JP2020040114A - Metal joining method - Google Patents

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俊介 齋藤
Shunsuke Saito
俊介 齋藤
渡邉 裕彦
Hirohiko Watanabe
裕彦 渡邉
友紀 鮫島
Tomonori Samejima
友紀 鮫島
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Abstract

To realize, without using a flux or special device, a solid phase joint that is less in void and highly reliable.SOLUTION: A joining method for a first metal member having a joint face containing Sn, Ni, or Cu or an alloy thereof and a second member, comprises: a step of measuring a change of electrodes 42, 43 in relation to a reference electrode with time under constant current, each electrode being composed of the Sn, Ni, or Cu or the alloy thereof and immersed in a formic acid solution 41; a step of keeping the joint face of the first metal member in contact with the formic acid solution or formic acid vapor for a predetermined contact time; and a step of abutting the joint face of the first metal member, kept in contact with the formic acid solution or the formic acid vapor, and the second metal member and applying heat and pressure to them. The predetermined contact time is determined based on the potential.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、金属部材同士を接合する方法に関する。   The present invention relates to a method for joining metal members.

電子機器を稼動させるための電子部品と電子回路基板の接続は、一般に、はんだによって接続されている。例えば、半導体装置のような半導体素子からの放熱を目的として、半導体素子とこの半導体素子に対する放熱板とを、はんだ接合することがある。このようなはんだ接合は、一般的には、放熱板の接合面にはんだを配置し、そのはんだの上に半導体素子を配置し、加熱することによってはんだを溶融させ、その後に冷却することによって溶融されたはんだを凝固させ、半導体素子と放熱板とをはんだ接合する。また、加熱や冷却用途に使われる熱交換器の接合においては、例えば銅やアルミニウムが用いられ、インサート金属を用いた拡散接合やろう付け、はんだ付けが行われる。   The connection between an electronic component and an electronic circuit board for operating an electronic device is generally connected by solder. For example, in order to release heat from a semiconductor element such as a semiconductor device, the semiconductor element and a heat radiating plate for the semiconductor element may be joined by soldering. In general, such soldering is performed by arranging solder on the joint surface of a heat sink, arranging a semiconductor element on the solder, melting the solder by heating, and then cooling by cooling. The solder thus obtained is solidified, and the semiconductor element and the heat sink are joined by soldering. In the joining of a heat exchanger used for heating or cooling, for example, copper or aluminum is used, and diffusion joining, brazing, or soldering using an insert metal is performed.

近年、電子機器は小型軽量化・高機能化と高速化に対応した高周波化が進んでいる。これに伴い、それを構成する電子回路基板は、これまで以上に高密度実装が要求されてきており、例えば、半導体素子の狭ピッチ化、ダウンサイジング化を図るための微細接合が必要になる。微細接合では、ボイドによる信頼性の低下、例えば、接合強度や絶縁強度の低下が懸念されている。また、熱交換器においては、放熱路などの微細加工に伴い微細接合が必要になってきている。   2. Description of the Related Art In recent years, electronic devices have been reduced in size and weight, have higher functions, and have higher frequencies corresponding to higher speeds. Along with this, the electronic circuit boards constituting the same have been required to be mounted at a higher density than ever before. For example, fine bonding for narrowing the pitch and downsizing of semiconductor elements is required. In the fine bonding, there is a concern that the reliability may be reduced due to voids, for example, the bonding strength and the insulation strength may be reduced. Further, in a heat exchanger, fine joining is required along with fine processing of a heat radiation path and the like.

これまでに、部品信頼性向上、熱ひずみ低減を目的として低温にて、かつ位置決め精度向上を目的として固相にて金属同士を接合する方法が知られている(例えば、特許文献1を参照)。また、はんだ溶融中に大気から減圧し、はんだ接合部の空隙(ボイド)を減少させるはんだ付け方法の取り組みがなされている(例えば、特許文献2を参照)。   Heretofore, there has been known a method of joining metals at a low temperature for the purpose of improving component reliability and reducing thermal strain and in a solid phase for the purpose of improving positioning accuracy (for example, see Patent Document 1). . Further, there is a soldering method in which the pressure is reduced from the atmosphere during the melting of the solder to reduce voids (voids) in the solder joint (for example, see Patent Document 2).

特開2011−200930号公報JP 2011-200930 A 特開2007−915号公報JP-A-2007-915

一般的に、スズ(Sn)ははんだのベース材やめっき、インサート金属などに用いられる金属材料であり、金属材料の中では比較的コストが安く、232℃と融点も低い。しかしながら、スズは酸化されやすく、大気中で表面が酸化し、表面全体にSnO、SnOなどのスズ酸化皮膜が形成される。はんだやめっき表面に形成されたスズ酸化皮膜は、非常に安定した化合物である。例えば、酸化スズ(II)の融点は1080℃であり、金属部材同士の接合時に介在し、接合を阻害する。そのため、金属部材同士の接合時には、スズ酸化皮膜と反応してスズ酸化皮膜を溶解・除去するフラックスが用いられる。フラックスは、一般的に、天然樹脂であるロジン(松やに)や、有機酸、ハロゲン化水素酸塩、アミノ酸などの活性剤、溶媒で構成される。また、昨今の半導体素子形成部品の接合部には銅(Cu)やニッケル(Ni)等の部材が使用されており、Niめっきなどの各種機能性Niめっきが処理されている場合も多い。これらについてもSnと同様に表面が酸化しやすく、表面酸化物を何らかの方法で除去する必要がある。酸化物除去の方法としては、一般的にフラックス、水素等の還元性ガス、ギ酸が用いられる。 In general, tin (Sn) is a metal material used for a solder base material, plating, insert metal, and the like, and is relatively inexpensive among metal materials and has a low melting point of 232 ° C. However, tin is easily oxidized, and the surface is oxidized in the air, and a tin oxide film such as SnO or SnO 2 is formed on the entire surface. The tin oxide film formed on the solder or plating surface is a very stable compound. For example, the melting point of tin (II) oxide is 1080 ° C., and it is interposed at the time of joining metal members and hinders joining. Therefore, at the time of joining the metal members, a flux that reacts with the tin oxide film to dissolve and remove the tin oxide film is used. The flux is generally composed of a rosin (pine), which is a natural resin, an activator such as an organic acid, a hydrohalide, or an amino acid, and a solvent. In addition, members such as copper (Cu) and nickel (Ni) are used for bonding parts of recent semiconductor element forming parts, and various functional Ni platings such as Ni plating are often treated. As for Sn, the surface is easily oxidized similarly to Sn, and it is necessary to remove the surface oxide by some method. As a method for removing oxides, a flux, a reducing gas such as hydrogen, and formic acid are generally used.

