JP7797874B2 - Joining sheet and method for manufacturing joined body - Google Patents
Joining sheet and method for manufacturing joined bodyInfo
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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、Niを適切に接合することが求められている。 Such bonding sheets are required to properly bond Ni.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、Niを適切に接合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 properly bond Ni, and a method for manufacturing a bonded body.
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、銅粒子と、カルボン酸、カルボン酸塩、アミンまたはアミン塩のうち少なくとも1種の添加剤とを含み、前記添加剤と前記銅粒子との含有量比が、質量比で1:95~5:95であり、前記銅粒子のBET径が500nm以下であり、前記添加剤は、炭素の数が2個以上8個以下の、カルボン酸、カルボン酸塩、アミンまたはアミン塩のうち少なくとも1種である。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the objectives, the bonding sheet according to the present disclosure comprises copper particles and at least one additive selected from the group consisting of carboxylic acid, carboxylate, amine, and amine salt, wherein the content ratio of the additive to the copper particles is 1:95 to 5:95 by mass, the BET diameter of the copper particles is 500 nm or less, and the additive is at least one of carboxylic acid, carboxylate, amine, and amine salt having 2 to 8 carbon atoms.
前記添加剤は、クエン酸、エチルヘキサン酸、エチルヘキシルアミンのうち少なくとも1種であることが好ましい。 The additive is preferably at least one of citric acid, ethylhexanoic acid, and ethylhexylamine.
多価アルコールの溶媒を更に含むことが好ましい。 It is preferable that the solution further contains a polyhydric alcohol solvent.
前記溶媒がポリエチレングリコールであることが好ましい。 It is preferable that the solvent is polyethylene glycol.
前記溶媒と前記銅粒子との含有量比が、質量比で1:95~5:95であることが好ましい。 It is preferable that the content ratio of the solvent to the copper particles is 1:95 to 5:95 by mass.
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 manufacture a bonded body in which the first member and the second member are bonded.
本発明によれば、Niを適切に接合することができる。 According to the present invention, Ni can be properly joined.
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.
図1は、本実施形態に係る接合用シートの模式図である。図1に示すように、本実施形態に係る接合用シート10は、銅粒子12と、溶媒20と、添加剤30とを含む。 Figure 1 is a schematic diagram of a bonding sheet according to this embodiment. As shown in Figure 1, the bonding sheet 10 according to this embodiment contains copper particles 12, a solvent 20, and an additive 30.
(銅粒子)
銅粒子12は、BET径が500nm以下であり、50nm以上300nm以下であることが好ましい。BET径は、銅粒子12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。
(Copper particles)
The copper particles 12 have a BET diameter of 500 nm or less, preferably 50 nm to 300 nm. The BET diameter is calculated from the BET specific surface area and true density of the copper particles, assuming that the copper particles 12 are spherical or cubic, as determined by the BET method. Specifically, the BET diameter can be determined by the method described in the Examples below.
銅粒子12のBET径が500nm以下であることで、反応面積を大きくして、焼結性を高くして適切に接合できる。銅粒子12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12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12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。 When the BET diameter of the copper particles 12 is 500 nm or less, the reaction area is increased, improving sinterability and allowing for proper bonding. If the BET diameter of the copper particles 12 is 50 nm or more, it is difficult to form strong agglomerates. This allows the surface 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 12 is 300 nm or less, the reaction area is large and sinterability upon heating is increased, allowing for the formation of a strong bonding layer. The BET diameter of the copper particles 12 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12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12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 12 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 12 is not limited to spherical, but may be acicular or flat plate-like.
銅粒子12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12の酸化が抑制され、銅粒子12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12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12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 12 are preferably coated with an organic protective film, which is a film of an organic substance. By being coated with an organic protective film, oxidation of the copper particles 12 is suppressed, making it even less likely that a decrease in sinterability due to oxidation of the copper particles 12 will occur. Note that the organic protective film coating the copper particles 12 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 12 is not a copper oxide film formed by the oxidation of copper.
