JPS592595B2 - ろう合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の分野 本発明は電子システム中のチップを支持する基板への入
出力電気接続ピン及び他の構成素子の接着に係り、更に
具体的に云えば、チップの連続的再加熱と適合する方法
によりチップを支持する基板及びそのピンの電子回路相
互接続を行うために有用な接着用合金に係る。

本発明の目的 本発明の目的は、基板に又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との間の接着を乱すことなく
基板上に於けるチップの経済的な付着又は交換を可能に
する合金を提供することである。

換言すると、本発明の目的は、チップを基板上に保持す
るはんだ接続部を融解させるために必要な温度に加熱さ
れても構造体が何ら影響を受けない様な融点を有してい
る。ピン等を基板にそして基板をその支持体に接着する
ための合金を提供することである。更に、本発明の目的
は、その様な結果を得るために更に金を用いるよりも経
済的なろうを提供することである。多層セラミツク基板
の如き電子チツプを支持する基板に素子をろう付けする
には、再加工即ち基板上のチツプの除去及び交換に於て
チツプを支持する鉛一錫はんだボールを加熱するために
必要とされる高温でも強さを保つろう材又ははんだ材を
用いることが必要である。

この問題に対する１つの一般的解決方法は、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
うを用いることである。従来に於て、回路接続ピンは再
加工の加熱中に傾いて整合状態を失う傾向があり、又多
数の再加工サイクルによりフランジの封止に問題が生じ
ているので、本発明に於ては、ろう材に銅（これは、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）及びニツケル、バラジウム又は他の
第族の金属（これは、錫を融解物から引出すこと又は錫
のゲツタリングにより金及び銅の錫に対する見かけの比
率を増大させてＡｕ−Ｓｎ合金のβ相の形成を増進させ
ることにより、冷却後に又ろう材の凝縮後にさえもろう
接二合部の融点を上昇させる傾向がある）をろう材に加
えることによつて、ろう合金がろう付け中に修正される
。

先行技術 米国特許第３６４８３５７号の明細書は、コバシール及
びガラスのハウジングとコバール合金（ＮｉｌＦｅ．Ｃ
Ｏ）のカバーとを、共融性金一錫ろうを用いて相互に気
密封止することについて開示している。

この米国特許明細書は、「相互に封止されるべきハウジ
ングとカバーとの端部周辺の間にろ５う材のブリフオー
ムを・・・・・・」配置することによつて、その様なバ
ツケージが封止されていることを記載している。更に、
相互にろう付けされるべき部品が「封止装置中に配置さ
れそして・・・・・・ろう材をカバー及びハウジングへ
融着せしめるに充分な３温度に加熱される。残念ながら
、この様にして封止されたバツケージには、かなりの部
分に不完全な気密封止が生じる。空隙を含むことにより
封止部に漏洩が生じるだけでなく、ろう材を融解させて
封止部を形成するために必要とされる温度は上４記バツ
ケージに含まれている超小型電子装置を損傷させるに充
分であり得る。」と記載している。この米国特許明細書
に於ける方法は、Ａｕ−ＳｎＣ８Ｏ：２０）のプリフオ
ームをハウジングのフランジと該ハウジング上にはまる
カバーのかみ合い表面との両方に被覆することである。
この様にして、両側のろう材のプリフオームは、超小型
電子装置への損傷が減少される様に少しの熱しか必要と
せずにろう材が融解する低温に於て、相互に接合され得
る。しかしながら、コバール合金はＡｕ：Ｓｎろう材と
よく反応しないので、始めにコバール合金の表面が金め
つきによつて被覆される。それから、めつきされたハウ
ジング及びカバーにプリフオームがろう付けされた。予
め錫をめつきした場合には、コバールのめつきされた表
面から金が溶ける程迄、ろう材の融点を上昇させるとい
う欠点を生じた。この米国特許明細書に於ける技術の目
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℃迄低く融点を保つ
ことであつた。それより低い温度の使用は、平衡状態に
於て、めつきされた金の一部のみが「ろう材中に溶け込
む」様にする。本発明に於て、接着用合金に於て金の代
りに銅を用いることによつて、同様な利点が得られ、更
に材料として銅はコストがより低いのでコストの点で相
当に有利であることが解つた。通常、当技術分野に於て
は、バラジウムの薄膜を有するコバール合金より成るピ
ンと、モリブデンの薄膜土に付着されたニツケル・バツ
ドとが接合される。

