JP4550369B2 - 通気孔を設けた空洞の気密はんだ封止法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通気孔を設けた空洞の気密はんだ封止法に関し、薄く、広面積の、基本的にボイドが無く、空洞を気密封止することが可能なはんだ付け処理法及びはんだ接合を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
はんだ付けは金属部品を接合する上で効果的な方法であるが、これに加えて非金属部品であっても、その接合面に好適なメタライゼーション処理を施すことにより、これらの多くを接合することが可能である。従って、多種のはんだ、はんだ付け処理法、及びはんだ接合部デザインが知られている。多数あるはんだ接合の種類の中でも、気密封止を提供すると共に内部ボイドの無い広面積接合を作るタイプのものは、最も製作が困難である。この文脈において広面積はんだ接合と言う場合、最小寸法が２ｍｍ長を超える面積を覆うはんだ接合を意味する。
【０００３】
接合部の機密性を保障する多くの高信頼性手法とは、接合の全外周にわたって端部の連続したフィレットを確実に形成するというものである為、広面積接合で気密封止を形成することは難しい。より広い面積及び長い外周を持つ接合部になればなるほど、この条件に合致させることが難しくなるのである。
【０００４】
ボイドは広面積はんだ接合にとっては問題となるが、これは寸法が２ｍｍを超えたものの場合、部品間に捕捉された気泡、或いははんだ付け温度へと加熱する間に内部で発生した気泡が、溶解したはんだの静水圧を克服できずに接合部の端部から逃げることが出来ない為である。このように、気泡ははんだ中に捉えられ、はんだが硬化した場合にボイドとなる。図１は、いくつかの従来のはんだ接合の最小接合寸法に対するはんだ接合中のボイド率の依存度を示すものである。図１から容易にわかるように、はんだ接合中のボイドの問題は、接合部の寸法に比例して増大している。これらのボイドは一般に、はんだ接合の電気的、温度的及び機械的特性を損なうものである。
【０００５】
フラックスを使わずに広面積接合を作る場合、無ボイド接合を作成することはより困難になる。一般に、フラックスは表面酸化物の除去を助け、これにより溶融はんだの濡れ性や広がりを促進するものである。フラックス抜きで良好な品質のはんだ接合を作ることは本質的により難しくなるが、フラックスの必要性を回避すれば、はんだ付け処理をもっと簡易にすることが可能となる。このことから、薄く、広面積でボイドの無いはんだ接合を作る為の無フラックス処理及び技術が導入されている。これらの技術としては、プレ−アプライ（Ｐｒｅ−ａｐｐｌｉｅｄ）方式、圧力変動処理及びはんだ付けの温度サイクル中に圧縮ストレスを印加する方法等が含まれる。最良の結果を得る為に、３つの方法全てを組み合わせることも出来る。
【０００６】
プレ−アプライ（Ｐｒｅ−ａｐｐｌｉｅｄ）方式では、はんだ付けする部品の一方又は両方の表面にはんだを設けることにより、接合部中の面の数、即ちボイド源を少なくするものである。
【０００７】
圧力変動処理は、捉えられた気泡を圧縮し、接合部の体積においてボイドが占める割合を大幅に小さくすることにより、はんだ接合中のボイドレベルを低下させるものである。圧力変動処理は通常、熱間等方加圧に相当類似した方法で外部気体圧を用いるものである。代表的な圧力変動処理においては、はんだ付けする組立部品を減圧（Ｐ₁）したチャンバにいれ、これを最高処理温度まで加熱する。その後チャンバ内の圧力を数桁上げたより高い圧力（Ｐ₂）へと加圧し、高い圧力（Ｐ₂）下で組立部品の冷却を行う。気泡が理想的な気体の挙動を示す限りにおいては、圧力Ｐ₁でのボイドの初期体積Ｖ₁が、圧力Ｐ₂では体積Ｖ₂へと減少するものであり、Ｖ₁及びＶ₂の関係は、以下の式１に示される。
【０００８】
式１： Ｖ₂＝Ｖ₁・（Ｐ₁／Ｐ₂）
【０００９】
式１は、圧力Ｐ₁に対する圧力Ｐ₂が大きければ大きい程、この処理がボイドを小さくする効果を発揮するということを表している。実際の結果から、１０：１の圧力比があればボイドレベルは約１５％、そして３０：１の圧力比であれば、ボイドレベルを５％にまで低くすることが出来ることが判明している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
