JP4641551B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
近年、半導体装置においては、実装の高密度化と高速化の要求が強くなっており、かかる要求を満たす実装方式として、ベアチップ実装方式が広く用いられるようになっている。このベアチップ実装では、ワイヤボンディング法を用いたフェイスアップ実装と、バンプを用いたフェイスダウン実装とがある。最近では、このベアチップ実装は、フェイスアップ実装から、半田バンプまたはAuバンプを用いたフェイスダウン実装(フリップチップ接続)へと変化してきている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3参照。)。
特に、100μm以下の微細なピッチ電極を接続する場合には、隣接バンプ間でのショートなどの心配の少ないAuバンプを用いる場合が多い。
ここで、Auバンプを用いた従来のフリップチップ接続を図面を用いて説明する。図2は、従来のフリップチップ接続の一例を示す断面図である。図2において、半導体素子21には、複数のAuスタッドバンプ22が形成されており、また、配線基板23には、複数の電極24が形成されている。半導体素子21と配線基板23とは、配線基板23の上に接着剤25を塗布した後、Auスタッドバンプ22と電極24とが対向するように位置合わせされ、両者を密着することにより電気的に接続される。その接続の際には、加圧、超音波の印加、加熱などの操作が付加される。
特開平10−135272号公報 特開平8−55855号公報 特開平6−21146号公報
しかし、上記従来のフリップチップ接続には、以下の問題がある。
(1)加圧のみにより接続する場合には、5000g/バンプ以上の高圧力が必要となり、製造設備が複雑になる。
(2)超音波を印加して接続する場合には、半導体素子の内部が超音波により破壊されるおそれがあり、また、超音波により接合部の金属原子が拡散し、接合界面が劣化するおそれがある。
(3)加熱により接続する場合には、例えばAu同士を接合するには350℃以上の高温が必要となり、半導体素子の樹脂が軟化して変形するおそれがある。
(4)加圧と加熱により接続する場合には、200〜240℃に加熱しながら、5000g/バンプ程度の圧力を印加する必要がある。
本発明は、複数の第1の電極を備えた第1の基板と、複数の第2の電極を備えた第2の基板とを準備し、前記第1の電極に第1のバンプをワイヤボンディング法で形成し、前記第2の電極に第2のバンプをめっき法で形成し、前記第1のバンプの弾性率と前記第2のバンプの弾性率との差が、500kgf/mm2以下となるように弾性率の調整を行い、前記第1の基板と前記第2の基板とを、前記第1のバンプと前記第2のバンプとが対向して接するように配置し、前記第1のバンプと前記第2のバンプとが電気的に接続されるように、加圧を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
第1の基板(例えば、半導体素子)のバンプの弾性率と、第2の基板(例えば、配線基板)のバンプの弾性率との差を、一定の範囲内に設定することにより、超音波の印加、加熱などを行わなくても、小さい圧力のみで基板同士を接続できる。
本発明の半導体装置の一例は、複数の第1の電極を備えた第1の基板と、複数の第2の電極を備えた第2の基板とを含み、上記第1の基板と上記第2の基板とは、異なる種類の基板であり、上記第1の電極には第1のバンプが形成され、上記第2の電極には第2のバンプが形成され、上記第1のバンプの弾性率と上記第2のバンプの弾性率との差が、500kgf/mm2以下であり、より好ましくはその差が0であり、上記第1の電極と上記第2の電極とは、上記第1のバンプと上記第2のバンプとを介して電気的に接続されていることを特徴とする。
第1の基板と第2の基板とが異なる種類の基板であれば、それらに形成された第1のバンプの弾性率と第2のバンプの弾性率との差は、上記範囲内には入らない。この状態で第1のバンプと第2のバンプとを加圧により接続すると、前述のように5000g/バンプ以上の高圧力が必要になる。そこで、第1の基板(例えば、半導体素子)のバンプの弾性率と、第2の基板(例えば、配線基板)のバンプの弾性率との差を、上記範囲内に設定することで、加圧接合時に両バンプともほぼ同じ変形を伴う。この変形によって、お互いに接触するバンプ表面に新生な金属面が露出し、接触界面において金属原子の拡散が生じて、良好な接続部を形成することが可能となる。これにより、超音波の印加、加熱などを行わなくても、小さい圧力のみで基板同士を接続できる。
