JP2007067175A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 仮圧着工程において半導体チップに横方向の荷重がかかって半導体チップの横滑りが発生するのを防ぐことができる半導体装置の製造方法を得る。
【解決手段】 半導体チップの電極上にバンプ電極を形成し、配線基板の電極上にはんだプリコートを形成する工程と、配線基板をステージ上に載せ、第1のボンディングツールにより、はんだプリコートを溶融させずに、はんだプリコートにバンプ電極を接触させて、配線基板に向けて半導体チップに荷重を印可する仮圧着工程と、仮圧着工程の後に、第2のボンディングツールにより、はんだプリコートを溶融させ、配線基板に向けて半導体チップに荷重を印可する本圧着工程とを有し、第1のボンディングツールの表面は、半導体チップとの静止摩擦係数が0.3以上の物質からなる膜でコーティングされている。
【選択図】 図12
【解決手段】 半導体チップの電極上にバンプ電極を形成し、配線基板の電極上にはんだプリコートを形成する工程と、配線基板をステージ上に載せ、第1のボンディングツールにより、はんだプリコートを溶融させずに、はんだプリコートにバンプ電極を接触させて、配線基板に向けて半導体チップに荷重を印可する仮圧着工程と、仮圧着工程の後に、第2のボンディングツールにより、はんだプリコートを溶融させ、配線基板に向けて半導体チップに荷重を印可する本圧着工程とを有し、第1のボンディングツールの表面は、半導体チップとの静止摩擦係数が0.3以上の物質からなる膜でコーティングされている。
【選択図】 図12
Description
本発明は、配線基板上に半導体チップをフリップチップ接続する半導体装置の製造方法に関するものである。
複数の半導体チップを多段に積み重ねた半導体チップ積層型の半導体装置では、最下段の半導体チップが配線基板にフリップチップ接続される場合がある。フリップチップ接続の方法については、半田などの低融点の金属を溶融させてろう付けする方法(例えば、特許文献2、特許文献3参照)あるいは、熱や圧力、超音波などを印可することで、金など高融点の金属同士の界面を、金属の融点以下の工程温度で接合させる方法(例えば、特許文献1、特許文献4)などがある。
特許文献3に記載のフリップチップ接合の方法においては、まず、半導体チップの電極上にバンプ電極を形成し、配線基板の電極上にはんだプリコートを形成する。(特許文献3、図4参照)次に、配線基板をステージ上に載せ、吸着ボンディングツールにより、はんだプリコートを溶融させずに、はんだプリコートにバンプ電極を接触させて、配線基板に向けて半導体チップに荷重を印可する仮圧着工程を行う。(特許文献3、図9参照)その後、加圧ボンディングツールにより、はんだプリコートを溶融させ、配線基板に向けて半導体チップに荷重を印可する本圧着工程を行う。(特許文献3、図10参照)はんだプリコートなど、低融点金属接合材の溶融を伴う本圧着工程においては、接合材の溶融時に、接合材の下地の、例えば銅などからなる、より高融点の配線パターンと、チップ側のバンプ電極が接触される。そして、接合材は、配線パターンとバンプ電極の間にフィレットを形成することによって、両者の間の接続をより強固な物にする。この際、接合材の溶融と、圧力の印可に伴って、半導体チップの主面と、配線基板の上面との間隔は狭まり、間に介在する樹脂材料が外側にはみ出して来る。そこで、例えば、特許文献3においては、本圧着工程時に、加圧ブロックとチップとの間にフッ素樹脂からなるシート状部材を介在させることによって、接着剤による加圧ブロックの汚染を防ぐことができる。また、特許文献2においては、本圧着工程において、チップ裏面を加圧するボンディングツールが、チップと配線基板間に介在する樹脂材料によって汚染されることを防ぐために、ボンディングツール表面に、窒化クロム(CrN)等からなる防汚コーティングを施すことが開示されている。
なお、部品と実装対象物の金属部分どうしを溶融させずに、超音波によって界面を接合する際に、吸着ノズルの吸着面を粗面に形成して、超音波振動による摩擦接合時に吸着ノズルが滑るのを抑える技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
