(57)【要約】【課題】  フラックスを用いるハンダ付けでハンダ付け後の洗浄工程を経ずにハンダ接合を行う機器の製造方法の提供。【解決手段】  本発明の製造方法は、まずロジンレスフラックスのペーストハンダ、もしくはロジンレスフラックスを使用したハンダを接合位置に配置し、次いで、ハンダを配置した構造材を真空排気し、真空排気後に、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持してリフローし、リフロー工程の後で、再度真空排気し、この後で、還元性ガス雰囲気で冷却し、冷却後、該還元性ガスを真空排気してから不活性ガスを封入する各工程を備える。【選択図】図１
2006167735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンダ層を介して接合した複数の部品を備えた機器の製造方法において、
ハンダ付け時にロジンレスフラックスのペーストハンダ、もしくはロジンレスフラックスを使用したハンダを機器あるいは構造材の接合位置に配置する工程と、
該ペーストハンダもしくはフラックスを使用したハンダを配置した機器、構造材を真空排気する第１の真空排気工程と、
該真空排気の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第２の真空排気工程と、
該第２の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で、該還元性ガスを排気する第３の真空排気工程と、
該第３の真空排気工程の後で不活性ガスを封入する不活性ガス封入工程とを備えることを特徴とする機器の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記還元性ガス雰囲気が水素ガス雰囲気あるいは、水素ガスと不活性ガスとを含む混合ガス雰囲気であることを特徴とする機器の製造方法。
【請求項３】
請求項１において、前記ロジンレスフラックスのペーストハンダが、単体金属、合金、化合物もしくは混合物を含む金属粒をＳｎ系もしくはＩｎ系粒の中に混ぜた、複合ペーストハンダであることを特徴とする機器の製造方法。
【請求項４】
請求項１において、前記ロジンレスフラックスを使用したハンダが、単体金属、合金、化合物もしくは混合物を含む金属粒、金属もしくはメタライズされた非金属の網あるいは繊維を、Ｓｎ系もしくはＩｎ系ハンダの中に混ぜた複合ハンダ箔であることを特徴とする機器の製造方法。
【請求項５】
請求項１において、前記ロジンレスフラックスのペーストハンダ、もしくはロジンレスフラックスを使用したハンダがＰｂフリーハンダであることを特徴とする機器の製造方法。
【請求項６】
請求項１において、前記リフロー工程の後にプラズマ処理による表面清浄化プロセスがあることを特徴とする機器の製造方法。
【請求項７】
請求項３において、前記ハンダの接合部が、ハンダ成分とハンダ成分とは異なる金属成分との化合物とハンダとによって接合されていることを特徴とする機器の製造方法。
【請求項８】
請求項４において、前記ハンダの接合部が、ハンダ成分とハンダ成分とは異なる金属成分との化合物とハンダとによって接合されていることを特徴とする機器の製造方法。
【請求項９】
第１の構造材と第２の構造材とを、ハンダ接合部を介して接合した機器であって、
該機器のハンダ接合が、
第１の構造材と第２の構造材との接合位置にロジンレスフラックスのペーストハンダ、もしくはロジンレスフラックスを使用したハンダを配置する工程と、
該ペーストハンダもしくはフラックスを使用したハンダを挟持した第１の構造材と第２の構造材とを真空排気する第１の真空排気工程と、
該真空排気の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第２の真空排気工程と、
該第２の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で、該還元性ガスを排気する第３の真空排気工程と、
