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JP7526116B2 - How to calculate the duration of solder melting - Google Patents

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JP7526116B2 JP2021034772A JP2021034772A JP7526116B2 JP 7526116 B2 JP7526116 B2 JP 7526116B2 JP 2021034772 A JP2021034772 A JP 2021034772A JP 2021034772 A JP2021034772 A JP 2021034772A JP 7526116 B2 JP7526116 B2 JP 7526116B2
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Description

本発明は、部材同士を接合するために用いる、はんだの溶融持続時間の算出方法に関する。 The present invention relates to a method for calculating the melting duration of solder used to join components together.

電子機器の内部には、多数の電子部品が用いられており、これらの部材の多くは回路基板上にはんだ材料を用いて接合される。接合には、古くはPbSnはんだが用いられてきたが、近年では、環境影響の観点からPbフリーはんだが広く使われている。 Electronic devices contain many electronic components, and many of these components are joined to circuit boards using solder materials. Traditionally, PbSn solder was used for joining, but in recent years, Pb-free solder has come to be widely used due to its environmental impact.

Pbフリーはんだとしては、InSn、SnAgCu、AuSnなどのSn系はんだや、Sn系はんだより高融点であるAuGe、AuSiなどのAu系はんだ等が用いられている。中でもSnAgCuはんだは安価で融点も低いため広く用いられ、高い信頼性を要求される部材には、AuSnはんだが好ましく用いられている。特許文献1には、このようなPbフリーはんだによって電子部品と回路基板とを高い接合強度で接続するための接続条件を算出する方法が記載されている。 Examples of Pb-free solders include Sn-based solders such as InSn, SnAgCu, and AuSn, and Au-based solders such as AuGe and AuSi, which have a higher melting point than Sn-based solders. Among these, SnAgCu solder is widely used because it is inexpensive and has a low melting point, while AuSn solder is preferably used for components that require high reliability. Patent Document 1 describes a method for calculating the connection conditions for connecting electronic components and circuit boards with such Pb-free solder with high joint strength.

特許第4136641号公報Patent No. 4136641

はんだ接合において、はんだと接合される電子部品や回路基板には、はんだとの接合のための金属材料からなる金属膜が形成されており、この金属膜とはんだとが接合される。はんだ接合の際、はんだは溶融すると、はんだと金属膜とが反応してはんだと金属膜との界面にはんだと金属膜とを構成する材料からなる金属間化合物が生成される。この金属間化合物の生成は、はんだの溶融時間の経過とともに進行する。 In soldering, a metal film made of a metal material for bonding with the solder is formed on the electronic component or circuit board to be joined with the solder, and this metal film is joined to the solder. When the solder melts during soldering, the solder and the metal film react with each other, and an intermetallic compound made of the materials that make up the solder and the metal film is generated at the interface between the solder and the metal film. The generation of this intermetallic compound progresses as the solder melts over time.

多くの電子部品の場合、電子部品と回路基板とは多量のはんだ材料を用いて接合される。このように多量のはんだ材料を用いた接合の場合、はんだの溶融が長時間に及んでも、はんだのうち金属間化合物となる部分の占める割合は小さく、はんだの大部分の組成に変化はない。したがって、はんだの溶融持続時間に大きな影響はなく、はんだを融点以上の温度で加熱すれば、何度でも溶融させ、接合することができる。 In the case of many electronic components, the electronic components and circuit boards are joined using a large amount of solder material. In this way, when joining using a large amount of solder material, even if the solder melts for a long time, the proportion of the solder that becomes an intermetallic compound is small, and the composition of the majority of the solder does not change. Therefore, there is no significant effect on the duration of solder melting, and as long as the solder is heated to a temperature above its melting point, it can be melted and joined any number of times.

しかし、電子部品の中でも特にレーザー素子等の部品は、高い位置精度での実装と、高い接合信頼性が要求されるため、厚さ1~3μm程度の薄膜はんだを用いて接合するのが一般的である。このような薄膜はんだを利用した接合の場合、はんだの溶融時間の経過とともに金属間化合物の生成が進み、はんだの量が少ない(薄膜である)ことより、短い溶融時間の間ではんだの大部分の組成が金属化合物の組成へと変化してしまう。このようにはんだの組成が変動すれば、はんだの融点が変動し、たちまちはんだが固化してしまい、適切な接合が行えないといった問題が発生する。したがって、はんだにより部材が接合された接合体において、高い信頼性を有する接合体を得るためには、はんだの溶融持続時間は一つの重要な要素であり、はんだの溶融持続時間を制御すること、すなわち、はんだ組成の時間的変動を適切に制御することが重要である。 However, electronic components, particularly laser elements, require high positional accuracy and high joint reliability, and are therefore generally joined using thin-film solder with a thickness of about 1 to 3 μm. In the case of joining using such thin-film solder, the generation of intermetallic compounds progresses as the solder melts over time, and because the amount of solder is small (it is a thin film), the composition of most of the solder changes to that of metal compounds in the short melting time. If the composition of the solder fluctuates in this way, the melting point of the solder fluctuates, causing the solder to solidify immediately and preventing proper joining. Therefore, in order to obtain a joint with high reliability in which members are joined with solder, the duration of solder melting is an important factor, and it is important to control the duration of solder melting, that is, to appropriately control the temporal variation of the solder composition.