上記のように特許文献3に記載のフリップチップ接合における仮圧着工程では、はんだプリコートを溶融させないことが開示されている。このように、はんだプリコートを溶融させずに、バンプ電極が形成された半導体チップを仮圧着する工程において生じる新たな問題について検討した。はんだプリコートを形成する工程において、はんだを溶融させるために、溶融したはんだの持つ表面張力によって、はんだの表面が盛り上がった形状となる。特に、バンプ電極のピッチがより微細化され、それに伴って配線基板上に形成される電極の幅も狭まるにつれて、はんだの表面はより顕著に盛り上がった形状となり、はんだプリコートの上面に平らな部分をほとんど持たない形状となる。この背景には、バンプ電極のピッチを微細化した場合でも、接合後の強度を確保するために、はんだプリコートの厚さを極端に薄くすることが好ましくないことがある。すなわち、幅が狭くなった配線基板上電極に対して、従来と同程度の厚さのはんだプリコートを形成するために、はんだプリコート上面の曲率半径はより小さくなる。このように、曲率半径の小さなはんだプリコート上に、はんだプリコートを溶融させずに、すなわちはんだプリコートが固体の状態で、バンプ電極を、圧力をかけて接続させる仮圧着工程において、バンプ電極の位置がはんだプリコートの中心からずれていると、半導体チップに荷重を印可した際にバンプ電極がはんだプリコートの傾斜面に沿って下降する。これにより、半導体チップに横方向の荷重がかかって半導体チップの横滑りが発生するという問題が新たに発生した。
なお、仮圧着工程では超音波接合を用いないため、仮圧着工程で用いる吸着ボンディングツールに特許文献1の技術を適用する動機付けは無い。さらに、何れの文献にも、本発明の課題については、記載も示唆もされていない。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、仮圧着工程において半導体チップに横方向の荷重がかかって半導体チップの横滑りが発生するのを防ぐことができる半導体装置の製造方法を得るものである。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップの電極上にバンプ電極を形成し、配線基板の電極上にはんだプリコートを形成する工程と、配線基板をステージ上に載せ、第1のボンディングツールにより、はんだプリコートを溶融させずに、はんだプリコートにバンプ電極を接触させて、配線基板に向けて半導体チップに荷重を印可する仮圧着工程と、仮圧着工程の後に、第2のボンディングツールにより、はんだプリコートを溶融させ、配線基板に向けて半導体チップに荷重を印可する本圧着工程とを有し、第1のボンディングツールの表面は、半導体チップとの静止摩擦係数が0.3以上の物質からなる膜でコーティングされている。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明により、仮圧着工程において半導体チップに横方向の荷重がかかって半導体チップの横滑りが発生するのを防ぐことができる。
本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図1に示す組み立てフローに沿って説明する。まず、図2に示すように、主面1a側におけるパターン形成が完了した半導体ウェハ1を準備する(ステップS1)。
次に、図3に示すように、半導体ウェハ1の裏面1bを研削して半導体ウェハ1を薄膜化するBG(バックグラインディング)を行う(ステップS2)。この研削によって半導体ウェハ1の裏面1bには、0.05〜0.1μm程度の凹凸1cが形成される。
次に、図4に示すように、ドライポリッシングによって、半導体ウェハ1の裏面1bを平坦化加工して鏡面仕上げする(ステップS3)。ここで、ドライポリッシングとは、例えば、シリカを含有させた繊維を押し固めて形成した研磨布を用いて表面を2μm程度削る(磨く)加工方法である。これにより、半導体ウェハ1の裏面1bの凹凸1cは0.0015μm程度となる。また、半導体ウェハ1は薄膜化され、その厚さは例えば90μm程度となる。ただし、ドライポリッシングは省略することもできる。