上記弾性率は、本実施形態では体積弾性率を意味し、その測定は、引張試験、圧縮試験などで行うことができる。
上記第1のバンプと上記第2のバンプとは、同一組成の金属材料により形成されていることが好ましい。同一組成の金属材料であれば、弾性率の差を一定の範囲内に設定することが容易だからである。
上記第1のバンプと上記第2のバンプとは、Au、In、Sn、Cu、およびAgから選ばれるいずれか一つの金属により形成されていることが好ましい。これらの金属は、加熱または加圧により容易に弾性率を増減できるからである。
上記第1の基板と上記第2の基板とは、さらに樹脂により接着されていることが好ましい。これにより、接続部と外気とを遮断して、接続部の酸化を防止できるからである。
上記第1のバンプと上記第2のバンプとは接続部を形成し、上記接続部の中央部はくびれていることが好ましい。これにより、接続部に生じる応力をくびれ部に集中させることができ、電極部とバンプ界面に加わる応力を緩和させ、基板の電極部の破壊を軽減させることができるからである。上記くびれを形成するには、上記第1のバンプと上記第2のバンプとを同一形状に形成しておけばよい。
上記第1の基板と上記第2の基板には、半導体素子、ウエハ、配線基板などが含まれるが、それぞれ異なる種類の基板であることが必要である。
また、本発明の半導体装置の製造方法の一例は、複数の第1の電極を備えた第1の基板と、複数の第2の電極を備えた第2の基板とを準備し、上記第1の電極に第1のバンプを形成し、上記第2の電極に第2のバンプを形成し、上記第1のバンプの弾性率と上記第2のバンプの弾性率との差が、500kgf/mm2以下、より好ましくはその差が0となるように弾性率の調整を行い、上記第1の基板と上記第2の基板とを、上記第1のバンプと上記第2のバンプとが対向して接するように配置し、上記第1のバンプと上記第2のバンプとが電気的に接続されるように、加圧を行うことを特徴とする。
これにより、超音波の印加、加熱などを行わなくても、小さい圧力のみで基板同士を接続できる。なお、この際、さらに加熱することもでき、また極微量の超音波を加えることもできる。
上記弾性率の調整は、上記第1のバンプおよび上記第2のバンプから選ばれる少なくとも一方を加熱することにより行うことができる。加熱により、金属の弾性率は一般に低下するからである。
また、上記弾性率の調整は、上記第1のバンプおよび上記第2のバンプから選ばれる少なくとも一方を加圧することにより行うことができる。加圧により、金属の弾性率は一般に上昇するからである。
上記第1のバンプと上記第2のバンプとは、同一組成の金属材料により形成することが好ましい。同一組成の金属材料であれば、弾性率の差を一定の範囲内に設定することが容易だからである。
接続前の上記第1のバンプの高さと接続前の上記第2のバンプの高さとは、ともに30μm以上であることが好ましい。これにより、加圧によるバンプの変形量を大きくでき、確実な接合を行うことができるとともに、バンプ同士の接合面積も大きくなり、より一層接合信頼性が向上するからである。
上記第1のバンプと上記第2のバンプとは、ワイヤボンディング法およびめっき法から選ばれるいずれか一方で形成することが好ましい。これらは、信頼性の高いバンプ形成方法だからである。
上記第1のバンプと上記第2のバンプとは、Au、In、Sn、Cu、およびAgから選ばれるいずれか一つの金属により形成することが好ましい。これらの金属は、加熱または加圧により容易に弾性率を増減できるからである。
上記第1の基板と上記第2の基板とは、さらに樹脂により接着することが好ましい。これにより、基板同士の接着を確実にでき、また接続部と外気とを遮断して、接続部の酸化を防止できるからである。
上記第1の基板と上記第2の基板には、半導体素子、ウエハ、配線基板などが含まれる。
