KR20130077873A - 접합 방법, 접합 구조, 전자 장치, 전자 장치의 제조 방법 및 전자 부품 - Google Patents

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Abstract

충분한 접합 강도를 확보하면서 또한, 온도 계층 접속에 있어서의 재리플로우 등의 단계에서의 접합 재료의 유출을 억제, 방지하는 접합 방법 및 접합 구조 등을 제공하기 위해서, 본 발명에서는 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재(11a)와 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재(11b)를, 제 1 및 제 2 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속을 포함하는 접합 재료(10)를 개재해서 접합하는데 있어서, 접합 재료를 구성하는 저융점 금속을 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금으로 하고, 제 1 및 제 2 금속 중 적어도 하나를 상기 저융점 금속과의 사이에 금속간 화합물(12)을 생성하는 금속 또는 합금으로서, 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50% 이상인 금속 또는 합금으로 하고, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 사이에 접합 재료를 배치한 상태에서, 상기 저융점 금속이 용융하는 온도에서 열처리하는 구성으로 했다.

Description

접합 방법, 접합 구조, 전자 장치, 전자 장치의 제조 방법 및 전자 부품{BONDING METHOD, BONDING STRUCTURE, ELECTRONIC DEVICE, MANUFACTURING METHOD FOR ELECTRONIC DEVICE, AND ELECTRONIC COMPONENT}
본 발명은 접합 방법, 접합 구조, 전자 장치, 전자 장치의 제조 방법 및 전자 부품에 관한 것이고, 상세하게는 예를 들면, 전자 부품 등을 실장하는 경우 등에 사용되는 접합 방법, 접합 구조, 전자 장치, 전자 장치의 제조 방법 및 전자 부품에 관한 것이다.
전자 부품의 실장시에는 땜납(Solder Paste)을 사용한 접합 방법이 널리 사용되고 있다.
그런데, 종래부터 널리 사용되어 온 Sn-Pb계 땜납에 있어서는 고온계 땜납으로서, 예를 들면 Pb 리치의 Pb-5Sn(융점: 314∼310℃), Pb-10Sn(융점: 302∼275℃) 등을 이용하여 330∼350℃의 온도에서 납땜하고, 그 후, 예를 들면 저온계 땜납의 Sn-37Pb 공정(共晶)(183℃) 등을 이용하여, 상기의 고온계 땜납의 융점 이하의 온도에서 납땜함으로써, 앞의 납땜에 사용한 고온계 땜납을 용융시키지 않고, 납땜에 의한 접속을 행하는 온도 계층 접속 방법이 널리 적용되고 있다.
이러한 온도 계층 접속은 예를 들면, 칩을 다이본딩하는 타입의 반도체 장치나, 플립 칩 접속하는 타입의 반도체 장치 등에 적용되고 있고, 반도체 장치의 내부에서 납땜에 의한 접속을 행한 후, 또한 상기 반도체 장치 자체를 납땜에 의해 기판에 접속하는 것 같은 경우에 사용되는 중요한 기술이다.
이 용도에 사용되는 솔더 페이스트로서, 예를 들면 (a) Cu, Al, Au, Ag 등의 제 2 금속 또는 그들을 포함하는 고융점 합금으로 이루어지는 제 2 금속(또는 합금)볼과 (b) Sn 또는 In으로 이루어지는 제 1 금속 볼의 혼합체를 포함하는 땜납 페이스트가 제안되고 있다(특허문헌 1 참조).
또한, 이 특허문헌 1에는 땜납 페이스트를 사용한 접합 방법이나 전자 기기의 제조 방법이 개시되어 있다.
이 특허문헌 1의 땜납 페이스트를 이용하여 납땜을 행한 경우, 도 2(a)에 모식적으로 나타내는 바와 같이 저융점 금속(예를 들면 Sn) 볼(51)과 고융점 금속(예를 들면 Cu) 볼(52)과 플럭스(53)를 포함하는 땜납 페이스트가 가열되어서 반응하고, 납땜 후에 도 2(b)에 나타내는 바와 같이 복수개의 고융점 금속 볼(52)이 저융점 금속 볼에서 유래하는 저융점 금속과 고융점 금속 볼에서 유래하는 고융점 금속의 사이에 형성되는 금속간 화합물(54)을 개재해서 연결되고, 이 연결체에 의해 접합 대상물이 접속·연결되는(납땜되는) 것이 된다.
그러나, 이 특허문헌 1의 땜납 페이스트를 사용한 접합 방법의 경우, 납땜 공정에서 땜납 페이스트를 가열함으로써, 고융점 금속(예를 들면 Cu)과 저융점 금속(예를 들면 Sn)의 금속간 화합물을 생성시키도록 하고 있지만, Cu(고융점 금속)과 Sn(저융점 금속)의 조합에서는 그 확산 속도가 느리기 때문에, 저융점 금속인 Sn이 잔류한다. 그리고, Sn이 잔류하고 있으면, 고온 하에서의 접합 강도가 대폭 저하하고, 접합해야 할 제품의 종류에 따라서는 사용할 수 없게 되는 경우가 있다. 또한, 납땜의 공정에서 잔류한 Sn은 그 후의 납땜 공정에서 용융해서 유출될 우려가 있고, 온도 계층 접속에 사용되는 고온 땜납으로서는 신뢰성이 낮다고 하는 문제점이 있다.
즉, 예를 들면 반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 납땜을 행하는 공정을 거쳐서 반도체 장치를 제조한 후, 그 반도체 장치를 리플로우 납땜의 방법으로 기판에 실장하고자 한 경우, 반도체 장치의 제조 공정에 있어서의 납땜의 공정에서 잔류한 Sn이 리플로우 납땜의 공정에서 용융해서 유출될 우려가 있다.
또한, Sn이 잔류하지 않도록 저융점 금속을 완전하게 금속간 화합물로 하기 위해서는 납땜 공정에 있어서, 고온이면서 장시간의 가열이 필요하게 되지만, 생산성과의 균형도 있고, 실용상 불가능한 것이 실정이다.
또한, 특허문헌 1의 땜납 페이스트를 사용한 경우, 도 3에 나타내는 바와 같이 리플로우 후의 접합 대상물(61, 62)과 접합 재료(땜납)(63)의 계면에 예를 들면, Cu3Sn이나 Cu6Sn5이라고 하는 금속간 화합물(64)이 층상으로 형성된다. 이러한 층상의 금속간 화합물(64)이 형성되면, 계면에 응력이 집중하기 때문에 크랙의 발생 등에 의해 계면의 접합 강도가 저하한다.
