JP3153815B2 - フッ素含有プラズマを用いた、フラックス無しはんだ付け予備処理システムと、はんだ付け方法 - Google Patents

フッ素含有プラズマを用いた、フラックス無しはんだ付け予備処理システムと、はんだ付け方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明ははんだ付けシステム及びはんだ付け方法に
関し、特にフラックスを用いないはんだ付け方法及びシ
ステムに関する。
〔発明の背景技術〕
電子システムを組み立てる際に、集積回路(チップ)
その他の電子部品はプリント基板又は他の基板上に配置
される。チップと基板との間の接続は物理的、化学的及
び電気的に完全で、且つ安定したものでなければならな
い。銅は導電特性が良いので、マイクロエレクトロニク
ス部品の層材として極めて有用である。マイクロエレク
トロニクス部品を物理的及び電気的に接続する方法の一
つに、部品の露出面上に金属パッドを造る方法がある。
これら金属パッドは通常、例えば約230℃で溶融する鉛
−すず合金等、低融点合金よりなるはんだの上層により
形成される。このはんだのパッドは、はんだと金属パッ
ドが加熱された時液状化して、両者間に電気的接続を形
成する。他の技術として、部品と装置との開いたにはん
だを予備処理しておくことが用いられる。この技術の場
合、装置又は部品上にはんだの***がまず形成される。
典型的なはんだ付け作業は、以下の三つの基本段階を
含む。
(1)予備洗浄、及び酸化表面の還元処理、 (2)はんだの溶融、及び/又は溶融接続、 (3)はんだ付け後の洗浄。
予備洗浄では種々のフラックス剤がはんだ付け面から
汚染物を、はんだ表面から金属酸化物を除去するために
用いられる。例えば、亜鉛、塩化アンモニア、酸化物含
有金属及びその類似物のような活性化フラックス剤が、
例えばモータや家屋内のような粗い巻きの修理等「粗
い」はんだ付け作業において、典型的に用いられる。融
点の高い酸化物がはんだの溶融によって接続される二表
面の接続を妨げているので、はんだ付け工程は、この酸
化物が除去された時だけ実施されることになる。第三段
階の、はんだ付け後の洗浄工程では、はんだ溶融後も残
っている残余フラックス剤が除去される。
アルミニウム基板をはんだ付けするには、高度に酸化
されたフラックス剤が用いられる。アルミニウムは化学
的に極めて不活性で除去するのが困難な、固い酸化層が
ある。しかして、軟弱なロジンフラックスはアルミニウ
ム材に対しては有効ではなく、例えばフッ化カドミウム
を運搬材にした無機酸化物のように、極めて腐食性の強
い酸化物を含んだ特殊なフラックスがこれに対して用い
られる必要がある。アルミニウムのために用いられるフ
ラックスはまた、塩化金属、フッ素化合物及びアンモニ
ア化合物を含有することもできる。
これらのフラックス剤は腐食性に富んでおり、マイク
ロエレクトロニクス内の金属を侵す率が高いので、この
ようなフラックス剤はマイクロエレクトロニクス内では
使用できない。マイクロエレクトロニクス装置のために
は、装置に対するフラックスの反作用を極小にするため
に、より活性の弱い、又はゼロ活性のものを用いること
が通常なされている。典型的なマイクロエレクトロニク
ス装置において、銅覆のはんだ付けでは、はんだの溶融
温度に達した時には溶解するが室温では比較的不活性
な、極めて活性の少ない有機酸よりなるロジンフラック
スが用いられる。
銅層のはんだ付けで腐食その他の危険性は、不活性剤
を用いることによって極小に抑えられたが、はんだ付け
自体ははんだを酸化から守り、はんだ付けされる個所に
よく流れ、その個所を濡らす必要がある。それに加え
て、電子部品全体及びはんだ付け個所が極小の寸法であ
ること、急速に拡大した基板表面への電子部品取付技
術、益々増えるフリップ−チップ装置のはんだ付けの需
要等によって、はんだ付け後のフラックス残余物の洗浄
作業は益々困難になって来ている。部品間の小さな間
隙、混合されたはんだ付け接点に出来る空隙等は、洗浄
液の進入を阻む障害物となる。不十分なはんだ付け後洗
浄作業は、装置全体の長期間の信頼性の保持に支障を来
す。更に、不活性あるいは軟活性のフラックスを用いる
結果、欠点はより大きくなり、作業を繰り返すための費
用はより高くなる。オプトエレクトロニクス装置は又、
フラックス残余物があると光信号の吸収および屈折現象
が生じるために、フラックスに対して極めて敏感であ
る。
従ってフラックス無しはんだ付け工程は、特に銅板を
含むマイクロエレクトロニクス装置のはんだ付けにおい
て、種々の利点を有している。乾式、又はフラックス無
しはんだ付け工程は、洗浄前の段階を変更することが出
来、そしてはんだ付け後の洗浄工程を完全に無くすこと
ができる。フラックス無しはんだ付け工程はまた、通常
の洗浄作業による、例えば塩化−フッ化炭化水素の流失
による環境汚染問題に関して、益々重要になって来てい
る。
今まで種々のフラックス無しはんだ付けが試みられて
来たが、あまり成功していない。ある種のフラックス無
しはんだ付け工程は、ハロゲンガスを用いる。例えば、
ピー・モスコウィッツ他数名による論文(P.Moskowitz
et al,J.Vac.Sci Tech.4,(May/June1986)には、鉛/
すずはんだの溶融とはんだ付けにおける乾式はんだ付け
