JP2005294844A - 高密度ナノ構造化相互接続 - Google Patents

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Abstract

【課題】電子部品を熱的および／または電気的に接続する装置および方法を提供すること
【解決手段】電気および／または熱伝導性相互接続を形成する方法および装置が開示され、この接続では、第１の表面と第２の表面は、少なくとも１つの表面に配置されたナノ構造を介して、互いに接触している。一実施形態では、第１の複数のナノ構造の領域は、例示としてマイクロプロセッサのようなエレクトロニクス・パッケージ中の部品に配置される。そして、第１の複数の領域は、基板上の対応する第２の複数のナノ構造の領域と接触し、強い摩擦結合を生じさせる。他の例示の実施形態では、複数のナノ構造は、マイクロプロセッサのような部品上に配置され、そしてこのナノ構造が基板と接触する。分子間力は、ナノ構造の分子と基板の分子の間に引力をもたらし、このようにしてナノ構造と基板の間の結合を生じさせる。
【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は一般的に熱的および電気的な相互接続に関し、より詳細には、ナノ構造（ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）化された熱的および電気的相互接続に関する。
エレクトロニクス部品を例えば導体または半導体基板に電気的または熱的に接続する方法は、当技術分野でよく知られている。例えば、例示として光電子デバイスおよび／または超小形電子機械（ＭＥＭＳ）デバイスの中の部品間を接続するために、熱圧着法と半田バンプ・ボンディング法の両方が使用されている。図１は、熱的または電気的相互接続として使用するために熱圧着結合を形成する１つの例示の方法を示す。具体的には、その図において、部品１０１には、一般には金の層である、圧着ボンディングに適している材料１０２の層がある。部品１０１を例示の基板１０５に結合するために、部品１０１の層１０２を基板１０５上の材料の層１０３、再び例示として金、と接触させるようなやり方で、この部品１０１の層１０２が方向１０４の方へ下げられる。金の層が変形し互いに結合するように、十分な温度（例えば、摂氏３００度）および圧力（例えば、金の面について１０ｋｇｆ／ｍｍ２）が加えられる。しかし、そのような金−金熱圧着ボンディングは多くの点で有用であるが、そのような結合を生じさせるために必要な温度および圧力で、トランジスタのような敏感な電子素子が損傷をうけるかもしれない。例えばＭＥＭＳデバイスにおいて、部品がますます小さくなるにつれて、比較的高い温度および圧力は、ますます壊れやすくなっている部品にいっそう損傷を与えやすくなる。
図２は、２個の電子部品を熱的または電気的に接続する別の例示の従来方法を示す。具体的には、その図において、基板２００は、例えば、ＭＥＭＳパッケージ中のマイクロプロセッサのようなエレクトロニクス・チップの表面である。よく知られている方法を使用して、チップ上に半田バンプ２０１がつくられる。チップとプリント配線基板のような基板を電気的または熱的に接続するために、半田バンプは、接続点と接触させられ、そしてリフローするまで加熱される。それから、バンプを例示のプリント配線基板上の接続点と接触させる。そのような半田バンプ法は、電気的および熱的接続を形成する際に非常に有利であるとしてよく知られている。しかし、またしても、半田をリフローさせるのに必要な温度で、ＭＥＭＳパッケージ中のＭＥＭＳ部品が損傷をうけるかもしれない。さらに、ある特定の設計上の考慮すべき事項によって、半田バンプは制限されていた。具体的には、所望のバンプ高さを実現するために、そのようなバンプはある特定のサイズよりも大きくなければならない。一般に直径が２０〜２５ミクロンよりも大きくなければならない。その上、半田をリフローさせたとき半田バンプが互いに接触するようになるのは望ましくないので、半田バンプは一般に最小間隔で、例えば１つのバンプの中心から隣接するバンプの中心まで５０ミクロンで隔てられていなければならない。
最後に、２個の部品を互いにボンディングする他の１つの従来方法は、熱および／または電気伝導性接着剤を使用することである。しかし、そのような接着剤は、硬化するときに一般にガスを放出しやすく、このガス放出はクリティカルなエレクトロニクス部品の有機材料に損傷を与えることになるかもしれない。そして、この損傷は小さな部品の適切な性能を害するかもしれない。
