JP2011187699A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実装基板にうねりがあったり、実装基板のパッド電極に高低差があっても、半導体チップの電極を信頼性高く接続できるようにする。
【解決手段】回路基板１上に半導体チップ３がフェースダウン状態で搭載され、回路基板１上に形成されたパッド電極２と半導体チップ３上に形成された電極４とが接合されている。回路基板１と半導体チップ３との間の隙間にはアンダーフィルとしての樹脂５が充填されている。パッド電極２の頂上には高低差があるが、半導体チップ３がその高低差に追随して湾曲することにより、パッド電極２と電極４との接合は信頼性高く実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に回路基板上にベアチップをフリップチップ接続してなる半導体装置とそのための実装方法に関するものである。

半導体チップの実装技術としてフリップチップ接続技術は広く採用されている。フリップチップ接続技術としては各種のものが開発されているが、従来一般的に採用されてきた実装プロセスは、ベアチップの電極上にＡｕのスタッドバンプを形成し、実装基板上にスタッドバンプを有するベアチップをフェースダウンにて搭載し、実装基板上のパッドにバンプを接続するものであった（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。ところで、一般的にベアチップが平坦であるのに対し実装基板には反りやうねりが発生することが多く、実装基板上のパッドには高低差が生じる。この場合、これらを組み立てる過程において、ベアチップの電極に形成されたスタッドバンプは、実装基板のパッドへ押し付けられ、変形しながら接続されるので、バンプやパッド高さばらつきがある範囲内にあれば吸収され、接続が得られていた。

特開２００１−０６０６０２号公報

萩本英二著 「ＣＳＰ技術のすべて」工業調査会 ｐｐ．１４９−１５３ １９９７年

ところが、近年ＬＳＩの高速化によりベアチップ回路面に形成された絶縁膜は低誘電率化され、これによりベアチップ回路面が脆弱となる傾向があり、回路面に配置された電極上へのスタッドバンプの形成が困難となってきている。このような状況から、将来的にはベアチップの電極へストレスを与えず端子を形成することが可能な、めっきによるバンプ形成が有効であり多く採用されることになると予想されている。しかしながら、通常のめっきによるバンプは、細いテール部のあるスタッドバンプとは異なり容易には変形しないので、フリップチップ実装すると場所によっては実装基板のパッドとめっきバンプとの間に数μｍのギャップを生じる可能性がある。そのため、接続の信頼性が低下し歩留まり低下の原因となっていた。

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、回路基板に反りやうねりが生じていても、そしてベアチップにスタッドバンプが形成されていなくてもあるいはバンプが変形し易い材料により形成されていない場合であっても、接続信頼性高くフリップチップ実装された半導体装置を提供できるようにすることである。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、半導体チップ上に予め形成された電極と回路基板上に予め形成されたパッド電極とが接合されて回路基板上に半導体チップが実装されている半導体装置において、前記パッド電極の各頂上は高低差を有し、その高低差に追従して半導体チップが湾曲していることを特徴とする半導体装置、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、半導体チップ上に予め形成された電極と回路基板上に予め形成されたパッド電極とが接合されて回路基板上に半導体チップが実装されている半導体装置において、前記回路基板の表面にはうねり（湾曲）が生成されており、そのうねりに追従して半導体チップが湾曲していることを特徴とする半導体装置、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、半導体チップ上に形成された電極と回路基板上に形成されたパッド電極とを接合して回路基板上に半導体チップを実装する半導体装置の製造方法であって、
（１）前記回路基板を実装装置に装着する第１の工程と、
（２）前記回路基板のパッド電極と前記半導体チップの電極とが対面するように前記半導体チップを載置する第２の工程と、
（３）前記半導体チップを電極形成面の反対側（以下、裏面側）から押圧して前記半導体チップの電極と前記回路基板のパッド電極との接合を行なう第３の工程と、
を有し、前記第３の工程においては、前記半導体チップの前記電極の形成された箇所およびその周辺部の裏面部分を弾性力により選択的に押圧することを特徴とする半導体装置の製造方法、が提供される。

