium oxide particles, aluminum oxide particles, zinc oxide particles, tin oxide particles, and niobium oxide particles. Be done. In particular, among these particles, by using silica particles (white carbon) or titanium oxide particles, it is not only easy to adjust the specific gravity, particle size, or electrical resistivity, but also the characteristics such as shape retention. It is a preferable nuclear material because it can be significantly improved.

また、核物質の種類に関して、多孔質であるか、あるいは凝集粒子であることが好ましい。この理由は、多孔質や凝集粒子の核物質を中心として、放射状に凸部を均一に延設することができ、粒度分布がさらに狭く、かつ形状保持性に優れた導電粉を得ることができるためである。したがって、多孔質や凝集粒子からなる核物質に関して、BET表面積を0.01〜500m2/gの範囲内の値とすることが好ましい。なお、核物質が多孔質、あるいは凝集粒子であるか否かは、電子顕微鏡観察によって、容易に確認することができる。 Further, regarding the type of nuclear material, it is preferable that it is porous or agglomerated particles. The reason for this is that it is possible to uniformly extend the convex portions radially around the nuclear material of the porous or aggregated particles, and it is possible to obtain a conductive powder having a narrower particle size distribution and excellent shape retention. Because. Therefore, it is preferable that the BET surface area is set to a value in the range of 0.01 to 500 m 2 / g for the nuclear material composed of porous or aggregated particles. Whether or not the nuclear material is porous or aggregated particles can be easily confirmed by observing with an electron microscope.

核物質の添加量は、全体量に対して、0.01〜30重量%の範囲内の値とすることが好ましい。この理由は、かかる核物質の添加量が0.01重量%未満の値になると、核物質を中心として、放射状に凸部を均一に延設することが困難になる場合があるためである。一方、かかる核物質の添加量が30重量%を超えると、導電粉の電気抵抗率が著しく上昇する場合があるためである。したがって、核物質の添加量を、全体量に対して、0.1〜20重量%の範囲内の値とすることがより好ましく、0.5〜10重量%の範囲内の値とすることがさらに好ましい。なお、核物質の添加量は、所定量以上、例えば、1重量%以上であれば、一例として、電子線マイクロアナライザー(EPMA)を用いて測定することができる。 The amount of the nuclear material added is preferably in the range of 0.01 to 30% by weight with respect to the total amount. The reason for this is that if the amount of the nuclear material added is less than 0.01% by weight, it may be difficult to uniformly extend the convex portions radially around the nuclear material. On the other hand, if the amount of the nuclear substance added exceeds 30% by weight, the electrical resistivity of the conductive powder may increase significantly. Therefore, the amount of the nuclear material added is more preferably set to a value in the range of 0.1 to 20% by weight, and preferably set to a value in the range of 0.5 to 10% by weight with respect to the total amount. More preferred. If the amount of the nuclear substance added is a predetermined amount or more, for example, 1% by weight or more, it can be measured using an electron probe microanalyzer (EPMA) as an example.

本実施形態の接合用組成物の金属粒子は、上述の特徴を有する導電粉(マイクロサイズ銀粒子)であれば特に制限されないが、例えば、化研テック株式会社製の導電粉を好適に用いることができる。 The metal particles of the bonding composition of the present embodiment are not particularly limited as long as they are conductive powders (micro-sized silver particles) having the above-mentioned characteristics, but for example, conductive powder manufactured by Kaken Tech Co., Ltd. is preferably used. Can be done.

(1−2)窒化アルミニウム粒子
本実施形態の接合用組成物には、平均粒径が10〜100nmの窒化アルミニウム粒子が含有されている。平均粒径が10〜100nmの窒化アルミニウム粒子を接合層に均一に分散させることで、導電粉が焼結してなる接合層に良好な高温安定性を付与することができる。また、窒化アルミニウムは熱伝導性や線膨張率の観点から銀焼結層との相性がよく、銀焼結層に分散させることによる悪影響を低減することができる。窒化アルミニウム粒子の平均粒径の測定方法は特に限定されず、従来公知の種々の測定方法を用いることができる。例えば、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡を用いた観察像から求めてもよく、X線小角散乱法等を用いてもよい。
(1-2) Aluminum Nitride Particles The bonding composition of the present embodiment contains aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm. By uniformly dispersing the aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm in the bonding layer, good high temperature stability can be imparted to the bonding layer formed by sintering the conductive powder. Further, aluminum nitride has good compatibility with the silver sintered layer from the viewpoint of thermal conductivity and linear expansion coefficient, and can reduce the adverse effect of being dispersed in the silver sintered layer. The method for measuring the average particle size of the aluminum nitride particles is not particularly limited, and various conventionally known measuring methods can be used. For example, it may be obtained from an observation image using a scanning electron microscope or a transmission electron microscope, or an X-ray small-angle scattering method or the like may be used.

窒化アルミニウム粒子の平均粒径を10nm以上とすることで、接合層を高温に保持した際の組織変化を効果的に抑制することができる。また、窒化アルミニウム粒子の平均粒径を100nm以下とすることで、窒化アルミニウム粒子の分散による接合層の緻密性や強度の低下を抑制することができる。ここで、窒化アルミニウム粒子の平均粒径は15〜80nmであることが好ましく、20〜60nmであることがより好ましい。 By setting the average particle size of the aluminum nitride particles to 10 nm or more, it is possible to effectively suppress the structural change when the bonded layer is kept at a high temperature. Further, by setting the average particle size of the aluminum nitride particles to 100 nm or less, it is possible to suppress a decrease in the denseness and strength of the bonding layer due to the dispersion of the aluminum nitride particles. Here, the average particle size of the aluminum nitride particles is preferably 15 to 80 nm, more preferably 20 to 60 nm.

また、窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4〜1.8質量%とすること、が好ましい。窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4質量%以上とすることで、接合層の高温安定性付与に十分な数の窒化アルミニウム粒子を分散させることができる。また、窒化アルミニウム粒子の含有量を1.8質量%以下とすることで、窒化アルミニウム粒子の分散による接合層の緻密性や強度の低下を抑制することができる。ここで、窒化アルミニウム粒子の含有量は0.7〜1.3質量%とすることが好ましく、0.9〜1.1質量%とすることがより好ましい。 Further, it is preferable that the content of the aluminum nitride particles is 0.4 to 1.8% by mass. By setting the content of the aluminum nitride particles to 0.4% by mass or more, a sufficient number of aluminum nitride particles can be dispersed to impart high temperature stability to the bonding layer. Further, by setting the content of the aluminum nitride particles to 1.8% by mass or less, it is possible to suppress a decrease in the denseness and strength of the bonding layer due to the dispersion of the aluminum nitride particles. Here, the content of the aluminum nitride particles is preferably 0.7 to 1.3% by mass, more preferably 0.9 to 1.1% by mass.

(1−3)球状セラミックス粒子(スペーサー粒子)
必要に応じて、球状セラミックス粒子を含有させることで接合層の厚さを容易に制御することができる。球状セラミックス粒子の平均粒径は10〜100μmとすることが好ましく、20〜90μmとすることがより好ましく、30〜80μmとすることが最も好ましい。また、球状セラミックス粒子の含有量は0.001〜0.1質量%とすることが好ましく、0.002〜0.01質量%とすることがより好ましい。球状セラミックス粒子には、例えば、シリカ粒子等を用いることができる。
(1-3) Spherical ceramic particles (spacer particles)
If necessary, the thickness of the bonding layer can be easily controlled by containing spherical ceramic particles. The average particle size of the spherical ceramic particles is preferably 10 to 100 μm, more preferably 20 to 90 μm, and most preferably 30 to 80 μm. The content of the spherical ceramic particles is preferably 0.001 to 0.1% by mass, more preferably 0.002 to 0.01% by mass. For the spherical ceramic particles, for example, silica particles or the like can be used.

