(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのＶ字溝を備えた第１部品と、少なくとも１つの隆起を備えた第２部品とを有した整合構造であって、前記隆起が弾性材料で作成され又は前記Ｖ字溝が弾性材料で覆われ、前記隆起が前記Ｖ字溝内に嵌合し、前記隆起が前記Ｖ字溝内に嵌合した時、前記第１部品と第２部品とが整合し、更に、前記第１部品と第２部品の少なくとも一つがシリコンウェーハである、整合構造。
【請求項２】
前記隆起と前記Ｖ字溝が水平面内において矩形である、請求項１に記載の整合構造。
【請求項３】
縦断面における前記隆起の最も広い部分が縦断面における前記Ｖ字溝の最も広い部分よりも広い、請求項１に記載の整合構造。
【請求項４】
前記第１部品がシリコンウェーハであり、前記シリコンウェーハが（１００）方向性ウェーハであり、前記Ｖ字溝が｛１１１｝面で獲得された側壁を有し、該側壁は（１００）方向性ウェーハに垂直の表面に対して５４．７°の角度αを有する、請求項１に記載の整合構造。
【請求項５】
前記隆起が縦断面において切頭三角形である、請求項１に記載の整合構造。
【請求項６】
前記隆起がＶ字形状である、請求項１に記載の整合構造。
【請求項７】
前記隆起が前記Ｖ字溝内に完全に嵌る大きさである、請求項６に記載の整合構造。
【請求項８】
前記弾性材料がシリコンエラストマーである、請求項１に記載の整合構造。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は電子分野で部品を整合する搭載テクノロジー、特に一つの部品が隆起を有し、もう一つの部品がＶ字溝を有して、両部品が互いに填る、高速かつ簡単に自己整合する弾性高精度位置決めに関する。
関連技術の説明
エレクトロニクス分野の技術的発達の結果、より高速でコンパクトなシステムに対する需要が生じている。多くの用途で、軽量と結びついたコンパクトな構造が本質的に要件である。技術的発達も互いに連絡する必要がある多くのコンポーネントを含むより複雑なシステムに向かっている。新システムの様々なコンポーネント間の高速アクセスという要件を満たすため、システムの様々なコンポーネント間のパスの長さは、特定の限界内に維持されなければならない。システムが複雑化すると、コンポーネント間のパス長も長くなる。このようなコンポーネント間の最大許容距離を超えないため、これらのコンポーネントはより小型化され、より稠密化されてきている。
システムの部品間の相対的位置は、多くの場合、極めて重要な課題である。この目的のため、マイクロメートル、あるいはマイクロメートル以下のスケールで、部品の弾性高精度自己整合を提供する既存の技術はない。横方向及び時には３次元位置決めは、部品を互いに結合する先進の整合機器の使用を必要とし、温度サイクルなど、過酷な外部条件でもその位置を維持するため、信頼できる方法および材料も必要である。システム中の部品が、熱膨張率の異なる材料で構成されている場合、温度変化によって生じる応力のため、固体結合部が問題を生じることもある。電子および光学製品の分野では、小型化及びパッケージングの進歩とともに、非常に正確な位置決めに対する需要が増加している。例えば、シングルモード光ファイバへの光の出力に使用するレーザの変位のため、熱膨張が深刻な問題を引き起こすことがある。別の例では、熱膨張によって生じた応力が、ダイとは熱膨張率が異なる基板上に装着されたダイ・フリップ・チップへの電気的相互接続部に損傷を与える。別の態様は、パッケージの集積回路、つまりＩＣが増加し、複雑になるにつれ、十分な歩留まりを達成するため、簡単な修理が必要となる。
整合は、表面、その表面から延在する壁の隅を使用し、システムを例えば接着、はんだ付けなどで固定することにより実施されてきた。整合された部品が、使用時の熱により様々に膨張すると、様々な事が起きることがある。非常にしっかり締め付けてあると、膨張により応力が生じ、結局は反ったり、時には破損する。一方向で少なくとも整合が失われる。