なお、半導体ウェハ1の裏面1bのバックグラインディング後の平坦化加工は、ドライポリッシングに限らず、ウェットエッチングなどでもよい。この場合のウェットエッチングは、例えば、スピンナで半導体ウェハ1を回転させながらフッ硝酸を供給してエッチングを行うスピンエッチングであり、ドライポリッシングよりもさらに凹凸1cを小さく仕上げることができる。
次に、図5に示すように、薄膜化された半導体ウェハ1をダイシングラインに沿って切断して、複数の半導体チップ2に個片化する(ステップS4)。
次に、図6に示すように、半導体チップ2のパッド2c上に突起電極として金からなるバンプ電極2dを形成する(ステップS5)。その際、ワイヤボンディング技術を利用してバンプ電極2dを形成する(このようにして形成したバンプをスタッドバンプという)。なお、半導体チップ2の主面2a上においてパッド2cが形成された箇所以外の周囲の領域は、表面保護膜2eによって覆われている。
次に、図7に示すように、配線基板3を準備する(ステップS6)。配線基板3の主面3aには、複数のリード3c(電極)が形成されており、その周囲には絶縁膜であるソルダレジスト膜3iが形成されている。図8は、図7に示す配線基板の平面図である。リード3c同士の間隔は30μmであり、リード3cの幅は30μmであり、リード3cのピッチは60μmである。このように、リード3cの幅が30μmもしくはそれ以下になる場合、はんだプリコート3dの上面に、平坦な面が形成される部分が狭くなり、バンプ電極2dの多少の位置ずれでも、より大きな横方向への応力を発生させるようになる。従って、仮圧着時の位置ずれに対する対策の必然性が特に高まる。
次に、図9に示すように、配線基板3の主面3aの複数のリード3c上にはんだプリコート3dをそれぞれ形成する(ステップS7)。このはんだプリコート3dは、フリップチップ接続におけるバンプ電極2dとリード3cとの接続強度をはんだ接続により高めるためのものである。
次に、図10に示すように、フリップチップ接続を行う前に、予め配線基板3の主面3a上に非導電性の樹脂接着剤であるNCP(Non-Conductive Paste)4を配置する(ステップS8)。半導体チップが、多ピン化などによりその狭パッドピッチ化が図られると、バンプ電極2dの大きさも小さくなり、その結果、半導体チップ2と配線基板3との隙間(例えば、5〜10μm程度)が小さくなる。フリップチップ接続後に、半導体チップ2と配線基板3との狭い隙間に樹脂を注入するのは非常に困難である。また、仮にフリップチップ接続後に樹脂が注入可能であったとしても、当該隙間に樹脂が回り込むのに非常に時間がかかる。そこで、半導体チップ2を配線基板3上に配置する前に、配線基板3上に、あらかじめ樹脂接着剤を塗布しておくのが好ましい。なお、NCP4は、例えば、エポキシ系の非導電性(絶縁性)で、かつ熱硬化性の樹脂接着剤である。
例えば、図11に示すように、ノズル5からペースト状のNCP4を配線基板3の主面3a上に滴下して塗布する。ただし、ペースト状のNCP4の代わりに、フィルム状の樹脂接着剤、例えば、NCF(Non-Conductive Film)を用いてもよい。なお、半導体チップ2の側面周囲をNCP4で覆って保護するために、NCP4を多めに塗布するのが好ましい。
次に、フリップチップ接続を行う(ステップS9)。その際、まず、図12に示すように、配線基板3をステージ6上に載せ、吸着ボンディングツール7(第1のボンディングツール)によって半導体チップ2を吸着する。吸着ボンディングツール7による吸着は、吸着ボンディングツール7に設けられた図示しない吸着穴によって、半導体チップ2を吸引することによって行われる。そして、吸着ボンディングツール7により、はんだプリコート3dにバンプ電極2dを接触させて、配線基板3に向けて半導体チップ2に荷重を印可して、半導体チップ2を配線基板3の主面3a上にNCP4を介して仮圧着する。この際、吸着ボンディングツール7を70℃、ステージ6を50℃に保ち、はんだプリコート3dを溶融させない。
これにより、図13に示すように、配線基板3と半導体チップ2との間が20μm程度になる。なお、バンプ電極2dの高さは45μm、リード3cの高さは15μm、ソルダレジスト膜3iの厚さは35μm、はんだプリコート3dの高さは20μmであり、バンプ電極2dは10μm程度はんだプリコート3dに刺さる。
