JPS59124150A - 接合方法 - 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】 ［技術分野］ 本発明は電子パッケージ部材のろう付は取り付は処理に
関するものであり、具体的には多層セラミック基板へ接
続ビン及び／又はフランジ素子を接合するための接合手
段に関するものである。

本発明は多層セラミック基板へ電気的接続エレメントを
ろう付けするための強力で接合力低下のない接合方法の
提供を目的とする。

［従来技術］ 多層セラミック基板、取り分は多数の半導体デバイスが
載置された基板の様な電子チップたんじ持碁板へ素子を
ろう付けするにはろう付は材料又は半田付は材料を必要
とし、その材料は再生修理する為に使う高い温度に於て
強度を維持することが必要である。多層多生導体デバイ
ス・パッケ−ジの製造に際して、基板上の不完全に接合
されたチップを除去又は交換する必要がありうる。基板
及び半導体デバイスのコストが比較的高いので、１つ２
つのデバイスが不完全に接合されているだけで他の部分
は良品である基板を廃棄しなくても済むようにするため
その基板を再生する必要に迫られる。基板上のチップを
除去又は交換するには、チップを支え且つ接合している
鉛・錫半田味を融解するのに十分な温度まで基板及びデ
バイスを加熱することが通常必要とされる。ビン及びフ
ランジ素子を多チツプ担持基板へ接合するための標準適
な方法は最初の２８０’Ｃの融点よりも高い融点をろう
付は後に持つ金・錫半田を使うことである。

半導体パッケージングに於て、最初は最も高い温度にさ
らすことを必要とする処理を行い、それに続いて相対的
に低い温度を必要とする処理を行い、最後に最も低い温
度で処理を行うのが望ましいことがある。このような手
順を踏みうるときはより高い温度を必要とする接合が妨
げられる機会は殆どない。何故ならば、後続の各処理は
前の処理よりも低い温度で行われ、決して前の温度に達
しないからである。しかしこの手順は常に適用可能であ
るとは限らない。何故ならば、導電性及び耐腐食性に関
する総体的な要求条件に合致する接合材料が入手できし
かも温度を精密に制御しうるとは限らないからである。

半導体デバイスか９０−９５％の鉛、１０−５％の錫を
有する半田によって基板へ接合されるとき３５０’Ｃの
接合温度が必要である。実際間第として入出力ビン、及
び金属フランジのような他の固定物が半導体デバイスの
接合に先立って基板へ取り付けられなければならない。

半導体接合を掻き乱す危険性は、ビンの接合のような処
理を関連して行うことを考えるには大き過ぎる。ビンは
通常は２８０°Ｃ程度の温度で溶融する金・錫合金を用
いて接合されるが、その温度はチップを接合するのに用
いる半田の融点よりも可成り低い。ビンが通常のろう付
は技術により基板へ接合されるとき、ろう付は材料（代
表的には金・錫合金）が溶融される。従ってビンの位置
がずれることがあり、ビンの頭の周囲を強化するために
必要なすみ肉（ｆｉｌｌｅｔ）が上方ヘクリープして接
合の強度を減じる傾向を有する。そしてビンの頭と基板
上の金属工学的パッドとの間の材料の層がより厚く且つ
より弱くなる。かくてビン接合が著しく悪化する可能性
がある。接合不良の半導体デバイスを直すため何回もの
相次ぐ再生修理処理が必要なときは、この事態は更に悪
化する。最終的な処理、即ちキャップを基板へ接合する
処理は相対的に低い溶融温度の半田を用いて相対的に低
い温度で行なわれるので問題はない。

半導体パッケージング産業に於てもとめられていること
は、半導体デバイスの接合処理化によってビン接合を悪
化することなく半導体デバイスを接合するのに必要な温
度に耐える接合を与えて、ビン及び関連素子を適当な金
属又は金属合金で基板へ接合しうるろう付は方法である
。最も重要な事は接合が反復的な再加熱処理によって悪
化しないことである。

