JP4542926B2 - 接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、接合方法及び接合装置に関する。
近年、半導体チップをパッケージ基板に高密度で実装する方法として、半導体チップとパッケージ基板とをバンプにより接合する方法が注目されている。この方法によって半導体装置を製造する場合、例えば、バンプが形成された半導体チップをパッケージ基板と対向するようにパッケージ基板上に配置し、半導体チップ及びパッケージ基板を加熱して、バンプを溶融させることにより、半導体チップとパッケージ基板とをバンプにより接合している。
一方、微細化により高性能化するＬＳＩを有する半導体チップは多層配線構造となっており、このような半導体チップには、低誘電率の層間絶縁膜と、例えば銅等の低抵抗の金属配線とが使用されている。しかしながら、低誘電率の層間絶縁膜は機械的強度（弾性率）が従来使用されてきたＳｉ酸化膜に比べて１／１０以下と軟らかく、さらには他の絶縁膜材料或いは金属材料との密着性に乏しい。
このため、高性能のＬＳＩを有する半導体チップを、上述した方法で、バンプによりパッケージ基板に接合させると、バンプの付け根やその近傍に大きな熱歪みが生じ、多層配線においてクラックや膜剥がれが発生してしまうという問題がある。
特に、比誘電率が４．０未満の低誘電率層間絶縁膜材料の密着性はさらに乏しく、またバンプを構成する金属が環境問題のため鉛（Ｐｂ）系材料から錫（Ｓｎ）系材料に変更されることによりバンプ材料の融点が１２０℃から２２５℃に上昇することから、このような問題は生じ易くなる。
従って、低誘電率層間絶縁膜からなる多層配線を有する半導体チップとパッケージ基板等の接合においては、熱歪みの低減が必須となる。ここで、加熱されたパッケージ基板上に、バンプが形成された半導体チップを載置することにより、バンプを溶融させて、バンプにより半導体チップとパッケージ基板とを接合する方法も知られているが、パッケージ基板の冷却過程における収縮により、上述の大きな熱歪みがバンプの付け根及びその近傍に発生してしまうので、熱歪みを低減させる効果的な対策とはならない。
また、赤外線やレーザ等の光により、バンプとパッケージ基板との接触部を加熱して、半導体チップ加熱装置からの熱がパッケージ基板に逃げることを防止しながら、バンプを溶融させて、半導体チップとパッケージ基板とをバンプにより接合する方法が開示されている（例えば、特許文献１等）。しかしながら、この方法においては、半導体チップの中央側になるほど光が届き難くなるので、バンプのレイアウトに大きく依存してしまう等の問題がある。
特開平１１−１２１５３１号公報
本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、本発明は、バンプのレイアウトに関わらずバンプを溶融させることができ、かつバンプ及びバンプ近傍に発生する熱歪みを低減させることができる接合方法及び接合装置を提供することを目的とする。
本発明の一の態様によれば、第１の被接合体上にバンプを介在させて第２の被接合体を配置する工程と、前記第１の被接合体と前記第２の被接合体との間に、前記バンプを構成する材料の融点以上に加熱された加熱体を挿通させ、前記加熱体により前記バンプを溶融させて、前記第１の被接合体と前記第２の被接合体とを前記バンプにより電気的及び機械的に接合する工程とを具備することを特徴とする接合方法が提供される。
本発明の一の態様の接合方法及び他の態様の接合装置によれば、バンプのレイアウトに関わらずバンプを溶融させることができ、かつバンプ及びバンプ近傍に発生する熱歪みを低減させることができる。
（第１の実施の形態）
以下、第１の実施の形態について説明する。図１は本実施の形態に係る接合装置の模式的な側面図であり、図２は本実施の形態に係る接合装置の模式的な平面図であり、図３（ａ）は本実施の形態に係るバンプの配列状態を模式的に示した平面図であり、図３（ｂ）は加熱ワイヤの移動速度及び投入電力を模式的に示したグラフである。
図１及び図２に示されるように、接合装置１は、保持機構２、加熱・冷却機構３，４、加熱体としての加熱ワイヤ５、張力付与機構６、移動機構７、及びコントローラ８等から構成されている。
保持機構２は、第１の被接合体と第２の被接合体の間にバンプを介在させたものを保持するものである。本実施の形態では、第１の被接合体としてパッケージ基板１０１、第２の被接合体として半導体チップ１０２を用いた例について説明する。なお、第１の被接合体が半導体チップであるとともに第２の被接合体が半導体チップであってもよい。また、第１の被接合体が実装基板であるとともに第２の被接合体がパッケージ基板であってもよい。
