异种电极接合用层叠软钎料以及电子部件的异种电极的接合方法

摘要

在将具有实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极的封装体软钎焊到具有Cu电极或实施了Cu镀覆的电极的印刷基板上时，通过将作为Sn-Ag-Cu系软钎料或Sn-Sb系软钎料、与Sn-Ag-Cu-Ni系软钎料或Sn-Pb系软钎料的接合材料的异种电极接合用层叠软钎料进行加热以及冷却，从而在异种电极接合用层叠软钎料的内部形成固相扩散层，并且通过在Sn-Ag-Cu系软钎料或Sn-Pb系软钎料与Cu电极接触、且Sn-Ag-Cu-Ni系软钎料或Sn-Cu系软钎料与实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极接触的状态下，将实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极与Cu电极或实施了Cu镀覆的电极进行软钎焊，从而抑制在接合界面形成金属间化合物而以高接合可靠性进行软钎焊。

说明书

技术领域

本发明涉及异种电极接合用层叠软钎料以及电子部件的异种电极的接 合方法。

背景技术

为了应对手机、数码相机等电子设备进一步小型化、高功能化，一直以 来广泛地进行了通过使用焊球、焊膏在封装体的元件面形成凸块(突起电极)， 其后在印刷基板上进行回流焊处理来将封装体接合于印刷基板。

封装体的电极中使用的镀覆组成、印刷基板的电极中使用的镀覆组成是 在考虑设计上的理由、成本方面后而决定的。因此，封装体的电极中使用的 镀覆组成、与印刷基板的电极中使用的镀覆组成有不同的情况。例如，有使 用目前作为无Pb软钎料通常使用的Sn-Ag-Cu系合金(作为一例，有 Sn/Ag3.0/Cu0.5，以下简记为“SAC合金”)将具有实施了Ni/Au镀覆的封装体、 与具有Cu电极或实施了Cu镀覆的电极(以下简称为“Cu电极”)的印刷基板进 行接合的情况；有使用SAC合金将具有实施了Ag-Pd合金镀覆的电极的封装 体、与具有Cu电极的印刷基板进行接合的情况。作为除了这些之外的镀覆组 成，还已知有Ag、Ni、Ni-P。

已知有软钎料合金的组成、焊剂、以及软钎焊条件等各自最佳化是目前 作为用于提高软钎焊性、接合强度的方法。此外，还已知有考虑软钎焊的电 极的镀覆组成的方法。专利文献1以及专利文献2中公开有考虑电极的镀覆组 成、特别是实施了Ni化学镀覆的电极的发明。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-015479号公报

专利文献2：日本特表2006-131979号公报

发明内容

发明要解决的问题

将由异种材料形成的两个电极进行软钎焊时，有在熔融时的软钎料内产 生流动，一个电极的镀覆的元素向另一个电极侧移动/扩散，且金属间化合物 形成于接合界面的情况。

一般来说，存在源于接合界面中的金属间化合物的种类增加，接合强度、 耐热循环特性变差的倾向。此外，如上述那样伴随电子设备的进一步小型化， 电子部件的电极也逐渐小型化/小面积化。因此，若小型化/小面积化的电极 的接合界面中的金属间化合物的种类多，则例如意外将电子设备掉落时，因 冲击载荷引起电极的接合断裂而产生电子设备的功能丧失这样的重大问题。 因此，理想的是，形成于电极的接合界面的金属间化合物的种类较少，且以 不增加金属间化合物的种类的方式进行控制是重要的技术课题。以下，对金 属间化合物的形成例进行说明。

例如，要用SAC合金将具有实施了Ni/Au镀覆的电极的封装体、与具有 Cu电极的印刷基板进行接合时，在Ni/Au镀覆膜与SAC合金的界面形成Ni-Sn 的金属间化合物。然而，在与印刷基板接合时，Cu从印刷基板的Cu电极扩 散至封装体侧，且也形成作为Ni-Sn-Cu的金属间化合物的(Cu、Ni)₆Sn₅。

此外，要用SAC合金将具有实施了Ag-Pd合金镀覆的电极的封装体、与 具有Cu电极的印刷基板进行接合时，Pd容易从封装体的电极扩散至Sn，且扩 散至印刷基板的Cu电极而促进金属间化合物的形成，或者Cu也从印刷基板 的Cu电极扩散，且金属间化合物容易形成于封装体的电极的界面。

