JP5754480B2 - 接続対象物の接続方法および電子装置の製造方法 - Google Patents
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Description
ところで、従来から広く用いられてきたSn−Pb系はんだにおいては、高温系はんだとして、例えばPbリッチのPb−5Sn(融点:314〜310℃)、Pb−10Sn(融点:302〜275℃)などを用いて330〜350℃の温度ではんだ付けし、その後、例えば、低温系はんだのSn−37Pb共晶(183℃)などを用いて、上記の高温系はんだの融点以下の温度ではんだ付けすることにより、先のはんだ付けに用いた高温系はんだを溶融させることなく、はんだ付けによる接続を行う温度階層接続の方法が広く適用されている。
また、この特許文献1には、はんだペーストを用いた接続方法や、電子機器の製造方法が開示されている。
(a)第1金属と、前記第1金属よりも融点が高く、前記第1金属と反応して310℃以上の融点を示す金属間化合物を生成する第2金属とからなる金属成分を含む導電性材料を、互いに接続すべき接続対象物の間に配置する工程と、
(b)前記第1金属の融点以上の温度で前記導電性材料を加熱する工程と
を備えるとともに、
前記導電性材料を加熱する工程において、前記第1金属と前記第2金属とを反応させて両者の金属間化合物を生じさせるとともに、溶融した前記第1金属中で、前記金属間化合物を剥離、分散させながら反応を繰り返して行わせること
を特徴としている。
第1金属として、SnまたはSnを70%以上含む合金を用いることにより、接続対象物間の接続をより確実なものにすることができる。
上記構成を備えることにより、第1金属と第2金属を確実に反応させて接合対象物間の接合を確実なものにすることができる。
特に、第1金属をSnまたはSnを85重量%以上含む合金とすることにより、上記効果をより確実に奏させることが可能になる。
すなわち、この格子定数差は、第2金属との界面に新たに生成する金属間化合物の格子定数が、第2金属の格子定数に対してどれだけ差があるかを示すものであり、いずれの格子定数が大きいかを問わないものである。
なお、計算式で表すと以下のようになる。
格子定数差(%)={(金属間化合物の格子定数−第2金属の格子定数)/第2金属の格子定数}×100
その結果、耐熱強度の大きいはんだ付けを行うことが可能になる。
第2金属には、第1金属との反応を阻害しない程度で、例えば、1重量%以下の割合で不純物が含まれていてもよい。不純物としては、Zn、Ge、Ti、Sn、Al、Be、Sb、In、Ga、Si、Ag、Mg、La、P、Pr、Th、Zr、B、Pd、Pt、Ni、Auなどが挙げられる。
また、接続性や反応性を考慮すると、第1および第2金属中の酸素濃度は2000ppm以下であることが好ましく、特に10〜1000ppmが好ましい。
フラックスは、接続対象物や金属の表面の酸化被膜を除去する機能を果たす。フラックスとしては、例えば、ビヒクル、溶剤、チキソ剤、活性剤などからなる、公知の種々のものを用いることが可能である。
前記ビヒクルの具体的な例としては、ロジンおよびそれを変性した変性ロジンなどの誘導体からなるロジン系樹脂、合成樹脂、またはこれらの混合体などが挙げられる。
また、前記ロジンおよびそれを変性した変性ロジンなどの誘導体からなるロジン系樹脂の具体的な例としては、ガムロジン、トールロジン、ウッドロジン、重合ロジン、水素添加ロジン、ホルミル化ロジン、ロジンエステル、ロジン変性マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性アルキド樹脂、その他各種ロジン誘導体などが挙げられる。
また、ロジンおよびそれを変性した変性ロジンなどの誘導体からなる合成樹脂の具体的な例としては、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、フェノキシ樹脂、テルペン樹脂などが挙げられる。