ここで、本圧着後の接合信頼性を確保するため、及び、はんだプリコート3dが剥がれ難くするため、はんだプリコート3dには、ある程度の量のはんだが必要である。例えば、はんだプリコート3dの厚さ(本実施の形態では20μm)が、リード3cの幅(本実施の形態では30μm)の半分の値よりも大きくなる場合は、はんだプリコート3dの上面に、平坦な面が形成される部分が狭くなり、バンプ電極2dの多少の位置ずれでも、より大きな横方向への応力を発生させるようになる。従って、仮圧着時の位置ずれに対する対策の必然性が特に高まる。本実施の形態では、はんだプリコート3dの上面は半球状となっている。そして、配線基板3に対する半導体チップ2の位置合わせずれや、半導体チップ2に対するバンプ電極2dの位置合わせずれ、配線基板3に対するリード3cの位置合わせずれなどを考慮すると、バンプ電極2dの位置がはんだプリコート3dの中心から最大10μm程度ずれる可能性を考慮しておく必要がある。このため、はんだプリコート3dを溶融させない仮圧着では、バンプ電極2dがはんだプリコート3dの傾斜面に沿って下降し、半導体チップ2に横方向の荷重がかかる。
具体的には、1つのバンプ電極2dごとに7gfの荷重を上からかけたとすると、1つのバンプ電極2dには4〜5gf程度の横方向の荷重がかかる。そして、半導体チップ2には500個のバンプ電極2dが形成され、その半分程度が横方向の荷重に寄与するため、半導体チップ2には横方向に1Kgf程度の荷重がかかる。
これに対し、発明者が実験を行った結果、吸着ボンディングツール7の表面を、Siからなる半導体チップ2との静止摩擦係数が0.3以上の物質からなる膜でコーティングすることで、半導体チップ2に横方向に荷重がかかっても半導体チップ2の横滑りを防ぐことができることが分かった。ただし、半導体チップ2との静止摩擦係数が0.4以上の物質からなる膜を用いるのが好ましい。なお、吸着ボンディングツール7の表面の10点平均粗さは、Rz<0.4μm程度とする。
本実施の形態では、金属からなる吸着ボンディングツール7の表面をTiCN膜8でメッキしている。ただし、ただし、TiCN膜8の代わりに、半導体チップ2との静止摩擦係数が0.3以上の物質としてCrN,TiN,ウレタンの何れかからなる膜を用いることができる。ただし、ウレタンは、静止摩擦係数は高いが、使用している間に磨耗などの問題が発生する可能性が高い。従って、吸着ボンディングツール7の表面を、半導体チップ裏面との摩擦係数が高く、かつ、膜自体の耐摩耗性も高いTiCN,CrN,TiNの何れかからなる膜でコーティングするのが好ましい。
また、ステージ6の表面は、フリップチップ接合時に、配線基板3の裏面と、高い温度および圧力で接触される。そこで、ステージ6の表面は、吸着ボンディングツール7の表面と比較して、更に高い防汚性を有することが好ましい。これは、ステージ6表面への汚染が蓄積されると、フリップチップ接合時に、配線基板3の裏面と、ステージ6表面の汚染物質とが貼り付き、工程完了後の配線基板3の搬送に支障を来す等の問題が生じる可能性があるからである。ステージ6表面の汚染防止のため、ステージ6表面を構成する材料は、吸着ボンディングツール7の表面と比較して、より防汚性の高い材料、例えば、半導体チップ2との摩擦係数がより小さい物質を用いるのが効果的である。そこで、吸着ボンディングツール7の表面を、ステージ6の表面を構成する物質よりも半導体チップ2との摩擦係数が小さい物質からなる膜でコーティングしてもよい。ステージ6表面の材料として、例えば、ホトベールを選択することができる。ホトベールは、住金セラミックス株式会社の登録商標である。ホトベールは、ガラス質をマトリックスとし、フッ素金雲母・ジルコニア微結晶を均一に析出した物であり、TiCN膜8に比較して、摩擦係数が小さく、また、防汚性も高い物である。
