JP4928945B2 - バンプ−オン−リードフリップチップ相互接続 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体パッケージングと、特にフリップチップ相互接続とに関する。
背景技術及び発明が解決しようとする課題
関連出願のクロス・リファレンス
本出願は、「バンプ−オン−リードフリップチップ相互接続」と題された2003年11月10日にファイルされた米国仮出願No.60/518,864からの優先権を主張する、また、本出願は、「バンプ−オン−リードフリップチップ相互接続」と題された2003年12月31日にファイルされた米国仮出願No.60/533,918からの優先権を主張する。上記仮出願の双方は、ここに参照することによって含まれる。
フリップチップパッケージは、基板に面しているダイのアクティブ面にてパッケージ基板上に実装された半導体ダイを備える。従来、基板の電気回路を具備するダイにおける電気回路の相互接続は、ダイ上の相互接続パッドの配列に属されるバンプ手段にて形成され、基板上の相互接続パッド(しばしば「キャプチャパッド」と称される)の対応する(相補的な)配列に接着される。
集積回路上の電子機構の面密度は非常に増大し、回路機能のより高い密度を有するチップもまたパッケージ基板に相互接続のためのサイトのより高い密度を有する。
前記パッケージは、それが使用されるデバイスのプリント基板(例えば、「マザーボード」)などの基礎的な電気回路に、パッケージと基礎的な電気回路との間の第2レベル相互接続手段にて接続されている。第2レベル相互接続は、フリップチップ相互接続より大きなピッチを有し、従って、基板上のルーティングは従来「散開する」。重要な技術進歩は良好なラインとスペースとの構成を可能にした。しかし、従来の配列においては、隣接したパッド間のスペースは、前記配列のより内部のキャプチャパッドから回避できるというよりもトレースの数を制限し、ダイの下のキャプチャパッドとパッケージの外部ピンとの間の散開ルーティングは、従来、パッケージ基板内の複数の金属層に形成される。複雑な相互接続配列に対しては、パッケージのダイパッドと第2レベル相互接続との間でルーティングを形成するために、複数層を有する基板が必要とされる。
複数層基板は高価であり、従来のフリップチップ構造においては、基板だけで一般にパッケージコスト(いくつかの典型的な例では約60%)の半分以上を占めている。複数層基板の高コストは、主流製品へのフリップチップ技術の拡散を制限する原因であった。
従来のフリップチップ構造において、ルーティングはシールドされていない配線のショートランと信号伝送パスにおける配線層間のバイアスとを備えるので、回避ルーティングパターンは、一般に更なる電気的な寄生を導入する。電気的な寄生は、パッケージ性能を実質的に制限する。
本発明によれば、フリップチップ相互接続は、パッド上にというよりも、リード上に相互接続バンプを直接接続することによって成される。本発明は、基板上のトレースのより効率的なルーティングをもたらす。特に、シグナルルーティングは、基板の単一金属層において完全に形成され得ることができる。これは基板における層の数を減らし、また、単一層にシグナルトレースを形成することは、基板が合う、ビア、ライン、およびスペースの設計規則のうちのいくつかの緩和を可能にする。基板のこの単純化は、フリップチップパッケージの総コストを大幅に減少させる。また、バンプ−オン−リード構造は、基板デザインからバイアスと「スタブ」のような機構を削除するのに役立ち、信号伝達のためのインピーダンス電気環境を制御するマイクロストリップを可能とし、従って性能が大いに改善する。
一般的な一側面において、本発明は、ダイの相互接続パッドに取付けられると共に基板の対応するトレース上に結合されるはんだバンプを具備するフリップチップ相互接続を特徴とする。
一般的な他の側面において、本発明は、アクティブ面の相互接続パッドに取り付けられたはんだバンプを具備するダイと、ダイ取付面に導電性トレースを具備する基板とを備え、前記バンプは、前記トレース上に直接結合されているフリップチップパッケージを特徴とする。
一般に、バンプ−オン−リード相互接続は、本発明の方法に従って、処理中の再溶解段階での溶融はんだを閉じ込めるためのはんだマスクを使用することなく形成される。はんだマスクの必要性を回避すると、より素晴らしい相互接続形状が可能となる。
いくつかの側面において、基板は、リード上の相互接続サイトの上に開口を有するはんだマスクを更に設けられる。いくつかの側面において、基板は、相互接続サイトにてリード上にはんだペーストを更に設けられる。
一般的な他の側面において、本発明は、ダイ取付面に形成されるトレースを具備する基板と、アクティブ面の相互接続パッドに取り付けられるバンプを具備するダイとを供給し；前記基板と前記ダイとをサポートし；基板(少なくともトレースの接続サイトを覆う)またはダイのアクティブ面(少なくともバンプを覆う)に、多量の硬化性接着剤を分配し；ダイと基板とを位置合わせすると共に、バンプが基板上の対応するトレース(リード)に接触するように一方を他方に対して移動させて、ダイのアクティブ面を基板のダイ取付面へ向けてダイを位置決めし；結合トレース上にバンプを押圧し、バンプと結合トレースとの間から前記接着剤を十分に置換するように力を加え；接着剤を少なくとも部分的に硬化処理し；前記バンプと前記トレースとの間の金属相互接続を形成するように、前記はんだを溶解した後に再凝固することによるフリップチップ相互接続形成方法を特徴とする。
