(57)【要約】【課題】「フリップチップ」相互接続を必要とするすべての種の、非常に大規模、かつ非常に小さいピッチを有するデバイスに使用することができる接続装置及び方法を提供する。【解決手段】本発明は、２つの部品（１、１’）の間の接続装置であって、中空の導電性インサート（２）、この中空の導電性インサート（２）の中に別の導電性インサート（３）が嵌合し、２つのインサートの間の電気的接続は半田要素（４）によって行われる接続装置と、前記インサートを設けられた２つの部品の間をハイブリッド化する方法とを提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空の導電性インサート（２）であって、別の導電性インサート（３）が嵌合する導電性インサート（２）を備え、
前記２つのインサートの間の電気的接続が半田要素（４）によって行われる、
２つの部品（１、１’）の間の接続装置。
【請求項２】
前記中空の導電性インサート（２）は円形状、特に円形、楕円形、又は平行六面体状、特に正方形又は長方形の断面を有することを特徴とする請求項１に記載の接続装置。
【請求項３】
前記半田要素（４）は、導電性材料であるとともに、前記２つのインサート（２、３）に接触していることを特徴とする請求項１又は２に記載の接続装置。
【請求項４】
前記インサート（３）の内側の前記半田要素（４）の高さは、前記２つのインサート（２、３）の間における半田の高さより低いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の接続装置。
【請求項５】
前記インサート（３）の長さ又は直径（Ｄ）は、前記２つのインサート（２、３）の壁部の間の距離（Ｌ）より大幅に大きいことを特徴とする請求項４に記載の接続装置。
【請求項６】
一方が中空の導電性インサート（２）を備え、
他方が、前記中空の導電性インサート（２）の中に嵌合することができる中空の導電性インサート（３）を備え、
前記インサートのうちの少なくとも一方が半田材料（４）で充填されている２つの部品の間をハイブリッド化するための方法であって、
−  前記インサート（２、３）を位置合わせし嵌合するステップと、
−  半田リフローするステップと、
を備える、２つの部品の間をハイブリッド化するための方法。
【請求項７】
前記半田材料（４）は、前記中空の導電性インサート（２）の内壁をコーティングしていることを特徴とする請求項６に記載の２つの部品の間をハイブリッド化するための方法。
【請求項８】
前記半田材料（４）は、前記中空の導電性インサート（２）の底部における半田の容器に入れられていることを特徴とする請求項６に記載の２つの部品の間をハイブリッド化するための方法。
【請求項９】
接着剤（６）の層が、嵌合の前に、前記部品（１’）のうちの少なくとも一方の、前記インサート（３）の間の表面に堆積されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の２つの部品の間をハイブリッド化するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明が関する技術分野はマイクロエレクトロニクスの分野であり、より具体的には２つの構成部品の製造及び垂直方向接続（「フリップチップとしてよく知られている」の分野である。
【０００２】
本発明は、「フリップチップ」相互接続を必要とするすべての種の、非常に大規模、かつ非常に小さいピッチの画像用デバイスのような、特に非常に小さいピッチを有するデバイスに使用することができる。
【０００３】
中空のインサート中にインサートを嵌合し、次いでこれら２つのインサートの間を半田付けすることよって、接続を確立することが提案されている。
【背景技術】
【０００４】
熱圧着による「フリップチップ」技術を使用した非常に多数かつ小ピッチの垂直電気接続を必要とする２つの構成部品を接合するための基本的な２つの可能性が現在ある。
‐  第１の熱圧着技術は、２つのビーズ（ｂｅａｄｓ）を所定の温度で一方を他方に押し付けて、塑性変形によって結合させるステップを備える（図１Ａ）。
‐  最も小さい接続ピッチのために開発された第２の技術は、第１の技術において使用される温度より低い温度での作業を可能としている。この技術は、熱圧縮されたビーズのうちの１つを「硬い」突起によって置き換えるステップを含み、この突起が対向する半田ビーズの中に貫入してその自然酸化物の表面を破り、電気的接続を可能にする。この方法は低温にて作用する。よって、この第２の技術は以下を可能にする。
・  アセンブリー温度とアセンブリー圧力との低下
・  つぶれの制御：ビーズ‐ビーズの塑性変形の制御が困難ではない
【０００５】
