JP2004179662A - 封止を形成するための方法及びそのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 ボンディング処理中に平行配向を保つことが容易な封止形成方法及びそのシステムを提供する。
【解決手段】 上部部材１１と下部部材１２との間にはんだリング２１を配置するステップと、上部部材１１及び下部部材１２を係合関係に配置することにより両部材間に画定された容量３０２を作るステップと、該容量３０２の外側の周囲圧力と容量３０２内の圧力との間に差圧を設けるステップとを有し、これにより上部部材１１と下部部材１２との間に封止を形成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は一般に１つの構造体を他の構造体にボンディングすることに関するものであり、より具体的には表面間に封止を形成するための方法及びそのシステムに関する。

２つの平坦な面をはんだ及び／又は他のボンディング材料を使って好適にボンディングすることは、これらの構造体間の間隔を小さくしながら気密封止を作ることが望ましい場合には困難なことがある。このように間隔の小さい環境において気密封止を形成するためには、ボンディング処理（例えば封止形成）中にこれら２つの平坦面を平行に維持しなければならない場合が多々ある。より大型の部品にとっては、所定角度の不整合があった場合、その部品全体にわたる間隔誤差（高低差）がより大きくなってしまうため、この平行配向はより重要となる。

加えて、上述した２つの平坦面は、１つのデバイスの２つの部材に属するものである場合がある。幾つかの事例においては、デバイスの組み立てられた部材が意図したアプリケーションにおいて適正に機能するためには、これらの部材は、これらをボンディングするはんだ層又は他の接着剤の層全体にわたり、相互に対して平行に配置されていなければならない。

しかしながら、既存の圧着装置を使った場合、ボンディング処理中に２つの部材間に圧縮力が印加されることから、このような平行配向を保つことが難しい。例えば、注意深く設計及び構築がされていない限りにおいては、圧着処理中にプラテンプレス装置が弾性により変形し、当初は平行だった面にアライメント誤差を作ってしまう可能性がある。この変形はボンディングする構造体のアライメント誤差の原因となる。更に、２つの構造体をプレス装置でボンディングする場合に圧着装置はエポキシの硬化やはんだの溶融のために加熱を実施する場合がある。このような熱は通常、加圧・支持具の不均一な膨張の原因となる。この結果、ボンディング全体にわたる不均一な締め付け力と部分的な分離が生じて劣悪な接着状態となり、気密封止を作ることが出来なくなる。

本発明によれば、間隔の小さい少なくとも２つの部材間に気密封止を形成するためのシステム及び方法が提供される。本発明によれば、ボンディングする２つの部材の平行な配向は、ボンディングする部材の外の環境と、それらの部材を含む組立て部品内部の環境との間に圧力差を作ることにより達成される。圧力差により均等に分布する圧縮力が生じ、これが２つの部材間における実質的に均一で、平行な間隔の形成を助けるものである。

本発明によれば、封止形成組立処理は、第一の部材と第二の部材との間に接着構造物（例えばはんだ、エポキシ、或いは他のシーラント）を配置することから始まる。部材が相互に対して配置された後、これらは機械的に接合される。必要であれば、このときに熱が印加される。次に組立部品において、外部、即ち周囲圧力に相対する内部圧力の減圧が実施され、２つの部材の接合に必要な圧力差が作られる。

上述のものは、以下に記載する本発明の詳細な説明における理解を助けるために、本発明の特徴及び技術的利点の概要を概略的に述べたものである。本発明の更なる特徴及び利点は、本発明の請求項の対象を構成する以下の説明に述べられている。当業者には明らかなように、開示する概念及び特定の実施例は、本発明と同じ目的を達成するために他の構造への変更を行う場合、或いは他の構造を設計する場合の基本となるものである。更に当業者には明らかなように、このような同等の構造は、請求項に示される本発明の精神及び範囲から離れるものではない。本発明の特性とされる新規の特徴は、その構成上のものであれ、作動方法上のものであれ、いずれも添付図を参照しつつ以下の説明を読むことにより更なる目的及び利点と共により深く理解することが出来る。しかしながら、図の各々は説明目的で描かれたものであり、本発明の範囲を画定することを意図したものではないことは言うまでもない。

