JP2004507089A - 非半田フリップチップボンディング用の高信頼性、非伝導性の接着剤及びこれを用いたフリップチップボンディング方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(技術分野)
本発明は、非伝導性接着剤(Non Conductive Adhesive、以下、‘NCA’と称す)及びこれを用いたフリップチップボンディング方法に関し、特に、既存のNCAより熱膨張係数が低くて、誘電率も小さく、且つ機械的及び電気的特性に優れている非伝導性接着剤及びこれを用いたフリップチップボンディング方法に関する。
【0002】
(背景技術)
電子パッケージ技術は、半導体素子から最終の完成製品に至るまでの全ての段階を含む広範囲で多様なシステム製造技術である。最近、急速に発展している半導体技術は、既に百万個以上のセルの集積化まで進んでおり、非メモリ素子の場合は、より多いI/Oピンの個数、より大きいダイのサイズ、より多い熱の放出及び高電気的性能等の傾向に発展しつつある。しかしながら、相対的に、かかる素子をパッケージするための電子パッケージング技術は、急速な半導体産業の発展に歩調を合わせることができず、遅れていることが実状である。
電子パッケージング技術は、最終の電子製品の性能、大きさ、値段、信頼性等を決める極めて重要な技術であって、特に、高電気的性能、極小型/高密度、低電力、多機能、超高速の信号処理、永久的信頼性等を求める最近の電子製品においては、その重要性が更に高まっている。
かかる要望に応えるべく、チップを基板に電気的に接続する技術のうちの一つであるフリップチップボンディング技術が、近年、多く脚光を浴びている。しかし、かかるフリップチップボンディング技術は、既存の半田を用いた複雑なボンディング工程、即ち、基板への半田フラックスの塗布、半田バンプが形成されたチップと表面電極が形成された基板との位置合せ、半田バンプのリフロー、フラックス残渣の除去、及びアンダーフィルの充填及び硬化等の過程を経るため、工程が複雑で且つ完成品の値段が高くなるという短所を有している。
これにより、最近では、かかる複雑な工程を低減するために、ウェハー状態でフラックスとアンダーフィルの機能を有するポリマー材料を塗布して加工するウェハー次元のパッケージ技術に係る関心が台頭している。この他にも、一般の半田フリップチップに比べて安価で、極細電極ピッチが可能であり、たま、フラックスやロウ成分を使用しないことから環境に害を及ぼさなく、且つ低温で工程を進める等の長所を有する伝導性接着剤を用いたフリップチップボンディング技術に対する研究も盛んに行われている。
【0003】
伝導性接着剤は、異方性導電接着剤(Anisotropic Conductive Adhesive、以下、‘ACA’と称す)と等方性導電接着剤とに大別され、基本的に、Ni、Au/高分子、またはAg等の導電性粒子と、熱硬化性、熱可塑性、またはこれらの特性を組み合わせた組み合わせ型絶縁樹脂からなる。高価ではあるものの、環境に害を及ぼさないACAを接続材料として使用するフリップチップ技術に対する研究が特に盛んに行われてきており、このために、ACA材料の開発及びACAフリップチップ技術の応用研究が盛んに進められてきた。
【0004】
かかる伝導性接着剤を用いたフリップチップボンディング技術と共に伝導性粒子が含有されていないNCAを用いたフリップチップボンディング技術が導入されつつある。しかし、既存のNAC材料は、熱膨張係数及び誘電率が大き、且つ機械的及び電気的特性にも優れていないことから、低い信頼性を有するという問題点がある。
【0005】
上述したごとく、従来のフリップチップパッケージ技術は、半田バンプを使用するため、環境に害を及ぼさないのみならず、組み立て工程が複雑である。また、ACAを用いる場合には、ACA材料が高価であるため、パッケージコストが多くかかる。NCAを用いる場合には、NCAが熱膨張係数及び誘電率が大きく、且つ機械的及び電気的特性にも優れていないため、製品の信頼性が低下する。電子パッケージング技術が製品の付加価値の創出を左右するほどの重要な分野として台頭している現状において、上述した従来の問題点を解決しつつ、環境に害を及ぼさない製品の傾向に歩調を合わせ、既存の半田接続に取って代わることができるフリップチップ技術の開発は、非常に重要な課題である。
