JP5091873B2 - 発泡ハンダを備えた製品 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は広くは、集積回路の製造に関する。本発明の実施形態は特に、マイクロ電子機器に関連するハンダの材料および形状に関する。

パッケージングされた集積回路（ＩＣ）においてハンダは重要な役割を担っている。ＩＣダイは通常、プロセッサなどのマイクロ電子機器を製造するべく用いられる。ＩＣダイとその外部との接合はハンダによって完成する。

ＩＣの動作高速化および過熱防止に対する要望が高まっているが、こういった要望のため、ハンダについて問題が持ち上がっている。ＩＣパッケージ内で熱応力が増加すると、ハンダと当該ハンダが接合されている基板との間に熱応力が発生する。

本発明の実施形態を実現するための方法を説明する目的で、添付図面に示した具体的な実施形態を参照しつつ、上記で簡潔に説明した実施形態をより詳細に説明する。尚、添付図面は典型的な実施形態を示したものに過ぎず、図示されている内容は必ずしも実寸に沿ったものではないので、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではないことを理解されたい。本発明の実施形態を、添付図面に基づき、さらに詳細且つ具体的に説明する。添付図面を以下に説明する。

一実施形態に係る、セル状の発泡構造を持つ発泡ハンダを示す顕微鏡写真を示すコンピュータ画像である。

一実施形態に係る、網状の発泡構造を持つ発泡ハンダを示す顕微鏡写真を示すコンピュータ画像である。

一実施形態に係る、基板に発泡ハンダコアおよびハンダシェルを有する製品を示す立面断面図である。

一実施形態に係る、基板に発泡ハンダ球および中間ハンダ層を有する製品を示す立面断面図である。

一実施形態に係る、基板に設けられた発泡ハンダ延伸パッドを含む製品を示す立面断面図である。

一実施形態に係る発泡ハンダを形成するプロセスを示す図である。

一実施形態に係る処理のフローを示すフローチャートである。

一実施形態に係る、ナノ多孔性ハンダを形成するためのプロセスを示す図である。

一実施形態に係る、ナノ多孔性ハンダの処理時の製品を示す、立面断面図である。

一実施形態に係る、ナノ多孔性ハンダをさらに処理した後の図９Ａの製品を示す、立面断面図である。

一実施形態に係る、ナノ多孔性ハンダ先駆体の処理を示すフローチャートである。

一実施形態に係るコンピュータシステムを示す立面射視図である。

一実施形態に係るコンピュータシステムを示す概略図である。

本明細書で開示する実施形態は、ＩＣ基板に配設される発泡ハンダに関する。本発明の実施形態はさらに、クローズドセル型のハンダおよび網状ハンダを形成するために利用される発泡ハンダ冶金学に関する。

以下の説明では上方や下方、第１や第２といった用語が用いられるが、これらの用語は説明のために用いられているに過ぎず、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。本明細書に記載する実施形態に係る装置または製品は、様々な位置および向きで、製造、使用および出荷することができる。

図面については、同様の構造は同様の参照番号を付与することによって指定する。様々な実施形態に係る構造を可能な限り明瞭に示すべく、本明細書に添付する図面は集積回路の構造を線図で示す。このため、製造された構造の実際の外観は、例えば顕微鏡写真で見た場合には、図示されたものと異なるように見えることもあるが、添付図面に図示した実施形態が有する不可欠な構造は備えている。さらに、添付図面は図示される実施形態を理解する上で必要な構造のみを示している。その他の公知の構造は、図示内容を明瞭にするべく、省略されている。

図１は、一実施形態に係る、セル状の発泡構造を持つ発泡ハンダを示す顕微鏡写真１００を示すコンピュータ画像である。顕微鏡写真１００は、発泡ハンダバンプ１１０を含む。セル状発泡構造は、セルチャンバ１１２およびセル壁１１４によって示されている。従ってセル状発泡ハンダは、発泡ハンダバンプ１１０において、流体通過多孔性が実質的に閉じている。

図２は、一実施形態に係る、網状の発泡構造を持つ発泡ハンダを示す顕微鏡写真２００を示すコンピュータ画像である。顕微鏡写真２００は発泡ハンダバンプ２１０を含む。網状発泡構造は、ハンダの神経節２１４によって図示されている。ハンダの神経節２１４は発泡ハンダバンプ２１０において、流体通過多孔性が実質的に開いている。

以下の説明では、発泡構造がセル状であろうと網状であろうと、発泡ハンダは単に「発泡ハンダ」を呼ぶ。明示されていない限り本明細書に含まれるすべての図示内容に対して、セル状発泡構造もしくは網状発泡構造の様々な実施形態を利用できる。

一実施形態によると、当該発泡ハンダは第１材料から成る発泡ハンダであり、当該発泡ハンダの相対密度は約０．１から約０．９の範囲内にある。「相対密度」は、発泡ハンダの密度と同一材料から成る中実なハンダの密度を比較することによって得られる。同一材料から成る中実なハンダは、関連資料に記載されているハンダおよび純金属などの材料の古典的物理学における密度に基づいて、得ることができる。

一実施形態によると、第１材料から成る発泡ハンダは相対密度が約０．５である。一実施形態によると、第１材料から成る発泡ハンダは相対密度が約０．６である。一実施形態によると、第１材料から成る発泡ハンダは相対密度が約０．７である。一実施形態によると、第１材料から成る発泡ハンダは相対密度が約０．８である。

