JP4591529B2 - バンプの接合方法およびバンプの接合構造体 - Google Patents

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Description

本発明は、対向する２個の部材にそれぞれバンプを設け、これら両部材のバンプ同士を接合するバンプの接合方法、および、そのような接合方法で接合されたバンプの接合構造体に関する。
従来より、この種のバンプの接合構造体は、一面側に当該一面より突出する第１のバンプを備える第１の部材と、一面側に当該一面より突出する第２のバンプを備える第２の部材とを用意し、これら両部材の一面同士を対向させ両バンプの先端部同士を接触させた状態で、これら両バンプを超音波接合などによって接合することにより形成される（たとえば、特許文献１参照）。
ここで、上記特許文献１では、第１のバンプとして、第２のバンプの先端面が接触する接触面の面積が第２のパンプの先端面の面積よりも大きいものを用いて、両バンプを接触させて超音波接合を行うことにより、対向する両バンプの位置あわせが容易になり、互いのバンプの位置ずれが抑制できるとされている。
特開２００７−３５９１８号公報
しかしながら、上記従来技術では、面積の大きな第１のバンプを形成するために第１の部材におけるバンプ形成部のサイズや部材自身のサイズを大きくする必要がある。このことは、たとえば第１の部材が半導体チップである場合には、チップサイズやパッドサイズを大きくすることに相当する。
そのため、第１のバンプの上記面積を大きくするにあたっては、これらのサイズの制約があり、これらサイズを変更できない場合には、第１のバンプの上記面積を大きくできず、やはり上記位置ずれが発生するという問題がある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、対向する２個の部材にそれぞれバンプを設け、これら両部材のバンプの先端部同士を接触させた状態で当該両バンプを接合するにあたって、バンプサイズを大きくすることなく、当該接触時における両バンプの相対的な位置ずれを規制することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１のバンプ（３１）の先端部に、当該先端部より第２のバンプ（３２）側へ向かって突出し、第１および第２のバンプ（３１、３２）よりも硬い材料よりなり、第１および第２のバンプ（３１、３２）よりも細い棒状の突起（４０）を設け、
この突起（４０）を設ける際では、突起（４０）を保持する治具（Ｋ１）上にて、突起（４０）をその長さ方向に沿って立たせて、突起（４０）を第１のバンプ（３１）に対応する位置に配置しておき、治具（Ｋ１）上に第１の部材（１０）の一面（１１）を対向させ、第１のバンプ（３１）に突起（４０）を転写することにより、突起（４０）を第１のバンプ（３１）の先端部に取り付け、
その後、突起（４０）を第２のバンプ（３２）の先端部に突き刺して両バンプ（３１、３２）の先端部同士を接触させることにより、突起（４０）の一端側が第１のバンプ（３１）に対して食い込んだ状態で埋設されるとともに、当該突起（４０）の他端側が第１のバンプ（３１）の内部から両バンプ（３１、３２）の接触界面を超えて第２のバンプ（３２）の内部に食い込んだ状態とされることを特徴とするバンプの接合方法が提供される。
それによれば、第１のバンプ（３１）側の突起（４０）を第２のバンプ（３２）の先端部に突き刺して両バンプ（３１、３２）の先端部同士を接触させるため、バンプサイズを大きくすることなく、当該接触時における両バンプ（３１、３２）の相対的な位置ずれが規制される。
また、本発明のように、第１のバンプ（３１）の先端部に突起（４０）を設けることにより、第１のバンプ（３１）が複数個ある場合でも、各々の第１のバンプ（３１）に一括して突起（４０）を設けることが可能となる。
ここで、請求項２に記載の発明のように、前記第１のバンプ及び前記第２のバンプは金よりなり、前記突起は鉄鋼又は銅よりなるものとしてもよい。
さらに、請求項３記載の発明のように、第１のバンプ（３１）に荷重を加えて突起（４０）を第１のバンプ（３１）の先端部に食い込ませることによって転写を行うようにしてもよい。
それによれば、棒状の突起（４０）が第１のバンプ（３１）に突き刺さって食い込みやすくなり、転写が容易に行える。