本発明は、上記課題を鑑みて成されたものであり、はんだ、特に薄膜はんだにおける溶融持続時間の算出方法を提供し、算出されたはんだの溶融持続時間に基づいて適切な厚さ、組成のはんだを設計し、信頼性の高い接合体の提供に寄与するためのものである。 The present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a method for calculating the melting duration of solder, particularly thin-film solder, and to design solder of appropriate thickness and composition based on the calculated solder melting duration, thereby contributing to the provision of highly reliable joints.

金属材料表面に形成されたはんだの溶融持続時間算出方法であって、前記はんだを融点以上で加熱し溶融したときに前記はんだと前記前記金属材料との界面において生成される前記はんだと前記金属材料からなる金属間化合物の組成比と、当該金属間化合物の生成速度と、に基づき前記はんだの溶融持続時間を算出するはんだの溶融持続時間算出方法とする。
さらに、前記はんだが共晶点を有する2元合金を主成分とする共晶はんだであって、前記はんだの共晶点から過共晶側と、共晶点から亜共晶側とのそれぞれの溶融持続時間を算出し、そのそれぞれの溶融持続時間の和を前記はんだの総溶融持続時間とする溶融持続時間算出方法とする。
さらにまた、前記はんだはAuSnはんだ、前記金属材料はPtであり、前記はんだに含まれるAuとSnの原子比をそれぞれMAu、MSn、前記金属間化合物のAu、Snの原子比をそれぞれRSn、RAu、前記金属材料の原子数消費速度をMPt、前記はんだの共晶点におけるAuとSnの原子数をそれぞれMSn029とMAu071、前記はんだが所定温度で溶融停止するSnの組成をC’Snとしたとき、前記はんだの溶融持続時間Sは次式によって算出されるはんだの溶融持続時間算出方法とする。

Figure 0007526116000001
また、前記はんだの膜厚が10μm以下の薄膜はんだである溶融持続時間算出方法とする。 The present invention provides a method for calculating the melting duration of solder formed on a surface of a metal material, the method calculating the melting duration of the solder based on a composition ratio of an intermetallic compound made of the solder and the metal material that is generated at the interface between the solder and the metal material when the solder is heated to a temperature equal to or higher than its melting point and melted, and a generation rate of the intermetallic compound.
Furthermore, the method for calculating melting duration is such that the solder is a eutectic solder whose main component is a binary alloy having a eutectic point, and the melting duration of the hypereutectic side from the eutectic point of the solder and the melting duration of the hypoeutectic side from the eutectic point of the solder are calculated, and the sum of the respective melting durations is determined to be the total melting duration of the solder.
Furthermore, when the solder is AuSn solder, the metal material is Pt, the atomic ratios of Au and Sn contained in the solder are M Au and M Sn , respectively, the atomic ratios of Au and Sn in the intermetallic compound are R Sn and R Au , respectively, the atomic consumption rate of the metal material is M Pt , the atomic numbers of Au and Sn at the eutectic point of the solder are M Sn029 and M Au071 , respectively, and the Sn composition at which the solder stops melting at a predetermined temperature is C' Sn , the melting duration S of the solder is calculated by the following formula.
Figure 0007526116000001
In addition, the melting duration calculation method is for a thin-film solder having a film thickness of 10 μm or less.

本発明によれば、はんだの溶融持続時間を算出することができ、算出されたはんだの溶融持続時間に基づいて適切な厚さ、組成のはんだを設計することで信頼性の高い接合体の提供に寄与することが可能となる。 The present invention makes it possible to calculate the duration of solder melting, and by designing solder of appropriate thickness and composition based on the calculated duration of solder melting, it is possible to contribute to the provision of highly reliable joints.