(1−4)その他
本実施形態の接合用組成物に用いる有機溶媒は、本発明の効果を損なわない範囲で種々の有機溶媒を用いることができる。有機溶剤としては、例えば、テルペン系溶剤、ケトン系溶剤、アルコール系溶剤、エステル系溶剤、エーテル系溶剤、脂肪族炭化水素系溶剤、芳香族炭化水素系溶剤、セロソルブ系溶剤、カルビトール系溶剤等が挙げられる。より具体的には、ターピネオール、メチルエチルケトン、アセトン、イソプロパノール、ブチルカービトール、デカン、ウンデカン、テトラデカン、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、ジエチルエーテル、ケロシン等の有機溶媒を用いることができる。
(1-4) Others As the organic solvent used in the bonding composition of the present embodiment, various organic solvents can be used as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of the organic solvent include terpene-based solvent, ketone-based solvent, alcohol-based solvent, ester-based solvent, ether-based solvent, aliphatic hydrocarbon-based solvent, aromatic hydrocarbon-based solvent, cellosolve-based solvent, carbitol-based solvent and the like. Can be mentioned. More specifically, organic solvents such as tarpineol, methyl ethyl ketone, acetone, isopropanol, butyl carbitol, decane, undecane, tetradecane, benzene, toluene, hexane, diethyl ether, and kerosine can be used.

本実施形態の接合用組成物には、上記の成分に加えて、本発明の効果を損なわない範囲で、使用目的に応じた適度な粘性、密着性、乾燥性又は印刷性等の機能を付与するために、分散媒や、例えばバインダーとしての役割を果たすオリゴマー成分、樹脂成分、有機溶剤(固形分の一部を溶解又は分散していてよい。)、界面活性剤、増粘剤又は表面張力調整剤等の任意成分を添加してもよい。かかる任意成分としては、特に限定されない。 In addition to the above-mentioned components, the bonding composition of the present embodiment is provided with functions such as appropriate viscosity, adhesion, drying property, and printability according to the purpose of use, as long as the effects of the present invention are not impaired. A dispersion medium, for example, an oligomer component that acts as a binder, a resin component, an organic solvent (a part of the solid content may be dissolved or dispersed), a surfactant, a thickener, or a surface tension. Arbitrary components such as a modifier may be added. The optional component is not particularly limited.

任意成分のうちの分散媒としては、本発明の効果を損なわない範囲で種々のものを使用可能であり、例えば炭化水素及びアルコール等が挙げられる。 As the dispersion medium among the optional components, various ones can be used as long as the effects of the present invention are not impaired, and examples thereof include hydrocarbons and alcohols.

炭化水素としては、脂肪族炭化水素、環状炭化水素及び脂環式炭化水素等が挙げられ、それぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of the hydrocarbon include an aliphatic hydrocarbon, a cyclic hydrocarbon, an alicyclic hydrocarbon and the like, and each of them may be used alone or in combination of two or more.

脂肪族炭化水素としては、例えば、テトラデカン、オクタデカン、ヘプタメチルノナン、テトラメチルペンタデカン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、トリデカン、メチルペンタン、ノルマルパラフィン、イソパラフィン等の飽和又は不飽和脂肪族炭化水素が挙げられる。 Examples of the aliphatic hydrocarbons include saturated or unsaturated aliphatic hydrocarbons such as tetradecane, octadecane, heptamethylnonane, tetramethylpentadecane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, tridecane, methylpentane, normal paraffin, and isoparaffin. Can be mentioned.

環状炭化水素としては、例えば、トルエン、キシレン等が挙げられる。 Examples of the cyclic hydrocarbon include toluene, xylene and the like.

更に、脂環式炭化水素としては、例えば、リモネン、ジペンテン、テルピネン、ターピネン(テルピネンともいう。)、ネソール、シネン、オレンジフレーバー、テルピノレン、ターピノレン(テルピノレンともいう。)、フェランドレン、メンタジエン、テレベン、ジヒドロサイメン、モスレン、イソテルピネン、イソターピネン(イソテルピネンともいう。)、クリトメン、カウツシン、カジェプテン、オイリメン、ピネン、テレビン、メンタン、ピナン、テルペン、シクロヘキサン等が挙げられる。 Further, examples of the alicyclic hydrocarbons include limonene, dipentene, terpinene, tarpinene (also referred to as terpinene), nesole, sinen, orange flavor, terpinene, tarpinolene (also referred to as terpinene), phellandrene, menthadiene, and teleben. Examples thereof include dihydrocymen, moslen, isotelpinene, isotarpinene (also referred to as isotelpinene), critomen, kautsin, kajeptene, oilimen, pinene, televisionn, menthane, pinane, terpene, cyclohexane and the like.

また、アルコールは、OH基を分子構造中に1つ以上含む化合物であり、脂肪族アルコール、環状アルコール及び脂環式アルコールが挙げられ、それぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、OH基の一部は、本発明の効果を損なわない範囲でアセトキシ基等に誘導されていてもよい。 Further, the alcohol is a compound containing one or more OH groups in the molecular structure, and examples thereof include aliphatic alcohols, cyclic alcohols and alicyclic alcohols, which may be used alone or in combination of two or more. May be good. Further, a part of the OH group may be derived to an acetoxy group or the like as long as the effect of the present invention is not impaired.

脂肪族アルコールとしては、例えば、ヘプタノール、オクタノール(1−オクタノール、2−オクタノール、3−オクタノール等)、デカノール(1−デカノール等)、ラウリルアルコール、テトラデシルアルコール、セチルアルコール、2−エチル−1−ヘキサノール、オクタデシルアルコール、ヘキサデセノール、オレイルアルコール等の飽和又は不飽和C6-30脂肪族アルコール等が挙げられる。 Examples of the fatty alcohol include heptanol, octanol (1-octanol, 2-octanol, 3-octanol, etc.), decanol (1-decanol, etc.), lauryl alcohol, tetradecyl alcohol, cetyl alcohol, 2-ethyl-1-. Saturated or unsaturated C 6-30 fatty alcohols such as hexanol, octadecyl alcohol, hexadecenol and oleyl alcohol can be mentioned.

環状アルコールとしては、例えば、クレゾール、オイゲノール等が挙げられる。 Examples of the cyclic alcohol include cresol, eugenol and the like.

更に、脂環式アルコールとしては、例えば、シクロヘキサノール等のシクロアルカノール、テルピネオール(α、β、γ異性体、又はこれらの任意の混合物を含む。)、ジヒドロテルピネオール等のテルペンアルコール(モノテルペンアルコール等)、ジヒドロターピネオール、ミルテノール、ソブレロール、メントール、カルベオール、ペリリルアルコール、ピノカルベオール、ソブレロール、ベルベノール等が挙げられる。 Further, examples of the alicyclic alcohol include cycloalkanol such as cyclohexanol, terpineol (including α, β, γ isomers, or any mixture thereof), terpene alcohol such as dihydroterpineol (monoterpene alcohol and the like). ), Dihydroterpineol, Miltenol, Sobrelol, Menthol, Calveol, Perylyl alcohol, Pinocarbol, Sobrelol, Belbenol and the like.

本実施形態の接合用組成物中に分散媒を含有させる場合の含有量は、粘度などの所望の特性によって調整すれば良く、接合用組成物中の分散媒の含有量は、1〜30質量%であるのが好ましい。分散媒の含有量が1〜30質量%であれば、接合用組成物として使いやすい範囲で粘度を調整する効果を得ることができる。分散媒のより好ましい含有量は1〜20質量%であり、更に好ましい含有量は1〜15質量%である。 When the dispersion medium is contained in the bonding composition of the present embodiment, the content may be adjusted according to desired characteristics such as viscosity, and the content of the dispersion medium in the bonding composition is 1 to 30 mass by mass. % Is preferable. When the content of the dispersion medium is 1 to 30% by mass, the effect of adjusting the viscosity can be obtained within a range that is easy to use as a bonding composition. The more preferable content of the dispersion medium is 1 to 20% by mass, and the more preferable content is 1 to 15% by mass.

樹脂成分としては、例えば、ポリエステル系樹脂、ブロックドイソシアネート等のポリウレタン系樹脂、ポリアクリレート系樹脂、ポリアクリルアミド系樹脂、ポリエーテル系樹脂、メラミン系樹脂又はテルペン系樹脂等を挙げることができ、これらはそれぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of the resin component include polyester-based resins, polyurethane-based resins such as blocked isocyanate, polyacrylate-based resins, polyacrylamide-based resins, polyether-based resins, melamine-based resins, terpene-based resins, and the like. May be used alone or in combination of two or more.

