JP2022544548A - 電気的はんだ接続部、はんだ接続部を備えるセンサ及び製造方法 - Google Patents

Abstract

第１表面（ＯＦ）上のコンタクトパット（ＫＰ）をストリップ形状の導体（ＳＬ）に接続するはんだ接続が提案されている。ストリップ形状の導体は、一端に拡張部（ＶＢ）及び、その中に貫通開口（ＯＥ）を備える。はんだボール（ＳＢ）は開口内に配置され、導体の一端はコンタクトパットに接続されている。

Description

本発明は、はんだ接続部、はんだ接続部を備えるセンサ及び製造方法に関する。特に、温度に敏感な接点を有するはんだ接続部に関する。

圧力や温度に敏感な電気部品が存在する。かかる部品の電気的コンタクトのためには、過度の機械的負荷（ｍｅｃｈａｎｉｓｃｈｅ Ｂｅｌａｓｔｕｎｇ）がなく、かつ低温入力のみで電気接続が行われるように留意する必要がある。

センサ部品は、圧力や温度に敏感な機能層など、敏感な構造を有する。センサ部品のコンタクトには、例えば、ワイヤボンディング方法（Ｄｒａｈｔｂｏｎｄｖｅｒｆａｈｒｅｎ）が用いられる。しかしながら、センサ部品の空間はしばしば限られている。この場合、ワイヤボンディングではコンタクトすべきコンタクト面の領域に追加のスペースが必要となるため、これらの方法は限られた範囲でしか使用できない。

さらに、ワイヤボンディング法では、機械的に十分な安定性が得られず、簡単に断線したり、特にセンサ部品の動作中の振動やその他の機械的負荷に敏感に反応したりする。

リフローはんだ付けによるフリップチップボンディングなどの他の接触方法は、センサの特性に影響を与えたり、又は変化させたりするので、通常は適さない。

本発明の課題は、より少ない空間要件で製造することができ、その製造がコンタクトすべきコンタクトパットへのわずかな温度入力のみを生ずるはんだ接続部を提供することである。さらなる別の課題は、わずかな空間要件で電気的接続を行うことができ、機械的に十分に安定した電気的接続をもたらすセンサ部品を提供することである。

これらの課題の少なくとも一部は、請求項１に記載の部品と、さらに独立した請求項に記載の製造方法とによって解決される。

第１表面上のコンタクトパットと、ストリップ形状の導体との間に形成されたはんだ接続部が提供される。導体は、一端に拡張部と、その中に貫通開口とを備える。開口内には、導体の前記一端をコンタクトパットに導電性接続するはんだボールが配置されている。

ストリップ形状の導体は平坦に設計されているため、全体の高さが低くて済み、したがって、供給ラインを含めたはんだ接続部をコンパクトに設計することができる。はんだボールは、開口を充填するように配置されている。開口を介して、はんだがコンタクトパットにコンタクトする面積は、ストリップ形状の導体に対するサイズと正確な位置に関して、予め決定される。

はんだボールの正確なサイズによって、はんだを適用したときに伝達される熱量を調整することもできる。コンタクトパットは、温度感受性の高い部品の一部であり得、例えば、その電気接続パットを表すことができる。すると、相応に大きな又は小さな寸法のはんだボールによって、はんだ接続部の製造中に部品に伝達されて部品に熱負荷をかけ得る熱量を最小限に抑えるか、十分に低い値に設定できる。

ストリップ形状の導体は、同様にストリップ形状の基板上に導体路として形成されることができる。その際、貫通開口は、導体路の拡張部を介して、基板を通り抜けて延在する。この形態は、基板材料の適切な選択によって、導体の機械的特性を調整できるという利点がある。例えば、可撓性基板を用いて、導体自体を可撓性（ｆｌｅｘｉｂｅｌ）にすることも可能である。このようにして、所与の空間条件に適合させて、導体の経路を変更することができる。

導体は、コンタクトパットを、可撓性の態様によりコンタクトパットに対して様々な配列に配置することができる任意の他のコンタクトと接続することができる。特に、導体は、コンタクトパットを空間的に近くに配置されたコンタクトと電気的に接続するために適している。この空間的に近くのコンタクトは、回路基板上に設けることができる。導体は、コンタクトパットを、したがって電気部品を回路基板に接続する。

