JP3779490B2 - バンプ形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の電気的、機械的、熱的接続点となるバンプの形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置に対するバンプ形成方法については、既に数多く存在する。例えばメッキ技術により半導体装置のパッド上に金属を析出させバンプを形成するメッキ法、はんだペーストを半導体装置のパッド上に印刷した後、これを加熱することではんだペースト中のはんだの微粒子を溶融させ、後にこれがパッド上で固体化することでバンプを形成する印刷法、金のワイヤの一端をパッド上に接続した後にこれを切断することでバンプを形成するスタッドバンプ法がある。さらには、米国特許第５２８４２８７号などに開示されているようにはんだボールを真空吸引により治具に吸引した後にこれを半導体装置のパッド面上に搭載し、その後加熱することではんだボールを溶融させた後にこれを固体化させ、バンプを形成する従来形はんだボール法が存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術は、以下のような問題をそれぞれ有している。一般にバンプの体積が大きいほど、半導体装置を電子回路基板上に接続した際の接続寿命を確保することができる。しかし、メッキ法や印刷法では、充分な体積を有するバンプを形成することが原理上難しい。更にバンプに高さバラツキが生じるため、半導体装置を電子回路基板上に接続する際に、すべてのバンプについて正常な接続を実現することが難しいという点が存在する。一方、スタッドバンプ法には、ワイヤを製造できる材料が限定されるため、金など特定材質のバンプの形成にのみ適用することができるという問題が存在する。また、一個ずつバンプを形成するため、数万個のパッドを有する半導体装置に適用した場合、バンプ形成に多くの時間を費やしてしまうという問題が存在する。
【０００４】
従来形のはんだボール法では、バンプ高さのバラツキが少なく、かつ充分な体積を有するバンプを形成できるものの、構造が複雑でその製作に非常に微細な孔あけ加工技術が必要であるはんだボール真空吸着用の治具を使用する。この治具は、孔あけ数に比例して価格が高価になるため、バンプ数の多い半導体装置に対する場合は、バンプ形成コストが高くコスト面で問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、充分な体積を有し、かつ高さバラツキの少なく、材料選定上の制約が少なく、多数個のバンプを有する半導体装置のバンプ形成に適用できる高速低価格バンプ形成を実現し、低価格の半導体装置を市場に提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明においては以下の手段を実施した。まず、十分な体積を有し、かつ高さバラツキの少なく、材料選定上の制約が少ないように、はんだボールなどの導電性粒子を用いたバンプ形成方法をベースとした。多数個のバンプを有する半導体装置のバンプ形成にも適用できる高速低価格バンプ形成を実現するために、印刷用メタルマスクのような低コストの治具とブラシなどの並進運動等ではんだボールを大量に一括して半導体装置上に搭載することを実現し、はんだボールを半導体装置のパッド上に加圧ツールにより押し付けることでバンプの形成不良の発生を抑止し、その後の加熱工程を経ることによりバンプが完成するバンプ形成方法を開発した。また、はんだボールの過不足を検査し、必要に応じリトライ動作を行うこととした。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図１乃至図１６を用い説明する。なお、図中の同一符号については同一部位を示すため、重複した説明を省いている場合がある。
【０００８】
図１、図２及び図３に本発明によるバンプ形成の基本的なフローを示す。図１、図２及び図３に示すように本発明によるバンプ形成フローは、位置あわせ工程とボール充填工程と加熱工程が基本となる。以下では、この順序にて必要に応じその他の図を引用しつつ説明を行う。図１、図２及び図３において、１はバンプの形成対象である半導体装置、２は治具、３は導電性粒子、４は完成したバンプ、６は後述する治具２が有する貫通孔、７はブラシ、９は加圧ツールである。また、２ａは治具２のマスク部分であり、２ｂは治具２の枠部分である。なお、本発明によりバンプが形成可能な半導体装置１には、ウェーハ状態のもの、ウェーハを樹脂等で保護したもの、ウェーハ状態から一部を切り出したもの、ウェーハ状態から切り出した一部をパッケージングしたものなどさまざまであるが、以下ではウェーハ状態のものを例に説明する。これは、ウェーハなどのように一般的にバンプ数の多い半導体装置に対するバンプ形成において、本発明の効果が大きいためである。図４に本実施例でバンプを形成する半導体装置１をその一部の拡大図とともに示す。半導体装置１は、バンプを形成するためのパッド５を多数有しているが、パッド５の数は多い場合、十万個以上にもなりうる。治具２は、図５にその断面図を示したように枠部分２ｂとマスク部分２ａからなり、マスク部分２ａには半導体装置１のパッド５の配置に対応した位置に貫通孔６が形成されている。このマスク部２ａは、金属や樹脂を素材として使用できる。なお、貫通孔６の直径は、充填工程で使用する導電性粒子３の直径の１倍以上かつ２倍未満である。この治具２の貫通孔６は、ドリルなどによる機械的除去加工により加工可能であるほか、エッチングやアディティブ加工といった化学的な加工によっても加工することが可能であり、貫通孔６の数などにより適切な加工方法を選択することで比較的安価に治具２に貫通孔６を加工することが可能となる。
