WO2025206341A1 - はんだペースト、はんだ接合体、および、はんだ接合体の製造方法 - Google Patents
はんだペースト、はんだ接合体、および、はんだ接合体の製造方法Info
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Definitions
- the present invention relates to a solder paste containing solder powder, a soldered joint in which a first member and a second member are joined via a solder layer, and a method for manufacturing the soldered joint.
- various devices such as LEDs and power modules have a structure in which electronic components such as semiconductor elements are bonded onto a circuit board. 2. Description of the Related Art When electronic components such as semiconductor elements are joined to a circuit board, methods using solder materials are widely used, as shown in, for example, Patent Documents 1 and 2.
- the thickness of the solder layer between the electronic component and the substrate varies, making it difficult to maintain a constant distance between the electronic component and the substrate.
- the solder layer thickness varies and the electronic component is bonded to the board at an angle, thermal resistance changes occur within the chip, which is the electronic component, and the expected heat dissipation performance cannot be achieved.
- the electronic component is a high-brightness LED, the light emission angle from the LED does not reach the expected angle.
- Patent Document 3 discloses a solder paste that uses Ni balls with a diameter of 1 to 300 ⁇ m and a sphericity of 0.90 or greater that do not melt at soldering temperatures.
- Patent Document 1 describes that self-alignment can be ensured when the Ni balls are mounted on electrodes of semiconductor elements, and that because the Ni balls do not melt at soldering temperatures, variation in height in solder joints can be suppressed.
- Patent Document 3 describes a solder paste using Ni balls with a diameter of 1 to 300 ⁇ m and a sphericity of 0.90 or more that do not melt at soldering temperatures, it does not disclose details such as the percentage of Ni balls contained in the solder paste. In particular, in the case of Ni powder, which is an aggregate of Ni balls, it does not disclose the percentage of Ni powder contained in the solder paste. As a result, there is a risk that the effect of suppressing tilt of electronic components due to Ni balls in the solder layer cannot be fully achieved.
- This invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a solder paste that can make the thickness of the solder layer formed when joining components uniform and can suppress the occurrence of voids in the solder layer, a soldered joint in which a first component and a second component are joined via a solder layer of uniform thickness with few voids, and a method for manufacturing a soldered joint.
- the solder paste of aspect 1 of the present invention contains solder powder and spacers, the spacer content being 1% by mass or less, the spacers having a melting temperature higher than that of the solder powder and not dissolving in the solder even when heated for 5 minutes at a temperature 20°C above the melting point of the solder powder, the spacers being cylindrical or tubular, and the diameter variation ⁇ /Da of the spacers calculated from the average diameter Da and standard deviation ⁇ of the spacers being 6.0% or less.
- the melting temperature is higher than that of the solder powder, and the spacer is contained, which does not dissolve in the solder even when heated for 5 minutes at a temperature of the melting point of the solder powder + 20°C.
- the diameter variation ⁇ /Da of the spacer calculated from the average diameter Da of the spacer and the standard deviation ⁇ of the diameter, is 6.0% or less, so that it is possible to make the thickness of the solder layer formed by applying and heating the solder paste uniform. Furthermore, since the content of the spacer is set to 1 mass % or less, it is possible to suppress the formation of voids in the solder layer.
- the solder paste of Aspect 2 of the present invention is characterized in that in the solder paste of Aspect 1 of the present invention, the average diameter Da of the spacers is in the range of 1 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less. According to the solder paste of aspect 2 of the present invention, the average diameter Da of the spacers is set to the range of 1 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less, so that the thickness of the solder layer can be formed uniformly within the range of 1 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
- the solder layer contains dispersed spacers whose melting temperature is higher than that of the solder layer and which do not melt even when heated for 5 minutes at a temperature 20°C above the melting point of the solder layer. This allows the solder layer to be formed with a uniform thickness, and the inclination angle of the joining surface of the second member relative to the joining surface of the first member can be less than 1.0°. Furthermore, the void fraction of the solder layer is 20% or less, allowing stable heat transfer between the first member and the second member via the solder layer.
- a soldered joint according to a fourth aspect of the present invention is the soldered joint according to the third aspect of the present invention, characterized in that the average height of the spacers is in the range of 1 ⁇ m to 300 ⁇ m.
- the average height of the spacers is within the range of 1 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less, so that the thickness of the solder layer is within the range of 1 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less, and the distance between the first member and the second member can be made constant.
- a soldered joint of aspect 5 of the present invention is characterized in that, in the soldered joint of aspect 3 or aspect 4 of the present invention, the first member is a circuit board and the second member is a semiconductor element. According to the solder joint of aspect 5 of the present invention, the first member is a circuit board and the second member is a semiconductor element. This prevents the semiconductor element and the circuit board from being joined at an angle, and also allows heat generated in the semiconductor element to be efficiently transferred to the circuit board via the solder layer, making it possible to construct a semiconductor device with stable performance.
- the method for manufacturing a soldered joint according to aspect 6 of the present invention uses the solder paste according to aspect 1 or aspect 2 of the present invention, so that spacers are dispersed in the molten solder powder during the soldering process, and the thickness of the solder layer can be determined by these spacers. Furthermore, because a solder paste with a low spacer content is used, the occurrence of voids in the solder layer can be suppressed.
- solder paste that can make the thickness of the solder layer formed when joining components uniform and can suppress the occurrence of voids in the solder layer, a soldered joint in which a first component and a second component are joined via a solder layer of uniform thickness with few voids, and a method for manufacturing a soldered joint.
- FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of a solder joint according to one embodiment of the present invention
- FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a solder layer according to an embodiment of the present invention
- 1A and 1B are schematic explanatory views of a solder paste according to one embodiment of the present invention and a spacer included in a solder layer of a solder joint
- FIG. 1 is a flow diagram showing a method for manufacturing a solder joint according to an embodiment of the present invention.
- solder paste solder joint
- method for manufacturing the solder joint which are embodiments of the present invention, will be described with reference to the drawings.
- the soldered joint 10 of this embodiment has a first member 11, a second member 12, and a solder layer 20, with the first member 11 and the second member 12 being joined via the solder layer 20.