パッケージ基板１０１は、ガラスエポキシ樹脂或いはＡｌＮ等から構成されており、パッケージ基板１０１の表面の所定の位置には、電極パッド（図示せず）が形成されている。
半導体チップ１０２は、例えばＳｉチップから構成されており、比誘電率が４．０未満の低誘電率層間絶縁膜及び銅等の低抵抗の金属配線等から構成された多層配線構造を有している。半導体チップ１０２は電極パッド（図示せず）を有しており、電極パッドには少なくとも１以上、本実施の形態では複数のバンプ１０３が形成されている。バンプ１０３は例えばＳｎ系半田等の鉛フリー半田から構成されており、またバンプ１０３は例えば、略球状、円柱状に形成されている。図１及び図２には、略球状のバンプ１０３が図示されている。
バンプ１０３はパッケージ基板１０１に形成されていてもよく、またパッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２とは別個に設けられていてもよい。バンプ１０３をパッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２と別個に設けた場合には、バンプ溶融時のぬれ性を向上させるためにパッケージ基板１０１の電極パッド及び半導体チップ１０２の電極パッドに例えばフラックス塗布のような前処理を施しておくことが望ましい。
半導体チップ１０２のバンプ１０３をパッケージ基板１０１の電極パッドに当接させた状態においては、パッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との間の距離は、バンプ１０３の高さ程度、例えば約１００μｍとなっている。
保持機構２は、パッケージ基板１０１を保持する保持部材２ａ、及び保持部材２ａと対向するように配置され、半導体チップ１０２を吸着保持する保持部材２ｂ等から構成されている。保持部材２ｂは、昇降可能に構成されており、バンプ１０３を介して半導体チップ１０２をパッケージ基板１０１に対して押圧可能となっている。
加熱・冷却機構３，４は、パッケージ基板１０１と半導体チップ１０２とをそれぞれ独立的に加熱或いは冷却するためのものである。加熱・冷却機構３は、パッケージ基板１０１を加熱或いは冷却するためのものであり、保持部材２ａに設けられている。加熱・冷却機構４は、半導体チップ１０２を加熱或いは冷却するためのものであり、保持部材２ｂに設けられている。加熱・冷却機構３，４は、例えばヒータ等の加熱機構、及び例えばペルチェ素子等の冷却機構から構成されている。
加熱ワイヤ５は、バンプ１０３を溶融させるためのものであり、電力を投入されることにより発熱するように構成されている。具体的には、加熱ワイヤは、例えばＷ線等の金属等から構成されている。本実施の形態では、加熱体として、加熱ワイヤ５を用いた例について説明しているが、加熱ワイヤ５の代わりに、板状の加熱プレートを用いてもよい。加熱プレートを用いた場合には、加熱プレートの面積が大きいために保持し易いとともに、平行移動させ易いという利点がある。
加熱ワイヤ５は、バンプ１０３を構成する材料（バンプ材料）の融点以上に加熱可能となっている。加熱ワイヤ５は、バンプ材料の融点より約１０℃以上に加熱されることが好ましいが、バンプ１０３の溶融をスムーズに行うためには、例えば、バンプ材料の融点、比熱、及びバンプの個数等を考慮する必要がある。このため、例えばこれらを因子として実験やシミュレーション等を行い、最適な加熱ワイヤ５の温度を求めておくことが望ましい。なお、プロセス時間を短縮するために、加熱ワイヤ５の温度をバンプ材料の融点に比べてはるかに高く設定する場合には、熱輻射によるパッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２の温度上昇、及びバンプ溶融時にバンプ１０３が高温になることによるバンプ材料の蒸気の発生に留意して、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２を冷却することが望ましい。
加熱ワイヤ５に投入される電力は、直流電力及び交流電力のいずれであっても構わないが、加熱ワイヤ５は電力で制御されることが望ましい。これは、何度もプロセスを行うと、加熱ワイヤ５の延伸及び加熱ワイヤ５とバンプ１０３との合金化により実質的に加熱ワイヤ５の抵抗値が変動してしまうおそれがあるが、バンプ１０３の溶融に必要なのは電力であるからである。
