JPH07506773A - 中間温度拡散接合 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 中間温度拡散接合 至咀ａ！亘 本発明は、物品の接合及び結合に係り、特には、拡散接合（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ 　ｗｅｌｄｉｎｇ）方法に関する。

物品又は部材・部品同士を機械的、電気的又は熱的に接合する必要性は、非常に 広範な状況で生じ、多くの技術が開発されている。例えばマイクロ電子デバイス の製造において。

端子同士を機械的及び／又は電気的に接合したり、サブストラフチャ（ｓｕｂｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅ）同士を機械的に接合することがしばしば必要である。接合は 、既に存在しているマイクロ電子デバイスを損傷させることなく行わなければな らない。

マイクロ電子デバイスにおけるそのような接合についての要求に対する最も普通 のアプローチは、部品同士を半田付けすることである。半田付けにおいては、融 点の低い純金属又は合金を接合すべき場所に提供する。鉛−スズ、鉛−インジウ ム及びインジウム半田が広く用いられている。鉛−スズ半田は、ハードウェアス トアーで入手可能ななじみのある半田であり、他の半田はより特殊な用途のため に作られたものである。接合すべき半田及び取り巻く領域を半田を溶融させるに 十分な温度に加熱し、これを接合すべき表面上を流動させる。加熱を止め、部品 を冷却する。部品が冷却するにつれ、半田が固化して部品同士を接合する。

半田付けは広く用いられているが、い（つかの用途において欠点を有する。半田 を濡らし、接合すべき表面上を流動させるようにするために、半田が溶融する前 に接合すべき表面を清浄化するフラックスを用いることが通常必要である。フラ ックスは、しばしば、表面を清浄にする腐食性組成物であるが、また、マイクロ 電子部品に長期の損傷を引き起こし得る残渣を残す、また、接合すべき表面への 半田の付着を改善するために、半田付けを始める前に当該表面を酸でエツチング することも必要となり得る。エツチングに使用する酸は、同様に、マイクロ電子 デバイスの損傷をもたらし得る。さらに、接合後に高い強度を有する、マイクロ 電子用途に好適な低温半田は、知られていない。良好な半田接合を達成するため に、正確な温度及び雰囲気条件の使用を含む注意深いプロセス制御が要求される 。ｉ＆後に、半田の注意深い選択、接合すべき部品の適切な表面準備、及び精密 なプロセス制御をもってしても、強度を大幅に低下させるギャップやホールが最 終半田接合部に存在し得る。

半田付けは、多くの用途にとって生き残れる接合技術であると期待される。他の 用途では、これらの欠点は、この技術を満足できないようなものにしている。そ のような用途において半田付けに取って代ることのできる改善された接合技術に 対するニーズがある０本発明は、このニーズを満たし、さらに関連する利点を提 供しようとするものである。

ｉ咀Ｑ監翌 本発明は、２つの部材・部品同士を接合するための接合技術を提供するものであ る。この技術は、マイクロ電子産業において特に関心のあるものであるが、より 幅広い適用性を有する０本方法は、全体的に固体状態のものであり、部品・部材 も接合材料もプロセス中に溶融されることがない、接合過程において、表面エツ チングもフラックスも必要としない。

プロセス制御は、温度制御のみを要求するものであり、これは、普通、非常に正 確に行えるものである。好ましい最大プロセス温度は、高すぎる温度に熱せられ るとそれ自体ダメージを受ける多くのマイクロ電子デバイスにとって許容できる 加熱範囲にある。最終接合は、引張り及びクリープにおいて。

従来の接合過程中に溶融される低温半田によって達成されるものよりもはるかに 強い。本発明の方法は、接合すべき表面同士をプレスする能力を必要とし、その 適用性は、プレスが可能であり許容されるような状況に制限される。