フラックスを使用すると、溶媒成分の揮発や酸化還元反応時にHO、Hなどのガスが生成され、活性剤に起因してCOなどの金属塩の熱分解ガスが生成される。金属接合部内に取り残されたガスはボイドとなり、金属接合部のボイドは金属接合部の疲労寿命の低下や熱伝導性を悪化させる原因となる。特に、微細接合では、接合部体積に対し、ボイド単体あたりの体積率が大きくなり、接合強度低下などの信頼性低下が懸念される。特に、ダイボンディングした金属接合部や平型の熱交換器のはんだ接合部は、ボイドが残存しやすい。 When a flux is used, gases such as H 2 O and H 2 are generated during the volatilization and redox reaction of the solvent component, and a thermal decomposition gas of a metal salt such as CO 2 is generated due to the activator. The gas left in the metal joint becomes a void, and the void in the metal joint causes a reduction in the fatigue life of the metal joint and a deterioration in thermal conductivity. In particular, in the case of fine bonding, the volume ratio per void alone becomes large with respect to the volume of the bonding portion, and there is a concern about a reduction in reliability such as a reduction in bonding strength. In particular, voids are likely to remain in the metal joints that have been die-bonded or in the solder joints of flat heat exchangers.

特許文献1のように、還元性ガス下で且つ減圧下における接合であれば、フラックスの影響は少ないものと考えられる。また、還元性ガスは、ボイドの要因となるガスの発生が少なく良好な接合を得やすいほか、接合後の洗浄工程が不要になるなどのメリットがある。しかし、環境中へのガス漏えいを防ぐため、減圧置換が可能な真空チャンバーが必要となり、各種真空排気系他、燃焼等による除害装置を設けるため、設備コストが大きくなる。また、水素ガスを用いた場合、部材表面の酸化被膜を十分還元するためにはおおむね250℃を超える温度が必要であり、構成部材の耐熱温度を考慮した場合、必ずしも万能な処理方法ではない。   If the bonding is performed under a reducing gas and under reduced pressure as in Patent Document 1, it is considered that the influence of the flux is small. In addition, the reducing gas is advantageous in that a gas that causes voids is not generated and good bonding is easily obtained, and a cleaning step after bonding is not required. However, in order to prevent gas leakage into the environment, a vacuum chamber that can be replaced under reduced pressure is required, and various vacuum evacuation systems and other abatement devices for combustion and the like are provided, which increases equipment costs. Further, when hydrogen gas is used, a temperature generally exceeding 250 ° C. is required to sufficiently reduce the oxide film on the surface of the member, and is not necessarily a versatile treatment method in consideration of the heat resistance temperature of the constituent members.

本発明は、このような課題を解決するため、Sn、NiまたはCuを接合面に含む金属部材表面に形成された酸化膜の還元条件を制御し、金属接合部のボイドを低減できる、安価で低温且つ簡便な金属接合方法を提供することを目的とする。   In order to solve such a problem, the present invention controls the reduction condition of an oxide film formed on the surface of a metal member including Sn, Ni or Cu on a bonding surface, and can reduce voids in a metal bonding portion at low cost. An object is to provide a low-temperature and simple metal bonding method.

本発明は、一実施形態によれば、Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金を含む接合面を有する第1の金属部材と、第2の金属部材との接合方法であって、ギ酸溶液に浸漬した、前記Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金からなる電極の参照電極に対する電位の、定電流下での経時変化を測定する工程と、前記第1の金属部材の接合面を、ギ酸溶液もしくはギ酸蒸気に所定の接触時間にわたって接触させる工程と、前記ギ酸溶液もしくはギ酸蒸気に接触させた第1の金属部材の接合面と、前記第2の金属部材とを突き合わせ、加熱及び加圧する工程とを含み、前記所定の接触時間が、前記電位に基づいて決定される。   According to one embodiment, the present invention is a method for joining a first metal member having a joint surface including Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof, and a second metal member, wherein the first metal member has a formic acid solution. Measuring the time-dependent change of the potential of the immersed electrode made of Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof with respect to the reference electrode under a constant current; and bonding the bonding surface of the first metal member to a formic acid solution. Or a step of contacting formic acid vapor for a predetermined contact time, a step of abutting the joining surface of the first metal member contacted with the formic acid solution or formic acid vapor and the second metal member, and heating and pressurizing. And the predetermined contact time is determined based on the potential.

前記接合方法において、前記所定の接触時間が、前記電位測定開始から、前記電位の変曲点を示す時点までの時間に基づき決定されることが好ましい。   In the bonding method, it is preferable that the predetermined contact time is determined based on a time from the start of the potential measurement to a time point at which the potential inflection point is shown.

前記接合方法において、前記第1の金属部材が、SnとAuとの合金部材またはSnとAuの合金めっき部材であることが好ましい。   In the bonding method, it is preferable that the first metal member is an alloy member of Sn and Au or an alloy plating member of Sn and Au.

