JP7198224B2 - 拡散はんだ付けのための無鉛はんだ膜及びその製造のための方法 - Google Patents
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Description
これらの材料を使用する場合、スズ及び/又はインジウムを含むメタライゼーション層からの金及び/又は銀が、元々使用されていたはんだよりも高い溶融温度でもって接合領域を形成する。
接合プロセスは少なくとも250℃で行われ、10分~30分間続くが、常に軽い接触圧力が必要不可欠であり、はんだ付け工程がより複雑になる。
しかしながら、はんだ接合の需要が増加しており、高温アプリケーション領域での技術要件即ち、150℃C~400℃の範囲の動作温度が適用される。
しかしながら、はんだ付けとは対照的にこの接合方法の場合、強制的な押圧が必要である。
しかしながら、この追加の技術的構成要素である「押圧」は、焼結技術が大面積に普及することができなかった主な理由である。
これらは反応性多層システムであり、少なくとも2つの異なる材料の数ナノメートルの厚層で構成されている。
活性化後、層間の拡散が始まり、すぐに発熱反応が発生する。
これにより、はんだの溶融のために必要不可欠な熱を供給する。
このため、2つが一致する金属の非常に薄い(かなり小さい1μm)層は、全部合わせた層が40μm~150μmの全層厚さで構成されるために、何度も交互に重ねて絶縁しなければなないけれども、この外側の層ははんだで構成されている。
これらの層状フィルムからはんだ成形部材を隔離できる。
選択的にこれらの金属は、はんだ付けするための部材上に交互に絶縁させ得る。その際、外側の層ははんだでなければならない。
接合プロセスは、反応層の加熱によって開始され、速度と熱量は層構造によってのみ制御し得るので、個々に応じたそれぞれ考えられるはんだ課題の為に、はんだ付けするための部材の材料投入又は形態部分の製造の場合、すでに設定されていて、広く及び全般的な使用の為にこの技術は大きな障害を意味する。
そのような方法の結果では、はんだ付け工程中に発生する軟質はんだの元の組成から逸脱するため、接合するための部材は使用されるはんだ材料の融解温度よりも高い融解温度の物質を確実に接合する。
高融点の金属間化合物層のこの新しい物質を形成するために、はんだ材料中で一般的に使用されている、例えばスズのような低融点金属に加えて、例えば銅のような別の高融点の金属が必要とされ、融点が低融点金属の融点よりも高い金属間化合物層が、その金属からの拡散によって互いの中へ合成されている。
特許文献2に開示されたこの解決策は、各金属層が最初に特別な方法で既に構造化されており、そこから少なくとも一つのはんだ層が追加的に提供されなければならない。
接合される各構成要素に適合したこの非常に特殊な造りを層のみが、そのような金属間化合物層から成る圧縮され且つ適切に配置された接合領域の形成を保証するので、はんだ付け工程中に追加の押圧を行使する必要はない。
それ故に、特許文献2に開示されたこの解決策は、例えばウエハ上のチップのはんだ付けのような非常に特殊なアプリケーションに限定されている。
しかしながら、金属層の連続層を確保するために、さらに、接合した構成要素の熱処理が後に続いて実施されなければならない。
この解決策の場合、金属の核材料の不特定の層厚が熱処理後に残存している。
拡散はんだ付け工程中に2つの軟質はんだ層が溶け、及び全面コア材料と反応する。
特許文献4による解決策に従って、適用された層は1μm~最大20μmの厚さである。それ故に、はんだ付け工程の合理的な期間内(240℃で約10分)で金属間化合物内の液相の転移が、はんだ付けされたコンポーネントの接着を、260℃での後続のプロセスステップで保障されて形成されるように広く実現されている。
これらの刊行物に記載されている結果は、銅/スズ被覆半導体基板結合についてのみであり、押圧を使用する状態でのみ達成される。
このために、高融点の金属層と低融点金属層でその都度構成する2層システムであり、この金属層は接合する構成要素上に配置すると理解される。
場合によっては、金属層の間に高融点の金属粒子と低融点金属粒子をさらに追加してシステム全体が構成され、その後加熱される。
この解決策の欠点は、金属間化合物/金属間化合物層の中にはんだ材料の液相の完全な転移が、従来のはんだ時間の明らかな延長によってのみ可能な点である。即ち特許文献5に従った解決策の場合には、30分を超えるプロセス時間が必要である。
特許文献6でのこの機能を備えた解決策の焦点は、異なる熱膨張係数と材料の間の応力の平衡次第である。
しかしながら、この記述において、例えば本発明は接合プロセスと接合時間及び達成する接合部の構築のための指示を実行しないので、金属間化合物層の液体はんだ材料の完全な転移を達成するために、先行技術で通常のはんだ付け工程時間、即ち30分を超えたはんだ付け工程時間から開始されるこの解決策の場合もまた、先行技術に従って必要不可欠である。