銅粒子12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12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12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12の表面とは、銅粒子12から有機保護膜を除去した際の銅粒子12の表面でなく、被覆している有機保護膜を含んだ銅粒子12の表面(すなわち有機保護膜の表面)を指す。 The fact that copper particles 12 are coated with an organic protective film can be confirmed by analyzing the surface of copper particles 12 using time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). Therefore, in this embodiment, copper particles 12 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 12 " in this analysis does not refer to the surface of copper particles 12 after the organic protective film has been removed from the copper particles 12, but refers to the surface of copper particles 12 including the organic protective film coating them (i.e., the surface of the organic protective film).
銅粒子12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。 The copper particles 12 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 detected amount of C3H4O2- ions to the detected amount of Cu + ions ( C3H4O2- / Cu + ratio ) is preferably 0.001 or greater. Furthermore, the ratio of the detected amount of C5 or larger ions to the detected amount of Cu + ions ( 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12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12の表面が酸化しにくくなり、かつ銅粒子12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12の焼結性を過度に低下させずに銅粒子12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12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 larger ions detected by time-of-flight secondary ion mass spectrometry originate from the organic protective film coating the surface of the copper particles 12. Therefore , when the C3H3O3- / Cu + ratio and the C3H4O2- /Cu+ ratio are each 0.001 or more, the surfaces of the copper particles 12 are less likely to oxidize and the copper particles 12 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 12 can be suppressed without excessively reducing the sinterability of the copper particles 12, 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 12 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 larger, 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12の製造方法は後述する。銅粒子12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12を有機保護膜により均一に被覆することができ、銅粒子12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 12 coated with a citric acid-derived organic protective film is described below. The coating amount of the organic protective film on the copper particles 12 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, based on 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 12 to be uniformly coated with the organic protective film, thereby more reliably suppressing oxidation of the copper particles 12. 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 amount of organic protective film coating. In other words, coating amount = (sample weight after measurement) / (sample weight before measurement) x 100 (wt%). Measurements can be made three times using copper particles from the same lot, and the arithmetic mean value can be used as the amount of coating.
銅粒子12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 the copper particles 12 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12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12を生成させると共に、この銅粒子12の表面にクエン酸由来の有機保護膜を形成させる。 Copper particles 12 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 12, and also forms an organic protective film derived from citric acid on the surface of the copper particles 12.
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12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12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12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 12. 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 12. A pH of 7.5 or lower prevents the reducing power of the hydrazine compound from becoming excessively high, making it easier to obtain the desired copper particles 12. 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12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12の表面を速やかに被覆するので、銅粒子12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 12 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 12, thereby suppressing dissolution of the copper particles 12. 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12を生成させると共に、生成した銅粒子12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12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12の生成と、銅粒子12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12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12の生成速度が遅くなりすぎて、銅粒子12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12の生成速度が速くなりすぎて、銅粒子12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 12 and to form an organic protective film on the surface of the generated copper particles 12. Maintaining the heated solution in an inert gas atmosphere is intended to prevent oxidation of the generated copper particles 12. 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 12 and the formation of an organic protective film on the surface of the copper particles 12. This allows for the production of copper particles 12 to be obtained, with the organic protective film covering the copper particles 12 in a range of 0.5% to 2.0% by weight based on 100% by weight of copper particles. 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 copper particles 12 are produced may become too slow, and the amount of organic protective film coating the copper particles 12 may become excessive. If the heating temperature exceeds 80°C and the holding time exceeds 2.5 hours, the rate at which copper particles 12 are produced may become too fast, and the amount of organic protective film coating the copper particles 12 may become 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12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12を得る。この銅粒子12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 12 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 12 whose surfaces are coated with an organic protective film. Because the surfaces of these copper particles 12 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.
(溶媒)
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、任意のものであってよいが、有機溶媒であることが好ましく、多価アルコールであることがより好ましい。
(solvent)
The solvent 20 acts as a binder for the copper particles 12. The solvent 20 may be any solvent, but is preferably an organic solvent, and more preferably a polyhydric alcohol.
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.
なお、溶媒20は必須の成分でなく、接合用シート10に含まれていなくてよい。 Note that the solvent 20 is not an essential component and does not need to be included in the bonding sheet 10.