工程が記載されている。この工程は表面の酸化を減少さ
せるためにハロゲン含有ガスを用い、はんだ溶融温度以
上の温度でのはんだ付けを可能にしている。このような
ガスによる酸化減少に必要な活性化エネルギーは、吸引
室内で触媒や白金網を用いることによって軽減すること
ができる。しかしながら、成功裏にはんだ付けを行うた
めには、300℃の温度が必要であり、通常殆どの電子部
品の典型的なはんだ付けが約220℃で行われているのに
比べて高温である。このため、この工程では部品や基板
を破壊し、異なる物質間の熱特性の違いから不都合をお
こす恐れがある。
IBM技報27(1985年4月)はハロゲンガスを不活性の
搬送ガス内で用い、高温下でこの不活性ガスによりはん
だの酸化を減少させ、はんだの溶融を行わせることが記
載されている。前者より低いはんだ付け温度を常用して
も熱による損傷は残る。
ピー・モスコウィッツ他数名によるもう1つの論文
(P.Moskowitz et al,J.Vac.Sci.Tech.3,(May/June198
6)には、はんだ溶融のため、レーザーを補助的に用い
たフラックス無しはんだ付け技術が示されている。この
技術は、予熱したはんだの表面にレーザー照射を行い、
不活性ガスを活性化させるものである。この技術では、
レーザー光線が直接はんだ表面に照射されることが要求
されるので、単位時間当たり処理量の低い工程に用いら
れる等、適用範囲が限定される。
フラックス無しはんだ付け技術の大きな進歩が、発明
者デイションと共同発明者ボビオによる米国特許第4,92
1,157号明細書「フラックス無しはんだ付け方法」(出
願人は本出願と同一人)に記載されている。このデイシ
ョン他1名の特許は、フラックス剤を無しにするかその
必要性を減ずるために、フッ素を含有するプラズマをは
んだ上に照射することを開示している。しかしながら、
フッ素含有プラズマを試料上に照射する、フラックス無
しはんだ付けの作用効果を最大限に発揮するためには、
フラックス無しはんだ付けを行う試料に効果的にフッ素
含有プラズマを照射させる予備処理システムが必要であ
る。
ドイツ特許第3,442,538号明細書は、アルミニウム層
を有する半導体要素がフッ素含有プラズマによって照射
される半導体要素のはんだ付けについて述べている。処
理されるアルミニウム表面は、ソフトなはんだに接触し
ている。アルミニウム層をフッ素含有プラズマによって
処理する工程は、最低限1時間、約147℃から397℃の間
の温度で真空内に保つことである。これに替わる工程と
して、通常の鉄材をはんだ付けする工程が、酸化物を除
去するために恐らくフラックスを用いて行われる。更
に、上述した工程の多くが、用いられる温度が多くの電
子部品のはんだ付けに用いられるはんだ付け温度より高
いために、電子部品を破損する恐れがある。
アルミニウム材のはんだ付けに用いられるフラックス
のタイプとフラックス条件設定は、銅のはんだ付けの場
合と著しく異なっている。銅は汚れ易い性質があるの
で、柔軟な性質のロジンフラックスを用いることが出来
る。銅はその起電能力がはんだと接近している(すずと
銅について、各々0.13対0.34)ので、はんだとの間に弱
いガルバーニ電池を形成するだけである。このようにし
て、柔軟な性質のロジンフラックスを用いた場合の、は
んだ付けされた銅の破損可能性は極めて低い。さらに、
マイクロエレクトロニクス回路における銅とはんだと、
他のフアインメタル材料との間のせめぎ合いは低く、ほ
とんどのはんだ付け工程において許容できる程度であ
る。エイチ・マンコの「はんだとはんだ付け」第380−3
81;156−158頁(H.Manko Solders and Soldering.McGra
w Hill New York1992)を参照されたい。
これと対照的に、アルミニウムはその表面に、除去し
難く化学的にも不活性な強固な酸化層を形成する。アル
ミニウムに対しては、例えばカドミウム・フルオロほう
酸塩からなる搬送材中の無機酸のような、酸化物に対す
る強い浸食性を有する特殊なフラックスが用いられる。
アルミニウム用のフラックスには又、金属塩化物、フッ
化物、およびアンモニア化合物が用いられる。このはん
だ付けの過程は通常、アルミニウムを浸食し、はんだ付
け温度では気化するアルミニウム塩化物を作り、アルミ
ニウム表面に酸化層を拡散させるのを助ける。このフラ
ックスは大きな腐食性を持ち、マイクロエレクトロニク
ス装置内の金属部分に強い浸食性を持つので、銅又はマ
イクロエレクトロニクス装置内では使用できない。鉛−
すずはんだとアルミニウムとのある特別な組み合わせ
も、はんだとアルミニウムとの間の起電能力の差異がか
なり大きく(1.53v)、許容範囲を超えるので湿度の高
い状況下では接合部分の劣化が起こるなど、ガルバーニ
電池形成の見地から極めて好ましくない。エイチ・マン
コの「はんだとはんだ付け」New York 1992第373−375
頁参照。
このようにアルミニウムのはんだ付けのフラックスと
条件設定とは、銅のはんだ付けの場合と比べて極めて異
なっている。エイチ・マンコの「はんだとはんだ付け」
(McGraw Hill New York 1992)第160−161頁参照。一
方で作用するものは、他方では作用しないし、その逆も
言える。例えば、水素や一酸化炭素、又は蟻酸や酢酸の
