JP2002507838A - フリップチップアセンブリのための洗浄不要フラックス - Google Patents
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Abstract
Description
法に関する。より特定的には、この発明は、フリップチップ構成のアセンブリプ
ロセスにおいてその後の洗浄ステップを必要としないフラックスの塗布に関する
。
および意図を維持することである。今日の技術環境では、単一の半導体チップ上
への回路の集積度を増大させる要求がますます高まっている。同時に、メモリチ
ップ、マイクロプロセッサチップ、テレコミュニケーションチップまたはいかな
る他のタイプの半導体チップであっても、半導体チップの性能を向上させる要求
がある。回路機能がチップに付加されればされるほど、配線の数もまた劇的に増
大する。集積度の増大および性能の向上において最優先される要因は、最終製品
のコストを下げる要求である。
く生産性が低く手動で操作されるフェースアップワイヤボンディング技術に代わ
り得るものとして、IBM(登録商標)によって1960年代初めに開発された
。しかしながら、大抵は高速自動ワイヤボンダが半導体産業のニーズを満たして
いたため、フリップチップ技術方法を改良する積極的な開発努力は見られなかっ
た。フリップチップ技術は、活性チップ表面が基板に面しているかぎり、フラッ
クスレスはんだバンプ、テープ自動ボンディング(TAB)、ワイヤ配線、導電
性ポリマー、異方性導電性接着剤、冶金バンプ、コンプライアントバンプおよび
圧力接触などの、任意の種類の配線材料および方法で半導体チップを基板に実装
するものとして定義される。
ンディング技術の限界と、マルチチップモジュール技術の使用の増加との直接の
結果として、フリップチップ技術を改良し、同時にフリップチップ技術のコスト
を低減する必要がある。フリップチップ配線は、主にその高いI/O密度能力、
小さいプロファイルおよび良好な電気的性能のために、半導体産業で用いられて
いる。性能、信頼性およびコストに対する要求の結果、はんだ配線、導電性エポ
キシ配線、(金などの)硬質合金バンプ配線および異方性導電性エポキシ配線を
用いるさまざまなフリップチップ技術が開発されることとなった。これらの材料
のうち、はんだは、フリップチップアセンブリ内に電気的接続を形成する材料と
して、依然として好ましい選択肢である。
れらは、チップ、はんだバンプおよび基板を含む。まず、バンプをウェハ上に蒸
着しリフローする。次に、ウェハをチップにダイシングする。チップをひっくり
返し、基板に整列させ、留め、リフローする。アンダフィルを用いて配線の信頼
性を向上させることが可能である。これらの要素の各々と、これらを併せて組立
てるために用いるプロセスとが、配線システムのコストおよび性能に影響を及ぼ
す。したがって、性能とコストとは、単に配線アセンブリの任意の単一の要素だ
けでなく、配線システム全体に基づいて、比較されなければならない。
を決定する。半導体素子またはチップは、シリコンまたはガリウム砒素であって
もよい。ウェハ上のボンドパッドメタライゼーションは、Ni−Au、Cr−C
u−Au、TiW−Cu、Ti−Cu、または、TiW−Auであり得る。ボン
ドパッドが基板上にある場合、ボンドパッドメタライゼーション材料の選択は、
基板材料に依存する。たとえば、基板がセラミック材料であれば、ボンドパッド
はNi−Cuであり、基板が有機材料であれば、ボンドパッドはCuである。バ
ンプ材料は、さまざまな鉛ベースのまたは鉛なしのはんだの1つであり得る。基
板は、シリコン、アルミナ、ガラス、または、さまざまな有機基板の1つであり
得る。基板メタライゼーションは、金または銅であり得る。アンダフィルは、フ
リップチップ配線システムの信頼性を向上させるために主に使用される。これら
のアンダフィル材料は、はんだ接合の周りの基板とチップとの間の間隙を充填し
て、はんだ接合にかかる熱応力を低減する。
キ、蒸着、ワイヤバンピング、分配、プリントなどのプロセス技術を含み得る。
