JP2001057468A

JP2001057468A - はんだ接続構造を有する回路装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2001057468A
Application number: JP23170799A
Authority: JP
Inventors: Shohei Hata; 昌平秦; Koji Serizawa; 弘二芹沢; Kazutami Kawamoto; 和民川本; Isao Sato; 勲佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2001-02-27
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: JP3718380B2

Abstract

(57)【要約】【課題】薄いはんだ層により基板と素子とを接続する回
路装置であって、接続不良の生じにくい接続構造を備え
た回路装置を提供する。【解決手段】表面にメタライズ層３２を備えた基板１
と、基板１上に搭載された回路素子３０、３１と、メタ
ライズ層３２と回路素子３０、３１とを接続するはんだ
層７とを有する。はんだ層７とメタライズ層３２との間
には、はんだ層７とメタライズ層３２との反応を防止す
るためのバリア層６が配置されている。バリア層６は、
特定の温度においてはんだ層７の液相とバリア層６の固
相とが平衡状態となる材料により構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、はんだ接続により
基板上に電子回路素子を接続した装置の構成に関し、特
に、はんだとしてＡｕ−Ｓｎ共晶はんだを用いて接続を
行う装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、基板上に電子回路等の素子を
接続する際のはんだとしては、共晶点の組成のＡｕ−Ｓ
ｎ合金（Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだ）が多く使用されてい
る。その接続手順としては、予めメタライズ層が形成さ
れている基板上の素子接続部に、蒸着などの方法により
Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだ層を形成した後、このはんだ層に
素子の接続面を搭載する。そして、はんだの融点以上に
加熱してはんだ層を溶融させ、その後冷却することによ
り接続するというものである。

【０００３】また、特開平１１−７４４４８号公報に
は、接続部の組成を必ず共晶点の組成にするための構成
が開示されている。この構成では、組成が共晶点よりも
Ｓｎリッチ側にずれたＡｕＳｎ合金層を基板側に形成し
ておき、Ａｕ層を素子側に形成しておく。この基板側の
合金層を液相線温度以下の接続温度で加熱し、固相と液
相を共存させ、ここに基板側のＡｕ層を接触させること
により不足しているＡｕを補い、共晶組成のＡｕ−Ｓｎ
合金接合層を形成するというものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＡｕＳｎ共晶はんだを用いる接続方法は、はんだ層と基
板との間に形成されているメタライズ層が、はんだ層の
合金と反応する。これを詳しく説明する。下地メタライ
ズは、一般的には、図１のように、基板１の表面に配置
されたＴｉ層あるいはＣｒ層等の接着層２、その上に配
置されたＰｔ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属層３、さらにその
上に酸化防止のために配置されたＡｕ層４等により構成
されている。Ａｕ−Ｓｎはんだ層５は、接続時に加熱さ
れて溶融すると、表面のＡｕ層４を溶解しながら濡れ広
がるため、溶融はんだ中のＡｕ濃度が増大し、はんだの
組成は共晶組成よりもＡｕリッチになる。さらに、溶融
したはんだは、その下のＰｔ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属層
３とも反応し、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ等がはんだ中のＳｎと
結合して化合物を生成することにより、はんだ中のＳｎ
濃度が減少し、相対的にさらにＡｕ濃度が増大し、ます
ますＡｕリッチになる。

【０００５】これらの要因により、はんだの組成が、共
晶組成（図２の共晶点２０１の組成、Ａｕ−２９ａｔ％
Ｓｎ）よりＡｕリッチの組成になると、融点の高いζ相
ＡｕＳｎ合金（Ａｕ₅Ｓｎ）が析出する組成領域２０３
に入るため、液相線２０２の温度（融点）は、共晶点２
０１から離れるのに伴い急上昇する。このため、通常の
接続温度（３３０〜３５０℃）ではζ相と液相の共存領
域となり、ζ相が析出して、はんだが一部凝固する現象
が発生する。これにより、はんだの濡れ不良などの問題
が発生し、歩留まりを低下させる大きな要因となる。

