KR20140110926A - 접합 방법, 접합 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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야스유키 세키모토
히데키요 타카오카
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Abstract

공극이 없이 치밀하며, 또한 내열성이 높고, 신뢰성이 우수한 접합부를 얻는 것이 가능한 접합 방법, 및 접합부의 신뢰성이 높은 접합 구조체를 제공한다. 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물을 접합하는 방법에 있어서, 제 1 접합 대상물은 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금으로 구성되는 제 1 금속을 갖고, 제 2 접합 대상물은 Ni, Mn, Al, 및 Cr로부터 선택되는 적어도 1종과 Cu를 포함하는 합금으로 구성되는 제 2 금속을 가짐과 아울러 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물이 접한 상태로 열처리를 행하여 양자의 계면에 금속간 화합물을 생성시킴으로써 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물을 접합한다. 제 1 금속으로서 Sn을 85중량%이상 함유하는 합금을 사용한다.

Description

접합 방법, 접합 구조체 및 그 제조 방법{BONDING METHOD, BOND STRUCTURE, AND MANUFACTURING METHOD FOR SAME}
본 발명은 한쪽의 접합 대상물(제 1 접합 대상물)과 다른쪽의 접합 대상물(제 2 접합 대상물)을 접합하는 접합 방법, 그 접합 방법을 사용해서 형성되는 접합 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
표면 실장형의 전자부품을 기판 등에 실장할 때의 실장 방법으로서는 전자부품의 외부 전극을 기판 상의 실장용 전극(랜드 전극) 등에 납땜함으로써 실장하는 방법이 널리 사용되고 있다.
이러한 납땜에 의한 실장에 사용되는 솔더 페이스트로서, 예를 들면, (a)Cu, Al, Au, Ag 등의 고융점 금속 또는 이들을 포함하는 고융점 합금으로 이루어지는 제 2 금속(또는 합금)볼과, (b)Sn 또는 In으로 이루어지는 제 1 금속볼의 혼합체를 포함하는 땜납 페이스트가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
또한, 이 특허문헌 1에는 상기 땜납 페이스트를 사용한 접합 방법이나, 전자기기의 제조 방법이 개시되어 있다.
그러나, 이 특허문헌 1의 땜납 페이스트를 사용해서 납땜을 행한 경우, 도 8(a)에 모식적으로 나타낸 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, 납땜후에 도 8(b)에 나타낸 바와 같이, 복수개의 고융점 금속볼(52)이 저융점 금속볼로부터 유래되는 저융점 금속과, 고융점 금속볼로부터 유래되는 고융점 금속 사이에 형성되는 금속간 화합물(54)을 통해 연결되고, 이 연결체에 의해 접합 대상물이 접속·연결되게(납땜되게) 된다.
그러나, 이 특허문헌 1의 접합 방법이나, 전자기기의 제조 방법에서는 접합 대상물을 접속하기 위해서는 땜납 페이스트를 별도로 준비하는 것이 필요하여 접합 방법을 실시하기 위한 설비나 공정 등이 제약을 받는다고 하는 문제점이 있다.
또, 이 특허문헌 1의 땜납 페이스트의 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)와 Sn(저융점 금속)의 조합에서는 그 확산 속도가 느리기 때문에 저융점 금속인 Sn이 잔류한다. Sn이 잔류한 땜납 페이스트의 경우, 고온하에서의 접합 강도가 대폭 저하되고, 접합해야 할 제품의 종류에 따라서는 사용할 수 없게 되는 경우가 있다. 또한, 납땜의 공정에서 잔류한 Sn은 그 후의 다른 납땜 공정에서 용융해서 흘러 나갈 우려가 있어 온도 계층 접속에 사용되는 고온 땜납으로서는 신뢰성이 낮다고 하는 문제점이 있다.
즉, 예를 들면 반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 납땜을 행하는 공정을 거쳐 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 유출되어 버릴 우려가 있다.
또, Sn이 잔류하지 않도록 저융점 금속을 완전히 금속간 화합물로 하기 위해서는 납땜 공정에 있어서 고온이며 또한 장시간의 가열이 필요하게 되지만 생산성과의 균형도 있어 실용상 불가능하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 제 1 금속분말과, 제 1 금속분말보다 융점이 높은 제 2 금속분말로 이루어지는 금속성분과, 플럭스 성분을 포함하는 솔더 페이스트로서, 제 1 금속을 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금으로 하고, 제 2 금속(Cu-Mn 또는 Cu-Ni)을 상기 제 1 금속과 310℃이상의 융점을 나타내는 금속간 화합물을 생성하고, 또한 제 2 금속분말의 주위에 최초로 생성되는 금속간 화합물의 격자정수와 제 2 금속성분의 격자정수의 차인 격자정수차가 50%이상인 금속 또는 합금으로 한 솔더 페이스트가 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).
또한, 이 특허문헌 2에서는 제 2 금속으로서 도체 패턴 또는 Cu-Ni 등이 예시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는 상기 솔더 페이스트를 사용한 접합 방법이나 접합 구조, 또한 전자기기의 제조 방법이 제안되어 있다.
그리고, 이 솔더 페이스트를 사용한 접합 방법에 의하면 Sn의 잔류량을 대폭 절감해서 리플로우시의 땜납의 유출이 없고, 고온에서의 접합 강도나 접합 신뢰성이 우수한 접합을 행할 수 있다고 되어 있다.
