JP2011124426A - Solder flip-chip mounting method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solder flip-chip mounting method that prevents a solder joint portion from coming off during re-reflow processing due to a failure in alloying of solder during joining. <P>SOLUTION: A method of mounting a semiconductor chip 100a on a substrate 100b includes the steps of: forming a solder bump 105 at one of joint portions of the semiconductor chip 100a and substrate 100b and forming a gold bump 106 with an uneven portion PR at the other; pressing the semiconductor chip 100a and substrate 100b against each other to bring the uneven portion PR and solder bump 105 into contact with each other; and forming alloy of the solder bump 105 and gold bump 106 by heating and holding the uneven portion PR and solder bump 105, which are brought into contact with each other, at a first predetermined temperature T for a first predetermined time. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、プリント基板にSn(錫)系の半田を用いて半導体装置を接合した後の半田の再溶融を防止する半田フリップチップ実装方法に関する。   The present invention relates to a solder flip chip mounting method for preventing remelting of solder after a semiconductor device is joined to a printed board using Sn (tin) solder.

従来の半田フリップチップ実装において、Sn(錫)−Ag(銀)−Cu(銅)系合金粉からなる溶融成分とし、Cu粉を混合させた接合材を母材とする半田材料が用いられている。このような半田では、接合時にCuが半田中の他の成分と合金化することによって、半田の融点が上昇して接合時の温度で溶融し難くさせているものがある(例えば、特許文献1参照)。   In the conventional solder flip chip mounting, a solder material having a molten component made of Sn (tin) -Ag (silver) -Cu (copper) based alloy powder and a bonding material mixed with Cu powder as a base material is used. Yes. Among such solders, there is a solder that Cu is alloyed with other components in the solder at the time of bonding, so that the melting point of the solder is increased and is difficult to melt at the temperature at the time of bonding (for example, Patent Document 1). reference).

図4を参照して、上述の従来の半田フリップチップ実装方法(特許文献1)について説明する。同図において、符号11は回路装置を示し、符号12は配線基板を示し、符号13は半導体装置を示し、符号14はチップ電子部品を示し、符号15は外装樹脂を示し、符号16はアンダーフィルを示し、符号17はランドを示し、符号19は半田を示し、符号18はワイヤを示している。   A conventional solder flip chip mounting method (Patent Document 1) will be described with reference to FIG. In the figure, reference numeral 11 indicates a circuit device, reference numeral 12 indicates a wiring board, reference numeral 13 indicates a semiconductor device, reference numeral 14 indicates a chip electronic component, reference numeral 15 indicates an exterior resin, and reference numeral 16 indicates an underfill. Reference numeral 17 denotes a land, reference numeral 19 denotes solder, and reference numeral 18 denotes a wire.

半導体装置13は配線基板12の上に実装されている。半導体装置13の周囲に配置されたランド17に、1つ以上のチップ電子部品14が半田接合されている。半導体装置13およびチップ電子部品14は、外装樹脂15によって被覆されて、回路装置11は樹脂封止回路装置として構成されている。半導体装置13の下面と配線基板12との間には、形成された空間と、チップ電子部品14の少なくとも一部に接する部分とにアンダーフィル16が充填されている。   The semiconductor device 13 is mounted on the wiring board 12. One or more chip electronic components 14 are soldered to the lands 17 arranged around the semiconductor device 13. The semiconductor device 13 and the chip electronic component 14 are covered with an exterior resin 15, and the circuit device 11 is configured as a resin-sealed circuit device. An underfill 16 is filled between the lower surface of the semiconductor device 13 and the wiring substrate 12 in a formed space and a portion in contact with at least a part of the chip electronic component 14.

アンダーフィル16が充填されている部分でのチップ電子部品14の半田接合には、半田19が用いられている。半田19は、1度目の加熱による溶融温度よりも再度加熱した時の溶融温度が高くなる材質で構成されている。具体的には、半田19は、一度目の加熱によって溶融する溶融成分と、この溶融成分と合金化する母材を含む。つまり、一度目の加熱により溶融成分と母材が全てまたは部分的に合金化し、溶融成分がなくなるかまたは減少する。結果、半田19は、全体として溶融温度が高くなって、溶融しにくくなる。   Solder 19 is used for solder bonding of the chip electronic component 14 in the portion filled with the underfill 16. The solder 19 is made of a material whose melting temperature becomes higher when heated again than the melting temperature by the first heating. Specifically, the solder 19 includes a melting component that is melted by the first heating and a base material that is alloyed with the melting component. That is, the molten component and the base material are all or partially alloyed by the first heating, and the molten component is eliminated or reduced. As a result, the solder 19 has a high melting temperature as a whole and is difficult to melt.

