(57)【要約】  本発明は、複数の金属部材２及び／又は複数の金属化／金属被覆部材２、即ち隣接した複数の部材２の複数の金属表面層３を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜に関する。  本発明の課題は、費用対効果があり、環境にやさしく及び毒性がなく、構成要素の表面層にはんだ付けされる拡散はんだ付けの為の無鉛はんだ膜が４００℃よりも高温で他と接合され、例えば約２４０℃が軟質はんだの為の典型的なプロセス温度範囲として提供され、五分以下のはんだ付けプロセス時間、それに続く熱処理を除き及びはんだ付けの間の押圧力を行使しないことであり、はんだ付けするための部材の表面層は、高融点の接合領域の一連の層が金属間化合物層の形態において４００℃よりも高いリフロー温度で発生するということによって互いに接合され得る。  拡散はんだ付けの為の本発明による無鉛はんだ膜１は、はんだ接合材料を及び軟質はんだマトリックス５の無鉛軟質はんだ雰囲気に高融点の金属成分７のコンパクトな粒子６を無鉛軟質はんだ８によって完全に取り囲まれることによって、ロールクラッドによってはんだ接合材料４が製造され、その際、分散して分布した高融点の金属成分７の粒子６は、層の厚み方向に３μｍから２０μｍの厚さを備え、粒子６の間隔は軟質はんだマトリックス５中で互いに１μｍ〜１０μｍであり、高融点の金属成分７の個々の粒子６はすべての面が１μｍ〜１０μｍの厚さの無鉛軟質はんだ８の層で被覆されており、及びはんだ膜１は、接合するための部材２の金属表面層３と隣接する外側の外層１０を備え、この層厚が２μｍ〜１０μｍであり、軟質はんだ８から構成されている。
2020520807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属部材（２）及び／又は複数の金属化／金属被覆部材（２）、即ち隣接した複数の部材（２）の複数の金属表面層（３）を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜（１）において、
−通常の軟質はんだ付け工程中に、軟質はんだマトリックス（５）の軟質はんだ（８）を、４００℃よりも高い融点を有する金属間化合物層（９）に完全に転移させるため、硬質はんだ成分である高融点の金属成分のそれぞれの粒子（６）が、前記無鉛軟質はんだ（８）によって完全に包囲されているように、当該複数の粒子が、軟質はんだマトリックス（５）である無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、前記無鉛はんだ膜（１）が、はんだ接合材料（４）からコンパクトに構成されていること、及び
−前記の軟質はんだマトリックス（５）中に分散した高融点の金属成分（７）の複数の粒子（６）は、膜厚の方向に３μｍ〜２０μｍの厚さを有し、前記軟質はんだマトリックス（５）中の複数の粒子（６）の相互の間隔は、１μｍ〜１０μｍであり、前記高融点の金属成分（７）のそれぞれの粒子（６）の全面が、１μｍ〜１０μｍの厚さの前記無鉛軟質はんだ（８）によって被覆されていること、及び
−前記高融点の金属成分（７）の割合に対する前記軟質はんだである前記軟質はんだマトリックス（５）の割合の比率は、形成すべき金属間化合物層（９）において必要であるよりも高くなく、
前記無鉛軟質はんだマトリックス（５）の全ての軟質はんだ（１）が、常に、形成すべきそれぞれの前記金属間化合物層（９）に転移されるように、前記複数の粒子（６）を包囲している前記無鉛軟質はんだマトリックス（５）の軟質はんだ（８）の百分率に対する前記はんだ接合材料（４）中に配列された前記高融点の金属成分（７）の複数の粒子（６）の百分率のこの比率は、当該それぞれの出発物質から生成すべき前記金属間化合物層（９）の化学量論式に従って決定されること、及び
−前記無鉛はんだ膜（１）の総厚は、２０μｍ〜０．５ｍｍであること、及び
−前記はんだ接合材料（４）である前記はんだ膜（１）は、接合すべき前記部材（２）の金属表面層（３）に隣接した外側の外層（１０）を有し、この外層（１０）の層厚は、２μｍ〜１０μｍであり、この外層（１０）は、軟質はんだ（８）から成ることを特徴とする無鉛はんだ膜（１）。
【請求項２】
複数の金属部材（２）及び／又は複数の金属化／金属被覆部材（２）、即ち隣接した複数の部材（２）の複数の金属表面層（３）を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜（１）を製造するための方法において、
−ロールクラッド法が、はんだ膜（１）中に含まれているはんだ接合材料（４）を製造するために使用され、当該はんだ接合材料（４）の製造のために、最初に、
その後のはんだ付け工程で、前記軟質はんだ成分が、前記金属間化合物層（９）中に完全に含有されるように、使用すべき金属成分の層厚が、全体的に互いに均等に存在するように、前記ロールクラッド法が開始されるときに、前記金属成分の両面が、前記軟質はんだ成分と常に接合するように、前記軟質はんだ成分と前記金属成分とが、予め設定／計画された百分率組成に従って交互に接合されて１つの積層に形成されること、及び
−続いて、別の複数のロールクラッドステップが、当該最初にロールクラッドされた積層を用いて実行され、これらのロールクラッドステップでは、当該ロールクラッドされたそれぞれの材料自体が一緒にロールクラッドされる結果、当該材料から成る層の数は増加するもの、これらの層の厚さは減少すること、及び
−前記はんだ接合材料（４）が製造されるまで、前記ロールクラッドステップが、軟質成分と硬質成分とから選択された材料の組み合わせと、はんだ成形部材用の希望した総厚とに応じて複数回繰り返されること、及び
−前記積層を複数回ロールクラッドする場合、当該個々の成分が、固体状態で混合されること、及び
−当該両成分のうちの一方の成分の層を粉砕することによって、その成分の一部が、他方の軟質成分の層中に分散される結果、１０μｍ以下の粒子間隔を有する構造が、前記ロールクラッドによって生成されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜（１）において、
−前記はんだ膜（１）は、多層はんだ膜（１１）として形成されていること、及び
−前記多相はんだ膜（１１）の個々の層が、請求項１に記載されているはんだ接合材料（４）と、高融点の金属成分２μｍ〜１００μｍの厚さの中間層（２３）である層とを交互させて構成されていること、及び
−前記多層はんだ膜（１１）は、接合すべき部材（２）の前記金属表面層（３）に隣接した外側の外層（１０）を有し、この外層（１０）の層厚は、２μｍ〜１０μｍであり、この外層（１０）は、軟質はんだ（８）から成ること、及び
−前記多層はんだ膜（１１）の総厚は、４０μｍ〜１．０ｍｍであることを特徴とする無鉛はんだ膜（１）。
【請求項４】
請求項３に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜（１）を製造するための方法において、
前記はんだ膜（１）は、多層はんだ膜（１１）としても形成され得て、この多相はんだ膜（１１）の個々の層は、ロールクラッドによって互いに接合され、
前記多層はんだ膜（１１）のこれらの個々の層は、請求項１及び２に記載されているはんだ接合材料（４）と、中間層（２３）である高融点の金属成分（７）の層とを交互させて構成され、
前記多層はんだ膜（１１）は、前記接合すべき部材（２）の前記金属表面層（３）に隣接した外側の外層（１０）を有し、この外層（１０）は、軟質はんだ（８）から成ることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１又は３のいずれか１項に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜（１）において、
前記無鉛はんだ膜（１）は、はんだ成形部材（１２）として無鉛軟質はんだ付け工程に使用され、
当該はんだ付け工程後の接合領域（１６）が、４００℃よりも高いリフロー温度を有するように、隣接した複数の部材（２）が互いに接合していることを特徴とする無鉛はんだ膜（１）。
【請求項６】
請求項１又は３に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜（１）において、