- the soldered joint 10 is a semiconductor device in which a circuit board (first member 11) and a semiconductor element (second member 12) are joined via the solder layer 20.
- the circuit board (first member 11) is made of a material with excellent thermal conductivity, such as copper or a copper alloy, aluminum or an aluminum alloy, iron or an iron alloy, or aluminum nitride, and in this embodiment, is made of an iron alloy (Kovar). It is preferable that a film of Au or the like is formed on the joining surface of the circuit board (first member 11) to ensure wetting with solder. It is also preferable that a film of Au or the like be formed on the joining surface of the semiconductor element (second member 12) to ensure wettability with the solder.
- the solder layer 20 is formed from the solder paste of this embodiment, and as shown in FIG. 2, spacers 21 are dispersed inside the solder layer 20.
- the spacer 21 has a cylindrical or tubular shape, as shown in FIG.
- the solder paste of this embodiment contains solder powder and spacers 21.
- the content of the spacers 21 in the solder paste is set to 1 mass % or less.
- the upper limit of the content of the spacers 21 is preferably 0.5% by mass or less, while the lower limit of the content of the spacers 21 is preferably 0.01% by mass or more, and more preferably 0.1% by mass or more.
- the solder powder is appropriately selected depending on the materials of the joining surfaces of the first member 11 and the second member 12 to be joined.
- the joining surfaces of the circuit board (first member 11) and the semiconductor element (second member 12) are made of a precious metal (Au), for example, Sn—Ag—Cu solder, Au—Sn solder, Sn—Cu solder, etc. can be used as the solder powder.
- the solder powder is an Au-Sn solder containing 10 mass % or more and 80 mass % or less of Sn, with the remainder being Au and unavoidable impurities.
- the average particle size of the solder powder is preferably in the range of 1 ⁇ m to 300 ⁇ m.
- the spacer 21 is made of a material whose melting temperature is higher than that of the solder powder and which does not melt even when heated for 5 minutes at a temperature 20° C. higher than the melting point of the solder powder.
- materials that can be used for the spacer 21 include Cu, Ag, Au, Ni, Pt, Pd, W, and composites of these metals coated on the surfaces of different materials.
- the solder powder is the above-mentioned Au-Sn solder
- the spacer 21 has a melting temperature higher than the melting temperature (280°C) of the solder powder (Au-Sn solder).
- the spacers 21 are cylindrical or tubular, and the diameter variation ⁇ /Da of the spacers 21, calculated from the average diameter Da (average value of the diameters D) of the spacers 21 and the standard deviation ⁇ of the diameters D, is set to 6.0% or less. It is more preferable that the diameter variation ⁇ /Da is 2.0% or less. The diameter variation ⁇ /Da may be 0% or more, 1.0% or more, or 1.5% or more.
- the diameter D of the cylindrical or tubular spacer 21 is the distance between the two most distant points within one spacer on a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the cylinder or tube.
- the average diameter Da of the spacers 21 is preferably in the range of 1 ⁇ m to 300 ⁇ m, and more preferably in the range of 1 ⁇ m to 100 ⁇ m. Furthermore, in this embodiment, it is preferable that the aspect ratio L/Da of the spacer 21 (ratio of average diameter Da to average length L) is 1 or more and 50 or less.
- the surface of the spacer 21 is made of a material that has good wettability with the molten solder powder.
- the solder powder is the above-mentioned Au-Sn solder, it is preferable that at least the surface of the spacer 21 is made of a metal material consisting of one or two types selected from Ni and Cu.
- solder paste of this embodiment is applied to either or both of the joining surface of the circuit board (first member 11) and the joining surface of the semiconductor element (second member 12).
- the method for applying the solder paste is not particularly limited, but examples of applicable methods include a metal mask method, a screen printing method, and a dispensing method.
- soldering step S03 The circuit board (first member 11) and the semiconductor element (second member 12) laminated together with the solder paste therebetween are subjected to a heat treatment.
- the heating temperature during this heat treatment is set to be equal to or higher than the melting temperature of the solder powder and lower than the melting temperature of the spacer 21.
- the molten solder paste is solidified to form a solder layer 20 , and the circuit board (first member 11 ) and the semiconductor element (second member 12 ) are joined together via the solder layer 20 .
- the spacers 21 are dispersed in the molten solder powder, the thickness of the solder layer 20 (the distance between the circuit board (first member 11) and the semiconductor element (second member 12)) is constant.
- the solder paste of this embodiment configured as described above contains spacers 21 whose melting temperature is higher than that of the solder powder and which do not dissolve in solder even when heated for 5 minutes at a temperature 20°C above the melting point of the solder powder.
- the diameter variation ⁇ /Da of the spacers 21 calculated from the average diameter Da and the standard deviation ⁇ of the diameter D is 6.0% or less, so that it is possible to make the thickness of the solder layer 20 formed by applying and heating the solder paste uniform.
- the content of the spacers 21 in the solder paste is 1 mass % or less, it is possible to prevent voids from being formed in the formed solder layer 20 .
- the thickness of the formed solder layer 20 can be uniformly formed within the range of 1 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
- the spacer 21 when the spacer 21 is cylindrical or tubular, cutting a cylindrical or tubular material with little variation in diameter in the longitudinal direction makes it possible to minimize the diameter variation ⁇ /Da of the spacer 21, calculated from the average diameter Da and the standard deviation ⁇ of the diameter D. Furthermore, the amount of spacer 21 contained can be kept low, further suppressing the occurrence of voids in the formed solder layer 20.
- spacers 21 are dispersed in the solder layer 20.
- the spacers 21 have a melting temperature higher than the melting temperature of the solder layer 20 and do not melt even when heated for 5 minutes at a temperature 20°C above the melting point of the solder layer 20.
- the spacer diameter variation ⁇ /Da, calculated from the average diameter Da and standard deviation ⁇ of the spacers 21, is 6.0% or less.
- solder layer 20 This allows the solder layer 20 to be formed with a uniform thickness, prevents the circuit board (first member 11) and the semiconductor element (second member 12) from being joined at an angle, and ensures that the angle of inclination of the joining surface of the semiconductor element (second member 12) relative to the joining surface of the circuit board (first member 11) is less than 1.0°.
