JP6239173B1 - 金属製部材接合用シート、金属製部材の接合方法および金属製部材接合体 - Google Patents
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Abstract
Description
「[1] 金属素線織物の両面に、ハンダ粒子ペースト層、導電性加熱硬化性樹脂ペースト層または加熱焼結性金属粒子ペースト層を有することを特徴とする、金属製部材接合用シート。
[2] 金属素線が、断面径が0.01〜0.2mmであり、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄またはこれらを含む合金からなる素線である、[1]に記載の、金属製部材接合用シート。
[3] 金属素線織物が、3〜30本の金属素線の束からなる平織物である、[1]または[2]に記載の、金属製部材接合用シート。
[4-1] 複数の金属製部材が2個の金属製部材である[4]に記載の金属製部材の接合方法
[5] 金属素線が、断面径が0.01〜0.2mmであり、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄またはこれらを含む合金からなる素線である[4]に記載の、金属製部材の接合方法。
[6] 金属素線織物が、3〜30本の金属素線の束からなる平織物である、[4]または[5]に記載の、金属製部材の接合方法。
[7] 金属製部材の材質が、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄または、これらを含む合金である、[4]から[6]のいずれかに記載の、金属製部材の接合方法。
[8-1] 複数の金属製部材が2個の金属製部材である[8]に記載の金属製部材の接合方法。
[9] 金属素線が、断面径が0.01〜0.2mmであり、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄またはこれらを含む合金からなる素線である、[8]または[8-1]に記載の、金属製部材の接合方法。
[10] 金属製部材の材質が、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄または、これらを含む合金である、[8]または[9]に記載の、金属製部材の接合方法。
[11-1] 複数の金属製部材が2個の金属製部材である[11]に記載の金属製部材接合体。
[11-2] 金属素線が、断面径が0.01〜0.2mmであり、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄またはこれらを含む合金からなる素線である、[11]または[11-1]に記載の、金属製部材接合体。
[12] 金属製部材が金属部分を有する電子部品である、[11]、[11-1]または[11-2]に記載の金属製部材接合体。
[12−1] 金属部分の材質が、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄または、これらを含む合金である、[12]に記載の、金属製部材接合体。」により達成される。
本発明の第2の接合方法では、金属素線織物の両面と複数の金属製部材の間に、ハンダ粒子ペースト,導電性加熱硬化性樹脂ペーストまたは加熱焼結性金属粒子ペーストを介在させ、加熱して、ハンダ粒子を溶融させ、導電性加熱硬化性樹脂を硬化させ、または、加熱焼結性金属粒子を焼結させるので、熱衝撃耐性に優れた金属製部材接合体を容易かつ確実に形成することができる。
金属素線織物は布状であり、シート状である。そのため柔軟性があり、力が加わると容易に変形するため、熱衝撃に対する追従性が優れ、熱応力を緩和することができる。
綾織は、たて糸が2本のよこ糸を通過した後に、1本のぬき糸の下を通過することを繰り返す三つ綾と、たて糸が3本のよこ糸を通過した後に、1本のぬき糸の下を通過することを繰り返す四つ綾があり、糸の交差部分が斜めになるため伸縮性があり、しわがよりにくいという特徴がある。
繻子織(しゅすおり)は、経糸・緯糸を5本以上で作られる。表面上は縦糸もしくは緯糸のみが現れるのが特徴である。光沢があり、柔らかいというメリットがあるが、摩擦に弱いというデメリットもある。
なお、金属素線の不織布をこれらの織物の代わりに用いてもよい。不織布は、素線を織ることなく絡み合わせたものであり、多孔質構造であり、極めて高い応力緩和性を有する。
ベース樹脂として、ロジンまたはロジン誘導体、合成樹脂が例示される。尚、ロジンとして、ガムロジン、トールロジン、ウッドロジンなどが例示される。ロジン誘導体としては、熱処理したロジン、重合ロジン、変性ロジン(例えば、アクリル化ロジン、水素添加ロジン、ホルミル化ロジン、ロジンエステル、ロジン変性マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性アルキド樹脂)、低軟化点ロジンが例示される。