次に、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図1は、本発明の半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。先ず、複数のスタッドバンプ12が形成された半導体素子11と、複数のスタッドバンプ14が形成された配線基板13とを準備する。スタッドバンプ12、14の形成は、ワイヤボンディング法により行うことができる。次に、スタッドバンプ12の弾性率とスタッドバンプ14の弾性率との差を、前述の範囲内となるように弾性率の調整を行う。具体的には、弾性率を下げるには、バンプを加熱すればよく、弾性率を上げるには、バンプを加圧すればよい。これらの弾性率の調整のための操作は、バンプの材質に応じて適宜選択される。続いて、配線基板13の上に接着剤15を塗布した後、半導体素子11と配線基板13とはスタッドバンプ12とスタッドバンプ14とが対向するように位置合わせされ、両者を加圧および加熱することにより電気的に接続されるとともに接着剤15が硬化する。これにより、本発明の半導体装置の一例が完成する。図1において、形成された接続部16の中央部には、加圧したことによりくびれが形成されている。
なお、図1では、バンプはすべてワイヤボンディング法によるスタッドバンプを用いたが、いずれか一方または両方のバンプをめっき法により形成することもできる。
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例には限定されない。
(実施例1)
先ず、基板としては以下のものを準備した。
第1の基板として、電極径50μm、電極ピッチ100mμのAl電極を120個備える10mm×10mmの半導体素子と、第2の基板として、電極径30μm、電極ピッチ60μmのCu電極を120個備え、25mm×25mmのガラスセラミック基板からなる配線基板を準備した。
次に、上記半導体素子のAl電極に、ワイヤボンディング法を用いて、高さ40μmのAuスタッドバンプ(Auの純度99.999%)を形成した。その後、上記Auスタッドバンプを200℃で30分間の熱処理を行い、5時間放置して徐冷することにより、室温でのAuスタッドバンプの弾性率を8000kgf/mm2に調整した。
一方、上記配線基板のCu電極に、下地金属として厚さ10μmのNiめっきを施し、その後厚さ10μmのAuめっきを施し、Auバンプを形成した。その後、上記Auバンプを200℃で30分間の熱処理を行い、5時間放置して徐冷することにより、室温でのAuバンプの弾性率を8000kgf/mm2に調整した。
続いて、上記配線基板のバンプと上記半導体素子のバンプとを対向するように位置合わせした後、200℃で、30g/バンプの荷重を加えながら、接続高さが20μmとなるよう接続してバンプ間に接続部を形成した。
その後、エポキシ系接着剤(ナミックス社製、商品名:U8434)を上記半導体素子と上記配線基板との隙間に充填し、150℃で2時間の加熱処理を行うことにより上記接着剤を硬化させ、本実施例の半導体装置を作製した。
(実施例2)
実施例1と同様の半導体素子と配線基板とを準備した。
次に、上記半導体素子のAl電極に、ワイヤボンディング法を用いて、高さ40μmのAuスタッドバンプ(Auの純度99.999%)を形成した。その後、上記Auスタッドバンプを200℃で30分間の熱処理を行い、5時間放置して徐冷することにより、室温でのAuスタッドバンプの弾性率を8000kgf/mm2に調整した。
一方、上記配線基板のCu電極に、下地金属として厚さ10μmのNiめっきを施し、その後厚さ10μmのAuめっきを施し、Auバンプを形成した。その後、上記Auバンプを200℃で30分間の熱処理を行い、5時間放置して徐冷することにより、室温でのAuバンプの弾性率を8000kgf/mm2に調整した。
続いて、上記配線基板の電極を覆うようにエポキシ系接着剤(スリーボンド社製、TB−2270C)を塗布し、上記配線基板のバンプと上記半導体素子のバンプとを対向するように位置合わせした後、30g/バンプの荷重を加えながら220℃で加熱することにより、上記接着剤を硬化させるとともに、接続高さが50μmの接続部を形成して、本実施例の半導体装置を作製した。
(実施例3)
実施例1と同様の半導体素子と配線基板とを準備した。
