JP7786202B2 - Joining sheet and method for manufacturing joined body - Google Patents
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Description
本発明は、接合用シート、及び接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a bonding sheet and a method for manufacturing a bonded structure.
電子部品の組立てや実装時などにおいて、2つ以上の部品を接合させる場合、接合材が用いられることがある。例えば特許文献1には、接合材として、銅粒子と、沸点が150℃以上の溶媒とを混合して常温でプレスして形成された接合用シートが記載されている。 When assembling or mounting electronic components, a bonding material may be used to bond two or more components. For example, Patent Document 1 describes a bonding sheet formed by mixing copper particles with a solvent with a boiling point of 150°C or higher and pressing the mixture at room temperature.
このような接合用シートは、部材同士の接合強度を向上させることが求められている。 Such bonding sheets are required to improve the bonding strength between components.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、部材同士の接合強度を向上可能な接合用シート、及び接合体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above, and aims to provide a bonding sheet that can improve the bonding strength between components, and a method for manufacturing a bonded structure.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る接合用シートは、銅製であり、ヤング率が15GPa以下であり、かつ、充填率が45%以上である。 To solve the above-mentioned problems and achieve the objectives, the bonding sheet disclosed herein is made of copper, has a Young's modulus of 15 GPa or less, and a filling rate of 45% or more.
接合用シートは、ヤング率が1GPa以上10GPa以下であることが好ましい。 It is preferable that the Young's modulus of the bonding sheet be 1 GPa or more and 10 GPa or less.
接合用シートは、充填率が45%以上60%以下であることが好ましい。 It is preferable that the joining sheet have a filling rate of 45% or more and 60% or less.
接合用シートは、熱伝導率が1W/mK以上20W/mK以下であることが好ましい。 It is preferable that the bonding sheet have a thermal conductivity of 1 W/mK or more and 20 W/mK or less.
接合用シートは、銅の焼結体を含むことが好ましい。 The joining sheet preferably contains a copper sintered body.
接合用シートは、銅粒子と、沸点が150℃以上の溶媒とを含むことが好ましい。 The bonding sheet preferably contains copper particles and a solvent with a boiling point of 150°C or higher.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る接合体の製造方法は、前記接合用シートを第1の部材上に配置するステップと、前記接合用シート上に第2の部材を配置することで、第1の部材と第2の部材との間に前記接合用シートが配置された積層体を得るステップと、前記積層体を加熱することで、前記第1の部材と前記第2の部材が接合された接合体を製造するステップと、を含む。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the objectives, the method for manufacturing a bonded body according to the present disclosure includes the steps of placing the bonding sheet on a first member, placing a second member on the bonding sheet to obtain a laminate in which the bonding sheet is placed between the first member and the second member, and heating the laminate to produce a bonded body in which the first member and the second member are bonded.
本発明によれば、部材同士の接合強度を向上することができる。 This invention can improve the bonding strength between components.
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態(以下、実施形態という)により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。 The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following modes for carrying out the invention (hereinafter referred to as "embodiments"). The components in the following embodiments include those that would be easily conceivable to a person skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are within the scope of what is known as equivalents. Furthermore, the components disclosed in the following embodiments can be combined as appropriate.
(第1実施形態)
(接合用シート)
図1は、本実施形態に係る接合用シートの模式図である。本実施形態に係る接合用シート10は、部材同士を接合するシート状の部材である。接合用シート10は、銅製である。本実施形態では、接合用シート10は、銅の焼結体であり、図1に示すように、複数の銅粒子12が焼結により結合した構造となっている。接合用シート10は、150℃以上300℃以下で加熱した際に、焼結がさらに進行するものであることが好ましい。ここで焼結が進行するとは、銅粒子12同士の結合がさらに進むことで充填率が増加することを指す。接合用シート10は、焼結体を含むため、焼結を進めることで適切に部材同士を接合させることができる。なお、第1実施形態の接合用シート10は、銅の焼結体を含むものであればよく、焼結していない銅粒子を一部に含んでいてもよい。
(First embodiment)
(bonding sheet)
FIG. 1 is a schematic diagram of a bonding sheet according to this embodiment. The bonding sheet 10 according to this embodiment is a sheet-like member for bonding components together. The bonding sheet 10 is made of copper. In this embodiment, the bonding sheet 10 is a copper sintered body, and as shown in FIG. 1 , it has a structure in which multiple copper particles 12 are bonded by sintering. The bonding sheet 10 preferably undergoes further sintering when heated at 150°C or higher and 300°C or lower. Here, "progression of sintering" refers to an increase in the packing ratio as the bonding between the copper particles 12 progresses further. Because the bonding sheet 10 includes a sintered body, the components can be appropriately bonded together by advancing the sintering. Note that the bonding sheet 10 of the first embodiment may include a copper sintered body, and may also include some unsintered copper particles.
接合用シート10は、充填率が45%以上であり、45%以上60%以下であることが好ましく、45%以上55%以下であることがより好ましく、45%以上50%以下であることが更に好ましい。充填率がこの範囲となることで、表面積を大きくして焼結を適切に進行させることができるため、部材同士を適切に接合できる。
充填率とは、真密度に対するかさ密度の比率(かさ密度/真密度)である。ここでの真密度とは、焼結体の中にポアやクラック等が存在しないと仮定した場合の物質(ここでは銅)そのものの密度、すなわち理論密度を指す。また、かさ密度とは、接合用シート10の重量を、接合用シート10の外部寸法から求めた体積によって除した値を指す。外部寸法から求めた体積とは、接合用シート10の気孔も含めた全容積を指す。
真密度は、例えば銅の密度の文献値(例えば8.96g/cm3)を用いることができる。また、かさ密度は、天秤と三次元測定機およびマイクロメータを用いて測定できる。例えば、三次元測定機及びマイクロメータにより、接合用シート10の面積と厚みとを測定し、面積と厚みとを乗じた値を、外部寸法から求めた体積とする。そして、天秤により接合用シート10の重量を測定し、測定した重量を、外部寸法から求めた体積で除した値を、かさ密度とする。
なお、後述のように、接合用シート10には、銅の焼結体に樹脂が含浸される場合がある。この場合の充填率とは、樹脂を除いた銅の焼結体についての充填率を指す。以降においても、充填率以外の接合用シート10の特性を規定しているが、同様に、樹脂を除いた銅の焼結体についての特性を指すものとしてよい。
The bonding sheet 10 has a filling rate of 45% or more, preferably 45% to 60%, more preferably 45% to 55%, and even more preferably 45% to 50%. By having the filling rate within this range, the surface area can be increased to allow sintering to proceed appropriately, thereby allowing members to be bonded appropriately.
The filling rate is the ratio of bulk density to true density (bulk density/true density). Here, true density refers to the density of the material (here, copper) itself when it is assumed that there are no pores or cracks in the sintered body, i.e., the theoretical density. Also, bulk density refers to the value obtained by dividing the weight of the bonding sheet 10 by the volume calculated from the external dimensions of the bonding sheet 10. The volume calculated from the external dimensions refers to the total volume of the bonding sheet 10, including the pores.
The true density can be, for example, the literature value for the density of copper (e.g., 8.96 g/cm 3 ). The bulk density can be measured using a balance, a coordinate measuring machine, and a micrometer. For example, the area and thickness of the bonding sheet 10 are measured using the coordinate measuring machine and the micrometer, and the value obtained by multiplying the area and thickness is used as the volume calculated from the external dimensions. Then, the weight of the bonding sheet 10 is measured using a balance, and the value obtained by dividing the measured weight by the volume calculated from the external dimensions is used as the bulk density.
As will be described later, the bonding sheet 10 may have a copper sintered body impregnated with resin. In this case, the filling rate refers to the filling rate of the copper sintered body excluding the resin. Hereinafter, the characteristics of the bonding sheet 10 other than the filling rate are specified, but they may also refer to the characteristics of the copper sintered body excluding the resin.
接合用シート10は、一方側の主面である表面10aと他方側の主面である表面10b
の算術平均粗さRaが、1μm以上40μm以下であることが好ましく、1μm以上35μm以下であることがより好ましく、1μm以上30μm以下であることが更に好ましい。接合用シート10は、表面10aと表面10bとの少なくとも一方の算術平均粗さRaが上記範囲であってもよい。算術平均粗さRa(表面粗さ)がこの範囲となることで、更なる焼結を適切に進行させることができ、部材同士を適切に接合できる。
なお、算術平均粗さRaは、JIS B 0601:2001の規定に従って測定できる。
The bonding sheet 10 has a surface 10a which is a main surface on one side and a surface 10b which is a main surface on the other side.
The arithmetic mean roughness Ra of the bonding sheet 10 is preferably 1 μm or more and 40 μm or less, more preferably 1 μm or more and 35 μm or less, and even more preferably 1 μm or more and 30 μm or less. The arithmetic mean roughness Ra of at least one of the surfaces 10a and 10b of the bonding sheet 10 may be within the above range. When the arithmetic mean roughness Ra (surface roughness) is within this range, further sintering can be properly progressed, and the members can be properly bonded to each other.
The arithmetic mean roughness Ra can be measured in accordance with the provisions of JIS B 0601:2001.
図2は、接合用シートの模式的な一部拡大図である。接合用シート10は、それぞれの銅粒子12の粒径Dの平均値である平均粒径が、100nm以上200nm以下であることが好ましく、120nm以上180nm以下であることがより好ましく、140nm以上160nm以下であることが更に好ましい。平均粒径がこの範囲となることで、接合用シート10の表面積を大きく保って、更なる焼結を適切に進行させることができる。
なお、接合用シート10においては、銅粒子12同士は焼結により結合しているため、銅粒子12の平均粒径とは、接合用シート10を、結合した銅粒子12同士を界面で区切り、区切ったそれぞれの銅粒子12の粒径の平均値であるといえる。例えば、BET比表面積に基づいて算出したBET径を、銅粒子12の平均粒径としてよい。この場合、比表面積測定装置(カンタクローム・インスツルメンツ社製、QUANTACHROME AUTOSORB-1)を用いて、接合用シート10の窒素ガスの吸着量を測定し、BET法により接合用シート10の比表面積を求めた。得られた比表面積S(m2/g)と、銅粒子の密度ρ(g/cm3)とを用いて、下記の式よりBET径を算出して、それを銅粒子12の平均粒径としてよい。
BET径(nm)=6000/(ρ(g/cm3)×S(m2/g))
2 is a schematic partial enlarged view of the bonding sheet. The bonding sheet 10 preferably has an average particle size (D) of 100 nm to 200 nm, more preferably 120 nm to 180 nm, and even more preferably 140 nm to 160 nm. By having the average particle size within this range, the surface area of the bonding sheet 10 can be kept large, allowing further sintering to proceed appropriately.
