JP7233680B2 - Low temperature bonding method and bonded product - Google Patents

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Description

本発明は各種部材の低温接合方法及び接合体に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a low-temperature bonding method for various members and a bonded body.

高い使用温度において用いられる高温はんだには、従来より鉛を含むはんだが用いられている。しかしながら、鉛は有毒性があるため、はんだは鉛フリー化への流れが顕著である。高温はんだには他に良い代替材料が存在しないため、依然として鉛はんだが使用されているが、環境問題の観点から、鉛を使用しない接合材が切望されている。 Solders containing lead have conventionally been used as high-temperature solders used at high service temperatures. However, since lead is toxic, there is a marked trend toward lead-free solder. Since there is no other good substitute material for high-temperature solder, lead solder is still used, but from the viewpoint of environmental problems, there is a strong demand for a joint material that does not use lead.

これに対し、高温はんだの代替材料として、銀、金などの貴金属を中心とする金属ナノ粒子を用いた接合材が盛んに開発されている(例えば、特開2012-046779号公報)。しかしながら、金属ナノ粒子は高価であるだけでなく、金属ナノ粒子の焼結によって得られる接合層には金属ナノ粒子の分散剤や溶媒として使用される有機物が残留してしまう。また、金属ナノ粒子の焼結によって得られる接合層では結晶粒界の割合が大きくなってしまい、熱伝導性及び電気伝導性を低下させる原因となる。加えて、金属ナノ粒子を接合に用いる場合は有機物の蒸発により、接合中の体積変化が大きくなってしまうという問題が存在する。 On the other hand, as a substitute material for high-temperature solder, a bonding material using metal nanoparticles mainly composed of noble metals such as silver and gold has been actively developed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-046779). However, not only are metal nanoparticles expensive, but organic substances used as metal nanoparticle dispersants and solvents remain in the bonding layer obtained by sintering the metal nanoparticles. In addition, the bonding layer obtained by sintering metal nanoparticles has a large proportion of crystal grain boundaries, which causes a decrease in thermal conductivity and electrical conductivity. In addition, when metal nanoparticles are used for bonding, there is a problem that volume change during bonding increases due to evaporation of organic substances.

加えて、銀ナノ粒子を使用する場合は接合強度等の点では優れるものの、コストが高くなるという問題のほか、高湿度下での使用において、銀がイオン化して回路外で再析出することによって電極間を短路するマイグレーションという現象が非常に起こりやすいことが問題視されている。 In addition, when silver nanoparticles are used, although they are excellent in terms of bonding strength, etc., in addition to the problem of high cost, silver is ionized and reprecipitated outside the circuit when used under high humidity. It is regarded as a problem that a phenomenon called migration, which short-circuits between electrodes, is very likely to occur.

これに対し、発明者は比較的安価に製造することができ、耐マイグレーション特性にも優れた銅粒子を用いた接合方法について検討を行っている。例えば、特開2017-74598号公報では、銅粒子を用いた接合方法であって、銅粒子の平均粒径が1~50μmであり、銅粒子を酸化させて表面酸化銅粒子を得る第一工程と、2つの被接合部材の間に表面酸化銅粒子を介在させた後、還元雰囲気下で加熱する第二工程と、を含むこと、を特徴とする低温接合方法、を提案している。 On the other hand, the inventors are studying a bonding method using copper particles, which can be manufactured at a relatively low cost and has excellent migration resistance. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-74598 describes a bonding method using copper particles, wherein the average particle size of the copper particles is 1 to 50 μm, and the first step of oxidizing the copper particles to obtain surface oxide copper particles. and a second step of interposing surface copper oxide particles between two members to be joined, followed by heating in a reducing atmosphere.

特開2012-046779号公報JP 2012-046779 A 特開2017-74598号公報JP 2017-74598 A

上記特許文献2に記載の銅粒子を用いた接合方法で得られる接合部は、銀ナノ粒子によって得られる接合部と比較して優れた耐マイグレーション特性を有し、接合に要するコストも低減することができる。 The joint obtained by the bonding method using the copper particles described in Patent Document 2 has excellent migration resistance compared to the joint obtained with silver nanoparticles, and the cost required for bonding is also reduced. can be done.

しかしながら、粒子を用いた接合剤では分散剤や溶媒の割合が高くなり、例えば、被接合領域が数mm角以上となるような大面積の場合、「加熱後も有機物が残留し易い」、「有機物の蒸発により体積変化が大きい」という不可避的な問題点が存在する。加えて、微細粒子を用いることで保存性や取り扱い性が悪くなることに加え、汎用の接合剤としては価格が十分に低減されているとは言い難い。 However, with a bonding agent using particles, the ratio of dispersant and solvent is high. For example, when the area to be bonded has a large area of several square millimeters or more, "organic substances tend to remain even after heating", " There is an unavoidable problem that the volume change is large due to the evaporation of organic matter. In addition, the use of fine particles deteriorates storage stability and handleability, and it is difficult to say that the price is sufficiently reduced as a general-purpose bonding agent.

以上のような状況に鑑み、本発明の目的は、分散剤や溶媒を使用することなく種々の部材を低温で接合可能であり、高強度で耐マイグレーション特性に優れた接合部を得ることができる、低コストかつ簡便な高鉛はんだ代替の接合方法を提供することにある。また、本発明は、緻密かつ均質な接合層を有する高強度で耐マイグレーション特性に優れた接合体を提供することも目的としている。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to enable bonding of various members at low temperature without using a dispersant or solvent, and to obtain a bonded portion having high strength and excellent migration resistance. , to provide a low-cost and simple joining method for replacing high-lead solder. Another object of the present invention is to provide a bonded body having a dense and homogeneous bonding layer and having high strength and excellent migration resistance.

本発明者は、上記目的を達成すべく低温接合方法について鋭意研究を重ねた結果、適当な条件で酸化させた銅シートを被接合面に介在させた状態で還元させること等が上記目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 As a result of intensive research on low-temperature bonding methods to achieve the above object, the inventors of the present invention have found that the above object can be achieved by reducing a copper sheet oxidized under appropriate conditions while interposing it between the surfaces to be joined. The present inventors have found that it is extremely effective in doing so, and have arrived at the present invention.

即ち、本発明は、
一方の被接合部材と他方の被接合部材との間に表面を酸化させた銅シートを介在させ、被接合界面を形成させる第一工程と、
還元雰囲気下で前記被接合界面を加熱する第二工程と、を含むこと、
を特徴とする低温接合方法、を提供する。
That is, the present invention
a first step of interposing a copper sheet having an oxidized surface between one member to be joined and the other member to be joined to form a joint interface;
a second step of heating the interface to be joined in a reducing atmosphere;
A low-temperature bonding method characterized by:

銅シートの表面に形成された酸化銅が第二工程で還元され、微小形状を有する銅が生成すると同時に当該銅が焼結することで、銅シートを介して一方の被接合部材と他方の被接合部材とを接合することができる。銅シートは一般的な銅粒子と比較して安価に製造することができるため、接合にかかるコストを大幅に低減することができる。 The copper oxide formed on the surface of the copper sheet is reduced in the second step to produce copper having a microscopic shape, and at the same time, the copper is sintered to form one member to be joined and the other member to be joined through the copper sheet. A joining member can be joined. Since copper sheets can be manufactured at a lower cost than general copper particles, the cost of joining can be greatly reduced.

また、銅シートを使用することで、金属ナノ粒子を用いた従来の接合用組成物で必須であった金属ナノ粒子の分散性を確保するための有機被覆層が完全に不要となり、接合層内の在留有機成分及び接合プロセス中の接合層の体積変化を防止することができる。 In addition, the use of a copper sheet completely eliminates the need for an organic coating layer to ensure the dispersibility of the metal nanoparticles, which was essential in conventional bonding compositions using metal nanoparticles. Residual organic constituents in the bonding layer and the volume change of the bonding layer during the bonding process can be prevented.

