JP7763115B2 - 接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、接合構造に関する。

近年、電子化が進み、それに伴い電子部品を基板に実装する技術の開発が進んでいる。例えば、これまで微細な電子部品の組立において、電子部品の端子に金を採用し、対向する配線基板側にはＳｎをメッキや薄膜成膜で施し、はんだ接合や拡散接合で接合を行っている。電子部品と配線基板をＡｕメッキとＳｎメッキで接合させる場合、接合界面には共晶反応によりＡｕとＳｎの金属間化合物が形成される傾向があった。例えば、特許文献１では、ＡｕＳｎ合金を含有する層を所定の範囲内の厚みとしている。

特開２０１７－２１６３０８号公報

ここで、金属間化合物は硬いため、接合構造に対して応力が作用しても、接合構造が曲がり難くなる半面、脆いために破断強度が低下するという問題がある。

本発明は、破断強度の高い接合構造を提供することを目的とする。

本発明に係る接合構造は、電子部品と配線基板とを接合した接合構造であって、電子部品及び配線基板の一方側に設けられ、Ｓｎを含む第１の金属で構成される第１の層と、電子部品及び配線基板の他方側に設けられ、Ｓｎと金属間化合物を形成する第２の金属で構成される第２の層と、第１の層と第２の層との間の接合界面に設けられ、第１の金属と第２の金属との金属間化合物で構成される第３の層と、を備え、第３の層の平均厚みが、０．１μｍ以上、０．５μｍ以下である。

本発明に係る接合構造は、Ｓｎを含む第１の金属で構成される第１の層と、Ｓｎと金属間化合物を形成する第２の金属で構成される第２の層との間に、金属間化合物で構成される第３の層を備える。ここで、金属は金属結合をしているため一般的に延性を持っている柔らかい一方、金属間化合物は硬く脆い材料である。そのため、金属間化合物で構成される第３の層の平均厚みを０．１μｍ以上、０．５μｍ以下とする。このような薄い第３の層を設けることで、金属間化合物により接合構造を曲げづらく、金属間化合物を挟み込んだ金属によって破断が起き難くすることができる。以上より、破断強度が高く高信頼性な接合構造を得ることができる。

第２の金属は、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｄの何れかの金属、またはこれらの少なくとも二つから選択される合金である。この場合、第２の層が、Ｓｎとの間で金属間化合物を作りやすくなる。

第２の金属は、少なくともＡｕを含む金属であってよい。金属の中でも特にヤング率の低い柔らかいＡｕの第２の層とＳｎの第１の層で薄い第３の層を挟み込むことにより、より破断強度が高くなる。

第３の層は、ＡｕＳｎ_４を含んでよい。金属間化合物がＡｕＳｎ金属間化合物の中でも硬度が低く割れやすいＡｕＳｎ_４であったとしても、柔らかい金属と挟まれることで第３の層が曲がりにくく割れにくい接合構造となり、更に破断強度を高めることができる。

電子部品はＬＥＤであってよい。これによりＬＥＤを取り付けた配線基板は、その後、多くの工程を経てディスプレイなどに組み立てられるが、それらの工程にて破断による不良発生を抑制することが出来る。

本発明によれば、破断強度の高い接合構造を提供できる。

本発明の実施形態に係る接合構造を備える実装基板を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る接合構造が適用される配線基板を示す概略断面図である。 ＳＥＭ像の一例を示す図である。 電子部品と配線基板との接合方法について説明するための図である。 実施例及び比較例の測定結果を示す表である。

図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る接合構造１００について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る接合構造１００を備える実装基板１を示す概略断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る接合構造１００が適用される配線基板３を示す概略断面図である。

図１に示すように、実装基板１は、電子部品２と、配線基板３とを備える。実装基板１は、電子部品２を接合材４を介して配線基板３に実装することによって構成される。

電子部品２は、本体部６と、一対の端子７と、を備える。本体部６は、電子部品２としての機能を発揮するための部材である。端子７は、本体部６の主面に形成された金属製の部分である。電子部品２は、例えばマイクロＬＥＤなどによって構成される。マイクロＬＥＤは、配線基板３からの入力に応じて発光する部品である。