該第３の真空排気工程の後で不活性ガスを封入する不活性ガス封入工程とを経由して形成されたことを特徴とするハンダ接合部を介して接合した機器。
【請求項１０】
請求項９において、前記還元性ガス雰囲気が水素ガス雰囲気あるいは、水素ガスと不活性ガスとを含む混合ガス雰囲気であることを特徴とするハンダ接合部を介して接合した機器。
【請求項１１】
請求項９において、前記ロジンレスフラックスのペーストハンダが、単体金属、合金、化合物もしくは混合物を含む金属粒をＳｎ系もしくはＩｎ系粒の中に混ぜた、複合ペーストハンダであることを特徴とするハンダ接合部を介して接合した機器。
【請求項１２】
請求項９において、前記ロジンレスフラックスを使用したハンダが、単体金属、合金、化合物もしくは混合物を含む金属粒、金属もしくはメタライズされた非金属の網あるいは繊維を、Ｓｎ系もしくはＩｎ系ハンダの中に混ぜた複合ハンダ箔であることを特徴とするハンダ接合部を介して接合した機器。
【請求項１３】
請求項９において、前記ロジンレスフラックスのペーストハンダ、もしくはロジンレスフラックスを使用したハンダがＰｂフリーハンダであることを特徴とするハンダ接合部を介して接合した機器。
【請求項１４】
請求項９において、前記リフロー工程の後にプラズマ処理による表面清浄化プロセスがあることを特徴とするハンダ接合部を介して接合した機器。
【請求項１５】
請求項１２において、前記ハンダの接合部が、ハンダ成分とハンダ成分とは異なる金属成分との化合物とハンダとによって接合されていることを特徴とするハンダ接合部を介して接合した機器。
【請求項１６】
請求項１３において、前記ハンダの接合部が、ハンダ成分とハンダ成分とは異なる金属成分との化合物とハンダとによって接合されていることを特徴とするハンダ接合部を介して接合した機器。
【請求項１７】
メタライズしたセラミック基材と金属構造材とを、ハンダ接合部を介して接合した機器であって、
該機器のハンダ接合が、
メタライズしたセラミック基材と金属構造材との接合位置にロジンレスフラックスのペーストハンダ、もしくはロジンレスフラックスを使用したハンダを配置する工程と、
該ペーストハンダもしくはフラックスを使用したハンダを挟持した前記メタライズしたセラミック基材と前記金属構造材とを真空排気する第１の真空排気工程と、
該真空排気の後で、還元性ガス雰囲気で予め定めた温度に昇温し、所定の時間保持するリフロー工程と、
該リフロー工程の後で、排気する第２の真空排気工程と、
該第２の真空排気工程の後で、還元性ガス雰囲気で冷却する冷却工程と、
該冷却工程の後で、該還元性ガスを排気する第３の真空排気工程と、
該第３の真空排気工程の後で不活性ガスを封入する不活性ガス封入工程とを経由して形成されたことを特徴とするハンダ接合部を介して接合した機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構造製品及びマイクロマシーン、マイクロデバイス、光モジュール等の機器のハンダ接合を、フラックスを用いて無洗浄で表面を清浄化し製造する製品の製造法と該製造方法で製造した製品とに関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物、機械部品等の製品をフラックスを用いたハンダ付け、あるいはハンダペーストを用いたハンダ付けにおいては、還元性のあるロジン入りフラックス（さらに、活性化のためハロゲンを微量添加する場合もある。）を用いるのが一般的である。そして、ハンダ付け後の工程では、特許文献１に記載のようにフラックスの洗浄が必須になっている。
【０００３】
また、接合面積が大きい場合、フラックスを用いた方法でのボイド率低減化には限界がある。このため、フラックスを使用しない方法として、ハンダ箔を用いて還元雰囲気の水素炉を用いた接合方法が一般に使用されている。このような接合方法が特許文献２に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２２１６６８号公報（（０００２）段落から（０００４）段落の記載）