【0006】
(発明の開示)
従って、本発明が解決しようとする技術的課題は、既存のNCAより熱膨張係数が低くて、誘電率が小さく、且つ機械的及び電気的特性にも優れ、信頼性が高いのみならず、ACAより安価のフリップチップボンディング用NCAを提供することである。
【0007】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、前記技術的課題の達成により提供されるNCAを用い、半田バンプに取って代わって金または銅スタッドバンプ、若しくは無電解ニッケル/銅/金バンプ等の非半田バンプを用いて環境に害を及ぼさなく、且つ製品の信頼性を向上することができるフリップチップボンディング方法を提供することである。
【0008】
前記技術的課題を達成するための本発明の一実施例によるフリップチップボンディング用非伝導性接着剤は、固状のビスフェノールAタイプのエポキシ樹脂と、液状のビスフェノールFタイプのエポキシ樹脂と、固状のフェノキシ樹脂と、メチルエチルケトンとトルエンとが混合されたソルベントと、液状の硬化剤と、非伝導性粒子とを含有してなり、フィルム形態を有することを特徴とする。前記フィルムの厚さは、10〜50μmであることが好ましく、前記フィルムの両面には、2〜5μmの厚さを有する純粋エポキシ樹脂のみからなる接着力増強層が更に備えられることが好ましい。
【0009】
前記技術的課題を達成するための本発明の他の実施例によるフリップチップボンディング用非伝導性接着剤は、液状のビスフェノールAまたはFタイプのエポキシ樹脂と、液状の硬化剤と、非伝導性粒子とを含有してなり、ペースト形態を有することを特徴とする。
【0010】
前記技術的課題を達成するための本発明の一実施例及び他の実施例によるフリップチップボンディング用非伝導性接着剤は、前記非伝導性粒子が0.1〜1μmの大きさを有し、SiO2またはSiCからなることを特徴とする。そして、前記硬化剤が、イミダゾール系硬化剤であることを特徴とする。また、前記硬化剤は、エポキシ樹脂に対し15〜30 wt%を有し、前記非伝導性粒子が、前記非伝導性接着剤の全体に対し10〜30 wt%を有することを特徴とする。
【0011】
前記他の技術的課題を達成するための本発明の一実施例によるフリップチップボンディング方法は、複数個の非半田バンプがI/O端に形成されたICチップと、金属電極が表面に形成された基板を設けるステップと;前記基板上に前記技術的課題により達成される本発明の一実施例による非伝導性接着剤を接着させるステップと、前記バンプを前記金属電極に位置合せするステップと、前記バンプが塑性変形し、前記バンプと前記金属電極とが機械的及び電気的に互いに接続するように前記ICチップを前記基板に熱圧着するステップとを含むことを特徴とする。
【0012】
前記他の技術的課題を達成するための本発明の他の実施例によるフリップチップボンディング方法は、複数個の非半田バンプがI/O端に形成されたICチップと、金属電極が表面に形成された基板を設けるステップと、前記基板上に前記技術的課題により達成される本発明の他の実施例による非伝導性接着剤を塗布するステップと、前記バンプを前記金属電極に位置合せするステップと、前記バンプが塑性変形し、前記バンプと前記金属電極とが機械的及び電気的に互いに接続するように前記ICチップを前記基板に熱圧着するステップとを含むことを特徴とする。
【0013】
前記他の技術的課題を達成するための本発明の一実施例または他の実施例によるフリップチップボンディング方法において、前記非半田バンプを形成するステップが、前記ICチップのI/O端に金属パッドを形成するステップと、前記金属パッド上に金または銅からなるスタッドバンプを形成するステップとを含むことを特徴とする。
【0014】
このとき、前記スタッドバンプを形成するステップ以後に、前記スタッドバンプの端部が平らになるように前記スタッドバンプの端部に圧力を加えるコイニング工程を更に行うことが好ましい。コイニング工程は、スタッドバンプの材料の強度と塑性変形特性により該工程を行うか否かが決まり、通常、金スタッドバンプの場合は、コイニング工程を行う必要がないが、銅スタッドバンプの場合は、コイニング工程を行うことが好ましい。
