JP2022083853A - Joint material and mounting structure using the same - Google Patents

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Abstract

To provide a joint material capable of exhibiting higher joint strength.SOLUTION: A joint material is a joint material containing first metallic particles having a melting point of 200°C or lower, second metallic particles containing a first metallic element contained in the first metallic particles and a second metallic element that enables production of an intermetallic compound, TiO2 nanoparticles, and a flux. The first metallic particles is any one of only a first metallic element that enables production of a second metallic element and an intermetallic compound, or a composite of the first metallic element that enables production of the second metallic element and the intermetallic compound, and a third metallic element that disables production of the second metallic element and the intermetallic compound and has a melting point of a single metallic element of 250°C or higher. A ratio of the first metallic particles to the second metallic particles is a ratio in which all of the first metallic element contained int he first metallic particles and the second metallic element contained in the second metallic particles are intermetallic compounds in an equilibrium diagram of the first metallic element and the second metallic element.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、パワーデバイスなどの機器で用いる、2つの部材を金属材料で接合するための接合材料および該接合材料を用いて接合した実装構造体に関する。 The present invention relates to a joining material for joining two members with a metal material and a mounting structure joined using the joining material, which are used in devices such as power devices.

パワーデバイスなどの発熱を伴う機器においては、発生した熱の放熱を目的として、素子を搭載した基板から放熱部への熱輸送のために、基板と放熱部との2つの部材間を接合した実装構造体を有するものがある。 In devices that generate heat, such as power devices, mounting is performed by joining two members, the board and the heat dissipation part, for heat transfer from the board on which the element is mounted to the heat dissipation part for the purpose of dissipating the generated heat. Some have a structure.

近年、パワーデバイスなどの機器では、省エネ化を目的とした大電流制御の要求が高まっている。そこで、高効率で電力を制御できる利点を持つSiCやGaNといった次世代パワーデバイス素子が、従来のSi素子に代わって増加している。 In recent years, there has been an increasing demand for large current control for the purpose of energy saving in devices such as power devices. Therefore, next-generation power device devices such as SiC and GaN, which have the advantage of being able to control power with high efficiency, are increasing in place of conventional Si devices.

それらの次世代パワーデバイス素子は、高温でも動作できる利点を有しており、従来のSi素子よりも大きな発熱に耐えることができるため、大電流の制御が行われることで素子からの発熱量の上昇、高温化が起こる。 These next-generation power device devices have the advantage of being able to operate even at high temperatures, and can withstand a larger amount of heat generation than conventional Si devices. Rising and high temperature occur.

その結果、素子で制御した電流を流すリードフレームなどの電極と、素子電極との間の接合部温度Tjが上昇する。例えば、従来のSiでは約125℃だったものが、SiCやGaNでは200~250℃に上昇する。 As a result, the junction temperature Tj between the electrode such as the lead frame through which the current controlled by the element flows and the element electrode rises. For example, what was about 125 ° C for conventional Si, but rises to 200 to 250 ° C for SiC and GaN.

そのため、素子電極とリードフレーム電極との間の接合部には、発生した熱をリードフレームに効率よく逃がすための熱伝導率と、高い接合部の温度Tjにも対応する耐熱性が求められる。 Therefore, the joint portion between the element electrode and the lead frame electrode is required to have thermal conductivity for efficiently dissipating the generated heat to the lead frame and heat resistance corresponding to the high temperature Tj of the joint portion.

また、次世代パワーデバイス素子に用いられるSiCやGaNは、Siと比較して弾性率が高く、強度も高い。例えば、Siの弾性率が160GPaであるのに対し、SiCやGaNは200GPa以上である。そのため、2つの部材の線膨張係数差に起因する温度変化時の熱応力は大きくなる。そこで、接合部の接合強度をより高くすることも求められる。 Further, SiC and GaN used in next-generation power device elements have a high elastic modulus and high strength as compared with Si. For example, the elastic modulus of Si is 160 GPa, while that of SiC and GaN is 200 GPa or more. Therefore, the thermal stress at the time of temperature change due to the difference in the coefficient of linear expansion of the two members becomes large. Therefore, it is also required to increase the joint strength of the joint portion.

従来、素子とリードフレーム電極との間を導電体で接合する実装構造体の接合部に用いられる接合材料には、低温での接合が可能であることから、はんだ材料が広く用いられていた。しかしながら、一般的に用いられるSnやPbを主成分としたはんだ材料にとって、200℃~250℃は融点付近またはそれ以上の温度となり非常に過酷な温度であるため、これらのはんだを用いた実装構造体では、耐熱性の確保は困難である。 Conventionally, a solder material has been widely used as a joining material used for a joining portion of a mounting structure for joining an element and a lead frame electrode with a conductor because it can be joined at a low temperature. However, for a commonly used solder material containing Sn or Pb as a main component, 200 ° C. to 250 ° C. is a temperature near or higher than the melting point, which is a very harsh temperature. Therefore, a mounting structure using these solders is used. It is difficult for the body to ensure heat resistance.

そのような課題に対する一つの解決手段として、低融点金属とそれと金属間化合物を形成する第2の金属とを混合した接合材料であって、接合時に低融点金属が溶融し、第2の金属と反応して金属間化合物を形成することで高融点の接合部を形成する液相焼結法の接合材料が提案されている One solution to such a problem is a bonding material in which a low melting point metal and a second metal forming an intermetal compound are mixed, and the low melting point metal is melted at the time of joining to form a second metal. A liquid-phase sintering method bonding material has been proposed in which a metal-to-metal compound is formed by reacting to form a high-melting point bonding portion.

従来の高耐熱の液相焼結法の接合材料として、少なくともCuを含む2種以上の金属粒子と、ポリジメチルシロキサン骨格を有する高分子とを含む接合材料であり、前記金属粒子が金属間化合物を形成可能であるものがある(例えば、特許文献1参照。)。 As a bonding material of the conventional high heat resistance liquid phase sintering method, it is a bonding material containing at least two or more kinds of metal particles containing Cu and a polymer having a polydimethylsiloxane skeleton, and the metal particles are intermetal compounds. (See, for example, Patent Document 1).

WO2016/031551号公報WO2016 / 031551A Gazette

しかしながら、特許文献1に記載の接合材料では、低融点金属が溶融し、Cuと反応して高融点の金属間化合物を形成するため高い耐熱性を示すものの、金属間化合物の結晶粒は粗大になる場合があり、接合強度の向上が困難である。 However, in the bonding material described in Patent Document 1, the low melting point metal melts and reacts with Cu to form a high melting point intermetallic compound, so that it exhibits high heat resistance, but the crystal grains of the intermetallic compound are coarse. It is difficult to improve the bonding strength.

本発明は、従来の課題を解決するもので、より高い接合強度を発現することが可能な接合材料を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve a conventional problem and to provide a bonding material capable of exhibiting a higher bonding strength.

