JP4264388B2 - 半導体チップの接合方法および接合装置 - Google Patents

半導体チップの接合方法および接合装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体チップのバンプまたはパッドと、基板のパッドまたはバンプとを当接させ、半導体チップに超音波振動を印加することで、半導体チップおよび基板のバンプとパッドとを接合する半導体チップの接合方法、およびそれに利用される接合装置に関する。
近年、半導体パッケージ等の半導体装置を製造するにあたって半導体チップを配線基板にフリップチップ接合して搭載する際、半導体チップのバンプと配線基板のパッドとを当接させ、半導体チップに超音波振動を印加することで、半導体チップのバンプと配線基板のパッドとを接合（ボンディング）する方法が用いられている。
なお、基板側にバンプが設けられ、半導体チップ側にパッドが設けられる場合もある。
この接合方法においては、バンプとパッドとが、超音波振動によって強く擦り合わされることにより、バンプを構成する金属とパッドを構成する金属との合金化反応が生じ、バンプとパッドとが接合されるのである。
なお、バンプとのパッドの材質の組み合わせとして、バンプが金（Ａｕ）で、パッドがアルミニウム（Ａｌ）といった組み合わせが一般的である。
半導体チップのバンプ（金バンプ）は、いわゆるスタッドバンプとして形成されることが多い。スタッドバンプは、半導体チップの、バンプを形成すべき端子に、一旦ワイヤボンディングを施し、そのワイヤを根本付近で切断することにより形成される。
特にこのようなスタッドバンプを超音波振動を用いてパッドに接合する場合、スタッドバンプの形状は不均一かつ先鋭状に形成されているため、バンプとパッドとの間に生じる応力が不均一になりやすい。そのために、バンプとパッドとの間の合金化反応が不均一に生じて、バンプとパッドとの間にいわゆるカーケンドールボイドが生じて接合度が悪くなりやすく、延いてはそれに起因した半導体装置の不良が発生しやすい。
この問題を回避するため、従来より、バンプとパッドとの接合の前に、バンプの形状を均一化させるために、バンプにレベリングを施す技術が採用されている。
従来のレベリングの方法としては、特許文献１に記載されている通り、半導体チップの全てのスタッドバンプに当接する平面状の当接面を有するレベリングツールを、スタッドバンプに当接させて押圧して、スタッドバンプの先端側を押し潰すことで、バンプの形状を均一化している（特許文献１ 段落０００９，００５１、第４，１６，１８−２０図）。
特開２００２−２９９３６２号公報（段落０００９，００５１、第４，１６，１８−２０図）
しかしながら、従来の半導体チップの接合方法におけるレベリングは、レベリングツールを半導体チップのバンプに押し当てる工程を要するものであり、その実施にコストおよび時間が掛かっているという課題がある。
また、レベリングによってバンプを滑らかな形状に形成することが望ましいが、レベリングツールの平面状の当接面をバンプに押圧することによれば、押し潰されたバンプ先端面の周縁部が鋭い角に形成されるため、バンプとパッドの超音波接合の際には、この周縁部に応力が集中して中央部は応力が不十分となり、結局、バンプ先端面の中央部付近にカーケンドールボイドが生じるなど、接合度が悪くなるといった問題が発生することもある。
本願発明は、上記課題を解決すべく成され、その目的とするところは、超音波振動を半導体チップに印加して半導体チップと基板とを接合する半導体チップの接合方法において、低コストかつ短時間で有効なレベリング行って、半導体チップと基板との接合性を高めることが可能な、半導体チップの接合方法、およびそれに利用される接合装置を提供することにある。
本願発明者は、前記課題を解決するために、半導体チップの接合時に用いる超音波振動とは異なる周波数の超音波振動を用いてレベリングを行うことで、レベリング工程から接合工程に移行する時間、および接合工程に係る時間を大幅に短縮できるものとの着想に至り、本願発明を完成させた。