加えて、金属粒子の焼結によって形成される接合層の組織は当該金属粒子に依存するところが大きく、例えば、金属粒子の粒径が小さい場合は結晶粒界の割合が高くなる。これに対し、銅シートの組織は用いる銅シートの熱処理等によって任意の状態にすることができ、結晶粒界の割合を低下させることも可能である。その結果、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部を得ることができる。 In addition, the structure of the bonding layer formed by sintering the metal particles largely depends on the metal particles. For example, when the particle size of the metal particles is small, the proportion of grain boundaries increases. On the other hand, the structure of the copper sheet can be changed to any desired state by heat treatment or the like of the copper sheet used, and it is also possible to reduce the ratio of grain boundaries. As a result, a joint having excellent thermal conductivity and electrical conductivity can be obtained.

ここで、銅シートは被接合界面に配置した後に酸化してもよい。例えば、第二工程で用いる雰囲気制御が可能な加熱装置を用いて酸化処理を施すことで、酸化と還元を一連のプロセスとして進めることができる。この場合、加熱装置の雰囲気を変更することで容易に目的を達成することができる。なお、酸化処理を接合プロセスと切り離すことで、銅シート表面の酸化の状況をより精密に制御することができることから、接合の安定性及び信頼性を重視する場合は、予め表面を酸化させた銅シートを被接合界面に配置することが好ましい。 Here, the copper sheet may be oxidized after being placed at the interface to be joined. For example, oxidation and reduction can proceed as a series of processes by performing oxidation treatment using a heating apparatus capable of controlling the atmosphere used in the second step. In this case, the object can be easily achieved by changing the atmosphere of the heating device. By separating the oxidation treatment from the bonding process, the state of oxidation of the surface of the copper sheet can be controlled more precisely. It is preferred to place the sheet at the interface to be joined.

本発明の低温接合方法においては、前記銅シートの表面は酸化銅によって平均粗さ(Ra)が1μm以下の凹凸を有し、前記第二工程において、前記加熱によって前記酸化銅が還元されて銅粒子が生成し、前記銅粒子の焼結によって、前記一方の被接合部材と前記銅シート、及び前記他方の被接合部材と前記銅シートを接合すること、が好ましい。 In the low temperature bonding method of the present invention, the surface of the copper sheet has unevenness with an average roughness (Ra) of 1 μm or less due to copper oxide, and in the second step, the copper oxide is reduced by the heating to copper It is preferable that particles are generated and the copper particles are sintered to join the one member to be joined and the copper sheet, and the other member to be joined and the copper sheet.

銅シートの表面が酸化銅によって平均粗さ(Ra)が1μm以下の凹凸を有していることで、第二工程における還元によって十分な低温焼結性を有する微小形状の銅粒子を生成することができる。その結果、金属ナノ粒子を用いた接合方法と同等程度の接合温度及び接合強度を発現することができる。なお、銅粒子は銅シートの表面に形成した酸化銅の還元によって生成するものであり、完全に粒子状である必要は無く、例えば、当該銅シート表面に凸状に生成してもよい。 The surface of the copper sheet has irregularities with an average roughness (Ra) of 1 μm or less due to copper oxide, so that the reduction in the second step produces fine-shaped copper particles having sufficient low-temperature sinterability. can be done. As a result, a bonding temperature and a bonding strength equivalent to those of a bonding method using metal nanoparticles can be achieved. The copper particles are produced by reduction of copper oxide formed on the surface of the copper sheet, and do not need to be completely particulate.

また、本発明の低温接合方法においては、前記第二工程において、前記還元雰囲気をギ酸雰囲気とし、加熱温度及び加熱時間をそれぞれ150~350℃及び1~60分とすること、が好ましい。 In the low-temperature bonding method of the present invention, it is preferable that in the second step, the reducing atmosphere is a formic acid atmosphere, and the heating temperature and heating time are 150 to 350° C. and 1 to 60 minutes, respectively.

本発明の低温接合方法においては、前記第二工程において、銅シート表面の酸化銅を還元する必要がある。ここで、当該酸化銅を還元して微小な銅粒子が形成される限りにおいて、還元雰囲気及び処理温度等は特に限定されず、還元雰囲気としてはギ酸雰囲気や水素を含む雰囲気等を用いることができるが、還元雰囲気をギ酸雰囲気とすることが好ましく、表面酸化銅を150~350℃のギ酸雰囲気下に1~60分間保持すること、がより好ましい。酸化銅を150~350℃のギ酸雰囲気下に1~60分間保持することで、銅シートの表面を被覆している酸化銅を効率的かつ簡便に還元することができ、微小な銅粒子で被覆された銅シートを得ることができる。また、水素を含む雰囲気ではなくギ酸雰囲気を用いることで、安全性を担保することができる。 In the low-temperature bonding method of the present invention, it is necessary to reduce copper oxide on the surface of the copper sheet in the second step. Here, as long as the copper oxide is reduced to form fine copper particles, the reducing atmosphere, treatment temperature, and the like are not particularly limited, and as the reducing atmosphere, a formic acid atmosphere, an atmosphere containing hydrogen, or the like can be used. However, the reducing atmosphere is preferably a formic acid atmosphere, and more preferably the surface copper oxide is held in a formic acid atmosphere at 150 to 350° C. for 1 to 60 minutes. By holding the copper oxide in a formic acid atmosphere at 150 to 350° C. for 1 to 60 minutes, the copper oxide coating the surface of the copper sheet can be efficiently and easily reduced, and the copper oxide is coated with fine copper particles. A polished copper sheet can be obtained. In addition, safety can be ensured by using a formic acid atmosphere instead of an atmosphere containing hydrogen.

また、本発明の低温接合方法においては、前記酸化の雰囲気を大気とし、酸化温度及び酸化時間をそれぞれ150~350℃及び5~40分とすること、が好ましい。大気中において、150℃以上で加熱することで銅シートの表面に酸化銅を形成することができ、350℃以下で加熱することで、緻密かつ厚い酸化銅層の形成により還元後の銅の低温焼結性が低下することを抑制することができる。また、酸化時間を5分以上とすることで、銅シートの表面に均一に酸化銅を形成することができ、40分以下とすることで、酸化銅の粗大化に起因する銅の低温焼結性低下を抑制することができる。 Further, in the low-temperature bonding method of the present invention, it is preferable that the atmosphere for the oxidation is air, and the oxidation temperature and oxidation time are 150 to 350° C. and 5 to 40 minutes, respectively. In the atmosphere, copper oxide can be formed on the surface of the copper sheet by heating at 150 ° C. or higher, and by heating at 350 ° C. or lower, the formation of a dense and thick copper oxide layer reduces the low temperature of copper after reduction. A decrease in sinterability can be suppressed. In addition, by setting the oxidation time to 5 minutes or more, copper oxide can be uniformly formed on the surface of the copper sheet, and by setting it to 40 minutes or less, the copper oxide is coarsened, resulting in low-temperature sintering of copper. It is possible to suppress the decline in sexuality.

また、本発明の低温接合方法においては、前記一方の被接合材及び/又は前記他方の被接合材を銅又は銅合金とすること、が好ましい。本発明の効果を損なわない限りにおいて、被接合材の種類は特に限定されず、従来公知の種々の部材を接合することができるが、被接合材を銅又は銅合金とすることで、銅シートの表面に生成する微小な銅粒子との親和性が高くなり、より信頼性の高い接合体を得ることができる。 Further, in the low-temperature bonding method of the present invention, it is preferable that the one material to be bonded and/or the other material to be bonded is copper or a copper alloy. The type of material to be joined is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, and conventionally known various members can be joined. Affinity with the fine copper particles generated on the surface of the surface is increased, and a more reliable bonded body can be obtained.

