JP5664664B2 - 接合方法、電子装置の製造方法、および電子部品 - Google Patents

接合方法、電子装置の製造方法、および電子部品 Download PDF

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Description

本発明は、接合方法、電子装置の製造方法、および電子部品に関し、詳しくは、例えば、電子部品などを実装する場合などに用いられる接合方法、電子装置の製造方法、および電子部品に関する。
電子部品の実装の際には、はんだ（ソルダペースト）を用いた接合方法が広く用いられている。
ところで、従来から広く用いられてきたＳｎ−Ｐｂ系はんだにおいては、高温系はんだとして、例えばＰｂリッチのＰｂ−５Ｓｎ（融点：３１４〜３１０℃）、Ｐｂ−１０Ｓｎ（融点：３０２〜２７５℃）などを用いて３３０〜３５０℃の温度ではんだ付けし、その後、例えば、低温系はんだのＳｎ−３７Ｐｂ共晶（１８３℃）などを用いて、上記の高温系はんだの融点以下の温度ではんだ付けすることにより、先のはんだ付けに用いた高温系はんだを溶融させることなく、はんだ付けによる接続を行う温度階層接続の方法が広く適用されている。
このような温度階層接続は、例えば、チップをダイボンドするタイプの半導体装置や、フリップチップ接続するタイプの半導体装置などに適用されており、半導体装置の内部ではんだ付けによる接続を行った後、さらに、該半導体装置自体をはんだ付けにより基板に接続するような場合に用いられる重要な技術である。
この用途に用いられるソルダペーストとして、例えば、(ａ)Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇなどの第２金属またはそれらを含む高融点合金からなる第２金属（または合金）ボールと、(ｂ)ＳｎまたはＩｎからなる第１金属ボール、の混合体を含むはんだペーストが提案されている（特許文献１参照）。
また、この特許文献１には、はんだペーストを用いた接合方法や、電子機器の製造方法が開示されている。
この特許文献１のはんだペーストを用いてはんだ付けを行った場合、図２(ａ)に模式的に示すように、低融点金属（例えばＳｎ）ボール５１と、高融点金属（例えばＣｕ）ボール５２と、フラックス５３とを含むはんだペーストが、加熱されて反応し、はんだ付け後に、図２(ｂ)に示すように、複数個の高融点金属ボール５２が、低融点金属ボールに由来する低融点金属と、高融点金属ボールに由来する高融点金属との間に形成される金属間化合物５４を介して連結され、この連結体により接合対象物が接続・連結される（はんだ付けされる）ことになる。
しかしながら、この特許文献１のはんだペーストを用いた接合方法の場合、はんだ付け工程ではんだペーストを加熱することにより、高融点金属（例えばＣｕ）と低融点金属（例えばＳｎ）との金属間化合物を生成させるようにしているが、Ｃｕ（高融点金属）とＳｎ（低融点金属）との組み合わせでは、その拡散速度が遅いため，低融点金属であるＳｎが残留する。そして、Ｓｎが残留していると、高温下での接合強度が大幅に低下して、接合すべき製品の種類によっては使用することができなくなる場合がある。また、はんだ付けの工程で残留したＳｎは、その後のはんだ付け工程で溶融して流れ出すおそれがあり、温度階層接続に用いられる高温はんだとしては信頼性が低いという問題点がある。
すなわち、例えば半導体装置の製造工程において、はんだ付けを行う工程を経て半導体装置を製造した後、その半導体装置を、リフローはんだ付けの方法で基板に実装しようとした場合、半導体装置の製造工程におけるはんだ付けの工程で残留したＳｎが、リフローはんだ付けの工程で溶融して流れ出してしまうおそれがある。
また、Ｓｎが残留しないように、低融点金属を完全に金属間化合物にするためには、はんだ付け工程において、高温かつ長時間の加熱が必要となるが、生産性との兼ね合いもあり、実用上不可能であるのが実情である。
さらに、特許文献１のはんだペーストを用いた場合、図３に示すように、リフロー後の接合対象物６１，６２と接合材料（はんだ）６３との界面に、例えば、Ｃｕ3ＳｎやＣｕ6Ｓｎ5といった金属間化合物６４が層状に形成される。このような層状の金属間化合物６４が形成されると、界面に応力が集中するためクラックの発生等により界面の接合強度が低下する。
特開２００２−２５４１９４号公報
本発明は、上記課題を解決するものであり、十分な接合強度を確保しつつ、第１金属部材と第２金属部材を接合することが可能で、かつ、温度階層接続における再リフローなどの段階での接合材料の流れ出しを抑制、防止することが可能な接合方法、電子装置の製造方法、電子部品を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の接合方法は、
少なくとも表面が第１金属からなる第１金属部材と、少なくとも表面が第２金属からなる第２金属部材とを、前記第１金属および／または前記第２金属よりも融点の低い低融点金属を主たる成分とする接合材料を介して接合するための接合方法であって、
前記接合材料を構成する前記低融点金属を、ＳｎまたはＳｎを７０重量％以上含む合金とし、
前記第１金属および前記第２金属の少なくとも一方を、前記接合材料を構成する前記低融点金属との間に金属間化合物を生成する金属または合金であって、前記第１金属および前記第２金属の少なくとも一方の表面に生成する金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属または合金とし、かつ、
前記第１金属部材と第２金属部材との間に前記接合材料を配置した状態で、前記接合材料を構成する前記低融点金属が溶融する温度で熱処理し、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを前記接合材料を介して接合する熱処理工程を備えていること