(添加剤)
添加剤30は、カルボン酸、カルボン酸塩、アミンまたはアミン塩のうち少なくとも1種である。添加剤30は、炭素の数が2個以上8個以下のカルボン酸、カルボン酸塩、アミンまたはアミン塩のうち少なくとも1種である。すなわち、添加剤30は、炭素の数が2個以上8個以下のカルボン酸と、炭素の数が2個以上8個以下のカルボン酸塩と、炭素の数が2個以上8個以下のアミンと、炭素の数が2個以上8個以下のアミン塩との、少なくとも1つを含むといえる。ここでの炭素の数とは、添加剤の化学式におけるCの数を指す。また、添加剤30は、クエン酸、エチルヘキサン酸、エチルヘキシルアミンのうち少なくとも1種であることがより好ましい。添加剤30としてこのような材料を用いることで、Niを適切に接合できる。
(Additives)
The additive 30 is at least one of a carboxylic acid, a carboxylate, an amine, or an amine salt. The additive 30 is at least one of a carboxylic acid, a carboxylate, an amine, or an amine salt having 2 to 8 carbon atoms. That is, the additive 30 can be said to include at least one of a carboxylic acid having 2 to 8 carbon atoms, a carboxylate having 2 to 8 carbon atoms, an amine having 2 to 8 carbon atoms, and an amine salt having 2 to 8 carbon atoms. The number of carbon atoms here refers to the number of C atoms in the chemical formula of the additive. Furthermore, the additive 30 is more preferably at least one of citric acid, ethylhexanoic acid, and ethylhexylamine. Using such a material as the additive 30 allows for appropriate bonding of Ni.
(接合用シートの特性)
接合用シート10において、溶媒20と銅粒子12との含有量比が、質量比で1:95~5:95(=溶媒:銅粒子)であることが好ましく、1.5:95~4.5:95であることがより好ましく、2:95~4:95であることが更に好ましい。なお例えば、溶媒20と銅粒子12との含有量比が、質量比で1:95~5:95とは、溶媒20の含有量が90質量%以上95質量%以下の範囲内にあり、銅粒子12の含有量が1質量%以上5質量%以下の範囲内にあることを指し、他の含有量比についても同様の意味となる。
接合用シート10において、添加剤30と銅粒子12との含有量比が、質量比で1:95~5:95(=添加剤:銅粒子)であることが好ましく、1.5:95~4.5:95であることがより好ましく、2:95~4:95であることが更に好ましい。
接合用シート10において、添加剤30と溶媒20との含有量比が、質量比で1:5~3:3(=添加剤:溶媒)であることが好ましく、1.5:4.5~3:3であることがより好ましく、2:4~3:3であることが更に好ましい。
(Characteristics of the bonding sheet)
In the bonding sheet 10, the content ratio of the solvent 20 to the copper particles 12 is preferably 1:95 to 5:95 by mass (=solvent:copper particles), more preferably 1.5:95 to 4.5:95, and even more preferably 2:95 to 4:95. For example, a content ratio of the solvent 20 to the copper particles 12 of 1:95 to 5:95 by mass means that the content of the solvent 20 is in the range of 90% by mass to 95% by mass and the content of the copper particles 12 is in the range of 1% by mass to 5% by mass, and the same applies to other content ratios.
In the bonding sheet 10, the content ratio of the additive 30 to the copper particles 12 is preferably 1:95 to 5:95 (=additive:copper particles) by mass, more preferably 1.5:95 to 4.5:95, and even more preferably 2:95 to 4:95.
In the bonding sheet 10, the content ratio of the additive 30 to the solvent 20 is preferably 1:5 to 3:3 (=additive:solvent) by mass, more preferably 1.5:4.5 to 3:3, and even more preferably 2:4 to 3:3.
