JPH02117772A - 金属表面の結合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は金属の表面を互に結合する方法、具体的にはフ
ラックスを必要としない金属表面の結合方法に関する。

Ｂ、従来技術 多くの製品及び応用において、２つの金属表面を互に結
合することが必要になる。たとえば、今日の電子装置の
製造においては銅の結合パッドのような導電性の金属結
合パッドを互に結合する必要がある。たとえば、半導体
のチップ、半導体チップ支持モジュールもしくは表面取
付は電子装置のような電子部品上の銅端子は印刷回路板
もしくは印刷回路カードのような第２レベルの電子パッ
ケージ上の対応する銅結合パッドに結合する必要がある
。一般に使用されている技術は、はんだ付けのためには
んだフラックスだけでな（、はんだもしくははんだペー
ストを結合位置に与えることが通常必要とされる普通の
表面はんだ付は技術である。

さらに、通常のはんだ付は技術は、接近して隣合ったパ
ッド間をはんだが橋渡しする（即ち２つの隣合うパッド
がはんだで電気的に短絡される）可能性があるために望
ましくない。

より最近になって、“遷移液相（ｔｒａｎｓｉｅｎｔｌ
ｉｑｕｉｄ　ｐｈａｓｅ）　”と呼ばれる２つの金属表
面を結合する技術が提案された。具体的に説明すると、
“遷移液相結合”は結合すべき金属表面上に共晶系の異
なる金属を付着することを含んでいる。これ等の付着金
属は共晶温度以上の温度で接触される。２つの共晶成分
間の相互拡散によって、共晶状態図の液晶領域に対応す
る組成範囲の薄い液体層を生ずる。この薄い、液体層が
凝固すると金属表面が互に結合する。

通常の表面はんだ付は技術と比較すると、遷移液相結合
処理は、液体の金属液相領域が結合される基板の接触領
域に限定されるというような、いくつかの利点を有する
。又、基板間の最少の間隔は、はんだ技術にみられるよ
うなはんだペースト・スクリーニング過程の分解能もし
くは、はんだの橋渡しの問題によって制限されない。従
って、接触する金属の表面の面積密度をかなり大きくす
ることができる。

銅の表面を鉛−錫はんだで結合する場合には、余分な銅
−錫金属間化合物が形成されて、これが結合部の機械的
強さに悪影響を与える点で特に重大な問題がある。遷移
液相結合技術の場合には、液体領域が銅に達す、る前に
凝固すると、余分な金属間化合物の形成が避けられ、結
合の機械的強さが改良できる。

遷移液相結合技術を使用することによって達成される種
々の利点にもかかわらず、この方法を適切に具体化する
際には、ある困難が伴う。たとえば、結合すべき表面は
互に密接に接触しなければならないので、酸化物のない
平坦な表面を与えて、すべての点で金属と金属が接触す
る必要がある。

たとえば、金属の付着後直ちに結合できない部品の場合
は、酸化物層が形成され、これが拡散の障壁として働き
、所望の結合をさまたげる。従って、結合手順の前の結
合基板の保管には時間制限が必要であり、もしくは酸化
物層の除去が必要である。

避けることのできない表面のあらさを補償するために、
提案された遷移液相結合方法は、結合すべき表面に必要
な密着性を与えるために圧力を加える必要がある。従っ
て、このような結合技術は、結合表面が圧縮できる部品
に限られ、部品自体が結合圧に耐えるものでない限り、
リードレスの部−品は使用できない。

又、初期の液体領域は結合時に非常に急速に形成される
ので、凝固の制御は極めて困難である。

たとえば、通常の加熱、もしくはリフロー手順では、液
体領域は一般に金属被覆基板上の両方の被覆層を消耗（
液化）してしまう。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、フラックスを使用せず、余分な金属間
化合物の相が形成されず、はんだによる短絡の可能性が
減少した、２つの金属表面間を互に結合する方法を与え
ることにある。