【０００６】このような組成変化による融点上昇の問題
は、はんだ層が厚い場合には、組成変化が小さく、あま
り問題とならないが、はんだ層が薄い場合には、はんだ
量が少ないために影響が大きく、接続途中にはんだが一
部凝固する現象がしばしば観察される。このため、薄く
小さな体積のはんだを使用することの多い、微小な部品
を基板に接合させる場合、はんだの高融点化により濡れ
不良などの問題を引き起こしやすい。さらに、反応が進
みすぎると、メタライズ層とはんだ層の界面で、はがれ
を生じる場合もある。

【０００７】本発明は、薄いはんだ層により基板と素子
とを接続する回路装置であって、接続不良の生じにくい
接続構造を備えた回路装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、以下のような回路装置が提供され
る。すなわち、表面にメタライズ層を備えた基板と、前
記基板上に搭載された回路素子と、前記メタライズ層と
前記回路素子とを接続するはんだ層とを有し、前記はん
だ層と前記メタライズ層との間には、前記はんだ層と前
記メタライズ層との反応を防止するためのバリア層が配
置され、前記バリア層は、特定の温度において前記はん
だ層の液相と前記バリア層の固相とが平衡状態となる材
料により構成されていることを特徴とする回路装置が提
供される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について説
明する。

【００１０】本発明の第１の実施の形態の電子回路装置
について図３を用いて説明する。図３の電子回路装置
は、基板１上に、電子回路素子３０を搭載し、基板１上
のメタライズ層３２と素子３０の電極層３１とを、はん
だ層７により接続した構成である。メタライズ層３２
は、一般的な３層構成であり、基板１との接着性の高い
金属材料からなる接着層２と、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ等の金
属材料からなる金属層３と、酸化防止のためのＡｕ層４
の３層により構成されている。また、電極層３１も、メ
タライズ層３２と同じく、接着層２、金属層３、Ａｕ層
４の３層構造である。

【００１１】はんだ層７は、図２の共晶点２０１の組成
の共晶組織のＡｕ−Ｓｎ合金からなり、具体的な組成
は、Ｓｎ２９ａｔ．％、残部Ａｕである。共晶点２０１
は、２７８℃である。

【００１２】また、本実施の形態では、はんだ層７とメ
タライズ層３２との間、ならびに、はんだ層７と電極層
３１との間にそれぞれ、バリア層６を配置している。バ
リア層６は、はんだ層７がＡｕ層４および金属層３と反
応するのを防止する作用をする。このバリア層６を、本
実施の形態ではδ相のＡｕ−Ｓｎ合金により形成してい
る。δ相のＡｕ−Ｓｎ合金の組成領域２０４は、図２お
よび図５のように、Ａｕ５０ａｔ．％、Ｓｎ５０ａｔ．
％を中心とした幅の狭い領域であるので、バリア層６
は、この組成範囲に入るように形成されている。δ相の
Ａｕ−Ｓｎ合金の液相線温度は、４１９．３℃である。

【００１３】つぎに、上述してきた図３の電子回路装置
の製造方法について説明する。

【００１４】まず、あらかじめ３層構造のメタライズ層
３２が形成されている基板１上の、電子回路素子３０を
搭載すべき領域に、バリア層６、はんだ層７を順に、蒸
着法により形成する。このとき、バリア層６は、上述し
たようにＡｕ−Ｓｎ合金のδ相領域２０４の組成（Ａｕ
５０ａｔ．％、Ｓｎ５０ａｔ．％付近）になるように、
供給するＡｕとＳｎの量を制御する。また、はんだ層７
は、Ａｕ−Ｓｎ合金の共晶組成（Ａｕ７１ａｔ．％、Ｓ
ｎ２９ａｔ．％）となるように、供給するＡｕとＳｎの
量を制御する。

【００１５】つぎに、あらかじめ電極層３１が形成され
た電子回路素子３０の電極層３１の上に、バリア層６を
蒸着法により形成する。バリア層６の組成は、基板１側
のバリア層６と同じく、δ相領域２０４の組成（Ａｕ５
０ａｔ．％、Ｓｎ５０ａｔ．％付近）となるようにす
る。

【００１６】つぎに、基板１の上の予め定められた搭載
位置に、電子回路素子３０を搭載する。このとき、電子
回路素子３０側のバリア層６が、はんだ層７と接触する
ように搭載する。

