(57)【要約】      （修正有）【課題】電磁放射線検出用の大規模アレイ型装置の製造に応用可能である、マイクロエレクトロニクスの分野の相互連結バンプを用いる異なる部材のハイブリッド形成方法及びその装置を提供する。【解決手段】第１部材１に、突起物を収容するための第１パッド３を設けること、−  第２部材２に、突起物を収容するための第２パッド５を設けること、−  第１パッド及び／又は第２パッドに可融性材料からなる突起物４、及び少なくとも３つの大きな突起物６を設けること、−  第１部材及び第２部材を上下に配置すること、−  第１部材、第２部材、及びはんだ突起物から成るアセンブリの温度をはんだ付け温度にして、パッドの各ペアの第１パッドと第２パッドを、これらパッドに突起物をはんだ付けする事により相互連結すること、及び−  最後に、上記のようにして得られたはんだ付け連結部を冷却することを含むハイブリッド形成方法。【選択図】図３
2007081380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ突起物又はバンプを用いる第１部材１と第２部材２のハイブリッド形成方法であって：
−  第１熱膨張係数を有する第１部材１に、突起物を収容するための第１パッド３を設けること、
−  第２熱膨張係数を有する第２部材２に、突起物を収容するための第２パッド５を設けること、
−  第１パッド１と第２パッド２をそれぞれ整列させて２つを対応させることによりパッドのペアを形成し、
・  ハイブリッド形成温度Ｔｈにおいて、パッドの各ペアを構成する第１パッド３と第２パッド５はほぼ重ね合わせることができ、
・  環境温度Ｔａにおいて、パッドの各ペアを構成するパッドは、第１部材及び第２部材の、環境温度Ｔａとハイブリッド形成温度Ｔｈとの間で起こる膨張の差異を補償する距離だけずれている
ように、第１パッド及び第２パッドを第１部材及び第２部材上に配置すること、
−  第１パッド及び／又は第２パッドに可融性材料からなる突起物４を設けること、
−  第１部材及び第２部材を上下に配置すること、
−  第１部材、第２部材、及びはんだ突起物からなるアセンブリの温度をはんだ付け温度Ｔｈまで上昇させて、パッドの各ペアの第１パッドと第２パッドを、これらパッドに突起物をはんだ付けする事により相互連結すること、及び
−  最後に、上記のようにして得られたはんだ付け連結部を冷却すること
を含み、
・第１パッド３及び／又は第２パッド５それぞれの上に装着される可融性材料からなる突起物４の一部を、少なくとも３つの大きなバンプ６、特に高いバンプとすることにより、温度がハイブリッド形成温度Ｔｈに上昇する前は、部材は大きなバンプにだけ接していること、及び
・「くさびバンプ（又は突起物）」又は「高いバンプ（又は突起物）」６と呼ばれる前記大きな突起物又はバンプを、前記第１部材及び／又は第２部材のほぼ中央に配置すること
を特徴とする、ハイブリッド形成方法。
【請求項２】
ハイブリッド形成前の高いバンプ（又は突起物）６の高さが、他のハイブリッド形成バンプ（又は突起物）４の高さより大きいこと、及びハイブリッド形成後は高いバンプ６の高さと他のバンプ４の高さがほぼ同じとなることを特徴とする、請求項１に記載のはんだ突起物を用いるハイブリッド形成方法。
【請求項３】
部材の１つの中央領域に、高いバンプ６と極小バンプ７を分散させて配置するか、又は交互に配置すること、並びに、前記部材の残りに低いバンプ４が配置され、極小バンプ７の高さは低バンプ４の高さより小さく、これら３種類のバンプの各々の高さがハイブリッド形成後ほぼ同一になることを特徴とする、請求項１又は２に記載のはんだ突起物を用いるハイブリッド形成方法。
【請求項４】