ような有機酸のガスからなる減衰ガスを用いる雰囲気制
御はんだ付けの場合についても言える。これらは銅につ
いてはいくらかの適応性が見られたが、アルミニウムに
ついては全く不適合であった。このようにアルミニウム
はんだ付けの技術は、銅についても同様に作用すると期
待することは出来ない。事実、当該技術分野に詳しい当
業者は、この逆のことを期待している。シー・マッカイ
の「はんだ付け接合の信頼性に関するフラックス反応と
はんだ付け可能性」(C.Mackay Flux Reactions and So
lderability in Solder Joint Reliability,J.Law Edit
or(Van Nostrand Reinhold,New York,1991)第73−80
頁参照。
〔発明の概要〕
本発明の目的は、改良されたはんだ付け方法およびシ
ステムを構築することである。
本発明の他の目的は、改良されたフラックス無しはん
だ付け方法およびシステムを構築することである。
本発明の更に他の目的は、銅層のための改良されたフ
ラックス無しはんだ付け方法およびシステムを構築する
ことである。
本発明の更に他の目的は、試料をフッ素含有プラズマ
によって予備処理する、改良された試料予備処理システ
ムを構築することである。
これらの諸目的は、はんだ付けすべき銅層を予備処理
することによって達成される。典型的な例を挙げれば、
銅表面には酸化物の層があるので、これに効果的にはん
だ付けするためには、フラックス剤を作用させる必要が
ある。これら酸化物の層は、溶融/濡れが起こる前に除
去しなければならない。本発明では、銅層の表面は、は
んだ付けの前に、少なくとも銅表面の酸化物の一部分
が、フラックス剤を使用しないではんだが溶融すること
ができるような化合物に変換するに足る状態に変えられ
るように、予備処理される。
特に、本発明においては、銅の層の露出した表面は例
えば、SF6、CF4及びその類似物のようなフッ化ガスを用
いたプラズマ処理により予備処理される。このフッ化ガ
スはフッ素含有プラズマを造るために活性化され、銅層
はフッ素含有プラズマの下流のガス中にさらされる。フ
ッ素含有プラズマからのガスは銅層の表面に出来た酸化
物の表面に作用して、この酸化物をフッ素含有化合物に
変化させるものと思われる。予備処理の後に、はんだは
銅層の表面に置かれて、溶融される。
本発明の方法の条件設定には柔軟性があり、はんだの
溶融を最大限にするために条件設定を行うことが可能で
ある。例えば、銅層の予備処理は低温下、例えば約20゜
から24℃の間で行うことが出来る。それに代えて、銅層
を約120℃までの高温に余熱しておくことも出来る。そ
れに加えて、プラズマ処理時間を短く、例えば2〜30分
とすることも出来る。本発明の好適な実施例では、銅層
の露出面は、400mTorrから800mTorr(530〜1060ヘクト
パスカル)までの圧力下で、20゜から120℃の温度下
で、15分間フッ素含有プラズマ照射にさらされる。この
照射工程の結果、銅表面のフッ素/酸素比は約2/1から
約8/1となる。
フッ素含有プラズマの下流における銅層の予備処理工
程は、はんだの溶融工程と一緒にさせなければならない
ことはない。この予備処理工程の後で、銅よりなる試料
は、溶融/接合作業を行う前に、約一週間空気中に放置
しておくことが出来る。これに代えて、予備処理した銅
層は、窒素など不活性気体の中では溶融/接合作業を行
う前に約二週間まで、放置しておくことが出来る。この
ようにして、既存のはんだ付け機器が使用可能となる。
この予備処理工程の後、はんだが銅層の上に置かれ、
溶融される。特にマイクロエレクトロニクス装置におけ
る銅層をはんだ付けする従来法と比較すると、ロジンフ
ラックスの必要がない。これにより、化学反応剤の処
理、溶融後のフラックス残余物の清掃除去、欠陥が出来
るレベルが高いこと、再作業のコスト高等のフラックス
剤に起因する種々の問題が減少するか解消してしまう。
これに加えて、アルミニウムのように化学的に極めて不
活性で酸化層の除去が困難なもののはんだ付けに付随す
る諸問題は無くなり、荒く腐食性の強いフラックス剤は
必要でなくなる。
本発明は上述の理由以外にも、フラックス剤を用いる
はんだ付けに比べて種々の利点を有する。本発明は又、
予熱した銅層にはんだ付けする際のはんだの溶融条件を
種々選択することが出来る柔軟性がある。さらに、はん
だ溶融は既存の機器を用いて行うことが出来る。例え
ば、予備処理において銅層の表面の酸化層は酸化フッ素
化合物に変えられ、これらははんだが溶融する時に破壊
され、はんだ付け及び接合は酸素(気体)雰囲気の下で
行うことが出来る。はんだ付けは又、例えば窒素のよう
な不活性雰囲気下でも行うことが出来るが、はんだ付け
に際して還元剤雰囲気を用意する必要は無い。同様に溶
融も雰囲気の圧力下で起こる。真空状態にする必要はな
い。このようにして、減圧下は真空状態が容易に得られ
ないような所でも、はんだ付けが簡便に行える。
以上に加えて、溶融をうまく行うために必ずしも高温
を必要としない。この溶融温度はほとんどの電子機器に
おける典型的なはんだ付け温度、例えば低温で融解する
鉛スズはんだの場合、約200℃から220℃に合わせること
が出来る。このことは特に、付属部品及びその他の要素
