JP3469093B2 - 印刷回路基板および実装回路基板の製造方法 - Google Patents

印刷回路基板および実装回路基板の製造方法

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    • H01L2924/1304Transistor
    • H01L2924/1306Field-effect transistor [FET]
    • H01L2924/13091Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor [MOSFET]

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、フリップチップボ
ンディングに関し、特にフリップチップボンディング用
の印刷回路基板とフリップチップボンディングを用いた
実装回路基板の製造方法とに関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子を形成した半導体チップと印
刷回路基板との接続方法の1つとしてフリップチップボ
ンディングが知られている。半導体チップ上に外部接続
用のバンプを形成し、印刷回路基板上にバンプの位置に
合わせてフリップチップボンディング用の電極を形成す
る。
【0003】半導体チップの素子面を印刷回路基板と対
向させ、バンプと電極とを直接ボンディングする。半導
体チップをパッケージ化することなくそのまま用いるこ
とができるので、半導体装置の専有面積を小さくするこ
とも可能である。また、ボンディングワイヤ、リードフ
レームのリード等を介することなく、半導体チップ上の
配線を印刷回路基板上の配線に接続することができるの
で、配線長を短くすることができる。
【0004】近年、電子部品の高密度実装の要求はます
ます高くなり、入出力端子の多端子化、端子間ピッチの
微細化の要求が高い。フリップチップボンディングはこ
れらの要求にも応えることができる。
【0005】フリップチップボンディングのバンプは、
通常、Sn−Pb系等の比較的低融点の合金で形成され
ることが多い。この方法では、低コストで簡単に半導体
チップと印刷回路基板との間の電気的(機械的)接続を
実現することができる。この合金系の組成において、P
bを主成分とする材料は、融点が高めになるが、柔軟性
が高く、温度サイクルによるくり返しの熱収縮に対して
信頼性の高い半田接合を提供することができる。
【0006】しかし、Pbには複数の同位体が存在し、
それらの内、ウラン(U)、トリウム(Th)の崩壊系
列中の中間生成物は、崩壊の際He原子(α線)を放出
するα崩壊を伴う。半田中のPbからα線が生じると、
そのα線が半導体基板内に進入し、多量の電子正孔対の
反転を引き起こす可能性を生じる。この電子正孔対の反
転により、メモリ素子の記憶内容の書き換え等が発生し
てしまう。この現象をソフトエラーと呼ぶ。ソフトエラ
ーを防止するためには、バンプ材料としてPbを使用し
ないことが望まれる。
【0007】また、Pbは土壌に流出すると、酸性雨に
よって溶け出し、環境に影響を及ぼす。環境の面から
も、Pbを使わない半田材料が強く求められている。
【0008】Pbを主成分とする半田に代わる材料とし
て、Snを主成分とする半田材料が使われ始めている。
Snは、融点が232℃であり、Pbと較べると柔軟性
が乏しい(硬い)材料である。
【0009】SnにAgを添加すると、柔軟性が増し、
融点が下がることが知られている。但し、Agの量を1
0%以上にすると、融点は232℃以上になってしま
う。Sn−3.5%Agが最低の221℃の融点を与え
る。Sn−Ag系材料の他、Sn−Sb系材料や、Sn
−Bi系材料も知られている。さらに、3元、4元の材
料も知られている。
【0010】印刷回路基板への回路素子の半田付けは、
1度に行なわれるとは限らない。多数の回路素子を印刷
回路基板に接合する場合、回路素子をいくつかの群に分
け、複数の半田接合工程によって全回路素子を接合する
階層接合が知られている。通常、半田付けリフローは、
融点より50〜60℃程度高い温度で行なう。階層接合
を行なうためには、融点が十分異なる半田材料が必要と
なる。
【0011】従来、LSI素子と印刷回路基板間のフリ
ップチップ接合は、Pb−5%Sn(融点315℃)を
用いて行なわれる。この場合のリフロー温度は、360
〜380℃である。
【0012】I/Oピン、冷却フィン、その他のパーツ
の接合は、Pb−5%Snの融点以下の半田材料を用い
て行なわれる。このような条件を満たす半田材料として