接合領域（１６）が、４００℃よりも高いリフロー温度を有するように、接合すべき製品（１４）で導電体として使用される１つの金属ボンディングワイヤ（１３）の複数の接合部（１５）で部分的に被覆されたこの金属ボンディングワイヤ（１３）が、無塩軟質半田付け工程後にこの金属ボンディングワイヤ（１３）に接合すべき複数の部材（２）を、これらの接合部（１５）で互いに接合させるように、前記金属ボンディングワイヤ（１３）のこれらの接合部（１５）が、この無鉛はんだ膜（１）で部分的に被覆されていることを特徴とする無鉛はんだ膜（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡散はんだ付けのための無鉛はんだ膜及びその製造のための方法に関し、金属製部材及び／又は金属化／金属被覆部材、即ち隣接した部材の金属表面層が互いに接合し得るはんだ膜及びその製造のための方法である。
【背景技術】
【０００２】
電子機器と特に加えてパワーエレクトロニクスにおけるはんだ接合の信頼性は、はんだ材料で製造された接合領域に応じて、今日のはんだ材料の良好な機械的、電気的、熱的特性を必要とする。その際、この耐久性が現在、更に高い温度領域に拡張されなければならない。
【０００３】
その上、国際的な傾向は、環境保護的及び健康安全的に、環境にやさしく無害の無鉛はんだ材料の使用に向かっている。
【０００４】
無鉛はんだへの転換過程では、多数のはんだバリエーション（主にスズベース）が開発され、このはんだバリエーションは鉛含有合金と比較して、良好な機械的、電気的、熱的特性を有しているが、約２１４℃から２５０℃の範囲で溶融する。その結果、それらの優れた特性の耐久性は、アプリケーションによってほぼ１５０℃までの用途に限定される。
【０００５】
より高い作業温度／動作温度に対して、現在、パワーエレクトロニクスで要求される特性の温度耐久性と必要な信頼性及び費用対効果を兼備する無鉛はんだはない。
【０００６】
それ故に、高温アプリケーションの場合、即ち、特に２５０℃を超える動作温度の場合、新しく安価に適用される無鉛はんだ膜を開発する必要性があり、この無鉛はんだ膜は、パワーエレクトロニクスにおいて必要とする要求を温度制御に適合され、一方でははんだ付け工程中に接合する部材を損傷しないために及び他方では費用対効果の観点のためでさえも高温耐性のはんだ接合を達成するために、このはんだ接合が接合領域の隣接する部材間での熱的信頼性を保障する。
【０００７】
現在、電子機器及び関連業界では、溶融温度が２８０℃の高価なＡｕ８０Ｓｎ２０共晶はんだが一部で使用される。
【０００８】
しかしながら、このＡｕ８０Ｓｎ２０はんだの幅広い使用は、例えばパワーエレクトロニクススイッチのＳｉ半導体回路のはんだ付けのように、はんだ材料のためのコストが高いため不可能である。
【０００９】
特許文献１では、これに関連して、スズ含有金はんだ又はインジウムはんだの使用下での金及び／又は銀と被覆した基板並びに電子部材の接合もまた記載されている。
これらの材料を使用する場合、スズ及び／又はインジウムを含むメタライゼーション層からの金及び／又は銀が、元々使用されていたはんだよりも高い溶融温度でもって接合領域を形成する。
接合プロセスは少なくとも２５０℃で行われ、１０分〜３０分間続くが、常に軽い接触圧力が必要不可欠であり、はんだ付け工程がより複雑になる。
【００１０】
それ故に、特許文献１に開示されているこの教唆の使用は、技術的な費用に基づいて形成され、並びに被覆の為の高い材料コスト及び産業使用のためのはんだは、厳しく制限される。
【００１１】
これまで、産業界では自由に使用できる金被覆合金の技術的及び経済的に許容可能な無鉛代替品がなく、環境にやさしく無害な無鉛はんだ材料の国際的な要求があるにもかかわらず、例外が許可される。これによれば、高融点の鉛はんだ（即ち、重量割合で少なくとも８５％の鉛を含む鉛ベースはんだ合金）は、今日でもなお許可されており、そのために健康上の懸念及び環境上の懸念にもかかわらず、実際に依然として広く使用されている。
例えばＳｉＣ又はＧａＮのような幅広いバンドギャップを有する半導体（ワイドバンドギャップ半導体）の増加する利用結果として、その動作温度が２００℃以上大幅に増加し得る。
しかしながら、はんだ接合の需要が増加しており、高温アプリケーション領域での技術要件即ち、１５０℃Ｃ〜４００℃の範囲の動作温度が適用される。
【００１２】
この問題を解決するために、とりわけ焼結技術が開発され、その助けでもって主に銀含有ペーストが電子部材の接合のために利用される。
しかしながら、はんだ付けとは対照的にこの接合方法の場合、強制的な押圧が必要である。
しかしながら、この追加の技術的構成要素である「押圧」は、焼結技術が大面積に普及することができなかった主な理由である。
【００１３】
別の選択肢は、反応はんだ付けの使用である。
これらは反応性多層システムであり、少なくとも２つの異なる材料の数ナノメートルの厚層で構成されている。
活性化後、層間の拡散が始まり、すぐに発熱反応が発生する。
これにより、はんだの溶融のために必要不可欠な熱を供給する。
このため、２つが一致する金属の非常に薄い（かなり小さい１μｍ）層は、全部合わせた層が４０μｍ〜１５０μｍの全層厚さで構成されるために、何度も交互に重ねて絶縁しなければなないけれども、この外側の層ははんだで構成されている。
これらの層状フィルムからはんだ成形部材を隔離できる。
選択的にこれらの金属は、はんだ付けするための部材上に交互に絶縁させ得る。その際、外側の層ははんだでなければならない。
接合プロセスは、反応層の加熱によって開始され、速度と熱量は層構造によってのみ制御し得るので、個々に応じたそれぞれ考えられるはんだ課題の為に、はんだ付けするための部材の材料投入又は形態部分の製造の場合、すでに設定されていて、広く及び全般的な使用の為にこの技術は大きな障害を意味する。
【００１４】
はんだ付けの広く使用されている技術の変形は、従来の技術を使用する場合の拡散はんだ付けを表す。ただし、追加のための技術的なステップが、外側の押圧の使用若しくははその後の熱処理又は長いはんだプロファイルを介することに応じて実現する。
そのような方法の結果では、はんだ付け工程中に発生する軟質はんだの元の組成から逸脱するため、接合するための部材は使用されるはんだ材料の融解温度よりも高い融解温度の物質を確実に接合する。
高融点の金属間化合物層のこの新しい物質を形成するために、はんだ材料中で一般的に使用されている、例えばスズのような低融点金属に加えて、例えば銅のような別の高融点の金属が必要とされ、融点が低融点金属の融点よりも高い金属間化合物層が、その金属からの拡散によって互いの中へ合成されている。
【００１５】
特許文献２からは、拡散はんだ付け工程の助けを用いた二つの金属層の接合のための方法が知られている。
特許文献２に開示されたこの解決策は、各金属層が最初に特別な方法で既に構造化されており、そこから少なくとも一つのはんだ層が追加的に提供されなければならない。
接合される各構成要素に適合したこの非常に特殊な造りを層のみが、そのような金属間化合物層のコンパクトで、適切に配置される接合領域の形成を保証するので、はんだ付け工程中に追加の押圧を行使する必要はない。
それ故に、特許文献２に開示されたこの解決策は、例えばウエハ上のチップのはんだ付けのような非常に特殊なアプリケーションに限定されている。
【００１６】
特許文献３からは、金属の核で構成されている拡散はんだ付けの多層はんだ膜が知られている。純粋な金属又は２８０℃よりも高い融点のこれらの合金から構成され、及び同種又は異種の層（スズ又はインジウムベースはんだから構成されている）で接合されている。その際、はんだ層の総厚は少なくとも５μｍである。
【００１７】
これら多層のはんだ膜の場合、特許文献３によれば、拡散はんだ付け工程が３００℃〜３８０℃、５分〜８分で実施される。
しかしながら、金属層の連続層を確保するために、さらに、接合した構成要素の熱処理が後に続いて実施されなければならない。
この解決策の場合、金属の核材料の不特定の層厚が熱処理後に残存している。
【００１８】
その上、特許文献４からは、金属のコアの拡散はんだ付けの為の多層はんだ膜が知られており、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ又はＮｉから成る金属のコアであり得、スズベース、インジウムベース又はビスマスベースはんだで構成する二つの層に適応されている。
拡散はんだ付け工程中に２つの軟質はんだ層が溶け、及び全面コア材料と反応する。
特許文献４による解決策に従って、適用された層は１μｍ〜最大２０μｍの厚さである。それ故に、はんだ付け工程の合理的な期間内（２４０℃で約１０分）で金属間化合物内の液相の転移が、はんだ付けされたコンポーネントの接着を、２６０℃での後続のプロセスステップで保障されて形成されるように広く実現されている。
【００１９】
拡散はんだ付け工程自体、および結果として得られる接合層の信頼性は、Ｏｅｓｃｈｌｅｒ及びＣ．Ｅｈｒｈａｒｄｔ（非特許文献１及び非特許文献２）による刊行物でもまた調査されている。