また、前記有機酸の具体的な例として、マロン酸、フマル酸、グリコール酸、クエン酸、リンゴ酸、コハク酸、フェニルコハク酸、マレイン酸、サルチル酸、アントラニル酸、グルタル酸、スベリン酸、アジピン酸、セバシン酸、ステアリン酸、アビエチン酸、安息香酸、トリメリット酸、ピロメリット酸、ドデカン酸などがあり、さらに有機アミンの具体的なものとして、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、トリブチルアミン、アニリン、ジエチルアニリンなどが挙げられる。
また、前記多価アルコールとしてはエリスリトール、ピロガロール、リビトールなどが例示される。
上述のように、フラックスは、接続対象物や金属の表面の酸化被膜を除去する機能を果たすことから、本発明の接続方法に用いられる導電性材料においては、フラックスを含むことが好ましい。なお、フラックスは、導電性材料全体に対して7〜15重量%の割合で含むことが好ましい。
さらに導電性材料中の金属配合比などを最適化することにより、完全に第1金属成分が残留しない設計を行うことができる。
すなわち、上述のような導電性材料を用いることにより、例えば、半導体装置の製造工程において、はんだ付けを行う工程を経て半導体装置を製造した後、その半導体装置を、リフローはんだ付けの方法で基板に実装するような場合にも、先のはんだ付けの工程におけるはんだ付け部分は、耐熱強度に優れているため、リフローはんだ付けの工程で再溶融してしまうことがなく、信頼性の高い実装を行うことが可能になる。
なお、上記の各第1金属のうち、Sn−40BiおよびSn−58Biは、「Snを70重量%以上含む合金」という本発明の要件を満たさない、比較例のものである。
また、第1金属のSn−3Ag−0.5Cuは、実施例としてのみではなく、比較例としても用いられているが、比較例の場合には、これにCuあるいはCu−10Znが組み合わされており、格子定数差が50%未満になるため、好ましくないものである。
なお、上記の各材料の表記において、例えば、「Sn−3.5Ag」の数字3.5は当該成分(この場合はAg)の重量%の値を示しており、上記の他の材料および、以下の記載の場合も同様である。
また、フラックスの配合割合は、導電性材料全体に占めるフラックスの割合が10重量%となるような割合とした。
印刷した導電性材料上に、NiめっきおよびAuめっきを施した黄銅端子(サイズ1.2mm×1.0mm×1.0mm)をマウントした後、リフロー装置を用いて、図2に示すリフロープロファイルで無酸素Cu板と黄銅端子を接合させて、両者を電気的、機械的に接続した。
なお、この実施例1においては、導電性材料は実質的にソルダペーストとして用いられている。
上述のようにして作製した試料について、以下の方法で接合強度および導電材料(はんだ)の流れ出し不良率を測定し、特性を評価した。
得られた接合体のシアー強度を、ボンディングテスタを用いて測定し、評価した。
シアー強度の測定は、横押し速度:0.1mm・s-1,室温および260℃の条件下で行った。
そして、シアー強度が20Nmm-2以上のものを◎(優)、2Nmm-2以下のものを×(不可)と評価した。
表1に、第1金属および第2金属の組成、第2金属の格子定数、第1金属および第2金属の配合割合、第2金属粉末の表面に最初に生成した金属間化合物の種類とその格子定数、第2金属(Cu合金)と金属間化合物の格子定数差、各接合体の接合強度(室温、260℃)を示す。なお、格子定数はa軸を基に評価している。
得られた反応生成物を約7mg切り取り、測定温度30℃〜300℃、昇温速度5℃/min、N2雰囲気、リファレンスAl2O3の条件で示差走査熱量測定(DSC測定)を行った。得られたDSCチャートの第1金属成分の溶融温度における溶融吸熱ピークの吸熱量から、残留した第1金属成分量を定量化した。これから金属成分全体に対する第1金属成分の割合を残留第1金属成分率として評価した。残留第1金属成分率が0〜3体積%の場合を◎(優)、3体積%を超え、30体積%以下の場合を○(可)、30体積%より大きい場合を×(不可)と評価した。