一般的な他の側面において、本発明は、ダイ取付面に形成されるトレースを具備すると共にリードの相互接続サイト上に開口を有するはんだマスクを具備する基板と、アクティブ面の相互接続パッドに取付けられるバンプを具備するダイとを供給し；前記基板と前記ダイとをサポートし；ダイと基板とを位置合わせすると共に、バンプが基板上の対応するトレース(リード)に接触するように一方を他方に対して移動させて、前記ダイの前記アクティブ面を前記基板の前記ダイ取付面へ向けてダイを位置決めし；前記バンプと前記トレースとの間の相互接続を形成するように溶解した後に再凝固することによるフリップチップ相互接続形成方法を特徴とする。
いくつかの実施形態において、はんだバンプは、押出しはんだ部を備え、溶解および凝固ステップは、リード上で相互接続を形成するようにバンプを溶解する。いくつかの実施形態において、基板は、リード上にはんだペーストを更に設けられ、ダイと基板とを互いに動かすステップは、バンプとリードの上ではんだとの間の接触をもたらし、溶解と凝固ステップは、相互接続を形成するようにリード上ではんだを溶解する。
一般的な他の側面において、本発明は、ダイ取付面に形成されるトレースを具備し、リードの相互接続サイト上に開口を有するはんだマスクを具備し、相互接続サイトにてリード上にはんだペーストを具備する基板と、アクティブ面の相互接続パッドに取付けられるバンプを具備するダイとを供給し；前記基板と前記ダイとをサポートし；ダイと基板とを位置合わせすると共に、バンプが基板上の対応するトレース(リード)上ではんだペーストに接触するように一方を他方に対して移動させて、前記ダイの前記アクティブ面を前記基板の前記ダイ取付面へ向けてダイを位置決めし；前記バンプと前記トレースとの間の金属相互接続を形成するように、はんだペーストを溶解した後に再凝固することによるフリップチップ相互接続形成方法を特徴とする。
本発明は、本発明の選択的な実施形態を示す図を参照することによって、さらに詳しく説明される。図は、本発明の特徴と、それらと他の特徴及び構成との関係とを示す概略図であり、一定の比率ではない。説明の一層の明確化のために、本発明の実施形態を示す図において、他の図面において示される要素と一致する要素すべては、すべての図においてすぐに同一視可能であるが、特に符号を付け直しているわけではない。
従来のフリップチップ相互接続は、対応するキャプチャパッドの結合面上にバンプ(慣例的に、はんだバンプ)を接続するために溶解工程を利用して形成されており、それ故、これは「バンプ−オン−キャプチャパッド」(BOC)相互接続として知られている。2つの特徴がBOCデザインにおいて明白である：第一に、ダイ上のバンプと結合するために、比較的大きなキャプチャパッドが必要とされる；第二に、相互接続工程の間のはんだの流れを制限するために、一般に「はんだマスク」として知られている絶縁材料が必要とされる。はんだマスクの開口がキャプチャパッドにて溶解はんだの外形を規定してもよく(「規定はんだマスク」)、或いは、はんだの外形は、マスクの開口によって規定されなくてもよい(「非規定はんだマスク」)；後者の場合、以下でより詳細に説明されている図1の例のように、はんだマスクの開口は、キャプチャパッドよりかなり大きくてもよい。はんだマスクの開口を規定するための技術は、広い許容範囲を有する。従って、バンプ構成規定はんだマスクについては、キャプチャパッドは、マスクの開口がパッドの結合面に配置されることを保証するために、大きく(一般に、マスクの開口のデザインサイズよりかなり大きく)なければならない；そして、バンプ構成非規定はんだマスクについては、はんだマスクの開口は、キャプチャパッドより大きくなければならない。キャプチャパッドの幅(または円形パッドの直径)は、一般に、ボール(または、バンプ)の直径とほぼ同じであり、トレース幅よりちょうど2から4倍幅広とすることができる。このことは、最上位基板層上のルーティングスペースの相当な損失を引き起こす。例えば、特に、「回避ルーティングピッチ」は、基板技術が提供し得る最良のトレースピッチよりもずっと大きい。このことは、かなりの数のパッドが、しばしばダイのフットプリントの下で問題のパッドから出ているショートスタブ及びバイアス手段によって、下位基板層上にルートされなければならないことを意味している。