In the bonding sheet 10, the copper particles 12 are bonded together by sintering, and therefore the average particle size of the copper particles 12 can be said to be the average value of the particle sizes of the copper particles 12 separated by the interfaces between the bonded copper particles 12 in the bonding sheet 10. For example, the BET diameter calculated based on the BET specific surface area may be used as the average particle size of the copper particles 12. In this case, the amount of nitrogen gas adsorption of the bonding sheet 10 was measured using a specific surface area measuring device (Quantachrome Instruments, QUANTACHROME AUTOSORB-1), and the specific surface area of the bonding sheet 10 was obtained by the BET method. Using the obtained specific surface area S (m 2 /g) and the density ρ (g/cm 3 ) of the copper particles, the BET diameter may be calculated according to the following formula, and used as the average particle size of the copper particles 12.
BET diameter (nm) = 6000/(ρ (g/cm 3 )×S (m 2 /g))
接合用シート10は、ヤング率が、15GPa以下であり、1GPa以上15GPa以下であることが好ましく、1GPa以上10GPa以下であることがより好ましく、1GPa以上8GPa以下であることが更に好ましい。ヤング率がこの範囲となることで、接合時に部材に追従して適切に変形することが可能となり、部材同士を適切に接合できる。
ヤング率は、ナノインデンテーション法の規格であるISO14577に準拠した装置であるピコデンターHM500(フィッシャーインストルメンツ社製、解析ソフトはWIN-HCU ver.7.0)を用いて測定できる。ナノインデンテーション法とは試料に印加する荷重と押し込み深さから硬度やヤング率を算出する手法である。
本実施形態では、接合用シート10の上面を、当該装置と解析ソフトを用い、無作為に5箇所選定し計5回測定したときに得られる押し込みヤング率の平均値を、接合用シート10のヤング率とする。測定条件は、端子はビッカース圧子、押し込み深さは2μm、押し込み速さは0.067μm/秒、測定温度は25℃とし、接合用シート10を、接合用シート10よりも大きいサイズの0.4mm厚のシリコンウエハ上に載せた状態で測定した。以降のヤング率についても、同様の方法での測定値を指してよい。
The bonding sheet 10 has a Young's modulus of 15 GPa or less, preferably 1 GPa to 15 GPa, more preferably 1 GPa to 10 GPa, and even more preferably 1 GPa to 8 GPa. When the Young's modulus is in this range, the bonding sheet 10 can deform appropriately to follow the members during bonding, and the members can be bonded appropriately.
Young's modulus can be measured using a Picodentor HM500 (manufactured by Fisher Instruments, analysis software WIN-HCU ver.7.0), which is a device that complies with the ISO 14577 standard for nanoindentation. Nanoindentation is a method for calculating hardness and Young's modulus from the load and indentation depth applied to a sample.
In this embodiment, the Young's modulus of the bonding sheet 10 is measured five times at five randomly selected locations on the upper surface of the bonding sheet 10 using the device and analysis software, and the average value of the indentation Young's modulus obtained is taken as the Young's modulus of the bonding sheet 10. The measurement conditions were a Vickers indenter terminal, an indentation depth of 2 μm, an indentation speed of 0.067 μm/sec, and a measurement temperature of 25° C., and the measurement was performed with the bonding sheet 10 placed on a 0.4 mm thick silicon wafer that was larger than the bonding sheet 10. The Young's modulus hereinafter may also refer to values measured using the same method.
接合用シート10は、熱伝導率が10W/mK以上20W/mK以下であることが好ましく、15W/mK以上55W/mK以下であることがより好ましく、20W/mK以上50W/mK以下であることが更に好ましい。熱伝導率がこの範囲となることで、接合する部材の熱を好適に伝えることができる。
熱伝導率は、例えば比抵抗から換算し求めることができる。具体的には10mm×10mmに成形した接合用シートの25℃におけるシート抵抗を、ロレスター(MCP-250T、三菱油化社製)を用い四探針法で測定し、さらにシート膜厚を乗し比抵抗を算出する。25℃における熱伝導率はWiedemann-Franz則を用い、比抵抗を換算することで求める。
The bonding sheet 10 preferably has a thermal conductivity of 10 W/mK to 20 W/mK, more preferably 15 W/mK to 55 W/mK, and even more preferably 20 W/mK to 50 W/mK. When the thermal conductivity is in this range, heat from the members to be bonded can be suitably transferred.
The thermal conductivity can be calculated, for example, by converting the resistivity. Specifically, the sheet resistance at 25°C of a 10 mm x 10 mm bonded sheet is measured using a Loresta (MCP-250T, manufactured by Mitsubishi Yuka Co., Ltd.) by the four-probe method, and the resistivity is calculated by multiplying the sheet thickness by the four-probe method. The thermal conductivity at 25°C is calculated by converting the resistivity using the Wiedemann-Franz law.
接合用シート10は、厚みWが0.1mm以上1mm以下であることが好ましく、0.2mm以上0.7mm以下であることがより好ましく、0.3mm以上0.5mm以下であることが更に好ましい。厚みWは、図1に示すように、表面10aのうちで最も表面10aから突出している箇所と、表面10bのうちで最も表面10bから突出している箇所との間の、厚み方向である方向Zにおける距離を指す。
また、接合用シート10を方向Zに投影した場合の投影面積が、10000mm2以下であることが好ましく、6400mm2以下であることがより好ましく、3600mm2以下であることが更に好ましい。
厚みWや投影面積がこの範囲となる接合用シート10とすることで、部材を適切に接合できる。
The bonding sheet 10 preferably has a thickness W of 0.1 mm to 1 mm, more preferably 0.2 mm to 0.7 mm, and even more preferably 0.3 mm to 0.5 mm. The thickness W refers to the distance in the thickness direction Z between the point on the surface 10a that protrudes most from the surface 10a and the point on the surface 10b that protrudes most from the surface 10b, as shown in FIG.
Moreover, the projected area of the bonding sheet 10 when projected in the direction Z is preferably 10,000 mm 2 or less, more preferably 6,400 mm 2 or less, and even more preferably 3,600 mm 2 or less.
By using a bonding sheet 10 having a thickness W and a projected area within this range, members can be bonded appropriately.
また、接合用シート10の厚みWを接合用シート10の充填率(%)で除した値(厚みW/充填率)を、大面積接合指数D1と定義する。この場合、大面積接合指数D1は、2.0以上8.3以下であることが好ましく、2.2以上5.0以下であることがより好ましい。
大面積接合指数D1がこの範囲となることで、部材同士を適切に接合できる。
The large area bonding index D1 is defined as the value (thickness W/filling rate) obtained by dividing the thickness W of the bonding sheet 10 by the filling rate (%) of the bonding sheet 10. In this case, the large area bonding index D1 is preferably 2.0 or more and 8.3 or less, and more preferably 2.2 or more and 5.0 or less.
When the large area bonding index D1 is in this range, the members can be bonded appropriately to each other.
接合用シート10は、銅の焼結体に、樹脂が含浸していてもよい。すなわち、接合用シート10は、内部の気孔内の少なくとも一部に樹脂が充填されていてもよい。ここでの樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂が挙げられる。樹脂を含浸させることで、接合用シート10に適切な機能を付与することができる。 The bonding sheet 10 may be a copper sintered body impregnated with resin. That is, the bonding sheet 10 may have at least some of its internal pores filled with resin. Examples of resins used here include epoxy resin and silicone resin. By impregnating the bonding sheet 10 with resin, appropriate functions can be imparted to the bonding sheet 10.
(接合用シートの製造方法)
図3は、本実施形態に係る接合用シートの製造方法を説明するフローチャートである。
(Method for manufacturing bonding sheet)
FIG. 3 is a flowchart illustrating the method for manufacturing the bonding sheet according to this embodiment.
(銅粒子の準備)
図3に示すように、本製造方法においては、最初に、銅粒子12Aを準備する(ステップS10)。ここでの銅粒子12Aは、接合用シート10の原料となる銅の粒子であり、仮焼結前の銅の粉末であるともいえる。すなわち、銅粒子12Aを仮焼結することで、銅粒子12が仮焼結により結合した接合用シート10が製造される。仮焼結前の銅粒子が銅粒子12Aで、仮焼結後の銅粒子が銅粒子12であるといえる。
(Preparation of copper particles)
3, in this manufacturing method, first, copper particles 12A are prepared (step S10). The copper particles 12A here are copper particles that are the raw material of the bonding sheet 10, and can also be said to be copper powder before pre-sintering. In other words, by pre-sintering the copper particles 12A, the bonding sheet 10 in which the copper particles 12 are bonded by pre-sintering is manufactured. The copper particles before pre-sintering can be said to be the copper particles 12A, and the copper particles after pre-sintering can be said to be the copper particles 12.
銅粒子12Aは、BET径が50nm以上300nm以下であることが好ましい。BET径は、銅粒子12Aを真球体もしくは立方体とみなして、BET法により求められる銅粒子のBET比表面積と真密度とから算出される粒子径である。具体的には、後述する実施例に記載の方法により求めることができる。 The copper particles 12A preferably have a BET diameter of 50 nm or more and 300 nm or less. The BET diameter is calculated from the BET specific surface area and true density of the copper particles determined by the BET method, assuming that the copper particles 12A are true spheres or cubes. Specifically, the BET diameter can be determined by the method described in the Examples below.
銅粒子12AのBET径が50nm以上であると、強固な凝集体を形成しにくい。このため、仮焼結後の銅粒子12の表面を後述の溶媒20によって均一に被覆することができる。一方、銅粒子12AのBET径が300nm以下であると、反応面積が大きく、加熱による焼結性が高くなるので、強固な接合層を形成可能となる。銅粒子12AのBET径は、80nm以上200nm以下の範囲内にあることが好ましく、80nm以上170nm以下の範囲内にあることが特に好ましい。 If the BET diameter of the copper particles 12A is 50 nm or greater, it is difficult to form strong agglomerates. This allows the surfaces of the copper particles 12 after pre-sintering to be uniformly coated with the solvent 20 described below. On the other hand, if the BET diameter of the copper particles 12A is 300 nm or less, the reaction area is large and the sintering property by heating is high, making it possible to form a strong bonding layer. The BET diameter of the copper particles 12A is preferably in the range of 80 nm to 200 nm, and particularly preferably in the range of 80 nm to 170 nm.
銅粒子12AのBET比表面積は、2.0m2/g以上8.0m2/g以下の範囲内にあることが好ましく、3.5m2/g以上8.0m2/g以下の範囲内にあることがより好ましく、4.0m2/g以上8.0m2/g以下の範囲内にあることが特に好ましい。また、銅粒子12Aの形状は、球状に限らず、針状、扁平な板状でもよい。 The BET specific surface area of the copper particles 12A is preferably in the range of 2.0 m 2 /g to 8.0 m 2 /g, more preferably in the range of 3.5 m 2 /g to 8.0 m 2 /g, and particularly preferably in the range of 4.0 m 2 /g to 8.0 m 2 /g. The shape of the copper particles 12A is not limited to spherical, but may be acicular or flat plate-like.
