JP3795644B2 - Joining method - Google Patents

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  • Wire Bonding (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性表面波素子や半導体素子等の電子部品を基板に搭載した電子装置の製造方法に関し、特にチップ型電子部品をフリップチップ方式により基板上に実装する電子装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子をはじめとする各種チップ形状の電子部品を基板、パッケージなどに実装する手法の1つにフリップチップ方式がある。これは、電子部品に配設された接続端子と、基板などに配設された接続端子とを導電性バンプにより接続する実装方法である。
【0003】
弾性表面波フィルタ、弾性表面波共振子などの弾性表面波装置(SAWデバイス)のような電子部品の実装は、従来ワイヤボンディング方式が主流であったが、近年では超音波、加熱、押圧を併用したフリップチップ方式が導入されている。 例えば「フリップチップ型GHz帯SAWフィルタ」(信学技報、1995年5月7日、社団法人電子情報通信学会発行)には、フェ−スダウンボンディングを用いたフリップチップ型SAWデバイスに関する技術が記載されている。
ここには、フェースダウンボンディングを行う際の超音波、荷重の効果的な条件が記載されている。これによれば、1チップに対して2回のフェースダウンボンディングを行う手法を用いており、1回目は定荷重で弱い超音波を併用して、バンプ平坦化(レベル合わせ)を行い、2回目では1回目と同じ定荷重で、1回目よりも強い超音波を併用し、バンプと接続端子との接合を行う手法である。この手法によれば、40gf/バンプ程度のシェア強度のフェ−スダウンボンディングが可能であるという記載がある。
【0004】
バンプ接続のシェア強度は、半導体素子や、弾性表面波装置を搭載した電子装置の用途、使用条件等により様々に異なっている。前述の手法により得られる接合強度は、十分な接合強度を必要とせず、かつ十分な接合信頼性を必要としない場合には十分なシェア強度であると考えられる。
【0005】
しかしながら、使用条件が厳しかったり、高度の信頼性が要求される場合には、より大きな接合強度を確保することが必要となる。
例えば半導体素子や弾性表面波素子などのチップと、このチップを搭載する基板の熱膨張率の差が大きい場合には、製造工程や、実際の使用環境により印加される熱的な負荷などに起因して、バンプ剥離等の接続不良が発生するおそれが大きい。
また、基板上にフェースダウンボンディングされたチップをモールド樹脂などで樹脂封止するような場合、すなわち、封止用樹脂の硬化収縮応力や熱膨張応力が直接チップに働くような場合にも上述のシェア強度では不十分である。
【0006】
また、このような電子部品の実装は大量に行われることが多いため、実装に要するコスト、タクトタイムを如何に低減するかが、生産性を高める上で大きな課題となる。このように、十分な接合強度を確保しつつ高い生産性で電子部品を実装する技術の確立が求められている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものである。
すなわち本発明はバンプ接続のシェア強度を向上でき、信頼性の高い電子装置の製造方法を提供することを目的とする。また本発明は、接続信頼性を向上するとともに生産性を向上することができる電子装置の製造方法を提供することを目的とする。
また本発明は電子部品と基板との接合強度を向上するとともに、接触抵抗を低減することができる電子装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため本発明は以下のような構成を採用している。
【0009】
本発明接合方法は、第1の電極上に配設されたバンプと第2の電極とを接合する接合方法において、前記第1の電極と前記第2の電極とを多段的に大きく設定した荷重で押圧するとともに、前記荷重に対応させて多段的に大きく設定した出力で超音波を印加して前記バンプと前記第2の電極とを接合する工程を有することを特徴とする。前記多段的に大きく設定する超音波出力と荷重との設定値の比は、前記バンプ1個あたり約0.001W/gfよりも大きくなるように調節するようにしてもよい。
【0010】
また本発明の接合方法は、第1の電極上に配設されたバンプと第2の電極とを接合する接合方法において、前記第1の電極と前記第2の電極とを前記バンプの高さのレベリングに要する第1の荷重よりも大きな第2の荷重で押圧するとともに、第1の出力で超音波を印加して前記バンプと前記第2の電極とを接合する第1の接合工程と、前記第1の電極と前記第2の電極とを前記第2の荷重よりも大きい第3の荷重で押圧するとともに、前記第1の出力よりも大きい第2の出力で前記超音波を印加して前記導電性バンプと前記第2の接続端子とを接合する第2の接工程とを有することを特徴とする。
【0011】
前記1の出力と前記第2の荷重との比および前記第2の出力と前記第3の荷重との比は、前記バンプ1個あたり約0.001W/gfよりも大きくなるように調節するようにしてもよい。
また、前記第2の接合工程は前記第2の出力および前記第3の荷重を増加させながら多段階にわたって行うようにしてもよい。
【0012】
