JP2007019103A - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光を用いて信頼性の良好な半導体モジュールを製造することのできる半導体モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明にかかる半導体モジュール１０００の製造方法は、ワイヤレスボンディングによって半導体チップ１００を配線基板２００に接合する半導体モジュールの製造方法であって、（ａ）配線基板２１０上に導電性材料を用いて形成されている接合部２０２、２０４に向かってレーザ光を照射することにより、当該接合部を溶融する工程と、（ｂ）前記接合部に前記半導体チップの電極を接触させて、当該接合部に向かってレーザ光を照射することにより、前記半導体チップに前記接合部を接合する工程と、を含む。
【選択図】 図５

Description

本発明は、半導体モジュールの製造方法に関する。

光通信の分野において、光素子や駆動ドライバなどを透明基板上に実装した簡易な構造の光モジュールの研究開発が行われている。この場合の実装工程において、各素子が熱的なダメージを受けて問題となる場合がある。

ところで、例えば、特開平９−５１０１６号公報には、レーザ光を用いて局部的な加熱を行い、ＩＣチップなどの部品の端子電極と、基板の導体とを、ワイヤレスボンディング法によって接続して、熱的なダメージを抑制する技術が開示されている。
特開平９−５１０１６号公報

本発明の目的は、レーザ光を用いて信頼性の良好な半導体モジュールを製造することのできる半導体モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明にかかる半導体モジュールの製造方法は、
ワイヤレスボンディングによって半導体チップを配線基板に接合する半導体モジュールの製造方法であって、
（ａ）配線基板上に導電性材料を用いて形成されている接合部に向かってレーザ光を照射することにより、当該接合部を溶融する工程と、
（ｂ）前記接合部に前記半導体チップの電極を接触させて、当該接合部に向かってレーザ光を照射することにより、前記半導体チップに前記接合部を接合する工程と、
を含む。

このように、前記接合部に前記半導体チップの電極を接触させる前に、一旦レーザ光を接合部に照射することによって、接合部の表面形状を中央部から端部にむかって傾斜した球面形状に変形することができる。これにより、接合部の中央部から端部に向かって電極との接触面積を広げながら、接合部に半導体チップの電極を接合させることができる。これにより、接合部と電極との間において、気泡が巻き込まれるのを抑制し、ボイドの発生を防止することができる。したがって、ボイドの発生による電気抵抗、熱抵抗を低下させるとともに接合強度を向上させることができる。

本発明にかかる半導体モジュールの製造方法において、
前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）の間に、
（ｃ）前記接合部を冷却することにより硬化させる工程、
をさらに含むことができる。

本発明にかかる半導体モジュールの製造方法において、
前記工程（ｃ）の後に、
前記配線基板に対して前記半導体チップの位置合わせを行う工程、
をさらに含むことができる。

本発明にかかる半導体モジュールの製造方法において、
前記工程（ａ）において前記接合部に向かって照射するレーザ光の照射強度は、前記工程（ｂ）において前記接合部に向かって照射するレーザ光の照射光量より小さいことができる。

本発明にかかる半導体モジュールの製造方法において、
前記工程（ａ）の前に、
メッキ法により配線基板上に前記接合部を形成することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

１．まず、本実施の形態にかかる半導体モジュールの構成の一例を説明する。

図５は、本実施の形態にかかる半導体モジュールを模式的に示す断面図である。半導体モジュール１０００は、半導体チップの一例としての光チップ１００と、配線基板２００とを備える。

配線基板２００は、第１の基板２１０と、配線部２０６、２０８と、第１の接合部２０２と、第２の接合部２０４とを含む。配線部２０６、２０８は、それぞれ第１のバンプ２０７および第２のバンプ２０９を有する。第１のバンプ２０７および第２のバンプ２０９の上面には、それぞれ第１の接合部２０２および第２の接合部２０４が形成されている。

第１の基板２１０は、レーザ光を透過するガラス基板のような透明基板からなることができる。配線部２０６、２０８は、金属等の導電性材料からなる。配線部２０６、２０８は、たとえば銅、ニッケル、および金の積層膜からなることができる。第１の接合部２０２および第２の接合部２０４は、金属等の導電性材料からなる。第１の接合部２０２および第２の接合部２０４は、たとえば金錫の合金からなることができる。配線部２０６、２０８、第１の接合部２０２、および第２の接合部２０４は、たとえばメッキ法により形成される。

