JP2527278C

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Publication number: JP2527278C
Authority: JP
Original assignee: MCNC
Current assignee: MCNC
Publication date: 1998-09-24

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【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明ははんだ付け方法、特にはんだ付け後の洗浄（Post-soldering cleanin
g）の必要性を省く、フラックスを必要としないはんだ付け方法（fluxless sold
ering method）に関する。（従来の技術）電子回路製造分野において、個々のデバイスを電気的に接触する必要がある。
例えば、集積回路（またはチップ）は、印刷配線板、または一般に基板と称する
ことのできる他のデバイスに、しばしば設けられている。チップと基板との間の
接触は、物理的、化学的および電気的保全性および安定性を有する必要がある。超小型電子デバイスを物理的および電気的に接続する１つの方法においては、
種々の基板の上面または露出面に金属パッド（metal pads）を組立てることが用
いられている。これらの金属パッドは、しばしばはんだ、すなわち、232 ℃付近
の温度で金属を接合するのに用いられる、通常、鉛−錫タイプの低融点合金の上
層によって形成されている。はんだパッドは、しばしば「冶金(metallurgy)」と
称される金属構造素子と接触させ、−−一般的に金属パッド−−これが、熱を作
用させてはんだと金属パッドを接合させ、これによって電気的接続を形成する際
に、液体はんだによってぬれる。最近、大抵のはんだ付けプロセスは３つの基本段階： (1)表面酸化物の予備洗浄および脱酸素；(2)はんだリフロー(solder reflow)お
よび／またはリフロー接合（reflow joining）；および(3)はんだ付け後の洗浄
を含んでいる。予備洗浄段階は種々のフラックス材料を用いて行い、はんだ付け
段階に用いる表面を、はんだ表面から汚染物および金属酸化物を除去することに
よって形成している。はんだ接合段階は、高融点酸化物が、はんだのリフローに
よって接合すべき２つの表面のぬれを妨げるので、酸化物被覆を除去した後にの
み行うことができる。はんだは、加熱した際に、その特有の球形状にリフローし
、表面をはんだと接触させて接合する。第３段階、すなわち、はんだ付け後の洗
浄により、第１段階から残留するすべてのフラックス残留物が除去される。後はんだ付け段階は電子部品の大きさを効果的に小さくするのが難かしく、このために、後はんだ付け洗浄剤を、部品と基板との間の、一層小さい間隙に浸透
させるのが、極めて難かしくなっている。後はんだ付け段階は表面取付け技術（
Surface Mount Technology）（SMT）を用いる場合に極めて難しくなる。無効果の溶融(inefficient fluxing)は不完全な結合を生じ、無効果のはんだ
付け後の洗浄は全組立体の長期間にわたる信頼性を低下する。洗浄装置、材料お
よびプロセスの高価な投資は若干の問題を解決することができるが、しかし溶剤
の洗浄によって、環境に対して、望ましくない効果が生じる。乾式またはフラックスを必要としないはんだ付けプロセスを、予備洗浄段階の
代わりに用いることができ、はんだ付け後の洗浄段階を完全に省くことができる
。フラックスを使用し、この間にはんだ接合をリフローイングする主な理由は、
はんだを覆う高融点でかつ硬い酸化物を破壊することにあるから、この層を除去
する気相反応を、はんだ付け後の洗浄段階を必要とする、普通に使用されている
液体フラックスの代わりに用いることができる。フラックスを必要としないはんだ付けにおいて、種々の試みがなされているが
、しかしながら、これらの試みは小数の極めて特殊の用途にだけ適用できる制限
を受けている。例えば、モスコウィッツおよびイエ氏による「熱乾式はんだ付けプロセス」と
題する「J．VAC．SCI．TECHNOL．A」Vol.4,No.３（1986年５月／６月）には、は
んだリフローおよび Pb/Snはんだの結合についての乾式はんだ付けプロセスが記
載されている。このプロセスでは、表面酸化物を還元して、はんだ融点を超える
温度ではんだリフローするために、ハロゲン含有ガス、CF₂，CL₂，CF₄および SF
₆が用いられている。これらのガスによる酸化物還元に必要な活性化エネルギー