突起物４、６及び７が異なる容積を有し、容積の大きな突起物６が前記部材の１つのほぼ中央に配置されることを特徴とする、前記突起物を収容するためのパッドを用いてはんだ突起物によりハイブリッド形成された２つの部材を備える装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロエレクトロニクスの分野に関し、詳細には相互連結バンプを用いる異なる部材のハイブリッド形成技術に関する。この方法は特に、電磁放射線検出用の大規模アレイ型装置の製造に応用可能である。Ｘ線又は赤外線の放射を検出するためのアレイに主に言及する。
本明細書において、用語「部材」は、例えば電子チップ、電子又は光電子回路基板、保護カバー型の機械部材又は物理量のセンサなどの電子部材を意味するために用いる。
【背景技術】
【０００２】
本発明で言及するハイブリッド形成技術は、融解によるハイブリッド形成に限定される。広く知られるこの技術は、すず−鉛合金、すず−インジウム合金、又は場合によっては純インジウム等の可融性材料のバンプを用いる。
端的にいえば、このような融解によるハイブリッド形成技術は、
・１の部材上に製造された、はんだバンプを構成する材料により濡れ性の材料からなる接着パッドの上に、可融性材料からなるバンプを配置すること、
・次いで、やはりはんだバンプを構成する材料により濡れ性の材料からなるパッドとハイブリッド形成される別の部材を用意し、この第２部材を第１の部材の上に配置するとき、前記第１部材のパッドとほぼ対向する位置にパッドを配置すること、及び
・次いで、バンプを構成する材料の融点を超える温度に到達するまで温度を上昇させることにより、所望の結果が達成されるまでバンプを溶融させること、即ち前記バンプが各部材のパッド間に機械的及び／又は電気的連結を生成することにより、第１部材上に第２部材をハイブリッド形成すること
を含む。
【０００３】
比較的小さい寸法を有する部材にとって、１の部材を別の部材の上に配置するときの、部材同士の相対的な配置の正確さは、それ程重要ではない。実際には、融解過程においてハイブリッド形成バンプに影響する表面張力現象によって、前記部材同士は自動的に位置合わせされる。加えて、このような表面張力現象により、互いに異なる熱膨張係数を有する２つの部材に影響する熱膨張現象を少なくとも部分的に補償する事が可能となり、その結果１つの部材のパッドが他の部材のパッドに対して移動する。
もっと大きな寸法を有する部材の場合の、部材の膨張が異なるという問題に対する、１つの公知の技術的解決策では、部材の実際の設計という点で措置を講じることにより、膨張現象を補償する。
【０００４】
例えば、特許文献１は、線形的及び相似拡大的にハイブリッド形成させる部材の濡れ性の表面を移動させることにより、ハイブリッド形成温度において、前記濡れ性の表面を互いにほぼ対向するように配置し、他の部材の濡れ性の表面又はパッドとのずれをなくし、よって異なる膨張を補償することを提案している。
図１ａ及び１ｂは、この特許文献が採用する技術的解決策の基礎原理を模式的に表す。図１ａは、環境温度における、ハイブリッド形成される部材系のハイブリッド形成前の模式的断面図を示し、図１ｂは、部材のハイブリッド形成温度における図１ａと同様の図を表す。
【０００５】
図１ａ及び１ｂにおいて、１は例えばシリコン製の基板を表し、２は基板上に載せるカバーを表す。基板１は、チタン又はニッケルの合金を主成分とする前バリアを伴う一般に金製の濡れ性の領域３を有し、その上にハイブリッド形成バンプ４が配置される。濡れ性の表面５は、同様の方法で、但しハイブリッド形成バンプは伴わずにカバー２の下方表面上に製造される。特許文献１の教示によれば、カバー２を基板１上に搭載する場合、カバー２の濡れ性の表面５は、環境温度で、基板１の濡れ性の表面３と対向していない。
しかしながら、基板及びカバーそれぞれの熱膨張係数ａ１とａ２の差異により、温度がバンプ４を構成する材料の融点を超えるハイブリッド形成温度に到達すると、前記カバーの濡れ性の表面５が移動し、基板１の濡れ性の表面３にほぼ対向する位置に来るので、図１ｂに示すようにハイブリッド形成が可能である。