圧力変動法における問題は、はんだ接合を、閉鎖空洞の周囲に気密封止を形成するように設けなければならない場合に生じる。溶融はんだで接合面全てを濡らすことにより閉鎖空洞を封止する場合、内部又は外部の気体圧変動があると、はんだが吹き飛ばされて接合線からずれてしまい、封止が破壊される可能性がある。よって圧力変動処理は、閉鎖空洞の周囲のはんだ封止を含む部品には用いることが出来ない。
【００１１】
既知のはんだ技術及びはんだ接合における限界を鑑みると、薄く、広面積の、基本的にボイドが無く、空洞を気密封止することが可能なはんだ付け処理法及びはんだ接合が求められている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、広面積はんだ接合により接合される部品の表面間に孔のあいた空洞が形成される。空洞は、広面積はんだ接合の形成時に、溶融したはんだ中の気泡が放出される為に移動しなければならない距離を小さくするものである。よってより少ない数の気泡がトラップされた状態となり、はんだ接合におけるボイドの数が少なくなる。更に、空洞には孔が開いている為、はんだ付けの際には圧力変動処理を採用することが可能となり、はんだ接合の埋まりや気密性を改善することが出来る。孔は必要に応じてはんだ接合の形成後に封止することにより、空洞を気密封止することが可能である。
【００１３】
圧力変動処理を用いた、或いは用いない通気孔のある空洞は、はんだ接合に限られたものではなく、ロウ付け材や接着剤による接合においても適用することが出来る。
【００１４】
本発明の実施の形態の一例は、部品を取り付ける為の処理である。この処理は、第一の部品と第二の部品を含むアセンブリを、第一及び第二の部品間に挟まれた、はんだ、ロウ付け材、又は接着剤等の接合材料で形成することから開始される。第一及び第二の部品は、接合材料が取り囲む、孔のあいた空洞を形成するものである。このアセンブリを加熱することで、接合材料を活性化、即ち溶融し、この加熱中に接合材料中の気泡を空洞及び孔を通じて接合材料中からアセンブリ周囲へと逃がすことが出来る。接合材料が硬化した後に孔を封止することにより、空洞の気密封止を作ることが出来る。
【００１５】
アセンブリを加熱した後、接合材料中に未だ捉えられているかも知れない気泡を圧縮する為にアセンブリ周囲の圧力を上げることが出来る。加圧状態はアセンブリを冷却する間、接合材料が硬化するまで維持されるが、これにより気泡によるボイドは、加圧しない処理を実施した場合と比べて小さくなっている。空洞には孔が開けられている為、空洞内部の圧力は、アセンブリ外部の圧力と等しく、加圧をしても封止の気密性が損なわれることはない。
【００１６】
本発明の実施の形態の他の例は、金属（例えばモリブデン）、半導体（例えばシリコン）、ガラス又はセラミックのような材料から成る第一及び第二の部品と、第一及び第二の部品間に設けられるはんだ、ロウ付け材、或いは接着剤とを含む接合構造である。第一及び第二の部品は、接合材料が取り囲む空洞を形成するものであり、また、空洞から通じる孔が設けられている。孔は第一及び第二の部品が接合された後に封止することにより、接合材料及び孔とで共に空洞を気密封止することが出来る。接合構造は更に、同じ孔を共有する一連の通気空洞を形成する一連の部品及びはんだ接合を含んでおり、かつ、通気空洞を個々に有する一連の部品を含んでいる態様であっても、あるいは、同じ孔を共有する一連の通気空洞を形成する一連の部品及びはんだ接合を含んでいる態様、若しくは、通気空洞を個々に有する一連の部品を含んでいる態様のいずれであっても良い。
【００１７】
複数の図にわたり使用される同じ符号は、同様又は同一の要素を示すものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の一態様によれば、気泡の放出能力を向上させ、はんだ接合中のボイドを減らす為に広面積はんだ接合の領域内に１つ以上の通気空洞を設けることが出来る。はんだに圧力変動処理を実施することにより、はんだが形成する封止を損なうことなく、はんだ接合中のボイド体積を更に減じることが出来る。はんだ接合に意図的に空洞を含ませる場合においては通常、圧力変動処理を適用することはない為、このような圧力変動処理の用法は予想を越えたものである。