米国特許第６，１８５，９６１号 Ａ．Ｋ．Ｇｅｉｍ ｅｔ．ａｌ．「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｍｉｍｉｃｋｉｎｇ Ｇｅｃｋｏ Ｆｏｏｔ−Ｈａｉｒ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｖｏｌｕｍｅ ２（２００３年７月）、４６１〜４６３頁 「Ｉｎｔｅｒｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ−Ｖａｎ Ｄｅｒ Ｗａａｌｓ Ｆｏｒｃｅｓ」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｈｅｍｇｕｉｄｅ．ｃｏ．ｕｋ／ａｔｏｍｓ／ｂｏｎｄｉｎｇ／ｖｄｗ．ｈｔｍｌ
本発明者は、上述の接続の問題を実質的に解決する、電子部品を熱的および／または電気的に接続する装置および方法を発明した。具体的には、電気および／または熱伝導性相互接続がつくられ、この接続では、第１の表面と第２の表面は、前記第１の表面および前記第２の表面のうちの少なくとも１つに配置された複数のナノ構造を介して、互いに接触している。一実施形態では、第１の複数のナノ構造の領域は、例示としてマイクロプロセッサのようなエレクトロニクス・パッケージ中の部品に配置される。そして、第１の複数の領域は、基板上の対応する第２の複数のナノ構造の領域と接触する。接触するとき、第１の複数の領域のナノ構造は、第２の複数のナノ構造と交互に配置し、このようにして強い摩擦結合を生じさせる。第１および第２の複数のナノ構造が熱伝導性であるとき、熱的な相互接続が形成される。第１および第２の複数のナノ構造が電気伝導性であるとき、電気的な相互接続が形成される。
他の例示の実施形態では、複数のナノ構造は、マイクロプロセッサのような部品上に配置され、そしてこのナノ構造が基板と接触する。分子間力は、ナノ構造の分子と基板の分子の間に引力をもたらし、このようにしてナノ構造と基板の間の結合が生じる。さらに他の例示の実施形態では、２つのナノ構造化表面を有する中間層が、部品と基板の間に配置される。部品および基板各々はナノ構造化表面の１つと接触し、そして、分子間力によって、部品と中間層の間、ならびに基板と中間層の間に結合が生じる。このようにして従来の相互接続方法で必要な温度および力なしで、エレクトロニクス・パッケージの用途に有用な強い熱および／または電気伝導性相互接続がもたらされる。
図３は、本発明の原理に従った１つの例示の表面３００を示し、この本発明の原理によって、シリコン基板のような基板３０５の上に、複数のナノ構造３０１が、ここではナノポスト（ｎａｎｏｐｏｓｔ）が製造される。図３に示すような円柱状ナノポストの配列は、各ナノポストの直径が１０ｎｍよりも小さな状態でつくられる。当業者は認めることであろうが、様々な方法を使用して製造することができる多くの異なる例示のナノポストの配列（例えば、サイズ、ピッチ、および高さ）があり、そして、そのような様々な直径のナノポストは、規則性の程度が異なった状態で形成することができる。２００１年２月１３日にＴｏｎｕｃｃｉその他に発行された「ナノポスト・アレイおよびこれを作るプロセス（ｎａｎｏｐｏｓｔ ａｒｒａｙｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｍａｋｉｎｇ ｓａｍｅ）」という名称の米国特許第６，１８５，９６１号にある例示のナノポストの製法を、これによって、その全体を参照して本明細書に組み込む。ナノポストは、ポストを形成するための型板を使用することによって、様々なリソグラフィ手段によって、および様々なエッチング方法によるような、様々な方法で製造された。
一般に定義されるように、「ナノ構造」は、１マイクロメートルよりも小さな少なくとも１つの寸法を有する予め決められた構造であり、「マイクロ構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」は、１ミリメートルよりも小さな少なくとも１つの寸法を有する予め決められた構造である。しかし、開示された実施形態はナノ構造およびナノ構造化表面に言及するが、多くの場合にマイクロ構造を代わりに用いることできることは、本発明者が意図することであり、また当業者には明らかであろう。したがって、これによって、本発明者は、１ミリメートルよりも小さな少なくとも１つの寸法を有するその構造と１マイクロメートルよりも小さな少なくとも１つの寸法を有する構造とを両方とも含むように、ナノ構造を定義する。「特徴パターン」という用語は、マイクロ構造のパターンまたはナノ構造のパターンのどちらも意味する。
