JP7093796B2 - 活性ハンダ付けのためのハンダ付け材料、及び活性ハンダ付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、活性ハンダ付けのためのハンダ付け材料、ならびに電子要素及び電子部品を活性ハンダ付けする方法に関する。

ハンダ付け材料は、例えば米国特許出願公開第２０１４／１２６１５５号明細書など、従来技術からよく知られており、構成要素を材料固定接続するために使用される。特に本発明は、活性ハンダ付けが意図され、セラミックを含むキャリア基板に金属被膜を接着させるために使用される、ハンダ付け材料に関する。ハンダ付けが１０００℃未満の温度で実施される場合、通常このようなハンダ付け材料は、比較的高い比率の銀を含有する。この高い銀の含有量は、比較的高い材料コストを伴う。さらに、操作中に電界が適用されるとき、セラミックを含むキャリア基板上のハンダ層の縁部における、銀マイグレーションの恐れも存在する。

米国特許第４６０３０９９０号明細書から、延性のハンダ箔が知られている。このハンダ箔は、０．１～５重量％の、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒのグループからの反応性金属またはこのグループからの元素の混合物、ならびに１～３０重量％のインジウム、及び５５～９９．８重量％の銅から構成することができる。

独国特許出願公開第１０２０１５１０８６６８号明細書から、プリント基板を作製する方法が知られており、そこでプリント基板は、特にセラミックである平坦な基礎材料を有し、その一方の側または両方の側に、金属被膜がハンダ層によって適用される。

米国特許第４４２６０３３号明細書は、反応性金属に関する。シリコン、錫、ゲルマニウム、マンガン、ニッケル、コバルトのグループからの第３の金属、またはそれらの混合物の特定の量を伴う銅合金は、セラミックにハンダ付けするのに好適である。

米国特許第４７８４３１３号明細書は、ＳｉＣセラミックから作られた形状部品を、互いに接合させるため、または他のセラミックもしくは金属で作られた形状部品に接合させるための方法を明記しており、そこでは、接合される両表面は、金属層を挿置した拡散溶接条件下で接合される。そこでは、ＭｎＣｕ（２５～２８重量％のＣｕ）またはＭｎＣｏ（５～５０重量％のＣｏ）のマンガン合金層が、金属層として使用され、任意の追加で、金属Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｎｉ及び／またはＴａのうちの少なくとも１つは、各々２～４５重量％であり、添加物の合計は７０重量％を超過しないものとされる。

独国特許第６９８２２５３３号明細書は、電力供給端子を有するセラミック部材をさらに確認しており、そこでは、金属部材はセラミック部材に埋め込まれ、かつセラミック部材の凹部から部分的に露出され、この凹部の中に管状の大気遮蔽部材が挿入され、埋め込まれた金属部材に接続される。

米国特許出願公開第２０１４／１２６１５５号明細書 米国特許第４６０３０９９０号明細書 独国特許出願公開第１０２０１５１０８６６８号明細書 米国特許第４４２６０３３号明細書 米国特許第４７８４３１３号明細書 独国特許第６９８２２５３３号明細書

したがって、本発明の目的は、従来技術と比較してコスト効率よく作製することができ、かつ銀マイグレーションを防止できるハンダ付け材料を提供することである。

この課題は、請求項１による活性ハンダ付けのためのハンダ付け材料によって、請求項９によるキャリア層によって、及び請求項１１による方法によって解決される。本発明の別の利点及び仕様は、従属請求項ならびに説明及び添付の図面からもたらされる。

本発明によると、ハンダ付け材料が、活性ハンダ付け、詳細にはセラミックを含むキャリア層に金属被膜を活性ハンダ付けするために提供され、このハンダ付け材料は銅を含み、実質的に銀を含まない。

従来技術と対照的に、銀は、本発明によるロウ付け材料から有利に除外され、製造コストを軽減することができ、銀マイグレーションを防止することができる。銀の代わりに、銅または銅合金がハンダ付け材料の主成分である。「実質的に銀を含まない」とは、詳細にはハンダ付け材料が、不純物の範囲の銀含有量、すなわちハンダ付け材料の０．５重量％未満、好ましくは０．１重量％未満、特に好ましくは０．０５重量％未満の銀含有量を有することを意味する。基本的に、いくつかのセラミック層を、例えばハンダ付け材料によって共に接合させることができ、または金属被膜、好ましくは銅層を、セラミックを含むキャリア層に接着させることができる。好ましくは、キャリア層に接着された金属被膜が構築されること、詳細には、電気要素または電子要素のための、例えば導体トラックまたは接続点を形成するために構築されることが、意図される。

