JP2000052027A - High temperature resistant metal jointing method - Google Patents

High temperature resistant metal jointing method

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JP2000052027A
JP2000052027A JP10227153A JP22715398A JP2000052027A JP 2000052027 A JP2000052027 A JP 2000052027A JP 10227153 A JP10227153 A JP 10227153A JP 22715398 A JP22715398 A JP 22715398A JP 2000052027 A JP2000052027 A JP 2000052027A
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Japan
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filler
joined
solder alloy
temperature
temperature resistant
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JP10227153A
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Japanese (ja)
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Toranosuke Kawaguchi
寅之輔 川口
Akiko Nasu
昭子 那須
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Nihon Almit Co Ltd
Original Assignee
Nihon Almit Co Ltd
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  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To carry out soldering at comparatively low temperature by inserting only Sn as a solder alloy filler between metals to be jointed, rising the temperature of the jointed part to more than the melting temperature of the filler, and carrying out the liquid phase dispersion till the solder alloy filler phase in a metal component is vanished. SOLUTION: Sn is powdered, and a filler paste 10 with which a flux is kneaded, is applied on a jointed part of a printed base material 4, namely a metallic foil pattern 5. Then, a jointed part of an electronic part 6, namely a lead 7 is put on the metallic foil pattern 5, and a bottom part 9 of a press heating device 8 is put on the lead 7. The bottom part 9 is heated by a heating wire 11. Thereby, the filler paste 10 is fused for adhering the lead 7 on the metallic foil pattern 5. Furthermore, in a process that the filler paste 10 is fused, heated, and held, the pressure of 0.001-3.0 kg/mm2 is applied to the jointed part by the bottom part 9 of the press heating device 8.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半田接合部が必要
とする耐熱温度以下で接合可能で、この半田接合部が使
用上必要とする所定の耐熱温度にも十分に耐える接合を
行うことが出来る耐高温用金属接合法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for joining at a temperature lower than the heat resistance required by a solder joint, and for sufficiently joining the solder joint at a predetermined heat resistance required for use. The present invention relates to a high-temperature resistant metal bonding method that can be used.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半田合金としては、(1)Snが
60重量%、Pbが40重量%から成り、溶融温度が1
90℃の低温用半田合金と、(2)Snが10重量%、
Pbが90重量%から成り、溶融温度が300℃の高温
用半田合金の2種類が広く利用されている。近時、環境
問題からPbフリー化が叫ばれているが、上記(1)の
低温用半田合金の場合は、Snが主成分のSnベース合
金を用いることによって、Pbフリー化が達成される
が、上記(2)の高温用半田合金に関しては、今のとこ
ろPbフリー化の解決の見通しは全く無い。また、最
近、焼却炉の廃熱を利用するために熱電素子を取り付け
る場合が有るが、この取り付けのための高温用半田合金
として、上記(2)の高温用半田合金の溶融温度300
℃以上の高温度にも耐えることが出来る半田合金が要求
され始めている。 このような見地から見ると、300
〜400℃の高温度で使用できる半田合金は現存しな
い。 この理由については後述する。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a solder alloy, (1) Sn is 60% by weight, Pb is 40% by weight, and the melting temperature is 1%.
90 ° C. low temperature solder alloy, (2) 10% by weight of Sn,
Two types of high-temperature solder alloys having a Pb content of 90% by weight and a melting temperature of 300 ° C. are widely used. Recently, Pb-free has been called out due to environmental problems. However, in the case of the low-temperature solder alloy (1), Pb-free is achieved by using a Sn-based alloy whose main component is Sn. As for the high-temperature solder alloy of the above (2), there is no prospect of solving Pb-free at present. Recently, there is a case where a thermoelectric element is attached in order to utilize waste heat of an incinerator. As a high-temperature solder alloy for this attachment, the melting temperature of the high-temperature solder alloy of (2) is 300.
