JP3703808B2

JP3703808B2 - Manufacturing method of semiconductor device

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Publication number: JP3703808B2
Application number: JP2003038730A
Authority: JP
Inventors: 雅之北嶋; 成和竹居; 良孝村岡
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2017-09-08
Also published as: JP2003218153A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置及びその製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の進歩により、非常の多くの端子( 例えば３００以上の端子）をもった半導体素子が市場に出回るようになっている。それにともなって、半導体素子の端子（電極）を配線基板の端子（電極）に接続する技術の向上及びコストの削減が強く望まれている。
【０００３】
メタルバンプを利用して半導体素子の電極を配線基板の電極に一括して接続する技術が進歩している。すなわち、半導体素子の電極にはんだバンプや金バンプ等のメタルバンプを取り付けておき、半導体素子を配線基板に向かってフェースダウンで押しつけるとメタルバンプが配線基板の電極に接合され、よって半導体素子の電極が配線基板の電極に接続される。
【０００４】
半導体素子の集積回路の導体はアルミニウムで作られるので、半導体素子の電極は一般にアルミニウムで作られる。これに対して、配線基板の導体は銅で作られるので、配線基板の電極は一般に銅で作られる。
はんだバンプを使用するときには、はんだはアルミニウムに直接に接合しにくいので、半導体素子のアルミニウムの電極の上にニッケル層及びチタン層を付加しておき、はんだバンプを半導体素子の複合構造の電極に接合するようになっている。それから、半導体素子を配線基板に加熱しながら押しつけると、はんだバンプは配線基板の電極上で溶けて広がるので、はんだバンプは配線基板の電極に良好に接続される。
【０００５】
金バンプを使用するときには、金はアルミニウムに直接に接合されるので、はんだバンプを使用する場合のように半導体素子のアルミニウムの電極の上にニッケル層及びチタン層を設けておく必要はない。しかし、金バンプは突起を有するスタッドバンプとして半導体素子の電極に取り付けられ、スタッドバンプの表面をレベリングし且つ金バンプの表面に導電性接着剤を取り付けた後で、半導体素子を熱をかけながら配線基板に押しつけ、金バンプを導電性接着剤を介して配線基板の電極に接続する。導電性接着剤は熱硬化性の樹脂に金属フィラーを混合したものであり、導電性接着剤は熱硬化される。その後、半導体素子と配線基板との間を固定用接着剤（絶縁樹脂）で封止する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、はんだバンプを使用するときは、半導体素子のアルミニウムの電極の上にニッケル層及びチタン層を付加しておくことが必要であるが、ニッケル層及びチタン層の付加は真空チャンバー等の特別の設備を必要とするので、半導体素子の全てのユーザーが所望に応じてニッケル層及びチタン層を付加することはできない。そのために、ニッケル層及びチタン層が付加されていない半導体素子を購入した場合には、はんだバンプを使用できないことがある。
【０００７】
一方、スタッドバンプとして形成した金バンプに導電性接着剤を付加した場合には、スタッドバンプのレベリングした表面が配線回路の表面と必ずしも平行にならず、導電性接着剤を使用しても十分な電気的な接続が取れるとは言えず、接続の信頼性が低い。また、使用材料が多くなり、製造工程が複雑であり、樹脂が硬化するまで加熱を続ける必要があり、生産性が悪い。さらに、半導体素子の不良あるいは実装不良が生じた場合に、半導体素子を取り換えるには、配線基板の電極から導電性接着剤を剥がす必要がある。しかし、導電性接着剤は熱硬化性樹脂を含むために、一旦熱硬化された導電性接着剤を剥がすことが難しい。そのため、半導体素子や配線基板のリペアがきわめて困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、半導体素子を配線基板にフェイスダウンにてマウントすることができ、且つ接続部の信頼性向上及び半導体素子の交換の容易化を図り得る半導体装置及びその製造方法及び製造装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置は、電極を有する半導体素子と、該半導体素子の電極の上に設けられた金含有はんだ膜と該金含有はんだ膜の上に設けられた金属のバンプ要素とからなるメタルバンプとからなることを特徴とする。
この場合、好ましくは、さらに電極を有する配線基板を備え、該半導体素子の電極に取り付けられたメタルバンプが配線基板の電極と接続される。また、前記金属のバンプ要素は金及びはんだの一つからなる。前記金属のバンプ要素は金属の膜及びボールの一つとして形成される。
【００１０】
本発明による半導体装置の製造方法は、電極を有する半導体素子を溶融した金含有はんだに浸漬して該半導体素子の電極の上に金含有はんだ膜を形成し、該金含有はんだ膜の上に金属のバンプ要素を形成し、よって該金含有はんだ膜と該金属のバンプ要素とによってメタルバンプを形成することを特徴とする。
この場合、好ましくは、前記金含有はんだ膜の上に金属のバンプ要素を形成することが、金含有はんだ膜を溶融したはんだに浸漬してはんだ膜を形成することからなる。前記金含有はんだ膜の上に金属のバンプ要素を形成することが、金含有はんだ膜を金属の溶融浴に浸漬することからなる。前記金含有はんだ膜の上に金属のバンプ要素を形成することが、金含有はんだ膜の上に金属の固体片を接合することからなる。
【００１１】
さらに、電極を有する半導体素子を溶融した金含有はんだに浸漬する前に、半導体素子の電極にフラックス作用をもたせるための処理を行うことを特徴とする。
この場合、好ましくは、前記フラックス作用をもたせるための処理が半導体素子にプラズマ照射を行うことからなる。前記フラックス作用をもたせるための処理が、第１のガスによって半導体素子の電極を清掃することと、第２のガスによって半導体素子の電極の材料と第２のガスとの化合物を形成することとからなる。
【００１２】
本発明の他の特徴による半導体装置の製造方法は、半導体素子の電極の上に金バンプ要素を取り付け、非活性ガスを用いて酸素濃度１００００ｐｐｍ以下の雰囲気中で該金バンプ要素の上にはんだ要素を溶融転写し、そして、はんだ要素を溶融転写する前に、アルコール、ケトン、エステル、エーテル及びその混合物の少なくとも一つを転写用フラックス剤として用いることを特徴とする。
この場合、好ましくは、前記転写用フラックス剤がアルコールに固形分を１０ｗｔ％以下混合したフラックスからなる。
【００１３】
本発明の他の特徴による半導体装置の製造装置は、ブースと、該ブース内に配置され、半導体素子の電極の上に設けられた金バンプ要素を浸漬可能な溶融はんだ槽と、該ブース内に非活性ガスを供給するための非活性ガスの供給手段と、該ブース内の酸素濃度検出手段と、該ブース内に配置された転写用フラックス槽とからなることを特徴とする。
本発明の他の特徴による半導体装置の製造装置は、半導体素子の電極の上に設けられた金バンプ要素を浸漬可能な溶融はんだ槽と、該半導体素子を吊り下げるための支持構造とを備え、該支持構造は互いに遊動可能に連結された少なくとも２つの連結部材からなる吊り下げ機構を含む。前記少なくとも２つの連結部材はチェーン状に連結された少なくとも２つの部材からなる。
【００１４】