これらの刊行物では、3%より多くない銅を含む従来のSnCuはんだの薄いはんだ成形部材(25μm)の使用、高融点の金属間接合領域が完全な形成の為の押圧の使用なしで運用されるということが、説明されている。ただし、このために多少長いはんだ時間及び銅で金属化された少なくとも一つの部材が必要不可欠である。
しかしながら、両側がスズでめっきされた銅(Sn20μm/Cu35μm/Sn20μm)で構成されているはんだ成形部材を使用する場合、高融点相への部分的な転移のみが達成される。即ち、接合領域に適合した低い溶融温度で軟質はんだ部分が残存する。
銅と金属化された部材を使用する場合にのみ、この転移が完全に行われる。
すべての結果は、適用される粗さの部材と、260℃の温度で22分のはんだ時間後でのみ達成された。
これに関して、無鉛はんだペーストの溶融スズベースはんだが銅粉を除去し及びこれが金属間化合物層Cu6Sn5とCu3Snを形成し得る。
高融解粉末とこの混合の無鉛はんだペースト使用の条件では、拡散はんだ付け工程での液相が押圧の使用下で完全に金属間化合物層へ転移する。
このように形成された二つの相の融点は415℃若しくは676℃である。
しかしながら、当該ボイドのない構造は、はんだ付け工程中の押圧に加えて、はんだペースト及び粉末の二つの必要な構成要素の非常に均一な混合物に由来する。
これらはんだペーストは、高い溶融温度を有する追加の金属とはんだ材料の為の被覆絶縁核が含まれている。
特許文献7の解決策に従って、はんだ付け工程中のはんだ金属は、コアの金属化と完全に反応し、高融点のコアを囲む拡散はんだ付け工程に基づいた金属間化合物層を形成する。
結果として生じるはんだの接合部は、全体的に不均一な構造を有し、この解決策で達成する接合領域の熱伝導率に悪影響を及ぼす。
一般に、金属粉末又は金属顆粒は製造において非常に高価であり、及び加えて容積中での広い拡散範囲を有する。その結果、分類プロセスを介在させなければならず、さらにまた金属粉末の均一な混合が問題ないのではなく、それが非常に高価になるもとである。
粉末混合物自体はその後、特許文献8に従って、好ましくは液体有機溶媒の懸濁液として、又はペーストとして使用されるべきである。
この関連において適用される充填成分の適用はこの課題の場合、拡散はんだ付けの間に形成される金属間化合物層の厚さをμmより薄く制限する。
それ故に、適切な濡れ性に応じて、結合を促進又は阻害する被覆を提供する必要があり、金属成分と非常に均一に混合する必要がある。
特別な実施形態/特構造形態では、特許文献8に従って、粉末からから成る前述のはんだ金属が薄膜へ押し込まれ、それからはんだ成形部材がパンチアウトされ、接合される対象の間に配置される。
使用される粉末の均質な分布の状態のこのようなフィルムの製造は、即ち粉末冶金が非常に高価で費用がかかる。その際、押圧の場合に即ち粉末冶金の方法において、理論密度は達成可能になく、又非常に困難即ち高コストで達成可能である。
さらに、これら解決策の説明に従って、金属間化合物層内の液体はんだの完全な転移を達成するために、30分を超えるはんだ付け工程時間、若しくは終了段階でのアニールプロセスが必要不可欠である。
しかしながらこのフラックスは、特許文献8の記述に従うと有機酸が発生し、労働安全及び健康保護に関して欠点がある。その結果、はんだ付け工程の後に追加操作で除去されなければならない。
同様に前述したすべての欠点を有する粉末から成る前述のそのはんだ金属における別の解決策は、直接はんだ薄膜へ押し付けられるかまたは二つの隣接する薄膜の間に埋め込まれるかであり、JP 6042577 B1 (EP 3266 558 A1)、WO
2017/077824 A1(US 2018/126494 A1)、並びにUS
9,62,434 B1にも記載されている。
加えて、層結合として構成され、及び複数の連続層で構成されており、及びそれに加えこれが半導体構成中のワイヤーをはんだ付けするためのはんだ薄膜がD3から知られて
150℃より高いはんだ付けされた構成要素の動作温度範囲について、金被覆はんだ合金に対して現在のところ技術的にも経済的にも是認できる無鉛はんだ代替品は作製されていない。それは、パワーエレクトロニクスにおいて要求される温度抵抗が要求される信頼性、是認できる効果即ち軟質はんだの為の即ち短いはんだ時間内に、及び追加のプロセスパラメータなしで、例えば追加の押圧又は追加の後述の熱処理に応じて兼備する。
複数の金属部材(2)及び/又は複数の金属化/金属被覆部材(2)、即ち隣接した複数の部材(2)の複数の金属表面層(3)を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための、圧延クラッド法によって製造された無鉛はんだ膜(1)を製造するための方法であって、