すなわち本発明の接合方法は、いわゆるフェースダウンボンディングにより弾性表面波素子、半導体素子などの電子部品をパッケージの基板、母基板などのホスト側(単に基板という)に搭載する際に、加熱、押圧、超音波印加を組み合わせた複数段階のボンディングによりバンプと電極(接続端子)との固相拡散接続を行うものである。そして、1段階目からレベル合わせに要する荷重よりも大きな、実質的にバンプと電極との固相拡散接続に寄与する荷重を印加しながら超音波を印加するものである。このような接合を行うことにより、従来よりも大きな接合強度が得られ、接続信頼性を向上することができる。また本発明によれば接合強度を向上することができるだけでなく、接合に要する時間を大幅に短縮することができる。したがって、電子部品の実装工程の生産性を大きく向上することができ、製品コストを低減することができる。
【0013】
さらに、各段のボンディング工程で印加する荷重と超音波出力との比を最適化することにより全体のタクトタイムを長くすることなく、接合不良の発生率を大幅に低減することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に本発明についてさらに詳細に説明する。
【0015】
(実施形態1)
図1は本発明における超音波熱圧着方法におけるボンディング条件の例を示すタイムチャートである。比較のため従来の超音波熱圧着方法におけるボンディング条件を示すタイムチャートの例を図2に示した。
図2に示すように、従来の超音波熱圧着方式では、バンプ高さをそろえるためにために必要な荷重をかけながら、弱い超音波出力を印加して1段目のボンディングを行い、ついでバンプと電極とを超音波熱圧着するために、1段目と同じ荷重を加えながら、1段目よりも強い超音波出力を印加して2段目のボンディングを行っている。つまり、実質的に同じ負荷の荷重を与えながら超音波出力を変化させて2段のボンディングを行っている。
【0016】
これに対して本発明の接合方法は、印加する荷重と、超音波出力とをどちらも多段階的に大きくしながら複数段のボンディングを行うものである。また1段目のボンディングの際に与える荷重は単にバンプ高さのレベリングに必要な荷重よりも大きな、バンプと電極との固相拡散接続に寄与する荷重を与えている。
【0017】
このようなボンディングを行うことにより、従来の接合方法よりも大きな接合強度を得ることができ、電子装置の信頼性を向上することができる。
【0018】
図3は本発明によりフリップチップボンディングを行う際の接合部の様子を説明するための図である。荷重と超音波出力とを多段階的に増加しながらボンディングを行うことにより、図3に示すように、弾性表面波素子上の接続端子1aとバンプ14との接触部1x、ならびにバンプ14と基板11上に配設された接続端子11aとの接触部1xとの接合強度が、図3(a)、図3(b)、図3(c)、図3(d)の順にほぼ連続的に大きくなることがわかる。このため、接合強度が向上するだけでなく、より低い超音波出力でも強固な接合を得ることができる。したがって、全体として接合後の接合強度を安定・向上することができる。
【0019】
図4は本発明を適用して製造した電子装置の構造の例を概略的に示す図である。この電子装置は、基板11上に半導体素子12をフェースダウン型に搭載し、さらにモールド樹脂13により封止した半導体パッケージである。
半導体素子12の基板11に対向する面には例えばAlなどからなる接続端子12aが配設されている。一方基板11の半導体素子12搭載面には例えばAu、Ni、Cr、Cuまたはこれらの合金などからなる接続端子11aが配設されている。そして半導体素子12と基板11とは、半導体素子12の接続端子12aと、基板11の接続端子11aとに挟持された例えばAuなどからなるバンプ14により固相拡散接続して接合されている。バンプ14は半導体素子12に配設しておくようにしてもよいし、基板11に配設しておくようにしてもよい。このようなバンプ14は例えばAuのボンディングワイヤをボンディングツールで接続端子上に接触させ、電圧を印加することにより形成するようにしてもよい。
本発明の接合方法によれば、従来の接合方法による場合よりも接合強度を向上することができるの。したがって、例えばモールド樹脂13が硬化収縮する場合に基板11と半導体素子12との熱膨張係数の差異に起因して、基板11と半導体素子12との間に作用する応力や、このような半導体パッケージ等の電子部品を実際に使用にサイクリックに印加される熱的負荷により、基板11と半導体素子12との間に応力に対抗するのに十分な強度で接合することができ、接合状態を安定して保持することができる。したがって、本発明を適用することにより信頼性の高い電子装置を提供することができる
(実施形態2)
次に、本発明の接合方法の効果を確認するために行った実験の結果について説明する。
半導体素子、弾性表面波素子などの主としてAlからなる接続端子上に、例えばボンディングツールなどによりAuバンプを形成した。一方、この素子を搭載する配線基板上にはAuからなる接続端子を形成した。そして、配線基板の接続端子と、素子のバンプとが対向するように配置し、全体を約200℃程度に加熱しながら、ボンディングヘッドで素子の背面を押圧するとともに、超音波を印加してバンプと接続端子とを固相拡散接続させた。
【0020】
この例では1段目のボンディングを、荷重約150gf/バンプ、超音波出力約0.07W/バンプで行い、2段目のボンディングを荷重約250gf/バンプ、超音波出力約0.29W/バンプに設定して行った。
この結果、従来の接合方法により得られる接合強度の約3倍以上に相当する約150gf/バンプ程度のシェア強度を得ることができた。
【0021】
従来の例でも超音波出力を2段階で大きくした超音波熱圧着方法が採用されているが、1段目のボンディング工程で印加する超音波出力はあくまでもバンプの高さをそろえるレベリングのための工程であり、印加される荷重に対し超音波が弱いために、バンプと電極との接合面積を増やし、シェア強度を向上させる効果を得ることはできない。
