JP6465116B2 - 金属材料、及びそれを用いた電子部品、並びに、金属材料の製造方法、及び電子部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、部材間の接合材や電子部品の電極材等として用いられる金属材料に関する。

下記の特許文献１には、粗大粒子粉末と、粗大粒子粉末の平均粒径の１／３以下の平均粒径を有する微細粒子粉末とを有し、熱処理を施して多結晶体を得る発明が開示されている。特許文献１では、粗大粒子粉末の平均粒径が１〜２０μｍとされている。

上記のようにサイズの大きい粒子と、サイズの小さい粒子とを混ぜ合せることで、サイズの大きい粒子の間に、サイズの小さい粒子が入り込み充填率を上げることが可能となる。特許文献１では緻密性の向上を効果として挙げている。

そして大きさの異なる粒子を含むペーストに対して熱処理を施すことで焼結体を得ることができる。このような焼結体は部材間を接合する接合体や電子部品の電極等として利用することができる。

特開２００６−１５１７９０号公報 特開２００９−２９９１０６号公報

ところで、金属粒子は、サイズが小さくなると表面エネルギーが増加するために、その金属粒子が巨視的な塊（バルク）のときに示す融点よりも低い温度で融解する。したがって特許文献１のように、サイズの異なる金属粒子を混合したペーストでは、各金属粒子の融点が異なる結果、各金属粒子を一様に融解することができず残留応力が大きくなる問題があった。

残留応力が大きい場合、焼結体に空隙や割れ等が生じ、部材間の接合性や導電性に問題が生じる。

上記のように金属粒子の融点が違うならば、各金属粒子の融点に合わせて複数の熱処理温度を設定することで残留応力を低減させる方法もある。しかしながら係る場合、熱処理温度の制御が煩雑化し、更に熱処理工程に時間を要するため歩留まりの低下が問題となった。またサイズの異なる複数の金属粒子を含有した導電性ペーストを接合材等として電子部品に用いたとき、融点の高い金属粒子に合わせて熱処理温度を上げることで、電子部品に過剰な熱が加わることになり、電子部品の性能低下等が懸念された。

特許文献２では、平均粒径が１〜３０μｍの第１の金属粉末と第２の金属粉末を用い、これにより、組成の異なる金属粉末であっても焼結温度を接近させることができるとしている。

第１の金属粉末のほうが第２の金属粉末に比べてサイズが小さく融点が低いとすると、第１の金属粉末が融解する温度まで熱処理温度を上げることで第２の金属粒子の表面層は融解するが、このとき第１の金属粉末の融解熱も加わって第２の金属粉末は更に融解しやすい状態にある。すなわち、サイズが異なる第１の金属粉末と第２の金属粉末とが存在することで、夫々が単体で存在するよりも焼結温度を接近させることができると考えられる。

しかしながら特許文献２に記載された発明においても、第２の金属粉末全体を融解するには至らず結局、残留応力が大きくなりやすい問題があった。すなわち、特許文献２に記載された発明で焼結温度を接近させるといってもどの程度、接近するのか不明であり、また実際にどのように接近させるのか定かでない。また特許文献２に記載された発明では、平均粒径を１〜３０μｍに設定しており、サイズ効果による焼結温度低下を利用しているとは言えず、上記したように融解熱等が加味されて、焼結温度が接近しているものと考えられる。しかしながら結局のところ、特許文献２に記載された発明では残留応力が生じやすく、残留応力を抑制するための実質的な解決に至っていない。

そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、焼結体内部の残留応力の低減を図ることができる金属材料、及びそれを用いた電子部品を提供することにある。さらに、充填率を高めることができる金属材料、及びそれを用いた電子部品を提供することにある。

粒子サイズが異なることで、粒子サイズが統一されている場合に比べて粒子の充填率を向上させることができるが、その一方で粒子間の融点の相違に基づく内部応力の増大による不具合が懸念された。

例えば、真空中で作成した金微粒子の融点は、１３００Ｋ程度でほぼ一定とされる。ところが、粒子径（直径）を５ｎｍ以下とすると、融点はサイズに比例して減少し、直径が４．７５ｎｍと５．２５ｎｍの各金微粒子では、１００Ｋ程度の融点差が生じる。通常、金属粒子は化学的に合成しその過程で酸化防止等の有機保護材を粒子表面に吸着させ表面張力を減じ、凝集を防ぎ化学的に不活性にして安定化する。このため、融点自体は更に低下するので、例えば、小さな銀微粒子を用いれば、それらを２００℃〜３００℃程度で焼結することができる。しかしながらそれらの粒子の中で、一番大きなサイズの粒子の融点が焼結温度より高いと、均一な焼結ができず残留応力が発生する可能性があるのは明らかである。

本発明では、複数種類の金属粒子を作製し、金属粒子の組成の側面からも融点調節を行うこととした。すなわち、組成と粒子径の２つのパラメータを用いて、サイズの異なる金属粒子の融点が略同一になるように調節したのである。すなわち本発明は以下の通りである。

本発明における金属材料は、複数種類の金属粒子からなり、各種類の金属粒子の粒子径は、０．５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であり、前記金属粒子のうち少なくとも１種類は、複数の金属元素からなる合金粒子であり、前記金属元素は、銀と、少なくとも金あるいは銅の一方から構成され、各種類の金属粒子は融点が略同一であることを特徴とする。或いは、本発明における金属材料は、複数種類の金属粒子からなり、各種類の金属粒子の粒子径は、０．５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であり、前記金属粒子のうち少なくとも１種類は、複数の金属元素からなる合金粒子であり、前記金属元素は、ニッケルとタングステンから構成され、各種類の金属粒子は融点が略同一であることを特徴とする。また、本発明は、複数種類の金属粒子からなる金属材料の製造方法であって、各種類の金属粒子の粒子径を、０．５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内で形成し、前記金属粒子のうち少なくとも１種類を、複数の金属元素からなる合金粒子とし、各種類の金属粒子の融点が略同一となるように組成および粒子径を調節することを特徴とする。本発明では、各金属粒子の融点を略同一にするために、各金属粒子の組成と粒子径の二つのパラメータを適宜調節するものであり、融点を略同一とし且つ高充填率を得るために組成と粒子径の二つのパラメータを自由に調節することが可能である。したがって本発明では、高充填率を得ることができるとともに、各金属材料の融点を略同一にできるため、各金属粒子を一様に融解させることができ、焼結内部の残留応力を従来に比べて効果的に低減させることができる。

