JP7164313B2 - Nickel fine particle composition, bonded structure and bonding method - Google Patents

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Description

本発明は、電子部品の製造に利用可能なニッケル微粒子組成物、それを用いた接合方法及び接合構造体に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nickel fine particle composition that can be used in the production of electronic parts, a bonding method and a bonding structure using the same.

近年、省電力化への取り組みのなかで、インバータなどの電力変換器における、電力変換効率の高効率化が進められている。その中でも、電力損失の低減が期待できる次世代のパワーデバイス半導体材料として、SiC(シリコンカーバイド)の実用化が検討されている。しかしながら、現行のSi(シリコン)パワーデバイスの駆動温度が125℃程度であるのに対して、SiCでは250℃以上が想定されるため、SiCを使用したパワー半導体チップと実装基板(以下、「被接合部材」ともいう)を接合する接合材料(以下、「接合材」ともいう。)には、250℃以上の高温領域での駆動時の信頼性が必要となる。 2. Description of the Related Art In recent years, in efforts to save power, efforts have been made to improve power conversion efficiency in power converters such as inverters. Among them, practical use of SiC (silicon carbide) is being studied as a next-generation power device semiconductor material that can be expected to reduce power loss. However, while the operating temperature of current Si (silicon) power devices is about 125°C, SiC is expected to operate at 250°C or higher. A bonding material (hereinafter, also referred to as a "bonding material") for bonding two members (also referred to as a "bonding member") is required to have reliability during operation in a high temperature range of 250° C. or higher.

従来、接合材としては、はんだ材料が使用されてきた。このはんだ材料については、2006年にEUにおいて施行されたRoHS指令により、鉛フリーのはんだ材料が求められているが、上記高温領域での駆動に耐えうる鉛フリーのはんだ材料やその代替材料は、得られていない。 Conventionally, a solder material has been used as a joining material. Regarding this solder material, the RoHS Directive enforced in the EU in 2006 requires a lead-free solder material. not obtained.

はんだ材料に代わり、金属微粒子を利用した接合材が検討されている。例えば特許文献1では、サブマイクロ~数マイクロメートルサイズの銀微粒子接合材を200℃で揮発性成分を揮散させ、300℃あるいは350℃で加熱することにより20~40MPa程度の接合強度が得られている。 Bonding materials using metal fine particles are being studied instead of solder materials. For example, in Patent Document 1, bonding strength of about 20 to 40 MPa is obtained by volatilizing a volatile component from a silver fine particle bonding material of submicron to several micrometer size at 200° C. and heating it at 300° C. or 350° C. there is

また、銀微粒子に替えて、より低コストである銅微粒子を用いる接合材も開示されている。例えば特許文献2には、粒径1~35nmの銅ナノ粒子と35~1000nmの銅粒子を含む接合材を水素中400℃5分間で加圧焼結させることにより、40MPa以上の高い接合強度を示す材料が提案されている。 Also disclosed is a bonding material that uses lower-cost copper fine particles instead of silver fine particles. For example, in Patent Document 2, a bonding material containing copper nanoparticles with a particle size of 1 to 35 nm and copper particles with a particle size of 35 to 1000 nm is pressure-sintered in hydrogen at 400 ° C. for 5 minutes to achieve a high bonding strength of 40 MPa or more. Materials shown are proposed.

以上のように金属微粒子系接合材(「ナノシンター系接合材」ともいう。)の開発が進められているが、銀微粒子系(銀シンター系)は高コストであり、加えて冷熱サイクルなどの信頼性試験を実施するとボイドの粗大化や接合層脆化の問題がある。一方、銅微粒子系(銅シンター系)は低コストではあるものの、酸化による劣化が起こり、剥離やクラック等が発生する問題がある。 As described above, the development of metal fine particle bonding materials (also called “nano sintering bonding materials”) is progressing. However, there are problems such as coarsening of voids and embrittlement of the joint layer. On the other hand, although the copper fine particle system (copper sinter system) is low in cost, there is a problem that deterioration due to oxidation occurs, resulting in peeling, cracking, and the like.

そこで、本発明者は、低コストであり、かつ、酸化による劣化が起きにくく高い信頼性が期待できる、ニッケル(Ni)微粒子系の接合材を検討してきた。例えば、非特許文献1においては、90nmのNiナノ粒子を用いた接合材が、-40℃~+250℃の冷熱サイクル試験において、1000cyc経過後においても接合強度は10MPa以上を維持し、更に断面観察においてはクラックが観察されない、という高い信頼性を示すことを開示した。 Therefore, the present inventors have studied a nickel (Ni) microparticle-based bonding material that is low in cost, resistant to deterioration due to oxidation, and expected to have high reliability. For example, in Non-Patent Document 1, a bonding material using 90 nm Ni nanoparticles maintains a bonding strength of 10 MPa or more even after 1000 cycles in a thermal cycle test of -40 ° C to +250 ° C, and further cross-sectional observation It has been disclosed that no cracks are observed in the high reliability.

しかし、ニッケルは、熱伝導率が90.9W/m・Kであり、銀(420W/m・K)や銅(398W/m・K)と比較して低く、上記高温領域での駆動を担保するうえで重要な特性である、放熱性の更なる向上が期待されていた。 However, nickel has a thermal conductivity of 90.9 W/m K, which is lower than that of silver (420 W/m K) and copper (398 W/m K). Further improvement in heat dissipation, which is an important characteristic for

また、接合材は実用上、被接合部材同士を接合し、その間の熱伝導を担うものであることから、接合層のみを取り出した単純な熱伝導性ではなく、接合構造体の状態で高い熱伝導性を示すことのできる材料を開発する必要があった。 In addition, in practice, the joining material joins the members to be joined together and is responsible for heat conduction between them. There was a need to develop materials that could exhibit conductivity.

特開2011-236494号公報JP 2011-236494 A 特開2013-91835号公報JP 2013-91835 A

スマートプロセス学会誌 Vol.4 No.4 190頁~195頁Journal of Smart Process Society Vol. 4 No. 4 Pages 190-195

本発明の目的は、高信頼性と、接合状態での優れた熱伝導性を両立可能な接合材を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a bonding material that achieves both high reliability and excellent thermal conductivity in a bonded state.

本発明者らは、粒子間焼結を起こす平均粒子径が30~200nmのニッケル微粒子と、接合層全体の体積収縮を少なくし、被接合部材との間の剥離を抑え、なおかつ高熱伝導性を確保するフィラー粒子とを含有するニッケル微粒子組成物により、上記課題を解決できることを見出した。 The present inventors have found that nickel fine particles with an average particle size of 30 to 200 nm that cause sintering between particles and volume shrinkage of the entire bonding layer are reduced, peeling between the members to be bonded is suppressed, and high thermal conductivity is achieved. The inventors have found that the above problems can be solved by a nickel fine particle composition containing filler particles that ensure the desired properties.

本発明のニッケル微粒子組成物は、次の成分A~B;
A)組成物乾燥体断面の走査型電子顕微鏡観察により測定される平均粒子径が30~200nmの範囲内であり、ニッケル元素を金属元素に占める原子数濃度にして50%以上含有するニッケル微粒子、
B)以下の条件(i)~(iv)を具備するフィラー粒子、
(i)組成物乾燥体の走査型電子顕微鏡による断面観察から算出される平均粒子径が0.5~100μmの範囲内である;
(ii)コア部及び前記コア部の表面を被覆する被覆部から形成されている;
(iii)前記コア部は金属元素の総量が原子数濃度にして50%以上である;
(iv)前記被覆部は、ニッケル、パラジウム、金、銀のうち少なくとも1種類の元素を金属元素に占める原子数濃度にして50%以上含む;
を含有することを特徴とする。ここで、金属元素に占める原子数濃度とは、金属とケイ素の原子数濃度の合計値を100%とした際の、注目する元素の含有率を示す。
The nickel fine particle composition of the present invention comprises the following components A to B;
A) fine nickel particles having an average particle size in the range of 30 to 200 nm as measured by scanning electron microscopic observation of the cross section of the dried composition, and containing 50% or more of the nickel element in terms of atomic number concentration in the metal elements;
B) filler particles having the following conditions (i) to (iv):
(i) The average particle size calculated from cross-sectional observation with a scanning electron microscope of the dry composition is in the range of 0.5 to 100 μm;
(ii) is formed from a core portion and a coating portion that coats the surface of the core portion;
(iii) the total amount of metal elements in the core portion is 50% or more in atomic number concentration;
(iv) the coating contains at least one element selected from nickel, palladium, gold, and silver at an atomic concentration of 50% or more;
It is characterized by containing Here, the atomic number concentration in the metal element indicates the content of the target element when the total atomic number concentration of the metal and silicon is taken as 100%.

また、本発明のニッケル微粒子組成物は、前記成分Bのコア部が銅、銀、金、白金、アルミニウム、ケイ素のうち少なくとも1種類の元素を金属元素に占める原子数濃度にして50%以上含んでいてもよい。 Further, in the nickel fine particle composition of the present invention, the core part of the component B contains at least one element selected from copper, silver, gold, platinum, aluminum, and silicon in an atomic number concentration of 50% or more of the metal elements. You can stay.

