JPH06326155A - ハンダ隆起ボンディングからなる物品製造方法 - Google Patents

ハンダ隆起ボンディングからなる物品製造方法

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JPH06326155A
JPH06326155A JP6087015A JP8701594A JPH06326155A JP H06326155 A JPH06326155 A JP H06326155A JP 6087015 A JP6087015 A JP 6087015A JP 8701594 A JP8701594 A JP 8701594A JP H06326155 A JPH06326155 A JP H06326155A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、1個または複数個のハンダ隆起から
形成されるハンダ隆起または接合を制作する際の精密か
つ正確な高さ制御のための手法に具体化される。 【構成】ハンダ隆起は、基部直径D、高さH及び円錐角
度θを有する円錐形のハンダ本体のリフローにより形成
され、高さh及び切頭直径dを有する先端を切った球形
になる。我々は、円錐形のハンダ本体の高さの変化に対
するハンダ高さの相対的な感度の悪さを示す∂h/∂H
が小さく(典型的には≦0.5)なるように、D、H及
びdを選択することができることを見出した。また、本
発明の方法は、基板にハンダ接合されるコンポーネント
(例えばレーザ)にも適用可能であり、コンポーネント
と基板間の間隔の予め達成できない制御を提供すること
もできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ボンディング技術、特
にハンダ隆起ボンディングに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】例えば
通信やコンピュータ関連分野では、電気的技術と光学的
技術の融合を要することがある。この融合を促進させる
ためには、光ファイバと関連の光電子工学的なコンポー
ネントとのパッケージ化を進めなければならない。光学
的及び光電子工学的モジュールの製造コストは、典型的
に、デバイスのコストよりむしろデバイスのパッケージ
化のコストによるところが大きい。デバイスパッケージ
化の1つの態様は、基板への、例えばデバイス、コンポ
ーネント、アセンブリまたは半導体チップ(総称“コン
ポーネント”)のボンディングである。エレクトロニク
ス産業で広く用いられているボンディングアプローチ
は、フリップチップハンダ隆起手法である。
【0003】ハンダ隆起ボンディングはエレクトロニク
ス産業においてしっかり基礎固めされているが、ほんの
最近このアプローチは光学的及び光電子工学的コンポー
ネントと共に用いられるようになったばかりである。ハ
ンダ隆起ボンディングのこれらの新しい使用法は、典型
的に技術の確立された応用においては重要でない技術の
限界を示した。例えば、光学的及び光電子工学的ボンデ
ィングは、電子的ボンディングにおいて通例になってい
るものよりももっと厳しい整列公差を伴う。後者におい
ては、基板平面における整列が典型的に唯一の関心事で
ある。通常、湿潤可能なパッドが基板上に正確に位置決
めされさえすれば、コンポーネントは正確に位置決めさ
れるだろう。基板に垂直な方向(z方向)の整列は、典
型的に電子的パッケージ化では重要なことではない。し
かしながら、光学的及び/または光電子工学的コンポー
ネントを基板にボンディングする場合は、コンポーネン
トは、基板の平面(x及びy方向)において正確に整列
されるばかりでなく、基板に垂直な方向(z方向)にお
いても正確に整列されることを要することがある。典型
的には、関連のレーザ放射源に対する光導波路の整列が
どの方向にも一様に1μmだけずれている場合は、この
組み合わせの光結合効率は低過ぎて受け入れられない。
【0004】基板に垂直な方向の位置変化が例えば±1
