JPWO2019026799A1 - Metal bonding composition - Google Patents

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Abstract

本発明は、ヒートサイクル試験等で加わる熱的負荷に対する耐久性に優れた金属接合材の形成に適した金属接合用組成物、並びに、上記金属接合用組成物を焼成することによって金属面の接合が行われた金属接合積層体及び電気制御機器を提供する。本発明の金属接合用組成物は、焼成して金属面を接合するために用いられる金属接合用組成物であって、上記金属接合用組成物は、銀粒子及び分散媒を含有し、上記銀粒子は、粒径1〜99nmのナノ粒子と、粒径100〜999nmのサブミクロン粒子及び/又は粒径1〜999μmのミクロン粒子とを含むものであり、275℃で焼成したときの被膜の引張破断応力が100MPa以上である。The present invention relates to a metal bonding composition suitable for forming a metal bonding material excellent in durability against a thermal load applied in a heat cycle test or the like, and bonding of metal surfaces by firing the metal bonding composition. Provided are a metal bonded laminate and an electric control device. The metal bonding composition of the present invention is a metal bonding composition used for baking and bonding metal surfaces, the metal bonding composition containing silver particles and a dispersion medium, and the silver bonding composition. The particles include nanoparticles having a particle size of 1 to 99 nm, submicron particles having a particle size of 100 to 999 nm, and / or micron particles having a particle size of 1 to 999 μm, and the tensile strength of the coating when fired at 275 ° C. The breaking stress is 100 MPa or more.

Description

本発明は、金属接合用組成物、金属接合積層体及び電気制御機器に関する。 The present invention relates to a metal bonding composition, a metal bonded laminate, and an electric control device.

金属部品同士の機械的、電気的及び/又は熱的な接合のために、従来、半田、導電性接着剤、銀ペースト、異方導電性フィルム等の接合材が用いられている。これらの接合材は、金属部品だけでなく、セラミック部品、樹脂部品等の接合に用いられることもある。接合材の用途としては、例えば、LED等の発光素子を基板に接合する用途、半導体チップを基板に接合する用途、それらの基板を更に放熱部材に接合する用途等が挙げられる。接合材に関する先行技術文献としては、例えば、特許文献1〜3が挙げられる。 Conventionally, bonding materials such as solder, conductive adhesive, silver paste, and anisotropic conductive film are used for mechanical, electrical and / or thermal bonding between metal parts. These joining materials may be used for joining not only metal parts but also ceramic parts and resin parts. Applications of the bonding material include, for example, an application for bonding a light emitting element such as an LED to a substrate, an application for bonding a semiconductor chip to the substrate, an application for further bonding these substrates to a heat dissipation member, and the like. For example, Patent Documents 1 to 3 are cited as prior art documents relating to the bonding material.

特許文献1には、無機粒子及び有機成分を含む接合用組成物であって、前記無機粒子は、温度上昇に伴って前記無機粒子を構成する無機物質の線膨張係数を超えて、不可逆的に膨張すること、を特徴とする接合用組成物が開示されている。 Patent Document 1 discloses a bonding composition containing inorganic particles and an organic component, and the inorganic particles irreversibly exceed the linear expansion coefficient of the inorganic substance constituting the inorganic particles as the temperature rises. A bonding composition is disclosed that is characterized by swelling.

特許文献2には、主銀粒子として、炭素数6以下のカルボン酸で被覆され、平均一次粒子径が10〜30nmのナノ銀粒子及び、副銀粒子として、炭素数6以下のカルボン酸で被覆され、平均一次粒子径が100〜200nmのナノ銀粒子並びに、平均一次粒子が0.3〜3.0μmのサブミクロン銀粒子からなる銀粒子と、沸点が100〜217℃の低沸点溶媒と、230〜320℃の高沸点溶媒の異なる2種類の極性溶媒と、リン酸エステル基を有する分散剤からなる接合材であって、前記平均一次粒子径は、倍率300,000倍で撮影したTEM像を円形粒子解析を行って個々の粒子を識別する画像ソフトによって200個以上の粒子について測定した粒子径の平均としたものであり、前記銀粒子の含有量を全接合材量に対して95質量%以上、前記主銀粒子は、全接合材量に対して10乃至40質量%であり、前記2種類の溶媒のうち、沸点の低い方の溶媒と沸点の高い方の溶媒の含有比率は、質量%比で、3:5乃至1:1であることを特徴とする接合材が開示されている。 In Patent Document 2, the main silver particles are coated with a carboxylic acid having 6 or less carbon atoms, the nano silver particles having an average primary particle diameter of 10 to 30 nm, and the secondary silver particles are coated with a carboxylic acid having 6 or less carbon atoms. Nano silver particles having an average primary particle diameter of 100 to 200 nm, silver particles composed of submicron silver particles having an average primary particle of 0.3 to 3.0 μm, a low boiling point solvent having a boiling point of 100 to 217 ° C., TEM image taken at a magnification of 300,000 times, which is a bonding material comprising two types of polar solvents having different high boiling point solvents at 230 to 320 ° C. and a dispersant having a phosphate ester group. Is an average of the particle diameters measured for 200 or more particles by image software for performing circular particle analysis to identify individual particles, and the content of the silver particles is 95% of the total amount of bonding material. The amount of the main silver particles is 10 to 40% by mass with respect to the total amount of bonding material, and the content ratio of the solvent having the lower boiling point and the solvent having the higher boiling point is the content of the two kinds of solvents. In addition, a bonding material having a mass ratio of 3: 5 to 1: 1 is disclosed.

特許文献3には、マイクロトラック粒度分布測定装置で測定される、平均一次粒径(D50径)0.5〜3.0μmである金属サブミクロン粒子と、平均一次粒子径が1〜200nmであって、炭素数6の脂肪酸で被覆された金属ナノ粒子と、これらを分散させる分散媒を含む接合材が開示されている。 In Patent Document 3, metal submicron particles having an average primary particle diameter (D50 diameter) of 0.5 to 3.0 μm and an average primary particle diameter of 1 to 200 nm, which are measured with a Microtrac particle size distribution analyzer, are disclosed. Thus, a bonding material including metal nanoparticles coated with a fatty acid having 6 carbon atoms and a dispersion medium for dispersing them is disclosed.

国際公開第2017/006531号International Publication No. 2017/006531 特許第5976684号明細書Japanese Patent No. 5976684 特許第5824201号明細書Japanese Patent No. 5824201

本発明者は、高い接合強度を有する金属接合材を作製するために、金属粒子を含有する金属接合用組成物について研究開発を行っているが、ヒートサイクル試験等で加わる熱的負荷によって金属接合材にクラックが発生することがあり、耐久性において改善の余地があった。 The present inventor has been conducting research and development on a metal bonding composition containing metal particles in order to produce a metal bonding material having high bonding strength, but the metal bonding is performed by a thermal load applied in a heat cycle test or the like. Cracks may occur in the material, and there is room for improvement in durability.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、ヒートサイクル試験等で加わる熱的負荷に対する耐久性に優れた金属接合材の形成に適した金属接合用組成物、並びに、上記金属接合用組成物を焼成することによって金属面の接合が行われた金属接合積層体及び電気制御機器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and is a metal bonding composition suitable for forming a metal bonding material excellent in durability against a thermal load applied in a heat cycle test or the like, and for the metal bonding described above. An object of the present invention is to provide a metal bonded laminate and an electric control device in which the metal surfaces are bonded by firing the composition.

本発明者は、ヒートサイクル試験等で加わる熱的負荷に対する耐久性に優れた金属接合材の形成に適した金属接合用組成物について種々検討したところ、銀粒子及び分散媒を配合し、銀粒子として、粒径1〜99nmのナノ粒子と、粒径100〜999nmのサブミクロン粒子及び/又は粒径1〜999μmのミクロン粒子とを併用することにより、焼成後の被膜の引張破断応力を向上できることを見出した。そして、275℃で焼成したときの被膜の引張破断応力が100MPa以上となるように、金属接合用組成物に配合する銀粒子の粒径、分散媒の種類等を調整することによって、ヒートサイクル試験等で加わる熱的負荷によるボイド率(空隙率)の上昇が抑制され、耐久性に優れた金属接合材を形成できることを見出し、本発明を完成した。 The present inventor conducted various studies on a metal bonding composition suitable for forming a metal bonding material having excellent durability against a thermal load applied in a heat cycle test or the like. As described above, the combined use of nanoparticles having a particle size of 1 to 99 nm and submicron particles having a particle size of 100 to 999 nm and / or micron particles having a particle size of 1 to 999 μm can improve the tensile rupture stress of the film after firing. I found. A heat cycle test is performed by adjusting the particle size of the silver particles, the type of the dispersion medium, and the like to be blended in the metal bonding composition so that the tensile breaking stress of the coating when baked at 275 ° C. is 100 MPa or more. As a result, it was found that the increase in the void ratio (voidage ratio) due to the thermal load applied by the process can be suppressed, and a metal bonding material having excellent durability can be formed, and the present invention has been completed.

本発明の金属接合用組成物は、焼成して金属面を接合するために用いられる金属接合用組成物であって、上記金属接合用組成物は、銀粒子及び分散媒を含有し、上記銀粒子は、粒径1〜99nmのナノ粒子と、粒径100〜999nmのサブミクロン粒子及び/又は粒径1〜999μmのミクロン粒子とを含むものであり、275℃で焼成したときの被膜の引張破断応力が100MPa以上であることを特徴とする。 The metal bonding composition of the present invention is a metal bonding composition used for baking and bonding metal surfaces, the metal bonding composition containing silver particles and a dispersion medium, and the silver bonding composition. The particles include nanoparticles having a particle size of 1 to 99 nm, submicron particles having a particle size of 100 to 999 nm, and / or micron particles having a particle size of 1 to 999 μm, and the tension of the coating when fired at 275 ° C. The breaking stress is 100 MPa or more.

上記銀粒子は、上記ナノ粒子及び上記サブミクロン粒子を含むことが好ましく、より好ましくは、上記ナノ粒子と上記サブミクロン粒子の質量比が4:6〜7:3である。 The silver particles preferably include the nanoparticles and the submicron particles, and more preferably the mass ratio of the nanoparticles and the submicron particles is 4: 6 to 7: 3.

本発明の金属接合積層体は、第一の金属面と第二の金属面とを接合する金属接合材を含む金属接合積層体であって、上記金属接合材は、本発明の金属接合用組成物の焼結体であることを特徴とする。 The metal bonding laminate of the present invention is a metal bonding laminate including a metal bonding material for bonding the first metal surface and the second metal surface, and the metal bonding material is a composition for metal bonding of the present invention. It is a sintered body of a product.

上記第一の金属面及び上記第二の金属面の少なくとも一方は、Cu、Ag又はAuで構成される基材又はメッキ層の表面であることが好ましい。 At least one of the first metal surface and the second metal surface is preferably the surface of a base material or a plating layer made of Cu, Ag, or Au.

上記第一の金属面は、半導体チップの一部であり、上記第二の金属面は、基板の一部であることが好ましい。 The first metal surface is preferably a part of the semiconductor chip, and the second metal surface is preferably a part of the substrate.

本発明の電気制御機器は、本発明の金属接合積層体を備えることを特徴とする。 The electric control device of the present invention includes the metal bonded laminate of the present invention.

本発明によれば、ヒートサイクル試験等で加わる熱的負荷に対する耐久性に優れた金属接合材の形成に適した金属接合用組成物、並びに、上記金属接合用組成物を焼成することによって金属面の接合が行われた金属接合積層体及び電気制御機器を提供することができる。 According to the present invention, a metal bonding composition suitable for forming a metal bonding material excellent in durability against a thermal load applied in a heat cycle test or the like, and a metal surface by firing the metal bonding composition It is possible to provide a metal-bonded laminate and an electric control device in which bonding is performed.

金属接合用組成物の引張破断応力の測定用試験片の作製方法を説明するフロー図である。It is a flowchart explaining the preparation methods of the test piece for the measurement of the tensile fracture stress of the composition for metal joining. 金属接合用組成物の引張破断応力の測定用試験片の形状及び寸法(単位:mm)を示した平面模式図である。It is the plane schematic diagram which showed the shape and dimension (unit: mm) of the test piece for the measurement of the tensile fracture stress of the composition for metal joining. 金属接合積層体の一例であるパワーデバイスの構成を示した断面模式図である。It is the cross-sectional schematic diagram which showed the structure of the power device which is an example of a metal joining laminated body.

本実施形態の金属接合用組成物は、焼成して金属面を接合するために用いられる金属接合用組成物であって、上記金属接合用組成物は、銀粒子及び分散媒を含有し、上記銀粒子は、粒径1〜99nmのナノ粒子と、粒径100〜999nmのサブミクロン粒子及び/又は粒径1〜999μmのミクロン粒子とを含むものであり、275℃で焼成したときの被膜の引張破断応力が100MPa以上であることを特徴とする。 The metal bonding composition of the present embodiment is a metal bonding composition used for baking and bonding metal surfaces, and the metal bonding composition contains silver particles and a dispersion medium, and The silver particles include nanoparticles having a particle size of 1 to 99 nm, submicron particles having a particle size of 100 to 999 nm, and / or micron particles having a particle size of 1 to 999 μm. The tensile rupture stress is 100 MPa or more.

