JP2008130727A - 半導体装置の製造方法及びそれに用いられるチップボンダ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の組み立てにおいて信頼性を向上させる。
【解決手段】配線基板１を支持可能なステージ３と、半導体チップ２を保持可能なボンディングツール４と、ボンディングツール４にかかる荷重の変化を検知するロードセル５と、ロードセル５によって検知された荷重の変化点におけるステージ３及びボンディングツール４の高さを検出して記憶する制御部７とを有している。さらに、フリップチップ接続の際に、半導体チップ上の金バンプ１１が配線基板１上の端子１ｃに接触した時点でのボンディングツール４とステージ３の高さを検出し、その結果、制御部７により、ボンディングツール４の荷重の変化点におけるステージ３及びボンディングツール４の高さと、前回記憶したステージ３及びボンディングツール４の高さとを比較してその差が許容範囲内であればフリップチップ接続を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に、フリップチップ接続が行われる半導体装置の組み立てに適用して有効な技術に関する。

フリップチップボンダにおいて、電子部品を電子回路基板に第１の位置合わせを行なう工程と、低融点材料からなる複数の第１の突起部を加熱によって溶融させる工程と、第１の突起部を、電子回路基板上の第１の突起部に対して同じ材料で形成された第２の突起部に接触させる工程と、第１及び第２の突起部を溶融して自己整合的に第２の位置合わせを行なう工程とを有するようにした技術がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２５３５９８号公報（図２）

近年、集積回路が搭載された複数の半導体チップを高密度に実装し、高速・高機能なシステムを実現するＳＩＰ（System In Package)技術が注目されている。ＳＩＰの代表的な構造の一例として、メモリチップと、このメモリチップを制御する制御用チップとが搭載され、かつ制御用チップ上に１つまたは複数のメモリチップが積層されているものがある。さらに、このような構造のＳＩＰの一例として、１段目の制御用チップが配線基板にフリップチップ接続されているものがある。ＳＩＰの組み立てにおいて、フリップチップ接続ではフリップチップボンダが用いられている。

本発明者が検討した図８及び図９の比較例に示すステージ４０とボンディングツール５０を有するフリップチップボンダ３０では、チップ搭載時は荷重制御を行っており、高さ変化に対しては、０．２ｍｍ以内の変化は検出できない。すなわち、製品や組み立てのバラツキを考慮してバラツキによる許容範囲の上限を０．２ｍｍとした場合、図８の比較例に示すように、フリップチップボンダ３０のステージ４０上に高さ０．２ｍｍ以下の異物２０が存在していても検出できずにそのまま配線基板１を配置してしまう。あるいは、図９の比較例に示すように、金バンプ１１を含む半導体チップ２の厚さ（Ｔ）が０．１〜０．１５ｍｍ程度の場合には、チップ上に誤ってもう１つの半導体チップ２を搭載するという二重搭載が発生する。つまり、許容範囲内での不具合は検知できない。

したがって、異物２０やチップ二重搭載の発生によってＳＩＰ（半導体装置）の品質や信頼性が低下するという問題が引き起こされる。

なお、前記特許文献１（特開２００４−２５３５９８号公報）に記載されているフリップチップボンダにおいても、チップ搭載を荷重制御で行うと異物やチップ二重搭載の問題が発生するものと思われる。

本発明の目的は、半導体装置の組み立てにおいて信頼性を向上させることができる技術を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、半導体装置の組み立てにおいて不良率を低減させることができる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

すなわち、本発明は、（ａ）フリップチップ接続を行うとともに、ツールにかかる荷重の変化を検知して第１半導体チップのバンプ電極と第１配線基板の端子とが接触した時点のステージとツールの高さを検出する工程を有している。さらに、（ｂ）第２半導体チップのバンプ電極と第２配線基板の端子とを接触させ、接触した時点のツールにかかる荷重の変化を検知してステージとツールの高さを検出し、この検出結果と前記（ａ）工程での高さの検出結果とを比較してその差が予め設定された許容範囲内であればフリップチップ接続を行う工程を有しており、前記（ｂ）工程を順次繰り返してフリップチップ接続を行うものである。

また、本発明は、ステージと、半導体チップを保持可能なツールと、ツールにかかる荷重の変化を検知する荷重検知手段と、荷重の変化点におけるステージ及びツールの高さを検出して記憶する制御部とを有している。さらに、フリップチップ接続の際に、制御部によってツールの荷重の変化点におけるステージ及びツールの高さと、前回記憶したステージ及びツールの高さとを比較してその差が予め設定された許容範囲内であればフリップチップ接続を行うものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

