JP4378227B2 - フリップチップ実装方法 - Google Patents

Description

本発明はフリップチップ実装方法に関し、より詳細には接合部の接合信頼性の高いフリップチップ実装方法に関する。

フリップチップ実装用の半導体チップは、半導体ウエハから個片の半導体チップに切り出した後、半導体チップの電極端子に金あるいははんだのバンプを形成して提供される。
図４は、金バンプを備えた半導体チップ１０を超音波接合を利用してフリップチップ接続する方法を示す。図４(a)は、金バンプ１１を備えた半導体チップ１０を示し、図４(b)は、半導体チップ１０を実装する実装基板１５を示す。実装基板１５には半導体チップ１０における金バンプ１１と同一の平面配置に接続用のパッド１６が設けられている。図４(b)は、アンダーフィル樹脂１８を半導体チップ１０を実装する前に実装基板１５に塗布した状態を示す。

図４(c)は、半導体チップ１０の金バンプ１１と実装基板１５のパッド１６とを位置合わせし、超音波ツールのホーン２０により半導体チップ１０を実装基板１５に押接して超音波接合している状態を示す。図４(d)は、半導体チップ１０を実装基板１５に超音波接合した後、ヒータ２２によりアンダーフィル樹脂１８を硬化させ、半導体チップ１０を最終的に実装基板１５に実装している状態を示す。アンダーフィル樹脂１８を硬化させることにより、半導体チップ１０と実装基板１５との接合部が封止されて接合部の腐蝕を防止し、半導体チップ１０と実装基板１５との接合強度を向上させることができる。

なお、アンダーフィル樹脂１８は、半導体チップ１０を実装基板１５にフリップチップ接続した後、半導体チップ１０と実装基板１５との接合部の隙間部分に充填して硬化させる方法もある。また、はんだバンプを備えた半導体チップを実装基板にフリップチップ接続する際には、はんだバンプが溶融する温度にまで半導体チップ１０を加熱して接合する。
特開２００２−２９９３６２号公報

フリップチップ接続によって半導体チップを実装する際には、半導体チップ側に金バンプあるいははんだバンプを形成し、これらのバンプと実装基板側のパッドとを接触させ、超音波接合やはんだを接合によって実装する。最近では、上述したように、超音波を利用してフリップチップ接続を行う方法が増えてきている。

しかしながら、超音波を利用して半導体チップをフリップチップ実装する際には、半導体チップに作用させる超音波のエネルギーを制御することが難しいという問題がある。すなわち、超音波のエネルギーが小さ過ぎる場合には、半導体チップのバンプと実装基板のパッドとの間にギャップが生じるといった、不確実な接合となることがある。一方、超音波エネルギーが高過ぎる場合には、半導体チップの電極端子とバンプとの接合部にエネルギーが集中し、この接合部が亀裂等の損傷を受け、電気的接続の信頼性が低下するという問題が生じる。

そこで、本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、超音波接合を利用して半導体チップをフリップチップ実装する際に、半導体チップを損傷させたり、半導体チップのバンプと実装基板のパッドとの接合が不十分となったりすることを解消し、半導体チップと実装基板との電気的接続の信頼性を向上させることができるフリップチップ実装方法を提供するにある。

上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を備える。
すなわち、フリップチップ接続により半導体チップを基板に実装するフリップチップ実装方法において、半導体チップに設けられた金バンプと、基板に設けられた表面に金めっきが施されたパッドとを位置合わせし、大気中において半導体チップを基板に加圧して前記金バンプと前記パッドとを物理的に接合させる位置決め接合工程と、該位置決め接合工程後、アルゴンガス雰囲気中でプラズマエッチングを施し、前記金バンプと前記パッドとを金属間接合させる接合工程と、半導体チップと基板との接合部にアンダーフィル樹脂を充填して熱硬化させるアンダーフィル工程とを備えることを特徴とする。