上記金属接合用組成物は、275℃で焼成したときの被膜の引張破断応力が100MPa以上である。被膜の焼成は、無加圧条件にて行ってもよい。また、被膜の焼成時間は、60分以上であることが好ましい。引張破断応力が100MPa未満であると、上限温度が175℃や200℃といった高温に設定されたヒートサイクル試験では高い熱応力が発生するため、金属接合材にクラックが激しく発生してしまう。引張破断応力の上限は特に限定されず、例えば500MPaであってもよい。 The metal bonding composition has a tensile breaking stress of 100 MPa or more when fired at 275 ° C. The coating may be fired under no pressure condition. Moreover, it is preferable that the baking time of a film is 60 minutes or more. When the tensile breaking stress is less than 100 MPa, a high thermal stress is generated in a heat cycle test in which the upper limit temperature is set to a high temperature such as 175 ° C. or 200 ° C., so that cracks are vigorously generated in the metal bonding material. The upper limit of the tensile breaking stress is not particularly limited, and may be, for example, 500 MPa.

上記被膜の引張破断応力の測定方法の具体例を、図1及び2を参照して以下に説明する。図1は、金属接合用組成物の引張破断応力の測定用試験片の作製方法を説明するフロー図である。図2は、金属接合用組成物の引張破断応力の測定用試験片の形状及び寸法(単位:mm)を示した平面模式図である。 A specific example of a method for measuring the tensile breaking stress of the coating will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a flow diagram for explaining a method for producing a test piece for measuring a tensile breaking stress of a metal bonding composition. FIG. 2 is a schematic plan view showing the shape and dimensions (unit: mm) of the test piece for measuring the tensile breaking stress of the metal bonding composition.

(引張破断応力の測定方法)
(1)図1(a)に示すように、JIS K 6251に規定されたダンベル状7号形(図2参照)のメタルマスク(板厚90μm)を用いて、金属接合用組成物52をスライドガラス51上に印刷する。
(2)予備乾燥として、印刷した金属接合用組成物52を70℃に設定したオーブンに入れて30分間乾燥させる。
(3)図1(b)に示すように、乾燥させた金属接合用組成物52の上(図2中の点線に囲まれた部分)にスライドガラス53を載せて、リフロー炉(シンアペックス社製)に入れて焼成処理を行う。リフロー炉中の焼成処理は、大気雰囲気で行われ、室温から昇温速度3.8℃/minで最大温度275℃まで昇温した後、275℃で60分間保持する。焼成処理の際、加圧は行われず無加圧とする。なお、無加圧とは、半導体チップ等の被接合体の自重以外の荷重をかけずに接合することを意味し、本測定方法では、スライドガラス53を載せることにより、実際の接合状態(被接合体を載せた状態)を再現している。
(4)図1(c)に示すように、焼成した金属接合用組成物52をリフロー炉から取り出した後、スライドガラス51及び53から剥がして引張試験の試験片54とする。
(5)引張試験は、インストロン社製の万能引張試験機5969にて測定速度0.72mm/minにて行う。試験片54が破断したときの引張破断応力を測定する。
(Measurement method of tensile breaking stress)
(1) As shown in FIG. 1A, a metal bonding composition 52 is slid using a dumbbell-shaped No. 7 type (see FIG. 2) metal mask (thickness 90 μm) defined in JIS K 6251. Printing on the glass 51.
(2) As preliminary drying, the printed metal bonding composition 52 is placed in an oven set at 70 ° C. and dried for 30 minutes.
(3) As shown in FIG. 1B, a slide glass 53 is placed on the dried metal bonding composition 52 (a portion surrounded by a dotted line in FIG. 2), and a reflow furnace (Shin Apex Co., Ltd.). Baked in the product). The firing process in the reflow furnace is performed in an air atmosphere, and the temperature is increased from room temperature to a maximum temperature of 275 ° C. at a temperature increase rate of 3.8 ° C./min, and then held at 275 ° C. for 60 minutes. During the firing treatment, no pressure is applied and no pressure is applied. Note that the non-pressurization means bonding without applying a load other than the weight of the object to be bonded such as a semiconductor chip. In this measurement method, an actual bonded state (covered object) is obtained by placing the slide glass 53. The state where the joined body is placed) is reproduced.
(4) As shown in FIG. 1C, after the fired metal bonding composition 52 is taken out from the reflow furnace, it is peeled off from the slide glasses 51 and 53 to obtain a test piece 54 for a tensile test.
(5) The tensile test is performed with a universal tensile tester 5969 manufactured by Instron Corporation at a measurement speed of 0.72 mm / min. The tensile breaking stress when the test piece 54 is broken is measured.

上記引張破断応力の測定は、275℃で焼成した被膜について行う。金属接合用組成物の焼成時には、最初に分散媒(溶媒)が揮発又は分解されて揮発し、次に銀粒子の分散に用いられる分散剤等の分散媒以外の有機成分が揮発又は分解されて揮発するが、銀粒子は低温焼結性に優れていることから、275℃まで焼成すれば、金属接合用組成物中の有機成分の除去と、粒子同士のネッキング(部分的融着)による銀粒子の焼結とを速やかに進めることができる。本実施形態の金属接合用組成物は、275℃で焼成して用いられることが好ましい。 The tensile rupture stress is measured on a film fired at 275 ° C. At the time of firing the metal bonding composition, the dispersion medium (solvent) is first volatilized or decomposed to volatilize, and then organic components other than the dispersion medium such as a dispersant used for dispersing the silver particles are volatilized or decomposed. Although it volatilizes, the silver particles are excellent in low-temperature sinterability, so if fired to 275 ° C., the silver is removed by organic component removal from the metal bonding composition and the particles are necked (partial fusion). The sintering of the particles can be promptly advanced. The metal bonding composition of the present embodiment is preferably used after being baked at 275 ° C.

本実施形態の金属接合用組成物は、焼成後の質量減少率が6〜20%であることが好ましく、8〜15%であることがより好ましく、11〜12%であることが更に好ましい。質量減少率は、示差熱分析(TG−DTA)の結果から算出できる。TG−DTAによれば、反応(主に燃焼・酸化分解)の有無と反応の終点を確認することができる。 The metal bonding composition of the present embodiment preferably has a mass reduction rate after firing of 6 to 20%, more preferably 8 to 15%, and still more preferably 11 to 12%. The mass reduction rate can be calculated from the result of differential thermal analysis (TG-DTA). According to TG-DTA, the presence or absence of a reaction (mainly combustion / oxidative decomposition) and the end point of the reaction can be confirmed.

下記式(A)のホール・ペッチの式によれば、結晶粒径を小さくするほど、引張破断応力を向上することができると考えられる。
σy=σ+k/√d (A)
σy:降伏応力、σ:摩擦応力、k:結晶粒界のすべりに対する抵抗係数、d:平均結晶粒径
According to the Hall-Petch equation of the following equation (A), it is considered that the tensile fracture stress can be improved as the crystal grain size is reduced.
σy = σ 0 + k / √d (A)
σy: Yield stress, σ 0 : Friction stress, k: Resistance coefficient against slip of crystal grain boundary, d: Average crystal grain size

ここで、結晶粒径を小さくする方法としては、金属接合用組成物中に配合する銀粒子にナノ粒子を含めたり、その比率を高める方法や、銀粒子の焼結が起こる時間を短縮する方法が挙げられる。金属接合用組成物に配合する銀粒子中のナノ粒子の比率を高くすると、銀粒子同士のネッキング部を増やすことができる。銀粒子の焼結が起こる時間を短縮すれば、銀粒子同士の融着の進行を抑制できる。銀粒子の焼結が起こる時間の短縮は、金属接合用組成物中に配合する有機成分の除去を遅らせることによっても達成される。 Here, as a method of reducing the crystal grain size, a method of including nanoparticles in the silver particles to be blended in the metal bonding composition, a method of increasing the ratio, or a method of reducing the time during which the silver particles are sintered Is mentioned. When the ratio of the nanoparticles in the silver particles blended in the metal bonding composition is increased, the necking portion between the silver particles can be increased. If the time during which the silver particles are sintered is shortened, the progress of fusion between the silver particles can be suppressed. Shortening the time during which silver particles are sintered can also be achieved by delaying the removal of the organic components incorporated in the metal bonding composition.

以上のように、275℃で焼成したときの被膜の引張破断応力を調整する方法としては、金属接合用組成物に配合する銀粒子中のナノ粒子の比率を高める方法や、分散剤や分散媒の種類を変更する方法が好ましい。分散剤に関しては、275℃未満で揮発する(=粒子が焼結する)ものが好ましい。分散媒に関しては、銀粒子が焼結する前に揮発するものが好ましい。また、焼成工程の前に残存する溶媒量を少なくすることが好ましい。 As described above, as a method of adjusting the tensile rupture stress of the coating when fired at 275 ° C., a method of increasing the ratio of nanoparticles in the silver particles to be blended in the metal bonding composition, a dispersant or a dispersion medium The method of changing the type of is preferable. With respect to the dispersing agent, those which volatilize below 275 ° C. (= the particles are sintered) are preferable. Regarding the dispersion medium, those that volatilize before the silver particles are sintered are preferred. Moreover, it is preferable to reduce the amount of solvent remaining before the firing step.

上記金属接合用組成物は、銀粒子及び分散媒を含有するものであれば特に限定されないが、塗布しやすいようにペースト状であることが好ましい。また、マイグレーションを起こりにくくするために、銀粒子以外に、イオン化列が水素より貴である金属、すなわち金、銅、白金、パラジウム等の粒子が併用されてもよい。 The metal bonding composition is not particularly limited as long as it contains silver particles and a dispersion medium, but is preferably pasty so as to be easily applied. Further, in order to make migration less likely to occur, in addition to silver particles, a metal whose ionization column is nobler than hydrogen, that is, particles of gold, copper, platinum, palladium, or the like may be used in combination.

上記銀粒子は、粒径1〜99nmのナノ粒子(ナノ銀粒子ともいう)と、粒径100〜999nmのサブミクロン粒子及び/又は粒径1〜999μmのミクロン粒子(ミクロン銀粒子ともいう)とを含むものである。ナノ粒子は、サブミクロン粒子又はミクロン粒子とは分離して金属接合用組成物中に分散されていてもよいし、サブミクロン粒子又はミクロン粒子の表面の少なくとも一部に付着していてもよい。なお、ナノ粒子、サブミクロン粒子、ミクロン粒子は、それぞれ独立した粒径分布のピークを有することが好ましい。 The silver particles include nanoparticles having a particle size of 1 to 99 nm (also referred to as nano silver particles), submicron particles having a particle size of 100 to 999 nm, and / or micron particles having a particle size of 1 to 999 μm (also referred to as micron silver particles). Is included. The nanoparticles may be dispersed in the metal bonding composition separately from the submicron particles or micron particles, or may be attached to at least a part of the surface of the submicron particles or micron particles. The nanoparticles, submicron particles, and micron particles preferably have independent particle size distribution peaks.

上記銀粒子の平均粒径は、動的光散乱法(Dynamic Light Scattering)、小角X線散乱法、広角X線回折法で測定することができ、ミクロン粒子の粒径を測定するのに好適である。本明細書中、「平均粒径」とは、分散メジアン径をいう。平均粒径を測定するその他の手法としては、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡を用いて撮影した写真から、50〜100個程度の粒子の粒径の算術平均値を算出する方法が挙げられ、ナノ粒子の粒径を測定するのに好適である。 The average particle diameter of the silver particles can be measured by a dynamic light scattering method, a small angle X-ray scattering method, and a wide angle X-ray diffraction method, and is suitable for measuring the particle size of micron particles. is there. In the present specification, “average particle diameter” refers to a dispersed median diameter. Other methods for measuring the average particle size include a method of calculating an arithmetic average value of particle sizes of about 50 to 100 particles from a photograph taken using a scanning electron microscope or a transmission electron microscope. Suitable for measuring the particle size of nanoparticles.

上記ナノ粒子の平均粒径は、本発明の効果を損なわない範囲であれば特に制限されるものではない。小径の銀粒子として平均粒径が1nm以上のナノ粒子を用いれば、良好な金属接合材を形成可能な金属接合用組成物が得られ、かつ銀粒子の製造がコスト高とならず実用的である。また、99nm以下であれば、ナノ粒子の分散性が経時的に変化しにくく、好ましい。 The average particle diameter of the nanoparticles is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired. If nanoparticles having an average particle diameter of 1 nm or more are used as small-diameter silver particles, a metal bonding composition capable of forming a good metal bonding material can be obtained, and the production of silver particles is practical without increasing the cost. is there. Moreover, if it is 99 nm or less, the dispersibility of a nanoparticle cannot change easily with time, and it is preferable.

上記銀粒子は、ナノ粒子及びサブミクロン粒子を含むものであることが好ましく、上記銀粒子に含まれるナノ粒子とサブミクロン粒子の質量比が4:6〜7:3であることがより好ましい。ナノ粒子とサブミクロン粒子の質量比が4:6を下回る(ナノ粒子の質量比が40%未満である)と、粒子同士がつながりにくくなり粒子間の結合強度(引張強度相当)が低下するため、ヒートサイクル試験で早期にクラックが発生するおそれがある。ナノ粒子とサブミクロン粒子の質量比が7:3を超える(ナノ粒子の質量比が70%を超える)と、焼成時の収縮が大きくなることで、金属接合用組成物の焼結体中のボイド(空隙)の割合が高くなり過ぎるおそれがある。 The silver particles preferably include nanoparticles and submicron particles, and the mass ratio of the nanoparticles and submicron particles contained in the silver particles is more preferably 4: 6 to 7: 3. If the mass ratio of nanoparticles and submicron particles is less than 4: 6 (the mass ratio of nanoparticles is less than 40%), the particles are difficult to connect with each other, and the bond strength between the particles (equivalent to tensile strength) decreases. In the heat cycle test, cracks may occur at an early stage. When the mass ratio of the nanoparticles and the submicron particles exceeds 7: 3 (the mass ratio of the nanoparticles exceeds 70%), the shrinkage at the time of firing increases, so that the sintered body of the composition for metal bonding The percentage of voids (voids) may be too high.