基板は電気的に絶縁されることができ、したがって、片側の導体（ｄｅｒ Ｌｅｉｔｅｒ ａｕｆ ｅｉｎｅｒ Ｓｅｉｔｅ）が別の導電性要素とコンタクトしたときに短絡から保護されるように、電気的に絶縁されることができる。

さらに、導体路自体には、基板上にない導体路の表面をパッシベーション又は電気的に絶縁する保護層がさらに設けられることができる。導体路とはんだボールとの間の十分な電気的コンタクトを可能にするために、少なくとも開口の内部には保護層がない。

一実施形態では、導体は、Ｃｕを含有する導体路を有し、導体路は、開口の領域にはんだ付け可能なコーティングが施されている。開口の領域のはんだ付け可能なコーティングは、Ａｕ又ははんだ付け可能な表面を有する任意の他の金属を含有することができる。はんだ付け可能な表面とは、機械的に安定したはんだ接続部を製造するための前提条件である液状はんだとの濡れ性を意味する。

さらなる実施形態によれば、ストリップ形状の導体は、ポリイミド製の同様にストリップ形状のキャリア上に導体路として設計されている。

十分に機械的に安定したはんだ接続は、開口の直径が５０μｍから１ｍｍの間である電気的コンタクトを目的とし導体によって達成されることができる。

導体は可撓性に設計することができ、コンタクトとコンタクトパットとの間で任意の経路を取ることができ、また、空間的な条件に適合させることもできる。例えば、導体は、コンタクトパットを有する第１表面と平行に延在することができる。

導体はまた、第１表面に対して鋭角又は直角である経路をとり得る。

コンタクトパットは、５０ｎｍ～５００ｎｍの厚さを有する。これは、比較的低い電流しか必要としないセンサなどの、電気部品又は受動的部品のコンタクトには十分である。

一実施形態によれば、電気部品はセンサとして設計され、センサは、上述のようなはんだ接続を備えた導体を介して回路環境とコンタクトする。そして、センサは、内部に以下の構成要素が配置されたセンサハウジングを有することができる：
－ μ－プロセッサを搭載した回路基板
－ センサ機能を有する機能層を備えたセンサ基板
－ 機能層又は機能層上若しくは機能層内の導電性構造体と接続されたコンタクトパット
－ コンタクトパットを回路基板とつなぐストリップ形状の導体。

このようにして、導体ははんだ接続部によってコンタクトパットを、ひいてはセンサの機能層を、回路基板上のμプロセッサと接続する。コンタクト及びコンタクトパットは、Ｎｉ及び／又はＡｕを含有することができる。

コンタクトパットは、拡張体上に（ａｕｆ ｅｉｎｅｍ Ｄｅｈｎｕｎｇｓｋｏｅｒｐｅｒ ）あることができ、拡張体は、機能層を表すことができ、剛性（例えば、鋼、ガラス、若しくはセラミック製）又は可撓性（例えば、ＰＩ、薄いガラス、若しくはセラミック紙などのプラスチックフィルム製）に設計されることができる。拡張体は温度の上昇とともに膨張するため、温度に依存する強度でセンサ要素の機能層に影響を与える可能性がある。

機能層を含むセンサ要素と、センサ機能に必要な制御及び／又は評価電子機器を含む回路基板とは、最小のスペースで共通のセンサハウジング内にまとめて配置されることができる。

センサは温度センサとして設計でき、機能層としてサーミスタ材料を含有することができる。そして、温度依存の電気抵抗を決定するための回路基板が、サーミスタ材料製の機能層に設計されている。

提案のはんだ接続を装備できる他のタイプのセンサは、電気抵抗又は圧力センサを測定するためのセンサである。センサはマイクとして設計することもできる。

はんだ接続を製作する方法には、以下のステップが含まれ得る：
－ コンタクトパットを有するセンサ基板を提供し、
－ 貫通開口を有する拡張部を一端に備えるストリップ形状の導体をコンタクトパット上に配置し、したがって開口がコンタクトパット上に配置されるようにし、
－ レーザはんだジェットボンディングを使用して、液状はんだボールを開口に上からプリントし、
－ はんだボールを冷却して、導体とコンタクトパットとの間に導電性の接続を製作する。