本発明に係る半導体チップの接合方法は、上記課題を解決するために、以下の構成を備える。すなわち、半導体チップのバンプまたはパッドと、基板のパッドまたはバンプとを位置決めして当接させる位置決め工程と、第一所定周波数の超音波振動を前記半導体チップに印加することで、半導体チップのバンプまたはパッドと基板のパッドまたはバンプとを擦り合わせて、バンプの形状をレベリングするレベリング工程と、前記第一所定周波数とは異なる第二所定周波数の超音波振動を、前記半導体チップに印加することで、半導体チップおよび基板のバンプとパッドとを接合する接合工程とを含むことを特徴とする。
さらに、前記第一所定周波数は、前記第二所定周波数より低周波であることを特徴とする。
これによれば、バンプとパッドとの接合に用いる第二所定周波数よりも低周波の、第一所定周波数の超音波振動により、バンプを好適に滑らかな形状にレベリングすることができる。
また、前記レベリング工程および前記接合工程において、前記第一および第二所定周波数で振動可能な超音波振動子に連繋された接触体を、前記半導体チップに当接させ、超音波振動子により該接触体を超音波振動させることで、超音波振動子から該接触体を介して半導体チップに前記第一および第二所定周波数の超音波振動を印加することを特徴とする。
これによれば、レベリング工程と接合工程とにおいて同一の接触体を半導体チップに当接させたまま、第一および第二周波数の超音波振動を連続して印加することができる。
また、前記レベリング工程において、前記第一所定周波数の超音波振動として、複数の互いに異なる周波数の超音波振動を、前記半導体チップに印加することを特徴とする。
さらに、前記レベリング工程において、前記複数の周波数の超音波振動を、周波数が順に高くなるように、前記半導体チップに印加することを特徴とする。
これによれば、複数の異なる周波数を半導体チップに印加することで、レベリングをより有効に施すことができる。
また、前記接合工程において、前記第二所定周波数の超音波振動として、複数の互いに異なる周波数の超音波振動を、前記半導体チップに印加することを特徴とする。
さらに、前記接合工程において、前記複数の周波数の超音波振動を、周波数が順に高くなるように、前記半導体チップに印加することを特徴とする。
これによれば、複数の異なる周波数を半導体チップに印加することで、より強い接合を施すことができる。
また、本発明に係る半導体チップの接合装置は、上記課題を解決するために、以下の構成を備える。すなわち、請求項１〜７のうちのいずれか一項記載の半導体チップの接合方法に利用される半導体チップの接合装置であって、前記位置決め工程により前記基板に対して位置決めされた前期半導体チップに接触可能な接触体と、前記第一および第二所定周波数で振動可能に設けられ、前記接触体に連携されて該接触体を介して前記半導体チップに第一および第二所定周波数の超音波振動を印加する超音波振動子とを備えることを特徴とする。
さらに、前記超音波振動子を制御して、前記第一所定周波数の超音波振動を前記半導体チップに印加することで前記レベリング工程を行った後、前記第二所定周波数の超音波振動を半導体チップに印加することで前記接合工程を行う制御手段を備えることを特徴とする。
また、前記超音波振動子は、前記接触体にそれぞれ当接された、前記第一所定周波数で振動可能な第一超音波振動子と、前記第二所定周波数で振動可能な第二超音波振動子とから成ることを特徴とする。
これによれば、レベリング工程と接合工程とにおいて同一の接触体を半導体チップに当接させたまま、第一および第二周波数の超音波振動を連続して印加することができる。
さらに、前記第一所定周波数の超音波振動として、複数の互いに異なる周波数の超音波振動を前記半導体チップに印加すべく、それぞれ異なる第一所定周波数で振動可能な複数の前記第一超音波振動子を備えることを特徴とする。
これによれば、複数の異なる周波数を半導体チップに印加することで、レベリングをより有効に施すことができる。
また、前記第二所定周波数の超音波振動として、複数の互いに異なる周波数の超音波振動を前記半導体チップに印加すべく、それぞれ異なる第二所定周波数で振動可能な複数の前記第二超音波振動子を備えることを特徴とする。
これによれば、複数の異なる周波数を半導体チップに印加することで、より強い接合を施すことができる。