リフロープロセスは、フラックスを伴う空気中で、または、制御された雰囲気中
で行なわれてもよい。フリップチップボンディングプロセスは、制御コラプスチ
ップ接続(C4)アプローチに基づくプロセス、または、バンプのジオメトリが
ボンディング機器によって制御されるプロセスを含む。
すなわち、(1)フリップチップボンディングと、(2)エンキャプシュレーシ
ョンまたはアンダフィルとを伴う。フリップチップボンディングの際、まず、バ
ンプされたダイを基板上のボンドパッドに整列させ粘着性フラックスを用いて付
ける。(なお、バンプは、基板上または、基板およびダイの両方の上に形成可能
であり、ボンドパッドはダイ上に形成可能である。)次に、このモジュールを加
熱すると、はんだが溶けて、ボンドパッドとの冶金結合を形成する(リフロープ
ロセス)。フリップチップボンディングプロセスに続いて、フラックス残渣を洗
浄する。フラックス残渣を洗浄するのに必要な溶剤材料は、典型的には、燃焼性
が高くかつ/または有害材料であり、発ガン性のものもあり得る。溶剤材料のこ
れらの特性のために、洗浄ステップは、高度に特殊化された機器を必要とするの
で、大変に高価である。機器は、防爆でなければならないであろうし、周辺地域
および技術者を大気汚染および/または水質汚染から守るために特殊なろ過シス
テムを備えなければならないであろう。
去する洗浄プロセスを行なう必要なしに、フリップチップ構成で半導体素子を組
立てる方法が必要とされる。
用いてフリップチップ構成で基板およびダイを組立てる方法によって達成される
。洗浄不要フラックスは、ボンドパッドに接触するはんだバンプを活性化して信
頼性の高いはんだ接合を形成するのに十分な化学的活性度と、はんだバンプが整
列してボンドパッドに接触するよう基板およびダイを保持するのに十分な粘着性
と、大量生産プロセスの使用を可能にする粘度とを有する。リフロープロセスの
際洗浄不要フラックスが残す残渣の量は最小限のものであり、これがアンダフィ
ル作業を妨げたりはんだ接合に悪影響を及ぼすことはない。この適用で使用可能
な洗浄不要フラックスは、アルファメタル社(Alpha Metals Co.)からのRM1
919およびインジウム社(Indium Corporation)からのH208である。
ダイ上に形成される。洗浄不要フラックスは、基板上に形成されたボンドパッド
に塗布される。基板上のボンドパッドとダイ上のはんだバンプとは整列させられ
、リフロープロセスを経る。
填される。
浄プロセスの使用を回避する。
く理解される。以下の説明から当業者には容易に明らかとなるであろうが、この
発明の実施例は、単に、この発明を実施する最良の態様を例示するものとして示
され記載される。全くこの発明の範囲から逸脱することなしに、この発明は他の
実施例が可能であり、そのいくつかの詳細はさまざまな明らかな局面において変
形が可能であることが認められるだろう。したがって、図面および詳細な説明は
、限定的なものではなく本来例示的なものとしてみなされる。
べられる。しかしながら、この発明自体と、その使用の好ましい態様およびさら
なる目的および利点は、添付の図面と関連づけて読むと、例示的な実施例の以下
の詳細な説明を参照することによって、最もよく理解される。
を例示する、この発明の特定の実施例を詳細に参照する。
示す流れ図である。図1は、半導体製造技術での標準の方法によって形成された
基板を100に示す。基板は、シリコン、アルミナ(セラミック)、ガラスまた
は、さまざまな有機基板の1つであり得る。ボンドパッドまたははんだバンプが
基板上に形成される。フラックスを基板の適切な部分の上に手でブラッシングす
るかまたはスプレーするかして、102に示すとおり、フラックスを基板および
ボンドパッドまたははんだバンプに塗布する。104に示すダイは、通常のダイ
であって、シリコン基板またはガリウム砒素基板上に作られ得る。ボンドパッド
またははんだバンプが、ダイ上に形成され、上述したような基板上に形成された
ボンドパッドまたははんだバンプに対応する。バンプ材料は、さまざまな鉛ベー