前記接合方法において、前記第2の金属部材が、SnまたはSnめっき部材であることが好ましい。   In the bonding method, it is preferable that the second metal member is Sn or a Sn-plated member.

前記接合方法において、前記第1の金属部材が、NiまたはNiめっき部材であり、前記第2の金属部材が、SnもしくはSn合金部材またはこれらのめっき部材であることが好ましい。   In the bonding method, it is preferable that the first metal member is a Ni or Ni plated member, and the second metal member is a Sn or Sn alloy member or a plated member thereof.

前記接合方法において、前記第1の金属部材が、CuまたはCuめっき部材であり、前記第2の金属部材が、SnもしくはSn合金部材またはこれらのめっき部材であることが好ましい。   In the bonding method, it is preferable that the first metal member is a Cu or Cu plated member, and the second metal member is a Sn or Sn alloy member or a plated member thereof.

本発明は、別の局面によれば、上記のいずれかに記載の方法により接合された接合体に関する。   According to another aspect, the present invention relates to a joined body joined by the method according to any of the above.

本発明によれば、Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金のギ酸中での電位変化を測定し、これらを接合面に含む金属部材の酸化膜の還元処理を行う時間を制御し、簡便かつ高精度な事前の還元処理を金属部材に行うことで、接合後のボイドを低減し、接合品質を改善することが可能となる。本発明を用いることで、例えば、半導体素子の狭ピッチ化、ダウンサイジング化や熱交換器の微細加工に伴う微細接合の接合品質・信頼性の向上が可能となる。また、固相接合および液相接合においても本発明を用いて接合品質の向上が可能となる。   According to the present invention, the potential change in formic acid of Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof is measured, and the time for performing the reduction treatment of the oxide film of the metal member including these at the bonding surface is controlled, and the method is simple and easy. By performing high-precision preliminary reduction treatment on the metal member, it is possible to reduce voids after joining and improve joining quality. By using the present invention, for example, it is possible to improve the bonding quality and reliability of fine bonding accompanying fine pitching and downsizing of semiconductor elements and fine processing of a heat exchanger. Also, the present invention can improve the bonding quality in solid-phase bonding and liquid-phase bonding.

図1は、本発明の一実施形態による接合方法において接合される、第1の金属部材と、第2の金属部材との試験片を例示する概念的な断面図である。FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view illustrating a test piece of a first metal member and a second metal member to be joined in a joining method according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の一実施形態による接合方法において、金属部材の電位の測定に用いられる装置の一例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of an apparatus used for measuring a potential of a metal member in a bonding method according to an embodiment of the present invention. 図3は、ギ酸溶液に浸漬したスズもしくはスズ酸化物電極の参照電極に対する電位を、定電流下での経時的に測定した結果を示すグラフ形状の典型例を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a typical example of a graph showing the result of measuring the potential of a tin or tin oxide electrode immersed in a formic acid solution with respect to a reference electrode over time under a constant current. 図4は、実施例1において、ギ酸溶液に浸漬したスズ酸化物電極の参照電極に対する電位を、定電流下での経時的に測定した結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of measuring the potential of a tin oxide electrode immersed in a formic acid solution with respect to a reference electrode over time under a constant current in Example 1. 図5は、実施例2において、ギ酸溶液に浸漬したスズ電極の参照電極に対する電位を、定電流下での経時的に測定した結果を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the results of measuring the potential of a tin electrode immersed in a formic acid solution with respect to a reference electrode over time under a constant current in Example 2. 図6は、ギ酸との接触時間を2.5secとした場合の接合試験片の接合部断面を示し、図6(a)は接合部断面の走査型顕微鏡写真、図6(b)は図6(a)の拡大写真である。FIG. 6 shows a cross section of the joint of the joint test piece when the contact time with formic acid is 2.5 sec. FIG. 6 (a) is a scanning micrograph of the cross section of the joint, and FIG. 6 (b) is FIG. It is an enlarged photograph of (a). 図7は、ギ酸との接触時間を30secとした場合の接合試験片の接合部断面を示し、図7(a)は接合部断面の走査型顕微鏡写真、図7(b)は図7(a)の拡大写真である。7A and 7B show a cross section of the joint of the joint test piece when the contact time with formic acid is 30 sec. FIG. 7A is a scanning micrograph of the cross section of the joint, and FIG. 7B is FIG. It is an enlarged photograph of). 図8は、ギ酸との接触時間を300secとした場合の接合試験片の接合部断面を示し、図8(a)は接合部断面の走査型顕微鏡写真、図8(b)は図8(a)の拡大写真である。FIG. 8 shows a cross section of the joint of the joint test piece when the contact time with formic acid is 300 sec. FIG. 8 (a) is a scanning micrograph of the cross section of the joint, and FIG. 8 (b) is FIG. It is an enlarged photograph of). 図9は、ギ酸との接触時間が異なるそれぞれの接合試験片の、引張強度を規格化して表すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the normalized tensile strength of each of the joint test pieces having different contact times with formic acid.

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited by the embodiments described below.

