JP5457157B2 - 半田フリップチップ実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板にＳｎ（錫）系の半田を用いて半導体装置を接合した後の半田の再溶融を防止する半田フリップチップ実装方法に関する。

従来の半田フリップチップ実装において、Ｓｎ（錫）−Ａｇ（銀）−Ｃｕ（銅）系合金粉からなる溶融成分とし、Ｃｕ粉を混合させた接合材を母材とする半田材料が用いられている。このような半田では、接合時にＣｕが半田中の他の成分と合金化することによって、半田の融点が上昇して接合時の温度で溶融し難くさせているものがある（例えば、特許文献１参照）。

図４を参照して、上述の従来の半田フリップチップ実装方法（特許文献１）について説明する。同図において、符号１１は回路装置を示し、符号１２は配線基板を示し、符号１３は半導体装置を示し、符号１４はチップ電子部品を示し、符号１５は外装樹脂を示し、符号１６はアンダーフィルを示し、符号１７はランドを示し、符号１９は半田を示し、符号１８はワイヤを示している。

半導体装置１３は配線基板１２の上に実装されている。半導体装置１３の周囲に配置されたランド１７に、１つ以上のチップ電子部品１４が半田接合されている。半導体装置１３およびチップ電子部品１４は、外装樹脂１５によって被覆されて、回路装置１１は樹脂封止回路装置として構成されている。半導体装置１３の下面と配線基板１２との間には、形成された空間と、チップ電子部品１４の少なくとも一部に接する部分とにアンダーフィル１６が充填されている。

アンダーフィル１６が充填されている部分でのチップ電子部品１４の半田接合には、半田１９が用いられている。半田１９は、１度目の加熱による溶融温度よりも再度加熱した時の溶融温度が高くなる材質で構成されている。具体的には、半田１９は、一度目の加熱によって溶融する溶融成分と、この溶融成分と合金化する母材を含む。つまり、一度目の加熱により溶融成分と母材が全てまたは部分的に合金化し、溶融成分がなくなるかまたは減少する。結果、半田１９は、全体として溶融温度が高くなって、溶融しにくくなる。

特開２００８−１６７８５号公報

しかしながら、上述の従来の半田フリップチップ実装方法では、接合（一度目の加熱）時に合金化しない部分が半田に発生することがある。そして、リフロー時に半田（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）の非合金化部分が溶融して、既に接合された部分が外れてしまう問題がある。このような、半田の接合時の非合金化の原因としては、母材（接合材）中でのＣｕ粉の分散比のばらつき、Ｃｕ粉の分散比のばらつきに起因する金属粉の分散量の不均一、接合面での半田と接合相手との接触面積比のばらつき、或いは溶融時間の短さや金属間の接触面積の小ささがある。

本発明は、上述の接合時の半田の非合金化に起因する再リフロー時の半田接合部の外れを防止する半田フリップチップ実装方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半田フリップチップ実装方法は、
半導体チップと基板との何れか一方に位置する第１バリアメタルに半田バンプを形成し、他方に位置する第２バリアメタルの上面に凹凸部を有するＡｕバンプを形成するステップと、
前記凹凸部と前記半田バンプとを当接させるステップと、
前記当接された凹凸部と前記半田バンプとを加熱保持して、前記半田バンプ全体と前記凹凸部を有するＡｕバンプ全体とから合金接合部を形成し、前記第１バリアメタルと第２バリアメタルとを前記合金接合部で接合させるステップとを備える、半田フリップチップ実装方法であり、
前記合金接合部の形成では、前記半田バンプと前記Ａｕバンプとの非合金化部の残留を防止する。

本発明に係る半田フリップチップ実装方法によれば、接合部は後の再リフローにおいても再溶融しないという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る半田フリップチップ実装方法の説明図である。 図１の凹凸部の異なる例の説明図である。 本発明の実施の形態２に係る半田フリップチップ実装方法の説明図である。 従来の半田フリップチップ実装方法の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１、図２、および図３を参照して詳細に説明する。なお、各図において上述の図４に示した回路装置１１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１に係る半田フリップチップ実装方法により作成される回路装置の実装工程における縦断面を示す。同図において、符号１００は回路装置を示し、符号１００ａは半導体チップを示し、符号１００ｂは配線基板を示し、符号１０１は第１の基板を示し、符号１０２は第２の基板を示し、符号１０３は第１のバリアメタルを示し、符号１０４は第２のバリアメタルを示し、符号１０５は半田バンプを示し、符号１０６はＡｕバンプを示し、符号Ｐｊａは合金接合部を示している。