【００１９】
本発明の他の態様によれば、はんだ接合により気密封止されるべき空洞に、はんだ接合中のボイドを減じる圧力変動処理を行うことが出来るようにする為の通気孔が作られる。はんだ接合の完成後、通気孔を封止して閉鎖空洞を作ることが出来る。
【００２０】
本発明の更に他の態様によれば、はんだ付けされる部品中の通気孔に合わせた位置に空洞を設ける手法において、周囲フィレットを接合部の外周に加え、空洞内部の周囲にも設けるという変更を加えることにより気密封止の歩留まりを大幅に改善することが可能である。
【００２１】
図２Ａは本発明の一実施例に基づくアセンブリ２００の断面図を描いたものである。アセンブリ２００は、上部部品２１０及び下部部品２２０、そしてこれらを接合するはんだ接合２３０を含む。部品２１０及び２２０ははんだ付けに適したいかなる材料から成るものであっても良い。例えば、いずれの部品２１０、２２０も、はんだを付着するための平坦な面を持つ金属、半導体、ガラス又はセラミックから作ることが出来る。一般的に、部品２１０又は２３０が半導体、ガラス又はセラミックの場合、部品表面は金属でコーティングしなければならないが、これは電気めっき、蒸着、又はスパタリング等の従来技術により設けることが可能である。
【００２２】
アセンブリ２００において、部品２１０及び２２０の間に位置し、はんだ接合２３０により囲まれた空洞２４０は、そうでなければ平らに作られる一方の部品２２０の面に窪みを作った結果得られたものである。空洞２４０は、空洞２４０とアセンブリ２００の周囲空間との間に通気孔、即ち出口（２５０）を含んでいる。通気系の一例として、図２Ａは、通気孔２５０が空洞２４０から下部部品２２０を通って下部部品２２０裏側の開口へと通じる孔を含む構成を示している。図２Ｂは、通気孔２５５が空洞２４０から下部部品２２５を通って下部部品２３５の側面にある開口へと通じる孔を含むことを特徴とする他のアセンブリ例２０５を示している。明らかなように、部品２１０及び２２０中には通気孔２５０及び２５５と同じ機能を提供する他の通気空洞系は数多く存在する。
【００２３】
アセンブリ２００の製造プロセスは、部品２１０及び２２０の製作から始まる。部品２１０及び２２０の各々は、他方の部品のボンディング面と一致するボンディング面（通常は平坦面）を有しているが、これは金属製であるか、或いはメタライゼーション処理を施されている。部品２１０又は２２０のいずれか、或いはこれらの両方のボンディング面にはんだ２３０を事前に設けておくことが出来る。同様に、はんだ２３０は部品２１０及び２２０の間に挿入された自立型はんだであっても良い。部品２１０及び２２０の一方、または両方の形状を更に制御して、部品２１０及び２２０のボンディング面を接触させた場合に部品間に空洞２４０が形成されるように、そして空洞２４０から周囲への通気孔２５０又は２５５が提供されるようにすることが出来る。部品２１０及び２２０はその間にフラックスを使っても、使わなくても良い。
【００２４】
その後、アセンブリ２００又は２０５は内部温度及び圧力を制御下で変化させる設備を有するチャンバ中に入れられる。次にチャンバはアセンブリ周囲を低圧（例えば約１０ｍＰａ）にするように脱気される。チャンバ気圧が低い間にアセンブリはピーク温度（例えばはんだ付け温度）へと加熱される。アセンブリがピーク温度に達した後、アセンブリ２００又は２０５の冷却によりはんだ２３０の硬化を促しつつ、チャンバの気圧を高圧力（例えば２００ｋＰａ）へと上げる。
【００２５】
図２Ａ及び図２Ｂに描いたようなはんだ付け構造において通気空洞を採用した場合、いくつかの利点が提供される。通気された空洞は、はんだ接合の幅を小さくし、これによりはんだ接合２３０中にボイドが形成される可能性を小さくするものである。更に接合幅の縮小化は、これにより、はんだの静水圧が低減する為、圧力変動処理がはんだ接合２３０中のボイド体積を小さくする上でより有効になるということを意味する。また、空洞２４０の短い接合周囲に第二の内部フィレットが形成する為、はんだ接合２３０が気密封止を提供し得る可能性が増大するものである。
【００２６】
