JP3181600B2 - 基板またはチップにフラックスなしで半田付けする方法および装置 - Google Patents

基板またはチップにフラックスなしで半田付けする方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本願発明は、基板またはチップにフラックスなしで半
田付けする方法および装置に関する。
先行技術においては、基板に半田付けすることができ
る様々な方法が公知である。半田付けされる半田は、い
わゆる半田ボールの形状で存在することが可能である。
ある公知の方法において、半田ボールは、テンプレー
トを利用して基板上に配置される。続いて、これらの半
田ボールは、フラックスを利用して再溶融される。この
方法が用いられる場合、基板に半田ボールを固定させる
ために、前記半田ボールが半田付けされる前にフラック
スが基板に塗布される。
更なる公知の方法は、スクリーン印刷の技術を利用す
る。ここではスクリーン印刷技術の手段で半田ペースト
が基板に塗布される。半田ペーストは微細な半田ボール
とフラックスで構成される。半田ペーストが基板に印刷
されたとき、再溶融は炉で行われる。
先行技術による前述のスクリーン印刷方法は、いわゆ
るファインピッチレンジにおいて前記半田付け方法の使
用の可能性が制限されているかぎり、不利である。
前述の方法が使用される場合、フラックスの使用は環
境汚染の増大につながる。
酸化アルミニウム上の半田付けは不可能であるので、
アルミニウムが半田付けされる場合、半田付けの工程の
前に酸化された表面が清浄化されなければならない。こ
のエッチングの手段による清浄化は非常に高価な工程ス
テップである。
特にチップ接触に関して、接触が公知の貼着接続の手
段で実行されるのではなく、半田接続が望ましい場合、
この問題が持ち上がる。伝統的なチップには、アルミニ
ウムで構成されるいわゆるパッドまたは接触パッドが設
けられる。これらのアルミニウムパッドとの貼着接触は
貼着ワイヤの手段で達成されることが可能であるが、半
田接続の生成では、例えば金のような半田付け性のある
金属による表側のパッドの金属被膜化が必要とされる。
チップのアルミニウムパッドへの直接の半田接触は、酸
化の発生、すなわちパッド上の酸化アルミニウム層の形
成により不可能である。フラックスの使用もまたこの問
題を解決することができない。
この先行技術から始まって、本願発明の目的は、フラ
ックス類を利用することなく基板表面に半田付けするこ
とを可能とする、またはフラックス類を利用することな
くチップのパッドに直接半田付けすることを可能とする
装置をもたらすことである。
この目的は、クレーム１およびクレーム２による装置
によって達成される。
本願発明は、基板またはチップにフラックスなしで半
田付けする装置であって、レーザー光源、固体の半田を
含む貯蔵ユニット、保護ガス源、レーザー光源により生
成されたレーザービームを周波数逓倍デバイス上へと導
くために設けられる偏向手段を含む装置をもたらす。半
田付けされることが可能である基板表面の面またはチッ
プのパッドに貯蔵ユニットと保護ガス源が有効に接続さ
れることを助ける接続素子が設けられる。基板表面また
はチップのパッド上へ導かれる第１のレーザービームを
生成するために、偏向手段にレーザービームを周波数逓
倍デバイス上へと導かせ、また保護ガス源に保護ガスを
基板表面またはチップのパッド上へと導かせる制御ユニ
ットであって、前記制御ユニットは基板表面またはチッ
プのパッド上の面が清浄化されたとき第１のレーザービ
ームを遮断する、制御ユニットが設けられ、貯蔵ユニッ
トに固体の半田を開放させ、また偏向手段にレーザービ
ームを固体の半田が配置される基板表面またはチップの
パッド上へと直線状に導かせて、前記固体の半田が再溶
融するようにする。
本願発明は、基板またはチップにフラックスなしで半
田付けする装置であって、固体の半田を含む貯蔵ユニッ
トおよび保護ガス源を含む装置をもたらし、第１の波長
で第１のレーザービームを放出する第１のレーザー光源
および第２の波長でレーザービームを放出する第２のレ
ーザー光源が設けられる。更に、半田付けされることが
可能である基板表面上の面またはチップのパッドに貯蔵
ユニットおよび保護ガス源が有効に接続されるのを助け
る接続素子が設けられる。第１のレーザー光源に第１の
レーザービームを基板の表面上またはチップのパッド上
へと導かせ、保護ガス源に保護ガスを基板の表面上また
