JP2010087053A - スタッドバンプ形成用キャピラリおよびフリップチップ実装方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミック基板に半導体素子を実装する際に、セラミック基板のうねりとスタッドバンプの高さばらつきとを吸収する導電性接着剤の転写量を確保できるように、当該スタッドバンプを形成するキャピラリを提供する。
【解決手段】金属線を挿通する貫通孔10を先端部においてロート状に拡開させるとともに、前記ロート状の開口部15の延長線上の頂角を60°〜70°とし、同開口部15の最大径を62μm〜66μmとする。
【選択図】図2
【解決手段】金属線を挿通する貫通孔10を先端部においてロート状に拡開させるとともに、前記ロート状の開口部15の延長線上の頂角を60°〜70°とし、同開口部15の最大径を62μm〜66μmとする。
【選択図】図2
Description
本発明は、半導体素子をセラミック基板上に実装するために用いるスタッドバンプ形成用キャピラリおよびフリップチップ実装方法に関するものである。
半導体素子をセラミック基板上に実装する半導体実装方法として、半導体素子の電極形成面を上面にして基板上に搭載し、金線やアルミ線を介して電気的に接続するワイヤーボンディング実装方法と、半導体素子の電極形成面を下面にして基板上に搭載して接合するフリップチップ実装方法とがある。携帯電話などの薄型化、小型化が求められる電子機器には、フリップチップ実装方法が薄型化に有効であることから特に有用である。
フリップチップ実装の工法には、半導体素子上にスタッドバンプを形成して導電性接着剤を介して基板の電極と接続するSBB実装、同スタッドバンプを異方性導電フィルムを介して基板の電極と接続するACF実装、半導体素子上に半田バンプを形成して基板と接続するC4実装などの様々な工法がある。
SBB実装について説明する。図4(a)(b)(c)に示すように、キャピラリ111の貫通孔から金線112を押し出して、その先端に放電等による加熱により金ボール113を形成し、この金ボール113を半導体素子2の電極上に圧着して超音波による振動と熱とで接合させた後、キャピラリ111を引き上げて接続金属塊114から引き離すとともに、金線112を引きちぎるようにして切り離すことにより、スタッドバンプ101を形成する。
スタッドバンプ101を形成する目的は、半導体素子2に設けられた図示しない電極と実装基板に設けられたランドとの電気的接合を得るためである。スタッドバンプ101は、大きく分けて、台座部108と呼ばれる略円板状の部分と頭頂部109と呼ばれる略円柱あるいは略円すい状の部分とからなる。
図5(a)は、スタッドバンプ101が形成された半導体素子2を示す。形成当初のスタッドバンプ101は高さのばらつきが大きいため、図5(b)に示すように平面状の金属板3に押し当てることで高さを均一に揃える。このときのスタッドバンプ101の高さは、金属板3に押し当てる圧力により制御可能である。
この半導体素子2を、図5(c)(d)に示すように、スタッドバンプ101の頭頂部109を転写台5上の導電性接着剤4に浸漬させてから引き上げると、スタッドバンプ1に導電性接着剤4が表面張力により転写される。tは転写量と呼ばれる、スタットバンプ101の上面での導電性接着剤4の厚みを示す。
その後に、図5(e)に示すように、半導体素子2に形成された認識用のパターン(図示せず)とセラミック基板6上に形成された認識用のパターン(図示せず)とを用いて位置を合わせた上で、半導体素子2を所定の荷重をかけながらセラミック基板6上に搭載する。この時の荷重は、上述のようにスタッドバンプ101の高さを補正するために平面状の金属板に押し当てる時の荷重より小さく設定することが一般的である。