また、本発明の低温接合方法においては、前記第二工程において、前記被接合界面に対して略垂直に1~50MPaの圧力を印加すること、が好ましい。従来の金属ナノ粒子を用いた接合方法においては、金属ナノ粒子焼結体によって接合層が形成されるため、十分な密度を得るためには加圧を伴った焼成プロセスが必要であり、加圧の印加は当該接合方法の適用範囲を大きく制限していた。これに対し、本発明の低温接合方法においては接合層の大部分を銅シートが占めることに加え、生成した銅ナノ粒子同士が速やかに焼成していくことから、1MPa以上の圧力を印加することによって産業上利用可能な接合強度を得ることができる。また、圧力を50MPa以下とすることで、適用可能は接合箇所を拡大することができる。 Further, in the low-temperature bonding method of the present invention, it is preferable that a pressure of 1 to 50 MPa is applied substantially perpendicularly to the interface to be bonded in the second step. In the conventional bonding method using metal nanoparticles, since the bonding layer is formed by the metal nanoparticle sintered body, a firing process accompanied by pressure is required to obtain a sufficient density. application has greatly restricted the application range of the bonding method. On the other hand, in the low-temperature bonding method of the present invention, in addition to the fact that the copper sheet occupies most of the bonding layer, the generated copper nanoparticles are quickly sintered, so it is possible to apply a pressure of 1 MPa or more. Industrially applicable bonding strength can be obtained. Also, by setting the pressure to 50 MPa or less, it is possible to expand the applicable joints.

更に、本発明の低温接合方法においては、前記第二工程における前記還元が進行した後に、前記加圧を印加すること、が好ましい。被接合界面に対する加圧は銅粒子の接合を促進する反面、酸化銅を還元するためのガスの供給を阻害してしまう。特に、接合部中心における還元が滞ってしまう虞がある。これに対し、第二工程の初期は無加圧として酸化銅の均一な還元を促進し、その後に加圧することで、均質な接合部を得ることができる。 Furthermore, in the low-temperature bonding method of the present invention, it is preferable to apply the pressure after the reduction in the second step has progressed. Pressurizing the interface to be joined promotes the joining of copper particles, but inhibits the supply of gas for reducing copper oxide. In particular, there is a risk that the reduction at the center of the joint will be delayed. On the other hand, in the initial stage of the second step, no pressure is applied to promote uniform reduction of copper oxide, and then pressure is applied to obtain a homogeneous joint.

また、本発明は、
一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合された接合体であって、
前記一方の被接合材と前記他方の被接合材との接合界面に銅シートを有し、
前記銅シートと前記一方の被接合部材とが冶金的に接合され、
前記銅シートと前記他方の被接合部材とが冶金的に接合されていること、
を特徴とする接合体、も提供する。
In addition, the present invention
A joined body in which one member to be joined and the other member to be joined are joined,
Having a copper sheet at the joint interface between the one member to be joined and the other member to be joined,
The copper sheet and the one member to be joined are metallurgically joined,
that the copper sheet and the other member to be joined are metallurgically joined;
Also provided is a conjugate characterized by:

本発明の接合体では接合層の大部分が緻密な銅シートとなっており、金属ナノ粒子ペースト等の接合用組成物で得られるポーラス状の接合層とは全く異なっている。また、分散剤や溶媒等の有機成分が存在しないため、銅シートと一方の被接合部材及び銅シートと他方の被接合部材の接合界面にも揮発成分に起因する欠陥が存在しない。更に、当該接合界面は銅粒子と被接合部材との冶金的な接合によって強固に形成されており、接着剤等による接合体と比較して極めて高い接合強度及び信頼性を有している。 In the bonded body of the present invention, most of the bonding layer is a dense copper sheet, which is completely different from the porous bonding layer obtained with a bonding composition such as a metal nanoparticle paste. In addition, since organic components such as dispersants and solvents do not exist, defects caused by volatile components do not exist at the bonding interface between the copper sheet and one member to be bonded and between the copper sheet and the other member to be bonded. Furthermore, the joint interface is firmly formed by metallurgical bonding between the copper particles and the member to be joined, and has extremely high joint strength and reliability as compared with a joined body using an adhesive or the like.

また、銅シートの組織は用いる銅シートの熱処理等によって任意の状態にすることができ、結晶粒界の割合を低下させることも可能である。その結果、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部とすることができる。加えて、緻密な銅のバルク体であることから、銀ナノ粒子等で形成された接合層と比較して、優れた耐マイグレーション特性を有している。 Further, the structure of the copper sheet can be changed to any desired state by heat treatment of the copper sheet to be used, etc., and it is also possible to reduce the proportion of crystal grain boundaries. As a result, it is possible to obtain a joint having excellent thermal conductivity and electrical conductivity. In addition, since it is a dense copper bulk body, it has excellent migration resistance as compared with a bonding layer formed of silver nanoparticles or the like.

本発明の接合体においては、前記銅シートの厚さが10~1000μmであること、が好ましい。銅シートの厚さを10μm以上とすることで、均質な接合界面を形成することに加えて、取り扱いの容易さやコスト面からも有利である。また、銅シートの厚さを1000μm以下とすることで、接合界面における銅シートの割合が高くなり過ぎることを抑制でき、接合部の機械的性質に及ぼす銅シートの影響を小さくすることができる。 In the joined body of the present invention, it is preferable that the copper sheet has a thickness of 10 to 1000 μm. By setting the thickness of the copper sheet to 10 μm or more, in addition to forming a homogeneous bonding interface, it is advantageous in terms of ease of handling and cost. Moreover, by setting the thickness of the copper sheet to 1000 μm or less, it is possible to prevent the ratio of the copper sheet from becoming too high at the joint interface, and to reduce the influence of the copper sheet on the mechanical properties of the joint.

更に、本発明の接合体においては、前記一方の被接合材及び/又は前記他方の被接合材が銅又は銅合金であること、が好ましい。本発明の効果を損なわない限りにおいて、被接合材の種類は特に限定されず、従来公知の種々の部材を接合することができるが、被接合材を銅又は銅合金とすることで、銅シートの表面に生成する微小な銅粒子との親和性が高くなり、より信頼性の高い接合体を得ることができる。 Furthermore, in the joined body of the present invention, it is preferable that the one member to be joined and/or the other member to be joined is copper or a copper alloy. The type of material to be joined is not particularly limited as long as the effect of the present invention is not impaired, and conventionally known various members can be joined. Affinity with the fine copper particles generated on the surface of the surface is increased, and a more reliable bonded body can be obtained.

本発明によれば、分散剤や溶媒を使用することなく種々の部材を低温で接合可能であり、高強度で耐マイグレーション特性に優れた接合部を得ることができる、低コストかつ簡便な高鉛はんだ代替の接合方法を提供することができる。また、本発明によれば、緻密かつ均質な接合層を有する高強度で耐マイグレーション特性に優れた接合体を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to join various members at low temperature without using a dispersant or solvent, and it is possible to obtain a joint with high strength and excellent migration resistance, low cost and simple high lead. It is possible to provide an alternative joining method to solder. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a bonded body having a dense and homogeneous bonding layer and having high strength and excellent migration resistance.

