JP7666578B1 - Bonding paste and bonded body - Google Patents
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Abstract
【課題】無加圧条件下においても、焼結後の塗膜中のボイドを抑制して高い熱伝導性を発現し、接合強度に優れ、且つ冷熱サイクルに伴う接合強度の低下を抑制可能な接合用ペースト、及び該接合ペーストを用いた接合体の提供。
【解決手段】上記課題は、金属粒子(A)と分散媒(B)とを含む接合用ペーストであって、金属粒子(A)は、平均粒子径が100nm以上、500nm以下である金属粒子(a)を金属粒子(A)の全質量を基準として50質量%以上含有し、該接合用ペーストを3℃/分の昇温速度で昇温したときの650℃における重量減少M650を100とした場合に、200℃における重量減少M200が88以上98以下である接合用ペーストによって解決される。
【選択図】なし
[Problem] To provide a bonding paste that suppresses voids in a coating film after sintering even under pressure-free conditions, exhibits high thermal conductivity, has excellent bonding strength, and can suppress a decrease in bonding strength due to thermal cycles, and a bonded body using the bonding paste.
[Solution] The above problem is solved by a joining paste containing metal particles (A) and a dispersion medium (B), in which the metal particles (A) contain 50 mass % or more of metal particles (a) having an average particle diameter of 100 nm or more and 500 nm or less, based on the total mass of the metal particles (A), and when the joining paste is heated at a heating rate of 3°C/min, and the weight loss at 200°C, M200, is 88 or more and 98 or less, assuming that the weight loss at 650°C, M650, is 100.
[Selection diagram] None
Description
本発明は、無加圧条件下において、優れた熱伝導性、接合強度を有し、冷熱サイクルに伴う接合強度の低下を抑制可能な接合用ペースト、及び、該接合ペーストを用いた接合体に関するものである。 The present invention relates to a bonding paste that has excellent thermal conductivity and bonding strength under non-pressure conditions and can suppress the decrease in bonding strength caused by thermal cycles, and a bonded body using the bonding paste.
従来、金属部材同士、金属部材と半導体素子、金属部材と発光ダイオード(LED)素子等を接着するための接合材として、はんだが使用されていた。近年、次世代パワーエレクトロニクスの技術分野では、高温動作可能なSiC等のデバイスが求められている。このようなデバイスを製造するための接合材としては、高温駆動信頼性の観点で、はんだの代替材料が求められており、例えば、特許文献1、2に示すように、焼結性を有する金属粒子を用いた接合用ペースト等の接合材が提案されている。 Conventionally, solder has been used as a bonding material for bonding metal members together, between metal members and semiconductor elements, between metal members and light-emitting diode (LED) elements, etc. In recent years, in the field of next-generation power electronics technology, there has been a demand for devices such as SiC that can operate at high temperatures. As a bonding material for manufacturing such devices, there is a demand for alternative materials to solder from the viewpoint of high-temperature operating reliability. For example, as shown in Patent Documents 1 and 2, bonding materials such as bonding pastes using sinterable metal particles have been proposed.
特許文献1には、金属ナノ粒子及び溶剤を含む接合材であって、窒素雰囲気中で3℃/分の昇温速度で40℃から700℃まで昇温したときの加熱減量L700を100%としたときの、100℃、150℃及び200℃における加熱減量の値を特定した接合材が開示されている。
特許文献2には、無機粒子と、前記無機粒子の表面の少なくとも一部に付着している特定の有機物と、を含み、熱分析によって室温から200℃まで加熱したとき、及び、200℃から300℃まで加熱したときの重量減少率の値を特定した接合用組成物が開示されている。
Patent Document 1 discloses a bonding material containing metal nanoparticles and a solvent, in which the values of heat loss at 100°C, 150°C, and 200°C are specified, with the heat loss L700 when the material is heated from 40°C to 700°C at a heating rate of 3°C/min in a nitrogen atmosphere being taken as 100%.
Patent Document 2 discloses a bonding composition that contains inorganic particles and a specific organic substance attached to at least a portion of the surface of the inorganic particles, and whose weight loss rates when heated from room temperature to 200°C and when heated from 200°C to 300°C are specified by thermal analysis.
このような接合材を用いた接合プロセスとしては、無加圧下で行う方法(以下、無加圧接合という)と、加圧下で行う方法(以下、加圧接合という)とがある。加圧接合はボイド低減に有効であり熱伝導性が向上し金属粒子の焼結を促進させるため、強固な接合が可能であり、接合強度及び冷熱サイクル特性に優れるという利点がある。しかし、加圧接合は専用設備を必要とし、さらに接合する対象が加圧環境に耐え得るものでなければならず、接合対象や用途が限定される。そのため、無加圧接合においてボイドを低減し高い熱伝導性を発現すること、および強固な接合を実現し、接合強度及び冷熱サイクル特性を向上させることが求められている。
一方、近年、半導体素子の大面積化が進んでいるが、素子が大面積になるほど内部のガス等が抜け難く、ボイドが発生し易い傾向にあることが知られている。また、Si素子やSiC素子の線膨張係数と、銀粒子及び基材として使用される銅の線膨張係数との差が非常に大きく、冷熱サイクル試験の際に、銅基材/銀粒子を含む接合層/Si又はSiC素子の層間でひずみが生じ、クラックが発生し冷熱サイクル特性が低下しやすい傾向にある。さらに、SiC素子はSi素子と同程度の線膨張係数であるが、Si素子に比べて硬度が高いため、Si素子に比べて冷熱サイクル時にかかる歪が大きく、接合層にクラックが生じやすい傾向にある。すなわち、SiC半導体素子の接合強度及び冷熱サイクル特性の向上に関する要求レベルは、近年ますます高まっている。
There are two types of bonding processes using such bonding materials: a method performed without pressure (hereinafter referred to as pressureless bonding) and a method performed under pressure (hereinafter referred to as pressure bonding). Pressure bonding is effective in reducing voids, improves thermal conductivity, and promotes sintering of metal particles, making it possible to form strong bonds, and has the advantage of excellent bonding strength and thermal cycle characteristics. However, pressure bonding requires dedicated equipment, and the objects to be bonded must be able to withstand a pressurized environment, so the objects to be bonded and their applications are limited. Therefore, there is a demand for reducing voids and achieving high thermal conductivity in pressureless bonding, as well as realizing strong bonds and improving bonding strength and thermal cycle characteristics.
On the other hand, in recent years, the area of semiconductor elements has been increased, but it is known that the larger the area of the element, the more difficult it is for gases and the like inside to escape, and voids tend to occur. In addition, the difference between the linear expansion coefficient of Si elements and SiC elements and the linear expansion coefficient of copper used as silver particles and base material is very large, and during a thermal cycle test, distortion occurs between the copper base material / bonding layer containing silver particles / Si or SiC element layers, and cracks tend to occur, which tends to reduce the thermal cycle characteristics. Furthermore, although the linear expansion coefficient of SiC elements is about the same as that of Si elements, the hardness is higher than that of Si elements, so that the distortion during thermal cycles is larger than that of Si elements, and cracks tend to occur in the bonding layer. That is, the level of requirements for improving the bonding strength and thermal cycle characteristics of SiC semiconductor elements has been increasing in recent years.
しかしながら、特許文献1及び特許文献2に記載の発明は、本願発明の構成要件を満たしておらず、無加圧接合にて大面積SiC素子を接合した際の、接合強度と冷熱サイクル特性の課題を解決できない。 However, the inventions described in Patent Documents 1 and 2 do not meet the constituent elements of the present invention, and cannot resolve the issues of bonding strength and thermal cycle characteristics when large-area SiC elements are bonded without pressure.
したがって、本開示が解決しようとする課題は、無加圧条件下においても、焼結後の塗膜中のボイドを抑制して高い熱伝導性を発現し、接合強度に優れ、且つ冷熱サイクルに伴う接合強度の低下を抑制可能な接合用ペースト、及び該接合ペーストを用いた接合体を提供することにある。 Therefore, the problem that this disclosure aims to solve is to provide a joining paste that suppresses voids in the coating film after sintering even under pressure-free conditions, exhibits high thermal conductivity, has excellent joining strength, and can suppress the decrease in joining strength due to thermal cycles, and a joined body using the joining paste.
本発明者らは、鋭意検討を行った結果、上記の課題を解決し得ることを見出した。
[1]:金属粒子(A)と分散媒(B)とを含む接合用ペーストであって、前記金属粒子(A)は、平均粒子径が100nm以上、500nm以下である金属粒子(a)を、金属粒子(A)の全質量を基準として、50質量%以上含有し、該接合用ペーストを3℃/分の昇温速度で昇温したときの650℃における重量減少M650を100とした場合に、200℃における重量減少M200が88以上、98以下である、接合用ペースト。
[2]:前記重量減少M650を100とした場合の、150℃における重量減少をM150としたときに、前記重量減少M200に対する前記重量減少M150の割合(M150/M200)が、0.975以上である、[1]に記載の接合用ペースト。
[3]:前記分散媒(B)は、沸点が250℃以上、300℃以下である分散媒(b1)の含有率が、分散媒(B)の全質量を基準として50質量%以上である、[1]又は[2]に記載の接合用ペースト。
[4]:前記分散媒(b1)が、テルペン系及びグリコールエーテル系からなる群から選ばれる少なくとも1種を含む、[3]に記載の接合用ペースト。
[5]:前記分散媒(B)は、沸点が300℃を超える分散媒(b2)の含有率が、分散媒(B)の全質量を基準として10質量%以下である、[1]~[4]いずれかに記載の接合用ペースト。
[6]:前記分散媒(B)は、水酸基を有する分散媒の含有率が、分散媒(B)の全質量を基準として、90質量%以上である、[1]~[5]いずれかに記載の接合用ペースト。
[7]:[1]~[6]いずれかに記載の接合用ペーストによって、第一の被接合部と第二の被接合部とが接合された接合体。
[8]:前記第一の被接合部が、非処理基材である、[7]に記載の接合体。
[9]:前記第二の被接合部が、SiCである、[7]又は[8]に記載の接合体。
As a result of extensive investigations, the present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved.
[1]: A bonding paste comprising metal particles (A) and a dispersion medium (B), the metal particles (A) containing metal particles (a) having an average particle diameter of 100 nm or more and 500 nm or less, based on the total mass of the metal particles (A), and when the bonding paste is heated at a heating rate of 3°C/min, a weight loss M650 at 650°C is taken as 100, and a weight loss M200 at 200°C is 88 or more and 98 or less.
[2]: When the weight loss M650 is 100 and the weight loss at 150°C is M150, the ratio of the weight loss M150 to the weight loss M200 (M150/M200) is 0.975 or more. The joining paste according to [1].
[3]: The dispersion medium (B) has a content of a dispersion medium (b1) having a boiling point of 250 ° C. or more and 300 ° C. or less, based on the total mass of the dispersion medium (B). [1] or [2]. The joining paste described.
[4]: The bonding paste according to [3], wherein the dispersion medium (b1) contains at least one selected from the group consisting of terpenes and glycol ethers.
[5]: The dispersion medium (B) has a content of a dispersion medium (b2) having a boiling point exceeding 300 ° C. of 10 mass% or less based on the total mass of the dispersion medium (B). [1] to [4]. The joining paste according to any one of the above.