これにより、半導体素子2上のスタッドバンプ101とセラミック基板6上の電極7とが対向した状態で導電性接着剤4によって接合され、半導体素子2のセラミック基板6上へのSBB実装が完了する。さらに必要に応じてエポキシ樹脂等を用いて半導体素子2とセラミック基板6との間を封止したものがフリップチップ実装構造体である。
ところで、セラミック基板6には焼成時の収縮ばらつきや積層工程の精度に起因する表面のうねりが存在し、うねりの大きさは精度の良い基板を用いたとしても実装エリア内において5μm程度の大きさで存在する。またスタッドバンプ101の高さは、上述のように平面状の金属板3に押し当てて補正しても2μm程度のばらつきを有している。
このため、半導体素子2をセラミック基板6上に実装して導電性接着剤4を介して電気的な接続を確保するためには、セラミック基板6のうねりの大きさとスタッドバンプ101の高さバラツキとの和よりも導電性接着剤4の転写量tが大きくなければならず、転写量tは少なくとも7μm必要である。
しかし導電性接着剤4の転写量tを十分に確保しようとすると、その絶対量が多くなり、スタッドバンプ101の台座部108にも保持されずこぼれることがある。こぼれを防止するべく転写量tが十分に確保されていない場合は接続不良が発生する。
そこで、キャピラリ111として、貫通孔の先端部がロート状に拡開したものを用い、その先端面よりも直径が大きくなるように台座部108を形成することにより、スタッドバンプ101に十分な転写量tを確保し且つこぼれを防止することが提案されている(例えば特許文献1)。
特開2001−85472公報
しかし、貫通孔の先端部がロート状に拡開した従来のキャピラリ111によっては、導電性接着剤4のこぼれに有効な台座部108を持ったスタッドバンプ101を形成可能であるものの、このスタッドバンプ101でも、頭頂部109を浸漬した導電性接着剤4から引き上げた後に、頭頂部109と台座部108との境界部分に導電性接着剤4が這い上がる場合と殆ど這い上がらない場合が生じる。這い上がりの発生を一定に制御することは非常に困難であり、導電性接着剤4の転写量tのばらつきが多くなったり、導電性接着剤4の転写量tが小さくなることがある。その結果、半導体素子2上の電極とセラミック基板6上の導電ランドとの電気的接合を確保することができず、実装歩留まりの低下を引き起こす。
本発明は、上記問題に鑑み、セラミック基板のうねりと半導体素子のスタッドバンプの高さばらつきとを吸収する導電性接着剤の転写量を確保できるように、当該スタッドバンプを形成できるキャピラリと、形成されたスタッドバンプを用いた実装歩留まりの高いフリップチップ実装方法とを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のスタッドバンプ形成用キャピラリは、金属線を挿通する貫通孔を先端部においてロート状に拡開させるとともに、前記ロート状の開口部の延長線上の頂角を60°〜70°とし、同開口部の最大径を62μm〜66μmとしたことを特徴とする。
また本発明のフリップチップ実装方法は、半導体素子の電極上にスタッドバンプを形成し、このスタッドバンプ上に導電性接着剤を転写した後、スタッドバンプをセラミック基板の導電ランド上に圧着して、前記半導体素子と前記セラミック基板とを接合するフリップチップ実装方法において、前記スタッドバンプを、上記のキャピラリを用いて、台座部と頭頂部とを有していて、前記頭頂部における台座部との境界部分に先端寄りほど狭まるテーパ部分を有する形状に形成することを特徴とする。
本発明によれば、キャピラリの開口部を上述の形状および寸法としたことにより、セラミック基板のうねりとスタッドバンプの高さばらつきとを吸収する導電性接着剤の転写量を確保できるように当該スタッドバンプを形成することができ、それにより実装歩留まりの高いフリップチップ実装方法を実現できる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図1は本発明によるフリップチップ実装方法のうち、半導体素子の電極上にスタッドバンプを形成する工程を示す。