그러나, 특허문헌 2의 솔더 페이스트를 사용한 접합 방법의 경우, Cu-Mn, Cu-Ni 등의 제 2 금속과, Sn 또는 Sn 합금 등의 제 1 금속의 확산 반응이 급속히 발생되므로 Sn이 액상을 띠는 시간이 짧고, 신속하게 용융 온도가 높은 금속간 화합물이 형성되어 버리므로 경우에 따라서는 접합부내에 간극이 생길 가능성이 있다. 그 때문에, 접합 신뢰성이 더 높은 접합을 행하는 것이 가능한 접합 방법이 기대되고 있다.
또한, 이 특허문헌 2의 접합 방법의 경우도 접합 대상물 이외에 솔더 페이스트를 별도로 준비하는 것이 필요하며, 접합 방법을 실시하기 위한 설비나 공정 등도 제약을 받게 된다.
일본 특허 공개 2002-254194호 공보 국제 공개 제 2 011/027659호 팜플렛
본 발명은 상기 과제를 해결하는 것으로, 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물을 솔더 페이스트 등의 접합 재료를 사용하는 것을 필요로 하지 않고, 접합부에 공극이 없고, 내열성이 우수하고, 신뢰성이 높은 접합을 행하는 것이 가능한 접합 방법, 그것을 사용해서 형성되는 접합 신뢰성이 높은 접합 구조체 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 접합 방법은,
제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물을 접합하는 방법으로서,
제 1 접합 대상물은 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금으로 구성되는 제 1 금속을 갖고,
제 2 접합 대상물은 Ni, Mn, Al, 및 Cr로부터 선택되는 적어도 1종과 Cu를 포함하는 합금으로 구성되는 제 2 금속을 갖고,
상기 제 1 접합 대상물과 상기 제 2 접합 대상물이 접한 상태로 열처리를 행하여 양자의 계면에 금속간 화합물을 생성시킴으로써 상기 제 1 접합 대상물과 상기 제 2 접합 대상물을 접합하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명에 있어서 「제 1 접합 대상물」 및 「제 2 접합 대상물」은 한쌍의 접합 대상물 중 한쪽과 다른쪽을 구별해서 나타내기 위해서 사용한 호칭이며, 접합 대상물의 종류나 구조 등에 따라 구별하는 것을 의도하는 것은 아니다.
예를 들면, 칩형 전자부품의 외부 전극을 회로 기판의 실장용 전극에 접합할 경우, 전자를 제 1 접합 대상물, 후자를 제 2 접합 대상물로 해도 좋고, 또한, 후자를 제 1 접합 대상물, 전자를 제 2 접합 대상물로 해도 좋다.
또, 본 발명의 접합 방법에 있어서의 제 1 및 제 2 접합 대상물로서는 예를 들면, 상술한 바와 같이, 칩형 전자부품의 외부 전극과, 칩형 전자부품이 탑재되는 회로 기판 상의 실장용 전극 등이 예시되지만, 본 발명은 접합 대상물의 한쪽이 예를 들면, 「제 1 금속 또는 제 2 금속이 도금된 Cu선」이나, 「제 1 금속 또는 제 2 금속이 도금된 금속단자」 등인 경우를 포함하는 것이다.
또, 본 발명에 있어서 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금으로 구성되는 제 1 금속(제 2 금속보다 융점이 낮은 저융점 금속)은 예를 들면, 전극의 표면에 형성된 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금으로 이루어지는 도금층의 형태로 부여되는 경우 등이 나타내어진다. 그 경우, 제 1 금속(Sn 또는 Sn을 포함하는 합금)으로 이루어지는 도금층은 제 1 또는 제 2 접합 대상물의 최표면에 있는 것이 바람직하다. 단, 경우에 따라서는 그 표면에 다른 층(예를 들면, 귀금속층 등)을 더 형성하는 것도 가능하다.
또, 상기 제 2 접합 대상물은 Ni, Mn, Al, 및 Cr로부터 선택되는 적어도 1종과 Cu를 포함하는 합금(Cu합금)으로 구성되는 제 2 금속을 갖고 있지만, 이 제 2 금속에 대해서도, 예를 들면, 전극의 표면에 형성된 Cu합금의 도금층의 형태로 부여될 경우 등이 나타내어진다. 이 제 2 금속으로 이루어지는 도금층도 제 1 또는 제 2 접합 대상물의 최표면에 있는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서는 그 표면에 Sn 도금층이나, Au도금층 등의 산화 방지막이 형성되어 있어도 좋다.
본 발명에 있어서는 상기 제 1 금속이 Sn을 70중량%이상 함유하는 합금인 것이 바람직하다.
제 1 금속이 Sn을 70중량%이상 함유하는 합금인 경우, 공극이 없고, 또한 내열성이 높고, 신뢰성이 우수한 접합부를 얻을 수 있다고 하는 본 발명의 효과를 보다 확실하게 얻는 것이 가능하게 된다.
또, 상기 제 1 금속은 Sn을 85중량%이상 함유하는 합금인 것이 보다 바람직하다.
제 1 금속이 Sn을 85중량%이상 함유하는 합금인 경우, 또한 내열성이 높은 접합부를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
또, 본 발명에 있어서는 상기 제 2 금속은 Cu-Ni합금 또는 Cu-Mn합금을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
제 2 금속이 Cu-Ni합금 및/또는 Cu-Mn합금을 주성분으로 할 경우, 특히 내열성이 높은 접합부를 얻을 수 있다.