AuSn共晶はんだの溶融持続時間を算出する計算モデル図であり、半導体レーザー素子を接合するための薄膜サブマウントの断面構造を模式的に示した図である。FIG. 1 is a diagram of a calculation model for calculating the melting duration of AuSn eutectic solder, and is a diagram showing a schematic cross-sectional structure of a thin-film submount for bonding a semiconductor laser element. 実験より推定されたPt消費速度を示す図である。FIG. 1 shows the Pt consumption rate estimated from experiments. AuSn状態図の共晶点近傍を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing the vicinity of the eutectic point in the AuSn phase diagram. AuSn状態図上の共晶点より亜共晶側の液相線をプロットし、グラフ化した図である。FIG. 1 is a graph obtained by plotting liquidus lines on the hypoeutectic side of the eutectic point on the AuSn phase diagram. AuSnはんだの溶融持続時間の実験値と計算値とを比較した図である。FIG. 1 is a diagram comparing experimental and calculated values of melting duration of AuSn solder.

以下、図面を参照して、本発明に係るはんだの溶融持続時間算出方法について説明する。ここでは、はんだとして、薄膜のAuSn共晶はんだを例としてはんだの溶融持続時間の算出方法を説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。 The method for calculating the melting duration of solder according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, the method for calculating the melting duration of solder will be described using thin-film AuSn eutectic solder as an example of the solder. However, please note that the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the inventions described in the claims and their equivalents.

図1は、AuSn共晶はんだの溶融持続時間を算出する計算モデル図であり、半導体レーザー素子を接合するための薄膜サブマウントの断面構造を模式的に示した図である。薄膜サブマウント100は、AlN基板(セラミック基板)101の表面に、半導体レーザー素子等の電子部品と薄膜サブマウント100とを接合するためのAuSnはんだ203を備える。AlN基板101とAuSnはんだ203の間には、AuSnはんだ203側より、バリア層と呼ばれるPt層202、Pt層202とAlN基板(セラミック基板)101と密着するためのTi層201が配置されている。薄膜サブマウント100のAuSnはんだ203の上面には、電子部品(不図示)のメタライズ(Au)面が接合される。 Figure 1 is a calculation model diagram for calculating the melting duration of AuSn eutectic solder, and is a diagram showing a schematic cross-sectional structure of a thin film submount for bonding a semiconductor laser element. The thin film submount 100 has AuSn solder 203 on the surface of an AlN substrate (ceramic substrate) 101 for bonding an electronic component such as a semiconductor laser element to the thin film submount 100. Between the AlN substrate 101 and the AuSn solder 203, from the AuSn solder 203 side, a Pt layer 202 called a barrier layer and a Ti layer 201 for bonding the Pt layer 202 to the AlN substrate (ceramic substrate) 101 are arranged. The metallized (Au) surface of an electronic component (not shown) is bonded to the upper surface of the AuSn solder 203 of the thin film submount 100.

AuSnはんだ203が溶融したとき、仮にAuSnはんだ203の組成変動がゼロであれば理論上、半永久的に溶け続ける。しかし現実には、AuSnはんだ203が溶融すると、AuSnはんだ203とPt層202との間で界面反応が起こり、界面にPtとAuとSnからなる金属間化合物(IMC:InterMetallic compound)が生成される。ここで、Pt層202の下層に配置されたTi層201は、AuSn層203と反応しないため、IMCにはTiは含まれない。AuSnはんだ203とPt層202との間で生成されるIMCは、代表的にはPtSnAuのようにSnリッチの組成と考えられるので、IMCの生成量に比例してAuSnはんだ203中のSnは、その多くがIMCの組成へと置き換わる。換言すると、AuSnはんだ203中のSnはIMC生成によって大量に消費されることとなる。また、同様にPt層202のPtもIMCの生成により消費される。このようにIMCが生成されると、IMCに含まれるSnはAuSnはんだ203中から供給されたものであるため、結果的にAuSnの組成はAuリッチ側に組成変化し、AuSnはんだ203の加熱温度が一定であってもやがて固化し、溶融が停止することとなる。 When the AuSn solder 203 melts, if the compositional variation of the AuSn solder 203 is zero, it will theoretically continue to melt semi-permanently. However, in reality, when the AuSn solder 203 melts, an interface reaction occurs between the AuSn solder 203 and the Pt layer 202, and an intermetallic compound (IMC) consisting of Pt, Au, and Sn is generated at the interface. Here, the Ti layer 201 disposed under the Pt layer 202 does not react with the AuSn layer 203, so Ti is not included in the IMC. The IMC generated between the AuSn solder 203 and the Pt layer 202 is typically considered to have a Sn-rich composition such as PtSn 4 Au, so that most of the Sn in the AuSn solder 203 is replaced by the IMC composition in proportion to the amount of IMC generated. In other words, a large amount of Sn in the AuSn solder 203 is consumed by the generation of the IMC. Similarly, Pt in the Pt layer 202 is also consumed by the generation of the IMC. When the IMC is generated in this way, the Sn contained in the IMC is supplied from the AuSn solder 203, so that the composition of the AuSn changes to the Au-rich side, and even if the heating temperature of the AuSn solder 203 is constant, the solder will eventually solidify and stop melting.