配線基板３は、基材８と、壁９と、一対の端子１０と、を備える。基材８は、配線基板３の平板状の本体部である。壁９は、基材８の上面に形成された絶縁体によって形成された部材である。壁９の材料として、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂などの樹脂材料が採用される。特に好ましくは、壁９の材料として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂が採用される。端子１０は、基材８の主面に形成された金属製の部分である。端子１０の材料として、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ，Ａｌ、Ｍｏ、Ｐｔ，Ａｕや、これらの少なくとも二つから選択される合金などが採用される。端子１０の上面には、導電膜１２が形成される。導電膜１２の材料として、Ｔｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ａｇなどの膜や金属粒子とバインダーを混ぜた膜などが採用される。

接合材４は、電子部品２の端子７と配線基板３の端子１０とを接合する部材である。接合材４は、はんだとして機能する。組立前においては、配線基板３は、導電膜１２の上面に配置された状態の接合材４Ａを備える。組立時において、端子１０と導電膜１２と接合材４と端子７が積層された後にはんだ接合が行われる。従って、接合材４と端子７との接続界面には、端子１０、導電膜１２、接合材４、及び端子７のそれぞれの金属が反応した金属間化合物（ＩＭＣ）のＩＭＣ層２０が形成される。

壁９には、凹部１１が形成される。凹部１１は、壁９を貫通する貫通孔によって構成される。これにより、凹部１１の底側では、基材８の上面が露出する。凹部１１は、配線基板３の厚み方向からみて、矩形をなしている。端子７、端子１０、導電膜１２、及び接合材４は、壁９に形成された凹部１１内に配置されることで、周囲を壁９によって囲まれる。端子７、端子１０、導電膜１２、及び接合材４と、凹部１１の四方の内側面（すなわち、壁９の内側面）との間には、僅かな隙間が形成される。

凹部１１内において、電子部品２及び接合材４と、壁９との間には、構成材５０が配置される。これにより、構成材５０で支えることで、電子部品２が配線基板３から剥がれにくくすることができる。また、電子部品２や接合材４や端子７，１０に加わる力が緩和され、信頼性を向上することができる。構成材５０の材料として、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂やそれらの混合物、又は前記樹脂材料とＳｉＯｘ、セラミックスなどの混合物が採用される。特に好ましくは、構成材５０の材料として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂が採用される。

本実施形態に係る接合構造１００は、基材８の上面から順に積層された、端子１０、導電膜１２、接合材４、ＩＭＣ層２０、及び端子７を備える。接合構造１００は、電子部品２及び配線基板３の一方側に設けられ、Ｓｎを含む第１の金属で構成される第１の層２１を有する。また、接合構造１００は、電子部品２及び配線基板３の他方側に設けられ、Ｓｎと金属間化合物を形成する第２の金属で構成される第２の層２２を備える。

本実施形態では、電子部品２の端子７が第２の層２２に該当し、配線基板３側の接合材４が第１の層２１に該当する。従って、ＩＭＣ層２０は、端子７と接合材４との間の接合界面に設けられ、第１の金属と第２の金属との金属間化合物で構成される。

接合材４の第１の金属は、Ｓｎを含んでいてもよく、Ｓｎを含む合金によって構成されていてもよい。第１の金属はＳｎの他、Ｓｎを低融点化させる元素を含んでもよい。Ｓｎを低融点化させる元素として、例えばＢｉなどがあげられる。

端子１０の第２の金属は、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｄの何れかの金属、またはこれらの少なくとも二つから選択される合金である。第２の金属は、少なくともＡｕを含む金属であってよい。この場合、ＩＭＣ層２０は、ＡｕＳｎ_４を含む。

