KR20140002699A - 가열 접합용 재료, 가열 접합용 코팅 재료, 코팅물, 및 전자부품의 접합방법 - Google Patents

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도시아키 아사다
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후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

접합부끼리의 합선이 생기기 어렵고, 도금이나 스퍼터보다 접합 강도가 높은, 금속 소결막에 의해 금속 부품끼리를 금속 미립자의 소결에 의해 접합하는 방법을 제공한다. 30℃보다 높은 온도로 가열하는 것에 의해 용융 또는 연화되는 유기 화합물 분산매(A)중에 금속 미립자(P)가 분산되어 있는, 금속 부재, 반도체 부재, 및 세라믹스 부재로부터 선택된 동종 부재간, 또는 이종 부재간의 가열 접합용 재료로서, 유기 화합물 분산매(A)의 60질량% 이상이 융점 또는 연화점이 30℃ 이상인, 분자중에 2 이상의 수산기를 가지는 1종 또는 2종 이상의 폴리올(A1)로 이루어지고, 금속 미립자(P)의 80질량% 이상이 가열에 의해 소결성을 가지는, 일차입자의 평균입자지름이 5∼200㎚인 금속 미립자(P1)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가열 접합용 재료.

Description

가열 접합용 재료, 가열 접합용 코팅 재료, 코팅물, 및 전자부품의 접합방법{MATERIAL FOR THERMAL BONDING, COATING MATERIAL FOR THERMAL BONDING, COATING, AND ELECTRONIC COMPONENT BONDING METHOD}
본 발명은, 금속 부재, 반도체 부재, 및 세라믹스 부재로부터 선택되는 동종(同種) 부재간, 또는 이종(異種) 부재간을 접합시키는 페이스트의 대체가 되는 가열 접합용 재료, 가열 접합용 코팅 재료, 그 가열 접합용 재료로 형성되는 코팅물, 및 이것들을 이용한 전자부품의 접합방법에 관한 것이다.
전자부품을 기판상에 실장(實裝)하는 경우, 기판상에 땜납 페이스트를 도포하여 그 부위에 전자부품을 얹고, 리플로우 등으로 납땜하여 실장하는 방법이 일반적으로 채용되고 있다. 페이스트 형상의 땜납을, 기판의 소정의 위치에 소정량만큼 공급·도포하는 경우에는, 디스펜서나 스크린 인쇄 등의 공정이 필요하여, 많은 경우 각 공정에서 전용의 장치가 이용되고 있다.
또한, 땜납 페이스트는 저비점의 유기용제를 포함하기 때문에, 땜납 페이스트 자체의 보존성에도 문제점이 있어, 필요에 따라서 밀폐 보존, 냉장 보존 등이 이루어지고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 땜납 페이스트를 시린지에 충전하여 디스펜서 장치에 장착하고, 그 디스펜서 장치에 의해 땜납 페이스트를 도포하여, 이 땜납 페이스트의 위에 LED 소자를 마운터를 이용하여 탑재하고, 질소 가스 분위기중에서 가열에 의해 리플로우 처리를 실시하여, 전자부품을 실장하는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 2에는, 기판상의 납땜 부위에, 스크린 인쇄나 프리코트 등에 의해 땜납 페이스트를 도포하여, 땜납 페이스트를 도포한 납땜 부위에 전자부품을 실장하고, 그 후, 플럭스를 용융시키는 예비 가열을 행하여, 그 후 땜납 가루가 용융되는 온도로 기판을 가열하여 용융시키는 것에 의해, 기판에 전자부품 등을 납땜하는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 3에는, 은페이스트의 도포방법으로서 닥터 블레이드법, 스핀코트법, 스프레이법, 클린 인쇄법, 잉크젯법 등이 개시되어 있다.
특허문헌 1에 개시되어 있는, 피탑재물과 메탈라이즈층간에 접합 땜납 페이스트를 탑재 또는 도포한 후 리플로우 처리하여 접합하고 있지만, 그 땜납의 패턴화에는 실용상, 예를 들면, 디스펜서 장치에 장착하여, 그 디스펜서 장치에 의해 땜납 페이스트를 도포할 필요가 있다. 또한, 접합 강도의 향상과 땜납 페이스트에 포함되는 불순물의 감소를 도모할 필요가 있다.
특허문헌 2에서는 리플로우 처리할 때의 열처짐을 방지하기 위해서, 대략 직사각형 형상이며, 표면 전체에 걸쳐서 복수의 요철을 가지고, 주사형 프로브 현미경(SPM)에 의해 측정되는 평균 면거칠기 Ra가 18∼100㎚인 땜납 가루를 개시하고 있지만, 그 패턴화에는 스크린 인쇄나 프리코트 등에 의해 땜납 페이스트를 도포할 필요가 있다. 특허문헌 3에서는 도전성 페이스트의 도포에 닥터 블레이드법, 스핀코트법, 스프레이법, 클린 인쇄법, 잉크젯법 등의 전용 장치가 필요하게 된다고 하는 문제점이 있다.
: 일본 공개특허공보 2010-56399호 : 일본 공개특허공보 2010-36234호 : 일본 공개특허공보 2009-37786호
본 발명은, 상기 종래 기술의 문제점에 감안하여 이루어진 것으로, 피접합체 표면에 패턴화할 때에 마스크 형성이 불필요하여, 도금과 비교하여 불순물 찌꺼기가 적고, 마이그레이션(migration)에 의한 접합부끼리의 합선이 생기기 어렵고, 도금이나 스퍼터보다 접합 강도가 높은, 피접합체와 다른 피접합체를 접합하는 가열 접합용 재료, 가열 접합용 코팅 재료, 및 그 가열 접합용 재료로 형성되는 코팅물, 및 이것들을 이용한 전자부품의 접합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 종래 기술에 감안하여, 금속 부재, 반도체 부재, 및 세라믹스 부재로부터 선택된 동종 부재간, 또는 이종 부재간을 접합시키는 땜납 페이스트 대신에, 상온(25℃ 이상이고 30℃ 미만 정도의 온도를 말한다. 이하 같다.)에서 고체상태의, 폴리올을 주성분으로 하는 유기 화합물 분산매에 금속 미립자가 분산된 가열 접합용 재료를 이용하면, 그 보존이 용이하게 될 뿐만이 아니라, 각 공정에서 전용의 장치를 이용하지 않아도 패턴화가 용이하게 되는 것을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 즉, 본 발명은, 이하의 (1)∼(13)에 기재된 발명을 요지로 한다.
(1) 30℃보다 높은 온도로 가열하는 것에 의해 용융 또는 연화되는 유기 화합물 분산매(A) 중에 금속 미립자(P)가 분산되어 있는, 금속 부재, 반도체 부재, 및 세라믹스 부재로부터 선택된 동종 부재간, 또는 이종 부재간의 가열 접합용 재료로서,
유기 화합물 분산매(A)의 60질량% 이상이 융점 또는 연화점이 30℃ 이상이고 분자중에 2 이상의 수산기를 가지는 1종 또는 2종 이상의 폴리올(A1)로 이루어지고,
금속 미립자(P)가 소결성(燒結性)을 가지고, 또한 그의 80질량% 이상의 일차입자의 평균입자지름이 5∼200㎚인 금속 미립자(P1)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가열 접합용 재료(이하, 제 1 형태라고 한다).
(2) 상기 금속 미립자(P)가 금속 미립자(P1)와, 일차입자의 평균입자지름이 200㎚ 초과 내지 20㎛ 이하인 금속 미립자(P2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)에 기재된 가열 접합용 재료.
(3) 상기 금속 미립자(P)가 금속 미립자(P1)와, 일차입자의 평균입자지름 1∼20㎛인 금속 미립자(P2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)에 기재된 가열 접합용 재료.
(4) 상기 금속 미립자(P)가 상기 금속 미립자(P1) 80∼95질량%와, 상기 금속 미립자(P2) 20∼5질량%로 이루어지는(질량%의 합계는 100질량%이다) 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (3) 중의 어느 하나에 기재된 가열 접합용 재료.