さらに、前記接触体の、単数または複数の前記超音波振動子が印加する超音波振動のそれぞれの進行方向の長さは、各該超音波振動の波長の自然数倍の長さに設定されていることを特徴とする。
これによれば、接触体は第一および第二所定周波数の超音波振動に好適に共振するため、半導体チップに超音波振動を高効率に印加することができる。
本発明に係る半導体チップの接合方法および接合装置によれば、第一および第二所定周波数の超音波振動を印加することで、レベリング工程と接合工程とを行うことができるため、レベリング工程から接合工程に移行する時間を大幅に短縮できる。さらに、レベリング工程において第一所定周波数の超音波信号を付加することで、バンプとパッドとが弱く仮接合されるため、接合工程において第二所定周波数を印加する時間を短縮できる。
また、本発明のレベリング工程は、超音波振動によってバンプにパッドを擦り合わせてレベリングを行うため、従来のレベリング工程と異なり、バンプに角を立たせることなく滑らかにレベリングでき、接合工程において局所的な応力の不足を防いで、カーケンドールボイド等の接合不良を起こり難くすることができる。
以下、本発明に係る半導体チップの接合方法および接合装置を実施するための最良の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１および図２において、半導体チップ６が搭載される搭載面４ｂ側に、半導体チップ６のバンプ６ａ，６ａ・・と対応して設けられたパッド４ａ，４ａ・・を有する配線基板４（基板）が、ステージ２上に保持されている。
半導体チップ６は、位置決め工程により、電極端子としてのバンプ６ａ，６ａ・・が、配線基板４のパッド４ａ，４ａ・・にそれぞれ当接するよう、位置決めされる。
半導体チップ６のバンプ６ａは、特に限定されないが、本実施の形態においては、半導体チップ６の、バンプ６ａを形成すべき端子に、一旦ワイヤボンディングを施し、そのワイヤを根本付近で切断することにより形成される、金（Ａｕ）スタッドバンプである。
また、配線基板４のパッド４ａは、アルミニウム（Ａｌ）パッドである。
後述するレベリング工程（図１）および接合工程（図２）において、接触体８が、半導体チップ６のバンプ６ａの形成面の反対面に当接され、半導体チップ６に配線基板４側へ若干の荷重を与えている。
本実施例１の半導体チップの接合方法の実施に用いる半導体チップの接合装置について説明する。
接触体８の両側端面には、レベリング工程で用いられる第一超音波振動子１０と接合工程で用いられる第二超音波振動子１１とが接続され、第一または第二超音波振動子１０，１１が制御手段としての図示しない発振制御装置で水平方向に超音波振動されることにより、接触体８と半導体チップ６とがともに超音波振動される。
特に限定されないが、本実施例１においては、第一超音波振動子１０が２５ｋＨｚ（第一所定周波数）で振動し、第二超音波振動子１１が５０ｋＨｚ（第二所定周波数）で振動するよう構成されている。
接触体８の、第一および第二超音波振動子１０，１１が印加する超音波振動の進行方向（図１中、左右方向）の長さは、接触体８を伝わる前記第一所定周波数（２５ｋＨｚ）の超音波振動の波長と、前記第二所定周波数（５０ｋＨｚ）の超音波振動の波長とのそれぞれの自然数倍の長さに設定されている（なお、接触体８を伝わる超音波振動（粗密波）の波長λは、その周波数をｆと表すと、λ＝Ｖ／ｆ（Ｖは粗密波の速度）となる。Ｖは、接触体８の材料に固有の定数であるから、超音波振動の波長は、その周波数によって一意に定まる）。
本実施例１においては、接触体８の長さは、前記第一所定周波数（２５ｋＨｚ）の超音波振動の波長と等しく（１倍）、かつ、前記第二所定周波数（５０ｋＨｚ）の超音波振動の波長の２倍となるよう構成されている。
そして、半導体チップ６は、第一超音波振動子１０と前記第二超音波振動子１１とのちょうど中間位置において、接触体８と当接されるよう構成される。
次に本発明に係る半導体チップの接合方法を、その手順に沿って説明する。
（位置決め工程）
まず、半導体チップ６を、電極端子としてのバンプ６ａ，６ａ・・が、配線基板４のパッド４ａ，４ａ・・にそれぞれ当接するよう、位置決めする。
（レベリング工程）
