JP2007184408A

JP2007184408A - 電極接合方法

Info

Publication number: JP2007184408A
Application number: JP2006001465A
Authority: JP
Inventors: Masaki Tago; 雅基田子; Masao Kinoshita; 雅夫木下; Naotake Takahashi; 尚武高橋
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】接合界面に残留する有機物や酸化物など低減し、信頼性の高い電極間接合を実現する。
【解決手段】保護被膜で被覆された金属微粒子を溶媒中に拡散させた金属微粒子ペーストを電極４に形成されているバンプ５に付着させる第１の工程と、バンプ５に付着している金属微粒子ペーストを保護被膜が分解又は還元される温度以上の温度に加熱して金属微粒子膜６とする第２の工程と、金属微粒子膜６が形成されたバンプ５を電極８に接触させて加圧する第３の工程とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極の接合方法に関し、特に、半導体モジュールの製造に好適な電極接合方法に関するものである。

フリップチップ型の半導体チップ実装における電極接合には、一般的に熱圧着法が用いられる。具体的には、基板及び半導体チップの双方の電極に形成された金属突起、或いは、一方の電極に形成された金属突起と他方の電極に、加熱、加圧などのエネルギーを付与し、金属の固相拡散によってそれらを接続する方法が一般的に用いられる。図５に熱圧着法を用いた実装構造の断面図を示す。図示されている実装構造では、半導体チップ１０の電極１１に形成された金属突起（バンプ１２）と基板１３の電極１４とが上記熱圧着法によって接合されている。この方法では金属突起表面や電極表面の凹凸を塑性変形させて接触面積を広くするとともに、金属の固相拡散反応を促進するために加熱、加圧を行う。しかし、金属突起や電極材料として多用されている金やアルミニウムが固相拡散反応を起こすために必要な加熱や加圧を加えることは、同時に半導体チップや基板にダメージを与えることになる。特に、トランジスタや配線の微細化が進み、構造が脆弱となっている近年の半導体チップは、加熱や加圧によって大きなダメージを受け、歩留りが低下したり、長期信頼性が低下したりするという問題があった。

一方、固相拡散反応によらず、電極を接続する方法としてハンダバンプを使用した接続方法がある。この方法は、電極間に配置されたハンダを液相状態にして両電極と反応させる接続方法である。図６にハンダバンプ法による実装構造の断面図を示す。図示されている実装構造では、半導体チップ２０の電極２１と基板２２の電極２３とが両者の間に介在するハンダバンプ２４によって接合されている。しかし、ハンダバンプ法では、電極材料のハンダへの拡散を防止するために特殊な構造の電極材料を用いるか、電極の厚みを増すなどの対策が必要となる。また、接続時にフラックスを用いるため洗浄が必要になるなど工程が増える。さらに、ハンダバンプはメッキなどの手法により形成されるためコストが高い。

そこで、金属ペーストを利用した接合方法が提案されている。例えば、特許文献１には、基板及びＩＣチップを主に加熱によるダメージから保護するため、低温焼成可能な金属ペーストを介して基板にＩＣチップを実装する方法が開示されている。具体的には、基板電極上に銅ペーストを印刷してからＩＣチップを実装し、これらを真空炉で仮焼成し、次いで酸化性雰囲気で仮焼成した後に還元性雰囲気で本焼成して電極接合を完了する方法が開示されている。

また、特許文献２や特許文献３には、金属核の周囲を有機物で結合・被覆することによって生成した複合型金属ナノ粒子を主材とする接合材料を用いて配線板に半導体パッケージを実装する方法が開示されている。さらに、特許文献２や特許文献３には、上記実装方法の具体例として、概ね次のような工程からなる実装方法が開示されている。（１）銀超微粒子からなる金属核を有する複合型銀ナノ粒子を用いた接合材料を配線板の電極に塗布する。（２）配線板に、裏面に接点用バンプ（電極）が配置された半導体パッケージを位置決めして搭載する。（３）配線板に半導体パッケージが搭載された状態で、全体を加熱して、配線板上に半導体パッケージを接合・固定する。つまり、加熱によって有機物層を金属核から離脱させるか、有機物層自体を分解させるかして、金属核同士を直接接触させ、焼結させて金属層（接合層）を形成する。
特開平１−１９１４５２号公報特開２００４−１２８３５７号公報（第８頁〜第９頁、図５）特開２００４−１４６６９５号公報（第７頁〜第８頁）

