JP2010228006A

JP2010228006A - 通気孔を設けた空洞の気密はんだ封止法

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Publication number: JP2010228006A
Application number: JP2010135812A
Authority: JP
Inventors: Giles Humpston; ジャイルズ・ハンプストン; Yoshikatsu Ichimura; 好克市村; Nancy M Mar; ナンシー・エム・マー; Daniel J Miller; ダニエル・ジェイ・ミラー; Michael J Nystrom; マイケル・ジェイ・ナイストロム; Gary R Trott; ゲイリー・アール・トロット
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2010-10-14
Also published as: US20030192942A1; GB2387562B; US6732905B2; JP2003311400A; JP4550369B2; GB0304511D0; GB2387562A

Abstract

【課題】通気孔を設けた空洞の気密はんだ封止法に関し、薄く、広面積の、基本的にボイドが無く、空洞を気密封止することが可能なはんだ付け処理法及びはんだ接合を提供する。
【解決手段】部品を取り付ける方法であって、第一の部品２１０と第二の部品２２０と、第一及び第二の部品間にある接合材料２３０とを含むアセンブリ２００を形成するステップであって、第一及び第二の部品が通気孔２５０のある空洞２４０を形成することを特徴とするステップと、アセンブリ２００を加熱することにより接合材料２３０を活性化させるステップであって、接合材料中の気泡が、加熱処理中に空洞２４０及び通気孔２５０を通じて接合材料２３０からアセンブリの周囲へと逃げるようになっている。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、通気孔を設けた空洞の気密はんだ封止法に関し、薄く、広面積の、
基本的にボイドが無く、空洞を気密封止することが可能なはんだ付け処理法及び
はんだ接合を提供するものである。

はんだ付けは金属部品を接合する上で効果的な方法であるが、これに加えて非
金属部品であっても、その接合面に好適なメタライゼーション処理を施すことに
より、これらの多くを接合することが可能である。従って、多種のはんだ、はん
だ付け処理法、及びはんだ接合部デザインが知られている。多数あるはんだ接合
の種類の中でも、気密封止を提供すると共に内部ボイドの無い広面積接合を作る
タイプのものは、最も製作が困難である。この文脈において広面積はんだ接合と
言う場合、最小寸法が２ｍｍ長を超える面積を覆うはんだ接合を意味する。

接合部の機密性を保障する多くの高信頼性手法とは、接合の全外周にわたって
端部の連続したフィレットを確実に形成するというものである為、広面積接合で
気密封止を形成することは難しい。より広い面積及び長い外周を持つ接合部にな
ればなるほど、この条件に合致させることが難しくなるのである。

ボイドは広面積はんだ接合にとっては問題となるが、これは寸法が２ｍｍを超
えたものの場合、部品間に捕捉された気泡、或いははんだ付け温度へと加熱する
間に内部で発生した気泡が、溶解したはんだの静水圧を克服できずに接合部の端
部から逃げることが出来ない為である。このように、気泡ははんだ中に捉えられ
、はんだが硬化した場合にボイドとなる。図１は、いくつかの従来のはんだ接合
の最小接合寸法に対するはんだ接合中のボイド率の依存度を示すものである。図
１から容易にわかるように、はんだ接合中のボイドの問題は、接合部の寸法に比
例して増大している。これらのボイドは一般に、はんだ接合の電気的、温度的及
び機械的特性を損なうものである。

フラックスを使わずに広面積接合を作る場合、無ボイド接合を作成することは
より困難になる。一般に、フラックスは表面酸化物の除去を助け、これにより溶
融はんだの濡れ性や広がりを促進するものである。フラックス抜きで良好な品質
のはんだ接合を作ることは本質的により難しくなるが、フラックスの必要性を回
避すれば、はんだ付け処理をもっと簡易にすることが可能となる。このことから
、薄く、広面積でボイドの無いはんだ接合を作る為の無フラックス処理及び技術
が導入されている。これらの技術としては、プレ−アプライ（Ｐｒｅ−ａｐｐｌ
ｉｅｄ）方式、圧力変動処理及びはんだ付けの温度サイクル中に圧縮ストレスを
印加する方法等が含まれる。最良の結果を得る為に、３つの方法全てを組み合わ
せることも出来る。