本発明の他の特徴による半導体装置の製造装置は、半導体素子の電極の上に設けられた金バンプ要素を浸漬可能な溶融はんだ槽と、該半導体素子を吊り下げるための支持構造とを備え、該支持構造は互いに遊動可能に連結された少なくとも２つの連結部材からなる吊り下げ機構と、半導体素子を保持するために開放された吸引孔を有するポンプ式吸着ヘッドとを含むことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は参考例の半導体装置を示す図である。図１において、半導体装置１０は、電極１４を有する半導体素子１２と、電極１４に取り付けられたメタルバンプ１６とからなる。
メタルバンプ１６はボール状のコア１８と該コアのまわりを覆う表面層２０とからなる。半導体素子１２は半導体集積回路を構成するベアチップであり、集積回路（図示せず）及び集積回路に接続された導体１２ａを含む。電極１４は導体１２ａに接続されている。図１においては、１つの電極１４及び１つのメタルバンプ１６のみが示されているが、半導体素子１２の端子数に従った複数の電極１４及びメタルバンプ１６が設けられることは言うまでもない。このことは後の実施例についても同様である。
【００１６】
図２においては、半導体装置１０は、図１の構成に加えて、さらに電極２４を有する配線基板２２を備える。配線基板２２の電極２４は配線基板２２内の回路パターン（図示せず）に接続され、半導体素子１２の電極１４と同じ配列で配置されている。フェイスダウンボンディングにて半導体素子１２を熱をかけながら配線基板２２に押しつけることによって、半導体素子１２の電極１４に取り付けられたメタルバンプ１６が配線基板２２の電極２４と接続される。この例においては、メタルバンプ１６は配線基板２２の電極２４と直接に接合されている。従って、半導体素子１２を配線基板２２から取り外してリペアを行うことができる。また、半導体素子１２と配線基板２２との間には固定用接着剤２６が充填される。固定用接着剤（絶縁性樹脂）２６は予め配線基板２２に塗布しておくこともでき、あるいは半導体素子１２を配線基板２２に押しつけた後に充填することもできる。
【００１７】
半導体素子１２の電極１４はアルミニウムで作られ、配線基板２２の電極２４は銅で作られる。図１及び図２の例においては、メタルバンプ１６のコア１８は直径１００μｍの銅で作られ、表面層２０は厚さ１０μｍの金で作られる。
【００１８】
図３は本発明の実施例の半導体装置及び半導体装置の製造方法を示す図である。この実施例においては、図３（Ａ）に示されるように、電極１４を有する半導体素子１２にプラズマＰ照射を行う。まず、Ｏ₂ を供給しながら、５ｍｉｎのプラズマ照射を行う。これによって、電極１４の表面の炭素などの不純物を清掃する。次に、Ａｒを供給しながら、５ｍｉｎのプラズマ照射を行う。これによって、電極１４の表面の酸化膜を除去する。それから、ＣＦ₄ を供給しながら、５ｍｉｎのプラズマ照射を行う。これによって、電極１４の表面にアルミニウムとフッ素の化合物が生成され、この化合物ははんだに対するフラックスとしての作用を有する。この間、１０ｗの電力を印加する。この処理に代えて、電極１４にフラックス剤（有機酸、ハロゲン含有物等）を塗布してもよい。
【００１９】
図３（Ｂ）において、半導体素子１２を金含有はんだ槽５０に浸漬する。金含有はんだ槽５０は溶融した金含有はんだを含む。金含有はんだは、金に１種類以上の元素を添加した４００℃以下の融点をもつ合金であり、例えばＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｉ等から選ばれる。実施例においては、Ａｕ−Ｓｎ２０％はんだを使用する。すると、図３（Ｃ）に示されるように、半導体素子１２の電極１４の上に金含有はんだ膜５２が形成される。金含有はんだ膜５２はアルミニウムの電極１４上にあってはんだに濡れ易い性質をもつ。
【００２０】
図３（Ｃ）において、半導体素子１２をはんだ槽５４に浸漬する。はんだ槽５４は溶融点はんだを含む。実施例においては、低融点はんだＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ１％溶融浴を使用する。すると、図３（Ｄ）に示されるように、半導体素子１２の電極１４の上の金含有はんだ膜５２の上にはんだ要素５６が形成される。このはんだ要素５６ははんだ膜である。なお、はんだ要素５６は蒸着により形成してもよい。こうして、金含有はんだ膜５２とはんだ要素５６とによって、メタルバンプ１６が形成される。それから、図３（Ｄ）に示されるように、フェイスダウンボンディングにて半導体素子１２を配線基板２２に加熱しながら押しつけると、半導体素子１２の電極１４に取り付けられたメタルバンプ１６は配線基板２２の電極２４に容易に接合される。
【００２１】
図４は図３の半導体装置及び半導体装置の製造方法の変形例を示す図である。図４（Ａ）に示されるように、Ｏ₂ 、Ａｒ、ＣＦ₄ を供給しながら、電極１４を有する半導体素子１２にプラズマＰ照射を行う。図４（Ｂ）において、半導体素子１２を金含有はんだ槽５０に浸漬し、図４（Ｃ）に示されるように、半導体素子１２の電極１４の上に金含有はんだ膜５２が形成される。それから、図４（Ｃ）において、半導体素子１２の電極１４の上の金含有はんだ膜５２にはんだ要素５６ａを形成する。
【００２２】
このはんだ要素５６ａははんだボールであり、例えば吸着ヘッドを使用して転写することができる。ただし、はんだ要素５６ａははんだボールに限らず、あらゆる形状のものとすることがてきる。こうして、金含有はんだ膜５２とはんだ要素５６ａとによって、メタルバンプ１６が形成される。それから、図４（Ｄ）に示されるように、フェイスダウンボンディングにて半導体素子１２を配線基板２２に加熱しながら押しつけると、半導体素子１２の電極１４に取り付けられたメタルバンプ１６は配線基板２２の電極２４に容易に接合される。
【００２３】
図３及び図４においては、金含有はんだ膜５２の上にはんだ要素５６、５６ａを形成している。しかし、はんだ要素５６、５６ａの代わりに、金の膜や金のボール等のその他のバンプ要素を使用することができる。
図５は参考例の半導体装置を示す図である。この例においては、半導体装置１０は、電極１４を有する半導体素子１２と、半導体素子１２の電極１４の上に設けられた金バンプ要素６２と、金バンプ要素６２のまわりに取り付けられ、金バンプ要素６２を保護する第１の金属層６４とからなるメタルバンプ１６とからなる。
【００２４】
第１の金属層６４は、金の拡散を抑える性質をもったはんだからなるのが好ましい。はんだとは、前に説明したように、４００℃以下の融点をもつ金属単体もしくは合金からなるロウ材である。金の拡散を抑えるのに適したはんだは、インジウム（Ｉｎ、融点２８０℃）や、Ａｕ−Ｓｎ２０パーセントの合金（融点２８０℃）等がある。
【００２５】
また、第１の金属層６４は、金との反応性の乏しいバリアとなる金属とすることもできる。金との反応性の乏しい金属は、Ｂｉ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｇｅ、Ｇａ等がある。このように、金バンプ要素６２のまわりに第１の金属層６４を設けることによって、金バンプ要素６２の長期的な安定した作用が保証され、メタルバンプ１６の信頼性が高くなる。
【００２６】
図６は参考例の半導体装置を示す図である。この例においては、図５の第１の金属層６４のまわりにさらに第２の金属層６６が設けられている。第１の金属層６４が金バンプ要素６２を保護するのに対して、第２の金属層６６は銅に濡れやすいはんだからなる。従って、半導体素子１２が配線基板２２に取り付けられるときに第２の金属層６６は配線基板２２の銅の電極２４により確実に接合される。
【００２７】
金の拡散を抑える性質をもった第１の金属層６４と、銅に濡れやすい第２の金属層６６との組み合わせの例は下記例１の通りである。
例１
