JPH06163869A - はんだ自動整合結合方法 - Google Patents

はんだ自動整合結合方法

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JPH06163869A
JPH06163869A JP5195265A JP19526593A JPH06163869A JP H06163869 A JPH06163869 A JP H06163869A JP 5195265 A JP5195265 A JP 5195265A JP 19526593 A JP19526593 A JP 19526593A JP H06163869 A JPH06163869 A JP H06163869A
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bond
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体チップ１３を基板１２と整合させ、そ
れに結合するためのはんだ自動整合方法を提供する。 【構成】 少なくとも溶融工程を気体状のギ酸に富む雰
囲気中で行う半導体チップ１３を基板１２と整合させ、
それに結合するためのはんだ自動整合方法。前記のギ酸
雰囲気は自動整合ステップおよびはんだ素子２３の冷却
固化ステップの間も維持されることが好ましい。これに
より、いかなる固体ならびに液体フラックスも使用する
必要がなくなり、それらの使用から生じる問題も回避で
きる。溶融はんだ素子２３は結合表面にしっかりと結合
し、素子と結合面とは垂直方向に整合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、はんだの自動整合法に
関し、特に半導体チップを基板上に正確にマウントとす
るためにはんだの自動整合を用いる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】光波通信の出現に刺激され、ホトニック
装置の組立方法は、とりわけ発達をとげてきた。ホトニ
ック装置はレーザーや光検出器などのように光学的属性
と電気的属性を合わせ持つものである。複雑な光波通信
システムには多くのホトニック装置が必要となり、それ
ぞれが光ファイバーやレンズのような光学素子と正確に
また高い信頼性を持って整合されなくてはならない。こ
のような装置の組立はできるだけ自動化し、必要な整合
を行なうためにオペレーターに必要とされる技量を軽減
することが重要である。
【０００３】例えば、ここに参考のためその内容を記載
してあるが、１９７２年、第22回電子部品会議のプロシ
ーディングズ、３３２から３３９頁に発表されたL.S.ゴ
ールドマンの「制御下で崩壊するチップ結合の自動整合
能力」および１９９０年９月のジャーナル・オブ・ライ
トウエーブ・テクノロジーの第８巻、No.９、１３２３
ページに発表されたK.カツラらの「高速受光体用はんだ
バンプを用いた新規フリップチップ相互接続方法」に記
載されているように、はんだ自動整合呼ばれる方法をホ
トニック装置のような半導体のチップを基板へ導電的に
相互接続するために、また正確に整合された接続のため
に、用いることができる。この方法によれば、基板上の
一組の結合パッドをはんだで被覆し、前記の半導体チッ
プをそのそれぞれの結合パッドが基板の結合パットに重
なるように、基板上に機械的に配置する。最終的な位置
決めには１または２ミクロン内の正確度が要求される
が、この機械的な配置は数十ミクロン以下の正確度があ
ればよい。このアセンブリは次に加熱されて、はんだを
溶融すなわち「リフロー」し、それにより基板のそれぞ
れの結合パッドの上のはんだが集まり、それぞれ対応す
る前記の半導体チップの結合パッドを濡らすのである。
溶融はんだ素子の表面張力によりはんだは、垂直軸ある
いは面の周りに対称的に分布するように流れる。この張
力が前記のチップを動かし、それによってこのチップが
基板と正確に整合される。このチップは例えば光検出器