部品２１０及び２２０、又は部品２１０及び２２５を接合してアセンブリ２００又は２０５を形成した後、通気孔２５０又は２５５を介して空洞２４０を充填、或いは脱気し、その後通気孔２５０又は２５５を封止して気密封止構造を作ることが出来る。通気孔の封止においては、溶接、圧着、機械的プラグの差し込み等の様々な周知の方法がある。
【００２７】
図３Ａは、本発明の他の実施例を描いたものであるが、これははんだ付けされたアセンブリ３００が光スイッチの一部である場合のものである。アセンブリ３００は、３つの部品３１０、３２０及び３３０を含み、これらが２つのはんだ接合３１５及び３２５を用いて接合されている。
【００２８】
光スイッチにおいては、上部部品３１０は石英の導波路である。本発明の一実施例においては、部品３１０及び３２０及びはんだ接合３１５により、直径約１８ｍｍ、深さが５μｍの空洞３４０が形成されている。この素子の光学的スイッチングには、空洞３４０中に流体を設けることが必要であり、光スイッチ３００の組立後に空洞３４０へと通じるパイプ３５０を介して空洞３４０が流体で満たれる。
【００２９】
部品３２０はシリコンチップであり、光学的スイッチングの作動中においては、これが空洞３４０の液体を局所的に加熱し、選択された光線の向きを変える為の気泡を作る。一実施例においては、シリコンチップ３２０の活性領域はほぼ正方形であり、面積は約２５０ｍｍ²である。
【００３０】
第三の部品３３０はシリコンチップ３２０及びパイプ３５０を取り付ける金属製の裏当てプレートであるが、これはシリコンが本質的に脆く、これが無い場合、空洞３４０の充填用にパイプ３５０をシリコンに取り付けなければならない為である。裏当てプレート３３０はシリコンチップ３２０を支持し、これから熱を放散させる。本発明のこの実施例においては、裏当てプレート３３０はモリブデン製であり、これによりシリコンチップ３２０の熱膨張係数（ＣＴＥ）と金属裏当てプレート３３０のＣＴＥは適度な範囲で良好に一致している。
【００３１】
様々な理由から、シリコンチップ３２０及び金属裏当てプレート３３０間のはんだ接合３２５は薄く、気密性があり、ボイドの無いものでなければならない。より具体的に言えば、はんだの熱伝導は一般的に悪い為、シリコンチップ３２０からの熱の除去を行う為には、はんだ接合３２５の厚さは代表的には２０μｍよりも薄くなければならない。加えて、はんだ接合３２５は、裏当てプレート３３０とシリコンチップ３２０との間の接着性を最大化し、熱伝導用の金属領域も最大化する為にボイド数は相対的に少なくなければならない。はんだ接合３２５は更に空洞２４０中の液体がシリコンチップ３２０と金属製裏当てプレート３３０の間から漏れることがないように気密封止でなければならない。これらのはんだ接合３２５に関する条件は、接合形成時において、圧力変動処理を適用することが望ましいということを示している。
【００３２】
はんだ付け処理においては、パイプ３５０を空洞３４０用の通気孔として使うことにより、パイプ３５０の存在を有効利用することが出来る。一実施例においては、インジウムはんだ等のはんだが、金属製裏当てプレート３３０の上面にあらかじめ塗布される。その後チャンバ内において、石英導波路３１０、シリコンチップ３２０及び金属製裏当てプレート３３０を接触させる。チャンバは、約１０ｍＰａの気圧に脱気される一方で、アセンブリは１７５℃のピーク温度へと加熱されている。ピーク温度において、チャンバの気圧は約２００ｋＰａへと上昇され、この状態が約１分間維持される。チャンバ及びアセンブリは、この２００ｋＰａという気圧を維持した状態のまま冷却される。
【００３３】
アセンブリ３００を完成させた後、空洞３４０はパイプ３５０を介して液体で満たされる。その後圧着によりパイプ３５０を封止するが、このパイプは薄いニッケル壁から成り、高温のロウ付けにより金属製裏当てプレート３３０へと事前に取り付けられているものである。
【００３４】