図１（ａ）に示すように、半導体チップ１００ａは、第１の基板１０１、第１のバリアメタル１０３、および半田バンプ１０５を含む。第１の基板１０１は、ウエハをダイシングして個片化したものである。第１のバリアメタル１０３は、第１の基板１０１の第２の基板１０２との対向面（図１においては下面）にＣｕやＴｉ（チタン）などで構成されている。半田バンプ１０５は、Ｓｎ（錫）、Ｐｂ（鉛）、Ａｇ（銀）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｎｉ（ニッケル）、およびＳｂ（アンチモン）系の半田をメッキ、蒸着、およびスクリーン印刷法などの方法で、第１のバリアメタル１０３上に、第２の基板１０２に対向するように構成されている。

配線基板１００ｂは、第２の基板１０２、第２のバリアメタル１０４、およびＡｕバンプ１０６を含む。第２の基板１０２は樹脂、Ｓｉ（シリコン）、セラミックス、およびポリイミドなどの樹脂フィルムで形成されている。第２のバリアメタル１０４は、第２の基板１０２の第１の基板１０１との対向面（図１においては上面）に、第１のバリアメタル１０３と同様に構成されている。Ａｕバンプ１０６は、メッキ、蒸着、およびスパッタなどで、第２のバリアメタル１０４上に形成されている。なお、Ａｕバンプ１０６の上面、つまり第１の基板１０１（半田バンプ１０５）との対向面は、所定の形状を有する凹凸部ＰＲが形成されている。この、Ａｕバンプ１０６の凹凸部ＰＲの形状については、後ほど
詳述する。凹凸の形成方法はスパッタ、蒸着、メッキの条件を変える方法、フォトリソパターニングを形成してエッチングする方法、型押しして凹凸を形成するなどの方法がある。

以下に述べる工程によって、半導体チップ１００ａが配線基板１００ｂに実装されて回路装置１００が構成される。

まず、図１（ａ）に示すように、上述のように構成された半導体チップ１００ａと配線基板１００ｂが、実装装置によって、半田バンプ１０５がＡｕバンプ１０６と対向するように、位置決めされる。

次に、半導体チップ１００ａと配線基板１００ｂは互いに押しつけられて、Ａｕバンプ１０６の凹凸部ＰＲが半田バンプ１０５の下面に当接する。この状態で加熱されて、図１（ｂ）に示すように、Ａｕバンプ１０６と半田バンプ１０５が接合される。なお、図１（ｂ）において、符号ＰＪは、Ａｕバンプ１０６と半田バンプ１０５の接合部を示している。

さらに、加熱されて、接合部ＰＪの半田が溶融して、Ａｕバンプ１０６と接触濡れが発生し、半田とＡｕが相互に拡散することにより合金化が進む。そして、この合金化した部分によって第１の基板１０１の第１のバリアメタル１０３と、第２の基板１０２の第２のバリアメタル１０４が合金接合される。図１（ｃ）において、符号Ｐｊａは、Ａｕバンプ１０６と半田バンプ１０５により形成された合金接合部を示している。

以下に、上述の本発明における合金化について詳述する。合金化は金属材料の界面より金属原子が相互に拡散することにより生じる。拡散は、金属材料固有の拡散係数、拡散温度および、拡散時間などの要素に支配される。拡散係数が高い程、或いは温度が高い程、拡散速度は速くなる。また、拡散距離は拡散時間に比例する。拡散係数Ｄは次式（１）で表現される。

Ｄ＝Ｄｏ・ｅ（−Ｅ／ＲＴ）ａ＝（２Ｄｔ）１／２ ・・・・（１）
Ｄ：拡散係数、Ｄｏ：頻度因子、Ｅ：活性化エネルギー、Ｒ：ボルツマン定数、Ｔ：温度、ａ：拡散距離、ｔ：時間
上式（１）より、温度Ｔが一定であれば、界面の面積が大きいほど、単位時間ｔあたりの拡散量は多くなることが分かる。この観点より、本発明においては、界面の面積を大きくすることによって、上述の従来の半田フリップチップ実装方法における半田の接合時の非合金化の原因のうち、接合面での半田と接合相手との接触面積比のばらつき、或いは溶融時間の短さや金属間の接触面積の小ささという問題の解消を図っている。具体的には、Ａｕバンプ１０６と半田バンプ１０５とが所定の頻度で（所定の間隔で分散した接触点で）接触するように、Ａｕバンプ１０６の上面に所定の表面粗さを有する凹凸部ＰＲが設けられている。