本発明の低温接合方法の工程図である。It is process drawing of the low-temperature joining method of this invention. 本発明の低温接合方法の模式図である。It is a schematic diagram of the low-temperature bonding method of the present invention. 本発明の接合体の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a joined body of the present invention; FIG. 実施例1における酸化処理前の純銅シートの表面のSEM写真である。4 is a SEM photograph of the surface of the pure copper sheet before oxidation treatment in Example 1. FIG. 実施例1における酸化処理後の純銅シートの表面のSEM写真である。4 is a SEM photograph of the surface of the pure copper sheet after oxidation treatment in Example 1. FIG. 実施例における酸化処理前後の純銅シート表面からのXRDパターンである。It is the XRD pattern from the surface of the pure copper sheet before and after the oxidation treatment in the example. 実施例における接合試験片の状態を示す外観写真である。4 is an appearance photograph showing the state of a bonded test piece in an example. 実施例で得られた接合体のせん断強度を示すグラフである。4 is a graph showing the shear strength of bonded bodies obtained in Examples. 実施例1で得られた接合体断面のSEM写真である。1 is a SEM photograph of a cross section of a joined body obtained in Example 1. FIG. 実施例1の処理条件で酸化及び還元処理後の純銅シートの表面のSEM写真である。1 is a SEM photograph of the surface of a pure copper sheet after oxidation and reduction treatment under the treatment conditions of Example 1. FIG. 実施例1で得られた接合体の破面のSEM写真である。1 is a SEM photograph of a fracture surface of a joined body obtained in Example 1. FIG. 実施例2の処理条件で酸化及び還元処理後の純銅シートの表面のSEM写真である。4 is a SEM photograph of the surface of the pure copper sheet after oxidation and reduction treatment under the treatment conditions of Example 2. FIG. 実施例3の処理条件で酸化処理後の純銅シートの表面のSEM写真である。4 is a SEM photograph of the surface of a pure copper sheet after oxidation treatment under the treatment conditions of Example 3. FIG. 実施例3の処理条件で酸化及び還元処理後の純銅シートの表面のSEM写真である。4 is a SEM photograph of the surface of the pure copper sheet after oxidation and reduction treatment under the treatment conditions of Example 3. FIG. 実施例3で得られた接合体の破面のSEM写真である。4 is a SEM photograph of a fracture surface of the joined body obtained in Example 3. FIG.

以下、本発明の低温接合方法及び接合体の好適な一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の一実施形態を示すに過ぎず、これらによって本発明が限定されるものではなく、また、重複する説明は省略することがある。 A preferred embodiment of the low-temperature bonding method and bonded body of the present invention will be described in detail below. It should be noted that the following description merely shows one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited by these, and redundant description may be omitted.

≪低温接合方法≫
図1は、本発明の低温接合方法の工程図である。本発明の低温接合方法は、銅シート表面に形成させた酸化銅の還元及び当該還元によって生成する銅粒子の低温焼結性を利用して接合を達成するものであり、銅シートを介在させた被接合界面を形成させる第一工程(S01)と、酸化銅を還元すると共に接合を行う第二工程(S02)と、を含むものである。
≪Low temperature bonding method≫
FIG. 1 is a process chart of the low-temperature bonding method of the present invention. The low-temperature bonding method of the present invention achieves bonding by utilizing the reduction of copper oxide formed on the surface of the copper sheet and the low-temperature sinterability of the copper particles generated by the reduction, and the copper sheet is interposed. It includes a first step (S01) of forming an interface to be joined, and a second step (S02) of reducing copper oxide and joining.

(1)第一工程(S01:被接合界面の形成)
図2に本発明の低温接合方法の模式図を示す。第一工程(S01)では、一方の被接合部材2と他方の被接合部材4との間に銅シート6を介在させて、被接合界面を形成する。銅シート6の表面には酸化銅層8が存在するため、被接合界面においては、酸化銅層8と一方の被接合部材2、酸化銅層8と他方の被接合部材4が当接することになる。銅シート6には銅を主成分とする金属製のシートを用いることができ、純銅や種々の銅合金製のシートを用いることができるが、被接合部材(2,4)と機械的及び/又は電気的な特性等が近い材質とすることで、より良好な接合部を得ることができる。
(1) First step (S01: formation of interface to be bonded)
FIG. 2 shows a schematic diagram of the low-temperature bonding method of the present invention. In the first step (S01), a copper sheet 6 is interposed between one member 2 to be joined and the other member 4 to be joined to form a joint interface. Since the copper oxide layer 8 exists on the surface of the copper sheet 6, the copper oxide layer 8 and the one member to be joined 2 and the copper oxide layer 8 and the other member to be joined 4 are brought into contact at the interface to be joined. Become. As the copper sheet 6, a metal sheet containing copper as a main component can be used, and a sheet made of pure copper or various copper alloys can be used. Alternatively, by using materials having similar electrical characteristics, etc., a better joint can be obtained.

ここで、被接合界面に銅シート6を配置した後に、銅シート6を酸化してもよい。例えば、第二工程(S02)で用いる雰囲気制御が可能な加熱装置を用いて酸化処理を施すことで、酸化と還元を一連のプロセスとして進めることができる。この場合、加熱装置の雰囲気を変更することで容易に目的を達成することができる。なお、酸化処理を接合プロセスと切り離すことで、銅シート6表面の酸化の状況をより精密に制御することができる。よって、接合の安定性及び信頼性を重視する場合は、予め表面を酸化させた銅シート6を被接合界面に配置することが好ましい。 Here, the copper sheet 6 may be oxidized after the copper sheet 6 is placed on the interface to be joined. For example, oxidation and reduction can proceed as a series of processes by performing oxidation treatment using a heating device capable of controlling the atmosphere used in the second step (S02). In this case, the object can be easily achieved by changing the atmosphere of the heating device. By separating the oxidation treatment from the bonding process, the oxidation state of the surface of the copper sheet 6 can be controlled more precisely. Therefore, when the stability and reliability of bonding are emphasized, it is preferable to arrange a copper sheet 6 whose surface has been oxidized in advance at the interface to be bonded.

銅シート6の酸化については、雰囲気を大気とし、酸化温度及び酸化時間をそれぞれ150~350℃及び5~40分とすること、が好ましい。大気中において、150℃以上で加熱することで銅シート6の表面に酸化銅を形成することができ、350℃以下で加熱することで、緻密かつ厚い酸化銅層の形成により、還元後の銅が粗大化して低温焼結性が低下することを抑制することができる。また、酸化時間を5分以上とすることで、銅シート6の表面に均一に酸化銅を形成することができ、40分以下とすることで、酸化銅の粗大化により得られる銅の低温焼結性が低下することを抑制することができる。より好ましい酸化温度は175~325℃であり、最も好ましい酸化温度は200~300℃である。また、例えば、酸化温度が300℃でのより好ましい酸化時間は10~30分であり、最も好ましい酸化時間は15~25分である。 As for the oxidation of the copper sheet 6, it is preferable to set the atmosphere to the air, the oxidation temperature and the oxidation time to 150 to 350° C. and 5 to 40 minutes, respectively. In the air, copper oxide can be formed on the surface of the copper sheet 6 by heating at 150° C. or higher, and by heating at 350° C. or lower, a dense and thick copper oxide layer is formed, thereby reducing copper after reduction. It is possible to suppress the deterioration of low-temperature sinterability due to coarsening. Further, by setting the oxidation time to 5 minutes or more, copper oxide can be uniformly formed on the surface of the copper sheet 6, and by setting the oxidation time to 40 minutes or less, the copper obtained by coarsening the copper oxide can be baked at a low temperature. It is possible to suppress the deterioration of the binding property. The more preferred oxidation temperature is 175-325°C, and the most preferred oxidation temperature is 200-300°C. Further, for example, when the oxidation temperature is 300° C., the oxidation time is more preferably 10 to 30 minutes, and the most preferable oxidation time is 15 to 25 minutes.