(5) 상기 유기 화합물 분산매(A) 중에 적어도 폴리올(A1)과, 융점 또는 연화점이 30℃ 미만인 분자중에 2 이상의 수산기를 가지는 1종 또는 2종 이상의 폴리올(A2)이 함유되어 있고, 폴리올(A2)의 함유 비율이, 폴리올(A1)과 폴리올(A2)의 합계량에 대해 40질량% 이하로 되는 범위인 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (4) 중의 어느 하나에 가열 접합용 재료.
(6) 상기 가열 접합용 재료가 유기 화합물 분산매(A) 10∼70질량%와, 금속 미립자(P) 90∼30질량%(질량%의 합계는 100질량%임)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (5) 중의 어느 하나에 기재된 가열 접합용 재료.
(7) 상기 가열 접합용 재료가 패턴화된 형상물인 것을 특징으로 하는, 상기 (1) 내지 (6) 중의 어느 하나에 기재된 가열 접합용 재료.
(8) 상기 가열 접합용 재료가 유기 화합물 분산매(A)에 금속 미립자(P)를 분산시킨 재료를 가열 용융 혹은 연화시켜 얻어지고, 또는 그 재료에 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 용해 또는 연화시켜 얻어진 상기 (1)에 기재된 가열 접합용 코팅 재료(이하, 제 2 형태라고 한다).
(9) 상기 (1) 내지 (6) 중의 어느 하나에 기재된 가열 접합용 재료를, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코팅하여 얻어진 코팅물(이하, 제 3 형태라고 한다).
(10) 상기 (1) 내지 (6) 중의 어느 하나에 기재된 가열 접합용 재료를, 30℃보다 높은 온도로 가열하여 유기 화합물 분산매(A)를 용융 또는 연화시키고, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코팅한 후, 상기 용융 또는 연화 온도 이하로 냉각하여 얻어진 코팅물(이하, 제 4 형태라고 한다).
(11) 상기 (1) 내지 (6) 중의 어느 하나에 기재된 가열 접합용 재료에 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 용해 또는 연화시키고, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코팅한 후, 상기 용제를 증발시켜 고화(固化)하여 얻어진 코팅물(이하, 제 5 형태라고 한다).
(12) 상기 (1) 내지 (6) 중의 어느 하나에 기재된 가열 접합용 재료를, 유기 화합물 분산매(A)가 용융 또는 연화되는 온도 이상으로 가열하여, 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면상에서 패턴화한 후, 상기 용융 또는 연화 온도 이하로 냉각하여 고화시키고, 그 후 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 상기 가열 접합용 재료를 통해서 접촉된 상태에서 가열 처리함으로써, 상기 접합용 재료중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 접합되는 것을 특징으로 하는, 전자부품의 접합방법(이하, 제 6 형태라고 한다).
(13) 상기 (1) 내지 (6) 중의 어느 하나에 기재된 가열 접합용 재료에, 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 유기 화합물 분산매(A)를 용해 또는 연화시키고, 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면상에서 패턴화한 후, 상기 용제를 증발시켜 고화시키고, 그 후 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 상기 가열 접합용 재료를 통해서 접촉된 상태에서 가열 처리함으로써, 상기 접합용 재료중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 접합되는 것을 특징으로 하는, 전자부품의 접합방법(이하, 제 7 형태라고 한다).
(14) 상기 (7)에 기재된 상기 가열 접합용 재료로 이루어지는 미리 패턴화된 형상물을, 적어도 표면이 금속 부재, 반도체 부재, 또는 세라믹스 부재로 이루어지는 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면위에 얹은 후, 피접합체(M1)를 그 패턴화된 형상물을 통해서 피접합체(M2)와 접촉시킨 상태에서 가열처리됨으로써, 상기 접합용 재료중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 접합되는 것을 특징으로 하는, 전자부품의 접합방법(이하, 제 8 형태라고 한다).
(1) 상기 제 1 형태의 '가열 접합용 재료'는, 전자부품의 기판상에의 실장 접합용 또는 기판끼리의 접합용으로서 이용하는 것이 가능하여, 실장시의 접합 재료의 다양화를 도모할 수 있다. 그 가열 접합용 재료는, 주로 땜납 대체로서 이용하는 것이 가능하여, 상온에서 페이스트 형상이 아니고 고체이므로, 땜납 페이스트 등으로 사용하고 있었던 것과 같은 전용의 장치(디스펜서나 인쇄기)는 필요 없다. 또한 미리 패턴화된 형상물을 제작해 두면 사람 손에 의해, 피접합체상에 그 형상물을 얹어, 그대로의 형상으로 다른 피접합체와 접촉시킨 상태에서 가열 소결하는 것도 가능하고, 실장시에 페이스트 등의 패턴 형성, 전처리 가열을 필요로 하지 않기 때문에, 전자부품의 접합시에 사용하는 장치의 구조를 간소화할 수 있다.
또한, 부품을 실장하는 장치(칩마운터 등)에 의해서, 전자부품과 같이 공급할 수도 있다.
(2) 상기 제 2 형태의 '가열 접합용 코팅 재료'는, 유기 화합물 분산매(A)에 금속 미립자(P)를 분산시킨 재료를 가열 용융 혹은 연화시키고, 또는 그 재료에 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 용해 또는 연화시킨 상태의 재료이므로, 그 가열 접합용 코팅 재료로부터 형상이 패턴화된(용융 혹은 연화, 또는 용해 또는 연화 상태의) 형상물의 전구체를 얻을 수 있다. 그 형상물의 전구체를 냉각, 또는 그 형상물의 전구체중의 상기 용매를 증발 후 고체화하는 것에 의해, 패턴화된 형상물을 용이하게 얻을 수 있다. 그 형상물은 피접합체상에 그대로의 형상으로 얹어, 다른 피접합체와 접촉시킨 상태에서 가열 소결할 수 있으므로, 제조공정을 간략화할 수 있다.
(3) 상기 제 3 형태의 가열 접합용의 '코팅물'은, 가열, 소결시키는 것에 의해, 종래의 페이스트로부터 얻을 수 있는 소결체와 비교하여, 불순물의 적은 소결체가 얻을 수 있으므로, 접합 강도가 높고, 또한 도전성이 높은 접합체를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제 4 형태의 '코팅물'은, 전자부품의 접합부에, 가열 접합용 재료를 가열 용융 또는 연화하고, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코트(또는 도포)하여 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 상기 제 5 형태의 '코팅물'은, 전자부품의 접합부에, 가열 접합용 재료를 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 용해 또는 연화시키고, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코트 또는 도포하여 용이하게 얻을 수 있다. 제 4 형태 및 제 5 형태의 가열 접합용 코팅물은, 제 3 형태의 '코팅물'과 같이 가열, 소결시키는 것에 의해, 종래의 페이스트로부터 얻을 수 있는 소결체와 비교하여, 불순물이 적은 소결체가 얻을 수 있으므로, 접합 강도가 높고, 또한 도전성이 높은 접합체를 얻을 수 있다.
(4) 상기 제 6 형태의 '전자부품의 접합방법'은, 상기 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료를, 가열 용융 또는 연화시키고, 피접합체(M1) 및/또는 다른 피접합체(M2)의 표면상에서 패턴화(또는 도포)한 후 용융 또는 연화 온도 이하로 냉각하여 고체화한 후, 비교적 저온에서 가열, 소성이 가능한 접합방법이다.
또한, 상기 제 7 형태의 '전자부품의 접합방법'은, 상기 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료를, 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 용해 또는 연화하고, 피접합체(M1) 및/또는 다른 피접합체(M2)의 표면상에서 패턴화(또는 도포)한 후, 그 용제를 증발시켜 고체화 한 후, 비교적 저온에서 가열, 소성이 가능한 접합방법이다.
제 6 형태 및 제 7 형태의 접합방법에 의해 얻을 수 있는 접합체는, 그 소성체에 미세한 보이드가 존재하고 있기 때문에, 강성률이 낮고, 열팽창률이 다른 재료의 접합을 행하여도 응력을 완화할 수 있다. 또한, 금속 미립자(P)로서, 예를 들면 구리미립자를 사용하면, 높은 열전도이며, 전자부품의 방열성이 향상된다.