凹凸部ＰＲの表面粗さを大きくすることにより、半田バンプ１０５との界面を形成するＡｕバンプ１０６の表面積を大きくしている。通常、表面粗さＲａ＝０．１μｍを１μｍに変更することにより、その表面積は４０００倍となり、拡散の速度を向上させることができる。これは、図１（ａ）に模式的に表されているように、凹凸部ＰＲは所定の頻度および高さで分散した突起Ｐの集合体として形成されている。よって、Ｒａ＝１μｍで構成された凹凸部ＰＲ（Ｒａ＝１μｍ）は、Ｒａ＝０．１μｍで構成された凹凸部ＰＲ（Ｒａ＝０．１μｍ）に比べて、多数の点で半田バンプ１０５に均等に当接する。

各突起Ｐは十分小さいので、半導体チップ１００ａと配線基板１００ｂとを当接させた
場合に、各突起Ｐの先端は容易に潰れ（変形或いは座屈し）れる。よって、半田バンプ１０５と凹凸部ＰＲの先端との間の距離が少々不均一である場合にも、そのような不均一性を吸収して、凹凸部ＰＲは半田バンプ１０５に均等に当接できる。つまり、従来の半田フリップチップ実装方法におけるように、Ａｕバンプ１０６が凹凸部ＰＲを有さずに平面である場合に、半田バンプ１０５の下面と、１カ所以上での面、線、あるいは点で不均一に接触するような事態を防止できる。

凹凸部ＰＲ（Ｒａ＝１μｍ）の各突起Ｐは、凹凸部ＰＲ（Ｒａ＝０．１μｍ）の各突起Ｐに比べて、周囲の熱をより多く利用できる。つまり、本発明における凹凸部ＰＲの各突起Ｐは、従来の半田フリップチップ実装方法における、１カ所以上での面接触部、線接触部、或いは点接触部に比べて、単位質量あたり多くの周囲の熱を利用できる。なお、周囲の熱とは、半導体チップ１００ａおよび配線基板１００ｂの各構成要素の有する熱、およびリフロー工程などによる加熱によるものをいう。

このように、本発明においては、Ａｕバンプ１０６の凹凸部ＰＲの各突起Ｐは、周囲の熱をより効率良く利用して、急速に溶融する。そして、溶融した凹凸部ＰＲはＡｕバンプ１０６（凹凸部ＰＲ）と半田バンプ１０５との界面全体に広がり、両者間の拡散を促進して、所定時間内で合金化を完了させることができる。つまり、リフロー工程の所定の時間内で、非合金化部の残留を防止して、半導体チップ１００ａと配線基板１００ｂとの接合を完了して、合金接合部Ｐｊａが一様に生成される。なお、この合金接合部Ｐｊａには、非合金化部が含まれないので、非合金化部による再溶融も起きない。合金接合部Ｐｊａの融点は、半田（半田バンプ１０５）の融点より高くなるので、再度同一の温度を付加しても溶融しない接合状態を実現することができる。

なお、所定時間内に急速に合金化を完了させる条件としては、凹凸部ＰＲの表面粗さと、半田バンプ１０５およびＡｕバンプ１０６の金属量がそれぞれ、下記に述べる条件を満足する必要がある。凹凸部ＰＲの表面粗さは大きい方がより効果的であるが、本発明の実装技術が対象としている接合サイズは、５０μｍ角から１００μｍ角程度であるため、表面粗さＲａ＝１μｍ以上程度が好ましい。

また、半田バンプ１０５の金属量よりも、Ａｕバンプ１０６の金属量が少ない必要がある。なぜならば、半田が過多であれば、金属が相互に拡散して合金化する際に拡散限界に達した場合に、拡散しない半田が残り、その部分は融点上昇が生じず、再リフロー時に半田が再溶融する可能性があるからである。

また、半田はＳｎをベースとしたものがよく、対する金属はＡｕが最も良い。これはＳｎの融点が２３２℃であり、実装加工、および商品として使用するにあたり適する融点であることに加えて、実装技術で多く使用されているＡｕと拡散しやすいからである。また、ＳｎはＡｕと拡散した後に、その融点が上昇する。これはＡｕの原子半径は、０．１４４ｎｍであり、Ｓｎの原子半径は０．１４ｎｍとその差が小さく、また双方とも面心立方格子であるという点にある。なお、原子半径の差が１５％以上になると拡散しにくくなる。

