JPH07336033A - 除去可能なハンダ運搬媒体を用いる電子デバイスの相互接続方法 - Google Patents

除去可能なハンダ運搬媒体を用いる電子デバイスの相互接続方法

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JPH07336033A
JPH07336033A JP7132501A JP13250195A JPH07336033A JP H07336033 A JPH07336033 A JP H07336033A JP 7132501 A JP7132501 A JP 7132501A JP 13250195 A JP13250195 A JP 13250195A JP H07336033 A JPH07336033 A JP H07336033A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明によれば、１つ以上の接点パッドを有
する電子デバイスが、除去可能な運搬シート上の移転可
能なハンダ粒子のアレイに付着される。 【構成】 運搬媒体は例えば溶かして除去され、接点パ
ッドに選択的に付着したハンダが残される。好適な実施
例では、ハンダ運搬媒体は水溶性であり、また、ハンダ
粒子はハンダ被覆された磁気粒子からなる。媒体が乾く
すなわち硬化する間に磁性体を用いると、ハンダ被覆さ
れた粒子の規則的な配列が生じる。この方法を用いて、
従来より小さい接点構造を有するデバイスを容易に相互
接続することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子回路とデバイスの
相互接続方法に関し、特に、除去可能な運搬シート上に
配置された移転可能なハンダ粒子アレイを用いる方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】コンピ
ュータ、コンシューマーエレクトロニクス、遠隔通信機
器や自動車エレクトロニクスを含む最新のエレクトロニ
クス製品は、回路の相互接続を必要とする。チップから
離れた相互接続やパッケージ密度は長年にわたって多少
向上したが、回路特徴サイズの劇的な減少がメモリデバ
イスにおけるＩＣ回路密度を２５０Ｋから６４ＭＢに増
加させたチップ上半導体素子のためのものよりははるか
に進歩が遅くなっている。今日のハンダ相互接続用回路
接点パッドの典型的な幅は、印刷配線基板については約
２５ミル（６２５μｍ）であり、シリコン−オン−シリ
コン フリップチップデバイスについては約４ミル（１
００μｍ））である。シリコンデバイスのこのミクロン
レベルの特徴は接点パッドのために必要とされる数百ミ
クロンとは著しく不釣り合いなため、デバイス集積が非
効率なものになっていた。広範囲のデバイス地所が、よ
り広範囲のハンダ付け接点パッドに対するファンアウト
に費やされている。また、このファンアウトは電子の進
行経路をより長くすることになり、そのため、デバイス
速度がコンパクト高密度相互接続方式で実現できるもの
より遅くなってしまう。
【０００３】合わせ接点パッド間の配線基板相互接続の
ほとんどは、共融鉛−すずハンダ（３７Ｐｂ−６３Ｓ
ｎ）等のハンダ材料を使用している。このハンダ材料は
ウェーブハンダ付けか表面実装技術のどちらかによって
溶かされたり固められたりする。これらの技術は、参照
によりここに含まれる、１９８６年ニューヨークのエイ
チ・エイチ・マンコ(H.H.Manko) 及びバン ノストラン
ド ラインホルド(Van Nostrand Reinhold) による印刷
配線及び表面実装用ハンダ付けハンドブックに開示され
ている。表面実装手順は、典型的には、ハンダ相互接続
されるべき基板の各配線パッド上に印刷されるウェット
ハンダペーストを用いるスクリーン印刷技術に基づいて
いる。かけがえとして、ハンダは、写真食刻と組合せ
た、物理的もしくは化学的な蒸着または電気化学的溶着
によって各接点パッド上に付けることができる。
【０００４】もっと小さいパッドサイズを用いる高密度
または超高密度相互接続の達成に対する主な技術的障害
のうちの２点は、ｉ）約６ミルの線幅分解能以下のハン
ダペーストをスクリーン印刷するための工業的に実行可
能な技術の欠如と、ｉｉ）約２ミルの分解能以下の広範
囲フォトリソグラフィが困難でコストが高いことであ