本発明は、このIMCの生成に着目し、AuSnはんだ203の溶融持続時間を算出するものであり、より具体的には、金属材料表面に形成されたはんだにおいて、はんだと金属材料との界面に形成される金属間化合物(IMC)の組成(原子数)と、IMCの生成速度とに基づいて、はんだの溶融持続時間を算出するものである。本発明は、特にはんだが薄膜(体積が極めて小さい)の場合に特に有用である。なお、ここでいう薄膜とは、10μm以下の膜厚のことである。 The present invention focuses on the generation of IMC and calculates the melting duration of AuSn solder 203, and more specifically, calculates the melting duration of solder based on the composition (number of atoms) of the intermetallic compound (IMC) formed at the interface between the solder and the metal material in the solder formed on the surface of the metal material, and the rate of IMC generation. The present invention is particularly useful when the solder is a thin film (very small in volume). Note that thin film here refers to a film thickness of 10 μm or less.

上記モデルケースにおいて、AuSnはんだ203の溶融持続時間は、以下の算出方法により求めることができる。AuSnはんだ203の溶融持続時間を得るため、まず、AuSnはんだ203を構成する材料である、Au、Snの組成を求める。AuSnはんだ203中のAuの組成は、AuとSnの密度と厚さから数式1で表すことができる。ここで、dAuとdSnはそれぞれAuとSnの密度(g/cm)であり、DAuとDSnはAuSnはんだ203中のAuとSnに対応する厚さ(m)である。AuSnはんだ203の反応場の面積は一定であると仮定すれば、DAuとDSnは体積と等価と考えて差し支えない。 In the above model case, the melting duration of the AuSn solder 203 can be calculated by the following method. To obtain the melting duration of the AuSn solder 203, first, the composition of Au and Sn, which are the materials constituting the AuSn solder 203, is calculated. The composition of Au in the AuSn solder 203 can be expressed by Equation 1 from the density and thickness of Au and Sn. Here, d Au and d Sn are the densities (g/cm 3 ) of Au and Sn, respectively, and D Au and D Sn are the thicknesses (m) corresponding to Au and Sn in the AuSn solder 203. If it is assumed that the area of the reaction field of the AuSn solder 203 is constant, D Au and D Sn can be considered to be equivalent to the volume.

Figure 0007526116000002
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次に、数式1で求められるAuの組成より、AuSnはんだ203を構成する材料であるAu、Snの組成(原子数)を算出する。数式1からDAuとDSnについて解けば、DAuとDSnはそれぞれ数式2、数式3となる。 Next, the composition (number of atoms) of Au and Sn, which are materials constituting the AuSn solder 203, is calculated from the composition of Au obtained by Equation 1. By solving D Au and D Sn from Equation 1, D Au and D Sn become Equations 2 and 3, respectively.

Figure 0007526116000003
Figure 0007526116000003

Figure 0007526116000004
Figure 0007526116000004

数式2、数式3により求められたAuとSnの厚さDAuとDSnを用い、数式4、数式5によってAuとSnの原子数MAuとMSnが求められる。ここで、SはAuSnが融解する面積(反応場の面積)、Nはアボガドロ定数(6.02×1023atoms/mol)、mAuとmSnはそれぞれAuとSnのモル質量(g/mol)である。 Using the thicknesses D Au and D Sn of Au and Sn obtained by Equation 2 and Equation 3, the atomic numbers M Au and M Sn of Au and Sn are obtained by Equation 4 and Equation 5. Here, Sr is the area where AuSn melts (area of reaction field), N A is Avogadro's constant (6.02×1023 atoms/mol), and m Au and m Sn are the molar masses of Au and Sn (g/mol), respectively.

