JP2004253663A - 半導体装置の製造方法、及び同製造方法に用いるチップボンディング装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、前記半導体チップを所定の温度で加熱する一方、前記所定の温度に対する半導体チップの熱膨張量と略同量熱膨張するように、前記回路基板を加熱するようにした。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法、及び同製造方法に用いるチップボンディング装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造方法の一つとして、電極端子が形成された面を下向きにして回路基板上に半導体チップを実装し、前記電極端子と回路基板の回路パターンとをバンプを介して接合するフリップチップ実装がある(特許文献1を参照。)。そして、かかるフリップチップ実装は、CSP(Chip Size Package)やBGA(Ball Grid Array)などの半導体パッケージ部品の製造にも広く適用されている。
【0003】
このようなフリップチップ実装において、近年では、超音波発振手段を備えたチップボンディング装置により、前記半導体チップの電極端子と回路基板上の回路パターンとを超音波エネルギにより金属接合する超音波接合法が主流となりつつある(例えば特許文献2を参照。)。この超音波接合法は、短時間で接合が可能であり、また、接合に要する温度が低温で済み、かつ低コストであるという点で半田接合法などと比べて有利だからである。
【0004】
しかし、上記超音波接合法は、接合強度において前記半田接合法に比べて弱く、接合部に対する熱ストレスで接合強度信頼性が低下するという問題があることから、上記特許文献1に開示されているように、接合された半導体チップと回路基板との間に熱硬化性樹脂を充填し、接合部に対する熱ストレスを緩和するようにしたアンダーフィルコート処理が採用されることが多い。
【0005】
このアンダーフィルコート処理は、半導体チップと回路基板との熱膨張係数の著しい違いから生じる応力を軽減するためのもので、半導体チップ全体で応力を負担して接合部に応力が集中することを防止するようにしたものである。
【0006】
一方、フリップチップ実装に用いる回路基板は、従来、セラミック基板などの無機材料を主体として構成したものが一般的であったが、近年では、コスト的に有利なフェノール樹脂やエポキシ樹脂、あるいはポリミイド樹脂などの有機材料を主体として構成した回路基板を採用することも多くなってきた(例えば特許文献3を参照。)。
【0007】
【特許文献1】
特開平9−181122号公報
【0008】
【特許文献2】
特許第2629216号公報
【0009】
【特許文献3】
特許第2586423号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、有機材料からなる回路基板(以下、「有機基板」という)と半導体チップとの熱膨張率の差は、無機材料からなる回路基板(以下、「無機基板」という)のそれと比べて著しく大きい。
【0011】
したがって、アンダーフィル樹脂の熱硬化工程において、半導体チップと有機基板との間の接合部に生ずる応力集中は、半導体チップと無機基板との間のそれよりも一層大きくなり、接合性が却って低下してしまう。特に、超音波接合法で半導体チップと有機基板とを接合した場合、有機基板は無機基板に比べて硬度が低いことから、有機基板側に加える荷重も小さくせざるを得ず、そのために、接合強度が無機基板に比べて小さくなり、上記接合性の問題が一層顕著になる。
【0012】
本発明は、上記課題を解決することのできる半導体装置の製造方法、及び同製造方法に用いるチップボンディング装置を提供することを目的としている。
【0013】
【発明が解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の本発明では、半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、前記半導体チップを所定の温度で加熱する一方、前記所定の温度に対する半導体チップの熱膨張量と略同量熱膨張するように、前記回路基板を加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法とした。
【0014】
請求項2記載の本発明では、前記半導体チップを保持するチップ保持手段と、前記回路基板を保持する基板保持手段と、前記チップ保持手段で保持した半導体チップと前記基板保持手段で保持した回路基板とを加圧接触させる加圧接触手段と、前記半導体チップを所定温度に加熱する第1の加熱手段と、前記回路基板を所定温度に加熱する第2の加熱手段とを具備し、前記第1の加熱手段の加熱による半導体チップの熱膨張量と略同量回路基板が熱膨張するように、前記第2の加熱手段を温度制御可能としたことを特徴とするチップボンディング装置とした。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、前記半導体チップを所定の温度で加熱する一方、前記所定の温度に対する半導体チップの熱膨張量と略同量熱膨張するように、前記回路基板を加熱するようにしたものである。