を特徴としている。
また、本発明の接合方法においては、前記低融点金属がＳｎまたはＳｎを８５重量％以上含む合金であることが好ましい。
また、本発明の接合方法においては、(ａ)前記接合材料を構成する前記低融点金属と、(ｂ)前記第１金属および前記第２金属のうちの前記格子定数差が５０％以上のものとの合計量に対する、後者の割合が３０体積％以上の状態で、前記熱処理工程を実施することが好ましい。
また、本発明の接合方法においては、前記接合材料を構成する前記低融点金属が、
Ｓｎ単体、または、
Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓｂ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｐｄ，Ｓｉ，Ｓｒ，Ｔｅ，Ｐからなる群より選ばれる少なくとも１種と、Ｓｎとを含む合金
であることが好ましい。
また、前記第１金属および前記第２金属の少なくとも一方が、Ｃｕ−Ｍｎ合金またはＣｕ−Ｎｉ合金であることが好ましい。
また、前記第１金属および前記第２金属の少なくとも一方が、Ｍｎを５〜３０重量％の割合で含有するＣｕ−Ｍｎ合金、または、Ｎｉを５〜３０重量％の割合で含有するＣｕ−Ｎｉ合金であることが好ましく、特に、Ｍｎを１０〜１５重量％の割合で含有するＣｕ−Ｍｎ合金、または、Ｎｉを１０〜１５重量％の割合で含有するＣｕ−Ｎｉ合金であることが好ましい。
また、本発明の電子装置の製造方法は、
少なくとも表面が第１金属からなる第１金属部材と、少なくとも表面が第２金属からなる第２金属部材とを備えた電子装置の製造方法であって、
前記第１金属部材と、前記第２金属部材とを請求項１〜６のいずれかに記載の接合方法により接合する工程を備えていること
を特徴としている。
また、本発明の電子部品は、ＳｎまたはＳｎを７０重量％以上含む合金からなる低融点金属を含む接合材料による接合に供される電極を備えた電子部品であって、前記接合材料に接する前記電極の表面が、前記低融点金属との間に金属間化合物を生成する金属または合金であって、前記低融点金属との反応により前記電極の表面に生成する金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属または合金によって形成されていることを特徴としている。
また、本発明の電子部品は、前記接合材料に接する前記電極の表面が、Ｃｕ−Ｍｎ合金またはＣｕ−Ｎｉ合金によって形成されていることが好ましい。
特に、Ｃｕ−Ｍｎ合金またはＣｕ−Ｎｉ合金は、Ｍｎを５〜３０重量％の割合で含有するＣｕ−Ｍｎ合金、または、Ｎｉを５〜３０重量％の割合で含有するＣｕ−Ｎｉ合金であることが好ましく、さらに好ましくは、Ｍｎを１０〜１５重量％の割合で含有するＣｕ−Ｍｎ合金、または、Ｎｉを１０〜１５重量％の割合で含有するＣｕ−Ｎｉ合金である。
本発明の接合方法は、少なくとも表面が第１金属からなる第１金属部材と、少なくとも表面が第２金属からなる第２金属部材とを、第１金属および／または第２金属よりも融点の低い低融点金属を主たる成分とする接合材料を介して接合するにあたり、接合材料を構成する低融点金属を、ＳｎまたはＳｎを７０重量％以上含む合金とし、第１金属および第２金属の少なくとも一方を、接合材料を構成する低融点金属との間に金属間化合物を生成する金属または合金であって、第１金属および第２金属の少なくとも一方の表面に生成する金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属または合金としているので、本発明の方法で接合することにより得られる接合体を再リフローした場合にも、接合材料が再溶融することを抑制、防止して、接合強度、耐衝撃性を向上させることが可能になる。
すなわち、本発明によれば、第１金属および第２金属の少なくとも一方に、低融点金属との間に金属間化合物を生成する金属または合金であって、第１金属および第２金属の少なくとも一方の表面に生成する金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属または合金を用いているので、第１金属および／または第２金属の低融点金属への相互拡散が飛躍的に進行し、より高融点の金属間化合物への変化が促進されるため、耐熱強度が大きく、かつ、十分な接合強度、耐衝撃性を備えた接合を行うことが可能になる。
なお、本発明において「格子定数差」とは、第１金属または第２金属と、低融点金属との金属間化合物の格子定数から、第１金属または第２金属の格子定数を差し引いた値を、第１金属または第２金属の格子定数で除した数値の絶対値を１００倍した数値（％）と定義される。
すなわち、この格子定数差は、第１金属および／または第２金属との界面に新たに生成する金属間化合物の格子定数が、第１金属および／または第２金属の格子定数に対してどれだけ差があるかを示すものであり、いずれの格子定数が大きいかを問わないものである。
なお、格子定数差は、下記の式(１)で表される。
格子定数差（％）＝｛(金属間化合物の格子定数−第１金属または第２金属の格子定数)／第１金属または第２金属の格子定数｝×１００ ……(１)
また、本発明の接合方法において、第１金属部材と第２金属部材との間に接合材料を配置した状態で、接合材料を構成する低融点金属が溶融する温度で熱処理することにより、第１金属部材と第２金属部材の接合が行われるが、このような接合（熱処理）が行われる具体的な状態としては、例えば、
１)第１金属および第２金属が、互いに接合させるべき第１金属部材（電極本体）と第２金属部材（電極本体）を構成する金属材料であって、そのうちの少なくとも一方が、上記金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属材料であり、低融点金属がソルダペーストや板状はんだなどとして、第１金属部材と第２金属部材の間に供給されている状態や、