スのまたは鉛なしのはんだであり得る。ウェハのボンドパッドメタライゼーショ
ンは、Ni−Au、Cr−Cu−Au、TiW−Cu、Ti−CuまたはTiW
−Auであり得る。106に示すとおり、ダイをフリップチップ構成で基板の上
に置く。フリップチップ構成は、活性表面領域が基板上にフェースダウンで置か
れるものである。この基板/チップの組合せを加熱すると、108に示すとおり
、はんだがリフローするようになる。110に示すとおり、基板/チップの組合
せを洗浄し、112に示すとおり、基板とダイとの間にアンダフィルを塗布し、
114に示すとおり、通常の製造ステップを受けさせる。
法を示す流れ図である。図2は、半導体製造技術の標準の方法によって形成され
た基板を、200に示す。上述したとおり、基板は、シリコン、アルミナ(セラ
ミック)、ガラスまたはさまざまな有機基板の1つであり得る。ボンドパッドま
たははんだバンプが基板上に形成される。フラックスを基板の適切な部分上にブ
ラッシングするかまたはスプレーするかして、202に示すとおり、この発明に
従う洗浄不要フラックスを基板およびボンドパッドまたははんだバンプに塗布す
る。204に示すダイは、通常のダイであって、シリコン基板またはガリウム砒
素基板上に作られ得る。ボンドパッドまたははんだバンプが、ダイ上に形成され
、上述したような基板上に形成されたボンドパッドまたははんだバンプに対応す
る。バンプ材料は、さまざまな鉛ベースのまたは鉛なしのはんだであり得る。ウ
ェハのボンドパッドメタライゼーションは、Ni−Au、Cr−Cu−Au、T
iW−Cu、Ti−Cu、またはTiW−Auであり得る。206に示すとおり
、ダイをフリップチップ構成で基板上に置いて、基板/ダイのモジュールを形成
する。208に示すとおり、基板/ダイのモジュールはリフロープロセスを受け
、210に示すとおり、アンダフィル材料を基板とダイとの間に塗布する。次に
、基板/ダイモジュールは、212に示すとおり、通常の製造ステップを受ける
。
ップの際の基板、ダイおよび基板/ダイモジュールの図を示す。図3Aは、ボン
ドパッドを備える基板300を示し、ボンドパッドの1つは302に示され、基
板300上に形成されている。上述したとおり、基板は、シリコン、アルミナ(
セラミック)、ガラスまたはさまざまな有機基板の1つであり得る。ウェハのボ
ンドパッドメタライゼーションは、Ni−Au、Cr−Cu−Au、TiW−C
u、Ti−CuまたはTiW−Auであり得る。ボンドパッド材料の選択は、基
板の材料に部分的に依存する。たとえば、基板がセラミック材料であれば、ボン
ドパッド材料はNi−Auであり、基板が有機材料であれば、ボンドパッド材料
は、Cu/Auまたははんだで被覆されたCu/Auである。
4の主な目的の1つは、リフロープロセス(後述する)の際にダイ(後述する)
を基板300に保持するための粘着性の表面を与えることである。フラックスは
通常、以下の3つの成分を含有する。すなわち、溶剤(たとえばアルコール)と
、ビヒクル(たとえば、脂肪族アルコールなどの高沸点溶剤)と、活性化剤(た
とえばカルボン酸)とである。溶剤は、フラックス304がボンドパッド上に均
一に広がりやすくする。リフロープロセス(後述する)は通常、溶剤を蒸発させ
る予熱ステップからなる。これが、はんだおよびボンドパッドメタライゼーショ
ン上でのフラックス304の均一な被覆を促進する。温度がさらに上昇すると、
ビヒクルは活性化剤とともに流れるようになる。活性化剤は酸化物を還元し、ビ
ヒクルおよび活性化剤はどちらも揮発する。
、ダイ306の活性表面上に形成されている。ダイ306を、フリップチップ構
成で基板上にフェースダウンで置いて、基板/ダイモジュール310を形成する
。上述したとおり、フラックス304の粘着性がダイ306を保持し、これが基
板300と適当に整列すると、ボンドパッド302とはんだバンプ308とが適
当に整列するようになる。基板/ダイモジュール310は、リフローステップの
準備が整う。リフロープロセスの間、はんだバンプ308を、はんだの融点より