有機溶剤としては、上記の分散媒として挙げられたものを除き、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、1,3−プロパンジオール、1,2−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,2,6−ヘキサントリオール、1−エトキシ−2−プロパノール、2−ブトキシエタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、重量平均分子量が200以上1,000以下の範囲内であるポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、重量平均分子量が300以上1,000以下の範囲内であるポリプロピレングリコール、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、グリセリン又はアセトン等が挙げられ、これらはそれぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of the organic solvent include those listed as the above-mentioned dispersion mediums, such as methyl alcohol, ethyl alcohol, n-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, 1,3-propanediol, 1,2-propanediol, and 1 , 4-Butanediol, 1,2,6-hexanetriol, 1-ethoxy-2-propanol, 2-butoxyethanol, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, weight average molecular weight in the range of 200 or more and 1,000 or less Polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, polypropylene glycol having a weight average molecular weight in the range of 300 or more and 1,000 or less, N, N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N-methyl-2- Examples thereof include pyrrolidone, N, N-dimethylacetamide, glycerin, acetone and the like, and these may be used alone or in combination of two or more.

増粘剤としては、例えば、クレイ、ベントナイト又はヘクトライト等の粘土鉱物、例えば、ポリエステル系エマルジョン樹脂、アクリル系エマルジョン樹脂、ポリウレタン系エマルジョン樹脂又はブロックドイソシアネート等のエマルジョン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のセルロース誘導体、キサンタンガム又はグアーガム等の多糖類等が挙げられ、これらはそれぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of the thickener include clay minerals such as clay, bentonite or hectrite, for example, emulsions such as polyester emulsion resin, acrylic emulsion resin, polyurethane emulsion resin or blocked isocyanate, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose and hydroxyethyl cellulose. , Hydroxypropyl cellulose, cellulose derivatives such as hydroxypropylmethyl cellulose, polysaccharides such as xanthan gum or guar gum, etc., and these may be used alone or in combination of two or more.

また、上記有機成分とは異なる界面活性剤を添加してもよい。多成分溶媒系の金属コロイド分散液においては、乾燥時の揮発速度の違いによる被膜表面の荒れ及び固形分の偏りが生じ易い。本実施形態の接合用組成物に界面活性剤を添加することによってこれらの不利益を抑制し、均一な導電性被膜を形成することができる接合用組成物が得られる。 Further, a surfactant different from the above organic component may be added. In a multi-component solvent-based metal colloidal dispersion, the surface of the coating film is likely to be roughened and the solid content is uneven due to the difference in the volatilization rate during drying. By adding a surfactant to the bonding composition of the present embodiment, these disadvantages can be suppressed, and a bonding composition capable of forming a uniform conductive film can be obtained.

本実施形態において用いることのできる界面活性剤としては、特に限定されず、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤の何れを用いることができ、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸塩、4級アンモニウム塩等が挙げられる。少量の添加量で効果が得られるので、フッ素系界面活性剤が好ましい。 The surfactant that can be used in the present embodiment is not particularly limited, and any of anionic surfactant, cationic surfactant, and nonionic surfactant can be used, for example, an alkylbenzene sulfonate. Quaternary ammonium salt and the like can be mentioned. A fluorosurfactant is preferable because the effect can be obtained with a small amount of addition.

なお、有機成分量を所定の範囲に調整する方法は、加熱を行って調整するのが簡便である。また、導電粉を作製する際に添加する有機成分の量を調整することで行ってもよい。加熱はオーブンやエバポレーターなどで行うことができ、減圧下で行ってもよい。常圧下で行う場合は、大気中でも不活性雰囲気中でも行うことができる。更に、有機成分量の微調整のために、アミン(及びカルボン酸)を後で加えることもできる。 As a method for adjusting the amount of the organic component within a predetermined range, it is convenient to adjust by heating. Further, it may be carried out by adjusting the amount of the organic component added when producing the conductive powder. Heating can be performed in an oven, an evaporator, or the like, and may be performed under reduced pressure. When it is carried out under normal pressure, it can be carried out in the atmosphere or in an inert atmosphere. In addition, amines (and carboxylic acids) can be added later for fine-tuning the amount of organic constituents.

本実施形態の接合用組成物の粘度は、固形分の濃度は本発明の効果を損なわない範囲で適宜調整すればよいが、例えば0.01〜5000Pa・Sの粘度範囲であればよく、0.1〜1000Pa・Sの粘度範囲がより好ましく、1〜100Pa・Sの粘度範囲であることが特に好ましい。当該粘度範囲とすることにより、被接合材に接合用組成物を塗布する方法として幅広い方法を適用することができる。 The viscosity of the bonding composition of the present embodiment may be appropriately adjusted as long as the solid content concentration does not impair the effect of the present invention, but may be, for example, a viscosity range of 0.01 to 5000 Pa · S, and is 0. A viscosity range of 1 to 1000 Pa · S is more preferable, and a viscosity range of 1 to 100 Pa · S is particularly preferable. Within the viscosity range, a wide range of methods can be applied as a method for applying the bonding composition to the material to be bonded.

粘度の調整は、導電粉の粒径の調整、有機物の含有量の調整、分散媒その他の成分の添加量の調整、各成分の配合比の調整、増粘剤の添加等によって行うことができる。金属接合用組成物の粘度は、例えば、コーンプレート型粘度計(例えばアントンパール社製のレオメーターMCR301)により測定することができる。 The viscosity can be adjusted by adjusting the particle size of the conductive powder, adjusting the content of organic substances, adjusting the amount of dispersion medium and other components added, adjusting the blending ratio of each component, adding a thickener, and the like. .. The viscosity of the composition for metal bonding can be measured, for example, with a cone plate type viscometer (for example, a rheometer MCR301 manufactured by Anton Pearl Co., Ltd.).

本発明の接合方法で用いる接合用組成物は、上述の導電粉、窒化アルミニウム粒子及び有機溶媒等を従来公知の種々の方法で均一に混合することにより得ることができる。なお、混合方法は、乾式混合であっても良いし、溶媒等を用いて湿式混合を実施しても良い。 The bonding composition used in the bonding method of the present invention can be obtained by uniformly mixing the above-mentioned conductive powder, aluminum nitride particles, organic solvent and the like by various conventionally known methods. The mixing method may be dry mixing or wet mixing using a solvent or the like.

(2)接合方法
本実施形態の接合用組成物を用いれば、加熱を伴う部材同士の接合において高い接合強度を得ることができる。即ち、上記接合用組成物を第1の被接合部材と第2の被接合部材との間に塗布する接合用組成物塗布工程と、第1の被接合部材と第2の被接合部材との間に塗布した接合用組成物を、所望の温度(例えば350℃以下、好ましくは150〜300℃)で焼成して接合する接合工程と、により、第1の被接合部材と第2の被接合部材とを接合することができる。また、焼成を行う際、段階的に温度を上げたり下げたりすることもできる。また、予め被接合部材表面に界面活性剤又は表面活性化剤等を塗布しておくことも可能である。
(2) Bonding Method By using the bonding composition of the present embodiment, high bonding strength can be obtained in bonding members that are heated. That is, the bonding composition application step of applying the bonding composition between the first bonded member and the second bonded member, and the first bonded member and the second bonded member. By a joining step of firing and joining the bonding composition applied between them at a desired temperature (for example, 350 ° C. or lower, preferably 150 to 300 ° C.), the first bonded member and the second bonded member are bonded. It can be joined to a member. Further, when firing, the temperature can be raised or lowered step by step. It is also possible to apply a surfactant, a surface activator, or the like to the surface of the member to be joined in advance.

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、前記接合用組成物塗布工程での接合用組成物として、上述した本実施形態の接合用組成物を用いれば、第1の被接合部材と第2の被接合部材とを、高い接合強度をもってより確実に接合できる(接合体が得られる)ことに加え、接合後に得られる接合層に高い熱安定性を付与できることを見出した。 As a result of repeated diligent studies, the present inventor can use the above-mentioned bonding composition of the present embodiment as the bonding composition in the bonding composition coating step to obtain the first member to be bonded and the second member. It has been found that, in addition to being able to more reliably join the members to be joined with high bonding strength (a bonded body can be obtained), it is possible to impart high thermal stability to the bonded layer obtained after bonding.