【００１７】つぎに、はんだ層７および２層のバリア層
６を、予め定めた接続温度に加熱する。接続温度は、は
んだ層７を溶融することができる温度である。ここで
は、はんだ層７の液相線温度が共晶点２７８℃であるた
め、接続温度を２７８℃とした。はんだ層７およびバリ
ア層６を２７８℃に加熱すると、はんだ層７は溶融し、
バリア層６は固相のままである。

【００１８】Ａｕ−Ｓｎ合金には、図２および図５に示
したようにδ相と液相との共存領域２０５が存在する。
このことから明らかなように、２７８℃以上４１９．３
℃以下のある温度のδ相のＡｕ−Ｓｎ合金（固相）は、
液相線２０６上のある点の組成Ａｕ−Ｓｎ合金（液相）
と平衡である。すなわち、２７８℃以上４１９．３℃以
下のある温度においては、液相線２０６上の組成のＡｕ
−Ｓｎ合金（液相）とδ相のＡｕ−Ｓｎ合金（固相）と
が互いに接触していても、固相が液相に溶けることはな
く、液相が凝固することもなく、固相と液相とが共存す
る。

【００１９】したがって、はんだ接続時に、はんだ層７
をこの共晶組成の液相線２０６の温度（共晶点２７８
℃）に加熱すると、はんだ層７は溶融するが、２７８℃
のδ相のＡｕ−Ｓｎ合金のバリア層６は、固体のまま
で、両者は平衡する。よって、バリア層６は、固相のま
まメタライズ層３２および電極層３１を覆っているた
め、溶融したはんだ層７が、メタライズ層３２および電
極層３１と接触するのを防止するバリアとして作用す
る。これにより、溶融したはんだ層７２が、メタライズ
層３２や電極層３１と反応することを防ぐことができ、
はんだ層７２の組成を変化させることなく、安定した溶
融状態を持続させることができる。したがって、融液状
態を一定の時間維持することにより、はんだ層７の融液
の表面張力により、素子３０をセルフアライメントする
効果を得ることができる。

【００２０】その後、はんだ層７２を冷却する。これに
より、はんだ層７の融液からはδ相とζ相の共晶が析出
し、はんだ層７は共晶組織の固相となり、上下のバリア
層６と接合する。このとき、はんだ層７とバリア層６は
組成は異なるが、いずれもＡｕ−Ｓｎ合金であるため、
バリア層６とはんだ層７とは密着性がよく、強固に接合
する。また、素子３０側および基板１側のバリア層６
は、それぞれ電極層３１およびメタライズ層３２の上に
蒸着法により形成されているため、これらの間も強く密
着している。したがって、電極層３１付きの電子回路素
子３０とメタライズ層３２付きの基板とは、Ａｕ−Ｓｎ
合金の共晶のはんだ層７と、δ層のバリア層６とで強く
接合される。これにより、電子回路素子３０を基板１上
に搭載した電気回路装置を製造することができる。

【００２１】このように、図３の構造の電子回路装置の
製造方法は、バリア層６の作用によりはんだ層７の融液
の組成を変化させることなく、溶融状態を持続させるこ
とができるため、はんだ層７を薄くすることが可能であ
る。例えば、厚さ１μｍ程度のはんだ層７であっても、
十分な接合を行うことができる。よって、上述の実施の
形態の電子回路装置は、微小な素子３０を基板１上に高
密度に搭載する電子回路装置の構造として適している。
また、バリア層６の厚さは、メタライズ層３２および電
極層３１を膜として覆うことができる厚さがあればよ
く、例えばバリア層６の厚さを０．３μｍ程度の薄膜に
することができる。

【００２２】本実施の形態の製造方法により製造した電
子回路装置の接続部の断面を斜めに研磨したものを、拡
大して観察した各層の組織を図４に示す。図４からわか
るように、素子３０側および基板１側に形成されたδ相
のバリア層６が、はんだ層７と、電極層３１およびメタ
ライズ層３２との反応を抑制し、健全な共晶組織のはん
だ層７により接続されている。また、バリア層６と電極
層３１およびメタライズ層３２との界面についても十分
な密着が得られており、界面はくり等が生じていないこ
とがわかる。このように、本実施の形態の接合構造を用
いた電子回路装置は、はんだ層７の反応が生じないた
め、接続不良が生じにくい構成である。