やレーザーであってもよく、それが例えば前記の基板に
結合された光ファイバーなどと正確に整合されるのであ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前記のはんだ自動整合
方法に対する必須要件は、はんだ粒子が付着している結
合パッドを濡らすことである。通常このために液体フラ
ックスを結合パッド上に被覆するが、この液体フラック
スには数多くの問題がある。例えば、このフラックスは
前記のはんだづけ操作中に気体を発生し、それにより前
記のチップがはずれたり、あるいは前記のチップや光学
素子の表面が汚染され、光伝送の妨害が生じたりする。
我々は一酸化炭素や水素雰囲気のような還元性雰囲気中
で液体フラックスを使用せずにはんだづけ操作を行なう
ことを試みたが、このような還元性雰囲気による置換は
満足すべきものではないことがわかった。我々の研究で
はこのような還元性雰囲気との置換を用いると、溶融は
んだ素子がしばしば、はんだ自動整合に必要とされる、
整合した対称的な配置を取らないことがわかった。した
がって、半導体チップを基板へ結合するために、はんだ
の自動整合を用いる改良された方法が以前から引き続き
求められている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の問題は、前記のは
んだ自動整合過程を少なくとも前記の溶融過程の間は、
気体状のギ酸に富む雰囲気中で行なうことにより、回避
することができる。前記のギ酸雰囲気は前記自動整合工
程と前記はんだ素子の冷却硬化工程の間保たれることが
好ましい。これにより、いかなる固体または液体フラッ
クスも全く使用しなくてすみ、従ってフラックスの使用
に伴う結果も回避することができる。それでもなお、は
んだ素子は結合表面へしっかりと結合し対称的な配置を
とって、整合が行われる。
【０００６】
【実施例】図１に、本発明の一実施例に従って組み立て
ることのできるタイプのホトニックモジュールが図示さ
れているが、これはセラミックパッケージ１１、シリコ
ンサブマウント１２、およびホトニック装置１３（これ
は具体的には「PIN」光検出器として知られている半導
体チップなどである）からなっている。前記サブマウン
ト１２には、光ファイバー１７を支持するために調節さ
れた溝１５と１６が設けられている。溝１５の一方の端
には、光ファイバー１７からの光を光検出チップ１３の
能動領域へと反射するようにミラー１８が取付けてあ
る。このチップ１３は、前記のミラー１８と厳密に整合
されるように前記のサブマウント１２上の結合パッドに
はんだ付けされている。このサブマウント１２は次に二
重インラインパッケージ、すなわちDIPパッケージと呼
ばれるタイプのセラミックパッケージ１１のくぼみにマ
ウントされる。光ファイバーがサポート１９を通って延
び、溝１５と１６内で結合されるが、これによってこの
ファイバーは前記のミラー１８ついで前記のチップ１３
と整合される。
【０００７】光検出チップ１３のシリコンサブマウント
１２へのはんだ付けを図２および３にさらに詳しく示
す。このチップは四方に配置された４本の結合パッド２
１を持ち、前記のサブマウント１２は前記の結合パッド
２１のそれぞれに対応する位置に４つの結合パッド２２
を持つ。前記の結合パッドは、図示したように、はんだ
素子２３によりはんだ付けされる。正しく位置決めされ
ると光ファイバー１７の中央軸に沿って送られた光はミ
ラー１８で反射され光検出器１３の能動領域２０に突き
当たる。製造される特定の装置によって異なるが、仕様
によっては１ミクロン未満から数ミクロン未満の公差内
の位置決めが要求されることもある。この高い精度は図
４と５に図示されている公知のはんだ自動整合原理を用
いることにより達成される。
【０００８】図４で、結合パッド２２に最初はんだ２３
が被覆される。光検出チップ１３を次に機械的手段によ
って大体の位置決め位置に持ってくるが、結合パッド２
１と結合パッド２２は、ずれて整合されることもある。
例えば、結合パッド２１と２２が一辺が７５ミクロンで