また、本発明のニッケル微粒子組成物は、前記成分Bのコア部が銅元素を金属元素に占める原子数濃度にして50%以上含んでいてもよい。また、前記成分Bの被覆部が銅元素を金属元素に占める原子数濃度にして1~30%の範囲内で含んでいてもよい。 Further, in the nickel fine particle composition of the present invention, the core part of the component B may contain 50% or more of the copper element in terms of atomic number concentration in the metal elements. Further, the coating part of the component B may contain copper element within the range of 1 to 30% in terms of atomic number concentration in the metal elements.

また、本発明のニッケル微粒子組成物は、組成物中に含まれるニッケル元素の総量と、前記成分Bのフィラー粒子のコア部の主要元素の重量比(ニッケル元素:主要元素)が5:95~80:20であってもよい。ここで、コア部の主要元素とは、組成物乾燥体断面の任意のフィラー粒子中心部分三点について、透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析(EDX)観察を行った際に、金属元素に占める平均の原子数濃度で50%以上観測される元素のことを指す。 Further, in the nickel fine particle composition of the present invention, the total amount of nickel elements contained in the composition and the weight ratio of the main elements in the core portion of the filler particles of the component B (nickel element: main element) is 5:95 ~ It may be 80:20. Here, the main element of the core portion means that three points at the central portion of arbitrary filler particles in the cross section of the dried composition are observed by energy dispersive X-ray analysis (EDX) attached to a transmission electron microscope, It refers to an element that is observed at an average atomic number concentration of 50% or more in the metal element.

また、本発明のニッケル微粒子組成物は、前記成分Bの被覆部の平均厚さが0.001μm~1μmの範囲内であってもよい。 Further, in the nickel fine particle composition of the present invention, the average thickness of the coated portion of component B may be in the range of 0.001 μm to 1 μm.

また、本発明のニッケル微粒子組成物は、前記成分Aのニッケル微粒子と前記成分Bのフィラー粒子の占める重量割合(固形分濃度)が組成物全体に対して70~96重量%の範囲内であることを特徴とする。 Further, in the nickel fine particle composition of the present invention, the weight ratio (solid content concentration) of the nickel fine particles of component A and the filler particles of component B is in the range of 70 to 96% by weight of the entire composition. It is characterized by

本発明のニッケル微粒子組成物は、さらに、沸点100~350℃の範囲内にある有機溶媒を含有してもよく、前記有機溶媒の含有量が、組成物全体に対して4~30重量%の範囲内であってもよい。また、さらに、全粒子量に対して、0.1~2.5重量%の範囲内で有機バインダーを含有してもよい。 The nickel fine particle composition of the present invention may further contain an organic solvent having a boiling point within the range of 100 to 350° C., and the content of the organic solvent is 4 to 30% by weight based on the total composition. may be within the range. Furthermore, an organic binder may be contained within the range of 0.1 to 2.5% by weight with respect to the total amount of particles.

また、本発明の接合構造体は、二つの被接合部材が、前記ニッケル微粒子組成物中のニッケル微粒子及び被覆部を有するフィラー粒子に由来する接合層により接合されていることを特徴とする。 Further, the bonded structure of the present invention is characterized in that two members to be bonded are bonded by a bonding layer derived from filler particles having nickel fine particles and coating portions in the nickel fine particle composition.

また、本発明の接合方法は、前記ニッケル微粒子組成物を、被接合部材の間に介在させて、還元性ガス雰囲気下で、200~400℃の範囲内の温度で加熱することにより、被接合部材の間に接合層を形成、被接合部材同士を接合することを特徴とする。 In the bonding method of the present invention, the nickel fine particle composition is interposed between members to be joined and heated at a temperature within the range of 200 to 400° C. in a reducing gas atmosphere. A joining layer is formed between the members to join the members to be joined.

本発明のニッケル微粒子組成物、接合方法によれば、ニッケル微粒子系の接合材の特長である、低コスト、高信頼性を維持しつつ、さらに、優れた熱伝導性を有する接合層を形成することが可能になる。そのため、例えば、250℃以上の高温領域での駆動時の信頼性が必要となる、SiCを使用したパワー半導体チップと実装基板を接合するための接合材として、好適に使用することができる。また、LEDと電極との接合といった、その他の放熱性が求められる接合構造体の製造にも使用できる。 According to the nickel fine particle composition and the bonding method of the present invention, a bonding layer having excellent thermal conductivity is formed while maintaining low cost and high reliability, which are the features of nickel fine particle-based bonding materials. becomes possible. Therefore, for example, it can be suitably used as a bonding material for bonding a power semiconductor chip using SiC and a mounting substrate, which requires reliability during operation in a high temperature range of 250 ° C. or higher. It can also be used to manufacture other joint structures that require heat dissipation, such as joints between LEDs and electrodes.

以下、本発明の実施の形態について説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below.

<ニッケル微粒子組成物>
本発明のニッケル微粒子組成物は、次の成分A、Bを含有する。
成分A)組成物乾燥体断面の走査型電子顕微鏡観察により測定される平均粒子径が30~200nmの範囲内であり、ニッケル元素を金属元素に占める原子数濃度にして50%以上含有するニッケル微粒子、
成分B)組成物乾燥体の走査型電子顕微鏡による断面観察から算出される平均粒子径が0.5~100μmの範囲内であるフィラー粒子であって、前記フィラー粒子はコア部および被覆部から形成され、前記コア部は金属元素の総量が原子数濃度にして50%以上であり、前記コア部の表面にニッケル、パラジウム、金、銀のうち少なくとも1種類の元素を金属元素に占める原子数濃度にして50%以上含む被覆部が形成されていることを特徴とするフィラー粒子。
以下に、成分A及び成分Bの形態例について説明する。
<Nickel Fine Particle Composition>
The nickel fine particle composition of the present invention contains the following components A and B.
Component A) Fine nickel particles having an average particle size of 30 to 200 nm as measured by scanning electron microscopic observation of the cross section of the dried composition, and containing 50% or more of the nickel element in atomic number concentration in the metal elements. ,
Component B) Filler particles having an average particle diameter within the range of 0.5 to 100 μm calculated from cross-sectional observation of the dried composition with a scanning electron microscope, wherein the filler particles are formed from a core portion and a coating portion. The total amount of metal elements in the core portion is 50% or more in terms of atomic number concentration, and at least one element selected from nickel, palladium, gold, and silver is added to the surface of the core portion in terms of atomic number concentration in the metal elements. Filler particles, characterized in that a coating portion containing 50% or more is formed.
Form examples of component A and component B are described below.

(成分A:ニッケル微粒子)
成分Aは、ニッケルを含む金属元素を原子数濃度にして50%以上含有する微粒子であり、走査型電子顕微鏡観察による平均粒子径が30~200nmの範囲内である。ここで、原子数濃度は、組成物乾燥体の断面を透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析を行うことで測定可能である。例えば、接合層を形成するために、本ニッケル微粒子組成物を300℃の温度で加熱して焼結させる場合は、成分Aの平均粒子径は30~100nmの範囲内であることが好ましく、350℃の温度で加熱して焼結させる場合は、成分Aの平均粒子径は30~160nmの範囲内であることが好ましい。成分Aの平均粒子径が30nm未満であると、成分Aどうしが凝集しやすくなり、成分Bとの均一な混合が困難となる。一方、成分Aの平均粒子径が200nmを超えると、ニッケル微粒子同士の、又は、ニッケル微粒子とフィラー粒子の間の焼結が不十分となり、信頼性、熱伝導性の低下を招く。
(Component A: nickel microparticles)
Component A is fine particles containing 50% or more of a metal element including nickel in terms of atomic concentration, and has an average particle diameter within the range of 30 to 200 nm when observed with a scanning electron microscope. Here, the atomic number concentration can be measured by performing an energy dispersive X-ray analysis attached to a transmission electron microscope on a cross section of the dried composition. For example, when the present nickel fine particle composition is heated and sintered at a temperature of 300° C. to form a bonding layer, the average particle size of component A is preferably in the range of 30 to 100 nm. When sintering is performed by heating at a temperature of 0° C., the average particle size of component A is preferably in the range of 30 to 160 nm. If the average particle size of component A is less than 30 nm, component A tends to aggregate with each other, making uniform mixing with component B difficult. On the other hand, if the average particle size of component A exceeds 200 nm, the sintering between the nickel fine particles or between the nickel fine particles and the filler particles becomes insufficient, resulting in a decrease in reliability and thermal conductivity.

