JPS6117355A - 異種部材のはんだ接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は相互゛に熱膨張係数の異なる２以上の異種部材
を電気的、熱的１機械的に接合する方法、特に接合部の
電気的断線や機械的損傷を軽減するのに効果のあるはん
だ接合方法に関する。

〔発明の背景〕

鉛と錫を主成分とするはんだ材は、熱膨張係数あるいは
材質の異なる異種部材相互間を電気的。

熱的ないし機械的に接合するための材料として広範な技
術分野、特に電子工業の分野で使用されている。

従来この種の技術分野で公知な接合例を以下に説明する
。（１）米国特許第３４２９０４０号には半導体基体を
Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｃｏ１１ａｐｓｅ　Ｂｏｎｄｉ
ｎｇと称される方法によって誘電体基板の導体上に機械
的かつ電気的に接合する好ましい形態が開示されておシ
、接合用材料として約５ないし４０重量％錫及び９５な
いし６０重量％鉛のはんだ組成物を用い、これを溶融（
ｒｅｆｌｏｗ　）せしめて相互に接続している。（２）
　ＩＥＥＢ　　Ｔｒａｎｓ、　ｏｎ　Ｐａｒｔｓ　、　
Ｈｙｂｒｉｄｓ。

ａｎｄ　Ｐａｃｋａｇｉｎｇ、　ＰＨＰ　−１３、３１
８（Ｌ９７７年）におけるＳ　、　Ｋ、　Ｋａｎｇらに
よる”　Ｔｈｅｒｍａｌ　ＦａｔｉｇｕｅＦｌａｉｌｕ
ｒｅ　ｏｆ　５ｏｆｔ　−８ｏＪｄｅｒｅｄ　（：ｏｎ
ｔａｃｔｓ　ｔ。

５ｉｌｉｃｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　’ｌ’ｒａｎｓｉｓｔｏ
ｒｓ　　”と題する論文において、鋼板に銀ろう付けし
た銅板上にシリコン基体を鉛ベースはんた（９５％鉛−
５％錫はんだ）により搭載した、グイボンディング構造
が開示されている。（３）特開昭５１−１３０２８５号
公報には、接着面にニッケル層を有する半導体チップと
金属製支持体とを１．０〜２．０重量％の銀と１．５〜
４．５重量％の錫と９３．５〜９７．５重量−の鉛とか
らなるはんだで接着したダイボンディング構造が開示さ
れている。（４）　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　、　ｏｎＣ
ｏｍｐｏｎｅｎｔｓ、　Ｈｙｂｒｉ、ｄｓ、　ａｎｄ　
ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇＬ　ＣＨＭ
Ｔ−４、１３２＜　１９８１年）におけるＨ、Ｎ、Ｋｅ
ｌｌｅｒによる′ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｙｃｌｉｎ
ｇ　ｏｆ　ＨＩＣＴｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　５ｏｌｄｅｒＣ
ｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　”と題する論文において、混成
集積回路装置用セラミック板に金属端子を６０重量％錫
−４０重量％鉛はんだにより固着一体化したパッケージ
構造体が開示されている。（５）ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅ
　’ｌ’ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　Ｊｕｌｙ、　５４．　
（１９７０年）におけるり、　Ｂｏｓｗｅｌ　１による
”ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＪ）ｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｃｈｉ
ｐ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｆｏｒ　”　ｐｌｉｐ　”
ａｎｄ　５ｈｏｒｔ　Ｂｅａｍ−：［、ｅａｄ　Ｍｏｕ
ｎｔｉｎｇ”と題する論文において、２端子コンデンサ
素子を６０／４０錫−鉛はんだによりアルミナ基板上の
配線にはんだ付けした構造が開示されている。（６）特
開昭５８−３９０４７号公報には、半導体基体に形成さ
れた微細なオーミック接触された電極上に、接着熱処理
後の鉛／錫の原子比が９９．５７０．５〜７０／３０程
度となるはんだを用いて、有機フィルム上にパターンニ
ング形成された金属箔端子を固着一体化した半導体装置
が開示されている。（７）電子技術、第２３巻、第７号
、８８（１９８１年）における有野らによる「半導体ア
ッセンブリ用ソルダー」と題する論文において、鉛及び
錫を主要成分とする各種ソルダー材料の組成及び溶融温
度を開示しており、特に５０重＠チ鉛−５０重量％錫な
る組成のはんだ材料、そして３０重量％鉛−７０重量％
錫なる組成のはんだ材料が半導体アッセンブリ用として
使用されることを開示している。