【0016】
そのために、上記製造方法に用いるチップボンディング装置として、半導体チップを保持するチップ保持手段と、回路基板を保持する基板保持手段と、前記チップ保持手段で保持した半導体チップと前記基板保持手段で保持した回路基板とを加圧接触させる加圧接触手段と、前記半導体チップを所定温度に加熱する第1の加熱手段と、前記回路基板を所定温度に加熱する第2の加熱手段とを具備し、前記第1の加熱手段の加熱による半導体チップの熱膨張量と略同量回路基板が熱膨張するように、前記第2の加熱手段を温度制御可能とした構成とすることができる。
【0017】
フリップチップ接合では、超音波を利用した接合方法とすることが望ましく、チップボンディング装置は超音波発振手段を備えた構成とするとよい。
【0018】
なお、前記第1の加熱手段の加熱による半導体チップの熱膨張量と略同量の回路基板の熱膨張量というのは、前記半導体チップの所定の加熱温度における常温に対する熱膨張量に対して±10%の範囲に収まる量が目安となる。
【0019】
また、前記半導体チップの加熱温度は、常温〜300℃の範囲から選択するとよい。
【0020】
さらに、前記半導体チップと回路基板とを接合した後、アンダーフィルコート処理を行うことが望ましく、かかるアンダーフィルコート処理により、半導体チップと回路基板との接合部に対する熱ストレスを緩和することができ、接合性をより高上させることができる。
【0021】
上述してきたフリップチップ接合を採用することにより、特に超音波フリップチップ接合とすれば、前記回路基板を、ガラスエポキシ樹脂、ポリミイド樹脂、ALIVH(Any Laps Interstitial Via Hole)などからなる有機基板とした場合であっても接合性を確保でき、生産性を高め低コストを実現し、高周波デバイスなどへの展開が可能となる。
【0022】
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法、同製造方法に用いるチップボンディング装置について、図面を参照しながらより具体的に説明する。
【0023】
図1は本実施形態に係るチップボンディング装置の概略構成図、図2はフリップチップ実装状態を示す説明図、図3はアンダーフィルコート処理を行った半導体装置の説明図である。
【0024】
図1に示すように、チップボンディング装置Aは、半導体チップ1を保持するチップ保持手段となるボンディングツール2と、回路基板3を保持する基板保持手段となる台座状のボンディングステージ4とを主たる構成とし、さらに、前記ボンディングツール2で保持した半導体チップ1と前記ボンディングステージ4で保持した回路基板3とを加圧接触させる加圧接触手段となる昇降機構5と、前記半導体チップ1を所定温度に加熱する第1の加熱手段である第1ヒータ6と、前記回路基板3を所定温度に加熱する第2の加熱手段である第2ヒータ7とを具備している。そして、本チップボンディング装置Aの動作については、上記第1、第2ヒータ6,7を含め、全て図示しない制御部によって制御されている。
【0025】
ボンディングツール2は、その先端部(図中下端部)に図示せぬ真空吸着部が設けられており、この真空吸着部において前記半導体チップ1をフェースダウン、つまり電極形成面が下向きになるように保持可能としている。
【0026】
また、このボンディングツール2に前記第1ヒータ6を内蔵しており、保持した半導体チップ1を、例えば常温〜300℃の範囲内で所定温度に加熱可能としている。
【0027】
さらに、本チップボンディング装置Aは、超音波フリップチップ接合を行えるように、前記ボンディングツール2には、超音波発振手段としての超音波ホーン8を取付け、超音波振動をもってボンディングツール2を水平方向に微動可能としている。図中、9はボンディングツール2の上面側に配設したロードセルであり、ボンディング荷重を検知可能としている。
【0028】
一方、ボンディングステージ4は、そのステージ上に図示しない真空吸着部を有し、この真空吸着部にて回路基板3のチップ実装面側が上向きになるよう、回路基板3を前記半導体チップ1と対向する状態で保持可能としている。本実施の形態において用いた回路基板3は、ガラスエポキシ樹脂からなる有機材料を主体として形成されたものである。
【0029】
また、同ボンディングステージ4には、セラミックヒータからなる前記第2ヒータ7を内蔵しており、前記回路基板3を所望温度で加熱可能としている。
【0030】