成分Aの平均粒子径の測定は、組成物乾燥体の断面を走査型電子顕微鏡で観察することにより行う。組成物乾燥体は、例えばガラス基板に組成物を100μm以上の厚みで塗布し、100℃30分乾燥させることにより得られる。この乾燥体をエポキシ樹脂包埋した後に、追込み研磨とクロスセクションポリッシャ処理を行って断面出しを実施し、得られた断面サンプルの走査型電子顕微鏡による断面写真から、無作為に200個のニッケル微粒子を抽出してそれぞれの面積を求め、真球に換算した時の粒子径(円相当粒子径)を算出し、平均粒子径を導く。なお、断面観察におけるニッケル微粒子の見分け方は、粒子中心部分三点について透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析を行い得られる構成元素の情報から確認できる。 The average particle size of component A is measured by observing the cross section of the dried composition with a scanning electron microscope. The dried composition can be obtained, for example, by coating the composition on a glass substrate to a thickness of 100 μm or more and drying at 100° C. for 30 minutes. After embedding this dried body in epoxy resin, additional polishing and cross-section polisher treatment were performed to expose a cross section, and from a cross-sectional photograph of the cross-sectional sample obtained by a scanning electron microscope, 200 nickel fine particles were randomly selected. are extracted, the area of each is calculated, the particle diameter when converted to a true sphere (circle equivalent particle diameter) is calculated, and the average particle diameter is derived. Incidentally, how to distinguish the nickel fine particles in the cross-sectional observation can be confirmed from the information of the constituent elements obtained by performing the energy dispersive X-ray analysis attached to the transmission electron microscope for three points of the central portion of the particle.

また、成分Aは、ニッケル元素を金属元素に占める原子数濃度にして50%以上含有する。この範囲であれば、これを用いて形成する接合層が、酸化劣化しにくいため、長期使用時において接合層内のクラック発生を抑制し、信頼性低下、熱伝導性低下を回避可能である。なお、金属元素に占める原子数濃度は、組成物乾燥体の断面を透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析を行うことで測定可能である。成分Aの製造方法に制限はなく、気相法、湿式法など様々な手法が利用できる。 In addition, component A contains 50% or more of the nickel element in terms of atomic number concentration in the metal elements. Within this range, the bonding layer formed using this material is less likely to deteriorate due to oxidation, so cracks in the bonding layer can be suppressed during long-term use, and deterioration in reliability and thermal conductivity can be avoided. The atomic number concentration in the metal element can be measured by subjecting the cross section of the dried composition to energy dispersive X-ray analysis attached to a transmission electron microscope. There are no restrictions on the method for producing component A, and various techniques such as a vapor phase method and a wet method can be used.

(成分B:フィラー粒子)
成分Bは、組成物乾燥体の走査型電子顕微鏡による断面観察から算出される平均粒子径が0.5~100μmの範囲内であるフィラー粒子であって、前記フィラー粒子はコア部および被覆部から形成される。コア部及び被覆部は、それぞれ、金属元素の総量が原子数濃度にして50%以上である。ここで、原子数濃度は、組成物乾燥体の断面を透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析を行うことで測定可能である。前記コア部には、ニッケル、パラジウム、金、銀のうち少なくとも1種類の元素を金属元素に占める原子数濃度にして50%以上含む被覆部が形成されている。
(Component B: Filler particles)
Component B is filler particles having an average particle diameter within the range of 0.5 to 100 μm calculated from cross-sectional observation of the dried composition with a scanning electron microscope, and the filler particles are formed from the core portion and the coating portion. It is formed. The total amount of metal elements in the core portion and the coating portion is 50% or more in atomic number concentration. Here, the atomic number concentration can be measured by performing an energy dispersive X-ray analysis attached to a transmission electron microscope on a cross section of the dried composition. The core portion is formed with a covering portion containing at least one of nickel, palladium, gold and silver in an atomic concentration of 50% or more of the metal elements.

成分Bは、接合する被接合体間に存在し、被接合体間の熱伝導を良好に行う観点、及び、加熱による接合層形成時の体積収縮を抑制するという観点から、組成物乾燥体の走査型電子顕微鏡による断面観察から算出される平均粒子径が0.5~100μmの範囲内であり、好ましくは、0.5~30μmである。成分Bの平均粒子径が0.5μm未満であると、加熱による接合層形成時において体積収縮が大きく、被接合体どうしが十分に接合しないため、信頼性や接合構造体としての熱伝導性の低下を招く。一方、成分Bの平均粒子径が100μmを超えると、被接合体への塗布性が悪化する、接合層厚みの調整が困難となるなどの不具合が生じる。 Component B is present between the objects to be joined, and from the viewpoint of good heat conduction between the objects to be joined and from the viewpoint of suppressing volumetric shrinkage during the formation of the joining layer by heating, the dry composition is The average particle size calculated from cross-sectional observation with a scanning electron microscope is in the range of 0.5 to 100 μm, preferably 0.5 to 30 μm. If the average particle size of the component B is less than 0.5 μm, the volume shrinkage is large at the time of forming the bonding layer by heating, and the objects to be bonded are not sufficiently bonded to each other. lead to decline. On the other hand, if the average particle size of the component B exceeds 100 μm, problems such as poor applicability to the object to be bonded and difficulty in adjusting the thickness of the bonding layer occur.

成分Bの平均粒子径の測定は、組成物乾燥体の断面を走査型電子顕微鏡で観察することにより確認できる。成分Aと同様の方法で組成物乾燥体から粒子径(円相当粒子径)を算出し、平均粒子径を導く。 The measurement of the average particle size of component B can be confirmed by observing the cross section of the dried composition with a scanning electron microscope. The particle size (equivalent circle particle size) is calculated from the dried composition in the same manner as for component A to derive the average particle size.

成分Bのコア部は、熱伝導性を向上させるという観点から、ニッケルよりも熱伝導率が高い金属を用いることが好ましい。ここで金属には、ケイ素を含む。接合層を形成した際に優れた熱伝導性を発現させるため、熱伝導率が100W/m・K以上である材質が、より好ましい。 From the viewpoint of improving the thermal conductivity, it is preferable to use a metal having a higher thermal conductivity than nickel for the core portion of the component B. Here, the metal includes silicon. A material having a thermal conductivity of 100 W/m·K or more is more preferable in order to exhibit excellent thermal conductivity when the bonding layer is formed.

成分Bのコア部を構成する成分としては、好ましくは、単体としての熱伝導率が100W/m・K以上である、例えば銅、銀、金、白金、アルミニウム、ケイ素などが挙げられ、これらのうち少なくとも1種類の元素をコア部に金属元素に占める原子数濃度として50%以上含むことが好ましい。ここで、金属元素に占める原子数濃度は、組成物乾燥体の断面を透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析を行うことで測定可能である。これらは、単独で又は2種以上含有していてもよい。より好ましくは、高熱伝導性と低コストを並立させる観点から、コア部は、金属元素に占める原子数濃度として銅元素を50%以上含む材質によって形成されていることが好ましい。また、コア部が銅元素を原子数濃度にして50%以上含む材質である場合、銅元素以外の含有成分は限定しない。好ましくは、銅元素以外の成分としては、例えば、単体としての熱伝導率が100W/m・K以上である、銀、金、白金、アルミニウム、ケイ素である。コア部の形状は、例えば球状、多面体形状、繊維状、スパイク形状、フレーク形状など様々なものが利用できる。 Components constituting the core portion of component B preferably include copper, silver, gold, platinum, aluminum, silicon, etc., which have a thermal conductivity of 100 W/m·K or more as a single substance. At least one of these elements is preferably contained in the core portion at an atomic concentration of 50% or more in the metal elements. Here, the atomic concentration in the metal element can be measured by subjecting a cross section of the dried composition to energy dispersive X-ray analysis attached to a transmission electron microscope. These may be contained alone or in combination of two or more. More preferably, from the viewpoint of achieving both high thermal conductivity and low cost, the core portion is preferably made of a material containing 50% or more of the copper element as the atomic concentration in the metal elements. Moreover, when the core portion is made of a material containing 50% or more of the copper element in atomic number concentration, the contained components other than the copper element are not limited. Preferred components other than copper are, for example, silver, gold, platinum, aluminum, and silicon each having a thermal conductivity of 100 W/m·K or more as an element. Various shapes such as a spherical shape, a polyhedral shape, a fibrous shape, a spike shape, and a flake shape can be used as the shape of the core portion.

成分Bのコア部の製造方法は限定されず、市販品でもよい。例えば、福田金属箔粉工業社製銅粉(製品名:Cu-HWQ)、古河ケミカルズ社製銅粉(製品名:FMC-10C)などの市販品を好ましく利用できる。 The manufacturing method of the core part of component B is not limited, and a commercially available product may be used. For example, commercially available products such as copper powder manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd. (product name: Cu-HWQ) and copper powder manufactured by Furukawa Chemicals Co., Ltd. (product name: FMC-10C) can be preferably used.

また、成分Bの被覆部は、ニッケル微粒子との間で金属拡散を促進する効果を有し、コア部とニッケル微粒子の間の接着を強化することで、結果として信頼性を向上させる効果を有する。更に、被接合部材との間で金属拡散を促し、コア部と被接合部材の接着を促進することができるため、ニッケル微粒子・コア部間、コア部・被接合部材間における効率的な熱伝導を達成でき、接合層単体のみならず、接合構造体としても高熱伝導性を実現可能となる。また、コア部の酸化を妨げる効果を有し、信頼性の向上に寄与する。なお、被覆部を構成する主要元素は、コア部を構成する主要元素とは異なる金属元素であることが好ましい。ここで、コア部又は被覆部の主要元素とは、組成物乾燥体断面の任意のフィラー粒子のコア部の中心部分三点、又は被覆部の三点について、透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析(EDX)観察を行った際に、金属元素に占める平均の原子数濃度で50%以上観測される元素のことを指す。 In addition, the coating part of component B has the effect of promoting metal diffusion between the nickel fine particles, and by strengthening the adhesion between the core part and the nickel fine particles, as a result, it has the effect of improving reliability. . In addition, it promotes metal diffusion between the members to be joined and promotes adhesion between the core and the members to be joined. can be achieved, and high thermal conductivity can be realized not only in the bonding layer alone but also in the bonding structure. In addition, it has an effect of preventing oxidation of the core portion and contributes to an improvement in reliability. It should be noted that the main element forming the covering portion is preferably a metal element different from the main element forming the core portion. Here, the main elements of the core or coating are defined as three points in the central portion of the core of any filler particle in the cross section of the dried composition, or three points in the coating, and the energy dispersion attached to the transmission electron microscope It refers to an element that is observed at an average atomic number concentration of 50% or more in the metal element when observed by type X-ray analysis (EDX).