本発明の他の目的は、改良された”遷移液相結合”方法
を与えることにある。

Ｄ３問題点を解決するための手段 本発明に従えば、２つの金属表面の各々に鉛含有層を被
覆し、続いて錫含有層を被覆することによって、２つの
金属表面が互に結合される。これらの鉛含有層及び錫含
有層は共晶反応を生じる２成分系をなすものである。金
属基板の各々の錫含有層を互に接触させ、これ等の金属
表面を共晶温度以上に加熱し、局所的に共晶液体を形成
する。

この液体を凝固すると２つの表面が相互接続される。

Ｅ６実施例 本発明の方法は、はんだ付は技術が必要な金属被覆基板
、特に、可撓性の薄膜キャリアのような電子部品を、印
刷回路カードもしくは板へ取付けるための、銅結合パツ
［′を含む銅表面のような金属表面を結合するのに使用
される。

第１図は、共晶を形成するための好ましい材料として鉛
及び“錫層を使用した多層結合構造を示している。番号
１０は結合すべき部品又は金属被覆基板の胴部分を示す
。各胴部分ＩＯ上にはＰｂもしくはＰｂ豊富なＰｂ−Ｓ
ｎ合金のような第１の材料層２０が付着されている。層
２０の代表的な厚さは約５．０８　Ｘ　１０−’ｃｍ乃
至約２５．４Ｘ１０”ＣＭである。代表的な層２０はＰ
ｂ−（２〜５％）Ｓｎ合金である。

各層２０上には第２の異なる材料の層°３０が付着され
ている０本発明の層３０の好ましい例は錫であるが、錫
が豊富な合金も可能である。これ等の層の第１の材料及
び第２の異なる材料は両層間の境界に共晶液体層が形成
されるように選択される。層３０は一般に層２０はとは
厚くなく、通常約２．５４　Ｘ　１０−３ｃｍ乃至約５
．０８Ｘ１０−’ｅ１１の厚さを有する。代表的な場合
、層３０は約３．８１　Ｘ１０−ｊｃｍの厚さを有する
純粋なＳｎである。勿論、これ等の相対的厚さは、使用
する特定の系（純粋な金属である必要はない）の共晶組
成、付着層の組成及び所望の最終の組成に依存する。鉛
層上に錫層を付着して使用する好ましい実施例の場合は
、錫層は鉛の付着直後、鉛が著しく酸化する前に付着さ
れなければならない。

各金属表面上の錫層３０を互に接触させて、複合体を共
晶温度以上の温度に加熱する。鉛−錫共晶の場合には、
約１８３．５°Ｃ乃至約２１０°Ｃの温度が通常使用さ
れる。これ等の温度で加熱すると、層２０と３０間の境
界で、層３０の材料と１２０の材料間の相互拡散が生じ
始める。外側の層３０の間の相互拡散は必要とされない
。

結合の際には、小さな圧力を加えて、表面のＳｎ−酸化
物にひび割れを与える。層２０及び３０の材料が各層内
で相互拡散するにつれて、２つの液体領域は外側に向っ
て成長し、錫層３０を消耗する。さらに２つの液体領域
の表面張力が互に個々の層を（ひび割れたＳｎ−酸化物
層を介して）引付け、酸化物を熔融領域全体に分散させ
る。結合過程中に機械的圧力もしくは超音波エネルギ（
あるいはこの両方）を使用すると、層３０の上部表面上
の酸化物層にひび割れが生じて、液体が結合個所を完全
に湿潤させる。印加圧力はパッド面積当り７．８　ｇ　
／ａｍ”程度の低さでよい。

本発明では、材料及びその相対的厚さが選択できるので
、液体領域が自己制限作用をするという利点が得られる
。たとえば、鉛−錫系では、錫層の相対的厚さは、２つ
の層の完全な均質化によって鉛豊富な合金を生ずるよう
に選択できる。液体領域が外方に向って成長すると、液
体中の鉛が増加し、ついには液体の組成が共晶液体の範
囲外になる。この時点で、液体が凝固する。従って、凝
固は液体が実際に銅表面と接触する前に生ずるので、余
分な銅−錫の金属間相の形成が防止されるので有利であ
る。

液相形成及び再凝固の過程は、共晶温度以上の一定温度
もしくはある温度範囲で行われる。この温度は５ｎ−Ｐ
ｂ系の場合に見出されているように、（共晶温度＋〇、
　５°Ｃ）程度の温度でよい。

