JP2003286531A - はんだ接合層 - Google Patents
はんだ接合層Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 クリープ変形に対する抵抗力の大きいはんだ
接合層を開発する。 【解決手段】 Ｓｎを含有するはんだ用いて部材を接合
する際に形成される接合層であって、前記接合層はＳｎ
およびＡｕの他に、Ｐｂ，Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎ
ｉから選択されるいずれか１種又は２種以上を含有し、
さらに、前記接合層にはＳｎとＡｕを主成分として構成
される金属間化合物が接合断面の面積分率として５〜５
０％の割合で分散しているはんだ接合層である。また、
二個以上の部材を接合する際に、少なくとも一個以上の
部材の表面をＡｕからなる層とし、一個以上の前記部材
にはんだを載置し、前記はんだを加熱して前記Ａｕをは
んだ中に溶解させて得た，前記はんだ接合層を備えた接
合部材である。
接合層を開発する。 【解決手段】 Ｓｎを含有するはんだ用いて部材を接合
する際に形成される接合層であって、前記接合層はＳｎ
およびＡｕの他に、Ｐｂ，Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎ
ｉから選択されるいずれか１種又は２種以上を含有し、
さらに、前記接合層にはＳｎとＡｕを主成分として構成
される金属間化合物が接合断面の面積分率として５〜５
０％の割合で分散しているはんだ接合層である。また、
二個以上の部材を接合する際に、少なくとも一個以上の
部材の表面をＡｕからなる層とし、一個以上の前記部材
にはんだを載置し、前記はんだを加熱して前記Ａｕをは
んだ中に溶解させて得た，前記はんだ接合層を備えた接
合部材である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、精密素子のはんだ
接合層に関する。詳細には、電子デバイス，光デバイ
ス，レーザモジュール，半導体装置のはんだ接合層に関
する。
接合層に関する。詳細には、電子デバイス，光デバイ
ス，レーザモジュール，半導体装置のはんだ接合層に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来、Ｓｎ−Ｐｂ系の（Ｓｎ：６３重量
％）共晶合金は、優れたぬれ性と適当な融点を備えてい
るため、プリント基板や搭載部材、精密素子における部
材間の接合に好適なはんだとして用いられてきた。とこ
ろが、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金に含まれている鉛に有害性が
あることから、鉛を用いない（以後鉛フリーと言う）は
んだへの転換がなされている。
％）共晶合金は、優れたぬれ性と適当な融点を備えてい
るため、プリント基板や搭載部材、精密素子における部
材間の接合に好適なはんだとして用いられてきた。とこ
ろが、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金に含まれている鉛に有害性が
あることから、鉛を用いない（以後鉛フリーと言う）は
んだへの転換がなされている。
【０００３】そこで、Ｓｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだが
安定性、及び信頼性の高いことで高信頼性を必要とする
電子機器に用いられるようになった。しかし、このはん
だを用いると、融点が高く（２２１℃）、プリント基板
の電極との濡れ性が共晶はんだに比べて劣るので、従来
型のプロセスでは十分な接合ができない。現在、融点を
下げるために、Ｓｎ−Ａｇ系にＣｕ、Ｂｉを少量添加し
たものや、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系のはんだも開発
されている。
安定性、及び信頼性の高いことで高信頼性を必要とする
電子機器に用いられるようになった。しかし、このはん
だを用いると、融点が高く（２２１℃）、プリント基板
の電極との濡れ性が共晶はんだに比べて劣るので、従来
型のプロセスでは十分な接合ができない。現在、融点を
下げるために、Ｓｎ−Ａｇ系にＣｕ、Ｂｉを少量添加し
たものや、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系のはんだも開発
されている。
【０００４】ところで、精密素子には、長期間にわたり
部材間の位置関係が変化しないような高い位置精度が要
求される。ところが、はんだ材料は，素子を構成する他
の部材、例えばＣｕ−Ｗ系合金やステンレス鋼に比べて
クリープ強度は低い値である。そのため、精密素子の使
用中にはんだ部が変形して被接合部材が動いてしまい、
部材の位置関係が経年変化するという問題があった。
部材間の位置関係が変化しないような高い位置精度が要
求される。ところが、はんだ材料は，素子を構成する他
の部材、例えばＣｕ−Ｗ系合金やステンレス鋼に比べて
クリープ強度は低い値である。そのため、精密素子の使
用中にはんだ部が変形して被接合部材が動いてしまい、
部材の位置関係が経年変化するという問題があった。
【０００５】そこで、はんだに強度を持たせるために、
特開２０００−１９００９０号公報には、Ｓｎ、Ｃｕが
０．１〜２．５重量％、Ｂｉ及び／又はＩｎが１〜１５
重量％、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｆｅの何れか