-硬質はんだ成分である高融点の金属成分のそれぞれの粒子(6)が、無鉛軟質はんだ(8)によって完全に包囲されているように、複数の複数の粒子が、軟質はんだマトリックス(5)である前記無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、圧縮されたはんだ接合材料(4)から成る前記無鉛はんだ膜(1)が生成されるように、前記圧延クラッド法が、前記無鉛はんだ膜(1)を製造するために複数回繰り返されて実行されること、及び
-当該はんだ接合材料(4)の製造のために、最初に、
前記金属成分の両面が、前記軟質はんだ成分と常に接合するように、前記軟質はんだ成分と前記金属成分とが、前記圧延クラッド法によって前記はんだ接合材料(4)の予め設定/計画された百分率組成に従って交互に接合されて1つの積層に形成され、このときに、前記軟質はんだ成分が、その後のはんだ付け工程で金属間化合物層中に完全に含有されるように、使用すべき前記金属成分の層厚が、全体的に互いに均等に存在すること、及び-続いて、別の複数の圧延クラッドステップが、当該最初に圧延クラッドされた積層を用いて複数回繰り返して実行され、これらの圧延クラッドステップでは、当該圧延クラッドされたそれぞれの材料自体が一緒に圧延クラッドされる結果、当該材料から成る層の数は増加するもの、これらの層の厚さは減少すること、及び
-前記はんだ接合材料(4)が製造されるまで、前記圧延クラッドステップが、軟質成分と硬質成分とから選択された材料の組み合わせと、前記はんだ接合材料(4)用の希望した総厚とに応じて複数回繰り返されること、及び
-当該複数回繰り返された圧延クラッドの結果として、当該個々の成分が、固体状態で混合され、当該両成分のうちの一方の成分の層を粉砕することによって、その成分の一部が、他方の軟質成分の層中に分散分布して、即ち分散され、10μm以下の粒子間隔を有する構造が生成される当該方法において、
前記無鉛軟質はんだマトリックス(5)の全ての軟質はんだ(1)が、その後のはんだ付け工程で、400℃よりも高い融点を有する前記金属間化合物層(9)に転移されるように、複数の前記粒子(6)を包囲している前記無鉛軟質はんだマトリックス(5)の軟質はんだ(8)の百分率に対する、前記はんだ接合材料(4)中に配列された前記高融点の金属成分(7)の複数の前記粒子(6)の百分率の比率が、当該それぞれの出発物質から生成すべき前記金属間化合物層(9)の化学量論式に従って決定されることによって解決される。
さらに、上記の課題は:
複数の金属部材(2)及び/又は複数の金属化/金属被覆部材(2)、即ち隣接した複数の部材(2)の複数の金属表面層(3)を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための、請求項1に記載の方法にしたがって製造された無鉛はんだ膜(1)において、
-前記無鉛はんだ膜(1)が、圧縮されたはんだ接合材料(4)から成り、通常の軟質はんだ付け工程中に、軟質はんだマトリックス(5)の軟質はんだ(8)を、前記無鉛軟質はんだにとって典型的なはんだの温度プロファイルによって400℃よりも高い融点を有する金属間化合物層(9)に完全に転移させるため、それぞれの粒子(6)が、前記無鉛軟質はんだ(8)によって完全に包囲されているように、複数の前記粒子が、複数回繰り返された請求項1に記載の圧延クラッドによって、軟質はんだマトリックス(5)である無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、圧縮された、即ち材料一体的な固体の前記はんだ接合材料(4)が構成されていること、及び
-前記の軟質はんだマトリックス(5)中に分散した高融点の金属成分(7)の複数の粒子(6)は、膜厚の方向に3μm~20μmの厚さを有し、前記軟質はんだマトリックス(5)中の複数の粒子(6)の相互の間隔は、1μm~10μmであり、前記高融点の金属成分(7)のそれぞれの粒子(6)の全面が、1μm~10μmの厚さの前記無鉛軟質はんだ(8)によって被覆されていること、及び
-前記高融点の金属成分(7)の割合に対する前記軟質はんだである前記軟質はんだマトリックスの割合の比率は、形成すべき金属間化合物層(9)において必要であるよりも高くなく、
前記無鉛軟質はんだマトリックス(5)の全ての軟質はんだ(1)が、常に、形成すべきそれぞれの前記金属間化合物層(9)に転移されるように、複数の前記粒子(6)を包囲している前記無鉛軟質はんだマトリックス(5)の軟質はんだ(8)の百分率に対する前記はんだ接合材料(4)中に配列された前記高融点の金属成分(7)の複数の粒子(6)の百分率のこの比率は、当該それぞれの出発物質から生成すべき前記金属間化合物層(9)の化学量論式に従って決定されること、及び
-前記無鉛はんだ膜(1)の総厚は、20μm~0.5mmであること、及び