上の温度まで加熱する。はんだが溶けると、これはボンドパッド302との冶金
結合を形成する。
す。フラックス残渣領域は、その1つが312に示されるが、基板300とダイ
306との間に残っている。フラックス残渣領域312は通常、キャリア、湿潤
剤および還元反応の反応副産物からの残渣を含む。図示のようなフラックス残渣
領域312は、アンダフィル材料の流れを妨げ得る(後述する)。
の洗浄プロセスは314に示され、溶剤材料を利用してフラックス残渣領域31
2を除去する。フラックス残渣を清浄するために必要な溶剤材料は、典型的には
、燃焼性が高くかつ/または環境的に有害であり、発ガン性のものもあり得る。
溶剤材料のこれらの特性のために、洗浄ステップは高度に特殊化された機器を必
要とするので洗浄ステップは非常に高くつく。機器は防爆でなければならないで
あろうし、これは環境を保護するために特殊なろ過システムを備えなければなら
ないであろう。
塗布されている、基板/ダイモジュール310を示す。アンダフィル材料は典型
的には、エポキシである。アンダフィルには2つの機能がある。アンダフィル材
料の第1の機能は、その後のプロセスの間、チップおよび配線を保護することで
ある。アンダフィルの第2の機能は、配線システムの信頼性を向上させることで
ある。
スステップの際の基板、ダイおよび基板/ダイモジュールの図を示す。図4Aは
、ボンドパッドを備える基板400を示し、ボンドパットの1つは402に示さ
れ、基板400上に形成されている。上述したとおり、基板は、シリコン、アル
ミナ(セラミック)、ガラスまたは、さまざまな有機基板の1つであり得る。ウ
ェハのボンドパッドメタライゼーションは、Ni−Au、Cr−Cu−Au、T
iW−Cu、Ti−CuまたはTiW−Auであり得る。ボンドパッド材料の選
択は、基板の材料に部分的に依存する。たとえば、基板がセラミック材料であれ
ば、ボンドパッド材料はNi−Auであり、基板が有機基板であれば、ボンドパ
ッド材料はCuである。
クス404の主な目的の1つは、リフロープロセス(後述する)の際にダイ(後
述する)を基板400に保持するための粘着性表面を与えることである。フラッ
クスは通常、以下の3つの成分を含有する。すなわち、溶剤(たとえばアルコー
ル)と、ビヒクル(たとえば脂肪族アルコールなどの高沸点溶剤)と、活性化剤
(たとえばカルボン酸)とである。溶剤は、フラックス404がボンドパッド上
に均一に広がりやすくする。リフロープロセス(後述する)は通常、溶剤を蒸発
させる予熱ステップからなる。これは、はんだおよびボンドパッドメタライゼー
ション上でのフラックス404の均一な被覆を促進する。温度がさらに上昇する
と、ビヒクルが活性化剤とともに流れるようになる。活性化剤は酸化物を還元し
、ビヒクルおよび活性化剤はどちらも揮発する。洗浄不要フラックス404は、
アルファメタル社から利用可能なRM1919、または、インジウム社から利用
可能なH208のいずれかである。これらのフラックスは、以下の基準を満たす
よう開発された。 1.フリップチップ方法に使用されるのに十分な活性度であること。フラックス
は、基板上のNi−Au、Cuまたははんだ付けされたボンドパッドを活性化す
るのに十分な活性度を有していなければならず、さらに、界面での表面張力を壊
すかまたは低減してバンプとボンドパッドとの間の良好な濡れをもたらすことが
可能でなければならない。 2.残渣がアンダフィルの塗布を妨げないほど低い残渣であること。 3.残渣が、はんだ接合の一体性に悪影響を及ぼさないこと。 4.さまざまなアンダフィルとの互換性があること。選択されたフラックスは、
ポリサイエンス社(Polyscience Co.)によって作られたEPX材料およびデク スター/ハイソル社(Dexter/Hysol Co.)材料、またはアルファメタル社と互換
性があることが示されている。 5.フラックスがブラッシュ分配方法を用いて塗布可能であるような、粘度特性
およびレオロジー特性を有すること。 6.大量生産のための強固なプロセス能力を有すること。 7.ダイのサイズから独立していること。 8.高温Pb/Snはんだおよび低温はんだとともに使用可能であること。
