JP6384894B2

JP6384894B2 - 金属ナノ粒子を用いた金属接合構造及び金属接合方法並びに金属接合材料

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Publication number: JP6384894B2
Application number: JP2013233117A
Authority: JP
Inventors: 巽　宏平; 宏平巽; 石川　信二; 信二石川; 典恵松原; 將元田中
Original assignee: Waseda University; Nippon Steel Corp
Current assignee: Waseda University; Nippon Steel Corp
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: JP2015093295A

Description

本発明は、金属ナノ粒子を用いた金属接合構造及び金属接合方法並びに金属接合材料であり、特に、接合部に熱応力が負荷されても高い接合能力を保持する金属接合構造及び金属接合方法並びに金属接合材料に関するものである。

金属粒子であって、平均粒径が１μｍ未満、特に１〜１００ｎｍである金属粒子は金属ナノ粒子と呼ばれている。金属ナノ粒子は、微細な粒子径からもたらされる高い結合性を有し、ナノ金属粒子を構成する金属の融点よりもはるかに低い温度で粒子間の結合が生じることが確認されている。また、得られる結合体の構造的強度は、その金属の融点付近まで保たれることが期待される。金属ナノ粒子を構成する金属として、Ａｇが代表であり、その他にＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉなどが列挙されている（例えば特許文献１）。

金属ナノ粒子は一般に、有機殻で金属ナノ粒子を被覆した構造を有する有機−金属複合ナノ粒子として用いる。室温においては有機殻がナノ粒子の自己凝集を防止し、独立分散した形態を維持することができる。被接合材表面に供給したナノ粒子を加熱すると、有機殻は分解・除去され、表面活性な金属ナノ粒子の低温焼成機能が発現し、粒子同士が焼成し同時に被接合材表面と結合する（非特許文献１）。

パワー半導体の技術分野において、半導体のチップなどを基板に固定したパワー半導体モジュールが種々の分野に適用されている。ここで、半導体チップと基板との接続などに用いられる一体化技術として、従来はハンダ接合技術が用いられていた。

一方で、近年のパワー半導体分野での技術進展に伴い、デバイスをより高温で使用可能にすることによる省エネパワーデバイスの実現が期待されている。ところが、パワー半導体モジュールの接合にハンダ接合を用いたのでは、高温における接合強度を確保できないという問題をかかえていた。そこで、金属ナノ粒子の高い結合性を利用して半導体チップ等の接合材料として利用する技術が開発されている（特許文献２、３）。

接合層を介して２つの被接合材同士を接合した接合構造において、接合構造を有する部材が昇温、降温するに際し、接合層に熱応力が負荷される場合がある。２つの被接合材が異なった材料から構成され、それぞれの材料の熱膨張係数が異なる場合には、２つの被接合材の熱膨張量が異なるため、接合層に熱変形に起因する熱応力が発生する。また、２つの被接合材が異なった温度になる場合にも、接合層に熱応力が発生する。接合材料にハンダを用いる場合には、ハンダが高い延性を有しており、接合層両側の熱変形量の差をハンダの延性で吸収するため、熱応力を緩和することができる。それに対して金属ナノ粒子を用いた接合層においては、ハンダに比較して延性が低いため、熱変形に伴う熱応力を緩和しきれず、接合層に欠陥が形成され、接合強度が低下することがある。

特許文献２においては、金属ナノ粒子を用いた接合層の厚さを厚くすることにより、熱応力の緩和をはかることとしている。当該文献の発明例では接合層の厚さを１００μｍ以上としている。また特許文献３においては、被接合面のうち、被接合面の中心近くのみを金属ナノ粒子による接合層とし、被接合面の外周付近についてはハンダを用いた接合層としている。対面する被接合面が温度変化に伴って熱膨張するに際し、熱膨張に伴う熱変形量の差は、被接合面の中心から遠ざかるほど大きくなる。そこで、熱変形量の差が比較的小さい被接合面の中心近くのみを金属ナノ粒子による接合層とすることにより、金属ナノ粒子接合層の熱変形破壊を防止している。