ベース樹脂がフラックス中で占める量は、好ましくは、30〜70質量%である。
活性剤がフラックス中で占める量は、好ましくは、1〜10質量%である。
本発明で使用する導電性加熱硬化性樹脂ペーストは、本発明の目的に反せず、効果を損なわない限り、導電性金属粒子以外の金属系または非金属系の粉体、金属化合物、金属錯体、チクソ剤、安定剤、溶剤、希釈剤、着色剤等の添加物を少量ないし微量含有してもよい。
なお、メディアン径は、レーザ回折式粒度分布測定装置により、粒子の粒度分布を体積基準で測定し、得られた体積基準粒度分布曲線において積算値が50%となるときの粒径値のことである。
その形状は、多孔質焼結物を形成しやすい点で球状、粒状、涙滴状およびフレーク状が好ましい。
ここで言う球状とは、ほぼ球に近い形状である(JIS Z2500:2000参照)。必ずしも真球状である必要はなく、粒子の長径(DL)と短径(DS)との比(DL)/(DS)(球状係数と言うことがある)が1.0〜1.2の範囲にあるものが好ましい。
粒状とは、不規則形状のものではなく、幅,奥行き,高さがほぼ等しい寸法をもち、丸っぽい形状である。
涙滴状とは、涙滴が示すような丸みを帯びた不規則形状である。
フレーク状(片状)とは、薄板のような形状であり、鱗のように薄い板状であることから鱗片状とも言われるものである。いずれの形状であっても粒度分布は限定されない。
炭素原子、水素原子、酸素原子および窒素原子からなる揮発性有機化合物として、アセトアミド、N、N-ジメチルホルムアミドのような揮発性カルボン酸アミドが例示される。その他に、低分子量の揮発性シリコーンオイルおよび揮発性有機変成シリコーンオイルが例示される。
本発明で使用する加熱焼結性金属粒子ペーストには、本発明の目的に反せず、効果を損なわない限り、加熱焼結性金属粒子以外の金属系または非金属系の粉体、金属化合物、金属錯体、チクソ剤、安定剤、着色剤等の添加物を少量ないし微量含有しても良い。
金属製部材の材質としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄、および、これら各金属を含む合金が例示される。これらのうちでは導電性、接合性の点で、金、銀、銅、ニッケル、スズまたはこれらを含む合金であることが好ましい。
金属素線織物、加熱焼結性金属粒子および金属製部材が銀または銀合金からなる場合は、酸素ガスを含む酸化性ガス、特には大気が好ましい。なお、接合に使用する加熱焼結性金属粒子ペースト中の金属粒子と金属製部材の表面金属は、合金を形成しやすい金属であってもよい。
複数の金属製部材が2個の場合は、2個の金属製部材間に、金属素線織物の両面にハンダ層,導電性硬化樹脂層または金属粒子焼結層を有する金属製部材接合用シートが挟持されている。複数の金属製部材が3個の場合は、3個の金属製部材間に、金属素線織物の両面にハンダ層,導電性硬化樹脂層または金属粒子焼結層を有する金属製部材接合用シートが挟持されている。
測定項目および測定方法は以下の通りである。なお、測定時の温度は特に記載のない場合は25℃である。
縦および横が10mmで厚さ500μmの金属素線織物(直径が0.08mm、断面が円状で材質が銅または銅にスズメッキした金属素線を6本有する束で平織したもの)の両面に、各々50μmのハンダ粒子ペースト、加熱焼結性エポキシ樹脂ペーストまたは加熱焼結性金属粒子ペーストをステンシル印刷にて塗布し、ハンダ粒子ペーストにおいては、リフロー炉で窒素気流中、230℃、10分間加熱して、該金属素線織物の両面にハンダ合金層を形成した。導電性加熱硬化性エポキシ樹脂ペーストおよび加熱焼結性銀粒子ペーストにおいては、窒素気流循環式オーブン中、230℃、1時間加熱して、該金属素線織物の両面に導電性硬化エポキシ樹脂層を形成した。また同様に該金属素線織物の両面に銀粒子焼結層を形成した。
幅25mm×長さ70mm、厚さ1.0mmの金メッキ基板1(金純度99.99%)上に、10mmの間隔をおいて4つの開口部(2.5mm×2.5mm)を有する50μm厚のメタルマスクを用いて、ハンダペースト、導電性加熱硬化性エポキシ樹脂ペーストまたは加熱焼結性銀粒子ペーストを印刷塗布し、その上に縦および横が2.5mmで厚さが500μmの金属素線織物(直径が0.08mm、断面が円状で材質が銅または銅にスズメッキした金属素線を6本有する束で平織したもの)を搭載し、その上に、厚さが50μmとなる量のハンダ粒子ペースト、導電性加熱硬化性エポキシ樹脂ペーストまたは加熱焼結性銀粒子ペーストを塗布し、その上にサイズが2.5mm×2.5mm×0.5mmの銀チップ3(銀純度99.99%)を搭載した。