A solder alloy that can withstand a high temperature of over ℃ has been demanded. From this point of view, 300
There are no solder alloys that can be used at high temperatures up to 400 ° C. The reason will be described later.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】現状では、高温用半田
合金として、Snが10重量%、Pbが90重量%から
成り、Pbを多く含む半田合金が広く利用されている。
しかし、Pbを90重量%も含む高温用半田合金の環
境問題という見地から要求され始めているPbフリー化
は、現時点では全く不可能であると思われる。 この理
由は、半田合金を構成する主成分のPbに相当する有用
な金属が、溶融温度が300℃〜400℃の間には存在
しないからである。 溶融温度321℃のCdが存在す
るが、CdはPb以上の有害金属であるため、半田合金
として使用することは出来ない。上述のSnが10重量
%、Pbが90重量%から成り、Pbを多く含む半田合
金は、従来、プリント基板の実装においても相当量用い
られてきている。従来、フィラー金属として広く使用さ
れてきた合金は、黄銅ろう、銀ろう、リン銅ろう等であ
るが、主として800°F(426℃)以上で用いられて
いる。アメリカ金属学会(ASM)の規定によると、8
00°F(426℃)以上の接合をろう付け(brazi
ng)と称し、800°F(426℃)以下の接合を半田
付け(Soldering)と定義している。そこで、
本発明は、比較的低温で半田付けを行うことができ、し
かも、液相拡散によって半田合金組織を消失し、被接合
部は半田付け温度以上の高温にも十分に耐えることが出
来るという特殊な用途に使用され、場合によっては、P
bフリー半田合金によっても耐高温用金属接合を行うこ
とができる耐高温用金属接合法を提供することを目的と
する。
At present, as a high-temperature solder alloy, a solder alloy containing 10% by weight of Sn and 90% by weight of Pb and containing a large amount of Pb is widely used.
However, Pb-free, which has been demanded from the viewpoint of environmental problems of high-temperature solder alloys containing as much as 90% by weight of Pb, seems to be completely impossible at present. This is because there is no useful metal corresponding to Pb as a main component of the solder alloy when the melting temperature is between 300 ° C and 400 ° C. Cd exists at a melting temperature of 321 ° C., but cannot be used as a solder alloy because Cd is a harmful metal of Pb or more. The above-described solder alloy containing 10% by weight of Sn and 90% by weight of Pb and containing a large amount of Pb has been used in a considerable amount in mounting a printed circuit board. Conventionally, alloys that have been widely used as filler metals include brass braze, silver braze, and phosphor copper braze, and are mainly used at 800 ° F. (426 ° C.) or higher. According to the rules of the American Institute of Metals (ASM), 8
Brazing a joint of 00 ° F (426 ° C) or more (brazi
ng), and bonding at 800 ° F. (426 ° C.) or less is defined as soldering (Soldering). Therefore,
The present invention can perform soldering at a relatively low temperature, and furthermore, a solder alloy structure is lost by liquid phase diffusion, and a specially-bonded part can withstand a high temperature higher than a soldering temperature. Used in applications, and in some cases, P
It is an object of the present invention to provide a high-temperature resistant metal bonding method capable of performing high-temperature resistant metal bonding even with a b-free solder alloy.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明は、Snのみを、
半田合金フィラーとして被接合金属間に挿入し、前記被
接合金属の被接合部の温度を前記半田合金フィラーの溶
融温度である232℃以上に上昇させ、前記被接合部分
において、顕微鏡により観察される金属組織の前記半田
合金フィラー相が消滅するまで液相拡散を行うことを特
徴とする耐高温用金属接合法である。さらに、本発明
は、前記Snに、前記Snと共晶を形成する1種類以上
の添加元素が0.001〜 80 重量%添加されたSn
合金を、前記半田合金フィラーとして用いる上記耐高温
用金属接合法である。
According to the present invention, only Sn is used.
Inserted as a solder alloy filler between the metals to be joined, raise the temperature of the part to be joined of the metal to be joined to 232 ° C. or higher, which is the melting temperature of the solder alloy filler, and observe the portion to be joined with a microscope. A high-temperature resistant metal bonding method characterized in that liquid phase diffusion is performed until the solder alloy filler phase in the metal structure disappears. Further, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, wherein the Sn is added with 0.001 to 80% by weight of one or more additional elements that form a eutectic with the Sn.
The high-temperature resistant metal bonding method uses an alloy as the solder alloy filler.