これらの刊行物に記載されている結果は、銅／スズ被覆半導体基板結合についてのみであり、押圧を使用する状態でのみ達成される。
【００２０】
特許文献５では、２５０℃を超える動作温度に適した拡散はんだ付けを用いたパワーエレクトロニクス部材の接合と同様に記載されている。
このために、高融点の金属層と低融点金属層でその都度構成する２層システムであり、この金属層は接合する構成要素上に配置すると理解される。
場合によっては、金属層の間に高融点の金属粒子と低融点金属粒子をさらに追加してシステム全体が構成され、その後加熱される。
この解決策の欠点は、金属間化合物／金属間化合物層の中にはんだ材料の液相の完全な転移が、従来のはんだ時間の明らかな延長によってのみ可能な点である。即ち特許文献５に従った解決策の場合には、３０分を超えるプロセス時間が必要である。
【００２１】
特許文献６に従って、２５０°Ｃを超える動作温度の熱サイクルに暴露されている基板、ここでは特にパワーエレクトロニクスの部材の接合の為に、複合接合層が使用される。複合接合層は、内側の接合領域及び外側の接合領域を備え、接合領域は内側の接合領域の周辺に位置している。その際、内側の接合領域の材料は外側の接合領域よりも大きな弾性力を有する；金属マトリックスに関し、金属マトリックスの一部分が外側接合領域と金属マトリックスの一部分が内側接合領域に位置し、その際金属マトリックスの弾性係数はソフト材料要素の弾性係数よりも大きいが、ハード材料要素の弾性係数よりも小さい。
特許文献６でのこの機能を備えた解決策の焦点は、異なる熱膨張係数と材料の間の応力の平衡次第である。
【００２２】
複合−接合層と呼ばれるこの特殊なケースは、拡散はんだ接合も含まれる。
しかしながら、この記述において、例えば本発明は接合プロセスと接合時間及び達成する接合部の構築のための指示を実行しないので、金属間化合物層の液体はんだ材料の完全な転移を達成するために、先行技術で通常のはんだ付け工程時間、即ち３０分を超えたはんだ付け工程時間から開始されるこの解決策の場合もまた、先行技術に従って必要不可欠である。
【００２３】
別の刊行物（Ａ．  Ｓｙｅｄ−ＫｈａｊａＩ（非特許文献３））からは、半導体デバイスと基板の拡散はんだ付けのための従来のはんだ合金からの単一のはんだ成形部材の使用が知られている。
これらの刊行物では、３％より多くない銅を含む従来のＳｎＣｕはんだの薄いはんだ成形部材（２５μｍ）の使用、高融点の金属間接合領域が完全な形成の為の押圧の使用なしで運用されるということが、説明されている。ただし、このために多少長いはんだ時間及び銅で金属化された少なくとも一つの部材が必要不可欠である。
しかしながら、両側がスズでめっきされた銅（Ｓｎ２０μｍ／Ｃｕ３５μｍ／Ｓｎ２０μｍ）で構成されているはんだ成形部材を使用する場合、高融点相への部分的な転移のみが達成される。即ち、接合領域に適合した低い溶融温度で軟質はんだ部分が残存する。
銅と金属化された部材を使用する場合にのみ、この転移が完全に行われる。
すべての結果は、適用される粗さの部材と、２６０℃の温度で２２分のはんだ時間後でのみ達成された。
【００２４】
非特許文献２の刊行物では、従来の無鉛はんだペースト、即ちＳｎＡｇＣｕのように、拡散はんだ付け工程の実現のために、高融点の粉末、例えば銅を追加で均一に混合しなければならないとＣ．  Ｅｈｒｈａｒｄｔらは記載している。
これに関して、無鉛はんだペーストの溶融スズベースはんだが銅粉を除去し及びこれが金属間化合物層Ｃｕ６Ｓｎ５とＣｕ３Ｓｎを形成し得る。
高融解粉末とこの混合の無鉛はんだペースト使用の条件では、拡散はんだ付け工程での液相が押圧の使用下で完全に金属間化合物層へ転移する。
このように形成された二つの相の融点は４１５℃若しくは６７６℃である。
しかしながら、これらの無孔形成は、はんだ付け工程中の押圧に加えて、はんだペースト及び粉末の二つの必要な構成要素の非常に均一な混合物に結合する。
【００２５】
特許文献７には、はんだ手段として使用されるはんだペーストが記載されている。
これらはんだペーストは、高い溶融温度を有する追加の金属とはんだ材料の為の被覆絶縁核が含まれている。
特許文献７の解決策に従って、はんだ付け工程中のはんだ金属は、コアの金属化と完全に反応し、高融点のコアを囲む拡散はんだ付け工程に基づいた金属間化合物層を形成する。
結果として生じるはんだの接合部は、全体的に不均一な構造を有し、この解決策で達成する接合領域の熱伝導率に悪影響を及ぼす。
【００２６】
特許文献８では、粉末混合物が上記の粉末混合物の場合で、高融点の金属成分と低融点金属成分からなるはんだ金属が記載されており、粒形状または板形状の充填成分が添加剤として混合されている。
一般に、金属粉末又は金属顆粒は製造において非常に高価であり、及び加えて容積中での広い拡散範囲を有する。その結果、分類プロセスを介在させなければならず、さらにまた金属粉末の均一な混合が問題ないのではなく、それが非常に高価になるもとである。
粉末混合物自体はその後、特許文献８に従って、好ましくは液体有機溶媒の懸濁液として、又はペーストとして使用されるべきである。
この関連において適用される充填成分の適用はこの課題の場合、拡散はんだ付けの間に形成される金属間化合物層の厚さをμｍより薄く制限する。
それ故に、適切な濡れ性に応じて、結合を促進又は阻害する被覆を提供する必要があり、金属成分と非常に均一に混合する必要がある。
特別な実施形態／特構造形態では、特許文献８に従って、粉末からから成る前述のはんだ金属が薄膜へ押し込まれ、それからはんだ成形部材がパンチアウトされ、接合される対象の間に配置される。
使用される粉末の均質な分布の状態のこのようなフィルムの製造は、即ち粉末冶金が非常に高価で費用がかかる。その際、押圧の場合に即ち粉末冶金の方法において、理論密度は達成可能になく、又非常に困難即ち高コストで達成可能である。
【００２７】
特許文献８に従ったこの解決のすべての実施形態の欠点は、所望な金属間化合物層を達成するために、二つの前述されたような追加の金属成分に充填構成成分が必要不可欠とされる点である。
さらに、これら解決策の説明に従って、金属間化合物層内の液体はんだの完全な転移を達成するために、３０分を超えるはんだ付け工程時間、若しくは終了段階でのアニールプロセスが必要不可欠である。
【００２８】
加えて、表面をより良く濡らすために、はんだ付け工程の場合ではフラックスの添加が有利であると考えられる。
しかしながらこのフラックスは、特許文献８の記述に従うと有機酸が発生し、労働安全及び健康保護に関して欠点がある。その結果、はんだ付け工程の後に追加操作で除去されなければならない。
【００２９】
それ故に要約すると、パワーエレクトロニクスにおいて及び他のアプリケーションで現在のところ使用されている低コストの無鉛の軟質はんだは約１５０℃までの動作温度範囲しか被覆し得ないことに留意すべきである。
１５０℃より高いはんだ付けされた構成要素の動作温度範囲について、金被覆はんだ合金に対して現在のところ技術的にも経済的にも是認できる無鉛はんだ代替品は作製されていない。それは、パワーエレクトロニクスにおいて要求される温度抵抗が要求される信頼性、是認できる効果即ち軟質はんだの為の即ち短いはんだ時間内に、及び追加のプロセスパラメータなしで、例えば追加の押圧又は追加の後述の熱処理に応じて兼備する。
【００３０】
それ故にこの関連において、新しい無鉛はんだを好ましくははんだ膜として提供するので、次にこれがはんだ成形部材の形態でもまた費用対効果があり技術的に使用可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】ＵＳ  ７６５９６１４  Ｂ２
【特許文献２】ＤＥ  １０  ２００７  ０１０２４２  Ａ１
【特許文献３】ＵＳ  ８３４８１３９  Ｂ２
【特許文献４】ＵＳ  ２００６  １８６５５０  Ａ
【特許文献５】ＵＳ  ９６２０４３４  Ｂ１
【特許文献６】ＵＳ  ２０１７／００８０６６２  Ａ１
【特許文献７】ＥＰ  １３３７３７６  Ｂ１
【特許文献８】ＷＯ  ９６／１９３１４
【非特許文献】
【００３２】
【非特許文献１】Ｎ．  Ｏｅｓｃｈｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．：  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｓｌoｔｅｎ−  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ  ｆuｒ  ｈｏｃｈｚｕｖｅｒｌaｓｓｉｇｅ  Ｃｈｉｐ−Ｓｕｂｓｔｒａｔ−Ｖｅｒｂｉｎｄｕｎｇｅｎ，  Ｗｅｉｃｈｌoｔｅｎ  ２０１３，  ＤＶＳ−Ｂｅｒｉｃｈｔｅ  Ｂａｎｄ  ２９０，  Ｓ．  ５５−６１
