接合用金属糊剂和接合方法与流程

本发明涉及能够形成减少了与被接合构件之间的端部的孔隙的金属接合层的接合材料和使用该接合材料的接合方法。

背景技术：

1、以往，在将半导体芯片等电子部件搭载于铜基板等基板上而得到的半导体装置中，通过焊料将电子部件固定在基板上，但近些年，考虑到对人体、环境等的负担，正在由以往的含铅的焊料过渡到无铅焊料。

2、另外，在这样的半导体装置中，为了增大对基板上的安装密度而使电子部件小型化，因此，驱动它们的电流密度有增大的倾向。作为其结果，电子部件工作时的发热也会变大。另外，正在研究使用与已广泛使用的si元件相比具有更低损耗和优异特性的sic元件作为半导体元件的技术。在基板上搭载有该sic元件的半导体装置中，也有操作温度超过200℃的情况。在可能暴露于这种高温环境的半导体装置的制造中，需要使用熔点高的高温软钎料作为将电子部件固定在基板上的焊料，但这样的高温软钎料难以无铅化。

3、在这种趋势下，本申请人迄今为止公开了如下内容：通过在糊剂内包含纳米银颗粒并适当控制其构成，从而能够提供即使不使用属于环境负担物质的铅也具有高接合强度、属于低温下的处理且同时高温耐久性优异的接合方法。(专利文献1和2)

4、现有技术文献

5、专利文献

6、专利文献1：日本特开2015-004105号公报

7、专利文献2：日本特开2015-225842号公报

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、作为专利文献1和2中公开的技术，公开了如下内容：通过组合使用纳米尺寸的银颗粒和微米尺寸的银颗粒并且组合使用烧结助剂、磷酸酯系的添加剂，从而能够减少在涂布糊剂并使其烧结时所形成的金属层中的孔隙。

3、然而，根据发明人等最近的研究可知：即使是这样对构成进行了优化的糊剂，有时也会存在尤其是在进行大面积的接合时于端部发生粘接不良的情况。如果水分等浸入到因端部的接合不良而导致的孔隙部分，则推测会存在由该部分发生缓慢氧化的危险，因此，强烈期望制成即使接合面积大也不发生粘接不良的糊剂的构成。

4、因此，作为本发明要解决的课题，设定为提供即使在接合面积大的情况下也能够减少在端部产生孔隙、能够形成具有均匀性的接合层的接合糊剂以及使用该糊剂的接合方法。

5、用于解决问题的方案

6、为了解决这些问题，本发明人进行了深入研究，结果发现：对于糊剂而言，如果不仅是添加的成分，还将添加后形成的糊剂所显示的性质也设定为适合的条件，则能够解决上述课题，从而完成了本发明。

7、即，本说明书所公开的第1发明为一种接合用金属糊剂，其至少包含一次粒径的个数平均值为10～100nm的金属纳米颗粒(a)，在将糊剂在氮气气氛中以3℃/分钟的升温速度从40℃升温至700℃时的失重值的累积值(l700)设为100时，从40℃升温至100℃时的失重值的累积值(l100)为75以下，从40℃升温至150℃时的失重值的累积值(l150)为90以上，从40℃升温至200℃时的失重值的累积值(l200)为98以上。

8、第2发明为如下的接合用金属糊剂：在第1发明中，从40℃升温至200℃时的失重值的累积值(l200)为99.9以下。

9、第3发明为如下的接合用金属糊剂：在第1或第2发明所述的接合用金属糊剂中，在将包含含有金属纳米颗粒(a)的金属颗粒、溶剂、分散剂等添加剂的接合用金属糊剂总量设为100质量％、将焙烧温度设为tb(℃)时，沸点或分解温度为tb-50(℃)以上且tb+50(℃)以下的溶剂为5质量％以上且10质量％以下。

10、第4发明为如下的接合用金属糊剂：在第1～第3的任一发明所述的接合用金属糊剂中，在将包含含有金属纳米颗粒(a)的金属颗粒、溶剂、分散剂等添加剂的接合用金属糊剂总量设为100质量％、将焙烧温度设为tb(℃)时，含有1.5质量％以下的沸点或分解温度高于焙烧温度tb+50(℃)的成分。

11、第5发明为一种接合用金属糊剂，其包含金属颗粒，所述金属颗粒至少包含一次粒径的个数平均值为10～100nm的金属纳米颗粒(a)，该糊剂中包含的金属颗粒在氮气气氛中以0.1mpa加压的同时边以3℃/分钟的升温速度从30℃升温至250℃边进行的热机械分析中测得的收缩率为1.5％以下。

12、第6发明为如下的接合用金属糊剂：在第5发明所述的接合用金属糊剂中，所使用的金属颗粒在从30℃升温至200℃的同时进行的热机械分析中测得的收缩率为0.5％以下。

13、第7发明为如下的接合用金属糊剂：在第5或第6发明所述的接合用金属糊剂中，所使用的金属颗粒在从30℃升温至175℃的同时进行的热机械分析中测得的收缩率为0.3％以下。

14、第8发明为如下的接合用金属糊剂：在第1～第7的任一发明中，还包含通过激光衍射型粒度分布装置所测得的体积换算的平均粒径(d50)为1.0～5.0μm的金属颗粒(b)。

