(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面に設けられた端子電極に、Ｃｕを主成分とする導線を半田接合してなる接合体において、該半田がＡｕを含むとともに、接合断面において前記導線と前記半田との間にＡｕとＣｕを含む反応層が花弁形状に形成されてなることを特徴とする接合体。
【請求項２】
前記半田がＳｎを含み、Ａｕが５０〜８５質量％、Ｓｎが１５〜５０質量％の組成であることを特徴とする請求項１記載の接合体。
【請求項３】
前記反応層の最大厚みに対する最小厚みの比が０．１〜０．７であることを特徴とする請求項１または２記載の接合体。
【請求項４】
前記反応層の厚みが１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の接合体。
【請求項５】
前記導線と前記反応層との界面に存在する酸素が、０．０００１〜０．１％であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の接合体。
【請求項６】
Ｃｕを主成分とする導線を基板表面に載置し、酸素濃度が０．０３％以下の不活性ガス中においてＡｕを含む半田を３２０℃以上の温度で、２分以上の時間の接合処理条件で溶融することを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項７】
前記半田がＳｎを含み、Ａｕが５０〜８５質量％、Ｓｎが１５〜５０質量％の組成であることを特徴とする請求項６記載の接合体の製造方法。
【請求項８】
前記接合処理条件が、３４０℃以上の温度、４分以上の時間であることを特徴とする請求項６又は７記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板、熱電モジュール等の導線を基板表面に設けられた端子電極に半田接合する事に係り、特に接合部の強度が大きな接合体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
Ｃｕを主成分とする導線を基板表面に設けられた端子電極に半田接合をする接合体を持つ部品は数多く存在する。例えば、半導体装置のＡｕ製バンプ電極とＣｕ製のリードとの接合について、Ａｕ−Ｓｎ半田を用いて接合する技術が開示されている。
【０００３】
また、この他にも、熱電モジュールや半導体チップ基板等でＡｕ―Ｓｎ半田を用いた接合が行なわれている。
【０００４】
これらの接合においては、半田とバリア材との反応をおさえるために、接合の処理時間を短く、且つ温度もできるだけ低くしようとしている。そのため、このような方法にて接合を行った接合体は、図２に示すように、基板１１の表面に設けられた端子電極１２と導線１３とを、半田１４を用いて接続され、導線１３と半田１４との間に反応層１５が形成される。しかし、反応層１５は僅かに存在するのみであり、しかもその反応層１５は、ほぼ円に近い単純形状となっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２７４１２９号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４１５９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの接合は、強度の面でまだ不十分な点があった。即ち、Ｃｕを主成分とする導線と基板表面に設けられた端子電極に半田接合された接合部分の強度が不十分なために組み立て作業の際に部分的に生じた応力によって破壊が生じたり、使用時の繰り返し応力により、不良が生じるという問題があった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、接合の信頼性を上げるために接合部の強度が高い接合体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｃｕを主成分とする導線を端子電極に半田接合する際に、Ｃｕと半田との反応層の形状を制御することによって、接合強度を改善できるという新規な知見に基づき、具体的には、Ａｕを含む半田を用いて、ＡｕとＣｕとの反応層を花弁形状に形成し、接合強度を高めたものであり、その結果、接合の信頼性を顕著に改善することができる。