- the angle of inclination of the joining surface of the semiconductor element (second member 12) relative to the joining surface of the circuit board (first member 11) is preferably 0.5° or less, and more preferably 0.3° or less.
- the inclination angle of the bonding surface of the semiconductor element (second member 12) relative to the bonding surface of the circuit board (first member 11) may be 0° or more, 0.1° or more, or 0.2° or more. Furthermore, since the content of the spacers 21 in the solder paste is 1 mass % or less, the void fraction of the solder layer 20 is 20% or less. The void fraction of the solder layer 20 is preferably 15% or less. The void fraction of the solder layer 20 may be 0% or more, 5% or more, or 10% or more. Therefore, it is possible to configure a semiconductor device (soldered joint 10) with stable performance.
- the thickness of the solder layer 20 can be formed uniformly within the range of 1 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less, the distance between the circuit board (first member 11) and the semiconductor element (second member 12) becomes constant, and a semiconductor device (solder joint 10) with stable performance can be manufactured.
- the average diameter Da of the spacers 21 can also be said to be the average height of the spacers 21 along the thickness direction of the solder layer 20.
- the solder joint 10 is described as a semiconductor device in which a circuit board (first member 11) and a semiconductor element (second member 12) are joined via a solder layer 20, but this is not limited to this and other solder joints may also be used.
- the solder powder has been described as being made of Au-Sn solder, the present invention is not limited to this and other solder materials may be used, such as Sn-based solder, Pb-based solder, etc. It is preferable to select the material of the spacer 21 appropriately depending on the material of the solder powder.
- the distance between the two most distant points within each spacer in the direction perpendicular to the length of the spacer was measured, and this was taken as the diameter D of that spacer.
- the average value of the diameters D measured for the five spacers was taken as the average diameter Da.
- the standard deviation ⁇ was also calculated from the diameters D measured for the five spacers.
- the lengths of the five spacers were measured, and the average length L was determined as the average length.
- a reflow oven (SRS-1C manufactured by Malcom) was used to perform a heat treatment in a nitrogen atmosphere according to the following heating pattern, thereby soldering the circuit board and the chip together.
- SRS-1C reflow oven manufactured by Malcom
- solder joints obtained as described above were evaluated for voids in the solder layer and tilt of the chip as follows. Furthermore, an overall evaluation of the solder joints was performed based on these evaluations.
- the chip was observed from directly above using a transmission X-ray device, and the ratio of the total area of the voids observed by projecting them to the area of the chip was taken as the void ratio. The measurement was performed three times, and the average value of the void ratio was calculated.
- the soldered joint was cut along a plane perpendicular to the center line of the chip surface, and the angle between the substrate surface and the chip surface (the inclination angle of the chip bonding surface relative to the substrate bonding surface) was measured and used as the chip tilt. This measurement was carried out three times to measure the chip tilt.