これに対して、本発明では荷重に対して最適化した出力で超音波を多段的に加えることにより、格段に接合強度を向上し、信頼性の高い実装を行うことができる。
【0022】
(実施形態3)
実施形態2で説明した例のとは異なる条件で超音波熱圧着方法によりボンディングを行い、本発明の接合方法の効果を確認した。
【0023】
この例では、1段目のボンディングを荷重約50gf/バンプ、超音波出力約0.03W/バンプに設定し、2段目のボンディングを荷重約150gf/バンプ、超音波出力約0.07W/バンプに設定し、3段目のボンディングを荷重約250gf/バンプ、超音波出力約0.29W/バンプに設定して電極とバンプとの超音波熱圧着を行った。このような3段階の接合工程により上述した2段階の接合工程と同等のシェア強度約150gf/バンプが得られた。
さらに超音波発振や荷重印加に必要な処理時間を1段階のボンディングあたり約1/2に短縮することができた。したがって従来の接合方法や実施形態2の接合方法に比べても工程に必要な時間を約2/3に短縮することができる。
このように本発明によれば、電極とバンプとの接合強度を向上することができるだけでなく、生産性も大きく向上することができる。
【0024】
(実施形態4)
上述のように本発明の接合方法は、荷重、超音波出力ともに多段階に大きくしながらボンディングを行うものであり、かつバンプのレベリングに要する荷重よりも大きい荷重を最初から加えるものである。さらに、接合工程全体にわたって印加する荷重に対する超音波出力の値を適正に調節することにより、常に拡散接合を進行させることができる。
【0025】
本発明者らは、各段のボンディングで電極とバンプとに印加する荷重と超音波出力の値を、バンプ1個あたり約0.001W/gfよりも大きくなるように調節することにより、さらに良好な接合状態を得ることができることを見出だした。 本発明の効果を確認するために行ったさらに別の実験結果について説明する。 まず1段のボンディング工程で接続した場合について説明する。
ボンディング時に印加する荷重を250gf/バンプ、超音波出力を0.29Wに設定した。このときの(超音波出力/荷重)は約0.0012W/gfである。従来の接合方法では、1段目で印加する超音波出力はレベリングを目的としているためにこれよりもずっと微弱な出力であり、実質的な電極−バンプ間の固相拡散接合の形成に寄与していない。また従来の接合方法では、1段目で印加する荷重は複数のバンプのレベリングを目的としているため約40gf/バンプ程度である。これに対し本発明では、1段目のボンディング工程から電極−バンプ間の固相拡散接合の形成実質的に寄与するような荷重、超音波出力を印加している。このような本発明の接合方法により、従来例の2段にわたるボンディング工程で得られるシェア強度40gf/バンプに比べ3倍以上に当たる150gf/バンプのシェア強度を得ることができた。
この実験の際のプロセス時間は0.5秒であり、従来例の1.6秒と比べ1/3以下にまで短縮することができた。しかしながら、サンプルの一部を抜き取って行ったシェアテスト時の剥離箇所を調べたところ、全体の約30%のバンプに接合不良が見られた。
【0026】
(実施形態5)
2段階のボンディングを行った例について説明する。
1段目のボンディング時に印加する荷重を約121gf/バンプ、超音波出力を0.14Wに設定し、2段目のボンディング時に印加する荷重を約250gf/バンプ、超音波出力を約0.29Wに設定した。このときの(超音波出力W/荷重gf)の値は1段目、2段目とも約0.0012W/gfである。
【0027】
接合完了後サンプルの接合状態を調べたところ、得られたシェア強度は1段階のボンディングにより得られる強度をと同等の約150gf/バンプであったが、接合不良のバンプを全体の約10%にまで低減することができた。このボンディングでのプロセス時間は各段0.25秒とし、合計0.5秒で実施した。
このように超音波出力Wと荷重gfとの比を約0.0012W/gf以上に設定して各段のボンディングを行うことにより接合強度を向上するとともに生産性を向上することができる。
【0028】
(実施形態6)
さらに、3段階のボンディングを行った例について説明する。
1段目のボンディング時に印加する荷重を約64gf/バンプ、超音波出力を0.07Wに設定し、2段目のボンディング時に印加する荷重を約121gf/バンプ、超音波出力を0.14Wに設定し、3段目のボンディング時に印加する荷重を約250gf/バンプ、超音波出力を0.29Wに設定して連続的にボンディングを行った。
このときの(超音波出力W/荷重gf)の値は、1段目が約0.0011W/gfであり、2段目が約0.0012W/gであり、3段目が約0.0012W/gfである。
【0029】
3段階の接合を終えた抜き取って接合状態を調べたところ、得られたシェア強度は1段階で接合した場合、および2段階で接合した場合と同等の約150gf/バンプであったが、接合不良の発生率を全体のバンプの約3%にまで低下することができた。この実験でのプロセス時間は各段0.17秒とし、合計0.5秒で実施した。
【0030】
(実施形態7)
さらに、4段階のボンディングを行った例について説明する。
1段目のボンディング時に印加する荷重を約64gf/バンプ、超音波出力を0.07Wに設定し、2段目のボンディング時に印加する荷重を約121gf/バンプ、超音波出力を0.14Wに設定し、3段目のボンディング時に印加する荷重を約188gf/バンプ、超音波出力を0.21Wに設定し、4段目のボンディング時に印加する荷重を約250gf/バンプ、超音波出力を0.29Wに設定して連続的にボンディングを行った。
