JPH0770683B2 - 赤外線検出器の形成方法 - Google Patents

赤外線検出器の形成方法

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JPH0770683B2
JPH0770683B2 JP2172548A JP17254890A JPH0770683B2 JP H0770683 B2 JPH0770683 B2 JP H0770683B2 JP 2172548 A JP2172548 A JP 2172548A JP 17254890 A JP17254890 A JP 17254890A JP H0770683 B2 JPH0770683 B2 JP H0770683B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は赤外線検出器用の電気コネクタ、特に温度サイ
クルによる熱疲労にさらされる検出器アレイ装置におけ
る複数のセンサへの接続の信頼性を高める構造に関す
る。
［従来技術］ 赤外線感知システム用の焦点平面アレイの現在の製造に
関して、ハイブリット検出器アレイ装置は、１つがセン
サのアレイを支持し、別の１つがここのセンサ信号を読
取るために関連した接触パッドを具備したセルまたはダ
イオードの対応したアレイを支持する１対のマイクロチ
ップを含む。２つのマイクロチップの接触対は、ハイブ
リッド化と呼ばれる処理において接合される。この処理
の際に、検出器チップ上の複数のインジウムバンプおよ
び読取りチップ上の対応した複数のインジウムバンプが
圧力によって冷間溶接される。溶接されると、それらは
分離されることができず、溶接部の破壊は読取りセルの
故障につながる。
［発明の解決すべき課題］ 使用期間中赤外線検出器アレイは、室温と77°Ｋの通常
の動作温度との間で反復的な温度サイクルにさらされ
る。この反復温度サイクルは、ハイブリッド検出器中に
存在する異なる材料の異なる熱膨脹係数のために生じる
熱疲労に関連した問題をもたらす。
現在（従来）の製造処理に関して、インジウムバンプは
減光マスクパターンを通した蒸着によって形成され、典
型的に６乃至９ミクロンの高さを有する。許容可能な品
質および密度で10ミクロンより高いインジウムバンプを
付着することは不可能である。室温と77°Ｋとの間の温
度サイクル範囲にわたってアレイ中に存在する種々の材
料が熱疲労問題を引起こすものである。例えば、読取り
チップはほぼ0.001インチ平方の接触パッドを0.002イン
チ間隔で設けられたシリコン基体である。典型的なアレ
イは128×128個のセルを有している。センサはカドミウ
ムテルル基体上に類似したアレイで配置される。検出器
チップと読取りチップとの間の熱膨張および収縮の差の
ために反復される温度サイクルは結果的に、接触パッド
が基体から剥がれ、接触子の一部が折れ、インジウムバ
ンプの冷間溶接された接合部が破損して分離し、熱膨張
差によって誘発された圧力または基体の収縮がアレイチ
ップの湾曲を引起こす等の種々の故障を生じる。これら
の問題は、インジウムパンプが溶接される前に、所望の
回路接続を形成し、一方検出器チップと読取りチップと
の間の空間を増加するように高くまたは長く形成される
ならば、最小化できることが認められている。その結
果、融通性のある構造は室温と動作温度との間を反復さ
れる温度変化中の熱膨張および収縮の影響に対する耐性
を呈する。しかしながら、これまでその長さを増加する
ためにインジウムバンプを形成する簡単な方法は認めら
れていない。
［課題解決のための手段］ 簡単に説明すると、本発明による構造はハイブレッド検
出器アレイ装置の２つのマイクロチップ間に挿入される
細長いインジウム素子のアレイを提供するものであり、
電気接続が素子の両端における各メサ接触子および接触
パッド上においてこれらの挿入された素子とインジウム
バンプとの間に設けられる。
本発明による特有の構造の１つは、本発明の特に高い丈
のインジウムバンプアレイを生成させるようにした既知
の集積回路コネクタまたは相互接続パッドの適合を含
む。この集積回路コネクタは、商品名ユニアックス（Un
iax）でカリフォルニア州メンローパークのレイケム（R
aychem）社により市販されている。それは、フィルムを
通って延在し、各側から突出する金属管のアレイに対す