上記課題を達成するための、本発明に係る接合材料は、融点が200℃以下の第1の金属粒子と、第1の金属粒子に含まれる第1の金属元素と金属間化合物を生成することができる第2の金属元素を含む第2の金属粒子と、TiOナノ粒子と、フラックスと、を含む。
第1の金属粒子は、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素のみ、または、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素と、第2の金属元素と金属間化合物を生成せずその金属元素単体の融点が250℃以上である第3の金属元素と、を含む複合体、の何れかである。
第1の金属粒子と第2の金属粒子の比率は、第1の金属元素と第2の金属元素との平衡状態図において第1の金属粒子に含まれる第1の金属元素と、第2の金属粒子に含まれる第2の金属元素とが全て金属間化合物となる比率である。
In order to achieve the above object, the bonding material according to the present invention produces a first metal particle having a melting point of 200 ° C. or lower, and a first metal element and an intermetal compound contained in the first metal particle. It contains a second metal particle containing a second metal element capable of forming, TiO 2 nanoparticles, and a flux.
The first metal particles are only the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound, or the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound, and the second. It is one of a composite containing a metal element and a third metal element having a melting point of the metal element alone having a melting point of 250 ° C. or higher without forming an intermetal compound.
The ratio of the first metal particle to the second metal particle is the first metal element contained in the first metal particle and the second metal element in the equilibrium state diagram between the first metal element and the second metal element. The ratio is such that the second metal element contained in the metal particles is a compound between metals.

本発明に係る接合材料によれば、液相焼結法において金属間化合物生成時の結晶粒粗大化を抑制し、より高い接合強度の接合部を形成可能な接合材料を提供することが可能である。 According to the bonding material according to the present invention, it is possible to provide a bonding material capable of suppressing grain coarsening at the time of forming an intermetallic compound in a liquid phase sintering method and forming a bonding portion having a higher bonding strength. be.

本実施の形態1に係る接合材料の構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the bonding material which concerns on Embodiment 1. 実施例1-1~1-8、比較例1-1~1-12における接合材料に含まれる成分と、その重量比率、及び、評価結果を示す表1である。Table 1 shows the components contained in the joining materials in Examples 1-1 to 1-8 and Comparative Examples 1-1 to 1-12, their weight ratios, and the evaluation results. 実施例2-1~2-6、比較例2-1~2-4における接合材料に含まれる成分と、その重量比率、及び、評価結果を示す表2である。Table 2 shows the components contained in the joining materials in Examples 2-1 to 2-6 and Comparative Examples 2-1 to 2-4, their weight ratios, and the evaluation results. 実施例3-1~3-11における接合材料に含まれる成分と、その重量比率、及び、評価結果を示す表3である。Table 3 shows the components contained in the joining materials in Examples 3-1 to 3-11, their weight ratios, and the evaluation results.

第1の態様に係る接合材料は、融点が200℃以下の第1の金属粒子と、第1の金属粒子に含まれる第1の金属元素と金属間化合物を生成することができる第2の金属元素を含む第2の金属粒子と、TiOナノ粒子と、フラックスと、を含む。
第1の金属粒子は、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素のみ、または、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素と、第2の金属元素と金属間化合物を生成せずその金属元素単体の融点が250℃以上である第3の金属元素と、を含む複合体、の何れかである。
第1の金属粒子と第2の金属粒子との比率は、第1の金属元素と第2の金属元素との平衡状態図において第1の金属粒子に含まれる第1の金属元素と、第2の金属粒子に含まれる第2の金属元素とが全て金属間化合物となる比率である。
The bonding material according to the first aspect is a second metal capable of producing a first metal particle having a melting point of 200 ° C. or lower, a first metal element contained in the first metal particle, and an intermetal compound. It contains a second metal particle containing an element, TiO 2 nanoparticles, and a flux.
The first metal particles are only the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound, or the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound, and the second. It is one of a composite containing a metal element and a third metal element having a melting point of the metal element alone having a melting point of 250 ° C. or higher without forming an intermetal compound.
The ratio of the first metal particle to the second metal particle is the first metal element contained in the first metal particle and the second metal element in the equilibrium state diagram between the first metal element and the second metal element. The ratio is such that the second metal element contained in the metal particles of No. 1 is an intermetal compound.

第2の態様に係る接合材料は。上記第1の態様において、TiOナノ粒子が、メジアン径20~80nmであってもよい。 The joining material according to the second aspect. In the first aspect described above, the TiO 2 nanoparticles may have a median diameter of 20 to 80 nm.

第3の態様に係る接合材料は。上記第1又は第2の態様において、TiOナノ粒子の含有率が、第1の金属粒子、第2の金属粒子、およびTiOナノ粒子の総和のうち、0.1wt%~1wt%であってもよい。 The joining material according to the third aspect. In the first or second aspect, the content of the TiO 2 nanoparticles is 0.1 wt% to 1 wt% of the total of the first metal particles, the second metal particles, and the TiO 2 nanoparticles. You may.

第4の態様に係る接合材料は。上記第1から第3のいずれかの態様において、第1の金属粒子が、Sn-Bi、Sn-In、Sn-Bi-In、Bi-In、およびInの群から選択される少なくとも一つであってもよい。 The joining material according to the fourth aspect. In any one of the first to third aspects, the first metal particle is at least one selected from the group of Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, and In. There may be.

第5の態様に係る接合材料は。上記第1から第4のいずれかの態様において、第2の金属粒子が、Cuを含んでいてもよい。 The joining material according to the fifth aspect. In any one of the first to fourth aspects, the second metal particle may contain Cu.

第6の態様に係る接合材料は。上記第1から第5のいずれかの態様において、第1の金属粒子が、メジアン径3~30μmの粒子を少なくとも含んでもよい。 The joining material according to the sixth aspect. In any of the first to fifth aspects, the first metal particles may include at least particles having a median diameter of 3 to 30 μm.

第7の態様に係る接合材料は。上記第1から第6のいずれかの態様において、前記第2の金属粒子が、メジアン径100~2000nmであってもよい。 The joining material according to the seventh aspect. In any of the first to sixth aspects, the second metal particles may have a median diameter of 100 to 2000 nm.

第8の態様に係る実装構造体は、SiCまたはGaNのパワーデバイス素子と、パワーデバイス素子の電極と外部電極とを接合する、上記第1から第7のいずれかの態様に係る接合材料と、を備える。 The mounting structure according to the eighth aspect includes a bonding material according to any one of the first to seventh aspects, which joins a SiC or GaN power device element and an electrode and an external electrode of the power device element. To prepare for.