Figure 0007526116000005
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Figure 0007526116000006
Figure 0007526116000006

次に、AuSnはんだ203のAuとSnの組成変動がすなわち溶融持続時間を決定することより、この組成変動量を求めるために、AuSnと反応するPt層202のPt原子の消費速度を求める。図2は、実験より推定されたPt消費速度を示す図である。図2は、AlN基板101上にPt層202を蒸着により形成したときの、AlN基板101の加熱温度とPt層202の消費速度との関係を示す。図2に示すように、Pt消費速度CPtは、加熱温度Tの2次関数に近似することができ、AlN基板101の加熱温度Tが300℃<T<380℃においては、数式6に示す2次関数で近似できる。 Next, since the compositional fluctuation of Au and Sn in the AuSn solder 203 determines the duration of melting, the consumption rate of Pt atoms in the Pt layer 202 reacting with AuSn is calculated in order to calculate the amount of compositional fluctuation. FIG. 2 is a diagram showing the Pt consumption rate estimated from an experiment. FIG. 2 shows the relationship between the heating temperature of the AlN substrate 101 and the consumption rate of the Pt layer 202 when the Pt layer 202 is formed on the AlN substrate 101 by vapor deposition. As shown in FIG. 2, the Pt consumption rate C Pt can be approximated by a quadratic function of the heating temperature T, and when the heating temperature T of the AlN substrate 101 is 300° C.<T<380° C., it can be approximated by the quadratic function shown in Equation 6.

Figure 0007526116000007
Figure 0007526116000007

なお、数式6は、Pt層202を蒸着法で成膜した場合のPt消費速度CPtであり、Pt層202の製法を例えばスパッタ法等に変更した場合、Pt消費速度CPtは変化する。このように、Pt層202に代表されるはんだの下地層となる金属材料の消費速度はその製法や加熱温度により変化するため、消費速度を適宜調整することで、はんだの溶融持続時間を調整することが可能である。 Note that Equation 6 represents the Pt consumption rate C Pt when the Pt layer 202 is formed by a vapor deposition method, and the Pt consumption rate C Pt changes if the manufacturing method of the Pt layer 202 is changed to, for example, a sputtering method, etc. In this way, the consumption rate of the metal material that forms the solder underlayer, represented by the Pt layer 202, changes depending on the manufacturing method and heating temperature, so it is possible to adjust the melting duration of the solder by appropriately adjusting the consumption rate.

数式6で得られるPt消費速度CPt (nm/s)から、Pt原子数消費速度MPt (atoms/s)について数式7を使って求めることができる。ここで、dPtはPtの密度、mPtはPtのモル質量である。なお、Pt消費速度CPt、Pt原子数消費速度MPtは、AuSnはんだ203とPt層202とが反応する速度であり、換言すれば、IMC生成速度を示している。 From the Pt consumption rate C Pt (nm/s) obtained by Equation 6, the Pt atom number consumption rate M Pt (atoms/s) can be calculated using Equation 7. Here, d Pt is the density of Pt, and m Pt is the molar mass of Pt. The Pt consumption rate C Pt and the Pt atom number consumption rate M Pt are the rates at which the AuSn solder 203 and the Pt layer 202 react with each other, or in other words, the IMC generation rates.

Figure 0007526116000008
Figure 0007526116000008

次に、AuSnはんだ203の溶融持続時間を求めていく。図3は、AuSn状態図の共晶点近傍を示した図である。AuSnはんだ203を融点以上で加熱した時、PtとSnとAuからなるIMC(例えば、PtSnAu)で大量のSnが消費されるため、AuSnはんだ203のAu組成が上がる(Sn組成が下がる)方向に組成変化する。つまり、溶融されたAuSnはんだ203の状態は、例えば、溶融開始点を溶融開始点A(過共晶)とすると、溶融とともに組成が変化していき、共晶点Epを通って溶融終了点B(亜共晶)に達することになる。溶融持続時間を(1)開始点A~共晶点Ep、(2)共晶点Ep~溶融終了点Bまで、の2つのプロセスに分解して計算する。プロセス(1)では、AuSnはんだ203の組成変動が進行する(Sn組成が下がる)にしたがい、共晶点に向かい液相線が下がるため、AuSnはんだ203は途中で固化することは無い。プロセス(2)では、組成変動が進行する(Sn組成が下がる)にしたがい液相線が上がるため、所定の加熱温度TにおけるAuSnはんだ203の組成が液相線を越え固液共存または固相となるまでAuSnはんだ203は溶融持続し、液相線を超えると固化する。 Next, the melting duration of the AuSn solder 203 is calculated. FIG. 3 is a diagram showing the vicinity of the eutectic point of the AuSn phase diagram. When the AuSn solder 203 is heated above its melting point, a large amount of Sn is consumed in the IMC (for example, PtSn 4 Au) consisting of Pt, Sn, and Au, so the composition of the AuSn solder 203 changes in a direction in which the Au composition increases (the Sn composition decreases). In other words, if the melting start point of the molten AuSn solder 203 is, for example, melting start point A (hypereutectic), the composition changes as the solder melts, passing through the eutectic point Ep and reaching the melting end point B (hypoeutectic). The melting duration is calculated by decomposing it into two processes: (1) from start point A to eutectic point Ep, and (2) from eutectic point Ep to melting end point B. In process (1), as the composition change of the AuSn solder 203 progresses (the Sn composition decreases), the liquidus line decreases toward the eutectic point, so the AuSn solder 203 does not solidify midway. In process (2), as the composition change progresses (the Sn composition decreases), the liquidus line increases, so the AuSn solder 203 continues to melt until the composition of the AuSn solder 203 at a specified heating temperature T exceeds the liquidus line and becomes solid-liquid coexistent or solid, and then solidifies when the liquidus line is exceeded.

