JPH0638980B2 - 銅部材へのろう接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、銅部材へのろう接方法に関する。

〔従来の技術〕

銅を電極に用いたセラミック回路板の銅電極に対して、
リードフレームやリードピンがろう接される。

そのろう接方法は、たとえば、第２図(a)にみるよう
に、銅電極などの銅部材（銅層）１上に直接、Cu−Ag
（Ag−Cu）系共晶合金ろう材などのろう材２を用いてろ
う付けする方法、あるいは、第３図(a)にみるように、
銅部材１上にニッケル（Ni）めっきを施してニッケル層
３を形成した後、ニッケル層３の上に同様のろう材２を
用いてろう付けする方法などである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来のろう接方法では、熱処理により銅層中への異
種金属の拡散が起こり、母材としての銅部材を著しく浸
食する。

具体的には、第３図(a)にみるように、銅部材１とろう
材２との間にニッケル層３を介在させた場合には、第３
図(b)にみるように、銅部材１中へニッケルが拡散する
（矢印Ａで示す）ことにより、銅−ニッケル合金４が形
成される。

第２図(a)にみるように、ニッケル層３を介在させずに
銅部材１上に直接、ろう材２を接触させた場合には、ろ
う材２がCu−Ag系共晶合金ろう材などであると、ろう材
中の銀と、母材である銅部材１中の銅との間で共晶合金
が形成される。

これらのように、いずれの場合もろう接により母材の銅
が著しい浸食を受けるため、銅部材の厚みが薄いと、浸
食が銅部材の反対側界面にまで及ぶことがある。たとえ
ば、セラミック基板上に厚膜銅ペーストを用いて配線回
路（電路）を形成してなるセラミック回路板、セラミッ
ク基板上にＰＶＤ法により銅配線回路を形成してなるセ
ラミック回路板などに対し、リードフレームやリードピ
ンを上記ろう接方法によりろう接する場合に、そのよう
なことが起こる。この場合、銅部材の厚みは、せいぜい
１５μｍ程度である。

発明者が、セラミック回路板上に厚み１５μｍの銅層を
形成し、最も一般的なろう材である「BAg−（Ag…７２
％、Cu…２８％、共晶温度…７８０℃）」を用いて、こ
の銅層へろう接処理するという実験を行ったところ、第
３図(a)にみるようにニッケル層３を中間材として介在
させた場合には約２μｍのニッケル層３から銅層１へニ
ッケルが拡散しており、第２図(a)にみるようにニッケ
ル層３を介在させない場合にはろう材２中の銀の拡散が
著しく、銅−セラミック界面にまで達していた。

このように銅層へ異種金属が拡散すると、導電率が低下
したり、銅のセラミックに対する密着力が低下したりす
るといった問題が生じる。

そこで、この発明は、ろう材の金属および／または中間
層の金属であるニッケルが銅部材に対して拡散を起こ
し、銅部材を浸食するのを防ぐことができる、銅部材へ
のろう接方法を提供することを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため、この発明にかかる銅部材への
ろう接方法は、銅部材の少なくともろう接部分上にクロ
ム層を、同クロム層の上にニッケル層を形成しておき、
前記ろう接部分でろう接処理を行うようにしている。

〔作用〕

クロムは、他金属と非常に拡散を起こしにくく、しか
も、クロム−銅（Cr−Cu）の共晶温度が１０７５℃であ
り、クロム−ニッケル（Cr−Ni）の共晶温度が１３４５
℃であるため、一般的なろう接温度である８００℃前後
の温度では共晶反応を起こさない。したがって、銅部材
とニッケル層との間にクロム層を形成しておくことによ
り、ニッケルが銅へ拡散するのが防がれ、しかも、クロ
ム自体も銅に対してほとんど拡散を起こさないのであ
る。これにより、銅部材は、ろう接による異種金属の浸
食を受けることがない。

また、クロム層上にニッケル層を形成することにより、
ろう材がニッケル層と接触することになる。ろう材はク
ロムに対しては濡れが非常に悪く、クロム層上に直接、
ろう接をした場合に強固なろう接が得られないが、ニッ
ケルに対しては濡れが良好であり、強固なろう接が得ら
れる。また、ニッケルは、８００℃前後のろう接温度で
はろう材の金属と共晶反応を起こさないので、ろう材の
金属の拡散を防止するのに有効である。

