JPH0682710B2 - デバイスの製造方法 - Google Patents

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
はリ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・ベルツチャット(M.
K.Bertschat)の論文に説明されている。例えば、電気入
力端よび出力端にハ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
ハ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つのハンダ領域の間の境
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4645116号明細
書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4645116号の発明は、水素および一酸化炭素雰
囲気を用いた無フラックス法によりリフローを起こさせ
る。

［課題を解決するための手段］ 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
生す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）間に電気的相互接
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×100μｍのハンダ領域の場合、一般的に、５μ
Ω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得ることができる。

［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
フラックスリフロー接続に適用可能であるが、教育上の
理由により、ハンダ圧縮接続のリフローに置き換えて説
明する。（本明細書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10ミル以内にまで近接しているとき
に生じる状態である。）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、一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／鉛ハンダの
ようなその他の組成物の場合、水素のような還元性雰囲
気も同等に使用できる。

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
国フロリダ州のボカレイトン(Boca Raton)に所在のシー
アールシー(CRC)出版社から発行されている“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
手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
が、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。（表面酸化物だけが関係する。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付随
する金属酸化物から還元性ガスの存在下における元素金
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。（作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。特定のハンダ材料および還元剤
に関する最適な条件は対照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有用であり、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℃以下のリフロー温度に耐える。スズ系共
融混合物合金のようなハンダ材料の場合、優れたリフロ
ー結果は250〜300℃、好ましくは、250〜270℃の範囲内
の温度について得られる。250℃未満の温度は一般的
に、不完全なリフローを起こし、一方、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
結合を生じやすい。

一般的に、100〜200Torrの範囲内の分圧を有し、流量が
0.1〜１／分の還元剤が好適であることが発見され
た。0.1／分未満の流量および100Torr未満の分圧は一
般的に、不完全なリフローを起こす。（追加のガスが還
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。）１／分超の流量および200T
orr超の分圧の場合、制御が困難になる制御が困難にな
るという不都合な問題が生じる。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。一般的に、５℃
／分未満の温度勾配が使用される。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、0.5×10^-6〜１×10^-6cm³の範囲内のハンダ容量
の場合、最高リフローの温度で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
を更に向上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。
一般的に、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ハンダに当てることにより、必要
なリ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、30Torr
未満の圧力にまでチャンバを排気する。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リ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い。）銅領域の隣は、銅の腐蝕を防
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は一般的に、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、メッキ被着のよう
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との間に適正な接着力を付与するた
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、電気メッ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
ッ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。

実施例１ 直径が約12インチで高さが約４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マルチャック(Tempt
ronic 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ッ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
精密質量分析計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
の雲母絶縁体の間に狭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
と冷却ユニットの組み合わせを用いる温度再現性はサン
プルホルダーの全域で処理中を通して１℃および1.5℃
であった。

熱蒸着により銅基板に鉛を９μｍとスズを21μｍ蒸着す
ることにより18個のサンプルを作製した。各サンプルを
サンプルホルダーに導入した。チャンバを30mTorr未満
にまで排気し、そして、サンプルをアルゴンでパージ
（ガス流量:0.5l/分およびガス圧力:150mTorr）しなが
ら70℃で１分間予熱した。このチャンバを再び30mTorr
にまで排気した。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、その間に、サンプルを70℃から所望
のリ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、チャンバから一酸化炭素を排気し、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℃の最大温度でリフローし、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270℃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
上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
て不適格であった。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。

実施例２ 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
トッリク(Western Electric)32100チップを具備してい
た。このパッドは波形ハンダ基板パ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℃、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で検査した。それぞれ行われた
リフローで最良の結果は270℃の温度で得られた。

実施例３ 実施例２の方法を使用した。ただし、230,250および270
℃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℃ではリフローが不完全であり、250℃ではリフ
ローは完全であるが、表面不整により若干の応力の存在
が示された。また、270℃３分間処理したサンプルは応
力は減少したが、まだ若干の表面不整が残っていた。残
りのサンプルは優れたリフロー特性を示した。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の方法によれば、フラック
スを使用しなくても、優れたリ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リフロ
ー温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。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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なされており、 （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、 工程からなることを特徴とするデバイスの製造方法。
2. 【請求項２】前記ハンダは、鉛とスズの組成物である ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】前記ガスは、一酸化炭素である ことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】前記加熱は、前記物体に250〜280℃の温度
   をかける ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 【請求項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 ことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 【請求項６】前記基板は、シリコンである ことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 【請求項７】リフロー処理中に、前記領域に超音波をあ
   てる ことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 【請求項８】（ａ）複数個のスズ含有ハンダ領域を介し
   てデバイスと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、 （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
   イス間に電気的相互接続を形成する基板とからなる物
   体。
9. 【請求項９】前記ハンダは、鉛とスズの組成物である ことを特徴とする請求項８記載の物体。
10. 【請求項１０】前記デバイスは、集積回路である ことを特徴とする請求項８記載の物体。
11. 【請求項１１】前記基板は、シリコンである ことを特徴とする請求項10記載の物体。
12. 【請求項１２】前記基板は、シリコンである ことを特徴とする請求項８記載の物体。