2024年11月27日
ポイント
●量産可能な「コアシェル型銅ナノ粒子」の合成技術を新たに開発。
●この粒子を高濃度に含むペーストは、低温・短時間焼結により、実用レベルの高強度接合が可能。
●このペーストは印刷塗布後、十分な焼結により高導電性を示し、導電材料としても有望。
概要
北海道大学大学院工学研究院の米澤 徹教授と塚本宏樹博士研究員の研究グループは、パワー半導体パッケージングなどに適した新型の銅系ナノ接合材料を開発しました。この材料は、低温での焼結が可能で、短時間の加熱でも高い接合強度を発揮します。
まず、研究グループは、金属銅をコア、微酸化物ナノ粒子をシェルとするコアシェル型の銅ナノ粒子を大量に合成することに成功しました。この構造により、粒子の酸化を防ぎ、安定性を向上させることができます。
次に、開発したコアシェル型銅ナノ粒子を高濃度に分散させたペーストを用いて、200℃で1分間の加圧焼結を行ったところ、できあがった接合は約40MPaのせん断強度を達成しました。さらに、15分間の焼結で得られた接合は約100MPaの高いせん断強度を示しました。パワー半導体の接合に必要な強度は20～50MPaであり、本研究で得られたコアシェル型銅ナノ粒子ペーストを用いた場合には従来の材料と比較して短時間で高強度の金属接合が可能であることを実証しました。
さらに、この銅ナノ粒子を高濃度に分散させたペーストを導電材料として使用したところ、200℃・60分の十分な焼結により、10.7μΩcmの体積抵抗率を示す導電膜が得られることが分かりました。鉛含有はんだの体積抵抗率は20μΩcm程度ですので、これは、半導体デバイスに用いる配線材料としても有望であることを示しています。
今回の研究成果は、パワー半導体パッケージング技術の向上に大きく貢献することが期待されます。また、低温での焼結が可能なため、製造コストの削減や環境負荷の低減にも繋がると考えられます。
本研究の詳細は、2024年12月11日～13日に東京で開催されるSEMICON Japanや、12月9日からシンガポールで開催される国際会議The 12th Singapore International Chemistry Conference（SICC-12）にて発表される予定です。
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