るキャリアとして作用する高性能ポリマーフィルムから
なる。ユニアックス集積回路コネクタの典型的なディメ
ンションは、フィルム厚さが75ミクロン、管の直径が40
ミクロン、管の間隔が80ミクロン、壁の厚さが10ミクロ
ンであり、また各側上におけるポリマーフィルムからの
突出は20ミクロンである。このような相互接続パッド
は、２つの異なる、差別的にエッチング可能な材料の３
層のサンドイッチまたは積層を形成することによって製
造されることができる。レーザは検出器アレイに対応し
たマスクパターンを使用して積層を通る孔を形成するた
めに使用され、続いて複数の小さい管を形成するように
銅、ニッケルまたは別の適切な材料で貫通孔がめっきさ
れる。上部および下部の積層はエッチングにより除去さ
れ、金属管のキャリアフィルムとして中間ポリマー層を
残す。
本発明は、既知の焦点平面アレイ装置における使用に適
合できるこのような相互接続パッドを形成するために以
下のような付加的なステップを提供する。
（１）整合ユニアックスアレイを製造するのに適したマ
スクを形成するために焦点平面アレイメサマスクパター
ンを使用する。
（２）焦点平面アレイマスクおよびそのための仕様に対
応したユニアックス銅管の相互接続パッドを使用する。
（３）はんだ付処理のために相互接続パッドを浄化およ
び処理する。
（４）溶融インジウムその他の合金にパッドを浸漬す
る。管が毛管作用によってインジウムで満たされるまで
浸漬を続ける。
（５）読取りチップにインジウム充満管を移動し、パッ
ド上のインジウムバンプに冷間溶接することによって読
取りチップ上の個々の接触パッドにそれらを一端で取付
ける。
（６）キャリアフィルムを取外すために適切な化学エッ
チング剤により元の銅管をエッチングして除去する。
（７）インジウム柱体のアレイからキャリアフィルムを
持上げるか、或はその代わりに、反応性プラズマエッチ
ングによってキャリアフィルムを除去し、続いて銅管を
エッチングする。
（８）読取りチップ上でインジウム柱体と整列された位
置に検出器チップを配置し、加圧溶接によって検出器チ
ップ上のインジウムバンプに柱体の上端部を冷間溶接す
る。
本発明にしたがって形成され、センサ接触子と読取り接
触パッドとの間に接続された特に丈の高いインジウムま
たは合金の柱体は、組合せ、すなわちハイブリッド検出
器装置が上記のような熱疲労の悪影響、例えば接触子の
部分の剥離、基体からの接触パッドの取外し、湾曲等が
防止されるように異なる熱膨脹の影響に適合されること
を可能にする、検出器と読取りチップ間で結合した融通
性のある構造を提供する。
記載された処理におけるステップの変形は本発明の技術
的範囲である。例えば、相互接続する管に対する充填物
として溶融インジウムの代わりに、溶融はんだ合金が使
用されてもよい。この合金は、ハイブリッド化処理によ
りインジウムバンプへの結合に適切な材料である。ま
た、ニッケル毛細管が銅管の代わりに使用されてもよ
い。管エッチングステップでニッケルに対して適切なエ
ッチング剤が使用されなければならない。
本発明による完全な焦点平面アレイの処理の際に、最終
的な組立ての前に標準的な相互接続パッドの使用により
分離した検出器アレイの品質制御試験を導入することが
できる。このようにして、標準的な相互接続パッドは検
出器と読取りチップとの間に試験評価のための必須の一
時相互接続を行なう。検出器チップが欠点がなく使用に
適していることが認められたならば、丈の高いインジウ
ム柱体を形成し、各検出器および読取りチップの接触ア
レイへ柱体を結合する相互接続パッドの処理が上記のよ
うに完了する。
本発明の別の観点によると、延在されたインジウム柱体
の異なる形態は異なる結果をもたらすために発展され
る。例えば、分離したインジウム柱体は読取りチップの
シリコン基体上のパッドおよび検出器チップの接触メサ
にそれぞれ結合されてもよい。分離したインジウム柱体
は検出器および読取りチップ間に付加的な空間を提供す
る一連の高いインジウム柱体を形成するようにそれらの
隣接した端部において接続されることができ、対応的に
熱膨脹および収縮に順応する融通性が高められる。個々
のコネクタ管は、レーザビームよって形成されるため一
般に先細にされている。本発明のこの観点にしたがって
管の細い端部が結合された場合、結果的に熱膨張および