組み合わせ（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）
第１の金属層６４ In In Au-Sn 20％ In
第２の金属層６６ In-Sn Sn-Bi-Ag 1％同左 In-Ag
また、金との反応性に乏しい性質をもった第１の金属層６４と、銅に濡れやすい第２の金属層６６との組み合わせの例は下記例２の通りである。
例２
組み合わせ（ａ）（ｂ）
第１の金属層６４ Bi Ni
第２の金属層６６ In-Sn Sn-Pb-In
これらの例において、Inの融点は１５７℃、Au-Sn 20％の融点は２８０℃、 In-Sn共晶の融点は１１７℃、Sn-Bi-Ag 1％の融点は１３９℃、Sn-Pb-Inの融点は１６２℃である。Bi及びNiの厚さは５０００オングストローム程度にする。次の例３に述べるSnの融点は２３２℃である。
【００２８】
さらに、第１の金属層６４及び第２の金属層６６は溶融転写により形成されることができる。この場合には、第２の金属層６６の融点は第１の金属層６４の融点よりも２０℃以上低いようにするのが望ましい。２０℃以上の温度差がないと、第２の金属層６６を溶融転写するときに、第１の金属層６４及び第２の金属層６６の溶融槽内に溶融し、第２の金属層６６が第１の金属層６４の上に適切に転写されないからである。例３は、このような条件を満たす。
例３
組み合わせ（ａ）（ｂ）
第１の金属層６４ In Sn
第２の金属層６６ In-Sn Sn-Pb-In
融点の差４０℃ ７０℃
図７は参考例を示す図である。半導体装置１０は、前の例と同様に、金バンプ要素６２と、第１の金属層７０と、第２の金属層７４とからなるメタルバンプを有する。この実施例は、そのような半導体装置の製造方法に関する。
【００２９】
図７（Ａ）において、半導体素子１２の電極１４の上に金バンプ要素６２を取り付け、半導体素子１２を金を保護する金属と水銀とを混合したアマルガム合金を溶融した槽６８中に浸漬してアマルガム合金層を形成する。ここでは、金を保護する金属として、金と反応性に乏しい銀が選ばれる。銀は水銀と混合されてアマルガム合金（Hg＋Ag）となる。
【００３０】
図７（Ｂ）において、半導体素子１２を加熱してアマルガム合金（Hg＋Ag）の水銀を蒸発させ、その結果として、金バンプ要素６２の上に金を保護するAg金属膜７０を形成する。図７（Ｃ）において、半導体素子１２をはんだを溶融していれたはんだ槽７２中に浸漬する。従って、図７（Ｄ）に示されるように、金属膜７０の上にはんだ要素７４が溶融転写される。このようにして形成したメタルバンプを使用して、半導体素子１２を配線基板２２に取り付ける。
【００３１】
図８は本発明の他の実施例を示す図である。この実施例は半導体装置の製造装置及び製造方法を示す図であり、特には、半導体装置の製造装置のうちの、これまで説明した例において金バンプ要素６２にはんだ膜を溶融転写するときに使用されるはんだ溶融転写装置を示す図である。
半導体装置の製造装置８０は、ブース８２と、ブース８２内に配置され、半導体素子１２の電極の上に設けられた金バンプ要素６２を浸漬可能な溶融はんだ槽８４と、ブース８２内に非活性ガスを供給するための非活性ガスの供給手段８６と、ブース８２内の酸素濃度検出手段８８とからなる。半導体素子１２は吸着支持装置９０によってブース８０内で支持される。吸着支持装置９０は加熱装置を含み、且つ半導体素子１２を移送する機能も有する。溶融はんだ槽８４はテーブル９１の上に載置される。テーブル９１は加熱装置を含む。
【００３２】
非活性ガスの供給手段８６はダクト９２によってブース８２に接続され、ダクト９２にはガス風圧緩衝管９４が設けられる。非活性ガスとしては例えば窒素ガスやアルゴンガス等が使用される。非活性ガスがブース８２内に導入されると、ブース８２内の酸素濃度は低下する。酸素濃度検出手段８８がブース８２内の酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度が１００００ｐｐｍ以下の雰囲気中で、溶融はんだ槽８４内の溶融はんだを金バンプ要素６２に溶融転写するようになっている。
【００３３】
このように、酸素濃度が１００００ｐｐｍ以下の雰囲気中で、溶融はんだ槽８４内の溶融はんだを金バンプ要素６２に溶融転写することによって、金バンプ要素６２の上にほぼ一様な厚さのはんだ膜を形成することができる。もし、酸素濃度が高いと、溶融はんだが酸化し、はんだの表面が固まり、金バンプ要素６２の上にほぼ一様な厚さのはんだ膜を形成することができなくなる。従って、酸素濃度が１００００ｐｐｍ以下の雰囲気中で、溶融はんだ槽８４内の溶融はんだを金バンプ要素６２に溶融転写することが望ましい。
【００３４】
さらに、溶融はんだを金バンプ要素６２に溶融転写する前に、アルコール、ケトン、エステル、エーテル及びその混合物の少なくとも一つを転写用フラックスとして用いるのが好ましい。これらは低粘度及び高粘度品であってもよい。転写用のフラックスの材料として以下のものが使用可能である。
アルコールとして、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、ポリエチレングリコール（ｍ．ｗ．４００）等。また、ケトンとして、アセトン、ジメチルケトン、エチルメチルケトン等。また、エステルとして、エチレングリコールモノアセテート、エチレングリコールジアセテート、プロピレングリコールモノアセテート、プロピレングリコールジアセテート等。また、エーテルとして、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル等。
【００３５】
使用可能な組み合わせは下記の通りである。
（ａ）エタノール１００ｗｔ％。
（ｂ）エタノール残部＋ポリエチレングリコール０．２ｗｔ％。
（ｃ）イソプロパノール残部＋ポリエチレングリコール０．２ｗｔ％。
（ｄ）イソプロパノール残部＋ポリエチレングリコールジブチルエーテル０．２ｗｔ％。
【００３６】
以上はフラックス剤にロジン等の固形分が入っていないが、下記のようにアルコールにロジン等の固形分を１０ｗｔ％以下混合するのが好ましい。
（ａ）エタノール残部＋水添ロジン（理科ハーキュレス、フォーラルＡＸ）２ｗｔ％。
（ｂ）イソプロパノール残部＋水添ロジン（理科ハーキュレス、フォーラルＡＸ）０．２ｗｔ％。
【００３７】
（ｃ）イソプロパノール残部＋重合ロジン（荒川化学、タイマレックス）１．０ｗｔ％。
（ｄ）イソプロパノール残部＋ガムロジン（ハリマ化成）１．０ｗｔ％。
図９は本発明の他の実施例を示す図である。この実施例はブース８２内にフラックス剤槽９６を有する点を除くと、図８の実施例と同様である。フラックス剤槽９６はテーブル９７によって支持される。図９に示されるように、上記したフラックス剤の塗布をブース８２内で塗布するようにした方が好ましい。
【００３８】
図１０は、図９の装置においてブース８２内に複数の溶融はんだ槽８４ａ、８４ｂ、８４ｃと、フラックス剤槽９６とを備えた例を示す図である。これらの溶融はんだ槽８４ａ、８４ｂ、８４ｃ、及びフラックス剤槽９６は回転パレット９８に載置され、いずれか一つが吸着支持装置９０に支持された半導体素子１２の下に位置するようにする。こうすれば、複数の種類のはんだを順次的に転写することができる。
【００３９】
図１１は図８及び図９の装置の吸着支持装置９０の特徴を示す図である。吸着支持装置９０は、半導体素子１２を吸着支持する吸着ヘッド１００と、吸着ヘッド１００を介して半導体素子１２を吊り下げることのできる吊り下げ機構１０２とを備える。吸着ヘッド１００には真空ホース１０４から真空が供給され、吸着ヘッド１００の表面には吸着溝が設けられ、真空によって半導体素子１２を吸着支持することができるようになっている。吊り下げ機構１０２は図示しない移送手段に取り付けられている。
【００４０】
