JP2010538473A

JP2010538473A - 電子部品の低温ボンディング法

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Publication number: JP2010538473A
Application number: JP2010523159A
Authority: JP
Inventors: ヒーアデン，デイヴィッドヴァン; ルード，ティモシー，ライアン; ヴィンセント，ランズィ
Original assignee: リアクティブナノテクノロジーズ，インク．
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-12-09
Also published as: WO2009029804A3; US20110089462A1; WO2009029804A2; DE112008002377T5; KR20100071968A; US8882301B2; US20150060898A1

Abstract

ＬＥＤアセンブリ７１その他の電子的パッケージ３１を、ヒートシンク５２を含む基板ＰＣＢにボンディングする方法である。この方法は、電子的パッケージ３１のコンタクト３２，３４と、支持基板ＰＣＢ上の関連するコンタクトパッド５５との間に配置された反応性マルチレイヤ膜５１を利用する。圧力をかけて、反応性マルチレイヤ膜５１で発熱反応を起こすことにより、コンタクト３２，３４と関連するコンタクトパッド５５との間に、電子的パッケージ３１、その電子的パッケージに不随する熱に敏感なコンポーネント３５、その他の支持基板ＰＣＢに熱的損傷を与えることなく、隣接するボンディング材料を溶かして、コンタクト３２，３４とコンタクトパッド５５との間に電気的及び熱的伝導性を有するボンドを設けるのに十分な熱を発生させる。

Description

本発明は半導体デバイスを基板にボンディングする方法に関し、特に、半導体デバイス全体やそれに隣接する基板を熱にさらさずに、発光ダイオード（ＬＥＤ）アセンブリなどの温度に敏感なデバイスを、シートシンクを有する基板に低温ハンダボンディングする方法に関する。

発光ダイオードすなわちＬＥＤは半導体の発光部品であり、多くの照明機器において徐々に白熱灯に置き換わりつつある。図１に示したように、先行技術の典型的なＬＥＤアセンブリは、保護パッケージ３１（ＬＥＤパッケージ）に入れられたＬＥＤチップ（図示せず）よりなる。パッケージの側面からは２本以上の接続リード３４が伸びており、足３６がついている。熱的に結合したスラッグ３２は、一般的に銅からできており、ＬＥＤパッケージ３１のベースに配置されている。スラッグ３２は、ウェッティングレイヤ３３でコーディングされており、金属コアプリント回路板（ＭＣＰＣＢ）（図１には図示せず）などのヒートシンクを組み込んだ基板にボンディングできるようになっている。放射された光を導くために、ＬＥＤパッケージ３１の上にはレンズ３５が取り付けられる。ＬＥＤパッケージ３１は、レンズ３５を除き、大体、縦５ｍｍ×横５ｍｍ×高さ２ｍｍの寸法である。

経済的な生産のために、ＬＥＤパッケージ３１、レンズ３５、ＭＣＰＣＢ基板は好ましくはポリマー材料またはプラスチック材料を含む。ＭＣＰＣＢ基板は一般的にはプリント回路板であり、絶縁材料レイヤの間に金属コアを含んでいる。絶縁材料の外に銅のトレース（traces）やパッド（pads）が配置され、銅パッドの周りとトレースをカバーしてハンダマスクが配置されている。図２は、図１に示したＬＥＤパッケージ３１の接続リード３４とスラッグ３２に合う典型的なパッドパターンを示す。ＬＥＤパッケージ３１を動作させるには、スラッグ３２をパッド５５ｂにボンディングし、一方、２つのリード３４をそれぞれに対応するパッド５５ａにボンディングする。

従来の一ボンディングプロセスでは、高温ハンダリフロープロセスにより、ＬＥＤパッケージ３１とＭＣＰＣＢパッド５５ａ、５５ｂとの間のボンド（bonds）を形成している。しかし、ポリマーレンズ３５は、ハンダリフロー中の高温にさらされて、特に鉛フリーハンダリフロー法で用いられる高温にさらされて、ハンダリフロープロセスで損傷してしまうことがある。同様に、大きなヒートシンクが必要な場合、プラスチックパッケージとＬＥＤの半導体部分（semiconductor electronics）がリフロー加熱により損傷することがある。ヒートシンクの熱容量のため、高い温度で長いハンダリフローサイクルが必要となるからである。ハンダリフローサイクルが十分長くないと、ハンダが十分に溶けずにボンディングが良くなくなる。また、リフローの高温のため、ＬＥＤの明るさや寿命に悪い影響を与える。

あるいは、接続リード３４をレーザまたはホットバー（サーモード）ソルダリングを用いて個別にハンダ付けして、中央スラッグ３２を熱伝導接着剤（thermally conductive adhesive）で取り付けてもよい。中央スラッグ３２とパッド５５ｂとの間の電気的接続は必要ないが、中央スラッグ３２はＬＥＤパッケージ３１から金属コアＰＣＢに熱を運ぶ機能を有するので、中央スラッグ３２とＭＣＰＣＢとの間の熱抵抗は低くなければならない。熱伝導接着剤は適度な限られた熱伝導率を有し、塗布の際に粘性が一貫せず、ボンドライン厚（bond line thicknesses）が変化してしまう。中央スラッグ３２とパッド５５ｂとの間のボンドラインの厚さが大きすぎると、ボンドの熱抵抗が大きくなる。極端な場合には、中央スラッグ３２におけるボンドの厚さが大きくなり、接続リード３４の足３６がパッド５５ａに接触せずに、レーザソルダリングが困難または不可能になる。そのため、従来製造されたＬＥＤアセンブリは、熱的性能、電子的性能、光学的性能を十分に発揮することができない場合が多かった。

