JPS588960B2 - ろう付け方法 - Google Patents

ろう付け方法

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JPS588960B2
JPS588960B2 JP56185627A JP18562781A JPS588960B2 JP S588960 B2 JPS588960 B2 JP S588960B2 JP 56185627 A JP56185627 A JP 56185627A JP 18562781 A JP18562781 A JP 18562781A JP S588960 B2 JPS588960 B2 JP S588960B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は人出力電気接続ピンその他の構成要素を、電子
システム中のチップを載荷する基板に接着することに関
するものである。
さらに特定していえば、本発明はチップを載荷する基板
およびそのピンをチップの連続再加熱と両立できるやり
方で製造するための電子回路相互接続接着技術に関する
ものである。
本発明の目的は基板にまたは基板自体が接着されている
表面に接続されているピン間の結合を妨害することなし
に、基板上でチップを付着または交換できるようにする
ことである。
言い換えれば基板上にチップを保持するはんだ結合を融
かしても構造が影響を受けないような融点をもつ接着剤
でピンなどを基板に接着すること、あるいは基板をその
キャリアに接着することである。
素子を多層セラミック基板などの電子チップを載荷する
基板にろう付けするには、再加工すなわち基板上のチッ
プの除去および交換の際にチップを支持する鉛一錫はん
だボールを加熱するのに必要な高温度でも強さを保つろ
う材ないしはんだ材を用いることが必要である。
この問題に対する一般的解決法は、ろう付け後の融点が
当初の融点の２８０℃よりも高くなる金一錫ろうを使用
するものである。
この場合、回路接続ピンは再加工の加熱中に傾いて整列
から外れる傾向があり、また再加工を多数回行なう場合
にフランジのシーリングに問題が生じるので、第ＩＢ族
の金属、すなわち金、銅または銀をろう材に加えること
（これによって、ろう材中の合金の高融点β相の量を増
大させて接着後の融点を上昇させる）、あるいは、ニッ
ケル、パラジウムまたは他の第■族の金属を加えること
（錫を融解物から引き出すこと、あるいは錫のゲツタリ
ングによって金または第ＩＢ族の金属の錫に対する見か
けの割合を増やしＡｕ−Ｓｎのβ相の形成を増進させ、
それによって冷却後にまたろう材の凝縮後にさえもろう
付けした接合部の融点を上昇させる傾向がある）によっ
てろう付け中に合金ろうが修正される。
この方法はニッケルおよび金をほぼ同時にろう材の融解
物に添加するため、金のプレフォームをニッケルメッキ
してろう材と共にろう付けすべき表面と並べて置くこと
を特徴としている。
米国特許第３６４８３５７号はコバールおよびガラス製
のハウジングとコバール合金（Ｎｉ、Ｆｅ，Ｃｏ）製カ
バーを共融性金一錫ろうによって完全密閉することに関
するものである。
この米国特許には、従来、かかるパッケージがプレフォ
ームろう材を一諸に密閉すべきハウジングとカバーのエ
ッジ周辺の間に置くことによって密閉されていると記載
されている。
更に、従来技術について、［一諸にろう付けすべき部品
は密閉機に入れられ、ろう材がカバーおよびハウジング
上に融合するのに充分な温度に加熱される。
残念なことにこうして処理されたパッケージは密閉が不
完全になる。
内部に真空部を含むためにシール中の漏れが生じるだけ
でなく、ろう材を融かしてシールを形成するのに必要な
温度がパッケージ中に含まれる微小電子装置に損傷を与
えるに充分となることがある。
」という記載がある。この米国特許に開示された方法は
、Ａｕ：Ｓｎ（８０：２０）プレフォームをハウジング
のフランジならびにハウジングにはまるカバーのかみ合
い表面の両方に被覆するものである。
こうしてプレフォームろう材は、微小電子装置に対する
損傷が少なくなる低い温度で一諸に接合可能である。
しかしながら、コバール合金はＡｕ：Ｓｎろう材とよく
反応しないため、コハール合金の表面を先ず金メッキに
よって被覆する。
次にプレフォームをメッキされたハウジングおよびカバ
ーにろう付けする。
但し、事前に錫メッキすることは、ろう材の融点を、金
がコバール・メッキ表面から融出す程度まで上げるとい
う欠点をもつ。
この米国特許の目的は、平衡状態で金をろう材中に溶か
し込むことになる４００℃の温度ではなく約３３０℃に
融点を保つことであった。
低い温度の作用によって平衡時にメッキされた金の一部
