JP4893814B2

JP4893814B2 - 半導体チップの接合方法および接合装置

Info

Publication number: JP4893814B2
Application number: JP2009278298A
Authority: JP
Inventors: 貴由松村
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2024-10-19
Also published as: JP2010056580A

Description

本発明は、半導体チップの電極端子と基板の電極端子とを当接させ、半導体チップに超音波振動を印加することで、半導体チップと基板との電極端子同士を接合する半導体チップの接合方法および接合装置に関する。

近年、半導体パッケージ等の半導体装置を製造するにあたって半導体チップを配線基板にフリップチップ接合して搭載する際、半導体チップのバンプ等の電極端子と配線基板のパッド等の電極端子とを当接させ、半導体チップに超音波振動を印加することで、半導体チップと配線基板との電極端子同士を接合（ボンディング）する方法が用いられている。

特許文献１には、超音波振動を用いた従来のフリップチップの接続方法が記載されている。
特許文献１記載のフリップチップの接続方法においては、マウントヘッドに吸着保持させたフリップチップ（半導体チップ）のバンプを、基板の被接続端子に接触させて荷重を加え、マウントヘッドに内蔵された超音波振動子を超音波振動させることで、マウントヘッドを介してフリップチップを超音波振動させる（特許文献１段落００１６−００１８、第１−２図）。
これにより、被接続部の酸化層などを容易に除去でき、信頼性の高い電気的接続行うことができるものとしている（特許文献１段落００２２）。

ここで、従来の超音波振動による半導体チップの接合方法および接合装置の例につき、図６を用いてさらに説明する。
図６において、ステージ２上に配線基板４が保持されている。また、半導体チップ６がボンディングツール８（マウントヘッド）に保持されてボンディングツール８とともに移動されて、半導体チップ６に設けられたバンプ６ａ、６ａ・・が、配線基板４に設けられた対応するパッド４ａ、４ａ・・にそれぞれ当接するよう位置決めされている。ボンディングツール８の両側端面には、超音波振動子９が接続され、超音波振動子９が図示しない発振制御装置で水平方向に超音波振動されることにより、ボンディングツール８と半導体チップ６とがともに超音波振動される。

これによれば、超音波振動は、ボンディングツール８を粗密波として伝わる。この粗密波は、超音波振動子９と接するボンディングツール８の両側端部において必然的に最大振幅点（粗密波進行方向の変位量が最大となる点）となる。そして、半導体チップ６に有効に物理的な振動を印加するために、半導体チップ６はこの粗密波の最大振幅点付近に配置される。図６に示す例おいては、粗密波の波長を、ボンディングツール８の粗密波進行方向の長さと等しく設定するとともに、半導体チップ６をボンディングツール８の中央部に配置して保持することで、半導体チップ６を粗密波の最大振幅点付近に配置している。

特開平１０−１２６６９号公報（段落００１６−００１８、００２２、第１−２図）

しかしながら、従来の超音波振動を用いた半導体チップの接合方法では、半導体チップと基板との電極端子（バンプおよびパッド等）同士の接合性が十分でない場合があるという課題があり、それに起因した半導体装置の不良が発生している。

そこで、本願発明は、上記課題を解決すべく成され、超音波振動を用いながら、半導体チップと基板との電極端子同士の接合性を高めることのできる半導体チップの接合方法および接合装置を提供することを目的とする。

本願発明者は、前記課題を解決するために、超音波振動の周波数に着目し、より高い周波数の超音波振動を半導体チップに印加すれば、接合中、振動周期の間に電極端子が酸化してしまうのを防ぐことができ、また単位時間中に電極端子に与えるエネルギーを大きくできることなどから、電極端子同士の接合性を向上できるものとの着想に至った。
即ち、従来の半導体チップの接合方法においては一般的に５０ｋＨｚ程度の超音波振動が用いられているが、これよりも大幅に高い周波数の超音波振動を用いることができれば、電極端子同士の接合性を向上できるものと考えた。

さて、超音波振動子の発振制御装置の設定等により、超音波振動（粗密波）の周波数を高めることは可能である。例として、図７に、図６に示した従来例に比して粗密波の周波数を２倍にした場合の説明図を示す。ここで、ボンディングツール８を伝わる粗密波の波長λと周波数ｆとの関係は、λ＝Ｖ／ｆ（Ｖは粗密波の速度）で表される。粗密波の速度（音速）Ｖは、ボンディングツール８の材料に固有の定数であるから、周波数ｆを２倍にすることにより、波長λは１／２となる。