上記銀粒子は、ナノ粒子及びミクロン粒子を含むものであることが好ましく、上記銀粒子に含まれるナノ粒子とミクロン粒子の質量比が7:3〜8:2であることがより好ましい。ナノ粒子とミクロン粒子の質量比が7:3を下回る(ナノ粒子の質量比が70%未満である)と、引張強度が低下するため、ヒートサイクル試験で早期にクラックが発生するおそれがある。ナノ粒子とミクロン粒子の質量比が8:2を超える(ナノ粒子の質量比が80%を超える)と、金属接合用組成物の焼結体中のボイド(空隙)の割合が高くなり過ぎるおそれがある。 The silver particles preferably contain nanoparticles and micron particles, and the mass ratio of the nanoparticles and micron particles contained in the silver particles is more preferably 7: 3 to 8: 2. If the mass ratio of the nanoparticles and micron particles is less than 7: 3 (the mass ratio of the nanoparticles is less than 70%), the tensile strength is lowered, so that cracks may occur early in the heat cycle test. If the mass ratio of nanoparticles to micron particles exceeds 8: 2 (the mass ratio of nanoparticles exceeds 80%), the proportion of voids (voids) in the sintered body of the metal bonding composition may become too high. There is.

上記ミクロン粒子の平均粒径は、本発明の効果を損なわない範囲であれば特に制限されるものではないが、1〜20μmであることが好ましい。平均粒径が1〜20μmのミクロン粒子を用いることで焼結による体積収縮を低減することができ、均質かつ緻密な接合材を得ることができる。大径の銀粒子として平均粒径が1μm未満のサブミクロン粒子を用いると、低温で焼結が進行するが、粒子同士の焼結が進むと平均粒径の増加に伴い体積収縮が大きくなり、被接合体が当該体積収縮に追従できなくなるおそれがある。そのような場合には、金属接合材にボイド等の欠陥が発生し、金属接合材の接合強度及び信頼性が低下してしまう。一方、平均粒径が20μmより大きな粒子を用いると、低温での焼結は殆ど進行せず、銀粒子間に形成される大きな空隙が焼結後も残存してしまうおそれがある。上記ミクロン粒子の平均粒径は、1〜10μmであることがより好ましい。 The average particle diameter of the micron particles is not particularly limited as long as the effects of the present invention are not impaired, but is preferably 1 to 20 μm. By using micron particles having an average particle diameter of 1 to 20 μm, volume shrinkage due to sintering can be reduced, and a homogeneous and dense bonding material can be obtained. When sub-micron particles having an average particle size of less than 1 μm are used as large-diameter silver particles, sintering proceeds at a low temperature, but as the average particle size increases, volume shrinkage increases as the particles are sintered together. There is a possibility that the joined body cannot follow the volume shrinkage. In such a case, defects such as voids occur in the metal bonding material, and the bonding strength and reliability of the metal bonding material are reduced. On the other hand, when particles having an average particle size larger than 20 μm are used, sintering at a low temperature hardly proceeds and large voids formed between silver particles may remain after sintering. The average particle diameter of the micron particles is more preferably 1 to 10 μm.

上記銀粒子は、例えば、金属イオンソースと分散剤とを混合し、還元法によって得ることができる。 The silver particles can be obtained, for example, by mixing a metal ion source and a dispersant and using a reduction method.

上記分散媒としては上記銀粒子を分散できるものであれば特に限定されず、例えば、炭化水素、アルコール、カルビトール類等の有機溶媒が挙げられる。分散媒は、金属接合用組成物を塗布する工程の間に揮発しくいものが好ましく、室温で揮発しにくいものが好ましい。 The dispersion medium is not particularly limited as long as it can disperse the silver particles, and examples thereof include organic solvents such as hydrocarbons, alcohols, and carbitols. The dispersion medium is preferably one that does not volatilize during the step of applying the metal bonding composition, and one that is difficult to volatilize at room temperature is preferred.

上記炭化水素としては、脂肪族炭化水素、環状炭化水素、脂環式炭化水素等が挙げられ、それぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of the hydrocarbon include aliphatic hydrocarbons, cyclic hydrocarbons, alicyclic hydrocarbons, and the like, and each may be used alone or in combination of two or more.

上記脂肪族炭化水素としては、例えば、テトラデカン、オクタデカン、ヘプタメチルノナン、テトラメチルペンタデカン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、トリデカン、メチルペンタン、ノルマルパラフィン、イソパラフィン等の飽和又は不飽和脂肪族炭化水素が挙げられる。 Examples of the aliphatic hydrocarbon include saturated or unsaturated aliphatic carbonization such as tetradecane, octadecane, heptamethylnonane, tetramethylpentadecane, hexane, heptane, octane, nonane, decane, tridecane, methylpentane, normal paraffin, and isoparaffin. Hydrogen is mentioned.

上記環状炭化水素としては、例えば、トルエン、キシレン等が挙げられる。 Examples of the cyclic hydrocarbon include toluene and xylene.

上記脂環式炭化水素としては、例えば、リモネン、ジペンテン、テルピネン、ターピネン(テルピネンともいう。)、ネソール、シネン、オレンジフレーバー、テルピノレン、ターピノレン(テルピノレンともいう。)、フェランドレン、メンタジエン、テレベン、ジヒドロサイメン、モスレン、イソテルピネン、イソターピネン(イソテルピネンともいう。)、クリトメン、カウツシン、カジェプテン、オイリメン、ピネン、テレビン、メンタン、ピナン、テルペン、シクロヘキサン等が挙げられる。 Examples of the alicyclic hydrocarbon include limonene, dipentene, terpinene, terpinene (also referred to as terpinene), nesol, sinene, orange flavor, terpinolene, terpinolene (also referred to as terpinolene), ferrandylene, mentadiene, teleben, dihydro. Cymen, moslen, isoterpinene, isoterpinene (also referred to as isoterpinene), clitomen, kautssin, cajeptene, oilimene, pinene, turpentine, menthane, pinane, terpene, cyclohexane and the like can be mentioned.

上記アルコールは、OH基を分子構造中に1つ以上含む化合物であり、脂肪族アルコール、環状アルコール、脂環式アルコールが挙げられ、それぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、OH基の一部は、本発明の効果を損なわない範囲でアセトキシ基等に誘導されていてもよい。 The alcohol is a compound containing one or more OH groups in the molecular structure, and examples thereof include aliphatic alcohols, cyclic alcohols, and alicyclic alcohols, and each may be used alone or in combination of two or more. Good. Moreover, a part of OH group may be induced | guided | derived to the acetoxy group etc. in the range which does not impair the effect of this invention.

上記脂肪族アルコールとしては、例えば、ヘプタノール、オクタノール(1−オクタノール、2−オクタノール、3−オクタノール等)、デカノール(1−デカノール等)、ラウリルアルコール、テトラデシルアルコール、セチルアルコール、2−エチル−1−ヘキサノール、オクタデシルアルコール、ヘキサデセノール、オレイルアルコール等の飽和又は不飽和C6−30脂肪族アルコール等が挙げられる。 Examples of the aliphatic alcohol include heptanol, octanol (1-octanol, 2-octanol, 3-octanol, etc.), decanol (1-decanol, etc.), lauryl alcohol, tetradecyl alcohol, cetyl alcohol, 2-ethyl-1 -Saturated or unsaturated C6-30 aliphatic alcohols, such as hexanol, octadecyl alcohol, hexadecenol, oleyl alcohol, etc. are mentioned.

上記環状アルコールとしては、例えば、クレゾール、オイゲノール等が挙げられる。 Examples of the cyclic alcohol include cresol and eugenol.

上記脂環式アルコールとしては、例えば、シクロヘキサノール等のシクロアルカノール、テルピネオール(α、β、γ異性体、又はこれらの任意の混合物を含む。)、ジヒドロテルピネオール等のテルペンアルコール(モノテルペンアルコール等)、ジヒドロターピネオール、ミルテノール、ソブレロール、メントール、カルベオール、ペリリルアルコール、ピノカルベオール、ソブレロール、ベルベノール等が挙げられる。 Examples of the alicyclic alcohol include cycloalkanols such as cyclohexanol, terpineols (including α, β, γ isomers, or any mixture thereof), and terpene alcohols such as dihydroterpineol (monoterpene alcohols, etc.). , Dihydroterpineol, myrtenol, sobrerol, menthol, carveol, perillyl alcohol, pinocarveol, sobrerol, berbenol and the like.

上記カルビトール類としては、例えば、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、ヘキシルカルビトール等が挙げられる。 Examples of the carbitols include butyl carbitol, butyl carbitol acetate, hexyl carbitol and the like.

上記金属接合用組成物中に分散媒を含有させる場合の初期含有量は、粘度等の所望の特性によって調整すればよく、金属接合用組成物中の分散媒の初期含有量は、1〜30質量%であることが好ましい。分散媒の初期含有量が1〜30質量%であれば、金属接合用組成物として使いやすい範囲で粘度を調整する効果を得ることができる。分散媒のより好ましい初期含有量は1〜20質量%であり、更に好ましい初期含有量は1〜15質量%である。 The initial content when the dispersion medium is contained in the metal bonding composition may be adjusted according to desired properties such as viscosity, and the initial content of the dispersion medium in the metal bonding composition is 1 to 30. It is preferable that it is mass%. When the initial content of the dispersion medium is 1 to 30% by mass, the effect of adjusting the viscosity can be obtained within a range that is easy to use as a metal bonding composition. A more preferable initial content of the dispersion medium is 1 to 20% by mass, and a more preferable initial content is 1 to 15% by mass.

上記金属接合用組成物に配合される分散媒としては、ヘキシルカルビトールやブチルカルビトールアセテートが好適である。ヘキシルカルビトールが分散媒中に50質量%以上含まれることが好ましい。また、上記金属接合用組成物の好ましい固形分濃度は、88〜93質量%である。これらの条件を満たせば、接合強度及びボイド率を低下させずに、粘度を適切な範囲に調整することができるので、メタルマスクでの印刷性に優れた金属接合用組成物が得られる。また、粘度の経時的な安定性を確保することができるので、金属接合用組成物のポットライフを長くすることができる。 As a dispersion medium to be blended in the metal bonding composition, hexyl carbitol and butyl carbitol acetate are suitable. It is preferable that 50% by mass or more of hexyl carbitol is contained in the dispersion medium. Moreover, the preferable solid content density | concentration of the said composition for metal joining is 88-93 mass%. If these conditions are satisfied, the viscosity can be adjusted to an appropriate range without reducing the bonding strength and void ratio, and thus a metal bonding composition having excellent printability with a metal mask can be obtained. Moreover, since the stability over time of the viscosity can be ensured, the pot life of the metal bonding composition can be lengthened.

上記金属接合用組成物は、分散媒以外の有機成分を含んでもよい。上記有機成分としては特に限定されず、銀粒子の分散性や、金属接合用組成物の粘性、密着性、乾燥性、表面張力、塗布性(印刷性)を調整する目的で用いられる添加物等が用いられる。 The metal bonding composition may contain an organic component other than the dispersion medium. The organic component is not particularly limited, and additives used for the purpose of adjusting the dispersibility of silver particles, the viscosity, adhesion, drying property, surface tension, coating property (printability) of the metal bonding composition, and the like. Is used.

上記銀粒子の分散性を向上させる添加物としては、例えば、アミン、カルボン酸、高分子分散剤、不飽和炭化水素等が挙げられる。アミンやカルボン酸は官能基が銀粒子の表面に適度の強さで吸着し、銀粒子の相互の接触を妨げるため、保管状態での銀粒子の安定性に寄与する。銀粒子の表面に吸着した添加物は加熱時に銀粒子の表面から移動及び/又は揮発することにより、銀粒子同士の融着及び基材との接合を促進すると考えられる。上記高分子分散剤は、銀粒子の少なくとも一部に適量付着させることで銀粒子の低温焼結性を失うことなく、分散安定性を保持することができる。 Examples of the additive that improves the dispersibility of the silver particles include amines, carboxylic acids, polymer dispersants, unsaturated hydrocarbons, and the like. Amine and carboxylic acid are adsorbed to the surface of the silver particles with an appropriate strength and prevent the silver particles from contacting each other, which contributes to the stability of the silver particles in the storage state. It is considered that the additive adsorbed on the surface of the silver particles moves and / or volatilizes from the surface of the silver particles during heating, thereby promoting the fusion between the silver particles and the bonding with the base material. The polymer dispersant can maintain dispersion stability without losing the low-temperature sinterability of the silver particles by adhering an appropriate amount to at least a part of the silver particles.

上記銀粒子の表面の少なくとも一部に有機成分が付着しており(すなわち、銀粒子の表面の少なくとも一部が有機成分で構成される有機保護層で被覆されており)、有機成分(有機保護層)はアミンを含むことが好ましい。融点降下能を示すナノメートルサイズの粒子を安定的に保管するためには、金属粒子の表面の少なくとも一部に有機保護層が設けられることが望ましい。ここで、アミンは官能基が銀粒子の表面に適度の強さで吸着することから、有機保護層として好適に用いることができる。 An organic component adheres to at least a part of the surface of the silver particle (that is, at least a part of the surface of the silver particle is covered with an organic protective layer composed of the organic component), and the organic component (organic protection The layer) preferably contains an amine. In order to stably store nanometer-sized particles exhibiting melting point lowering ability, it is desirable to provide an organic protective layer on at least a part of the surface of the metal particles. Here, the amine can be suitably used as an organic protective layer because the functional group is adsorbed to the surface of the silver particles with an appropriate strength.