特開2008−16785号公報JP 2008-16785 A

しかしながら、上述の従来の半田フリップチップ実装方法では、接合(一度目の加熱)時に合金化しない部分が半田に発生することがある。そして、リフロー時に半田(Sn−Ag−Cu)の非合金化部分が溶融して、既に接合された部分が外れてしまう問題がある。このような、半田の接合時の非合金化の原因としては、母材(接合材)中でのCu粉の分散比のばらつき、Cu粉の分散比のばらつきに起因する金属粉の分散量の不均一、接合面での半田と接合相手との接触面積比のばらつき、或いは溶融時間の短さや金属間の接触面積の小ささがある。   However, in the conventional solder flip chip mounting method described above, a portion that is not alloyed may be generated in the solder during bonding (first heating). And there exists a problem that the non-alloyed part of solder (Sn—Ag—Cu) melts at the time of reflow and the already joined part comes off. As a cause of such non-alloying at the time of soldering, the dispersion of the dispersion ratio of the Cu powder in the base material (joining material), the dispersion amount of the metal powder due to the dispersion of the dispersion ratio of the Cu powder, There is non-uniformity, variation in the contact area ratio between the solder and the bonding partner on the bonding surface, or short melting time and small contact area between the metals.

本発明は、上述の接合時の半田の非合金化に起因する再リフロー時の半田接合部の外れを防止する半田フリップチップ実装方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a solder flip chip mounting method for preventing the solder joint from coming off at the time of re-reflow due to the non-alloying of solder at the time of joining.

上記目的を達成するために、本発明の半田フリップチップ実装方法は、
半導体チップおよび基板の接合部の何れか一方に、半田バンプを形成し、他方に凹凸部を有する金バンプを形成するステップと、
前記半導体チップおよび前記基板を互いに押しつけて、前記凹凸部と前記半田バンプとを互いに当接させるステップと、
前記互いに当接された凹凸部と半田バンプを第1の所定の温度で第1の所定時間だけ加熱保持して、前記半田バンプと前記金バンプとの合金を形成させるステップとを備える。
In order to achieve the above object, the solder flip chip mounting method of the present invention comprises:
Forming a solder bump on one of the semiconductor chip and the bonded portion of the substrate, and forming a gold bump having an uneven portion on the other;
Pressing the semiconductor chip and the substrate together to bring the concave and convex portions and the solder bumps into contact with each other;
Heating and holding the concavo-convex portions and solder bumps that are in contact with each other at a first predetermined temperature for a first predetermined time to form an alloy of the solder bump and the gold bump.

本発明に係る半田フリップチップ実装方法によれば、接合部は後の再リフローにおいても再溶融しないという効果を奏する。   According to the solder flip chip mounting method of the present invention, there is an effect that the joint portion does not remelt even in the subsequent reflow.

本発明の実施の形態1に係る半田フリップチップ実装方法の説明図である。It is explanatory drawing of the solder flip chip mounting method which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1の凹凸部の異なる例の説明図である。It is explanatory drawing of the example from which the uneven | corrugated | grooved part of FIG. 1 differs. 本発明の実施の形態2に係る半田フリップチップ実装方法の説明図である。It is explanatory drawing of the solder flip chip mounting method which concerns on Embodiment 2 of this invention. 従来の半田フリップチップ実装方法の説明図である。It is explanatory drawing of the conventional solder flip chip mounting method.

以下、本発明の実施の形態について、図1、図2、および図3を参照して詳細に説明する。なお、各図において上述の図4に示した回路装置11と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1, FIG. 2, and FIG. In addition, in each figure, the same code | symbol is used about the same component as the circuit apparatus 11 shown in the above-mentioned FIG. 4, and description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
図1に、本発明の実施の形態1に係る半田フリップチップ実装方法により作成される回路装置の実装工程における縦断面を示す。同図において、符号100は回路装置を示し、符号100aは半導体チップを示し、符号100bは配線基板を示し、符号101は第1の基板を示し、符号102は第2の基板を示し、符号103は第1のバリアメタルを示し、符号104は第2のバリアメタルを示し、符号105は半田バンプを示し、符号106はAuバンプを示し、符号Pjaは合金接合部を示している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a longitudinal section in a mounting process of a circuit device produced by the solder flip chip mounting method according to the first embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 100 indicates a circuit device, reference numeral 100a indicates a semiconductor chip, reference numeral 100b indicates a wiring substrate, reference numeral 101 indicates a first substrate, reference numeral 102 indicates a second substrate, reference numeral 103 Indicates a first barrier metal, reference numeral 104 indicates a second barrier metal, reference numeral 105 indicates a solder bump, reference numeral 106 indicates an Au bump, and reference numeral Pja indicates an alloy joint.

図1(a)に示すように、半導体チップ100aは、第1の基板101、第1のバリアメタル103、および半田バンプ105を含む。第1の基板101は、ウエハをダイシングして個片化したものである。第1のバリアメタル103は、第1の基板101の第2の基板102との対向面(図1においては下面)にCuやTi(チタン)などで構成されている。半田バンプ105は、Sn(錫)、Pb(鉛)、Ag(銀)、Bi(ビスマス)、Ni(ニッケル)、およびSb(アンチモン)系の半田をメッキ、蒸着、およびスクリーン印刷法などの方法で、第1のバリアメタル103上に、第2の基板102に対向するように構成されている。   As shown in FIG. 1A, the semiconductor chip 100a includes a first substrate 101, a first barrier metal 103, and solder bumps 105. The first substrate 101 is obtained by dicing a wafer into individual pieces. The first barrier metal 103 is made of Cu, Ti (titanium) or the like on the surface of the first substrate 101 facing the second substrate 102 (the lower surface in FIG. 1). The solder bump 105 is made of Sn (tin), Pb (lead), Ag (silver), Bi (bismuth), Ni (nickel), or Sb (antimony) based solder, plating, screen printing or the like. Thus, it is configured on the first barrier metal 103 so as to face the second substrate 102.