本発明は一実施形態によれば、Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金を含む接合面を有する第1の金属部材と、第2の金属部材との接合方法に関する。本発明の接合方法は、以下の工程を含む。
(1)ギ酸溶液に浸漬した、前記Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金からなる電極の参照電極に対する電位の、定電流下での経時変化を測定する工程
(2)前記第1の金属部材の接合面を、ギ酸溶液もしくはギ酸蒸気に所定の接触時間にわたって接触させる工程
(3)前記ギ酸溶液もしくはギ酸蒸気に接触させた第1の金属部材の接合面と、前記第2の金属部材とを突き合わせ、加熱及び加圧する工程
ここで、前記所定の接触時間が、前記電位に基づいて決定される。
According to one embodiment, the present invention relates to a method of joining a first metal member having a joint surface including Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof, and a second metal member. The joining method of the present invention includes the following steps.
(1) a step of measuring a temporal change under a constant current of a potential of an electrode made of Sn, Ni, Cu, or an alloy thereof and immersed in a formic acid solution with respect to a reference electrode; and (2) the first metal member. (3) contacting the bonding surface of the first metal member contacted with the formic acid solution or formic acid vapor with the formic acid solution or formic acid vapor for a predetermined contact time and the second metal member Abutting, heating and pressurizing step Here, the predetermined contact time is determined based on the potential.

本実施形態による接合方法において、接合される部材は、少なくとも2つの金属部材であり、そのうち少なくとも一方の金属部材は、Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金を含む接合面を有する。本実施形態において、当該金属部材を第1の金属部材と指称する。「Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金を含む接合面を有する」とは、第1の金属部材の少なくとも接合面となる部分が、Sn、Ni、もしくはCuまたはその合金であるか、Sn、Ni、もしくはCuまたはその合金からなるめっき膜を有することをいう。Sn、Ni、もしくはCuまたはその合金からなるめっき膜を有する場合、被めっき部材となる金属部材は特には限定されない。   In the bonding method according to the present embodiment, the members to be bonded are at least two metal members, and at least one of the metal members has a bonding surface including Sn, Ni, Cu, or an alloy thereof. In this embodiment, the metal member is referred to as a first metal member. "Having a bonding surface containing Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof" means that at least a portion to be a bonding surface of the first metal member is Sn, Ni, or Cu or an alloy thereof, It means having a plating film made of Ni, Cu or an alloy thereof. When there is a plating film made of Sn, Ni, or Cu or an alloy thereof, the metal member to be plated is not particularly limited.

Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金は、特には限定されないが、例えば、Snを含む合金としては、SnAu(Sn20質量%、Au80質量%)、SnAu(Sn10質量%、Au90質量%)が挙げられ、Niを含む合金としては、SnNi、FeNi、SnAgCuNi、TiNiが挙げられ、Cuを含む合金としては、CuZn、FeZnCu、FeSnCu、NiSnCu、SnAgCuが挙げられる。以下、本明細書において、「Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金」をSn合金等とも指称する。「Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金」は、常温、常圧の大気下において、通常、その表面が酸化されて酸化物を形成した状態で存在する。したがって、以下、本発明において第1の金属部材の接合面の「Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金」に言及する場合は、酸化され、酸化物を形成している「Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金」に言及しているものとする。   Although Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof is not particularly limited, examples of an alloy containing Sn include SnAu (Sn 20% by mass, Au 80% by mass) and SnAu (Sn 10% by mass, Au 90% by mass). The alloy containing Ni includes SnNi, FeNi, SnAgCuNi, and TiNi, and the alloy containing Cu includes CuZn, FeZnCu, FeSnCu, NiSnCu, and SnAgCu. Hereinafter, in this specification, “Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof” is also referred to as a Sn alloy or the like. “Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof” usually exists in a state where its surface is oxidized to form an oxide at normal temperature and normal atmospheric pressure. Therefore, hereinafter, when referring to “Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof” of the bonding surface of the first metal member in the present invention, “Sn, Ni, or oxidized to form an oxide” Cu or its alloys ".

第2の金属部材は特には限定されず、第1の金属部材と同じであっても異なっていてもよい。第1の金属部材の接合面を構成する金属と、第2の金属部材の接合面を構成する金属の具体的な組み合わせの例としては、AuSnとSn、AuSnとCu、AuSnとNi、AuSnとSnNi、AuSnとAuSn、AuSnとPt、AuSnとAg、AuSnとRu、AuSnとPd、SnとSnが挙げられるが、これらには限定されない。   The second metal member is not particularly limited, and may be the same as or different from the first metal member. Examples of specific combinations of the metal forming the bonding surface of the first metal member and the metal forming the bonding surface of the second metal member include AuSn and Sn, AuSn and Cu, AuSn and Ni, and AuSn. Examples include, but are not limited to, SnNi, AuSn and AuSn, AuSn and Pt, AuSn and Ag, AuSn and Ru, AuSn and Pd, and Sn and Sn.

図1は、接合対象となる第1の金属部材と、第2の金属部材とを突き合せた状態を概念的に示す断面図である。図示する実施形態においては、第1の金属部材1は、Cu材11にNiめっき膜12が形成され、Niめっき膜12を覆うようにさらにAuSnめっき膜13(Au80%、Sn20%)が形成された部材である。したがって、第1の金属部材の接合面を構成する金属は、AuSnである。一方、相手材となる第2の金属部材2は、Cu材21にNiめっき膜22が形成され、Niめっき膜22を覆うようにさらにSnめっき膜23(Sn100%)が形成された部材である。なお、図1に示す部材の組成や構造は一例であって、本発明は図示した態様には限定されない。   FIG. 1 is a cross-sectional view conceptually showing a state in which a first metal member to be joined and a second metal member are butted. In the illustrated embodiment, the first metal member 1 includes a Cu material 11, a Ni plating film 12 formed thereon, and an AuSn plating film 13 (Au 80%, Sn 20%) formed so as to cover the Ni plating film 12. It is a member. Therefore, the metal forming the joining surface of the first metal member is AuSn. On the other hand, the second metal member 2 serving as a mating member is a member in which a Ni plating film 22 is formed on a Cu material 21 and an Sn plating film 23 (Sn 100%) is further formed so as to cover the Ni plating film 22. . The composition and structure of the member shown in FIG. 1 are merely examples, and the present invention is not limited to the illustrated embodiment.

