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JP7728565B2 - Bonding method and bonded body using micro-sized particles - Google Patents
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JP7728565B2 - Bonding method and bonded body using micro-sized particles - Google Patents

Bonding method and bonded body using micro-sized particles

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JP7728565B2 JP2021099990A JP2021099990A JP7728565B2 JP 7728565 B2 JP7728565 B2 JP 7728565B2 JP 2021099990 A JP2021099990 A JP 2021099990A JP 2021099990 A JP2021099990 A JP 2021099990A JP 7728565 B2 JP7728565 B2 JP 7728565B2
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Description

本発明はマイクロサイズ銀粒子を用いた接合方法に関し、より具体的には、熱伝導性及び電気伝導性に優れることに加え、高い耐熱性を有する接合部を得ることができる接合方法、及び当該接合方法によって得られる接合体に関する。 The present invention relates to a bonding method using micro-sized silver particles, and more specifically to a bonding method that can produce a bonded joint that has excellent thermal conductivity and electrical conductivity as well as high heat resistance, and to a bonded body obtained by this bonding method.

金属部品と金属部品とを機械的及び/又は電気的及び又は熱的に接合するために、従来、はんだ、導電性接着剤、銀ペースト及び異方導電性フィルム等が用いられている。これら導電性接着剤、銀ペースト及び異方導電性フィルム等は、金属部品だけでなく、セラミック部品や樹脂部品等を接合する場合に用いられることもある。例えば、LED等の発光素子の基板への接合、半導体チップの基板への接合、及びこれらの基板の更に放熱部材への接合等が挙げられる。 Conventionally, solder, conductive adhesives, silver paste, anisotropic conductive films, etc. have been used to mechanically and/or electrically and/or thermally bond metal parts to one another. These conductive adhesives, silver pastes, anisotropic conductive films, etc. are sometimes used not only to bond metal parts, but also to bond ceramic parts, resin parts, etc. Examples include bonding light-emitting elements such as LEDs to substrates, bonding semiconductor chips to substrates, and further bonding these substrates to heat dissipation members.

なかでも、はんだ並びに金属からなる導電フィラーを含む接着剤、ペースト及びフィルムは、電気的な接続を必要とする部分の接合に用いられている。更には、金属は一般的に熱伝導性が高いため、はんだ並びに導電フィラーを含む接着剤、ペースト及びフィルムは、放熱性を上げるために使用される場合もある。 In particular, adhesives, pastes, and films containing solder and conductive fillers made of metal are used to join parts that require electrical connection. Furthermore, because metals generally have high thermal conductivity, adhesives, pastes, and films containing solder and conductive fillers are sometimes used to improve heat dissipation.

一方、例えば、LED等の発光素子を用いて高輝度の照明デバイスや発光デバイスを作製する場合、或いは、パワーデバイスと言われる高温で高効率の動作をする半導体素子を用いて半導体デバイスを作製する場合等には、発熱量が上がる傾向にある。デバイスや素子の効率を向上させて発熱を減らす試みも行われているが、現状では十分な成果が出ておらず、デバイスや素子の使用温度が上がっているのが実情である。 On the other hand, when, for example, high-brightness lighting devices or light-emitting devices are made using light-emitting elements such as LEDs, or when semiconductor devices are made using semiconductor elements known as power devices that operate efficiently at high temperatures, the amount of heat generated tends to increase. Attempts have been made to reduce heat generation by improving the efficiency of devices and elements, but to date, sufficient results have not been achieved, and the operating temperatures of devices and elements are actually rising.

また、接合時におけるデバイスの損傷を防ぐという観点からは、低い接合温度(例えば350℃以下)で十分な接合強度を確保できる接合材が求められている。したがって、デバイスや素子等を接合するための接合材に対しては、接合温度の低下とともに、接合後におけるデバイスの動作による使用温度の上昇に耐えて十分な接合強度を維持できる耐熱性が求められているが、従来からの接合材では十分な対応ができないことが多い。例えば、はんだは、金属を融点以上に加熱する工程(リフロー工程)を経て部材同士を接合するが、一般的に融点はその組成に固有であるため、耐熱温度を上げようとすると加熱(接合)温度も上がってしまう。 Furthermore, from the perspective of preventing damage to devices during bonding, there is a demand for bonding materials that can ensure sufficient bonding strength at low bonding temperatures (for example, 350°C or below). Therefore, bonding materials for bonding devices, elements, etc. are required to have heat resistance that allows them to withstand lower bonding temperatures and maintain sufficient bonding strength even when the operating temperature rises due to device operation after bonding, but conventional bonding materials are often unable to meet this requirement. For example, solder bonds components together through a process (reflow process) in which the metal is heated above its melting point, but because the melting point is generally specific to the composition, attempts to increase the heat resistance temperature also result in an increase in the heating (bonding) temperature.

更に、はんだを用いて素子や基板を数層重ね合わせて接合する場合、重ね合わせる層の数だけ加熱工程を経る必要であり、既に接合した部分の溶融を防ぐためには、次の接合に用いるはんだの融点(接合温度)を下げる必要があり、また、重ね合わせる層の数だけはんだ組成の種類が必要になり、取扱いが煩雑になる。 Furthermore, when using solder to join multiple layers of elements or substrates, a heating process is required for each layer to be joined. To prevent melting of already joined parts, the melting point (joining temperature) of the solder used for the next joining must be lowered. Also, different solder compositions are required for each layer to be joined, making handling cumbersome.

このような状況下、近年、高温はんだの代替材料として、銀、金などの貴金属を中心とする金属ナノ粒子を用いた接合材が開発されている(例えば、特許文献1:特開2012-046779号公報)。しかしながら、金属ナノ粒子は高価であるだけでなく、金属ナノ粒子の焼結によって得られる接合層には金属ナノ粒子の分散剤や溶媒として使用される有機物が残留してしまう。また、金属ナノ粒子の焼結によって得られる接合層では結晶粒界の割合が大きくなってしまい、熱伝導性及び電気伝導性を低下させる原因となる。加えて、金属ナノ粒子を接合に用いる場合は有機物の蒸発により、接合中の体積変化が大きくなってしまうという問題が存在する。 In light of these circumstances, bonding materials using metal nanoparticles, primarily made of precious metals such as silver and gold, have been developed in recent years as an alternative to high-temperature solder (see, for example, Patent Document 1: JP 2012-046779 A). However, not only are metal nanoparticles expensive, but the bonding layer obtained by sintering metal nanoparticles also leaves behind residual organic matter used as a dispersant or solvent for the metal nanoparticles. Furthermore, the proportion of crystal grain boundaries in the bonding layer obtained by sintering metal nanoparticles is high, which can cause reduced thermal and electrical conductivity. Additionally, when metal nanoparticles are used for bonding, there is the problem of significant volume change during bonding due to the evaporation of organic matter.

これに対し、発明者らは、毬栗状のマイクロサイズ銀粒子を用いて、接合層内の残留有機成分及び結晶粒界を低減することができ、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部を得ることができる安価な接合方法を提案している。具体的には、特許文献2(特開2015-57291号公報)において、放射状に延設された凸部と、前記凸部の間隙に凹部と、を備えるとともに、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、前記核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀を含み、前記核物質の平均粒径が1~10μmであることを特徴とする導電粉を含む接合用組成物を用い、接合すべき2つの部材の間に前記接合用組成物を介在させた後、前記部材を150~350℃に加熱するとともに加圧する工程を含むこと、を特徴とする接合方法、を開示している。 In response to this, the inventors have proposed an inexpensive bonding method that uses chestnut-shaped micro-sized silver particles to reduce residual organic components and crystal grain boundaries in the bonding layer, thereby achieving a bond with excellent thermal and electrical conductivity. Specifically, Patent Document 2 (JP 2015-57291 A) discloses a bonding method characterized by using a bonding composition containing a conductive powder that includes radially extending protrusions and recesses between the protrusions, and a nucleus material for crystal growth of silver as a conductive material, the nucleus material containing silver containing metal-based particles or ceramic-based particles, and an average particle size of the nucleus material being 1 to 10 μm; and then interposing the bonding composition between two members to be bonded, heating the members to 150 to 350°C and applying pressure to the members.

上記特許文献2に記載の接合方法においては、平均粒径が1~10μmであるマイクロサイズ銀粒子を使用することで、分散性確保等のための有機物を低減することができ、接合層内の残留有機成分及び接合プロセス中の接合層の体積変化を大幅に低減することができる。また、ナノサイズの金属粒子と比較して接合層内の結晶粒界の割合を低下させることができるため、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部を得ることができる。更に、マイクロサイズ銀粒子は一般的な金属ナノ粒子と比較して安価に製造することができるため、接合にかかるコストを低減することができる。また、マイクロサイズ銀粒子が有する微細な凸部が低温焼結性を担保するため、150~350℃の低温における接合が可能となる。 In the bonding method described in Patent Document 2, the use of micro-sized silver particles with an average particle size of 1 to 10 μm reduces the amount of organic matter used to ensure dispersibility, significantly reducing residual organic components in the bonding layer and the volume change of the bonding layer during the bonding process. Furthermore, compared to nano-sized metal particles, the proportion of crystal grain boundaries in the bonding layer can be reduced, resulting in a bonded portion with excellent thermal and electrical conductivity. Furthermore, micro-sized silver particles can be produced more inexpensively than general metal nanoparticles, reducing bonding costs. Furthermore, the fine protrusions of micro-sized silver particles ensure low-temperature sintering, enabling bonding at low temperatures of 150 to 350°C.

特開2012-046779号公報JP 2012-046779 A 特開2015-57291号公報JP 2015-57291 A

近年、各種パワーデバイス内部の半導体材料として、SiCやGaN等の使用も検討されており、これらの材料においては300℃以上の高温条件で高い性能を示すものも存在することから、半導体チップと基板との間の接合を担う接合層においても、高い耐熱性が求められている。 In recent years, the use of SiC, GaN, and other materials has been considered as semiconductor materials inside various power devices. Some of these materials exhibit high performance at high temperatures of 300°C or higher, so high heat resistance is also required for the bonding layer that bonds the semiconductor chip to the substrate.

これに対し、上記特許文献2に記載の接合方法によって得られる接合層は、ナノサイズの金属粒子と比較して接合層内の結晶粒界の割合を低下させることができ、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部を得ることができるが、耐熱性については十分に考慮されていない。また、金属粒子の焼結によって得られる接合層は、高温暴露によって組織変化が生じることが報告されている。 In contrast, the bonding layer obtained by the bonding method described in Patent Document 2 can reduce the proportion of crystal grain boundaries within the bonding layer compared to nano-sized metal particles, resulting in a bonded portion with excellent thermal and electrical conductivity, but does not fully consider heat resistance. It has also been reported that bonding layers obtained by sintering metal particles undergo structural changes when exposed to high temperatures.

以上のような状況に鑑み、本発明の目的は、接合層内の残留有機成分及び結晶粒界を低減することができ、高い熱伝導性及び電気伝導性を有すると共に優れた耐熱性を有する接合部を得ることができる安価かつ簡便な低温接合方法、及び当該接合方法によって得られる接合体を提供することにある。 In light of the above circumstances, the object of the present invention is to provide an inexpensive and simple low-temperature bonding method that can reduce residual organic components and grain boundaries in the bonding layer and produce a bonded joint that has high thermal conductivity, electrical conductivity, and excellent heat resistance, as well as a bonded body obtained by this bonding method.

本発明者は、上記目的を達成すべく接合用組成物の組成について鋭意研究を重ねた結果、接合層に優れた耐熱性を付与するための窒化アルミニウム粒子を、毬栗形状を有するマイクロサイズの銀粒子の凸部と凹部によって形成される空隙を利用して均一に分散させること等が、上記目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 The inventors conducted extensive research into the composition of bonding compositions to achieve the above-mentioned objectives, and discovered that uniformly dispersing aluminum nitride particles, which impart excellent heat resistance to the bonding layer, using the voids formed by the convex and concave portions of chestnut-shaped micro-sized silver particles is extremely effective in achieving the above-mentioned objectives, leading to the development of the present invention.