(5) 상기 제 8 형태의 '전자부품의 접합방법'은, 상기 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료로 이루어지는 미리 패턴화된 형상물을, 적어도 표면이 금속 부재, 반도체 부재, 또는 세라믹스 부재로 이루어지는 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면 위에 얹은 후, 피접합체(M1)와 그 패턴화된 형상물을 통해서 피접합체(M2)를 접촉시킨 상태에서 가열 처리를 행하는 것에 의해, 상기 접합용 재료중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)간을 접합하므로, 패턴화의 특별한 장치를 필요로 하지 않아, 비교적 저온에서의 가열, 소성이 가능하여, 얻을 수 있는 접합체에 미세한 보이드가 존재하고 있기 때문에, 강성률(剛性率)이 낮고, 열팽창률이 다른 재료의 접합을 행하여도 응력을 완화할 수 있다. 또한, 금속 미립자(P)로서, 예를 들면 구리미립자를 사용하면, 높은 열전도이며, 전자부품의 방열성이 향상된다.
이하에 본 발명의 제 1 형태로부터 제 8 형태를 구체적으로 설명한다.
[1] 제 1 형태의 '가열 접합용 재료'
본 발명의 제 1 형태의 '가열 접합용 재료'는, 30℃보다 높은 온도로 가열하는 것에 의해 용융 또는 연화되는 유기 화합물 분산매(A) 중에 금속 미립자(P)가 분산되어 있는, 금속 부재, 반도체 부재, 및 세라믹스 부재로부터 선택된 동종 부재간, 또는 이종 부재간의 가열 접합용 재료로서, 유기 화합물 분산매(A)의 60질량% 이상이 융점 또는 연화점이 30℃ 이상이고 분자중에 2 이상의 수산기를 가지는 1종 또는 2종 이상의 폴리올(A1)로 이루어지며,
금속 미립자(P)가 소결성을 가지고, 또한 그의 80질량% 이상의 일차입자의 평균입자지름이 5∼200㎚인 금속 미립자(P1)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하에 본 발명의 가열 접합용 재료(이하, 가열 접합용 재료(F)라고 기재하는 경우가 있다)를 구성하는 유기 화합물 분산매(A)와 금속 미립자(P)에 대해 기재한다.
유기 화합물 분산매(A)는, 30℃보다 높은 온도로 가열하는 것에 의해 용융 또는 연화되고, 또한 그 분산매(A)의 60질량% 이상이 융점 또는 연화점이 30℃ 이상의, 분자중에 2 이상의 수산기를 가지는 1종 또는 2종 이상의 폴리올(A1)로 이루어진다.
(1) 유기 화합물 분산매(A)
폴리올(A1)은, 폴리올(A1)뿐이라도 좋고, 폴리올(A1)에 다른 폴리올(A2)을 더 병용할 수 있다. 유기 화합물 분산매(A)에는, 금속 미립자(P)의 가열 소결을 고려하여, 미량 함유되는 고분자계 등의 분산제를 제외하고, 수지의 함유량은 적은 것이 바람직하고, 함유되지 않는 것이 보다 바람직하다.
(a) 폴리올(A1)
가열 접합용 재료(F)에 사용되는 폴리올(A1)은, 융점이 30℃ 이상에서 가열에 의해 용융되는 것으로, 분자중에 2 이상의 수산기를 가지는 1종 또는 2종 이상의 폴리올이다. 폴리올(A1)로서는, 상기 성질을 가지는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 트레이톨(threitol)(융점 88℃), 자일리톨(융점 92℃), 소르비톨(융점 95℃), 에리스리톨(erythritol)(융점 121℃), 말티톨(maltitol)(융점 145℃), 글루코오스(융점 148℃), 만니톨(융점 167℃), 수크로오스(융점 186℃), 둘시톨(dulcitol)(융점 187℃), 이노시톨(inositol)(융점 225℃), 펜타에리스리톨(융점 260℃), 트리메틸롤프로판(융점 56℃), 트리메틸롤에탄(융점 193℃), 피로갈롤(pyrogallol)(융점 131℃), 1,2,3-헥산트리올(융점 67℃), 1,4-시클로헥산 디올(융점 98℃), 카테콜(catechol)(융점 105℃) 등을 예시할 수 있다. 이들 폴리올은 융점이 상온 이상이며, 용융 상태에서는 환원성을 가지므로 금속 미립자(P) 표면이 환원되어, 가열 처리를 더 행함으로써 폴리올(A1)이 연속적으로 증발하고, 그 액체 및 증기가 존재하는 분위기에서 환원·소성 되면 금속 미립자(P)의 소결이 촉진된다.
폴리올(A1)의 융점은 30℃ 이상이며, 280℃ 이하인 것이 바람직하다. 이것은, 금속 미립자(P1)의 소결에 의한 접합은 300℃ 이하에서 행하여지는 것이 바람직하기 때문이다. 또한, 폴리올(A1)이 2종 이상의 혼합물로 이루어지는 경우이더라도, 그 혼합물의 융점이 30℃ 이상이면 폴리올(A1)로서 사용하는 것이 가능하다.
(b) 폴리올(A2)
유기 화합물 분산매(A)에는, 폴리올(A1)에, 융점이 30℃ 미만인 2 이상의 수산기를 가지는 1종 또는 2종 이상의 폴리올(A2)을, 그 폴리올(A1)과 폴리올(A2)의 합계량에 대해 40질량% 이하가 되는 범위로 첨가하여 더 사용할 수 있다. 폴리올(A2)을, 그 폴리올(A1)과 폴리올(A2)의 합계량에 대해 40질량% 이하가 되는 범위로 첨가한 혼합물이 상온에서 고체를 유지할 수 있으면, 가열 용융했을 때의 점도를 내릴 수 있어, 가열 소결시에 보다 저온에서 환원성을 발휘하는 것이 가능해진다. 폴리올(A2)로서는, 3가의 알코올인 글리세린(융점 17.8℃), 2가의 알코올인 에틸렌글리콜(융점 -12.9℃), 프로필렌글리콜(융점 -59.0℃), 디에틸렌글리콜(융점 -10.45℃) 등을 들 수 있다.폴리올(A2)은 금속 미립자(P)를 소결할 때, 폴리올(A1)과 같은 작용을 발휘한다.
(2) 금속 미립자(P)
금속 미립자(P)는, 소결성을 가지는 금속 미립자(P1)뿐이라도 좋고, 금속 미립자(P1)에 금속 미립자(P2)를 더 병용할 수 있다. 가열 접합용 재료(F)에 사용하는 금속 미립자(P)는, 땜납 페이스트의 경우와 달리, 적어도 1종 이상의 고순도 금속 미립자를 그대로 사용할 수 있으므로, 접합 강도와 도전성이 우수한 접합체를 얻는 것이 가능하게 된다. 일반적으로 땜납 페이스트의 경우, 실장 대상인 기판의 구리 패드 부분의 산화를 제거하기 위해서 플럭스(유기 성분)를 함유하고 있고, 금속재료에 포함되는 불순물로서 소량이지만 Al, Zn, Cd, As 등의 금속이 더 포함되는 경우가 많다.
(a) 금속 미립자(P1)
금속 미립자(P1)는, 일차입자의 평균입자지름이 5∼200㎚인 금속 미립자이면 특별히 제한되는 것이 아니라, 예를 들면 금, 은, 구리, 백금, 팔라듐, 텅스텐, 니켈, 철, 코발트, 탄탈, 비스무트, 납, 인듐, 주석, 아연, 티탄, 및 알루미늄으로부터 선택되는 1종 혹은 2종 이상의 입자를 들 수 있지만, 이들 금속 미립자 중에서도, 은, 동, 백금, 팔라듐, 텅스텐, 니켈, 철, 코발트, 및 탄탈로부터 선택되는 1종 혹은 2종 이상의 입자가 바람직하고, 구리가 보다 바람직하다.
금속 미립자(P1)의 일차입자의 평균입자지름이 5㎚ 이상이고 소성에 의해 균질한 입자지름과 구멍을 가지는 다공질체를 형성하는 것이 가능하게 되고, 한편, 200㎚ 이하에서 정밀한 도전 패턴을 형성할 수 있다.