-前記はんだ膜(1)である前記はんだ接合材料(4)は、接合すべき前記部材(2)の金属表面層(3)に隣接した外側の外層(10)を有し、この外層(10)の層厚は、2μm~10μmであり、この外層(10)は、軟質はんだ(8)から成ることによって解決される。
本発明に従って、拡散はんだ付けのための無鉛はんだ膜1及びその製造の為の方法を介してこの課題が解決されることであって、金属の部材2及び/又は金属化/金属コート部材2、即ち金属の表面層3に隣接する部材2を用いて互いに接合され得る無鉛はんだ膜1及びその製造の為の方法において、無鉛はんだ膜1がはんだ接合材料4として圧縮されて構成されており、軟質はんだ雰囲気、軟質はんだマトリックス5、高融点の金属成分7の粒子6、硬質はんだ成分によく分散して分布して配置されており、各々の粒子6が完全な転移を軟質はんだマトリックス5の軟質はんだ8で金属間化合物層9に生じさせるために、400℃よりも高い溶融温度を有していることを特徴とする無鉛はんだ膜1及びその製造の為の方法である。
はんだ接合材料4に配置された軟質はんだ8の割合に対する高融点の金属成分7の粒子の割合のこれらの比率、粒子6を囲む無鉛軟質はんだマトリクス5は、無鉛軟質はんだマトリックス5の全ての軟質はんだ8が常に個々で確立する金属層に転移されるために、個々の出発物質から形成される金属間化合物層の化学量論式に従って決定される。
例えば、Sn/Cuの組み合わせで50%Snを使用する場合には、これはCuSn3とCu6Sn5になる。
しかしながら、拡散はんだ付けの為の経済的に実行可能な無鉛はんだ膜を開発することが発明の目的であるので、この組み合わせは、より詳細には考慮されない。
このように、接合領域のリフロー温度は、従来の軟質はんだとはんだ付けされた部材に対して基本的に増大する。
スズ軟質はんだ構成要素及び高融点の金属成分としての銅の使用の場合、はんだ成形部材12とはんだ接合材料4からはんだ付けされた部分要素2は、400℃までの動作温度範囲で使用可能である。その際、パワーエレクトロニクスに必要とされる温度耐久性は、必要不可欠な信頼性及び経済性に一致する。
それから、その部分的にめっきされた材料から、ボンディングワイヤ13が製造され得、パワーモジュールの構築の為の即ち一般的な接合ワイヤーの代わりに使用可能である。
本発明に基づくはんだ接合材料4を製造するまでに必要なはんだ付け工程数は、軟質はんだ構成成分と硬質はんだ構成成分から選択された材料構成成分及びはんだ成形部材の所望の総厚に依存する。
本発明に従って何回も繰り返される層結合のめっきによって、固体状態で個々の構成成分の混合が実行し、両方の構成要素の片方の層を粉砕することによって、その他の断面、軟質はんだ構成要素に分散される。
構成要素は、両面に適用される構成要素の融点の間のその中間金属の融点の為に選択される/されている。
本発明に従って、粒子間隔が10μm以下の高融点の金属成分/硬質はんだ成分は、軟質はんだ構成要素内に分散している。
攪拌プロセスでは、均一な分布をまだ確保しなければならないが、固化した場合には、もはやそのケースではない。
その上側は、もう一方の同じ基板上にある導電パス/金属表面層3に接合され、これは通常、薄いアルミニウム又は銅線/導体帯13との接合プロセスで実現される。
セラミクス基盤20は、ヒートシンク/冷却要素17上に取り付けられている基礎板19上にはんだ付けされている。
接合される全ての表面/表面層3は金属でなければならず、接合領域16自体はヒートシンクに向かって可能な限り効果的な熱流を確保しなければならない。
はんだ接合材料4では、銅から成る粒子6が無鉛Sn軟質はんだマトリックス5中に分散して分布されている。その際、粒子6どうしでの間隔は10μm以下であり及び上部と下部の層は、外層10、軟質はんだ8でそれぞれ形成される。
Sn軟質はんだ8は、金属間接合/金属間化合物層で400℃より高い融点でもって完全に転移され、Cuから成る高融点の金属粒子6の残渣(残留金属22)はその中に分布して分散している。
これにより、接合領域全体が第一に400℃を超える温度の場合に溶融し、その上高い電気伝導率の他に非常に良好な熱伝導率が保証される。
はんだ接合材料4では、Cu粒子6が無鉛Sn軟質はんだマトリックス5に分散して分布し、その粒子6どうしでの間隔は10μm以下であり、多層はんだ膜11の最上層と最下層、外層10が同様にそれぞれ軟質はんだ8からの形成される。
はんだ接合材料4から成る金属層では、Sn軟質はんだ8が400℃よりも高い融点でもって中間金属接合/金属間化合物層9で完全に転移され、分散した分布の中には高融点の金属粒子6のCuの残渣もある。
その際、半導体デバイス21は通常Ni又はNi(Ag)と被覆され、DCB、セラミックス基板20はCuから成る表面層3と及び追加的にしばしばNiとで被覆される。