図１Ｂに示されたこの第２の技術は、特許文献１に示されており、適切なインサートが特許文献２に記載されている。
【０００６】
本発明は、インサート熱圧着として知られるこの第２の技術の範囲に属し、この技術に関する基本的には計２つの制限を解決することを目的としている。
【０００７】
第１の問題は熱圧着力に関している。確かに、平面（Ｘ、Ｙ）におけるインサートの断面は、挿入力を制限するようにできるだけ小さいことが求められる。
【０００８】
挿入される柱状物の数が増加すると、アセンブリーのために部品にかかる挿入力は実現される接続部の数Ｎと、接続部の断面積Ｓに比例し、次式に従う。
Ｆｈｙｂ＝  ｋ＊Ｓ＊Ｎ
【０００９】
したがって、例えば４００万ピクセルのマトリックスをハイブリッド化する（１ｇ／バンプ）ために４トンの力が必要とされるということが知られているので、この技術は、非常に多数の接続部を有する部品に対しては制限されてしまう。
【００１０】
この力に対する問題は、アセンブリーされる部品が力に対して敏感であることによって悪化する。アセンブリーのためのいくつかの材料は、このように局所的な応力に対して非常に敏感であり、熱圧縮によるハイブリッド化中に破壊的な転位の生成につながる。
【００１１】
また、作用する力は、もはや必要とされるアセンブリーの精密度とは両立し得ない。実際、ハイブリッド化後の最大の横方向の動きは、１マイクロメータ未満でなければならない。
【００１２】
インサート熱圧縮技術によってもたらされる第２の主な技術的問題は、インサートが形成される方法に関連している。
【００１３】
確かに、半導体生産現場において突起物を形成することは、非常に小さいピッチに対して困難になっている場合がある。インサートの断面積が減少する場合には、必要とされるインサートの小ささに対して、既存の生産技術では実現が困難であることが証明される場合がある。したがって、この制限はフォトリソグラフィーの最小微細度の概念に関連している。したがって、既存の完全挿入型のインサートの断面積を所定の技術的フォトリソグラフィーの解像度Ｄに対して、
π・Ｄ２／４
未満に減少させることは不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第２００６／０５４００５号パンフレット
【特許文献２】米国特許第６，１７９，１９８．００号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｋ．  Ｗａｓｓｉｎｋ，  Ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ  ｉｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  ２  ｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｕｂ  Ｌｉｍｉｔｅｄ，  Ｗｅｔｔｉｎｇ  ｏｆ  ｓｕｒｆａｃｅｓ
【非特許文献２】Ｐ．Ｃ．  Ａｎｄｒｉｃａｃｏｓ  ｅｔ  ａｌ．，  ＩＢＭ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ａｎｄ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，  １９９８，  ４２（５），  ｐｐ  ５６７−７４，  Ｄａｍａｓｃｅｎｅ  ｃｏｐｐｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ  ｆｏｒ  ｃｈｉｐ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これらすべての制限を分析し、特定の技術的解決法が以下の要素に基づいて提案される。
−  完全な管状物‐管状物又は管状物‐円柱状物の接合部を提供する半田要素
−  半田の特別な毛細管特性の使用
【００１７】
したがって、第１の特徴に従えば、本発明は、中空の導電性インサートからなる、２つの構成要素の間の接続装置に関し、この中空のインサート中に別の導電性インサートが嵌合し、２つのインサートの間の電気的接続が半田要素の手段によってもたらされる。
【００１８】
したがって、第１の導電性インサートは、接続のための第１の部品の表面に設けられる。これは、それ自体が接続のための第２の部品の表面に配置される別の導電性インサートを受け入れることができる、中空で雌の要素である。
【００１９】
この第１の導電性要素は管状物に相当し、環状の断面（特に円形状又は楕円形状）又は平行六面体状（特に正方形又は長方形）のいずれかにすることができる。
【００２０】