【0005】さらに、本発明は、前記添加元素として、
Ag,Au,Bi,Ca,Ce,Cu,Ge,In,L
a,Li,Ma,Na,P,Pb,Znから1種類以上
選択される上記耐高温用金属接合法である。 ここで、
Pbフリー化を目的とする場合には、Pbを除外する。
さらに、本発明は、前記被接合部に1mm当たり0.
001〜3.0Kgの圧力を加え、前記液相拡散を促進
する上記耐高温用金属接合法である。
[0005] Further, the present invention provides the above-mentioned additive element,
Ag, Au, Bi, Ca, Ce, Cu, Ge, In, L
a, Li, Ma, Na, P, Pb, Zn; here,
If the purpose is to make Pb free, Pb is excluded.
Further, the present invention provides the above-mentioned joined portion in an amount of 0.1 mm 2 .
This is a high-temperature resistant metal bonding method in which a pressure of 001 to 3.0 Kg is applied to promote the liquid phase diffusion.

【0006】さらに、本発明は、前記Snあるいは前記
Sn合金が粉末化され、フラックスが混練されたフィラ
ーペーストがプリント基板の前記被接合部である金属箔
パターン上に塗布され、電子部品の前記被接合部である
リードが前記金属箔パターン上に搭載され、押圧加熱装
置の下端部が前記リード上に載置され、前記リードを加
熱することにより前記フィラーペーストを溶融させて前
記リードを前記金属箔パターン上に固着させ、前記金属
箔パターンに塗布された前記フィラーペーストが溶融さ
れ、かつ、継続して加熱保持される過程において、前記
被接合部に1mm当たり0.001〜3.0Kgの圧
力を加える上記耐高温用金属接合法である。さらに、本
発明は、前記リードが前記金属箔パターン上に当接され
る側に凸部を設け、前記被接合部に1mm当たり0.
001〜3.0Kgの圧力を加えることによって、前記
液相拡散の促進化を可能にする直前上記の耐高温用金属
接合法である。さらに、本発明は、還元性ガス雰囲気
中、あるいは、不活性ガス雰囲気中で行う上記耐高温用
金属接合法である。
Further, the present invention is characterized in that the Sn or the Sn alloy is powdered, and a filler paste in which a flux is kneaded is applied on a metal foil pattern which is the portion to be joined of a printed circuit board, so that the electronic component is covered with the filler paste. A lead, which is a bonding portion, is mounted on the metal foil pattern, a lower end portion of a pressing and heating device is mounted on the lead, and the filler paste is melted by heating the lead, so that the lead is made of the metal foil. In the process in which the filler paste fixed to the pattern and applied to the metal foil pattern is melted and continuously heated and held, a pressure of 0.001 to 3.0 kg per 1 mm 2 is applied to the portion to be joined. And a high-temperature resistant metal bonding method. Further, according to the present invention, a projection is provided on the side where the lead is in contact with the metal foil pattern, and the projection is formed on the part to be joined in a range of 0.2 mm / mm 2 .
Immediately before applying a pressure of 001 to 3.0 Kg, the above-mentioned metal joining method for high temperature resistance can be performed immediately before the liquid phase diffusion can be promoted. Further, the present invention is the above-described high-temperature resistant metal bonding method performed in a reducing gas atmosphere or an inert gas atmosphere.

【0007】本発明によれば、接合時においてフィラー
は、加熱されることによって均一液相あるいは液相と固
相が混在する状態になり、当然、被接合面とフィラー間
において0液相拡散という促進現象を伴う。 元々、半
田付け接合部の接合強度が、それ程強くなく、かつ、再
度、溶融温度に到達したとき、両者が剥離してしまうの
は、そこにフィラー相が残留していることによる。図
1、図2に示されるように、2つの被接合金属の被接合
部1,2の間の半田合金フィラー3による間隙を間隙部
tとすると、接合部の強度は放物線状に低下するが、間
隙部tが広がって右側に至ると、接合強度は、ほぼ一定
となり、半田合金フィラー3自体と同一の強度を示すに
至る。 ここで、本発明は、フィラー相が消滅されるま
で、拡散を行わせることによって、間隙部tを、ほぼ消
滅させて、図1の縦軸付近における原子間接合を可能と
するものである。 このため、このときの接合強度は、
半田合金フィラー3自体の強度をはるかに超えることと
なる。 このような現実の接合作業においては、拡散時
間をいかに短縮するかが問題であり、半田合金フィラー
相の消滅進行度は、テスト後のテスト片の接断面を顕微
鏡で見ることによっても、可能であるが、接合部の電気
抵抗値の時間的変化を測定することによっても、進行状
況を連続的に観察でき、判定することが可能となる。
According to the present invention, the filler is heated to a uniform liquid phase or a state in which the liquid phase and the solid phase are mixed at the time of bonding. Accompanied by a facilitation phenomenon. Originally, the reason why the bonding strength of the soldered joint is not so strong, and when the melting temperature is reached again, the two are separated from each other is because the filler phase remains there. As shown in FIGS. 1 and 2, when the gap between the joined parts 1 and 2 of the two joined metals due to the solder alloy filler 3 is defined as a gap part t, the strength of the joined part decreases in a parabolic manner. When the gap t is widened to the right side, the bonding strength becomes substantially constant and reaches the same strength as the solder alloy filler 3 itself. Here, in the present invention, the gap t is almost disappeared by diffusing the filler phase until the filler phase disappears, and the interatomic bonding near the vertical axis in FIG. 1 is enabled. For this reason, the bonding strength at this time is
This will far exceed the strength of the solder alloy filler 3 itself. In such actual joining work, it is a problem how to shorten the diffusion time.The degree of disappearance of the solder alloy filler phase can be determined by observing the contact cross section of the test piece after the test with a microscope. However, by measuring the change over time of the electrical resistance value of the joint, the progress can be continuously observed and determined.

【0008】接合部における拡散を進行させるポイント
としては、以下の条件を挙げることが出来る。 (1)接合加熱温度において、フィラーの少なくとも一
部に液相が存在すること、(2)フィラーとして厚さは
出来るだけ薄くし、可及的にフィラー使用量を減量する
こと、(3)接合部における間隙間隔を小さくするた
め、接合部に外側から圧力を加えること、(4)拡散温
度は、被接合材の加熱可能温度範囲内で温度を高めるこ
と、(5)拡散温度は、コストの観点から可能な限り長
くすること、(6)拡散処理は、不活性ガス雰囲気中、
還元性ガス雰囲気中、あるいは、真空中が望ましい。
[0008] The following conditions can be cited as points at which the diffusion at the junction is advanced. (1) A liquid phase exists in at least a part of the filler at the joining heating temperature; (2) the thickness of the filler is made as thin as possible, and the amount of the filler used is reduced as much as possible; (4) The diffusion temperature is to increase the temperature within the heatable temperature range of the material to be joined, and (5) The diffusion temperature is (6) Diffusion treatment should be performed in an inert gas atmosphere,
It is desirable to be in a reducing gas atmosphere or in a vacuum.