ついで、これを、ハンダ粒子ペーストにおいては、リフロー炉で窒素気流中、230℃、10分間加熱して、ハンダ合金により金メッキ基盤と銀チップを接合し、導電性加熱硬化性エポキシ樹脂ペーストおよび加熱焼結性銀粒子ペーストにおいては、窒素気流循環式オーブン中、230℃、1時間加熱して、導電性エポキシ樹脂硬化物または銀粒子焼結物により、金メッキ基盤と銀チップを接合した。
なお、せん断接着強さ測定用試験体の平面図を図2に示し、該平面図におけるX−X線断面図を図3に示した。
幅25mm×長さ70mm、厚さ1.0mmの金メッキ基板1(金純度99.99%)上に、10mmの間隔をおいて4つの開口部(2.5mm×2.5mm)を有する600μm厚のメタルマスクを用いて、ハンダ粒子ペースト、導電性加熱硬化性エポキシ樹脂ペーストまたは加熱焼結性銀粒子ペーストを印刷塗布し、その上に、サイズが2.5mm×2.5mm×0.5mmの銀チップ3(銀純度99.99%)を搭載した。
ついで、これを、ハンダ粒子ペーストにおいては、リフロー炉で窒素気流中、230℃、10分間加熱して、ハンダ合金により金メッキ基盤と銀チップを接合し、導電性加熱硬化性エポキシ樹脂ペーストおよび加熱焼結性銀粒子ペーストにおいては、窒素気流循環式オーブン中、230℃、1時間加熱して、導電性エポキシ樹脂硬化物または銀粒子焼結物により、金メッキ基盤と銀チップを接合して、接合強度測定用試験体(2)を作製した。
Sn−Ag−Cu合金(固相線温度は218℃、液相線温度は220℃)であり、メディアン径が30μmのハンダ合金粒子90部と、ベース樹脂として重合ロジン(商品名:アラダイム)、活性剤としてシクロヘキシルアミン臭化水素酸塩(試薬)、チクソ付与剤としてジベンジリデンソルビトール誘導体(試薬)、溶媒としてブチルカルビトール(試薬)を含む液状フラックス10部からなる、ハンダ粒子ペーストを調製した。該ハンダ粒子ペーストの粘度は200Pa・sであった。
還元法で製造され、表面がオレイン酸で被覆された銀粒子(形状:粒状、メディアン径:1.0μm、オレイン酸量:0.3重量%)50部と、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(商品名:jER828)37.5部、1官能性エポキシ樹脂希釈剤(商品名:ED509S)4.0部、エポキシ樹脂硬化剤(商品名:PN−40)8.5部からなる、導電性加熱硬化性エポキシ樹脂ペーストを調製した。該導電性加熱硬化性エポキシ樹脂ペーストの粘度は100Pa・sであった。
還元法で製造され、表面がヘキサン酸で被覆された銀粒子(形状:粒状、メディアン径:1.0μm、ヘキサン酸量:0.3重量%)100部と、揮発性分散媒としてオクタンジオール(試薬)10部からなる、加熱焼結性銀粒子ペーストを調製した。該加熱焼結性金属粒子ペーストの粘度は20Pa・sであった。
これらの試験体について、熱伝導率および体積抵抗率を測定し、結果を表1にまとめて示した。
直径が0.08mm、断面が円状で材質が銅にスズメッキした金属素線を6本有する束で平織した金属素線織物の両面に、参考例2で調製した導電性加熱硬化性エポキシ樹脂ペーストを厚さ50μmとなるように塗布し、窒素気流循環式オーブンで、230℃、1時間加熱して金属素線織物の両面に導電性エポキシ樹脂硬化物層を形成することにより、熱伝導率測定用試験体および体積抵抗率測定用試験体を作製した。
これらの試験体について、熱伝導率および体積抵抗率を測定し、結果を表1にまとめて示した。
直径が0.08mm、断面が円状で材質が銅である金属素線を6本有する束で平織した金属素線織物の両面に、参考例3で調製した加熱焼結性銀粒子ペーストを厚さ50μmとなるように塗布し、窒素気流循環式オーブンで、230℃、1時間加熱して前記金属素線織物の両面に銀粒子焼結物層を形成することにより、熱伝導率測定用試験体および体積抵抗率測定用試験体を作製した。
これらの試験体について、熱伝導率および体積抵抗率を測定し、結果を表1にまとめて示した。
フッ素樹脂製の板上に、参考例1で調製したハンダ粒子ペーストを縦10mm、横10mm、厚さ600μmとなるように印刷塗布し、リフロー炉で窒素気流中、230℃、10分間加熱してハンダ合金のみからなる熱伝導率測定用試験体および体積抵抗率測定用試験体を作製した。
これらの試験体について、熱伝導率および体積抵抗率を測定し、結果を表2にまとめて示した。
フッ素樹脂製の板上に、参考例2で調製した導電性加熱硬化性エポキシ樹脂ペーストを縦10mm、横10mm、厚さ600μmとなるように印刷塗布し、窒素気流循環式オーブンで、230℃、1時間加熱して導電性エポキシ樹脂硬化物のみからなる熱伝導率測定用試験体および体積抵抗率測定用試験体を作製した。