吊り下げ機構１０２は互いに遊動可能に連結された少なくとも２つの連結部材１０２ａ、１０２ｂからなる。これらの連結部材１０２ａ、１０２ｂはチェーン状に連結された２つの部材からなる。
図８及び図９においては、半導体素子１２が溶融はんだ槽８４に浸漬されるために半導体素子１２が溶融はんだ槽８４に向かって降下されるときには、吊り下げ機構１０２の連結部材１０２ａ、１０２ｂは支持関係で互いに接触している。半導体素子１２が降下されるにつれて、金バンプ要素６２が溶融はんだ槽８４に浸漬され、それから半導体素子１２の下面が溶融はんだ槽８４内の溶融はんだに浸漬される。
【００４１】
吊り下げ機構１０２をさらに降下させると連結部材１０２ａ、１０２ｂは互いに遊動する状態になり、もはや半導体素子１２は吊り下げ機構１０２によって支持されなくなる。半導体素子１２の比重は溶融はんだの比重よりも小さいので、半導体素子１２は浮力によって溶融はんだ上に浮く。従って、吊り下げ機構１０２を半導体素子１２が浮力によって浮いた位置よりもさらに降下させるような位置まで作動させても、半導体素子１２は、吊り下げ機構１０２から余計な力を受けることなく、浮力によって浮いた位置に維持される。
【００４２】
従って、半導体素子１２の下面は溶融はんだ槽８４の溶融はんだの表面に対して確実に平行になり、金パンプ要素６２に均一にはんだを溶融転写することができるようになる。
図１２から図１４は吊り下げ機構１０２の変形例を示す図である。図１１においては、２つの連結部材１０２ａ、１０２ｂは円形のリングとして形成されていた。図１２においては、上方の連結部材１０２ａは円形のリングとして形成され、下方の連結部材１０２ｂは三角形のリングとして形成されている。
【００４３】
図１３においては、上方の連結部材１０２ａは三角形のリングとして形成され、下方の連結部材１０２ｂは円形のリングとして形成されている。図１４においては、２つの連結部材１０２ａ、１０２ｂは三角形のリングとして形成されている。
図１５から図１７はポンプ式吸着ヘッドの実施例を示す図である。図１１の吸着支持装置９０は、真空ホース１０４によって真空を供給される吸着ヘッド１００を示している。図１５から図１７のポンプ式吸着ヘッド１００ａは真空ホース１０４を接続する必要のない、独立的に真空を生じるタイプのものである。この吸着ヘッド１００ａは、ケース１００ｂと、ピストン１００ｃと、ピストンロッド１００ｄとを有する。ピストンロッド１００ｄはケース１００ｂの一端部から突出するとともに、ケース１００ｂの他端部には吸着孔１００ｅが設けられる。ピストンロッド１００ｄには係止用突起１００ｆが設けられ、この突起１００ｆはケース１００ｂの外周部に設けられた逆Ｌ字形の係止穴１００ｆに挿入されている。
【００４４】
図１７に示されるように、吸着ヘッド１００ａの一端に半導体素子１２を当てがってピストンロッド１００ｄを引っ張ると、ピストン１００ｃがケース１００ｂ内で上昇し、ケース１００ｂ内に真空が生じ、半導体素子１２が吸着ヘッド１００ａに吸着される。ピストンロッド１００ｄとともに係止用突起１００ｆが逆Ｌ字形の係止穴１００ｆの頂部に達すると、係止用突起１００ｆが逆Ｌ字形の係止穴１００ｆの水平部に入れられる。よって、吸着ヘッド１００ａは半導体素子１２を吸着した状態で維持される。吸着ヘッド１００ａは、図２３の吊り下げ機構１０２とともに使用されることができ、あるいはその他の吊り下げ機構又は支持機構とともに使用されることができる。
【００４５】
図１８から図２０は、吸着ヘッド１００ａがそれぞれ図１２から図１４の吊り下げ機構１０２とともに使用される例を示す図である。
半導体素子１２の電極１４に取り付けられた金バンプ６２の上にはんだ膜を形成するためには、金バンプ６２を溶融はんだに浸漬するばかりでなく、はんだ膜を金バンプ６２に蒸着することもできる。
【００４６】
図２１及び図２２ははんだ膜を金バンプ６２に蒸着する例を示す図である。この場合には、半導体素子１２の電極１４に取り付けられた金バンプ６２のみを露出させる開口をもったマスク１０６を使用する。半導体素子１２にマスク１０６をした状態で、半導体素子１２を真空室１０８に入れ、ターゲット１１０を加熱してはんだ蒸気を金バンプ６２に付着させる。このようにして、はんだ膜を金バンプ６２に蒸着することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体素子を配線基板にフェイスダウンにてマウントすることができ、且つ接続部の信頼性向上及び半導体素子の交換の容易化を図り得る半導体装置及びその製造方法及び製造装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例の半導体装置を示す図である。
【図２】図１の半導体素子を回路基板に取り付けた状態を示す図である。
【図３】本発明の実施例の半導体装置を示す図である。
【図４】図３の半導体装置の変形例を示す図である。
【図５】参考例の半導体装置を示す図である。
【図６】参考例の半導体装置を示す図である。
【図７】参考例の半導体装置を示す図である。
【図８】本発明の他の実施例の半導体装置の製造装置を示す図である。
【図９】本発明の他の実施例の半導体装置の製造装置を示す図である。
【図１０】図９の装置においてブース内に複数の溶融はんだ槽と、フラックス剤槽とを備えた例を示す図である。
【図１１】図８及び図９の装置の吸着支持装置の特徴を示図である。
【図１２】吊り下げ機構の変形例を示す図である。
【図１３】吊り下げ機構の変形例を示す図である。
【図１４】吊り下げ機構の変形例を示す図である。
【図１５】ポンプ式吸着ヘッドの例を示す断面図である。
【図１６】図１５の吸着ヘッドの側面図である。
【図１７】半導体素子が支持された図１５の吸着ヘッドを示す断面図である。
【図１８】吸着支持装置の変形例を示す図である。
【図１９】吸着支持装置の変形例を示す図である。
【図２０】吸着支持装置の変形例を示す図である。
【図２１】金バンプ要素にはんだバンプ要素を蒸着により形成するための例の一工程を示す図である。
【図２２】図２１に続く工程を示す図である。
【符号の説明】
１０…半導体装置
１２…電極
１４…半導体素子
１６…メタルバンプ
１８…コア
２０…表面層
２２…配線基板
２４…電極
２６…固定用接着剤
５２…金含有はんだ膜
５６…はんだ要素
５８…金バンプ要素
６０…はんだ要素
６２…金バンプ要素
６４…第１の金属層
６６…第２の金属層
６８…アマルガム合金を溶融した槽
７０…第１の金属層
７４…第２の金属層
８０…半導体装置の製造装置
８２…ブース
８４…溶融はんだ槽
８６…非活性ガスの供給手段
８８…酸素濃度検出手段
９０…吸着支持装置
９６…フラックス剤槽
１００、１００ａ…吸着ヘッド
１０２…吊り下げ機構[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, a manufacturing method thereof, and a manufacturing apparatus.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the progress of semiconductor integrated circuits, semiconductor devices having a large number of terminals (for example, more than 300 terminals) have been put on the market. Along with this, improvement of technology for connecting terminals (electrodes) of semiconductor elements to terminals (electrodes) of a wiring board and reduction of costs are strongly desired.