μm以内になるようにコンポーネントを基板にハンダボ
ンディングすることは困難である。したがって、光学的
及び光電子工学的パッケージ化において遭遇する、特に
z方向における厳しい整列要求を満足させることができ
る方法が大いに必要とされ、光学的及び光電子工学的パ
ッケージ化と関連したパッケージ化コストをかなり減ら
し得る。本出願はこのような方法を開示するものであ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板へのコン
ポーネントの改善されたボンディングを提供できる方法
で具体化される。本発明の物品製造方法は、リフロー可
能な材料(以後“ハンダ”と総称する)により第2の本
体(“基板”と呼ぶ)に“コンポーネント”(例えば半
導体レーザのような光電子工学的デバイス)をボンディ
ングすることからなる。本方法は、再凝固したハンダ本
体(ハンダ“隆起”と呼ばれることもある)の高さ
(h)を,該隆起が得られる円錐形状の第1のハンダ本
体の高さ(H)の変化に対して比較的感度を悪くするこ
とができる、関連パラメータ空間における領域が存在す
るという我々の発見に重大な前提がおかれている。この
感度の悪さ(“縮小係数”∂h/∂Hが予め決められた
値以下例えば<0.5の条件で表わされる)は、コンポ
ーネントと基板間の間隔を、典型的に先行技術のハンダ
隆起ボンディング技術で可能なよりももっと精密に制御
する能力に直される。
【0006】より明確には、本方法は、(ハンダで)湿
潤できない第2の材料で囲まれた少なくとも1つの実質
的に円形(直径d)の(ハンダで)湿潤可能な第1の材
料領域(湿潤可能な“足跡”)を有する基板を提供する
ことを含む。この基板上には、前記湿潤可能な足跡に接
する(好適には上に置かれる)ように、実質的に円錐形
(基部直径D、高さH、基部と側壁間の角度θ)の第1
のハンダ本体が形成される。本方法は、さらに、円錐形
の第1のハンダ本体を溶かすことと、溶かされたハンダ
材料を再凝固させて、再凝固したハンダ本体(ハンダ
“隆起”)が生じるようにすることを含む。このハンダ
隆起は、高さh及び切頭直径dを有する、先端を切った
球形状となる。ここで、dは湿潤可能な足跡の直径で決
定される(そして該直径に等しくなる)。重要なのは、
関連パラメータ(D、d、H、h及びθを含む)は、∂
h/∂H≦0.5になるように、好適には<0.3また
は0.1に等しくなるように選択される。ハンダ隆起の
形成後、“コンポーネント”は、ハンダ隆起を溶融する
ことからなる工程で基板に取り付けられる。コンポーネ
ントは、その上に形成される第2のハンダ隆起を持ち得
るかまたは持ち得ない少なくとも1つの湿潤可能な足跡
を有する。第2のハンダ隆起は、前記ハンダ隆起と実質
的に同じように形成される。
【0007】本発明の手法は、典型的に、コンポーネン
トと基板間の厚さを精密に制御したハンダ接合を形成す
るために用いられるだろうが、例として、適切な本体、
例えば1個以上のコンポーネントのための基板として役
立つべきものであるがそれ自体商品であるSiウエハ、上
における高さを精密に制御したハンダ隆起を形成するた
めに用いることもできる。本発明の手法は、Z軸整列に
おける正確さと均一さを提供し、それにより、例として
全部で6つの自由度を制御するための受動的な、レーザ
からファイバまでの整列スキームの能力を拡張する。
【0008】
【実施例】本発明の方法は、いずれかの適切な手法によ
る基板への実質的に円錐形のハンダ本体の形成を含む。
この目下好適な手法は技術上周知であり、基板上の離昇
マスクの開口部(“バイア(via)”)を介するハン
ダの視線堆積を含む。詳細については、例えば、本手法
を概略的に示しているジー・イー・ブロンダー(G.E.Blo
nder) 等の“相互接続方法及び材料”AT&T テクニ
カル ジャーナル1990年11/12月号,第46ペ
ージ,図1A〜図1Cを参照されたい。2は基板、10
はパターンが描かれた離昇マスク、3は(湿潤できな
い)基板2上の湿潤可能な足跡(例えば銅、ニッケル、