即ち、本発明は、
放射状に延設された凸部と、前記凸部の間隙に凹部と、を備えるとともに、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、前記核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀を含み、前記核物質の平均粒径が1~10μmであることを特徴とする導電粉と、
平均粒径が10~100nmの窒化アルミニウム粒子と、を含む接合用組成物を用い、接合すべき2つの部材の間に前記接合用組成物を介在させた後、前記部材を150~350℃に加熱するとともに加圧する工程を含むこと、
を特徴とする接合方法、を提供する。
That is, the present invention provides:
a conductive powder having radially extending projections and recesses between the projections, and containing a core material for growing silver crystals as a conductive material therein, the core material containing silver containing metal particles or ceramic particles, and an average particle size of the core material being 1 to 10 μm;
a bonding composition containing aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm, and a step of placing the bonding composition between two members to be bonded, and then heating the members to 150 to 350°C and applying pressure thereto;
The present invention provides a joining method characterized by the above.

本発明の接合方法においては、平均粒径が10~100nmの窒化アルミニウム粒子を接合層に均一に分散させることで、導電粉が焼結してなる接合層に良好な高温安定性を付与することができる。また、窒化アルミニウムは熱伝導性や線膨張率の観点から銀焼結層との相性がよく、銀焼結層に異材を分散させることによる悪影響を低減することができる。 In the bonding method of the present invention, by uniformly dispersing aluminum nitride particles with an average particle size of 10 to 100 nm in the bonding layer, it is possible to impart good high-temperature stability to the bonding layer formed by sintering the conductive powder. Furthermore, aluminum nitride is compatible with the silver sintered layer in terms of thermal conductivity and linear expansion coefficient, which reduces the adverse effects of dispersing a different material in the silver sintered layer.

窒化アルミニウム粒子の平均粒径を10nm以上とすることで、接合層を高温に保持した際の組織変化を効果的に抑制することができる。また、窒化アルミニウム粒子の平均粒径を100nm以下とすることで、窒化アルミニウム粒子の分散による接合層の緻密性や強度の低下を抑制することができる。ここで、窒化アルミニウム粒子の平均粒径は15~80nmであることが好ましく、20~60nmであることがより好ましい。 By setting the average particle size of the aluminum nitride particles to 10 nm or more, it is possible to effectively suppress structural changes that occur when the bonding layer is maintained at high temperatures. Furthermore, by setting the average particle size of the aluminum nitride particles to 100 nm or less, it is possible to suppress a decrease in the density and strength of the bonding layer due to the dispersion of the aluminum nitride particles. Here, the average particle size of the aluminum nitride particles is preferably 15 to 80 nm, and more preferably 20 to 60 nm.

通常、微細なセラミックス粒子を接合用組成物中に均一分散させることは極めて困難であるが、本発明の接合方法においては放射状に延設された凸部と当該凸部の間隙に凹部を備える、所謂毬栗状のマイクロ粒子を金属粒子として用いることで、窒化アルミニウム粒子の均一分散を達成している。具体的には、凸部と凹部によって、窒化アルミニウム粒子が分散するための適当な空間が十分かつ均一に形成される。また、凸部と凹部を有する導電粉はマイクロサイズ(1~10μm)であり、一般的な金属ナノ粒子のように凝集等によって分散状況が不均質となることが抑制されている。 Normally, it is extremely difficult to uniformly disperse fine ceramic particles in a bonding composition. However, the bonding method of the present invention achieves uniform dispersion of aluminum nitride particles by using so-called chestnut-shaped microparticles as metal particles, which have radially extending convex portions and concave portions in the gaps between the convex portions. Specifically, the convex portions and concave portions form sufficient and uniform spaces suitable for the dispersion of the aluminum nitride particles. Furthermore, the conductive powder with convex portions and concave portions is micro-sized (1 to 10 μm), which prevents the dispersion from becoming uneven due to aggregation, as is the case with general metal nanoparticles.

また、平均粒径が1~10μmであるマイクロサイズ銀粒子を使用することで、分散性確保等のための有機物を低減することができ、接合層内の残留有機成分及び接合プロセス中の接合層の体積変化を大幅に低減することができる。また、ナノサイズの金属粒子と比較して接合層内の結晶粒界の割合を低下させることができるため、熱伝導性及び電気伝導性に優れた接合部を得ることができる。更に、マイクロサイズ銀粒子は一般的な金属ナノ粒子と比較して安価に製造することができるため、接合にかかるコストを低減することができる。ここで、マイクロサイズ銀粒子が有する微細な凸部が低温焼結性を担保するため、150~350℃の低温における接合が可能となる。 In addition, by using micro-sized silver particles with an average particle size of 1 to 10 μm, it is possible to reduce the amount of organic matter used to ensure dispersibility, and significantly reduce residual organic components in the bonding layer and volume changes in the bonding layer during the bonding process. Furthermore, since the proportion of crystal grain boundaries in the bonding layer can be reduced compared to nano-sized metal particles, a bonded joint with excellent thermal and electrical conductivity can be obtained. Furthermore, micro-sized silver particles can be produced more inexpensively than general metal nanoparticles, reducing bonding costs. Here, the fine protrusions of micro-sized silver particles ensure low-temperature sintering, making bonding possible at low temperatures of 150 to 350°C.

また、本発明の接合方法においては、前記工程の加圧を10MPa程度と低くすることができ、前記部材の自重圧下で行うことも可能である。 Furthermore, in the joining method of the present invention, the pressure applied in the above process can be reduced to approximately 10 MPa, and it is possible to perform the process under the pressure of the members' own weight.

本発明の接合方法においては、前記接合用組成物における前記窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4~1.8質量%とすること、が好ましい。窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4質量%以上とすることで、接合層の高温安定性付与に十分な数の窒化アルミニウム粒子を分散させることができる。また、窒化アルミニウム粒子の含有量を1.8質量%以下とすることで、窒化アルミニウム粒子の分散による接合層の緻密性や強度の低下を抑制することができることに加え、接合用組成物に実用上問題のない塗布特性を付与することができる。ここで、窒化アルミニウム粒子の含有量は0.7~1.3質量%とすることが好ましく、0.9~1.1質量%とすることがより好ましい。 In the bonding method of the present invention, the content of the aluminum nitride particles in the bonding composition is preferably 0.4 to 1.8 mass %. By setting the content of aluminum nitride particles to 0.4 mass % or more, a sufficient number of aluminum nitride particles can be dispersed to impart high-temperature stability to the bonding layer. Furthermore, by setting the content of aluminum nitride particles to 1.8 mass % or less, it is possible to suppress a decrease in the density and strength of the bonding layer due to the dispersion of aluminum nitride particles, and to impart application properties to the bonding composition that are practically acceptable. Here, the content of aluminum nitride particles is preferably 0.7 to 1.3 mass %, and more preferably 0.9 to 1.1 mass %.

本発明の接合方法においては、前記凸部の形状が、針状、桿状、又は花弁状からなる群から選択される少なくとも一つの形状であること、が好ましい。また、前記凸部の形状が針状からなる前記導電粉、前記凸部の形状が桿状からなる前記導電粉、及び前記凸部の形状が花弁状からなる前記導電粉を全て含む前記接合用組成物を用いること、が好ましい。凸部がこれらの形状を有していることで、窒化アルミニウム粒子が侵入(分散)可能な微小空間が効率的かつ均一に形成され、最終的に得られる接合層内に窒化アルミニウム粒子を均一分散させることができる。 In the bonding method of the present invention, it is preferable that the shape of the convex portions is at least one shape selected from the group consisting of needle-shaped, rod-shaped, and petal-shaped. It is also preferable to use the bonding composition that contains all of the conductive powder whose convex portions are needle-shaped, the conductive powder whose convex portions are rod-shaped, and the conductive powder whose convex portions are petal-shaped. When the convex portions have these shapes, microspaces into which aluminum nitride particles can penetrate (disperse) are efficiently and uniformly formed, allowing the aluminum nitride particles to be uniformly dispersed in the final bonding layer.

更に、本発明の接合方法においては、前記接合用組成物に、平均粒径が10~100μmの球状セラミックス粒子を0.001~0.1質量%含むこと、が好ましい。平均粒径が10~100μmの球状セラミックス粒子はスペーサーとして機能し、接合層の厚さ方向に少量の球状セラミックス粒子が存在すれば、任意の厚さを有する接合層を再現性良く形成させることができる。球状セラミックス粒子の平均粒径は20~90μmとすることが好ましく、30~80μmとすることがより好ましい。また、球状セラミックス粒子の含有量は0.002~0.01質量%とすることがより好ましい。球状セラミックス粒子には、例えば、シリカ粒子等を用いることができる。 Furthermore, in the bonding method of the present invention, the bonding composition preferably contains 0.001 to 0.1 mass% spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm. The spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm function as spacers, and the presence of a small amount of spherical ceramic particles in the thickness direction of the bonding layer allows for the reproducible formation of a bonding layer of any desired thickness. The average particle size of the spherical ceramic particles is preferably 20 to 90 μm, and more preferably 30 to 80 μm. The content of the spherical ceramic particles is more preferably 0.002 to 0.01 mass%. For example, silica particles can be used as the spherical ceramic particles.

また、本発明は、
一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合された接合体であって、
前記一方の被接合部材と前記他方の被接合部材とは接合層を介して冶金的に接合され、
前記接合層は、金属粒子と、窒化アルミニウム粒子と、を含み、
前記金属粒子は、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、前記核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀粒子であり、
前記窒化アルミニウム粒子の平均粒径は10~100nmであり、
前記接合層における前記窒化アルミニウム粒子の含有量が0.4~1.8質量%であること、
を特徴とする接合体、も提供する。
The present invention also provides
A joined body in which one member to be joined and another member to be joined are joined,
the one member to be joined and the other member to be joined are metallurgically joined via a joining layer,
the bonding layer includes metal particles and aluminum nitride particles,
the metal particles are silver particles containing a core material for growing silver crystals as a conductive material therein, the core material being a metal-based particle or a ceramic-based particle;
The aluminum nitride particles have an average particle size of 10 to 100 nm,
the content of the aluminum nitride particles in the bonding layer is 0.4 to 1.8 mass %;
Also provided is a conjugate characterized by:

本発明の接合体においては、主として銀粒子の焼結によって形成された接合層に、平均粒径が10~100nmの窒化アルミニウム粒子が分散されており、当該窒化アルミニウム粒子の含有量が0.4~1.8質量%であっても均一分散が達成されていることから、接合層は優れた熱安定性を有している。 In the bonded body of the present invention, aluminum nitride particles with an average particle size of 10 to 100 nm are dispersed in a bonding layer formed primarily by sintering silver particles. Even when the aluminum nitride particle content is 0.4 to 1.8 mass%, uniform dispersion is achieved, resulting in the bonding layer having excellent thermal stability.

窒化アルミニウム粒子の平均粒径は15~80nmであることが好ましく、20~60nmであることがより好ましい。また、窒化アルミニウム粒子の含有量は0.7~1.3質量%とすることが好ましく、0.9~1.1質量%とすることがより好ましい。 The average particle size of the aluminum nitride particles is preferably 15 to 80 nm, and more preferably 20 to 60 nm. The content of aluminum nitride particles is preferably 0.7 to 1.3 mass%, and more preferably 0.9 to 1.1 mass%.

また、本発明の接合体においては、主として接合層を形成する銀粒子の内部に、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでおり、これらの粒子も接合層の熱安定性向上に寄与している。特に、銀粒子の内部にセラミック系粒子を含む場合は、当該効果が顕著である。 In addition, in the bonded body of the present invention, metal-based particles or ceramic-based particles are contained within the silver particles that primarily form the bonding layer, and these particles also contribute to improving the thermal stability of the bonding layer. This effect is particularly pronounced when ceramic-based particles are contained within the silver particles.

また、本発明の接合体においては、前記接合層の断面観察によって測定される空隙のサイズに関して、面積が0.2μm2以下となる空隙数の割合が、全ての空隙数に対して90%以上となること、が好ましい。前記接合層において粗大な空隙の形成を抑制することで、良好な機械的性質及び熱安定性を実現している。 In the bonded structure of the present invention, it is preferable that, with regard to the size of voids measured by cross-sectional observation of the bonding layer, the proportion of voids with an area of 0.2 μm2 or less is 90% or more of the total number of voids. By suppressing the formation of large voids in the bonding layer, good mechanical properties and thermal stability are achieved.