- Comparative Example 1 the solder paste did not contain spacers, and the tilt of the chip was large, at 1.6°.
- the spacer content was as high as 30 mass %, and the void ratio in the solder layer was as high as 35%.
- the spacer diameter variation ⁇ /Da was large at 10.0%, the void rate in the solder layer was high at 25%, and the inclination of the chip was large at 1.0°.
- the spacer diameter variation ⁇ /Da was large at 10.0%, and the tip tilt was large at 1.4°.
- the present invention can provide a solder paste that can uniformly form the thickness of the solder layer formed when joining components and can suppress the occurrence of voids in the solder layer, a soldered joint in which a first component and a second component are joined via a solder layer of uniform thickness with few voids, and a method for manufacturing a soldered joint.
- solder paste of this embodiment is suitable for use in various devices, such as LEDs and power modules, in which electronic components such as semiconductor elements are bonded to a circuit board.
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Abstract
このはんだペーストは、はんだ粉末と、スペーサーと、を含有し、前記スペーサーの含有量が1質量%以下とされており、前記スペーサーは、溶融温度が前記はんだ粉末の溶融温度よりも高く、前記はんだ粉末の融点+20℃の温度で5分間加熱してもはんだに溶解せず、前記スペーサーが円柱状またはチューブ状をなしており、前記スペーサーの平均直径Daと標準偏差σから算出される前記スペーサーの直径ばらつきσ/Daが6.0%以下とされている。
Description
本発明は、はんだ粉末を含むはんだペースト、第一部材と第二部材とがはんだ層を介して接合されたはんだ接合体、および、はんだ接合体の製造方法に関するものである。
本願は、2024年3月29日に、日本に出願された特願2024-055332号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2024年3月29日に、日本に出願された特願2024-055332号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
例えば、LEDやパワーモジュールといった各種デバイスにおいては、回路基板の上に半導体素子等の電子部品が接合された構造とされている。
半導体素子等の電子部品を回路基板上に接合する際には、例えば特許文献1,2に示すように、はんだ材を用いた方法が広く使用されている。
半導体素子等の電子部品を回路基板上に接合する際には、例えば特許文献1,2に示すように、はんだ材を用いた方法が広く使用されている。
ここで、電子部品が、広い面積を有する半導体チップ、高発熱を生じるパワー半導体、複数の電気接続部を有するフリップチップ実装式のチップである場合には、電子部品と基板との間のはんだ層の厚さがばらついて、電子部品と基板との間の距離を一定にすることが困難であった。
はんだ層の厚さがばらついて電子部品が傾斜して基板に接合されると、電子部品であるチップ内において熱抵抗変化が生じ、期待した放熱性が得られない問題があった。また、電子部品が高輝度のLEDである場合には、LEDからの発光角度が期待した角度にならない問題があった。
はんだ層の厚さがばらついて電子部品が傾斜して基板に接合されると、電子部品であるチップ内において熱抵抗変化が生じ、期待した放熱性が得られない問題があった。また、電子部品が高輝度のLEDである場合には、LEDからの発光角度が期待した角度にならない問題があった。
そこで、例えば特許文献3には、はんだ付けの温度で溶融しない直径が1~300μmの真球度が0.90以上のNiボールを使用したはんだペーストが開示されている。特許文献1においては、Niボールを半導体素子の電極等に実装した際のセルフアライメント性を確保できると共に、Niボールははんだ付けの温度で溶融しないため、はんだ継手における高さのばらつきを抑制できる旨が記載されている。
しかし、特許文献3においては、はんだ付けの温度で溶融しない直径が1~300μmの真球度が0.90以上であるNiボールを使用したはんだペーストの記載はあるが、Niボールがどの程度の割合ではんだペーストに含有されているか等の詳細については開示されていなかった。特に、Niボールの集合体であるNiパウダの場合、Niパウダをどの程度の割合ではんだペーストに含有させるか開示されていなかった。このため、はんだ層におけるNiボールによる電子部品の傾斜を抑制する効果を十分に得ることができないおそれがあった。
また、電子部品の傾斜を抑制する効果を得るために、Niボールの含有量を多くした場合には、はんだ層にボイドが形成されやすくなり、電子部品から発生する熱をはんだ層を介して基板側に効率良く伝達することができなくなるおそれがあった。
また、電子部品の傾斜を抑制する効果を得るために、Niボールの含有量を多くした場合には、はんだ層にボイドが形成されやすくなり、電子部品から発生する熱をはんだ層を介して基板側に効率良く伝達することができなくなるおそれがあった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、部材同士を接合する際に形成されるはんだ層の厚さを均一にすることができ、かつ、はんだ層におけるボイドの発生を抑制可能なはんだペースト、第一部材と第二部材とが均一な厚さでボイドの少ないはんだ層を介して接合されたはんだ接合体、および、はんだ接合体の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の態様1のはんだペーストは、はんだ粉末と、スペーサーと、を含有し、前記スペーサーの含有量が1質量%以下とされており、前記スペーサーは、溶融温度が前記はんだ粉末の溶融温度よりも高く、前記はんだ粉末の融点+20℃の温度で5分間加熱してもはんだに溶解せず、前記スペーサーが円柱状またはチューブ状をなしており、前記スペーサーの平均直径Daと標準偏差σから算出される前記スペーサーの直径ばらつきσ/Daが6.0%以下とされていることを特徴としている。
