JP3946786B2 - 除去可能なハンダ運搬媒体を用いる電子デバイスの相互接続方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電子回路とデバイスの相互接続方法に関し、特に、除去可能な運搬シート上に配置された移転可能なハンダ粒子アレイを用いる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
コンピュータ、コンシューマーエレクトロニクス、遠隔通信機器や自動車エレクトロニクスを含む最新のエレクトロニクス製品は、回路の相互接続を必要とする。チップから離れた相互接続やパッケージ密度は長年にわたって多少向上したが、回路特徴サイズの劇的な減少がメモリデバイスにおけるＩＣ回路密度を２５０Ｋから６４ＭＢに増加させたチップ上半導体素子のためのものよりははるかに進歩が遅くなっている。今日のハンダ相互接続用回路接点パッドの典型的な幅は、印刷配線基板については約２５ミル（６２５μｍ）であり、シリコン−オン−シリコン フリップチップデバイスについては約４ミル（１００μｍ））である。シリコンデバイスのこのミクロンレベルの特徴は接点パッドのために必要とされる数百ミクロンとは著しく不釣り合いなため、デバイス集積が非効率なものになっていた。広範囲のデバイス地所が、より広範囲のハンダ付け接点パッドに対するファンアウトに費やされている。また、このファンアウトは電子の進行経路をより長くすることになり、そのため、デバイス速度がコンパクト高密度相互接続方式で実現できるものより遅くなってしまう。
【０００３】
合わせ接点パッド間の配線基板相互接続のほとんどは、共融鉛−すずハンダ（３７Ｐｂ−６３Ｓｎ）等のハンダ材料を使用している。このハンダ材料はウェーブハンダ付けか表面実装技術のどちらかによって溶かされたり固められたりする。これらの技術は、参照によりここに含まれる、１９８６年ニューヨークのエイチ・エイチ・マンコ(H.H.Manko) 及びバン ノストランド ラインホルド(Van Nostrand Reinhold) による印刷配線及び表面実装用ハンダ付けハンドブックに開示されている。表面実装手順は、典型的には、ハンダ相互接続されるべき基板の各配線パッド上に印刷されるウェットハンダペーストを用いるスクリーン印刷技術に基づいている。かけがえとして、ハンダは、写真食刻と組合せた、物理的もしくは化学的な蒸着または電気化学的溶着によって各接点パッド上に付けることができる。
【０００４】
もっと小さいパッドサイズを用いる高密度または超高密度相互接続の達成に対する主な技術的障害のうちの２点は、ｉ）約６ミルの線幅分解能以下のハンダペーストをスクリーン印刷するための工業的に実行可能な技術の欠如と、ｉｉ）約２ミルの分解能以下の広範囲フォトリソグラフィが困難でコストが高いことである。したがって、スクリーン印刷またはリソグラフィで制限されない新規な高密度相互接続技術が要求されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
１つ以上の接点パッドを有する電子デバイスは、除去可能な運搬シート上の移転可能なハンダ粒子のアレイに付着される。この運搬シートは、例えば溶かすことにより、接点パッドに選択的に付着したハンダを残して除去される。好適な実施例では、ハンダ運搬媒体は水溶性であり、ハンダ粒子はハンダ被覆された磁気粒子からなる。媒体が乾くすなわち固まる間に磁性体を用いると、ハンダ被覆された粒子の規則正しいアレイが生じる。この方法を用いれば、従来より小さい接点構造を有するデバイスを容易に相互接続することができる。
【０００６】
【実施例】
図面を参照すると、図１は本発明により高密度接続を行なうステップを示すブロック図である。ブロックＡに示される最初のステップは、１つ以上の接点パッドを有する電子デバイスを準備することである。図２に示されているように、このような電子デバイス９は、典型的に、実質的に平らな表面１１を有する基板１０からなり、表面１１上に隆起した複数の導電性接点パッド１２を含む。基板１０は、典型的に、半導体ウェハ、またはエポキシをベースとした印刷配線基板、またはセラミック基板である。接点パッド１２は典型的には銅被覆されている。このパッドは、耐食性のためと溶融ハンダのぬれを改善するために種々の金属またはポリマー仕上げで被覆することができる。典型的な被覆物は金、すず、ハンダ及びイミダゾールである。デバイスは、パッド間領域１３に多数の回路構成要素（図示しない）を備えることができる。
【０００７】