ここで、本実施形態の接合用組成物の「塗布」とは、接合用組成物を面状に塗布する場合も線状に塗布(描画)する場合も含む概念である。塗布されて、加熱により焼成される前の状態の接合用組成物からなる塗膜の形状は、所望する形状にすることが可能である。したがって、加熱による焼成後の本実施形態の接合体では、接合用組成物は、面状の接合層及び線状の接合層のいずれも含む概念であり、これら面状の接合層及び線状の接合層は、連続していても不連続であってもよく、連続する部分と不連続の部分とを含んでいてもよい。 Here, the "coating" of the bonding composition of the present embodiment is a concept including both the case where the bonding composition is applied in a planar shape and the case where the bonding composition is applied (drawn) in a linear shape. The shape of the coating film made of the bonding composition in a state before being applied and fired by heating can be a desired shape. Therefore, in the bonded body of the present embodiment after firing by heating, the bonding composition is a concept including both a planar bonding layer and a linear bonding layer, and these planar bonding layers and linear bonding layers are included. The bonding layer may be continuous or discontinuous, and may include continuous portions and discontinuous portions.

本実施形態において用いることのできる第1の被接合部材及び第2の被接合部材としては、接合用組成物を塗布して加熱により焼成して接合することのできるものであればよく、特に制限はないが、接合時の温度により損傷しない程度の耐熱性を具備した部材であるのが好ましい。 The first member to be joined and the second member to be joined that can be used in the present embodiment are particularly limited as long as they can be joined by applying a bonding composition and firing by heating. However, it is preferable that the member has heat resistance to the extent that it is not damaged by the temperature at the time of joining.

このような被接合部材を構成する材料としては、例えば、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル、ポリカーボネート(PC)、ポリエーテルスルホン(PES)、ビニル樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマー、セラミクス、ガラス又は金属等を挙げることができるが、なかでも、金属製の被接合部材が好ましい。金属製の被接合部材が好ましいのは、耐熱性に優れているとともに、無機粒子が金属である本発明の接合用組成物との親和性に優れているからである。 Examples of the material constituting such a member to be joined include polyamide (PA), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), and polyethylene naphthalate (PEN). Examples thereof include polyester, polycarbonate (PC), polyether sulfone (PES), vinyl resin, fluororesin, liquid crystal polymer, ceramics, glass, metal and the like, and among them, a metal bonded member is preferable. The metal to be joined member is preferable because it has excellent heat resistance and has an excellent affinity with the bonding composition of the present invention in which the inorganic particles are metal.

また、被接合部材は、例えば板状又はストリップ状等の種々の形状であってよく、リジッドでもフレキシブルでもよい。基材の厚さも適宜選択することができる。接着性若しくは密着性の向上又はその他の目的ために、表面層が形成された部材や親水化処理等の表面処理を施した部材を用いてもよい。 Further, the member to be joined may have various shapes such as a plate shape or a strip shape, and may be rigid or flexible. The thickness of the base material can also be appropriately selected. For the purpose of improving adhesiveness or adhesion, or for other purposes, a member having a surface layer formed therein or a member having undergone a surface treatment such as a hydrophilization treatment may be used.

接合用組成物を被接合部材に塗布する工程では、種々の方法を用いることが可能であるが、上述のように、例えば、ディッピング、スクリーン印刷、スプレー式、バーコート式、スピンコート式、インクジェット式、ディスペンサー式、ピントランスファー法、刷毛による塗布方式、流延式、フレキソ式、グラビア式、又はシリンジ式等のなかから適宜選択して用いることができる。 Various methods can be used in the step of applying the bonding composition to the member to be bonded. As described above, for example, dipping, screen printing, spraying, bar coating, spin coating, and inkjet. It can be appropriately selected and used from a type, a dispenser type, a pin transfer method, a brush coating method, a casting type, a flexographic type, a gravure type, a syringe type and the like.

上記のように塗布した後の塗膜を、被接合部材を損傷させない範囲で、例えば350℃以下の温度に加熱することにより焼成し、本実施形態の接合体を得ることができる。本実施形態においては、先に述べたように、本実施形態の接合用組成物を用いるため、被接合部材に対して優れた密着性を有する接合層が得られ、強い接合強度がより確実に得られる。 The coating film after being applied as described above can be fired by heating to a temperature of, for example, 350 ° C. or lower within a range that does not damage the member to be joined, to obtain the bonded body of the present embodiment. In the present embodiment, as described above, since the bonding composition of the present embodiment is used, a bonding layer having excellent adhesion to the member to be bonded can be obtained, and strong bonding strength can be more reliably obtained. can get.

本実施形態においては、接合用組成物がバインダー成分を含む場合は、接合層の強度向上及び被接合部材間の接合強度向上等の観点から、バインダー成分も焼結することになるが、場合によっては、各種印刷法へ適用するために接合用組成物の粘度を調整することをバインダー成分の主目的として、焼成条件を制御してバインダー成分を全て除去してもよい。 In the present embodiment, when the bonding composition contains a binder component, the binder component is also sintered from the viewpoint of improving the strength of the bonding layer and the bonding strength between the members to be bonded, but in some cases, the binder component is also sintered. May remove all the binder components by controlling the firing conditions, with the main purpose of adjusting the viscosity of the bonding composition for application to various printing methods.

上記焼成を行う方法は特に限定されるものではなく、例えば従来公知のオーブン等を用いて、被接合部材上に塗布又は描画した上記接合用組成物の温度が、例えば350℃以下となるように焼成することによって接合することができる。上記焼成の温度の下限は必ずしも限定されず、被接合部材同士を接合できる温度であって、かつ、本発明の効果を損なわない範囲の温度であることが好ましい。ここで、上記焼成後の接合用組成物においては、なるべく高い接合強度を得るという点で、有機物の残存量は少ないほうがよいが、本発明の効果を損なわない範囲で有機物の一部が残存していても構わない。 The method for performing the firing is not particularly limited, and the temperature of the bonding composition coated or drawn on the member to be bonded using, for example, a conventionally known oven is, for example, 350 ° C. or lower. It can be joined by firing. The lower limit of the firing temperature is not always limited, and it is preferable that the temperature is such that the members to be bonded can be bonded to each other and the effect of the present invention is not impaired. Here, in the bonding composition after firing, it is preferable that the residual amount of the organic substance is small in terms of obtaining the bonding strength as high as possible, but a part of the organic substance remains as long as the effect of the present invention is not impaired. It doesn't matter if you do.

なお、本発明の接合方法で用いる接合用組成物には、有機物が含まれているが、従来の例えばエポキシ樹脂等の熱硬化を利用したものと異なり、有機物の作用によって焼成後の接合強度を得るものではなく、前述したように融着した導電粉の融着によって十分な接合強度が得られるものである。このため、接合後において、接合温度よりも高温の使用環境に置かれて残存した有機物が劣化ないし分解・消失した場合であっても、接合強度の低下するおそれはなく、したがって耐熱性に優れている。 The bonding composition used in the bonding method of the present invention contains an organic substance, but unlike the conventional one using thermosetting such as an epoxy resin, the bonding strength after firing is increased by the action of the organic substance. Sufficient bonding strength can be obtained by fusing the fused conductive powder as described above. Therefore, even if the organic matter that remains after being placed in a usage environment higher than the joining temperature deteriorates, decomposes, or disappears after joining, there is no risk of the joining strength decreasing, and therefore the heat resistance is excellent. There is.

本発明の接合方法で用いる接合用組成物によれば、例えば150〜250℃程度の低温加熱による焼成でも高い導電性を発現する接合層を有する接合を実現することができるため、比較的熱に弱い被接合部材同士を接合することができる。また、焼成時間は特に限定されるものではなく、焼成温度に応じて、接合できる焼成時間であればよい。 According to the bonding composition used in the bonding method of the present invention, it is possible to realize a bonding having a bonding layer that exhibits high conductivity even by firing by heating at a low temperature of, for example, about 150 to 250 ° C. Weak members to be joined can be joined to each other. Further, the firing time is not particularly limited, and any firing time may be used as long as it can be bonded according to the firing temperature.

本実施形態においては、上記被接合部材と接合層との密着性を更に高めるため、上記被接合部材の表面処理を行ってもよい。上記表面処理方法としては、例えば、コロナ処理、プラズマ処理、UV処理、電子線処理等のドライ処理を行う方法、基材上にあらかじめプライマー層や導電性ペースト受容層を設ける方法等が挙げられる。 In the present embodiment, in order to further enhance the adhesion between the bonded member and the bonded layer, the surface treatment of the bonded member may be performed. Examples of the surface treatment method include a method of performing a dry treatment such as corona treatment, plasma treatment, UV treatment, and electron beam treatment, and a method of providing a primer layer and a conductive paste receiving layer on a substrate in advance.