銅粒子12Aは、表面が、有機物の膜である有機保護膜で被覆されていることが好ましい。有機保護膜で被覆されていることにより、銅粒子12Aの酸化が抑制され、銅粒子12Aの酸化による焼結性の低下がさらに起こりにくくなる。なお、銅粒子12Aを被覆する有機保護膜は、溶媒20によって形成されるものでなく、溶媒20由来のものでないといえる。また、銅粒子12Aを被覆する有機保護膜は、銅の酸化により形成される酸化銅の膜ではないともいえる。 The surfaces of the copper particles 12A are preferably coated with an organic protective film, which is a film of an organic substance. By being coated with the organic protective film, oxidation of the copper particles 12A is suppressed, making it even less likely that a decrease in sinterability due to oxidation of the copper particles 12A will occur. Note that the organic protective film coating the copper particles 12A is not formed by the solvent 20, and can be said to be not derived from the solvent 20. It can also be said that the organic protective film coating the copper particles 12A is not a copper oxide film formed by the oxidation of copper.
銅粒子12Aが有機保護膜で被覆されていることは、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)を用いて、銅粒子12Aの表面を分析することに確認することができる。このため、本実施形態において、銅粒子12Aは、飛行時間型二次イオン質量分析法を用いて、表面を分析することによって検出されるCu+イオンの検出量に対するC3H3O3 -イオンの検出量の比(C3H3O3 -/Cu+比)が0.001以上であることが好ましい。C3H3O3 -/Cu+比は、0.05以上0.2以下の範囲内にあることがさらに好ましい。なお、本分析における銅粒子12Aの表面とは、銅粒子12Aから有機保護膜を除去した際の銅粒子12Aの表面でなく、被覆している有機保護膜を含んだ銅粒子12Aの表面(すなわち有機保護膜の表面)を指す。 The fact that copper particles 12A are coated with an organic protective film can be confirmed by analyzing the surface of copper particles 12A using time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). Therefore, in this embodiment, copper particles 12A preferably have a ratio of the amount of C 3 H 3 O 3 - ions to the amount of Cu + ions detected by surface analysis using time-of-flight secondary ion mass spectrometry (C 3 H 3 O 3 - /Cu + ratio) of 0.001 or more. It is more preferable that the C 3 H 3 O 3 - / Cu + ratio is in the range of 0.05 or more and 0.2 or less. Note that the "surface of copper particles 12A" in this analysis does not refer to the surface of copper particles 12A after the organic protective film has been removed from the copper particles 12A, but refers to the surface of copper particles 12A including the coating organic protective film (i.e., the surface of the organic protective film).
銅粒子12Aは、飛行時間型二次イオン質量分析法を用いて、表面を分析することによってC3H4O2 -イオンやC5以上のイオンが検出されてもよい。Cu+イオンの検出量に対するC3H4O2 -イオンの検出量の比(C3H4O2 -/Cu+比)は0.001以上であることが好ましい。また、Cu+イオンの検出量に対するC5以上のイオンの検出量の比(C5以上のイオン/Cu+比)は0.005未満であることが好ましい。 Copper particles 12A may be subjected to surface analysis using time-of - flight secondary ion mass spectrometry to detect C3H4O2- ions and C5 or larger ions. The ratio of the amount of C3H4O2- ions detected to the amount of Cu + ions detected ( C3H4O2- / Cu + ratio ) is preferably 0.001 or greater . Furthermore, the ratio of the amount of C5 or larger ions detected to the amount of Cu + ions detected ( C5 or larger ions/Cu + ratio) is preferably less than 0.005.
飛行時間型二次イオン質量分析法において検出されるC3H3O3 -イオンとC3H4O2 -イオンとC5以上のイオンは、銅粒子12Aの表面を被覆している有機保護膜に由来する。このためC3H3O3 -/Cu+比とC3H4O2 -/Cu+比のそれぞれが0.001以上であると、銅粒子12Aの表面が酸化しにくくなり、かつ銅粒子12Aが凝集しにくくなる。また、C3H3O3 -/Cu+比及びC3H4O2 -/Cu+比が0.2以下であると、銅粒子12Aの焼結性を過度に低下させずに銅粒子12Aの酸化と凝集を抑制でき、さらに加熱時における有機保護膜の分解ガスの発生を抑えることができるので、ボイドが少ない接合層を形成することができる。銅粒子12Aの保存中の耐酸化性をより一層向上し、かつ低温度での焼結性をより一層向上させるために、C3H3O3 -/Cu+比及びC3H4O2 -/Cu+比は0.08以上0.16以下の範囲内にあることが好ましい。また、C5以上のイオン/Cu+比が0.005倍以上であると、粒子表面に脱離温度が比較的高い有機保護膜が多く存在するため、結果として焼結性が十分に発現せず強固な接合層が得られにくい。C5以上のイオン/Cu+比は0.003倍未満であることが好ましい。 The C3H3O3- ions , C3H4O2- ions , and C5 or higher ions detected by time-of-flight secondary ion mass spectrometry originate from the organic protective film coating the surface of the copper particles 12A. Therefore, when the C3H3O3- / Cu + ratio and the C3H4O2- /Cu+ ratio are each 0.001 or more, the surface of the copper particles 12A is less likely to oxidize and the copper particles 12A are less likely to aggregate. Furthermore, when the C3H3O3- / Cu + ratio and the C3H4O2- /Cu + ratio are 0.2 or less , oxidation and aggregation of the copper particles 12A can be suppressed without excessively reducing the sinterability of the copper particles 12A, and further , the generation of decomposition gas of the organic protective film during heating can be suppressed, thereby forming a bonding layer with fewer voids. To further improve the oxidation resistance of copper particles 12A during storage and the sinterability at low temperatures, the C3H3O3- / Cu + ratio and the C3H4O2- /Cu + ratio are preferably in the range of 0.08 to 0.16 . Furthermore, if the C5 or larger ion /Cu + ratio is 0.005 or more, a large amount of organic protective film with a relatively high desorption temperature is present on the particle surface, resulting in insufficient sinterability and a difficult to obtain strong bonding layer. The C5 or larger ion/Cu + ratio is preferably less than 0.003.
有機保護膜は、クエン酸由来であることが好ましい。クエン酸由来の有機保護膜で被覆された銅粒子12Aの製造方法は後述する。銅粒子12Aの有機保護膜の被覆量は、銅粒子100質量%に対して0.5質量%以上2.0質量%以下の範囲内にあることが好ましく、0.8質量%以上1.8質量%以下の範囲内にあることがより好ましく、0.8質量%以上1.5質量%以下の範囲内にあることがさらに好ましい。有機保護膜の被覆量が0.5質量%以上であることによって、銅粒子12Aを有機保護膜により均一に被覆することができ、銅粒子12Aの酸化をより確実に抑制することができる。また、有機保護膜の被覆量が2.0質量%以下であることによって、加熱による有機保護膜の分解によって発生するガスにより、銅粒子の焼結体(接合層)にボイドが発生することを抑制することができる。有機保護膜の被覆量は、市販の装置を用いて測定することができる。例えば、差動型示差熱天秤TG8120-SL(RIGAKU社製)を用いて、被覆量を測定できる。この場合例えば、試料は、凍結乾燥により水分を除去した銅粒子を用いる。銅粒子の酸化を抑制するため窒素(G2グレード)ガス中で測定し、昇温速度は10℃/minとし、250℃から300℃まで加熱したときの重量減少率を、有機保護膜の被覆量と定義できる。すなわち、被覆量=(測定後の試料重量)/(測定前の試料重量)×100(wt%)である。測定は同一ロットの銅粒子で各々3回行い、相加平均値を被覆量としてよい。 The organic protective film is preferably derived from citric acid. A method for producing copper particles 12A coated with a citric acid-derived organic protective film is described below. The coating amount of the organic protective film on the copper particles 12A is preferably in the range of 0.5% to 2.0% by mass, more preferably 0.8% to 1.8% by mass, and even more preferably 0.8% to 1.5% by mass, relative to 100% by mass of the copper particles. A coating amount of the organic protective film of 0.5% by mass or more allows the copper particles 12A to be uniformly coated with the organic protective film, thereby more reliably suppressing oxidation of the copper particles 12A. Furthermore, a coating amount of the organic protective film of 2.0% by mass or less prevents the generation of voids in the sintered body (bonding layer) of the copper particles due to gas generated by decomposition of the organic protective film upon heating. The coating amount of the organic protective film can be measured using a commercially available device. For example, the coating amount can be measured using a differential thermobalance TG8120-SL (manufactured by RIGAKU Corporation). In this case, for example, copper particles from which moisture has been removed by freeze-drying are used as the sample. Measurements are made in nitrogen (G2 grade) gas to prevent oxidation of the copper particles, and the temperature is raised at a rate of 10°C/min. The weight loss rate when heated from 250°C to 300°C can be defined as the coating amount of the organic protective film. In other words, coating amount = (sample weight after measurement) / (sample weight before measurement) x 100 (wt%). Measurements can be performed three times using copper particles from the same lot, and the arithmetic mean value can be used as the coating amount.
銅粒子12Aは、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気下、300℃の温度で30分加熱したときに、有機保護膜の50質量%以上が分解することが好ましい。クエン酸由来の有機保護膜は、分解時に二酸化炭素ガス、窒素ガス、アセトンの蒸発ガス及び水蒸気を発生する。 When copper particles 12A are heated at 300°C for 30 minutes in an inert gas atmosphere such as argon gas, it is preferable that at least 50% by mass of the organic protective film decomposes. The citric acid-derived organic protective film generates carbon dioxide gas, nitrogen gas, acetone vapor, and water vapor upon decomposition.
クエン酸由来の有機保護膜で被覆された銅粒子12Aは、例えば、以下のようにして製造することができる。先ず、クエン酸銅の水分散液を用意し、このクエン酸銅水分散液にpH調整剤を加えてpHを2.0以上7.5以下に調整する。次に、不活性ガス雰囲気下でこのpH調整したクエン酸銅水分散液に、還元剤として、銅イオンを還元できる1.0倍当量分以上1.2倍当量分以下のヒドラジン化合物を添加して混合する。得られた混合液を、不活性ガス雰囲気下で、得られた混合液を60℃以上80℃以下の温度に加熱し1.5時間以上2.5時間以下保持する。これにより、クエン酸銅から溶出した銅イオンを還元して銅粒子12Aを生成させると共に、この銅粒子12Aの表面にクエン酸由来の有機保護膜を形成させる。 Copper particles 12A coated with a citric acid-derived organic protective film can be produced, for example, as follows. First, an aqueous dispersion of copper citrate is prepared, and a pH adjuster is added to this copper citrate aqueous dispersion to adjust the pH to 2.0 or more and 7.5 or less. Next, in an inert gas atmosphere, 1.0 to 1.2 equivalents of a hydrazine compound capable of reducing copper ions are added as a reducing agent to this pH-adjusted copper citrate aqueous dispersion and mixed. The resulting mixture is heated to a temperature of 60°C to 80°C in an inert gas atmosphere and held for 1.5 to 2.5 hours. This reduces the copper ions eluted from the copper citrate to produce copper particles 12A, and also forms an organic protective film derived from citric acid on the surface of the copper particles 12A.