成分Bの被覆部は、ニッケル、パラジウム、金、銀のうち少なくとも1種類の元素の含有量が、金属元素に占める原子数濃度にして50%以上である。この濃度を下回ると、ニッケル微粒子とフィラー粒子の間の接着や、被接合部材とフィラー粒子の間の接着が悪化するため、接合構造体としての熱伝導性、信頼性が低下する。ニッケル、パラジウム、金、銀のうち少なくとも1種類の元素の好ましい含有量は、原子数濃度にして60%以上である。被覆部の元素含有量は、透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析による点分析を被覆部の三点に対して実施し平均することにより得られる。なお、被覆部とコアの境界は、透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析によるライン分析で、被覆部の成分が原子数濃度にして40%を示すところと定義する。 In the coated portion of component B, the content of at least one element selected from nickel, palladium, gold, and silver is 50% or more in terms of atomic number concentration in the metal elements. Below this concentration, the adhesion between the nickel microparticles and the filler particles and the adhesion between the member to be joined and the filler particles are deteriorated, so that the thermal conductivity and reliability of the joined structure are lowered. A preferable content of at least one element selected from nickel, palladium, gold, and silver is 60% or more in atomic number concentration. The elemental content of the coating portion is obtained by performing point analysis on three points of the coating portion by means of energy dispersive X-ray analysis attached to a transmission electron microscope and averaging the results. The boundary between the coating portion and the core is defined as the point where the component of the coating portion exhibits an atomic number concentration of 40% in line analysis by energy dispersive X-ray analysis attached to a transmission electron microscope.

成分Bの被覆部を構成する好ましい元素は、ニッケル微粒子との相互拡散性に優れより高い信頼性が得られる点から、ニッケル又は金である。被覆部の外観形状は、球状、多面体形状、繊維状、スパイク形状、フレーク形状など様々なものが利用できる。 A preferable element for forming the coating portion of component B is nickel or gold from the viewpoint of excellent interdiffusibility with nickel fine particles and higher reliability. Various shapes such as a spherical shape, a polyhedral shape, a fibrous shape, a spike shape, and a flake shape can be used for the outer shape of the covering portion.

また、前記含有率の条件が満たされるのであれば、被覆部は、コア部を構成する主要元素との間の合金であってもよい。例えば、コア部の主要元素が銅であり、被覆部に銅を含む場合、被覆部における銅の含有率は原子数濃度にして1~30%の範囲内が好ましい。銅の含有率が原子数濃度にして1%以上あると、被接合部材の銅電極との間の拡散が促進され、剥離が抑えられ、信頼性が向上する。被覆部における銅の含有率が原子数濃度にして30%を超えると、接合層の耐酸化性が低下し、信頼性の低下につながる。 Moreover, the covering portion may be an alloy with the main element constituting the core portion, provided that the content rate conditions are satisfied. For example, when the main element of the core portion is copper and the covering portion contains copper, the content of copper in the covering portion is preferably in the range of 1 to 30% in atomic number concentration. When the content of copper is 1% or more in atomic number concentration, the diffusion between the copper electrode of the member to be joined is promoted, peeling is suppressed, and the reliability is improved. If the copper content in the covering portion exceeds 30% in atomic number concentration, the oxidation resistance of the bonding layer decreases, leading to a decrease in reliability.

また、成分Bの被覆部の平均厚さは、0.001μm~1μmの範囲内であることが好ましい。被覆部の平均厚さがこの範囲内にあることにより、ニッケル微粒子と被覆部の間での金属拡散や被覆部と被接合部材間の接着が十分起こり、高信頼性、接合構造体としての高熱伝導性に寄与する。被覆部の平均厚さは、成分Bを含有する組成物乾燥体の透過型電子顕微鏡による断面観察から測定することができる。 Also, the average thickness of the coated portion of component B is preferably in the range of 0.001 μm to 1 μm. When the average thickness of the coating is within this range, metal diffusion between the nickel fine particles and the coating and adhesion between the coating and the member to be joined occur sufficiently, resulting in high reliability and high heat resistance as a joint structure. Contributes to conductivity. The average thickness of the coated portion can be measured by cross-sectional observation of the dried composition containing component B with a transmission electron microscope.

また被覆部は、ニッケル微粒子組成物中の成分Bのすべてのフィラー粒子に形成されていなくてもよいが、全フィラー粒子に対する数量にして50%以上のフィラー粒子のコア部に対して形成されていることが好ましい。フィラー粒子やコア部の数量は、組成物乾燥体の走査型電子顕微鏡による断面観察から数えることができる。さらに、被覆部は、必ずしもコア部表面の全面を被覆している必要はなく、被覆部に欠けがあってもよいが、被覆率が50%以上であることが好ましい。ここで、被覆率とは、フィラー粒子の被覆されている部分の外周長とコア部の外周長の比率を指し、組成物乾燥体の走査型電子顕微鏡による断面観察から算出することができる。 In addition, the coating portion may not be formed on all the filler particles of the component B in the nickel fine particle composition, but it is formed on the core portion of 50% or more of the total filler particles in terms of quantity. preferably. The number of filler particles and core portions can be counted by cross-sectional observation of the dried composition with a scanning electron microscope. Furthermore, the covering portion does not necessarily have to cover the entire surface of the core portion, and the covering portion may be chipped, but the coverage is preferably 50% or more. Here, the coverage refers to the ratio of the peripheral length of the portion covered with the filler particles to the peripheral length of the core portion, and can be calculated from cross-sectional observation of the dried composition with a scanning electron microscope.

成分Bの作製には、公知の様々な手法を用いることができる。例えば、コア部(粒子)の表面に、粉体めっき、スパッタリング、液相還元法などで被覆部を形成する方法が挙げられる。また、被覆部に合金を形成する場合、金属濃度の制御は、粉体めっきや液相還元法における金属イオンの添加濃度やプロセス時間制御、コア部との金属拡散などによって実施可能である。 Various known techniques can be used to prepare Component B. For example, there is a method of forming a covering portion on the surface of the core portion (particle) by powder plating, sputtering, a liquid phase reduction method, or the like. When an alloy is formed in the covering portion, the metal concentration can be controlled by controlling the concentration of metal ions added in powder plating or the liquid phase reduction method, controlling the process time, and diffusing the metal with the core portion.

(重量比)
ニッケル微粒子組成物は、組成物中に含まれるニッケル元素の総量と、コア部の主要元素の重量比が5:95~80:20の範囲内であることが好ましい。ニッケル元素の総量とコア部の主要元素の重量比がこの範囲内にあることにより、接合層中に十分な熱伝導経路を形成することができるため、接合構造体としての熱伝導性向上に寄与する。上記範囲よりもニッケル元素の割合が大きくなると、接合層の形成時に、体積収縮が大きくなり、信頼性の低下、熱伝導性の低下がみられる傾向にある。また、コア部の主要元素の割合が大きくなると、ニッケル微粒子とフィラー粒子の間の接点数が少なくなる傾向にあるため、信頼性、熱伝導性が低下する。
なお、重量比は、例えば組成物乾燥体のICP発光分光分析法(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法、ICP-OES/ICP-AES)及び/又は走査型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析による粒子の断面観察により測定することができる。本手法では、例えばニッケル被覆フィラー粒子を用いた場合には、ニッケル微粒子とニッケル被覆膜の区別は出来ないが、接合構造体の熱伝導性は組成物内の総ニッケル元素量とコア部の主要元素量の比率に左右されるため、作用効果の発現に問題はない。
(weight ratio)
In the nickel fine particle composition, the weight ratio of the total amount of nickel elements contained in the composition to the main element of the core portion is preferably in the range of 5:95 to 80:20. By keeping the weight ratio of the total amount of nickel elements and the main elements of the core within this range, sufficient heat conduction paths can be formed in the bonding layer, contributing to improved thermal conductivity as a bonded structure. do. If the proportion of the nickel element is higher than the above range, volume shrinkage increases during the formation of the bonding layer, and reliability and thermal conductivity tend to decrease. Further, when the ratio of the main element in the core portion increases, the number of contact points between the nickel fine particles and the filler particles tends to decrease, resulting in a decrease in reliability and thermal conductivity.
Incidentally, the weight ratio is, for example, ICP emission spectroscopy (high frequency inductively coupled plasma emission spectroscopy, ICP-OES/ICP-AES) of the dried composition and/or energy dispersive X-ray attached to a scanning electron microscope It can be measured by cross-sectional observation of particles by analysis. In this method, for example, when nickel-coated filler particles are used, it is not possible to distinguish between nickel fine particles and a nickel-coated film, but the thermal conductivity of the bonded structure depends on the total amount of nickel elements in the composition and the amount of the core. Since it depends on the ratio of the amounts of the main elements, there is no problem in manifesting the action and effect.