このときの(超音波出力W/荷重gf)の値は、1段目が約0.0011W/gfであり、2段目が約0.0012W/gであり、3段目が約0.0011W/gfであり、4段目が約0.0012W/gfである。
【0031】
4段階の接合を終えた時の接合状態を調べたところ、得られたシェア強度は1段階で接合した場合、2段階で接合した場合、および3段階で接合した場合と同等の約150gf/バンプであったが、接合不良の発生率を全バンプの1%にまで低減することができた。この実験でのプロセス時間は各段0.13秒とし、合計0.5秒で実施した。
【0032】
以上の実験からも分かるように荷重と超音波出力の適正化はシェア強度の大幅な改善に効果がある。さらに上記のように荷重と超音波出力を適正に調節して多段階的なボンディングを行うことにより、プロセス時間の延長を伴わうことなくバンプと電極の接合性を飛躍的に改善することができる。なお、電極、バンプの材質は上述の例以外にも本発明は適用することができた。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バンプと電極との接合強度を向上することができる。したがって弾性表面波素子、半導体素子等の電子部品を搭載した電子装置の信頼性を大きく向上することができる。
また本発明によれば接合強度を向上することができるだけでなく、接合に要する時間を大幅に短縮することができる。したがって、電子部品の実装工程の生産性を大きく向上することができ、製品コストを低減することができる。
【0034】
さらに、各段のボンディング工程で印加する荷重と超音波出力との比を最適化することにより全体のタクトタイムを長くすることなく、接合不良の発生率を大幅に低減することができる。
このように本発明によればバンプと電極との接合強度を向上し、タクトタイムを短縮し、歩留まりを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の接合方法における荷重と超音波出力の印加条件を示すタイムチャート。
【図2】 従来の接合方法における荷重と超音波出力の印加条件を示すタイムチャート。
【図3】 本発明の接合作用を説明するための図であり、接合部の構造を模式的に示す図。
【図4】 本発明により実装した半導体パッケージの構造の例を概略的に示す図。
【符号の説明】
11…………基板
11a………接続端子(第1の電極)
12…………電子部品
12a………接続端子(第2の電極)
13…………モールド樹脂
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing an electronic device in which electronic components such as surface acoustic wave elements and semiconductor elements are mounted on a substrate, and more particularly to a method for manufacturing an electronic device in which chip-type electronic components are mounted on a substrate by a flip chip method.
[0002]
[Prior art]
One technique for mounting various chip-shaped electronic components such as semiconductor elements on a substrate, a package, or the like is a flip chip method. This is a mounting method in which a connection terminal provided on an electronic component and a connection terminal provided on a substrate or the like are connected by conductive bumps.
[0003]
For the mounting of electronic components such as surface acoustic wave devices (SAW devices) such as surface acoustic wave filters and surface acoustic wave resonators, wire bonding has been the mainstream in the past, but in recent years, ultrasonic waves, heating, and pressing are used together. The flip chip method has been introduced. For example, “Flip-chip type GHz band SAW filter” (Science Technical Report, May 7, 1995, published by The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers) has a technology regarding flip-chip type SAW devices using face-down bonding. Are listed.