【特許文献２】特開平１０−２７０６１２号公報（（００１９）段落から（００２０）段落の記載）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フラックスを用いるハンダ付けでは、フラックスを洗浄しないと松脂が付着しているので、その上にゴミが付着し易く、汚染の問題、後工程への影響等の問題が残る。
【０００６】
また、フラックスを洗浄液を用いて洗浄する場合は、洗浄液は多量で、環境負担やコスト負担が増す問題がある。
【０００７】
ハンダ箔を用いて還元雰囲気の水素炉を用いた接合方法の場合は、ハンダの供給が制約されるため、微小部、複雑形状の接合が困難である。
【０００８】
微小部、複雑形状、高精度の接合を対象とする場合、ハンダ供給に制限が少なく、自由度があるペースト方法は必要な技術である。他方、構造物、機械部品等の製品においては、ボイドを極力なくして、さらに、細穴、複雑形状等に対しても同時に接合できて、かつ洗浄が不可能な、あるいは洗浄を望まない製品がある。
【０００９】
ボイドを低減するために、強いフラックスを用いた洗浄方法もあるが、強いフラックスを用いて、ぬれ性を向上させることが、必ずしもボイド低減化に繋がらない。即ち、ボイド形成がぬれ性で決まるものではなく、巻き込み、反応により発生するガスもあり、内部のガスを如何に逃がすかにかかっている。
【００１０】
また、フラックスを用いた洗浄方法では使用できない製品もあり、さらには洗浄が可能であっても、洗浄液処理の環境負荷が大きな負担になっている。
【００１１】
本発明の目的は、フラックスを用いたハンダ付けでハンダ付け後の洗浄工程を経ずに機械構造製品及びマイクロマシーン、マイクロデバイス、光モジュール等の機器のハンダ接合を行う機器の製造方法の提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、無洗浄で金属表面を清浄化し、かつボイド率を低減して、比較的大型の構造物、機械部品等だけでなく、微小部、複雑な形状の物品を、高い精度で接合する機器の製造方法である。
【００１３】
本発明の製造方法は、ハンダ接合面積の大小に関係なく、また、ボイドに厳しい構造物、機械部品等の製品の接合も、ハンダペーストの印刷やハンダペーストのデイスペンサー供給、あるいはハンダ箔供給、ハンダメッキ等による、フラックス塗布方法でハンダ付けし、ハンダ付け後に、無洗浄でハンダ付け表面を清浄化する。
【００１４】
本発明の製造方法は、洗浄工程を伴わないので環境への負荷が軽く、かつ、水素雰囲気と減圧条件とを組み合わせた加熱炉を用いるのでハンダ接合部のボイドを低減する。本発明では無洗浄化のためフラックスはノンハロゲンは当然ながらロジンレスとし、ハンダ付けプロファイルでフラックス成分を全て揮発させる。
【００１５】
本発明の接合方法は、リフロー工程の後にプラズマ処理工程を備えるので、リフロー温度を十分に上げられない場合でも、微量のロジンレスフラックスの残渣を処理でき、比較的低い温度条件でも接合表面を清浄にできる。
【００１６】
本発明の接合法では、接合部分のぬれ性を出すために必要なロジン入りフラックスを用いなくても、水素雰囲気と、減圧条件でのハンダ付けとの組み合わせで、（１）ボイド率を従来プロセスと同等かそれより低減し、（２）溶剤を用いる洗浄工程を経由しなくても接合部の表面を清浄にし、さらに、（３）ハンダをペースト、デイスペンサー等で供給して、大面積部の接合だけでなく、細かい箇所、複雑な箇所の接合も一括リフローで行う。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、フラックスを用いたハンダ付けでハンダ付け後の洗浄工程を経ずに機械構造製品やマイクロマシーン、マイクロデバイス、光モジュール等の機器のハンダ接合を低いボイド率で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の詳細を図面を用いながら説明する。
【実施例１】
