JP3078489B2 - はんだ付け方法およびその方法から製造される機器 - Google Patents

はんだ付け方法およびその方法から製造される機器

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、はんだ付けに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】多くの技術分野において、ある部材と他
の部材とをはんだ付けする必要がある。はんだ付けは従
来から広い分野で使用されているにもかかわらず、まだ
なお多くの課題がある。例えば、光ファイバを比較的脆
い基板にはんだ付けした際、はんだ付けした箇所やその
付近の基板にひび割れが見られることがある。いうまで
もなくこのようなひび割れは非常に望ましくないもので
あり、このひび割れの問題を低減し、または無くすこと
のできるはんだ付け方法が望まれていた。
【０００２】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来技術
の構造におけるはんだと基板の間の熱膨張によるミスマ
ッチ（不適合）が、結果として接合の欠陥や基板のひび
割れを引き起こしうる大きな応力となっていることを発
見した。また、本発明者らは効果的に応力を分散させ、
それにより、従来見られた欠陥をほとんど無くす方法を
発見した。
【０００３】本発明の一実施態様である機器（素子）
は、第１の部材と、第１の部材の表面に配置された接合
パッドと特定の成分のはんだを用いて第１の部材の接合
パッドに接合された第２の部材を備えている。はんだ
は、たとえばＭＳｎはんだであり、ここでＭはＡｕまた
はＡｇである。「ＭＳｎ」はＭとＳｎが等しいモルパー
セントであることを必要条件とするものではない。
【０００４】また、機器はさらに、接合パッドの上に配
置された閉じ込め層を備えており、この閉じ込め層に
は、閉じ込め層から接合パッドへ通り抜けられる窓（連
続した端部を持っていなくともよい）が設けられてい
る。この閉じ込め層は、はんだ付け温度で融解した特定
の成分のはんだに対して実質的に不活性である。接合パ
ッドは、はんだ付け温度で特定の成分の融解したはんだ
と相互作用するような材料を選んだ第１の層（犠牲(sac
rificial)層）を備えている。これにより、融解した材
料を融点より低温まで冷やした後、再凝固した材料は閉
じ込め層の下で窓を越えて広がっている。
【０００５】前述の融解したはんだと犠牲材料の間の相
互作用には、典型的には、犠牲層材料の融点の局所的低
下を伴う融解はんだと犠牲層間の拡散を含む。
【０００６】本発明の他の態様は、第１の部材とこの第
１の部材にはんだ付けされる第２の部材を備えた機器を
作る方法である。この方法は、第１の部材の表面に配置
される接合パッドを第１の部材に供給する工程と、接合
パッド上に配置された特定の成分のはんだの上に第２の
部材に接触させ、はんだを融解する温度以上にはんだを
熱する工程とを有する。さらに、再凝固温度まではんだ
を冷やす工程を有する。
【０００７】前記方法は、接合パッドの上に閉じ込め層
を供給する工程をさらに有し、この閉じ込め層は窓を有
し、またはんだ付け温度で融解した特定の成分のはんだ
について実質的に不活性である。さらにこの方法は、は
んだを融点以下に冷やした後に、再凝固した融解材料が
前記閉じ込め層の下で前記窓を越えて広がっているよう
に、はんだ付け温度ではんだと相互作用するように選択
された犠牲材料からなる第１の層を備えた接合パッドを
提供する工程も有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明者は、例えばはんだと第一
の部材（基板）との間の熱膨張ミスマッチを起こす第１
の部材／はんだ／第２の部材の多くの組合わせを発見し
た。このようなミスマッチは結果として、大きな応力を
生じ、特に基板がシリコンやガラス等の脆い材料を含ん
でいる場合は、接合の欠陥や、さらには基板のひび割れ
さえも生じさせる。この問題は典型的に、融解したはん