【０００９】
バンプ形成フローは以下の通りである。まず半導体装置１のパッド５上に接着剤を供給する接着剤供給工程を実施する。この接着剤としては、フラックス、はんだペースト、導電性接着剤などが適している。フラックスなどの接着剤の供給方法としては、マスクを用いた印刷や遠心力を利用したスピンコート法などが利用できる。図６ａおよび図６ｂに接着剤１０を半導体装置１のパッド５上に供給した状態を半導体装置１の一部の断面図にて示す。図６ａは接着剤１０を半導体装置１のパッド５面側に全面供給した例であり、図６ｂは接着剤１０を半導体装置１のパッド面上にのみ選択的に供給した例である。
【００１０】
引き続き半導体装置１のパッド５と治具２の貫通孔６とを位置あわせする位置あわせ工程を実施する。位置あわせは、電子部品実装用印刷機で行われている方法と同じく、目視認識に基づく手動位置あわせやＣＣＤカメラにより撮像した映像の特徴点に着目した画像処理と自動ステージによる自動位置あわせなどにて行うことができる。半導体装置１と治具２との位置あわせが完了した位置あわせ工程における最終状態を拡大したものを図７に示す。図７において、８ａは半導体装置１と治具２との間隙を設定するために設けた短冊状の形状をしたスペーサである。また図８にはワイヤ状のスペーサ８ｂを使用した例を示した。更に図９には治具２と一体となったスペーサ８ｃを使用した例を示した。このようにスペーサ８を設けることで、半導体装置１のパッド５上に供給されているフラックスなどの接着剤１０により貫通孔６の汚染を防止することができる。つまりスペーサ８の高さをフラックスなどの接着剤１０の供給高さ以上とすることで、治具２はフラックスなどの接着剤に接触するおそれがなくなる。
【００１１】
ボール充填工程においては、導電性粒子３を治具２上に形成するバンプ数以上の個数を供給する。供給された導電性粒子３は、図２に示したブラシ７の並進運動により治具２の貫通孔６に落下し、貫通孔６は導電性粒子３により充填される。また、治具２上の余剰の導電性粒子３もブラシ７の並進運動により治具２上の貫通孔６が存在する領域から取り除かれる。治具２の１個の貫通孔６に充填される導電性粒子３の数を１個に限定するためには図７に示したｈ寸法は、導電性粒子３の直径の１．５倍未満とする必要がある。ブラシ７を用いた方法以外にも図１０に示したようにスキージ１１の並進運動を利用した例、図１１に示したエアノズル１２からの気体流１３を用いた例、図１２に示した振動を利用した例、図１３に示した治具２と半導体装置１の傾斜を利用した例があり、これらにより導電性粒子３を治具２の貫通孔６に充填し、かつ余剰の導電性粒子３を貫通孔６付近から除去することができる。この後、必要であれば、貫通孔６の充填と余剰の導電性粒子３の除去が完了しているかについて検査を実施し、万全を期すことも可能である。検査手段としては、作業者の目視によるものや電気的な撮像素子と画像処理装置との組み合わせによる自動認識が可能である。そして、充填もれや余剰の導電性粒子３の残存といった問題が確認された場合、ここまでの充填工程の繰り返しや人手等で直接導電性粒子３を補充したり除去することでこれらの問題を除くことができる。
【００１２】
図１８にスキージを用いたボール充填工程の詳細を示した。図１８ではパッド５及び接着剤１０は図面の判別上、実際の比率より厚く表現してある。ここでは治具２にはスペーサ８ｃを一体化してあり、治具２の表面の高さは半導体装置１の表面から導電性粒子３の直径の０．９倍に保たれており、治具２と半導体装置１との隙間は導電性粒子３の直径の０．４倍にたもたれている。これにより、次の加圧が容易になり、さらに治具の下面がフラックスで汚れる心配がない。また治具２の貫通孔６の直径は導電性粒子３の直径の１．２倍でああり、導電性粒子３は容易に貫通孔６に充填されるが、２個以上充填されることはない。また、スキージ１１の下面は図１８の紙面方向に離れて設置されたスペーサ１１ａにより、治具２表面から導電性粒子３の直径の０．３倍の高さに保たれており、スキージ１１の半導体粒子３に対向する面は概ね垂直方向に保たれている。このため、既に充填された導電性粒子３ａはスキージ１１とは接触せず、安定に半導体装置１の表面に存在できる。また、スキージ１１の進行より前に充填された導電性粒子３ｂと治具２の貫通孔６の隙間に僅かに入り込んでいる余分な導電性粒子３ｃは、スキージ１１に重力方向を実としたときの赤道面付近を横方向に押されることで、効率的に除去される。ここで、余分な導電性粒子３ｃ、および既に充填された導電性粒子３ｂの接触角は概ね水平面に近いため、スキージ１１から受ける除去に要する力は十分に小さく、余分な導電性粒子３ｃおよび既に充填された導電性粒子３ｂ共に過大な応力を受けることがないため、圧痕、擦り傷などの変形を受けることがない。また、余分な導電性粒子３ｃは、他の治具２の上の導電性粒子３ｄと同様に、スキージ１１の進行に伴い、順次、未だ充填されていない貫通孔６に充填されて行く。最終的に、消費されなかった導電性粒子３はスキージ１１により治具２の端部に寄せられ、次回の使用に備えて回収される。なおここで、スキージ１１を２組用いれば使用されなかった導電性粒子３を他方のスキージ１１で逆方向に移動させることも可能であり、複数回の充填作業を連続して実施でき、また、充填作業中に導電性粒子３が散逸する危険性を低減し、使用されなかった導電性粒子３を確実に回収できる利点がある。