これらの試験体について、熱伝導率および体積抵抗率を測定し、結果を表2にまとめて示した。
フッ素樹脂製の板上に、参考例3で調製した加熱焼結性銀粒子ペーストを縦10mm、横10mm、厚さ600μmとなるように印刷塗布し、窒素気流循環式オーブンで、230℃、1時間加熱して銀粒子焼結物のみからなる熱伝導率測定用試験体および体積抵抗率測定用試験体を作製した。
これらの試験体について、熱伝導率および体積抵抗率を測定し、結果を表2にまとめて示した。
本発明の金属素線織物を使用する金属製部材の接合方法は、熱衝撃耐性に優れた金属製部材接合体を製造するのに有用である。
本発明の金属製部材接合体は、コンデンサ,抵抗等のチップ部品と回路基板との接合体、ダイオード,メモリ,IC,IGBT,CPU等の半導体チップとリードフレームもしくは回路基板との接合体、高発熱のIGBT,CPUチップと冷却板の接合体などして有用である。本発明の金属製部材接合体は、電子装置、電気装置などを製造するのに有用である。
1 金メッキ基板
2 金属製部材接合用シート
3 銀チップ
4 金属素線平織物
5 ハンダ粒子ペースト
6 ハンダ粒子ペースト含侵層
Claims (13)
- 金属素線織物の両面に、ハンダ粒子ペースト層、導電性加熱硬化性樹脂ペースト層または加熱焼結性金属粒子ペースト層を有することを特徴とする、金属製部材接合用シート。
- 金属素線が、断面径が0.01〜0.2mmであり、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄またはこれらを含む合金からなる素線である、請求項1に記載の、金属製部材接合用シート。
- 金属素線織物が、3〜30本の金属素線の束からなる平織物である、請求項2に記載の、金属製部材接合用シート。
- 金属素線織物の両面にハンダ粒子ペースト層,導電性加熱硬化性樹脂ペースト層または加熱焼結性金属粒子ペースト層を有する金属製部材接合用シートを、複数の金属製部材間に介在させ、加熱して、ハンダ粒子を溶融させ、導電性加熱硬化性樹脂ペーストを硬化させ、または、加熱焼結性金属粒子を焼結させることを特徴とする、金属製部材の接合方法。
- 金属素線が、断面径が0.01〜0.2mmであり、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄またはこれらを含む合金からなる素線である、請求項4に記載の、金属製部材の接合方法。
- 金属素線織物が、3〜30本の金属素線の束からなる平織物である、請求項4または請求項5に記載の、金属製部材の接合方法。
- 金属製部材の材質が、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄または、これらを含む合金である、請求項4から請求項6のいずれか1項に記載の、金属製部材の接合方法。
- 金属素線織物の両面と複数の金属製部材の間に、ハンダ粒子ペースト, 導電性加熱硬化性樹脂ペーストまたは加熱焼結性金属粒子ペーストを介在させ、加熱して、ハンダ粒子を溶融させ、導電性加熱硬化性樹脂を硬化させ、または、加熱焼結性金属粒子を焼結させることを特徴とする、金属製部材の接合方法。
- 金属素線が、断面径が0.01〜0.2mmであり、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄またはこれらを含む合金からなる素線である、請求項8に記載の、金属製部材の接合方法。
- 金属素線織物が、3〜30本の金属素線の束からなる平織物である、請求項8または請求項9に記載の、金属製部材の接合方法。
- 金属製部材の材質が、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、スズ、鉄または、これらを含む合金である、請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の、金属製部材の接合方法。
- 複数の金属製部材間に、金属素線織物の両面にハンダ層,導電性硬化樹脂層または金属粒子焼結層を有する金属製部材接合用シートが介在し、該金属製部材はハンダ層,導電性硬化樹脂層または金属粒子焼結層と接着していることを特徴とする、金属製部材接合体。
- 金属製部材が金属部分を有する電子部品である、請求項12に記載の金属製部材接合体。
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- 2017-04-13 JP JP2017079557A patent/JP6239173B1/ja active Active
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