すると、粗密波の不動点間の距離が狭まり、半導体チップ６上で振幅の大きい箇所と極端に小さい箇所（図７においては半導体チップ６の端部近傍）とができてしまい、振幅の小さい箇所において電極端子同士の接合性が悪くなってしまう。
また、超音波振動（粗密波）の周波数をさらに上げれば、不動点が半導体チップ６上に重なってしまい、全く振幅の作用しない電極端子ができてしまう。
このように、単に周波数を上げるのみでは、全ての電極端子の接合性を高めることはできない。

この問題を回避するために、ボンディングツール８の材料等を変更して粗密波の速度Ｖを高めて波長λを長くしたり、粗密波進行方向の半導体チップ６の長さを短くするといった解決策は容易に考えうるが、ボンディングツール８や半導体チップ６の構成に大きな変更を必要とする上、いずれも高周波化の限界が低いものである。

本願発明者は、従来よりも大幅に高い周波数の超音波振動を用いることができる半導体チップの接合方法および接合装置を精査研究し、本願発明に到達した。

本発明に係る半導体チップの接合方法は、上記課題を解決するために、以下の構成を備える。すなわち、半導体チップの電極端子と基板の電極端子とを当接させ、半導体チップの前記電極端子の形成面の反対面に当接させた接触体を超音波振動させて、半導体チップに超音波振動を印加することで、半導体チップと基板との電極端子同士を接合する半導体チップの接合方法において、前記接触体には、複数の突起部が形成され、前記接触体を、前記突起部の先端面で前記半導体チップの前記反対面に当接させ、前記超音波振動は、前記接触体を伝わる粗密波であって、波長が、該粗密波の進行方向に隣接する各前記突起部の間隔の、自然数分の１の長さであるとともに、最大振幅点が、各突起部の位置となるように設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体チップの接合装置は、半導体チップの電極端子と基板の電極端子とを当接させ、半導体チップに超音波振動を印加することで、半導体チップと基板との電極端子同士を接合する半導体チップの接合装置において、先端面で前記半導体チップの前記反対面に当接する複数の突起部が形成された接触体と、前記接触体を伝わる粗密波であって、波長が、該粗密波の進行方向に隣接する各前記突起部の間隔の、自然数分の１の長さであるとともに、最大振幅点が、各突起部の位置となる前記超音波振動を、接触体を介して半導体チップに印加する超音波振動子とを備えることを特徴とする。

本発明に係る半導体チップの接合方法および接合装置によれば、超音波振動の粗密波の半波長が、各電極端子間の間隔の自然数分の１の長さに設定され、粗密波の最大振幅点が各電極端子の位置となるように設定されていることから、非常に高周波の超音波振動を用いて電極端子の接合を行うことができ、電極端子同士の接合強度を高めることができる。

本発明に係る半導体チップの接合方法の原理を模式的に示した説明図である。本発明に係る半導体チップの接合方法の原理を模式的に示した説明図である。本発明の実施例１を示す説明図である。本発明の実施例２を示す説明図である。本発明の実施例３を示す説明図である。従来の半導体チップの接合方法の原理を模式的に示した説明図である。従来の半導体チップの接合方法の原理を模式的に示した説明図である。

以下、本発明に係る半導体チップの接合方法および接合装置を実施するための最良の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。

先ず、本願出願人において検討が行われた半導体チップの接合方法および接合装置について、実施例１、２として説明する。
図１および図２は、実施例１、２に係る半導体チップの接合方法の原理を模式的に示した説明図である。
図１および図２において、半導体チップ６が搭載される搭載面４ｂ側に、半導体チップ６のバンプ６ａ、６ａ・・（電極端子）と対応して設けられたパッド４ａ、４ａ・・（電極端子）を有する配線基板４（基板）が、ステージ２上に保持されている。
半導体チップ６は、電極端子としてのバンプ６ａ、６ａ・・が、配線基板４のパッド４ａ、４ａ・・にそれぞれ当接するよう、位置決めされている。

この状態で、半導体チップ６に、バンプ６ａの並び方向に進行する粗密波の超音波振動を印加することで、半導体チップのバンプ６ａと配線基板４のパッド４ａとを接合する。
図１および図２において、この超音波振動（粗密波）の振幅（粗密波進行方向の変位量）を、半導体チップ６の上方にグラフとして表している。