図1は本発明によるフリップチップ実装方法のうち、半導体素子の電極上にスタッドバンプを形成する工程を示す。
図1(a)に示すように、キャピラリ11の貫通孔10に金線12を通し、その先端を押し出して放電によって加熱することにより、キャピラリ11の先端に金ボール13を形成する。キャピラリ11の貫通孔10は先端部分がロート状に拡開しているが、このことについては後段で詳述する。
次に、図1(b)(c)に示すように、金ボール13を、200℃程度に加熱した半導体素子2の図示しない電極上に圧着して超音波振動を加えることにより、電極表面上に金を拡散させて接合させ、その後キャピラリ11を引き上げて、接続金属塊14から引き離すとともに金線12を引きちぎるようにして切り離すことにより、スタッドバンプ1を形成する。そしてその後に、スタッドバンプ1を所定の圧力にて平面状の金属板を押し当てることにより高さを揃えて(図5(b)参照)、図1(d)に示す形状とする。
図2(a)はキャピラリ11の一部を拡大して示しており、図2(b)は同キャピラリ11を用いて形成したスタッドバンプ1を示している。
図2(a)(b)において、キャピラリ11は、上述したように貫通孔10の先端部分がロート状に拡開している。開口部15の周囲の先端面はほぼ平坦である。貫通孔10の大部分は金線を挿通するほぼ一定の直径を有している。以下、この直径をホール径と呼びHと表記する。ロート状の開口部15の延長線上の頂角はインナーチャンファーアングルと呼びICAと表記することとし、開口部15の最大径はチャンファー径と呼びCDと表記することとする。
図2(a)(b)において、キャピラリ11は、上述したように貫通孔10の先端部分がロート状に拡開している。開口部15の周囲の先端面はほぼ平坦である。貫通孔10の大部分は金線を挿通するほぼ一定の直径を有している。以下、この直径をホール径と呼びHと表記する。ロート状の開口部15の延長線上の頂角はインナーチャンファーアングルと呼びICAと表記することとし、開口部15の最大径はチャンファー径と呼びCDと表記することとする。
スタッドバンプ1は、先に図5を用いて説明した従来のものと同様に、大きく分けて、台座部8と呼ばれる略円板状の部分と頭頂部9と呼ばれる略円柱あるいは略円すい状の部分とで構成されている。また、頭頂部9は、台座部8とは段差をなしており、台座部8との境界部分に先端寄りほど狭まるテーパ部分9aを有し、このテーパ部分9aに連なる大径部分9bと小径部分9cとからなる2段円柱状突起を有している。
スタッドバンプ1を形成する際には、キャピラリ11は金ボールに圧力を加えて塑性変形を起こさせるので、台座部8と頭頂部9との境界付近の形状に大きく影響することとなり、キャピラリ11の形状が重要な要素となる。このキャピラリ11では、インナーチャンファーアングルICAは頭頂部9のテーパ部分9aの形状に影響し、チャンファー径CDはテーパ部分9aの底部の直径に影響し、ホール径Hは頭頂部9の直径、特に小径部分9cの直径に影響するので、所望のバンプ形状を得るためにそれぞれ適切に設定され、高い精度で管理が行われる。
たとえば、キャピラリ11を、材質をアルミナとし先端をポリッシュ仕上げとし、インナーチャンファーアングルICAを70°、チャンファー径CDを64μm、ホール径Hを42.5μmとし、直径25μmの金線を通し、金ボールの直径を65μmとした場合、スタッドバンプ1の全体の高さh1は42μm、台座部8の高さh2は20μm程度、台座部8の直径d1は75μm程度となる。頭頂部9の小径部分9cの直径d2は35μm程度、テーパ部分9aの底部の直径d3は50um〜55μm、テーパ部分9aの底角θは50°〜60°となる。
次に、上記のようにして準備した半導体素子のスタッドバンプ上に導電性接着剤を転写する工程と、前記導電性接着剤を転写した半導体素子をセラミック基板上に位置合わせして接合する工程とについて説明する。基本的な構成は従来のものとほぼ同一であるため、先に図5(a)〜図5(e)で説明した点に関しては簡単に説明する。
