JPH11192581A

JPH11192581A - はんだ結合方法

Info

Publication number: JPH11192581A
Application number: JP10296665A
Authority: JP
Inventors: David Gerald Coult; ジェラルドコウルトデヴィッド; Gustav Edward Derkits Jr; エドワードダーキッツジュニアガスタフ; John William Osenbach; ウィリアムオーセンバッチジョン; Yiu-Man Wong; ウォンイウ−マン
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1998-10-19
Publication date: 1999-07-21
Also published as: EP0911111A3; EP0911111A2; US5990560A

Abstract

(57)【要約】【課題】改良されたはんだ結合の生成方法及び改良さ
れたはんだ結合組成物を提供する。【解決手段】ハイブリッド集積回路及び光学副集成部
品の製造において、動的に制御されるはんだ結合方法を
使用する。この方法は、はんだ層と急冷層と制御層を使
用することからなる。制御層ははんだ層と急冷層との間
に配設される。制御層は白金薄膜からなる。白金薄膜か
らなるバリヤ層をはんだ層と被結合部品との間に配設
し、はんだ付け処理中又ははんだ付けされた部品の事後
貯蔵中におけるはんだ材料の酸化を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明ははんだ結合に関す
る。更に詳細には、本発明は動的に制御されたはんだ結
合を行う方法及び組成物に関する。本発明は、光学副集
成部品にレーザチップ部品を結合する用途に特に適す
る。

【０００２】

【従来の技術】ハイブリッド集積回路及び光学副集成部
品を製造する場合、サブマウント付着部品と該サブマウ
ント付着部品に結合されるべき部品との間で、高度な熱
安定性と高度な導電性を有する高強度結合を行う必要が
ある。このような結合を行うために一般的に使用される
方法の一つははんだ付である。

【０００３】例えば、金属混合物（はんだ）をレーザチ
ップと基板との間に配設し、２つの部品を接触させなが
らはんだを溶融させ、その後、再凝固させる。一般的
に、再凝固は熱力学的結合を介して行われる。すなわ
ち、部品とはんだの温度が低下することにより結合す
る。これにより、はんだ材料は部品材料を固定する。部
品がはんだを溶融させるほどの高温度に二度と暴露され
なければ、結合は固体状態を維持する。

【０００４】熱力学的結合を含むはんだ付方法の一つの
欠点は、初期の結合が形成された後、部品をはんだの軟
化点付近の温度又は軟化点以上の温度にまで上昇させな
ければならない場合、はんだ接合が破壊される危険性が
あることである。例えば、金と錫からなるはんだの場
合、この組成物の固相線は約２８０℃である。熱力学的
結合の場合、部品が後に前記固相線以上の温度に上がる
と、はんだの結合性は危険に曝される。

【０００５】これは、部品を正確な寸法整合性を維持し
なければならない場合（例えば、レーザが光学システム
に結合されている場合）に、得に困難な問題となる。従
って、最近の研究努力は、元のはんだ組成物の融点以上
の温度であっても、無傷のままで維持される結合を開発
する方向に向けられている。

【０００６】例えば、S.Bader, W. Gust and H.Hieber,
"Rapid Formation of Intermetallic Compounds by In
terdiffusion in the Cu-Sn and Ni-Sn Systems," ACTA
METAL.MATER.Vol.43(1995), p.329-337には、２成分系
金属間配合物の使用が開示されている。この２成分系金
属間配合物によれば、元のはんだ材料の融点よりも高い
使用温度を有するはんだ系が得られる。前掲書には、制
御成分を有しない二成分系配合物の使用が教示されてい
る。

【０００７】動的結合（結合は化学反応速度及び制御元
素の使用により制御される）は、熱力学的結合又は純粋
な二成分結合よりも優れた効果をもたらす。熱力学的に
制御された結合の場合、化学反応（動的）のタイミング
は、溶融度、酸化度又は化学変換率を制御し、これによ
り、はんだ結合の濡れ性、流動性及び強度などが制御さ
れる。例えば、１層以上の元素類からなるはんだを或る
部品又はその他の部品に添合させることができる。

【０００８】はんだ構成元素の追加層をはんだに追加
し、或る部品の元素がはんだ内に吸収されるに応じて、
はんだの融点を変化させることができる。これらの追加
層を、この明細書では「急冷層」と呼ぶ。従って、温度
を徐々に低下させることによるよりも、追加元素の急冷
層を組込むことにより、凝固を起こさせることができ
る。このようなはんだ構成では、元のはんだ組成物の融
点以上の温度であっても、固体のままでいるような結合
を形成することができる。

【０００９】例えば、当業者に公知の急冷層の使用を伴
う動的に制御された結合は、金（Ａｕ）又は金被覆部分
の結合に金−錫（ＡｕＳｎ）はんだを使用することから
なる。例えば、レーザチップと光学的副集成部品基板な
どのような２つの部品の結合では、一方の部品（例え
ば、基板）に付着されるはんだ層として、金と錫の混合
物が一般的に使用される。薄膜用途では、はんだ層は一
般的に、金と錫が交互に積層されたような、複数の層か
らなる。

【００１０】はんだの共晶点よりも僅かに高い温度をは
んだ層と基板にあてることによりはんだ層を溶融させ
る。はんだ層が溶融したら、急冷層（例えば、金の追加
層）を追加し、そして、第２の部品（例えば、レーザチ
ップ）を急冷層の上に取付ける。別法として、第２の部
品の取付け前に、１層以上の追加はんだ層又は急冷層を
追加することもできる。はんだ層及び急冷層が凝固する
につれて、これらは２つの部品を一緒に結合する。

【００１１】この処理法の場合、急冷層は結合強度を高
め、その結果、結合について何らかの追加制御を与え
る。急冷層がはんだ層中に取り込まれ、結合が形成され
るにつれて、混合物が固体であるときの温度（固相線）
は、混合物中の金の原子部分の関数として上昇する。従
って、元のはんだ層の部分ではない追加の金（急冷層）
を添合することにより、温度を単に低下させることによ
る方法と異なり、材料を凝固させる速度を調整すること
ができる。