は、真空チャンバー中で触媒(Pt メッシュ)を用いることによって低下する。け
れども、首尾よいリフロー結合に要する温度は 350℃である。この温度は多くの
電子工学適用における一般的なはんだ付け温度、すなわち、220 ℃を大きく上回
り、構成部品、基板を損傷し、および異なる材料間の熱不釣合による欠陥を生じ
うる。フラックスを必要としないはんだ付けにおける他の試みについては「IBM Tech
nical Disclosure Bulletin」Vol．27，No.11（1985年４月）題目「ハロゲン化ガスを用いる乾式はんだ付け法」に記載されている。この IBM Bulletin
には、ハロゲン化ガスを、不活性キャリヤーガス中で、高温で用いて、はんだ
酸化物を反応ガスにより還元し、はんだリフローすることが記載されている。ま
た、より一般的な低温適用においては、熱損傷が生じうる。モスコウイッツおよ
びダビットソン氏による「概要アブストラクト：レーザーによる乾式はんだ付け
プロセス」と題する「J．VAC．SCI．TECHNOL．A.」Vol．３，No.３（1985年５月
／６月）には、はんだリフローのための、レーザーによる、フラックスを必要と
しないはんだ付け技術について記載されている。この技術では、予備加熱はんだ
表面の存在において、他の状態の不活性ガスを励起するのにレーザー輻射線が用
いられている。この技術でははんだ表面にレーザー輻射線を直接に通すことが要
求され、このため適用に制限を受けると共に、低い処理量のプロセスに制約され
ている。表面酸化物を除去する他の試みにおいては、スパッタリングが用いられている
。しかしながら、スパッタリング法は極めて不正確で、酸化物の除去中に、基板
および構成部品を損傷するおそれがあり、浸透距離が著しく制限され、はんだリ
フローのような適用に適当でない。弗素含有プラズマは、ドイツ公開特許第3442
538 号明細書に記載されているように、はんだ付け区域に用いられている。この
ドイツ公開特許第3442538 号明細書においては、半導体素子のアルミニウム層を
弗素含有プラズマに少なくとも１時間にわたり、50％までの酸素を含む雰囲気に
おいて 420〜 670°Ｋの温度範囲でさらしている。次いで、はんだを適用してい
る。フラックスを必要としないはんだ付けについては記載されていないし、また
示唆もされていない。要するに、利用可能な、フラックスを必要としないはんだ付け方法において、
高温を用いることは、しばしば印刷回路板および接合される構成部品に悪影響を
与えうる。また、レーザーによるはんだ付け方法は、レーザービームが非露出領
域に浸透せず、それ故はんだ接合に適用できないために、工学的使用に適当でな
い。更に、この方法は局部ビームに基づくものであり、時間がかかる方法である
。（発明が解決しようとする課題）本発明の目的は、改良されたはんだ付け方法を提供することである。本発明の他の目的は、改良された、フラックスを必要としないはんだ付け方法
を提供することである。また、本発明の他の目的は、はんだ付け後の洗浄段階を必要としないはんだ付
け方法を提供することである。また、本発明の他の目的は改良されたはんだリフローについての予備はんだ付
け方法(pre-soldering process)を提供することである。また、本発明の他の目的は、レーザーまたは熱励起を必要としない、改良され
た、フラックスを必要としないはんだ付けリフロー方法を提供することである。また、本発明の他の目的は低温で実施する、改良された、フラックスを必要と
しないはんだ付け方法を提供することである。また、本発明の他の目的は酸化物のような表面化合物をはんだ表面から除去す
る改良方法を提供することである。（課題を解決するための手段）本発明のこれらのおよび他の目的はプラズマプロセスをによってはんだ表面
酸化物を除去するための活性化エネルギーを供給することによって達成される。
例えば、弗素化ガス（例えば、SF₆，CF₄または他の弗素化ガス）を用いるプラズ
マ処理において、酸化錫を弗化錫に転化することができる。弗化錫は、はんだリ
フロー段階中、接合すべき２つの表面のぬれ(wetting)を妨げない一方、酸化錫
はこれを妨げることが見出された。はんだによって接合すべき１または２つ以上の表面をはんだで被覆して、はん
だをぬらすようにすることができる。次いで、はんだをプラズマ付与反応（plas
ma-assisted reaction）で処理して、不活性雰囲気または真空において、後に貯
蔵およびリフローすることのできる弗化錫を形成する。この方法は、はんだリフ
ローおよび／またはリフロー接合段階中、フラックスを必要としないではんだに