[0003]
2. Description of the Related Art Advances have been made in a technique for collectively connecting electrodes of semiconductor elements to electrodes of a wiring board using metal bumps. That is, metal bumps such as solder bumps and gold bumps are attached to the electrodes of the semiconductor element, and when the semiconductor element is pressed face down toward the wiring board, the metal bumps are joined to the electrodes of the wiring board, and thus the electrodes of the semiconductor element Are connected to the electrodes of the wiring board.
[0004]
Since the conductor of an integrated circuit of a semiconductor device is made of aluminum, the electrode of the semiconductor device is generally made of aluminum. On the other hand, since the conductor of the wiring board is made of copper, the electrode of the wiring board is generally made of copper.
When using solder bumps, it is difficult to bond solder directly to aluminum, so a nickel layer and a titanium layer are added on the aluminum electrode of the semiconductor element, and the solder bump is bonded to the composite structure electrode of the semiconductor element. It is supposed to be. Then, when the semiconductor element is pressed against the wiring board while being heated, the solder bumps melt and spread on the electrodes of the wiring board, so that the solder bumps are well connected to the electrodes of the wiring board.
[0005]
When gold bumps are used, since gold is directly bonded to aluminum, it is not necessary to provide a nickel layer and a titanium layer on the aluminum electrodes of the semiconductor element as in the case of using solder bumps. However, the gold bump is attached to the electrode of the semiconductor element as a stud bump having a protrusion, and after leveling the surface of the stud bump and attaching a conductive adhesive to the surface of the gold bump, wiring while applying heat to the semiconductor element The gold bumps are pressed against the substrate and connected to the electrodes of the wiring substrate through the conductive adhesive. The conductive adhesive is a mixture of a thermosetting resin and a metal filler, and the conductive adhesive is thermoset. Thereafter, the semiconductor element and the wiring board are sealed with a fixing adhesive (insulating resin).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when using solder bumps, it is necessary to add a nickel layer and a titanium layer on the aluminum electrode of the semiconductor element. Because special equipment is required, not all users of semiconductor devices can add nickel and titanium layers as desired. Therefore, when a semiconductor element to which a nickel layer and a titanium layer are not added is purchased, solder bumps may not be used.
[0007]
On the other hand, when a conductive adhesive is added to a gold bump formed as a stud bump, the leveled surface of the stud bump is not necessarily parallel to the surface of the wiring circuit, and it is sufficient to use a conductive adhesive. It cannot be said that electrical connection can be obtained, and the connection reliability is low. Further, the amount of materials used is increased, the manufacturing process is complicated, and heating must be continued until the resin is cured, resulting in poor productivity. Furthermore, in order to replace a semiconductor element when a semiconductor element defect or mounting defect occurs, it is necessary to remove the conductive adhesive from the electrode of the wiring board. However, since the conductive adhesive contains a thermosetting resin, it is difficult to remove the conductive adhesive once thermally cured. Therefore, it has been extremely difficult to repair semiconductor elements and wiring boards.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can mount a semiconductor element on a wiring board face down, and that can improve the reliability of a connection portion and facilitate the replacement of the semiconductor element, and a manufacturing method and manufacturing apparatus thereof. Is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention is a metal bump comprising a semiconductor element having an electrode, a gold-containing solder film provided on the electrode of the semiconductor element, and a metal bump element provided on the gold-containing solder film. It is characterized by the following.
In this case, preferably, a wiring board having electrodes is further provided, and metal bumps attached to the electrodes of the semiconductor element are connected to the electrodes of the wiring board. The metal bump element is made of one of gold and solder. The metal bump element is formed as one of a metal film and a ball.
[0010]
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes immersing a semiconductor element having an electrode in molten gold-containing solder to form a gold-containing solder film on the electrode of the semiconductor element, and forming a metal on the gold-containing solder film. The bump element is formed, and thus the metal bump is formed by the gold-containing solder film and the metal bump element.
In this case, preferably, forming the metal bump element on the gold-containing solder film comprises immersing the gold-containing solder film in molten solder to form a solder film. Forming the metal bump element on the gold-containing solder film comprises immersing the gold-containing solder film in a metal melting bath. Forming a metal bump element on the gold-containing solder film consists of joining a solid piece of metal on the gold-containing solder film.
[0011]
Furthermore, before immersing the semiconductor element having an electrode in the molten gold-containing solder, a treatment for giving a flux action to the electrode of the semiconductor element is performed.
In this case, preferably, the treatment for providing the flux action comprises performing plasma irradiation on the semiconductor element. The treatment for providing the flux action includes cleaning the electrode of the semiconductor element with the first gas, and forming a compound of the material of the electrode of the semiconductor element and the second gas with the second gas. Become.
[0012]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device in which a gold bump element is mounted on an electrode of a semiconductor element, and a solder element is formed on the gold bump element in an atmosphere having an oxygen concentration of 10,000 ppm or less using an inert gas. And at least one of alcohol, ketone, ester, ether and a mixture thereof as a transfer fluxing agent before the solder element is melt-transferred.
In this case, preferably, the transfer flux agent comprises a flux in which alcohol is mixed with a solid content of 10 wt% or less.
[0013]
A semiconductor device manufacturing apparatus according to another aspect of the present invention includes a booth, a molten solder bath disposed in the booth and capable of immersing a gold bump element provided on an electrode of a semiconductor element, and the booth. It is characterized by comprising an inert gas supply means for supplying an inert gas, an oxygen concentration detecting means in the booth, and a transfer flux tank disposed in the booth.
A semiconductor device manufacturing apparatus according to another aspect of the present invention includes a molten solder bath capable of dipping a gold bump element provided on an electrode of a semiconductor element, and a support structure for suspending the semiconductor element. The support structure includes a suspension mechanism composed of at least two connecting members movably connected to each other. The at least two connecting members include at least two members connected in a chain shape.
[0014]
A semiconductor device manufacturing apparatus according to another aspect of the present invention includes a molten solder bath capable of dipping a gold bump element provided on an electrode of a semiconductor element, and a support structure for suspending the semiconductor element. The support structure includes a suspension mechanism including at least two connecting members that are slidably connected to each other, and a pump-type suction head having a suction hole that is opened to hold a semiconductor element.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 are diagrams showing a semiconductor device of a reference example. In FIG. 1, the semiconductor device 10 includes a semiconductor element 12 having an electrode 14 and metal bumps 16 attached to the electrode 14.