また、前記位置決め接合工程において、半導体チップを基板に接合した際に前記パッドと重複する位置まで広がらない分量および塗布位置を選択して樹脂を基板に塗布した後、半導体チップと実装基板とを位置合わせし、半導体チップを基板に加圧するとともに前記樹脂を熱硬化させることにより、半導体チップと基板とを接合させることを特徴とする。これにより、半導体チップと基板とを高精度に位置決めしてフリップチップ接続することができる。
また、前記位置決め接合工程と、前記金バンプとパッドとを金属間接合させる接合工程とを通じて、ワークを所定温度に保持して所要の処理を施すことにより、半導体チップと基板との位置ずれを防止してフリップチップ実装することが可能となる。

本発明に係るフリップチップ実装方法によれば、位置決め接合工程と、プラズマエッチングにより半導体チップの金バンプと、基板の金めっきが施されたパッドとを金属間接合する接合工程によることで、半導体チップの金バンプと基板のパッドとの接合部を損傷させることなく、かつ金バンプとパッドとを確実に接合することが可能となり、電気的接続の信頼性の高いフリップチップ実装を可能にする。

図１は、本発明に係るフリップチップ実装方法の工程を示す説明図である。以下、工程順に説明する。
〔位置決め接合工程〕
図１(a)は、位置決め接合操作によって実装基板１５に半導体チップ１０を位置決め接合した状態を示す。半導体チップ１０は電極端子に金バンプ１１を形成したものであり、実装基板１５は金バンプ１１の平面配置に合わせてフリップチップ接続用のパッド１６を形成したものである。パッド１６の表面には金めっきが施されている。
実装基板１５に半導体チップ１０を位置決め接合する操作は、支持ステージ上に実装基板１５を支持し、半導体チップ１０に荷重を加えるようにして金バンプ１１とパッド１６とを接合する方法によってなされる。

すなわち、マウントツールにより半導体チップ１０を支持し、半導体チップ１０の金バンプ１１と実装基板１５のパッド１６とを位置合わせした状態で半導体チップ１０に荷重を加え、金バンプ１１を若干変形させるようにして金バンプ１１とパッド１６とを接合させる。この位置決め接合操作は、いわば物理的な作用によって金バンプ１１とパッド１６とを接合させる操作である。本実施形態においては、１バンプあたり２０ｇの荷重を加えて接合操作を行った。

位置決め接合操作は、このように大気中にて半導体チップ１０を実装基板１５に押圧する操作によって行うものである。本発明において、位置決め接合工程とは、大気中において、半導体チップ１０と実装基板１５のバンプとパッドとを相互に位置合わせし、半導体チップ１０のバンプと実装基板１５のパッドとの間に加圧力を作用させ、バンプとパッドとを物理的に接合させる操作をいうものとする。

〔活性接合工程〕
図１(b)は、位置決め接合工程によって実装基板１５上に半導体チップ１０を接合したワークを真空チェンバーに収容し、真空引きした後、アルゴンガス雰囲気中でプラズマエッチングしている状態を示す。このアルゴンガス雰囲気中でワークをプラズマエッチングする工程は、半導体チップ１０の金バンプ１１と実装基板１５のパッド１６との接合部分とを金属間接合、すなわち活性接合させるための工程に相当する。

図２は、前述した位置決め接合工程によって実装基板１５に半導体チップ１０を接合した複数個のサンプルについて、アルゴンガス雰囲気中でプラズマエッチングを施したサンプルと、プラズマエッチングを施さないサンプルとについて、金バンプ１１とパッド１６との接合部のシェア強度を測定した結果を示す。
図２に示す実験結果は、プラズマエッチングを施さなかったサンプルについての１バンプあたりのシェア強度の平均値が１３．５ｇであり、プラズマエッチングを施したサンプルについてのシェア強度の平均値が２１．３ｇであることを示す。この実験結果は、プラズマエッチングを施すことによってシェア強度が約１．６倍に向上したことを示す。
なお、この測定におけるプラズマエッチング条件は、アルゴンガス流量１００（ml/min)、出力５００〜６００Ｗ、エッチング時間１０minである。

