JP3168889B2 - 半導体素子の実装方法 - Google Patents

半導体素子の実装方法

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  • Wire Bonding (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、回路基板にフェー
スダウンに実装する半導体素子の実装方法に関する。
【0002】近年のLSI等の半導体素子は、表面に格
子状に少ないもので数百個多いもので数千個の電極が配
列したものがある。このような半導体素子はそれぞれの
電極にバンプを形成して、フェースダウンに回路基板に
実装される。
【0003】バンプは一般に半田バンプであって、その
直径は 100μm 程度である。バンプは、電極上にバリア
メタル(多層金属膜) を形成しその上に半田めっきして
バンプとする。或いはガラス等の基板に形成したバンプ
を、半導体素子に転写する等して形成される。
【0004】
【従来の技術】従来の半導体素子の実装方法を図6に示
す。図において、2は半導体素子1の表面に格子状に配
列形成された電極である。10は、それぞれの電極2の表
面に形成された例えば半田等のバンプである。5は、半
導体素子1をフェースダウンに実装する回路基板であっ
て、実装面にそれぞれのバンプ10に対応してパッド6を
形成してある。
【0005】20は、下端面を半導体素子1の裏面に密接
させ、軸心に設けた吸引孔21から空気を吸引すること
で、半導体素子1を吸着するツールである。ツール20は
熱膨張係数が小さい例えばモリブデン等の焼結合金から
構成され、ツール20の側壁から電線を導出し、スイッチ
25を介して電線を図示省略した電源に接続している。
【0006】スイッチ25をオンにしてツール20を加熱し
(400℃〜 470℃) 、その熱を半導体素子1を経てバンプ
10に伝達し、バンプ10を溶融温度(例えば 320℃) に加
熱するようにしている。
【0007】このようなツール20を用いて半導体素子1
を回路基板5にフェースダウンに実装するには、図6の
(A) のようにそれぞれの電極2にバンプ10を形成した半
導体素子1を、ツール20で吸着する。
【0008】そして、スイッチ25をオンにしてツール20
を加熱しバンプ10をほぼ融点温度に加熱し、図6の(B)
のようにツール20を押下して、半導体素子1の表面が回
路基板5の表面との距離が所定の設定高Hになるよう
に、半導体素子1を降下して、それぞれのバンプ10を対
応するパッド6に押圧し(押圧力はバンプ1個あたり約
6g)、バンプ10をパッド6に熱圧着する。
【0009】この設定高Hとは、配列した状態で背丈の
低いバンプに所定の押圧力(約6g)が付加される高さ
をいう。熱圧着終了後、ツール20の吸着を解除して半導
体素子1を切離すことで、図6の(C) に図示したように
半導体素子1がフェースダウンに回路基板5に実装され
る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】多数のバンプを形成し
た半導体素子は、半導体素子にバンプを形成した状態で
配列したバンプの高さのばらつきは避けられない。
【0011】熱圧着時に半導体素子の設定高を、背丈の
低いバンプに合わせて設定するという従来の実装方法
は、ツールを押下して半導体素子を設定高まで降下した
後でも、ツールが加熱され膨張するので半導体素子の高
さは設定高よりも小さくなる。
【0012】したがって、背丈の高いバンプはより大き
く押圧されて横方向に伸び、隣接したバンプに接触しバ
ンプショートが発生するという問題点があった。本発明
はこのような点に鑑みて創作されたもので、バンプショ
ートが発生する恐れがない半導体素子の実装方法を提供
することを目的としている。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は図1及び図4に例示したように、半導体素
子1を回路基板5にフェースダウンに実装する実装方法
において、それぞれの電極2にバンプ10を形成した半導
体素子1をツール20で吸着し、バンプ10が回路基板5の
パッド6に接触するまで半導体素子1を押下し、次に所
定量aだけ半導体素子1を引き上げる。
【0014】ツール20に所定時間通電してツール20及び
バンプ10を加熱し、ツール20の熱膨張によりバンプ10を
パッド6に加圧し融着させる。その後通電をオフにする
と同時に半導体素子1の吸着を解除するものとする。
【0015】図3及び図5に例示したように、それぞれ
の電極2にバンプ10を形成した半導体素子1をツール20
で吸着し、バンプ10が回路基板5のパッド6に接触する
まで半導体素子1を押下し、次に所定量aだけ該半導体
素子1を引き上げる。
【0016】ツール20に所定時間通電してツール20及び
バンプ10を加熱し、ツール20の熱膨張によりバンプ10を
パッド6に加圧し融着させる。その後通電をオフにし、
