JP3904326B2 - バンプを形成した電子装置及び電子装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明ははんだバンプを形成した電子装置及び電子装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
大量の情報を高速に処理する情報処理装置においては、半導体チップに電子回路や電子部品を集積したLSIやVLSI等が多く用いられている。電子回路が集積されている半導体チップを例えばセラミック基板に取り付けるために、半導体チップ又はセラミック基板にはんだバンプ等の金属バンプを設け、はんだバンプの溶着により、半導体チップをセラミック基板に固定するとともに、電気的な接続を行うことができる。このために、半導体チップ又はセラミック基板にはんだバンプを形成しておくことが必要である。
【0003】
特開平7−249631号公報及び特開平9−36118号公報は、複数の凹部を有するバンプ形成用プレートを用いて半導体チップ等の電子部品にはんだバンプを設ける方法を開示している。この方法では、平坦なバンプ形成用プレートの表面に凹部を形成し、バンプ形成用プレートの凹部にスキージングによってはんだペーストを充填し、バンプ形成用プレートを加熱して凹部のはんだペーストをはんだボールとし、バンプ形成用プレートに半導体チップを近づけてはんだボールをこのプレートから半導体チップに転写する。
【0004】
バンプ形成用プレートの凹部にスキージングによってはんだペーストを充填することによって、はんだペーストの表面はバンプ形成用プレートの表面と同一面となり、一定の量のはんだペーストが各凹部内に充填される。バンプ形成用プレートの凹部内のはんだペーストのはんだ成分は加熱されて溶融し、表面張力により丸くなり、はんだボールとなる。はんだボールはバンプ形成用プレートの凹部内に保持された状態で、その頂部がバンプ形成用プレートの表面から上に突出する。従って、バンプ形成用プレートに半導体チップを近づけると、半導体チップの表面の電極パッドがはんだボールの頂部に接触する。こうして、はんだボールをバンプ形成用プレートから半導体チップに転写することができる。
【0005】
この方法によれば、はんだバンプがバンプ形成用プレートの凹部の位置と対応して正確に配置され、且つはんだボールの大きさがプレートの凹部に充填されたはんだペーストの量(すなわち凹部の大きさ)に対応して一様になるので、低コストで精度よくバンプを形成できる。特に、バンプ形成用プレートとしてシリコン板を用い、凹部をシリコン板に異方性エッチングを行うことにより形成すると、小さなピッチで微小な多くの凹部を正確に形成することができるので、狭ピッチで高密度の配線を有する半導体チップに適する。
【0006】
こうして、バンプが形成された半導体チップはバンプを利用して回路基板等に接合されることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
バンプを利用して半導体チップと回路基板とを接合してなる電子装置の使用において、電子装置の電子回路で熱が発生し、半導体チップと回路基板が変形する。半導体チップの熱膨張係数と回路基板の熱膨張係数との差により、半導体チップの変形量と回路基板の変形量とは差があり、半導体チップと回路基板とを接合している金属バンプにストレスが生じる。金属バンプにストレスが繰り返し生じると、金属バンプは次第に疲労していき、一部の金属バンプの耐久性及び信頼性が低下するという問題があった。金属バンプのストレスは、半導体チップ又は回路基板の中央領域で比較的に小さく、外周領域で比較的に大きくなり、外周領域に位置する金属バンプの耐久性及び信頼性が低下する傾向があった。
【0008】
本発明の目的は、はんだバンプの耐久性及び信頼性を向上させることのできるはんだバンプを形成した電子装置及び電子装置の製造方法に関する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明による電子装置の製造方法は、第1の電子部品の実装面の中央領域に第1のはんだバンプを形成する工程と、該第1の電子部品の該実装面の外周領域に、該第1のはんだバンプより小さい第2のはんだバンプを形成する工程と、該第1の電子部品を該第1のはんだバンプ及び該第2のはんだバンプにより第2の電子部品に接合して、該第1のはんだバンプをたる形にし、該第2のはんだバンプを鼓形にする工程とを含むことを特徴とする。この場合において、該第1のはんだバンプ及び該第2のはんだバンプを形成する工程は、第1の凹部及び該第1の凹部より小さい第2の凹部を有するプレートを準備する工程と、該第1の凹部及び該第2の凹部にはんだ粒子を含む金属ペーストを充填する工程と、該プレートを加熱して、該第1の凹部に第1の金属ボールを形成し、該第2の凹部に第2の金属ボールを形成する工程と、該第1の金属ボールを該第1のはんだバンプとして該第1の電子部品に転写し、該第2の金属ボールを該第2のはんだバンプとして該第1の電子部品に転写する工程とを含むことを特徴とする。