だが、接合パッドやはんだのダム等によって基板の表面
のあらかじめ決められた領域に限定されている場合には
特に深刻である。
【０００９】図１に模式的に示すように、融解したはん
だは接合パッドを濡らすが、基板との接合角度が比較的
大きいので接合パッドを越えては広がらない。これによ
り空気とはんだとの境界部で基板の応力集中が生じ、ひ
び割れ１７を生じさせる原因となる。図１において、番
号１１〜１５は、それぞれ、第１の部材、第２の部材、
第１の部材の接合パッド、第２の部材の対応する接合パ
ッドそして再凝固したはんだを示している。第１の部材
は例えばＳｉ部材１８とＳｉＯ2層１６を含む複合部材
である。層１６の矢印は、はんだの熱膨脹係数が基板材
料の熱膨張より大きい場合の層内の応力を示す。もしこ
の応力があまりに大きいと、基板のひび割れが生じう
る。
【００１０】図２ははんだ付けする前の本発明にかかる
基板とはんだの組み合わせを表す模式図である。ここ
で、番号２１〜２４はそれぞれ、基板（複合材料でもよ
い）、接合パッド、閉じ込め層、閉じ込め層中の「窓」
中に配置されたはんだのバンプである。接合パッドは、
層２５（これは必ずしもなくともよい）と犠牲材料の層
２６を含むことが示されている。任意の層２５は、例え
ば、基板とはんだの接合を促進させる「粘着」（例えば
Ｔｉ）層や、粘着層とＡｕ等の被覆材料との間の相互作
用を避ける「障壁」層（例えばＰｔ）から成る多重層構
造を有している。これらの構成は従来よりよく知られた
技術であり、窒化チタン材料をＴｉ層とＰｔ層の間には
さむこともよく知られている。
【００１１】犠牲材料には、融解した材料が閉じ込め層
の窓からしだいに広がるように、はんだ付け温度ではん
だ材料と相互作用するようなものが選択されている。閉
じ込め層の下で融解した材料が横方向へ進行することに
より、結果として、閉じ込め層がいくぶん持ち上がり、
楔形のはんだバンプの「足」が形成される。これを図３
に模式的に表す。これは、第２の部材３０が第１の部材
２１にはんだ付けされた状態を示すもので、再凝固した
材料２４´が閉じ込め層２３の下に広がっている。材料
２６は、図２の犠牲層の残り（融解しなかったかまたは
相互作用しなかった）の部分であり、番号３２はもとも
との犠牲材料と再凝固した材料との間の境界面を示す。
融解しなかった犠牲材料を残しておくかどうかは任意で
ある。
【００１２】現在の発明者らの知見によれば、融解した
はんだ材料（例えば、Ａｕを約８０重量％含有する共融
ＡｕＳｎ）は、犠牲層の材料（例えばＡｕ）と相互作用
することにより、局所的に、もともとのはんだの成分と
は違う成分の融解合金が形成されている。融解したはん
だ材料は窓の中で犠牲材料を消費し（溶解し）、そして
閉じ込め層の下で横方向に広がり始め、この過程で、犠
牲材料が濃縮される。
【００１３】閉じ込め層の下で固体／液体の境界面で融
解された混合物が、犠牲層の材料についてますます濃縮
され、境界面の進行は遅くなり、やがて止まる。ほとん
どの場合、融解した材料は犠牲層の材料と相互作用を起
こすだけでなく、犠牲層の下の層とも相互作用を起こ
す。例えば、現在の発明者らの知見では、Ｓｎは障壁層
のＰｔと相互作用し、この相互作用が、この発明の効果
に寄与する。
【００１４】上述の新規方法のメカニズムの説明は単な
る解説のためのものであって、本発明は、提案されたメ
カニズムの正確さには依存しない。
【００１５】当業者であればわかるように、本発明のに
よるはんだ付けの形によって、接合部と非接合部の間の
遷移部分が効果的に分布し、これに伴い、基板上ではる
かに広い部分に応力を分散させることができる。その結
果、基板のひび割れの発生率は大幅に低減できる。
【００１６】例えば、光ファイバを３５ケースの従来技
術の構造（例えば、閉じ込め層や犠牲層がなく接合パッ
ドを含んだ構造）ではんだ付けする実験を行った。結果
物の検査によれば３５の基板のうち３３の基板がひび割
れていたことが判明した。上述のケースと、接合パッド
に関してのみ異なるようにした本発明による実験で、
０．５μｍ厚のＡｕ（犠牲）層、０．１μｍ厚の閉じ込