２)第１金属および第２金属が、互いに接合させようとしている第１金属部材（電極本体）と第２金属部材（電極本体）の表面に形成されためっき膜を構成する金属材料であって、そのうちの少なくとも一方が、上記金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属材料であり、低融点金属がソルダペーストや板状はんだなどとして、めっき膜を備えた第１金属部材と第２金属部材の表面間に供給されている状態
などが挙げられる。
また、本発明の接合方法において、(ａ)接合材料を構成する低融点金属と、(ｂ)第１金属および第２金属のうちの上記格子定数差が５０％以上のものとの合計量に対する、後者の割合が３０体積％以上の状態で、熱処理工程を実施することにより、第１金属と第２金属のうち格子定数差が５０％以上であるものの、接合材料を構成する低融点材料への拡散が十分に進行して、より高融点の金属間化合物への変化が促進され、低融点金属成分がほとんど残留しなくなるため、さらに耐熱強度の大きい接合を行うことが可能になる。
また、「……後者の割合が３０体積％以上である状態」とは、例えば、第１金属および第２金属がいずれも、上記格子定数差が５０％以上のものである場合、下記の式(２)で表される状態をいう。
［（第１金属＋第２金属）／｛低融点金属＋（第１金属＋第２金属）｝］×１００≧３０(体積％)…… (２)
また、本発明の接合方法においては、接合材料を構成する低融点金属が、Ｓｎ単体であるか、または、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｓｂ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｇｅ，Ａｌ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｐｄ，Ｓｉ，Ｓｒ，Ｔｅ，Ｐからなる群より選ばれる少なくとも１種と、Ｓｎとを含む合金である場合、格子定数差が５０％以上である第１金属および第２金属の少なくとも一方との間で金属間化合物を形成しやすくすることが可能になる。
また、第１金属および第２金属の少なくとも一方を、Ｃｕ−Ｍｎ合金またはＣｕ−Ｎｉ合金とした場合、より低温、短時間で、低融点金属との金属間化合物を生成させることが可能になり、その後のリフロー工程でも溶融しないようにすることが可能になる。
また、前記第１金属および前記第２金属の少なくとも一方を、Ｍｎを３〜３０重量％の割合で含有するＣｕ−Ｍｎ合金、特に、Ｍｎを１０〜１５重量％の割合で含有するＣｕ−Ｍｎ合金、または、Ｎｉを５〜３０重量％の割合で含有するＣｕ−Ｎｉ合金、特に、Ｎｉを１０〜１５重量％の割合で含有するＣｕ−Ｎｉ合金とすることにより、さらに確実に、低温、短時間で、低融点金属との金属間化合物を生成させることが可能になり、本発明をさらに実効あらしめることができる。
また、少なくとも表面が第１金属からなる第１金属部材と、少なくとも表面が第２金属からなる第２金属部材とを備えた電子装置を製造するにあたって、第１金属部材と第２金属部材とを、上述の接合方法（請求項１〜６のいずれかに記載の接合方法）により接合することにより、第１金属部材と、第２金属部材とが、接合材料を介して確実に接合された信頼性の高い電子装置を効率よく製造することができる。
また、本発明の電子部品は、ＳｎまたはＳｎを７０重量％以上含む合金からなる低融点金属を含む接合材料による接合に供される電極を備えた電子部品であって、接合材料に接する電極の表面が、低融点金属との間に金属間化合物を生成する金属または合金であって、前記低融点金属との反応により電極の表面に生成する金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属または合金によって形成されているので、本発明の接合方法に供するのに適した電子部品を提供することができる。
本発明の実施例にかかる接合方法に接合を行う場合の挙動を模式的に示す図であり、(ａ)は加熱前の状態を示す図、(ｂ)は加熱が開始され、接合材料が溶融した状態を示す図、(ｃ)はさらに加熱が継続され、接合材料を構成する低融点金属と、第１金属部材および第２金属部材の少なくとも一方との間の金属間化合物が形成された状態を示す図である。 従来のはんだペーストを用いてはんだ付けを行う場合の、はんだの挙動を示す図であり、(ａ)は加熱前の状態を示す図、(ｂ)ははんだ付け工程終了後の状態を示す図である。 従来のはんだペーストを用いて接合を行った場合の、界面に層状の金属間化合物層が形成された接合構造を示す図である。
以下に本発明の実施例を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
この実施例では、図１(ａ)〜(ｃ)に示すように、第１金属からなる第１金属部材１１ａと、第２金属からなる第２金属部材１１ｂとを、第１金属および第２金属よりも融点の低い低融点金属を主たる成分とする接合材料１０を用いて接合した。
この実施例においては、接合材料を構成する低融点金属として、表１Ａ，表１Ｂに示すように、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ，Ｓｎ，Ｓｎ−３．５Ａｇ，Ｓｎ−０．７５Ｃｕ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ，Ｓｎ−５Ｓｂ，Ｓｎ−２Ａｇ−０．５Ｃｕ−２Ｂｉ，Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ａｇ，Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８Ｉｎ，Ｓｎ−９Ｚｎ，Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ，Ｓｎ−１０Ｂｉ，Ｓｎ−２０Ｂｉ，Ｓｎ−３０Ｂｉ，Ｓｎ−４０Ｂｉを使用した。