接合用シート10は、緻密度が50%以上90%以下の範囲内にあることが好ましい。緻密度は、銅粒子2が空間的に接合用シート1を占める割合である。緻密度が50%以上であると、銅粒子2同士の密着性が高くなるので、緻密でボイドが少ない接合層をより形成しやすくなる。また、緻密度が90%以下であると、銅粒子2の表面を溶媒3で覆うことができるので、銅粒子2の酸化が起こりにくくなり、銅粒子の酸化による焼結性の低下をより抑制することができる。緻密度は、55%以上75%以下の範囲内にあることがより好ましく、60%以上70%以下の範囲内にあることが特に好ましい。接合用シート1の緻密度は、接合用シート1の断面を、SEM(走査型電子顕微鏡)を観察し、得られたSEM画像を2値化して、銅粒子2の部分と溶媒3を含む空間部分とに分けることによって算出することができる。具体的には、後述する実施例に記載の方法により算出することができる。 The bonding sheet 10 preferably has a density of 50% to 90%. The density is the proportion of the space occupied by copper particles 2 in the bonding sheet 1. A density of 50% or more enhances adhesion between the copper particles 2, making it easier to form a dense bonding layer with fewer voids. Furthermore, a density of 90% or less allows the surfaces of the copper particles 2 to be covered with the solvent 3, making oxidation of the copper particles 2 less likely to occur and further suppressing the deterioration of sinterability due to oxidation of the copper particles. The density is more preferably 55% to 75%, and even more preferably 60% to 70%. The density of the bonding sheet 1 can be calculated by observing a cross section of the bonding sheet 1 with a scanning electron microscope (SEM), binarizing the resulting SEM image, and separating it into the copper particle 2 portion and the space containing the solvent 3. Specifically, it can be calculated using the method described in the examples below.
接合用シート10の形状やサイズは、特に制限はない。接合用シート10は、例えば、直径が1mm以上50mmの円形シート、一辺が1mm以上50mm以下の矩形シートであってもよい。接合用シート10の厚さは、特に制限はないが、50μm以上1000μm以下の範囲内にあることが好ましい。 There are no particular restrictions on the shape or size of the bonding sheet 10. The bonding sheet 10 may be, for example, a circular sheet with a diameter of 1 mm to 50 mm, or a rectangular sheet with one side measuring 1 mm to 50 mm. There are no particular restrictions on the thickness of the bonding sheet 10, but it is preferably in the range of 50 μm to 1000 μm.
(接合用シートの製造方法)
図2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。図2に示すように、本製造方法においては、銅粒子12と溶媒20と添加剤30を準備して(ステップS10)、準備した銅粒子12と溶媒20と添加剤30とを混合する(ステップS12)。本工程においては、銅粒子12と溶媒20と添加剤30との含有割合が、上記で規定した範囲となるように、銅粒子12と溶媒20と添加剤30とを混合してよい。銅粒子12と溶媒20と添加剤30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)
2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a bonding sheet according to this embodiment. As shown in FIG. 2, in this manufacturing method, copper particles 12, a solvent 20, and an additive 30 are prepared (step S10), and the prepared copper particles 12, solvent 20, and additive 30 are mixed (step S12). In this step, the copper particles 12, solvent 20, and additive 30 may be mixed so that the content ratio of the copper particles 12, solvent 20, and additive 30 falls within the range specified above. The copper particles 12, solvent 20, and additive 30 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12と溶媒20と添加剤30との混合物を用いて、接合用シート10を成形する(ステップS14)。本工程では、銅粒子12と溶媒20と添加剤30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10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12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、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。
このような条件で接合用シート10を成形することで、接合用シート10を適切に製造できる。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10としてもよい。
Next, the bonding sheet 10 is formed using a mixture of copper particles 12, solvent 20, and additive 30 (step S14). In this process, the mixture of copper particles 12, solvent 20, and additive 30 is pressed at room temperature under a predetermined pressure for a predetermined time to form a sheet, thereby obtaining the bonding sheet 10. Room temperature may refer to room temperature, but is not limited thereto, and may be a temperature at which sintering of the copper particles 12 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 1 MPa or more and 20 MPa or less, and even more preferably 1 MPa or more and 10 MPa or less. The predetermined temperature here is preferably 40°C or more and 250°C or less, more preferably 40°C or more and 200°C or less, and even more preferably 40°C or more and 150°C or less. The predetermined time (the time for maintaining the predetermined pressure and temperature) 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 15 minutes or less.
By molding the bonding sheet 10 under these conditions, the bonding sheet 10 can be appropriately manufactured. The method for molding the mixture into a sheet may be a rolling method using a pressure roller or a pressing method using a mold. For example, the bonding sheet 10 may be obtained by molding the mixture into a sheet and cutting the resulting molded product into a predetermined shape.
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3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。
なお、以下の説明では、1つの接合用シート10で第1の部材Aと第2の部材Bとを接合するが、それに限られず、複数の接合用シート10で第1の部材Aと第2の部材Bとを接合して接合体100としてもよいし、1つ又は複数の接合用シート10で3つ以上の部材を接合して接合体100としてもよい。
(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. 3 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.