本発明の態様1のはんだペーストによれば、溶融温度が前記はんだ粉末の溶融温度よりも高く、前記はんだ粉末の融点+20℃の温度で5分間加熱してもはんだに溶解しないスペーサーを含有しており、前記スペーサーの平均直径Daと直径の標準偏差σから算出される前記スペーサーの直径ばらつきσ/Daが6.0%以下とされているので、はんだペーストを塗布して加熱することで形成されたはんだ層の厚さを均一化することが可能となる。
そして、前記スペーサーの含有量が1質量%以下とされているので、はんだ層中にボイドが形成されることを抑制できる。
また、前記スペーサーが円柱状またはチューブ状をなしていることから、長手方向での直径のばらつきが少ない円柱素材およびチューブ素材を切断することにより、前記スペーサーの平均直径Daと直径の標準偏差σから算出される前記スペーサーの直径ばらつきσ/Daを小さく抑えることができる。また、スペーサーの含有量を少なく抑えることができ、はんだ層におけるボイドの発生を抑制することが可能となる。
そして、前記スペーサーの含有量が1質量%以下とされているので、はんだ層中にボイドが形成されることを抑制できる。
また、前記スペーサーが円柱状またはチューブ状をなしていることから、長手方向での直径のばらつきが少ない円柱素材およびチューブ素材を切断することにより、前記スペーサーの平均直径Daと直径の標準偏差σから算出される前記スペーサーの直径ばらつきσ/Daを小さく抑えることができる。また、スペーサーの含有量を少なく抑えることができ、はんだ層におけるボイドの発生を抑制することが可能となる。
本発明の態様2のはんだペーストは、本発明の態様1のはんだペーストにおいて、前記スペーサーの平均直径Daが1μm以上300μm以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様2のはんだペーストによれば、前記スペーサーの平均直径Daが1μm以上300μm以下の範囲内とされているので、はんだ層の厚さを1μm以上300μm以下の範囲内で均一に形成することができる。
本発明の態様2のはんだペーストによれば、前記スペーサーの平均直径Daが1μm以上300μm以下の範囲内とされているので、はんだ層の厚さを1μm以上300μm以下の範囲内で均一に形成することができる。
本発明の態様3のはんだ接合体は、第一部材と、第二部材と、はんだ層とを有し、前記第一部材と前記第二部材とが前記はんだ層を介して接合され、前記はんだ層には、溶融温度が前記はんだ層の溶融温度よりも高く、前記はんだ層の融点+20℃の温度で5分間加熱しても溶解しないスペーサーが分散しており、前記スペーサーが円柱状またはチューブ状をなしており、前記スペーサーの平均直径Daと標準偏差σから算出される前記スペーサーの直径ばらつきσ/Daが6.0%以下とされており、前記はんだ層中の前記スペーサーの含有量が1質量%以下とされており、前記第一部材の接合面に対する前記第二部材の接合面の傾き角度が1.0°未満であるとともに、前記はんだ層のボイド率が20%以下であることを特徴としている。
本発明の態様3のはんだ接合体によれば、前記はんだ層に、溶融温度が前記はんだ層の溶融温度よりも高く、前記はんだ層の融点+20℃の温度で5分間加熱しても溶解しないスペーサーが分散しているので、はんだ層の厚さを均一に形成することができ、前記第一部材の接合面に対する前記第二部材の接合面の傾き角度を1.0°未満とすることができる。また、前記はんだ層のボイド率が20%以下とされているので、はんだ層を介して第一部材と第二部材との間の熱の伝達を安定して行うことができる。
本発明の態様4のはんだ接合体は、本発明の態様3のはんだ接合体において、前記スペーサーの平均高さが1μm以上300μm以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様4のはんだ接合体によれば、前記スペーサーの平均高さが1μm以上300μm以下の範囲内とされているので、はんだ層の厚さが1μm以上300μm以下の範囲内となり、第一部材と第二部材との距離を一定とすることができる。
本発明の態様4のはんだ接合体によれば、前記スペーサーの平均高さが1μm以上300μm以下の範囲内とされているので、はんだ層の厚さが1μm以上300μm以下の範囲内となり、第一部材と第二部材との距離を一定とすることができる。
本発明の態様5のはんだ接合体は、本発明の態様3または態様4のはんだ接合体において、前記第一部材が回路基板とされ、前記第二部材が半導体素子とされていることを特徴としている。
本発明の態様5のはんだ接合体によれば、前記第一部材が回路基板とされ、前記第二部材が半導体素子とされているので、半導体素子と回路基板とが傾いて接合されることが抑制されるとともに、半導体素子で発生した熱をはんだ層を介して回路基板側への効率的に伝達することができ、性能の安定した半導体デバイスを構成することが可能となる。
本発明の態様5のはんだ接合体によれば、前記第一部材が回路基板とされ、前記第二部材が半導体素子とされているので、半導体素子と回路基板とが傾いて接合されることが抑制されるとともに、半導体素子で発生した熱をはんだ層を介して回路基板側への効率的に伝達することができ、性能の安定した半導体デバイスを構成することが可能となる。
本発明の態様6のはんだ接合体の製造方法は、第一部材と第二部材とがはんだ層を介して接合されたはんだ接合体の製造方法であって、前記第一部材の接合面および前記第二部材の接合面のいずれか一方又は両方に態様1または態様2のはんだペーストを塗布するペースト塗布工程と、塗布した前記はんだペーストを介して前記第一部材と前記第二部材とを積層する積層工程と、前記はんだペーストを介して積層した前記第一部材および前記第二部材を熱処理してはんだ層を形成し、前記第一部材と前記第二部材とを前記はんだ層を介して接合するはんだ接合工程と、を有しており、前記はんだ接合工程における加熱温度が、前記はんだ粉末の溶融温度以上、かつ、前記スペーサーの溶融温度未満であることを特徴としている。
本発明の態様6のはんだ接合体の製造方法によれば、本発明の態様1または態様2のはんだペーストを用いているので、はんだ接合工程において、はんだ粉末の溶融物の中にスペーサーが分散することになり、このスペーサーによってはんだ層の厚さを規定することができる。また、スペーサーの含有量が少ないはんだペーストを用いているので、はんだ層におけるボイドの発生を抑制することができる。
本発明の態様によれば、部材同士を接合する際に形成されるはんだ層の厚さを均一にすることができ、かつ、はんだ層におけるボイドの発生を抑制可能なはんだペースト、第一部材と第二部材とが均一な厚さでボイドの少ないはんだ層を介して接合されたはんだ接合体、および、はんだ接合体の製造方法を提供することが可能となる。
以下に、本発明の実施形態であるはんだペースト、はんだ接合体、および、はんだ接合体の製造方法について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係るはんだ接合体10は、図1に示すように、第一部材11と、第二部材12と、はんだ層20とを有し、第一部材11と第二部材12とが、はんだ層20を介して接合されたものである。本実施形態では、はんだ接合体10は、回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)とが、はんだ層20を介して接合された半導体デバイスとされている。
ここで、回路基板(第一部材11)は、例えば、銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、鉄又は鉄合金、窒化アルミニウム等の熱伝導性に優れた物質で構成されており、本実施形態では、鉄合金(コバール)で構成されたものとされている。なお、回路基板(第一部材11)の接合面には、はんだとの濡れを確保するためAu等の膜が成膜されていることが好ましい。