(1)電位測定工程
第1工程では、ギ酸溶液に浸漬した、前記Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金からなる電極の電位を、定電流下での経時変化を測定する工程を実施する。Sn合金等電極の電位は、参照電極に対する電位を測定する。この工程は、Sn合金等を接合面に有する第1の金属部材そのものではなく、同じ組成をもつSn合金等の代替材を用いて実施することが好ましい。したがって、例えば図1に示す第1の金属部材において、接合面を形成する金属はAuSn((Au80%、Sn20%)であるから、第1工程において電位を測定する代替材は、同じ組成を持つAuSnとすることができる。場合により、代替材は、組成のみならず、酸化状態が実質的に等しいものを用いることもできる。本工程は、後続の工程における、第1の金属部材とギ酸との接触時間を決定するために実施する。
(1) Potential Measurement Step In the first step, a step of measuring a change with time of a potential of the electrode made of Sn, Ni, Cu, or an alloy thereof immersed in a formic acid solution under a constant current is performed. The potential of the electrode such as a Sn alloy is measured with respect to the reference electrode. This step is preferably performed using an alternative material such as a Sn alloy having the same composition, instead of the first metal member itself having a Sn alloy or the like on the joint surface. Therefore, for example, in the first metal member shown in FIG. 1, the metal forming the bonding surface is AuSn ((Au80%, Sn20%)), and the alternative material for measuring the potential in the first step has the same composition. In some cases, the substitute material may have not only the same composition but also substantially the same oxidation state.This step is a step in which the first metal member and formic acid are used in a subsequent step. It is performed to determine the contact time.

図1は、第1工程の電位測定に用いる装置の一例を示す概念図である。図1に示す電位測定装置4は、Sn合金等の代替材からなる作用電極42と、対極43と、参照電極44と定電流源・電位計45とから構成される。図示はしないが、測定結果を出力するための装置をさらに含んでいても良い。作用電極42、対極43、参照電極44は、ギ酸溶液41に浸漬する。対極43としては白金電極などの安定性の高い電極を用い、参照電極としてはAgCl電極を用いることができるが、これらには限定されず、電気化学測定において一般的に対極、参照電極として用いられる電極を用いることができる。ギ酸溶液41は、後続のギ酸接触工程において用いる溶液濃度、温度条件と等しい条件のものを用いることが好ましい。   FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating an example of an apparatus used for the potential measurement in the first step. The potential measuring device 4 shown in FIG. 1 includes a working electrode 42 made of an alternative material such as a Sn alloy, a counter electrode 43, a reference electrode 44, and a constant current source / electrometer 45. Although not shown, a device for outputting a measurement result may be further included. The working electrode 42, the counter electrode 43, and the reference electrode 44 are immersed in the formic acid solution 41. An electrode having high stability such as a platinum electrode is used as the counter electrode 43, and an AgCl electrode can be used as the reference electrode. However, the electrode is not limited thereto, and is generally used as a counter electrode and a reference electrode in an electrochemical measurement. Electrodes can be used. As the formic acid solution 41, it is preferable to use a solution having the same conditions as the solution concentration and temperature used in the subsequent formic acid contact step.

測定においては、定電流源・電位計45からの電流Iの値を一定とし、Sn合金等の代替材からなる作用電極42の参照電極44に対する電位変化を経時的に測定する。図3は、電位測定結果の典型的な例を示すグラフである。横軸を時間、縦軸を電位とした場合に、測定結果から、グラフの傾きが負から正に変化する変極点となる時間Tを得る。時間T算出の精度向上のため、電位の測定とともに、代替材の結晶形態観察や、例えば、ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)などの化学結合状態の分析をすることが望ましい。   In the measurement, the value of the current I from the constant current source / electrometer 45 is kept constant, and the potential change of the working electrode 42 made of an alternative material such as a Sn alloy with respect to the reference electrode 44 is measured with time. FIG. 3 is a graph showing a typical example of a potential measurement result. When the horizontal axis is time and the vertical axis is potential, a time T at which the slope of the graph changes from negative to positive is obtained from the measurement result. In order to improve the accuracy of the calculation of the time T, it is desirable to observe the crystal morphology of the substitute material and to analyze the state of chemical bonding such as ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) together with the measurement of the potential.

測定対象がスズの場合について、上記測定のメカニズムについて説明する。電位測定に用いる代替材がスズである場合、上記測定において得られる時間Tは、スズ表面の酸化皮膜が溶解・除去された時間とみなすことができる。酸化スズとギ酸の一般的な反応式を考慮すると、酸化スズ(I)もしくは酸化スズ(II)の還元反応が進行し、酸化物が除去されると電位変化のグラフの傾きが変化するためである。時間T以降は、金属Snとギ酸との反応が過剰に進行し、好ましくない金属塩を生成するおそれがある。したがって、時間Tを、次工程におけるギ酸接触の適切な時間として設定することができる。Ni、Cuについても同様に、時間Tは表面酸化物の皮膜が溶解・除去された時間とみなすことができ、同様の方法で、次工程におけるギ酸接触の適切な時間Tを得ることができる。   The mechanism of the above measurement will be described for the case where the measurement target is tin. When the alternative material used for the potential measurement is tin, the time T obtained in the above measurement can be regarded as the time when the oxide film on the tin surface is dissolved and removed. Considering the general reaction formula of tin oxide and formic acid, the reduction reaction of tin oxide (I) or tin oxide (II) proceeds, and when the oxide is removed, the slope of the potential change graph changes. is there. After time T, the reaction between the metal Sn and formic acid may proceed excessively, possibly generating an undesirable metal salt. Therefore, the time T can be set as an appropriate time for formic acid contact in the next step. Similarly, for Ni and Cu, the time T can be regarded as the time when the film of the surface oxide is dissolved and removed, and an appropriate time T for formic acid contact in the next step can be obtained in the same manner.

