JP5656144B2 - Method of joining metal members - Google Patents

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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 together.

情報技術が進歩していく中で、半導体素子を有機的に結びつけ、システム化する接合技術の重要性はますます高まっている。例えば、素子の高速・高性能化のためには低誘電率絶縁材料(Low-k材料)を層間膜に適用するのが好ましいが、低誘電率材料は機械的に脆弱であるため、強固な接合を行うことが必要とされている。
また、薄く高層な配線基板の開発や小型軽量化の追及により接続部の微細化が進展するにつれ、接合の際には、負荷を極力与えないようにすることが求められており、余計な力を加えない低応力な接合技術の開発が加速している。
As information technology advances, the importance of bonding technology that organically connects semiconductor elements and makes them systematic is increasing. For example, it is preferable to apply a low dielectric constant insulating material (low-k material) to the interlayer film for high speed and high performance of the element. However, the low dielectric constant material is mechanically fragile, so it is strong. There is a need for bonding.
In addition, as the miniaturization of connecting parts progresses due to the development of thin and high-layer wiring boards and the pursuit of miniaturization and weight reduction, it is required to minimize the load during joining. The development of low-stress bonding technology that does not add is accelerated.

その一方で、近年、実装面積の低減、実装高さの抑制、伝送経路短縮といった高密度実装を実現する接合方法として、チップ電極と基板電極を対向させて直接接続させるフリップチップ接合が注目されている。
フリップチップ接合は、図16に示すように、例えばロジックIC等の電子部品54の下面に設けられたチップ電極51と、実装基板52上の基板電極53とを向かい合わせて直接接続させる。また、この際には、例えばはんだバンプ等の接続部55を介してチップ電極51と基板電極53を接続する。
On the other hand, in recent years, flip chip bonding, in which chip electrodes and substrate electrodes are directly connected to each other, has attracted attention as a bonding method that realizes high-density mounting such as reduction of mounting area, suppression of mounting height, and shortening of transmission paths. Yes.
As shown in FIG. 16, the flip-chip bonding is performed by directly connecting the chip electrode 51 provided on the lower surface of the electronic component 54 such as a logic IC and the substrate electrode 53 on the mounting substrate 52 facing each other. At this time, for example, the chip electrode 51 and the substrate electrode 53 are connected via a connection portion 55 such as a solder bump.

このフリップチップ接合の方法には、例えば熱圧着や超音波接合、樹脂接合、はんだ接合等がある。
例えば、チップ部品の各種電極基板や熱緩衝板との大面積接合では、真空中または不活性雰囲気中で加圧・加熱する熱圧着の方法が採用される。
この熱圧着は、図17Aに示すように、実装基板62の電極と、実装基板62上に実装するロジックIC等の電子部品64の電極間に金属バンプ65等を形成・配置する。
そして例えば420℃程の熱を印加しながら、矢印A3に示す方向に圧力を加えることで、固相拡散による接合を行うものである。この方法では高い接合強度が得られることが特徴である。
Examples of the flip chip bonding method include thermocompression bonding, ultrasonic bonding, resin bonding, and solder bonding.
For example, in the large-area bonding between various electrode substrates of chip components and heat buffer plates, a thermocompression bonding method in which pressure is applied and heated in a vacuum or in an inert atmosphere is employed.
In this thermocompression bonding, as shown in FIG. 17A, metal bumps 65 and the like are formed and arranged between the electrodes of the mounting substrate 62 and the electrodes of an electronic component 64 such as a logic IC mounted on the mounting substrate 62.
Then, for example, bonding by solid phase diffusion is performed by applying pressure in the direction indicated by arrow A3 while applying heat of about 420 ° C. This method is characterized by high bonding strength.

また、超音波接合は、チップ電極と基板電極の低温接続法の一つとして、近年のエレクトロニクス実装分野では主流となりつつある。これは、図17Bに示すように、実装基板72とロジックIC等の電子部品74とを金属バンプ75を介して接触させる。そして、電子部品74に対して垂直方向に加圧しながら、矢印A4、A5に示す超音波振動を加えることで固相拡散による接合を行う。   In addition, ultrasonic bonding is becoming a mainstream in the recent electronics mounting field as one of the low-temperature connection methods for chip electrodes and substrate electrodes. 17B, the mounting substrate 72 and the electronic component 74 such as a logic IC are brought into contact with each other through a metal bump 75. As shown in FIG. Then, bonding by solid phase diffusion is performed by applying ultrasonic vibration indicated by arrows A4 and A5 while pressing the electronic component 74 in the vertical direction.

接合面は、超音波振動により擦れ合い、酸化皮膜等が取り除かれて清浄な金属面が露出し、加圧による塑性変形により固相状態で接合される。この超音波接合では、例えば4秒程度と非常に短い時間での接合が可能であることが利点である。   The joining surfaces are rubbed by ultrasonic vibration, the oxide film and the like are removed to expose a clean metal surface, and are joined in a solid state by plastic deformation due to pressurization. This ultrasonic bonding is advantageous in that bonding in a very short time such as about 4 seconds is possible.

また、樹脂接合は、図17Cに示すように、例えばフィルム型の異方性樹脂導電膜85を基板82と電子部品84のバンプの間に挟んで加熱圧着し、樹脂に含まれる導電粒子により基板82と電子部品84とを電気的に接続する。
特に異方性を有する樹脂では、接着面に対して垂直方向に導通性、水平方向に絶縁性を得られるため、隣り合うバンプ同士がショートすることなく実装基板82と電子部品84とを接続することができる。
また、こうした樹脂接合では260℃程の加熱を行うものが多く、数十秒程度と比較的短時間での接合を行うことが可能である。
In addition, as shown in FIG. 17C, for example, a film-type anisotropic resin conductive film 85 is sandwiched between the substrate 82 and the bumps of the electronic component 84, and the resin bonding is performed by heat-pressing the substrate using conductive particles contained in the resin. 82 and the electronic component 84 are electrically connected.
In particular, an anisotropic resin can obtain conductivity in the vertical direction and insulation in the horizontal direction with respect to the bonding surface, so that the mounting substrate 82 and the electronic component 84 are connected without short-circuiting adjacent bumps. be able to.
In many cases, such resin bonding is performed at a temperature of about 260 ° C., and the bonding can be performed in a relatively short time of about several tens of seconds.

また、従来より用いられてきたはんだ接合は、図17Dに示すように、母材よりも融点の低いはんだバンプ95を実装基板92と電子部品94の電極間に配置、加熱することで液相拡散による接合を行う。はんだ接合では180〜240℃程度の加熱を行うのが一般的であり、各種チップ部品を同時に搭載することができる。   In addition, as shown in FIG. 17D, solder bonding that has been conventionally used is a liquid phase diffusion by placing and heating a solder bump 95 having a melting point lower than that of the base material between the electrodes of the mounting substrate 92 and the electronic component 94. Join by. In solder bonding, heating at about 180 to 240 ° C. is generally performed, and various chip components can be mounted simultaneously.

一方、下記特許文献1では、少なくとも一方が銅からなる金属同士を固相接合する際に、酸化膜除去液によって金属表面の酸化膜を除去することが開示されている。この方法では、接合させる金属表面を酸化膜除去液に接触させ、この酸化膜除去液を付着させたまま表面を接触させ、加圧、加熱することで、300℃以下の温度及び4kg/mmの面圧での接合が可能になるとされている。 On the other hand, Patent Document 1 below discloses that an oxide film on a metal surface is removed by an oxide film removing liquid when solid-phase bonding is performed between metals each made of copper. In this method, the surface of the metal to be joined is brought into contact with an oxide film removing solution, and the surface is brought into contact with the oxide film removing solution, and is pressurized and heated, whereby a temperature of 300 ° C. or less and 4 kg / mm 2 It is said that it is possible to join at a surface pressure of.

特開2006−334652号公報JP 2006-334652 A

しかしながら、上述の樹脂接合では、例えば260℃程度の高い温度を必要とするため、電子部品や基板に与える負荷が大きい。他にも、樹脂による接着であるため接合強度が劣り、また、基板上に各種チップ部品を同時搭載することができないという問題がある。   However, since the above-described resin bonding requires a high temperature of, for example, about 260 ° C., the load applied to the electronic component and the substrate is large. In addition, there is a problem in that the bonding strength is inferior because of adhesion by a resin, and various chip components cannot be simultaneously mounted on the substrate.

また、はんだ接合もやはり高い接合温度を必要とするため、搭載する電子部品等がダメージを受ける場合がある。
特に、図18に示すように、基板96上に形成したはんだバンプ98によって電子部品97を接合しようとすると、液相による接合であるために、はんだバンプ98が矢印A6,A7の方向に広がりやすい。このため、領域T1に示す箇所において隣り合うはんだバンプ98が接触し、ショートを引き起こしてしまう。
こうしたショートの可能性は、熱圧着や超音波振動のような固相接合においても、その高温、高荷重のために排除しきれてはいない。
Also, since solder bonding also requires a high bonding temperature, the mounted electronic components may be damaged.
In particular, as shown in FIG. 18, when the electronic component 97 is to be joined by the solder bump 98 formed on the substrate 96, the solder bump 98 is likely to spread in the directions of arrows A6 and A7 due to the liquid phase joining. . For this reason, the adjacent solder bumps 98 come into contact with each other at the location shown in the region T1, causing a short circuit.
The possibility of such a short-circuit has not been completely eliminated due to its high temperature and high load even in solid phase bonding such as thermocompression bonding and ultrasonic vibration.