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。以下の各実施形態のうち第１実施形態が特許請求の範囲に記載の本発明に対応し、第２実施形態が本発明の参考例である。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るバンプの接合構造体Ｓ１の概略断面図、図１（ｂ）は同接合構造体Ｓ１における第１の部材としての第１の半導体チップ１０の一面１１側の概略平面図、図１（ｃ）は同接合構造体Ｓ１における第２の部材としての第２の半導体チップ２０の一面２１側の概略平面図である。なお、図１（ｂ）、（ｃ）は接合前の各半導体チップ１０、２０の一面１１、２１の状態を示す。
ここで、第１の半導体チップ１０、第２の半導体チップ２０は、それぞれ図１（ａ）における両半導体チップ１０、２０のうち下側に位置する半導体チップ１０、上側に位置する半導体チップ２０である。また、図１（ｂ）においては、後述する突起４０がバンプ３１、３２に食い込んだ状態を示しており、当該突起４０は黒丸にて図示してある。
ここで、両半導体チップ１０、２０はシリコン半導体などを公知の半導体プロセスを用いて加工することによって形成されるものであり、たとえばＩＣチップや回路チップあるいは、圧力や温度などをセンシングするセンサチップなどである。
第１の半導体チップ１０は、その一面１１側に当該一面１１より突出する第１のバンプ３１を備え、第２の半導体チップ２０は、その一面２１側に当該一面２１より突出する第２のバンプ３２を備えている。これら第１および第２のバンプ３１、３２はそれぞれ１個ずつでもよいが、ここでは、通常のものと同様、各半導体チップ１０、２０の一面１１、２１において複数個設けられている。
これら第１および第２のバンプ３１、３２は、この種の一般的なバンプであり、たとえば、ワイヤボンディング装置を用いて形成されるスタッドバンプや、メッキにより形成されるバンプである。その材質は金である。
そして、第１の半導体チップ１０と第２の半導体チップ２０とは、互いの一面１１、２１を対向させて配置されており、第１のバンプ３１と第２のバンプ３２とは、互いに正対する位置に形成されている。そして、これら両バンプ３１、３２は、互いの先端部同士を機械的に接触させた状態で接合されている。この両バンプ３１、３２の接合部にて、両半導体チップ１０、２０は、機械的に固定され電気的に接続されている。
ここで、本実施形態では、第１の半導体チップ１０において第１のバンプ３１の先端部には、第２のバンプ３２側へ向かって突出する突起４０が設けられている。この突起４０は、両バンプ３１、３２よりも硬く導電性を有する材料よりなるもので、両バンプ３１、３２よりも細い棒状のものである。
具体的には、突起４０は、両バンプ３１、３２を構成する金よりも硬く、導電性を有する鉄鋼や銅などよりなる針状の部材である。また、その両端部は尖っていることが好ましいが、後述するように両バンプ３１、３２に突き刺すことが可能なものであれば、尖っていなくてもよい。また、その長手方向と直交方向の断面形状は、円形でも角形でもかまわない。
また、突起４０の長さは、両バンプ３１、３２の接合部における両バンプ３１、３２の高さを合計した寸法よりも短いものである。なお、図１では、１組の接合された両バンプ３１、３２について複数の突起４０が設けられているが、当該１組について突起４０は１個でもよい。
そして、図１に示されるように、両バンプ３１、３２の接合部では、第１のバンプ３１の先端部に設けられた突起４０が第２のバンプ３２の先端部に突き刺さっている。この状態では、両バンプ３１、３２とは別体の突起４０が、両バンプ３１、３２に跨って埋設されている。
具体的には、棒状の突起４０の一端側が第１のバンプに対して食い込んだ状態で埋設され、他端側が第１のバンプ３１の内部から両バンプ３１、３２の接触界面を超えて第２のバンプ３２の内部にまで延び、当該他端側は第２のバンプ３２に埋設されている。
このように、突起４０は、接触する両バンプ３１、３２に食い込むことにより、両バンプ３１、３２を機械的に支持している。これによって、両バンプ３１、３２の先端部同士の機械的な接触状態が保持され、両バンプ３１、３２同士が図１（ａ）中の左右方向へ相対的にずれることが防止されている。
次に、図２を参照して、上記図１に示される接合構造体Ｓ１の製造方法を述べる。図２は、本製造方法における両半導体チップ１０、２０の接合工程をワーク断面にて示す工程図である。