酸化銅層8の形成により、銅シート6の表面は平均粗さ(Ra)が1μm以下の凹凸を有していることが好ましい。銅シート6の表面が酸化銅によって平均粗さ(Ra)が1μm以下の凹凸を有していることで、第二工程(S02)における還元によって十分な低温焼結性を有する微小形状の銅粒子を生成することができる。その結果、金属ナノ粒子を用いた接合方法と同等程度の接合温度及び接合強度を発現することができる。なお、銅粒子は銅シート6の表面に形成した酸化銅層8の還元によって生成するものであり、完全に粒子状である必要は無く、例えば、銅シート6表面に凸状に生成してもよい。 Due to the formation of the copper oxide layer 8, the surface of the copper sheet 6 preferably has irregularities with an average roughness (Ra) of 1 μm or less. Micro-shaped copper particles having sufficient low-temperature sinterability by reduction in the second step (S02) because the surface of the copper sheet 6 has unevenness with an average roughness (Ra) of 1 μm or less due to copper oxide. can be generated. As a result, a bonding temperature and a bonding strength equivalent to those of a bonding method using metal nanoparticles can be achieved. The copper particles are generated by reduction of the copper oxide layer 8 formed on the surface of the copper sheet 6, and do not need to be completely particulate. good.

ここで、銅シート6のより好ましい平均粗さ(Ra)は700nm以下であり、最も好ましい平均粗さ(Ra)は500nm以下である。銅シート6の表面における酸化銅を微小な凹凸構造とすることにより、第二工程(S02)で生成する銅粒子を微細化することができ、より優れた低温焼結性を発現することができる。なお、平均粗さ(Ra)は表面粗さ計で測定してもよく、電子顕微鏡写真等から簡易的に求めてもよい。 Here, the average roughness (Ra) of the copper sheet 6 is more preferably 700 nm or less, and the most preferable average roughness (Ra) is 500 nm or less. By making the copper oxide on the surface of the copper sheet 6 have a fine uneven structure, the copper particles generated in the second step (S02) can be made finer, and more excellent low-temperature sinterability can be exhibited. . Incidentally, the average roughness (Ra) may be measured with a surface roughness meter, or simply obtained from an electron microscope photograph or the like.

本実施形態において用いることのできる被接合部材(2,4)としては、銅粒子の加熱及び焼結により接合が達成されるものであればよく、特に制限はないが、接合時の温度で損傷しない程度の耐熱性を具備した材質であることが好ましい。 The members to be joined (2, 4) that can be used in the present embodiment are not particularly limited as long as joining is achieved by heating and sintering copper particles. It is preferable that the material is heat-resistant to the extent that it does not.

被接合部材(2,4)を構成する材料としては、例えば、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル、ポリカーボネート(PC)、ポリエーテルスルホン(PES)、ビニル樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマー、セラミクス、ガラス又は金属等を挙げることができるが、なかでも、金属製の被接合部材(2,4)を用いることが好ましい。金属製の被接合部材(2,4)が好ましいのは、耐熱性に優れているとともに、銅粒子との親和性に優れているからである。金属製の被接合部材(2,4)としては、例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金、鉄及び鉄合金、チタン及びチタン合金、ステンレス、銅及び銅合金等を挙げることができるが、なかでも、電導性・熱伝導性・展延性に優れているという理由から、銅及び銅合金を用いることが好ましい。 Materials constituting the members to be joined (2, 4) include, for example, polyamide (PA), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), polyethylene naphthalate ( PEN) and other polyesters, polycarbonate (PC), polyethersulfone (PES), vinyl resins, fluororesins, liquid crystal polymers, ceramics, glass, metals, and the like. 2, 4) are preferably used. The members to be joined (2, 4) made of metal are preferable because they have excellent heat resistance and excellent affinity with copper particles. Examples of the metal members to be joined (2, 4) include aluminum and aluminum alloys, iron and iron alloys, titanium and titanium alloys, stainless steel, copper and copper alloys. - It is preferable to use copper and copper alloys because of their excellent thermal conductivity and ductility.

また、被接合部材(2,4)は、例えば、板状又はストリップ状等の種々の形状であってよく、リジッドでもフレキシブルでもよい。基材の厚さも適宜選択することができる。接着性若しくは密着性の向上又はその他の目的ために、表面層が形成された部材や親水化処理等の表面処理を施した部材を用いてもよい。 Also, the members to be joined (2, 4) may be in various shapes such as plate-like or strip-like, and may be rigid or flexible. The thickness of the base material can also be selected appropriately. A member having a surface layer formed thereon or a member subjected to surface treatment such as hydrophilic treatment may be used for the purpose of improving adhesiveness or adhesion or for other purposes.

(2)第二工程(S02:酸化銅の還元及び接合)
第二工程(S02)は、第一工程(S01)で形成させた被接合界面を還元雰囲気下で昇温し、銅シート6表面の酸化銅層8を還元して微小な銅粒子を生成すると共に、当該銅粒子の低温焼結を利用して接合を行う工程である。
(2) Second step (S02: reduction and bonding of copper oxide)
In the second step (S02), the interface to be joined formed in the first step (S01) is heated in a reducing atmosphere to reduce the copper oxide layer 8 on the surface of the copper sheet 6 to generate fine copper particles. Together with this, it is a step of performing bonding using low-temperature sintering of the copper particles.

銅シート6表面が酸化銅によって平均粗さ(Ra)が1μm以下の凹凸を有していることで、第二工程における還元によって十分な低温焼結性を有する微小形状の銅粒子を生成することができる。その結果、金属ナノ粒子を用いた接合方法と同等程度の接合温度及び接合強度を発現することができる。銅粒子の粒径は300nm以下であることが好ましく、200nm以下であることがより好ましく、100nm以下であることが最も好ましい。なお、銅粒子は銅シート6の表面に形成した酸化銅の還元によって生成するものであり、完全に粒子状である必要は無く、例えば、銅シート6の表面に凸状に生成してもよい。 The surface of the copper sheet 6 has unevenness with an average roughness (Ra) of 1 μm or less due to copper oxide, so that the reduction in the second step produces fine-shaped copper particles having sufficient low-temperature sinterability. can be done. As a result, a bonding temperature and a bonding strength equivalent to those of a bonding method using metal nanoparticles can be achieved. The particle size of the copper particles is preferably 300 nm or less, more preferably 200 nm or less, and most preferably 100 nm or less. The copper particles are produced by reduction of copper oxide formed on the surface of the copper sheet 6, and do not need to be completely particulate. .

酸化銅を還元して微小な銅粒子が形成される限りにおいて、還元雰囲気及び処理温度等は特に限定されず、還元雰囲気としてはギ酸雰囲気や水素を含む雰囲気等を用いることができるが、還元雰囲気をギ酸雰囲気とすることが好ましく、酸化銅を150~350℃のギ酸雰囲気下に1~60分間保持することがより好ましい。酸化銅を150~350℃のギ酸雰囲気下に1~60分間保持することで、銅シート6の表面を被覆している酸化銅層8を効率的かつ簡便に還元することができ、微小な銅粒子で被覆された銅シート6を得ることができる。また、還元雰囲気としてギ酸雰囲気を用いることで、作業の安全性を担保することができることに加え、微小な銅粒子の生成に好適な還元速度等を容易に実現することができる。 As long as fine copper particles are formed by reducing copper oxide, the reducing atmosphere, treatment temperature, and the like are not particularly limited. is preferably in a formic acid atmosphere, and more preferably, the copper oxide is held in a formic acid atmosphere at 150 to 350° C. for 1 to 60 minutes. By holding the copper oxide in a formic acid atmosphere at 150 to 350° C. for 1 to 60 minutes, the copper oxide layer 8 covering the surface of the copper sheet 6 can be efficiently and simply reduced, and fine copper A copper sheet 6 coated with particles can be obtained. In addition, by using a formic acid atmosphere as the reducing atmosphere, it is possible to ensure the safety of the work and to easily achieve a reduction rate suitable for producing fine copper particles.

