発表のポイント

• 開発した銅ナノ粒子は、140 °C程度から銅ナノ粒子の焼結が開始され、これまでにない低温焼結特性を示すことが確認できた。
• あらたに開発した合成プロセス（水溶性銅錯体室温還元法）は、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、低温焼結性を有する銅ナノ粒子の調製が可能である。
• 開発した銅ナノ粒子から調製した銅ナノペーストは、プリンテッドエレクトロニクスによる回路形成や次世代パワーデバイスの接合材料として用いられている銀ペーストに置き換わる材料となることが期待できる。

概要

東北大学 多元物質科学研究所（所長 村松淳司）の 蟹江澄志 准教授らと三井金属鉱業株式会社（東京都 代表取締役社長 西田計治）の上郡山洋一博士らの共同研究により、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ました。
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ました。
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：14 μm）が可能です。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ます。
また、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（＞30 MPa）を示すことを確認しており、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ます。
なお、本成果は、1月29日（火）付で、nature.comが管理するオープンアクセス電子ジャーナル誌の「Scientific Reports」誌に掲載されました (DOI: 10.1038/s41598-018-38422-5)。
プレスリリース本文（PDF）

図1. 焼結特性比較概略図
(a)：既往の合成法で得た銅ナノ粒子、(b)：水溶性銅錯体で得た銅ナノ粒子

論文情報

“Ambient Aqueous-Phase Synthesis of Copper Nanoparticles and Nanopastes with Low-Temperature Sintering and Ultra-High Bonding Abilities”
Yoichi Kamikoriyama, Hiroshi Imamura, Atsushi Muramatsu, and Kiyoshi Kanie
Scientific Reports
DOI: 10.1038/s41598-018-38422-5

▶ ハイブリッドナノ粒子プロセス研究分野（村松研究室）
▶ 三井金属鉱業株式会社
▶ 東北大学