用いられるろう材はＡｕ−Ｓｎのろう合金である。上記
Ｐｄ層は、超小型電子回路の製造に於て通常予測される
１０回のろう再流動のうち約４回の再流動の後に溶けて
しまう。その結果コバールの合金ピン及び下のバツトか
らＮｉがろう中に浸出する問題が生じる。その様な浸出
は好ましくない付着を生じて、装置全体を不良なものに
してしまう。従つて、ろうが再融解され、その結果不純
物がろう中に導入されて、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く、上記再流動に於て
ろうを反復的に再加熱し得ることが切望されている。Ｉ
ＢＭＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｓｃｌＯｓｕｒｅＢｕ−１
１ｅｔｉｎ１第２１巻、第８号、第３１１８頁（１９７
９年１月刊）に於けるＡｉｎｓｌｉｅ等による「Ａｕ／
Ｓｖ▲ＧＢｒａｚｅＡｌｌＯｙ」と題する論文は、Ｂｅ
−Ｃｕ接触ピン又はコバール（ＮｉＮＣＯｌＦｅ）のピ
ンの電子バツケージ用のろう合金（６７Ａｕ／１５Ｓｎ
／１８Ａｇ）について記載している。

どちらの場合にも、元素周期律表の第１Ｂ族の金属（Ｃ
ｕ）又は第族の金属（ＮｉｌＦｅＮＣＯ）がＢｅ−Ｃｕ
ピン又はコバール・ピン中に含まれているが、それらは
本発明によつて得られる効果を達成し得ない。更に、６
７Ａｕ対１５Ｓｎの比率の上記合金は、低融点による合
金のろう付けの後に、より融点の高いろう接合部の形成
を可能にする、低い共融点を有する８０／２０の比率の
合金とは異なる。従つて、ここで必要とされるものとは
逆の温度効果が生じる。しかしながら、上記金属中の１
８％のＡｇは、形成される合金の融点を上昇させる第１
Ｂ族金属であるので、金の代替物として働く。更に、合
金成分としてのＡｇはＣｕよりも高価である。本発明の
要旨本発明によれば、部品が略共融のＡｕ：Ｓｎ及びＣ
ｕのろうを用いて低温で相互に接着され、そして処理中
にその融点が共融点よりも相当に高く上昇される。

これは、超小型電子回路上での再流動に於て、ろう付け
されたピンの傾斜、ろうの強度の低下、及び相互にろう
付けされるべき部品間の相対的移動を防ぐ。本発明によ
る金属ろう合金によるろう付けに於ては、金Ｈ賜及び銅
のろうによつて第１表面が第２表面に接合されるが、上
記ろうの融点は、ろう付け中に、反復的に再流動される
ろうの当初の融点よりも相当に高い温度迄上昇され、上
記ろうにより形成されたろう接合部は再流動サイクルに
よつて何ら影響されない。

これは、ろう中の銅及びβ相の量を増加させることによ
つて達成され、その結果ろう中に於けるＡｕ−Ｓｎ合金
の比率が低下するに従つて融点が著しく上昇する。好ま
しくは、本発明の合金によるろう付けに於ては、金一錫
ろうによつて第１表面が第２表面にろう付けされるが、
上記金一錫ろうとともに銅の源及び第族金属の源をそれ
らがろう付け中に上記第１及び第２表面に接触する様に
用いてろうが形成され、そのろう付け中に上記ろうの融
点は反復的に再流動される上記ろうの当初の融点よりも
相当に高い温度迄上昇され、上記ろうにより形成された
ろう接合部は再流動サイクルによつて何ら影響されない
。

これは、ろう中のβ相の量を増加させることによつて達
成され、その結果ろう中に於けるＡｕ−Ｓｎ合金の比率
が低下するに従つて融点が著しく上昇する。本発明の好
実施例 本発明は、チツプを支持する基板へのピンのろう付け、
又は、チツプを支持する基板を支持するためそして気密
封止されたチツプ・バツケージング装置に於ける締め具
を設けるために用いられるフランジへの基板のろう付け
に係る。