図１において、印加する粗密波（超音波振動）は、その半波長（波長の半分の長さ）が、粗密波の進行方向（図１中、左右方向）に隣接する各電極端子（バンプ６ａおよびパッド４ａ）の間隔と等しくなるよう（電極端子の間隔の１分の１の長さとなるよう）設定されている。そしてなおかつ、粗密波の最大振幅点（粗密波進行方向の変位量が最大となる点）が、各電極端子の位置となるよう設定されている。

これにより、粗密波の半波長を半導体チップ６の粗密波進行方向の長さよりも長くする必要がある従来の半導体チップの接合方法と比較して、粗密波を大幅に高周波に設定しても、粗密波の不動点や振幅の小さい点に各電極端子が位置することがなく、各電極端子に確実に十分な超音波振動を印加することができる。

図２においては、印加する粗密波（超音波振動）の半波長が、隣接する各電極端子（バンプ６ａおよびパッド４ａ）の間隔の２分の１の長さとなるよう、設定されている。このようにすれば、図１の場合に比較して、倍の周波数の超音波振動を各電極端子に印加することができる。

一般的には、超音波振動の半波長が、「前記各電極端子の間隔の自然数分の１」の長さとなるよう設定すれば、各電極端子の位置に超音波振動の最大振幅点を位置させることができる。

なお、半導体チップのバンプと配線基板のパッドの材質の組み合わせとして、バンプとパッドとがともに金（Ａｕ）、または、バンプが金でパッドがアルミニウム（Ａｌ）といった組み合わせが一般的である。ただし本発明はこれらに限定されるものではない。

上述の通り設定された超音波振動を、半導体チップ６に印加する方法および装置の具体例を図３に示す。
図３に示すように、超音波振動子１０の先端に、接触体としてのホーン１２を取り付け、ホーン１２の先端部を、半導体チップ６の側端面に当接させる。そして、図示しない発振制御装置により超音波振動子１０を超音波振動させることで、ホーン１２を介して半導体チップ６に前記超音波振動を印加する。

ホーン１２は、超音波振動子１０側から先端に向かうにしたがって先細りに形成され、これにより、先端に向かうにしたがって超音波振動を増幅することができ、半導体チップ６に高振幅の超音波振動を有効に伝達することができる。

なお、接触体は必ずしもホーンでなくともよい。また、接触体を介さずに超音波振動子１０を半導体チップ６に直接当接させてもよい。
また、別途、半導体チップ６を上方から配線基板４に向けて押圧する押圧手段を設けて、半導体チップ６を配線基板に押圧しながら超音波振動を印加すれば、電極端子の接合をより強くすることができる。

次に、超音波振動を半導体チップ６に印加する方法および装置の別の例について、図４を用いて説明する。
図４において、ステージ２上に配線基板４が保持されている。また、半導体チップ６が接触体としてのボンディングツール１４（マウントヘッド）に保持されてボンディングツール１４とともに移動されて、半導体チップ６に設けられたバンプ６ａ、６ａ・・が、配線基板４に設けられた対応するパッド４ａ、４ａ・・にそれぞれ当接するよう位置決めされている。

ボンディングツール１４の両側端面には、超音波振動子１０が接続され、超音波振動子１０が図示しない発振制御装置で水平方向に超音波振動されることにより、ボンディングツール１４と半導体チップ６とがともに超音波振動される。

ボンディングツール１４には、半導体チップ６および配線基板４の各電極端子（バンプ６ａおよびパッド４ａ）に対応する位置に突起部１４ａが形成されており、ボンディングツール１４は、突起部１４ａの先端面で、半導体チップのバンプ６ａの形成面の反対面に当接される。また、ボンディングツール１４は、半導体チップ６に、図４中、下方向への荷重を与えている。
これによれば、突起部１４ａを介して超音波振動を各電極端子に有効に印加することができる。

以上のように、実施例１、２によれば、半導体チップ６に伝わる超音波振動の最大振幅点が電極端子（バンプ６ａおよびパッド４ａ）の位置となっていることで、高周波の超音波振動を用いながら、各電極端子を十分に振動させることができる。

上記実施例１、２においては、半導体チップ６に粗密波を印加する構成であるが、本発明に係る本実施例３は、半導体チップ６の全体を高周波に振動させる構成をもつ。
実施例３の構成を示す説明図を、図５に示す。
なお、本実施例３の半導体チップの接合装置は、上記実施例２と基本的な構成は共通するため、実施例２と共通する構成の説明は省略し、相違する構成のみを説明する。

ボンディングツール１６には、半導体チップ６に当接する突起部１６ａが、一定間隔で設けられている。ただし、実施例２における突起部１４ａとは異なり、突起部１６ａの形成位置は、半導体チップ６および配線基板４の各電極端子（バンプ６ａおよびパッド４ａ）に対応する位置である必要はない。