【０００６】
しかしながら、この特許文献に記載される方法は、比較的小さいサイズのアレイ、特に１０００×１０００ピクセル未満のアレイには良好に作用するが、もっと大きな寸法を有するアレイでは、数々の技術的な問題が生じる。
第１に、この特許文献による部材の設計は、重心に対してほぼ均一な熱膨張により、濡れ性の表面をずらすという原理に基づいている。残念ながら、これらの部材の実際の製造に伴う制約のために、表面、特に互いに対向させることを意図した問題の部材の表面を完璧且つ均一に獲得することは達成が困難な理想であり、この技術において固定点又は接着点と呼ばれる図２ａ中の矢印Ａで示す点がしばしば形成される。これが存在すると、接着点により、熱膨張、特に記載の実施例のカバーの熱膨張が、アレイのほぼ中央の点からではなくこの接着点から起こり、その結果図２ｂ中の矢印Ｂで示すように、接着点から最も離れた位置の濡れ性の表面に重大なずれが生じる。
【０００７】
実際、Ｌが基板の端部の濡れ性の２つの領域間の距離を表し、この距離にＮ個のピクセルが含まれるとすると、Ｌ＝（Ｎ−１）×ピッチの等式が成り立ち、ピッチは通常２つの連続したピクセル間の距離として定義される。
従って、基板１の１つのバンプ又は濡れ性の領域と、それと対になるカバー２上の濡れ性の領域とのずれをＤとすると、上記特許文献の教示によれば、以下の等式が得られる。
Ｄ＝(ａ２−ａ１)×(Ｔｈ−Ｔａ)×Ｌ／２＝(ａ２−ａ１)×(Ｔｈ−Ｔａ)×(Ｎ−１)／２×ピッチ
ここで、Ｔｈはハイブリッド形成温度であり、Ｔａは環境温度である。
【０００８】
従って例えば、１０μｍのピッチでシリコン上にハイブリッド形成された４０００×４０００のピクセルを含み、寸法４０×４０ｃｍの、３×１０−６のオ−ダ−の熱膨張係数ａ２−ａ１を有するテルル化カドミウムＣｄＴｅアレイの場合、１７０℃の温度差に対する膨張の差Ｄは、１.２ピッチの増分に相当する。
換言すれば、チップを配置する場合、下方チップ（この場合、基板１）の周辺部上の終わりから２番目のバンプＮ−１を、上方チップ２の濡れ性の表面Ｎに対向するように配置する。このように膨張を補償する結果、ずれは、図２ｂ（右手側）に示すように１ピクセルに等しくなる。直線的な膨張の他に、実際の経験から有理的な膨張又は円形の膨張及びその他の種類の移動も生じることが実証されている。
【特許文献１】仏国特許第２７４８８４９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
即ち、本発明が解決しようとする技術的課題は、種々の技術が採用するトポロジーにより発生する接着点の存在により、膨張の重心が制御できないという事実である。接触する表面の最も突出した点が膨張の、従って部材のハイブリッド形成崩壊の中心となり得る。小サイズ部材の場合、この問題は、ずれがスペーシングのためのピッチの値より小さいという事実によって軽減されるが、大きい部材の場合、この欠陥は生産収率に重大な影響を及ぼし得る。
従って本発明の目的は、この欠点、特に大きな寸法を有する部材の欠点を克服することである。全体的には、特にハイブリッド形成の前に実際のはんだ素子自体に影響を及ぼすことがないように、部材媒体中にくさびのような機能を付与することを目的とする。本発明によれば、くさび及びはんだ素子は種々の形状を有することができる。本明細書では、それらを以降無差別に「バンプ」と呼ぶ。この用語は必ずしも球形であることを意味しない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
具体的には、本発明は、はんだ突起物を用いる第１部材と第２部材とのハイブリッド形成方法に関するものであり、本方法は：
−  第１熱膨張係数を有する第１部材に、突起物を収容するための第１パッドを設けること、