上記の実験結果は、先の位置決め接合工程によって実装基板１５に半導体チップ１０を接合したワークに対してアルゴンガス雰囲気中でプラズマエッチングを施すことにより、金バンプ１１とパッド１６との接合部が金属間接合され、これによって金バンプ１１とパッド１６との接合強度が向上したものと考えられる。
すなわち、位置決め接合工程によって実装基板１５に半導体チップ１０を接合した後、アルゴンガス雰囲気中でワークにプラズマエッチングを施すことによって、バンプとパッドとの接合強度を効果的に向上させることが可能となる。

〔アンダーフィル工程〕
図１(c)は、ワークに上記の活性接合処理を施した後、半導体チップ１０と実装基板１５との接合部に熱硬化型のアンダーフィル樹脂１８を充填し、アンダーフィル樹脂１８の熱硬化温度までワークを加熱してアンダーフィル樹脂１８を硬化させた状態を示す。このアンダーフィル工程は、従来のフリップチップ実装工程において、半導体チップを基板にフリップチップ接続した後、半導体チップと基板との接合部の隙間部分にアンダーフィル樹脂を充填し、アンダーフィル樹脂を熱硬化させるアンダーフィル工程と同様である。

半導体チップ１０と実装基板１５との接合部にアンダーフィル樹脂１８を充填し、アンダーフィル樹脂１８を熱硬化させることによって、半導体チップ１０の回路面を保護することができ、半導体チップ１０の金バンプ１１と実装基板１５のパッド１６との接合部を封止して接合部が腐蝕することを防止し、半導体チップ１０と実装基板１５との接合強度を向上させ、半導体チップ１０と実装基板１５とが確実に電気的に接続された状態で保持することが可能となる。

本実施形態の半導体チップの実装方法によれば、位置決め接合工程において、金バンプ１１とパッド１６とを所要の接合力によって接合することができ、活性接合工程によって、金バンプ１１とパッド１６との接合力をさらに向上させることにより、金バンプ１１とパッド１６とを確実に接合することが可能となり、半導体チップ１０と実装基板１５との電気的接続の信頼性を向上させることが可能となる。

とくに、位置決め接合工程においては、半導体チップ１０に加える荷重を調節することにより、金バンプ１１と半導体チップ１０の電極端子との接続部を損傷させたりすることなく金バンプ１１とパッド１６とを接合することができ、荷重調節は的確に行えることから、安定した確実な接合が可能となる。
また、活性接合工程ではプラズマエッチングを利用することにより、金バンプ１１とパッド１６との接合部等に物理的な悪影響を及ぼすことがなく、半導体チップ１０と実装基板１５のすべての接合個所に活性接合作用を及ぼして効果的に接合力を向上させることが可能になるという利点がある。
これらの操作は、超音波エネルギーを調節する方法にくらべて安定した確実な操作として行うことができる。

なお、上記実施形態の位置決め接合工程においては、半導体チップ１０に荷重のみを加えて半導体チップ１０を実装基板１５に接合したが、半導体チップ１０と実装基板１５との接合性を高めるために、荷重とともに超音波を作用させて接合することも可能である。この場合に利用する超音波振動は、金バンプ１１自体、あるいは金バンプ１１とパッド１６との接合部に損傷を与えない程度の弱い超音波振動とする。

図３は、位置決め接合工程における他の方法を示すもので、実装基板１５に半導体チップ１０を接合する前に、実装基板１５上に位置決め用の熱硬化型の樹脂２４を塗布し、半導体チップ１０を実装基板１５に位置決め接合する際に、半導体チップ１０に荷重を加えるとともに加熱して、樹脂２４を硬化させるとともに半導体チップ１０を位置決め接合する方法を示す。

図３(a)は、実装基板１５に半導体チップ１０を位置決め接合した際の樹脂２４の位置と、実装基板１５におけるパッド１６の平面配置を示し、図３(b)は断面図を示す。樹脂２４は、半導体チップ１０の金バンプ１１と実装基板１５のパッド１６との接合を妨げないよう、半導体チップ１０を実装基板１５に位置決め接合した際に、パッド１６と重複する位置まで広がらない程度の分量および実装基板１５上での塗布位置を選択して塗布する。本実施形態では、実装基板１５における半導体チップ１０の搭載位置の略中央部に樹脂２４を塗布した。