、ダイ406の活性表面上に形成されている。ダイ406を、フリップチップ構
成で基板上にフェースダウンで置いて、基板/ダイモジュール410を形成する
。上述したとおり、フラックス404の粘着性がダイ406を保持し、これが基
板400と適当に整列すると、ボンドパッド402とはんだバンプ408とが適
当に整列するようになる。基板/ダイモジュール410は、リフローステップの
準備が整う。リフロープロセスの際、はんだバンプ408を、はんだの融点より
上の温度まで加熱する。はんだが溶けると、これはボンドパッド402との冶金
結合を形成する。
す。フラックス残渣領域は、その1つが412に示されるが、基板400とダイ
406との間に残っている。フラックス残渣領域412は通常、キャリア、湿潤
剤および還元反応の反応副産物からの残渣を含む。図示のようなフラックス残渣
領域412は、先行技術のシステムにおいてよりもずっと少なく、次のステップ
で塗布されるべきアンダフィル材料の流れをそれほど妨げないようになる。
塗布されている基板/ダイモジュール410を示す。アンダフィル材料は、典型
的には、エポキシである。アンダフィルには2つの機能がある。アンダフィル材
料の第1の機能は、その後のプロセスの際にチップおよび配線を保護することで
ある。アンダフィルの第2の機能は、配線システムの信頼性を向上させることで
ある。
成で組立てられる半導体素子のアセンブリの方法の結果および利点がいまや、よ
り完全に認められるであろう。アセンブリプロセスのその後の洗浄ステップを必
要としないフラックスの塗布は、コストのかかる製造時間を節約する。
、余すところないわけではなく、また、開示された厳密な形状にこの発明を限定
するものでもない。明らかな修正または変形が、上記の教示に鑑みて可能である
。この実施例は、この発明の原理およびその実際の適用を最もよく例示するため
に選択され記載され、これによって、当業者がさまざまな実施例でかつ企図され
た特定の使用に適合するようなさまざまな変形でこの発明を利用することを可能
にする。そのような修正および変形はすべて、前掲の特許請求の範囲によって、
これが適正に、合法的にかつ公平に権利を与えられる幅に従って解釈されたとき
、決定されるようなこの発明の範囲内にある。
を示す流れ図である。
成で基板およびダイを組立てる方法を示す流れ図である。
ップの際の基板/ダイの図であり、Aは、ボンドパッドが上部表面に形成されて
いる基板の図であり、Bは、ボンドパッドを覆う先行技術のフラックスが示され
る、Aに示すボンドパッドを備える基板の図であり、Cは、バンプを備えるダイ
が基板と整列しリフロープロセスの準備が整っている、Bに示すボンドパッドを
備える基板を示す図であり、Dは、基板とダイとの間のフラックス残渣を示すリ
フロープロセスの後の基板/ダイモジュールを示す図であり、Eは、基板とダイ
との間からフラックス残渣を除去する洗浄プロセスの際の基板/ダイモジュール
を示す図であり、Fは、基板とダイとの間にアンダフィルを備える基板/ダイモ
ジュールを示す図である。
ップの際の基板/ダイの図であり、Aは、ボンドパッドが上部表面に形成されて
いる基板を示す図であり、Bは、ボンドパッドを覆っているこの発明に従うフラ
ックスが示される、Aに示すボンドパッドを備える基板を示す図であり、Cは、
バンプを備えるダイが基板と整列しリフロープロセスの準備が整っている、Bに
示すボンドパッドを備える基板を示す図であり、Dは、基板とダイとの間のより
少ない量のフラックス残渣を示すリフロープロセスの後の基板/ダイモジュール
を示す図であり、Eは、基板とダイとの間のアンダフィルを備える基板/ダイモ
ジュールを示す図である。
ー(Raleigh)等による(1993年)表面実装国際会議1993年8月31日 〜9月2日の議事録(the Proceedings of the Surface Mount International C
onference 31 August-2 September 1993)、第638〜646頁に開示されてい