本発明では、前記金属粒子の組成に基づいて定まる定数と、前記金属粒子の粒子径との比が各種類の前記金属粒子にて一致するように、各種類の前記金属粒子の粒子径を決定することが好ましい。

あるいは本発明では、前記金属粒子の組成に基づいて定まる定数と、前記金属粒子の粒子径との比が各種類の前記金属粒子にて一致するように、各種類の前記金属粒子の組成を決定することが好ましい。

また本発明では、前記粒子径および前記金属粒子の組成は下記の式（１）により定められることが好ましい。

ここで、ｒ_１は第１の組成で形成された第１の金属粒子の粒子径、Ｔ^０ _ｍ（ｘ_１）とａ（ｘ_１）は第１の組成に基づいて定まる定数、ｒ_ｎは第ｎの組成で形成された第ｎの金属粒子の粒子径、Ｔ^０ _ｍ（ｘ_ｎ）とａ（ｘ_ｎ）は第ｎの組成に基づいて定まる定数である。

上記に基づいて、各種類の金属粒子の粒子径や組成を決定することで、各金属粒子の融点を簡単且つ適切に略同一にできる。この際、上記の式（１）を用いることで、融点が略同一となる組成と粒子径とを容易に且つ精度よく得ることができる。

また本発明では、前記金属粒子のうち少なくとも１種類は複数の金属元素からなることが好ましい。これにより、融点が略同一となる組成と粒子径とをより容易に且つより優れた精度にて得ることができる。

また本発明では、前記金属元素は、銀と、少なくとも金あるいは銅の一方から構成されることが好ましい。いわゆる銀ナノペーストに金や銅を含めることで、従来に比べて高充填率であって且つ、焼結体内部の残留応力を十分に小さくすることができる金属材料を得ることができる。そして、銀と金あるいは銅を含む金属材料を部材間の接合材等として効果的に用いることが可能である。

また本発明では、前記金属元素は、ニッケルとタングステンから構成されることが好ましい。ニッケルとタングステンから構成される金属粒子とすることで、ニッケル粒子の小径化に伴う融点降下をタングステンの添加で補い、従来に比べて高充填率であって且つ、焼結体内部の残留応力を十分に小さくすることができる金属材料を得ることができる。そして、ニッケルとタングステンを含む金属材料を積層セラミックコンデンサの内部電極等に効果的に用いることが可能である。

本発明では、前記粒子径は、０．５ｎｍ〜２００ｎｍの半径で調節されることが好ましい。本発明では、このように粒子径（半径）としては上記の特許文献に挙げたものよりも小さく、粒子径が小さくなることで、表面エネルギーの相対的変化が非常に大きくなり、サイズ変動に伴う融点変化が顕著化する。すなわち本発明では、サイズ変動に伴う融点変化を利用することができ、各金属粒子の融点が略同一となるように、粒子径と組成との各側面から合わせ込むことができ、各金属粒子の融点が略同一となるように調節しやすくなる。

また本発明では、前記金属粒子の充填率が、０．７４〜０．９９の範囲内であることが好ましい。このように本発明によれば、金属粒子の充填率を高めることができる。特に上記したように各金属粒子の融点が略同一となるように、各金属粒子の組成と粒子径との双方から調節するため、できるだけ充填率が高くなるように粒子径を調節しやすい。このため、上記のように高い充填率を簡単且つ適切に得ることが可能になる。

また本発明の金属材料を、部材間を接合するための接合材として用いることができる。

また本発明における電子部品は、上記のいずれかに記載された金属材料を焼結してなる焼結体が用いられていることを特徴とする。これにより、電子部品に使用される焼結体内部の残留応力を従来に比べて小さくでき、したがって焼結体に割れ等が生じず、接合性、導電性に優れ、安定した性能を有する電子部品にできる。

本発明では、高充填率を得ることができるとともに、各種金属材料の融点を略同一にできるため、各種金属粒子を一様に融解させることができ、焼結体内部の残留応力を従来に比べて効果的に低減させることができる。

本発明における金属材料及び融解状態を示す部分模式図である。 従来における金属材料の融解状態を示す部分模式図である。 横軸を組成比、縦軸を金属粒子の融点としたグラフ上に粒子径（半径）が異なる複数の融点曲線を図示した模式図である。 第１の電子部品の構造を示す断面模式図である。 第２の電子部品の構造を示す断面模式図である。 横軸を金と銀の組成比とし、縦軸をＡｇ−Ａｕ粒子の融点としたグラフ上に粒子径（半径）が異なる複数の融点曲線を図示したグラフである。 横軸を銀と銅の組成比とし、縦軸をＡｇ−Ｃｕ粒子の融点としたグラフ上に粒子径（半径）が異なる複数の融点曲線を図示したグラフである。 横軸をニッケルとタングステンの組成比とし、縦軸をＮｉ―Ｗ粒子の融点としたグラフ上に粒子径（半径）が異なる複数の融点曲線を図示したグラフである。

本実施の形態は、複数種類の金属粒子を有してなる金属材料である。これら金属粒子は、粒子径が異なっている。本実施の形態では、これら粒子径の異なる金属粒子の融点を略同一にすべく、金属粒子の融点が粒子径と表面張力・潜熱に依存することを利用する。金属粒子の融点と粒子径との間の比例係数は表面張力と潜熱が決めている。加えて、表面張力と潜熱は金属固有の値をとるため、本実施の形態では、表面張力や潜熱が金属粒子の組成によって変化することをも利用する。すなわち本実施の形態では、粒子径のみならず金属粒子の組成の双方から融点を制御することが可能になっている。

このように本実施の形態では、粒子径の小さい小粒子と粒子径の大きい大粒子とを含む金属材料として、金属粒子の高充填率を実現し、且つ焼結体としたときに残留応力による割れの誘発を抑制すべく、金属材料の各部分の融点が一様となるように調節するものである。本実施の形態では、各種類の金属粒子の組成を調節して表面張力・潜熱を制御する。このとき、大粒子と小粒子の各融点が略同一となるように組成を調節する。