本発明によれば、回路基板の反りやうねりなどによってパッド電極に高低差が生じていてもその高低差に追従して半導体チップが湾曲するため、スタッドバンプに依ることなく接続信頼性の高いフリップチップ実装構造が実現できる。

本発明による半導体装置の一実施の形態を示す断面図。 図１に示される半導体装置を製造するための実装装置の概略図。 図１に示される半導体装置に用いられる半導体チップの平面図。 図２に示される実装装置に用いられる加圧ツールの断面図と平面図。 本発明の半導体装置に用いられる半導体チップの他の例を示す平面図。 図５に示される半導体チップを実装する際に用いられる加圧ツールの断面図と平面図。 図１に示される半導体装置を製造するプロセスを工程順に示す断面図。 本発明の半導体装置の他の例を製造するプロセスを工程順に示す断面図。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体装置の一実施の形態を示す断面図である。図１に示されるように、回路基板１上に半導体チップ（ベアチップ）３がフリップチップ実装されている。つまり、回路基板１上に半導体チップ３がフェースダウン状態で搭載され、回路基板１上に形成されたパッド電極２と半導体チップ３上に形成された電極４とが接合されている。回路基板１と半導体チップ３との間の隙間にはアンダーフィルとしての樹脂５が充填されている。
図１に示されるように、回路基板１にうねりが生じているなどの理由によりパッド電極２の頂上には高低差が生じているが、半導体チップ３はその高低差に柔軟に追随して湾曲している。これにより、パッド電極２と電極４とが接触しなくなることは回避され、両者間の信頼性の高い接続が実現できている。

ここに用いられる回路基板の基板は、樹脂製ないし樹脂積層板からなるリジット基板、フレキシブル基板、またはガラス基板、あるいはセラミック基板であり、本発明の半導体装置において、回路基板の種類は特に限定はされない。また、配線は単層配線であっても多層配線であってもよい。パッド電極は、樹脂基板において、サブトラクティブ基板やセミアディティブ基板のように絶縁材料から突出しているものや、アディティブ基板のように絶縁材料と高さが同じもの、または逆にソルダーレジストのような絶縁材料から１〜１５μｍ程度凹んだところにパッドが存在していてもよい。また、パッド上にバンプが形成されていてもよい。そこで、本願明細書においては、「パッド電極」は、バンプを有する場合を含むものとする。パッド電極２は、銅配線にＮｉ／Ａｕめっき処理を施すなどの方法により形成されるものである。いずれにせよパッド電極の少なくとも表面部分はＡｕ層であることが望ましい。

半導体チップは薄くなるほど柔軟となり、回路基板上パッドへの追従性を高めることができるため、この回路基板へ搭載される半導体チップは、厚みが１００μｍ以下と薄いことが望ましい。一方で、加工やハンドリングの容易性の観点からは厚みは３０μｍ以上であることが望ましい。また、半導体チップ３の電極４はペリフェラル配置やセンター配置であって、半導体チップ全面には存在しないことが望ましい。これにより後述される樹脂加熱を効率的に行なうことが可能になる。電極４の最上層金属はめっき法などにより形成されたＡｕであることが望ましく、これにより信頼性の高い接合が可能となる。

回路基板１−半導体チップ３間に充填される樹脂５は、好ましくはエポキシ系などの熱硬化性樹脂であって、電極間の接合工程（ボンディング工程）に先立って回路基板１上に液状ないしＢステージ（半硬化）状態で供給され、ボンディング工程中に硬化される。その硬化のための加熱は、好ましくは半導体チップに照射され半導体チップの電極の形成されていない領域を透過した赤外線によって行なわれる。しかし、樹脂硬化を赤外線以外の加熱手段を用いて行なうこともできる。また、樹脂５として熱可塑性樹脂を用いることもできる。

