JPH02285651A

JPH02285651A - デバイスの製造方法

Info

Publication number: JPH02285651A
Application number: JP6286490A
Authority: JP
Inventors: Thomas Kureichi Richard; リチャード　トーマス　クレイチ; Nicolaus Poly Gary; ゲリー　ニコラス　ポーリ
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1990-03-15
Publication date: 1990-11-22
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPH0682710B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は電子デバイスに関する。更に詳細には、本発明
はりフローの必要なハンダ接続を用いる電子デバイスに
関する。

［従来の技術］リフローの必要なハンダ接続（例えば、熱圧着）はプリ
ント回路板のような電子デバイスの製造に広く使用され
ている。第１の物体と第２の物体とを熱圧着電気接続さ
せるために、各物体のハンダ領域を位置合わせし、圧縮
力をかけてこれらの位置合わせ領域を一体化させる。こ
れらについては、１９８８　年５　月にロスアンジェル
スで開催された、熱圧着接続で使用される代表的条件に
関する、電子部品会議におけるエム・ケー・ベルツチャ
ソト（Ｍ　、Ｋ　、Ｂｅｒｔｓｃｈａｔ　）の論文に説
明されている。例えば、電気入力端および出力端に７・
ンダ領域を有する一連の電子デバイスを、相互接続基板
（例えば、相互接続金属パターンを有する基板）上のハ
ンダ領域を末端とする対応する電気結線と位置合わせす
る。圧縮力を加え、位置合わせした／％ンダ領域を一体
化させる。

圧縮により電気的接続および物理的接続が形成されるが
、この接触は弱すぎるので、有用なレベルの導電性を得
るには不十分である。適正な電気抵抗および適正な物理
的接着を形成するには、ハンダ領域をリフローさせなけ
ればならない。すなわち、固形化学フラックスの存在下
で適当な温度にまで加熱し、２つのハンダ領域を軟化し
、融合させる。この結果、２つのノ１ング領域の間の境
界は４００倍の光学顕微鏡では視認できない。極高温は
接続される物体に悪影響を及ぼすので、極高温における
リフローは避けなければならない。接続される物体に悪
影響を及ぼさない温度で好適な結果を確実に得るには、
フラックスが必要である。

［発明が解決しようとする課題］固形化学フラックスは一般的に有効であるが、ある種の
用途においてこれらのフラックスを使用することは極め
て望ましくない場合もある。米国特許第［３４５１１Ｂ
号明細占に開示されているように、レーザと基板との間
でインジウムハンダ相互接続を形成するのに、リフロー
温度で沸騰するフラックスを使用すると、（１）腐食性
残留物が放出される；（２）インジウムの小滴が形成さ
れ、電気的な短絡を起こす；（３）気孔が形成される；
および（４）応力のかかった接合が形成される。フラッ
クスの゛沸騰に伴うこれらの問題を避けるために、前記
米国特許第４Ｅ３４５１１Ｅｆ弓の発明は、水素および
一酸化炭素雰囲気を用いた無フラックス？犬によりリフ
ローを起こさせる。

［課題を解決するための１段］電子デバイスを基板に密接して接続させるような用途で
は、フラックスの沸騰に伴う問題の他に、別の問題も発
生ずることが発見された。特に、基板の主要面とデバイ
スの主要面とが１０ミル未満の間隔で密接している場合
、フラックスは信頼性の高い構造物を形成しない。この
ような状態はガス状還元性雰囲気を使用することにより
補正される。例えば、共融混合物の鉛／スズハンダの場
合、リフローは一般的に、２５０〜３００℃の範囲内の
温度で行われる。本発明の代表的な用途はスズ系ハンダ
を用いて集積回路を基板（例えば、シリコン基板）に圧
縮結合させ、これらの集積回路（アドバンストＶＬＳＩ
パッケージング（ＡＶＰ）と呼ばれる構造のもの）簡に
電気的相互接続を形成することである。ＡＶＰで出くわ
す用途のような注文の厳しい用途であっても、本発明の
方法を用いることにより優れた電気導電性と物理的接着
が達成される。１００μｍ×１１００Ｉ１のハンダ領域
の場合、　・船釣に、５μΩ未満の電気抵抗と、通常、
０．０９ポンド／ハンダ領域よりも高い物理的接着力を
１１１ることかできる。