【００１２】しかし、このタイプのはんだ結合は、大抵
の状況下で制御することが困難である。なぜなら、追加
元素がはんだ層内に急速に取込まれるので、この結合は
早発的な凝固を避けるために迅速に形成しなければなら
ない。このはんだ付け方法に関する優れた制御方法の開
発が望まれている。

【００１３】反応の急速性及びはんだ方法に関する優れ
た制御方法の必要性に加えて、前記方法が有する別の欠
点は、はんだ材料の酸化である。酸化は、結合が形成さ
れる前又は貯蔵中に生じる。また、結合前のはんだ層の
表面に生成される酸化物層及び金属間化合物は、金属−
金属接触の払底又は欠如を引き起こし、その結果、低強
度又は低導電率などのような望ましからざる特性を有す
る結合を形成する。はんだ層内で錫（Ｓｎ）が使用され
ている場合、この酸化は特に問題となる。

【００１４】錫が使用されている場合、錫ははんだの表
面に拡散し、ＳｎＯ₂層を生成する。この酸化物（Ｓｎ
Ｏ₂）は感湿性なので、はんだ付け中に湿潤問題を引き
起こす。金への錫の拡散及び錫と金との相互拡散は、室
温であっても急速に起こることが良く知られている。

【００１５】このような事実は、例えば、L.Buene,"Int
erdiffusion and Phase Formationat Room Temperature
in Evaporated Gold-Tin Films," THIN SOLID FILMS 4
7:159 (1977); S.Nakahara, R.McCoy, L.Buene, and J.
M.Vandenberg, "Room Temperature Interdiffusion of
Au/Sn Tin Film Couples," THIN SOLID FILMS 84:185
(1981); V.Simic and Z.Marinkovic, "Thin Film Inter
diffusion of Au andSn at Room Temperature," JOURNA
L OF THE LESS COMMON METALS 51:177 (1977)などに記
載されている。はんだ層が純粋な金であっても、このよ
うな酸化及び湿潤問題は生起する。

【００１６】酸化を防止又は軽減するために、様々な方
法が一般的に使用されている。例えば、アルゴンのよう
な不活性環境内で貯蔵する、極低温で貯蔵する、フラッ
クスを使用する、又ははんだ付け処理中の雰囲気圧力を
低下するなどの方法が使用されている。これらの方法
は、貯蔵条件又は結合条件あるいは必要な装置のため
に、かなり高コストである。しかも、これらの方法は信
頼性又は加工安全性に相当強い影響を与える。

【００１７】最近の研究では、相互拡散に伴う困難性を
解決するために、バリヤ層として、はんだ付け構造中へ
のニッケルの添合を考究している。この研究結果は、C.
H.Lee, Y.M.Wong, C.Doherty, K.L.Tai, E.Lane, D.D.B
acon,F.Baiocchi, and A.Katz, "Study Of Ni As A Bar
rier Metal In AuSn Soldering Application For Laser
Chip/Submount Assembly," J. APPL. PHYS. 72:3808
(1992)に記載されている。

【００１８】はんだ結合に関する更に別の公知文献とし
て、１９９６年９月２４日に発行された米国特許第５５
５９８１７号明細書を挙げることができる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、改良されたはんだ結合の生成方法及び改良されたは
んだ結合組成物を提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】前記課題は、一層以上の
追加制御層を添合することにより、はんだ付け処理及び
反応速度に関する制御性を得ると共に、はんだ材料の酸
化を防止する方法により解決される。

【００２１】はんだ層（好ましくは、多層膜）は急冷層
(quenching layer)と共に使用され、２個の部品を一緒
に結合する。遷移元素（好ましくは、白金）の少数制御
層ははんだ層と急冷層との間に配設される。組成物に熱
が加えられると、急冷層とはんだ層との混合を可能する
制御層は溶解する。従って、はんだ層と急冷層との相互
作用は、追加制御層により制御することができる。制御
層は更に、酸化防止層又はバリヤ層としても機能する。
従って、追加制御層又はバリヤ層を使用することができ
る。

【００２２】好ましい実施態様では、金−錫（Ａｕ−Ｓ
ｎ）はんだへの金の拡散を制御し、錫（Ｓｎ）の酸化を
防止するために、白金の薄膜を使用する。

【００２３】前記課題は更に、レーザチップと光副集成
部品との結合に使用される、好ましくは、金−錫（Ａｕ
−Ｓｎ）のはんだ層、白金（Ｐｔ）のバリヤ層及び金の
急冷層からなる組成物により解決される。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明は特に、高温（例えば、３
２５〜３５０℃）で無傷のままでいなければならない硬
質（金−錫）はんだにより、レーザチップを光学副集成
部品（ＯＳＡ）にはんだ付けする技術に応用される。し
かし、本発明はレーザチップだけに限定されることはな
く、シリコンとガリウム・砒素回路とのはんだ結合及び
金と錫を含む材料以外の材料と副集成部品への部品類の
結合にも応用できる。従って、下記では基本的に、光学
副集成部品と金−錫はんだについて説明するが、本発明
は他の用途にも同様に適用できる。

【００２５】図１は、本発明によるはんだ結合の構造１
０を示す模式的断面図である。図１には、結合されるべ
き基板を除いた、基本的なはんだ層だけが図示されてい
る。所望のはんだ結合を達成するための構造１０は、少
なくとも１層の結合層又ははんだ層１２からなる多層構
造である。はんだ層１２は、はんだ材料１２ａ，１２ｂ
及び１２ｃが交互に積層した複数の層からなる。一般的
に、薄膜用途では、はんだ層は図１に示されるような複
数の層から構成されている。