【0009】拡散要因の1つであるフィラー組成として
は、Pbフリーということを目的とした場合には、Pb
を含まないSn金属ベースであることを前提とする。
しかも、拡散温度というと、その溶融温度を低下させる
ということから、適当な共晶組織組成の金属を選択する
ことが賢明である。 このときのSnとの共晶合金につ
いては、これらの添加元素を組み合わせることによっ
て、3元、4元…という多元系共晶合金を作成すること
が出来、さらに、溶融点を下げることも可能となる。
このときのSnベースの共晶合金を形成することが出来
る元素としては、状態図集から見て、Ag,Au,B
i,Ca,Ce,Cu,Ge,In,La,Li,M
g,Na,P,Pb,Zn等が挙げられる。上記の組成
によりフィラー組成が決定した場合には、半田合金中の
液相、あるいは、液相と固相とが共存できる温度範囲を
拡散温度とする。 元々、同一組成において拡散は、外
部条件が一定の場合には、時間と温度の関数であるの
で、所要の拡散時間が決まってくる。
[0009] As a filler composition which is one of the diffusion factors, if the purpose is to be Pb-free, Pb-free
It is assumed that the base material is a Sn metal base containing no.
Moreover, since the diffusion temperature lowers the melting temperature, it is wise to select a metal having an appropriate eutectic composition. With regard to the eutectic alloy with Sn at this time, a multi-element eutectic alloy of ternary, quaternary,... Can be produced by combining these additional elements, and the melting point can be lowered. Become.
At this time, the elements capable of forming the Sn-based eutectic alloy include Ag, Au, B
i, Ca, Ce, Cu, Ge, In, La, Li, M
g, Na, P, Pb, Zn and the like. When the filler composition is determined by the above composition, the diffusion temperature is defined as the temperature range in which the liquid phase or the liquid phase and the solid phase can coexist in the solder alloy. Originally, diffusion is a function of time and temperature when the external conditions are constant in the same composition, and thus the required diffusion time is determined.

【0010】拡散に当たっては、被接合金属間に空隙の
存在しないことが重要であり、このために、押圧は拡散
にとっても重要条件である。 例えば、図2に示される
押圧加熱装置により押圧することも可能であるが、QF
P実装法等の場合には、LSI等の素子自重自体も押圧
効果を及ぼす。加熱雰囲気としては、使用フィラー金属
の酸化傾向を考慮して、不活性雰囲気中で拡散すること
が好適である。 例えば、Sn−Ag−Li系のSnベ
ース3元共晶合金をフィラーとして使用する場合等がこ
れに該当する。次に、被接合物の拡散面の処理として
は、予め酸化物を除去しておくことが望ましいが、被接
合金属の材質を考慮することによって、例えば、Snを
ベースとしたフィラー組成としては、Ag,Au,B
i,Ca,Ce,Cu,Ga,Ge,In,La,L
i,Mg,Na,P,Pb,Zn等から1種類以上を選
択添加する。次に、拡散促進剤としては、無機質のもの
として塩化亜鉛、有機質のものとしてロジン系のもの
を、予め、被接合金属に薄く塗布しておくことも効果的
であり、拡散時間の短縮を補助的に可能にする。 ま
た、フィラー合金自体に予めこのような促進剤をコート
しておくことも効果がある。
In the diffusion, it is important that no voids exist between the metals to be joined. For this reason, pressing is an important condition for the diffusion. For example, it is possible to press with a pressing and heating device shown in FIG.
In the case of the P mounting method or the like, the element's own weight itself such as an LSI also exerts a pressing effect. As the heating atmosphere, it is preferable to diffuse in an inert atmosphere in consideration of the tendency of the filler metal used to be oxidized. For example, a case where a Sn-Ag-Li-based Sn-based ternary eutectic alloy is used as a filler corresponds to this. Next, as treatment of the diffusion surface of the article to be joined, it is desirable to remove the oxide in advance, but in consideration of the material of the metal to be joined, for example, as a Sn-based filler composition, Ag, Au, B
i, Ca, Ce, Cu, Ga, Ge, In, La, L
One or more of i, Mg, Na, P, Pb, Zn and the like are selectively added. Next, as a diffusion accelerator, it is effective to apply a thin zinc chloride as an inorganic substance and a rosin-based organic substance to a metal to be joined in advance, which helps to shorten the diffusion time. Make it possible. It is also effective to coat such an accelerator in advance on the filler alloy itself.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面を参照し
て、その実施の形態に基づいて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described based on its embodiments with reference to the drawings.

