(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に複合半田コーティングを形成する方法であって、
該方法は、
固相金属マトリックス物質からなる紛体物質とフィラー物質からなる紛体物質とを提供するステップであって、
前記固相金属マトリックス物質は、錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫−銅−ニッケル（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）、錫−銀−ビスマス（Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−インジウム（Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ）、錫−金（Ａｕ−Ｓｎ）、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）、錫−亜鉛−ビスマス（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−銀（Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、錫−インジウム（Ｓｎ−Ｉｎ）、インジウム（Ｉｎ）、インジウム−銀（Ｉｎ−Ａｇ）、及び錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）のうちの一以上であり、
前記フィラー物質は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）、炭素、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びこれら金属の合金、ニッケル（Ｎｉ）でコーティングされた炭素又はニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）でコーティングされた炭素、並びにプラチナ群の金属（ＰＧＭ）のうちの一である、ステップと、
前記粉体物質をキネティックスプレー装置に供給するステップと、
前記粉体物質を、収束−発散ノズルを通じて、雰囲気圧より小さいか、又は雰囲気圧と同じ圧力で基板上にスプレーするステップと、
を備え、
前記複合半田コーティング中の前記半田金属マトリックスの体積比率は１０〜９０パーセントであり、前記複合半田コーティング中の前記フィラー物質の体積比率は１０〜９０パーセントである、方法。
【請求項２】
前記粉体物質は、分離した固相金属マトリックス物質粒子とフィラー物質粒子との混合体であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記キネティックスプレーのステップは、真空状態の下で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記粉体物質を室温以上の温度まで予備加熱するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記複合半田コーティング中の前記半田金属マトリックスの体積比率は２０〜４０パーセントであり、前記複合半田コーティング中の前記フィラー物質の体積比率は６０〜８０パーセントであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）粉末、錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）粉末、錫−銅−ニッケル（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）粉末、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）粉末、錫−銀−ビスマス（Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ）粉末、錫−ビスマス−インジウム（Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ）粉末、錫−金（Ａｕ−Ｓｎ）粉末、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）粉末、錫−亜鉛−ビスマス（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ）粉末、錫−ビスマス−銀（Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ）粉末、錫（Ｓｎ）粉末、錫−インジウム（Ｓｎ−Ｉｎ）粉末、インジウム（Ｉｎ）粉末、インジウム−銀（Ｉｎ−Ａｇ）粉末、及び錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）粉末から選択された、半田金属マトリックスから成る紛体と、
銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）、炭素、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、及びこれら金属の合金、から成る粉末、ニッケル（Ｎｉ）でコーティングされた炭素粉末もしくはニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）でコーティングされた炭素粉末、並びにプラチナ群の金属（ＰＧＭ）から成る粉末、から選択された、高い熱伝導性及び導電性を有するフィラー物質から成る紛体と、