より具体的には、ギ酸雰囲気下における保持温度を150℃以上とすることで、酸化銅層8の還元を進めることができ、350℃以下とすることで、酸化銅層8の還元によって生成した微小な銅粒子の部分的かつ急激な粒成長に起因する、接合層における空隙の形成等を抑制することができる。更に、保持温度を150℃以上とすることで銅粒子の焼成プロセスを進行させることができ、350℃以下とすることで、各種電子デバイスの接合用途に好適に用いることができる。 More specifically, by setting the holding temperature in the formic acid atmosphere to 150° C. or higher, the reduction of the copper oxide layer 8 can be promoted, and by setting the holding temperature to 350° C. or lower, the copper oxide layer 8 is formed by reduction of the copper oxide layer 8. Formation of voids in the bonding layer due to partial and rapid grain growth of fine copper particles can be suppressed. Furthermore, by setting the holding temperature to 150° C. or higher, the sintering process of the copper particles can proceed, and by setting the holding temperature to 350° C. or lower, it can be suitably used for joining various electronic devices.

また、第二工程(S02)では、被接合界面に対して略垂直に1~50MPaの圧力を印加することが好ましい。従来の金属ナノ粒子を用いた接合方法においては、金属ナノ粒子焼結体によって接合層が形成されるため、十分な密度を得るためには加圧を伴った焼成プロセスが必要であり、加圧の印加は当該接合方法の適用範囲を大きく制限していた。これに対し、本発明の低温接合方法においては接合層の大部分を銅シートが占めることに加え、生成した銅ナノ粒子同士が速やかに焼成していくことから、1MPa以上の圧力を印加することによって産業上利用可能な接合強度を得ることができる。また、圧力を50MPa以下とすることで、適用可能は接合箇所を拡大することができる。ここで、より好ましい印加圧力は10~40MPaであり、最も好ましい印加圧力は20~30MPaである。 Moreover, in the second step (S02), it is preferable to apply a pressure of 1 to 50 MPa substantially perpendicularly to the interface to be joined. In the conventional bonding method using metal nanoparticles, since the bonding layer is formed by the metal nanoparticle sintered body, a firing process accompanied by pressure is required to obtain a sufficient density. application has greatly restricted the application range of the bonding method. On the other hand, in the low-temperature bonding method of the present invention, in addition to the fact that the copper sheet occupies most of the bonding layer, the generated copper nanoparticles are quickly sintered, so it is possible to apply a pressure of 1 MPa or more. Industrially applicable bonding strength can be obtained. Also, by setting the pressure to 50 MPa or less, it is possible to expand the applicable joints. Here, the applied pressure is more preferably 10 to 40 MPa, and the most preferred applied pressure is 20 to 30 MPa.

加圧を施す場合、酸化銅層8の還元が進行した後に印加することが好ましい。被接合界面に対する加圧は銅粒子の接合を促進する反面、酸化銅を還元するためのガスの供給を阻害してしまう。特に、接合部中心における還元が滞ってしまう虞がある。これに対し、第二工程(S02)の初期は無加圧として酸化銅層8の均一な還元を促進し、その後に加圧することで、均質な接合部を得ることができる。 When pressurization is applied, it is preferably applied after the reduction of the copper oxide layer 8 has progressed. Pressurizing the interface to be joined promotes the joining of copper particles, but inhibits the supply of gas for reducing copper oxide. In particular, there is a risk that the reduction at the center of the joint will be delayed. On the other hand, in the initial stage of the second step (S02), no pressure is applied to promote uniform reduction of the copper oxide layer 8, and then pressure is applied to obtain a homogeneous joint.

被接合界面を昇温する方法は特に限定されるものではなく、例えば従来公知の雰囲気制御が可能なオーブン等を用いて、被接合界面の温度を、例えば150~350℃となるように焼成することによって接合することができる。ここで、被接合界面には有機成分等の揮発成分が基本的に存在しないことから、接合層がポーラスとなることを抑制することができる。 The method for raising the temperature of the interface to be bonded is not particularly limited, and for example, baking is performed so that the temperature of the interface to be bonded is, for example, 150 to 350° C., using a conventionally known oven or the like capable of controlling the atmosphere. can be joined by Here, since volatile components such as organic components basically do not exist at the interface to be bonded, it is possible to prevent the bonding layer from becoming porous.

本実施形態においては、被接合部材(2,4)と接合層との密着性を更に高めるため、被接合部材(2,4)の表面処理を行ってもよい。表面処理方法としては、例えば、コロナ処理、プラズマ処理、UV処理、電子線処理等のドライ処理を行う方法、表面上にあらかじめプライマー層や導電性ペースト受容層を設ける方法等が挙げられる。 In the present embodiment, the members to be joined (2, 4) may be surface-treated in order to further improve the adhesion between the members to be joined (2, 4) and the joining layer. Examples of surface treatment methods include dry treatments such as corona treatment, plasma treatment, UV treatment, and electron beam treatment, and methods in which a primer layer or a conductive paste-receiving layer is provided in advance on the surface.

≪接合体≫
図3は、本発明の接合体の概略断面図である。接合体10は、銅シート6を介して一方の被接合部材2と他方の被接合部材4とが接合されており、より詳細には、銅シート6と被接合部材2が冶金的に接合され、銅シート6と被接合部材4が冶金的に接合されている。ここで、「冶金的に接合されている」とは、接着剤や粘着テープ等の接着層を用いた接合や機械的締結による接合ではなく、被接合部材(2,4)と銅シート6が直接接合されていることを意味している。
≪Joints≫
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a joined body of the present invention. The joined body 10 is formed by joining one member 2 to be joined and the other member 4 to be joined through a copper sheet 6. More specifically, the copper sheet 6 and the member 2 to be joined are metallurgically joined. , the copper sheet 6 and the member to be joined 4 are metallurgically joined. Here, "metallurgically joined" means that the members (2, 4) and the copper sheet 6 to be joined are not joined using an adhesive layer such as an adhesive or adhesive tape or joined by mechanical fastening. It means that they are directly connected.

接合体10では接合層12の大部分が緻密な銅シート6となっており、金属ナノ粒子ペースト等の接合剤で得られるポーラス状の接合層とは全く異なっている。また、分散剤や溶媒等の有機成分が存在しないため、銅シート6と一方の被接合部材2及び銅シート6と他方の被接合部材4の接合界面にも揮発成分に起因する欠陥が存在しない。 In the joined body 10, most of the joining layer 12 is a dense copper sheet 6, which is completely different from a porous joining layer obtained with a joining agent such as a metal nanoparticle paste. In addition, since organic components such as dispersants and solvents do not exist, defects caused by volatile components do not exist at the bonding interfaces between the copper sheet 6 and one member to be joined 2 and between the copper sheet 6 and the other member to be joined 4. .

銅シート6の組織は用いる銅シート6の熱処理等によって任意の状態にすることができ、結晶粒界の割合を低下させることも可能である。その結果、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部とすることができる。加えて、銀ナノ粒子等で形成された接合層と比較して、優れた耐マイグレーション特性を有している。 The structure of the copper sheet 6 can be arbitrarily set by heat treatment or the like of the copper sheet 6 to be used, and it is also possible to reduce the proportion of crystal grain boundaries. As a result, it is possible to obtain a joint having excellent thermal conductivity and electrical conductivity. In addition, it has excellent migration resistance as compared with a bonding layer formed of silver nanoparticles or the like.

銅シート6の厚さは10~1000μmであることが好ましい。銅シート6の厚さを10μm以上とすることで、均質な接合界面が形成されることに加えて、取り扱いの容易さやコスト面からも有利である。また、銅シート6の厚さを1000μm以下とすることで、接合界面における銅シート6の割合が高くなり過ぎることを抑制でき、接合部の機械的性質に及ぼす銅シート6の影響を小さくすることができる。 The thickness of the copper sheet 6 is preferably 10-1000 μm. By setting the thickness of the copper sheet 6 to 10 μm or more, in addition to forming a homogeneous bonding interface, it is advantageous in terms of ease of handling and cost. In addition, by setting the thickness of the copper sheet 6 to 1000 μm or less, it is possible to suppress the ratio of the copper sheet 6 at the joint interface from becoming too high, and to reduce the influence of the copper sheet 6 on the mechanical properties of the joint. can be done.