［本発明］ 本発明に従うと、元来のろう付は処理の温度より高い温
度での反復的な加熱処理によって著しい悪化を生じない
ろう付は接合を形成する方法が与えられる。ろう付は接
合は、接続されるべき両表面の１方又は両方の上に錫の
ゲッタ金属層を設けること、両表面間と低融点の金・錫
合金の塊を置くこと、金・錫合金の塊を溶融するのに十
分な温度まで加熱すること、そしてそれに続いて接合か
ら溶融合金の大部分を押し出すのに十分なだけ両表面を
押し付ける圧力を与えること、その間残りの錫の大部分
が錫ゲッタ層と反応するのに十分な温度に接合を維持す
ること、そして出来上がったろう付は接合を冷却するこ
とによって２つの表面間に形成される。

圧力か掛けられたとき、接合されるべき表面間の溶融し
た金・錫合金の量ががなり減少することによって錫の量
が減少し、その錫が金と結合したとき融点が高くなる。

錫ゲッタ層が残りの錫の大部分を取り除くので溶融体の
融点が上昇して凝固し、より高い融点を有する合金の接
合を形成する。この結物の接合はかなり高い温度でも溶
融することなく耐える。従ってこの接合は接合を著しく
悪化することなく基板に対する反復的な再生修理処理に
耐えることができる。

［実施例］ 本発明の接合プロセスは任意の適当な目的に使用できる
。しかしその主要な用途は、複数個の半田付けきれたデ
バイスが装着されるセラミック基板へ複数個のビンを固
着するための半導体パッケージングに対するものと考え
る。基板上の多数のデバイスは再生修理の必要性、すな
わち半田付は不良のデバイスの交換、又は或期間使用し
た後の破損デバイスの交換などの必要性があり、それに
は基板及びデバイスの再加熱を伴う。半田付けきれたデ
バイスを取り外すには、基板およびデバイスを凡そ３５
００Ｃまで加熱して取り外し且つ再装着することが必要
である。基板へろう付けされたビンは基体と同じ温度に
ざらされる。通常の方法でろう付けされたビンは下記の
ような望ましくない結果を呈する。

（１）　　接合材料が加熱されて軟化又は溶融したとき
、ビンと基板の間に相対的な移動。

（２）　　Ａ　ｕ　−Ｓ　ｎろう付は材料かニッケル又
は他の金属表面上に用いられたとき、ろう付けきれた接
合部からのＳｎの反応によるＮｉ−３ｎ又は他の金属間
化合物の形成。かくて良好な接合のための本質事項であ
る非反応性ニッケル又は金属表面の枯渇。

（３）Ｓｎの外方拡散に起因するＡ　ｕ　−Ａ　ｎすみ
肉の衰退及び歪み、及びそれに伴う強度の衰質及びビン
の側方支持。

考えられる他の用途は、枠と基板との間のシールがハー
メティック・シールである場合、基板へ長方形シーリン
グ枠を取り付けることである。そのような構造は米国特
許第３９９３１２３号に示されている。基板が加熱きれ
るとシーリング枠と基板との間の接合が弱まり、それに
よってシール及び潜在的にエレメント間の接合を破壊す
る。接合力低下の問題は度々の再生修理が加熱装着を必
要とするとき取り分は厳しい。

第１図は本発明の接合方法の望ましい使用例を示す。こ
の特定実施例ではビン１０がセラミック基板１２へ接合
される。具体的に言えば、ビン１０の頭１４がニッケル
の上張り層１８と共に金属化された耐火性金属パッド１
６へ接合される。基板１２は反対側及びパッド１６上に
装着されたデバイス（図示せず）と電気的に接触した状
態にある内部金属学的システムを含んだ多層セラミック
基板である。パッド１６は通常基板の焼成に先立ってス
クリーン印刷された耐火性金属パッドである。接合性を
よくするために設けられたニッケル層１８は基板が焼成
きれた後に被着される。ビン１０はに○ＶＡＲのように
、その接触抵抗を増加するため表面上にＰｄの薄層を持
つことが出来る任意適当な金属のものである。