【００１３】
貫通孔６への導電性粒子の充填および貫通孔６付近から余剰の導電性粒子３の除去が完了した後、加圧ツール９の上下動により貫通孔６に収まった導電性粒子３を加圧する。加圧の後、治具２を半導体装置１上から上方向に引き上げることで取り除く。この際、予め貫通孔６に収まった導電性粒子３を予め加圧しているため、導電性粒子３はパッド５に密着しており接着剤１０の粘着力によりパッド５上に固定されている。このため、治具２を半導体装置１上より引き上げる際に導電性粒子３は半導体装置１上に残り、位置ずれや治具２の貫通孔６に付着したまま引き上げられてしまうことはない。場合によっては、治具２を引き上げた後に再度パッド５上の導電性粒子３を加圧ツール９にて加圧することも効果的である。この二度目の加圧により、この後の搬送や加熱工程の際に生じるおそれのある導電性粒子３のずれを最小限に抑えることができる。加圧ツール９としては、図１に示した単純な平板状のもの以外にも図１４に示した突起を有するのもの、図１５に示した凹形状を有するもの、図１６に示したような加圧面を弾性体にて構成したものも利用できる。突起状の加圧ツール９を治具２を取り除く前の加圧に使用することで、図１４に示したように治具２のマスク部の厚さを導電性粒子の直径とくらべ、大きくすることができ、このため治具２の剛性が向上するので治具寿命も延ばすことができる。一方、凹状の加圧ツール９を使用することで、導電性粒子３を半導体装置１のパッド５上に正確に位置決めすることが可能となる。また、弾性体にて構成した加圧ツール９を使用することで、寸法公差に関係なく導電性粒子３すべてを加圧することが可能となる。治具２の貫通孔５の直径については既に述べたが、適切な貫通孔６の加工方法が開発されたならば、図１７に示したように貫通孔６の直径を治具２のマスク部２ａの厚さ方向で変化させることで、より導電性粒子３を貫通孔６に入りやすくし、かつ導電性粒子３を半導体装置１のパッド５上に精度良く搭載することも可能となる。この場合、貫通孔６の直径は、導電性粒子３が供給される側で導電性粒子３の直径の１倍以上２倍未満の範囲とし、パッド５側では導電性粒子３の直径の１倍を超え１倍に近い値とすることが望ましい。
【００１４】
続く加熱工程においては、導電性粒子３が搭載された半導体装置１を広く市販されているリフロー炉等の加熱炉に投入する。これにより、導電性粒子３は、半導体装置１のパッド５上に接続されバンプ４が形成される。この後、必要に応じ半導体装置１の洗浄や、必要な寸法への切断を実施することでバンプ４が形成された半導体装置１が完成する。
【００１５】
本実施の形態では、数万個程度の数多くのバンプを一括して半導体装置１のパッド５上に形成することが可能となり、バンプ形成の量産性を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、数多くのバンプを一括して半導体装置のパッド上に形成することが可能となる。しかも使用する治具類は安価なものが使用でき、装置も単純な構成となるため装置構造も単純となる。このため、量産性に優れたバンプ形成を実現することができる。更にはんだボールなどの導電性粒子をバンプ材料として使用できるため、様々な組成のバンプを形成するすることができる。はんだボール等の導電性粒子を使用する際にしばしば問題となるリフロー時のブリッジやボール消失といった問題も導電性粒子をパッド面上に加圧する工程を付け加えたことでこれを抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるバンプ形成フローである。
【図２】本発明によるバンプ形成フローである。
【図３】本発明によるバンプ形成フローである。
【図４】半導体装置の一例とその一部を拡大した図である。
【図５】本発明における治具を示した図である。
【図６】半導体装置にフラックスなどを供給した状態を示した図である。
【図７】治具と半導体装置とを位置あわせし、治具のマスク部と半導体装置との隙間を短冊状のスペーサにて設定した状態を示した図である。
【図８】治具と半導体装置とを位置あわせし、治具のマスク部と半導体装置との隙間をワイヤ状のスペーサにて設定した状態を示した図である。
【図９】治具と半導体装置とを位置あわせし、治具のマスク部と半導体装置との隙間をマスク面に設けた段差にて設定した状態を示した図である。
【図１０】スキージを充填工程に使用した例を示す図である。