したがって、第２の導電性インサート（雄部分）は、第１の導電性インサート（メス部分）より必ず小さく、第１の導電性インサートの中に適切に嵌合することができる。第２の導電性インサートは中実（カラム状又は円柱状に相当）であっても中空であっても良い。有利には第２の導電性インサートは中空インサートである。
【００２１】
これら２つのインサートは有利には金属ベースであり、導電体として機能する。これは、例えば銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）、タングステンナイトライド（ＷＮ）を含むことができる。
【００２２】
本発明によれば、接続装置が２つのインサートに同時に接触する導電性半田材料をさらに備え、よってそれら両者を機械的かつ電気的に接続することは注目に値する。特にこの要素は、２つの半田付けされたインサートの間の完全な電気的接合を与える。
【００２３】
前記接合を行うために、対向するインサートの内面及び外面はそれぞれ半田材料によって充填される。
【００２４】
実際には、半田材料は中空のインサートが製造される際にこの中空のインサートの内壁に堆積される。または、中空のインサートはその底部に半田の容器を設けられる。
【００２５】
溶融半田の毛細管特性を考慮し、嵌合するインサートが中空である場合には、２つのインサートの間の半田の高さは、有利にはこの中空のインサート中の半田の高さよりも高い。
【００２６】
実際に、また当業者にはよく知られているように（非特許文献１の３７〜６１頁）、直径Ｄの管状物中に配置された液体はカラム中において高さＫ／Ｄだけ上昇する。同じ原理によって、距離Ｌだけ離間した２つの平行な壁の間に配置された半田は、これら壁の間において高さＫ’／Ｌだけ上昇する。Ｋ及びＫ’は、加工物の表面特性（粗さ、表面特性、半田付けの際の金属間化合物の生成可能性：非特許文献１の１４９〜１７０頁）の関数である。
【００２７】
これら全ての特性（表面張力、表面濡れ性）を考慮することによって、また、より具体的にはＬ＜＜Ｄである装置を設計することによって、雌管状物の底部に供給された半田の容積が２つの管状物の間の本質的には狭い空間の間を上昇する。このように、配管工事において肉眼的に使用される従来の銅‐銅半田付け（半田による予備挿入されたパイプのオキシアセチレン半田付け）の例によるような方法によって、前記空間は充填される。
【００２８】
実際には、既述のように、２つのインサートの離間している横方向壁の距離Ｌは、有利には一方では嵌合が正確であることを確実とし、他方では２つのインサートの間を半田材料が上昇するのを許容するようにゼロではない。
【００２９】
さらに、中空インサートが提供される場合に有利には、嵌合されたインサートの長さ又は直径Ｄは、２つのインサートの離間している壁の距離Ｌよりかなり大きい。このことは、追加的な有利な条件として、インサートが平行な壁を有していることを暗示している。したがって、半田要素は、２つのインサートの壁の間に設けられた空間中を本質的に上昇する。
【００３０】
本発明の別の特徴は、厳密に言えば、２つの部品の間の接続方法に関している。
【００３１】
前記方法は１つの重要な利点を有している。すなわち、接続のための２つのインサートは何らの力も必要とせずに接続させることができる。
【００３２】
実際には、前記方法は２つのステップに分割することができる。
【００３３】
標準的な「ピックアンドプレース」式位置決め装置が、半田付け前に部品を予備挿入する。次いで、挿入された部品は、半田をリフローする前に、位置ずれを生じる危険を冒すことなく移動することができる。
【００３４】
半田付けのステップ、厳密に言えばリフローソルダリングのステップが次いで実施される。リフローソルダリングのステップはリフロー炉を使用して実施される。
【００３５】
この方法の最後においては、部品間の接続要素が上述した方法にしたがって得られる。
【００３６】
特定の実施形態においては、接着剤の層が、インサート間において部品のうちの少なくとも１つの表面に嵌合前に堆積される。また、雌インサートを備える部品の犠牲層が維持される場合には、接続の安定性が改善される。
【００３７】
本発明を実施することができる方法及び結果的な利点は、以下の実施形態から明瞭となる。この実施形態は、情報目的のためのものであって制限的にではなく、添付の図面によって示されている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来技術による様々な基板‐チップの接続システムを示す図である。
【図２】第２のインサートが嵌合する中空のインサートを備える本発明の接続装置であって、２つのインサートが半田要素を介して接触している接続装置を、第２のインサートが中空である場合（Ａ）又は中実である場合（Ｂ）について示す図である。
【図３】半田材料を含有する別の管状物中への管状物の挿入を介した、２つの部品のハイブリッド化の図である。