本発明に対するより深い理解を助けるために添付図を参照しつつ以下に説明を行う。

本発明に基づく一実施例を図１及び図２に示したが、ここでは石英導波路構造をシリコンチップへと５マイクロメートルの間隔で封止するためにはんだ接合が用いられる。はんだないしははんだリング２１は、上部石英部材ないしは上部部材１１と下部シリコン部材ないしは下部部材１２の外周のすぐ内側にある円形リング内に設けられている。封止処理中に上部部品１１と下部部品１２との間に気密封止を作ろうとするものである。

図示した実施例において組み立てられた部材がそれらに企図されたアプリケーションで適正に機能するためには、これらは１７ｍｍの直径を持つはんだリング全体にわたり、±１マイクロメートル以内の誤差で平行でなければならない。加えて、良好な接着性と気密性を得るためには、この平行度ははんだ処理の間、維持されなければならない。より大型の部材にとっては、所定角度の不整合に対するその部材全体にわたる間隔誤差（高低差）はより大きくなるために、その平行度はより重要となる。具体的な試験において、直径５ｍｍの錫／鉛はんだリングを含むデバイスの場合においても、直径１７ｍｍのインジウム／錫はんだリングを含むデバイスの場合においても、本発明に記載する概念により許容出来る封止を達成することが出来た。

多くのボンディング圧着においては、締め付け力が印加された場合に必要とされる平行度を維持することが困難である。それが注意深く設計構築されていない限りにおいては、締め付け力が印加されるに伴い、ボンディング圧による弾性変形が生じ、もともとは平行なプラテンにアライメント誤差が発生する。ボンディングにおいては更に、エポキシを硬化させるため、或いははんだを溶融するために加熱が実施されることがあり、加圧・支持具が多くの場合に不均一に膨張する可能性がある。この結果、接合部に沿って不均等な締め付け力がかけられて部材が分離してしまう可能性があり、劣悪な接着状態と不連続な接合となってしまうことがある。

平行度を維持する方法の１つは、幾つかの異なるポイントの間隔を測定し、部品を締め付けつつその平行度を修正するものである。部品を加熱する場合、これらの測定及び修正は処理中、継続的に実施しなければならない。しかしながら、１０マイクロメートル未満の間隔の場合、多くの装置はその測定能力を持たない。他の手法は、充分なコンプライアンスを持った加圧具を使用することにより部品が相互に圧されるに従って、一方又は両方の部品の支持具が受動的に自動調整して平行化するものである。この手法は、ボンディング処理中に２つの部品のＸ−Ｙ（平面内）位置における相対的な制御及び調整も望まれる場合は実用的ではない。このアプリケーションにおいては、部品はＸ−Ｙ平面において２マイクロメートル以内で平行に配置されなければならない。

気密封止を持つ組立部品は、周囲雰囲圧力を利用してその組立部品の部材を相互に締め付ける力を発生させることにより作ることが出来る。これは、まず部材を相互に合わせた後にはんだリングの空洞ないしは領域３０２（図２）中の内部圧力を小さくすることにより実施することが出来る。以下にも説明するように、部材の一方（又は両方）にある開口は、シーラントリング内部の領域を部分的に脱気するための経路を提供する。図２に示した１つ（又は複数）の通気孔ないしは開口２２はこの目的のためのものである。通気孔２２は、所要に応じて製品完成後の目的に使用することも出来る。また、通気孔２２は低下させた内部圧力に抑えておくために、或いは所望の気体、液体又は他の物質を完成品の空洞３０２中に配置しておくために閉じることも出来る。