から本質的に成る、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法に使用されるキネティックスプレーのための混合粉体。
【請求項７】
前記粉体は自由に流れており、前記混合粉体の粒子のサイズは９０ミクロンより小さく、５ミクロンより大きいことを特徴とする請求項６に記載の混合粉体。
【請求項８】
前記半田金属マトリックスの体積比率は２０〜４０パーセントであり、前記フィラー物質の体積比率は６０〜８０パーセントであり、前記粉体は自由に流れており、前記混合粉体の粒子のサイズは９０ミクロンより小さく、５ミクロンより大きいことを特徴とする請求項６に記載の混合粉体。
【請求項９】
前記半田金属マトリックス物質及び前記フィラー物質を提供するステップと、
前記半田金属マトリックス物質を粉体粒子に形成するステップと、
前記フィラー物質を粉体粒子に形成するステップと、
前記半田金属マトリックス粉体粒子と前記フィラー物質粉体粒子とを、望ましい比率に混合するステップと、
を備える、請求項６〜８のいずれか一項に記載の混合粉体を製造する方法。
【請求項１０】
前記半田金属マトリックスを形成するステップと、前記フィラー物質を形成するステップとはそれぞれ、不活性ガス中でのガスアトマイゼーション、又は真空中でのガスアトマイゼーションを使用して行われていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記半田金属マトリックスを形成するステップと、前記フィラー物質を形成するステップとはそれぞれ、電気化学的析出、化学的析出、ウォターアトマイゼーション、又はプラズマ気相堆積法のうちの１つ以上を使用して行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には材料技術に関し、具体的には改良された熱的及び電気的特性を有する半田の構成と、この半田を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源を含む全ての回路において、主な設計の目的は、部品の温度を低減すること、信頼性を改善すること、コストを削減すること、及び操作性を改善することである。例えばデュアルインラインプラスティックパッケージに実装された集積回路（ＩＣ）を含む多くのＩＣは、本体に直接固定することに貢献するような形状を有してはいない。ＩＣのための実装方法は、パッケージが高い熱負荷に加えて高い電流密度を担持するという機能を提供する場合の、制限的要素となってきている。
【０００３】
所定の場合には、パッケージの設計上の制限は、ＩＣとパッケージとの間の境界に存在するようになってきており、このことは使用される製造技術によってそれ自体制限されている。この理由は、良好な性能に対して最も適当である境界部分の材料が、（銅や金のような）高い導電性と熱伝導性との両方を有した材料である、ということである。しかし、これら材料はまた、ＩＣが許容できる製造温度よりかなり高い融点を有している。よって、低融点半田が通常は境界部分での接合を行うために使用される。しかし、これらの半田は、境界部分の材料それ自体と同様に熱及び電子を移動する能力を有しておらず、よってパッケージの性能の可能性を制限する。
【特許文献１】米国特許第６７５９０８５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
改良された導電率、熱伝導率及び半田付け中のＩＣの損傷を避けるのに十分な低融点を有する半田接合に対する必要性が当業界には残されている。半田層の厚みを減少させることによって、導電率の性能は改善される。半田層の厚みは、使用される製造方法に加えてＩＣとパッケージとの寸法誤差によって制限される。よって、ＩＣの使用のための最小の半田厚みを提供することができる半田接合に対する必要性が当業界には残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
半田材料と、高い（熱的及び電気的な）伝導率を有する材料とを組み合わせることによって、低温で半田付け可能であるとともに半田のみを使用する場合に比べて高い熱的及び電気的導電率を有する複合材料を生成することが可能である。本発明は、動力学的スプレー装置の中に供給され、基板又はその一部分に向かって加速され、従来の半田より良好な熱的及び電気的特性を有する複合半田を形成する、混合粉又は複合体粉を提供する。この方法で半田層を形成することの別の利点は、酸化物濃度が低いことであり、後続工程の半田付け性を改善し、堆積厚みの優れた制御、堆積化学成分の優れた制御、及び最終的には高速の製造を達成する。
【０００６】
本発明の１つの特徴においては、動力学的スプレーのための混合粉は、以下の２つの部分、すなわち、