次に、上記半導体素子のAl電極および上記配線基板のCu電極に、それぞれめっき法を用いて、高さ30μmのInバンプを形成した。その後、上記Inバンプを100℃で30分間の熱処理を行い、2時間放置して徐冷することにより、室温でのInバンプの弾性率をそれぞれ1000kgf/mm2に調整した。
続いて、上記配線基板のバンプと上記半導体素子のバンプとを対向するように位置合わせした後、100℃で、10g/バンプの荷重を加えながら、接続高さが40μmとなるよう接続してバンプ間に接続部を形成した。
その後、エポキシ系接着剤(ナミックス社製、商品名:U8434)を上記半導体素子と上記配線基板との隙間に充填し、150℃で2時間の加熱処理を行うことにより上記接着剤を硬化させ、本実施例の半導体装置を作製した。
(実施例4)
実施例1と同様の半導体素子と配線基板とを準備した。
次に、上記半導体素子のAl電極および上記配線基板のCu電極に、それぞれめっき法を用いて、高さ30μmのInバンプを形成した。その後、上記Inバンプを100℃で30分間の熱処理を行い、2時間放置して徐冷することにより、室温でのInバンプの弾性率をそれぞれ1000kgf/mm2に調整した。
続いて、上記配線基板の電極を覆うようにエポキシ系接着剤(スリーボンド社製、TB−2270C)を塗布し、上記配線基板のバンプと上記半導体素子のバンプとを対向するように位置合わせした後、30g/バンプの荷重を加えながら220℃で加熱することにより、上記接着剤を硬化させるとともに、接続高さが50μmの接続部を形成して、本実施例の半導体装置を作製した。
(実施例5)
実施例1と同様の半導体素子と配線基板とを準備した。
次に、上記半導体素子のAl電極に、ワイヤボンディング法を用いて、高さ40μmのCuスタッドバンプ(Cuの純度99.9%)を形成した。その後、上記Cuスタッドバンプを200℃で30分間の熱処理を行い、5時間放置して徐冷することにより、室温でのCuスタッドバンプの弾性率を12000kgf/mm2に調整した。
一方、上記配線基板のCu電極に、厚さ20μmのCuめっきを施し、Cuバンプを形成した。その後、上記Cuバンプを200℃で30分間の熱処理を行い、5時間放置して徐冷することにより、室温でのCuバンプの弾性率を12000kgf/mm2に調整した。
続いて、上記配線基板のバンプと上記半導体素子のバンプとを対向するように位置合わせした後、200℃で、50g/バンプの荷重を加えながら、接続高さが20μmとなるよう接続してバンプ間に接続部を形成した。
その後、エポキシ系接着剤(ナミックス社製、商品名:U8434)を上記半導体素子と上記配線基板との隙間に充填し、150℃で2時間の加熱処理を行うことにより上記接着剤を硬化させ、本実施例の半導体装置を作製した。
(実施例6)
実施例1と同様の半導体素子と配線基板とを準備した。
次に、上記半導体素子のAl電極に、ワイヤボンディング法を用いて、高さ40μmのAuスタッドバンプ(Auの純度99.999%)を形成した。その後、上記Auスタッドバンプを室温で高さが20μmとなるようにプレス加工を行うことにより、室温でのAuスタッドバンプの弾性率を12000kgf/mm2に調整した。
一方、上記配線基板のCu電極に、厚さ20μmのCuめっきを施し、Cuバンプを形成した。その後、上記Cuバンプを200℃で30分間の熱処理を行い、5時間放置して徐冷することにより、室温でのCuバンプの弾性率を12000kgf/mm2に調整した。
続いて、上記配線基板のバンプと上記半導体素子のバンプとを対向するように位置合わせした後、200℃で、50g/バンプの荷重を加えながら、接続高さが20μmとなるよう接続してバンプ間に接続部を形成した。
その後、エポキシ系接着剤(ナミックス社製、商品名:U8434)を上記半導体素子と上記配線基板との隙間に充填し、150℃で2時間の加熱処理を行うことにより上記接着剤を硬化させ、本実施例の半導体装置を作製した。
次に、実施例1〜実施例6で作製した半導体装置の接続信頼性を試験した。先ず、実施例1〜実施例6の半導体装置の試験前の抵抗を測定した。次に、−55℃〜+125℃の間で昇温降温を繰り返す温度サイクル試験を2000サイクル行った後に、同様にして上記半導体装置の抵抗を測定した。その結果、実施例1〜実施例6の全ての半導体装置の抵抗上昇は10%以下と良好であった。