また、本発明の接合体においては、前記接合層に、平均粒径が10~100μmの球状セラミックス粒子が0.001~0.1質量%含まれること、が好ましい。平均粒径が10~100μmの球状セラミックス粒子はスペーサーとして機能し、接合層厚さを均質化することができる。球状セラミックス粒子の平均粒径は20~90μmとすることが好ましく、30~80μmとすることがより好ましい。また、球状セラミックス粒子の含有量は0.002~0.01質量%とすることがより好ましい。球状セラミックス粒子には、例えば、シリカ粒子等とすることができる。 In addition, in the bonded body of the present invention, the bonding layer preferably contains 0.001 to 0.1 mass% spherical ceramic particles with an average particle size of 10 to 100 μm. The spherical ceramic particles with an average particle size of 10 to 100 μm function as spacers, making the thickness of the bonding layer uniform. The average particle size of the spherical ceramic particles is preferably 20 to 90 μm, and more preferably 30 to 80 μm. The content of the spherical ceramic particles is more preferably 0.002 to 0.01 mass%. The spherical ceramic particles can be, for example, silica particles.

また、本発明の接合体においては、前記接合層の空隙率が10%以下であり、300℃で500時間の高温放置により当該空隙率が10%以上に増加しないこと、が好ましい。接合層が緻密であると共に、高温での長時間保持によって空隙率が10%以上に増加しないことで、例えば、300℃以上の高温条件で高い性能を示す半導体材料が使用されている半導体チップと基板との間を接合した接合体として、好適に用いることができる。 Furthermore, in the bonded body of the present invention, it is preferable that the porosity of the bonding layer is 10% or less, and that the porosity does not increase to 10% or more when left at a high temperature of 300°C for 500 hours. Because the bonding layer is dense and the porosity does not increase to 10% or more when held at high temperatures for a long period of time, the bonded body can be suitably used, for example, as a bonded body between a semiconductor chip and a substrate, which use semiconductor materials that exhibit high performance under high-temperature conditions of 300°C or higher.

更に、本発明の接合体においては、前記接合層のせん断強度が40MPa以上であり、300℃で500時間の高温放置後の前記接合層のせん断強度が30MPa以上であること、が好ましい。接合層がこれらのせん断強度を有すると共に、高温での長時間保持後も高いせん断強度を維持することで、例えば、300℃以上の高温条件で高い性能を示す半導体材料が使用されている半導体チップと基板との間を接合した接合体として、好適に用いることができる。 Furthermore, in the bonded structure of the present invention, it is preferable that the shear strength of the bonding layer is 40 MPa or more, and that the shear strength of the bonding layer after being left at a high temperature of 300°C for 500 hours is 30 MPa or more. Since the bonding layer has these shear strengths and maintains high shear strength even after being held at high temperatures for a long period of time, it can be suitably used, for example, as a bonded structure between a semiconductor chip and a substrate that uses a semiconductor material that exhibits high performance under high-temperature conditions of 300°C or more.

本発明によれば、接合層内の残留有機成分及び結晶粒界を低減することができ、高い熱伝導性及び電気伝導性を有すると共に優れた耐熱性を有する接合部を得ることができる安価かつ簡便な低温接合方法、及び当該接合方法によって得られる接合体を提供することができる。 The present invention provides an inexpensive and simple low-temperature bonding method that can reduce residual organic components and grain boundaries in the bonding layer, resulting in a bonded joint that has high thermal conductivity, electrical conductivity, and excellent heat resistance, as well as a bonded article obtained by this bonding method.

本発明において窒化アルミニウム粒子が均一分散する機構を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the mechanism by which aluminum nitride particles are uniformly dispersed in the present invention. 実施例で用いたマイクロサイズ銀粒子のSEM写真である。1 is a SEM photograph of micro-sized silver particles used in the examples. 実施例で用いた窒化アルミニウム粒子のSEM写真である。1 is a SEM photograph of aluminum nitride particles used in the examples. 実施例で用いたシリカ粒子の光学顕微鏡写真である。1 is an optical microscope photograph of silica particles used in the examples. 実施例で用いた接合試験片の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a bonded test piece used in the examples. 実施例で得た接合体の接合層断面のSEM写真である。1 is a SEM photograph of a cross section of a bonding layer of a bonded body obtained in an example. 比較例で得た接合体の接合層断面のSEM写真である。10 is a SEM photograph of a cross section of a bonding layer of a bonded body obtained in a comparative example. 実施接合体の接合層に形成されている空隙の面積分布を表すヒストグラムである。1 is a histogram showing the area distribution of voids formed in the bonding layer of an example bonded body. 比較接合体の接合層に形成されている空隙の面積分布を表すヒストグラムである。10 is a histogram showing the area distribution of voids formed in the bonding layer of a comparative bonded body. 実施例1で得られた実施接合体の接合層断面のSEM観察像及びAl元素マッピングである。1 shows an SEM observation image and Al element mapping of a cross section of a bonding layer of an example bonded body obtained in Example 1. 実施例1で得られた実施接合体の接合層のTEM観察像及び元素マッピングである。1 shows a TEM observation image and element mapping of the bonding layer of the exemplified bonded body obtained in Example 1. 実施例2で得られた各実施接合体のせん断強度と窒化アルミニウム粒子含有量の関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the shear strength and the aluminum nitride particle content of each example bonded body obtained in Example 2. 比較例2で得られた接合体及び高温暴露後の接合体の接合強度を示すグラフである。10 is a graph showing the bonding strength of the bonded body obtained in Comparative Example 2 and the bonded body after exposure to high temperatures.

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

1.接合方法
(1)接合用組成物
本実施形態の接合用組成物は、金属粒子として、平均粒径が1~10μmである毬栗状の導電粉(マイクロサイズ銀粒子)と平均粒径が10~100nmの窒化アルミニウム粒子と有機溶媒等との混合物であることを特徴とし、必要に応じて分散剤等を含有している。以下においてこれら各成分について説明する。
1. Bonding Method (1) Bonding Composition The bonding composition of this embodiment is characterized by being a mixture of chestnut-shaped conductive powder (microsized silver particles) having an average particle size of 1 to 10 μm as metal particles, aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm, an organic solvent, etc., and optionally containing a dispersant, etc. Each of these components will be described below.

(1-1)導電粉(マイクロサイズ銀粒子)
本実施形態の接合用組成物の金属粒子としては、平均粒径が1~10μmである毬栗状の導電粉を用いることが好ましい。平均粒径をマイクロサイズとすることで、ナノサイズの粒子と比較して分散性及び安定性が向上するため、分散性及び安定性を確保するために必要となる有機物の量を大幅に低減することができる。加えて、平均粒径を10μm未満とすることで、金属粒子間の接点等を確保するために十分な表面積を得ることができる。導電粉の平均粒径は、レーザー方式のパーティクルカウンターにより測定することができるし、あるいは電子顕微鏡写真から実測することもでき、さらには、当該電子顕微鏡写真から、画像処理装置を用いて算出することもできる。
(1-1) Conductive powder (micro-sized silver particles)
The metal particles in the bonding composition of this embodiment preferably use chestnut-shaped conductive powder with an average particle size of 1 to 10 μm. By setting the average particle size to micro-size, dispersibility and stability are improved compared to nano-sized particles, and the amount of organic material required to ensure dispersibility and stability can be significantly reduced. In addition, by setting the average particle size to less than 10 μm, sufficient surface area can be obtained to ensure contact points between metal particles. The average particle size of the conductive powder can be measured using a laser particle counter, or it can be measured from electron microscope photographs, or it can be calculated from the electron microscope photographs using an image processing device.

また、本実施形態の接合用組成物の金属粒子として好ましいのは、(a)凹凸{即ち、粒子の中心からみて放射状に延設された凸部(突起と称することがある)、及び当該凸部同士の間隙にある凹部(窪みと称することがある)と、}を備えるとともに、(b)内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、当該核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀を含み、前記核物質の平均粒径が1~10μmであることを特徴とする導電粉である。放射状に延設された凸部同士、及び放射状に延設された凸部と当該凸部の間隙の凹部とが良好に接触し、低温(150~350℃)に保持することで当該接触部から焼結が効果的に進行する。 Preferred metal particles for the bonding composition of this embodiment are conductive powders that have (a) irregularities (i.e., convex portions (sometimes called protrusions) extending radially from the center of the particle, and concave portions (sometimes called depressions) in the gaps between the convex portions), and (b) a nucleus material for growing silver crystals as a conductive material inside, the nucleus material containing silver comprising metal-based particles or ceramic-based particles, and an average particle size of the nucleus material being 1 to 10 μm. The radially extending convex portions and the radially extending convex portions and the concave portions in the gaps between the convex portions are in good contact with each other, and sintering effectively progresses from the contact points by maintaining the powder at a low temperature (150 to 350°C).

上述のとおり、導電粉の凸部の形状は、針状(若しくは繊維状)、桿状、及び花弁状からなる群から選択される少なくとも一つの形状であること、が好ましい。更には、接合用組成物に、凸部の形状が針状からなる導電粉、凸部の形状が桿状からなる導電粉、及び凸部の形状が花弁状からなる導電粉を全て含むことが好ましい。 As mentioned above, it is preferable that the shape of the convex portions of the conductive powder be at least one shape selected from the group consisting of needle-shaped (or fibrous), rod-shaped, and petal-shaped. Furthermore, it is preferable that the bonding composition contain all of conductive powder whose convex portions are needle-shaped, conductive powder whose convex portions are rod-shaped, and conductive powder whose convex portions are petal-shaped.

針状の凸部を有する銀粉と、桿状の凸部を有する銀粉と、花弁状の凸部を有する銀粉とを組合せることにより、接点の形成が容易となって、低温焼結性がさらに向上する。より具体的には、導電粉の全体量を100重量%としたときに、針状の凸部を有する銀粉を10~50重量%、桿状の凸部を有する銀粉を15~50重量%、及び花弁状の凸部を有する銀粉を20~50重量%の範囲内で適宜混合使用することが好ましい。 By combining silver powder with needle-shaped protrusions, silver powder with rod-shaped protrusions, and silver powder with petal-shaped protrusions, contact formation becomes easier and low-temperature sintering properties are further improved. More specifically, when the total amount of conductive powder is taken as 100% by weight, it is preferable to mix and use an appropriate amount within the range of 10-50% by weight of silver powder with needle-shaped protrusions, 15-50% by weight of silver powder with rod-shaped protrusions, and 20-50% by weight of silver powder with petal-shaped protrusions.

凸部の長さは、当該凸部の先端に接して囲む閉曲面の成す球の平均半径の40%超とすることが好ましい。この理由は、このような凸部であれば、適当な大きさを有することになり、凹部との嵌合連結がより確実なものとなり、嵌合部分の機械的安定性も向上するためである。 The length of the convex portion is preferably more than 40% of the average radius of the sphere formed by the closed curved surface that contacts and surrounds the tip of the convex portion. The reason for this is that such a convex portion will have an appropriate size, which will ensure a more reliable engagement with the concave portion and improve the mechanical stability of the mating portion.