(2)ギ酸接触工程
第2工程は、第1の金属部材の接合面を、ギ酸溶液もしくはギ酸蒸気に所定の接触時間にわたって接触させる工程である。ここで、所定の接触時間は、第1工程において、代替材を用いて測定した時間Tに基づいて決定する。所定の接触時間は、好ましくは、時間T秒とすることができるが、時間(T−30)秒以上であって、時間(T+90)秒程度の範囲内であればよく、時間(T−1)秒以上であって、時間(T+60)秒程度の範囲内であることがより好ましい。第2工程において用いるギ酸の濃度や温度などの条件は、第1工程の測定条件と同一であることが好ましい。ギ酸によるSn合金等酸化物の適切な還元状態を得るためである。また、ギ酸接触工程後には、第1の金属部材の接合面のギ酸残渣を除去する工程を実施することがさらに好ましい。ギ酸残渣を除去する工程としては、純水洗浄、純粋洗浄後の乾燥などが挙げられるが、これらには限定されない。
(2) Formic acid contacting step The second step is a step of bringing the joining surface of the first metal member into contact with a formic acid solution or formic acid vapor for a predetermined contact time. Here, the predetermined contact time is determined based on the time T measured using the substitute material in the first step. The predetermined contact time can be preferably time T seconds, but may be at least time (T-30) seconds and within the range of time (T + 90) seconds, and the time (T-1) ) Seconds or more, and more preferably within the range of about (T + 60) seconds. Conditions such as the concentration and temperature of formic acid used in the second step are preferably the same as the measurement conditions in the first step. This is for obtaining an appropriate reduced state of an oxide such as a Sn alloy with formic acid. Further, after the formic acid contacting step, it is more preferable to perform a step of removing formic acid residue on the joint surface of the first metal member. The step of removing formic acid residues includes, but is not limited to, pure water washing, drying after pure washing, and the like.

上記の第1工程、第2工程は、接合する2つの部材のうち、一方のみがSn、Ni、もしくはCu、またはその合金を含む接合面を有する第1の金属部材に該当する場合には、一方のみについて実施する。接合する2つの部材の両方がSn、Ni、もしくはCu、またはその合金を含む接合面を有する第1の金属部材に該当する場合であって、かつそれらの接合面の組成が同じ場合には、第1工程の代替材は共通し、第2工程は、いずれか一方の金属部材に対してのみ実施すればよい。また、接合する2つの部材の両方がSn、Ni、もしくはCu、またはその合金を含む接合面を有する第1の金属部材に該当し、かつそれらの接合面の組成が異なる場合、いずれか一方について、第1工程、第2工程を実施すれば足りるが、両方について第1工程、第2工程を実施してもよい。いずれか一方とする場合には、より還元されやすい部材について、第1工程、第2工程を実施すればよい。   The first step and the second step are performed when only one of the two members to be bonded corresponds to the first metal member having a bonding surface including Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof. Perform only one of them. When both of the two members to be joined correspond to the first metal member having the joining surface including Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof, and the composition of the joining surfaces is the same, The substitute material of the first step is common, and the second step may be performed only on one of the metal members. When both of the two members to be joined correspond to the first metal member having the joining surface including Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof, and the compositions of the joining surfaces are different, one of the two members is used. , The first step and the second step are sufficient, but the first step and the second step may be performed for both. In the case of using either one, the first step and the second step may be performed on a member that is more easily reduced.

(3)加熱・加圧工程
第3工程は、ギ酸溶液もしくはギ酸蒸気に接触させた第1の金属部材の接合面と、前記第2の金属部材とを突き合わせ、加熱及び加圧する工程である。固体拡散接合では融点とほぼ同等以下の温度で接合が可能である。好ましくは、融点とほぼ同等以下であって、140℃以上の温度にて接合することができる。例えば、Au20Sn(Au80%、Sn20%)の融点は284℃であるため、融点程度の温度をかけることが望ましい。圧力は大きいほど接合は容易になるが、本接合ではその金属の0.2%耐力の1/2以上の圧力が望ましい。0.2%耐力を超えた圧力になることで材料の塑性変形することが可能で、塑性変形することで拡散は容易となる。AuSnの場合はおおよそ80MPa以上の0.2%耐力強度を有するため、その程度もしくはそれ以上の圧力で接合することが望ましい。しかしながら、Snを10%以上含有している材料についてはSnの0.2%耐力強度は常温で35〜40MPa程度であり、100℃程度での0.2%耐力は10MPaと温度が高い条件では容易に塑性変形することが可能なため、加熱温度によるが常温以上の温度では少なくとも10MPa以上の加圧力が必要である。接合雰囲気は、窒素などの不活性ガスの雰囲気中とすることが好ましい。
(3) Heating / Pressurizing Step The third step is a step of abutting the joining surface of the first metal member brought into contact with the formic acid solution or formic acid vapor and the second metal member, and heating and pressing. In solid diffusion bonding, bonding can be performed at a temperature substantially equal to or lower than the melting point. Preferably, the bonding can be performed at a temperature substantially equal to or lower than the melting point and equal to or higher than 140 ° C. For example, since the melting point of Au20Sn (Au80%, Sn20%) is 284 ° C., it is desirable to apply a temperature around the melting point. The higher the pressure, the easier the joining becomes, but in this joining, it is desirable that the pressure be at least half the 0.2% proof stress of the metal. When the pressure exceeds 0.2% proof stress, plastic deformation of the material is possible, and diffusion becomes easy by plastic deformation. Since AuSn has a 0.2% proof stress of about 80 MPa or more, it is desirable that the bonding be performed at a pressure equal to or higher than that. However, for a material containing 10% or more of Sn, the 0.2% proof stress of Sn is about 35 to 40 MPa at room temperature, and the 0.2% proof stress at about 100 ° C. is 10 MPa, which is as high as 10 MPa. Since it can be easily plastically deformed, a pressing force of at least 10 MPa or more is required at a temperature equal to or higher than room temperature, depending on the heating temperature. The bonding atmosphere is preferably in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen.