특허문헌 1: 일본국 특허공개 2002-254194호 공보
본 발명은 상기 과제를 해결하는 것이고, 충분한 접합 강도를 확보하면서, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를 접합하는 것이 가능하고, 또한 온도 계층 접속에 있어서의 재리플로우 등의 단계에서의 접합 재료의 유출을 억제, 방지하는 것이 가능한 접합 방법, 접합 구조, 전자 장치, 전자 장치의 제조 방법, 전자 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 접합 방법은
적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재의 사이에 상기 제 1 금속 및/또는 상기 제 2 금속보다도 융점이 낮은 저융점 금속을 포함하는 접합 재료를 배치하는 공정과,
상기 저융점 금속의 융점 이상의 온도에서 상기 접합 재료를 가열하는 공정을 구비하고,
상기 접합 재료를 가열하는 공정에 있어서, 상기 저융점 금속과 상기 제 1 금속 및/또는 상기 제 2 금속의 반응에 의해 금속간 화합물이 생성되고, 용융된 상기 저융점 금속 중에서 상기 금속간 화합물이 박리, 분산되면서 반응을 반복하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기의 접합 방법에 있어서는 상기 접합 재료를 가열하는 공정에 있어서, 상기 저융점 금속을 모두 금속간 화합물로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 전자 부품의 제조 방법은
적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 구비한 전자 장치의 제조 방법으로서,
상기 제 1 금속 부재와 상기 제 2 금속 부재를, 청구항 1 또는 2에 기재된 접합 방법에 의해 접합하는 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 접합 방법은
적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 상기 제 1 금속 및/또는 상기 제 2 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속을 주된 성분으로 하는 접합 재료를 개재해서 접합하기 위한 접합 방법으로서,
상기 접합 재료를 구성하는 상기 저융점 금속을, Sn 또는 Sn을 70중량% 이상 포함하는 합금으로 하고,
상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 적어도 하나를 상기 접합 재료를 구성하는 상기 저융점 금속의 사이에 금속간 화합물을 생성하는 금속 또는 합금으로서, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 적어도 하나의 표면에 생성하는 금속간 화합물과의 격자 정수 차가 50% 이상인 금속 또는 합금으로 하고, 또한
상기 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 사이에 상기 접합 재료를 배치한 상태에서, 상기 접합 재료를 구성하는 상기 저융점 금속이 용융하는 온도에서 열처리하고, 상기 제 1 금속 부재와 상기 제 2 금속 부재를 상기 접합 재료를 통하여 접합하는 열처리 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 접합 방법에 있어서는 상기 저융점 금속이 Sn 또는 Sn을 85중량% 이상 포함하는 합금인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 접합 방법에 있어서는 (a) 상기 접합 재료를 구성하는 상기 저융점 금속과 (b) 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 상기 격자 정수 차가 50% 이상인 것의 합계량에 대한 후자의 비율이 30체적% 이상인 상태에서, 상기 열처리 공정을 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 접합 방법에 있어서는 상기 접합 재료를 구성하는 상기 저융점 금속이,
Sn 단체 또는
Cu, Ni, Ag, Au, Sb, Zn, Bi, In, Ge, Al, Co, Mn, Fe, Cr, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, P로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종과 Sn을 포함하는 합금인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 적어도 하나가 Cu-Mn 합금 또는 Cu-Ni 합금인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 적어도 하나가 Mn을 5∼30중량%의 비율로 함유하는 Cu-Mn 합금 또는 Ni를 5∼30중량%의 비율로 함유하는 Cu-Ni 합금인 것이 바람직하고, 특히 Mn을 10∼15중량%의 비율로 함유하는 Cu-Mn 합금 또는 Ni를 10∼15중량%의 비율로 함유하는 Cu-Ni 합금인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 전자 부품의 제조 방법은
적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 구비한 전자 장치의 제조 방법으로서,
상기 제 1 금속 부재와 상기 제 2 금속 부재를 청구항 4∼9 중 어느 하나에 기재된 접합 방법에 의해 접합하는 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 접합 구조는 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재가 접합부를 통하여 접합된 접합 구조로서, 상기 접합부 중에는 Cu-M-Sn(M은 Ni 및/또는 Mn) 금속간 화합물이 분산되어 있고, 상기 제 1 금속 부재 및 상기 제 2 금속 부재의 계면 중 적어도 하나에는 금속간 화합물층인 Cu3Sn층 및 Cu6Sn5층 중 어느 것도 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 접합 구조에 있어서는 상기 접합부 중에는 상기 제 1 금속 부재 및 상기 제 2 금속 부재의 계면 중 어느 하나에도 금속간 화합물층이 형성되어 있지 않은 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 전자 장치는 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재가 접합부를 개재해서 접합된 전자 장치로서, 상기 제 1 금속 부재와 상기 제 2 금속 부재의 접합부가 청구항 11 또는 12에 기재된 접합 구조를 갖고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 전자 부품은 Sn 또는 Sn을 70중량% 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 저융점 금속을 포함하는 접합 재료에 의한 접합에 제공되는 전극을 구비한 전자 부품으로서, 상기 접합 재료에 접하는 상기 전극의 표면이 상기 저융점 금속의 사이에 금속간 화합물을 생성하는 금속 또는 합금이고, 상기 저융점 금속과의 반응에 의해 상기 전극의 표면에 생성하는 금속간 화합물의 격자 정수차가 50%이상인 금속 또는 합금에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 전자 부품은 상기 접합 재료에 접하는 상기 전극의 표면이 Cu-Mn 합금 또는 Cu-Ni 합금에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.
특히, Cu-Mn 합금 또는 Cu-Ni 합금은 Mn을 5∼30중량%의 비율로 함유하는 Cu-Mn 합금 또는 Ni를 5∼30중량%의 비율로 함유하는 Cu-Ni 합금인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 Mn을 10∼15중량%의 비율로 함유하는 Cu-Mn 합금 또는 Ni를 10∼15중량%의 비율로 함유하는 Cu-Ni 합금이다.
(발명의 효과)
본 발명의 접합 방법은 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재 사이에, 제 1 금속 및/또는 제 2 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속을 포함하는 접합 재료를 배치하고, 상기 저융점 금속의 융점 이상의 온도에서 접합 재료를 가열하도록 하고, 이 접합 재료를 가열하는 공정에서, 저융점 금속과 제 1 금속 및/또는 제 2 금속의 반응에 의해 금속간 화합물을 생성시킴과 아울러, 용융된 저융점 금속 중에서 금속간 화합물이 박리, 분산되면서 반응을 반복하도록 하고 있다. 그 결과, 제 1 금속 및/또는 제 2 금속의 저융점 금속으로의 상호 확산이 비약적으로 진행하고, 보다 고융점의 금속간 화합물로의 변화가 촉진되기 때문에, 내열 강도가 크고, 또한, 충분한 접합 강도, 내충격성을 구비한 접합을 행하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 접합 재료를 가열하는 공정에 있어서, 저융점 금속을 전부 금속간 화합물로 함으로써, 내열 강도가 더욱 크고, 또한 충분한 접합 강도, 내충격성을 구비한 접합을 행하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 전자 부품의 제조 방법은 상기 제 1 금속 부재와 상기 제 2 금속 부재를 청구항 1 또는 2에 기재된 접합 방법에 의해 접합하는 공정을 구비하고 있으므로, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재가 접합 재료를 통하여 확실하게 접합된 신뢰성이 높은 전자 부품을 효율적으로 제조할 수 있다.
본 발명의 접합 방법은 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 제 1 금속 및/또는 제 2 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속을 주된 성분으로 하는 접합 재료를 개재해서 접합하는데 있어서, 접합 재료를 구성하는 저융점 금속을, Sn 또는 Sn을 70중량% 이상 포함하는 합금으로 하고 제 1 금속 및 제 2 금속 중 적어도 하나를 접합 재료를 구성하는 저융점 금속의 사이에 금속간 화합물을 생성하는 금속 또는 합금으로서, 제 1 금속 및 제 2 금속 중 적어도 하나의 표면에 생성하는 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50% 이상인 금속 또는 합금으로 하고 있으므로, 본 발명의 방법으로 접합함으로써 얻어지는 접합체를 재리플로우한 경우에도, 접합 재료가 재용융하는 것을 억제, 방지하고, 접합 강도, 내충격성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
즉, 본 발명에 의하면, 제 1 금속 및 제 2 금속 중 적어도 하나에 저융점 금속과의 사이에 금속간 화합물을 생성하는 금속 또는 합금으로서, 제 1 금속 및 제 2 금속 중 적어도 하나의 표면에 생성하는 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50% 이상인 금속 또는 합금을 사용하고 있으므로, 제 1 금속 및/또는 제 2 금속의 저융점 금속으로의 상호 확산이 비약적으로 진행하고, 보다 고융점의 금속간 화합물로의 변화가 촉진되기 때문에, 내열 강도가 크고, 또한 충분한 접합 강도, 내충격성을 구비한 접합을 행하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 있어서 「격자 정수차」란 제 1 금속 또는 제 2 금속과 저융점 금속의 금속간 화합물의 격자 정수로부터, 제 1 금속 또는 제 2 금속의 격자 정수를 뺀 값을 제 1 금속 또는 제 2 금속의 격자 정수로 나눈 수치의 절대값을 100배한 수치(%)라 정의된다.