The metal bump 16 includes a ball-shaped core 18 and a surface layer 20 covering the periphery of the core. The semiconductor element 12 is a bare chip constituting a semiconductor integrated circuit, and includes an integrated circuit (not shown) and a conductor 12a connected to the integrated circuit. The electrode 14 is connected to the conductor 12a. Although only one electrode 14 and one metal bump 16 are shown in FIG. 1, it goes without saying that a plurality of electrodes 14 and metal bumps 16 according to the number of terminals of the semiconductor element 12 are provided. The same applies to the subsequent embodiments.
[0016]
In FIG. 2, the semiconductor device 10 further includes a wiring substrate 22 having an electrode 24 in addition to the configuration of FIG. 1. The electrodes 24 of the wiring board 22 are connected to a circuit pattern (not shown) in the wiring board 22 and arranged in the same arrangement as the electrodes 14 of the semiconductor element 12. By pressing the semiconductor element 12 against the wiring substrate 22 while applying heat by face-down bonding, the metal bumps 16 attached to the electrodes 14 of the semiconductor element 12 are connected to the electrodes 24 of the wiring substrate 22. In this example, the metal bumps 16 are directly bonded to the electrodes 24 of the wiring board 22. Therefore, the semiconductor element 12 can be removed from the wiring board 22 for repair. Further, a fixing adhesive 26 is filled between the semiconductor element 12 and the wiring board 22. The fixing adhesive (insulating resin) 26 can be applied to the wiring board 22 in advance, or can be filled after the semiconductor element 12 is pressed against the wiring board 22.
[0017]
The electrode 14 of the semiconductor element 12 is made of aluminum, and the electrode 24 of the wiring board 22 is made of copper. In the example of FIGS. 1 and 2, the core 18 of the metal bump 16 is made of copper having a diameter of 100 μm, and the surface layer 20 is made of gold having a thickness of 10 μm.
[0018]
FIG. 3 is a diagram showing a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention. In this embodiment, as shown in FIG. 3A, the semiconductor element 12 having the electrodes 14 is irradiated with plasma P. First, plasma supply for 5 minutes is performed while supplying O ₂ . Thereby, impurities such as carbon on the surface of the electrode 14 are cleaned. Next, plasma irradiation is performed for 5 minutes while supplying Ar. Thereby, the oxide film on the surface of the electrode 14 is removed. Then, plasma irradiation is performed for 5 minutes while supplying CF ₄ . As a result, a compound of aluminum and fluorine is generated on the surface of the electrode 14, and this compound acts as a flux for the solder. During this time, 10 w of power is applied. Instead of this treatment, a flux agent (organic acid, halogen-containing material, etc.) may be applied to the electrode 14.
[0019]
In FIG. 3B, the semiconductor element 12 is immersed in the gold-containing solder bath 50. The gold-containing solder tank 50 contains molten gold-containing solder. The gold-containing solder is an alloy having a melting point of 400 ° C. or lower obtained by adding one or more elements to gold, and is selected from, for example, Au—Sn, Au—Ge, Au—Si, and the like. In the embodiment, Au-Sn 20% solder is used. Then, as shown in FIG. 3C, a gold-containing solder film 52 is formed on the electrode 14 of the semiconductor element 12. The gold-containing solder film 52 is on the aluminum electrode 14 and has a property of being easily wetted by solder.
[0020]
In FIG. 3C, the semiconductor element 12 is immersed in the solder bath 54. The solder bath 54 contains melting point solder. In the examples, a low melting point solder Sn-Bi-Ag 1% molten bath is used. Then, as shown in FIG. 3D, a solder element 56 is formed on the gold-containing solder film 52 on the electrode 14 of the semiconductor element 12. The solder element 56 is a solder film. The solder element 56 may be formed by vapor deposition. Thus, the metal bump 16 is formed by the gold-containing solder film 52 and the solder element 56. Then, as shown in FIG. 3D, when the semiconductor element 12 is pressed against the wiring board 22 by face-down bonding while being heated, the metal bumps 16 attached to the electrodes 14 of the semiconductor element 12 are formed on the wiring board 22. It is easily joined to the electrode 24.
[0021]
FIG. 4 is a view showing a modification of the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device of FIG. As shown in FIG. 4A, plasma P irradiation is performed on the semiconductor element 12 having the electrode 14 while supplying O ₂ , Ar, and CF ₄ . 4B, the semiconductor element 12 is immersed in a gold-containing solder tank 50, and a gold-containing solder film 52 is formed on the electrode 14 of the semiconductor element 12 as shown in FIG. 4C. Then, in FIG. 4C, a solder element 56 a is formed on the gold-containing solder film 52 on the electrode 14 of the semiconductor element 12.
[0022]
The solder element 56a is a solder ball and can be transferred using, for example, a suction head. However, the solder element 56a is not limited to a solder ball, but can be of any shape. Thus, the metal bump 16 is formed by the gold-containing solder film 52 and the solder element 56a. Then, as shown in FIG. 4D, when the semiconductor element 12 is pressed against the wiring board 22 while being heated by face-down bonding, the metal bumps 16 attached to the electrodes 14 of the semiconductor element 12 are formed on the wiring board 22. It is easily joined to the electrode 24.
[0023]
3 and 4, solder elements 56 and 56 a are formed on the gold-containing solder film 52. However, other bump elements such as gold films or gold balls can be used in place of the solder elements 56, 56a.
FIG. 5 is a diagram showing a semiconductor device of a reference example. In this example, the semiconductor device 10 includes a semiconductor element 12 having an electrode 14, a gold bump element 62 provided on the electrode 14 of the semiconductor element 12, and a gold bump element 62 attached around the gold bump element 62. The metal bumps 16 are formed of the first metal layer 64 that protects 62.
[0024]
The first metal layer 64 is preferably made of solder having a property of suppressing the diffusion of gold. As described above, the solder is a brazing material made of a single metal or an alloy having a melting point of 400 ° C. or less. Suitable solders for suppressing gold diffusion include indium (In, melting point 280 ° C.), Au—Sn 20 percent alloy (melting point 280 ° C.), and the like.
[0025]
Alternatively, the first metal layer 64 can be a metal that becomes a barrier with poor reactivity with gold. Examples of metals having poor reactivity with gold include Bi, Ni, Zn, Cd, Cr, Ge, and Ga. Thus, by providing the first metal layer 64 around the gold bump element 62, the long-term stable action of the gold bump element 62 is ensured, and the reliability of the metal bump 16 is increased.
[0026]
FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor device of a reference example. In this example, a second metal layer 66 is further provided around the first metal layer 64 of FIG. The first metal layer 64 protects the gold bump element 62, while the second metal layer 66 is made of solder that easily wets copper. Therefore, when the semiconductor element 12 is attached to the wiring board 22, the second metal layer 66 is reliably bonded by the copper electrode 24 of the wiring board 22.
[0027]
An example of the combination of the first metal layer 64 having the property of suppressing the diffusion of gold and the second metal layer 66 that easily wets copper is as shown in Example 1 below.
Example 1
Combination (a) (b) (c) (d)
First metal layer 64 In In Au-Sn 20% In
Second metal layer 66 In-Sn Sn-Bi-Ag 1% Same as on the left In-Ag
An example of a combination of the first metal layer 64 having a poor reactivity with gold and the second metal layer 66 that easily wets copper is as shown in Example 2 below.