本発明によれば、２つの部材同士を接合するための方法は、接合すべき第１の部 材上に第１の接合表面を提供する工程を含む。この第１の接合表面は、第１の材 料の第１の領域、及び第１の材料の第１の領域上に形成（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　 ）され、第１の材料と異なる組成を有する第２の材料の第１の層を包含する。第 ２の材料は、第１の材料上に接着性のコーティングを形成し、約１２５°Ｃない し約２５０°Ｃの温度で酸化に耐えるものである。この第２の材料は、約１２５ ℃未満の温度において第１の材料中への無視し得る固溶性を有し、約１２５°Ｃ を超える温度において第１の材料中への増加する有限の固溶性を有する。第２の 材料は、第１の材料と第２の材料とを互いに接合するに十分な第１の材料中への 相互拡散（ｉｎｔｅｒｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を約１２５°Ｃないし約２５０°Ｃ の温度で達成する。本発明の方法は、さらに、接合すべき第２の部材上に第２の 接合表面を提供することを含む、この第２の接合表面は、約１２５°Ｃないし約 ２５０°Ｃの温度で酸化に耐える第３の材料で作られる。この第３の材料は、第 ２の材料と第３の材料とを互いに接合するに十分な第２の材料中への相互拡散を 約１２５°Ｃないし約２５０　’Ｃの温度で達成する。２つの接合表面を約１２ ５°Ｃないし約２５０°Ｃ１好ましくは約２００°Ｃの温度で、第１及び第２の 接合表面が相互拡散するに十分な時間プレスする。第２の材料及び第３の材料は 、同一の材料であることが好ましいが、必ずしも必要なことではない。プレス時 間は、望ましくは、せいぜい約１時間である。

多くの異なる系が拡散接合の要求を満たすものとして確認されている。最も好ま しい組合せは、第１の材料としてのニッケル、及び第２、第３の材料としての金 である。使用できる組合せの他の例において、ニッケルを第１の材料とし、スズ を第２及び第３の材料とすることができ；ゲルマニウムを第１の材料とし、スズ を第２及び第３の材料とすることができ；ベリリウムを第１の材料とし、スズを 第２及び第３の材料とすることができ；さらに、金を第１の材料とし、白金を第 ２及び第３の材料とすることができる。これらの例は、例示のものであり、限定 的なものではない。

好ましい態様において、より具体的には、２つの部材を互いに接合するための方 法は、接合すべき第１の部材上に金コートされたニッケル接合表面を提供し、接 合すべき第２の部材上に全接合表面を提供し、これら２つの接合表面同士を、約 １２５°Ｃないし約２５０°Ｃの温度で５両接合表面が相互拡散するに十分な時 間プレスする各工程を包含する。好ましい接合温度は、約２００°Ｃである。

接合の温度は、少な（とも約１２５°Ｃでなければならない。

より低い温度では、ニッケル又は他の第１の材料中における金又は他の第２の材 料の固溶性がほぼゼロであるからである。

相互拡散は、溶解性がなければ生じ得ない、実験により、充分な相互拡散と拡散 接合効果は、２５０℃以下の温度で達成され、従って、より高い温度で拡散接合 を行う必要がないということが立証された。さらに、より高い温度は、プロセス の完了後、接合部及び接合される部材中の増大した熱及び残留応力をもたらし、 従って、これを避けるべきである０本発明を現在の好ましい用途であるマイクロ 電子デバイス接合用に用いる場合、デバイスを２５０°Ｃを超える温度に供する と、増大した相互拡散によりマイクロ電子デバイスに劣化をもたらす。したがっ て、本発明の拡散接合範囲は、約１２５　’Ｃないし約２５０°Ｃという中間温 度範囲である。しかしながら、材料のいずれかが２５０°Ｃ未満の温度で溶融す るならば、拡散接合中の最大温度はその溶融温度を超えるべきでない。

本発明の最も好ましい態様において、２つの部材を互いに接合するための方法は 、接合すべき第１の部材上にニッケル層を提供し、第１の部材のニッケル層を、 金層により、存在する金の量が存在するニッケルの量の約０．５％以下となるよ うな厚さでコートする工程を含む。接合すべき第２の部材上にニッケル層を提供 し、第２の部材のニッケル層を、金層により、存在する金の量が存在するニッケ ルの量の約０．　５％以下となるような厚さでコートすることによって、第２の 部材を同様に処理する。第１の部材及び第２の部材の各金層を接触させるように 置く。第１の部材及び第２の部材を、約１２５°Ｃないし約２５０°Ｃの温度で 、第１の部材及び第２の部材が相互拡散するに充分な時間プレスする。

本発明の好ましい態様は、ニッケル又は他の第１の材料を酸化から保護し、約１ ２５°Ｃないし約２５０’Ｃの温度範囲内でニッケル又は他の第１の材料と相互 拡散するという金又は他の第２の材料の薄い金層の能力によって実施可能である ところの完全固体状態拡散接合もしくはウェルディングである。