上記アミンは特に限定されず、例えば、オレイルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘキシルアミン、オクチルアミン等のアルキルアミン(直鎖状アルキルアミン、側鎖を有していてもよい。);N−(3−メトキシプロピル)プロパン−1,3−ジアミン、2−メトキシエチルアミン、3−メトキシプロピルアミン、3−エトキシプロピルアミン等のアルコキシアミン;シクロペンチルアミン、シクロヘキシルアミン等のシクロアルキルアミン;アニリン等のアリルアミン等の第1級アミンや、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ピペリジン、ヘキサメチレンイミン等の第2級アミンや、トリプロピルアミン、ジメチルプロパンジアミン、シクロヘキシルジメチルアミン、ピリジン、キノリン等の第3級アミンを用いることができる。 The amine is not particularly limited, and examples thereof include alkylamines (linear alkylamines, which may have a side chain) such as oleylamine, butylamine, pentylamine, hexylamine, hexylamine, octylamine; N- (3-methoxypropyl) propane-1,3-diamine, 2-methoxyethylamine, 3-methoxypropylamine, 3-ethoxypropylamine and other alkoxyamines; cyclopentylamine, cyclohexylamine and other cycloalkylamines; aniline and other allylamines Primary amines such as dipropylamine, dibutylamine, piperidine, hexamethyleneimine, etc., and tertiary amines such as tripropylamine, dimethylpropanediamine, cyclohexyldimethylamine, pyridine, quinoline, etc. It is possible to have.

上記アミンとしては、炭素数が2〜20程度のアミンが好ましく、炭素数が4〜12のアミンがより好ましく、炭素数が4〜7のアミンを用いることが更に好ましい。炭素数が4〜7のアミンの具体例としては、ヘプチルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、及びヘキシルアミンを例示することができる。炭素数が4〜7のアミンは比較的低温で移動及び/又は揮発するため、銀粒子の低温焼結性を充分に活用することができる。また、上記アミンは直鎖状であってもよいし、分岐鎖状であってもよいし、側鎖を有していてもよい。 The amine is preferably an amine having about 2 to 20 carbon atoms, more preferably an amine having 4 to 12 carbon atoms, and still more preferably an amine having 4 to 7 carbon atoms. Specific examples of the amine having 4 to 7 carbon atoms include heptylamine, butylamine, pentylamine, and hexylamine. Since amines having 4 to 7 carbon atoms move and / or volatilize at a relatively low temperature, the low-temperature sinterability of silver particles can be fully utilized. The amine may be linear, branched, or have a side chain.

なお、これらの有機成分は、銀粒子と化学的又は物理的に結合している場合、アニオンやカチオンに変化していることも考えられ、本実施形態においては、これらの有機成分に由来するイオンや錯体等も上記有機成分に含まれる。 In addition, when these organic components are chemically or physically bonded to the silver particles, it is also considered that they are changed to anions and cations. In this embodiment, ions derived from these organic components are used. And organic complexes are also included in the organic components.

上記アミンは、例えば、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アルコキシ基、カルボニル基、エステル基、メルカプト基等の、アミン以外の官能基を含む化合物であってもよい。また、上記アミンは、それぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。加えて、常温での沸点が300℃以下であることが好ましく、250℃以下であることがより好ましい。 The amine may be a compound containing a functional group other than an amine such as a hydroxyl group, a carboxyl group, an alkoxy group, a carbonyl group, an ester group, or a mercapto group. Moreover, the said amine may be used independently, respectively and may use 2 or more types together. In addition, the boiling point at normal temperature is preferably 300 ° C. or lower, and more preferably 250 ° C. or lower.

上記カルボン酸としては、少なくとも1つのカルボキシル基を有する化合物を広く用いることができ、例えば、ギ酸、シュウ酸、酢酸、ヘキサン酸、アクリル酸、オクチル酸、レブリン酸、オレイン酸等が挙げられる。カルボン酸の一部のカルボキシル基が金属イオンと塩を形成していてもよい。なお、当該金属イオンについては、2種以上の金属イオンが含まれていてもよい。 As the carboxylic acid, compounds having at least one carboxyl group can be widely used, and examples thereof include formic acid, oxalic acid, acetic acid, hexanoic acid, acrylic acid, octylic acid, levulinic acid, and oleic acid. A part of carboxyl groups of the carboxylic acid may form a salt with a metal ion. In addition, about the said metal ion, 2 or more types of metal ions may be contained.

上記カルボン酸は、例えば、アミノ基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、カルボニル基、エステル基、メルカプト基等の、カルボキシル基以外の官能基を含む化合物であってもよい。この場合、カルボキシル基の数が、カルボキシル基以外の官能基の数以上であることが好ましい。また、上記カルボン酸は、それぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。加えて、常温での沸点が300℃以下であることが好ましく、250℃以下であることがより好ましい。 The carboxylic acid may be a compound containing a functional group other than a carboxyl group, such as an amino group, a hydroxyl group, an alkoxy group, a carbonyl group, an ester group, or a mercapto group. In this case, the number of carboxyl groups is preferably equal to or greater than the number of functional groups other than carboxyl groups. Moreover, the said carboxylic acid may be used independently, respectively and may use 2 or more types together. In addition, the boiling point at normal temperature is preferably 300 ° C. or lower, and more preferably 250 ° C. or lower.

また、アミンとカルボン酸はアミド基を形成する。当該アミド基も銀粒子表面に適度に吸着するため、有機成分にはアミド基が含まれていてもよい。 Also, the amine and carboxylic acid form an amide group. Since the amide group is also adsorbed moderately on the surface of the silver particle, the organic component may contain an amide group.

アミンとカルボン酸とを併用する場合の組成比(質量)としては、1/99〜99/1の範囲で任意に選択することができるが、好ましくは20/80〜98/2であり、より好ましくは30/70〜97/3である。 The composition ratio (mass) in the case of using an amine and a carboxylic acid in combination can be arbitrarily selected within the range of 1/99 to 99/1, but is preferably 20/80 to 98/2. Preferably it is 30 / 70-97 / 3.

上記高分子分散剤としては、市販されている高分子分散剤を使用することができる。市販の高分子分散剤としては、例えば、ソルスパース(SOLSPERSE)11200、ソルスパース13940、ソルスパース16000、ソルスパース17000、ソルスパース18000、ソルスパース20000、ソルスパース24000、ソルスパース26000、ソルスパース27000、ソルスパース28000、ソルスパース54000(以上、日本ルーブリゾール社製);ディスパービック(DISPERBYK)142;ディスパービック160、ディスパービック161、ディスパービック162、ディスパービック163、ディスパービック166、ディスパービック170、ディスパービック180、ディスパービック182、ディスパービック184、ディスパービック190、ディスパービック2155(以上、ビックケミー・ジャパン社製);EFKA−46、EFKA−47、EFKA−48、EFKA−49(以上、EFKAケミカル社製);ポリマー100、ポリマー120、ポリマー150、ポリマー400、ポリマー401、ポリマー402、ポリマー403、ポリマー450、ポリマー451、ポリマー452、ポリマー453(以上、EFKAケミカル社製);アジスパーPB711、アジスパーPA111、アジスパーPB811、アジスパーPW911(以上、味の素社製);フローレンDOPA−15B、フローレンDOPA−22、フローレンDOPA−17、フローレンTG−730W、フローレンG−700、フローレンTG−720W(以上、共栄社化学工業社製)等を挙げることができる。低温焼結性及び分散安定性の観点からは、ソルスパース11200、ソルスパース13940、ソルスパース16000、ソルスパース17000、ソルスパース18000、ソルスパース28000、ソルスパース54000、ディスパービック142又はディスパービック2155を用いることが好ましい。 A commercially available polymer dispersant can be used as the polymer dispersant. Examples of commercially available polymer dispersants include Solsperse 11200, Solsperse 13940, Solsperse 16000, Solsperse 17000, Solsperse 18000, Solsperse 20000, Solsperse 24000, Solsperse 26000, Solsperse 27000, Solsperse 28000, Solsperse 54000 (and above, Japan) Dispersic (DISPERBYK) 142; Dispersic 160, Dispersic 161, Dispersic 162, Dispersic 163, Dispersic 166, Dispersic 170, Dispersic 180, Dispersic 182, Dispersic 184, Dispers Big 190, Dispersic 2155 ( Top, manufactured by Big Chemie Japan); EFKA-46, EFKA-47, EFKA-48, EFKA-49 (above, manufactured by EFKA Chemical); polymer 100, polymer 120, polymer 150, polymer 400, polymer 401, polymer 402 , Polymer 403, polymer 450, polymer 451, polymer 452, polymer 453 (manufactured by EFKA Chemical Co., Ltd.); Ajisper PB711, Ajisper PA111, Ajisper PB811, Ajisper PW911 (manufactured by Ajinomoto Co., Inc.); -22, Floren DOPA-17, Floren TG-730W, Floren G-700, Floren TG-720W (manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) and the like. From the viewpoints of low-temperature sinterability and dispersion stability, it is preferable to use Solsperse 11200, Solsperse 13940, Solsperse 16000, Solsperse 17000, Solsperse 18000, Solsperse 28000, Solsperse 54000, Dispersic 142 or Dispersic 2155.

上記高分子分散剤の含有量は0.03〜15質量%であることが好ましい。高分子分散剤の含有量が0.1質量%以上であれば得られる金属接合用組成物の分散安定性が良くなるが、含有量が多過ぎる場合は接合性が低下することとなる。このような観点から、高分子分散剤のより好ましい含有量は0.05〜3質量%であり、更に好ましい含有量は0.1〜2質量%である。 The content of the polymer dispersant is preferably 0.03 to 15% by mass. If the content of the polymer dispersant is 0.1% by mass or more, the dispersion stability of the obtained metal bonding composition is improved, but if the content is too large, the bonding property is lowered. From such a viewpoint, the more preferable content of the polymer dispersant is 0.05 to 3% by mass, and the more preferable content is 0.1 to 2% by mass.

上記不飽和炭化水素としては、例えば、エチレン、アセチレン、ベンゼン、アセトン、1−ヘキセン、1−オクテン、4−ビニルシクロヘキセン、シクロヘキサノン、テルペン系アルコール、アリルアルコール、オレイルアルコール、2−パルミトレイン酸、ペトロセリン酸、オレイン酸、エライジン酸、チアンシ酸、リシノール酸、リノール酸、リノエライジン酸、リノレン酸、アラキドン酸、アクリル酸、メタクリル酸、没食子酸、サリチル酸等が挙げられる。 Examples of the unsaturated hydrocarbon include ethylene, acetylene, benzene, acetone, 1-hexene, 1-octene, 4-vinylcyclohexene, cyclohexanone, terpene alcohol, allyl alcohol, oleyl alcohol, 2-palmitoleic acid, and petroceric acid. Oleic acid, elaidic acid, thianic acid, ricinoleic acid, linoleic acid, linoleic acid, linolenic acid, arachidonic acid, acrylic acid, methacrylic acid, gallic acid, salicylic acid and the like.

上記不飽和炭化水素のなかでも、水酸基を有する不飽和炭化水素が好適に用いられる。水酸基は銀粒子の表面に配位しやすく、当該銀粒子の凝集を抑制することができる。水酸基を有する不飽和炭化水素としては、例えば、テルペン系アルコール、アリルアルコール、オレイルアルコール、チアンシ酸、リシノール酸、没食子酸、サリチル酸等が挙げられる。好ましくは、水酸基を有する不飽和脂肪酸であり、例えば、チアンシ酸、リシノール酸、没食子酸、サリチル酸等が挙げられる。 Among the unsaturated hydrocarbons, unsaturated hydrocarbons having a hydroxyl group are preferably used. The hydroxyl group is easily coordinated to the surface of the silver particle, and can suppress aggregation of the silver particle. Examples of the unsaturated hydrocarbon having a hydroxyl group include terpene alcohol, allyl alcohol, oleyl alcohol, thianic acid, ricinoleic acid, gallic acid, salicylic acid, and the like. Preferably, it is an unsaturated fatty acid having a hydroxyl group, and examples thereof include thianic acid, ricinoleic acid, gallic acid, salicylic acid and the like.

上記金属接合用組成物に配合される分散剤としては、沸点が150〜300℃であるアミン又はカルボン酸が好ましく、なかでも、レブリン酸が特に好適に用いられる。 As a dispersing agent mix | blended with the said composition for metal joining, the amine or carboxylic acid whose boiling point is 150-300 degreeC is preferable, and levulinic acid is used especially suitably especially.

また、上記有機成分には、本発明の効果を損なわない範囲で、バインダーとしての役割を果たすオリゴマー成分、樹脂成分、有機溶剤(固形分の一部を溶解又は分散していてよい。)、界面活性剤、増粘剤、表面張力調整剤等が含まれてもよい。 In addition, the above-mentioned organic component includes an oligomer component, a resin component, an organic solvent (a part of the solid content may be dissolved or dispersed), an interface, and the like, as long as the effects of the present invention are not impaired. Activators, thickeners, surface tension modifiers and the like may be included.