［実施例］以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

本発明は通常、スズ系ハンダ領域に密接する物体間の無
フラツクスリフロー接続に適用可能であるか、教育１′
、の理由により、ハンダ圧縮接続のりフローに置き換え
て説明する。（本明細Ｊ）、で使用されるような“密接
”とは、第２の物体のハンダ領域と結合を形成するのに
使用される、第１の物体上の少なくとも　一つのハンダ
領域が第１の物体の表面により包囲されており、この包
囲領域が第２の物体の主要面の１（１９以内にまで近接
しているときに生しる状態である。）固形化学フラック
スを使用することなくリフローを起こさせるのに還元性
雰囲気が使用される。使用される特定の還元性雰囲気は
結合されるハンダ材料の組成およびリフロー温度により
変化する。例えば、共融混合物の鉛／スズ組成物の場合
、水素は無効果であるが、　酸化炭素はデバイス適合温
度において特に好適であることが発見された。５／９５
スズ／鉛ハノダのようなその他の組成物の場合、水素の
ような還元性雰囲気も同宿に使用できる。

動力学よりも熱力学的ファクタが特定の還元性雰囲気の
適切性を決定するものと思われる。従って、例えば、米
国フロリダ州のポカレイトン（Ｂｏｃａ　Ｒａｔｏｎ）
に所在のシーアールシー（ｃＲＣ）出版社から発打され
ている“化学および物理ハンドブック”に記載されてい
るような容易に入子できる熱力学データから容易に決定
できるように、ハンダ材料の表面酸化物（例えば、鉛／
スズ組成物の酸化スズ）の還元は適当な温度で一酸化炭
素により行うほうか、熱力学的に好都合である。これに
対し、共融混合物のスズ／鉛ハンダにおけるスズ酸化物
の水素のような還元剤による還元は使用可能な温度にお
いて熱力学的に都合よく行うことはできない。従って、
避けなければならない。（表面酸化物だけか関係する。

例えば、スズ／鉛共融混合物では、スズが表面に優先的
に拡散するので、表面の鉛酸化物は殆ど存在しない。）
特定のハンダ組成物について好適な還元剤は、特定のハ
ンダ組成物にイ・１随する金属酸化物から還元性ガスの
存在ドにおける元素金属までの反応の熱力学自由エネル
ギーを計算することにより決定される。（使用されるリ
フロー温度における）負の自由エネルギーは還元性雰囲
気が好適であることを示す。

リフロー温度、このリフロー中に存在する還元剤の圧力
および処理時間は全て、リフローにより形成される結合
の品質に影響を及ぼす。特定の／％ンダ材料および還元
剤に関する最適な条件は対厨サンプルを使用し容易に決
定される。しかし、ある種の一般的なパラメーター範囲
は、前記のような決定用の出発点としてイイ用であり、
都合よく使用されることが発見された。一般的に、電子
デバイスは３５０℃以下のりフロー温度に耐える。スズ
系共融混合物合金のようなノ１ンダ材料の場合、優れた
りフロー結果は２５０〜３００℃１好ましくは、２５０
〜２７０℃の範囲内の温度について得られる。２５０℃
未満の温度は　般的に、不完全なりフローを起こし、　
・方、３００℃超の温度はハンダと隣接金属との間で金
属間拡散を起こし、脆化結合を生しやすい。

般的に、１００〜２００　Ｔｏｒｒの範囲内の分圧を有
し、流量が０．１〜１ヌ／分の還元剤が好適であること
が発見された。０．１λ／分未満の流量および１００　
Ｔｏｒｒ未満の分圧は一般的に、不完全なりフローを起
こす。（追加のガスか還元を妨げなければ、還元剤を混
合したり、あるいは、還元剤を別のガスと導入すること
もできる。好ましくは、このような混合物中の還元剤の
分圧は前記のレベルに維持しなければならない。）１λ
／分超の流量および２００　Ｔｏｒｒ超の分圧の場合、
制御が困難になるという不都合な問題が生しる。接着お
よび電気特性の効果は圧力よりも温度に著しく影響され
るので、圧力に関しては大幅な柔軟性が得られる。

密接物体をリフロー温度にする方法も重要である。一般
的に、冷却に伴うような大幅な温度勾配は望ましくない
。リフロー処理を受ける物体をリフロー温度にまでコン
トロールしながら加熱し、そして、リフロー後、比較的
ゆっくりと冷却することが望ましい。　・般的に、５℃
／分未満の温度勾配か使用される。前記リフロー温度ま
たはこれ以上の温度で適正な結合を形成するのに必要な
時間は結合されるハンダ領域の大きさにより変化する。

例えば、０．５Ｘ１０−８〜ｌＸｌ０−”ｃｍ３の範囲
内のハンダ容量の場合、最高リフロー温度で１〜５分間
の範囲内の処理時間が使用される。

５分間よりも長い処理時間は特性を更に向」二させるこ
ともないし、また、１分間未満の処理時間では一般的に
、達成可能な特性の劣化をきたす。

般的に、第１図に示されるような温度プロファイルが使
用される。例えば、チップまたは基板ホルダーを介して
導入される超音波をノ１ンダに当てることにより、必要
なりフロー時間を短縮することができる。