本発明の方法では接合材料として低融点のＡｕＳｎ合金
材料が選ばれた。この合金は重量比で８０％のＡｕと２
０％のＳｎの共有混合物に近い組成を有し、約２８０’
Ｃの融点を持つ。しかしその組成は重量比で８０±５０
％を金にそして残りを錫に変えることが出来る。若しも
望むならば、特定の性質を与えるため少量の添加金属を
加えてもよい。

錫ゲッタ層が接合されるべき少なくとも１つの表面に被
着される。望ましい方法に置いては金の層２０がビン１
４上に被着され、他の層２２が基体１２のパッド１６上
のニッケルＮ１８に被着される。パッド表面及び接合さ
れるべきビン表面はいずれも平坦であり、従って整合的
である。若しも必要ならば凸面形又は凹面形のような他
の形状でもよい。

Ｓｎゲッタ層の金属は溶液中でＳｎと結合してそれより
高い融点を有する合金を形成しうるものなら任意の金属
でよい。代表的なゲッタ金属はＡｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ
、Ａｇ、Ｐｄ及びそれらの組合せを含む。ゲッタ層の目
的は以下の説明で明瞭化される。

第１図に図示されたように、接合されるべき表面の間即
ちビンの頭１４及びパッド１６の間にＡｕＳｎ供融合金
の仮塊（プレホーム）２４が置かれた。そして結果物で
ある組立対はＡｕ−３ｎ合金の融点を越える温度まで加
熱きれた。加熱温度は３００°Ｃ乃至５００°Ｃの範囲
でよく、更に望ましくは３５０°Ｃ乃至４５０’Ｃの範
囲である。

組立体が加熱されるのと同時に圧力が加えられて接合さ
れつつある両表面が互に押し付けられるようにする。そ
の圧力は溶融した仮塊２４の溶融したＡｕ−３ｎ合金を
押し出してビンの頭１４を囲／シて外方ニスみ肉（ｆ　
ｉｌ　１ｅｔ）　２６を形成するのに十分な任意適当な
大きさでよい。しかし最も重要な機能は両表面間の溶融
合金の量を減らすことである。Ａｕ−３ｎの量が減らさ
れたとき、ｓｎの全体的な量がそれと対応して減らされ
る。温度が維持されているので、残りの溶融合金は合金
と結合されたゲッタ層の金属と相互作用し続ける。ＡＵ
がゲッタ層であるときは、Ａｕは結果物の合金混合物と
結合してその融点を高める。十分なＡｕが溶液中で合金
されて結果物の融点が、加熱温度を越えるようになった
とき、その金属は硬化する。かくて結果の接合はかなり
高い融点、望ましくは破損したデバイスを取りはずして
交換するのに必要な再生修理温度より高い融点を持つ。

それに加えて接合層は一段と薄くなる。

接合後のビン構造を第２図に示す。すみ肉２６は基本的
に元来の低融点Ａｕ−３ｎ合金から成るか、薄い接着層
２８のＳｎ含有量はかなり低く、従って比較的高い融点
を持つ。すみ肉２６の合金は仮塊（ブレホーム）２４の
元来の合金よりも若干高い融点を持つ。何故ならば、そ
の合金はビンの頭１４の側壁及びパッド１６の周囲領域
上のＡＵ層からＡｕを吸収したからである。

第２図及び第３図を比較すると、接合されつつある両表
面間から溶融した合金を押し出すために圧力を与えるこ
との重要ざがわかる。第３図は十分な圧力が与えられな
かった時のビンの断面構造を示す。図示のように接合さ
れた両表面は第２図のものよりも離隔しており、金属層
２９は基板の反復的な再生修理に耐えるのに必要な所要
の高融点を持たない。

