JP4471746B2 - 半導体実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属ボールバンプを介して半導体チップを基板電極に実装する技術に関連するものである。

近年、各種電子機器の小型化に伴い、半導体のベアチップを実装基板上に実装する技術として、半導体チップの電極パッド上に微小な金属ボールバンプを形成し、金属ボールバンプを介して半導体チップと基板電極とを電気的に接合する技術（いわゆる、フリップチップ実装）が利用されている。

フリップチップ実装は、プロセスが複雑であることや、接合面の直接観察が不可能であることのため、特許文献１に示されるように、フリップチップ実装前の半導体チップに対し、試験用基板とプローブにより、半導体チップの電気特性評価を行う技術が提案されていた。

また、特許文献２に示されるように、フリップチップ実装後の半導体チップと実装基板に対し、電気特性評価を行う技術が提案されている。
特開平５−２１５４４号公報 特開平６−２４４２４１号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、実装前の半導体チップの電気特性を保証することしかできない。また上記特許文献２の技術では、実装後の半導体チップの最終的な電気特性を保証するのみであり、電気特性が不良であった場合には半導体チップを交換する必要があるため、多額のロスが発生することとなる。

また、これらの実装技術はオープンループ制御であるために、半導体実装環境や電極パッドの表面状態の影響により、接合が完了しているにも関わらず半導体チップに接合エネルギーを加えてしまったり、接合が不十分な状態で半導体実装工程が終了してしまったりすることがある。その結果、電極パッドの剥離や接合不良が発生してしまう。

それゆえに本発明は、上記問題を解決し、より高い信頼性で半導体チップを実装基板に実装する技術を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。なお、括弧内の参照符号は、本発明の理解を助けるために図面との対応関係を示したものであって、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

本発明の半導体実装装置は、半導体チップ（２）を保持する半導体チップ保持部（１１１）と、実装基板（３１）を保持する実装基板保持部（１２１）と、半導体チップに形成された金属ボールバンプ（４）が実装基板の電極パッド（３２）に当接した状態で半導体チップを実装基板に押圧して接合処理を行う加圧機構（１１２）と、接合処理中に前記金属ボールバンプの電気特性値を測定可能な測定部（１３）とにより、半導体チップの実装を行うものである。

また、本発明の半導体チップは、半導体チップ本来の機能を達成するための回路とは別個に、半導体チップを実装基板に実装する際の金属ボールバンプの電気抵抗値を測定するための抵抗値測定用微小回路（２１）を備えたものである。

また、本発明の半導体実装方法は、上記半導体チップに設けられた抵抗値測定用微小回路に少なくとも３つの金属ボールバンプ（４ａ、４ｂ、４ｃ）を形成する工程と、少なくとも１つの前記金属ボールバンプの電気抵抗値を測定しながら前記半導体チップを実装基板に押圧する工程（Ｓ１５、Ｓ１６）と、測定された前記金属ボールバンプの電気抵抗値に応じて前記押圧工程に係るパラメータをリアルタイムで制御する工程（Ｓ１７）とにより、半導体チップの実装を行うものである。

以上のように、本発明によれば、実装中の接合部の電気特性（金属ボールバンプと実装基板の電極パッドとの接合状態に関連した電気特性であって、例えば金属ボールバンプの電気抵抗値）をリアルタイムで測定することが可能となる。また、取得された電気特性値に基づいて接合状態を制御することにより、金属ボールバンプと実装基板の電極パッドとの安定した接合を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態１に係る半導体実装装置１の構成を示す図である。半導体実装装置１は、半導体チップ２を保持・実装するヘッド部１１と、半導体チップ２を実装する実装基板３１が載置されるステージ部１２と、実装時の半導体チップ２と実装基板３１間の接合部の電気特性を測定する電気特性測定部１３と、半導体実装装置１の動作を司る制御部１４とを備える。

ヘッド部１１は、半導体チップ２を保持する実装ツール１１１と、半導体チップ２を加圧する加圧機構１１２と、半導体チップ２を所定の実装位置に移動する移動機構１１３とで構成される。