また、吸着ボンディングツール7の吸着穴によって、半導体チップ2の吸着を行うため、吸着ボンディングツール7と半導体チップ2との間に、ツール汚染防止のフッ素樹脂シートを介在さすることは難しくなる。そこで、荷重をかけてNCP4が半導体チップ2の裏面に這い上がった場合に吸着ボンディングツール7にNCP4が付着するのを防ぐため、吸着ボンディングツール7は半導体チップ2よりも小さくなっている。また、仮圧着工程においては、はんだプリコート3dを溶融しないために、図13に示すように、本圧着工程後に比較して、半導体チップ2主面と、配線基板3上面との間隔が広く保たれる。従って、仮圧着工程後のチップ周囲へのNCP4のはみ出しや、半導体チップ2裏面へのNCP4のはい上がりは、本圧着工程後に比較して、より少なく抑えることができる。
上記の仮圧着工程の後に、図14に示すように、加圧ボンディングツール9(第2のボンディングツール)により配線基板3に向けて半導体チップ2に荷重を印加し、熱を加える本圧着工程を行う。例えば、ステージ6の温度を100℃、加圧ボンディングツール9の温度を250℃に設定し、500gの荷重を半導体チップ2に付加する。これにより、図15に示すように、半導体チップ2が配線基板3にバンプ電極2dを介して本圧着される。
加圧ボンディングツール9から付与された熱は、NCP4及びはんだプリコート3dを溶融する。これにより、はんだプリコート3dが溶けて突起電極であるバンプ電極2dとリード3cとが、はんだフィレット10によって接続された状態となる。また、配線基板3と半導体チップ2との間には、熱硬化性の樹脂接着剤であるNCP4が配置されており、熱硬化したNCP4によってフリップチップ接続による各接続部が固められて保護される。
本圧着により、図16に示すように、配線基板3と半導体チップ2との間が10μm程度まで狭くなるため、その間にあるNCP4が外にはみ出してくる。そこで、NCP4が半導体チップ2の裏面2aに這い上がるのを防ぐため、加圧ボンディングツール9は半導体チップ2よりも大きくなっている。また、半導体チップ2と加圧ボンディングツール9との間にシート状部材11を挿入する。このシート状部材11は、厚さが50μm程度であり、フッ素樹脂からなるものである。そして、フッ素樹脂は、耐熱性が高く、かつ樹脂との剥離性が良い。このように加圧ボンディングツール9の加圧面9aがシート状部材11によって覆われているため、加圧ボンディングツール9にNCP4が付着するのを防止することができる。
次に、図17に示すように、半導体チップ2の裏面2b上にダイボンド剤12を介して半導体チップ13をその主面13aを上方に向けて積層配置し、半導体チップ2の裏面2bと半導体チップ13の裏面13bとをダイボンド剤12を介して接続する(ステップS10)。なお、ダイボンド剤12は、例えば、エポキシ系の非導電性(絶縁性)で、かつ熱硬化性の樹脂接着剤である。
ここで、配線基板3には、その主面3aに複数のリード(電極)3cやワイヤ接続用リード3fが形成されており、それぞれの露出部以外の領域は、絶縁膜であるソルダレジスト膜3iによって覆われている。一方、裏面3bには、はんだボール(後述)が取り付けられるバンプランド3hが設けられている。なお、主面3a側のリード3cやワイヤ接続用リード3fは、裏面3b側のバンプランド3hとそれぞれ内部配線3e及びスルーホール配線3gを介して電気的に接続されている。なお、リード3cやワイヤ接続用リード3f及びスルーホール配線3gなどは銅合金によって形成されている。
次に、図18に示すように、半導体チップ13と、配線基板3のワイヤ接続用リード3fとを金線などの導体細線であるワイヤ14によって電気的に接続する(ステップS11)。なお、半導体チップ13の主面13aは上方を向いて配置されており、ワイヤ接続が可能となっている。
次に、図19に示すように、半導体チップ2及び半導体チップ13と、複数のワイヤ14を樹脂モールディングによって封止して封止体15を形成する(ステップS12)。なお、封止体15を形成する封止用樹脂は、例えば、エポキシ系の絶縁性の熱硬化性樹脂である。
次に、図20に示すように、リフローによる高温処理ではんだボール16を溶融して、配線基板3の裏面3bのバンプランド3hに、外部端子である複数のはんだボール16を格子状に設ける(ステップS13)。これにより、BGA(Ball Grid Array)型の半導体装置が製造される。