しかしながら、金属ペーストを用いた従来の電極接合方法には、次のような問題があった。まず、接合界面に有機物が残渣として多量に存在し、接合信頼性が低下するという問題である。この原因は、金属ペースト或いは金属ナノペーストを構成する金属微粒子の表面には微粒子の凝集を防止するための有機物の被膜が形成されており、この有機被膜が接合界面に残留することに起因する。その理由は、金属微粒子が凝集する際に、金属微粒子を被覆している有機被膜は大気中の酸素と反応して分解、すなわち酸化されるか、表面に形成された酸化膜が還元されるが、酸化された有機物や還元された成分が排出されずに接合界面に残留する。通常、配線形成などは大気と接した開放空間中で行われるので、反応により形成された成分は大気中へ排出される。しかし、接合界面のように閉鎖された空間では大気と直接接触することがない。このため、接合界面中央部分にある金属微粒子への酸素の供給は金属中の拡散によるしかなく、非常に困難な状態である。この結果、有機被膜の分解が進まず、界面に残留物が残存することとなる。また、有機被膜の分解によって生じた炭酸ガスや酸化膜が還元される際に発生する成分が接合界面に閉じ込められてボイドが発生するという問題もある。

この点、特許文献２には、ガス抜き溝を形成することによって、有機物の分解ガスを排出することが記載されている。具体的には、図７に示すように、半導体パッケージ３０のバンプ３１と配線板３２との間に、接合材料３３を断続的に塗布することによって、接合材料３３、３３間にガス抜き溝３４を形成することが記載されている。しかし、ガス抜き溝を形成するために接合材料を断続的に塗布すると、その分だけ接合面積が減少し、接合強度が低下するという新たな問題を生じる。

また、特許文献３には、加振装置によって接合部を含む被処理体全体に振動エネルギーを加えることによって、有機物の分解ガスを接合部から離脱させることが記載されている。しかし、振動エネルギーによって分解ガスを接合部から十分に離脱させることができるとは考えにくく、非現実的である。また、振動によって半導体チップがダメージを受ける虞もある。この点、トランジスタや配線の微細化によって近年の半導体チップは構造が脆弱となっており、加熱や加圧によって大きなダメージを受け易いことは既述の通りである。

本発明は、上記課題を解決し、信頼性の高い電極接合をなるべく少ない工程数で実現することを目的とする。

本発明の電極接合方法は、保護被膜で被覆された金属微粒子を溶媒中に拡散させた接合媒体を電極の接合部に付着させる第１の工程と、前記接合部に付着している前記接合媒体を前記保護被膜が分解又は還元される温度以上の温度に加熱する第２の工程と、前記第２の工程の後に、前記接合媒体が付着している前記接合部を他の電極の接合部に接触させて加圧する第３の工程とを含むことを特徴とする。

本発明の電極接合方法では、電極の接合部に供給された接合媒体中の金属超微粒子の保護被膜を開放空間において大気中で加熱・分解させるので、接合界面に保護被膜の成分などが残留することがなく、信頼性の高い接合を実現することができる。

（実施形態）
以下、本発明の電極接合方法の実施形態の一例について説明する。まず、表面が凝集防止用の有機被膜によって被覆された金属微粒子を溶媒中に拡散させて粘度に調整した金属微粒子ペーストを用意する。さらに、その金属微粒子ペーストを任意のベースに塗布して所定厚の金属微粒子ペースト膜を形成する。次に、半導体基板の電極の接合部に上記金属微粒子ペースト膜に押し付けて、接合部の先端に金属微粒子ペースト（接合媒体）を付着させる。その後、接合部に金属微粒子ペーストが転写された半導体チップを金属微粒子ペーストの溶媒が揮発する温度以上の温度（T1）に加熱する。然る後、半導体チップを上記有機被膜が大気中の酸素と反応し、分解される温度以上の温度（T2）に加熱する。以下の説明では、上記有機被膜が分解された後の接合部表面の金属微粒子ペーストを「金属微粒子膜」と称する。その後、金属微粒子膜が形成されている半導体チップの接合部を該チップが実装される基板の電極に接触させて加圧した状態で、金属微粒子膜中の金属微粒子の凝集が開始する温度以上の温度（T3）に加熱する。尚、電極の接合部とは、該電極にバンプが形成されている場合には、そのバンプを意味する。また、バンプ及びバンプに相当するものが形成されていない場合には、電極自体を意味する。