同じ問題は、外部のヒートシンクにボンディングしなければならず、高いボンディング温度に敏感な温度管理パッドやスラッグを有する他の電子部品や半導体パッケージでも起こりうる。かかる部品やパッケージには、電界コンデンサ、パワーアンプ、光電池デバイスがあるが、これらに限定されない。鉛・スズ共晶ハンダのために設計された多くの部品は、無鉛ハンダの場合に必要となる高いリフロー温度では損傷してしまう。

したがって、極端なボンディング温度に敏感な半導体デバイスやＬＥＤなどの電子パッケージを支持基板にボンディングする一律かつ信頼性が高い方法を提供できれば好都合である。さらに、ボンディング領域の外側に過剰な熱を発生させず、厚さと強さとが一様なボンドとなり、電流と熱エネルギーとを伝えられるボンディング方法を提供できれば好都合である。
［関連出願との相互参照］
本出願は、２００７年８月３１日に出願した米国仮特許出願第６０／９６９，５３４号に関連し、これに基づく優先権を主張するものである。この仮特許出願をここに参照援用する。
［連邦政府出資の研究に関する陳述］
該当なし。

一実施形態では、本発明は、ヒートシンクを含む基板にＬＥＤアセンブリその他の電子パッケージをボンディングする方法を提供する。この方法は、ＬＥＤアセンブリの接続リード、中央スラッグと、支持基板上の対応コンタクトパッドとの間に配置した反応性マルチレイヤ膜を利用する。反応性マルチレイヤ膜における発熱反応を起こすとともに、加圧することにより、接続リード、中央スラッグと、対応するコンタクトパッドとの間に、隣接するハンダ材料を解かすのに十分な熱を発生させ、熱に敏感な電子パッケージその他の部品（ポリマーレンズなど）を熱的に損傷せずに、接続リード、中央スラッグ３２とパッド５５ｂとの間に電気的及び熱的によい伝導性を有するボンドを設ける。

別の一実施形態では、本発明は、反応済みの反応性混合物膜（remnants of reacted foils of reactive composite material）を含むボンドにより支持基板にボンディングされた、ＬＥＤアセンブリなどの電子パッケージを提供する。

先行技術による発光ダイオードパッケージを示す図である。図１のLEDパッケージを受ける先行技術によるプリント回路板上のコンタクトパッドを示す上面図である。先行技術による反応性マルチレイヤボンディングプロセスを示す図である。本開示の方法を用いてＰＣＢにボンディングしたＬＥＤパッケージを示す図である。本開示の方法により形成された、反応性マルチレイヤ膜が残ったボンドを示す断面図である。先行技術によるＬＥＤパッケージのリード形状を示す図である。先行技術によるＬＥＤパッケージの別のリード形状を示す図である。基板にボンディングしたベアＬＥＤパッケージを示す図である。ボンディングしたＬＥＤパッケージの剪断強度をテストする構成を示す図である。

以下の詳細な説明は本発明を例示するものであり、限定するものではない。以下の説明により当業者は本開示を作り、使うことができる。以下、本開示の実施形態、適用、変形、代替、使用を説明する。これには本開示を実施するベストモードであると現在信じられるものも含む。

概して、本開示はＬＥＤパッケージ、半導体デバイス、光電池デバイスなどの電子パッケージと、金属コアプリント回路板などの支持基板との間のコンタクトのボンディング法を説明する。この方法は、反応性マルチレイヤ膜片すなわちセグメントを用いて、電子パッケージや支持基板中の隣接する熱に敏感な部品を損傷することなく、ハンダなどのボンディング材料を溶かしてフロー接続（flow connecting）するのに十分な熱エネルギーを供給するものである。本明細書では、ＬＥＤパッケージの場合を用いて説明と例示を行うが、本開示はこれに限定はされず、広い範囲の電子デバイスに適用可能であり、特に熱や熱エネルギーによる損傷に敏感な電子デバイスに適用可能であることは言うまでもない。本開示の方法を用いて好適にボンディングできる電子パッケージとしては、上記以外にも、フリップチップ、チップオンボード、ベア・ダイ、チップスケールパッケージ、パッケージ・オン・パッケージ、ボールグリッドアレイ、ファインピッチ・ノーリード、リードレスチップキャリア、クアッドフラットパック、プラスチックリードチップキャリア、フラットリード、スモールアウトラインパッケージ、ＤＰＡＫ、及びＤ２ＰＡＫがある。