はチップのパッド上へと導かせる制御ユニットであっ
て、前記制御ユニットは基板の表面またはチップのパッ
ド上の面が前処理および／または清浄化されたとき第１
のレーザービームを遮断する、制御ユニットが設けら
れ、貯蔵ユニットに固体の半田を開放させ、また第２の
レーザー光源に第２のレーザービームを固体の半田が配
置される基板の表面上の面またはチップのパッド上へと
導かせて、前記固体の半田が再溶融するようにする。
好ましい実施例によると、固体の半田はいわゆる半田
ボールの形状で存在する。
本願発明の更なる好ましい実施例は従属請求項におい
て定義される。
下記において、本願発明の好ましい実施例は、同封の
図面に基づいて詳細に記述される。すなわち、 図１は、第１の実施例による基板の表面に半田付けす
る前の本願発明による装置を示し、 図２は、第１の実施例による基板の表面に半田を配置
した後の本願発明による装置を示し、 図３は、更なる実施例によるチップのパッドに半田付
けする前の本願発明による装置を示し、そして、 図４は、チップのパッドに半田を配置した後の本願発
明による装置を示す。
下記の本願発明による装置および本願発明による方法
の記述に関して、図面において同一の参照番号は同一の
素子を指定するのに用いられたという事実を特記する。
後述の本願発明による方法および装置において、基板
の表面、例えば銅で被覆されている、または銅から構成
されるものは、半田ボールでスズめっきされる、または
半田ハンプが設けられる。本願発明による装置はまた、
マイクロボールグリットアレイシステム（μBGAシステ
ム（BGA＝Ball Grid Array））とも呼ばれる。
図１は、フラックスなしで半田102を基板104に半田付
けするための本願発明による装置100の第１の実施例を
示す。図１に示される実施例において、基板104は、固
定バンプ106を介してチップ108に固着される。前記基板
104は本質的に、例えば金属（例えば銅）により構成さ
れる第１層110から構成される。更に、前記基板104は、
絶縁層としての第２層112を含む。チップ108に面する基
板104の表面上に、構成された接続リード層114が配置さ
れる。本例においては、この接続リード層114は、バン
プ106および構成された接続リード114を介してチップ10
8を外部回路に接続する。図１から分かるように、基板1
04もまた構成され、それには複数の孔部116a、116bが設
けられる。図１で示される実施例において、これらの孔
部は半田付けポイントの役割を果たし、これは、一例と
して、半田ボールが孔部116aを介して接続リード層114
に既に接続されている118において示されている。
後述の基板および前記基板104とチップ108との結合に
関して、基板104の特別な構造デザインは、またレーザ
ーの手段での除去によっても実現されることを特記す
る。
下記において、本願発明による装置はより詳細に記述
される。
表面処理を実行するための、およびフラックスなしで
半田付けするための装置100は、第１の波長を有する第
１のレーザービーム122を放出する第１のレーザー光源1
20を含む。更に、第２のレーザー光源124が、第２のレ
ーザービーム126を放出するために設けられる。適当な
偏向デバイス128を利用して、前記第１のレーザー光源1
20と前記第２のレーザー光源124との間の切り換えが実
行されることが可能である。装置100の必要な制御は制
御手段（図示せず）を介して行われる。
偏向デバイス128とともにレーザー光源120、124、レ
ーザービーム122、126も、概ねのみ示されることを指摘
しておく。そのような手段は当業者にとって公知であ
る。それゆえ、これらの素子については詳細に説明しな
い。
本願発明による装置100は、付加的に保護ガス源とと
もに貯蔵部130を含む。図１に示される実施例におい
て、貯蔵ユニット130と保護ガス源がひとつのユニット
を形成する。しかしながら、これらの２つの素子は、も
ちろん別個のユニットとしても提供されることが可能で
ある。
接続素子132は、本質的に貯蔵部と保護ガス源を基板1
04の表面上の面に有効に接続する目的を果たす。
図１に示される実施例において、接続素子132は、基
板104から離れて面する端縁部にレンズ134を含む。図１
から分かるように、接続素子132は、テーパ削り部分136
を含む。このテーパ削り部分136は、基板104の表面に隣
接して配置される孔部138が、適所にレンズ134が固着さ
れている接続素子132の反対側の端縁よりも小さい直径