２つの被接合材同士を接合するに際し、一方又は両方の被接合材表面がＡｌであると、接合が困難となる。非特許文献１によると、Ａｇナノ粒子を用いて金属の接合を行う場合、金属がＡｌであると接合強度が極めて低くなるとされている。Ａｌ表面の酸化物が安定であるため、接合に際して酸化皮膜が除去できなかったためとしている。特許文献１においてもＡｌなどはＡｇナノ粒子と接合し難いと記載されている。

半導体素子のＡｌ電極とＡｕボンディングワイヤの接合において、超音波熱圧着法が用いられている。Ａｌ電極にＡｕボンディングワイヤを圧着しつつ超音波を付加することにより、Ａｌ電極表面の酸化皮膜を破壊し、Ａｌ電極とＡｕボンディングワイヤの金属接合を可能にしている。ところが、接合後の半導体素子を高温環境に置くと、接合部の金属間化合物相にボイドが生じるため、ＡｌとＡｕの組み合わせは初期に高い接合強度が得られたとしても高温環境での使用には適さない。ＡｌにＣｕを接合した際も、やはりボイドが生じて劣化する。

特開２０１３−１２６９３号公報特開２０１１−０４１９５５号公報特開２０１１−１５９９９４号公報

「金属ナノ粒子を用いた接合技術」表面技術Ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．７，２００８、第４４３〜４４７頁

本発明は、２つの被接合金属材料同士を金属ナノ粒子を用いた接合層によって接合するに際し、２つの被接合材の熱変形量が相違する場合であっても、接合層の接合強度を十分に保持することのできる金属接合構造及び金属接合方法並びに金属接合材料を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）第１被接合体の被接合面（「第１被接合面」という。）と第２被接合体の被接合面（「第２被接合面」という。）との間に、金属ナノ粒子を含む第１接合層、金属箔層、金属ナノ粒子を含む第２接合層がこの順に形成されており、
前記金属箔層を構成する金属箔がＡｌ又はＡｌ合金からなり、前記金属ナノ粒子を含む第１接合層、第２接合層中に含まれる金属分のうち、Ｎｉナノ粒子の含有量が１０質量％以上であることを特徴とする金属接合構造。
（２）第１被接合体の被接合面（「第１被接合面」という。）と第２被接合体の被接合面（「第２被接合面」という。）との間に、金属ナノ粒子を含む第１接合層、金属箔層、金属ナノ粒子を含む第２接合層をこの順で設けた上で２００℃以上に加熱して第１被接合体と第２被接合体とを接合する金属接合方法であって、
前記金属箔がＡｌ又はＡｌ合金からなり、前記金属ナノ粒子を含む第１接合層、第２接合層中に含まれる金属分のうち、Ｎｉナノ粒子の含有量が１０質量％以上であることを特徴とする金属接合方法。
（３）金属ナノ粒子を含む第１接合層、金属箔層、金属ナノ粒子を含む第２接合層がこの順に形成されており、
前記金属箔がＡｌ又はＡｌ合金からなり、前記金属ナノ粒子を含む第１接合層、第２接合層中に含まれる金属分のうち、Ｎｉナノ粒子の含有量が１０質量％以上であることを特徴とする金属接合材料。

本発明の金属接合構造は、第１被接合体の被接合面（第１被接合面）と第２被接合体の被接合面（第２被接合面）との間に、金属ナノ粒子を含む第１接合層、金属箔層、金属ナノ粒子を含む第２接合層がこの順に形成することにより、第１被接合体と第２被接合体の熱膨張量に差が生じた場合であっても、第１接合層と第２接合層との間に設けた金属箔層が変形することによって熱膨張量の差を吸収することができ、結果として第１接合層と第２接合層のせん断変形量を低減し、接合強度の低下を防止することができる。