図1および2は、従来のフリップチップパッケージ10,20を断面概略図にて示している；図1の前記部分断面図は、図2の1-1’線に沿うパッケージ基板表面と平行な平面にて得られ；そして、図2の部分断面図は、図1の2-2’線に沿うパッケージ基板表面と垂直な平面にて得られる。所定の機構は、透明であるかのように示されているけれども、図1の機構の多くは、横たわる機構によって覆い隠されて、少なくとも部分的に示されている。図1と図2との双方を参照すると、パッケージ基板のダイ取付面は、誘電層12上に形成される金属または層を備える。金属層は、リード13とキャプチャパッド14とを形成するように模様付けされる。一般に、「はんだマスク」と称する絶縁層16は、基板のダイ取付面を覆う；はんだマスクは、通常感光性材料で構成され、キャプチャパッド14の結合面を露出させるように従来のフォトレジスト模様付け技術によって模様付けされる。ダイ18のアクティブ面のパッドに取り付けられた相互接続バンプ15は、ダイの電気回路と基板のリードとの間の適切な電気相互接続を形成するための基板上の対応するキャプチャパッド14の結合面に接続される。はんだが電気接続を構築するために冷やされた後に、欠肉部材17は、ダイ18と基板12との間のスペースに導入され、相互接続を機械的に安定させると共にダイと基板との間の構造を保護している。
図1に例示するように、基板(リード13)の上位金属層のシグナル回避トレースは、破線11によって示されるダイ端部位置を横切ってそれらの各キャプチャパッド14から通じており、ダイフットプリントから離れる。典型的な例において、シグナルトレースは、約112μmの回避ピッチPEを有してもよい。30μm/30μmのデザイン基準は、図1に示すような構成のトレース自身について典型的である；すなわち、トレースは名目上30μmの幅であり、それらは共に30μmと同じくらい近く間隔をおいて配置され得る。キャプチャパッドは、一般にトレース幅より3倍大きく、従ってこの例では、キャプチャパッドは、名目上90μmの幅（または、この例においてそれらが略円形状であるとたときの直径）を有する。そして、この例において、はんだマスクの開口は、パッドより大きく、135μmの名目上の幅(直径)を有する。
図1及び2は、はんだの外形を規定する非はんだマスクを示す。ダイ溶解におけるバンプの可溶材料として、溶融はんだはリードとキャプチャパッドとの金属を「濡らす」傾向があり、前記はんだはマスキングされないどのような隣接した金属表面の上ででも「流れ出る」傾向がある。前記はんだは、隣接したリード13に沿って流れる傾向があり、ここで、はんだ流れは、例えば図1の19において、はんだマスクによって制限される。パッドにてはんだの外形を規定する非はんだマスクは、図2に示されており、その中で、バンプ15の構成要素は、キャプチャパッド14の側部と基板12の誘電層の表面とに流れる29ように示されている。これは、はんだマスクが表面上及びキャプチャパッドの側部上でのはんだの流れを制限しないので外形規定非はんだマスクと称され、パッドでのはんだの多大な超過がない限り、はんだの流れは、基板の誘電性表面が一般に溶融はんだによって可溶となっていないという事実によって制限される。図1に示すように、従来の配置におけるキャプチャパッド密度の下限は、他のファクターと、信頼性のある狭いマスク構造を得るためのマスク形成技術の能力の制限と、隣接したマスク開口間にてマスク構成を成す必要性との間で決定される。加えて、回避密度の下限は、他のファクターと、より周辺側に位置するキャプチャパッド間でルートされるためのより中央側に位置するキャプチャパッドからの回避ラインの必要性との間で決定される。
図3は、図2に類似する断面図にてはんだの外形を規定する従来のはんだマスクを示す。ダイ38は、基板32の誘電層のダイ取付側の金属層を模様付けすることによって、トレース（リード33）とともに形成されたキャプチャパッド34の結合面上にバンプ35手段にて貼付られて示されている。はんだが電気接続を形成するように冷やされた後に、欠肉部材37は、ダイ38と基板32との間のスペースに導入され、相互接続を機械的に安定させると共にダイと基板との間の構造を保護する。ここで、キャプチャパッド34は、図1及び2に示す具体例より広く、はんだマスクの開口は、リード33と同様に39で示されるはんだマスク材料が側部と、各キャプチャパッドの結合面の一部とを覆うようにキャプチャパッドより小さい。バンプ35がそれぞれのキャプチャパッド34の結合面と接触し、その後溶解される場合には、はんだマスク材料39は、はんだの外形形状がキャプチャパッド34上のマスクの開口の形状と大きさとによって規定されるように、溶融はんだの流れを制限する。
図4及び6のそれぞれは、図5及び7のそれぞれの4-4’線及び6-6’線に沿う基板表面と平行な平面で得られる部分断面図にて、本発明の一実施形態に係るバンプ−オン−リード("BOL")フリップチップ相互接続の一部を示す。所定の構成は、透明であるかのように示されている。本発明によれば、前記相互接続は、基板上の各狭いリードまたはトレースの上にバンプを直接結合することによって形成され、従って、ここでは、「バンプ−オン−リード」("BOL")相互接続と称する。はんだマスク材料は、一般にそのようなよい形状に決定されることはできず、本発明のこれらの実施形態によると、はんだマスクは全く使用されない。代わりに、溶融はんだ流れを制限する機構は、(以下で説明されるように)組立工程の過程においてはんだマスクなしでなされる。図5は、図4の5-5´に沿うパッケージ基板表面と垂直な平面にて得られる、図4のパッケージの部分断面図を示し；そして、図7は、図6の7-7´に沿うパッケージ基板表面と垂直な平面にて得られる、図6のパッケージの部分断面図を示す。