図１は、本実施の形態における金属材料及び融解状態を示す部分模式図である。金属材料はペースト状であり、導電性ペースト等と称することもできる。金属材料はペースト状であるので所定表面に塗布や印刷等が可能である。

図１Ａに示すように本実施の形態の金属材料１０には、例えば、第１の金属粒子１と第２の金属粒子２が含まれている。

図１Ａに示すように第１の金属粒子１の粒子径（半径）ｒ_１は、第２の金属粒子２の粒子径（半径）ｒ_２よりも大きい。図１では粒子径を半径で示しているが直径で示してもよい。また図１では、第１の金属粒子１と第２の金属粒子２は略球形状とされているが、略球形状以外の形状であってもよい。ここで略球形状とは、最大粒子径及び最小粒子径との平均粒子径に対する長さの比率を、０．８〜１．２の範囲内とする。長さの比率は、（最小粒子径／平均粒子径）〜（最大粒子径／平均粒子径）で設定される。平均粒子径は、最大粒子径と最小粒子径との平均値である。そして、各金属粒子の半径は、平均粒子径にて設定することができる。

各金属粒子が略球形状以外の場合、各金属粒子の長辺と短辺を求め、長辺と短辺の平均値を粒子径として設定することができる。平均粒子径は、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、あるいは、動的光散乱やミー散乱を用いた光学的方法にて測定することができる。

図１Ａに示す第１の金属粒子１と第２の金属粒子２はともに第１の金属Ａと第２の金属Ｂからなる合金である。すなわち第１の金属粒子１と第２の金属粒子２は、ともに、Ａ_ｘＢ_{（１−ｘ）}（ｘは組成比である）で示されるが、第１の金属粒子１と第２の金属粒子２とでは、組成比ｘが異なっている。組成比ｘは、重量比率、体積比率あるいは原子比率にて求めることができる。各金属粒子１、２は、第１の金属Ａと第２の金属Ｂの固溶体を構成している。なお本明細書において、「組成」とは、金属粒子の構成成分を意味し構成比率を含む概念である。一方、「組成比」とは、構成比率を指す。

本実施の形態では、第１の金属粒子１と第２の金属粒子２との融点が略同一となるように、組成比ｘ及び粒子径が夫々、調節されている。すなわち融点は、組成比ｘ及び粒子径の２つのパラメータにより変動し、本実施の形態では、融点を、組成比ｘと粒子径の２つのパラメータを夫々調節して各金属粒子の融点を略同一としている。

ここで「略同一」とは製造誤差を含む概念であり、また、その差が焼結工程において融解残部がほとんどなく焼結体において残留応力による割れ等を生じないレベルであれば略同一の範囲内とされる。具体的には、融点差の比率［（最大融点−最小融点）／平均融点］が、粒子径の変動比率と組成の変動比率の和以下であることを指す。平均融点は、最大融点と最小融点との平均値で示される。

なお各金属粒子１、２の表面には酸化防止や凝集防止等のために有機保護材（図示しない）が吸着している。このように表面に有機保護材が吸着した各金属粒子１、２が分散用有機溶剤や粘度調節用樹脂、あるいは、フラックス成分等と一緒に混練されてペースト状の金属材料を構成している。有機保護材としては、焼結時に脱離が起きやすいクエン酸（分子量は１９２）やソルビン酸(分子量は１１２)等の分子量が１００〜２００前後の低分子であることが好適である。使用される有機保護材の材質は、金属粒子を構成する金属成分によって変えることができる。有機保護材が吸着した金属粒子の融点は、有機保護材が吸着していない状態での融点に比べて低くなるが、本実施の形態でいう各金属粒子の融点とは、有機保護材が吸着していない状態、あるいは吸着していないと仮定した状態での融点である。よって有機保護材が脱離する温度よりも低い温度では、第１の金属粒子１と第２の金属粒子２の融点が略同一でないことがあり得る。しかしながら、焼結温度に達する前に有機保護材が離脱すると、第１の金属粒子１と第２の金属粒子２の表面には有機保護材が無くなり、金属粒子そのものの構成となり、このとき、第１の金属粒子１と第２の金属粒子２の融点は略同一である。したがって、図１Ａの金属材料１０の状態で、第１の金属粒子１と第２の金属粒子２の融点が略同一でなくても、熱を加えて、有機保護材を脱離させた状態で、第１の金属粒子１と第２の金属粒子２の融点が略同一であれば本実施の形態の範囲に含まれる。上記のように金属粒子の表面に吸着する有機保護材が低分子量の有機物であると、焼結温度に到達する前に有機保護材を適切に脱離させることができる。

図１Ａに示す各金属粒子１、２は、例えば、銀（Ａｇ）と金（Ａｕ）との合金である。銀と金は任意の割合で固溶し、固溶体の融点は、１２３５Ｋ〜１３３７Ｋの間で調節できる。したがって、独立に制御できる粒子径（サイズ）と組成比を適切に調節することで、銀と金を固溶させたサイズの異なる複数の金属粒子の融点を略同一にすることができる。

図１Ａに示す金属材料１０に対して熱を加えて第１の金属粒子１と第２の金属粒子２とを融解させる。このとき第１の金属粒子１と第２の金属粒子２の融点は略同一であるため、図１Ｂに示すように、各金属粒子は一様に融解し、残留応力が少ない焼結体を得ることができる。

一方、粒子径が異なる複数の金属粒子において、各金属粒子の融点が異なる場合、加熱していくと、まず粒子径の小さいほうの金属粒子が融解し、図２に示すように、大きな金属粒子の表面を取り込みつつ液体状態となる。このときの温度が塊（バルク）金属の融点より低いと、過冷却状態の溶融金属ということになる。そのため、まだ融解していない金属粒子との接触や様々な刺激により、急激に固体化が進行し発熱する。この急激な固化は、焼結体積中で時間的にも空間的にも乱雑に起こり、残留応力の発生が不可避とされる。