【0010】
金属ペーストは、例えばはんだ粒子のような金属粒子と、フラックス等とからなるものであり、プレートの凹部にスキージングによって充填される。はんだペーストの表面はプレートの表面と同一面となり、凹部の体積に相当する量のはんだペーストが各凹部内に充填される。それから、プレートを加熱すると、金属ペースト中の金属粒子が溶融して丸くなって金属ボールとなる。そこで、プレートの凹部に位置する金属ボールをバンプを形成すべき装置に転写する。
【0011】
プレートの外周領域に位置する凹部が中央領域に位置する凹部よりも小さいので、プレートの外周領域に位置する凹部に形成される金属ボールの大きさは、プレートの中央領域に位置する凹部に形成される金属ボールの大きさよりも小さい。このため、バンプを形成すべき装置に形成されたバンプの大きさは、外周領域に位置するものが中央領域に位置するものよりも小さい。そして、このバンプを形成した装置(第1の電子部品)をさらに別の装置(第2の電子部品)にバンプを利用して接合して電子装置を形成する。中央領域に位置する大きなバンプは比較的に大きく押しつぶされ、周辺領域に位置する小さなバンプは比較的に小さく押しつぶされる。従って、電子装置の使用において、バンプにストレスがかかっても、周辺領域に位置する小さなバンプの疲労は比較的に小さくなる。この結果、周辺領域に位置する小さなバンプの耐久性及び信頼性が向上する。
【0012】
好ましくは、該プレートはシリコンからなり、該凹部はシリコンのプレートに異方性エッチングにより形成されたものである。あるいは、該プレートは感光性ガラスからなり、該凹部は感光性ガラスにエッチングにより形成されたものである。
好ましくは、該プレートは、プレートにエッチングにより凹部を有するレプリカを形成し、該レプリカに基づいて成形されたものである。
【0013】
さらに、本発明による電子装置は、第1の電子部品と第2の電子部品とが、該第1の電子部品の実装面の中央領域に位置する第1のはんだバンプ及び該第1の電子部品の該実装面の外周領域に位置する第2のはんだバンプにより接合され、該第1のはんだバンプはたる形に形成され、該第2のはんだバンプは鼓形に形成されることを特徴とする。また、該第1のはんだバンプの体積は、該第2のはんだバンプの体積よりも大きいことを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は第1本発明の実施例によるバンプの形成方法を示す図である。
図1(A)において、表面12に凹部14x、14yを有する(バンプ形成用)プレート10を準備する。本発明では、プレート10の外周領域に位置する凹部14xが中央領域に位置する凹部14yよりも小さい。
【0016】
それから、凹部14x、14yに金属ペースト16を充填する。金属ペースト16の充填はスキージ18を矢印Aの方向に移動させながら行うスキージングによって行われる。金属ペースト16は、例えばはんだ粒子のような金属粒子と、フラックス等とからなるものであり、スキージングによって、はんだペースト16の表面は第1のプレート10の表面と同一面となり、凹部14x、14yの体積に対応する量のはんだペースト16が各凹部14x、14y内に充填される。なお、凹部14x、14yは、バンプを形成すべき半導体チップや回路基板の電極パッドの位置に対応して形成されている。
【0017】
図1(B)において、プレート10を加熱すると、金属ペースト16中の金属粒子が溶融し、表面張力によって丸くなって金属ボール26となる。
図1(C)において、バンプを形成すべき装置30を加熱下でプレート10に押しつけ、プレート10の凹部14x、14yに位置する金属ボール26をバンプを形成すべき装置30の電極パッド32に転写する。プレート10の凹部14x、14yはバンプを形成すべき装置30の電極パッド32と対応する位置に形成されているので、金属ボール26は電極パッド32に付着する。そこで、図1(D)に示されるように、プレート10をバンプを形成すべき装置30から移動させる。金属ボール26はプレート10からバンプを形成すべき装置30に転写され、装置30のバンプ34となる。