図３Ｂは光スイッチアセンブリ３０５の他の実施例を示すものであるが、これはシリコンチップ３２０と金属製裏当てプレート３３０との間のはんだ接合３２５中に空洞３４５を付加した点が、図３Ａの光スイッチアセンブリ３００と基本的に異なっている。上述したように、空洞３４５は、はんだ接合３２５に対する圧力変動処理の効果を促進し、更にはんだ接合３２５が気密となる可能性を高くするものである。気密はんだ接合３２５をうまく作成する可能性が高まるのは、空洞３４５の周囲に設けられた内部はんだフィレットが原因であると考えられる。対照的に、シリコンチップ３２０周囲の外部はんだフィレットは大幅に大きい外周に沿って伸びているが、より大きい外周に沿って生じる欠陥の確率は比例的に増大するものである。
【００３５】
本発明の一実施例においては、空洞３４５の寸法は、長さ約６．５ｍｍ、幅約１．２５ｍｍ、深さ約２．８ｍｍである。シリコンチップ３２０及び金属製裏当てプレート３３０中にある空洞３４０及び３４５を通気し、充填を行う為の開口の直径は約１ｍｍである。
【００３６】
本発明を特定の実施例に基づいて説明してきたが、これは本発明の応用例にしか過ぎず、本発明はこれらに限られたものではない。例えば、上述した実施例は、部品間の接合材料としてはんだを用いたが、ロウ付け材や一部の接着剤等、他の接合材料も、取り込まれた気泡による弊害を受けることは同じであり、上述した通気空洞による恩恵を受けるものである。本願に記載した実施例には、添付請求項の定義する範囲において様々な変更や組み合わせが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】はんだ接合部におけるボイド体積の率に影響を与える従来の半田接合サイズを説明する棒グラフである。
【図２Ａ】本発明の一実施例に基づく、通気空洞を含むはんだ接合部の断面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施例に基づく、通気空洞を含むはんだ接合部の断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施例に基づく、複数のはんだ接合を含むアセンブリの断面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施例に基づく、複数のはんだ接合を含むアセンブリの断面図である。
【符号の説明】
２００、２０５、３００、３０５ アセンブリ
２１０、３１０ 第一の部品
２２０、３２０ 第二の部品
２３０、３１５、３２５ 接合材料
２４０、３４０、３４５ 空洞
２５０、２５５、３５０ 通気孔

Claims (4)

1. 部品を取り付ける方法であって、
   第一の部品及び第二の部品と、前記第一及び第二の部品間にあり、最小接合寸法が２ｍｍ長を超える接合面を形成した接合材料とを含むアセンブリを形成するステップであって、前記第一及び第二の部品が、周囲を前記接合材料によって取り囲まれた、通気孔のある空洞を形成することを特徴とするステップと、
   前記接合材料を活性化させるために前記アセンブリを加熱するステップであって、前記接合材料中の気泡が、加熱処理中に前記空洞及び前記通気孔を通じて前記接合材料から前記アセンブリの周囲へと逃げることを特徴とするステップと、
   前記アセンブリを加熱するステップの後、周囲の気圧を第一の気圧から第二の気圧へと増大させることにより、前記接合材料中に残存する気泡を圧縮するステップと、
   前記アセンブリが冷却して前記接合材料が硬化するまで前記第二の気圧を維持するステップと、
   前記接合材料が硬化したのち、前記空洞が気密封止状態になるように前記通気孔を封止するステップとを含む方法。
2. 前記接合材料が、はんだを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記接合材料が、ロウ付け材を含む請求項１に記載の方法。
4. 部品を取り付ける方法であって、
   第一の部品及び第二の部品と、前記第一及び第二の部品間にあり、最小接合寸法が２ｍｍ長を超える接合面を形成する接合材料とを含むアセンブリを形成するステップであって、前記接合材料が接着剤を含み、前記第一の部品および第二の部品が、周囲を接合面によって取り囲まれた、通気孔のある空洞を形成することを特徴とするステップと、
   前記接合材料を活性化させるために前記アセンブリを加熱するステップであって、前記接合材料中の気泡が、加熱処理中に前記空洞及び前記通気孔を通じて前記接合材料から前記アセンブリの周囲へと逃げることを特徴とするステップとを含む方法。

Images