図１のブロックＢに示される次のステップは、除去可能な運搬媒体上または中に配置されたハンダ粒子のアレイを接点パッドに付着させることである。これは、加熱状態でハンダ運搬媒体を電子デバイスに接触させることによって行なうことができる。好適なハンダ運搬媒体は図３に示される。図４には、図３の構造が電子デバイスとの接触に近づいた状態が示されている。
【０００８】
図３を参照すると、ハンダ運搬媒体３０は、除去可能な媒体３２に少なくとも部分的に埋め込まれたハンダ粒子３１のアレイを含む。ハンダ粒子の表面の一部は、接合を容易にするために媒体の表面より突出している。媒体３２は、溶剤に溶ける材料のような除去可能な材料からなる。模範的な除去可能な材料は、ゼラチン、のりまたはこれらの組合せのような水溶性材料のシートである。これらの材料は、人間に無害で、コストが低く、そして完全に乾く前にわずかに粘着するようなものが特に望ましい。他の有機ポリマー、例えばポリビニルアルコール、ポリビニルピロリジノン、ポリアクリルアミドを用いることもできる。典型的な可溶性材料は、これはアセトンに溶けるポリビニルアセテートや、メチルエチルケトンに溶けるポリビニルクロライド（ＰＶＣ）及びアクリロニトリル−ブタジェン−スチレン（ＡＢＳ）や、トルエンに溶けるブチルビニルアルコールを含む。媒体の酸化または変質をできるだけ少なくするために、窒素のような不活性雰囲気中で後続の加熱ステップを実行するのが効果的である。好適には、除去可能な媒体３２は、紙やポリマーフィルムのような支持シート３３にそっと付着させることができる。かけがえとして、揮発または焼失することができる除去可能な媒体例えば有機接着剤を用いることもできる。
【０００９】
図４は、電子デバイス９との接触に近づいたハンダ運搬媒体３０を示す。加熱は接点パッド１２へのハンダ粒子の付着を促進する。運搬媒体３２の表面からのハンダ粒子３１の突出は、金属製デバイスパッド１２へのハンダの接触及びぬれを容易にさせる。少なくとも５％の各ハンダ粒子突出の高さを持つのが望ましく、少なくとも２０％の高さ突出が好適である。もし望むなら、電子デバイス９の合わせ面１１は適当なフラックス４０で被覆することができる。デバイス９は予熱することができ、次いでハンダ包含媒体３０をその上に置くことができる。次いで、接点パッド上にハンダ粒子をくっ付けるまたは溶かすために、（例えば重量またはローラーによる）垂直の圧力または押圧を加えることができる。かけがえとして、ハンダ媒体は重量を加えた状態で基板と共に加熱される。付着を達成するのに望ましい温度は、好適には、室内温度以上だがハンダの溶融温度以下である。満足な付着に必要な温度は、加えられる圧力と使用されるフラックスによって決まり、処理の最適な組合せは実験的に容易に決定することができる。
【００１０】
ハンダ粒子と接点パッドの寸法は、接点パッドに面するハンダ粒子のみが付着または溶融されるが、パッド間領域１３内の粒子はパッド間領域上に付着または溶融されない程度に選ばれる。パッド間領域１３の表面は典型的にポリマーのような非金属製絶縁材料で被覆され、したがってハンダは前記表面上に容易に付着または溶融されない。
【００１１】
図１のブロックＣに示される相互接続の３番目のステップは、接点パッド上に選択的にハンダを残して運搬媒体を除去することである。このステップは、適当な溶剤を用いて材料を溶かすことによって達成される。（支持シート３３が用いられる場合は、除去可能な材料を溶かす前に支持シートを剥ぎ取っても良い。）接点パッドに付着または溶融されたハンダ粒子はパッド上にとどまり、パッド間領域１３上の付着しないハンダ粒子は水または他の溶剤で流し去ることができる。
【００１２】
図５は、運搬媒体と付着しないハンダ粒子が除去された後の図２のデバイスを示す。付着したハンダ粒子５０は接点パッド１２上にとどまっている。かけがえとして、ハンダ粒子５０は、温度が溶融点以上に上昇すると、接点パッドの表面上に薄いハンダ層（図示しない）となって現われる。
【００１３】
ハンダ粒子は、前に溶融されなかった場合は、運搬媒体の除去後に効果的に溶融することができる。接点パッドのぬれの間の溶融ハンダの接触角は、ハンダの選択とパッドの表面仕上げとにより制御することができる。小分けされたハンダが望ましい場合は、付着したハンダ粒子の溶け込みは、亜鉛含有ハンダのような高表面張力ハンダや、銅仕上げ上のすず−インジウム−亜鉛またはすず−銀−亜鉛合金を用いることによりできるだけ少なくすることができる。小分けが必要なければ、接触角を減らすために予めすずメッキした表面または銀被覆された表面を用いることができる。かけがえとして、小接触角を有する鉛−すずをベースとしたハンダを用いても良い。ハンダの温度は望ましくは、溶融点、例えば６３Ｓｎ−３７Ｐｂ共融ハンダの１８３℃、５７Ｂｉ−４３Ｓｎの１３９℃、４９Ｓｎ−５１Ｉｎの１２０℃及び９６．５ｎ−３．５Ａｇの２２１℃、以上に上昇される。パッド間領域１３にあるハンダ粒子は、たとえ溶融していても、非金属またはポリマーのパッド間表面を容易にぬらさない。接点パッドのみがハンダで被覆される。