第一に、プロセス(1)の溶融持続時間S1(s)を求める。AuSnはんだ203のSnの組成CSn(atomic%)は数式8で表せる。ここで、M’AuとM’SnはAnSn溶融中のAuとSnの原子数である。 First, the melting duration S1 (s) of process (1) is calculated. The Sn composition C Sn (atomic %) of the AuSn solder 203 is expressed by Equation 8, where M' Au and M' Sn are the numbers of Au and Sn atoms in the AuSn melt.

Figure 0007526116000009
Figure 0007526116000009

AuとSnの原子数M’AuとM’Snは、以下のようにIMCの化合物原子比RSn、RAuとPt消費原子数MPtによって数式9、数式10により計算できる。ここで、RSnとRAuはそれぞれIMC中のAu、Snの原子比である。例えば、IMCがPtSnAuと仮定すれば、RSn=4、RAu=1である。なお、プロセス(1)では共晶点までの溶融であるのでAuSnはんだ203のSnの組成CSn=0.29である。 The numbers of Au and Sn atoms M'Au and M'Sn can be calculated by the compound atomic ratio R Sn of the IMC, R Au , and the number of Pt consumed atoms M Pt using Equation 9 and Equation 10 as follows. Here, R Sn and R Au are the atomic ratios of Au and Sn in the IMC, respectively. For example, if the IMC is assumed to be PtSn 4 Au, R Sn = 4 and R Au = 1. Note that in process (1), the melting is performed up to the eutectic point, so the Sn composition C Sn of the AuSn solder 203 is 0.29.

Figure 0007526116000010
Figure 0007526116000010

Figure 0007526116000011
Figure 0007526116000011

そして、数式8に数式9,数式10を代入してS1について解けば、プロセス(1)のAuSnはんだ203の溶融持続時間S1は数式11となる。但し、ここではIMCの組成および生成速度は、溶融経過時間によらず不変としている。 Then, by substituting Equation 9 and Equation 10 into Equation 8 and solving for S1, the melting duration S1 of the AuSn solder 203 in process (1) is given by Equation 11. However, here, the composition and generation rate of the IMC are assumed to be constant regardless of the elapsed melting time.

Figure 0007526116000012
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第二に、プロセス(2)の溶融持続時間S2(s)を求める。まず、温度Tで溶融停止するAuSnはんだ203のSnの組成C’Snを求める。図4は、AuSn状態図上の共晶点より亜共晶側(図3の左側)の液相線をプロットし、グラフ化した図である。図4の近似曲線を数式化し、C’SnはTの関数として、数式12で表すことができる。 Secondly, the melting duration S2 (s) of process (2) is obtained. First, the Sn composition C'Sn of the AuSn solder 203 that stops melting at temperature T is obtained. Figure 4 is a graph plotting the liquidus line on the hypoeutectic side (left side of Figure 3) of the eutectic point on the AuSn phase diagram. The approximation curve in Figure 4 is mathematically formulated, and C'Sn can be expressed as a function of T by Equation 12.

Figure 0007526116000013
Figure 0007526116000013

そして、S1を求めた時と同様に、AuSnはんだ203の溶融中のAuSn組成C’SnとAuとSnの原子数M’’AuとM’’Snは数式13、数式14、数式15で表される。ここで、MSn029とMAu071は、共晶点におけるAuとSnの原子数である。 Similarly to the determination of S1, the AuSn composition C'Sn and the numbers of Au and Sn atoms M''Au and M''Sn during melting of the AuSn solder 203 are expressed by Formulas 13, 14, and 15. Here, M Sn029 and M Au071 are the numbers of Au and Sn atoms at the eutectic point.

Figure 0007526116000014
Figure 0007526116000014

Figure 0007526116000015
Figure 0007526116000015

Figure 0007526116000016
Figure 0007526116000016

数式13に数式14,数式15を代入してS2について解けば、プロセス(2)におけるAuSnはんだ203の溶融持続時間S1は数式16となる。 By substituting formulas 14 and 15 into formula 13 and solving for S2, the melting duration S1 of the AuSn solder 203 in process (2) is given by formula 16.