또, 상기 Cu-Ni합금이 Ni를 5∼30중량%의 범위에서 함유하는 것이며, 상기 Cu-Mn합금이 Mn을 5∼30중량%의 비율로 함유하는 것이 바람직하다.
상기 구성으로 함으로써, 특히 내열성이 높은 접합부를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
또, 본 발명의 접합 구조체는 상술의 본 발명의 접합 방법에 의해 형성된 것을 특징으로 하고 있다.
즉, 본 발명의 접합 구조체는 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물이 접합된 접합 구조체로서, 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물이 제 1 금속(Sn 또는 Sn을 포함하는 합금)과, 제 2 금속(Ni, Mn, Al, 및 Cr로부터 선택되는 적어도 1종과 Cu를 포함하는 합금(Cu합금))이 반응해서 생성된 금속간 화합물에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 본 발명의 접합 구조체의 제조 방법은 상기 본 발명의 접합 방법을 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.
(발명의 효과)
본 발명의 접합 방법에 있어서는 제 1 접합 대상물이 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금으로 구성되는 제 1 금속을 갖고, 제 2 접합 대상물이 Ni, Mn, Al, 및 Cr로부터 선택되는 적어도 1종과 Cu를 포함하는 합금(Cu합금)으로 구성되는 제 2 금속을 갖고, 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물이 접한 상태로 열처리를 행하여 양자의 계면에 제 1 금속과 제 2 금속의 금속간 화합물을 생성시킴으로써 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물을 접합하도록 하고 있으므로, 솔더 페이스트 등의 접합 재료를 별도로 준비하는 것을 필요로 하지 않고, 접합부에 공극이 없고, 내열성이 우수한 신뢰성이 높은 접합을 행하는 것이 가능하게 된다.
즉, 본 발명에서는 접합 대상물의 한쪽이 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금으로 구성되는 제 1 금속을 갖고 있음과 아울러, 다른쪽이 Ni, Mn, Al, 및 Cr로부터 선택되는 적어도 1종과 Cu를 포함하는 합금으로 구성되는 제 2 금속을 갖고 있으므로 양자가 접한 상태로 열처리를 행함으로써 열처리의 공정에서 상기 제 2 금속(Cu합금)과, 상기 제 1 금속(Sn 또는 Sn 합금)의 급속확산이 발생하고, 접합부에는 융점이 높은 금속간 화합물이 생성됨과 아울러 Sn, Sn 합금 등의 제 1 금속의 대부분이 금속간 화합물이 된다.
그 결과, 예를 들면, 제 1 접합 대상물이 전자부품의 외부 전극이며, 제 2 접합 대상물이 기판의 실장용 전극인 경우, 전자부품이 실장된 후의 단계에서 복수회의 리플로우가 실시된 경우나, 실장된 전자부품(예를 들면, 차재용 전자부품)이 고온환경하에서 사용된 경우에도 전자부품의 탈락 등을 야기하는 일이 없는 고온에서의 접합 신뢰성이 높은 접합부를 얻을 수 있다.
본 발명의 접합 방법을 사용해서 제 1 접합 대상물 및 제 2 접합 대상물을 접합할 경우, 별도로 솔더 페이스트 등을 사용하지 않고 제 1 및 제 2 접합 대상물이 접한 상태로 열처리를 행한다. 이 때, 온도가 제 1 금속(Sn 또는 Sn 합금)의 융점이상에 도달하면 제 1 접합 대상물 중의 제 1 금속이 용융된다. 그리고, 제 1 금속과 제 2 접합 대상물 중의 제 2 금속(Cu합금)이 신속하게 확산해서 금속간 화합물을 생성한다.
그 후 가열이 더 계속되면 제 1 금속(Sn 또는 Sn 합금)과 제 2 금속(Cu합금)은 더 반응해서 제 1 금속과 제 2 금속의 조성비 등이 바람직한 조건에 있는 경우에는 제 1 금속이 모두 금속간 화합물이 되고, 제 1 금속(Sn 또는 Sn 합금)은 존재하지 않게 된다.
또한, 본 발명에서는 제 1 금속과 제 2 금속의 계면에 생성되는 금속간 화합물과 제 2 금속 사이의 격자정수차가 크기 때문에(제 2 금속과 금속간 화합물의 격자정수차가 50%이상), 용융 제 1 금속 중에서 금속간 화합물이 박리, 분산되면서 반응을 반복하고, 금속간 화합물의 생성이 비약적으로 진행되어 단시간내에 제 1 금속(Sn 또는 Sn 합금)의 함유량을 충분히 감소시키는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 내열강도가 큰 접합을 행하는 것이 가능하게 된다.
또한, 제 2 금속(Cu합금)을 구성하는 Al 및 Cr은 모두 Cu보다 제 1 이온화 에너지가 작고, Cu에 이들 금속(Al 및 Cr)이 고용되어 있기 때문에 Cu보다, Al 및 Cr이 먼저 산화되게 된다. 그 결과, 산화되어 있지 않은 Cu의 용융된 제 1 금속(Sn 또는 Sn 합금)으로의 확산이 촉진되어 매우 단시간내에 제 1 금속과의 사이에서 금속간 화합물을 생성한다. 따라서, 그 만큼 접합부에 있어서의 제 1 금속의 함유량이 저하되고, 접합부의 융점이 상승해서 내열강도가 향상된다.