は、Sn−Pb系材料(融点183℃)やAu−20%
Sn系材料(融点約280℃)を用いることができる。
【0013】Pbを含まない半田材料を用いる場合、階
層接合が問題となる。例えば、Sn−3.5%Ag(融
点221℃)等のSn系半田材料を用いると、階層接合
を行なうためには、融点が十分離れた他の半田材料を用
いることが必要である。Au−20%Sn系材料(融点
約280℃)を用いる場合、初めの接合をAu−20%
Sn系材料で行い、次の接合をSn−3.5%Ag半田
を用いて行なうことになる。
【0014】Sn−3.5%Ag半田に対するリフロー
は、270〜280℃程度の温度で行なうことになり、
Au−20%Sn系半田の融点と十分な差を持たせるこ
とが困難になる。第2の半田材料のリフロー時に第1の
半田材料が融点に達してしまうと、半田接合時に他の部
材も同時に溶融したり、加熱によって合金組成の変質等
が生じ、半田接合部の接合信頼性が低下する問題も生じ
得る。
【0015】半田材料として、通常Sn−Pb共晶半田
と呼ばれる融点183℃の半田も知られている。この場
合も、Sn−3.5%Ag系半田の融点と十分な温度差
を有さず、階層接合に問題が生じる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
Pbを含まない半田材料を用いて半導体素子を印刷回路
基板にフリップチップ接合しようとすると、種々の問題
が生じ得る。また、半田を用いた接合工程は、なるべく
低温で実施できることが望ましい。ただし、接合後の半
導体素子は、使用環境の温度上昇によっては印刷回路基
板から分離しないことが必要である。
【0017】本発明の目的は、Pbを含まない半田材料
を用いた、新規な半導体装置のフリップチップボンディ
ング方法を提供することである。
【0018】本発明の他の目的は、リフロー温度の低温
化を可能とするフリップチップ実装技術を提供すること
である。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、絶縁体基板と、前記絶縁体基板上に形成された配線
と、前記配線上に形成された電極とからなる印刷回路基
板であって、前記電極は、下からCr層、Cu層、Ni
層の積層を含む下地電極層と、前記下地電極層上に形成
されたIn、In−Sn合金、またはIn−Bi合金の
最上層からなることを特徴とする印刷回路基板を含む印
刷回路基板が提供される。
【0020】本発明の他の観点によれば、半導体チップ
上に、90重量%〜97重量%のSnと3重量%〜10
重量%のAgとを含む半田材料または90重量%〜97
重量%のSnと3重量%〜10重量%のSbとを含む半
田材料を用いて半田バンプを形成する工程と、印刷回路
基板上にCr層、Cu層、Ni層を積層し、下地電極層
を形成する工程と、前記下地電極層上にIn、In−S
n合金、またはIn−Bi合金の最上層を形成し、電極
を形成する工程と、前記半田バンプを前記電極上に配置
し、前記半導体チップを前記印刷回路基板上にフリップ
チップボンディングする工程とを含む実装回路基板の製
造方法が提供される。
【0021】In、In−Sn合金、In−Bi合金
は、それぞれ157℃、113〜157℃、72〜11
0℃の低い融点を有する。電極上にこれらの金属あるい
は合金層を形成しておくことにより、低い温度で溶融金
属層を形成することができ、この溶融金属層に半田材料
を接触させることにより、半田接合を実現することがで
きる。
【0022】In、In−Sn合金、In−Bi合金で
形成される最上層の厚さを、50−100μmとするこ
とにより、接合工程を容易に行い、かつ得られる半田接
合の融点を高く保つことができる。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を説明する。
【0024】図1は、本発明の実施例による半導体チッ
プと印刷回路基板との組み合わせを示す。図1Aは、半
導体チップの上面図を示し、図1(B)は、図1(A)
に示す半導体チップ上に設けられた半田バンプ端子の構
成を示す。
【0025】図1(A)に示すように、半導体チップC
Hは、その表面上に半導体回路CKTを形成している。
例えば、半導体回路CKTは、nチャネルMOSFET
とpチャネルMOSFETとを含むCMOS回路を構成
する。半導体チップCH表面上には、接続用のバンプ端
子Bが複数個形成されている。なお、図においては半導
体チップCHの中央部に半導体回路CKTが配置され、
周辺部にバンプ端子Bが配置されている場合を示すが、
バンプ端子Bと回路CKTの配置はこの場合に限らな
い。例えば、半導体チップCH全面上にバンプ端子Bが