が繊細な性質を持っているマイクロエレクトロニクス機
器では利点となる。機器の要素および付属部品の損傷は
これにより除去されるか、大幅に減少される。
本発明の方法はかくして、フラックス、フラックス分
配、フラックス清掃、フラックス清掃用溶剤及び用いた
化学薬品の処理等をすべて不要にする。この工程は柔軟
性があり、溶融は酸化が進んだ中でも、又は不活性雰囲
気の中でも、低温で且つ既存の機器を用いた加圧雰囲気
下で行うことが出来る。一定時間に処理される割合が高
く、信頼性が有るはんだ付け工程が用意され、はんだ付
けしようとする部品も損傷せず、雰囲気も壊さない。
本発明によるフラックス無しはんだ付け試料の予備処
理システムは、試料を入れる開口と室内で試料を保持す
るための試料ホルダーを有する試料収容室を備える。試
料室の延長部分が試料室の外側に伸び、この試料室延長
部分から開口を通って試料室に至る通路が形成される。
フッ素含有ガスがこの試料室の延長部分に供給される。
本発明の予備処理システムは又、試料室延長部分にエ
ネルギーを供給するエネルギー源、望ましくはマイクロ
波エネルギー源を含む。このマイクロ波エネルギー源は
試料室延長部分を囲むマイクロ波オーブンとなってい
る。このマイクロ波オーブンは試料室延長部分内でプラ
ズマを発生させ、フッ素含有ガスを原子状フッ素に分離
する。ガス浸透性プラズマ収納手段は、試料室延長部分
から試料室に至る通路内で、通路を横断するプラズマを
阻止し、その間にフッ素原子が試料室延長部分から試料
室に至る通路内を横断するのを許容するための手段を含
む。
望ましくは、ガス浸透可能なプラズマの収納手段は通
路を横断するように拡げられた、孔の開いたアルミニウ
ム板体である。又、試料がフッ素含有プラズマに均一に
照射される割合を高めるために、プラズマ室は第二のマ
イクロ波オーブンと、第二の試料室延長部分を囲む空洞
部分と、この第二の試料室延長部分にフッ素含有ガスを
供給する第二供給手段と、この第二の通路内のガス浸透
性プラズマ収納手段とを含む。フラックス無しはんだ付
けの有効な予備処理手段はこのようにして準備される。
〔図面の簡単な説明〕
本発明の他の目的や利点やこれらを実施する方法は、
以下に述べる発明の詳細な説明と図面を参照することに
よって、完全に理解することが出来る。
図1は本発明による、銅層の上にフッ素含有プラズマ
を照射してはんだ付け予備処理を行うための装置の側面
を、図式的に示した側面図である。
図2は本発明による、銅層に予備処理を施し、フラッ
クス無しはんだ付けを行う工程を示すフローチャートで
ある。
図3は予備処理済みの銅層及び処理をしない銅層の上
に、低温で融解したはんだが拡大する割合を数値で示し
た指標チャートである。
図4は予備処理をしない銅層の上に予備処理をしない
はんだの円板の拡散状況を示す電子走査マイクロ写真
(SEM)を示す。
図5は本発明により予備処理をした銅層の上に予備処
理をしないはんだの円板の拡散状況を示す電子走査マイ
クロ写真を示す。
図6は処理済みの層の表面上の酸素に対するフッ素の
割合と、予備処理の効果をパーセンテージで示したもの
との関係を示すグラフである。
〔発明の詳細な説明〕
上述した添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳
細に説明する。その中で発明の好ましい実施例が開示さ
れる。この発明は、しかしながら種々の異なる態様が考
えられ、ここで開示した実施例には限定されない。むし
ろ出願人はこの開示を究極且つ完全なものと考え、この
発明の技術範囲は当業者によって広い視野で捉えられる
べきものである。全般的に類似する要素には類似する性
質が伴っている。
図1は本発明による、銅層の予備処理を行うための装
置10の側面を図式的に示す。図示のように、予備処理装
置10はプラズマエネルギー発生室12、試料処理室14、及
び室12と室14とを連結する通路16とからなる。
フッ素含有ガス、例えばSF6、CF4及びそれらの類似ガ
スが、ガス供給ライン18からプラズマエネルギー発生室
12に送られる。ここで、フッ素含有ガスを分解してフッ
素原子を形成させるに十分なエネルギーが供給される。
プラズマエネルギーはフッ素含有プラズマを造りだすた
めの、既存の技術のいずれかを用いて発生させることが
出来る。本発明の有効な一実施例では、プラズマ発生エ
ネルギーは、マイクロ波オーブンのようなマイクロ波供
給源から供給される。
分解されたフッ素原子はプラズマエネルギー発生室12
から拡散されて、通路16を通り試料反応室14に達する。
望ましくは、孔の開いたアルミニウム板19がプラズマエ
ネルギー発生室12と通路16との間に配置される。このア
ルミニウム板は活発なプラズマ発生を室12内に封じ込め
る作用をし、従って試料はプラズマが発するエネルギー
や温度に直接さらされることはない。これは又ガスの自
由な流れを保障し、従ってフッ素原子は試料室に入り、
試料上の酸化層に対して反応することができる。これに
加えて、アルミニウムはフッ素に対しては極めて緩やか
に反応しかつ受動的であるので、フッ素原子の試料室14
内への集中度は極限に達し、アルミニウムに吸収される
フッ素量は極めて少ない結果となる。
フッ素含有ガスにさらされる銅試料は、試料室14内に
配置される。図示するように、銅試料、例えば銅層20は