あるとすると、当初は５０から６０ミクロンの整合度で
おおまかに位置決めされることもある。ずれた整合の典
型例を結合パッド２２に対する結合パッド２１の変位に
より図示した。その後、このアセンブリを加熱すると、
はんだ２３が表面張力により集まり、球状になる。はん
だはシリコンサブマウント１２の表面を濡らさないので
結合パッド２２上に封じ込められる。各結合パッド２２
の上には「はんだダム」が形成されるが、厳密なはんだ
の封じ込めを設けるためには、これはチタニウムのよう
にはんだが濡れない材料からなるリングで構成される。
【０００９】はんだ２３は結合パッド２１を濡らして図
５に示す形状となる。はんだ２３の表面張力により本質
的に、はんだは垂直に整列された配置を取るように流動
し、それによって光検出素子上へ、矢印２４によって示
されるような力が加わる。これにより光検出チップ１３
は位置決めされ、図３に示すようにその結合パッド２１
がそれと組あわさる結合パッド２２の上にぴったりと重
なる。この最終位置決め調整を得る方法は、はんだ自動
整合として知られており、半導体チップとそれをマウン
トする基板との間で１から２ミクロンの位置決め精度を
得るのに通常用いることができる。
【００１０】再び図３に戻るが、本発明に関連する問題
は、はんだ素子２３の結合パッド２１および２２への結
合を確実にするために通常液体フラックスが必要である
ことである。このはんだ付けの間、液体フラックスは沸
騰し、気泡を生じ、さらにはチップ１３を取り外してし
まうかもしれない。またミラー１８（図２）上や光検出
チップ１３の能動領域上にはねかえり、この装置の故障
を引き起こすかも知れない。
【００１１】図４に戻り説明するが、気体状のギ酸を含
む雰囲気中でこのはんだ自動整合方法を行うことにより
液体フラックスの必要性は完全になくなった。この気体
状のギ酸は、結合パッド上に薄い酸化物の層が形成され
るのを防ぎ、結合パッド２１および２２上がはんだ２３
で濡れることを助ける。図５において、ギ酸はさらに溶
融はんだ素子２３の側壁に微細な酸化物層が形成するの
を防ぐ。我々の研究により、図５に示す配置から図３に
示す配置への移行、即ち自動整合が起こる上でこのよう
に酸化物層の形成が防がれることは重要であることがわ
かった。一酸化炭素および水素還元性大気を用いた我々
の実験は素子２３が図３の配置へと移行する点でうまく
行かず、また信頼性を示さなかった。この問題を我々は
溶融はんだの表面張力特性を変化させる微細な酸化物層
の形成のためと考えた。この問題は本発明により完全に
回避される。
【００１２】図６に、実験的にベルジャー２６内で自動
整合を行った様子を示す。装置アセンブリ２７は図４に
示すアセンブリからなり、電極２９を持つヒーター２８
上に支持されている。ヒーターの温度は熱電対３０によ
って監視された。窒素を液状のギ酸３３を含む容器３２
の中に吹き込み、気化したギ酸を窒素をキャリアとして
ベルジャー２６内に導入した。酸素モニター３５を気体
出口へ接続し、この気体を液体３６中に吹き込んでから
放出した。前記のギ酸はかなり有毒である。従って熱分
解や液体との反応など、様々な方法を用いてこの排ガス
の毒性を制御する。チップを基板の上方に保持する装置
は図６に示していない。本発明の商業的な実施にあたっ
ては、ロボットによる配置装置を用いて基板の上方に光
検出チップを自動的に配置し、またバッチ処理を用い
て、自動整合光検出チップあるいはその他の半導体チッ
プを同時に一つのオーブンではんだづけすることであろ
う。
【００１３】公知の通り、前記のV字型の溝１５と１６
はフォトリソグラフィーによるマスキングとエッチング
により、非常に高い精度で製造することができる。鏡面
１６は好ましくはここに示すようにメタライズされる。
V字型の溝１５と１６の表面はメタライズしてもしなく
てもよい。導体ラインと結合パッドのために我々が用い
たこのメタライゼーションは、モリブデンシャドーマス
クを用いてdcマグネトロンプロセスによってパターン状
にスパッタリングされた薄膜チタン（１０００オングス