実際の操作では、リフロー処理は一般的に、結合すべき
物体を真空チャンバに導入し、そして、例えば、３０Ｔ
ｏｒｒ未溝の圧力にまでチャンバをυ１気する。次いで
、例えば、５０〜７０℃の温度で、アルゴンのような不
活性ガスでパージすることにより、存在する全ての水分
を除去することが好ましい。その後、チャンバを再び排
気することにより水分を更に除去し、そして、最後に使
用される還元性ガスを詰め戻しすることにより事後的な
汚染を避ける。次いで、この詰め戻しガスを除去し、そ
して、リフロー中に必要な流量およびガス圧を確立させ
る。

チップと導電性基板との間のりフロー前のハンダ接続の
代表的な形状を第２図に示す。領域２１および１１はそ
れぞれ、基板とチップとの銅相互接続を示す。（明確化
のために、これらの領域を接続する金属パッドおよびラ
ンナーは図示されていな１）。）銅領域の隣は、銅の腐
食を防止するのに使用される材料の領域である。耐蝕性
領域２０および１０は−・般的に、ニッケルのような金
属から形成されている。この領域を形成するのに、メツ
キ被着のような常用の技術が使用される。領域１５およ
び１２は耐蝕性領域と領域２７および２５との簡に適正
な接着力を付り、するために形成されている。領域２７
および２５は、それぞれ基板またはチップを介するハン
ダと銅パッドとの間の相互接続部分を埋める金属導体の
大部分を形成する。これらの接着領域１５および１２は
、チタン銅−チタンの、比較的薄い膜（すなわち、例え
ば、それぞれ約５００．２５００および５００＝の膜厚
を有する膜）を連続的に被着することにより形成するこ
とが好ましい。接着層はスパッタ蒸着法のような技術に
より形成することが好ましい。

その後、充填領域２７および２５を、銅のような電気的
に導電性の金属を電着することにより形成することが好
ましい。次いで、領域３０および４０を形成し、ハンダ
による金属の比較的良好な濡れ性を確保する。例えば、
ロジウムのような金属を使用し、そして、電気メツキの
ような慣用技術により形成する。その後、ハンダ領域７
および５を電気メツキのような慣用技術により形成する
。

リフロー後のこの構造体を第３図に示す。リフローされ
たハンダ領域は符号３５で示されている。

本発明で使用される好適な条件を下記の具体例により例
証する。

光ｉ性上直径か約１２インチで高さが約４５インチの真空チャン
バを使用した。サンプルホルダーにはサンプルを３００
℃にまで加熱できるテンプトロニックサーフルチャソク
（Ｔｅｍｐｔｒｏｎｉｃ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｃｈｕｃｋ
）を使用した。サーマルチャックの温度は熱電対フィー
ドバンク回路によりコントロールした。スロットルバル
ブを使用し、処理中の還元性ガス圧力を調節した。熱電
対ゲージを使用し、チャンバと真空ポンプの圧力をモニ
ターした。高純度（９９゜９％）ガスを使用した。チャ
ンバはガス導入口を２個有し、一つは一酸化炭素供給源
に接続され、もう一つはガス選択スイッチを介して窒素
およびアルゴン供給源に分配されていた。これらの各ラ
インを通って流れるガスは、較正計量バルブおよび流量
計により調節した。ＵＴＩモデル１００Ｃの精密質量分
析剖を真空チャンバポートに取付け、ガス組成をモニタ
ーした。サンプルホルダーは、ヒータ（二枚の雲母絶縁
体の簡に挟持された平坦なニクロムリボン）と冷却ユニ
ット（エチレングリコール冷媒を使用する小型コンプレ
ッサー）を具備していた。この加熱ユニットと冷却ユニ
、トの組み合わせを用いる温度再現Ｐ１はサンプルホル
ダーの全域で処理中を通して１℃および１．５℃てあっ
た。

熱蒸着により銅基板に鉛を９μＩｎとスズを２１μｂした。各サンプルをサンプルホルダーに導入した。

チャンバを３０　ｍＴｏｒｒ未満にまで（）１気し、そ
して、サンプルをアルゴンでパージ（ガス流量：０．５
ヌ／分およびガス圧カニ　１５０　ｍＴｏｒｒ）　Ｌな
から７０℃で１分間Ｙ・熱した。このチャンバを再び３
０　ｍＴｏｒｒにまてυト気した。その後、真空ポンプ
をチャンバから分離し、そして、このチャンバに一酸化
炭素を１５０Ｔｏｒｒの圧力まで詰め戻し、その簡に、
サンプルを７０℃から所望のりフロー温度にまで加熱し
、次いで、室温にまで戻した。その後、チャンバから　
酸化炭素をＩＪＩ気し、そして、サンプルを取り出した
。