本開示のボンディング法で利用する反応性マルチレイヤ膜は、一般的にはマグネトロンスパッタリングで形成され、ニッケルとアルミニウムなどの材料でできたナノスケールの数千のレイヤを交互に組み合わせた構成となっている。これらのレイヤは、外的エネルギーパルスによりレイヤ間で原子が拡散を始めると発熱反応し、自己増殖反応で急激な熱バーストを発生する。反応性マルチレイヤ膜がハンダ合金やろう付け合金などのボンディング材料のレイヤに挟まれていると、反応性マルチレイヤ膜の発熱反応により発生する熱を利用して、図３に示すように、これらのボンディング材料のレイヤを溶かすことができる。その結果、ボンディングレイヤは、ハンダレイヤまたはロウ付けレイヤとなり、反応性マルチレイヤ膜の反応生成物を含んでいる。反応性マルチレイヤ膜の特性を制御することにより、発熱反応中の反応性マルチレイヤ膜が発する熱量を調節して、ボンディング材料レイヤを溶かすには十分な熱を発生させつつ、同時に隣接する部品を室温または室温に近い温度に維持することができる。さらに、反応性マルチレイヤ膜、及びそれを用いたボンディング、及びそれによる反応生成物のさらに詳細は、米国特許第６，７３６，９４２号に記載されている。この文献はここに参照援用する。

図３を参照して、反応性マルチレイヤ膜が２つの部品１０Ａ、１０Ｂを接合（join）する一般的なプロセスを実施する構成９を示した。反応性混合材料１２（反応性マルチレイヤ膜など）のシート、ピース、またはセグメントが、典型的にはハンダまたは真鍮である２つの可融性ボンディング材料１４Ａ、１４Ｂのシートまたはレイヤの間に配置されている。また、可融性ボンディング材料１４Ａ、１４Ｂは、部品１０Ａ、１０Ｂのコンタクト表面（図では見えない）の間に挟まれている。次に、万力１６で象徴的に示したように、挟んだアセンブリを圧して、マッチと炎１８で示したように、反応性マルチレイヤ膜を好適な手段により発火させる。反応は反応性マルチレイヤ膜１２を通って急激に伝搬し、可溶性ボンディング材料１４Ａ、１４Ｂを溶かす。冷えると、部品１０Ａと１０Ｂはコンタクト面で接合されている。ここで想定しているボンド領域は０．２５ｍｍ２から数ｃｍ２である。

図４を参照して、本発明の一実施形態では、中央スラッグ３２と少なくとも１つの接続リード３４とを有する、ＬＥＤパッケージ３１などの電子デバイスを、反応性マルチレイヤ膜を用いたボンディング方法を用いて、金属コアプリント回路板５２に１つ以上のコンタクトでボンディングする。例えば、中央スラッグ３２と複数の接続リード３４により画成された複数のコンタクトを有するＬＥＤパッケージ３１を、反応性マルチレイヤ接合を用いて、パッド５５ａと５５ｂにより画成されるプリント回路板（ＰＣＢ）５２の、対応するコンタクトにボンディングする。

図４に示したように、ＰＣＢ５２は、典型的にはアルミニウムである金属コア５６と、絶縁レイヤ５３と、パッド５５ａ及び５５ｂとを含む。ポリマーハンダマスク５７がパッド５５ａと５５ｂを取り囲み、部分的に覆っている。パッド５５ａと５５ｂは銅でできており、ボンディング材料の表面レイヤ５４で任意的に覆われている。表面レイヤ５４は、一般的には４μｍから８μｍの厚さのスズレイヤを形成する、ホットエアソルダレベリング（ＨＡＳＬ）で付けたスズなどである。当業者には言うまでもなく、表面レイヤ５４は、無電解スズ、無電解ニッケル／無電解金（ＥＮＩＧ）、鉛スズＨＡＳＬ、無電解銀、無電解パラジウム／金、電解ニッケル／金、リフロースズ／鉛、その他本技術分野で知られている表面処理を含む従来の表面処理から任意に選択できる。

好都合にも、ＬＥＤパッケージ接続リード３４と中央スラッグ３２とは、厚さが４μｍから３０μｍの間のスズなどであるボンディング材料レイヤで同様にコーティングされている。表面レイヤ５４と同様に、ＬＥＤパッケージ３１の接続リード３４と中央スラッグ３２上のボンディング材料レイヤは、ハンダ、ハンダ合金、真鍮などの任意の好適なボンディング材料でよく、電気メッキ、ディッピング、その他本技術分野で周知の方法などで付けられる。かかるハンダや真鍮には、インジウム、銀、鉛の純金属及び合金、及びＧｅｏｒｏ（登録商標）やＩｎｃｕｓｉｌ（登録商標）などの商業的に入手可能な合金があるが、これに限定されない。

従来、純粋なスズは、融点が高いため、ボンディング材料としては一般に使われていなかった。しかし、本開示の方法により、純粋なスズをハンダやボンディング材料として使うことができ、無鉛ハンダ合金などその他のボンディング材料と比較して、延性が高いという利点がある。

中央スラッグ３２と接続リード３４をパッド５５にボンディングするため、反応性マルチレイヤ膜片をコンタクト間、すなわち接続リードの足３６とそれに隣接するパッド５５ａとの間、及び中央スラッグ３２とそれに隣接するパッド５５ｂとの間に配置する。反応性マルチレイヤ膜５１に対してコンタクト表面を保持するように設計した力を、各接続リードの足３６にかけ、中央スラッグ３２に力をかけるためＬＥＤパッケージ３１にかける。同時に、発熱反応を開始させるのに十分な大きさのエネルギーパルスを、反応性マルチレイヤ膜５１の各片に与える。反応性マルチレイヤ膜５１の各片の発熱反応により、周辺のボンディング材料や表面レイヤ５４を溶かすのに十分な熱エネルギーを発生する。ボンディング材料と表面レイヤ５４は、冷えると固まり、電子デバイスの接続リード３４と中央スラッグ３２とを、支持基板またはプリント回路板５２のパッド５５にボンディングする。反応性マルチレイヤ膜の反応により発生する熱エネルギーは、隣接するＬＥＤパッケージや支持基板（プリント回路板５２）の温度を、環境温度より顕著に上げるほどではない。