또, 본 발명에 있어서는 제 2 접합 대상물이 갖는 제 2 금속(상기 Cu합금)이 전극이나 그 표면에 형성된 도금층인 경우 분체인 경우에 비해 표면적이 작은 형태로 공급할 수 있기 때문에 제 1 접합 대상물이 갖는 제 1 금속(Sn 또는 Sn 합금)과의 접촉 면적을 절감해서 반응 속도를 느리게 할 수 있다. 그 결과, Sn 또는 Sn 합금(제 1 금속)이 액체로 존재하는 시간을 길게 해서 공극이 없고, 치밀한 접합부를 형성하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명의 접합 구조체는 상술한 바와 같이, 제 1 및 제 2 접합 대상물이 융점이 높은 금속간 화합물을 주된 성분으로 하는 접합부를 통해 접합되어 있는 점에서 내열강도가 크고 신뢰성이 높은 접합 구조체를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 효과를 보다 확실하게 얻기 위해서는 제 1 접합 대상물이 갖는 제 1 금속(Sn 또는 Sn 합금)의 양과, 제 2 접합 대상물이 갖는 제 2 금속(Ni, Mn, Al, 및 Cr로부터 선택되는 적어도 1종과 Cu를 포함하는 합금)의 비율을 소정의 범위로 하는 것이 바람직하고, 통상은 제 1 금속의 양과 제 2 금속의 합계량에 대한 제 1 금속의 비율이 70체적%이하의 범위에 있는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 접합 방법을 실시하는 것에 제공한 제 1(또는 제 2) 접합 대상물인 외부 전극을 구비한 칩형 전자부품을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 접합 방법을 실시하는 것에 제공한 제 2 (또는 제 1) 접합 대상물인 실장용 전극을 구비한 유리 에폭시 기판을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 접합 방법에 의해 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물을 접합할 때의 1공정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 접합 방법에 의해 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물을 접합해서 이루어지는 접합 구조체를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 접합 방법에 의해 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물을 접합해서 이루어지는 접합 구조체의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 접합 방법의 다른 실시형태를 설명하기 위한 도면이며, 제 1 접합 대상물인 범프를 구비한 칩형 전자부품을 제 2 접합 대상물인 실장용 전극을 구비한 실장용 기판 상에 적재한 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6과 같이, 칩형 전자부품을 실장용 기판 상에 적재하고, 가열 및 가압을 행한 후의 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 종래의 땜납 페이스트를 사용해서 납땜을 행하는 경우의 땜납의 거동을 나타내는 도면이며, (a)는 가열전의 상태를 나타내는 도면, (b)는 납땜 공정 종료후의 상태를 나타내는 도면이다.
이하에 본 발명의 실시형태를 나타내고, 본 발명의 특징으로 하는 바를 더 상세하게 설명한다.
<실시형태 1>
또한, 이 실시형태에서는 세라믹 적층체의 양단부에 외부 전극이 배치된 칩형 전자부품(적층 세라믹 콘덴서)을 유리 에폭시 기판 상의 실장용 전극에 탑재함에 있어서, 칩형 전자부품의 외부 전극(제 1 접합 대상물)을 유리 에폭시 기판 상의 실장용 전극(제 2 접합 대상물)에 접합할 경우를 예로 들어서 설명한다.
[칩형 전자부품과 유리 에폭시 기판의 준비]
우선, 도 1에 나타낸 바와 같이, 내부 전극(4)과 세라믹층(5)이 교대로 적층된 세라믹 적층체(10)의 양단부에 형성된 Cu 후막 전극으로 이루어지는 외부 전극 본체(1)의 표면에 표 1 및 2의 시료번호 1∼25에 나타내는 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금(제 1 금속)을 도금함으로써 형성한 도금층(2)을 구비한 외부 전극(제 1 접합 대상물)(3)을 갖는 칩형 전자부품(A)을 준비했다.
또한, 도시하지 않지만, Cu 후막 전극과 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금의 도금층(2) 사이에는 Ni도금을 형성했다.
또한, 도금층(2)은 반드시 외부 전극 본체(1)의 전면을 덮지 않아도 좋고, 열처리 공정에서 하기의 실장용 전극(13)의 도금막(12)을 구성하는 제 2 금속(이 실시형태에서는 Cu합금)과 반응해서 금속간 화합물이 형성되는 형태로 외부 전극 본체(1)에 부여되어 있으면 좋다.
또한, 상기 도금층(2)을 구성하는 제 1 금속(저융점 금속)으로서는 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, Sn-3Ag-0.5Cu, Sn, Sn-3.5Ag, Sn-0.75Cu, Sn-15Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni, Sn-5Sb, Sn-2Ag-0.5Cu-2Bi, Sn-30Bi, Sn-3.5Ag-0.5Bi-8In, Sn-9Zn, Sn-8Zn-3Bi합금을 사용했다.
또한, 상기 제 1 금속의 표기에 있어서, 예를 들면, 시료번호 1의 「Sn-3Ag-0.5Cu」는 저융점 금속재료가 Ag를 3중량%, Cu를 0.5중량% 함유하고, 잔부를 Sn으로 하는 합금(Sn 합금)인 것을 나타내고 있다.