図３のナノポスト３０１は、例えば、電気および／または熱導体として使用するのに適した金または他の材料の薄い層で被覆された重合体材料の柱である。当業者は十分に理解することであろうが、ナノポストの所望の電気および／または熱伝導率を実現するように多くの適切な材料を選ぶことができる。ここで、ナノポスト３０１は、例示として、２００ｎｍの直径および例えば２マイクロメートルの高さ３０３を有する。ナノポスト３０１は、例えば、１０マイクロメートルの断面幅３０４（例えば、これは、例示として、円の直径または正方形領域の辺の長さである）を有する領域に配置される。また、当業者は本教示を考慮して認めることであろうが、多くの適切な配列が同様に有利である。
図４は、図３のナノポストを使用してつくられた電気的または熱的相互接続の例示の一実施形態を示す。具体的には、図４Ａを参照して、例示としてマイクロプロセッサ・チップの表面である表面４０１のナノポスト４０２を、表面４０５のナノポスト４０４と接触させるようなやり方で、方向４０３の方へ動かす。図４Ｂで理解することができるように、表面４０１のナノポスト４０２がナノポスト４０４に接触したとき、両方の表面のナノポストは互いに交互に配置する傾向がある。図３の分離距離３０２のようなナノポスト間の分離距離が適切に選ばれると、表面４０１のナノポスト４０２の全数または相当な数が、表面４０５のナノポスト４０４の１つまたは複数に接触する。したがって、ナノポスト４０２および４０４は熱および／または電気伝導性であるので、２つのナノ構造化領域を互いに接触させるように室温または室温近くでただ最小限の圧力を加えるだけで、熱的または電気的相互接続がつくられる。このようにして、例えば、電気的接続の場合、相互接続によって表面４０５の回路から表面４０１の回路に信号を送ることができる。同様に、各表面のナノポストが、例示の金被覆のような適切な熱伝導性材料で製造されるかまたは被覆される場合、熱エネルギーは相互接続を通って移ることができる。このようにして、例えば、表面４０１および４０５のナノポストの間の相互接続を横切って、熱を放散することができる。両方の表面のナノ構造の大きな表面積が互いに接触しているので、上述の接触による付着力は比較的大きい。そのような大きな付着力は、ナノポスト間に生じる摩擦力と、各表面のナノポストの分子間のよく知られているファン・デル・ワールスの力のような分子間力の両方の結果である。このようにして、エレクトロニクス・パッケージ中の電子部品を接続する際に使用するのに適した付着相互接続が形成される。
当業者は認めることであろうが、本明細書で述べる相互接続は、図２に示す半田バンプの配列と同様に部品または基板の表面に配置することができる。具体的には、半田バンプ電気接続とほぼ同じように機能する電気的接続をつくるために、マイクロプロセッサのような部品の表面にナノポストの小さな領域を配置することができる。図５に示すように、再び例示のマイクロプロセッサである部品５０１の表面に多数のナノポストの領域５０２を配置し、そして、例示としてプリント配線基板の表面である表面５０４のナノポストの対応する領域５０３と接触させて、マイクロプロセッサ５０１が動作するのに必要な電気的接続をつくることができる。またしても、部品５０１および表面５０４のナノポスト間の摩擦力および／または分子間力のために、相互接続は強い接続力を生じる。
従来の半田バンプ相互接続の機能に似ているが、図４Ｂおよび図５に示す例示の相互接続は、従来の半田バンプ接続よりも遥かに小さなサイズに製造することができるという点で有利である。例えば、上で述べたように、ナノポストの１つの領域の断面幅は例示として１０ミクロンであることが可能であり、そしてこのナノポストを例えば５ミクロンのピッチで隔てることができる。このようにして、例えばマイクロプロセッサの所定の表面積に対して、半田バンプ相互接続に比べて可能な遥かに高い密度のナノ構造を実現することができる。したがって、例えば、有利なことには、本発明の原理に従ったナノ構造相互接続を使用して、より小さなプリント配線基板スペースを必要とするより小さな部品を製造することができる。