加熱ワイヤ５の直径は、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２との間の距離が約１００μｍとなっているので、パッケージ基板１０１や半導体チップ１０２に対する加熱ワイヤ５の接触を抑制する理由から３０μｍ以下であることが望ましい。また、加熱ワイヤ５に電力を投入する都合上、加熱ワイヤ５の直径は１０μｍ以上３０μｍ以下であることがより望ましい。なお、加熱体として、加熱プレートを用いる場合には、同様の理由から、加熱プレートの厚さが３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上３０μｍ以下となっていることが望ましい。また、加熱プレートの幅は、バンプ１０３を溶融させてすぐさま硬化させることを考慮すると、バンプ１０３間距離よりも小さいことが望ましい。即ち、加熱プレートは、加熱プレートを移動させる際に加熱プレートが２列のバンプ１０３に跨らないような大きさになっている。
加熱ワイヤ５は、酸化されると、切断されてしまうおそれがあるので、耐酸化性を有していることが望ましい。耐酸化性を有する加熱ワイヤ５としては、例えば、Ｗ線にＡｕをめっきしたもの、或いはＮｉ合金から構成したものが挙げられる。加熱ワイヤ５が耐酸化性を有していない場合には、不活性或いは還元性ガス雰囲気内でパッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との接合を行うことが望ましい。なお、加熱ワイヤ５が耐酸化性を有している場合であっても、不活性或いは還元性ガス雰囲気でパッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との接合を行ってもよい。
加熱ワイヤ５は、バンプ材料に対するぬれ性が高いと、加熱ワイヤ５の移動に伴って溶融したバンプ１０３が追従し、延伸してしまうおそれがあるので、バンプ材料に対するぬれ性が低い材料から構成されていることが望ましい。また、同様の理由から、例えばＷ等の芯線に芯線よりぬれ性が低い材料をコーティングしたものから加熱ワイヤ５を構成してもよい。芯線をＷから構成した場合には、芯線よりぬれ性が低い材料として、例えば、ＴｉＮ，ＳｉＮ，ＳｉＣ等を使用することができる。なお、芯線よりぬれ性が低い材料であれば、他の絶縁材料を使用することも可能である。
張力付与機構６は、加熱ワイヤ５の両端を引張ることにより加熱ワイヤ５に適度な張力を付与するためのものである。これにより、加熱ワイヤ５の弛みをほぼ無くすことができる。なお、加熱体として、加熱プレートを用いた場合には、張力付与機構６を設けなくともよい。
移動機構７は、加熱ワイヤ５がパッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との間に挿通されるように加熱ワイヤ５を移動させるためのものである。移動機構７は、加熱ワイヤ５をパッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との間の空間に沿って、略平行に移動させるように構成されている。
加熱ワイヤ５の移動速度は、例えば、バンプ材料の融点、比熱、及びバンプ１０３の個数等を考慮して決定する必要がある。このため、例えばこれらを因子として実験やシミュレーション等を行い、最適な加熱ワイヤ５の移動速度を求めておくことが望ましい。
コントローラ８は、加熱・冷却機構３，４及び移動機構７等と電気的に接続されており、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２の温度が所望の温度になるように、また加熱ワイヤ５の移動速度が所望の移動速度になるように加熱・冷却機構３，４及び移動機構７を制御するものである。なお、コントローラ８は、加熱・冷却機構３，４及び移動機構７を制御する他、接合装置１全体の動作を制御するように構成されている。
ここで、図３（ａ）に示されるように場所によってバンプ１０３の配列密度に差がある場合には、この配列密度に合わせて加熱ワイヤ５の移動速度或いは加熱ワイヤ５に投入する電力を変化させることが望ましい。具体的には、図３（ｂ）に示されるようにバンプ１０３の配列密度が大きい場所においては、加熱ワイヤ５の移動速度を小さく或いは加熱ワイヤ５に投入される電力を大きくする。また、バンプ１０３の配列密度が小さい場所においては、加熱ワイヤ５の移動速度を大きく或いは加熱ワイヤ５に投入される電力を小さくする。