基板21上に配置され、銅の表面が露出される。銅は典型
的なマイクロエレクトロニクスの基板、集積回路その他
に用いられ、その外側露出銅面にはんだ付け可能なパッ
ドを備える。当業者には自明なように、露出した銅面は
銅の酸化物を含んでいる。
より有利には、試料台22上に載置された銅試料は、予
備処理の前及び予備処理段階で、加熱手段(図示せず)
により温度調節自在に加熱されるように組み合わされ
る。
銅層20の表面はフッ素含有プラズマからのガスにさら
られることにより、予備処理される。プラズマによる予
備処理工程の条件設定は、銅をフッ素原子にさらす程よ
い度合いにより選択される。より有利には、これら条件
設定は銅がフッ素原子に十分な時間さらされ、この表面
にある銅の酸化物の少なくとも何割かが、例えば以下に
詳述する銅−酸化フッ素化合物のようなフッ素含有化合
物に変わるように選択される。別の言い方をすると、銅
の表面は、それに続いてはんだの濡れが起こるようにな
るのに十分なフッ素含有化合物が出来るまで、フッ素含
有プラズマガスにさらされる。
望ましくは、予熱されさらされる段階は、銅表面のフ
ッ素/酸素質量比が2/1から8/1になるようにする。フッ
素/酸素の相互作用についての正確なメカニズムは解明
されていないが、種々の試験から、本発明による銅層の
予備処理は、銅表面のフッ素/酸素比が前記数値の範囲
内にある時に、特に効果的である。その正確な比率は予
備処理前の銅表面の酸素量、予備処理の時間、試料のフ
ッ素原子発生源からの距離等によって変わってくる。
フッ素原子の照射中に、銅層の温度は変化させること
が出来る。例えば銅層の予備処理は室温(約20〜24℃)
で行うことが出来る。これに代えて、銅層を約120℃か
又はそれ以上の温度に高めて、予備処理を行うことも出
来る。望ましくはプラズマ処理時間は短い、例えば2分
から30分の間にあり、プラズマ圧力は約400から800mTor
rの間にあるようにする。圧力レベル、ガス流量、ガス
混合比、その他典型的なプラズマ処理工程の条件設定
は、反応機構及び処理すべき部品の性質によって変化さ
せることが出来る。
より有利には、第二のプラズマエネルギー発生室(図
示せず)が試料室14のプラズマエネルギー室12と反対側
に設けられ、銅表面に対し、より完全で均等なフッ素原
子の散布を行う。
出願人は、もとよりいかなる法則に拘束されることを
望むものではないが、銅表面、特に銅表面の銅酸化物の
フッ素原子の照射の結果、銅酸化フッ素が銅層の上に形
成されると考えられている。これにより、はんだの溶融
又ははんだ付けをすべき表面の濡れを妨げている表面の
酸化物の層が変化し、フラックス剤や高温度等を必要と
せず、効果的なはんだ付けを行わせる。更に、酸化物の
層に活性化したフッ素照射をプラズマにより行い、表面
の酸化物に打撃を与え、結果的に銅層の表面にフッ素化
合物を形成するために、エネルギー照射が必要だと考え
られている。
銅層20へのフッ素含有プラズマ照射に続いて、銅層を
含む基板21は処理室14から取り外される。そうしてはん
だが銅表面に付着される。この場合はんだは、スズ、鉛
−スズ等を基材とする合金のように、通常のいかなるは
んだ合金であっても良い。より有利には、このはんだは
融点が183℃の、スズ63%、鉛37%の低温融解合金であ
ることが望ましい。
はんだは溶融してはんだ***を形成するか、又は溶融
して第二物質と接合させる。この第二物質は部品であっ
たり、もう一つのはんだの***であったりする。これに
代えて、銅層を溶融したはんだ浴又ははんだ波中に浸漬
させ、銅表面をこの当接させたはんだ合金によって「ス
ズ化」させる。プラズマ照射と表面をさらす条件設定に
ついて述べたように、はんだ溶融工程の要件は、溶融を
最大限に利用するように決められる。このようにして、
溶融工程は酸化雰囲気、例えば空気またはそれに代わる
不活性雰囲気のもとで行われる。同様に、溶融は加圧雰
囲気又は真空雰囲気でも行われる。しかし、後者は必ず
しも必要でない。
以上に加えて、溶融ははんだの融点より直上の温度で
起きることが出来る。例えば、63/37重量比をもつスズ
/鉛よりなるはんだでは、溶融は融点の183℃より直上
の温度、約200℃から220℃の間で起こる。
本発明は様々な変更例が可能である。例えば、プラズ
マ予備処理工程と溶融工程は同時に行い、及び/又は第
二物質表面ははんだ溶融の間に、はんだと接触させるこ
とが出来る。これに加えて、銅の試料は試料予備処理室
内で予備処理し、取り出した後酸素雰囲気下、例えば空
気中で最大一週間程度放置し、しかる後に別の場所での
後続するはんだ付け工程に送ることが出来る。これに代
えて、予備処理済みの銅試料は、例えば窒素のような不
活性雰囲気中で2週間まで放置し、しかる後溶融工程に
入ることが出来る。
図2を参照すると、本発明による銅層の望ましい予備
処理およびフラックス無しはんだ付け工程が表示されて
いる。露出した銅表面をもつ銅層を含む基材が用意され
る。図2のブロック30に示すように、銅表面は下降する
マイクロ波プラズマ内のフッ素含有ガスにさらされる。
ブロック30内のプラズマ予備処理工程は、銅表面をフッ
素原子にさらすための最適の状況を作り出すように条件
設定がなされる。前述したように、より有利には、この
条件設定は銅表面がある十分な時間、フッ素原子にさら