る。したがって、スクリーン印刷またはリソグラフィで
制限されない新規な高密度相互接続技術が要求されてい
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】１つ以上の接点パッドを
有する電子デバイスは、除去可能な運搬シート上の移転
可能なハンダ粒子のアレイに付着される。この運搬シー
トは、例えば溶かすことにより、接点パッドに選択的に
付着したハンダを残して除去される。好適な実施例で
は、ハンダ運搬媒体は水溶性であり、ハンダ粒子はハン
ダ被覆された磁気粒子からなる。媒体が乾くすなわち固
まる間に磁性体を用いると、ハンダ被覆された粒子の規
則正しいアレイが生じる。この方法を用いれば、従来よ
り小さい接点構造を有するデバイスを容易に相互接続す
ることができる。
【０００６】
【実施例】図面を参照すると、図１は本発明により高密
度接続を行なうステップを示すブロック図である。ブロ
ックＡに示される最初のステップは、１つ以上の接点パ
ッドを有する電子デバイスを準備することである。図２
に示されているように、このような電子デバイス９は、
典型的に、実質的に平らな表面１１を有する基板１０か
らなり、表面１１上に隆起した複数の導電性接点パッド
１２を含む。基板１０は、典型的に、半導体ウェハ、ま
たはエポキシをベースとした印刷配線基板、またはセラ
ミック基板である。接点パッド１２は典型的には銅被覆
されている。このパッドは、耐食性のためと溶融ハンダ
のぬれを改善するために種々の金属またはポリマー仕上
げで被覆することができる。典型的な被覆物は金、す
ず、ハンダ及びイミダゾールである。デバイスは、パッ
ド間領域１３に多数の回路構成要素（図示しない）を備
えることができる。
【０００７】図１のブロックＢに示される次のステップ
は、除去可能な運搬媒体上または中に配置されたハンダ
粒子のアレイを接点パッドに付着させることである。こ
れは、加熱状態でハンダ運搬媒体を電子デバイスに接触
させることによって行なうことができる。好適なハンダ
運搬媒体は図３に示される。図４には、図３の構造が電
子デバイスとの接触に近づいた状態が示されている。
【０００８】図３を参照すると、ハンダ運搬媒体３０
は、除去可能な媒体３２に少なくとも部分的に埋め込ま
れたハンダ粒子３１のアレイを含む。ハンダ粒子の表面
の一部は、接合を容易にするために媒体の表面より突出
している。媒体３２は、溶剤に溶ける材料のような除去
可能な材料からなる。模範的な除去可能な材料は、ゼラ
チン、のりまたはこれらの組合せのような水溶性材料の
シートである。これらの材料は、人間に無害で、コスト
が低く、そして完全に乾く前にわずかに粘着するような
ものが特に望ましい。他の有機ポリマー、例えばポリビ
ニルアルコール、ポリビニルピロリジノン、ポリアクリ
ルアミドを用いることもできる。典型的な可溶性材料
は、これはアセトンに溶けるポリビニルアセテートや、
メチルエチルケトンに溶けるポリビニルクロライド（Ｐ
ＶＣ）及びアクリロニトリル−ブタジェン−スチレン
（ＡＢＳ）や、トルエンに溶けるブチルビニルアルコー
ルを含む。媒体の酸化または変質をできるだけ少なくす
るために、窒素のような不活性雰囲気中で後続の加熱ス
テップを実行するのが効果的である。好適には、除去可
能な媒体３２は、紙やポリマーフィルムのような支持シ
ート３３にそっと付着させることができる。かけがえと
して、揮発または焼失することができる除去可能な媒体
例えば有機接着剤を用いることもできる。
【０００９】図４は、電子デバイス９との接触に近づい
たハンダ運搬媒体３０を示す。加熱は接点パッド１２へ
のハンダ粒子の付着を促進する。運搬媒体３２の表面か
らのハンダ粒子３１の突出は、金属製デバイスパッド１
２へのハンダの接触及びぬれを容易にさせる。少なくと
も５％の各ハンダ粒子突出の高さを持つのが望ましく、
少なくとも２０％の高さ突出が好適である。もし望むな
ら、電子デバイス９の合わせ面１１は適当なフラックス
４０で被覆することができる。デバイス９は予熱するこ
とができ、次いでハンダ包含媒体３０をその上に置くこ
とができる。次いで、接点パッド上にハンダ粒子をくっ
付けるまたは溶かすために、（例えば重量またはローラ
ーによる）垂直の圧力または押圧を加えることができ
る。かけがえとして、ハンダ媒体は重量を加えた状態で