以下、実施の形態に係る接合材料及び実装構造体について添付図面を参照しながら詳述する。 Hereinafter, the joining material and the mounting structure according to the embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(実施の形態1)
<接合材料>
図1は、本実施の形態1に係る接合材料の構成を示す概略図である。
本実施の形態1に係る接合材料101は、融点が200℃以下の第1の金属粒子102と、第1の金属粒子102に含まれる第1の金属元素と金属間化合物を生成することができる第2の金属元素を含む第2の金属粒子103と、TiOナノ粒子104と、フラックス105とを含む。
TiOナノ粒子を含むことにより、第2の金属粒子の第2の金属元素が第1の金属粒子102へ拡散し、金属間化合物が生成する際に、初晶の結晶核の生成を促進すると考えられる。また、発生した結晶核が成長する際に、固体のTiOが成長を阻害すると考えられる。それらにより、金属間化合物の結晶粒を微細化することができる。
(Embodiment 1)
<Joining material>
FIG. 1 is a schematic view showing the structure of the joining material according to the first embodiment.
The bonding material 101 according to the first embodiment can generate a first metal particle 102 having a melting point of 200 ° C. or lower, and a first metal element and an intermetal compound contained in the first metal particle 102. It contains a second metal particle 103 containing a second metal element, a TiO 2 nanoparticle 104, and a flux 105.
By including the TiO 2 nanoparticles, the second metal element of the second metal particle diffuses into the first metal particle 102, and when the metal-metal compound is formed, the formation of primary crystal nuclei is promoted. Conceivable. Further, it is considered that solid TiO 2 inhibits the growth of the generated crystal nuclei as they grow. Thereby, the crystal grains of the intermetallic compound can be refined.

第1の金属粒子は、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素のみ、または、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素と、第2の金属元素と金属間化合物を生成せずその金属元素単体の融点が250℃以上である第3の金属元素と、を含む複合体、の何れかである。 The first metal particles are only the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound, or the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound, and the second. It is one of a composite containing a metal element and a third metal element having a melting point of the metal element alone having a melting point of 250 ° C. or higher without forming an intermetal compound.

第1の金属粒子と第2の金属粒子との比率は、第1の金属元素と第2の金属元素との平衡状態図において第1の金属粒子に含まれる第1の金属元素と、第2の金属粒子に含まれる第2の金属元素とが全て金属間化合物となる比率である。
これにより、この接合材料を用いた液相焼結法のプロセスで生成した接合部は、250℃以下では再溶融が生じない。そのため、接合後のデバイスの動作温度が200℃以上となっても溶融しない高い耐熱性を発現することができる。
The ratio of the first metal particle to the second metal particle is the first metal element contained in the first metal particle and the second metal element in the equilibrium state diagram between the first metal element and the second metal element. The ratio is such that the second metal element contained in the metal particles of No. 1 is an intermetal compound.
As a result, the joint portion produced in the process of the liquid phase sintering method using this bonding material does not remelt at 250 ° C. or lower. Therefore, it is possible to exhibit high heat resistance that does not melt even when the operating temperature of the device after joining is 200 ° C. or higher.

以下に、この接合材料を構成する各部材について説明する。 Hereinafter, each member constituting this joining material will be described.

<第1の金属粒子>
第1の金属粒子102は、液相焼結法のプロセスにおいて液相成分となり、第2の金属粒子103と反応して高融点の金属間化合物を生成するための第1の金属元素を含む。
第1の金属粒子102は、融点が200℃以下の合金または単体の金属で構成される。これにより、200℃以下の低温での液相焼結を可能にする。
第1の金属粒子102を構成する合金または単体の金属としては、融点が200℃以下の合金または単体の金属であればよいが、特にSn-Bi、Sn-In、Sn-Bi-In、Bi-In、およびInの群から選択されるいずれかであることが望ましい。
<First metal particle>
The first metal particles 102 become liquid phase components in the process of the liquid phase sintering method and contain a first metal element for reacting with the second metal particles 103 to form a high melting point intermetallic compound.
The first metal particles 102 are composed of an alloy having a melting point of 200 ° C. or lower or a single metal. This enables liquid phase sintering at a low temperature of 200 ° C. or lower.
The alloy or elemental metal constituting the first metal particle 102 may be an alloy having a melting point of 200 ° C. or lower or a single metal, and in particular, Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi. -In, and preferably one selected from the group of In.

第1の金属元素としては、例えば、Sn、Inである。なお、第1の金属元素は、1種類に限られず、Sn及びInの両方を含んでもよい。第1の金属元素は、第2の金属粒子103に含まれる第2の金属元素と金属間化合物を形成する。 The first metal element is, for example, Sn or In. The first metal element is not limited to one type, and may contain both Sn and In. The first metal element forms an intermetallic compound with the second metal element contained in the second metal particles 103.

<第2の金属粒子>
第2の金属粒子103は、第1の金属粒子102に含まれる第1の金属元素と金属間化合物を生成することができる第2の金属元素を含む。これにより、溶融状態の第1の金属粒子に溶解し、第1の金属粒子102に含まれる第1の金属元素との高融点の金属間化合物を生成することができる。
第2の金属粒子103は、第1の金属粒子102に含まれる第1の金属元素と少なくとも1種以上の金属間化合物を生成することができる第2の金属元素を含んでいればよい。
第2の金属元素としては、例えば、Cuである。なお、第2の金属元素は、Cuに限られないが、Cuを含んでいることが望ましい。
<Second metal particle>
The second metal particle 103 contains a first metal element contained in the first metal particle 102 and a second metal element capable of producing an intermetallic compound. As a result, it is possible to dissolve in the first metal particles in a molten state and generate an intermetallic compound having a high melting point with the first metal element contained in the first metal particles 102.
The second metal particle 103 may contain the first metal element contained in the first metal particle 102 and the second metal element capable of producing at least one or more intermetallic compounds.
The second metal element is, for example, Cu. The second metal element is not limited to Cu, but it is desirable that it contains Cu.

また、第1の金属粒子102は、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素のみ、または、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素と、第2の金属元素と金属間化合物を生成せず、その金属元素単体の融点が250℃以上である第3の金属元素と、を含む複合体、の何れかである。
第3の金属元素は、例えば、Biである。なお、第3の金属元素は、Biに限られない。
Further, the first metal particles 102 include only the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound, or the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound. It is one of a composite containing a second metal element and a third metal element that does not generate an intermetal compound and has a melting point of the metal element alone of 250 ° C. or higher.
The third metal element is, for example, Bi. The third metal element is not limited to Bi.

さらに、第1の金属粒子102と第2の金属粒子103との比率は、第1の金属元素と第2の金属元素との平衡状態図において第1の金属粒子に含まれる第1の金属元素と、第2の金属粒子に含まれる第2の金属元素とが全て金属間化合物となる比率である。これにより、液相焼結法のプロセスで生成した接合部は、250℃以下では再溶融が生じない。そのため、接合後のデバイスの動作温度が200℃以上となっても溶融しない高い耐熱性を発現することができる。 Further, the ratio of the first metal particle 102 to the second metal particle 103 is the first metal element contained in the first metal particle in the equilibrium state diagram between the first metal element and the second metal element. And the ratio of the second metal element contained in the second metal particle to be an intermetal compound. As a result, the joint portion produced in the process of the liquid phase sintering method does not remelt at 250 ° C. or lower. Therefore, it is possible to exhibit high heat resistance that does not melt even when the operating temperature of the device after joining is 200 ° C. or higher.