銀、金)、4及び5はハンダ堆積であり、堆積4は最終
的に(バイアの部分的または完全な閉塞により)基部直
径D、高さH及び円錐角度θを有する円錐形状の第1の
ハンダ本体7になる。下記の説明は、湿潤可能な足跡3
が円形であると仮定しているが、少なくとも原理的に、
他の形状(例えば楕円形)を用いることもできる。第1
のハンダ本体の形状とサイズは、なかんずく離昇マスク
のバイア6により決定される。典型的に、バイア6の側
面は、側壁上に堆積が生じないようにわずかにテーパー
が付けられている。
【0009】図2は模範的な第1のハンダ本体を概略的
に示す。円錐角度θは、堆積隆起を作るために用いられ
る特定の加工装置により決定される。角度θに影響を与
える重要なファクターは、離昇マスクのタイプ及び厚
さ、蒸発装置の入射角度、蒸発するハンダのタイプであ
る。
【0010】第1のハンダ本体の形成後、離昇マスクは
基板から除去され、基板上には第1のハンダ本体が残
る。離昇後、その上に第1のハンダ本体を有する基板は
ハンダ溶融温度以上に短時間加熱され、次いでハンダが
再凝固する。この溶融/再凝固工程は“リフロー(re
−flow)”と呼ばれる。リフローは、円錐形状の第
1のハンダ本体を、湿潤可能な足跡上にのみ位置決めさ
れる先端を切った球形(ハンダ隆起と呼ぶ)に変形させ
る。予言できる形状に合わせるための溶融ハンダの能力
は本発明の方法の重要な見地である。
【0011】図3に示されるハンダ隆起の重要な寸法
は、隆起の高さh(bump)と、足跡直径dと等しい切頭直
径dを含む。
【0012】図2及び3における寸法の定義を参照し
て、第1のハンダ本体の容積は、
【数1】 で与えられ、ハンダ隆起の容積は、
【数2】 で与えられる。
【0013】パラメータθは加工装置の特性であり、ど
んな所定のケースでも定数とみなすことができる。寸法
d及びDはリソグラフィの精密度で制御される。一方、
Hは例えば蒸発速度に依存し、制御するのが比較的難し
い。その結果、典型的にHと関連して常態に復される変
形は、d及びDと関連して常態に復される変形を実質的
に越える。以下、h(bump)及びh(joint) (図4参照)
は共に、文脈から例証として挙げ得る正確な意味で
“h”と呼ぶ。
【0014】ハンダ隆起の形状変化に影響を与える他の
パラメータは、ハンダの圧密係数である。この係数はリ
フロー前後のハンダの極微の密度差を斟酌する。圧密係
数Cは、各加工装置のために実験的に容易に決定でき、
どんな所定のケースでも定数とみなすことができる。円
錐形のハンダ本体の容積は、圧密係数Cによりハンダ隆
起の容積に関係づけられる。すなわち、
【数3】 項を集めると、ハンダ隆起の高さをここで表わすhに関
する一般式は、
【数4】 で与えられる。これは解析的に解くことができる三次方
程式である。
【0015】hの値は、次の通り、パラメータC及びθ
と変数H、D及びdにより決定される。
【数5】 この式に基づき、種々の変数へのhの依存度は計算可能
であり、図に表わすことができる。図9はHへのhの依
存度を示し、我々の発明の重要な態様である思いがけな
い特徴を例示している。
【0016】そこには3つの異なる領域が存在する。す
なわち、低いHでは、hはHに対して立方根の依存度で
立ち上がり、中間のHではHに対して弱く依存し、高い
Hでは再び比較的急勾配に上がる。
【0017】曲線の中間領域は、∂h/∂Hが比較的小
さいパラメータ空間の一部に対応し、思いがけない特徴
と呼ばれる上記のことの見本である。曲線の屈曲点は閉
塞限界と呼ばれ、先端を切った円錐から円錐への成長に
対応し、後続のハンダ堆積はマスク開口部の完全閉鎖に
よって拒まれる。この閉塞限界は、
【数6】 のところで起こる。
【0018】閉塞限界を越えた曲線の第3領域は物理的
なものではなく、純粋に数学的な加工物である。
【0019】本発明の実施例に関してこの曲線の最も重
要な部分は、閉塞限界に至るまでの第2領域にある。H
に対するhの飽和は、ハンダ本体高さHの変化に対して