(b) 금속 미립자(P2)
가열 접합용 재료(F)에, 일차입자의 평균입자지름이 5∼200㎚인 금속 미립자(P1)에 더하여, 일차입자의 평균입자지름이 바람직하게는 200㎚ 초과 내지 20㎛ 이하, 보다 바람직하게는 1∼20㎛인 금속 미립자(P2)를 분산시켜 사용할 수도 있다.
금속 미립자(P)로서, 평균 일차입자지름이 5∼200㎚인 금속 미립자(P1)에, 평균 일차입자지름이 200㎚ 초과 내지 20㎛ 이하를 사용하면, 금속 미립자(P2)간에 금속 미립자(P1)가 분산되어 안정하게 존재하므로 그 결과, 가열 소성으로 균질한 입자 지름과 구멍을 가지는 다공질체를 형성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 평균 일차입자지름이 1∼20㎛인 금속 미립자(P2)를 사용하면, 금속 미립자(P2)간에 금속 미립자(P1)가 분산되어 보다 안정하게 존재하므로 그 결과, 가열 소성으로 보다 균질한 입자 지름과 구멍을 가지는 다공질체를 형성하는 것이 가능하게 된다. 금속 미립자(P2)의 평균 일차입자지름은, 상기 범위인 것에 의해, 금속 미립자(P1)의 평균 일차입자지름과의 입자 지름의 차이를 확보할 수 있고, 가열 처리할 때에 금속 미립자(P1)의 자유로운 이동을 효과적으로 억제할 수 있어, 상술의 금속 미립자(P1)의 분산성과 안정성을 향상한다. 금속 미립자(P2)로서는, 금속 미립자(P1)에 기재된 것과 같은 입자를 예시할 수 있다.
여기서, 일차입자의 평균입자지름이란, 2차 입자를 구성하는 개개의 금속 미립자의 일차입자의 직경의 의미이다. 그 일차입자지름은, 전자현미경을 이용하여 측정할 수 있다. 또한, 평균입자지름이란, 일차입자의 수평균입자지름을 의미한다.
금속 미립자(P)로서, 금속 미립자(P1)와 금속 미립자(P2)를 병용하는 경우, 그 바람직한 배합 비율은, 질량비(P1/P2)로 80∼95질량%/20∼5질량%(질량%의 합계는 100질량%이다)이다. 이러한 배합 비율로 하는 것에 의해, 가열 접합용 재료(F)를 가열 처리하여 형성되는, 소결체로 이루어지는 금속 접합체에 있어서, 금속 미립자(P2)가 한쪽으로 치우치는 일 없이, 분산시키는 것이 가능하게 된다.
(3) 가열 접합용 재료(F)
본 발명의 가열 접합용 재료(F)는, 금속 미립자(P)가 상온에서 고체의 폴리올(A)에 분산되어 있는, 상온에서 고체의 재료이다. 가열 접합용 재료(F)는, 예를 들면, 납땜이 필요한 개소(전자부품의 전극과, 기판의 회로 도체의 사이 등)에 배치하고, 금속 미립자(P)가 소결되는 온도의 범위에서 가열하면 폴리올(A)이 용융되어, 금속 미립자(P) 표면을 환원하고 활성화하여, 금속 미립자(P)끼리의 소결을 촉진한다. 그 결과, 나노 사이즈의 금속 미립자를 포함한 페이스트를 이용한 경우와 같이, 전극과 기판을 전기적, 기계적으로 접합하는 것이 가능하게 된다. 한편, 가열 접합용 재료(F)를 가열 소결할 때에 폴리올(A)은 분해, 증발 등에 의해 제거된다.
가열 접합용 재료(F)에 있어서의, 폴리올(A)/금속 미립자(P)의 배합 비율(질량비)은, 10/90∼70/30인 것이 바람직하다. 그 배합 비율로 하는 것에 의해, 고체 물질로서의 형상을 유지하기 위해서, 보다 안정된 접합력을 얻을 수 있다.
가열 접합용 재료(F)의 제조방법은, 금속 미립자(P)가 상온에서 고체의 폴리올(A)에 분산되어 있는 상태의 가열 접합용 재료(F)를 얻을 수 있는 방법이면 특별히 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 가열 접합용 재료(F)의 외형 형상은, 사용 목적에 맞추어 임의로 선택하는 것이 가능하고, 패턴화된 형상물로서 편평 형상 작은 조각, 인편(鱗片) 형상 작은 조각, 정제 형상, 입자 형상, 시트 형상 또는 덩어리 형상 등의 가열 접합용 작은 조각을 예시할 수 있다. 패턴화된 형상물은 기판 등의 표면상에 직접 얹어, 소결할 수 있다. 또한, 그 사이즈에 대해서는 특별히 제한은 없고, 최대지름이 수㎜부터 전자부품 등에 사용되는 칩 사이즈의 레벨까지 임의로 선택하는 것이 가능하다.
이러한 형상물은 폴리올(A)과 금속 미립자(P)로 이루어지는 페이스트 형상물, 분체 혼합물 등을 금형 등의 형(型)에 충전하여 가열하는 것에 의해 성형할 수 있다.
구체적인 예로서는, 폴리올(A)을 유기계 용제 또는 수계 용제에 용해시킨 용액에, 금속 미립자(P)를 혼합한 페이스트 형상물을, 복수의 구획에 의해 편평 형상 작은 조각, 인편 형상 작은 조각 등의 형상을 가지는 금형에 충전 후, 천천히 가열하는 것에 의해 이들 용제를 증발시키면 가열 접합용 재료(F)를 얻을 수 있다. 예를 들면, 유기계 용제 또는 수계 용제에 용해시킨 폴리올(A) 25∼60질량% 정도의 용액에 금속 미립자(P)를 혼합한 페이스트 형상물을, 분해 가능한 복수의 형태로 구획된 금형에 흘려 넣고, 가열하여 이들 용제를 증발시켜서, 그 후 형에서 꺼내, 상온에서 고체의 가열 접합용 재료(F)를 얻을 수 있다.
또한, 폴리올(A) 분말에 금속 미립자(P)를 균일하게 혼합한 분체를, 분해 가능한 복수의 구획을 가지는 금형에 넣고, 가열하여, 가열 접합용 재료(F)를 얻을 수 있다.
본 발명의 가열 접합용 재료(F)로서 패턴화된 형상물을 사용하면, 보존, 이송이 용이하게 될 뿐만이 아니라, 피접합체의 위에 수작업에 의해 그 형상물을 배치시키는 것도 가능하고, 사용 목적에 따라 기판 등의 위에 배치시킬 때에 특별한 공급 장치가 불필요하여 간소화가 가능하다.
[Ⅱ] 제 2 형태의 '가열 접합용 코팅 재료'
본 발명의 제 2 형태의 '가열 접합용 코팅 재료'는, 상기 가열 접합용 재료(F)가 유기 화합물 분산매(A)에 금속 미립자(P)를 분산시킨 재료를 가열 용융 혹은 연화시켜 얻어지고, 또는 그 재료에 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 용해 또는 연화시켜 얻어진 코팅 재료이다.
그 용융 혹은 연화 상태, 또는 용해 혹은 연화 상태의 코팅 재료를 패턴화하고, 그 후 냉각 고체화, 또는 상기 용매를 증발하여 고체화하면 패턴화된 형상물을 얻을 수 있다. 그 형상물은 보존, 이송이 용이하게 될 뿐만이 아니라, 피접합체의 위에 얹어서 그대로의 형상으로 다른 피접합체와 접촉시킨 상태에서 가열 소결할 수 있으므로, 공정의 간소화가 가능하다.
[Ⅲ] 제 3 형태의 '코팅물'
제 3 형태의 '코팅물'은, 상기 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)를, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코팅하여 얻어진 코팅물인 것을 특징으로 한다.
제 3 형태의 '코팅물'은, 상기 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)를, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코팅하여 얻어진 코팅물이면 좋고, 예를 들면, 후술하는 제 4 형태, 제 5 형태에 기재된 코팅물의 형성방법 등을 채용할 수 있지만, 이들 방법에 한정되는 것은 아니다.
