JP2005093581A

JP2005093581A - 超音波フリップチップ実装方法

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Publication number: JP2005093581A
Application number: JP2003322615A
Authority: JP
Inventors: Naoto Nakatani; 直人中谷
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】上面が平坦なめっきバンプを用いた場合でも、超音波フリップチップ実装による接合を強固なものにする。
【解決手段】チップ３の電極上あるいは回路基板１の電極上のいずれか一方、又はこれらの両方に金バンプ４を形成し、このチップ３と回路基板１とを金バンプ４を介して挟持し、接合面に押圧力と超音波振動とを付与してフェイスダウン接合する場合、非導電性フィラー６を含む熱硬化性の非導電性樹脂５を用意し、接合面に前記非導電性樹脂からなる層を予め形成しておく。
【選択図】図１

Description

ＩＣチップ等のベアチップを回路基板に実装する場合に、バンプを介してチップと回路基板とをフェイスダウン状態で挟持し、接合面に押圧力と超音波振動とを付与して金属間接合する超音波フリップチップ実装方法に関するものである。

ここで図４、図５、図６および図７に基づいて従来の超音波フリップチップ実装方法を説明する。図４はチップの電極にワイヤのボールボンディング工法を利用してバンプを形成する方法、図５は図４で示す方法でバンプを形成したチップを回路基板にフェイスダウン実装する方法を示す。

まず図４（ａ）において、キャピラリ２０１に保持された金等の金属から成るワイヤ２０２の先端に放電作用によりボール２０３を形成し、キャピラリ２０１を矢印アの方向に移動させることによりボール２０３をチップ２０４の電極２０５に押圧し接合する。この接合には熱圧着あるいはこれに矢印イの方向に超音波振動を加える方法がある。ここで２０６はパッシベーション膜と一般に呼ばれ、電極２０５の周辺に形成される絶縁保護皮膜である。

さらに図４（ｂ）で示すように、ワイヤ２０２と共にキャピラリ２０１を矢印ウの方向に移動させることによりワイヤ２０２を引きちぎり、電極２０５上にバンプ２０７を形成する。このようにして形成されたバンプ２０７は台座部２０７Ａと突出部２０７Ｂで構成された鋲形状を呈する。これを鋲状バンプと称する。

次にこのようにして鋲状バンプ２０７が形成されたチップ２０４の背面を、図５で示すように接合ツール１０１で吸着保持し、回路基板２５１の方向（矢印エの方向）に移動させる。これにより図５（ａ）のように鋲状バンプ２０７の突出部２０７Ｂの先端が回路基板２５１上に形成された電極２５２に当接し、僅かに潰れる。この潰れしろにより、複数の鋲状バンプ２０７に高さのばらつきがあっても、チップ２０４に形成された全ての鋲状バンプ２０７の先端を、対応する電極２５２に当接させることが可能となる。

さらに図５（ｂ）で示すように、接合ツール１０１で矢印エの方向に押圧しつつ回路基板２５１の主面と略平行方向（矢印オの方向）に超音波振動を発生させる。この動作により鋲状バンプ２０７は大きく変形して潰れ、突出部２０７Ｂがほぼ認められないような形状になる。

このような鋲状バンプ２０７の大きな変形により、バンプ内部の金属がバンプ表面の酸化皮膜等を破壊して表面に露出し、露出した新生面が回路基板２５１の電極２５２と接触し、この接触面に押圧力と超音波振動によるエネルギーが付与されることで金属間接合がなされる。このときのバンプの大きな変形が、強固な接合を得るのに大きく寄与していることが近年知られてきた。

次に、チップ上にバンプを形成し回路基板にフェイスダウン接合する他の方法を、図６および図７に基づいて説明する。まず図６（ａ）で示すように、チップ２０４の電極２０５が在る方の面にめっき電極用金属膜２０８を形成し、さらに電極２０５の上部空間２１０を避けて所定の厚さにマスキング層２０９を形成する。

その後図６（ｂ）で示すように、前記めっき電極用金属膜２０８を共通の電極として電気めっき処理を行い、電極２０５の上部に金属層２１１を形成する。さらに図６（ｃ）で示すように前記マスキング層２０９とバンプ周辺の不要なめっき電極用金属膜２０８を除去することにより、金属層２１１によって角柱あるいは円柱形状のバンプを形成する。これをめっきバンプと称する。