[6]: The dispersion medium (B) has a content of a dispersion medium having a hydroxyl group of 90 mass% or more based on the total mass of the dispersion medium (B). The joining paste according to any one of [1] to [5].
[7]: A bonded body in which a first bonded portion and a second bonded portion are bonded by the bonding paste according to any one of [1] to [6].
[8]: The bonded body according to [7], wherein the first bonded portion is an untreated substrate.
[9]: The bonded body according to [7] or [8], wherein the second bonded portion is SiC.
本発明により、無加圧条件下においても、焼結後の塗膜中のボイドを抑制して高い熱伝導性を発現し、接合強度に優れ、且つ冷熱サイクルに伴う接合強度の低下を抑制可能な接合用ペースト、及び該接合ペーストを用いた接合体を提供することができる。 The present invention provides a bonding paste that suppresses voids in the coating film after sintering even under pressure-free conditions, exhibits high thermal conductivity, has excellent bonding strength, and can suppress the decrease in bonding strength due to thermal cycling, and a bonded body using the bonding paste.
本開示の接合用ペーストは、金属粒子(A)と分散媒(B)とを含む接合用ペーストであって、金属粒子(A)は、平均粒子径が100nm以上、500nm以下である金属粒子(a)の割合が50質量%以上であり、且つ、該接合用ペーストを3℃/分の昇温速度で昇温したときの650℃における重量減少M650を100とした場合に、200℃における重量減少M200が88以上98以下であることを特徴とする、
本開示の接合用ペーストは、平均粒子径が100nm以上、500nm以下である金属粒子(a)を金属粒子(A)中に50質量%以上含み、且つ、650℃における重量減少M650に対する200℃における重量減少M200の割合が所定範囲であることで、無加圧という厳しい接合条件であり、且つ、被接合部材がメッキレスのような非処理基材、SiC半導体素子のような安定した接合が困難な場合でも、優れた接合強度と冷熱サイクル後の接合強度を発揮することができる。
詳細には、上記により、高い熱伝導性を有し、接合された箇所の接合強度が高く、冷熱サイクルに伴う接合強度の低下が抑制された、無加圧接合可能な接合用ペースト、及び該接合ペーストを用いた接合体を提供することができる。また、これにより、面積の大きなSiC素子を無加圧で接合した場合であっても、高い熱伝導性と、優れた接合強度と冷熱サイクル特性とを発揮することができる。
The bonding paste of the present disclosure is a bonding paste containing metal particles (A) and a dispersion medium (B), wherein the metal particles (A) have an average particle diameter of 100 nm or more and 500 nm or less in a ratio of metal particles (a) of 50 mass% or more, and wherein, when the bonding paste is heated at a heating rate of 3°C/min, the weight loss M650 at 650°C is taken as 100, and the weight loss M200 at 200°C is 88 to 98.
The bonding paste of the present disclosure contains 50 mass% or more of metal particles (a) having an average particle size of 100 nm or more and 500 nm or less in metal particles (A), and the ratio of the weight loss M200 at 200°C to the weight loss M650 at 650°C is within a predetermined range. Therefore, even under strict bonding conditions of no pressure and when the members to be bonded are untreated substrates such as plating-less substrates or SiC semiconductor elements, for which stable bonding is difficult, the bonding paste can exhibit excellent bonding strength and bonding strength after thermal cycles.
In particular, the present invention provides a bonding paste having high thermal conductivity, high bonding strength at the bonded portion, and suppressed decrease in bonding strength due to thermal cycles, which can be bonded without pressure, and a bonded body using the bonding paste. In addition, the present invention provides a bonding paste having high thermal conductivity, excellent bonding strength, and thermal cycle characteristics, even when a large-area SiC element is bonded without pressure.
<金属粒子(A)>
金属粒子(A)は、接合体の導電性及び熱伝導性を発現し、且つ焼結の過程で被接合体を接合する役割を担うものであり、銀、銅、銀及び/又は銀を含む合金、酸化銀、酸化銅、金属(銀、銅を除く)を核体としその表面を銀及び/又は銀で被覆したコート粒子も含む。金属粒子(A)を用いることで、優れた強度を有する接合体が得られる。また、幅広い焼成温度に対応することができ、大気圧下、窒素雰囲気、真空中、又は還元雰囲気等の様々な焼成環境にも対応できる。
<Metal Particles (A)>
The metal particles (A) are responsible for the electrical conductivity and thermal conductivity of the bonded body and for bonding the bonded bodies during the sintering process, and include silver, copper, alloys containing silver and/or silver, silver oxide, copper oxide, and coated particles in which a core body made of a metal (except silver and copper) is coated with silver and/or silver. By using the metal particles (A), a bonded body having excellent strength can be obtained. In addition, the metal particles (A) can be used at a wide range of firing temperatures and in various firing environments such as atmospheric pressure, nitrogen atmosphere, vacuum, or reducing atmosphere.
金属粒子(A)は、平均粒子径が100nm以上、500nm以下である金属粒子(a)(以下、金属粒子(a)と記載する。)を所定量以上含有することで、接合ペーストが加熱及び焼結される200℃から350℃の温度範囲で粒子同士が溶融又は結着(以下、焼結ともいう)する機能を発現し、バルクの金属に変化することが可能となる。その結果、被接合体を接合するに至る。以下、被接合体の間に存在する金属粒子(A)が焼結することで形成される部位を接合層と呼ぶ。
金属粒子(A)及び金属粒子(a)は、導電性及び熱伝導性の観点から、銀又は銅を用いた粒子であることが好ましく、耐酸化性の観点から、より好ましくは銀粒子である。
Metal particles (A) contain a predetermined amount or more of metal particles (a) (hereinafter referred to as metal particles (a)) having an average particle size of 100 nm or more and 500 nm or less, and thereby exhibit the function of melting or bonding (hereinafter also referred to as sintering) the particles to each other in the temperature range of 200°C to 350°C at which the joining paste is heated and sintered, and can be changed into bulk metal. As a result, the objects to be joined are joined. Hereinafter, the portion formed by sintering the metal particles (A) present between the objects to be joined is referred to as the joining layer.
From the viewpoints of electrical conductivity and thermal conductivity, the metal particles (A) and the metal particles (a) are preferably particles using silver or copper, and from the viewpoint of oxidation resistance, they are more preferably silver particles.
本開示では、金属粒子(A)が、特定の平均粒子径を有する金属粒子(a)を50質量%以上含むことが重要である。本明細書でいう「平均粒子径」とは、実施例に記載した測定方法よって求められた体積基準の50%積算粒子径分布粒子径(d50)を意味する。金属粒子(a)のd50は100nm以上、500nm以下であり、好ましくは150nm以上、より好ましくは200nm以上である。また、金属粒子(a)のd50は、好ましくは400nm以下、より好ましくは300nm以下である。 In the present disclosure, it is important that the metal particles (A) contain 50% by mass or more of metal particles (a) having a specific average particle size. In this specification, the "average particle size" means the 50% cumulative particle size distribution particle size (d50) on a volume basis determined by the measurement method described in the Examples. The d50 of the metal particles (a) is 100 nm or more and 500 nm or less, preferably 150 nm or more, and more preferably 200 nm or more. In addition, the d50 of the metal particles (a) is preferably 400 nm or less, and more preferably 300 nm or less.
金属粒子(A)及び金属粒子(a)は、表面を有機成分で被覆されていてもよく、例えば、銀粒子(A)及び銀粒子(a)が、銀粒子の表面が有機成分で被覆されている粒子であってもよい。当該有機成分を保護剤ともいう。有機成分で被覆されていると接合用ペーストの保存安定性が向上する。有機成分としては、脂肪酸、脂肪族アミン、脂肪族アルコール等が挙げられるが、飽和又は不飽和の脂肪酸であることが好ましく、炭素数が3~18の飽和又は不飽和の脂肪酸であることがより好ましく、炭素数が6~18の飽和又は不飽和の脂肪酸であることがさらに好ましい。有機成分は、1種又は2種以上含んでいてもよい。 The metal particles (A) and the metal particles (a) may have their surfaces coated with an organic component. For example, the silver particles (A) and the silver particles (a) may be particles in which the surfaces of the silver particles are coated with an organic component. The organic component is also called a protective agent. When the bonding paste is coated with an organic component, the storage stability is improved. Examples of the organic component include fatty acids, aliphatic amines, and aliphatic alcohols. Saturated or unsaturated fatty acids are preferable, saturated or unsaturated fatty acids having 3 to 18 carbon atoms are more preferable, and saturated or unsaturated fatty acids having 6 to 18 carbon atoms are even more preferable. The organic component may contain one or more types.
金属粒子(A)中における特定の平均粒子径を有する金属粒子(a)の含有率は、好ましくは70質量%以上、より好ましくは85質量%以上である。金属粒子(A)及び金属粒子(a)は、各々独立して、1種を単独で使用してもよく、複数組み合わせて使用してもよい。
金属粒子(A)は、本発明の効果を損なわない範囲で金属粒子(a)以外の金属粒子を含むことができる。金属粒子(A)は、平均粒子径500nmを超える金属粒子を含有してもよく、平均粒子径1000nmを超える金属粒子を組み合わせてもよく、金属種が異なっていてもよい。
The content of the metal particles (a) having a specific average particle size in the metal particles (A) is preferably 70 mass% or more, more preferably 85 mass% or more. The metal particles (A) and the metal particles (a) may each be independently used alone or in combination.
The metal particles (A) may contain metal particles other than the metal particles (a) as long as the effects of the present invention are not impaired. The metal particles (A) may contain metal particles having an average particle diameter of more than 500 nm, may be combined with metal particles having an average particle diameter of more than 1000 nm, or may be of different metal species.
<分散媒(B)>
本開示の接合用ペーストは、分散媒(B)を含有する。分散媒(B)は、金属粒子(A)を分散する機能、及び、銀の焼結工程において塗膜に流動性を付与する役割を担う。
分散媒(B)としては、例えば、ターピネオール、ジヒドロターピネオール、ジヒドロターピニルアセテート、テルソルブTOE100、テルソルブMTPH(日本テルペン株式会社製)、テキサノール(2,2,4-トリメチルペンタン-1,3-ジオールモノイソブチラート)、カルビトール、カルビトールアセテート、ブチルカルビトール、イソホロン、γ-ブチルラクトン、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル-n-プロピルエーテル、3-メトキシ-3-メチルブチルアセテート、エチレングリコール、プロピレングリコールジアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート、1,3-ブチレングリコール、1,3ブタンジオール、1,4ブタンジオール、2エチル1,3ヘキサンジオール、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、テトラエチレングリコールモノブチルエーテル、ポリエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、炭化水素系分散媒に含まれるイソパラフィン系分散媒が挙げられ、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
<Dispersion medium (B)>
The bonding paste of the present disclosure contains a dispersion medium (B). The dispersion medium (B) has a function of dispersing the metal particles (A) and a role of imparting fluidity to the coating film in the silver sintering step.
Examples of the dispersion medium (B) include terpineol, dihydroterpineol, dihydroterpinyl acetate, Tersolve TOE100, Tersolve MTPH (manufactured by Nippon Terpene Co., Ltd.), Texanol (2,2,4-trimethylpentane-1,3-diol monoisobutyrate), carbitol, carbitol acetate, butyl carbitol, isophorone, γ-butyrolactone, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol methyl-n-propyl ether, 3-methoxy-3-methylbutyl acetate, ethylene glycol, propylene glycol diacetate, and dipropylene glycol methyl ether acetate. Examples of the dispersing medium include isoparaffin-based dispersing mediums contained in hydrocarbon-based dispersing mediums, and these may be used alone or in combination of two or more.