使用した正確な熱サイクルを第１図に示す。３個のサン
プルは２３０℃の数人温度てリフローし、３個のサンプ
ルは２５０℃の温度でリフローし、３個のサンプルは２
７０℃の温度でリフローした。

サンプルを１８３℃（この温度は６０％スズ／４０％ハ
ンダがリフローし始める温度である）以［１の温度に維
持した時間は全てのサンプルとも４分間であった。対照
として、９個のサンプルを対応する温度で空気中でリフ
ローした。空気中で処理したサンプルは全一ご不適格で
あった。サンプルを横に切断した。ＣＯ中でリフローし
たサンプルは均質な共融混合物の形態学的特性を示した
。

Ｌ厩叶Ｚ実施例１の方法を使用した。ただし、リフローすべき物
体は熱蒸着ハンダ被覆パッドを有するウエスタンエレク
トソリク（Ｗｅｓｔｅｒｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）３２１
００千ツブを具備していた。このパッドは波形ハンダ基
板バッドに圧着されていた。６個のサンプルを実施例１
に述べたように処理し、２個は２３０℃，２個は２５０
℃１また、２個は２７０℃でリフローした。サンプルを
横に切断し、そして、光学顕微鏡および走査型電子顕微
鏡て検査した。

それぞれ行われたりフローで最良の結果は２７０℃の温
度で得られた。

支社匠走実施例２の方法を使用した。ただし、２３０゜２５０お
よび２７０″Ｃの各温度における処理時間を３分間から
２３０分間の範囲内で変化させた。

得られたサンプルを検査したところ、２３０℃ではりフ
ローか不完全てあり、２５０℃ではりフローは完全であ
るが、表面不整により若Ｔの応力の存在が示された。ま
た、２７０℃で３分間処理したサンプルは応力は減少し
たが、また着工の表面不整が残っていた。残りのサンプ
ルは優れたりフロー特性を示した。

［発明の効果］以−１，説明したように、本発明の方法によれば、フラ
ックスを使用しなくても、優れたりフロー特性が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用されるリフロー処理時間とりフロ
ー２品度との関係を示す特性図であり、第２図は本発明
の方法により接合される物体の一例の部分概要断面図で
あり、第３図は本発明の方法により接合された第２図の
物体の部分概要断面図である。出願人：アメリカン　テレフォン　アンドテレグラフカムノぐニーＦＩＧ。ＦＩＧ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）（ａ）第１の物体と第２の物体を密接させて密接
物体の接続構造体を形成し、前記接続は前記各物体上の
スズ含有ハンダの領域を介して為されており；そして、
（ｂ）前記領域を加熱して前記ハンダをリフローさせ、
前記リフローはガスの存在下で行われ、前記ガスは前記
ハンダ領域中に存在する金属酸化物の化学的還元を前記
リフロー処理中に生起する；工程からなるデバイスの製
造方法。
（２）前記ハンダは鉛とスズの組成物である請求項１記
載のデバイスの製造方法。
（３）前記ガスは一酸化炭素である請求項１記載のデバ
イスの製造方法。
（４）前記加熱は前記物体に２５０〜２８０℃の温度を
かけることからなる請求項１記載のデバイスの製造方法
。
（５）前記デバイスは基板に電気的に相互接続された集
積回路である請求項１記載のデバイスの製造方法。
（６）前記基板はシリコンである請求項５記載のデバイ
スの製造方法。
（７）前記第１の物体の前記領域のうちの一つは前記第
２の物体の前記領域に圧着されることからなる請求項１
記載のデバイスの製造方法。
（８）リフロー処理中に、前記領域に超音波をあてるこ
とからなる請求項１記載のデバイスの製造方法。
（９）（ａ）複数個のスズ含有ハンダ領域を介して前記
デバイスと前記基板との間で電気的接続を形成し；（ｂ
）前記基板と前記デバイスの主要面の間隔は１０ミル未
満であり；そして、（ｃ）ハンダ領域間でリフローを起
こさせるのに好適なフラックスがほぼ完全に存在しない
；ことを特徴とする、複数個の電子デバイスと、前記デ
バイス簡に電気的相互接続を形成する基板とからなる物
体。
（１０）前記ハンダは鉛とスズの組成物である請求項９
記載の物体。
（１１）前記デバイスは集積回路である請求項９記載の
物体。
（１２）前記基板はシリコンである請求項１１記載の物
体。
（１３）前記基板はシリコンである請求項９記載の物体
。