金属组合物、接合材料的制作方法

本发明涉及含有金属成分和焊剂成分的金属组合物、以及含有金属组合物的接合材料。

背景技术：

以往，例如在将第1接合对象物与第2接合对象物接合时，使用金属组合物。例如专利文献1中公开了在印刷基板(第1接合对象物)上安装层叠陶瓷电容器(第2接合对象物)时使用的金属糊料(金属组合物)。上述金属糊料将设置于印刷基板上的焊盘(land)与设置于层叠陶瓷电容器的外部电极接合。

上述金属糊料包含含有Sn粉末和CuNi合金粉末的金属成分、以及含有松香和活化剂的焊剂成分。然后，若上述金属糊料所含的Sn粉末和CuNi合金粉末被加热，则随着液相扩散(以下，“TLP：Transient Liquid Phase Diffusion”)接合，而生成CuNiSn合金。

这里，加热的温度为Sn的熔点以上、CuNi合金的熔点以下，例如为250～350℃。CuNiSn合金为金属间化合物，具有高的熔点(例如400℃以上)。

如此，上述金属糊料中通过较低的温度下的热处理进行TLP反应，所得的金属体变化为以具有热处理温度以上的熔点的金属间化合物为主相的金属体。其结果，热处理后的金属体成为耐热性高的接合材料。

应予说明，上述金属糊料所含的松香、活化剂与通常的焊膏的焊剂成分同样是为了除去(还原)金属粉末、接合对象物的氧化被膜而添加的。这里，一般而言，焊膏中的松香、活化剂的含有比例(wt％)为松香＞活化剂，焊膏中的活化剂的量不会多于松香的量地添加。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2012/108395号小册子

技术实现要素：

然而，若CuNi合金粉末的粒径变小，则CuNi合金粉末表面的氧化程度提高，因此存在利用松香、活化剂的CuNi合金粉末表面的还原变得不充分而Sn和CuNi的湿润变差的趋势。

由此，上述TLP反应中，有时无法使Sn与CuNi的反应充分地进行，或在熔融的Sn中固体的CuNi合金粉末被排斥而两者分离。

本发明的目的在于提供一种通过低温下的热处理成为耐热性高的材料的金属组合物和接合材料。

本发明的金属组合物包含含有第1金属粉末和熔点比第1金属粉末高的第2金属粉末的金属成分、以及焊剂成分。这里，例如，第1金属粉末为Sn粉末或含有Sn的合金粉末，第2金属粉末优选为CuNi合金粉末。金属组合物例如包含于接合材料中。

而且，本发明的金属组合物的特征在于，第2金属粉末的氢还原减量为0.75wt％以下。

该构成中，若加热金属组合物，则金属组合物所含的第1金属粉末和第2金属粉末发生液相扩散(以下，“TLP”)反应，生成金属间化合物。加热的温度为第1金属的熔点以上、第2金属的熔点以下，例如为250～350℃。金属间化合物具有加热温度以上的高的熔点(例如400℃以上)。

第2金属粉末的氢还原减量为0wt％～0.75wt％时，第2金属粉末表面的氧化程度低，第2金属粉末表面被松香、活化剂充分地还原。

因此，该构成的金属组合物中通过较低的温度下的热处理进行TLP反应。即，该构成的金属组合物通过低温下的热处理成为耐热性高的材料。

应予说明，第2金属粉末的比表面积优选大于0m²/g且小于0.61m²/g。

另一方面，第2金属粉末的比表面积为0.61m²/g以上时，第2金属粉末的比表面积大，因此第2金属粉末表面的氧化程度提高。

因此，焊剂成分优选含有松香和活化剂，且活化剂的重量与松香的重量之比为1.0以上。在这种情况下，还原力高，第2金属粉末的表面被松香、活化剂充分地还原。

此外，松香的酸值优选为130以上。松香的酸值大与树脂酸的量多是等价的。通过将树脂酸所具有的羧基与第2金属粉末的表面的氧化被膜在加热中进行反应而除去氧化被膜。

因此，越是酸值大的松香，还原金属粉末表面的氧化被膜的效果越大。

此外，活化剂优选具有羧基。通过将活化剂所具有的羧基与第2金属粉末的表面的氧化被膜在加热中进行反应而除去氧化被膜。羧基使金属粉末表面还原。

应予说明，金属组合物优选成型为片状、油灰状或糊状。

根据本发明，可以提供一种通过低温下的热处理成为耐热性高的材料的金属组合物。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的实施方式所涉及的金属组合物的反应过程的截面图。