を有するような構造上のデザインを有する。図１に示さ
れる実施例において、レンズ134は、例えば図１に示さ
れる例において、第１のレーザー光源から発生するレー
ザービーム122を、半田ボール102が配置される面140上
へと焦点を合わさせる、または導くのに役立つ。
図１から分かるように、保護ガス源と貯蔵部130は接
続片142を介して接続素子132に接続される。
既に述べたように、装置100は、図示されていない制
御ユニットの手段で制御される。この制御ユニットは、
（図１から分かるように）第１のレーザー光源120に第
１のレーザービーム122を基板104の表面140上へと導か
せる。第１のレーザー光源は、好ましくは226nmの波長
を有するレーザービームを生成する。この第１のレーザ
ービームは、高いエネルギー濃度とともに、（10億分の
１秒の区域内の）短いパルス幅を有する。前記第１のレ
ーザービームの手段で、基板104の表面110は清浄化（除
去）される。汚染層は前記第１のレーザービーム122の
手段で実行されるエッチングにより金属（銅）の表面か
ら除去され、それによって半田付けに適した表面が生成
される。汚染層が半田の濡れ特性に対して有するかもし
れない負の影響が取り除かれるという事実に利点が見い
だされる。清浄化されたばかりの表面に汚れが再発生す
るのを避けるため、清浄化された面140は保護ガスの手
段で周辺から密閉される。この保護ガスはいわゆる不活
性ガスであることが好ましい。清浄化される表面によっ
ては、保護ガスの流入は表面の清浄化の間に既に開始す
るか、または表面の汚れの再発生が速いと見込まれる場
合は、保護ガスを同時に使用しながら表面の清浄化が行
われることが望ましいかもしれない。短時間に汚れが再
発生しない場合の表面には、清浄化が終了してから、清
浄化された面を周辺から密閉するので十分であり、前記
密閉は保護ガスまたは不活性ガスの手段で行われる。
半田ボール102が配置されるべき面140が清浄化され次
第、制御ユニットは第１のレーザービーム122を遮断す
る。表面140が清浄化されたとき、固体の半田が貯蔵部1
30より開放され、図１に示される実施例において前記固
体の半田は半田ボール102である。貯蔵部130は、半田付
けされるべき面によって、適切な寸法を有する半田ボー
ルまたは適切な量の半田を開放するのに役立つ、例えば
一回に一つの割合の供給ユニットが設けられてもよい。
この一回に一つの割合の供給ユニットは、例えば、スク
リューコンベアまたは多孔ディスクにより実現される。
図１に示される実施例において、半田ボール102は、
面140をなお絶縁している保護ガスの圧力により接続素
子132を介して前記面140に供給される。図１に関して記
述される実施例によれば、貯蔵部130と保護ガス源は、
半田ボール102が保護ガスの圧力の手段で容易に面140に
配置されることが可能であるようひとつのユニットとし
て提供されるという事実を再び特記する。保護ガス源と
貯蔵部が別個のユニットである本願発明による装置のそ
の他の実施例において、半田ボール102は、例えば超音
波音を利用して半田ボール102を動かすことにより面140
上に配置されることが可能である。
好ましい実施例によれば、貯蔵部130には、前記貯蔵
部に含まれる半田ボールが超音波エネルギーによって動
かされることを可能とするデバイスが設けられる。半田
ボールが超音波音によって動かされるという事実によ
り、半田ボールが貯蔵部を離れる前に半田ボールの表面
の酸化表面は既に粉砕され、除去されているかぎり、こ
れは有利である。
本願発明による装置の好ましい実施例の更なる記述
は、ここでは図２に基づく。
半田ボール102（図１）が開放されたとき、それは面1
40（図１）に配置される。結果としての状況は、半田ボ
ール102aが基板104に配置されている図２に示される。
本願発明による装置の制御ユニットは、この時点では第
２のレーザー光源124（図1;図２にには示されない）に
第２のレーザービーム126を半田付けされるべき面、即
ち半田ボール102aが配置された面上へと導かせる。第２
のレーザービームは、好ましくは1064nmの波長を有し、
本願においては半田ボール102aの形状を有する固体の半
田を溶融させる。第２のレーザービームは1000分の１秒
の区域におけるパルス幅を有する。接続素子132の下端
に矢印で示されているように、保護ガスの流入が半田ボ
ール102aの溶融工程の間にも維持されることが可能であ