〔実施例〕

以下に、この発明をその実施例を表す図面を参照しなが
ら詳しく説明する。

第１図(a)は、この発明にかかる銅部材へのろう接方法
でのろう接の熱処理の前の状態を表し、第１図(b)は熱
処理の後の状態を表す。

銅部材１を準備する。銅部材１としては、たとえば、セ
ラミック基板上に形成された銅配線回路、銅電極などが
挙げられるが、これらに限らない。また、銅部材１は薄
い膜状のもの、または、セラミック基板などの基体上に
形成されたものなどである必要はない。

銅部材１上にクロム層５を形成する。銅部材１のクロム
層５を形成する部分は、銅部材１の全体であってもよい
が、少なくともろう接部分に形成する。

クロム層５の形成方法は、たとえば、真空蒸着，スパッ
タリング等のＰＶＤ法、あるいは、湿式めっき法などが
利用され、いずれの方法を用いてもよい。クロム層５の
厚みは、使用用途、ろう材の種類、および、ろう接条件
（プロファイル）などによって決定される。クロム層５
は、拡散防止の働きを考えると、ピンホール、クラック
などを生じないように、下地の銅部材１を完全にコーテ
ィングすることが好ましい。なお、セラミック回路板の
銅電極に対するリードフレーム、リードピンのろう接の
ように、ろう接部に信号電流を流す場合は、クロムの比
抵抗が、銅に比べるとかなり大きく、ニッケルに比べて
も２倍近くの大きさがあるので、膜厚が厚いとクロム層
が信号電流の大きな抵抗となってしまうことがある。こ
のため、クロム層５の厚みは、拡散を防止できるだけの
厚み、たとえば、0.03μｍ以上、であれば、できるだけ
薄い方が好ましい。

発明者の実験によると、ろう材２として、前記BAg−８
を使用し、８３０℃まで３０分間で昇温し、１分間保持
した後、３０分間で室温まで冷却するというろう接条件
でろう接を行ったところ、0.2μｍの膜厚のクロム層５
により、銅−ニッケル間の拡散を完全に防ぐことができ
た。

次いで、クロム層５上にニッケル層３を形成する。ニッ
ケル層３の形成方法も、クロム層５の形成方法と同様の
方法が利用され、特に限定されない。また、ニッケル層
３の厚みは、使用するろう材の種類、および、ろう接条
件などによって決定される。たとえば、ろう材２として
前記BAg−８を使用する場合、ニッケル層３の厚みは５
μｍ程度とするのが好ましい。ニッケルは、８００℃前
後のろう接温度では銀と共晶反応を起こさず、かつ、電
解めっきなどにより容易に数μｍ〜数十μｍの厚みの膜
を形成できるので、銀の拡散を防止するのに非常に有効
である。

次に、ろう接を行う。ろう接は、ろう接部分のニッケル
層３の上で行う。ろう材２のニッケルに対する濡れ性が
良好なので、強固なろう接が得られる。仮に、ニッケル
層３とではなく、クロム層５に直接ろう材が接触してい
るとすると、ろう材のクロム層５に対する濡れが非常に
悪いので、強固なろう接が得られなくなる。

前記ろう材２としては、通常、銅部材に対して使用され
るろう材、たとえば、銀ろう、リン銅ろうなどが用いら
れる。ここに示したろう材のろう接温度はだいたい６０
０〜８５０℃である。ろう接条件は、通常行われている
条件によればよいが、これに限らない。

ろう接のための加熱により、ろう材２が溶融し、下地の
ニッケル層３を濡らして、強固なろう接が完成する。こ
のとき、ろう材２とニッケル層３とは、多少拡散を起こ
す（矢印Ｂで示す）が、ニッケルと銅は、その間にクロ
ム層５があるため全く拡散を起こさない。したがって、
回路板などの銅配線回路にように厚みが数μｍ〜１５μ
ｍ程度しかない銅部材に対しても、銅部材を拡散により
浸食することなく、リードピン、リードフレームなどを
強固にろう接することが可能である。また、クロム層の
厚みは、薄くても拡散防止には有効であるので、膜厚み
を薄くすることで、導電率の低下は最小に抑えることが
できる。