【図４】本発明による「雌」インサートを備えた部品の製造における様々なステップの図である。
【図５】表面に中実の円柱状形状の突起を備えた部品の断面図である。
【図６】２つの部品の間のハイブリッド化のための本発明による方法の詳細図である。
【図７】「犠牲」層の保持と、接合による強化とを含む、本発明による代替的なハイブリッド化の方法の詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明の目的のための接続要素を得るため、及び本発明による２つの部品間のハイブリッド化のための方法を実施するために、接続用を意図される突起（インサートとしても参照される）を製造する必要がある。これらは、電気的に接続する必要がある複数の部品の表面に配置される。
【００４０】
本発明による、インサートを備えた部品は、図４に示した方法を使用して得ることができる。これは通常、半導体製造、セラミックケーシング、又はその種のものによって製造されたＣＭＯＳ（金属酸化物半導体：ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）ウェハを含んでいる。
【００４１】
図４は、雌管状物の形状のインサート又は突起の製造を詳細に示し、その内壁は金属ベースとされるとともに、半田材料によってコーティングされている。
【００４２】
第１のステップ（図４Ａ）は、接続のための部品上に、樹脂（５）を使用して形成された厚さｅ１の、いわゆる「犠牲」層を堆積するステップを備えている。次いで、この層は標準的なフォトリソグラフィーにかけられる。このステップは、インサート（２）として作用する管状物のために必要とされる直径の穴を作るために使用される。より一般的には、このステップにおいてインサートの形状が設定される。
【００４３】
第２のステップ（図４Ｂ）は、管状物に合う金属層、場合によっては多層金属層の堆積に相当する。この堆積の厚みは、中空のインサートの厚みｅを決定する。金属は、例えば銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）、タングステンナイトライド（ＷＮ）を備えるグループから選択される。
【００４４】
孔の直径は、１マイクロメータ未満の値に、かつ高さ３マイクロメータ以上に制御することができる。
【００４５】
金属の厚さは０．１マイクロメータ未満の値に調整し制御することができる。
【００４６】
有利には金、プラチナ、又は銅といった濡れ性の良い金属からなる追加的な層を有する通常の金属堆積を変形する、又は単に実施することが可能である。このことの利点は、後続の半田付け及び、最終半田付け中の必須な金属間化合物の界面の生成が容易になるということである。
【００４７】
好ましい実施形態においては、中空のインサートは、円形状の孔部に対応する最終的な“管”の形状とされている。しかし、三角形状、四角形状、多角形状などの他のいずれの形状を孔部のマスクに使用された設計によって適用することができる。
【００４８】
また、１つの製造される基板上、及び／又はハイブリッド化される１つのチップ上に異なる形状を組み合わせることも可能である。
【００４９】
第３のステップ（図４Ｃ）は、管状物の内側の内壁に半田材料を堆積するステップを備えている。この半田材料は、アセンブリーの信頼性を担保する従来使用されている材料から選択される。これら材料は、“空孔（ｖｏｉｄ）”の形成を生じさせず、耐エレクトロマイグレーション性を有し、耐久性に優れ、早期時効を示すことが無く、耐温度サイクル性を有する。これは通常、（Ｉｎ）、ＩｎｘＳｎｙ、ＡｕｘＳｎｙ、又はＣｕｘＡｇｙＳｎｚを意味する。実際には、半田材料は、以前のステップ（図４Ｂ）において実施された金属の堆積に引き続いて堆積される。
【００５０】
第４のステップ（図４Ｄ）は、犠牲層の上面に存在する、金属層及び半田層を除去するステップを備えている。当業者にはよく知られている２つのエッチング技術、すなわち“ダマシンエッチング”技術又は“ギャップフィル”法を使用することができる。
【００５１】
最後のステップ（図４Ｅ）は、任意的なステップであり、犠牲層（５）の除去に対応している。これは、デラッカリング（ｄｅ−ｌａｃｑｕｅｒｉｎｇ）として十分に理解されている。
【００５２】
この種の中空の雌インサートは、例えば図２に示されている。
【００５３】
当業者には、上述の雌インサートの中に嵌合することを意図される雄インサートが、同様の方法を少しだけ変形して使用することにより得られることは明確である。
−  雄インサートは、それが挿入されるか又は嵌合される中空の雌インサートの寸法より小さい寸法の断面を有している。
−  雄インサートは、少なくともその内壁上に半田材料を有していない。