はんだペーストを用いたリフロー接続の方法もあるが、これも同様に、リフロー時に溶融したはんだが電極領域から外側へ流れ出すことにより、隣接電極間でのショートを発生させやすい。こうしたはんだの濡れ広がりは、非常に小さな電子部品配線の狭ピッチ化を妨げる大きな要因になっている。
さらには、電子部品と基板の熱膨張係数が異なるため、リフローしたはんだにより接続した接合部分には、せん断応力や歪が加わり、接続信頼性の低下を招く危険性を孕んでいる。
There is also a reflow connection method using a solder paste, but this also similarly causes a short circuit between adjacent electrodes when the molten solder flows out from the electrode region. Such solder wetting and spreading is a major factor that hinders the narrow pitching of very small electronic component wiring.
Furthermore, since the thermal expansion coefficients of the electronic component and the substrate are different, the joint portion connected by the reflowed solder is subjected to shear stress and strain, and there is a risk of reducing the connection reliability.

また、比較的低温での接合が可能とされる固相拡散による接合においても、熱圧着では420℃と高い接合温度を必要とする場合もあり、チップや基板の湾曲による歪を発生させやすい。さらに、従来の工法では高圧力を例えば5分程度の長時間印加する必要があり、チップ部品へのダメージも大きい。
また、超音波接合は、低温接続法の一つとして用いられるものの、位置決め精度が悪く、接合界面は局所的に高温(数百℃)になる。また、基板の気相洗浄が必要となるためコストもかかり、さらには、超音波振動による素子へのダメージという懸念も存在する。
Further, even in the case of solid-phase diffusion bonding that enables bonding at a relatively low temperature, thermocompression may require a high bonding temperature of 420 ° C., and distortion due to bending of the chip or the substrate is likely to occur. Furthermore, in the conventional construction method, it is necessary to apply a high pressure for a long time, for example, about 5 minutes, and the damage to the chip parts is also great.
In addition, although ultrasonic bonding is used as one of low-temperature connection methods, positioning accuracy is poor, and the bonding interface is locally hot (several hundred degrees C). In addition, since the substrate needs to be vapor-phase cleaned, there is a cost, and there is a concern that the element is damaged by ultrasonic vibration.

固相拡散現象を利用した方法として、例えば他にも接合表面活性化接合等がある。この方法は、接合表面の酸化層、吸着層等をイオン衝撃等の物理的方法によって除去する。しかし、この接合法では、真空中で表面活性化処理から接合までを行わなければならず、適用制限があるうえに、装置が高額となり、コストも高くなる。   As another method using the solid phase diffusion phenomenon, for example, there is a bonding surface activated bonding. In this method, an oxide layer, an adsorption layer, and the like on the bonding surface are removed by a physical method such as ion bombardment. However, in this bonding method, it is necessary to perform the process from surface activation treatment to bonding in a vacuum, which is not only applicable, but also increases the cost of the apparatus and the cost.

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、安価な方法で、低温かつ固相状態で金属同士を接合する方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the method of joining metals in low temperature and a solid-phase state by an inexpensive method.

上記課題を解決するため、本発明による金属部材の接合方法は、少なくとも一方に錫を含む金属部材同士の表面を、蟻酸またはクエン酸溶液中において煮沸するステップと、煮沸されたこの金属部材の表面同士をつき合わせ、加熱及び加圧するステップと、を含む。 In order to solve the above problems, a metal member joining method according to the present invention includes a step of boiling the surfaces of metal members containing at least one tin in a formic acid or citric acid solution, and the surface of the boiled metal member. Bringing them together, heating and pressurizing.

本発明の金属部材の接合方法によれば、金属部材表面の酸化物を有効に除去することができる。またさらに、酸化物の除去された金属部材表面を、金属と蟻酸が反応した蟻酸化合物や、金属とクエン酸が反応したクエン酸化合物によって置換することができる。これにより、酸化物の除去された金属表面が再び酸化するのを抑制することもできる。
この金属部材表面に形成された蟻酸化合物や、クエン酸化合物は、接合の際には接合界面において凝集するため、接合させる金属部材が直接接触する真実接合面積を増大させることができる。
特に、この蟻酸化合物やクエン酸化合物は、通常金属表面に形成されている金属酸化物よりも低い温度で凝集する。このため、従来よりも低い温度で、大きい真実接合面積を確保することが可能となる。
また、固相拡散により接合が行われるため、従来のように隣り合うバンプ同士が接触してショートする危険性も排除することができる。
According to the method for joining metal members of the present invention, the oxide on the surface of the metal member can be effectively removed. Furthermore, the surface of the metal member from which the oxide has been removed can be replaced with a formic acid compound in which the metal and formic acid have reacted or a citric acid compound in which the metal and citric acid have reacted. Thereby, it can also suppress that the metal surface from which the oxide was removed again oxidizes.
Since the formic acid compound and the citrate compound formed on the surface of the metal member are aggregated at the bonding interface at the time of bonding, the actual bonding area where the metal member to be bonded directly contacts can be increased.
In particular, the formic acid compound and the citric acid compound usually aggregate at a lower temperature than the metal oxide formed on the metal surface. For this reason, it becomes possible to ensure a large true junction area at a lower temperature than in the past.
Further, since bonding is performed by solid phase diffusion, it is possible to eliminate the risk of short-circuiting due to contact between adjacent bumps as in the prior art.

本発明によれば、従来よりも低い温度で、より大きな真実接合面積を確保することができる。このため、従来よりも低い温度で金属部材の接合を行うことができる。   According to the present invention, a larger true bonding area can be ensured at a lower temperature than in the past. For this reason, joining of a metal member can be performed at temperature lower than before.

本発明による金属の接合方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the joining method of the metal by this invention. Aは、本発明による金属の接合方法において、表面改質を行った金属部材同士を向かい合わせる様子を示す正面図であり、Bは、表面改質を行った金属部材同士をつき合わせ、加熱及び圧力を印加する様子を示す模式図である。A is a front view showing a state in which metal members subjected to surface modification face each other in a metal bonding method according to the present invention, and B is a method of bringing together metal members subjected to surface modification together, heating and It is a schematic diagram which shows a mode that a pressure is applied. 本発明及び従来の方法により錫ブロックと銅ブロックとを接合させた際の接合強度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining strength at the time of joining a tin block and a copper block by this invention and the conventional method. 本発明により接合を行った金属ブロックの破断面を示す拡大図である。A、C、Eは銅側破断面である。B、D、Fは錫側破断面である。It is an enlarged view which shows the torn surface of the metal block joined by this invention. A, C, and E are copper side fracture surfaces. B, D, and F are tin side fracture surfaces. A、D、Gは、銅ブロック側破断面を電子顕微鏡により撮影した拡大写真図である。B、E、Hは、銅ブロック側破断面の銅の分布を分析した拡大写真図である。C、F、Iは、銅ブロック側破断面の錫の分布を分析した拡大写真図である。A, D, and G are the enlarged photograph figures which image | photographed the copper block side fracture surface with the electron microscope. B, E, and H are enlarged photograph diagrams in which the distribution of copper on the copper block side fracture surface is analyzed. C, F, and I are enlarged photograph diagrams in which the distribution of tin on the copper block side fracture surface is analyzed. 従来の方法により接合を行った金属ブロックの破断面を示す拡大図である。A、C、Eは銅側破断面であり、B、D、Fは錫側破断面である。It is an enlarged view which shows the torn surface of the metal block joined by the conventional method. A, C, and E are copper side fracture surfaces, and B, D, and F are tin side fracture surfaces. A、D、Gは、図6の銅ブロック側破断面を電子顕微鏡により撮影した拡大写真図であり、B、E、Hは、銅ブロック側破断面の銅の分布を分析した拡大写真図である。C、F、Iは、銅ブロック側破断面の錫の分布を分析した拡大写真図である。。A, D, and G are enlarged photograph diagrams obtained by photographing the copper block side fracture surface of FIG. 6 with an electron microscope, and B, E, and H are enlarged photograph diagrams that analyze the distribution of copper on the copper block side fracture surface. is there. C, F, and I are enlarged photograph diagrams in which the distribution of tin on the copper block side fracture surface is analyzed. . 本発明及び従来の方法により錫ブロックとニッケルブロックの接合を行った場合の接合強度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining strength at the time of joining a tin block and a nickel block by this invention and the conventional method. 本発明により接合を行った金属ブロックの破断面を示す拡大写真図であり、A、C、E、Gは、ニッケル側破断面を示し、B、D、F、Hは錫側破断面を示す拡大写真図である。It is an enlarged photograph figure which shows the fracture surface of the metal block joined by this invention, A, C, E, and G show a nickel side fracture surface, B, D, F, and H show a tin side fracture surface. It is an enlarged photograph figure. 従来の方法により接合を行った金属ブロックの破断面を示す拡大写真図であり、A、C、E、Gは、ニッケル側破断面を示し、B、D、F、Hは錫側破断面を示す拡大写真図である。It is an enlarged photograph figure which shows the fracture surface of the metal block joined by the conventional method, A, C, E, and G show a nickel side fracture surface, B, D, F, and H show a tin side fracture surface It is an enlarged photograph figure shown. クエン酸により接合面の表面改質を行った場合の錫ブロックと銅ブロックの接合強度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joining strength of the tin block and copper block at the time of performing surface modification of a joining surface with a citric acid. クエン酸により接合面の表面改質を行った場合の錫ブロックとニッケルブロックの接合強度を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the joint strength of a tin block and a nickel block at the time of performing surface modification of a joint surface with a citric acid. Aは本発明により多層積層されたチップを示す模式図であり、Bは、本発明により実装基板上に表面実装されたICチップを示す概略斜視図である。A is a schematic view showing a chip laminated in multiple layers according to the present invention, and B is a schematic perspective view showing an IC chip surface-mounted on a mounting substrate according to the present invention. 本発明により放熱銅板上に実装された電子部品を示す概略正面図である。It is a schematic front view which shows the electronic component mounted on the heat dissipation copper plate by this invention. 本発明により電子部品をパッケージする様子を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows a mode that an electronic component is packaged by this invention. フリップチップ接合の様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode of flip chip joining. Aは、熱圧着による接合を示す模式図であり、Bは、超音波接合を示す模式図、Cは、樹脂接合を示す模式図、またDは、はんだ接合を示す模式図である。A is a schematic diagram illustrating bonding by thermocompression bonding, B is a schematic diagram illustrating ultrasonic bonding, C is a schematic diagram illustrating resin bonding, and D is a schematic diagram illustrating solder bonding. 隣り合うはんだバンプが接触し、ショートする様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that an adjacent solder bump contacts and short-circuits.