前記ボンディングツール2に連結した昇降機構5は、駆動源となるサーボモータ51と、同サーボモータ51とボンディングツール2とを連結する連結軸52などを具備しており、駆動対象となるボンディングツール2を垂直方向に移動可能に支持している。そして、所定のボンディング荷重で前記半導体チップ1と回路基板3とを加圧接触させることができる。
【0031】
次に、上述した構成のチップボンディング装置Aの動作について説明する。
【0032】
図1及び図2に示すように、先ず、ボンディングツール2の先端部に、電極形成面11を下向きにして半導体チップ1を吸着させる一方、ボンディングステージ4上にチップ実装面側を上向きにして回路基板3を吸着させる。なお、回路基板3には、半導体チップ1の電極パッド12に対応するように予めAuなどからなるバンプ31が形成されているものとする。
【0033】
次に、半導体チップ1と回路基板3との位置を画像認識カメラ(図示せず)により認識し、ステージ用サーボモータ(図示せず)を駆動しながら半導体チップ1の電極パッド12と回路基板3のバンプ31との位置合わせを行う。
【0034】
次いで、昇降機構5のサーボモータ51を駆動してボンディングツール2を下降させ、半導体チップ1と回路基板3とを接触させる。その後、前記ロードセル9が所定の荷重を検出すると、超音波ホーン8により半導体チップ1に超音波振動を与え、半導体チップ1と回路基板3とをバンプ31を介して接合する(図2参照)。
【0035】
このとき、有機材料からなる前記回路基板3は無機材料の回路基板よりも硬度が低いために、半導体チップ1に加える荷重は比較的小さく、半導体チップ1と回路基板3との接触抵抗値も低くできるので、特に高周波デバイス用などに薄型化された半導体チップであってもクラックなどが発生するおそれがない。
【0036】
かかるフリップチップ接合を行うに際し、ボンディングツール2に内蔵した第1ヒータ6及びボンディングステージ4に内蔵した第2ヒータ7を共に動作させ、半導体チップ1及び回路基板3をそれぞれ加熱するのであるが、本実施の形態において特徴となるのは、前記第1ヒータ6の加熱による半導体チップ1の熱膨張量と略同量回路基板3が熱膨張するように、前記第2ヒータ7を温度制御したことにある。
【0037】
回路基板3の温度をどの程度にすればよいのかは、半導体チップ1を何℃になるまで加熱するかにより算出することができる。ここでは、前記第1ヒータ6により半導体チップ1を200℃に加熱する一方、第2ヒータ7を温度制御して、回路基板3が72℃となるように加熱するようにしている。
【0038】
すなわち、シリコンからなる前記半導体チップ1の電極パッド間距離を5mm、線熱膨張率を3.5×10−6/K、常温を25℃とした場合、この常温25℃から前記200℃まで加熱したとすると、半導体チップ1の線熱膨張量は次式により得られる。
【0039】
3.5×10−6/K×5mm×(200−25)=3.06μm
一方、回路基板3のバンプ間距離を5mm、線膨張率を13×10−6/Kとすると、この回路基板3の熱膨張量が半導体チップ1の前記熱膨張量3.06μmと同じになるための温度tは、次式で求められる。
【0040】
t=(3.06×10−6)/(13×10−6/K×5×10− 3)+25=72℃
このように、半導体チップ1と有機材料からなる回路基板3とをフリップチップ実装するに際し、本実施形態に係るチップボンディング装置Aでは、半導体チップ1が200℃となるように、回路基板3が72℃となるように、それぞれ第1ヒータ6、第2ヒータ7とを制御部により制御している。
【0041】
なお、半導体チップ1と回路基板3間の熱膨張量差については、熱ストレスなどによる接合強度への影響を考慮すると、±10%までは許容範囲であることが実験結果から分かっている。したがって、半導体チップ1を200℃とした場合、回路基板3との熱膨張量差がこの範囲内にあるためには、回路基板3の温度が67.4℃〜76.8℃の範囲になるように第2ヒータ7を制御すればよい。
【0042】
かかる温度制御の下で接合された半導体チップ1と回路基板3は、熱膨張量が互いに略同量となっているので、接合後に常温に復帰しても熱膨張の差によるずれが生じず、熱ストレスが抑制され、本来、接合性が低下しがちな有機材料からなる回路基板3と半導体チップ1との超音波フリップチップ接合であっても、極めて良好な接合性が得られる。
【0043】
ところで、半導体チップ1や回路基板3の温度については、これらの温度を直接測定してもよいが、本実施形態では、半導体チップ1を保持するボンディングツール2のヘッド部温度、回路基板3を保持するボンディングステージ4のヘッド部温度を検出して得た間接的な値としている。
【0044】
また、本実施形態における超音波フリップチップ接合においては、図3に示すように、接合された半導体チップ1と回路基板3との間に、例えばエポキシ系の熱硬化性樹脂10を注入・充填するアンダーフィルコート処理を行い、接合部に生じる応力集中の緩和を図っている。
【0045】