表1に、残留第1金属成分率と判定結果を併せて示す。
プリント基板のCuランド(Cuランド寸法:0.7mm×0.4mm)に前記導電性材料を塗布し(厚さ100μm)、得られた塗布部に、長さ1mm、幅0.5mm、厚さ0.5mmサイズのチップ型セラミックコンデンサをマウントした。
ピーク温度250℃でリフローして、Cuランドとセラミックコンデンサを接合させた後(はんだ付けした後)、プリント基板をエポキシ樹脂で封止して相対湿度85%の環境に放置し、ピーク温度260℃のリフロー条件で加熱して導電性材料(はんだ)が流れ出す割合を調べ、流れ出し不良率として評価した。
導電性材料の流れ出し不良率が0〜10%の場合を◎(優)、10%を超え、50%以下は○(可)、50%より大きい場合を×(不可)と評価した。
表1に、導電性材料の流れ出し不良率と判定結果を併せて示す。
一方、260℃における接合強度についてみると、比較例では2Nmm-2以下と接合強度が不十分であったのに対して、実施例は10Nmm-2以上を保持し、実用強度を備えていることが確認された。
また、実施例の試料においては、第1金属がSnを70重量%以上含む合金であれば、第1金属の種類に関係なく同様の高耐熱性を備えていることが確認された。特に、第1金属がSnまたはSnを85重量%以上含む合金であると、残留第1金属成分率を0体積%にすることができ、導電性材料の流れ出し不良率が0%となって、特に高い耐熱性を有することが確認された。
さらに、実施例の試料においては、第2金属がCu−Mnをベースとする金属(Cu−12Mn−4NiやCu−10Mn−1Pなど)である場合や、第2金属粉末が2種類以上(Cu−Mn、Cu-Ni混合粉末)である場合にも、同様に高耐熱性を備えていることが確認された。
また、第2金属粉末として、Cu−10Mn、Cu−10Ni、およびCu(比較例)の粉末を用意した。なお、第2金属粉末の平均粒径は15μmとした。
フラックスとして、ロジン:74重量%、ジエチレングリコールモノブチルエーテル:22重量%、トリエタノールアミン:2重量%、および水素添加ヒマシ油2重量%の配合比率のものを用意した。
なお、配合比は、第1金属粉末/第2金属粉末の体積比が87/13〜57/43(すなわち、第2金属粉末が13〜43体積%)となるように調整した。
また、フラックスの配合割合は、導電性材料全体に占めるフラックスの割合が10重量%となるような割合とした。
なお、接合強度の評価にあたっては、シアー強度が20Nmm-2以上のものを◎(優)、2Nmm-2以上で20Nmm-2未満のものを○(良)、2Nmm-2以下のものを×(不可)と評価した。
一方、260℃における接合強度についてみると、比較例では0.1Nmm-2と、2Nmm-2を大きく下回っており、接合強度が不十分であったのに対して、実施例では7〜29Nmm-2と、2Nmm-2以上を保持し、実用強度を備えていることが確認された。特に、第2金属がCu−10Mnである場合、その割合が30体積%以上では、23Nmm-2以上の接合強度を示し、高い耐熱強度を備えていることが確認された。また、第2金属がCu−10Niである場合、その割合が30体積%以上では、27Nmm-2以上の接合強度を示し、高い耐熱強度を備えていることが確認された。
また、第2金属粉末として、Mnの割合が5〜30重量%のCu−Mn合金の粉末、および、Niの割合が5〜20重量%のCu−Ni合金の粉末を用意するとともに、比較例としてCu粉末を用意した。第2金属粉末の平均粒径は15μmとした。
フラックスとして、ロジン:74重量%、ジエチレングリコールモノブチルエーテル:22重量%、トリエタノールアミン:2重量%、および水素添加ヒマシ油2重量%の配合比率のものを用意した。
また、フラックスの配合割合は、導電性材料全体に占めるフラックスの割合が10重量%となるような割合とした。
第1金属粉末と第2金属粉末の配合比は第1金属粉末/第2金属粉末の体積比が60/40(すなわち、第2金属粉末が40体積%)となるように調整した。