されることによって銅酸化物の少なくとも何割かがフッ
素含有化合物、例えば銅−フッ素酸化物に変化するよう
に決められる。望ましくは、予備処理のための露出工程
はフッ素/酸素質量比が2/1から8/1の割合になるように
設定される。
銅層の露出は室温下(約20゜から24℃)で行うことが
出来る。これに代えてより高い温度下、例えば約120℃
又はそれ以上で行うことも出来る。プラズマ照射は短時
間、例えば15分から30分の間で、プラズマ圧力は約400
から800mTorrの間で行われることが望ましい。
ブロック40に示すように、銅表面へのフッ素含有プラ
ズマ照射に続いて、銅の試料は一週間程度まで、酸素含
有雰囲気、例えば空気中に貯蔵しておくことが出来る。
この代わりに、不活性雰囲気、例えば窒素中であれば、
2週間程度まで貯蔵することが可能である。
ブロック50に示すように、その後はんだが銅表面に載
せられる。ブロック60では、はんだ載置に続いてはんだ
溶融が行われる。はんだ溶融は、空気等酸素含有雰囲気
下でも、又はこれに代えて、窒素等不活性雰囲気下でも
行うことが出来る。同様に、はんだ溶融は加圧雰囲気下
でも、又は真空状態でも行うことが出来るが、後者は必
ずしもそうする必要は無い。これに加えて、溶融ははん
だの融点より直ぐ上の温度で行うことが出来る。例え
ば、63/37重量比をもつスズ/鉛よりなるはんだでは、
溶融は融点の183℃より直上の温度、約200℃から220℃
の間の温度で行われる。また前述したように、溶融段階
ははんだ接合段階の一部として行われることも可能であ
る。
以下に示す例は本発明の実施過程の一つを示すが、本
発明はこれに限定されるものではない。
例1 予備処理され、及び処理されなかった銅上のはん
だの拡散状況の比較 直径1mmのはんだの円板が、銅板から切り出したむく
の銅切片上でどの様に拡散するかを調べる一連の実験を
行った。本発明による試料は全て、800mTorrの圧力下で
15分間、フッ素含有フラズマにより照射された。
実験は本発明によって銅表面が予備処理された時に、
はんだの拡散状況がどの様になるかを決めるために行わ
れた。指標として、(a)処理済の銅上に未処理のはん
だを拡散させる、(b)未処理の銅上に処理済のはんだ
を拡散させる、(c)処理済の銅上に処理済のはんだを
拡散させる、が挙げられた。
予備処理間の温度効果もまた、観察の指標とされた。
予備処理されない試料と、フラックスによるはんだ溶融
が行われた試料が本予備処理の効果を決めるために比較
検討された。拡散試験は窒素包囲下で、ゆっくりと加熱
する状態(約2分)でなされた。
空気の下で急速な溶融を行うことも同時に試験され
た。はんだの円板を載せた銅の切片が、急速溶融状況を
観察するために、235℃に加熱維持された場所に落とさ
れた。加熱時間は数秒(5秒未満)の単位であった。
はんだの拡散は次の式により計測される。
S=(1−h/D)×100; ここでSは拡散指数、hははんだの高さ、Dは直径1m
mのはんだ円板が完全な球体になった時の理論的直径で
ある。Sの最適値は100、最悪値は0である。
本発明の工程を用いたところ、銅の低温溶融はんだ付
けにおいて得られた結果は良好であった。図3は試料の
はんだによる濡れの状態をグラフ的に示している。指標
は0から100までである。図3に示すように、銅とはん
だ円板がともに最適の予備処理が施された場合に、拡散
指標は最良値(Sは約80%)を示し、これは活性化フラ
ックスを使用した場合(Sは約75%)より良い結果を示
した。処理済の銅上に未処理のはんだを拡散させる場合
(Sは約73%)もまた、活性化フラックスを使用した場
合に迫る結果を示した。空気中での銅切片上のはんだの
急速拡散の場合は約69%であった。予備処理の温度は拡
散状態に関して周辺的な影響を与えることが判明した。
予備処理をした、又はしない銅層の上のはんだの円板
の拡散状況を示す電子走査マイクロ写真を図4及び5に
示す。図4でははんだと銅は共に未処理である。はんだ
は依然として球状を示し、拡散は殆ど認められない。図
5の場合は、はんだ円板は未処理だが、銅は予備処理済
である。はんだは銅の上に拡散し、銅を濡らしており、
この場合、拡散指標は4%から73%まで増大している。
この事実は、本発明によって銅だけでも予備処理された
場合に、良好なはんだの拡散と濡れが達成され得ること
を示している。
例2 プリント回路板の空気中(浸漬)での急速溶融 より多くの種類の試料を包含するように、銅板が蛇行
する回路板上での急速溶融試験も行われた。標準的なテ
ストパターンが、本発明の方法によって処理された。こ
れらのパターンは25milの線と50milのスペースとをもつ
むくの銅が蛇行するパターンを有していた。各板は縦2
インチと横2インチの大きさであった。むくの銅をもつ
テストパターンは、試験の前にアルコノックスソープ溶
剤で洗浄され、熱湯及びイソプロピルアルコールからな
るリンス剤ですすがれた。プラズマ照射の条件は、例1
で用いたとおりのものが、試料の処理に用いられた。
処理済の試料は、溶融されたはんだ浴内に半分まで浸
漬された。試料は引き上げられる前、10秒間その状態に
置かれた。はんだ溶融は全て空気中で行われた。試験の
効果を確認するのは、ただ目視による外なかった。はん
だは銅を完全に濡らし、線上に綺麗な均一のカバーを形