图2是介由金属糊料25安装在形成于印刷配线基板22的焊盘21上的电子部件24的侧面图。

图3是在破损部DP上贴附有修补片303的配管310的外观立体图。

图4是卷绕有图3所示的修补片303的卷绕体300的外观立体图。

图5是涂布有金属修补剂31的螺栓50的截面图。

图6是图5所示的螺栓50的加热后的截面图。

图7是图5所示的螺栓50的再加热后的截面图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式所涉及的金属组合物进行说明。

图1是示意性地表示本发明的实施方式所涉及的金属组合物的反应过程的截面图。

如图1(A)所示，金属组合物105例如用于将第1接合对象物101与第2接合对象物102接合。即，金属组合物105例如作为接合材料使用。

第1接合对象物101例如为配管、螺母和层叠陶瓷电容器等电子部件。第2接合对象物102例如为构成贴附于配管的修补片的基材片、嵌入螺母的螺栓、以及安装电子部件的印刷基板。

为了得到图1(C)所示的接合结构100，首先，如图1(A)所示，在第1接合对象物101与第2接合对象物102之间赋予金属组合物105。金属组合物105例如成型为片状、油灰状或糊状。

金属组合物105含有金属成分110和焊剂108。金属成分110均匀地分散于焊剂108中。金属成分110包含由Sn系金属构成的第1金属粉末106和由熔点比Sn系金属高的Cu系金属构成的第2金属粉末107。

第1金属粉末106的材料为Sn。

第2金属粉末107的材料是能够与通过金属组合物105的加热而熔融的第1金属粉末106反应，生成金属间化合物的材料。本实施方式中，第2金属粉末107的材料为Cu－Ni系合金，更具体而言，为Cu－10Ni合金。

接着，焊剂108含有松香、溶剂、触变剂、活化剂等。焊剂108起到除去接合对象物、金属粉末的表面的氧化被膜的功能。

松香例如为由将松香改性的改性松香和松香等的衍生物构成的松香系树脂、由其衍生物构成的合成树脂，或它们的混合物等。

松香系树脂例如为聚合松香、松香、浮油松香、木松香、氢化松香、甲酰化松香、松香酯、松香改性马来酸树脂、松香改性酚醛树脂、松香改性醇酸树脂、其它各种松香衍生物等。

合成树脂例如为聚酯树脂、聚酰胺树脂、苯氧基树脂、萜烯树脂等。

溶剂例如为醇、酮、酯、醚、芳香族系、烃类等。

触变剂例如为氢化蓖麻油、巴西棕榈蜡、酰胺类、羟基脂肪酸类、二亚苄基山梨糖醇、双(对甲基苯亚甲基)山梨糖醇类、蜜蜡、硬脂酸酰胺、羟基硬脂酸亚乙基双酰胺等。

此外，活化剂例如为胺的氢卤酸盐、有机卤素化合物、有机酸、有机胺、多元醇等。这里，活化剂优选具有单羧酸、二羧酸、三羧酸等羧基。羧基与金属粉末表面的氧化被膜反应，使金属粉末表面还原。

胺的氢卤酸盐例如为二苯基胍氢溴酸盐、二苯基胍盐酸盐、环己基胺氢溴酸盐、乙基胺盐酸盐、乙基胺氢溴酸盐、二乙基苯胺氢溴酸盐、二乙基苯胺盐酸盐、三乙醇胺氢溴酸盐、单乙醇胺氢溴酸盐等。

有机卤素化合物例如为氯化石蜡、四溴乙烷、二溴丙醇、2,3－二溴－1,4－丁二醇、2,3－二溴－2－丁烯－1,4－二醇、三(2,3－二溴丙基)异氰脲酸酯等。

有机酸例如为己二酸、癸二酸、丙二酸、富马酸、乙醇酸、柠檬酸、苹果酸、琥珀酸、苯基琥珀酸、马来酸、水杨酸、邻氨基苯甲酸、戊二酸、辛二酸、硬脂酸、松香酸、苯甲酸、偏苯三酸、均苯四酸、十二烷酸等。

有机胺例如为单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、三丁基胺、苯胺、二乙基苯胺等。

多元醇例如为赤藓糖醇、邻苯三酚、核糖醇等。

接着，在图1(A)所示的状态下将金属组合物105例如以热风加热。由此，金属组合物105达到第1金属粉末106的熔点以上的温度时，第1金属粉末106如图1(B)所示地熔融。加热的温度为Sn的熔点以上、CuNi的熔点以下，例如为250～350℃。