Ｓｎ系の半田としてはＡｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｎｉ、およびＰｂなどの金属が用いられている。

単独材料として融点、伸び率、ヤング率などの制御を狙いとして設計されており、接合後の拡散観点からすると一長一短があるが使用できる範囲のものである。

合金接合部Ｐｊａとして形成される合金の融点は、Ｓｎは２３２℃、Ａｕ−２０Ｓｎは
２８０℃、Ｐｂ−５Ｓｎは３００℃、Ｐｂ−１０Ｓｎは２６８℃、Ｂｉ−２．５Ａｇは２６２℃、Ｓｎ−８Ｓｂは２４６℃、Ｓｎ―３．８Ａｇ−１．２Ｃｕは２１７℃、Ｓｎ―３７Ｐｂは１８３℃などである。要は、合金の融点が初期の半田の融点よりも高くなればよい。例えば、Ｓｎ（半田バンプ１０５）とＡｕ（Ａｕバンプ１０６）を接合する場合、Ｓｎが溶融する温度は２３２℃であるが、合金化した後は２８０℃以上の融点となる。

なお、本実施の形態において、チップ側に半田、基板側にＡｕとしたが、逆の構成によっても同様の効果を得ることができる。

上述のように、本発明においては、一度の半田接合で接合金属を元の金属よりも融点の高い金属に合金化し、再リフローにおいても再溶融しない半田フリップチップ実装方法を実現できる。

次に、図２を参照して、上述のＡｕバンプ１０６の凹凸部ＰＲの２つの例について説明する。上述のように、本発明の実施の形態においては、凹凸部ＰＲはその表面粗さがＲａ＝１μｍを満たす複数の突起Ｐが形成されている。そして、突起Ｐはその形状によって、本実施の形態においては、図２（ａ）に示す鋭角状突起Ｐａと、図２（ｂ）に示す丸形状突起Ｐｂとに大別される。なお、鋭角状突起Ｐａの集合を鋭角状凹凸部ＰＲａと呼び、鋭角状凹凸部ＰＲａを備えるＡｕバンプ１０６をＡｕ鋭角バンプ１０６ａと呼ぶ。同様に、丸形状突起Ｐｂの集合を丸形状凹凸部ＰＲｂと呼び、丸形状凹凸部ＰＲｂを備えるＡｕバンプ１０６をＡｕ丸形状バンプ１０６ｂと呼ぶ。

Ａｕ鋭角バンプ１０６ａ（図２（ａ））は鋭角状突起Ｐａを備えることにより、半田とアライメント実装後に加熱溶融する際の、Ａｕ鋭角バンプ１０６ａの半田バンプ１０５に対向するＡｕ鋭角バンプ１０６ａの表面積、つまり接触面積を大きくできるので、短時間での一様な合金化を実現できる。なお、電極サイズが１００μｍ角の場合、鋭角状突起Ｐａの底面は１０μｍ角、または丸形状、高さが２０μｍ程度が好ましい。

Ａｕ丸形状バンプ１０６ｂ（図２（ｂ））は、丸形状突起Ｐｂを備えることにより、Ａｕ鋭角バンプ１０６ａと同様に、Ａｕ丸形状バンプ１０６ｂの半田バンプ１０５に対する表面積、つまり接触面積を大きくでき、短時間で一様な合金化の実現を得られる。図の奥行きは幅と同様である。なお、電極サイズが１００μｍ角の場合、丸形状突起Ｐｂの底面は１０μｍ角、または丸形状、丸形状の高さが１０μｍ程度が好ましい。

なお、Ａｕバンプ１０６の突起Ｐの形状は半田（半田バンプ１０５）との接触面積、つまりＡｕバンプ１０６の半田バンプ１０５との対向面（突起Ｐ）の表面積を大きくすることができれば、上述の鋭角状突起Ｐａおよび丸形状突起Ｐｂ以外の形状であっても、同様の効果を得ることができる。Ａｕバンプ１０６の成形には、フォトリソパターニングを形成してエッチングする方法、型押しして凹凸を形成するなどの方法がある。

