JPH0238309B2 - - Google Patents

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JPH0238309B2
JPH0238309B2 JP1235852A JP23585289A JPH0238309B2 JP H0238309 B2 JPH0238309 B2 JP H0238309B2 JP 1235852 A JP1235852 A JP 1235852A JP 23585289 A JP23585289 A JP 23585289A JP H0238309 B2 JPH0238309 B2 JP H0238309B2
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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
的にはフラツ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ツドの
ような導電性の金属結合パツドを互に結合する必
要がある。たとえば、半導体のチツプ、半導体チ
ツプ支持モジユールもしくは表面取付け電子装置
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レベルの電子パツ
ケージ上の対応する銅結合パツドに結合する必要
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ツクスだけでなく、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け技術で
ある。
さらに、通常のはんだ付け技術は、接近して隣
合つたパツド間をはんだが橋渡しする(即ち2つ
の隣合うパツ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。
より最近になつて、“遷移液相(transient
liquid 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つて、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け技術と比較すると、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つて制限されない。従つ
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つて達成
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
つて、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。従つて、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。
C 発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、フラツクスを使用せず、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。
D 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
よつて、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。
E 実施例 本発明の方法は、はんだ付け技術が必要な金属
被覆基板、特に、可撓性の薄膜キヤリアのような
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、銅結合パツド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
覆基板の銅部分を示す。各銅部分10上にはPb
もしくはPb豊富なPb−Sn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5.08×10-3cm乃至約25.4×10-3cmである。
代表的な層20はPb−(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。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ほどは厚くなく、通常
約2.54×10-3cm乃至約5.08×10-3cmの厚さを有す
る。代表的な場合、層30は約3.81×10-3cm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℃乃至約210℃の温度が通
常使用される。これ等の温度で加熱すると、層2
0と30間の境界で、層30の材料と層20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3
0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つて成長し、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、酸化物を溶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。印加圧力はパツド
面積当り7.8g/mm2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つ
て鉛豊富な合金を生ずるように選択できる。液体
領域が外方に向つて成長すると、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。従つて、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Sn−Pb系の場合に見出されているように、
共晶温度+0.5℃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t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
び平衡状態図によつて決定される。
具体的には、初期条件t0(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t1(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する。これ等の液体
領域は外側に向つて成長し、時間t2(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t3(第2d図)で、この領
域を不安定にする。時間t4(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、最終組成プロフイー
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−錫共晶中について説明
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、集積回路チツ
プを集積回路チツプ支持体に取付ける第1のレベ
ルの電子パツ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1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ツク
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。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。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70.3g/cm2(パツド面積当り)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、溶融した錫の浴
中に浸漬することによつて得られる。室は約800
mmHgの圧力にされた。この構造は次に183.5℃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+H24%)中でリフロ
ーされる。
F 発明の効果 本発明に従えば、はんだフラツクスを使用せ
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つた、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−Sn)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、10
……銅、11……炉、12……導管、20……鉛
含有層、30……錫含有層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 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。
JP1235852A 1988-10-12 1989-09-13 金属表面の結合方法 Granted JPH02117772A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US25653488A 1988-10-12 1988-10-12
US256534 1988-10-12

Publications (2)

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JPH02117772A JPH02117772A (ja) 1990-05-02
JPH0238309B2 true JPH0238309B2 (ja) 1990-08-29

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ID=22972587

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JP1235852A Granted JPH02117772A (ja) 1988-10-12 1989-09-13 金属表面の結合方法

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