ニッケル微粒子組成物におけるニッケル微粒子とフィラー粒子の合計含有量(固形分濃度)は、70~96重量%の範囲内であることが好ましく、85~95重量%の範囲内がより好ましい。含有量が70重量%未満であると、接合層の厚みが薄くなる場合があり、例えば塗布などを複数回繰り返す必要が生じてムラの原因となり、また十分な接合強度が得られない場合がある。一方、固形分濃度が96重量%を超えると、ペーストとしての流動性が失われ、塗布が困難になるなど使用性が低下する傾向にある。 The total content (solid concentration) of nickel fine particles and filler particles in the nickel fine particle composition is preferably in the range of 70 to 96% by weight, more preferably in the range of 85 to 95% by weight. If the content is less than 70% by weight, the thickness of the bonding layer may become thin. For example, it may be necessary to repeat coating several times, which may cause unevenness and may not provide sufficient bonding strength. . On the other hand, if the solid content concentration exceeds 96% by weight, the fluidity of the paste is lost, and usability tends to deteriorate, such as difficulty in application.

本実施の形態のニッケル微粒子組成物は、さらに、任意成分として、沸点100~350℃の範囲内にある有機溶媒を含有することができる。ニッケル微粒子組成物に含有される溶媒の沸点は、実使用上の観点から、150~260℃の範囲内が好ましい。使用する有機溶媒の沸点が100℃未満であると、長期安定性に欠ける傾向があり、350℃を超えると、加熱時に揮発せずに、接合層中に残炭が生じ、粒子どうしの焼結や金属間化合物の形成を阻害する傾向がある。ニッケル微粒子組成物は、高沸点の有機溶媒を添加後、濃縮し、ペーストの形態とすることが好ましい。 The nickel fine particle composition of the present embodiment can further contain an organic solvent having a boiling point within the range of 100 to 350° C. as an optional component. The boiling point of the solvent contained in the nickel fine particle composition is preferably within the range of 150 to 260° C. from the viewpoint of practical use. If the boiling point of the organic solvent used is less than 100°C, it tends to lack long-term stability. and the formation of intermetallic compounds. The nickel fine particle composition is preferably in the form of a paste by adding an organic solvent with a high boiling point and then concentrating the mixture.

沸点が100~350℃の範囲内にある溶媒として、例えば、アルコール系、芳香族系、炭化水素系、エステル系、ケトン系、エーテル系の溶媒が使用できる。アルコール系溶媒の例としては、1-ヘプタノール、1-オクタノール、2-オクタノール、2-エチル-1-ヘキサノール、1-ノナノール、3,5,5-トリメチル-1-ヘキサノール、1-デカノール、1-ウンデカノール、イソボルニルシクロヘキサノールなどの炭素数7以上の脂肪族アルコール類、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、1,8-オクタンジオール、テトラメチレングリコール、メチルトリグリコール等の多価アルコール類、α-テルピネオール、β-テルピネオール、γ-テルピネオール等のテルピネオール類、さらにエチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、メチルメトキシブタノール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、2-フェノキシエタノール、1-フェノキシ-2-プロパノール等のエーテル基を有するアルコール類を挙げることができる。また、炭化水素系の溶媒として、例えば、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、ペンタデカンなどを挙げることができる。 As the solvent having a boiling point within the range of 100 to 350° C., for example, alcohol-based, aromatic-based, hydrocarbon-based, ester-based, ketone-based, and ether-based solvents can be used. Examples of alcohol solvents include 1-heptanol, 1-octanol, 2-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, 1-nonanol, 3,5,5-trimethyl-1-hexanol, 1-decanol, 1- Aliphatic alcohols having 7 or more carbon atoms such as undecanol and isobornylcyclohexanol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, trimethylene glycol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butane Polyhydric alcohols such as diols, 1,6-hexanediol, 1,8-octanediol, tetramethylene glycol and methyltriglycol, terpineols such as α-terpineol, β-terpineol and γ-terpineol, and ethylene glycol mono Propyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monohexyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, methylmethoxybutanol, diethylene glycol, dipropylene glycol, 2-phenoxyethanol, 1-phenoxy-2-propanol alcohols having an ether group such as Examples of hydrocarbon solvents include octane, nonane, decane, undecane, dodecane, tridecane, tetradecane, and pentadecane.

本実施の形態のニッケル微粒子組成物における有機溶媒の含有量は、組成物全体に対して4~30重量%の範囲内であることが好ましく、5~15重量%の範囲内が好ましい。接合材における有機溶媒の含有量が4重量%未満であると、流動性が低下して接合材としての使用性が低下する傾向にある。一方、有機溶媒の含有量が30重量%を超えると、例えば塗布などを複数回繰り返す必要が生じてムラの原因となり、また十分な接合強度が得られない傾向にある。 The content of the organic solvent in the nickel fine particle composition of the present embodiment is preferably within the range of 4 to 30% by weight, preferably within the range of 5 to 15% by weight, relative to the entire composition. If the content of the organic solvent in the bonding material is less than 4% by weight, the fluidity tends to be low and usability as the bonding material is reduced. On the other hand, if the content of the organic solvent exceeds 30% by weight, for example, it becomes necessary to repeat coating several times, which causes unevenness, and there is a tendency that sufficient bonding strength cannot be obtained.

また、本発明におけるニッケル微粒子組成物では、任意成分として、有機バインダーを含有することができる。有機バインダーは、成分Aのニッケル微粒子と成分Bのフィラー粒子とを連結させ、広範囲のネットワーク構造を作ることにより、高い接合強度を有する塊状の接合層の形成に寄与する。 In addition, the nickel fine particle composition of the present invention may contain an organic binder as an optional component. The organic binder connects the nickel microparticles of component A and the filler particles of component B to form a wide-ranging network structure, thereby contributing to the formation of a massive bonding layer with high bonding strength.

上記有機バインダーとしては、有機溶媒に溶解可能なバインダーであれば特に制限なく使用できるが、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ナイロン樹脂、アセタール樹脂、ポリビニルアセタール樹脂等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。これらの中でも、ポリビニルアセタール樹脂が好ましく、特に、分子内に、アセタール基のユニットと、アセチル基のユニットと、水酸基のユニットとを有するポリビニルアセタール樹脂がより好ましい。 As the organic binder, any binder that can be dissolved in an organic solvent can be used without particular limitation. Thermoplastic resins such as resins, acrylic resins, methacrylic resins, nylon resins, acetal resins, and polyvinyl acetal resins can be used. Among these, a polyvinyl acetal resin is preferable, and a polyvinyl acetal resin having an acetal group unit, an acetyl group unit, and a hydroxyl group unit in the molecule is more preferable.

また、上記有機バインダーは、成分A及び成分Bの沈降を抑制し、十分な分散状態に維持するため、分子量が30000以上のものが好ましく、100000以上のものがより好ましい。 Further, the organic binder preferably has a molecular weight of 30,000 or more, more preferably 100,000 or more, in order to suppress sedimentation of the components A and B and maintain a sufficiently dispersed state.

また、上記有機バインダーは、例えば、積水化学工業社製ポリビニルアセタール樹脂(エスレックBH-A;商品名)などの市販品を好ましく用いることができる。 As the organic binder, commercially available products such as polyvinyl acetal resin (S-lec BH-A; trade name) manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd. can be preferably used.

また、ニッケル微粒子組成物における上記有機バインダーの配合量は、全粒子量に対して、0.1~2.5重量%の範囲内であることが好ましく、より好ましくは0.3~1.5重量%の範囲内であり、更に好ましくは0.5~1.2重量%である。ここで、「全粒子量」は、成分A及び成分Bの合計の重量を意味する。有機バインダーの配合量が上記範囲を超えると、成分A及び成分Bとの間の焼結が不十分になる傾向にあり、上記範囲を下回ると、配合の効果が得られない傾向にある。 The amount of the organic binder in the nickel fine particle composition is preferably in the range of 0.1 to 2.5% by weight, more preferably 0.3 to 1.5% by weight, based on the total amount of particles. % by weight, more preferably 0.5 to 1.2% by weight. Here, "total particle amount" means the total weight of component A and component B. If the amount of the organic binder blended exceeds the above range, the sintering between component A and component B tends to be insufficient.

上記ニッケル微粒子組成物は、上記成分以外に、任意成分として、例えば増粘剤、チキソ剤、レベリング剤、界面活性剤などを含むことができる。 In addition to the components described above, the nickel fine particle composition may contain optional components such as a thickening agent, a thixotropic agent, a leveling agent, and a surfactant.

(ニッケル微粒子組成物の調製)
ニッケル微粒子組成物は、成分Aのニッケル微粒子、成分Bのフィラー粒子と任意成分を、均質に混合することによって調製できる。混合方法は、特に限定されるものではなく、公知のミキサーなどの混合手段を用いることができる。
(Preparation of nickel fine particle composition)
The nickel fine particle composition can be prepared by homogeneously mixing the nickel fine particles of component A, the filler particles of component B, and optional components. The mixing method is not particularly limited, and known mixing means such as a mixer can be used.