ステージ部１２は、半導体チップ２が載置されこの半導体チップ２を吸引吸着するステージ１２１と、ステージ１２１を水平面内で移動する移動機構１２２とで構成される。

電気特性測定部１３は、電気特性を測定するための測定器１３１と、実装基板３１の電極パッド３２に直接接触させるためのプローブ１３２とで構成される。

制御部１４は、演算処理を行う回路および各種駆動回路を有し、ヘッド部１１、ステージ部１２、および電気特性測定部１３を制御する。図１では、制御部１４の構成要素として、電気特性測定部１３からの測定値を処理する処理部１４１、加圧機構１１２の力制御を行う加圧制御部１４２、および後述する閾値Ｒｔｈ等の判定用データを保持するメモリ１４３のみを図示している。

半導体チップ２上には金属ボールバンプ４が形成され、この金属ボールバンプ４と実装基板３１の電極パッド３２とを接合することによって、半導体チップ２が実装基板３１に実装される。

図２、図３に半導体チップ２の一部および実装基板３１の一部を利用した測定回路の一例とその等価回路を示す。半導体チップ２には、半導体チップ２本来の機能を達成するための回路とは別個に、半導体チップ２を実装基板３１に実装する際の金属ボールバンプ４の電気抵抗値を測定するための抵抗値測定用微小回路２１が特別に設けられている。従来、評価用の半導体チップにはこのような抵抗値測定用微小回路２１が設けられる例はあったが、本発明は、抵抗値測定用微小回路２１を評価用ではなく生産用の半導体チップ２に設けることを特徴としている。なお、抵抗値測定用微小回路２１は半導体チップ２の本来の機能を達成するための回路とは別個に設けられる回路であるため、半導体チップ２の本来の機能を達成するという意味においては本来不要な回路である。しかしながら、本発明によれば後述のように半導体チップの実装処理の信頼性が増し、その結果として歩留まりが向上するため、抵抗値測定用微小回路２１を生産用の半導体チップ２に組み込む意義がある。

本実施の形態では、抵抗値測定用微小回路２１に少なくとも３個の金属ボールバンプ４ａ、４ｂ、４ｃが形成され、これらの金属ボールバンプ４ａ、４ｂ、４ｃを利用して、加圧工程中に４端子測定法により金属ボールバンプ４ａの電気抵抗値の変化がモニタされる。４端子測定法によれば、金属ボールバンプ４ａの電気抵抗値を数ミリΩオーダーで測定可能である。具体的には、直流電源１３１ｂによって金属ボールバンプ４ａと金属ボールバンプ４ｂ間に約１〜５［Ａ］の直流電流を流し、その際に電圧計１３１ａによって金属ボールバンプ４ｂと金属ボールバンプ４ｃ間の電圧を測定することにより、金属ボールバンプ４ｂの電気抵抗値を測定することが可能である。

次に、図４のフローチャートを参照して半導体実装装置１の動作を説明する。

ステップＳ１１において、半導体チップ２が実装ツール１１１に吸着保持され、実装基板３１がステージ１２１上に載置され吸着保持される。ステップＳ１２において、移動機構１１３、１２２によって半導体チップ２と実装基板３１が実装所定位置に移動され、位置合わせが行われる。ステップＳ１３において、プローブ１３２が実装基板３１の電極パッド３２に接触し、測定器１３１によって実装基板３１の配線３３の電気特性値を測定する。ここで電気特性値とは、インピーダンス値や静電容量等の物理量を表す。制御部１４は、この測定結果に基づいて、基板電極ショート等の異常の有無を判定する。

ステップＳ１３の測定の結果、異常が検出された場合には、後述のステップＳ２０へ進む。

ステップＳ１３の測定の結果、電極パッド３２および配線３３に異常が存在しないことが確認されると、ステップＳ１４において、加圧制御部１４２は、加圧機構１１２を制御して半導体チップ２を実装基板３１に向かって下降させて半導体チップ２上の金属ボールバンプ４を実装基板３１に当接させ、さらに加圧機構１１２によって半導体チップ２が実装基板３１に向けて押圧される。

