JP4685583B2 - 半導体チップの実装方法および回路基板 - Google Patents

Description

本発明は半導体チップの実装方法および回路基板に関し、より詳細には、超音波振動を利用してフリップチップ接続により半導体チップを実装する方法および半導体チップが実装される回路基板に関する。

半導体チップをフリップチップ接続により回路基板に実装する際に、半導体チップに超音波振動を印加して実装する方法が行われている。この超音波振動を利用して半導体チップを実装する際に、超音波の印加方向と回路基板に形成されている実装用の配線パターン（接合パターン）との配置によって、接合部分の接合強度に差が生じるという問題が知られている。
図６は、回路基板１０に半導体チップ２０をフリップチップ接続する状態を平面方向から見た状態を示すもので、矢印の方向が超音波の振動方向である。

図７(a)は、図６において、超音波振動の振動方向（矢印方向）とパターンの長手方向が平行になる接合パターン１２（図６のＡ部分の接合パターン）を断面方向からみた状態、図７(b)は、半導体チップ２０の振動方向とパターンの長手方向が交差する接合パターン１２（図６のＢ部分の接合パターン）を断面方向から見た状態を示す。
図７(a)に示すように、超音波振動の振動方向とパターンの長手方向が平行となる配置にある接合パターン１２の場合は、超音波振動が印加されても接合パターン１２は励振されにくく、したがってフリップチップ接続する際にバンプ２２と接合パターン１２との間で所要の摩擦力が得られて、バンプ２２と接合パターン１２との接合強度が高くなる。一方、図７(b)に示すように、超音波振動の振動方向とパターンの長手方向が直交する配置にある接合パターン１２の場合には、超音波振動に接合パターン１２が追随して動きやすくなるため、バンプ２２と接合パターン１２との接合強度は低くなる。

このように、超音波振動を利用して半導体チップを実装する際に、超音波振動の振動方向と長手方向が直交する配置にある接合パターンについて、バンプとの接合強度が低下する問題を解決する方法として、接合パターンから超音波振動が印加される方向にダミーのパターンを延設する方法（特許文献１参照）、バンプが接合される接合部を挟む配置にビアホールを形成したり、接合部の下にフィルドビアを形成したりする方法（特許文献２参照）が提案されている。
特開２００４−３１１６３７号公報 特開２００２−９４２４１号公報

上述した接合パターンから超音波振動が印加される方向に突起パターンを延設する方法は、接合パターンとその下地層との接合強度を高め、超音波振動を印加した際に接合パターンを励振されにくくすることによって、バンプと接合パターンとの接合強度を高めようとする方法である。しかしながら、接合パターンのバンプが接合される位置に合わせて単に、突起パターンを配置する方法では、超音波振動を印加して半導体チップを実装しようとする際に、接合パターンが超音波振動によって共振してしまうような場合を考慮すると有効な方法とは言い難い。
また、接合パターンに対してビアホールを形成する位置を調節する方法は、回路基板の構成を複雑にすることと、ビアホールを所定位置に形成するために製品の設計が制約されるという問題がある。

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、超音波振動を利用して半導体チップを実装する際に、半導体チップと接合パターンとを十分な接合強度をもって確実に接続することができ、回路基板の設計上も複雑な構成を要しない半導体チップの実装方法および該回路基板を提供することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。
すなわち、半導体チップに超音波振動を作用させ、フリップチップ接続により半導体チップを回路基板に実装する半導体チップの実装方法において、前記回路基板として、前記半導体チップのバンプが接合される接合パターンに、前記半導体チップにより印加される超音波振動によって前記接合パターンが共振する際の、振動の腹の位置に合わせて突起パターンを設ける工程を備え、前記突起パターンを、前記接合パターンの長手方向における前記半導体チップのバンプ接続の一端部を除き、前記接合パターンの長手方向の他端部において該接合パターンの側面から側方に延出させて設けることを特徴とする。