また、半導体素子(第二部材12)の接合面には、はんだとの濡れを確保するためAu等の膜が成膜されていることが好ましい。
また、半導体素子(第二部材12)の接合面には、はんだとの濡れを確保するためAu等の膜が成膜されていることが好ましい。
はんだ層20は、本実施形態であるはんだペーストによって形成されており、図2に示すように、はんだ層20の内部には、スペーサー21が分散している。
ここで、本実施形態においては、スペーサー21は、図3に示すように、円柱状またはチューブ状をなしている。
ここで、本実施形態においては、スペーサー21は、図3に示すように、円柱状またはチューブ状をなしている。
以下に、本実施形態であるはんだペーストについて説明する。本実施形態であるはんだペーストは、はんだ粉末と、スペーサー21と、を含有している。
本実施形態においては、はんだペーストにおけるスペーサー21の含有量が1質量%以下とされている。
なお、スペーサー21の含有量の上限は0.5質量%以下であることが好ましい。一方、スペーサー21の含有量の下限は0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがさらに好ましい。
本実施形態においては、はんだペーストにおけるスペーサー21の含有量が1質量%以下とされている。
なお、スペーサー21の含有量の上限は0.5質量%以下であることが好ましい。一方、スペーサー21の含有量の下限は0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがさらに好ましい。
はんだ粉末は、接合する第一部材11および第二部材12の接合面の材質に応じて、適宜選択される。
本実施形態において、回路基板(第一部材11)の接合面、および、半導体素子(第二部材12)の接合面が貴金属(Au)で構成されている場合には、はんだ粉末としては、例えば、Sn-Ag-Cu系はんだ、Au-Sn系はんだ、Sn-Cu系はんだ、等を適用することができる。
本実施形態では、はんだ粉末は、Snの含有量が10mass%以上80mass%以下とされ、残部がAuおよび不可避不純物とされたAu-Snはんだとされている。
なお、はんだ粉末の平均粒径は、1μm以上300μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
本実施形態において、回路基板(第一部材11)の接合面、および、半導体素子(第二部材12)の接合面が貴金属(Au)で構成されている場合には、はんだ粉末としては、例えば、Sn-Ag-Cu系はんだ、Au-Sn系はんだ、Sn-Cu系はんだ、等を適用することができる。
本実施形態では、はんだ粉末は、Snの含有量が10mass%以上80mass%以下とされ、残部がAuおよび不可避不純物とされたAu-Snはんだとされている。
なお、はんだ粉末の平均粒径は、1μm以上300μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
スペーサー21は、溶融温度がはんだ粉末の溶融温度よりも高く、はんだ粉末の融点+20℃の温度で5分間加熱しても溶解しない材質で構成されている。ここで、スペーサー21を構成する材質としては、例えば、Cu,Ag,Au,Ni,Pt,Pd,W,及び、これらの金属を異種材料の表面にコーティングした複合体、等が挙げられる。
本実施形態では、はんだ粉末が上述のAu-Snはんだとされていることから、スペーサー21は、はんだ粉末(Au-Snはんだ)の溶融温度(280℃)よりも溶融温度が高いものとされている。
本実施形態では、はんだ粉末が上述のAu-Snはんだとされていることから、スペーサー21は、はんだ粉末(Au-Snはんだ)の溶融温度(280℃)よりも溶融温度が高いものとされている。
そして、図3に示すように、本実施形態においては、スペーサー21は、円柱状またはチューブ状をなしており、スペーサー21の平均直径Da(直径Dの平均値)と直径Dの標準偏差σから算出されるスペーサー21の直径ばらつきσ/Daが6.0%以下とされている。なお、直径ばらつきσ/Daは、2.0%以下であることがさらに好ましい。また直径ばらつきσ/Daは、0%以上でもよく、1.0%以上でもよく、1.5%以上でもよい。
ここで、円柱状またはチューブ状をなすスペーサー21の直径Dは、円柱またはチューブの長さ方向に直交する切断面において、1つのスペーサー内のもっとも離れた2点の距離である。
ここで、円柱状またはチューブ状をなすスペーサー21の直径Dは、円柱またはチューブの長さ方向に直交する切断面において、1つのスペーサー内のもっとも離れた2点の距離である。
また、本実施形態においては、スペーサー21の平均直径Daは、1μm以上300μm以下の範囲内とされていることが好ましく、1μm以上100μm以下の範囲内とされていることがより好ましい。
さらに、本実施形態においては、スペーサー21のアスペクト比(平均直径Daと平均長さLとの比)L/Daが1以上50以下であることが好ましい。
さらに、本実施形態においては、スペーサー21のアスペクト比(平均直径Daと平均長さLとの比)L/Daが1以上50以下であることが好ましい。
さらに、スペーサー21は、その表面がはんだ粉末の溶融物との濡れ性が良い材質とされていることが好ましい。
本実施形態では、はんだ粉末が上述のAu-Snはんだとされていることから、スペーサー21の少なくとも表面は、Ni、Cuから選択される一種または二種からなる金属材料で構成されていることが好ましい。
本実施形態では、はんだ粉末が上述のAu-Snはんだとされていることから、スペーサー21の少なくとも表面は、Ni、Cuから選択される一種または二種からなる金属材料で構成されていることが好ましい。
次に、本実施形態である半導体デバイス(はんだ接合体10)の製造方法について、図4のフロー図を参照して説明する。
(ペースト塗布工程S01)
まず、回路基板(第一部材11)の接合面および半導体素子(第二部材12)の接合面のいずれか一方又は両方に、本実施形態であるはんだペーストを塗布する。なお、はんだペーストの塗布方法は特に限定されないが、例えば、メタルマスク法、スクリーン印刷法、ディスペンス法等を適用することができる。
まず、回路基板(第一部材11)の接合面および半導体素子(第二部材12)の接合面のいずれか一方又は両方に、本実施形態であるはんだペーストを塗布する。なお、はんだペーストの塗布方法は特に限定されないが、例えば、メタルマスク法、スクリーン印刷法、ディスペンス法等を適用することができる。
(積層工程S02)
上述のように塗布したはんだペーストを介して、回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)を積層する。
上述のように塗布したはんだペーストを介して、回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)を積層する。
(はんだ接合工程S03)
はんだペーストを介して積層した回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)に対して加熱処理を行う。なお、この加熱処理時における加熱温度は、はんだ粉末の溶融温度以上、かつ、スペーサー21の溶融温度未満に設定する。
はんだペーストを介して積層した回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)に対して加熱処理を行う。なお、この加熱処理時における加熱温度は、はんだ粉末の溶融温度以上、かつ、スペーサー21の溶融温度未満に設定する。