凹部は、凸部同士の間隙に設けられた窪み形状であって、断面方向横からみた場合に、凸部が入り込むことのできる形状(より理想的には凸部が凹部に嵌合連結可能な形状)であれば良い。この理由は、このように構成することにより、隣接する導電粉間で、凸部と凹部とが容易に嵌合連結することができるためである。また、凹部の深さ(大きさ)を導電粉に占める凹部の体積、すなわち凹部からなる空隙率で表すことが可能である。具体的に、凸部の先端を囲む閉曲線からなる球の体積を100容量%としたときに、凹部からなる空隙率を40容量%以上の値とすることが好ましい。この理由は、かかる凹部からなる空隙率が40容量%未満の値となると、凸部と、凹部との嵌合連結が不十分となる場合があるためである。一方、かかる凹部からなる空隙率が過度に大きくなると、導電粉の機械的強度が著しく低下する場合があることに加え、窒化アルミニウム粒子の凝集領域が形成される恐れがある。したがって、凹部からなる空隙率を42~70容量%の範囲内の値とすることがより好ましく、45~60容量%の範囲内の値とすることがさらに好ましい。 The recesses are hollows formed between the protrusions, and when viewed from the side in the cross-sectional direction, they should have a shape that allows the protrusions to fit into them (ideally, a shape that allows the protrusions to fit into the recesses). This is because such a configuration allows the protrusions and recesses to easily fit into each other between adjacent conductive powder particles. The depth (size) of the recesses can be expressed as the volume of the recesses in the conductive powder, i.e., the porosity of the recesses. Specifically, when the volume of a sphere formed by a closed curve surrounding the tip of each protrusion is taken as 100 volume %, the porosity of the recesses is preferably 40 volume % or greater. This is because if the porosity of the recesses is less than 40 volume %, the fit between the protrusions and recesses may be insufficient. On the other hand, if the porosity of the recesses is excessively large, the mechanical strength of the conductive powder may be significantly reduced and agglomerated regions of aluminum nitride particles may form. Therefore, it is more preferable to set the porosity of the recesses to a value within the range of 42 to 70% by volume, and even more preferable to set it to a value within the range of 45 to 60% by volume.

核物質は、金属系粒子又はセラミック系粒子(無機系粒子)であることが好ましい。この理由は、金属系粒子を使用することにより、比重や粒径の調整が容易になるばかりか、形状保持性や電気抵抗率の調整についても容易になるためである。さらに、セラミック系粒子を使用することにより、比重や粒径の調整が容易になるばかりか、形状保持性や耐熱性等の特性についてもさらに向上させることができるためである。 The core material is preferably metal particles or ceramic particles (inorganic particles). This is because the use of metal particles not only makes it easier to adjust the specific gravity and particle size, but also makes it easier to adjust the shape retention and electrical resistivity. Furthermore, the use of ceramic particles not only makes it easier to adjust the specific gravity and particle size, but also further improves properties such as shape retention and heat resistance.

ここで、金属系粒子としては、銀粒子、金粒子、銅粒子、アルミニウム粒子、亜鉛粒子、半田粒子、錫粒子、ニッケル粒子等の一種単独又は二種以上の組合せが挙げられるが、銀粒子を用いることが好ましい。さらに、セラミック系粒子としては、シリカ粒子(ホワイトカーボン)、酸化チタン粒子、酸化ジルコニウム粒子、酸化アルミニウム粒子、酸化亜鉛粒子、酸化スズ粒子、酸化ニオブ粒子等の一種単独又は二種以上の組合せが挙げられる。特に、これらの粒子のうち、シリカ粒子(ホワイトカーボン)や酸化チタン粒子を使用することにより、比重や粒径、あるいは電気抵抗率の調整が容易になるばかりか、形状保持性等の特性についても著しく向上させることができることから、好ましい核物質である Here, metal particles include silver particles, gold particles, copper particles, aluminum particles, zinc particles, solder particles, tin particles, nickel particles, etc., either singly or in combination, with silver particles being preferred. Furthermore, ceramic particles include silica particles (white carbon), titanium oxide particles, zirconium oxide particles, aluminum oxide particles, zinc oxide particles, tin oxide particles, niobium oxide particles, etc., either singly or in combination. Among these particles, silica particles (white carbon) and titanium oxide particles are particularly preferred core materials, as they not only facilitate adjustment of specific gravity, particle size, and electrical resistivity, but also significantly improve properties such as shape retention.

また、核物質の種類に関して、多孔質であるか、あるいは凝集粒子であることが好ましい。この理由は、多孔質や凝集粒子の核物質を中心として、放射状に凸部を均一に延設することができ、粒度分布がさらに狭く、かつ形状保持性に優れた導電粉を得ることができるためである。したがって、多孔質や凝集粒子からなる核物質に関して、BET表面積を0.01~500m2/gの範囲内の値とすることが好ましい。なお、核物質が多孔質、あるいは凝集粒子であるか否かは、電子顕微鏡観察によって、容易に確認することができる。 Furthermore, with regard to the type of core material, it is preferable that it be porous or an agglomerated particle. The reason for this is that it is possible to uniformly form radial projections extending from the porous or agglomerated particle core material as the center, thereby obtaining a conductive powder with a narrower particle size distribution and excellent shape retention. Therefore, for core materials consisting of porous or agglomerated particles, it is preferable to set the BET surface area to a value within the range of 0.01 to 500 m 2 /g. Whether a core material is porous or an agglomerated particle can be easily confirmed by observation with an electron microscope.

核物質の添加量は、全体量に対して、0.01~30重量%の範囲内の値とすることが好ましい。この理由は、かかる核物質の添加量が0.01重量%未満の値になると、核物質を中心として、放射状に凸部を均一に延設することが困難になる場合があるためである。一方、かかる核物質の添加量が30重量%を超えると、導電粉の電気抵抗率が著しく上昇する場合があるためである。したがって、核物質の添加量を、全体量に対して、0.1~20重量%の範囲内の値とすることがより好ましく、0.5~10重量%の範囲内の値とすることがさらに好ましい。なお、核物質の添加量は、所定量以上、例えば、1重量%以上であれば、一例として、電子線マイクロアナライザー(EPMA)を用いて測定することができる。 The amount of core material added is preferably within the range of 0.01 to 30% by weight of the total amount. The reason for this is that if the amount of core material added is less than 0.01% by weight, it may be difficult to uniformly form convex portions extending radially from the core material center. On the other hand, if the amount of core material added exceeds 30% by weight, the electrical resistivity of the conductive powder may increase significantly. Therefore, it is more preferable to set the amount of core material added within the range of 0.1 to 20% by weight of the total amount, and even more preferably within the range of 0.5 to 10% by weight. Note that if the amount of core material added is a predetermined amount or more, for example, 1% by weight or more, it can be measured using an electron probe microanalyzer (EPMA), for example.

本実施形態の接合用組成物の金属粒子は、上述の特徴を有する導電粉(マイクロサイズ銀粒子)であれば特に制限されないが、例えば、化研テック株式会社製の導電粉を好適に用いることができる。 The metal particles in the bonding composition of this embodiment are not particularly limited as long as they are conductive powder (micro-sized silver particles) with the characteristics described above, but for example, conductive powder manufactured by Kaken Tech Co., Ltd. can be suitably used.

(1-2)窒化アルミニウム粒子
本実施形態の接合用組成物には、平均粒径が10~100nmの窒化アルミニウム粒子が含有されている。平均粒径が10~100nmの窒化アルミニウム粒子を接合層に均一に分散させることで、導電粉が焼結してなる接合層に良好な高温安定性を付与することができる。また、窒化アルミニウムは熱伝導性や線膨張率の観点から銀焼結層との相性がよく、銀焼結層に分散させることによる悪影響を低減することができる。窒化アルミニウム粒子の平均粒径の測定方法は特に限定されず、従来公知の種々の測定方法を用いることができる。例えば、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡を用いた観察像から求めてもよく、X線小角散乱法等を用いてもよい。
(1-2) Aluminum Nitride Particles The bonding composition of this embodiment contains aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm. By uniformly dispersing aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm in the bonding layer, it is possible to impart good high-temperature stability to the bonding layer formed by sintering the conductive powder. Furthermore, aluminum nitride is compatible with the silver sintered layer in terms of thermal conductivity and linear expansion coefficient, and the adverse effects of dispersing aluminum nitride in the silver sintered layer can be reduced. The method for measuring the average particle size of aluminum nitride particles is not particularly limited, and various conventionally known measurement methods can be used. For example, it may be determined from images observed using a scanning electron microscope or a transmission electron microscope, or it may be determined using small-angle X-ray scattering or the like.

窒化アルミニウム粒子の平均粒径を10nm以上とすることで、接合層を高温に保持した際の組織変化を効果的に抑制することができる。また、窒化アルミニウム粒子の平均粒径を100nm以下とすることで、窒化アルミニウム粒子の分散による接合層の緻密性や強度の低下を抑制することができる。ここで、窒化アルミニウム粒子の平均粒径は15~80nmであることが好ましく、20~60nmであることがより好ましい。 By setting the average particle size of the aluminum nitride particles to 10 nm or more, it is possible to effectively suppress structural changes that occur when the bonding layer is maintained at high temperatures. Furthermore, by setting the average particle size of the aluminum nitride particles to 100 nm or less, it is possible to suppress a decrease in the density and strength of the bonding layer due to the dispersion of the aluminum nitride particles. Here, the average particle size of the aluminum nitride particles is preferably 15 to 80 nm, and more preferably 20 to 60 nm.

また、窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4~1.8質量%とすること、が好ましい。窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4質量%以上とすることで、接合層の高温安定性付与に十分な数の窒化アルミニウム粒子を分散させることができる。また、窒化アルミニウム粒子の含有量を1.8質量%以下とすることで、窒化アルミニウム粒子の分散による接合層の緻密性や強度の低下を抑制することができる。ここで、窒化アルミニウム粒子の含有量は0.7~1.3質量%とすることが好ましく、0.9~1.1質量%とすることがより好ましい。 It is also preferable that the aluminum nitride particle content be 0.4 to 1.8 mass%. By setting the aluminum nitride particle content to 0.4 mass% or more, a sufficient number of aluminum nitride particles can be dispersed to provide high-temperature stability to the bonding layer. Furthermore, by setting the aluminum nitride particle content to 1.8 mass% or less, it is possible to prevent a decrease in the density and strength of the bonding layer due to the dispersion of aluminum nitride particles. Here, the aluminum nitride particle content is preferably 0.7 to 1.3 mass%, and more preferably 0.9 to 1.1 mass%.

(1-3)球状セラミックス粒子(スペーサー粒子)
必要に応じて、球状セラミックス粒子を含有させることで接合層の厚さを容易に制御することができる。球状セラミックス粒子の平均粒径は10~100μmとすることが好ましく、20~90μmとすることがより好ましく、30~80μmとすることが最も好ましい。また、球状セラミックス粒子の含有量は0.001~0.1質量%とすることが好ましく、0.002~0.01質量%とすることがより好ましい。球状セラミックス粒子には、例えば、シリカ粒子等を用いることができる。
(1-3) Spherical ceramic particles (spacer particles)
If necessary, the thickness of the bonding layer can be easily controlled by adding spherical ceramic particles. The average particle size of the spherical ceramic particles is preferably 10 to 100 μm, more preferably 20 to 90 μm, and most preferably 30 to 80 μm. The content of the spherical ceramic particles is preferably 0.001 to 0.1 mass%, more preferably 0.002 to 0.01 mass%. For example, silica particles can be used as the spherical ceramic particles.

(1-4)その他
本実施形態の接合用組成物に用いる有機溶媒は、本発明の効果を損なわない範囲で種々の有機溶媒を用いることができる。有機溶剤としては、例えば、テルペン系溶剤、ケトン系溶剤、アルコール系溶剤、エステル系溶剤、エーテル系溶剤、脂肪族炭化水素系溶剤、芳香族炭化水素系溶剤、セロソルブ系溶剤、カルビトール系溶剤等が挙げられる。より具体的には、ターピネオール、メチルエチルケトン、アセトン、イソプロパノール、ブチルカービトール、デカン、ウンデカン、テトラデカン、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、ジエチルエーテル、ケロシン等の有機溶媒を用いることができる。
(1-4) Others Various organic solvents can be used in the bonding composition of this embodiment as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of organic solvents include terpene-based solvents, ketone-based solvents, alcohol-based solvents, ester-based solvents, ether-based solvents, aliphatic hydrocarbon-based solvents, aromatic hydrocarbon-based solvents, cellosolve-based solvents, and carbitol-based solvents. More specifically, organic solvents such as terpineol, methyl ethyl ketone, acetone, isopropanol, butyl carbitol, decane, undecane, tetradecane, benzene, toluene, hexane, diethyl ether, and kerosene can be used.