【００１４】
図１に示される相互接続プロセスの次のステップ、ブロックＤは、図５のデバイスのハンダ包含接点パッドを接続されるべき表面との接触状態におくことである。これは、図６に示されるように、後続のリフロー相互接続作業において、ハンダが溶けて層６１になって付着しているデバイス９上に、合わせるデバイス６０を下ろすことにより好適に達成される。合わせられるデバイスは、典型的には、デバイス９に対応する合わせ接点パッド６２を有する電子デバイスである。もし望むなら、デバイス９の合わせ面１１は適当なフラックス６３で被覆しても良い。溶融は、多くの既知の加熱方法、例えばオーブン加熱、赤外線加熱等で達成することができる。図６のハンダ層の厚さは、もし望むなら、最終のリフロー作業の前に適当なハンダ接合サイズ及び外形を得るために必要な多数回だけ、新しいハンダ運搬媒体を用いて図１の初めの３ステップを繰り返すことにより増加させることができる。
【００１５】
図３のハンダ運搬媒体は少なくとも３つの異なる方法のいずれかで好便に製作される。第一の方法は、（硬度制御のために任意に追加された粒子状または可溶性の材料を伴う）水または溶剤に基質材料を溶かし、次いで例えばスピンコーティング、ドクターブレーディング、スプレーコーティング、ローリング等により材料を望ましい厚さの薄い層にシート化し、次いで液状または半液状層の上部にハンダ粒子をばらまくことである。基質溶液の一部は、ハンダ粒子が図３に示されるように突出するのを保証するために予め乾かすことができる。第二の方法は、ハンダ粒子と溶かされた媒体の両方を含有する混合溶液を予め作っておき、この混合溶液を薄い層にシート化することである。シート化される層の厚さは、溶液が乾かされて体積が減った後、基質材料の最終的厚さがハンダを突出させるためにハンダ粒子直径以下になるように調整される。リフロー相互接続に用いられるべきハンダ付け用フラックスは、ハンダ付け作業前または中にハンダ表面上の基質材料の残留被覆を除去するために、同じ溶剤を少し含むことができる。第三の方法は、十分に乾く前にまたは水または溶剤で最上部の表面を部分的にぬらすことにより、可溶性媒体の厚さを利用して、媒体にハンダ粒子を付着させることである。粘着性のある表面はハンダ粒子のアレイに押しつけられ、それらを拾い上げることができる。
【００１６】
また、ハンダ包含媒体は、例えばスプールに巻き取ったりスプールからほどいたりするべく容易に取り扱えるように媒体を強くするために、任意の追加の支持層材料３３を備えても良い。この支持層は、ポリマーもしくはプラスチックテープ（例えばポリエチレン）、またはハンダ包含シートの背面にくっつくが必要な時にはがすことができる任意にわずかに粘着性のある表面を有する紙もしくは他のシート状材料とすることができる。かけがえとして、ハンダ包含媒体は支持層を基板として用いて直接製作しても良い。
【００１７】
望ましいハンダ粒子形状は、比較的一定のサイズと形状の複製を製造するのが容易なように球体とされ、均一に媒体から突出する粒子を提供する。望ましいハンダ粒子のサイズ範囲は０．２〜２００μｍであり、好適には０．５〜５０μｍである。接点パッド金属表面上のハンダのぬれを改善するために、例えばハンダ運搬媒体または基板のどちらかにスプレーコーティングをすることによりＲＭＡ(Rosin-Mildly-Activated)等のフラックスを用いることができる。
【００１８】
例えば統計的に起こり得る粒子の伝播（数珠つなぎ形成）で引き起こされる隣接する接点パッド間の望ましくない電気的短絡をできるだけ少なくするために、ハンダ包含媒体中のハンダ粒子で覆われる領域部分は、好適には６０％以下の範囲に、より好適には４０％以下の範囲に制限される。
【００１９】
短絡の確率（及びハンダ量の変化）を減らす新規な方法は、磁気分離を用いることである。ハンダ粒子は磁気コアを含むことができ、例えば、ハンダで強磁性粒子をエレクトロレスコーティングすることにより作ることができる。例えば、５μｍの厚さのハンダ層が直径７μｍの鉄粒子の表面に被覆された場合、ハンダ対鉄体積部分比は約４：１になる。基質ポリマーの表面張力に対して適当にバランスした垂直磁界の存在時、粘性媒体中の磁気粒子は互いに反発し合って分離する。このことは、参照によりここに含まれる１９８８年４月１２日発行のジン(Jin) 等の米国特許第4,737,112 号に明示されている。図７及び図８の比較的な顕微鏡写真に示されるように、垂直磁界の存在は、数珠つなぎ形成がほとんどない粒子の規則的な散乱を達成する。図７は磁気分離のない場合のランダムな散乱を示し、図８は磁気分離で得られる規則的な散乱を示す。図３に示される構造は、この磁気分離手法で望ましく作られ、その後乾かされて、パッド間短絡またはハンダ粒子密度の相当なパッド対パッド変化のリスクを減らしてより多くのハンダ粒子を収容することができる洗えるハンダ運搬媒体を作ることができる。