対し表面のぬれを向上する利点を有している。本発明においては、プラズマプロセスによる、酸化錫の弗化錫への転化を、
低温で実施する。一般に、温度は約34〜50℃である。プラズマ処理時間は短く（
即ち、約1/2〜３分）であり、低いまたは高い圧力、すなわち6.6661×10-¹ Pa〜
1.33322 ×10² Pa（５ミリトル(mmTorr)〜１トル）で行うことができる。はんだリフローを、非酸化性雰囲気中で実施する。プラズマ処理およびリフローおよ
び／またはリフロー接合は、間断のない真空において実施して、高品質のはんだ
ぬれの形成を促進するのが好ましい。このようにして、高い処理量で、信頼性の
ある、はんだ付け方法が提供され、この方法は、はんだ付けすべきチップまたは
基板に損傷を与えることがない。（実施例）本発明を、本発明の好適例を示す添付図面に基づいてより詳細に説明する。し
かしながら、本発明を多くの異なる形態で具体的に例示するが、本発明はこゝに
記載する具体例に制限されるものでなく：むしろ、本出願人はこの具体例を与え
、このためにこの開示を十分かつ完全にし、本発明の範囲を当業者により十分に
理解できるようにする。より明確にするため、層の厚さは拡大して示している。図１Ａ〜Ｅおよび２Ａ〜Ｅは、本発明の、フラックスを必要としないプラズマ
予備処理およびリフロー接合を示している。図３Ａ〜Ｅおよび４Ａ〜Ｅは、本発
明の、フラックスを必要としないプラズマ予備処理およびはんだリフローを示し
ている。同じ数字は同じ要素を示している。図１および３において、図１Ａにははんだ付けすべき第１表面10a を示してい
る。表面10a は基板50a 、例えば印刷回路またはSMT ボード上のパッドであるか
あるいは表面10a は他のはんだバンプ(solder bump)にすることができる。図１Ｂにおいて、はんだ20は第１表面10a 上に堆積する。はんだ20は錫、鉛−
錫、および鉛−錫を主成分とする合金のような任意の適当なはんだ付け材料から
形成することができる。本発明において共融63％錫，37％鉛材料（融点183 ℃）
を用いることができる。表面酸化物25ははんだ20の露出部分40上に、周囲におけ
る酸素にさらすことによって形成する。表面酸化物の存在は、はんだリフローま
たははんだ接合する表面のぬれを妨げ、従ってこれを除去しなければならない。図１Ｃにおいて、表面酸化物25を有する第１表面10a およびはんだ20を反応チ
ャンバー30内に配置する。反応チャンバーの真空内において、プラズマはんだ処
理プロセスを行う。プラズマ励起(plasma excitation)は弗素化ガス（すなわちS
F₆，CF₄）による。プラズマ処理は室温（34〜50℃）で行うことができる。プラズマプロセスは極めて短い時間において行うのが好ましい（すなわち1/2〜
３分）。処理は比較的高い圧力、例えば1.33322 ×10² Pa（１トル）または低い
圧力、例えば6.6661×10^-1 Pa（５ミリトル（mmTorr））で行うことができる。
電力レベル、ガス流、ガス混合物および他の代表的なプラズマプロセス条件は
反応器の形状および処理すべき組立体の性質によって変えることができる。表面酸化物ははんだ付けすべき表面のぬれを妨げるので除去する必要がある。
本発明においては、弗素の高い電気陰性度のために、または弗素構造が不安定で
あるために、弗素化ガスが表面酸化物をプラズマプロセス中に除去されるのを
確めた。本発明においては、特定の理論に制限されるものではないが、酸化物を転化す
るのに要する活性化エネルギーは、表面酸化物25を拡散しおよびこれに衝突する
プラズマにおいて励起した(excited)弗素ラジカルによって与えられ、この結果
、弗素化合物45がはんだ表面に形成する。弗素プラズマプロセスは、表面酸化
物25をはんだ表面から実質的に除去し、かつはんだ材料20の化合物45および弗素
がはんだ表面に形成するまで行う。図１Ｄにおいて、プラズマプロセス中に形成した化合物45をはんだバンプ20
の露出表面40上に示す。プラズマは弗素化ガス(例えば SF₆またはCF₄)であり、
この結果弗化錦化合物45が生成する。図１Ｄは表面酸化物層25を表面から除去す
ること、および弗化錫化合物45をはんだ表面40上に形成することを示している。本発明の方法の第１の例において、基板およびはんだをプラズマ予備処理反応
チャンバー30から除去する。次いで、はんだを非酸化性雰囲気中でリフローして
はんだバンプ60（図３Ｅ）を形成するか、または第２表面10b（図１Ｅ）をリフ
ローおよび接合する。第２表面10b は構成部分または第２基板50b 上の他のはん
だバンプにすることができる。リフローまたはリフロー接合条件は普通の湿式フ