［実装装置］
次に、図１に示す本発明による半導体装置を製造するための実装装置について図面を参照して説明する。図２は、図１に示す半導体装置を製造するための実装装置の概略図、図３は、図２に示される実装装置により実装される半導体チップの平面図、図４は、図２に示される実装装置において用いられる加圧ツールの断面図と平面図である。

図２に示されるように、ステージ６上にパッド電極２を有する回路基板１が載置され、吸着・固定されており、そして加圧ツール７により吸着・把持された半導体チップ３が、回路基板１上に搭載されている。ステージ６は、図示が省略された駆動機構によりＸＹ方向に移動が可能である。また、加圧ツール７は、図示が省略された駆動機構により上下方向に移動が可能であり、かつ鉛直軸を中心に回転が可能である。また、図示が省略された制御装置により加圧ツール７の半導体チップへの押圧力が調整できるようになっている。
図３に示されるように、図２に示される実装装置において実装される半導体チップ３は、チップの回路形成面の各辺に沿って電極４が形成されている。つまり、半導体チップ３は、ペリフェラル配置された電極４を有する。図２には、図３のＡ−Ａ線に沿った断面図が示されている。

加圧ツール７上には、樹脂５を硬化させるための光源８が設置されている。光源８を出射した光は、ミラー９で反射され、加圧ツール本体７ａに開けられた開口７ｃを通過して半導体チップ３の裏面に照射され、半導体チップ３を透過して樹脂５を加熱させる。光源８から出射される光は、シリコンに対する透過率が高い２〜６μｍの帯域の赤外線を含むことが好ましく、この光を用いることによって半導体チップ３にて吸収されずに、半導体チップと回路基板との間に充填されている未硬化樹脂を高効率で加熱することが可能になり、効率よくこれを硬化させることが可能となる。光源８の好ましい例としては、２〜６μｍの帯域の赤外線を出射することができるレーザ発振器、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどを挙げることができる。

加圧ツール７が半導体チップ３を吸着・把持しているとき、図３のＢ−Ｂ線は図４のＣ−Ｃ線と重なる。また、図４（ａ）は、図４（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
加圧ツール７の加圧ツール本体７ａは、金属やセラミックスなどの剛性体で形成された板状体であって、その下面（チップ加圧面）には、半導体チップ３の電極の形成領域およびその周辺部の裏面部分のみを加圧するための、弾性体で形成された弾性体突起７ｂが設けられている。弾性体突起７ｂは、半導体チップの辺に沿って形成された電極列の部分を押圧することができるように長方形の形状に形成されている。加圧ツール本体７ａの弾性体突起７ｂが設けられていない領域には光源８からの光を透過させるための開口７ｃが開けられている。加圧ツール本体７ａ弾性体突起７ｂは、本実施の形態では、突起の全体が弾性体で形成されているが、その一部のみが弾性体であってもよい。弾性体突起７ｂの材料としては、耐熱性に優れ弾力性に富む樹脂材料が好適に用いられる。例えば、シリコーン樹脂、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂あるいはポリイミドなどが用いられる。弾性体突起７ｂには、半導体チップ３を吸着するための吸着穴７ｄが複数個設けられている。吸着穴７ｄは、図示が省略された真空発生装置に連結されており、これにより半導体チップを吸着・保持する際に真空引きされる。