め（Ｃｒ）層を含む１５ケースのはんだ付け構造を作っ
た。検査によれば、結果物はひび割れたものは一つもな
かった。本発明によるさらに１０ケースの構造物の温度
の周期変化（−４０℃から＋８５℃を４０回）の結果も
ひび割れはなかった。
【００１７】明らかに、これらの実験結果によれば、こ
の発明は、上述したひび割れの問題を効果的に排除する
ことができることを示している。
【００１８】
【実施例】光ファイバを、従来より知られているＳｉ基
板にはんだ付けした。具体的には、従来の方法によっ
て、Ｓｉ部材にＳｉＯ2 膜（０．４〜２０μｍ）を形成
し、パタン化した。薄い膜の抵抗層を薄い膜ヒータとし
て堆積しパタン化した。中間誘電体層（例えば、１００
ｎｍＳｉＯ2 またはＳｉＮ）はＰＥＣＶＤにより堆積さ
せ、ファイバ接合領域の下に誘電体層を残し、それ以外
の場所からは取り除くようにパタン化した。
【００１９】接合パッドは以下のように形成した。粘着
層（例えば、１００ｎｍＴｉ，または５０ｎｍＴｉおよ
び２５ｎｍＴｉＮ）を形成し、次に障壁層（例えば０．
２μｍＰｔ）、さらに、犠牲材料層（例えば０．５μｍ
Ａｕ）を形成した。堆積は、適当な方法、例えばスパッ
タリングや電子ビーム蒸着方法で行うことができる。堆
積された層は、好ましい接合パッドを形成するようにパ
タン化した。
【００２０】その後、閉じ込め層（例えば０．１μｍＴ
ｉまたはＣｒ）を従来方法によって堆積し、その後、閉
じ込め層の材料が接合パッドの犠牲材料上に配置される
ように従来方法によるパタン化を行った。その接合パッ
ドには閉じ込め層の開口として広がる細長い窓を配置し
た。最後に、薄い膜はんだ（例えば６μｍの共融のＡｕ
Ｓｎ）を従来のリフトオフ(lift-off)技術を利用して窓
を通して、犠牲材料上に電子ビーム蒸着させた。窓の中
のはんだ上に好適な金属化をしたファイバを配置した
後、はんだを融解するようにヒータに通電した。はんだ
付け温度は約３２０℃であり、約３０秒間維持した。
【００２１】ヒータの電流を切った後、はんだを再凝固
させて、ファイバをＳｉ部材に結合した。光学顕微鏡に
よる検査によれば、閉じ込め層は下に重なるＳｉ表面に
対し平行で平板状になってはおらず、図３に示すように
部分的に隆起していた。これは、固体／液体境界面が閉
じ込め層の下で横方向に動いたことを示すものである。
成分の分析によれば、閉じ込め層の下で再凝固した材料
は共融混合物よりもＡｕ濃度が高くなる。
【００２２】以上の説明のほとんどがＡｕＳｎはんだと
Ａｕ犠牲層についてであるが、本発明はこれに限定され
るものではない。実際に、本発明は、好適な犠牲材料が
存在することを条件として、どのような複合成分のはん
だ（例えば、共融ＡｇＳｎまたはＰｂＳｎ）に対しても
適用できる。このような材料ははんだよりも融解温度が
高く、はんだ付け温度ではんだと相互作用を起こしやす
いものが選択される。このため、融解はんだに局所的に
比較的小量の犠牲材料を加えるだけで、その場所の融解
した材料の凝固温度が比較的大きく変化する。例えば、
はんだが共融のＡｇＳｎまたはＰｂＳｎである場合、好
適な例としての犠牲材料はＡｕである。ここで、特定の
はんだとともに使用される犠牲材料は、はんだの成分の
成分元素に限定されない。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、融解したはんだが再凝
固した後には、はんだと基板との境界面が分散した構成
となり、はんだと基板の熱膨張率の差に基づく基板内の
応力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のはんだ付けのようすを示す模式図。
【図２】本発明に係るはんだ付け前の典型的な接合部分
のようすを示す模式図。
【図３】本発明に係るはんだ付けの完成したようすを示
す模式図。
【符号の説明】
１１…第１の部材 １２…第２の部材 １３、１４…接合パッド １５…はんだ １６…層 １７…ひび割れ １８…第１の部材 ２１…基板 ２２…接合パッド ２３…閉じ込め層 ２４、２４´…はんだのバンプ ２５…層 ２６…犠牲層 ３０…第２の部材 ３２…境界面