ラックス方法（wet flux methods）において用いられている代表的条件と同じで
ある。本発明においては特定の理論に制限されるものでないが、リフロー中、化
合物45（図１Ｄ）における表面弗化物を、はんだ20に溶解するか、またはコロイ
ド状粒子に解体する。図３Ａ〜Ｅは、はんだを他の物体に接合させないようにして、はんだリフローのみが発生するようにした以外は、図１Ａ〜Ｅに示すプロセスと同じプロセスを
示している。図３Ｂは、はんだ20が第１表面10a の側面を完全に覆っている点で
、図１Ｂと異なる。この差異は、例えば、表面10a 上に配置されたはんだの量お
よび表面10a に隣接する基板50a のぬれ性が、はんだバンプの容積および形状を
決定しうるために発生する。また、リフロー操作中、はんだは、幾何学的および
化学平衡を達成することにより、新たな形状を形成する。従って、リフロー後（
図３Ｅ）には、幾何学的形状は、リフロー前（図３Ｄ）の形状と異なる。このよ
うな理由により、リフロー操作は、他の物体を接合させない際にも広く用いられ
る。図２Ａ〜Ｅおよび４Ａ〜Ｅにおいては、本発明の好適例を示している。この例
においては、はんだのリフローまたはリフロー接合を反応チャンバー30の真空中
で、プラズマ処理による連続形式で実施し、これによって周囲に露出しないよう
にすることから、高品位の接合を形成することがてきる。図２Ａにおいて、第１
表面10a を有する第１基板50a を示している。図１Ｂにおけるように、図２Ｂは
、上にはんだ20が堆積した第１表面10a を示している。表面酸化物25ははんだ20
の露出表面40上に形成する。酸化物25は、はんだがリフローするのを妨げるか、
または、はんだが、接合すべき２つの表面をぬらすのを妨げる。図２Ｃにおいては、図２Ｂの構造を反応チャンバー30内に配置し、そこで、図
１Ｃにおいて記載すると同じプラズマプロセスを行う。図２Ｄにおいては、表面酸化物が全く存在しない、後プラズマ処理構造を示し
ている。はんだバンプ20は、はんだバンプ20のはんだリフローまたはぬれを第２
表面に生ずるのに十分な量のはんだおよび弗素からなる表面化合物45を有してい
る。図２Ｅにおいては、連続操作形式において、第１表面10a 上のはんだバンプ20
を、第２基板50b 上の第２表面10b に、リフロー接合する。プラズマ処理および
リフロー接合を反応チャンバー内で連続形式で行うことによって、再酸化の危険
性が、はんだ表面を周囲に露出しないようにすることによって、除去されるため
に、高品位のはんだ表面を形成することができる。図４Ａ〜Ｅは、はんだを他の物体に接合させないようにして、はんだリフローのみが発生するようにした以外は、図２Ａ〜Ｅに示すプロセスと同じプロセスを
示している。図４Ｂは、はんだ20が第１表面10a の側面を完全に覆っている点で
、図２Ｂと異なる。この差異は、図１Ｂに関して説明した理由と同様の理由によ
り発生する。また、リフロー操作中、はんだは、幾何学的および化学平衡を達成
することにより、新たな形状を形成する。従って、リフロー後（図４Ｅ）には、
幾何学的形状は、リフロー前（図４Ｄ）の形状と異なる。本発明の他の例において、はんだに弗素含有プラズマ励起を与える段階および
はんだをリフローする段階を同時に行うようにし、および／または第２基板50b
上の第２表面10b を、リフロー中に、はんだ20と接触するようにすることができ
る。また、本発明の他の例においては、はんだにより接合すべき表面10a および
10b のいずれか一方および双方を、接合すべき表面に対するはんだのぬれを改善
するはんだ材料または他の既知の材料（すなわち金）の層で被覆することができ
る。次いで、両はんだ表面をプラズマ付与反応において処理して弗化錫を形成し
、次いでリフローする。本発明の他の例においては、はんだに弗素含有プラズマ励起を与える段階の前
に、工学的に一般に知られている酸素プラズマ処理を行うことができる。酸素プ
ラズマ処理は−−酸化によって−−すべての有機残留物を表面から除去し、はん
だ付け前の洗浄の必要性を完全に解消することができる。有機残留物は、表面酸
化物の完全な除去および弗素プラズマ処理による弗素での置換を妨害しうる。酸
素プラズマ処理を、上述する弗素プラズマ処理に類似する条件で実施する。しか
しながら、酸素プラズマ処理は、一層高い圧力で行うことができる。この段階を
、はんだ付け前の洗浄の代わりに用いることができ、更にはんだリフローまたは
ぬれを改善することができる。

【図面の簡単な説明】図１Ａ〜Ｅは、本発明の、フラックスを必要としないプラズマ予備処理および