分散媒(B)は、沸点が250℃以上300℃以下の分散媒(b1)(以下、分散媒(b1)と記載する。)を、分散媒(B)の全質量を基準として50質量%以上含むことが好ましい。分散媒(b1)を50質量%以上含有することで、銀の焼結工程において分散媒が残存しやすくなり、200℃における重量減少M200の値を88以上98以下とすることが容易となる。分散媒(b1)の含有率は、分散媒(B)の全質量を基準として、好ましくは60質量%以上、より好ましくは70質量%以上である。分散媒(b1)の沸点は、好ましくは260℃以上である。 The dispersion medium (B) preferably contains 50% by mass or more of the dispersion medium (b1) (hereinafter referred to as the dispersion medium (b1)) having a boiling point of 250°C or more and 300°C or less, based on the total mass of the dispersion medium (B). By containing 50% by mass or more of the dispersion medium (b1), the dispersion medium is more likely to remain in the silver sintering process, and it becomes easier to set the weight loss M200 value at 200°C to 88 or more and 98 or less. The content of the dispersion medium (b1) is preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, based on the total mass of the dispersion medium (B). The boiling point of the dispersion medium (b1) is preferably 260°C or more.
また分散媒(B)は、分散媒(B)の全質量を基準とした、沸点が300℃を超える分散媒(b2)(以下、分散媒(b2)と記載する。)の割合が、10質量%以下であることが好ましい。分散媒(b2)の割合が10質量%以下であることで、銀の焼結工程において分散媒が過度に残留することがなく、200℃における重量減少M200の値を88以上98以下とすることが容易となる。
そして、200℃における重量減少M200の値が88以上98以下であると、焼結段階で分散媒が残存するため、塗膜の流動性が高まり、焼結後の塗膜中のボイド発生が抑制され、高い熱伝導性を発揮することができる。また、被接合部に対する濡れ性が向上して接触面積が増加することで、強固な接合を形成することができる。これにより、優れた接合強度及び冷熱サイクル性を発揮することができる。
In addition, the dispersion medium (B) preferably contains 10% by mass or less of a dispersion medium (b2) (hereinafter referred to as dispersion medium (b2)) having a boiling point exceeding 300° C., based on the total mass of the dispersion medium (B). By containing 10% by mass or less of the dispersion medium (b2), the dispersion medium does not remain excessively in the silver sintering step, and it becomes easy to set the weight loss M200 value at 200° C. to 88 or more and 98 or less.
If the weight loss M200 value at 200°C is 88 to 98, the dispersion medium remains at the sintering stage, increasing the fluidity of the coating film and suppressing the generation of voids in the coating film after sintering, allowing high thermal conductivity to be exhibited. In addition, the wettability of the bonded parts is improved and the contact area is increased, allowing for strong bonding. This allows for excellent bonding strength and thermal cycle resistance.
沸点が250℃以上300℃以下の分散媒(b1)としては、例えば、テルソルブTOE-100(2-(1-メチル-1-(4-メチル-3-シクロヘキセニル)エトキシ)エタノール)(日本テルペン化学株式会社製)のようなテルペン系;ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル及びトリエチレングリコールモノブチルエーテルのようなグリコールエーテル系;テキサノール(2,2,4-トリメチルペンタン-1,3-ジオールモノイソブチラート)、1,6-ジアセトキシヘキサンが挙げられ、中でも、テルペン系及びグリコールエーテル系からなる群から選ばれる少なくとも1種が好適に用いられる。 Examples of dispersion media (b1) with a boiling point of 250°C or higher and 300°C or lower include terpenes such as Tersolve TOE-100 (2-(1-methyl-1-(4-methyl-3-cyclohexenyl)ethoxy)ethanol) (manufactured by Nippon Terpene Chemical Co., Ltd.); glycol ethers such as diethylene glycol monohexyl ether, triethylene glycol monoethyl ether, and triethylene glycol monobutyl ether; Texanol (2,2,4-trimethylpentane-1,3-diol monoisobutyrate) and 1,6-diacetoxyhexane. Among these, at least one selected from the group consisting of terpenes and glycol ethers is preferably used.
分散媒(B)は、水酸基を含有する分散媒を含むことが好ましい。分散媒(B)が水酸基を有することで、金属粒子(A)に吸着し分散性が向上する。さらに、分散媒の揮発が緩やかになるため、焼結時に生じる膜収縮が緩やかになる。これにより、塗膜の流動性が高まり、焼結後の塗膜中のボイド発生が抑制され、高い熱伝導性を発現する。また、被接合部に対する濡れ性が向上して接触面積が増加することで、強固な接合を形成することができる。これにより、優れた接合強度及び冷熱サイクル性を発揮することができる。
上記観点から、水酸基を含有する分散媒の含有率は、分散媒(B)の全質量を基準として、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上である。
The dispersion medium (B) preferably contains a dispersion medium containing a hydroxyl group. When the dispersion medium (B) has a hydroxyl group, it is adsorbed to the metal particles (A) and the dispersibility is improved. Furthermore, the evaporation of the dispersion medium is slowed down, so that the film shrinkage that occurs during sintering is slowed down. This increases the fluidity of the coating film, suppresses the generation of voids in the coating film after sintering, and exhibits high thermal conductivity. In addition, the wettability to the bonded parts is improved and the contact area is increased, so that a strong bond can be formed. This allows excellent bonding strength and thermal cycle resistance to be exhibited.
From the above viewpoints, the content of the hydroxyl group-containing dispersion medium is preferably 90 mass % or more, and more preferably 95 mass % or more, based on the total mass of the dispersion medium (B).
水酸基を含有する分散媒としては、例えば、ターピネオール、ジヒドロターピネオール、ジヒドロターピニルアセテート、テルソルブTOE-100(2-(1-メチル-1-(4-メチル-3-シクロヘキセニル)エトキシ)エタノール)、テルソルブMTPH(イソボルニルシクロヘキサノール)等のテルピネオール系;ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、テトラエチレングリコールモノブチルエーテル、ポリエチレングリコールモノブチルエーテル等のグリコールエーテル系;が挙げられる。 Examples of dispersion media containing hydroxyl groups include terpineol-based media such as terpineol, dihydroterpineol, dihydroterpinyl acetate, Tersolve TOE-100 (2-(1-methyl-1-(4-methyl-3-cyclohexenyl)ethoxy)ethanol), and Tersolve MTPH (isobornylcyclohexanol); and glycol ether-based media such as diethylene glycol monohexyl ether, triethylene glycol monoethyl ether, triethylene glycol monobutyl ether, tetraethylene glycol monobutyl ether, and polyethylene glycol monobutyl ether.
<重量減少>
上述するように、本開示の接合用ペーストは、3℃/分の昇温速度で昇温したときの650℃における重量減少M650を100とした場合に、200℃における重量減少M200が88.0以上98.0以下であることが重要である。上記範囲であると、焼結段階で分散媒が残存するため、塗膜の流動性が高まり、焼結後の塗膜中のボイド発生が抑制され、高い熱伝導性を発揮することができる。また、被接合部に対する濡れ性が向上して接触面積が増加することで、強固な接合を形成することができる。これにより、優れた接合強度及び冷熱サイクル性を発揮することができる。M650を100とした場合のM200の値は、好ましくは、90.0以上96.0以下である。
また本明細書において、650℃における重量減少M650を100とした場合の、150℃/250℃/300℃における重量減少を、それぞれM150/M250/M300とする。
重量減少は、熱重量示差熱分析法(以下、TG-DTA分析法ともいう)を用いて測定することができ、例えば、熱重量示差熱分析装置(TG/DTA8122(RIGAKU社製))を用いて、試料10mgを窒素雰囲気下、昇温速度3℃/分で加熱、スタート温度30℃の条件で求めることができる。
<Weight loss>
As described above, it is important that the bonding paste of the present disclosure has a weight loss M200 of 88.0 or more and 98.0 or less when the weight loss M650 at 650 ° C. is taken as 100 when the temperature is increased at a heating rate of 3 ° C. / min. When the weight loss M200 is within the above range, the dispersion medium remains at the sintering stage, so that the fluidity of the coating film is increased, the generation of voids in the coating film after sintering is suppressed, and high thermal conductivity can be exhibited. In addition, the wettability to the bonded parts is improved and the contact area is increased, so that a strong bond can be formed. This allows excellent bonding strength and thermal cycle resistance to be exhibited. When M650 is taken as 100, the value of M200 is preferably 90.0 or more and 96.0 or less.
In this specification, when the weight loss at 650° C., M650, is taken as 100, the weight losses at 150° C., 250° C. and 300° C. are taken as M150, M250 and M300, respectively.
The weight loss can be measured using a thermogravimetric differential thermal analysis method (hereinafter, also referred to as a TG-DTA analysis method). For example, the weight loss can be measured using a thermogravimetric differential thermal analyzer (TG/DTA8122 (manufactured by RIGAKU Corporation)) under conditions of heating 10 mg of a sample in a nitrogen atmosphere at a heating rate of 3° C./min and a starting temperature of 30° C.
本開示の接合用ペーストは、上述する熱伝導性、接合強度、冷熱サイクル特性の観点から、M150が85.0以上96.0以下、M250が93.0以上98.5以下、M300が96.0以上99.0以下であってもよい。 In terms of the thermal conductivity, bonding strength, and thermal cycle characteristics described above, the bonding paste of the present disclosure may have an M150 of 85.0 or more and 96.0 or less, an M250 of 93.0 or more and 98.5 or less, and an M300 of 96.0 or more and 99.0 or less.
また、本開示の接合用ペーストは、M200に対するM150の割合(M150/M200)が、0.975以上であることが好ましい。M150/M200の値が0.975以上であることで、150℃~200℃間の焼結過程において、分散媒やその他有機物の急激な揮発が抑制され、焼結時に生じる塗膜収縮が緩やかとなる。これにより、塗膜の流動性が高まり、焼結後の塗膜中のボイド発生が抑制され、高い熱伝導性を発現する。また、被接合部に対する濡れ性が向上して接触面積が増加することで、強固な接合を形成することができる。これにより、優れた接合強度及び冷熱サイクル性を発揮することができる。 In addition, the bonding paste of the present disclosure preferably has a ratio of M150 to M200 (M150/M200) of 0.975 or more. By having the value of M150/M200 of 0.975 or more, the rapid volatilization of the dispersion medium and other organic substances is suppressed during the sintering process between 150°C and 200°C, and the shrinkage of the coating film that occurs during sintering is gradual. This increases the fluidity of the coating film, suppresses the generation of voids in the coating film after sintering, and exhibits high thermal conductivity. In addition, the wettability of the bonded parts is improved and the contact area is increased, allowing for the formation of a strong bond. This allows for excellent bonding strength and thermal cycle resistance to be exhibited.
本開示の接合用ペーストは、上述する熱伝導性、接合強度、冷熱サイクル特性の観点から、M250に対するM200の割合(M200/M250)が0.95以上であってもよく、M250に対するM150の割合(M150/M250)が0.93以上であってもよい。 From the viewpoint of the thermal conductivity, bonding strength, and thermal cycle characteristics described above, the bonding paste of the present disclosure may have a ratio of M200 to M250 (M200/M250) of 0.95 or more, and a ratio of M150 to M250 (M150/M250) of 0.93 or more.