Here, effective conditions of ultrasonic wave and load when performing face-down bonding are described. According to this, a method of performing face-down bonding twice for one chip is used, and the first time, bumps are flattened (level adjustment) by using weak ultrasonic waves with a constant load, and the second time. In this method, the bumps and the connection terminals are joined by using the same constant load as the first time and using ultrasonic waves stronger than the first time. There is a description that according to this method, face-down bonding with a shear strength of about 40 gf / bump is possible.
[0004]
The shear strength of the bump connection varies depending on the application and usage conditions of the semiconductor device and the electronic device equipped with the surface acoustic wave device. The bonding strength obtained by the above-described method is considered to be sufficient shear strength when sufficient bonding strength is not required and sufficient bonding reliability is not required.
[0005]
However, when the use conditions are severe or a high degree of reliability is required, it is necessary to ensure a larger bonding strength.
For example, if there is a large difference in the coefficient of thermal expansion between a chip such as a semiconductor element or surface acoustic wave element and the substrate on which this chip is mounted, it is caused by the thermal load applied depending on the manufacturing process or actual usage environment. Thus, there is a great risk of connection failure such as bump peeling.
In addition, when the chip face-down bonded on the substrate is sealed with a mold resin or the like, that is, when the curing shrinkage stress or thermal expansion stress of the sealing resin directly acts on the chip, The share strength is insufficient.
[0006]
In addition, since mounting of such electronic components is often performed in large quantities, how to reduce the cost and tact time required for mounting is a major issue in increasing productivity. Thus, establishment of the technique which mounts an electronic component with high productivity is ensured, ensuring sufficient joint strength.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve such problems.
That is, an object of the present invention is to provide a highly reliable manufacturing method of an electronic device that can improve the shear strength of bump connection. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing an electronic device that can improve connection reliability and productivity.
It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing an electronic device capable of improving the bonding strength between an electronic component and a substrate and reducing contact resistance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such problems, the present invention employs the following configuration.
[0009]
In the bonding method of the present invention, the first electrode and the second electrode are set to be large in a multistage manner in the bonding method for bonding the bump disposed on the first electrode and the second electrode . In addition to pressing with a load, the method includes a step of joining the bump and the second electrode by applying ultrasonic waves with an output set in a multistage manner corresponding to the load . The ratio of the set value between the ultrasonic output and the load that are set to be large in multiple stages may be adjusted to be greater than about 0.001 W / gf per bump.
[0010]
The bonding method of the present invention is a bonding method for bonding a bump disposed on a first electrode and a second electrode, wherein the first electrode and the second electrode are connected to a height of the bump. Pressing with a second load larger than the first load required for leveling, and applying an ultrasonic wave with a first output to join the bump and the second electrode; The first electrode and the second electrode are pressed with a third load larger than the second load, and the ultrasonic wave is applied with a second output larger than the first output. and having a second junction step of joining the second connecting terminal and the conductive bump.
[0011]
The ratio between the first output and the second load and the ratio between the second output and the third load are adjusted to be greater than about 0.001 W / gf per bump. It may be.
Further, the second joining step may be performed in multiple stages while increasing the second output and the third load.
[0012]
That is, the bonding method of the present invention is a method of heating, pressing, and mounting electronic components such as a surface acoustic wave element and a semiconductor element on a host side (simply referred to as a substrate) such as a package substrate or mother substrate by so-called face-down bonding. Solid-phase diffusion connection between bumps and electrodes (connection terminals) is performed by a plurality of bonding steps combined with ultrasonic application. Then, an ultrasonic wave is applied while applying a load that is larger than the load required for level adjustment from the first stage and substantially contributes to the solid phase diffusion connection between the bump and the electrode. By performing such bonding, it is possible to obtain higher bonding strength than before and to improve connection reliability. Further, according to the present invention, not only the bonding strength can be improved, but also the time required for bonding can be greatly shortened. Therefore, the productivity of the electronic component mounting process can be greatly improved, and the product cost can be reduced.
[0013]
Furthermore, by optimizing the ratio between the load applied in each stage of the bonding process and the ultrasonic output, the occurrence rate of bonding failure can be greatly reduced without increasing the overall tact time.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is described in further detail below.
[0015]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a time chart showing an example of bonding conditions in the ultrasonic thermocompression bonding method of the present invention. For comparison, an example of a time chart showing bonding conditions in a conventional ultrasonic thermocompression bonding method is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, in the conventional ultrasonic thermocompression bonding method, the first stage bonding is performed by applying a weak ultrasonic output while applying a load necessary to make the bump height uniform, and then bumping. In order to perform thermocompression bonding between the electrode and the electrode, the second stage bonding is performed by applying an ultrasonic output stronger than the first stage while applying the same load as the first stage. That is, two-stage bonding is performed by changing the ultrasonic output while applying substantially the same load.
[0016]
On the other hand, the bonding method of the present invention performs bonding in a plurality of stages while increasing both the applied load and the ultrasonic output in multiple stages. Further, the load applied at the time of the first stage bonding is larger than the load necessary for leveling the bump height, and a load that contributes to the solid phase diffusion connection between the bump and the electrode is applied.
