JP4155080B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に半導体チップを回路基板上に高密度実装する方法に関する。
近年、携帯電話やデジタルカメラ等の携帯用電子機器の普及に伴って、それらに用いられる電子回路の小型化、低コスト化に対する要求が厳しくなっており、それに応えるため回路パターンの微細化・高集積化による部品数の低減は勿論のこと、回路パターンが形成された半導体チップを低コストで高密度実装する技術の一層の進展が求められている。
【0002】
【従来の技術】
半導体チップを回路基板に高密度で実装する方法としてフリップチップ方式が知られている。図4(a) 、(b) は従来のフリップチップ方式を説明する断面図である。同図において、半導体チップ1の表面には外部接続用の多数のバンプ2が形成されており、また、回路基板3には半導体チップ1のバンプ2とそれぞれ対応する位置に電極パターン4が形成されている。電子機器の低コスト化を優先させる場合、回路基板3としてはガラスエポキシ等の有機樹脂が用いられる。
【0003】
まず、図4(a) に示したように、電極パターン4が形成された回路基板3の表面に対し、バンプ2が形成された半導体チップ1の表面を下向きにして対向させ、この状態で半導体チップ1を水平方向に移動させることによりバンプ2と電極パターン4を位置合わせする。位置合わせに際しては、バンプ2と電極パターン4の接触面積が出来るだけ大きくなるように、バンプ2の中心と電極パターン4の中心を一致させる方向に半導体チップ1を移動させる。
【0004】
ついで、図4(b) に示したように、半導体チップ1に下向きの荷重を印加して矢印方向へ移動させ回路基板3に押圧する。下向きの荷重の他に、必要に応じて加熱、半導体チップ1への超音波印加を行う。これによりバンプ2が電極パターン4と接続されることになる。その後、バンプ2と電極パターン4の接続領域近傍を樹脂で覆った後加熱硬化させることによりバンプ2と電極パターン4との接続を安定なものにする。
【0005】
以上のように、フリップチップ方式は多数のバンプを電極パターンに一括接続することができるためワイヤボンディング方式に比べて少ない工数で実装可能であり且つ接続点での寄生インダクタンスを小さくすることができる等の利点があり広く用いられている。
半導体チップに形成されるバンプとしては、スタッドバンプあるいはめっきバンプが用いられる。スタッドバンプは半導体チップ上の電極パッドに金あるいは金合金からなるワイヤを用いてワイヤボンディングを行った後、このワイヤを加熱しながら引きちぎって形成される。同一半導体チップに形成されるバンプ数が少ない場合やバンプ間ピッチが比較的大きい場合に主として用いられる。また、めっきバンプは、電極パッド上にレジスト開口パターンを形成し、この開口部内をメッキ材により埋め込んでバンプとするものであり、バンプ径をパターニングにより決めることができるためスタッドバンプに比べて微細化が可能であり、主としてバンプ数が多い場合やバンプ間ピッチが小さい場合に用いられる。
【0006】
また、上述のフリップチップ方式を簡略化して実装工程の一層の低コスト化を図る試みも行われている( 例えば、特許文献1参照) 。図5(a) 、(b) は従来の簡略化されたフリップチップ方式を説明する断面図である。図5(a) に示したように、回路基板3上に電極パターン4を覆うように予め熱硬化性樹脂5を塗布し、この状態で回路基板3の表面と半導体チップ1の表面を対向させ、図4に述べた例と同様に電極パターン4とバンプ2の位置合わせを行う。そして、図5(b) に示したように、半導体チップ1に下向きの荷重を印加して回路基板3へ押圧すると、バンプ2は熱硬化性樹脂5を押し退けて電極パターン4と接続されることになる。その後、樹脂を加熱硬化させることによりバンプ2と電極パターン4の接続を安定化する。
【0007】
【特許文献1】
特開平9−97816号公報( 第4−5頁、第2図)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたフリップチップ方式には、多数のバンプを有する半導体チップを少ない工数で実装することができる等の利点がある反面、回路基板材として軟質性のある樹脂を用いた場合に以下のような問題が生じる。