【００２３】なお、バリア層６の組成は、上述したよう
に、δ相領域２０４の組成であることが望ましいが、δ
相領域２０４から多少ずれてもそれを許容することがで
きる。具体的には、Ｓｎの組成範囲が４５％以上５５％
以下、残部ＡｕのＡｕ−Ｓｎ合金によりバリア層６を形
成することが可能である。このような組成のバリア層６
にした場合、接合時にバリア層６を加熱すると、バリア
層６は、δ相（固体）の結晶粒と液相とが共存する状態
となる。しかしながら、上記したＳｎ４５％以上５５％
以下組成範囲であれば生じる液相の量が少ないため、δ
相の結晶粒子が、はんだ層７の融液のメタライズ層３２
等への到達を妨げ、バリア層６として機能できる。した
がって、上述のδ相組成のバリア層６の場合と同様の効
果を得ることができる。このように、Ｓｎの組成範囲が
４５％以上５５％以下、残部Ａｕのバリア層６を用いて
接合した場合、接合後のバリア層６の組織は、δ相結晶
粒と、その間を埋める、δ相から組成のずれたＡｕ−Ｓ
ｎ合金とにより構成される。

【００２４】また、バリア層６は、上述の製造方法で
は、Ａｕ−Ｓｎ合金の単層膜として成膜したが、図６の
ように、Ａｕ膜とＳｎ膜とを交互に積層した多層膜１０
として成膜することもできる。その場合、多層膜１０全
体の平均組成が、Ｓｎが４５％以上５５％以下で残部が
Ａｕの組成、望ましくはδ相領域２０１の組成範囲にな
るように形成する。このように、バリア層６を多層膜構
造にした場合、接合時に予め定められた接続温度に加熱
されることにより、Ａｕ膜とＳｎ膜とが相互に拡散し、
δ相の結晶粒が形成され、Ａｕ−Ｓｎ合金の単層膜で成
膜した場合と同様の効果が得られる。よって、成膜時の
バリア層６を多層膜１０にした場合も、接合後のバリア
層６は、図３と同様にδ相もしくはその近傍の組成の単
層膜となる。

【００２５】また、はんだ層７の組成についても、上述
した共晶組成に限定されるものではなく、これ以外の組
成であってもよい。すなわち、図２および図５のように
２７８℃以上４１９．３℃以下の液相線２０６上の組成
および温度のＡｕ−Ｓｎ合金は、バリア層６のδ相と平
衡であるから、Ｓｎ２９ａｔ．％以上５０ａｔ．％未満
のＡｕ−Ｓｎ合金によりはんだ層７を形成することがで
きる。この場合、接合時に接続温度をそのはんだ層７の
組成の液相線温度に設定する。これにより、接合時に、
上記平衡状態が得られ、バリア層６の効果を得ることが
できる。ただし、Ｓｎ２９ａｔ．％以上５０ａｔ．％未
満であっても、Ｓｎの割合が多くなるにつれ、液相線温
度が高くなるため、接続温度を高くする必要があるた
め、接続温度を低くするためには、Ｓｎ４５ａｔ．％程
度以下にすることが望ましい。

【００２６】また、接続温度が設定温度からずれてしま
ったり、はんだ層７の成膜時に組成が設定した組成から
ずれることにより、接続温度でのはんだ層７の組成が、
液相線上の組成からずれることがあるが、ある程度の組
成ずれが生じても、本実施の形態の接合構造はそれを許
容することができる。これを以下詳しく説明する。