（１） 錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫−銅−ニッケル（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）、錫−銀−ビスマス（Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−インジウム（Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ）、錫−金（Ａｕ−Ｓｎ）、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）、錫−亜鉛−ビスマス（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−銀（Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、錫−インジウム（Ｓｎ−Ｉｎ）、インジウム（Ｉｎ）、インジウム−銀（Ｉｎ−Ａｇ）、及び錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）のうちの１つ以上、及び
（２） 銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）、炭素（Ｃ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）又はニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）でコーティングされた炭素、プラチナ群の金属（ＰＧＭ）、及びこれら金属の合金のうちの１つ以上からなる、高い熱伝導性及び導電性を有するフィラー物質、
を有する半田金属のマトリックスを含んで提供される。
【０００７】
本発明の別の特徴は、混合粉を製造する方法を提供する。この方法は、錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫−銅−ニッケル（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）、錫−銀−ビスマス（Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−インジウム（Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ）、錫−金（Ａｕ−Ｓｎ）、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）、錫−亜鉛−ビスマス（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−銀（Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、錫−インジウム（Ｓｎ−Ｉｎ）、インジウム（Ｉｎ）、インジウム−銀（Ｉｎ−Ａｇ）、及び錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）の内の１つ以上からなる半田金属マトリックス物質を提供するステップと、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）、炭素（Ｃ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）又はニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）でコーティングされた炭素、プラチナ群の金属（ＰＧＭ）、及びこれら金属の合金のうちの１つ以上からなるフィラー物質を提供するステップとを含んでいる。ここで、鉛は、Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｐａｒｌｉａｍｅｎｔ  Ｄｉｒｅｃｔｉｖｅ  ２００２／９５／ＥＣの“Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｃｅｒｔａｉｎ  Ｈａｚｅｒｄｏｕｓ  Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ”（Ｒ０ＨＳ）によって半田からの除去が制定されており、この制定は電気工業会の世界的であるという本質のために世界的に採用されるであろうが、ここでは除外しないで記載する。次いで、マトリックス物質及びフィラー物質はそれぞれ粉体粒子に形成される。最終的に、半田金属マトリックス粉体粒子及びフィラー金属粉体粒子は、スプレーのための望ましい比率に混合される。
【０００８】
本発明の別の特徴においては、動力学的スプレーのための複合粉体粒子は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）、炭素（Ｃ）、銀（Ａｇ）、及びモリブデン（Ｍｏ）のうちの１つ以上から構成される、高い熱伝導性及び導電性を有するフィラー金属を含む内側成分と、錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫−銅−ニッケル（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）、錫−銀−ビスマス（Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−インジウム（Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ）、錫−金（Ａｕ−Ｓｎ）、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）、錫−亜鉛−ビスマス（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−銀（Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、錫−インジウム（Ｓｎ−Ｉｎ）、インジウム（Ｉｎ）、インジウム−銀（Ｉｎ−Ａｇ）、及び錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）のうちの１つ以上から構成される半田金属マトリックスを含む外側成分とを有して提供されている。