通電オフ後の所定時間後に、半導体素子1の吸着を解除
するものとする。
【0017】或いは、バンプ数量が多い半導体素子1に
は熱膨張係数が大きいツール20を使用し、バンプ数量が
少ない半導体素子1には熱膨張係数が小さいツール20を
使用する構成とする。
【0018】さらにまた、バンプ径が大きい半導体素子
1には熱膨張係数が大きいツール20を使用し、バンプ径
が小さい半導体素子1には熱膨張係数が小さいツール20
を使用する構成とする。
【0019】バンプ10をパッド6に接触した後に、所定
量半導体素子1を引き上げ、ツール20の熱膨張量だけで
バンプ10を回路基板5のパッド6に熱圧着するという請
求項1の本発明によれば、背丈の高いバンプ10も必要量
以上に大きく圧縮されることがない。よってバンプショ
ートの発生が抑制される。
【0020】通電オフ後の所定時間後に半導体素子の吸
着を解除するという請求項2の発明によれば、通電オフ
することでツール20が収縮するので、バンプ10がパッド
6に融着した状態で半導体素子1が引き上げられる。よ
って、バンプが背丈の高い好ましい鼓形になる。
【0021】請求項3,4の発明によれば、ツール20及
びバンプ10の加熱条件を一定に設定して、バンプ10に望
ましい加圧力を付与することができるので、バンプとパ
ッドとの接合の信頼度が高い。
【0022】
【発明の実施の形態】以下図を参照しながら、本発明を
具体的に説明する。なお、全図を通じて同一符号は同一
対象物を示す。
【0023】図1は第1の実施の形態を説明する図、図
2は第1の実施の形態による半導体素子の実装図、図3
は第2の実施の形態を説明する図である。図4は第1の
実施の形態のフローチャートであり、図5は第2の実施
の形態のフローチャートである。
【0024】図において、2は半導体素子1の表面に格
子状に配列形成した電極である。10は、それぞれの電極
2の表面に形成された例えば半田等のバンプである。図
1に示すバンプ数は数百個であり、その直径は 100μm
より小さい。
【0025】5は、半導体素子1をフェースダウンに実
装する回路基板であって、実装面にそれぞれのバンプ10
に対応してパッド6を形成してある。20は、下端面を半
導体素子1の裏面に密接させ、軸心に設けた吸引孔21か
ら空気を吸引することで、半導体素子1を吸着するツー
ルである。
【0026】ツール20は熱膨張係数が半導体素子1の熱
膨張係数にほぼ等しい例えばモリブデン等の焼結合金か
ら構成されている。そしてツール20の側壁から電線を導
出し図示省略した電源に接続している。
【0027】また、電線にスイッチ25を介在させ、スイ
ッチ25をオンにすることでツール20を所定の温度(440℃
〜470 ℃) に加熱し、ツール20の温度を半導体素子1を
経てバンプ10に伝達しバンプ10を溶融温度(約 320℃)
に加熱するようにしている。
【0028】このようなツール20を用いて半導体素子1
を回路基板5にフェースダウンに実装するには、図1の
(A),(B),(C),(D) に示す工程図、及び図4のフローチャ
ートに示すように、それぞれの電極2にバンプ10を形成
した半導体素子1を、ツール20で吸着する。
【0029】そして、ツール20を降下してバンプ10の下
部を回路基板5の対応するパッド6に接触させる。バン
プ10がパッド6に接触した後に、ツール20を真っ直ぐ上
方に引き上げ、所定量aだけ半導体素子1を引き上げ、
回路基板5の表面と半導体素子1の下面との距離をb1
とする。
【0030】半導体素子1を引き上げる所定量aとは、 (所定温度に加熱した時のツールの熱膨張量c−バンプ
を圧縮使用とする寸法) をいう。
【0031】そして、ツール20に通電し(通電時間は約
6秒)し、ツール20を所定の温度(440℃〜470 ℃) に加
熱し、ツール20の温度を半導体素子1を経てバンプ10に
伝達し、バンプ10を溶融温度(約 320℃) に加熱する。
【0032】このことにより、ツール20が膨張(熱膨張
量c)し、半導体素子1が降下し、回路基板5の表面と
半導体素子1の下面との距離がb2 になる。即ち、バン
プ10が押圧され(熱膨張量c−所定量a)だけ圧縮さ
れ、それぞれのバンプ10が対応するパッド6に押圧され
(押圧力はバンプ1個あたり約6g)パッド6に熱圧着
する。
【0033】所定時間通電(約6秒)後、スイッチ25を
オフにすると同時に、半導体素子1の吸着を解除して、
図2に図示したように、半導体素子1をフェースダウン
に回路基板5に実装する。
【0034】上述のような半導体素子の実装方法である
ので、ツール20の熱膨張量だけでバンプ10を回路基板5
のパッド6に熱圧着するのであるから、配列形成された
バンプ10の背丈にばらつきがあっても、背丈の高いバン
プ10も必要量以上に大きく圧縮されることがない。よっ
てバンプショートの発生が抑制される。
【0035】バンプ個数が数千個と多い半導体素子1を
実装する際には、熱膨張係数が大きいツール(例えば鋼