クエン酸銅の水分散液は、蒸留水、イオン交換水のような純水に、粉末状のクエン酸銅を25質量%以上40質量%以下の濃度となるように添加し、撹拌羽を用いて撹拌し、均一に分散させることによって調製できる。pH調整剤としては、クエン酸三アンモニウム、クエン酸水素アンモニウム、クエン酸などが挙げられる。この中でマイルドにpH調整しやすいことからクエン酸三アンモニウムが好ましい。クエン酸銅水分散液のpHを2.0以上とするのは、クエン酸銅から溶出した銅イオンの溶出速度を速くして、銅粒子の生成を速やかに進行させ、目標とする微細な銅粒子12Aを得られるようにするためである。また、pHを7.5以下とするのは、溶出した銅イオンが水酸化銅(II)となることを抑制して、銅粒子12Aの収率を高くするためである。また、pHを7.5以下とすることによって、ヒドラジン化合物の還元力が過度に高くなることを抑制でき、目標とする銅粒子12Aが得られやすくなる。クエン酸銅水分散液のpHは4以上6以下の範囲内に調整することが好ましい。 An aqueous dispersion of copper citrate can be prepared by adding powdered copper citrate to pure water, such as distilled water or ion-exchanged water, to a concentration of 25% to 40% by weight, and stirring with a stirring blade to uniformly disperse the mixture. Examples of pH adjusters include triammonium citrate, ammonium hydrogen citrate, and citric acid. Among these, triammonium citrate is preferred because it facilitates mild pH adjustment. The pH of the aqueous dispersion of copper citrate is set to 2.0 or higher to accelerate the elution rate of copper ions eluted from the copper citrate, thereby facilitating the rapid production of copper particles and achieving the desired fine copper particles 12A. The pH is set to 7.5 or lower to prevent the eluted copper ions from converting to copper(II) hydroxide, thereby increasing the yield of copper particles 12A. Setting the pH to 7.5 or lower also prevents the reducing power of the hydrazine compound from becoming excessively high, making it easier to obtain the desired copper particles 12A. The pH of the copper citrate aqueous dispersion is preferably adjusted to a range of 4 to 6.
ヒドラジン化合物によるクエン酸銅の還元は不活性ガス雰囲気下で行われる。液中に溶出した銅イオンの酸化を防止するためである。不活性ガスの例としては、窒素ガス、アルゴンガスなどが挙げられる。ヒドラジン化合物は、酸性下でクエン酸銅を還元するときに、還元反応後に残渣を生じないこと、安全性が比較的高いこと及び取扱いが容易であることなどの利点がある。このヒドラジン化合物としては、ヒドラジン一水和物、無水ヒドラジン、塩酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられる。これらのヒドラジン化合物の中では、硫黄や塩素といった不純物となり得る成分を含まないヒドラジン一水和物、無水ヒドラジンが好ましい。 The reduction of copper citrate with a hydrazine compound is carried out in an inert gas atmosphere to prevent oxidation of copper ions dissolved in the liquid. Examples of inert gases include nitrogen gas and argon gas. Hydrazine compounds have the advantages of not leaving any residue after the reduction reaction when reducing copper citrate under acidic conditions, being relatively safe, and being easy to handle. Examples of such hydrazine compounds include hydrazine monohydrate, hydrazine anhydrous, hydrazine hydrochloride, and hydrazine sulfate. Among these hydrazine compounds, hydrazine monohydrate and hydrazine anhydrous are preferred, as they do not contain components that could become impurities, such as sulfur and chlorine.
一般的にpH7未満の酸性液中で生成した銅は溶解してしまう。しかし本実施形態では、pH7未満の酸性液に還元剤であるヒドラジン化合物を添加混合し、得られた混合液中に銅粒子12Aを生成させる。このため、クエン酸銅から生成したクエン酸由来の成分が銅粒子12Aの表面を速やかに被覆するので、銅粒子12Aの溶解が抑制される。pHを調整した後のクエン酸銅の水分散液は、温度50℃以上70℃以下にして、還元反応を進行しやすくすることが好ましい。 Generally, copper produced in an acidic solution with a pH of less than 7 dissolves. However, in this embodiment, a hydrazine compound, which serves as a reducing agent, is added to and mixed with an acidic solution with a pH of less than 7, and copper particles 12A are produced in the resulting mixture. As a result, components derived from citric acid produced from copper citrate quickly coat the surfaces of the copper particles 12A, thereby inhibiting dissolution of the copper particles 12A. After adjusting the pH, the aqueous dispersion of copper citrate is preferably kept at a temperature of 50°C or higher and 70°C or lower to facilitate the reduction reaction.
不活性ガス雰囲気下でヒドラジン化合物を混合した混合液を60℃以上80℃以下の温度に加熱し1.5時間以上2.5時間以下保持するのは、銅粒子12Aを生成させると共に、生成した銅粒子12Aの表面に有機保護膜を形成し被覆するためである。不活性ガス雰囲気下で加熱保持するのは、生成した銅粒子12Aの酸化を防止するためである。出発原料であるクエン酸銅は通常35質量%程度の銅成分を含む。この程度の銅成分を含むクエン酸銅水分散液に還元剤であるヒドラジン化合物を添加して、上記の温度で昇温加熱し、上記の時間で保持することにより、銅粒子12Aの生成と、銅粒子12Aの表面での有機保護膜の生成とがバランスよく進行するので、銅粒子100質量%に対して、有機保護膜の被覆量が0.5質量%以上2.0質量%以下の範囲内にある銅粒子12Aを得ることができる。加熱温度が60℃未満で保持時間が1.5時間未満では、クエン酸銅が完全に還元せずに、銅粒子12Aの生成速度が遅くなりすぎて、銅粒子12Aを被覆する有機保護膜の量が過剰となるおそれがある。また加熱温度が80℃を超えかつ保持時間が2.5時間を超えると、銅粒子12Aの生成速度が速くなりすぎて、銅粒子12Aを被覆する有機保護膜の量が少なりすぎるおそれがある。好ましい加熱温度は65℃以上75℃以下であり、好ましい保持時間は2時間以上2.5時間以下である。 The mixed solution containing the hydrazine compound is heated to a temperature of 60°C to 80°C in an inert gas atmosphere and maintained for 1.5 to 2.5 hours to generate copper particles 12A and to form an organic protective film on the surface of the generated copper particles 12A. Maintaining the heated solution in an inert gas atmosphere is intended to prevent oxidation of the generated copper particles 12A. The starting material, copper citrate, typically contains approximately 35% by weight of copper. Adding a hydrazine compound reducing agent to a copper citrate aqueous dispersion containing this amount of copper, heating it to the above temperature, and maintaining it for the above time ensures a balanced generation of copper particles 12A and the formation of an organic protective film on the surface of the copper particles 12A. This results in copper particles 12A with an organic protective film coverage of 0.5% to 2.0% by weight of copper particles (100% by weight). If the heating temperature is below 60°C and the holding time is less than 1.5 hours, the copper citrate may not be completely reduced, the rate at which the copper particles 12A are produced may be too slow, and the amount of organic protective film coating the copper particles 12A may be excessive. If the heating temperature exceeds 80°C and the holding time exceeds 2.5 hours, the rate at which the copper particles 12A are produced may be too fast, and the amount of organic protective film coating the copper particles 12A may be too small. The preferred heating temperature is 65°C or higher and 75°C or lower, and the preferred holding time is 2 hours or higher and 2.5 hours or lower.
混合液で生成された銅粒子12Aを、不活性ガス雰囲気下で混合液から、例えば遠心分離機を用いて、固液分離して、凍結乾燥法、減圧乾燥法で乾燥することにより、表面が有機保護膜で被覆された銅粒子12Aを得る。この銅粒子12Aは、表面が有機保護膜で被覆されているため、接合用シート10として用いるまで、大気中に保存しても酸化しにくくなる。 The copper particles 12A produced in the mixed solution are separated from the mixed solution in an inert gas atmosphere using, for example, a centrifuge, and then dried using freeze-drying or vacuum drying to obtain copper particles 12A whose surfaces are coated with an organic protective film. Because the copper particles 12A are coated with an organic protective film, they are resistant to oxidation even when stored in the air until they are used as the bonding sheet 10.
(銅粒子の型への充填)
次に、図3に示すように、準備した銅粒子12Aを型に充填する(ステップS12)。銅粒子12Aを充填する型の形状や材質は任意であってよい。
(Filling of copper particles into a mold)
Next, as shown in Fig. 3, the prepared copper particles 12A are filled into a mold (step S12). The shape and material of the mold into which the copper particles 12A are filled may be arbitrary.
(銅粒子の仮焼結)
次に、型に充填された銅粒子12Aを所定温度で加圧して、銅粒子12Aを仮焼結させることで、接合用シート10を生成する(ステップS14)。本ステップにおいては、型に充填された銅粒子12Aを、所定圧力で加圧しつつ、所定温度で所定時間保持することで、銅粒子12Aを仮焼結させて接合用シート10を生成する。ここでの所定圧力は、1MPa以上30MPa以下であることが好ましく、1MPa以上20MPa以下であることがより好ましく、1MPa以上10MPa以下であることが更に好ましい。またここでの所定温度は、40℃以上250℃以下であることが好ましく、40℃以上200℃以下であることがより好ましく、40℃以上150℃以下であることが更に好ましい。ここでの所定時間(所定圧力、所定温度で保持する時間)は、1分以上30分以下であることが好ましく、2分以上25分以下であることがより好ましく、3分以上15分以下あることが更に好ましい。
このような条件で銅粒子12Aを仮焼結させることで、接合時に適切に変形することで適切に接合可能な接合用シート10を適切に製造できる。
(Pre-sintering of copper particles)
Next, the copper particles 12A filled in the mold are pressurized at a predetermined temperature to pre-sinter the copper particles 12A, thereby producing a bonding sheet 10 (step S14). In this step, the copper particles 12A filled in the mold are pressurized at a predetermined pressure and held at a predetermined temperature for a predetermined time, thereby pre-sintering the copper particles 12A and producing a bonding sheet 10. The predetermined pressure here is preferably 1 MPa to 30 MPa, more preferably 1 MPa to 20 MPa, and even more preferably 1 MPa to 10 MPa. The predetermined temperature here is preferably 40°C to 250°C, more preferably 40°C to 200°C, and even more preferably 40°C to 150°C. The predetermined time here (the time held at the predetermined pressure and temperature) is preferably 1 minute to 30 minutes, more preferably 2 minutes to 25 minutes, and even more preferably 3 minutes to 15 minutes.