図３〜図６は図１及び図２の実施例の組立工程を示す図である。図３には、はんだリング２１とはんだパッド３６をその間に挟んだ部材１１（石英部材）及び部材１２（シリコン部材）が示されている。はんだリング（又は他の接着剤／シーラント）はどちらか一方の部材に固定しておくことも、或いは事前成型された部品等として別個に配置しておくことも出来る。組立においては、２つの部材は、機械式組立装置の上部保持具３１及び下部保持具３２中に周知の方式で、上部部材及び下部部材の係合に必要とされる最小限の外力のみを印加しつつこれらが機械的に係合し得るような形で保持されている。これらの保持具は、はんだを溶融するための、或いはエポキシを固化させるための温度制御されたヒーターを装備しているものであっても良い。加熱処理の間、所望であれば、ビジョンシステム又は他の何らかのアライメント法を用いることにより、２つの部材の適正な相互Ｘ−Ｙ位置を決めることも可能である。Ｘ−Ｙ位置の決定は、Ｘ−Ｙ位置修正加圧成分が、２つの部材間の間隔に影響を与え得るＺ方向へと印加されることが無いように実施しなければならない。ビジョンシステムは、各部材に刻印された特殊な視準又はアライメントマークが所定のアライメント配置に入るまで部材を移動させることにより、これら２つの部材を相互配置することが出来るものである。このアライメント処理は手動で実施することが出来るが、ビジョンシステムはコンピュータに接続するビデオカメラ及びサーボ制御型移動装置を含んでいることが多い。コンピュータ中のソフトウエアは視準マークの画像をカメラから取得し、視準マークの相対的な位置を所定の許容範囲内に決定するために一方又は両方の部材を支持する機械式移動装置に命令を送る。部材１１、１２は、Ｘ軸上及びＹ軸上で一方又は両方の保持具に対して回転調整されることにより相互に対して平行となるように調節される。しかしながら、実際上、加熱及び冷却中にこの平行度を保つことは、熱膨張及び収縮があるために困難なことである。

図４は、部材１１、１２をはんだリング２１又は接着剤を挟んで相互に係合する位置に運ぶ機械力を印加する保持具３１、３２を示したものである。この力の量は２つの部材を併せて配置する程度のものである。部材１１、１２の周囲雰囲気と領域３０２との間に、脱気装置３５、チューブ３０１、及び下部保持具３２と部材１２中の１つ以上の開口２２を通じたトンネル３３により圧力差が作られる。脱気装置３５は空洞から空気の一部を除去することにより空洞中の圧力を下げる。所望であれば、加熱処理を用いてはんだリング２１を融解させる。

この時点においては、当初の係合力は、保持具から不均等な力が加えられるために２つの部材を通じて均等に分布していない場合がある。

図５は、上部保持具３１が部材１１から離された状態を示したものであり、これにより部材１１、１２の外側からの機械的配置力が除去されている。しかしながら、脱気装置３５により維持されている低い内部圧力により部材１１、１２には力が働いており、部材１１、１２は、図６に示したように連続する接着剤又はシーラントのリングにより相互にボンディングされた部材１１、１２を含むデバイスを形成している。その後ボンディングされた組立部品３０３は組立工具から取り外される。所望であれば、組立部品３０３を取り外す前に開口２２へとはんだを溶かし込むことにより、或いは他の手段により開口２２を閉じることが出来る。この処理は気密封止を作る上で有用である。

圧力差による論理上の締め付け力は、ほぼ、はんだリング内部の面積と内外圧力差との積である。この締め付け力は、２つの部材間で圧されているはんだ（又は他のシーラント）の円形ビーズによってかけられる反対の力と平衡状態にある。内径が１８ｍｍのはんだリングを含む組立部品の場合、周囲圧力と内部圧力の差を約９３ｋＰａと仮定すると、減圧による締め付け力は約２３．７ニュートンとなる。ある観測においては、「圧力差」（低い気圧ゾーン）は公称値８１ｋＰａから８８ｋＰａであるが、これは要求に応じて制御することが出来る。周囲圧力が大気圧（１０１ｋＰａ）であった場合、絶対圧力（減じた気圧）は、一実施例においては１３ｋＰａ〜２０ｋＰａの範囲である。