ニッケルは、そのように低い温度及び穏やかな圧力ではニッケルに圧力接合する ことがない、ニッケルは１通常、その表面に酸化ニッケルを形成し、これが相互 拡散に対する拡散バリヤーとして作用し、また、そのような温度ではニッケルの 自己拡散速度が低いがらである。ニッケルの表面上への金の薄層の被着（デボジ シゴン）は、ニッケルを酸化に対して保護し、またニッケルー金相関係の特性に より増加した相互拡散速度を産み出す。

好ましい態様において、接合すべき表面の少なくとも一方は、ニッケル上に被着 された金の薄層を含まなければならない、ニッケルは、下地構造の構成材料であ り得るが、下地構造上に被着されたニッケル層の形態にあり得る。接合すべき他 方の表面は、対面する表面上のニッケルー金構造と相互拡散するために、表面に 金を有しなければならない。これは、また、ニッケル上の薄い金層の形態にあり 得る。

この方法により形成される接合は、エッチ又はフラックスを使用することなく、 穏やかな温度及び印加接合圧力の下で達成される。本発明の方法は、接合すべき 構造がこれら接合条件を許容する場合に使用できる。最終の接合は、引張り及び クリープにおいて非常に強く、低温半田で形成される半田接合のそれよりも優れ た機械的性質を生じる０本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例により 説明する添付の図面とともに考慮したとき、以下のより詳細な説明から明らかと なるであろう。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の好ましい態様を実施するための方法の流れ図。

図２は、接合の開始直前における好ましい接合形態を示す側面図、及び 図３は、接合部位の概略を組成を指摘して示す正面図。

ＩＩＩ　１７　を看゛日 図１は、本発明の好ましい方法における工程を示し、図２〜図３は、好ましい態 様について、接合前後双方における接合する部材の構造を示している。図１及び 図２を参照すると。

まず、ニッケル層４０が第１の部材４２に適用される（符号２０）、ここで用い られている「ニッケルｊは、純ニッケルと他の合金元素を含有するニッケル合金 との双方を含む、相互拡散中に脆化相が生成しない限り、合金は許容できる。例 えば、鉛と金は相互拡散すると脆弱相を形成するので、ニッケル合金中には、鉛 は、はとんど又は全く存在すべきでない。

第１の部材４２は、それ自体、ニッケルで作られていてもよく、その場合、その ニッケルからなる部材の上部分は層４０とみなされる。ニッケル層４０は、金層 ４４でコートされる（符号２２）。層４０は、純金であってもよいし、ニッケル 層４０との相互拡散中に脆化相を形成することのない金合金であってもよい。

ニッケル層及び金層は、種々の厚さのものであり得る。しかしながら、金層４４ 中の金の合計量は、好ましくは、ニッケル層４０中のニッケルの合計量の約０゜ ５％を超えない。

金の量がこの値を超えると、後の処理で得られる相互拡散したニッケル・金層の 総組成（ｎｅｔ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）が、もはや、状態図の固溶領域に入 らなくなる。実際、総組成は、状態図の溶解度間隙（ｍｉｓｃｉｂｉｌｉｔｙ　 ｇａｐ）領域内にある。この関係は好ましいものではあるが、絶対要件ではない 。部分相互拡散又は溶解度間隙内の組成への相互拡散は、特に、使用中に印加さ れるいずれもの力が分配される充分に大きい領域が存在することを確保するため に比較的大きな接合表面積にわたって達成されるとき、許容される。

好ましい態様において、ニッケル層４０は純ニッケルであり、第１の部材４２を メッキ基材として用いた電気メッキにより適用した。メッキニッケル層４０は、 約０．００４インチの厚さであった。メッキされた第１の部材４２を真空被着装 置内に置き、ニッケルＦＪ４０の表面をイオンクリーニングにより汚染質及び酸 化ニッケルを除去することによって清浄化した。金層４４は純金であり、ニッケ ル層４０の被着に続いてその場での（ｉｎ−ｓｉｃｕ）電子ビーム被着により形 成した。

金層４４は約４０００オングストローム（４００ナノメートル）・の厚さであっ た。金層４４の被着前にニッケルＦｉ４０が再汚染又は再酸化し得ないように、 イオンクリーニングと全被着との間で真空を破壊しなかった。