この発明は上記実施例に限定されない。

以下に、この発明の具体的な実施例および比較例を示す
が、この発明は下記実施例に限定されない。

−実施例１− アルミナ基板（純度９６％）上にスパッタリング法を用
いて厚み１０μｍの銅層を形成し、２mmの円形にエッ
チングして電極とした。この円形の銅電極を下記のろう
接強度評価および抵抗評価に用いた。

銅電極を銅部材１とし、第１図(a)にみるように、その
上にステンレスマスクを用いてスパッタリング法により
厚み0.2μｍのクロム層５を形成した。さらに、このク
ロム層５の上に電解ニッケルめっきにより厚み５μｍの
ニッケル層３を形成した。

次に、ろう材２としてBAg−８（JIS Z 3261のろう材。
組成…Agが７２重量％、Cuが２８重量％、共晶温度が７
８０℃）を用いて、0.45mmの４２アロイ合金（組成…
Niが４２％、残りがFe）で作製した引張試験用リードピ
ンをニッケル層３上にろう接した。ろう接プロファイル
（条件）は、８３０℃まで３０分間で昇温し、１分間保
持した後、室温まで３０分間で冷却した。ろう接雰囲気
は、H₂＋N₂フォーミングガス雰囲気中とした。

−実施例２− 実施例１において、クロム層５の形成方法を電解クロム
めっき法としたこと以外は、実施例１と同様にしてろう
接を行った。

−実施例３− 実施例２において、クロム層５の厚みを0.5μｍとした
こと以外は、実施例２と同様にしてろう接を行った。

−実施例４− 実施例１において、ろう材２として、Cu：２８重量％、
Ag：６２重量％、In：１０重量％からなる共晶合金を用
い、７８０℃まで３０分間で昇温し、１分間保持した
後、室温まで３０分間で冷却するろう接条件を用いたこ
と以外は、実施例１と同様にしてろう接を行った。

−実施例５− 実施例４において、クロム層５の形成方法を電解クロム
めっき法としたこと以外は、実施例４と同様にしてろう
接を行った。

−比較例１− 実施例１において、クロム層５の形成を行わなかったこ
と以外は、実施例１と同様にしてろう接を行った。

−比較例２− 実施例１において、ニッケル層３の形成を行わなかった
こと以外は、実施例１と同様にしてろう接を行った。

−比較例３− 実施例１において、クロム層５およびニッケル層３の形
成を行わなかったこと以外は、実施例１と同様にしてろ
う接を行った。

上記実施例および比較例の各ろう接の評価として、リー
ドピンの接合強度測定を垂直引張試験によって行った。
また、ろう接部の断面をＥＰＭＡで観察し、銅部材１に
対する他金属の拡散の様子を調べた。さらに、円形電極
の下地銅部材１とリードピン間の抵抗を測定した。結果
を第１表に示した。

第１表からわかるように、この発明の実施例では、リー
ドピンは強固にろう接されており、かつ、銅部材に対し
て、クロム、ニッケル、銀などの他金属の拡散が全く見
られず、初期の膜厚を維持している。また、導電率も実
用上問題のないレベルにある。これに対し、各比較例で
は、銅部材に対し、ニッケルや銀の拡散が見られ、拡散
層が銅−アルミナ基板の接合界面まで達しているもの
（比較例３）もあった。この場合には、銅の密着強度の
著しい劣化が見られた。また、ニッケルの拡散による銅
部材の浸食は、銅配線回路の導電率の低下を招いた。

〔発明の効果〕

この発明にかかる銅部材へのろう接方法は、以上のよう
に、銅部材へのろう接部材に対する異種金属の拡散が起
こらず、したがって、ろう接により銅部材へのろう接部
材が浸食されず、かつ、強い接合強度を有するろう接を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる銅部材へのろう接方法の１実
施例を表し、図(a)は熱処理前の状態の断面図、図(b)は
熱処理後の状態の断面図、第２図は銅部材へのろう接方
法の従来の１例を表し、図(a)は熱処理前の状態の断面
図、図(b)は熱処理後の状態の断面図、第３図は銅部材
へのろう接方法の従来の別の１例を表し、図(a)は熱処
理前の状態の断面図、図(b)は熱処理後の状態の断面図
である。 １…銅部材、２…ろう材、３…ニッケル層、５…クロム
層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】銅部材の少なくともろう接部分上にクロム
   層を、同クロム層の上にニッケル層を形成しておき、前
   記ろう接部分でろう接処理を行う銅部材へのろう接方
   法。