好都合にも、反応性マルチレイヤ膜５１の離散的セグメント５１ｂは、支持基板上の各パッド５５を取り囲むポリマーハンダマスク５７内に収まるサイズとなっている。好ましくは、図示し説明したＬＥＤパッケージ３１の場合、かける力は、各接続リードの足３６では１０ＭＰａと１００ＭＰａの間の圧力であり、（中央スラッグ３２に力をかけるため）ＬＥＤパッケージ３１では１ＭＰａと９ＭＰａの間の圧力である。かける圧力が低すぎると、反応性マルチレイヤ膜５１の発熱反応によるボンディングは弱くなる。かける圧力が高すぎると、プリント回路板５６、接続リード３４、またはＬＥＤパッケージ３１が損傷し、反応性マルチレイヤ膜５１の発熱反応の際、溶けたボンディング材料がボンディング領域から押し出されるおそれがある。

図５に示したように、接続リードの足３６とパッド５５ａの隣接するコンタクト表面の間に形成されるボンドは、反応性マルチレイヤ膜５１の残存物５１ｒを含む。この残存物５１ｒは一般的にはアルミナイド・ニッケルである。発熱反応の際、反応性マルチレイヤ膜５１は、その厚さ方向に割れて、小片となる。スズその他の可溶性の材料などであるボンディング材料及び表面レイヤ５４は、流れ込んでその割れを埋め、図５に示した特徴のある微少構造を形成する。

支持基板５２やプリント回路板（ＰＣＢ）は、グラスファイバー、ＦＲ４、ポリブタジエン、またはＰＴＦＥなどのプリント回路板であってもよく、これに限定されない。支持基板は絶縁体レイヤや銅パッドを複数有していてもよい。あるいは、電子デバイスやＬＥＤパッケージ３１は、金属のヒートシンクやフレックス回路材料にボンディングしてもよい。

当業者には言うまでもなく、電子デバイスまたはＬＥＤパッケージの接続リード３４の形状は任意であり、図６ａに示したようにガルウィング型リード、図６ｂに示した「リードレス」構成、Ｊリード、またはフラットリードなどがあり、これに限定されない。電子デバイスまたはＬＥＤパッケージ３１を接続するボールグリッドアレイも、本発明の方法を用いてボンディングすることができる。図４に示すように、各接続リードの足３６の表面またはコンタクトエリアの大部分が、支持基板５２上の対応する接続パッド５５と平行であり、大きな面積で反応性マルチレイヤ膜５１と接触し、強いボンディングとなることが好ましい。接続リードの足３６の面積の５０％より大きくなるようにエリアを選択すれば好都合である。

ボンディングプロセス中、バネ、弾性体、または泡などの弾性を有する要素を用いて、電子デバイス３１と接続リード３４への力をかけ、反応性マルチレイヤ膜５１のセグメントにおける発熱反応の開始時またはその後に、最初の力の少なくとも８０％を維持することが好ましい。ボンディングプロセス中ずっと十分なコンタクトを維持するために、材料が溶けている間、弾性を有する要素は、好都合にも、反応性マルチレイヤ膜５１、ボンディング材料、及び表面レイヤ５４の厚みの増減に追随する。

本開示の関連実施形態では、電子デバイスまたはＬＥＤパッケージ３１と、支持基板５２との間のボンドの一部のみを、反応性マルチレイヤ膜５１のセグメントの発熱反応を用いて形成し、残りを従来のボンディングプロセスを用いて形成する。例えば、中央スラッグ３２は、反応性マルチレイヤ接合でボンディングし、接続リードの足３６は、電子デバイス３１の潜在的に熱に敏感な部品とは離れているので、レーザソルダリング、ギャップ溶接、またはホットバー（サーモード）ソルダリングなどの、本技術分野で知られている方法でボンディングする。同様の実施形態では、接続リードの足３６は、反応性マルチレイヤ接合によりボンディングし、一方、中央スラッグ３２は、熱伝導エポキシなどの、本技術分野で知られた方法でボンディングする。