上記技術分野において鉛〜錫系はんだが用いられる理由
は（１）鉛や錫が比較的廉価で、合金化や加工が容易で
経済的に有末であるという点、（２）上記はんだ材の融
点が１８３〜３２７Ｃと他の金糸。

銀系、アルミニクム系金属ろうに比べて低く、例えば接
続部周辺の部材を損傷せずに接合できるなど接合プロセ
ス上の利点が多いこと、（３）鉛−錫系はんだは他の金
属ろうに比べて軟かく、塑性変形性に優れ熱歪の吸収担
体として優れると考えられていること等による。しかし
、鉛−錫系はんだの中でも特に一般的に多用されるはん
だ材は、例えば９５重量％鉛−５重量％錫はんたに代表
されるような鉛ベース系はんだ材、あるいは４０重量％
鉛−６０重量多錫はんだで代表されるような共晶系はん
だ材であった。この理由は、鉛ベースはん―　　　　。

だは、例えばＭｃＱｒｏｗ−ＨｉＮ　ｆ３ｏｏｋ　Ｃｏ
ｍｐａｎｙ。

ＩｎＣ，、１１０６頁（１９５８年）刊のＭａｘ　、Ｈ
ａｎｓｅｎによるＣｏｎ５ｔｊｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　１
３ｉｎａｒｙ　Ａ、ｌ１ｏｙｓ　”と３題する刊行物に
記載されている二元合金状態図を参照して明らかなよう
に、軟かくて応力場において塑性変形性に富むα固溶体
（船中に錫が少量固溶）が硬くて塑性変形しにくいβ同
溶体（鍋中に鉛が少量固溶）より圧倒的に多く、はんだ
材全体としての性質も塑性変形しやすく、被接合部材の
熱膨張係数差にともなう熱応力ないし歪を吸収し、もっ
て接合部の電気的１機械的性能を維持するのに有利と考
えられていたことによる。一方、共晶系はんだは、上記
１（ａｎｓｅｎによる刊行物を参照して明らかなように
、組成が共晶組成（３７重量％鉛−６３ｆｉ量チ錫）に
近く、微細な結晶粒からなる上記α固溶体とβ固溶体と
の共晶組織を呈する。この場合共晶系はんだは微細な結
晶粒であることにより結晶粒界界面すべりに基づく塑性
変形や拡散的なりリープ作用を生じやすく、例えば’ｌ
’ｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　　ｔｈｅ　ＡＲＭ、Ｖ
Ｏｌ、５ｉ、３ＱＱ（１９６８年）におけるＳ　、Ｗ、
　Ｚｅｈｒ及びＷ、Ａ。

Ｂａｃｋｏｆｅｎによる′″’　５ｕｐｅｒｐｌａｓｔ
ｉｃｉｔｙ　ｉｎ　Ｌｅａｄ−’ｆｉｎ　Ａ目ｏｙｓ　
”と題する論文に開示されているような超塑性現象を呈
し、もって被接合部材相互の熱膨張係数差にともなう熱
応力ないし歪を吸収して、接合部の電気的、熱的２機械
的性能を維持するのに有利と考えられていたことによる
。

上記先行技術例α）〜（６）においても、鉛ベースはん
だ材又は共晶系はんだ材が用いられ得ることを開示して
いる。一方、上記先行技術例ａ）では４０重量％錫及び
６０重量％鉛のはんだ組成物、そして（７）では５０重
量％鉛−５０重量係錫はんだ、３０重量％鉛−７０重量
％錫はんだのように、鉛ベース又は共晶系はんだ材以外
の組成域のはんだ材が使用され得ることを開示している
。しかしながら、鉛ベース系又は共晶系以外の組成域に
属するはんだ材は、信・頼性の点で鉛ベース系又は共晶
系はんだに比べて劣ると考えられ、従来の知見に基づく
常識では使用を避けるのが一般的であった。