以下、本発明を実施するための形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。   Hereinafter, although the example of the form for implementing this invention is demonstrated, this invention is not limited to the following examples.

1.実施の形態
図1は、本実施の形態例(以下「本例」と呼ぶ)による金属の接合方法の手順を示すフローチャートである。
本例の金属の接合方法は、まず接合させる金属部材を蟻酸又はクエン酸溶液中にて煮沸する(ステップS1)。または、蟻酸、クエン酸溶液中にて煮沸する代わりに、蟻酸蒸気又はクエン酸を含む蒸気に接合させたい金属部材表面を暴露させてもよい。なお、この時接合させる少なくとも一方の金属部材には錫が含まれているものとする。
1. Embodiment FIG. 1 is a flowchart showing a procedure of a metal joining method according to this embodiment (hereinafter referred to as “this embodiment”).
In the metal joining method of this example, first, a metal member to be joined is boiled in a formic acid or citric acid solution (step S1). Alternatively, instead of boiling in formic acid or citric acid solution, the surface of the metal member to be bonded to formic acid vapor or vapor containing citric acid may be exposed. Note that at least one metal member to be joined at this time contains tin.

これにより、金属部材表面の酸化皮膜が除去されるとともに、錫を含む金属部材では、錫の酸化物が蟻酸化合物、クエン酸化合物によって置換される(ステップS2)。金属表面が蟻酸化合物やクエン酸化合物によって置換されることで、金属部材表面が再び酸化されることを防ぐこともできる。   Thereby, the oxide film on the surface of the metal member is removed, and in the metal member containing tin, the tin oxide is replaced with the formic acid compound and the citric acid compound (step S2). By replacing the metal surface with a formic acid compound or a citric acid compound, the surface of the metal member can be prevented from being oxidized again.

次に、蟻酸、クエン酸溶液又は蟻酸、クエン酸蒸気中から金属部材を大気中に取り出し、乾燥させる(ステップS3)。乾燥後は、金属部材表面に酸化膜が形成されないように、直ちに次のステップへと移るのが好ましい。   Next, the metal member is taken out from the formic acid, citric acid solution or formic acid or citric acid vapor, and dried (step S3). After drying, it is preferable to immediately move to the next step so that an oxide film is not formed on the surface of the metal member.

次いで、蟻酸中にて煮沸又は蟻酸蒸気に暴露された金属端子等の金属部材表面同士をつき合わせ、加熱及び加圧する(ステップS4)。これにより、金属部材同士を固相拡散により接合する。   Next, the surfaces of metal members such as metal terminals boiled in formic acid or exposed to formic acid vapor are brought together, heated and pressurized (step S4). Thereby, metal members are joined by solid phase diffusion.

すなわち、本例による接合方法では、図2Aに示すように、例えば基板2上の金属電極3と、電子部品4に設けられた錫を含む電極1を予め蟻酸によって表面改質しておく。
そして図2Bに示すように、電子部品4の電極1と基板2の電極3をつき合わせ、矢印A2に示す熱を加えながら矢印A1の方向に圧力を印加することで、電極1と電極3とを固相拡散により接合することができる。
That is, in the joining method according to this example, as shown in FIG. 2A, for example, the metal electrode 3 on the substrate 2 and the electrode 1 containing tin provided on the electronic component 4 are previously surface-modified with formic acid.
2B, the electrode 1 of the electronic component 4 and the electrode 3 of the substrate 2 are brought together, and pressure is applied in the direction of the arrow A1 while applying the heat indicated by the arrow A2, so that the electrodes 1 and 3 Can be joined by solid phase diffusion.

この手法は、熱圧着の方法に分類することができるが、従来の熱圧着法と比較しても非常に低い温度での接合が可能となる。本例による方法では、接合を阻害する酸化皮膜等の化学吸着層を除去または蟻酸化合物に置換することで金属表面を改質する。このため、従来よりも低い温度、荷重での接合が可能となる。   This method can be classified as a thermocompression bonding method, but bonding at a very low temperature is possible even when compared with the conventional thermocompression bonding method. In the method according to this example, the metal surface is modified by removing a chemical adsorption layer such as an oxide film that inhibits bonding or replacing it with a formic acid compound. For this reason, it becomes possible to perform bonding at a temperature and load lower than those of the prior art.

2.実施例
以下に本発明による金属部材の接合方法の実施例について説明する。
[1]実施例1
電解研磨により接合面を平滑化した直方体の錫ブロックと、エメリー紙を用いて4000番まで接合面を機械研磨した銅ブロックとを沸騰した蟻酸(98%)中に浸漬し、10分間の煮沸を行った。
次に、蟻酸から錫ブロック及び銅ブロックを取り出して互いの表面をつき合わせ、接合温度が130℃の条件において7MPaの圧力を30分間印加することで錫ブロックと銅ブロックの接合を行った。
[2]実施例2
銅ブロックと錫ブロックの接合温度を140℃としたこと以外は、実施例1と同様にして接合を行った。
[3]実施例3
銅ブロックと錫ブロックの接合温度を150℃としたこと以外は、実施例1と同様にして接合を行った。
[4]実施例4
接合させる金属ブロックを錫ブロックとニッケルブロックとしたこと以外は、実施例1と同様にして接合を行った。
[5]実施例5
錫ブロックとニッケルブロックの接合温度を120℃としたこと以外は、実施例4と同様にして接合を行った。
[6]実施例6
錫ブロックとニッケルブロックの接合温度を140℃としたこと以外は、実施例4と同様にして接合を行った。
[7]実施例7
錫ブロックとニッケルブロックの接合温度を150℃としたこと以外は、実施例4と同様にして接合を行った。
[8]実施例8
蒸留水100mlに対し、クエン酸粉末を20g投入して溶解させた溶液を約100℃にて沸騰させた。そして、この沸騰溶液中に上述の実施例1と同様の錫ブロックと銅ブロックを浸漬し、5分間煮沸を行った。
煮沸後、蒸留水にて錫ブロックと銅ブロックを10秒間洗浄した後、接合面に残留する蒸留水をエアーブローによって除去、乾燥させた。
そして錫ブロック及び銅ブロックを取り出して互いの接合面をつき合わせ、接合温度が120℃から140℃までそれぞれ10℃刻みの温度条件において、それぞれ接合を行った。なお、接合時の圧力は7MPaの圧力を30分間印加した。
[9]実施例9
接合させる金属ブロックを錫ブロックとニッケルブロックとし、接合温度を140℃から170℃まで10℃刻みの温度にてそれぞれ接合を行ったこと以外は実施例8と同様にして接合を行った。
[10]比較例1
電解研磨により接合面を平滑化した直方体の錫ブロック及び銅ブロックをそのままつき合わせ、接合温度が160℃の条件において7MPaの圧力を30分間印加することで錫ブロックと銅ブロックの接合を行った。
[11]比較例2
錫ブロックと銅ブロックの接合温度を170℃としたこと以外は、比較例1と同様にして接合を行った。
[12]比較例3
錫ブロックと銅ブロックの接合温度を180℃としたこと以外は、比較例1と同様にして接合を行った。
[13]比較例4
錫ブロックと銅ブロックの接合温度を190℃としたこと以外は、比較例1と同様にして接合を行った。
[14]比較例5
接合させる金属ブロックを、錫ブロックとニッケルブロックとし、接合温度を180℃としたこと以外は、比較例1と同様にして接合を行った。
[15]比較例6
錫ブロックとニッケルブロックの接合温度を190℃としたこと以外は、比較例1と同様にして接合を行った。
[16]比較例7
錫ブロックとニッケルブロックの接合温度を200℃としたこと以外は、比較例1と同様にして接合を行った。
[17]比較例8
錫ブロックとニッケルブロックの接合温度を210℃としたこと以外は、比較例1と同様にして接合を行った。
[18]比較例9
錫ブロックとニッケルブロックの接合温度を220℃としたこと以外は、比較例1と同様にして接合を行った。
2. EXAMPLES Examples of the method for joining metal members according to the present invention will be described below.
[1] Example 1
A rectangular parallelepiped tin block whose surface is smoothed by electrolytic polishing and a copper block whose surface is mechanically polished up to 4000 using emery paper are immersed in boiling formic acid (98%) and boiled for 10 minutes. went.
Next, the tin block and the copper block were taken out from the formic acid, the surfaces of each other were brought together, and the tin block and the copper block were joined by applying a pressure of 7 MPa for 30 minutes at a joining temperature of 130 ° C.
[2] Example 2
The joining was performed in the same manner as in Example 1 except that the joining temperature of the copper block and the tin block was 140 ° C.
[3] Example 3
The joining was performed in the same manner as in Example 1 except that the joining temperature of the copper block and the tin block was 150 ° C.
[4] Example 4
The joining was performed in the same manner as in Example 1 except that the metal block to be joined was a tin block and a nickel block.
[5] Example 5
The joining was performed in the same manner as in Example 4 except that the joining temperature of the tin block and the nickel block was 120 ° C.
[6] Example 6
The joining was performed in the same manner as in Example 4 except that the joining temperature of the tin block and the nickel block was 140 ° C.
[7] Example 7
The joining was performed in the same manner as in Example 4 except that the joining temperature of the tin block and the nickel block was 150 ° C.
[8] Example 8
A solution prepared by adding 20 g of citric acid powder to 100 ml of distilled water was boiled at about 100 ° C. And the same tin block and copper block as the above-mentioned Example 1 were immersed in this boiling solution, and it boiled for 5 minutes.
After boiling, the tin block and the copper block were washed with distilled water for 10 seconds, and then distilled water remaining on the joint surface was removed by air blow and dried.
Then, the tin block and the copper block were taken out and bonded to each other, and bonding was performed at a bonding temperature of 120 ° C. to 140 ° C. in 10 ° C. increments. In addition, the pressure at the time of joining applied the pressure of 7 MPa for 30 minutes.
[9] Example 9
The metal blocks to be joined were tin blocks and nickel blocks, and joining was carried out in the same manner as in Example 8 except that joining was carried out at temperatures of 140 ° C. to 170 ° C. in increments of 10 ° C., respectively.
[10] Comparative Example 1
A rectangular parallelepiped tin block and a copper block whose surfaces were smoothed by electropolishing were put together, and a pressure of 7 MPa was applied for 30 minutes at a joining temperature of 160 ° C. to join the tin block and the copper block.
[11] Comparative example 2
The joining was performed in the same manner as Comparative Example 1 except that the joining temperature of the tin block and the copper block was 170 ° C.
[12] Comparative Example 3
The joining was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the joining temperature of the tin block and the copper block was 180 ° C.
[13] Comparative example 4
The joining was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the joining temperature of the tin block and the copper block was 190 ° C.
[14] Comparative Example 5
Joining was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the metal block to be joined was a tin block and a nickel block, and the joining temperature was 180 ° C.
[15] Comparative Example 6
The joining was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the joining temperature of the tin block and the nickel block was 190 ° C.
[16] Comparative example 7
The joining was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the joining temperature of the tin block and the nickel block was 200 ° C.
[17] Comparative example 8
The joining was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the joining temperature of the tin block and the nickel block was 210 ° C.
[18] Comparative Example 9
The joining was performed in the same manner as Comparative Example 1 except that the joining temperature of the tin block and the nickel block was 220 ° C.