だけがろう材中に溶け込むことが保証されている。
工業界での現在の慣行としてコバール合金からなるピン
をモリブデンの薄膜上に付着させたニツケル製パツドに
対してパラジウムの薄膜を介して接合することが行われ
ている。
使用されるろう材はＡｕ：Ｓｎ合金ろうである。
Ｐｄ層は微小電子回路製造における現在の慣行の許で期
待されるように、ろう材の約４／１０が再流動した後で
融け去る。
その結果、コバール合金ピン及びパッドからろう付け接
合部へ流れて、その粘着性を劣化させ、ひいては装置全
体を不良なものとする様な問題が起こる。
従ってろうの再融解ならびにその結果生じた不純物がろ
う中に混入してコバール合金との界面が弱くなるために
製品を破壊することなしにかかる再流動中にろうの繰返
し再加熱をできるようにすることが切実に望まれる。
ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ
Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、第２１巻、第９号、第３９５０頁（
１９７９年２月干１１）はＩ／Ｏピンおよびセラミック
・モジュール用フレームに使用される、Ａｕ７５％Ｓｎ
１６，２％Ｐｄ８．８％ならびにＡｕ８０％Ｓｎ１５％
Ｐｄ５％の重量比の合金ろうを記載している。
ろう中の液体合金の融点をその液化後に変化させるため
に他の金属は加えられない。
ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ
Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、第２１巻、第８号、第３１１８頁（
１９７９年１月刊）は、６７Ａｕ／１５Ｓｎ／１８Ａｇ
でろう付けされたＢｅ−Ｃｕ接触ピンまたはコバール（
Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ）ピンの電子パッケージ用の合金ろう
を記載している。
どちらの場合にも、元素周期律表の第ＩＢ族の金属（Ｃ
ｕ）または第■族の金属（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ）がＢｅ−
Ｃｕピンまたはコバール・ピン中に含まれているが本発
明によってもたらされる効果は持たない。
その上、６７Ａｕ対１５Ｓｎの比の合金は８０／２０の
比の合金と違って約２８０℃程度の低い温度で合金の融
解を可能ならしめる様な共融点を持たない。
添加される第■族の金属は合金からＳｎを除去する様に
作用し、第ＩＢ族の金属は液相線温度を上げる様に作用
する。
この場合、合金中のＳｎの割合が低く、Ｃｕ及びＮｉが
合金の融点を共融点まで下げる様に作用するので、合金
の融点は約４００℃から２８０℃まで低下する。
すなわち、温度効果は、この場合に望まれるものとは逆
である。
しかしながら合金中のＡｇの１８％は、合金の融点を上
げる第ＩＢ族の金属なので、金の代替物として働く。
ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ
Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、第２１巻、第８号、第３１１７頁（
１９７９年１月刊）は、ピンまたは電子的構成要素のろ
う付け用の７０Ａｕ／２５Ｓｎ／５Ａｇ合金ろうを記載
している。
合金は３５０℃での再加熱を行うチップ接合サイクルに
耐えることができる。
液相線は３５８℃である。
第ＩＢ族の金属全体はＳｎの２５重量％に比べて７５重
量％である。
ろう付けされたピンはＢｅ−Ｃｕピンである。
この合金は８０Ａｕ／２０Ｓｎ合金ろうの元の低い融点
をもたないという欠点がある。
ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ
Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、第２１巻、第８号、第３１１９頁（
１９７９年１月刊）は、ピンのろう付けのための電子パ
ツケージング構成要素用の合金ろうを記載している。
これは反応しなかった場合に基板上に残るＮｉがあるこ
とを示している。
また、冷却速度が余りに速くスローダウンすると、Ｎｉ
消費が過剰となり、機械的性質が劣ることになると記載
されている。
本発明によれば、共融Ａｕ：Ｓｎろうを用いる低い温度
でのろう付け処理によって物体を接合することができ、
且つそのろう付け処理中にろうの融点を共融点よりもか
なり高くすることができるので、その後の微小電子回路
に関する再加工の際に、ろう付けピンの傾斜や接合強度
の低下、その他のろう付け部品の相対的移動が防止され
る。