半導体チップ２に対する押圧が継続的に行われている間（すなわち押圧工程の間）、ステップＳ１６において、電気特性測定部１３により半導体チップ２内の抵抗値測定用微小回路２１を利用して金属ボールバンプ４ａの電気抵抗値が測定される。この測定結果に基づいて、ステップＳ１７において処理部１４１により接合完了かどうかの判断がなされる。具体的には、処理部１４１は、電気特性測定部１３によって測定された電気抵抗値とメモリ１４３に記憶されている閾値Ｒｔｈとを比較し、測定結果が閾値Ｒｔｈを下回ったときに接合が完了したと判断する。この閾値Ｒｔｈについて以下に説明する。

図５は、金属ボールバンプ４（ここではスタッドバンプ）を介して半導体チップ２を実装基板３１に一定圧力で押圧し続けた場合の金属ボールバンプ４の電気抵抗値の遷移を示している。この図から、金属ボールバンプ４が電極パッド３２に接触する時間Ｔ１以降しばらくの間は、金属ボールバンプ４の電気抵抗値は徐々に低下していき、その後ほぼ一定値となる。その後、余分なエネルギーにより金属ボールバンプ４の電気抵抗値は上昇し、場合によってはオープンとなる。なお、正常な接合時には金属ボールバンプ４の電気抵抗値が一定値（図５のＲｔｈ）以下であることが確認されている。すなわち、金属ボールバンプ４の電気抵抗値を計測することにより、非破壊にて接合強度を判定することが可能である。

ところで、半導体チップと実装基板の接合強度は、一般に、治具を用いて半導体チップに接合面に平行な力を加えたことによって半導体チップが実装基板から外れる際の力の大きさ（いわゆるシェア強度）にて評価されるが、シェア強度がせん断力に対する強度であるのに対し、金属ボールバンプ４の電気抵抗値は縦歪み方向に対する強度を正確に反映していると考えられる。したがって金属ボールバンプ４の電気抵抗値はシェア強度よりも適切な接合強度の評価値として用いることができる。

なおステップＳ１７において接合が未完了と判断された場合、ステップＳ２０において処理部１４１は異常が有るかどうかを判断する。例えば押圧処理を開始してからある一定時間が経過したにも関わらず金属ボールバンプ４の電気抵抗値が閾値Ｒｔｈを下回らない場合に、電極パッド３２の剥離または半導体チップ２のクラック等の異常が有ると判断し、ステップＳ２１へ進む。ステップＳ２１において、処理部１４１は異常の発生をログに記録するなどの適宜の異常処理を行った後、異常通知信号を加圧制御部１４２に送信し、この信号を受けた加圧制御部１４２はステップＳ１８において、加圧機構１１２による半導体チップ２の押圧を停止する。

ステップＳ２０において異常無しと判断された場合は、押圧処理および電気抵抗値測定処理が続行される。

ステップＳ１７において接合が完了したと判断すると、処理部１４１は接合完了通知信号を加圧制御部１４２に送信し、この信号を受けた加圧制御部１４２はステップＳ１８において、加圧機構１１２による半導体チップ２の押圧を停止する。その後、ステップＳ１９において、実装ツール１１１が上昇し、半導体チップ２付きの実装基板３１がアンロードされ、半導体チップの実装処理が完了する。

以上に説明したように、本実施の形態の半導体実装装置１では、半導体チップ２を実装基板３１に接合する押圧工程の最中に、半導体チップ２に設けられた抵抗値測定用微小回路２１に接して形成された金属ボールバンプ４（特に金属ボールバンプ４ａ）の電気特性値を測定し、この測定結果に基づいて接合が完了したか否かが確認される。これにより、接合が不十分であるにも関わらず接合動作が終了してしまうことが防止され、安定した接合強度が得られる。また、接合が十分であるにも関わらず過剰に接合動作が行われることも防止されるため、電極パッドの損傷も抑制することができる。