樹脂２４とともに半導体チップ１０を実装基板１５に位置決め接合した後は、上述した実施形態と同様に、真空チェンバー内でアルゴンガスを用いたプラズマエッチングを施し、金バンプ１１とパッド１６との接合部を金属間接合し、次いで、半導体チップ１０と実装基板１５との接合部をアンダーフィルする。
本実施形態の場合は、位置決め接合工程において、金バンプ１１とパッド１６とを物理的に接合するとともに、樹脂２４によっても半導体チップ１０と実装基板１５とを接合するから、半導体チップ１０と実装基板１５との位置決め精度をさらに向上させることが可能となる。

半導体チップ１０のバンプと実装基板１５のパッドとの位置ずれを防止する方法として、上記各処理工程を通してワークの温度が一定となるように温度制御することも有効である。すなわち、半導体チップ１０を実装基板１５に位置決め接合する工程では、実装基板１５を支持する支持ステージの温度あるいは処理室の温度を所定温度に保持するようにして接合し、活性接合工程においても、真空チェンバー内でのワークを支持する支持ステージを所定温度に保持して活性接合する。なお、アンダーフィル樹脂１８を充填する工程まではワークを所定温度に保持し、アンダーフィル樹脂１８を熱硬化させる際には所定温度までワークを加熱する。

このように、処理工程中でワークの温度を一定に保持することにより、半導体チップ１０のバンプと実装基板１５のパッドとの位置ずれを防止することができ、バンプとパッドとを位置ずれさせずにフリップチップ実装することができる。半導体チップ１０が、きわめて微細なピッチでバンプが形成されているような製品である場合には、処理工程を通じてワークの温度が一定になるように制御することは有効である。ワークの温度を一定に制御すると、バンプとパッドとの接合部に生じる熱応力が抑えられるから、バンプとパッドとの接合部の接合信頼性を高めることができる。

なお、上記実施形態においては、半導体チップ１０に金バンプ１１を形成し、実装基板１５のパッド１６には金めっきを施して、金−金接合によって半導体チップを実装基板に接合する例について説明したが、半導体チップと実装基板との接合は金−金接合の場合に限るものではなく、他のバンプ材を使用した場合、パッドに他のめっきを施した場合にも同様に適用することが可能である。

本発明に係るフリップチップ実装方法を示す説明図である。 プラズマエッチングの有無によるバンプとパッドとの接合部のシェア強度を測定した結果を示すグラフである。 位置決め接合工程における他の接合方法を示す説明図である。 従来のフリップチップ実装方法を示す説明図である。

符号の説明

１０ 半導体チップ
１１ 金バンプ
１５ 実装基板
１６ パッド
１８ アンダーフィル樹脂
２０ ホーン
２４ 樹脂

Claims (3)

1. フリップチップ接続により半導体チップを基板に実装するフリップチップ実装方法において、
   半導体チップに設けられた金バンプと、基板に設けられた表面に金めっきが施されたパッドとを位置合わせし、大気中において半導体チップを基板に加圧して前記金バンプと前記パッドとを物理的に接合させる位置決め接合工程と、
   該位置決め接合工程後、アルゴンガス雰囲気中でプラズマエッチングを施し、前記金バンプと前記パッドとを金属間接合させる接合工程と、
   半導体チップと基板との接合部にアンダーフィル樹脂を充填して熱硬化させるアンダーフィル工程とを備えることを特徴とするフリップチップ実装方法。
2. 前記位置決め接合工程において、半導体チップを基板に接合した際に前記パッドと重複する位置まで広がらない分量および塗布位置を選択して樹脂を基板に塗布した後、
   半導体チップと実装基板とを位置合わせし、半導体チップを基板に加圧するとともに前記樹脂を熱硬化させることにより、半導体チップと基板とを接合させることを特徴とする請求項１記載のフリップチップ実装方法。
3. 前記位置決め接合工程と、前記金バンプとパッドとを金属間接合させる接合工程とを通じて、ワークを所定温度に保持して所要の処理を施すことを特徴とする請求項１または２記載のフリップチップ実装方法。

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