By pre-sintering the copper particles 12A under such conditions, it is possible to appropriately manufacture the bonding sheet 10 that can be appropriately bonded by appropriately deforming during bonding.
なお、接合用シート10は、以上の方法で製造されることに限られず、接合用シート10の製造方法は任意であってよい。 Note that the bonding sheet 10 is not limited to being manufactured by the above method, and any method for manufacturing the bonding sheet 10 may be used.
(接合体の製造方法)
次に、接合用シート10を用いて部材同士を接合することにより接合体100を製造する方法について説明する。図4は、接合体の製造方法を説明するための模式図である。本実施形態では、接合用シート10を接合層として、第1の部材Aと第2の部材Bとを接合して、接合体100を製造する。第1の部材Aと第2の部材Bは任意のものであってよいが、例えば、第1の部材Aと第2の基材Bとのうちの一方が基板で、他方が電子部品であってよい。すなわち、基板と電子部品とが接合層で接合された半導体モジュールを、接合体100として製造してよい。基板としては、特に限定されないが、例えば、無酸素銅板、銅モリブデン板、高放熱絶縁基板(例えば、DCB(Direct Copper Bond))、LED(Light Emitting Diode)パッケージなどの半導体素子搭載用基材等が挙げられる。また電子部品としては、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、ダイオード、ショットキーバリヤダイオード、MOS-FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、サイリスタ、ロジック、センサー、アナログ集積回路、LED、半導体レーザー、発信器等の半導体素子が挙げられる。
(Method for manufacturing a bonded body)
Next, a method for manufacturing a bonded structure 100 by bonding members together using the bonding sheet 10 will be described. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a method for manufacturing a bonded structure. In this embodiment, the bonded structure 100 is manufactured by bonding a first member A and a second member B using the bonding sheet 10 as a bonding layer. The first member A and the second member B may be any members. For example, one of the first member A and the second base member B may be a substrate, and the other may be an electronic component. That is, a semiconductor module in which a substrate and an electronic component are bonded by a bonding layer may be manufactured as the bonded structure 100. The substrate is not particularly limited, but examples thereof include an oxygen-free copper plate, a copper-molybdenum plate, a high-heat-dissipation insulating substrate (e.g., DCB (Direct Copper Bond)), and a substrate for mounting a semiconductor element such as an LED (Light Emitting Diode) package. Examples of electronic components include semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), diodes, Schottky barrier diodes, MOS-FETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), thyristors, logic, sensors, analog integrated circuits, LEDs, semiconductor lasers, and oscillators.
本製造方法においては、図4のステップS20に示すように、第1の部材Aの表面に、接合用シート10を配置する。図4の例では、接合用シート10の表面10bが第1の部材Aの表面に接触するように、第1の部材A上に接合用シート10が配置される。 In this manufacturing method, as shown in step S20 of Figure 4, the bonding sheet 10 is placed on the surface of the first member A. In the example of Figure 4, the bonding sheet 10 is placed on the first member A so that the surface 10b of the bonding sheet 10 contacts the surface of the first member A.
次に、ステップS22に示すように、接合用シート10の表面10a(第1の部材Aに接触していない側の表面)上に、溶媒20を塗布する。溶媒20は、銅粒子12に対するバインダーとして作用する。溶媒20は、有機溶媒である。なお、溶媒20の添加は必須ではない。 Next, as shown in step S22, a solvent 20 is applied to the surface 10a of the bonding sheet 10 (the surface not in contact with the first component A). The solvent 20 acts as a binder for the copper particles 12. The solvent 20 is an organic solvent. Note that the addition of the solvent 20 is not essential.
溶媒20は、沸点が150℃以上であることが好ましく、沸点が200℃以下であることが好ましい。溶媒20の沸点は、150℃以上300℃以下であることがより好ましく、200℃以上250℃以下であることが更に好ましい。また、溶媒20は、分子量が100以上1000以下の範囲内であることが好ましく、200以上800以下の範囲内にあることがより好ましく、200以上600以下の範囲内にあることが特に好ましい。また、溶媒は、末端に還元性基を有する化合物であることが好ましい。還元性基は水酸基であることが好ましい。また、溶媒20は、誘電率が4以上80以下であることが好ましく、10以上45以下であることがより好ましく、20以上40以下であることが更に好ましい。なお、誘電率は、液体用誘電率測定計(日本ルフト社製、Model 871)で測定してよい。 The boiling point of solvent 20 is preferably 150°C or higher, and preferably 200°C or lower. The boiling point of solvent 20 is more preferably 150°C or higher and 300°C or lower, and even more preferably 200°C or higher and 250°C or lower. Furthermore, solvent 20 preferably has a molecular weight in the range of 100 to 1000, more preferably 200 to 800, and particularly preferably 200 to 600. Furthermore, the solvent is preferably a compound having a reducing group at its terminal. The reducing group is preferably a hydroxyl group. Furthermore, solvent 20 preferably has a dielectric constant in the range of 4 to 80, more preferably 10 to 45, and even more preferably 20 to 40. The dielectric constant may be measured using a liquid dielectric constant meter (Model 871, manufactured by Nippon Luft Co., Ltd.).
溶媒20としては、例えば、ジオール化合物、トリオール化合物を用いることができる。ジオール化合物の例としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコールを挙げることができる。トリオール化合物の例としては、グリセリン、ブタントリオール、ポリオキシプロピレントリオールを挙げることができる。これらの有機溶媒及び高分子溶媒は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 For example, diol compounds and triol compounds can be used as the solvent 20. Examples of diol compounds include ethylene glycol, diethylene glycol, and polyethylene glycol. Examples of triol compounds include glycerin, butanetriol, and polyoxypropylenetriol. These organic solvents and polymer solvents may be used alone or in combination of two or more.
溶媒20は、接合用シート10に対して、質量比で0.5%以上10%以下添加されることが好ましく、1%以上8%以下添加されることが好ましく、2%以上5%以下添加されることが更に好ましい。溶媒20の添加量がこの範囲となることで、接合性を適切に保つことができる。 The solvent 20 is preferably added in an amount of 0.5% to 10% by mass, more preferably 1% to 8%, and even more preferably 2% to 5% by mass, relative to the bonding sheet 10. By keeping the amount of solvent 20 added within this range, proper bonding properties can be maintained.
ステップS24に示すように、溶媒20は、接合用シート10の気孔に浸入して気孔内に充填される。すなわち、接合用シート10は、溶媒20が含浸された状態になるといえる。 As shown in step S24, the solvent 20 penetrates into the pores of the bonding sheet 10 and fills them. In other words, the bonding sheet 10 becomes impregnated with the solvent 20.
その後、ステップS26に示すように、溶媒20が含浸された接合用シート10の表面10a上に、第2の部材Bが配置される。すなわち、第1の部材Aと第2の部材Bとの間に、溶媒20が含浸された接合用シート10が配置された状態となる。 Then, as shown in step S26, the second member B is placed on the surface 10a of the bonding sheet 10 impregnated with the solvent 20. In other words, the bonding sheet 10 impregnated with the solvent 20 is placed between the first member A and the second member B.
その後、第1の部材Aと第2の部材Bとの間に接合用シート10が配置された積層体を、加熱することで、接合用シート10の焼結をさらに進行させて、第1の部材Aと第2の部材Bとが接合層(焼結された接合用シート10)で接合された接合体100が生成される。積層体の加熱温度は、例えば、150℃以上300℃以下の範囲内としてよい。積層体の加熱時間としては、例えば、10分間以上1時間以下の範囲内としてよい。積層体の加熱は、不活性ガス雰囲気下、積層体の積層方向に積層体を加圧しながら行うことが好ましい。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガスを用いることができる。積層体の加圧圧力は、0.5MPa以上30MPa以下の範囲内にあることが好ましい。 Then, the laminate in which the bonding sheet 10 is disposed between the first member A and the second member B is heated to further promote sintering of the bonding sheet 10, resulting in a bonded body 100 in which the first member A and the second member B are bonded together with a bonding layer (sintered bonding sheet 10). The heating temperature of the laminate may be, for example, in the range of 150°C to 300°C. The heating time of the laminate may be, for example, in the range of 10 minutes to 1 hour. The laminate is preferably heated in an inert gas atmosphere while applying pressure to the laminate in the stacking direction. Nitrogen gas or argon gas can be used as the inert gas. The pressure applied to the laminate is preferably in the range of 0.5 MPa to 30 MPa.
(効果)
以上説明したように、本実施形態に係る接合用シート10は、銅製であり、ヤング率が15GPa以下であり、かつ、充填率が45%以上である。本実施形態に係る接合用シート10は、ヤング率がこのように比較的小さいことで接合時に部材に追従して適切に変形でき、充填率がこの範囲であることで表面積を大きくして焼結を適切に進行させることができるため、部材同士を適切に接合できる。
(effect)
As described above, the bonding sheet 10 according to this embodiment is made of copper, has a Young's modulus of 15 GPa or less, and a packing ratio of 45% or more. The bonding sheet 10 according to this embodiment has such a relatively small Young's modulus that it can appropriately deform to follow the components during bonding, and the packing ratio within this range increases the surface area, allowing sintering to proceed appropriately, so that the components can be appropriately bonded together.
接合用シート10は、ヤング率が1GPa以上10GPa以下であることが好ましい。ヤング率がこの範囲となることで、部材同士をより適切に接合できる。 The bonding sheet 10 preferably has a Young's modulus of 1 GPa or more and 10 GPa or less. Having a Young's modulus within this range allows for more appropriate bonding of components.
接合用シート10は、充填率が45%以上60%以下であることが好ましい。充填率がこの範囲であることで、部材同士をより適切に接合できる。 The bonding sheet 10 preferably has a filling rate of 45% or more and 60% or less. A filling rate within this range allows for more appropriate bonding of components.
接合用シート10は、熱伝導率が10W/mK以上20W/mK以下であることが好ましい。熱伝導率がこの範囲であることで、接合体100の伝熱性を適切に担保することができる。 The bonding sheet 10 preferably has a thermal conductivity of 10 W/mK or more and 20 W/mK or less. Having a thermal conductivity within this range ensures appropriate heat transfer properties for the bonded structure 100.
接合用シート10は、銅の焼結体を含むことが好ましい。接合用シート10は、銅の焼結体を含むことで、部材同士を適切に接合できる。 The joining sheet 10 preferably contains a copper sintered body. By including a copper sintered body, the joining sheet 10 can properly join components together.