【実施例1】Inが50重量%で、Snが50重量%か
ら成り、厚さ0.05mmの薄片の表裏にフラックスと
して塩化亜鉛溶液をコートした半田合金フィラーを、銅
板の間に挿入し、被接合金属の接合部に1mm当たり
0.001Kgの荷重が被接合金属の接合部に加わるよ
うに加圧して、135℃で50分間加熱し、顕微鏡によ
り観察される金属組織の半田合金フィラー相が消滅する
まで液相拡散を行った。 この加熱はN雰囲気中で行
った。 この結果、接合銅板の剥離テストを行った結
果、15kgf/mmの剥離強度が得られた。切断面
顕微鏡組織には、In−Sn合金層の存在は見られなか
った。また、上記のテストピースを用いて300℃、2
50gの荷重下で剥離テストを行った結果、剥離を起こ
すことはなかった。 このことは、顕微鏡により見るこ
とができる接合部の組織の内に、In−Sn合金層が残
留していないことに起因すると思われる。
EXAMPLE 1 A solder alloy filler composed of 50% by weight of In and 50% by weight of Sn and coated with a zinc chloride solution as a flux on both sides of a thin piece having a thickness of 0.05 mm was inserted between copper plates. A solder alloy filler phase of a metal structure observed by a microscope is heated by applying a pressure of 0.001 kg / mm 2 to the joint of the metal to be joined so that a load of 0.001 kg per 1 mm 2 is applied to the joint of the metal to be joined and heated at 135 ° C. for 50 minutes. Liquid phase diffusion was performed until disappeared. The heating was conducted in an N 2 atmosphere. As a result, a peel strength of 15 kgf / mm 2 was obtained as a result of performing a peel test on the bonded copper plate. The presence of an In-Sn alloy layer was not observed in the cross-section microstructure. Also, at 300 ° C., 2
As a result of performing a peeling test under a load of 50 g, no peeling occurred. This is considered to be due to the fact that the In-Sn alloy layer does not remain in the structure of the joint that can be seen with a microscope.

【0012】[0012]

【実施例2】Inが30重量%、残部がSnから成り、
厚さが0.07mmの半田合金箔を半田合金フィラーと
して用い、被接合金属の接合部に1mm当たり1.5
Kgの荷重が被接合金属の接合部に加わるように荷重を
置き押圧加圧して、半田付け温度を150℃として、6
0分間その温度を保持して顕微鏡により観察される金属
組織の半田合金フィラー相が消滅するまで液相拡散を行
い試験片を作成した。この試験片について、300℃で
剥離テストを行った結果、剥離を起こすことはなかっ
た。 このことは、In−Sn合金層が残留していない
ことに起因すると思われる。
Example 2 30% by weight of In and the balance of Sn
Using a solder alloy foil having a thickness of 0.07mm as the solder alloy filler, 1 mm 2 per 1.5 at the junction of the joined metal
A load is applied and pressed so that a load of Kg is applied to the joint of the metal to be joined, and the soldering temperature is set to 150 ° C.
While maintaining the temperature for 0 minute, the liquid phase diffusion was performed until the solder alloy filler phase of the metal structure observed by a microscope disappeared to prepare a test piece. The test piece was subjected to a peel test at 300 ° C., and as a result, no peeling occurred. This seems to be due to the fact that the In-Sn alloy layer does not remain.

【実施例3】厚さが0.01mmのSnのみから成る箔
の半田合金フィラーを用い、被接合金属の接合部に1m
当たり1.5Kgの荷重が被接合金属Cuの接合部
に加わるように加圧して、半田付け温度を250℃とし
て、50分間その温度を保持して、顕微鏡により観察さ
れる金属組織の半田合金フィラー相が消滅するまで液相
拡散を行い作成した試験片について、 300℃で剥離
テストを行った結果、剥離を起こすことはなかった。
このことは、金属Sn層が残留していないことに起因す
ると思われる。
Embodiment 3 Using a solder alloy filler of a foil made of only Sn having a thickness of 0.01 mm, a 1 m
Pressure is applied so that a load of 1.5 kg per m 2 is applied to the joint of the metal to be joined, the soldering temperature is set to 250 ° C., the temperature is maintained for 50 minutes, and the soldering of the metal structure observed by a microscope is performed. As a result of performing a peeling test at 300 ° C. on a test piece prepared by performing liquid phase diffusion until the alloy filler phase disappeared, no peeling occurred.
This seems to be due to the fact that the metal Sn layer does not remain.

【0013】[0013]

【実施例4】Snが95.2重量%、Agが2.5重量
%、Biが2.0重量%、Cuが0.3重量%の化学組
成から成る厚さが0.03mmの箔を半田合金フィラー
として用い、Cuメッキを施してあるBi/Te熱電素
子を、プリント基板のCuから成る金属箔パターン上に
220℃の温度で半田付けを行った。拡散時間60分間
保持し、顕微鏡により観察される金属組織の半田合金フ
ィラー相が消滅するまで液相拡散を行った後、空冷し
た。この試験片について、300℃で剥離テストを行っ
た結果、剥離を起こすことはなかった。 また、接合部
に半田合金フィラー相は残存していなかった。
Example 4 A foil having a chemical composition of 95.2% by weight of Sn, 2.5% by weight of Ag, 2.0% by weight of Bi and 0.3% by weight of Cu and having a thickness of 0.03 mm was prepared. A Bi / Te thermoelectric element plated with Cu and used as a solder alloy filler was soldered at a temperature of 220 ° C. on a metal foil pattern made of Cu on a printed circuit board. After maintaining the diffusion time for 60 minutes and performing liquid phase diffusion until the solder alloy filler phase of the metal structure observed by the microscope disappeared, the mixture was air-cooled. The test piece was subjected to a peel test at 300 ° C., and as a result, no peeling occurred. Also, no solder alloy filler phase remained at the joint.