즉, 이 격자 정수차는 제 1 금속 및/또는 제 2 금속의 계면에 새롭게 생성하는 금속간 화합물의 격자 정수가 제 1 금속 및/또는 제 2 금속의 격자 정수에 대하여 어느 만큼 차가 있는지를 나타내는 것이고, 어느 쪽의 격자 정수가 큰지를 묻지 않는 것이다.
또한, 격자 정수차는 하기 식(1)으로 표현된다.
격자 정수차(%) = {(금속간 화합물의 격자 정수 - 제 1 금속 또는 제 2 금속의 격자 정수)/제 1 금속 또는 제 2 금속의 격자 정수}×100 ……(1)
또한, 본 발명의 접합 방법에 있어서, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 사이에 접합 재료를 배치한 상태에서, 접합 재료를 구성하는 저융점 금속이 용융하는 온도에서 열처리함으로써, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 접합이 행해지지만, 이러한 접합(열처리)이 행해지는 구체적인 상태로서는, 예를 들면
1) 제 1 금속 및 제 2 금속이 서로 접합시켜야 할 제 1 금속 부재(전극 본체)와 제 2 금속 부재(전극 본체)를 구성하는 금속 재료로서, 그 중 적어도 하나가 상기 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50% 이상인 금속 재료이고, 저융점 금속이 솔더 페이스트나 판상 땜납 등으로서 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 사이에 공급되어 있는 상태나,
2) 제 1 금속 및 제 2 금속이 서로 접합시키고자 하고 있는 제 1 금속 부재(전극 본체)와 제 2 금속 부재(전극 본체)의 표면에 형성된 도금막을 구성하는 금속 재료로서, 그 중 적어도 하나가 상기 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50% 이상인 금속 재료이고, 저융점 금속이 솔더 페이스트나 판상 땜납 등으로서, 도금 막을 구비한 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 표면간에 공급되어 있는 상태 등이 열거된다.
또한, 본 발명의 접합 방법에 있어서, (a) 접합 재료를 구성하는 저융점 금속과 (b) 제 1 금속 및 제 2 금속 중 상기 격자 정수차가 50% 이상의 것의 합계량에 대한 후자의 비율이 30체적% 이상인 상태에서, 열처리 공정을 실시함으로써 제 1 금속과 제 2 금속 중 격자 정수차가 50% 이상이지만, 접합 재료를 구성하는 저융점 재료로의 확산이 충분하게 진행하고, 보다 고융점의 금속간 화합물로의 변화가 촉진되어, 저융점 금속 성분이 거의 잔류하지 않게 되기 때문에, 내열 강도가 더욱 큰 접합을 행하는 것이 가능하게 된다.
또한 「…… 후자의 비율이 30체적% 이상인 상태」란 예를 들면, 제 1 금속 및 제 2 금속이 모두 상기 격자 정수차가 50% 이상의 것인 경우, 하기 식(2)으로 표현되는 상태를 말한다.
[(제 1 금속 + 제 2 금속)/{저융점 금속 + (제 1 금속 + 제 2 금속)}]×100 ≥ 30(체적%) ……(2)
또한, 본 발명의 접합 방법에 있어서는 접합 재료를 구성하는 저융점 금속이 Sn 단체이거나 또는 Cu, Ni, Ag, Au, Sb, Zn, Bi, In, Ge, Al, Co, Mn, Fe, Cr, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, P로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종과 Sn을 포함하는 합금인 경우, 격자 정수차가 50% 이상인 제 1 금속 및 제 2 금속 중 적어도 하나와의 사이에서 금속간 화합물을 형성하기 쉽게 하는 것이 가능하게 된다.
또한, 제 1 금속 및 제 2 금속 중 적어도 하나를 Cu-Mn 합금 또는 Cu-Ni 합금으로 했을 경우, 보다 저온, 단시간으로 저융점 금속과의 금속간 화합물을 생성시키는 것이 가능하게 되고, 그 후의 리플로우 공정에서도 용융하지 않도록 하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 적어도 하나를 Mn을 3∼30중량%의 비율로 함유하는 Cu-Mn 합금, 특히 Mn을 10∼15중량%의 비율로 함유하는 Cu-Mn 합금 또는 Ni를 5∼30중량%의 비율로 함유하는 Cu-Ni 합금, 특히, Ni를 10∼15중량%의 비율로 함유하는 Cu-Ni 합금으로 함으로써, 더욱 확실하게 저온, 단시간으로 저융점 금속과의 금속간 화합물을 생성시키는 것이 가능하게 되고, 본 발명을 더욱 실효 있게 할 수 있다.
또한, 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 구비한 전자 장치를 제조하는데 있어서, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를, 상술의 접합 방법(청구항 4∼9 중 어느 하나에 기재된 접합 방법)에 의해 접합함으로써, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재가 접합 재료를 개재해서 확실하게 접합된 신뢰성이 높은 전자 장치를 효율적으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 접합 구조는 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를 접합하는 접합부 중에 적어도 Cu-M-Sn(M은 니켈 및/또는 Mn)금속간 화합물이 분산되어 있고, 금속간 화합물화하지 않는 미반응 Sn 성분의 접합 재료 전체에 대한 비율이 30체적% 이하이기 때문에, 내열 강도가 우수하고, 재리플로우 등의 공정에서 접합 재료가 재용융해서 유출하는 경우가 없고, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 접합 강도를 크게 할 수 있다.
또한, 접합부 중에 있어서, 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재의 계면 중 적어도 하나에는 층상의 금속간 화합물(금속간 화합물층)이 형성되지 않다. 그 때문에 열응력 등의 응력 집중에 기인하는 크랙 등이 발생하기 어렵고, 열충격에 대한 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 접합 강도를 크고, 신뢰성이 높은 접합 구조를 제공할 수 있다.
또한, 접합부 중에 있어서, 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재의 계면 어디에도 금속간 화합물층인 Cu3Sn층 및 Cu6Sn5층 중 어느 것도 형성되어 있지 않은 구조로 함으로써, 신뢰성이 더욱 높은 접합 구조를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 전자 장치는 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재가 접합부를 통하여 접합된 전자 장치로서, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 접합부가 청구항 11 또는 12에 기재된 접합 구조를 구비하도록 하고 있으므로, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 접합부가 높은 내열 강도, 충분한 접합 강도 및 내충격성을 구비한 전자 부품을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 전자 부품은 Sn 또는 Sn을 70중량% 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 저융점 금속을 포함하는 접합 재료에 의한 접합에 제공되는 전극을 구비한 전자 부품으로서, 접합 재료에 접하는 전극의 표면이 저융점 금속과의 사이에 금속간 화합물을 생성하는 금속 또는 합금이며, 상기 저융점 금속과의 반응에 의해 전극의 표면에 생성하는 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50% 이상인 금속 또는 합금에 의해 형성되어 있으므로, 본 발명의 접합 방법에 제공하는데 바람직한 전자 부품을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 접합 방법에 접합을 행하는 경우의 거동을 모식적으로 나타내는 도면이고, (a)는 가열전의 상태를 나타내는 도면, (b)는 가열이 개시되고, 접합 재료가 용융된 상태를 나타내는 도면, (c)는 가열이 더욱 계속되고, 접합 재료를 구성하는 저융점 금속과 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재 중 적어도 하나의 사이의 금속간 화합물이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 땜납 페이스트를 이용하여 납땜을 행하는 경우의 땜납의 거동을 나타내는 도면이고, (a)는 가열 전의 상태를 나타내는 도면, (b)는 납땜 공정 종료 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 땜납 페이스트를 이용하여 접합을 행한 경우의 계면에 층상의 금속간 화합물 층이 형성된 접합 구조를 나타내는 도면이다.