関連する実施形態では、パッド５５、接続リード３４、または中央スラッグ３２などのコンタクトは、４μｍから３０μｍのスズ合金でコーティングされていないが、金、銀、パラジウムなどの湿潤性表面レイヤで前処理（prepare）しておく。この実施形態の場合、マグネトロンスパッタリング、ウォームクラッディング、電気メッキ、その他の本技術分野で知られた方法により、スズをベースとしたハンダ合金などの可溶性ボンディング材料を反応性マルチレイヤ膜５１と組み合わせる。好ましくは、可溶性ボンディング材料のレイヤを、反応性マルチレイヤ膜５１の主要部分に付ける。あるいは、可溶性ボンディング材料は独立したプリフォームであってもよい。可溶性ボンディング材料を反応性マルチレイヤ膜５１の両側または片側に配置してもよい。可溶性ボンディング材料を湿潤性表面レイヤに隣接して配置し、反応性マルチレイヤ膜５１の発熱反応の場合に上で説明したように、ボンディングプロセスを実行する。接着性と強度を高めるため、ボンド中の可溶性ボンディング材料の総厚みは、接続リード３４、中央スラッグ３２、及び銅パッド５５の表面のボンディング材料レイヤを含めて、少なくとも６μｍでなければならない。可溶性ボンディング材料を増やして、表面の粗さや不均一性に対応し、信頼性を高めることができる。可溶性ボンディング材料の厚さの実際的な上限は、（熱が少ないと可溶性ボンディング材料を溶かしてボンドを形成できないからである）反応性マルチレイヤ膜５１の発熱反応により供給される熱量によって決まり、または可溶性ボンディング材料のボンドエリアからの漏れ（この漏れは可溶性ボンディング材料の厚さが大きくなれば大きくなる）によって決まる。この漏れは回路の短絡やＬＥＤパッケージまたは支持基板の損傷につながるので好ましくない。このように、可溶性ボンディング材料の厚さを１００μｍより小さく、好ましくは５０μｍより小さくするべきである。

反応性マルチレイヤ膜と組み合わせられる可溶性ボンディング材料には、純粋なスズ、インジウム、銀、金、鉛、及びこれらの合金があるが、これに限定されない。関連する実施形態では、可溶性ボンディング材料はＧｅｏｒｏ（登録商標）またはＩｎｃｕｓｉｌ（登録商標）などの高融点合金であってもよい。これらの合金は、高温のアプリケーションの場合に、上記の金属コアＰＣＢ（ＭＣＰＣＢ）の替わりにセラミック基板またはプリント回路板を用いるときに都合がよい。

関連する他の実施形態では、パッド５５、リード３４、中央スラッグ３２、またはこれらの組み合わせを、スズ合金その他の可溶性ボンディング材料でコーティングしてもよい。ボンディングプロセス前に、反応性マルチレイヤ膜５１の表面上に可溶性ボンディング材料があってもよい。反応性マルチレイヤ膜５１にスズレイヤまたはハンダレイヤを追加することにより、かかるレイヤが無い場合に必要となる圧力よりも低い圧力で十分なボンディングが可能となる。

図７に示した他の一実施形態では、ＬＥＤデバイス３１は、銅スラッグ３２を有するセラミックやポリマーのパッケージには入れられておらず、シリコンその他の半導体材料を含むベア・ダイ７１の形式である。ボンディングするコンタクトエリアはニッケルと金のメッキがされており、シリコンは、ＬＥＤベア・ダイ７１に面した側に可溶性材料レイヤ７５を含む反応性マルチレイヤ膜７４のピースを用いて、本開示の反応性マルチレイヤ接合プロセスにより、プリント回路板または支持基板７３にボンディングされている。支持基板７３がボンディングコンタクト領域に適当な可溶性ボンディング材料を有していない場合、反応性マルチレイヤ膜７４は、支持基板７３に面した側に可溶性ボンディング材料のダイ２のレイヤ７６を含んでもよい。

他の一実施形態では、ＬＥＤパッケージ３１は複数のＬＥＤダイ７１を含む。各ＬＥＤダイ７１は、自分で銅スラッグ３２と接続リード３４を有していてもよいし、有していなくてもよい。

以下の例は、本開示の方法を用いて電子デバイスを支持基板にボンディングした結果を説明している。言うまでもなく、これらの例は例示を目的としており、本開示の範囲を限定することを意図したものではない。

第１の実施例では、（レンズ３５を含まない）ＬＥＤパッケージ３１とＭＣＰＣＢ５２とを、図４に示した本開示の方法でボンディングした。接続リード３４と中央スラッグ３２は５μｍのスズレイヤでそれぞれ電気メッキし、銅パッド５５はホットエアソルダレベリングで５μｍないし７μｍのスズレイヤで同様にコートした。受け側の接続リード３４はガルウィング構成であり、図６ａに示した。リード３４とパッド５５ａとの間の接触を改善するため、本技術分野で知られた方法でリード３４を調整し、足３６を水平に対して±２°とし、図１と同様にＬＥＤパッケージ３１のベースと同一平面上にあるようにした。ニッケルとアルミニウムのレイヤを有し、外側の各面に厚さ１μｍのＩｎｃｕｓｉｌ（登録商標）真鍮合金ボンディング材料を含み、全体の厚さが約４０μｍとなる反応性マルチレイヤ膜５１のセグメントを用いて、接続リード３４、中央スラッグ３２、及びパッド５５の間にボンドを形成する。中央スラッグ３２は直径が４ｍｍであり、銅パッドは直径が４．３ｍｍである。接続リードの足３６は、調整後、それぞれ約２ｍｍ×２ｍｍであり、関連するパッド５５ａは３ｍｍ×３ｍｍである。パッケージには、大きさが２ｍｍ×２ｍｍの反応性マルチレイヤ膜のピース５１ａをパッド５５ａと接続リードの足３６との間に配置し、一方、直径が４ｍｍの反応性マルチレイヤ膜のディスク５１ｂをパッド５５ｂと中央スラッグ３２との間に配置した。スプリングプランジャを介してＬＥＤパッケージ３１の上面に加圧し、反応性マルチレイヤ膜のディスク５１ｂを発火させ、発熱反応を開始させた。次に、スプリングプランジャを介して接続リード３４に加圧し、反応性マルチレイヤ膜のピース５１ａを発火させた。同様に、スプリングプランジャを介して他の接続リード３４に加圧し、反応性マルチレイヤ膜の他のピース５１ａを発火させた。各反応性マルチレイヤ膜のピースの発熱反応により十分な熱エネルギーが発生し、周囲のボンディング材料を溶かした。周囲のボンディング材料はその後固化し、それぞれのコンタクト間に目的のボンドを形成した。