これまでは、チップはんだの為の通常の融点温度が290℃~305℃である高鉛含有はんだ合金が使用され、このように作製されるはんだ接合は一連の製造の通常のステップはんだ付けに基づいて、240℃以上の温度の場合のシステムはんだ付けの為の第二のはんだ付け工程で再び溶融すべきでない 。
通常、一連の製造においては第一ステップでチップはんだを実施し、及び第二ステップで無鉛はんだを用いたシステムはんだが行われる。
高鉛はんだは、無鉛はんだよりも高融点の温度を有するので、システムはんだ付け中にチップはんだ接触するから、記載されている順番のこのステップによって回避される。
それ故、基礎板19は通常Cu, Ni, Ni(P)又はNi(Ag)から成る一つの表面層3と被覆されており、DCB/セラミックス基板20は、Cu, Ni, Ni(P)又はNi(Ag)から成る一つの表面層3で被覆されている。
多層はんだ膜11の使用は、層構造に関して多層はんだ膜11が、はんだ付け工程の後で発生する接合領域16の機械的柔軟性を増加することの可能性を提供する。
本実施形態では、はんだ成形部材12は、Sn軟質はんだマトリックス5を有するはんだ接合材料4の層で構成されており、及びこのSn軟質はんだマトリックス5に銅金属成分7の分布した粒子6が分散する。その際、高融点の金属成分7即ち銅の代わりになるような層を含むこれらの層は、はんだ接合材料4の外層が、外層10、Sn軟質はんだ8のみで構成される。
はんだ接合材料4のこれらの外層は、基板20及び基礎板19、即ち部材2の金属表面/表面層3と接触する。
今度は、液体外層10が、金属間化合物層9CuSn3 及びCu6Sn5を基板20及び基礎板19のメタライゼーション法でもって形成する。
加えて、同様の層は、高融点の金属成分7の中間層23との界面に形成される。
従って、はんだ付け工程後に初めて配置される多層はんだ膜11の領域において発生するボイドのない接合領域16は、その融解温度が400°Cを超え、残存金属残存層22によって、適合して結果として生じる熱膨張係を有す。
この接合方法は、同様に本発明によるはんだ膜を用いた拡散はんだ付け工程によって置き換え得る。拡散はんだ付け工程は、前述のはんだ付け工程に相応して進行する。
無鉛軟質はんだ付け工程の適用温度に加熱した場合、はんだ接合材料4の軟質はんだ8は溶融する。
チップ表面と基板のメタライゼーション法(金属表面層3)の為の界面では、金属間化合物層CuSn3及びCu6Sn5が同様に形成される。
それ故、ここでチップおよびシステムはんだと同等の接合領域16も発生する。
なお、本願は、特許請求の範囲に記載の発明に関するものであるが、他の態様として以下の構成も包含し得る。
1.複数の金属部材(2)及び/又は複数の金属化/金属被覆部材(2)、即ち隣接した複数の部材(2)の複数の金属表面層(3)を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための、圧延クラッド法によって製造された無鉛はんだ膜(1)を製造するための方法において、
-硬質はんだ成分である高融点の金属成分のそれぞれの粒子(6)が、無鉛軟質はんだ(8)によって完全に包囲されているように、複数の前記粒子が、軟質はんだマトリックス(5)である前記無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、圧縮されたはんだ接合材料(4)から成る前記無鉛はんだ膜(1)が生成されるように、前記圧延クラッド法が、前記無鉛はんだ膜(1)を製造するために複数回繰り返されて実行されること、及び
-当該はんだ接合材料(4)の製造のために、最初に、
前記金属成分の両面が、前記軟質はんだ成分と常に接合するように、前記軟質はんだ成分と前記金属成分とが、前記圧延クラッド法によって前記はんだ接合材料(4)の予め設定/計画された百分率組成に従って交互に接合されて1つの積層に形成され、このときに、前記軟質はんだ成分が、その後のはんだ付け工程で金属間化合物層中に完全に含有されるように、使用すべき前記金属成分の層厚が、全体的に互いに均等に存在すること、及び-続いて、別の複数の圧延クラッドステップが、当該最初に圧延クラッドされた積層を用いて複数回繰り返して実行され、これらの圧延クラッドステップでは、当該圧延クラッドされたそれぞれの材料自体が一緒に圧延クラッドされる結果、当該材料から成る層の数は増加するもの、これらの層の厚さは減少すること、及び
-前記はんだ接合材料(4)が製造されるまで、前記圧延クラッドステップが、軟質成分と硬質成分とから選択された材料の組み合わせと、前記はんだ接合材料(4)用の希望した総厚とに応じて複数回繰り返されること、及び
-当該複数回繰り返された圧延クラッドの結果として、当該個々の成分が、固体状態で混合され、当該両成分のうちの一方の成分の層を粉砕することによって、その成分の一部が、他方の軟質成分の層中に分散分布して、即ち分散され、10μm以下の粒子間隔を有する構造が生成される当該方法。