フリップチップによるチップ搭載時に、ステージ及びツールの高さを１つ前のチップ搭載時の高さと比較して搭載することにより、バラツキによる許容範囲内レベルの高さの異常であっても検知することができる。これによって、チップ搭載時に、異物の存在やチップ二重搭載等を検知することが可能になり、半導体装置の組み立てにおける信頼性を向上させることができる。

また、チップ搭載時に、異物の存在やチップ二重搭載等を検知することが可能になるため、半導体装置の組み立てにおいて不良率を低減させることができる。

以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法で用いられるチップボンダの主要構成の一例を示す構成概念図、図２は本発明の実施の形態のフリップチップボンディング時の荷重制御方法の一例を示す概念図、図３は本発明の実施の形態のフリップチップボンディング時のボンディング状態の一例を示す断面図である。また、図４は本発明の実施の形態の半導体装置の組み立てにおけるダイボンディングまでの組み立ての一例を示すプロセスフロー図、図５は本発明の実施の形態の半導体装置の組み立てにおけるワイヤボンディング以降の組み立ての一例を示すプロセスフロー図、図６は本発明の実施の形態の変形例のフリップチップボンディング方法を示す概念図、図７は他の変形例のフリップチップボンディング方法を示す概念図である。さらに、図８は比較例のフリップチップボンディング方法を示す断面図、図９は比較例のフリップチップボンディング方法を示す断面図である。

本実施の形態の半導体装置の製造方法によって組み立てられる半導体装置は、配線基板１上に複数の半導体チップ２が積層された半導体パッケージであるとともに、フリップチップボンディングが行われて組み立てられた半導体パッケージである。本実施の形態では、前記半導体装置の一例として、配線基板１上に複数の半導体チップ２を高密度に実装し、高速・高機能なシステムを実現する図５に示すＳＩＰ１０を取り上げて説明する。すなわち、ＳＩＰ１０には、配線基板１上にメモリチップである１つの半導体チップ２と、このメモリチップを制御する制御用チップである半導体チップ２が積層されている。

図５に示すＳＩＰ１０では、配線基板１上に制御用チップである半導体チップ２がフリップチップ接続によって搭載され、さらにこの制御用チップ上にメモリチップである半導体チップ２が積層されており、このメモリチップは、ワイヤ８によって配線基板１に電気的に接続されている。

ＳＩＰ１０の詳細構造について説明すると、主面１ｂ上に複数の端子１ｃが設けられた配線基板１と、配線基板１上にフリップチップ接続で搭載された下段の半導体チップ（制御用チップ）２と、前記制御用チップ上に積層された上段の半導体チップ（メモリチップ）２とを有している。さらに、配線基板１のボンディング電極１ｆと上段の半導体チップ２の主面２ｂの表面電極２ｃを電気的に接続する複数のワイヤ８と、２つの半導体チップ２及び複数のワイヤ８を樹脂封止する樹脂体９と、配線基板１の裏面１ｅに設けられた複数の外部端子である半田ボール６とを有している。

また、下段の半導体チップ２は、金バンプ（バンプ電極）１１と半田１２を介して配線基板１の端子１ｃにフリップチップ接続されている。すなわち、下段の半導体チップ２は、金−半田接続によって配線基板１に接続されている。

なお、樹脂体９を形成する封止用樹脂は、例えば、エポキシ系の熱硬化性樹脂等である。さらに、ワイヤ８は、例えば、金線である。

次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法のフリップチップ接続工程で用いられるフリップチップボンダの構成について説明する。

図１は、本実施の形態のフリップチップボンダ１４の主要構成を示すものである。フリップチップボンダ１４は、配線基板１を支持可能なステージ３と、ステージ３に対向して配置され、かつ半導体チップ２を保持可能なボンディングツール（ツール）４と、ボンディングツール４にかかる荷重の変化を検知するロードセル（荷重検知手段）５と、ロードセル５によって検知された荷重の変化点におけるステージ３及びボンディングツール４の高さを検出して記憶する制御部７とを有している。つまり、ボンディングツール４には、これに掛かる荷重を検出するロードセル５が連結されており、ロードセル５によってボンディングツール４にかかる荷重の変化を検知する。

したがって、本実施の形態のフリップチップボンダ１４では、フリップチップ接続の際に、半導体チップ２に設けられた金バンプ１１が配線基板１上の端子１ｃに接触した時点でのボンディングツール４とステージ３の高さを検出することができる。その結果、制御部７により、ボンディングツール４の荷重の変化点におけるステージ３及びボンディングツール４の高さと、前回（１回前のフリップチップ接続時に）記憶したステージ３及びボンディングツール４の高さとを比較してその差が予め設定された許容範囲内であればフリップチップ接続を行う。