１種以上を０．０１〜２重量％含有する合金はんだにつ
いて、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｆｅと、ＳｎやＣｕとの金属
間化合物を生成させることにより、マトリクスの結晶粒
界でのすべりを防止して、接合層の機械的強度を向上さ
せる技術が開示されている。
特開２０００−１９００９０号公報には、Ｓｎ、Ｃｕが
０．１〜２．５重量％、Ｂｉ及び／又はＩｎが１〜１５
重量％、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｆｅの何れか
１種以上を０．０１〜２重量％含有する合金はんだにつ
いて、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｆｅと、ＳｎやＣｕとの金属
間化合物を生成させることにより、マトリクスの結晶粒
界でのすべりを防止して、接合層の機械的強度を向上さ
せる技術が開示されている。
【０００６】特開平７−１２８５５０号公報には、Ａｕ
による脆性化合物が接合強度を弱くするため、これを避
ける方法についての技術が開示されている。
による脆性化合物が接合強度を弱くするため、これを避
ける方法についての技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前記従来技術に関して
説明する。Ｓｎは容易にＡｕと反応して、例えばＳｎ4
Ａｕ金属間化合物を形成する。この金属間化合物は脆い
のではんだ接合層の機械的強度を劣化させる。そのた
め、はんだ付け時に、この金属間化合物の生成を抑制す
ることが従来技術の課題であった。本発明では、逆にこ
の化合物を利用することとした。
説明する。Ｓｎは容易にＡｕと反応して、例えばＳｎ4
Ａｕ金属間化合物を形成する。この金属間化合物は脆い
のではんだ接合層の機械的強度を劣化させる。そのた
め、はんだ付け時に、この金属間化合物の生成を抑制す
ることが従来技術の課題であった。本発明では、逆にこ
の化合物を利用することとした。
【０００８】すなわち、Ｓｎ−Ａｕ系金属間化合物は脆
いが硬いため、接合層が破壊にまで達するような高い応
力に対しては存在しない方が望ましい。しかしながら、
そこまでの高い応力を必要とせず、かつ、部材の位置変
動がないことを必要とするような場合には、硬いＳｎ−
Ａｕ系の金属間化合物が有効に作用し、はんだの変形抵
抗が向上する。
いが硬いため、接合層が破壊にまで達するような高い応
力に対しては存在しない方が望ましい。しかしながら、
そこまでの高い応力を必要とせず、かつ、部材の位置変
動がないことを必要とするような場合には、硬いＳｎ−
Ａｕ系の金属間化合物が有効に作用し、はんだの変形抵
抗が向上する。
【０００９】前記のように、精密素子には長期にわたっ
て部材間の位置関係が変化しないような高い位置精度が
要求される。ところが、はんだ材料はクリープ強度が低
いため、精密素子の使用中にはんだ部が変形して被接合
部材が動いてしまう。
て部材間の位置関係が変化しないような高い位置精度が
要求される。ところが、はんだ材料はクリープ強度が低
いため、精密素子の使用中にはんだ部が変形して被接合
部材が動いてしまう。
【００１０】従って、本発明では、クリープ変形に対す
る抵抗力の大きいはんだ接合層を開発することを目的と
する。一般に、はんだのクリープ曲線はクリープ初期に
大きく変位を生じるので、このクリープ初期の変形量が
小さいはんだ接合層を開発することも目的とする。
る抵抗力の大きいはんだ接合層を開発することを目的と
する。一般に、はんだのクリープ曲線はクリープ初期に
大きく変位を生じるので、このクリープ初期の変形量が
小さいはんだ接合層を開発することも目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第１の態様は、Ｓｎを含有するはんだを用
いて部材を接合する際に形成される接合層であって、前
記接合層はＳｎおよびＡｕの他に、Ｐｂ，Ｃｕ、Ａｇ、
Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎｉから選択されるいずれか１種又は２種
以上を含有し、さらに、前記接合層にはＳｎとＡｕを主
成分として構成される金属間化合物が接合断面の面積分
率として５〜５０％の割合で分散していることを特徴と
するはんだ接合層である。
に、本発明の第１の態様は、Ｓｎを含有するはんだを用
いて部材を接合する際に形成される接合層であって、前
記接合層はＳｎおよびＡｕの他に、Ｐｂ，Ｃｕ、Ａｇ、
Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎｉから選択されるいずれか１種又は２種
以上を含有し、さらに、前記接合層にはＳｎとＡｕを主
成分として構成される金属間化合物が接合断面の面積分
率として５〜５０％の割合で分散していることを特徴と
するはんだ接合層である。
【００１２】本発明の第２の態様は、二個以上の部材を
接合する際に、少なくとも一個以上の部材の表面をＡｕ
からなる層とし、一個以上の前記部材にはんだを載置
し、前記はんだを加熱して前記Ａｕをはんだ中に溶解さ
せて得た，請求項１に記載の接合層を備えたことを特徴
とする接合部材である。
接合する際に、少なくとも一個以上の部材の表面をＡｕ
からなる層とし、一個以上の前記部材にはんだを載置
し、前記はんだを加熱して前記Ａｕをはんだ中に溶解さ
