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2012 Fiscal Year Annual Research Report

還元反応を利用したナノ粒子その場生成による低温接合法の開発とマイクロ接合への適用

Research Project

Project/Area Number 23360322
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

廣瀬 明夫  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70144433)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 佐野 智一  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30314371)
小椋 智  大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90505984)
Project Period (FY) 2011-04-01 – 2014-03-31
Keywords接合 / ナノ材料 / 界面制御 / 高密度実装 / 材料加工処理 / 還元反応 / 有機溶剤 / 焼結
Research Abstract

平成24年度においては、分子量の異なるエチレングリコール系還元溶剤を用いた各種酸化銀ペーストを用いて銅、ニッケルおよびアルミニウムを接合し、接合性に及ぼす溶剤種の影響を評価した。その結果、接合過程で酸化皮膜の還元が可能な銅およびニッケルではポリエチレングリコール400(PEG400)で、酸化皮膜が還元されないアルミニウムではジエチレングリコール(DEG)で最も高いせん断強度が得られた。銅およびニッケルでは分子量の大きいPEG400が高温まで接合層内に残留し、基材表面に形成されている自然酸化皮膜を還元することにより、銅およびニッケルと焼結銀との直接接合が達成された。一方、アルミニウムでは、アルミニウム酸化皮膜上に銀が焼結することにより接合を達成しており、低温からナノ粒子を生成して高い焼結性を示すDEGを用いることで、焼結銀層の緻密化により接合面積が増大し、せん断強度が増加することがわかった。
これらの結果を受けて、銅の接合において、より分解温度の高いポリエチレングリコール1000(PEG1000)を粘性調整用のアルコール系溶剤で希釈した溶剤を用いると、余剰溶剤の残留による加圧時のペーストの排出を防ぎ、PEG400より緻密な焼結銀層を形成することができた。これにより、銅基材全体で銅と銀の直接接合を達成し、38MPaのせん断強度が得られた。また、アルミニウムの接合においては、より還元温度の低いエチレングリコール(EG)とDEGの混合溶剤を用いることで、EGが室温から酸化銀を還元し、それに伴い酸化銀粒子および銀ナノ粒子の再配列が生じ、より緻密な焼成銀層を形成することで10MPaのせん断強度が得られた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は主として各種金属の接合性に及ぼす還元溶剤の影響を明確化すると共に、溶剤選定の指針を示すことを目的とした。その結果、エレクトロニクス分野での代表的な材料である銅、ニッケルおよびアルミニウムにおいて、接合強度評価と破壊形態、破壊機構の解析により、これらの金属に適合する還元溶剤選定の指針を明らかにすることができ、これによりほぼ目標とする接合強度が達成できた。この指針は、その他の金属やセラミックスにおいても拡張可能であり、概ね順調に研究が進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後はこれまでに得られた知見に基づき、各種被接合材料に対して、接合温度、接合加圧力、ペースト組成をパラメータとして接合強度、信頼性の観点から接合温度の低温化、接合加圧力の低加圧化に対する接合条件の最適化を行う。また、MDシミュレーションとナノレベル組織解析から接合過程と接合機構を明確化して、接合プロセスの最適化に対する知見を得ると共に、本接合法の学術的基盤の構築に資する。さらに、パワーデバイスなどのエレクトロニクス実装への摘要を想定して、模擬試験片やデバイスの接合に本プロセスを適用し、初期並びに長期信頼性評価を行うことで実用性の検証を行う。

  • Research Products

    (23 results)

All 2013 2012

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 6 results) Presentation (16 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] 酸化銀ペーストを用いた接合における接合界面組織解析2013

    • Author(s)
      高田 慎也
    • Journal Title

      第19回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム(Mate2013)論文集

      Volume: 19巻 Pages: 83-88

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 銅に対する銀微粒子を用いた通電焼結接合法2013

    • Author(s)
      鈴木 裕一郎
    • Journal Title

      第19回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム(Mate2013)論文集

      Volume: 19巻 Pages: 189-194

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of solvents in polyethylene glycol series on the bonding of copper joints using Ag2O paste2013

    • Author(s)
      S. Takata
    • Journal Title

      Journal of ELECTRONIC MATERIALS

      Volume: Vol. 42 Pages: 507-515

    • DOI

      10.1007/s11664-012-2354-5

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Interfacial Bonding Behavior between Silver Nanoparticles and Gold Substrate Using Molecular Dynamics Simulation2012

    • Author(s)
      T. Ogura, M. Nishimura, H. Tatsumi, W. Takahara and A. Hirose
    • Journal Title

      Materials Transactions

      Volume: Vol. 53 Pages: 2085-2090

    • DOI

      10.2320/matertrans.MB201201

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 高温使用環境に適合した鉛フリー接合技術2012

    • Author(s)
      廣瀬 明夫
    • Journal Title

      電子情報通信学会論文誌C

      Volume: 95-C巻 Pages: 245-253

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of Au and Pd Additions on Joint Strength, Electrical Resistivity, and Ion-Migration Tolerance in Low-Temperature Sintering Bonding Using Ag2O Paste2012

    • Author(s)
      T. Ito
    • Journal Title

      Journal of ELECTRONIC MATERIALS

      Volume: Vol. 41 Pages: 2573-2579

    • DOI

      10.1007/s11664-012-2167-6

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 高温鉛基はんだ代替技術の動向(2)ナノテクノロジーを利用した低温焼結接合2012