図６Ａおよび図６Ｂは、図３のナノ構造化表面と同様なナノ構造化表面の使用で可能な熱的または電気的接続の他の例示の使用を示す。前に述べたように、チップおよび基板のようなエレクトロニクス部品間に熱または電気伝導性接続を形成する一般的な従来方法は、半田付けまたは伝導性接着剤の使用を必要としたが、これらはＭＥＭＳデバイスのような小さなデバイスでは、また上で述べたように、不利であることがある。したがって、図６Ａを参照して、再び例示のマイクロプロセッサである部品６０１と、例示としてアルミニウム・ホイルのような熱伝導性金属ホイルの表面である表面６０３とを熱的または電気的に接続する方法を、本発明者は発明した。当業者は認めることであろうが、電気伝導性接続を実現するために、ナノポスト６０２と基板６０３の両方に適切な電気伝導性材料が使用される。
この例示の実施例では、熱伝導性相互接続を形成するために、ナノポスト６０２は、図６Ａおよび図６Ｂの例示の実施形態で、ピロメリト酸二無水物オキシジアニリン（ｐｙｒｏｍｅｌｌｉｔｉｃｄｉａｎｈｙｄｒｉｄｅ−ｏｘｙｄｉａｎｉｌｉｎｅ）ポリイミド材料のようなポリイミド材料で製造される。当業者は認めることであろうが、本発明の原理に従って、多くの他のよく知られているポリイミド材料を使用して、有利なナノポストを実現することができる。本発明の原理に従った使用に適したナノ構造化またはマイクロ構造化表面の製法および使用法は、Ａ．Ｋ．Ｇｅｉｍ ｅｔ．ａｌ．「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ａｄｈｅｓｉｖｅ Ｍｉｍｉｃｋｉｎｇ Ｇｅｃｋｏ Ｆｏｏｔ−Ｈａｉｒ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｖｏｌｕｍｅ ２（２００３年７月）、４６１〜４６３頁（「Ｇｅｉｍ論文」）の論文に一般的に述べられている。この論文は、これによって、全体を参照して本明細書に組み込む。この論文に述べられているように、図６Ａのナノ構造６０２を有する表面６０１のようなナノ構造化表面が例示の熱伝導性表面６０３のような適切な基板と接触したとき、ナノ構造と基板の間に比較的強い接着を実現することができる。図６Ｂに示すこの接続は、ナノ構造６０２の分子と例示の基板６０３の分子の間の毛管引力および分子間引力によっている。具体的には、そのような接続は、基板に対するナノ構造６０１の集合的な分子引力によって所望の引力を生じさせるに適切なナノ構造の直径、密度およびピッチを選ぶことによってつくられる。この方法でつくられる接続は、例えば、ナノ構造の面について３Ｎ／ｃｍ２の引力を引き起こすことができる。分子間引力は当技術分野で知られており、２００４年３月２５日以前にｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｈｅｍｇｕｉｄｅ．ｃｏ．ｕｋ／ａｔｏｍｓ／ｂｏｎｄｉｎｇ／ｖｄｗ．ｈｔｍｌで、インターネット上に発表された論文「Ｉｎｔｅｒｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ−Ｖａｎ Ｄｅｒ Ｗａａｌｓ Ｆｏｒｃｅｓ」という論文に一般的に述べられている。そして、この論文は、これによって全体を参照して本明細書に組み込む。
再び図６Ｂを参照して、ナノ構造が基板の不均一性に適合することができるようにするために、厚さほぼ２５から５０マイクロメートルまでの例示の厚さの可撓性ホイル基板６０３が使用される。この基板の不均一性は、Ｇｅｉｍ論文に述べられているように、ナノ構造と基板の間の引力を強める。このように、図６Ｂのナノポスト６０２および基板６０３に適切な熱または電気伝導性材料を使用することで、比較的強い相互接続がつくられる。当業者は認めることであろうが、図６Ａおよび６Ｂの部品６０１に直接ナノ構造を配置する代わりに、他の配列が可能である。例えば、図７に示すように、ナノ構造の中間層７０２を部品７０１と基板７０３の間に配置することができる。そのような配列では、中間層７０２の両側にナノ構造を製造し、それから、分子間力で部品および基板をナノ構造に結合するようなやり方で、そのナノ構造を部品７０１と基板７０３の両方と接触させることができる。ここで開示された実施形態の教示は、熱的または電気的接続をつくるようにナノ構造を使用するすべての方法を包含することを意図する。