2.複数の金属部材(2)及び/又は複数の金属化/金属被覆部材(2)、即ち隣接した複数の部材(2)の複数の金属表面層(3)を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための、請求項1に記載の方法にしたがって製造された無鉛はんだ膜(1)において、
-前記無鉛はんだ膜(1)が、圧縮されたはんだ接合材料(4)から成り、通常の軟質はんだ付け工程中に、軟質はんだマトリックス(5)の軟質はんだ(8)を、前記無鉛軟質はんだにとって典型的なはんだの温度プロファイルによって400℃よりも高い融点を有する金属間化合物層(9)に完全に転移させるため、硬質はんだ成分である高融点の金属成分のそれぞれの粒子(6)が、前記無鉛軟質はんだ(8)によって完全に包囲されているように、複数の前記粒子が、複数回繰り返された請求項1に記載の圧延クラッドによって、軟質はんだマトリックス(5)である無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、圧縮された、即ち材料一体的な固体の前記はんだ接合材料(4)が構成されていること、及び
-前記の軟質はんだマトリックス(5)中に分散した高融点の金属成分(7)の複数の粒子(6)は、膜厚の方向に3μm~20μmの厚さを有し、前記軟質はんだマトリックス(5)中の複数の粒子(6)の相互の間隔は、1μm~10μmであり、前記高融点の金属成分(7)のそれぞれの粒子(6)の全面が、1μm~10μmの厚さの前記無鉛軟質はんだ(8)によって被覆されていること、及び
-前記高融点の金属成分(7)の割合に対する前記軟質はんだである前記軟質はんだマトリックスの割合の比率は、形成すべき金属間化合物層(9)において必要であるよりも高くなく、
前記無鉛軟質はんだマトリックス(5)の全ての軟質はんだ(1)が、常に、形成すべきそれぞれの前記金属間化合物層(9)に転移されるように、複数の前記粒子(6)を包囲している前記無鉛軟質はんだマトリックス(5)の軟質はんだ(8)の百分率に対する前記はんだ接合材料(4)中に配列された前記高融点の金属成分(7)の複数の粒子(6)の百分率のこの比率は、当該それぞれの出発物質から生成すべき前記金属間化合物層(9)の化学量論式に従って決定されること、及び
-前記無鉛はんだ膜(1)の総厚は、20μm~0.5mmであること、及び
-前記はんだ膜(1)である前記はんだ接合材料(4)は、接合すべき前記部材(2)の金属表面層(3)に隣接した外側の外層(10)を有し、この外層(10)の層厚は、2μm~10μmであり、この外層(10)は、軟質はんだ(8)から成る当該無鉛はんだ膜(1)。
3.上記2に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜(1)において、
-前記はんだ膜(1)は、多層はんだ膜(11)として形成されていること、及び
-前記多層はんだ膜(11)の個々の層が、前記はんだ接合材料(4)と、高融点の金属成分2μm~100μmの厚さの中間層(23)である層とを交互させて構成されていること、及び
-前記多層はんだ膜(11)は、接合すべき部材(2)の前記金属表面層(3)に隣接した外側の外層(10)を有し、この外層(10)の層厚は、2μm~10μmであり、この外層(10)は、軟質はんだ(8)から成ること、及び
-前記多層はんだ膜(11)の総厚は、40μm~1.0mmである無鉛はんだ膜(1)。
4.上記3に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜(1)を製造するための方法において、
前記はんだ膜(1)が、多層はんだ膜(11)として形成されていて、前記多層はんだ膜(11)のこれらの個々の層は、上記2に記載されていて且つ上記1によって製造されたはんだ接合材料(4)と、中間層(23)である高融点の金属成分(7)の層とを交互させて構成されるように、前記多層はんだ膜(11)の個々の層が、圧延クラッドによって互いに接合され、
前記多層はんだ膜(11)は、前記接合すべき部材(2)の前記金属表面層(3)に隣接した外側の外層(10)を有し、この外層(10)は、軟質はんだ(8)から成る当該方法。
5.上記2又は3のいずれか1項に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜(1)の使用において、
この無鉛はんだ膜(1)は、はんだ成形部材(12)として無鉛軟質はんだ付け工程に使用され、
当該はんだ付け工程後の接合領域(16)が、400℃よりも高いリフロー温度を有するように、前記無鉛軟質はんだにとって典型的なはんだの温度プロファイルの使用の下で、隣接した複数の部材(2)が互いに接合している当該無鉛はんだ膜(1)の使用。