이하에 본 발명의 실시예를 나타내고, 본 발명의 특징으로 하는 것을 더욱 상세하게 설명한다.
실시예 1
이 실시예에서는 도 1(a)∼(c)에 나타내는 바와 같이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재(11a)와 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재(1lb)를 제 1 금속 및 제 2 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속을 주된 성분으로 하는 접합 재료(10)를 사용해서 접합했다.
이 실시예에 있어서는 접합 재료를 구성하는 저융점 금속으로서, 표 1A, 표 1B에 나타내는 바와 같이 Sn-3Ag-0.5Cu, Sn, Sn-3.5Ag, Sn-0.75Cu, Sn-0.7Cu-0.05Ni, Sn-5Sb, Sn-2Ag-0.5Cu-2Bi, Sn-57Bi-1Ag, Sn-3.5Ag-0.5Bi-8In, Sn-9Zn, Sn-8Zn-3Bi, Sn-10Bi, Sn-20Bi, Sn-30Bi, Sn-40Bi를 사용했다.
또한, 상기의 접합 재료를 구성하는 저융점 금속의 표기에 있어서, 예를 들면「Sn-3Ag-0.5Cu」는 저융점 금속 재료가 Ag를 3중량%, Cu를 0.5중량% 함유하고, 잔부를 Sn으로 하는 합금(Sn 합금)인 것을 나타내고 있다. 따라서, 상기의 저융점재료 중, Sn-40Bi는 「Sn 또는 Sn을 70중량% 이상 포함하는 합금」이라고 하는 본 발명의 요건을 만족시키지 않는 비교예의 것이다.
또한, 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재로서는 표 1A, 표 1B에 나타내는 바와 같이, Cu-10Ni, Cu-10Mn, Cu-12Mn-4Ni, Cu-10Mn-1P, Cu, Cu-10Zn으로 이루어지는 것을 사용했다.
또한, 표 1B의 시료번호(16, 17)에서는 제 1 금속 재료와 제 2 금속 재료에 있어서 서로 다른 재료를 사용하고 있다. 즉, 시료번호 16에서는 제 1 금속 재료(상측 금속 재료)에 Cu-10Ni, 제 2 금속 부재(하측 금속 부재)에 Cu-10Mn을 사용하고, 시료번호 17에서는 제 1 금속 부재(상측 금속 부재)에 Cu, 제 2 금속 부재(하측 금속 부재)에 Cu-10Mn을 사용했다.
또한, 이 실시예에서는 상술한 바와 같은 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를, 저융점 금속을 주된 성분으로 하는 접합 재료에 의해 접합하는데 있어서, 판상으로 성형된 접합 재료를 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재 사이에 배치하고, 하중을 가하면서, 250℃, 30분의 조건으로 리플로우함으로써, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를 접합했다.
여기서, 도 1(a)∼(c)를 참조하면서, 이 실시예에 있어서의 접합 방법을 설명하면 이하와 같이 된다.
우선, 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 제 1 금속 부재(11a), 제 2 금속 부재(1lb) 사이에 판상으로 성형된 접합 재료(10)를 위치시킨다.
다음에 이 상태에서, 하중을 가하면서, 250℃, 15분의 조건으로 리플로우하고, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 접합 재료(10)를 구성하는 저융점 금속(Sn 또는 Sn 합금)을 용융시킨다. 그리고, 소정 시간(15분간), 가열을 더 계속(즉, 250℃, 30분의 조건으로 리플로우한다)함으로써, 접합 재료(10)를 구성하는 저융점 금속을 용융시킴과 아울러, 저융점 금속과 제 1 금속 부재(11a), 제 2 금속 부재(1lb)를 구성하는 제 1 금속 및/또는 제 2 금속을 반응시켜서 금속간 화합물(12)(도 1(c))을 생성시킨다.
이것에 의해 리플로우 후에 응고한 금속간 화합물을 포함하는 접합 재료에 의해, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재가 접합된 접합체가 얻어진다.
또한, 본 발명의 접합 방법에 의하면, 접합 재료 중에 Cu-M-Sn(M은 니켈 및/또는 Mn)금속간 화합물이 분산되어서 존재하는 것이 확인되고 있다.
[특성의 평가]
상술한 바와 같이 해서 얻은 접합체를 시료로서, 이하의 방법으로 특성을 측정하고, 평가했다.
≪접합 강도≫
접합 강도에 대해서는 얻어진 접합체의 시어 강도를 본딩 테스터를 이용하여 측정하고, 평가했다.
시어 강도의 측정은 횡압 속도: 0.1mm·ｓ-1, 실온 및 260℃의 조건 하에서 행했다.
그리고, 시어 강도가 20Nmm-2 이상의 것을 ◎(우수), 2Nmm-2 이하의 것을 ×(불가)라 평가했다.
표 1A, 표 1B에 각 시료에 대해서 조사한 접합 강도(실온, 260℃)와 평가 결과를 함께 나타낸다.
≪잔류 성분 평가≫
리플로우 후에 응고한 금속간 화합물을 포함하는 접합 재료(반응 생성물)를 약 7mg 절취하고, 측정 온도 30℃∼300℃, 승온 속도 5℃/min, N2 분위기, 레퍼런스 Al2O3의 조건에서 시차 주사 열량 측정(DSC 측정)을 행했다. 얻어진 DSC 차트의 저융점 금속 성분의 용융 온도에 있어서의 용융 흡열 피크의 흡열량으로부터, 잔류한 저융점 금속 성분량을 정량화하고, 잔류 저융점 금속 함유율(체적%)을 구했다. 그리고, 잔류 저융점 금속 함유율이 0∼3체적%인 경우를 ◎(우수), 3체적%를 초과하고, 30체적%이하의 경우를 ○(양호), 30체적% 보다 클 경우를 ×(불가)라 평가했다.
표 1A, 표 1B에 잔류 저융점 금속 함유율과 평가 결과를 함께 나타낸다.
≪유출 불량률≫
얻어진 접합체를 에폭시 수지로 밀봉해서 상대습도 85%의 환경에 방치하고, 피크 온도 260℃의 리플로우 조건에서 가열하고, 접합 재료가 재용융해서 유출하고, 유출 불량의 발생 비율을 조사했다. 그리고, 그 결과로부터 유출 불량 발생률을 구하고, 평가했다.
접합 재료의 유출 불량률이 0∼10%의 경우를 ◎(우수), 10%를 초과하고, 50%이하의 경우는 ○(양호), 50%보다 큰 경우를 ×(불가)라고 평가했다.
표 1A, 표 1B에 유출 불량 발생률과 평가 결과를 함께 나타낸다.