収縮の下で高いフレキシビリティおよび融通性を呈する
砂時計に類似した形状を有する構造になる。
接続メサおよび接触パッドにそれぞれ接続するための小
さい直径端部を有する小さい直径のインジウム柱体を形
成するために使用される別の形態では、インジウム柱体
の先端の方向は逆にされ、小さい端部は検出器チップの
接触メサおよび読取りチップの接触パッドにそれぞれ接
続され、一方２つの整列されたインジウム柱体の大きい
直径の端部は互いに結合される。このようにして２つの
個々のインジウム柱体を結合することによって、小さい
マスクおよび孔を形成する問題は軽減される。
本発明のさらに別の構造によると、多層めっきはインジ
ウム柱体に対する高アスペクト比を大きくするために使
用される。この処理は、インジウムで充填される前に管
の内側にめっきされた無電気ニッケルの層を設けた無電
気めっきされた銅管を使用して行われる。その後、管は
インジウムで満たされ、基体接触パッド上に設けられ
る。次のステップは前の通りである。選択的なエッチン
グは銅層を除去し、ポリマーフィルムキャリアが除去さ
れることを可能にし、その後ニッケルがエッチングされ
て除去される。その結果、前と同じ高さであるが直径が
減少された１組の相互接続したインジウム充填柱体とな
り、したがって増加されたアスペクト比を提供する。組
立は前に記載されたように続けられ完成される。使用さ
れるエッチング液はシリコンマイクロ回路と適合するよ
うに選択される。
［実施例］ 第１図において概略的に示されているように、本発明が
適用される通常のハイブリッド赤外線検出器10は、読取
りチップ14とほぼ整列された検出器アレイ12を含むこと
ができる。検出器アレイ12は、ここでは方形アレイで示
されていしる複数の個別のセンサ16を含み、合計16,384
個の個別のセンサに対して典型的に128×128のアレイで
ある。読取りチップ14は典型的に対応した複数の通常方
形の、典型的には中心間隔0.002インチの0.001平方イン
チのパッドを支持するシリコン基体である。これらのパ
ッドは、薄い被覆層として金めっきされた種々の接触金
属の多層から構成されることができる。典型的に、イン
ジウムバンプ（示されていない）は各パッド18上でセン
サ16への対向した接続部上に設けられ、検出器および読
取りチップ12,14は対向して整列された接触素子上のイ
ンジウムバンプが圧力で冷間溶接されて結合される。こ
のようにして結合されると、バンプ接続部は通常の動作
で分離することはできない。
チップ12および14は、必然的に例えばカドミウムテルル
およびシリコン等の異なる熱膨脹係数を有する異なる材
料から構成される。使用する際にハイブリット赤外線検
出器10は約220℃の温度範囲（室温から77°Ｋの動作温
度へ、およびその逆）にわたって規則的な温度サイクル
を受ける。２つのチップ12および14における異種材料の
温度による膨脹または収縮度の差のために、インジウム
バンプ溶接の破壊、接触金属または別の接触部接続の破
損、基体のラッピング等となり得る著しい剪断力が種々
の接触部で発達されることが理解されるであろう。
第２図は、第１図のマイクロチップ12,14のセンサ16と
パッド18との間に相互接続を設けるために使用されるこ
とができる特有の相互接続パッド20の概略図である。第
２図の特有の相互接続パッドは、レイケム社から商品名
ユニアックスで市販されている一般的な集積コネクタに
対応する。それは、キャリアとして機能するフィルム22
を通って延在する突出金属管24を具備した高性能ポリマ
ーフィルム22を含むものとして示されている。第２図に
は明示されていないが、管24は実際にレーザビームによ
って形成された孔の貫通孔めっきにより形成されるため
先細にされている。このような相互接続パッドは、２つ
の異なる差別的にエッチング可能な材料の３層のサンド
イッチまたは積層を形成することによって製造されるこ
とができる。レーザは検出器アレイに対応したパターン
で光減少マスクにより積層を通る孔を形成するために使
用され、続いて複数の小さい管を形成するように銅また
は別の適切な材料で貫通孔がめっきされる。上部および
下部の積層はエッチングにより除去され、金属管のキャ
リアフィルムとして中間ポリマー層を残す。
第３図および第４図は、本発明にしたがって第２図に示
されたものに類似した相互接続パッドがどのようにして