本実施形態に係る接合体100の製造方法は、接合用シート10を第1の部材A上に配置するステップと、接合用シート10上に第2の部材Bを配置することで、第1の部材と第2の部材との間に前記接合用シートが配置された積層体を得るステップと、積層体を加熱することで、第1の部材Aと第2の部材Bが接合された接合体100を製造するステップと、を含む。本製造方法によると、接合用シート10を用いることで、接合体100を適切に製造できる。 The manufacturing method for the bonded structure 100 according to this embodiment includes the steps of placing the bonding sheet 10 on a first member A, placing a second member B on the bonding sheet 10 to obtain a laminate in which the bonding sheet is placed between the first member and the second member, and heating the laminate to manufacture the bonded structure 100 in which the first member A and the second member B are bonded. According to this manufacturing method, the bonded structure 100 can be manufactured appropriately by using the bonding sheet 10.
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態に係る接合用シート10Aは、銅の焼結体を含まない点で、第1実施形態とは異なる。すなわち、本開示に係る接合用シートは、銅粒子12Aが焼結したものであってもよいし、銅粒子12Aが焼結していないものであってもよい。第2実施形態において第1実施形態と構成が共通する箇所は、説明を省略する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. The bonding sheet 10A according to the second embodiment differs from the first embodiment in that it does not include a copper sintered body. That is, the bonding sheet according to the present disclosure may include sintered copper particles 12A or may include unsintered copper particles 12A. Descriptions of parts of the second embodiment that are common to the first embodiment will be omitted.
図5は、第2実施形態に係る接合用シートの模式図である。第2実施形態に係る接合用シート10Aは、第1実施形態同様に銅製であるが、銅の焼結体ではない。図5に示すように、接合用シート10Aは、銅粒子12Aと溶媒20とを含む。すなわち、接合用シート10Aは、焼結(仮焼結)していない状態の銅粒子12Aを含む。 Figure 5 is a schematic diagram of a bonding sheet according to the second embodiment. The bonding sheet 10A according to the second embodiment is made of copper, as in the first embodiment, but is not a sintered copper body. As shown in Figure 5, the bonding sheet 10A contains copper particles 12A and a solvent 20. In other words, the bonding sheet 10A contains copper particles 12A in an unsintered (pre-sintered) state.
接合用シート10Aに含まれる銅粒子12Aの特性は、第1実施形態の接合用シート10の仮焼結前の原料である銅粒子12Aと同様であるため、説明を省略する。 The characteristics of the copper particles 12A contained in the joining sheet 10A are similar to those of the copper particles 12A that are the raw material for the joining sheet 10 of the first embodiment before pre-sintering, and therefore will not be described further.
接合用シート10Aに含まれる溶媒20の特性は、第1実施形態において接合用シート10による部材A、Bの接合に用いた溶媒20と同様であるため、説明を省略する。 The properties of the solvent 20 contained in the bonding sheet 10A are similar to those of the solvent 20 used to bond members A and B using the bonding sheet 10 in the first embodiment, and therefore will not be described further.
接合用シート10Aにおける銅粒子12Aと溶媒20との含有割合は、質量比で99:1~90:10(=銅粒子:溶媒)であることが好ましい。すなわち、接合用シート10Aは、銅粒子12Aの含有量が90質量%以上99質量%以下の範囲内にあり、溶媒20の含有量が1質量%以上10質量%以下の範囲内にあることが好ましい。銅粒子12Aと溶媒20との含有割合は、質量比で99:1~92:8であることがより好ましく、質量比で98:2~95:5であることが更に好ましい。 The content ratio of copper particles 12A to solvent 20 in bonding sheet 10A is preferably 99:1 to 90:10 (copper particles:solvent) by mass. That is, bonding sheet 10A preferably has a copper particle 12A content in the range of 90% to 99% by mass, and a solvent 20 content in the range of 1% to 10% by mass. The content ratio of copper particles 12A to solvent 20 is more preferably 99:1 to 92:8 by mass, and even more preferably 98:2 to 95:5 by mass.
接合用シート10Aは、焼結体を含まないという以外の特性は、第1実施形態の接合用シート10と同様であってよい。すなわち例えば、接合用シート10Aは、充填率、ヤング率、熱伝導率、厚みW、投影面積、大面積接合指数D1が、第1実施形態の接合用シート10と同じ範囲であってよい。また、これらの特性の測定方法も第1実施形態と同じであってよい。 The bonding sheet 10A may have the same properties as the bonding sheet 10 of the first embodiment, except that it does not contain a sintered body. That is, for example, the filling rate, Young's modulus, thermal conductivity, thickness W, projected area, and large-area bonding index D1 of the bonding sheet 10A may be in the same range as those of the bonding sheet 10 of the first embodiment. Furthermore, the methods for measuring these properties may also be the same as those of the first embodiment.
(接合用シートの製造方法)
図6は、第2実施形態に係る接合用シートの製造方法を説明するフローチャートである。図6に示すように、本製造方法においては、銅粒子12Aと溶媒20とを準備して(ステップS30)、準備した銅粒子12Aと溶媒20とを混合する(ステップS32)。銅粒子12Aと溶媒20とを混合する工程においては、銅粒子12Aと溶媒20との含有割合が、好ましくは質量比で99:1~90:10(=銅粒子:溶媒)、より好ましくは質量比で99:1~92:8、更に好ましくは質量比で98:2~95:5となるように、銅粒子12Aと溶媒20とを混合してよい。銅粒子12Aと溶媒20との混合は任意の方法で行ってよいが、例えば、自転公転ミキサーやプラネタリーミキサーを用いることができる。
(Method for manufacturing bonding sheet)
FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a bonding sheet according to a second embodiment. As shown in FIG. 6 , in this manufacturing method, copper particles 12A and a solvent 20 are prepared (step S30), and then the prepared copper particles 12A and the solvent 20 are mixed (step S32). In the step of mixing the copper particles 12A and the solvent 20, the copper particles 12A and the solvent 20 may be mixed so that the content ratio of the copper particles 12A to the solvent 20 is preferably 99:1 to 90:10 (copper particles:solvent), more preferably 99:1 to 92:8, and even more preferably 98:2 to 95:5 by mass. The copper particles 12A and the solvent 20 may be mixed by any method, but for example, a rotation-revolution mixer or a planetary mixer may be used.
次に、銅粒子12Aと溶媒20との混合物を用いて、接合用シート10Aを成形する(ステップS34)。本工程では、銅粒子12Aと溶媒20との混合物を、常温下において所定圧力で所定時間の間加圧してシート状に成型することで、接合用シート10Aとする。常温とは室温を指してよいが、それに限られず、銅粒子12Aの焼結が進行しない程度の温度(例えば100℃以下)であってよい。またここでの所定圧力は、1MPa以上30MPa以下であることが好ましく、5MPa以上25MPa以下であることがより好ましく、10MPa以上20MPa以下であることが更に好ましい。ここでの所定時間(所定圧力で保持する時間)は、1分以上30分以下であることが好ましく、2分以上25分以下であることがより好ましく、3分以上20分以下であることが更に好ましい。
このような条件で接合用シート10Aを成形することで、接合時に適切に変形することで適切に接合可能な接合用シート10を製造できる。なお、混合物をシート状に成形する方法としては、加圧ローラを利用した圧延処理法、金型を利用したプレス処理法を用いることができる。なお、例えば混合物をシート状に成型した成形体を所定の形状に切断することで、接合用シート10Aとしてもよい。
Next, a bonding sheet 10A is formed using a mixture of copper particles 12A and solvent 20 (step S34). In this process, the mixture of copper particles 12A and solvent 20 is pressed at a predetermined pressure for a predetermined time at room temperature to form a sheet, thereby obtaining a bonding sheet 10A. Room temperature may refer to room temperature, but is not limited thereto, and may be a temperature at which sintering of the copper particles 12A does not proceed (for example, 100 ° C or less). The predetermined pressure here is preferably 1 MPa or more and 30 MPa or less, more preferably 5 MPa or more and 25 MPa or less, and even more preferably 10 MPa or more and 20 MPa or less. The predetermined time here (the time held at the predetermined pressure) is preferably 1 minute or more and 30 minutes or less, more preferably 2 minutes or more and 25 minutes or less, and even more preferably 3 minutes or more and 20 minutes or less.
By molding the bonding sheet 10A under these conditions, a bonding sheet 10 that can be properly deformed during bonding can be manufactured. The mixture can be molded into a sheet by a rolling method using a pressure roller or a pressing method using a mold. For example, the mixture may be molded into a sheet and then cut into a predetermined shape to produce the bonding sheet 10A.
なお、接合用シート10Aは、以上の方法で製造されることに限られず、接合用シート10Aの製造方法は任意であってよい。 Note that the bonding sheet 10A is not limited to being manufactured by the above method, and any manufacturing method for the bonding sheet 10A may be used.
(接合体の製造方法)
次に、接合用シート10Aを用いて部材同士を接合することにより接合体100Aを製造する方法について説明する。図7は、接合体の製造方法を説明するための模式図である。本実施形態では、接合用シート10Aを接合層として、第1の部材Aと第2の部材Bとを接合して、接合体100Aを製造する。
(Method for manufacturing a bonded body)
Next, a method for manufacturing a bonded body 100A by bonding members together using the bonding sheet 10A will be described. Fig. 7 is a schematic diagram for explaining the manufacturing method of the bonded body. In this embodiment, the bonded body 100A is manufactured by bonding a first member A and a second member B using the bonding sheet 10A as a bonding layer.
接合体100Aは、第1の部材Aと第2の部材Bとの間に、接合用シート10Aを配置して、積層体を得て、得られた積層体を加熱して、接合用シート10Aの銅粒子12Aを焼結させて接合層を形成することにより製造することができる。積層体の加熱温度は、例えば、150℃以上300℃以下の範囲内にある。積層体の加熱時間としては、例えば、10分間以上1時間以下の範囲内にある。積層体の加熱は、不活性ガス雰囲気下、積層体の積層方向に積層体を加圧しながら行うことが好ましい。不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガスを用いることができる。積層体の加圧圧力は、0.5MPa以上30MPa以下の範囲内にあることが好ましい。 The bonded body 100A can be produced by placing a bonding sheet 10A between a first member A and a second member B to obtain a laminate, and then heating the resulting laminate to sinter the copper particles 12A of the bonding sheet 10A to form a bonding layer. The heating temperature for the laminate is, for example, in the range of 150°C to 300°C. The heating time for the laminate is, for example, in the range of 10 minutes to 1 hour. The laminate is preferably heated in an inert gas atmosphere while being pressurized in the stacking direction. Nitrogen gas or argon gas can be used as the inert gas. The pressurization pressure for the laminate is preferably in the range of 0.5 MPa to 30 MPa.