接合工程の雰囲気は特に制限されず、大気中、不活性ガス雰囲気下、減圧下等で行うことができる。 The atmosphere of the joining step is not particularly limited, and the bonding process can be performed in the atmosphere, under an inert gas atmosphere, under reduced pressure, or the like.

2.接合体
本発明の接合体は、一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合された接合体であって、 一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合層を介して冶金的に接合され、接合層は、金属粒子と、窒化アルミニウム粒子と、を含み、金属粒子は、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、当該核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀粒子であり、窒化アルミニウム粒子の平均粒径は10〜100nmであり、接合層における窒化アルミニウム粒子の含有量が0.4〜1.8質量%であること、を特徴とするものである。
2. 2. Joined body The joined body of the present invention is a joined body in which one joined member and the other joined member are joined, and one joined member and the other joined member are metallized via a joining layer. The bonded layer contains metal particles and aluminum nitride particles, and the metal particles are a nuclear material for crystal-growing silver as a conductive material inside, and the metal particles are used as the nuclear material. Silver particles containing metal-based particles or ceramic-based particles, the average particle size of the aluminum nitride particles is 10 to 100 nm, and the content of the aluminum nitride particles in the bonding layer is 0.4 to 1.8% by mass. It is characterized by being.

主として銀粒子の焼結によって形成された接合層には、平均粒径が10〜100nmの窒化アルミニウム粒子が分散されており、当該窒化アルミニウム粒子の含有量が0.4〜1.8質量%であっても均一分散が達成されていることから、接合層は優れた熱安定性を有している。ここで、「窒化アルミニウム粒子が均一分散されている」状態を直接的かつ定量的に規定することは困難であるが、例えば、300℃で500時間の高温放置により接合層中の空隙率が10%以上に増加しないことで確認することができる。 Aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm are dispersed in the bonding layer formed mainly by sintering silver particles, and the content of the aluminum nitride particles is 0.4 to 1.8% by mass. Even if there is, the bonded layer has excellent thermal stability because uniform dispersion is achieved. Here, it is difficult to directly and quantitatively define the state in which the "aluminum nitride particles are uniformly dispersed", but for example, the porosity in the bonding layer is 10 after being left at a high temperature of 300 ° C. for 500 hours. It can be confirmed by not increasing more than%.

窒化アルミニウム粒子の平均粒径は15〜80nmであることが好ましく、20〜60nmであることがより好ましい。また、窒化アルミニウム粒子の含有量は0.7〜1.3質量%とすることが好ましく、0.9〜1.1質量%とすることがより好ましい。 The average particle size of the aluminum nitride particles is preferably 15 to 80 nm, more preferably 20 to 60 nm. The content of the aluminum nitride particles is preferably 0.7 to 1.3% by mass, more preferably 0.9 to 1.1% by mass.

図1に、本発明の接合用組成物及び接合体において、窒化アルミニウム粒子が均一分散し、接合層が優れた熱安定性を示す機構を模式的に示す。接合用組成物の大部分を占める導電粉は表面に凸部と凹部を有するマイクロ粒子であり、10〜100nmの微細な窒化アルミニウム粒子は導電粉の凹部にトラップされることで、均一分散が極めて効率的に達成される。また、主として導電粉の凸部同士の接触によって焼結(緻密化)が進行する一方で、窒化アルミニウム粒子の分散によって導電粉の本体同士の接触は抑制されるため、高温下における物質移動が抑制され、良好な熱安定性を得ることができる。 FIG. 1 schematically shows a mechanism in which aluminum nitride particles are uniformly dispersed and the bonding layer exhibits excellent thermal stability in the bonding composition and bonded body of the present invention. The conductive powder that occupies most of the bonding composition is microparticles having convex portions and concave portions on the surface, and fine aluminum nitride particles having a diameter of 10 to 100 nm are trapped in the concave portions of the conductive powder, so that uniform dispersion is extremely high. Achieved efficiently. In addition, while sintering (densification) proceeds mainly by contact between the convex portions of the conductive powder, contact between the main bodies of the conductive powder is suppressed by the dispersion of the aluminum nitride particles, so that mass transfer at high temperatures is suppressed. And good thermal stability can be obtained.

また、主として接合層を形成する銀粒子の内部に、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでおり、これらの粒子も接合層の熱安定性向上に寄与している。特に、銀粒子の内部にセラミック系粒子を含む場合は、当該効果が顕著である。 Further, metal-based particles or ceramic-based particles are mainly contained inside the silver particles forming the bonding layer, and these particles also contribute to the improvement of the thermal stability of the bonding layer. In particular, when ceramic particles are contained inside the silver particles, the effect is remarkable.

また、接合体においては、接合層の断面観察によって測定される空隙のサイズに関して、面積が0.2μm2以下となる空隙数の割合が、全ての空隙数に対して90%以上となること、が好ましい。接合層において粗大な空隙の形成を抑制することで、良好な機械的性質及び熱安定性を実現している。ここで、各面積を有する空隙の割合は、例えば、断面SEM観察像に対する画像解析で容易に求めることができる。 Further, in the bonded body, the ratio of the number of voids having an area of 0.2 μm 2 or less to the total number of voids is 90% or more with respect to the size of the voids measured by observing the cross section of the bonded layer. Is preferable. By suppressing the formation of coarse voids in the bonded layer, good mechanical properties and thermal stability are realized. Here, the ratio of the voids having each area can be easily obtained by, for example, image analysis of the cross-sectional SEM observation image.

また、接合層に、平均粒径が10〜100μmの球状セラミックス粒子が0.001〜0.1質量%含まれること、が好ましい。平均粒径が10〜100μmの球状セラミックス粒子はスペーサーとして機能し、接合層厚さの均質化することができる。球状セラミックス粒子の平均粒径は20〜90μmとすることが好ましく、30〜80μmとすることがより好ましい。また、球状セラミックス粒子の含有量は0.002〜0.01質量%とすることがより好ましい。球状セラミックス粒子には、例えば、シリカ粒子等とすることができる。 Further, it is preferable that the bonding layer contains 0.001 to 0.1% by mass of spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm. Spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm function as spacers and can homogenize the thickness of the bonding layer. The average particle size of the spherical ceramic particles is preferably 20 to 90 μm, more preferably 30 to 80 μm. Further, the content of the spherical ceramic particles is more preferably 0.002 to 0.01% by mass. The spherical ceramic particles can be, for example, silica particles or the like.

また、接合層の空隙率は10%以下であり、300℃で500時間の高温放置により当該空隙率が10%以上に増加しないことが好ましい。接合層が緻密であると共に、高温での長時間保持によって空隙率が10%以上に増加しないことで、例えば、300℃以上の高温条件で高い性能を示す半導体材料が使用されている半導体チップと基板との間を接合した接合体として、好適に用いることができる。 Further, the porosity of the bonding layer is 10% or less, and it is preferable that the porosity does not increase to 10% or more by leaving at a high temperature of 300 ° C. for 500 hours. With a semiconductor chip that uses a semiconductor material that exhibits high performance under high temperature conditions of 300 ° C or higher, for example, because the bonding layer is dense and the porosity does not increase to 10% or more due to long-term holding at high temperatures. It can be suitably used as a bonded body bonded to and from a substrate.

更に、本発明の接合体においては、前記接合層のせん断強度が40MPa以上であり、300℃で500時間の高温放置後の前記接合層のせん断強度が30MPa以上であること、が好ましい。接合層がこれらのせん断強度を有すると共に、高温での長時間保持後も高いせん断強度を維持することで、例えば、300℃以上の高温条件で高い性能を示す半導体材料が使用されている半導体チップと基板との間を接合した接合体として、好適に用いることができる。 Further, in the bonded body of the present invention, it is preferable that the shear strength of the bonded layer is 40 MPa or more, and the shear strength of the bonded layer after being left at a high temperature of 300 ° C. for 500 hours is 30 MPa or more. A semiconductor chip in which a semiconductor material that exhibits high performance under high temperature conditions of, for example, 300 ° C. or higher is used because the bonding layer has these shear strengths and maintains high shear strength even after being held at high temperature for a long time. It can be suitably used as a bonded body in which the substrate is bonded to the substrate.