本発明の金属接合構造の一例を示す断面図である。従来の金属接合構造の一例を示す断面図である。

本発明で金属ナノ粒子とは、平均粒径が１μｍ未満の金属粒子をいう。このような微粒子を接合構造における接合層として用いることにより、金属ナノ粒子を構成する金属の融点よりもはるかに低い温度で粒子間の結合を生じさせることができ、得られる結合体の構造的強度は、その金属の融点付近まで保つことができる。金属ナノ粒子の平均粒径は５００ｎｍ以下とすると好ましい。１００ｎｍ以下とすると低温での焼結性が増すのでさらに好ましい。一方、金属ナノ粒子の平均粒径が小さすぎると表面の酸化物、有機成分の割合が大きくなり、接合性が低下することとなる。従って、金属ナノ粒子の平均粒径は５ｎｍ以上とすると好ましい。

金属ナノ粒子の平均粒径を測定する方法については、金属ナノ粒子の平均粒径は高分解能ＳＥＭまたはＴＥＭにより直接観察し、平均粒径を求めることができる。

従来、金属ナノ粒子を用いて接合を行う場合、図２に示すように、第１被接合体１の被接合面（第１被接合面）と第２被接合体２の被接合面（第２被接合面）との間に金属ナノ粒子を含む接合層５が形成されていた。ところが、前述のとおり、接合構造を有する部材が昇温、降温するに際し、２つの被接合材が異なった材料から構成され、それぞれの材料の熱膨張係数が異なる場合、あるいは２つの被接合材が異なった温度になる場合には、２つの被接合材の熱膨張量が異なるため、接合層に熱変形に起因する熱応力が発生する。そして、金属ナノ粒子を用いた接合層においては、ハンダはもちろん、金属ナノ粒子と同じ金属のバルクに比較しても硬く、延性が低いため、熱変形に伴う熱応力を緩和しきれず、接合層にき裂などの欠陥が形成され、接合強度が低下することがあった。

本発明においては、図１に示すように、第１被接合体の被接合面（第１被接合面）と第２被接合体の被接合面（第２被接合面）との間に、金属ナノ粒子を含む第１接合層、金属箔層、金属ナノ粒子を含む第２接合層をこの順に形成することにより、上記問題を解決することに成功した。第１被接合体と第２被接合体の熱膨張量に差が生じた場合であっても、第１接合層と第２接合層との間に設けた金属箔層が変形することによって熱膨張量の差を吸収することができ、結果として金属ナノ粒子を用いた第１接合層と第２接合層のせん断変形量を低減し、接合強度の低下を防止することができるからであると推定される。

２つの被接合材が異なった材料から構成され、それぞれの材料の熱膨張係数が異なる場合には、金属ナノ粒子を焼結させるための加熱時にすでに熱応力問題が発生する。例えば、図２に示す接合構造において、第１被接合体１がＳｉからなり、第２被接合体２がＣｕからなる場合、ＳｉとＣｕは熱膨張率が異なる。金属ナノ粒子を焼結させるための熱処理を３００℃で行うとすると、ＳｉとＣｕはそれぞれ３００℃に対応する熱膨張代で長さが定まっており、その状況において焼結が進行して接合層５が形成される。その後に常温まで降温すると、第１被接合体と第２被接合体の熱収縮量が異なるため、接合層５内で熱応力起因の熱変形が生じる。金属ナノ粒子を焼結させた接合層５は延性が低いため、この程度の熱応力でも接合層内にき裂が生じ、結果として金属ナノ粒子を用いた接合層のせん断強度が不十分な値となる。それに対して本発明は、第１接合層と第２接合層との間に設けた金属箔層が変形することによって熱膨張量の差を吸収することができ、結果として第１接合層と第２接合層のせん断変形量を低減し、接合強度の低下を防止することができる。