比較的感度が悪いリフローされた隆起/接合高さhを得
る可能性を表わす。
【0020】“縮小係数”∂h/∂HはHの単位変化あ
たりのhの変化である。例えば、縮小係数0.1は、H
における1μmの誤差はhにおいてわずか0.1μmに
とどまることを意味する。このファクターに注目すれ
ば、設計者はHの変化に対するhの適切な感度レベルを
選択することができる。縮小係数は模範的に以下の手順
を用いて式2から決定される。独立変数の数が以下の新
しい変数
【数7】 を導入することにより3から2に減らされた場合は、式
(5)は、
【数8】 となる。
【数9】 とすれば、
【数10】 となる。
【0021】比H/D及びd/Dは、実質的に一定の高
さを有する隆起を設計するのに必要な全情報を含む。H
/D−d/Dの縮小係数の面プロットは図10に示され
る。同様に、図11はh/Dのプロットを示す。この説
明のため、圧密比Cは典型的に0.98と仮定され、円
錐角度は80度と仮定される。したがって、比H/D及
びd/Dの仕様は、常態に復されたリフローされた隆起
の高さh/Dと同様に縮小係数を独特に決定する。これ
らすなわちアナログ的なプロットから量に関する情報を
得るために、面プロットのうちの垂直または水平断面が
典型的に採用され、それに依存して変数が望ましい主要
な目標になる。例えば、設計目標がH/D=1,2,
3,等である場合は、H/Dのこれらの値に沿った面プ
ロットの垂直断面は、縮小係数対d/Dの2次元プロッ
トの輪郭マップとして表わすことができる。当業者は、
ここに与えられた情報に基づいてこのようなプログラム
を実行することができるだろう。
【0022】以下の説明は、縮小係数及びリフローされ
た高さhが各々0.1乃至0.5の重要な範囲を有する
2つの目標変数であるケースを例示する。水平断面は、
H/D−d/D空間における縮小係数とリフローされた
高さとの輪郭マップを作るために重要な値で面プロット
に作られる。これらの輪郭プロットは図12に示され
る。プロットにおける線は縮小係数と常態に復されたリ
フローされた高さh/Dの一定値輪郭を表わす。例え
ば、目標とされる縮小比が0.1であって、目標とされ
る常態に復されたリフローされた高さが0.3の場合
は、これらの2つの輪郭の交差は1.3のH/D比と
2.25のd/D比を決定する。この点で、設計者は1
つ以上の変数(H、D、dまたはh)を明示することが
でき、この後すべての残りの寸法変数が自動的に決定さ
れるだろう。例えば、Dが100に選ばれると、Hは1
30に、dは225に、hは30になるだろう。
【0023】輪郭プロットは、目標変数と独立変数間の
差を強調し、後者は前者の望ましい値を得るように選択
される。上記の説明では、縮小係数とリフローされた高
さが目標変数であるのに対して、H/Dとd/Dは独立
変数である。
【0024】上記の説明は、実質的に、基板例えば適当
に用意されたシリコンウェハ上の1つのハンダ隆起(ま
たは複数の隆起)に関するものである。我々は、本発明
(すなわち、高さhが設計値の予め達成不可能な狭い範
囲以内にあるハンダ隆起からなる)にしたがうような基
板の商業的利用を見越しているが、それにハンダ接合さ
れたコンポーネント(例えばレーザ)を備えた本発明に
よる基板を含む有効な商業利用を期待している。
【0025】図4は、直径d1 の足跡を有する基板と直
径d2 の足跡を有するコンポーネント間のハンダ隆起を
例示する。図5〜8は、種々の可能性、すなわち、対称
及び非対称の単一隆起形態(それぞれ図5及び6)と二
隆起形態(それぞれ図7及び8)を示す。対称形態によ
り我々はd1 =d2 を表わし、また非対称形態によりd
1 がd2 に等しくないことを表わすつもりである。
【0026】我々は、直径d1 の足跡は“第1の”先端
を切った円錐形状のハンダ本体と関連し、直径d2 の足
跡は“第2の”先端を切った円錐形状のハンダ本体を備
えているとみなす。両先端を切った球(図4参照)の容
積は、
【数11】 で与えられる。この容積は“接合”容積と呼ばれる。接