本製造方法では、まず、一面１１側に第１のバンプ３１が形成された第１の半導体チップ１０と、一面２１側に第２のバンプ３２が形成された第２の半導体チップ２０とを用意する。
そして、第１の半導体チップ１０において第１のバンプ３１の先端部に、当該先端部より突出する突起４０を設ける。ここでは、第１のバンプ３１とは別体の上記棒状の突起４０を、第１のバンプ３１の先端部に取り付ける。
この突起４０の取り付けは、図２（ａ）に示されるように、転写により行う。この突起の転写工程では、突起４０を保持する治具Ｋ１を用い、治具Ｋ１上にて、突起４０を第１のバンプ３１に対応する位置に配置しておく。
このとき、棒状突起４０において第２のバンプ３２に突き刺される端部側を治具Ｋ１に固定し、この治具Ｋ１に固定された端部とは反対の端部側が治具Ｋ上に延びるように、突起４０を治具Ｋ１上に立てる。
ここで、突起４０を治具Ｋ１に固定することは、たとえば粘着シートを介在させたり、治具Ｋ１に設けられた穴に突起４０の端部を挿入したりすることなどにより行える。こうして、突起４０は、その長さ方向に沿って立った状態となり、第１のバンプ３１に埋設される端部を上に向けつつ、治具Ｋ１に保持される。
次に、図２（ｂ）に示されるように、治具Ｋ１上に第１の半導体チップ１０の一面１１を対向させ、第１の半導体チップ１０の上方から第１のバンプ３１に荷重Ｆを加えて突起４０を第１のバンプ３１の先端部に食い込ませる。それにより、第１のバンプ３１に突起４０が転写され、突起４０は第１のバンプ３１の先端部に取り付けられる。
その後、図２（ｃ）、（ｄ）に示されるように、支持台Ｋ２上にて、第１の半導体チップ１０の一面１１と第２の半導体チップ２０の一面２１とを対向させ、両バンプ３１、３２の位置あわせを行う。そして、両半導体チップ１０、２０を重ね荷重Ｆを加えることにより、第１のバンプ３１の先端部から突出する突起４０を第２のバンプ３２の先端部に突き刺して両バンプ３１、３２の先端部同士を接触させる。
これにより、両バンプ３１、３２同士が機械的に接触するとともに、突起４０の食い込みによって、この接触状態が保持されるため、両バンプ３１、３２は機械的・電気的に接合される。なお、この両バンプ３１、３２の先端部同士の接触は、加熱しない状態で常温にて行ってもよいし、両バンプ３１、３２を両バンプの融点以下で加熱しながら行ってもよい。こうして、本実施形態の接合構造体Ｓ１ができあがる。
ところで、従来のこの種のバンプの接合方法では、両バンプ３１、３２の先端部を接触させるときに、荷重が加わっているので一方のバンプが他方のバンプの表面を滑ってしまうことにより、両バンプが相対的に位置ずれする可能性があった。
その点、本実施形態では、第１のバンプ３１側の突起４０が第２のバンプ３２の先端部に突き刺って食い込むため、両バンプ３１、３２は突起４０によって機械的に保持・固定され、両バンプ３１、３２が半導体チップ１０、２０の一面１１、２１と平行な方向（図２中の左右方向）に相対的に変位することが規制される。
このように、本実施形態の接合方法によれば、第１のバンプ３１側の突起４０を第２のバンプ３２の先端部に突き刺すことによって、両バンプ３１、３２の先端部同士を接触させ、且つその接触状態を機械的に保持させるため、バンプサイズを大きくすることなく、当該接触時における両バンプ３１、３２の相対的な位置ずれが規制される。また、本実施形態では、従来のような超音波を印加する超音波接合を行わなくても、バンプ接合が可能となる。
また、本実施形態では、突起４０は、第２のバンプ３２よりも硬い材料よりなるものとしているので、突起４０を第２のバンプ３２の先端部へ突き刺すことが容易となる。また、突起４０を、導電性を有する材料よりなるものとしているので、接合後にて両バンプ３１、３２の先端部同士の接触が不十分であっても、突起４０を介した導電経路ができるので、導電性を確保しやすい。
また、本実施形態では、第１のバンプ３１に突起４０を転写することにより、突起４０の取り付けを行っているため、各々の第１のバンプ３１に対して、一括して突起４０を設けることを可能としている。さらに、突起４０をバンプ３１、３２よりも細い棒状としているので、第１のバンプ３１に突起４０が突き刺さりやすく、転写が容易に行える。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は、上記第１実施形態に比べてバンプ３１、３２の接合形態および接合方法を変更したものであり、この第１実施形態との相違点を中心に述べる。図３は、本第２実施形態に係るバンプの接合構造体Ｓ２の概略断面図である。