【0018】
図1(E)においては、金属バンプ34を成形した装置30はさらに金属バンプ34により回路基板50の電極パッド52に取り付けられることができる。回路基板50の電極パッド52は装置30の金属バンプ34と対応する位置に形成されており、装置30と回路基板50とは金属バンプ34により電気的及び機会的に接合される。
【0019】
バンプを形成すべき装置30は例えば半導体チップである。しかし、バンプを形成すべき装置30は半導体チップに限定されるものではなく、例えばBGAや回路基板等のバンプを必要とするあらゆる電子部品とすることができる。また、金属バンプ34を成形した装置30は回路基板50だけでなく、あらゆる電子部品にとすることができる。
【0020】
本実施例においては、プレート10の外周領域に位置する凹部14xが中央領域に位置する凹部14yよりも小さいので、プレート10の外周領域に位置する凹部14xに形成される金属ボール26の大きさは、プレート10の中央領域に位置する凹部14yに形成される金属ボール26の大きさよりも小さい。このため、バンプを形成すべき装置30に形成されたバンプ34の大きさは、外周領域に位置するものが中央領域に位置するものよりも小さい。そして、図1(E)に示されるように、このバンプ34を形成した装置30を回路基板50にバンプ34を利用して接合する際に、中央領域に位置する大きなバンプ34は比較的に大きく押しつぶされ、たる形になる。周辺領域に位置する小さなバンプ34は比較的に小さく押しつぶされ、鼓形になる。従って、装置30と回路基板50とを接合してなる電子装置の使用において、バンプ34にストレスがかかっても、周辺領域に位置する小さなバンプの疲労は比較的に小さくなる。この結果、周辺領域に位置する小さなバンプ34の耐久性及び信頼性が向上する。
【0021】
図2は本発明の第2実施例を示す図である。装置(半導体チップ)30を回路基板50にフリップチップ接合してなる電子装置が示されている。装置(半導体チップ)30を回路基板50に接合するバンプ34a、34b、34cはチップ中心から1/3ずつの領域ごとに3段階の大きさに形成されており、外周領域に位置するバンプ34aは最も小さく(例えば80μm)、中間領域に位置するバンプ34bは次に小さく(例えば90μm)、中央領域にバンプ34cは最も大きい(例えば100μm)。このように、バンプ34a、34b、34cの大きさを段階的に定めることにより、半導体チップの中心からエッジに向かうに従って熱ストレスの影響が大きくなるのに対応する。バンプ34a、34b、34cの大きさは図1のプレートの凹部14x、14yの大きさに従って定まっていることは言うまでもない。
【0022】
図3は本発明の第3実施例を示す図である。この実施例は、BGA実装の例である。バンプを形成すべき装置30は半導体チップ30aと、半導体チップ30aを搭載する基板30bとからなり、バンプ34a、34bは基板30bに設けられている。そして装置30の基板30bがバンプ34a、34bによって回路基板50に接合される。このような構成では、半導体チップ30aのエッジの直下のバンプが熱ストレスに弱い。従って、半導体チップ30aのエッジの直下を境界として、バンプの大きさを変える。すなわち、半導体チップ30aのエッジの直下及びそれよりも外側に位置するバンプ34aは比較的に小さく(例えば450μm)、半導体チップ30aのエッジの直下よりも内側に位置するバンプ34bは比較的に大きく(例えば600μm)となる。このようにして、周辺部に位置するバンプの熱ストレスの影響を緩和する。バンプ34a、34bの大きさは図1のプレートの凹部14x、14yの大きさに従って定まっていることは言うまでもない。
【0023】
図4は図1のプレート10の一例を示す平面図であり、図5は図4の線V−Vに沿った断面図である。この例においては、プレート10は表面12が〈100〉の結晶面となるシリコン板で作られ、凹部14(14x、14y)は表面12に正方形の開口部を有するマスクを形成して異方性のエッチングを行うことによって形成されている。凹部14は正四角錐の形状になる。ここで、マスクの正方形の開口部の大きさを変えることにより、凹部14(14x、14y)の大きさを変える。
【0024】
図6は図1のプレート10の他の例を示す斜視図であり、図7は図6のプレートの凹部を説明する図である。この例においては、プレート10は表面12が〈110〉の結晶面となるシリコン板で作られ、凹部14(14x、14y)は表面12に菱形の開口部を有するマスクを形成して異方性のエッチングを行うことによって形成されている。凹部14(14x、14y)は開口部が菱形で、表面12に対して傾斜した底面14aと、表面12に対してほぼ垂直な4側面14bを有する。ここで、マスクの菱形の開口部の大きさを変えることにより、凹部14(14x、14y)の大きさを変える。