<TiOナノ粒子>
TiOナノ粒子104は、第1の金属粒子102と第2の金属粒子103との間で金属間化合物を生成する際に、その界面に固体として存在する。これにより、第2の金属粒子の第2の金属元素が第1の金属粒子102へ拡散し、金属間化合物が生成する際に、初晶の結晶核の生成を促進すると考えられる。また、発生した結晶核が成長する際に、固体のTiOが成長を阻害すると考えられる。それらにより、金属間化合物の結晶粒を微細化するために含まれる。
TiOナノ粒子104は、第1の金属粒子102、第2の金属粒子103、TiOナノ粒子104の総和のうち、0.1wt%~1wt%であることが望ましい。
<TiO 2 nanoparticles>
The TiO 2 nanoparticles 104 exist as a solid at the interface between the first metal particles 102 and the second metal particles 103 when an intermetallic compound is formed. It is considered that this causes the second metal element of the second metal particle to diffuse into the first metal particle 102 and promotes the formation of primary crystal nuclei when the intermetallic compound is formed. Further, it is considered that solid TiO 2 inhibits the growth of the generated crystal nuclei as they grow. These are included to refine the crystal grains of the intermetallic compound.
The TiO 2 nanoparticles 104 are preferably 0.1 wt% to 1 wt% of the total of the first metal particles 102, the second metal particles 103, and the TiO 2 nanoparticles 104.

<フラックス>
フラックス105は、第1の金属粒子102、第2の金属粒子103の表面に存在する酸化膜の除去と、再酸化の抑制のために含まれる。フラックス105は、第1の金属粒子102の溶融と、溶融した第1の金属粒子102への第2の金属粒子103表面の第2の金属元素の拡散を容易にする。フラックス105は、第1の金属粒子102、第2の金属粒子103の表面に存在する酸化膜を除去する成分と、液相焼結法のプロセス中における再酸化防止のために第1の金属粒子102の融点よりも高い沸点を有す溶媒と、を含む。
<Flux>
The flux 105 is included for removing the oxide film existing on the surfaces of the first metal particles 102 and the second metal particles 103 and for suppressing reoxidation. The flux 105 facilitates the melting of the first metal particles 102 and the diffusion of the second metal element on the surface of the second metal particles 103 into the melted first metal particles 102. The flux 105 is a component for removing the oxide film existing on the surfaces of the first metal particles 102 and the second metal particles 103, and the first metal particles for preventing reoxidation during the process of the liquid phase sintering method. Contains a solvent having a boiling point higher than the melting point of 102.

(実施例)
本実施の形態1の効果を確認するために、実施例1-1~1-8、比較例1-1~1-12として、第1の金属粒子102および第2の金属粒子103の種類を変えた接合材料101を作製する。実施例1-1~1-8、比較例1-1~1-12における接合材料101に含まれる成分と、その重量比率、及び、評価結果を図2の表1に示す。図2の表1で示す第1の金属粒子102、第2の金属粒子103、TiOナノ粒子104の粒径は、いずれもメジアン径である。
(Example)
In order to confirm the effect of the first embodiment, the types of the first metal particles 102 and the second metal particles 103 are used as Examples 1-1 to 1-8 and Comparative Examples 1-1 to 1-12. The modified bonding material 101 is produced. The components contained in the bonding material 101 in Examples 1-1 to 1-8 and Comparative Examples 1-1 to 1-12, their weight ratios, and the evaluation results are shown in Table 1 of FIG. The particle sizes of the first metal particles 102, the second metal particles 103, and the TiO 2 nanoparticles 104 shown in Table 1 of FIG. 2 are all median diameters.

<接合材料101>
本実施の形態1における第1の金属粒子102として、Sn-58Bi、Sn-51In、Sn-55Bi-20In、In、Sn、Sn-3.5Ag、Sn-5Sbを評価する。また、第2の金属粒子として、Cu、Cu-20Sn、Znを評価する。TiOナノ粒子は30nmのものを用いる。
<Joining material 101>
As the first metal particles 102 in the first embodiment, Sn-58Bi, Sn-51In, Sn-55Bi-20In, In, Sn, Sn-3.5Ag, and Sn-5Sb are evaluated. Further, Cu, Cu-20Sn, and Zn are evaluated as the second metal particles. TiO 2 nanoparticles of 30 nm are used.

接合材料101は次のように作製する。
(1)まず、第1の金属粒子102と第2の金属粒子103、TiOナノ粒子を秤量し、機械的に混錬して均一に混ぜる。
(2)その後、フラックスを秤量、添加し、2軸遊星式混錬機で混錬することで、接合材料101を得る。
The joining material 101 is produced as follows.
(1) First, the first metal particles 102, the second metal particles 103, and the TiO 2 nanoparticles are weighed, mechanically kneaded, and uniformly mixed.
(2) After that, the flux is weighed and added, and the flux is kneaded with a twin-screw planetary kneader to obtain the joining material 101.

<接合プロセス>
本実施の形態1の効果を確認するために実装構造体を作製する。接合プロセスは次の通りである。
まず、作製した接合材料101を用いて接合を行う。
(a)Cu板上に厚み100μm、開口1mm×1mmのメタルマスクを用いて接合材料101を供給する。
(b)供給した接合材料101の上にSiC素子を搭載する。接合材料101で接合するSiC素子の電極は、SiC側からTi/Ni/Anのめっきで構成される。
(c)搭載したSiC素子の上から1MPaの加重をかけ、N雰囲気で200℃で10minの加熱を行い、SiC素子の電極とCu板とを接合材料101で接合した実装構造体を作製する。
<Joining process>
A mounting structure is produced in order to confirm the effect of the first embodiment. The joining process is as follows.
First, joining is performed using the prepared joining material 101.
(A) The bonding material 101 is supplied on the Cu plate using a metal mask having a thickness of 100 μm and an opening of 1 mm × 1 mm.
(B) A SiC element is mounted on the supplied joining material 101. The electrodes of the SiC element to be joined with the joining material 101 are composed of Ti / Ni / An plating from the SiC side.
(C) A 1 MPa load is applied from above the mounted SiC element, and heating is performed at 200 ° C. for 10 minutes in an N2 atmosphere to prepare a mounting structure in which the SiC element electrode and the Cu plate are bonded with the bonding material 101. ..

<接合評価>
本実施の形態1の効果を確認するための評価の結果についても、図2の表1に併せて示している。
この一連の接合プロセスを行った後に、Cu板とSiC素子の電極とが接合されているかを確認する。図2の表1において、接合されている場合は○、接合されていない場合は×と判定している。
<Joining evaluation>
The results of the evaluation for confirming the effect of the first embodiment are also shown in Table 1 of FIG.
After performing this series of joining processes, it is confirmed whether the Cu plate and the electrodes of the SiC element are joined. In Table 1 of FIG. 2, when it is joined, it is judged as ◯, and when it is not joined, it is judged as x.

次に、接合されている実装構造体について、耐熱性を評価する。作製した実装構造体を再度200℃に加熱し、接合材料101が再溶融するかどうかを評価する。再溶融が発生せず接合が確保される場合を○、再溶融が発生する場合を×と判定している。
さらに、再溶融が発生しない接合構造体について、接合強度を評価する。作製した接合構造体のSiC素子にせん断方向の力を印加し、破壊強度を測定する。従来はんだ並みの20MPaよりも大きい場合を○、30MPaよりも大きい場合を◎、20MPa以下の場合を×と判定する。
Next, the heat resistance of the bonded mounting structure is evaluated. The produced mounting structure is heated to 200 ° C. again, and it is evaluated whether or not the joining material 101 is remelted. The case where remelting does not occur and the bonding is secured is judged as ◯, and the case where remelting occurs is judged as ×.
Further, the joint strength of the joint structure in which remelting does not occur is evaluated. A force in the shear direction is applied to the SiC element of the produced bonded structure, and the fracture strength is measured. When it is larger than 20 MPa, which is the same as that of conventional solder, it is judged as ◯, when it is larger than 30 MPa, it is judged as ⊚, and when it is 20 MPa or less, it is judged as x.