また、前記接合パターンは、前記超音波振動の振動方向に対して長手方向が直交する配置に設けられ、前記突起パターンは、前記接合パターンの幅方向の両側方に延出して設けられることを特徴とする。
また、前記接合パターンは、第１の接合パターンとして前記超音波振動の振動方向に対して長手方向が直交する配置に設けられ、前記第１の接合パターンに隣接して配設される第２の接合パターンには、前記第２の接合パターンの長手方向の両端を除く中央部における振動の腹の位置に合わせて第２の突起パターンが該第２の接合パターンの側面から側方に延出させて設けられ、前記第１の接合パターンと干渉しないことを特徴とする。
また、前記接合パターンの他端部は、前記半導体チップの搭載領域よりも外側に配設されることを特徴とする。

開示の回路基板は、半導体チップがフリップチップ接続により実装される回路基板であって、基板本体と、前記基板本体の一面上に、前記半導体チップのバンプ位置に対応して設けられている接合パターンと、前記接合パターンに延出しており、前記半導体チップにより印加される超音波振動によって前記接合パターンが共振する際の振動の腹の位置に合わせて設けられている突起パターンと、を備え、前記突起パターンは、前記接合パターンの長手方向における前記半導体チップのバンプ接続の一端部を除き、前記接合パターンの長手方向の他端部において該接合パターンの側面から側方に延出させて設けられていることを特徴とする。

また、前記突起パターンは、前記接合パターンの幅方向の両側方に延出して設けられていることを特徴とする。
また、前記接合パターンを第１の接合パターンとしたときに、前記接合パターンに隣接して配設される第２の接合パターンをさらに備え、前記第１および第２の接合パターンは、超音波振動の振動方向に対して長手方向が直交する配置に設けられており、前記第２の接合パターンには、前記第２の接合パターンの長手方向の両端を除く中央部における振動の腹の位置に合わせて第２の突起パターンが該第２の接合パターンの側面から側方に延出させて設けられ、前記第１の接合パターンと干渉しないことを特徴とする。
また、前記接合パターンの他端部は、前記半導体チップの搭載領域よりも外側に配設されていることを特徴とする。

本発明に係る半導体チップの実装方法は、半導体チップから印加される超音波振動によって、回路基板に形成される接合パターンが共振する状態を想定し、接合パターンに突起パターンを設けること、接合パターンの振動の節の位置を接合部とすること、接合パターンが共振しないようにその長さを設定するといった方法により、半導体チップと接合パターンとの接合強度を向上させるものであり、回路基板に形成する接合パターン等の構成を複雑にすることなく、半導体チップと回路基板との接合強度を向上させることを可能にする。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１〜３は、本発明に係る半導体チップの実装方法についての第１の実施の形態を示す。図１は、回路基板に形成された一つの接合パターン１２を例として、接合パターン１２の長手方向に直交する向きを振動方向とする超音波振動が接合パターン１２に印加された状態を示す。図示例の接合パターン１２は、図６に従来例として示した回路基板１０におけるＢ部分の接合パターン１２と同様に、平面形状が細長の長方形状に形成されたものである。

接合パターン１２に、その長手方向に直交する向きを振動方向とする超音波振動を印加して接合パターン１２が共振状態になると、接合パターン１２の長手方向の両端は必然的に振動の腹となる。図１は、接合パターン１２の長さが１波長分に等しい場合で、接合パターン１２の両端と中央に１つずつ振動の腹（Ｃ点）が生じた場合を示す。
このように、接合パターン１２の長手方向に直交する向きを振動方向とする超音波振動を接合パターン１２に作用させて接合パターン１２が共振状態になるのは、接合パターン１２の長さＬがλ／２の整数倍（λが波長）になるときである。

半導体チップを超音波振動を利用してフリップチップ接続する際に、回路基板に設けられた接合パターンが共振状態になるということは、半導体チップに設けられたバンプの動きに追随して接合パターンが振動することを意味する。この場合に、接合パターンを端面側から見ると、接合パターンは左右に傾くようにして往復動する。半導体チップに超音波振動を印加した際に接合パターンが共振してしまうと、バンプと接合パターンとの相対的な変位が小さくなり、半導体チップに作用させた超音波振動が、バンプと接合パターンとを相互に摩擦して接合する接合力として有効に作用せず、バンプと接合パターンとの接合強度が低下する。