る。 この発明に従うと、フリップチップ構成で基板およびダイを組立てる方法が提
供され、この方法は、基板上にボンドパッドを形成するステップと、ダイ上には
んだバンプを形成するステップと、基板に洗浄不要フラックスを塗布するステッ
プと、はんだバンプがボンドパッドに接触するよう基板とダイを整列させて基板
/ダイモジュールを形成するステップと、基板/ダイモジュールにリフロープロ
セスを受けさせるステップとを含み、洗浄不要フラックスは、基板上のはんだボ
ンドパッドを活性化させる一方で、表面張力を壊すかまたは低減するかしてバン
プとボンドパッドとの間の十分な濡れを確実にするのに十分な化学的活性度を有
し、アンダフィルの塗布を妨げることのないほど十分に低い残渣を有し、はんだ
接合の一体性に悪影響を及ぼさない残渣を有し、複数個のアンダフィル材料との
互換性があり、ブラッシュ分配方法を用いてフラックスの塗布を可能にする粘度
特性およびレオロジー特性を有し、ダイのサイズから独立しており、高温はんだ
および低温はんだのどちらでも使用可能であることを特徴とする。 これらの基準に見合うように特に開発された、好ましい洗浄不要フラックスは
、アルファメタル社(Alpha Metals Co.)からのRM1919またはインジウム
社(Indium Corporation)からのH208のいずれかである。 添付の図面は、例としてのみである。
イを組立てる方法を示しかつこの発明を実施する流れ図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 フリップチップ構成で基板(400)およびダイ(406)
を組立てる方法であって、 ボンドパッド(402)を基板(400)上に形成するステップと、 はんだバンプ(408)をダイ(406)上に形成するステップと、 洗浄不要フラックス(404)をダイ(406)に塗布するステップと、 はんだバンプ(408)がボンドパッド(402)に接触するよう基板(40
0)とダイ(406)とを整列させて基板/ダイモジュール(410)を形成す
るステップと、 基板/ダイモジュール(410)にリフロープロセスを受けさせるステップと
を含む、方法。 - 【請求項2】 洗浄不要フラックス(404)を塗布するステップは、ボン
ドパッド(402)と接触するはんだバンプ(408)を活性化させるのに十分
な化学的活性度を有する洗浄不要フラックス(404)を塗布して信頼性の高い
はんだ接合を形成するステップを含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 洗浄不要フラックス(404)を塗布するステップは、はん
だバンプ(408)が整列してボンドパッド(402)に接触するよう基板(4
00)およびダイ(406)を保持するのに十分な粘着性を有する洗浄不要フラ
ックス(404)を塗布するステップをさらに含む、請求項2に記載の方法。 - 【請求項4】 洗浄不要フラックス(404)を塗布するステップは、大量
生産プロセスを使用可能にする粘度を有する洗浄不要フラックス(404)を塗
布するステップをさらに含む、請求項3に記載の方法。 - 【請求項5】 洗浄不要フラックス(404)を塗布するステップは、アン
ダフィル作業を妨げることがなくかつはんだ接合に悪影響を及ぼすことのない最
小限の量の残渣(412)をリフロープロセスの際に残す洗浄不要フラックス(
404)を塗布するステップをさらに含む、請求項4に記載の方法。 - 【請求項6】 洗浄不要フラックス(404)を塗布するステップは、RM
1919およびH208からなる群から洗浄不要フラックス(404)を選択す
るステップを含む、請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】 基板(400)とダイ(406)との間にアンダフィル材料
(416)を塗布するステップをさらに含む、請求項6に記載の方法。
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