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、導電粉としてマイクロサイズ銀粒子のみを使用した場合について説明したが、例えば、接合用組成物にナノ粒子等を適宜添加して使用することもできる。 Although the typical embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these. For example, in the above embodiment, the case where only micro-sized silver particles are used as the conductive powder has been described, but for example, nanoparticles and the like can be appropriately added to the bonding composition for use.

以下、実施例において本発明の接合方法及び接合体について更に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the joining method and the joined body of the present invention will be further described in Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

≪実施例1≫
化研テック株式会社製の微細な突起を有する銀粒子の含有率が80質量%の銀粒子ペーストを5.94g、窒化アルミニウム粒子を0.06g及び有機溶剤を混合し、窒化アルミニウム粒子を1質量%含有する銀ペーストを6.0g作製した。また、当該銀ペーストに粒径約50μmのシリカ粒子(宇部エクシモ株式会社製,ハイプレシカTS)の含有量が約0.05質量%となるように添加して、接合用組成物とした。
<< Example 1 >>
Kaken Tech Co., Ltd. mixed 5.94 g of silver particle paste with 80% by mass of silver particles with fine protrusions, 0.06 g of aluminum nitride particles and an organic solvent, and 1 mass of aluminum nitride particles. A silver paste containing% was prepared in an amount of 6.0 g. Further, silica particles having a particle size of about 50 μm (High Presica TS manufactured by Ube Exsymo Co., Ltd.) were added to the silver paste so as to have a content of about 0.05% by mass to prepare a bonding composition.

図2にマイクロサイズ銀粒子のSEM写真、図3に窒化アルミニウム粒子のSEM写真、図4にシリカ粒子の光学顕微鏡写真をそれぞれ示す。銀粒子の平均粒径は約3μmであり、放射状に伸びた微細な突起部と中心部に結晶成長させるための核物質とを含むような独特な形状をしていることが確認できる。また、窒化アルミニウム粒子の粒径は1μm以下となっており、平均粒径は60nmである。また、シリカ粒子は比較的均一なサイズを有する球状粒子となっている。 FIG. 2 shows an SEM photograph of micro-sized silver particles, FIG. 3 shows an SEM photograph of aluminum nitride particles, and FIG. 4 shows an optical micrograph of silica particles. The average particle size of the silver particles is about 3 μm, and it can be confirmed that the silver particles have a unique shape including fine protrusions extending radially and a nuclear material for crystal growth in the central portion. The particle size of the aluminum nitride particles is 1 μm or less, and the average particle size is 60 nm. Further, the silica particles are spherical particles having a relatively uniform size.

接合試験に用いた無酸素銅からなる接合試験片の形状を図5に示す。接合試験片はディスク状であり、小さい方の接合試験片はφ3mm×高さ2mm、大きい方の接合試験片はφ10mm×高さ5mmである。なお、接合試験片の表面には約0.6μmのAu層と約3μmのNi層がこの順番で形成されている。大きい方の円板試験片の接合面に接合用組成物を一定量塗布し、小さい方の試験片を重ねて軽く圧しつけながら接合用組成物が接合面全体に広がるように接合試験片を調整した。ここで、接合用組成物の塗布には厚さ100μm、孔径5mmのメタルマスクを用い、塗布したペーストの厚さが均一になるようにした。 FIG. 5 shows the shape of the bonding test piece made of oxygen-free copper used in the bonding test. The joining test piece has a disk shape, the smaller joining test piece has a diameter of 3 mm × a height of 2 mm, and the larger joining test piece has a diameter of 10 mm × a height of 5 mm. An Au layer of about 0.6 μm and a Ni layer of about 3 μm are formed on the surface of the bonding test piece in this order. Apply a certain amount of the bonding composition to the bonding surface of the larger disk test piece, and adjust the bonding test piece so that the bonding composition spreads over the entire bonding surface while stacking the smaller test pieces and lightly pressing them. did. Here, a metal mask having a thickness of 100 μm and a pore diameter of 5 mm was used to apply the bonding composition so that the thickness of the applied paste was uniform.

その後、接合試験片の上に5mm×5mmの大きさに切断した厚さ1mmのグラファイトシート(東洋炭素株式会社製,PF−100)を静置した後、大面積加圧加熱装置(アユミ工業株式会社製,RB−100D)を用いて4個の接合体を同時に作製した。ここで、昇温温度は1℃/秒とし、加熱を伴う全ての工程は窒素雰囲気下で行った。加圧は最高到達温度(接合温度)である300℃に到達後に開始し、加圧力は30MPaとした。その後、300℃で10分間保持し、銀粒子を焼結させることで実施接合体を得た。加圧加熱終了後、接合体は接合装置内で窒素雰囲気のまま30分間放置し、室温まで冷却した。 After that, a graphite sheet with a thickness of 1 mm (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., PF-100) cut into a size of 5 mm × 5 mm was allowed to stand on the bonding test piece, and then a large-area pressure heating device (Ayumi Kogyo Co., Ltd.) was placed. Four joints were simultaneously produced using RB-100D) manufactured by the company. Here, the temperature rise was set to 1 ° C./sec, and all the steps involving heating were performed in a nitrogen atmosphere. Pressurization was started after reaching the maximum ultimate temperature (joining temperature) of 300 ° C., and the pressing force was 30 MPa. Then, it was held at 300 ° C. for 10 minutes, and the silver particles were sintered to obtain an implemented bonded body. After the completion of pressurization and heating, the bonded body was left in a nitrogen atmosphere for 30 minutes in the bonding device and cooled to room temperature.

得られた接合体に対し、精密恒温機(株式会社東洋製作所製,FH−360)を用いて、300℃、大気中での高温放置試験を行った。高温放置の時間は72時間、168時間、504時間、1008時間とした。 The obtained bonded body was subjected to a high temperature standing test at 300 ° C. in the atmosphere using a precision thermostat (FH-360, manufactured by Toyo Engineering Works, Ltd.). The time of leaving at high temperature was 72 hours, 168 hours, 504 hours, and 1008 hours.

高温放置後、樹脂包埋した接合体を切断及び研磨し、イオンミリングとコーティング処理を施すことによって断面観察用試料を作製し、走査電子顕微鏡(SEM:株式会社日立ハイテクノロジーズ社製,SU−70)を用いて接合層中央部付近の断面観察を行った。 After leaving at high temperature, the resin-embedded bonded body is cut and polished, and a sample for cross-section observation is prepared by applying ion milling and coating treatment. Scanning electron microscope (SEM: Hitachi High-Technologies Corporation, SU-70) ) Was used to observe the cross section near the center of the joint layer.

また、画像解析ソフト(ImageJ)を用いて観察画像の解析を行い、接合層の空隙率、平均空隙サイズ、空隙数及び空隙分布を算出した。ここで、空隙率は、観察画像内の接合層中に存在する空隙の面積割合、平均空隙サイズは観察画像内に検出された空隙の平均面積、空隙数は観察画像内に確認された空隙の個数とした。また、画像解析に用いた観察画像は幅が約120μmの範囲とし、同一条件で得られた異なる3つの接合体の接合層を観察して、最も平均的なものを観察結果とした。 In addition, the observation image was analyzed using image analysis software (ImageJ), and the porosity, average void size, number of voids, and void distribution of the bonding layer were calculated. Here, the void ratio is the area ratio of the voids existing in the bonding layer in the observation image, the average void size is the average area of the voids detected in the observation image, and the number of voids is the voids confirmed in the observation image. The number was taken. The observation image used for the image analysis had a width in the range of about 120 μm, and the joint layers of three different joints obtained under the same conditions were observed, and the most average one was taken as the observation result.

更に、接合体の接合強度を評価するために、継手強度試験機(株式会社レスカ製,STR−1001)を用いてせん断試験を行った。高温放置試験前後の接合体をステージに設置し、せん断速度1.0mm/分、せん断高さ200μmで接合体の上部にせん断荷重を印加し、破断時の最大荷重を接合部の面積で除したものを接合強度とした。各処理条件に対して4つの接合体の接合強度を測定し、その平均を当該処理条件における接合強度とした。 Further, in order to evaluate the joint strength of the joint body, a shear test was performed using a joint strength tester (manufactured by Reska Co., Ltd., STR-1001). The joints before and after the high temperature standing test were installed on the stage, a shear load was applied to the upper part of the joint at a shear rate of 1.0 mm / min and a shear height of 200 μm, and the maximum load at the time of fracture was divided by the area of the joint. The one was used as the joint strength. The joint strengths of the four joints were measured for each treatment condition, and the average thereof was taken as the joint strength under the treatment conditions.