本発明にかかるバンプ−オン−リード ("BOL")基板の回避ルーティングパターンは、図4と6とにおいて例示される：図4においては、相互接続ボールのためのダイ取付パッドがダイ周辺付近に並べられたダイを準備し、バンプ45は、破線41にて示されるダイフットプリントの端部付近に一列に並べて、回避トレース43の対応する相互接続サイトに結合される；図6においては、ダイ取付パッドがダイ周辺付近に平行に一列に並べて配列されたダイを準備し、バンプ65は、破線61にて示されるダイフットプリントの端部付近に相補的に配列されて、回避トレース63の対応する相互接続サイトに結合される。
図4と6とに示すように、本発明によるバンプ−オン−リード相互接続を用いて達成可能なルーティング密度は、基板技術によって提供される最良のトレースピッチと等しくすることができる。説明された具体的な場合において、このことは、従来のバンプ−オン−キャプチャパッド配置にて達成されるより約90%高いルーティング密度を構成している。BOL(例えば、図4)の周辺一列形態において、バンプは、基板の最良のトレースピッチと等しくすることができる良好なピッチで配置される。バンピング及びボンディングピッチは非常によくなければならないので、この配置は、組立工程への要求をもたらす。BOL(例えば、図6)の周辺配列バージョンにおいて、バンプは、エリア配列にて配置され、より大きなバンピング及びボンディングピッチに対するより大きなスペースを供給すると共に組立工程への技術的な要求を排除する。前記配列形態も、基板上のルーティングトレースは、前記周辺一列配置と同様の有効ピッチであり、図6のような配置は、良好な回避ルーティングピッチの利点を犠牲にすることなしに、微妙なピッチでバンピング及びボンディングをする負担を除去する。
特に図4及び5を参照すると、リード43は、基板誘電層42のダイ取付面の金属層を模様付けすることによって形成される。本発明によると、ダイ48の電気的相互接続は、ダイ上のバンプ45をリード43に直接結合することによって形成される。本発明によれば、図4及び5に示す実施形態のようにキャプチャパッドは必要でなく、はんだマスクは必要でない；前記工程は、以下に詳細に説明する。
従来のキャプチャパッドは、一般にバンプとほぼ同じ幅(直径)であり、一般にトレースまたはリード幅の2から4倍幅広である。高く評価されるように、リード幅のいくつかのバリエーションが予期される。ここに用いられるように、名目上またはトレース設計規則の幅の120%ものトレース幅におけるバリエーションは、キャプチャパッドを構成せず、本発明にかかるバンプ−オン−リード相互接続は、リードのそのようなより幅広い部分に形成されたバンプを備える。
同様に、図6及び7を参照すると、リード63は、基板誘電体層62のダイ取付面上の金属層を模様付けすることによって形成されている。シグナル回避トレースは、破線61によって示されるダイ端部位置を横切って通じており、ダイフットプリントから離れている。本発明によると、ダイ68の電気的相互接続は、ダイのバンプ65をリード63に直接結合することによって形成されている。ダイフットプリントの内部にて列をなす相互接続サイトからダイ端部位置を横切って通じている、ある回避トレース、例えば66は、相互接続サイトのより周辺の列のバンプ65の間を通過している。図6及び7に示す実施形態のように、本発明によれば、キャプチャパッドは必要でなく、はんだマスクは必要でない；前記工程は、以下に詳細に説明する。
図4及び6に示すように、本発明にかかるバンプ−オン−リード相互接続は、極めて高いシグナルトレース回避ルーティング密度を提供することができる。また、図4及び6に示すように、本発明の本実施形態にかかるBOL相互接続は、相互接続サイトでのはんだの外形を規定するためのはんだマスクの使用を必要としない。
図4，5，6，及び7に例示されるような実施形態のBOL相互接続構成は、はんだマスクを必要としない複数の方法のうちのいずれかによる本発明に従って形成され得る。一般に、相互接続バンプ(一般に、はんだバンプ)は、ダイのアクティブ側の相互接続パッドに貼り付けられる。基板のダイ取付面（上位面と称する）は、特定のダイのバンプ配置での相互接続に適切なトレースを形成するように模様付けされた上位金属層を備える。キャプチャパッドは必要でないので、模様付けされたトレース(リード)は、ダイのバンプ配置に相補的なパターンと対応するサイトを通るルートのみを必要とする。本発明の好ましい方法において、カプセル化樹脂接着剤は、相互接続工程の溶解段階でのはんだ流れを制限するために使用される。