２つの個々の部品の相対的な位置決めを考える。これは、位置決め用の溝を使用することにより達成することができ、これまで達成されてきた。例えば、シリコンに異方性湿式化学エッチングでＶ字溝を作成し、他方部品のボール、ピンまたはＶ字形突起などの突出構造と嵌合させる。
フリップ・チップの細かい予備整合を得る一つの方法は、２個の部品をはんだ付けして合わせる前に、機械的位置決め装置を使用することである。
別の方法は、整合機能を含むフリップ・チップはんだ付けを使用することである。実際の整合を決定するはんだ接合は、分離して交換部品のために新しいはんだ接合する場合は、破壊されなければならない。
既存の方法は剛性接合の整合を提供するが、これらは、一方向での損傷または突然の位置ずれなど、膨張および不整合の問題を生じさせ得る。
Masanori Nishiguchiその他への米国特許第5,214,308号は、マイクロ整合法について記載し、これは隆起と溝に基づくものである。これは基板に永久的に取り付ける前の整合について記述している。隆起と溝は、互いに合わせて正確に成形されていない。
概要
本発明は、機械的な細かい予備整合を使用せずに部品の整合の問題を解決する。
本発明は、非常に精密な整合を獲得して、それを維持し、さらに例えば整合した部品の中心点または任意の基本点で膨張による不整合などを、隆起と溝とを慎重に位置決めすることにより柔軟に扱うことができる。溝は、５つの隅がある五面体または角錐形でよく、隆起は５つの隅がある切頭五面体または切頭角錐形でよい。本発明は細かい予備整合を一切必要としない。というのは、整合構造は、それが提供する精度と比較すると非常に大きく、部品を粗く予備整合した後に互いに押しつけると、これが正しい位置に入るからである。
本発明は、Ｖ字溝に完璧に合うため、突出部分に弾性材料を使用している。これを達成するため、隆起は弾性材料で作成され、成型により部分的にＶ字形の隆起に形成される。型が相方部品として使用されるか、又は、類似の型が同一として使用されるか又はＶ字溝と同じに形づけられる。これらのＶ字形の隆起および溝を使用すると、２つの部品を合わせた時に、隆起が自動的にＶ字溝と整合する。
この解決法は、少なくとも１つの固定任意点を有し、これは２つの部品の表面の面内で、２つの隣接する隆起と溝との間になる。２つの部品は、互いに沿って摺動することができる。垂直方向の動き、つまり２個の部品の高さの差は、外力によって、または隆起のサイズによって管理することができる。つまり、隆起とＶ字溝はｘｙ方向に良好に整合され、ｚ方向でも部分的に整合される。
溝に隆起を入れる非永久的な整合技術は、２個の部品を押し合わせる他の何らかの力があれば、隆起が接合部分として作用せずに、自動的に高い精度を達成する。このタイプの部品を使用することにより、これは整合機構を破壊せずに、分解し、連続的に交換することができる。
本発明の一つの利点は、外部の機構が部品に影響を与えても、部品の高精度の整合が引き続き安定することである。
本発明のもう一つの利点は、先進のパッケージング・システムで、部品を変更し、交換できることである。
本発明のもう一つの利点は、部品が弾性変化を吸収することができ、なおｘｙ面の線に沿って整合されることである。
本発明のもう一つの利点は、非常に多い回数合わせをした後でも、部品を再使用し、整合を維持できることである。
本発明のもう一つの利点は、最高の整合を実行するため、隆起および溝が完璧に合うよう形成されることである。
本発明のもう一つの利点は、製造再現性が非常に高く、単純な技術を使用し、低い生産費が予想されることである。
本発明のさらなる利点は、弾性化合物と組み合わせた多少標準的な平面化技術を使用して作成した微小部品に対して、本発明は非常に精密な整合と、応力なしとを生ずることである。
本発明のさらなる利点は、本発明は部品の熱変位があっても整合を維持できることである。