したがって、バンプと接合パターンとの接合強度を高めるには、半導体チップに超音波振動を作用させた際に、接合パターンが共振状態にならないようにすることが必要となる。図２は、接合パターン１２に共振抑止用の突起パターン１２ａ、１２ｂを設けた例を示す。図２(a)は、接合パターン１２の長手方向の一端に突起パターン１２ａを設けた例、図２(b)は、接合パターン１２の長手方向の中央に突起パターン１２ｂを設けた例である。

これらの突起パターン１２ａ、１２ｂは、いずれも接合パターン１２が共振する際の振動の腹の位置に合わせて接合パターン１２の側面から側方に延出させて形成している。これは、接合パターン１２に超音波振動が作用して共振状態となる場合に、振動の腹の位置に突起パターン１２ａ、１２ｂを設けることで、もっとも効果的に接合パターン１２の共振を抑制できるからである。
突起パターン１２ａ、１２ｂは接合パターン１２が振動の腹の部分で振動することを抑制することを目的とするものであり、図示例では接合パターン１２の側方に矩形状に延出する形態に形成した例を示すが、突起パターン１２ａ、１２ｂの形態は矩形状のものに限るものではない。また、突起パターン１２ａ、１２ｂの大きさも適宜設定することができる。

また、接合パターン１２の長手方向の端部に共振抑制用の突起パターン１２ａを設ける場合は、接合パターン１２の両端のいずれか一方に設けてもよいし、両端の双方に設けてもよい。また、図２(c)に示すように、接合パターン１２の長手方向の端部と接合パターン１２の長手方向の中央位置の双方に設けてもよい。

図３は、突起パターン１２ａ、１２ｂを設けた接合パターン１２が形成された回路基板１０に超音波振動を利用して半導体チップ２０を実装する状態を示す。
突起パターン１２ａ、１２ｂが設けられる接合パターン１２は、その長手方向が、半導体チップ２０に作用させる超音波振動の振動方向に対して直交する配置にあるもの（図のＢ側のもの）である。図示例では、接合パターン１２の一つ置きに、長手方向の端部に突起パターン１２ａを設けた接合パターン１２と、長手方向の中央部に突起パターン１２ｂを設けた接合パターン１２を配置し、隣接する接合パターン１２の突起パターン１２ａ、１２ｂが干渉しない配置としている。

図３に示すように、突起パターン１２ａ、１２ｂを設けた接合パターン１２が形成された回路基板１０に、図のような振動方法の超音波振動を半導体チップ２０に印加して半導体チップ２０をフリップチップ接続する方法によれば、超音波振動の振動方向と長手方向が直交する接合パターン１２が励振されることが抑制され、これらの接合パターン１２とバンプ２２との接合強度を低下させることなく実装することが可能となる。また、超音波振動の振動方向と長手方向が平行となる接合パターン１２については、バンプ２２と所要の接合強度が得られるから、半導体チップ２０のバンプ２２の全体が回路基板１０に形成された接合パターン１２に確実に接続される。

本実施形態では、接合パターン１２に超音波振動を作用させた際に、図１に示すような共振が生じるとして説明したが、接合パターン１２に超音波振動を作用させて接合パターン１２が共振する場合の共振状態の態様は、半導体チップに印加する超音波振動の周波数や接合パターン１２の形状によってまちまちとなる。また、接合パターン１２には引き回し用の配線パターンや層間接続用のビアが接続されるから、これらの影響によっても共振状態の態様は変化する。何れの場合においても、半導体チップ２０に作用させる超音波振動によって接合パターン１２が共振状態となる振動の腹の位置に位置合わせして突起パターン１２ａ、１２ｂを設けることは常に有効であり、共振抑止用の突起パターン１２ａ、１２ｂを設けることによって、半導体チップ２０を実装する際における接合パターン１２の共振を抑制し、半導体チップ２０のバンプ２２と接合パターン１２との接合強度を向上させることが可能である。