【００２７】まず、成膜時の組成ずれ、もしくは接続温
度のずれにより、はんだ層７の組成が、図７のように接
続温度における液相線２０６上の点７００の組成よりも
Ｓｎリッチ側の点７０１の組成にずれている場合につい
て説明する。この場合、点７０１は、δ相と液相の共存
領域２０５内に位置するので、はんだ層７を接続温度ま
で加熱すると、点７００の組成の液相とδ相とが生じ
る。このとき、液相の占める割合は、図７の線分Ｃの長
さと線分Ｂの長さとの比Ｂ／Ｃであり、δ相の占める割
合は、線分Ｃの長さと線分Ａの長さとの比Ａ／Ｃにな
る。したがって、はんだ層７の組成が、接続温度におけ
る液相線上の組成よりもＳｎリッチの場合は、はんだ層
７中にδ相が析出するだけであり、液相とδ相とは平衡
しているから、はんだ層７の液相部分の溶融は持続す
る。また、析出したδ相は、バリア層６と同じ組成であ
るから、δ相がはんだ層７中に析出してもはんだ層７と
バリア層６との密着性は変化しない。よって、はんだ層
７の組成が、接続温度における液相線上の組成よりもＳ
ｎリッチ側にずれていても、問題は生じない。ただし、
Ｓｎ濃度が４５ａｔ．％以上になると、析出するδ相の
割合が多くなるため、液相の量がはんだ接続に必要な量
だけ得にくく、接続不良が発生する恐れがあるため、Ｓ
ｎ濃度は４５ａｔ．％以下であることが望ましい。

【００２８】一方、成膜時の組成ずれもしくは接続温度
のずれにより、はんだ層７の組成が、図８のように接続
温度における液相線２０６上の点７００の組成よりもＡ
ｕリッチ側（すなわちＳｎプア側）の点８０１にずれて
いる場合について説明する。この場合、接続温度におい
て点８０１は液相領域に位置するので、はんだ層７は液
相になるが、液相線２０６上の組成ではないため、δ相
のバリア層６とは平衡状態にならず、はんだ層７の融液
がバリア層６を一部溶解する。バリア層６が一部溶解す
ると、はんだ層７にＳｎが供給され、はんだ層７の平均
組成がＳｎリッチ側にずれ（図８）、液相線２０６上の
組成７００に達すると、はんだ層７の液相とバリア層６
のδ相とが平衡する。したがって、バリア層６の厚さが
十分にある場合には、バリア層６が一部溶解されはんだ
層７の組成が液相線２０６上に達した時点で平衡状態に
なる。この状態で溶解しなかったバリア層６の厚さが、
メタライズ層３２および電極層３１を被覆する分だけ残
っていれば、バリア層６はバリア層として機能でき、は
んだ層７の組成のずれは問題とならない。しかしなが
ら、はんだ層７の組成のずれが大きく、平衡に達するま
でにバリア層６をすべて溶解してしまうとバリア層７が
機能しない。したがって、予想されるはんだ層７の組成
のずれの大きさを予測し、それによりバリア層６の溶解
厚さを推定しておき、バリア層６の厚さをそれ以上の厚
さ成膜しておくことにより、はんだ層７のＳｎプア側へ
の組成ずれを許容できる。

【００２９】ここで、はんだ層７の組成の、液相線２０
６上の組成からのずれの大きさと、溶解されるバリア層
６の厚さとの関係を見積もる。まず、接続温度における
液相線２０６上の組成からのはんだ層７のＳｎ組成のず
れをＮ（ｗｔ．％）とする。また、はんだ層７とバリア
層６との接続面積をＳとする。また、はんだ層７の厚さ
をｔ１、はんだ層７の密度をｄ１とする。この場合、平
衡組成になるために、はんだ層７に補われるべきＳｎ重
量は、Ｎ・Ｓ・ｔ１・ｄ１で表される。一方、δ相のバリア層６のＳｎ濃度（ｗ
ｔ．％）をＮ’、溶解するバリア層６の厚さをｔ２、バ
リア層の密度をｄ２とすると、バリア層６が溶解しては
んだ層７に供給するＳｎ重量は、Ｎ’・Ｓ・ｔ２・ｄ２であるから、Ｎ・Ｓ・ｔ１・ｄ１＝Ｎ’・Ｓ・ｔ２・ｄ２となる。したがって、溶解するバリア層の厚さｔ２は、ｔ２＝（Ｎ・ｄ１・ｔ１）／（Ｎ’・ｄ２）となる。はんだの厚さを５μｍ、接続温度を３５０℃と
し、はんだ層７の液相線組成からの組成ずれＮと、バリ
ア層６の溶解厚さｔ２とを概算すると、Ｎ＝１（ｗｔ．％）のときｔ２＝０．１６８（μｍ）Ｎ＝２（ｗｔ．％）のときｔ２＝０．３３５（μｍ）Ｎ＝３（ｗｔ．％）のときｔ２＝０．５０３（μｍ）Ｎ＝４（ｗｔ．％）のときｔ２＝０．６７１（μｍ）Ｎ＝５（ｗｔ．％）のときｔ２＝０．８３８（μｍ）Ｎ＝６（ｗｔ．％）のときｔ２＝１．００６（μｍ）となる。ただし、はんだ層７の密度ｄ１は組成に依存す
るが、ここではＳｎ２９ａｔ．％のときの密度ｄ１＝１
４．８（ｇ／ｃｍ³）を用いた。また、δ相のバリア層
６の密度ｄ２＝１１．７４（ｇ／ｃｍ³）を用いた。