本実施の形態における各金属粒子の粒子径（半径）は、ナノオーダーである。このように微粒子であることでわずかな粒子径の変化でも表面エネルギーの相対的変化が非常に大きくなり、サイズ変動に伴う融点変化が顕著化する。具体的には、各金属粒子の粒子径（半径）は、０．５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内で調節されることが好ましい。ここでいう粒子径（半径）とは、金属粒子が球状でない場合には、上記したように、最大粒子径と最小粒子径との平均粒子径で定義される。本実施の形態では、このように粒子径（半径）としては特許文献に挙げたものよりも小さい。したがって本実施の形態では、サイズ変動に伴う融点変化を効果的に利用することができ、各金属粒子の融点が略同一となるように、粒子径と組成との各パラメータから自由に合わせ込みやすく、各金属粒子の融点が略同一となるように調節しやすい。粒子径（半径）は、０．７ｎｍ以上であることがより好ましく、０．９ｎｍ以上であることが更に好ましい。このように本実施の形態では金属粒子の粒子径（半径）がナノオーダーであり、大きくても２００ｎｍ程度であり、これにより、融点がサイズ変動に伴って顕著に変化することを利用して、各金属粒子間で融点が同一となるように、組成と粒子径の各パラメータから高い自由度によって調節することが可能になる。

また各金属粒子の粒子径の差は、最も大きい大粒子の粒子径に対して５％以上離れていることが好ましい。ここで差は、［（大粒子の粒子径−対象となる粒子の粒子径）／大粒子の粒子径］×１００（％）で求めることができる。通常、５％程度の粒子径の変動は一般的であるから、本実施の形態では、５％以上の粒子径の差があるものとして従来と区別される。

また本実施の形態では、金属材料中に占める各金属粒子の充填率が、０．７４〜０．９９の範囲内であることが好ましい。充填率は１が最大で、０が最小である。充填率が１とは、金属粒子間の空隙が全くなく、金属材料全体が金属粒子で埋まった状態である。なお、隙間により小さな粒子を充填していくことで充填率を０．９９以上とすることができるが、かかる場合、使用する金属粒子の種類が増えるため、実用的な範囲として各金属粒子の充填率を０．７４〜０．９９の範囲に規定した。充填率は密度測定やＢＥＴ法で測定することができる。このように本実施の形態によれば、金属粒子の充填率を高めることができる。特に上記したように各金属粒子の融点が略同一となるように、各金属粒子の組成と粒子径との双方から調節するため、できるだけ充填率が高くなるように粒子径を調節しやすい。このため、上記のように高い充填率を簡単且つ適切に得ることが可能になる。また本実施の形態では、金属材料中に占める各金属粒子の充填率を、０．７４〜０．９１の範囲内とすることができる。

また合金を組成する金属の種類は特に限定されず、使用用途によって種々変更可能である。ただし、ある組成で合金を作製した場合に固溶体を構成できる金属であることが好ましい。

例えば、本実施の形態では、いわゆる銀ナノペーストに金や銅を添加することで、従来に比べて高充填率であって且つ、焼結体内部の残留応力を十分に小さくすることができる金属材料を得ることができる。そして、銀と金あるいは銅を含む金属材料を部材間の接合材料等に効果的に用いることが可能である。

また本実施の形態では、ニッケルにタングステンを添加することで、ニッケル粒子の小径化に伴う融点降下をタングステンの添加で補い、従来に比べて高充填率であって且つ、焼結体内部の残留応力を十分に小さくすることができる金属材料を得ることができる。そして、ニッケルとタングステンを含む金属材料を積層セラミックコンデンサの内部電極等に効果的に用いることが可能である。

次に、各金属粒子の融点を略同一とすべく、各金属粒子の組成及び粒子径の具体的な算出方法について説明する。

塊（バルク）金属の融点（Ｔ^０ _ｍ）に対する金属粒子の融点（Ｔ_ｍ）は、精緻なモデルが可能であるが、金属粒子の化学ポテンシャルを融点（Ｔ^０ _ｍ）近傍で温度と圧力で展開することで、以下の式（２）に示すように、Ｔ^０ _ｍとＴ_ｍとの関係を一次の項まで描いた単純な形で示すことができる。

ここで、Ｔ_ｍは、金属粒子の融点、Ｔ^０ _ｍは、塊（バルク）金属の融点、ｒは、金属粒子の粒子径（半径）、ρ_ｓは、Ｔ_ｍ＝Ｔ_ｍ ^０での固体金属の密度（ｋｇ・ｍ^−３）、ΔＨ_ｍは、潜熱（Ｊ・ｋｇ^−１）、γ_ｓは、固体表面エネルギー（Ｊ・ｍ^−２）、γ_ｌは、溶融金属の表面張力（Ｎ・ｍ^−１）、ρ_ｌは、溶融液体の密度（ｋｇ・ｍ^−３）であり、ａは金属の組成によって決定される定数である。

種類の異なる２つの金属元素の合金からなる第１の金属粒子と第２の金属粒子が存在するとする。また各金属粒子は、球状の合金粒子であるとする。各金属粒子の組成比を、ｘ_１、ｘ_２とし、各金属粒子の粒子径（半径）をｒ_１、ｒ_２とする。また第１の金属粒子の融点をＴ_ｍ（ｘ_１）、第１の金属粒子の塊（バルク）での融点をＴ^０ _ｍ（ｘ_１）とする。また第２の金属粒子の融点をＴ_ｍ（ｘ_２）、第２の金属粒子の塊（バルク）での融点をＴ^０ _ｍ（ｘ_２）とする。

ここで、式（２）から求めた第１の金属粒子のａ値をａ（ｘ_１）、式（２）から求めた第２の金属粒子のａ値をａ（ｘ_２）とし、第１の金属粒子の融点Ｔ_ｍ（ｘ_１）と、第２の金属粒子の融点Ｔ_ｍ（ｘ_２）が夫々等しいとすると、以下の式（３）を得ることができる。

ここで、ｒ_１は第１の組成で形成された第１の金属粒子の粒子径、Ｔ^０ _ｍ（ｘ_１）とａ（ｘ_１）は第１の組成に基づいて定まる定数、ｒ_２は第２の組成で形成された第２の金属粒子の粒子径、Ｔ^０ _ｍ（ｘ_２）とａ（ｘ_２）は第２の組成に基づいて定まる定数である。