同様にボンドを形成し、銅スラッグ３２だけはパッド５５ｂにボンドし、剪断強さをテストした。以下に掲げる表１は、ボンドの強さに対する圧力と反応性マルチレイヤ膜の厚さの効果を示す。

接続パッド５５ｂに無電解スズプロセスにより１μｍのスズレイヤでコーディングしたＭＣＰＣＢを用いて、同様の中央スラッグボンドを形成した。以下に掲げる表２は、１μｍのスズのみが接続パッド５５ｂに形成されている場合の、ボンドの強さに対する圧力の影響を示す。反応性マルチレイヤ膜のピースに、各側に１μｍのＩｎｃｕｓｉｌをつけ、他の各側に１μｍのＩｎｃｕｓｉｌと電気メッキにより４μｍの純粋なスズとをつけて用いた。これらのテストには直径が４ｍｍの反応性マルチレイヤ膜のディスクを用いた。

別のテストでは、本発明の方法を用いて接続リード３４をパッド５５ａにボンディングして、剪断テストを行った。接続リード３４は、最初、図５ａに示したようなガルウィング型であったが、上記のように調整してコンタクトエリアを増やした。用いた反応性マルチレイヤ膜５１は厚さが４０μｍであり、上記の通り、各側に１μｍのＩｎｃｕｓｉｌを付けた。剪断テストの構成を図８に示した。ＬＥＤパッケージ３１の側面の中心に力６１をかけ、接続リードのボンドに力６２をかけ、バランスさせた。以下に示す表３は、３つの条件下でのリードボンドの剪断強さを示している。第１はガルウィング形状の場合、第２は調整した場合、第３は調整して接合圧力を２倍にした場合である。

表３から分かるように、接続リード３４を調整してコンタクト表面の面積を大きくすると、平均剪断強さは大きくならないが、リードを調整するとボンド面積が非常に大きくなるため、平均剪断破壊負荷が非常に大きくなった。また、リードを調整すると剪断強さの不確実性が大幅に下がり、高い一貫性と再現性とを示した。第２の場合から第３の場合に負荷を２倍にしても、剪断負荷と剪断強度にはほとんど違いは見られなかった。

これから分かることは、本開示の一態様は、発光ダイオード（ＬＥＤ）パッケージ３１などの電子デバイスをプリント回路板などの支持基板５２にボンディングする改良された方法を説明するものである。この方法は、少なくとも２つの電気的接続リード３４とデバイス３１から支持基板５２に熱を伝える熱経路（例えば、銅スラッグ）３２とを含む電子デバイスまたはＬＥＤパッケージ３１を設ける段階と、デバイスまたはＬＥＤパッケージ３１を固定してそれから熱を取る支持基板５２を設ける段階とを含む。支持基板５２は、好ましくは、熱シンクと、パッケージの接続リード３４に電気的に接続する接続パッド５５ａと、熱シンクを熱経路に熱的に結合する接続パッド５５ｂとを含む。電子デバイスまたはＬＥＤパッケージ３１の熱経路は、熱シンクに熱的に結合している。これは、熱経路と熱シンクとの間に反応性マルチレイヤ膜５１のピースとともにハンダや真鍮のボンディング材料のレイヤを配置し、その後、反応性マルチレイヤ膜５１における発熱反応を起こさせ、ボンディング材料を溶かすのに十分な熱エネルギーを発生させ、熱経路と、ヒートシンクが不随した接続パッドとの間にボンドを形成することにより行う。有利にも、パッケージの接続リード３４は、間に挟んだ反応性マルチレイヤ膜５１のピースの発熱反応の開始により溶けるハンダや真鍮などのボンディング材料のレイヤにより、基板パッド５５ａと電気的に接続される。このように、電子パッケージの温度を大幅に上げたり、電子パッケージ３１や支持基板５２のＬＥＤ半導体エレクトロニクスやその他のポリマーなどの熱に敏感な材料を熱的に損なったりせずに、熱的及び電気的接続を達成できる。

他の一態様では、本開示は、改良型の発光ダイオード（ＬＥＤ）を提供する。この発光ダイオードは、ＬＥＤパッケージと、支持基板と、ＬＥＤパッケージと支持基板との間の相互接続ボンディングレイヤとを有する。ＬＥＤパッケージは、ＬＥＤコンポーネントと、ＬＥＤコンポーネントへの少なくとも２つの電子リードと、ＬＥＤから基板の熱シンクに熱を伝える（銅スラッグなどの）熱経路とを含む。ＬＥＤパッケージを支持する基板は、熱シンクと、パッケージリードに電気的に接続する接続パッドと、熱シンクを熱経路に熱的に接続するパッドとを有する。各電気的リードの間に配置したボンディングレイヤと、熱経路と、支持基板上の関連パッドとは、それぞれ、ハンダや真鍮のレイヤと、反応性マルチレイヤ膜のピースの発熱反応の結果生成した反応生成物とを含む。