実装対象としたセラミック基板は、アルミナ約50重量%とガラス約50重量%の粉体に有機バインダーを加えて作成したグリーンシートを900℃にて焼結したものであって、無収縮タイプの低温焼成セラミック多層基板である。セラミック基板の厚みは0.77mm、基板全体のサイズは100×110mm、モジュール単体のサイズは25×25mmである。セラミック基板上の導電ランドは、Ag系の電極ペーストをスクリーン印刷により半導体素子2の電極に対応した所定のパターンに形成し、150℃にて乾燥した後、ベルト式の焼成炉にて850℃をピークとするプロファイルで焼結し、その上に無電解方式のニッケル金メッキを施すことで形成する。導電ランドのピッチは0.3mm、サイズは0.15mm×0.3mm、厚みは10μmである。完成したセラミック基板のうねりは4μm〜5μmとなる。
使用した半導体素子は、サイズが6.0mm×6.0mm×0.5mm厚みであり、パッド数が80パッドである。
図3(a)(b)において、半導体素子2には、基板の所定のパターンに対応したスタットバンプ1を形成し、高さを揃えてある。高さを揃えた後もスタッドバンプ1の高さばらつきは2μm程度存在する。この半導体素子2をスタッドバンプ1形成面を下にして、転写台5上に20μmの厚みで塗布された導電性接着剤4に頭頂部9を浸漬してから引き上げることにより、当該スタッドバンプ1に導電性接着剤4を転写する。このときには、転写された導電性樹脂4が半導体素子2の表面に付着しないように、転写圧力、時間を所定の条件に制御する。tは導電性接着剤4の転写量である。
図3(a)(b)において、半導体素子2には、基板の所定のパターンに対応したスタットバンプ1を形成し、高さを揃えてある。高さを揃えた後もスタッドバンプ1の高さばらつきは2μm程度存在する。この半導体素子2をスタッドバンプ1形成面を下にして、転写台5上に20μmの厚みで塗布された導電性接着剤4に頭頂部9を浸漬してから引き上げることにより、当該スタッドバンプ1に導電性接着剤4を転写する。このときには、転写された導電性樹脂4が半導体素子2の表面に付着しないように、転写圧力、時間を所定の条件に制御する。tは導電性接着剤4の転写量である。
その後に、図3(c)に示すように、半導体素子2とセラミック基板6とを位置を合わせした上で、半導体素子2を所定の荷重をかけながらセラミック基板6上に搭載し、120℃、1時間で導電性樹脂4を硬化させることで、半導体素子2上のスタッドバンプ101とセラミック基板6上の電極7とが対向した状態で導電性接着剤4によって接合され、半導体素子2のセラミック基板6上へのSBB実装が完了する。さらにその後に、半導体素子2とセラミック基板6との間に図示しないエポキシ樹脂からなるアンダーフィルを充填し、120℃で1時間、150℃で1時間、加熱することで硬化をさせて、フリップチップ実装構造体を得る。
ここで、スタッドバンプ1への導電性樹脂4の転写と、スタッドバンプ1の形成に用いたキャピラリ11のインナーチャンファーアングルとチャンファー径との関係について説明する。インナーチャンファーアングルおよびチャンファー径が異なる種々のキャピラリ11でスタッドバンプ1を形成し、その各々について、導電性樹脂4から引き上げた後の導電性樹脂4の転写量および転写状態を調べた。表1に結果を示す。
導電性樹脂の転写量は、転写前に半導体素子からスタッドバンプの先端までの高さ(I)を測定しておき、転写後に半導体素子から導電性樹脂の先端までの高さ(II)を測定し、高さ(II)と高さ(I)との差を算出した。転写状態は、スタッドバンプの台座部から導電性接着剤がこぼれていないかを判断基準とした。なお、上述のように、実装対象のセラミック基板のうねりが最大5μm、スタッドバンプ1の高さばらつきが2μm存在するため、導電性接着剤4の転写量は少なくとも7μm必要である。