図３に示される本実施形態の接合構造体Ｓ２では、上記図１とは逆に、図中の上側に第１の半導体チップ１０が位置し、下側に第２の半導体チップ２０が位置している。そして、本接合構造体Ｓ２においても、第１のバンプ３１の先端部には、第２のバンプ３２側へ向かって突出する突起４１が設けられており、両バンプ３１、３２の接合部では、突起４１は第２のバンプ３２の先端部に突き刺さっている。
それにより、本実施形態においても、両バンプ３１、３２の先端部同士の機械的な接触状態が、突起４１の第２のバンプ３２への食い込みによって機械的に保持されるため、バンプサイズを大きくすることなく、当該接触時における両バンプ３１、３２の相対的な位置ずれが規制される。
ここで、上記第１実施形態では、突起４０は第１のバンプ３１とは別体であったが、本実施形態においては、図４に示されるように、突起４１は第１のバンプ３１と一体に成形されたものであり、第１のバンプ３１の先端部が突起４１として構成されている。
本実施形態では、第１のバンプ３１は第２のバンプ３２よりも硬い材料により構成されている。両バンプ３１、３２は金よりなるが、この金の純度を変えることにより硬さを変更できる。具体的には、第２のバンプ３２の金の純度を４Ｎとすれば、ほぼ純金であり軟らかく、一方、第１のバンプ３１をＰｄを１％含有する金の合金とすれば、第２のバンプ３２よりも硬くなる。
そして、この硬い第１のバンプ３１の先端部を鋭利形状とすることにより、当該鋭利形状をなす先端部が突起４１として構成されている。具体的には、第１のバンプ３１は、第２のバンプ３２側に頂部を持つ円錐状、ピラミッド状の形状とできる。そして、両バンプ３１、３２の接合部では、この鋭利な突起４１が、平坦面となっている第２のバンプ３２の先端部に突き刺さった状態となっている。
ここで、第１のバンプ３１の先端部を鋭利な突起４１として成形することは、一般のバンプ形成用の治具を用いて型成形すればよい。また、第２のバンプ３２の先端部を平坦面とすることは、通常の方法で形成されたバンプの先端部に対して一般的なレベリング処理を施すことにより可能である。
このレベリング処理は、バンプの先端部を塑性変形させ平坦化さるもので、第２のバンプ３２の先端部に対して、シリコンやガラスなどからなるプレートを介して荷重を加えることにより、当該先端部を塑性変形させ、平坦化するものである。
次に、本実施形態の接合構造体Ｓ２の製造方法について、図４を参照して述べる。図４は、本製造方法における両半導体チップ１０、２０の接合工程をワーク断面にて示す工程図である。
本製造方法では、まず、第１の半導体チップ１０の一面１１に、上記形成方法によって突起４１が設けられた第１のバンプ３１を形成し、一方で、第２の半導体チップ２０の一面２１に、先端部が上記平坦面となっている第２のバンプ３２を形成する。
そして、これら両半導体チップ１０、２０を、図４（ａ）に示されるように、互いの一面１１、２１を対向させて配置し、両バンプ３１、３２の位置あわせを行う。そして、図４（ｂ）に示されるように、支持台Ｋ２上にて、両半導体チップ１０、２０を重ね荷重を加えることにより、第１のバンプ３１の先端部としての突起４１を第２のバンプ３２の先端部に突き刺して両バンプ３１、３２の先端部同士を接触させる。
これにより、両バンプ３１、３２同士が機械的に接触するとともに、突起４１の食い込みによって、この接触状態が保持されるため、両バンプ３１、３２は機械的・電気的に接合される。なお、本実施形態においても、両バンプ３１、３２の先端部同士の接触は、加熱しない状態で行っても、加熱した状態で行ってもよい。こうして、本実施形態の接合構造体Ｓ２ができあがる。
（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態では、棒状をなす突起４０をその長さ方向に沿って治具Ｋ１上に立たせ、第１のバンプ３１に突起４０を食い込ませることによって転写を行ったが、この転写は、第１のバンプ３１に突起４０を食い込ませなくてもよく、第１のバンプ３１と突起４０とを圧着させるなどによって行ってもよい。
また、上記各実施形態において第１のバンプ３１に設けられる突起４０、４１は、第１のバンプ３１と別体の部材または一体成形されたものであったが、突き刺される側の第２のバンプ３２よりも硬く且つ導電性を有する材料よりなるものであった。