本発明の金属接合構造に設ける金属箔層として、Ａｌ又はＡｌ合金を用いることができれば好ましい。Ａｌ又はＡｌ合金は延性に優れ、接合構造に負荷される熱膨張量の差を吸収するのに好適だからである。ところが、従来、広く検討されてきたＡｇ，Ａｕ等の金属ナノ粒子を用いて金属の接合を行う場合、被接合材表面がＡｌであると、３００℃以上の高温で保持した場合、せん断強度がほぼゼロに近く、接合強度が極めて低くなることがわかっていた。従って、本発明において金属箔層としてＡｌを用いることが困難であった。

これに対して本発明においては、接合に用いる金属ナノ粒子としてＮｉナノ粒子を用いることにより、たとえ被接合面がＡｌ又はＡｌ合金であっても、金属ナノ粒子との接合が可能であることを見いだした。

即ち、本発明において好ましくは、金属箔層を構成する金属箔がＡｌ又はＡｌ合金からなり、前記第１接合層、第２接合層中に含まれる金属ナノ粒子がＮｉナノ粒子である。これにより、本発明の金属箔層としてＡｌ又はＡｌ合金を採用することができるので、接合層に負荷される熱応力を好適に緩和することが可能となる。Ｎｉナノ粒子とＡｌ箔またはＡｌ合金箔との界面については、金属同士あるいは、酸化物を介して強固な接合が得られ、３５０℃以上の高温での使用においても信頼性の高い接合状態を維持することができる。

金属箔層を構成するＡｌとは、Ａｌ含有量が９８質量％以上のものを意味し、その他は不特定の不純物あるいは微量添加元素の構成であるものとする。ＪＩＳＨ４１６０に記載されているものを好適に用いることができる。また、金属箔層を構成するＡｌ合金としては、合金中のＡｌ含有量が８５質量％以上であれば特に制約はないが，展延性および電気伝導性に優れているＡｌ合金を好適に用いることができる。合金化により箔の耐熱性を高めることができるので、たとえば、Ａｌ−２．２質量％Ｓｉ，Ａｌ−１質量％Ｓｉ−０．５質量％Ｃｕ−０．６％質量Ｆｅ、Ａｌ−１質量％Ｓｉ−１．０質量％Ｆｅ−０．２質量％Ｃｕ、Ａｌ−１質量％Ｆｅ−０．５質量％Ｓｉ−０．２質量％Ｃｕ−０．８質量％Ｍｎを好適に用いることができる。

金属ナノ粒子を構成するＮｉナノ粒子としては、Ｎｉ以外に合金成分を含有していてもよい。合金成分として、例えばＡｇ、Ｃｕ，Ｆｅ、Ｐの１種又は２種以上を含有する合金を意味する。

一方、接合層中に、Ｎｉナノ粒子以外の金属分を含有することとしても良い。その他の金属分としては、Ｎｉ以外の金属ナノ粒子であっても良いし、平均粒径が１μｍ以上１００μｍ未満である大径の金属粉末であっても良い。金属ナノ粒子とする場合、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ，Ｓｎの金属又は合金を用いることができる。また、大径の金属粉末とする場合、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ，Ｓｎの金属又は合金を用いることができる。いずれの場合であっても、Ａｌ又はＡｌ合金からなる被接合面はＮｉナノ粒子との間で接合し、大径の金属粉末は周囲の金属ナノ粒子と接合し、Ａｌ以外からなる被接合面は金属ナノ粒子との間で接合し、金属ナノ粒子同士の間も接合するので、結果として、良好な接合力を有する接合層を形成することができる。接合層中に含まれる金属分のうち、Ｎｉナノ粒子の合計含有量が多いほど、良好な接合力を得ることができる。一方、Ｎｉナノ粒子の含有量が１０質量％以上であれば、本発明として十分な結合力を確保することができる。Ｎｉナノ粒子の含有量を５０質量％以上とすると好ましい。８０質量％以上とするとより好ましい。