在专利文献1、2中公开有在实施了Ni化学镀覆的BGA基板的电极形成焊 料凸块时所使用的软钎料。然而，对于通过形成的焊料凸块接合于BGA基板 时的问题完全没有考虑。即，BGA基板侧的电极一般来说多数由Cu电极或实 施了Cu镀覆的电极形成，但在专利文献1、2中仅公开了使用单一的软钎料将 BGA基板的电极与焊料凸块接合，因此由专利文献1、2公开的发明中，无法 解决上述课题，即无法解决在将由异种材料形成的两个电极进行软钎焊时， 在接合界面形成金属间化合物而导致接合强度、耐热循环特性变差。

需要说明的是，选择对各电极最佳的软钎料组成且将两种焊膏重叠来进 行印刷在技术上是困难的。此外，将焊膏进行印刷且用安装机等在其上载置 软钎料构件，或与其相反，涂布焊剂且载置软钎料构件，进而涂布焊膏是需 要作业时间的。因此，目前考虑到接合界面的强度、软钎料的强度，不得不 选择得到适当强度的单一软钎料组成来进行应对。

本发明是鉴于这些课题而完成的，其提供能够将由异种材料形成的两个 电极、具体而言实施了不同镀覆的两种电极，作为一例，将实施了Ni/Au镀 覆或Ag-Pd合金镀覆的电极与Cu电极抑制在接合界面形成金属间化合物地以 高接合可靠性进行软钎焊的异种电极接合用层叠软钎料以及电子部件的异 种电极的接合方法。

用于解决问题的方案

本发明人等为了解决上述课题进行了潜心研究，结果得到以下列举的发 现I～III，从而完成了本发明。

(I)将从Sn、Ag、Cu、Ni、Sb、Bi、Ge、Al、Ga、In、Zn、Au、Pd、Pt、 Co、Fe、Mn、Cr、Ti等元素的组中选择至少一种以上的元素而成的第1层软 钎料、和从前述元素组中选择至少一种以上与第1层软钎料不同组合的元素 而成的第2层软钎料接合从而形成层叠软钎料。具体而言，通过将作为第1层 的Sn-Ag-Cu系软钎料或Sn-Sb系软钎料、与作为第2层的Sn-Ag-Cu-Ni系软钎 料或Sn-Pb系软钎料接合来形成层叠软钎料。

(II)层叠软钎料也可以通过利用压延将第1层软钎料与第2层软钎料接 合，来形成为压延包层软钎料。

(III)例如将利用压延接合而成的压延包层软钎料用作异种电极接合用层 叠软钎料，以层叠软钎料的第1层接触作为一个电极的Cu电极，并且第2层接 触作为另一个电极的实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极的方式，以规 定的条件将实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极与Cu电极进行软钎焊 时，在第1层软钎料与第2层软钎料接触的层叠面形成固相扩散层。中间的该 固相扩散层对于一个电极来说第2层软钎料成为阻挡层(barrier)、且对于另 一个电极来说第1层软钎料成为阻挡层，能够抑制金属元素从一个电极向另 一个电极扩散导致的、在接合界面形成金属间化合物，由此，能够抑制在接 合界面形成金属间化合物而以高接合可靠性软钎焊由异种材料形成的两个 电极。

本发明如下列举。

(1)一种异种电极接合用层叠软钎料，其特征在于，其具备第1片状软钎 料和第2片状软钎料，该异种电极接合用层叠软钎料用于将由第1材料形成的 第1电极、和由与第1材料不同的第2材料形成的第2电极接合，

所述异种电极接合用层叠软钎料具有介由第1片状软钎料的一个平面、 以及第2片状软钎料的一个平面层叠第1片状软钎料和第2片状软钎料而成的 两层结构，

第1片状软钎料的与一个平面不同的另一个平面、以及第2片状软钎料的 与一个平面不同的另一个平面均为与第1电极、或第2电极的接合面，以及

第1软钎料和第2软钎料分别具有不同的化学组成。

(2)根据上述(1)项所述的异种电极接合用层叠软钎料，其中，其为利用 压延接合第1片状软钎料和第2片状软钎料而成的压延包层软钎料。

(3)根据上述(1)项或(2)项所述的异种电极接合用层叠软钎料，其中，第1 片状软钎料为Sn-Ag-Cu系软钎料或Sn-Sb系软钎料，并且第2片状软钎料为 Sn-Ag-Cu-Ni系软钎料或Sn-Pb系软钎料，进而，第1电极为Cu电极或实施了 Cu镀覆的电极，并且第2电极为实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极。