【0015】
前記他の技術的課題を達成するための本発明の一実施例または他の実施例によるフリップチップボンディング方法において、前記非半田バンプを形成するステップが、前記ICチップのI/O端に金属パッドを形成するステップと、前記金属パッド上に無電解方式でニッケル層、銅層及び金層を順次に形成することによりニッケル/銅/金バンプを形成するステップとを含むことを特徴とする。銅は、ニッケルに比べて強度が低くて塑性変形を起こし易いため、ニッケル/銅/金バンプが前記基板の金属電極と安定して電気的に接続するようになる。従って、前記のような銅層を形成するのである。
【0016】
一方、場合によっては、前記金属パッドを形成するステップ以後に、前記金属パッド上に亜鉛酸塩処理を更に行うこともできる。
【0017】
(発明を実施するための最良の形態)
以下で、本発明の好適な実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。
[テスト用ICチップのバンプの形成]
図1a乃至図1cは、コイニング前の金スタッドバンプ(140)を形成する方法を説明するための図であり、図1dは、端部が平らにコイニングされた金スタッドバンプ(140a)を形成する方法を説明するための図である。
同図を参照すると、先ず、ICチップ(110)にアルミニウムパッド(120)を1μm厚さに蒸着する。次いで、SiN若しくはポリイミドからなる保護膜(130)をアルミニウム配線(120)上に約0.5〜1μmの厚さに形成した後、前記保護膜(130)をエッチングすることによりアルミニウムパッド(120)を露出させる直径100μmのピッチを形成することでI/Oパッドを形成する。
【0018】
次いで、前記I/Oパッド上にワイヤボンダを用いて金スタッドバンプ(140)を形成する。この時、金スタッドバンプ(140)の端部は、若干尖った形状を有するため、金スタッドバンプ(140)の端部に一定の圧力を加えるコイニング工程を行い、端部が平らな金スタッドバンプ(140a)を形成する。
コイニング工程は、ICチップ(110)と基板との位置合せ及び接続を容易にすると同時に、接続の面積を増大することで接触抵抗を低減するために行うものである。コイニング工程を行うまた他の理由は、バンプの高さが均一ではないと、基板との接続時に特定のI/Oパッドに過多な接続圧力が加わり、ICチップが損傷するおそれがあるため、これを防止するためのものである。
金スタッドバンプに取って代わり、銅スタッドバンプを使用する場合にも前記と同様の工程を行う。図1eは、図1cのコイニング前の金スタッドバンプ(140)を示す写真であり、図1fは、図1dのコイニング済みの金スタッドバンプ(140a)を示す写真である。
【0019】
図2a乃至図2dは、金スタッドバンプに取って代わり、無電解ニッケル/銅/金バンプを形成する方法を説明するための断面図である。同図を参照すると、先ず、図1aと同じ方法でI/Oパッドを形成し、アルミニウム配線(120)を形成した後、アルミニウムをメッキするに適するように活性化させるために亜鉛酸塩処理を行うことで亜鉛層(125)を形成する。即ち、アルミニウム配線をスパッタリング方法で2μmの厚さに形成した後、熱蒸発法(thermal evaporation)方法でSiN保護膜を0.5μmの厚さに蒸着するか、若しくはスピンコーティング(spin coating)方法でポリイミド有機保護膜を1μmの厚さに形成し、リソグラフィー工程を適用してI/Oパッドを形成する。
【0020】
次いで、前記結果物を約90℃の温度を有する無電解ニッケルメッキ溶液に20〜30分間浸漬し、10〜15μmの厚さを有するニッケル層(142)を形成する。次いで、ニッケルに比べて相対的に強度の弱い無電解銅層(144)を10μmの厚さだけ形成した後、約60℃の無電解金メッキ溶液を用いて30分間メッキを施すことにより、約0.1μmの厚さを有する金層(146)を形成する。従って、無電解ニッケル/銅/金バンプ(145)は、全体として約25μmの厚さを有するようになる。