一方、キャピラリのインナーチャンファーアングルが60°〜70°で、チャンファー径が62μm〜66μmの場合、転写量の最小値が7μm以上確保されている。転写状態も良好である。このことは、インナーチャンファーアングルおよびチャンファー径がこのような範囲にある時に、スタッドバンプの頭頂部のテーパ部分が、浸漬した導電性接着剤4を引き上げるために最適な形状となっていて、引き上げ効果が高いことを示している。またこのテーパ部分が存在するため、転写された導電性接着剤は、台座部と頭頂部の境界部分に対する這い上がりの進行が少なく、導電性樹脂の転写量は最も多く確保される。ただし、インナーチャンファーアングルが60°〜70°でも、チャンファー径が70μmの場合は、スタッドバンプを導電性接着剤に浸積した時点でスタッドバンプから導電性接着剤がこぼれるという不具合(こぼれと表記)が発生した。
したがって、インナーチャンファーアングルが60°〜70°で、チャンファー径が62μm〜66μmのキャピラリ(以下、本発明品のキャピラリ)を用いてスタッドバンプを形成することが、セラミック基板のうねりとスタッドバンプの高さばらつきとを吸収する導電性接着剤の転写量を確保するうえで、そして実装歩留まりの高いフリップチップ実装方法を実現するうえで、効果的である。
インナーチャンファーアングル70°且つチャンファー径66μmのキャピラリ(本発明のキャピラリ)と、インナーチャンファーアングル80°且つチャンファー径62μm)のキャピラリ(従来のキャピラリ)とをそれぞれ用いて、上述の方法でフリップチップ実装構造体を作製し、接続検査を実施したところ、D1/D2が0.8であるフリップチップ実装構造体(本発明品)においては不良率0.2%であり、D1/D2が0.5であるフリップチップ実装構造体(従来品)における不良率は0.3%であった。なおフリップチップ実装構造体は、60ピンの半導体素子4点と8ピンの半導体素子7点を搭載したマルチチップモジュールである。検査の母数は10000モジュールである。
本発明にかかるスタッドバンプ形成用キャピラリおよびフリップチップ実装方法は、半導体素子上にスタッドバンプを形成して導電性樹脂にて接続する製品の歩留まり向上に有用である。
1 スタッドバンプ
2 半導体素子
4 導電性接着剤
6 セラミック基板
7 導電ランド
8 台座部
9 頭頂部
9a テーパ部分
10 貫通孔
11 キャピラリ
12 金線
13 金ボール
14 接続金属塊
t 転写量
2 半導体素子
4 導電性接着剤
6 セラミック基板
7 導電ランド
8 台座部
9 頭頂部
9a テーパ部分
10 貫通孔
11 キャピラリ
12 金線
13 金ボール
14 接続金属塊
t 転写量
Claims (2)
- 半導体素子の電極上にスタッドバンプを形成するためのキャピラリであって、金属線を挿通する貫通孔が先端部においてロート状に拡開していて、前記ロート状の開口部の延長線上の頂角が60°〜70°であり、前記ロート状の開口部の最大径が62μm〜66μmであることを特徴とするスタッドバンプ形成用キャピラリ。
- 半導体素子の電極上にスタッドバンプを形成し、このスタッドバンプ上に導電性接着剤を転写した後、スタッドバンプをセラミック基板の導電ランド上に圧着して、前記半導体素子と前記セラミック基板とを接合するフリップチップ実装方法において、前記スタッドバンプを、請求項1記載のキャピラリを用いて、台座部と頭頂部とを有していて、前記頭頂部における台座部との境界部分に先端寄りほど狭まるテーパ部分を有する形状に形成することを特徴とするフリップチップ実装方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008251960A JP2010087053A (ja) | 2008-09-30 | 2008-09-30 | スタッドバンプ形成用キャピラリおよびフリップチップ実装方法 |
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