基板と共に加熱される。付着を達成するのに望ましい温
度は、好適には、室内温度以上だがハンダの溶融温度以
下である。満足な付着に必要な温度は、加えられる圧力
と使用されるフラックスによって決まり、処理の最適な
組合せは実験的に容易に決定することができる。
【００１０】ハンダ粒子と接点パッドの寸法は、接点パ
ッドに面するハンダ粒子のみが付着または溶融される
が、パッド間領域１３内の粒子はパッド間領域上に付着
または溶融されない程度に選ばれる。パッド間領域１３
の表面は典型的にポリマーのような非金属製絶縁材料で
被覆され、したがってハンダは前記表面上に容易に付着
または溶融されない。
【００１１】図１のブロックＣに示される相互接続の３
番目のステップは、接点パッド上に選択的にハンダを残
して運搬媒体を除去することである。このステップは、
適当な溶剤を用いて材料を溶かすことによって達成され
る。（支持シート３３が用いられる場合は、除去可能な
材料を溶かす前に支持シートを剥ぎ取っても良い。）接
点パッドに付着または溶融されたハンダ粒子はパッド上
にとどまり、パッド間領域１３上の付着しないハンダ粒
子は水または他の溶剤で流し去ることができる。
【００１２】図５は、運搬媒体と付着しないハンダ粒子
が除去された後の図２のデバイスを示す。付着したハン
ダ粒子５０は接点パッド１２上にとどまっている。かけ
がえとして、ハンダ粒子５０は、温度が溶融点以上に上
昇すると、接点パッドの表面上に薄いハンダ層（図示し
ない）となって現われる。
【００１３】ハンダ粒子は、前に溶融されなかった場合
は、運搬媒体の除去後に効果的に溶融することができ
る。接点パッドのぬれの間の溶融ハンダの接触角は、ハ
ンダの選択とパッドの表面仕上げとにより制御すること
ができる。小分けされたハンダが望ましい場合は、付着
したハンダ粒子の溶け込みは、亜鉛含有ハンダのような
高表面張力ハンダや、銅仕上げ上のすず−インジウム−
亜鉛またはすず−銀−亜鉛合金を用いることによりでき
るだけ少なくすることができる。小分けが必要なけれ
ば、接触角を減らすために予めすずメッキした表面また
は銀被覆された表面を用いることができる。かけがえと
して、小接触角を有する鉛−すずをベースとしたハンダ
を用いても良い。ハンダの温度は望ましくは、溶融点、
例えば６３Ｓｎ−３７Ｐｂ共融ハンダの１８３℃、５７
Ｂｉ−４３Ｓｎの１３９℃、４９Ｓｎ−５１Ｉｎの１２
０℃及び９６．５ｎ−３．５Ａｇの２２１℃、以上に上
昇される。パッド間領域１３にあるハンダ粒子は、たと
え溶融していても、非金属またはポリマーのパッド間表
面を容易にぬらさない。接点パッドのみがハンダで被覆
される。
【００１４】図１に示される相互接続プロセスの次のス
テップ、ブロックＤは、図５のデバイスのハンダ包含接
点パッドを接続されるべき表面との接触状態におくこと
である。これは、図６に示されるように、後続のリフロ
ー相互接続作業において、ハンダが溶けて層６１になっ
て付着しているデバイス９上に、合わせるデバイス６０
を下ろすことにより好適に達成される。合わせられるデ
バイスは、典型的には、デバイス９に対応する合わせ接
点パッド６２を有する電子デバイスである。もし望むな
ら、デバイス９の合わせ面１１は適当なフラックス６３
で被覆しても良い。溶融は、多くの既知の加熱方法、例
えばオーブン加熱、赤外線加熱等で達成することができ
る。図６のハンダ層の厚さは、もし望むなら、最終のリ
フロー作業の前に適当なハンダ接合サイズ及び外形を得
るために必要な多数回だけ、新しいハンダ運搬媒体を用
いて図１の初めの３ステップを繰り返すことにより増加
させることができる。
【００１５】図３のハンダ運搬媒体は少なくとも３つの
異なる方法のいずれかで好便に製作される。第一の方法
は、（硬度制御のために任意に追加された粒子状または
可溶性の材料を伴う）水または溶剤に基質材料を溶か
し、次いで例えばスピンコーティング、ドクターブレー
ディング、スプレーコーティング、ローリング等により
材料を望ましい厚さの薄い層にシート化し、次いで液状
または半液状層の上部にハンダ粒子をばらまくことであ
る。基質溶液の一部は、ハンダ粒子が図３に示されるよ
うに突出するのを保証するために予め乾かすことができ
る。第二の方法は、ハンダ粒子と溶かされた媒体の両方
を含有する混合溶液を予め作っておき、この混合溶液を