≪열충격 시험 후의 크랙 유무, 접합 강도≫
얻어진 접합체(시료)를 -40℃/85℃의 각각의 온도 조건에서 각 30분간 유지하는 사이클을 1000회 행한 후의 각 시료에 대해서, 크랙 발생 상태를 관찰했다. 그리고, 크랙 발생의 유무를 평가했다.
또한, 열충격 시험 후의 각 시료에 대해서, 접합 강도를 상기와 동일하게 평가했다. 그리고, 시어 강도가 20Nmm-2 이상의 것을 ◎(우수), 10Nmm-2 이상, 20Nmm-2 보다 작은 것을 ○(양호), 10Nmm-2 보다 작은 것을 ×(불가)라 평가했다.
표 1A, 표 1B에 열충격 시험 후의 크랙 유무, 접합 강도를 함께 나타낸다. 또한, 크랙의 발생에 대해서는 그 자체가 문제인 것은 아니고, 접합 강도를 저하시키는 요인이 되기 때문에 평가하고 있다.
또한, 표 1A, 표 1B에는
·접합 재료를 구성하는 저융점 금속의 종류(조성),
·제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를 구성하는 금속(제 1 금속 및 제 2 금속)의 조성(표 1A, 표 1B의 시료 번호 1∼15에서는 제 1 금속 및 제 2 금속은 동일금속, 시료 번호 16, 17에서는 이종 금속)과 그 격자 정수,
·접합 재료를 구성하는 저융점 금속과 제 1 및/또는 제 2 금속의 반응에 의해 생성하는 금속간 화합물의 종류와 그 격자 정수(이 실시예에 있어서, 격자 정수는 a축을 기초로 평가하고 있다),
·금속간 화합물의 격자 정수와 제 1 및/또는 제 2 금속의 격자 정수의 차인 격자 정수차,
·접합부 중에 있어서의 격자 정수차가 50% 이상의 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재 및/또는 제 2 금속 부재와 리플로우 후에 응고하고, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를 접합하고 있는 접합부(금속간 화합물을 포함하는 접합 재료)의 계면에 형성되는 Cu3Sn 및 Cu6Sn5의 층상의 금속간 화합물의 유무를 함께 나타낸다.
(표 1A)
Figure pct00001
(표 1B)
Figure pct00002
표 1A, 표 1B에 나타내는 바와 같이, 실온에 있어서의 접합 강도에 대해서는 시료번호 1∼17의 본 발명의 요건을 구비한 실시예의 시료와 시료번호 18∼20의 본 발명의 요건을 구비하지 않고 있는 비교예의 시료와 함께, 20Nmm-2 이상의 접합 강도를 나타내고, 실용 강도를 구비하는 것이 확인되었다.
한편, 260℃에 있어서의 접합 강도에 대해서 보면, 시료번호 18∼20의 비교예의 시료에서는 2Nmm-2 이하로 접합 강도가 불충분했던 것에 대해서, 시료번호 1∼17의 실시예의 시료에서는 10Nmm-2 이상을 유지하고 있어 실용 강도를 구비하고 있는 것이 확인되었다.
또한, 잔류 저융점 금속 함유율(잔류 성분 평가)에 대해서는 시료번호 18∼20의 비교예의 시료의 경우에는 잔류 저융점 금속 함유율이 30체적%보다 컸던 것에 대해서, 시료번호 1∼17의 실시예의 시료의 경우, 모두 잔류 저융점 금속 함유율이 30체적% 이하로 할 수 있고, 특히 저융점 금속으로서 Sn 또는 Sn을 85중량% 이상 포함하는 합금을 사용한 시료번호 1∼9, 11∼17의 실시예의 시료의 경우, 모두 잔류 저융점 금속 함유율이 0체적%인 것이 확인되었다.
또한, 접합 재료의 유출 불량률에 대해서는 시료번호 18∼20의 비교예의 시료의 경우, 유출 불량률이 70% 이상이었던 것에 대해서, 시료번호 1∼17의 실시예의 시료에서는 유출 불량률이 모두 20% 이하이고, 특히 저융점 금속으로서 Sn 또는 Sn을 85중량% 이상 포함하는 합금을 사용한 시료번호 1∼9, 11∼17의 실시예의 시료의 경우, 모두 유출 불량률이 0%로 높은 내열성을 갖고 있는 것이 확인되었다.
또한, 시료번호 1∼17의 실시예의 시료에 있어서는 저융점 금속의 종류에 관계없이 동일한 고내열성을 구비하고 있는 것이 확인되었다.
또한, 본 발명의 요건을 만족시키는 시료번호 1∼17의 실시예의 시료에는
·시료번호 1∼16의 시료와 같이, 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재를 구성하는 금속이 서로 동일 금속이고, Cu-Mn을 베이스로 하는 금속(Cu-12Mn-4Ni나 Cu-10Mn-1P 등)인 시료,
·시료번호 16과 같이, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재가 다른 금속으로 이루어지고, 그 모두가 상술의 격자 정수차가 50% 이상의 것인 시료,
·시료번호 17과 같이, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재가 다른 금속으로 이루어지고, 그 하나가 상술의 격자 정수차가 50% 미만인 시료가 포함되어 있지만, 그들의 어느 쪽의 경우에도, 마찬가지로 고내열성을 구비하는 것이 확인되었다.
또한, 열충격 시험 후에 있어서의 시료 관찰에 있어서, 시료번호 18∼20의 비교예의 시료에서는 1000사이클 시험 종료 후에 크랙의 발생이 확인되었다. 또한, 크랙은 주로, 접합 재료와 제 1 및/또는 제 2 금속 부재의 계면에 형성되어 있는 Cu3Sn층이나 Cu6Sn5층(금속간 화합물층)의 내부, 금속간 화합물층과 제 1 및/또는 제 2 금속 부재의 계면, 금속간 화합물층과 접합 재료의 계면에 발생하고 있었다.
이에 대하여 시료번호 1∼9, 11∼16의 실시예의 시료에서는 상술한 바와 같은 크랙의 발생은 확인되지 않았다. 한편, 시료번호 10의 실시예의 시료에서는 저융점 금속의 Sn량이 70중량%이기 때문에, 최초에 생성하는 금속간 화합물은 Cu2MnSn이었지만, 그 확산속도가 느리다. 그 때문에 접합 재료와 제 1 및/또는 제 2 금속 부재의 계면에는 층상은 아니지만, Cu6Sn5이나 Cu3Sn이라고 한 금속간 화합물이 계면의 일부에 편석하고 있었다. 그 결과, 열충격 후에는 계면에 미소한 크랙이 발생하고, 접합 강도가 약간 저하했다.
또한, 시료번호 18의 실시예의 시료에서는 제 1 금속으로서 Cu를 사용했기 때문에, 접합 재료와 제 1 금속의 계면에 층상의 금속간 화합물이 형성되었다. 그 결과, 접합 재료와 제 1 금속의 계면에만 크랙이 발생하고, 접합 강도가 약간 저하했다.
그 결과, 내열 충격성에 대해서는 격자 정수차 등에 관한 본 발명의 요건을 만족시키지 않는 시료번호 18∼20의 비교예의 시료에서는 열충격 시험 후의 접합 강도가 각각 5Nmm-2(시료번호 18), 7Nmm-2(시료번호 19), 8Nmm-2(시료번호 20)로 낮았지만, 본 발명의 요건을 만족시키는 시료번호 1∼17의 각 시료에 있어서는 열충격시험 후의 접합 강도가 비교예의 경우와 비교하여 대폭 향상하는 것이 확인되었다.