(4)一种电子部件的异种电极的接合方法，其特征在于，在将具有实施了 Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极的封装体软钎焊到具有Cu电极或实施了 Cu镀覆的电极的印刷基板上时，在上述(1)项至(3)项中的任一项所述的异种 电极接合用层叠软钎料的内部形成固相扩散层，并且在第1片状软钎料与第1 电极接触、且第2片状软钎料与第2电极接触的状态下，将第1电极与第2电极 进行软钎焊。

发明的效果

根据本发明，能够将由异种材料形成的两个电极、具体而言将实施了不 同镀覆的两种电极，作为一例，将实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极 与Cu电极抑制在接合界面形成金属间化合物地以高接合可靠性进行软钎焊。

具体实施方式

对用于实施本发明的实施方式进行说明。在如下的说明中，利用压延将 第1片状软钎料与第2片状软钎料接合而成为压延包层软钎料的情况作为例 子。

1.本发明的异种电极接合用层叠软钎料

异种电极接合用层叠软钎料具备第1片状软钎料和第2片状软钎料。第1 片状软钎料和第2片状软钎料分别具有不同的化学组成。例如，可以例示出： 第1片状软钎料为Sn-Ag-Cu系软钎料(例如Sn-3.0Ag-0.5Cu软钎料)或Sn-Sb系 软钎料(例如Sn-5Sb软钎料)，并且第2片状软钎料为Sn-Ag-Cu-Ni系软钎料(例 如Sn-2.0Ag-0.75Cu-0.07Ni软钎料)或Sn-Pb系软钎料(例如87Pb-13Sn软钎料)。

异种电极接合用层叠软钎料是为了将由第1材料形成的第1电极、和由与 第1材料不同的第2材料形成的第2电极接合而使用的。例如，可以例示出： 第1电极为Cu电极，并且第2电极为实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电 极。

异种电极接合用层叠软钎料具有介由第1片状软钎料的一个平面、以及 第2片状软钎料的一个平面来层叠第1片状软钎料以及第2片状软钎料而成的 两层结构。异种电极接合用层叠软钎料为压延第1片状软钎料以及第2片状软 钎料而成的压延包层软钎料。

在利用压延将第1片状软钎料与第2片状软钎料接合而制成压延包层软 钎料时，作为必须考虑的要素，有以下要素i～vii。压延主要优选在以下列举 的条件下进行。

(i)压延速度：2～60m/分钟

(ii)压下率{(压延前总片厚-压延后总片厚)/压延前总片厚}：30～95％

(iii)压延温度：5～30℃

(iv)压延机型号：2～10段式

(v)第1、2片状软钎料的厚度：均为5～150μm

(vi)第1、2片状软钎料的氧化膜厚度：50nm以下

(vii)第1、2片状软钎料的尺寸、形状：(1.0～2.0)mm×(1.0～2.0)mm，按照 电极形状而适宜地制造为圆形、正方形、长方形等。

需要说明的是，包层条件按照接合的两种软钎料而适宜地设定即可，对 于特定的条件没有限制。

进而，与第1片状软钎料的一个平面不同的另一个平面、以及与第2片状 软钎料的一个平面不同的另一个平面均为与第1电极、或第2电极的接合面。

2.异种电极的接合方法

将具有实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极的封装体软钎焊到具 有Cu电极的印刷基板上。例如，可以例示出：用于经LGA((连接盘网格阵 列)Land grid array)、LLCC(Land less chip carrier)、SMD((表面安装器 件)Surface Mount Device)化的LED等的接合。

例如，在规定的条件下将本发明的异种电极接合用层叠软钎料进行回流 焊加热(在规定条件下的加热以及冷却处理)，由此，在异种电极接合用层叠 软钎料的层叠面以及与电极的接合面形成固相扩散层。固相扩散层也可以通 过赋予加压、超声波振动来代替上述的加热、冷却处理而形成。

在如此形成固相扩散层后，在作为第1片状软钎料的Sn-Ag-Cu系软钎料 或Sn-Sb系软钎料、与作为印刷基板的第1电极的Cu电极接触，而且作为第2 片状软钎料的Sn-Ag-Cu-Ni系软钎料或Sn-Pb系软钎料、与作为封装体的第2 电极的实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极接触的状态下，将第1电极 与第2电极进行软钎焊。