[0017]
By performing such bonding, it is possible to obtain a bonding strength greater than that of the conventional bonding method, and to improve the reliability of the electronic device.
[0018]
FIG. 3 is a view for explaining a state of a joint portion when performing flip chip bonding according to the present invention. By performing bonding while increasing the load and the ultrasonic output in a multistage manner, as shown in FIG. 3, the contact portion 1 2 x between the connection terminal 1 2 a and the bump 14 on the surface acoustic wave element, and The bonding strength between the bump 14 and the contact portion 1 1 x between the connection terminal 11a disposed on the substrate 11 is shown in FIGS. 3 (a), 3 (b), 3 (c), and 3 (d). It turns out that it becomes almost continuously large in order. For this reason, not only the bonding strength is improved, but also a strong bonding can be obtained with a lower ultrasonic output. Therefore, it is possible to stabilize and improve the bonding strength after bonding as a whole.
[0019]
FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of the structure of an electronic device manufactured by applying the present invention. This electronic device is a semiconductor package in which a semiconductor element 12 is mounted on a substrate 11 in a face-down manner and is further sealed with a mold resin 13.
A connection terminal 12 a made of, for example, Al is disposed on the surface of the semiconductor element 12 facing the substrate 11. On the other hand, a connection terminal 11a made of, for example, Au, Ni, Cr, Cu, or an alloy thereof is disposed on the surface of the substrate 11 on which the semiconductor element 12 is mounted. The semiconductor element 12 and the substrate 11 are joined by solid phase diffusion connection with bumps 14 made of, for example, Au sandwiched between the connection terminal 12a of the semiconductor element 12 and the connection terminal 11a of the substrate 11. The bumps 14 may be disposed on the semiconductor element 12 or may be disposed on the substrate 11. Such a bump 14 may be formed, for example, by bringing a bonding wire of Au into contact with the connection terminal with a bonding tool and applying a voltage.
According to the bonding method of the present invention, the bonding strength can be improved as compared with the conventional bonding method. Therefore, for example, when the mold resin 13 is cured and contracted, the stress acting between the substrate 11 and the semiconductor element 12 due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 11 and the semiconductor element 12, and such a semiconductor package Due to the thermal load that is cyclically applied to the actual use of electronic components, etc., the substrate 11 and the semiconductor element 12 can be bonded with sufficient strength to resist stress, and the bonding state can be stabilized. Can be held. Therefore, a highly reliable electronic device can be provided by applying the present invention (Embodiment 2).
Next, the result of the experiment conducted in order to confirm the effect of the joining method of this invention is demonstrated.
Au bumps were formed on a connection terminal mainly made of Al, such as a semiconductor element and a surface acoustic wave element, using a bonding tool, for example. On the other hand, a connection terminal made of Au was formed on a wiring board on which this element was mounted. Then, the connection terminals of the wiring board and the bumps of the element are arranged so as to face each other, and while the whole is heated to about 200 ° C., the back surface of the element is pressed with a bonding head and ultrasonic waves are applied to the bumps. And the connection terminal were connected by solid phase diffusion.
[0020]
In this example, the first stage bonding is performed with a load of about 150 gf / bump and an ultrasonic output of about 0.07 W / bump, and the second stage bonding is performed with a load of about 250 gf / bump and an ultrasonic output of about 0.29 W / bump. Set and went.
As a result, a shear strength of about 150 gf / bump corresponding to about three times or more of the bonding strength obtained by the conventional bonding method could be obtained.
[0021]
The conventional example employs an ultrasonic thermocompression bonding method in which the ultrasonic output is increased in two stages, but the ultrasonic output applied in the first bonding process is a process for leveling the bumps to the same level. In addition, since the ultrasonic wave is weak with respect to the applied load, it is not possible to obtain the effect of increasing the joint area between the bump and the electrode and improving the shear strength.
In contrast, in the present invention, by applying ultrasonic waves in multiple stages with an output optimized for the load, the bonding strength can be significantly improved and highly reliable mounting can be performed.
[0022]
(Embodiment 3)
Bonding was performed by an ultrasonic thermocompression bonding method under conditions different from those of the example described in Embodiment 2, and the effect of the bonding method of the present invention was confirmed.
[0023]
In this example, the first stage bonding is set to a load of about 50 gf / bump and the ultrasonic output is about 0.03 W / bump, and the second stage bonding is set to a load of about 150 gf / bump and the ultrasonic output is about 0.07 W / bump. The bonding of the third stage was set to a load of about 250 gf / bump and an ultrasonic output of about 0.29 W / bump, and ultrasonic thermocompression bonding between the electrode and the bump was performed. By such a three-stage bonding process, a shear strength of about 150 gf / bump equivalent to the two-stage bonding process described above was obtained.