合容積は、圧密係数Cにより第1及び第2のハンダ本体
の容積と関係づけられる。非対称の二隆起接合の一般的
ケースに関しては、
【数12】 となり、ここで、Vs1及びVs2はそれぞれ第1及び第2
のハンダ本体の容積である。項を集めると、hに関する
一般式は、この場合はh(joint) を表わすが、
【数13】 で与えられる。ここで、下付き文字1及び2は、それぞ
れ第1及び第1のハンダ本体を指す。
【0027】これは解析的に解くことができる三次方程
式である。したがって、接合の最終的な高さについて解
くことができる。式10を使用して、他の寸法による最
終的な接合高さの依存度を計算してプロットすることが
できる。図9は、模範的な対称二隆起接合及び模範的な
非対称単一隆起接合に関するh対Hの変化を示す。
【0028】縮小係数と一方向にリフローされた隆起の
常態に復された高さとに関する輪郭プロットを限定する
ための前記手順は、容易にハンダ接合まで広げることが
できる。例として、規定比d2 /d1 すなわち足跡直径
2 /d1 を有する非対称単一隆起接合形態の場合に
は、ハンダ接合に関する輪郭プロットのだいたいの形状
は、一方向にリフローされた隆起に関する図12に示さ
れるものに似ているが、湿潤可能な足跡直径の比d2
1 にしたがって変化する。図13は、d2 /d1 =2
の場合の比対称な単一隆起接合形態に関する輪郭プロッ
トを示す。どんな望ましいd2 /d1 に関する個々の輪
郭プロットも、当業者が承認するように、式(2)〜
(4)及び(7)を使用して容易に描くことができる。
【0029】これら及び他のここに開示された設計ツー
ルは、特に基板上のコンポーネントの間隔の許容変化に
関して予め達成できない設計仕様を達成することができ
る。典型的には、 h/ H>0.5に関して達成可能
な利点は典型的に商業的に意味あるものになるには小さ
過ぎるだろうから、 h/ Hが0.5以下、好適には
0.3未満か0.1に等しくなる程度に、設計は選択さ
れるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】Aは、視線評価工程を示す。Bは、視線評価工
程を示す。Cは、視線評価工程を示す。
【図2】リフロー前の堆積された先端を切った円錐形状
のハンダ本体を示す。
【図3】リフロー後の堆積されたハンダ本体すなわちハ
ンダ隆起を示す。
【図4】リフロー後の接合された堆積されたハンダ隆起
を示す。
【図5】対称的な単一隆起接合形態を示す。
【図6】非対称的な単一隆起接合形態を示す。
【図7】対称的な二隆起接合形態を示す。
【図8】非対称的な二隆起接合形態を示す。
【図9】堆積されたハンダ高さに対するリフローされた
隆起/接合高さの依存度を示す。
【図10】縮小係数の面プロットである。
【図11】h/Dの面プロットである。
【図12】単一リフロー隆起用の縮小係数及びリフロー
高さh/Dの等高線プロットを示す。
【図13】d2 /d1 =2の場合の非対照的な単一リフ
ロー隆起接合用の縮小係数及びリフロー高さh/Dの等
高線プロットを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チー チェン ウォン アメリカ合衆国 07104 ニュージャーシ ィ,ネワーク,マウント プロスペクト アヴェニュー 515−ナンバー 2エル

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リフロー可能な材料(ハンダと呼ぶ)か
    らなる手段により第2の本体(基板と呼ぶ)に取り付け
    られる第1の本体からなる物品製造方法であって、 a)ハンダで湿潤可能な第1の材料からなる少なくとも
    1つの円形領域であって、実質的にハンダで湿潤できな
    い第2の材料によって囲まれている、半径dを有する円
    形領域からなる主表面を有する基板を用意する工程と、 b)直径Dの基部と、側壁と、円錐形の高さHと、前記
    基部と前記側壁との間の角度θ(円錐角度と呼ぶ)とか