本実施形態の接合用組成物には、上記の成分に加えて、本発明の効果を損なわない範囲で、使用目的に応じた適度な粘性、密着性、乾燥性又は印刷性等の機能を付与するために、分散媒や、例えばバインダーとしての役割を果たすオリゴマー成分、樹脂成分、有機溶剤(固形分の一部を溶解又は分散していてよい。)、界面活性剤、増粘剤又は表面張力調整剤等の任意成分を添加してもよい。かかる任意成分としては、特に限定されない。 In addition to the components described above, the bonding composition of this embodiment may contain optional components such as a dispersion medium, an oligomer component that acts as a binder, a resin component, an organic solvent (which may dissolve or disperse part of the solid content), a surfactant, a thickener, or a surface tension adjuster, to impart appropriate viscosity, adhesion, drying properties, printability, or other properties depending on the intended use, provided the effects of the present invention are not impaired. There are no particular limitations on such optional components.

任意成分のうちの分散媒としては、本発明の効果を損なわない範囲で種々のものを使用可能であり、例えば炭化水素及びアルコール等が挙げられる。 A variety of optional dispersion media can be used as long as they do not impair the effects of the present invention, including, for example, hydrocarbons and alcohols.

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

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

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

更に、脂環式炭化水素としては、例えば、リモネン、ジペンテン、テルピネン、ターピネン(テルピネンともいう。)、ネソール、シネン、オレンジフレーバー、テルピノレン、ターピノレン(テルピノレンともいう。)、フェランドレン、メンタジエン、テレベン、ジヒドロサイメン、モスレン、イソテルピネン、イソターピネン(イソテルピネンともいう。)、クリトメン、カウツシン、カジェプテン、オイリメン、ピネン、テレビン、メンタン、ピナン、テルペン、シクロヘキサン等が挙げられる。 Further examples of alicyclic hydrocarbons include limonene, dipentene, terpinene, terpinene (also called terpinene), nesol, sinene, orange flavor, terpinolene, terpinolene (also called terpinolene), phellandrene, menthadiene, terebene, dihydrocymene, mosulene, isoterpinene, isoterpinene (also called isoterpinene), chrytomene, cautusine, cajeptene, eulimene, pinene, turpentine, menthane, pinane, terpene, cyclohexane, etc.

また、アルコールは、OH基を分子構造中に1つ以上含む化合物であり、脂肪族アルコール、環状アルコール及び脂環式アルコールが挙げられ、それぞれ単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、OH基の一部は、本発明の効果を損なわない範囲でアセトキシ基等に誘導されていてもよい。 Alcohols are compounds containing one or more OH groups in their molecular structure, and include aliphatic alcohols, cyclic alcohols, and alicyclic alcohols. They may be used alone or in combination of two or more. Some of the OH groups may be derivatized to acetoxy groups, etc., as long as the effects of the present invention are not impaired.

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

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

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

本実施形態の接合用組成物中に分散媒を含有させる場合の含有量は、粘度などの所望の特性によって調整すれば良く、接合用組成物中の分散媒の含有量は、1~30質量%であるのが好ましい。分散媒の含有量が1~30質量%であれば、接合用組成物として使いやすい範囲で粘度を調整する効果を得ることができる。分散媒のより好ましい含有量は1~20質量%であり、更に好ましい含有量は1~15質量%である。 When a dispersion medium is included in the bonding composition of this embodiment, its content can be adjusted depending on the desired properties, such as viscosity. The content of the dispersion medium in the bonding composition is preferably 1 to 30% by mass. If the content of the dispersion medium is 1 to 30% by mass, the effect of adjusting the viscosity to a range that is easy to use as a bonding composition can be obtained. The content of the dispersion medium is more preferably 1 to 20% by mass, and even more preferably 1 to 15% by mass.

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

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

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

また、上記有機成分とは異なる界面活性剤を添加してもよい。多成分溶媒系の金属コロイド分散液においては、乾燥時の揮発速度の違いによる被膜表面の荒れ及び固形分の偏りが生じ易い。本実施形態の接合用組成物に界面活性剤を添加することによってこれらの不利益を抑制し、均一な導電性被膜を形成することができる接合用組成物が得られる。 A surfactant different from the organic component may also be added. In multi-component solvent-based metal colloid dispersions, differences in evaporation rate during drying can easily cause roughness on the coating surface and uneven solid content. By adding a surfactant to the bonding composition of this embodiment, these disadvantages can be suppressed, resulting in a bonding composition that can form a uniform conductive coating.

本実施形態において用いることのできる界面活性剤としては、特に限定されず、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、ノニオン性界面活性剤の何れを用いることができ、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸塩、4級アンモニウム塩等が挙げられる。少量の添加量で効果が得られるので、フッ素系界面活性剤が好ましい。 The surfactant that can be used in this embodiment is not particularly limited, and any of anionic surfactants, cationic surfactants, and nonionic surfactants can be used, such as alkylbenzene sulfonates and quaternary ammonium salts. Fluorine-based surfactants are preferred, as they are effective even when added in small amounts.

なお、有機成分量を所定の範囲に調整する方法は、加熱を行って調整するのが簡便である。また、導電粉を作製する際に添加する有機成分の量を調整することで行ってもよい。加熱はオーブンやエバポレーターなどで行うことができ、減圧下で行ってもよい。常圧下で行う場合は、大気中でも不活性雰囲気中でも行うことができる。更に、有機成分量の微調整のために、アミン(及びカルボン酸)を後で加えることもできる。 The easiest way to adjust the amount of organic components within a specified range is to heat them. Alternatively, this can be done by adjusting the amount of organic components added when preparing the conductive powder. Heating can be done in an oven or evaporator, and may be done under reduced pressure. When heating under normal pressure, it can be done in either air or an inert atmosphere. Furthermore, amines (and carboxylic acids) can be added later to fine-tune the amount of organic components.

本実施形態の接合用組成物の粘度は、固形分の濃度は本発明の効果を損なわない範囲で適宜調整すればよいが、例えば0.01~5000Pa・Sの粘度範囲であればよく、0.1~1000Pa・Sの粘度範囲がより好ましく、1~100Pa・Sの粘度範囲であることが特に好ましい。当該粘度範囲とすることにより、被接合材に接合用組成物を塗布する方法として幅広い方法を適用することができる。 The viscosity of the bonding composition of this embodiment can be adjusted as needed so long as the solids concentration does not impair the effects of the present invention. For example, the viscosity range is 0.01 to 5000 Pa·S, with a viscosity range of 0.1 to 1000 Pa·S being more preferable, and a viscosity range of 1 to 100 Pa·S being particularly preferable. By setting the viscosity within this range, a wide range of methods can be used to apply the bonding composition to the materials to be joined.

粘度の調整は、導電粉の粒径の調整、有機物の含有量の調整、分散媒その他の成分の添加量の調整、各成分の配合比の調整、増粘剤の添加等によって行うことができる。金属接合用組成物の粘度は、例えば、コーンプレート型粘度計(例えばアントンパール社製のレオメーターMCR301)により測定することができる。 Viscosity can be adjusted by adjusting the particle size of the conductive powder, the amount of organic matter contained, the amount of dispersion medium and other components added, the blending ratio of each component, adding a thickener, etc. The viscosity of the metal bonding composition can be measured, for example, using a cone-plate viscometer (e.g., an Anton Paar MCR301 rheometer).

本発明の接合方法で用いる接合用組成物は、上述の導電粉、窒化アルミニウム粒子及び有機溶媒等を従来公知の種々の方法で均一に混合することにより得ることができる。なお、混合方法は、乾式混合であっても良いし、溶媒等を用いて湿式混合を実施しても良い。 The bonding composition used in the bonding method of the present invention can be obtained by uniformly mixing the above-mentioned conductive powder, aluminum nitride particles, organic solvent, etc. using any of a variety of conventionally known methods. The mixing method may be dry mixing, or wet mixing using a solvent, etc.

(2)接合方法
本実施形態の接合用組成物を用いれば、加熱を伴う部材同士の接合において高い接合強度を得ることができる。即ち、上記接合用組成物を第1の被接合部材と第2の被接合部材との間に塗布する接合用組成物塗布工程と、第1の被接合部材と第2の被接合部材との間に塗布した接合用組成物を、所望の温度(例えば350℃以下、好ましくは150~300℃)で焼成して接合する接合工程と、により、第1の被接合部材と第2の被接合部材とを接合することができる。また、焼成を行う際、段階的に温度を上げたり下げたりすることもできる。また、予め被接合部材表面に界面活性剤又は表面活性化剤等を塗布しておくことも可能である。
(2) Bonding Method The use of the bonding composition of this embodiment allows for high bonding strength to be achieved when bonding members together using heat. Specifically, the bonding method includes a bonding composition application step in which the bonding composition is applied between a first member to be bonded and a second member to be bonded, and a bonding step in which the bonding composition applied between the first member to be bonded and the second member to be bonded is baked at a desired temperature (e.g., 350°C or less, preferably 150 to 300°C) to bond the members. Furthermore, the baking temperature can be increased or decreased in stages. It is also possible to apply a surfactant or surface activator to the surfaces of the members to be bonded in advance.

本発明者は、鋭意検討を重ねた結果、前記接合用組成物塗布工程での接合用組成物として、上述した本実施形態の接合用組成物を用いれば、第1の被接合部材と第2の被接合部材とを、高い接合強度をもってより確実に接合できる(接合体が得られる)ことに加え、接合後に得られる接合層に高い熱安定性を付与できることを見出した。 After extensive research, the inventors have discovered that using the bonding composition of the present embodiment described above as the bonding composition in the bonding composition application step not only makes it possible to more reliably bond the first and second members to be bonded with high bonding strength (obtaining a bonded body), but also imparts high thermal stability to the bonding layer obtained after bonding.

ここで、本実施形態の接合用組成物の「塗布」とは、接合用組成物を面状に塗布する場合も線状に塗布(描画)する場合も含む概念である。塗布されて、加熱により焼成される前の状態の接合用組成物からなる塗膜の形状は、所望する形状にすることが可能である。したがって、加熱による焼成後の本実施形態の接合体では、接合用組成物は、面状の接合層及び線状の接合層のいずれも含む概念であり、これら面状の接合層及び線状の接合層は、連続していても不連続であってもよく、連続する部分と不連続の部分とを含んでいてもよい。 Here, the term "application" of the bonding composition of this embodiment refers to both planar application of the bonding composition and linear application (drawing). The shape of the coating film made of the bonding composition after application and before firing by heating can be formed into any desired shape. Therefore, in the bonded body of this embodiment after firing by heating, the bonding composition refers to both planar and linear bonding layers, and these planar and linear bonding layers may be continuous or discontinuous, and may include both continuous and discontinuous portions.

本実施形態において用いることのできる第1の被接合部材及び第2の被接合部材としては、接合用組成物を塗布して加熱により焼成して接合することのできるものであればよく、特に制限はないが、接合時の温度により損傷しない程度の耐熱性を具備した部材であるのが好ましい。 The first and second bonded members that can be used in this embodiment are not particularly limited as long as they can be bonded by applying a bonding composition and baking it with heat, but it is preferable that they are heat-resistant enough to not be damaged by the temperatures used during bonding.

このような被接合部材を構成する材料としては、例えば、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル、ポリカーボネート(PC)、ポリエーテルスルホン(PES)、ビニル樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマー、セラミクス、ガラス又は金属等を挙げることができるが、なかでも、金属製の被接合部材が好ましい。金属製の被接合部材が好ましいのは、耐熱性に優れているとともに、無機粒子が金属である本発明の接合用組成物との親和性に優れているからである。 Examples of materials that can be used to form such bonded members include polyamide (PA), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyesters such as polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), and polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), polyethersulfone (PES), vinyl resin, fluororesin, liquid crystal polymer, ceramics, glass, and metal, but metal bonded members are preferred. Metal bonded members are preferred because they have excellent heat resistance and excellent affinity with the bonding composition of the present invention, whose inorganic particles are metal.

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

接合用組成物を被接合部材に塗布する工程では、種々の方法を用いることが可能であるが、上述のように、例えば、ディッピング、スクリーン印刷、スプレー式、バーコート式、スピンコート式、インクジェット式、ディスペンサー式、ピントランスファー法、刷毛による塗布方式、流延式、フレキソ式、グラビア式、又はシリンジ式等のなかから適宜選択して用いることができる。 A variety of methods can be used in the process of applying the bonding composition to the members to be bonded. As mentioned above, an appropriate method can be selected from the following: dipping, screen printing, spraying, bar coating, spin coating, inkjet printing, dispenser printing, pin transfer, brush coating, casting, flexography, gravure printing, syringe printing, etc.