薄い層にシート化することである。シート化される層の
厚さは、溶液が乾かされて体積が減った後、基質材料の
最終的厚さがハンダを突出させるためにハンダ粒子直径
以下になるように調整される。リフロー相互接続に用い
られるべきハンダ付け用フラックスは、ハンダ付け作業
前または中にハンダ表面上の基質材料の残留被覆を除去
するために、同じ溶剤を少し含むことができる。第三の
方法は、十分に乾く前にまたは水または溶剤で最上部の
表面を部分的にぬらすことにより、可溶性媒体の厚さを
利用して、媒体にハンダ粒子を付着させることである。
粘着性のある表面はハンダ粒子のアレイに押しつけら
れ、それらを拾い上げることができる。
【００１６】また、ハンダ包含媒体は、例えばスプール
に巻き取ったりスプールからほどいたりするべく容易に
取り扱えるように媒体を強くするために、任意の追加の
支持層材料３３を備えても良い。この支持層は、ポリマ
ーもしくはプラスチックテープ（例えばポリエチレ
ン）、またはハンダ包含シートの背面にくっつくが必要
な時にはがすことができる任意にわずかに粘着性のある
表面を有する紙もしくは他のシート状材料とすることが
できる。かけがえとして、ハンダ包含媒体は支持層を基
板として用いて直接製作しても良い。
【００１７】望ましいハンダ粒子形状は、比較的一定の
サイズと形状の複製を製造するのが容易なように球体と
され、均一に媒体から突出する粒子を提供する。望まし
いハンダ粒子のサイズ範囲は０．２〜２００μｍであ
り、好適には０．５〜５０μｍである。接点パッド金属
表面上のハンダのぬれを改善するために、例えばハンダ
運搬媒体または基板のどちらかにスプレーコーティング
をすることによりＲＭＡ(Rosin-Mildly-Activated)等の
フラックスを用いることができる。
【００１８】例えば統計的に起こり得る粒子の伝播（数
珠つなぎ形成）で引き起こされる隣接する接点パッド間
の望ましくない電気的短絡をできるだけ少なくするため
に、ハンダ包含媒体中のハンダ粒子で覆われる領域部分
は、好適には６０％以下の範囲に、より好適には４０％
以下の範囲に制限される。
【００１９】短絡の確率（及びハンダ量の変化）を減ら
す新規な方法は、磁気分離を用いることである。ハンダ
粒子は磁気コアを含むことができ、例えば、ハンダで強
磁性粒子をエレクトロレスコーティングすることにより
作ることができる。例えば、５μｍの厚さのハンダ層が
直径７μｍの鉄粒子の表面に被覆された場合、ハンダ対
鉄体積部分比は約４：１になる。基質ポリマーの表面張
力に対して適当にバランスした垂直磁界の存在時、粘性
媒体中の磁気粒子は互いに反発し合って分離する。この
ことは、参照によりここに含まれる１９８８年４月１２
日発行のジン(Jin) 等の米国特許第4,737,112 号に明示
されている。図７及び図８の比較的な顕微鏡写真に示さ
れるように、垂直磁界の存在は、数珠つなぎ形成がほと
んどない粒子の規則的な散乱を達成する。図７は磁気分
離のない場合のランダムな散乱を示し、図８は磁気分離
で得られる規則的な散乱を示す。図３に示される構造
は、この磁気分離手法で望ましく作られ、その後乾かさ
れて、パッド間短絡またはハンダ粒子密度の相当なパッ
ド対パッド変化のリスクを減らしてより多くのハンダ粒
子を収容することができる洗えるハンダ運搬媒体を作る
ことができる。
【００２０】磁気コアは多くの強磁性体のうちのどれで
も良く、例えば、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｎｉ−Ｆｅ（パー
マロイ），Ｎｉ−Ｚｎフェライト，Ｍｎ−Ｚｎフェライ
ト等の比較的軟質の磁気材料、またはＦｅ−Ａｌ−Ｎｉ
−Ｃｏ（アルニコ），Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ，ヘキサフェラ
イト，希土類元素のコバルトもしくはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ型
磁石等の永久磁石材料でも良い。軟質磁気材料は磁化が
容易なので好適である。ハンダ材料と磁気コア材料間の
冶金反応は、不注意のためにハンダ特性を劣化させない
ようにできるだけ少なくすべきである。
【００２１】また、本発明のハンダ運搬媒体は、高い配
線密度用の多層３次元相互接続ばかりでなく領域−アレ