せて得た，請求項１に記載の接合層を備えたことを特徴
とする接合部材である。
【００１３】本発明の第３の態様は、二個以上の部材を
接合する際に、少なくとも一個以上の部材の表面をＡｕ
からなる層とし、一個以上の前記部材にＳｎを含有する
はんだを載置し、前記Ｓｎを含有するはんだを加熱して
前記Ａｕを前記はんだ中に溶解させてＳｎと反応させ，
ＳｎとＡｕを主成分として構成される金属間化合物をは
んだ接合層中に分散させることを特徴とする部材の接合
方法である。
接合する際に、少なくとも一個以上の部材の表面をＡｕ
からなる層とし、一個以上の前記部材にＳｎを含有する
はんだを載置し、前記Ｓｎを含有するはんだを加熱して
前記Ａｕを前記はんだ中に溶解させてＳｎと反応させ，
ＳｎとＡｕを主成分として構成される金属間化合物をは
んだ接合層中に分散させることを特徴とする部材の接合
方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明の実施
の形態を以下に説明する。本発明のはんだ接合層は、Ｓ
ｎを含有するはんだを用いて部材を接合する際に形成さ
れる接合層であって、前記接合層はＳｎおよびＡｕの他
に、Ｐｂ，Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎｉから選択され
るいずれか１種又は２種以上を含有し、さらに、前記接
合層にはＳｎとＡｕを主成分として構成される金属間化
合物が接合断面の面積分率として５〜５０％の割合で分
散して高い変形強度を備えている。
の形態を以下に説明する。本発明のはんだ接合層は、Ｓ
ｎを含有するはんだを用いて部材を接合する際に形成さ
れる接合層であって、前記接合層はＳｎおよびＡｕの他
に、Ｐｂ，Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎｉから選択され
るいずれか１種又は２種以上を含有し、さらに、前記接
合層にはＳｎとＡｕを主成分として構成される金属間化
合物が接合断面の面積分率として５〜５０％の割合で分
散して高い変形強度を備えている。
【００１５】本実施の形態では、Ｓｎを含有するはんだ
合金は、ＳｎにＰｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎｉか
ら選択されるいずれか１種又は２種以上を含有している
合金であれば良い。Ｐｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎ
ｉから選択する元素、および添加割合は以下のように選
ぶことができる。例えば、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｚ
ｎ系合金、Ｓｎ−Ｐｂ系合金、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ
−Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系合金、
その他の上記元素を組合わせた合金を適宜選択すれば良
い。
合金は、ＳｎにＰｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎｉか
ら選択されるいずれか１種又は２種以上を含有している
合金であれば良い。Ｐｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎ
ｉから選択する元素、および添加割合は以下のように選
ぶことができる。例えば、Ｓｎ−Ｂｉ系合金、Ｓｎ−Ｚ
ｎ系合金、Ｓｎ−Ｐｂ系合金、Ｓｎ−Ａｇ系合金、Ｓｎ
−Ａｇ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系合金、
その他の上記元素を組合わせた合金を適宜選択すれば良
い。
【００１６】本発明で言う接合層とは、接合時に溶融し
た領域であって、溶融しない領域は含まない。例えば、
Ａｕめっきがはんだ層に溶け込み、Ａｕの下地のＮｉめ
っき層や被接合部材のＣｕ板が溶けていない場合、接合
層は、Ａｕを含んだはんだ層全域であり、Ｎｉめっき層
やＣｕ板は接合層に入らない。
た領域であって、溶融しない領域は含まない。例えば、
Ａｕめっきがはんだ層に溶け込み、Ａｕの下地のＮｉめ
っき層や被接合部材のＣｕ板が溶けていない場合、接合
層は、Ａｕを含んだはんだ層全域であり、Ｎｉめっき層
やＣｕ板は接合層に入らない。
【００１７】すなわち、被接合部材同士を前記のＳｎを
含有するはんだを用いて接合した際にできる接合部のこ
とで、接合層はＳｎの他にＡｕを必須とし、Ｐｂ，Ｃ
ｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎから選択されるいずれか１種又は
２種以上を含有するものである。例えば、望ましい接合
層組成（重量％）としては、６５〜９５％Ｓｎ−２〜
３．５％Ａｇ−０．２〜１％Ｃｕ−５〜３５％Ａｕがあ
る。
含有するはんだを用いて接合した際にできる接合部のこ
とで、接合層はＳｎの他にＡｕを必須とし、Ｐｂ，Ｃ
ｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎから選択されるいずれか１種又は
２種以上を含有するものである。例えば、望ましい接合
層組成（重量％）としては、６５〜９５％Ｓｎ−２〜
３．５％Ａｇ−０．２〜１％Ｃｕ−５〜３５％Ａｕがあ
る。
【００１８】本実施の形態では、接合層にＡｕを含有さ