図8及び9は、基板表面と平行な平面にて得られる断面図にて、本発明の他の実施形態にかかるバンプ−オン−リードフリップチップ相互接続の一部のうち2つの例を示す。所定の構成は、透明に示されている。本発明のこの実施形態によると、約80μmから90μmの範囲内の名目上のマスク開口の直径を有するはんだマスクが形成されている。はんだマスク材料は、そのようなピッチで決定されることができ、特に、基板は、90μmの開口を有すると共に、プラスマイナス25μmの位置公差を具備するはんだマスクにて比較的安い費用で形成されることができる。いくつかの実施形態において、標準の設計規則に従って形成されるラミネート基板(4つの金属層ラミネートなどの)が使用される。例えば、図8及び9に示す実施形態において、トレースは、〜90μmのピッチとしてもよいし、相互接続サイトは、破線81によって示されたダイフットプリントの端部を横切る〜90μmの効果的な回避ピッチを供給する270μmのエリア配列としてもよい。
図8及び9に示す実施形態においては、無流れ欠肉は必要ではない；従来の毛管状の欠肉は使用され得る。
図8のような実施形態において、相互接続は、基板82のダイ取付面の誘電層に模様付けされた狭いリードまたはトレース83の相互接続サイト84にバンプを直接結合することによって形成される；パッドは全くなく、はんだマスク86は、はんだ−可溶性リードに沿って相互接続サイトから離れるはんだ流れを防止して、マスク開口88の範囲内でのはんだの流れを制限するのに役立つ。更に、はんだマスクは、リード間での溶融はんだの流れを制限してもよく、または、これは組立工程において成されてもよい。
図8と同様に、図9のような実施形態において、本発明によれば、相互接続パッドはない。狭いリードまたはトレース93は、基板92のダイ取付面の誘電層に模様付けされる。はんだペーストは、相互接続のための可溶性媒体を形成するように、リード93の相互接続サイト94にて形成される。はんだマスク96の開口98は、ペーストを規定するのに役立つ。ペーストは、例えば標準プリント工程にて施され、その後リフローされ、そしてその後、ボールと接触するための均一面を形成する必要がある場合には、鋳造されてもよい。図8にて上述したように、はんだペーストは、基板を用いる組立工程に適用され得る；または、基板には、組立に先がけて適切に模様付けされたペーストが設けられていてもよい。はんだを選択的に相互接続サイトに適用することへの他のアプローチは、無電解メッキと電気メッキとの技術を含む本発明のはんだ−オン−リード形態において採用されてもよい。はんだ−オン−リード構成は、相互接続のための更なるはんだボリュームを形成し、それに応じてより高い製品生産高を実現することができ、また、より高いダイのスタンドオフを実現することができる。
それに応じて、いくつかの形態において、本発明にかかるはんだ−オン−リード構成は、高融点はんだバンプ(セラミック基板にて相互接続に従来使われていた高リードはんだなど)を基本基板に備えるダイの相互接続に使用される。はんだペーストは、基本基板がリフローの間に破損しないくらい融解温度を十分に低くするよう選択され得る。そのような実施形態において相互接続を形成するために、高融点相互接続バンプは、はんだ−オン−リードサイトに接続され、そして前記再溶解したものは、はんだ−オン−リードをバンプと融合させる。はんだ−オン−リード工程と共に非押出しバンプが使用されると、はんだの置換または流れが少量のはんだだけが各相互接続に存在するという事実によって制限される場合には、仮塗布される接着剤は必要でなく、そして前記非押出しバンプは組立部の崩壊を防止する。
他の実施形態において、本発明にかかるはんだ−オン−リード構成は、共晶はんだバンプを備えるダイの相互接続に使用される。
バンプ−オン−リード相互接続を形成するための好ましい方法の1つの形態が図10A-10Cに図示されている。
図を参照すると、基板112は、少なくとも1つの誘電層を有すると共にダイ取付面113上に金属層を有して形成され、前記金属層は、ダイ取付面上に、特に相互接続のためのサイトを具備するトレースまたはリード114を具備する電気回路を形成するように模様付けされている。基板112は、例えばキャリアまたはステージ116上で、サポートに面するダイ取付面113の反対側の基板表面によってサポートされている。多量のカプセル化合成樹脂122は、少なくともリード114の相互接続サイトを覆うように、基板のダイ取付面113上に分配される。ダイ102は、ダイパッド（図示しない）に取り付けられたバンプ104をアクティブ面103に具備して形成されている。バンプは、リードの結合面に接触する可溶材料を具備する。チャック106を備えるピック−アンド−プレイスツール108は、ダイの後部101とのチャック106の接触によってダイをピックアップする。ピック−アンド−プレイスツールを用いて、ダイは、図10Aに例示するように、ダイのアクティブ面を基板のダイ取付面に向けて基板に面して配置される；そして、ダイと基板とは、バンプ104が基板のトレース(リード)114上の対応する相互接続サイトに接触するように、他の一方へ向けて(矢印M) 位置合わせされて動かされる。そして、図10Bで示すように、力は、リードの相互接続サイトにて結合面134へバンプを押すように加えられる（矢印F）。力は、少なくともリード154の相互接続サイトにてバンプと結合面との間から接着剤122を置換するように十分でなければならない。