図6は従来のフリップチップ方式の問題点を説明する断面図である。半導体チップ1に下向きの荷重を印加して回路基板3に押圧したとき、押圧の際の応力により回路基板3に局所的なたわみが生じバンプ2が回路基板3へ沈み込む結果、半導体チップ1と回路基板3間のギャップが狭くなる。これにより、同図に見られるように半導体チップ1の表面が電極パターン4に直接接触する恐れが生じる。これは半導体チップ1の表面に形成されている回路パターンを傷つける原因となる。また、前述のように半導体チップ1と回路基板3間のギャップが狭くなると、ギャップ内での樹脂の流動性が低下するため、加熱硬化中樹脂に含まれているガスの排出が充分に行われずギャップ内の樹脂にボイドが残ることになる。あるいは、フリップチップ接続後に樹脂で覆ったとしてもギャップに充填される樹脂の量が少なくなるためバンプと電極パターンの接続強度が低下する。これらの現象は、いずれもフリップチップ方式の信頼性を低下させる原因となる。
【0009】
フリップチップ実装の際の半導体チップと基板の間のギャップを保持する上で、(1) 半導体チップに印加する下向きの荷重を小さくして回路基板のたわみを抑える方法、(2) 半導体チップに予め背の高いバンプを形成する方法、(3) 回路基板の材料としてたわみの生じ易いガラスエポキシ樹脂に代えて硬質の石英ガラス等を用いる方法が考えられる。しかし、(1) の方法ではバンプと電極パターンとの接触が不十分となって接続強度の低下をもたらす恐れがある。また、(2) の方法においてスタッドバンプを用いる場合、バンプ径をワイヤ径以上に大きくすることが難しいためバンプの微細化によりワイヤ径が小さくなると背の高いバンプを形成することは困難であり、めっきバンプを用いる場合にはめっきを厚くする必要があるため高コストになる。また、(3) の方法では基板コストが高くなるという問題がある。
【0010】
そこで、本発明は半導体チップを回路基板にフリップチップ接続する際に低コスト且つ簡単な方法で半導体チップと回路基板間のギャップを保持し、フリップチップ接続の信頼性を向上させることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、複数のバンプの形成された半導体チップを、各バンプに対応した電極パターンの形成された回路基板にフェイスダウンボンディングにより接続する半導体装置の製造方法において、各該バンプと各該電極パターンが向かい合うように該半導体チップと該回路基板を離間して対向させた状態で、上方から見て各該バンプと各該電極パターンが部分的に重なる範囲内で各該バンプの中心と各該電極パターンの中心を水平方向にずらして位置合わせし、ついで、該半導体チップを下方向に移動させて該回路基板に圧接し、各該バンプと各該電極パターンを接触させ、ついで、該半導体チップを、各該バンプの中心と各該電極パターンの中心が一致する方向へ向けて水平に移動させて、各該電極パターンの側面に各該バンプを押圧することにより、各該バンプに塑性変形を生じさせながら各該バンプを各該電極パターンに接続する。
【0012】
また、上記構成において、該半導体チップを、該バンプの中心と該電極パターンの中心が一致する方向へ向けて斜め下方向へ移動させる。
また、上記構成において、該半導体チップを、該バンプの中心と該電極パターンの中心が一致する方向へ向けて超音波を印加しつつ移動させる。
また、上記構成において、該超音波の振動方向を、該半導体チップの移動方向に対し垂直な方向にする。
【0013】
また、上記構成において、該半導体チップと該回路基板間に予め樹脂を介在させた状態で、該バンプを該電極パターンに接続する。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1(a) 〜(c) は本発明の実施例を説明する図であり、各図左側には半導体チップ1をガラスエポキシからなる回路基板3と対向して配置したときのAA断面図が示されている。半導体チップ1の表面には金あるいは金合金からなるバンプ2、回路基板3の表面には金めっきされた銅からなる電極パターン4がそれぞれ形成されている。また、各図右側には、上方から見たときのバンプ2と電極パターン4の配置位置を表す平面図が示されている。
【0015】
まず、図1(a) に見られるように、バンプ2と電極パターン4が向かい合うように半導体チップ1と回路基板3を離間して対向させ、この状態で上方から見てバンプ2と電極パターン4が部分的に重なる範囲内でバンプ2と電極パターン4の中心を水平方向にずらせて位置合わせする。ついで、図1(b) に示したように、半導体チップ1に下向きの荷重を印加して下方へ移動させ回路基板3に押圧する。バンプ2と電極パターン4の中心をずらせているため、押圧時におけるバンプ2と電極パターン4の接触面積は小さく、その結果、回路基板3へ加わる応力が小さくなる。そのため、回路基板3のたわみが小さくなり、従来に比べて半導体チップ1と回路基板3の間のギャップを広くすることができる。