［加圧ツールの変更例］
加圧ツールの形状は、実装すべき半導体チップのサイズ、電極配置によって変更される。図５は、電極４がセンター配置された半導体チップ３の平面図である。この例では、電極４は、チップの回路面中央部に千鳥状に２列に配列されている。
図６（ａ）、（ｂ）は、図５に示した半導体チップを実装する際に用いられる加圧ツール７の断面図と平面図である。図６に示されるように、半導体チップの中央部に形成された電極の裏面部分のみを押圧できるように、加圧ツールの中央部に長方形形状の弾性体突起７ｂが形成されている。弾性体突起７ｂには、適宜箇所に吸着穴７ｄが開けられている。弾性体突起７ｂを挟むように、加圧ツール本体７ａには光を透過させるための開口７ｃが開けられている。半導体チップの実装に際しては、この加圧ツールにて半導体チップをピックアップし、その中央部に荷重を加えながら加熱することになるが、弾性体突起７ｂを中央部のみに設けた場合、図４に示した、チップ周辺近傍を吸着・支持し押圧する加圧ツールの場合と異なり、チップ保持の安定性はこの場合より劣る。これを補うために、図６に示した加圧ツール７では、半導体チップの四隅を吸引し押圧できるように、加圧ツール本体７ａの四隅に、補助弾性体突起７ｅが設置されている。この補助弾性体突起７ｅは、中央を吸着する弾性体突起７ｂよりも低弾性の材料を用いて形成するとよい。

［実装プロセス］
次に、図１に示した半導体装置の製造方法の一例について、製造プロセスの工程順断面図である図７と実装装置の説明図である図２を参照して説明する。
図示が省略されたハンドリング装置により、回路基板１がステージ６上に供給され、吸着保持される。回路基板１には銅配線が形成されており、そのパッド電極部にはＮｉ／Ａｕのめっき処理が施されている。続いて、回路基板１上の半導体チップ搭載領域上に未硬化の熱硬化性樹脂である樹脂５を供給する〔図７（ａ）〕。次に、電極面を下にしてキャリアトレイに配置された半導体チップへ、加圧ツールの加圧面に設けた弾性体突起を接し、加圧することで半導体チップを平坦化しながら半導体チップを真空吸着する。半導体チップの電極の表面にはＡｕのめっき処理が施されている。そして、ステージに吸着された回路基板の半導体チップ実装面と、半導体チップの電極面に形成された位置合せ用マークを目安に、ステージ６をＸ−Ｙ方向（水平面方向）、加圧ツール７をθ方向（鉛直軸回転方向）に調整して回路基板と半導体チップとの位置合わせを行なう〔図７（ｂ）〕。

加圧ツール７をステージ６へ向け降下させ、回路基板１のパッド電極２と半導体チップ３の電極とを接触させる。この時パッドトップの高さ位置ばらつきと、半導体チップの電極高さのばらつきによって生じる間隙を埋めるため、半導体チップ３を変形させるように荷重を印加する。ここで、加圧ツール７の降下から加重印加の過程で生じる現象について説明する。まず、半導体チップ回路面に何も接触していない降下期間は荷重が０であり、次に回路基板のパッド電極と半導体チップの電極が高さばらつきを有する中で、初めてパッド電極と電極が接触する。この時点では、前述の高さばらつきのために、まだパッド電極と電極が接していない箇所がある。ここから更に加圧ツールを降下させていくと、パッド電極と電極が接触した部分を裏側のシリコン面から押圧する弾性体部分は、パッドと電極が接触していない部分へ延び、この部分の弾性体は、半導体チップを上から回路基板方向へ押し込むように変位する。これに伴い、パッド電極に接触していない電極付近のシリコンは、回路基板のパッド電極へ向けて押し込まれる。更に荷重を増加させると最終的には、全ての電極をパッド電極と接触させることができる〔図７（ｃ）〕。

上記の加圧ツールの加圧過程において同時に光源８による赤外線照射が行われる。赤外線は、加圧ツールの開口７ｃを通過して半導体チップの裏面に照射され、シリコンを透過して樹脂５を加熱し、これを硬化させる。樹脂を硬化させる過程においては、半導体チップに対し加圧ツールから常に荷重をかけ、パッドと電極との接触を保ち続ける。
樹脂硬化完了後、加圧ツールを上昇させると本実装工程により製造された、図１に示さされる半導体装置が得られる〔図７（ｄ）〕。