ることが指摘される。そのため、半田付け工程が終了す
るまで、基板の清浄化された表面は周辺から確実に密閉
される。これは、例えば新たに形成された汚染層によっ
てもたらされる半田または半田ボール102aの濡れ特性へ
の負の影響が、再溶融工程の間でも排除されることを確
実にする。
図１に基づいて既に記述したように、レーザービーム
122、126の切り換えは制御ユニットによって制御される
偏向デバイス128の手段で実行される。
本願発明の上述の好ましい実施例の手段で、基板104
の例えば銅の表面110上での半田ボール102のフラックス
なしの半田付けおよび再溶融が可能である。
更なる好ましい実施例に従って、ただひとつのレーザ
ー光源が前述の２つのレーザー光源の代わりに設けられ
る。清浄化工程のための上述の第１のレーザービームを
生成するために、この実施例には付加的に、レーザー光
源により生成されたレーザービームをデバイス上へと導
く反射鏡が設けられ、それは好ましくは水晶で、それに
よってレーザービームの周波数が２倍または４倍にな
り、従ってレーザービームの波長は２分の１または４分
の１になる。続いて、半田ボールを再溶融させるための
第２のレーザービームを供給するため、反射鏡にレーザ
ービームを基板上に直線状に導かせる。
図３および４に基づき、本願発明の更なる実施例が以
下に記述される。この実施例によると、半田102はチッ
プ108のパッド106に直接半田付けされる。図３と４に示
されている様子は、既に図１および２に基づいて記述し
たように、同一の参照番号によって指定されているとい
うこと、そして再び記述されないということを指摘して
おく。
先行技術に関して前段で既に記述したように、半田10
2の接触パッド106への直接の半田付けは、前記パッドの
材料として用いられるアルミニウムの酸化が起きるとい
う事実から問題がある。本願発明は、パッド上に直接半
田付けする可能性をもたらす。図３は、半田102の半田
付け前のチップ108のパッド106の清浄化（除去）を示
す。図３において、２つのパッド106には半田118が既に
供給されている。図１に基づいて前段で既に記述したよ
うに、第１のレーザービーム122の手段で清浄化が実行
される。保護ガスは、パッドの汚れの再発生即ち酸化の
開発を防ぐため、周辺からパッドを絶縁する。
図４はパッド106の清浄化および半田102の半田付けの
後に得られる状況を示す。半田102aはパッド106上に配
置される。前段で既に記述したように、半田102aはこの
時点で第２のレーザービーム126の手段で再溶融され
る。
図３および４に示される実施例は、前述の素子に加え
て複数のセンサ素子をも含む。第１のセンサ素子150は
接続片142上に配置される。センサ150の手段で、半田ボ
ールが多孔ディスクまたはスクリューコンベアの放出位
置に配置されているか否かが検知される。前記接続片に
配置されている第２のセンサ素子152は、半田ボール102
が貯蔵部130を離れたか否かを検知するのに役立つ。第
３のセンサ素子は、図示されていないが、レーザー光
（矢印154によって概念的に示される）の反射部分を検
知する。反射されたビームと関連のセンサの手段で、清
浄化の作業の間、清浄化された面の質が決定される（図
３）。検知された質に従って、清浄化が既に終了した
か、またはまだ続けられなければならないかが決定され
る。清浄化が終了したとき、第３のセンサは、半田102a
がパッド106上に配置されているか否かを決定するのに
用いられる。この場合、再溶融は第２のレーザービーム
の手段で実行される。前述のセンサは、好ましい実施例
に従って、光学センサとして提供される。第３のセンサ
素子154の代わりに、圧力センサとして提供される第４
のセンサ素子156が設けられることが可能である。この
センサ素子は、接続素子132の内部において、供給され
る保護ガスの圧力を検知するのに役立つ。半田ボール10
2aが半田付けされるために表面に配置されたら、接続素
子内の圧力は増加し、半田ボールの存在はこの圧力の増
加に基づいて決定されることが可能である。
更なる実施例によると、第３のセンサ素子152に加え
て第４のセンサ素子156が設けられることが可能であ
る。この場合、前記センサ素子は付加的に接続片142内
の保護ガスの圧力を制御するのに役立つ。前記接続片か
らそこに付着している半田ボールを除去するために、例
えば部分的な真空が生成されることが可能である。ま
た、例えば半田付け作業が行われた後、装置を清浄化す