次に、実施例1〜実施例6で作製した別の半導体装置の試験前の抵抗を測定した。続いて、温度121℃、湿度85%の環境下に1000時間放置する耐久試験を行った後に同様にして上記半導体装置の抵抗を測定した。その結果、実施例1〜実施例6の全ての半導体装置の抵抗上昇は、サイクル試験の場合と同様に10%以下と良好であった。
(比較例1)
加熱処理による弾性率の調整を行わなかった以外は、実施例1と同様にして半導体装置を作製した。なお、本比較例で用いた半導体装置のAuスタッドバンプの室温での弾性率は11000kgf/mm2、配線基板のAuバンプの室温での弾性率は10000kgf/mm2であった。
(比較例2)
加熱処理による弾性率の調整を行わなかった以外は、実施例2と同様にして半導体装置を作製した。なお、本比較例で用いた半導体装置のAuスタッドバンプの室温での弾性率は11000kgf/mm2、配線基板のAuバンプの室温での弾性率は10000kgf/mm2であった。
(比較例3)
加熱処理による弾性率の調整を行わなかった以外は、実施例3と同様にして半導体装置を作製した。なお、本比較例で用いた半導体装置のInバンプの室温での弾性率は1500kgf/mm2、配線基板のInバンプの室温での弾性率は1200kgf/mm2であった。
(比較例4)
加熱処理による弾性率の調整を行わなかった以外は、実施例4と同様にして半導体装置を作製した。なお、本比較例で用いた半導体装置のInバンプの室温での弾性率は1500kgf/mm2、配線基板のInバンプの室温での弾性率は1200kgf/mm2であった。
(比較例5)
加熱処理による弾性率の調整を行わなかった以外は、実施例5と同様にして半導体装置を作製した。なお、本比較例で用いた半導体装置のCuスタッドバンプの室温での弾性率は19000kgf/mm2、配線基板のCuバンプの室温での弾性率は16000kgf/mm2であった。
(比較例6)
プレス加工および加熱処理による弾性率の調整を行わなかった以外は、実施例6と同様にして半導体装置を作製した。なお、本比較例で用いた半導体装置のAuスタッドバンプの室温での弾性率は11000kgf/mm2、配線基板のCuバンプの室温での弾性率は16000kgf/mm2であった。
次に、比較例1〜比較例6で作製した半導体装置の接続信頼性を前述と同様にして試験した。その結果、比較例1〜比較例6の全ての半導体装置の抵抗上昇は10%以上となった。また、比較例1〜比較例6で作製した別の半導体装置の耐久試験を前述と同様にして行った。その結果、比較例1〜比較例6の全ての半導体装置の抵抗上昇は、サイクル試験の場合と同様に10%以上となった。
以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。
(付記1) 複数の第1の電極を備えた第1の基板と、複数の第2の電極を備えた第2の基板とを含み、
前記第1の基板と前記第2の基板とは、異なる種類の基板であり、
前記第1の電極には第1のバンプが形成され、前記第2の電極には第2のバンプが形成され、
前記第1のバンプの弾性率と前記第2のバンプの弾性率との差が、500kgf/mm2以下であり、
前記第1の電極と前記第2の電極とは、前記第1のバンプと前記第2のバンプとを介して電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
(付記2) 前記第1のバンプと前記第2のバンプとが、同一組成の金属材料により形成されている付記1に記載の半導体装置。
(付記3) 前記第1のバンプと前記第2のバンプとが、Au、In、Sn、Cu、およびAgから選ばれるいずれか一つの金属により形成されている付記1または2に記載の半導体装置。
(付記4) 前記第1の基板と前記第2の基板とが、さらに樹脂により接着されている付記1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
(付記5) 前記第1のバンプと前記第2のバンプとが接続部を形成し、前記接続部の中央部がくびれている付記1〜4のいずれかに記載の半導体装置。
(付記6) 前記第1の基板と前記第2の基板とが、半導体素子、ウエハ、および配線基板から選ばれるいずれか一つである付記1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