【0021】
金層(146)は、ニッケル層(142)及び銅層(144)の酸化防止及び電気伝導度の向上を得るためのものである。ニッケル層(142)と金層(146)との間に介在した軟性のよい銅層(144)は、ICチップ(110)を基板に熱圧着する時に塑性変形が起こり易くすることにより、電気接続の面積を増大するためのものである。図2eは、図2dの無電解ニッケル/銅/金バンプ(145)を示す写真である。
【0022】
[テスト用基板の作製]
テスト用基板として厚さ1mmのFR−4有機基板を作製した。基板の表面には、Ni/Cu/Auの多層からなる金属電極が形成されており、電極以外の部分は、半田マスクで保護した。
【0023】
[NCAの作製]
エポキシ樹脂と、硬化剤及び非伝導性粒子とを混合し、フィルム形態及びペースト形態のNCAをそれぞれ作製する。
【0024】
NCAフィルムは、次のように作製する。固状のビスフェノールAタイプのエポキシ樹脂10gと、液状のビスフェノールFタイプのエポキシ樹脂25gと、固状のフェノキシ樹脂20gと、メチルエチルケトンとトルエンとが1:3のvol%割合で混合されたソルベント46.6g(メチルエチルケトン10.8gとトルエン35.8gに該当する)と、液状のイミダゾール系硬化剤15gと、0.1〜1μmの大きさを有し、熱膨張係数と誘電常数の低いSiO2またはSiCからなる非伝導性粒子を互いに混合する。混合する方法は、機械的なミキサーを用いて、80℃の一定の温度で固状のビスフェノールAタイプのエポキシ樹脂と、液状のビスフェノールFタイプのエポキシ樹脂と、固状のフェノキシ樹脂と、メチルエチルケトンとトルエンとの混合物を3時間混合し、均一な混合物になるようにする。以後、同じ機械的なミキサーを用いて常温で非伝導性粒子と硬化剤とを均一に混合する。次いで、ドクターブレード法で離型紙フィルム上に10〜50μm範囲内で一定の厚さにフィルムを作製する。
【0025】
この時、ソルベントを除去するために80℃で1分間放置しておく。前記硬化剤は、エポキシ樹脂に対し15〜30 wt%を有し、前記非伝導性粒子は、前記NCAフィルムの全体に対し10〜30 wt%を有するように混合する。非伝導性粒子を添加する理由は、NCAフィルムの熱膨張係数を下げるためである。
【0026】
NCAフィルムの厚さは、ICチップに形成されたバンプの厚さに応じて決められるが、多様な大きさのバンプが収容できるように10〜50μmになるようにした。フィルムの接着力を向上するためにNCAフィルムの両面に2〜5μmの厚さを有するエポキシ樹脂接着力増強層を更に形成することが好ましい。熱膨張係数を下げるためにNCAフィルムが多量の無機パウダーを含有すると、NCAフィルムの接着面積における接着力を生じる樹脂の面積が小さくなり、半導体チップと基板との間における接着層の役割を果たすことができなくなる。ゆえに、これを改善するために低熱膨張係数を有するNCAフィルムの両面に接着力増強層をラミネーション方式で形成する。この接着力増強層も同様にNCAの熱圧着工程時に生じる熱により硬化が進み、半導体チップと、有機基板の全面積に接触することで密着性をよくし、その結果、単層構造の非伝導性粒子を含有したNCAフィルムより遥かに接着力を大きく向上することができ、またチップのバンプと基板の電極との間での伝導性には影響を与えない。なお、接着力増強層は、前記NCAフィルムにおける非伝導性粒子を除く樹脂部分と同一の成分で構成され、厚さが2〜5μmに縮小するだけである。
【0027】
一方、NCAペーストは、前記NCAフィルムより遥かに簡単な構成となっている。即ち、液状のビスフェノールAまたはFタイプのエポキシ樹脂100g当りに液状のイミダゾール系硬化剤30〜50gの混合割合で混合し、このようにして形成されたNCAペースト樹脂の組成に0.1〜1μmの大きさを有するSiO2またはSiC非伝導性粒子10〜30 wt%を混合する。混合工程は、常温で機械的ミキサーで均一な組成になるまで混合する。
【0028】
[フリップチップボンディング方法]