尚、半導体チップの温度を温度（T2）まで加熱する工程及びその後の工程は、半導体チップを実装するフリップチップマウンタによる搭載動作によって遅滞無く実行することが好ましい。具体的には、フリップチップマウンタのマウンタヘッドによって半導体チップを吸着保持し、該マウンタヘッドを加熱することによって半導体チップを所定温度まで加熱する。さらに具体的には、温度（T1）、温度（T2）及び温度（T3）を予め規定しておき、温度（T1）から温度（T2）までマウンタヘッドの温度を上昇させ、温度（T2）に達した時点よりマウンタヘッドを下降させて、半導体チップと基板とを接触させ、荷重を印加する。次に、マウンタヘッドの温度が温度（T3）に達した時点で該温度（T3）を維持したまま所定の荷重を印加してバンプと電極との接合を完了する。その後、マウンタヘッドによる半導体チップの吸着保持を解除し、マウンタヘッドのみを上昇させることによって、荷重印加の停止及び冷却が開始され、実装が完了する。図１は、上記実装工程における半導体チップの加熱条件及び該半導体チップに印加される荷重のプロファイルを示すグラフである。尚、ここでは、マウンタヘッドの温度＝半導体チップの温度＝金属微粒子膜の温度としている。実際にはこれらの温度には若干の差があるが、この差は無視し得る程度の僅かな差であるばかりでなく、本発明の作用効果に影響を与える本質的事項ではない。なぜなら、本発明は、一方または双方の電極の接合部に形成された金属微粒子膜を相手方の電極の接合部に接触させる前に、金属微粒子の有機被膜が分解される温度以上に加熱することを本質とするものであり、上記温度差を見越して温度（T2）が規定されるからである。

かかる本発明の電極接合方法によれば、半導体チップのバンプの先端に供給された金属微粒子ペースト（金属微粒子膜）は、基板電極に接触する前に開放空間中で温度（T2）まで加熱されることで有機被膜の分解が開始し、金属微粒子が活性状態となる。さらに、この状態から遅滞無く、基板電極への加圧接触が開始されるので、有機成分の残留が回避され、有機被膜の分解によって生じた炭酸ガスや酸化膜が還元された際に発生する酸素が接合界面に閉じ込められることがなく、欠陥の少ない接合状態を得ることができる。また、バンプ先端の凹凸及び基板電極表面の凹凸により形成される隙間がバンプの先端に転写された金属微粒子膜によって埋められるので、接合荷重の低減を図ることができる。さらに金属微粒子の有機被膜が除去された状態でバンプと電極とが接触すると、金属微粒子の凝集エネルギーは、金属単体の状態における反応温度より低くなるため、接合温度を低減することも可能となる。
（実施例）
次に、本発明の電極接合方法の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。図２（ａ）に示すように、ベース１の表面に、金の微粒子（粒子径1nm〜数十nm）を含む金属微粒子ペーストを塗布し、厚さ5.0[μｍ]の金属微粒子ペースト膜２を形成する（工程１）。その後、図１（ｂ）に示すように、半導体チップ３を吸着保持している不図示のフリップチップマウンタのマウンタヘッドを降下させ、半導体チップ３の電極４に形成されているバンプ５を金属微粒子ペースト膜２に押し付けて（工程２）、金属微粒子ペーストをバンプ５に転写させる（工程３：（図１（ｃ））。このとき、マウンタヘッドの温度（＝半導体チップ３の温度）は、50℃以下に保持されている。尚、半導体チップ３に形成されているバンプ５は、金のワイヤを用いて形成したスタットバンプであり、直径90.0[μｍ]、配置ピッチ120.0[μｍ]である。もっとも、スタッドバンプの直径及びピッチは、任意に変更することが可能である。また、フリップチップマウンタには、急速加熱が可能なタイプのものを使用した。

次に、予め100℃に予備加熱されている基板の搭載位置へ半導体チップ３を位置合わせし、マウンタヘッド（半導体チップ３）を温度T1（本実施例では180℃）に加熱することによって、バンプに付着している金属微粒子ペースト２を同温度まで加熱する（工程４）。次いで、マウンタヘッド（半導体チップ３）を温度T2（本実施例では240℃）まで加熱することによって、バンプに付着している金属微粒子ペースト２を同温度まで加熱する（工程５）。尚、本実施例で使用した金属微粒子ペースト２の金属微粒子の表面を被覆している凝集防止用の有機被膜が大気中の酸素と反応して分解される温度は220℃である。よって、工程５によって、上記有機被膜が分解され、バンプ５の表面に金属微粒子膜６が形成される（図１（ｄ））。