なお、上記の接合材料を構成する低融点金属の表記において、例えば、「Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ」は、低融点金属材料が、Ａｇを３重量％、Ｃｕを０．５重量％含有し、残部をＳｎとする合金(Ｓｎ合金)であることを示している。よって、上記の低融点材料のうち、Ｓｎ−４０Ｂｉは「ＳｎまたはＳｎを７０重量％以上含む合金」という本発明の要件を満たさない比較例のものである。
また、第１金属部材および第２金属部材としては、表１Ａ、表１Ｂに示すように、Ｃｕ−１０Ｎｉ，Ｃｕ−１０Ｍｎ，Ｃｕ−１２Ｍｎ−４Ｎｉ，Ｃｕ−１０Ｍｎ−１Ｐ，Ｃｕ，Ｃｕ−１０Ｚｎからなるものを用いた。
また、表１Ｂの試料番号１６，１７では、第１金属材料と第２金属材料において互いに異なる材料を用いている。すなわち、試料番号１６では、第１金属材料（上側金属材料）にＣｕ−１０Ｎｉ、第２金属部材（下側金属部材）にＣｕ−１０Ｍｎを用い、試料番号１７では、第１金属部材（上側金属部材）にＣｕ，第２金属部材（下側金属部材）にＣｕ−１０Ｍｎを用いた。
なお、この実施例では、上述のような第１金属部材と第２金属部材を、低融点金属を主たる成分とする接合材料により接合するにあたって、板状に成形された接合材料を、第１金属部材と第２金属部材の間に配置し、荷重をかけながら、２５０℃、３０分の条件でリフローすることにより、第１金属部材と第２金属部材とを接合した。
ここで、図１(ａ)〜(ｃ)を参照しつつ、この実施例における接合方法を説明すると以下のようになる。
まず、図１(ａ)に示すように、第１金属部材１１ａ、第２金属部材１１ｂの間に板状に成形された接合材料１０を位置させる。
次に、この状態で、荷重をかけながら、２５０℃、１５分の条件でリフローし、図１(ｂ)に示すように、接合材料１０を構成する低融点金属（ＳｎまたはＳｎ合金）を溶融させる。そして、さらに所定時間（１５分間）、加熱を続ける（すなわち、２５０℃、３０分の条件でリフローする）ことにより、接合材料１０を構成する低融点金属を溶融させるとともに、低融点金属と、第１金属部材１１ａ、第２金属部材１１ｂを構成する第１金属および／または第２金属とを反応させて金属間化合物１２（図１(ｃ)）を生成させる。
これにより、リフロー後に凝固した、金属間化合物を含む接合材料により、第１金属部材と第２金属部材とが接合された接合体が得られる。
なお、本発明の接合方法によれば、接合材料中に、Ｃｕ−Ｍ−Ｓｎ（Ｍはニッケルおよび／またはＭｎ）金属間化合物が分散して存在することが確認されている。
[特性の評価]
上述のようにして得た接合体を試料として、以下の方法で特性を測定し、評価した。
≪接合強度≫
接合強度については、得られた接合体のシアー強度を、ボンディングテスタを用いて測定し、評価した。
シアー強度の測定は、横押し速度：０．１ｍｍ・ｓ-1、室温および２６０℃の条件下で行った。
そして、シアー強度が２０Ｎｍｍ-2以上のものを◎（優）、２Ｎｍｍ-2以下のものを×（不可）と評価した。
表１Ａ、表１Ｂに、各試料について調べた接合強度（室温、２６０℃）と評価結果を併せて示す。
≪残留成分評価≫
リフロー後に凝固した、金属間化合物を含む接合材料（反応生成物）を約７ｍｇ切り取り、測定温度３０℃〜３００℃、昇温速度５℃／ｍｉｎ、Ｎ2雰囲気、リファレンスＡｌ2Ｏ3の条件で示差走査熱量測定（ＤＳＣ測定）を行った。得られたＤＳＣチャートの低融点金属成分の溶融温度における溶融吸熱ピークの吸熱量から、残留した低融点金属成分量を定量化し、残留低融点金属含有率（体積％）を求めた。そして、残留低融点金属含有率が０〜３体積％の場合を◎（優）、３体積％を超え、３０体積％以下の場合を○（良）、３０体積％より大きい場合を×（不可）と評価した。
表１Ａ、表１Ｂに、残留低融点金属含有率と評価結果を併せて示す。
≪流れ出し不良率≫
得られた接合体をエポキシ樹脂で封止して相対湿度８５％の環境に放置し、ピーク温度２６０℃のリフロー条件で加熱して、接合材料が再溶融して流れ出す、流れ出し不良の発生割合を調べた。そして、その結果から流れ出し不良発生率を求め、評価した。
接合材料の流れ出し不良率が０〜１０％の場合を◎（優）、１０％を超え、５０％以下の場合は○（良）、５０％より大きい場合を×（不可）と評価した。
表１Ａ、表１Ｂに、流れ出し不良発生率と評価結果を併せて示す。
≪熱衝撃試験後のクラック有無，接合強度≫
得られた接合体（試料）を、−４０℃／８５℃のそれぞれの温度条件で各３０分間保持するサイクルを１０００回行った後の各試料について、クラック発生状態を観察した。そして、クラック発生の有無を評価した。
また、熱衝撃試験後の各試料について、接合強度を、上記と同様に評価した。そして、シアー強度が２０Ｎｍｍ-2以上のものを◎（優）、１０Ｎｍｍ-2以上、２０Ｎｍｍ-2より小さいものを○（良）、１０Ｎｍｍ-2より小さいものを×（不可）と評価した。
表１Ａ，表１Ｂに、熱衝撃試験後のクラック有無，接合強度を併せて示す。なお、クラックの発生については、それ自体が問題というわけではなく、接合強度を低下させる要因となるために評価している。
また、表１Ａ，表１Ｂには、
・接合材料を構成する低融点金属の種類（組成）、
・第１金属部材と第２金属部材を構成する金属（第１金属および第２金属）の組成（表１Ａ、表１Ｂの試料番号１〜１５では第１金属および第２金属は同一金属、試料番号１６，１７では異種金属）とその格子定数、