即ち、鉛ベース系あるいは共晶系を外れる組成域、（１
）例えば６０重量％鉛−４０＠、景チ錫はんだでは、初
晶のα固溶体の存在比率が減るとともにα固溶体間の粒
界に共晶組織が存在して粒界変形性能を低下させ、又微
細な共晶組織中に超塑性作用を阻害する初晶α固溶体が
存在することによって塑性変形性能が低下し、そして伐
）例えば３０重量嗟鉛−７０重Ｎチ錫はんだでは、微細
な共晶組織中に超塑性作用を阻害する比較的硬い初晶β
固溶体が存在して粒界すペリによる塑性変形性能を低下
させ、この結果接続部を担うはんだ材自体又は同接続部
に連なって配置されている被接続部材が損傷を受ける懸
念があったからである。換言すれば、鉛ベース系又は共
晶系以外の組成域に属するはんだ材は、異種部材を冶金
的に接合する又は物理的に一体化する又は電気的に接続
する目的に対しては、上記先行技術例α）又は（７）に
開示されている如く使用可能な材料ではあった。しかし
、異種部材の一体化物が使用段階で受ける熱的サイクル
にともなって、接合部を担うはんだ材に対する応力ない
し歪の導入及び疲労の蓄積の結果破壊に至る物理的故障
を軽減する観点では、その目的を満し得る材料とは考え
られていなかった。又、このような背景に加えて鉛ベー
ス系又は共晶系以外の組成域に属するはんだ材を使用し
た場合の、信頼性向上を目的とした接合プロセスの検討
も十分でなく、工業的に成立つプロセスが確立されてい
ないのが実情である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、異種部材又は相互に熱膨張係数の異な
る異種部材を冶金的に接合してなる一体化物の接合部の
耐熱疲労性能を向上させ得る接合方法を提供することで
ある。

本発明の他の目的は、接合部の耐疲労性を向上させる手
段として、組成の調整されたはんだ材を用いて接合のた
めの冶金プロセスを改良した新規な接合方法を提供する
ことである。

本発明の他の目的は、鉛ベース系又は共晶系はんだ材以
外の組成領域に属するはんだ材を用いて、はんだ材の溶
融処理後の冷却速度ないし温度プロフィールを調節した
一体化物を得るための新規な接合方法を提供することで
ある。

本発明の他の目的は、接合部を担うはんだ層の疲労の進
行を可及的に抑制し得る金属組織を得るための新規な冶
金的接合方法を提供することである。

〔発明の概要〕

重量−未満を除く）そして残部が実質的に鉛からなるは
んだ材、若しくは同はんだ材に第３元素としての金属が
添加されたはんだ材を異種部材又は熱膨張係数の異なる
異種部材間に介装し、上記はんだ材を溶融せしめた後１
２５℃／分以下の速度で冷却する冶金プロセスを有する
ことを特徴とする。

本発明者らが種々検討した結果、鉛と錫を主成分とする
はんだ材を用いて異種部材を接合した一体化物の熱疲労
耐力には、極めて明瞭な組成依存性が見出され、特に好
ましい冶金プロセス条件のもとで接合し′た一体化物は
、はんだ組成が５０重量饅鉛−５０重量％錫及び２５重
量％鉛−７５重量％錫の場合に極めて優れた耐熱疲労寿
命特性を示すことを確認した。ここで言う好ましい冶金
プロセス条件とは、鉛ベース系又は共晶系はんだ以外の
組成領域に属するはんだ材、より好ましくは鉛が４０重
量％以上６５重量％未満で錫が３５重量％以上６０重量
−未満のはんだ材、又は鉛が２０ないし３５重量％で錫
が６５ないし８０重量％のはんだ材を異種部材間に介装
し、このはんだ材を溶融せしめた後、少くともはんだ融
液が完全に固相化されるまでの期間選択された速度、即
ち１２５ｔｌ’、７分以下の速度で冷却することである
。

このような冶金プロセスを選ぶ理由は、第１にはんだ材
自体の破壊強度あるいは弾性応力範囲を高めることであ
り、第２にはんだ層に塑性変形しにくい又は塑性変形を
抑制する金属組織を導入することである。これらの事項
が達成されることによって、一体化物において最も軟か
い部材で応力集中とこれに伴なう重性変形が顕著なはん
だ層の剛性を高め、同層の応力を分散させて塑性変形量
を軽減し、疲労寿命性能を向上せしめんとするものであ
る。