第４図は本発明の方法により接合するときビン又は他の
エレメントへ所要の圧力を与えるのに適した装置をしめ
す。使用時にビン１０がビン保持板３２中の穴３０へ、
望ましくはバイブレータ式挿入機構の助けにより挿入さ
れる。ビン保持板３２は接合動作中、下位のスプリング
保持板３４がら離隔される。次に倒置された状態で適当
な載置手段（図示せず）により仮塊２４がビン保持板３
２とビンの上方に位置する基板１２との間へ載置きれる
。被覆板３６及び上板３８が基板１２上に載置され、そ
して組立体はビン１０にたいしてもたれ掛かる関係のピ
ストン・ビン４ｏを有するスプリング保持体３４上に載
置される。

ビン１０が基板１２上のパッド１６に向かって上向に押
し付けられるように、基板１２の被覆板３６に向かって
上板３８がクランプされる。上向の力はスプリング４２
によって上向に押されるピストン・ビン４０によって与
える。

第５Ａ図及び第５Ｂ図は本発明のプロセスによって基板
１２へ接着されたビン１ｏの頭１４の左半分の拡大写真
を図式化した図である。第５Ａ図は接合処理の直後に置
ける、相対的に薄い金属層を呈するパッド２８Ａへ接合
きれたビンの頭１４を示す。第５Ｂ図は２０回の再生修
理サイクルに相当する２０回の温度３６０’Ｃへの再加
熱にざらきれた後のビンの頭１４の同様な断面を示す。

第５Ｂ図の接合層２８Ａは第５Ａ図の接合層２８Ａと実
質的に同じ厚さであるがすみ肉（Ｆｉｌｌｅｔ）２’６
Ａのみが若干異なっていることと、接合強度を低下させ
る泡が接合層２８Ａに存在しないこととに注意されたい
。接合サイクル中本発明のように圧力を与えることなく
接合されたビンの頭１４を示す対応した第６Ａ図及び第
６Ｂ図では著しい接合性の低下が見られる。第６Ａ図で
は接合層２８Ｂは第５Ａ図の接合そう２８Ａよりもかな
り厚く、シかも泡を含んでいることに注意されたい。

第６Ｂ図は２０回の再加熱サイクル後の第６Ａ図と同形
式のビンの頭１４を示す図であるが、接合層２８Ｂは接
合層２６□′・と比べて厚ざが増加していることと、泡
が著しく増加していることに注意されたい。この状態で
は接合強度が著しく低下する。すみ肉２６Ｂは移動して
薄く且つ高くなっていることにも注意されたい。これも
又接合強度を低下させる。

本発明の接合処理中にビン１０へ圧力を与えた結果とし
て、ビンの頭１４の下、即ち接合きれるべき両方の表面
の間に非溶融構造を形成する。これがすみ肉２６Ａを退
化きせることなく何回もの再加熱サイクルを通して処理
可能にする安定な接合構造をもたらす。金属工学的には
、これは両表面間の隙間を最小化し、且つ高温度溶融構
造を形成するためビンめっき及び基板めっきと仮塊２４
の低温度溶融Ａｕ−３ｎ接合材料とを反応きせることに
よって達成きれる。接合プロセス中ピン及びパッド上の
両方の金の層は溶解する。ビン及びパッド上のパラジウ
ム層及びニッケル層はそれぞれ部分的に溶解するだけで
あるが、接合力を維持するのに十分なだけの量が残留す
る。ビンと基板の間の溶融段階中に形成きれる主な合金
は４９８０Ｃの融点を持つ金・錫（重量比で７．５乃至
１０．３％の錫と残量は金）のゼータ相である。すみ肉
はＡｕ−３ｎ相とゼータ相の混合物である。

接合領域に通常生じる不都合なＡｕ−３ｎ相は錫の大部
分が錫ゲッタ層によって除去されるため、最小化される
。このプロセスの目的は最大のゼータ層で接合を達成す
ることである。