２つの部材の相対的なＸ−Ｙ（平面内）位置は必要があれば図５に示したようにはんだを溶融し、外部締め付け力が除去される間に調整することが出来る。この時点においては、これらの部材は減じた内部圧力により作られた圧力差により一緒に保持されている。下部部材１２が所定位置に堅支され続けている一方で、上部部材１１は基本的に開放されており、その側面（図示せず）のみで所定位置に保持されていることになる。これにより、上部部材は垂直位置、ピッチ及び回転位置において自動調整し得る自由度が与えられており、下部部材との係合で平行となる一方で２つの部材間のＸ−Ｙ調整が可能である。このようなＸ−Ｙ調整は、要求があれば機械的に実施することが可能である。

適正な動作を実施するためには、はんだ特性は、はんだリング２１全体にわたって一定でなければならず、はんだパッド１０２（図１）は均一な幅を持ち、対称的に設計されていなければならない。はんだリング２１と上部部材１１との間にははんだパッド（図示せず）がある。また、上部部材及び下部部材を逆にして、はんだを先に下部部材１２に設けることも可能である。これにより、部材間の力が確実にはんだリング全体に均一に分布するようにすることが出来る。間隔の均一性を確固たるものにするために異なるはんだパッド形状とすることも可能である。一部の特殊なケースにおいては、２つの係合させる部材を非平行に配置することが望ましい場合もある。これは非対称的なパッド形状を作ることにより実現することが出来る。締め付け工程においては、石英及びシリコン部材を、いずれも図示していないが周知である真空又は機械的手段によりそれぞれの保持具中に保持することが出来る。

はんだリング内部の圧力調整は、間隔制御法の一つと言うことが出来る。部材外部の圧力は、通常は大気圧であるが、図４に示した容器３１０のような加圧容器中に組立部品を配置することにより強化することが可能であり、組立部品外部の周囲圧力を圧力装置３１１により単に変化させるだけで制御された圧力を作ることが出来る。容器３１０は図をわかりやすくするために図３、図５、図６には描かれていない。２つの接合部材間の最終的な間隔は、平坦度、はんだ堆積、パッド面積及び締め付け圧力の関数であり、これらは全て要求される結果と組立部品の性質に依存する設計上の選択肢である。

はんだは、はんだパッド上に維持することが望しい。はんだが多すぎるとはんだの一部がはんだパッドから押し出され、圧力差が充分に大きい場合はリングの内側に付着してしまうことになる。これも設計上の選択肢である。更に、２つの層を図示したが、本開示の教示内容によれば、複数の層をすべて同じシーラントで、或いは各層を異なるシーラントで封止、又はボンディングすることも可能である。また、各層間の圧力は所望に応じて異なっていても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の好ましい形態は、次のとおりである。

第１の実施態様は、第一の部材１１と第二の部材１２との間に封止を形成するための方法であって、第一の部材１１と第二の部材１２との間に封止部材２１を配置するステップと、第一及び第二の部材１１、１２を係合関係に配置することにより部材間に画定された容量３０２を作るステップと、該容量の外側の周囲圧力と容量内に圧力装置３１１で形成された圧力との間に差圧を設けるステップとを有する方法である。

この場合に、封止部材２１に熱を印加するステップを更に有するのが好ましい。

また、封止部材２１を配置するステップが、第一の部材１１と第二の部材１２のうちの少なくとも一方に機械的アライメント手段を適用するステップであるのが好ましい。

また、差圧を維持しつつ、機械的アライメント手段を除去するステップを更に有するのが好ましい。

また、差圧を除去するステップを更に有するのが好ましい。

また、差圧を設けるステップが、第一の部材１１と第二の部材１２のうちの少なくとも一方に形成された少なくとも１つの開口２２を通じて容量３０２内の領域を少なくとも部分的に脱気するステップを有するのが好ましい。

また、封止部材２１がはんだ部材であるのが好ましい。

本発明の第２の実施態様は、シーラント２１を第一の部材１１と第二の部材１２との間に挟んだ状態で第一の部材１１を第二の部材１２と係合関係に配置するための装置３１、３２と、第一の部材１１と第二の部材１２との間に、部材１１、１２間に封止を形成するに充分な圧力を作り出すために、封止された組立部品内部に周囲圧力よりも低い圧力の領域を作る脱気装置３５とを具備した封止形成システムである。