プレ−アプライ（Ｐｒｅ−ａｐｐｌｉｅｄ）方式では、はんだ付けする部品の
一方又は両方の表面にはんだを設けることにより、接合部中の面の数、即ちボイ
ド源を少なくするものである。

圧力変動処理は、捉えられた気泡を圧縮し、接合部の体積においてボイドが占
める割合を大幅に小さくすることにより、はんだ接合中のボイドレベルを低下さ
せるものである。圧力変動処理は通常、熱間等方加圧に相当類似した方法で外部
気体圧を用いるものである。代表的な圧力変動処理においては、はんだ付けする
組立部品を減圧（Ｐ₁）したチャンバにいれ、これを最高処理温度まで加熱する
。その後チャンバ内の圧力を数桁上げたより高い圧力（Ｐ₂）へと加圧し、高い
圧力（Ｐ₂）下で組立部品の冷却を行う。気泡が理想的な気体の挙動を示す限り
においては、圧力Ｐ₁でのボイドの初期体積Ｖ₁が、圧力Ｐ₂では体積Ｖ₂へと減少
するものであり、Ｖ₁及びＶ₂の関係は、以下の式１に示される。

式１：Ｖ₂＝Ｖ₁・（Ｐ₁／Ｐ₂）

式１は、圧力Ｐ₁に対する圧力Ｐ₂が大きければ大きい程、この処理がボイドを
小さくする効果を発揮するということを表している。実際の結果から、１０：１
の圧力比があればボイドレベルは約１５％、そして３０：１の圧力比であれば、
ボイドレベルを５％にまで低くすることが出来ることが判明している。

圧力変動法における問題は、はんだ接合を、閉鎖空洞の周囲に気密封止を形成
するように設けなければならない場合に生じる。溶融はんだで接合面全てを濡ら
すことにより閉鎖空洞を封止する場合、内部又は外部の気体圧変動があると、は
んだが吹き飛ばされて接合線からずれてしまい、封止が破壊される可能性がある
。よって圧力変動処理は、閉鎖空洞の周囲のはんだ封止を含む部品には用いるこ
とが出来ない。

既知のはんだ技術及びはんだ接合における限界を鑑みると、薄く、広面積の、
基本的にボイドが無く、空洞を気密封止することが可能なはんだ付け処理法及び
はんだ接合が求められている。

本発明の一態様によれば、広面積はんだ接合により接合される部品の表面間に
孔のあいた空洞が形成される。空洞は、広面積はんだ接合の形成時に、溶融した
はんだ中の気泡が放出される為に移動しなければならない距離を小さくするもの
である。よってより少ない数の気泡がトラップされた状態となり、はんだ接合に
おけるボイドの数が少なくなる。更に、空洞には孔が開いている為、はんだ付け
の際には圧力変動処理を採用することが可能となり、はんだ接合の埋まりや気密
性を改善することが出来る。孔は必要に応じてはんだ接合の形成後に封止するこ
とにより、空洞を気密封止することが可能である。

圧力変動処理を用いた、或いは用いない通気孔のある空洞は、はんだ接合に限
られたものではなく、ロウ付け材や接着剤による接合においても適用することが
出来る。

本発明の実施の形態の一例は、部品を取り付ける為の処理である。この処理は
、第一の部品と第二の部品を含むアセンブリを、第一及び第二の部品間に挟まれ
た、はんだ、ロウ付け材、又は接着剤等の接合材料で形成することから開始され
る。第一及び第二の部品は、接合材料が取り囲む、孔のあいた空洞を形成するも
のである。このアセンブリを加熱することで、接合材料を活性化、即ち溶融し、
この加熱中に接合材料中の気泡を空洞及び孔を通じて接合材料中からアセンブリ
周囲へと逃がすことが出来る。接合材料が硬化した後に孔を封止することにより
、空洞の気密封止を作ることが出来る。