상세하게는 시료번호 1∼9, 11∼16의 각 시료에 있어서는 열충격 시험 후의 접합 강도가 20Nmm-2 이상인 것, 시료번호 10의 시료(저융점 금속의 Sn량이 70중량%인 시료)에서는 열충격 후의 접합 강도가 17Nmm-2, 시료번호 17의 시료(제 1 금속 부재(상측 금속 부재)가 Cu, 제 2 금속 부재(하측 금속 부재)가 Cu-10Mn인 시료)에서는 열충격 시험 후의 접합 강도가 15Nmm-2로 시료번호 1∼9, 11∼16의 시료 보다는 낮았지만, 충분하게 실용가능한 레벨인 것이 확인되었다.
또한, 시료번호 17의 시료의 경우, 제 1 금속 부재를 구성하는 Cu는 상측의 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50% 미만이지만, 하측의 제 2 금속 부재를 구성하는 Cu-10Mn은 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50%를 초과하는 금속이기 때문에, 접합 재료 중의 저융점 금속인 Sn 또는 Sn 합금과의 반응이 빨라서 Cu-10Mn측 (제 2 금속측)의 금속간 화합물 생성이 지배적이게 되고, Cu측(제 1 금속측)의 접합 계면에 Cu3Sn이나 Cu6Sn5의 층상의 금속간 화합물이 생성했다고 하여도 매우 얇고, 충격 시험 후의 접합 강도에 부여하는 영향이 적었던 것에 의한 것이라 생각된다.
또한, 접합부에는 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50%를 초과하는 금속(Cu-10Mn)으로 이루어지는 제 2 금속 부재와의 계면에는 Cu3Sn이나 Cu6Sn5의 층상의 금속간 화합물이 형성되지 않는 것이 확인되고 있다.
또한, 시료번호 1∼17의 본 발명의 요건을 구비한 실시예의 시료의 경우, 접합부에 저융점 금속(Sn 또는 Sn 합금)이 잔류하지 않기 때문에, 리플로우 후에 얻어지는 접합체에 대해서, 열충격 시험을 더 행하여도 금속간 화합물층이 성장하지 않고, 크랙의 발생이 없이 접합 강도가 유지된 것이라 생각된다.
이와 같이, 본 발명의 요건을 만족시키는 시료번호 1∼17의 시료가 고내열성을 구비하고 있는 것은 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재를 구성하는 제 1 금속 및 제 2 금속 중 적어도 하나에 접합 재료를 구성하는 저융점 금속과의 사이에 형성되는 금속간 화합물(Cu2MnSn 및 Cu2NiSn)의 격자 정수차가 50% 이상인 Cu-Mn 및 Cu-Ni계 합금을 사용하고 있는 것에 의한 것이라고 생각된다.
즉, 생성된 금속간 화합물과 제 1 금속 부재를 구성하는 제 1 금속 및/또는 제 2 금속 부재를 구성하는 제 2 금속 사이의 격자 정수차가 크면, 용융된 저융점 금속 중에서 금속간 화합물이 박리, 분산되면서 반응을 반복하기 때문에 금속간 화합물의 생성 속도가 비약적으로 진행함과 아울러, 계면에 층상의 금속간 화합물이 형성되지 않는 것에 의한 것이라 생각된다.
실시예 2
Sn을 저융점 금속으로 하는 접합 재료를 사용하고, 각각 Cu-10Mn으로 이루어지는 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재를 접합했다(표 2의 시료번호 21∼27의 시료).
동일하게, Sn을 저융점 금속으로 하는 접합 재료를 사용하고, 각각 Cu-10Ni로 이루어지는 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재를 접합했다(표 2의 시료번호 28∼30의 시료).
또한, 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재의 두께는 0.1mm로 했다.
또한, 접합 재료로서는 표 2에 나타내는 바와 같이 두께를 0.266mm로부터 1.327mm까지 변화시킨 판상의 접합 재료를 사용했다.
그 밖에는 상기 실시예 1의 경우와 동일한 조건으로 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재의 접합을 행했다.
그로부터, 얻어진 접합체에 대해서, 상기 실시예 1의 경우와 동일하게 하여 특성의 측정 및 평가를 행했다. 구체적으로는 접합 강도의 측정, 잔류 성분 평가, 유출 평가, 열충격 시험 후의 크랙 유무 및 접합 강도의 측정 등을 행했다.
또한, 본 실시예 2에서는 접합 강도의 평가에 있어서, 시어 강도가 20Nmm-2 이상의 것을 ◎(우수), 2Nmm-2 이상이고 20Nmm-2 미만의 것을 ○(양호), 2Nmm-2 이하의 것을 ×(불가)라 평가했다.
또한, 잔류 제 1 금속 성분율에 대해서는 0∼3체적%의 경우를 ◎(우수), 3체적%를 초과하고, 30체적% 이하의 경우를 ○(양호), 30체적%보다 큰 경우를 ×(불가)라 평가했다.
또한, 접합 재료의 유출 불량률에 대해서는 0∼10%의 경우를 ◎(우수), 10%를 초과하고, 50% 이하의 경우는 ○(양호), 50%보다 큰 경우를 ×(불가)라 평가했다.
또한, 열충격 시험 후의 크랙 발생 유무에 대해서는 크랙의 발생 유무를 평가했다.
표 2에, 각 접합체의 접합 강도(실온, 260℃), 잔류 저융점 금속 함유율, 유출 불량률, 열충격 시험 후의 크랙 발생의 유무 및 접합 강도를 표 2에 나타낸다.
또한, 표 2에 있어서, 「제 1 및 제 2 금속」의 란의 [비율(%)」는 제 1 금속 부재(Cu-10Mn)와 제 2 금속 부재(Cu-10Mn)의 두께의 합계(시료번호 21의 경우, 0.1mm×2=0.2mm)와 접합 재료(Sn)의 두께((시료번호 21의 경우, 0.266mm)를 합한 값(0.466mm)에 대한 제 1 금속 부재(Cu-10Mn)와 제 2 금속 부재(Cu-10Mn)의 두께의 합계(0.2mm)의 비율을 나타내고 있다.
(표 2)
Figure pct00003
표 2에 나타내는 바와 같이 실온에 있어서의 접합 강도에 대해서는 시료번호 21∼30의 모든 시료가 20Nmm-2 이상을 나타내어 충분한 접합 강도를 구비하는 것이 확인되었다.
또한, 260℃에 있어서의 접합 강도에 관해서도 시료번호 21∼30의 각 시료는 7∼26Nmm-2과 2Nmm-2 이상의 접합 강도를 갖고 있고, 실용가능한 접합이 행해지고 있는 것이 확인되었다. 특히, 제 1 및 제 2 금속이 Cu-10Mn인 경우, 그 비율이 30체적% 이상인 시료번호 21∼23, 28, 29의 시료에서는 23Nmm-2 이상의 접합 강도를 나타내고, 높은 내열 강도를 구비하는 것이 확인되었다.
또한, 잔류 저융점 금속 함유율에 대해서는 시료번호 21∼30의 각 시료 모두 30체적% 이하이고, 특히 Cu-10Mn의 비율이 30체적% 이상인 시료번호 21∼23, Cu-10Ni의 비율이 30체적% 이상인 시료번호 28, 29의 시료의 경우, 잔류 저융점 금속 함유율이 0체적%가 되는 것이 확인되었다.
또한, 접합 재료의 유출 불량률에 관해서도 시료번호 21∼30의 각 시료 모두 50% 이하이고, 특히 Cu-10Mn의 비율이 30체적% 이상인 시료번호 21∼23, Cu-10Ni의 비율이 30체적% 이상인 시료번호 28, 29의 시료의 경우, 유출 불량률이 0%가 되고, 높은 내열성이 얻어지는 것이 확인되었다.