コントローラ８は入力部８ａと記憶部８ｂとを備えており、コントローラ８は入力部８ａに入力された情報に基づいて加熱・冷却機構３，４及び移動機構７等を制御するように構成されている。入力部８ａは、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２のそれぞれの温度、加熱ワイヤ５の移動速度、加熱ワイヤ５の温度、加熱ワイヤ５に投入する電力、バンプ１０３のレイアウト等が入力可能に構成されている。
記憶部８ｂには、バンプ１０３の様々なレイアウトと、加熱ワイヤ５の移動速度或いは加熱ワイヤ５に投入する電力とを関連付けた情報が記憶されている。即ち、予め実験やシミュレーション等により例えばバンプ１０３のレイアウト毎にそのレイアウトに適した加熱ワイヤ５の移動速度或いは加熱ワイヤ５に投入する電力を求めておき、その情報を記憶部８ｂに記憶させておく。このような情報を記憶部８ｂに記憶させておけば、入力部８ａにバンプ１０３のレイアウトを入力することにより、入力されたバンプ１０３のレイアウトに適した加熱ワイヤ５の移動速度或いは加熱ワイヤ５に投入する電力が記憶部８ｂから読み出され、その読み出された移動速度或いは投入電力に基づいてコントローラ８により移動機構７及び加熱ワイヤ５の投入電力を制御することが可能となる。なお、上述したような場所によってバンプ１０３の配列密度に差がある場合にも、このようなバンプ１０３の配列密度に差があるレイアウトと、この配列密度に合わせて変化する加熱ワイヤ５の移動速度及び加熱ワイヤ５に投入する電力とを記憶部８ｂに記憶させておけば、バンプ１０３のレイアウトを入力するだけで、この配列密度に合わせて加熱ワイヤ５の移動速度及び加熱ワイヤ５に投入される電力を変化させることができる。
以下、パッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との接合について詳細に説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は本実施の形態に係るパッケージ基板と半導体チップとを接合している状態を模式的に示した図である。
まず、入力部８ａに、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２のそれぞれの温度等を入力する。本実施の形態では、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２が接合時に冷却されるような温度を入力部８ａに入力した例について説明する。これらを入力部８ａに入力すると、入力された情報に基づいてコントローラ８により制御されながらパッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２が加熱・冷却機構３，４により冷却されるとともに加熱ワイヤ５が所望の温度に加熱される。
その後、パッケージ基板１０１が保持部材２ａに保持されるとともに、バンプ１０３が形成された半導体チップ１０２が保持部材２ｂに吸着保持される。そして、パッケージ基板１０１の電極パッド上にバンプ１０３が配置されるように半導体チップ１０２の位置合わせが行われ、保持部材２ｂが下降し、バンプ１０３がパッケージ基板１０１の電極パッドに当接される。これにより、バンプ１０３を介してパッケージ基板１０１上に半導体チップ１０２が載置される。
その後、図４（ａ）に示されるように、張力付与機構６により加熱ワイヤ５に適度な張力を与えた状態で、加熱ワイヤ５がパッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との間に挿通されるように加熱ワイヤ５を移動させる。ここで、加熱ワイヤ５の移動速度は、コントローラ８により制御されている。加熱ワイヤ５がバンプ１０３に当接すると、加熱ワイヤ５から発せられる熱によりバンプ１０３が加熱されて、溶融する。また、加熱ワイヤ５はバンプ１０３を溶融させながら移動するので、バンプ１０３を通過する。これにより、バンプ１０３の温度が急激に低下するので、バンプ１０３がすぐさま硬化し、パッケージ基板１０１と半導体チップ１０２がバンプ１０３により接合される。そして、このようなバンプ１０３の溶融及び硬化が次々に起こることにより、パッケージ基板１０１と半導体チップ１０２とが全体的にバンプ１０３により接合される。