【００３０】したがって、予測される溶解厚さｔ２に、
溶解後にバリア層６として機能するために必要な厚さ、
例えば０．３〜１μｍを加えた厚さにバリア層６を成膜
するようにすることにより、はんだ層７のＳｎプア側の
組成ずれを許容できる。溶解後にバリア層６として機能
するために必要な厚さは、最小で０．３μｍ程度である
が、バリア層６の溶解が一様に生じず、部分的にバリア
層が大きく溶解する可能性を考慮し、余裕をもって１μ
ｍ程度残るようにすることが望ましい。したがって、成
膜時に２μｍの厚さにバリア層６を成膜しておけば、上
述の条件の場合はんだ層７の組成ずれを少なくとも６％
程度までは許容できる。本実施の形態の製造方法のよう
に、蒸着法ではんだ層７を形成する場合、高精度に組成
制御を行うことが可能であり、組成のばらつきを数％以
内に抑えることは容易である。したがって、はんだ層７
の組成を液相線上の組成に高精度に制御できる製造プロ
セスの場合は、バリア層６の厚さを０．３μｍ程度まで
薄く成膜することが可能であるし、はんだ層７の組成の
ずれが数％生じる製造プロセスの場合には、バリア層６
の厚さを２μｍ程度の厚めの膜に成膜しておくことが望
ましい。

【００３１】このように、はんだ層７の組成がＡｕリッ
チ側にずれた場合であっても、バリア層６が溶解するこ
とにより平衡状態にできるため、本実施の形態の接合構
造はこれを許容することができる。しかしながら、はん
だ層７の組成が、図２のζ相の生じる領域２０３に入っ
てしまうと、さらに多量（平均で１μｍ以上）のバリア
層６が溶解することになり、溶解が不均一に起こった場
合には部分的にバリア層６が無くなってしまう可能性が
ある。したがって、はんだ層７の組成が領域２０３に入
らないように制御する必要がある。そのために、はんだ
層７の平均組成は、共晶組成のＳｎ２９ａｔ．％よりも
Ｓｎリッチ側になるように制御することが望ましい。

【００３２】また、上記実施の形態では、はんだ層７を
単一層として形成した場合について説明したが、Ａｕ薄
膜とＳｎ薄膜とを交互に積層した多層膜構造にすること
もできる。その場合、多層膜のはんだ層７の平均組成
が、上記した組成範囲になるように制御することによ
り、上述の場合と同様の効果を得ることができる。

【００３３】また、上述の実施の形態の製造方法では、
バリア層６とはんだ層７とを別々の層として、成膜した
が、基板１側に積層するバリア層６とはんだ層７は、ど
ちらもＡｕ−Ｓｎ合金であり、組成が異なるだけである
ので、図９のように厚さ方向に組成が変化する層９とし
て、バリア層６とはんだ層７を連続した一層で形成する
ことも可能である。この場合、層９の組成は、メタライ
ズ層３２と接している部分でＳｎ４５ａｔ．％〜５５ａ
ｔ．％の範囲とし、層９の厚さ方向に徐々にＡｕリッチ
な組成に変化させる。そして、層９の上部の部分の予め
定めた厚さの部分は、平均組成が、接続温度における液
相線の平均組成となるようにする。この層９を接続温度
に加熱すると、上部部分は、溶融して液相となりはんだ
層７となる。下部部分は、δ相の結晶粒が析出し、バリ
ア層６となる。よって、冷却後は、図３のようなはんだ
層７とバリア層６の２層に分かれる。