【0025】
このようにプレート10をシリコン板で形成し、凹部14(14x、14y)を異方性のエッチングを行うことによって形成すると、微小な多くの凹部14(14x、14y)を正確に形成することができ、凹部14(14x、14y)の大きさを正確に制御することができる。表面12が〈110〉の結晶面となるシリコン板に異方性のエッチングを行うことによって形成された凹部14(14x、14y)は、表面12が〈100〉の結晶面となるシリコン板に異方性のエッチングを行うことによって形成された凹部14(14x、14y)と比べて、開口部の面積が同じであれば、体積が大きくなる。
【0026】
図8は図1のプレート10の他の例を示す断面図である。プレート10は感光性ガラスからなり、凹部14(14x、14y)は感光性ガラスにエッチングにより形成されたものである。
さらに、図4及び図5のプレート、図6及び図7のプレート、及び図8のプレートをレプリカとして利用し、第1のプレート10及び第2のプレート20を該レプリカに基づいて成形したものとすることができる。
【0027】
例えば、図9(A)は、図4及び図5のプレート、図6及び図7のプレート、及び図8のプレートと同様にして、エッチングによって形成された凹部14Aを有するレプリカ10Aを形成し、このレプリカ10Aの上にメッキ層40Aを形成し、このメッキ層40Aをプレート10とする例を示している。
図9(B)は、図9(A)のメッキ層40Aを型として使用し、プレート40Bを成形することを示している。40Cはメッキ層40Aを支持する支持材である。このプレート40Bをプレート10として使用することもできる。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電子装置のバンプの耐久性及び信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例によるバンプの形成方法を示す図である。
【図2】本発明の第2実施例により得られた電子装置を示す図である。
【図3】本発明の第3実施例により得られた電子装置を示す図である。
【図4】図1のプレートの一例を示す平面図である。
【図5】図4の線V−Vに沿った断面図である。
【図6】図1のプレートの他の例を示す斜視図である。
【図7】図6のプレートの凹部を示す図である。
【図8】図1のプレートの他の例を示す断面図である。
【図9】図1のプレートの他の例を示す図である。
【符号の説明】
10…プレート
14x、14y…凹部
16…金属ペースト
18…スキージ
26…金属ボール
30…バンプを形成すべき装置
34…バンプ
50…回路基板
Claims (4)
- 第1の電子部品の実装面の中央領域に第1のはんだバンプを形成する工程と、
該第1の電子部品の該実装面の外周領域に、該第1のはんだバンプより小さい第2のはんだバンプを形成する工程と、
該第1の電子部品を該第1のはんだバンプ及び該第2のはんだバンプにより第2の電子部品に接合して、該第1のはんだバンプをたる形にし、該第2のはんだバンプを鼓形にする工程とを含むことを特徴とする電子装置の製造方法。 - 該第1のはんだバンプ及び該第2のはんだバンプを形成する工程は、
第1の凹部及び該第1の凹部より小さい第2の凹部を有するプレートを準備する工程と、
該第1の凹部及び該第2の凹部にはんだ粒子を含む金属ペーストを充填する工程と、
該プレートを加熱して、該第1の凹部に第1の金属ボールを形成し、該第2の凹部に第2の金属ボールを形成する工程と、
該第1の金属ボールを該第1のはんだバンプとして該第1の電子部品に転写し、該第2の金属ボールを該第2のはんだバンプとして該第1の電子部品に転写する工程とを含むことを特徴とする請求項1に記載の電子装置の製造方法。 - 第1の電子部品と第2の電子部品とが、該第1の電子部品の実装面の中央領域に位置する第1のはんだバンプ及び該第1の電子部品の該実装面の外周領域に位置する第2のはんだバンプにより接合され、該第1のはんだバンプはたる形に形成され、該第2のはんだバンプは鼓形に形成されることを特徴とする電子装置。
- 該第1のはんだバンプの体積は、該第2のはんだバンプの体積よりも大きいことを特徴とする請求項3に記載の電子装置。
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