상기 제 3 형태의 가열 접합용의 '코팅물'은, 가열, 소결시키는 것에 의해, 종래의 페이스트로부터 얻을 수 있는 소결체와 비교하여, 불순물이 적은 소결체를 얻을 수 있으므로, 접합 강도가 높고, 또한 도전성이 높은 접합체를 얻을 수 있다.
[Ⅳ] 제 4 형태의 '코팅물'
본 발명의 제 4 형태의 '코팅물'은, 상기 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)를, 30℃보다 높은 온도로 가열하여 유기 화합물 분산매(A)를 용융 또는 연화시키고, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코팅한 후, 상기 용융 또는 연화 온도 이하로 냉각하여 얻어진 코팅물인 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)를 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코트(또는 도포)할 때에, 가열 접합용 재료(F)를 가열 용융 또는 연화시켜 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코트(또는 도포)하면 조작은 극히 용이하게 된다. 가열 접합용 코팅물은, 코트(또는 도포) 전에 가열 접합용 재료(F)를 미리 가열 용융 또는 연화하여 피접합체에 코트(또는 도포)하면 용이하게 얻을 수 있다. 구체적인 예로서는, 가열 접합용 재료(F)를 가열 용융 또는 연화시킨 상태에서 실리콘 칩 등의 피접합체면에 도포 또는 패터닝하여 냉각 고체화하는 것에 의해, 가열 접합용 코팅물을 얻을 수 있다. 상기 도포 또는 패터닝법으로서는 특별히 제한되지 않고, 글루건, 딥핑, 스크린 등의 인쇄, 메탈 마스크 도포, 분무, 솔칠, 디스펜스에 의한 도포 등을 들 수 있다.
[Ⅴ] 제 5 형태의 '코팅물'
본 발명의 제 5 형태의 '코팅물'은, 상기 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)에 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 용해 또는 연화시키고, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코팅한 후, 상기 용제를 증발시켜 고체화하여 얻어진 코팅물인 것을 특징으로 한다.
상기 제 4 형태에 기재된 바와 같이 상기 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)를 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코트(또는 도포)할 때에, 가열 접합용 재료(F)를 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하고 용해 또는 연화하여 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코트(또는 도포)하면 조작은 극히 용이하게 된다. 가열 접합용 코팅물은, 코트(또는 도포) 전에 가열 접합용 재료(F)를 미리 유기계 용제 또는 수계 용제에 용해하여 피접합체에 코트(또는 도포) 후, 그 용제를 증발, 고체화하면 용이하게 얻을 수 있다.
상기 유기계 용제로서는, 저급 알코올(메탄올이나 에탄올)을 들 수 있고, 수계 용제로서는 물을 들 수 있지만 이들 용제에 한정되는 것은 아니다.
제 5 형태의 '코팅물'형성의 구체적인 예로서는, 가열용 접합용 재료(F)를 폴리올(A)을 용해하는 유기계 용매 또는 수성 용매에 분산시켜 페이스트 형상물로 하고, 그 페이스트 형상물을 실리콘 칩 등의 피접합체면에 도포 또는 패터닝하여 건조하는 것에 의해, 가열 접합용 코팅물을 얻을 수 있다. 상기 도포 또는 패터닝법으로서는, 특별히 제한되지 않고, 상기 제 4의 형태에 기재한 것과 같이 글루건, 딥핑, 스크린 등의 인쇄, 메탈 마스크 도포, 분무, 솔칠, 디스펜스에 의한 도포 등을 들 수 있다.
[Ⅵ] 제 6 형태의 '전자부품의 접합방법'
본 발명의 제 6 형태의 '전자부품의 접합방법'은, 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)를, 유기 화합물 분산매(A)가 용융 또는 연화되는 온도 이상으로 가열하여, 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면상에서 패턴화한 후, 상기 용융 또는 연화 온도 이하로 냉각하여 고화시키고, 그 후 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 상기 가열 접합용 재료를 통해서 접촉된 상태에서 가열 처리함으로써, 상기 접합용 재료중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 접합되는 것을 특징으로 한다.
상기 가열 접합용 재료(F)를, 패턴화 후, 냉각 고화시키고, 그 후 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 상기 가열 접합용 재료(F)를 통해서 접촉시키기 전, 또는 접촉시킨 후에, 그 접촉 상태를 안정화시켜, 위치 어긋남 등을 방지하기 위해서 그 고체화물의 접촉면에 점성을 가지는 액상 유기 화합물(T)을 도포하는 것이 바람직하다.
상기 액상 유기 화합물(T)의 도포방법으로서는, 솔칠, 디스펜서에 의한 공급 등의 수단을 채용할 수 있지만, 이러한 도포는, 고체화된 가열 접합용 재료(F)의 전체면에 행할 필요는 없고, 어긋남의 방지 효과를 얻을 수 있으면 표면상의 일부의 도포라도 좋다. 이러한 고정화 수단을 채용하는 것에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)간의 접합을 보다 확실히 행하는 것이 가능해진다.
상기 점성을 가지는 액상 유기 화합물(T)로서는, 가열 접합용 재료(F), 및 피접합체(M1)와 피접합체(M2)의 어느 것에도 잘 젖어, 25℃에서 액상이며, 또한 바람직하게는 비점이 300℃ 정도 이하에서 소결에 지장을 발생하지 않는 유기 화합물이며, 구체적인 예로서, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 1,2-프로판디올, 1,3-프로판디올, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 2-부텐-1,4-디올, 1,2,6-헥산트리올, 글리세린, 및 2-메틸-2, 4-펜탄디올 등을 들 수 있다.
이하에 제 6 형태의 바람직한 전자부품의 접합방법의 구체적인 예를 예시하지만, 제 6 형태에 관한 접합방법은 하기 구체적인 예에 한정되는 것은 아니다.
사이즈 4×4×0.5(두께)㎜의 피접합체와 실장용 기판상에 있는 다른 피접합체의 접합 패드(사이즈 6×6㎜의 구리박 패턴)를 접합하는 경우, 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)를, 유기 화합물 분산매(A)가 용융 또는 연화되는 온도 이상으로 가열하여, 사이즈 4×4×0.5(두께)㎜의 접합면, 또는 실장 기판의 접합 패드(사이즈 6×6㎜의 구리박 패턴)상, 혹은 쌍방의 표면상에서 패턴화한 후, 냉각하여 고화시키고, 그 후 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 상기 가열 접합용 재료(F)를 통해서 접촉한 상태에서 가열 처리를 행하여, 상기 재료(F) 중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)간을 접합할 수 있다. 가열 소성 조건은, 패터닝의 두께에도 달렸지만 예를 들면 190∼250℃에서 20∼40분간 정도가 바람직하다.
제 6 형태의 '전자부품의 접합방법'에서는, 비교적 저온에서의 가열, 소성이 가능하고, 금속 미립자(P)가 소결되어 형성되는 접합체에는 미세한 보이드가 존재하고 있기 때문에, 강성률이 낮고, 열팽창률이 다른 재료 사이에서의 접합을 행하여도 응력을 완화할 수 있다. 또한, 금속 미립자(P)로서, 예를 들면 구리미립자를 사용하면, 높은 열전도이며, 전자부품의 방열성이 향상된다.
땜납을 사용하여 패턴화하는 경우에는 종래, 디스펜서 장치 등의 장치에 장착하여, 해당 장치에 의해 땜납 페이스트를 도포할 필요가 있었다. 그러나, 제 6 형태인 '전자부품의 접합방법'에서는 피접합체(M1)상의 패턴화에 특수한 장치의 사용은 필요 없다. 또한, 땜납 페이스트에 포함되는 불순물은 포함되지 않는, 고순도의 금속 미립자(P)를 사용하는 것이 가능하므로, 접합 강도와 도전율을 향상하는 것이 가능하게 된다.
[Ⅶ] 제 7 형태의 '전자부품의 접합방법'
본 발명의 제 7 형태의 '전자부품의 접합방법'은, 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)에, 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 유기 화합물 분산매(A)를 용해 또는 연화시키고, 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면상에서 패턴화한 후, 상기 용제를 증발시켜 고화시키고, 그 후 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 상기 가열 접합용 재료를 통해서 접촉된 상태에서 가열 처리함으로써, 상기 접합용 재료중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 접합되는 것을 특징으로 한다.