第２ａ図乃至第２ｅ図は概略的に、等温結合過程中に生
じる種々の組成及び相の変化を示す。具体的には、距離
の関数としての鉛の百分率が、時間のむの増大とともに
描かれている。錫が豊富な相及び鉛が豊富な相は夫々の
及びβとして示されている。液体・固体境界の平衡組成
は結合温度及び平衡状態図によって決定される。

具体的には、初期条件ｔｏ　（第２ａ図）では２つの接
触する錫豊富層の下に鉛豊富な層を有する。

時間１＋　　（第２ｂ図）で、相互拡散により、鉛／錫
境界に２つの液体領域が発生ずる。これ等の液体領域は
外側に向って成長し、時間ｔｚ　　（第２Ｃ図）で元の
結合境界をなくしてしまう。鉛は液体領域に拡散し続け
て、時間ｔｚ　　（第２ｄ図）で、この領域を不安定に
する。時間ｔａ　　（第２ｅ図）で液体領域は収縮し続
けて、最後に凝固が完了する。

さらに均質化しなければ、最終組成プロフィールは、最
初の鉛層の組成に近い外側の層及び固相線の組成に近い
内側の層を有する。領域のすべては耐疲労性の高い、鉛
豊富な範囲中にある。

上述の方法は、特に鉛−錫共晶系について説明されたが
、錫−ビスマスもしくは錫−インジウムのような他の共
晶系にも適用できる。

さらに、本発明は上述のように、集積回路チップを集積
回路チップ支持体に取付ける第１のレベルの電子パッケ
ージングに特に適している。

第３図を参照すると、装置の本発明の方法を遂行するの
に使用できる装置の概略が示されている。

番号ｌは真空にされる処理室を示している。番号２は互
に結合されるべき部品又はセラミック基板のような基板
を示している。番号２０は部品又は基板２上に形成され
た銅層（図示せず）上に設けられた鉛層を示し、３０は
鉛層上の錫層番号７は接触する表面間の接触を密にする
ための重りである０番号８は処理中に構造体を保持する
ための保持装置を示す。番号９は導管１２中を流れる気
体の温度を測定する熱電対である９番号１１は導管１２
を流れる気体を加熱する炉を表わしている。

約１０．３ｇ／ｃｄｃパッド面積当り）の力（重り７）
が使用されて、接触する表面間の接触が密にされた。

鉛層２０上の錫の被覆３０は、熔融した錫の浴中に浸漬
することによって得られる。室は約８００ｍｍ１１ｇの
圧力にされた。この構造は次に１８３．５°Ｃから純粋
Ｓｎの溶融温度迄の温度で不活性気体もしくは還元雰囲
気（アルゴン十８．４％）中でリフローされる。

Ｆ１発明の効果 本発明に従えば、はんだフラックスを使用せず、余分な
金属間化合物の相が形成されず、はんだによる短絡の可
能性がなくなった、２金属表面間を互に結合する、改良
　遷移液相結合方法が与えられる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明に従う多層結合構造を示す図である。 第２図は、本発明の方法で使用される代表的な共晶系（
Ｐｂ−３ｎ）のための結合過程中に生じる組成及び相の
変化を示した図である。 第３図は、本発明の方法を遂行するのに適した装置の概
略図である。 ２・・・・・・基板、７・・・・・・重り、９・・・・
・・熱電対、ｌＯ・・・・・・銅、１１・・・・・・炉
、１２・・・・・・導管、２０・・・・・・鉛含有層、
３０・・・・・・錫含有層。 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション 代理人　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名） 〜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）（イ）２つの金属表面の各々を、共晶反応を生じ
   る鉛含有層及び該鉛含有層上の錫含有層で被覆し、 （ロ）上記金属表面の各々の上記錫含有層を互に接触さ
   せ、 （ハ）上記金属表面を共晶温度以上に加熱して、上記錫
   含有層間の境界をなくす局所的液体を形成し、該液体を
   凝固させて上記金属表面間を相互接続する、 金属表面の結合する方法。