또, 도 2에 나타낸 바와 같이, 유리 에폭시로 이루어지는 기판의 주면에 형성된 Cu 전극막(11)의 표면에 Ni, Mn, Al, 및 Cr로부터 선택되는 적어도 1종과 Cu를 포함하는 합금(제 2 금속)을 도금함으로써 형성한 도금층(12)을 구비한 실장용 전극(제 2 접합 대상물)(13)을 갖는 유리 에폭시 기판(B)을 준비했다. 또한, 도금층(12)은 도 2에 나타내는 Cu 전극막(11)의 표면 전체, 즉 Cu 전극막(11)의 상면 및 측면을 덮도록 형성되어도 좋고, Cu 전극막(11)의 상면에만, 또한 상면의 일부에만 형성되어 있어도 좋다.
또한, 상기 도금층(12)을 구성하는 제 2 금속(Cu합금)으로서는 표 1 및 2에 나타내는 Cu-5Ni, Cu-10Ni, Cu-15Ni, Cu-20Ni, Cu-30Ni, Cu-5Mn, Cu-10Mn, Cu-15Mn, Cu-20Mn, Cu-30Mn, Cu-12Mn-4Ni, Cu-10Mn-1P, Cu-10Al, Cu-10Cr합금을 사용했다.
제 2 접합 대상물(유리 에폭시 기판의 실장용 전극), 시료번호 22와 같이 Mn과 Ni를 동시에 포함하고 있어도 좋고, 또한, 시료번호 23과 같이 P(인) 등의 제 3 성분을 포함하고 있어도 좋다.
또, 비교를 위해서 제 2 접합 대상물로서 본 발명의 요건을 구비하고 있지 않은 표 2의 시료번호 26 및 27의 시료를 준비했다.
또한, 시료번호 26의 제 2 접합 대상물(유리 에폭시 기판의 실장용 전극)은 Cu전극막의 표면에 Cu로 이루어지는 도금층을 형성한 것이며, 또한, 시료번호 27의 제 2 접합 대상물(유리 에폭시 기판의 실장용 전극)은 Cu전극막의 표면에 Cu-Zn합금으로 이루어지는 도금층을 형성한 것이다.
[제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물의 접합]
표 1 및 2의 시료번호 1∼25에 관한 각 칩형 전자부품(A)을 도 3에 나타낸 바와 같이, 외부 전극(제 1 접합 대상물)(3)이 표 1 및 2의 시료번호 1∼25에 관한 유리 에폭시 기판(B)의 실장용 전극(제 2 접합 대상물)(13)에 접촉하는 형태로 유리 에폭시 기판(B) 상에 적재하고, 250℃, 30분의 조건으로 리플로우했다.
이것에 의해, 도 4에 나타낸 바와 같이, 칩형 전자부품(A)의 외부 전극(제 1 접합 대상물)(3)과, 유리 에폭시 기판(B)의 실장용 전극(제 2 접합 대상물)(13)이 금속간 화합물(접합부)(M12)을 통해 접합된 접합 구조체(C)를 얻었다.
또한, 도 5는 상술한 바와 같이 해서 얻어지는 접합 구조체(C)의 변형예를 나타내고 있다. 본 발명의 접합 구조체에 있어서는 도 5에 나타낸 바와 같이, 외부 전극(3)을 구성하는 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금(저융점 금속)의 도금층(2), 및 실장용 전극(13)을 구성하는 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금(저융점 금속)의 도금층(12) 중 상대측에 접하지 않는 부분에 있어서 도금층(2) 및/또는 도금층(12)이 미반응인채로 남아 있어도 좋다.
또, 마찬가지로, 본 발명의 요건을 구비하고 있는 시료번호 26 및 27의 칩형 전자부품을 본 발명의 요건을 구비하고 있지 않은 제 2 접합 대상물(시료번호 26의 표면에 Cu로 이루어지는 도금층이 형성된 외부 전극을 구비하고 있는 유리 에폭시 기판과, 시료번호 27의 표면에 Cu-Zn합금으로 이루어지는 도금층이 형성된 외부 전극을 구비하고 있는 유리 에폭시 기판) 상에 외부 전극(제 1 접합 대상물)이 유리 에폭시 기판(B) 상의 실장용 전극(제 2 접합 대상물)에 접촉하는 형태로 적재하고, 250℃, 30분의 조건으로 리플로우해서 접합 구조체를 얻었다.
[특성의 평가]
상술한 바와 같이 해서 얻은 접합 구조체를 시료로 해서 이하의 방법으로 특성을 평가했다.
≪접합 강도≫
얻어진 접합 구조체의 시어 강도를 본딩 테스터를 사용해서 측정하고, 접합 강도를 평가했다.
시어 강도의 측정은 횡프레스 속도:0.1mm·s-1, 실온 및 260℃의 조건하에서 행했다.
그리고, 시어 강도가 20Nmm-2이상인 것을 ◎(우), 2Nmm-2이상 20Nmm-2미만인 것을 ○(양), 2Nmm-2미만인 것을 ×(불가)라고 평가했다.
표 1 및 2에 각 시료에 대해서 조사한 실온 및 260℃에서의 접합 강도의 값과 평가 결과를 아울러 나타낸다.