せる方法例を以下に示す。第１は、接合前にＡｕを含ま
ないはんだを用い、接合時にはんだを溶融する際にＡｕ
を含有させる方法である。例をあげると以下のようであ
る。
せる方法例を以下に示す。第１は、接合前にＡｕを含ま
ないはんだを用い、接合時にはんだを溶融する際にＡｕ
を含有させる方法である。例をあげると以下のようであ
る。
【００１９】被接合部にＡｕめっきを施してから、は
んだ付けする。この際に、Ａｕめっきの厚みは、接合さ
れる部材の全めっき厚さとして０．０５〜８．０μｍ、
はんだ接合層の厚さは１０〜１００μｍの範囲とするこ
とが望ましい。より望ましくは、Ａｕめっきの厚みは、
接合される部材の全めっき厚さとして１．０〜５．０μ
ｍ、はんだ接合層の厚さは３０〜６０μｍの範囲とする
ことが望ましい。
んだ付けする。この際に、Ａｕめっきの厚みは、接合さ
れる部材の全めっき厚さとして０．０５〜８．０μｍ、
はんだ接合層の厚さは１０〜１００μｍの範囲とするこ
とが望ましい。より望ましくは、Ａｕめっきの厚みは、
接合される部材の全めっき厚さとして１．０〜５．０μ
ｍ、はんだ接合層の厚さは３０〜６０μｍの範囲とする
ことが望ましい。
【００２０】被接合部にスパッタリング等によりＡｕ
蒸着処理を施してから、はんだ付けする。この際にも、
Ａｕ蒸着層の厚みは、接合される部材の全蒸着層厚さと
して０．０５〜８．０μｍ、はんだ接合層の厚さは１０
〜１００μｍの範囲とすることが望ましい。より望まし
くは、Ａｕ蒸着層の厚みは、接合される部材の全蒸着層
厚さとして１．０〜５．０μｍ、はんだ接合層の厚さは
３０〜６０μｍの範囲とすることが望ましい。
蒸着処理を施してから、はんだ付けする。この際にも、
Ａｕ蒸着層の厚みは、接合される部材の全蒸着層厚さと
して０．０５〜８．０μｍ、はんだ接合層の厚さは１０
〜１００μｍの範囲とすることが望ましい。より望まし
くは、Ａｕ蒸着層の厚みは、接合される部材の全蒸着層
厚さとして１．０〜５．０μｍ、はんだ接合層の厚さは
３０〜６０μｍの範囲とすることが望ましい。
【００２１】さらに、Ａｕ粉末を振りかけたはんだを
用いたり、はんだにＡｕ箔、Ａｕ板、Ａｕ線を載せて用
いることもできる。
用いたり、はんだにＡｕ箔、Ａｕ板、Ａｕ線を載せて用
いることもできる。
【００２２】第２に、接合前のはんだ箔、はんだペース
ト、はんだ線等にあらかじめＡｕを含有させる方法であ
る。Ａｕは３〜３０重量％程度含有させることが望まし
い。あらかじめ、Ａｕを含有させた上記はんだ合金の用
い方は、通常のはんだ付け作業に準じて行えば良い。
ト、はんだ線等にあらかじめＡｕを含有させる方法であ
る。Ａｕは３〜３０重量％程度含有させることが望まし
い。あらかじめ、Ａｕを含有させた上記はんだ合金の用
い方は、通常のはんだ付け作業に準じて行えば良い。
【００２３】第３に、上記第１および第２を合わせて用
いる方法である。
いる方法である。
【００２４】本実施の形態では、接合時のはんだを溶融
する際にＡｕを含有させることが望ましい。そのため、
はんだ合金の加熱方法としては、以下のような例があげ
られる。 まず、被接合部材同士それぞれに、はんだを加熱し固
着させてはんだ層を形成する。次に、被接合部材同士の
はんだ層の位置を合わせ、再加熱して部材同士を接合す
る。
する際にＡｕを含有させることが望ましい。そのため、
はんだ合金の加熱方法としては、以下のような例があげ
られる。 まず、被接合部材同士それぞれに、はんだを加熱し固
着させてはんだ層を形成する。次に、被接合部材同士の
はんだ層の位置を合わせ、再加熱して部材同士を接合す
る。
【００２５】まず、被接合部材の片方に、はんだを加
熱して固着させてはんだ層を形成する。次に、もう一方
の被接合部材の所定の位置にはんだ層を合わせ、再加熱
して部材同士を接合する。 被接合部材の間にはんだを配置し、加熱して部材同士
を接合する。なお、接合条件としては、はんだの溶融温
度を合金の共晶温度に１０〜６０℃高い温度とし、はん
だの溶融時間を１０秒から５分間に選択することが望ま
しい。
熱して固着させてはんだ層を形成する。次に、もう一方
の被接合部材の所定の位置にはんだ層を合わせ、再加熱
して部材同士を接合する。 被接合部材の間にはんだを配置し、加熱して部材同士
を接合する。なお、接合条件としては、はんだの溶融温
度を合金の共晶温度に１０〜６０℃高い温度とし、はん
だの溶融時間を１０秒から５分間に選択することが望ま
しい。
【００２６】ところで、Ｓｎ中へのＡｕの拡散について
は、拡散速度が速いために金属間化合物を作りやすい。
Ｓｎ−Ａｕを含有する金属間化合物には、例えば、Ｓｎ
4Ａｕ、Ｓｎ2Ａｕ、ＳｎＡｕ、ＳｎＡｕ5、ＳｎＡｕ9な
どある。接合層にはＳｎ−Ａｕを含有する金属間化合物
が分散している。金属間化合物が分散した状態とは、接
合層にＡｕが含まれ，このＡｕがＳｎとの金属間化合物
の形で存在し，その化合物がはんだ接合層全域に分散し
た状態となっていることである。
は、拡散速度が速いために金属間化合物を作りやすい。
Ｓｎ−Ａｕを含有する金属間化合物には、例えば、Ｓｎ
4Ａｕ、Ｓｎ2Ａｕ、ＳｎＡｕ、ＳｎＡｕ5、ＳｎＡｕ9な
どある。接合層にはＳｎ−Ａｕを含有する金属間化合物
が分散している。金属間化合物が分散した状態とは、接
合層にＡｕが含まれ，このＡｕがＳｎとの金属間化合物
の形で存在し，その化合物がはんだ接合層全域に分散し
た状態となっていることである。
【００２７】なお、ＡｕがＳｎとＳｎ−Ａｕ金属間化合
物を形成するメカニズムは、Ａｕが例えばめっき層の場
