JP2006528556A - 溶融接合材料の高められた制御を伴う反応性多層箔を使用する接合方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、Jiaping Wang他による2003年7月23日出願の(「Methodology of Controlling Flow of Molten Solder or Braze in Reactive Multilayer Joining」という名称の)米国特許仮出願第60/489378号明細書の利益を主張する。
合衆国政府は、NSFによって支持されるAward DMI−0115238にしたがって、この発明に一定の権利を有する。
自己伝播発熱形成反応(self-propagating exothermic formation reaction)は、Al/Ni、Al/Ti、Ni/SiおよびNb/Si箔などの様々なナノ構造の多層箔で観察されてきている[1〜4]。これらの反応は、原子接合エネルギの減少によって駆動される。小さなスパークまたは炎などのエネルギパルスによって反応が開始した後、原子拡散が積層に対し法線方向に起きる。
反応性箔およびはんだまたはロウ材を使用する構成部品の接合に関する以前の調査は、100MPaの加圧力の下で、Al/Ni反応性箔およびAuSnはんだ層を使用してステンレス鋼試料を剪断強度50MPaでうまく接合できることを示唆している[8]。接合部から流れ出した大量のAuSnはんだが存在することも観察された。接合部領域から外への溶融はんだの流出は、高い接合加圧力に起因するはんだ材料のしぶきが同じ基板上の別の構成部品および回路を損傷させる可能性があるので、非常に繊細な電子基板上に構成部品を接合するとき、この方法の適用が制限される。
最初に、我々は接合加圧力がどのように溶融はんだまたはロウ材材料の流動性、接合中の界面の熱抵抗、および結果として生じる接合部強度に影響を及ぼすかを説明する。より高い接合加圧力は、溶融はんだまたはロウ材材料の流動性を高め、濡れ状態を改善し、より強い接合部を形成させることができる。反応性Al/Ni箔およびAuSnまたはAgSnはんだ層を使用するステンレス鋼構成部品の接合によるそのような接合部が図示されている。これらの接合部は、図3に概略的に示すように、2つのAuSnまたは2つのAgSnはんだ層22A、22Bおよび1つの反応性箔を2つのステンレス鋼試料20A、20Bの間に積み重ねることによって組み立てられる。このステンレス鋼試料の寸法は0.5mm×6mm×25mmであり、接合力を高めるためにNiおよびAu被覆30で電気めっきされた。これらのステンレス鋼試料は、室温で2kPaから300MPaの圧力範囲の下で、反応性箔に点火することによって接合された。
はんだまたはロウ材の溶融持続時間も、はんだまたはロウ材の流動性、したがって、反応性接合の性能に影響を及ぼす。異なる材料システムに対しては、十分なはんだまたはロウ材の流れを可能にし、したがって、強固な接合部を形成することができるようにするために必要な臨界加圧力は、はんだまたはロウ材材料の溶融の持続時間に依存する。一般に、はんだまたはロウ材材料のより長い持続時間は、結果としてより低い臨界接合加圧力を生じさせる構成部品の濡れおよび溶融したはんだまたはロウ材の流動性を高めることができる。これは、図9に概略的に示すように、反応性Al/Ni箔(100μm)および独立のAuSnはんだ層(25μm)を使用するAu被覆されたステンレス鋼試料(0.5mm×6mm×25mm)の反応性接合を、Au被覆されたAl合金試料(0.5mm×6mm×25mm)の反応性接合と比較することによって示される。このステンレス鋼接合部およびAl合金接合部の剪断強度が、接合加圧力の関数として図10にプロットされた。10kPaの接合加圧力の下では、ステンレス鋼試料は50MPaを超える剪断強度を伴って成功裏に接合することができるが、一方Al合金接合部は、10MPa未満の剪断強度を伴い、依然として極めて弱い。加圧力10kPaの下で形成されたステンレス鋼接合部およびAl合金接合部両方の破断表面が図11に示された。