系合金)を使用する。また、バンプ径が大きい(例えば
120μm)半導体素子1には熱膨張係数が大きいツール20
を使用する。
【0036】このようにツールの材質を選択すること
で、ツール及びバンプの加熱条件を一定に設定してまま
で、バンプに望ましい加圧力を付与することができるの
で、バンプとパッドとの接合の信頼度が向上する。
【0037】また他の半導体素子の実装方法は、図3及
び図5のフローチャートに示すように、それぞれの電極
2にバンプ10を形成した半導体素子1を、ツール20で吸
着する。
【0038】そして、ツール20を降下してバンプ10の下
部を回路基板5の対応するパッド6に接触させる。バン
プ10がパッド6に接触した後に、ツール20を真っ直ぐ上
方に引き上げ、所定量だけ半導体素子1を引き上げる。
【0039】そして、ツール20に通電し(通電時間は約
6秒)し、ツール20を所定の温度(440℃〜470 ℃) に加
熱し、ツール20の温度を半導体素子1を経てバンプ10に
伝達し、バンプ10を溶融温度(約 320℃) に加熱する。
【0040】このことにより、ツール20が膨張し半導体
素子が降下し、バンプ10が押圧され圧縮されて、それぞ
れのバンプ10が対応するパッド6に押圧され(押圧力は
バンプ1個あたり約6g)パッド6に融着する。
【0041】所定時間通電(約6秒)後、スイッチ25を
オフにして、ツール20を冷却し収縮させ、ツール20の収
縮に伴い半導体素子1を僅かに引き上げ、所定時間後
(ツールが20μm 程度収縮する時間でほぼ5秒) に、半
導体素子1の吸着を解除する。
【0042】このことにより、図3の(B) に図示したよ
うに背丈の高い鼓形のバンプ10-1になる。一般に半導体
素子と回路基板とは熱膨張係数が異なる。したがって環
境温度が変化するとバンプに剪断力が付与されるが、鼓
形のバンプは樽形のバンプよりも耐剪断応力が強い。し
たがって、上述のような半導体素子の実装方法によると
バンプと回路基板との接合の信頼度がさらに向上する。
【0043】一方、鼓形のバンプは背丈が高いので、半
導体素子1と回路基板5との間に合成樹脂を封入する作
業が容易になる。
【0044】
【発明の効果】以上のように構成されているので、本発
明は下記のような効果を有する。半導体素子をリフロー
半田付けしてフェースダウンに実装する方法に比べて、
実装時間が非常に短い。
【0045】バンプ数が多い半導体素子に適用して、バ
ンプの背丈にばらつきがあっても、バンプと回路基板と
の接合の信頼度が高く、且つバンプショートの発生が抑
制される。
【0046】熱膨張係数の異なるツールを選択すること
で、バンプ個数の数量、或いはバンプ径の大小ある半導
体素子に適用して、ツール及びバンプの加熱条件を一定
に設定してままで、バンプに望ましい加圧力を付与する
ことができ、バンプと回路基板との接合の信頼度が高
い。
【0047】ツールの冷却収縮を利用して鼓形のバンプ
とする実装方法は、引張応力に強いバンプを容易に得ら
れる。また半導体素子と回路基板との間に合成樹脂を封
入する作業が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態を説明する図である。
【図2】第1の実施の形態による半導体素子の実装図で
ある。
【図3】第2の実施の形態を説明する図である。
【図4】第1の実施の形態のフローチャートである。
【図5】第2の実施の形態のフローチャートである。
【図6】従来方法を説明する図である。
【符号の説明】
1 半導体素子 2 電極 5 回路基板 6 パッド 10,10-1 バンプ 21 吸引孔 25 スイッチ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 バンプを形成した半導体素子をツールを
    用いて吸着し、 ツールを加熱し、ツールの熱膨張によりバンプを回路基
    板が有するパッドに加圧し融着させる半導体素子の実装
    方法であって、 前記バンプが前記パッドに接触するまで半導体素子を押
    下し、 次に所定量だけ半導体素子を引き上げてからツールを加
    熱することを特徴とする半導体素子の実装方法。
  2. 【請求項2】 バンプを形成した半導体素子をパッドを
    形成した回路基板にツールを用いて実装する実装方法で
    あって、 半導体素子をツールで吸着し、 バンプがパッドに接触するまで半導体素子を押下し、 次に所定量だけ半導体素子を引き上げ、 ツールを加熱し、ツールの熱膨張によりバンプをパッド
    に加圧し融着させた後、半導体素子の吸着を解除するこ
    とを特徴とする半導体素子の実装方法。
  3. 【請求項3】 半導体素子の種類に応じて熱膨張係数が
    異なるツールを使用することを特徴とする請求項1又は
    2記載の半導体素子の実装方法。
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