かかるアンダーフィルコート処理では、前記熱硬化性樹脂10を硬化するために130℃〜180℃の範囲で加熱処理するが、この加熱時においても本実施の形態では、半導体チップ1と回路基板3との接合部(バンプ31)における熱ストレスが抑制されているために、アンダーフィルコートによる効果を損なうことがなく、接合性の良好な半導体装置を提供することができる。
【0046】
以上説明してきたように、本実施の形態では、装置構成としては既存のチップボンディング装置を利用することが可能であり、特に新たなデバイスなどを必要とすることなく、フリップチップ接合時のバンプ31にかかる熱ストレスを抑制することができる。
【0047】
したがって、設備費など高騰を招くことなく、互いに熱膨張率が大きく異なっている有機材料からなる回路基板3と半導体チップ1とであっても、両者の接合性が良好な半導体装置を低コストで製造することが可能となる。
【0048】
また、半導体チップ1と回路基板3との接触抵抗値が低い接合方法となるために、前述したように高周波デバイスなどへの展開も可能となる。
【0049】
なお、本発明の適用は、必ずしも超音波フリップチップ実装に限るものではなく、また、超音波フリップチップ実装の場合は、超音波発振時に、スクラブ動作を実行する実装方法であっても構わない。
【0050】
さらに、本発明は、上述してきた実施の形態のように、バンプ31を設けた回路基板3に半導体チップ1を接続する場合に限られるものではなく、バンプ付きの半導体チップを回路基板に接続する場合にも適用することができる。
【0051】
【発明の効果】
本発明は、以上説明してきたような形態で実施され、以下の効果を奏する。
【0052】
(1)請求項1記載の本発明によれば、請求項1記載の本発明では、半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、前記半導体チップを所定の温度で加熱する一方、前記所定の温度に対する半導体チップの熱膨張量と略同量熱膨張するように、前記回路基板を加熱することとしたので、フリップチップ接合時の熱ストレスを抑制することができ、熱膨張率が半導体チップよりも著しく大きな有機材料からなる回路基板へも接合性の良好な超音波フリップチップ接合が行えるようになり、低コストで高生産性が見込まれる。
【0053】
(2)請求項2記載の本発明では、半導体チップを保持するチップ保持手段と、回路基板を保持する基板保持手段と、前記チップ保持手段で保持した半導体チップと前記基板保持手段で保持した回路基板とを加圧接触させる加圧接触手段と、前記半導体チップを所定温度に加熱する第1の加熱手段と、前記回路基板を所定温度に加熱する第2の加熱手段とを具備し、前記第1の加熱手段の加熱による半導体チップの熱膨張量と略同量回路基板が熱膨張するように、前記第2の加熱手段を温度制御可能とした。したがって、既存のチップボンディング装置を利用することが可能となり、特に新たなデバイスなどを必要とすることなくフリップチップ接合時の熱ストレスを抑制することができ、設備費など高騰を招くことなく、互いに熱膨張率が大きく異なっている回路基板と半導体チップであっても接合性の良好な半導体装置を低コストで製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態に係るチップボンディング装置の概略構成を示す説明図である。
【図2】半導体チップと回路基板との接合時の説明図である。
【図3】アンダーフィルコート処理を行った半導体装置を示す説明図図である。
【符号の説明】
A チップボンディング装置
1 半導体チップ
2 ボンディングツール(チップ保持手段)
3 回路基板
4 ボンディングステージ(基板保持手段)
5 昇降機構(加圧接触手段)
6 第1ヒータ(第1の加熱手段)
7 第2ヒータ(第2の加熱手段)
Claims (2)
- 半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、前記半導体チップを所定の温度で加熱する一方、前記所定の温度に対する半導体チップの熱膨張量と略同量熱膨張するように、前記回路基板を加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記半導体チップを保持するチップ保持手段と、前記回路基板を保持する基板保持手段と、前記チップ保持手段で保持した半導体チップと前記基板保持手段で保持した回路基板とを加圧接触させる加圧接触手段と、前記半導体チップを所定温度に加熱する第1の加熱手段と、前記回路基板を所定温度に加熱する第2の加熱手段とを具備し、前記第1の加熱手段の加熱による半導体チップの熱膨張量と略同量回路基板が熱膨張するように、前記第2の加熱手段を温度制御可能としたことを特徴とするチップボンディング装置。
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