トローム）、プラチナ（２０００オングストローム）お
よび金（５０００オングストローム）からなるものであ
った。このメタライザーションプロセスにおいては前記
のチタンは接着層として作用し、前記のプラチナはバリ
アーならびにはんだ付け可能な表面として作用し、また
前記の金は表面を酸化から保護する働きをする。つい
で、ウエッタブルはんだボンドパッド領域を規定し、は
んだダムを設けるためにチタンのスパッタリングを行っ
た。最後に、５ミクロンの金ースズ共晶はんだ層を電子
線蒸着法を用いて、シャドーマスキングを通して結合パ
ッド領域上に蒸着した。
【００１４】ギ酸蒸気濃度が約８００から１０００PPM
に制御された雰囲気中でリフローが行なわれた。ヒータ
ーは毎分１５０から２００度Ｃの加熱速度で加熱可能
な、グラファイトストリップヒーターであった。このリ
フロー温度は３２０度Ｃであった。
【００１５】本発明を光検出モジュールを用いて解説し
たが、基板に対する半導体チップの整合が必要であるよ
うなものならば、どのような装置に対しても本発明を用
いることができる。ここで、「半導体チップ」とは、レ
ーザー、レーザーアレイ、光検出器アレイ、ダイオー
ド、ダイオードアレイ、および集積回路を含む。本発明
はレンズのような受動的な装置とその下に位置する表面
との位置決めにもまた使用できる。公知の通り、はんだ
自動整合を用いて整合される本体は十分に小さく複数の
溶融はんだ素子の表面張力によって動かすことができな
ければならない。本発明に従い、単一のはんだ素子を自
動整合に用いる事も可能である。ギ酸が有効なのは、ギ
酸が大変酸素と反応し易く、したがってこの自動整合中
にはんだの表面に酸化物が形成することを特によく防ぐ
からであると、考えられている、が、本発明は気体状の
ギ酸を用いると、その他の還元性雰囲気を用いた場合と
は異なり、液体あるいは固体のフラックスを一切用いる
ことなく信頼性のある結合と自動整合が生じるという実
験的事実のもとになされたものである。
【００１６】
【発明の効果】本発明は半導体チップを基板へ結合する
ために、はんだの自動整合を用いた改良方法であり、は
んだ自動整合過程を気体状のギ酸に富む雰囲気中で行な
うことにより、いかなる固体または液体フラックスも全
く使用せずに、はんだ素子をしっかりと結合でき、従っ
てフラックスの使用に伴って従来生じていた問題を解決
した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に従い製造される光検出器パ
ッケージの分解斜視図である。
【図２】図１の光検出器パッケージの部分断面図であ
る。
【図３】図２の３と３を結ぶ線に沿って切り取った図で
ある。
【図４】本発明の一つの実施例に従い、図３に示す装置
を組み立てる連続工程を示す。
【図５】本発明の一つの実施例に従い、図３に示す装置
を組み立てる連続工程を示す。
【図６】図４と図５に示される工程の間気化したギ酸雰
囲気を保つために使用する装置の図である。
【符号の説明】
１１ セラミックパッケージ １２ シリコンサブマウント １３ ホトニック装置 １５ 溝 １６ 溝 １７ 光ファイバー １８ ミラー １９ サポート ２０ 能動領域 ２１ 結合パッド ２２ 結合パッド ２３ はんだ素子 ２６ ベルジャー ２７ 装置アセンブリ ２８ ヒーター ２９ 電極 ３０ 熱電対 ３２ 容器 ３３ 液体ギ酸 ３５ 酸素モニター ３６ 液体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 31/02 7210−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 31/02 Ｂ (72)発明者 マイケル フランシス ブラディー アメリカ合衆国 19067 ペンシルヴェニ ア モーリスヴィル、ヘッジロー ドライ ヴ 52 (72)発明者 ラジャン ディー．デシュムク アメリカ合衆国 19067 ペンシルヴェニ ア ヤードレー、ナイツブリッジ ドライ ヴ 200