然后，熔融的Sn和作为第2金属粉末107的CuNi合金粉末通过液相扩散(以下，“TLP”)反应生成CuNiSn系合金。CuNiSn系合金是含有选自Cu、Ni和Sn中的至少2种的合金。CuNiSn系合金例如为(Cu，Ni)₆Sn₅、Cu₄Ni₂Sn₅、Cu₅NiSn₅、(Cu，Ni)₃Sn、CuNi₂Sn、Cu₂NiSn、Ni₃Sn₄、Cu₆Sn₅等金属间化合物，具有热处理温度以上的高的熔点(例如400℃以上)。图1(C)中图示有由CuNiSn系合金(金属间化合物)构成的金属间化合物相109。

如此，金属组合物105中通过较低的温度下的热处理进行TLP反应。其结果，金属组合物105成为耐热性高的接合材料104。

若接合材料104的耐热性高，则例如在制造半导体装置时，在经过进行焊接的工序而制造半导体装置后，即使在将该半导体装置通过回流焊的方法安装于基板的情况下，也可以使通过先前的焊接得到的焊接部分耐热强度优异。可以不通过回流焊的工序进行再熔融而进行可靠性高的安装。

以下，对金属组合物105的具体的使用例进行说明。首先，对成型为糊状的金属组合物105的使用例进行说明。

图2是介由金属糊料25安装在形成于印刷配线基板22的焊盘21上的电子部件24的侧面图。

首先，在形成于印刷配线基板22的焊盘21上设置金属糊料25。金属糊料25与图1所示的金属组合物105同样地含有金属成分110和焊剂108。

接着，在焊盘21上通过贴片机搭载电子部件24。电子部件24为层叠陶瓷电容器。电子部件24具有包含多个内部电极的陶瓷层叠体20、和设置于陶瓷层叠体20的两端部且与各内部电极连接的外部电极23。

接着，将电子部件24和金属糊料25例如使用回流焊装置进行加热。由此，金属糊料25达到第1金属粉末106的熔点以上的温度时，第1金属粉末106如图1(B)所示地熔融。

然后，熔融的Sn和作为第2金属粉末107的CuNi合金粉末通过TLP反应生成CuNiSn系合金(金属间化合物)。

如此，金属糊料25通过较低的温度下的热处理进行TLP反应。其结果，金属糊料25成为耐热性高的接合材料104。

接着，对成型为片状的金属组合物105的使用例进行说明。

图3是在破损部DP贴附有修补片303的配管310的外观立体图。图4是卷绕有图3所示的修补片303的卷绕体300的外观立体图。

首先，从卷绕体300裁断修补片303，以堵住配管310的破损部DP的方式，将修补片303的粘合面贴附于配管310。修补片303具有粘合面。

修补片303是将金属片贴附于柔性的基材片而成的片。该金属片与图1所示的金属组合物105同样地含有金属成分110和焊剂108。基材片例如由Cu构成。

接着，将修补片303以热风加热。由此，修补片303达到第1金属粉末106的熔点以上的温度时，修补片303中的第1金属粉末106如图1(B)所示地熔融。

然后，熔融的Sn和作为第2金属粉末107的CuNi合金粉末通过TLP反应生成CuNiSn系合金(金属间化合物)。其结果，在修补片303上形成由CuNiSn系合金构成的金属间化合物层。

如此，修补片303通过较低的温度下的热处理进行TLP反应，修补片303可以将破损部DP以耐热性高的金属间化合物层覆盖。因此，修补片303可以进行配管310的修补。

接着，对成型为油灰状的金属组合物105的使用例进行说明。

图5是涂布有金属修补剂31的螺栓50的截面图。图6是图5所示的螺栓50的加热后的截面图。图7是图5所示的螺栓50的再加热后的截面图。

首先，如图5所示，将金属修补剂31涂布于螺栓50的螺纹部51。金属修补剂31也与图1所示的金属组合物105同样地含有金属成分110和焊剂108。

接着，将螺栓50嵌合于螺母60的螺纹部61。

接着，将螺栓50和螺母60的螺纹部61例如利用热风枪加热。由此，金属修补剂31达到第1金属粉末106的熔点以上的温度时，第1金属粉末106如图1(B)所示地熔融。

在加热结束时，将第1金属自然冷却、凝固，形成第1金属相。即，金属修补剂31在室温下成为第2金属粒分散于以第1金属为主成分的金属体而成的比较致密的金属构件32(参照图6)。其结果，螺栓50和螺母60利用金属构件32牢固地接合。