<化合物(C)>
本開示の接合用ペーストは、水酸基、カルボキシ基及びアミノ基からなる群より選ばれる少なくとも一種の官能基(c)を2つ以上有する炭素数20~80の化合物(C)(以下、化合物(C)と記載する。)を含有してもよい。このような化合物(C)を含むことで、分散媒(B)の一部又は全部が揮発した後も、液状組成物として存在できるため、被接合部と一体となった良好な接合界面を形成することができる。また、それぞれの官能基(c)は、金属粒子との結合性が高く、優れた分散性を発揮する。
化合物(C)の炭素数は、官能基(c)中の炭素も含んだ数値を表す。したがって、化合物(C)中の官能基(c)が、カルボキシ基の場合は、このカルボキシ基中の炭素も含めた炭素数を化合物(C)の炭素数とみなす。
<Compound (C)>
The bonding paste of the present disclosure may contain a compound (C) (hereinafter referred to as compound (C)) having 20 to 80 carbon atoms and having two or more functional groups (c) selected from the group consisting of hydroxyl groups, carboxy groups, and amino groups. By including such a compound (C), the composition can exist as a liquid composition even after a part or all of the dispersion medium (B) has evaporated, so that a good bonding interface integrated with the bonded parts can be formed. In addition, each functional group (c) has high binding ability with metal particles and exhibits excellent dispersibility.
The number of carbon atoms in compound (C) includes the number of carbon atoms in functional group (c). Therefore, when functional group (c) in compound (C) is a carboxy group, the number of carbon atoms including the carbon atoms in the carboxy group is considered to be the number of carbon atoms in compound (C).
化合物(C)において、官能基(c)を除いた骨格(部分構造)は、有機残基であるが、炭化水素基又は複数の炭化水素基がヘテロ原子を含む連結基で結合された基であることが好ましい。このようなヘテロ原子を含む連結基としては、例えば、-O-基(エーテル基)、-C(=O)-基(カルボニル基)、-C(=O)-O-基(エステル基又はオキシカルボニル基)、-C(=O)-NH-基(アミド基又はイミノカルボニル基)が挙げられる。化合物(C)は、官能基(c)以外の官能基を有しないことが好ましい。 In compound (C), the skeleton (partial structure) excluding functional group (c) is an organic residue, but is preferably a hydrocarbon group or a group in which multiple hydrocarbon groups are bonded with a linking group containing a heteroatom. Examples of such linking groups containing a heteroatom include an -O- group (ether group), a -C(=O)- group (carbonyl group), a -C(=O)-O- group (ester group or oxycarbonyl group), and a -C(=O)-NH- group (amide group or iminocarbonyl group). Compound (C) preferably does not have any functional groups other than functional group (c).
化合物(C)の官能基(c)の数をnとした場合は、化合物(C)はn価の炭化水素基を有することが好ましい。化合物(C)において、官能基(c)を除いた骨格は、強固な接合体が得られる点で、n価の炭化水素基のみからなることがより好ましい。 When the number of functional groups (c) in compound (C) is n, compound (C) preferably has an n-valent hydrocarbon group. In compound (C), the skeleton excluding functional group (c) is more preferably composed only of n-valent hydrocarbon groups, since this allows a strong bond to be obtained.
化合物(C)中の官能基(c)の数は、2又は3であることが好ましい。化合物(C)は、直鎖構造でもよいし、分岐及び/又は環状構造を有していてもよいが、分岐及び/又は環状構造を有することが好ましい。分岐及び/又は環状構造を有する場合は、結晶性が低く、良好な流動性を有する液状となりやすい点で、好ましい。 The number of functional groups (c) in compound (C) is preferably 2 or 3. Compound (C) may have a linear structure or a branched and/or cyclic structure, but preferably has a branched and/or cyclic structure. When compound (C) has a branched and/or cyclic structure, it is preferable that compound (C) has a branched and/or cyclic structure, since it tends to be a liquid with low crystallinity and good fluidity.
直鎖構造を有する化合物(C)としては、例えば、エイコサン二酸、ヘネイコサン二酸、ドコサン二酸、テトラコサン二酸、トリアコンタン二酸、ドトリアコンタン二酸、テトラコンタン二酸、ペンタコンタン二酸、ヘキサコンタン二酸、バチルアルコールが挙げられる。分岐及び/又は環状構造を有する化合物(C)としては、例えば、ダイマー酸、トリマー酸、テトラマー酸、ダイマージオール、トリマートリオール、テトラマーテトラオール、ダイマージアミン、トリマートリアミン、テトラマーテトラミン、フィタントリオールが挙げられる。
化合物(C)としては、ダイマー酸、トリマー酸、ダイマージオール、トリマートリオール、ダイマージアミン、及びトリマートリアミンからなる群より選ばれる化合物であることがより好ましい。
Examples of the compound (C) having a linear structure include eicosane diacid, heneicosane diacid, docosane diacid, tetracosane diacid, triacontanedioic acid, dotriacontanedioic acid, tetracontanedioic acid, pentacontanedioic acid, hexacontanedioic acid, and batyl alcohol. Examples of the compound (C) having a branched and/or cyclic structure include dimer acid, trimer acid, tetramer acid, dimer diol, trimer triol, tetramer tetraol, dimer diamine, trimer triamine, tetramer tetramine, and phytantriol.
The compound (C) is more preferably a compound selected from the group consisting of dimer acid, trimer acid, dimer diol, trimer triol, dimer diamine, and trimer triamine.
本開示の接合用ペーストにおいて、化合物(C)の含有量は、初期接合強度及び冷熱サイクル特性の観点から、金属粒子(A)の質量を基準として、好ましくは0.05~2.0質量%、より好ましくは0.1~1.0質量%である。 In the bonding paste of the present disclosure, the content of compound (C) is preferably 0.05 to 2.0 mass%, more preferably 0.1 to 1.0 mass%, based on the mass of metal particles (A), from the viewpoints of initial bonding strength and thermal cycle properties.
<化合物(D)>
本開示の接合用ペーストは、二級窒素原子及び三級窒素原子からなる群より選ばれる少なくとも一種の窒素原子を有し、且つ水酸基数が4以上である化合物(D)(以下、化合物(D)と記載する。)を含有してもよい。
化合物(D)は、接合強度、冷熱サイクル特性の観点から、三級窒素原子を有することが好ましい。三級窒素原子数は、好ましくは1~3、より好ましくは2~3である。三級窒素原子数が2以上であることで、金属粒子(A)との結合性が高まり、分散性が顕著に向上する。また三級窒素原子は、金属粒子(A)や被接合部を還元する機能を有しており、三級窒素原子数が2以上であることで、還元機能が高まる。
また、化合物(D)の水酸基数は、分散性及び還元機能の観点から、好ましくは4~6である。特に、水酸基は金属粒子(A)との結合性に優れるため、分散性を向上させる傾向にあり、水酸基数が4以上であることで金属粒子(A)との結合性が高まり、分散性が顕著に向上する。また水酸基は、金属粒子(A)や被接合部を還元する機能を有しており、水酸基数が4以上であることで、還元機能が大きく向上する。
<Compound (D)>
The joining paste of the present disclosure may contain a compound (D) (hereinafter referred to as compound (D)) having at least one type of nitrogen atom selected from the group consisting of secondary nitrogen atoms and tertiary nitrogen atoms and having four or more hydroxyl groups.
From the viewpoint of bonding strength and thermal cycle properties, the compound (D) preferably has a tertiary nitrogen atom. The number of tertiary nitrogen atoms is preferably 1 to 3, more preferably 2 to 3. When the number of tertiary nitrogen atoms is 2 or more, the bondability with the metal particles (A) is enhanced, and the dispersibility is significantly improved. In addition, the tertiary nitrogen atom has a function of reducing the metal particles (A) and the bonded portion, and when the number of tertiary nitrogen atoms is 2 or more, the reduction function is enhanced.
In addition, from the viewpoint of dispersibility and reduction function, the number of hydroxyl groups in the compound (D) is preferably 4 to 6. In particular, hydroxyl groups have excellent bonding properties with the metal particles (A), and therefore tend to improve dispersibility, and a number of hydroxyl groups of 4 or more enhances bonding properties with the metal particles (A), and the dispersibility is significantly improved. In addition, hydroxyl groups have a function of reducing the metal particles (A) and the bonded portion, and a number of hydroxyl groups of 4 or more greatly improves the reduction function.
化合物(D)の含有率は、金属粒子(A)の質量を基準として、好ましくは0.02質量%以上である。0.02質量%以上であると、金属粒子(A)の分散性を向上させ、また、塗膜に化合物(D)が残存した状態で焼結が進行し、塗膜が流動性を有した状態で焼結が進むため、被接合部への密着性、及び接合層の欠陥が低減する。分散性、被接合部への密着性、接合層の欠陥低減の観点から、より好ましくは0.05質量%以上、さらに好ましくは0.10質量%以上である。
また、化合物(D)の含有率は、金属粒子(A)の質量を基準として、好ましくは2.00質量%以下である。2.00質量%以下であることで、焼結後塗膜への残存量を低減することができ、接合強度及び冷熱サイクル特性に優れる。残存量低減の観点から、より好ましくは1.0質量%以下、さらに好ましくは0.5質量%以下である。
The content of the compound (D) is preferably 0.02% by mass or more based on the mass of the metal particles (A). If it is 0.02% by mass or more, the dispersibility of the metal particles (A) is improved, and sintering proceeds with the compound (D) remaining in the coating film, and the coating film has fluidity, so that the adhesion to the bonded part and the defects of the bonding layer are reduced. From the viewpoint of dispersibility, adhesion to the bonded part, and reduction of defects in the bonding layer, it is more preferably 0.05% by mass or more, and even more preferably 0.10% by mass or more.
The content of the compound (D) is preferably 2.00% by mass or less based on the mass of the metal particles (A). By being 2.00% by mass or less, the amount remaining in the coating film after sintering can be reduced, and the bonding strength and thermal cycle properties are excellent. From the viewpoint of reducing the amount remaining, it is more preferably 1.0% by mass or less, and even more preferably 0.5% by mass or less.
<接合用ペーストの製造>
本開示の接合用ペーストは、少なくとも金属粒子(A)、分散媒(B)を含有していればよく、その製造方法は特に制限されず、公知の方法を用いて調整することができる。金属粒子(A)、分散媒(B)とから接合用ペーストを調製する装置としては、ディスパー、3本ロール、ビーズミル、超音波分散機、自公転式撹拌機等が挙げられる。
<Production of bonding paste>
The bonding paste of the present disclosure may contain at least metal particles (A) and a dispersion medium (B), and the manufacturing method thereof is not particularly limited and may be prepared using a known method. Examples of devices for preparing the bonding paste from the metal particles (A) and the dispersion medium (B) include a disperser, a three-roller, a bead mill, an ultrasonic disperser, and a self-revolving mixer.