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 部品（１３）を基板（１２）に整合しな
    がら結合する方法において、 前記の部品上に第一の金属結合パッド（２１）を、前記
    の基板上に第二の結合パット（２２）を、それぞれ所定
    の対応する位置に形成するステップと、前記の金属結合
    パッドの少なくとも一方にはんだ（２３）を被覆するス
    テップと、 前記の第一の結合パッドを前記の第二の結合パッドの近
    傍におおまかに位置決めするステップと、 前記のはんだが集まり、前記の第一の結合パッド（２
    １）と第二の結合パッド（２２）とに同時に接触するよ
    うに、前記はんだを溶融するステップと、 前記の溶融はんだの表面張力により前記の部品が前記の
    基板と整合するように、はんだ自動整合を用いるステッ
    プと、 前記のはんだを固化し、前記の第一および第二の結合パ
    ッドを結合するために冷却するステップと、からなるハ
    ンダ自動整合結合方法において、 少なくとも前記の溶融ステップの間中、前記のはんだと
    前記の結合パッドを気体状のギ酸に富む雰囲気に露出す
    ることを特徴とするはんだ自動整合結合方法。
  2. 【請求項２】 前記自己整合ステップの間中、前記のは
    んだと前記の結合パッドを気体状のギ酸に富む雰囲気に
    露出することを特徴とする請求項１の方法。
  3. 【請求項３】少なくとも前記溶融ステップの間中、前記
    のはんだと前記の結合パッドを気体状のギ酸に富む雰囲
    気に露出することを特徴とする請求項１の方法
  4. 【請求項４】 気体状のギ酸を形成するため、液体ギ酸
    中にキャリアーガスを吹き込むステップと、 前記の溶融、自動整合および冷却ステップの間中、気体
    状のギ酸を前記の部品ならびに前記の基板を通過させて
    流すステップとをさらに含むことを特徴とする、請求項
    ２または３の方法。
  5. 【請求項５】 前記のキャリアガスが、高純度の窒素で
    あることを特徴とする請求項４の方法。
  6. 【請求項６】 前記の半導体チップが、前記の基板の上
    に形成されたミラーと整合するようにはんだづけされた
    ホトニック装置であり、前記のミラーと整合するように
    光ファイバーを前記の基板に結合するステップをさらに
    含むことを特徴とする請求項１の方法。
  7. 【請求項７】 前記の第一の金属結合パッドが前記の部
    品上の複数の第一の結合パッドのうちの一つであり、 前記の第二の金属結合パッドが、前記の基板上の複数の
    第二の金属結合パッドの一つであり、 前記の第二の金属結合パッドの位置が、前記第一の金属
    結合パッドの位置と適合し、 前記の第一の結合パッドのそれぞれを相当する前記第二
    の結合パッドにはんだ結合するために、はんだ自動整合
    を用いることを特徴とする請求項１の方法。
  8. 【請求項８】 前記の部品がホトニック装置であり、 前記のホトニック装置と整合されるべき光学装置が、前
    記の基板に結合されていることを特徴とする請求項１の
    方法。
  9. 【請求項９】 気体状のギ酸を形成するため、液体ギ酸
    中にキャリアーガスを吹き込むステップと、 前記の溶融、自動整合および冷却ステップの間中、気体
    状のギ酸を前記のホトニック装置ならびに前記の基板を
    通過させて流すステップとをさらに含むことを特徴とす
    る請求項１または８の方法。
JP5195265A 1992-07-16 1993-07-13 はんだ自動整合結合方法 Expired - Lifetime JP2813109B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US915492 1992-07-16
US07/915,492 US5249733A (en) 1992-07-16 1992-07-16 Solder self-alignment methods

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH06163869A true JPH06163869A (ja) 1994-06-10
JP2813109B2 JP2813109B2 (ja) 1998-10-22

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ID=25435843

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5195265A Expired - Lifetime JP2813109B2 (ja) 1992-07-16 1993-07-13 はんだ自動整合結合方法

Country Status (3)

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US (1) US5249733A (ja)
EP (1) EP0579438A2 (ja)
JP (1) JP2813109B2 (ja)

Cited By (4)

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