成していた。はんだが試験片の線から線へと橋渡しする
ものは一つも無かった。他方、取り扱った試料(未処理
の板体)の急速溶融(浸漬)の結果は全く異なるもので
あった。はんだは線上の幾つかの点に付着しているが、
その総量は極めて少なかった。線上の部分は完全にはん
だで被覆されず、試験後の試料の状態は極めて貧相なも
のであった。
例2の試験結果は、はんだ溶融前に銅試料の表面を予
備処理することの作用効果を表している。本発明の方法
に従って銅表面が予備処理される時、はんだの溶融はフ
ラックスを使用する必要がなく、容易に実施される。こ
れと対照的に、銅表面が予備処理されず、且つフラック
ス剤を用いずにはんだ溶融を行おうとするはんだの溶融
と濡れとは極めて貧相なものとなる。
例3 プリント回路板の表面の特徴 前述したように、銅試料に対するプラズマ処理の間、
銅層の表面に現れる銅酸化物は銅−フッ素酸化化合物に
変えられ、これがフラックス無しのはんだ付け及びはん
だの濡れを許容していると信じられている。本発明の方
法の作用効果を判断する一つの手段は、フッ素対酸素比
(F/O)を見ることである。種々の異なる酸化物の厚さ
を持つ試料は、夫々異なる量のフッ素を捉えるであろう
から、個々のフッ素又は酸素の濃度を計るよりもより真
実な像を描くことになるであろう。
上記検査に用いるために、むくの銅をプリントした回
路基板上に波長分散型エックス線(WDT)が用いられ
た。WDTは試料の表面におけるフッ素と酸素に集中す
る。一旦酸素とフッ素の含有比が得られると、1mmの低
温溶融はんだ円板の試料を用いて作った標準曲線と比較
された。
むくの銅を持ったプリント回路基板はアルコノックス
ソープ溶剤で洗浄され、熱湯及びイソプロピルアルコー
ルからなるリンス剤ですすがれた。縦1インチ横2イン
チからなる測定試料片が基板から切り取られ、室温及び
120℃の温度下で予備処理される。表面分析のために試
料の小片が切り取られ、残りの基板片は気温で235℃の
溶融はんだの壺の中に浸漬された。この基板片は壺内に
10秒間置かれ、その後引き上げられた。
室温処理されたものと、120℃で処理されたものは、
共に良い結果が得られた。室温処理の場合のフッ素/酸
素質量比は2.77であり、120℃処理の場合には、8.63に
増大した。このフッ素/酸素質量比の増大現象はフッ素
捕集率が増大したためではなく、表面の酸素凝集率が減
少したためである。以下に示す表1は表面分析に関する
条件設定とその結果を全て示す表である。表1の数値の
殆どは図6に示す標準曲線の上にある。図6に見られる
ように、100%の作用効果をあげる最良の領域は2から
8、すなわち銅表面のフッ素/酸素質量比は約2/1から8
/1までの間である。この事は溶融したはんだ円板の場合
について言える。その他の例、例えばはんだ接合工程で
未処理のはんだをプリント回路板に接合させる場合に
は、より高いフッ素/酸素質量比を用いることがより好
ましい。
本明細書の添付図面及び発明の詳細な説明は、本発明
の典型的な実施例を開示したものであって、それらはた
とえ特定の表現を用いたものであっても、一般的なもの
であり、表現上そうしたにすぎないものであり、本発明
の範囲は以下に述べる請求の範囲によって規定されるべ
きものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロビオ スティーヴン エム アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 27587 ウェイク フォレスト オーク レスト ドライブ 209 (72)発明者 コープマン ニコラス ジョージ アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 27615 ローリー ロウアリー ドライ ブ 10600 (72)発明者 ナンガリア サンディープ アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 27606 ローリー ゴーマン ストリー ト 2119エイ (56)参考文献 特開 平2−291191(JP,A) 米国特許5192582(US,A) 国際公開93/19575(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 1/20

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】フラックス剤を用いる必要が無く、表面は
    酸化層を有する銅層にはんだ付けする方法において、表
    面酸化層を有する銅層にフッ素含有プラズマを照射し、
    この照射工程において、表面酸化層の少なくとも一部分
    がフッ素含有化合物に変えられ、前記銅表面にはんだの
    濡れが起きる程度まで、十分なフッ素含有化合物が形成
    されるようにした照射工程と、照射された表面酸化層を
    有する銅層を空気又は不活性雰囲気中で貯蔵する工程
    と、前記表面酸化層を有する銅層の表面にはんだを載置
    する工程とからなることを特徴とする、はんだ付け方
    法。
  2. 【請求項2】前記照射工程は、その結果前記銅表面のフ
    ッ素/酸素質量比が約2/1から約8/1になるようにした、