・接合材料を構成する低融点金属と、第１および／または第２金属の反応により生成する金属間化合物の種類とその格子定数（この実施例において、格子定数はａ軸を基に評価している）、
・金属間化合物の格子定数と、第１および／または第２金属の格子定数の差である格子定数差、
・接合部中における、格子定数差が５０％以上の金属からなる第１金属部材および／または第２金属部材と、リフロー後に凝固して、第１金属部材と第２金属部材を接合している接合部（金属間化合物を含む接合材料）の界面に形成されるＣｕ3ＳｎおよびＣｕ6Ｓｎ5の層状の金属間化合物の有無
を併せて示す。
Figure 0005664664
Figure 0005664664
表１Ａ、表１Ｂに示すように、室温における接合強度については、試料番号１〜１７の本発明の要件を備えた実施例の試料と、試料番号１８〜２０の本発明の要件を備えていない比較例の試料ともに、２０Ｎｍｍ-2以上の接合強度を示し、実用強度を備えていることが確認された。
一方、２６０℃における接合強度についてみると、試料番号１８〜２０の比較例の試料では２Ｎｍｍ-2以下と接合強度が不十分であったのに対して、試料番号１〜１７の実施例の試料では１０Ｎｍｍ-2以上を保持しており、実用強度を備えていることが確認された。
また、残留低融点金属含有率（残留成分評価）については、試料番号１８〜２０の比較例の試料の場合には、残留低融点金属含有率が３０体積％より大きかったのに対して、試料番号１〜１７の実施例の試料の場合、いずれも残留低融点金属含有率が３０体積％以下にすることができ、特に低融点金属としてＳｎまたはＳｎを８５重量％以上含む合金を用いた試料番号１〜９，１１〜１７の実施例の試料の場合、いずれも残留低融点金属含有率が０体積％であることが確認された。
また、接合材料の流れ出し不良率については、試料番号１８〜２０の比較例の試料の場合、流れ出し不良率が７０％以上であったのに対して、試料番号１〜１７の実施例の試料では、流れ出し不良率がいずれも２０％以下であり、特に低融点金属としてＳｎまたはＳｎを８５重量％以上含む合金を用いた試料番号１〜９，１１〜１７の実施例の試料の場合、いずれも流れ出し不良率が０％と高い耐熱性を有していることが確認された。
また、試料番号１〜１７の実施例の試料においては、低融点金属の種類に関係なく同様の高耐熱性を備えていることが確認された。
また、本発明の要件を満たす試料番号１〜１７の実施例の試料には、
・試料番号１〜１５の試料のように、第１金属部材および第２金属部材を構成する金属が互いに同一金属であって、Ｃｕ−Ｍｎをベースとする金属（Ｃｕ−１２Ｍｎ−４ＮｉやＣｕ−１０Ｍｎ−１Ｐなど）である試料、
・試料番号１６のように、第１金属部材と第２金属部材が異なる金属からなり、そのいずれものが上述の格子定数差が５０％以上のものである試料、
・試料番号１７のように、第１金属部材と第２金属部材が異なる金属からなり、その一方が、上述の格子定数差が５０％未満である試料
が含まれているが、それらのいずれの場合にも、同様に高耐熱性を備えていることが確認された。
また、熱衝撃試験後における試料観察において、試料番号１８〜２０の比較例の試料では、１０００サイクル試験終了後にクラックの発生が認められた。なお、クラックは、主として、接合材料と第１および／または第２金属部材との界面に形成されているＣｕ3Ｓｎ層やＣｕ6Ｓｎ5層（金属間化合物層）の内部、金属間化合物層と第１および／または第２金属部材との界面、金属間化合物層と接合材料の界面に発生していた。
これに対し、試料番号１〜９，１１〜１６の実施例の試料では、上述のようなクラックの発生は認められなかった。一方、試料番号１０の実施例の試料では、低融点金属のＳｎ量が７０重量％であるため、最初に生成する金属間化合物はＣｕ2ＭｎＳｎであったものの、その拡散速度が遅い。そのため、接合材料と第１および／または第２金属部材との界面には、層状ではないものの、Ｃｕ6Ｓｎ5やＣｕ3Ｓｎといった金属間化合物が界面の一部に偏析していた。その結果、熱衝撃後には界面に微小なクラックが発生し、接合強度がやや低下した。
また、試料番号１８の実施例の試料では、第１金属としてＣｕを用いたため、接合材料と第１金属との界面に層状の金属間化合物が形成された。その結果、接合材料と第１金属との界面にのみクラックが発生し、接合強度がやや低下した。
その結果、耐熱衝撃性については、格子定数差などに関する本発明の要件を満たさない試料番号１８〜２０の比較例の試料では、熱衝撃試験後の接合強度がそれぞれ５Ｎｍｍ-2（試料番号１８）、７Ｎｍｍ-2（試料番号１９）、８Ｎｍｍ-2（試料番号２０）と低かったが、本発明の要件を満たす試料番号１〜１７の各試料においては、熱衝撃試験後の接合強度が比較例の場合に比べて、大幅に向上することが確認された。
詳しくは、試料番号１〜９，１１〜１６の各試料においては、熱衝撃試験後の接合強度が２０Ｎｍｍ-2以上であること、試料番号１０の試料（低融点金属のＳｎ量が７０重量％である試料）では、熱衝撃後の接合強度が１７Ｎｍｍ-2、試料番号１７の試料（第１金属部材（上側金属部材）がＣｕ，第２金属部材（下側金属部材）がＣｕ−１０Ｍｎである試料）では、熱衝撃試験後の接合強度が１５Ｎｍｍ-2と試料番号１〜９，１１〜１６の試料によりは低かったが、十分に実用可能なレベルであることが確認された。
なお、試料番号１７の試料の場合、第１金属部材を構成するＣｕは、上側の金属間化合物との格子定数差が５０％未満であるが、下側の第２金属部材を構成するＣｕ−１０Ｍｎは、金属間化合物との格子定数差が５０％を超える金属であることから、接合材料中の低融点金属であるＳｎまたはＳｎ合金との反応が速いため、Ｃｕ−１０Ｍｎ側（第２金属側）の金属間化合物生成が支配的になり、Ｃｕ側（第１金属側）の接合界面にＣｕ3ＳｎやＣｕ6Ｓｎ5の層状の金属間化合物が生成したとしても非常に薄く、衝撃試験後の接合強度に与える影響が少なかったことによるものと考えられる。