3.評価結果
図3は、錫と銅の接合を行った実施例1〜3及び比較例1〜4の金属継手を引張試験機にかけ、接合強度と接合温度の関係を調べたものである。
なお、接合面に垂直方向を長手方向とし、この方向に引張試験を行った。引張試験にはインストロン型試験機を用いた。
横軸は接合温度であり、縦軸は継手強度比である。なお、継手強度比は、錫ブロックそのものの強度を100とした場合に対する接合界面の強度比である。
したがって、錫と銅の接合を行った金属ブロックが引張試験によって破断した時の引張強さをσ、錫ブロック単体が引張試験によって破断した時の引張強さをσとすると、継手強度比は(σ/σ)×100によって表すことができる。
3. Evaluation Results FIG. 3 shows the relationship between bonding strength and bonding temperature by applying the metal joints of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 in which tin and copper were bonded to a tensile tester.
The longitudinal direction was the longitudinal direction of the joint surface, and a tensile test was performed in this direction. An Instron type testing machine was used for the tensile test.
The horizontal axis is the bonding temperature, and the vertical axis is the joint strength ratio. The joint strength ratio is the strength ratio of the joint interface with respect to the case where the strength of the tin block itself is 100.
Therefore, when the tensile strength when a metal block joined with tin and copper is broken by a tensile test is σ j and the tensile strength when a tin block is broken by a tensile test is σ B , the joint strength ratio Can be represented by (σ j / σ B ) × 100.

図3のシンボルaは、本発明により錫ブロックと銅ブロックを蟻酸により表面改質した実施例1〜3における継手強度比であり、シンボルbは錫ブロックと銅ブロック表面の改質なしに接合した比較例1〜4における継手強度比である。   Symbol a in FIG. 3 is a joint strength ratio in Examples 1 to 3 in which the tin block and the copper block were surface-modified with formic acid according to the present invention, and symbol b was joined without modification of the surface of the tin block and the copper block. It is a joint strength ratio in Comparative Examples 1-4.

表面改質をしなかった場合、接合温度が160℃の時には錫ブロックと銅ブロックとが全く接合されなかったため、継手強度は零となっている。そして、接合温度が170℃において錫ブロックと銅ブロックが接合されたことが確認できる。
しかし、この温度では接合が不十分であり、引張荷重を大きくしていくと接合界面からの剥がれが生じたため、継手強度比は70強程度と低い値になっている。
When the surface modification was not performed, the joint strength was zero because the tin block and the copper block were not joined at all when the joining temperature was 160 ° C. And it can confirm that the tin block and the copper block were joined in joining temperature 170 degreeC.
However, bonding is insufficient at this temperature, and peeling from the bonding interface occurs when the tensile load is increased, so the joint strength ratio is as low as about 70.

一方、接合温度が190℃においては、継手強度比が100となっている。これは、錫ブロックと銅ブロックの接合強度が錫ブロックそのものの強度を上まわる、もしくは同等となったため、破断が錫ブロック内において生じたからである。このため、錫と銅の接合を行った金属ブロックが引張試験によって破断した時の引張強さσは、錫ブロック単体が引張試験によって破断した時の引張強さσと等しくなり、継手強度比が100となる。したがって、この時の温度である190℃を、錫と銅が完全に接合される温度としてとらえることができる。 On the other hand, when the joining temperature is 190 ° C., the joint strength ratio is 100. This is because the bonding strength between the tin block and the copper block exceeds or equals the strength of the tin block itself, so that the fracture occurred in the tin block. Therefore, the tensile strength σ j when the metal block joined with tin and copper is broken by the tensile test is equal to the tensile strength σ B when the tin block is broken by the tensile test, and the joint strength The ratio is 100. Therefore, 190 ° C., which is the temperature at this time, can be regarded as a temperature at which tin and copper are completely joined.

これに対して、蟻酸によって表面処理を行った錫ブロックと銅ブロックを接合した場合には、接合温度が140℃において既に100近い値の継手強度比を得ることができている。
そして接合温度が150℃では、継手強度比が100となり、表面処理を行わなかった場合に比べ、より低い温度で高い接合強度が得られていることがわかる。
すなわち、蟻酸によって表面処理を行うことで、接合温度を190℃から150℃へと40℃大幅に下げることができる。
On the other hand, when a tin block and a copper block that have been surface-treated with formic acid are joined, a joint strength ratio of a value close to 100 can already be obtained at a joining temperature of 140 ° C.
When the joining temperature is 150 ° C., the joint strength ratio is 100, and it can be seen that high joint strength is obtained at a lower temperature than when the surface treatment is not performed.
That is, by performing the surface treatment with formic acid, the bonding temperature can be significantly reduced from 190 ° C. to 150 ° C. by 40 ° C.

ここで、図4は、実施例1〜3における破断面を撮影した拡大写真図である。
図4Aは接合温度が130℃における実施例1の銅ブロック側の破断面であり、図4Bは錫ブロック側の破断面である。
また、図4Cは接合温度が140℃における実施例2の銅ブロック側の破断面であり、図4Dは錫ブロック側の破断面である。
また、図4Eは接合温度が150℃における実施例3の銅ブロック側の破断面であり、図4Fは錫ブロック側の破断面である。
Here, FIG. 4 is an enlarged photograph of the fractured surfaces in Examples 1 to 3.
4A is a fracture surface on the copper block side of Example 1 at a bonding temperature of 130 ° C., and FIG. 4B is a fracture surface on the tin block side.
4C is a fracture surface on the copper block side of Example 2 at a bonding temperature of 140 ° C., and FIG. 4D is a fracture surface on the tin block side.
4E is a fracture surface on the copper block side of Example 3 at a bonding temperature of 150 ° C., and FIG. 4F is a fracture surface on the tin block side.