次にこのようにしてめっきバンプ２１１が形成されたチップ２０４の背面を、図７（ａ）で示すように接合ツール１０１で吸着保持し、回路基板２５１の方向（矢印エの方向）に移動させる。さらに図７（ｂ）で示すように、接合ツール１０１で矢印エの方向に押圧しつつ回路基板２５１の主面と略平行方向（矢印オの方向）に超音波振動を発生させる。この動作によりめっきバンプ２１１は１０〜２０％程度潰れて金属間接合がなされる。

このようなめっきバンプは、接合前の状態から図６（ｃ）に示すような形状を呈し、回路基板の電極との接合面である上面が平坦であるのが一般的である。また、図４で示す鋲状バンプ２０７の場合は、台座部２０７Ａの高さが約３０μｍで突出部２０７Ｂの高さが３０〜５０μｍのものが一般的であるのに対し、図６で示すめっきバンプ２１１の場合は、高さが数μｍのものから数十μｍのものまでの広い範囲が一般に生産されている。

したがってめっきバンプによる接合は、鋲状バンプによる接合のように接合時の大きな変形がなく、これに伴う新生面の露出も少ないため、超音波接合におけるめっきバンプの接合強度は鋲状バンプと比較して一般的に弱いことが知られている。さらに前述のようにめっきバンプ２１１のバンプ高さが１０μｍより低い場合は、その差が顕著に現れる。そのため、めっきバンプを用いた場合は、３５０℃程度あるいはこれ以上に加熱して押圧する熱圧着接合が主流であった。

そこで特許文献１では、この課題を解決するために図８で示すような工夫を行っており、めっき層３０１が所定のめっき厚に達してからは、めっき条件（電流密度、めっき液攪拌速度、めっき液イオン濃度）をコントロールし、故意にメッキ層表面に凹凸３０１Ａを形成する方法が開示されている。

また、特許文献２においては図９で示すように、チップの電極２５２の中央部に嵩上げ部材３０２を形成してからめっき電極用金属膜３０３を形成し、その上に電気めっきでバンプ３０４を形成することにより、バンプ３０４の上面に突起部３０４Ａを形成することが開示されている。

特開２００３−７７６２号公報（第３頁、図１）特開２００１−１９６４１６号公報（第９頁、図５）

しかしながら図８で示す特許文献１の方法では、バンプ上面に形成される凹凸３０１Ａが、先端が鋭い針形状の微細な突起群で構成されるため、接合相手である回路基板の電極に当接して初期荷重が加わった段階で潰れてしまい、超音波が付与される本接合時においては鋲状バンプのような大きな変形は望めない。

さらに、所定のめっき厚に達してからめっき条件を切換えて凹凸表面を形成する必要があり、通常のめっき作業においても緻密な管理を要するめっき条件管理を、さらに難易度が高く手間のかかるものにしてしまう。

また、図９で示す特許文献２の方法では、図で模式的に示すように嵩上げ部材３０２の形状がそのまま電気めっき上面に転写されたように反映されるものではなく、嵩上げ部材３０２の側面方向にも電気めっき層が成長するため、嵩上げ部材３０２の形状を工夫しても、電気めっき上面の極端な突起形状は望めない。

したがって、特許文献２における嵩上げ部材形成の目的である、超音波接合時にバンプの中央部から周縁部に向って接合が進行するようにすることが可能となるに止まり、特許文献１の結果と同様に、接合時のバンプの大きな変形は望めない。さらに、バンプ形成時において嵩上げ部材３０２の形成ための複数の工程を追加することで、ウエハをダイシングする前のバンプ形成工程を大きな割合で増加させてしまう。

また、電気めっき層からなるバンプ３０４の厚さを薄くした場合には、嵩上げ部材３０２の上方部分だけしか回路基板の電極と接合しないので、超音波接合として十分な接合強度を確保できない。