処理されるかを示す。複数の個々の管34がキャリアフィ
ルム32上に設けられている相互接続パッド30は、部分的
に溶融充填物38のタンク36に浸漬される。充填物38はイ
ンジウムまたは適切なはんだ合金であってもよい。溶融
インジウムは低い表面エネルギを有し、管34の銅表面を
容易に濡らし、毛管作用のメカニズムにより管を完全に
満たす。
このようにして管34が満たされた後、相互接続パッドを
有するキャリアフィルム32は複数のインジウムバンプ46
が各接触パッド上に設けられた読取りチップ44に取付け
られる（第４図）。インジウムバンプ46にインジウム充
填管34を冷間溶接するために圧力が与えられる。その
後、例えば、銅管用の硫酸アンモニウム／過酸化水素等
のエッチング溶液が銅をエッチング除去するために供給
され、したがってポリマーフィルムキャリア32は自由に
第４図の装置の上部から容易に取除かれる。その後、イ
ンジウム列40の上端に検出器チップ42を結合し、インジ
ウムバンプ50を設けられた接触メサ48への接続を完成す
る後続ステップが続く。その結果、第５図に概略的に示
された構造が形成される。
本発明の１実施例の製造処理のさらに詳細なステップは
第６図のブロック図に示され、以下のステップを含む： （１）光減少マスクを形成するために焦点平面アレイパ
ターンを使用する。
（２）焦点平面アレイマスクおよびその仕様に対応した
銅管を具備した相互接続パッドを使用する。
（３）はんだ付処理のために相互接続パッドを浄化およ
び準備する。
（４）溶融インジウムにパッドを浸漬する。管が毛管作
用によってインジウムで満たされるまで浸漬を続ける。
（５）読取りチップにインジウム充満管を移動し、パッ
ド上のインジウムバンプに冷間溶接することによって読
取りチップ上の個々の接触パッドにそれらを一端で取付
ける。
（６）キャリアフィルムを取外すために硫酸アンモニウ
ムにより元の銅管をエッチングする。
（７）インジウム柱体のアレイからキャリアフィルムを
持上げる。
（８）インジウム柱体と整列された位置に検出器チップ
を配置し、加圧溶接によってセンサ接触子上のインジウ
ムバンプに柱体の上端部を冷間溶接する。
第７図は、柱体の高さを増すために完成した検出器アレ
イ装置に付加的なフレキシビリティおよび融通性を提供
し、その砂時計形状が２つのインジウム柱体の両端を隣
接させることによって実現された第５図の装置の変形を
概略的に表す。第７図に示された構造は、２つのインジ
ウム柱40aおよび40bが砂時計構形状でそれらの小さい端
部41aおよび41bで結合されて示されていることを除き本
質的に第５図のものに類似している。
第８図には本発明の別の変形が概略的に表されており、
１対のインジウム柱体40cおよび40dがそれらの大きい端
部51aおよび51bで接触した結合される。この構造は、マ
イクロチップ42,44上の小さい直径の接触メサ48′およ
び小さい接触パッド47′に特定の寸法のインジウム柱体
40を適合させる利点を提供する。これはチップ42,44上
の小さい接触子の寸法を一致させるために相互接続パッ
ドを製造するために小さいマスクおよび小さいレーザ孔
を形成する必要性をなくする。さらに、それは第７図の
構造に類似した２倍の高さのインジウム柱の利点を実現
する。
第９図は、柱体に対するアスペクト比が結果的に増加さ
れるようにインジウム柱体が標準的な相互接続管から形
成されることができる方法を示す。第９図において、外
側部分の先細の円筒60はフィルムキャリア22における第
２図の24のような銅管を表す。円筒60の厚さは典型的に
５ミクロンであり、大きい端部62の孔は15ミクロンであ
る。管60の内面は、無電気ニッケルめっきされ、厚さが
ほぼ２乃至３ミクロンの層64を形成する。次に、銅の層
60はエッチングにより除去され、フィルム22は開いた列
の端部から外れる。最後に、残ったニッケル管64は溶融
インジウムに浸漬され、インジウム66で満たされる。ニ
ッケル管64は選択されたエッチングによって除去され、
形状66のインジウム柱体を残す。その結果、別の方法に
よって実現されるよりも小さい直径の柱体が得られ、し
たがって柱体に高められたアスペクト比を提供する。ま
た、柱体66の長さはここに示された別の方法によって生
成された第５図の40のような柱体と比較して約50乃至10