図4A,Bを見ると、接合温度が130℃(実施例1)の場合には接合が不十分なため、接合界面から脆性的に破断が生じ、銅ブロック及び錫ブロックの表面がほぼそのまま露出している。
また、接合温度が140℃(実施例2)と少し高くした場合には、図4Cに示すように、破断面の下部領域において脆性的に界面破断が生じている。一方、上部領域では部分的に銅側に残った錫ブロックが延性的に破断しており、母材破断と界面破断とが混在した状態となっている。
したがって、錫ブロック側の破断面である図4Dでは、下部領域において界面破断を生じ、上部領域では、銅ブロック側に残った断片分だけ欠けた状態となっている。
4A and 4B, when the bonding temperature is 130 ° C. (Example 1), since the bonding is insufficient, the brittle fracture occurs from the bonding interface, and the surfaces of the copper block and the tin block are almost exposed as they are. doing.
In addition, when the bonding temperature is slightly increased to 140 ° C. (Example 2), as shown in FIG. 4C, interface fracture occurs brittlely in the lower region of the fracture surface. On the other hand, in the upper region, the tin block partially left on the copper side is ductilely broken, and the base material fracture and the interface fracture are mixed.
Therefore, in FIG. 4D, which is a fracture surface on the tin block side, interface fracture occurs in the lower region, and the upper region is in a state where only the fragments remaining on the copper block side are missing.

これに対して、接合温度が150℃(実施例3)の場合には、図4E,Fに示すように、銅側の接合界面全面に錫が残り、錫ブロックにおいて断面収縮をした後、延性的に破断をしていることが確認てきる。
このことからも、150℃の接合温度において錫と銅との接合を強固に行うことができているのがわかる。
On the other hand, when the bonding temperature is 150 ° C. (Example 3), as shown in FIGS. 4E and 4F, tin remains on the entire bonding interface on the copper side, and after the cross section shrinks in the tin block, the ductility occurs. It has been confirmed that it is broken.
This also shows that the bonding of tin and copper can be performed firmly at a bonding temperature of 150 ° C.

また、図5は、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)によって、銅ブロック側の破断面に含まれる銅、または錫の分布を調べたものである。
図5Aは、接合温度が130℃(実施例1)における銅ブロック側破断面を走査型電子顕微鏡(SEM)によって観察した拡大写真図であり、図5Bは、この断面領域における銅の分布をEDXによって分析したものである。また、図5Cは、同じ断面領域における錫の分布をEDXによって分析したものである。
FIG. 5 shows the distribution of copper or tin contained in the fracture surface on the copper block side, using an energy dispersive X-ray analyzer (EDX).
FIG. 5A is an enlarged photograph of a copper block side fractured surface observed at a junction temperature of 130 ° C. (Example 1) with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 5B shows the copper distribution in this sectional region as EDX. It was analyzed by. FIG. 5C is an analysis of tin distribution in the same cross-sectional area by EDX.

また、図5Dは、接合温度が140℃(実施例2)における銅ブロック側破断面を走査型電子顕微鏡(SEM)によって観察した拡大写真図であり、図5Eは、この断面領域における銅の分布をEDXによって分析したものである。また、図5Fは、同じ断面領域における錫の分布をEDXによって分析したものである。   FIG. 5D is an enlarged photograph of a copper block side fractured surface observed at a junction temperature of 140 ° C. (Example 2) with a scanning electron microscope (SEM), and FIG. 5E is a distribution of copper in this sectional region. Was analyzed by EDX. FIG. 5F is an analysis of tin distribution in the same cross-sectional area by EDX.

また、図5Gは、接合温度が150℃(実施例3)における銅ブロック側破断面を走査型電子顕微鏡(SEM)によって観察した拡大写真図であり、図5Hは、この断面領域における銅の分布をEDXによって分析したものである。また、図5Iは、同じ断面領域における錫の分布をEDXによって分析したものである。   FIG. 5G is an enlarged photograph of the copper block side fractured surface observed at a junction temperature of 150 ° C. (Example 3) with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 5H shows the copper distribution in this sectional region. Was analyzed by EDX. FIG. 5I is an analysis of tin distribution in the same cross-sectional region by EDX.

なお、銅の検出を行った図5B,E,Hでは、図中、濃淡の薄い領域ほど銅が多く含まれている。また、錫の検出を行った図5C,F,Iでは、図中、濃淡の薄い領域ほど錫が多く含まれている。   In FIGS. 5B, 5E, and 5H in which copper is detected, the darker and lighter regions in the figure contain more copper. Further, in FIGS. 5C, 5F, and 5 where tin is detected, tin is contained more in the lighter and darker regions in the figure.

接合温度が130℃(実施例1)の破断面において銅の検出を行った図5Bでは、全体的に濃淡が薄くなっており、一面に銅が検出されている。また錫の検出を行った図5Cでは、全面的に濃淡が濃くなっており、錫がほとんど検出されていない。このことから、接合温度が130℃の場合には、銅ブロックと錫ブロックの接合界面で破断が生じていることがわかる。   In FIG. 5B in which the copper is detected at the fracture surface at a bonding temperature of 130 ° C. (Example 1), the overall density is light and copper is detected on one side. Further, in FIG. 5C in which the tin is detected, the entire surface is dark and light, and tin is hardly detected. From this, it can be seen that when the bonding temperature is 130 ° C., fracture occurs at the bonding interface between the copper block and the tin block.

一方、接合温度が140℃(実施例2)の破断面において銅の検出を行った図5Eでは、全体的に濃度が薄く、測定した銅ブロック側の破断面はほぼ銅となっているものの、図中右上において局所的に濃淡の濃い領域が見受けられる。また、錫の検出を行った図5Fを見ると、同じ領域において濃淡が薄くなっており、ここに錫が残存していることがわかる。
したがって、接合温度が140℃の場合には、銅ブロックと錫ブロックの界面破断と、錫ブロックの母材破断とが混在しているのがわかる。
On the other hand, in FIG. 5E in which copper was detected at the fracture surface at a bonding temperature of 140 ° C. (Example 2), the concentration was generally low, and the measured fracture surface on the copper block side was almost copper. In the upper right in the figure, a dark and light area is locally observed. Moreover, when FIG. 5F which detected the tin is seen, the shading is thin in the same area | region, and it turns out that tin remains here.
Therefore, it can be seen that when the bonding temperature is 140 ° C., interfacial fracture between the copper block and the tin block and base metal fracture of the tin block are mixed.

また、接合温度が150℃(実施例3)の破断面において銅の検出を行った図5Hでは、全体的に濃淡の濃い箇所が増え、錫の検出を行った図5Iでは、全体的に濃淡の薄い箇所が多くなり、銅側の破断面には全面的に錫が付着していることが確認できる。
このことからも、接合温度が150℃の場合には、錫ブロックの母材破断が生じているのがわかる。
Further, in FIG. 5H in which copper was detected at a fracture surface with a bonding temperature of 150 ° C. (Example 3), the overall dark and light spots increased, and in FIG. It can be confirmed that tin is attached to the entire fractured surface on the copper side.
This also shows that when the joining temperature is 150 ° C., the base material fracture of the tin block occurs.

これに対して、蟻酸での表面改質を行わなかった比較例2〜4の破断面をマクロ的に観察した写真図を図6に示す。
図6Aは、接合温度が170℃の場合の銅ブロック側の破断面であり、図6Bは、この時の錫ブロック側の破断面である。
また、図6Cは、接合温度が180℃の場合の銅ブロック側の破断面であり、図6Dは、この時の錫ブロック側の破断面である。
また、図6Eは、接合温度が190℃の場合の銅ブロック側の破断面であり、図6Fは、この時の錫ブロック側の破断面である。
On the other hand, the photograph figure which observed macroscopically the fracture surface of Comparative Examples 2-4 which did not perform the surface modification with formic acid is shown in FIG.
6A is a fracture surface on the copper block side when the bonding temperature is 170 ° C., and FIG. 6B is a fracture surface on the tin block side at this time.
6C is a fracture surface on the copper block side when the bonding temperature is 180 ° C., and FIG. 6D is a fracture surface on the tin block side at this time.
6E is a fracture surface on the copper block side when the bonding temperature is 190 ° C., and FIG. 6F is a fracture surface on the tin block side at this time.

接合温度が170℃(比較例2)の場合の図6A,Bを見ると、破断面には殆ど変形が見られず、脆性的な界面破断が生じている。このため、図3にも示したように、70強程度の低い継手強度比となっている。
一方、接合温度を180℃(比較例3)とした場合の図6C,Dでは接合強度が上昇し、断面収縮をともなって延性的に破断をしているのが確認できる。
また、接合温度を190℃(比較例4)とした場合の図6E,Fにおいても同様に断面収縮をともなった延性的な破断をしている。
6A and 6B in the case where the joining temperature is 170 ° C. (Comparative Example 2), almost no deformation is observed on the fracture surface, and brittle interface fracture occurs. For this reason, as shown in FIG. 3, the joint strength ratio is as low as about 70.
On the other hand, in FIG. 6C and FIG. 6D when the joining temperature is 180 ° C. (Comparative Example 3), it can be confirmed that the joining strength is increased and the ductile fracture is caused with the cross-sectional contraction.
Also, in FIGS. 6E and 6F when the bonding temperature is 190 ° C. (Comparative Example 4), the ductile fracture with the cross-sectional shrinkage is similarly performed.