代替的に、内側成分は、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）又はニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）でコーティングされた炭素（通常は、グラファイト、ダイアモンド、又はカーボンナノチューブ−ＳＷＮＴ）、又はプラチナ群の金属（ＰＧＭ）に基づく１つ以上の合金とすることができる。
【０００９】
また、複合粉体を製造する方法を含む、本発明のまた別の特徴も提供される。この製造方法は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）、炭素、銀（Ａｇ）、及びモリブデン（Ｍｏ）、及びこれら金属の全ての合金のうちの１つ以上のような、高い熱伝導性及び導電性を有するフィラー金属からなる内側粒子成分を提供するステップを含んでいる。次に、内側成分は粉体粒子に形成される。錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫−銅−ニッケル（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）、錫−銀−ビスマス（Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−インジウム（Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ）、錫−金（Ａｕ−Ｓｎ）、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）、錫−亜鉛−ビスマス（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−銀（Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、錫−インジウム（Ｓｎ−Ｉｎ）、インジウム（Ｉｎ）、インジウム−銀（Ｉｎ−Ａｇ）、又は錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）のうちの１つ以上からなる外側成分が提供される。そして最終的には、外側成分は、電気化学的方法、化学的方法、物理的気相堆積法（ＰＶＤ）、又は機械的クラッドのうちの１つ以上を使用して、内側成分の上に堆積される。
【００１０】
本発明の別の特徴においては、複合半田物質を適用する方法が提供されている。この方法は、上述した物質組成に従った固相金属マトリックス物質及びフィラー物質をそれぞれ備える粉体物質を提供するステップと、この粉体物質を動力学的スプレー装置に供給するステップと、粉体物質を周囲環境より低い又は周囲環境と同じ圧力で、収束−発散ノズルを通じて基板上にスプレーするステップとを含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
添付の図面は本発明のさらなる理解を提供するために含まれており、この明細書に組み込まれているとともにこの明細書の一部分を構成している。添付の図面は、本発明の実施形態を図示するとともに、本発明の原理を説明するような記載を有している。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態が詳細に参照され、これら実施形態の例が添付の図面に図示されている。
【００１３】
本発明の複合物質は動力学的スプレーシステムに使用することができる。図１は、本発明に従って使用するための動力学的スプレーシステム１０を示している。システム１０は、動力学的スプレーガン１２を含み、このスプレーガン１２は被加工物１４とともに真空タンク１６の中空内部の中に取り付けられている。動力学的スプレーガン１２は、スプレー１１０を被加工物１４上に方向付けるために、被加工物１４に対して配置されている。被加工物１４は、真空タンク１６の壁を貫通して取り付けられ、真空タンク１６の内部中に延在している被加工物操作装置２０の上に取り付けることができる。
【００１４】
図１の典型的なシステム１０に示すように、動力学的スプレーガン１２は、圧力下における主ガス流れに応じて被加工物１４上への方向への冷たいスプレーと、本発明による複合粉体１００を担持する粉体ガスとを生成している。主ガス流れは、保存容器３０の形態の第１のガス供給部からの主ガスライン２８によって動力学的スプレーガン１２へ供給されている。保存容器３０の中のガスは、例えばヘリウム、アルゴン、窒素、若しくは空気とすることができる。複合粉体１００は、第２のガス供給部又は粉体供給機３４に組み合わされた保存容器３２によってガスの流れの中に供給される。第２のガス保存容器３２は、粉体供給機３４を通じて延在している粉体ガスライン３６を通じて、（例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素、若しくは空気などの）粉体ガスの流れを提供している。粉体供給機３４は、粉体を動力学的スプレーガン１２へ供給するための粉体ガスライン３６中のガスの流れの中に、複合粉体１００を供給している。