0％だけ増加される。
本発明による構造は、装置中で使用される異種材料の熱
膨脹温度係数の不一致の影響のために生じる極低温で動
作される検出器アレイて遭遇する特有の問題を有効に軽
減するものである。本発明は、装置が動作寿命中に受け
る多数の冷却サイクルにわたってこのような装置の動作
の信頼性を高めることができる。これは、本発明の方法
によって生成された装置がマイクロチップの各接触子間
の相互接続柱体において融通性がありフレキシブルであ
り、温度サイクルにおいて生じる剪断力を減少するよう
に動作するためである。
上記には、本発明が有効に使用されることができる方法
を説明するために本発明による特有の構造および超高イ
ンジウムバンプアレイを生成する方法が図示され説明さ
れているが、本発明はそれぞれに限定されるものではな
いことを理解すべきである。したがって、当業者による
修正、変更または等価な構造は添付された特許請求の範
囲の各請求項に限定されるような本発明の技術的範囲に
含まれることを認識すべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明が適用されるタイプの典型的なハイブ
リッド赤外線検出器装置の部分的に切取られた概略図で
ある。 第２図は、レイケム社によって生成されたユニアックス
コネクタアレイのような相互接続パッドを表す概略図で
ある。 第３図は、本発明の方法における特有の１ステップを概
略的に表わす。 第４図は、本発明の方法における別の特有のステップを
概略的に表わす。 第５図は、本発明にしたがって生成された検出器アレイ
装置の特有の部分の詳細な概略図である。 第６図は、本発明の方法における特有のステップを示す
フローチャートである。 第７図は第５図に類似しているが、本発明による第２の
構造を示す。 第８図は、第５図に類似しているが、本発明による第３
の構造を示す。 第９図は本発明のさらに別の構造を示す。
フロントページの続き (72)発明者 サベリオ・エー・ダゴスチノ アメリカ合衆国、カリフォルニア州 93010、カマリロ、エヌ・レドンド・アベ ニュー 2779

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】フィルムキャリア中に設けられている複数
    の中空金属管を備え、前記管がハイブリッド検出器アレ
    イ組立体において相互接続されるべき複数のセンサ接触
    子および複数の読取り接触子の各アレイに対応したアレ
    イで位置されている相互接続パッドを準備し、 選択された溶融金属中に管の端部を浸漬し、毛管作用に
    よって管を充填するために金属を導入し、 前記相互接続パッドを冷却し、充填金属を固体化するこ
    とによって充填金属柱体のアレイを形成し、 読取りチップに前記充填金属柱体を移動し、読取り接触
    子と冷間溶接することによって前記読取りチップ上の個
    々の読取り接触子に前記充填金属柱体をその一端で付着
    し、 前記金属管をエッチングして除去し続いて前記充填金属
    柱体のアレイから前記フィルムキャリアを持上げて外
    し、あるいはその代わりにプラズマエッチングによって
    フィルムキャリアを除去し続いて金属管をエッチングし
    て除去し、 ハイブリッド検出器アレイ組立体を完成するため、読取
    りチップの充填金属柱体の整列された位置に検出器チッ
    プを配置し、充填金属柱体の端部を検出器チップのセン
    サ接触子に冷間溶接するステップを含む、 赤外線検出器におけるハイブリッド検出器アレイ組立体
    においてマイクロ回路コネクタとして使用するための接
    続用柱体アレイの形成方法。
  2. 【請求項２】対応した充填金属柱体の接続を容易にする
    ために前記検出器および読取りチップの各個々のセンサ
    接触子および読取り接触子にインジウムバンプを設ける
    ステップを含む請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】前記相互接続パッドの前記金属充填管は、
    前記金属管をエッチングし除去するステップの前に前記
    読取りチップの接触子の前記インジウムバンプに取付け
    られる請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】前記選択された溶融充填金属はインジウム