イ相互接続にも適している。従来のハンダペーストスク
リーン印刷技術や沈積ハンダの広範囲リソグラフィック
パターニングにおいてあった線幅分解能の制限は、本発
明の転送可能なハンダ媒体を用いた新しい相互接続方法
論にはない。細線で高密度な接点パッドは、本発明の媒
体及び方法を用いて容易かつ安価に被覆することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】高密度接続を行なうステップを示すブロック図
である。
【図２】導電性接点パッドを有する典型的な電子デバイ
スを示す。
【図３】図１のプロセスで用いるのに好適なハンダ運搬
媒体の略断面図である。
【図４】電子デバイスとの接触に近づく図３の構造を示
す。
【図５】運搬媒体と付着しなかったハンダ粒子とが除去
された後の電子デバイスを示す。
【図６】パッドに接続されるべきデバイスとの接触に近
づく電子デバイスのハンダ包含パッドを示す。
【図７】磁気分離のないハンダ粒子散乱を示す顕微鏡写
真である。
【図８】磁気分離のあるハンダ粒子散乱を示す顕微鏡写
真である。
【符号の説明】
９ 電子デバイス １０ 基板 １２ 導電性接点パッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク トーマス マッコーマック アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ，サミット，ニューイングランド アヴ ェニュー 96

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １つ以上の電気接点パッドを有する電子
    デバイスを第２のデバイスに接続するための方法であっ
    て、 １つ以上の接点パッドを有する前記電子デバイスを準備
    する工程と、 前記デバイスと除去可能な運搬シート上に配置されたハ
    ンダ粒子のアレイを接触させる工程と、 前記アレイから前記接点パッドにハンダを選択的に付着
    させる工程と、 前記接点パッド上へハンダを残しながら前記フレキシブ
    ル運搬媒体を除去する工程と、 前記ハンダ運搬パッドを前記第２のデバイスに接するよ
    うに配置する工程とからな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、前記ハン
    ダ粒子は該粒子に熱を加えることによって前記接点パッ
    ドに付着する方法。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の方法において、前記除去
    可能な運搬シートは可溶性材料からなり、溶剤に溶かす
    ことにより除去される方法。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の方法において、前記除去
    可能な運搬シートは水溶性材料からなる方法。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の方法において、前記ハン
    ダ粒子のアレイはハンダ被覆された磁気粒子のアレイか
    らなる方法。
  6. 【請求項６】 電気接点パッドの表面にハンダを付ける
    ためのハンダ運搬用運搬シートであって、 可溶性運搬媒体層と、 前記可溶性媒体に少なくとも部分的に埋め込まれ、前記
    媒体の表面から突出しているハンダ粒子のアレイとから
    なることを特徴とするハンダ運搬シート。
  7. 【請求項７】 請求項６記載のハンダ運搬シートにおい
    て、前記可溶性運搬媒体は水溶性であるハンダ運搬シー
    ト。
  8. 【請求項８】 請求項６記載のハンダ運搬シートにおい
    て、前記ハンダ粒子はハンダ被覆された磁気粒子からな
    るハンダ運搬シート。
  9. 【請求項９】 請求項６記載のハンダ運搬シートにおい
    て、さらに、前記可溶性運搬媒体層に接着された支持層
    を含むハンダ支持シート。
  10. 【請求項１０】 請求項１または２または３または４ま
    たは５の方法によって第２のデバイスに接続された１つ
    以上の電気接点パッドを有する電子デバイス。
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