(接合方法)
また、上記ニッケル微粒子組成物を、接合材として被接合部材の間に介在させて、還元性ガス雰囲気下で、例えば200~400℃の範囲内、好ましくは230~350℃の範囲内の温度で加熱することにより、被接合部材の間に接合層を形成し、被接合部材どうしを接合することができる。ここで、「還元性ガス雰囲気下」とは、水素ガスを含む雰囲気下、ギ酸を含む雰囲気下が挙げられる。好ましくは、還元効率の良い、水素ガスを含む雰囲気下である。
この接合方法(以下「本接合方法」という。)において、A成分どうし、又はA成分とB成分との間の焼結を進行させるためには、A成分及びB成分の被覆部表面を露出させることが必要であると考えられる。これらの表面に存在する有機物を揮発又は分解させ、かつ、不動態層を除去する加熱温度は、200℃以上が好ましく、250℃以上がより好ましい。一方、加熱温度が400℃を超えると、被接合部材としての半導体デバイス周辺にダメージを与える場合がある。
(Joining method)
In addition, the nickel fine particle composition is interposed as a bonding material between members to be bonded, and in a reducing gas atmosphere, for example, at a temperature within the range of 200 to 400°C, preferably within the range of 230 to 350°C. By heating, a bonding layer can be formed between the members to be joined, and the members to be joined can be joined together. Here, "under a reducing gas atmosphere" includes an atmosphere containing hydrogen gas and an atmosphere containing formic acid. Preferably, the atmosphere is an atmosphere containing hydrogen gas, which has good reduction efficiency.
In this bonding method (hereinafter referred to as "this bonding method"), in order to promote sintering between the A components or between the A component and the B component, the surfaces of the coated portions of the A component and the B component are exposed. is considered necessary. The heating temperature for volatilizing or decomposing the organic substances present on these surfaces and removing the passivation layer is preferably 200° C. or higher, more preferably 250° C. or higher. On the other hand, if the heating temperature exceeds 400° C., the periphery of the semiconductor device as the member to be joined may be damaged.

本接合方法は、例えば、ペースト状の接合材を一対の被接合部材の片方又は両方の被接合面に塗布する工程(塗布工程)、被接合面どうしを貼り合せ、好ましくは温度200~400℃の範囲内、より好ましくは250~400℃の範囲内、更に好ましくは250~350℃の範囲内で加熱することにより、接合材を焼結させる工程(焼成工程)を含むことができる。 This bonding method includes, for example, a step of applying a paste-like bonding material to the surfaces to be bonded of one or both of a pair of members to be bonded (application step), bonding the surfaces to be bonded together, preferably at a temperature of 200 to 400 ° C. , more preferably 250 to 400°C, more preferably 250 to 350°C, to sinter the bonding material (firing step).

塗布工程では、例えばスプレー塗布、インクジェット塗布、印刷等の方法を採用できる。接合材は、目的に応じて、例えばパターン状、アイランド状、メッシュ状、格子状、ストライプ状など任意の形状に塗布することができる。塗布工程では、塗布膜の厚みが、例えば50~200μmの範囲内となるように、接合材を塗布することが好ましい。このような厚みで塗布をすることで、接合部分の欠陥を少なくできるため、電気抵抗の上昇や接合強度の低下を防止できる。 In the coating step, for example, methods such as spray coating, inkjet coating, and printing can be employed. The bonding material can be applied in an arbitrary shape such as pattern, island, mesh, grid, stripe, etc., depending on the purpose. In the coating step, it is preferable to apply the bonding material so that the coating film has a thickness of, for example, 50 to 200 μm. By applying the coating with such a thickness, defects in the joint portion can be reduced, so that an increase in electrical resistance and a decrease in joint strength can be prevented.

また、焼成工程では、被接合部材どうしを、加圧下又は無加圧下で行う。加圧下で行う場合、好ましくは40MPa以下で加圧する。40MPa以下又は無加圧下で製造することで、焼成工程を簡略化できる。 In addition, in the firing step, the members to be joined are joined under pressure or under no pressure. When it is carried out under pressure, the pressure is preferably 40 MPa or less. By manufacturing under 40 MPa or less or under no pressure, the firing process can be simplified.

以上の工程によって、二つの被接合部材が、ニッケル微粒子組成物中のニッケル微粒子及び被覆部を有するフィラー粒子に由来する接合層により接合されている接合構造体を製造できる。 Through the steps described above, it is possible to manufacture a bonded structure in which two members to be bonded are bonded by a bonding layer derived from filler particles having nickel fine particles and a coating portion in the nickel fine particle composition.

本接合方法は、例えば、Si系、SiC系の半導体材料の接合や、電子部品の製造工程で利用できる。ここで、電子部品としては、主に半導体装置、エネルギー変換モジュール部品などを例示できる。電子部品が半導体装置である場合、例えば、半導体素子の裏面と基板との間、半導体電極と基板電極との間、半導体電極と半導体電極との間、パワーデバイス若しくはパワーモジュールと放熱部材との間などの接合に適用できる。 This bonding method can be used, for example, in the bonding of Si-based and SiC-based semiconductor materials and in the manufacturing process of electronic parts. Here, as electronic parts, mainly semiconductor devices, energy conversion module parts, etc. can be exemplified. When the electronic component is a semiconductor device, for example, between the back surface of the semiconductor element and the substrate, between the semiconductor electrode and the substrate electrode, between the semiconductor electrode and the semiconductor electrode, between the power device or power module and the heat dissipation member It can be applied to joining such as

電子部品を接合させる際は、接合強度を高めるため、予め被接合面の片方又は両方に、Au,Cu,Pd,Ni,Ag,Cr,Ti、又は、それらの合金などの材質の接触層を設けておくことが好ましい。また、被接合面の材質が、SiCもしくはSiあるいはそれらの表面の酸化膜である場合は、Ti,TiW,TiN,Cr,Ni、Pd,V、又は、それらの合金などの材質の接触層を設けておくことが好ましい。 When bonding electronic components, in order to increase bonding strength, a contact layer made of Au, Cu, Pd, Ni, Ag, Cr, Ti, or alloys thereof is provided on one or both of the surfaces to be bonded in advance. It is preferable to provide When the material of the surfaces to be joined is SiC, Si, or an oxide film on their surfaces, a contact layer made of Ti, TiW, TiN, Cr, Ni, Pd, V, or alloys thereof is used. It is preferable to provide

以上の接合構造体において、ニッケルは空気中で金属表面に酸化ニッケルの酸化不動態膜を形成することで、一定以上の酸化進行を抑えることができるため、製造直後や製品としての使用後においても、クラックや接合界面剥離の発生が抑制可能であるという、高い接合信頼性を有する。信頼性は、例えばSiダイと放熱基板をニッケル微粒子組成物を用いて接合し、冷熱サイクル試験を大気条件下で実施し、ダイシェア強度の変化から評価することができる。 In the above bonding structure, nickel forms an oxide passivation film of nickel oxide on the metal surface in the air, which can suppress the progress of oxidation beyond a certain level. , the occurrence of cracks and bonding interface detachment can be suppressed, resulting in high bonding reliability. Reliability can be evaluated, for example, by bonding a Si die and a heat dissipation substrate using a nickel fine particle composition, conducting a thermal cycle test under atmospheric conditions, and evaluating the change in die shear strength.

本発明のニッケル微粒子組成物は、接合層中に分散された高熱伝導性を有するB成分のフィラー粒子による熱伝達経路の形成効果と、酸化耐性を有するニッケル微粒子と接合層収縮を抑制するフィラー粒子によるクラック抑制効果により、接合層全体の熱伝導性が向上する。また、フィラー粒子は、被覆部による被接合部材との接着促進効果と、接合層収縮抑制による被接合部材との界面剥離抑制効果を有するため、本発明のニッケル微粒子組成物を使用して得られる接合構造体は、界面剥離による断熱が発生せず、高い熱伝導性を示す。 The nickel fine particle composition of the present invention has the effect of forming a heat transfer path by the filler particles of the B component having high thermal conductivity dispersed in the bonding layer, and the nickel fine particles having oxidation resistance and the filler particles that suppress shrinkage of the bonding layer. The thermal conductivity of the entire bonding layer is improved due to the effect of suppressing cracks. In addition, since the filler particles have an effect of promoting adhesion with the member to be joined by the coated portion and an effect of suppressing interfacial peeling from the member to be joined by suppressing shrinkage of the joining layer, the filler particles can be obtained using the nickel fine particle composition of the present invention. The bonded structure does not generate heat insulation due to interfacial peeling and exhibits high thermal conductivity.