本発明によるろうは構成素子相互間の電子バツケージン
グに適しており、形成されたろう接合部はろう付け処理
に於て用いられた当初のろう合金の融点よりも相当に高
い融点を示す。

この特徴はろう付け処理が後続の製造処理の行われるべ
き温度よりも通常低い触点を有するろう接合部を生じる
場合に、特に重要である。その１例は、ニツケルめつき
された多層セラミツク構造体をＡｕ−２０重量％Ｓｎの
ろう合金（１乃至２回の３５０℃によるチツプ接着処理
前の融点は２８『Ｃ）を用いて４００℃でろう付けする
場合である。問題は、ろう接合部が３５０℃に於て部分
的に融解し、次に示す幾つかの点を含む望ましくない多
くの結果を伴うことである。１ 接合された部材間に相
対的移動が生じる。

２ ろう接合部からＳｎがニツケルめつきされた表面へ
拡散してＮ１−Ｓｎ金属間化合物を形成し、従つて良好
な付着に不可欠である未反応のニツケルの表面が枯渇す
る。

３Ａｕ−Ｓｎのフイレツトが、錫の外方拡散によりそし
て３６０℃に於てろうのフイレツトの液相が除かれるこ
とにより、崩壊及び歪曲し、それとともに強度及びＩ／
０ピンの場合には側面の支持が失われる。

本発明は、相互にろう付けされるべき表面の一方又は両
方に、例えば電気めつき、無電気めつき真空付着、又は
シルク・スクリーニングの如き任意の適当な手段によつ
て、厚い銅層又は銅を豊富に含む層（厚さ０．００２５
乃至０．０５ｍ）を付着することを含む。

本発明の原因は、Ａｕ−Ｓｎの状態図に関連して理解さ
れ、又相互にろう付けされる表面を厚い金の層でめつき
する本出願人による特願昭５６−１８５６２７号（特公
昭５８−８９６０号）の明細書に記載の技術に関連して
理解され得る。

Ａｕ−２０重量％Ｓｎのろう合金は、室温に冷却された
とき、もろいＡｕ／Ｓｎ化合物と延性のある豊富に金を
含むβ相との２つの相より成る。

その合金は２８０るＣの融点を有する。その合金に於け
る金の含有量の増加は、室温に於て存在するＡｕ−Ｓｎ
の量を減少させ、又液相線温度を上昇させる。従つて、
例えば３５００Ｃに再加熱されたとき、その合金は部分
的にしか融解しない。上記基本的合金に充分な金が加え
られた場合、例えばＡｕ−１０Ｓｎの組成になる迄充分
に加えられた場合には、３５０℃に於てその合金は全く
融解せず、室温に於て構造体中にはもろいＡｕ−Ｓｎ相
が何ら存在しない。従つて、相互にろう付けされている
表面の一方又は両刃に厚い金の層を設けることによつて
、それらの望ましい結果を得ることが可能であり、又ろ
う付け温度に於て液状ろう合金の表面と金の表面との間
に生じる固体一液体間の反応により従来生じている望ま
しくない結果を減少又は除去することが可能である。そ
の結果、当初のろう合金よりも相当に高い融点を有する
ろう接合部が得られる。本発明に於ては、上記の厚い金
の層の代りに、銅層又は銅を豊富に含む層、或は銅部材
又は銅を豊富に含む部材が用いられる。

上述の望ましいβ相中の金の代りに銅が部分的に用いら
れて、上記結果を達成するための安価で比較的簡単な代
替物が得られる。本発明に於ては、（１）接合部を形成
しそしてフイレツトの範囲を設定するために標準的ろう
付け温度（例えば４００′Ｃでろう付けされ、（２）或
る程度の銅の吸収をそれに付随する部分的凝固とともに
生ぜしめる様に充分に長い間上記温度に保たれ、（３）
上記銅吸収反応が流出（ゞピンの上昇１／）を生じる恐
れがなくなり完全に生じ得る様に上記温度が上昇（例え
ば４２５乃至４７５℃に）され、（４）室温迄冷却され
る。第１図は、通常厚さ約３乃至４μｍのニツケル層１
２で保護されているモリブデン・バツド１１を支持して
いる多層セラミツク基板１０を示している。