〔発明の実施例〕

次に図面を参照して、本発明の実施例を更に詳細に説明
する。

第１図は本発明の第１実施例に関するもので、好ましい
冶金プロセスによって接合されたシリコントランジ゛ス
タ基体３（熱膨張係数３．５Ｘ１０−’／Ｃ）と銅支持
板２（同１６．５　Ｘ　１０−’／Ｃ）との一体化物の
接合部の熱疲労寿命を示すグラフである。この熱疲労寿
命データ（○印）は、一体化物に−５５０から＋１５０
０までの温度変化（温度変化幅：２０５ｄｅｇ、）をく
り返し与えながら逐次読取った熱抵抗が、初期値の１．
５倍に達したときのくり返し回数を寿命と定義し、試料
数１０個の寿命値をワイプルチャート上にプロットし、
これによって得た直線から求めた平均寿命を表現するも
のである。ここで、熱抵抗はシリコン基体３から銅支持
板２に至る熱伝導経路の定常熱抵抗であり、一体化物の
けんだＮ１の疲労による亀裂によって上昇すべきもので
ある。一体化物は、厚さ３間のニゲケルめっきした銅板
からなる支持板２上に厚さ１００μｍのはんだシートを
介装してシリコン基体３〔１３關×１３鰭、厚さ２５０
細。

接合面；クロム（０，１μｍ）−ニッケル（０，６μｍ
）−銀（２μｍ）多層蒸着メタライズ〕を載置し、これ
を水素雰囲気中で加熱してはんだシートを溶融せしめた
後、少くとも溶融はんだの固相化が完了するまでの期間
４ｏ±１０℃／分なる速度で冷却して得だ。用いたはん
だシートは、錫が３５ないし５９重量％で残部が実質的
に鉛からなる組成範囲から選ばれた合金、及び錫が６５
ないし８０重量％で残部が実質的に鉛である組成範囲か
ら選ばれた合金である。上述の冶金プロセスにおける熱
処理は、最高到達温度がはんだ材の液相点より略５０ｄ
ｅｇ、高くなるように、又到達温度において略５分間保
持されるように制御される。伺、最高到達温度はんだ材
と被接合部材との冶金的接合が完全になされる点、並び
に被接合部材の構成成分が溶融はんだに混入してくる点
を考慮して選ばれるべきもので、用いるはんだ材の液相
点以上の任意の温度を選択できる。同様の意味において
保持時間も任意に調整し得る。

第１図を参照するに、シリコン基体３と銅支持板２をは
んだ付は接合した一体化物の熱疲労寿命は明瞭な組成依
存性を有していて、はんだ層１中の錫濃度が５０重量％
及び７５重量％の場合に極大値を持つ寿命特性を示して
いる。又、上記実施例の組成範囲のはんだ材を用いた場
合は、寿命値５００回以上を記録している。第１図には
比較例として、上記実施例範囲以外から選択された組成
のはんだ材を用いて同様の冶金プロセスを経て作成した
、一体化物の寿命特性を・印により示している。これら
の比較例の一体化物は、上記実施例組成の一体化物と比
較して明らかなように、サイクル数の少ない段階で寿命
に達している。特に、従来異軸部材の接合に多用されて
きた鉛ベース系や共晶系はんだを用いた一体化物との比
較において、上記実施例組成のはんだ材を用いた一体化
物は、ことごとく長い寿命を示している。以上の開示か
ら、本実施例冶金プロセスは、一体化物の耐熱疲労寿命
を向上させるのに極めて有効な作用を及はしていること
が理解される。上述した寿命の組成依存性及び実施例組
成域で好ましい寿命特性を示す理由は、必ずしも十分明
確になっていないが、本発明者らはこれまでの検討結果
に基づいて次のメカニズムに起因するものと推測してい
る。

以下、そのメカニズムについて説明する。

第２図は第２実施例に関するもので、信号変換器として
の混成集積回路装置用アルミナ基板（幅１５ｍｍ、長さ
３０朧、厚さ０．６　ｒｔｔｘ　、熱膨張係数７．５　
Ｘ　１０−’／Ｃ）　４と真鍮製端子部材（幅１ｍｍ。