上記樹脂成分としては、例えば、ポリエステル系樹脂、ブロックドイソシアネート等のポリウレタン系樹脂、ポリアクリレート系樹脂、ポリアクリルアミド系樹脂、ポリエーテル系樹脂、メラミン系樹脂、テルペン系樹脂等を挙げることができ、これらはそれぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of the resin component include polyester resins, polyurethane resins such as blocked isocyanate, polyacrylate resins, polyacrylamide resins, polyether resins, melamine resins, terpene resins, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.

上記有機溶剤としては、上記の分散媒として挙げられたものを除き、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、2−プロピルアルコール、1,3−プロパンジオール、1,2−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,2,6−ヘキサントリオール、1−エトキシ−2−プロパノール、2−ブトキシエタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、重量平均分子量が200以上1,000以下の範囲内であるポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、重量平均分子量が300以上1,000以下の範囲内であるポリプロピレングリコール、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、グリセリン、アセトン等が挙げられ、これらはそれぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 As said organic solvent, except what was mentioned as said dispersion medium, for example, methyl alcohol, ethyl alcohol, n-propyl alcohol, 2-propyl alcohol, 1,3-propanediol, 1,2-propanediol, 1,4-butanediol, 1,2,6-hexanetriol, 1-ethoxy-2-propanol, 2-butoxyethanol, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, weight average molecular weight in the range of 200 to 1,000 Polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, polypropylene glycol having a weight average molecular weight in the range of 300 to 1,000, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, - methyl-2-pyrrolidone, N, N- dimethylacetamide, glycerin, acetone and the like may be used each of which alone or in combination of two or more.

上記増粘剤としては、例えば、クレイ、ベントナイト、ヘクトライト等の粘土鉱物、ポリエステル系エマルジョン樹脂、アクリル系エマルジョン樹脂、ポリウレタン系エマルジョン樹脂、ブロックドイソシアネート等のエマルジョン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のセルロース誘導体、キサンタンガム、グアーガム等の多糖類等が挙げられ、これらはそれぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Examples of the thickener include clay minerals such as clay, bentonite, hectorite, polyester emulsion resin, acrylic emulsion resin, polyurethane emulsion resin, emulsion such as blocked isocyanate, methyl cellulose, carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, Examples thereof include cellulose derivatives such as hydroxypropylcellulose and hydroxypropylmethylcellulose, polysaccharides such as xanthan gum and guar gum, and these may be used alone or in combination of two or more.

上記界面活性剤としては特に限定されず、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤のいずれも用いることができ、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸塩、4級アンモニウム塩等が挙げられる。少量の添加量で効果が得られるので、フッ素系界面活性剤が好ましい。 The surfactant is not particularly limited, and any of an anionic surfactant, a cationic surfactant, and a nonionic surfactant can be used. Examples thereof include alkylbenzene sulfonate and quaternary ammonium salt. It is done. Since the effect can be obtained with a small addition amount, a fluorosurfactant is preferable.

本実施形態の金属接合用組成物中の有機成分の含有量は、5〜50質量%であることが好ましい。含有量が5質量%以上であれば、金属接合用組成物の貯蔵安定性が良くなる傾向があり、50質量%以下であれば、金属接合用組成物の導電性が良い傾向がある。有機成分のより好ましい含有量は5〜30質量%であり、更に好ましい含有量は5〜15質量%である。 It is preferable that content of the organic component in the composition for metal joining of this embodiment is 5-50 mass%. If the content is 5% by mass or more, the storage stability of the metal bonding composition tends to be improved, and if it is 50% by mass or less, the conductivity of the metal bonding composition tends to be good. The more preferable content of the organic component is 5 to 30% by mass, and the more preferable content is 5 to 15% by mass.

本実施形態の金属接合用組成物は、焼成して金属面を接合するために用いられる。第一の金属面と第二の金属面とを接合する金属接合材を含む金属接合積層体であって、上記金属接合材は、本発明の金属接合用組成物の焼結体である金属接合積層体もまた、本発明の一態様である。すなわち、本実施形態の金属接合積層体は、第一の金属面を有する第一の被接合体と第二の金属面を有する第二の被接合体とが、上記金属接合用組成物を焼結させて得られる銀粒子焼結層からなる金属接合材によって接合されたものである。 The metal bonding composition of the present embodiment is used for baking and bonding metal surfaces. A metal bonded laminate including a metal bonding material for bonding the first metal surface and the second metal surface, wherein the metal bonding material is a sintered body of the metal bonding composition of the present invention. A laminate is also an embodiment of the present invention. That is, in the metal bonded laminate of the present embodiment, the first bonded body having the first metal surface and the second bonded body having the second metal surface baked the composition for metal bonding. It is joined by a metal joining material comprising a silver particle sintered layer obtained by bonding.

第一の被接合体及び第二の被接合体の種類は特に限定されないが、金属接合用組成物の加熱焼結時の温度により損傷しない程度の耐熱性を具備した部材であることが好ましく、リジッドであってもフレキシブルでもよい。また、第一の被接合体及び第二の被接合体の形状及び厚さは特に限定されず、適宜選択することができる。 The type of the first bonded body and the second bonded body is not particularly limited, but is preferably a member having heat resistance to such an extent that it is not damaged by the temperature during the heat sintering of the metal bonding composition. It may be rigid or flexible. Moreover, the shape and thickness of a 1st to-be-joined body and a 2nd to-be-joined body are not specifically limited, It can select suitably.

金属接合積層体の種類は特に限定されないが、例えば、電力用半導体素子(パワーデバイス)が好適である。第一の金属面は、半導体チップの一部であり、第二の金属面は、基板の一部であることが好ましい。また、高い接合強度を得る観点から、第一の金属面及び第二の金属面の少なくとも一方は、Cu、Ag又はAuで構成される基材又はメッキ層の表面であることが好ましい。 Although the kind of metal joining laminated body is not specifically limited, For example, the power semiconductor element (power device) is suitable. The first metal surface is preferably a part of the semiconductor chip, and the second metal surface is preferably a part of the substrate. Moreover, from the viewpoint of obtaining high bonding strength, at least one of the first metal surface and the second metal surface is preferably the surface of a base material or a plating layer made of Cu, Ag, or Au.

また、第一の被接合体及び/又は第二の被接合体は、銀粒子焼結層との密着性を高めるために、表面処理が行われていてもよい。上記表面処理としては、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や、被接合体上に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。 Moreover, in order to improve adhesiveness with a silver particle sintered layer, the 1st to-be-joined body and / or the 2nd to-be-joined body may be surface-treated. Examples of the surface treatment include dry treatment such as corona treatment, plasma treatment, UV treatment, and electron beam treatment, and a method of providing a primer layer and a conductive paste receiving layer on the object to be joined.

図3は、金属接合積層体の一例であるパワーデバイスの構成を示した断面模式図である。図3に示したパワーデバイスは、パワー半導体チップ(第二の被接合体)11の下面と銅張絶縁基板(第一の被接合体)13の上面とが金属接合材12によって接合されている。パワー半導体チップ11は、Si、SiC、GaN等で本体が構成され、下面にはAuメッキが施されている。金属接合材12は、銀粒子及び有機成分を含有する金属接合用組成物を焼成することで得られる銀粒子焼結層である。銅張絶縁基板13は、窒化ケイ素等で構成された基材13aの両面に、Agメッキが施されたCu層13bを有するものである。Cu層13bにAgメッキが施されないこともある。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a power device that is an example of a metal bonded laminate. In the power device shown in FIG. 3, the lower surface of the power semiconductor chip (second bonded body) 11 and the upper surface of the copper-clad insulating substrate (first bonded body) 13 are bonded by the metal bonding material 12. . The power semiconductor chip 11 has a main body made of Si, SiC, GaN or the like, and Au plating is applied to the lower surface. The metal bonding material 12 is a silver particle sintered layer obtained by firing a metal bonding composition containing silver particles and an organic component. The copper-clad insulating substrate 13 has a Cu layer 13b with Ag plating on both surfaces of a base material 13a made of silicon nitride or the like. The Cu layer 13b may not be subjected to Ag plating.

銅張絶縁基板13の下には、パワー半導体チップ11で発生した熱を放出させるために、放熱材14及びヒートシンク15が取り付けられる。図3中の矢印は、熱の放出経路を示している。また、パワー半導体チップ11の上部には、パワー半導体チップ11への電力供給のために、ワイヤーボンド16が取り付けられる。 Under the copper-clad insulating substrate 13, a heat radiating material 14 and a heat sink 15 are attached in order to release heat generated in the power semiconductor chip 11. The arrows in FIG. 3 indicate the heat release path. In addition, a wire bond 16 is attached to the upper portion of the power semiconductor chip 11 in order to supply power to the power semiconductor chip 11.

上記銀粒子焼結層で構成される金属接合材12は、パワー半導体チップ11を銅張絶縁基板13に対し、機械的、電気的及び熱的に強固に接合することができる。銀粒子がナノメートルサイズの粒子である場合には、ナノ粒子特有の融点降下によって低温で焼結させることができ、かつ金属箔に近い高い導電性や熱伝導性を実現できる。一方、従来のように、金属接合材12として半田を用いる場合には、半田を融解した後、凝固させることによって接合が行われる。この場合、金属接合材12の接合温度は、半田の融点であり、金属接合材12の耐熱温度(使用可能温度)は、半田の融点(接合温度)よりも低くなる。このため、金属接合材12の耐熱温度を上げようとすると、接合温度も上がってしまう。パワーデバイスの開発においては、耐熱性や長期信頼性の向上が求められており、半田よりも高温での信頼性に優れた銀粒子焼結層が好適に用いられる。ここで、長期信頼性とは、金属接合体の機械的特性等が長期間維持されることを意味し、例えば、多数のヒートサイクルの印加によっても金属接合体の機械的特性等が低下し難いことを意味する。 The metal bonding material 12 composed of the silver particle sintered layer can firmly bond the power semiconductor chip 11 to the copper-clad insulating substrate 13 mechanically, electrically, and thermally. When the silver particles are nanometer-sized particles, the silver particles can be sintered at a low temperature due to the melting point drop unique to the nanoparticles, and high conductivity and thermal conductivity close to those of the metal foil can be realized. On the other hand, when solder is used as the metal bonding material 12 as in the prior art, the bonding is performed by melting and solidifying the solder. In this case, the bonding temperature of the metal bonding material 12 is the melting point of the solder, and the heat resistance temperature (usable temperature) of the metal bonding material 12 is lower than the melting point of the solder (bonding temperature). For this reason, when it is going to raise the heat-resistant temperature of the metal joining material 12, joining temperature will also rise. In the development of power devices, improvement in heat resistance and long-term reliability is required, and a silver particle sintered layer that is superior in reliability at a higher temperature than solder is preferably used. Here, the long-term reliability means that the mechanical properties and the like of the metal joined body are maintained for a long time. For example, the mechanical properties and the like of the metal joined body are unlikely to deteriorate even when a large number of heat cycles are applied. Means that.

上記銀粒子焼結層は、金属接合用組成物を原料とし、例えば、以下の工程(1)〜(4)を経て形成される。 The silver particle sintered layer is formed through the following steps (1) to (4) using a metal bonding composition as a raw material, for example.

<工程(1)>
上記工程(1)では、第一の被接合体に金属接合用組成物を塗布する。ここで、「塗布」とは、金属接合用組成物を面状に塗布する場合も線状に塗布(描画)する場合も含む概念である。塗布されて、加熱により焼成される前の状態の金属接合用組成物からなる塗膜の形状は、所望する形状にすることが可能である。したがって、加熱による焼結後の金属接合材(銀粒子焼結層)12は、面状及び線状のいずれであってもよく、第一の被接合体上において連続していても不連続であってもよい。
<Step (1)>
In the said process (1), the composition for metal joining is apply | coated to a 1st to-be-joined body. Here, the term “application” is a concept including a case where the metal bonding composition is applied in a planar shape and a case where the composition is applied (drawn) in a linear shape. The shape of the coating film made of the composition for metal bonding before being applied and fired by heating can be made into a desired shape. Therefore, the metal bonding material (silver particle sintered layer) 12 after sintering by heating may be either planar or linear, and may be discontinuous even if continuous on the first bonded body. There may be.

上記金属接合用組成物を塗布する方法としては、例えば、スクリーン印刷(メタルマスク印刷)、ディスペンサー法、ピントランスファー法、ディッピング、スプレー方式、バーコート法、スピンコート法、インクジェット法、刷毛による塗布方式、流延法、フレキソ法、グラビア法、オフセット法、転写法、親疎水パターン法、シリンジ法等から適宜選択してよい。 Examples of the method for applying the metal bonding composition include screen printing (metal mask printing), dispenser method, pin transfer method, dipping, spray method, bar coating method, spin coating method, ink jet method, and application method using a brush. , Casting method, flexo method, gravure method, offset method, transfer method, hydrophilic / hydrophobic pattern method, syringe method and the like.

上記金属接合用組成物の粘度は、例えば、0.01〜5000Pa・Sの範囲が好ましく、0.1〜1000Pa・Sの範囲がより好ましく、1〜100Pa・Sの範囲であることが更に好ましい。当該粘度範囲とすることにより、金属接合用組成物を塗布する方法として幅広い方法を適用することができる。粘度の調整は、銀粒子の粒径の調整、有機成分の含有量の調整、各成分の配合比の調整、増粘剤の添加等によって行うことができる。金属接合用組成物の粘度は、例えば、コーンプレート型粘度計(例えばアントンパール社製のレオメーターMCR301)により測定することができる。 The viscosity of the metal bonding composition is, for example, preferably in the range of 0.01 to 5000 Pa · S, more preferably in the range of 0.1 to 1000 Pa · S, and still more preferably in the range of 1 to 100 Pa · S. . By setting the viscosity range, a wide range of methods can be applied as a method for applying the metal bonding composition. The viscosity can be adjusted by adjusting the particle diameter of the silver particles, adjusting the content of the organic component, adjusting the blending ratio of each component, adding a thickener, and the like. The viscosity of the metal bonding composition can be measured, for example, with a cone plate viscometer (for example, Rheometer MCR301 manufactured by Anton Paar).