合、はんだを加熱して溶融する際に、Ａｕが溶融したは
んだ中に拡散し、すなわち、はんだに溶解し、Ｓｎと反
応して金属間化合物を形成するものと思われる。したが
って、Ａｕは、接合部材表面にめっき層で形成されたも
のであっても、はんだにあらかじめ合金成分として添加
されたものであっても用いることが可能である。
物を形成するメカニズムは、Ａｕが例えばめっき層の場
合、はんだを加熱して溶融する際に、Ａｕが溶融したは
んだ中に拡散し、すなわち、はんだに溶解し、Ｓｎと反
応して金属間化合物を形成するものと思われる。したが
って、Ａｕは、接合部材表面にめっき層で形成されたも
のであっても、はんだにあらかじめ合金成分として添加
されたものであっても用いることが可能である。
【００２８】このように、Ｓｎ4Ａｕ金属間化合物のよ
うな変形抵抗の高い金属間化合物をはんだ接合層に分散
させることにより，はんだの高温における変形抵抗を向
上させることができる。
うな変形抵抗の高い金属間化合物をはんだ接合層に分散
させることにより，はんだの高温における変形抵抗を向
上させることができる。
【００２９】本発明の実施形態では、接合層にはＳｎ−
Ａｕを含有する金属間化合物が接合断面の面積分率にし
て５〜５０％の割合で分散していることが望ましい。こ
こで、接合断面とは２個以上の部材（被接合体）が接合
された接合層を含む断面であって、接合体と接合層の複
数の界面はほぼ平行な関係であるものとし、その界面に
垂直な面を接合断面と定義する。
Ａｕを含有する金属間化合物が接合断面の面積分率にし
て５〜５０％の割合で分散していることが望ましい。こ
こで、接合断面とは２個以上の部材（被接合体）が接合
された接合層を含む断面であって、接合体と接合層の複
数の界面はほぼ平行な関係であるものとし、その界面に
垂直な面を接合断面と定義する。
【００３０】本願発明では、面積分率とは接合断面にお
ける接合層の中に占めるＳｎ−Ａｕ化合物相の面積の比
率を言う。面積分率は、以下のようにして求めることが
できる。例えば、ＳＥＭにおけるＥＤＸ，あるいはＥＰ
ＭＡにより接合層を含む接合断面内の構成元素を測定
し、Ｓｎ−Ａｕ化合物相の組織を特定する。図１には、
本実施の形態例における接合層断面の反射電子像を示し
た。写真の黒実線長さが１０μｍの長さに該当する。次
に、接合層のＳＥＭ写真、もしくは反射電子像写真にお
いて、Ｓｎ−Ａｕ化合物相と他の部分をニ値化により分
離し、接合層の中に占めるＳｎ−Ａｕ化合物相の面積分
率を算出する。図２には、図１で示したＳｎ−Ａｕ層領
域を白色で表わし、他の領域を黒色にニ値化した像を示
した。
ける接合層の中に占めるＳｎ−Ａｕ化合物相の面積の比
率を言う。面積分率は、以下のようにして求めることが
できる。例えば、ＳＥＭにおけるＥＤＸ，あるいはＥＰ
ＭＡにより接合層を含む接合断面内の構成元素を測定
し、Ｓｎ−Ａｕ化合物相の組織を特定する。図１には、
本実施の形態例における接合層断面の反射電子像を示し
た。写真の黒実線長さが１０μｍの長さに該当する。次
に、接合層のＳＥＭ写真、もしくは反射電子像写真にお
いて、Ｓｎ−Ａｕ化合物相と他の部分をニ値化により分
離し、接合層の中に占めるＳｎ−Ａｕ化合物相の面積分
率を算出する。図２には、図１で示したＳｎ−Ａｕ層領
域を白色で表わし、他の領域を黒色にニ値化した像を示
した。
【００３１】面積分率を算出するために用いるＳＥＭあ
るいは反射電子像写真については、接合界面に垂直な向
きを写真縦軸とし、接合界面に平行な向きを写真横軸と
決める。かつ、写真縦の全長は接合層の厚みすべてが入
るようにし、接合時に溶融しなかっためっき層、被接合
材は写真に入れないものとする。写真横軸の長さは縦軸
の長さの２倍とする。また、接合時の溶融層と非溶融層
の界面が平坦ではない、または、二つの被接合材が平行
ではない場合については、それに応じた領域を写真とす
る。
るいは反射電子像写真については、接合界面に垂直な向
きを写真縦軸とし、接合界面に平行な向きを写真横軸と
決める。かつ、写真縦の全長は接合層の厚みすべてが入
るようにし、接合時に溶融しなかっためっき層、被接合
材は写真に入れないものとする。写真横軸の長さは縦軸
の長さの２倍とする。また、接合時の溶融層と非溶融層
の界面が平坦ではない、または、二つの被接合材が平行
ではない場合については、それに応じた領域を写真とす
る。
【００３２】以上の操作を同一断面の別な部位から、あ
るいは、同一試料の別断面の部位から合計５回以上実施
し、その平均値をその試料の断面におけるＳｎ−Ａｕ化
合物相の面積分率と定義する。
るいは、同一試料の別断面の部位から合計５回以上実施
し、その平均値をその試料の断面におけるＳｎ−Ａｕ化
合物相の面積分率と定義する。
【００３３】ここで、面積分率を５〜５０％とする理由
は以下のようである。５％未満では効果がなく、５０％
を超えると、クリープ抵抗は高まるが脆化し、少量のひ
ずみで破壊してしまうからである。５〜５０％の範囲で
は初期クリープが小さくなり、クリープ抵抗が大きく、
位置ずれに対する信頼性が高くなる。
は以下のようである。５％未満では効果がなく、５０％
を超えると、クリープ抵抗は高まるが脆化し、少量のひ
ずみで破壊してしまうからである。５〜５０％の範囲で
は初期クリープが小さくなり、クリープ抵抗が大きく、
位置ずれに対する信頼性が高くなる。
【００３４】本実施の形態では、接合層の金属間化合物
の結晶粒径は３０μｍ以下の大きさであることが望まし
