接合用金屬糊、接合方法和接合體的制作方法
【專利說明】接合用金屬糊、接合方法和接合體
[0001] 發(fā)明背景 1.發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及接合用金屬糊，接合方法和接合體。
[0003] 2.相關(guān)技術(shù)描述
[0004] 焊料用作接合材料將部件接合。然而，由于焊料的低烙點(diǎn)，難W在其操作溫度為高 的動(dòng)力裝置部件如碳化娃和氮化嫁中使用焊料。因此，目前包含具有高耐熱性的金屬納米 顆粒的金屬糊用作接合材料。
[0005] 例如，日本專利申請(qǐng)公開No.2013-4309(肝2013-4309 A)公開了包含金屬納米顆 粒、具有親水性部分的憐酸基分散劑和極性溶劑的金屬納米顆粒糊。另外，國(guó)際公開No.WO 02/35554公開了導(dǎo)電金屬糊，其包含含有有機(jī)溶劑的清漆狀樹脂組合物、具有0.5-20WI1的 平均粒度的金屬填料和具有I-IOOnm的平均粒度的金屬超細(xì)顆粒。
[0006] 在常規(guī)金屬糊中，需要大量溶劑W將金屬納米顆粒均勻分散于糊中。然而，當(dāng)溶劑 存在于金屬糊中時(shí)，存在運(yùn)一問題：即使當(dāng)將金屬糊涂覆在元件上，干燥和燒制，部件的接 合強(qiáng)度是不足的。運(yùn)是因?yàn)樵诮饘俸母稍锖蜔破陂g，溶劑被多個(gè)金屬納米顆粒俘獲并 保留在接合部中。
[0007] 另外，即使當(dāng)部件在壓力下接合W防止溶劑保留在接合部中，存在接合界面剝落 而降低接合強(qiáng)度的問題。
[000引發(fā)明概述
[0009] 本發(fā)明提供能夠W高強(qiáng)度接合部件的金屬糊，使用金屬糊的接合方法和用金屬糊 接合的接合體。
[0010] 本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在努力研究之后，通過使用金屬納米顆粒的聚集體，可W W高強(qiáng)度 將部件接合。當(dāng)將包含金屬納米顆粒聚集體的金屬糊涂覆在部件上，干燥并燒制時(shí)，多個(gè)聚 集體聚集并在聚集體之間形成空隙。由于金屬糊的溶劑可通過所形成的空隙蒸發(fā)，接合部 中溶劑的保留率降低并可實(shí)現(xiàn)高接合強(qiáng)度。
[0011] 空隙的運(yùn)一形成也可作為金屬糊干燥和燒制期間金屬糊的收縮率表示。即，當(dāng)將 金屬糊干燥和燒制時(shí)，由于包含在金屬糊中的溶劑被除去，金屬糊收縮。然而，當(dāng)空隙在干 燥和燒制期間在金屬糊內(nèi)部形成時(shí)，明顯抑制金屬糊收縮。因此，當(dāng)使用在干燥和燒制期間 具有小收縮率的金屬糊時(shí)，剩余溶劑變得不足，且部件可W W高強(qiáng)度接合。
[0012] 本發(fā)明第一方面設(shè)及接合用金屬糊，其包含金屬納米顆粒聚集體和溶劑，其中聚 集體具有1皿或更大的平均粒度。
[0013] 聚集體的含量可W為金屬糊的5-50重量％。
[0014] 金屬糊可進(jìn)一步包含具有0.3-3WI1的平均粒度的金屬顆粒。
[0015] 金屬顆粒的含量可W為金屬糊的60-90重量％。
[0016] 金屬組分的含量可W為金屬糊重量的90重量％或更多。
[0017] 金屬組分的含量可W為金屬糊重量的95重量％或更多。
[0018] 本發(fā)明第二方面設(shè)及用于借助干燥步驟和燒制步驟將部件接合的接合用金屬糊。 在大氣壓力條件下在120°C下干燥30分鐘的干燥步驟中，金屬糊在厚度方向上的收縮率為 20%或更小，在大氣壓力條件下在250°C下燒制30分鐘的燒制步驟中，金屬糊在厚度方向上 的收縮率為10 %或更小。
[0019] 本發(fā)明第=方面設(shè)及接合用金屬糊，其中在大氣壓力條件下在12(TC下干燥30分 鐘的干燥步驟中W及在上述干燥步驟之后在大氣壓力條件下在25(TC下燒制30分鐘的燒制 步驟中，金屬糊在厚度方向上的總收縮率為20%或更小。
[0020] 本發(fā)明第四方面設(shè)及接合方法，所述方法包括將根據(jù)第一方面的金屬糊涂覆在第 一部件上的涂覆步驟;和接合步驟，所述接合步驟包括使第一部件和第二部件接觸的接觸 步驟，將金屬糊干燥的干燥步驟，和將干燥后金屬糊燒制的燒制步驟，其中第一部件和第二 部件通過干燥步驟和燒制步驟接合。
[0021 ]接合步驟可在無壓條件下應(yīng)用。
[0022] 本發(fā)明第五方面設(shè)及通過上述接合方法接合的接合體。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明，可提供能夠W高強(qiáng)度將部件接合的金屬糊。