従来、Ａｌ材料を他の金属材料（Ａｌを含む）と溶接することは困難であった。Ａｌ表面に形成された酸化皮膜を除去することが困難なためである。ただし、半導体素子のＡｌ電極とＡｕボンディングワイヤの接合において、超音波熱圧着法が用いられている。Ａｌ電極にＡｕボンディングワイヤを圧着しつつ超音波を付加することにより、Ａｌ電極表面の酸化皮膜を破壊し、Ａｌ電極とＡｕボンディングワイヤの金属接合を可能にしている。ところが、接合後の半導体素子を高温環境に置くと、接合部の金属間化合物相にボイドが生じるため、ＡｌとＡｕの組み合わせは初期に高い接合強度が得られたとしても高温接合には利用できない。これに対して本発明においては、被接合面のＡｌとＮｉナノ粒子との接合部については、３００℃以上の高温環境においても接合部にボイドが生成しないので、接合強度が劣化する問題は発生しない。従って、高温環境で使用される材料、高温と低温との間の熱サイクルを繰り返す環境で使用される材料であっても、好適な接合強度を維持することが可能となる。

本発明は、前記金属箔層を構成する金属箔がＡｇ、Ａｕ又はこれらの合金のいずれかからなる場合は、前記金属ナノ粒子を含む第１接合層、第２接合層中に含まれる金属ナノ粒子として、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉの一種以上からなる金属ナノ粒子を用いることができる。Ａｇナノ粒子、Ａｕナノ粒子、Ｃｕナノ粒子あるいはＮｉナノ粒子とＡｇ金属箔との接合界面においては、３５０℃以上の高温での使用において、信頼性の高い接合状態を維持することができる。

金属箔として用いるＡｇとは、Ａｇ含有量が９０質量％以上のものを意味する。また、Ａｇ合金とは、合金中のＡｇ含有量が６０質量％以上であり、合金成分として、例えばＡｕ，Ｐｄの１種又は２種以上を含有する合金を意味する。例えば、Ａｇ−１１％Ａｕ，Ａｇ−１５％Ｃｕ−１５％Ｚｎ，Ａｇ−２２％Ｃｕ−１７％Ｚｎ−５％Ｓｎが好適に用いられる。また表面がＡｕ、Ｐｄ等のメッキを施されたものでもよい。Ａｕとは、Ａｕ含有量が９０質量％以上のものを意味する。また、Ａｕ合金とは、合金中のＡｕ含有量が６０質量％以上であり、合金成分として、例えばＡｇ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｐｄの１種又は２種以上を含有する合金を意味する。例えば、Ａｕ−１１％Ａｇ合金が好適に用いられる。また表面がＡｕ、Ａｇ，Ｐｄ等のメッキを施されたものでもよい。Ｎｉ金属、Ｎｉ合金としては前述のものを用いることができる。

本発明で用いる金属ナノ粒子としては、金属ナノ粒子を構成する金属（例えばＮｉ）以外に合金成分を含有していてもよい。

一方、接合層中に、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉの一種以上からなる金属ナノ粒子以外の金属分を含有することとしても良い。その他の金属分としては、各種金属のナノ粒子であっても良いし、平均粒径が１μｍ以上である大径の金属粉末であっても良い。金属ナノ粒子とする場合、Ｓｎ，Ｚｎ又はこれらの合金を用いることができる。また、大径の金属粉末とする場合、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ，Ｓｎ，Ｚｎ又はこれらの合金を用いることができる。いずれの場合であっても、金属箔表面および被接合面は金属ナノ粒子との間で接合し、大径の金属粉末は周囲の金属ナノ粒子と接合し、金属ナノ粒子同士の間も接合するので、結果として、良好な接合力を有する接合層を形成することができる。Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉの一種以上からなる金属ナノ粒子の合計含有量が１０質量％以上であれば、本発明として十分な結合力を確保することができる。これら金属ナノ粒子の合計含有量を５０質量％以上とすると好ましい。８０質量％以上とするとより好ましい。