次に、本発明について、好ましい実施形態の詳細な説明および添付図面の助けにより、さらに説明する。
【図面の簡単な説明】
図１ａは、Ｖ字溝に入れる弾性の隆起を使用する、互いに離れた２個の部品の断面図を示す。
図１ｂは、Ｖ字溝に弾性の隆起が入った、合わせた両部品の断面図を示す。
図２ａから図２ｂは、様々な溝の上面図を示す。
実施形態の詳細な説明
本発明は、部品の組立てが、熱および他のミスマッチによる応力を制限するよう所定の弾性を維持しながら、粗い外部の整合しか必要としないよう、高速かつ簡単な非永久的弾性自己整合高精度装着の技術について述べる。
最初の図は本発明の例を示す。本発明は、言うまでもなく、いかなる種類のマイクロメートルまたはマイクロメートル以下のシステムでも使用することができる。図１には、本発明の好ましい実施形態、つまり整合構造１００が図示されている。図１ａは、Ｖ溝１０２、１０４を伴う第１部品１１０が、第２部品１１２の成形隆起１０６、１０８と嵌合するよう下降している様子を示す。位置決めの精度は、隆起１０６、１０８およびＶ字溝１０２、１０４の作成に使用するテクノロジーおよび材料によって決まる。第１部品１１０は、例えば単結晶Ｓｉウェーハ（１００）で作成され、第２部品１１２は基板１２６および隆起を伴う構造１２８で構成される。隆起１０６、１０８は、例えばシリコン・エラストマーなどの弾性材料で作成される。言うまでもなく、２個の部品１１０、１１２は、２個の部品１１０、１１２の反対の側にも隆起１０６、１０８またはＶ字溝１０２、１０４を有することができる。各部品１１０、１１２は、同じ部品上および部品の同じまたは反対の側にＶ字溝と隆起との両方を有してもよい。第２部品は、例えばＳｉウェーハでよい。
構造１００を整合する方法は、図１ｂを参照のこと。まず、Ｖ字溝１０２、１０４および隆起１０６、１０８を有する２個の部品１１０、１１２を、隆起１０６、１０８の頂部１２６がＶ字溝の開口の周囲に入るよう、多少予め整合して配置し、第２に、整合構造１１０に力１１４および／または力１１６を連続的にかけると、隆起１０６、１０８がＶ字溝の傾斜した壁１２２、１２４上を摺動して、隆起１０６、１０８またはＶ字溝１０２、１０４のベース表面に平行な方向に、非常に精密に整合される。
２個の部品１１０、１１２の分離は、整合構造１００にかかった力１１４および／または力１１６を除去し、次に２個の部品１１０、１１２を分離することによってなされる。分離は、整合構造１００が部品１１０、１１２を互いに永久的に取り付けていないことにより可能である。したがって、交換または修理が必要な場合は、簡単に分離される。
整合構造１１０が整合されている時、図１ｂの第１部品１１０が第２部品１１２に対して膨張し、力１１４、１１６が２個の部品１１０、１１２にかけられ、２個の部品に異なる作用が発生するとする。一つの作用は、２個の部品１１０、１１２を押し合わせる力１１４、１１６が比較的小さい場合は、隆起１０６、１０８が摺動してＶ字溝１０２、１０４から出始める。基本的に、整合構造１００は、隆起１０６、１０８の間にある固定点１３０の横方向の整合を維持し、垂直方向の不整合は、溝１０２、１０４の壁の角度により、隆起１０６、１０８間の膨張より大きくなり得る。
整合構造１００は、可動部品１１０、１１２を有しているので、元の位置に戻る。別の作用は、２個の部品１１０、１１２を互いに会わせて保持する力１１４、１１６が小さい場合は、固定点１３０の横方向の整合が維持されるが、垂直方向には多少ずれるかもしれない。第３の効果は、力１１４、１１６が強いと、整合構造１００の部品の異なる膨張が弾性隆起１０６、１０８によって吸収され、固定点１３０または先の横方向の整合および縦方向の整合を維持することである。さらなる作用は、力１１４、１１６が比較的強く、基本的に垂直方向に大きい移動を許容しないと、膨張により隆起１０６、１０８が変形する。この状況で、隆起１０６、１０８間の固定点１０３の垂直方向整合および横方向整合が維持される。同様の構造が、固定点が非弾性隆起に作成されると、非常に小さい変位しかせずに、隆起１０６、１０８が可塑変形するか、破壊してしまう。