次に、図１（ｅ）に示すように、マウンタヘッド（半導体チップ３）の温度が温度（T2）に達したのと同時にマウンタヘッドを降下させ（工程６）、半導体チップ３のバンプ５と基板７の電極８とを接触させ、加圧する（工程７）。半導体チップ３は基板７と接触すると熱伝導により温度が低下するが、ここでマウンタヘッド（半導体チップ３）を温度T3（本実施例では260℃）まで加熱することによって金属微粒子膜６を同温度まで加熱し、接合に必要な熱量を確保し、金属微粒子の凝集を促進させる（工程８）。尚、本実施例で使用した金属微粒子ペースト中の金属微粒子が凝集を開始する温度（＝接合温度）は260℃であり、温度（T3）と一致している。

本実施例においては、図１に示すような実装プロファイルにおいて温度（T1）、温度（T2）及び温度（T3）を明確に区分することなく、温度（T2）を240℃に設定した。しかし、金属微粒子ペーストの溶媒の沸点が低い場合などは、設定温度を低くして、溶媒の沸騰など起因する金属微粒子膜２aの不均一化を回避することが望ましい。

また、本実施例では半導体チップ３を温度（T2＝240℃）に加熱した後に温度（T3＝260℃）まで昇温しているが、温度設定T1、T2及びT3を段階的に経ることなく、温度（T3）まで連続的に加熱してから上記工程７を実行してもよい。この場合は、半導体チップ３の昇温速度及び基板７への加圧接触のタイミングを図１に示すプロファイルとなるように制御する。また、温度（T3）をさらに高温（例えば、320℃〜360℃）に設定することによって、実装時間を短縮することも可能である。

本実施例では、金属微粒子ペースト膜２の厚みを5.0[μｍ]に設定したが、膜厚が厚すぎると溶媒の揮発時間にばらつきが生じ、凝集し始めた金属微粒子中に未反応の金属微粒子ペーストが閉じ込められる可能性が高くなるので好ましくない。膜厚5.0[μｍ]の金属微粒子ペースト膜をバンプの先端に転写、加熱すると、概ね1.0[μｍ]以下の金属微粒子膜が形成される。接合に寄与する金属微粒子膜はきわめて薄く形成されていても十分な機能を有するため金属微粒子ペースト膜の厚みは5.0[μｍ]以下としても良い。また、バンプの表面の粗さと同等の膜厚の金属微粒子膜を得ることができれば、バンプの塑性変形と合わせてバンプ表面の凹凸を埋め、欠陥のない接合界面を得ることもできる。実験によれば厚さ0.1[μｍ]の金属微粒子膜によっても必要十分な接合が実現された。

本実施例では、上記工程７におけるバンプ５と電極７との接触圧を200[Mpa]で一定とした。ただし、初期設定圧を10[Mpa]とし、時間の経過とともに加圧力を上げ、最終的に200[Mpa]とすることも可能である。初期設定圧を低く抑えることで、微細な隙間を確保し、未反応の金属微粒子ペーストへの酸素の供給と分解ガスの放出経路を確保することができるため、未反応の金属微粒子ペーストが閉じ込められる可能性が低くなり、より安定した接合が可能となる。

本実施例では、上記の設定温度により電極接合を実施したが、金属微粒子の凝集防止に使用される有機被膜の特性により適宜、温度を変更する。また、本実施例では、半導体チップ３の電極４に形成されるバンプ５に金のスタッドバンプを用いている。しかし、金メッキバンプなど微細ピッチ接続に使用されるバンプに対しても本発明の電極接合方法は適用することができる。金メッキバンプの表面は結晶粒サイズの粗さを有しており、接続する際には加熱、加圧による塑性変形によって接触面積を増すことで接続を安定化させている。しかし、本発明の電極接合方法を適用することで、表面の粗さによる接触面積の低下が回避されることは、これまでの説明から容易に理解できる。

さらにメッキバンプのような比較的平坦なバンプを用いる場合は、半導体チップに直接印刷もしくはインクジェットプリンタの原理を使用してバンプ先端に所定量の金属微粒子ペーストを供給することも可能である。