−  第２熱膨張係数を有する第２部材に、突起物を収容するための第２パッドを設けること、
−  第１パッドと第２パッドをそれぞれ整列させて２つを対応させることによりパッドのペアを形成し、
・  ハイブリッド形成温度Ｔｈにおいて、パッドの各ペアを構成する第１パッドと第２パッドはほぼ重ね合わせることができ、
・  環境温度Ｔａにおいて、パッドの各ペアを構成するパッドは、第１部材及び第２部材の、環境温度Ｔａとハイブリッド形成温度Ｔｈとの間で起こる膨張の差異を補償する距離だけずれている
ように、第１パッド及び第２パッドを第１部材及び第２部材上に配置すること、
−  第１パッド及び／又は第２パッドに可融性材料からなる突起物を設けること、
−  第１部材及び第２部材を上下に配置すること、
−  第１部材、第２部材、及びはんだ突起物から成るアセンブリの温度をはんだ付け温度Ｔｈまで上昇させて、パッドの各ペアの第１パッドと第２パッドを、これらパッドに突起物をはんだ付けする事により相互連結すること、及び
−  最後に、上記のようにして得られたはんだ付け連結部を冷却すること
を含む。
本発明によれば、第１パッド及び／又は第２パッドにそれぞれ装着された可融性材料からなるバンプ又は突起物の一部は、少なくとも３つの大きなバンプ、特に背の高いバンプからなるので、温度がハイブリッド形成温度まで上昇する前は、部材は大きいバンプだけに接している。
【００１１】
加えて、「くさびバンプ」と呼ばれるこれらの大きなバンプは、前記第１部材及び／又は第２部材のほぼ中央に配置される。
この方法を用いると、接触領域がハイブリッド形成されるチップの中央に限られるので、膨張の重心が必然的にこの領域となる。
【００１２】
後述で明らかになるように、他のバンプに対して装着される部品を確実に効果的に持ち上げるこれらの特殊なバンプ（少なくとも３つ）は、接着点を生じずに２つの部品を互いに対して膨張させることができるくさびとして作用する。問題の部材は、全てのはんだバンプが融点に達したら、必要なときに組み立てるだけでよい。
このようにして、大きなバンプは装着部材を一定の高さに維持するので、他のバンプが組み立て前に受容パッド又は濡れ性の表面と接触することがなく、よって設計欠陥又は前記部材の不均一性に起因する不適切なタイミングでのはんだ付けは起こらない。
【００１３】
当然であるが、本発明を用いることにより、ハイブリッド形成される部材の特性が変更されることはない。特定ピクセルのスペーシングのためのピッチは維持しなくてはならないので、本発明は、スペーシングのためのピッチを乱すことなく、他のバンプより高い少なくとも３つのバンプを導入することを目的とする。
１つの公知の方法において、バンプは第１に下方接着表面により、第２に上方接着表面により、及び最後に、使用するはんだ材料の容積により画定される。
【００１４】
これらのパラメ−タにより、他の２つのパラメ−タ、即ちハイブリッド形成前のバンプの高さ及びハイブリッド形成後のバンプの高さを考慮に入れなければならない。
本発明によれば、目的は、所定のピッチに対し、できるだけ大きいバンプを製造することである。実際、このような構成により、ハイブリッド形成される２つの部材間の不均一性を完全に補償することがはるかに容易になる。当然、本発明を用いることにより、相互連結のピッチ及び必要なバンプの高さの値に応じて以下のような問題が生じる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の第１の態様によれば、相互連結のピッチがバンプの高さの２倍を超える場合、上記の本発明は問題なく適用可能である。この点に関し、バンプの高さが、確実性の法則、ハイブリッド形成される部材における平坦さのばらつき、及びバンプ製造に用いる技術によって決定されることに改めて注意されたい。
この場合、２種類のバンプ、即ち： 
−  アレイ中央の高いバンプであって、上述のようにハイブリッド形成される部材を支持するための少なくとも３つの高いバンプ