従って、本発明のニッケル微粒子組成物は、高信頼性と高熱伝導性を両立することが可能であり、高温領域で使用する各用途について、特に好適に使用することができる。例えば、250℃以上の高温領域での駆動時の信頼性が必要となる、SiCを使用したパワー半導体チップと実装基板を接合するための接合材として、好適に使用することができる。その他、Siを使用した半導体チップと実装基板との接合や、LEDと電極との接合等にも使用することができる。 Therefore, the nickel fine particle composition of the present invention can achieve both high reliability and high thermal conductivity, and can be particularly suitably used for various uses in high temperature ranges. For example, it can be suitably used as a bonding material for bonding a power semiconductor chip using SiC and a mounting substrate, which require reliability during operation in a high temperature range of 250° C. or higher. In addition, it can be used for joining a semiconductor chip and a mounting substrate using Si, joining an LED and an electrode, and the like.

以下に実施例を示し、本発明の特徴をより具体的に説明する。ただし、本発明は、実施例によって制約されるものではない。なお、以下の実施例において、特にことわりのない限り各種測定、評価は下記によるものである。 EXAMPLES Examples are given below to more specifically describe the features of the present invention. However, the present invention is not restricted by the examples. In the following examples, unless otherwise specified, various measurements and evaluations are as follows.

[ニッケル微粒子スラリーの作製]
以下の手順に従いニッケル微粒子スラリーを作製した。なお、使用した試薬の分量や加熱処理時間などは表1及び表2に示した。
[Preparation of nickel fine particle slurry]
A nickel fine particle slurry was prepared according to the following procedure. Tables 1 and 2 show the amounts of reagents used, heat treatment times, and the like.

[合成例1]
182重量部(910g)のオレイルアミンに、18.5重量部(92.5g)のギ酸ニッケル二水和物を加え、窒素ガスフロー下で、120℃で10分間加熱することでニッケル塩を溶解し、錯化反応液1を得た(以上、錯化反応工程)。この錯化反応液1に、121重量部(605g)のオレイルアミンを加え、マイクロ波を用いて180℃で10分間加熱することで、ニッケル微粒子スラリー1を得た(以上、加熱処理工程)。
[Synthesis Example 1]
To 182 parts by weight (910 g) of oleylamine was added 18.5 parts by weight (92.5 g) of nickel formate dihydrate and the nickel salt was dissolved by heating at 120° C. for 10 minutes under nitrogen gas flow. , to obtain a complexing reaction solution 1 (the above is the complexing reaction step). 121 parts by weight (605 g) of oleylamine was added to this complexing reaction liquid 1, and the mixture was heated at 180° C. for 10 minutes using microwaves to obtain nickel fine particle slurry 1 (the above is the heat treatment step).

[スラリーの調製]
得られたニッケル微粒子スラリー1を100重量部分取し、これに20重量部のオクタン酸を加え、15分間撹拌した後、トルエンで洗浄し、ニッケルスラリー1(固形分濃度65.0重量%)を調製した(以上、ニッケルスラリー調製工程)。
試薬の分量並びにプロセス条件、並びにニッケルスラリー1の固形分濃度を、表1及び表2に示す。
[Preparation of slurry]
100 parts by weight of the resulting nickel fine particle slurry 1 was taken, 20 parts by weight of octanoic acid was added thereto, stirred for 15 minutes, and then washed with toluene to obtain nickel slurry 1 (solid concentration: 65.0% by weight). prepared (above, nickel slurry preparation step).
The amounts of reagents and process conditions, and the solids concentration of Nickel Slurry 1 are shown in Tables 1 and 2.

[合成例2~4]
各原料の重量部、反応温度、反応時間を表1及び表2の通りとした他は、合成例1と同様の方法で、錯化反応液2~4、ニッケル微粒子スラリー2~4、ニッケルスラリー2~4を得た。試薬の分量並びにプロセス条件、並びにニッケルスラリー2~4の固形分濃度を、表1及び表2に示す。
[Synthesis Examples 2 to 4]
Complexing reaction liquids 2 to 4, nickel fine particle slurries 2 to 4, and nickel slurry were prepared in the same manner as in Synthesis Example 1, except that the parts by weight of each raw material, the reaction temperature, and the reaction time were as shown in Tables 1 and 2. 2-4 were obtained. The amounts of reagents and process conditions, as well as the solids concentrations of nickel slurries 2-4 are shown in Tables 1 and 2.

Figure 0007164313000001
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Figure 0007164313000002
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[ニッケルペーストの調製]
以下の手順に従いニッケルペーストを作製した。なお、使用した試薬名や分量などは表3及び表5に示した。
[Preparation of nickel paste]
A nickel paste was prepared according to the following procedure. Tables 3 and 5 show the names and amounts of reagents used.

[実施例1]
コア部となる銅粒子(古河ケミカルズ社製FMC-10C)に、還元法によりニッケルの被覆部を形成し、銅粒子のコア部と、ニッケルの被覆部を有するフィラー粒子を調製した。
次に、ニッケルスラリー1を100重量部、フィラー粒子を160重量部、溶剤としてヘキシルカルビトールを16.0重量部、バインダー樹脂としてポリビニルアセタール樹脂(エスレックBH-A;積水化学工業社製)を1.23重量部のそれぞれを計量して混合し、60℃、100hPaで濃縮し、245重量部のニッケルペースト1(固形分濃度:93重量%)を得た。
[Example 1]
A copper particle (FMC-10C manufactured by Furukawa Chemicals Co., Ltd.) serving as a core portion was coated with nickel by a reduction method to prepare filler particles having a copper particle core portion and a nickel coating portion.
Next, 100 parts by weight of nickel slurry 1, 160 parts by weight of filler particles, 16.0 parts by weight of hexyl carbitol as a solvent, and 1 part of polyvinyl acetal resin (S-Lec BH-A; manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) as a binder resin. .23 parts by weight of each were weighed and mixed, and concentrated at 60° C. and 100 hPa to obtain 245 parts by weight of nickel paste 1 (solid concentration: 93% by weight).

[実施例2~28、比較例1~4]
使用した原料の組成、フィラー粒子の被覆部の種類を表3及び表5の通りとした他は、実施例1と同様の方法でニッケルペーストを得た。比較例1のニッケルペーストでは、フィラー粒子として、被覆部を有しないニッケル粒子を、比較例2及び比較例3のニッケルペーストでは、フィラー粒子として、被覆部を有しない銅粒子を用いた。比較例4として、汎用の鉛フリーはんだ(スズ-銀-銅)を用いた。
[Examples 2 to 28, Comparative Examples 1 to 4]
A nickel paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that the composition of the raw material used and the type of the covering portion of the filler particles were as shown in Tables 3 and 5. In the nickel paste of Comparative Example 1, nickel particles having no coating portion were used as the filler particles, and in the nickel pastes of Comparative Examples 2 and 3, copper particles having no coating portion were used as the filler particles. As Comparative Example 4, general-purpose lead-free solder (tin-silver-copper) was used.

[熱伝導性測定用サンプルの作製]
ステンレス製マスク(マスク幅;10.0mm×長さ;10.0mm×厚さ;0.3mm)を用いて、ニッケルペーストを銅基板(10mm×10mm×1mmt)上に塗布して塗布膜を形成し、同じく銅基板(10mm×10mm×1mmt)で挟んだ。これを水素を3体積%混合した窒素ガスフロー下で焼成を行った。得られた焼成体を熱伝導性測定用サンプルとした。
[Preparation of sample for thermal conductivity measurement]
Using a stainless steel mask (mask width; 10.0 mm × length; 10.0 mm × thickness; 0.3 mm), nickel paste is applied to a copper substrate (10 mm × 10 mm × 1 mmt) to form a coating film. and sandwiched between copper substrates (10 mm×10 mm×1 mmt). This was fired under a nitrogen gas flow mixed with 3% by volume of hydrogen. The obtained sintered body was used as a sample for thermal conductivity measurement.

[熱伝導性の評価]
熱伝導性の評価は、前記熱伝導性測定用サンプルを用いてレーザーフラッシュ法により接合構造体の熱伝導率を測定し、測定値がはんだに比べて2倍以上である場合を◎、1.5倍以上2倍未満である場合を○、1.5倍未満である場合を×とした。
[Evaluation of thermal conductivity]
Thermal conductivity was evaluated by measuring the thermal conductivity of the joint structure by the laser flash method using the sample for thermal conductivity measurement. A case of 5 times or more and less than 2 times was evaluated as ◯, and a case of less than 1.5 times was evaluated as X.

[接合サンプルの作製]
ステンレス製マスク(マスク幅;2.0mm×長さ;2.0mm×厚さ;0.1mm)を用いて、試料を基板に塗布した。基板は、信頼性評価1ではNiめっきを施した銅貼りの窒化ケイ素基板(15mm×15mm×0.9mmt)を、信頼性評価2では銅貼りの窒化ケイ素基板(15mm×15mm×0.9mmt)を用いた。塗布膜を形成した基板に対して予備加熱を行った後、シリコンダイ(幅;2.0mm×長さ;2.0mm×厚さ;0.40mm)を搭載し、水素を3体積%混合した窒素ガスフロー下で焼成を行った。なお、シリコンダイは、Si基板(厚さ;0.40mm)の接合面に、Auをスパッタリングにより製膜したものである。
[Preparation of bonded sample]
The sample was applied to the substrate using a stainless steel mask (mask width: 2.0 mm x length: 2.0 mm x thickness: 0.1 mm). The substrate is a Ni-plated copper-laminated silicon nitride substrate (15 mm × 15 mm × 0.9 mmt) for reliability evaluation 1, and a copper-laminated silicon nitride substrate (15 mm × 15 mm × 0.9 mmt) for reliability evaluation 2. was used. After preheating the substrate on which the coating film was formed, a silicon die (width: 2.0 mm × length: 2.0 mm × thickness: 0.40 mm) was mounted, and 3% by volume of hydrogen was mixed. Firing was performed under nitrogen gas flow. The silicon die was formed by sputtering an Au film on the bonding surface of a Si substrate (thickness: 0.40 mm).