本発明は第１の態様として、チップ若しくは回路基板のいずれか一方又はこれらの両方の電極上に金バンプを形成し、この金バンプを介してチップと回路基板とをフェイスダウン状態で挟持し、接合面に押圧力と超音波振動とを付与して接合する場合に、粒状の非導電性フィラーを含む熱硬化性の非導電性樹脂を用意する工程と、接合の前に、チップ若しくは回路基板のいずれか一方又はこれらの両方の接合面に、前記非導電性樹脂からなる層を予め形成する工程とを含むことを特徴とする超音波フリップチップ実装方法を提供する。

また第２の態様として、前記非導電性樹脂が、シリカを主成分とする平均粒径０．３〜０．５μｍの非導電性フィラーを４０重量％以上含んだエポキシ系の非導電性樹脂であることを特徴とする第１の態様として記載の超音波フリップチップ実装方法を提供する。

さらに第３の態様として、前記チップ若しくは前記回路基板のいずれか一方の電極には、上面が略平坦であり高さが３μｍ以上の電気めっき法による金バンプが形成され、他方の電極には、最終仕上げとして厚さ０．１５μｍ以上の金めっきが施されていることを特徴とする第１あるいは第２のいずれかの態様として記載の超音波フリップチップ実装方法を提供する。

加えて第４の態様として、前記チップと前記回路基板の両方の電極に、上面が略平坦であり高さが３μｍ以上の電気めっき法による金バンプが形成されていることを特徴とする第１あるいは第２のいずれかの態様として記載の超音波フリップチップ実装方法を提供する。

本発明によれば、粒状の非導電性フィラーが金バンプの上面に食い込みさらに撹乱するので、上面がほぼ平坦なめっきバンプを用いた超音波接合であっても、鋲状バンプを用いた接合と同様に、バンプの接合面（上面）の酸化皮膜等の破壊と新生面の露出が発生し、超音波フリップチップ実装による強固な接合が実現できる。

また、前記非導電性フィラーを粒径０．３〜０．５μｍとし、エポキシ系非導電性樹脂の中に拡散配置しておくことにより、めっき厚３μｍ程度の薄いめっきバンプであっても強固な接合が可能となり、さらに、接合後前記エポキシ系非導電性樹脂を硬化させることで、接合部を補強し、封止することが可能となる。

これにより、めっきバンプによる超音波フリップチップ実装を安定して行うことが可能となり、鋲状バンプのようにバンプを１個ずつ形成する必要がなくなり、ウエハのダイシング前の多数のチップにある多数の電極に対して、めっきにより一括でバンプ形成することができ、近年の傾向であるフリップチップ実装用チップの多ピン化に対応すると共に経済的にも有利な方法が得られる。

図１は本発明による超音波フリップチップ実装方法で使用するチップと回路基板の断面図である。ここで１は回路基板、２は回路基板の電極、３はチップ、４はチップの電極上に電気めっき法で形成された金バンプである。また、図１（ａ）は接合前、図１（ｂ）は接合後の状態を示している。

ここで回路基板１の電極２は回路基板上の回路パターン（図示せず）と同時に形成するが、超音波による接合性を良好にするため、最終仕上げとして厚さ０．１５μｍ以上の金めっきが施されている。また、金バンプ４は高さＨを３μｍ以上としている。

さらに回路基板１の接合面にはエポキシ系の非導電性樹脂５を塗布してあり、この中には粒径０．３〜０．５μｍのシリカを主成分とする非導電性フィラー６が４０重量％以上含まれている。ここで、非導電性樹脂５は液状のものを塗布してもよいし、半固化状態のシート材として用意し、これを載置してもよい。

次に、超音波フリップチップ実装工程の概要を説明する。図２は一般的な超音波フリップチップ実装装置の主要部を示す図である。図２において、電気めっき法で形成した金バンプ４を持つチップ３を、金バンプ４の形成面を下にして接合ツール１０１で吸着保持する。吸着作用はエア流路１０６を利用して発生させた負圧による。

さらにステージ１０２上に回路基板１を載置して保持する。この保持は例えば吸着による方法があり、ステージ１０２に設けたエア流路１０２Ａに発生させた負圧により回路基板１を吸着して保持する。また他にも吸着作用を利用せずに回路基板１をステージ１０２上に凹設した浅い凹所に嵌合させ、回路基板１のステージ１０２上でのずれを阻止する場合もある。