上記した式（３）を満たすように、粒子径と組成比を調節すれば、第１の金属粒子と第２の金属粒子との融点を同一にすることができる。式（３）からは、金属粒子の組成に基づいて定まる定数と、金属粒子の粒子径との比が各種類の金属粒子にて一致するように、各種類の金属粒子の粒子径を決定し、あるいは、各種類の金属粒子の組成比を決定することで、第１の金属粒子と第２の金属粒子との融点を同一にすることができることがわかる。すなわち第１の金属粒子と第２の金属粒子とを含む金属材料であれば、第１の金属粒子の組成に基づいて定まる定数（Ｔ^０ _ｍ（ｘ_１）、ａ（ｘ_１））と第１の金属粒子の粒子径ｒ_１との比と、第２の金属粒子の組成に基づいて定まる定数（Ｔ^０ _ｍ（ｘ_２）、ａ（ｘ_２））と第２の金属粒子の粒子径ｒ_２との比が一致するように、粒子径ｒ_１、ｒ_２を決定し、あるいは、組成比ｘ_１、ｘ_２を決定する。これによって、簡単且つ適切に上記した式（３）を満たすことができる。また、上記の式（３）を以下の式（４）のように変形することができる。

式（４）より、粒子径（半径）ｒ_１、ｒ_２を以下の式（５）に示す範囲内で決定することができる。

ここで、Ｔ^０ _ｍとａの組成に対する関数が自明であれば、粒子径ｒ_１と粒子径ｒ_２との関係は、式（４）より求めることができる。よって、式（４）を満たすように、異なる大きさの粒子径ｒ_１、ｒ_２と組成比ｘ_１、ｘ_２とを設定すれば、第１の金属粒子と第２の金属粒子との融点を同一にすることができる。なお、式（４）は式（３）の形を変えただけなので、式（４）から、粒子径ｒ_１、ｒ_２と組成比ｘ_１、ｘ_２とを調節することは、換言すれば、式（３）に基づいて粒子径ｒ_１、ｒ_２と組成比ｘ_１、ｘ_２とを調節していることと同じことを意味する。

なお上記の関係式は、真空中の金属粒子を想定しており、表面張力が大きく、粒子径が数ｎｍレベルで融点降下が顕著に現れやすい。なお、表面エネルギーや表面張力のサイズ依存性を考慮した関係式、あるいは、液相中の表面保護された金属粒子に対する関係式を用いることは同様に可能である。

上記したように、式（３）や式（４）を満たすように、異なる大きさの粒子径ｒ_１、ｒ_２と組成比ｘ_１、ｘ_２とを調節することで、第１の金属粒子と第２の金属粒子との融点を略同一にすることができる。

また、組成比と粒子径とを変数として算出される融点曲線を導き出し、融点曲線に基づいて、各金属粒子の融点が略同一となる粒子径及び組成比を算出することで、簡単且つ適切に粒子径及び組成比を調節することができる。

融点曲線は、上記の式（１）を用いて導き出すことができる。すなわち融点曲線は、上記の式（１）に、以下の式（６）及び式（７）を導入して求めることができる。

ここで、Ｔ^０ _ｍ（ｘ）は、金属Ａ−Ｂの固溶体において金属Ａの組成比がｘのときの塊（バルク）金属の融点であり、Ｔ^０ _Ａは、金属Ａの塊（バルク）金属の融点であり、Ｔ^０ _Ｂは、金属Ｂの塊（バルク）金属の融点であり、ｘは金属Ａの組成比であり、ａ（ｘ）は、組成比ｘのときの式（１）から求めたａ値であり、式（７）は、ａを二次式で近似したものであり、式（１）のｒ及びｘはいずれも変数である。

式（７）は、Ｔ^０ _ｍ（ｘ）が式（６）のように書けるとし、また式（１）に示す他の諸数値も同様に書けるものとした場合の近似式である。

そして、式（６）、式（７）を式（１）に代入すると、以下の式（８）に示す融点曲線の式を得ることができる。

式（８）に示す融点曲線では、ｒ及びｘが変数である。したがって、式（８）より、粒子径ｒを例えばＣｎｍ、Ｄｎｍ、Ｅｎｍ及びＦｎｍに夫々固定し、組成比ｘを０〜１の間で変化させたときの複数の融点曲線を、図３に示すように図示することができる。

図３では横軸を組成比、縦軸を融点としたグラフ上で粒子径が異なる複数の融点曲線を図示したが、横軸を粒子径、縦軸を融点としたグラフ上で組成比が異なる複数の融点曲線を図示することもできる。

図３から例えば融点がＴ_２となる組成比及び粒子径を求める。すなわち図３に示すように、組成比をｘ_１とし且つ粒子径をＥｎｍとし、また組成比をｘ_２とし且つ粒子径をＤｎｍとすることで、夫々の金属粒子の融点をＴ_２とすることができる。

図３に示すように、融点をＴ_２以外の温度に設定しても、２組の組成比と粒子径の組み合わせを得ることができるとわかる。すなわち組成と粒子径の２つのパラメータを用いることで、各金属粒子の融点が略同一となるように高い自由度で組成と粒子径の双方を制御することが可能になる。

以上のように本実施の形態では、複数種類の金属粒子からなり、各種類の金属粒子は融点が略同一となるように組成及び粒子径が調節されている点に特徴的部分がある。このように本実施の形態では、各金属粒子の融点を略同一にするために、各金属粒子の組成と粒子径の二つのパラメータを適宜調節するものであり、高充填率を得るために組成と粒子径の二つのパラメータを自由に調節することが可能である。したがって本実施の形態では、高充填率を得ることができるとともに、各金属材料の融点を略同一にできるため、各金属粒子を一様に融解させることができ、焼結体内部の残留応力を従来に比べて効果的に低減させることができる。

金属粒子を作製するのに使用する金属元素は２種類であっても３種類以上としてもよい。ただし金属元素数と粒子径の異なる金属粒子数とは一致する。すなわち金属元素数を２種類としたとき金属粒子数は２であり、金属元素数を３種類としたとき金属粒子数は３である。上記に挙げた式（３）、式（４）及び式（８）はいずれも金属元素が２である場合であったが、３種類以上としたときでも式（３）、式（４）及び式（８）に準ずる式に基づいて、３組以上の組成と粒子数との組み合わせを得ることが可能である。例えば３種類とした場合、３種類の式（１）から、夫々の融点が略同一となる条件のもと、粒子径ｒ_１、ｒ_２及びｒ_３の関係式となる式（３）や式（４）を導き出すことができる。