長さ１３鶏、厚さ０．２５關、熱膨張係数２０に１０−
’／ｌｌ’、　ニアケルめつき３μｍ）５とを、はんだ
層１により接合した一体化構造物の接合部の剪断強度特
性（曲線Ａ、Ｂ、Ｃ）を示す。曲線Ａは一２５Ｃ１同Ｂ
は２０Ｃ１そして同Ｃはｉｏ。

Ｃにおける測定値である。同図を参照するに、剪断破断
強度には、はんだ中の錫組成が５０重ｆｆｉ％及び７５
重量％で極大値を持つ組成依存性が認められる。強度は
雰囲気温度が低い場合大きく高温はど低下するが、いず
れの温度の場合も略同様の組成依存性を示している。こ
の傾向は第１図の寿命特性との明瞭な対応関係を有して
いて、はんだ層１の強化の程度が疲労寿命特性に少なか
らず反映されていることを示唆するものと理解される。

同図には比較のために、はんだ溶融後冷却速度略２００
℃／分で冷却して得たアルミナ基板４と厚さ３μｍのニ
ッケルめっきを施した真鍮端子５との一体化物における
はんだ１の剪断破断強度特性例（曲線Ｄ）を示す。この
場合は、例えば、材料試験技術、Ｖｏｌ、２５．ＡＩ、
３１　（１９８０年）ニオける西畑らによる「Ｐｂ−８
ｎ二元合金の引張強さ、伸びに及ぼす引張速度の影響」
と題する論文において開示されている、圧延銅板の引張
試験で得られた引張強度と同様の傾向が認められるが、
曲線Ａ、Ｂ、及びＣはそれと傾向を異にしている。した
がって、第２図が意味するもう１つの重要な事項は、急
冷によって得たけんだ層１は、上記実施例組成のはんだ
材であっても強化されていない点、換言すると徐冷によ
って上記実施例組成のはんだ材は強化される点である。

　　　′ 尚、一体化物はロジン系７ラツクスとはんだ粉末との混
合ペーストを端子５とアルミナ基板４との間に介装し、
これを空気中で加熱しはんだ粉を溶融させてはんだ材の
液相点より略５０Ｃ高い温度で保持した後、少なくとも
溶融はんだの同相化が完了するまでの期間６０±１ＯＣ
ｌ分なる速度で冷却して得たものであり、第２図の曲線
Ａ、Ｂ。

及びＣは制御された温度のもとての引張試験（引張速度
２　ｒｔａｎ　７分）して得たデータである。この接合
部のアルミナ基板４にはモリブデン焼成メタライズ層に
ニッケルめっきを約３μｍ施した接合パッド（幅１ｍｍ
、長さ１．５ｇ）が形成されており、接合部に供給した
はんだ刊は冶金プロセスを経た後のはんだ層厚さが略１
００μｍになるように調棺されている。この場合であっ
てもはんだ層１の熱疲労寿命特性は、組成に対する傾向
の点において第１図と同様の結果が得られた。

第３図は、上記実施例組成の中から選択されたはんだ材
（５０重量％鉛−５０重量％錫：曲線Ａ。

２５重量％鉛−７５重産チ錫：曲線Ｂ）を用いて得たア
ルミナ基板４と端子５との一体化物における、はんだ溶
融後の冷却速度と剪断破断強度（室温）の関係である。

同図を参照すると、剪断強度は冷却速度の低い領域では
大きく、高速で冷却した場合に小さい値を示しているが
、安定して大きな強度の得られるのは略ｘ２５ｃ／分以
下の場合であることが理解される。同上述の５０重邦チ
錫又は７５重量％錫以外の組成であっても、実施例範囲
のはんだ材は同様の冷却速度依存性を有していたつ 以上述べたように、好捷しい寿命特性を示す理由の第１
は、制御された条件のもとてはんだ材１自体が強化され
る点であることが理解される。