그 유기계 용제와 수계 용제로서는, 제 5 형태에 기재된 것과 같은 '유기계 용제와 수계 용제'를 사용할 수 있다.
제 7 형태의 경우에서도 상기 제 6 형태의 경우와 같이, 상기 가열 접합용 재료(F)를, 패턴화 후, 냉각 또는 증발 고화시키고, 그 후 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 상기 가열 접합용 재료(F)를 통해서 접촉시키기 전, 또는 접촉시킨 후에, 그 접촉 상태를 안정화시키고, 위치 어긋남 등을 방지하기 위해서 그 고체화물의 접촉면에 점성을 가지는 액상 유기 화합물(T)을 도포하는 것이 바람직하다.
상기 액상 유기 화합물(T)의 도포방법은, 제 6 형태에 기재된 방법과 같이, 고체화된 가열 접합용 재료(F)의 전체면에 행할 필요는 없고, 어긋남의 방지 효과를 얻을 수 있으면 표면상의 일부의 도포라도 좋다. 이러한 고정화 수단을 채용하는 것에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)간의 접합을 보다 확실히 행하는 것이 가능해진다. 사용 가능한 점성을 가지는 액상 유기 화합물(T)은, 제 6 형태에 예시한 유기 화합물을 사용할 수 있다.
이하에 제 7 형태의 바람직한 전자부품의 접합방법의 구체적인 예를 예시하지만, 제 7 형태에 관한 접합방법은 하기 구체적인 예에 한정되는 것은 아니다.
사이즈 4×4×0.5(두께)㎜의 피접합체와 실장용 기판상에 있는 다른 피접합체의 접합 패드(사이즈 6×6㎜의 구리박 패턴)를 접합하는 경우, 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)를, 유기 화합물 분산매(A)와 용제에 분산시켜 페이스트 형상물로서 사이즈 4×4×0.5(두께)㎜의 접합면, 또는 실장 기판의 접합 패드(사이즈 6×6㎜의 구리박 패턴)상, 혹은 쌍방의 표면상에서 패턴화한 후에, 용제를 증발하고 건조를 행하고, 그 후 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 상기 가열 접합용 재료(F)를 통해서 접촉한 상태에서 가열 처리를 행하여, 상기 재료(F)중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)간을 접합할 수 있다. 가열 소성 조건은, 패터닝의 두께에도 달렸지만 예를 들면 190∼250℃에서 20∼40분간 정도가 바람직하다.
제 7 형태인 '전자부품의 접합방법'에서는, 제 6 형태의 경우와 같이, 비교적 저온에서의 가열, 소성이 가능하고, 금속 미립자(P)가 소결되어 형성되는 접합체에는 미세한 보이드가 존재하고 있기 때문에, 강성률이 낮고, 열팽창률이 다른 재료 사이에서의 접합을 행하여도 응력을 완화할 수 있다. 또한, 금속 미립자(P)로서, 예를 들면 구리미립자를 사용하면, 높은 열전도이며, 전자부품의 방열성이 향상된다.
또한, 제 7 형태인 '전자부품의 접합방법'의 패턴화에 대해서는 제 6 형태에 기재된 것과 마찬가지이고, 또한, 땜납 페이스트에 포함되는 불순물은 포함되지 않는, 고순도의 금속 미립자(P)를 사용하는 것이 가능하므로, 접합 강도와 도전율을 향상하는 것이 가능하게 된다.
[Ⅷ] 제 8 형태의 '전자부품의 접합방법'
본 발명의 제 8 형태의 '전자부품의 접합방법'은, 제 1 형태에 기재된 가열 접합용 재료(F)로 이루어지는 미리 패턴화된 형상물을, 적어도 표면이 금속 부재, 반도체 부재, 또는 세라믹스 부재로 이루어지는 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면 위에 얹은 후, 피접합체(M1)를 그 패턴화된 형상물을 통해서 피접합체(M2)와 접촉시킨 상태에서 가열처리됨으로써, 상기 접합용 재료중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 접합되는 것을 특징으로 한다.
제 8 형태의 전자부품의 접합방법에 있어서, 미리 패턴화된 형상물을 피접합체(M1) 등에 얹는 경우, 더욱 본 발명의 제 4 형태, 제 5 형태 등에 기재된 코팅물을 피접합체(M1) 등의 한 면 또는 양면에 끼워 배치시키는 것도 가능하다.
제 8 형태의 경우에 있어서, 상기 가열 접합용 재료(F)로 이루어지는 미리 패턴화된 형상물을, 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면 위에 얹기 전, 또는 얹은 후에 피접합체(M1)를 그 패턴화된 형상물을 통해서 피접합체(M2)와의 접촉 상태를 안정화시키고, 위치 어긋남 등을 방지하기 위해서 그 고체화물의 접촉면에 점성을 가지는 액상 유기 화합물(T)을 도포하는 것이 바람직하다.
상기 액상 유기 화합물(T)의 도포방법은, 제 6 형태에 기재된 방법과 같이, 고체화된 가열 접합용 재료(F)의 전체면에 행할 필요는 없고, 어긋남의 방지 효과를 얻을 수 있으면 표면상의 일부의 도포라도 좋다. 이러한 고정화 수단을 채용하는 것에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)간의 접합을 보다 확실히 행하는 것이 가능해진다.
사용 가능한 점성을 가지는 액상 유기 화합물(T)은, 제 6 형태에 예시한 유기 화합물을 사용할 수 있다.
이하에 제 8 형태의 바람직한 전자부품의 접합방법의 구체적인 예를 예시하지만, 제 8 형태에 관한 접합방법은 하기 구체적인 예에 한정되는 것은 아니다.
사이즈 4×4×0.5(두께)㎜의 피접합체와 실장용 기판상에 있는 다른 피접합체의 접합 패드(사이즈 6×6㎜의 구리박 패턴)를 접합하는 경우, 사이즈 5×5×0.15(두께)㎜로 패턴화된 가열 접합용 재료(F)를 준비한다. 접합 패드상에 가열 접합용 재료(F)를 배치하고, 가열 접합용 재료(F)상에 피접합체를 배치하여 위치 어긋남이 생기지 않도록 치구(治具)(테플론 수지범위)를 둔다. 상기 패턴화된 가열 접합용 재료(F)는, 예를 들면 200℃ 정도의 비교적 저온에서 비산화성 가스 분위기하에 있는 노(爐)내 등에서 필요에 의해 가열 소성하여, 접합체를 형성할 수 있다. 가열 소성 조건은, 패터닝의 두께에도 달렸지만 예를 들면 190∼250℃에서 20∼40분간 정도가 바람직하다.
이와 같이 하여 얻을 수 있는 접합체는, 양호한 도전성을 가지고 있어 그 전기 저항치는, 1.0Ω㎝이하이고 예를 들면, 1.0×10-5Ω㎝∼1×10-3Ω㎝ 정도를 달성하는 것이 가능하다. 또한, 상기 접합체는 접합성도 극히 우수하다.
본 발명의 가열 접합용 재료(F)를 미리 패턴화된 형상물로 사용하면, 보존, 이송이 용이하게 될 뿐만이 아니라, 기판상에 수작업에 의해 배치시키는 것도 가능하여, 사용 목적에 따라 기판 등의 위에 배치시킬 때에 특별한 공급 장치가 불필요하고 간소화가 가능하다.
제 8 형태인 '전자부품의 접합방법'에서는, 제 6 형태의 경우와 같이, 비교적 저온에서의 가열, 소성이 가능하고, 금속 미립자(P)가 소결되어 형성되는 접합체에는 미세한 보이드가 존재하고 있기 때문에, 강성률이 낮고, 열팽창률이 다른 재료 사이에서의 접합을 행하여도 응력을 완화할 수 있다. 또한, 금속 미립자(P)로서, 예를 들면 구리미립자를 사용하면, 높은 열전도이며, 전자부품의 방열성이 향상된다.