Furthermore, the processing time required for ultrasonic oscillation and load application could be reduced to about ½ per bonding step. Therefore, the time required for the process can be reduced to about 2/3 as compared with the conventional bonding method and the bonding method of the second embodiment.
As described above, according to the present invention, not only the bonding strength between the electrode and the bump can be improved, but also the productivity can be greatly improved.
[0024]
(Embodiment 4)
As described above, the bonding method of the present invention performs bonding while increasing the load and ultrasonic output in multiple stages, and applies a load larger than the load required for bump leveling from the beginning. Furthermore, by appropriately adjusting the value of the ultrasonic output with respect to the load applied throughout the entire bonding process, diffusion bonding can always proceed.
[0025]
The inventors of the present invention further improved by adjusting the load applied to the electrode and the bump and the value of the ultrasonic output in each stage of bonding so as to be larger than about 0.001 W / gf per bump. It has been found that an excellent bonding state can be obtained. Another experimental result performed to confirm the effect of the present invention will be described. First, a case where connection is performed in a single bonding process will be described.
The load applied at the time of bonding was set to 250 gf / bump, and the ultrasonic output was set to 0.29 W. The (ultrasonic output / load) at this time is about 0.0012 W / gf. In the conventional bonding method, the ultrasonic power applied at the first stage is much weaker than this because it is intended for leveling, and contributes to the formation of a substantial electrode-bump solid phase diffusion bonding. Not. In the conventional bonding method, the load applied at the first stage is about 40 gf / bump because the purpose is to level a plurality of bumps. On the other hand, in the present invention, a load and an ultrasonic output that substantially contribute to the formation of the solid phase diffusion bonding between the electrode and the bump are applied from the first bonding step. By such a joining method of the present invention, a shear strength of 150 gf / bump, which is more than three times the shear strength of 40 gf / bump obtained in the conventional two-step bonding process, could be obtained.
The process time in this experiment was 0.5 seconds, which could be shortened to 1/3 or less compared with 1.6 seconds of the conventional example. However, when the peeled portion at the time of the shear test which was carried out by extracting a part of the sample was examined, bonding failure was found in about 30% of the bumps.
[0026]
(Embodiment 5)
An example in which two-stage bonding is performed will be described.
The load applied during the first stage bonding is set to about 121 gf / bump and the ultrasonic output is set to 0.14 W. The load applied during the second stage bonding is set to about 250 gf / bump and the ultrasonic output is set to about 0.29 W. Set. The value of (ultrasonic output W / load gf) at this time is about 0.0012 W / gf in both the first and second stages.
[0027]
When the joining state of the sample was examined after completion of joining, the obtained shear strength was about 150 gf / bump equivalent to the strength obtained by one-step bonding, but the joint failure bump was reduced to about 10% of the whole. Could be reduced to. The process time for this bonding was 0.25 seconds for each stage, and the total process time was 0.5 seconds.
Thus, by performing the bonding at each stage with the ratio of the ultrasonic output W and the load gf set to about 0.0012 W / gf or more, the bonding strength can be improved and the productivity can be improved.
[0028]
(Embodiment 6)
Further, an example in which three-stage bonding is performed will be described.
The load applied during the first stage bonding is set to about 64 gf / bump and the ultrasonic output is set to 0.07 W, the load applied during the second stage bonding is set to about 121 gf / bump and the ultrasonic output is set to 0.14 W. Bonding was continuously performed by setting the load applied at the time of the third stage bonding to about 250 gf / bump and the ultrasonic output to 0.29 W.
The value of (ultrasonic output W / load gf) at this time is about 0.0011 W / gf for the first stage, about 0.0012 W / g for the second stage, and about 0.0012 W for the third stage. / Gf.
[0029]
After the three-stage joining was extracted and the joining state was examined, the shear strength obtained was about 150 gf / bump equivalent to that obtained when joining in one stage and joining in two stages. It was possible to reduce the generation rate of the above to about 3% of the entire bump. The process time in this experiment was 0.17 seconds for each stage, and the total time was 0.5 seconds.
[0030]
(Embodiment 7)
Further, an example in which four-stage bonding is performed will be described.
The load applied during the first stage bonding is set to about 64 gf / bump and the ultrasonic output is set to 0.07 W, the load applied during the second stage bonding is set to about 121 gf / bump and the ultrasonic output is set to 0.14 W. The load applied during the third stage bonding is set to about 188 gf / bump and the ultrasonic output is set to 0.21 W, the load applied during the fourth stage bonding is set to about 250 gf / bump and the ultrasonic output is 0.29 W. Bonding was carried out continuously with setting.
The value of (ultrasonic output W / load gf) at this time is about 0.0011 W / gf for the first stage, about 0.0012 W / g for the second stage, and about 0.0011 W for the third stage. / Gf, and the fourth stage is about 0.0012 W / gf.