るために、前記接続片から過剰な半田物質を吹き払うよ
う重圧を調節することも可能である。
半田ボールの位置について、および清浄化された表面
の質についての前述の評価は、センサによって検知され
るが、制御ユニット（図示されない）の手段で実行され
る。
前述のセンサは、前記図１および２には示されていな
いが、もちろん図１および２に基づいて記述される実施
例においても使用されることが可能である。
いわゆる半田ボールが本願発明の好ましい実施例の上
記の記述で言及されたが、これらの実施例において、別
種の固体の半田が使用されることもまた可能であること
が指摘される。
同封の図面に基づき、本願発明の好ましい実施例のみ
が記述されたという事実を特記する。本願発明による方
法の本質的特徴は、基板104またはチップ108にフラック
スなしで半田付けするために用いられるものであり、基
板表面110またはチップパッド106上の面140の清浄化、
保護ガスの手段での清浄化された面の絶縁、および清浄
化され、絶縁された面140への半田付けから構成され
る。
この関係において、本願発明による方法のいくつかの
実施例の場合において、清浄化および絶縁のステップは
同時に、または非常に近接した時間に実行されることが
強調されなければならない。これは、既に清浄化された
面もまた、清浄化の作業がなお継続している間にも周辺
から絶縁されていることを確実にする。
その他の好ましい実施例に従って、半田は液体ではな
く、固体の形状で供給される。この場合、固体の半田が
まず清浄化された面140に配置され、それから溶融する
という方法で半田付けが実行される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−87067（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−237589（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−104276（ＪＰ，Ａ) 国際公開95／279（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05K 3/34 B23K 1/00 - 1/20 H01L 21/60

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】フラックスなしで半田（102）を基板（10
    4）またはチップ（108）に半田付けするための装置であ
    って、 レーザー光源、 固体の状態の半田（102）を含む貯蔵ユニット（130）、
    および 保護ガス源を含み、 レーザー光源により生成されたレーザービームを周波数
    逓倍デバイス上へと導くための偏向手段、 貯蔵ユニット（130）および保護ガス源が、半田（102）
    が半田付けされることが可能である基板（104）の表面
    （110）上の面（140）またはチップ（108）のパッド（1
    06）に、有効に接続されるのを助ける接続素子（132、1
    36、142）、および 基板（140）の表面またはチップのパッド（106）上へと
    導かれる第１のレーザービーム（122）を生成するた
    め、偏向手段にレーザービームを周波数逓倍デバイス上
    へと導かせ、保護ガス源に保護ガスを基板（104）の表
    面またはチップのパッド（106）上へと導かせる制御ユ
    ニットであり、前記制御ユニットは、基板の表面または
    チップのパッド（106）上の面（140）が清浄化されたと
    き、第１のレーザービーム（122）を遮断する、制御ユ
    ニットにより特徴付けられ、 貯蔵ユニット（130）に固体の半田（102）を開放させ、
    および 固体の半田を再溶融させるために、偏向手段にレーザー
    ビーム（126）を前記固体の半田（102a）が配置される
    基板（104）の表面またはチップのパッド（106）上へと
    直線状に導かせる、 フラックスなしで半田付けするための装置。
  2. 【請求項２】基板（104）またはチップ（108）に、フラ
    ックスなしで半田（102）を半田付けするための装置で
    あり、 固体の状態の半田（102）を含む貯蔵ユニット（130）、
    および 保護ガス源を含み、 第１のレーザービーム（122）を第１の波長で放出する
    第１のレーザー光源（120）、 レーザービーム（126）を第２の波長で放出する第２の