図2の表1に示すように、実施例1-1~1-8のうち、実施例1-1~1―6では接合、耐熱性が○、強度が◎、実施例1-7、1-8では接合、耐熱性、強度が○であり、ともに評価基準を上回っている。これらの実施例では、第2の金属粒子103が、CuまたはCu-20SnでCuを含んでおり、第1の金属粒子102がSn-58Bi、Sn-51In、Sn-55Bi-20In、Inいずれにおいても1種以上の金属元素と反応して金属間化合物を形成する。金属間化合物を形成しない第3の金属元素(ここではBi)は、融点271℃である。 As shown in Table 1 of FIG. 2, among Examples 1-1 to 1-8, in Examples 1-1 to 1-6, bonding, heat resistance is ◯, strength is ⊚, and Examples 1-7, 1 In -8, the bonding, heat resistance, and strength are ○, both of which exceed the evaluation criteria. In these examples, the second metal particle 103 contains Cu in Cu or Cu-20Sn, and the first metal particle 102 is in Sn-58Bi, Sn-51In, Sn-55Bi-20In, or In. Also reacts with one or more metal elements to form an intermetallic compound. The third metal element (here, Bi) that does not form an intermetallic compound has a melting point of 271 ° C.

さらに、第1の金属粒子102と第2の金属粒子103との比率は40:60であり、いずれの実施例においても、第1の金属粒子102のうちの第1の金属元素と第2の金属元素であるCuとが、平衡状態図において全て金属間化合物となる含有率となるような比率である。 Further, the ratio of the first metal particle 102 to the second metal particle 103 is 40:60, and in any of the embodiments, the first metal element and the second metal element of the first metal particle 102 are used. The ratio is such that Cu, which is a metal element, has a content of all metal-to-metal compounds in the equilibrium diagram.

一方、比較例1-10、1-11、1-12では、一連の接合プロセスを施しても、接合が形成されていない。これは、比較例1-10、1-11、1-12で用いた第1の金属粒子102の組成が、それぞれSn、Sn-3.5Ag、Sn-5Sbであり、その融点はそれぞれ232℃、221℃、235℃と加熱温度200℃よりも高いためと考えられる。すなわち、一連の接合プロセスにおいて、第1の金属粒子102が溶融せず、液相焼結とならないため、十分な接合が確保されないと考える。 On the other hand, in Comparative Examples 1-10, 1-11, and 1-12, no bonding was formed even after performing a series of bonding processes. This is because the compositions of the first metal particles 102 used in Comparative Examples 1-10, 1-11, and 1-12 are Sn, Sn-3.5Ag, and Sn-5Sb, respectively, and their melting points are 232 ° C., respectively. It is considered that this is because the temperature is 221 ° C, 235 ° C, which is higher than the heating temperature of 200 ° C. That is, in a series of joining processes, the first metal particles 102 do not melt and liquid phase sintering does not occur, so that sufficient joining cannot be ensured.

また、比較例1-9では、耐熱評価において再溶融が発生する。これは、比較例1-9で用いた第1の金属粒子102のInと、第2の金属粒子103のZnは金属間化合物を形成しないためと考える。接合プロセスにおいて液相焼結が進行せず、InおよびZnが残存し、再加熱によってInが再溶融するためと考える。 Further, in Comparative Example 1-9, remelting occurs in the heat resistance evaluation. It is considered that this is because In of the first metal particle 102 and Zn of the second metal particle 103 used in Comparative Example 1-9 do not form an intermetallic compound. It is considered that this is because liquid phase sintering does not proceed in the joining process, In and Zn remain, and In is remelted by reheating.

比較例1-2、1-4、1-6、1-8も、比較例1-9と同様に、耐熱評価において再溶融が発生する。
これは、第1の金属粒子102における第1の金属元素(比較例1-2ではSn、比較例1-4および比較例1-6ではSnおよびIn、比較例1-8ではIn)と、第2の金属元素であるCuとの混合比率に着目すると理解できる。つまり、比較例1-2、1-4、1-6、1-8では、第1の金属粒子102と第2の金属粒子103との混合比率はいずれも70:30である。この場合には、第1の金属粒子102における第1の金属元素が、平衡状態図において全て第2の金属元素との金属間化合物となる比率よりも過剰に存在するためであると考えられる。
そのため、接合プロセスを経た後の接合材料101において、比較例1-2ではSn、比較例1-4および比較例1-6ではSnおよびIn、比較例1-8ではInが残存し、これらの融点が200℃より低いため、200℃以下で再溶融が発生すると考えられる。
Similar to Comparative Example 1-9, Comparative Example 1-2, 1-4, 1-6, and 1-8 also undergo remelting in the heat resistance evaluation.
This is the first metal element in the first metal particle 102 (Sn in Comparative Example 1-2, Sn and In in Comparative Example 1-4 and Comparative Example 1-6, In in Comparative Example 1-8). It can be understood by focusing on the mixing ratio with Cu, which is the second metal element. That is, in Comparative Examples 1-2, 1-4, 1-6, and 1-8, the mixing ratio of the first metal particles 102 and the second metal particles 103 is 70:30. In this case, it is considered that the first metal element in the first metal particle 102 is present in excess of the ratio of the intermetallic compound with the second metal element in the equilibrium phase diagram.
Therefore, in the bonding material 101 after the bonding process, Sn remains in Comparative Example 1-2, Sn and In in Comparative Example 1-4 and Comparative Example 1-6, and In in Comparative Example 1-8, and these remain. Since the melting point is lower than 200 ° C, it is considered that remelting occurs at 200 ° C or lower.

さらに、比較例1-1、1-3、1-5、1―7に着目すると、初期接合と耐熱性は基準値を超えているものの、接合強度がそれぞれ16.8、13.4、14.7、12.2MPaとそれほど大きくなく、判定は×である。
比較例1-1、1-3、1-5、1―7と、実施例1-1、1-3、1-5、1-7をそれぞれ比較すると、30nmのTiOナノ粒子104を添加することで接合強度が2倍以上に大きくなることがわかる。
Further, focusing on Comparative Examples 1-1, 1-3, 1-5, 1-7, the initial bonding and the heat resistance exceed the standard values, but the bonding strengths are 16.8, 13.4, and 14, respectively. It is not so large as 0.7 and 12.2 MPa, and the judgment is x.
Comparing Comparative Examples 1-1, 1-3, 1-5, 1-7 and Examples 1-1, 1-3, 1-5, 1-7, respectively, 30 nm TiO 2 nanoparticles 104 were added. It can be seen that the bonding strength is more than doubled by doing so.