【００１９】
本実施例では、ハンダペーストのフラックスを、ハンダ付けプロセスで溶媒、溶剤等を揮発させる必要からロジンレスとした。一般的な電気炉を用いた窒素雰囲気等の不活性雰囲気だけでは、ロジンレスのためフラックスに還元能力がほとんどないので、ハンダのぬれ性が不十分であり、ボイドが多く、接合に適さないことが分かった。なお、ロジンレスフラックスの低沸点溶剤としてはブチレングリコール（沸点１９０.５℃）や、エチブセルソルブ（沸点１３６℃）が、増粘剤として石油樹脂等がある。
【００２０】
本実施例では、２枚の平坦な大面積（１辺が５cmの四辺形）のＮｉメッキしたＣｕ板、もしくは熱伝導性に優れ、線膨張係数をセラミックに近づけたＣｕ−Ｃ複合板の間に、メタライズを施したセラミック絶縁基板を挟んで、ハンダ付けもしくは低温ろう付けし、反りの少ない高熱伝導性に優れる絶縁複合板を製造した。
【００２１】
図１はハンダ付け前（ａ）、後（ｂ）の断面モデルである。ハンダはペーストで供給しても良く、あるいは予めハンダメッキ等で基板側に供給しても良く、あるいは図１のように、ハンダ箔６にフラックスを塗布しても良い。ＮｉメッキされたＣｕ板と、Ｎｉメッキ等のメタライズを施したセラミック絶縁基板１との間に厚さが約１００μｍのハンダ箔６を挟み、ロジンレスフラックス５を十分に塗布、あるいはしみ込ませても良い。また、ハンダ箔６に代えて印刷等でハンダペーストを供給しても良い。
【００２２】
位置決め後、可変雰囲気ハンダ付け炉（真空ハンダ付け炉）を用いてハンダ付けを行うと図１（ｂ）のようなハンダ７中にボイドが少ない断面が得られる。なお、接合部に大面積部及び複雑な形状の箇所、微細な箇所がある場合、ハンダペーストとハンダ箔の併用も可能である。
【００２３】
水素還元雰囲気によるぬれ性向上とボイド率の低減化と真空引きのタイミングの良い減圧による脱泡効果とにより、更なるボイド低減効果及びフラックスの揮発を促進させることができる。特に、十分なリフロー温度に達した後、成長した接合部のボイドは減圧により外側に吸引されるように排出される。ボイド低減化には水素による還元反応と減圧による脱泡効果が大きい。
【００２４】
図２（ａ）はＮｉメッキされたＣｕ板２同志をハンダ付けした断面のモデルで、図２（ｂ）は平面に平行な面で切断したハンダ断面である。図２（ｂ）のＡＡ縦断面が図２（ａ）に相当する。ハンダ外周部が溶融中に減圧されることで、圧力が高い内部のボイド３は圧力の低いハンダ外周部１３に移動１４して排出される仕組みのモデルを示す。急激に圧力を下げることで、ボイドを外に排出する強い駆動力が発生する。
【００２５】
フラックスはハンダ付け温度プロファイルで揮発するため、洗浄なしで表面を清浄化できる。なお、ハンダ付け温度を低くして、かつ確実に表面を清浄化するため、後工程にプラズマ処理を取り入れることもある。
【００２６】
なお後の工程で高い清浄度が要求される場合、あるいは後の工程に接合接着工程がある場合、フラックス残渣が存在すると、密着力、あるいはゴミの付着等に影響を及ぼすので、除去が必須になる。
【００２７】
しかし、部品の裏面、ケース等の裏側、隅部、隙間等では水素雰囲気ガスの流れが十分に行き届かず、残渣が微量残る場合もある。このような残渣が微量残る可能性がある位置は、陰になる箇所であり、しかもフラックス自体が十分な電機絶縁特性を有しているので、通常は問題とはならない。
【００２８】
このため、このような陰の箇所の残渣の組成を分析することで、フラックスの種類がロジン系であるか否かを確認できる。なお、ロジン系フラックスにはアビエチン酸、イソピマル酸等がある。ロジンの場合は比較的に融点が高く（max ２１９℃の樹脂酸も含まれる）、従って揮発し難く、残り易い性質があるものと思われる。部品の裏側等の水素ガスで置換され難い箇所の部分の組成を分析することで、残渣が残り易いロジンを含んだフラックスを用いた場合は分析で検出されるが、ロジンを使用しない場合は残渣は残らない。これによってロジンの使用の有無を区別できる。ロジン入りの場合、フラックスがコネクター内部に侵入して洗浄処理でも除去しきれない事はある。