分布して配置されたものでもよい。
【0026】各バンプ端子Bは、図1(B)に示すよう
な構成を有する。半導体チップCHは、例えばフィール
ド酸化膜を備えたSi基板である。チップCH表面上
に、例えば厚さ100nmのTi層1、その上に4μm
のNi層2、表面が球状の半田バンプ3が形成されてい
る。Ti層1、Ni層2は、例えばスパッタリングや無
電解または電解メッキによって形成することができる。
半田バンプ3は、Sn−Ag系材料またはSn−Sb系
材料で形成される。
【0027】半田バンプ3をSn−Ag合金で形成する
場合、Agの量は、3−10wt%に選択することが好
ましい。この場合、Snの融点は232℃であるが、A
gを添加することにより、融点は一旦下降し、Agの量
が3.5wt%で最小値221℃をとり、その後再び上
昇する。Sn−Sbを半田材料とする場合は、Sbの量
を3−10wt%に選択することが好ましい。Sbが約
5wt%の時、融点はほぼ240℃となり、Sbが10
wt%になると、融点は250℃程度に上昇する。
【0028】図2は、半田バンプの形成方法の例を示
す。図2(A)に示すように、たとえば半導体チップC
H表面上にTi層1、Ni層2をスパッタリングで成膜
し、パターニングすることによって下地電極を形成す
る。Ti層1をスパッタリング、パターニングした後、
その上にNi層をメッキする等他のプロセスで下地電極
を形成してもよい。
【0029】図2(B)に示すように、バンプ形成用の
凹部を有する型板21を準備する。型板21は、例えば
(110)Si基板の表面上にレジスト層等によってマ
スクを形成し、KOH等のアルカリ溶液を用いた異方性
エッチングを行って凹部22を形成することによって作
成できる。なお、凹部22は、半田バンプを形成する半
導体チップCHのバンプ配置箇所に合わせて形成され
る。
【0030】型板21の上に、径25μm以下の粉末に
分級した半田材料をフラックスと共に載せ、スキージに
よって扱き、型板21に形成した凹部22内を半田材料
によって埋める。その後、型板21をリフロー炉に搬送
し、N2 雰囲気中で加熱することによって半田材料を溶
融する。溶融した半田材料は、表面張力により球状の半
田ボール3aとなる。
【0031】図2(C)に示すように、下地電極を形成
した半導体チップCHの表面にRMタイプのフラックス
25を塗布し、チップボンダーにより型板21の半田ボ
ール3aと下地電極1、2との位置合わせをする。
【0032】図2(D)に示すように、位置合わせをし
た半導体チップCHと型板21をリフロー炉内、N2
囲気中で加熱し、半田ボール3aを溶解させる。半田ボ
ール3aは、溶解すると共に下地電極1、2上に拡が
る。このようにして、下地電極上に形成された半球状の
半田バンプ3が形成される。
【0033】図2(E)に示すように、半田バンプ3を
形成した半導体チップCHを取り出し、キシレンとイソ
プロピルアルコールの混合溶液中で洗浄を行なう。
【0034】図2(F)に示すように、洗浄した半導体
チップCHの表面上にフラックス26を塗布する。さら
に、フラックス26を塗布した半導体チップCHをリフ
ロー炉内に搬入し、N2 雰囲気中で加熱し、リフロー処
理を行なう。
【0035】図2(G)に示すように、リフロー処理を
行なった半導体チップCHを、再びキシレンとイソプロ
ピルアルコールの混合溶液で洗浄する。このようにし
て、半田バンプ端子Bを備えた半導体チップCHを準備
することができる。
【0036】図1(C)は、印刷回路基板PCの構成例
を示す。印刷回路基板PCは、例えばガラスエポキシ製
樹脂板の表面上に配線を形成したものである。印刷回路
基板PCは、半導体パッケージ用の簡単なものであって
も、マルチチップモジュール等の複雑な構成のものであ
ってもよい。
【0037】印刷回路基板PC上には、多数の配線Wが
形成されている。印刷回路基板PCの半導体チップCH
を配置する領域P1には、配線Wの先端に電極Eが形成
されている。領域P2は他の回路素子を半田接合する場
所である。たとえば、領域P2には他の回路素子がAu
−20%Sn合金により予め半田接合される。
【0038】図1(D)は、印刷回路基板上の電極Eの
構成を示す。ガラスエポキシ基板11の表面上に、Cr
層12a、Cu層12b、Ni層12c、Au層12d
が積層され、下地電極層12を形成する。これらの下地
電極層の内、Au層12dは場合によっては省略しても
よい。
【0039】下地電極層12上に、In、In−Sn合
金、又はIn−Bi合金で形成された初期接合金属層1
3が形成されている。この初期接合金属層13は、例え