上記のように塗布した後の塗膜を、被接合部材を損傷させない範囲で、例えば350℃以下の温度に加熱することにより焼成し、本実施形態の接合体を得ることができる。本実施形態においては、先に述べたように、本実施形態の接合用組成物を用いるため、被接合部材に対して優れた密着性を有する接合層が得られ、強い接合強度がより確実に得られる。 After application as described above, the coating film is baked by heating to a temperature of, for example, 350°C or less within a range that does not damage the members to be joined, thereby obtaining the bonded body of this embodiment. As described above, in this embodiment, the use of the bonding composition of this embodiment results in a bonding layer with excellent adhesion to the members to be joined, and strong bonding strength can be obtained more reliably.

本実施形態においては、接合用組成物がバインダー成分を含む場合は、接合層の強度向上及び被接合部材間の接合強度向上等の観点から、バインダー成分も焼結することになるが、場合によっては、各種印刷法へ適用するために接合用組成物の粘度を調整することをバインダー成分の主目的として、焼成条件を制御してバインダー成分を全て除去してもよい。 In this embodiment, if the bonding composition contains a binder component, the binder component will also be sintered from the perspective of improving the strength of the bonding layer and the bonding strength between the bonded members. However, in some cases, the firing conditions may be controlled to remove the binder component entirely, with the main purpose of the binder component being to adjust the viscosity of the bonding composition for application to various printing methods.

上記焼成を行う方法は特に限定されるものではなく、例えば従来公知のオーブン等を用いて、被接合部材上に塗布又は描画した上記接合用組成物の温度が、例えば350℃以下となるように焼成することによって接合することができる。上記焼成の温度の下限は必ずしも限定されず、被接合部材同士を接合できる温度であって、かつ、本発明の効果を損なわない範囲の温度であることが好ましい。ここで、上記焼成後の接合用組成物においては、なるべく高い接合強度を得るという点で、有機物の残存量は少ないほうがよいが、本発明の効果を損なわない範囲で有機物の一部が残存していても構わない。 The method for carrying out the baking is not particularly limited, and for example, the bonding can be achieved by baking the bonding composition applied or drawn on the bonded members using a conventional oven or the like so that the temperature is, for example, 350°C or lower. The lower limit of the baking temperature is not necessarily limited, and it is preferable that the temperature be within a range that allows the bonded members to be bonded together and does not impair the effects of the present invention. Here, in order to obtain as high a bonding strength as possible, it is preferable that the amount of organic matter remaining in the bonding composition after the baking is as small as possible, but it is acceptable for some organic matter to remain as long as it does not impair the effects of the present invention.

なお、本発明の接合方法で用いる接合用組成物には、有機物が含まれているが、従来の例えばエポキシ樹脂等の熱硬化を利用したものと異なり、有機物の作用によって焼成後の接合強度を得るものではなく、前述したように融着した導電粉の融着によって十分な接合強度が得られるものである。このため、接合後において、接合温度よりも高温の使用環境に置かれて残存した有機物が劣化ないし分解・消失した場合であっても、接合強度の低下するおそれはなく、したがって耐熱性に優れている。 The bonding composition used in the bonding method of the present invention contains an organic substance. However, unlike conventional methods that utilize heat curing, such as epoxy resins, the bonding strength after firing is not achieved through the action of the organic substance; rather, sufficient bonding strength is achieved through the fusion of the fused conductive powder, as described above. Therefore, even if the remaining organic substance deteriorates or decomposes or disappears after bonding due to the use in an environment that is higher than the bonding temperature, there is no risk of a decrease in bonding strength, and therefore the method has excellent heat resistance.

本発明の接合方法で用いる接合用組成物によれば、例えば150~250℃程度の低温加熱による焼成でも高い導電性を発現する接合層を有する接合を実現することができるため、比較的熱に弱い被接合部材同士を接合することができる。また、焼成時間は特に限定されるものではなく、焼成温度に応じて、接合できる焼成時間であればよい。 The bonding composition used in the bonding method of the present invention can achieve a bond with a bonding layer that exhibits high conductivity even when fired at low temperatures, such as around 150 to 250°C, making it possible to bond relatively heat-sensitive bonded members together. Furthermore, there are no particular restrictions on the firing time, and it can be set to any firing time that allows bonding to be achieved, depending on the firing temperature.

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

接合工程の雰囲気は特に制限されず、大気中、不活性ガス雰囲気下、減圧下等で行うことができる。 The atmosphere in which the bonding process is carried out is not particularly limited, and it can be carried out in air, in an inert gas atmosphere, under reduced pressure, etc.

2.接合体
本発明の接合体は、一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合された接合体であって、 一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合層を介して冶金的に接合され、接合層は、金属粒子と、窒化アルミニウム粒子と、を含み、金属粒子は、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、当該核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀粒子であり、窒化アルミニウム粒子の平均粒径は10~100nmであり、接合層における窒化アルミニウム粒子の含有量が0.4~1.8質量%であること、を特徴とするものである。
2. Bonded Body The bonded body of the present invention is a bonded body in which one bonded member and another bonded member are bonded together, wherein the one bonded member and the other bonded member are metallurgically bonded together via a bonding layer, the bonding layer containing metal particles and aluminum nitride particles, the metal particles being nuclei for causing crystal growth of silver as a conductive material therein, the nuclei being silver particles containing metal-based particles or ceramic-based particles, the aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm, and the bonding layer containing 0.4 to 1.8 mass % of aluminum nitride particles.

主として銀粒子の焼結によって形成された接合層には、平均粒径が10~100nmの窒化アルミニウム粒子が分散されており、当該窒化アルミニウム粒子の含有量が0.4~1.8質量%であっても均一分散が達成されていることから、接合層は優れた熱安定性を有している。ここで、「窒化アルミニウム粒子が均一分散されている」状態を直接的かつ定量的に規定することは困難であるが、例えば、300℃で500時間の高温放置により接合層中の空隙率が10%以上に増加しないことで確認することができる。 The bonding layer, formed primarily by sintering silver particles, contains dispersed aluminum nitride particles with an average particle size of 10 to 100 nm. Because uniform dispersion is achieved even when the aluminum nitride particle content is 0.4 to 1.8 mass%, the bonding layer has excellent thermal stability. While it is difficult to directly and quantitatively define the state in which aluminum nitride particles are uniformly dispersed, this can be confirmed, for example, by observing that the porosity in the bonding layer does not increase to 10% or more after being left at a high temperature of 300°C for 500 hours.

窒化アルミニウム粒子の平均粒径は15~80nmであることが好ましく、20~60nmであることがより好ましい。また、窒化アルミニウム粒子の含有量は0.7~1.3質量%とすることが好ましく、0.9~1.1質量%とすることがより好ましい。 The average particle size of the aluminum nitride particles is preferably 15 to 80 nm, and more preferably 20 to 60 nm. The content of aluminum nitride particles is preferably 0.7 to 1.3 mass%, and more preferably 0.9 to 1.1 mass%.

図1に、本発明の接合用組成物及び接合体において、窒化アルミニウム粒子が均一分散し、接合層が優れた熱安定性を示す機構を模式的に示す。接合用組成物の大部分を占める導電粉は表面に凸部と凹部を有するマイクロ粒子であり、10~100nmの微細な窒化アルミニウム粒子は導電粉の凹部にトラップされることで、均一分散が極めて効率的に達成される。また、主として導電粉の凸部同士の接触によって焼結(緻密化)が進行する一方で、窒化アルミニウム粒子の分散によって導電粉の本体同士の接触は抑制されるため、高温下における物質移動が抑制され、良好な熱安定性を得ることができる。 Figure 1 schematically shows the mechanism by which aluminum nitride particles are uniformly dispersed in the bonding composition and bonded body of the present invention, resulting in a bonding layer with excellent thermal stability. The conductive powder, which accounts for the majority of the bonding composition, is made up of microparticles with convex and concave portions on their surfaces. Fine aluminum nitride particles measuring 10 to 100 nm are trapped in the concave portions of the conductive powder, thereby achieving uniform dispersion extremely efficiently. Furthermore, while sintering (densification) progresses primarily through contact between the convex portions of the conductive powder, the dispersion of the aluminum nitride particles prevents contact between the bodies of the conductive powder. This suppresses mass transfer at high temperatures, resulting in good thermal stability.

また、主として接合層を形成する銀粒子の内部に、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでおり、これらの粒子も接合層の熱安定性向上に寄与している。特に、銀粒子の内部にセラミック系粒子を含む場合は、当該効果が顕著である。 In addition, the silver particles that primarily form the bonding layer contain metal-based particles or ceramic-based particles inside, and these particles also contribute to improving the thermal stability of the bonding layer. This effect is particularly pronounced when ceramic-based particles are contained inside the silver particles.

また、接合体においては、接合層の断面観察によって測定される空隙のサイズに関して、面積が0.2μm2以下となる空隙数の割合が、全ての空隙数に対して90%以上となること、が好ましい。接合層において粗大な空隙の形成を抑制することで、良好な機械的性質及び熱安定性を実現している。ここで、各面積を有する空隙の割合は、例えば、断面SEM観察像に対する画像解析で容易に求めることができる。 Furthermore, in the bonded structure, it is preferable that the proportion of voids with an area of 0.2 μm2 or less relative to the total number of voids measured by cross-sectional observation of the bonding layer be 90% or more. By suppressing the formation of large voids in the bonding layer, good mechanical properties and thermal stability are achieved. Here, the proportion of voids with each area can be easily determined, for example, by image analysis of a cross-sectional SEM observation image.

また、接合層に、平均粒径が10~100μmの球状セラミックス粒子が0.001~0.1質量%含まれること、が好ましい。平均粒径が10~100μmの球状セラミックス粒子はスペーサーとして機能し、接合層厚さの均質化することができる。球状セラミックス粒子の平均粒径は20~90μmとすることが好ましく、30~80μmとすることがより好ましい。また、球状セラミックス粒子の含有量は0.002~0.01質量%とすることがより好ましい。球状セラミックス粒子には、例えば、シリカ粒子等とすることができる。 The bonding layer preferably contains 0.001 to 0.1 mass% spherical ceramic particles with an average particle size of 10 to 100 μm. The spherical ceramic particles with an average particle size of 10 to 100 μm function as spacers, allowing for a uniform thickness of the bonding layer. The average particle size of the spherical ceramic particles is preferably 20 to 90 μm, and more preferably 30 to 80 μm. The content of the spherical ceramic particles is more preferably 0.002 to 0.01 mass%. The spherical ceramic particles can be, for example, silica particles.

また、接合層の空隙率は10%以下であり、300℃で500時間の高温放置により当該空隙率が10%以上に増加しないことが好ましい。接合層が緻密であると共に、高温での長時間保持によって空隙率が10%以上に増加しないことで、例えば、300℃以上の高温条件で高い性能を示す半導体材料が使用されている半導体チップと基板との間を接合した接合体として、好適に用いることができる。 Furthermore, it is preferable that the porosity of the bonding layer is 10% or less, and that the porosity does not increase to 10% or more when left at a high temperature of 300°C for 500 hours. Because the bonding layer is dense and the porosity does not increase to 10% or more when kept at high temperatures for a long period of time, it can be suitably used, for example, as a bonded body between a semiconductor chip and a substrate that uses a semiconductor material that exhibits high performance under high-temperature conditions of 300°C or more.

更に、本発明の接合体においては、前記接合層のせん断強度が40MPa以上であり、300℃で500時間の高温放置後の前記接合層のせん断強度が30MPa以上であること、が好ましい。接合層がこれらのせん断強度を有すると共に、高温での長時間保持後も高いせん断強度を維持することで、例えば、300℃以上の高温条件で高い性能を示す半導体材料が使用されている半導体チップと基板との間を接合した接合体として、好適に用いることができる。 Furthermore, in the bonded structure of the present invention, it is preferable that the shear strength of the bonding layer is 40 MPa or more, and that the shear strength of the bonding layer after being left at a high temperature of 300°C for 500 hours is 30 MPa or more. Since the bonding layer has these shear strengths and maintains high shear strength even after being held at high temperatures for a long period of time, it can be suitably used, for example, as a bonded structure between a semiconductor chip and a substrate that uses a semiconductor material that exhibits high performance under high-temperature conditions of 300°C or more.