アセンブリを加熱した後、接合材料中に未だ捉えられているかも知れない気泡
を圧縮する為にアセンブリ周囲の圧力を上げることが出来る。加圧状態はアセン
ブリを冷却する間、接合材料が硬化するまで維持されるが、これにより気泡によ
るボイドは、加圧しない処理を実施した場合と比べて小さくなっている。空洞に
は孔が開けられている為、空洞内部の圧力は、アセンブリ外部の圧力と等しく、
加圧をしても封止の気密性が損なわれることはない。

本発明の実施の形態の他の例は、金属（例えばモリブデン）、半導体（例えば
シリコン）、ガラス又はセラミックのような材料から成る第一及び第二の部品と
、第一及び第二の部品間に設けられるはんだ、ロウ付け材、或いは接着剤とを含
む接合構造である。第一及び第二の部品は、接合材料が取り囲む空洞を形成する
ものであり、また、空洞から通じる孔が設けられている。孔は第一及び第二の部
品が接合された後に封止することにより、接合材料及び孔とで共に空洞を気密封
止することが出来る。接合構造は更に、同じ孔を共有する一連の通気空洞を形成
する一連の部品及びはんだ接合を含んでおり、かつ、通気空洞を個々に有する一
連の部品を含んでいる態様であっても、あるいは、同じ孔を共有する一連の通気
空洞を形成する一連の部品及びはんだ接合を含んでいる態様、若しくは、通気空
洞を個々に有する一連の部品を含んでいる態様のいずれであっても良い。

複数の図にわたり使用される同じ符号は、同様又は同一の要素を示すものであ
る。

はんだ接合部におけるボイド体積の率に影響を与える従来の半田接合サイズを説明する棒グラフである。本発明の一実施例に基づく、通気空洞を含むはんだ接合部の断面図である。本発明の一実施例に基づく、通気空洞を含むはんだ接合部の断面図である。本発明の一実施例に基づく、複数のはんだ接合を含むアセンブリの断面図である。本発明の一実施例に基づく、複数のはんだ接合を含むアセンブリの断面図である。

本発明の一態様によれば、気泡の放出能力を向上させ、はんだ接合中のボイド
を減らす為に広面積はんだ接合の領域内に１つ以上の通気空洞を設けることが出
来る。はんだに圧力変動処理を実施することにより、はんだが形成する封止を損
なうことなく、はんだ接合中のボイド体積を更に減じることが出来る。はんだ接
合に意図的に空洞を含ませる場合においては通常、圧力変動処理を適用すること
はない為、このような圧力変動処理の用法は予想を越えたものである。

本発明の他の態様によれば、はんだ接合により気密封止されるべき空洞に、は
んだ接合中のボイドを減じる圧力変動処理を行うことが出来るようにする為の通
気孔が作られる。はんだ接合の完成後、通気孔を封止して閉鎖空洞を作ることが
出来る。

本発明の更に他の態様によれば、はんだ付けされる部品中の通気孔に合わせた
位置に空洞を設ける手法において、周囲フィレットを接合部の外周に加え、空洞
内部の周囲にも設けるという変更を加えることにより気密封止の歩留まりを大幅
に改善することが可能である。

図２Ａは本発明の一実施例に基づくアセンブリ２００の断面図を描いたもので
ある。アセンブリ２００は、上部部品２１０及び下部部品２２０、そしてこれら
を接合するはんだ接合２３０を含む。部品２１０及び２２０ははんだ付けに適し
たいかなる材料から成るものであっても良い。例えば、いずれの部品２１０、２
２０も、はんだを付着するための平坦な面を持つ金属、半導体、ガラス又はセラ
ミックから作ることが出来る。一般的に、部品２１０又は２３０が半導体、ガラ
ス又はセラミックの場合、部品表面は金属でコーティングしなければならないが
、これは電気めっき、蒸着、又はスパタリング等の従来技術により設けることが
可能である。