次に、チップ３に形成された金バンプ４と回路基板１上の電極２とを位置合わせした後、接合ツール１０１を加圧手段１０７により矢印エの方向に下降させる。この結果金バンプ４の接合面が電極２の上面に当接する。ここで発振器１０３が電気エネルギーを振動子１０４に出力し、振動子１０４は前記電気エネルギーを機械的な超音波振動に変換する。

さらに前記超音波振動はホーン１０５により矢印オ方向の縦波として伝達され、ホーン１０５に連結あるいは形成された接合ツール１０１に超音波振動を与える。このようにして、接合部に接合界面と平行方向の超音波振動を付与し、同時に接合界面に対して垂直に押圧する矢印エ方向の押圧力を加える。

これらの動作により行われる接合の様子を図１に基づいて詳細に説明する。まず図１（ａ）で示すように、塗布された非導電性樹脂５の中には非導電性フィラー６が含まれており、これら非導電性フィラー６の含有比率が所定の値（本実施例の場合４０重量％以上）に調整されているので、電極２の上方には必ず複数の非導電性フィラー６が存在している。

次に図１（ｂ）で示すように、チップ３が下方（矢印エ方向）に押圧され、矢印オ方向の超音波振動が付与されると、非導電性フィラーが接合面に挟まれて金バンプ４に食い込み、さらに前記超音波振動が作用して金バンプ４を撹乱する。これにより、金バンプ４の接合面にあった酸化皮膜等の異物膜が破壊され、金バンプ４の接合面に新生面が露出し、電極２との強固な金属間接合がなされる。また、接合ののち硬化させることで、この非導電性樹脂５を接合後の機械的補強とし、さらにまた接合部に湿気や酸素が直接触れないような封止材とする。

本実施形態では、非導電性樹脂５が回路基板１側に塗布された例を示したが、図３（ａ）で示すようにチップ３側に塗布あるいは形成してもよい。また本実施例では金バンプ４をチップ３側に形成したが、図３（ｂ）で示すように回路基板１側に形成してもよいし、図３（ｃ）で示すようにチップ３側と回路基板１側の両方に形成しても同様の効果を奏する。

本発明の１実施形態の接合状態を示す断面図本発明の１実施形態の超音波フリップチップ実装装置を示す側面図本発明の他の実施形態の構成を示す断面図従来の技術を示す断面図従来の技術を示す側面図従来の技術を示す断面図従来の技術を示す側面図従来の技術を示す断面図従来の技術を示す断面図

符号の説明

１回路基板
２電極
３チップ
４金バンプ
５非導電性樹脂
６非導電性フィラー
１０１接合ツール
１０２ステージ
１０３発振器
１０４振動子
１０５ホーン
１０６エア流路
１０７加圧手段

Claims

チップ若しくは回路基板のいずれか一方又はこれらの両方の電極上に金バンプを形成し、この金バンプを介してチップと回路基板とをフェイスダウン状態で挟持し、接合面に押圧力と超音波振動とを付与して接合するフリップチップ実装方法であって、粒状の非導電性フィラーを含む熱硬化性の非導電性樹脂を用意する工程と、接合の前に、チップ若しくは回路基板のいずれか一方又はこれらの両方の接合面に、前記非導電性樹脂からなる層を予め形成する工程とを含むことを特徴とする超音波フリップチップ実装方法。
前記非導電性樹脂が、シリカを主成分とする平均粒径０．３〜０．５μｍの非導電性フィラーを４０重量％以上含んだエポキシ系の非導電性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の超音波フリップチップ実装方法。
前記チップ若しくは前記回路基板のいずれか一方の電極には、上面が略平坦であり高さが３μｍ以上の電気めっき法による金バンプが形成され、他方の電極には、最終仕上げとして厚さ０．１５μｍ以上の金めっきが施されていることを特徴とする請求項１あるいは請求項２のいずれかに記載の超音波フリップチップ実装方法。
前記チップと前記回路基板の両方の電極に、上面が略平坦であり高さが３μｍ以上の電気めっき法による金バンプが形成されていることを特徴とする請求項１あるいは請求項２のいずれかに記載の超音波フリップチップ実装方法。