なお、接合部には、金属間化合物との格子定数差が５０％を超える金属（Ｃｕ−１０Ｍｎ）からなる第２金属部材との界面には、Ｃｕ3ＳｎやＣｕ6Ｓｎ5の層状の金属間化合物が形成されないことが確認されている。
また、試料番号１〜１７の本発明の要件を備えた実施例の試料の場合、接合部に低融点金属（ＳｎまたはＳｎ合金）が残留しないため、リフロー後に得られる接合体について、さらに熱衝撃試験を行っても金属間化合物層が成長せず、クラックの発生がなく接合強度が維持されたものと考えられる。
このように、本発明の要件を満たす試料番号１〜１７の試料が高耐熱性を備えているのは、第１金属部材および第２金属部材を構成する第１金属および第２金属の少なくとも一方に、接合材料を構成する低融点金属との間に形成される金属間化合物（Ｃｕ2ＭｎＳｎおよびＣｕ2ＮｉＳｎ）との格子定数差が５０％以上であるＣｕ−ＭｎおよびＣｕ−Ｎｉ系合金を用いていることによるものであると考えられる。
すなわち、生成した金属間化合物と、第１金属部材を構成する第１金属および／または第２金属部材を構成する第２金属の間の格子定数差が大きいと，溶融した低融点金属中で金属間化合物が剥離、分散しながら反応を繰り返すため金属間化合物の生成速度が飛躍的に進行するとともに、界面に層状の金属間化合物が形成されないことによるものと考えられる。
Ｓｎを低融点金属とする接合材料を用い、それぞれＣｕ−１０Ｍｎからなる第１金属部材および第２金属部材を接合した（表２の試料番号２１〜２７の試料）。
同じく、Ｓｎを低融点金属とする接合材料を用い、それぞれＣｕ−１０Ｎｉからなる第１金属部材および第２金属部材を接合した（表２の試料番号２８〜３０の試料）。
なお、第１金属部材および第２金属部材の厚さは０．１ｍｍとした。
また、接合材料としては、表２に示すように、厚さを０．２６６ｍｍから１．３２７ｍｍまで変化させた板状の接合材料を用いた。
その他は上記実施例１の場合と同様の条件で第１金属部材および第２金属部材の接合を行った。
それから、得られた接合体について、上記実施例１の場合と同様にして、特性の測定および評価を行った。具体的には、接合強度の測定、残留成分評価、流れ出し評価、熱衝撃試験後のクラック有無および接合強度の測定などを行った。
なお、この実施例２では、接合強度の評価にあたって、シアー強度が２０Ｎｍｍ-2以上のものを◎（優）、２Ｎｍｍ-2以上で２０Ｎｍｍ-2未満のものを○（良）、２Ｎｍｍ-2以下のものを×（不可）と評価した。
また、残留第１金属成分率については、０〜３体積％の場合を◎（優）、３体積％を超え、３０体積％以下の場合を○（良）、３０体積％より大きい場合を×（不可）と評価した。
また、接合材料の流れ出し不良率については、０〜１０％の場合を◎（優）、１０％を超え、５０％以下の場合は○（良）、５０％より大きい場合を×（不可）と評価した。
また、熱衝撃試験後のクラック発生有無については、クラックの発生の有無を評価した。
表２に、各接合体の接合強度（室温、２６０℃）、残留低融点金属含有率、流れ出し不良率、熱衝撃試験後のクラック発生の有無および接合強度を表２に示す。
なお、表２において、「第１および第２金属」の欄の［割合（％）」は、第１金属部材（Ｃｕ−１０Ｍｎ）と第２金属部材（Ｃｕ−１０Ｍｎ）の厚みの合計（試料番号２１の場合、０．１ｍｍ×２＝０．２ｍｍ）と、接合材料（Ｓｎ）の厚み（（試料番号２１の場合、０．２６６ｍｍ）を合わせた値（０．４６６ｍｍ）に対する、第１金属部材（Ｃｕ−１０Ｍｎ）と第２金属部材（Ｃｕ−１０Ｍｎ）の厚みの合計（０．２ｍｍ）の割合を示している。
Figure 0005664664
表２に示すように、室温における接合強度については、試料番号２１〜３０のいずれの試料も２０Ｎｍｍ-2以上を示し、十分な接合強度を備えていることが確認された。
また、２６０℃における接合強度についても、試料番号２１〜３０の各試料は７〜２６Ｎｍｍ-2と、２Ｎｍｍ-2以上の接合強度を有しており、実用可能な接合が行われていることが確認された。特に、第１および第２金属がＣｕ−１０Ｍｎである場合、その割合が３０体積％以上である試料番号２１〜２３，２８，２９の試料では、２３Ｎｍｍ-2以上の接合強度を示し、高い耐熱強度を備えていることが確認された。
また、残留低融点金属含有率については、試料番号２１〜３０の各試料とも、３０体積％以下であり、特にＣｕ−１０Ｍｎの割合が３０体積％以上である試料番号２１〜２３，Ｃｕ−１０Ｎｉの割合が３０体積％以上である試料番号２８，２９の試料の場合、残留低融点金属含有率が０体積％になることが確認された。
また、接合材料の流れ出し不良率についても、試料番号２１〜３０の各試料とも５０％以下であり、特にＣｕ−１０Ｍｎの割合が３０体積％以上である試料番号２１〜２３，Ｃｕ−１０Ｎｉの割合が３０体積％以上である試料番号２８，２９の試料の場合、流れ出し不良率が０％となり、高い耐熱性が得られることが確認された。
表３の試料番号３１〜３５に示すような金属（Ｃｕ−Ｍｎ系合金）からなる第１金属部材と第２金属部材とを、Ｓｎを低融点金属とする接合材料を用いて接合 した。
また、表３の試料番号３６〜３９に示すような金属（Ｃｕ−Ｎｉ系合金）からなる第１金属部材と第２金属部材とを、Ｓｎを低融点金属とする接合材料を用いて接合した。
なお、第１金属部材および第２金属部材の厚さは０．３ｍｍとした。
また、接合材料としては、厚さを０．１ｍｍの板状の接合材料を用いた。
その他は上記実施例１の場合と同様の条件で第１金属部材および第２金属部材の接合を行った。
それから、得られた接合体について、上記実施例１の場合と同様にして、特性測定および評価を行った。具体的には、接合強度の測定、残留成分評価、流れ出し評価、熱衝撃試験後のクラック有無および接合強度の測定などを行った。