アセンブリ２００において、部品２１０及び２２０の間に位置し、はんだ接合
２３０により囲まれた空洞２４０は、そうでなければ平らに作られる一方の部品
２２０の面に窪みを作った結果得られたものである。空洞２４０は、空洞２４０
とアセンブリ２００の周囲空間との間に通気孔、即ち出口（２５０）を含んでい
る。通気系の一例として、図２Ａは、通気孔２５０が空洞２４０から下部部品２
２０を通って下部部品２２０裏側の開口へと通じる孔を含む構成を示している。
図２Ｂは、通気孔２５５が空洞２４０から下部部品２２５を通って下部部品２３
５の側面にある開口へと通じる孔を含むことを特徴とする他のアセンブリ例２０
５を示している。明らかなように、部品２１０及び２２０中には通気孔２５０及
び２５５と同じ機能を提供する他の通気空洞系は数多く存在する。

アセンブリ２００の製造プロセスは、部品２１０及び２２０の製作から始まる
。部品２１０及び２２０の各々は、他方の部品のボンディング面と一致するボン
ディング面（通常は平坦面）を有しているが、これは金属製であるか、或いはメ
タライゼーション処理を施されている。部品２１０又は２２０のいずれか、或い
はこれらの両方のボンディング面にはんだ２３０を事前に設けておくことが出来
る。同様に、はんだ２３０は部品２１０及び２２０の間に挿入された自立型はん
だであっても良い。部品２１０及び２２０の一方、または両方の形状を更に制御
して、部品２１０及び２２０のボンディング面を接触させた場合に部品間に空洞
２４０が形成されるように、そして空洞２４０から周囲への通気孔２５０又は２
５５が提供されるようにすることが出来る。部品２１０及び２２０はその間にフ
ラックスを使っても、使わなくても良い。

その後、アセンブリ２００又は２０５は内部温度及び圧力を制御下で変化させ
る設備を有するチャンバ中に入れられる。次にチャンバはアセンブリ周囲を低圧
（例えば約１０ｍＰａ）にするように脱気される。チャンバ気圧が低い間にアセ
ンブリはピーク温度（例えばはんだ付け温度）へと加熱される。アセンブリがピ
ーク温度に達した後、アセンブリ２００又は２０５の冷却によりはんだ２３０の
硬化を促しつつ、チャンバの気圧を高圧力（例えば２００ｋＰａ）へと上げる。

図２Ａ及び図２Ｂに描いたようなはんだ付け構造において通気空洞を採用した
場合、いくつかの利点が提供される。通気された空洞は、はんだ接合の幅を小さ
くし、これによりはんだ接合２３０中にボイドが形成される可能性を小さくする
ものである。更に接合幅の縮小化は、これにより、はんだの静水圧が低減する為
、圧力変動処理がはんだ接合２３０中のボイド体積を小さくする上でより有効に
なるということを意味する。また、空洞２４０の短い接合周囲に第二の内部フィ
レットが形成する為、はんだ接合２３０が気密封止を提供し得る可能性が増大す
るものである。

部品２１０及び２２０、又は部品２１０及び２２５を接合してアセンブリ２０
０又は２０５を形成した後、通気孔２５０又は２５５を介して空洞２４０を充填
、或いは脱気し、その後通気孔２５０又は２５５を封止して気密封止構造を作る
ことが出来る。通気孔の封止においては、溶接、圧着、機械的プラグの差し込み
等の様々な周知の方法がある。