銅シート6の組織は用いる銅シートの熱処理等によって任意の状態にすることができ、結晶粒界の割合を低下させることも可能である。その結果、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部10を得ることができる。 The structure of the copper sheet 6 can be arbitrarily set by heat treatment of the copper sheet to be used, and it is also possible to reduce the proportion of crystal grain boundaries. As a result, the joint 10 having excellent thermal conductivity and electrical conductivity can be obtained.

一方の被接合材2及び/又は他方の被接合材4は銅又は銅合金であることが好ましい。本発明の効果を損なわない限りにおいて、被接合材(2,4)の種類は特に限定されず、従来公知の種々の部材とすることができるが、被接合材(2,4)を銅又は銅合金とすることで、銅シート6の表面に生成する微小な銅粒子との親和性が高くなり、より信頼性の高い接合体10とすることができる。 One member to be joined 2 and/or the other member to be joined 4 is preferably copper or a copper alloy. The types of the materials to be joined (2, 4) are not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, and various conventionally known members can be used. By using a copper alloy, affinity with fine copper particles generated on the surface of the copper sheet 6 increases, and the bonded body 10 with higher reliability can be obtained.

なお、接合体10は、上述の本発明の低温接合方法によって容易に得ることができる。 The joined body 10 can be easily obtained by the above-described low-temperature joining method of the present invention.

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。 Although representative embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these, and various design changes are possible, and all such design changes are included in the technical scope of the present invention. be

以下、実施例において本発明の低温接合方法及び接合体について更に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 The low-temperature bonding method and the bonded product of the present invention will be further described in the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

≪実施例1≫
厚さ100μmの純銅シートを300℃の大気中で20分間酸化させ、表面に酸化銅層を形成させた。酸化処理前後の純銅シートの表面のSEM写真を図4及び図5にそれぞれ示す。酸化前は極めて滑らかな表面状態となっているが、酸化後は酸化銅膜によって平均粗さ(Ra)が1μm以下の極めて微小な凹凸が形成されている。なお、SEM観察には株式会社日立ハイテクノロジーズの超高分解能分析走査電子顕微鏡SU-70を用いた。
<<Example 1>>
A pure copper sheet having a thickness of 100 μm was oxidized in the air at 300° C. for 20 minutes to form a copper oxide layer on the surface. SEM photographs of the surface of the pure copper sheet before and after the oxidation treatment are shown in FIGS. 4 and 5, respectively. Before oxidation, the surface is extremely smooth, but after oxidation, the copper oxide film forms extremely fine irregularities with an average roughness (Ra) of 1 μm or less. For SEM observation, an ultra-high resolution analytical scanning electron microscope SU-70 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation was used.

酸化処理前後における純銅シート表面からのXRDパターンを図6に示す。酸化処理前の純銅シートからは銅(Cu)に起因するピークしか検出されないが、酸化処理後の純銅シートの表面には酸化銅(CuO)が生成していることが確認できる。なお、XRD測定には株式会社リガク社製のUltimaIVを用い、加速電圧を40kKとしてCu-Kα線(λ=1.5405Å)を用いた。 FIG. 6 shows the XRD patterns from the surface of the pure copper sheet before and after the oxidation treatment. Although only peaks due to copper (Cu) are detected from the pure copper sheet before oxidation treatment, it can be confirmed that copper oxide (Cu 2 O) is generated on the surface of the pure copper sheet after oxidation treatment. For the XRD measurement, Ultima IV manufactured by Rigaku Co., Ltd. was used, and Cu-Kα rays (λ=1.5405 Å) were used at an acceleration voltage of 40 kK.

酸化処理を施した銅シートを用いて、無酸素銅同士の接合を行った。接合試験に用いた無酸素銅からなる接合試験片及び当該接合試験片の間に配置した銅シートの状態を図7に示す。酸化処理を施した純銅シートを介して大径及び小径の円柱状の純銅部材が当接しており、被接合界面が形成されている(第一工程)。なお、それぞれの試験片の接合面はRmax=3.2Sとなるように旋盤加工により仕上げ、アセトン中での超音波洗浄と塩酸中での酸洗いを行った後、水洗と乾燥を経て試験に供した。 Oxygen-free copper was bonded to each other using an oxidized copper sheet. FIG. 7 shows the bonding test piece made of oxygen-free copper used in the bonding test and the state of the copper sheet placed between the bonding test pieces. Large-diameter and small-diameter cylindrical pure copper members are in contact with each other through an oxidized pure copper sheet to form an interface to be joined (first step). The joint surface of each test piece was finished by lathe processing so that Rmax = 3.2S, and after ultrasonic cleaning in acetone and pickling in hydrochloric acid, it was washed with water and dried before being subjected to the test. provided.

次に、図7に示す状態で、小径無酸素銅部材/純銅シート/大径無酸素銅部材を300℃のギ酸雰囲気下に40分間保持し、純銅シート表面の酸化銅層を還元することで微小な銅粒子を生成させると共に、当該銅粒子の焼結を進行させて実施接合体1を得た(第二工程)。なお、当該高温保持の間、被接合界面には略垂直方向に20MPaの圧力を印加し、試験後は直ちに試験片を空冷した。 Next, in the state shown in FIG. 7, the small-diameter oxygen-free copper member/pure copper sheet/large-diameter oxygen-free copper member are held in a formic acid atmosphere at 300° C. for 40 minutes to reduce the copper oxide layer on the surface of the pure copper sheet. Microscopic copper particles were generated and sintering of the copper particles was allowed to proceed to obtain the working joined body 1 (second step). While the high temperature was maintained, a pressure of 20 MPa was applied to the interface to be joined in a substantially vertical direction, and the test piece was air-cooled immediately after the test.

接合試験により得られた接合体について、ボンドテスターを用いてせん断試験を行い、接合強度を求めた。得られたせん断強度を図8に示す。せん断試験機には株式会社レスカ社製の継手強度試験機(STR-1000)を用い、せん断速度:1mm/min及びせん断高さ:0.2mmの条件で試験を行った。接合体のせん断強度は約31.6MPaであり、実用上十分に高い強度を有していることが分かる。 The bonded bodies obtained by the bonding test were subjected to a shear test using a bond tester to determine bonding strength. The obtained shear strength is shown in FIG. A joint strength tester (STR-1000) manufactured by Lesca Co., Ltd. was used as the shear tester, and the test was performed under the conditions of a shear rate of 1 mm/min and a shear height of 0.2 mm. The shear strength of the bonded body is about 31.6 MPa, which is sufficiently high for practical use.

接合体断面のSEM写真を図9に示す。接合部の大部分は純銅シートであることから極めて緻密であり、純銅シートと被接合材(無酸素銅部材)の接合界面にも顕著な欠陥は認められない。 FIG. 9 shows a SEM photograph of the cross section of the joined body. Since most of the joint portion is a pure copper sheet, it is extremely dense, and no significant defect is observed in the joint interface between the pure copper sheet and the material to be joined (oxygen-free copper member).

還元処理による酸化銅層の変化を確認するため、上記の酸化処理を施した純銅シートに対して上記条件で還元処理を施した。当該還元処理後の純銅シートの表面のSEM写真を図10に示す。表面は融着・焼結した銅粒子で被覆されており、還元処理によって生成した微小な銅粒子同士が融着・焼結したものと考えられる。 In order to confirm the change in the copper oxide layer due to the reduction treatment, the pure copper sheet subjected to the oxidation treatment was subjected to the reduction treatment under the above conditions. A SEM photograph of the surface of the pure copper sheet after the reduction treatment is shown in FIG. The surface is covered with fused and sintered copper particles, and it is considered that the fine copper particles generated by the reduction treatment are fused and sintered.