続いて、半導体チップ６のバンプ６ａの形成面の反対面（上面）に接触体８を当接させ、半導体チップ６に配線基板４側へ若干の荷重を与えた状態とする。この状態で、第一超音波振動子を、前記発振制御装置により、２５ｋＨｚ（第一所定周波数）で水平方向に超音波振動させる（図１）。
これにより、この超音波振動は、接触体８を粗密波として伝わる。この粗密波は、超音波振動子１０，１１と接する接触体８の両側端部において必然的に最大振幅点（粗密波進行方向の変位量が最大となる点）となる。そして、接触体８の長さは第一所定周波数の波長と等しく（１倍に）構成されているため、接触体８の中央部に最大振幅点が位置し、接触体８の中央部に当接した半導体チップ６に第一所定周波数の超音波振動が高効率に印加される。
半導体チップ６が２５ｋＨｚの超音波振動をすることにより、半導体チップ６のバンプ６ａと配線基板４のパッド４ａとが擦り合わされ、バンプ６ａ（スタッドバンプ）の先鋭部分が滑らかにレベリングされる。
（接合工程）
続いて、前記発振制御装置により、第一超音波振動子１０の駆動を停止するとともに、第二超音波振動子１１を、５０ｋＨｚ（第二所定周波数）で水平方向に超音波振動させる（図２）。
これにより、この超音波振動は、接触体８を粗密波として伝わる。この粗密波は、超音波振動子１０，１１と接する接触体８の両側端部において必然的に最大振幅点（粗密波進行方向の変位量が最大となる点）となる。そして、接触体８の長さは第二所定周波数の波長の倍数（２倍）に構成されているため、接触体８の中央部に最大振幅点が位置し、接触体８の中央部に当接した半導体チップ６に第一所定周波数の超音波振動が高効率に印加される。
半導体チップ６が５０ｋＨｚの高周波で超音波振動をすることにより、半導体チップ６のバンプ６ａと配線基板４のパッド４ａとが擦り合わされ、バンプ６ａを構成する金属（Ａｕ）とパッド４ａを構成する金属（Ａｌ）との合金化反応が生じ、バンプ６ａとパッド４ａとが接合される。
本実施例１に係る半導体チップの接合方法および接合装置によれば、発振制御装置によって超音波振動させる超音波振動子１０，１１を切り換えるだけで、レベリング工程と接合工程とを連続して行うことが可能となり、レベリング工程から接合工程に移行する時間を大幅に短縮できる。
また、レベリング工程において第一所定周波数の超音波信号を付加することで、バンプとパッドとが弱く仮接合されるため、接合工程において第二所定周波数を印加する時間を短縮できる。
さらに、本実施例１のレベリング工程は、超音波振動によってバンプ６ａにパッド４ａを擦り合わせてレベリングを行うため、従来のレベリング工程と異なり、バンプに角を立たせることなく滑らかにレベリングでき、接合工程において局所的な応力の不足を防いで、カーケンドールボイド等の接合不良を起こり難くすることができる。
なお、本実施例１において、第一および第二所定周波数の超音波振動を印加するために、それぞれ別の第一および第二超音波振動子を発振させるよう構成したが、発振制御を切り換えることにより一つの超音波振動子で第一および第二所定周波数（例えば２５ｋＨｚと５０ｋＨｚ）の超音波振動を発振させるよう構成してもよい。
次に本発明の実施例２に係る半導体チップの接合方法および接合装置について説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
本実施例２では、実施例１の構成に加え、レベリング工程および接合工程において、複数の互いに異なる周波数の超音波振動を、半導体チップ６に印加する。
本実施例２の半導体チップの接合方法に用いる半導体チップの接合装置を、図３に示す。なお、実施例１の図１および２は、装置の正面図であったのに対し、図３は、装置を上方から見た平面図である。
図３の半導体チップの接合装置の接触体８には、レベリング工程で用いられる複数の第一超音波振動子１０ａ，１０ｂと、接合工程で用いられる複数の第二超音波振動子１１ａ，１１ｂとが接続され、第一または第二超音波振動子１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂが図示しない発振制御装置で水平方向に超音波振動されることにより、接触体８と半導体チップ６とがともに超音波振動される。