ボンディングツール１６を介して半導体チップ６に超音波振動を印加する超音波振動子１８は、ボンディングツール１６を伝わる粗密波であって、波長が、粗密波の進行方向に隣接する各突起部１６ａの間隔の、自然数分の１の長さ（図５においては波長と同じ長さ）であるとともに、最大振幅点が、各突起部の位置となる超音波振動を印加する。

本実施例３に係る半導体装置の接合装置および接合方法によれば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、突起体１６ａは前記超音波振動の波長分の間隔をあけて、最大振幅点に設けられている。したがって、各突起体１６ａは、ボンディングツール１６を伝わる粗密波によって、それぞれが互いに同方向に同一量の変位で振動される。そして、各突起体１６ａ間の、前記超音波振動により反対側に変位する位置においては、ボンディングツール１６と半導体チップ６とは接触していないため、半導体チップ６は、各突起体１６ａに伴って変位されて、チップ全体が水平方向に振動する。すなわち、半導体チップ６全体が、図５（ａ）の左方向ａの変位と、図５（ｂ）の右方向ｂの変位を繰り返して振動する。

以上のように、実施例３によれば、半導体チップ６全体を高周波に振動させることができる。

本願発明者は、本願発明の半導体チップの接合方法を用いて、印加する超音波振動の周波数を、従来の５０ｋＨｚ程度より高周波にして実験を行い、従来の周波数を用いる場合に比較して、接合強度が上がっていることを確認した。
また、５０ｋＨｚの超音波振動を印加する印加継続時間を長くして、振動数を、前記高周波の超音波印加によりなされる振動数と等しくする対照実験を行ったが、この場合においても高周波の超音波振動による接合の方が、接合強度が高かった。
これは、前述の通り、高周波の超音波振動の方が振動周期が短いため、接合中、振動周期の間に電極端子が酸化してしまうのを防ぐことができ、また単位時間中に電極端子に与えるエネルギーを大きくできることなどに起因するものと考えられる。

本実施形態においては、半導体チップを配線基板に接合する場合について説明を行ったが、本発明に係る半導体チップの接合方法は、これに限定されるものではなく、超音波振動を用いて半導体チップの電極端子を接合する用途であれば、あらゆる分野に適用することができる。
例えば、近年、半導体チップ同士を電極端子を介して接合する技術が研究されているが、その場合にも、電極端子の位置に超音波振動の最大振幅点がくるように超音波振動を設定し、または、半導体チップ全体を高周波に超音波振動させる本発明を適用することができる。
さらに、半導体装置の外部接続端子（電極端子）を超音波振動を用いてプリント基板に接合するような場合においても、外部接続端子の位置に超音波振動の最大振幅点がくるように超音波振動を設定し、または、半導体チップ全体を高周波に超音波振動させる本発明を適用することができる。

２ステージ
４配線基板（基板）
４ａパッド（電極端子）
４ｂ半導体チップの搭載面
６半導体チップ
６ａバンプ（電極端子）
１０超音波振動子
１２ホーン（接触体）
１４、１６ボンディングツール（接触体）
１４ａ、１６ａ突起部

Claims

半導体チップの電極端子と基板の電極端子とを当接させ、半導体チップの前記電極端子の形成面の反対面に当接させた接触体を超音波振動させて、半導体チップに超音波振動を印加することで、半導体チップと基板との電極端子同士を接合する半導体チップの接合方法において、
前記接触体には、複数の突起部が形成され、
前記接触体を、前記突起部の先端面で前記半導体チップの前記反対面に当接させ、
前記超音波振動は、前記接触体を伝わる粗密波であって、波長が、該粗密波の進行方向に隣接する各前記突起部の間隔の、自然数分の１の長さであるとともに、最大振幅点が、各突起部の位置となるように設定されていることを特徴とする半導体チップの接合方法。
半導体チップの電極端子と基板の電極端子とを当接させ、半導体チップに超音波振動を印加することで、半導体チップと基板との電極端子同士を接合する半導体チップの接合装置において、
先端面で前記半導体チップの前記反対面に当接する複数の突起部が形成された接触体と、
前記接触体を伝わる粗密波であって、波長が、該粗密波の進行方向に隣接する各前記突起部の間隔の、自然数分の１の長さであるとともに、最大振幅点が、各突起部の位置となる前記超音波振動を、接触体を介して半導体チップに印加する超音波振動子とを備えることを特徴とする半導体チップの接合装置。