【実施例5】Naを2.5重量%、Ceを0.10重量
%、残部がSnから成る半田合金フィラーを、厚さ0.
10mmにし、Cu板とCu板との間に挿入して、23
5℃で加熱拡散し、顕微鏡により観察される金属組織の
半田合金フィラー相が消滅するまで液相拡散を行い、加
熱保持時間30分間で接合を終了した。 この作業は、
窒素ガス雰囲気中で行った。 この試験片について、 3
00℃で剥離テストを行った結果、剥離を起こすことは
なかった。
Embodiment 5 A solder alloy filler consisting of 2.5% by weight of Na, 0.10% by weight of Ce and the balance of Sn was added to a thickness of 0.1%.
10 mm, inserted between the Cu plate and the Cu plate, 23
Heat diffusion was performed at 5 ° C., and liquid phase diffusion was performed until the solder alloy filler phase of the metal structure observed by a microscope disappeared, and the bonding was completed after heating and holding for 30 minutes. This work
The test was performed in a nitrogen gas atmosphere. About this test piece, 3
As a result of performing a peeling test at 00 ° C., no peeling occurred.

【0014】[0014]

【実施例6】Geを1.5重量%、Znを5重量%、残
部Snから成る半田合金フィラーを用い、Cu板に23
0℃で半田付けし、この温度で60分間保持して、顕微
鏡により観察される金属組織の半田合金フィラー相が消
滅するまで液相拡散を行った。 この試験片について、
300℃で剥離テストを行った結果、剥離を起こすこと
はなかった。 Znの添加によって拡散を促進すること
が出来たことによると思われる。
Embodiment 6 Using a solder alloy filler consisting of 1.5% by weight of Ge, 5% by weight of Zn and the balance of Sn, 23
Soldering was performed at 0 ° C., the temperature was maintained for 60 minutes, and liquid phase diffusion was performed until the solder alloy filler phase in the metal structure observed by a microscope disappeared. About this test piece,
As a result of performing a peeling test at 300 ° C., peeling did not occur. It is considered that the diffusion was promoted by the addition of Zn.

【実施例7】Mgを1.3重量%、Pを0.003重量
%、Caを0.01重量%、残部がSnから成る半田合
金フィラーを、厚さ0.10mmにし、Cu板とCu板
との間に挿入して、水素雰囲気中で、218℃で加熱拡
散し、顕微鏡により観察される金属組織の半田合金フィ
ラー相が消滅するまで液相拡散を行い、40分間加熱保
持した。 半田合金フィラー中にMgのような酸化され
やすい金属を含む場合には、特に、還元性雰囲気中で行
うことが好適である。この試験片について、 300℃
で剥離テストを行った結果、剥離を起こすことはなかっ
た。
EXAMPLE 7 A solder alloy filler consisting of 1.3% by weight of Mg, 0.003% by weight of P, 0.01% by weight of Ca, and the balance of Sn was made 0.10 mm in thickness. It was inserted into a space between the plates and was heated and diffused at 218 ° C. in a hydrogen atmosphere. The liquid phase was diffused until the solder alloy filler phase in the metallographic structure observed by a microscope disappeared, and heated and held for 40 minutes. When the solder alloy filler contains a metal such as Mg which is easily oxidized, it is particularly preferable to perform the reduction in a reducing atmosphere. About 300 ° C
As a result of the peel test, no peeling occurred.

【0015】[0015]

【実施例8】Pbを3重量%、Pを0.001重量%、
Liを0.02重量%、Laを0.02重量%、残部が
Snから成る半田合金フィラーを、厚さ0.50mmに
し、Cu板とCu板との間に挿入して、アルゴン雰囲気
中で、210℃で加熱拡散し、顕微鏡により観察される
金属組織の半田合金フィラー相が消滅するまで液相拡散
を行い、45分間加熱保持した。 この試験片につい
て、 300℃で剥離テストを行った結果、剥離を起こ
すことはなかった。
Example 8 Pb was 3% by weight, P was 0.001% by weight,
A solder alloy filler made of 0.02% by weight of Li, 0.02% by weight of La, and the balance of Sn is made 0.50 mm in thickness, inserted between Cu plates, and placed in an argon atmosphere. At 210 ° C., liquid phase diffusion was performed until the solder alloy filler phase of the metal structure observed by a microscope disappeared, and the mixture was heated and held for 45 minutes. The test piece was subjected to a peel test at 300 ° C., and as a result, no peeling occurred.

【実施例9】Auを1.5重量%、残部がSnから成る
半田合金フィラーを、厚さ0.01mmにし、Cu板と
Cu板との間に挿入して、アルゴン雰囲気中で、Auと
Snとの共晶温度217℃より15℃高い232℃で加
熱拡散し、顕微鏡により観察される金属組織の半田合金
フィラー相が消滅するまで液相拡散を行い、50分間加
熱保持した。 この試験片について、 300℃で剥離
テストを行った結果、剥離を起こすことはなかった。
Embodiment 9 A solder alloy filler consisting of 1.5% by weight of Au and the balance of Sn was made 0.01 mm thick, and inserted between Cu plates. Heat diffusion was performed at 232 ° C., which is 15 ° C. higher than the eutectic temperature with Sn at 217 ° C., and liquid phase diffusion was performed until the solder alloy filler phase in the metal structure observed by a microscope disappeared, and the mixture was heated and held for 50 minutes. The test piece was subjected to a peel test at 300 ° C., and as a result, no peeling occurred.