要約すると、一実施形態において、本開示が提供する方法は、少なくとも１つの電気的または熱的な伝導性を有するコンタクトを有する電子的パッケージを、ボンディング領域に配置された少なくとも１つの電気的または熱的な伝導性を有する関連するコンタクトを有する支持基板にボンディングする方法であって、前記コンタクトの各々にボンディング材料のレイヤをコーティングする段階と、前記電子的パッケージの前記コンタクトと、前記支持基板の前記関連するコンタクトとの間に反応性マルチレイヤ膜を配置する段階と、ボンディング領域の前記コンタクトに圧力をかける段階と、前記反応性マルチレイヤ膜で発熱反応を起こさせる段階であって、前記発熱反応の結果、前記電子的パッケージコンタクトと前記関連する基板コンタクトとの間に前記ボンディング材料と前記反応性マルチレイヤ膜の残存物とを含むボンドを形成する段階とを含む。

別の一実施形態では、本開示が提供するボンディングされた電子的アセンブリは、第１のボンディング材料でコーティングされた少なくとも１つの電気的または熱的な伝導性を有するコンタクトリードを有する電子的パッケージと、第２のボンディング材料でコーティングされた少なくとも１つの電気的または熱的な伝導性を有するコンタクトパッドを有する支持基板と、前記第１と第２のボンディング材料により前記コンタクトリードと前記コンタクトパッドとの間に形成された少なくとも１つのボンド内に配置された反応性マルチレイヤ膜の残存物とを有する。

別の一実施形態では、本開示が提供する方法は、ボンディング領域に配置された支持基板受け側コンタクトに少なくとも１つのコンタクトを有する温度に敏感な電子的パッケージをボンディングする方法であって、前記電子的パッケージの前記コンタクトと、前記支持基板の前記関連する受け側コンタクトとの間に反応性マルチレイヤ膜を配置する段階と、前記コンタクトを通して前記反応性マルチレイヤ膜のレイヤに圧力を制御してかける段階と、前記反応性マルチレイヤ膜で発熱反応を起こさせる段階であって、前記発熱反応の結果、前記電子的パッケージコンタクトと前記関連する受け側基板コンタクトとの間に前記反応性マルチレイヤ膜の残存物を含むボンドを形成する段階とを含む。

言うまでもなく、本開示の様々な態様は、コンピュータで実施するプロセス、及びそのプロセスを実施する装置の形態で実施できる。これらのプロセス及び装置は、ボンディングプロセス中に、コンピュータ制御で、様々なコンタクト領域に圧力をかけるものであってもよいが、これに限定されない。本開示は、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスクドライブ、その他のコンピュータ読み取り可能記憶媒体などの有体媒体に化体された命令を含むコンピュータプログラムコードの形態で実施することもできる。

この場合、コンピュータプログラムコードをコンピュータ、マイクロプロセッサ、論理回路などの電子デバイスにロードし、実行すると、その電子デバイスは本開示を実施する装置になる。

本開示は、コンピュータプログラムコードの形態で実施することもでき、このコンピュータプログラムコードは記憶媒体に記憶されていても、コンピュータにロードされ、及び／または実行されていても、電気的配線やケーブル、光ファイバー、電磁放射などを介して伝送媒体により送信されてもよい。

この場合、このコンピュータプログラムコードをコンピュータにロードして実行すると、そのコンピュータは本開示を実施する装置となる。汎用マイクロプロセッサで実施する場合、コンピュータプログラムコードセグメントによりマイクロプロセッサが設定され、専用論理回路となる。

本開示の範囲から逸脱せずに上記の構成に様々な変更をすることができるので、上記の説明に含めた、または添付した図面に示したすべての事項は例示であり、限定するものではない。