In the following description, a first member A and a second member B are joined using one joining sheet 10, but this is not limited to this. A first member A and a second member B may be joined using multiple joining sheets 10 to form a joined body 100, or three or more members may be joined using one or multiple joining sheets 10 to form a joined body 100.
さらに言えば、本実施形態においては、第1の部材Aと第2の部材Bとの少なくとも一方は、表面にNiを有する。表面にNiを有するとは、部材全体がNiであってもよいし、表面にのみNiが被覆されていてもよい。また、ここでのNiは、Niの単体金属を指す。 Moreover, in this embodiment, at least one of the first member A and the second member B has Ni on its surface. "Having Ni on its surface" means that the entire member may be Ni, or that only the surface may be coated with Ni. Furthermore, Ni here refers to the elemental metal Ni.
接合体100は、第1の部材Aと第2の部材Bとの間に、接合用シート10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10の銅粒子12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 100 can be produced by placing a bonding sheet 10 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 12 of the bonding sheet 10 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.
(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、銅粒子12と、カルボン酸、カルボン酸塩、アミンまたはアミン塩のうち少なくとも1種の添加剤30とを含み、添加剤30と銅粒子12との含有量比が、質量比で1:95~5:95であり、銅粒子12のBET径が500nm以下であり、添加剤30は、炭素の数が2個以上8個以下のカルボン酸、カルボン酸塩、アミンまたはアミン塩のうち少なくとも1種である。本実施形態に係る接合用シート10は、炭素の数が2個以上8個以下の添加剤30を、この範囲含めることで、Niを適切に接合できる。また、500nm以下の銅粒子12とすることで、表面積を大きくして焼結性を向上させて、Niを適切に接合できる。
(effect)
As described above, the bonding sheet 10 according to this embodiment includes copper particles 12 and at least one additive 30 selected from the group consisting of a carboxylic acid, a carboxylate, an amine, and an amine salt. The additive 30 to copper particles 12 content ratio is 1:95 to 5:95 by mass. The copper particles 12 have a BET diameter of 500 nm or less. The additive 30 is at least one of a carboxylic acid, a carboxylate, an amine, and an amine salt having 2 to 8 carbon atoms. The bonding sheet 10 according to this embodiment can properly bond Ni by including the additive 30 having 2 to 8 carbon atoms within this range. Furthermore, by using copper particles 12 with a diameter of 500 nm or less, the surface area is increased, improving sinterability and allowing Ni to be properly bonded.
添加剤30は、クエン酸、エチルヘキサン酸、エチルヘキシルアミンのうち少なくとも1種であることが好ましい。このような添加剤30を用いることで、Niをより適切に接合できる。 The additive 30 is preferably at least one of citric acid, ethylhexanoic acid, and ethylhexylamine. Using such an additive 30 allows for more appropriate bonding of Ni.
接合用シート10は、多価アルコールの溶媒20を更に含むことが好ましい。溶媒20を用いることで、焼結を適切に進行させて、Niをより適切に接合できる。 The bonding sheet 10 preferably further contains a polyhydric alcohol solvent 20. Using the solvent 20 allows sintering to proceed properly, allowing for more appropriate bonding of the Ni.
溶媒20はポリエチレングリコールであることが好ましい。溶媒20としてポリエチレングリコール(PEG)を用いることで、焼結を適切に進行させて、Niをより適切に接合できる。 The solvent 20 is preferably polyethylene glycol. Using polyethylene glycol (PEG) as the solvent 20 allows the sintering to proceed properly, resulting in better bonding of the Ni.
溶媒20と銅粒子12との含有量比は、質量比で1:95~5:95であることが好ましい。溶媒20がこの量含まれることで、焼結を適切に進行させて、Niをより適切に接合できる。 The content ratio of the solvent 20 to the copper particles 12 is preferably 1:95 to 5:95 by mass. By including this amount of solvent 20, sintering can proceed properly, allowing the Ni to be bonded more appropriately.
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.