本発明のプロセスは第ＩＢ族の金属の供給源と第■族の
金属の供給源を金一錫ろうと組合せて用意してろう付け
中にろう付け対象の第１の表面および第２の表面と接触
させ、ろう材の融点をろう付け中に繰返し再流動する他
の軟ろうの融点よりも基本的に高い温度に上昇させるこ
とによって、ろう付げによる接合部が再流動サイクルに
よって影響を受けないようにすることを特徴としている
。
これはろう中のβ相の量を増す（約Ａｕ−１０重量％Ｓ
ｎ）ことによって達成される。
こうすることによって、ろう中のＡｕ−Ｓｎ合金の割合
が低下するので、融点は非常に高くなる。
第１図は、通常厚さ約３乃至４μｍのニッケル層１２で
保護されているモリブデン製パンド１１を載荷する多層
セラミック基板１０を示したものである。
ニッケル層１２の上には、厚さ約０．０００２乃至０．
００２５ｃｍの第ＩＢ族の金属（Ｃｕ，ＡｇまたはＡｕ
）から成る比較的厚い膜の層１３が設けられている。
層１３は、Ｓｎゲツタリング金属のソースとして働＜Ｆ
ｅ，Ｃｏ、Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ，Ｐｔ
なとの第■族の金属の厚さ１．２５μｍ以下の非常に薄
い層１４で被覆されている。
この例では、ゲツタリング金属層１４は、ニッケルであ
る。
次にＡｕ８０：Ｓｎ２０のろう組成の隅肉１５が上記各
層の頂部に置かれている。
この場合、隅肉は狭い金属条片である。
隅肉１５の上方にはニッケルの薄い層１７で被覆された
コバール合金１６製の通常のピン１９（または、Ｃｕベ
ースのピン）があるｏＡｕ一Ｓｎ製の隅肉１５を、共融
（８０：２０）合金についてのその液相点である２８０
℃以上に加熱すると、それは融解し、温度が約３９０℃
乃至４０５℃（公称３９５℃）に上がると第ＩＢ族の層
１３が第■族の金属１４例えば、ニッケルの一部と共に
Ａｕ：Ｓｎろう融解物に少なくとも部分的に融け込む。
合金中の金は、融解物を冷却した後、融点が一層高くな
った液和合金を形成する傾向がある。
融解物中のニッケルは、融解物中のＡｕ−Ｓｎ合金との
反応から錫を引出して、ゲツタリングを行い、それによ
ってＡｕ−Ｓｎ合金中で組合せに使用できる錫の量を減
らす傾向がある。
Ａｕ−Ｓｎ合金中のＡｕの割合を効果的により太きくし
、それによってＡｕに富んだβ相の形成を促進するのが
その効果である。
結果として得られるろう接合部は非常に強く、その融点
は非常に高くて、その後３５０℃乃至３６０℃でのＰｂ
：９５−Ｓｎ：５の再流動によっても従来のようなろう
接合部の融解は起こらなくなる。
第２図では、金などの第ＩＢ族の金属の層１３′及びニ
ッケルなどの第■族のゲツタリング金属の層１４′がプ
レフォームによって基板１０に接合されるべきピン１９
上に被覆されている。
その他の点ではこの実施例は第１図と同一である。
金およびニッケルをＭＯ−Ｎｉパツドの頂部に配置でき
、あるいは、ピン１９０表面上に置くことができるのが
特徴である。
どちらの場合でも、ろうが融解するとき、金およびニッ
ケルがろう中に導入される。
第３図では、ピン１９がニッケルまたは他の第■族の金
属の薄い層１４′で被覆されたＣｕピン２６によって置
き換えられている。
Ｃｕピンは、Ａｕ−Ｓｎ融解物にＡｕを加えるための第
ＩＢ族金属のソースとして働く。
すなわち、第２図の場合と同じく、ろうの融解相中のろ
うへの２つの付加物のソースは、ピン２６のスタッド上
の金属である。
第４図では、ピンは第３図の場合と同じであるが第１図
からのニッケル層１４および金属１３が加えられており
、追加の第ＩＢ族および第■族の金属がその融解相中に
上下から隅肉に与えられるようになっている。
第５図では、第１図および第２図のコーティングを備え
たコバール（またはＣｕベース）ピン１９が金属１３′
およびニッケル層１４′と共に使用され、更に金層１３
およびニッケル層１４が隅肉底部の第１図の場合と同様
の層１２で被覆されたパッド１１上に設けられている。
この場合も第ＩＢ族の貴金属（Ａｕ，ＣｕまたはＡｇ）
および第■族のゲツタリング金属Ｎｉ，Ｐｄなどが、融
解した合金ろう隅肉１５に十分に供給される。
第６図では、第１図または第３図の型式のピン１９が、
例えばＡｕ：８２−Ｎｉ：１８などのＡｕ−Ｎｉ合金を
含む第ＩＢ族の貴金属および第■族のゲツタリング金属
のプレフォーム２０を包含するように修正された典型的
な隅肉１５上に着座している。
第７図の実施例は、プレフォーム２０がゲツタリング金
属２２で被覆された貴金属２１のプレフォーム２３によ
って置換えられている点を除いて第６図の実施例と基本
的に同じである。
この場合のゲツタリング金属は、第１図の層１４と同様
に非常に薄い。
第８図の実施例は、プレフォーム２３中のＣｕまたはＡ