すなわち、フリップチップボンダ１４の制御部７による荷重制御では、ロードセル５による荷重変化点の検知に基づいて、その時点でのステージ３とボンディングツール４の高さ（例えば、図１に示す距離Ｌ）を検出するとともに、この検出結果を記憶することが可能なものである。例えば、ロードセル５による荷重変化点の検知に基づいて、その時点でのステージ３の支持面３ａの高さと、ボンディングツール４の先端面４ａの高さをそれぞれ検出して距離Ｌを検出する。

その結果、フリップチップ接続時に、前回（１つ前のフリップチップ接続時）に記憶した荷重変化点でのステージ３及びボンディングツール４の高さと、今回の高さとを比較し、両者の差が許容範囲内の場合に異常無しとしてフリップチップ接続を行う。

その結果、例えば、製品（ＳＩＰ１０）や組み立てのバラツキを考慮してバラツキによる許容範囲の上限を０．２ｍｍと設定した際に、０．２ｍｍ以下の干渉物も検出することが可能になる。すなわち、バラツキによる許容範囲内レベルの不具合でも検出することができる。

なお、前回（１回前）のフリップチップ接続時のステージ３及びボンディングツール４の高さと今回の高さを比較してその差が許容範囲を超えた場合には、装置エラーとしてフリップチップボンディングの動作を一旦停止し、オペレータによって異常を確認するとともに、不具合を修正し、装置のメンテナンスを行う。その後、再びフリップチップボンディングの動作を開始する。

また、本実施の形態のフリップチップボンダ１４の制御部７による荷重制御では、図２に示すように、ボンディングツール４にかかる荷重の変化の検知を行うための設定範囲として、荷重制御範囲を有している。図２は、フリップチップ接続時のボンディングツール４のＺ軸方向の高さ変位の一例を示す図であり、時間（ｔ）に対するボンディングツール４の高さ方向の変位を表している。図２に示す荷重制御範囲のように、Ｐ点が荷重サーチ開始点、Ｑ点が設定荷重到達点、Ｒ点が上昇開始点である。ボンディングツール４は、最初下降し始めて荷重サーチ開始点であるＰ点までは高速下降する。その後、荷重サーチ開始点（Ｐ点）〜設定荷重到達点（Ｑ点）までの荷重サーチ範囲（Ｍ）では、ボンディングツール４を速度を落として下降させる。その後、Ｑ点からＲ点までがフリップチップ接続でボンディングツール４から半導体チップ２に荷重を印加している範囲である。その後、Ｒ点から再びボンディングツール４を上昇させる。

このように荷重サーチ開始点（Ｐ点）までボンディングツール４を高速下降させることにより、フリップチップ接続の処理時間を短縮することができる。さらに、荷重サーチ範囲（Ｍ）において、ボンディングツール４を速度を落として下降させることにより、半導体チップ２の高速状態での基板への衝突を阻止することができる。

なお、荷重サーチ範囲（Ｍ）は、製品や組み立てのバラツキを考慮して、例えば、０．２ｍｍ程度に設定することが好ましい。

次に、図４及び図５を用いて、本実施の形態のフリップチップボンダ１４を用いた半導体装置の製造方法について説明する。

まず、図３に示すように、ステージ３上に第１配線基板１ａを配置し、その後、第１半導体チップ２ａを保持したボンディングツール４をステージ３の上方で降下させて、第１半導体チップ２ａに設けられた金バンプ１１と第１配線基板１ａの端子１ｃとを接触させてフリップチップ接続する。その際、金バンプ１１と端子１ｃとが接触した時点のボンディングツール４にかかる荷重の変化をロードセル５によって検知してステージ３とボンディングツール４の高さを検出し、この検出結果を記憶する。

その後、図４のステップＳ１に示す半田付き基板を準備する。前記半田付き基板は、第２配線基板１ｄの端子１ｃに予め半田１２が塗布されたものである。続いて、図３に示すステージ３上に第２配線基板１ｄを配置し、その後、ステップＳ２に示すＮＣＰ（Non-Conductive Paste) 塗布を行う。ここでは第２配線基板１ｄの端子１ｃ上にＮＣＰ１３を塗布する。

その後、ステップＳ３に示すフリップチップ（ＦＣ）接続を行う。まず、第２半導体チップ２ｄを保持したボンディングツール４をステージ３の上方で降下させて第２半導体チップ２ｄに設けられた金バンプ１１と第２配線基板１ｄの端子１ｃとを接触させてフリップチップ接続を行う。すなわち、半田１２を介して金バンプ１１と端子１ｃとを電気的に接続させる。