≪잔류 성분 평가≫
리플로우후에 응고한 접합부의 금속간 화합물(반응 생성물)을 약 7mg 잘라내고, 측정 온도 30℃∼300℃, 승온 속도 5℃/min, N2 분위기, 레퍼런스 Al2O3의 조건으로 시차 주사 열량 측정(DSC 측정)을 행했다. 얻어진 DSC차트의 저융점 금속(제 1 금속) 성분의 용융 온도에 있어서의 용융 흡열 피크의 흡열량으로부터 잔류한 저융점 금속 성분량을 정량하고, 잔류 저융점 금속 함유율(체적%)을 구했다. 그리고, 잔류 저융점 금속 함유율이 0체적%인 경우를 ◎(우), 0체적%보다 크고 50체적%이하인 경우를 ○(양), 50체적%보다 큰 경우를 ×(불가)라고 평가했다.
표 1 및 2에 잔류 저융점 금속 함유율과 평가 결과를 아울러 나타낸다.
≪유출 불량률≫
얻어진 접합 구조체의 유출 불량률을 이하의 방법으로 조사했다.
우선, 접합 구조체를 에폭시 수지로 밀봉해서 상대습도 85%의 환경에 방치하고, 피크 온도 260℃의 리플로우 조건으로 가열했다. 그리고, 접합 재료가 재용융해서 유출된 것을 불량으로 하고, 유출 불량의 발생 비율을 조사했다. 그리고, 그 결과로부터 유출 불량 발생률을 구했다.
접합 재료의 유출 불량률이 0%인 경우를 ◎(우), 0%보다 크고 50%이하인 경우를 ○(양), 50%보다 큰 경우를 ×(불가)라고 평가했다.
표 1 및 2에 유출 불량 발생률과 평가 결과를 아울러 나타낸다.
≪치밀성≫
얻어진 접합 구조체의 단면을 금속현미경으로 관찰하여 접합부에 존재하는 공극의 유무를 확인했다. 1변이 50㎛이상인 공극이 존재하지 않는 경우를 ◎(우), 존재하는 경우를 ×(불량)이라고 평가했다.
표 1 및 2에 치밀성 평가 결과를 아울러 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 실온에 있어서의 접합 강도에 대해서는 시료번호 1∼25의 본 발명의 요건을 구비한 시료(실시예)와, 시료번호 26, 27의 본 발명의 요건을 구비하지 못한 비교예의 시료 모두 20Nmm-2이상의 접합 강도를 나타내고, 실용 강도를 구비하고 있는 것이 확인되었다.
한편, 260℃에 있어서의 접합 강도에 대해서 보면 시료번호 26, 27의 비교예의 시료인 경우, 2Nmm-2이하로 접합 강도가 불충분했던 것에 대해서 시료번호 1∼25의 본 발명의 실시예에 의한 시료에서는 20Nmm-2이상을 유지하고 있어 실용 강도를 구비하고 있는 것이 확인되었다.
또, 잔류 저융점 금속 함유율(잔류 성분 평가)에 대해서는 시료번호 26, 27의 비교예의 시료인 경우, 잔류 저융점 금속 함유율이 50체적%보다 컸던 것에 대해서 시료번호 1∼25의 본 발명의 실시예에 의한 시료의 경우 모두 잔류 저융점 금속 함유율이 50체적%이하인 것이 확인되었다.
또한, 제 2 금속으로서 Cu-Al합금 또는 Cu-Cr합금을 사용한 시료번호 24, 25의 시료에 비해 제 2 금속으로서 Cu-Ni, Cu-Mn, Cu-Mn-Ni, Cu-Mn-P합금을 사용한 시료번호 1∼23의 시료의 쪽이 잔류 저융점 금속 함유율이 낮은 것이 확인되었다.
또, Ni량 또는 Mn량이 5∼20중량%인 Cu-Ni합금 또는 Cu-Mn합금을 사용한 시료번호 1∼4, 6∼9의 시료의 쪽이 Ni량 또는 Mn량이 30중량%인 시료번호 5, 10의 시료에 비해서 잔류 저융점 금속 함유율이 낮은 것이 확인되었다.
또한, 저융점 금속으로서 Sn 또는 Sn을 85중량%이상 포함하는 합금을 사용한 시료번호 1∼4, 6∼9, 11∼17, 19∼23의 시료의 경우, 잔류 저융점 금속 함유율이 0체적%으로 되어 특히 바람직한 것이 확인되었다.
또, 접합 재료의 유출 불량률에 대해서는 시료번호 26, 27의 비교예의 시료의 경우, 유출 불량률이 50%이상이었던 것에 대해서 시료번호 1∼25의 본 발명의 실시예에 의한 시료에서는 유출 불량률이 모두 50%이하이며, 특히 저융점 금속으로서 Sn 또는 Sn을 85중량%이상 포함하는 합금을 사용한 시료번호 1∼4, 6∼9, 11∼17, 19∼23의 시료의 경우, 유출 불량률이 0%로 높은 내열성을 갖고 있는 것이 확인되었다.