好ましくは、１つの製造ステップにおいて、ハンダ付け材料が銀もしくは銀残渣を含まないか、またはその比率が低減され得る。これは、ハンダ付け材料が銀を含まないことを保証する有利な方法である。

例えば金属層または金属箔を接合するため、詳細にはセラミック材料を伴う銅層または銅箔も接合するための活性ハンダ付け方法は、例えば銅箔などの金属箔と、例えば窒化アルミニウムセラミックなどのセラミック基板との間の接続が、ハンダ付け材料を用いて約６５０～１０００℃の温度で生成される方法である、と理解されている。主成分である銅に加えて、ハンダ付け材料は活性金属も含有する。例えば、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｓｃのグループのうちの少なくとも１つの元素である活性金属は、セラミックとの化学反応により、ハンダ付け材料とセラミックとの間の接着を反応層によって形成し、一方でハンダ付け材料と金属との間の接着は、金属のロウ付け接着である。

詳細には、キャリア層は、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＢｅＯ、またはＺＴＡ（ジルコニア強化アルミナ）セラミックを有し、これを以降でＨＰＳＸセラミックと称する（すなわち、ｘパーセントの比率のＺｒＯ_２を備えたＡｌ_２Ｏ_３母材を有するセラミックであり、例えば９％のＺｒＯ_２を有するＡｌ_２Ｏ_３はＨＰＳ９であり、または２５％のＺｒＯ_２を有するＡｌ_２Ｏ_３はＨＰＳ２５である）。上記のキャリア材料の組み合わせも考えられる。

本発明の別の実施形態によると、ハンダ付け材料は、５０～９０重量％、好ましくは５５～８５重量％、特に好ましくは５０～７５重量％の銅の比率を有するよう意図される。この場合、銅の比率は、一般的な比較的高い銀の含有量に有利に置き換わる。銅の比率は、他の個々の成分によって調整することができる。

好ましくは、銅は、ハンダ付け材料のうちの６３～７５重量％、好ましくは６４～７０重量％、特に好ましくは６５～７０重量％の比率を有し得る。このような組成を伴う、比較的大きい数の、異なる相手または活性金属を使用して、銀を用いずに、処理が安全なハンダ付け材料（すなわち安全かつ耐久性のあるハンダ付けを実現できるハンダ付け材料）を生成できる利点が示された。これによって、有利な方法で、それぞれの用途に対するハンダ付け材料の個々の適応を、銀を含有する組成のハンダ付け材料に頼る必要なく、可能にする。

本発明の別のバージョンにおいて、溶融温度を低下させるためのハンダ付け材料は、好ましくはガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、マンガン（Ｍｎ）、または錫（Ｓｎ）である相手材料を有することが望ましい。相手金属などの相手材料を加えることによって、７００～９００℃の溶融温度を有利に設定することができる。相手金属Ｇａ、Ｉｎ、Ｍｎ、またはＳｎは、例えば真空ハンダ付けにおいて１０^－３ｍｂａｒ未満の低蒸気圧でのハンダ付け方法にも好適であるので、特に有利であることが判明している。

本発明の別の実施形態において、相手材料は、ハンダ付け材料のうちの５～５０重量％、好ましくは５～４０重量％、特に５～３５重量％の比率を有するよう意図される。好ましくは、加えられる相手材料の比率は、ハンダ付け処理にために意図された所望の溶融温度に依拠する。これは特にＩｎ、Ｇａ、及びＳｎに適用する。相手材料が多いほど、溶融温度またはハンダ付け温度は低下する。しかし、溶融温度を低下させることは、溶融温度またはハンダ付け温度が、活性金属とセラミック表面との間の化学反応が生じるような高さであるべき範囲に限定される。通常、溶融温度は、７００及び８００℃を上回る必要がある。相手材料の比率が５～３５重量％である組成を伴い、活性金属を提供することが有利に可能である。この活性金属において、一方では溶融温度の低下が十分に大きく、他方では可能な限り多くの異なるセラミック表面と互換可能である。加えて、ハンダ付けした接合部の機械的強度の低下をもたらす場合がある金属間化合物層の比率を、低減させることができる。なぜなら、金属間化合物層の比率は相手材料の比率と共に増加するからである。