以上説明したように、第2実施形態に係る接合用シート10Aは、銅粒子12Aと、沸点が150℃以上の溶媒20とを含む。第2実施形態に係る接合用シート10Aは、仮焼結されていない銅粒子12Aと溶媒20との成型体であり、ヤング率が15GPa以下、充填率が45%以上であるため、接合時に部材に追従して適切に変形でき、表面積を大きくして焼結を適切に進行させることができるため、部材同士を適切に接合できる。 As explained above, the bonding sheet 10A according to the second embodiment contains copper particles 12A and a solvent 20 having a boiling point of 150°C or higher. The bonding sheet 10A according to the second embodiment is a molded body of copper particles 12A and solvent 20 that have not been pre-sintered, and has a Young's modulus of 15 GPa or less and a filling rate of 45% or more. This allows the sheet to deform appropriately to follow the components during bonding, and the increased surface area allows sintering to proceed appropriately, thereby enabling the components to be bonded appropriately.
(実施例)
次に、実施例について説明する。図8は、各例の接合用シートの特性および評価結果を示す表である。
(Example)
Next, examples will be described. Fig. 8 is a table showing the properties and evaluation results of the bonding sheets of the respective examples.
(実施例1)
(銅粒子の準備)
実施例1においては、クエン酸銅・2.5水和物(富士フイルム和光純薬株式会社製)とイオン交換水とを、撹拌羽を用いて撹拌混合して、濃度30質量%のクエン酸銅の水分散液を調製した。次いで、得られたクエン酸銅水分散液に、pH調整剤としてのクエン酸アンモニウム水溶液を加えて、クエン酸銅水分散液のpHを5に調整した。次に、得られたクエン酸銅水分散液を50℃まで昇温し、その温度を保持しながら、窒素ガス雰囲気下で、銅イオンの還元剤としてのヒドラジン一水和物水溶液(2倍希釈)を一時に添加し、撹拌羽を用いて撹拌混合した。ヒドラジン一水和物水溶液の添加量は、銅イオン全量を還元させるのに必要な量に対して1.2倍当量分とした。得られた混合液を窒素ガス雰囲気下で70℃まで昇温し、その温度で2時間保持して、銅粒子を生成させた。生成した銅粒子を、遠心分離機を用いて回収した。回収した銅粒子を減圧乾燥法で乾燥して、銅粒子を作製した。
Example 1
(Preparation of copper particles)
In Example 1, copper citrate 2.5 hydrate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and ion-exchanged water were stirred and mixed using a stirring blade to prepare an aqueous dispersion of copper citrate with a concentration of 30% by mass. Next, an aqueous solution of ammonium citrate was added as a pH adjuster to the resulting aqueous dispersion, adjusting the pH of the copper citrate dispersion to 5. The resulting aqueous dispersion of copper citrate was then heated to 50°C, and while maintaining the temperature, an aqueous solution of hydrazine monohydrate (diluted 2-fold) was added all at once as a copper ion reducing agent under a nitrogen gas atmosphere, followed by stirring and mixing using a stirring blade. The amount of hydrazine monohydrate aqueous solution added was 1.2 times the amount required to reduce all copper ions. The resulting mixture was heated to 70°C under a nitrogen gas atmosphere and maintained at that temperature for 2 hours to produce copper particles. The produced copper particles were collected using a centrifuge. The collected copper particles were dried by a reduced pressure drying method to prepare copper particles.
比表面積測定装置(カンタクローム・インスツルメンツ社製、QUANTACHROME AUTOSORB-1)を用いた。事前に脱気温度を50℃、脱気時間60分にて吸着ガスを除去した後、銅粒子の窒素ガスの吸着量を測定し、BET法により銅粒子の比表面積を求めた。得られた比表面積S(m2/g)と、銅粒子の密度ρ(g/cm3)とを用いて、下記の式よりBET径を算出した。
BET径(nm)=6000/(ρ(g/cm3)×S(m2/g))
A specific surface area measuring device (Quantachrome Instruments, QUANTACHROME AUTOSORB-1) was used. After removing the adsorbed gas in advance at a degassing temperature of 50°C for 60 minutes, the amount of nitrogen gas adsorbed by the copper particles was measured, and the specific surface area of the copper particles was determined by the BET method. Using the obtained specific surface area S (m 2 /g) and the density ρ (g/cm 3 ) of the copper particles, the BET diameter was calculated according to the following formula.
BET diameter (nm) = 6000/(ρ (g/cm 3 )×S (m 2 /g))
(接合用シートの生成)
準備した銅粒子を充填する型として、外寸50mm角×30mmで内寸30mm角×30mmの穴が空いているアルミフレームを用意した。このアルミフレームに銅粒子1.5gを充填し、30mm角×20mmのアルミブロックで均一にならしたうえで、溶媒としてPEG(ポリエチレングリコール)を添加し、大気中で、20MPa、40℃の条件で、15分間ホットプレス処理して、接合用シートを生成した。ホットプレス装置はCYPT-50kN(新東工業社製)を用いた。ホットプレス処理の後、室温に冷却して、アルミブロックに挟まれた30mm角×0.4mmの接合用シートをアルミブロックから剥がし、目的の接合用シートを得た。
(Production of bonding sheet)
An aluminum frame with an outer dimension of 50 mm square x 30 mm and an inner dimension of 30 mm square x 30 mm was prepared as a mold for filling the prepared copper particles. 1.5 g of copper particles was filled into this aluminum frame, uniformly leveled with a 30 mm square x 20 mm aluminum block, and then PEG (polyethylene glycol) was added as a solvent. The mixture was hot-pressed in air at 20 MPa and 40 ° C for 15 minutes to produce a bonding sheet. A CYPT-50kN hot press machine (manufactured by Shinto Kogyo Co., Ltd.) was used. After the hot press treatment, the mixture was cooled to room temperature, and the 30 mm square x 0.4 mm bonding sheet sandwiched between the aluminum blocks was peeled off from the aluminum block to obtain the desired bonding sheet.
(接合用シートの特性)
ピコデンターを用いて接合用シートのヤング率を測定した。ヤング率の測定方法は、本実施形態で説明した方法を用いた。
また、接合用シートの充填率を測定した。充填率は、次のように測定した。接合用シートの外部寸法から求めた体積を、ノギスとマイクロメータによって測定した。具体的には、接合用シートの水平方向の2辺を各5点ずつ無作為に測定し、各々の平均値の積を接合用シートの面積とした。更にマイクロメータ―で接合用シートの厚みを10点無作為に測定し、平均値を接合用シートの厚みとした。面積と厚みの積を接合用シートの外部寸法から求めた体積とした。次に接合用シートの重量を測定した。そして、接合用シートの重量を、接合用シート10の外部寸法から求めた体積によって除した値を、かさ密度として算出した。外部寸法から求めた体積とは、接合用シート10の気孔も含めた全容積を指す。そして、真密度を8.96g/cm3として、真密度に対するかさ密度の比率を、充填率として算出した。
また、接合用シートの熱伝導率を測定した。具体的には、10mm×10mmに成形した接合用シートの25℃におけるシート抵抗を、ロレスター(MCP-250T、三菱油化社製)を用い四探針法で測定し、さらにシート膜厚を乗し比抵抗を算出した。そして、25℃における熱伝導率を、Wiedemann-Franz則を用い、比抵抗を換算することで求めた。
ヤング率、充填率、熱伝導率の測定値を図8に示す。
図8において、銅粒子の少なくとも一部が焼結された接合用シートを、すなわち銅の焼結体を含む接合用シートを、焼結体「〇」とした。そして、図5において、全ての銅粒子が焼結されていない接合用シートを、すなわち銅の焼結体を含まない接合用シートを、焼結体「×」とした。また、図8において、接合用シートに添加した溶媒の種類を示した。図8に示すように、例1の接合用シートは、焼結体を含まず、銅粒子と、沸点が150℃以上の溶媒としてのPEGとを含むものである。
(Characteristics of the bonding sheet)
The Young's modulus of the bonding sheet was measured using a Picodentor. The Young's modulus was measured using the method described in this embodiment.
The filling rate of the bonding sheet was also measured. The filling rate was measured as follows: The volume calculated from the external dimensions of the bonding sheet was measured using a vernier caliper and a micrometer. Specifically, five points on each of the two horizontal sides of the bonding sheet were randomly measured, and the product of the average values was used as the area of the bonding sheet. Furthermore, the thickness of the bonding sheet was randomly measured at 10 points using a micrometer, and the average value was used as the thickness of the bonding sheet. The product of the area and the thickness was used as the volume calculated from the external dimensions of the bonding sheet. Next, the weight of the bonding sheet was measured. The weight of the bonding sheet was then divided by the volume calculated from the external dimensions of the bonding sheet 10 to calculate the bulk density. The volume calculated from the external dimensions refers to the total volume of the bonding sheet 10, including the pores. The true density was set to 8.96 g/cm 3 , and the ratio of the bulk density to the true density was calculated as the filling rate.
The thermal conductivity of the bonding sheet was also measured. Specifically, the sheet resistance at 25°C of a 10mm x 10mm bonding sheet was measured using a Loresta (MCP-250T, manufactured by Mitsubishi Yuka Co., Ltd.) by a four-probe method, and the resistivity was calculated by multiplying the sheet thickness. The thermal conductivity at 25°C was then calculated by converting the resistivity using the Wiedemann-Franz law.
The measured values of Young's modulus, packing ratio, and thermal conductivity are shown in FIG.
In Fig. 8, the bonding sheet in which at least a part of the copper particles is sintered, i.e., the bonding sheet containing the copper sintered body, is designated as a sintered body "◯". In Fig. 5, the bonding sheet in which all the copper particles are not sintered, i.e., the bonding sheet not containing the copper sintered body, is designated as a sintered body "X". Also, Fig. 8 shows the type of solvent added to the bonding sheet. As shown in Fig. 8, the bonding sheet of Example 1 does not contain a sintered body, but contains copper particles and PEG as a solvent with a boiling point of 150 ° C or higher.
(実施例2-8)
実施例2-8においては、加熱温度、印加圧力、加圧時間の少なくとも1つを図8のように変更した以外は実施例1と同様の方法で接合用シートを生成した。ヤング率、充填率、熱伝導率の測定値、焼結体を含むか否か、及び接合用シートに添加した溶媒を図8に示す。なお、実施例1、2が、第2実施形態のように、焼結体を含まずに、銅粒子と、沸点が150℃以上の溶媒とを含む接合用シートであり、実施例3-8が、第1実施形態のように焼結体を含む接合用シートであり、実施例3-8の接合用シートは、沸点が150℃以上の溶媒を含まない。
(Example 2-8)
In Examples 2-8, bonding sheets were produced in the same manner as in Example 1, except that at least one of the heating temperature, applied pressure, and pressure time was changed as shown in FIG. 8. Measured values of Young's modulus, filling rate, and thermal conductivity, whether or not the bonding sheet contains a sintered body, and the solvent added to the bonding sheet are shown in FIG. 8. Note that, as in the second embodiment, Examples 1 and 2 are bonding sheets that do not contain a sintered body but contain copper particles and a solvent having a boiling point of 150°C or higher, while Example 3-8 is a bonding sheet that contains a sintered body as in the first embodiment, and the bonding sheet of Example 3-8 does not contain a solvent having a boiling point of 150°C or higher.