ＩＣパッケージ内で生じる衝撃に耐えるための方法の１つとして、ハンダバンプに含まれるハンダのヤング率（ｍ）を改善することが挙げられる。ＩＣパッケージ試験で実施されるような衝撃荷重を与える場合、動荷重および衝撃荷重の両方について、ひずみ速度は約１０^２／秒となり得る。一実施形態において、このひずみ速度を条件とする場合、発泡ハンダの実施形態は、いわゆるひずみ速度敏感度を示す。つまり、発泡ハンダの実施形態は、ひずみ速度が増加するにつれて強度が上がる。ひずみ速度敏感度は、実施形態に係る発泡ハンダの材料が実動作中に接する温度である、高い同相温度（ｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）において大きくなる。例えば、ｍが約０．２である場合、ひずみ速度が１０^２／秒であれば、降伏強度は準静的降伏強度の約２５０パーセントまで増加する。このため、衝撃荷重を与えると、塑性変形が抑制され、発泡ハンダの応力・ひずみ挙動は、準静的降伏強度の金属の従来の応力・ひずみ挙動とははっきりと異なる。

一実施形態によると、発泡ハンダは銅を利用したハンダであって、例えば、純銅、銅／錫、銅／錫／鉛、銅／錫／銀、銅／錫／ビスマス、銅／錫／インジウムなどから成る。一実施形態によると、発泡ハンダはニッケルを利用したハンダであって、例えば、純ニッケル、ニッケル／錫、ニッケル／錫／鉛、ニッケル／錫／銀、ニッケル／錫／ビスマス、ニッケル／錫／インジウムなどから成る。一実施形態によると、発泡ハンダはニッケル／チタンの形状記憶合金から成り、一例としてＪｏｈｎｓｏｎ−Ｍａｔｔｈｅｙ社（ペンシルバニア州、ウェイン郡）製のＮＩＴＩＮＯＬ（登録商標）が挙げられる。ＮＩＴＩＮＯＬ（登録商標）は、超塑性挙動を示すニッケル／チタン合金である。一実施形態によると、発泡ハンダは錫を利用したハンダであって、例えば、純錫、錫／ニッケル、錫／鉛、錫／インジウム、錫／鉛／ニッケル、錫／ニッケル／銀などから成る。一実施形態によると、発泡ハンダはインジウムを利用したハンダであって、例えば、純インジウム、インジウム／錫、インジウム／鉛、インジウム／鉛／ニッケル、インジウム／ニッケル／銀などから成る。用途に応じてこれ以外の発泡ハンダを利用することができる。

図３は、一実施形態に係る、基板３２０に第１材料から成る発泡ハンダコア３１６および第２材料から成るハンダシェル３１８を有する製品３００を示す立面断面図である。一実施形態によると、基板３２０はＩＣダイである。一実施形態によると、基板３２０はプリント配線基板のような実装基板である。発泡ハンダコア３１６は概略的に図示されており、一実施形態によると、セル状発泡ハンダでもよいし網状発泡ハンダであってもよい。図示されている通り、発泡ハンダは、図１に示したセル状発泡ハンダバンプ１１０のように、セルチャンバ３１２およびセル壁３１４を含む。

一実施形態によると、発泡ハンダコア３１６およびハンダシェル３１８によりハンダバンプ３１０が形成されている。一実施形態によると、基板３２０は接合パッド３２２を含む。一実施形態によると、接合パッド３２２はメッキ処理の特徴である、細長い円柱状の粒子形態を示す。接合パッド３２２はフラッシュ層３２４を含み、一実施形態によると銅から成る接合パッド３２２上に金から成るフラッシュ層３２４が設けられている。一実施形態によると、ハンダバンプ３１０の係数は約０．２〜約０．７の範囲内にある。

一実施形態によると、ハンダシェル３１８は発泡ハンダコア３１６の金属間派生物である。金属間派生物の組成は、金属間材料を形成するべく、リフローなどの処理条件において発泡ハンダコア３１６と混ざり合うものであればどのようなものであってもよい。一実施形態例によると、ハンダシェル３１８はニッケル／錫の金属間混合物で、発泡ハンダコアはニッケルもしくはニッケル合金である。

一実施形態によると、発泡ハンダコア３１６は単位直径３２６を有し、ハンダシェル３１８の厚み３２８は、単一の直径の約１パーセントから約１００パーセントの範囲内にある。一実施形態によると、ハンダシェル３１８の厚みは、単位直径の約５パーセントから約２０パーセントの範囲内にある。一実施形態によると、ハンダシェル３１８の厚みは、単位直径の約６パーセントから約１９パーセントの範囲内にある。

一実施形態によると、ハンダバンプ３１０の寸法および発泡ハンダコア３１６およびハンダシェル３１８のおよその寸法は、接合パッド３２２の寸法から求められる。一実施形態によると、接合パッド３２２は約１０６マイクロメートル（μｍ）である。一実施形態によると、ハンダコア３１６の直径３２６およびハンダシェル３１８の厚み３２８の２倍も、約１０６マイクロメートル（μｍ）である。寸法は用途に応じて変更してもよい。

図４は、一実施形態に係る、基板４２０に発泡ハンダ球４１０および中間ハンダ層４３０を有する製品４００を示す、立面断面図である。一実施形態によると、基板４２０はＩＣダイである。一実施形態によると、基板４２０はプリント配線基板のような実装基板である。発泡ハンダ球４１０は概略的に図示されており、一実施形態によると、セル状発泡ハンダまたは網状発泡ハンダのどちらであってもよい。一実施形態によると、基板４２０は接合パッド４２２を含む。一実施形態によると、接合パッド４２２はメッキ処理の特徴である、細長い円柱状の粒子形態を示す。接合パッド４２２はフラッシュ層４２４を含み、一実施形態によると銅から成る接合パッド４２２上に金から成るフラッシュ層４２４が設けられている。発泡ハンダ球４１０の上方には、一実施形態によると、上側基板４３２および接合パッド４３４が設けられている。一実施形態によると、上側基板４３２はＩＣダイである。一実施形態によると、上側基板４３２はプリント配線基板のような実装基板である。一実施形態によると、ハンダ球４１０の係数は、約０．２〜約０．７の範囲内にある。