図3を参照してフリップチップボンディング方法を説明すると、次の通りである。先ず、NCAペーストの場合、噴射装備若しくはスクリーンプリンタ装備を使用してNCAペースト(230)を基板(210)に一定量塗布した後、バンプ(147)が形成されているICチップ(110)を金属電極(220)に位置合せする。ここで、バンプ(147)は、端部が尖っている金スタッドバンプ(図1cの140)または端部が平らな金スタッドバンプ(図1dの140a)でよく、若しくは無電解ニッケル/銅/金バンプ(図2dの145)でもよい。
NCAペースト(230)は、5分以内に硬化するため、ICチップ(110)と基板(210)を150℃の温度と3〜5kgf/cm2の圧力で熱圧着すると、バンプ(147)が塑性変形しながらバンプ(147)と金属電極(220)との間に接続が起こり、バンプ(147)と金属電極(220)とが機械的及び電気的に互いに安定して接続するようになる。
【0029】
NCAフィルムを用いる場合には、先ず、NCAフィルムが存在する面を基板(210)に80℃の温度と1〜2kgf/cm2の圧力で熱圧着してから、離型紙フィルムを除去した後、前記のような位置合せ工程を行って基板(210)の電極(220)とチップ(110)の非半田バンプ(147)をNCAフィルムを用いて接続する。
【0030】
図4a及び図4bは、金スタッドバンプ(140a)及び無電解ニッケル/銅/金バンプ(145)によりフリップチップボンディングされた場合をそれぞれ示す断面図である。
【0031】
以上で説明した本発明によるNCAは、既存のNCAより熱膨張係数が低くて、誘電率も小さく、且つ機械的及び電気的特性にも優れ、信頼性が高いのみならず、ACAとは異なって、高価の伝導性粒子を含有しないためACAより安価である。また、フィルム形態及びペースト形態で作製することができるため、必要に応じて適切に選択して使用することができる。
【0032】
本発明によるフリップチップボンディング方法は、ロウを主成分とする従来の半田バンプを使用せずに非半田バンプを使用するため、環境に害を及ぼさなく、また既存のポリマー伝導性接着剤を用いたフリップチップ工程及び装備がそのまま使用できるため、高い価額競争力及び生産性を有している。更に、基板に形成された電極に対する高い塑性変形が可能に設計されたバンプにより接触面積が増大するため、ICチップと基板との間の接触抵抗が小さい。
【0033】
また、本発明の権利範囲が前述した実施例に記載の組成に限定されることではなく、その類する組成の組合せを均等的に含むことはいうまでもない。
本発明は、前記実施例に限定されることではなく、本発明の技術的思想内で当業者であれば多くの変形が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1a乃至図1cは、本発明によるコイニング前の金スタッドバンプ(140)を形成する方法を説明するための図である。
図1dは、コイニング工程により端部が平らになった金スタッドバンプ(140a)を形成する方法を説明するための図である。
図1eは、図1cのコイニング前の金スタッドバンプ(140)を示す写真である。
図1fは、図1dのコイニング済みの金スタッドバンプ(140a)を示す写真である。
【図2】
図2a乃至図2dは、本発明による無電解ニッケル/銅/金バンプを形成する方法を説明するための断面図である。
図2eは、図2dの無電解ニッケル/銅/金バンプを示す写真である。
【図3】
図3は、本発明によるフリップチップボンディング方法を説明するための概略図である。
【図4】
図4a及び図4bは、金スタッドバンプ及び無電解ニッケル/銅/金バンプが適用された場合のフリップチップボンディングの結果物をそれぞれ示す断面図である。
Claims (12)
- 固状のビスフェノールAタイプのエポキシ樹脂を6〜10 wt%と、
液状のビスフェノールFタイプのエポキシ樹脂を15〜25 wt%と、
固状のフェノキシ樹脂を12〜18 wt%と、
メチルエチルケトンとトルエンとがvol%で1:3の割合で混合されたソルベントを32〜40 wt%と、
液状のイミダゾール系硬化剤を8〜14 wt%と、