この場合に、第一及び第二の部材１１、１２の表面が１８ｍｍ以下の直径であるのが好ましい。

装置３１、３２が、第一の部材１１及び第二の部材１２を機械的に配置するための保持具を備え、低い圧力の領域を維持しつつ保持具を除去する手段を更に有するのが好ましい。

本発明及びその利点を詳細にわたって説明したが、請求項に定義される本発明の精神及び範囲から離れることなく、これらに様々な変更、代替及び改変を加えることが可能であることは言うまでもない。更に、本発明の範囲は、本明細書に記載した処理、機械、製造法、物質の構成、手段、方法及びステップの特定の実施例に限定することを意図したものではない。本発明の開示から当業者には明らかなように、本発明により説明した対応する実施例と実質的に同じ機能を実施する、又は同じ結果に到達する既存の、或いは後に開発されるであろう処理、機械、製造法、物質の構成、手段、方法及びステップを本発明に基づいて利用することは可能である。よって添付の請求項はその範囲において、そのような処理、機械、製造法、物質の構成、手段、方法或いはステップを含むことを意図したものである。

はんだ接合により封止される、本発明の一実施形態に基づく２部材の構造を示す分解斜視図である。 図１の構造の側面を切断した断面図である。 図１及び図２に示した本発明に基づく実施形態の組立処理を示す断面図である。 図１及び図２に示した本発明に基づく実施形態の組立処理を示す断面図である。 図１及び図２に示した本発明に基づく実施形態の組立処理を示す断面図である。 図１及び図２に示した本発明に基づく実施形態の組立処理を示す断面図である。

符号の説明

１１ 上部部材（第一の部材）
１２ 下部部材（第二の部材）
２１ はんだリング（封止部材、シーラント）
２２ 通気孔（開口）
３１ 上部保持具（第一の部材を配置するための装置）
３２ 下部保持具（第二の部材を配置するための装置）
３３ トンネル
３５ 脱気装置
３６、１０２ はんだパッド
３０１ チューブ
３０２ 空洞（容量）
３０３ 組立部品
３１０ 容器
３１１ 圧力装置

Claims (10)

1. 第一の部材と第二の部材との間に封止を形成するための方法であって、
   前記第一の部材と前記第二の部材との間に封止部材を配置するステップと、
   前記第一及び第二の部材を係合関係に配置することにより前記部材間に画定された容量を作るステップと、
   該容量の外側の周囲圧力と前記容量内に圧力装置で形成された圧力との間に差圧を設けるステップと
   を有する方法。
2. 前記封止部材に熱を印加するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
3. 前記封止部材を配置するステップが、前記第一の部材と前記第二の部材のうちの少なくとも一方に機械的アライメント手段を適用するステップであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記差圧を維持しつつ、前記機械的アライメント手段を除去するステップを更に有する請求項３に記載の方法。
5. 前記差圧を除去するステップを更に有する請求項４に記載の方法。
6. 前記差圧を設けるステップが、前記第一の部材と前記第二の部材のうちの少なくとも一方に形成された少なくとも１つの開口を通じて前記容量内の領域を脱気するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記封止部材がはんだ部材であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. シーラントを第一の部材と第二の部材との間に挟んだ状態で前記第一の部材を前記第二の部材と係合関係に配置するための装置と、
   前記第一の部材と第二の部材との間に、前記部材間に封止を形成するに充分な圧力を作り出すために、前記封止された組立部品内部に周囲圧力よりも低い圧力の領域を作る脱気装置と
   を具備した封止形成システム。
9. 前記第一及び第二の部材の側面が１８ｍｍ以下の直径であることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記装置が、前記第一の部材及び前記第二の部材を機械的に配置するための保持具を備え、前記低い圧力の領域を維持しつつ前記保持具を除去する手段を更に有することを特徴とする請求項８に記載のシステム。
    

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