또, 상술한 바와 같이, 본 발명의 요건을 구비한 시료번호 1∼25의 시료에 있어서는 제 1 금속(저융점 금속)의 종류에 관계없이 모두 실용성이 있는 내열성을 구비하고 있는 것이 확인되었지만, 제 2 금속의 Ni량 또는 Mn량이 30중량%인 시료번호 5, 10의 시료의 경우, 다른 시료(1∼4, 6∼9, 11∼25의 시료)에 비해 260℃에 있어서의 접합 강도가 조금 저하되는 경향이 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 접합 방법에 의하면, 상술의 특허문헌 2의 접합 방법과 같이, Sn 등의 제 1 금속분말과, 제 1 금속분말보다 융점이 높은 제 2 금속분말(Cu-Mn합금 또는 Cu-Ni합금)과, 플럭스 성분을 포함하는 솔더 페이스트를 사용하고, Sn 등의 제 1 금속을 포함하지 않는 제 1 및 제 2 접합 대상물을 접합하는 경우에 비해 치밀성이 높은 접합부가 얻어지는 것이 확인되었다.
<실시형태 2>
상기 실시형태 1에서는 제 1 금속(Sn 또는 Sn을 포함하는 합금)의 도금층을 갖는 외부 전극(제 1 접합 대상물)을 구비한 칩형 전자부품과, 제 2 금속(Cu합금)의 도금층을 갖는 실장용 전극(제 2 접합 대상물)을 실장한 유리 에폭시 기판을 사용하고, 칩형 전자부품의 외부 전극과 유리 에폭시 기판의 실장용 전극을 접합하는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 이 실시형태 2에서는 제 1 금속(Sn 또는 Sn을 포함하는 합금)의 도금층을 갖는 실장용 전극(제 1 접합 대상물)을 형성한 유리 에폭시 기판과, 제 2 금속(Cu합금)의 도금층을 갖는 외부 전극(제 2 접합 대상물)을 구비한 칩형 전자부품을 사용하고, 유리 에폭시 기판의 실장용 전극(제 1 접합 대상물)과, 칩형 전자부품의 외부 전극(제 2 접합 대상물)을 접합했다.
즉, 이 실시형태 2에서는 칩형 전자부품의 외부 전극의 도금층을 구성하는 금속과, 유리 에폭시 기판의 실장 전극의 도금층을 구성하는 금속의 관계를 실시형태 1의 경우와는 반대로 한 시료, 즉, 표 3 및 4의 시료번호 101∼125에 의한 실장용 전극(제 1 접합 대상물)을 구비한 유리 에폭시 기판과, 시료번호 101∼125에 의한 외부 전극(제 2 접합 대상물)을 구비한 칩형 전자부품을 제작함과 아울러 시료번호 126, 127에 의한 비교용의 시료(비교예)를 작성하고, 상기 실시예 1의 경우와 같은 방법 및 조건으로 양자를 접합했다.
그리고, 얻어진 접합 구조체를 시료로 해서 상기 실시예 1의 경우와 마찬가지로 각 시료의 특성을 평가했다. 그 결과를 표 3 및 4에 나타낸다.
Figure pct00003
Figure pct00004
표 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 이 실시형태 2의 경우에도 상기 실시형태 1의 경우에 준하는 특성의 평가 결과가 얻어졌다.
또한, 특성의 평가 결과는 실시형태 1의 경우에 준하는 것으로 경향도 같은 점에서 반복을 피하기 위해서 여기에서는 표 3, 4에 평가 결과의 데이터를 나타내는 것에 그치고, 설명은 생략한다.
상기 실시형태 1과 실시형태 2의 결과로부터 기판측, 칩형 전자부품측의 어느 한쪽의 전극이 본 발명의 제 1 금속을 갖고, 다른쪽의 전극이 본 발명의 제 2 금속을 갖고 있는 경우, 즉, 제 1 및 제 2 접합 대상물이 본 발명의 요건을 구비하고 있는 경우에는 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물을 솔더 페이스트 등의 접합 재료를 사용하는 것을 필요로 하지 않고 효율적으로 접합시켜서 접합부에 공극이 없고, 내열성도 우수한 신뢰성이 높은 접합을 행하는 것이 가능하게 되는 것이 확인되었다.
<실시형태 3>
이 실시형태 3에서는 제 1 접합 대상물로서의 IC칩의 저면의 전극에 실장한 범프와, 제 2 접합 대상물로서의 기판의 실장용 전극을 접합하는 경우에 대해서 설명한다.
우선, 도 6에 나타내는 IC칩(31)을 준비하고, 이 IC칩(31)은 그 저면의 전극(32)에 형성한, 범프 코어(21)의 표면에 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금(제 1 금속)으로 이루어지는 도금층(22)을 형성한 범프(제 1 접합 대상물)(23)를 갖고 있다.
제 1 금속으로서는 예를 들면, 표 1 및 표 2의 시료번호 1∼25에 나타내는 것을 사용할 수 있다.
범프 코어(21)로서는 Au 등 그 표면에 제 1 금속에 의해 도금층(22)을 형성할 수 있는 것을 사용한다.
또, 도금층(22)은 반드시 범프 코어(21)의 전면을 덮지 않아도 좋고, 열처리 공정에서 하기 실장용 전극(13)의 도금막(12)을 구성하는 제 2 금속(이 실시형태에서는 Cu합금)과 반응해서 금속간 화합물이 형성되는 형태로 범프 코어(21)에 부여되어 있으면 좋다.
또, 도 6에 나타낸 바와 같이, 유리 에폭시로 이루어지는 기판의 주면에 형성된 Cu 전극막(11)의 표면에 Ni, Mn, Al, 및 Cr로부터 선택되는 적어도 1종과 Cu를 포함하는 합금(제 2 금속)을 도금함으로써 형성한 도금층(12)을 구비한 실장용 전극(제 2 접합 대상물)(13)을 갖는 유리 에폭시 기판(B)을 준비했다.