光チップ１００は、発光素子および／または受光素子を備えることができる。本実施の形態では、垂直共振器型面発光レーザを適用した例について説明する。光チップ１００は、第２の基板１０と、共振器１８と、第１電極２４と、第２電極２６と、絶縁層３０とを含む。第２の基板１０は、たとえば半導体基板からなることができる。共振器１８は、第２の基板１０上に形成され、第２の基板１０側から順に下部ミラー、活性層、上部ミラー（図示せず）を有する。第２電極２６は、共振器１８の上面から絶縁層３０上にかけて形成されている。第２電極２６は、共振器１８の上面において開口部を有し、たとえばリング形状を有する。開口部からレーザ光が出射される。第１電極２４は、第２の基板１０上に形成されている。

２．次に半導体モジュール１０００の製造方法の一例を説明する。

図１〜図４は、本実施の形態にかかる半導体モジュールの製造工程を模式的に示す断面図である。

（１）まず、図１に示すように、第１の基板２１０を用意する。第１の接合部２０２および第２の接合部２０４は、メッキ法により形成されているため、その表面は、図１に示すように凹凸形状を有する粗面となっている場合がある。

（２）次に、図２に示すように、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４に向かって局部的にレーザ光２３０を照射することにより、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４を溶融する。

レーザ光２３０は、第１の基板２１０の下方から、第１の基板２１０を透過して第１の接合部２０２および第２の接合部２０４に照射される。ここでは、少なくとも第１の接合部２０２および第２の接合部２０４が融点以上になるようにレーザ光２３０を照射する。たとえば、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４が、金８０ｗｔ％、錫２０ｗｔ％の合金からなる場合、融点は２８０℃であるため、２８０℃以上になるようにレーザ光２３０を調整する。ここでレーザ光２３０は、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４を溶融させることのできる最低限の照射光量であることが好ましい。これにより、レーザ光２３０の照射によって第１の接合部２０２および第２の接合部２０４の表面が酸化するのを抑制することができる。酸化を抑制することにより、電気抵抗を低下させ、また接合強度を向上させることができる。

上述したように第１の接合部２０２および第２の接合部２０４の表面は、凹凸形状を有する粗面であったが、レーザ光２３０を照射して溶融することにより、図２に示すように、中央部から端部にかけて滑らかに傾斜した球面形状に変形する。これは、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４が溶融することにより液状となることに起因する。このように、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４の表面が球面形状となるのは、液状となった第１の接合部２０２および第２の接合部２０４に表面張力が働くからである。

第１の接合部２０２および第２の接合部２０４は、レーザ光２３０を所定の時間、照射された後に、冷却される。レーザ光２３０の照射を終了した後に、たとえば常温雰囲気に配線基板２００を曝すことにより、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４を冷却することができる。これにより第１の接合部２０２および第２の接合部２０４は、球面形状に硬化する。

（３）次に、図３に示すように、吸着穴５２を有するボンディングツール５０で光チップ１００を吸着し、配線基板２００に対して光チップ１００の位置合わせを行う。具体的には、配線基板２００の第１の接合部２０２の直上に第１電極２４を配置し、第２の接合部２０４の直上に第２電極２６のパッド部分が配置するように位置合わせを行う。

配線基板２００が冷却された後に位置合わせを行うことによって、冷却することなく位置合わせをする場合と比べて、配線基板２００の温度上昇により空気の揺らぎを防止することができるため、位置合わせを精度良く行うことができる。

（４）次に、図４に示すように、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４のそれぞれに光チップ１００の第１電極２４および第２電極２６を接触させて、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４に向かってレーザ光２３２を照射する。そして、ボンディングツール５０は、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４が変形する程度の十分な荷重をかけながら、配線基板２００方向に押圧する。

ここで、上記工程（２）において照射されるレーザ光２３０と、本工程で照射されるレーザ光２３２の照射条件は異なる。レーザ光２３０の照射光量は、レーザ光２３２の照射光量より小さい。照射光量とは、たとえば、レーザ光の出力に照射時間をかけた値で表される。レーザ光２３０は、たとえば、３．５Ｗの出力で照射時間が４００ｍｓのレーザ光である。レーザ光２３２は、たとえば、プレヒート２．７Ｗの出力で照射時間が３５０ｍｓ、本ヒート４．５Ｗの出力で照射時間が３５０ｍｓ、ポストヒート２．７Ｗの出力で照射時間が３５０ｍｓの３段階のレーザ光である。また、たとえば、レーザ光２３０の照射時間とレーザ光２３２の照射時間が同じ場合には、レーザ光２３０の出力をレーザ光２３２の出力の約２分の１にしてもよい。