本実施形態によれば、接合前の金属部材の還元処理条件を制御することができ、接合面の酸化物を適切に除去することができるため、ボイド等の発生が少ない好適な接合を実現することができる。   According to the present embodiment, the conditions for reduction treatment of the metal member before joining can be controlled, and oxides on the joining surface can be appropriately removed, so that suitable joining with few occurrences of voids and the like is realized. be able to.

以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下の実施例の範囲に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples of the present invention. However, the present invention is not limited to the scope of the following examples.

接合対象の第1の金属部材、第2の金属部材としては、図1に例示して説明した組成、構造をもつものを用いた。測定装置は、図2に例示するものを用い、ギ酸溶液中(25℃、ギ酸濃度:98%(JIS準拠))に、代替材としてスズ丸棒(スズ100%)を浸漬し、対極に白金電極を、参照電極には塩化銀を用いた。   As the first metal member and the second metal member to be joined, those having the composition and structure illustrated and illustrated in FIG. 1 were used. As a measuring device, a tin bar (100% tin) is immersed in a formic acid solution (25 ° C., formic acid concentration: 98% (JIS standard)) as a substitute, and platinum is used as a counter electrode. An electrode was used, and a silver chloride was used as a reference electrode.

強制酸化した代替材として、スズ丸棒(スズ100%)の電位を測定し、スズ丸棒表面の概観写真を撮影した(写真は図示せず)。強制酸化は、スズ表面の色味を強調させるため、大気中にて200℃×30minといった条件で実施した。図4に示すように、時間T到達前の(i)の時点(60sec)では、スズ丸棒表面の色味は、酸化処理後(濃茶色)の色味よりも薄れ、処理無しの色味(銀色)に近かった。このことから、(i)の時点で、スズ丸棒表面のスズ酸化皮膜が溶解・除去されていることが確認される。時間T到達後の(ii)(600sec)では、スズ粒界毎に光沢が異なり腐食(酸化反応)されていることが分かった。   The potential of the tin round bar (100% tin) was measured as an alternative material subjected to forced oxidation, and an overview photograph of the surface of the tin round bar was taken (photograph not shown). The forced oxidation was performed in air at 200 ° C. for 30 minutes in order to emphasize tint on the tin surface. As shown in FIG. 4, at time (i) (60 sec) before reaching time T, the tint on the surface of the tin round bar is lighter than the tint after oxidation treatment (dark brown), and has no tint. (Silver). From this, it is confirmed that the tin oxide film on the surface of the tin round bar has been dissolved and removed at the time (i). At (ii) (600 sec) after the time T was reached, it was found that the tin particles had different gloss at each grain boundary and were corroded (oxidized).

図5に、酸化処理無し状態のスズ丸棒による電位の測定結果を示す。図5より、電位の経時変化において、変曲点が生じる時間Tは30secであることが分かった。   FIG. 5 shows the measurement results of the potential of the tin round bar without the oxidation treatment. From FIG. 5, it has been found that the time T at which the inflection point occurs is 30 sec in the potential change with time.

図5の測定結果を反映し、図1の試験片にて接合実験した結果を図6〜8に示す。接合条件は、最大温度300℃、溶融時間5分、圧力1MPaであり、窒素雰囲気下にて接合実験を行った。図6はギ酸浸漬を2.5sec(時間T到達前)行った金属部材を用いた接合部断面、図7はギ酸浸漬30sec後(時間T)の金属部材を用いた接合部断面、図8はギ酸浸漬300sec(時間T到達後)の金属部材を用いた接合部断面の走査型顕微鏡写真を示す。また、表1にSEM−EDXによる接合部の半定量分析結果を示す。表1中の白色部は、図6〜8中、符号31で示す部分であり、灰色部は、図6〜8中、符号32で示す部分である。   FIGS. 6 to 8 show the results of a joining experiment using the test piece of FIG. 1 reflecting the measurement results of FIG. The bonding conditions were a maximum temperature of 300 ° C., a melting time of 5 minutes, and a pressure of 1 MPa, and a bonding experiment was performed in a nitrogen atmosphere. FIG. 6 is a cross section of the joint using the metal member immersed in formic acid for 2.5 sec (before reaching time T), FIG. 7 is a cross section of the joint using the metal member after 30 sec of formic acid immersion (time T), and FIG. The scanning micrograph of the cross section of the joining part using the metal member immersed in formic acid for 300 sec (after reaching time T) is shown. Table 1 shows the results of semi-quantitative analysis of the joints by SEM-EDX. The white portions in Table 1 are portions indicated by reference numeral 31 in FIGS. 6 to 8, and the gray portions are portions indicated by reference numeral 32 in FIGS. 6 to 8.

