東北大ら,ハンダ代替用銅ナノペーストを開発

東北大学と三井金属鉱業は,低温焼結性を有する銅ナノ粒子を水中,大気下,室温という極めて低環境負荷の条件において合成するプロセスをあらたに開発した(ニュースリリース)。

プリンテッドエレクトロニクスと既存のIC 製造技術を組み合わせたフレキシブル・ハイブリッド・エレクトロニクスの回路形成材料及び次世代パワーデバイス(SiCやGaN)の接合材料として銀ナノ粒子を利用した低温焼結型銀ナノペーストの研究開発が活発に行なわれている。

一方で,銀は高価な金属であり,安価な銅ナノ粒子を利用する研究開発も近年盛んになりつつある。しかし既往の銅ナノ粒子調製法は,生成する銅ナノ粒子の凝集抑制及び酸化防止のために高分子類を使用するため,銅粒子表面に高温で分解する有機物が残存し,これが低温焼結を阻害してしまう。

今回,研究グループは,水溶性銅錯体を還元処理することで,低温焼結性を有する銅ナノ粒子を合成することに成功した。得られた銅ナノ粒子表面には,耐酸化性を持つ有機物が吸着しており,この有機物成分が低温(140°C程度)で分解することで,銅ナノ粒子の焼結が開始されることを解明した。

今回開発した銅ナノ粒子をペースト化することで,180°C程度の低温焼成(N2雰囲気下の無加圧焼成)でPEN(ポリエチレンナフタレート)フィルムやPI(ポリイミド)フィルム上に銅粒子間が焼結した良好な厚膜銅配線形成(膜厚:14μm)が可能となる。これにより,プリンテッドエレクトロニクスによるIoTセンサーの回路形成材料などとして銀ペーストやハンダ代替が期待できるという。

また,研究グループは,この銅ナノ粒子が,模擬接合構造(銅基板間を銅ペーストで接合する)を用いた金属間接合材料としての評価では,200°C程度の低温焼成(N2雰囲気下の無加圧焼成)で高いシェア強度(>30MPa)を示すことを確認し,次世代パワーデバイス(SiCやGaN)の接合材料として実用化が期待できるとしている。

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