    らなる前記ハンダ本体と関連した実質的に円錐形のハン
    ダ本体を、前記第1の材料領域上に形成する工程と、 c)前記円錐形のハンダ本体を溶融せしめて溶融した材
    料を形成する工程と、 d)前記溶融した材料を再凝固させて、高さh及び切頭
    の直径dを備えた、先端を切った球形状を有する再凝固
    されたハンダ本体(第1のハンダ隆起と呼ぶ)を生じさ
    せる工程と、 e)前記ハンダ隆起を溶融することを含む工程により第
    1の本体を基板に取り付ける工程とからなる方法におい
    て、 f)H、D、d及びθは、縮小係数∂h/∂Hが0.5
    以下になるように選択されることを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の方法において、離昇マス
    クの穴を介する視線堆積からなる工程により前記円錐形
    のハンダ本体を形成する工程を含む方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の方法において、前記第1
    の本体は、ハンダで湿潤可能な材料からなる直径d2
    少なくとも1つの円形領域からなる方法。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の方法において、さらに、 a)直径D′の基部と、側壁と、円錐の高さH′と、前
    記基部と前記側壁との間の円錐角度θ′とを有する第2
    の円錐形のハンダ本体の円形領域を、前記第1の本体の
    円形領域上に形成する工程と、 b)前記第2の円錐形のハンダ本体を溶融せしめて溶融
    した材料を形成する工程と、 c)前記溶融した材料を再凝固させて、高さh′及び切
    頭の直径d′を備えた、先端を切った球形を有する第2
    の再凝固されたハンダ本体(第2のハンダ隆起と呼ぶ)
    を生じさせる工程とからなり、 d)H′、D′、d′及びθ′は、縮小係数∂h′/∂
    H′が0.5以下になるように選択されることを特徴と
    する方法。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の方法において、第1の本
    体を基板に取り付ける工程は、 a)前記第1のハンダ隆起を前記第2のハンダ隆起に接
    しさせる工程と、 b)前記第1及び第2のハンダ隆起を溶融する工程と、 c)溶融したハンダを凝固させる工程とからなる方法。
  6. 【請求項6】 請求項3記載の方法において、第1の本
    体を基板に取り付ける工程は、 a)前記第1のハンダ隆起を前記第1の本体の円形領域
    に接しさせる工程と、 b)前記第1のハンダ隆起を溶融する工程と、 c)溶融したハンダを凝固させる工程とからなる方法。
  7. 【請求項7】 請求項1記載の方法において、第1の本
    体は半導体レーザである方法。
  8. 【請求項8】 その上にハンダ隆起を備えた基板からな
    る物品製造方法であって、 a)ハンダで湿潤可能な第1の材料の少なくとも1つの
    円形領域であって、実質的にハンダで湿潤できない第2
    の材料によって囲まれている、半径dを有する円形領域
    からなる主表面を有する基板を用意する工程と、 b)直径Dの基部と、側壁と、円錐形の高さHと、前記
    基部と前記側壁との間の角度θとからなる実質的に円錐
    形のハンダ本体を、前記第1の材料領域上に形成する工
    程と、 c)前記円錐形のハンダ本体を溶融せしめて溶融した材
    料を形成する工程と、 d)前記溶融した材料を再凝固させて、高さh及び切頭
    の直径dを備えた、先端を切った球形を有するハンダ隆
    起を生じさせる工程とからなる方法において、 e)H、D、d及びθは、縮小係数∂h/∂Hが0.5
    以下になるように選択されることを特徴とする方法。
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