溶融したはんだペーストを凝固することにより、はんだ層20が形成され、回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)とがはんだ層20を介して接合される。
ここで、はんだ粉末の溶融物中において、スペーサー21が分散されていることから、はんだ層20の厚さ(回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)との距離)が一定となる。
ここで、はんだ粉末の溶融物中において、スペーサー21が分散されていることから、はんだ層20の厚さ(回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)との距離)が一定となる。
以上のような構成とされた本実施形態であるはんだペーストにおいては、溶融温度がはんだ粉末の溶融温度よりも高く、はんだ粉末の融点+20℃の温度で5分間加熱してもはんだに溶解しないスペーサー21を含有しており、このスペーサー21の平均直径Daと直径Dの標準偏差σから算出されるスペーサー21の直径ばらつきσ/Daが6.0%以下とされているので、はんだペーストを塗布して加熱することで形成されたはんだ層20の厚さを均一化することが可能となる。
そして、はんだペーストにおけるスペーサー21の含有量が1質量%以下とされているので、形成されたはんだ層20中にボイドが形成されることを抑制できる。
そして、はんだペーストにおけるスペーサー21の含有量が1質量%以下とされているので、形成されたはんだ層20中にボイドが形成されることを抑制できる。
また、本実施形態において、スペーサー21の平均直径Daが1μm以上300μm以下の範囲内とされている場合には、形成されたはんだ層20の厚さを1μm以上300μm以下の範囲内で均一に形成することができる。
さらに、本実施形態において、スペーサー21が円柱状またはチューブ状をなしている場合には、長手方向での直径のばらつきが少ない円柱素材およびチューブ素材を切断することにより、スペーサー21の平均直径Daと直径Dの標準偏差σから算出される前記スペーサーの直径ばらつきσ/Daを小さく抑えることができる。また、スペーサー21の含有量を少なく抑えることができ、形成されたはんだ層20におけるボイドの発生をさらに抑制することが可能となる。
本実施形態であるはんだ接合体10においては、はんだ層20に、溶融温度がはんだ層20の溶融温度よりも高く、前記はんだ層の融点+20℃の温度で5分間加熱しても溶解しないスペーサー21が分散しており、スペーサー21の平均直径Daと標準偏差σから算出される前記スペーサーの直径ばらつきσ/Daが6.0%以下とされているので、はんだ層20の厚さを均一に形成することができ、回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)とが傾いて接合されることが抑制され、回路基板(第一部材11)の接合面に対する半導体素子(第二部材12)の接合面の傾き角度が1.0°未満となる。回路基板(第一部材11)接合面に対する半導体素子(第二部材12)の接合面の傾き角度は、好ましくは0.5°以下であり、さらに好ましくは0.3°以下である。また、回路基板(第一部材11)接合面に対する半導体素子(第二部材12)の接合面の傾き角度は、0°以上でもよく、0.1°以上でもよく、0.2°以上でもよい。
また、はんだペーストに対するスペーサー21の含有量が1質量%以下とされているので、はんだ層20のボイド率が20%以下となる。はんだ層20のボイド率は、好ましくは15%以下である。また、はんだ層20のボイド率は、0%以上でもよく、5%以上でもよく、10%以上でもよい。
よって、性能の安定した半導体デバイス(はんだ接合体10)を構成することが可能となる。
また、はんだペーストに対するスペーサー21の含有量が1質量%以下とされているので、はんだ層20のボイド率が20%以下となる。はんだ層20のボイド率は、好ましくは15%以下である。また、はんだ層20のボイド率は、0%以上でもよく、5%以上でもよく、10%以上でもよい。
よって、性能の安定した半導体デバイス(はんだ接合体10)を構成することが可能となる。
また、本実施形態において、スペーサー21の平均直径Daが1μm以上300μm以下の範囲内とされている場合には、はんだ層20の厚さを1μm以上300μm以下の範囲内で均一に形成することができ、回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)との距離が一定となり、安定した性能の半導体デバイス(はんだ接合体10)を製造することができる。スペーサー21の平均直径Daは、はんだ層20の厚さ方向に沿ったスペーサー21の平均高さと言うこともできる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的要件を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本実施形態では、はんだ接合体10を、回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)とが、はんだ層20を介して接合された半導体デバイスとして説明したが、これに限定されることはなく、他のはんだ接合体であってもよい。
また、はんだ粉末をAu-Snはんだで構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えばSn系はんだ、Pb系はんだ等の他のはんだ材料であってもよい。なお、はんだ粉末の材質に応じて、スペーサー21の材質を適宜選択することが好ましい。
本実施形態では、はんだ接合体10を、回路基板(第一部材11)と半導体素子(第二部材12)とが、はんだ層20を介して接合された半導体デバイスとして説明したが、これに限定されることはなく、他のはんだ接合体であってもよい。
また、はんだ粉末をAu-Snはんだで構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えばSn系はんだ、Pb系はんだ等の他のはんだ材料であってもよい。なお、はんだ粉末の材質に応じて、スペーサー21の材質を適宜選択することが好ましい。
以下に、本発明の有効性を確認するために行った確認実験の結果について説明する。
表1に示すはんだ粉末およびスペーサーを含むはんだペーストを準備した。
なお、表1に記載のはんだ粉末の平均粒径は、レーザー回析散乱式粒度分布測定装置で測定された体積基準の粒度分布において、粒子の体積の累積頻度が50%の粒径(d50)である。
円柱状またはチューブ状をなすスペーサーの平均直径Daは、次のように測定した。スペーサーをカーボンテープ表面に静置して、日立卓上顕微鏡TM303を用いて倍率500倍でスペーサーのSEM像を撮像した。得られたSEM像から、スペーサー1個の長さ方向と直交する面の全体の形状が認識できる5個のスペーサーをランダムに選定した。スペーサーの長さ方向と直交する方向で、1つのスペーサー内のもっとも離れた2点の距離を測定し、そのスペーサーの直径Dとし、5個のスペーサーで測定した直径Dの平均値を平均直径Daとした。また5個のスペーサーで測定した直径Dから標準偏差σを算出した。
また、5個のスペーサーの長さを測定し、その長さの平均値を平均長さLとした。
なお、表1に記載のはんだ粉末の平均粒径は、レーザー回析散乱式粒度分布測定装置で測定された体積基準の粒度分布において、粒子の体積の累積頻度が50%の粒径(d50)である。
円柱状またはチューブ状をなすスペーサーの平均直径Daは、次のように測定した。スペーサーをカーボンテープ表面に静置して、日立卓上顕微鏡TM303を用いて倍率500倍でスペーサーのSEM像を撮像した。得られたSEM像から、スペーサー1個の長さ方向と直交する面の全体の形状が認識できる5個のスペーサーをランダムに選定した。スペーサーの長さ方向と直交する方向で、1つのスペーサー内のもっとも離れた2点の距離を測定し、そのスペーサーの直径Dとし、5個のスペーサーで測定した直径Dの平均値を平均直径Daとした。また5個のスペーサーで測定した直径Dから標準偏差σを算出した。