실시예 3
표 3의 시료번호 31∼35에 나타내는 바와 같은 금속(Cu-Mn계 합금)으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를 Sn을 저융점 금속으로 하는 접합 재료 을 이용하여 접합했다.
또한, 표 3의 시료번호 36∼39에 나타내는 바와 같은 금속(Cu-Ni계 합금)으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를 Sn을 저융점 금속으로 하는 접합 재료를 이용하여 접합했다.
또한, 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재의 두께는 0.3mm로 했다.
또한, 접합 재료로서는 두께를 0.1mm의 판상의 접합 재료를 사용했다.
그 밖에는 상기 실시예 1의 경우와 동일한 조건에서 제 1 금속 부재 및 제 2 금속 부재의 접합을 행했다.
그로부터, 얻어진 접합체에 대해서, 상기 실시예 1의 경우와 동일하게 하여 특성 측정 및 평가를 행했다. 구체적으로는 접합 강도의 측정, 잔류 성분 평가, 유출 평가, 열충격 시험 후의 크랙 유무 및 접합 강도의 측정 등을 행했다.
또한, 접합 강도의 평가 및 잔류 저융점 금속 함유율의 평가, 유출 불량률의 평가에 있어서는 실시예 2의 경우와 동일한 기준으로 평가했다.
표 3에, 각 접합체의 접합 강도(실온, 260℃), 잔류 저융점 금속 함유율, 유출 불량률, 열충격 시험 후의 크랙 발생의 유무 및 접합 강도를 나타낸다.
(표 3)
Figure pct00004
표 3에 나타내는 바와 같이 실온에 있어서의 접합 강도에 대해서는 시료 번호 31∼39 모두의 시료가 20Nmm-2 이상을 나타내어 충분한 접합 강도를 구비하는 것이 확인되었다.
또한, 260℃에 있어서의 접합 강도에 관해서도 시료번호 31∼39의 각 시료는 5∼26Nmm-2과 2Nmm-2 이상의 실용 가능한 접합 강도를 갖고 있는 것이 확인되었다.
특히, 시료번호 제 32, 33의 시료와 같이 , 제 1 금속과 제 2 금속이 Cu-10Mn인 경우와 Cu-15Mn인 경우, 시료번호 제 37, 38의 시료와 같이, 제 1 금속 및 제 2 금속이 Cu-10Ni인 경우와 Cu-15Ni인 경우에는 24Nmm-2 이상의 접합 강도를 나타내고, 높은 내열 강도를 구비하고 있는 것이 확인되었다.
또한, 잔류 저융점 금속 함유율에 대해서는 시료번호 31∼39의 각 시료 모두 30체적% 이하이고, 또한 시료번호 제 32, 33의 시료와 같이, 제 1 금속과 제 2 금속이 Cu-10Mn인 경우와 Cu-15Mn인 경우, 시료번호 제 37, 38의 시료와 같이 제 1 금속 및 제 2 금속이 Cu-10Ni인 경우와 Cu-15Ni인 경우에는 잔류 저융점 금속 함유율이 0체적%가 되는 것이 확인되었다.
또한, 접합 재료의 유출 불량률에 관해서도 시료번호 31∼39의 각 시료는 모두 35체적% 이하이고, 또한 시료번호 제 32, 33의 시료와 같이, 제 1 금속과 제 2 금속이 Cu-10Mn인 경우와 Cu-15Mn인 경우, 시료번호 제 37, 38의 시료와 같이, 제 1 금속 및 제 2 금속이 Cu-10Ni인 경우와 Cu-15Ni인 경우에는 유출 불량률이 0%가 되고, 높은 내열성이 얻어지는 것이 확인되었다.
실시예 4
상기의 실시예 1∼3에서는 저융점 금속을 포함하는 접합 재료로서, 판상의 접합 재료를 사용했지만, 이 실시예 4에서는 플럭스와 저융점 금속(Sn-3Ag-0.5Cu 분말)을 배합한 솔더 페이스트를 사용하고, Cu로 이루어지는 제 1 금속 부재와 Cu-10Mn으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 접합했다.
접합하는데 있어서는 Cu로 이루어지는 제 1 금속 부재 상에 상술의 솔더 페이스트를 인쇄하고, 그 상에 Cu-10Mn으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 포갠 후, 250℃, 30분의 조건에서 리플로우함으로써, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를 접합했다.
그로부터, 얻어진 접합체에 대해서, 상기 실시예 1의 경우와 동일하게 하여 특성 측정 및 평가를 행했다. 구체적으로는 접합 강도의 측정, 잔류 성분 평가, 유출 평가, 열충격 시험 후의 크랙 유무 및 접합 강도의 측정을 행하고, 특성을 평가했다.
그 결과, 상기 실시예 1∼3의 본 발명의 요건을 구비한 각 시료의 경우와 동일한 특성을 구비한 접합체가 얻어지는 것이 확인되었다.
또한, 상기의 각 실시예에서는 제 1 금속 부재의 전체가 제 1 금속으로 구성되어 있고, 제 2 금속 부재의 전체가 제 2 금속으로 형성되어 있는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 제 1 금속 및 제 2 금속이 서로 접합시켜야 할 제 1 금속 부재(전극 본체)와 제 2 금속 부재(전극 본체)의 표면에 형성된 도금 막을 구성하는 금속 재료로서, 그 중 적어도 하나가 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50% 이상인 금속 재료인 것과 같은 구성으로 하는 것도 가능하다.
실시예 5
이 실시예 5에서는 플럭스와 저융점 금속(Sn-3Ag-0.5Cu분말)을 배합한 솔더 페이스트를 사용하고, 글래스 에폭시 기판 상의 Cu로 이루어지는 랜드 전극(본 발명에 있어서의 제 1 금속 부재)과 칩 콘덴서(전자 부품) 및 탄성 표면파 필터(SAW필터)(전자 부품)의 Cu-10Mn으로 이루어지는 외부 전극(본 발명에 있어서의 제 2 금속 부재)을 접합함으로써, 글래스 에폭시 기판 상에 칩 콘덴서와 탄성 표면파 필터가 탑재된 구조를 갖는 전자 장치를 제조했다.
즉, 이 전자 장치는 상기 제 1 금속 부재와 상기 제 2 금속 부재가 본 발명의 요건을 구비한 접합 재료를 통하여 접합된 구조를 갖는 전자 장치이다.
상기 랜드 전극(제 1 금속 부재)에 상기 외부 전극(제 2 금속 부재)을 접합하는데 있어서는 글래스 에폭시 기판의 Cu로 이루어지는 제 1 금속 부재 상에 상술의 솔더 페이스트를 인쇄하고, 그 상에 칩 콘덴서 및 SAW 필터의 Cu-10Mn으로 이루어지는 외부 전극(제 2 금속 부재)을 포갠 후, 250℃, 30분의 조건에서 리플로우함으로써, 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재를 접합했다.
또한, 제 1 금속 부재의 두께는 0.05mm, 제 2 금속 부재의 두께는 0.05mm로 했다.
또한, 솔더 페이스트는 두께 0.05mm의 메탈 마스크를 이용하여 상기 랜드 전극 상에 인쇄했다.
얻어진 접합체에 대해서, 상기 실시예 1의 경우와 동일하게 하여 특성 측정 및 평가를 행했다. 구체적으로는 접합 강도의 측정, 잔류 성분 평가, 유출 평가, 열충격 시험 후의 크랙 유무 및 접합 강도의 측정을 행하고, 특성을 평가했다.