整合構造１００自体を考えると、隆起１０６、１０８は弾性材料で作成され、２個の部品１１０、１１２に大きい応力が発生せずに、熱膨張または振動によって生じる全方向の比較的大きい微小変位が可能になる。
隆起１０６、１０８および溝１０２、１０４の作成方法について、以下で述べる。精密な整合を達成するには、Ｖ字溝１０２、１０４を基板、例えばＳｉに作成する時に、（１００）ウェーハ上に異方性エッチングを用いて実行することができる。Ｖ字溝１０２、１０４および隆起１０６、１０８の作成方法に関するさらに詳細な記述は、同時に特許出願された″Method for making elastic bumps″に見ることができる。同様に、弾性隆起１０６、１０８は、硬化性シリコン化合物、形に倣って覆う離型剤、および異方性エッチングした（１００）Ｓｉウェーハを使用して形成することができる。いずれの場合も高精度リソグラフィーを用いる。
最初に、非常によく規定された長方形または正方形のＶ字溝１０２、１０４（図２ａ〜図２ｂ参照）を作成することにより、例えば、（１００）：（１００）ウェーハを異方性エッチングすると、単結晶シリコン・ウェーハに作成することができる。一つのエッチング技術は、異方性エッチングであり、（１００）方向性ウェーハを使用する。側壁１２２、１２４は、Ｖ字溝１０２、１０４内で｛１１１｝面の方向にあり、これは（１００）ウェーハに垂直な表面に対して５４．７°の角度αを有する。幅Ｄ１（図１ｂ）およびウェーハ上のＶ字溝１０２、１０４の位置は、マイクロメートル以下の範囲の解像度で標準的なエレクトロニクス生産プロセスにより作成されたエッチング用マスクの開口によって決定される。マスク・リソグラフィーおよびシリコン・エッチングの再現性は非常に高い。
第２に、非常に良好に規定され、上記のように作成したＶ字溝１０２、１０４に填る隆起１０６、１０８を作成するには、以下の技術を用いる。型を使用して、非常に高精度で弾性隆起１０６、１０８を鋳造する。型を獲得するには、２つの方法が可能である。つまり、Ｖ字溝１０２、１０４を有する第１部品１１０を使用して型を作成するか、第２部品１１２の整合縁を非常に高度に模写する相似型を作成するのである。この場合、図１は、隆起が相似型で作成されたことを示し、これは隆起１０６、１０８と同じ形状である。Ｖ字溝のエッチングの再現性が非常に高いので、相似型を作成することができ、したがって隆起１０６、１０８が所望の通り、予め決定された通りにＶ字溝１０２、１０４にぴったり填る。例えば、隆起１０６、１０８を隆起の脚部で広くし、幅Ｄ２とすると（図２参照）、横方向の位置を変更せずに２個の部品１１０、１１２間の高さの差Ｄ３が増加する。また、隆起１０６、１０８が尖るかＶ字形になるのではなく、平坦な頂部または切頭状頂部１２６を獲得するよう、相似型を形成することができ、これは垂直方向の融通性を高め、また隆起１０６、１０８がＶ字溝１０２、１０４の底部１３２に到達する、つまり位置決めが重複決定されるのを防止する。
特に硬化性シリコンを使用して隆起１０６、１０８を作成すると、相似型の再現性が非常に高く、生産した隆起１０６、１０８をＶ字溝１０２、１０４と合せると、非常に精密な整合をさせる。
好ましい隆起１０６、１０８および好ましいＶ字溝１０２、１０４を作成するもう一つの方法は、既に存在する構造に整合したフォトマスクを例えばレーザまたはＩＣに使用する。部品を分離する前に、異方性エッチングまたは他の技術を用いて溝を作成する。同様の、しかし溝も同様の、または同様でない材料で作成し、これを相似型として使用する。次に、この型か弾性隆起を取り付ける部品を、予備硬化した形状の弾性材料で覆い、次に部品と型とを真空中で押し合わせる。これにより、弾性材料が型の溝を満たす。この後、熱を用いて、または型または部品が硬化用照明に対して半透明の場合は光を用いて、弾性材料を硬化させ、弾性材料から型を分離する。