バンプは、バンプの接触面上および／またはリードの取付面上の酸化被膜を破壊する力によって変形させてもよい。バンプの変形は、リードの上端及び端部にて押されるバンプの可溶材料に帰着してもよい。132にて示されるように、接着剤は、例えば選択された温度にまで熱くなることによって、少なくとも部分的に硬化することとなる。この段階で、前記接着剤は、部分的に硬化しさえすればよい、すなわち、前記接着剤と前記導電性トレースとの間のインタフェースに沿う溶融はんだの流れを後に防止するのに十分な範囲にまで部分的に硬化処理されるだけでよい。そして、バンプ105の可溶材料は、バンプ105とリード115との間で金属相互接続を形成するように、溶解されると共にその後再び固められ、そして、図10(C)において一般に140で示されるように、接着剤硬化処理は、ダイマウントを完成すると共に結合面(ここでは相互接続インタフェース)144での電気的相互接続を保護するようにして完成とされる。図10(C)に示す断面図の平面において、相互接続は、例えば図6のような構成で、所定のバンプ145と所定のリード155の対応する相互接続サイトとの間で形成される。他のリード156は、他の断面図で見える他の位置で相互接続される。かなり高いトレース密度が示されている。接着剤硬化処理は、はんだを溶解するのに先がけて、または同時に、或いは後に完成されてもよい。一般に、接着剤は熱的に硬化可能な接着剤であり、プロセスのあらゆる段階での硬化範囲は、温度を調節することによってコントロールされる。構成要素は、例えば、ピックアンドプレイスツールのチャックの温度を上げることによってまたは基板サポートの温度を上げることによって熱せられると共に硬化処理されることができる。
前記工程は、図11(A)乃至(D)において更に詳細に示される。図11(A)において、基板212は、導電性の(金属)トレース214と共にダイ取付面上に設けられ、トレース上の相互接続サイトは、接着剤222によって覆われている。ダイ202は、ダイのアクティブ面が基板のダイ取付面側に面するように基板212に関連して配置されると共に、ダイのバンプ204がトレース214上の対応する結合面と位置合わせされるように位置合わせされる（矢A）。ダイと基板とは、バンプがトレース上のそれぞれの結合面に接触するように互いの方向に動かされる。そして、図11(B)で示すように、力はお互いに対してバンプ205とトレース215とを動かすために加えられ、図11(B)において232にて示すように、接着剤を置換すると共に結合面234上及びトレースの端部上にてバンプを変形させる。トレース上のバンプの変形は、良好な電気的接続を形成しつつバンプの接触面上とトレースの結合面上との酸化被膜を壊し、トレースの端部上のバンプの変形は、良好な一時的機械的結合を形成するのに役立つ。図10(A)乃至(C)の例示のように、トレース216の所定の相互接続サイトは図11(B)の平面外にある。図11(C)において236にて示すように、熱は、部分的に接着剤を硬化処理するために加えられる。その後、図11(D)に示すように、熱は、バンプの可融性材料が溶解する原因となるように、十分にバンプの温度を上げるために加えられる。これは、接着剤246の硬化を十分に完了し（完全にそうとは限らないけれども）、リード215上の相互接続サイトで結合面244上へのバンプ245の金属相互接続を完了する。硬化処理された接着剤は、ダイマウントを安定させる。
好ましい方法の代わりの実施形態においては、接着剤は、ダイ表面または少なくともダイ表面のバンプ、好ましくは基板に仮塗布され得る。例えば、接着剤は貯留層にためることができ、ダイのアクティブ面は、多量の接着剤がバンプ上に運ばれるようにプールに浸され、取り除かれることができる；そして、ピック−アンド−プレイスツールを用いて、ダイは、ダイのアクティブ面を基板のダイ取付面に向けてサポートされた基板に面して配置され、ダイと基板とは、バンプが基板上の対応するトレース(リード)に接触するように、位置合わせされると共に互いの方向に動かされる。そのような方法は、参照することによってここに読み込まれる米国特許番号6,780,682、2004年8月24日において説明されている。そして、上述したように、力を加える工程、硬化処理工程、および溶解工程が実行される。
本発明にかかる工程に対する力と温度との表は、図12において図表として例示される。この表において、時間は水平軸上を左から右まで動き；力プロフィール310は太い実線にて示されており、温度プロフィール320は点線にて示されている。温度プロフィールは、約80℃乃至約90℃の範囲内の温度にて始まる。力プロフィールは、基本的に0から始まる。初期時間tiから始めると、以下で述べるように、力はFiから置換/変形力Fdまで急速(ほとんど即座)に上がり312、一定時間その力を保持する314。Fdは、バンプとリードの結合面との間から離れて接着剤を置換するのに十分に大きい力である；そして、好ましくは、酸化被膜を破壊すると共に良好な金属−金属(金属)接触を形成している結合面上、及び、いくつかの実施形態においてバンプとリードとの機械的な連結を形成する(「クリープ」変形)ためのリードの端部上で、バンプの可溶性(リード接触)部分を変形するのに十分である。