【００２６】急冷層１４が使用されている。急冷層１４
は、これがはんだ層１２内に取り込まれたら、はんだ混
合物の固相線の上昇を引き起こす。本発明によれば、は
んだ層１２と急冷層１４との間に制御層１６が配設され
ている。はんだ層１２と急冷層１４との組み合わせは、
はんだ結合のための二成分系と呼ばれる。本発明によれ
ば、制御層１６ははんだ層と急冷層との間で使用される
ので、二成分系はんだ付け構造から逸脱している。

【００２７】好ましくは、制御層は、はんだ材料と反応
する急冷層よりも、はんだ材料と一層緩慢に反応する元
素から構成する。制御層は、はんだ層又は急冷層に比
べて薄いこと、その結果、制御層は、それ自体の作用に
より二成分系の溶融挙動を変更することなく、迅速に溶
解する、他の層へ容易に取り込まれること、二成分
系の基本的特性が変化されることなく維持され、二成分
系相線図を用いて、近似値として計算することができる
ような少数成分であることが望ましい。

【００２８】この制御層の選択及び膜厚により、はんだ
の誘発凝固（急冷）を制御することができる。制御層
は、温度、層厚及び層組成により指図された期間中、急
冷層からの材料の相互作用からはんだの構成材料を保護
する。

【００２９】図２は、図１の構造を応用する、本発明に
よるはんだ結合の方法を例証する模式図である。図１と
同様に、複数の交互層１２ａ，１２ｂ及び１２ｃからな
るはんだ層１２と、急冷層１４と制御層１６とが図示さ
れている。図２では、第１の部品又は基板３０、この基
板３０と結合されるべき第２の部品３２も図示されてい
る。

【００３０】一例として、はんだ層１２は基板３０に接
着されている。急冷層１４及び制御層１６は第２の部品
に付着されている。完全な混合を確保し、他の材料のそ
の後の添加を埋め合わせるために、基板３０及びはんだ
層１２を、はんだ層１２の融点温度又は好ましくはこの
融点よりも高い温度にまで加熱する。例えば、金／錫は
んだの共晶点は一般的に、約２８０℃である。このよう
な場合、基板は約３２０℃又はこれよりも高い温度にま
で加熱される。

【００３１】急冷層１４と制御層１６を有する第２の部
品３２はその後基板３０とはんだ層１２に対して、矢線
Ａの方向に沿って、貼り付けられる。はんだ層１２の熱
は制御層１６をはんだ層１２に溶け込ませる。制御層１
６の溶解により急冷層１４が解放され、その結果、急冷
層ははんだ層と相互作用することが可能になる。

【００３２】反応時間、反応温度、各層の膜厚及び組成
に応じて、この方法によれば、従来の方法に比べて、急
冷層１４とはんだ層１２との混合に関して高い制御性を
得ることができる。制御層は一般的に、高温度を見込ん
でいる。特に、部品の組立中の高温度を見込んでいる。

【００３３】従って、長い放冷時間の必要性は除かれ
る。制御層は一方の部品又は双方の部品に貼付すること
ができる。また、前記の図２について説明した方法の別
法として、結合されるべき第２の部品３２の結合前に、
制御層１６及び急冷層１４をはんだ層１２に直接貼付す
ることもできる。あるいは、制御層１６及び急冷層１４
を、はんだ層１２と第１の部品３０との間に配設するこ
ともできる。

【００３４】層の好ましい厚さは、結合される部品の寸
法公差及び層に使用される材料の化学性の関数である。
好ましい実施態様では、はんだ層は金と錫の交互層から
なる。従って、例えば、図１及び図２に示されるよう
に、はんだ層１２は、金の第１はんだ層１２ａ、錫の第
２はんだ層１２ｂ及び金の第３はんだ層１２ｃからな
る。制御層１６は好ましくは、白金（Ｐｔ）からなる。
しかし、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃ
ｏ）又はパラジウム（Ｐｄ）などのような遷移金属から
構成することもできる。急冷層１４は金からなることが
好ましい。

【００３５】本発明によれば、はんだ層の組成及び構成
を様々に変化させることができる。これについて、図３
〜図５を参照しながら更に詳細に説明する。はんだ層１
２は図示されているような、多層薄膜形状であることも
できるし、あるいは、共晶点又は共晶点付近の均質混合
物であることもできる。金−錫（ＡｕＳｎ）又は鉛−錫
（ＰｂＳｎ）のような２種類の化学元素の複合材料であ
ることが好ましい。

【００３６】はんだ層がＡｕＳｎである場合、急冷層は
Ａｕであることが好ましい。また、はんだ層がＰｂＳｎ
である場合、急冷層はＰｂであることが好ましい。何れ
の場合も、白金は制御層として使用するのに特に好まし
い。白金はＰｂＳｎはんだに溶解することができる。

【００３７】特に、白金が適当な条件下でＰｂＳｎはん
だに溶解することは、例えば、B.Meagher, D.Schwarcz,
M.Ohring, "Compound Growth in Pt/Sn-Pb Solder Dif
fusion Couples," JOURNAL OF MATER. SCI. Vol.31 (19
96), p.5479-5486に記載されている。

【００３８】単一の急冷層であることもできるし、又
は、複数の急冷層であり、該層の間に複数の制御層とバ
リヤ層を有することもできる。更に、各急冷層は金属層
の混合体、例えば、金と錫と金との交互層から構成する
こともできる。別法として、急冷層は単一構造、すなわ
ち、図示されているような、単一の化学元素から構成す
ることもできる。重要なことは、急冷層とはんだ層との
間の制御不能な相互作用を防止するために、急冷層とは
んだ層との間に制御層を介在させることである。