なお、接合強度の評価および、残留低融点金属含有率の評価、流れ出し不良率の評価にあたっては、実施例２の場合と同様の基準で評価した。
表３に、各接合体の接合強度（室温、２６０℃）、残留低融点金属含有率、流れ出し不良率、熱衝撃試験後のクラック発生の有無および接合強度を示す。
Figure 0005664664
表３に示すように、室温における接合強度については、試料番号３１〜３９のいずれの試料も２０Ｎｍｍ-2以上を示し、十分な接合強度を備えていることが確認された。
また、２６０℃における接合強度についても、試料番号３１〜３９の各試料は５〜２６Ｎｍｍ-2と、２Ｎｍｍ-2以上の実用可能な接合強度を有していることが確認された。
特に、試料番号第３２，３３の試料のように、第１金属と第２金属がＣｕ−１０Ｍｎである場合と、Ｃｕ−１５Ｍｎである場合、試料番号第３７，３８の試料のように、第１金属および第２金属がＣｕ−１０Ｎｉである場合と、Ｃｕ−１５Ｎｉである場合には、２４Ｎｍｍ-2以上の接合強度を示し、高い耐熱強度を備えていることが確認された。
また、残留低融点金属含有率については、試料番号３１〜３９の各試料とも、３０体積％以下であり、さらに試料番号第３２，３３の試料のように、第１金属と第２金属がＣｕ−１０Ｍｎである場合と、Ｃｕ−１５Ｍｎである場合、試料番号第３７，３８の試料のように、第１金属および第２金属がＣｕ−１０Ｎｉである場合と、Ｃｕ−１５Ｎｉである場合には、残留低融点金属含有率が０体積％になることが確認された。
また、接合材料の流れ出し不良率についても、試料番号３１〜３９の各試料はいずれも３５％以下であり、さらに試料番号第３２，３３の試料のように、第１金属と第２金属がＣｕ−１０Ｍｎである場合と、Ｃｕ−１５Ｍｎである場合、試料番号第３７，３８の試料のように、第１金属および第２金属がＣｕ−１０Ｎｉである場合と、Ｃｕ−１５Ｎｉである場合には、流れ出し不良率が０％となり、高い耐熱性が得られることが確認された。
上記の実施例１〜３では、低融点金属を含む接合材料として、板状の接合材料を用いたが、この実施例４では、フラックスと低融点金属（Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ粉末）を配合したソルダペーストを用い、Ｃｕからなる第１金属部材と、Ｃｕ−１０Ｍｎからなる第２金属部材を接合した。
接合するにあたっては、Ｃｕからなる第１金属部材上に、上述のソルダペーストを印刷し、その上にＣｕ−１０Ｍｎからなる第２金属部材を重ね合わせた後、２５０℃、３０分の条件でリフローすることにより、第１金属部材と第２金属部材とを接合した。
それから、得られた接合体について、上記実施例１の場合と同様にして、特性測定および評価を行った。具体的には、接合強度の測定、残留成分評価、流れ出し評価、熱衝撃試験後のクラック有無および接合強度の測定を行い、特性を評価した。
その結果、上記実施例１〜３の本発明の要件を備えた各試料の場合と同等の特性を備えた接合体が得られることが確認された。
なお、上記の各実施例では、第１金属部材の全体が第１金属から構成されており、第２金属部材の全体が第２金属から形成されている場合を例にとって説明したが、第１金属および第２金属が、互いに接合させるべき第１金属部材（電極本体）と第２金属部材（電極本体）の表面に形成されためっき膜を構成する金属材料であって、そのうちの少なくとも一方が、金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属材料であるような構成とすることも可能である。
この実施例５では、フラックスと低融点金属（Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ粉末）を配合したソルダペーストを用い、ガラスエポキシ基板上のＣｕからなるランド電極（本発明における第１金属部材）と、チップコンデンサ（電子部品）および弾性表面波フィルタ（ＳＡＷフィルタ）（電子部品）のＣｕ−１０Ｍｎからなる外部電極（本発明における第２金属部材）を接合することにより、ガラスエポキシ基板上に、チップコンデンサと弾性表面波フィルタが搭載された構造を有する電子装置を製造した。
すなわち、この電子装置は、上記第１金属部材と、上記第２金属部材とが、本発明の要件を備えた接合材料を介して接合された構造を有する電子装置である。
上記ランド電極（第１金属部材）に上記外部電極（第２金属部材）を接合するにあたっては、ガラスエポキシ基板のＣｕからなる第１金属部材上に、上述のソルダペーストを印刷し、その上にチップコンデンサおよびＳＡＷフィルタのＣｕ−１０Ｍｎからなる外部電極（第２金属部材）を重ね合わせた後、２５０℃、３０分の条件でリフローすることにより、第１金属部材と第２金属部材とを接合した。
なお、第１金属部材の厚さは０．０５ｍｍ、第２金属部材の厚さは０．０５ｍｍとした。
また、ソルダペーストは、厚さ０．０５ｍｍのメタルマスクを用いて上記ランド電極上に印刷した。
得られた接合体について、上記実施例１の場合と同様にして、特性測定および評価を行った。具体的には、接合強度の測定、残留成分評価、流れ出し評価、熱衝撃試験後のクラック有無および接合強度の測定を行い、特性を評価した。
なお、接合強度の評価および、残留低融点金属含有率の評価、流れ出し不良率の評価にあたっては、上記実施例２の場合と同様の基準で評価した。
表４に、各接合体の接合強度（室温、２６０℃）、残留低融点金属含有率、流れ出し不良率、熱衝撃試験後のクラック発生の有無および接合強度を示す。
Figure 0005664664
表４に示すように、この実施例５においても、上記実施例１〜４の本発明の要件を備えた各試料の場合と同等の特性を備えた接合体が得られることが確認された。