또한, 제 8 형태인 '전자부품의 접합방법'으로 사용하는 가열 접합용 재료(F)는, 땜납 페이스트에 포함되는 불순물을 포함하지 않는, 고순도의 금속 미립자(P)를 사용하는 것이 가능하므로, 접합 강도와 도전율을 향상하는 것이 가능하게 된다.
실시예
다음에, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 한편, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
구리미립자를 포함한 가열 접합용 재료를 제작하여, 그 가열 접합용 재료를 알루미늄 기판과 실리콘 칩 사이에 배치하고, 가열하여 그 가열 접합용 재료에 함유되어 있던 구리미립자를 소결하고 상기 알루미늄 기판과 실리콘 칩을 접합하여, 접합 강도의 평가를 행하였다.
(1) 가열 접합용 재료의 제작
에리스리톨을 물에 용해시킨 에리스리톨 30질량% 수용액 50g에, 평균 일차입자지름 50㎚인 구리미립자 50g를 혼합한 페이스트 형상물을, 분해 가능한 복수의 구획을 가지는 금형(1개의 구획의 사이즈 : 세로×가로×깊이=5×5×0.5㎜)에 흘려 넣고, 80℃에서 수분을 천천히 증발시킨 후, 그 형으로부터 꺼내 5×5×0.15㎜의 패턴화된 형상물을 얻었다.
(2) 전자부품의 접합
알루미늄 기판(덴키가가쿠고교(주)제, 상품명 : 히트 플레이트 K-1, 알루미늄판 두께 1.5㎜상에, 두께 0.075㎜의 절연층이 형성되고, 그 절연층상에 두께 0.038㎜의 회로용 구리박이 더 적층되어 있다)을 이용하여, 상기 구리박을 에칭에 의해서 6×6㎜로 패터닝하여 패드를 형성하였다. 그 패드상에 상기 (1)에서 얻어진 패턴화된 형상물(5×5×0.15㎜)을 배치하고, 그 위에 스퍼터 처리면과 가열 접합용 작은 조각이 접하도록 4×4×0.35(두께)㎜의 실리콘 칩(스퍼터 처리 Ti/Au=35/150㎚)을 더 배치하였다.
플립칩 본더에 의해 실리콘 칩의 상면으로부터 0.3MPa의 압력을 가하면서 300℃에서, 10분간 가열을 함으로써 알루미늄 기판상에 실리콘 칩을 실장하였다.
(3) 접합 강도의 평가
제작한 실리콘 칩 실장 샘플에 대해서, 다이 쉐어(Die shear) 시험에 의해 접합 강도를 측정한 바, 25MPa 이상의 강도가 있는 것을 확인하였다.
[실시예 2]
실시예 1과 같이, 가열 접합용 재료를 이용하여 알루미늄 기판과 실리콘 칩을 접합하여, 접합 강도의 평가를 행하였다.
(1) 가열 접합용 재료의 조제
에리스리톨을 물에 용해시킨 에리스리톨 30질량% 수용액 50g에, 평균 일차입자지름 50㎚인 구리미립자 45g과, 평균 입자지름 10㎛인 구리미립자 5g를 혼합한 페이스트 형상물을, 분해 가능한 복수의 구획을 가지는 금형(1개의 구획의 사이즈 : 세로×가로×깊이=5×5×0.5㎜)에 흘려 넣고, 80℃에서 수분을 천천히 증발시켜 5×5×0.15㎜의 패턴화된 형상물을 얻었다.
(2) 전자부품의 접합
실시예 1과 같은 알루미늄 기판을 이용하여 패드를 형성하였다. 그 패드상에 상기 (1)로 얻어진 패턴화된 형상물(5×5×0.15㎜)을 배치하고, 그 위에 스퍼터 처리면과 가열 접합용 작은 조각이 접하도록 4×4×0.35(두께)㎜의 실리콘 칩(스퍼터 처리 Ti/Au=35/150㎚)을 더 배치하였다.
플립칩 본더에 의해 실리콘 칩의 상면으로부터 실시예 1에 기재된 것과 같은 조건으로 가압 가열하여, 패턴화된 형상물의 에리스리톨을 증발시킴과 함께 구리미립자를 소결시키는 것에 의해, 알루미늄 기판상에 실리콘 칩을 실장하였다.
(3) 접합 강도의 평가
제작한 실리콘 칩 실장 샘플에 대해서, 다이 쉐어 시험에 의해 접합 강도를 측정한 바, 25MPa 이상의 강도가 있는 것을 확인하였다.
[실시예 3]
실시예 1과 같이, 가열 접합용 재료를 이용하여 알루미늄 기판과 실리콘 칩을 접합하여, 접합 강도의 평가를 행하였다.
(1) 가열 접합용 재료의 조제
에리스리톨 분말 15g에 평균 일차입자지름 50㎚인 구리미립자 50g을 균일하게 혼합한 분체를, 분해 가능한 복수의 구획을 가지는 금형(1개의 구획의 사이즈 : 세로×가로×깊이=5×5×0.3㎜)에 충전하고, 135℃, 0.2 MPa로 가압 가열하여, 5×5×0.15㎜의 패턴화된 형상물을 얻었다.
(2) 전자부품의 접합
실시예 1과 같은 알루미늄 기판을 이용하여 패드를 형성하였다. 그 패드상에 (1)에서 얻어진 패턴화된 형상물(5×5×0.15㎜)을 배치하고, 그 위에 스퍼터 처리면과 패턴화된 형상물이 접하도록 4×4×0.35(두께)㎜의 실리콘 칩(스퍼터 처리 Ti/Au=35/150㎚)을 더 배치하였다.
플립칩 본더에 의해 실리콘 칩의 상면으로부터 실시예 1에 기재된 것과 같은 조건으로 가압 가열하여, 패턴화된 형상물중의 에리스리톨을 증발시킴과 동시에 구리미립자를 소결시키는 것에 의해, 알루미늄 기판상에 실리콘 칩을 실장하였다.
(3) 접합 강도의 평가
얻어진 실리콘 칩 실장 샘플은, 다이 쉐어 시험에 의해 25MPa 이상의 강도가 있는 것이 확인되었다.
[실시예 4]
가열 접합용 재료로부터 얻어진 가열 접합용 코팅물을 이용하여 알루미늄 기판과 실리콘 칩을 접합하여, 접합 강도의 평가를 행하였다.
(1) 가열 접합용 재료의 조제
에리스리톨을 물에 용해시킨 에리스리톨 30질량% 수용액 50g에, 평균 일차입자지름 50㎚인 구리미립자 50g을 혼합한 페이스트 형상물을, 분해 가능한 복수의 구획을 가지는 금형(1개의 구획의 사이즈 : 세로×가로×깊이=5×5×0.5㎜)에 흘려 넣고, 80℃에서 수분을 천천히 증발시켜 5×5×0.15㎜의 가열용 접합용 작은 조각을 얻었다.
(2) 전자부품의 접합
얻어진 가열용 접합용 작은 조각을 물에 분산시켜 페이스트 형상물로 하여, 그 페이스트 형상물을 4×4×0.35(두께)㎜의 실리콘 칩(스퍼터 처리 Ti/Au=35/150㎚)의 스퍼터면에 두께 0.5㎜로 도공하여 80℃에서 건조하였다.
실시예 1과 같은 알루미늄 기판을 이용하여, 마찬가지로 패드를 형성하였다. 그 패드와 스퍼터 처리면에 도공한 가열 접합용 코팅물이 서로 마주하도록 실리콘 칩을 배치하였다.
플립칩 본더에 의해 실리콘 칩의 상면으로부터 실시예 1에 기재된 것과 같은 가압 가열에 의해서, 가열 접합용 재료중의 에리스리톨을 증발시킴과 함께 구리미립자를 소결시키는 것에 의해, 알루미늄 기판상에 실리콘 칩을 실장하였다.
(3) 접합 강도의 평가
얻어진 실리콘 칩 실장 샘플은, 다이 쉐어 시험에 의해 25MPa 이상의 강도가 있는 것이 확인되었다.