はんだリフロー接合方法を示している。図２Ａ〜Ｅは、本発明の他の、フラックスを必要としないプラズマ予備処理お
よびはんだリフロー接合方法を示している。図３Ａ〜Ｅは、本発明の、フラックスを必要としないプラズマ予備処理およびはんだリフロー方法を示している。図４Ａ〜Ｅは、本発明の他の、フラックスを必要としないプラズマ予備処理お
よびはんだリフロー方法を示している。

Claims

【特許請求の範囲】１．ａ．表面酸化物層（２５）を有するはんだ（２０）を第１表面（１０ａ）
上に堆積し；次にｂ．非酸化性雰囲気中で前記はんだ表面酸化物層に弗素含有プラズマ励起を与
え；次にｃ．前記はんだ（２０）を前記第１表面（１０ａ）においてリフローイングす
る段階を含むことを特徴とするフラックスを必要としないはんだ付け方法。２．前記はんだをリフローする前記段階は、前記はんだ（２０）を第２表面（
１０ｂ）に接触させ、これにより前記第１（１０ａ）および第２（１０ｂ）表面
を共に、はんだ付け後の洗浄の必要なくはんだ接合することを含む請求の範囲１
記載の方法。３．前記はんだと第２表面とを接触させる段階を行う前に、前記第１（１０ａ
）および第２（１０ｂ）表面の両方をはんだ（２０）で被覆する段階を行う請求
の範囲２記載の方法。４．前記はんだをリフローする前記段階を真空で行う請求の範囲１記載の方法
。５．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える段階および前記はんだをリフ
ローさせる前記段階を連続真空において行う請求の範囲１記載の方法。６．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える段階を３４〜５０℃の温度で
行う請求の範囲１記載の方法。７．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える段階は、１／２〜３分間にわ
たり、前記はんだに前記弗素含有プラズマ励起を与えることを含む請求の範囲１
記載の方法。８．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える段階は反応種として弗素ラジ
カルの使用を含む請求の範囲１記載の方法。９．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える前記段階および前記はんだを
リフローする前記段階を同時に行う請求の範囲１記載の方法。 10．前記はんだをリフローする前記段階を２００℃の温度で行う請求の範囲１記
載の方法。 11．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える前記段階により、表面酸化物が
はんだおよび弗素の化合物に転化する請求の範囲１記載の方法。 12．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える前記段階の前に酸素プラズマ処
理を行う請求の範囲１記載の方法。 13．前記はんだをリフローする前記段階は、前記はんだ（２０）を前記第１表面
（１０ａ）に非酸化性雰囲気中でリフローする段階を含む請求の範囲１記載の方
法。 14．前記はんだをリフローする前記段階は前記はんだを第２表面（１０ｂ）に接
触させて前記第１表面（１０ａ）と第２表面（１０ｂ）との間にはんだ接合を形
成することを含む請求の範囲１３記載の方法。 15．前記はんだをリフローする前記段階を２００℃の温度で行う請求の範囲１３
記載の方法。 16．前記はんだをリフローする前記段階を真空で行う請求の範囲１３記載の方法
。 17．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える前記段階および前記はんだをリ
フローする前記段階を連続真空において行う請求の範囲１３記載の方法。 18．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える前記段階は１／２〜３分間にわ
たる前記弗素含有プラズマ励起を与えることを含む請求の範囲１３記載の方法。 19．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える前記段階は反応種として弗素ラ
ジカルの使用を含む請求の範囲１３記載の方法。 20．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える前記段階および前記はんだをリ
フローする前記段階を同時に行う請求の範囲１３記載の方法。 21．前記はんだに弗素含有プラズマ励起を与える前記段階の前に酸素プラズマ処
理を行う請求の範囲１３記載の方法。