【図１１】エア流を充填工程に使用した例を示す図である。
【図１２】振動を充填工程に使用した例を示す図である。
【図１３】治具と半導体装置の傾斜を充填工程に使用した例を示す図である。
【図１４】突起状の加圧ツールを加圧時に使用している例を示す図である。
【図１５】凹状の加圧ツールを加圧時に使用している例を示す図である。
【図１６】加圧面が弾性体である加圧ツールを加圧時に使用している例を示す図である。
【図１７】治具の貫通孔の直径を貫通孔の中心軸方向に変化させた例を示した断面図である。
【図１８】スキージを充填工程に使用した例の詳細を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体装置 ２…治具 ３…導電性粒子 ４…バンプ
５…パッド ６…貫通孔 ７…ブラシ ８…スペーサ
９…加圧ツール １０…接着剤 １１…スキージ １２…エアノズル
１３…気体流。

Claims (13)

1. 導電性粒子を用いて半導体装置上にバンプを形成するバンプ形成方法であって、
   治具に設けられた貫通孔と半導体装置上に形成されたバンプ形成のためのパッドとを対向させて位置合わせを行う位置合わせ工程と、
   前記治具上に導電性粒子を供給して前記導電性粒子を前記治具の貫通孔に充填させる導電性粒子充填工程と、
   前記治具を前記半導体装置から離間させる工程と、
   前記導電性粒子を加熱して前記パッド上にバンプを形成するバンプ形成工程とを備え、
   前記貫通孔の直径を前記半導体装置と相対する側に比較して前記導電性粒子が充填される側で大きくなるようにしたことを特徴としたバンプ形成方法。
2. 前記貫通孔の直径は、導電性粒子が充填される側で前記導電性粒子の直径の１倍以上、２倍未満であり、前記半導体装置と相対する側で前記導電性粒子の直径の１倍以上であることを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
3. 前記貫通孔の深さが前記導電性粒子の直径の１．５倍未満であることを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
4. 前記位置合わせ工程に先立ち、少なくとも前記パッドの表面を含む前記半導体装置の上にフラックス、はんだペーストまたは導電性接着剤から選ばれた接着剤を供給する接着剤供給工程を有することを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
5. 前記接着剤供給工程が印刷法を用いてなされることを特徴とする請求項４記載のバンプ形成方法。
6. 前記パッド上に設けられたフラックス、はんだペーストまたは導電性接着剤から選ばれた接着剤と前記治具とが接触しないように前記半導体装置と前記治具とがスペーサを介して対面配置されてなることを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
7. 前記導電性粒子充填工程において、前記治具の前記導電性粒子を供給した側にブラシを並進運動させることによって、前記導電性粒子を前記貫通孔に充填させることを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
8. 前記導電性粒子充填工程において、前記治具の前記導電性粒子を供給した側に配置したヘラ状のスキージを並進運動させることによって、前記導電性粒子を前記貫通孔に充填させることを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
9. 前記導電性粒子充填工程において、前記治具の前記導電性粒子を供給した側に配置したエアノズルから噴射させた気体流を用いて前記導電性粒子を前記貫通孔に充填させることを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
10. 前記導電性粒子充填工程において、前記導電性粒子を搭載した前記治具と前記半導体装置とを対面配置させた状態で傾斜させることによって前記導電性粒子の前記貫通孔への充填がなされることを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
11. 前記導電性粒子を前記貫通孔に充填させた後、前記治具を前記半導体装置から離間させる前に、前記貫通孔に対応した位置に突起を有する加圧治具を用いて前記導電性粒子を前記パッドに押し付けることを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
12. 前記バンプ形成工程の後、更に前記バンプを含む前記半導体装置を洗浄する洗浄工程を備えてなることを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。
13. 前記治具を前記半導体装置から離間させた後、前記導電性粒子を加熱して前記パッド上にバンプを形成する前に、前記パッド上に搭載された前記導電性粒子に加圧治具を押し付ける工程を付加したことを特徴とする請求項１記載のバンプ形成方法。

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