【００２０】
磁気コアは多くの強磁性体のうちのどれでも良く、例えば、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｎｉ−Ｆｅ（パーマロイ），Ｎｉ−Ｚｎフェライト，Ｍｎ−Ｚｎフェライト等の比較的軟質の磁気材料、またはＦｅ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ（アルニコ），Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ，ヘキサフェライト，希土類元素のコバルトもしくはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ型磁石等の永久磁石材料でも良い。軟質磁気材料は磁化が容易なので好適である。ハンダ材料と磁気コア材料間の冶金反応は、不注意のためにハンダ特性を劣化させないようにできるだけ少なくすべきである。
【００２１】
また、本発明のハンダ運搬媒体は、高い配線密度用の多層３次元相互接続ばかりでなく領域−アレイ相互接続にも適している。従来のハンダペーストスクリーン印刷技術や沈積ハンダの広範囲リソグラフィックパターニングにおいてあった線幅分解能の制限は、本発明の転送可能なハンダ媒体を用いた新しい相互接続方法論にはない。細線で高密度な接点パッドは、本発明の媒体及び方法を用いて容易かつ安価に被覆することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】高密度接続を行なうステップを示すブロック図である。
【図２】導電性接点パッドを有する典型的な電子デバイスを示す。
【図３】図１のプロセスで用いるのに好適なハンダ運搬媒体の略断面図である。
【図４】電子デバイスとの接触に近づく図３の構造を示す。
【図５】運搬媒体と付着しなかったハンダ粒子とが除去された後の電子デバイスを示す。
【図６】パッドに接続されるべきデバイスとの接触に近づく電子デバイスのハンダ包含パッドを示す。
【図７】磁気分離のないハンダ粒子散乱を示す顕微鏡写真である。
【図８】磁気分離のあるハンダ粒子散乱を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
９ 電子デバイス
１０ 基板
１２ 導電性接点パッド

Claims (9)

  1. １つ以上の電気接点パッドを有する電子デバイスを第２のデバイスに接続するための方法であって、
    １つ以上の接点パッドを有する前記電子デバイスを準備する工程と、
    前記デバイスと可溶性材料を含む除去可能な運搬シート上に配置されたハンダ粒子のアレイを接触させる工程と、
    前記アレイから前記接点パッドにハンダを選択的に付着させる工程と、
    前記接点パッド上へハンダを残すために、前記可溶性材料を溶解する工程と、
    前記接点パッドを前記第２のデバイスに接するように配置する工程とからなることを特徴とする方法。
  2. 請求項１記載の方法において、前記ハンダ粒子は該粒子に熱を加えることによって前記接点パッドに付着する方法。
  3. 請求項１記載の方法において、前記除去可能な運搬シートは可溶性材料からなり、溶剤に溶かすことにより除去される方法。
  4. 請求項１記載の方法において、前記除去可能な運搬シートは水溶性材料からなる方法。
  5. 請求項１記載の方法において、前記ハンダ粒子のアレイはハンダ被覆された磁気粒子のアレイからなる方法。
  6. 電気接点パッドの表面にハンダを付けるためのハンダ運搬シートであって、
    水溶性運搬媒体層と、
    前記水溶性媒体に少なくとも部分的に埋め込まれ、前記媒体の表面から突出しているハンダ粒子のアレイとからなることを特徴とするハンダ運搬シート。
  7. 請求項６記載のハンダ運搬シートにおいて、前記ハンダ粒子はハンダ被覆された磁気粒子からなるハンダ運搬シート。
  8. 請求項６記載のハンダ運搬シートにおいて、さらに、前記可溶性運搬媒体層に接着された支持層を含むハンダ支持シート。
  9. 請求項１または２または３または４または５の方法によって第２のデバイスに接続された１つ以上の電気接点パッドを有する電子デバイス。
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