図7は、これら比較例2〜4の銅ブロック側の破断面をエネルギー分散型X線分析装置(EDX)によって測定し、銅及び錫の分布を分析したものである。
図7Aは、接合温度が170℃(比較例2)における銅ブロック側の破断面を電子顕微鏡(SEM)によって観察した拡大写真図である。また図7Bは、同じ領域における銅をEDXによって検出したものであり、図7Cは錫を検出したものである。
FIG. 7 shows the distribution of copper and tin by measuring the fracture surface on the copper block side of Comparative Examples 2 to 4 using an energy dispersive X-ray analyzer (EDX).
FIG. 7A is an enlarged photograph obtained by observing a fracture surface on the copper block side at a bonding temperature of 170 ° C. (Comparative Example 2) with an electron microscope (SEM). FIG. 7B shows the case where copper in the same region is detected by EDX, and FIG. 7C shows the case where tin is detected.

また、図7Dは、接合温度が180℃(比較例3)における銅ブロック側の破断面を電子顕微鏡(SEM)によって観察した拡大写真図である。また図7Eは、同じ領域における銅をEDXによって検出したものであり、図7Fは錫を検出したものである。
また、図7Gは、接合温度が190℃(比較例4)における銅ブロック側の破断面を電子顕微鏡(SEM)によって観察した拡大写真図である。また図7Hは、同じ領域における銅をEDXによって検出したものであり、図7Iは錫を検出したものである。
Moreover, FIG. 7D is the enlarged photograph figure which observed the fracture surface by the side of the copper block in joining temperature 180 degreeC (comparative example 3) with the electron microscope (SEM). FIG. 7E shows copper detected in the same region by EDX, and FIG. 7F shows tin detected.
Moreover, FIG. 7G is the enlarged photograph figure which observed the fracture surface by the side of the copper block in joining temperature 190 degreeC (comparative example 4) with the electron microscope (SEM). FIG. 7H shows the detection of copper in the same region by EDX, and FIG. 7I shows the detection of tin.

なお、図7B,E,Hでは、濃淡が薄い程、表面に銅が分布し、図7C,F,Iでは濃淡が薄い程、表面に錫が分布している。   7B, E, and H, the lighter the tint, the more copper is distributed on the surface. In FIGS. 7C, F, and I, the lighter the tint, the more tin is distributed on the surface.

図7Bでは、ほぼ全面に渡って濃淡が薄く、銅が検出されている。一方、図7Cでは全面に渡って濃淡が濃く、錫が検出されていない。すなわち、接合温度が170℃(比較例2)において、銅ブロック側の破断面は、ほぼ銅のみによって形成されており、界面破断が生じていることがわかる。   In FIG. 7B, the density is thin over almost the entire surface, and copper is detected. On the other hand, in FIG. 7C, the entire surface is thick and tin is not detected. That is, it can be seen that when the bonding temperature is 170 ° C. (Comparative Example 2), the fracture surface on the copper block side is formed only of copper, and interface fracture occurs.

接合温度が180℃(比較例3)の場合である図7E,Fを見ると、図7Fでは濃淡の薄い箇所が散在している。これは銅ブロック側破断面に錫が付着しているためであり、界面破断と錫ブロックの母材破断とが混在した状態となっている。このため、図6C,Dでは断面収縮を伴った延性的な破断を示しながらも、継手強度比は80強程度(図3)の値にとどまっている。   When FIG. 7E and F which is a case where joining temperature is 180 degreeC (comparative example 3) are seen, the thin and light location is scattered in FIG. 7F. This is because tin adheres to the copper block side fracture surface, and the interface fracture and the base material fracture of the tin block are mixed. Therefore, in FIGS. 6C and 6D, the joint strength ratio remains at a value of about 80 (FIG. 3) while showing ductile fracture accompanied by cross-sectional shrinkage.

そして接合温度が190℃(比較例4)の場合では、図7Hにおいて全面的に濃淡が濃く、図7Iにおいて全面に濃淡が薄い。すなわち、銅ブロック側の破断面全面に錫が付着していることから、錫ブロックの母材破断がこの接合温度にて生じることがわかる。   When the bonding temperature is 190 ° C. (Comparative Example 4), the entire surface is dark in FIG. 7H, and the entire surface is light in FIG. 7I. That is, since tin adheres to the entire fracture surface on the copper block side, it can be seen that the base material fracture of the tin block occurs at this joining temperature.

一般的に、錫は大気に曝されると、ただちに酸化皮膜によって覆われると考えられている。この錫の酸化皮膜や、錫母相は、蟻酸中において煮沸することにより、下記一般式(1)〜(3)に示す反応を示す。
Sn+2HCOOH → Sn(HCOO)+H↑ ・・・(1)
SnO+2HCOOH → Sn(HCOO)+HO↑ ・・・(2)
SnO+2HCOOH → Sn(HCOO)+H↑+O↑ ・・・(3)
In general, it is believed that tin is immediately covered by an oxide film when exposed to the atmosphere. The tin oxide film and the tin matrix phase react in the following general formulas (1) to (3) by boiling in formic acid.
Sn + 2HCOOH → Sn (HCOO) 2 + H 2 ↑ (1)
SnO + 2HCOOH → Sn (HCOO) 2 + H 2 O ↑ (2)
SnO 2 + 2HCOOH → Sn (HCOO) 2 + H 2 ↑ + O 2 ↑ (3)

したがって、錫ブロックを蟻酸中に浸漬し、煮沸することにより、錫ブロック表面の酸化皮膜は除去されるとともに、活性の高い蟻酸錫へと置換される。また、この置換は、蟻酸蒸気に暴露することによっても行うことができる。   Therefore, the tin block is immersed in formic acid and boiled, whereby the oxide film on the surface of the tin block is removed and replaced with highly active tin formate. This substitution can also be performed by exposure to formic acid vapor.

蟻酸での表面改質を行わない場合、低い温度で接合を行うと、その接合界面には酸化皮膜等の介在物がそのまま残っているため接合強度は小さくなり、接合界面からの破断が生じる。
一方、接合温度を高くしていくと、錫表面に形成されている酸化錫等の酸化皮膜は凝集し、接合温度が高くなるほど凝集した粒子も粗大化して分布密度が低下する。すなわち、高温での接合時には、錫と銅との間に介在する酸化物等の介在物が凝集することにより、錫と銅が直接接触した真実接合面積が増加するため、接合強度が大きくなると考えられる。
When surface modification with formic acid is not performed, if bonding is performed at a low temperature, inclusions such as oxide films remain as they are at the bonding interface, so that the bonding strength is reduced and fracture from the bonding interface occurs.
On the other hand, when the bonding temperature is increased, the oxide film such as tin oxide formed on the tin surface is aggregated, and the aggregated particles are coarsened and the distribution density is lowered as the bonding temperature is increased. That is, at the time of joining at high temperature, inclusions such as oxides intervening between tin and copper agglomerate to increase the actual joining area where tin and copper are in direct contact with each other. It is done.

これに対して、本実施例のように酸化錫を蟻酸錫に置換した場合、蟻酸錫は酸化錫よりも低い温度で凝集、粗大化して真実接合面積が増加する。このため、150℃という従来よりも大幅に低い温度での接合を実現することができる。   On the other hand, when tin oxide is substituted with tin formate as in this embodiment, tin formate aggregates and coarsens at a lower temperature than tin oxide, and the real junction area increases. For this reason, it is possible to realize bonding at a temperature of 150 ° C., which is significantly lower than the conventional temperature.

また、蟻酸に浸漬して煮沸する、または蟻酸蒸気に暴露するという簡易な方法によって行うことができるので、従来の表面活性化法のように高価な設備も必要とせず、コストも低減することができる。またさらに、接合温度を大幅に下げることが可能となるため、本発明を電子部品等の実装に適用すれば、バンプ間のショートや、周囲の素子への熱的ダメージも抑制することができる。   Moreover, since it can be performed by a simple method of being immersed in formic acid and boiled or exposed to formic acid vapor, it does not require expensive equipment as in the conventional surface activation method, and the cost can be reduced. it can. Furthermore, since the bonding temperature can be greatly lowered, if the present invention is applied to mounting of electronic components, short circuit between bumps and thermal damage to surrounding elements can be suppressed.

次に、錫とニッケルを接合した場合である実施例4〜7、比較例5〜9における接合温度と継手強度比の関係を図8に示す。
シンボルcは、実施例4〜7における継手強度比であり、シンボルdは比較例5〜9における継手強度比である。
Next, FIG. 8 shows the relationship between the bonding temperature and the joint strength ratio in Examples 4 to 7 and Comparative Examples 5 to 9 where tin and nickel are bonded.
Symbol c is the joint strength ratio in Examples 4-7, and symbol d is the joint strength ratio in Comparative Examples 5-9.