接着，将螺栓50和螺母60的螺纹部61例如利用热风枪再加热。由此，将螺栓50和螺母60的螺纹部61接合的金属构件32达到第1金属粉末106的熔点以上的温度时，熔融的Sn和作为第2金属粉末107的CuNi合金粉末通过TLP反应生成CuNiSn系合金(金属间化合物)。

其结果，比较致密的金属构件32变化为空孔较多的金属间化合物构件30(参照图7)。

接着，将金属间化合物构件30作为分离部分将螺栓50和螺母60分离。

这里，金属间化合物构件30是金属间化合物构件30的空孔率高于金属构件32的空孔率的构件。因此，用户可以将金属间化合物构件30作为分离部分容易地分离螺栓50和螺母60。

因此，根据该使用例，可以通过加热处理容易且牢固地接合螺栓50和螺母60，即，可以容易地进行螺栓50和螺母60的闭锁，可以通过再加热处理容易地分离螺栓50和螺母60。

接着，对改变金属组合物105的构成而实施的实验例进行记载。

(实验1)

实验1中，准备通过将含有Sn粉末(第1金属粉末)和CuNi合金粉末(第2金属粉末)的金属成分与含有松香和活化剂的焊剂成分混合而制作的多个试样1～5、51，判定是否进行TLP反应。TLP反应通过将多个试样1～5、51例如使用回流焊装置在大气压下在250℃加热5分钟而进行判定。

将CuNi合金粉末的粒径(D50)、比表面积和氢还原减量示于表1。此外，将多个试样1～5、51中使用的各材料的信息和各材料的配合比率示于表2。

[表1]

[表2]

另外，试样1～5为本发明的实施例所涉及的金属组合物，试样51是本发明的实施例的比较例所涉及的金属组合物。这里，Sn粉末的粒径(D50)例如为10μm。CuNi合金粉末的比表面积大于0m²/g且小于0.61m²/g。此外，CuNi合金粉末的氢还原减量是按照JPMA P03－1992法所规定的测定方法得到的，这里，是预先测定CuNi合金粉末的初期重量，测定将CuNi合金粉末在875℃、30分钟在氢中还原后的重量，将两重量的差除以初期重量而得到的重量减少率。此外，作为活化剂的己二酸具有羧基。

根据实验可明确，试样51中，如表1所示，TLP反应几乎未进行。认为成为这种结果的理由是因为，CuNi合金粉末的氢还原减量大于0.75wt％，即，CuNi合金粉末表面的氧化程度高，CuNi合金粉末的表面无法被松香、活化剂充分地还原。

另一方面，明确了在多个试样1～5中，如表1所示，TLP反应适当地进行，生成了金属间化合物相。认为成为这种结果的理由是因为，CuNi合金粉末的氢还原减量为0.75wt％以下，即，CuNi合金粉末表面的氧化程度低，CuNi合金粉末的表面被松香、活化剂充分地还原。

因此，在各试样1～5中，通过较低的温度下的热处理进行TLP反应。其结果，各试样1～5成为耐热性高的材料。

(实验2)

实验2中，准备通过将含有Sn粉末(第1金属粉末)和CuNi合金粉末(第2金属粉末)的金属成分与含有松香和活化剂的焊剂成分混合而制作的多个试样6～8、52～55，判定是否进行TLP反应。TLP反应通过将多个试样6～8，52～55例如使用回流焊装置在大气压下在250℃加热5分钟来进行判定。

多个试样6～8、52～55主要是在CuNi合金粉末的比表面积为0.61m²/g以上的方面与实验1中使用的多个试样1～5、51不同。

将CuNi合金粉末的粒径(D50)、CuNi合金粉末的比表面积、CuNi合金粉末的氢还原减量、松香的重量百分比浓度、活化剂的重量百分比浓度、活化剂的重量与松香的重量之比、Sn和CuNi合金粉末的分离的有无、以及TLP反应的有无示于表3。此外，将多个试样6～8、52～55中使用的各材料的信息以及各材料的配合比率示于表4。

[表4]

应予说明，试样6～8为本发明的实施例所涉及的金属组合物，试样52～55为本发明的实施例的比较例所涉及的金属组合物。此外，作为活化剂的癸二酸具有羧基。

根据实验，明确了在试样52、53中，如表3所示，Sn和CuNi合金粉末分离，TLP反应仅局部地进行。

认为成为这种结果的理由是因为，CuNi合金粉末的比表面积为0.61m²/g以上，即，糊料中所含的CuNi合金粉末的应还原的表面积的比例变大，CuNi合金粉末的表面无法被松香、活化剂充分地还原。