せん断試験後の接合体破面のSEM写真を図11に示す。せん断試験後の接合体の破面は図10に示す純銅シートの表面と同様の状態となっており、接合プロセスにおいても還元処理によって生成した微小な銅粒子同士が融着・焼結して接合が達成されるものと思われる。 FIG. 11 shows a SEM photograph of the fracture surface of the joined body after the shear test. After the shear test, the fracture surface of the bonded body is in the same state as the surface of the pure copper sheet shown in Fig. 10. In the bonding process, the minute copper particles generated by the reduction treatment are fused and sintered to join. seems to be achieved.

≪実施例2≫
還元処理時間を10分間としたこと以外は実施例1と同様にして、実施接合体2を得た。
<<Example 2>>
A working joined body 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the reduction treatment time was set to 10 minutes.

実施例1と同様にして求めたせん断強度を図8に示す。接合体のせん断強度は約26.7MPaであり、実用上十分に高い強度を有していることが分かる。 The shear strength obtained in the same manner as in Example 1 is shown in FIG. The shear strength of the bonded body is about 26.7 MPa, which is sufficiently high for practical use.

還元処理による酸化銅層の変化を確認するため、上記の酸化処理を施した純銅シートに対して10分間の還元処理を施した。当該還元処理後の純銅シートの表面のSEM写真を図12に示す。還元時間40分と比較すると表面の凹凸に乏しく、当該形状が還元時間40分の場合よりもせん断強度が低くなった原因の一つであると考えられる。 In order to confirm the change of the copper oxide layer due to the reduction treatment, the pure copper sheet subjected to the oxidation treatment was subjected to the reduction treatment for 10 minutes. FIG. 12 shows a SEM photograph of the surface of the pure copper sheet after the reduction treatment. Compared to the reduction time of 40 minutes, the surface roughness is poor, and this shape is considered to be one of the reasons why the shear strength is lower than in the case of the reduction time of 40 minutes.

≪実施例3≫
酸化処理時間を40分間とし、還元処理時間を20分間としたこと以外は実施例1と同様にして、実施接合体3を得た。
<<Example 3>>
A joint body 3 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the oxidation treatment time was 40 minutes and the reduction treatment time was 20 minutes.

実施例1と同様にして求めたせん断強度を図8に示す。接合体のせん断強度は約32.2MPaであり、実用上十分に高い強度を有していることが分かる。 The shear strength obtained in the same manner as in Example 1 is shown in FIG. The shear strength of the joined body is about 32.2 MPa, which is sufficiently high for practical use.

酸化処理後の純銅シート表面からのXRDパターンを図6に示す。酸化処理後の純銅シートの表面には酸化銅(CuO及びCuO)が生成していることが確認できる。 FIG. 6 shows the XRD pattern from the surface of the pure copper sheet after oxidation treatment. It can be confirmed that copper oxides (Cu 2 O and CuO) are generated on the surface of the pure copper sheet after the oxidation treatment.

還元処理による酸化銅層の変化を確認するため、上記の酸化処理を施した純銅シートに対して20分間の還元処理を施した。当該還元処理前後の純銅シートの表面のSEM写真を図13及び14にそれぞれ示す。還元処理前の表面は100nm~300nmの酸化銅で被覆されており、還元処理後の表面は酸化銅よりもやや粗大化した銅粒子で被覆されている。 In order to confirm the change in the copper oxide layer due to the reduction treatment, the pure copper sheet subjected to the oxidation treatment was subjected to a reduction treatment for 20 minutes. SEM photographs of the surface of the pure copper sheet before and after the reduction treatment are shown in FIGS. 13 and 14, respectively. The surface before the reduction treatment is coated with copper oxide of 100 nm to 300 nm, and the surface after the reduction treatment is covered with copper particles slightly coarser than the copper oxide.

せん断試験後の接合体破面のSEM写真を図15に示す。せん断試験後の接合体の破面は図14に示す純銅シートの表面と同様の状態となっている。 FIG. 15 shows a SEM photograph of the fracture surface of the joined body after the shear test. The fracture surface of the joined body after the shear test is in the same state as the surface of the pure copper sheet shown in FIG.

≪実施例4≫
接合試験片の表面に金めっき層を形成させたこと以外は実施例3と同様にして、実施接合体4を得た。即ち、実施接合体4では「金/純銅シート/金」の接合となっている。
<<Example 4>>
A working joined body 4 was obtained in the same manner as in Example 3, except that a gold plating layer was formed on the surface of the joining test piece. That is, the joint body 4 is joined by "gold/pure copper sheet/gold".

実施例1と同様にして接合体のせん断強度を測定したところ、24.6MPaであり、実用上十分に高い強度を有していることが分かる。当該結果より、本発明の低温接合方法は銅以外の金属材の接合にも効果的であることが確認された。 When the shear strength of the joined body was measured in the same manner as in Example 1, it was found to be 24.6 MPa, which is sufficiently high for practical use. From the results, it was confirmed that the low-temperature bonding method of the present invention is also effective for bonding metal materials other than copper.

2・・・一方の被接合部材、
4・・・他方の被接合部材、
6・・・銅シート、
8・・・酸化銅層、
10・・・接合体、
12・・・接合層。
2 ... one member to be joined,
4 ... the other member to be joined,
6... copper sheet,
8... copper oxide layer,
10 ... conjugate,
12... Joining layer.

Claims (4)

一方の被接合部材と他方の被接合部材との間に表面を酸化させた銅シートを介在させ、被接合界面を形成させる第一工程と、
還元雰囲気下で前記被接合界面を加熱する第二工程と、を含み、
前記銅シートの表面は酸化銅によって平均粗さ(Ra)が1μm以下の凹凸を有し、
前記第二工程において、前記加熱によって前記酸化銅が還元されて銅粒子が生成し、
前記銅粒子の焼結によって、前記一方の被接合部材と前記銅シート、及び前記他方の被接合部材と前記銅シートを接合し、
前記第二工程において、
前記還元雰囲気をギ酸雰囲気とし、
加熱温度及び加熱時間をそれぞれ150~350℃及び1~60分とし、
前記酸化の雰囲気を大気とし、
酸化温度及び酸化時間をそれぞれ150~350℃及び5~40分とすること、
を特徴とする低温接合方法。
a first step of interposing a copper sheet having an oxidized surface between one member to be joined and the other member to be joined to form a joint interface;
a second step of heating the interface to be joined in a reducing atmosphere;
The surface of the copper sheet has unevenness with an average roughness (Ra) of 1 μm or less due to copper oxide,
In the second step, the copper oxide is reduced by the heating to generate copper particles,
By sintering the copper particles, the one member to be joined and the copper sheet, and the other member to be joined and the copper sheet are joined,
In the second step,
The reducing atmosphere is a formic acid atmosphere,
The heating temperature and heating time are 150 to 350 ° C. and 1 to 60 minutes, respectively,
The oxidizing atmosphere is atmospheric air,
The oxidation temperature and oxidation time are 150 to 350° C. and 5 to 40 minutes, respectively;
A low-temperature bonding method characterized by:
前記一方の被接合材及び/又は前記他方の被接合材を銅又は銅合金とすること、
を特徴とする請求項1に記載の低温接合方法。
The one material to be joined and/or the other material to be joined is copper or a copper alloy;
The low-temperature bonding method according to claim 1, characterized by:
前記第二工程において、前記被接合界面に対して略垂直に1~50MPaの圧力を印加すること、
を特徴とする請求項1又は2に記載の低温接合方法。
applying a pressure of 1 to 50 MPa substantially perpendicularly to the interface to be bonded in the second step;
The low-temperature bonding method according to claim 1 or 2, characterized by:
前記第二工程における前記還元が進行した後に、前記加圧を印加すること、
を特徴とする請求項に記載の低温接合方法。
Applying the pressurization after the reduction in the second step has progressed;
The low-temperature bonding method according to claim 3 , characterized by:
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