15、第9发明为如下的接合用金属糊剂：在第8发明中，金属纳米颗粒(a)与金属颗粒(b)的重量混合比以(a)/(b)计为0.25以下。

16、第10发明为一种接合两个被接合构件的接合方法，其具备如下工序：在被接合构件上涂布第1～第9的任一发明所述的涂布接合用金属糊剂的工序；在该涂膜上，将另一个涂布有所述糊剂的被接合构件物载置于再一个被接合构件上；在载置后升温至200～350℃的烧结温度并在烧结温度下保持不超过2小时，形成金属接合层的工序。

17、第11发明为如下的接合方法：在第10发明所述的接合方法中，具备在涂布接合用金属糊剂之后以50～150℃的温度进行干燥的工序。

18、第12发明为如下的接合方法：在第10或第11发明中，从室温至烧结温度的升温速度为每分钟1.5～10℃。

19、第13发明为如下的接合方法：在第10～第12的任一发明中，涂布接合用金属糊剂的面积(接合面积)为9mm2以上。

20、发明的效果

21、根据本发明，即使在接合面积大的情况下，也能够减少在端部产生孔隙，能够形成具有均匀性的接合层，能够形成具有高的接合强度的接合体。

技术特征：

1.一种接合用金属糊剂，其包含一次粒径的个数平均值为10～100nm的金属纳米颗粒(a)，在将糊剂在氮气气氛中以3℃/分钟的升温速度从40℃升温至700℃时的失重值的累积值(l700)设为100时，从40℃升温至100℃时的失重值的累积值(l100)为75以下，从40℃升温至150℃时的失重值的累积值(l150)为90以上，从40℃升温至200℃时的失重值的累积值(l200)为98以上。

2.根据权利要求1所述的接合用金属糊剂，其中，从40℃升温至200℃时的失重值的累积值(l200)为99.9以下。

3.根据权利要求1或2所述的接合用金属糊剂，其中，在将包含含有金属纳米颗粒(a)的金属颗粒、溶剂、分散剂等添加剂的接合用金属糊剂总量设为100质量％、将焙烧温度设为tb(℃)时，沸点或分解温度为tb-50(℃)以上且tb+50(℃)以下的溶剂为5质量％以上且10质量％以下。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的接合用金属糊剂，其中，在将包含含有金属纳米颗粒(a)的金属颗粒、溶剂、分散剂等添加剂的接合用金属糊剂总量设为100质量％、将焙烧温度设为tb(℃)时，含有1.5质量％以下的沸点或分解温度高于焙烧温度tb+50(℃)的成分。

5.一种接合用金属糊剂，其包含金属颗粒，所述金属颗粒包含一次粒径的个数平均值为10～100nm的金属纳米颗粒(a)，该糊剂中包含的金属颗粒在氮气气氛中以0.1mpa加压的同时边以3℃/分钟的升温速度从30℃升温至250℃边进行的热机械分析中测得的收缩率为1.5％以下。

6.根据权利要求5所述的接合用金属糊剂，其中，金属颗粒在从30℃升温至200℃的同时进行的热机械分析中测得的收缩率为0.5％以下。

7.根据权利要求5或6所述的接合用金属糊剂，其中，金属颗粒在从30℃升温至175℃的同时进行的热机械分析中测得的收缩率为0.3％以下。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的接合用金属糊剂，其包含通过激光衍射型粒度分布装置所测得的体积换算的平均粒径(d50)为1.0～5.0μm的金属颗粒(b)。

9.根据权利要求8所述的接合用金属糊剂，其中，金属纳米颗粒(a)与金属颗粒(b)的重量混合比以(a)/(b)计为0.25以下。

10.一种接合两个被接合构件的接合方法，其具备如下工序：在被接合构件上涂布权利要求1～9中任一项所述的接合用金属糊剂的工序；在该涂膜上，将另一个涂布有所述糊剂的被接合构件物载置于再一个被接合构件上；在载置后升温至200～350℃的烧结温度并在烧结温度下保持不超过2小时，形成金属接合层的工序。

11.根据权利要求10所述的接合方法，其具备在涂布接合用金属糊剂之后以50～150℃的温度进行干燥的工序。

12.根据权利要求10或11所述的接合方法，其中，从室温至烧结温度的升温速度为每分钟1.5～10℃。

13.根据权利要求10～12中任一项所述的接合方法，其中，涂布接合用金属糊剂的面积即接合面积为9mm2以上。

技术总结
本发明提供即使接合面积大也能够减少在端部产生孔隙、能够形成具有均匀性的接合层的接合糊剂以及使用该糊剂的接合方法。提供一种接合用金属糊剂，其包含一次粒径的个数平均值为10～100nm的金属纳米颗粒(A)，在将糊剂在氮气气氛中以3℃/分钟的升温速度从40℃升温至700℃时的失重值的累积值(L<subgt;700</subgt;)设为100时，从40℃升温至100℃时的失重值的累积值(L<subgt;100</subgt;)为75以下，从40℃升温至150℃时的失重值的累积值(L<subgt;150</subgt;)为90以上，从40℃升温至200℃时的失重值的累积值(L<subgt;200</subgt;)为98以上。

技术研发人员：远藤圭一,上山俊彦
受保护的技术使用者：同和电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13