シンボルdの比較例5〜9の場合、接合温度が180℃〜200℃では継手強度比は30程度と低く、210℃において上昇を始めている。そして接合温度が220℃の時、継手強度比は100となり、錫ブロックからの母材破断が起きている。
一方、蟻酸による表面改質を行った実施例4〜7の場合、接合温度が130℃において既に80以上の高い継手強度比が得られ、150℃という低い温度で継手強度比が100となった。
このように、錫とニッケルを接合する場合においても、母材破断が生じる接合温度が220℃から150℃へと、70℃下がっており、蟻酸により表面改質を行うことで、大幅に接合温度を低くすることができる。
In Comparative Examples 5 to 9 of the symbol d, the joint strength ratio is as low as about 30 when the joining temperature is 180 ° C. to 200 ° C., and starts increasing at 210 ° C. And when joining temperature is 220 degreeC, joint strength ratio will be set to 100, and the base material fracture | rupture has occurred from the tin block.
On the other hand, in the case of Examples 4 to 7 in which surface modification with formic acid was performed, a joint strength ratio of 80 or higher was already obtained at a joining temperature of 130 ° C., and the joint strength ratio became 100 at a temperature as low as 150 ° C. .
Thus, even when tin and nickel are joined, the joining temperature at which the base metal breaks is reduced from 220 ° C. to 150 ° C. by 70 ° C. By performing surface modification with formic acid, the joining temperature is greatly increased. Can be lowered.

これら実施例4〜7における錫ブロック側破断面、及びニッケルブロック側破断面をマクロ的に観察した写真図を図9に示す。
図9Aは接合温度が120℃(実施例4)におけるニッケルブロック側の破断面であり、図9Bは、錫ブロック側の破断面である。
また、図9Cは、接合温度が130℃(実施例5)におけるニッケルブロック側の破断面であり、図9Dは錫ブロック側の破断面である。
また、図9Eは、接合温度が140℃(実施例6)におけるニッケルブロック側の破断面であり、図9Fは錫ブロック側の破断面である。
また、図9Gは、接合温度が150℃(実施例7)におけるニッケルブロック側の破断面であり、図9Hは錫ブロック側の破断面である。
The photograph figure which observed the tin block side fracture surface in these Examples 4-7 and the nickel block side fracture surface macroscopically is shown in FIG.
FIG. 9A is a fracture surface on the nickel block side at a bonding temperature of 120 ° C. (Example 4), and FIG. 9B is a fracture surface on the tin block side.
FIG. 9C is a fracture surface on the nickel block side at a bonding temperature of 130 ° C. (Example 5), and FIG. 9D is a fracture surface on the tin block side.
FIG. 9E is a fracture surface on the nickel block side at a bonding temperature of 140 ° C. (Example 6), and FIG. 9F is a fracture surface on the tin block side.
9G is a fracture surface on the nickel block side at a bonding temperature of 150 ° C. (Example 7), and FIG. 9H is a fracture surface on the tin block side.

図8において示したように、接合温度が120℃の場合には継手強度比が零となり、全く接合されていなかった。このため図9A,Bに示すように、接合面には何の変化も生じていない。   As shown in FIG. 8, when the joining temperature was 120 ° C., the joint strength ratio was zero, and the joint was not joined at all. For this reason, as shown in FIGS. 9A and 9B, no change occurs on the joint surface.

また、接合温度が130℃の場合である図9C,Dにおいても、破断面の変形はあまり見られず、接合界面における界面破断が起きていることがわかる。このため、図8に示したように継手強度比が80強程度の値となっている。   Also, in FIGS. 9C and 9D where the joining temperature is 130 ° C., the fracture surface is hardly deformed, and it can be seen that interface fracture occurs at the joining interface. For this reason, as shown in FIG. 8, the joint strength ratio has a value of about 80.

接合温度が140℃の場合である図9E,Fでは、錫ブロックが引き伸ばされて母材破断を生じ、断面収縮をともなった延性的な破断面を示している。ただし、図9Eのニッケル側の破断面では、図中右下の領域においてニッケルブロック表面が露出しており、ここでは界面破断が生じている。このため、継手強度比は高い値を示すものの、100には至っていない。   In FIGS. 9E and F, which are cases where the joining temperature is 140 ° C., the ductile fracture surface with the shrinkage of the cross section is shown with the base material being fractured by stretching the tin block. However, in the fracture surface on the nickel side in FIG. 9E, the nickel block surface is exposed in the lower right region in the figure, and here, interface fracture occurs. For this reason, although the joint strength ratio shows a high value, it does not reach 100.

また、接合温度が150℃の場合には、図9G,Hに示すように、ニッケル側の接合面全面に錫が残されたまま、断面収縮をともなって延性的に破断しており、錫ブロックの完全な母材破断が生じている。   In addition, when the bonding temperature is 150 ° C., as shown in FIGS. 9G and 9H, the tin remains on the entire bonding surface on the nickel side, and the duct is fractured ductilely with cross-sectional shrinkage. Complete base material breakage of

これに対して、蟻酸処理を行わなかった比較例5,7〜9の破断面を撮影した写真図を図10に示す。
図10Aは、接合温度が180℃(比較例5)におけるニッケルブロック側の破断面であり、図10Bは、錫側の破断面である。
また、図10Cは、接合温度が200℃(比較例7)におけるニッケルブロック側の破断面であり、図10Dは、錫側の破断面である。
また、図10Eは、接合温度が210℃(比較例8)におけるニッケルブロック側の破断面であり、図10Fは、錫ブロック側の破断面である。
また、図10Gは、接合温度が220℃(比較例9)におけるニッケルブロック側の破断面であり、図10Hは、錫ブロック側の破断面である。
On the other hand, the photograph figure which image | photographed the fracture surface of the comparative examples 5 and 7-9 which did not perform formic acid processing is shown in FIG.
FIG. 10A is a fracture surface on the nickel block side at a bonding temperature of 180 ° C. (Comparative Example 5), and FIG. 10B is a fracture surface on the tin side.
10C is a fracture surface on the nickel block side at a bonding temperature of 200 ° C. (Comparative Example 7), and FIG. 10D is a fracture surface on the tin side.
10E is a fracture surface on the nickel block side at a bonding temperature of 210 ° C. (Comparative Example 8), and FIG. 10F is a fracture surface on the tin block side.
FIG. 10G is a fracture surface on the nickel block side at a bonding temperature of 220 ° C. (Comparative Example 9), and FIG. 10H is a fracture surface on the tin block side.

接合温度が180℃〜210℃の場合には、図10A〜Fに示すように破断面に大きな変形は生じず、接合面での界面破断が起きている。このため、図8に示したように継手強度比の値は低いものとなっている。
一方、接合温度が220℃の場合には、図10Gに示す破断面の左側の領域においてニッケルブロック表面が露出している。また、右側の領域では、延性的に母材破断した錫ブロックの一部が残存しており、界面破断と母材破断とが混在した状態となっている。
When the joining temperature is 180 ° C. to 210 ° C., as shown in FIGS. 10A to F, no major deformation occurs on the fracture surface, and interface fracture occurs at the joining surface. For this reason, as shown in FIG. 8, the value of the joint strength ratio is low.
On the other hand, when the bonding temperature is 220 ° C., the nickel block surface is exposed in the left region of the fracture surface shown in FIG. 10G. Further, in the right region, a part of the tin block that has been fractured in the base material remains, and the interface fracture and the base material fracture are mixed.

界面破断が生じているにもかかわらず、図8において示したように継手強度比が100となったのは、錫ブロックがニッケルブロックの塑性変形による拘束を強く受けたためであると考えられる。
すなわち、接合の際に接合面が塑性変形し、外周部にバリとして押し出された結果、ニッケルブロックは錫ブロックを拘束するようになる。また、塑性変形量は、接合温度の上昇とともに増加するため、このような高い引張強さを示したものと考えられる。
Although the interface fracture has occurred, the joint strength ratio becomes 100 as shown in FIG. 8 because the tin block is strongly restrained by the plastic deformation of the nickel block.
That is, as a result of the plastic deformation of the joining surface during the joining and the extrusion of the joining surface as burrs, the nickel block restrains the tin block. In addition, since the amount of plastic deformation increases as the joining temperature increases, it is considered that such high tensile strength was exhibited.

このように、ニッケルと錫を接合する場合においても、接合面を蟻酸によって処理することにより、従来よりも大幅に低い温度で接合を行うことができる。
これは、銅と錫の接合の場合と同様、蟻酸によって酸化錫から置換された蟻酸錫は、低い接合温度で凝集、粗大化して分布密度が低下するため、真実接合面積を増大させることができるからである。
また、この作用は、表面に酸化錫が形成されている金属に対して得られる。したがって、少なくとも一方が錫を含有する金属であれば、蟻酸による表面改質を行うことで効果的に接合温度を下げることができる。
As described above, even when nickel and tin are joined, the joining surfaces can be treated with formic acid so that the joining can be performed at a temperature significantly lower than that of the prior art.
This is because, as in the case of joining copper and tin, tin formate substituted from tin oxide by formic acid aggregates and coarsens at a low joining temperature and decreases the distribution density, so that the true joining area can be increased. Because.
Moreover, this effect | action is acquired with respect to the metal by which the tin oxide is formed in the surface. Therefore, if at least one of the metals contains tin, the bonding temperature can be effectively lowered by performing surface modification with formic acid.

次に、クエン酸によって錫ブロックと銅ブロック表面の改質を行った実施例8の結果を図11に示す。
横軸は接合温度であり、縦軸は継手強度比である。また、シンボルeは、クエン酸による改質を行った実施例8の結果であり、またシンボルfは、改質を行わず、そのまま接合した比較例1〜4の結果である。
Next, the result of Example 8 which modified the surface of the tin block and the copper block with citric acid is shown in FIG.
The horizontal axis is the bonding temperature, and the vertical axis is the joint strength ratio. Symbol e is the result of Example 8 in which modification with citric acid was performed, and symbol f is the result of Comparative Examples 1 to 4 that were joined without modification.