−  雄インサートは、円柱状又は中実の平行六面体状の形状とされている。これを達成するために、金属堆積ステップ（図４Ｂ）において、フォトリソグラフィー（図４Ａ）によって犠牲層に生成された空洞は、ボイドを有することなく全体的に金属で充填されなければならない。さらに、当業者は、広く開示されている例えば非特許文献２に記載されている電解めっき成長技術を使用して、円柱を容易に形成することができる。このような雄インサートのための円柱状形状は、図５に図的に示されている。
【００５４】
このようなインサートを備える部品は、次いで後述のハイブリッド化法中に接続することができる。
【００５５】
第１の方法は、２つの中空のインサートに関連して図３に図的に示されており、雌インサートは半田の容器を有している。
【００５６】
図６は、本発明のハイブリッド化法を詳細に示している。
【００５７】
第１のステップ（図６Ａ）においては、雌インサートは、その内壁が半田材料でコーティングされており、雄インサートに対向して配置されている。次いで、上部チップの重量は対向するインサートを嵌合させるのに十分である。必要に応じて、わずかな圧力が嵌合を完成させるようにかけられる。
【００５８】
ほとんど力をかけない挿入の後に、本発明の接続装置（図６Ｂ）の手段によって電気的に接続された２つの部品が得られる。
【００５９】
より複雑なハイブッリド化法が図７に示されている。この方法においては、雌インサートを備える部品に設けられたいわゆる“犠牲”層（５）は、常置物質（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を使用して作られている。すなわち、図４Ｅのステップは行われず、犠牲層は、半田で充填された雌インサートの製造の最終段階においても維持されている。
【００６０】
犠牲層の反対側に存在する部品の表面は、挿入の前又は後に、接着剤（６）の層でコーティングすることができる。２つの部品の間の接続、したがって最終的な構造が、図７に図的に示されたように完成される。
【００６１】
本発明の利点は、本出願から明瞭に理解することができる。
−  接合される部品は力を必要とせずに結合することができる。
−  ハイブリッド化法は、２つのステップ、すなわち、半田付けの前の予備挿入のステップであって、部品を位置ずれの危険なく移動することができる、ステップと、それに続く半田リフローのステップであって、多数の予備挿入された要素を同時に半田付けすることができるステップと、のみを備える。
−  したがって、インサートの間の接触は半田タイプの金属学的接続によって提供される    。
−  ２つのインサートの間の接触面は、使用された半田の量に比例して最大化される。半田が、雌管状物の底部に配置された“半田の容器”から供給されることが想到される。
【００６２】
非常に大きいアスペクト比のインサートを、半導体業界からの優れた技術を使用して、このように非常に小さい接続ピッチで形成することができる。
【００６３】
提案された技術は、特に、かける力を一定にしたままで、ハイブリッド化される点の数を増加させることを可能にする。同時に、ピクセルアクセス抵抗が改善され、典型的には同じフォトリソグラフィーの分解能に対してファクター２だけ改善される。
【００６４】
本発明は多様に使用することができ、特に以下に使用することができる。
−  インサートによる非常に多数の接続を有する大規模異種検知マトリクス（冷却型ＩＲＣＭＯＳ  ＣＭＴ、Ｘ線センサー、等）
−  “冷間”ハイブリッド型温度センシティブマトリクス
−  機械的応力に敏感なマトリクス
−  ３Ｄ  Ｓｉ−ＣＭＯＳ  スタックのための層‐層接続法（力の要らないタムスタック（Ｔａｍｂ  ｓｔａｃｋ）＋形成されたスタックの、力の要らない集合的アニーリング）：スタックは室温において作られ、層のそれぞれは力をかけることなく形成され、スタックの集合的アニーリングが行われる。したがって、チップのそれぞれはただ１回の半田付けの熱サイクルにしかかけられず、境界面及び拡散バリアの劣化が避けられる。
−  ＭＥＭＳ（“Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ”熱応力及び力に敏感なＣＭＯＳの接続）
【符号の説明】
【００６５】
１、１’・・・部品
２、３・・・インサート
４・・・半田要素
５・・・犠牲層
６・・・接着剤
Ｄ・・・直径
Ｌ・・・壁部の間の距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010080962.tif 000009
【外国語明細書】
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