ステンレス鋼接合部に対しては、ステンレス鋼試料上に結果として強固な接合部になるAuSnはんだの全面的な濡れが存在する。しかしながら、Al合金接合部に対しては、Al合金試料上に部分的な濡れしか観察されず、したがって接合部は極めて弱い。ステンレス鋼接合部およびAl合金接合部の濡れ状態のこれらの相違は、ステンレス鋼の熱伝導率(16.2W/mK)と比較してずっと高いAl合金の熱伝導率(167W/mK)に起因する。以前の特許に開示されているステンレス鋼およびAl合金試料の反応性接合内のAuSnはんだ層の溶融の数値予測によれば[12]、反応性Al/Ni箔(100μm)およびAuSnはんだ層(25μm)を使用してステンレス鋼およびAl合金試料が接合された条件で、AuSnはんだのAl合金接合部の溶融持続時間は、ステンレス鋼接合部内の5msと比較してわずか1msである。Al合金接合部のAuSnはんだ材料の溶融のそのような短い持続時間に伴い、溶融はんだの流動性を高め、Au被覆された試料の濡れを改善し、かつ接合部内のいかなる隙間も満たすために、より高い圧力が必要になる。図10に示すように、Al合金接合部の剪断強度は、増加する接合圧力に伴い徐々に増大する。これらの結果は、臨界加圧力の値がAuSnはんだの溶融の持続時間に依存することを示唆している。AuSnはんだの溶融のより長い持続時間は、溶融はんだの流動性を高めることができ、したがって、より低い臨界加圧力に結果としてなる。この分野の技術者には、この原理を様々な他の材料システムに対して一般化することは明らかであろう。以前の特許で示唆されているように[12]、はんだまたはロウ材材料溶融の持続時間は、反応性箔、構成部品およびはんだまたはロウ材材料の幾何学的形状および特性などのいくつかの要因によって決まる。したがって、反応性接合での溶融はんだまたはロウ材の流動性は、反応性接合部の性能を最大化できるように、これらの要因および接合加圧力を変化させることによって制御することができる。
次いで我々は、反応性接合部に使用できる溶融したはんだまたはロウ材の体積が、どのようにはんだまたはロウ材の流動性および接合性能に影響する可能性があるかについて説明する。反応性接合部内のより大きな溶融したはんだまたはロウ材材料の体積は、はんだまたはロウ材の流動性を高め、それによって試料の濡れおよび接合性能を改善することができる。結果として強固な接合部を形成するためにより低い臨界加圧力が必要になる。これは、Al/Ni箔および異なる体積のはんだまたはロウ材材料を使用する、Au被覆されたステンレス鋼試料(0.5mm×6mm×25mm)の反応性接合に基づいて示される。いくつかのステンレス鋼接合部が、図3に示すように、Al/Ni箔およびAuSnはんだ層(25μm)、またはAgSnはんだ層(25μm)を使用して、2kPaから300MPaの範囲の加圧力の下で作られた。いくつかのステンレス鋼接合部は、図12に概略的に示すように、2つのステンレス鋼サンプルの間に1つのIncusil被覆された反応性箔を置くことによって作られた。ここで、反応性箔上の1μm厚さのIncusil被覆はロウ材材料として働き、独立のはんだまたはロウ材層は全く使用されない。これらのサンプルは、10kPaから100MPaの範囲の加圧力の下で接合され、適切な厚さの箔がAgSnおよびAuSnはんだおよびIncusilロウ材を溶融するのに使用された。実験結果は、25μm厚さのAgSnまたはAuSnはんだ材料が使用されるとき、強固な接合部を形成する臨界加圧力は10kPaであることを示す。一方、図13に示すように、1μm厚さのIncusilロウ材が使用されるとき、強固な接合部を形成するために6MPaと同じくらい高い加圧力が必要である。反応性Al/Ni箔および1μm厚さのIncusilロウ材で作られたステンレス鋼接合部の破断表面は図14に示された。10kPaの加圧力の下で形成された接合部は、Au被覆されたステンレス鋼試料は濡れがほとんど0であり、かつ剪断強度がほとんど0であることを示すが、一方6MPaの加圧力の下で形成された接合部は、Au被覆されたステンレス鋼試料の全面的濡れおよび80MPaの非常に高い剪断強度を示す。