また、5個のスペーサーの長さを測定し、その長さの平均値を平均長さLとした。
表面にAuメタライズ処理を施したAl2O3からなる基板上に、上述のはんだペーストを、リフロー加熱後にスペーサーの直径Dの厚みとなるように塗布した。
適正ペースト塗布厚さの算出式:((チップ下のスペーサーを除いたはんだ体積)/(スペーサーを除いたはんだペースト中のはんだの体積比率)+(チップ下のスペーサー体積))/(チップ面積)
ここで、はんだ体積は、はんだ層の厚さがスペーサー厚み1個分の厚さとなる前提で算出し、スペーサー体積は、はんだペースト中のスペーサー濃度から算出した。
塗布したはんだペーストの上にチップ(1mm×1mm)を積層した。
適正ペースト塗布厚さの算出式:((チップ下のスペーサーを除いたはんだ体積)/(スペーサーを除いたはんだペースト中のはんだの体積比率)+(チップ下のスペーサー体積))/(チップ面積)
ここで、はんだ体積は、はんだ層の厚さがスペーサー厚み1個分の厚さとなる前提で算出し、スペーサー体積は、はんだペースト中のスペーサー濃度から算出した。
塗布したはんだペーストの上にチップ(1mm×1mm)を積層した。
そして、リフロー炉(マルコム社製SRS-1C)を用いて、窒素雰囲気で、以下の加熱パターンで加熱処理し、回路基板とチップとをはんだ接合した。
常温から200℃まで昇温速度1.5℃/秒で加熱、200℃で2分間保持、200℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒で加熱、300℃で5秒保持。
常温から200℃まで昇温速度1.5℃/秒で加熱、200℃で2分間保持、200℃から300℃まで昇温速度1.5℃/秒で加熱、300℃で5秒保持。
上述のようにして得られたはんだ接合体について、はんだ層のボイド、チップの傾きについて、以下のように評価した。また、これらの評価からはんだ接合体の総合評価を行った。
(はんだ層のボイド)
チップの真上から透過X線装置にて観察し、チップの面積に対して投影して観察されたボイドの合計面積が占める割合をボイド率とした。測定を3回実施してボイド率の平均値を算出した。
チップの真上から透過X線装置にて観察し、チップの面積に対して投影して観察されたボイドの合計面積が占める割合をボイド率とした。測定を3回実施してボイド率の平均値を算出した。
(チップの傾き)
はんだ接合体をチップ面の中央線と直交する面で切断し、基板面とチップ面とがなす角度(基板の接合面に対するチップの接合面の傾き角度)を測定し、これをチップの傾きとした。測定を3回実施してチップの傾きを測定した。
はんだ接合体をチップ面の中央線と直交する面で切断し、基板面とチップ面とがなす角度(基板の接合面に対するチップの接合面の傾き角度)を測定し、これをチップの傾きとした。測定を3回実施してチップの傾きを測定した。
比較例1においては、スペーサーを含有していないはんだペーストであり、チップの傾きが1.6°と大きくなった。
比較例2においては、スペーサーの含有量が30質量%と多く、はんだ層におけるボイド率が35%と高くなった。
比較例3においては、スペーサーの直径ばらつきσ/Daが10.0%と大きく、はんだ層におけるボイド率が25%と高く、チップの傾きが1.0°と大きくなった。
比較例4においては、スペーサーの直径ばらつきσ/Daが10.0%と大きく、チップの傾きが1.4°と大きくなった。
比較例2においては、スペーサーの含有量が30質量%と多く、はんだ層におけるボイド率が35%と高くなった。
比較例3においては、スペーサーの直径ばらつきσ/Daが10.0%と大きく、はんだ層におけるボイド率が25%と高く、チップの傾きが1.0°と大きくなった。
比較例4においては、スペーサーの直径ばらつきσ/Daが10.0%と大きく、チップの傾きが1.4°と大きくなった。
これに対して、本発明例1~9においては、はんだ層におけるボイドの発生を抑制できるとともに、チップの傾きを抑制できた。
以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、部材同士を接合する際に形成されるはんだ層の厚さを均一にすることができ、かつ、はんだ層におけるボイドの発生を抑制可能なはんだペースト、第一部材と第二部材とが均一な厚さでボイドの少ないはんだ層を介して接合されたはんだ接合体、および、はんだ接合体の製造方法を提供可能であることが確認された。
本実施形態のはんだペーストは、LEDやパワーモジュールなどのように、回路基板の上に半導体素子等の電子部品が接合された各種デバイスに好適に適用される。
10 はんだ接合体
11 第一部材
12 第二部材
20 はんだ層
21 スペーサー
S01 ペースト塗布工程
S02 積層工程
S03 はんだ接合工程
11 第一部材
12 第二部材
20 はんだ層
21 スペーサー
S01 ペースト塗布工程
S02 積層工程
S03 はんだ接合工程
Claims (6)
- はんだ粉末と、スペーサーと、を含有し、前記スペーサーの含有量が1質量%以下とされており、
前記スペーサーは、溶融温度が前記はんだ粉末の溶融温度よりも高く、前記はんだ粉末の融点+20℃の温度で5分間加熱してもはんだに溶解せず、
前記スペーサーが円柱状またはチューブ状をなしており、前記スペーサーの平均直径Daと標準偏差σから算出される前記スペーサーの直径ばらつきσ/Daが6.0%以下とされていることを特徴とするはんだペースト。 - 前記スペーサーの平均直径Daが1μm以上300μm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1に記載のはんだペースト。
- 第一部材と、第二部材と、はんだ層とを有し、
前記第一部材と前記第二部材とが前記はんだ層を介して接合され、
前記はんだ層には、溶融温度が前記はんだ層の溶融温度よりも高く、前記はんだ層の融点+20℃の温度で5分間加熱しても溶解しないスペーサーが分散しており、
前記スペーサーが円柱状またはチューブ状をなしており、前記スペーサーの平均直径Daと標準偏差σから算出される前記スペーサーの直径ばらつきσ/Daが6.0%以下とされており、
前記はんだ層中の前記スペーサーの含有量が1質量%以下とされており、
前記第一部材の接合面に対する前記第二部材の接合面の傾き角度が1.0°未満であるとともに、前記はんだ層のボイド率が20%以下であることを特徴とするはんだ接合体。 - 前記スペーサーの平均高さが1μm以上300μm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項3に記載のはんだ接合体。
- 前記第一部材が回路基板とされ、前記第二部材が半導体素子とされていることを特徴とする請求項3または請求項4に記載のはんだ接合体。
- 第一部材と第二部材とがはんだ層を介して接合されたはんだ接合体の製造方法であって、
前記第一部材の接合面および前記第二部材の接合面のいずれか一方又は両方に請求項1または請求項2に記載のはんだペーストを塗布するペースト塗布工程と、
塗布した前記はんだペーストを介して前記第一部材と前記第二部材とを積層する積層工程と、
前記はんだペーストを介して積層した前記第一部材および前記第二部材を熱処理してはんだ層を形成し、前記第一部材と前記第二部材とを前記はんだ層を介して接合するはんだ接合工程と、
を有しており、
前記はんだ接合工程における加熱温度が、前記はんだ粉末の溶融温度以上、かつ、前記スペーサーの溶融温度未満であることを特徴とするはんだ接合体の製造方法。
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