Claims

少なくとも１つの電気的または熱的な伝導性を有するコンタクトを有する電子的パッケージを、ボンディング領域に配置された少なくとも１つの電気的または熱的な伝導性を有する関連するコンタクトを有する支持基板にボンディングする方法であって、
前記コンタクトの各々にボンディング材料のレイヤをコーティングする段階と、
前記電子的パッケージの前記コンタクトと、前記支持基板の前記関連するコンタクトとの間に反応性マルチレイヤ膜を配置する段階と、
ボンディング領域の前記コンタクトに圧力をかける段階と、
前記反応性マルチレイヤ膜で発熱反応を起こさせる段階であって、前記発熱反応の結果、前記電子的パッケージコンタクトと前記関連する基板コンタクトとの間に前記ボンディング材料と前記反応性マルチレイヤ膜の残存物とを含むボンドを形成する段階とを含む、
方法。
前記かける圧力は少なくとも１ＭＰａである、請求項１に記載の方法。
前記かける圧力は１ＭＰａと９ＭＰａとの間であり、前記電子的パッケージを前記基板に押すようにかける、請求項２に記載の方法。
前記かける圧力は１０ＭＰａと１００ＭＰａとの間であり、前記電子的パッケージの前記伝導性を有するコンタクトを前記支持基板の前記関連するコンタクトに押すようにかける、請求項２に記載の方法。
前記ボンディング材料のレイヤはスズ合金である、請求項１に記載の方法。
反応性マルチレイヤ膜はスズ、鉛、インジウム、銀、Ｇｅｏｒｏ（登録商標）、またはＩｎｃｕｓｉｌ（登録商標）よりなるグループから選択した金属または合金でコーティングされている、請求項１に記載の方法。
前記ボンディング材料の少なくとも１つのレイヤは、金、パラジウム、インジウム、Ｉｎｃｕｓｉｌ（登録商標）、または銀よりなるグループから選択した金属または合金である、請求項１に記載の方法。
前記コンタクトの各々の間に配置した前記反応性マルチレイヤ膜のレイヤの面積は、関連する基板コンタクトの周りのハンダマスクにより画成される関連する基板コンタクトの面積より小さい、請求項１に記載の方法。
少なくとも１つの電子的パッケージコンタクトは、「ガルウィング」、Ｊリード、フラットリード、「リードレス」、及びボールグリッドアレイよりなるグループから選択した種類のものである、請求項１に記載の方法。
スプリングまたはエラストマーを含む外部圧力源により前記圧力をかける、請求項１に記載の方法。
前記ボンディング材料のレイヤの各々の厚さは４μｍと３０μｍとの間である、請求項１に記載の方法。
前記反応性マルチレイヤ膜の厚さは１００μｍより小さい、請求項１に記載の方法。
前記反応性マルチレイヤ膜の厚さは５０μｍより小さい、請求項１２に記載の方法。
前記ボンディング材料のレイヤの各々は厚さが１μｍと３０μｍとの間であるスズレイヤである、請求項１に記載の方法。
前記ボンディング領域のコンタクトエリアの大きさと、その結果の前記ボンドの望ましい剪断強さとに応じて前記かける圧力を選択する、請求項１に記載の方法。
ボンディングされた電子的アセンブリであって、
第１のボンディング材料でコーティングされた少なくとも１つの電気的または熱的な伝導性を有するコンタクトリードを有する電子的パッケージと、
第２のボンディング材料でコーティングされた少なくとも１つの電気的または熱的な伝導性を有するコンタクトパッドを有する支持基板と、
前記第１と第２のボンディング材料により前記コンタクトリードと前記コンタクトパッドとの間に形成された少なくとも１つのボンド内に配置された反応性マルチレイヤ膜の残存物とを有する電子的アセンブリ。
前記第１と第２のボンディング材料はスズまたはスズ合金である、請求項１６に記載のボンディングされた電子的アセンブリ。
前記第１と第２のボンディング材料の少なくとも一方は、金、銀、パラジウム、Ｇｅｏｒｏ（登録商標）、Ｉｎｃｕｓｉｌ（登録商標）、またはインジウム合金から選択する、請求項１６に記載のボンディングされた電子的アセンブリ。
電子的パッケージは少なくとも１つの発光ダイオードを含む、請求項１６に記載のボンディングされた電子的アセンブリ。
電子的パッケージは少なくとも１つの光電池デバイスを含む、請求項１６に記載のボンディングされた電子的アセンブリ。
支持基板は、金属コアプリント回路板、ヒートシンク、ポリマーベースプリント回路板、及びフレックス回路材料よりなるグループから選択される、請求項１６に記載のボンディングされた電子的アセンブリ。
電子的パッケージの種類は、フリップチップ、チップオンボード、ベア・ダイ、チップスケールパッケージ、パッケージ・オン・パッケージ、ボールグリッドアレイ、ファインピッチ・ノーリード、リードレスチップキャリア、クアドフラットパック、プラスチックリードチップキャリア、フラットリード、スモールアウトラインパッケージ、ＤＰＡＫ、及びＤ２ＰＡＫよりなるグループから選択する、請求項１６に記載のボンディングされた電子的アセンブリ。
少なくとも１つの電子的パッケージコンタクトは、「ガルウィング」、Ｊリード、フラットリード、「リードレス」、及びボールグリッドアレイよりなるグループから選択した種類のものである、請求項１６に記載のボンディングされた電子的アセンブリ。
前記電子的パッケージは１つ以上の温度に敏感なコンポーネントを含む、請求項１６に記載のボンディングされた電子的アセンブリ。
ボンディング領域に配置された支持基板受け側コンタクトに少なくとも１つのコンタクトを有する温度に敏感な電子的パッケージをボンディングする方法であって、
前記電子的パッケージの前記コンタクトと、前記支持基板の前記関連する受け側コンタクトとの間に反応性マルチレイヤ膜を配置する段階と、
前記コンタクトを通して前記反応性マルチレイヤ膜のレイヤに圧力を制御してかける段階と、
前記反応性マルチレイヤ膜で発熱反応を起こさせる段階であって、前記発熱反応の結果、前記電子的パッケージコンタクトと前記関連する受け側基板コンタクトとの間に前記反応性マルチレイヤ膜の残存物を含むボンドを形成する段階とを含む、方法。
前記圧力をかける段階は、前記発熱反応とボンド形成の間、前記かけた圧力を維持する、請求項２５に記載の方法。
前記発熱反応は、前記コンタクトと前記受け側コンタクトとの間に配置された１つ以上のボンディングレイヤの温度を上げて流れさせるのに十分な熱エネルギーを発生し、前記ボンドの形成中に前記１つ以上のボンディングレイヤが固化する、請求項２５に記載の方法。
温度上昇は前記ボンディング領域に実質的に限定される、請求項２７に記載の方法。