(実施例)
次に、実施例について説明する。図4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. 4 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 ) x S (m 2 /g))
(接合用シートの生成)
銅粒子と、溶媒としてのポリエチレングリコール(平均分子量200)と、添加剤としてのクエン酸とを混合した。図4に、銅粒子のBET径と、溶媒の種類と、添加剤の種類と、添加剤の炭素の数(添加剤の炭素数)とを示す。また、図4に、銅粒子と溶媒と添加剤との混合割合を、すなわち銅粒子と溶媒と添加剤との、質量比における含有比率(銅粒子:溶媒:添加剤)を、示す。
次いで、得られた混合物を、加圧ローラを有する粉末圧延機(大野ロール株式会社製、2RM-63K)を用いて、加圧ローラのギャップ幅500μmの条件で圧延処理することにより、厚さ500μmの接合用シートを得た。得られた接合用シートの緻密度を、下記の方法により測定した。
(Production of bonding sheet)
Copper particles were mixed with polyethylene glycol (average molecular weight 200) as a solvent and citric acid as an additive. Figure 4 shows the BET diameter of the copper particles, the type of solvent, the type of additive, and the number of carbon atoms in the additive (number of carbon atoms in the additive). Figure 4 also shows the mixing ratio of the copper particles, solvent, and additive, i.e., the mass ratio of the copper particles, solvent, and additive (copper particles:solvent:additive).
Next, the obtained mixture was rolled using a powder rolling mill (2RM-63K, manufactured by Ohno Roll Co., Ltd.) with a pressure roller at a gap width of 500 μm to obtain a bonding sheet having a thickness of 500 μm. The density of the obtained bonding sheet was measured by the following method.
(接合用シートの緻密度)
接合用シートをエポキシ樹脂で封止した後、接合用シートの厚み方向に対して水平方向に、接合用シートを切断した。接合用シートの切断面に対して、機械研磨とクロスポリッシュ加工を施すことにより接合用シートの断面出しを行った。次いで、接合用シートの切断面を、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて50000倍で観察した。得られたSEM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、粒子部と空孔部とに分け、下記の式より緻密度を算出した。
緻密度(%)=(粒子部の総面積/(粒子部の総面積+空孔部の総面積))×100
(Density of bonding sheet)
After sealing the bonding sheet with epoxy resin, the bonding sheet was cut horizontally relative to the thickness direction of the bonding sheet. The cut surface of the bonding sheet was subjected to mechanical polishing and cross-polishing to expose the cross section of the bonding sheet. Next, the cut surface of the bonding sheet was observed at 50,000x magnification using a scanning electron microscope (SEM). The obtained SEM image was binarized using image processing software (ImageJ, manufactured by the National Institutes of Health, USA) to separate the particle portion and the void portion, and the density was calculated using the following formula.
Density (%)=(total area of particle parts/(total area of particle parts+total area of pore parts))×100
緻密度は、無作為に撮影した10カ所のSEM像について測定した。図4に示した値は、10カ所のSEM像から算出された緻密度の平均値である。 The density was measured from 10 randomly taken SEM images. The value shown in Figure 4 is the average density calculated from the 10 SEM images.
(接合体の生成)
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厚のニッケルめっき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、2.5mm角×1mm厚の無酸素銅ダミー素子を配置した。こうして、ニッケルめっき無酸素銅基板とり2.5mm角の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300℃の条件で、15分間保持することによりニッケルめっき無酸素銅基板とり2.5mm角の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。
(Production of zygotes)
The bonding sheet 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 nickel-plated oxygen-free copper substrate. Next, a 2.5 mm square x 1 mm thick oxygen-free copper dummy element was placed on the bonding sheet piece. In this way, a laminate was obtained in which the nickel-plated oxygen-free copper substrate and the 2.5 mm square oxygen-free copper dummy element were laminated 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 300 ° C., to produce a bonded body (Sample A) in which the nickel-plated oxygen-free copper substrate and the 2.5 mm square oxygen-free copper dummy element were bonded via a copper bonding layer.
(実施例2-7)
実施例2-7においては添加剤の種類、添加剤と溶剤の配合比、銅粒子の種類の少なくとも1つを図4のように変更した以外は実施例1と同様の方法で、接合体を得た。
(Example 2-7)
In Examples 2-7, a bonded body was obtained in the same manner as in Example 1, except that at least one of the type of additive, the compounding ratio of the additive and the solvent, and the type of copper particles was changed as shown in FIG.