い。結晶粒径の大きさは、上記の接合断面の観察時に求
めることができる。ここで、結晶粒径を３０μｍ以下と
する理由は、３０μｍを超えると結晶粒界を亀裂が伝播
しやすくなるためである。
の結晶粒径は３０μｍ以下の大きさであることが望まし
い。結晶粒径の大きさは、上記の接合断面の観察時に求
めることができる。ここで、結晶粒径を３０μｍ以下と
する理由は、３０μｍを超えると結晶粒界を亀裂が伝播
しやすくなるためである。
【００３５】（第２の実施形態）本発明の第２の実施形
態を以下に示す。本発明では、二個以上の部材を接合す
る際に、少なくとも一個以上の部材の表面をＡｕからな
る層とし、一個以上の前記部材表面にはんだを載置し、
前記はんだを加熱して前記Ａｕをはんだ中に溶解させて
得た接合層を備える接合部材である。
態を以下に示す。本発明では、二個以上の部材を接合す
る際に、少なくとも一個以上の部材の表面をＡｕからな
る層とし、一個以上の前記部材表面にはんだを載置し、
前記はんだを加熱して前記Ａｕをはんだ中に溶解させて
得た接合層を備える接合部材である。
【００３６】本実施の形態では、少なくとも一個以上の
部材の最表面層をＡｕ層からなる表面とする。本実施の
形態では、接合層中にＡｕが含まれるようにするには、
第１の実施形態で説明した方法を用いれば良い。
部材の最表面層をＡｕ層からなる表面とする。本実施の
形態では、接合層中にＡｕが含まれるようにするには、
第１の実施形態で説明した方法を用いれば良い。
【００３７】このように、表面にめっき層を形成し、部
材間にＳｎを含有するはんだ合金を載置し、前記はんだ
合金を加熱溶融して部材表面のＡｕを溶融はんだ中に溶
解させることによりＳｎ−Ａｕを含有する金属間化合物
が分散した接合層を備える接合品が得られる。例えば、
電子デバイス，光デバイス，レーザモジュール，半導体
装置に本実施の形態の接合層を備える接合品を得ること
ができる。
材間にＳｎを含有するはんだ合金を載置し、前記はんだ
合金を加熱溶融して部材表面のＡｕを溶融はんだ中に溶
解させることによりＳｎ−Ａｕを含有する金属間化合物
が分散した接合層を備える接合品が得られる。例えば、
電子デバイス，光デバイス，レーザモジュール，半導体
装置に本実施の形態の接合層を備える接合品を得ること
ができる。
【００３８】
【実施例】（実施例１）はんだとしてＳｎ−Ｐｂ（Ｓ
ｎ：６３重量％）共晶合金を用いた。試験方法として
は、図３で示したようなリング−ピン剪断試験用の銅製
試験片を用意し一方には、試験片の接合面にＮｉめっき
を施し、その上にＡｕめっきをした。もう一方は、めっ
き処理しないものとした。この２種の試料を用い、上記
はんだを用いてリング部のはんだ接合層を形成した。図
３中のリング−ピン試験片３１は、リング部３３とピン
部３５からなり、リング部３３の中央にピン部とのはん
だ接合層３７を形成したものである。リング部の厚みは
３ｍｍ、外形は１５ｍｍであり、ピン部の直径は４ｍｍ
で、長さが２０ｍｍである。
ｎ：６３重量％）共晶合金を用いた。試験方法として
は、図３で示したようなリング−ピン剪断試験用の銅製
試験片を用意し一方には、試験片の接合面にＮｉめっき
を施し、その上にＡｕめっきをした。もう一方は、めっ
き処理しないものとした。この２種の試料を用い、上記
はんだを用いてリング部のはんだ接合層を形成した。図
３中のリング−ピン試験片３１は、リング部３３とピン
部３５からなり、リング部３３の中央にピン部とのはん
だ接合層３７を形成したものである。リング部の厚みは
３ｍｍ、外形は１５ｍｍであり、ピン部の直径は４ｍｍ
で、長さが２０ｍｍである。
【００３９】接合層について、は接合断面を観察した。
その結果、めっきをしないものの接合層にはＳｎ相とＰ
ｂリッチ相が認められた。めっき処理したものは、Ｓｎ
相とＰｂリッチ相に加えて結晶粒径が２０μｍのＳｎ−
Ａｕ金属間化合物相が分散していた。また、めっき処理
したもののＳｎ−Ａｕ金属化合物相の面積分率を求め
た。その結果、面積分率の値は１５％であった。
その結果、めっきをしないものの接合層にはＳｎ相とＰ
ｂリッチ相が認められた。めっき処理したものは、Ｓｎ
相とＰｂリッチ相に加えて結晶粒径が２０μｍのＳｎ−
Ａｕ金属間化合物相が分散していた。また、めっき処理
したもののＳｎ−Ａｕ金属化合物相の面積分率を求め
た。その結果、面積分率の値は１５％であった。
【００４０】上記のめっきをしたものと、めっきをしな
いものについて、クリープ試験を行った。クリープ試験
方法の概略図４１を図４に示した。リビングーピン試験
片４３のピンは図４の上方向に、ピンは図４の下方向に
荷重を掛けて試験した。試験温度は室温と１００℃の２
種類とした。室温（２５℃）で剪断応力を７．５ＭＰａ
とした試験結果を図５に、１００℃で剪断応力を１．７
ＭＰａとした試験結果を図６に示した。
いものについて、クリープ試験を行った。クリープ試験
方法の概略図４１を図４に示した。リビングーピン試験
片４３のピンは図４の上方向に、ピンは図４の下方向に
荷重を掛けて試験した。試験温度は室温と１００℃の２
種類とした。室温（２５℃）で剪断応力を７．５ＭＰａ
とした試験結果を図５に、１００℃で剪断応力を１．７
ＭＰａとした試験結果を図６に示した。
【００４１】各図の横軸は、時間（破断までの時間で規
格化）を示す。縦軸は、剪断ひずみを示す。これから、
めっきしたものは、めっきしないものに比べて、初期ク
リープが極めて小さく、剪断ひずみが少ないことがわか
る。
格化）を示す。縦軸は、剪断ひずみを示す。これから、