【非特許文献２】Ｃ．  Ｅｈｒｈａｒｄｔ  ｅｔ  ａｌ．：  Ｐｒuｆｖｅｒｆａｈｒｅｎ  ｄｅｒ  Ｖｅｒｂｉｎｄｕｎｇｓｔｅｃｈｎｉｋ  ｖｏｎ  Ｌｅｉｓｔｕｎｇｓｅｌｅｋｔｒｏｎｉｓｃｈｅｎ  Ｍｏｄｕｌｅｎ，  Ｗｅｉｃｈｌoｔｅｎ  ２０１３，  ＤＶＳ−Ｂｅｒｉｃｈｔｅ  Ｂａｎｄ  ２９０，  Ｓ．  ４３−５１
【非特許文献３】Ａ．  Ｓｙｅｄ−Ｋｈａｊａ  ｅｔ  ａｌ．：  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｌｉｑｕｉｄ  ｐｈａｓｅ  ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ  （ＴＬＰＳ）  ｆｏｒ  ａｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ａｎｄ  ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｐｏｗｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  ＣＩＰＳ  ２０１６，  Ｓ．  １８７−１９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
したがって、本発明の課題は、拡散はんだ付けのための経済的に許容可能な、環境に優しく、健康に優しい、無鉛はんだ付けフィルムおよび柔らかいはんだ付けのために典型的であるその調製のためのプロセスを開発することである。長いはんだ付け時間を避けるだけでなく、その後の熱処理を行わず、はんだ付け中に押し圧力を使用することなく、細孔の形成を回避しながら、はんだ付けの金属／金属化表面層４００°Ｃを超える再溶解温度を有する高融点の接合ゾーンを作成し、それによって無鉛はんだ付けフィルムを用いて、接合領域内の電気的に導電性のリボンを開発するように、コンポーネント同士を接合する必要がある。リボンの接合領域では、はんだ付けプロセス後に形成された高融解接合領域の再溶解温度が４００°Ｃより高く、また特別な用途のために、特別な設計では、無鉛はんだ膜は、はんだ付けおよび部材使用時および機械的使用時に、はんだ付けによっても生じる熱応力を吸収するために、適合した熱膨張係数を備えるべきである行きも提供されるべきである。はんだ付け工程の後に作成された接合ゾーンの柔軟性を高める。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記の課題は、
複数の金属部材（２）及び／又は複数の金属化／金属被覆部材（２）、即ち隣接した複数の部材（２）の複数の金属表面層（３）を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための、ロールクラッド法によって製造された無鉛はんだ膜（１）を製造するための方法において、
−硬質はんだ成分である高融点の金属成分のそれぞれの粒子（６）が、前記無鉛軟質はんだ（８）によって完全に包囲されているように、当該複数の粒子が、軟質はんだマトリックス（５）である無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、コンパクトなはんだ接合材料（４）が生成されるように、前記ロールクラッド法が、前記無鉛はんだ膜（１）を製造するために複数回繰り返され且つ分散させて使用されること、及び
−当該はんだ接合材料（４）の製造のために、最初に、
前記金属成分の両面が、前記軟質はんだ成分と常に接合するように、前記軟質はんだ成分と前記金属成分とが、前記ロールクラッド法によって前記はんだ接合材料（４）の予め設定／計画された百分率組成に従って交互に接合されて１つの積層に形成され、このときに、その後のはんだ付け工程で、前記軟質はんだ成分が、前記金属間化合物層（９）中に完全に含有されるように、使用すべき金属成分の層厚が、全体的に互いに均等に存在すること、及び
−続いて、別の複数のロールクラッドステップが、当該最初にロールクラッドされた積層を用いて複数回繰り返して実行され、これらのロールクラッドステップでは、当該ロールクラッドされたそれぞれの材料自体が一緒にロールクラッドされる結果、当該材料から成る層の数は増加するもの、これらの層の厚さは減少すること、及び
−前記はんだ接合材料（４）が製造されるまで、前記ロールクラッドステップが、軟質成分と硬質成分とから選択された材料の組み合わせと、はんだ成形部材用の希望した総厚とに応じて複数回繰り返されること、及び
−複数回繰り返されたロールクラッドの結果として、当該個々の成分が、固体状態で混合されること、及び
−当該両成分のうちの一方の成分の層を粉砕することによって、その成分の一部が、他方の軟質成分の層中に分散分布して、即ち分散される結果、１０μｍ以下の粒子間隔を有する構造が、分散する前記複数回繰り返されたロールクラッドによって生成されることによって解決される。
さらに、上記の課題は、
複数の金属部材（２）及び／又は複数の金属化／金属被覆部材（２）、即ち隣接した複数の部材（２）の複数の金属表面層（３）を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための、請求項１に記載の方法にしたがって製造された無鉛はんだ膜（１）において、
−前記無鉛はんだ膜（１）が、コンパクトなはんだ接合材料（４）から成り、通常の軟質はんだ付け工程中に、軟質はんだマトリックス（５）の軟質はんだ（８）を、前記無塩軟質はんだにとって典型的なはんだの温度プロファイルによって４００℃よりも高い融点を有する金属間化合物層（９）に完全に転移させるため、硬質はんだ成分である高融点の金属成分のそれぞれの粒子（６）が、前記無鉛軟質はんだ（８）によって完全に包囲されているように、当該複数の粒子が、複数回繰り返して分散させる請求項１に記載のロールクラッドによって、軟質はんだマトリックス（５）である無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、コンパクトな、即ち材料一体的な固体の前記はんだ接合材料（４）が構成されていること、及び
−前記の軟質はんだマトリックス（５）中に分散した高融点の金属成分（７）の複数の粒子（６）は、膜厚の方向に３μｍ〜２０μｍの厚さを有し、前記軟質はんだマトリックス（５）中の複数の粒子（６）の相互の間隔は、１μｍ〜１０μｍであり、前記高融点の金属成分（７）のそれぞれの粒子（６）の全面が、１μｍ〜１０μｍの厚さの前記無鉛軟質はんだ（８）によって被覆されていること、及び
−前記高融点の金属成分（７）の割合に対する前記軟質はんだである前記軟質はんだマトリックスの割合の比率は、形成すべき金属間化合物層（９）において必要であるよりも高くなく、
前記無鉛軟質はんだマトリックス（５）の全ての軟質はんだ（１）が、常に、形成すべきそれぞれの前記金属間化合物層（９）に転移されるように、前記複数の粒子（６）を包囲している前記無鉛軟質はんだマトリックス（５）の軟質はんだ（８）の百分率に対する前記はんだ接合材料（４）中に配列された前記高融点の金属成分（７）の複数の粒子（６）の百分率のこの比率は、当該それぞれの出発物質から生成すべき前記金属間化合物層（９）の化学量論式に従って決定されること、及び
−前記無鉛はんだ膜（１）の総厚は、２０μｍ〜０．５ｍｍであること、及び
−前記はんだ膜（１）である前記はんだ接合材料（４）は、接合すべき前記部材（２）の金属表面層（３）に隣接した外側の外層（１０）を有し、この外層（１０）の層厚は、２μｍ〜１０μｍであり、この外層（１０）は、軟質はんだ（８）から成ることによって解決される。
本発明に従って、拡散はんだ付けのための無鉛はんだ膜１及びその製造の為の方法を介してこの課題が解決されることであって、金属の部材２及び／又は金属化／金属コート部材２、即ち金属の表面層３に隣接する部材２を用いて互いに接合され得る無鉛はんだ膜１及びその製造の為の方法において、無鉛はんだ膜１がはんだ接合材料４として非常にコンパクトに構成されており、軟質はんだ雰囲気、軟質はんだマトリックス５、高融点の金属成分７の粒子６、硬質はんだ成分によく分散して分布して配置されており、各々の粒子６が完全な転移を軟質はんだマトリックス５の軟質はんだ８で金属間化合物層９に生じさせるために、４００℃よりも高い溶融温度を有していることを特徴とする無鉛はんだ膜１及びその製造の為の方法である。
【００３５】