レーザはんだジェットボンディング又ははんだボールバンピングは、元々インクジェットプリント方法から派生した方法である。はんだジェット装置のプリントヘッド内に配置された外向きに開いたカニューレ内に、所定のサイズの固定はんだボールがロードされる。さらに、はんだボールは、急速な熱供給によって液状化され、例えば、ガス流を使用してカニューレから噴射される。この方法は、特定の位置に正確なサイズで液状はんだボールを「プリント」するのに特に適している。したがって、小さなはんだ位置が生成されることができる。所定の場所に複数のはんだボールをプリントすることにより、所望の形状と寸法ではんだ構造を生成することもできる。

インクジェットプリント方法の場合と同様に、はんだジェット装置のプリントヘッドは、可能な限り短い時間でプリントされるべき表面上の所望の位置に移動し、そこに１つ以上のはんだボールをプリント又は堆積する（ｄｅｐｏｎｉｅｒｅｎ）ことができる。本発明の方法においても、導体とコンタクトパットとの間にはんだ接続が生成されるように、はんだボールを導体の貫通開口内の正確な位置に堆積させることができる。はんだボールは、開口の形状に適合させることができる。

以下では、実施形態及び関連する図面を用いて、本発明をより詳細に説明する。

図面は模式的なものであり、縮尺通りではないため、絶対的又は相対的な寸法を得ることはできない。
同一又は類似のものは、同じ参照番号で異なる図面に提供されている。
図１は、コンタクトパットの表面を示す。 図２は、ストリップ形状の導体の平面図を示す。 図３は、図１による表面上に配置された後の、図２によるストリップ形状導体を示す。 図４は、開口内にはんだボールを挿入した後の図３を示す。 図５は、異なるはんだ付け技術を用いた場合のはんだ接合部の温度／時間挙動を示したものである。 図６Ａは、帯状の導体を上から見た図である。 図６Ｂは、図６Ａのストリップ形状導体の断面を示す。 図７は、センサハウジング内で可撓性のストリップ形状の導体がはんだ接続部を介してンタクトと電気的にコ接続されているセンサを示す。

図１は、コンタクトパットＫＰが適用された表面ＯＦを示している。表面は、例えばセンサ要素の機能層の表面であり、例えばＮＴＣ又はＰＴＣ材料などのサーミスタ材料からなることができる。コンタクトパットは、例えばＡｌやＮｉなどの金属製であり、はんだ付け可能なコーティングを有することができる。あるいは、コンタクトパットは完全にはんだ付け可能な金属で構成することもできる。センサ用途の場合、表面ＯＦが機能的なセンサ層であれば、５０ｎｍ～５００ｎｍのコンタクトパットの厚さは十分である。

図２は、平坦に設計されたストリップ形状の導体ＳＬの平面図を示す。ストリップ形状導体の一端は拡張部ＶＢを備え、拡大部ＶＢの中に貫通開口ＯＥが配置されている。少なくとも開口の内側縁部には、はんだ付け可能なコーティングＬＢが設けられている。はんだ付け可能なコーティングは、開口の縁部で導体を覆うことができる。拡張部ＶＢでは、導体ＳＬは、図に示すように、上から見たときに丸い輪郭を有することができる。したがって、開口も、円形の開口部断面を有することができる。開口の側壁は垂直であることができる。しかしながら、拡張部の輪郭はまた、異なる形状、例えば四角形の形状を有することができる。

導体はＣｕを含有することができる。はんだ付け可能なコーティングは、Ａｕを含有することができる。導体はすべて金属製であることができる。しかしながら、それはまた、同様にストリップ形状の基板ＳＴＳ上の導体路として設計されることができる。導体ＳＬ、導体路ＬＢ及び基板ＳＴＳは、好ましくは、可撓性に設計される。

図３は、コンタクトパットＫＰが開口ＯＥの下に配置されるように、図１による表面ＯＦ上に載置された場合の、上からの図２によるストリップ形状の導体ＳＬを示している。好ましくは、開口は、上から見たときにコンタクトパットが開口の断面積を完全に満たすように、コンタクトパットにセンタリングされる。

図４は、はんだボールＳＢが開口ＯＥに導入され、はんだ付け可能なコーティングＬＢを介して導体を接触パットにはんだ付した後の図３の配置を示している。はんだボールは開口を広範囲に満たし、さらに、上縁部からはみ出すこともできる。