前記のことは、ただ単に本発明の原理を例示するだけである。したがって、理解されることであろうが、本明細書で明示的に説明または図示しないが、本発明の原理を具現しかつ本発明の精神および範囲内にある様々な配列を、当業者は工夫することができるだろう。例えば、本明細書の様々な実施形態の説明を考慮して、当業者は、広範囲にわたって異なる分野および用途で本発明の原理を利用できることを認めるであろう。当業者は、本発明に関連した基本的な原理の多くの同様な用途を工夫することができるであろうが、これらのすべては本発明に包含される意図である。例えば、本明細書の実施形態で摩擦力および分子間引力を例示的に示したが、電磁力、イオン力および／または量子力のような多くの異なる引力が、表面にまたナノ構造があろうとなかろうとナノ構造と表面の間に相互接続を引き起こしかつ維持すのに有用であることを、当業者は認めるであろう。
本明細書で述べたすべての実施例および条件を示す用語は、本発明の原理を理解する際に読者を助ける特に教育目的のためだけである意図であり、そのような具体的に述べられた実施例および条件に制限するものでないと解釈すべきである。さらに、特定の実施例だけでなく、本発明の態様および実施形態を述べる本明細書のすべての陳述も、機能同等物を包含する意図である。
熱圧着結合を形成する従来技術方法を示す図である。 複数の半田バンプを有する従来技術のエレクトロニクス部品を示す図である。 本発明の原理に従った例示のナノ構造化表面を示す図である。 本発明の原理に従って、図３の例示の表面のような表面を使用して圧着結合をつくる方法の例示の一実施形態を示す図である。 本発明の原理に従って、図３の例示の表面のような表面を使用して圧着結合をつくる方法の例示の一実施形態を示す図である。 ２個の部品間で図４Ｂの相互接続のような複数の相互接続をつくる方法を示す図である。 図３の表面を基板に接合するために分子間力を使用して結合をつくる方法の例示の一実施形態を示す図である。 図３の表面を基板に接合するために分子間力を使用して結合をつくる方法の例示の一実施形態を示す図である。 分子間力を使用してつくられる結合の他の例示の実施形態を示す図である。

Claims (10)

  1. 電気部品用の相互接続であって、
    第１の表面と、
    第２の表面と、
    前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも１つに配置された複数のナノ構造と、
    前記ナノ構造が前記第１の表面と前記第２の表面の間に少なくとも第１の伝導性接続を形成するようなやり方で、前記第１の表面と前記第２の表面を接着する手段とを備える相互接続。
  2. 前記伝導性接続が熱的な接続を含む、請求項１に記載の相互接続。
  3. 前記伝導性接続が電気的な接続を含む、請求項１に記載の相互接続。
  4. 前記複数のナノ構造が、
    前記第１の表面の少なくとも第１の領域に配置された第１の複数のナノ構造と、
    前記第２の表面の少なくとも第１の領域に配置された第２の複数のナノ構造とを備え、
    前記第１の複数のナノ構造および前記第２の複数のナノ構造が、前記第１の複数のナノ構造から前記第２の複数のナノ構造に熱または電気エネルギーを伝達するように構成されている、請求項１に記載の相互接続。
  5. 前記第１の表面が複数のナノ構造を備え、前記複数のナノ構造は、前記複数のナノ構造の中の少なくとも一部の前記ナノ構造の分子と前記第２の表面の間の引力によって、前記第２の表面に付着するように構成されている、請求項１に記載の相互接続。
  6. 前記引力が、引力の分子間力を含む、請求項５に記載の相互接続。
  7. 前記分子間力が、ファン・デル・ワールスの力を含む、請求項６に記載の相互接続。
  8. 相互接続を横切って熱または電気エネルギーを伝達する方法であって、
    第１の複数の伝導性ナノ構造を第２の複数の伝導性ナノ構造と接触させるステップを含み、
    前記第１の複数の中の少なくとも一部の前記ナノ構造および前記第２の複数の中の一部の前記ナノ構造が伝導性材料を含む方法。
  9. 前記伝導性材料が熱伝導性材料である、請求項８に記載の方法。
  10. 前記伝導性材料が電気伝導性材料である、請求項８に記載の方法。
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