非伝導性粒子のSiO2またはSiC粒子を6〜20 wt%とを含有し、乾燥されてフィルム形態を有することを特徴とするフリップチップボンディング用非伝導性接着剤。 - 前記フィルムの厚さが、10〜50μmであることを特徴とする請求項1に記載のフリップチップボンディング用非伝導性接着剤。
- 固状のビスフェノールAタイプのエポキシ樹脂を6〜10 wt%と、
液状のビスフェノールFタイプのエポキシ樹脂を15〜25 wt%と、
固状のフェノキシ樹脂を12〜18 wt%と、
メチルエチルケトンとトルエンとがvol%で1:3の割合で混合されたソルベントを32〜40 wt%と、
液状のイミダゾール系硬化剤を8〜14 wt%とを含有し、乾燥されてなり、
前記フィルムの両面に2〜5μmの厚さを有するように形成されたエポキシ接着力増強層を更に備えることを特徴とする請求項1に記載のフリップチップボンディング用非伝導性接着剤。 - 液状のビスフェノールAまたはFタイプのエポキシ樹脂を40〜75 wt%と、
液状のイミダゾール系硬化剤を15〜30 wt%と、
非伝導性粒子のSiO2またはSiC粒子を10〜30 wt%とを含有してなり、ペースト形態を有することを特徴とするフリップチップボンディング用非伝導性接着剤。 - 前記非伝導性粒子が、0.1〜1μmの大きさを有し、SiO2またはSiCからなることを特徴とする、請求項1または4に記載のフリップチップボンディング用非伝導性接着剤。
- 前記硬化剤が、エポキシ樹脂に対し15〜30 wt%を有し、前記非伝導性粒子が、前記非伝導性接着剤の全体に対し10〜30 wt%を有することを特徴とする、請求項1または4に記載のフリップチップボンディング用非伝導性接着剤。
- 複数個の非半田バンプがI/O端に形成されたICチップと、金属電極が表面に形成された基板を設けるステップと、
該基板上に固状のビスフェノールAタイプのエポキシ樹脂と、液状のビスフェノールFタイプのエポキシ樹脂と、固状のフェノキシ樹脂と、メチルエチルケトンとトルエンとが混合されたソルベントと、液状の硬化剤と、非伝導性粒子とを含有し、乾燥されてフィルム形態を有する非伝導性接着剤を接着するステップと、
該バンプを該金属電極に位置合せするステップと、
該バンプが塑性変形し、該バンプと該金属電極とが機械的及び電気的に互いに接続するように該ICチップを該基板に熱圧着するステップとを含むことを特徴とするフリップチップボンディング方法。 - 複数個の非半田バンプがI/O端に形成されたICチップと、金属電極が表面に形成された基板を設けるステップと、
該基板上に液状のビスフェノールAまたはFタイプのエポキシ樹脂と、液状の硬化剤と、非伝導性粒子とを含有してなるペースト形態の非伝導性接着剤を塗布するステップと、
該バンプを前記金属電極に位置合せするステップと、
該バンプが塑性変形し、該バンプと該金属電極とが機械的及び電気的に互いに接続するように該ICチップを該基板に熱圧着するステップと、を含むことを特徴とするフリップチップボンディング方法。 - 前記非半田バンプを形成するステップが、
前記ICチップのI/O端に金属パッドを形成するステップと、
該金属パッド上に金または銅からなるスタッドバンプを形成するステップ、と、を含むことを特徴とする、請求項7または8に記載のフリップチップボンディング方法。 - 前記スタッドバンプを形成するステップ以後に、前記スタッドバンプの端部が平らになるように前記スタッドバンプの端部に圧力を加えるコイニング工程を更に行うことを特徴とする、請求項9に記載のフリップチップボンディング方法。
- 前記非半田バンプを形成するステップが、
前記ICチップのI/O端に金属パッドを形成するステップと、
前記金属パッド上に無電解方式でニッケル層、銅層及び金層を順次に形成することによりニッケル/銅/金バンプを形成するステップと、を含むことを特徴とする、請求項7または8に記載のフリップチップボンディング方法。 - 前記金属パッドを形成するステップ以後に、前記金属パッド上に亜鉛酸塩処理を行うステップを更に含むことを特徴とする、請求項11に記載のフリップチップボンディング方法。
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