【００３４】以上のように本実施の形態は、Ａｕ−Ｓｎ
はんだ層７とメタライズ層３２との間のバリア層６とし
て、δ相のＡｕ−Ｓｎ合金を利用することにより、はん
だ層７の組成変動を防ぎ、はんだの高融点化、接続途中
の凝固を抑制し、安定したはんだ溶融・接続を実現する
ことができる。また微量体積のはんだ層７でも、安定し
て溶融させることができるため、微量はんだによる微小
部品のセルフアライメントが可能になる。また、付随的
な効果として、基板１あるいは素子３０側のメタライズ
層３２および電極層３１の構成を簡略化したり、薄くす
ることも可能となる。これにより、全体のコスト低減に
寄与できる。

【００３５】また、上記した実施の形態では、メタライ
ズ層３２とはんだ層７との間にバリア層６を配置すると
ともに、電極層３１とはんだ層７との間にバリア層６を
配置する構成であったが、メタライズ層３２と電極層３
１そのものを、上述してきたバリア層６に置き換えるこ
ともできる。この場合、バリア層６を別途形成しなくて
も、メタライズ層３２と電極層３１との間ではんだ層７
が溶融状態を維持できるため、層構成を簡略化しなが
ら、膜剥がれ等の接続不良を防止でき、しかも、セルフ
アライメントの効果が得られる。

【００３６】上記した実施の形態では、Ａｕ−Ｓｎ二元
系合金をそれぞれはんだ層７とバリア層６とに用いる構
成であったが、Ａｕ−Ｓｎ二元系合金に限らず、接続温
度において液相と固相が平衡状態になる合金であれば、
液相になる合金をはんだ層７とし、固相のままの合金を
バリア層６として本実施の形態の電子回路装置に用いる
ことが可能である。また、Ａｕ−Ｓｎに平衡が崩れない
程度の添加物を加えた材料をはんだ層７とバリア層６と
して用いることもできる。

【００３７】また、上記した実施の形態では、はんだ層
７およびバリア層を蒸着法により成膜する製造方法につ
いて説明したが、成膜方法は蒸着法に限定されるもので
はなく、下の層との密着性が高く、膜剥がれが生じない
成膜方法であれば種々の成膜方法を用いることができ
る。例えば、スパッタ法を用いることができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、薄いはんだ層により基
板と素子とを接続する回路装置であって、接続不良の生
じにくい接続構造を備えた回路装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のはんだ接続のための基板上のメタライズ
層とはんだ層の構成を示す断面図。

【図２】Ａｕ−Ｓｎ二元系平衡状態図。

【図３】本発明の一実施の形態の電子回路装置の構成を
示す断面図。

【図４】本実施の形態で製造した電子回路装置の断面を
斜めに研磨したものを拡大して観察した組織を示す説明
図。

【図５】図２の平衡状態図の一部の拡大図。

【図６】本発明の一実施の形態の電子回路装置の製造方
法において、バリア層を多層膜１０で成膜した層構成を
示す断面図。

【図７】本発明の一実施の形態の電子回路装置の製造方
法において、はんだ層７の組成が液相線２０６上の組成
からずれた状態をＡｕ−Ｓｎ二元系平衡状態図上で説明
する説明図。

【図８】本発明の一実施の形態の電子回路装置の製造方
法において、はんだ層７の組成が液相線２０６上の組成
からずれた状態をＡｕ−Ｓｎ二元系平衡状態図上で説明
する説明図。