以上の製造工程により、図21に示すような半導体装置が製造される。この半導体装置は、半導体チップが配線基板にフリップチップ接続され、樹脂によって封止が行われたSIP(System In Package)17である。ただし、少なくとも1つの半導体チップが、はんだプリコートを介して配線基板にフリップチップ接続される半導体装置であれば、本発明を低起用することができる。例えば、SIP17以外にも、BGAやLGA(Land Grid Array)などにも本発明を適用することができる。
2 半導体チップ
2c パッド
2d バンプ電極
3 配線基板
3c リード(電極)
3d はんだプリコート
6 ステージ
7 吸着ボンディングツール(第1のボンディングツール)
8 TiCN膜
9 加圧ボンディングツール(第2のボンディングツール)
11 シート状部材
2c パッド
2d バンプ電極
3 配線基板
3c リード(電極)
3d はんだプリコート
6 ステージ
7 吸着ボンディングツール(第1のボンディングツール)
8 TiCN膜
9 加圧ボンディングツール(第2のボンディングツール)
11 シート状部材
Claims (4)
- 半導体チップの電極上にバンプ電極を形成し、配線基板の電極上にはんだプリコートを形成する工程と、
前記配線基板をステージ上に載せ、第1のボンディングツールにより、前記はんだプリコートを溶融させずに、前記はんだプリコートに前記バンプ電極を接触させて、前記配線基板に向けて前記半導体チップに荷重を印可する仮圧着工程と、
前記仮圧着工程の後に、第2のボンディングツールにより、前記はんだプリコートを溶融させ、前記配線基板に向けて前記半導体チップに荷重を印可する本圧着工程とを有し、
前記第1のボンディングツールの表面は、前記半導体チップとの静止摩擦係数が0.3以上の物質からなる膜でコーティングされていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体チップの電極上にバンプ電極を形成し、配線基板の電極上にはんだプリコートを形成する工程と、
前記配線基板をステージ上に載せ、第1のボンディングツールにより、前記はんだプリコートを溶融させずに、前記はんだプリコートに前記バンプ電極を接触させて、前記配線基板に向けて前記半導体チップに荷重を印可する仮圧着工程と、
前記仮圧着工程の後に、第2のボンディングツールにより、前記はんだプリコートを溶融させ、前記配線基板に向けて前記半導体チップに荷重を印可する本圧着工程とを有し、
前記第1のボンディングツールの表面は、TiCN,CrN,TiN,ウレタンの何れかからなる膜でコーティングされていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体チップの電極上にバンプ電極を形成し、配線基板の電極上にはんだプリコートを形成する工程と、
前記配線基板をステージ上に載せ、第1のボンディングツールにより、前記はんだプリコートを溶融させずに、前記はんだプリコートに前記バンプ電極を接触させて、前記配線基板に向けて前記半導体チップに荷重を印可する仮圧着工程と、
前記仮圧着工程の後に、第2のボンディングツールにより、前記はんだプリコートを溶融させ、前記配線基板に向けて前記半導体チップに荷重を印可する本圧着工程とを有し、
前記第1のボンディングツールの表面は、前記ステージの表面を構成する物質よりも前記半導体チップとの摩擦係数が大きい物質からなる膜でコーティングされていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1のボンディングツールは前記半導体チップよりも小さく、
前記第2のボンディングツールは前記半導体チップよりも大きく、
前記本圧着工程において、前記第2のボンディングツールと前記半導体チップとの間にフッ素樹脂からなるシート状部材を挿入することを特徴とする請求項1〜3の何れか1つに記載の半導体装置の製造方法。
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-
2005
- 2005-08-31 JP JP2005251349A patent/JP2007067175A/ja active Pending
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