本実施の形態では、パッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との間に、バンプ１０３を構成する材料の融点以上に加熱された加熱ワイヤ５を挿通させて、加熱ワイヤ５によりバンプ１０３を溶融させるので、バンプ１０３のレイアウトに関わらず、バンプ１０３を溶融させることができる。また、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２を加熱せずにパッケージ基板１０１と半導体チップ１０２とをバンプ１０３により電気的及び機械的に接合することができるので、接合時におけるバンプ１０３及びバンプ１０３近傍に発生する熱歪みを低減させることができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
本実施の形態では、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２をそれぞれ冷却しながら、パッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との間に加熱ワイヤ５を挿通させるので、熱輻射によるパッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２の温度上昇を抑制することができる。なお、熱輻射によるパッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２の温度上昇は、加熱ワイヤ５の移動速度が小さい場合や加熱ワイヤ５に投入される電力が大きい場合に特に起こり易いが、本実施の形態では、このような場合であっても、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２を冷却することにより、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２の温度上昇を抑制することができる。
本実施の形態では、加熱ワイヤ５に適度な張力を与えながら加熱ワイヤ５をパッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との間の空間に沿って移動させるので、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２に対する加熱ワイヤ５の接触を抑制することができる。これにより、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２に加熱ワイヤ５が接触することによるパッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２の温度上昇を抑制することができる。
本実施の形態では、バンプ１０３の配列密度に基づいて加熱ワイヤ５の移動速度及び加熱ワイヤ５に投入される電力の少なくともいずれかを変化させながら接合を行うことができるので、場所によってバンプ１０３の配列密度に差がある場合であっても、全てのバンプ１０３に適度な熱量を均一に与えることができる。即ち、加熱ワイヤ５の移動速度が一定の場合或いは加熱ワイヤ５に投入される電力が一定の場合、バンプ１０３の配列密度が大きい場所においては、バンプ１つに与えられる熱量は少なくなるので、バンプ１０３の温度が上昇し難く、バンプ１０３が溶融し難い。一方、バンプ１０３の配列密度が小さい場所においては、バンプ１つに与えられる熱量が多くなるので、バンプ１０３の温度が急激に上昇してしまい、バンプ材料の蒸気が発生してしまうおそれがある。これに対し、本実施の形態では、バンプ１０３の配列密度が大きい場所においては、加熱ワイヤ５の移動速度を小さく或いは加熱ワイヤ５に投入される電力を大きくすることができるので、バンプ１つに与えられる熱量を増大させることができる。また、バンプ１０３の配列密度が小さい箇所においては、加熱ワイヤ５の移動速度を大きく或いは加熱ワイヤ５に投入される電力を小さくすることができるので、バンプ１つに与えられる熱量を低減させることができる。これにより、全てのバンプ１０３に適度な熱量を均一に与えることができる。
（第２の実施の形態）
以下、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態では、パッケージ基板及び半導体チップを半導体チップの動作時におけるそれぞれの温度に維持した状態で、パッケージ基板と半導体チップとの間に加熱ワイヤを挿通させる例について説明する。