配線基板100bは、第2の基板102、第2のバリアメタル104、およびAuバンプ106を含む。第2の基板102は樹脂、Si(シリコン)、セラミックス、およびポリイミドなどの樹脂フィルムで形成されている。第2のバリアメタル104は、第2の基板102の第1の基板101との対向面(図1においては上面)に、第1のバリアメタル103と同様に構成されている。Auバンプ106は、メッキ、蒸着、およびスパッタなどで、第2のバリアメタル104上に形成されている。なお、Auバンプ106の上面、つまり第1の基板101(半田バンプ105)との対向面は、所定の形状を有する凹凸部PRが形成されている。この、Auバンプ106の凹凸部PRの形状については、後ほど
詳述する。凹凸の形成方法はスパッタ、蒸着、メッキの条件を変える方法、フォトリソパターニングを形成してエッチングする方法、型押しして凹凸を形成するなどの方法がある。
The wiring substrate 100 b includes a second substrate 102, a second barrier metal 104, and Au bumps 106. The second substrate 102 is formed of a resin film such as resin, Si (silicon), ceramics, and polyimide. The second barrier metal 104 is configured in the same manner as the first barrier metal 103 on the surface of the second substrate 102 facing the first substrate 101 (the upper surface in FIG. 1). The Au bump 106 is formed on the second barrier metal 104 by plating, vapor deposition, sputtering, or the like. Note that an uneven surface PR having a predetermined shape is formed on the upper surface of the Au bump 106, that is, the surface facing the first substrate 101 (solder bump 105). The shape of the uneven portion PR of the Au bump 106 will be described in detail later. As a method for forming irregularities, there are a method of changing sputtering, vapor deposition and plating conditions, a method of etching by forming photolithography patterning, and a method of forming irregularities by embossing.

以下に述べる工程によって、半導体チップ100aが配線基板100bに実装されて回路装置100が構成される。   The circuit device 100 is configured by mounting the semiconductor chip 100a on the wiring substrate 100b through the steps described below.

まず、図1(a)に示すように、上述のように構成された半導体チップ100aと配線基板100bが、実装装置によって、半田バンプ105がAuバンプ106と対向するように、位置決めされる。   First, as shown in FIG. 1A, the semiconductor chip 100a and the wiring board 100b configured as described above are positioned by the mounting device so that the solder bumps 105 face the Au bumps 106.

次に、半導体チップ100aと配線基板100bは互いに押しつけられて、Auバンプ106の凹凸部PRが半田バンプ105の下面に当接する。この状態で加熱されて、図1(b)に示すように、Auバンプ106と半田バンプ105が接合される。なお、図1(b)において、符号PJは、Auバンプ106と半田バンプ105の接合部を示している。   Next, the semiconductor chip 100 a and the wiring substrate 100 b are pressed against each other, and the concavo-convex portion PR of the Au bump 106 contacts the lower surface of the solder bump 105. By heating in this state, the Au bump 106 and the solder bump 105 are bonded as shown in FIG. In FIG. 1B, the symbol PJ indicates the joint between the Au bump 106 and the solder bump 105.

さらに、加熱されて、接合部PJの半田が溶融して、Auバンプ106と接触濡れが発生し、半田とAuが相互に拡散することにより合金化が進む。そして、この合金化した部分によって第1の基板101の第1のバリアメタル103と、第2の基板102の第2のバリアメタル104が合金接合される。図1(c)において、符号Pjaは、Auバンプ106と半田バンプ105により形成された合金接合部を示している。   Further, when heated, the solder of the joint PJ is melted, contact wetting with the Au bump 106 occurs, and alloying progresses due to the mutual diffusion of the solder and Au. Then, the first barrier metal 103 of the first substrate 101 and the second barrier metal 104 of the second substrate 102 are alloy-bonded by the alloyed portion. In FIG. 1C, the symbol Pja indicates an alloy joint formed by the Au bump 106 and the solder bump 105.

以下に、上述の本発明における合金化について詳述する。合金化は金属材料の界面より金属原子が相互に拡散することにより生じる。拡散は、金属材料固有の拡散係数、拡散温度および、拡散時間などの要素に支配される。拡散係数が高い程、或いは温度が高い程、拡散速度は速くなる。また、拡散距離は拡散時間に比例する。拡散係数Dは次式(1)で表現される。   Below, the alloying in the above-mentioned this invention is explained in full detail. Alloying is caused by the diffusion of metal atoms from the interface of the metal material. Diffusion is governed by factors such as the diffusion coefficient inherent to the metal material, diffusion temperature, and diffusion time. The higher the diffusion coefficient or the higher the temperature, the faster the diffusion rate. The diffusion distance is proportional to the diffusion time. The diffusion coefficient D is expressed by the following equation (1).