本発明に従ったコンパクトで確実な接合で製造した無鉛はんだ膜１は、高融点の金属間化合物層の構築の為に必要な材料をすべて含む。その際、本発明に従った分布は高融点の金属間化合物層の構築の為に必要な材料を接合内に本発明に従ったコンパクトな実施、約２４０℃の温度での無鉛軟質はんだ付け工程において、４００℃以上のリフロー温度でもって高融点の金属間接合領域１６の非常に高速及び無孔の形成が引き起こされるということをはんだ膜１として発生する。
【００３６】
これに関連し本発明にとって本質的なことは、軟質はんだマトリックス５内に分散して分布する高融点の金属成分７の粒子６が膜厚方向に３μｍ〜２０μｍの厚さを有し、軟質はんだマトリックス５中の粒子６の間隔が互いに１μｍ〜１０μｍであり、及び高融点の金属成分７の各々の粒子６は、無鉛軟質はんだ８の１μｍ〜１０μｍの層厚で全ての面を被覆されていることである。
【００３７】
本発明に従った無鉛のコンパクトなはんだ膜１を用いて、軟質はんだマトリックス５内の軟質はんだ雰囲気、分散分布状態で接合内に硬質はんだ（硬質はんだ粒子）が配置されている粒子６及びその上同時に軟質はんだマトリックス５内のコンパクトな埋め込みを、無鉛はんだ軟質はんだの為の典型的なプロセス領域で、長いはんだ時間なし、その後の熱処理もないときに、押圧の実施なしで拡散はんだ付けが引き起こされる。これは、はんだ付けの為の部材２の金属の／金属化表面層３が、接合するための部材２の間に高融点の接合領域１６の連続した無孔層を金属間化合物層９の形態内に発生するために互いに接合する。そのリフロー温度は４００℃以上である。
【００３８】
その上、形成される金属間化合物層９において必要とされるよりも軟質はんだ部分、軟質はんだマトリックス５は高融点の金属成分７の相対的な割合は高くないという特徴を示している。
はんだ接合材料４に配置された軟質はんだ８の割合に対する高融点の金属成分７の粒子の割合のこれらの比率、粒子６を囲む無鉛軟質はんだマトリクス５は、無鉛軟質はんだマトリックス５の全ての軟質はんだ８が常に個々で確立する金属層に転移されるために、個々の出発物質から形成される金属間化合物層の化学量論式に従って決定される。
【００３９】
したがって、軟質はんだマトリックス５内の高融点の金属成分７の粒子６の割合に対する軟質はんだ割合の比率は、それぞれの場合に形成される金属間化合物層９の化学量論式に依存する。
例えば、Ｓｎ／Ｃｕの組み合わせで５０％Ｓｎを使用する場合には、これはＣｕＳｎ３とＣｕ６Ｓｎ５になる。
【００４０】
４００℃より高いリフロー温度に対する決定は、常に軟質はんだマトリックス５全体が転移されることであり、そうでなければ、低い溶融温度の接合領域１６内の領域にまだそれがある。それは課題に従って望まれていない。
【００４１】
別の組み合わせの場合、例えば４３％ＳｎでＳｎ／Ｎｉの組み合わせを使用する場合には、金属間化合物層としてＮｉ３Ｓｎ４が形成される。
【００４２】
ただしこれに関連して、はんだ付け工程後に接合領域１６の高融点の金属成分からの粒子６がまだ残存し得るにもかかわらず、リフロー温度は４００°Ｃより高いく形成されている。
【００４３】
はんだ付け工程の後の島のような例えば銅から成る粒子６（即ち高融点の残留金属を用いた）のこの高い割合をこえて金属間化合物層９に挿入されており、はんだ付け工程後に達成される接合領域１６の機械的、電気的および熱伝導特性に影響を与える可能性がある。
【００４４】
したがって、本発明の教唆によれば、全ての軟質はんだ構成成分がはんだ付け工程に消費されることだけが決定的であり、はんだ付け工程の後のリフロー温度を４００℃よりも高温に保つために、金属間化合物層９に転移されなければならない。
【００４５】
例えば、４００℃以上のリフロー温度を達成するためにＩｎ／Ａｇの組み合わせを使用する場合、非常に高い銀含有量が必要とされる。
しかしながら、拡散はんだ付けの為の経済的に実行可能な無鉛はんだ膜を開発することが発明の目的であるので、この組み合わせは、より詳細には考慮されない。
【００４６】
また、接合領域１６の技術条件／所望の特性に適合した無鉛はんだ膜１の総厚が２０μｍ〜０．５ｍｍであることも重要である。
【００４７】
その上はんだ膜１は、はんだ接合材料４、接合させる部材２の金属表面層３に近接する外側の一つの外層１０が備えられ、その層厚が２μｍ〜１０μｍであり、及び軟質はんだ８で構成されているという特徴を示している。
【００４８】
この軟質はんだ８で構成されている外層１０は、はんだ付け工程中に、隣接する部材２の接合される表面／表面層３を完全に濡らし、接合される部材２の表面のメタライゼーション法（例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｉ（Ｐ）、Ｎｉ（Ａｇ））で金属間化合物層９が形成されることに利用される。
【００４９】
拡散はんだ付けのためのこの無鉛はんだ膜１は、無鉛軟質はんだ付けの典型的なはんだプロファイル、例えば、３０μｍ〜２５０μｍの厚さのはんだ膜１を使用する場合に約２４０°Ｃのはんだ温度、５分未満のはんだ付け時間、その後の熱処理なしで可能となり、はんだ付け中に押圧力を行使することなく、細孔の形成を同時に回避しながら、はんだ付けされる部材２の金属／金属化表面層３はそのように互いに接合され、４００℃よりも高いリフロー温度を有している高融点の接合領域１６の一貫した層が金属間化合物層９の形態で発生することである。
【００５０】
拡散はんだ付けのための無鉛はんだ１は、適合する特別な技術的又は技術的な要求でさえも経済的な理由の為に多層はんだ膜１１が構成されていることも、本発明にとって本質的なことである。その際、多層はんだ膜１１の個別の層は、上述したはんだ接合材料４の上に高融点の金属成分７、中間層２３の２μｍ〜１００μｍの層厚で交互に構成され、また、多層はんだ膜１１は、隣接する外側の外層１０を接合する部材２の金属表面層３に対して備え、その層厚は２μｍ〜１０μｍであり、その層は軟質はんだで構成されており及び多層はんだ膜１１の総厚は４０μｍ〜１．０ｍｍである。
【００５１】
この特別な構造を用いて、多層はんだ膜１１無鉛はんだ膜１が適用され結果として生じる熱膨張係数を、はんだ付けを介して導入し、部材使用中に発生した熱応力を含むときに、加えて同時にはんだ付け工程で発生した接合領域による機械的柔軟性を向上するために提供されている。
【００５２】
本質的には、拡散はんだ付けの為の無鉛はんだ膜１は、はんだ接合材料４としてだけではなく、はんだ成形部材１２の構造形態における多層はんだ膜１１としても使用し得、金属表面／表面層３の間の無鉛はんだ付け工程で拡散はんだとして働くために及び隣接する部材２をそのように互いに接合するために、リフロー温度が４００℃よりも高い。
【００５３】
はんだ成形部材１２は、切断若しくは圧印によって、又は圧印―曲げプロセスによってもまた所望の形態部材―幾何学体のはんだ膜１からもたらされ、従って多くの一般的な軟質はんだ付け工程に幅広く適用可能であり、はんだ接合材料４（複合材料）の分散粒子６の使用のみを介して拡散はんだ付け工程となる。
このように、接合領域のリフロー温度は、従来の軟質はんだとはんだ付けされた部材に対して基本的に増大する。
スズ軟質はんだ構成要素及び高融点の金属成分としての銅の使用の場合、はんだ成形部材１２とはんだ接合材料４からはんだ付けされた部分要素２は、４００℃までの動作温度範囲で使用可能である。その際、パワーエレクトロニクスに必要とされる温度耐久性は、必要不可欠な信頼性及び経済性に一致する。
【００５４】
接合の為の製品１４に電気的な導体として利用される金属製のボンディングワイヤ１３が、はんだ接合材料４としての実施形態でも多層はんだ膜１１としての実施形態でも、無鉛はんだ膜１で接合部１５と部分的に被覆されることも特徴である。それに関して、軟質はんだ付け工程の後、部分的に被覆されたボンディングワイヤ１３は隣接する部材２を、軟質はんだ付け工程の後、接合領域１６が被覆されたボンディングワイヤ１３及びこのボンディングワイヤと接合するその部材２の間に発生するために互いに接合する。その部材は、４００℃以上のリフロー温度を有する。
【００５５】
この場合、本発明に基づいた拡散はんだ付けの為に製造される無鉛はんだ膜１は、例えば銅又はアルミニウムのような電気的に優れた導電材料上に部分的にめっきされることによって片面だけに適用される。
それから、その部分的にめっきされた材料から、ボンディングワイヤ１３が製造され得、パワーモジュールの構築の為の即ち一般的な接合ワイヤーの代わりに使用可能である。
【００５６】
本発明による拡散はんだ付けの為の無鉛はんだ膜１は、本発明に基づき後述されるロールクラッドによって製造される。
【００５７】
予定／意図されたパーセンテージの混合に応じて、軟質はんだ及び金属成分は、ロールクラッドを用いて交互に層接合の為に結合される。その際、金属成分は両側に軟質はんだ成分とめっきされる。
【００５８】