【００３９】図３は、酸化防止層又はバリヤ層１８の使
用を例証する模式図である。図２と同様に、図３には、
はんだ層１２（１２ａ、１２ｂ及び１２ｃの３層からな
る）と、急冷層１４と、制御層１６と、一緒に結合され
るべき２つの部品３０，３２が図示されている。しか
し、図３では、バリヤ層１８が、はんだ層１２の表面
上、又は、はんだ層１２と制御層１６との間に更に配設
されている。

【００４０】バリヤ層１８は、はんだ又ははんだの酸化
性成分の望ましからざる酸化を防止する。更に、基板に
対するはんだの密着性を高めるために、はんだ層１２と
基板３０との間に接着剤層２０を配設することもでき
る。一例として、基板３０がシリコンからなり、はんだ
層が金（１２ａ）、錫（１２ｂ）及び金（１２ｃ）の交
互層からなる場合、バリヤ層１８は白金からなり、接着
剤層２０はチタン（Ｔｉ）からなることが好ましい。

【００４１】はんだ層１２と基板３０との間にバリヤ層
１８を配設する代わりに、又は、バリヤ層１８の配設に
加えて、バリヤ層１８と接着剤層２０を、急冷層１４
と、第２の被結合部品３２との間に配設することもでき
る。すなわち、図３を参照すれば、バリヤ層１８を急冷
層１４の上面に配設し、更に、接着剤層２０をバリヤ層
１８と第２の部品３２との間に配設することもできる。
何れにしろ、追加層の存在は、使用される層の膜厚の選
択を左右する。

【００４２】本発明の方法によれば、白金が、従来の方
法で使用されていた膜厚又は温度変数よりも更に強固な
独自なタイプの制御を示すので、最終的なはんだの制御
性が改善される。これは、少なくとも一部分は、白金浸
透の高活性エネルギーによる。これにより、十分に高い
温度で急速に結合が形成され、製造における一般的な温
度は極めて低い価値を有する。

【００４３】特に、金又は白金層を有する部品に対して
金／錫はんだで結合される部品は、Ｐｔ層の膜厚に関連
して、Ｐｔ層の時間依存性浸透を示すことが判明した。
従って、Ｐｔ膜厚、ＡｕＳｎ組成、結合温度及び結合時
間などの変数に依存する制御方法により、Ｐｔを結合内
に取り込ませることができる。

【００４４】ＳｉＯ₂表面層を有するシリコン基板を半
導体レーザチップに結合させるための好ましい変数を下
記の図５を参照しながら説明する。また、温度変数を与
える構造特性を決定する方法を下記の実施例及び図６を
参照しながら説明する。

【００４５】動的制御は、結合されるべき２つの部品
に、又は別法として、どちらか一方の部品にのみ、制御
層とバリヤ層を適用することにより得られる。図４は、
動的制御原理が２つの部品の余関数として機能する実施
態様、すなわち、バリヤ層と制御層が別々に２つの部品
に適用され、その後、一緒に結合される実施態様を示す
模式図である。

【００４６】図５は、動的制御原理が２つの部品のうち
の一方の部品の関数として基本的に機能する実施態様、
すなわち、バリヤ層及び制御層が一方の部品（図５で
は、部品Ｂ）に適用され、他方の部品（部品Ｃ）は主と
して、結合可能なパートナーとして機能する。

【００４７】更に詳細には、図４では、はんだ層１２’
は第１の部品３０’の表面に配設されている。第１の部
品３０’はシリコン又は二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）か
らなり、第２の部品３２’は半導体レーザチップの部品
からなる。第１の部品３０’上のはんだ層１２’は、金
（１２ａ’）、錫（１２ｂ’）及び金（１２ｃ’）の３
層の交互層からなることが好ましい。

【００４８】急冷層１４’及び制御層１６’は第２の部
品３２’に付着されている。第１のバリヤ層１８ａ’と
接着剤層２０ａ’が、はんだ層１２’と第１の部品３
０’との間に付着されている。更に、第２のバリヤ層１
８ｂ’と接着剤層２０ｂ’が、急冷層１４’と第２の部
品３２’との間に付着されている。

【００４９】レーザチップを光学副集成部品（ＯＳＡ）
に結合するために金／錫はんだを使用する場合，急冷層
１４’は金からなり、制御層１６’は白金からなり、第
１及び第２のバリヤ層１８ａ’，１８ｂ’も白金からな
り、接着剤層２０ａ’、２０ｂ’はチタンからなること
が好ましい。最後の金の湿潤層２２は、制御層１６’上
に付着することができる。

【００５０】この実施態様では、図示されているよう
に、急冷層１４’とはんだ層１２’との混合を制御する
ための機能を果たす制御層１６’は最初のうちは、第２
の部品３２’のみに適用されている。従って、この実施
態様では、熱力学的制御と異なり、はんだの凝固に関す
る動的制御は、矢線Ａ’の方向に沿って２つの部品が一
緒に結合されるときだけ開始される。

【００５１】図５は、別のはんだ付け構造を示す模式図
である。この構造では、動的制御層とバリヤ層は同じ部
品に付着されている。（図４では、動的制御層とバリヤ
層は異なる部品に付着されていた。）例えば、図５で
は、第１の部品３０”は、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）
表面層３０ｂ”を有するシリコン基板３０ａ”からな
る。

【００５２】第１のバリヤ層１８ａ”を第１の部品３
０”に接着するために、チタンからなる第１の接着剤層
２０ａ”（好ましくは、膜厚が約１０００ｎｍである）
が、第１の部品上に付着されている。第１のバリヤ層１
８ａ”は、膜厚が約２０００ｎｍの白金からなることが
好ましい。好ましくは、金からなり、かつ、膜厚が約１
００００ｎｍの急冷層１４ａ”は、第１のバリヤ層１８
ａ”に直接付着されている。