(付記7) 複数の第1の電極を備えた第1の基板と、複数の第2の電極を備えた第2の基板とを準備し、
前記第1の電極に第1のバンプを形成し、前記第2の電極に第2のバンプを形成し、
前記第1のバンプの弾性率と前記第2のバンプの弾性率との差が、500kgf/mm2以下となるように弾性率の調整を行い、
前記第1の基板と前記第2の基板とを、前記第1のバンプと前記第2のバンプとが対向して接するように配置し、
前記第1のバンプと前記第2のバンプとが電気的に接続されるように、加圧を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記8) 前記弾性率の調整が、前記第1のバンプおよび前記第2のバンプから選ばれる少なくとも一方を加熱することにより行われる付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記弾性率の調整が、前記第1のバンプおよび前記第2のバンプから選ばれる少なくとも一方を加圧することにより行われる付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(付記10) 前記第1のバンプと前記第2のバンプとを、同一組成の金属材料により形成する付記7〜9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記11) 接続前の前記第1のバンプの高さと接続前の前記第2のバンプの高さとが、ともに30μm以上である付記7〜10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記12) 前記第1のバンプと前記第2のバンプとを、ワイヤボンディング法およびめっき法から選ばれるいずれか一方で形成する付記7〜11のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記13) 前記第1のバンプと前記第2のバンプとを、Au、In、Sn、Cu、およびAgから選ばれるいずれか一つの金属により形成する付記7〜12のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記14) 前記第1の基板と前記第2の基板とを、さらに樹脂により接着する付記7〜13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記15) 前記第1の基板と前記第2の基板とが、半導体素子、ウエハ、および配線基板から選ばれるいずれか一つである付記7〜14のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
本発明の半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。 従来のフリップチップ接続の一例を示す断面図である。
符号の説明
11、21 半導体素子
12、22 スタッドバンプ
13、23 配線基板
14 スタッドバンプ
15、25 接着剤
16 接続部
24 電極

Claims (2)

  1. 複数の第1の電極を備えた第1の基板と、複数の第2の電極を備えた第2の基板とを準備し、
    前記第1の電極に第1のバンプをめっき法で形成し、前記第2の電極に第2のバンプをめっき法で形成し、
    前記第1のバンプの弾性率と前記第2のバンプの弾性率との差が、300kgf/mm2未満となるように、前記第1のバンプおよび前記第2のバンプから選ばれる少なくとも一方を加熱又は加圧して弾性率の調整を行い、
    前記第1の基板と前記第2の基板とを、前記第1のバンプと前記第2のバンプとが対向して接するように配置し、
    前記第1のバンプと前記第2のバンプとが電気的に接続されるように、加圧を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1のバンプと前記第2のバンプとを、同一組成の金属材料により形成する請求項に記載の半導体装置の製造方法。
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