6.上記2又は3に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜(1)の使用において、
前記無鉛はんだ膜(1)が、金属ボンディングワイヤ(13)の複数の接合部(15)で部分的に配置されている結果、無鉛軟質はんだ付け工程後の接合領域(16)が、400℃よりも高いリフロー温度を有するように、接合すべき製品(14)で導電体として使用される前記金属ボンディングワイヤ(13)の複数の接合部(15)で部分的に被覆されたこの金属ボンディングワイヤ(13)が、無鉛軟質半田付け工程中にこの金属ボンディングワイヤ(13)に接合すべき複数の部材(2)を、これらの接合部(15)で互いに接合させる当該無鉛はんだ膜(1)の使用。
2 部材
3 表面層
4 はんだ接合材料
5 軟質はんだマトリックス
6 粒子
7 金属成分
8 軟質はんだ
9 金属間化合物
10 外層
11 多層はんだ膜
12 はんだ成形部材
13 ボンディングワイヤ
14 製品
15 接合部
16 接合領域
17 冷却要素
18 熱界面―材料
19 基礎板
20 セラミックス基板(DCB)
21 半導体デバイス
22 残留金属(高融点)
23 中間層(高融点)
Claims (6)
- 複数の金属部材(2)及び/又は複数の金属化/金属被覆部材(2)、即ち隣接した複数の部材(2)の複数の金属表面層(3)を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための、圧延クラッド法によって製造された無鉛はんだ膜(1)を製造するための方法であって、
-硬質はんだ成分である高融点の金属成分のそれぞれの粒子(6)が、無鉛軟質はんだ(8)によって完全に包囲されているように、複数の前記粒子が、軟質はんだマトリックス(5)である前記無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、圧縮されたはんだ接合材料(4)から成る前記無鉛はんだ膜(1)が生成されるように、前記圧延クラッド法が、前記無鉛はんだ膜(1)を製造するために複数回繰り返されて実行されること、及び
-当該はんだ接合材料(4)の製造のために、最初に、
前記金属成分の両面が、前記軟質はんだ成分と常に接合するように、前記軟質はんだ成分と前記金属成分とが、前記圧延クラッド法によって前記はんだ接合材料(4)の予め設定/計画された百分率組成に従って交互に接合されて1つの積層に形成され、このときに、前記軟質はんだ成分が、その後のはんだ付け工程で金属間化合物層中に完全に含有されるように、使用すべき前記金属成分の層厚が、全体的に互いに均等に存在すること、及び-続いて、別の複数の圧延クラッドステップが、当該最初に圧延クラッドされた積層を用いて複数回繰り返して実行され、これらの圧延クラッドステップでは、当該圧延クラッドされたそれぞれの材料自体が一緒に圧延クラッドされる結果、当該材料から成る層の数は増加するもの、これらの層の厚さは減少すること、及び
-前記はんだ接合材料(4)が製造されるまで、前記圧延クラッドステップが、軟質成分と硬質成分とから選択された材料の組み合わせと、前記はんだ接合材料(4)用の希望した総厚とに応じて複数回繰り返されること、及び
-当該複数回繰り返された圧延クラッドの結果として、当該個々の成分が、固体状態で混合され、当該両成分のうちの一方の成分の層を粉砕することによって、その成分の一部が、他方の軟質成分の層中に分散分布して、即ち分散され、10μm以下の粒子間隔を有する構造が生成される当該方法において、
前記無鉛軟質はんだマトリックス(5)の全ての軟質はんだ(1)が、その後のはんだ付け工程で、400℃よりも高い融点を有する前記金属間化合物層(9)に転移されるように、複数の前記粒子(6)を包囲している前記無鉛軟質はんだマトリックス(5)の軟質はんだ(8)の百分率に対する、前記はんだ接合材料(4)中に配列された前記高融点の金属成分(7)の複数の前記粒子(6)の百分率の比率が、当該それぞれの出発物質から生成すべき前記金属間化合物層(9)の化学量論式に従って決定されることを特徴とする方法。 - 複数の金属部材(2)及び/又は複数の金属化/金属被覆部材(2)、即ち隣接した複数の部材(2)の複数の金属表面層(3)を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための、請求項1に記載の方法にしたがって製造された無鉛はんだ膜(1)において、
-前記無鉛はんだ膜(1)が、圧縮されたはんだ接合材料(4)から成り、通常の軟質はんだ付け工程中に、軟質はんだマトリックス(5)の軟質はんだ(8)を、前記無鉛軟質はんだにとって典型的なはんだの温度プロファイルによって400℃よりも高い融点を有する金属間化合物層(9)に完全に転移させるため、それぞれの粒子(6)が、前記無鉛軟質はんだ(8)によって完全に包囲されているように、複数の前記粒子が、複数回繰り返された請求項1に記載の圧延クラッドによって、軟質はんだマトリックス(5)である無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、圧縮された、即ち材料一体的な固体の前記はんだ接合材料(4)が構成されていること、及び