Example 2
Combination (a) (b)
First metal layer 64 Bi Ni
Second metal layer 66 In-Sn Sn-Pb-In
In these examples, the melting point of In is 157 ° C, the melting point of Au-Sn 20% is 280 ° C, the melting point of In-Sn eutectic is 117 ° C, the melting point of Sn-Bi-Ag 1% is 139 ° C, Sn-Pb The melting point of -In is 162 ° C. The thickness of Bi and Ni is about 5000 angstroms. The melting point of Sn described in Example 3 is 232 ° C.
[0028]
Further, the first metal layer 64 and the second metal layer 66 can be formed by melt transfer. In this case, it is desirable that the melting point of the second metal layer 66 be 20 ° C. or more lower than the melting point of the first metal layer 64. If there is no temperature difference of 20 ° C. or more, when the second metal layer 66 is melt-transferred, the second metal layer 66 is melted in the melting tank of the first metal layer 64 and the second metal layer 66. This is because is not properly transferred onto the first metal layer 64. Example 3 satisfies such a condition.
Example 3
Combination (a) (b)
First metal layer 64 In Sn
Second metal layer 66 In-Sn Sn-Pb-In
Difference in melting point 40 ℃ 70 ℃
FIG. 7 shows a reference example. As in the previous example, the semiconductor device 10 has a metal bump including a gold bump element 62, a first metal layer 70, and a second metal layer 74. This embodiment relates to a method for manufacturing such a semiconductor device.
[0029]
7A, a gold bump element 62 is attached on the electrode 14 of the semiconductor element 12, and the semiconductor element 12 is immersed in a bath 68 in which an amalgam alloy in which a metal for protecting gold and mercury are mixed is melted. An amalgam alloy layer is formed. Here, silver that is not highly reactive with gold is selected as the metal that protects gold. Silver is mixed with mercury to form an amalgam alloy (Hg + Ag).
[0030]
In FIG. 7B, the semiconductor element 12 is heated to evaporate mercury of the amalgam alloy (Hg + Ag), and as a result, an Ag metal film 70 that protects gold is formed on the gold bump element 62. In FIG. 7C, the semiconductor element 12 is immersed in a solder bath 72 where the solder has been melted. Accordingly, as shown in FIG. 7D, the solder element 74 is melt transferred onto the metal film 70. The semiconductor element 12 is attached to the wiring board 22 using the metal bumps formed in this way.
[0031]
FIG. 8 shows another embodiment of the present invention. This embodiment is a diagram showing a semiconductor device manufacturing apparatus and manufacturing method, and in particular, used when melting and transferring a solder film to the gold bump element 62 in the examples described so far of the semiconductor device manufacturing apparatus. It is a figure which shows the solder melting transfer apparatus performed.
The semiconductor device manufacturing apparatus 80 includes a booth 82, a molten solder bath 84 disposed in the booth 82 and capable of immersing a gold bump element 62 provided on the electrode of the semiconductor element 12, and inactive in the booth 82. It comprises an inert gas supply means 86 for supplying gas and an oxygen concentration detection means 88 in the booth 82. The semiconductor element 12 is supported in the booth 80 by the adsorption support device 90. The adsorption support device 90 includes a heating device and also has a function of transferring the semiconductor element 12. The molten solder tank 84 is placed on the table 91. The table 91 includes a heating device.
[0032]
The inert gas supply means 86 is connected to the booth 82 by a duct 92, and a gas wind pressure buffering tube 94 is provided in the duct 92. For example, nitrogen gas or argon gas is used as the non-active gas. When the inert gas is introduced into the booth 82, the oxygen concentration in the booth 82 decreases. The oxygen concentration detection means 88 detects the oxygen concentration in the booth 82, and melts and transfers the molten solder in the molten solder bath 84 to the gold bump element 62 in an atmosphere where the detected oxygen concentration is 10,000 ppm or less. Yes.
[0033]
As described above, the molten solder in the molten solder bath 84 is melt-transferred to the gold bump element 62 in an atmosphere having an oxygen concentration of 10,000 ppm or less, whereby a solder film having a substantially uniform thickness is formed on the gold bump element 62. Can be formed. If the oxygen concentration is high, the molten solder is oxidized, the surface of the solder is hardened, and a solder film having a substantially uniform thickness cannot be formed on the gold bump element 62. Therefore, it is desirable to melt transfer the molten solder in the molten solder bath 84 to the gold bump element 62 in an atmosphere having an oxygen concentration of 10,000 ppm or less.
[0034]
Further, it is preferable to use at least one of alcohol, ketone, ester, ether and a mixture thereof as a transfer flux before the molten solder is melt-transferred to the gold bump element 62. These may be low and high viscosity products. The following materials can be used as transfer flux materials.
Examples of the alcohol include methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, polyethylene glycol (mw 400), and the like. In addition, as ketones, acetone, dimethyl ketone, ethyl methyl ketone and the like. Examples of esters include ethylene glycol monoacetate, ethylene glycol diacetate, propylene glycol monoacetate, and propylene glycol diacetate. Examples of ethers include ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dibutyl ether, and diethylene glycol dimethyl ether.
[0035]
The combinations that can be used are as follows.
(A) Ethanol 100 wt%.
(B) Ethanol remainder + polyethylene glycol 0.2 wt%.
(C) Remaining isopropanol + polyethylene glycol 0.2 wt%.
(D) Remaining isopropanol + polyethylene glycol dibutyl ether 0.2 wt%.
[0036]
Although the solid content such as rosin is not contained in the fluxing agent as described above, it is preferable to mix the solid content such as rosin into the alcohol at 10 wt% or less as described below.
(A) Ethanol remainder + hydrogenated rosin (Science Hercules, Foral AX) 2 wt%.
(B) Remaining isopropanol + hydrogenated rosin (Science Hercules, Foral AX) 0.2 wt%.
[0037]
(C) Remaining isopropanol + polymerized rosin (Arakawa Chemical, Timerex) 1.0 wt%.
(D) Remaining isopropanol + gum rosin (Harima Kasei) 1.0 wt%.
FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the present invention. This embodiment is the same as the embodiment shown in FIG. 8 except that the booth 82 has a flux agent tank 96. The flux agent tank 96 is supported by a table 97. As shown in FIG. 9, it is preferable to apply the flux agent in the booth 82.
[0038]
FIG. 10 is a diagram showing an example in which a plurality of molten solder tanks 84a, 84b, 84c and a flux agent tank 96 are provided in the booth 82 in the apparatus of FIG. These molten solder tanks 84 a, 84 b, 84 c and the flux agent tank 96 are placed on a rotating pallet 98 so that any one of them is located below the semiconductor element 12 supported by the suction support device 90. In this way, a plurality of types of solder can be transferred sequentially.
[0039]
FIG. 11 is a diagram showing the features of the suction support device 90 of the device of FIGS. The suction support device 90 includes a suction head 100 that sucks and supports the semiconductor element 12 and a suspension mechanism 102 that can suspend the semiconductor element 12 via the suction head 100. Vacuum is supplied to the suction head 100 from a vacuum hose 104, and suction grooves are provided on the surface of the suction head 100 so that the semiconductor element 12 can be sucked and supported by vacuum. The suspension mechanism 102 is attached to a transfer means (not shown).
[0040]
The suspension mechanism 102 includes at least two connecting members 102a and 102b that are slidably connected to each other. These connecting members 102a and 102b are composed of two members connected in a chain shape.