また、金属粒子を作製するのに使用する金属元素は複数種あるが、複数の金属粒子のうち一つの金属粒子が純金属で形成されていてもよい。すなわち例えば、金属Ａと金属Ｂから金属粒子を作製するとき、第１の金属粒子の金属Ａの組成比を１とし、金属Ｂの組成比を０とすれば、第１の金属粒子は金属Ａのみで形成されることとなる。ただし、第２の金属粒子は金属Ａと金属Ｂとの双方を含む合金粒子とされている。したがって「複数種類の金属粒子」とは、全ての金属粒子が２種以上の金属元素の合金粒子とされたもの以外に、一つの金属粒子が１つの金属の組成比を１とし他の金属の組成比を０として作製され、残りの金属粒子が２種以上の金属の合金粒子からなる構成のものも含まれる。

本実施の形態では、金属材料（導電性ペースト）の使用用途について特に限定するものでないが、例えば、本実施の形態では金属材料１０を部材間の接合材として用いることができる。図４は、第１の電子部品の構造を示す断面模式図である。

図４に示すように、パワー半導体モジュール３０は、ヒートシンク３１の上に搭載される。そして、電子回路部品が搭載されたプリント配線板３２及びプリント配線板３３が、パワー半導体モジュール３０の上方に配置され、各プリント配線板３２、３３が、ピン３４等で接合される。そして図４に示すように、プリント配線板３２の上方から各プリント配線板３２、３３及びパワー半導体モジュール３０の側方にかけてカバー３５で覆われている。

図４に示すパワー半導体モジュール３０は、絶縁基板３６と、パワー半導体素子３７と、ワイヤ３８と、ケース本体３９と、蓋４０とを有して構成される。図４に示すようにパワー半導体素子３７は絶縁基板３６上に実装される。絶縁基板３６は、例えば、金属ベース４１の表面に絶縁層４２が形成され、絶縁層４２の表面に回路パターン４３が形成された構成である。絶縁層４２は、例えば無機フィラーを含有したエポキシ樹脂を固化して形成したものである。

図４に示すように、パワー半導体素子３７はその裏面電極が、絶縁基板３６の回路パターン上に接合される。またパワー半導体素子３７は、その表面電極が回路パターン４３との間でワイヤ３８を介して電気的に接続されている。更に接続リード端子４５、４６が回路パターン４３にはんだ付け等により接合されている。

そしてパワー半導体モジュール３０と各プリント配線板３２、３３とは、接続リード端子４５、４６を介して電気的に接続されている。

例えば図４に示す電子部品の構成において、パワー半導体モジュール３０とヒートシンク３１とが本実施の形態における金属材料１０を接合材（図４に図示せず）として間に介して接合される。ペースト状の金属材料１０をパワー半導体モジュール３０とヒートシンク３１との間に塗布し、パワー半導体モジュール３０とヒートシンク３１との間を、金属材料１０を介した状態で加熱して金属材料１０を焼結させる。得られた焼結体（接合体）により、パワー半導体モジュール３０とヒートシンク３１との間を強固に接合することができる。なおこのとき、空気中あるいは還元雰囲気中加圧下、望ましくは無加圧下で加圧され焼結体を形成する。このときの加熱温度は、使用するペーストの材質によって変わるが、４７３Ｋ（２００℃）〜５７３Ｋ（３００℃）程度とされる。また加熱時間は、５〜９０分程度の短い時間でも足りる。

本実施の形態によれば金属材料１０に含有される金属粒子１、２の充填率を向上させることができるため、得られた焼結体の空隙（ボイド）率は小さく、パワー半導体モジュール３０とヒートシンク３１との間の接合強度や導電性を高い状態に保つことができる。また第１の金属粒子１と第２の金属粒子２の融点は略同一であるため、第１の金属粒子１と第２の金属粒子２とを一様に融解することができ、残留応力の発生を従来に比べて抑制することができる。したがって焼結体に割れ等が生じるのを防止でき、接合性や導電性に優れた焼結体を得ることができる。また上記のように、低下圧力で加熱時間が短くても、本実施の形態の金属材料１０を用いることで、残留応力が少なく且つボイド等の欠陥部も小さい焼結体を得ることが可能であり、歩留まりの向上を図ることが可能である。

図５は、第２の電子部品の構造を示す断面模式図である。図５に示すように、絶縁基板５０は絶縁層５１とその表面に設けられた電極５２とを有して構成される。図５に示すように、半導体チップ５３が電極５２上に接合されている。更に半導体チップ５３の表面にはリードピン５４が固定されている。半導体チップ５３は樹脂６１により封止されている。例えば、リードピン５４と半導体チップ５３間とを接合するための接合材６０として本実施の形態の金属材料（導電性ペースト）を用いることができる。また、電極材として本実施の形態の金属材料を用いることができ電極５２を形成することができる。

本実施の形態では、各金属粒子を、予め算出された粒子径及び組成となるように、液相還元選択析出法、水アトマイズ法、あるいはガスアトマイズ法等の既存の方法により精度よく製造することができる。

以下、本発明の効果を明確にするために行った実施例をもとに本発明をより詳細に説明する。なお、下記実施例における金属成分等は例示的なものであり、適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、適宜変更して実施することが可能である。そのため、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

［実施例１］
銀（Ａｇ）と金（Ａｕ）とを合金化した金属粒子を得た。このとき合金の融点を、式（９）で示すことができるとする。ｘは組成比であり、０〜１の範囲内にて設定することができる。

固体金属の密度、潜熱、固体表面エネルギー、溶融金属の表面張力、及び溶融液体の密度が式（９）と同様に、組成比ｘとの関係において示すことができる場合、ａは以下の式（１０）に示すように、二次式で十分に近似(相関関数Ｒ^２＝０．９９７４)することができる。