故にこのめっきは、構成要素に挿入する層厚がそのように全体的に関連して互いにあり、後のはんだ付け工程では軟質はんだ部分が本発明によって金属間化合物相に完全に組み込まれるように開始される。
【００５９】
それから、これに続く別のロールクラッドプロセスでは、それぞれのめっきする材料がそれ自体でめっきされる場合、材料の層数が増加し、その強度が同時に低下する。
本発明に基づくはんだ接合材料４を製造するまでに必要なはんだ付け工程数は、軟質はんだ構成成分と硬質はんだ構成成分から選択された材料構成成分及びはんだ成形部材の所望の総厚に依存する。
本発明に従って何回も繰り返される層結合のめっきによって、固体状態で個々の構成成分の混合が実行し、両方の構成要素の片方の層を裂くことによって、その他の断面、軟質はんだ構成要素に分散される。
【００６０】
１０μｍ以下の間隔の本発明による粒子を有する本発明によってそのように得られた構造は、本発明により短い拡散経路を確実に達成し、後の無鉛軟質はんだ付け工程において他と接合する。本発明により製造したはんだ膜の後述の特徴は、短時間での軟質はんだ構成要素の完全な転移を中間金属間化合物層にもたらし及びコンパクトで無孔の高融点の接合領域を作製する。
【００６１】
本発明に従って達成される短い拡散経路は、以下に説明する本発明に従ったはんだ膜のさらなる利点／特徴に関連して、このために特徴的に短いはんだ時間を有する一般的な軟質はんだプロファイルの適用性でさえ可能にする。
【００６２】
その際本発明に従って、金属間化合物層９に低融点金属軟質はんだ構成要素及び高融点の金属成分／硬質はんだ成分から、その化学両論式に適合する重量割合で接合して、形成する。
構成要素は、両面に適用される構成要素の融点の間のその中間金属の融点の為に選択される／されている。
【００６３】
軟質はんだ構成要素の溶融温度は、スズの接合の場合に基本的には２４０℃までの範囲にあるが、金属間化合物層９の溶融温度は銅の使用の場合、高融点の金属成分として４００℃を超える。
【００６４】
複数の成形プロセスによって製造された鉛複合材料４は、必要な場合に別のめっきステップで高融点の金属基材に適用され得る。それによって、鉛複合材料４の層と金属中間層２３は特定の所望の機械的特性で交互になり、それによって多層はんだ膜１１が形成されるが、軟質はんだ構成成分が外側の外層１０として常に双方の外側層を形成する。
【００６５】
そのような多層はんだ膜１１は、例えば、適合され結果として生じる熱膨張係数を伴うはんだ付けによって導入され、ならびに部材の使用中に生じた熱応力を吸収し得る。
【００６６】
その際、鉛複合材料４としての実施形態におけるはんだ膜１の厚さは、二つの構成要素の開始厚さ、めっきステップの数、及びはんだ膜１若しくはそれから製造されるはんだ成形部材１２の正確な厚さの最終ロールステップによって調整可能である。
【００６７】
多層はんだ膜１１としての実施形態におけるはんだ膜１の厚さもまた、金属中間層とはんだ接合材料４を有する層の初期厚さ、はんだ膜１の各々所望の正確な寸法若しくはそれから製造されるはんだ成形部材１２のめっきステップの数及び最終ロールステップによって調整可能である。
本発明に従って、粒子間隔が１０μｍ以下の高融点の金属成分／硬質はんだ成分は、軟質はんだ構成要素内に分散している。
【００６８】
既に説明したように、本発明に従った無鉛はんだ膜の外層は、常に軟質はんだ構成要素によって連続的に形成される。
【００６９】
加えて、ロールクラッドプロセスの範囲における本発明による無鉛はんだ膜の製造は、溶融物中への粒子の導入時に、特に均一な分布の達成中に発生する欠点も回避される。
攪拌プロセスでは、均一な分布をまだ確保しなければならないが、固化した場合には、もはやそのケースではない。
【００７０】
したがって、最終的な形態に成型する場合、粒子の均質な分布はもはや保証されなくなり、即ち粒子がどこへ行くかは保証できない。
【００７１】
また、粒子が取り込まれた場合に、例えば溶融物では、そうせざるを得ない必須の（高い）温度の為に、加えて部分的な拡散が既に起こる。
【００７２】
また、これらの問題は、粒子を溶融物に導入する場合に生じるもので、本発明に従ったロールクラッドの獲得するプロセス使用によって、早く、より効率的に及び抑制するための比較的低温の際（即ち、それはローラーが人工的に加熱されていない場合、冷間圧延プロセス関するロールクラッドの場合に取り扱う）に発生するプロセスセーフの方法で回避される。その結果、本発明に従った製造プロセスによってそれ自身が意図しない材料の拡散を排除し得る。
【００７３】
個々の層厚は、また、金属間化合物層の液体はんだ材料をあとで完全に転移するための形成された粒子の分布と大きさは、本発明による拡散はんだ付け工程の範囲においても、ロールクラッドプロセスを介して（上記の本発明によれば）確実に制御される。
【００７４】
ロールクラッドの方法では、本発明に従ってめっきされるパートナー間の基板―基板接合を最適に確立し得る。
【００７５】
したがって、本発明に従って、拡散プロセスのための理想的な開始状態は、軟質はんだの融解前であっても発生する。
【００７６】
また、ロールクラッド方法を介した本発明に従った複合材料の製造は、比較的に非常に費用対効果が高い。
【００７７】
本発明に従って、様々な材料は、ロールクラッド方法の場合に一つのプロセスステップで互いに接合される。次いで、本発明に従ってそれぞれの所望のアプリケーションの要求に応じ、本発明に従った所望の体積及び個別の構成要素に関して、「変更」即ち押しつぶされながら、「被覆」され、その上同時に、後述する説明のごとく通電する。
【００７８】
本発明に従って製造された、鉛複合材料の利点は、特に、高レベルの機械的エネルギー入力に関連して、ロールクラッドの作業中に、このプロセスで製造された本発明に従った鉛複合材料の全ての成分の接合能力が著しく改善することでもある。その結果、ここに提示された本発明によるはんだの他の特徴に関連して、拡散はんだ付け工程の範囲で、従来のはんだ付け工程のはんだ時間に匹敵する非常に短いはんだ付け工程時間内に、液体はんだ材料を金属間化合物層へ完全に転移することが可能である。
【００７９】
以下では、５つの図と連動して実施形態の本発明による解決策をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】半導体パワースイッチの概略構造
【図２】金属表面層３とはんだ膜１の断面図
【図３】はんだ付け工程後の図２に基づいた装置
【図４】はんだ膜１の概略断面図
【図５】はんだ付け工程後の図４に基づいた実施形態
【発明を実施するための形態】
【００８１】
図１、半導体パワースイッチの概略構造を示す。
【００８２】
チップ／半導体デバイス２１は、導電パス即ち金属の表面層３上にはんだ付けされており、金属表面層はセラミクス（ＤＣＢ）、セラミックス基板２０から成る電気的に絶縁の層に被覆される。
その上側は、もう一方の同じ基板上にある導電パス／金属表面層３に接合され、これは通常、薄いアルミニウム又は銅線／導体帯１３との接合プロセスで実現される。
セラミクス基盤２０は、ヒートシンク／冷却要素１７上に取り付けられている基礎板１９上にはんだ付けされている。
接合される全ての表面／表面層３は金属でなければならず、接合領域１６自体はヒートシンクに向かって可能な限り効果的な熱流を確保しなければならない。
【００８３】
以下では、接合プロセスに関連する本発明によるはんだ膜１の使用について、図１に示す半導体遮断器の構成のための拡散はんだ付けプロセスをより詳細に説明する。
【００８４】
その上、本発明による無鉛はんだ膜１は、一方で導体帯１３と半導体デバイス２１の電力接合を達成するためのはんだ接合材料４としての構造形態に、もう一方で半導体デバイス２１をＤＣＢ、セラミックス基板上にはんだ付けするためにも、はんだ成形部材１２として使用される。
【００８５】
図２は、同等又は異なる金属の表面／表面層３と接合パートナーの接合する金属表面層３の間の鉛複合材料４としての実施形態においてはんだ膜１の装置を断面図に示す。
はんだ接合材料４では、銅から成る粒子６が無鉛Ｓｎ軟質はんだマトリックス５中に分散して分布されている。その際、粒子６どうしでの間隔は１０μｍ以下であり及び上部と下部の層は、外層１０、軟質はんだ８でそれぞれ形成される。
【００８６】
図３は、はんだ付け工程後の図２に基づいた装置を概略的に示す。
Ｓｎ軟質はんだ８は、金属間接合／金属間化合物層で４００℃より高い融点でもって完全に転移され、Ｃｕから成る高融点の金属粒子６の残渣（残留金属２２）はその中に分布して分散している。
これにより、接合領域全体が第一に４００℃を超える温度の場合に溶融し、その上高い電気伝導率の他に非常に良好な熱伝導率が保証される。  
【００８７】