一実施形態によると、中間ハンダ層４３０はリフロー用のハンダで、発泡ハンダ球４１０よりも密度が高い。一実施形態によると、中間ハンダ層４３０のリフローが実行される温度は発泡ハンダ球４１０の液相温度よりも低い。一例を挙げると、中間ハンダ層４３０はペーストマトリックスに含まれる銅のナノ粒子であり、発泡ハンダ球４１０は予め準備される球で溶融温度は元素銅の古典物理学上の溶融温度と略同一である。中間ハンダ層４３０のリフロー時において、一実施形態によると、銅の平均粒子サイズは約２０μｍ以下である。

一実施形態によると、発泡ハンダ球４１０の直径４２６は約２５μｍから約２００μｍの範囲内にある。一実施形態によると、発泡ハンダ球４１０の直径４２６は、約１０６μｍである。一実施形骸によると、発泡ハンダ球４１０の寸法は接合パッド４２２の寸法に基づいて求めることができる。一実施形態によると、接合パッド４２２は約１０６μｍである。寸法は用途に応じて変更してもよい。

一実施形態によると、中間ハンダ層４３０はナノ粒子のハンダペーストマトリックスによって基板４２０に形成されている。一実施形態によると、ナノ粒子のハンダペーストは金属粒子を含みそのうち約１００パーセントが２０ナノメートル（ｎｍ）の試験を合格しており、マトリックスはフラックスおよび揮発性成分などのペーストを含む。

一実施形態によると、中間ハンダ層４３０は銅粒子を含むナノ粒子ハンダペーストを含み、発泡ハンダ球は銅を含む。また、接合パッド４２２は銅を含み、フラッシュ層４２４は設けられない。一実施形態によると、中間ハンダ層４３０はニッケル粒子を含むナノ粒子ハンダペーストを含み、発泡ハンダ球はニッケルを含む。また、接合パッド４２２はニッケルを含み、フラッシュ層４２４は設けられない。一実施形態によると、中間ハンダ層４３０はニッケル／チタン合金のような形状記憶合金の粒子を含むナノ粒子ハンダペーストを含み、発泡ハンダ球も当該形状記憶合金を含む。また、接合パッド４２２も当該形状記憶合金を含み、フラッシュ層４２４は設けられない。一実施形態によると、中間ハンダ層４３０は第１タイプの金属の粒子を含むナノ粒子ハンダペーストを含み、発泡ハンダ球は同じ第１タイプの同じ金属を含む。また、接合パッド４２２も同じ第１タイプの同じ金属を含み、フラッシュ層４２４は設けられない。

中間ハンダ層４３０の処理には、ナノ粒子を含むハンダペーストを、ハンダ粒子がリフローし始める低温まで加熱する処理が含まれる。ハンダペーストマトリックスによって中間ハンダ層４３０に含まれるナノ粒子は腐食および／または酸化から略保護されるので、中間ハンダ層４３０はリフロー時の実質的な粒子成長に耐えることができる。一実施形態によると、リフロー後の中間ハンダ層４３０では平均粒子サイズが約５０ｎｍ〜約２０μｍの範囲内にある。

一実施形態によると、リフロー前には、中間ハンダ層４３０が含む粒子の寸法は約２ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内にある。一実施形態によると、中間ハンダ層４３０が含む粒子の寸法は約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの範囲内にある。一実施形態によると、中間ハンダ層４３０が含む粒子の寸法は、約９８パーセント、約２０ｎｍ以下の範囲内にある。

上記の実施形態に係る粒子サイズによると、中間ハンダ層４３０の金属粒子の核生成（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）によって固体（ｓｏｌｉｄ）から固相線（ｓｏｌｉｄｕｓ）への変化が起こり、この変化は約摂氏４００度以下で始まり得る。例えば金の場合、固体から固相線への変化は約摂氏３００度で始まる。

一実施形態によると、中間ハンダ層４３０の溶融温度は約摂氏４００度以下である。金属の種類と粒子サイズによって、中間ハンダ層４３０の溶融温度は数百度変化する。例えば、固体の金の溶融温度は古典的物理学によると約摂氏１０６４度である。本明細書で記載しているように、金をナノ粒子からなる中間ハンダ層４３０にすると、溶融温度は約摂氏３００度まで下げることができる。このように固体から固相線へと変化する温度を低下させることは、本発明の開示内容で説明する全ての実施形態に係るナノ粒子を含むハンダ組成物において有益である。

中間ハンダ層４３０と発泡ハンダ球４１０が異なる金属または異なる合金によって形成されている場合、両者間に金属間領域４３１を設けるとしてもよい。一実施形態によると、中間ハンダ層４３０は銅／錫／インジウムから成るハンダで、発泡ハンダ球４１０は銅金属である。この実施形態において、金属間領域４３１は銅／錫の金属間材料から形成される。

図５は、一実施形態に係る、基板５２０に設けられた発泡ハンダ延伸パッド５１０を含む製品５００を示す、立面断面図である。発泡ハンダ延伸パッド５１０は概略的に図示されており、一実施形態によると、セル状発泡ハンダであってもよいし網状発泡ハンダであってもよい。一実施形態によると、基板５２０は接合パッド５２２を含む。一実施形態によると、接合パッド５２２はメッキ処理の特徴である、細長い円柱状の粒子形態を示す。接合パッド５２２はフラッシュ層５２４を含み、一実施形態によると銅から成る接合パッド５２２上に金から成るフラッシュ層５２４が設けられている。一実施形態によると、発泡ハンダ延伸パッド５１０の係数は、約０．２〜約０．７の範囲内にある。

一実施形態によると、発泡ハンダ延伸パッド５１０は中間ハンダ層５３６と共に形成される。中間ハンダ層５３６は、図４に図示された中間ハンダ層４３６と同一の材料によって形成されるとしてもよい。一実施形態によると、中間ハンダ層５３６の金属ナノ粒子は、当該金属の古典的物理学による固相線温度よりもかなり低い温度においてリフロー処理され得る。