特に限定されないが、本実施例２においては、第一超音波振動子１０ａが２０ｋＨｚ、第一超音波振動子１０ｂが３０ｋＨｚでそれぞれ振動し、第二超音波振動子１１ａが４０ｋＨｚ、第二超音波振動子１１ｂが６０ｋＨｚでそれぞれ振動するよう構成されている。
接触体８の、第一および第二超音波振動子１０ａ，１１ａが印加する超音波振動の進行方向（図３中、左右方向言い換えると水平方向）の長さは、接触体８を伝わる、第一超音波振動子１０ａによる第一所定周波数（２０ｋＨｚ）の超音波振動の波長と、第二超音波振動子１１ａによる第二所定周波数（４０ｋＨｚ）の超音波振動の波長とのそれぞれの自然数倍の長さに設定されている。
本実施例２においては、接触体８の左右方向の長さは、第一超音波振動子１０ａによる第一所定周波数（２０ｋＨｚ）の超音波振動の波長と等しく（１倍）、かつ、第二超音波振動子１１ａによる第二所定周波数（４０ｋＨｚ）の超音波振動の波長の２倍となるよう構成されている。
同様に、接触体８の、第一および第二超音波振動子１０ｂ，１１ｂが印加する超音波振動の進行方向（図３中、上下方向言い換えると左右方向とは同一水平面上で直交する方向）の長さは、接触体８を伝わる、第一超音波振動子１０ｂによる第一所定周波数（３０ｋＨｚ）の超音波振動の波長と、第二超音波振動子１１ｂによる第二所定周波数（６０ｋＨｚ）の超音波振動の波長とのそれぞれの自然数倍の長さに設定されている。
本実施例２においては、接触体８の図３中の上下方向の長さは、第一超音波振動子１０ｂによる第一所定周波数（３０ｋＨｚ）の超音波振動の波長と等しく（１倍）、かつ、第二超音波振動子１１ｂによる第二所定周波数（６０ｋＨｚ）の超音波振動の波長の２倍となるよう構成されている。
実施例２のレベリング工程においては、まず第一超音波振動子１０ａを発振させてレベリングを行い、続いて第一超音波振動子１０ａの振動を停止させて第一超音波振動子１０ｂを発振させ、バンプ６ａをさらに滑らかにレベリングする。
さらに、接合工程において、まず第二超音波振動子１１ａを発振させて仮接合を行い、続いて第二超音波振動子１１ａの振動を停止させて第二超音波振動子１１ｂを発振させ、バンプ６ａをパッド４ａに接合する。
実施例２の半導体チップの接合方法および接合装置によれば、複数の異なる周波数を半導体チップに印加することで、レベリングをより有効に施すことができる。
さらに、複数の異なる周波数を半導体チップに印加することで、より強い接合を施すことができる。
本実施形態においては、基板側にパッドが設けられ、半導体チップ側にバンプが設けられた場合の例を説明したが、基板側にバンプが設けられ、半導体チップ側にパッドが設けられている場合の半導体チップの接合にも、本発明を適用することができる。
また、本実施形態においては、半導体チップと配線基板とを接合する場合について説明を行ったが、本発明に係る半導体チップの接合方法および接合装置は、これに限定されるものではなく、超音波振動を用いて半導体チップを接合する用途であれば、あらゆる分野に適用することができる。例えば、近年、半導体チップ同士をバンプおよびパッドを介して接合する技術が研究されているが、その場合にも、半導体チップに超音波振動を印加することでバンプのレベリングを行う本発明を適用することができる。
さらに、半導体装置の外部接続端子（バンプ）を超音波振動を用いてプリント基板に接合するような場合においても、本発明を適用することができる。
本発明の実施例１に係る半導体チップの接合装置、およびそれを用いた接合方法のレベリング工程を示した説明図である。 本発明の実施例１に係る半導体チップの接合装置、およびそれを用いた接合方法の接合工程を示した説明図である。 本発明の実施例２に係る半導体チップの接合方法に用いる半導体チップの接合装置を示す図である。
符号の説明
２ ステージ
４ 配線基板（基板）
４ａ パッド
６ 半導体チップ
６ａ バンプ
８ 接触体
１０，１０ａ，１０ｂ 第一超音波振動子
１１，１１ａ，１１ｂ 第二超音波振動子

Claims (12)

  1. 半導体チップのバンプまたはパッドと、基板のパッドまたはバンプとを位置決めして当接させる位置決め工程と、