フリップチップ接続時には、金バンプ１１と端子１ｃが接触した時点のボンディングツール４にかかる荷重の変化を検知してステージ３とボンディングツール４の高さを検出する。さらに、この検出結果と、前回（１回前のフリップチップ接続時）のステージ３とボンディングツール４の高さの検出結果とを比較し、その差が予め設定された許容範囲（例えば０．２ｍｍ）内であれば、問題無しとしてフリップチップ接続を行う。

なお、前回（１回前）のフリップチップ接続時のステージ３及びボンディングツール４の高さと今回の高さを比較してその差が許容範囲を超えた場合には、装置エラーとしてフリップチップ接続の動作を一旦停止し、オペレータによって異常を確認するとともに、不具合を修正し、装置のメンテナンスを行う。その後、再びフリップチップ接続の動作を開始する。

このような作業を各パッケージ領域に対して繰り返して順次フリップチップ接続を行う。

なお、本実施の形態のフリップチップボンダ１４では、ボンディングツール４の下降動作として図２に示すような制御を行っている。

すなわち、ボンディングツール４は、最初下降し始めて荷重サーチ開始点であるＰ点までは高速下降し、その後、荷重サーチ開始点（Ｐ点）〜設定荷重到達点（Ｑ点）までの荷重サーチ範囲（Ｍ）では、速度を落として下降する。さらに、Ｑ点からＲ点までがフリップチップ接続でボンディングツール４から半導体チップ２に荷重を印加している範囲である。その後、Ｒ点から再び上昇する。

このように荷重サーチ開始点（Ｐ点）までボンディングツール４を高速下降させることで、フリップチップ接続の処理時間を短縮することができる。さらに、荷重サーチ範囲（Ｍ）において、ボンディングツール４を速度を落として下降させることで、半導体チップ２の高速状態での基板への衝突を阻止できる。

なお、図４に示すフリップチップ接続は、金バンプ１１と半田１２による金−半田接続である。

フリップチップ接続完了後、ステップＳ４に示すダイボンディングを行う。ここでは、第２半導体チップ２ｄ上にフェイスアップ実装で主面２ｂを上方に向けて半導体チップ２を積層する。

その後、図５のステップＳ５に示すワイヤボンディングを行う。ここでは、半導体チップ２の主面２ｂの表面電極２ｃとこれに対応する第２配線基板１ｄのボンディング電極１ｆとを金線等のワイヤ８で電気的に接続する。

その後、ステップＳ６に示す樹脂封止を行う。例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂等を用いて複数のワイヤ８や半導体チップ２及び第２半導体チップ２ｄを封止する。

その後、ステップＳ７に示すように、基板裏面に外部端子として複数の半田ボール６を搭載し、さらに個片化してＳＩＰ１０の組み立て完了となる。

次に、本実施の形態の変形例のフリップチップ接続について説明する。

図６に示す変形例は、ステージ３の上方に設置された高さ検出手段によって、フリップチップ接続前に予め基板上に干渉物が無いかを検出してからフリップチップ接続を行うものである。すなわち、ステージ３上に配線基板１を配置し、その後、光センサ（高さ検出手段）１５によって配線基板１の高さや凹凸を検出する。この検出結果が予め設定された許容範囲内であればフリップチップ接続を行い、一方、許容範囲外であれば、一度、装置を停止させ、不具合を取り除いてから再度フリップチップ接続を開始する。このように荷重制御ではなく、光センサ１５等を用いても配線基板１の高さや凹凸を検出して不具合を回避してからフリップチップ接続を行うことができる。

また、図７に示す他の変形例は、積層される半導体チップ２上の金バンプ１１を下段の半導体チップ２の貫通孔２ｅに装着して、熱カシメによってフリップチップ接続するパッケージ構造のものである。最下段の半導体チップ２は配線基板１に半田１２を介して電気的に接続されており、さらに、半導体チップ２の金バンプ１１の周囲には樹脂１６が充填されている。

この場合においても、本実施の形態の荷重制御によるフリップチップ接続や、光センサ等の高さ検出手段を用いてフリップチップ接続を行うことで図１に示すフリップチップボンダ１４と同様の効果を得ることができる。

本実施の形態の半導体装置の製造方法及びチップボンダによれば、フリップチップによるチップ搭載時に、ステージ３及びボンディングツール４の高さを１つ前のチップ搭載時の高さと比較して搭載することで、バラツキによる許容範囲内レベルの高さの異常であっても検知することができる。