一実施形態によると、発泡ハンダ延伸パッド５１０の特徴的な寸法５２６は約２５μｍ〜約２００μｍの範囲内にある。一実施形態によると、発泡ハンダ延伸パッド５１０の特徴的な寸法５２６は約１０６μｍである。一実施形態によると、発泡ハンダ延伸パッド５１０の寸法は接合パッド５２２の寸法に従って求められる。一実施形態によると、接合パッド５２２は約１０６μｍである。寸法は用途に応じて変更してもよい。

一実施形態によると、中間ハンダ層５３６はナノ粒子ハンダペーストマトリックスによって基板５２０に形成される。一実施形態によると、ナノ粒子ハンダペーストは金属粒子を含みそのうち約１００パーセントが２０ｎｍの試験を合格しており、マトリックスはフラックスおよび揮発性成分などのペーストを含む。

一実施形態によると、中間ハンダ層５３６は銅粒子を含むナノ粒子ハンダペーストを含み、発泡ハンダ延伸パッド５１０は銅を含む。また、接合パッド５２２は銅を含み、フラッシュ層５２４は設けられない。一実施形態によると、中間ハンダ層５３６はニッケル粒子を含むナノ粒子ハンダペーストを含み、発泡ハンダ延伸パッド５１０はニッケルを含む。また、接合パッド５２２はニッケルを含み、フラッシュ層５２４は設けられない。一実施形態によると、中間ハンダ層５３６はニッケル／チタン合金のような形状記憶合金の粒子を含むナノ粒子ハンダペーストを含み、発泡ハンダ延伸パッド５１０も当該形状記憶合金を含む。一実施形態によると、中間ハンダ層５３６は第１タイプの金属の粒子を含むナノ粒子ハンダペーストを含み、発泡ハンダ延伸パッド５１０は同じ第１タイプの同じ金属を含む。また、接合パッド５２２も同じ第１タイプの同じ金属を含み、フラッシュ層５２４は設けられない。

中間ハンダ層５３６の処理には、ナノ粒子を含むハンダペーストを、ハンダ粒子がリフローし始める低温まで加熱する処理が含まれる。ハンダペーストマトリックスによって中間ハンダ層５３６に含まれるナノ粒子は腐食および／または酸化から略保護されるので、中間ハンダ層５３６はリフロー時の実質的な粒子成長に耐えることができる。一実施形態によると、リフロー後の中間ハンダ層５３６では平均粒子サイズが約５０ｎｍ〜約２０μｍ以下の範囲内にある。

一実施形態によると、リフロー前には、中間ハンダ層５３６が含む粒子の寸法は約２ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内にある。一実施形態によると、中間ハンダ層５３６が含む粒子の寸法は約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの範囲内にある。一実施形態によると、中間ハンダ層５３６が含む粒子の寸法は、約９８パーセント、約２０ｎｍ以下の範囲内にある。

図６は、一実施形態に係る発泡ハンダを形成するプロセス６００を示す図である。まず、発泡ハンダ先駆体６１１と圧縮性ガス６１３を混ぜる。一実施形態によると、発泡ハンダ先駆体６１１は金属粒子である。一実施形態によると、圧縮性ガス６１３は発泡ハンダ先駆体である金属に対して不活性である。一実施形態によると、圧縮性ガス６１３はアルゴンである。

一実施形態によると、発泡ハンダ先駆体６１１は発泡ハンダの形成を促進する金属界面活性剤を含む。一実施形態によると、発泡ハンダ６１１の組成は略、重量パーセントにして、Ｓｎ−１０Ｉｎ−０．６Ｃｕと表せる。この組成によると、発泡ハンダ先駆体６１１の組成は、約１０パーセントがインジウム、約０．６パーセントが銅、残りは錫である。使用される原料やその化学的純度に応じて他にも不純物が含まれる場合もある。

図６によると、発泡ハンダ先駆体６１１は、金属圧密（ｍｅｔａｌ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）関連の技術分野で公知の通り、容器６３８に載置される。容器６３８が充填されると、当該容器６３８に対して圧縮処理が行われ、高圧容器６３９を実現する。高圧容器６３９は発泡ハンダ先駆体６１１および圧縮ガス６１３を含む。一実施形態によると、高圧容器６３９は、金属圧密関連の技術分野で公知の通り、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理によって得られる。ＨＩＰ処理後に高圧容器６３９は、非常に制限的な外圧が加えられることなくさらに加熱され、その結果高圧容器６３９が膨張して、金属チャンバ６１２と金属壁６１４を含む金属発泡体６１０が形成される。これは発泡ハンダがセル状発泡ハンダの場合である。これに代えて、ＨＩＰ処理後に高圧容器６３９は、非常に制限的な外圧が加えられることなくさらに加熱され、その結果高圧容器６３９が膨張して、金属神経節６１４´を含む金属発泡体６１０´が形成される。これは発泡ハンダが網状発泡ハンダの場合である。

一実施形態によると、充填された後容器６３８にはＨＩＰ処理が行われず、金属圧密関連の技術分野において公知の通り、まず発泡ハンダ先駆体６１１を焼結するべく容器６３８を加熱する。焼結によって発泡ハンダ先駆体が完全にリフローされることはなく、むしろ焼結は、発泡ハンダ先駆体６１１の２つの発生物同士の接点６４０の核生成を生じさせる。続いて発泡ハンダ先駆体６１１を加熱することによって金属発泡体が形成され、最初の焼結と続いて行われた加熱によって発泡ハンダが拡張する。一実施形態によると、最初の焼結によって発泡ハンダが生成され、金属発泡体６１０はセル状発泡ハンダである。それに替えて、最初の加熱によって発泡ハンダが形成され、金属神経節６１４´を持つ金属発泡体６１０´が形成される。