次に、好ましい寿命特性を示す第２の理由について説明
する。

第４図（ａ）及び（ｂ）は上記実施例組成範囲のはんだ
材の代表例として選択した、それぞれ５０重Ａ）％鉛−
５０重量％錫のはんだ材及び２５重量％鉛−７５Ｍ量％
錫の好筐しい冶金プロセス（冷却速度４０℃／分）を経
た後の金属組織、そして同図（Ｃ）及び（ｄ）は本発明
において好ましくない冶金プロセス（冷却速度１５０℃
／分）を経た後の金属組織である。同図（ａ）を参照す
るとはんだ層は大きな粒径に成長したα固溶体初晶の周
囲を比較的大きな粒径の共晶が・包囲する組織を呈する
のに対し、同図（Ｃ）では比較的粒径の小さいα固溶体
初晶を微細粒からなる共晶が包囲する組織を有している
。同図（ｂ）を参照するとはんだ層は大きく成長したβ
固溶体初晶を粒径の大きな共晶が包囲するのに対し、同
図（ｄ）では粒径の小さいβ固溶体初晶を微細粒径の共
晶が包囲する組織を呈しているっ 上述したように、微細な結晶粒からなる共晶は超重性現
象によって変形しやすくなると考えられるが、第４図（
ａ）のように共晶を構成するα固溶体及びβ固溶体がそ
の結晶粒径を増すと、共晶そのものの塑性変形性能の低
下を招くとともに、α固溶体初晶の塑性変形をも抑制す
る作用を持つ。これに対し、同図（Ｃ）のように微細な
粒径の共晶が存在する場合は共晶そのものの変形性能が
維持される結果、初晶α固溶体の塑性変形に対する抑制
効果も低下する。一方、第４図（ｂ）の如く大きく成長
したβ固溶体初晶を粒径の大きな共晶で包囲した場合に
はβ固溶体が塑性変形しにくいのに加えて共晶そのもの
の塑性変形性能も失なわれるの一対し、同図（ｄ）のよ
うに比較的粒径の小さいβ固溶体初晶の周囲を微細な粒
径の共晶が包囲していて、はんだ層全体の塑性変形性能
の維持に寄与している。即ち、好ましい冶金プロセス条
件による場合は、はんだ層の降伏強度換言すると剛性が
高められ、ｔ・よんだ層に集中する応力ないし歪が適度
に被接合部材２，３，４．５にも分散させられ、終局的
結果として塑性変形による疲労の蓄積が抑制されるもの
と理解される。尚、上記実施例組成域以外で鉛含有散が
より多い組成域例えば９５重量％鉛−５重量％錫系はん
んで疲労寿命特性が劣る理由は、α固溶体の存在比率が
圧倒的に高くはんだ層全体の塑性変形性能が維持されて
いるためであり、錫含有量が極端に多い組成例えば５重
量％鉛−９５重倹チ錫系はんだの場合に疲労寿命特性が
低下する理由は、鉛濃度が低くβ固溶体が純粋な錫金属
に近い性状を帯びるためと理解される。

以上の記述を要約すると、上記第２の理由は、好ましい
冶金プロセスを経て得られたはんだ層１は共晶を構成す
る結晶粒径が大きく、共晶自体の変形性能の低下とこれ
に伴なう降伏強度の増大及び応力の分挙に基づくもので
ある。

本発明において、はんだ材は熱膨張係数の異なる異種部
材どうしの電気的、熱的１機械的接合のいずれかを担う
目的で用いられるものであり、このいかなる場合でもは
んだ材と被接合部材間の冶金的接合は可及的に強固にな
されるのが望ましい。

冶金的接合であるから、接合部の要部においては、はん
だ材と被接合部材の少くとも最表層構成物質との間で合
金化がなされることは当然である。このことは、接合が
完了した後のはんだ材中に第３成分としての鉛、錫以外
の金属が固溶ないし混入することは避けられない。又、
鉛や錫以外の金属をはんだ材に添加することは、はんだ
材のぬれ性向上や被接合部材構成成分の混入を抑制する
目的で好ましい場合がある。この際懸念される問題は、
第３成分の添加によってはんだ材自体の耐疲労性能が低
下することである。以下この点について説明する。。

第５図は第３実施例に関するもので、Ｉｎｔ、ｅｇｒａ
ｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ　　（以下ＩＣと略す）チップ（
幅６ＩＩＩＩ＋＋。