【０００９】
即ち、本発明品の接合体は、基板表面に設けられた端子電極に、Ｃｕを主成分とする導線を半田接合してなる接合体において、該半田がＡｕを含むとともに、接合断面において前記導線と前記半田との間にＡｕとＣｕを含む反応層が花弁形状に形成されてなることを特徴とするものである。
【００１０】
特に、前記半田がＳｎを含み、Ａｕが５０〜８５質量％、Ｓｎが１５〜５０質量％の組成であることが好ましい。これにより、比較的低い処理温度で半田付けが可能となり、Ｃｕと反応するＡｕの量が多いために接合強度に優れた接合体を提供できる。
【００１１】
また、前記反応層の最大厚みに対する最小厚みの比が０．１〜０．７であることが好ましい。これにより、強度を高めると共に安定化する事ができる。
【００１２】
さらに、前記反応層の厚みが１０〜１００μｍであることが好ましい。これにより高い強度を得ることができる。
【００１３】
また、前記導線と前記反応層との界面に存在する酸素が、０．０００１〜０．１％であることが好ましい。これにより、極端な強度低下を防ぐことができる。
【００１４】
また、本発明の接合体の製造方法は、Ｃｕを主成分とする導線を基板表面に載置し、酸素濃度が０．０３％以下の不活性ガス中においてＡｕを含む半田を３２０℃以上の温度で、２分以上の時間の接合処理条件で溶融することを特徴とするもので、特に、前記半田がＳｎを含み、Ａｕが５０〜８５質量％、Ｓｎが１５〜５０質量％の組成であることが好ましい。これによって上記の接合体を得ることができる。
【００１５】
また、前記接合処理条件が、３４０℃以上の温度、４分以上の時間であることが好ましい。これにより、接合強度はより高くなり、接合体としての信頼性が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明品の接合体は、図１（ａ）に示したように、基板１表面に設けられた端子電極２に対して、導線３が半田４を介して接合された接合体に関するものである。この接合は、図１におけるＡ−Ａ’の断面を示した図１（ｂ）に示したように、導線３と半田４との間に花弁形状の反応層５を形成することが重要である。このような構造を採用することによって、接合体の強度を高めることができ、部品の信頼性も向上することが可能となる。
【００１７】
導線３には、導電率の高いＣｕを用い、半田４にはＣｕとの反応層５を形成するＡｕを含むことが接合強度と導電性の点で重要である。特に、Ａｕ−Ｓｎ半田を用いることによって容易に花弁形状の反応層５を形成することが比較的容易となり、高い接合強度を得ることが可能となる。
【００１８】
特に、半田４に含まれるＡｕが５０〜８５質量％、特に５５〜８０質量％、更には６０〜７５質量％、Ｓｎが１５〜５０質量％、特に２０〜４５質量％、更には２５〜４０質量％であることが、ＡｕとＣｕの合金を形成しやすく、且つ半田接合の処理温度を比較的低く設定でき、実用性が高いので良い。
【００１９】
本発明のように複雑な形状の反応層５を持つことで、アンカー効果が生まれ、接合体の強度が高められるものと推察する。また、十分な厚みの反応層５が存在することも、接合体の強度を高めるために効果的であると考えられる。
【００２０】
本発明によれば、図１（ｃ）に示したように、反応層５の最大厚みをＬmax、に対する最小厚みをＬminで表わしたとき、その凹凸比Ｌmin／Ｌmaxが０．１以上、特に０．２以上、更には０．３以上であることが、十分なアンカー効果を得ると共に、花弁形状を容易に形成できる点で好ましい。また、凹凸比が０．７以下、特に０．６以下、更には０．５以下であることが、十分なアンカー効果による高い接合強度を得ることができる点で好ましい。
【００２１】
また、反応層５の厚みは１０μｍ以上、特に２０μｍ以上、更には３０μｍ以上であることが、高強度を得るために好ましい。また、反応層５の厚みは１００μｍ以下、特に、９０μｍ以下、更には８０μｍ以下であることが、反応層５の境界部にクラックが生じるのを抑制し、強度低下を防止しやすい点で好ましい。なお、反応層５の厚みは最大厚みを示すものである。
【００２２】