接合用ペーストの質量を基準とする金属粒子(A)の質量の割合は、好ましくは80質量%~95質量%、より好ましくは85質量%~94質量%である。金属粒子(A)を上記範囲で含むことにより、接合用ペーストとして良好な印刷適性を発現するとともに、接合体中での分散媒(B)の残留を抑制し、分散媒(B)由来のボイドの発生を抑制し、良好な接合強度を発現することができる。 The mass ratio of the metal particles (A) based on the mass of the bonding paste is preferably 80% by mass to 95% by mass, and more preferably 85% by mass to 94% by mass. By including the metal particles (A) in the above range, the bonding paste exhibits good printability, while suppressing the residue of the dispersion medium (B) in the bonded body and suppressing the occurrence of voids originating from the dispersion medium (B), thereby exhibiting good bonding strength.
本開示の接合用ペーストは、添加剤を含むことができ、例えば、焼結促進剤やバインダー樹脂、樹脂型分散剤、還元剤などを含有することができる。 The joining paste of the present disclosure may contain additives, such as sintering accelerators, binder resins, resin-type dispersants, and reducing agents.
<接合体及び接合体の製造方法>
本開示の接合用ペーストによって、第一の被接合部と第二の被接合部とを接合し、接合体を得ることができる。接合体は、例えば、下記の無加圧接合による製造方法(I)又は加圧接合による製造方法(II)によって製造することができる。本開示の接合用ペーストは、焼結時の重量減少が制御されており、無加圧条件下においても、焼結後の塗膜中のボイドを抑制して高い熱伝導性を発現できる。また、接合強度に優れ、且つ冷熱サイクルに伴う接合強度の低下を抑制することができる。
<Jointed body and method for manufacturing the joined body>
The bonding paste of the present disclosure can bond a first bonded part and a second bonded part to obtain a bonded body. The bonded body can be manufactured, for example, by the following manufacturing method (I) using pressureless bonding or manufacturing method (II) using pressure bonding. The bonding paste of the present disclosure has a controlled weight loss during sintering, and can suppress voids in the coating film after sintering even under pressureless conditions, thereby exhibiting high thermal conductivity. In addition, the bonding paste has excellent bonding strength and can suppress a decrease in bonding strength due to thermal cycles.
[製造方法(I)]
製造方法(I)は、無加圧接合による方法であり、例えば、下記工程(1)~(3)を含むことが好ましい。
(1)接合用ペーストを第一の被接合体に塗布する工程。
(2)接合用ペーストを塗布した第一の被接合部に第二の被接合部を載置する工程。
(3)載置した積層体を無加圧環境下で焼結する工程。
[Production method (I)]
The manufacturing method (I) is a pressure-free bonding method, and preferably includes, for example, the following steps (1) to (3).
(1) A step of applying a bonding paste to a first object to be bonded.
(2) A step of placing a second part to be joined on the first part to be joined that has been applied with the joining paste.
(3) A step of sintering the placed laminate in a pressureless environment.
(1)塗布工程
接合用ペーストを被接合体に塗布する方法としては、部材上に均一に塗布できる方法であれば特に限定されず、例えば、スクリーン印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、メタルマスク印刷、グラビアオフセット印刷等の各種印刷法、ディスペンサーを使用した吐出法等が挙げられる。本開示の接合用ペーストは、高濃度で金属粒子を含有していても流動性に優れているため、特にメタルマスク印刷と組み合わせて用いることが好ましい。
(1) Coating process The method of applying the bonding paste to the bonded body is not particularly limited as long as it can be applied uniformly to the member, and examples thereof include various printing methods such as screen printing, flexographic printing, offset printing, gravure printing, metal mask printing, gravure offset printing, and the like, and a discharge method using a dispenser, etc. The bonding paste of the present disclosure has excellent fluidity even when it contains metal particles at a high concentration, and is therefore preferably used in combination with metal mask printing.
(2)載置工程
次いで、本開示の接合用ペーストを塗布した第一の被接合部に第二の被接合部を載置させる。本開示の接合用ペーストを用いた場合、無加圧で載置することができる。無加圧接合においては、本載置工程も無加圧で行うことが好ましいが、圧力をかけながら載置することも可能である。加圧する場合、その圧力は接合用ペーストの粘度やペーストの乾燥状態により適宜設定されるが、好ましくは0.001~40MPa、より好ましくは0.003~30MPaである。
(2) Placing Step Next, the second part to be joined is placed on the first part to be joined to which the joining paste of the present disclosure has been applied. When the joining paste of the present disclosure is used, the second part to be joined can be placed without applying pressure. In the non-pressure joining, the placing step is preferably also performed without applying pressure, but it is also possible to place the second part while applying pressure. When applying pressure, the pressure is appropriately set depending on the viscosity of the joining paste and the drying state of the paste, and is preferably 0.001 to 40 MPa, more preferably 0.003 to 30 MPa.
(3)焼結工程
第一の被接合部に第二の被接合部を載置した積層体を無加圧接合するための焼結の条件は、適宜変更されるが、例えば、大気圧下、窒素雰囲気、真空中、又は還元雰囲気で200~350℃等の条件を挙げることができる。焼成装置としては、熱風オーブン、焼成炉、電気炉、赤外線オーブン、リフローオーブン、マイクロウエーブオーブン、ホットプレート、光焼成装置等が挙げられる。これら装置を適宜、単独で又は複数用いることができる。無加圧焼結条件として好ましくは、2℃~30℃/分の昇温測定で設定温度まで昇温した後、該設定温度以上の温度で10分間~2時間程度維持する、というものである。設定温度として好ましくは200~350℃、より好ましくは230℃~300℃、さらに好ましくは250~280℃である。
(3) Sintering process The sintering conditions for pressureless bonding of a laminate in which a second bonded part is placed on a first bonded part are appropriately changed, and examples of such conditions include atmospheric pressure, a nitrogen atmosphere, a vacuum, or a reducing atmosphere at 200 to 350°C. Examples of the sintering device include a hot air oven, a sintering furnace, an electric furnace, an infrared oven, a reflow oven, a microwave oven, a hot plate, and an optical sintering device. These devices can be used alone or in combination as appropriate. The pressureless sintering conditions are preferably such that the temperature is raised to a set temperature by measuring the temperature rise at 2°C to 30°C/min, and then the temperature is maintained at or above the set temperature for about 10 minutes to 2 hours. The set temperature is preferably 200 to 350°C, more preferably 230°C to 300°C, and even more preferably 250 to 280°C.
(2a)予備乾燥工程
無加圧接合を用いた製造方法(I)においては、工程(2)と工程(3)との間に、接合塗膜中の有機成分を取り除く目的で、予備乾燥工程(2a)を設けることが好ましい。本開示の接合用ペーストは化合物(B)を含むことで、分散媒(B)を予め乾燥させて除去した後でも塗膜が流動し接合界面を形成することができるため、予備乾燥工程を設けることができる。予備乾燥工程を設けることで、接合層中の欠陥(ボイド)の一因である分散媒(B)の残留を抑制でき、接合層中の緻密性に優れるため好ましい。
予備乾燥は、例えば、焼成装置と同様な装置を用いて60~220℃の範囲で1分~300分の条件で行うことができる。好ましくは70~100℃の範囲で30分~120分である。
(2a) Pre-drying step In the manufacturing method (I) using pressureless bonding, it is preferable to provide a pre-drying step (2a) between steps (2) and (3) for the purpose of removing organic components in the bonding coating film. Since the bonding paste of the present disclosure contains the compound (B), the coating film can flow and form a bonding interface even after the dispersion medium (B) has been dried and removed in advance, so a pre-drying step can be provided. By providing a pre-drying step, the residual dispersion medium (B), which is one of the causes of defects (voids) in the bonding layer, can be suppressed, and the bonding layer has excellent density, which is preferable.
The preliminary drying can be carried out, for example, using an apparatus similar to the calcination apparatus at a temperature in the range of 60 to 220° C. for 1 to 300 minutes, preferably at a temperature in the range of 70 to 100° C. for 30 to 120 minutes.
すなわち、製造方法(I)として特に好ましくは、下記工程を含むものである。
(1)接合用ペーストを第一の被接合体に塗布する工程。
(2)接合用ペーストを塗布した第一の被接合部に第二の被接合部を載置する工程。
(2a)載置した積層体を加熱して予備乾燥する工程。
(3)載置した積層体を無加圧環境下で焼結する工程。
That is, the production method (I) is particularly preferably one comprising the following steps:
(1) A step of applying a bonding paste to a first object to be bonded.
(2) A step of placing a second part to be joined on the first part to be joined that has been applied with the joining paste.
(2a) A step of pre-drying the placed laminate by heating.
(3) A step of sintering the placed laminate in a pressureless environment.
[製造方法(II)]
製造方法(II)は、加圧接合による方法であり、例えば、下記工程(10)~(30)を含むことが好ましい。
(10)接合用ペーストを第一の被接合体に塗布する工程。
(10a)塗布した積層体を加熱して予備乾燥する工程。
(20)接合用ペーストを塗布・予備乾燥した第一の被接合部に第二の被接合部を載置する工程。
(30)載置した積層体を加圧環境下で焼結する工程。
[Manufacturing method (II)]
The manufacturing method (II) is a pressure bonding method, and preferably includes, for example, the following steps (10) to (30).
(10) A step of applying a bonding paste to a first object to be bonded.
(10a) A step of pre-drying the coated laminate by heating.
(20) A step of placing a second part to be joined on a first part to be joined that has been coated with a joining paste and pre-dried.
(30) A step of sintering the placed laminate in a pressurized environment.
(10)塗布工程
接合用ペーストを被接合体に塗布する方法としては、部材上に均一に塗布できる方法であれば特に限定されず、例えば、スクリーン印刷、フレキソ印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、メタルマスク印刷、グラビアオフセット印刷等の各種印刷法、ディスペンサーを使用した吐出法等が挙げられる。本開示の接合用ペーストは、高濃度で金属粒子を含有していても流動性に優れているため、特にメタルマスク印刷と組み合わせて用いることが好ましい。
(10) Coating process The method of applying the bonding paste to the bonded body is not particularly limited as long as it can be uniformly applied to the member, and examples thereof include various printing methods such as screen printing, flexographic printing, offset printing, gravure printing, metal mask printing, gravure offset printing, and the like, and a discharge method using a dispenser, etc. The bonding paste of the present disclosure has excellent fluidity even when it contains metal particles at a high concentration, and is therefore preferably used in combination with metal mask printing.
(10a)予備乾燥工程
加圧接合を用いた製造方法(II)においては、工程(10)と工程(20)との間に、接合塗膜中の有機成分を取り除く目的で、予備乾燥工程(10a)を設けることができる。予備乾燥工程を設けることで、予備乾燥は、例えば、焼成装置と同様な装置を用いて60~220℃の範囲で1分~300分の条件で行うことができる。
(10a) Pre-drying step In the manufacturing method (II) using pressure bonding, a pre-drying step (10a) can be provided between steps (10) and (20) for the purpose of removing organic components in the bonding coating film. By providing the pre-drying step, the pre-drying can be carried out, for example, using an apparatus similar to a baking apparatus at a temperature in the range of 60 to 220° C. for 1 to 300 minutes.