フロントページの続き (72)発明者 ジェラード エドモンド ヘネイン アメリカ合衆国，07928 ニュージャー ジー，モーリス カウンティー，チャタ ム，レキシントン コート 13 (72)発明者 ジョセフ シュムロヴィッチ アメリカ合衆国，07974 ニュージャー ジー，ユニオン カウンティー，マーレ イ ヒル，サガモア ドライブ 82 (56)参考文献 特公 平２−35475（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05K 3/34

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ａ）第１の部材（２１）と、この第１の
    部材の表面上に配置された接合パッド（２２）と、 ｂ）特定の成分からなるはんだ（２４）を用いて接合パ
    ッドで前記第１の部材と接合する第２の部材（３０）
    と、 を有する機器において、 ｃ）前記特定成分のはんだの一部を受け取り、前記接合
    パッド上に堆積するための貫通窓を有し、はんだ付け温
    度で融解した前記特定の成分のはんだに対して実質的に
    不活性である閉じ込め層（２３）を有し、 ｄ）前記接合パッドは、はんだを融点以下に冷やした
    後、再凝固した材料（２４’）が前記閉じ込め層の下で
    前記窓を越えて広がるように、はんだ付け温度で融解し
    た特定の成分のはんだと相互作用するように選択された
    犠牲材料の第１の層（２６）を有していること、 を特徴とする機器。
  2. 【請求項２】 請求項１の機器において、前記犠牲材料
    をＭとするとき、前記はんだはＭＳｎはんだであり、Ｍ
    はＡｇおよびＡｕからなるグループから選択されるこ
    と、を特徴とする機器。
  3. 【請求項３】 請求項２の機器において、閉じ込め層は
    ＴｉとＣｒとからなるグループから選択される材料の層
    であることを特徴とする機器。
  4. 【請求項４】 請求項３の機器において、第１の部材は
    ＳｉＯ2 を有し、 接合パッドは、 ｉ）Ｔｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ犠牲層をその順に有する
    か、または、 ii）Ｔｉ層、窒化チタン層、Ｐｔ層およびＡｕ犠牲層を
    その順に有すること、 を特徴とする機器。
  5. 【請求項５】 請求項１の機器において、はんだ付け温
    度に前記はんだを熱する抵抗器を有することを特徴とす
    る機器。
  6. 【請求項６】 請求項１の機器において、第２の部材は
    光ファイバであることを特徴とする機器。
  7. 【請求項７】 第１の部材（２１）と第１の部材にはん
    だ付けされる第２の部材（３０）とを具備する機器の製
    造方法において、 ａ）第１の部材の表面に接合パッド（２２）を配置し、
    その接合パッドの上に配置させた特定の成分の特定量の
    はんだ（２４）を有する第１の部材を提供する工程と、 ｂ）第２の部材に前記特定量のはんだを接合させ、その
    はんだの融解温度以上のはんだ付け温度にはんだを熱
    し、再凝固はんだ（２４’）ができるようにはんだを冷
    やす工程と、 を有し、 ｃ）前記特定成分のはんだの一部を受け取るための窓を
    有し、はんだ付け温度ではんだに対して実質的に不活性
    な閉じ込め層（２３）を接合パッド上に提供する工程を
    さらに具備し、 ｄ）前記接合パッドは、はんだが冷えた後、再凝固した
    融解材料（２４’）が前記閉じ込め層（２３）の下で前
    記窓を越えて広がるように、はんだ付け温度で前記はん
    だと相互作用するように選択された犠牲材料の第１の層
    （２６）を有していること、 を特徴とする方法。
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