≪実施例2≫
接合用組成物の特性に及ぼす窒化アルミニウム粒子含有量の影響を確認するために、接合用組成物の窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4〜2.0質量%の範囲で変化させたこと以外は実施例1と同様にして、接合用組成物を得た。また、実施例1と同様にして接合体を作製し、せん断試験によって接合強度を評価した。
<< Example 2 >>
Except that the content of the aluminum nitride particles in the bonding composition was changed in the range of 0.4 to 2.0% by mass in order to confirm the effect of the aluminum nitride particle content on the characteristics of the bonding composition. Obtained a bonding composition in the same manner as in Example 1. Further, a bonded body was prepared in the same manner as in Example 1, and the bonded strength was evaluated by a shear test.

≪比較例1≫
接合用組成物に窒化アルミニウム粒子を添加しなかったこと以外は実施例1と同様にして、比較接合体を得た。また、実施例1と同様にして高温放置試験及び各種評価を行った。
<< Comparative Example 1 >>
A comparative bonded body was obtained in the same manner as in Example 1 except that aluminum nitride particles were not added to the bonding composition. In addition, a high temperature standing test and various evaluations were performed in the same manner as in Example 1.

≪比較例2≫
微細な突起を有するマイクロサイズ銀粒子の代わりに銀ナノ粒子を使用したこと以外は実施例1と同様にして、比較接合用組成物を得た。また、窒化アルミニウム粒子を添加しない比較接合用組成物も作製した。
<< Comparative Example 2 >>
A composition for comparative bonding was obtained in the same manner as in Example 1 except that silver nanoparticles were used instead of micro-sized silver particles having fine protrusions. In addition, a composition for comparative bonding to which aluminum nitride particles were not added was also produced.

次に、実施例1と同様にして接合体を作製し、実施例1と同様にして、得られた接合体及び高温暴露後の接合体の接合強度をせん断試験によって評価した。高温暴露は300℃の大気中で行い、暴露時間は168h、504h及び1008hとした。 Next, a joint was prepared in the same manner as in Example 1, and the joint strength of the obtained joint and the joint after high temperature exposure was evaluated by a shear test in the same manner as in Example 1. The high temperature exposure was carried out in the atmosphere at 300 ° C., and the exposure time was 168 h, 504 h and 100 8 h.

実施例1で得られた実施接合体及び比較例1で得られた比較接合体の断面SEM観察像を図6及び図7にそれぞれ示す。また、実施接合体及び比較接合体の接合層の空隙率、平均空隙サイズ及び空隙数を表1に示す。 The cross-sectional SEM observation images of the embodiment joint obtained in Example 1 and the comparative joint obtained in Comparative Example 1 are shown in FIGS. 6 and 7, respectively. Table 1 shows the porosity, the average void size, and the number of voids in the joint layer of the implemented joint and the comparative joint.

Figure 2022001666
Figure 2022001666

図6、図7及び表1において、実施接合体の接合層は緻密であることに加えて優れた熱安定性を示しており、高温放置時間が504時間までは空隙率及び平均空隙サイズが共に増加していない。一方で、比較接合体においては緻密な接合層が形成されているが、高温放置時間の増加に伴い、空隙率及び平均空隙サイズが顕著に増大している。 In FIGS. 6, 7 and 1, the bonding layer of the implemented bonded body shows excellent thermal stability in addition to being dense, and both the porosity and the average void size are shown up to the high temperature standing time of 504 hours. Not increasing. On the other hand, in the comparative bonded body, a dense bonded layer is formed, but the porosity and the average void size are remarkably increased as the high temperature standing time is increased.

実施例1で得られた実施接合体及び比較例1で得られた比較接合体の接合層に形成されている空隙の面積分布を表すヒストグラムを図8及び図9にそれぞれ示す。図8及び図9の各要素は、全体の空隙数に対する対象となる空隙数の割合を、空隙面積0.2μm2毎にサイズ別に示している。実施接合体の接合層に関しては、面積が0.2μm2以下となる空隙数の割合が、全ての空隙数に対して95%となっており、90%以上となっている。一方で、比較接合体の接合層に関しては、当該割合が89%となっている。また、実施接合体の接合層においては、高温放置時間が504時間までは面積が0.2μm2以下となる空隙数の割合が90%以上を維持しているのに対し、比較接合体の接合層においては、高温保持によって当該割合が顕著に減少し、504時間では80%未満となっている。 Histograms showing the area distribution of the voids formed in the junction layer of the embodiment junction obtained in Example 1 and the comparative junction obtained in Comparative Example 1 are shown in FIGS. 8 and 9, respectively. Each element of FIGS. 8 and 9 shows the ratio of the number of target voids to the total number of voids by size for each void area of 0.2 μm 2. Regarding the bonding layer of the implemented bonded body, the ratio of the number of voids having an area of 0.2 μm 2 or less is 95% with respect to the total number of voids, which is 90% or more. On the other hand, regarding the bonding layer of the comparative bonded body, the ratio is 89%. Further, in the bonding layer of the implemented bonded body, the ratio of the number of voids having an area of 0.2 μm 2 or less is maintained at 90% or more until the high temperature standing time is 504 hours, whereas the bonding of the comparative bonded body is maintained. In the layer, the ratio was significantly reduced by holding at high temperature, and it was less than 80% in 504 hours.

なお、図6において、上下端に確認される色の濃い領域は接合試験片(銅)、中央部の白色領域が接合層であり、接合層内に示される濃い灰色で示される領域が窒化アルミニウム粒子の分散領域に対応する。なお、濃い灰色で示される領域に対してSEM−EDS分析を施し、当該領域に窒化アルミニウム粒子が存在することを確認している。窒化アルミニウム粒子は特定の領域に凝集等することなく接合層に均一に分散しており、その結果、高温放置試験における接合層の組織変化が効果的に抑制されている。 In FIG. 6, the dark-colored region confirmed at the upper and lower ends is the bonding test piece (copper), the white region in the center is the bonding layer, and the dark gray region shown in the bonding layer is aluminum nitride. Corresponds to the dispersed region of particles. The region shown in dark gray is subjected to SEM-EDS analysis, and it is confirmed that the aluminum nitride particles are present in the region. The aluminum nitride particles are uniformly dispersed in the bonding layer without agglomerating in a specific region, and as a result, the structural change of the bonding layer in the high temperature standing test is effectively suppressed.

実施例1で得られた実施接合体及び比較例1で得られた比較接合体の接合強度(せん断強度)を表2に示す。なお、接合強度の単位はMPaである。実施接合体は40MPa以上のせん断強度を有しており、300℃で504時間の高温放置後においても30MPa以上のせん断強度を維持している。一方で、比較接合体も40MPa以上のせん断強度を有しているが、高温放置によって急激にせん断強度が低下し、504時間の高温放置後は10MPa程度の値となっている。 Table 2 shows the joint strength (shear strength) of the embodiment joint obtained in Example 1 and the comparative joint obtained in Comparative Example 1. The unit of bonding strength is MPa. The implemented bonded body has a shear strength of 40 MPa or more, and maintains a shear strength of 30 MPa or more even after being left at a high temperature of 300 ° C. for 504 hours. On the other hand, the comparative bonded body also has a shear strength of 40 MPa or more, but the shear strength sharply decreases by being left at a high temperature, and becomes a value of about 10 MPa after being left at a high temperature for 504 hours.

Figure 2022001666
Figure 2022001666

実施例1で得られた実施接合体の接合層断面のSEM観察像及びSEM−EDSで得られたAl元素マッピングを図10に示す。窒化アルミニウム粒子に起因するAlは接合層の全域に均一に存在しており、主としてマイクロ銀粒子の粒子間に分布していることが分かる。 FIG. 10 shows an SEM observation image of a cross section of the bonding layer of the embodiment bonded body obtained in Example 1 and an Al element mapping obtained by SEM-EDS. It can be seen that Al caused by the aluminum nitride particles is uniformly present in the entire area of the bonding layer and is mainly distributed among the particles of the micro silver particles.