【００２９】
本実施例では、圧力のプロファイルを制御できる真空ハンダ付け炉を用いた。真空ハンダ付け炉内をロータリー真空ポンプで排気し、短時間で大気圧（７６０Torr）から１０-1Ｐａ（１０-3Torr）レベルの圧力に到達した。図３に本実施例の温度プロファイル４０と、炉内の圧力である炉内圧力プロファイル４２と、サンプルの圧力の履歴である試料の圧力プロファイル４１とを示す。なお、図３では圧力軸は対数目盛りであり、温度軸と時間軸とはリニア目盛りである。
【００３０】
図３に示すように、まず、半導体チップと導電層との間に配置したロジンレス・フラックスのペーストハンダを所定の時間真空排気し、この後で、大気圧の還元性ガス雰囲気を導入して予め定めた温度に昇温し、所定の温度範囲で所定の時間保持してリフローし、リフローの後に、所定の温度範囲に保持して再び真空排気し、還元性ガス雰囲気を再び導入しこの雰囲気で所定の温度になるまで冷却し、この後で所定の時間真空排気した後、不活性ガスを封入する。
【００３１】
図４に本実施例のプロセスフローを示す。図４に示した番号は、図３の温度圧力の経時プロファイルに付した番号の位置に対応している。脱泡、窒素置換、水素雰囲気と減圧の組み合わせの一連の工程を経てハンダ付けが終了する。ボイドレス化に対しては（８）ステップの真空（排気）と、（４）ステップの保持時間の影響が大きい。
【００３２】
本実施例で用いたハンダはＰｂフリーハンダのＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ(融点２２１〜２１７℃) で、Ｃｕ及びＮｉメッキに対するハンダの拡がり性は、従来のＰｂ−Ｓｎハンダに比べると劣る。しかし、ハンダ付け後のボイド率は数％以下で、従来のＰｂ−Ｓｎハンダ箔を使用した水素炉を用いた方式と同等以上に良好である。
【００３３】
低沸点の溶剤を用いたフラックスは水素との反応及び真空ポンプで排気することによる急激な減圧効果で分解し、リフロー最高温度が２７０℃では、全て揮発させることができた。ハンダ付け後のハンダ及び周囲の金属セラミック基板等の表面のオージェ分光分析では、有機物の残存は検知されなかった。
【００３４】
このように、大きな面積の接合で、減圧条件と低沸点フラックスと水素雰囲気との組み合わせの中でハンダを溶融させる本実施例によれば、はんだ接合部のボイド率が少ない良好なものが得られた。
【００３５】
本実施例で作製した試料と、従来技術のロジン入りフラックスを用い、洗浄したものと、同じく水素炉を使用してフラックスレスで作製した試料のボイド率を比較した結果、本実施例では従来技術のものと同等かそれより低いボイド率であることが分かった。これの理由は本実施例では酸化させない雰囲気と水素による還元と減圧による脱泡の工程があると考える。
【００３６】
なお、本実施例ではセラミック絶縁基板を挟んで、ハンダ付けもしくは低温ろう付けし、反りの少ない高熱伝導性に優れる絶縁複合板を製造したが、その他にも高熱伝導板と薄い高機能材との接合等の応用も可能である。
【００３７】
本実施例に示した手法は低融点のろう材（例えばリン銅ろう系、Ｚｎ系）、Ｓｎ系以外のハンダ、例えば、Ａｕ−Ｓｎ系、Ｉｎ系、Ａｌ系）に対しても上記と同様である。また、接合部が酸化し易いために従来技術では残渣の問題がある強いフラックスを用いざるを得なかったハンダ接合でも、本実施例に示したように、ハンダ付け温度に合わせて分解し易く、毒性のない高分子系溶剤を用いれば、フラックスを使用しないでハンダ接合が可能になり、しかもハンダ接合後も洗浄レスで表面を清浄化できる。
【００３８】
本実施例の無洗浄で表面を清浄化する方法や、微小部で、複雑な形状の部材の接合方法は単にハンダ接合に限らず、ロボット分野や、例えば人体の血液の流れ、人工臓器等のマイクロデバイス関係や、多層基板の層間接合関係や、マイクロマシーン関係や、光素子接合関係等へ当然応用展開ができる。
【実施例２】
【００３９】