【図９】本発明の一実施の形態の電子回路装置の製造方
法において、バリア層とはんだ層とを厚さ方向に組成が
変化する層９として成膜した層構成を示す断面図。

【符号の説明】

１…基板、２…接着層、３…金属層、４…Ａｕ層、５…
共晶はんだ層、６…バリア層、７…はんだ層、９…厚さ
方向に組成が変化するＡｕ−Ｓｎ合金層、３０…電子回
路素子、３１…電極層、３２…メタライズ層、１０…多
層膜、２０１…共晶、２０３…ζ相と液相の共存領域、
２０４…δ相領域、２０５…δ相と液相の共存領域、２
０６…液相線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川本和民神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者佐藤勲神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内Ｆターム(参考） 5E319 AC18 BB01 BB09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面にメタライズ層を備えた基板と、前記
基板上に搭載された回路素子と、前記メタライズ層と前
記回路素子とを接続するはんだ層とを有し、前記はんだ層と前記メタライズ層との間には、前記はん
だ層と前記メタライズ層との反応を防止するためのバリ
ア層が配置され、前記バリア層は、特定の温度において前記はんだ層の液
相と前記バリア層の固相とが平衡状態となる材料により
構成されていることを特徴とする回路装置。
【請求項２】表面にメタライズ層を備えた基板と、前記
基板上に搭載された回路素子と、前記メタライズ層と前
記回路素子とを接続するはんだ層とを有し、前記はんだ層と前記メタライズ層との間には、前記はん
だ層と前記メタライズ層との反応を防止するためのバリ
ア層が配置され、前記はんだ層は、ＡｕとＳｎとを含む合金からなり、前
記バリア層は、ＡｕとＳｎとの合金のδ相の結晶粒子を
含むことを特徴とする回路装置。
【請求項３】請求項２に記載の回路装置において、前記
バリア層は、平均組成が、Ｓｎ４５ａｔ．％以上５５ａ
ｔ．％以下、残部ＡｕのＡｕＳｎ合金からなることを特
徴とする回路装置。
【請求項４】請求項２または３に記載の回路装置におい
て、前記はんだ層は、ＡｕとＳｎとの合金の結晶構造の
異なる２種類の結晶を含むことを特徴とする回路装置。
【請求項５】請求項１または２に記載の回路装置におい
て、前記回路素子は、前記はんだ層により接続される側
に電極層を有し、前記バリア層は、前記はんだ層と前記
電極層との間にも配置されていることを特徴とする回路
装置。
【請求項６】基板表面に予め形成されているメタライズ
層の上に、平均組成がＳｎ４５ａｔ．％以上５５ａｔ．
％以下、残部ＡｕのＡｕＳｎ合金を含む金属材料により
バリア層を形成する第１工程と、前記バリア層の上にＡｕとＳｎとを含む合金によりはん
だ層を形成する第２工程と、前記はんだ層の上に回路素子を搭載する第３工程と、前記はんだ層と前記バリア層とを、前記はんだ層の少な
くとも一部を液相にする温度であって、前記バリア層の
少なくとも一部を固相のままにする温度まで加熱した
後、冷却する第３工程とを有することを特徴とする回路
装置の製造方法。
【請求項７】請求項６に記載の製造方法において、前記
第２工程では、前記はんだ層として、平均組成がＳｎ２
９ａｔ．％以上４５ａｔ．％以下、残部ＡｕのＡｕＳｎ
合金の層を形成することを特徴とする回路装置の製造方
法。
【請求項８】請求項６に記載の製造方法において、前記
第３工程において、前記温度は、前記はんだ層を構成す
る合金の液相線温度であることを特徴とする回路装置の
製造方法。
【請求項９】請求項６に記載の製造方法において、前記
第１工程では、前記バリア層を、Ａｕ層とＳｎ層とを交
互に積層した多層膜構造に形成することを特徴とする回
路装置の製造方法。
【請求項１０】請求項６、７または９に記載の製造方法
において、前記第２工程では、前記はんだ層を、Ａｕ層
とＳｎ層とを交互に積層した多層膜構造に形成すること
を特徴とする回路装置の製造方法。
【請求項１１】請求項６に記載の製造方法において、前
記第１および第２工程では、組成が膜厚方向に変化する
ＡｕＳｎ合金層により、前記バリア層および前記はんだ
層を連続した一層として形成することを特徴とする回路
装置の製造方法。