活性金属として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｓｃ、またはＣｅを有するハンダ付け材料は有用である。特に、活性金属は、ハンダ付け材料のうちの０．５～１０重量％、好ましくは１～５重量％、特に好ましくは１～３重量％の比率を有し得る。活性金属の比率は、好ましくは用途によって、例えば接合する材料によって調整される。

詳細には、ハンダ付け材料はペーストまたは箔であり得る。例えばペーストは、好ましくは粉末の組成物として提供され、銅及び活性金属に加えて、相手材料及び有機物も含む。有機物は、ペーストをスクリーン印刷可能かつ硬化可能にする。有利な設計において、銅及び相手材料は、マイクロ合金粉末として存在する。例えば、マイクロ合金粉末は、微粒化プラントによる微粒化処理内で生成される。活性金属は、好ましくは、例えばＴｉ、Ｚｒ、ＴｉＨ及び／またはＺｒＨとして粉末形態で加えられる。ハンダ付け処理において活性金属の可溶性を増加させるために、活性金属も、粉末形態のハンダ付け材料に、二元合金または三元合金として、ハンダ付け材料の他の材料と共に加えられるか、または混合されると有利である。活性金属の均等な配分のため、活性金属は、微粒化プラントにおいて合金化される粉末の中に一体化されることが考えられる。活性金属は微粒化プラントの壁に反応するために、１～２体積％の活性金属の比率が、ここでは好ましい。

ハンダ付け材料が箔として提供される場合、有機添加物を有利に避けることができる。ハンダ層を形成するために、箔は金属被膜とキャリア層との間に位置付けられる。ハンダ付け材料における、相手材料及び活性金属の比較的低い比率は、特に好ましい。

本発明の好ましい形態によると、ハンダ付け材料は実質的に、
－６４重量％の銅、３４重量％のマンガン、及び２重量％のチタン、
－６４重量％の銅、３４重量％のインジウム、及び２重量％のチタン、
－７５重量％の銅、２３重量％の錫、及び２重量％のチタン、
－６９重量％の銅、１３重量％の錫、１６重量％のインジウム、及び２重量％のチタン、
－６６重量％の銅、１６重量％の錫、１６重量％のマンガン、及び２重量％のチタン、
－６６重量％の銅、１６重量％のインジウム、１６重量％のマンガン、及び２重量％のチタン、または、
－６９重量％の銅、１２重量％の錫、７重量％のマンガン、１０重量％のインジウム、及び２重量％のチタン、
ならびに、０．５重量％未満の不可避の不純物、であることが望ましい。詳細には、用語「実質的に」は、それぞれの正確な値から、±１０％、好ましくは±５％逸脱する偏差を称し、及び／または、機能に対して重要ではない変化の形態における偏差に相当する。

本発明の別の主題は、金属被膜を有するキャリア層である。この金属被膜は、上述の定義のうちの１つによるハンダ付け材料を介して、キャリア層に接着される。本発明のハンダ付け材料について説明した全ての特徴、及びそれらの利点は、本発明のキャリア層に、類似的にあてはめることができ、その逆も可能である。好ましくは、例えば銅またはモリブデン層である金属被膜は、電気要素または電子要素のための導体トラック及び接続点を形成するために構築される。好ましくは、この構造はエッチングによって実現される。

本発明の別の主題は、金属被膜を、キャリア層、詳細にはセラミックを含むキャリア層に、上述の定義のうちの１つによるハンダを使用して接着させる方法である。本発明のハンダ付け材料について説明した全ての特徴、及びそれらの利点は、本発明の方法にもあてはめることができ、その逆も可能である。

接着は、１０００℃未満、好ましくは９００℃未満、特に好ましくは８５０℃未満のハンダ付け温度で実施するのが好ましい。好ましくは、ハンダ付け材料はそれに従って、所望の温度を実現するために、例えば適切な量の活性金属または相手金属を加えることによって設計される。特に８５０℃未満の低温でハンダ付けすることによって、ハンダ付け中のエネルギー消費を比較的低く維持することが可能である。