[실시예 5]
구리미립자를 포함한 가열 접합용 재료를 제작하여, 그 가열 접합용 재료를 알루미늄 기판과 실리콘 칩 사이에 배치하고, 가열하여 그 가열 접합용 재료에 함유되어 있던 구리미립자를 소결하고 상기 알루미늄 기판과 실리콘 칩을 접합하여, 접합 강도의 평가를 행하였다.
(1) 가열 접합용 재료의 제작
자일리톨 10.5g과 디에틸렌글리콜 4.5g과 평균 일차입자지름 50㎚인 구리미립자 50g를 95℃ 이상에서 혼합한 페이스트 형상물을, 냉각하여 고형 형상의 가열 접합용 재료를 얻었다.
(2) 전자부품의 접합
알루미늄 기판(덴키가가쿠고교(주)제, 상품명 : 히트 플레이트 K-1, 알루미늄판 두께 1.5㎜상에, 두께 0.075㎜의 절연층이 형성되어, 그 절연층상에 두께 0.038㎜의 회로용 구리박이 더 적층되어 있다)을 이용하여, 상기 구리박을 에칭에 의해서 6×6㎜로 패터닝하여 패드를 형성하였다. 그 패드상에 가열 접합용 재료를 95℃로 가열하고, 용융 상태로 한 가열 접합용 재료를 브러시로 코팅(두께 0.3㎜ 정도)하고 나서 실온에 냉각함으로써 가열 접합용 재료를 고화시키고, 또한 그 위에 스퍼터 처리면과 가열 접합용 재료가 접하도록 4×4×0.35(두께)㎜의 실리콘 칩(스퍼터 처리 Ti/Au=35/150㎚)을 배치하였다.
플립칩 본더에 의해 실리콘 칩의 상면으로부터 0.1MPa의 압력을 가하면서 300℃에서, 10분간 가열을 함으로써 알루미늄 기판상에 실리콘 칩을 실장하였다.
(3) 접합 강도의 평가
제작한 실리콘 칩 실장 샘플에 대해서, 다이 쉐어 시험에 의해 접합 강도를 측정한 바, 25MPa 이상의 강도가 있는 것을 확인하였다.
[실시예 6]
실시예 1과 같이, 가열 접합용 코팅 재료를 이용하여 알루미늄 기판과 실리콘 칩을 접합하여, 접합 강도의 평가를 행하였다.
(1) 가열 접합용 코팅 재료
에리스리톨 30wt% 수용액 50g에 평균 일차입자지름 50㎚인 구리미립자 50g을 혼합하여 연화 상태의 가열 접합용 코팅 재료를 얻었다.
(2) 전자부품의 접합
4×4×0.35(두께)㎜의 실리콘 칩(스퍼터 처리 Ti/Au=35/150㎚)의 스퍼터면에 두께 0.15㎜에 도공하여 80℃에서, 수분을 증발하여 건조, 고체화 하였다. 실시예 1과 같은 알루미늄 기판을 이용하여, 마찬가지로 패드를 형성하였다. 그 패드와 스퍼터 처리면에 도공한 코팅물이 서로 마주하도록 실리콘 칩을 배치하였다.
플립칩 본더에 의해 실리콘 칩의 상면으로부터 실시예 1에 기재된 것과 같은 조건으로 가압 가열하고, 알루미늄 기판상에 실리콘 칩을 실장하였다.
(3) 접합 강도의 평가
얻어진 실리콘 칩 실장 샘플은, 다이 쉐어 시험에 의해 25MPa 이상의 강도가 있는 것이 확인되었다.

Claims (14)

  1. 30℃보다 높은 온도로 가열하는 것에 의해 용융 또는 연화되는 유기 화합물 분산매(A)중에 금속 미립자(P)가 분산되어 있는, 금속 부재, 반도체 부재, 및 세라믹스 부재로부터 선택된 동종 부재간, 또는 이종 부재간의 가열 접합용 재료로서,
    유기 화합물 분산매(A)의 60질량% 이상이 융점 또는 연화점이 30℃ 이상이고 분자중에 2 이상의 수산기를 가지는 1종 또는 2종 이상의 폴리올(A1)로 이루어지며,
    금속 미립자(P)가 소결성(燒結性)을 가지고, 또한 그의 80질량% 이상의 일차입자의 평균입자지름이 5∼200㎚인 금속 미립자(P1)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가열 접합용 재료.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 미립자(P)가 금속 미립자(P1)와, 일차입자의 평균입자지름이 200㎚ 초과 내지 20㎛ 이하인 금속 미립자(P2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가열 접합용 재료.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 미립자(P)가 금속 미립자(P1)와, 일차입자의 평균입자지름 1∼20㎛인 금속 미립자(P2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가열 접합용 재료.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 미립자(P)가 상기 금속 미립자(P1) 80∼95질량%와, 상기 금속 미립자(P2) 20∼5질량%로 이루어지는(질량%의 합계는 100질량%인) 것을 특징으로 하는, 가열 접합용 재료.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 유기 화합물 분산매(A) 중에 적어도 폴리올(A1)과, 융점 또는 연화점이 30℃ 미만인 분자중에 2 이상의 수산기를 가지는 1종 또는 2종 이상의 폴리올(A2)이 함유되어 있고, 폴리올(A2)의 함유 비율이, 폴리올(A1)과 폴리올(A2)의 합계량에 대해 40질량% 이하로 되는 범위인 것을 특징으로 하는, 가열 접합용 재료.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 접합용 재료가 유기 화합물 분산매(A) 10∼70질량%와, 금속 미립자(P) 90∼30질량%(질량%의 합계는 100질량%임)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가열 접합용 재료.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 접합용 재료가 패턴화된 형상물인 것을 특징으로 하는, 가열 접합용 재료.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 접합용 재료가 유기 화합물 분산매(A)에 금속 미립자(P)를 분산시킨 재료를 가열 용융 혹은 연화시켜 얻어지고, 또는 그 재료에 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 용해 또는 연화시켜 얻어진 가열 접합용 코팅 재료.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 기재된 가열 접합용 재료를, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코팅하여 얻어진 코팅물.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 기재된 가열 접합용 재료를, 30℃보다 높은 온도로 가열하여 유기 화합물 분산매(A)를 용융 또는 연화시키고, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코팅한 후, 상기 용융 또는 연화 온도 이하로 냉각하여 얻어진 코팅물.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 기재된 가열 접합용 재료에 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 용해 또는 연화시키고, 전자부품의 단자 혹은 전극 표면상, 또는 기판의 회로 표면상에 코팅한 후, 상기 용제를 증발시켜 고화(固化)하여 얻어진 코팅물.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 기재된 가열 접합용 재료를, 유기 화합물 분산매(A)가 용융 또는 연화되는 온도 이상으로 가열하여, 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면상에서 패턴화한 후, 상기 용융 또는 연화 온도 이하로 냉각하여 고화시키고, 그 후 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 상기 가열 접합용 재료를 통해서 접촉된 상태에서 가열 처리함으로써, 상기 접합용 재료중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 접합되는 것을 특징으로 하는, 전자부품의 접합방법.
  13. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 기재된 가열 접합용 재료에, 유기계 용제 또는 수계 용제를 첨가하여 유기 화합물 분산매(A)를 용해 또는 연화시키고, 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면상에서 패턴화한 후, 상기 용제를 증발시켜 고화시키고, 그 후 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 상기 가열 접합용 재료를 통해서 접촉된 상태에서 가열 처리함으로써, 상기 접합용 재료중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 접합되는 것을 특징으로 하는, 전자부품의 접합방법.
  14. 제 7 항에 기재된 상기 가열 접합용 재료로 이루어지는 미리 패턴화된 형상물을, 적어도 표면이 금속 부재, 반도체 부재, 또는 세라믹스 부재로 이루어지는 피접합체(M1)와 다른 피접합체(M2)의 어느 한쪽, 또는 쌍방의 표면위에 얹은 후, 피접합체(M1)를 그 패턴화된 형상물을 통해서 피접합체(M2)와 접촉시킨 상태에서 가열처리됨으로써, 상기 접합용 재료중의 금속 미립자(P)로 형성되는 소결체에 의해, 피접합체(M1)와 피접합체(M2)가 접합되는 것을 특징으로 하는 전자부품의 접합방법.
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