[0031]
When the bonding state when the four-stage bonding was finished was examined, the obtained shear strength was about 150 gf / bump equivalent to that obtained when bonding was performed in one stage, bonding in two stages, and bonding in three stages. However, it was possible to reduce the incidence of bonding failure to 1% of all the bumps. The process time in this experiment was 0.13 seconds for each stage, and the total time was 0.5 seconds.
[0032]
As can be seen from the above experiments, the optimization of the load and ultrasonic output is effective in greatly improving the shear strength. Furthermore, by appropriately adjusting the load and ultrasonic output as described above and performing multi-step bonding, it is possible to dramatically improve the bondability between the bump and the electrode without extending the process time. . Note that the present invention can be applied to materials of electrodes and bumps other than the above-described examples.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the bonding strength between the bump and the electrode can be improved. Accordingly, it is possible to greatly improve the reliability of an electronic device in which electronic parts such as a surface acoustic wave element and a semiconductor element are mounted.
Further, according to the present invention, not only the bonding strength can be improved, but also the time required for bonding can be greatly shortened. Therefore, the productivity of the electronic component mounting process can be greatly improved, and the product cost can be reduced.
[0034]
Furthermore, by optimizing the ratio between the load applied in each stage of the bonding process and the ultrasonic output, the occurrence rate of bonding failure can be greatly reduced without increasing the overall tact time.
As described above, according to the present invention, the bonding strength between the bump and the electrode can be improved, the tact time can be shortened, and the yield can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a time chart showing application conditions of a load and ultrasonic output in a bonding method of the present invention.
FIG. 2 is a time chart showing application conditions of load and ultrasonic output in a conventional joining method.
FIG. 3 is a view for explaining the joining action of the present invention, and schematically showing the structure of a joining portion.
FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of the structure of a semiconductor package mounted according to the present invention.
[Explanation of symbols]
11 ………… Substrate 11a ………… Connection terminal (first electrode)
12 ………… Electronic component 12a ………… Connection terminal (second electrode)
13 ………… Mold resin

Claims (5)

第1の電極上に配設されたバンプと第2の電極とを接合する接合方法において、
前記第1の電極と前記第2の電極とを多段的に大きく設定した荷重で押圧するとともに、前記荷重に対応させて多段的に大きく設定した出力で超音波を印加して前記バンプと前記第2の電極とを接合する工程を有することを特徴とする接合方法。
In the bonding method of bonding the bump disposed on the first electrode and the second electrode,
And said first electrode and said second electrode while pressed with a load that is set in multiple stages large, the said bumps so as to correspond to the load applying ultrasound output set multiple stages large first A joining method comprising the step of joining two electrodes.
前記多段的に大きく設定する超音波出力と荷重との設定値の比は、前記バンプ1個あたり約0.001W/gfよりも大きくなるように調節することを特徴とする請求項1に記載の接合方法。2. The ratio of the set value of the ultrasonic power and the load that are set to be large in a multistage manner is adjusted to be larger than about 0.001 W / gf per one bump. Joining method. 第1の電極上に配設されたバンプと第2の電極とを接合する接合方法において、
前記第1の電極と前記第2の電極とを前記バンプの高さのレベリングに要する第1の荷重よりも大きな第2の荷重で押圧するとともに、第1の出力で超音波を印加して前記バンプと前記第2の電極とを接合する第1の接合工程と、
前記第1の電極と前記第2の電極とを前記第2の荷重よりも大きい第3の荷重で押圧するとともに、前記第1の出力よりも大きい第2の出力で前記超音波を印加して前記導電性バンプと前記第2の接続端子とを接合する第2の接工程と
を有することを特徴とする接合方法。
In the bonding method of bonding the bump disposed on the first electrode and the second electrode,
The first electrode and the second electrode are pressed with a second load larger than the first load required for leveling the bump height, and an ultrasonic wave is applied with a first output to A first joining step for joining the bump and the second electrode;
The first electrode and the second electrode are pressed with a third load larger than the second load, and the ultrasonic wave is applied with a second output larger than the first output. joining method characterized by having a second junction step of joining the second connecting terminal and the conductive bump.
前記1の出力と前記第2の荷重との比および前記第2の出力と前記第3の荷重との比は、前記バンプ1個あたり約0.001W/gfよりも大きくなるように調節することを特徴とする請求項3に記載の接合方法。  The ratio between the first output and the second load and the ratio between the second output and the third load are adjusted to be greater than about 0.001 W / gf per bump. The bonding method according to claim 3. 前記第2の接合工程は前記第2の出力および前記第3の荷重を増加させながら多段階にわたって行うことを特徴とする請求項3乃至請求項4のいずれかに記載の接合方法。  The joining method according to any one of claims 3 to 4, wherein the second joining step is performed in multiple stages while increasing the second output and the third load.
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