本発明において、金属ナノ粒子を含む接合層は、金属同士の接合によって全体の接合力を形成しているので、接合層中に金属以外の成分を含有する必要はない。後述するように、金属ナノ粒子を含む接合層を形成するに際しては、金属ナノ粒子ペーストを形成して接合部に被着し、その後２００℃以上に加熱して金属ナノ粒子による接合を実現する。金属ナノ粒子ペーストは、エーテル系などの溶媒中に金属ナノ粒子を分散させている。また、金属ナノ粒子は有機殻によって被覆されている。従って、加熱前の接合層にはペースト中の溶媒成分及び有機殻の成分が含まれている。２００℃以上に加熱することにより、溶媒成分と有機殻の成分は分解し、一部は揮発して接合層から離脱し、残部は高温によって炭化して接合層中に残存する。これら炭化して残存した成分は、接合層の接合力には寄与しない。たとえ接合層中に金属以外の成分を含有するとしても、接合層中に含まれる金属分が、接合層中の全固体成分の５０体積％（空洞またはボイドがある部分を除く）以上、好ましくは７０体積％以上を占めることとすれば、本発明の効果を十分に発揮することができる。

本発明における金属箔は、厚さ５〜２００μｍの金属材料であれば特に限定されず、各種金属をローラーで圧延して得られる金属箔が例示される。好ましくは、金属箔の厚さは５〜１００μｍであり、より好ましくは１０〜５０μｍである。厚さが５μｍ未満では、接合時の加圧時に亀裂など欠陥が入る可能性が高まる。厚みが厚くなると平坦性を維持することが困難となること、リールに巻きつける際のひずみ抑制などの生産性低下、また材料コスト増につながるため、上記上限値以下が好ましい。また金属箔の材質は、好ましくは弾性率が１１０ＧＰａ以下、さらに好ましくは８５ＧＰａ以下である。弾性率が１１０ＧＰａ超の場合は、応力緩和効果が少なく、熱応力などによるＳｉチップ素子損傷などの危険性が高まる。

金属ナノ粒子を含む第１接合層、第２接合層の厚みはそれぞれ、加熱完了後において、０．５〜１００μｍ、より好ましくは３〜５０μｍとするとよい。

本発明の接合構造を有する接合体は、第１、第２被接合体の一方の側に半導体素子を配置し、他方の側に金属基板、樹脂基板、又はセラミックス基板を配置し、これらの接合材料及び被接合体を一体に加熱して得ることができる。金属基板としては、アルミニウム基板、鉄基板、銅ベース基板、ステンレス基板等が挙げられ、樹脂基板としては、エポキシ樹脂基板、フェノール樹脂基板等が挙げられ、セラミックス基板としてはアルミナ基板、炭化ケイ素基板、窒化物系基板等が挙げられる。

本発明の金属接合構造を形成するための金属接合方法としては、以下のいくつかの方法から選択することができる。

第１の方法においては、第１被接合体の被接合面（第１被接合面）に金属ナノ粒子を含む第１接合層を被着し、次いで第１接合層の上に金属箔層を被着し、さらに金属箔層の上に金属ナノ粒子を含む第２接合層を被着し、最後に第２被接合体の被接合面（第２被接合面）を被着する。

第２の方法においては、第１被接合体の被接合面（第１被接合面）に金属ナノ粒子を含む第１接合層を被着し、別に金属ナノ粒子を含む第２接合層を第２被接合体の被接合面（第２被接合面）に被着する。次いで、第１接合層と第２接合層を相対峙させ、その間に金属箔を介在させ、第１接合層、金属箔、第２接合層をそれぞれ接触させる。

第３の方法においては、金属箔層の両側に金属ナノ粒子を含む第１接合層と金属ナノ粒子を含む第２接合層をそれぞれ被着してこれを金属接合材料とする。次いで、当該金属接合材料の一方の面（第１接合層の側）を第１被接合面と接触させ、他方の面（第２接合層の側）を第２被接合面と接触させ、これによって接合構造を形成する。