D=Do・e(−E/RT)a=(2Dt)1/2 ・・・・(1)
D:拡散係数、Do:頻度因子、E:活性化エネルギー、R:ボルツマン定数、T:温度、a:拡散距離、t:時間
上式(1)より、温度Tが一定であれば、界面の面積が大きいほど、単位時間tあたりの拡散量は多くなることが分かる。この観点より、本発明においては、界面の面積を大きくすることによって、上述の従来の半田フリップチップ実装方法における半田の接合時の非合金化の原因のうち、接合面での半田と接合相手との接触面積比のばらつき、或いは溶融時間の短さや金属間の接触面積の小ささという問題の解消を図っている。具体的には、Auバンプ106と半田バンプ105とが所定の頻度で(所定の間隔で分散した接触点で)接触するように、Auバンプ106の上面に所定の表面粗さを有する凹凸部PRが設けられている。
D = Do · e (−E / RT) a = (2Dt) 1/2 (1)
D: diffusion coefficient, Do: frequency factor, E: activation energy, R: Boltzmann constant, T: temperature, a: diffusion distance, t: time From the above equation (1), if the temperature T is constant, It can be seen that the larger the area, the greater the amount of diffusion per unit time t. From this point of view, in the present invention, by increasing the area of the interface, among the causes of non-alloying at the time of solder bonding in the above-described conventional solder flip chip mounting method, the solder on the bonding surface and the bonding partner The problem of variations in the contact area ratio, or short melting time and small contact area between metals is sought. Specifically, the concavo-convex portion PR having a predetermined surface roughness on the upper surface of the Au bump 106 so that the Au bump 106 and the solder bump 105 are in contact with each other at a predetermined frequency (at contact points dispersed at a predetermined interval). Is provided.

凹凸部PRの表面粗さを大きくすることにより、半田バンプ105との界面を形成するAuバンプ106の表面積を大きくしている。通常、表面粗さRa=0.1μmを1μmに変更することにより、その表面積は4000倍となり、拡散の速度を向上させることができる。これは、図1(a)に模式的に表されているように、凹凸部PRは所定の頻度および高さで分散した突起Pの集合体として形成されている。よって、Ra=1μmで構成された凹凸部PR(Ra=1μm)は、Ra=0.1μmで構成された凹凸部PR(Ra=0.1μm)に比べて、多数の点で半田バンプ105に均等に当接する。   By increasing the surface roughness of the concavo-convex portion PR, the surface area of the Au bump 106 that forms the interface with the solder bump 105 is increased. Usually, by changing the surface roughness Ra = 0.1 μm to 1 μm, the surface area becomes 4000 times, and the diffusion speed can be improved. As schematically shown in FIG. 1A, the concavo-convex portion PR is formed as an aggregate of protrusions P dispersed at a predetermined frequency and height. Therefore, the concavo-convex part PR (Ra = 1 μm) configured with Ra = 1 μm has a larger number of points on the solder bump 105 than the concavo-convex part PR (Ra = 0.1 μm) configured with Ra = 0.1 μm. Abut evenly.

各突起Pは十分小さいので、半導体チップ100aと配線基板100bとを当接させた
場合に、各突起Pの先端は容易に潰れ(変形或いは座屈し)れる。よって、半田バンプ105と凹凸部PRの先端との間の距離が少々不均一である場合にも、そのような不均一性を吸収して、凹凸部PRは半田バンプ105に均等に当接できる。つまり、従来の半田フリップチップ実装方法におけるように、Auバンプ106が凹凸部PRを有さずに平面である場合に、半田バンプ105の下面と、1カ所以上での面、線、あるいは点で不均一に接触するような事態を防止できる。
Since each protrusion P is sufficiently small, the tip of each protrusion P is easily crushed (deformed or buckled) when the semiconductor chip 100a and the wiring board 100b are brought into contact with each other. Therefore, even when the distance between the solder bump 105 and the tip of the concavo-convex portion PR is slightly non-uniform, the concavo-convex portion PR can contact the solder bump 105 evenly by absorbing such non-uniformity. . That is, as in the conventional solder flip chip mounting method, when the Au bump 106 is a flat surface without the concavo-convex portion PR, the lower surface of the solder bump 105 and the surface, line, or point at one or more locations. It is possible to prevent a situation where contact is uneven.