ニツケル層１２上には、厚さ約０．００２乃至０．０２
５Ｗｒ１ｆＬの比較的厚い銅層１３が設けられている。
銅層１３は、Ｓｎゲツタリング金属の源として働く、Ｆ
ｅ，．ＣＯ．．ＮｉｌＲｕ．．Ｒｈ．．Ｐｄ．．Ｏｓ，
．Ｉｒ又はＰｔの如き第族金属の厚さ１．２５μｍ迄の
極めて薄い層１４で被覆されている。この例では、ゲツ
タリング金属層１４はニツケルである。次にＡｕ−Ｓｎ
（８０：２０）ろう組成より成るろうのフイレツト１５
が上記各層の頂部に配置されている。この場合、フイレ
ツトは細い金属条片である。フイレツト１５の上方には
、薄いニツケル層１７で被覆されたコバール合金の基部
１６より成る通常のピン（又は、Ｃｕを基材とするピン
）１９が配置されている。Ａｕ−Ｓｎフイレツト１５は
共融（８０：２０）合金に於けるその液相点である約２
８０℃以上に加熱されると融解し、温度が約３９０乃至
４０５熱Ｃ（公称３９５、Ｃ）に上昇すると、銅層１３
が第族金属層１４、例えばニツケル層、の一部とともに
Ａｕ：Ｓｎろう融解物中に少くとも部分的に融け込む。
合金中の金及び銅は、融解物が冷却した後により高い融
点を有するより高い液相線温度の合金を形成する傾向が
ある。融解物中のニツケルは融解物中のＡｕ−Ｓｎ合金
との反応から錫を引き出してゲツタリングを行い、それ
によつて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。その効果は、Ａｕ一Ｓｎ合金中の
金及び銅の比率を効果的により大きくし、それによつて
金及び銅を豊富に含むβ相の形成を促進することである
。その結果得られるろう接合部は極めて強く、その融点
は極めて高くて、その後の３５０乃至３６０℃の温度範
囲に於けるＰｂ−Ｓｎ（９５：５）のはんだボールの再
流動によつても従来の如きろう接合部の融解は生じなく
なる。第２図では、銅層１３″及びニツケルの如き第族
金属のゲツタリング金属層１４′がプリフオームにより
基板１０に接合されるべきピン１９上に被覆されている
。

層１３′及び１４５の厚さは層１３及び１４と略同一で
あることが好ましい。その他の点では、この実施例は第
１図の場合と同一である。銅及び例えばニツケルは、Ｍ
Ｏ−Ｎｉバツドの頂部に配置され、又ピン１９の表面上
に配置され得ることが特徴である。いずれの場合でも、
ろう材が融解するときに、銅及びユツケルがろう融解物
中に導入される。第３図では、ピン１９がニツケル又は
他の第族金属よりなる厚さ約１．２５μｍ又はそれ以下
の薄い層１４″で被覆されたＣｕの基部２６によつて置
き換えられている。

Ｃｕの基部は、Ａｕ−Ｓｎ融解物中にＣｕを加えるため
の銅金属の源として働く。従つて、第２図の場合と同様
に、ろうの融解相中のろうへの２つの付加物の源は、Ｃ
ｕの基部２６のスタツド上の金属である。第４図では、
ピンは第３図の場合と同じであるが、更に銅及び第族の
金属がフイレツトへその溶融相中に上下から与えられる
様に、第１図のニツケル層１４及び銅層１３がフイレツ
トの底部に加えられている。

第５図では、第１図及び第２図に於けるコバール合金の
基部１６と薄いニツケル層１７とより成るコバールのピ
ン（又はＣｕを基材とするピン）１９が銅層１３′及び
ニツケル層１４″とともに用いられ、更に銅層１３及び
ニツケル層１４がフイレツトの底部に於て第１図の場合
と同様な層１２で被覆されたバツド１１上に設けられて
いる。