Figure 0007526116000017
Figure 0007526116000017

最後に、AuSnはんだ203の総溶融持続時間Stotal(s)は、数式17で求められる。 Finally, the total melting duration S total (s) of the AuSn solder 203 is calculated by Equation 17.

Figure 0007526116000018
Figure 0007526116000018

ここで、上記により算出されたはんだの溶融持続時間について検証する。図5は、AuSn組成Au=68wt%(Sn=32wt%)、膜厚5μmのAuSnを蒸着法で成膜したPt層上で溶融させたときの溶融持続時間の実験値と、上述した算出方法で計算した計算値をプロットし比較した図である。図5に示す通り、実験値と計算値は概ね、一致していることがわかる。 Here, we will verify the melting duration of the solder calculated as above. Figure 5 is a plot comparing the experimental melting duration when AuSn with a composition of Au = 68 wt% (Sn = 32 wt%) and a thickness of 5 μm is melted on a Pt layer formed by vapor deposition, with the calculated values calculated using the calculation method described above. As shown in Figure 5, it can be seen that the experimental values and calculated values are generally consistent.

本発明のはんだの溶融持続時間算出方法は、次のような場合に活用できる。例えば、半導体レーザー素子を基板に接合する場合、はんだの接合温度に加え、パルス加熱(短時間)やリフロー加熱(長時間)など、接合条件範囲は様々考えられる。上述のモデルケースで考えた場合、Pt層とAuSnはんだ間で生成されるIMC(PtSnAu)は、後の接合強度に関係しており、IMCの生成が少ないと接合強度が低下し、逆に生成が多すぎると、AuやSn、Ptの拡散速度の違いからカーケンダルボイドが生成してしまい、これもまた接合強度低下につながってしまう。すなわち、IMC生成量を適度に調整する必要がある。 The method for calculating the melting duration of solder according to the present invention can be used in the following cases. For example, when a semiconductor laser element is bonded to a substrate, various bonding condition ranges can be considered, such as pulse heating (short time) and reflow heating (long time) in addition to the solder bonding temperature. In the above model case, the IMC (PtSn 4 Au) generated between the Pt layer and the AuSn solder is related to the subsequent bonding strength, and if the IMC is generated in small amounts, the bonding strength decreases, and conversely, if the IMC is generated too much, Kirkendall voids are generated due to the difference in the diffusion speed of Au, Sn, and Pt, which also leads to a decrease in the bonding strength. In other words, it is necessary to moderately adjust the amount of IMC generated.

上述した溶融持続時間算出方法で明らかになったように、AuSnはんだ203の溶融持続時間は、主にAuSnはんだ203の組成と膜厚、Pt消費速度の3つの因子から成る。従って、溶融持続時間が、要求される接合条件の下で、最適な時間となるように3つの因子を任意調整することで、接合構造体を設計することが可能となる。 As revealed by the melting duration calculation method described above, the melting duration of the AuSn solder 203 is mainly composed of three factors: the composition and film thickness of the AuSn solder 203, and the Pt consumption rate. Therefore, it is possible to design a joint structure by arbitrarily adjusting the three factors so that the melting duration is the optimal time under the required joining conditions.

具体的には、AuSnはんだ203の組成は、AuSnはんだ203成膜時のAuとSnの蒸発レートを変更することによって調整し、AuSnはんだ203の膜厚は、成膜時の時間を変更することによって調整し、Pt消費速度は、成膜法および成膜時の温度を変更することにより調整可能である。以上の手段によって、任意の溶融持続時間を有する接合構造体を設計・製造することが可能となる。 Specifically, the composition of the AuSn solder 203 can be adjusted by changing the evaporation rate of Au and Sn when the AuSn solder 203 is formed, the film thickness of the AuSn solder 203 can be adjusted by changing the time during film formation, and the Pt consumption rate can be adjusted by changing the film formation method and the temperature during film formation. By using the above methods, it is possible to design and manufacture a joint structure with any desired melting duration.