上記第１〜３のいずれかの方法によって接合構造を形成した上で、２００℃以上の温度に加熱して第１被接合体と第２被接合体とを接合する接合方法を用いることができる。加熱により、金属ナノ粒子間、被接合面と金属ナノ粒子との間、金属箔層表面と金属ナノ粒子の間が焼結し、強固な結合力を実現することができる。この接合体を製造する際の加熱温度は、十分な接合強度を得るために、２００℃以上が好ましく、２５０℃以上がより好ましい。また、加熱温度が４５０℃超では、半導体素子や樹脂基板等の損傷が懸念されるため、４５０℃以下が好ましく、４００℃以下がより好ましい。また、この接合体の加熱と同時に、接合材料と被接合体に圧力を加えることが好ましい。この圧力は、好ましくは、０．１〜１００ＭＰａであり、より好ましくは、２〜３０ＭＰａである。

被接合面上又は金属箔の上に金属ナノ粒子を含む層を形成するに際し、金属ナノ粒子を含有するペーストを準備し、この金属ナノ粒子ペーストを被接合面上に塗布することが行われる。金属ナノ粒子ペーストとしては、有機殻で覆った金属ナノ粒子を準備し、この金属ナノ粒子を所定の溶媒に分散させて、スラリー状、ペースト状、グリース状、又はワックス状等の組成物とする。接合層の形成は、その組成物を、例えば、エアースプレーコーター、ロールコーター、静電スプレーコーター等により被接合面や金属箔の上に層状に塗布することにより製造することができる。

金属ナノ粒子を含む組成物を調製するためには，保護剤としてアミン系，カルボン酸系，高分子系が，分散剤としてアミン系，カルボン酸系，アルコール系が，溶剤としてはアルコール系あるいはエーテル系が，金属ナノ粒子種に合わせて好適に選択される。また、必要により、この組成物に、従来公知の各種のアニオン系、カチオン系、ノニオン系等から選択された分散助剤を添加して、所望の流動性等を組成物に付与することができる。金属ナノ粒子ペースト中の溶媒含有量は５〜８０質量％程度とすると好ましい。より好ましくは１０〜５０質量％とする。

金属ナノ粒子ペーストを用いて接合層を形成し、その後金属ナノ粒子を焼結させるための加熱を行うと、金属ナノ粒子ペースト中の溶媒が排除され、接合層中の金属分５０体積％以上、さらには７０体積％以上として前述の好ましい金属分含有量の範囲とすることができる。

（実施例１）
図１に示すような、第１被接合体１と第２被接合体２を接合する接合構造において、本発明を適用した（表１の本発明例１〜９）。比較例１では図２に示す構造を用いている。第１被接合体１を構成する材料と大きさ、第２被接合体２を構成する材料と大きさ、第１被接合面を構成する金属層３の材料と金属層の厚み、第２被接合面を構成する金属層４の材料と金属層の厚みについて、表１に示している。

第１接合層６、第２接合層８、接合層５を形成するための金属ナノ粒子ペーストを作成した。溶媒としてエーテル系であるテルピネオールを用い、金属ナノ粒子とその他金属分を溶媒中に拡散した。加熱前金属分含有量を表１に示している。金属分以外の部分は、溶媒及び金属ナノ粒子を被覆する有機殻である。

図１に示す接合構造については、第１被接合体の被接合面（第１被接合面）に金属ナノ粒子ペーストをスキージ法により被着して第１接合層とし、別に第２被接合体の被接合面（第２被接合面）に金属ナノ粒子ペーストをスキージ法により被着して第２接合層とした。次いで、第１接合層と第２接合層を相対峙させ、その間に金属箔を介在させ、第１接合層、金属箔、第２接合層をそれぞれ接触させた。図２に示す接合層５については、金属ナノ粒子ペーストを第１被接合面に塗布し、第２被接合面を当該ペースト塗布面に被着した。図１、図２に示す実施例のいずれも、表１に示す温度、圧力、保持時間、雰囲気中で圧着することにより、焼成を行った。