凹凸部PR(Ra=1μm)の各突起Pは、凹凸部PR(Ra=0.1μm)の各突起Pに比べて、周囲の熱をより多く利用できる。つまり、本発明における凹凸部PRの各突起Pは、従来の半田フリップチップ実装方法における、1カ所以上での面接触部、線接触部、或いは点接触部に比べて、単位質量あたり多くの周囲の熱を利用できる。なお、周囲の熱とは、半導体チップ100aおよび配線基板100bの各構成要素の有する熱、およびリフロー工程などによる加熱によるものをいう。   Each protrusion P of the uneven portion PR (Ra = 1 μm) can use more ambient heat than each protrusion P of the uneven portion PR (Ra = 0.1 μm). That is, each protrusion P of the concavo-convex portion PR in the present invention has a larger number of per unit mass than the surface contact portion, line contact portion, or point contact portion at one or more places in the conventional solder flip chip mounting method. The heat of can be used. The ambient heat refers to the heat of each component of the semiconductor chip 100a and the wiring substrate 100b, and the heat generated by the reflow process.

このように、本発明においては、Auバンプ106の凹凸部PRの各突起Pは、周囲の熱をより効率良く利用して、急速に溶融する。そして、溶融した凹凸部PRはAuバンプ106(凹凸部PR)と半田バンプ105との界面全体に広がり、両者間の拡散を促進して、所定時間内で合金化を完了させることができる。つまり、リフロー工程の所定の時間内で、非合金化部の残留を防止して、半導体チップ100aと配線基板100bとの接合を完了して、合金接合部Pjaが一様に生成される。なお、この合金接合部Pjaには、非合金化部が含まれないので、非合金化部による再溶融も起きない。合金接合部Pjaの融点は、半田(半田バンプ105)の融点より高くなるので、再度同一の温度を付加しても溶融しない接合状態を実現することができる。   Thus, in the present invention, each protrusion P of the uneven portion PR of the Au bump 106 is rapidly melted by using the surrounding heat more efficiently. The melted uneven portion PR spreads over the entire interface between the Au bump 106 (uneven portion PR) and the solder bump 105, promotes diffusion between the two, and completes alloying within a predetermined time. That is, the remaining of the non-alloyed portion is prevented within a predetermined time of the reflow process, and the bonding between the semiconductor chip 100a and the wiring substrate 100b is completed, and the alloy bonded portion Pja is uniformly generated. In addition, since the non-alloyed part is not included in the alloy joint Pja, remelting by the non-alloyed part does not occur. Since the melting point of the alloy joint Pja is higher than the melting point of the solder (solder bump 105), it is possible to realize a joined state that does not melt even when the same temperature is applied again.

なお、所定時間内に急速に合金化を完了させる条件としては、凹凸部PRの表面粗さと、半田バンプ105およびAuバンプ106の金属量がそれぞれ、下記に述べる条件を満足する必要がある。凹凸部PRの表面粗さは大きい方がより効果的であるが、本発明の実装技術が対象としている接合サイズは、50μm角から100μm角程度であるため、表面粗さRa=1μm以上程度が好ましい。   As a condition for rapidly completing alloying within a predetermined time, the surface roughness of the concavo-convex part PR and the metal amounts of the solder bump 105 and the Au bump 106 must satisfy the following conditions. A larger surface roughness of the concavo-convex part PR is more effective. However, since the bonding size targeted by the mounting technique of the present invention is about 50 μm square to 100 μm square, the surface roughness Ra is about 1 μm or more. preferable.

また、半田バンプ105の金属量よりも、Auバンプ106の金属量が少ない必要がある。なぜならば、半田が過多であれば、金属が相互に拡散して合金化する際に拡散限界に達した場合に、拡散しない半田が残り、その部分は融点上昇が生じず、再リフロー時に半田が再溶融する可能性があるからである。   Further, the metal amount of the Au bump 106 needs to be smaller than the metal amount of the solder bump 105. This is because if the amount of solder is excessive, when the diffusion limit is reached when the metals are diffused and alloyed with each other, the solder that does not diffuse remains, the melting point does not rise in that portion, and the solder does not move when reflowing. This is because there is a possibility of remelting.

また、半田はSnをベースとしたものがよく、対する金属はAuが最も良い。これはSnの融点が232℃であり、実装加工、および商品として使用するにあたり適する融点であることに加えて、実装技術で多く使用されているAuと拡散しやすいからである。また、SnはAuと拡散した後に、その融点が上昇する。これはAuの原子半径は、0.144nmであり、Snの原子半径は0.14nmとその差が小さく、また双方とも面心立方格子であるという点にある。なお、原子半径の差が15%以上になると拡散しにくくなる。   Also, the solder is preferably based on Sn, and the best metal is Au. This is because Sn has a melting point of 232 ° C. and is suitable for mounting and use as a product, and in addition, it easily diffuses with Au, which is often used in mounting technology. In addition, Sn diffuses with Au and then its melting point increases. This is because the atomic radius of Au is 0.144 nm, the atomic radius of Sn is 0.14 nm and the difference is small, and both are face-centered cubic lattices. When the difference in atomic radii is 15% or more, diffusion becomes difficult.

Sn系の半田としてはAg、Bi、Cu、Sb、Ni、およびPbなどの金属が用いられている。   As the Sn-based solder, metals such as Ag, Bi, Cu, Sb, Ni, and Pb are used.

単独材料として融点、伸び率、ヤング率などの制御を狙いとして設計されており、接合後の拡散観点からすると一長一短があるが使用できる範囲のものである。   It is designed as a single material with the aim of controlling the melting point, elongation rate, Young's modulus, etc., and has the advantages and disadvantages from the viewpoint of diffusion after bonding.