제 2 금속으로서는 예를 들면 표 1 및 표 2의 시료번호 1∼25에 나타내는 것을 사용할 수 있다. 또한, 도금층(12)은 도 6에 나타낸 바와 같이 Cu 전극막(11)의 표면 전체, 즉 Cu 전극막(11)의 상면 및 측면을 덮도록 형성되어도 좋고, 또한, 특별히 도시하지 않지만, Cu 전극막(11)의 상면에만, 또한 상면의 일부에만 형성되어 있어도 좋다.
이어서, IC칩(31)을 제 1 접합 대상물인 범프(23)의 도금층(22)이 유리 에폭시 기판(B)의 실장용 전극(제 2 접합 대상물)(13)에 접촉하는 형태로 유리 에폭시 기판(B) 상에 적재하고, 가열 및 가압을 동시에 행했다. 또한, 가열 및 가압은 복수개의 IC칩(31)을 동시에 가열 및 가압 처리하는 것이 가능한 방법으로 행하고, 가열 조건은 200℃이상, 가압 조건은 가압 면적에 의한 것으로 했다.
Sn 또는 Sn을 포함하는 합금(제 1 금속)의 거의 전체는 이 가열 및 가압후에 제 2 금속과의 반응에 의해 금속간 화합물(M12)을 생성한다.
그리고, 도 7에 나타낸 바와 같이, 범프(23)(제 1 접합 대상물)의 도금층(22)과, 유리 에폭시 기판(B)의 실장용 전극(13)(제 2 접합 대상물)이 금속간 화합물(접합부)(M12)을 통해 접합된 접합 구조체를 얻었다. 이 상태에서는 금속간 화합물만에서의 접합인 점에서 접합 강도의 확보를 위해서 또한 IC칩(31)과 유리 에폭시 기판(B) 사이에 언더필을 실시해도 좋다.
또한, 범프 코어(21)를 제 2 금속에 의해 도금하고, 기판측에 제 1 금속으로 이루어지는 도금막을 실장해도 좋다. 그 경우, 범프 코어(21)는 Au 등 그 표면에 제 2 금속에 의해 도금층을 형성할 수 있는 것을 사용한다.
또한, 범프 코어(21)에 제 2 금속을 사용한 경우, 도금층(22)을 형성하지 않아도 좋다.
이 실시형태 3의 접합 방법 및 그것에 의해서 얻어진 접합 구조체에 의해서도 실시형태 1 및 실시형태 2의 경우와 같은 효과가 얻어진다.
또한, 상기 실시형태 1, 2에서는 제 1 접합 대상물이 칩형 전자부품(적층 세라믹 콘덴서)의 외부 전극, 실시형태 3에서 IC칩에 실장한 범프이며, 제 2 접합 대상물이 실시형태 1∼3 중 어느 경우나 유리 에폭시 기판의 실장용 전극인 경우를 예로 들어서 설명했지만, 제 1 및 제 2 접합 대상물의 종류는 이것에 제약되는 것이 아니다. 예를 들면, 제 1, 제 2 접합 대상물이 다른 구성을 갖는 전자부품의 외부 전극이나 범프, 다른 기판에 형성된 전극 등이어도 좋다.
본 발명은 또한 그 밖의 점에 있어서도 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 제 1 금속 및 제 2 금속의 조성 등에 관하여 발명의 범위내에 있어서 여러가지 응용, 변형을 추가하는 것이 가능하다.
1: 외부 전극 본체
2: 외부 전극을 구성하는 제 1 금속(저융점 금속)의 도금층
3: 외부 전극(제 1 접합 대상물)
10: 세라믹 적층체
11: Cu 전극막
12: 실장용 전극을 구성하는 제 2 금속의 도금층
13: 실장용 전극(제 2 접합 대상물)
21: 범프 코어
22: 범프 코어의 표면의 제 1 금속의 도금층
23: 범프(제 1 접합 대상물)
31: IC칩
32: IC칩의 전극
A: 칩형 전자부품
B: 유리 에폭시 기판
C: 접합 구조체
M12: 금속간 화합물

Claims (7)

  1. 제 1 접합 대상물과 제 2 접합 대상물을 접합하는 방법으로서,
    제 1 접합 대상물은 Sn 또는 Sn을 포함하는 합금으로 구성되는 제 1 금속을 갖고,
    제 2 접합 대상물은 Ni, Mn, Al, 및 Cr로부터 선택되는 적어도 1종과 Cu를 포함하는 합금으로 구성되는 제 2 금속을 갖고,
    상기 제 1 접합 대상물과 상기 제 2 접합 대상물이 접한 상태로 열처리를 행하여 양자의 계면에 금속간 화합물을 생성시킴으로써 상기 제 1 접합 대상물과 상기 제 2 접합 대상물을 접합하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속은 Sn을 70중량%이상 함유하는 합금인 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속은 Sn을 85중량%이상 함유하는 합금인 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 금속은 Cu-Ni합금 또는 Cu-Mn합금을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 Cu-Ni합금은 Ni를 5∼30중량%의 범위에서 함유하는 것이며, 상기 Cu-Mn합금은 Mn을 5∼30중량%의 비율로 함유하는 것을 특징으로 하는 접합 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 접합 방법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 접합 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 접합 구조체의 제조 방법.
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