ＩＭＣ層２０の平均厚みは、０．１μｍ以上であることが好ましく、０．２μｍ以上であることがより好ましい。Ｓｎを含む接合材４の表面は粗いため、ＩＭＣ層２０を当該寸法以上とすることで、接合材４と端子７との間の接合性を確保し、通電性を確保する。ＩＭＣ層２０の平均厚みは、０．５μｍ以下であることが好ましく、０．４μｍ以下であることがより好ましい。脆いＩＭＣ層２０を当該寸法以下とすることで、接合信頼性を向上できる。

上述のＩＭＣ層２０の平均厚みの測定方法について説明する。まず、得られた接合構造１００の中央付近を配線基板３に垂直に切り出し、ＳＥＭ－ＥＤＳ測定による元素比率からそれぞれの層の相同定を行い、ＳＥＭ像からＩＭＣ層２０の平均厚みを測定する。具体的に、第２の層２２とＩＭＣ層２０との界面上の点を等間隔に複数点（例えば５点）取り、それぞれの点から第１の層２１とＩＭＣ層２０との界面の最短となる距離を計測する。それらの複数個（５個）の距離の平均をＩＭＣ層２０の平均厚みとする。当該複数点の最短距離に基づく平均厚みが０．１μｍ以上、０．５μｍ以下であればよい。

ＳＥＭ像の一例を図３に示す。第１の層２１とＩＭＣ層２０との界面は、「Ｆ１」で示される。第２の層２２とＩＭＣ層２０との界面は、「Ｆ２」で示される。当該界面Ｆ２から、等間隔で複数の点が取られる。

ＩＭＣ層２０の平均厚みの測定方法として、ＩＭＣ層２０の面積を画像解析から求め、その面積を界面Ｆ２の長さで割ることで平均厚みを算出するような方法を採用してよい。当該測定方法に基づく平均厚みが０．１μｍ以上、０．５μｍ以下であればよい。

次に、図４を参照して、電子部品２と配線基板３との接合方法について説明する。まず、図４（ａ）に示すように、配線基板３の接合材４Ａの上に、電子部品２の端子７を載せる。ここで、Ｓｎの融点を超える温度で長時間（数分）加熱を行うと全体が共晶構造となり接合構造１００に薄いＩＭＣ層２０を形成し難い。従って、短時間の加熱を行いＳｎ含む接合材４Ａの第１の金属が溶ける温度になったところで急冷する。例えば、パルスの電磁波を当ててＳｎを含む接合材４Ａだけが一瞬溶けるような急速加熱急速冷却を行ってよい。図４（ａ）に示すように、Ｓｎを含む接合材４Ａを有する配線基板３に冷却板３０を接触させ、Ｓｎと金属間化合物を形成する第２の金属を含む端子７を有する電子部品２に加熱板３１を接触させる。そして、端子７と接合材４Ａとの接触部だけが溶けてＩＭＣ層２０が形成されるように（図４（ｂ）参照）、温度制御を行ってよい。なお、接合方法は特に限定されず、光エネルギーを利用して接合を行ってもよい。

次に、本実施形態に係る接合構造１００の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る接合構造１００は、Ｓｎを含む第１の金属で構成される第１の層２１と、Ｓｎと金属間化合物を形成する第２の金属で構成される第２の層２２との間に、金属間化合物で構成されるＩＭＣ層２０を備える。ここで、金属は金属結合をしているため一般的に延性を持った柔らかい材料である。一方、金属間化合物は硬く脆い材料である。そのため、金属間化合物で構成されるＩＭＣ層２０の平均厚みを０．１μｍ以上、０．５μｍ以下とする。このような薄いＩＭＣ層２０を設けることで、金属間化合物により接合構造１００を曲げづらく、金属間化合物を挟み込んだ金属によって破断が起き難くすることができる。以上より、破断強度が高く高信頼性な接合構造１００を得ることができる。

第２の金属は、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｄの何れかの金属、またはこれらの少なくとも二つから選択される合金である。この場合、第２の層２２が、Ｓｎとの間で金属間化合物を作りやすくなる。

第２の金属は、少なくともＡｕを含む金属であってよい。金属の中でも特にヤング率の低い柔らかいＡｕの第２の層２２とＳｎの第１の層２１で薄い第３の層を挟み込むことにより、より破断強度が高くなる。