この接合の幾何学的形状では、溶融したロウ材材料の体積が非常に限定されているので、より厚いはんだまたはロウ材層を有する他の接合の幾何学的形状と比較してずっと高い圧力が、接合中、溶融ロウ材の流動性を高め、試料全面を濡れさせ、かつ強固な接合部を形成するために必要となる。これは他の材料システムにも適用することができる。一般に、接合中に使用できる溶融はんだまたはロウ材のより大きな体積は、はんだまたはロウ材材料の流動性を高め、したがって、良好な接合部を形成するためにより低い臨界圧力が必要となる。
所与の用途に対する臨界加圧力は、図16に示す種類の、接合加圧力対剪断強度のプロットから求めることができる。圧力が対数目盛でプロットされていることに注目すべきである。出願者等は、そのようなプロットのデータ点は2つの群に分割できることを見出した。より低い加圧力に対応する1つの群160では、加圧力が上昇すると接合部強度は高い傾きで劇的に増大する。より高い接合加圧力に対応する別の群161では、圧力が増加するとき、接合部強度は、平らまたは非常に小さな傾きで、少ししか増加しない。臨界加圧力は、高い傾きの群と低い傾きの群の間の曲線の屈曲点のところの圧力である。それは、曲線当てはめによって、例えば、高い傾きの群160を通る当てはめられた線162が低い傾きの群を通る当てはめられた線163と交差する点Pとしてより精密に求めることができる。
Claims (43)
- 本体間に反応性箔および可溶融性接合材料を配設する工程と、
前記本体を前記箔および前記接合材料に対して互いに押し付ける工程と、
前記接合材料を溶融させるために前記箔を通る自己伝播反応を開始させる工程とを含み、
前記接合工程に対する接合強度対加圧力のプロットが、比較的高い傾きを有するより低い加圧力区域、比較的低い傾きを有するより高い加圧力区域、および前記高い傾きと低い傾きの間の屈曲区域によって特徴づけられ、かつ、前記本体が前記屈曲区域内の圧力で互いに押し付けられる、反応性多層箔および可溶融性接合材料の1つまたは複数の層または被覆を使用して材料の第1および第2の本体を接合する方法。 - 前記圧力が約30kPa以下である、請求項1に記載の方法。
- 前記圧力が約20kPa以下である、請求項1に記載の方法。
- 前記可溶融性接合材料がはんだまたはロウ材材料を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記圧力が十分低く、前記接合工程によってわずか20%までしか前記接合材料の厚さが減少しない、請求項1に記載の方法。
- 前記接合材料の前記溶融が約0.5msより長い持続時間を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記接合材料が約0.5ミクロンより大きな厚さを有する、請求項1に記載の方法。
- 前記材料の本体が約0.03cm2を超える面積上に接合される、請求項1に記載の方法。
- 前記接合部の強度が約1MPaを超える、請求項1に記載の方法。
- 前記接合部が約64.52cm2(10in2)より大きな面積を有する、請求項1に記載の方法。
- 本体間に反応性箔および可溶融性接合材料を配設する工程と、
前記本体を前記箔および前記接合材料に対して互いに押し付ける工程と、
前記接合材料を溶融させるために前記箔を通る自己伝播反応を開始させる工程とを含み、
前記押し付けが、前記本体を損傷しない最大実用加圧力より実質的に低い圧力であるが、前記最大実用加圧力での剪断強度の少なくとも70%に等しい剪断強度を有する接合部をもたらす押し付けである、反応性多層箔および可溶融性接合材料の1つまたは複数の層または被覆を使用して材料の第1および第2の本体を接合する方法。 - 前記圧力が約30kPa以下である、請求項11に記載の方法。
- 前記圧力が約20kPa以下である、請求項11に記載の方法。
- 前記可溶融性接合材料がはんだまたはロウ材材料を含む、請求項11に記載の方法。
- 前記圧力が十分低く、前記接合工程によってわずか20%までしか前記接合材料の厚さが減少しない、請求項11に記載の方法。