8 and 9, when the semiconductor element 12 is lowered toward the molten solder bath 84 because the semiconductor element 12 is immersed in the molten solder bath 84, the connecting members 102a and 102b of the suspension mechanism 102 are supported. In contact with each other. As the semiconductor element 12 is lowered, the gold bump element 62 is immersed in the molten solder bath 84, and then the lower surface of the semiconductor element 12 is immersed in the molten solder in the molten solder bath 84.
[0041]
When the suspending mechanism 102 is further lowered, the connecting members 102a and 102b are allowed to move to each other, and the semiconductor element 12 is no longer supported by the suspending mechanism 102. Since the specific gravity of the semiconductor element 12 is smaller than the specific gravity of the molten solder, the semiconductor element 12 floats on the molten solder by buoyancy. Therefore, even if the suspension mechanism 102 is operated to a position where the semiconductor element 12 is further lowered from the position where the semiconductor element 12 is lifted by buoyancy, the semiconductor element 12 does not receive an extra force from the suspension mechanism 102 and is lifted by buoyancy. Maintained in a floating position.
[0042]
Therefore, the lower surface of the semiconductor element 12 is surely parallel to the surface of the molten solder in the molten solder bath 84, and the solder can be uniformly transferred to the gold pump element 62.
12 to 14 are views showing modifications of the suspension mechanism 102. In FIG. 11, the two connecting members 102a and 102b are formed as circular rings. In FIG. 12, the upper connecting member 102a is formed as a circular ring, and the lower connecting member 102b is formed as a triangular ring.
[0043]
In FIG. 13, the upper connecting member 102a is formed as a triangular ring, and the lower connecting member 102b is formed as a circular ring. In FIG. 14, the two connecting members 102a and 102b are formed as triangular rings.
15 to 17 are views showing an embodiment of a pump type suction head. A suction support device 90 in FIG. 11 shows a suction head 100 to which a vacuum is supplied by a vacuum hose 104. The pump-type suction head 100a shown in FIGS. 15 to 17 does not need to be connected to the vacuum hose 104 and is of a type that generates a vacuum independently. The suction head 100a includes a case 100b, a piston 100c, and a piston rod 100d. The piston rod 100d protrudes from one end of the case 100b, and an adsorption hole 100e is provided at the other end of the case 100b. The piston rod 100d is provided with a locking protrusion 100f, and this protrusion 100f is inserted into an inverted L-shaped locking hole 100f provided on the outer periphery of the case 100b.
[0044]
As shown in FIG. 17, when the semiconductor element 12 is applied to one end of the suction head 100a and the piston rod 100d is pulled, the piston 100c rises in the case 100b, a vacuum is generated in the case 100b, and the semiconductor element 12 Is adsorbed by the adsorption head 100a. When the locking projection 100f reaches the top of the inverted L-shaped locking hole 100f together with the piston rod 100d, the locking projection 100f is inserted into the horizontal portion of the inverted L-shaped locking hole 100f. Therefore, the suction head 100a is maintained in a state where the semiconductor element 12 is sucked. The suction head 100a can be used with the suspension mechanism 102 of FIG. 23, or can be used with other suspension mechanisms or support mechanisms.
[0045]
18 to 20 are diagrams showing examples in which the suction head 100a is used together with the suspension mechanism 102 of FIGS. 12 to 14, respectively.
In order to form a solder film on the gold bump 62 attached to the electrode 14 of the semiconductor element 12, not only the gold bump 62 is immersed in molten solder but also the solder film can be deposited on the gold bump 62. .
[0046]
21 and 22 are diagrams showing an example in which a solder film is deposited on the gold bump 62. FIG. In this case, a mask 106 having an opening that exposes only the gold bumps 62 attached to the electrodes 14 of the semiconductor element 12 is used. With the mask 106 on the semiconductor element 12, the semiconductor element 12 is placed in the vacuum chamber 108, and the target 110 is heated to cause solder vapor to adhere to the gold bumps 62. In this way, a solder film can be deposited on the gold bump 62.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a semiconductor device capable of mounting a semiconductor element on a wiring board face-down and improving the reliability of a connection part and facilitating replacement of the semiconductor element, and its A manufacturing method and a manufacturing apparatus can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a semiconductor device of a reference example.
2 is a diagram showing a state in which the semiconductor element of FIG. 1 is attached to a circuit board.
FIG. 3 is a diagram illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a modification of the semiconductor device of FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram illustrating a semiconductor device of a reference example.
FIG. 6 is a diagram showing a semiconductor device of a reference example.
FIG. 7 is a diagram illustrating a semiconductor device of a reference example.
FIG. 8 is a diagram showing a semiconductor device manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a semiconductor device manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing an example in which a plurality of molten solder tanks and a flux agent tank are provided in the booth in the apparatus of FIG.
11 is a view showing the characteristics of the suction support device of the device of FIGS. 8 and 9. FIG.
FIG. 12 is a view showing a modification of the suspension mechanism.
FIG. 13 is a view showing a modification of the suspension mechanism.
FIG. 14 is a view showing a modification of the suspension mechanism.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of a pump-type suction head.
16 is a side view of the suction head of FIG.
17 is a cross-sectional view showing the suction head of FIG. 15 in which a semiconductor element is supported.
FIG. 18 is a view showing a modification of the suction support device.
FIG. 19 is a view showing a modification of the suction support device.
FIG. 20 is a view showing a modification of the suction support device.
FIG. 21 is a diagram showing a process of an example for forming a solder bump element on a gold bump element by vapor deposition.
22 is a diagram showing a step that follows the step of FIG. 21. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor device 12 ... Electrode 14 ... Semiconductor element 16 ... Metal bump 18 ... Core 20 ... Surface layer 22 ... Wiring board 24 ... Electrode 26 ... Fixing adhesive 52 ... Gold-containing solder film 56 ... Solder element 58 ... Gold bump element 60 ... Solder element 62 ... Gold bump element 64 ... First metal layer 66 ... Second metal layer 68 ... Bath 70 in which an amalgam alloy is melted ... First metal layer 74 ... Second metal layer 80 ... Semiconductor device Manufacturing apparatus 82 ... Booth 84 ... Molten solder tank 86 ... Inactive gas supply means 88 ... Oxygen concentration detection means 90 ... Adsorption support device 96 ... Flux agent tank 100, 100a ... Adsorption head 102 ... Suspension mechanism

Claims

A semiconductor element having an electrode is immersed in a molten gold-containing solder to form a gold-containing solder film on the electrode of the semiconductor element, and a metal bump element is formed on the gold-containing solder film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a metal bump by using a solder film and a metal bump element.

2. The semiconductor according to claim 1 , wherein forming the metal bump element on the gold-containing solder film comprises immersing the gold-containing solder film in molten solder to form a solder film. Device manufacturing method.

2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein forming the metal bump element on the gold-containing solder film comprises immersing the gold-containing solder film in a metal melting bath.

2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein forming the metal bump element on the gold-containing solder film comprises joining a solid metal piece on the gold-containing solder film. Method.

2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein a treatment for giving a flux action to the electrode of the semiconductor element is performed before the semiconductor element having the electrode is immersed in the molten gold-containing solder.

6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5 , wherein the treatment for providing the flux action comprises performing plasma irradiation on the semiconductor element.

The treatment for providing the flux action includes cleaning the electrode of the semiconductor element with the first gas, and forming a compound of the material of the electrode of the semiconductor element and the second gas with the second gas. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6 .