なお、接合強度の評価および、残留第1金属成分率、導電性材料の流れ出し不良率の評価にあたっては、実施例2の場合と同様の基準で評価した。
表3に、各接合体の接合強度(室温、260℃)、残留第1金属成分率、導電性材料の流れ出し不良率、およびそれらの評価結果を示す。
一方、260℃における接合強度についてみると、比較例では0.1Nmm-2と、2Nmm-2を大きく下回っており、接合強度が不十分であったのに対して、実施例では5〜26Nmm-2と、2Nmm-2以上を保持し、実用強度を備えていることが確認された。特に、第2金属がCu−10〜15Mnである場合、および、Cu−10〜15Niである場合、24〜26Nmm-2と高い接合強度を示し、耐熱強度に優れていることが確認された。
また、第2金属粉末として、Cu−10Mn合金の粉末およびCu(比較例)を用意した。第2金属粉末の平均粒径は15μmとした。第2金属粉末は、その粒径を変化させて、比表面積が0.03〜0.06m2・g-1となるようにした。
また、フラックスとして、ロジン:74重量%、ジエチレングリコールモノブチルエーテル:22重量%、トリエタノールアミン:2重量%、および水素添加ヒマシ油2重量%の配合比率のものを用意した。
また、フラックスの配合割合は、導電性材料全体に占めるフラックスの割合が10重量%となるような割合とした。
第1金属粉末と第2金属粉末の配合比は、第1金属粉末/第2金属粉末の体積比が60/40(すなわち、第2金属粉末が40体積%)となるように調整した。
なお、接合強度の評価および、残留第1金属成分率、導電性材料の流れ出し不良率の評価にあたっては、上述の実施例2の場合と同様の基準で評価した。
表4に、各接合体の接合強度(室温、260℃)、残留第1金属成分率、導電性材料の流れ出し不良率、およびそれらの評価結果を示す。
一方、260℃における接合強度についてみると、比較例では0.1Nmm-2と、2Nmm-2を大きく下回っており、接合強度が不十分であったのに対して、実施例では14〜24Nmm-2と、2Nmm-2以上を保持し、実用強度を備えていることが確認された。さらに第二金属であるCu−10Mnの比表面積が0.05m2・g-1以上の場合に21Nmm-2以上を示し、特に高い耐熱強度を有した。
(b)SnめっきしたCu−10Mn合金とSn粉とCu−10Mn合金の混合体、および
(c)SnめっきしたCu−10Mn合金単体、
からなる金属粉とフラックスを混合することにより導電性材料を作製した。
また、比較用に、
(d)SnめっきしたCu粉とSn粉の混合体、
(e)SnめっきしたCu粉とSn粉とCu粉末の混合体、および
(f)SnめっきしたCu粉末
からなる金属粉とフラックスを混合することにより導電性材料を作製した。
ただし、SnめっきしたCu−10Mn合金単体の場合は、Cu−Mn合金(第2金属)の合計比率を80%とした。また、SnめっきしたCu粉末を用いた場合(比較例)も、Cu(第2金属)の合計比率を80%とした。
また、フラックスの配合割合は、導電性材料全体に占めるフラックスの割合が10重量%となるような割合とした。
なお、接合強度の評価、残留第1金属成分率、および導電性材料の流れ出し不良率の評価にあたっては、上述の実施例2の場合と同様の基準で評価した。
表5に、各接合体の接合強度(室温、260℃)、残留第1金属成分率、導電性材料の流れ出し不良率、およびそれらの評価結果を示す。
一方、260℃における接合強度についてみると、比較例では0.1Nmm-2と、2Nmm-2を大きく下回っており、接合強度が不十分であったのに対して、実施例では24〜26Nmm-2と、2Nmm-2以上を保持し、実用強度を備えていることが確認された。このことから、第1金属が第2金属の表面にめっき(コート)されている場合にも、上記の各実施例の場合と同様に、高い耐熱強度が得られることが確認された。
また、第2金属粉末として、Cu−10Mn合金の粉末を用意した。第2金属粉末の平均粒径は15μmとした。また、比較のため、第2金属粉末として、Cu粉末を用意した。