導線３と反応層５との界面には、酸素が存在するが、酸素量を０．０００１〜０．１％、特に０．００１〜０．０５％に設定することが、導線３が反応層５との界面ですっぽ抜けてしまうことを抑制し、導線３と反応層５との強度低下を抑制することが可能であり、特に０．０００１％以下の酸素量にすることは、現段階においてはコストが膨大となり、実用的ではない。
【００２３】
このような構成を採用することによって、導線３を、反応層５を介して半田４に接合させ、反応層５の形状を花弁形状とすることにより、接合体の強度をこれまで以上に高めることができる。そのためには、接合の条件を制御し、Ｃｕを主成分とする導線３と半田４との間にできる反応層５をＡｕとＣｕからなるのを存在させることである。
【００２４】
特に、Ａｕ−Ｓｎ半田を用い、ＡｕとＣｕとからなる反応層５を形成することによって、１．５ＭＰａ以上、特に２ＭＰａ以上、更には２．５ＭＰａ以上の引抜強度を得ることができ、製造時や繰返しの使用に十分耐えられる接合強度を実現し、高い信頼性を得ることができる。
【００２５】
なお、引っ張り強度は、端子電極２と導線３との接合強度を評価したものであり、具体的には端子電極２上に、Ｃｕを主成分とし、表面に錫メッキを施した直径０．３ｍｍの導線を０．５ｍｍの長さで接合した後、導線３を線方向に引っ張り、抜けたとき、または切れたときの荷重を測定し、その荷重を導線３が半田４と接している表面積で除して、引っ張り強度（ＭＰａ）として表したものである。
【００２６】
次に、本発明の接合体の製造方法について、Ａｕ−Ｓｎ半田を用いた場合を例として取り上げて詳述する。
【００２７】
まず、表面に端子電極２を設けた基板１と、Ｃｕを主成分とする導線３を用意する。そして、端子電極２上に、導線３を載置し、その上からＡｕ−Ｓｎ半田を適量添加する。
【００２８】
次に、熱処理炉に上記接合準備の整った基板１を配置して、炉内の酸素を除去する。酸素除去には、真空ポンプで高真空又は超高真空まで排気して酸素を除去しても良いが、装置が高価になるため、低真空又は中真空に排気後ガス置換を併用するのが好ましい。
【００２９】
具体的には、処理炉内を０．１〜１０００Ｐａ程度、特に１〜１００Ｐａに排気して減圧状態とした後、炉内に窒素ガスなどの不活性ガスを導入する。その後、再度炉内を減圧にし、再び不活性ガスを導入する。このような複数回のガス置換は、排気後の真空度、処理炉の大きさ及び処理炉内からの脱ガス状態にもよるが、通常は、炉内酸素を酸素濃度０．０３％以下に十分除去するために有効であり、少なくとも２回実施するのが、炉内の酸素を除去しやすくする点で望ましい。ガス置換が０．０３％を越えると、処理炉内に多量の酸素が残留したまま、炉を高温にすることになり、半田が酸化して接合部の強度が低くなる可能性が高くなるので注意が必要である。
【００３０】
次いで、窒素ガスなどの不活性ガスの雰囲気下で処理炉の昇温を行う。そして、本発明によれば、３２０℃以上の温度で熱処理するのが重要であり、特に３４０℃以上であることがさらに強度を高める点で好ましい。熱処理温度が３２０℃より低いと、反応が不十分で、接合強度が低く導線３と半田４の間で抜け易くなる。
【００３１】
反応層５を十分に形成し、花弁形状を得るため、上記熱処理の処理時間を２分以上保持することが重要であり、特に４分以上が好ましい。なお、熱処理温度が高すぎると半田接合の用途が限定されることが多く、半田４の特性の劣化に伴う強度低下の恐れが有るので、熱処理の上限値を５００℃、特に４５０℃程度とするのが良い。また、熱処理時間は、あまりに長過ぎると半田４の特性劣化を招く恐れがあるので、上限値を２０分、特に１５分以内にすることが望ましい。
【００３２】
熱処理を終了後、冷却し、半田接合を終了して本発明の接合体を得ることができる。
【００３３】
本発明によれば、半田接合の処理条件を制御することによって、ＡｕとＣｕを含む反応層５を花弁形状にすることができる。即ち、上記のような条件で接合処理をすることにより、反応層５を十分に形成し、しかもその形状を花弁形状に制御しやすく、その結果、導線３と半田４、特にＡｕ−Ｓｎ半田との間の強度が高められ、接合体の信頼性を高めることができる。
【００３４】
【実施例】
支持基板として、長さ８ｍｍ、幅８ｍｍ、厚み０．３ｍｍの大きさで、アルミナ質のセラミック基板を用意した。この基板表面にＮｉ、Ａｕ層を設けて端子電極を形成した。