<工程(2)>
上記工程(2)では、塗布した金属接合用組成物(塗膜)を加熱乾燥する。第一の被接合体に塗布された金属接合用組成物は、通常、塗布性(印刷性)及びポットライフ(可使時間)を確保するために有機成分の量が多くされており、そのまま第二の被接合体を押し付け加熱焼結させると、生成する銀粒子焼結層中に空隙(ボイド)が多く発生してしまう。そこで、金属接合用組成物に第二の被接合体を押し付ける前に、工程(2)において金属接合用組成物を加熱乾燥し、金属接合用組成物中の有機成分の含有量を予め低減する。
<Step (2)>
In the said process (2), the apply | coated composition for metal joining (coating film) is heat-dried. The metal bonding composition applied to the first object to be bonded usually has a large amount of organic components in order to ensure applicability (printability) and pot life (pot life). When the second bonded body is pressed and sintered by heating, many voids are generated in the silver particle sintered layer to be generated. Therefore, before pressing the second object to be bonded to the metal bonding composition, the metal bonding composition is heated and dried in step (2) to reduce the content of organic components in the metal bonding composition in advance. .

上記工程(2)における加熱温度(予備乾燥温度)は、25℃以上、100℃以下であることが好ましい。25℃未満では、金属接合用組成物中の分散媒を効率よく揮発させることができない。100℃を超えると、分散媒を充分に揮発させることができるが、銀粒子に付着させた分散剤の一部も揮発し、焼結が始まってしまうおそれがあり、その場合、第二の被接合体を押し付けた際に密着させることができず、無加圧での接合が困難となる。予備乾燥温度のより好ましい下限は、50℃であり、更に好ましい下限は60℃である。上記工程(2)における加熱時間は特に限定されないが、金属接合用組成物中の有機成分の含有量が変化しなくなるまで行うことが好ましい。上記工程(2)における加熱乾燥を行う方法は特に限定されず、例えば従来公知のオーブン等を用いることができる。 The heating temperature (preliminary drying temperature) in the step (2) is preferably 25 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. If it is less than 25 degreeC, the dispersion medium in the composition for metal joining cannot be volatilized efficiently. If the temperature exceeds 100 ° C., the dispersion medium can be sufficiently volatilized, but part of the dispersant adhering to the silver particles may also volatilize, and sintering may start. When the joined body is pressed, it cannot be brought into close contact, and joining without pressure is difficult. A more preferable lower limit of the predrying temperature is 50 ° C., and a more preferable lower limit is 60 ° C. Although the heating time in the said process (2) is not specifically limited, It is preferable to carry out until content of the organic component in the composition for metal joining does not change. The method for performing heat drying in the step (2) is not particularly limited, and for example, a conventionally known oven or the like can be used.

<工程(3)>
上記工程(3)では、加熱乾燥された金属接合用組成物に第二の被接合体を押し付ける。第二の被接合体は、1MPa以下の荷重で押し付けられることが好ましい。押し付け荷重が1MPaを超えると、パワー半導体チップ11等の第二の被接合体へのダメージ(表面の傷つきや割れ)が懸念される。押し付け荷重は0.05MPa以上であることが好ましい。押し付け荷重が0.05MPa未満であると、密着不足となり剥離してしまうおそれがある。上記工程(3)における第二の被接合体の押し付けを行う方法は特に限定されず、従来公知のさまざまな方法が適用可能であるが、加熱乾燥された金属接合用組成物(乾燥塗膜)を均一に加圧する方法が好ましい。
<Step (3)>
In the said process (3), a 2nd to-be-joined body is pressed against the heat-dried composition for metal joining. It is preferable that the second bonded body is pressed with a load of 1 MPa or less. When the pressing load exceeds 1 MPa, there is a concern about damage (surface damage or cracking) to the second bonded body such as the power semiconductor chip 11. The pressing load is preferably 0.05 MPa or more. If the pressing load is less than 0.05 MPa, the contact may be insufficient and may be peeled off. The method for pressing the second object to be bonded in the above step (3) is not particularly limited, and various conventionally known methods can be applied, but a heat-dried composition for metal bonding (dry coating film) A method of uniformly pressurizing is preferred.

<工程(4)>
上記工程(4)では、金属接合用組成物を加熱して焼結させ、銀粒子焼結層を形成する。工程(2)の予備加熱では、有機成分のうち、主に分散媒が揮発し、銀粒子に付着させた分散剤等は金属接合用組成物内に残存するが、工程(4)における加熱により、金属接合用組成物中の有機成分の大部分又は全てが揮発する。本実施形態においては、金属接合用組成物がバインダー成分を含む場合は、接合材の強度向上及び被接合部材間の接合強度向上等の観点から、バインダー成分も焼結することになるが、場合によっては、各種印刷法へ適用するために金属接合用組成物の粘度を調整することをバインダー成分の主目的として、焼成条件を制御してバインダー成分を全て除去してもよい。銀粒子焼結層は、高い接合強度を得るという点で有機成分の残存量は少ない方がよく、有機成分を実質的に含有しないことが好ましいが、本発明の効果を損なわない範囲で有機成分の一部が残存していても構わない。
<Process (4)>
In the step (4), the metal bonding composition is heated and sintered to form a silver particle sintered layer. In the preheating in the step (2), the dispersion medium mainly volatilizes out of the organic components, and the dispersant and the like attached to the silver particles remain in the metal bonding composition, but the heating in the step (4) Most or all of the organic components in the metal bonding composition are volatilized. In this embodiment, when the metal bonding composition includes a binder component, the binder component is also sintered from the viewpoint of improving the strength of the bonding material and improving the bonding strength between the bonded members. In some cases, the binder component is mainly used to adjust the viscosity of the metal bonding composition for application to various printing methods, and the binder condition may be controlled to remove all the binder component. The silver particle sintered layer should have a small remaining amount of organic component in terms of obtaining high bonding strength, and preferably contains substantially no organic component, but it does not impair the effects of the present invention. A part of may remain.

また、工程(4)における加熱により、金属接合用組成物内において銀粒子同士が結合するだけでなく、第一の被接合体及び第二の被接合体と銀粒子焼結層との界面近傍では、隣接する層間で金属が拡散し合う。これにより、第一の被接合体と銀粒子焼結層の間、及び、第二の被接合体と銀粒子焼結層の間で強固な結合が形成される。 In addition, the heating in the step (4) not only bonds the silver particles in the metal bonding composition, but also the vicinity of the interface between the first bonded body and the second bonded body and the silver particle sintered layer. Then, metal diffuses between adjacent layers. Thereby, a strong bond is formed between the first bonded body and the silver particle sintered layer and between the second bonded body and the silver particle sintered layer.

上記工程(4)は、第一の被接合体と第二の被接合体とを加圧しつつ接合するものであってもよいが、第一の被接合体と第二の被接合体とを無加圧下で接合するものであってもよい。無加圧下での接合は、加圧と加熱を同時に行わないことから、生産性に優れている。無加圧下で接合する場合には、金属接合用組成物を加熱して焼結させる際の有機成分の揮発に起因して銀粒子焼結層内に空隙が発生しやすいが、本実施形態では、工程(2)の予備乾燥により金属接合用組成物中の有機成分の含有量が調整されているため、無加圧下で接合しても空隙の発生が抑制され、高い接合強度を有する銀粒子焼結層(金属接合材)が得られる。 In the step (4), the first bonded body and the second bonded body may be bonded while being pressurized, but the first bonded body and the second bonded body are bonded together. It may be bonded under no pressure. Bonding under no pressure is excellent in productivity because pressure and heating are not performed simultaneously. In the case of joining under no pressure, voids are likely to be generated in the silver particle sintered layer due to volatilization of organic components when the metal joining composition is heated and sintered. Since the content of the organic component in the metal bonding composition is adjusted by the preliminary drying in the step (2), the generation of voids is suppressed even when bonded under no pressure, and the silver particles have high bonding strength. A sintered layer (metal bonding material) is obtained.

工程(4)における加熱温度は、銀粒子焼結層を形成することができれば特に限定されないが、200〜300℃であることが好ましい。加熱温度が200〜300℃であれば、第一の被接合体及び第二の被接合体へのダメージを防止しつつ、有機成分等を蒸発又は分解により除去でき、高い接合強度が得られる。また、加熱を行う際、温度を段階的に上げたり下げたりしてもよく、室温から昇温することが好ましい。工程(4)における加熱時間は特に限定されず、加熱温度に応じて、接合強度が充分に得られるように調整すればよい。工程(4)における加熱を行う方法は特に限定されず、例えば従来公知のオーブン等を用いることができる。工程(4)における加熱は、大気雰囲気で行われてもよいし、窒素雰囲気で行われてもよい。 Although the heating temperature in a process (4) will not be specifically limited if a silver particle sintered layer can be formed, It is preferable that it is 200-300 degreeC. If heating temperature is 200-300 degreeC, an organic component etc. can be removed by evaporation or decomposition | disassembly, preventing the damage to a 1st to-be-joined body and a 2nd to-be-joined body, and high joining strength is obtained. Moreover, when heating, you may raise or lower temperature in steps, and it is preferable to heat up from room temperature. The heating time in the step (4) is not particularly limited, and may be adjusted according to the heating temperature so that the bonding strength can be sufficiently obtained. The method for heating in the step (4) is not particularly limited, and for example, a conventionally known oven or the like can be used. The heating in the step (4) may be performed in an air atmosphere or a nitrogen atmosphere.

上記銀粒子焼結層は、機械的、電気的及び熱的に強固な接合状態を得る観点から、緻密な焼結体であることが好ましく、具体的には、銀粒子焼結層の空隙率は、20体積%以下であることが好ましい。本実施形態の金属接合用組成物によれば、無加圧下で接合しても、空隙率が5〜20体積%の銀粒子焼結層を容易に形成することができる。 The silver particle sintered layer is preferably a dense sintered body from the viewpoint of obtaining a mechanically, electrically and thermally strong bonded state, specifically, the porosity of the silver particle sintered layer. Is preferably 20% by volume or less. According to the metal bonding composition of this embodiment, a silver particle sintered layer having a porosity of 5 to 20% by volume can be easily formed even when bonded under no pressure.

上記銀粒子焼結層の厚さは、例えば、10〜200μmであり、より好ましくは20〜100μmである。なお、銀粒子焼結層の厚さは塗膜の厚さによって容易に制御することができる。 The thickness of the silver particle sintered layer is, for example, 10 to 200 μm, and more preferably 20 to 100 μm. The thickness of the silver particle sintered layer can be easily controlled by the thickness of the coating film.

本実施形態の金属接合積層体の用途は特に限定されないが、金属接合積層体が電力用半導体素子(パワーデバイス)である場合には、電気制御機器に用いることができる。本発明の金属接合積層体を備える電気制御機器もまた、本発明の一態様である。電気制御機器は、車載、電鉄、産業用、民生(家電)用、電力(発電)等の分野において電気制御(電力のスイッチング)に用いられる。 The use of the metal bonded laminate according to the present embodiment is not particularly limited, but when the metal bonded laminate is a power semiconductor element (power device), it can be used for an electric control device. An electric control device including the metal bonded laminate according to the present invention is also an embodiment of the present invention. The electric control device is used for electric control (power switching) in fields such as in-vehicle, electric railway, industrial, consumer (home appliance), and electric power (power generation).

以下、本発明について実施例を掲げて更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is hung up and demonstrated in more detail about this invention, this invention is not limited only to these Examples.

<実施例1>
3−メトキシプロピルアミン2.0gをマグネティックスターラーで充分に撹拌を行いながら、シュウ酸銀3.0gを添加し、増粘させた。得られた粘性物質を恒温槽に入れて反応させた後、レブリン酸10gを添加して更に反応させ、懸濁液を得た。次に、懸濁液の分散媒を置換するため、メタノールを加えて撹拌後、遠心分離によりナノ銀粒子を沈殿させて分離し、上澄みを捨てた。この操作をもう一度繰り返した。得られたナノ銀粒子の量は2.1gであった。この得られたナノ銀粒子とミクロン銀粒子(福田金属箔粉工業社製、Ag−HWQ2.5)を7:3の質量比で混合し、ヘキシルカルビトール(分散媒)とリシノール酸(添加物)を9:1で混合した混合液を、ナノ銀粒子とミクロン銀粒子の合計量と混合液との質量比が9:1となるように加えて撹拌混合し、金属接合用組成物を得た。
<Example 1>
While sufficiently stirring 2.0 g of 3-methoxypropylamine with a magnetic stirrer, 3.0 g of silver oxalate was added to increase the viscosity. The resulting viscous material was allowed to react in a thermostatic bath, and then 10 g of levulinic acid was added for further reaction to obtain a suspension. Next, in order to replace the dispersion medium of the suspension, methanol was added and stirred, and then nanosilver particles were precipitated and separated by centrifugation, and the supernatant was discarded. This operation was repeated once more. The amount of the obtained nano silver particles was 2.1 g. The obtained nano silver particles and micron silver particles (manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Co., Ltd., Ag-HWQ2.5) are mixed at a mass ratio of 7: 3, and hexyl carbitol (dispersion medium) and ricinoleic acid (additives) are mixed. ) Is mixed at a ratio of 9: 1 so that the mass ratio of the total amount of nanosilver particles and micron silver particles to the mixture is 9: 1 and stirred to obtain a composition for metal bonding. It was.