一実施形態によると、充填された後で容器６３８はまず、特に外部から加熱することなく圧密され、続いてハンダ先駆体６１１が拡張するように加熱される。一実施形態によると、２回目の加熱によって発泡ハンダが形成され、金属発泡体６１０はセル状発泡ハンダとなる。それに替えて、２回目の加熱によって発泡ハンダが形成され、金属神経節６１４´を持つ金属発泡体６１０´が形成される。

発泡ハンダの形成には他の方法を用いるとしてもよい。一実施形態によると、従来から知られているように焼き流し鋳造に基づいて形成するとしてもよい。一実施形態によると、金属水素化物の分解とともに溶融処理を利用して、発泡ハンダに多孔性を持たせるためのガスを形成する。一実施形態によると、粉末処理に基づいて金属水素化物の分解を利用する。一実施形態によると、ポリマープリフォーム（ｐｒｅｆｏａｍ）が一時的に、発泡ハンダが固体化する間発泡ハンダを支持する支持構造として利用され、その後でポリマープリフォームは除去される。

一実施形態によると、金属粉末が容器に投入され、当該容器は脱気されてからアルゴンガスで加圧される。当該容器はＨＩＰ処理され金属粉末を圧密する。圧密後、容器を加熱して、封入されたガスを、ＨＩＰ処理された粉末の周辺マトリクスのクリープによって膨張させる。この方法を用いると、かさ密度が約０．６〜約０．８の範囲内にある多孔性金属を得ることができる。孔の寸法および分布は、ガス圧、金属界面活性剤、加熱時間、温度等のパラメータを適切に設定することによって正確に制御するとしてもよい。

一実施形態によると、金属発泡体６１０または金属発泡体６１０´を形成した後、ハンダバンプを形成するべく当該金属発泡体（以下では「金属発泡体６１０」と呼ぶ）に対してさらに処理が行われる。一実施形態によると、金属発泡体６１０はまず発泡性を損なうことなく押し出され、成形器（ｈｅａｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ）によってワイヤとして短く切断される。この切断処理は、ワイヤが略立方体または略中実な円筒として形成されるまで行われる。略立方体または略中実な円筒形状を持つ発泡ハンダに対して行われる処理は、より球体に近い形状を実現するための回転動作、またはミルでの研磨を含む。一実施形態によると、略立方体または略中実な円筒の形状を持つ発泡ハンダに対する自生粉砕は回転ミルで実施される。一実施形態によると、略立方体または略中実な円筒の形状を持つ発泡ハンダに対する準自生粉砕は、セラミックボールなどの研磨媒体を第１量だけ利用することによって、回転ミルで実施される。一実施形態によると、略立方体または略中実な円筒の形状を持つ発泡ハンダに対してミルを用いて研磨を行う場合は、研磨媒体を第２量だけ利用することによって、回転ミルで実施される。ここで、第２量は第１量よりも多い。一実施形態によると、球体形状を実現するべく発泡ハンダをまず研磨した後で、回転を弱めて表面処理を実行する。

一実施形態によると、発泡ハンダコアまたは発泡ハンダ球が形成されると、当該発泡ハンダは電気メッキによってハンダで被覆される。ここで再び図３を参照されたい。発泡ハンダコア３１６が形状記憶合金から成る発泡体の場合、形状記憶合金と接合パッド３２２との間のぬれ性を向上させるべくニッケルメッキ処理が行われる。一実施形態によると、フラッシュ層３２４がある場合はメッキ処理を省略してもよい。

図７は、様々な実施形態に係る処理のフローを示すフローチャートである。

工程７１０において、混合ガスと共に容器内に発泡ハンダ先駆体を形成する。

工程７２０において、当該容器を加圧する。静水圧プレスまたはＨＩＰ処理であってもよい。

工程７３０において、発泡ハンダ先駆体がセル状発泡体もしくは網状発泡体を形成するような条件下で容器を加熱する。一実施形態によると、工程７２０で処理は終了する。

工程７４０において、発泡ハンダから発泡ハンダボールもしくは発泡延伸ハンダパッドを形成する。

工程７５０において、一実施形態によると、接合パッドに対して中間ハンダ層を形成する。一実施形態によると、中間ハンダ層はナノ粒子を含むハンダプリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）である。

工程７５２において、発泡ハンダバンプや発泡ハンダ延伸パッドなどの発泡ハンダを中間ハンダ層に対して形成する。

工程７５４において、中間ハンダ層をリフローして発泡ハンダと接合させる。一実施形態によると、工程７５４で処理が終了する。

図８は、一実施形態に係る、ナノ多孔性ハンダを形成するためのプロセス８００を示す図である。まず、発泡ハンダ先駆体８１１と発泡剤８１３を混ぜ合わせる。一実施形態によると、発泡ハンダ先駆体８１１は金属粒子で、当該金属粒子の平均粒径は約５ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲内にある。一実施形態によると、発泡ハンダ先駆体８１１は金属粒子で、当該金属粒子の平均粒径は約１０ｎｍ〜約４０ｎｍの範囲内にある。一実施形態によると、発泡ハンダ先駆体８１１は金属粒子で、当該金属粒子の平均粒径は約１５ｎｍ〜約３０ｎｍの範囲内にある。一実施形態によると、発泡ハンダ先駆体８１１は金属粒子で、当該金属粒子の平均粒径は、約９９パーセント、２０ｎｍで、約９８パーセント、約５ｎｍを超えている。

一実施形態によると、発泡剤８１３は水素化チタン（ＴｉＨ_２）などの水素化金属である。一実施形態によると、発泡剤８１３は水素化ジルコニウム（ＺｒＨ_２）などの水素化金属である。一実施形態によると、発泡剤８１３は水素化ハフニウム（ＨｆＨ_２）などの水素化金属である。一実施形態によると、発泡剤８１３はＲＨ_２と表される耐火性水素化金属である。一実施形態によると、発泡剤８１３は発泡ハンダ先駆体の粒子サイズ分布と略一致する。