    レーザー光源（124）、 貯蔵ユニット（130）および保護ガス源が、半田（102）
    が半田付けされることが可能な基板（140）の表面（11
    0）上の面（140）またはチップ（108）のパッド（106）
    に有効に接続されることを助ける接続素子（132、136、
    142）、および 第１のレーザー光源（120）に第１のレーザービーム（1
    22）を基板（104）の表面またはチップ（108）のパッド
    （106）上へと導かせ、保護ガス源に保護ガスを基板（1
    04）の表面またはチップ（108）のパッド（106）上へと
    導かせる制御ユニットであり、前記制御ユニットは、基
    板の表面またはチップのパッド（106）上の面（140）が
    前処理および／または清浄化されたとき、第１のレーザ
    ービーム（122）を遮断する、制御ユニットにより特徴
    付けられ、 貯蔵ユニット（130）に固体の半田（120）を開放させ、
    および 固体の半田を再溶融させるために、第２のレーザー光源
    （124）に第２のレーザービーム（126）を前記固体の半
    田（102a）が配置される基板の表面（110）上の面また
    はチップ（108）のパッド（106）上へと導かせる、フラ
    ックスなしで半田付けするための装置。
  3. 【請求項３】レーザービーム（122）は短い波長、短い
    パルス幅および高いエネルギー濃度を有することを特徴
    とする、請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】波長は226nmであり、パルス幅は10億分の
    １秒の区域に属することを特徴とする、請求項３に記載
    の装置。
  5. 【請求項５】第１のレーザービームは短い波長、短いパ
    ルス幅および高いエネルギー濃度を有することを特徴と
    する、請求項２に記載の装置。
  6. 【請求項６】波長は226nmであり、パルス幅は10億分の
    １秒に区域に属することを特徴とする、請求項５に記載
    の装置。
  7. 【請求項７】第１のレーザービーム（122）と比較し
    て、前記第２のレーザービーム（126）は長い波長およ
    び長いパルス幅を有することを特徴とする、請求項２に
    記載の装置。
  8. 【請求項８】波長は1064nmであり、パルス幅は1000分の
    １秒の区域に属することを特徴とする、請求項７に記載
    の装置。
  9. 【請求項９】半田は半田ボールで構成されることを特徴
    とする、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の装
    置。
  10. 【請求項１０】貯蔵ユニット（130）は１回に１つの割
    合の供給ユニットを含むことを特徴とする、請求項１な
    いし請求項９のいずれかに記載の装置。
  11. 【請求項１１】１回に１つの割合の供給ユニットはスク
    リューコンベアまたは多孔ディスクを含むことを特徴と
    する、請求項10に記載の装置。
  12. 【請求項１２】半田ボール（102）が多孔ディスクまた
    はスクリューコンベアの放出位置に配置されているか否
    かを検知する第１のセンサ手段（150）、 半田ボール（102）が貯蔵部（130）を離れたか否かを検
    知する第２のセンサ手段（152）、および レーザービーム（122、126）の反射部分を検知し、清浄
    化された面の質および清浄化された面上の半田（102a）
    の位置を反射ビームに基づいて決定する第３のセンサ手
    段により特徴付けられる、請求項11に記載の装置。
  13. 【請求項１３】第１、第２および第３のセンサ手段（15
    0、152）は光学センサであることを特徴とする、請求項
    12に記載の装置。
  14. 【請求項１４】接続素子（142）内の圧力を検知し、制
    御する第４のセンサ手段（156）により特徴付けられ
    る、請求項１ないし請求項13のいずれかに記載の装置。
  15. 【請求項１５】保護ガス源は不活性ガスを供給すること
    を特徴とする、請求項１ないし請求項14のいずれかに記
    載の装置。
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