(20)載置工程
次いで、本開示の接合用ペーストを塗布・予備乾燥した第一の被接合部に第二の被接合部を載置させる。加圧接合の場合、載置工程も加圧下で行ってもよい。その圧力は接合用ペーストの粘度やペーストの乾燥状態により適宜設定されるが、好ましくは0.1~40MPa、より好ましくは0.3~30MPaである。
(20) Placing step Next, the second part to be joined is placed on the first part to be joined that has been coated with the bonding paste of the present disclosure and pre-dried. In the case of pressurized bonding, the placing step may also be performed under pressure. The pressure is appropriately set depending on the viscosity of the bonding paste and the drying state of the paste, but is preferably 0.1 to 40 MPa, more preferably 0.3 to 30 MPa.
(30)焼結工程
第一の被接合部に第二の被接合部を載置した積層体を加圧接合するための焼結の条件は、適宜変更されるが、例えば、大気圧下、窒素雰囲気、真空中、又は還元雰囲気で200~350℃等の条件を挙げることができる。
圧力としては、接合用ペーストの粘度やペーストの乾燥状態により適宜設定されるが、好ましくは0.1~40MPa、更に好ましくは1~30MPaである。
(30) Sintering step The sintering conditions for pressure-bonding a laminate in which a second bonded part is placed on a first bonded part may be appropriately changed, and examples of the sintering conditions include atmospheric pressure, a nitrogen atmosphere, a vacuum, or a reducing atmosphere at 200 to 350° C.
The pressure is appropriately set depending on the viscosity of the bonding paste and the drying state of the paste, but is preferably 0.1 to 40 MPa, and more preferably 1 to 30 MPa.
いずれの製造方法においても、接合用ペーストで被接合部を接合した際に形成される接合層の厚みは制限されず、接合層の厚みは、好ましくは3μm~500μm、より好ましくは10μm~200μm、さらに好ましくは20μm~100μmである。 In either manufacturing method, there is no restriction on the thickness of the bonding layer formed when the parts to be bonded are bonded with the bonding paste, and the thickness of the bonding layer is preferably 3 μm to 500 μm, more preferably 10 μm to 200 μm, and even more preferably 20 μm to 100 μm.
[被接合部]
被接合部の種類は特に限定されず、例えば、金属材料、半導体材料、プラスチック材料、セラミック材料のほか、電子素子を挙げることができる。金属としては、例えば、銅、金、アルミニウムが挙げられる。半導体材料としては、例えば、シリコン(ケイ素)、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、硫化カドミウム、窒化珪素、黒鉛、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化ガリウムが挙げられる。プラスチック材料としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレートが挙げられる。セラミック材料としては、例えば、ガラス、シリコンが挙げられる。電子素子としては、例えば、半導体素子、LED素子、パワーデバイス素子が挙げられる。
[Part to be joined]
The type of the joined part is not particularly limited, and examples thereof include metal materials, semiconductor materials, plastic materials, ceramic materials, and electronic elements. Examples of metals include copper, gold, and aluminum. Examples of semiconductor materials include silicon, germanium, gallium arsenide, gallium phosphide, cadmium sulfide, silicon nitride, graphite, yttrium oxide, magnesium oxide, silicon carbide, and gallium nitride. Examples of plastic materials include polyimide, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polycarbonate, and polyethylene naphthalate. Examples of ceramic materials include glass and silicon. Examples of electronic elements include semiconductor elements, LED elements, and power device elements.
第一の被接合部及び第二の被接合部は、同じ種類だけではなく、異なる種類の部材であってもよい。被接合部は、接合された箇所の接合強度を大きくするため、被接合部の表面にコロナ処理、メッキ処理等が施されていてもよい。
本開示の接合用ペーストは、ボイド低減と強固な接合とを実現できるだめ、コロナ処理やメッキ処理等の処理がなされていない基材(非処理基材、メッキレス基材ともいう。)に対しても、高い熱伝導性、及び、優れた接合強度と冷熱サイクル特性、を達成できる。例えば、本開示の接合用ペーストは、第一の被接合部が非処理基材(例えば、非処理の銅基材)である場合に好適である。
また、本開示の接合用ペーストは、ボイド低減と強固な接合とを実現できるだめ、冷熱サイクル試験の際にひずみが生じやすい「銅基材/銀粒子を含む接合層/SiC素子」のような構成においても、高い熱伝導性、及び、優れた接合強度と冷熱サイクル特性、を達成できる。例えば、本開示の接合用ペーストは、第二の被接合部がSiCである場合に好適である。
The first and second joined parts may be of different types or may not be the same type. The surfaces of the joined parts may be subjected to a corona treatment, a plating treatment, or the like in order to increase the joining strength of the joined parts.
The bonding paste of the present disclosure can reduce voids and achieve strong bonding, and can achieve high thermal conductivity, excellent bonding strength, and excellent thermal cycle characteristics even for substrates that have not been treated with corona treatment, plating treatment, etc. (also called untreated substrates or plating-less substrates.) For example, the bonding paste of the present disclosure is suitable for a case where the first bonded portion is an untreated substrate (e.g., an untreated copper substrate).
In addition, the bonding paste of the present disclosure can reduce voids and achieve strong bonding, and can achieve high thermal conductivity, excellent bonding strength, and excellent thermal cycle characteristics even in a configuration such as "copper base material/bonding layer containing silver particles/SiC element" that is prone to distortion during thermal cycle testing. For example, the bonding paste of the present disclosure is suitable when the second bonded part is SiC.
以下、実施例及び比較例を用いて本開示を詳細に説明するが、本開示の技術的範囲はこれに限定されるものではない。尚、例中、特に断りがない限り「部」及び「%」は、「質量部」及び「質量%」をそれぞれ表す。表中の数値は、特に断りがない限り「部」を表す。 The present disclosure will be described in detail below using examples and comparative examples, but the technical scope of the present disclosure is not limited thereto. In the examples, "parts" and "%" represent "parts by mass" and "% by mass", respectively, unless otherwise specified. Numerical values in tables represent "parts" unless otherwise specified.
[重量減少]
本開示の接合用ペーストの重量減少は、熱重量示差熱分析装置(TG/DTA8122(RIGAKU社製))を用いて、試料10mgを、窒素雰囲気下、昇温速度3℃/分で開始温度30℃から650℃まで加熱することで、各温度における重量減少を求めた。650℃における重量減少M650を100とした場合における、150℃における重量減少をM150、200℃における重量減少をM200、250℃における重量減少をM250、300℃における重量減少をM300とした。
[Weight loss]
The weight loss of the bonding paste of the present disclosure was measured using a thermogravimetric differential thermal analyzer (TG/DTA8122 (manufactured by RIGAKU Corporation)) by heating 10 mg of a sample in a nitrogen atmosphere from a starting temperature of 30°C to 650°C at a heating rate of 3°C/min. The weight loss at each temperature was determined. When the weight loss at 650°C (M650) was taken as 100, the weight loss at 150°C was taken as M150, the weight loss at 200°C was taken as M200, the weight loss at 250°C was taken as M250, and the weight loss at 300°C was taken as M300.
<金属粒子の製造>
(製造例1)金属粒子A1
窒素雰囲気下、25℃で攪拌しながらトルエン200部及びヘキサン酸銀22.3部を混合し、0.5Mの溶液とした後に、分散剤としてジエチルアミノエタノール1.6部、オレイン酸0.28部を添加し溶解させた。その後、還元剤として濃度20%のコハク酸ジヒドラジド(以下、SUDH)水溶液73.1部を滴下すると液色が淡黄色から濃茶色に変化した。さらに反応を促進させるために40℃に昇温し、反応を進行させた。静置、分離した後、水相を取り出すことで過剰の還元剤や不純物を除去し、さらにトルエン層に数回蒸留水を加え、洗浄、分離を繰り返した後、トルエンを加え遠心分離後に上澄み液を除去する工程を2回繰り返した。沈殿物を乾燥させて、銀粒子がヘキサン酸及びオレイン酸で被覆された金属粒子A1を得た。金属粒子A1の粒子径を後述する方法で求めたところ、d50は210nmであった。
<Production of Metal Particles>
(Production Example 1) Metal particles A1
Under a nitrogen atmosphere, 200 parts of toluene and 22.3 parts of silver hexanoate were mixed while stirring at 25 ° C. to obtain a 0.5 M solution, and then 1.6 parts of diethylaminoethanol and 0.28 parts of oleic acid were added as a dispersant and dissolved. Then, 73.1 parts of a 20% aqueous solution of succinic acid dihydrazide (hereinafter, SUDH) was dropped as a reducing agent, and the liquid color changed from light yellow to dark brown. In order to further promote the reaction, the temperature was raised to 40 ° C., and the reaction was allowed to proceed. After standing and separating, the aqueous phase was removed to remove excess reducing agent and impurities, and distilled water was added to the toluene layer several times, washing and separation were repeated, and then the process of adding toluene, centrifuging, and removing the supernatant was repeated twice. The precipitate was dried to obtain metal particles A1 in which silver particles were coated with hexanoic acid and oleic acid. The particle size of metal particles A1 was determined by the method described below, and d50 was 210 nm.
(製造例2)金属粒子A2
ジエチルアミノエタノール1.8部、オレイン酸の量を0.31部とした以外は、製造例1と同様にして、金属粒子A2を得た。d50は185nmであった。
(Production Example 2) Metal particles A2
Metal particles A2 were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of diethylaminoethanol was 1.8 parts and the amount of oleic acid was 0.31 parts. The d50 was 185 nm.
(製造例3)金属粒子A3
ジエチルアミノエタノール1.2部、オレイン酸の量を0.18部とした以外は、製造例1と同様にして、金属粒子A3を得た。d50は290nmであった。
(Production example 3) Metal particles A3
Metal particles A3 were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of diethylaminoethanol was 1.2 parts and the amount of oleic acid was 0.18 parts. The d50 was 290 nm.
(製造例4)金属粒子A4
ジエチルアミノエタノール1.0部、オレイン酸の量を0.14部とした以外は、製造例1と同様にして、金属粒子A4を得た。d50は390nmであった。
(Production Example 4) Metal particles A4
Metal particles A4 were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of diethylaminoethanol was 1.0 part and the amount of oleic acid was 0.14 part. The d50 was 390 nm.
(製造例5)金属粒子A5
ジエチルアミノエタノール2.4部、オレイン酸の量を0.42部とした以外は、製造例1と同様にして、金属粒子A5を得た。d50は120nmであった。
(Production Example 5) Metal particles A5
Metal particles A5 were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of diethylaminoethanol was 2.4 parts and the amount of oleic acid was 0.42 parts. The d50 was 120 nm.
(製造例6)金属粒子A6
ジエチルアミノエタノール0.7部、オレイン酸の量を0.12部とした以外は、製造例1と同様にして、金属粒子A6を得た。d50は450nmであった。
(Production Example 6) Metal particles A6
Metal particles A6 were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of diethylaminoethanol was 0.7 parts and the amount of oleic acid was 0.12 parts. The d50 was 450 nm.
(製造例7)金属粒子A7
ヘキサン酸銀をペンタン酸銅17.0部とし、ジエチルアミノエタノール1.8部、オレイン酸の量を0.45部とした以外は、製造例1と同様にして、金属粒子A7を得た。d50は150nmであった。
(Production Example 7) Metal particles A7
Metal particles A7 were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the silver hexanoate was replaced with 17.0 parts of copper pentanoate, the amount of diethylaminoethanol was 1.8 parts, and the amount of oleic acid was 0.45 parts. The d50 was 150 nm.