[冷熱サイクル試験]
前項にて作製した接合サンプルを用いて、-40℃/200℃の冷熱サイクル試験を大気下で1,000サイクル実施した。各温度の保持時間は30分とした。
[Cold-heat cycle test]
Using the bonded sample prepared in the previous section, a -40°C/200°C thermal cycle test was performed for 1,000 cycles in the air. The holding time at each temperature was 30 minutes.

[信頼性評価]
[ダイシェア強度測定]
冷熱サイクル試験後の接合サンプルの評価は試験片のダイシェア強度測定により行った。装置は接合強度試験機(デイジ・ジャパン社製、商品名;ボンドテスター4000)を用いた。ダイ側面からボンドテスターツールを、基板からの高さ50μm、ツール速度100μm/秒で押圧し、接合部がせん断破壊したときの荷重をせん断強度(ダイシェア強度)とした。せん断強度が20MPa以上を◎、10MPa以上20MPa未満を〇、10MPa未満を×と評価した。
[Reliability evaluation]
[Die shear strength measurement]
The evaluation of the bonded sample after the thermal cycle test was performed by measuring the die shear strength of the test piece. A bonding strength tester (manufactured by Daisy Japan Co., Ltd., trade name: Bond Tester 4000) was used as an apparatus. A bond tester tool was pressed from the side of the die at a height of 50 μm from the substrate at a tool speed of 100 μm/sec, and the load at which the bond was sheared was defined as the shear strength (die shear strength). A shear strength of 20 MPa or more was evaluated as ⊚, a shear strength of 10 MPa or more and less than 20 MPa was evaluated as ◯, and a shear strength of less than 10 MPa was evaluated as x.

使用した原料、平均粒子径及び組成、フィラー粒子の性状、並びに熱伝導性の評価結果、信頼性の評価結果を、表3、表4、表5、表6に示す。 Tables 3, 4, 5 and 6 show the raw materials used, the average particle size and composition, the properties of the filler particles, the evaluation results of thermal conductivity, and the evaluation results of reliability.

Figure 0007164313000003
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Figure 0007164313000004
Figure 0007164313000004

Figure 0007164313000005
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Figure 0007164313000006
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各実施例は、高熱伝導性のフィラー粒子を含有するニッケルペーストを使用することによって、フィラー粒子としてニッケル粒子を用いた比較例1や、フィラー粒子として被覆部を有しない銅粒子を用いた比較例2及び比較例3のニッケルペースト、汎用の鉛フリーはんだを用いた比較例4と比べて、接合構造体としての熱伝導性の向上が確認できた。また、各実施例の信頼性は、比較例1とほぼ同等であり、接合材料として好適に利用可能であることが確認できた。 In each example, by using a nickel paste containing highly thermally conductive filler particles, Comparative Example 1 using nickel particles as filler particles and Comparative Example using copper particles having no coating portion as filler particles 2 and Comparative Example 3, and the nickel paste of Comparative Example 3, and Comparative Example 4 using a general-purpose lead-free solder, it was confirmed that the thermal conductivity of the joint structure was improved. Moreover, the reliability of each example was substantially the same as that of Comparative Example 1, and it was confirmed that the examples could be suitably used as a bonding material.

以上、本発明の実施の形態を例示の目的で詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に制約されることはない。

Although the embodiments of the present invention have been described in detail for purposes of illustration, the present invention is not limited to the above embodiments.

Claims (7)

成分A及び成分Bを含有するニッケル微粒子組成物であって、
成分Aは、組成物乾燥体断面の走査型電子顕微鏡観察により測定される平均粒子径が30~200nmの範囲内であって、ニッケル元素を原子数濃度にして91%以上含有するニッケル微粒子であり、
成分Bは、以下の条件(i)~(iv)を具備するフィラー粒子、
(i)組成物乾燥体断面の走査型電子顕微鏡観察により測定される平均粒子径が0.5~100μmの範囲内である;
(ii)コア部及び前記コア部を被覆する被覆部から形成されている;
(iii)前記コア部は、ニッケルよりも熱伝導率が高く、かつ、銅、銀、金、白金、アルミニウム、ケイ素のうち1種又は2種以上の金属元素を含む;
(iv)前記被覆部は、ニッケル、パラジウム、金、銀のうち少なくとも1種類の元素、又は、これらの元素と前記コア部を構成する元素との合金を原子数濃度にして90%以上含む;
であり、
組成物中に含まれるニッケル元素の総量と、前記成分Bのフィラー粒子のコア部の主要元素の重量比(ニッケル元素:主要元素)が5:95~80:20であり[ここで、コア部の主要元素とは、組成物乾燥体断面の任意のフィラー粒子のコア部の中心部分三点について、透過型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型X線分析(EDX)観察を行った際に、金属元素に占める平均の原子数濃度で50%以上観測される元素を意味する]、
前記成分Bの被覆部の平均厚さが0.001μm~1μmの範囲内であることを特徴とする、ニッケル微粒子組成物。
A nickel fine particle composition containing a component A and a component B,
Component A is nickel microparticles having an average particle size within the range of 30 to 200 nm as measured by scanning electron microscopic observation of the cross section of the dried composition, and containing 91% or more of the nickel element in atomic number concentration . can be,
Component B is a filler particle that satisfies the following conditions (i) to (iv):
(i) an average particle size of 0.5 to 100 μm as measured by scanning electron microscopic observation of a cross section of the dry composition;
(ii) formed from a core portion and a covering portion covering the core portion;
(iii) the core portion has a higher thermal conductivity than nickel and contains one or more metal elements selected from copper, silver, gold, platinum, aluminum, and silicon;
(iv) The coating portion contains at least one element selected from nickel, palladium, gold, and silver, or an alloy of these elements and the element constituting the core portion at an atomic concentration of 90% or more ;
and
The total amount of nickel elements contained in the composition and the weight ratio of the main elements in the core portion of the filler particles of component B (nickel element: main element) is 5:95 to 80:20 [here, the core part is the main element, when observing the energy dispersive X-ray analysis (EDX) attached to a transmission electron microscope for three points in the center of the core of any filler particle in the cross section of the dried composition, metal Means an element that is observed at an average atomic number concentration of 50% or more in the element],
A nickel fine particle composition, wherein the average thickness of the coated portion of component B is in the range of 0.001 μm to 1 μm.
前記成分Bの被覆部が銅元素を金属元素に占める原子数濃度にして1~30%の範囲内で含むことを特徴とする、請求項1に記載のニッケル微粒子組成物。 2. The nickel fine particle composition according to claim 1, wherein the coating part of the component B contains the copper element within the range of 1 to 30% in terms of atomic concentration of the metal elements. 前記成分Aのニッケル微粒子と前記成分Bのフィラー粒子の占める重量割合が、組成物全体に対して70~96重量%の範囲内であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のニッケル微粒子組成物。 The nickel according to claim 1 or 2, wherein the weight ratio of the nickel fine particles of component A and the filler particles of component B is in the range of 70 to 96% by weight with respect to the entire composition. fine particle composition. 沸点が100~350℃の範囲内にある有機溶媒を含有し、前記有機溶媒の含有量が、組成物全体に対して4~30重量%の範囲内である、請求項3に記載のニッケル微粒子組成物。 4. The nickel microparticles according to claim 3, which contain an organic solvent having a boiling point in the range of 100 to 350° C., and the content of the organic solvent is in the range of 4 to 30% by weight with respect to the entire composition. Composition. さらに、全粒子量に対して、0.1~2.5重量%の範囲内で有機バインダーを含有する、請求項3又は4に記載のニッケル微粒子組成物。 5. The nickel fine particle composition according to claim 3, further comprising an organic binder in the range of 0.1 to 2.5% by weight with respect to the total amount of particles. 二つの被接合部材が、請求項3~5のいずれか一項に記載のニッケル微粒子組成物中のニッケル微粒子及び被覆部を有するフィラー粒子に由来する接合層により接合されていることを特徴とする接合構造体。 Two members to be joined are joined by a joining layer derived from filler particles having nickel fine particles and a coating portion in the nickel fine particle composition according to any one of claims 3 to 5. junction structure. 請求項3~5のいずれか一項に記載のニッケル微粒子組成物を、被接合部材の間に介在させて、還元性ガス雰囲気下で、200℃~400℃の範囲内の温度で加熱することにより、被接合部材の間に接合層を形成し、被接合部材同士を接合することを特徴とする、接合方法。 The nickel fine particle composition according to any one of claims 3 to 5 is interposed between members to be joined and heated at a temperature within the range of 200°C to 400°C in a reducing gas atmosphere. A joining method, wherein a joining layer is formed between members to be joined, and the members to be joined are joined to each other.
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