以下、本発明による無鉛はんだ膜は、多層はんだ膜１１の形態に、システムはんだ付けの為、例えばここではＤＣＢ、セラミックス基板２０及び基礎板１９の間のはんだ接合の達成の為に使用される。
【００８８】
図４は、多層はんだ膜１１、はんだ成形部材１２の形態で、例えば接合されるべき部材の接合されるべき同じ又は異なる金属表面層３の間の接合される部材に対してそれらの位置で、可能な実施形態でのはんだ膜１の装置を概略断面図に示す。
【００８９】
この多層はんだ膜１１では、例えばＣｕなどの高融点の金属成分７の２つの層、中間層２３は、はんだ接合材料４の３つの層の間に配置されている。
はんだ接合材料４では、Ｃｕ粒子６が無鉛Ｓｎ軟質はんだマトリックス５に分散して分布し、その粒子６どうしでの間隔は１０μｍ以下であり、多層はんだ膜１１の最上層と最下層、外層１０が同様にそれぞれ軟質はんだ８からの形成される。
【００９０】
ここでは、図５は、はんだ付け工程後の図４に基づいた実施形態を示す。
はんだ接合材料４から成る金属層では、Ｓｎ軟質はんだ８が４００℃よりも高い融点でもって中間金属接合／金属間化合物層９で完全に転移され、分散した分布の中には高融点の金属粒子６のＣｕの残渣もある。
【００９１】
中には、金属間化合物層９によって接合し、例えばＣｕなどの高融点の金属成分７から成る中間層２３の残留金属２２がある。これにより、接合領域１６全体が第一に４００℃以上の温度の場合に溶融し、及び非常に良好な熱伝導率、並びに結果として生じる熱膨張も同様に保証される。
【００９２】
本発明による無鉛はんだ膜１から成る図３及び５に記載されている接合領域１６の製造の為のはんだ付け工程は、以下で更に詳しく説明されるべきである。
【００９３】
チップはんだ付けの為には、即ちＤＣＢを持ったＩＧＢＴモジュール又はＳｉＣチップ、Ｓｉチップのような半導体デバイス２１が、セラミックス基板２０にはんだ付けされる。
その際、半導体デバイス２１は通常Ｎｉ又はＮｉ（Ａｇ）と被覆され、ＤＣＢ、セラミックス基板２０はＣｕから成る表面層３と及び追加的にしばしばＮｉとで被覆される。
これまでは、チップはんだの為の通常の融点温度が２９０℃〜３０５℃である高鉛含有はんだ合金が使用され、このように作製されるはんだ接合は一連の製造の通常のステップはんだ付けに基づいて、２４０℃以上の温度の場合のシステムはんだ付けの為の第二のはんだ付け工程で再び溶融すべきでない  。
通常、一連の製造においては第一ステップでチップはんだを実施し、及び第二ステップで無鉛はんだを用いたシステムはんだが行われる。
高鉛はんだは、無鉛はんだよりも高融点の温度を有するので、システムはんだ付け中にチップはんだ接触するから、記載されている順番のこのステップによって回避される。
【００９４】
本発明に基づき、チップはんだの為のはんだ成形部材１２は、鉛複合材料４から成るＳｎ軟質はんだマトリックス５及びその中で分散した銅粒子６を利用する。その際、鉛複合材料４は接合するための部材２の一つの金属表面層３に軟質はんだ８から成る外側の外層１０を有し、一方では、チップ／半導体デバイス２１の金属表面層３に及びもう一方ではＤＣＢ／セラミックス基板２０の金属表面／表面層３に鉛複合材料４が当接している。即ち、それらと共に接触が達成する。
【００９５】
高鉛はんだと組み合わせて実行されるチップはんだ方法と比較して、本発明による解決策を使用する場合、はるかに低いプロセス温度が可能である。その結果、ここでは２４０℃までの無鉛軟質はんだ付け工程の通常の加熱で十分となる。
【００９６】
Ｓｎ軟質はんだ８は、約２２０℃で溶融し、液相は隣接する部材２の金属表面／表面層３に相当し及び多くの分散した銅は２分で内部に溶融し、液相が固体金属層９、即ちＣｕＳｎ３とＣｕ６Ｓｎ５を充填し転移する。
【００９７】
無孔の接合領域１６は、４００℃を超えた溶融温度にあって発生する。
【００９８】
システムはんだ付けの為の用意されたチップ／半導体デバイス２１に供給するＤＣＢ、セラミクス基板２０は、基礎板１９とはんだ付けされる。
それ故、基礎板１９は通常Ｃｕ，  Ｎｉ，  Ｎｉ（Ｐ）又はＮｉ（Ａｇ）から成る一つの表面層３と被覆されており、ＤＣＢ／セラミックス基板２０は、Ｃｕ，  Ｎｉ，  Ｎｉ（Ｐ）又はＮｉ（Ａｇ）から成る一つの表面層３で被覆されている。
【００９９】
本発明によるシステムはんだ付けの為の多層はんだ膜１１から成る一つのはんだ成形部材１２は、無鉛軟質はんだ付け工程で加工される。
多層はんだ膜１１の使用は、層構造に関して多層はんだ膜１１が、はんだ付け工程の後で発生する接合領域１６の機械的柔軟性を増加することの可能性を提供する。
本実施形態では、はんだ成形部材１２は、Ｓｎ軟質はんだマトリックス５を有するはんだ接合材料４の層で構成されており、及びこのＳｎ軟質はんだマトリックス５に銅金属成分７の分布した粒子６が分散する。その際、高融点の金属成分７即ち銅の代わりになるような層を含むこれらの層は、はんだ接合材料４の外層が、外層１０、Ｓｎ軟質はんだ８のみで構成される。
はんだ接合材料４のこれらの外層は、基板２０及び基礎板１９、即ち部材２の金属表面／表面層３と接触する。
【０１００】
Ｓｎ軟質はんだ８は約２２０℃で再び融解する。
今度は、液体外層１０が、金属間化合物層９ＣｕＳｎ３  及びＣｕ６Ｓｎ５を基板２０及び基礎板１９のメタライゼーション法でもって形成する。
【０１０１】
同時に、２分以内に液体軟質はんだ８も溶融するので、固体金属間化合物層ＣｕＳｎ３とＣｕ６Ｓｎ５に完全に転移するために、多層はんだ膜１１の内部で、非常に多く分散した銅（金属成分７の粒子６）で解決する。
加えて、同様の層は、高融点の金属成分７の中間層２３との界面に形成される。
従って、はんだ付け工程後に初めて配置される多層はんだ膜１１の領域において発生する無孔接合領域１６は、その融解温度が４００°Ｃを超え、残存金属残存層２２によって、適合して結果として生じる熱膨張係を有す。
【０１０２】
先行技術では、チップ表面は、通常、細いアルミニウム線又は銅線による超音波溶接プロセスにおける基板上の導電パスと接合（接着）される。
この接合方法は、同様に本発明によるはんだ膜を用いた拡散はんだ付け工程によって置き換え得る。拡散はんだ付け工程は、前述のはんだ付け工程に相応して進行する。
【０１０３】
本発明によれば、アルミニウム又は銅などの電気導体からなるボンディングワイヤ１３はチップに接触するために使用され、接合される二つの接合面上に前もってはんだ接合材料４が接触するように適用され、その外層がＳｎ軟質はんだ８で構成され、既存の層がチップ／半導体デバイス２１の金属表面層３の片面及びＤＣＢ／基板の金属表面層３が接触する。
無鉛軟質はんだ付け工程の適用温度に加熱した場合、はんだ接合材料４の軟質はんだ８は溶融する。
【０１０４】
はんだ接合材料４の内部では、液体軟質はんだ８が２分以内に溶解するので、分散した銅（金属成分７の粒子６）は、固体金属間化合物層ＣｕＳｎ３およびＣｕ６Ｓｎ５に完全に転移される。
チップ表面と基板のメタライゼーション法（金属表面層３）の為の界面では、金属間化合物層ＣｕＳｎ３及びＣｕ６Ｓｎ５が同様に形成される。
それ故、ここでチップおよびシステムはんだと同等の接合領域１６も発生する。
【符号の説明】
【０１０５】
１     はんだ膜
２     部材
３     表面層
４     はんだ接合材料
５     軟質はんだマトリックス
６     粒子
７     金属成分
８     軟質はんだ
９     金属間化合物
１０   外層
１１   多層はんだ膜
１２   はんだ成形部材
１３   ボンディングワイヤ
１４   製品
１５   接合部
１６   接合領域
１７   冷却要素
１８   熱界面―材料
１９   基礎板
２０   セラミックス基板（ＤＣＢ）
２１   半導体デバイス
２２   残留金属（高融点）
２３   中間層（高融点）
【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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【手続補正書】
【提出日】令和1年5月27日(2019.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
加えて、表面をより良く濡らすために、はんだ付け工程の場合ではフラックスの添加が有利であると考えられる。
しかしながらこのフラックスは、特許文献８の記述に従うと有機酸が発生し、労働安全及び健康保護に関して欠点がある。その結果、はんだ付け工程の後に追加操作で除去されなければならない。