一実施形態によると、発泡ハンダ先駆体８１１は発泡ハンダの形成を促進する金属界面活性剤を含む。一実施形態によると、発泡ハンダ先駆体８１１の組成は略、重量パーセントにおいて、Ｓｎ−１０Ｉｎ−０．６Ｃｕと表される。この組成によると、発泡ハンダ先駆体８１１の組成は、約１０パーセントがインジウム、約０．６パーセントが銅、残りは錫である。使用される原料やその化学的純度に応じて他にも不純物が含まれる場合もある。

図８において、発泡ハンダ先駆体８１１および発泡剤８１３は混合容器８３８に投入される。例えば、金属粉砕関連の技術分野で公知である。続いて混合容器８３８は、先駆体−発泡剤から成る混合物を得るべく発泡ハンダ先駆体８１１および発泡剤８１３を混ぜ合わせるよう駆動される。

一実施形態によると、先駆体−発泡剤から成る混合物は軸圧縮ダイ８４０で圧縮される。圧縮ダイは例えば、粉末冶金圧密技術において使用される。先駆体−発泡剤から成る混合物８４４は、アンビル８４２に入れられて、詰め込み用ロッド８４６によってアンビル８４２へと押し込まれる。軸圧縮が行われた結果、軸方向に圧縮されたペレット８４８が得られる。

一実施形態によると、先駆体−発泡剤から成る混合物は押し出しダイ８５０で圧縮される。押し出し処理は、例えば、粉末冶金押し出し技術において公知である。先駆体−発泡剤から成る混合物８４４は詰め込み用ロッド８４６によって押し出しダイ８５０へと押し込まれる。押し出し処理の結果、押し出しペレット８５２が得られる。

一実施形態によると、軸圧縮によって得られたペレット８４８または押し出し処理によって得られたペレット８５２は、ナノ多孔性ハンダ先駆体である。当該ナノ多孔性ハンダ先駆体は、ローリングなどの処理がさらに行われ、ロール状のシート型ストック８５４または８５６へと加工される。一実施形態によると、ペレットまたはロール状のシート型ストックにはプレス加工が施され、さらに処理を行うべく、ナノ多孔性ハンダ先駆体の略球状のペレットが得られる。

圧縮処理または押し出し処理によって得られたペレットから形成される略立方体または略中実な円筒形状を持つナノ多孔性ハンダ先駆体に対する処理は、より球形に近い形状を得るための回転動作、もしくはミルでの研磨を含む。一実施形態によると、ナノ多孔性ハンダ先駆体の自生粉砕は回転ミルで実施される。一実施形態によると、ナノ多孔性ハンダ先駆体の準自生粉砕は、セラミックボールなどの研磨媒体を第１量だけ利用することによって、回転ミルで実施される。一実施形態によると、ナノ多孔性ハンダ先駆体に対してミルを用いて研磨を行う場合は、研磨媒体を第２量だけ利用することによって、回転ミルで実施される。ここで、第２量は第１量よりも多い。一実施形態によると、球体形状を実現するべくナノ多孔性ハンダ先駆体をまず研磨した後で、回転を弱めて表面処理を実行する。

ナノ多孔性ハンダ先駆体を所望の形状とした後、当該所望の形状はさらに加熱処理されて、ナノ多孔性ハンダ８５８を得る。

図９Ａは、一実施形態に係る、ナノ多孔性ハンダの処理時の製品９００を示す、立面断面図である。ナノ多孔性ハンダ先駆体といったペレット９１０を実装基板９２０に対して配設する。一実施形態によると、実装基板９２０はボードである。一実施形態によると、実装基板９２０はダイである。一実施形態によると、実装基板９２０は接合パッド９２２を有する。一実施形態によると、上側基板９３２は上側基板接合パッド９３４を有し、上側基板９３２はまたペレット９１０と接している。

ペレット９１０は破線９３６で図示した加熱環境においてリフロー処理される。加熱環境は例えば加熱炉のような高温空間である。

一実施形態によると、ペレット９１０はナノ粒子発泡ハンダ先駆体を含む。ナノ粒子発泡ハンダ先駆体の寸法分布範囲は本明細書で開示されている寸法分布範囲のうちどれであってもよい。また、発泡剤も用いられており、リフロー時にペレット９１０の膨張を促進するように略均等に混ぜられている。一実施形態によると、ペレット９１０は約摂氏１５０度から約摂氏２６０度の範囲内の温度で加熱される。一実施形態によると、リフロー時、発泡剤は水素化金属から水素などの気体を放出する。ナノ多孔性ハンダ先駆体は固相線（ｓｏｌｉｄｕｓ）でのリフローにおいて核生成を開始するので、発生するナノサイズの気体の泡による表面張力と発泡ハンダ先駆体のナノサイズの粒子の粒子成長による表面張力との間でバランスを取る。このため、発生するナノサイズの気体の泡の寸法を粒子サイズが超えることが避けられる。

一実施形態によると、リフローはＨＩＰ処理といった高圧環境下で実行されるが、温度は約摂氏１５０度から約２６０度の範囲内に設定される。本実施形態によると、当該高圧は放出される気体の発生圧力に対して均衡を保つように設定される。一方、リフローするハンダのぬれ性および発生するナノサイズの気体の泡の重力の影響のバランスはリフロー時には上昇する。一実施形態によると、ハンダをリフローする場合に発生するナノサイズの気体の泡は実質的にストークスフロー状態にあり、ストークスフロー状態はクリーピングフロー（ｃｒｅｅｐｉｎｇ ｆｌｏｗ）を含む。