めっきしたものは、めっきしないものに比べて、初期ク
リープが極めて小さく、剪断ひずみが少ないことがわか
る。
【００４２】なお、図８として示した表１にＳｎ−Ａｕ
相の分布状態とクリープ変形抵抗について評価した結果
を示した。すなわち、Ｓｎ−Ａｕ相が接合層全域にわた
って均一に分散している場合には、Ａｕめっきは界面に
残存しておらず、このような場合には変形抵抗が極めて
高い傾向にあった。反対に、Ｓｎ−Ａｕ相が被接合体と
接合層の界面に偏って分布している場合には、Ａｕめっ
きが界面に残像しており、このような場合には、早期に
破断した。
相の分布状態とクリープ変形抵抗について評価した結果
を示した。すなわち、Ｓｎ−Ａｕ相が接合層全域にわた
って均一に分散している場合には、Ａｕめっきは界面に
残存しておらず、このような場合には変形抵抗が極めて
高い傾向にあった。反対に、Ｓｎ−Ａｕ相が被接合体と
接合層の界面に偏って分布している場合には、Ａｕめっ
きが界面に残像しており、このような場合には、早期に
破断した。
【００４３】（実施例２）次に、本発明を適用してレー
ザ波長が１．４８μｍのレーザモジュールを試作した。
レーザーモジュールの模式図を図７に示した。レーザー
モジュール７１の、はんだの使用箇所は、ベース７９と
ペルチェ素子８１間の接合箇所８５、およびペルチェ素
子８１とパッケージ８３間の接合箇所８７であり、両者
ともに同じ種類のはんだを用いた。用いたはんだは、図
９としての表２に示した。
ザ波長が１．４８μｍのレーザモジュールを試作した。
レーザーモジュールの模式図を図７に示した。レーザー
モジュール７１の、はんだの使用箇所は、ベース７９と
ペルチェ素子８１間の接合箇所８５、およびペルチェ素
子８１とパッケージ８３間の接合箇所８７であり、両者
ともに同じ種類のはんだを用いた。用いたはんだは、図
９としての表２に示した。
【００４４】金属接合部のＡｕ−Ｓｎ金属間化合物量を
変化させるために、レーザモジュールのベース、ペルチ
ェ、パッケージ表面のＡｕめっき厚さを調整して、Ａｕ
−Ｓｎ化合物の量を変えた。はんだを加熱して溶融させ
る工程で、Ａｕめっき部は全て溶融はんだ内に溶け込ん
でいた。
変化させるために、レーザモジュールのベース、ペルチ
ェ、パッケージ表面のＡｕめっき厚さを調整して、Ａｕ
−Ｓｎ化合物の量を変えた。はんだを加熱して溶融させ
る工程で、Ａｕめっき部は全て溶融はんだ内に溶け込ん
でいた。
【００４５】また、表１に示すように実施例及び比較例
の合計１１種類のモジュールを１１個ずつ試作し、各１
個については、接合層の断面組織を観察して、金属間化
合物量を確認した。接合層断面におけるＡｕ−Ｓｎ化合
物の面積分率（％）を示した。
の合計１１種類のモジュールを１１個ずつ試作し、各１
個については、接合層の断面組織を観察して、金属間化
合物量を確認した。接合層断面におけるＡｕ−Ｓｎ化合
物の面積分率（％）を示した。
【００４６】試作したモジュールの残り１０個について
は、８５℃に１０００時間保持する高温放置試験を実施
した。試験後、レーザの出力を調べた。出力が試験前と
比べて８０％以下にまで低下した試料は不良とし、８０
％を超えるものを良品とした。その結果も表２に合わせ
て示した。
は、８５℃に１０００時間保持する高温放置試験を実施
した。試験後、レーザの出力を調べた。出力が試験前と
比べて８０％以下にまで低下した試料は不良とし、８０
％を超えるものを良品とした。その結果も表２に合わせ
て示した。
【００４７】
【発明の効果】本実施の接合層とすることにより、クリ
ープ変形が小さい接合層とすることができ，精密素子の
接合において被接合部材の位置変化を極めて小さく抑え
ることが可能である。また，はんだ部の変動によって軸
ずれを生じやすいレーザモジュールにおいても、軸ずれ
しない高信頼性な接合層とすることができた。
ープ変形が小さい接合層とすることができ，精密素子の
接合において被接合部材の位置変化を極めて小さく抑え
ることが可能である。また，はんだ部の変動によって軸
ずれを生じやすいレーザモジュールにおいても、軸ずれ
しない高信頼性な接合層とすることができた。
【図１】接合層断面の反射電子像を示した。
【図２】図１のＳｎ−Ａｕ相領域を白、他の領域を黒に
ニ値化した像を示した。
ニ値化した像を示した。
【図３】リング−ピンせん断試験片を示した。
【図４】リング−ピンせん断クリープ試験の模式図であ
る。
る。
【図５】室温におけるせん断クリープ試験結果である。
【図６】１００℃におけるせん断クリープ試験結果であ
る。
る。
【図７】レーザーモジュールの模式図である。
【図８】図８として示した表１であり、Ｓｎ−Ａｕ相の
分布状態とクリープ変形抵抗を示した。
分布状態とクリープ変形抵抗を示した。
【図９】図９として示した表２であり、はんだ種、Ｓｎ
−Ａｕ化合物相の面積分率、および高温放置試験後の不
良率を示した。
−Ａｕ化合物相の面積分率、および高温放置試験後の不
良率を示した。
３１ リング−ピン剪断試験片
３３ リング部
３５ ピン部
３７ はんだ接合層
４１ クリープ試験方法概略図
４３ リング−ピン剪断試験片
７１ レーザーモジュール
７３ 光ファイバ
７５ レンズ
７７ レーザ
７９ ベース
８１ ペルチェ素子
８３ パッケージ
８５ はんだ接合層
８７ はんだ接合層
─────────────────────────────────────────────────────