    第一所定周波数の超音波振動を前記半導体チップに印加することで、半導体チップのバンプまたはパッドと基板のパッドまたはバンプとを水平方向に擦り合わせて、バンプの形状をレベリングするレベリング工程と、
    前記第一所定周波数より高い第二所定周波数の超音波を、前記半導体チップに印加することで、半導体チップおよび基板のバンプとパッドとを水平方向に振動させ、接合する接合工程とを含むことを特徴とする半導体チップの接合方法。
  2. 前記レベリング工程および前記接合工程において、前記第一および第二所定周波数で振動可能な超音波振動子に連繋された接触体を、前記半導体チップに当接させ、超音波振動子により該接触体を超音波振動させることで、超音波振動子から該接触体を介して半導体チップに前記第一および第二所定周波数の超音波振動を印加することを特徴とする請求項１記載の半導体チップの接合方法。
  3. 前記レベリング工程において、前記第一所定周波数の超音波振動として、複数の互いに異なる周波数の超音波振動を、前記半導体チップのバンプまたはパッドと前記基板のパッドまたはバンプとを前記水平方向とは同一水平面上で直交する方向に擦り合わせるように前記半導体チップにさらに印加することを特徴とする請求項１または２記載の半導体チップの接合方法。
  4. 前記レベリング工程において、前記複数の周波数の超音波振動を、周波数が順に高くなるように、前記半導体チップに印加することを特徴とする請求項３記載の半導体チップの接合方法。
  5. 前記接合工程において、前記第二所定周波数の超音波振動として、複数の互いに異なる周波数の超音波を、前記半導体チップのバンプおよび基板のバンプとパッドとを前記水平方向とは同一水平面上で直交する方向に振動させるように前記半導体チップにさらに印加することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一項記載の半導体チップの接合方法。
  6. 前記接合工程において、前記複数の周波数の超音波振動を、周波数が順に高くなるように、前記半導体チップに印加することを特徴とする請求項５記載の半導体チップの接合方法。
  7. 請求項１〜６のうちのいずれか一項記載の半導体チップの接合方法に利用される半導体チップの接合装置であって、
    前記位置決め工程により前記基板に対して位置決めされた前記半導体チップに接触可能な接触体と、
    前記第一所定周波数および前記第一所定周波数より高い第二所定周波数で前記半導体チップが水平方向に振動可能に設けられ、前記接触体に連携されて該接触体を介して前記半導体チップに第一および第二所定周波数の超音波振動を印加する超音波振動子とを備えることを特徴とする半導体チップの接合装置。
  8. 前記超音波振動子を制御して、前記第一所定周波数の超音波振動を前記半導体チップに印加することで前記レベリング工程を行った後、前記第二所定周波数の超音波振動を半導体チップに印加することで前記接合工程を行う制御手段を備えることを特徴とする請求項７記載の半導体チップの接合装置。
  9. 前記超音波振動子は、前記接触体にそれぞれ当接された、前記第一所定周波数で振動可能な第一超音波振動子と、前記第二所定周波数で振動可能な第二超音波振動子とから成ることを特徴とする請求項７または８記載の半導体チップの接合装置。
  10. 前記第一所定周波数の超音波振動として、複数の互いに異なる周波数の超音波振動を前記半導体チップに印加すべく、それぞれ異なる第一所定周波数で振動可能な複数の前記第一超音波振動子を備えることを特徴とする請求項９記載の半導体チップの接合装置。
  11. 前記第二所定周波数の超音波振動として、複数の互いに異なる周波数の超音波振動を前記半導体チップに印加すべく、それぞれ異なる第二所定周波数で振動可能な複数の前記第二超音波振動子を備えることを特徴とする請求項９または１０記載の半導体チップの接合装置。
  12. 前記接触体の、単数または複数の前記超音波振動子が印加する超音波振動のそれぞれの進行方向の長さは、各該超音波振動の波長の自然数倍の長さに設定されていることを特徴とする請求項７〜１１のうちのいずれか一項記載の半導体チップの接合装置。
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