本実施の形態1の結果より、次のことが確認される。
本開示の効果を発現するためには、まず、融点200℃以下の第1の金属粒子と、第1の金属粒子102に含まれる第1の金属元素と金属間化合物を生成することができる第2の金属元素を含む第2の金属粒子103と、TiOナノ粒子104と、フラックス105と、を含む接合材料であることが必要である。
From the result of the first embodiment, the following is confirmed.
In order to exhibit the effects of the present disclosure, first, a first metal particle having a melting point of 200 ° C. or lower and a first metal element and an intermetallic compound contained in the first metal particle 102 can be produced. It is necessary to be a bonding material containing a second metal particle 103 containing 2 metal elements, a TiO 2 nanoparticle 104, and a flux 105.

さらに、第1の金属粒子102が、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素のみ、または、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素と、第2の金属元素と金属間化合物を生成せず、その金属元素単体の融点が250℃以上の第3の金属元素と、を含む複合体、のいずれかであることが必要である。 Further, the first metal particles 102 are composed of only the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound, or the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound. It is necessary to be one of a composite containing a second metal element and a third metal element having a melting point of 250 ° C. or higher without forming an intermetal compound.

そして、第1の金属粒子102と第2の金属粒子103との比率が、第1の金属元素と第2の金属元素との平衡状態図において第1の金属粒子に含まれる第1の金属元素と、第2の金属粒子に含まれる第2の金属元素とが全て金属間化合物となる比率であることが必要である。
これらを満たす接合材料101において、高い接合強度の接合部を形成可能な接合材料を提供することが可能である。
Then, the ratio of the first metal particle 102 to the second metal particle 103 is the first metal element contained in the first metal particle in the equilibrium state diagram between the first metal element and the second metal element. And, it is necessary that the ratio of the second metal element contained in the second metal particle to be an intermetal compound.
In the joining material 101 satisfying these, it is possible to provide a joining material capable of forming a joining portion having a high joining strength.

(実施の形態2)
本実施の形態2として、TiOナノ粒子104の粒径および含有率の影響を評価する。本実施の形態2の実施例2-1~2-6、比較例2-1~2-4における接合材料101に含まれる成分と、その重量比率、及び、評価結果を図3の表2に示す。接合材料101の作製方法、接合プロセス、および評価方法は実施の形態1と同様である。
(Embodiment 2)
As the second embodiment, the influence of the particle size and the content rate of the TiO 2 nanoparticles 104 is evaluated. Table 2 of FIG. 3 shows the components contained in the bonding material 101 in Examples 2-1 to 2-6 and Comparative Examples 2-1 to 2-4 of the second embodiment, their weight ratios, and the evaluation results. show. The method for producing the bonding material 101, the bonding process, and the evaluation method are the same as those in the first embodiment.

図3の表2より、TiOナノ粒子104の粒径に着目すると、粒径がそれぞれ20、50、80nmである実施例2-1、2-2、2-3では、接合、耐熱性が○、強度が◎であり、いずれも評価基準を上回っている。 Focusing on the particle size of the TiO 2 nanoparticles 104 from Table 2 of FIG. 3, in Examples 2-1, 2-2, and 2-3 in which the particle sizes are 20, 50, and 80 nm, respectively, the bonding and heat resistance are high. ○, strength is ◎, and both exceed the evaluation criteria.

一方、TiOナノ粒子104の粒径が100nm、300nmと大きい比較例2-1、2-2では、接合強度がそれぞれ17.1MPa、10MPa未満と高くないため判定は×である。 On the other hand, in Comparative Examples 2-1 and 2-2 in which the particle size of the TiO 2 nanoparticles 104 is as large as 100 nm and 300 nm, the bonding strength is not as high as 17.1 MPa and 10 MPa, respectively, so the judgment is x.

これは、TiOナノ粒子104の粒径が大きいために、液相焼結時の核生成の起点となる箇所が少なくなり、また、接合後は金属間化合物の間に大きな異物が混入される形になる。
そのため、TiOナノ粒子104を含有する効果が小さくなるとともに、界面付近が構造的に弱くなり、接合強度が小さくなると考える。
This is because the TiO 2 nanoparticles 104 have a large particle size, so that there are few starting points for nucleation during liquid phase sintering, and large foreign substances are mixed between the intermetallic compounds after bonding. Take shape.
Therefore, it is considered that the effect of containing the TiO 2 nanoparticles 104 is reduced, the vicinity of the interface is structurally weakened, and the bonding strength is reduced.

次に、TiOナノ粒子104の含有率に着目すると、TiOナノ粒子の含有率がそれぞれ0.1、0.2、1.0wt%である実施例2-4~2-6では、接合、耐熱性が○、強度が◎と、いずれも評価基準を上回っている。 Next, focusing on the content of the TiO 2 nanoparticles 104, in Examples 2-4 to 2-6, the contents of the TiO 2 nanoparticles are 0.1, 0.2, and 1.0 wt%, respectively. , Heat resistance is ○, and strength is ◎, both exceeding the evaluation criteria.

一方、TiOナノ粒子104の含有率が0.05wt%と小さい比較例2-3では、接合強度が18.1MPaと高くない。
これはTiOナノ粒子104の含有率が小さいために、添加の効果が小さいためと考えられる。
On the other hand, in Comparative Example 2-3 in which the content of the TiO 2 nanoparticles 104 is as small as 0.05 wt%, the bonding strength is not as high as 18.1 MPa.
It is considered that this is because the effect of the addition is small because the content of the TiO 2 nanoparticles 104 is small.

また、TiOナノ粒子104の含有率が2.0wt.%と大きい比較例2-4では、接合強度が14.3MPaと小さく、判定は×である。これは、TiOナノ粒子104の含有率が高いために、第1の金属粒子102と第2の金属粒子103との間で形成される金属間化合物間の強度を低下させてしまうためであると考える。 Further, the content of TiO 2 nanoparticles 104 is 2.0 wt. In Comparative Example 2-4, which is as large as%, the bonding strength is as small as 14.3 MPa, and the determination is x. This is because the high content of the TiO 2 nanoparticles 104 reduces the strength between the intermetallic compounds formed between the first metal particles 102 and the second metal particles 103. I think.

本実施の形態2の結果より、次のことが確認される。
TiOナノ粒子104の粒径は、メジアン径20~80nmであることが好ましい。
また、TiOナノ粒子104の含有率は、0.1~1wt.%であることが好ましい。
これらを満たす接合材料101において、高い接合強度の接合部を形成可能な接合材料を提供することが可能である。
From the result of the second embodiment, the following is confirmed.
The particle size of the TiO 2 nanoparticles 104 is preferably a median diameter of 20 to 80 nm.
The content of the TiO 2 nanoparticles 104 is 0.1 to 1 wt. % Is preferable.
In the joining material 101 satisfying these, it is possible to provide a joining material capable of forming a joining portion having a high joining strength.

(実施の形態3)
本実施の形態3として、第1の金属粒子102、第2の金属粒子103、TiOナノ粒子104の粒径の影響を評価する。
(Embodiment 3)
As the third embodiment, the influence of the particle sizes of the first metal particles 102, the second metal particles 103, and the TiO 2 nanoparticles 104 is evaluated.