以上、本発明のはんだの溶融持続時間算出方法を、実施例に基づき説明してきたが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。例えば、実施例では、はんだはを2元系合金からなるAuSnはんだ203としたが、例えば、SnAgCu系合金の3元共晶はんだとしてもよい。その場合においても、はんだと接する金属材料とはんだとの金属間化合物の組成比と、その生成速度を実施例と同様の考えで求めて溶融持続時間を求めることができる。また、はんだは共晶型に限らずSnSb包晶型はんだ等の非共晶であってもよい。その場合、共晶はんだを例とする実施例ではプロセス(1)、プロセス(2)に分割し、それぞれのプロセスにおけるはんだの溶融持続時間を算出し、その総和を最終的な溶融持続時間としたが、はんだ材料の状態図により、一つのプロセスで溶融持続時間を算出してもよい。また、実施例では、AuSnはんだ203と接する金属材料をPt層202としたが、他の金属材料でもよいことはいうまでもない。 Although the method for calculating the melting duration of the solder of the present invention has been described above based on the embodiment, the present invention is not limited to this embodiment. For example, in the embodiment, the solder is AuSn solder 203 made of a binary alloy, but it may be a ternary eutectic solder of a SnAgCu alloy. In this case, the composition ratio of the intermetallic compound between the metal material in contact with the solder and the solder and the generation rate of the intermetallic compound can be calculated in the same way as in the embodiment to calculate the melting duration. In addition, the solder is not limited to the eutectic type, but may be a non-eutectic type such as SnSb peritectic solder. In this case, in the embodiment using eutectic solder as an example, the melting duration of the solder is divided into process (1) and process (2), the melting duration of the solder in each process is calculated, and the sum of the calculated values is the final melting duration, but the melting duration may be calculated in one process based on the phase diagram of the solder material. In addition, in the embodiment, the metal material in contact with the AuSn solder 203 is Pt layer 202, but it goes without saying that other metal materials may be used.

100 薄膜サブマウント
101 AlN基板
201 Ti層
202 Pt層
203 AuSnはんだ
100 Thin film submount 101 AlN substrate 201 Ti layer 202 Pt layer 203 AuSn solder

Claims (4)

金属材料表面に形成されたはんだの溶融持続時間算出方法であって、前記はんだを融点以上で加熱し溶融したときに前記はんだと前記金属材料との界面において生成される前記はんだと前記金属材料からなる金属間化合物の組成比と、当該金属間化合物の生成速度と、に基づき前記はんだの溶融持続時間を算出することを特徴とするはんだの溶融持続時間算出方法。 A method for calculating the melting duration of solder formed on a surface of a metal material, the method comprising the steps of: calculating the melting duration of the solder based on a composition ratio of an intermetallic compound consisting of the solder and the metal material, which is generated at an interface between the solder and the metal material when the solder is heated to a temperature equal to or higher than its melting point and melted; and a generation rate of the intermetallic compound. 前記はんだが共晶点を有する2元合金を主成分とする共晶はんだであって、前記はんだの共晶点から過共晶側と、共晶点から亜共晶側とのそれぞれの溶融持続時間を算出し、そのそれぞれの溶融持続時間の和を前記はんだの総溶融持続時間とすることを特徴とする請求項1に記載のはんだの溶融持続時間算出方法。 2. The method for calculating the melting duration of solder according to claim 1, wherein the solder is a eutectic solder mainly composed of a binary alloy having a eutectic point, and the melting durations of the hypereutectic side from the eutectic point of the solder and the hypoeutectic side from the eutectic point of the solder are calculated, and the sum of the respective melting durations is determined as the total melting duration of the solder . 前記はんだはAuSnはんだ、前記金属材料はPtであり、前記はんだに含まれるAuとSnの原子比をそれぞれMAu、MSn、前記金属間化合物のAu、Snの原子比をそれぞれRSn、RAu、前記金属材料の原子数消費速度をMPt、前記はんだの共晶点におけるAuとSnの原子数をそれぞれMSn029とMAu071、前記はんだが所定温度で溶融停止するSnの組成をC’Snとしたとき、前記はんだの溶融持続時間Sは数式1によって算出されることを特徴とする請求項2に記載のはんだの溶融持続時間算出方法。
Figure 0007526116000019
3. The method of claim 2, wherein the solder is AuSn solder, the metal material is Pt, the atomic ratios of Au and Sn contained in the solder are M Au and M Sn , respectively, the atomic ratios of Au and Sn contained in the intermetallic compound are R Sn and R Au , respectively, the atomic consumption rate of the metal material is M Pt , the atomic numbers of Au and Sn at the eutectic point of the solder are M Sn029 and M Au071 , respectively, and the composition of Sn at which the solder stops melting at a predetermined temperature is C' Sn , the melting duration S of the solder is calculated by Equation 1.
Figure 0007526116000019
前記はんだの膜厚が10μm以下の薄膜はんだであることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のはんだの溶融持続時間算出方法。

4. The method for calculating the melting duration of solder according to claim 1, wherein the solder is a thin film solder having a film thickness of 10 μm or less.

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