光チップ１００が配線基板２００に押圧されている際、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４は、表面が球面形状であるため、それぞれの中央部から端部に向かって徐々に第１電極２４および第２電極２６との接触面積を広げながら接合する。このときに第１の接合部２０２および第２の接合部２０４は、中央部から周囲の端部に引き延ばされる。これにより、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４は、気泡を巻き込む可能性が低いため、ボイドの発生を防止することができる。したがって、ボイドの発生による電気抵抗、熱抵抗を低下させるとともに接合強度を向上させることができる。

また、接合前に上記工程（２）において予めレーザ光２３０を第１のバンプ２０７および第２のバンプ２０９に照射することによって、第１のバンプ２０７および第２のバンプ２０９は、剥離して第１の基板２１０上の形成位置をわずかに移動することができる。これにより、第１の基板２１０と第１のバンプ２０７および第２のバンプ２０９との熱膨張率の違いから生じる応力を緩和することができる。これにより、たとえば第１の基板２１０と第１のバンプ２０７および第２のバンプ２０９との間で剥離等の破損が生じるのを防止することができ、接合強度を向上させることもできる。

また、半導体モジュール１０００の製造工程では、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４にレーザ光２３０を照射した後に冷却している。これにより、工程（３）の位置合わせのときに、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４からの熱が光チップ１００に悪影響を及ぼすのを防止することができる。

以上の工程により半導体モジュール１０００を製造することができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。たとえば上述した半導体モジュール１０００の製造方法では、配線基板２００の位置を固定し、光チップ１００の位置を配線基板２００に合わせて調整しているが、これにかえて光チップ１００の位置を固定し、配線基板２００の位置を調整してもよい。

また上述した半導体モジュール１０００の製造方法では、光チップ１００は垂直共振器型面発光レーザを有しているが、これにかえて他の発光素子やフォトダイオード等の受光素子でもよい。

また上述した半導体モジュール１０００の製造方法は、第１の接合部２０２および第２の接合部２０４にレーザ光２３０を照射した後、一旦冷却して位置合わせを行っているが、これにかえてレーザ光２３０を照射しながら位置合わせを行ってもよい。

さらに、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

本実施の形態にかかる半導体モジュールの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる半導体モジュールの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる半導体モジュールの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる半導体モジュールの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施の形態にかかる半導体モジュールを模式的に示す断面図。

符号の説明

１０ 第２の基板、１８ 共振器、２４ 第１電極、２６ 第２電極、３０ 絶縁層、５０ ボンディングツール、５２ 吸着穴、１００ 光チップ、２００ 配線基板、２０２ 第１の接合部、２０４ 第２の接合部、２０６ 配線部、２０７ 第１のバンプ、２０８ 配線部、２０９ 第２のバンプ、２１０ 第１の基板、２３０ レーザ光、２３２ レーザ光

Claims (5)

1. ワイヤレスボンディングによって半導体チップを配線基板に接合する半導体モジュールの製造方法であって、
   （ａ）配線基板上に導電性材料を用いて形成されている接合部に向かってレーザ光を照射することにより、当該接合部を溶融する工程と、
   （ｂ）前記接合部に前記半導体チップの電極を接触させて、当該接合部に向かってレーザ光を照射することにより、前記半導体チップに前記接合部を接合する工程と、
   を含む、半導体モジュールの製造方法。
2. 請求項１において、
   前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）の間に、
   （ｃ）前記接合部を冷却することにより硬化させる工程、
   をさらに含む、半導体モジュールの製造方法。
3. 請求項２において、
   前記工程（ｃ）の後に、
   前記配線基板に対して前記半導体チップの位置合わせを行う工程、
   をさらに含む、半導体モジュールの製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記工程（ａ）において前記接合部に向かって照射するレーザ光の照射強度は、前記工程（ｂ）において前記接合部に向かって照射するレーザ光の照射光量より小さい、半導体モジュールの製造方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記工程（ａ）の前に、
   メッキ法により配線基板上に前記接合部を形成する、半導体モジュールの製造方法。

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