ば厚さ50〜100μm形成されている。50μm以下
の厚さでは、電極Eとバンプ端子Bの接触が不確実にな
り、接合の信頼性を損なうことがある。また、100μ
m以上の厚さとすると、初期接合金属層の量が多くなり
過ぎ、接合後の半田材料の融点が低下したり、機械的性
質が劣化することがある。接合の信頼性を保つために
は、初期接合金属層13の厚さを100μm以下とする
ことが好ましい。
【0040】初期接合金属層13は、例えば25ミクロ
ン以下の粉末に分級したIn、In−Sn、In−Bi
等にフラクッスを混合した半田ペーストを作成し、スク
リーン印刷により下地電極層12上に形成することがで
きる。
【0041】図3は、半田接合工程を示す断面図であ
る。図3(A)に示すように、ガラスエポキシ基板11
の上に下地電極層12、初期接合金属層13のパターン
を備えた印刷回路基板を準備する。なお、図示の構成に
おいては、下地電極層12は、Cr層12a、Cu層1
2b、Ni層12cの3層から形成されている。この下
地電極層12の上に、In、In−Sn系合金、または
In−Bi系合金で形成された初期接合金属層13が形
成され、電極構造Eが形成されている。
【0042】図3(B)に示すように、半導体チップC
Hの表面上にフラックス27を塗布する。その後、半導
体チップCHと印刷回路基板11をバンプ端子Bと電極
構造Eが対向するようにチップボンダーにより位置合わ
せする。
【0043】図3(C)に示すように、半導体チップC
Hを印刷回路基板11を接触させ、リフロー炉内に搬入
し、N2 雰囲気中で加熱することによりリフロー処理を
行なう。リフロー処理により、先ず電極構造Eの初期接
合金属層13が溶融し、溶融金属層が半導体チップCH
上の半田バンプ3と接触する。加熱された溶融金属層が
半田バンプ3と接触することにより、半田バンプ材料と
初期接合金属層の構成元素との間で相互拡散反応が進行
し、半田バンプ端子Bと電極構造Eとの接合が進行す
る。
【0044】このリフロー工程は、初期接合金属層が十
分溶融する温度で行なうことができる。例えば、初期接
合金属層の融点の30〜50℃上の温度で行なうことが
できる。初期接合金属層をInで形成した場合、融点が
157℃のため、リフロー温度は170〜220℃、よ
り好ましくは170〜200℃である。初期接合金属層
をIn−Bi合金で形成した場合、その融点は72〜1
10℃であり、リフロー工程は100〜200℃、より
好ましくは100〜140℃で行なうことができる。
【0045】図3(D)に示すように、リフローを終了
した後、接合された半導体チップCHと印刷回路基板1
1の接合複合体をキシレンとイソプロピルアルコールの
混合溶液で洗浄する。
【0046】このようにして、Pbを含まない半田材料
を用い、低温熱処理により半導体チップを印刷回路基板
に確実に接合することができる。
【0047】例えば、融点が約280℃のAu−20%
Snの半田を階層接合の半田材料として用いる場合、リ
フロー温度を200℃程度とした上述の初期接合金属層
を用いれば、リフロー温度よりも高い融点を有する半田
材料を階層接合に用いることが可能となる。
【0048】上述の実施例による実装回路基板の製造方
法の信頼性を確認するため、以下に述べる実験を行なっ
た。半導体チップ上に形成する半田バンプの材料として
は、Agの組成を3〜10wt%に選択したSn−Ag
合金及びSbの組成を3〜10wt%に選択したSn−
Sb合金を用いた。
【0049】印刷回路基板上の電極構造の最上層は、I
n、In−20%Sn、In−40%Sn、In−48
%Sn、In−20%Bi、In−40%Bi、In−
60%Bi、In−67%Biとした。バンプ径は70
〜100μm、バンプ間のピッチは150〜210μm
とした。また、電極構造の最上層は、それぞれ100μ
mの厚さとした。
【0050】なお、各初期接合金属層の材料に対するリ
フロー温度は、In200℃、In−20%Sn190
℃、In−40%Sn180℃、In−48%Sn17
0℃、In−20%Bi180℃、In−40%Bi1
60℃、In−60%Bi140℃、In−67%Bi
120℃とした。
【0051】上述の各組み合わせの接合を行い、全サン
プルにおいて10Ω以下の抵抗及び良好な接合状態を得
た。従って、In、In−Sn合金、In−Bi合金の
いずれかを電極上に形成した印刷回路基板を用いること
により、Pbを含まない半田材料を用い、比較的低温で
半田接合処理を行なうことができる。
【0052】なお、Pbの代わりにSnを主成分とする
半田材料を用いる場合も、Snの中には同位体であるP
bが不純物として混入し易い。Sn中のPb量は、1p