【0016】
ついで、図1(c) に矢印6で示したように、バンプ2の中心と電極パターン4の中心が一致する方向へ向けて水平方向に半導体チップ1を移動させる。これによりバンプ2が電極パターン4の側面を押圧して塑性変形し電極パターン4との接触面積を増やしながら電極パターン4と接続する。この工程では、回路基板3に対して上方からの応力が殆ど加わらないため回路基板3のたわみが大きくなることはない。
【0017】
なお、バンプ2と電極パターン4との接続に際して、半導体チップ1と回路基板3の一方、あるいは双方を加熱することによりバンプ2の塑性変形をより容易にしバンプ2と電極パターン4の接続強度を強固にすることができる。
さらに、バンプと電極パターンとの接続強度をより強固にするため、バンプの中心と電極パターンの中心が一致する方向へ向けて水平方向に半導体チップを移動させる際、半導体チップに超音波を印加することができる。超音波振動の振幅は通常0.2μm から2μm 程度の大きさに設定される。径15μm 程度の微細バンプを有する半導体チップでは、この振動振幅はバンプ径に対して無視できない大きさとなり、バンプと電極パターンの接触面積に対しても大きな影響を与える場合が生じる。この問題は、微細バンプを有する半導体チップに対して図1(c) に矢印7で示したように、超音波振動の振動方向を半導体チップの移動方向6に対して垂直な方向へ設定することにより回避できる。
【0018】
次に、図2(a) 〜(c) は上述した実施例の変形例を説明する図であり、図1と同一のものには同一番号を付してある。まず、図2(a) に見られるように、バンプ2と電極パターン4が向かい合うように半導体チップ1と回路基板3を離間して対向させ、この状態で上方から見てバンプ2と電極パターン4が部分的に重なる範囲内でバンプ2と電極パターン4の中心を水平方向にずらせて位置合わせする。ついで、図2(b) に示したように、半導体チップ1に下向きの荷重を印加して下方へ移動させ回路基板3に押圧する。ついで、バンプ2の中心と電極パターン4の中心が一致する方向へ向けて斜め下方向に半導体チップ1を移動させバンプ2に塑性変形を生じさせることによりバンプ2と電極パターン4の接触面積を増やしてバンプ2と電極パターン4を接続する。これにより先の実施例と同様な効果を得ることができる。先の実施例と同様に、この実施例においても加熱処理、超音波処理あるいはその両方の処理を行うことにより接続強度をより強固にすることができる。
【0019】
また、上述したいずれの実施例においても、水平面内において半導体チップを移動させる方向は、以下のように半導体チップのバンプ配列に応じて異なる方向へ設定される。
図3は半導体チップ1と回路基板3を対向させた状態を示す平面図である。バンプ2及び電極パターン4の一部は半導体チップ1を上方から見て透視した状態で示されている。
【0020】
図3(a) は半導体チップ1の2辺にバンプ2が配列されている場合であり、半導体チップ1を図中示した矢印方向へ移動させることにより全てのバンプの中心をそれぞれ対応する電極パターンの中心に近づけることができる。図3(b) は半導体チップ1の4辺にバンプ2が配列されている場合であり、半導体チップ1を図中矢印で示した斜め上方へ移動させることにより全てのバンプの中心をそれぞれ対応する電極パターンの中心に近づけることができる。
【0021】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、フリップチップ実装に際してバンプと電極パターンとの接続強度を低下させることなく半導体チップと回路基板間のギャップを保持することができるので、フリップチップ実装の低コスト化を図り且つ信頼性を向上させる上で有益である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を説明する図(その1) 。
【図2】 本発明の実施例を説明する図(その2)。
【図3】 本発明の実施例を説明する平面図。
【図4】 従来例を説明する断面図(その1) 。
【図5】 従来例を説明する断面図(その2) 。
【図6】 従来例の問題点を説明する断面図。
【符号の説明】
1 半導体チップ
2 バンプ
3 回路基板
4 電極パターン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for mounting a semiconductor chip on a circuit board at a high density.