(比較例1-4)
比較例1-4においては添加剤の種類、添加剤と溶剤の配合比、銅粒子の種類の少なくとも1つを図4のように変更した以外は実施例1と同様の方法で、接合体を得た。
(Comparative Examples 1-4)
In Comparative Example 1-4, a bonded body was obtained in the same manner as in Example 1, except that at least one of the type of additive, the compounding ratio of the additive and the solvent, and the type of copper particles was changed as shown in FIG.
(評価)
各例の接合体を評価した。評価としては、接合体のシェア強度を評価した。
(evaluation)
The bonded bodies of each example were evaluated, and the evaluation was carried out by evaluating the shear strength of the bonded bodies.
接合体のシェア強度の評価においては、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シェア強度を測定した。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4に示す。 The shear strength of the bonded structures was evaluated using a method in accordance with JIS Z 3198-7 (Lead-Free Solder Test 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 structures were fabricated, and the shear strength of each was measured. The results are shown in Figure 4.
評価においては、接合体のシェア強度が30MPa以上を合格とし、シェア強度が30MPa未満を不合格とした。 In the evaluation, a joint with a shear strength of 30 MPa or more was considered pass, and a shear strength of less than 30 MPa was considered fail.
図4に示すように、BET径が500nm以下の銅粒子に対して、炭素の数が2以上8以下となるカルボン酸、カルボン酸塩、アミンまたはアミン塩のうち少なくとも1種の添加剤を、添加剤と銅粒子との含有量比が質量比で1:95~5:95となるように加えた接合用シートを用いた実施例においては、シェア強度が30MPa以上であり、Niを適切に接合できることが分かる。一方、BET径が500nm以下を用いること、炭素の数が2以上8以下となるカルボン酸、カルボン酸塩、アミンまたはアミン塩のうち少なくとも1種の添加剤を用いること、添加剤と銅粒子との含有量比を上記範囲とすることとの、少なくとも1つを満たさない比較例においては、シェア強度が不合格であり、Niを適切に接合できないことが分かる。 As shown in Figure 4, in examples using bonding sheets in which at least one additive selected from carboxylic acids, carboxylates, amines, and amine salts with a carbon number of 2 to 8 was added to copper particles with a BET diameter of 500 nm or less, with the additive to copper particles content ratio being 1:95 to 5:95 by mass, the shear strength was 30 MPa or more, indicating that Ni could be properly bonded. On the other hand, in comparative examples that did not satisfy at least one of the following conditions: using a BET diameter of 500 nm or less, using at least one additive selected from carboxylic acids, carboxylates, amines, and amine salts with a carbon number of 2 to 8, and keeping the additive to copper particle content ratio within the above range, the shear strength was unsatisfactory, indicating that Ni could not be properly bonded.
(オプションの評価)
また、オプションの評価として、接合体のボイド率の評価を行った。
(option evaluation)
As an optional evaluation, the void ratio of the bonded body was also evaluated.
(接合体のボイド率)
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
(Void ratio of bonded body)
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4に示す。 Seven bonded bodies were produced, and the void ratio was measured for each bonded body. The results are shown in Figure 4.
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 接合用シート
12 銅粒子
20 溶媒
30 添加剤
10 Bonding sheet 12 Copper particles 20 Solvent 30 Additive
Claims (6)
前記添加剤と前記銅粒子との含有量比が、質量比で1:95~5:95であり、
前記銅粒子のBET径が50nm以上500nm以下であり、
前記添加剤は、炭素の数が2個以上8個以下の、カルボン酸、カルボン酸塩、アミンまたはアミン塩のうち少なくとも1種であり、
前記銅粒子は、未焼結であり、表面が、有機物の膜である有機保護膜で被覆されている、
接合用シート。 copper particles and at least one additive selected from the group consisting of a carboxylic acid, a carboxylic acid salt, an amine, and an amine salt;
The content ratio of the additive to the copper particles is 1:95 to 5:95 by mass,
The BET diameter of the copper particles is 50 nm or more and 500 nm or less,
the additive is at least one of a carboxylic acid, a carboxylic acid salt, an amine, and an amine salt, each having from 2 to 8 carbon atoms;
The copper particles are unsintered and have surfaces coated with an organic protective film, which is an organic film.
Joining sheet.
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 5 on a first member;
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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