本実施例では融点が異なる２階層のハンダを使用するので、次の２通りの方法を検討した。
（Ｉ）高温系ハンダに固体のＣｕボール(Ｃｕ粒子)とＳｎ−１０Ｓｂハンダボール（ハンダ粒子と呼ぶ）とを混合した複合ハンダペースト、低温系ハンダにＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕハンダとの組み合わせた場合。
【００４０】
Ｐｂフリーハンダの中で２８０℃以上の高温でも強度を確保できる複合ハンダを用いた。使用時においては瞬時においても３００℃に達する高温での使用はない（この場合は銀ろう付けを用いる）。問題になるケースは、２階層目のハンダ付けプロセス時に最初に接合した箇所が、後工程における高温での処理中に強度的に耐えられない場合の対応である。
【００４１】
３００℃レベルの高温で強度を確保できる原理は、Ｃｕ粒子間同志の接合部における高融点化合物形成（Ｃｕ6Ｓｎ5，Ｃｕ3Ｓｎ ）、及びＣｕ粒子とＮｉメッキ端子間の高融点化合物形成（Ｎｉ3Ｓｎ4、(Ｃｕ，Ｎｉ)6Ｓｎ5等）により高温時の強度確保である。Ｃｕ粒子同志がＳｎ系ハンダを介して繋がっている箇所は、ハンダ付け時にＳｎ系ハンダ自体は再溶融する。但し、所々でＣｕ粒子同志が化合物で連結されるので、３００℃以上の高温でも接合強度を有する。このことは、例えば特開２００２−２６１１０５号公報に記載がある。接合部の２８０℃における高温せん断強度は１Ｎ／mm2 以上が期待できるが、少なくとも０.５Ｎ／mm2以上あれば、後工程で強度不足による支障は生じない。
【００４２】
従って、後工程でのハンダ付け温度が２４０℃以上になっても、一度接合された箇所の高温時の強度は確保しているので、Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ 複合ハンダを用いても強度上の問題はない。
【００４３】
もし、後工程のハンダ付け時でも、先に接合したハンダが溶融されずに、かつ強度を確保することを望むのであれば、少しでも融点の高いＳｎ−１０Ｓｂ（融点２３５〜２４０℃）との組み合わせが良い。この場合の電極メタライズとしてはＮｉ／Ａｕフラッシュメッキが良い。Ａｕフラッシュにする理由はハンダ中にＡｕが入ると脆化するためである。約０.０３μｍ のハンダ厚みでは脆化の問題は起こらず、Ｎｉメッキ表面の酸化防止、ぬれ性向上の効果が期待できる。ハンダ付け温度としてはmax ２４０℃で、フラックスの成分は１００％揮発させることができる。部品の耐熱性の問題でハンダ付け温度が制約される場合、例えば、２３０℃位でＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ を用いて接合させる場合、低沸点系のフラックスの選定によりフラックス成分を１００％揮発させることも可能である。揮発が完全でない場合はプラズマ処理等による残渣除去処理プロセスを加える。
【００４４】
複合ハンダのＳｎ系ハンダ粒子とＣｕ粒子との配合比率(重量比) はＳｎ／Ｃｕ＝０.５〜３まで可能である。即ち、Ｓｎを多くしても粒子径の大きいＣｕ粒子を一部、分散させる程度に混ぜて、高温でハンダ付けすることで、分散した状態で棒状のＣｕ−Ｓｎ化合物が形成され、Ｃｕ粒子間、端子とＣｕ粒子間が金属間化合物で一部が拘束され、３００℃以上の高温においてもある程度の接合強度を有する。
【００４５】
図５は一部、大きなＣｕ粒子１０を含んだ場合のハンダ付け後の断面を示す。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダを２８０℃の高温でハンダ付けすると、ハンダ中にＣｕ−Ｓｎ化合物９が各所に形成され、かつ間隙制御用の特に大きなＣｕ粒子１０は、粒状で残る。微細Ｃｕ粒子と粗大Ｃｕ粒子の混ぜ具合で、棒状の化合物が接触することで、高温での強度を確保できる。Ｃｕ−Ｓｎ化合物９の接触割合が多過ぎると、ハンダの変形が難しくなるので望ましいとは言えない。僅かに接触部が存在する程度が変形と高温強度のバランスを保ち、望ましいと考える。
【００４６】