第７図はビンの引張り強度体３５０’Ｃにおけるチップ
のリフロサイクルを示すグラフである。

カーブ５０は本発明の方法によって接合きれたビンで得
たテ゛−夕をプロットしたものである。カーブ５２は圧
力を与えることなく８０％Ａｕ、２０％Ｓｎの合金製の
同様なパッドへ接合された同様なビンからえられたデー
タをプロセットしたものである。データを集めるに際し
て基板へ接合された多数のビンが多数回のリフロサイク
ルにざらされた。ビンを基板から分離するのに必要な力
が測定され、記録されてグラフに描かれた。ビンが軸部
（ｓｈａｎｋ）で折れたときはそのように注記した。軸
部での破損は接着部がビン自身よりも強いことを示した
。本発明の方法によって接合された２５００本の試料ビ
ンのうち唯１本の接合部しか破損しなかった。残りの２
４９９本のビンは軸部が破損した。これに体して圧力を
掛けないで接合したビンでは２０回のリフロサイクルの
後、９本のビンが接合部で破損し、唯１本のビンが軸部
で破損した。一般的に言えば、本発明の方法によって形
成された接合は２０回のリフロ゛サイクル後であっても
実質的に退化しなかったのに反して、圧力を掛けないで
形成きれた接合はリフロサイクルの増加に伴って実質的
に退化した。

【図面の簡単な説明】

第１図は接合処理前の段階の接合ビンを乗せた多層セラ
ミック基板の部分図、第２図は基板に接合されたビンを
示す多層セラミック基板の同様な部分図、第３図は通常
の方法により接合されたビンを示す多層セラミック基板
の同様な部分図、第４図は本発明の方法を実施するため
に使う装置の部分的断面図、第５Ａ図及び５Ｂ図はそれ
ぞれ零回及び２０回のリフロ後の本発明の方法によって
形成きれた接合を拡大して示す図、第６Ａ図及び６Ｂ図
はそれぞれ零回及び２０回のリフロ後の圧力を掛けない
でなされた接合を拡大して示す図、第７図はピン引張り
強さ対チップ・リフロサイクル回数のグラフである。 １０・・ビン、１２・・基板、１４・・頭、１６・・パ
ッド、１８・・ニッケル層、２０．２２・・金の層、２
４・・Ａ　ｕ　Ｓ　ｎ供融合金の仮塊、２６・・すみ肉
、２８・・薄い接合層、２９・・厚い接合層４０・・ピ
ストン・ビン、４２・・スプリング。 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 犯曵理人　　弁理士　　篠　　１）　文　　雄（外１名
） ＦＩＧ、　６Ａ　　　　　　　　　Ｆ（Ｇ、　６Ｂリフ
ロ可数 ＦＩＧ、　７

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　接合されるべき表面のうちの少なくとも１つ
   の表面上にゲッタ金属層を設け、 上記接合されるべき表面間に相対的に低融点のＡｕ−Ｓ
   ｎ合金の塊を置き、 かくて出来た組立体を上記相対的に低融点のＡｕ・Ｓｎ
   合金の融点を越える温度まで加熱し、上記加熱と同時に
   接合されるべき表面間から溶融したＡｕ−Ｓｎ合金の大
   部分を押し出すのに充分な圧力を上記表面間に与え、 上記表面間に残留したＳ、ｎが上記ゲッタ金属層と反応
   するのに十分な時間に亘って上記加熱温度を維持するこ
   とにより、 接合されるべき表面間に上記低融点のＡｕ−Ｓｎ合金の
   融点よりも高い融点を有するＡｕ−Ｓｎ合金より成る接
   合を形成することを特徴とする接合方法。
2. （２）　　上記ゲッタ金属層はｓｎ＋ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ
   ＋Ｐｄ、Ａｇ、およびＡｕから成る群から選ばれた金属
   の層であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   記載の方法。