図９Ｂは、一実施形態に係る、ナノ多孔性ハンダをさらに処理した後の図９Ａの製品を示す、立面断面図である。製品９０１はリフロー処理されたペレット９１１にナノ孔が形成されるように処理されている。当該ナノ孔のうちの１つを参照番号９０９で示す。一実施形態によると、リフロー処理されたペレット９１１の多孔性度は約１パーセントから約７０パーセントの範囲内にある。一実施形態によると、リフロー処理されたペレット９１１の相対密度は約０．１から約０．９の範囲内にある。ここで「相対密度」とは、リフロー処理されたペレット９１１の密度を同一材料から成る中実なハンダと比較することで得られる。一実施形態によると、リフロー処理されたペレット９１１の相対密度は約０．５である。一実施形態によると、発泡ハンダであるリフロー処理されたペレット９１１の相対密度は約０．６である。一実施形態によると、リフロー処理されたペレット９１１の相対密度は約０．７である。一実施形態によると、リフロー処理されたペレット９１１の相対密度は約０．８である。

図１０は、一実施形態に係る、ナノ多孔性ハンダ先駆体の処理を示すフローチャート１０００である。

工程１０１０において、ナノハンダ先駆体と発泡剤を混合する。

工程１０２０において、ナノハンダ先駆体と発泡剤を圧縮して発泡ハンダ先駆体を形成する。

工程１０３０において、ナノハンダ先駆体を実装基板およびダイのうちどちらかに載置する。

工程１０４０において、ナノハンダ先駆体を膨張させてナノ多孔性ハンダを得る。

図１１は、一実施形態に係るコンピュータシステム１１００を示す立面射視図である。上述した実施形態に係る発泡ハンダバンプ、発泡ハンダ延伸パッドもしくはナノ多孔性ハンダ球のうち１以上を、図１１に示したコンピュータシステム１１００のようなコンピュータシステムで利用するとしてもよい。以下では、発泡ハンダバンプ、発泡ハンダ延伸パッドもしくはナノ多孔性ハンダ球の実施形態のいずれも、単独もしくは他の実施形態と組み合わせて、実施形態に係る構造と呼ぶ。

コンピュータシステム１１００は、パッケージ１１１０に収納されている少なくとも１つのプロセッサ（不図示）、データ格納システム１１１２、キーボード１１１４といった少なくとも１つの入力装置、およびモニタ１１１６のような少なくとも１つの出力装置等を備える。コンピュータシステム１１００はデータ信号を処理するプロセッサを有し、例えば、インテル・コーポレーション社製のマイクロプロセッサを利用するとしてもよい。キーボード１１１４以外にも、コンピュータシステム１１００は例えば、マウス１１１８のようなユーザ入力装置を備えるとしてもよい。

本発明を開示することを目的として、特許請求の範囲の主題に応じた構成要素を実現するコンピュータシステム１１００は、マイクロ電子デバイスシステムを利用したシステムを含むとしてもよい。該マイクロ電子デバイスシステムは例えば、発泡ハンダバンプ、発泡ハンダ延伸パッドもしくはナノ多孔性ハンダ球の実施形態のうち少なくとも１つを含むとしてもよい。該実施形態のうち少なくとも１つは、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）、ポリマーメモリ、フラッシュメモリ、および相変化メモリなどのデータ格納装置に接合されている。本実施形態によると、上記実施形態はプロセッサに接合されることによってこれらの機能のどの組み合わせにも接続される。しかし一実施形態によると、本明細書に開示されている実施形態に係る構造はこれらの機能のいずれにも接合される。例えば一実施形態によると、データ格納装置はダイに設けられた埋め込みＤＲＡＭキャッシュを含む。また一実施形態によると、プロセッサ（不図示）に接合された実施形態に係る構造は、ＤＲＡＭキャッシュであるデータ格納装置へと接合された実施形態に係る構造を有するシステムの一部である。また一実施形態によると、実施形態に係る構造はデータ格納装置１１１２に接合されている。

一実施形態によると、コンピュータシステム１１００はまた、デジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはマイクロプロセッサを含むダイを備えるとしてもよい。この実施形態によると、実施形態に係る構造は、プロセッサに接合されることによって、これらの機能の任意の組み合わせに接合されている。一実施形態例によると、ＤＳＰ（不図示）はチップセットの一部で、該チップセットは、独立したプロセッサおよび該ＤＳＰを別々の構成要素としてボード１１２０に有するとしてもよい。本実施形態によると、ある実施形態に係る構造がＤＳＰに接合され、別の実施形態に係る構造がプロセッサに接合される形でパッケージ１１１０内に含まれるとしてもよい。また一実施形態によると、実施形態に係る構造はパッケージ１１１０と同じくボード１１２０に実装されているＤＳＰに接合される。本明細書に開示された発泡ハンダバンプ、発泡ハンダ延伸パッドもしくはナノ多孔性ハンダ球の様々な実施形態およびその均等物に基づいて説明された実施形態に係る構造と共に、実施形態に係る構造はコンピュータシステム１１００に対して上述したように組み合わせられると理解されたい。

図１２は、一実施形態に係るコンピュータシステムを示す概略図である。図示された電子システム１２００は、図１１に示したコンピュータシステム１１００を実施したものとしてもよいが、図１２に示す当該電子システムはより一般的な例を示すとする。電子システム１２００には、図３から図５に示したようなＩＣパッケージである電子アセンブリ１２１０が少なくとも１つ組み込まれている。一実施形態によると、電子システム１２００は、該電子システム１２００の様々な構成要素を電気的に接続するシステムバス１２２０を有するコンピュータシステムである。実施形態によっては、システムバス１２２０は１つのバスとしてもよいし、複数のバスを組み合わせたものとしてもよい。電子システム１２００は、集積回路１２１０に電力を供給する電圧源１２３０を有する。実施形態によっては、電圧源１２３０はシステムバス１２２０を介して集積回路１２１０へと電流を供給する。