第１の部材４２について今述べたものと同様の技術を用いて、第２の部材４６に ニッケル層４８　（図１中の符号２４参照）及び金層５０　（図１中の符号２６ 参照）を設けた。しかしながら、このこの手法を行う必要はない。第２の部材４ ６上に金層５０が存在し、又は第２の部材全体が金であれば、第２の部材４６上 にニッケル層が提供されていな（でも、本接合方法は、うまく機能するからであ る。マイクロエレクトロニクスにおいて、コンタクトは、金からなり、あるいは 金層をもって行われる場合があり５本発明の方法は、そのような構造に使用可能 である。

上記手法により第１及び第２の部材上に各層を被着した後。

金層４４と５０が対面するように第１の部材４２と第２の部材４６を接触して！ ＜　（符号２８）。図２は、層４４と５０を接触させる直前のこの配量を図解し ている。これら部材４２と４６の接触は、真空中で行ったり、これら部材を真空 から取り出した後直ちに行ったりする必要はない、金層４４及び５０はすぐに酸 化したり、他のタイプの拡散バリヤーを形成したりすることがないからである。

しかしながら、層４４及び５０の対面する表面がごみやグリース等の汚染質で汚 染されないようにすることは必要である。

第１の部材４２及び第２の部材４６を高められた温度下で加熱しプレスする（符 号３０）。この温度は、少なくとも約１２５°Ｃでなければならない。金及びニ ッケルは、その温度より低い温度では有意に相互拡散しないからである。従って 、ニッケル／金コートされた部材を相互拡散プロセス前に周囲温度（ａｍｂｉｅ ｎｃ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）で保管しても実質的な相互拡散は生じない。ま た、上記温度は約２５０°Ｃを超えるべきでない。より高い温度を使用すると熱 及び残留応力が経験され、より低い温度で充分な効果が達成され、接合しようと する部材に損傷を与える可能性があるからである。

各部材は、層４４及び５０の表面で妥当的に完全な界面接触を達成し、強い接合 を促進するに充分な力でプレスすべきである。接合の目的で小さな領域に印加力 を集中させる、バンブを用いた技術のような幾何学的技術により接合ラインにお ける印加力を拡大することが可能である。従って、有効な印加力は、接合される 領域の幾何学的形状に依存する。本接合現象は、主に、充分に高い温度の適用の 結果であり、圧力は、界面接触を促進することを除き、直接的な役目を果たさな い。従って、印加された圧力は、拡散接合操作において考慮すべき主要変数では ない。

部材同士を接合するために要する時間は、接合温度に依存する。２００°Ｃとい う好ましい接合温度では、接合は平方イン千当り約１５，０００ボンドの印加圧 力において６０分以内に達成された。他の研究により、約５〜１０分のオーダー のようなより短い時間も使用できることが示されている。１時間又はそれ以上と いった過度に長い時間を使用すべきでない。接合しようとする部材に拡散的損傷 が生じ得るからである。

図３は、ある程度の相互拡散後の接合領域近傍における組成のプロファイルを示 している。相互拡散中、その境界が初期には明確に画定されている層４０．４４ ．４８及び５０は、層４０からの金が層５０からの金と相互拡散し、層５０から の金が層４８からのニッケルと相互拡散し、層４４からの金が層４０からのニッ ケルと相互拡散するにつれ、より明確には画定されなくなる６図３は、各層が初 めに物理的に位置していた場所を破線で示し、それらの層がもはや初めの組成の ものではないことを示している。ニッケル層４０及び４８は、主としてニッケル と金との混合物となり、金層４４と５０は、実質的なニッケル含有率を有する。

最終的に、金及びニッケルは、前に層４０．４４．５０及び４８であったところ を横断してより一層はぼ均一となるように相互拡散して接合操作を完結させる。

通常、ニッケル層４０及び４８がらのニッケルのそれぞれの部材４２及び４６中 への少量の相互拡散があり、これは、当該相互拡散層による部材４２と４６の接 着のさらなる助けとなる。

本発明の実施において、第１の部材４２は、厚さ約００００４インチのニッケル 層４０及び厚さ約４０００オンダストロームの金層４４を有するものであった。

第２の部材４６は全体が金であった。接合は、平方インチ当り約１５，０００ボ ンドの印加圧力で、約２００°Ｃで６０分間で達成された。

接合後、接合部から＠２の部材４６を除去しようと試みたところ、接合部ではな くニッケルにおいて破壊が生じた。他の測定において、ニッケル／金合金は、１ ８，０ＯＯｐ　ｓ　ｉ（平方インチ当りのボンド）を超える引張り強度を有する ことがわかった。ニッケル／金合金は、９０００ｐｓｉ以上という予期されたク リープ強度を示した。典型的な鉛−スズ半田は、約５５００ｐｓ　ｉの引張り強 度及び３００ｐｓ　ｉのクリープ強度を有していた。本発明の接合は、おそらく その成分のより一層高い融点によるため、従来の半田接合よりがなり強い。