合金接合部Pjaとして形成される合金の融点は、Snは232℃、Au−20Snは
280℃、Pb−5Snは300℃、Pb−10Snは268℃、Bi−2.5Agは262℃、Sn−8Sbは246℃、Sn―3.8Ag−1.2Cuは217℃、Sn―37Pbは183℃などである。要は、合金の融点が初期の半田の融点よりも高くなればよい。例えば、Sn(半田バンプ105)とAu(Auバンプ106)を接合する場合、Snが溶融する温度は232℃であるが、合金化した後は280℃以上の融点となる。
The melting point of the alloy formed as the alloy joint Pja is 232 ° C for Sn, 280 ° C for Au-20Sn, 300 ° C for Pb-5Sn, 268 ° C for Pb-10Sn, 262 ° C for Bi-2.5Ag, Sn- 8Sb is 246 ° C., Sn-3.8Ag-1.2Cu is 217 ° C., Sn-37Pb is 183 ° C. and the like. In short, the melting point of the alloy should be higher than the melting point of the initial solder. For example, when joining Sn (solder bump 105) and Au (Au bump 106), the temperature at which Sn melts is 232 ° C., but after melting, the melting point is 280 ° C. or higher.

なお、本実施の形態において、チップ側に半田、基板側にAuとしたが、逆の構成によっても同様の効果を得ることができる。   In this embodiment, solder is used for the chip side and Au is used for the substrate side. However, the same effect can be obtained by the reverse configuration.

上述のように、本発明においては、一度の半田接合で接合金属を元の金属よりも融点の高い金属に合金化し、再リフローにおいても再溶融しない半田フリップチップ実装方法を実現できる。   As described above, in the present invention, it is possible to realize a solder flip chip mounting method in which a joining metal is alloyed with a metal having a melting point higher than that of the original metal by a single solder joint, and is not remelted even during reflow.

次に、図2を参照して、上述のAuバンプ106の凹凸部PRの2つの例について説明する。上述のように、本発明の実施の形態においては、凹凸部PRはその表面粗さがRa=1μmを満たす複数の突起Pが形成されている。そして、突起Pはその形状によって、本実施の形態においては、図2(a)に示す鋭角状突起Paと、図2(b)に示す丸形状突起Pbとに大別される。なお、鋭角状突起Paの集合を鋭角状凹凸部PRaと呼び、鋭角状凹凸部PRaを備えるAuバンプ106をAu鋭角バンプ106aと呼ぶ。同様に、丸形状突起Pbの集合を丸形状凹凸部PRbと呼び、丸形状凹凸部PRbを備えるAuバンプ106をAu丸形状バンプ106bと呼ぶ。   Next, with reference to FIG. 2, two examples of the uneven portion PR of the Au bump 106 described above will be described. As described above, in the embodiment of the present invention, the concavo-convex portion PR is formed with a plurality of protrusions P whose surface roughness satisfies Ra = 1 μm. In the present embodiment, the protrusions P are roughly classified into acute-angle protrusions Pa shown in FIG. 2A and round protrusions Pb shown in FIG. Note that the set of acute-angled protrusions Pa is called an acute-angle uneven part PRa, and the Au bump 106 having the acute-angle uneven part PRa is called an Au acute-angle bump 106a. Similarly, a set of round protrusions Pb is referred to as a round uneven portion PRb, and an Au bump 106 including the round uneven portion PRb is referred to as an Au round bump 106b.

Au鋭角バンプ106a(図2(a))は鋭角状突起Paを備えることにより、半田とアライメント実装後に加熱溶融する際の、Au鋭角バンプ106aの半田バンプ105に対向するAu鋭角バンプ106aの表面積、つまり接触面積を大きくできるので、短時間での一様な合金化を実現できる。なお、電極サイズが100μm角の場合、鋭角状突起Paの底面は10μm角、または丸形状、高さが20μm程度が好ましい。   The Au acute angle bump 106a (FIG. 2A) includes the acute protrusions Pa, so that the surface area of the Au acute angle bump 106a facing the solder bump 105 of the Au acute angle bump 106a when heated and melted after alignment mounting with solder, That is, since the contact area can be increased, uniform alloying can be realized in a short time. When the electrode size is 100 μm square, it is preferable that the bottom surface of the acute protrusion Pa is 10 μm square or round and has a height of about 20 μm.

Au丸形状バンプ106b(図2(b))は、丸形状突起Pbを備えることにより、Au鋭角バンプ106aと同様に、Au丸形状バンプ106bの半田バンプ105に対する表面積、つまり接触面積を大きくでき、短時間で一様な合金化の実現を得られる。図の奥行きは幅と同様である。なお、電極サイズが100μm角の場合、丸形状突起Pbの底面は10μm角、または丸形状、丸形状の高さが10μm程度が好ましい。   By providing the round protrusion Pb, the Au round bump 106b (FIG. 2B) can increase the surface area, that is, the contact area of the Au round bump 106b with respect to the solder bump 105, similarly to the Au acute bump 106a. Realization of uniform alloying in a short time. The depth in the figure is the same as the width. When the electrode size is 100 μm square, it is preferable that the bottom surface of the round protrusion Pb is 10 μm square, or the round shape or the round shape has a height of about 10 μm.