図6(b)より、ギ酸処理2.5secの金属部材では、接合部3のスズめっき2とAuSn合金めっき1界面と推定されるスズめっき2側界面部にボイド33が集中していることが認められた。すなわち、スズ酸化皮膜の還元が不十分でスズ酸化皮膜が溶解・除去しきれず、相互拡散が阻害されていると推察される。図8(b)より、ギ酸処理300secでは、他の接合部よりも接合部3全体でボイド33が多く発生したことが認められた。これは、金属塩の分解生成物(水、ガス)が過剰に生成されたためと推察される。ボイド33に起因し、相互拡散が阻害されているものと推察される。これら対して、図7(b)からは、ギ酸処理30secでは、スズめっき側に金リッチな化合物(白色部31)が生成されており、他の接合部3よりも相互拡散が良好になっていることが認められた。この要因として、他の接合部3よりも金属塩の生成量が少なく、金属塩の分解生成物が少なかったためと推察される。   As shown in FIG. 6B, in the metal member subjected to the formic acid treatment for 2.5 sec, the voids 33 are concentrated at the tin plating 2 side interface, which is assumed to be the interface between the tin plating 2 and the AuSn alloy plating 1 at the joint 3. Admitted. That is, it is inferred that the tin oxide film was not sufficiently reduced and the tin oxide film could not be completely dissolved and removed, and that the interdiffusion was hindered. FIG. 8B shows that in the formic acid treatment for 300 sec, more voids 33 were generated in the entire joint 3 than in the other joints. This is presumed to be due to excessive generation of decomposition products (water and gas) of the metal salt. It is presumed that the mutual diffusion is inhibited due to the void 33. On the other hand, from FIG. 7B, in the formic acid treatment for 30 sec, a gold-rich compound (white portion 31) was generated on the tin plating side, and the mutual diffusion became better than the other joints 3. Was admitted. This is presumed to be due to the fact that the amount of metal salt produced was smaller than the other joints 3 and the amount of decomposition products of the metal salt was smaller.

図6〜8のそれぞれの接合した試験片の引張強度試験を行った。引張強度試験条件は、ひずみ速度:0.2%/secの試験速度で破断するまで測定を行った。ギ酸処理30secの試験片の接合強度を1として規格化した値を図9に示す。図9に示すように、ギ酸処理30secの条件が最も接合強度が高い。これは、接合断面積が大きい、すなわち、金属接合部のボイドが低減し、接合品質が他の接合部よりも良好であることを示している。   A tensile strength test was performed on each of the joined test pieces shown in FIGS. The tensile strength test conditions were measured at a strain rate of 0.2% / sec until a fracture occurred. FIG. 9 shows the values normalized by setting the bonding strength of the test piece in the formic acid treatment for 30 seconds to 1. As shown in FIG. 9, the bonding strength is highest under the condition of formic acid treatment for 30 sec. This indicates that the bonding cross-sectional area is large, that is, the voids in the metal bonding are reduced, and the bonding quality is better than other bondings.

本発明に係る接合方法は、はんだなどの接合材を使用せずに、金属部材同士を直接接合する微細加工において好適に用いることができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The joining method according to the present invention can be suitably used in fine processing for directly joining metal members without using a joining material such as solder.

1 第1の金属部材
11 めっき(AuSn)
12 Ni
13 Cu
2 第2の金属部材
21 めっき(Sn)
22 Ni
23 Cu
3 接合層
31 白色部
32 灰色部
33 ボイド
4 電位測定装置
41 ギ酸溶液
42 作用電極
43 対極
44 参照電極
45 定電流源・電位計
1 first metal member 11 plating (AuSn)
12 Ni
13 Cu
2 Second metal member 21 Plating (Sn)
22 Ni
23 Cu
3 bonding layer 31 white part 32 gray part 33 void 4 potential measuring device 41 formic acid solution 42 working electrode 43 counter electrode 44 reference electrode 45 constant current source / electrometer

Claims (7)

Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金を含む接合面を有する第1の金属部材と、第2の金属部材との接合方法であって、
ギ酸溶液に浸漬した、前記Sn、Ni、もしくはCu、またはその合金からなる電極の参照電極に対する電位の、定電流下での経時変化を測定する工程と、
前記第1の金属部材の接合面を、ギ酸溶液もしくはギ酸蒸気に所定の接触時間にわたって接触させる工程と、
前記ギ酸溶液もしくはギ酸蒸気に接触させた第1の金属部材の接合面と、前記第2の金属部材とを突き合わせ、加熱及び加圧する工程と
を含み、
前記所定の接触時間が、前記電位に基づいて決定される、接合方法。
A method of joining a first metal member having a joining surface including Sn, Ni, or Cu, or an alloy thereof, and a second metal member,
Immersed in a formic acid solution, the Sn, Ni, or Cu, or the potential of the electrode made of an alloy thereof with respect to the reference electrode, a step of measuring the change over time under a constant current,
Contacting the bonding surface of the first metal member with formic acid solution or formic acid vapor for a predetermined contact time;
Abutting the joining surface of the first metal member contacted with the formic acid solution or formic acid vapor and the second metal member, and heating and pressurizing;
The bonding method, wherein the predetermined contact time is determined based on the potential.
前記所定の接触時間が、前記電位測定開始から、前記電位の変曲点を示す時点までの時間に基づき決定される、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the predetermined contact time is determined based on a time from the start of the potential measurement to a time point indicating an inflection point of the potential. 前記第1の金属部材が、SnとAuとの合金部材またはSnとAuの合金めっき部材である、請求項1または2に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the first metal member is an alloy member of Sn and Au or an alloy plating member of Sn and Au. 前記第2の金属部材が、SnまたはSnめっき部材である、請求項3に記載の方法。   The method according to claim 3, wherein the second metal member is a Sn or a Sn-plated member. 前記第1の金属部材が、NiまたはNiめっき部材であり、前記第2の金属部材が、SnもしくはSn合金部材またはこれらのめっき部材である、請求項1または2に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the first metal member is a Ni or Ni plated member, and the second metal member is a Sn or Sn alloy member or a plated member thereof. 前記第1の金属部材が、CuまたはCuめっき部材であり、前記第2の金属部材が、SnもしくはSn合金部材またはこれらのめっき部材である、請求項1または2に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the first metal member is a Cu or Cu plated member, and the second metal member is a Sn or Sn alloy member or a plated member thereof. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法により接合された接合体。   A joined body joined by the method according to claim 1.
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