必要な力の合計は、バンプ材料と大きさとに依存すると共にバンプの数に依存しており、過度の実験なしで決定され得る。力が上昇されると、温度もまた急速に初期温度Tiからゲル温度Tgまで上昇される322。ゲル温度Tgは、接着剤を(「ゲル」へ)部分的に硬化処理するのに十分な温度である。Fdに達しTgに達する前の瞬間に続いて、接着剤の部分的な硬化が始まる前に上昇した力が接着剤を置換すると共にバンプを変形させることを可能にするのに十分な長さである短いタイムラグtdefがあるように、力と温度との傾斜は決定されるのが好ましい。アセンブリは、接着剤の部分的な硬化を生じるのに十分な時間tgel、置換/変形圧Fd及びゲル温度Tgに保持される314,324。接着剤は、十分に硬くなるはずであり、その後は、はんだ再溶解段階の間良好なバンプの外形を保持することが可能である、すなわち、バンプの溶解された可溶性材料の不適当な置換、または溶解された可溶性材料のリードに沿う流れを防止するのに十分に硬くなる。一度、接着剤が十分な範囲に部分的に硬化すると、圧力は、実質的に無力（構成の重量）にまで急速に下方へ傾斜させられる318。その時、温度は、バンプの可溶性の部分（はんだ）を再び溶解するのに十分な温度Tmにまで、より遠くに急速に上昇させられ323、アセンブリは、少なくともトレース上ではんだを完全に形成するための十分な、好ましくは、接着剤を実質的に（必然的に完全でなくてもよいけれども ）硬化処理するための十分な時間tmelt/cure、再溶解温度Tmに保持される325。その後、温度は、初期温度Tiにまで下方へ傾斜させられ、最終的に周囲温度にまで傾斜させられる328。図12において説明された工程は、5乃至10秒の時間にその経過をたどることができる。
図12のような実施形態において、接着剤は「無流れ欠肉」と称してもよい。フリップチップ相互接続へのいくつかのアプローチにおいて、金属相互接続が最初に形成されて、それから、欠肉部材がダイと基板との間のスペースに流される。本発明にかかる「無流れ欠肉」は、ダイと基板とが接合される前に設けられ、無流れ欠肉は、リード上へのバンプの接近によって、およびダイと基板との向かい合った面によって置換される。本発明にかかる無流れ欠肉接着剤についての接着剤は、好ましくは、高速ゲル化接着剤である、すなわち、ゲル温度にて1乃至2秒のオーダーの時間で十分にゲル化する材料である。無流れ欠肉接着剤のための好ましい材料は、例えば、東芝ケミカルおよびLoktite-Henkelによって販売されされている、いわゆる非導電性ペーストと称されるものを含む。
代わりのバンプ構成は、本発明にかかるバンプ−オン−リード相互接続に用いられてもよい。例えば、特に、いわゆる合成はんだバンプが使われてもよい。合成はんだバンプは、リフロー状態下で押出し可能なものと、リフロー状態下で実質的に押出し不能なものを備える異なるバンプ材料にて形成され、少なくとも2つのバンプ部分を備える。非押出し部分は、ダイ上の相互接続サイトに設けられ；非押出し部分の典型的な従来の材料は、例えば高いリード(Pd)コンテンツを具備する様々なはんだを含む。押出し部分は非押出し部分に結合され、本発明にかかるリードとの接続を形成する。例えば、合成バンプの押出し部分の典型的な従来の材料は極小融点を有するはんだを含む。
合成バンプを使用しているバンプ−オン−リード相互接続の例は、図13の断面図にて示されている。図13を参照すると、ダイ302は、非押出し部分345と押出し部分347とを備える合成バンプを具備するダイのアクティブ面のダイパッド上に設けられる。押出し部分は、例えば極小融点を有するはんだ、または比較的低い温度で溶解するはんだであってもよい)。押出し部分はリードの結合面に接触し、リード上のバンプの可溶性部分の変形が求められる場合には、バンプの押出し部分は力が加えられている状態下で変形可能である。非押出し部分は、例えば高いリード(Pb)コンテンツを具備するはんだであってもよい。非押出し部分は、処理中に圧力下で基板に対してダイが移動し、処理のリフロー段階の間に溶解しない場合には変形しない。従って、非押出し部分は、ダイのアクティブ面と基板のダイ取付面との間の離間距離をもたらすように形成されることができる。
高く評価されるように、例えば図4、5、6、及び7に例示するような実施形態におけるバンプは、必ずしも完全に押出しバンプである必要がない。それらの図で示された構成は、上述のように、代わりに、合成バンプを用いる、或いは、はんだ−オン−リード方法を用いて形成されてもよい。
他の実施形態は請求項に存する。