【００５３】急冷層１４ａ”には続いて、好ましくは、
白金からなり、かつ、膜厚が約３００〜４００ｎｍの制
御層１６ａ”が付着されている。次いで、金１２ａ”
（膜厚約５００〜５７００ｎｍ）、錫（膜厚約５７００
〜７０００ｎｍ）及び金１２ｃ”（膜厚約２２００〜２
８００ｎｍ）の交互層からなるはんだ層１２”が制御層
上に付着され、続いて、白金（膜厚約３５〜９０ｎｍ）
からなる第２の制御層１６ｂ”及び金（好ましくは、膜
厚約５００ｎｍ）からなる第１の湿潤層２２ａ”が付着
されている。

【００５４】第２の部品３２”には、金（好ましくは、
膜厚４ミクロン）からなる急冷層１４ｂ”、白金（膜厚
約２０００ｎｍ）からなる第３の制御層１６ｃ”、及び
金（膜厚約１５００ｎｍ）からなる第２の湿潤層２２
ｂ”が付着されている。

【００５５】図５に示される構造は重要である。なぜな
ら、急冷層上に画期的な制御層を使用することにより、
本発明の動的制御原理の両方の性状（すなわち、制御と
酸化防止）が共に（又は、同じ部品上で同時に）機能
し、保管中又は製造中の表面酸化に対する耐性と、はん
だ材料の制御された凝固の両方が得られるからである。

【００５６】すなわち、部品Ｂには、酸化を制御するた
めのバリヤ層１８ａ”と、はんだの凝固を制御するため
の２つの制御層１６ａ”，１６ｂ”が図示されている。
また、第２の制御層１６ｂ”は、結合プロセスを制御す
ると共に、はんだ層１２”の表面酸化を制御する両方の
機能を発揮できる。

【００５７】図５の構造では、急冷プロセスは両方の部
品上で進行することができ、第２の急冷層１４ｂ”が第
１の急冷層１４ａ”と同時に機能することにより、反対
方向からはんだ層１２”の融点を調整することができ
る。すなわち、第１の急冷層１４ａ”は、第１の部品３
０”の方向から、第１のはんだ層１２ａ”のところで機
能し、第２の急冷層１４ｂ”は、第２の部品３２”の方
向から、第３のはんだ層１２ｃ”のところで機能する。

【００５８】単一部品上の複数層の膜厚に関連する実際
的な制約による複数層の共有機能を一体化することが望
ましい。何れにしろ、これらの構造は、本発明による動
的制御の柔軟性と、他の設計への応用性を例証する。

【００５９】

【実施例】実施例１：計算構造特性図６は、はんだシステムの二成分系相線図に基づいて、
特定の層構造の特性を決定するための計算を例証するた
めの構造を示す。MATHCAD 5.0における実行可能なMATHC
ADプログラムとして下記に計算例を示す。このプログラ
ムは、下記に示される形の結果を生成するための、当業
者に周知のプログラムである。

【００６０】図６に示された構造は、膜厚１５０ｎｍの
金の湿潤層４０、はんだ層４２（膜厚９００ｎｍの金の
第１のはんだ層４２ａ、膜厚１２００ｎｍの錫の第２の
はんだ層４２ｂ及び膜厚４５０ｎｍの金の第３のはんだ
層４２ｃからなる）、膜厚約２５００ｎｍの金の急冷層
４４及び、はんだ層４２と急冷層４４との間に配設され
た、膜厚約４０ｎｍの白金の制御層４６を有する。

【００６１】一般的に、構造の膜厚と挙動を決定するた
めの計算は下記の５つのステップを適用することにより
行うことができる。所望の組成領域における固相線及
び液相線を決定する、液体であるはんだの画分を決定
するために、当業者に周知の、レバー(Lever)ルールを
適用する、所定の一連の薄膜層における各元素の原子
画分を決定する、はんだ結合プロセスにおける適当な
時点で溶解する制御層材料を選択するために、潜在的制
御材料の溶解速度に関する文献記載の又は実験的に決定
された情報を使用する、及び急冷層が露出されるまで
液体のままでいる特性を有し、制御層が溶解され、そし
て、急冷層がはんだと混合したら凝固するはんだ層構成
を設計するために、当業者に公知の公式を適用する。

【００６２】制御層は少数元素であると仮定する。本発
明を例証するために、これらのステップは、図６のはん
だ構造を考慮して、下記のように実行される。

【００６３】ステップ１先ず、各層内の材料の量及び該材料がはんだ内に取り込
まれる様式を考慮して、元素の様々な組成のはんだの液
体画分を決定することができる。この場合、例えば、固
相線及び液相線を決定するために、温度Ｔ（Ｘ）を材料
の組成（Ｘ）の関数と見做す。先ず、所定のＴ（Ｘ）関
数を逆にして、固相線及び液相線に沿って錫組成を引き
出す。ＸＳｎｓｏｌ（Ｔ）及びＸＳｎｌｉｑ（Ｔ）

【００６４】液相線及び固相線は組成から温度変数に変
換される。便宜上、内部変数に関するMATHCAD内蔵許容
差をＴＯＬ＝１０^-2に設定する。所望の領域における液
相線及び固相線の関数に関して、J.Ciulik and M.R.Not
is, "The Au-As Phase Diagram," JOURNAL OF ALLOYS A
ND COMPOUNDS, Vol. 191 (1993), p.71を参照する。

【００６５】Ｔｌ（ＸＳｎ）＝１４５０．９１０８-５０．２１６１・ＸＳｎ＋０．３３９３・ＸＳｎ² 液相線：５２１℃〜２８０℃ Ｔｓ（ＸＳｎ）＝９５１．６９４０-５６．５０８７・ＸＳｎ＋１．０３９１・ＸＳｎ² 固相線：５２１℃〜２８０℃ ＸＳｎ＝２０ルートファインダーの初期値

【００６６】次いで、MATHCAD内蔵ルート関数を用いる
反転により関数をつぎのように定義できる。温度の関数としての固相組成関数：ＸＳｎｓｏｌ（Ｔ）＝ルート（Ｔ−Ｔｓ（ＸＳ
ｎ），ＸＳｎ）液相組成関数：ＸＳｎｌｉｑ（Ｔ）＝ルート（Ｔ−Ｔｌ（ＸＳ
ｎ），ＸＳｎ）