この場合も、銅層１３，１３′並びにＮｉｌＰｄ等の第
族のゲツタリング金属層１４，１４″からそれらの金属
が、融解したろう合金のフイレツト１５に充分に供給さ
れる。第６図では、第１図又は第３図の型のピン１９が
、例えば１乃至１５重量％のＮｉを含む如き、銅を豊富
に含むＣｕ−Ｎｉ合金より成る、銅及びゲツタリング金
属（第族）のプリフオーム２０を包含する様に修正され
た、典型的なＡｕ：Ｓｎろうのフイレツト１５上に配置
されている。

ピン１９及びバツド１１上の層１２の上の余分のニツケ
ル及び銅又は等価物の層は、除かれる必要はないが、除
かれてもよい。第７図の実施例は、プリフオーム２０が
ゲツタリング金属層２２で被覆された銅層２１のプリフ
オーム２３によつて置換えられている点を除いて第６図
の実施例と本質的に同じである。

この場合のゲツタリング金属層は、第１図の層１４と同
様に、極めて薄い。第８図の実施例は、ブリフオーム２
３中の銅層２１がＮｉ又は等価物のゲツタリング金属層
２２でめつきされている点を除いて、第７図の実施例と
実質的に同じである。

前述の如く融解しにくくなる理由は以下の通りである。

１ 基板上に支持されたチツプのはんだボールの（ろう
付け後の）最初の再流動によつて、加えられたＣｕとＡ
ｕ−Ｓｎ合金との固体状態反応が生じ、より高い融点を
有するβ相のＡｕ：Ｃｕ：Ｓｎ合金が形成される。

連続的再流動により、合金内で更に反応に生じてβ相が
形成され、それによつて通常のＡｕ−Ｓｎろうフイレツ
ト１５の場合に生じた如き劣化を生じない強い接合部が
得られる。２ フランジのろう付けでは、もろさのずつ
と少ないＮｉ−Ｓｎ金属問化合物が界面で形成される。

更に、このプロセスはピン１９のシヤンクに沿つてろう
金属が上昇することを防ぐ、ろうの硬化は、金属の分散
沈殿物を形成する少量のＰｄ又はＮｉの如き第族金属を
特に再流動温度で合金を硬化させるＳｎに加えることに
よつて実現される。これは又、β相Ａｕ−Ｓｎ合金の量
をかなりの程度迄増力させることによつて、融点を上昇
させる。第９図は、はんだボール３８により１００個の
チツプ３０を支持しており、矩形のフランジ３２にろう
付けされている基板１０を示している。

フランジの低い表面３３が基板１０の周辺上のろうのフ
イレツト３１により基板を支持している。基板１０の下
にピン１９が配置されている。フランジ３２は、その頂
部に延びる高い表面３４を有している。高い表面３４は
又、フランジ３２の周辺部を形成し、低い表面３３はフ
ランジ３２の内側フレームを形成している。第１０図は
、ニツケル層３７で被覆されたＭＯ境界層３６を有する
基板１０を示している。

層３７は、ろうのフイレツト３１によりフランジの低い
表面３３にろう付けされている。１組の電気接続ピン１
９が基板１０の底部にろう付けされている。

第１１図は、ろうのフイレツト３１内のプリフオーム３
９を示している。

プリフオーム３９は、銅−ニツケル合金又はその等価物
より成る。ろうのフイレツト３１は、通常のＡｕ−Ｓｎ
（８０：２０）ろう材より成る。第１２図は、第１１図
のプリフオームを修正したものを示しており、このプリ
フオームは１対の約０．０００６ｍ迄のニツケル又は等
価物（第族金属）の薄い層４１でめつきされた銅のスラ
ブ４０より成る。

本発明の合金を形成するための代替的方法は、最初のＡ
ｕ−Ｓｎ（８０：２０）合金中に少量の銅を加えること
である。

例えば、金の代替物として１乃至２重量％迄のＣｕが適
当である。第１３図は、ピンの端接合接着強さ（Ｐｉｎ
ｐｕｌｌｓｔｒｅｎｇｔｈ）のテスト結果を３５０℃の
熱サィクルの数の関数として示している。