表面に対して垂直の方向に高精度の整合を行うには、溝の反対側または同じ側から何らかの制御表面を適用し、反対側から何らかの力を与えなければならない。
位置決めに使用するＶ字溝１０２、１０４および隆起１０６、１０８の寸法は、ウェーハの厚さと同程度のサイズ以下にすることができる。
本発明の代替実施形態は、１つの隆起１０６および１つの溝１０２のみを使用する整合構造１００である。整合機能を獲得するには、隆起１０６が溝１０２の有する壁と全く同じ壁を有し、隆起１０６の底部１１８から頂部１２０までと同じサイズの圧縮性以内でなければならない。隆起１０６は、整合要件を変更せずに、前記のように切り取った頂部を有することができる。この場合、傾斜および垂直位置は、隆起底部の外側の相方表面によって制御される。あるいは、以前の表面と対合できないよう、隆起を大きくする。その代わり、裏側から押す表面が傾斜を制御し、隆起とともに垂直位置も制御する。
前述した好ましい実施形態は、変形することができるが、多少精度が下がる。隆起１０６、１０８はＶ字溝１０２、１０４以外の形状を有することができる。代替隆起を作成する場合は、別の型を使用する。この型は、異方性エッチングを使用せず、他の何らかのエッチングまたは機械加工を用いる。Ｖ字溝１０２、１０４および隆起１０６、１０８は、隆起が自動的に中心合わせする方法で溝に填る限り、同じ形状を有する必要はない。第２部品に側部整合止め部を成形することもでき、これを溝１０２、１０４ではなく位置決め機能として使用することができる。これには、位置決め止め部の側部が、２個の部品の重要な整合領域に関して適切に規定される必要がある。さらに、化合物はシリコン以外でよく、つまりポリウレタンまたは他の弾性または半弾性化合物でよい。
幾つかのステップを繰り返すことにより、弾性型を作成して、精度を失うだけで、基板からの型整合止め部の取り外しを簡単にすることができる。これには、まず何らかの材料の本体を成形し、次にこの本体を弾性または軟質材料の型として使用して成形する。次に、これは硬質材料上の弾性隆起の型として働く。繰り返すステップ数が多くなるので、精度が失われる。
隆起構造の代替実施形態では、隆起の代わりに、高精度で作成して、Ｖ字溝から突き出すのに十分なほど大きい弾性材料のボールまたはピンを使用し、これによって対合するＶ字溝と整合する。ボールまたはピンは、他の実施形態では非弾性材料でよいが、溝の側壁は高精度で弾性材料により覆うことができる。
一方の側に剛性整合機能を有し、他方側に弾性力を有することにより、剛性整合機能に向かう側で「完璧な」整合を獲得することが可能になる。２個の部品は膨張が異なるので、整合はその縁でしか維持できず、その縁から離れた位置では位置ずれが増加する。
剛性隆起を使用すると、非常に精密な垂直方向の位置決めもできる。それは整合を失ったり、２個の部品を深刻な歪みに曝したりせずに、２個の部品間に何らかの膨張の差を許さない。
隆起１０６、１０８および溝１０２、１０４は、言うまでもなく２個の部品１１０、１１２の微小整合に、および同時に出願した特許出願″High density electrical connectors″および″Flip-chip type connection with elastic contacts″に記載されたのと同じ分野に一般に使用することができる。
上述した本発明は、その精神または基本的特徴から逸脱せずに、さらに別の特定の形態で実現することができる。したがって、本発明はいかなる意味でも例証的であり、制限的ではないと見なされ、本発明の範囲は、以上の記述ではなく添付の請求の範囲によって示されるものとし、したがって、請求の範囲と同等の意味および範囲内にある変化は全て、これに含まれるものとする。
【図１ａ】
0004143130.tif 000002
【図１ｂ】
0004143130.tif 000003
【図２】
0004143130.tif 000004