本発明の別の実施形態によると、ハンダ付け材料は、スクリーン印刷処理において、セラミックキャリア層に適用され得る。これは、有利な方法でハンダ付け材料を大きい領域にわたって均一に適用すること、特に金属層をセラミック層に平坦接着することを可能にする。

別の利点及び特徴は、添付の図面を参照して、本発明の主題の好ましい実施形態における、以下の説明からもたらされる。個々の設計の個々の特徴を、本発明の文脈において、互いに組み合わせることができる。

本発明の例示的な実施形態による、金属被膜を有するキャリア層を示す図である。

図１は、本発明の例示的な実施形態による、金属被膜を有するキャリア層２を示す。好ましくは、キャリア層２の上に、電子要素または電気要素が配置される。金属被膜３、好ましくは構造化金属被膜３が、電気要素または電子要素のための、導体トラックまたは接続点を提供する目的のために提供される。金属被膜３は、好ましくは特に銅を含むキャリア層２に、活性ハンダ付け処理によって接着される。製造コストを軽減させるため、及び銀マイグレーションを防止するために、好ましくは活性ハンダ付けが、銅を含み実質的に銀を含まないハンダ付け材料１を用いて実施される。

活性ハンダ付け処理において、接着は、例えば銅箔などの金属箔と、例えば窒化アルミニウムセラミックなどのセラミック基板との間で、約６５０～１０００℃の温度で、ハンダ付け材料１を使用して形成される。ハンダ付け材料１も、銅の主成分に加えて活性金属を含む。例えば、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｃｅのグループのうちの少なくとも１つの元素である活性金属は、化学反応によってハンダ付け材料とセラミックとの間に接着を形成し、一方でハンダ付け材料と金属との間の接着は、金属のロウ付け接着である。

ハンダ付け材料を所望の溶融温度に適応させるために、ハンダ付け材料１が、好ましくはＧａ、Ｉｎ、Ｍｎ、またはＳｎである相手材料を有することが、特に意図される。

Claims (6)

1. セラミックに金属被膜（３）を活性ハンダ付するためのハンダ付け材料（１）であって、銅を含み、かつ銀を含まず、
   ６４質量％の銅、３４質量％のインジウム、及び２質量％のチタン、
   ６９質量％の銅、１３質量％の錫、１６質量％のインジウム、及び２質量％のチタン、
   ６６質量％の銅、１６質量％の錫、１６質量％のマンガン、及び２質量％のチタン、
   ６６質量％の銅、１６質量％のインジウム、１６質量％のマンガン、及び２質量％のチタン、または、
   ６９質量％の銅、１２質量％の錫、７質量％のマンガン、１０質量％のインジウム、及び２質量％のチタンであり、
   別途０．５質量％未満の不可避の不純物を有する、ハンダ付け材料（１）。
2. 前記インジウム、前記マンガン、および前記錫は、溶融温度を低下させるための相手材料である、請求項１に記載のハンダ付け材料（１）。
3. ペーストまたは箔である、請求項１または２に記載のハンダ付け材料（１）。
4. 金属被膜（３）を有するキャリア層（２）であって、前記金属被膜（３）は前記キャリア層（２）に、請求項１～３のうちいずれか一項に記載のハンダ付け材料（１）を介して接着される、キャリア層（２）。
5. ハンダ付け材料（１）を使用して金属被膜（３）をセラミックに接着する方法であって、
   前記ハンダ付け材料（１）は、
   ６４質量％の銅、３４質量％のマンガン、及び２質量％のチタン、
   ６４質量％の銅、３４質量％のインジウム、及び２質量％のチタン、
   ７５質量％の銅、２３質量％の錫、及び２質量％のチタン、
   ６９質量％の銅、１３質量％の錫、１６質量％のインジウム、及び２質量％のチタ
   ン、
   ６６質量％の銅、１６質量％の錫、１６質量％のマンガン、及び２質量％のチタン、
   ６６質量％の銅、１６質量％のインジウム、１６質量％のマンガン、及び２質量％のチタン、または、
   ６９質量％の銅、１２質量％の錫、７質量％のマンガン、１０質量％のインジウム、及び２質量％のチタンであり、
   別途０．５質量％未満の不可避の不純物を有し、
   接着は、８５０℃未満のハンダ付け温度で実現される、方法。
6. 前記ハンダ付け材料（１）は、スクリーン印刷においてセラミックを含むキャリア層（２）に適用される、請求項５に記載の方法。

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