上方の曲線は直径約０．９４ｗｍｆ）ＢｅＣｕより成る
ピンに関するものであり、下方の曲線はＡｕ−Ｓｎ（８
０：２０）ろう材を有する直径約０．７１？ｍのＢｅＣ
ｕよりなるピンに関するものである。第１４図は、第１
０図乃至第１２図の配置を修正したものを示している。

チツプを支持している基板１１０は、銅の如き薄い層（
又は、金或はバラジウムの代替物の層）１１４で被覆さ
れた薄いニツケル層より成るバツド１１３を底面に有し
ている。プリフオーム１２０は、３層から成つており、
上部及び底部には略共融のＡｕ−Ｓｎから成るより厚い
層１２１及び１２３を有し、プリフオーム１２０の中心
には前述の如くろうの融点を上昇させる金属の源を供給
する銅、Ａｕ｛ＵｌＡＵｌＡｇｌＰｄ等の如き金層の薄
い層１２２を有している。フランジ１３２は、好ましく
は銅、代替的にはＡｕＮＡｇ或はＰｄである第１Ｂ族金
属を少くとも含む金属、又はそれらの金属と前述の如き
Ｎｉ等の第族金属との組合せより成る層１３４で被覆さ
れたコバール合金より成る。層１３４の組成物の例とし
ては、Ｃｕ．．ＡｕＣｕ，．ＡｕＮＣｕＮｉ，．ＡｕＣ
ｕＮｉ等がある。プリフオーム１２０は約０．２８乃至
０．３０ｍの厚さを有する。

基板は約２。５乃至５ｍの厚さを有し、フランジ１３２
は約０．６７ｍの厚さを有している。

上記ろうが加熱されたとき、前述の結果と極めて同様な
結果が得られ、合金中に更に加えられた第１Ｂ族及び第
族の金属は上記のＡｕ−Ｓｎ（８０：２０）の共融点よ
りも高く融点を上昇させて、本発明に於ける種類の合金
より成る接合部を形成する。構造体全体のコストを下げ
るために、第１Ｂ族金属として銅が用いられることが好
ましい

【図面の簡単な説明】

第１図はコ不クタ・ピンを支持している多層セラミツク
基板の一部を示す図、第２図乃至第８図は異なる第１Ｂ
族及び第族金属の配置又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図は第１図乃至第
８図に示したピンを下面に有してフランジ上に装着され
、多数の半導体チツプを上面に支持している第１図乃至
第８図の基板を一部断面により示す斜視図、第１０図は
フランジ及びピンと基板との間のろう接合部を示してい
る。 第９図に示した断面の拡大正面図、第１１図乃び第１２
図は第１０図の構造の変形例を示す図、第１３図はろう
付け後に加熱された３５０℃による熱サイクルの数の関
係としてピンの端接合接着強さを示すグラフ、第１４図
は第１０図乃至第１３図のろう接合部の変形例を示す図
である。１０・・・・・・多層セラミツク基板、１１・
・・・・・モリプデン・バツド、１２，１７，３７・・
・・・・ニツケル層、１３，１３″，２１・・・・・・
銅層、１４，１Ｖ，２２，４１・・・・・・Ｓｎゲツタ
リング金属層（第族金属層）、１５，３１・・・・・・
Ａｕ−Ｓｎろうのフイレツト、１６・・・・・・コバー
ル合金の基部、１９・・・・・・ピン、２０，２３，３
９・・・・・・Ｃｕ及びゲツタリング金属のプリフオー
ム、２６・・・・・・Ｃｕの基部、３０・・・・・・チ
ツプ、３２・・・・・・フランジ、３６・・・・・・モ
リブデン境界層、３８・・・・・・はんだポール、４０
・・・・・銅のスラブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 銅の供給源並びに１．２５μｍ以下の厚さを有する
   第VIII族金属の供給源を含有させたことを特徴とする、
   金と錫との共融混合物を含むろう合金。 ２ 前記銅の供給源が、約０．００２乃至０．０２５ｍ
   ｍの厚さを有する層状をなし、前記第VIII族金属の供給
   源も層状をなす特許請求の範囲第１項記載のろう合金。