なお、第１金属および第２金属が、互いに接合させるべき第１金属部材（電極本体）と第２金属部材（電極本体）の表面に形成されためっき膜を構成する金属材料であって、そのうちの少なくとも一方が、金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属材料であるような構成とすることも可能である。
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、接合材料を構成する低融点金属の種類や組成、少なくとも表面が第１金属からなる第１金属部材および少なくとも表面が第２金属からなる第２金属部材を構成する材料の種類や組成などに関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
また、本発明を適用して接合すべき接合対象物の種類や、接合工程における条件などに関しても、種々の応用、変形を加えることが可能である。
本発明はさらにその他の点においても、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
１０ 板状の接合材料
１１ａ 第１金属部材（第１金属）
１１ｂ 第２金属部材（第２金属）
１２ 金属間化合物
６４ 層状の金属間化合物

Claims (12)

  1. 少なくとも表面が第１金属からなる第１金属部材と、少なくとも表面が第２金属からなる第２金属部材とを、前記第１金属および／または前記第２金属よりも融点の低い低融点金属を主たる成分とする接合材料を介して接合するための接合方法であって、
    前記接合材料を構成する前記低融点金属を、ＳｎまたはＳｎを７０重量％以上含む合金とし、
    前記第１金属および前記第２金属の少なくとも一方を、前記接合材料を構成する前記低融点金属との間に金属間化合物を生成する金属または合金であって、前記第１金属および前記第２金属の少なくとも一方の表面に生成する金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属または合金とし、かつ、
    前記第１金属部材と第２金属部材との間に前記接合材料を配置した状態で、前記接合材料を構成する前記低融点金属が溶融する温度で熱処理し、前記第１金属部材と前記第２金属部材とを前記接合材料を介して接合する熱処理工程を備えていること
    を特徴とする接合方法。
  2. 前記低融点金属はＳｎまたはＳｎを８５重量％以上含む合金であることを特徴とする請求項１記載の接合方法。
  3. (ａ)前記接合材料を構成する前記低融点金属と、(ｂ)前記第１金属および前記第２金属のうちの前記格子定数差が５０％以上のものとの合計量に対する、後者の割合が３０体積％以上の状態で、前記熱処理工程を実施することを特徴とする請求項１または２記載の接合方法。
  4. 前記接合材料を構成する前記低融点金属が、
    Ｓｎ単体、または、
    Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｐからなる群より選ばれる少なくとも１種と、Ｓｎとを含む合金
    であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の接合方法。
  5. 前記第１金属および前記第２金属の少なくとも一方が、Ｃｕ−Ｍｎ合金またはＣｕ−Ｎｉ合金であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の接合方法。
  6. 前記第１金属および前記第２金属の少なくとも一方が、
    Ｍｎを５〜３０重量％の割合で含有するＣｕ−Ｍｎ合金、または、
    Ｎｉを５〜３０重量％の割合で含有するＣｕ−Ｎｉ合金
    であることを特徴とする請求項５記載の接合方法。
  7. 前記第１金属および前記第２金属の少なくとも一方が、
    Ｍｎを１０〜１５重量％の割合で含有するＣｕ−Ｍｎ合金、または、
    Ｎｉを１０〜１５重量％の割合で含有するＣｕ−Ｎｉ合金
    であることを特徴とする請求項５記載の接合方法。
  8. 少なくとも表面が第１金属からなる第１金属部材と、少なくとも表面が第２金属からなる第２金属部材とを備えた電子装置の製造方法であって、
    前記第１金属部材と、前記第２金属部材とを請求項１〜６のいずれかに記載の接合方法により接合する工程を備えていること
    を特徴とする電子装置の製造方法。
  9. ＳｎまたはＳｎを７０重量％以上含む合金からなる低融点金属を含む接合材料による接合に供される電極を備えた電子部品であって、
    前記接合材料に接する前記電極の表面が、前記低融点金属との間に金属間化合物を生成する金属または合金であって、前記低融点金属との反応により前記電極の表面に生成する金属間化合物との格子定数差が５０％以上である金属または合金によって形成されていること
    を特徴とする電子部品。
  10. 前記接合材料に接する前記電極の表面が、Ｃｕ−Ｍｎ合金またはＣｕ−Ｎｉ合金によって形成されていることを特徴とする、請求項９記載の電子部品。
  11. 前記接合材料に接する前記電極の表面が、
    Ｍｎを５〜３０重量％の割合で含有するＣｕ−Ｍｎ合金、または、
    Ｎｉを５〜３０重量％の割合で含有するＣｕ−Ｎｉ合金によって形成されていること
    を特徴とする、請求項１０記載の電子部品。
  12. 前記接合材料に接する前記電極の表面が、
    Ｍｎを１０〜１５重量％の割合で含有するＣｕ−Ｍｎ合金、または、
    Ｎｉを１０〜１５重量％の割合で含有するＣｕ−Ｎｉ合金によって形成されていること
    を特徴とする、請求項１０記載の電子部品。
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