−  アレイのそれ以外の部分の低いバンプ
が必要である。
【００１６】
この構成において、ハイブリッド形成前の高いバンプの高さは、いわゆる「低いバンプ」の高さより大きい。これに対し、ハイブリッド形成後は、高いバンプと低いバンプの高さはほぼ同じである。
一方、相互連結のピッチが高いバンプの高さの２倍未満の場合、高いバンプはピッチによって形成される空間の殆ど全てを占める。本発明では、互いに対して特定の構成で配置される３種類のバンプを用いる。
【００１７】
中央の複数の高いバンプは、その間に低バンプを分散させて又は低いバンプと交互に配置し、他の場所には中間バンプ、即ち中間の高さのバンプを配置する。高いバンプとスペーシング用のピッチより小さい高さを有する低いバンプとを点在させることにより、相互連結ピッチを確保する必要がある限り、ハイブリッド形成される部材の中央において問題となる技術的制限を考慮に入れることが可能となる。
従って、相互連結ピッチより大きい高さを有するバンプと、高いバンプのそばに前記ピッチより小さいサイズを有する低いバンプとを挿入又は交互配置することにより、相互連結ピッチを確実に守ることが可能となる。
【００１８】
このような交互配置又は相互連結により、２つの基本的なハイブリッド形成の法則、即ち：
−  ハイブリッド形成後の洗浄を容易にするため、全体的なハイブリッド形成の高さをできるだけ大きくすること（この洗浄は、脂肪性であることが多いはんだ付け流体により残留する残渣の除去が目的であり、例えばウォータージェットにより遂行される。）
−  はんだが占めるピクセル容積をできるだけ大きくすることにより、ハイブリッド形成される部材間の平坦さの差異の許容限度を増大させること
を満たすことができる。
本発明を実施する方法、及びその結果として得られる利点を、添付図面を参照する例示のみを目的とした実施形態の詳細な説明によって以下に更に説明する。
【実施例】
【００１９】
図３ａ、３ｂ及び３ｃは、本発明の原則を表し、それぞれ環境温度、スライド及び膨張後の融点に近い温度、並びに最終的なハイブリッド形成時の部材の各位置、即ちバンプを構成する材料の融点を超える温度に対応している。
従来技術を表す図面に関する前述の説明と比較して、一定数の「高い」バンプ６、即ち環境温度において、他の、厳密にはハイブリッド形成バンプ及び相互連結バンプ４、又は低いバンプより明らかに高いバンプが存在することが分かる。このことにより、各バンプの容積も様々である。
【００２０】
図に示すように、環境温度において、上方の部材（この場合カバー２）の濡れ性の領域又は接着表面５は、それらが連結される予定のバンプとは位置合わせされていない。本明細書では、濡れ性の表面の製造方法及び問題のバンプの配置方法は、当業者には公知であるので記載しない。
しかしながら、これらの特定の改良技術を用いた、本出願人により同日に出願された別の特許出願の明細書を参照することは有用であろう。
本発明によれば、少なくとも３つの高いバンプ６があり、有利には、これらはハイブリッド形成される部材の中央に配置される。これにより、膨張効果の起点が、必然的にハイブリッド形成されるチップの中央に来る。環境温度において、ハイブリッド形成される部材（この場合カバー）は、高いバンプ６だけに接していることが分かる。
【００２１】
次図（図３ｂ）では、膨張が既に起こっており、上方の部材又はカバー２の濡れ性の領域又は接着領域５の位置が、それらが連結される予定のバンプ４とほぼ位置合わせされていることが分かる。しかしながら融解はまだ起こっておらず、融解は図３ｃに示される。融解の結果、上方の部材２が部材１に向かって下方降下し、その結果、濡れ性の領域５が全て同時にハイブリッド形成バンプ４と接触する。この点に関し、及び最適なハイブリッド形成を達成するために、選択された接着表面、特に高いバンプの上表面又は濡れ性の領域は重要である。