図３Ａは、本発明の他の実施例を描いたものであるが、これははんだ付けされ
たアセンブリ３００が光スイッチの一部である場合のものである。アセンブリ３
００は、３つの部品３１０、３２０及び３３０を含み、これらが２つのはんだ接
合３１５及び３２５を用いて接合されている。

光スイッチにおいては、上部部品３１０は石英の導波路である。本発明の一実
施例においては、部品３１０及び３２０及びはんだ接合３１５により、直径約１
８ｍｍ、深さが５μｍの空洞３４０が形成されている。この素子の光学的スイッ
チングには、空洞３４０中に流体を設けることが必要であり、光スイッチ３００
の組立後に空洞３４０へと通じるパイプ３５０を介して空洞３４０が流体で満た
れる。

部品３２０はシリコンチップであり、光学的スイッチングの作動中においては
、これが空洞３４０の液体を局所的に加熱し、選択された光線の向きを変える為
の気泡を作る。一実施例においては、シリコンチップ３２０の活性領域はほぼ正
方形であり、面積は約２５０ｍｍ²である。

第三の部品３３０はシリコンチップ３２０及びパイプ３５０を取り付ける金属
製の裏当てプレートであるが、これはシリコンが本質的に脆く、これが無い場合
、空洞３４０の充填用にパイプ３５０をシリコンに取り付けなければならない為
である。裏当てプレート３３０はシリコンチップ３２０を支持し、これから熱を
放散させる。本発明のこの実施例においては、裏当てプレート３３０はモリブデ
ン製であり、これによりシリコンチップ３２０の熱膨張係数（ＣＴＥ）と金属裏
当てプレート３３０のＣＴＥは適度な範囲で良好に一致している。

様々な理由から、シリコンチップ３２０及び金属裏当てプレート３３０間のは
んだ接合３２５は薄く、気密性があり、ボイドの無いものでなければならない。
より具体的に言えば、はんだの熱伝導は一般的に悪い為、シリコンチップ３２０
からの熱の除去を行う為には、はんだ接合３２５の厚さは代表的には２０μｍよ
りも薄くなければならない。加えて、はんだ接合３２５は、裏当てプレート３３
０とシリコンチップ３２０との間の接着性を最大化し、熱伝導用の金属領域も最
大化する為にボイド数は相対的に少なくなければならない。はんだ接合３２５は
更に空洞２４０中の液体がシリコンチップ３２０と金属製裏当てプレート３３０
の間から漏れることがないように気密封止でなければならない。これらのはんだ
接合３２５に関する条件は、接合形成時において、圧力変動処理を適用すること
が望ましいということを示している。

はんだ付け処理においては、パイプ３５０を空洞３４０用の通気孔として使う
ことにより、パイプ３５０の存在を有効利用することが出来る。一実施例におい
ては、インジウムはんだ等のはんだが、金属製裏当てプレート３３０の上面にあ
らかじめ塗布される。その後チャンバ内において、石英導波路３１０、シリコン
チップ３２０及び金属製裏当てプレート３３０を接触させる。チャンバは、約１
０ｍＰａの気圧に脱気される一方で、アセンブリは１７５℃のピーク温度へと加
熱されている。ピーク温度において、チャンバの気圧は約２００ｋＰａへと上昇
され、この状態が約１分間維持される。チャンバ及びアセンブリは、この２００
ｋＰａという気圧を維持した状態のまま冷却される。

アセンブリ３００を完成させた後、空洞３４０はパイプ３５０を介して液体で
満たされる。その後圧着によりパイプ３５０を封止するが、このパイプは薄いニ
ッケル壁から成り、高温のロウ付けにより金属製裏当てプレート３３０へと事前
に取り付けられているものである。