- 前記接合材料の前記溶融が約0.5msより長い持続時間を有する、請求項11に記載の方法。
- 前記接合材料が約0.5ミクロンより大きな厚さを有する、請求項11に記載の方法。
- 前記材料の本体が約0.03cm2を超える面積上に接合される、請求項11に記載の方法。
- 前記接合部の強度が約1MPaを超える、請求項11に記載の方法。
- 前記接合部が約64.52cm2(10in2)より大きな面積を有する、請求項11に記載の方法。
- 本体間に反応性箔および溶融可能な接合材料を配設する工程と、
前記本体を前記箔および前記接合材料に対して互いに押し付ける工程と、
前記接合材料を溶融させるために前記箔を通る自己伝播反応を開始させる工程とを含み、
前記押し付けが、100MPaより実質的に低い圧力であるが、100MPaの加圧力を使用して形成される剪断強度の少なくとも70%に等しい剪断強度を有する接合部をもたらす押し付けである、反応性多層箔および可溶融性接合材料の1つまたは複数の層または被覆を使用して材料の第1および第2の本体を接合する方法。 - 前記圧力が約30kPa以下である、請求項21に記載の方法。
- 前記圧力が約20kPa以下である、請求項21に記載の方法。
- 前記可溶融性接合材料がはんだまたはロウ材材料を含む、請求項21に記載の方法。
- 前記圧力が十分低く、前記接合工程によってわずか20%までしか前記接合材料の厚さが減少しない、請求項21に記載の方法。
- 前記接合材料の前記溶融が約0.5msより長い持続時間を有する、請求項21に記載の方法。
- 前記接合材料が約0.5ミクロンより大きな厚さを有する、請求項21に記載の方法。
- 前記材料の本体が約0.03cm2を超える面積上に接合される、請求項21に記載の方法。
- 前記接合部の強度が約1MPaを超える、請求項21に記載の方法。
- 前記接合部が約64.52cm2(10in2)より大きな面積を有する、請求項21に記載の方法。
- 本体間に反応性箔および可溶融性接合材料を配設する工程と、
前記本体を前記箔および前記接合材料に対して互いに押し付ける工程と、
前記接合材料を溶融させるために前記箔を通る自己伝播反応を開始させる工程とを含み、
第1および第2の本体のうちの少なくとも1つが超小型回路素子または半導体を含み、前記押し付けが、前記接合部からのはんだのしぶきを排除するのに十分に低いが、前記接合部を形成するのに使用される前記はんだまたはロウ材材料の剪断強度の少なくとも70%に等しい剪断強度を有する接合部を形成するのに十分に高い圧力である、反応性多層箔および可溶融性接合材料の1つまたは複数の層または被覆を使用して材料の第1および第2の本体を接合する方法。 - 前記圧力が約30kPa以下である、請求項31に記載の方法。
- 前記圧力が約20kPa以下である、請求項31に記載の方法。
- 前記可溶融性接合材料がはんだまたはロウ材材料を含む、請求項31に記載の方法。
- 前記圧力が十分低く、前記接合工程によってわずか20%までしか前記接合材料の厚さが減少しない、請求項31に記載の方法。
- 前記接合材料の前記溶融が約0.5msより長い持続時間を有する、請求項31に記載の方法。
- 前記接合材料が約0.5ミクロンより大きな厚さを有する、請求項31に記載の方法。
- 前記材料の本体が約0.03cm2を超える面積上に接合される、請求項31に記載の方法。
- 前記接合部の強度が約1MPaを超える、請求項31に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法によって接合された材料の少なくとも2つの本体を備える製品。
- 請求項11に記載の方法によって接合された材料の少なくとも2つの本体を備える製品。
- 請求項21に記載の方法によって接合された材料の少なくとも2つの本体を備える製品。
- 請求項31に記載の方法によって接合された材料の少なくとも2つの本体を備える製品。
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