Ｃｕ粒子及びＳｎ系ハンダの粒子径はファインピッチ用としては２０〜４０μｍが使用されるが、対象製品により使い分ける必要がある。間隙制御を兼ねてＣｕの粒子径が８０μｍレベルのものを適量添加しても良い。
【００４７】
図５は上側がＣｕ板で、下側がＮｉメッキＣｕ板の例である。メタライズ界面においてはＣｕ板２の場合はＣｕ−Ｓｎ化合物９（Ｃｕ6Ｓｎ5、Ｃｕ3Ｓｎ ）、Ｎｉメッキ１６の場合はＮｉ−Ｃｕ−Ｓｎ化合物１７〔Ｎｉ3Ｓｎ4、(Ｃｕ，Ｎｉ)6Ｓｎ5等〕が形成される。ハンダ中のＣｕ−Ｓｎ化合物は界面のＣｕ−Ｓｎ化合物と一体化する。Ｎｉ界面の場合はＮｉ−Ｃｕ−Ｓｎ化合物となる。なお、Ｃｕ粒子１０表面に１μｍ以下のＮｉメッキ、さらにその上にＡｕフラッシュメッキ(約０.０３μｍ) を施しても良い。これまで、Ｃｕ粒子混合により内部のボイドが放散でき難いことに課題があったが、水素雰囲気と真空脱泡の組み合わせにより、隙間にハンダが入りやすくなり、大幅なボイド低減を可能にし、複合ハンダの長所を活用できる。また、Ｃｕ粒子間が一部、接触することにより、熱伝導性が優れる構造となる。
（II）高温側にＳｎ−１０Ｓｂハンダペーストを、低温側にＳｎ−(１.５〜３)Ａｇ−０.５Ｃｕ−７Ｉｎハンダペースト（融点１９８℃〜２０７℃）を組み合わせた場合。
【００４８】
低温側のハンダのリフロー温度(max) は２２５℃に設定可能なため、Ｓｎ−１０Ｓｂハンダ（２３５〜２４０℃）とは温度階層接合が十分に可能である。この系の低温系ハンダは基本的にはＳｎのマトリクスで形成されているので、Ｓｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ に比べ、固相線温度は若干下がるが、高温の耐性はＳｎ−３Ａｇ−０.５Ｃｕ に近く、変形性は従来のＰｂ入りのＳｎ−３７Ｐｂ共晶の性質に近い系である。
【実施例３】
【００４９】
図６に本実施例の断面図を示す。図６はメタライズ１２されたセラミック絶縁基板１とＣｕ板２との接合例で、溶融前後の断面モデルを示す。図６（ａ）は溶融前のペーストで供給した断面であり、Ｃｕ粒子１０とハンダ粒子４が混ざり、フラックス５で拘束されている。図６（ｂ）は溶融後の断面モデルで、高い温度で溶融させた場合、Ｃｕ−Ｓｎ化合物９がハンダ７中に大きく成長し、棒状、針状晶が形成され、Ｃｕ板２及びメタライズ１２とも化合物と連結されるため、３００℃でも必要とする強度を確保している。
【００５０】
Ｃｕ粒子１０とハンダ粒子４との配合率、Ｃｕ粒子の粒度分布等を変えることで３００℃における高温強度確保、複合ハンダの変形性の両立を図ることが可能である。経験的には、固体粒子を少なくし、その中で少量のＣｕ粗大粒子を混ぜることで、Ｃｕ粗大粒子を分散させボイドを低減し、熱伝導性に優れ、かつ間隙を制御した複合ハンダ構造になる。なお、本実施例ではロジンレス・フラックスを用い、max ２５０℃のハンダ付け温度に設定した。この温度では、水素と減圧の効果でフラックスは揮発するので、密着力に影響を与える金属及びセラミック基板上でのフラックス残渣は存在しない。なお、残渣の有無は接合部の表面をオージェ分光分析によって確認できる。
【実施例４】
【００５１】
本実施例を図７に示す。図７はＮｉメッキされたＡｌキャップ８をハンダ７を介してＣｕ板２に接合封止した例であって、Ａｌキャップに開閉口１１を設けた場合である。実施例１から実施例４と同様に炉に入れて、溶剤系を揮発し、減圧後、窒素に置換された状態で封止されるので、封止後の信頼性が高い。ハンダ封止はハンダペーストに限らず、ハンダ箔と、低沸点のロジンレス・フラックスを用いてもよい。
【実施例５】
【００５２】