図３Ｂは光スイッチアセンブリ３０５の他の実施例を示すものであるが、これ
はシリコンチップ３２０と金属製裏当てプレート３３０との間のはんだ接合３２
５中に空洞３４５を付加した点が、図３Ａの光スイッチアセンブリ３００と基本
的に異なっている。上述したように、空洞３４５は、はんだ接合３２５に対する
圧力変動処理の効果を促進し、更にはんだ接合３２５が気密となる可能性を高く
するものである。気密はんだ接合３２５をうまく作成する可能性が高まるのは、
空洞３４５の周囲に設けられた内部はんだフィレットが原因であると考えられる
。対照的に、シリコンチップ３２０周囲の外部はんだフィレットは大幅に大きい
外周に沿って伸びているが、より大きい外周に沿って生じる欠陥の確率は比例的
に増大するものである。

本発明の一実施例においては、空洞３４５の寸法は、長さ約６．５ｍｍ、幅約
１．２５ｍｍ、深さ約２．８ｍｍである。シリコンチップ３２０及び金属製裏当
てプレート３３０中にある空洞３４０及び３４５を通気し、充填を行う為の開口
の直径は約１ｍｍである。

本発明を特定の実施例に基づいて説明してきたが、これは本発明の応用例にし
か過ぎず、本発明はこれらに限られたものではない。例えば、上述した実施例は
、部品間の接合材料としてはんだを用いたが、ロウ付け材や一部の接着剤等、他
の接合材料も、取り込まれた気泡による弊害を受けることは同じであり、上述し
た通気空洞による恩恵を受けるものである。本願に記載した実施例には、添付請
求項の定義する範囲において様々な変更や組み合わせが可能である。

２００、２０５、３００、３０５アセンブリ
２１０、３１０第一の部品
２２０、３２０第二の部品
２３０、３１５、３２５接合材料
２４０、３４０、３４５空洞
２５０、２５５、３５０通気孔

Claims

第一の部品と、
前記第一の部品に隣接し、該第一の部品と共に内部に空洞を形成している第二の部品と、
前記第一及び第二の部品間に設けられた接合材料であって、前記第一及び第二の部品間に形成された前記空洞を取り囲んでいる接合材料と、
前記空洞から前記第一の部品、第二の部品および接合材料を含むアセンブリの周囲空間に通じている通気孔とを含み、
前記通気孔は、前記接合材料とは別に封止を有し、前記接合材料および前記封止は、前記空洞を気密封止している構造であって、
前記第一及び第二の部品の接合面の最小接合寸法が２ｍｍ長を超える構造。
前記通気孔を共有する一連の空洞を形成する一連の部品及び接合材料、および／または、通気孔を個々に有する空洞を形成する一連の部品及び接合材料を更に含む請求項１に記載の構造。
前記通気孔が、前記空洞の各々と通じている請求項２に記載の構造。
前記第一の部品及び第二の部品の一つは、シリコンである請求項１に記載の構造。
前記第一の部品が、ガラス、セラミック、半導体、または、金属からなる群から選択された材料のプレートを含む請求項１に記載の構造。
前記接合材料が、接着剤を含む請求項１に記載の構造。
前記接合材料が、ロウ付け材を含む請求項１に記載の構造。
第一の部品と、
前記第一の部品に隣接し、該第一の部品と共に空洞を形成している第二の部品と、
前記第一及び第二の部品間にあり、前記第一及び第二の部品間に形成される直径１８ｍｍ、深さが５μｍの空洞を取り囲む接合材料と、
前記空洞から通じている通気孔とを含む構造であって、
前記第一及び第二の部品の接合面の最小接合寸法が２ｍｍ長を超える構造。
第一の部品と、
前記第一の部品に隣接し、該第一の部品と共に空洞を形成している第二の部品と、
前記第一及び第二の部品の一つはモリブデンであり、
前記第一及び第二の部品間にあり、前記第一及び第二の部品間に形成された前記空洞を取り囲む接合材料と、
前記空洞から通じている通気孔とを含む構造であって、
前記第一及び第二の部品の接合面の最小接合寸法が２ｍｍ長を超える構造。