なお、本実施の形態では、金属ボールバンプ４の電気特性値に応じて押圧工程の完了タイミングを制御するとしたが、本発明はこれに限らない。すなわち、押圧工程の完了タイミングのみならず、押圧工程に係る任意のパラメータを金属ボールバンプ４の電気抵抗値に応じてリアルタイムに制御することができる。制御対象パラメータの一例として、押圧工程における加圧力が挙げられる。金属ボールバンプ４の電気抵抗値に応じた加圧力の制御例を図６に示す。図６は、金属ボールバンプ４の電気抵抗値が大きい間は加圧力も大きくし、金属ボールバンプ４の電気抵抗値の低下に応じて加圧力を下げる例を示したものである。この場合、図６のような電気抵抗値と加圧力との関係を示すデータを判定用データとして予めメモリ１４３に記憶しておき、この判定用データに基づいて処理部１４１は加圧制御部１４２に加圧力に応じた制御信号を送信すればよい。もちろん、図６の制御例は単なる一例に過ぎず、実際の実装条件に応じた適切な制御を採用すべきである。

ところで近年では半導体チップを実装基板に実装する際の押圧工程において金属ボールバンプに超音波振動を与える例が増えている。この場合、上記制御対象パラメータの他の例として超音波パワーを金属ボールバンプの電気抵抗値に応じてリアルタイムに制御することも考えられる。この場合の半導体実装装置１の構成例を図７に示す。図７の構成が図１と異なる点は、半導体実装装置１が、超音波振動発生器１１４およびこの超音波振動発生器１１４を制御する超音波制御部１４４を備える点である。超音波振動発生器１１４によって金属ボールバンプ４に超音波振動が与えられるが、金属ボールバンプ４の接合状態は、超音波振動を与える時間や超音波パワーに依存する。図７の構成によれば、超音波振動を与える時間や超音波パワーを金属ボールバンプ４の電気抵抗値に応じてリアルタイムに制御することができる。金属ボールバンプ４の電気抵抗値に応じた超音波パワーの制御例を図８に示す。図８は、金属ボールバンプ４の電気抵抗値が大きい間は超音波パワーも大きくし、金属ボールバンプ４の電気抵抗値の低下に応じて超音波パワーを下げる例を示したものである。もちろん、図８の制御例は単なる一例に過ぎず、実際の実装条件に応じた適切な制御を採用すべきである。

なお、図７の半導体実装装置１に図１の加圧制御部１４２を加えることにより、加圧力および超音波パワーの双方を金属ボールバンプ４の電気抵抗値に応じて同時かつ個別に制御することも可能である。

また、本実施の形態では、押圧工程の終了タイミング、加圧力および超音波パワーの少なくともいずれか一つを金属ボールバンプ４の電気抵抗値のみに応じて制御する例を説明したが、金属ボールバンプ４の電気抵抗値だけでなく他の条件も考慮して押圧工程の終了タイミング等を制御するようにしてもよい。例えば、金属ボールバンプ４の電気抵抗値が閾値Ｒｔｈより小さく、かつ加圧機構１１２による半導体チップ２の押し込み量（下降量）が所定値を超えた場合に接合を完了するように制御してもよい。

また、図２では半導体チップ２に抵抗値測定用微小回路２１を一つだけ設けた例を示しているが、１つの半導体チップ２に複数の抵抗値測定用微小回路２１を設けても構わない。特に、半導体チップ２が実装基板３１に対して正確に平行に実装されない可能性がある場合には、半導体チップ２のある隅に形成された金属ボールバンプの接合状態が良好であっても別の隅に形成された金属ボールバンプの接合状態が良好であるとは限らない。そこで、例えば図９のように半導体チップ２の４隅に抵抗値測定用微小回路２１ａ〜２１ｄを設けておき、各抵抗値測定用微小回路に形成した金属ボールバンプの電気抵抗値を押圧工程においてモニタし、これらの全ての金属ボールバンプの電気抵抗値が閾値Ｒｔｈを超えた時点で接合を完了するようにすれば、半導体チップ２に形成された全ての金属ボールバンプの接合状態が良好であることが保証されるので、好ましい。もちろん、１つの半導体チップ２に５つ以上の抵抗値測定用微小回路を設けてもよい。

本発明の半導体実装装置、及び半導体実装方法は、半導体チップと実装基板との接続状態を示す電気特性値を取得し、接合を制御することにより、半導体チップと実装基板との安定した接合を得ることが可能となり、半導体チップを金属ボールバンプを介して基板に実装する技術に適用できる。