（第２の実施の形態）
図４、５は、本発明に係る半導体チップの実装方法についての第２の実施の形態を示す。
図４(a)は、接合パターン１２に超音波振動を印加して、接合パターン１２が共振状態となった状態を示す。図のＤ点は、接合パターン１２が共振した状態で節となる位置を示す。なお、図示例は、接合パターン１２の長さＬが共振波長の１波長分に相当する場合である。
本実施形態の半導体チップの実装方法においては、半導体チップ２０に超音波振動を印加して回路基板１０にフリップチップ接続によって実装する際に、半導体チップ２０に設けられたバンプ２２の接合位置を、接合パターン１２が共振状態となったときの節の位置（Ｄ点）に位置合わせして実装することを特徴とする。すなわち、図４(a)に示す共振状態を例に説明すると、図４(b)、(c)に示す、接合パターン１２における節の位置にバンプ２２ａ、２２ｂを位置合わせするようにして実装する。

図５は、半導体チップ２０に超音波振動を印加して回路基板１０に半導体チップ２０をフリップチップ接続する際に、超音波振動の振動方向とパターンの長手方向とが直交する接合パターン１２については、バンプ２２ａの接合位置を、接合パターン１２の共振時における振動の節の位置に設定して実装している様子を示す。
このように、半導体チップ２０に超音波振動を印加して実装する際に、超音波振動が加わることにより、励振されて共振状態となる接合パターン１２については、共振状態における節の位置にバンプ２２ａを位置させて接合することにより、バンプ２２ａの接合位置において接合パターン１２がバンプ２２ａに追随することがなく、接合パターン１２とバンプ２２ａとの接合強度を向上させて実装することが可能となる。

なお、本実施形態の場合も、半導体チップ２０に超音波振動を作用させて半導体チップ２０を回路基板１０に実装する際には、半導体チップ２０に印加する超音波振動の周波数や接合パターン１２の形状によって接合パターン１２にはさまざまな共振状態が生じ得る。実際上は、回路基板１０に搭載する半導体チップ２０に作用させる超音波振動、半導体チップ２０に形成されたバンプ２２の平面配置等にしたがって、回路基板１０に形成する接合パターン１２の形状を設計し、接合パターン１２が共振状態になった場合における振動の節の位置にバンプ２２が位置するようにして半導体チップ２０を実装する。

（第３の実施の形態）
本発明に係る半導体チップの実装方法についての第３の実施の形態は、半導体チップ２０に超音波振動を印加させて半導体チップ２０を回路基板１０に実装する際に、超音波振動によっては接合パターン１２が共振しない状態となるように接合パターン１２の長さ、パターン幅、パターン高さを設定して実装することを特徴とする。
たとえば、接合パターン１２の形態を、図１に示すような平面形状で長方形とし、接合パターン１２の長手方向に直交する向きに超音波振動を印加させた際に接合パターン１２が共振したとすると、接合パターン１２の長さＬを、（λ／２）×（ｎ＋１／２）として接合パターン１２が共振することを抑制して実装する。なお、ｎは整数、λは共振周波数における波長である。

接合パターン１２は、所定のパターン幅およびパターン高さを有するから、接合パターン１２に超音波振動を作用させた際に、パターン幅方向とパターン高さ方向にも接合パターン１２が共振状態となる可能性がある。したがって、接合パターン１２のパターン幅（Ｗ）およびパターン高さ（Ｈ）方向について、印加した超音波振動によって共振した際における波長をλ_Wおよびλ_Hとすると、接合パターン１２のパターン幅方向については、Ｗ＝（λ_W／２）×（ｎ＋１／２）とし、パターン高さ方向については、Ｈ＝（λ_H／２）×（ｎ＋１／２）となるように設定すればよい。

このように接合パターン１２の長さ（Ｌ）、パターン幅（Ｗ）、およびパターン高さ（Ｈ）を設定することによって、半導体チップに超音波振動を印加させた際に接合パターン１２がパターンの長さ方向、および幅方向、および高さ方向で共振することが抑止され、超音波振動を作用させた際の半導体チップのバンプと接合パターンとの相対的変位を確実に確保することができ、バンプと接合パターンとの接合強度を向上させることが可能となる。