フラックスとして、樹脂を添加したものと、樹脂を添加しなかったものを用意した。
フラックスA :30重量%
熱硬化性樹脂 :40重量%
硬化剤 :30重量%
フラックスA :30重量%
熱可塑性樹脂(ポリアミド樹脂) :70重量%
(1)樹脂を添加していない上記フラックスAを導電性材料全体に占めるフラックスの割合が10重量%となるような割合で配合した導電性材料(表6の実施例No.3)と、
(2)熱硬化性樹脂配合フラックスBを導電性材料全体に占めるフラックスの割合が25重量%となるような割合で配合した導電性材料(表6の実施例No.1)と、
(3)熱可塑性樹脂配合フラックスCを導電性材料全体に占めるフラックスの割合が25重量%となるような割合で配合した導電性材料(表6の実施例No.2)と
を作製した。
また、比較例の導電性材料として、上述のCu粉末を第2金属として用いた導電性材料を作製した。なお、この比較例の導電性材料においても、樹脂を添加していない上記フラックスAを導電性材料全体に占めるフラックスの割合が10重量%となるような割合で配合した。
表6に、各接合体の接合強度(室温、260℃)、残留第1金属成分率、導電性材料の流れ出し不良率、およびそれらの評価結果を示す。
一方、260℃における接合強度についてみると、比較例では0.1Nmm-2と、2Nmm-2を大きく下回っており、接合強度が不十分であったのに対して、実施例では24〜33Nmm-2と、2Nmm-2以上を保持し、実用強度を備えていることが確認された。
本発明において用いられる導電性材料は、例えば、図3(a),(b)に模式的に示すようなフォームはんだとして構成することも可能である。
図3(a)のフォームはんだは、板状の第1金属1中に、粉末状の第2金属2を分散させたフォームはんだである。
また、図3(b)のフォームはんだは、板状の第1金属1中に、板状の第2金属2を内包させたフォームはんだである。
なお、第1金属中に第2金属を分散あるいは内包させる態様は、図3(a),(b)の態様に限定されるものではなく、他の態様とすることも可能である。
2 第2金属
3 金属間化合物
4 接続部
11a,11b 一対の電極(接続対象物)
10 導電性材料
Claims (5)
- (a)第1金属と、前記第1金属よりも融点が高く、前記第1金属と反応して310℃以上の融点を示す金属間化合物を生成する第2金属とからなる金属成分を含む導電性材料であって、前記第2金属がCu−Mn合金またはCu−Ni合金である導電性材料を、互いに接続すべき接続対象物の間に配置する工程と、
(b)前記第1金属の融点以上の温度で前記導電性材料を加熱する工程と
を備えるとともに、
前記導電性材料を加熱する工程において、前記第1金属と前記第2金属とを反応させて両者の金属間化合物を生じさせるとともに、溶融した前記第1金属中で、前記金属間化合物を前記第2金属から剥離、分散させながら反応を繰り返して行わせること
を特徴とする接続対象物の接続方法。 - 前記第2金属が、前記第2金属に占めるMnの割合が10〜15重量%であるCu−Mn合金、または、前記第2金属に占めるNiの割合が10〜15重量%であるCu−Ni合金であることを特徴とする請求項1記載の接続対象物の接続方法。
- 前記第1金属はSnまたはSnを70%以上含む合金であることを特徴とする請求項1または2記載の接続対象物の接続方法。
- 前記導電性材料を加熱する工程において、前記第1金属のすべてを前記第2金属との金属間化合物とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の接続対象物の接続方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の接続対象物の接続方法を用いて接続対象物を接続する工程を備えていることを特徴とする電子装置の製造方法。
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