なお、Auバンプ106の突起Pの形状は半田(半田バンプ105)との接触面積、つまりAuバンプ106の半田バンプ105との対向面(突起P)の表面積を大きくすることができれば、上述の鋭角状突起Paおよび丸形状突起Pb以外の形状であっても、同様の効果を得ることができる。Auバンプ106の成形には、フォトリソパターニングを形成してエッチングする方法、型押しして凹凸を形成するなどの方法がある。   The shape of the protrusion P of the Au bump 106 is the above-described acute angle if the contact area with the solder (solder bump 105), that is, the surface area of the Au bump 106 facing the solder bump 105 (protrusion P) can be increased. Similar effects can be obtained with shapes other than the protrusions Pa and the round protrusions Pb. For forming the Au bump 106, there are a method of etching by forming photolithography patterning, and a method of forming irregularities by embossing.

(実施の形態2)
図3に、本発明の実施の形態2に係る半田フリップチップ実装方法を示す。上述の実施の形態1においては、第1の基板101および第2の基板102は共にウエハをダイシングして個片化したものが用いられているが、本実施の形態においては、第2の基板102はシリコンウエハWF上に形成されたままで用いられる。つまり、ウエハWF上には、複数の配線基板100bが形成されており、それぞれに半導体チップ100aが実施の形態1におけるのと同様にして、半田フリップチップ実装される。
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows a solder flip chip mounting method according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment described above, both the first substrate 101 and the second substrate 102 are obtained by dicing the wafer into pieces, but in this embodiment, the second substrate is used. 102 is used as it is formed on the silicon wafer WF. That is, a plurality of wiring boards 100b are formed on the wafer WF, and the semiconductor chip 100a is solder flip-chip mounted on each of them in the same manner as in the first embodiment.

図3に示す例では、加熱ステージ110の上に載置されたウエハWF上には8つの配線基板100bが形成されている。8つの配線基板100bの内6つには、既に半導体チッ
プ100aが半田フリップチップ実装されて、回路装置100が構成されている。そして、残り2つの配線基板100bは、それぞれ半導体チップ100aが半田フリップチップ実装される前の状態である。
In the example illustrated in FIG. 3, eight wiring boards 100 b are formed on the wafer WF placed on the heating stage 110. The semiconductor device 100a is already solder flip-chip mounted on six of the eight wiring boards 100b, and the circuit device 100 is configured. The remaining two wiring boards 100b are in a state before the semiconductor chip 100a is mounted by solder flip chip.

この状態において、図1(a)を参照して説明したように、半導体チップ100aと配線基板100bとが位置合わせされる。そして、図1(b)を参照して説明したように、半導体チップ100aと配線基板100bは、半田バンプ105の下面とAuバンプ106の凹凸部PRが当接され、さらに加熱して接合部PJが形成される。さらに、図1(c)を参照して説明した合金接合部Pjaが形成されて回路装置100が構成される。   In this state, as described with reference to FIG. 1A, the semiconductor chip 100a and the wiring substrate 100b are aligned. As described with reference to FIG. 1B, the semiconductor chip 100a and the wiring board 100b are brought into contact with the lower surface of the solder bump 105 and the concavo-convex portion PR of the Au bump 106, and further heated to join the joint PJ. Is formed. Further, the circuit device 100 is configured by forming the alloy joint Pja described with reference to FIG.

つまり、接合部PJが合金化して形成される合金接合部Pjaの融点は、初期の半田(半田バンプ105)の融点よりも高いので、合金接合部Pjaは以降の実装工程における熱により再溶融することなく、安定した接合状態を得ることができる。ウエハWFのような広い面積に相対的に小さいチップ(半導体チップ100a)を加熱で接合する場合、チップ側の保持ツールでの加熱は常時加熱であるが、ウエハ(配線基板100b)側の加熱ステージ110側で必要な領域のみを加熱しておくことにより、実装後の接合部への熱影響を小さくすることができる。なお、第2の基板102はウエハ状態ではなく四角形の基板でもロール状態フレキシブル基板でもよい。   That is, since the melting point of the alloy joint Pja formed by alloying the joint PJ is higher than the melting point of the initial solder (solder bump 105), the alloy joint Pja is remelted by heat in the subsequent mounting process. And a stable joined state can be obtained. When a relatively small chip (semiconductor chip 100a) is bonded to a large area such as the wafer WF by heating, the heating by the holding tool on the chip side is always heating, but the heating stage on the wafer (wiring substrate 100b) side. By heating only the necessary region on the 110 side, the thermal effect on the joint after mounting can be reduced. Note that the second substrate 102 may be a rectangular substrate or a rolled flexible substrate instead of a wafer.