同様に前述したすべての欠点を有する粉末から成る前述のそのはんだ金属における別の解決策は、直接はんだ薄膜へ押し付けられるかまたは二つの隣接する薄膜の間に埋め込まれるかであり、ＪＰ  ６０４２５７７  Ｂ１  （ＥＰ  ３２６６  ５５８  Ａ１）、ＷＯ  ２０１７／０７７８２４  Ａ１（ＵＳ  ２０１８／１２６４９４  Ａ１）、並びにＵＳ  ９，６２，４３４  Ｂ１にも記載されている。
加えて、層結合として構成され、及びで複数の連続層で構成されており、及びそれに加えこれが半導体構成中のワイヤーをはんだ付けするためのはんだ薄膜がＤ３から知られている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属部材（２）及び／又は複数の金属化／金属被覆部材（２）、即ち隣接した複数の部材（２）の複数の金属表面層（３）を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための、ロールクラッド法によって製造された無鉛はんだ膜（１）を製造するための方法において、
−硬質はんだ成分である高融点の金属成分のそれぞれの粒子（６）が、前記無鉛軟質はんだ（８）によって完全に包囲されているように、当該複数の粒子が、軟質はんだマトリックス（５）である無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、コンパクトなはんだ接合材料（４）が生成されるように、前記ロールクラッド法が、前記無鉛はんだ膜（１）を製造するために複数回繰り返され且つ分散させて使用されること、及び
−当該はんだ接合材料（４）の製造のために、最初に、
前記金属成分の両面が、前記軟質はんだ成分と常に接合するように、前記軟質はんだ成分と前記金属成分とが、前記ロールクラッド法によって前記はんだ接合材料（４）の予め設定／計画された百分率組成に従って交互に接合されて１つの積層に形成され、このときに、その後のはんだ付け工程で、前記軟質はんだ成分が、前記金属間化合物層（９）中に完全に含有されるように、使用すべき金属成分の層厚が、全体的に互いに均等に存在すること、及び
−続いて、別の複数のロールクラッドステップが、当該最初にロールクラッドされた積層を用いて複数回繰り返して実行され、これらのロールクラッドステップでは、当該ロールクラッドされたそれぞれの材料自体が一緒にロールクラッドされる結果、当該材料から成る層の数は増加するもの、これらの層の厚さは減少すること、及び
−前記はんだ接合材料（４）が製造されるまで、前記ロールクラッドステップが、軟質成分と硬質成分とから選択された材料の組み合わせと、はんだ成形部材用の希望した総厚とに応じて複数回繰り返されること、及び
−複数回繰り返されたロールクラッドの結果として、当該個々の成分が、固体状態で混合されること、及び
−当該両成分のうちの一方の成分の層を粉砕することによって、その成分の一部が、他方の軟質成分の層中に分散分布して、即ち分散される結果、１０μｍ以下の粒子間隔を有する構造が、分散する前記複数回繰り返されたロールクラッドによって生成されることを特徴とする方法。
【請求項２】
複数の金属部材（２）及び／又は複数の金属化／金属被覆部材（２）、即ち隣接した複数の部材（２）の複数の金属表面層（３）を互いに接合するように、拡散はんだ付けするための、請求項１に記載の方法にしたがって製造された無鉛はんだ膜（１）において、
−前記無鉛はんだ膜（１）が、コンパクトなはんだ接合材料（４）から成り、通常の軟質はんだ付け工程中に、軟質はんだマトリックス（５）の軟質はんだ（８）を、前記無塩軟質はんだにとって典型的なはんだの温度プロファイルによって４００℃よりも高い融点を有する金属間化合物層（９）に完全に転移させるため、硬質はんだ成分である高融点の金属成分のそれぞれの粒子（６）が、前記無鉛軟質はんだ（８）によって完全に包囲されているように、当該複数の粒子が、複数回繰り返して分散させる請求項１に記載のロールクラッドによって、軟質はんだマトリックス（５）である無鉛軟質はんだの雰囲気中に分散して配列されているように、コンパクトな、即ち材料一体的な固体の前記はんだ接合材料（４）が構成されていること、及び
−前記の軟質はんだマトリックス（５）中に分散した高融点の金属成分（７）の複数の粒子（６）は、膜厚の方向に３μｍ〜２０μｍの厚さを有し、前記軟質はんだマトリックス（５）中の複数の粒子（６）の相互の間隔は、１μｍ〜１０μｍであり、前記高融点の金属成分（７）のそれぞれの粒子（６）の全面が、１μｍ〜１０μｍの厚さの前記無鉛軟質はんだ（８）によって被覆されていること、及び
−前記高融点の金属成分（７）の割合に対する前記軟質はんだである前記軟質はんだマトリックスの割合の比率は、形成すべき金属間化合物層（９）において必要であるよりも高くなく、
前記無鉛軟質はんだマトリックス（５）の全ての軟質はんだ（１）が、常に、形成すべきそれぞれの前記金属間化合物層（９）に転移されるように、前記複数の粒子（６）を包囲している前記無鉛軟質はんだマトリックス（５）の軟質はんだ（８）の百分率に対する前記はんだ接合材料（４）中に配列された前記高融点の金属成分（７）の複数の粒子（６）の百分率のこの比率は、当該それぞれの出発物質から生成すべき前記金属間化合物層（９）の化学量論式に従って決定されること、及び
−前記無鉛はんだ膜（１）の総厚は、２０μｍ〜０．５ｍｍであること、及び
−前記はんだ膜（１）である前記はんだ接合材料（４）は、接合すべき前記部材（２）の金属表面層（３）に隣接した外側の外層（１０）を有し、この外層（１０）の層厚は、２μｍ〜１０μｍであり、この外層（１０）は、軟質はんだ（８）から成ることを特徴とする無鉛はんだ膜（１）。
【請求項３】
請求項２に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜（１）において、
−前記はんだ膜（１）は、多層はんだ膜（１１）として形成されていること、及び
−前記多相はんだ膜（１１）の個々の層が、請求項１に記載されているはんだ接合材料（４）と、高融点の金属成分２μｍ〜１００μｍの厚さの中間層（２３）である層とを交互させて構成されていること、及び
−前記多層はんだ膜（１１）は、接合すべき部材（２）の前記金属表面層（３）に隣接した外側の外層（１０）を有し、この外層（１０）の層厚は、２μｍ〜１０μｍであり、この外層（１０）は、軟質はんだ（８）から成ること、及び
−前記多層はんだ膜（１１）の総厚は、４０μｍ〜１．０ｍｍであることを特徴とする無鉛はんだ膜（１）。
【請求項４】
請求項３に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜（１）を製造するための方法において、
前記はんだ膜（１）が、多層はんだ膜（１１）として形成されていて、前記多層はんだ膜（１１）のこれらの個々の層は、請求項２に記載されていて且つ請求項１によって製造されたはんだ接合材料（４）と、中間層（２３）である高融点の金属成分（７）の層とを交互させて構成されるように、前記多相はんだ膜（１１）の個々の層が、ロールクラッドによって互いに接合され、
前記多層はんだ膜（１１）は、前記接合すべき部材（２）の前記金属表面層（３）に隣接した外側の外層（１０）を有し、この外層（１０）は、軟質はんだ（８）から成ることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項２又は３のいずれか１項に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜（１）の使用において、
この無鉛はんだ膜（１）は、はんだ成形部材（１２）として無鉛軟質はんだ付け工程に使用され、
当該はんだ付け工程後の接合領域（１６）が、４００℃よりも高いリフロー温度を有するように、前記無塩軟質はんだにとって典型的なはんだの温度プロファイルの使用の下で、隣接した複数の部材（２）が互いに接合していることを特徴とする無鉛はんだ膜（１）の使用。
【請求項６】
請求項２又は３に記載の拡散はんだ付けするための無鉛はんだ膜（１）において、
無塩軟質はんだ付け工程後の接合領域（１６）が、４００℃よりも高いリフロー温度を有するように、接合すべき製品（１４）で導電体として使用される１つの金属ボンディングワイヤ（１３）の複数の接合部（１５）で部分的に被覆されたこの金属ボンディングワイヤ（１３）が、無塩軟質半田付け工程中にこの金属ボンディングワイヤ（１３）に接合すべき複数の部材（２）を、これらの接合部（１５）で互いに接合させるように、前記無鉛はんだ膜（１）が、前記金属ボンディングワイヤ（１３）のこれらの接合部（１５）で部分的に配置されていることを特徴とする無鉛はんだ膜（１）の使用。
【国際調査報告】
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