長さ７綱、厚さ０．４　ａｍ　）としてのシリコンから
なる半導体基体３１を誘電体基体としてのソーダガラス
（熱膨張係数９　Ｘ　１０−’／Ｃ）基板６に微少はん
だ群１１を用いたＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ＣＣｏ１１ａ
ｐｓｅ１３ｏｎｄｉｎ　法として知られる手法により電
気的かつ機械的に接続した液晶表示装置用一体化構造物
接合部の熱疲労寿命を示すグラフである。この熱疲労寿
命データは、ＩＣチップ３１に断続通電してチップ３１
に５０Ｃから１２５Ｃまでの温度変化（温度変化幅７５
　ｄｅｇ、）をくり返し与えたとき、接続部断線不良に
よってチップ３１がＩＣとしての回路機能を消失したと
きのパワーサイクル数で、１５ないし２０試料の平均値
で表現されている。

同図には錫が３５ないし５９重量％又は６５ないし８０
重量％で、銅が１．０重量％、残部が実質的に鉛である
組成範囲から選ばれた微少はんだ１１を用いた実施例組
成の場合（○印）、及びこれ以外の組成に銅を１．０重
量％含有せしめた微少はんだを用いた比較例組成の場合
（・印）についての結果を示す。同図を参照するに、一
体化物のパワーサイクル寿命ははんだ層１１の錫濃度５
０重量％及び７５重量％の場合に極大値を持つ寿命特性
。

を有していて、第１図と同様の組成依存性を有している
。この開示より、微少はんだ１１に第３成分としての銅
が添加された場合であっても疲労寿命の組成依存性は、
調熱添加の場合と同様の傾向を有し、そして実施例組成
域の場合は比較例組成特に鉛ベースや共晶系の場合に比
べて良好な寿命特性を有することが認められる。

第３実施例において、ＩＣチップ基体にはアルミニウム
配線パターン上に選択的に形成されたクロム（０，１μ
ｍ）−銅（０，６μｍ）−ニッケル（０，３μｍ）積層
金属からなる金属層と、ガラス基板６上に選択的に形成
されたクロム（０，１μｍ）−銅（２μｍ）積層金属パ
ターン間に微少はんだ１１を介装し、フロロカーボン液
体の気化潜熱を利用したＶａｐｏｒ　Ｃｏｎｄｅｎｓａ
ｔｉｏｎ　Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ法によってはんだ材の液
相点より約５０Ｃ高い温度まで加熱して微少はんだ１１
を溶融した後、少くともはんだの同相化が完了するまで
の期間１５±５０７分の速度で冷却して得たものである
。このような冶金プロセスにおいて、第３添加金属とし
ての銅の代替材料が銀、金、ノ＜ラジウム、ニッケル、
アンチモン、亜鉛、ビスマス、インジウム。

カドミウム、ひ素、ガリウムを添加した場合あるいはこ
れらの金属が複合して添加された場合であっても上述と
同様の組成依存性を有すること、特に金、銀、パラジウ
ムにあっては無添加の場合より寿命を更に伸ばし得るこ
とが確認された。又、上記第３添加金属を含む場合であ
っても、１２５℃／分以下の速度で冷却する好ましい冶
金プロセスを経れば、疲労寿命性能を阻害することはな
い。

本発明の実施例において、好ましい実施態様として半導
体と金属の接合、セラミック又はガラス無機誘電体と金
属の接合、特に電子装置用の接合法について開示したつ
しかしながら、本発明の好ましい冶金プロセスによれば
、例えばガラスエポキシ、紙フェノール、エポキシで代
表されるような有機樹脂と金属、無機誘電体、半導体と
の接合、あるいは有機樹脂どうし、金属どうし、誘電体
どうしの接合若しくは有機樹脂、金属、誘電体、半導体
を任意に２以上組合せた一体化接合に又は電子工業以外
の技術分野であっても改善され゛た疲、労寿命特性が得
られるっ又、冶金プロセスにおいて、水素、窒素、ヘリ
ウム、アルゴン、炭酸ガスで代表されるような気体や７
０ロカーボンで代表されるような蒸気等、制御された雰
囲気あるいは空気中処理のいずれであっても支障はなく
、この観点で、炉中熱処理、ホットプレート上熱処理、
赤外線、レーザ光線あるいは電子線の如きビーム照射熱
処理、浸漬法熱処理、　Ｖａｐｏｒ　Ｃｏｎｄｅｎｓａ
ｔｉｏｎＳｏｌｄｅｒｉｎｇ　法熱処理、ノ（ラレルギ
ャップソル・ダリング法熱処理等いずれの手法でも適用
でき、更に一体化物に具備させるべき性能に応じてフラ
ックスを使い分けること等は自由である。伺、本発明に
おいて異種部材とは、熱膨張係数、熱伝導性。