FIBを用いて、実施例1で得られた実施接合体の接合層の中央部から厚さ約100nmの観察試料を作製し、TEM及びSTEM−EDS観察を行った。TEM観察像及び当該TEM観察像に対応する元素マッピングを図11に示す。Al元素の分布によって窒化アルミニウム粒子を確認することができ、マイクロ銀粒子の間に窒化アルミニウム粒子が入り込み、マイクロ銀粒子間の接触を抑制していることが分かる。 Using FIB, an observation sample having a thickness of about 100 nm was prepared from the central portion of the junction layer of the embodiment junction obtained in Example 1, and TEM and STEM-EDS observations were performed. The TEM observation image and the element mapping corresponding to the TEM observation image are shown in FIG. The aluminum nitride particles can be confirmed by the distribution of the Al element, and it can be seen that the aluminum nitride particles enter between the micro silver particles and suppress the contact between the micro silver particles.

実施例2で得られた各実施接合体のせん断強度と窒化アルミニウム粒子含有量の関係を図12示す。また、図12には、窒化アルミニウム粒子を添加しない場合の接合体のせん断強度も示している。窒化アルミニウム粒子の添加量が1.8質量%以下の場合は、全ての接合体において25MPa以上の高いせん断強度が得られている。一方で、窒化アルミニウム粒子の添加量が2.0質量%まで増加すると、せん断強度が低下している。また、窒化アルミニウム粒子含有量が1.8質量%以下の各接合用組成物は、良好な塗布性能を有していた。これらの結果より、窒化アルミニウム粒子の添加量を1.8質量%以下とすることで、接合体の高いせん断強度と接合用組成物の良好な塗布性能を担保できることが分かる。 FIG. 12 shows the relationship between the shear strength of each of the embodiments obtained in Example 2 and the aluminum nitride particle content. FIG. 12 also shows the shear strength of the bonded body when the aluminum nitride particles are not added. When the amount of the aluminum nitride particles added is 1.8% by mass or less, a high shear strength of 25 MPa or more is obtained in all the bonded bodies. On the other hand, when the amount of the aluminum nitride particles added increases to 2.0% by mass, the shear strength decreases. Further, each bonding composition having an aluminum nitride particle content of 1.8% by mass or less had good coating performance. From these results, it can be seen that by setting the addition amount of the aluminum nitride particles to 1.8% by mass or less, high shear strength of the bonded body and good coating performance of the bonding composition can be ensured.

比較例2で得られた接合体及び高温暴露後の接合体の接合強度を図13に示す。導電材料として銀ナノ粒子を用いた場合は、窒化アルミニウム粒子を添加することによって接合強度が低下しており、高温暴露後も窒化アルミニウム粒子を添加した場合と比較して、低いせん断強度となっている。また、表2に示すとおり、実施例1で得られた実施接合体においては、300℃で504時間の高温放置による平均せん断強度の低下が約30%に留まっているのに対し、比較例2で得られた接合体においては、せん断強度が約65%低下している。当該結果より、窒化アルミニウム粒子を添加することのみでは高い接合強度と高温安定性を得ることはできず、導電材料として適当な形状を有するマイクロ粒子を用い、窒化アルミニウム粒子を均一に分散させる必要があることが分かる。 FIG. 13 shows the bonding strength of the bonded body obtained in Comparative Example 2 and the bonded body after high temperature exposure. When silver nanoparticles are used as the conductive material, the bonding strength is lowered by adding the aluminum nitride particles, and the shear strength is lower than that when the aluminum nitride particles are added even after high temperature exposure. There is. Further, as shown in Table 2, in the embodiment bonded body obtained in Example 1, the decrease in the average shear strength due to leaving at a high temperature of 300 ° C. for 504 hours was only about 30%, whereas in Comparative Example 2. In the bonded body obtained in 1), the shear strength is reduced by about 65%. From the above results, high bonding strength and high temperature stability cannot be obtained only by adding aluminum nitride particles, and it is necessary to use microparticles having an appropriate shape as a conductive material and uniformly disperse the aluminum nitride particles. It turns out that there is.

Claims (9)

放射状に延設された凸部と、前記凸部の間隙に凹部と、を備えるとともに、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、前記核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀を含み、前記核物質の平均粒径が1〜10μmであることを特徴とする導電粉と、
平均粒径が10〜100nmの窒化アルミニウム粒子と、を含む接合用組成物を用い、
接合すべき2つの部材の間に前記接合用組成物を介在させた後、前記部材を150〜350℃に加熱するとともに加圧する工程を含むこと、
を特徴とする接合方法。
It is provided with a convex portion extending radially and a concave portion in the gap between the convex portions, and is a nuclear material for growing silver as a conductive material inside, and is a metal-based material as the nuclear material. A conductive powder containing silver containing particles or ceramic particles and having an average particle size of the nuclear material of 1 to 10 μm.
Using a bonding composition containing aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm,
Including a step of interposing the bonding composition between two members to be joined, and then heating and pressurizing the members to 150 to 350 ° C.
A joining method characterized by.
前記接合用組成物における前記窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4〜1.8質量%とすること、
を特徴とする請求項1に記載の接合方法。
The content of the aluminum nitride particles in the bonding composition shall be 0.4 to 1.8% by mass.
The joining method according to claim 1.
前記凸部の形状が、針状、桿状、及び花弁状からなる群から選択される少なくとも一つの形状であること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の接合方法。
The shape of the convex portion is at least one shape selected from the group consisting of needle-shaped, rod-shaped, and petal-shaped.
The joining method according to claim 1 or 2.
前記接合用組成物に、平均粒径が10〜100μmの球状セラミックス粒子を0.001〜0.1質量%含むこと、
を特徴とする請求項1〜3のうちのいずれかに記載の接合方法。
The bonding composition contains 0.001 to 0.1% by mass of spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm.
The joining method according to any one of claims 1 to 3.
一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合された接合体であって、
前記一方の被接合部材と前記他方の被接合部材とは接合層を介して冶金的に接合され、
前記接合層は、金属粒子と、窒化アルミニウム粒子と、を含み、
前記金属粒子は、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、前記核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀粒子であり、
前記窒化アルミニウム粒子の平均粒径は10〜100nmであり、
前記接合層における前記窒化アルミニウム粒子の含有量が0.4〜1.8質量%であること、
を特徴とする接合体。
A bonded body in which one member to be joined and the other member to be joined are joined.
The one member to be joined and the other member to be joined are metallurgically joined via a joining layer.
The bonding layer contains metal particles and aluminum nitride particles.
The metal particles are nuclear materials for growing silver as a conductive material inside, and are silver particles containing metal particles or ceramic particles as the nuclear material.
The average particle size of the aluminum nitride particles is 10 to 100 nm, and the average particle size is 10 to 100 nm.
The content of the aluminum nitride particles in the bonding layer is 0.4 to 1.8% by mass.
A joint characterized by.
前記接合層の断面観察によって測定される空隙のサイズに関して、
面積が0.2μm2以下となる空隙数の割合が、全ての空隙数に対して90%以上となること、
を特徴とする請求項5に記載の接合体。
With respect to the size of the voids measured by cross-sectional observation of the junction layer
The ratio of the number of voids whose area is 0.2 μm 2 or less is 90% or more with respect to all the number of voids.
5. The joined body according to claim 5.
前記接合層に、平均粒径が10〜100μmの球状セラミックス粒子が0.001〜0.1質量%含まれること、
を特徴とする請求項5又は6に記載の接合体。
The bonding layer contains 0.001 to 0.1% by mass of spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm.
The joined body according to claim 5 or 6.
前記接合層の前記空隙率が10%以下であり、300℃で500時間の高温放置により前記空隙率が10%以上に増加しないこと、
を特徴とする請求項5〜7のうちのいずれかに記載の接合体。
The porosity of the bonding layer is 10% or less, and the porosity does not increase to 10% or more by being left at a high temperature of 300 ° C. for 500 hours.
The bonded body according to any one of claims 5 to 7.
前記接合層のせん断強度が40MPa以上であり、300℃で500時間の高温放置後の前記接合層のせん断強度が30MPa以上であること、
を特徴とする請求項5〜8のうちのいずれかに記載の接合体。
The shear strength of the bonded layer is 40 MPa or more, and the shear strength of the bonded layer after being left at a high temperature of 300 ° C. for 500 hours is 30 MPa or more.
The bonded body according to any one of claims 5 to 8.
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