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）
Ｃ２２Ｃ 12/00 Ｃ２２Ｃ 12/00
13/02 13/02
(72)発明者 座間 悟
東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古
河電気工業株式会社内
(72)発明者 麦島 利夫
東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古
河電気工業株式会社内
(72)発明者 都築 秀和
東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古
河電気工業株式会社内
Ｆターム(参考） 5E319 AC01 CC22 GG20
Claims (3)
- 【請求項１】 Ｓｎを含有するはんだ用いて部材を接合
する際に形成される接合層であって、前記接合層はＳｎ
およびＡｕの他に、Ｐｂ，Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｎ
ｉから選択されるいずれか１種又は２種以上を含有し、
さらに、前記接合層にはＳｎとＡｕを主成分として構成
される金属間化合物が接合断面の面積分率として５〜５
０％の割合で分散していることを特徴とするはんだ接合
層。 - 【請求項２】 二個以上の部材を接合する際に、少なく
とも一個以上の部材の表面をＡｕからなる層とし、一個
以上の前記部材にはんだを載置し、前記はんだを加熱し
て前記Ａｕをはんだ中に溶解させて得た，請求項１に記
載のはんだ接合層を備えたことを特徴とする接合部材。 - 【請求項３】 二個以上の部材を接合する際に、少なく
とも一個以上の部材の表面をＡｕからなる層とし、一個
以上の前記部材にＳｎを含有するはんだを載置し、前記
Ｓｎを含有するはんだを加熱して前記Ａｕを前記はんだ
中に溶解させてＳｎと反応させ，ＳｎとＡｕを主成分と
して構成される金属間化合物をはんだ接合層中に分散さ
せることを特徴とする部材の接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002089141A JP4369643B2 (ja) | 2002-03-27 | 2002-03-27 | はんだ接合層 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002089141A JP4369643B2 (ja) | 2002-03-27 | 2002-03-27 | はんだ接合層 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007006058A Division JP2007194630A (ja) | 2007-01-15 | 2007-01-15 | はんだ接合層 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003286531A true JP2003286531A (ja) | 2003-10-10 |
| JP4369643B2 JP4369643B2 (ja) | 2009-11-25 |
Family
ID=29234803
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002089141A Expired - Fee Related JP4369643B2 (ja) | 2002-03-27 | 2002-03-27 | はんだ接合層 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4369643B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008078173A (ja) * | 2006-09-19 | 2008-04-03 | Yamaha Corp | 光通信装置及びその製造方法 |
| US11285569B2 (en) | 2003-04-25 | 2022-03-29 | Henkel Ag & Co. Kgaa | Soldering material based on Sn Ag and Cu |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6512309B2 (ja) | 2016-01-07 | 2019-05-15 | 株式会社村田製作所 | 金属組成物、金属間化合物部材、接合体 |
-
2002
- 2002-03-27 JP JP2002089141A patent/JP4369643B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11285569B2 (en) | 2003-04-25 | 2022-03-29 | Henkel Ag & Co. Kgaa | Soldering material based on Sn Ag and Cu |
| JP2008078173A (ja) * | 2006-09-19 | 2008-04-03 | Yamaha Corp | 光通信装置及びその製造方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4369643B2 (ja) | 2009-11-25 |
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