本実施例においては金属微粒子ペースト２を構成する金属微粒子には金を用いているが、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉなどの金属、あるいは合金粉末を使用することも可能である。また、金属微粒子ペーストを構成する金属微粒子は、その粒子径がμｍ以下の金属超微粒子が望ましく、粒子径が1nm〜数十nmであることがさらに望ましい。本実施例では、バンプ５の材料にも金を用いているが、Ｃｕ、Ｎｉなどバンプ材料として一般的な金属を適宜使用することができる。この場合、バンプ材料と、金属微粒子は同種の金属をもちいることが接合部の安定性を確保する上で望ましいが、同種金属以外においても接合温度を低下させ、接合面の粗さを吸収して低ダメージで接合することが可能である。

図３に、本発明の電極接合方法を用いて製造された半導体モジュールの一例を示す。図示されている半導体チップ３aの電極４aに形成されているバンプ５aにはスタッドバンプが使用されている。バンプ５aの先端は、金属超微粒子ペーストの転写時に平坦化され（図１（ｂ）に示す工程において平坦化され）、基板６aへの実装時には高荷重、高温度をかけることなく実装が完了している。尚、接合部は封止樹脂１０aによって封止されている。

図４に、本発明の電極接合方法を用いて製造された半導体モジュールの他例を示す。図示されている半導体モジュールは、半導体チップ１bに半導体チップ１cが積層されたチップオンチップ構造を有する。バンプ５b、５cは微細ピッチ並びにエリアバンプに有利なメッキバンプであり、メッキバンプ５bと５cとが本発明の電極接合方法によって接合されている。メッキバンプ５b、５cの表面には、メッキの成長速度やアニール温度に依存した結晶粒径に起因する凹凸があり、両バンプ５b、５cを接続するためには凹凸を埋めるための塑性変形が必要であった。しかし、本発明の電極接合方法を用いることによって、両バンプ５b、５c間に介在する金属微粒子膜６bによって凹凸が埋められ、高荷重、高温度をかけることなく接合が完了している。

本発明の電極接合方法を用いて得られた半導体モジュールの電極間の接合部（電極とバンプとの接合部、バンプとバンプとの接合部を含む）が金属微粒子膜を介して接合されており、有機成分が接合界面に介在しない。よって、導電性ペーストなどを介して接続された場合に比べて信頼性が高まる。また、金属微粒子がバンプや電極と同じ材料である場合、低温度及び低荷重で接合が完了する。よって、半導体チップや基板などが電極接合時にダメージを受けることがない。

本発明の電極接合方法における加熱、加圧のタイミングの一例を示すプロファイルである。本発明の電極接合方法の実施例を示す工程図である。本発明の電極接合方法を用いて製造された半導体装置の一例を示す断面図である。本発明の電極接合方法を用いて製造された半導体装置の他例を示す断面図である。熱圧着法を用いた実装構造を示す断面図である。ハンダバンプ方を用いた実装構造を示す断面図である。特許文献２に記載されているガス抜き溝を示す断面図である。

符号の説明

１ベース
２金属微粒子ペースト膜
３、３a、３b、３c 半導体チップ
４電極
５、５a、５b、５c バンプ
６、６a、６b 金属微粒子膜
７基板
８電極
１０a 封止樹脂

Claims

保護被膜で被覆された金属微粒子を溶媒中に拡散させた接合媒体を電極の接合部に付着させる第１の工程と、
前記接合部に付着している前記接合媒体を前記保護被膜が分解又は還元される温度以上の温度に加熱する第２の工程と、
前記第２の工程の後に、前記接合媒体が付着している前記接合部を他の電極の接合部に接触させて加圧する第３の工程と、を含むことを特徴とする、
電極接合方法。
前記第２の工程よりも前に、前記接合部に付着している前記接合媒体を前記溶媒が揮発する温度以上の温度に加熱する予備加熱工程を含むことを特徴とする請求項１記載の電極接合方法。
前記第３の工程が、前記第２の工程による加熱温度を維持した状態で開始されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電極接合方法。
前記第２の工程での前記接合媒体の加熱温度が２４０℃であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電極接合方法。
前記接合部が前記電極に形成された金属バンプであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電極接合方法。
前記金属微粒子の金属成分が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｐｄの少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電極接合方法。
前記保護被膜が有機被膜又は酸化被膜であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電極接合方法。
前記接合媒体に還元剤が含まれていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の電極接合方法。
前記第３の工程において、初期の加圧力を所望の加圧力よりも小さく設定し、時間経過とともに加圧力を次第に大きくすることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の電極接合方法。
前記接合部に付着している前記接合媒体の厚みが5μm以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の電極接合方法。
接合される一方の電極が半導体チップに設けられ、他方の電極が前記半導体チップが実装される基板に設けられている請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の電極接合方法。