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、導電粉としてマイクロサイズ銀粒子のみを使用した場合について説明したが、例えば、接合用組成物にナノ粒子等を適宜添加して使用することもできる。 The above describes typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these. For example, in the above embodiment, only micro-sized silver particles are used as the conductive powder, but it is also possible to appropriately add nanoparticles or the like to the bonding composition.

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

≪実施例1≫
化研テック株式会社製の微細な突起を有する銀粒子の含有率が80質量%の銀粒子ペーストを5.94g、窒化アルミニウム粒子を0.06g及び有機溶剤を混合し、窒化アルミニウム粒子を1質量%含有する銀ペーストを6.0g作製した。また、当該銀ペーストに粒径約50μmのシリカ粒子(宇部エクシモ株式会社製,ハイプレシカTS)の含有量が約0.05質量%となるように添加して、接合用組成物とした。
Example 1
5.94 g of a silver particle paste containing 80% by mass of silver particles with fine protrusions manufactured by Kaken Tech Co., Ltd., 0.06 g of aluminum nitride particles, and an organic solvent were mixed to prepare 6.0 g of a silver paste containing 1% by mass of aluminum nitride particles. Furthermore, silica particles with a particle size of approximately 50 μm (Hipressica TS manufactured by Ube Exsymo Co., Ltd.) were added to the silver paste so that the content was approximately 0.05% by mass to prepare a bonding composition.

図2にマイクロサイズ銀粒子のSEM写真、図3に窒化アルミニウム粒子のSEM写真、図4にシリカ粒子の光学顕微鏡写真をそれぞれ示す。銀粒子の平均粒径は約3μmであり、放射状に伸びた微細な突起部と中心部に結晶成長させるための核物質とを含むような独特な形状をしていることが確認できる。また、窒化アルミニウム粒子の粒径は1μm以下となっており、平均粒径は60nmである。また、シリカ粒子は比較的均一なサイズを有する球状粒子となっている。 Figure 2 shows an SEM photograph of micro-sized silver particles, Figure 3 shows an SEM photograph of aluminum nitride particles, and Figure 4 shows an optical microscope photograph of silica particles. The average particle size of the silver particles is approximately 3 μm, and it can be seen that they have a unique shape containing tiny protrusions extending radially and a nucleus material in the center for crystal growth. The particle size of the aluminum nitride particles is less than 1 μm, with an average particle size of 60 nm. The silica particles are spherical particles with a relatively uniform size.

接合試験に用いた無酸素銅からなる接合試験片の形状を図5に示す。接合試験片はディスク状であり、小さい方の接合試験片はφ3mm×高さ2mm、大きい方の接合試験片はφ10mm×高さ5mmである。なお、接合試験片の表面には約0.6μmのAu層と約3μmのNi層がこの順番で形成されている。大きい方の円板試験片の接合面に接合用組成物を一定量塗布し、小さい方の試験片を重ねて軽く圧しつけながら接合用組成物が接合面全体に広がるように接合試験片を調整した。ここで、接合用組成物の塗布には厚さ100μm、孔径5mmのメタルマスクを用い、塗布したペーストの厚さが均一になるようにした。 Figure 5 shows the shape of the oxygen-free copper bonding test pieces used in the bonding tests. The bonding test pieces were disk-shaped, with the smaller one measuring 3 mm diameter x 2 mm height, and the larger one measuring 10 mm diameter x 5 mm height. A layer of Au approximately 0.6 μm thick and a layer of Ni approximately 3 μm thick were formed on the surface of the bonding test piece, in that order. A fixed amount of bonding composition was applied to the bonding surface of the larger disk test piece, and the smaller test piece was placed on top and lightly pressed together to adjust the bonding test piece so that the bonding composition spread over the entire bonding surface. A metal mask with a thickness of 100 μm and a hole diameter of 5 mm was used to apply the bonding composition, ensuring a uniform thickness of the applied paste.

その後、接合試験片の上に5mm×5mmの大きさに切断した厚さ1mmのグラファイトシート(東洋炭素株式会社製,PF-100)を静置した後、大面積加圧加熱装置(アユミ工業株式会社製,RB-100D)を用いて4個の接合体を同時に作製した。ここで、昇温温度は1℃/秒とし、加熱を伴う全ての工程は窒素雰囲気下で行った。加圧は最高到達温度(接合温度)である300℃に到達後に開始し、加圧力は30MPaとした。その後、300℃で10分間保持し、銀粒子を焼結させることで実施接合体を得た。加圧加熱終了後、接合体は接合装置内で窒素雰囲気のまま30分間放置し、室温まで冷却した。 A 1 mm thick graphite sheet (PF-100, manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) cut into 5 mm x 5 mm pieces was then placed on top of the bonded test pieces, and four bonded bodies were then simultaneously fabricated using a large-area pressure and heating device (RB-100D, manufactured by Ayumi Industries Co., Ltd.). The temperature was increased at a rate of 1°C/sec, and all processes involving heating were carried out in a nitrogen atmosphere. Pressurization began after the maximum temperature (bonding temperature) reached 300°C, and the applied pressure was 30 MPa. The specimens were then held at 300°C for 10 minutes to sinter the silver particles, yielding an example bonded body. After pressure and heating were completed, the bonded bodies were left in the bonding device in a nitrogen atmosphere for 30 minutes and then cooled to room temperature.

得られた接合体に対し、精密恒温機(株式会社東洋製作所製,FH-360)を用いて、300℃、大気中での高温放置試験を行った。高温放置の時間は72時間、168時間、504時間、1008時間とした。 The resulting bonded assembly was subjected to a high-temperature storage test at 300°C in air using a precision thermostat (FH-360, manufactured by Toyo Seisakusho Co., Ltd.). The high-temperature storage times were 72 hours, 168 hours, 504 hours, and 1008 hours.

高温放置後、樹脂包埋した接合体を切断及び研磨し、イオンミリングとコーティング処理を施すことによって断面観察用試料を作製し、走査電子顕微鏡(SEM:株式会社日立ハイテクノロジーズ社製,SU-70)を用いて接合層中央部付近の断面観察を行った。 After leaving the bonded body at high temperature, the resin-embedded body was cut and polished, and then subjected to ion milling and coating processes to prepare a sample for cross-sectional observation. A scanning electron microscope (SEM: Hitachi High-Technologies Corporation, SU-70) was used to observe the cross section near the center of the bonded layer.

また、画像解析ソフト(ImageJ)を用いて観察画像の解析を行い、接合層の空隙率、平均空隙サイズ、空隙数及び空隙分布を算出した。ここで、空隙率は、観察画像内の接合層中に存在する空隙の面積割合、平均空隙サイズは観察画像内に検出された空隙の平均面積、空隙数は観察画像内に確認された空隙の個数とした。また、画像解析に用いた観察画像は幅が約120μmの範囲とし、同一条件で得られた異なる3つの接合体の接合層を観察して、最も平均的なものを観察結果とした。 Furthermore, the observed images were analyzed using image analysis software (ImageJ) to calculate the porosity, average void size, number of voids, and void distribution of the bonding layer. Here, porosity is the area ratio of voids present in the bonding layer in the observed image, average void size is the average area of voids detected in the observed image, and the number of voids is the number of voids confirmed in the observed image. Furthermore, the observed images used for image analysis were within a range of approximately 120 μm in width, and the bonding layers of three different bonded bodies obtained under the same conditions were observed, and the most average was taken as the observation result.

更に、接合体の接合強度を評価するために、継手強度試験機(株式会社レスカ製,STR-1001)を用いてせん断試験を行った。高温放置試験前後の接合体をステージに設置し、せん断速度1.0mm/分、せん断高さ200μmで接合体の上部にせん断荷重を印加し、破断時の最大荷重を接合部の面積で除したものを接合強度とした。各処理条件に対して4つの接合体の接合強度を測定し、その平均を当該処理条件における接合強度とした。 Furthermore, to evaluate the bond strength of the bonded bodies, a shear test was conducted using a joint strength tester (STR-1001, manufactured by Rhesca Corporation). The bonded bodies before and after the high-temperature storage test were placed on a stage, and a shear load was applied to the top of the bonded body at a shear rate of 1.0 mm/min and a shear height of 200 μm. The maximum load at break was divided by the area of the bonded part to determine the bond strength. The bond strength of four bonded bodies was measured for each treatment condition, and the average was taken as the bond strength for that treatment condition.

≪実施例2≫
接合用組成物の特性に及ぼす窒化アルミニウム粒子含有量の影響を確認するために、接合用組成物の窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4~2.0質量%の範囲で変化させたこと以外は実施例1と同様にして、接合用組成物を得た。また、実施例1と同様にして接合体を作製し、せん断試験によって接合強度を評価した。
Example 2
In order to confirm the effect of the aluminum nitride particle content on the properties of the bonding composition, bonding compositions were obtained in the same manner as in Example 1, except that the aluminum nitride particle content of the bonding composition was changed within the range of 0.4 to 2.0 mass %. In addition, bonded bodies were produced in the same manner as in Example 1, and the bonding strength was evaluated by a shear test.

≪比較例1≫
接合用組成物に窒化アルミニウム粒子を添加しなかったこと以外は実施例1と同様にして、比較接合体を得た。また、実施例1と同様にして高温放置試験及び各種評価を行った。
Comparative Example 1
A comparative bonded body was obtained in the same manner as in Example 1, except that aluminum nitride particles were not added to the bonding composition. Also, a high-temperature storage test and various evaluations were carried out in the same manner as in Example 1.

≪比較例2≫
微細な突起を有するマイクロサイズ銀粒子の代わりに銀ナノ粒子を使用したこと以外は実施例1と同様にして、比較接合用組成物を得た。また、窒化アルミニウム粒子を添加しない比較接合用組成物も作製した。
Comparative Example 2
A comparative bonding composition was obtained in the same manner as in Example 1, except that silver nanoparticles were used instead of the micro-sized silver particles having fine protrusions. A comparative bonding composition was also prepared without adding aluminum nitride particles.

次に、実施例1と同様にして接合体を作製し、実施例1と同様にして、得られた接合体及び高温暴露後の接合体の接合強度をせん断試験によって評価した。高温暴露は300℃の大気中で行い、暴露時間は168h、504h及び1008hとした。 Next, bonded bodies were prepared in the same manner as in Example 1, and the bond strength of the resulting bonded bodies and the bonded bodies after high-temperature exposure was evaluated by shear testing in the same manner as in Example 1. The high-temperature exposure was carried out in air at 300°C, and the exposure times were 168 hours, 504 hours, and 1008 hours.

実施例1で得られた実施接合体及び比較例1で得られた比較接合体の断面SEM観察像を図6及び図7にそれぞれ示す。また、実施接合体及び比較接合体の接合層の空隙率、平均空隙サイズ及び空隙数を表1に示す。 Figures 6 and 7 show cross-sectional SEM images of the working bonded structure obtained in Example 1 and the comparative bonded structure obtained in Comparative Example 1, respectively. Table 1 also shows the porosity, average void size, and number of voids in the bonding layers of the working bonded structure and the comparative bonded structure.

図6、図7及び表1において、実施接合体の接合層は緻密であることに加えて優れた熱安定性を示しており、高温放置時間が504時間までは空隙率及び平均空隙サイズが共に増加していない。一方で、比較接合体においては緻密な接合層が形成されているが、高温放置時間の増加に伴い、空隙率及び平均空隙サイズが顕著に増大している。 As shown in Figures 6, 7, and Table 1, the bonding layer of the example bonded body is dense and exhibits excellent thermal stability, with no increase in porosity or average pore size up to 504 hours of high-temperature exposure. On the other hand, the comparative bonded body has a dense bonding layer, but the porosity and average pore size increase significantly as the high-temperature exposure time increases.