しかし、それ以外にも、第１のバンプ３１に設けられる突起４０、４１としては、第２のバンプ３２と同一の材質であってもよい。この場合でも、突起４０、４１を鋭利形状とすれば、第２のバンプ３２への突き刺しが可能である。また、第１のバンプ３１とは別体の突起４０については、導電性を持たなくてもよく、たとえばセラミックなどであってもよい。
また、上記各実施形態におけるバンプの接合方法では、図１（ａ）中の第１の半導体チップ１０側のバンプ３１に突起４０、４１を予め設けた後、第２の半導体チップ２０との接合を行ったが、これとは逆に、図１（ａ）中の第２の半導体チップ２０側のバンプ３２に突起４０、４１を予め設けた後、第１の半導体チップ１０との接合を行うようにしてもよい。
つまり、予め突起４０が設けられる方の半導体チップおよびそのバンプが、第１の部材および第１のバンプであり、接合時に突起４０、４１が突き刺される方の半導体チップおよびそのバンプが第２の部材および第２のバンプである。
また、第１の部材および第２の部材としては、上記した半導体チップに限るものではなく、当該半導体チップ以外の抵抗などの電子部品、フリップチップ、配線基板、リードフレーム、バスバーなど、バンプ接合できるものであればよい。そして、第１の部材、第２の部材は、これらのなかから選択されたものにできる。
（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るバンプの接合構造体の概略断面図、（ｂ）は同接合構造体における第１の半導体チップの一面側の概略平面図、（ｃ）は同接合構造体における第２の半導体チップの一面側の概略平面図である。 第１実施形態に係るバンプの接合方法を工程図である。 本発明の第２実施形態に係るバンプの接合構造体の概略断面図である。 第２実施形態に係るバンプの接合方法を工程図である。
符号の説明
番号１個ずつ 名称の先頭文字合わせる １０〜２０個程度にする
１０ 第１の部材としての第１の半導体チップ
１１ 第１の半導体チップの一面
２０ 第２の部材としての第２の半導体チップ
２１ 第２の半導体チップの一面
３１ 第１のバンプ
３２ 第２のバンプ
４０、４１ 突起

Claims (3)

  1. 一面（１１）側に当該一面（１１）より突出する第１のバンプ（３１）を備える第１の部材（１０）と、一面（２１）側に当該一面（２１）より突出する第２のバンプ（３２）を備える第２の部材（２０）とを用意し、前記両部材（１０、２０）の前記一面（１１、２１）同士を対向させ前記両バンプ（３１、３２）の先端部同士を接触させた状態で、これら両バンプ（３１、３２）を接合するバンプの接合方法において、
    前記第１のバンプ（３１）の先端部に、当該先端部より前記第２のバンプ（３２）側へ向かって突出し、前記第１および第２のバンプ（３１、３２）よりも硬い材料よりなり、前記第１および第２のバンプ（３１、３２）よりも細い棒状の突起（４０）を設け、
    前記突起（４０）を設ける際では、前記突起（４０）を保持する治具（Ｋ１）上にて、前記突起（４０）をその長さ方向に沿って立たせて、前記突起（４０）を前記第１のバンプ（３１）に対応する位置に配置しておき、前記治具（Ｋ１）上に前記第１の部材（１０）の前記一面（１１）を対向させ、前記第１のバンプ（３１）に前記突起（４０）を転写することにより、前記突起（４０）を前記第１のバンプ（３１）の先端部に取り付け、
    その後、前記突起（４０）を前記第２のバンプ（３２）の先端部に突き刺して前記両バンプ（３１、３２）の先端部同士を接触させることにより、前記突起（４０）の一端側が前記第１のバンプ（３１）に対して食い込んだ状態で埋設されるとともに、当該突起（４０）の他端側が前記第１のバンプ（３１）の内部から前記両バンプ（３１、３２）の接触界面を超えて前記第２のバンプ（３２）の内部に食い込んだ状態とされることを特徴とするバンプの接合方法。
  2. 前記第１のバンプ及び前記第２のバンプは金よりなり、前記突起は鉄鋼又は銅よりなるものであることを特徴とする請求項１に記載のバンプの接合方法。
  3. 前記第１のバンプ（３１）に荷重を加えて前記突起（４０）を前記第１のバンプ（３１）の先端部に食い込ませることによって前記転写を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のバンプの接合方法。
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