一実施形態に係る集積回路１２１０は、システムバス１２２０に電気的に接続され、単一の回路または複数の回路の組み合わせを含む。一実施形態によると、集積回路１２１０は任意の種類のプロセッサ１２１２を有する。本明細書で言及される場合、プロセッサ１２１２はどのような種類の回路を意味してもよく、例えば以下に限定されないが、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、グラフィクスプロセッサ、デジタル・シグナル・プロセッサなどのプロセッサであってもよい。このほかに集積回路１２１０に組み込まれ得る回路の種類としては、カスタム回路もしくはＡＳＩＣがあり、一例を挙げると、携帯電話、ポケットベル、携帯用コンピュータ、送受信可能ラジオなどの電子システムである無線デバイスで利用される通信回路２１４を組み込むとしてもよい。一実施形態によると、プロセッサ１２１０はＳＲＡＭなどのオンダイメモリ１２１６を有する。一実施形態によると、プロセッサ１２１０はｅＤＲＡＭなどのオンダイメモリ１２１６を含む。

一実施形態によると、電子システム１２００はさらに外部メモリ１２４０を含む。外部メモリ１２４０は、特定のアプリケーションに適したメモリ素子を１以上含むとしてもよい。該メモリ素子の例を挙げると、ＲＡＭであるメインメモリ１２４２、１以上のハードドライブ１２４４、および／または取外し可能な媒体１２４６を取り扱う１以上のドライブがある。取外し可能な媒体１２４６は、ディスケット、コンパクト・ディスク（ＣＤ）、デジタル・ビデオ・ディスク（ＤＶＤ）、フラッシュ・メモリ・キーなどの公知の取外し可能媒体である。

一実施形態によると、電子システム１２００はさらに表示デバイス１２５０および音声出力部１２６０を備える。一実施形態によると、電子システム１２００はコントローラ１２７０を有する。コントローラ１２７０は、キーボード、マウス、トラックボール、ゲームコントローラ、マイクロフォン、音声認識装置などの電子システム１２００に情報を入力するデバイスである。

本明細書に記載するように、集積回路１２１０は複数の異なる実施形態において実装されるとしてもよい。実施形態の例を挙げると、電子パッケージ、電子システム、コンピュータシステム、１以上の集積回路製造方法、１以上の電子アセンブリ製造方法などがあり、電子アセンブリは当該集積回路と、本明細書に記載する様々な実施形態に係る発泡ハンダおよびその均等物を有する。素子、材料、形状、寸法、および動作順序は特定のパッケージングの要件を満たすべく変更されるとしてもよい。

本明細書に記載した実施形態に係る発泡ハンダは、従来のコンピュータ以外のデバイスや装置に応用され得ることは明らかである。例えば、ダイのパッケージングを実施形態に係る構造を用いて行い、無線通信機、もしくは携帯情報端末（ＰＤＡ）などの手持ちデバイスなどのポータブル・デバイス内にパッケージング済みのダイを設けるとしてもよい。他の例を挙げると、ダイのパッケージングを実施形態に係る構造を用いて行い、自動車、機関車、船舶、飛行機、宇宙船などの車両にパッケージング済みのダイを設けるとしても良い。

米国特許法施行規則§１．７２（ｂ）は技術内容の本質および要点を簡潔に伝えることを目的として要約を記載するよう求めており、その要件を遵守するべく要約を記載する。要約は特許請求の範囲の意味を解釈または限定するべく利用されないという理解の下、要約を記載する。

上述した「発明を実施するための最良の形態」では、記載を簡潔にすることを目的として、複数の様々な特徴を１つの実施形態にまとめている。このような開示方法は、保護を請求する本発明の実施形態は各請求項に明示されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものと解釈されるべきではない。むしろ本明細書に添付の請求の範囲が反映しているのは、開示された各実施形態が有するすべての特徴よりも少ない特徴に、発明の主題は存在するという理解である。このため、本明細書に添付の請求の範囲は「発明を実施するための最良の形態」に組み込まれ、請求項はそれぞれが別々の好ましい実施形態として独立している。

本発明の本質を説明するべく記載および図示されている構成要素および方法の工程の詳細な内容、材料および配置は、本明細書に添付する請求項に記載される発明の原理および範囲を超えることなく、上記以外の方法でも変更され得ることは当業者には明らかであると理解されたい。

Claims (8)

1. 銅ベースのハンダ、ニッケルベースのハンダ、錫ベースのハンダ、インジウムベースのハンダ、鉛ベースのハンダおよびこれらの複数の組み合わせの中から選択される金属から成る発泡ハンダコアと、
   当該発泡ハンダコアが配設される基板と
   前記基板に配設され、前記発泡ハンダコアと接しており、平均粒径が約２０マイクロメートルである中間ハンダ層と、
   前記基板の一部として形成され、前記中間ハンダ層と接しており、細長い円柱形状という特徴を持つ粒子形態を有する接合パッドと
   を備える製品。
2. 前記発泡ハンダコアの材料は、流体通過多孔性が実質的に閉じているセル状発泡および流体通過多孔性が実質的に開いている網状発泡の中から選択される
   請求項１に記載の製品。
3. 前記発泡ハンダは形状記憶合金を含む
   請求項１または２に記載の製品。
4. 当該中間ハンダ層は前記発泡ハンダコアよりも密度が高い
   請求項１から３のいずれか１項に記載の製品。
5. 前記発泡ハンダコアは、前記基板に配設された細長いパッドであり、
   前記基板の一部として形成される接合パッドであって、当該接合パッドは前記パッドと接する
   請求項１から４のいずれか１項に記載の製品。
6. 前記発泡ハンダコアを被覆する、ハンダシェル
   をさらに備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の製品。
7. 前記ハンダシェルは、前記発泡ハンダコアの金属間派生物を含む
   請求項６に記載の製品。
8. 前記中間ハンダ層が含む粒子の寸法が、リフロー前に２ｎｍから５０ｎｍの範囲にある、請求項１から７のいずれか１項に記載の製品。

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