本実施例ではハンダ組成として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系では、例えばＳｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ系では、例えばＳｎ−０.７Ｃｕを実施例１から実施例４と同様に用いて接合した。なお本実施例では、実施例１から実施例４に記載のＳｎ系ハンダや、前記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ、Ｓｎ−Ｃｕ系ハンダに、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｎｉ等を１種類以上微量添加した組成を用いることができ、例えばＳｎ−(０.５〜３)Ｚｎ 等を用いることができる。
【００５３】
本実施例では、高温系鉛フリーハンダとして、Ｓｎ−１０Ｓｂ以外に同系統でＳｂ量を変えたＳｎ−(５〜１０)Ｓｂ（融点２３２〜２４０℃）も用いた。このハンダで装置を組み立て、これを他の部品に接合する場合には、この組成と温度階層を可能とする低温系ハンダとして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ共晶系にＩｎを５〜１０％添加した低融点高信頼ハンダを用いる。この低融点高信頼ハンダは、機械的性質に優れ、比較的柔軟であり、温度分布の優れた炉の使用によりmax ２２５〜２３０℃での接合が可能である。
【００５４】
同様に低温系ハンダでさらに融点を下げられるハンダとして、Ｓｎ−９Ｚｎ（融点１９９℃）もしくはＳｎ−９Ｚｎに微量のＩｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｎｉ等を１種類以上添加したハンダも同様に本実施例に適用できる。さらに、Ｓｎ−Ｚｎ系でＳｎ−（０.５〜３）ＺｎもしくはＳｎ−９Ｚｎに微量のＩｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｎｉ等を１種類以上添加した低温系ハンダも同様に本実施例に適用できる。
【実施例６】
【００５５】
Ｓｉウエハ上への機構部品作製技術であるマイクロマシニング技術は、例えば光インタコネクションモジュールにおいて、高精度な位置決めが要求され、かつハンダ付け後の変形性に厳しい要求があり、変形し難いＡｕ−２０Ｓｎ（融点２８０℃）が一般に使用されている。
【００５６】
そこで、本実施例では、粒子径が６μｍ以下の超微細粒子にした無洗浄ハンダペーストを用い、さらに、このハンダペーストに間隙制御用粒子を混合し、あるいは接合部の間隙を所定の寸法範囲に制御するためにハンダペーストにスペーサを介して加圧して接合して、実施例１から実施例３と同様にしてハンダ接合した。従来技術ではハンダを薄膜に形成してからハンダ接合していたが、本実施例では超微細粒子を用いた無洗浄用ハンダペーストを用いるので、コストと環境の問題を何れもクリアできる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施例１の絶縁複合板の断面説明図である。
【図２】実施例１の絶縁複合板のハンダ接合後の断面図と平面図である。
【図３】実施例１のハンダ接合の温度プロファイルと、圧力プロファイルの説明図である。
【図４】実施例１のハンダ接合のプロセスフローの説明図である。
【図５】実施例２の大きなＣｕ粒子を含むハンダを用いた接合部の断面模式図である。
【図６】実施例３のセラミック基板とＣｕ板との接合部分の断面説明図である。
【図７】実施例４のＡｌキャップ封止の断面説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…セラミック絶縁基板、２…Ｃｕ板、３…ボイド、４…ハンダ粒子、５…フラックス、６…ハンダ箔、７…ハンダ、８…ＮｉメッキされたＡｌキャップ、９…Ｃｕ−Ｓｎ化合物、１０…Ｃｕ粒子、１１…開閉口、１２…メタライズ、１３…ハンダ外周部、１４…移動、１５…空洞部、１６…Ｎｉメッキ、１７…Ｎｉ−Ｃｕ−Ｓｎ化合物、４０…温度プロファイル、４１…試料の圧力プロファイル、４２…炉内圧力プロファイル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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