図2の1-1’線によって示されるようなパッケージ基板表面と平行な断面における、従来のバンプ−オン−キャプチャパッドフリップチップ相互接続の部分概略図である。 図1の2-2’線によって示されるようなパッケージ基板表面と垂直な断面における、従来のバンプ−オン−キャプチャパッドフリップチップ相互接続の部分概略図である。 パッケージ基板表面と垂直な断面における、他の従来のバンプ−オン−キャプチャパッドフリップチップ相互接続の部分概略図である。 パッケージ基板表面と平行な断面における、本発明にかかるバンプ−オン−リードフリップチップ相互接続の一実施形態を示す部分概略図である。 図4の6-6’線によって示されるようなパッケージ基板表面と垂直な断面における、図4と同様の本発明にかかるバンプ−オン−リードフリップチップ相互接続の一実施形態を示す部分概略図である。 パッケージ基板表面と平行な断面における、本発明にかかるバンプ−オン−リードフリップチップ相互接続の他の実施形態を示す部分概略図である。 図6の7-7’線によって示されるようなパッケージ基板表面と垂直な断面における、図6と同様の本発明にかかるバンプ−オン−リードフリップチップ相互接続の他の実施形態を示す部分概略図である。 パッケージ基板表面と平行な断面における、本発明にかかるバンプ−オン−リードフリップチップ相互接続の他の実施形態を示す部分概略図である。 パッケージ基板表面と平行な断面における、本発明にかかるバンプ−オン−リードフリップチップ相互接続の他の実施形態の部分概略図である。 (A)乃至(C)は、本発明にかかるフリップチップ相互接続の製造工程のステップを示す断面概略図である。 (A)乃至(D)は、本発明にかかるフリップチップ相互接続の製造工程のステップを示す断面概略図である。 本発明にかかるフリップチップ相互接続の製造工程についての力と温度との表を示す概略図である。 合成バンプを備える本発明にかかるバンプ−オン−リードフリップチップ相互接続を示す断面概略図である。
符号の説明
42…基板、43…リード、45…バンプ、48…ダイ

Claims (6)

  1. 複数のバンプパッドを備える半導体ダイを供給する工程と、
    回避ルーティング密度を増加させるために、平面視でトレースに平行である端部を有し、幅がトレースの設計幅の約1.2倍より小さい相互接続サイトを有するトレースを複数備える基板を供給する工程と、
    可溶部とバンプパッドに取付けられる非押出し部とを有する合成相互接続を、半導体ダイのバンプパッド上に、複数形成する工程と、
    半導体ダイと基板との間を硬化性接着剤層で被覆する工程と、
    硬化性接着剤層の一部を変位させるため、及び、合成相互接続の可溶部をトレースの相互接続サイトに接続するために、硬化性接着剤層に対して合成相互接続を押圧する工程と、
    硬化性接着剤層を部分的に硬化させる工程と、
    合成相互接続の可溶部をリフローする工程とを備え、
    前記押圧する工程乃至前記リフローする工程では、硬化性接着剤層がゲル状となり部分的な硬化を生じるゲル温度の時に、所定の置換・変形力で硬化性接着剤層に対して合成相互接続を押圧し、該押圧が終わった後に、前記ゲル温度を、接着剤が硬化するとともに合成相互接続の可溶部が溶解する再溶解温度まで上昇させ、該再溶解温度の時に、部分的に硬化された硬化性接着剤層は、硬化性接着剤層とトレースとの間のインタフェースに沿った可溶部の流れを防止することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記硬化性接着剤層で被覆する工程は、相互接続サイトを被覆するために、基板に対して硬化性接着剤層を被覆することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記硬化性接着剤層で被覆する工程は、合成相互接続を被覆するために、半導体ダイに対して硬化性接着剤層を被覆することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 前記可溶部をリフローする工程は、合成相互接続の可溶部を溶解するのに十分であり、合成相互接続の非押出し部を溶解するのに不十分である再溶解温度まで、温度上昇させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 複数のバンプパッドを備える半導体ダイと、
    回避ルーティング密度を増加させるために、平面視でトレースに平行である端部を有し、幅がトレースの設計幅の約1.2倍より小さい相互接続サイトを有するトレースを複数備える基板と、
    相互接続サイトに冶金的にではなく接続される可溶部と、バンプパッドに取付けられる非押出し部とを各々が有し、半導体ダイのバンプパッド上に配置される複数の合成相互接続と、
    接着剤がゲル状となり部分的な硬化を生じさせるゲル温度の時に、所定の置換・変形力で前記合成相互接続によって基板に対して押圧され、前記ゲル温度より高い再溶解温度であって、接着剤が硬化するとともに合成相互接続の可溶部が溶解する再溶解温度の時に、接着剤層とトレースとの間のインタフェースに沿って、合成相互接続の可溶部が流れることを防止するために十分な程度まで、少なくとも部分的に硬化され、半導体ダイと基板との間に配置される接着剤層とを備えることを特徴とする半導体装置。
  6. 合成相互接続の可溶部は再溶解温度で溶解し、合成相互接続の非押出し部は再溶解温度で溶解しないことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
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