In recent years, with the spread of portable electronic devices such as mobile phones and digital cameras, the demand for miniaturization and cost reduction of electronic circuits used in them has become strict. In addition to the reduction in the number of components due to integration, there is a need for further progress in technology for high-density mounting of semiconductor chips on which circuit patterns are formed at low cost.
[0002]
[Prior art]
A flip chip method is known as a method of mounting a semiconductor chip on a circuit board at a high density. 4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views for explaining a conventional flip chip method. In the figure, a large number of
[0003]
First, as shown in FIG. 4A, the surface of the
[0004]
Next, as shown in FIG. 4B, a downward load is applied to the
[0005]
As described above, since the flip chip method can connect a large number of bumps to the electrode pattern at a time, it can be mounted with fewer man-hours than the wire bonding method, and the parasitic inductance at the connection point can be reduced. Is widely used.
As bumps formed on the semiconductor chip, stud bumps or plated bumps are used. The stud bump is formed by performing wire bonding using a wire made of gold or a gold alloy on an electrode pad on a semiconductor chip and then tearing the wire while heating. This is mainly used when the number of bumps formed on the same semiconductor chip is small or when the pitch between bumps is relatively large. Also, the plating bumps are formed by forming a resist opening pattern on the electrode pad and filling the opening with a plating material to form bumps, and the bump diameter can be determined by patterning, so it is finer than stud bumps. It is mainly used when the number of bumps is large or the pitch between bumps is small.
[0006]
In addition, attempts have been made to further reduce the cost of the mounting process by simplifying the flip chip method described above (see, for example, Patent Document 1). 5 (a) and 5 (b) are cross-sectional views illustrating a conventional simplified flip chip method. As shown in FIG. 5A, a
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-97816 (page 4-5, FIG. 2)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The flip chip method described above has an advantage that a semiconductor chip having a large number of bumps can be mounted with a small number of man-hours, but the following is the case when a soft resin is used as a circuit board material. Problems arise.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the problems of the conventional flip chip method. When a downward load is applied to the
[0009]
In maintaining the gap between the semiconductor chip and the substrate during flip chip mounting, (1) a method of reducing the downward load applied to the semiconductor chip to suppress the deflection of the circuit board, and (2) the semiconductor chip in advance. A method of forming a tall bump, and (3) a method of using hard quartz glass or the like instead of a glass epoxy resin that is easily bent as a material of a circuit board are conceivable. However, in the method (1), the contact between the bump and the electrode pattern is insufficient, and there is a possibility that the connection strength is lowered. In addition, when using stud bumps in the method of (2), it is difficult to make the bump diameter larger than the wire diameter, so it is difficult to form a tall bump when the wire diameter is reduced by miniaturization of the bump, When plating bumps are used, it is necessary to make the plating thicker, resulting in higher costs. Further, the method (3) has a problem that the substrate cost increases.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has an object to improve the reliability of flip chip connection by maintaining a gap between the semiconductor chip and the circuit board by a low-cost and simple method when the semiconductor chip is flip-chip connected to the circuit board. .
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above problems, a semiconductor chip formed of a plurality of bumps, in the manufacturing method of a semiconductor device to be connected by face-down bonding the formed circuit board electrode pattern corresponding to the bumps, each said The bumps and the electrode patterns are located within a range in which the bumps and the electrode patterns partially overlap each other when viewed from above in a state where the semiconductor chip and the circuit board are spaced apart from each other so that the electrode patterns face each other. the center and the center of each said electrode pattern aligned shifted horizontally, then by moving the semiconductor chip downwardly pressed against the circuit board is brought into contact with each said bump and each said electrode patterns, then, the semiconductor chip, is moved horizontally toward the direction in which the center and the center of each said electrode pattern of each said bump is matched, each on a side surface of each said electrode pattern By pressing the bump, to connect each said bump while causing plastic deformation in each said bump to each said electrode pattern.