    である請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】前記中空金属は銅で形成された請求項１記
    載の方法。
  6. 【請求項６】前記金属管をエッチングして除去するステ
    ップにおいて硫酸アンモニウムを含むエッチング液が使
    用される請求項１記載の方法。
  7. 【請求項７】前記銅管の端部を前記溶融充填金属に浸漬
    するステップの前に前記銅管の内面に無電気ニッケル層
    を設けるステップを含む請求項５記載の方法。
  8. 【請求項８】前記中空金属管はニッケルで形成されてい
    る請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】前記管の端部を前記溶融充填金属に浸漬す
    るステップの前に前記相互接続パッドを清浄化および処
    理するステップを含む請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】選択された検出器アレイパターンから光
    減少マスクを形成するステップを含み、前記相互接続パ
    ッドを準備する前記ステップは前記光減少マスクに対応
    する中空金属管アレイを有するパッドを使用することを
    含む請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】２組のインジウム柱体を形成するステッ
    プを含み、前記インジウム柱体は先細りであり、かつこ
    の先細りのインジウム柱体の各組は相互接続される前記
    検出器と読取りチップの１つに対応する前記センサ接触
    子および前記読取り接触子に接続していおり、前記検出
    器と読取りチップの間を離隔する２倍の高さの柱体を形
    成するように前記インジウム柱体の自由端部が結合され
    る請求項４記載の方法。
  12. 【請求項１２】インジウム柱体の前記各組の前記柱体の
    小さい端部は、実質的に砂時計形状を持つ一体の柱体を
    形成するように、互いに接続されている請求項11記載の
    方法。
  13. 【請求項１３】インジウム柱体の１組だけを使用した場
    合に可能な面積よりも小さい面積の接触ができるように
    前記検出器および読取りチップのセンサ接触子および読
    取り接触子を結合するために、インジウム柱体の各組の
    前記柱体の小さい直径の端部を接続する請求項11記載の
    方法。
  14. 【請求項１４】光減少マスクを形成するために焦点平面
    アレイ組立体パターンを使用し、 前記焦点平面アレイマスクおよびその仕様に対応した銅
    管を具備した相互接続パッドを使用し、 浸漬処理のために相互接続パッドを清浄化して準備し、 溶融インジウムに前記相互接続パッドを浸漬し、前記銅
    管が毛管作用によってインジウムで充填されるまで前記
    浸漬を継続し、 読取りマイクロチップに前記インジウム充填管を移動
    し、読取り接触子パッド上に取付けられたインジウムバ
    ンプに冷間溶接することによって前記読取りマイクロチ
    ップ上の個々の読取り接触子パッドに充填管をその一端
    で付着し、 キャリアフィルムを取外すために硫酸アンモニウムによ
    り元の銅管をエッチングして除去し、 インジウム柱体を検出器マイクロチップに接続可能にす
    るために、形成された前記インジウム柱体のアレイから
    前記キャリアフィルムを持上げて外し、 前記インジウム柱体と整列された位置に検出器マイクロ
    チップを配置し、前記インジウム柱体の上端部を前記セ
    ンサ接触子上に加圧溶接によって取付けられたインジウ
    ムバンプに冷間溶接するステップを含む、 焦点平面アレイの対応する検出器マイクロチップと読取
    りマイクロチップのセンサと読出し接触子の複数の対向
    した対の間に、複数のインジウム柱体の相互接続を有す
    る焦点平面アレイを含む予め定められたパターンに対応
    した焦点平面アレイ組立体の形成方法。
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