    • Author(s)
      廣瀬 明夫
    • Journal Title

      金属

      Volume: 82巻 Pages: 1084-1090

  • [Presentation] 銅に対する銀微粒子を用いた通電焼結接合法2013

    • Author(s)
      鈴木 裕一郎
    • Organizer
      第19回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム(Mate2013)
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜、横浜
    • Year and Date
      20130129-20130130
  • [Presentation] 酸化銀ペーストを用いた接合における接合界面組織解析2013

    • Author(s)
      高田 慎也
    • Organizer
      第19回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム(Mate2013)
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜、横浜
    • Year and Date
      20130129-20130130
  • [Presentation] Interfacial Microstructure in Aluminum and Nickel Bonding Using Silver Nanoparticles Derived from Silver Oxide2012

    • Author(s)
      S. Takata
    • Organizer
      International Conference on Nanojoining and Microjoining (NMJ 2012)
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      20121202-20121205
  • [Presentation] Low Energy Resistance Spot Welding Using Silver Nanoparticle2012

    • Author(s)
      Y. Suzuki
    • Organizer
      International Conference on Nanojoining and Microjoining (NMJ 2012)
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      20121202-20121205
  • [Presentation] Bondability of Joints Using Ag2O and CuO Combined Paste for Electronics Packaging2012

    • Author(s)
      T. Ogura
    • Organizer
      International Conference on Nanojoining and Microjoining (NMJ 2012)
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      20121202-20121205
  • [Presentation] Joining Technology through Sintering of Nano Scale Particles2012

    • Author(s)
      A. Hirose
    • Organizer
      International Conference on Nanojoining and Microjoining (NMJ 2012)
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      20121202-20121205
    • Invited
  • [Presentation] Femtosecond Laser Direct Joining of Cu with Polyethylene Terephthalate2012

    • Author(s)
      T. Sano
    • Organizer
      International Conference on Nanojoining and Microjoining (NMJ 2012)
    • Place of Presentation
      Beijing, China
    • Year and Date
      20121202-20121205
  • [Presentation] Selection of Particle Size and Solvent for Lower Applied Pressure in Metal-to-Metal Bonding using Silver Nanoparticle Paste2012

    • Author(s)
      T. Ogura
    • Organizer
      The International Symposium on Visualization in Joining & Welding Science through Advanced Measurements and Simulation (Visual-JW)
    • Place of Presentation
      Osaka, Japan
    • Year and Date
      20121128-20121130
  • [Presentation] Application of Silver Nanoparticle for Low-energy Resistance Spot Welding2012

    • Author(s)
      Y. Suzuki
    • Organizer
      The International Symposium on Visualization in Joining & Welding Science through Advanced Measurements and Simulation (Visual-JW)
    • Place of Presentation
      Osaka, Japan
    • Year and Date
      20121128-20121130
  • [Presentation] Interfacial Microstructure in Aluminum and Copper Bonding using Silver Nanoparticles Derived from Silver Oxide2012

    • Author(s)
      S. Takata
    • Organizer
      The International Symposium on Visualization in Joining & Welding Science through Advanced Measurements and Simulation (Visual-JW)
    • Place of Presentation
      Osaka, Japan
    • Year and Date
      20121128-20121130
  • [Presentation] Interfacial Microstructure in Aluminum Bonding Using Silver Nanoparticles Derived from Silver Oxide2012

    • Author(s)
      S. Takata
    • Organizer
      Materials Science & Technology 2012 Conference & Exhibition (MS&T)
    • Place of Presentation
      Pittsburgh, Pennsylvania, USA
    • Year and Date
      20121007-20121011
  • [Presentation] 酸化銀ペーストを用いた焼結銀接合部の組織と特性評価2012

    • Author(s)
      高田 慎也
    • Organizer
      平成24年度秋季大会,(社)溶接学会
    • Place of Presentation
      奈良県文化会館、奈良
    • Year and Date
      20120926-20120928
  • [Presentation] 銀ナノ粒子による抵抗スポット溶接の低エネルギー化2012

    • Author(s)
      鈴木 裕一郎
    • Organizer
      平成24年度秋季大会,(社)溶接学会
    • Place of Presentation
      奈良県文化会館、奈良
    • Year and Date
      20120926-20120928
  • [Presentation] Low-Temperature Bonding using Ag2O Paste Containing Polyethylene Glycols2012

    • Author(s)
      T. Ogura
    • Organizer
      65th Annual Assembly & International Conference on the International Institute of Welding
    • Place of Presentation
      Denver, USA
    • Year and Date
      20120603-20120607
  • [Presentation] Low-temperature joining technique for electronics packaging by sintering of nano-scale Ag particles2012

    • Author(s)
      A. Hirose
    • Organizer
      International Welding/Joining Conference-Korea 2012 (IWJC-Korea 2012)
    • Place of Presentation
      Jeju, Korea
    • Year and Date
      20120508-20120511
    • Invited
  • [Presentation] 酸化銀ペーストを用いた焼結銀接合部の組織と特性評価2012

    • Author(s)
      高田 慎也
    • Organizer
      平成24年度春季大会,(社)溶接学会
    • Place of Presentation
      アジア太平洋トレードセンター、大阪
    • Year and Date
      20120410-20120412

URL: 

Published: 2014-07-24  

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