pm以下とすることが好ましい。Pb量を1ppm以下
とする場合、Sn中のアルファ線量は0.01cph/
cm2 以下とすることができる。従って、ソフトエラー
を確実に防止することができる。
【0053】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々
の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明
であろう。
【0054】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Pbを用いず、半田バンプを用いたフリップチップ接合
を行なうことができる。
【0055】また、フリップチップ接合のリフロー処理
温度を低減することができる。リフロー温度の異なる半
田材料を用い、階層接合を信頼性高く行なうことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による半導体チップと印刷回路
基板との組み合わせを示す平面図および断面図である。
【図2】本発明の実施例によるバンプを備えた半導体チ
ップの製造方法を説明するための概略的断面図である。
【図3】本発明の実施例による半導体チップと印刷回路
基板と接合工程を示す概略的断面図である。
【符号の説明】
1 Ti層 2 Ni層 3 半田バンプ B バンプ構造 E 電極構造 12 下地金属層 13 初期接合金属層 CH 半導体チップ PC 印刷回路基板 CKT 半導体回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−20632(JP,A) 特開 平3−283542(JP,A) 特開 平8−8299(JP,A) 特開 平9−181125(JP,A) 特開 昭61−14096(JP,A) 特開 平4−263433(JP,A) 特開 平9−260389(JP,A) 特開 平7−283268(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/60

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁体基板と、前記絶縁体基板上に形成
    された配線と、前記配線上に形成された電極とからなる
    印刷回路基板であって、 前記電極は、下からCr層、Cu層、Ni層の積層を含
    む下地電極層と、 前記下地電極層上に形成されたIn、In−Sn合金、
    またはIn−Bi合金の最上層からなることを特徴とす
    る印刷回路基板。
  2. 【請求項2】 前記電極の前記最上層が50−100μ
    mの範囲の厚さを有する請求項1記載の印刷回路基板。
  3. 【請求項3】 半導体チップ上に、90重量%〜97重
    量%のSnと3重量%〜10重量%のAgとを含む半田
    材料または90重量%〜97重量%のSnと3重量%〜
    10重量%のSbとを含む半田材料を用いて半田バンプ
    を形成する工程と、 印刷回路基板上にCr層、Cu層、Ni層を積層し、下
    地電極層を形成する工程と、 前記下地電極層上にIn、In−Sn合金、またはIn
    −Bi合金の最上層を形成し、電極を形成する工程と、 前記半田バンプを前記電極上に配置し、前記半導体チッ
    プを前記印刷回路基板上にフリップチップボンディング
    する工程と を含む実装回路基板の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記最上層を形成する工程が、厚さ50
    −100μmの最上層を形成する請求項3記載の実装回
    路基板の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記フリップチップボンディングする工
    程が、200℃以下の温度で前記半田バンプと前記電極
    とをリフロー処理することを含む請求項3または4記載
    の実装回路基板の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記半田バンプを形成する工程が、凹部
    を有する型板の凹部内に半田材料を充填するサブ工程
    と、凹部内の半田材料を加熱して溶融させた後、降温し
    て半田ボールを形成するサブ工程と、半田ボールを半導
    体チップ上に転写するサブ工程とを含む請求項3−5の
    いずれかに記載の実装回路基板の製造方法。
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