    請求項1に記載のはんだ付け方法。
  3. 【請求項3】前記照射工程と前記載置工程との間に、照
    射された銅層を約1週間程になるまで空気雰囲気中で貯
    蔵する工程を含む、請求項1に記載のはんだ付け方法。
  4. 【請求項4】前記照射工程と前記載置工程との間に、照
    射された銅層を約2週間程になるまで不活性雰囲気中で
    貯蔵する工程を含む、請求項1に記載のはんだ付け方
    法。
  5. 【請求項5】前記はんだを銅層の上に載置した後に、前
    記はんだを溶融する工程を更に含む、請求項1に記載の
    はんだ付け方法。
  6. 【請求項6】前記はんだの溶融工程は加圧雰囲気中でな
    される、請求項5に記載のはんだ付け方法。
  7. 【請求項7】前記はんだの溶融工程は酸素含有雰囲気中
    でなされる、請求項5に記載のはんだ付け方法。
  8. 【請求項8】前記はんだの溶融工程は不活性雰囲気中で
    なされる、請求項5に記載のはんだ付け方法。
  9. 【請求項9】前記はんだの溶融工程は、前記はんだを第
    2物質と接触させながら溶融させ、はんだ付け後の清掃
    工程の必要無しに、前記銅表面と前記第2物質とを互い
    に接合させるようにした、請求項5に記載のはんだ付け
    方法。
  10. 【請求項10】前記照射工程は、前記銅表面を有する銅
    層を400mTorrから800mTorr(530〜1060ヘクトパスカ
    ル)までの圧力と、20℃から80℃までの温度の下で15分
    から30分の間、フッ素含有プラズマ照射にさらす工程を
    含む、請求項1に記載のはんだ付け方法。
  11. 【請求項11】開口を有する試料室と、 前記試料室内に試料を保持する保持手段と、 前記試料室の開口から外側に向けて延長し、該試料室延
    長部分から前記開口を通して前記試料室に至る通路を形
    成するようにした試料室延長部分と、 フッ素含有ガスを前記試料室延長部分に供給するように
    したフッ素含有ガス供給手段と、 前記試料室延長部分でプラズマを発生させ、フッ素含有
    ガスをフッ素原子に分解するためのエネルギーを発生さ
    せる手段と、 試料室延長部分から試料室に至る通路内で、通路を横断
    するプラズマを阻止し、その間にフッ素原子が試料室延
    長部分から試料室に至る通路内を横断するのを許容し、
    それにより前記試料上にフッ素含有プラズマによる反応
    を与えるためのガス浸透性プラズマ収納手段とを有す
    る、 フラックス無しはんだ付け試料の予備処理システム。
  12. 【請求項12】前記試料室が更に第2の開口を含む予備
    処理システムであって、 前記試料室の第2開口から外側に向けて延長し、該試料
    室延長部分から前記開口を通して前記試料室に至る第2
    通路を形成するようにした試料室の第2延長部分と、 前記試料室の第2延長部分でエネルギーを発生させる手
    段と、 フッ素含有ガスを前記試料室の第2延長部分に供給する
    ようにしたフッ素含有ガス供給手段と、 試料室の第2延長部分から試料室に至る通路内で、通路
    を横断するプラズマを阻止し、その間にフッ素原子が試
    料室の第2延長部分から試料室に至る通路内を横断する
    のを許容し、それにより前記試料上にフッ素含有プラズ
    マによる反応を与えるためのガス浸透性プラズマ収納手
    段とを有する、 請求項11に記載の予備処理システム。
  13. 【請求項13】前記試料を保持する手段が、試料を加熱
    するための加熱手段を更に含む、請求項11に記載の予備
    処理システム。
  14. 【請求項14】前記フッ素含有ガス供給手段は、前記試
    料室延長部分内に1個の出口を有するフッ素含有ガス供
    給ラインである、 請求項11に記載の予備処理システム。
  15. 【請求項15】前記フッ素含有ガス供給ラインは、前記
    試料室から伸びて、前記ガス浸透性プラズマ収納手段を
    通り、前記試料室延長部分に達するようにした、 請求項14に記載の予備処理システム。
  16. 【請求項16】前記エネルギーを発生させるための手段
    は、前記試料室延長部分でマイクロ波エネルギーを発生
    させるためのマイクロ波エネルギー発生手段よりなる、
    請求項11に記載の予備処理システム。
  17. 【請求項17】前記マイクロ波エネルギー発生手段はマ
    イクロ波オーブンからなり、該マイクロ波オーブンの空
    洞が前記試料室延長部分を囲むようにした、 請求項16に記載の予備処理システム。
  18. 【請求項18】前記ガス浸透性プラズマ収納手段は、前
    記通路を横断するように伸びた有孔アルミニウム板体よ
    りなり、前記試料室延長部分から試料室に至る前記通路
    内で、通路を横断するプラズマを阻止し、その間にフッ
    素原子が前記試料室延長部分から前記試料室に至る通路
    内を横断するのを許容し、それにより前記試料上にフッ
    素含有プラズマによる反応を与えるようにした、 請求項11に記載の予備処理システム。
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