図８（ａ）、（ｂ）は、本発明による半導体装置の他の例の製造方法を示す図であって、それぞれ図７の（ｂ）、（ｃ）の工程段階に対応している。この半導体装置を製造するのに用いられる半導体チップ３は、ＵＢＭ（アンダー・バンプ・メタル）と呼ばれる下地金属層４ａと１〜２μｍ厚の錫めっき層４ｂとを備えた電極を有している。この電極を有する半導体チップ３をパッド電極２を有する回路基板１上に位置合わせする。回路基板１上には未硬化の樹脂５が供給されている〔図８（ａ）〕。次いで、赤外線を照射しつつ半導体チップ３を降下させ、半導体チップの電極を回路基板のパッド電極に接触させ、さらに押圧して電極接合部に錫フィレット４ｃを形成する。同時に、樹脂硬化も行なってボンディングを完了する〔図８（ｂ）〕。この場合、錫フィレット４ｃの形成と樹脂硬化が同時に行なわれるが、樹脂硬化の後に錫溶融を行なうようにしてもよい。ここで、下地金属層４ａとパッド電極の最上層部はＡｕ層であることが好ましいが、Ａｕに代えはんだに濡れやすい金属、例えばＣｕを用いてもよい。また、錫に代え鉛フリーはんだなどのはんだを用いてもよい。

（付記１）請求項１〜５において、回路基板のパッド電極と半導体チップの電極との少なくとも表面部分はＡｕ層である。

（付記２）請求項１〜５において、回路基板のパッド電極と半導体チップの電極との接合部に錫などの低融点金属層が形成されている。

（付記３）請求項６〜９において、前記第３の工程では、前記半導体チップの電極形成領域から離れた領域を選択的に弾性力にて押圧する。

１ 回路基板
２ パッド電極
３ 半導体チップ
４ 電極
４ａ 下地金属層
４ｂ 錫めっき層
４ｃ 錫フィレット
５ 樹脂
６ ステージ
７ 加圧ツール
７ａ 加圧ツール本体
７ｂ 弾性体突起
７ｃ 開口
７ｄ 吸着穴
７ｅ 補助弾性体突起
８ 光源
９ ミラー

Claims (9)

1. 半導体チップ上に予め形成された電極と回路基板上に予め形成されたパッド電極とが接合されて回路基板上に半導体チップが実装されている半導体装置において、前記パッド電極の各頂上は高低差を有し、その高低差に追従して半導体チップが湾曲していることを特徴とする半導体装置。
2. 半導体チップ上に予め形成された電極と回路基板上に予め形成されたパッド電極とが接合されて回路基板上に半導体チップが実装されている半導体装置において、前記回路基板の表面にはうねり（湾曲）が生成されており、そのうねりに追従して半導体チップが湾曲していることを特徴とする半導体装置。
3. 前記電極は、半導体チップの周辺部または中央部に集中的に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記パッド電極は、基板上に突起したバンプを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記半導体チップの厚さは、３０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置。
6. 半導体チップ上に形成された電極と回路基板上に形成されたパッド電極とを接合して回路基板上に半導体チップを実装する半導体装置の製造方法であって、
   （１）前記回路基板を実装装置に装着する第１の工程と、
   （２）前記回路基板のパッド電極と前記半導体チップの電極とが対面するように前記回路基板上に前記半導体チップを載置する第２の工程と、
   （３）前記半導体チップを電極形成面の反対側（以下、裏面側）から押圧して前記半導体チップの電極と前記回路基板のパッド電極との接合を行なう第３の工程と、
   を有し、前記第３の工程においては、前記半導体チップの前記電極の形成された箇所およびその周辺部の裏面部分を弾性力により選択的に押圧することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記第１の工程と前記第２の工程との間に、前記回路基板上に樹脂を供給する工程が付加されており、前記第３の工程においては、前記電極と前記パッド電極との接合を行ないつつ前記樹脂を硬化させることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記樹脂硬化は、前記半導体チップの裏面側から光を照射することによって行なうことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記半導体チップの電極はライン状に形成されており、前記第３の工程においては、前記半導体チップの裏面側から長方形の弾性体によりライン状に形成された電極の形成領域を共通に覆うようにして押圧することを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。

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