또한, 접합 강도의 평가 및 잔류 저융점 금속 함유율의 평가, 유출 불량률의 평가에 있어서는 상기 실시예 2의 경우와 동일한 기준으로 평가했다.
표 4에 각 접합체의 접합 강도(실온, 260℃), 잔류 저융점 금속 함유율, 유출 불량률, 열충격 시험 후의 크랙 발생의 유무 및 접합 강도를 나타낸다.
(표 4)
Figure pct00005
표 4에 나타내는 바와 같이 이 실시예 5에 있어서도 상기 실시예 1∼4의 본 발명의 요건을 구비한 각 시료의 경우와 동등한 특성을 구비한 접합체가 얻어지는 것이 확인되었다.
또한, 제 1 금속 및 제 2 금속이 서로 접합시켜야 할 제 1 금속 부재(전극 본체)와 제 2 금속 부재(전극 본체)의 표면에 형성된 도금 막을 구성하는 금속 재료로서, 그 중의 적어도 하나가 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50%이상인 금속 재료인 것과 같은 구성으로 하는 것도 가능하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 접합 재료를 구성하는 저융점 금속의 종류나 조성, 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재 및 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 구성하는 재료의 종류나 조성 등에 관한 것이고, 발명의 범위내에 있어서, 각종 응용, 변형을 억제하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명을 적용해서 접합해야 할 접합 대상물의 종류나 접합 공정에 있어서의 조건 등에 관해서도 각종 응용, 변형을 억제하는 것이 가능하다.
본 발명은, 또한 그 밖의 점에 있어서도, 발명의 범위 내에 있어서, 각종 응용, 변형을 가하는 것이 가능하다.
10 : 판상의 접합 재료 11a : 제 1 금속 부재(제 1 금속)
11b : 제 2 금속 부재(제 2 금속) 12 : 금속간 화합물
64 : 층상의 금속간 화합물

Claims (18)

  1. 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재의 사이에, 상기 제 1 금속 및/또는 상기 제 2 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속을 포함하는 접합 재료를 배치하는 공정과,
    상기 저융점 금속의 융점 이상의 온도에서 상기 접합 재료를 가열하는 공정을 구비하고,
    상기 접합 재료를 가열하는 공정에 있어서, 상기 저융점 금속과 상기 제 1 금속 및/또는 상기 제 2 금속의 반응에 의해 금속간 화합물이 생성되고, 용융된 상기 저융점 금속 중에서 상기 금속간 화합물이 박리, 분산되면서 반응을 반복하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합 재료를 가열하는 공정에 있어서, 상기 저융점 금속을 전부 금속간 화합물로 하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  3. 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 구비한 전자 장치의 제조 방법으로서,
    상기 제 1 금속 부재와 상기 제 2 금속 부재를 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 접합 방법에 의해 접합하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 제조 방법.
  4. 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 상기 제 1 금속 및/또는 상기 제 2 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속을 주된 성분으로 하는 접합 재료를 개재해서 접합하기 위한 접합 방법으로서,
    상기 접합 재료를 구성하는 상기 저융점 금속을 Sn 또는 Sn을 70중량% 이상 포함하는 합금으로 하고,
    상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 적어도 하나를 상기 접합 재료를 구성하는 상기 저융점 금속과의 사이에 금속간 화합물을 생성하는 금속 또는 합금으로서, 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 적어도 하나의 표면에 생성하는 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50% 이상인 금속 또는 합금으로 하고, 또한
    상기 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재의 사이에 상기 접합 재료를 배치한 상태에서, 상기 접합 재료를 구성하는 상기 저융점 금속이 용융하는 온도에서 열처리하고, 상기 제 1 금속 부재와 상기 제 2 금속 부재를 상기 접합 재료를 개재해서 접합하는 열처리 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저융점 금속은 Sn 또는 Sn을 85중량% 이상 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    (a) 상기 접합 재료를 구성하는 상기 저융점 금속과 (b) 상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 상기 격자 정수차가 50% 이상의 것의 합계량에 대한 후자의 비율이 30체적% 이상인 상태에서, 상기 열처리 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접합 재료를 구성하는 상기 저융점 금속이
    Sn 단체 또는
    Cu, Ni, Ag, Au, Sb, Zn, Bi, In, Ge, Al, Co, Mn, Fe, Cr, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, P로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종과 Sn을 포함하는 합금인 것을 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 적어도 하나가 Cu-Mn합금 또는 Cu-Ni합금인 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 적어도 하나는
    Mn을 5∼30중량%의 비율로 함유하는 Cu-Mn합금 또는
    Ni를 5∼30중량%의 비율로 함유하는 Cu-Ni합금인 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 및 상기 제 2 금속 중 적어도 하나는
    Mn을 10∼15중량%의 비율로 함유하는 Cu-Mn합금 또는
    Ni를 10∼15중량%의 비율로 함유하는 Cu-Ni합금인 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  11. 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재를 구비한 전자 장치의 제조 방법으로서,
    상기 제 1 금속 부재와 상기 제 2 금속 부재를 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 접합 방법에 의해 접합하는 공정을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전자 장치의 제조 방법.
  12. 제 1 금속 부재와 제 2 금속 부재가 접합부를 개재해서 접합된 접합 구조로서, 상기 접합부 중에는 적어도 Cu-M-Sn(M은 Ni및/또는 Mn) 금속간 화합물이 분산되어 있고, 상기 제 1 금속 부재 및 상기 제 2 금속 부재의 계면 중 적어도 하나에는 금속간 화합물층인 Cu3Sn층 및 Cu6Sn5층 중 어느 쪽도 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 접합 구조.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 접합부 중에는 상기 제 1 금속 부재 및 상기 제 2 금속 부재의 계면 모두가 금속간 화합물층인 Cu3Sn층 및 Cu6Sn5층 중 어느 것도 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 접합 구조.
  14. 적어도 표면이 제 1 금속으로 이루어지는 제 1 금속 부재와 적어도 표면이 제 2 금속으로 이루어지는 제 2 금속 부재가 접합부를 개재해서 접합된 전자 장치로서,
    상기 제 1 금속 부재와 상기 제 2 금속 부재의 접합부는 제 12 항 또는 제 13 항에 기재된 접합 구조를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  15. Sn 또는 Sn을 70중량% 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 저융점 금속을 포함하는 접합 재료에 의한 접합에 제공되는 전극을 구비한 전자 부품으로서,
    상기 접합 재료에 접하는 상기 전극의 표면이 상기 저융점 금속과의 사이에 금속간 화합물을 생성하는 금속 또는 합금으로서, 상기 저융점 금속과의 반응에 의해 상기 전극의 표면에 생성하는 금속간 화합물과의 격자 정수차가 50% 이상인 금속 또는 합금에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 부품.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 접합 재료에 접하는 상기 전극의 표면은 Cu-Mn합금 또는 Cu-Ni합금에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 부품.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 접합 재료에 접하는 상기 전극의 표면은
    Mn을 5∼30중량%의 비율로 함유하는 Cu-Mn합금 또는
    Ni를 5∼30중량%의 비율로 함유하는 Cu-Ni합금에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 부품.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 접합 재료에 접하는 상기 전극의 표면은
    Mn을 10∼15중량%의 비율로 함유하는 Cu-Mn합금 또는
    Ni를 10∼15중량%의 비율로 함유하는 Cu-Ni 합금에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자 부품.
KR1020137007337A 2010-12-24 2011-12-22 접합 방법, 접합 구조, 전자 장치, 전자 장치의 제조 방법 및 전자 부품 KR101528515B1 (ko)

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