-前記の軟質はんだマトリックス(5)中に分散した高融点の金属成分(7)の複数の粒子(6)は、膜厚の方向に3μm~20μmの厚さを有し、前記軟質はんだマトリックス(5)中の複数の粒子(6)の相互の間隔は、1μm~10μmであり、前記高融点の金属成分(7)のそれぞれの粒子(6)の全面が、1μm~10μmの厚さの前記無鉛軟質はんだ(8)によって被覆されていること、及び
-前記高融点の金属成分(7)の割合に対する前記軟質はんだである前記軟質はんだマトリックスの割合の比率は、形成すべき金属間化合物層(9)において必要であるよりも高くなく、
前記無鉛軟質はんだマトリックス(5)の全ての軟質はんだ(1)が、常に、形成すべきそれぞれの前記金属間化合物層(9)に転移されるように、複数の前記粒子(6)を包囲している前記無鉛軟質はんだマトリックス(5)の軟質はんだ(8)の百分率に対する前記はんだ接合材料(4)中に配列された前記高融点の金属成分(7)の複数の粒子(6)の百分率のこの比率は、当該それぞれの出発物質から生成すべき前記金属間化合物層(9)の化学量論式に従って決定されること、及び
-前記無鉛はんだ膜(1)の総厚は、20μm~0.5mmであること、及び
-前記はんだ膜(1)である前記はんだ接合材料(4)は、接合すべき前記部材(2)の金属表面層(3)に隣接した外側の外層(10)を有し、この外層(10)の層厚は、2μm~10μmであり、この外層(10)は、軟質はんだ(8)から成ることを特徴とする無鉛はんだ膜(1)。 - 請求項2に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜(1)において、
-前記はんだ膜(1)は、多層はんだ膜(11)として形成されていること、及び
-前記多層はんだ膜(11)の個々の層が、前記はんだ接合材料(4)と、高融点の金属成分2μm~100μmの厚さの中間層(23)である層とを交互させて構成されていること、及び
-前記多層はんだ膜(11)は、接合すべき部材(2)の前記金属表面層(3)に隣接した外側の外層(10)を有し、この外層(10)の層厚は、2μm~10μmであり、この外層(10)は、軟質はんだ(8)から成ること、及び
-前記多層はんだ膜(11)の総厚は、40μm~1.0mmであることを特徴とする無鉛はんだ膜(1)。 - 請求項3に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜(1)を製造するための方法において、
前記はんだ膜(1)が、多層はんだ膜(11)として形成されていて、前記多層はんだ膜(11)のこれらの個々の層は、請求項2に記載されていて且つ請求項1によって製造されたはんだ接合材料(4)と、中間層(23)である高融点の金属成分(7)の層とを交互させて構成されるように、前記多層はんだ膜(11)の個々の層が、圧延クラッドによって互いに接合され、
前記多層はんだ膜(11)は、前記接合すべき部材(2)の前記金属表面層(3)に隣接した外側の外層(10)を有し、この外層(10)は、軟質はんだ(8)から成ることを特徴とする方法。 - 請求項2又は3のいずれか1項に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜(1)の使用において、
この無鉛はんだ膜(1)は、はんだ成形部材(12)として無鉛軟質はんだ付け工程に使用され、
当該はんだ付け工程後の接合領域(16)が、400℃よりも高いリフロー温度を有するように、前記無鉛軟質はんだにとって典型的なはんだの温度プロファイルの使用の下で、隣接した複数の部材(2)が互いに接合していることを特徴とする無鉛はんだ膜(1)の使用。 - 請求項2又は3に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜(1)の使用において、
前記無鉛はんだ膜(1)が、金属ボンディングワイヤ(13)の複数の接合部(15)で部分的に配置されている結果、無鉛軟質はんだ付け工程後の接合領域(16)が、400℃よりも高いリフロー温度を有するように、接合すべき製品(14)で導電体として使用される前記金属ボンディングワイヤ(13)の複数の接合部(15)で部分的に被覆されたこの金属ボンディングワイヤ(13)が、無鉛軟質半田付け工程中にこの金属ボンディングワイヤ(13)に接合すべき複数の部材(2)を、これらの接合部(15)で互いに接合させることを特徴とする無鉛はんだ膜(1)の使用。
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