ピクセルピッチが小さい場合、典型的には赤外線検出用のアレイを含む用途に多く見られるような１５μｍ未満のピッチを用いる特殊な場合、本発明の推奨に従うと、そのようなピッチに高いバンプを挿入するという困難に遭遇する。
【００２２】
その結果、くさび６（高いバンプ）を配置する領域に相互連結バンプを挿入する余地がなくなる。そこで、さらに小さいバンプ７を設ける。この第３の種類のバンプ（極小バンプと呼ぶ）は、他の２つの種類のバンプより低い。従って、これらのバンプは異なる容積を有する。これに対し、３種類全てのバンプは同じピッチ間隔で配置され、全てのバンプの中央は位置合わせされる。
しかしながら、従来のバンプ製造技術は、そのような特殊なバンプ、特に高いバンプと低バンプとを交互に配置することには容易に適合しない。
【００２３】
従って、このような場合、可能であれば導電性の、前もって基板１上に配置される融解層又ははんだ付け材料の層、特に延性材料の層を打ち抜き加工するための技術を用いる特殊な方法を利用する。
具体的には、この層は、例えばニッケルを主成分とする合金からなり、バリアとして機能する金属層１３の上に配置される、一般に金製の濡れ性の金属層１４の上に配置する。
【００２４】
延性の材料からなる層の打ち抜き加工は、例えばシリコン製の、エッチングされたダイ１０を用いて行い、このダイに、バンプ１５、１６の所望の形状に応じて形状１１、１２を画定する。このバンプ製造方法の原理を図６に模式的に示す。この特定の技術は、本出願人が同日に出願した特許出願の主題である。
ダイ１０に行われたエッチングによって、図５の図式に従って高いバンプと低いバンプとを交互に配置することが特に容易になる。これは、現在公知の技術では簡単且つ安価に達成できないことである。
【００２５】
打ち抜き加工後得られたバンプは、再溶融により、つまり延性材料の融点以上に温度を上げることにより成形する。
この特定の実施形態においても、他のバンプは上記の図面に関連して説明した種類の中間バンプである。
【００２６】
例えば、ピクセルピッチが１５μｍ未満である特定の場合において、ダイの中央に４００×４００ピクセルの中央領域を製造する。これを前提とし、冒頭に述べた基本的な数式を用いると、対応する温度上昇時の膨張重心の最大移動値は、
Ｄ＝３.１０−６×１７０×２００×ピッチ＝１.５μｍ
に制限される。
実際、融点において、対向する表面の最大のずれは１.５μｍであり、従って従来技術による方法を用いた場合に観察される最大のずれが起こることはあり得ない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
このように、本発明による方法は、特にＸ線検出のための大規模アレイ及び他の線形アレイの製造に種々の用途を有し、特に医療分野、並びに赤外線検出のための大規模アレイ及び他の線形アレイの製造に有用であり、一般的に、線形アレイであるかどうかに関係なく、ハイブリッド形成が大きな部材に適用される場合は常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来技術による方法の模式的断面図である。
【図２】従来技術による方法の模式的断面図である。
【図３】ａ、ｂ及びｃは、本発明の一般的な基礎原理を示す同じ断面の図である。
【図４】相互連結ピッチが「高い」バンプの高さの２倍未満である特定の場合を表す、前図と同様の図である。
【図５】下方部材の平面図である。
【図６】バンプの一実施形態の模式図である。
【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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【外国語明細書】
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