【００１５】
第１のガス保存容器３０からのガスは、主ガスライン２８を通じて動力学的スプレーガン１２の入口端部３８へ流れる。入口端部３８から、ガスは、任意的な（図示しない）加熱コイルを通じて、動力学的スプレーガン１２の入口端部３８とは反対側にあるスプレーノズル４０へ流れる。粉体供給機３４は、複合粉体１００を、粉体ガスライン３６を通じて流れる粉体ガスの流れの中に供給する。供給部３２からのガスと複合粉体１００とはガスが粉体供給部３４を通過するときに混合し、粉体とガスとの混合物を提供する。供給部３２からのガスと粉体１００との比率は、望ましい適用規格に合うように変化させることができる。図１に示されるように、粉体ガスライン３６は、真空タンク１６の壁を貫通して、動力学的スプレーガン１２に沿って接続点４８へ延在している。動力学的スプレーガン１２の内側においては、ガスと粉体とはスプレーノズル４０を通じて方向付けられ、基板被加工物１４の上へと加速されている。
【００１６】
本発明の複合粉体１００は、図１に関して上述したような動力学的スプレーシステムにおいて使用するためのフィラー物質と半田金属マトリックスを含んでいる。半田マトリックスは、錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）、錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）、錫−銅−ニッケル（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ）、錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）、錫−銀−ビスマス（Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−インジウム（Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ）、錫−金（Ａｕ−Ｓｎ）、錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）、錫−亜鉛−ビスマス（Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ）、錫−ビスマス−銀（Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、錫−インジウム（Ｓｎ−Ｉｎ）、インジウム（Ｉｎ）、インジウム−銀（Ｉｎ−Ａｇ）、又は錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）のような低融点半田材料からなっている。マトリックスは融点が低く、溶融状態において良好な流れ性を有することが求められており、フィラー及び境界部の金属に濡れることができなければならない。また、半田金属マトリックスは、フィラー材料の中に溶け込む合金とすることができる。半田金属マトリックスは、コーティング全体の約１０〜９０体積パーセントとすることができ、典型的な半田金属マトリックスの組成は２０〜４０体積パーセントであり、フィラー材料の利点を最大化することに加えて、フィラー材料の好適なカバレージを達成することができる。
【００１７】
複合粉体１００のフィラー材料は、熱伝導率及び導電率の両方において高い柔らかい金属又は金属合金から構成されている。フィラー材料は、半田マトリックスの融点より高い融点を有し、半田金属マトリックスによって濡れることができなければならない。代替的に、半田金属マトリックスはフィラー金属の中に溶け込み、金属学的結合を形成することができる。（例えば、所定の金属、又はグラファイト、ダイアモンド、又はカーボンナノチューブ−ＳＭ／ＮＴの状態の炭素のような）フィラー材料は、比較的柔らかい、高度に伝導性を有するいずれの金属又は合金から構成することができる。これらの規格に合う金属システムは、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル−金（Ｎｉ−Ａｕ）、炭素（典型的にはグラファイト、ダイアモンド、又はカーボンナノチューブ−ＳＭＮＴ）、及び銀（Ａｇ）、若しくはこれら物質のいずれの合金の組み合わせを含んでいる。可能な別の金属合金システムは、アルミニウム、モリブデン、ニッケル、又はプラチナ群の金属（ＰＧＭ）である。フィラー材料は、コーティングの約１０〜９０体積パーセントに作ることができ、典型的組成は約６０〜８０体積パーセントであり、高い熱伝導性及び導電性を有する金属システムを使用することによってもたらされる利点を最大化することができる。
【００１８】