【００６７】ステップ２固相関数及び液相関数を使用し、周知のレバールールを
適用することにより、液相である所定の温度で、錫の所
定の画分を含有する材料の関数を決定できる。このルー
ルを適用する際、相転移のときに起こる特異性を認識
し、液体関数の値を、線図の固体領域では１に、また、
線図の純液体領域では０に設定することに注意する。

【００６８】このルールをMATHCADで処理する場合、先
ず、解析的関数ＬＶＲ（Ｘ，Ｔ）を生成し、次いで、液
体画分関数ＬＦ（Ｘ，Ｔ）を生成する。この関数は次の
ような例外を含む。

【００６９】レバールール関数：ＬＶＲ（ＸＳｎ，Ｔ）＝ＸＳｎ−ＸＳｎｓｏｌ
（Ｔ）／（ＸＳｎｌｉｑ（Ｔ）−ＸＳｎｓｏｌ
（Ｔ））

【００７０】解析的関数ＬＶＲ（ＸＳｎ，Ｔ）を使用
し、かつ、下記の条件ＬＦ＝０固相線以下、及びＬＦ＝１液相線以上を適用することにより液体画分関数ＬＦ（Ｘ，Ｔ）を下
記のように定義できる。

【００７１】ＬＦ（Ｘ，Ｔ）＝ｉｆ（ＸＳｎ＜ＸＳ
ｎｓｏｌ（Ｔ），０，ｉｆ（ＸＳｎ＞ＸＳｎｌｉ
ｑ（Ｔ），１，ＬＶＲ（ＸＳｎ，Ｔ）））例えば、ＬＦ（３０，３５０）＝１

【００７２】ステップ３次に、はんだ層として薄膜構造を使用する場合、膜厚か
ら原子画分への変換を行う必要がある。これを行う場
合、含まれる元素の異なる原子密度を斟酌することが重
要である。一般的なバルク又は単結晶値に関する付着材
料の密度が必要な場合、何らかの補正を行うこともでき
る。

【００７３】この場合、これらの構造中に含まれる全元
素は嵩密度に対する付着密度の同様な関係を有し、補正
を行う必要はない、と仮定する。この仮定は全ての情況
において有効であるとは限らないが、当業者に周知の方
法により適当な補正を行うこともできる。

【００７４】標準単位としてＡｕに基づき（すなわち、
全てのものはＡｕに対して比率化させることができ
る）、複数層内の原子番号を推定するために、原子画分
は、原子質量及び嵩密度を用いて厚さに基づかされる。

【００７５】ＭＰｔ＝１９５．０９ＭＡｕ＝１９６．９６ＭＳｎ＝１１８．９６ＤｎＰｔ＝２１．４５ＤｎＡｕ＝１９．３ＤｎＳｎ＝７．２８ここで、ＭＸは元素Ｘの原子質量を示し、ＤｎＸは
その他の標準対照に基づく、元素Ｘの密度を示す。

【００７６】ＲＳｎＡｕ＝｛（ＤｎＳｎ）／（Ｄ
ｎＡｕ）｝・｛（ＭＡｕ）／（ＭＳｎ）｝。従っ
て、ＲＳｎＡｕ＝０．６２６。すなわち、ＳｎはＡ
ｕよりも原子的に低稠密である。

【００７７】ＲＰｔＡｕ＝｛（ＤｎＰｔ）／（Ｄ
ｎＡｕ）｝・｛（ＭＡｕ）／（ＭＰｔ）｝。従っ
て、ＲＰｔＡｕ＝１．１２２。すなわち、ＰｔはＡ
ｕよりも原子的に高稠密である。

【００７８】ＮＳｎ（ＴｈＳｎ）＝ＲＳｎＡｕ・ＴｈＳｎＮＰｔ（ＴｈＰｔ）＝ＲＰｔＡｕ・ＴｈＰｔ

【００７９】従って、同じ厚さのＡｕ層に対する、所定
の厚さの複数層内の原子の数を得ることができる。

【００８０】ステップ４バリヤ材料を選択する場合、全ての実際的用途におい
て、制御層又はバリヤ材料のはんだへの溶解は、それ自
体が、例えば、はんだの構成元素のうちの一つが他の元
素よりも遙かに強力に結合し、そして、結合元素の沈殿
を起こすことにより、はんだの液体組成物への変化を引
き起こすものと見做すことができる。

【００８１】Ａｕ-Ｐｔ-Ｓｎ系において、制御層として
使用されるＰｔの添合によりこのような変化が起こる。
はんだ材料の液体画分を正確に計算するために、白金を
錫のための“シンク”であると見做す。従って、沈殿す
る材料は大雑把に、ＡｕＰｔＳｎ２の化学組成により示
すことができる。

【００８２】次いで、残りのはんだの有効錫濃度は、二
成分系組成物から、反応した白金に適正な錫の量を除く
ことにより計算する。この同じ方法を、その他の系、例
えば、特に、Ｐｔ-Ｐｂ-Ｓｎ系又はＡｕ-Ｃo-Ｓｎ系な
どについても使用できる。

【００８３】全三元素の厚さの関数としての、二成分系
液体中の有効錫濃度である関数ＸＳｎｅｆは、液体画
分関数に対する入力として使用される。

【００８４】ＸＳｎｅｆ（ＴｈＰｔ，ＴｈＳ
ｎ，ＴｈＡｕ）＝｛ＮＳｎ（ＴｈＳｎ）−２・Ｎ
Ｐｔ（ＴｈＰｔ）｝／｛ＮＳｎ（ＴｈＳｎ）＋Ｔ
ｈＡｕ−３・ＮＰｔ（ＴｈＰｔ）｝・１００例えば、ＸＳｎｅｆ（０，４００，７００）＝２
６．３４５ＬＦ（ＸＳｎｅｆ（０，４００，７００），３５
０）＝０．９６６