本実施の形態3の実施例3-1~3-11における接合材料101に含まれる成分と、その重量比率、及び、評価結果を図4の表3に示す。接合材料101の作製方法、接合プロセス、および評価方法は実施の形態1および実施の形態2と同様である。 Table 3 of FIG. 4 shows the components contained in the bonding material 101 in Examples 3-1 to 3-11 of the third embodiment, their weight ratios, and the evaluation results. The method for producing the bonding material 101, the bonding process, and the evaluation method are the same as those in the first and second embodiments.

図4の表3の結果から、第1の金属粒子102の粒径に着目すると、第1の金属粒子102の粒径がそれぞれ3、20、30μmである実施例3-2~3-4の場合は、接合、耐熱性の判定は○、強度の判定は◎であり、粒径が0.5、45μmである実施例3-1、3-5は接合、耐熱性、強度の判定は○である。 Focusing on the particle size of the first metal particles 102 from the results of Table 3 of FIG. 4, the particles of the first metal particles 102 are 3, 20, and 30 μm, respectively, in Examples 3-2 to 3-4. In the case, the judgment of bonding and heat resistance is ○, the judgment of strength is ◎, and in Examples 3-1 and 3-5 having particle sizes of 0.5 and 45 μm, the judgment of bonding, heat resistance and strength is ○. Is.

第1の金属粒子102の粒子径が小さい実施例3-1の場合、第2の金属粒子103の粒径と近いため、第2の金属粒子103と接する箇所が多くなる。そのため、接合プロセスにおける加熱時に液相焼結の速度が非常に大きく、接合する2つの部材の電極に十分ぬれ広がる前に金属間化合物の形成が完了するため、その他の実施例と比較して強度が小さくなると考えられる。
逆に、第1の金属粒子102の粒径が大きい実施例3-5の場合、第2の金属粒子103と比較して第1の金属粒子102の粒径が非常に大きいため、接合材料101を作製する際の均一性が低下したため、その他の実施例と比較して接合強度も比較的小さくなると考えられる。
In the case of Example 3-1 in which the particle size of the first metal particles 102 is small, since the particle size is close to that of the second metal particles 103, there are many places in contact with the second metal particles 103. Therefore, the rate of liquid phase sintering is very high during heating in the joining process, and the formation of the intermetallic compound is completed before the electrodes of the two members to be joined are sufficiently wetted and spread, so that the strength is higher than that of other examples. Is thought to be smaller.
On the contrary, in the case of Example 3-5 in which the particle size of the first metal particles 102 is large, the particle size of the first metal particles 102 is much larger than that of the second metal particles 103, so that the bonding material 101 It is considered that the bonding strength is also relatively small as compared with other examples because the uniformity at the time of producing is reduced.

第2の金属粒子103の粒径に着目すると、第2の金属粒子103の粒径がそれぞれ100、400、1200、2000nmである実施例3-7~3-10の場合は、接合、耐熱性の判定が○、強度の判定が◎であり、50、6000nmである実施例3-6、3-11は接合、耐熱性、強度の判定が○である。
第2の金属粒子103の粒径が小さい実施例3-6では、第2の金属粒子103の粒径が非常に小さいことによって、接合材料101の作製中や接合プロセスの加熱において第2の金属粒子103の凝集が生じ、均一性が低下するため、その他の実施例と比較して接合強度も比較的小さくなるためと考えられる。
第2の金属粒子103の粒子径が大きい実施例3-11では、第2の金属粒子103の粒径が大きいことで、接合プロセス中で溶融している第1の金属粒子102への拡散が遅く、金属間化合物の粒径が大きくなるためと考える。
Focusing on the particle size of the second metal particles 103, in the cases of Examples 3-7 to 3-10 in which the particle sizes of the second metal particles 103 are 100, 400, 1200, and 2000 nm, respectively, the bonding and heat resistance The determination of is ◯, the determination of strength is ⊚, and in Examples 3-6 and 3-11 having 50 and 6000 nm, the determination of bonding, heat resistance and strength is ◯.
In Example 3-6 in which the particle size of the second metal particles 103 is small, the particle size of the second metal particles 103 is so small that the second metal is made during the production of the bonding material 101 or during the heating of the bonding process. It is considered that the bonding strength is relatively small as compared with other examples because the particles 103 are aggregated and the uniformity is lowered.
In Example 3-11 in which the particle size of the second metal particles 103 is large, the large particle size of the second metal particles 103 causes diffusion to the first metal particles 102 melted in the joining process. This is probably because the particle size of the intermetallic compound becomes large.

本実施の形態3の結果より、次のことが確認される。
第1の金属粒子102は、メジアン径3~30μmの粒子を少なくとも含んでいるであることが望ましい。
第2の金属粒子103は、メジアン径100~2000nmであることが望ましい。
これらを満たす接合材料101において、高い接合強度の接合部を形成可能な接合材料を提供することが可能である。
From the result of the third embodiment, the following is confirmed.
It is desirable that the first metal particle 102 contains at least particles having a median diameter of 3 to 30 μm.
The second metal particles 103 preferably have a median diameter of 100 to 2000 nm.
In the joining material 101 satisfying these, it is possible to provide a joining material capable of forming a joining portion having a high joining strength.

<本発明の好適な条件>
以上、本実施形態1~3の結果より、本開示の接合材料の効果を発現するための好適な条件として、接合材料は、融点が200℃以下の第1の金属粒子102と、第1の金属粒子102に含まれる第1の金属元素と金属間化合物を生成することができる第2の金属元素を含む第2の金属粒子103と、TiOナノ粒子104と、フラックス105と、を含む接合材料101である。
また、第1の金属粒子102は、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素のみ、または、第2の金属元素と金属間化合物を生成する第1の金属元素と、第2の金属元素と金属間化合物を生成せず、その金属元素単体の融点が250℃以上である第3の金属元素と、を含む複合体、の何れかである。
さらに、第1の金属粒子102と第2の金属粒子103との比率は、第1の金属元素と第2の金属元素との平衡状態図において第1の金属粒子102に含まれる第1の金属元素と、第2の金属粒子103に含まれる第2の金属元素とが全て金属間化合物となる比率である。
<Preferable conditions of the present invention>
As described above, from the results of the first to third embodiments, as suitable conditions for exhibiting the effect of the bonding material of the present disclosure, the bonding material includes the first metal particles 102 having a melting point of 200 ° C. or lower and the first metal particles 102. A junction containing a second metal particle 103 containing a first metal element contained in the metal particles 102 and a second metal element capable of producing an intermetal compound, a TIO 2 nanoparticles 104, and a flux 105. Material 101.
Further, the first metal particles 102 include only the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound, or the first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound. It is one of a composite containing a second metal element and a third metal element that does not generate an intermetal compound and has a melting point of the metal element alone of 250 ° C. or higher.
Further, the ratio of the first metal particle 102 to the second metal particle 103 is the ratio of the first metal contained in the first metal particle 102 in the equilibrium state diagram between the first metal element and the second metal element. The ratio is such that the element and the second metal element contained in the second metal particle 103 are all metal-to-metal compounds.