(比較例1-2)
比較例1-2においては、加熱温度、印加圧力、加圧時間の少なくとも1つを図8のように変更した以外は実施例1と同様の方法で接合用シートを生成した。ヤング率、充填率、熱伝導率の測定値、焼結体を含むか否か、及び接合用シートに添加した溶媒を図8に示す。
(Comparative Example 1-2)
In Comparative Example 1-2, a bonding sheet was produced in the same manner as in Example 1, except that at least one of the heating temperature, applied pressure, and pressure time was changed as shown in Figure 8. The measured values of Young's modulus, filling rate, and thermal conductivity, whether or not the sintered body was included, and the solvent added to the bonding sheet are shown in Figure 8.
(評価)
各例の、接合用シートを用いて部材同士を接合した接合体を製造して、接合体のシェア強度を評価した。各例の接合用シートを、市販のカッターナイフを用いて切断して、接合用シート片(2.5mm角×500μm厚)を作製した。30mm角×1mm厚の無酸素銅基板の上に、上記の接合用シート片(2.5mm角×500μm厚)を配置した。次いで、その接合用シート片の上に、溶媒としてポリエチレングリコールをシート片重量0.95gあたり0.05gとなるよう塗布して含浸させた後、2.5mm角×1mm厚の無酸素銅ダミー素子を配置した。こうして、無酸素銅基板と無酸素銅ダミー素子とが接合用シート片を介して積層された積層体を得た。得られた積層体を、ダイボンダー(アルファーデザイン株式会社製、HTB-MM)を用いて、窒素ガス雰囲気下、加圧圧力5MPa、温度250℃の条件で、15分間保持することにより2.5mm角の無酸素銅基板と無酸素銅ダミー素子とが銅接合層を介して接合された接合体(サンプルA)を作製した。
(evaluation)
A bonded structure was produced by bonding members together using the bonding sheet of each example, and the shear strength of the bonded structure was evaluated. The bonding sheet of each example was cut using a commercially available cutter knife to prepare a bonding sheet piece (2.5 mm square x 500 μm thick). The above bonding sheet piece (2.5 mm square x 500 μm thick) was placed on a 30 mm square x 1 mm thick oxygen-free copper substrate. Next, polyethylene glycol was applied as a solvent to the bonding sheet piece at 0.05 g per 0.95 g of sheet piece weight, and then a 2.5 mm square x 1 mm thick oxygen-free copper dummy element was placed on it. Thus, a laminate was obtained in which the oxygen-free copper substrate and the oxygen-free copper dummy element were stacked via the bonding sheet piece. The obtained laminate was held for 15 minutes using a die bonder (HTB-MM, manufactured by Alpha Design Co., Ltd.) under conditions of a nitrogen gas atmosphere, a pressurized pressure of 5 MPa, and a temperature of 250°C, thereby producing a bonded body (Sample A) in which a 2.5 mm square oxygen-free copper substrate and an oxygen-free copper dummy element were bonded via a copper bonding layer.
得られた接合体(サンプルA)のシェア強度を、JIS Z 3198-7(鉛フリーはんだ試験方法-第7部:チップ部品のはんだ継手せん断試験方法)に準拠した方法により測定した。具体的には、ボンドテスタ(Nordson DAGE社製、SERIES 4000)のツールを用いて無酸素銅ダミー素子に荷重を加え、無酸素銅ダミー素子が銅接合層から剥離したときの荷重(最大せん断荷重)を測定した。ツールの移動速度は50μm/secとし、ツールの先端と無酸素銅基板のギャップは50μmとした。得られた最大せん断荷重を、ニュートン換算し、銅接合層の面積(2.5mm×2.5mm)で除することに求めた値をシェア強度(単位:MPa)とした。接合体は7個作製し、それぞれの接合体についてシェア強度を測定した。その結果を図8に示す。 The shear strength of the resulting bonded assembly (Sample A) was measured using a method in accordance with JIS Z 3198-7 (Lead-Free Solder Testing Methods - Part 7: Shear Test Method for Solder Joints of Chip Components). Specifically, a load was applied to an oxygen-free copper dummy element using a tool from a bond tester (Nordson DAGE, SERIES 4000), and the load (maximum shear load) at which the oxygen-free copper dummy element peeled from the copper bonding layer was measured. The tool movement speed was 50 μm/sec, and the gap between the tip of the tool and the oxygen-free copper substrate was 50 μm. The obtained maximum shear load was converted to Newtons and divided by the area of the copper bonding layer (2.5 mm × 2.5 mm) to obtain the shear strength (unit: MPa). Seven bonded assembly specimens were fabricated, and the shear strength of each was measured. The results are shown in Figure 8.
本評価においては、シェア強度が40MPa以上を〇(合格)とし、シェア強度が40MPa未満を×(不合格)とした。図8に示すように、ヤング率が15GPa以下であり充填率が45%以上となる実施例の接合用シートを用いた場合、接合体のシェア強度が高く、接合強度を向上できていることが分かる。一方、ヤング率が15GPa以下、充填率が45%以上の少なくとも一方を満たさない比較例の接合用シートを用いた場合、接合体のシェア強度が低く、接合強度を向上できてないことが分かる。 In this evaluation, a shear strength of 40 MPa or more was rated as ◯ (pass), and a shear strength of less than 40 MPa was rated as × (fail). As shown in Figure 8, when the bonding sheet of the example, which has a Young's modulus of 15 GPa or less and a filling rate of 45% or more, was used, the shear strength of the bonded body was high, and it can be seen that the bonding strength was improved. On the other hand, when the bonding sheet of the comparative example, which does not satisfy at least one of the Young's modulus of 15 GPa or less and the filling rate of 45% or more, was used, the shear strength of the bonded body was low, and it can be seen that the bonding strength was not improved.
(オプションの評価)
オプションの評価として、接合用シートを用いて製造した接合体における接合層の緻密度を測定した。接合用シートを、市販のカッターナイフを用いて切断して、接合用シート片(10mm角×500μm厚)を作製した。30mm角×1mm厚の無酸素銅基板の上に、上記の接合用シート片(10mm角×500μm厚)を配置した。次いで、その接合用シート片の上に、溶媒としてポリエチレングリコールをシート片重量0.95gあたり0.05gとなるよう塗布して含浸させた後、10mm角×1mm厚の無酸素銅ダミー素子を配置した。こうして、無酸素銅基板と無酸素銅ダミー素子とが接合用シート片を介して積層された積層体を得た。得られた積層体を、ダイボンダー(アルファーデザイン株式会社製、HTB-MM)を用いて、窒素ガス雰囲気下、加圧圧力5MPa、温度250℃の条件で、15分間保持することにより2.5mm角の無酸素銅基板と無酸素銅ダミー素子とが銅接合層を介して接合された接合体(サンプルB)を作製した。
(option evaluation)
As an optional evaluation, the density of the bonding layer in the bonded structure manufactured using the bonding sheet was measured. The bonding sheet was cut using a commercially available cutter knife to prepare bonding sheet pieces (10 mm square x 500 μm thick). The above bonding sheet piece (10 mm square x 500 μm thick) was placed on a 30 mm square x 1 mm thick oxygen-free copper substrate. Next, polyethylene glycol was applied as a solvent to the bonding sheet piece at 0.05 g per 0.95 g of sheet piece weight, and then a 10 mm square x 1 mm thick oxygen-free copper dummy element was placed on it. In this way, a laminate was obtained in which the oxygen-free copper substrate and the oxygen-free copper dummy element were stacked via the bonding sheet piece. The obtained laminate was held for 15 minutes using a die bonder (HTB-MM, manufactured by Alpha Design Co., Ltd.) under conditions of a nitrogen gas atmosphere, a pressurized pressure of 5 MPa, and a temperature of 250°C, thereby producing a bonded body (Sample B) in which a 2.5 mm square oxygen-free copper substrate and an oxygen-free copper dummy element were bonded via a copper bonding layer.
得られた接合体(サンプルB)の銅接合層部分について、超音波探傷装置(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、FINE-SAT)を用いて超音波探傷像を測定した。得られた超音波探傷像を、画像処理ソフト(米国国立衛生研究所製ImageJ)を用いて2値化して、ボイド(空洞)と接合体(銅粒子焼結体)とに分け、下記の式よりボイド率を算出した。
ボイド率(%)=(ボイド部分の総面積/銅接合層の面積(10mm×10mm))×100
The copper bonding layer of the resulting bonded body (Sample B) was measured for an ultrasonic flaw detection image using an ultrasonic flaw detector (FINE-SAT, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). The obtained ultrasonic flaw detection image was binarized using image processing software (ImageJ, manufactured by the National Institutes of Health, USA) to separate the image into voids (cavities) and the bonded body (copper particle sintered body), and the void fraction was calculated using the following formula.
Void rate (%) = (total area of voids / area of copper bonding layer (10 mm x 10 mm)) x 100
接合体は7個作製し、それぞれの接合体についてボイド率を測定した。その結果を図8に示す。 Seven bonded bodies were produced, and the void ratio was measured for each bonded body. The results are shown in Figure 8.
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments are not limited to the content of these embodiments. Furthermore, the components described above include those that would be easily imagined by a person skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are within the scope of what is known as equivalents. Furthermore, the components described above can be combined as appropriate. Furthermore, various omissions, substitutions, or modifications of the components can be made without departing from the spirit of the embodiments described above.
10、10A 接合用シート
12、12A 銅粒子
20 溶媒
10, 10A Bonding sheet 12, 12A Copper particles 20 Solvent
Claims (7)
接合用シート。 A copper pre-sintered body, wherein the copper particles have an average particle size of 100 nm or more and 200 nm or less, a Young's modulus of 15 GPa or less, and a filling rate of 45% or more.
Joining sheet.
前記接合用シートの表面に有機溶媒を塗布するステップと、
前記接合用シート上に第2の部材を配置することで、第1の部材と第2の部材との間に前記接合用シートが配置された積層体を得るステップと、
前記積層体を加熱することで、前記第1の部材と前記第2の部材が接合された接合体を製造するステップと、
を含む、
接合体の製造方法。 A step of placing the bonding sheet according to any one of claims 1 to 6 on a first member;
applying an organic solvent to a surface of the bonding sheet;
A step of arranging a second member on the bonding sheet to obtain a laminate in which the bonding sheet is arranged between a first member and a second member;
a step of manufacturing a bonded body in which the first member and the second member are bonded by heating the laminate;
Including,
A method for manufacturing a bonded body.
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