【００８５】従って、初めに４００ｎｍのＳｎと７００
ｎｍのＡｕからなる積層構造から得られる材料は、２
６．３％の有効錫濃度を有し、温度が３５０℃にまで上
昇すると、有効錫濃度が９６．６％の液体となる。

【００８６】ステップ５例えば、この方法を図６に示されたタイプの積層構造に
適用できる。これについて、以下説明する。

【００８７】１．一連のはんだ結合の開始時点で、はん
だを３５０℃の結合温度にまで上昇させる。層４２（４
２ａ，４２ｂ及び４２ｃ）だけが関与する。ＸＳｎｅｆ（０，１２００，９００＋４５０）＝３
５．７４９ＬＦ（ＸＳｎｅｆ（０，１２００，１３５０），３
５０）＝１はんだは完全に液化する（すなわち、ＬＦ＝１）。

【００８８】２．第２の部品上のＡｕ層４０と混合され
ると、有効錫濃度は変化する。これには、層４２と４０
が関与する。ＸＳｎｅｆ（０，１２００，９００＋４５０＋１５
０）＝３３．３６７ＬＦ（ＸＳｎｅｆ（０，１２００，１５００），３
５０）＝１はんだは完全な液化状態を維持する（すなわち、ＬＦ＝
１）。

【００８９】３．Ｐｔ制御層４６が溶解すると、有効錫
濃度は再び変化する。これには、層４２、４０及び４６
が関与する。ＸＳｎｅｆ（４０，１２００，１５００）＝３１．
２４９ＬＦ（ＸＳｎｅｆ（４０，１２００，１５００），
３５０）＝１はんだは完全な液化状態を維持する（すなわち、ＬＦ＝
１）。

【００９０】４．制御層が溶融すると、はんだ層と急冷
層との間で、完全な混合が急速に起こる。これには、層
４０〜４６及び層４４が関与する。ＸＳｎｅｆ（４０，１２００，１５００＋２５０
０）＝１４．３２６ＬＦ（ＸＳｎｅｆ（４０，１２００，４０００），
３５０）＝０

【００９１】この最後の結果は、全体で１２００ｎｍの
Ｓｎと４０００ｎｍのＡｕを有する層構造内に膜厚４０
ｎｍのＰｔ制御層を有する構造体は、３５０℃以上の温
度に曝されると、初期溶融を示すが、構造体が十分に混
合されると直ぐに、液体分は０になる、すなわち、固化
することを示している。

【００９２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
反応速度及び結合方法に関して高度な制御を達成するこ
とができ、その結果、元のはんだ組成物の融点以上の温
度であっても固体のままでいられる優れた結合が形成さ
れる。はんだ材料の酸化も同様に制御される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるはんだ結合の構造を示す模式的断
面図である。

【図２】一緒に結合される２つの部品間で図１の構造を
適用することからなる、本発明のはんだ結合方法を例証
する模式的断面図である。

【図３】接続層と共に酸化バリヤ層を有する、はんだ結
合のための別の構造と基板を示す模式的断面図である。

【図４】２つの部品の関数として動的制御原理の使用を
伴う本発明の２個部品実施態様を例証する模式的断面図
である。

【図５】１つの部品の関数として動的制御原理の使用を
伴う本発明の２個部品実施態様を例証する模式的断面図
である。

【図６】はんだ系の二成分系相線図に基づいて、特定の
層構造の特性を決定するための計算を例証するための、
本発明によるはんだ結合の構造を示す模式的断面図であ
る。

【符号の説明】

１０はんだ構造１２はんだ層１２ａ金層１２ｂ錫層１２ｃ金層１４急冷層１６制御層１８バリヤ層２０接着剤層２２湿潤層３０第１の部品（基板）３０ａシリコン基板３０ｂＳｉＯ₂層３２第２の部品４０湿潤層４２はんだ層４２ａ金層４２ｂ錫層４２ｃ金層４４急冷層４６制御層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 ＭｏｕｎｔａｉｎＡｖｅｎｕｅ, ＭｕｒｒａｙＨｉｌｌ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者ガスタフエドワードダーキッツジュニアアメリカ合衆国，ニュージャージー，ユニオン，ニュープロヴィデンス，ホルムズオーヴァル 55 (72)発明者ジョンウィリアムオーセンバッチアメリカ合衆国，ペンシルヴァニア，バークス，カッツタウン，ウォルナットドライブ 17 (72)発明者イウ−マンウォンアメリカ合衆国，ペンシルヴァニア，レハイ，ウェスコスヴィル，マラナサウェイ 5001