ＩＭＣ層２０は、ＡｕＳｎ_４を含んでよい。金属間化合物がＡｕＳｎ金属間化合物の中でも硬度が低く割れやすいＡｕＳｎ_４であったとしても、柔らかい金属と挟まれることでＩＭＣ層２０が曲がりにくく割れにくい接合構造１００となり、更に破断強度を高めることができる。

電子部品２はＬＥＤであってよい。これによりＬＥＤを取り付けた配線基板は、その後、多くの工程を経てディスプレイなどに組み立てられるが、それらの工程にて破断による不良発生を抑制することが出来る。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態では、配線基板３側の層が第１の層２１となり、電子部品２側の層が第２の層２２となっていた。これに代えて、配線基板３側の層が第２の層２２となり、電子部品２側の層が第２の層２２となってもよい。

また、接合構造の各層の配置や大きさや数は特に限定されず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更してもよい。

［実施例］
図５を参照して、実施例１～３、及び比較例１，２について説明する。ただし、本願発明はこれらの実施例に限定されるものではない。まず、実施例及び比較例に係る実装基板１の製造方法について説明する。電子部品２としてＬＥＤを準備し、そのＬＥＤにＡｕの端子７形成した。基板側のＣｕの端子１０上にＮｉの導電膜１２の電析層を形成したのち、導電膜１２にＳｎの接合材４Ａを形成した。電子部品２のＡｕの端子７と配線基板３のＳｎの接合材４Ａを接触させた状態で、配線基板３側は常に５０℃になるように冷却板３０を接触させつつ電子部品２側を３００℃～３１０℃の加熱板３１を３分接触させることでＩＭＣ層２０の厚みを制御し、実装基板１を得た。実施例１～３、及び比較例１，２は、ＩＭＣ層２０の平均厚みが異なる点以外は、同じ条件で製造された。ＩＭＣ層２０の平均厚みは、ＳＥＭ－ＥＤＳ測定による元素比率からそれぞれの層の相同定を行い、ＳＥＭ像からＩＭＣ層２０の平均厚みを測定する前述の方法にて測定した。ＩＭＣ層２０の平均厚みを図５に示す。次に、実施例１～３、及び比較例１，２の実装基板１について、ＬＥＤ接合部分に対してボンドテスターを用い、破断強度を測定した。測定結果を図５に示す。

比較例１では、ＩＭＣ層２０が存在しないため、うまく接合が行われず、破壊しやすくなったと考えられる。比較例２では、脆いＩＭＣ層２０が厚いため、破壊しやすくなったと考えられる。実施例２，３は、ＩＭＣ層２０が薄く存在していることで、破断強度が高くなった。実施例１は、ＩＭＣ層２０が薄く存在しているため、比較例１よりも破断強度が高くなっているが、実施例２，３に比べるとＡｕの端子７とＳｎの接合材４Ａが十分に接合しておらず、破断強度が低くなった。

２…電子部品、３…配線基板、２０…ＩＭＣ層（第３の層）、２１…第１の層、２２…第２の層、１００…接合構造。

Claims (3)

1. 電子部品と配線基板とを接合した接合構造であって、
   前記電子部品及び前記配線基板の一方側に設けられ、Ｓｎを含む第１の金属で構成される第１の層と、
   前記電子部品及び前記配線基板の他方側に設けられ、Ｓｎと金属間化合物を形成する第２の金属で構成される第２の層と、
   前記第１の層と前記第２の層との間の接合界面に設けられ、前記第１の金属と前記第２の金属との金属間化合物で構成される第３の層と、を備え、
   前記第３の層の平均厚みが、０．１μｍ以上、０．５μｍ以下であり、
   前記第２の金属は、少なくともＡｕを含む金属である、接合構造。
2. 前記第３の層は、ＡｕＳｎ_４を含む、請求項１に記載の接合構造。
3. 前記電子部品はＬＥＤである、請求項１又は２に記載の接合構造。