【0016】以下、上記本発明の方法に用いられ、被接
合金属の前記接合部に1mm当たり0.001〜3.
0Kgの圧力を加える本発明の耐高温用金属接合法につ
いて図3を参照して説明する。SnあるいはSn合金が
粉末化され、フラックスが混練されたフィラーペースト
10がプリント基板4の被接合部である金属箔パターン
5上に塗布される。次に、電子部品6の前記被接合部で
あるリード7が金属箔パターン5上に搭載され、押圧加
熱装置8の下端部9がリード7上に載置される。 下端
部9は電熱線11により加熱される。次に、リード7を
電熱線11により加熱することによりフィラーペースト
10が溶融され、リード7を金属箔パターン5上に固着
させる。さらに、金属箔パターン5に塗布されたフィラ
ーペースト10が溶融、かつ、加熱保持される過程にお
いて、被接合部に押圧加熱装置8の下端部9により1m
当たり0.001〜3.0Kgの圧力が加えられ
る。さらに、図4に示されるように、リード7が金属箔
パターン5上に当接される側に凸部7aを設けることに
より、被接合部に1mm当たり0.001〜3.0K
gの圧力を加えるが、この時、接合部における加圧効果
によって、液相拡散が促進される場合もある。
[0016] Hereinafter, used in the method of the present invention, per 1 mm 2 to the joint portion of the bonding metal 0.001.
The high-temperature resistant metal bonding method of the present invention in which a pressure of 0 kg is applied will be described with reference to FIG. Filler paste 10 in which Sn or an Sn alloy is powdered and flux is kneaded is applied on metal foil pattern 5 which is a portion to be joined of printed circuit board 4. Next, the lead 7 which is the part to be joined of the electronic component 6 is mounted on the metal foil pattern 5, and the lower end 9 of the pressing and heating device 8 is mounted on the lead 7. The lower end 9 is heated by the heating wire 11. Next, the filler paste 10 is melted by heating the lead 7 with the heating wire 11, and the lead 7 is fixed on the metal foil pattern 5. Further, in a process in which the filler paste 10 applied to the metal foil pattern 5 is melted and heated and held, the lower end 9 of the pressing and heating device 8 applies 1 m to the portion to be joined.
pressure per m 2 0.001~3.0Kg is added. Further, as shown in FIG. 4, by providing a convex portion 7 a on the side where the lead 7 is in contact with the metal foil pattern 5, the bonded portion has 0.001 to 3.0 K per 1 mm 2 .
A pressure of g is applied. At this time, the liquid phase diffusion may be promoted by the pressurizing effect at the joint.

【0017】[0017]

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、比較的
低温で半田付けを行うことができ、しかも、液相拡散に
よって半田合金組織を消失し、被接合部は半田付け温度
以上の高温にも十分に耐えることが出来るという特殊な
用途に使用され、場合によっては、Pbフリー半田合金
によっても耐高温用金属接合を行うことができるという
効果を奏する。
As described above, according to the present invention, soldering can be performed at a relatively low temperature, the solder alloy structure is lost by liquid phase diffusion, and the joined part is heated to a high temperature higher than the soldering temperature. In addition, in some cases, a high-temperature resistant metal bonding can be performed even with a Pb-free solder alloy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の耐高温用金属接合法における被接合金
属の接合間隔と接合強度の関係説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a relationship between a bonding interval of metal to be bonded and a bonding strength in a high-temperature resistant metal bonding method of the present invention.

【図2】本発明の耐高温用金属接合法における被接合金
属の接合間隔と接合強度の関係説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a relationship between a bonding interval of metal to be bonded and a bonding strength in the high temperature resistant metal bonding method of the present invention.

【図3】本発明の耐高温用金属接合法に用いられる押圧
効果を高めるための押圧加熱装置の構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram of a pressing and heating device for enhancing a pressing effect used in the metal joining method for high temperature resistance according to the present invention.