ｇ層２１がＮｉまたは当価なゲッタリング金属２２でメ
ッキされている点を除いて、第７図の実施例と基本的に
同じである。
融解しにくくなる理由は以下の通りである。
（１）基板上に載荷されたチップのはんだボールの（ろ
う付け後の）最初の再流動によって過剰ＡｕとＡ．ｕ−
Ｓｎ合金の固体状態反応が起こり、融解温度の一層高い
β相合金が形成される。
連続的再流動により、合金内でさらに反応が起こってβ
相を形成し、それによって通常のＡｕ−Ｓｎろう隅肉１
５で起こるような品質低下を起こさない強い接合部が得
られる。
（２）フランジろう付げでは、はるかにもろさの少ない
Ｎｉ−Ｓｉ金属間化合物が界面で形成される。
その上、このプロセスにより、ピン１６のシャンクに沿
う金属の上昇が防止される。
ろうの硬化は、金属の分散沈殿物を形成する少量のＰｄ
またはＮｉなとの第■族の金属を特に再流動温度で合金
を硬化させるＳｎに加えることによって実現される。
これはまた、β相Ａｕ一Ｓｎ合金の量をかなりの程度に
まで増やすことによって融点をも上げる。
第９図は１００個のチツプ３０を載荷していて、矩形の
フランジ３２にろう付けされた基板１０を示している。
即ち、基板１０の周縁部が金属ろう３１によってフラン
ジ３２の低くなっている部分３３に固定されている。
第１０図は、ニッケル層３７で被覆されたＭＯ境界層３
６をもつ基板を示したものである。
層３７は、金属ろう３１によってフランジ表面３２にろ
う付けされている。
又、１組のピン１９が基板１０の底部にろう付けされて
いる。
第１１図は、金属ろう３１内のプレフォーム３９を示し
たものである。
プレフォーム３９は金一ニッケル合金またはその等価物
から構成されている。
ろう３１は、通常のＡｕ−Ｓｎ（８：２０）ろう付け材
料を含んでいる。
第１２図は第１１図のプレフォームの改良であり、この
プレフォームは、１対の約０．０００６ｍｍまでのニッ
ケルまたは等価物（第■族金属）の薄膜４１０層でメッ
キされた金または等価物のスラブ４０からなる。
【図面の簡単な説明】
第１図はコネクタ・ピンを載荷する多層セラミック基板
の断片を示す図、第２図乃至第８図は異なった第ＩＢ族
および第■族金属の配置、もしくは異なるピン材料によ
り第１図の構造を修正したものを示す図、第９図は多数
の半導体チップを載荷する第１図乃至第８図の基板上面
を部分的に断面で示す斜視図、第１０図は第９図に示し
た断面の拡大正面図、第１１図及び第１２図は第１０図
の構造の変形例を示す図である。 １０……基板、１１……モリブデン・パッド、１２……
ニッケル層、１３及び１４……金属層、１５……隅肉、
１９……ピン。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 軟ろうによってチップが取り付けられる基板に対し
    て金一錫ろうによって金属体をろう付けする方法であっ
    て、第ＩＢ族の金属及び第珊族の金属の供給源を上記金
    一錫ろうに接触させることによって、ろう付け中に上記
    金一錫ろうの融点を上昇させることを特徴とするろう付
    け方法。
JP56185627A 1980-12-31 1981-11-20 ろう付け方法 Expired JPS588960B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/221,606 US4418857A (en) 1980-12-31 1980-12-31 High melting point process for Au:Sn:80:20 brazing alloy for chip carriers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS57112973A JPS57112973A (en) 1982-07-14
JPS588960B2 true JPS588960B2 (ja) 1983-02-18

Family

ID=22828511

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP56185627A Expired JPS588960B2 (ja) 1980-12-31 1981-11-20 ろう付け方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US4418857A (ja)
EP (1) EP0055378B1 (ja)
JP (1) JPS588960B2 (ja)
DE (1) DE3170758D1 (ja)

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