[0012]
In the above configuration, the semiconductor chip is moved obliquely downward in a direction in which the center of the bump and the center of the electrode pattern coincide.
In the above configuration, the semiconductor chip is moved while applying an ultrasonic wave in a direction in which the center of the bump and the center of the electrode pattern coincide.
Further, in the above configuration, the vibration direction of the ultrasonic wave is set to a direction perpendicular to the moving direction of the semiconductor chip.
[0013]
In the above configuration, the bump is connected to the electrode pattern in a state where a resin is previously interposed between the semiconductor chip and the circuit board.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 (a) to 1 (c) are diagrams for explaining an embodiment of the present invention. On the left side of each figure, there is a cross-sectional view taken along line AA when the
[0015]
First, as seen in FIG. 1 (a), the
[0016]
Next, as indicated by an
[0017]
When the
Furthermore, in order to further strengthen the connection strength between the bump and the electrode pattern, ultrasonic waves are applied to the semiconductor chip when the semiconductor chip is moved in the horizontal direction toward the direction in which the center of the bump and the center of the electrode pattern coincide. be able to. The amplitude of the ultrasonic vibration is usually set to about 0.2 μm to 2 μm. In a semiconductor chip having fine bumps with a diameter of about 15 μm, the vibration amplitude is not negligible with respect to the bump diameter, and the contact area between the bump and the electrode pattern may be greatly affected. This problem is that the vibration direction of ultrasonic vibration is set to a direction perpendicular to the moving
[0018]
Next, FIGS. 2A to 2C are diagrams for explaining modifications of the above-described embodiment, and the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. First, as shown in FIG. 2 (a), the
[0019]
In any of the above-described embodiments, the direction in which the semiconductor chip is moved in the horizontal plane is set to a different direction according to the bump arrangement of the semiconductor chip as follows.
FIG. 3 is a plan view showing a state in which the
[0020]
FIG. 3 (a) shows a case where bumps 2 are arranged on two sides of the
[0021]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the gap between the semiconductor chip and the circuit board can be maintained without lowering the connection strength between the bump and the electrode pattern in flip chip mounting, the cost of flip chip mounting can be reduced. This is useful for improving reliability and improving reliability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention (part 1);
FIG. 2 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention (part 2);
FIG. 3 is a plan view illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a conventional example (part 1).
FIG. 5 is a sectional view for explaining a conventional example (part 2).
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a problem of a conventional example.
[Explanation of symbols]
Claims (4)
各該バンプと各該電極パターンが向かい合うように該半導体チップと該回路基板を離間して対向させた状態で、上方から見て各該バンプと各該電極パターンが部分的に重なる範囲内で各該バンプの中心と各該電極パターンの中心を水平方向にずらして位置合わせし、
ついで、該半導体チップを下方向に移動させて該回路基板に押圧し、各該バンプと各該電極パターンを接触させ、
ついで、該半導体チップを、各該バンプの中心と各該電極パターンの中心が一致する方向へ向けて水平に移動させて、各該電極パターンの側面に各該バンプを押圧することにより、各該バンプに塑性変形を生じさせながら各該バンプを各該電極パターンに接続することを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a semiconductor device manufacturing method of connecting a semiconductor chip formed with a plurality of bumps to a circuit board on which an electrode pattern corresponding to each bump is formed by face-down bonding,
In a state where each of the bumps and the respective said electrode pattern are opposed spaced apart the semiconductor chip and the circuit board so as to face each in each said bump and each said electrode pattern as viewed from above in a range partially overlap The center of the bump and the center of each electrode pattern are shifted and aligned in the horizontal direction,
Then, by moving the semiconductor chip in a downward direction to press the circuit board is brought into contact with each said bump and each said electrode patterns,
Then, the semiconductor chip, by the center is moved horizontally toward the matching direction of the center and each of the electrode pattern of each said bump to press each said bump on the side surface of each of the electrode patterns, each said the method of manufacturing a semiconductor device characterized by connecting each said bump while causing plastic deformation to the bump on each said electrode pattern.
Priority Applications (1)
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