開口ＯＥの断面積のサイズに応じて又は丸い開口の直径に依存して、はんだ接続の引き裂き力（ｄｉｅ Ａｂｒｅｉｓｓｋｒａｆｔ）を調整することができる。対応するはんだボールは、５０μｍから１ｍｍの直径を有することができる。例えば直径３５０ μｍのはんだボールを使用すると、はんだボール当たり最大約３００ｃＮのせん断力（ｄｉｅ Ｓｃｈｅｒｋｒａｅｆｔｅｎ）に耐える強固なはんだ接続を得ることができる。それによって達成できる引き抜き力（Ａｂｚｕｇｓｋｒａｅｆｔｅ）は相応に高く、これもはんだボール当たり約３００ｃＮである。

選択したはんだ合金に応じて、はんだの融点、したがってはんだ接続部の耐熱性を調整できる。はんだ合金Ａｕ８０Ｓｎ２０によれば、はんだ接続部は最大２８０°まで安定に調整できる。他の合金は最低１００°Ｃまでの低融点を可能にする。

はんだ接続を製作するための好ましい方法は、レーザはんだジェットボンディング（Ｌａｓｅｒ－Ｓｏｌｄｅｒ－Ｊｅｔ－Ｂｏｎｄｉｎｇ）である。この方法では、短時間及び選択的に表面の熱負荷がかかるだけで、より長い期間にわたって部品／表面に完全な負荷（ｅｉｎｅ ｋｏｍｐｌｅｔｔｅ Ｂｅｌａｓｔｕｎｇ）がかからない。

図５は、異なるはんだ付け技術中のはんだ接続部における温度／時間挙動の比較を示している。表面、したがって部品全体は、リフローオーブン内でのリフローはんだ付け中に最高温度負荷を受ける。曲線３は、信頼性の高いはんだ付け（ｅｉｎｅ ｓｉｃｈｅｒｅ Ｖｅｒｌｏｅｔｕｎｇ）に必要な、時間の経過、ここでは例えば６０秒、に伴う温度挙動を示している。

曲線２は、はんだごてはんだ付け方法を表しており、圧力コンタクトを介して加熱ヘッドではんだを溶解させる。ここで、熱負荷はリフローはんだ付けに比べてより短いが、同様にあまりよく制御することができない。

曲線１には、レーザはんだジェットボンディングで通常測定されるように、単一の狭い温度ピークしかない。このことは、熱負荷が個々に（ｐｕｎｋｔｕｅｌｌ）、非常に短く（＜１ｓ）しか生じず、導入される熱量が、非常に迅速に分散によって分配される小さなプリントされた液状のはんだボールに対応することを示している。

レーザはんだジェット接合には、非接触で実行できるというさらなる利点がある。これは、はんだ付けプロセス中に表面又ははんだ接続部にさえ機械的負荷がないことを意味する。

図６Ａは、図２にすでに示されているように、上からの平面図におけるストリップ形状の導体を示している。

図６Ｂは、図６Ａに示されるＡＡ’線に沿った断面における図６Ａのストリップ形状の導体ＳＬを示す。断面は、同様にストリップ形状の基板ＳＴＳを示しており、その上に薄い導体ＬＢが適用されている。基板は、例えば、損傷することなく曲げ又は振動による機械的負荷を吸収することもできるポリイミドフィルムである。導体路ＬＢ内の開口ＯＥも、同じ断面積のＳＴＳを通過する。ここで、はんだ付け可能なコーティングＢＬが、開口内の導体路の側壁を完全に覆っていることがわかる。

図７は、センサを示しており、センサハウジング内では、可撓性のストリップ形状の導体ＳＬが、はんだ接続を介して、センサ要素の機能層ＦＳ上のコンタクトパットを基板ＰＣＢ上のコンタクトと電気的に接続している。機能層は、センサ要素の機能コアであり、センサハウジングＧＨの内部にある。センサ要素の空間的近傍において、回路基板ＰＣＢはハウジング内に配置されている。それは、機能層の表面に対して任意に、例えば、図示のようにそれに対して垂直に配置されることができる。可撓性のストリップ形状の導体ＳＬにより、損傷することなく、湾曲し又は角度の付いた導体経路をとることも可能である。