なお、上述した各実施形態においては、半導体チップ２０を回路基板１０にフリップチップ接続によって実装する方法として、バンプ２２が形成された半導体チップ２０を回路基板１０に設けた接合パターン１２に接続する方法として説明したが、回路基板１０の接合パターン１２にバンプを設けておき、接合パターン１２のバンプを半導体チップの電極に接合する方法によって半導体チップを実装する場合にも、まったく同様に適用することが可能である。

超音波振動の作用により共振状態になった接合パターンにおける腹の位置を示す説明図である。 接合パターンに突起パターンを設けた例を示す説明図である。 回路基板に半導体チップを実装する第１の実施の形態を示す説明図である。 超音波振動の作用により共振状態になった接合パターンにおける節の位置を示す説明図である。 回路基板に半導体チップを実装する第２の実施の形態を示す説明図である。 半導体チップに超音波振動を印加して半導体チップを回路基板に実装する状態を示す説明図である。 超音波振動を印加して半導体チップを回路基板に実装する際の接合パターンの状態を示す説明図である。

符号の説明

１０ 回路基板
１２ 接合パターン
１２ａ、１２ｂ 突起パターン
２０ 半導体チップ
２２、２２ａ、２２ｂ バンプ

Claims (8)

1. 半導体チップに超音波振動を作用させ、フリップチップ接続により半導体チップを回路基板に実装する半導体チップの実装方法において、
   前記回路基板として、前記半導体チップのバンプが接合される接合パターンに、前記半導体チップにより印加される超音波振動によって前記接合パターンが共振する際の、振動の腹の位置に合わせて突起パターンを設ける工程を備え、
   前記突起パターンを、前記接合パターンの長手方向における前記半導体チップのバンプ接続の一端部を除き、前記接合パターンの長手方向の他端部において該接合パターンの側面から側方に延出させて設けることを特徴とする半導体チップの実装方法。
2. 前記接合パターンは、前記超音波振動の振動方向に対して長手方向が直交する配置に設けられ、
   前記突起パターンは、前記接合パターンの幅方向の両側方に延出して設けられることを特徴とする請求項１記載の半導体チップの実装方法。
3. 前記接合パターンは、第１の接合パターンとして前記超音波振動の振動方向に対して長手方向が直交する配置に設けられ、前記第１の接合パターンに隣接して配設される第２の接合パターンには、前記第２の接合パターンの長手方向の両端を除く中央部における振動の腹の位置に合わせて第２の突起パターンが該第２の接合パターンの側面から側方に延出させて設けられ、前記第１の接合パターンと干渉しないことを特徴とする請求項１または２記載の半導体チップの実装方法。
4. 前記接合パターンの他端部は、前記半導体チップの搭載領域よりも外側に配設されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体チップの実装方法。
5. 半導体チップがフリップチップ接続により実装される回路基板であって、
   基板本体と、
   前記基板本体の一面上に、前記半導体チップのバンプ位置に対応して設けられている接合パターンと、
   前記接合パターンに延出しており、前記半導体チップにより印加される超音波振動によって前記接合パターンが共振する際の振動の腹の位置に合わせて設けられている突起パターンと、を備え、
   前記突起パターンは、前記接合パターンの長手方向における前記半導体チップのバンプ接続の一端部を除き、前記接合パターンの長手方向の他端部において該接合パターンの側面から側方に延出させて設けられていることを特徴とする回路基板。
6. 前記突起パターンは、前記接合パターンの幅方向の両側方に延出して設けられていることを特徴とする請求項５記載の回路基板。
7. 前記接合パターンを第１の接合パターンとしたときに、前記接合パターンに隣接して配設される第２の接合パターンをさらに備え、
   前記第１および第２の接合パターンは、超音波振動の振動方向に対して長手方向が直交する配置に設けられており、
   前記第２の接合パターンには、前記第２の接合パターンの長手方向の両端を除く中央部における振動の腹の位置に合わせて第２の突起パターンが該第２の接合パターンの側面から側方に延出させて設けられ、前記第１の接合パターンと干渉しないことを特徴とする請求項５または６記載の回路基板。
8. 前記接合パターンの他端部は、前記半導体チップの搭載領域よりも外側に配設されていることを特徴とする請求項５または６記載の回路基板。

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