(製造例8)金属粒子A10
ジエチルアミノエタノール2.1部、オレイン酸の量を0.71部とした以外は、製造例1と同様にして、金属粒子A10を得た。d50は85nmであった。
(Production Example 8) Metal particles A10
Metal particles A10 were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of diethylaminoethanol was 2.1 parts and the amount of oleic acid was 0.71 parts. The d50 was 85 nm.
(製造例9)金属粒子A11
ジエチルアミノエタノール1.4部、オレイン酸の量を0.09部とした以外は、製造例1と同様にして、金属粒子A11を得た。d50は600nmであった。
(Production Example 9) Metal particles A11
Metal particles A11 were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of diethylaminoethanol was 1.4 parts and the amount of oleic acid was 0.09 parts. The d50 was 600 nm.
(製造例10)金属粒子A12
ジエチルアミノエタノール0.6部、オレイン酸の量を0.07部とした以外は、製造例1と同様にして、金属粒子A12を得た。d50は1100nmであった。
(Production Example 10) Metal particles A12
Metal particles A12 were obtained in the same manner as in Production Example 1, except that the amount of diethylaminoethanol was 0.6 parts and the amount of oleic acid was 0.07 parts. The d50 was 1100 nm.
[金属粒子の平均粒子径の測定方法]
各金属粒子にイソプロピルアルコールを加え超音波分散機にて分散し、0.5質量%の分散液を得た。得られた分散液を、ナノトラックUPA-EX150(日機装社製)を用いて、分散液中の金属粒子の粒子径を測定し、平均粒子径(d50)を求めた。上記の方法で製造された金属粒子の内、金属粒子A1-A7が本開示の金属粒子(a)に該当し、金属粒子A10-A12が金属粒子(a)ではない金属粒子に該当する。
[Method for measuring the average particle size of metal particles]
Isopropyl alcohol was added to each metal particle and dispersed in an ultrasonic disperser to obtain a 0.5% by mass dispersion. The particle diameter of the metal particles in the obtained dispersion was measured using Nanotrac UPA-EX150 (manufactured by Nikkiso Co., Ltd.) to determine the average particle diameter (d50). Of the metal particles produced by the above method, metal particles A1-A7 correspond to metal particles (a) of the present disclosure, and metal particles A10-A12 correspond to metal particles other than metal particles (a).
<分散媒(B)>
分散媒(B)としては下記の材料を使用した。括弧内に入手したメーカー名、補足情報と沸点を記載した。
分散媒B1:トリエチレングリコールモノブチルエーテル(グリコールエーテル系、水酸基含有、沸点278℃)
分散媒B2:テルソルブTOE-100(日本テルペン化学社製、テルペン系、水酸基含有、沸点268℃)
分散媒B3:1,6-ジアセトキシヘキサン(東京化成工業社製、水酸基なし、沸点260℃)
分散媒B4:ジヒドロターピネオール(日本テルペン化学社製、テルペン系、水酸基含有、沸点210℃)
分散媒B5:ジエチレングリコールモノメチルエーテル(グリコールエーテル系、水酸基含有、沸点193℃)
分散媒B6:テルソルブMTPH(日本テルペン化学社製、テルペン系、水酸基含有、沸点308℃)
<Dispersion medium (B)>
The following material was used as the dispersion medium (B). The manufacturer's name, supplementary information, and boiling point are given in parentheses.
Dispersion medium B1: Triethylene glycol monobutyl ether (glycol ether type, containing hydroxyl group, boiling point 278°C)
Dispersion medium B2: Tersolve TOE-100 (manufactured by Nippon Terpene Chemical Co., Ltd., terpene-based, containing hydroxyl groups, boiling point 268° C.)
Dispersion medium B3: 1,6-diacetoxyhexane (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., no hydroxyl group, boiling point 260° C.)
Dispersion medium B4: Dihydroterpineol (manufactured by Nippon Terpene Chemical Co., Ltd., terpene type, containing hydroxyl group, boiling point 210° C.)
Dispersion medium B5: Diethylene glycol monomethyl ether (glycol ether type, containing hydroxyl group, boiling point 193° C.)
Dispersion medium B6: Tersolve MTPH (manufactured by Nippon Terpene Chemical Co., Ltd., terpene-based, containing hydroxyl groups, boiling point 308° C.)
<化合物(C)>
化合物C1:プリポール2033(クローダジャパン株式会社製、炭素数36のダイマージオール。2つの水酸基と、分岐及び環状構造を有する二価の炭化水素基とからなる。液状)
化合物C2:プリアミン1071(クローダジャパン株式会社製、炭素数36のダイマージアミン(2つのアミノ基と分岐及び環状構造を有する二価の炭化水素基とからなる、液状)と炭素数54のトリマートリアミン(3つのアミノ基と分岐および環状構造を有する三価の炭化水素基とからなる、液状)との混合物)
化合物C3:プリポール1009(クローダジャパン株式会社製、炭素数36の水添ダイマー酸。2つのカルボキシ基と、分岐及び環状構造を有する二価の炭化水素基とからなる。25℃で液状)
化合物C4:プリポール1040(クローダジャパン株式会社製、炭素数54のトリマー酸。3つのカルボキシ基と、分岐及び環状構造を有する三価の炭化水素基とからなる。25℃で液状)
<Compound (C)>
Compound C1: Pripol 2033 (manufactured by Croda Japan Co., Ltd., a dimer diol having 36 carbon atoms. It is composed of two hydroxyl groups and a divalent hydrocarbon group having a branched and cyclic structure. It is liquid.)
Compound C2: Priamine 1071 (manufactured by Croda Japan Co., Ltd., a mixture of a dimer triamine having 36 carbon atoms (composed of two amino groups and a divalent hydrocarbon group having a branched and cyclic structure, liquid) and a trimer triamine having 54 carbon atoms (composed of three amino groups and a trivalent hydrocarbon group having a branched and cyclic structure, liquid))
Compound C3: Pripol 1009 (manufactured by Croda Japan Co., Ltd., hydrogenated dimer acid having 36 carbon atoms. Consists of two carboxy groups and a divalent hydrocarbon group having a branched and cyclic structure. Liquid at 25° C.)
Compound C4: Pripol 1040 (manufactured by Croda Japan Co., Ltd., a trimer acid having 54 carbon atoms. It consists of three carboxy groups and a trivalent hydrocarbon group having a branched and cyclic structure. It is liquid at 25° C.)
<化合物(D)>
化合物D1:アルカノールアミン(水酸基数4、3級窒素原子数2)
<Compound (D)>
Compound D1: Alkanolamine (number of hydroxyl groups: 4, number of tertiary nitrogen atoms: 2)
<接合用ペーストの製造>
[実施例1]
金属粒子A1(88部)及びトリエチレングリコールモノブチルエーテル(12部)を、自公転式攪拌機を用いて混合し、接合用ペーストを調製した。
<Production of bonding paste>
[Example 1]
Metal particles A1 (88 parts) and triethylene glycol monobutyl ether (12 parts) were mixed using a planetary stirrer to prepare a bonding paste.
[実施例2~29、比較例1~6]
表1~表3に記載の組成に従い材料の種類と配合量(部)を変更した以外は、実施例1と同様にして接合用ペーストを得た。表中、空欄は配合していないことを表す。
[Examples 2 to 29, Comparative Examples 1 to 6]
A joining paste was obtained in the same manner as in Example 1, except that the types of materials and the amounts (parts) of the materials were changed according to the compositions shown in Tables 1 to 3. In the tables, blank spaces indicate that no materials were added.
<接合用ペーストの評価>
得られた接合用ペーストを用いて、表1~表3に記載された製造方法にて接合体を作製した。なお、実施例1~27及び比較例1~6は下記製造方法1、実施例28は下記製造方法2、実施例29は下記製造方法3を用いた。製造方法の詳細及び接合用ペーストの印刷条件は以下の通りである。
〔印刷条件(メタルマスク印刷)〕
メタルマスク:開口部7.5mm角、板厚100μm(セリアコーポレーション社製)
メタルスキージ:40mm×250mm、厚み1mm(セリアコーポレーション社製)
<Evaluation of bonding paste>
Using the obtained bonding paste, a bonded body was produced by the manufacturing method described in Tables 1 to 3. Note that, in Examples 1 to 27 and Comparative Examples 1 to 6, the following manufacturing method 1 was used, in Example 28, the following manufacturing method 2 was used, and in Example 29, the following manufacturing method 3 was used. Details of the manufacturing methods and printing conditions for the bonding paste are as follows.
[Printing conditions (metal mask printing)]
Metal mask: opening 7.5 mm square, plate thickness 100 μm (manufactured by Ceria Corporation)
Metal squeegee: 40 mm x 250 mm, thickness 1 mm (manufactured by Seria Corporation)
[製造方法1]
第一の被接合部(銅基材(メッキレス):20mm×20mm×3mm)に、接合用ペーストを上記印刷条件にて1回印刷した後、第二の被接合部(金メッキ処理SiC素子:8mm×8mm×0.3mm)のメッキ処理面を接合ペースト面に向けて載置し、下記焼結条件1にて無加圧接合し、接合体をそれぞれ得た。
〔焼結条件1〕窒素雰囲気の焼成炉に載置した積層体を入れ、25℃から80℃まで5℃/分の条件にて昇温し、80℃で90分予備乾燥した。その後、300℃まで8℃/分の条件にて昇温し、300℃に達した後、300℃で2時間保持した。
[Production method 1]
The bonding paste was printed once under the above printing conditions on the first bonded part (copper base material (plating-free): 20 mm × 20 mm × 3 mm), and then the plated surface of the second bonded part (gold-plated SiC element: 8 mm × 8 mm × 0.3 mm) was placed with the bonding paste surface facing the bonding paste surface, and bonded without pressure under the sintering condition 1 described below to obtain bonded bodies.
[Sintering condition 1] The laminate was placed in a sintering furnace in a nitrogen atmosphere, and the temperature was increased from 25° C. to 80° C. at a rate of 5° C./min, and pre-dried at 80° C. for 90 minutes. Thereafter, the temperature was increased to 300° C. at a rate of 8° C./min, and after reaching 300° C., the laminate was held at 300° C. for 2 hours.
[製造方法2]
第一の被接合部(銅基材(メッキレス):20mm×20mm×3mm)に、接合用ペーストを、上記印刷条件にて1回印刷した後、第二の被接合部(金メッキ処理SiC素子:8mm×8mm×0.3mm)のメッキ処理面を接合ペースト面に向けて載置し、下記焼結条件にて無加圧接合し、接合体を得た。
〔焼結条件2〕窒素雰囲気の焼成炉に載置した積層体を入れ、25℃から300℃まで8℃/分の条件にて昇温し、300℃に達した後、300℃で2時間保持した。
[Production method 2]
The bonding paste was printed once under the above printing conditions on the first bonded part (copper base material (plating-free): 20 mm × 20 mm × 3 mm), and then the second bonded part (gold-plated SiC element: 8 mm × 8 mm × 0.3 mm) was placed with the plated surface facing the bonding paste surface, and bonded without pressure under the sintering conditions described below to obtain a bonded body.
[Sintering condition 2] The laminate was placed in a sintering furnace in a nitrogen atmosphere, and the temperature was raised from 25° C. to 300° C. at a rate of 8° C./min. After reaching 300° C., the laminate was held at 300° C. for 2 hours.