以上、例示の目的で本発明の具体的な態様を詳細に説明したが、本発明の精神及 び範囲を逸脱することなく種々の変更が可能である。したがって、本発明は、添 付の請求の範囲による以外は限定されるものではない。

寸　０ 寸り 手続補正書 平成６年１１月２日

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．接合すべき第１の部材上に第１の接合表面を提供する工程であつて、該第１ の接合表面は、 第１の材料の第１の領域、及び 該第１の材料の第１の領域上に形成され、該第１の材料と異なる組成を有する第 ２の材料の第１の層を包含し、該第２の材料は、第１の材料上に、約１２５℃な いし約２５０℃の温度で酸化に耐える接着性のコーティングを形成し、該第２の 材料は、約１２５℃未満の温度において第１の材料中ヘの無視し得る固溶性を有 し、約１２５℃を超える温度において第１の材料中ヘの増加する有限の固溶性を 有し、該第２の材料は、該第１の材料と第２の材料とを接合するに十分な第１の 材料中ヘの相互拡散を約１２５℃ないし約２５０℃の温度で達成するものであり 、接合すべき第２の部材上に第２の接台表面を提供する工程であつて、該第２の 接合表面は、約１２５℃ないし約２５０℃の温度で酸化に耐える第３の材料で作 られ、該第３の材料は、該第２の材料と第３の材料とを接合するに十分な第２の 材料中ヘの相互拡散を約１２５℃ないし約２５０℃の温度で達成するものであり 、 該２つの接合表面を、約１２５℃ないし約２５０℃の温度で、該第１及び第２の 接合表面が相互拡散するに十分な時間ブレスする工程 を包含する、２つの部材を接合して単一品を製造するための方法。
2. ２．該第２の材料及び該第３の材料が、同種の材料である請求項１記載の方法。
3. ３．該第１の領域が、接合すべき部材上に被着された第１の材料の層である請求 項１記載の方法。
4. ４．該第３の材料が、接合すべき第２の部材の表面上の層として存在する請求項 １記載の方法。
5. ５．ブレス工程における接合時間が約１時間以下である請求項１記載の方法。
6. ６．請求項１記載の方法によって得られた物品。
7. ７．接合すべき第１の部材上に金コートされたニッケル接合表面を提供し、 接合すべき第２の部材上に金接合表面を提供し、該２つの接合表面を約１２５℃ ないし約２５０℃の温度で、両接合表面が相互拡散するに十分な時間ブレスする 各工程を包含する、２つの部材を接合して単一品を製造するための方法。
8. ８．該第２の部材上の接合表面が、金コートされたニッケルである請求項７記載 の方法。
9. ９．ブレス工程中の温度が、約２００℃である請求項７記載の方法。
10. １０．請求項７記載の方法によって得られた物品。
11. １１．接合すべき第１の部材上にニッケル層を提供し、該第１の部材のニッケル 層を、金層により、存在する金の量が存在するニッケルの量の約０．５％以下と なるような厚さでコートし、 接合すべき第２の部材上にニッケル層を提供し、該第２の部材のニッケル層を、 金層により、存在する金の量が存在するニッケルの量の約０．５％以下となるよ うな厚さでコートし、 第１の部材及び第２の部材の金層同士を接触させるように置き、 該第１の部材及び第２の部材を、約１２５℃ないし約２５０℃の温度で、該第１ の部材及び該第２の部材が相互拡散するに充分な時間ブレスする 各工程を包含する、２つの部材を接合して単一品を製造するための方法。
12. １２．該第１の部材が、ニッケルで作られている請求項１１記載の方法。
13. １３．該第１の部材上にニッケル層を提供する工程が、第１の部材の表面上にニ ッケルの層を被着する工程を含む請求項１１記載の方法。
14. １４．該第２の部材が、ニッケルで作られている請求項１１記載の方法。
15. １５．該第２の部材上にニッケル層を提供する工程が、第２の部材の表面上にニ ッケルの層を被着する工程を含む請求項１１記載の方法。
16. １６．ブレス工程中の温度が、約２００℃である請求項１１記載の方法。
17. １７．請求項１１記載の方法によって得られた物品。