<実施例2>
ナノ銀粒子とミクロン銀粒子の混合比を8:2に変更したこと以外は実施例1と同様にして金属接合用組成物を作製した。
<Example 2>
A metal bonding composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of nano silver particles and micron silver particles was changed to 8: 2.

<実施例3>
ナノ銀粒子とミクロン銀粒子の混合比を9:1に変更したこと以外は実施例1と同様にして金属接合用組成物を作製した。
<Example 3>
A metal bonding composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of nano silver particles and micron silver particles was changed to 9: 1.

<実施例4>
3−メトキシプロピルアミン2.0gをマグネティックスターラーで充分に撹拌を行いながら、シュウ酸銀3.0gを添加し、増粘させた。得られた粘性物質を恒温槽に入れて反応させた後、レブリン酸10gを添加して更に反応させ、懸濁液を得た。次に、懸濁液の分散媒を置換するため、メタノールを加えて撹拌後、遠心分離によりナノ銀粒子を沈殿させて分離し、上澄みを捨てた。この操作をもう一度繰り返した。得られたナノ銀粒子の量は2.1gであった。また、3−メトキシプロピルアミン5.0gとドデシルアミン0.5gとジグリコールアミン6.0gをマグネティックスターラーで充分に撹拌を行いながら、シュウ酸銀4.5gを添加し、増粘させた。得られた粘性物質を恒温槽に入れて反応させ、懸濁液を得た。次に、懸濁液の分散媒を置換するため、メタノールを加えて撹拌後、遠心分離によりサブミクロン銀粒子を沈殿させて分離し、上澄みを捨てた。この操作をもう一度繰り返した。得られたサブミクロン銀粒子の量は3.0gであった。得られたナノ銀粒子とサブミクロン銀粒子を5:5の質量比で混合し、ヘキシルカルビトール(分散媒)とリシノール酸(添加物)を9:1で混合した混合液を、ナノ銀粒子とサブミクロン銀粒子の合計量と混合液との質量比が9:1となるように加えて撹拌混合し、金属接合用組成物を得た。
<Example 4>
While sufficiently stirring 2.0 g of 3-methoxypropylamine with a magnetic stirrer, 3.0 g of silver oxalate was added to increase the viscosity. The resulting viscous material was allowed to react in a thermostatic bath, and then 10 g of levulinic acid was added for further reaction to obtain a suspension. Next, in order to replace the dispersion medium of the suspension, methanol was added and stirred, and then nanosilver particles were precipitated and separated by centrifugation, and the supernatant was discarded. This operation was repeated once more. The amount of the obtained nano silver particles was 2.1 g. Further, while stirring 5.0 g of 3-methoxypropylamine, 0.5 g of dodecylamine and 6.0 g of diglycolamine with a magnetic stirrer, 4.5 g of silver oxalate was added to increase the viscosity. The obtained viscous substance was put into a thermostat and reacted to obtain a suspension. Next, in order to replace the dispersion medium of the suspension, methanol was added and stirred, and then submicron silver particles were precipitated and separated by centrifugation, and the supernatant was discarded. This operation was repeated once more. The amount of submicron silver particles obtained was 3.0 g. The obtained nano silver particles and submicron silver particles were mixed at a mass ratio of 5: 5, and a mixed liquid in which hexyl carbitol (dispersion medium) and ricinoleic acid (additive) were mixed at 9: 1 was combined with nano silver particles. Were added so that the mass ratio of the total amount of the submicron silver particles and the mixed solution was 9: 1, and the mixture was stirred and mixed to obtain a metal bonding composition.

<実施例5>
後述する(1)引張試験と(2)金属接合積層体の作製方法と接合強度の測定における、焼成の最高温度を250℃にしたこと以外は、実施例4と同様に行った。
<Example 5>
It was carried out in the same manner as in Example 4 except that (1) tensile test and (2) a method for producing a metal bonded laminate and measurement of bonding strength, which will be described later, were set to a maximum firing temperature of 250 ° C.

<実施例6>
3−メトキシプロピルアミン3.0gをマグネティックスターラーで充分に撹拌を行いながら、シュウ酸銀3.0gを添加し、増粘させた。得られた粘性物質を恒温槽に入れて反応させた後、ドデシルアミン9gを添加して更に反応させ、懸濁液を得た。次に、懸濁液の分散媒を置換するため、メタノールを加えて撹拌後、遠心分離によりナノ銀粒子を沈殿させて分離し、上澄みを捨てた。この操作をもう一度繰り返した。得られたナノ銀粒子の量は2.1gであった。また、3−メトキシプロピルアミン5.0gとドデシルアミン0.5gとジグリコールアミン10.0gをマグネティックスターラーで充分に撹拌を行いながら、シュウ酸銀4.5gを添加し、増粘させた。得られた粘性物質を恒温槽に入れて反応させた後、ドデシルアミン15gを添加して更に反応させ、懸濁液を得た。次に、懸濁液の分散媒を置換するため、メタノールを加えて撹拌後、遠心分離によりサブミクロン銀粒子を沈殿させて分離し、上澄みを捨てた。この操作をもう一度繰り返した。得られたサブミクロン銀粒子の量は3.0gであった。得られたナノ銀粒子とサブミクロン銀粒子を4:6の質量比で混合し、ヘキシルカルビトール(分散媒)とリシノール酸(添加物)を9:1で混合した混合液を、ナノ銀粒子とサブミクロン銀粒子の合計量と混合液との質量比が9:1となるように加えて撹拌混合し、金属接合用組成物を得た。
<Example 6>
While thoroughly stirring 3.0 g of 3-methoxypropylamine with a magnetic stirrer, 3.0 g of silver oxalate was added to increase the viscosity. The viscous material obtained was allowed to react in a thermostat, and then 9 g of dodecylamine was added for further reaction to obtain a suspension. Next, in order to replace the dispersion medium of the suspension, methanol was added and stirred, and then nanosilver particles were precipitated and separated by centrifugation, and the supernatant was discarded. This operation was repeated once more. The amount of the obtained nano silver particles was 2.1 g. Further, while stirring 5.0 g of 3-methoxypropylamine, 0.5 g of dodecylamine and 10.0 g of diglycolamine with a magnetic stirrer, 4.5 g of silver oxalate was added to increase the viscosity. The obtained viscous substance was allowed to react in a thermostatic bath, and then 15 g of dodecylamine was added for further reaction to obtain a suspension. Next, in order to replace the dispersion medium of the suspension, methanol was added and stirred, and then submicron silver particles were precipitated and separated by centrifugation, and the supernatant was discarded. This operation was repeated once more. The amount of submicron silver particles obtained was 3.0 g. The obtained nanosilver particles and submicron silver particles were mixed at a mass ratio of 4: 6, and a mixed liquid in which hexyl carbitol (dispersion medium) and ricinoleic acid (additive) were mixed at 9: 1 was combined with nanosilver particles. Were added so that the mass ratio of the total amount of the submicron silver particles and the mixed solution was 9: 1, and the mixture was stirred and mixed to obtain a metal bonding composition.

<実施例7>
3−メトキシプロピルアミン5.0gをマグネティックスターラーで充分に撹拌を行いながら、シュウ酸銀3.0gを添加し、増粘させた。得られた粘性物質を恒温槽に入れて反応させ、懸濁液を得た。次に、懸濁液の分散媒を置換するため、メタノールを加えて撹拌後、遠心分離によりナノ銀粒子を沈殿させて分離し、上澄みを捨てた。この操作をもう一度繰り返した。得られたナノ銀粒子の量は2.0gであった。また、ジグリコールアミン15.0gをマグネティックスターラーで充分に撹拌を行いながら、シュウ酸銀4.5gを添加し、増粘させた。得られた粘性物質を恒温槽に入れて反応させ、懸濁液を得た。次に、懸濁液の分散媒を置換するため、メタノールを加えて撹拌後、遠心分離によりサブミクロン銀粒子を沈殿させて分離し、上澄みを捨てた。この操作をもう一度繰り返した。得られたサブミクロン銀粒子の量は3.0gであった。得られたナノ銀粒子とサブミクロン銀粒子を4:6の質量比で混合し、ヘキシルカルビトール(分散媒)とリシノール酸(添加物)を9:1で混合した混合液を、ナノ銀粒子とサブミクロン銀粒子の合計量と混合液との質量比が9:1となるように加えて撹拌混合し、金属接合用組成物を得た。
なお、後述する(1)引張試験と(2)金属接合積層体の作製方法と接合強度の測定における、焼成雰囲気は、窒素を流して酸素濃度を300ppm以下にした。
<Example 7>
While thoroughly stirring 5.0 g of 3-methoxypropylamine with a magnetic stirrer, 3.0 g of silver oxalate was added to increase the viscosity. The obtained viscous substance was put into a thermostat and reacted to obtain a suspension. Next, in order to replace the dispersion medium of the suspension, methanol was added and stirred, and then nanosilver particles were precipitated and separated by centrifugation, and the supernatant was discarded. This operation was repeated once more. The amount of the obtained nano silver particles was 2.0 g. Further, while sufficiently stirring 15.0 g of diglycolamine with a magnetic stirrer, 4.5 g of silver oxalate was added to increase the viscosity. The obtained viscous substance was put into a thermostat and reacted to obtain a suspension. Next, in order to replace the dispersion medium of the suspension, methanol was added and stirred, and then submicron silver particles were precipitated and separated by centrifugation, and the supernatant was discarded. This operation was repeated once more. The amount of submicron silver particles obtained was 3.0 g. The obtained nanosilver particles and submicron silver particles were mixed at a mass ratio of 4: 6, and a mixed liquid in which hexyl carbitol (dispersion medium) and ricinoleic acid (additive) were mixed at 9: 1 was combined with nanosilver particles. Were added so that the mass ratio of the total amount of the submicron silver particles and the mixed solution was 9: 1, and the mixture was stirred and mixed to obtain a metal bonding composition.
Note that, in the firing atmosphere described later in (1) tensile test and (2) measurement method of metal junction laminate and measurement of bonding strength, nitrogen was passed to reduce the oxygen concentration to 300 ppm or less.

<比較例1>
ナノ銀粒子とミクロン銀粒子の混合比を6:4に変更したこと以外は実施例1と同様にして金属接合用組成物を作製した。
<Comparative Example 1>
A metal bonding composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that the mixing ratio of nano silver particles and micron silver particles was changed to 6: 4.

<比較例2>
リシノール酸の代わりにソルスパース54000(日本ルーブリゾール社製)を用いたこと以外は実施例1と同様にして金属接合用組成物を作製した。
<Comparative Example 2>
A metal bonding composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that Solsperse 54000 (manufactured by Nippon Lubrizol Co., Ltd.) was used instead of ricinoleic acid.

[評価試験]
実施例及び比較例で作製した金属接合用組成物を用いて下記評価試験を行った。その結果を表1に示した。
[Evaluation test]
The following evaluation tests were conducted using the metal bonding compositions prepared in the examples and comparative examples. The results are shown in Table 1.

(A)銀粒子の平均粒径の測定
日立社製の走査型電子顕微鏡(型番:S4800)を用いて200000倍で撮影した写真から、50〜100個程度の粒子の粒径の算術平均値を算出する方法にてナノ銀粒子、サブミクロン銀粒子、及び、ミクロン銀粒子の平均粒径を得た。
(A) Measurement of average particle diameter of silver particles From a photograph taken at 200,000 times using a scanning electron microscope (model number: S4800) manufactured by Hitachi, an arithmetic average value of particle diameters of about 50 to 100 particles is obtained. The average particle diameter of nano silver particles, submicron silver particles, and micron silver particles was obtained by the calculation method.

(B)有機成分の含有量の測定
株式会社リガク製の熱分析装置(示差熱天秤:TG−DTA)を用いて、金属接合用組成物のサンプル20mgを大気中、昇温速度10℃/minにて550℃まで昇温し、その際の揮発分を有機成分の含有量とした。
(B) Measurement of content of organic component Using a thermal analyzer (differential thermobalance: TG-DTA) manufactured by Rigaku Corporation, a sample of 20 mg of a metal bonding composition was heated in the atmosphere at a rate of temperature increase of 10 ° C / min. The temperature was raised to 550 ° C. and the volatile content at that time was defined as the content of the organic component.

(1)引張試験
JIS K 6251に規定されたダンベル状7号形のメタルマスク(板厚90μm)を用いて、金属接合用組成物をスライドガラス上に印刷した。予備乾燥として、印刷した金属接合用組成物を70℃に設定したオーブンに入れて30分間乾燥させた。乾燥させた金属接合用組成物の上にスライドガラスを載せて、リフロー炉(シンアペックス社製)に入れて焼成処理を行った。リフロー炉中の焼成処理は、大気雰囲気で行われ、室温から昇温速度3.8℃/minで最高温度275℃まで昇温した後、275℃で60分間保持した。焼成処理の際、加圧は行われず無加圧であった。焼成した金属接合用組成物をリフロー炉から取り出した後、スライドガラスから剥がして引張試験の試験片とした。
(1) Tensile test The composition for metal joining was printed on the slide glass using the dumbbell-shaped No. 7 type metal mask (plate thickness 90 micrometers) prescribed | regulated to JISK6251. As preliminary drying, the printed metal bonding composition was placed in an oven set at 70 ° C. and dried for 30 minutes. A slide glass was placed on the dried metal bonding composition and placed in a reflow furnace (manufactured by Shin Apex Co., Ltd.) for firing treatment. The firing process in the reflow furnace was performed in an air atmosphere, heated from room temperature to a maximum temperature of 275 ° C. at a heating rate of 3.8 ° C./min, and then held at 275 ° C. for 60 minutes. During the firing treatment, no pressure was applied and no pressure was applied. The fired metal bonding composition was taken out of the reflow furnace and then peeled off from the slide glass to obtain a test piece for a tensile test.