【００３５】
次いで、端子電極上に銅を主成分とし表面に錫メッキを施した直径０．３ｍｍの導線を置き、その上からＡｕ−Ｓｎ半田を適量添加した。Ｃｕを主成分とする導線が半田と接する部分の長さは、導線の先端から０．５ｍｍになるように調節した。
【００３６】
次に、Ａｕ−Ｓｎ半田を添加した試料を熱処理を施すことによって接合した。即ち、試料を熱処理炉の中に置いて、炉内を１０Ｐａ以下の減圧にし、その後に、窒素ガス又はＡｒガスを導入した。
【００３７】
この操作を２回繰り返した後に、窒素ガスを流しながら、処理温度まで試料の昇温を行った。ここで、処理炉の酸素濃度を、ガスクロマト分析法により測定した。
【００３８】
そして、表１に示した処理条件で半田接合処理を行い、処理が終わった後に、試料を室温まで冷却し、評価用の試料とした。
【００３９】
得られた試料の破断した断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって元素をマッピングし、形状を調査するとともに、反応層の厚みを測定し、凹凸比を算出した。
【００４０】
また、引張り強度の評価は、支持基板を固定し、導線を、線方向に引張り、導線が、抜けた時、又は切れた時の荷重を測定し、その荷重を導線が半田と接している表面積で除して引っ張り強度（ＭＰａ）として示した。
【００４１】
また、反応層の界面の酸素量は、ＩＣＰ分析を用いて評価した。結果を表１にした。
【００４２】
【表１】
0003704516.tif 000002
【００４３】
本発明の試料Ｎｏ．３〜１１、１３〜１９及び２１〜２５は、ＡｕとＣｕを含む反応層が花弁形状に形成されており、引っ張り強度が１．５ＭＰａ以上と高く、導線の接合部の信頼性が向上した。
【００４４】
特に、半田に含まれるＡｕ量が５０〜８５質量％、Ｓｎ量が１５〜５０質量％、反応層の最大厚みに対する最小厚みの比である凹凸比が０．１〜０．７、反応層の厚みが１０〜１００μｍ、導線と反応層との界面に存在する酸素が０．０００１〜０．１％の範囲にある試料Ｎｏ．５〜１０、１３〜１７、１９、２２〜２４では、引っ張り強度が、特に２ＭＰａ以上、更には２．５ＭＰａ以上のより優れた特性を示した。これによって、繰り返し応力による不良を減少でき、信頼性が向上する。
【００４５】
一方、雰囲気の酸素濃度が高いため花弁形状を呈さない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２０、接合処理における熱処理温度が３２０℃に満たないため花弁形状を呈さない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１、２、及び接合処理における熱処理時間が短く花弁形状を呈さない本発明の試料Ｎｏ．１２は、いずれも強度が１．０ＭＰａ以下と低く、このために、繰り返し応力に対しての不良率がアップし、信頼性が悪かった。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の接合体は、Ａｕを含む半田を用い、導線と半田との間にＡｕとＣｕを含む反応層を花弁形状に形成することにより、接合強度を高め、信頼性の高い接合を可能にできた。
【００４７】
特に、Ａｕ−Ｓｎ半田を用い、処理炉内の酸素濃度、接合処理条件（温度、時間）を制御することによって、半田組成、花弁の凹凸比、反応層の厚み、導線と反応層の界面の酸素量を制御することができ、その結果、極めて接合信頼性の高い接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接合体の構造を示すもので、（ａ）は接合部の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’の概略断面図、（ｃ）はその一部分の拡大断面図である。
【図２】従来の接合体の構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・端子電極
３・・・導線
４・・・半田
５・・・反応層
【図１】
0003704516.tif 000003
【図２】
0003704516.tif 000004