该软钎焊优选为回流焊接合，回流焊处理的加热条件优选为与第1片状 软钎料以及第2片状软钎料中的、固相线温度较低的片状软钎料的固相线温 度相同或比其更低的温度。若回流焊处理时间没有限制，则也能够在比固相 线低60℃以上的温度下进行回流焊处理，但考虑接合面进行氧化，会对软钎 焊性带来不良影响，具体而言，比固相线温度低约10～50℃的温度时，能够 准确地控制扩散量，故优选。

若通过加热处理使第1片状软钎料和第2片状软钎料完全相互扩散，则在 电极的接合界面的金属间化合物的种类增加，因此，例如，意外地将电子设 备掉落时，因冲击载荷引起电极的接合断裂而产生电子设备的功能丧失这样 的重大问题，故不优选。从这样的观点出发，例如，在回流焊处理中的加热 峰温度优选为从固相线温度至(固相线温度-50℃)左右，加热峰时间优选为 20～40秒左右。

此外，本发明中，在异种电极接合用层叠软钎料的内部能够形成上述固 相扩散层即可，因此，优选适宜地设定能够形成固相扩散层的回流焊曲线、 即包括上述加热以及冷却的1次的回流焊曲线，来进行回流焊接合。由此， 能够在第1片状软钎料与第2片状软钎料的接合界面可靠地形成固相扩散层， 而且能够边防止形成金属间化合物边以比最初的软钎料组成更低的成本进 行软钎焊。

此外，通过将与实施了Ni/Au镀覆的封装体的第2电极接触的第2片状软 钎料的化学组成设为富Pb的87Pb-13Sn，并且将与实施了Cu镀覆的印刷基板 的第1电极接触的第1片状软钎料的化学组成设为富Sn的Sn-5Sb，能够通过固 相扩散层抑制印刷基板的第1电极中所含有的Cu向封装体的第2电极侧移动。

需要说明的是，不需要使用1次的回流焊处理来接合第1电极以及第2电 极，也可以因接合工序上的理由而使用以下方式进行：通过仅将异种电极接 合用层叠软钎料接合于印刷基板的第1电极，而停止于所谓的凸块形成，这 样在形成凸块后再将第1电极与第2电极接合。

实施例

边参照实施例边更具体地说明本发明。

本实施例中，使用Sn-5Sb软钎料(固相线温度238℃)作为第1片状软钎料， 而且使用87Pb-13Sn软钎料(固相线温度236℃)作为第2片状软钎料。将第1片 状软钎料以及第2片状软钎料重叠后，利用压延来接合，从而制成 50mm×500mm的带状压延包层软钎料，将该压延包层软钎料进行冲切加工而 得到1.5mm×1.5mm的本发明的异种电极接合用层叠软钎料。压延包层条件如 下列举。

(1)压延速度：25m/分钟

(2)压下率：65％

(3)压延温度：室温

(4)压延机型号：2段式

(5)第1、2软钎料的厚度：均为60μm

(6)氧化膜厚度：15nm以下

在印刷基板的实施了Cu镀覆的电极(1.5mm×1.5mm)上涂布焊剂后，将该 异种电极接合用层叠软钎料以第1片状软钎料侧与实施了Cu镀覆的电极接触 的方式载置，进而在其上载置具有实施了Ni/Au镀覆的电极的封装体。

然后，在规定的条件下对该电子构件进行了回流焊处理。将在包括该加 热以及冷却处理的回流焊处理中的加热峰温度设为190℃，将加热峰时间设 为20秒。

如此，在第1片状软钎料与第2片状软钎料之间形成的固相扩散层成为阻 挡层，因此，在将由异种材料形成的两个电极、具体而言实施了不同镀覆的 两种电极，作为一例，将实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的电极与Cu电极 进行软钎焊时，能够抑制在各自的接合界面形成金属间化合物而以高接合可 靠性进行软钎焊。

此外，本发明的作用效果是只要能在异种电极接合用层叠软钎料的内部 形成上述固相扩散层就能够达成的，因此除了在以上的说明所例示的两个电 极与第1、2片状软钎料的组合之外，也能够是各种组合。

如上所述，根据本发明，即使将实施了不同镀覆的第1、2电极、例如将 作为Cu电极的第1电极与实施了Ni/Au镀覆或Ag-Pd合金镀覆的第2电极进行 软钎焊时，也能够抑制在各自的接合界面形成金属间化合物而以高接合可靠 性进行软钎焊。