機械的性質、電気的性質等、相互に物性値の異なる部材
を意味する。したがって、例えばはんだ接合すべき部材
がモリブデン板であっても、単体のモリブデン板と銅板
上に銀ろう接合されたモリフ。

デン板とは異種部材の範囲に属する。又銅板と鉄板を接
合した複合部材であっても、拡散接合法によるものとろ
う柱接合したものとは異種部材の範囲に属する。

〔発明の効果〕

本発明は、相互に熱膨張係数の異なる異種部材を導電的
、熱的１機械的に接合するための、改善された冶金プロ
セスを開示するものである。以下、本発明の効果ないし
利点を示す。

（１）本発明において、好ましい冶金プロセスを経て得
られる一体化物は、その接合部の熱雰労寿命性能が一層
向上されたものになる。これは主としてはんだ材自体の
強度向上と、塑性変形の抑制効果に起因するものであっ
て、一体化部材の品質並びに信頼性向上に対し飛躍的に
貢献するものである。

（２）例えば大型半導体基体と金属支持部材との一体化
物の場合、その耐熱疲労寿命性能を維持するため、一般
的には熱膨張係数差を緩和するモリブデン等の中間部材
を介装せしめるのが常であるが、本発明の好ましい冶金
プロセスによれば疲労寿命性能を大幅に向上できるため
、中間部材を用いる必要性が減る。このことは部品点数
の削減に寄与するものである。又、発熱部材又は受熱部
材と吸放熱又は伝熱部材との一体化物にあっては、中間
部材の介装を回避できるためく熱伝導性能の向上にも寄
与する。

（３）本発明冶金プロセスによりはんだ材は強化されて
いて、熱膨張係数差が大きい部材間の接合であっても、
直接はんだ付は接合できる。したがって、被接合部材の
熱膨張係数を厳格に選択する必要がなく、一体化物膜計
上の自由度を増す。

（４）本発明冶金プロセスにおいては、接合部材として
鉛及び錫を主成分とする一般的合金の使用によって、信
頼性の高い電気的、熱的２機械的接合を具現できる。こ
の観点で経済面に資する所太である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の疲労寿命特性を示すグラフ
、第２図及び第３図ははんだ材の剪断破断強度を示すグ
ラフ、そして第４図は改善された冶金プロセス及び改善
されない冶金プロセスで得たはんだ材の金属組織の相違
を表わす図、第５図は他の実施例の疲労寿命特性を示す
グラフである。 １・・・はんだ層、２・・・銅支持板、３・・・シリコ
ン基体。 Ｖ１図 ￥２０ 全Ｉ註坂（１ｔメン （虐笠句）Ｖ苺 第４−図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、錫が３５重量％以上８０重量％以下（但し６０％以
   上６５％未満を除く）含有され残部が実質的に鉛である
   はんだ材を、異種部材間に介装し、上記はんだ材を溶融
   せしめた後、１２５℃／分以下の速度で冷却する冶金プ
   ロセスを経ることを特徴とする異種部材のはんだ接合方
   法。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記はんだ材に第
   ３添加物として、銅、銀、金、パラジウム、ニッケル、
   アンチモン、亜鉛、ビスマス、インジウム、カドミウム
   、ひ素、ガリウムの群から選択された少くとも１種の金
   属が含有されていることを特徴とする異種部材のはんだ
   接合方法。 ３、特許請求の範囲第１項或いは第２項において、異種
   部材は相互に熱膨張係数が異なることを特徴とする異種
   部材のはんだ接合方法。 ４、特許請求の範囲第１項、第２項或いは第３項におい
   て、少くとも溶融したはんだ材の固相化が完了するまで
   の期間１２５℃／分以下の速度で冷却することを特徴と
   する異種部材のはんだ接合方法。