複合粉体１００のための金属は、複数の方法で製造することができる。一般的に、動力学的スプレー用に生産される金属は、動力学的スプレー装置が球状の粉体を非常に高速である部分に供給することによって機能するので、粉体形状で供給される。図２は、本発明に従って混合された複合粉体を生産する方法のためのプロセスフローを示している。Ｓ１０１及びＳ１０３のステップにおいて、基体材料は固相金属マトリックス及びフィラー物質それぞれのために提供されている。Ｓ１０５のステップにおいて、基体固相金属物質は、粉体粒子に形成される。粉体を生産する最も一般的な方法は、滑らかで球状の粉体が生産されるので、ガスアトマイゼーションによるものである。粉体形成の別の方法は、それに限られるわけではないが、ウォターアトマイゼーション、又は化学的析出である。金属マトリックス粉体粒子のサイズは、約９０ミクロン以下で、約５ミクロン以上であり、一般的には自由に流れていなければならない（例えば、粒子は互いに付着しあうことが無い）。同様に、Ｓ１０７のステップにおいて、フィラー物質は粉体粒子に形成される。フィラー物質のためのステップＳ１０７における粉体形成プロセスは、使用する必要があるわけではないが、ステップ１０５におけるのと同じ粉体形成技術を使用することができる。すなわちガスアトマイゼーション、ウォターアトマイゼーション、又は化学的析出を使用することができる。フィラー物質の粉体粒子のサイズは、約９０ミクロン以下で、約５ミクロン以上であり、一般的には自由に流れていなければならない。ガスアトマイゼーションのプロセスは、不活性雰囲気又は真空雰囲気のいずれかにおいて行われる。粉体化のために不活性雰囲気又は真空雰囲気を使用する利点は、生産される粉体において低い酸素濃度を実現することができることであり、堆積されたコーティングが半田付けされる場合に重要となる。
【００１９】
図２のステップＳ１０９に示されているように、２つの粉体構成要素は、スプレーに先立って、Ｖ−混合器のような装置を使用して望ましい比率に混合される。２つの構成要素は、スプレーガンのノズルから推進されるときに、密度、熱伝導率、及び熱容量における差による異なる温度及び速度を示す場合がある。半田金属マトリックス粉体及びフィラー物質粉体の飛行間特性によって、混合比率は、結果的なコーティングが構成成分の望ましい体積比を有するように調整される。別の実施形態においては、２つの粉体構成要素の同時注入を、別々の混合ステップの代わりに使用することができる。
【００２０】
粉体を製造するための別の選択肢は、粉体分離のような混合及び供給に含まれる生産上の問題を回避するように、複合粉体粒子を作り出すことである。図３は、本発明による複合粉体粒子の模式図を提供している。図３は、半田金属マトリックス１２２の外殻で取り囲まれたフィラー物質１２４を含む粒子１２０を示している。フィラー物質によって占有される体積は、約５０〜９０パーセント、好ましくは約６０〜８０パーセントである。複合粉体粒子のサイズは、約９０ミクロン以下で、約５ミクロン以上であり、一般的には自由に流れていなければならない。
【００２１】
図４は、本発明に従って複合粉体粒子を生産する方法のためのプロセスフローを示している。ステップＳ１３１及びＳ１３３において、基体となる材料はフィラー物質及び固相金属マトリックスそれぞれのために提供される。ステップＳ１３５において、フィラー物質は粉体粒子に形成される。図２に関して上述したように、フィラー物質粉体を形成するために、ガスアトマイゼーション、ウォターアトマイゼーション、又は化学的析出工程のいずれかを使用することができる。有益な複合粉体粒子を作るために、ステップＳ１３７においては、半田金属マトリックス物質がフィラー物質粒子の上に好適な技術を使用して堆積されている。ステップＳ１３７における包皮を行うための好適な方法は、電気化学的方法、物理的気相堆積法（ＰＶＤ）、又は機械的クラッドを含んでいる。
【００２２】
一般的に図１及び７を参照すると、動力学的スプレーは、複合粉末粒子１００を基板（例えば被加工物１４）に向かって、音速よりずっと大きな、非常な高速で加速する。図７は、基板上への半田コーティングを生産するためのプロセスフローを提供している。ステップＳ１５１においては、複合粉体１００は動力学的スプレーシステムに対して提供されている。図１に示されたシステム構成に対して、粉体は予備混合された粉体又は複合粒子として供給することができる。別の実施形態においては、粉体はステップＳ１５３において予備加熱される。別の実施形態においては、複合粉体１００の固相金属マトリックス及びフィラー物質の構成要素は、動力学的スプレーガン１２の中に別々に供給することができ、動力学的スプレーガン１２を通過するときに混合することができる。複合粉体１００は、ステップＳ１５５において動力学的スプレー装置１２の中に注入される。複合粉体１００は、高速ガス流れの中への注入によって超音速まで加速される。ガスは、動力学的スプレー装置１２において、ガスを圧縮し、続いて適正なサイズの収束−発散ノズル４０を通じてガスを膨張させることによって加速される。ノズル４０の寸法及びガス流れと組み合わされた入口及び出口の圧力は、ガスの流出速度を決定している。出口圧力は、周囲圧力であるか、又は周囲圧力より低い圧力とすることができる。これら条件は、「低圧冷間スプレーの方法とそのための装置」という名称の特許文献１に記載されており、本発明に共通して使用される。
【００２３】