【図4】本発明の耐高温用金属接合法に用いられる押圧
効果を集中的に高めるための押圧加熱装置の部分構成図
である。
FIG. 4 is a partial configuration diagram of a pressing and heating device for intensively increasing a pressing effect used in the metal joining method for high temperature resistance according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2 被接合部 3 半田合金フィラー 4 プリント基板 5 金属箔パターン 6 電子部品 7 リード 7a 凸部 8 押圧加熱装置 9 下端部 10 フィラーペースト 11 電熱線 Reference numerals 1, 2 and 3 to be joined 3 Solder alloy filler 4 Printed circuit board 5 Metal foil pattern 6 Electronic component 7 Lead 7a Convex portion 8 Pressing / heating device 9 Lower end portion 10 Filler paste 11 Heating wire

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H05K 3/34 507 H05K 3/34 507N 512 512C // C22C 13/00 C22C 13/00 Fターム(参考) 4E067 AA14 AB06 BA05 DB03 DB04 DC02 EA04 EC03 5E319 AA03 AC01 BB01 BB05 CC33Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (reference) H05K 3/34 507 H05K 3/34 507N 512 512C // C22C 13/00 C22C 13/00 F term (reference) 4E067 AA14 AB06 BA05 DB03 DB04 DC02 EA04 EC03 5E319 AA03 AC01 BB01 BB05 CC33

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Snのみを、半田合金フィラーとして被
接合金属間に挿入し、前記被接合金属の被接合部の温度
を前記半田合金フィラーの溶融温度以上に上昇させ、前
記被接合部分において、顕微鏡により観察される金属組
織の前記半田合金フィラー相が消滅するまで液相拡散を
行うことを特徴とする耐高温用金属接合法。
1. A method according to claim 1, wherein only Sn is inserted between the joined metals as a solder alloy filler, and the temperature of the joined portion of the joined metal is raised to a melting temperature of the solder alloy filler or higher. A high-temperature resistant metal bonding method, wherein liquid phase diffusion is performed until the solder alloy filler phase in the metal structure observed by a microscope disappears.
【請求項2】前記Snに、前記Snと共晶を形成する1
種類以上の添加元素が0.001〜80重量%添加され
たSn合金を、前記半田合金フィラーとして用いる請求
項1記載の耐高温用金属接合法
2. A method for forming a eutectic on said Sn with said Sn.
2. The high-temperature resistant metal bonding method according to claim 1, wherein an Sn alloy to which 0.001 to 80% by weight or more of additional elements are added is used as the solder alloy filler.
【請求項3】前記添加元素として、Ag,Au,Bi,
Ca,Ce,Cu,Ge,In,La,Li,Mg,N
a,P,Pb,Znから1種類以上が選択される請求項
2記載の耐高温用金属接合法。
3. The method according to claim 1, wherein the additive element is Ag, Au, Bi,
Ca, Ce, Cu, Ge, In, La, Li, Mg, N
The high-temperature resistant metal bonding method according to claim 2, wherein one or more types are selected from a, P, Pb, and Zn.
【請求項4】前記被接合部に1mm当たり0.001
〜3.0Kgの圧力を加え、前記液相拡散を促進する請
求項1から3のいずれかに記載の耐高温用金属接合法。
4. The method according to claim 1, wherein the joint is 0.001 per mm 2.
The high-temperature resistant metal bonding method according to any one of claims 1 to 3, wherein a pressure of ~ 3.0 kg is applied to promote the liquid phase diffusion.
【請求項5】前記Snあるいは前記Sn合金が粉末化さ
れ、粉末化された前記Snあるいは前記Sn合金に、フ
ラックスが混練されたフィラーペーストがプリント基板
の前記被接合部である金属箔パターン上に塗布され、電
子部品の前記被接合部であるリードが前記金属箔パター
ン上に搭載され、押圧加熱装置の下端部が前記リード上
に載置され、前記リードを加熱することにより前記フィ
ラーペーストを溶融させて前記リードを前記金属箔パタ
ーン上に固着させ、前記金属箔パターンに塗布された前
記フィラーペーストが溶融され、かつ、継続して加熱保
持される過程において、前記被接合部に1mm当たり
0.001〜3.0Kgの圧力を加える請求項1から4
のいずれかに記載の耐高温用金属接合法。
5. The method according to claim 5, wherein the Sn or the Sn alloy is powdered, and a filler paste obtained by kneading the powdered Sn or the Sn alloy with a flux is formed on a metal foil pattern which is the portion to be joined of a printed circuit board. The lead which is applied and the part to be joined of the electronic component is mounted on the metal foil pattern, the lower end of the pressing and heating device is placed on the lead, and the filler paste is melted by heating the lead. Then, the leads are fixed on the metal foil pattern, and the filler paste applied to the metal foil pattern is melted, and in the process of being continuously heated and held, 0 mm / mm 2 is applied to the portion to be joined. 5. A pressure of 0.001 to 3.0 kg is applied.
The metal joining method for high temperature resistance according to any one of the above.
【請求項6】 前記リードが前記金属箔パターン上に当
接される側に凸部を設け、前記被接合部に1mm当た
り0.001〜3.0Kgの圧力を加えることによっ
て、前記液相拡散の促進化を可能にする請求項5記載の
耐高温用金属接合法。
6. The liquid phase by applying a pressure of 0.001 to 3.0 kg per 1 mm 2 to the joint to be joined by providing a projection on the side where the lead is in contact with the metal foil pattern. The high-temperature resistant metal bonding method according to claim 5, wherein diffusion can be promoted.
【請求項7】 還元性ガス雰囲気中、あるいは、不活性
ガス雰囲気中で行う請求項1から6のいずれかに記載の
耐高温用金属接合法。
7. The high-temperature resistant metal bonding method according to claim 1, which is performed in a reducing gas atmosphere or an inert gas atmosphere.
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