ここで組成比ｘ＝０は、純金を示し、組成比ｘ＝１は、純銀を示す。計算には以下の表１に記載の数値を使用した。

粒子径（半径）r、組成比ｘの金属粒子（球形粒子）の融点Ｔ_ｍは、式（１）に、式（９）、式（１０）を代入することで、以下の式（１１）のように示すことができる。

式（１１）が融点曲線の式である。式（１１）に基づいて、例えば横軸を組成比ｘとし縦軸を融点Ｔ_ｍとして、異なる各粒子径に対して、組成比と融点との関係を示す複数の融点曲線を導き出した。そのグラフが図６に示されている。

図６に示すように、粒子径（半径）を、０．７〜１．０ｎｍまで０．１ｎｍ刻みで変化させ、各粒子径での組成比ｘに対する融点変化を求めた。組成比が同じであるとき、粒子径が０．１ｎｍ程度異なるだけで、融点が１００ｋ以上異なることがわかった。したがって組成比が同じで粒子径が異なる複数の金属粒子は夫々融点が大幅に異なり、焼結体に残留応力が生じやすいことがわかった。

一方、組成比が異なる場合を考えてみると、夫々の組成比のときに、同様に異なる粒子径（半径）を選択することで、融点を同じにできる組み合わせを算出することができる。

例えば、（粒子径、組成比）＝（０．９ｎｍ、銀：金＝０．２２：０．７８）と、（１ｎｍ、銀：金＝０．９：０．１）のとき、夫々融点が６９０Ｋであった。このように粒子径と組成比の双方を適宜調節することで、各金属粒子（銀と金の合金粒子）の融点を一致させることができた。また、この２つの粒子ではサイズが近いため、最大充填率は０．７４であった。

［実施例２］
銀（Ａｇ）と銅（Ｃｕ）とを合金化した金属粒子を得た。銀と銅の物性値を、以下の表２に示す。

このとき合金の融点を、式（１２）で示すことができるとする。ｘは組成比であり、０〜１の範囲内にて設定することができる。組成比ｘ＝１を純銅、ｘ＝０は純銀であるとする。

ａは以下の式（１３）に示すように、二次式で十分に近似(相関関数Ｒ^２＝０．９９７４)することができる。

式（１２）及び式（１３）を式（１）に代入し、Ａｇ−Ｃｕ合金粒子の融点を計算し、図７のグラフ上に複数の融点曲線を図示した。すなわち図７では、横軸を組成比ｘとし縦軸を融点Ｔ_ｍとして、異なる各粒子径に対して、組成比と融点との関係を示す複数の融点曲線を導き出した。

図７に示すように、粒子径（半径）がおよそ６ｎｍ以下となると、組成比（Ｃｕ濃度）ｘに反比例してＡｇ−Ｃｕ合金粒子の融点が下がることがわかった。一方、粒子径（半径）が約６ｎｍよりも大きくなると、融点は組成比（Ｃｕ濃度）ｘの増大に伴って高くなることがわかった。

図７に示す融点曲線から粒子径（半径）が３０ｎｍで、組成比（Ｃｕ濃度）ｘが０．２１のＡｇ−Ｃｕ合金粒子と、粒子径（半径）が６ｎｍで組成比（Ｃｕ濃度）ｘが０．８３のＡｇ−Ｃｕ合金粒子の融点は夫々１２５５Ｋであることがわかった。したがって、これらの異なる粒子径と組成比のＡｇ−Ｃｕ合金粒子を用いると、銅成分を２０％程度導入することができる。

例えば銀ナノ粒子を有する導電ペーストは部材間の接合材として用いることができるが、実施例２のように銀に銅を混ぜ合せることで、稠密な接合層（焼結体）を形成するとともにコストダウンが可能となった。この２つの粒子では最大充填率０．８１を得ることができた。

［実施例３］
ニッケル（Ｎｉ）とタングステン（Ｗ）とを合金化した金属粒子を得た。ニッケルとタングステンの物性値を、以下の表３に示す。

このとき合金の融点を、式（１４）で示すことができるとする。なお状態図からは全率固溶ではないが、タングステン濃度xが低ければ、以下の式（１４）、及び式（１５）が得られるものとする。ｘは組成比であり、０〜１の範囲内にて設定することができる。組成比ｘ＝１を純タングステン、ｘ＝０は純ニッケルであるとする。

ａは以下の式（１５）に示すように、二次式で十分に近似(相関関数Ｒ^２＝０．９９７４)することができる。

式（１４）及び式（１５）を式（１）に代入し、Ｎｉ−Ｗ合金粒子の融点を計算し、図８のグラフ上に複数の融点曲線を図示した。すなわち図８では、横軸を組成比ｘとし縦軸を融点Ｔ_ｍとして、異なる各粒子径に対して、組成比と融点との関係を示す複数の融点曲線を導き出した。

図８に示すように、粒子径（半径）を１ｎｍ、２ｎｍ、５ｎｍ、及び２００ｎｍとしたとき、Ｎｉ―Ｗ合金粒子の融点を計算すると、組成比（Ｗ濃度）ｘにほぼ比例してＮｉ―Ｗ合金粒子の融点が上昇することがわかった。

これら融点曲線から、粒子径（半径）が２００ｎｍのＮｉ粒子（Ｗ濃度ｘ＝０）と、粒子径（半径）が５ｎｍで、組成比（Ｗ濃度）ｘが０．１６８のＮｉ―Ｗ粒子の融点は共に１７２０Ｋになり同じにできることがわかった。

したがって、粒子径（半径）が２００ｎｍのＮｉ粒子にＷを１６．８％加えたＮｉ―Ｗ粒子を混合すると、Ｎｉ粒子間の隙間に、粒子径（半径）が５ｎｍのＮｉ―Ｗ粒子が効果的に入り込み、そして１７２０Ｋで各粒子を同時焼結できるため均一な焼結が可能であるとわかった。この２つの粒子では、最大充填率０．９１を得ることができた。

実施例３に示すＮｉ―Ｗ粒子を有する導電性ペーストは、例えば、積層セラミックコンデンサの内部電極用として用いることができる。電子機器の小型化に伴い、積層セラミックコンデンサの内部電極に用いられるニッケルの粒子径は直径で１００〜６００ｎｍ程度に小径化が進行している。小径化による融点降下を防ぎ且つ均一焼結を行うため、実施例３のようにニッケルに僅かにタングステンを加えることで、融点降下を防ぐことが可能になる。