実施例1で得られた実施接合体及び比較例1で得られた比較接合体の接合層に形成されている空隙の面積分布を表すヒストグラムを図8及び図9にそれぞれ示す。図8及び図9の各要素は、全体の空隙数に対する対象となる空隙数の割合を、空隙面積0.2μm2毎にサイズ別に示している。実施接合体の接合層に関しては、面積が0.2μm2以下となる空隙数の割合が、全ての空隙数に対して95%となっており、90%以上となっている。一方で、比較接合体の接合層に関しては、当該割合が89%となっている。また、実施接合体の接合層においては、高温放置時間が504時間までは面積が0.2μm2以下となる空隙数の割合が90%以上を維持しているのに対し、比較接合体の接合層においては、高温保持によって当該割合が顕著に減少し、504時間では80%未満となっている。 Histograms showing the area distribution of voids formed in the bonding layers of the example bonded structure obtained in Example 1 and the comparative bonded structure obtained in Comparative Example 1 are shown in Figures 8 and 9, respectively. Each element in Figures 8 and 9 shows the proportion of the number of target voids to the total number of voids, broken down by size for every 0.2 μm2 of void area. For the bonding layer of the example bonded structure, the proportion of voids with an area of 0.2 μm2 or less was 95% of the total number of voids, which is 90% or more. On the other hand, for the bonding layer of the comparative bonded structure, this proportion was 89%. Furthermore, for the bonding layer of the example bonded structure, the proportion of voids with an area of 0.2 μm2 or less remained 90% or more until the high-temperature exposure time was 504 hours. However, for the bonding layer of the comparative bonded structure, this proportion significantly decreased due to high-temperature exposure, reaching less than 80% at 504 hours.

なお、図6において、上下端に確認される色の濃い領域は接合試験片(銅)、中央部の白色領域が接合層であり、接合層内に示される濃い灰色で示される領域が窒化アルミニウム粒子の分散領域に対応する。なお、濃い灰色で示される領域に対してSEM-EDS分析を施し、当該領域に窒化アルミニウム粒子が存在することを確認している。窒化アルミニウム粒子は特定の領域に凝集等することなく接合層に均一に分散しており、その結果、高温放置試験における接合層の組織変化が効果的に抑制されている。 In Figure 6, the dark areas at the top and bottom are the bonded test piece (copper), the white area in the center is the bonded layer, and the dark gray area within the bonded layer corresponds to the area where aluminum nitride particles are dispersed. SEM-EDS analysis was performed on the dark gray area, confirming the presence of aluminum nitride particles in that area. The aluminum nitride particles are uniformly dispersed throughout the bonded layer without agglomerating in any particular area, and as a result, structural changes in the bonded layer during high-temperature storage tests are effectively suppressed.

実施例1で得られた実施接合体及び比較例1で得られた比較接合体の接合強度(せん断強度)を表2に示す。なお、接合強度の単位はMPaである。実施接合体は40MPa以上のせん断強度を有しており、300℃で504時間の高温放置後においても30MPa以上のせん断強度を維持している。一方で、比較接合体も40MPa以上のせん断強度を有しているが、高温放置によって急激にせん断強度が低下し、504時間の高温放置後は10MPa程度の値となっている。 Table 2 shows the bond strength (shear strength) of the working bonded body obtained in Example 1 and the comparative bonded body obtained in Comparative Example 1. The bond strength is expressed in MPa. The working bonded body has a shear strength of 40 MPa or more, and even after being left at a high temperature of 300°C for 504 hours, it maintains a shear strength of 30 MPa or more. On the other hand, the comparative bonded body also has a shear strength of 40 MPa or more, but the shear strength drops rapidly when left at a high temperature, and after being left at a high temperature for 504 hours, it is down to a value of around 10 MPa.

実施例1で得られた実施接合体の接合層断面のSEM観察像及びSEM-EDSで得られたAl元素マッピングを図10に示す。窒化アルミニウム粒子に起因するAlは接合層の全域に均一に存在しており、主としてマイクロ銀粒子の粒子間に分布していることが分かる。 Figure 10 shows an SEM image of the cross section of the bonding layer of the exemplified bonded structure obtained in Example 1 and Al element mapping obtained by SEM-EDS. It can be seen that the Al originating from the aluminum nitride particles is uniformly present throughout the bonding layer, and is mainly distributed between the silver microparticles.

FIBを用いて、実施例1で得られた実施接合体の接合層の中央部から厚さ約100nmの観察試料を作製し、TEM及びSTEM-EDS観察を行った。TEM観察像及び当該TEM観察像に対応する元素マッピングを図11に示す。Al元素の分布によって窒化アルミニウム粒子を確認することができ、マイクロ銀粒子の間に窒化アルミニウム粒子が入り込み、マイクロ銀粒子間の接触を抑制していることが分かる。 Using an FIB, an observation sample approximately 100 nm thick was prepared from the center of the bonded layer of the exemplified bonded body obtained in Example 1, and TEM and STEM-EDS observations were performed. The TEM observation image and the corresponding element mapping are shown in Figure 11. Aluminum nitride particles can be confirmed from the distribution of Al elements, and it can be seen that the aluminum nitride particles penetrate between the silver microparticles, suppressing contact between the silver microparticles.

実施例2で得られた各実施接合体のせん断強度と窒化アルミニウム粒子含有量の関係を図12示す。また、図12には、窒化アルミニウム粒子を添加しない場合の接合体のせん断強度も示している。窒化アルミニウム粒子の添加量が1.8質量%以下の場合は、全ての接合体において25MPa以上の高いせん断強度が得られている。一方で、窒化アルミニウム粒子の添加量が2.0質量%まで増加すると、せん断強度が低下している。また、窒化アルミニウム粒子含有量が1.8質量%以下の各接合用組成物は、良好な塗布性能を有していた。これらの結果より、窒化アルミニウム粒子の添加量を1.8質量%以下とすることで、接合体の高いせん断強度と接合用組成物の良好な塗布性能を担保できることが分かる。 Figure 12 shows the relationship between the shear strength and aluminum nitride particle content of each exemplified bonded body obtained in Example 2. Figure 12 also shows the shear strength of bonded bodies when no aluminum nitride particles were added. When the amount of aluminum nitride particles added was 1.8 mass% or less, a high shear strength of 25 MPa or more was obtained for all bonded bodies. On the other hand, when the amount of aluminum nitride particles added was increased to 2.0 mass%, the shear strength decreased. Furthermore, each bonding composition with an aluminum nitride particle content of 1.8 mass% or less had good application performance. These results demonstrate that setting the amount of aluminum nitride particles to 1.8 mass% or less ensures high shear strength of the bonded body and good application performance of the bonding composition.

比較例2で得られた接合体及び高温暴露後の接合体の接合強度を図13に示す。導電材料として銀ナノ粒子を用いた場合は、窒化アルミニウム粒子を添加することによって接合強度が低下しており、高温暴露後も窒化アルミニウム粒子を添加した場合と比較して、低いせん断強度となっている。また、表2に示すとおり、実施例1で得られた実施接合体においては、300℃で504時間の高温放置による平均せん断強度の低下が約30%に留まっているのに対し、比較例2で得られた接合体においては、せん断強度が約65%低下している。当該結果より、窒化アルミニウム粒子を添加することのみでは高い接合強度と高温安定性を得ることはできず、導電材料として適当な形状を有するマイクロ粒子を用い、窒化アルミニウム粒子を均一に分散させる必要があることが分かる。 Figure 13 shows the bond strength of the bonded body obtained in Comparative Example 2 and the bonded body after high-temperature exposure. When silver nanoparticles were used as the conductive material, the addition of aluminum nitride particles reduced the bond strength, and even after high-temperature exposure, the shear strength was lower than when aluminum nitride particles were added. Furthermore, as shown in Table 2, the average shear strength of the bonded body obtained in Example 1 decreased by only about 30% after 504 hours of high-temperature exposure at 300°C, whereas the shear strength of the bonded body obtained in Comparative Example 2 decreased by about 65%. These results demonstrate that high bond strength and high-temperature stability cannot be achieved simply by adding aluminum nitride particles; it is necessary to use microparticles with an appropriate shape as the conductive material and to uniformly disperse the aluminum nitride particles.

Claims (8)

放射状に延設された凸部と、前記凸部の間隙に凹部と、を備えるとともに、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、前記核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀を含み、前記核物質の平均粒径が1~10μmであることを特徴とする導電粉と、
平均粒径が10~100nmの窒化アルミニウム粒子と、を含む接合用組成物を用い、
接合すべき2つの部材の間に前記接合用組成物を介在させた後、前記部材を150~350℃に加熱するとともに加圧する工程を含むこと、
を特徴とする接合方法。
a conductive powder having radially extending projections and recesses between the projections, and containing a core material for growing silver crystals as a conductive material therein, the core material containing silver containing metal particles or ceramic particles, and an average particle size of the core material being 1 to 10 μm;
and aluminum nitride particles having an average particle size of 10 to 100 nm,
a step of interposing the bonding composition between two members to be bonded, and then heating the members to 150 to 350°C and applying pressure thereto;
A joining method characterized by:
前記接合用組成物における前記窒化アルミニウム粒子の含有量を0.4~1.8質量%とすること、
を特徴とする請求項1に記載の接合方法。
The content of the aluminum nitride particles in the bonding composition is 0.4 to 1.8 mass %;
The joining method according to claim 1, characterized by:
前記接合用組成物に、平均粒径が10~100μmの球状セラミックス粒子を0.001~0.1質量%含むこと、
を特徴とする請求項1又は2に記載の接合方法。
The bonding composition contains 0.001 to 0.1 mass % of spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm;
The joining method according to claim 1 or 2 , characterized by:
一方の被接合部材と他方の被接合部材とが接合された接合体であって、
前記一方の被接合部材と前記他方の被接合部材とは接合層を介して冶金的に接合され、
前記接合層は、金属粒子と、窒化アルミニウム粒子と、を含み、
前記金属粒子は、内部に、導電材料としての銀を結晶成長させるための核物質であって、前記核物質として、金属系粒子又はセラミック系粒子を含んでなる銀粒子であり、
前記窒化アルミニウム粒子の平均粒径は10~100nmであり、
前記接合層における前記窒化アルミニウム粒子の含有量が0.4~1.8質量%であること、
を特徴とする接合体。
A joined body in which one member to be joined and another member to be joined are joined,
the one member to be joined and the other member to be joined are metallurgically joined via a joining layer,
the bonding layer includes metal particles and aluminum nitride particles,
the metal particles are silver particles containing a core material for growing silver crystals as a conductive material therein, the core material being a metal-based particle or a ceramic-based particle;
The aluminum nitride particles have an average particle size of 10 to 100 nm,
the content of the aluminum nitride particles in the bonding layer is 0.4 to 1.8 mass %;
A conjugate characterized by:
前記接合層の断面観察によって測定される空隙のサイズに関して、
面積が0.2μm以下となる空隙数の割合が、全ての空隙数に対して90%以上となること、
を特徴とする請求項に記載の接合体。
Regarding the size of the voids measured by cross-sectional observation of the bonding layer,
The ratio of the number of voids having an area of 0.2 μm2 or less to the number of all voids is 90% or more;
The bonded body according to claim 4 , characterized in that
前記接合層に、平均粒径が10~100μmの球状セラミックス粒子が0.001~0.1質量%含まれること、
を特徴とする請求項又はに記載の接合体。
the bonding layer contains 0.001 to 0.1 mass % of spherical ceramic particles having an average particle size of 10 to 100 μm;
The bonded body according to claim 4 or 5 , characterized in that
前記接合層の空隙率が10%以下であり、300℃で500時間の高温放置により前記空隙率が10%以上に増加しないこと、
を特徴とする請求項のうちのいずれかに記載の接合体。
the porosity of the bonding layer is 10% or less, and the porosity does not increase to 10% or more when left at a high temperature of 300°C for 500 hours;
The bonded body according to any one of claims 4 to 6 , characterized in that
前記接合層のせん断強度が40MPa以上であり、300℃で500時間の高温放置後の前記接合層のせん断強度が30MPa以上であること、
を特徴とする請求項のうちのいずれかに記載の接合体。
The shear strength of the bonding layer is 40 MPa or more, and the shear strength of the bonding layer after being left at a high temperature of 300°C for 500 hours is 30 MPa or more;
The bonded body according to any one of claims 4 to 7 , characterized in that
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