これによって、チップ搭載時に、異物の存在やチップ二重搭載等を検知することが可能になり、その結果、ＳＩＰ（半導体装置）１０の組み立てにおける信頼性を向上させることができる。

また、チップ搭載時に、異物の存在やチップ二重搭載等を検知することが可能になるため、その結果、ＳＩＰ（半導体装置）１０の組み立てにおいて不良率を低減させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、前記実施の形態では、半導体装置（ＳＩＰ１０）において２つの半導体チップが積層されている場合を説明したが、本実施の形態の半導体装置は、フリップチップ接続される少なくとも１つの半導体チップ２を有していれば、その積層数は何段であってもよい。

本発明は、フリップチップ接続が行われて組み立てられる電子装置に好適である。

本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法で用いられるチップボンダの主要構成の一例を示す構成概念図である。 本発明の実施の形態のフリップチップボンディング時の荷重制御方法の一例を示す概念図である。 本発明の実施の形態のフリップチップボンディング時のボンディング状態の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態の半導体装置の組み立てにおけるダイボンディングまでの組み立ての一例を示すプロセスフロー図である。 本発明の実施の形態の半導体装置の組み立てにおけるワイヤボンディング以降の組み立ての一例を示すプロセスフロー図である。 本発明の実施の形態の変形例のフリップチップボンディング方法を示す概念図である。 本発明の実施の形態の他の変形例のフリップチップボンディング方法を示す概念図である。 比較例のフリップチップボンディング方法を示す断面図である。 比較例のフリップチップボンディング方法を示す断面図である。

符号の説明

１ 配線基板
１ａ 第１配線基板
１ｂ 主面
１ｃ 端子
１ｄ 第２配線基板
１ｅ 裏面
１ｆ ボンディング電極
２ 半導体チップ
２ａ 第１半導体チップ
２ｂ 主面
２ｃ 表面電極
２ｄ 第２半導体チップ
２ｅ 貫通孔
３ ステージ
３ａ 支持面
４ ボンディングツール（ツール）
４ａ 先端面
５ ロードセル（荷重検知手段）
６ 半田ボール
７ 制御部
８ ワイヤ
９ 樹脂体
１０ ＳＩＰ（半導体装置）
１１ 金バンプ（バンプ電極）
１２ 半田
１３ ＮＣＰ
１４ フリップチップボンダ
１５ 光センサ（高さ検出手段）
１６ 樹脂
２０ 異物
３０ フリップチップボンダ
４０ ステージ
５０ ボンディングツール

Claims (5)

1. （ａ）ステージ上に第１配線基板を配置し、その後、第１半導体チップを保持したツールを前記ステージの上方で降下させて、前記第１半導体チップに設けられたバンプ電極と前記第１配線基板の端子とを接触させてフリップチップ接続するとともに、前記接触した時点の前記ツールにかかる荷重の変化を検知して前記ステージと前記ツールの高さを検出する工程と、
   （ｂ）前記ステージ上に第２配線基板を配置し、その後、第２半導体チップを保持したツールを前記ステージの上方で降下させて前記第２半導体チップに設けられたバンプ電極と前記第２配線基板の端子とを接触させ、前記接触した時点の前記ツールにかかる荷重の変化を検知して前記ステージと前記ツールの高さを検出し、この検出結果と前記（ａ）工程での高さの検出結果とを比較してその差が予め設定された許容範囲内であればフリップチップ接続を行う工程とを有し、
   前記（ｂ）工程を順次繰り返してフリップチップ接続を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記ツールにかかる荷重の変化の検知を行う荷重制御範囲を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記バンプ電極は金バンプであり、前記フリップチップ接続を行う際に前記第１及び第２配線基板の端子に半田が塗布されており、金−半田接続によって前記フリップチップ接続を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. （ａ）ステージ上に配線基板を配置する工程と、
   （ｂ）高さ検出手段によって前記配線基板の高さを検出し、この検出結果が予め設定された許容範囲内であれば前記配線基板の端子と、半導体チップの電極に設けられたバンプ電極とをフリップチップ接続する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 配線基板を支持可能なステージと、
   前記ステージに対向して配置され、半導体チップを保持可能なツールと、
   前記ツールにかかる荷重の変化を検知する荷重検知手段と、
   前記荷重検知手段によって検知された荷重の変化点における前記ステージ及び前記ツールの高さを検出して記憶する制御部とを有し、
   フリップチップ接続の際に、前記制御部によって前記ツールの荷重の変化点における前記ステージ及び前記ツールの高さと、前回記憶した前記ステージ及び前記ツールの高さとを比較してその差が予め設定された許容範囲内であればフリップチップ接続を行うことを特徴とするチップボンダ。

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