シンボルfに示すように、改質を行わずに接合を行う場合には、190℃の接合温度にて錫の母材破断が生じている。これに対して、クエン酸による表面改質を行ったシンボルeでは、140℃の接合温度にて継手強度比が100となり、錫ブロックの母材破断が生じているのがわかる。すなわち、クエン酸による表面改質を行う場合には、従来より50℃も低い温度で接合することができる。   As shown by the symbol f, in the case where bonding is performed without modification, the base material of tin is broken at a bonding temperature of 190 ° C. On the other hand, in the symbol “e” subjected to the surface modification with citric acid, the joint strength ratio becomes 100 at the joining temperature of 140 ° C., and it can be seen that the base material fracture of the tin block occurs. That is, when surface modification with citric acid is performed, bonding can be performed at a temperature lower by 50 ° C. than in the past.

このように、煮沸したクエン酸溶液中に金属の接合表面を浸漬することによっても、接合温度を大幅下げることが可能である。金属を煮沸したクエン酸溶液中に浸漬することにより、金属表面の酸化物が除去され、クエン酸化合物に置換される。このクエン酸化合物も、酸化錫より低い温度で凝集、粗大化して真実接合面積が増加するため、従来よりも低い温度での接合が可能になると考えられる。
また、クエン酸を含有する蒸気中に金属の接合面を暴露することによっても、表面の改質を行うことができる。
In this way, the joining temperature can be significantly lowered by immersing the metal joining surface in the boiled citric acid solution. By immersing the metal in a boiling citric acid solution, the metal surface oxide is removed and replaced with a citric acid compound. Since this citric acid compound also aggregates and coarsens at a lower temperature than tin oxide and increases the actual bonding area, it is considered that bonding at a lower temperature than before is possible.
The surface can also be modified by exposing the metal bonding surface to steam containing citric acid.

また、図12は、錫ブロックとニッケルブロックに対してクエン酸による表面改質を行った実施例9の結果である。
横軸は、接合温度であり、縦軸は、破断が生じた時の引張強さである。
また、シンボルgは、クエン酸による表面改質を行った場合の実施例9の結果であり、シンボルhは、改質を行わないで接合を行った比較例5〜8の結果である。
FIG. 12 shows the results of Example 9 in which the tin block and the nickel block were subjected to surface modification with citric acid.
The horizontal axis is the bonding temperature, and the vertical axis is the tensile strength when breakage occurs.
Symbol g is the result of Example 9 when surface modification was performed with citric acid, and symbol h is the result of Comparative Examples 5 to 8 where bonding was performed without modification.

クエン酸による表面改質をせずに接合を行った場合には、シンボルhに示すように、接合温度が210℃において9MPaを少し超える接合強度が得られていることがわかる。これに対し、クエン酸による改質を行った場合であるシンボルgでは、170℃の接合温度においてすでに9MPa程度の接合強度が得られており、従来よりも40℃近く低い温度にて同等の強度が得られている。
このように、錫とニッケルを接合する場合においても、クエン酸による表面改質を行うことにより、従来よりも低い温度で同等の強度を得ることが可能である。
It can be seen that when bonding is performed without surface modification with citric acid, a bonding strength slightly exceeding 9 MPa is obtained at a bonding temperature of 210 ° C. as indicated by symbol h. On the other hand, in symbol g, which is a case where the modification with citric acid is performed, a bonding strength of about 9 MPa has already been obtained at a bonding temperature of 170 ° C., and an equivalent strength is obtained at a temperature lower by about 40 ° C. than conventional. Is obtained.
Thus, even when tin and nickel are joined, it is possible to obtain the same strength at a lower temperature than before by performing surface modification with citric acid.

以上の説明のように、本発明によれば、蟻酸やクエン酸によって表面改質を行うことで、金属の接合温度を大幅に下げることが可能である。
したがって、例えば図13Aに示すように、実装基板12上にロジックIC等のチップ14,15,16,17を多層積載する場合において有効に適用できる。例えば、基板側の電極13もしくはチップ側の電極11の少なくとも一方を錫を含有する材料により形成し、本発明による方法で接合を行っていく。これにより、低い温度かつ低荷重での接合が可能になるため、チップを多層積層する場合においても各チップにダメージを与えることなく実装することができる。
また、当然のことながら、図13Bに示すように、実装基板22上にICチップ24等を電極25によって接続する通常の表面実装においても、本発明を好適に用いることができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to significantly reduce the metal bonding temperature by performing surface modification with formic acid or citric acid.
Therefore, for example, as shown in FIG. 13A, the present invention can be effectively applied in the case where chips 14, 15, 16, and 17 such as logic ICs are stacked on the mounting substrate 12. For example, at least one of the substrate-side electrode 13 and the chip-side electrode 11 is formed of a material containing tin, and bonding is performed by the method according to the present invention. As a result, since bonding at a low temperature and a low load becomes possible, even when chips are stacked in multiple layers, they can be mounted without damaging each chip.
Of course, as shown in FIG. 13B, the present invention can also be suitably used in normal surface mounting in which the IC chip 24 and the like are connected to the mounting substrate 22 by the electrode 25.

また、上述のような点接続の点状体だけでなく、面での接続を行う面状体や、線での接続を行う線状体に適用してもよい。例えば、図14に示すように、放熱銅板32上にパワーモジュール等の電子部品34を実装する時には、例えばその接合部35を錫を含有する金属によって形成する。そして本発明により表面改質をして放熱銅版32に接合することにより、電子部品への熱負荷を低減しながらも強固に実装できる。   Moreover, you may apply to the planar body which connects not only the above-mentioned dot connection of the point connection but a plane, and the connection which connects by a line. For example, as shown in FIG. 14, when an electronic component 34 such as a power module is mounted on the heat radiating copper plate 32, for example, the joint portion 35 is formed of a metal containing tin. And by surface-modifying by this invention and joining to the thermal radiation copper plate 32, it can mount firmly, reducing the thermal load to an electronic component.

また、図15に示すように、集積回路等の電子部品47を下部容器42及び上部蓋44によって封止し、このパッケージを外部電極46によって図示しない基板等に実装する場合にも適用してよい。
この場合には、例えば下部容器42と上部蓋44との接合部45を錫を含有する金属によって形成し、例えば蟻酸やクエン酸による表面改質を行った後に上部蓋44を被せて接合する。これにより、低温かつ強固な接合が可能となり、電子部品47に与える熱負荷を低減したパッケージングを行うことができる。
Further, as shown in FIG. 15, the electronic component 47 such as an integrated circuit may be sealed with a lower container 42 and an upper lid 44, and this package may be applied to a substrate or the like (not shown) with an external electrode 46. .
In this case, for example, the joint 45 between the lower container 42 and the upper lid 44 is formed of a metal containing tin, and after surface modification with, for example, formic acid or citric acid, the upper lid 44 is put on and joined. Thereby, low-temperature and strong bonding is possible, and packaging with reduced heat load applied to the electronic component 47 can be performed.

以上、本発明による金属の接合方法の実施の形態及び実施例、評価結果について説明した。本発明は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、なお考えられる種々の形態を含むものであることは言うまでもない。   In the above, embodiment of the metal joining method by the present invention, an example, and an evaluation result were explained. The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that the present invention includes various conceivable forms without departing from the gist of the present invention described in the claims.

51・・・チップ電極、2,12,22,52,62,72,92・・・実装基板、3・・・金属電極、11,13,25・・・電極、14,15,16,17・・・チップ、24・・・ICチップ、32・・・放熱銅板、35,45・・・接合部、42・・・下部容器、44・・・上部蓋、46・・・外部電極、53・・・基板電極、4,34,47,54,64,74,84,94,97・・・電子部品、55・・・接続部、65,75・・・金属バンプ、82,96・・・基板、85・・・異方性樹脂導電膜、95,98・・・はんだバンプ   51... Chip electrode, 2, 12, 22, 52, 62, 72, 92... Mounting board, 3... Metal electrode, 11, 13, 25. ... Chip, 24 ... IC chip, 32 ... Heat dissipating copper plate, 35, 45 ... Joint portion, 42 ... Lower container, 44 ... Upper lid, 46 ... External electrode, 53 ... Substrate electrodes, 4,34,47,54,64,74,84,94,97 ... Electronic components, 55 ... Connection parts, 65,75 ... Metal bumps, 82, 96・ Board, 85... Anisotropic resin conductive film, 95, 98... Solder bump

Claims (3)

少なくとも一方に錫を含む金属部材同士の表面を、蟻酸またはクエン酸溶液中において煮沸するステップと、
前記煮沸された前記金属部材の表面同士をつき合わせ、加熱及び加圧するステップと、
を含む
金属部材の接合方法。
Boiling the surfaces of metal members containing tin in at least one in a formic acid or citric acid solution;
Bringing together the surfaces of the boiled metal members, heating and pressurizing;
A method for joining metal members.
さらに、前記金属部材の煮沸後に、金属部材表面を洗浄するステップを含む請求項1に記載の金属部材の接合方法。   The method for joining metal members according to claim 1, further comprising a step of cleaning the surface of the metal member after boiling the metal member. さらに、前記金属部材表面を乾燥するステップを含む請求項1又は2に記載の金属部材の接合方法。   The method for joining metal members according to claim 1, further comprising a step of drying the surface of the metal member.
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