第１接合層６、第２接合層８、接合層５を形成する金属ナノ粒子層中の金属ナノ粒子の種類、平均径、金属ナノ粒子層全体の金属分中に占める金属ナノ粒子含有量（金属中含有量）、金属ナノ粒子層中の金属ナノ粒子以外の金属分（その他金属分）、加熱が完了した接合後の接合層厚み、金属箔層の種類、厚みを表１に示している。金属ナノ粒子の平均径はＴＥＭ観察により測定した。なお、加熱が完了した接合後の接合層において、金属分の含有量はいずれも５０体積％以上であり、金属分以外の大部分は、溶媒と金属ナノ粒子の有機殻が加熱によって炭化した残滓であった。

接合を完了した接合体について、接合後に常温に冷却した後、せん断強度を測定した（ｎ＝１０）。結果を表１に示す。本発明例１〜９、比較例１のいずれも、第１被接合体と第２被接合体の熱膨張率が異なるため、金属ナノ粒子を焼結させるための上記熱処理が完了した後、常温に戻す際の熱収縮量が第１被接合体と第２被接合体とで異なり、接合部には熱応力が働いている。比較例１については接合後のせん断強度が１２ＭＰａ以下と低い値であった。接合後に常温に戻す際に接合部に働いた熱応力によって、金属ナノ粒子による接合層５に欠陥が生成したためと推定される。それに対して本発明例１〜９は、接合構造中に金属箔層を設けており、接合後に良好なせん断強度を実現することができた。金属箔層が熱収縮量の差による変形差を吸収し、金属ナノ粒子による接合層への欠陥生成を防止し得たためと推定される。本発明例１、２、５、８、９は金属箔としてＡｌ又はＡｌ合金箔を用いているが、第１、第２金属ナノ粒子層の金属ナノ粒子としてＮｉナノ粒子を用いているため、同じく良好な接合部品質を得ることができた。

（実施例２）
上記接合を完了した接合体のうち、表１の本発明例１〜９について、接合して常温に冷却した後に３００℃窒素雰囲気で３０分処理し常温に冷却した後、接合部のせん断強度を測定した。その結果、接合直後のせん断強度に対して強度の劣化は見られなかった。

１第１被接合体
２第２被接合体
３第１被接合面を構成する金属層
４第２被接合面を構成する金属層
５接合層
６第１接合層
７金属箔層
８第２接合層

Claims

第１被接合体の被接合面（「第１被接合面」という。）と第２被接合体の被接合面（「第２被接合面」という。）との間に、金属ナノ粒子を含む第１接合層、金属箔層、金属ナノ粒子を含む第２接合層がこの順に形成されており、
前記金属箔層を構成する金属箔がＡｌ又はＡｌ合金からなり、前記金属ナノ粒子を含む第１接合層、第２接合層中に含まれる金属分のうち、Ｎｉナノ粒子の含有量が１０質量％以上であることを特徴とする金属接合構造。
第１被接合体の被接合面（「第１被接合面」という。）と第２被接合体の被接合面（「第２被接合面」という。）との間に、金属ナノ粒子を含む第１接合層、金属箔層、金属ナノ粒子を含む第２接合層をこの順で設けた上で２００℃以上に加熱して第１被接合体と第２被接合体とを接合する金属接合方法であって、
前記金属箔がＡｌ又はＡｌ合金からなり、前記金属ナノ粒子を含む第１接合層、第２接合層中に含まれる金属分のうち、Ｎｉナノ粒子の含有量が１０質量％以上であることを特徴とする金属接合方法。
金属ナノ粒子を含む第１接合層、金属箔層、金属ナノ粒子を含む第２接合層がこの順に形成されており、
前記金属箔がＡｌ又はＡｌ合金からなり、前記金属ナノ粒子を含む第１接合層、第２接合層中に含まれる金属分のうち、Ｎｉナノ粒子の含有量が１０質量％以上であることを特徴とする金属接合材料。