より好適な条件として、TiOナノ粒子104が、メジアン径20~80nmであってもよい。 As more preferred conditions, the TiO 2 nanoparticles 104 may have a median diameter of 20-80 nm.

さらにより好適な条件として、TiOナノ粒子104の含有率が、第1の金属粒子102、第2の金属粒子103、およびTiOナノ粒子104の総和のうち、0.1wt%~1wt%であってもよい。 As an even more preferable condition, the content of the TiO 2 nanoparticles 104 is 0.1 wt% to 1 wt% of the total of the first metal particles 102, the second metal particles 103, and the TiO 2 nanoparticles 104. There may be.

さらにより好適な条件として、第1の金属粒子102が、Sn-Bi、Sn-In、Sn-Bi-In、Bi-In、およびInの群から選択される少なくとも一つであってもよい。 As an even more preferable condition, the first metal particle 102 may be at least one selected from the group of Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, and In.

さらにより好適な条件として、第2の金属粒子103が、Cuを含んでいてもよい。 As an even more preferable condition, the second metal particle 103 may contain Cu.

さらにより好適な条件として、第1の金属粒子102が、メジアン径3~30μmの粒子を少なくとも含んでいてもよい。 As an even more preferable condition, the first metal particles 102 may contain at least particles having a median diameter of 3 to 30 μm.

さらにより好適な条件として、第2の金属粒子103が、メジアン径100~2000nmであってもよい。 As an even more preferable condition, the second metal particles 103 may have a median diameter of 100 to 2000 nm.

また、実装構造体は、SiCまたはGaNのパワーデバイス素子と、パワーデバイス素子の電極と外部電極とを接合する上記接合材料101と、を備える。 Further, the mounting structure includes a SiC or GaN power device element and the bonding material 101 for bonding an electrode of the power device element and an external electrode.

なお、本実施形態において、評価に用いたSiC素子の電極はTi/Ni/Auを用いているが、本開示はこれに限定されるものではなく、第1の金属粒子102で接合可能な電極であれば本開示の効果を発現することができる。 In the present embodiment, the electrode of the SiC element used for the evaluation is Ti / Ni / Au, but the present disclosure is not limited to this, and the electrode that can be bonded with the first metal particles 102 is used. If so, the effect of the present disclosure can be exhibited.

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び/又は実施例のうちの任意の実施の形態及び/又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び/又は実施例が有する効果を奏することができる。 It should be noted that the present disclosure includes appropriately combining any of the various embodiments and / or embodiments described above, and the respective embodiments and / or embodiments. The effects of the examples can be achieved.

本発明に係る接合材料によれば、SiCやGaNのような高弾性率の素子を用い、かつ高温動作を行うデバイスにおいて求められる、耐熱性と高い強度を有した実装構造体を実現できる。 According to the bonding material according to the present invention, it is possible to realize a mounting structure having heat resistance and high strength required for a device that uses a device having a high elastic modulus such as SiC or GaN and that operates at a high temperature.

101 接合材料
102 第1の金属粒子
103 第2の金属粒子
104 TiOナノ粒子
105 フラックス
101 Bonding material 102 First metal particles 103 Second metal particles 104 TIO 2 nanoparticles 105 Flux

Claims (8)

融点が200℃以下の第1の金属粒子と、
前記第1の金属粒子に含まれる第1の金属元素と金属間化合物を生成することができる第2の金属元素を含む第2の金属粒子と、
TiOナノ粒子と、
フラックスと、
を含む接合材料であって、
前記第1の金属粒子は、
前記第2の金属元素と金属間化合物を生成する前記第1の金属元素のみ、または、
前記第2の金属元素と金属間化合物を生成する前記第1の金属元素と、前記第2の金属元素と金属間化合物を生成せずその金属元素単体の融点が250℃以上である第3の金属元素と、を含む複合体、
の何れかであり、
前記第1の金属粒子と前記第2の金属粒子との比率は、前記第1の金属元素と前記第2の金属元素との平衡状態図において前記第1の金属粒子に含まれる前記第1の金属元素と、前記第2の金属粒子に含まれる前記第2の金属元素とが全て金属間化合物となる比率である、
接合材料。
The first metal particles having a melting point of 200 ° C or less and
A second metal particle containing a first metal element contained in the first metal particle and a second metal element capable of producing an intermetallic compound, and a second metal particle.
With dio 2 nanoparticles,
Flux and
Is a joining material containing
The first metal particle is
Only the first metal element that produces the second metal element and the intermetallic compound, or
The first metal element that produces the second metal element and the metal-to-metal compound, and the third metal element that does not generate the second metal element and the metal-to-metal compound and the metal element alone has a melting point of 250 ° C. or higher. Complexes containing metal elements,
Is one of
The ratio of the first metal particle to the second metal particle is the first metal particle contained in the first metal particle in the equilibrium state diagram between the first metal element and the second metal element. The ratio of the metal element and the second metal element contained in the second metal particle to be an intermetal compound.
Joining material.
前記TiOナノ粒子が、メジアン径20~80nmである、請求項1に記載の接合材料。 The bonding material according to claim 1, wherein the TiO 2 nanoparticles have a median diameter of 20 to 80 nm. 前記TiOナノ粒子の含有率が、前記第1の金属粒子、前記第2の金属粒子、および前記TiOナノ粒子の総和のうち、0.1wt%~1wt%である、請求項1又は2に記載の接合材料。 Claim 1 or 2 in which the content of the TiO 2 nanoparticles is 0.1 wt% to 1 wt% of the total of the first metal particles, the second metal particles, and the TiO 2 nanoparticles. The bonding material described in. 前記第1の金属粒子が、Sn-Bi、Sn-In、Sn-Bi-In、Bi-In、およびInの群から選択される少なくとも一つである、請求項1から3のいずれか一項に記載の接合材料。 One of claims 1 to 3, wherein the first metal particle is at least one selected from the group of Sn-Bi, Sn-In, Sn-Bi-In, Bi-In, and In. The joining material described in. 前記第2の金属粒子が、Cuを含んでいる、請求項1から4のいずれか一項に記載の接合材料。 The joining material according to any one of claims 1 to 4, wherein the second metal particles contain Cu. 前記第1の金属粒子が、メジアン径3~30μmの粒子を少なくとも含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の接合材料。 The joining material according to any one of claims 1 to 5, wherein the first metal particles contain at least particles having a median diameter of 3 to 30 μm. 前記第2の金属粒子が、メジアン径100~2000nmである、請求項1~6いずれかに記載の接合材料。 The joining material according to any one of claims 1 to 6, wherein the second metal particles have a median diameter of 100 to 2000 nm. SiCまたはGaNのパワーデバイス素子と、
前記パワーデバイス素子の電極と外部電極とを接合する、請求項1から7のいずれか一項に記載の前記接合材料と、
を備えた、実装構造体。
With SiC or GaN power device devices
The joining material according to any one of claims 1 to 7, which joins the electrode of the power device element and the external electrode.
A mounting structure with.
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