此外，根据实验，明确了在试样54、55中，如表3所示，即使松香的量多于试样52、53，Sn和CuNi合金粉末也分离，TLP反应仅局部地进行。

认为成为这种结果的理由是因为，CuNi合金粉末的比表面积为0.61m²/g以上，即，糊料中所含的CuNi合金粉末的应还原的表面积的比例大，进而，即使增加与活化剂相比CuNi合金粉末表面的还原能力低的松香量，CuNi合金粉末的表面也无法充分地还原。

另一方面，明确了在多个试样6～8中，如表3所示，Sn与CuNi合金粉末未分离，TLP反应适当地进行，生成了金属间化合物相。

认为成为这种结果的理由是因为，CuNi合金粉末的比表面积为0.61m²/g以上，但活化剂的重量与松香的重量之比为1.0以上(即，活化剂的量多)，因此活化剂的还原力高，CuNi合金粉末的表面被活化剂充分地还原。

因此，各试样6～8中，通过较低的温度下的热处理进行TLP反应。其结果，各试样6～8成为耐热性高的材料。

(实验3)

实验3中，准备通过将含有Sn粉末(第1金属粉末)和CuNi合金粉末(第2金属粉末)的金属成分与含有松香和活化剂的焊剂成分混合而制作的多个试样9～12、56、57，判定是否进行TLP反应。TLP反应通过将多个试样9～12、56、57例如使用回流焊装置在大气压下在250℃加热5分钟来进行判定。

将松香的种类、松香的酸值、以及TLP反应的有无示于表5。此外，将多个试样9～12、56、57中使用的各材料的信息以及各材料的配合比率示于表6。

[表5]

[表6]

应予说明，试样9～12为本发明的实施例所涉及的金属组合物，试样56～57为本发明的实施例的比较例所涉及的金属组合物。对于多个试样9～12、56、57，CuNi合金粉末的比表面积小于0.61m²/g。此外，作为活化剂的癸二酸具有羧基。CuNi合金粉末的粒径(D50)为30μm。

根据实验，明确了在试样56、57中，如表5所示，TLP反应未进行。认为成为这种结果的理由是因为，虽然CuNi合金粉末的比表面积小于0.61m²/g，但松香的酸值小于130，即，松香的还原力低，CuNi合金粉末的表面无法被松香、活化剂充分地还原。

另一方面，明确了在多个试样9～12中，如表5所示，TLP反应适当地进行，生成了金属间化合物相。认为成为这种结果的理由是因为，松香的酸值为130以上，即，松香的还原力高，CuNi合金粉末的表面被松香充分地还原。

应予说明，松香的酸值大与树脂酸的量多是等价的。通过将树脂酸所具有的羧基与第2金属粉末的表面的氧化被膜在加热中反应而除去氧化被膜。因此，越是酸值大的松香，还原金属粉末表面的氧化被膜的效果越大。

因此，各试样9～12中，通过较低的温度下的热处理进行TLP反应。其结果，各试样9～12成为耐热性高的材料。

《其它实施方式》

应予说明，本实施方式中第1金属粉末106的材料为Sn单质，但不限于此。在实施时，第1金属粉末106的材料也可以是含有Sn的合金(具体而言，含有选自Cu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te和P中的至少1种和Sn的合金)。

此外，本实施方式中第2金属粉末107的材料为CuNi合金，但不限于此。在实施时，第2金属粉末107的材料例如也可以是选自CuNi合金、CuMn合金、CuAl合金、CuCr合金和AgPd合金等中的1种或多种粉末。

这里，在利用液相扩散(TLP)反应时，只要设定适于材料的热处理条件(温度和时间)即可。

此外，在以上所示的实施方式的加热工序中，除热风加热以外也可进行远红外线加热、高频感应加热。

最后，应该认为上述实施方式的说明都是例示而不是限制的内容。本发明的范围不是由上述实施方式表示而是由专利请求保护的范围表示。进而，意味本发明的范围也包含与专利请求保护的范围等同的意思和范围内的全部变更。

符号说明

20…陶瓷层叠体

21…焊盘

22…印刷配线基板

23…外部电极

24…电子部件

25…金属糊料

30…金属间化合物构件

31…金属修补剂

32…金属构件

50…螺栓

60…螺母

100…接合结构

101…第1接合对象物

102…第2接合对象物

104…接合材料

105…金属组合物

106…第1金属粉末

107…第2金属粉末

108…焊剂

109…金属间化合物相

110…金属成分

300…卷绕体

303…修补片

310…配管

DP…破损部