なお、大気中や溶液中等、高真空でない環境では、金属粒子同士の凝集や酸化を防ぐため表面は有機分子で保護される。酸化しにくい銀やほとんど酸化しない金では、焼結時に脱離が起きやすいクエン酸（分子量＝１９２）やソルビン酸(分子＝１１２)等の分子量が１００〜２００前後の低分子膜で保護することができる。銅等、酸化しやすい金属ではポリビニルアルコール等の有機高分子で保護する。その理由は、高分子では、１つの分子が多数の点で表面に吸着するため、低分子に比べ脱離しにくいからである。上記の実施例では、高真空中での焼結を想定しており、有機保護材を使用していないが、大気中や溶液中では有機保護分子−金属粒子間の吸着エネルギーの影響で、ΔＨ_ｍ、γ_ｓ及びγ_ｌが変化し、ａが大きくなると推定され、この場合、融点は更に低下する。

実施例２で示したＡｇ−Ｃｕ粒子の場合、銅単体でなく銀との合金となっているため、上記した高分子を用いずとも低分子の有機保護材で足りるのであれば低分子の有機保護材を用いることが望ましい。これにより、金属粒子が融解するよりも先に低分子の有機保護材は脱離を起こし、ペースト状の金属材料内部は純粋な金属粒子同士の結合とされる。このように低分子の有機保護材が脱離を起こした状態では、各実施例で示した各金属粒子は略同一の融点で融解した状態になり、焼結時に、残留応力の発生の少ない焼結体を得ることが可能になる。

本実施の形態の金属材料（導電性ペースト）によれば、含有される金属粒子の充填率を高めることができ、しかも粒子径の異なる金属粒子の融点を略同一にできるため、焼結体内部の残留応力を従来に比べて極力抑えることができる。このため、焼結時に、加圧力や加圧時間が短い場合でも、例えば部材間に接合材として接合強度や導電性に優れた焼結体を得ることができる。このため、ＳｉＣパワー半導体の実装技術などに好ましく適用することが可能である。

本出願は、２０１４年９月１０日出願の特願２０１４−１８３８２６に基づく。これらの内容は全てここに含めておく。

Claims (17)

1. 複数種類の金属粒子からなり、
   各種類の金属粒子の粒子径は、０．５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であり、
   前記金属粒子のうち少なくとも１種類は、複数の金属元素からなる合金粒子であり、前記金属元素は、銀と、少なくとも金あるいは銅の一方から構成され、
   各種類の金属粒子は融点が略同一であることを特徴とする金属材料。
2. 複数種類の金属粒子からなり、
   各種類の金属粒子の粒子径は、０．５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であり、
   前記金属粒子のうち少なくとも１種類は、複数の金属元素からなる合金粒子であり、前記金属元素は、ニッケルとタングステンから構成され、
   各種類の金属粒子は融点が略同一であることを特徴とする金属材料。
3. 前記金属粒子の組成に基づいて定まる定数と、前記金属粒子の粒子径との比が各種類の前記金属粒子にて一致するように、各種類の前記金属粒子の粒子径を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の金属材料。
4. 前記金属粒子の組成に基づいて定まる定数と、前記金属粒子の粒子径との比が各種類の前記金属粒子にて一致するように、各種類の前記金属粒子の組成を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の金属材料。
5. 前記粒子径および前記金属粒子の組成は下記の式（１）により定められることを特徴とする請求項３または４に記載の金属材料。
   

   

   ここで、ｒ_１は第１の組成で形成された第１の金属粒子の粒子径、Ｔ^０ _ｍ（ｘ_１）とａ（ｘ_１）は第１の組成に基づいて定まる定数、ｒ_ｎは第ｎの組成で形成された第ｎの金属粒子の粒子径、Ｔ^０ _ｍ（ｘ_ｎ）とａ（ｘ_ｎ）は第ｎの組成に基づいて定まる定数である。
6. 前記金属粒子の充填率が、０．７４〜０．９９の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の金属材料。
7. 部材間を接合するための接合材として用いられることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の金属材料。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載された金属材料を焼結してなる焼結体が用いられていることを特徴とする電子部品。
9. 複数種類の金属粒子からなる金属材料の製造方法であって、
   各種類の金属粒子の粒子径を、０．５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内で形成し、
   前記金属粒子のうち少なくとも１種類を、複数の金属元素からなる合金粒子とし、
   各種類の金属粒子の融点が略同一となるように組成および粒子径を調節することを特徴とする金属材料の製造方法。
10. 前記金属粒子の組成に基づいて定まる定数と、前記金属粒子の粒子径との比が各種類の前記金属粒子にて一致するように、各種類の前記金属粒子の粒子径を決定することを特徴とする請求項９に記載の金属材料の製造方法。
11. 前記金属粒子の組成に基づいて定まる定数と、前記金属粒子の粒子径との比が各種類の前記金属粒子にて一致するように、各種類の前記金属粒子の組成を決定することを特徴とする請求項９に記載の金属材料の製造方法。
12. 前記粒子径および前記金属粒子の組成を、下記の式（１）により定めることを特徴とする請求項１０または１１に記載の金属材料の製造方法。
    

    

    ここで、ｒ _１ は第１の組成で形成された第１の金属粒子の粒子径、Ｔ ^０ _ｍ （ｘ _１ ）とａ（ｘ _１ ）は第１の組成に基づいて定まる定数、ｒ _ｎ は第ｎの組成で形成された第ｎの金属粒子の粒子径、Ｔ ^０ _ｍ （ｘ _ｎ ）とａ（ｘ _ｎ ）は第ｎの組成に基づいて定まる定数である。
13. 前記合金粒子の金属元素を、銀と、少なくとも金あるいは銅の一方から構成することを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の金属材料の製造方法。
14. 前記合金粒子の金属元素を、ニッケルとタングステンから構成することを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の金属材料の製造方法。
15. 前記金属粒子の充填率を、０．７４〜０．９９の範囲内とすることを特徴とする請求項９ないし１４のいずれかに記載の金属材料の製造方法。
16. 部材間を接合するための接合材として用いることを特徴とする請求項９ないし１５のいずれかに記載の金属材料の製造方法。
17. 請求項９ないし１６のいずれかに記載された製造方法より製造した金属材料を焼結してなる焼結体を用いることを特徴とする電子部品の製造方法。

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