粉体１００はノズルの中に注入された後、ステップＳ１５５に示されるように、スプレー１１０の形態で基板へと移動する。コーティングは、基板１４若しくは既に堆積されている物質との機械的結合を形成する、衝突の際の粉体１００の力学的エネルギーの熱エネルギーへの変換によって形成される。この方法においては、プラズマスプレー（ｐｌａｓｍａ  ｓｐｒａｙｉｎｇ）、火炎スプレー（ｆｌａｍｅ  ｓｐｒａｙｉｎｇ）、又は高速酸素燃料（ｈｉｇｈ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｏｘｙ−ｆｕｅｌ：ＨＶＯＦ）のような別の形態のスプレー式堆積法の場合と同じような粉体の移動中に起きる熱反応を有することなく、非常に密度の高いコーティングを形成することが可能である。このような半田コーティングの例は図５に示されており、図５は、半田付け前の本発明によって適用された半田コーティングの図を示している。図５において、コーティング１４０は基板１４に結合されており、このコーティングは、半田金属マトリックス１２２によってほぼ取り囲まれた高密度のフィラー物質の粒子１２４を含んでいる。この複合半田コーティングには、１体積パーセントまでの空孔１２６が存在する場合があり、この空孔は半田付けのステップの間に消滅する。
【００２４】
動力学的スプレー工程の使用は、移動中の熱反応を抑圧することによる、高温の熱的スプレーシステムを凌駕する利点を提供している。このことは、通常はスプレー中に互いに反応するか、若しくは周囲と反応する金属からなる複合コーティングを使用することができ、よって非常に融点が異なる金属からなる複合コーティングを達成することができる、ということを意味している。これは、本発明におけるような、低融点の半田マトリックスを高融点のフィラー物質と同時にスプレーする場合である。
【００２５】
いったん半田コーティングが堆積されると、この半田コーティングは、表面実装技術（ＳＭＴ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｏｕｎｔ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｙ）のリフロー又はウェーブソルダリングのような、好適な技術を使用して半田付けすることができる。本発明のコーティングは、低酸化物濃度、かつ高密度であり、よって一様な半田接合が可能であるという点において、別の半田に比べて半田付けに関する利点を有している。また、互いに溶解可能である銅とインジウムのように、フィラー物質と半田金属マトリックスとの組み合わせを選ぶことによって、拡散結合を生じさせることも可能である。所定の場合には、半田物質の融点より下の温度で結合を達成することが可能である。
【００２６】
半田付けされた接合のコーティング構造の例が図６に示されており、図６は、本発明の実施形態により適用された半田コーティングの、半田付け後の図を示している。コーティング１５０は基板１４に結合されており、このコーティングは、半田金属マトリクス１２２によってほぼ取り囲まれた高密度のフィラー物質の粒子１２４を含んでいる。ＩＣパッケージ２００は、半田コーティング１５０によって、基板１４に接合されている。
【００２７】
本発明の優れた実施形態がここに示され記載されているが、当業者にはこのような実施形態は例示の方法によって示されているだけであることが理解できるであろう。複数の示されていない変形、変更、及び置換が、出願人によってここに開示された発明の技術範囲から離れることなく当業者にとって明白であろう。したがって、本発明は、請求項の精神及び技術範囲によってのみ限られるものであることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明とともに使用するための典型的な動力学的スプレーシステムの図である。
【図２】本発明に従って混合粉体を生産する方法のためのプロセスフローである。
【図３】本発明の１つの実施形態による複合粉体粒子の図である。
【図４】本発明に従って複合粉体を生産する方法のためのプロセスフローである。
【図５】本発明の１つの実施形態による、半田付け前の適用された半田コーティングの図である。
【図６】本発明の１つの実施形態による、半田付け後の適用された半田コーティングの図である。
【図７】本発明の１つの実施形態にしたがって、基板上に半田コーティングを行うためのプロセスフローである。
【符号の説明】
【００２９】
１０・・・動力学的スプレーシステム
１２・・・動力学的スプレーガン
１４・・・被加工物（基板）
１６・・・真空タンク
２０・・・被加工物操作装置
２８・・・主ガスライン
３０・・・保存容器
３２・・・供給部
３４・・・粉体供給機
３６・・・粉体ガスライン
４０・・・スプレーノズル
１００・・・複合粉体
１１０・・・スプレー
１２０・・・粒子
１２２・・・半田金属マトリックス
１２４・・・フィラー物質
１２６・・・空孔
１４０、１５０・・・コーティング
【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７】
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【図５】
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【図６】
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