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の部材を第２の部材に固定するため
のはんだ結合方法であって、 (a)前記第１の部材と前記第２の部材との間にはんだ構
造を配設するステップと、ここで、該はんだ構造は、 (イ)所定の厚さを有するはんだ層と、 (ロ)所定の厚さと組成を有する急冷層と、ここで、該組
成は、前記急冷層が前記はんだ層と相互作用するとき
に、前記急冷層が前記はんだ層の共晶点を増大させる組
成である、 (ハ)前記はんだ層と前記急冷層との間に配設された、所
定の厚さを有する制御層とからなり、前記制御層は、温度と前記制御層の厚さの関数として所
定の期間の間、前記はんだ層が前記急冷層と相互作用を
起こすことを防止する遷移金属から形成されている、 (b)前記はんだ層の固相線以上の温度にまで前記はんだ
層を加熱するステップとからなり、該加熱により、前記はんだ層は軟化され、そして、前記
急冷層が前記はんだ層と相互作用することを可能にする
ため前記制御層を溶解させ、その結果、前記急冷層は前
記はんだ層の共晶点を増大させ、そして、前記はんだ層
を凝固させ、これにより、前記第１の部材と前記第２の
部材とを一緒に結合させることを特徴とするはんだ結合
方法。
【請求項２】前記制御層は鉄、ニッケル、コバルト、
白金及びパラジウムからなる群から選択される金属から
なることを特徴とする請求項１に記載のはんだ結合方
法。
【請求項３】前記制御層が白金からなり、前記はんだ
層又は前記急冷層の何れかの層の厚さに関して１／５以
下の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のは
んだ結合方法。
【請求項４】前記はんだ層は、金、錫、鉛及びパラジ
ウムからなる群から選択される金属の交互層からなる多
層膜であることを特徴とする請求項２に記載のはんだ結
合方法。
【請求項５】前記急冷層は単一であり、金及び鉛から
なる群から選択されることを特徴とする請求項４に記載
のはんだ結合方法。
【請求項６】前記はんだ層は金及び錫からなり、前記
急冷層は金からなり、前記制御層は白金からなることを
特徴とする請求項１に記載のはんだ結合方法。
【請求項７】前記はんだ層は鉛及び錫からなり、前記
急冷層は鉛からなり、前記制御層は白金からなることを
特徴とする請求項１に記載のはんだ結合方法。
【請求項８】一方の部材はレーザチップであり、他方
の部材は光学副集成部品であることを特徴とする請求項
１に記載のはんだ結合方法。
【請求項９】はんだ層構成材料の酸化を防止するため
に、第１及び第２の部材のうちの一方の部材とはんだ構
造との間にバリヤ層を配設するステップを更に有するこ
とを特徴とする請求項４に記載のはんだ結合方法。
【請求項１０】前記バリヤ層は鉄、ニッケル、コバル
ト、白金及びパラジウムからなる群から選択される金属
から形成されていることを特徴とする請求項９に記載の
はんだ結合方法。
【請求項１１】はんだ層構成材料の酸化を防止するた
めに、第１及び第２の部材の各部材とはんだ構造との間
にバリヤ層を配設するステップを更に有することを特徴
とする請求項４に記載のはんだ結合方法。
【請求項１２】前記第１及び第２の部材は一緒に結合
されるべき概ね平坦は表面を有し、前記はんだ構造は、
前記第１及び第２の部材の平坦面と概ね平行に配列さ
れ、前記第１及び第２の部材の平坦面との中間に配置さ
れた複数の重複層からなり、前記はんだ構造は、二成分
系はんだ層、２つの急冷層と２つの制御層とからなり、
一方の急冷層及び一方の制御層ははんだ層と各第１及び
第２の部材との間に配設され、各制御層は更に、前記は
んだ層と前記各急冷層との間に配設され、その結果、前
記制御層は、温度及び前記制御層の厚さの関数として所
定の期間の間、前記はんだ層が前記急冷層と相互作用す
ることを防止することを特徴とする請求項１に記載のは
んだ結合方法。
【請求項１３】一方の急冷層と一方の部材との間に配
設されたバリヤ層を更に有することを特徴とする請求項
１２に記載のはんだ結合方法。
【請求項１４】所定の厚さを有する金属系はんだ層を
第１の部材と第２の部材との間に配設するステップと、
該はんだ層を軟化状態にまで溶融するステップと、前記
第１の部材と第２の部材との間で結合を形成させるため
に、前記はんだ層を固体状態に再凝固させるステップと
からなり、急冷層がはんだ層の共晶点を増大させ、該は
んだ層を凝固させるために、所定の厚さを有する急冷層
を前記はんだ層に添加することにより前記再凝固が行わ
れる、第１の部材と第２の部材とを固定するはんだ結合
方法において、所定の厚さを有する制御層を前記はんだ層と前記急冷層
との間に配設するステップを有し、該制御層は、温度及
び制御層の厚さと組成の関数として所定の期間の間、前
記はんだ層が前記急冷層と相互作用することを防止する
ことを特徴とするはんだ結合方法。
【請求項１５】前記制御層は白金からなることを特徴
とする請求項１４に記載のはんだ結合方法。
【請求項１６】一方の部材はレーザチップであり、他
方の部材は光学副集成部品であり、前記はんだ層は金、
錫及び鉛からなる群から選択される金属により形成され
た複数の層からなり、前記急冷層は金及び鉛からなる群
から選択される金属により形成された単一層であること
を特徴とする請求項１５に記載のはんだ結合方法。
【請求項１７】はんだ層構成材料の酸化を防止するた
めに、はんだ層と第１の部材又は第２の部材の何れかの
部材との間にバリヤ層を挿入するステップを更に有し、
前記バリヤ層は、鉄、ニッケル、コバルト、白金及びパ
ラジウムからなる群から選択される金属により形成され
ていることを特徴とする請求項１６に記載のはんだ結合
方法。
【請求項１８】 (a)所定の厚さを有するはんだ層と、
(b)急冷層がはんだ層と相互作用すると、急冷層がはん
だ層の共晶点を増大させる組成と、所定の厚さを有する
急冷層と、(c)はんだ層と急冷層との間に配設された所
定の厚さを有する制御層とからなり、前記制御層は、温
度と前記制御層の厚さの関数として所定の期間の間、前
記はんだ層が前記急冷層と相互作用を起こすことを防止
する遷移金属から形成されていることからなることを特
徴とするはんだ結合において使用するための組成物。
【請求項１９】前記はんだ層は、金、錫、鉛及びパラ
ジウムからなる群から選択される金属の交互層からなる
多層膜であり、前記制御層は白金からなり、前記急冷層
は金及び鉛からなる群から選択される金属により形成さ
れた単一層であることを特徴とする請求項１８に記載の
組成物。
【請求項２０】はんだ層の酸化を防止するために、制
御層と反対側のはんだ層の表面上に配設されたバリヤ層
を更に有することを特徴とする請求項１８に記載の組成
物。