[製造方法3]
第一の被接合部(銅基材(メッキレス):20mm×20mm×3mm)に、接合用ペーストを、上記印刷条件にて1回印刷した後、熱風オーブンに入れ、180℃10分間予備乾燥した。次いで、第二の被接合部(金メッキ処理SiC素子:8mm×8mm×0.3mm)のメッキ処理面を予備乾燥後の接合ペースト面に向けて載置し、下記焼結条件3にて加圧接合し、接合体を得た。
〔焼結条件3〕窒素雰囲気において、第二の被接合部の上から30MPaの圧力で加圧を行いながら、室温から300℃まで20℃/分の条件にて昇温し、300℃に達した後、同温度で5分間維持した。
[Production method 3]
The bonding paste was printed once on the first bonded part (copper base material (plating-free): 20 mm x 20 mm x 3 mm) under the above printing conditions, and then placed in a hot air oven and pre-dried at 180°C for 10 minutes. Next, the plated surface of the second bonded part (gold-plated SiC element: 8 mm x 8 mm x 0.3 mm) was placed facing the pre-dried bonding paste surface, and pressure-bonded under sintering condition 3 below to obtain a bonded body.
[Sintering condition 3] In a nitrogen atmosphere, a pressure of 30 MPa was applied from above the second bonded portion, and the temperature was raised from room temperature to 300°C at a rate of 20°C/min. After reaching 300°C, the temperature was maintained for 5 minutes.
得られた接合体を用いて接合強度、冷熱サイクル特性を評価した。また、後述の条件にて熱伝導性を評価した。結果を表1~表3に示す。
[接合強度]
接合体を第一の被接合部の部位で固定し、第一の被接合部と接合層との界面を起点として第二の被接合部に向かって高さ100μmの位置を、500μm/sの速度で押し、接合が破壊される接合強度(ダイシェア強度)を求め、下記評価基準に基づいて評価した。ダイシェア強度の数値が大きいものほど良好であり、10MPa以上が実用範囲内である。測定条件を以下に示す。
〔測定条件〕
測定装置:万能型ボンドテスタ(デイジ・ジャパン株式会社製、4000シリーズ)
測定高さ:100μm
測定スピード:500μm/s
The obtained bonded body was used to evaluate the bonding strength and thermal cycle characteristics. In addition, the thermal conductivity was evaluated under the conditions described below. The results are shown in Tables 1 to 3.
[Bonding strength]
The bonded body was fixed at the site of the first bonded part, and pushed toward the second bonded part at a height of 100 μm from the interface between the first bonded part and the bonding layer at a speed of 500 μm/s, and the bond strength (die shear strength) at which the bond was broken was determined and evaluated based on the following evaluation criteria. The larger the die shear strength value, the better, and 10 MPa or more is within the practical range. The measurement conditions are shown below.
[Measurement conditions]
Measurement device: Universal bond tester (manufactured by Daisy Japan, 4000 series)
Measurement height: 100 μm
Measurement speed: 500 μm/s
(評価基準)
S :ダイシェア強度が35MPa以上
A :ダイシェア強度が25MPa以上、35MPa未満
B :ダイシェア強度が15MPa以上、25MPa未満
C :ダイシェア強度が10MPa以上、15MPa未満
D :ダイシェア強度が10MPa未満
(Evaluation Criteria)
S: Die shear strength is 35 MPa or more. A: Die shear strength is 25 MPa or more and less than 35 MPa. B: Die shear strength is 15 MPa or more and less than 25 MPa. C: Die shear strength is 10 MPa or more and less than 15 MPa. D: Die shear strength is less than 10 MPa.
[冷熱サイクル特性]
接合体を用いて下記サイクル試験を行い、サイクル試験後の接合体を用いて、上述の[接合強度]と同様にして接合強度(ダイシェア強度)を求め評価した。10MPa以上が実用範囲内である。
〔サイクル試験〕
接合体を-40℃で30分間保持した後、150℃で30分間保持する工程を1サイクルとし、500サイクルの保管を実施した。
[Cold-heat cycle characteristics]
The bonded body was subjected to the following cycle test, and the bond strength (die shear strength) of the bonded body after the cycle test was measured and evaluated in the same manner as in the above-mentioned [Bonding strength]. A practical range is 10 MPa or more.
[Cycle test]
The bonded body was stored at −40° C. for 30 minutes, followed by storing at 150° C. for 30 minutes, which constituted one cycle. Storage was carried out for 500 cycles.
[熱伝導率]
熱伝導率は、熱拡散率、比熱、密度から、下記式に従い求めた。
熱伝導率(W/m・K)=密度(g/cm3)×比熱(J/kg・K)×熱拡散率(mm2/s)
熱拡散率は、以下のようにして求めた。第一の被接合部(銅基材(メッキレス):20mm×20mm×3mm)に、接合用ペーストを、メタルマスク(開口部20mm角、板厚200μm)メタルスキージ:40mm×250mm、厚み1mm(セリアコーポレーション社製)にて1回印刷した後、第二の被接合部(銅基材(メッキレス):20mm×20mm×3mm)を載置し、窒素雰囲気の焼成炉に載置した積層体を入れ、25℃から300℃まで8℃/分の条件にて昇温し、300℃に達した後、300℃で2時間保持し接合体を得た。得られた接合体をカーボンスプレーでカーボン被覆した。次いで、キセノンフラッシュアナライザーLFA447Nano Flash(NETZSCH社製)にて、熱拡散率を測定した。熱伝導率の数値が大きいものほど良好であり、80W/(m・K)以上が実用範囲内である。
[Thermal conductivity]
The thermal conductivity was calculated from the thermal diffusivity, specific heat, and density according to the following formula.
Thermal conductivity (W/m·K) = density (g/cm 3 ) × specific heat (J/kg·K) × thermal diffusivity (mm 2 /s)
The thermal diffusivity was determined as follows. The bonding paste was printed once on the first bonded portion (copper base material (plating-less): 20 mm x 20 mm x 3 mm) using a metal mask (opening 20 mm square, plate thickness 200 μm) metal squeegee: 40 mm x 250 mm, thickness 1 mm (manufactured by Ceria Corporation), and then the second bonded portion (copper base material (plating-less): 20 mm x 20 mm x 3 mm) was placed on it, and the laminate placed in a sintering furnace in a nitrogen atmosphere was placed on it, and the temperature was raised from 25 ° C. to 300 ° C. at a rate of 8 ° C./min., and after reaching 300 ° C., it was held at 300 ° C. for 2 hours to obtain a bonded body. The obtained bonded body was carbon-coated with carbon spray. Next, the thermal diffusivity was measured using a xenon flash analyzer LFA447 Nano Flash (manufactured by NETZSCH). The higher the thermal conductivity value, the better, and a value of 80 W/(m·K) or more is within the practical range.
(評価基準)
S :250W/(m・K)以上
A :200W/(m・K)以上250W/(m・K)未満
B :150W/(m・K)以上200W/(m・K)未満
C :80W/(m・K)以上150W/(m・K)未満
D :80W/(m・K)未満
(Evaluation Criteria)
S: 250W/(m.K) or more A: 200W/(m.K) or more but less than 250W/(m.K) B: 150W/(m.K) or more but less than 200W/(m.K) C: 80W/(m.K) or more but less than 150W/(m.K) D: Less than 80W/(m.K)
表1~表3の結果によれば、本開示の接合用ペーストを用いると、無加圧、且つ、メッキレス基材と大面積SiC素子のような、安定した接合が極めて困難な構成であっても、熱伝導率及び接合強度が非常に高く、冷熱サイクル試験を実施した後も、接合強度の低下が抑止されていた。
特に、M150/M200の値が0.975以上を満たす接合用ペースト、沸点が250以上300℃以下である分散媒(b1)が50質量%以上である接合用ペースト、分散媒(b1)がテルペン系及びグリコールエーテル系からなる群から選ばれる少なくとも1種を含む接合用ペースト、沸点が300℃を超える分散媒(b2)の含有率が10質量%以下である接合用ペースト、並びに、水酸基を有する分散媒の含有率が分散媒(B)の全質量を基準として90質量%以上である接合用ペーストは、無加圧条件下においても、焼結後の塗膜中のボイドが抑制され高い熱伝導性を発現し、接合強度に優れ、且つ冷熱サイクルに伴う接合強度の低下が抑制されていた(実施例1と実施例7、実施例7と実施例17、実施例2と実施例6、実施例1と実施例13、実施例2と実施例6)。
一方、比較例の接合用ペーストを用いた場合では、熱伝導率及び接合強度が著しく低く、冷熱サイクル試験を実施した後の接合強度も大きく低下した。
According to the results in Tables 1 to 3, when the bonding paste of the present disclosure was used, the thermal conductivity and bonding strength were very high, even in a configuration in which stable bonding is extremely difficult, such as a pressureless, plating-free substrate and a large-area SiC element, and a decrease in bonding strength was suppressed even after a thermal cycle test was performed.
In particular, the bonding paste having a value of M150/M200 of 0.975 or more, the bonding paste having a dispersion medium (b1) having a boiling point of 250 to 300 ° C. inclusive of 50 mass% or more, the bonding paste having at least one dispersion medium (b1) selected from the group consisting of terpenes and glycol ethers, the bonding paste having a content of dispersion medium (b2) having a boiling point exceeding 300 ° C. of 10 mass% or less, and the bonding paste having a content of dispersion medium having a hydroxyl group of 90 mass% or more based on the total mass of the dispersion medium (B) are excellent in bonding strength and suppressed deterioration of bonding strength due to thermal cycles even under non-pressurized conditions (Examples 1 and 7, Examples 7 and 17, Examples 2 and 6, Examples 1 and 13, Examples 2 and 6).
On the other hand, when the bonding paste of the comparative example was used, the thermal conductivity and bonding strength were significantly low, and the bonding strength after the thermal cycle test also decreased significantly.
Claims (10)
前記金属粒子(A)は、平均粒子径が100nm以上、500nm以下である金属粒子(a)を、金属粒子(A)の全質量を基準として、50質量%以上含有し、
前記金属粒子(A)は、銀及び/又は銅を含み、
該接合用ペーストの650℃における重量減少M650を100とした場合に、200℃における重量減少M200が88以上、98以下である(ただし、前記重量減少M650及び前記重量減少M200は、熱重量示差熱分析法により、試料10mgを窒素雰囲気下、スタート温度を30℃とし、昇温速度3℃/分で加熱して求める)、接合用ペースト。 A bonding paste comprising metal particles (A) and a dispersion medium (B),
The metal particles (A) contain metal particles (a) having an average particle diameter of 100 nm or more and 500 nm or less in an amount of 50 mass% or more based on the total mass of the metal particles (A),
The metal particles (A) contain silver and/or copper,
When the weight loss M650 of the bonding paste at 650°C is taken as 100, the weight loss M200 at 200°C is 88 or more and 98 or less (wherein the weight loss M650 and the weight loss M200 are determined by a thermogravimetric differential thermal analysis method by heating a 10 mg sample in a nitrogen atmosphere at a starting temperature of 30°C and a heating rate of 3°C/min).
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| JP2021098875A (en) | 2019-12-23 | 2021-07-01 | 東洋インキScホールディングス株式会社 | Joining paste, junction body using the same, and method of making junction body |
| JP2022003161A (en) | 2020-06-23 | 2022-01-11 | Dowaエレクトロニクス株式会社 | Joining material, joining-material producing method, and joining method |
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