[0024] 附圖簡(jiǎn)述
[0025] 下面參考附圖描述本發(fā)明示例實(shí)施方案的特征、優(yōu)點(diǎn)W及技術(shù)和工業(yè)重要性，其 中類似的數(shù)字表示類似的部件，且其中：
[0026] 圖1顯示用于接合強(qiáng)度試驗(yàn)中的試片的示意圖，其中的左圖為從一側(cè)看到的試片 的視圖，且其中的右圖為從上面看到的試片的視圖；
[0027] 圖2顯示接合強(qiáng)度試驗(yàn)的示意圖；
[00%]圖3顯示差熱分析和熱重分析測(cè)量的同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)；
[0029] 圖4顯示用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的接合用金屬糊接合的試片的切割表面的一 部分;和
[0030] 圖5顯示用對(duì)比例的金屬糊接合的試片的切割表面的一部分，其中的右圖為通過 將左圖的接合界面放大而得到的圖。
[0031] 實(shí)施方案詳述
[0032] <接合用金屬糊〉本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案設(shè)及接合用金屬糊，其包含金屬納米顆粒聚 集體和溶劑，且聚集體的平均粒度為化m或更大。由于金屬納米顆粒聚集體存在于金屬糊 中，當(dāng)將金屬糊涂覆在部件上，干燥和燒制時(shí)，多個(gè)聚集體聚集并在聚集體之間形成空隙。 通過所形成的空隙，金屬糊的溶劑可蒸發(fā)，因此，接合部中溶劑的保留率可降低。另外，通過 在接合部中形成空隙，接合部變成多孔結(jié)構(gòu)，得到優(yōu)異的應(yīng)力松弛性能并且可W W高強(qiáng)度 將部件接合。
[0033] 在常規(guī)金屬糊中，應(yīng)用了各種措施使得不能形成金屬納米顆粒聚集體。然而，在本 發(fā)明實(shí)施方案中，通過冒險(xiǎn)使用聚集體使得接合強(qiáng)度得W提高的驚人效果可W得到呈現(xiàn)。
[0034] 金屬納米顆粒聚集體為其中金屬納米顆粒的初級(jí)粒子聚集的二級(jí)粒子。聚集體的 平均粒度為Iwii或更大，優(yōu)選1-5皿，更優(yōu)選1-3WH，特別優(yōu)選1-2WI1。當(dāng)使用具有該平均粒度 的聚集體時(shí)，可進(jìn)一步改進(jìn)部件的接合強(qiáng)度。
[0035] "聚集體的平均粒度"在本說明書中可通過用掃描電子顯微鏡（SEM)，特別是用 化yo-SEM觀察接合用金屬糊而基于隨機(jī)選擇的100個(gè)聚集體的粒度測(cè)定。具體而言，聚集體 的平均粒度可W W運(yùn)種方式測(cè)定:測(cè)量所選擇的100個(gè)聚集體，除去具有最大粒度的10個(gè)聚 集體和具有最小粒度的10個(gè)聚集體，并將80個(gè)聚集體的粒度總和除W80。"聚集體的粒度" 意指當(dāng)量圓直徑。具體而言，測(cè)量各個(gè)聚集體的面積，并將具有與測(cè)量面積相同的面積的圓 的直徑視為聚集體的直徑。
[0036] 在不是糊狀而是顆粒物的情況下，D50可W用激光衍射粒度分析儀計(jì)算。例如，粒 度分布通過將粉末直接裝入為激光衍射型粒度分析儀的皿L0S&R0D0S(由化pan Laser Corp.生產(chǎn)）中而測(cè)量，所得粒度分布的D50值視為"聚集體的平均粒度"。
[0037] 形成為二級(jí)粒子的聚集體的初級(jí)粒子的平均粒度優(yōu)選為1-lOOnm，更優(yōu)選5-70nm， 特別優(yōu)選10-40nm。當(dāng)使用由具有該平均粒度的初級(jí)粒子形成的聚集體時(shí)，可進(jìn)一步改進(jìn)部 件的接合強(qiáng)度。"初級(jí)粒子的平均粒度"可由SEM照片計(jì)算。
[0038] 聚集體的含量?jī)?yōu)選為金屬糊重量的5-50重量％，更優(yōu)選10-40重量％，特別優(yōu)選 15-30重量％。當(dāng)聚集體W該含量存在時(shí)，可進(jìn)一步改進(jìn)部件的接合強(qiáng)度。
[0039] 優(yōu)選將聚集體的表面用有機(jī)化合物涂覆。聚集體表面上涂層的存在可防止金屬納 米顆粒在金屬糊中過度聚集。盡管有機(jī)化合物的種類不限于特定一種，優(yōu)選具有8個(gè)或更少 碳的有機(jī)化合物。由于具有8個(gè)或更少碳的有機(jī)化合物可在低溫下除去，部件可在低溫下接 厶 1=1 O
[0040] 具有8個(gè)或更少碳原子的有機(jī)化合物包括例如Ci-Cs簇酸、二簇酸和不飽和脂肪酸。 更具體而言，可使用辛