上述のように、本発明の半田フリップチップ実装方法によれば、一度の半田接合で接合金属を元の金属よりも融点の高い金属に合金化し、再リフローにおいても再溶融しない半田フリップチップ実装方法を実現することができる。   As described above, according to the solder flip chip mounting method of the present invention, a solder flip chip mounting method in which a bonding metal is alloyed with a metal having a melting point higher than that of the original metal by a single solder bonding and is not remelted even in reflow. Can be realized.

また、金属間の接触面積が大きく、相対する金属の量が同等であるため、溶融後に偏り、ばらつきが生じにくい。このため、再度リフローを通しても溶融する金属がない状態を得ることができる。   Moreover, since the contact area between metals is large and the amount of metals facing each other is the same, it is less likely to be biased and uneven after melting. For this reason, it is possible to obtain a state in which no metal is melted even through reflow.

本発明は、リフローなどの連続加熱による半田フリップチップ実装に利用できる。   The present invention can be used for solder flip chip mounting by continuous heating such as reflow.

11 回路装置
12 配線基板
13 半導体装置
14 チップ電子部品
15 外装樹脂
16 アンダーフィル
17 ランド
18 ワイヤ
19 半田
100 回路装置
100a 半導体チップ
100b 配線基板
101 第1の基板
102 第2の基板
103 第1のバリアメタル
104 第2のバリアメタル
105 半田バンプ
106 Auバンプ
106a Au鋭角バンプ
106b Au丸形状バンプ
P 突起
Pa 鋭角状突起
Pb 丸形状突起
PJ 接合部
Pja 合金接合部
PR 凹凸部
PRa 鋭角状凹凸部
PRb 丸形状凹凸部
WF ウエハ
110 加熱ステージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Circuit apparatus 12 Wiring board 13 Semiconductor device 14 Chip electronic component 15 Exterior resin 16 Underfill 17 Land 18 Wire 19 Solder 100 Circuit apparatus 100a Semiconductor chip 100b Wiring board 101 1st board | substrate 102 2nd board | substrate 103 1st barrier metal 104 Second barrier metal 105 Solder bump 106 Au bump 106a Au acute bump 106b Au round bump P projection Pa acute projection Pb round projection PJ junction Pja alloy junction PR irregularity PRa acute angular irregularity PRb round irregularity WF Wafer 110 Heating stage

Claims (8)

半導体チップを基板に実装する方法であって、
前記半導体チップおよび前記基板の接合部の何れか一方に、半田バンプを形成し、他方に凹凸部を有するAuバンプを形成するステップと、
前記半導体チップおよび前記基板を互いに押しつけて、前記凹凸部と前記半田バンプとを互いに当接させるステップと、
前記互いに当接された凹凸部と半田バンプを第1の所定の温度で第1の所定時間だけ加熱保持して、前記半田バンプと前記Auバンプとの合金を形成させるステップとを備える、半田フリップチップ実装方法。
A method of mounting a semiconductor chip on a substrate,
Forming a solder bump on either one of the joint portion of the semiconductor chip and the substrate and forming an Au bump having an uneven portion on the other;
Pressing the semiconductor chip and the substrate together to bring the concave and convex portions and the solder bumps into contact with each other;
A solder flip comprising: heating and holding the concavo-convex portion and the solder bump that are in contact with each other at a first predetermined temperature for a first predetermined time to form an alloy of the solder bump and the Au bump. Chip mounting method.
前記半田バンプは、Ag、Bi、Cu、Sb、Ni、およびPbの何れかを含むSn系の半田材料であることを特徴とする請求項1記載の半田フリップチップ実装方法。   2. The solder flip chip mounting method according to claim 1, wherein the solder bump is an Sn-based solder material containing any one of Ag, Bi, Cu, Sb, Ni, and Pb. 前記半田バンプの体積よりも前記Auバンプの体積が小さいことを特徴とする請求項1および請求項2の何れかに記載の半田フリップチップ実装方法。   The solder flip chip mounting method according to claim 1, wherein the volume of the Au bump is smaller than the volume of the solder bump. 前記Auバンプの表面粗さRaは1μm以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載の半田フリップチップ実装方法。   4. The solder flip chip mounting method according to claim 1, wherein a surface roughness Ra of the Au bump is 1 [mu] m or more. 前記基板がシリコンウエハであることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の半田フリップチップ実装方法。   5. The solder flip chip mounting method according to claim 1, wherein the substrate is a silicon wafer. 前記Auバンプの表面は、複数の突起の集合体であることを特徴とする、請求項1乃至請求項5の何れかに記載の半田フリップチップ実装方法。   6. The solder flip chip mounting method according to claim 1, wherein a surface of the Au bump is an aggregate of a plurality of protrusions. 前記突起は鋭角状に形成されていることを特徴とする、請求項6に記載の半田フリップチップ実装方法。   The solder flip chip mounting method according to claim 6, wherein the protrusion is formed in an acute angle shape. 前記突起は丸形状に形成されていることを特徴とする、請求項6に記載の半田フリップチップ実装方法。   The solder flip chip mounting method according to claim 6, wherein the protrusion is formed in a round shape.
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