まず、入力部８ａに、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２のそれぞれの温度等を入力する。ここで、半導体チップ１０２の動作時においては、パッケージ基板１０１は６０〜７０℃になるので、パッケージ基板１０１の温度を６０〜７０℃の範囲内で入力する。また、半導体チップ１０２の動作時においては、半導体チップ１０２は８５〜１５０℃になるので、半導体チップ１０２の温度を８５〜１５０℃の範囲内で入力する。これらを入力部８ａに入力すると、入力された情報に基づいてコントローラ８が加熱・冷却機構３，４を制御して、パッケージ基板１０１が６０〜７０℃に維持され、また半導体チップ１０２が８５〜１５０℃に維持される。
次に、この状態で、上記実施の形態と同様に半導体チップ１０２の位置合わせが行われ、そして、バンプ１０３を介してパッケージ基板１０１上に半導体チップ１０２が載置される。
その後、張力付与機構６により加熱ワイヤ５にある程度の張力を与えた状態で、加熱ワイヤ５が半導体チップ１０２とパッケージ基板１０１との間に挿通されるように加熱ワイヤ５を移動させて、バンプ１０３を溶融させる。
本実施の形態では、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２を半導体チップ１０２の動作時におけるそれぞれの温度に維持した状態で、パッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との間に加熱ワイヤ５を挿通させるので、半導体チップ１０２の動作時におけるバンプ１０３及びバンプ１０３近傍に発生する熱歪みを低減させることができる。
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されるものではなく、構造や材質、各部材の配置等は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。なお、第１の実施の形態では、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２をそれぞれ冷却しながら、パッケージ基板１０１と半導体チップ１０２との間に加熱ワイヤ５を挿通させているが、パッケージ基板１０１及び半導体チップ１０２を冷却しなくともよい。
第１の実施の形態に係る接合装置の模式的な側面図である。 第１の実施の形態に係る接合装置の模式的な平面図である。 （ａ）は第１の実施の形態に係るバンプの配列状態を模式的に示した平面図であり、（ｂ）は加熱ワイヤの移動速度及び投入電力を模式的に示したグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は第１の実施の形態に係るパッケージ基板と半導体チップとを接合している状態を模式的に示した図である。
符号の説明
１…接合装置、３，４…加熱・冷却機構、５…加熱ワイヤ、６…張力付与機構、７移動機構、８…コントローラ、１０１…パッケージ基板、１０２…半導体チップ、１０３…バンプ。

Claims (4)

  1. 第１の被接合体上にバンプを介在させて第２の被接合体を配置する工程と、
    前記第１の被接合体と前記第２の被接合体との間に、前記バンプを構成する材料の融点以上に加熱された加熱体を挿通させ、前記加熱体により前記バンプを溶融させて、前記第１の被接合体と前記第２の被接合体とを前記バンプにより電気的及び機械的に接合する工程と
    を具備することを特徴とする接合方法。
  2. 前記第１の被接合体と前記第２の被接合体とを前記バンプにより電気的及び機械的に接合する工程は、前記第１の被接合体及び前記第２の被接合体をそれぞれ冷却しながら行われることを特徴とする請求項１記載の接合方法。
  3. 前記加熱体は線状に形成されており、前記第１の被接合体と前記第２の被接合体とを前記バンプにより電気的及び機械的に接合する工程は前記加熱体に張力を与えながら行われることを特徴とする請求項１又は２記載の接合方法。
  4. 前記加熱体は電力が投入されることにより発熱するものであり、前記第１の被接合体と前記第２の被接合体とを前記バンプにより電気的及び機械的に接合する工程は前記バンプの配列密度に基づいて前記加熱体の移動速度及び前記加熱体に投入される電力の少なくともいずれかを変化させながら行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の接合方法。
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