半導体実装装置の構成を示す図 測定回路の一例を示す図 測定回路の等価回路を示す図 半導体実装装置の動作の流れを示すフローチャート 検出抵抗値と接合状態との関係を示す図 加圧力の制御例を示す図 半導体実装装置の他の構成を示す図 超音波パワーの制御例を示す図 半導体チップにおける抵抗値測定用微小回路の配置例を示す図

符号の説明

１ 半導体実装装置
１１ ヘッド部
１１１ 実装ツール
１１２ 加圧機構
１１３ 移動機構
１１４ 超音波振動発生器
１２ ステージ部
１２１ ステージ
１２２ 移動機構
１３ 電気特性測定部
１３１ 測定器
１３１ａ 電圧計
１３１ｂ 直流電源
１３２ プローブ
１４ 制御部
１４１ 処理部
１４２ 加圧制御部
１４３ メモリ
１４４ 超音波制御部
２ 半導体チップ
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 抵抗値測定用微小回路
３１ 実装基板
３２ 電極パッド
４、４ａ、４ｂ、４ｃ 金属ボールバンプ

Claims (4)

1. 半導体チップ本来の機能を達成するための回路とは別個に、半導体チップを実装基板に実装する際の金属ボールバンプの電気抵抗値を測定するための抵抗値測定用微小回路を備えた半導体チップを利用した半導体実装方法であって、
   前記半導体チップに設けられた抵抗値測定用微小回路に少なくとも３つの金属ボールバンプを形成する形成工程と、
   前記抵抗値測定用微小回路により前記金属ボールバンプの電気抵抗値を測定しながら前記半導体チップを実装基板に押圧する押圧工程と、
   測定された前記金属ボールバンプの電気抵抗値が、正常な接合時に所定の閾値以下であることが予め確認されているときの当該閾値を、一定時間が経過したにもかかわらず下回らない場合に、電極パッドの剥離、または半導体チップのクラックを含む電極パッド近傍の欠陥の検出が行なわれる検出工程と、
   測定された前記金属ボールバンプの電気抵抗値に応じて前記押圧工程に係るパラメータをリアルタイムで制御しながら、前記電極パッド近傍の欠陥が検出された場合に、前記押圧工程における押圧を停止させる制御工程とを含む、半導体実装方法。
2. 前記押圧工程に係るパラメータは、前記押圧工程の終了タイミングを含み、
   前記押圧工程は、さらに、
   前記半導体チップの押し込み量を測定し、
   前記検出工程は、さらに、
   測定された前記金属ボールバンプの電気抵抗値が前記閾値より小さく、かつ測定された前記半導体チップの押し込み量が所定値を超えた場合に、前記終了タイミングであるとする検出を行い、
   前記制御工程は、
   前記終了タイミングが検出された場合に、前記押圧工程における押圧による前記半導体チップと前記実装基板との接合を完了させることを特徴とする、請求項１に記載の半導体実装方法。
3. 少なくとも、前記半導体チップの４隅に、前記抵抗値測定用微小回路がそれぞれ１つづつ設けられており、
   前記形成工程は、
   前記半導体チップの４隅に設けられた抵抗値測定用微小回路毎に、少なくとも３つの金属ボールバンプを形成し、
   前記押圧工程に係るパラメータは、前記押圧工程の終了タイミングを含み、
   前記押圧工程は、
   少なくとも４隅に設けられた全ての抵抗値測定用微小回路の前記金属ボールバンプの電気抵抗値を測定しながら、前記半導体チップを実装基板に押圧し、
   前記検出工程は、
   ４隅に設けられた全ての抵抗値測定用微小回路により測定された前記金属ボールバンプの電気抵抗値が前記閾値より小さい場合に、前記終了タイミングであるとする検出を行い、
   前記制御工程は、
   前記終了タイミングが検出された場合に、前記押圧工程における押圧による前記半導体チップと前記実装基板との接合を完了させることを特徴とする、請求項１に記載の半導体実装方法。
4. 前記半導体実装方法は、前記押圧工程と並行して前記金属ボールバンプに超音波振動を与える超音波工程をさらに含み、
   前記押圧工程に係るパラメータが、前記超音波工程における超音波パワーを含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体実装方法。

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