機能層は、ハウジングの一端、いわゆるセンサヘッドＳＫに配置される。センサヘッドは、圧力コンタクト用に設計されることができ、例えばセンサヘッドを押すことによって表面温度を決定できる。ただし、センサヘッドは、測定のために、媒体内に浸漬したり、又は、大気の温度を決定したりすることができる。

温度センサについてのみ詳細に説明されているが、提示されているはんだ接続は他のセンサにも適している。小さい空間要求、及び、シンプルな製造によって特徴づけられる。製造方法は、はんだ位置の機械的及び熱的負荷なく行うことができ、したがって、機械的及び熱的に敏感な部品またはセンサに特に適している。

１，２，３ 温度／時間測定曲線
ＡＡ’ 切断面
ＢＬ はんだ付け可能なコーティング
ＦＳ 機能性層
ＧＨ センサハウジング
ＫＰ コンタクトパット
ＬＢ 配線路
ＯＥ 貫通開口
ＯＦ 第１表面
ＰＣＢ 回路基板
ＳＢ はんだボール
ＳＫ センサヘッド
ＳＬ ストリップ形状の導体
ＳＴＳ ストリップ形状の基板／キャリア
ＶＢ 拡張部

Claims (11)

1. － コンタクトパットが配置されている第１表面と
   － ストリップ形状の導体との間の
   フラックスフリープロセスのためのはんだ接続部であって、
   － 前記導体は一端に拡張部と貫通開口を備え、
   － 前記貫通開口内には、前記導体の前記一端をコンタクトパットに接続するはんだボールが配置されている、
   はんだ接続部。
2. 前記ストリップ形状の導体は、同様にストリップ形状の基板上の導体路として設計されており、
   前記貫通開口は前記拡張部及び前記基板を貫通して延在している、
   請求項１記載のはんだ接続部。
3. 前記ストリップ形状の基板は、可撓性材料、好ましくはプラスチックフィルムを含む、
   請求項１又は２記載のはんだ接続部。
4. 前記導体はＣｕを含有する導体路を備え、前記導体路は前記貫通開口の領域内にはんだ付け可能なコーティングが設けられている、
   請求項１乃至３いずれか１項記載のはんだ接続部。
5. 前記はんだ付け可能なコーティングはＡｕを含有する、
   請求項４記載のはんだ接続部。
6. 前記ストリップ形状の導体は、同様にストリップ形状のポリイミド製の担体上の導体路として設計されている、
   請求項１乃至５いずれか１項記載のはんだ接続部。
7. 前記開口の直径は５０μｍと１ｍｍとの間である、
   請求項１乃至６いずれか１項記載のはんだ接続部。
8. 前記導体路は、前記第１表面に平行に延在するか、又は、前記第１表面に向かって上方に屈曲した経路を有する、
   請求項１乃至７いずれか１項記載のはんだ接続部。
9. 前記コンタクトパットは５０ｎｍ乃至５００ｎｍの厚さを有する、
   請求項１乃至８いずれか１項記載のはんだ接続部。
10. 請求項１乃至９いずれか１項記載のはんだ接続部を有するセンサであって、センサハウジングを備え、前記センサハウジング内には
    － プロセッサを有する回路基板と、
    － センサ機能を有する機能層を有する基板と、
    － 前記機能層又は前記機能層上若しくは内の導電性構造に接続されているコンタクトパットと、
    － 前記コンタクトパットを前記回路基板と接続するストリップ形状の導体であって、前記導体ははんだ接続によって前記コンタクトパットに接続されている、ストリップ形状の導体と、
    を備えるセンサ。
11. はんだ接続部を製造するための方法であって、
    － 表面上にコンタクトパットを有する基板を提供するステップと、
    － 貫通開口を内部に有する拡張部を一端に備えるストリップ形状の導体を、前記開口が前記コンタクトパット上に配置されるように、前記コンタクトパットを有する前記表面上に配置するステップと、
    － レーザーはんだジェットボンディングを用いて液状はんだボールを前記開口の上から中に印刷するステップと、
    － 前記はんだボールを冷却させるステップであって、前記導体と前記コンタクトパットとの間の導電性接続部を製造するステップと、を含む方法。
    

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