引張試験は、インストロン社製の万能引張試験機5969にて測定速度0.72mm/minにて行った。試験片が破断したときの引張破断応力と破断伸び(ひずみ)を測定した。また、得られた応力−ひずみ曲線(SS曲線)におけるひずみが0.05〜0.25%の範囲の傾きを近似式から算出し、ヤング率とした。 The tensile test was performed with a universal tensile tester 5969 manufactured by Instron at a measurement speed of 0.72 mm / min. The tensile breaking stress and breaking elongation (strain) when the test piece broke were measured. In addition, the slope in the range of 0.05 to 0.25% of the strain in the obtained stress-strain curve (SS curve) was calculated from an approximate expression and used as the Young's modulus.

(2)金属接合積層体の作製方法と接合強度の測定
銀メッキしたDBC基板(面積:30mm×40mm、断面構成:Cu板/SiN基材/Cu板=0.2mm厚/0.32mm厚/0.2mm厚)に、メタルマスク(板厚90μm)を用いて金属接合用組成物を11mm角に塗布した。予備乾燥として、塗布した金属接合用組成物を70℃に設定したオーブン入れて30分間乾燥させた。乾燥させた金属接合用組成物の上に、金スパッタを施したSiチップ(底面積:5mm×5mm又は10mm×10mm)を積層し、0.2MPaで押し付けた。そして、得られた積層体を、リフロー炉(シンアペックス社製)に入れて焼成処理を行った。リフロー炉中の焼成処理は、大気雰囲気で行われ、室温から昇温速度3.8℃/minで最大温度275℃まで上げた後に昇温した後、275℃で60分間保持した。焼成処理の際、加圧は行われず無加圧であった。焼成処理の完了後、銀メッキしたDBC基板上に、焼結した金属接合用組成物からなる金属接合材によって、金スパッタを施したSiチップが接合されてなる金属接合積層体が得られた。
(2) Preparation method of metal bonded laminate and measurement of bonding strength Silver plated DBC substrate (area: 30 mm × 40 mm, cross-sectional configuration: Cu plate / SiN substrate / Cu plate = 0.2 mm thickness / 0.32 mm thickness / The metal bonding composition was applied to an 11 mm square using a metal mask (plate thickness: 90 μm). As preliminary drying, the applied metal bonding composition was placed in an oven set at 70 ° C. and dried for 30 minutes. On the dried metal bonding composition, a Si chip (bottom area: 5 mm × 5 mm or 10 mm × 10 mm) subjected to gold sputtering was laminated and pressed at 0.2 MPa. And the obtained laminated body was put into the reflow furnace (made by Shin Apex), and the baking process was performed. The firing process in the reflow furnace was performed in an air atmosphere. After the temperature was increased from room temperature to a maximum temperature of 275 ° C. at a temperature increase rate of 3.8 ° C./min, the temperature was raised at 275 ° C. for 60 minutes. During the firing treatment, no pressure was applied and no pressure was applied. After the completion of the firing treatment, a metal bonded laminate was obtained in which a Si chip subjected to gold sputtering was bonded onto a silver-plated DBC substrate with a metal bonding material made of a sintered metal bonding composition.

常温にてボンドテスター(レスカ社製)を用いて、金属接合積層体の接合強度を測定した。試験片として、5mm×5mmのSiチップを積層したものを用いた。ボンドテスターに使用したロードセルは100kgfであり、5mm×5mmのチップを用いた場合の測定上限は40MPaとなる。 The bond strength of the metal bonded laminate was measured using a bond tester (manufactured by Reska) at room temperature. As the test piece, a laminate of 5 mm × 5 mm Si chips was used. The load cell used for the bond tester is 100 kgf, and the upper limit of measurement when a 5 mm × 5 mm chip is used is 40 MPa.

(3)ボイド率の測定
上記(2)で得られた金属接合積層体を日本クラウトクレーマー社製の超音波探傷装置(超音波の周波数:80MHz、探触子の径:φ3mm、焦点距離PF=10mm)にてボイドを確認した。接合界面での反射ピークが最も高くなるところに微調整し、材質音速=Si:9600mm/s、Gain=65dBとして測定した。反射強度の閾値を55%とし、それ以上をボイドとみなした。閾値で2値化して得られたボイドの面積をソフトを用いて計算し、ボイド率を算出した。なお、試験片としては、10mm×10mmのSiチップを積層したものを用いた。
(3) Measurement of Void Ratio The metal bonded laminate obtained in (2) above was subjected to an ultrasonic flaw detector manufactured by Nippon Kraut Kramer Co., Ltd. (ultrasonic frequency: 80 MHz, probe diameter: φ3 mm, focal length PF = 10 mm), voids were confirmed. Fine adjustment was made so that the reflection peak at the joint interface was highest, and the measurement was performed with the material sound velocity = Si: 9600 mm / s and Gain = 65 dB. The threshold value of the reflection intensity was 55%, and more than that was regarded as a void. The void area obtained by binarization with the threshold was calculated using software, and the void ratio was calculated. In addition, as a test piece, what laminated | stacked Si chip of 10 mm x 10 mm was used.

(4)ヒートサイクル試験
上記(2)で得られた金属接合積層体を、冷熱衝撃試験機(ヒューテック社製)に入れ、−40℃と200℃でそれぞれ10分間保持するサイクルを1サイクルとし、1000サイクル実施後に取り出した。取り出し後に、上記(3)のボイド率の測定を行い、0サイクル時(初期ボイド率)に対するボイド率の増加量を算出した。なお、試験片としては、10mm×10mmのSiチップを積層したものを用いた。
(4) Heat cycle test The metal bonded laminate obtained in the above (2) is put in a thermal shock tester (manufactured by Hutec) and held at -40 ° C and 200 ° C for 10 minutes, respectively. It was taken out after 1000 cycles. After the removal, the void ratio in the above (3) was measured, and the amount of increase in the void ratio with respect to 0 cycle (initial void ratio) was calculated. In addition, as a test piece, what laminated | stacked Si chip of 10 mm x 10 mm was used.

(5)印刷性
金属接合用組成物の印刷性について、プラスチックスキージ(東洋技研社製)及びメタルマスク版(ムラカミ社製)を用いて手刷り印刷機にて印刷を行い、以下の基準により評価した。
〇:良好
△:印刷可能であるが、糸引きが発生
×:粘度が高く、印刷不可
(5) About printability of the printable metal bonding composition, printing is performed with a hand-printed printing press using a plastic squeegee (manufactured by Toyo Giken Co., Ltd.) and a metal mask plate (manufactured by Murakami Co., Ltd.), and evaluated according to the following criteria. did.
◯: Good △: Printing is possible, but stringing occurs x: High viscosity, not printing

(6)ポットライフ
金属接合用組成物のポットライフについて、上記(5)印刷性の評価と同様に手刷り印刷機にて印刷を行い、以下の基準により評価した。
〇:解放状態で5時間放置後に印刷可能
△:解放状態で1〜4時間放置後に印刷可能
×:解放状態で1時間放置後に印刷不可
(6) About the pot life of the composition for pot life metal joining, it printed with the hand-printing printer similarly to said (5) evaluation of printability, and evaluated by the following references | standards.
◯: Printing is possible after leaving for 5 hours in the released state. Δ: Printing is possible after leaving for 1 to 4 hours in the released state. ×: Printing is not possible after leaving for 1 hour in the released state.

Figure 2019026799
Figure 2019026799

表1から分かるように、実施例1〜7の金属接合用組成物はいずれも、275℃で焼成したときの被膜の引張破断応力が100MPa以上であり、印刷性及びポットライフにも優れていた。このような金属接合用組成物を用いて作製された金属接合積層体はいずれも、接合強度の測定値が測定上限の40MPaであり、40MPa以上の高い接合強度を有することが確認された。また、実施例1〜7の金属接合用組成物を用いて作製された金属接合積層体についてヒートサイクル試験を実施したが、試験後のボイド率(=初期ボイド率+ヒートサイクル後ボイド増加量)はいずれも40%以下であり、高い接合信頼性を有することが確認された。 As can be seen from Table 1, all of the metal bonding compositions of Examples 1 to 7 had a tensile rupture stress of 100 MPa or more when fired at 275 ° C., and were excellent in printability and pot life. . It was confirmed that all of the metal bonded laminates produced using such a metal bonding composition have a bonding strength measurement value of 40 MPa, which is the upper limit of measurement, and a high bonding strength of 40 MPa or more. Moreover, although the heat cycle test was implemented about the metal joining laminated body produced using the composition for metal joining of Examples 1-7, the void rate after a test (= initial void rate + void increase amount after a heat cycle) All are 40% or less, and it was confirmed that they have high bonding reliability.

一方、比較例1及び2の金属接合用組成物は、275℃で焼成したときの被膜の引張破断応力が100MPa未満であり、比較例1及び2の金属接合用組成物を用いて作製された金属接合積層体についてヒートサイクル試験を実施したところ、試験後にボイド率が大幅に上昇し、40%を超えた。これは、ヒートサイクル試験によってクラックが発生したためであると考えられる。また、比較例2の金属接合用組成物を用いて作製された金属接合積層体は、試験後のボイド率が75%と高く、接合強度が31MPaと低かった。 On the other hand, the metal bonding compositions of Comparative Examples 1 and 2 were produced using the metal bonding compositions of Comparative Examples 1 and 2 because the tensile fracture stress of the coating when fired at 275 ° C. was less than 100 MPa. When the heat cycle test was implemented about the metal joining laminated body, the void rate rose significantly after the test and exceeded 40%. This is thought to be because cracks were generated by the heat cycle test. In addition, the metal bonded laminate produced using the metal bonding composition of Comparative Example 2 had a high void ratio after the test of 75% and a low bonding strength of 31 MPa.

11 パワー半導体チップ
12 金属接合材
13 銅張絶縁基板
13a 基材
13b Cu層
14 放熱材
15 ヒートシンク
16 ワイヤーボンド
51、53 スライドガラス
52 金属接合用組成物
54 試験片
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Power semiconductor chip 12 Metal bonding material 13 Copper-clad insulating substrate 13a Base material 13b Cu layer 14 Heat dissipation material 15 Heat sink 16 Wire bond 51, 53 Slide glass 52 Metal bonding composition 54 Test piece

Claims (7)

焼成して金属面を接合するために用いられる金属接合用組成物であって、
前記金属接合用組成物は、銀粒子及び分散媒を含有し、
前記銀粒子は、粒径1〜99nmのナノ粒子と、粒径100〜999nmのサブミクロン粒子及び/又は粒径1〜999μmのミクロン粒子とを含むものであり、
275℃で焼成したときの被膜の引張破断応力が100MPa以上であることを特徴とする金属接合用組成物。
A metal bonding composition used for baking and bonding metal surfaces,
The metal bonding composition contains silver particles and a dispersion medium,
The silver particles include nanoparticles having a particle size of 1 to 99 nm, submicron particles having a particle size of 100 to 999 nm, and / or micron particles having a particle size of 1 to 999 μm,
A composition for metal bonding, wherein the film has a tensile breaking stress of 100 MPa or more when fired at 275 ° C.
前記銀粒子は、前記ナノ粒子及び前記サブミクロン粒子を含むことを特徴とする請求項1に記載の金属接合用組成物。 The metal bonding composition according to claim 1, wherein the silver particles include the nanoparticles and the submicron particles. 前記ナノ粒子と前記サブミクロン粒子の質量比が4:6〜7:3であることを特徴とする請求項2に記載の金属接合用組成物。 The metal bonding composition according to claim 2, wherein a mass ratio of the nanoparticles to the submicron particles is 4: 6 to 7: 3. 第一の金属面と第二の金属面とを接合する金属接合材を含む金属接合積層体であって、
前記金属接合材は、請求項1〜3のいずれかに記載の金属接合用組成物の焼結体であることを特徴とする金属接合積層体。
A metal bonded laminate including a metal bonding material for bonding the first metal surface and the second metal surface,
The said metal joining material is a sintered compact of the composition for metal joining in any one of Claims 1-3, The metal joining laminated body characterized by the above-mentioned.
前記第一の金属面及び前記第二の金属面の少なくとも一方は、Cu、Ag又はAuで構成される基材又はメッキ層の表面であることを特徴とする請求項4に記載の金属接合積層体。 5. The metal bonded laminate according to claim 4, wherein at least one of the first metal surface and the second metal surface is a surface of a base material or a plating layer made of Cu, Ag, or Au. body. 前記第一の金属面は、半導体チップの一部であり、前記第二の金属面は、基板の一部であることを特徴とする請求項4又は5に記載の金属接合積層体。 6. The metal bonded laminate according to claim 4, wherein the first metal surface is a part of a semiconductor chip, and the second metal surface is a part of a substrate. 請求項4〜6のいずれかに記載の金属接合積層体を備えることを特徴とする電気制御機器。
An electric control device comprising the metal bonded laminate according to any one of claims 4 to 6.
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