（実施の形態２）
図３に、本発明の実施の形態２に係る半田フリップチップ実装方法を示す。上述の実施の形態１においては、第１の基板１０１および第２の基板１０２は共にウエハをダイシングして個片化したものが用いられているが、本実施の形態においては、第２の基板１０２はシリコンウエハＷＦ上に形成されたままで用いられる。つまり、ウエハＷＦ上には、複数の配線基板１００ｂが形成されており、それぞれに半導体チップ１００ａが実施の形態１におけるのと同様にして、半田フリップチップ実装される。

図３に示す例では、加熱ステージ１１０の上に載置されたウエハＷＦ上には８つの配線基板１００ｂが形成されている。８つの配線基板１００ｂの内６つには、既に半導体チッ
プ１００ａが半田フリップチップ実装されて、回路装置１００が構成されている。そして、残り２つの配線基板１００ｂは、それぞれ半導体チップ１００ａが半田フリップチップ実装される前の状態である。

この状態において、図１（ａ）を参照して説明したように、半導体チップ１００ａと配線基板１００ｂとが位置合わせされる。そして、図１（ｂ）を参照して説明したように、半導体チップ１００ａと配線基板１００ｂは、半田バンプ１０５の下面とＡｕバンプ１０６の凹凸部ＰＲが当接され、さらに加熱して接合部ＰＪが形成される。さらに、図１（ｃ）を参照して説明した合金接合部Ｐｊａが形成されて回路装置１００が構成される。

つまり、接合部ＰＪが合金化して形成される合金接合部Ｐｊａの融点は、初期の半田（半田バンプ１０５）の融点よりも高いので、合金接合部Ｐｊａは以降の実装工程における熱により再溶融することなく、安定した接合状態を得ることができる。ウエハＷＦのような広い面積に相対的に小さいチップ（半導体チップ１００ａ）を加熱で接合する場合、チップ側の保持ツールでの加熱は常時加熱であるが、ウエハ（配線基板１００ｂ）側の加熱ステージ１１０側で必要な領域のみを加熱しておくことにより、実装後の接合部への熱影響を小さくすることができる。なお、第２の基板１０２はウエハ状態ではなく四角形の基板でもロール状態フレキシブル基板でもよい。

上述のように、本発明の半田フリップチップ実装方法によれば、一度の半田接合で接合金属を元の金属よりも融点の高い金属に合金化し、再リフローにおいても再溶融しない半田フリップチップ実装方法を実現することができる。

また、金属間の接触面積が大きく、相対する金属の量が同等であるため、溶融後に偏り、ばらつきが生じにくい。このため、再度リフローを通しても溶融する金属がない状態を得ることができる。

本発明は、リフローなどの連続加熱による半田フリップチップ実装に利用できる。

１１ 回路装置
１２ 配線基板
１３ 半導体装置
１４ チップ電子部品
１５ 外装樹脂
１６ アンダーフィル
１７ ランド
１８ ワイヤ
１９ 半田
１００ 回路装置
１００ａ 半導体チップ
１００ｂ 配線基板
１０１ 第１の基板
１０２ 第２の基板
１０３ 第１のバリアメタル
１０４ 第２のバリアメタル
１０５ 半田バンプ
１０６ Ａｕバンプ
１０６ａ Ａｕ鋭角バンプ
１０６ｂ Ａｕ丸形状バンプ
Ｐ 突起
Ｐａ 鋭角状突起
Ｐｂ 丸形状突起
ＰＪ 接合部
Ｐｊａ 合金接合部
ＰＲ 凹凸部
ＰＲａ 鋭角状凹凸部
ＰＲｂ 丸形状凹凸部
ＷＦ ウエハ
１１０ 加熱ステージ

Claims (3)

1. 半導体チップと基板との何れか一方に位置する第１バリアメタルに半田バンプを形成し、他方に位置する第２バリアメタルの上面に凹凸部を有するＡｕバンプを形成するステップと、
   前記凹凸部と前記半田バンプとを当接させるステップと、
   前記当接された凹凸部と前記半田バンプとを加熱保持して、前記半田バンプ全体と前記凹凸部を有するＡｕバンプ全体とから合金接合部を形成し、前記第１バリアメタルと第２バリアメタルとを前記合金接合部で接合させるステップとを備える、半田フリップチップ実装方法であり、
   前記合金接合部の形成では、前記半田バンプと前記Ａｕバンプとの非合金化部の残留を防止する半田フリップチップ実装方法。
2. 前記半田バンプは、Ｓｎを含む半田である請求項１に記載の半田フリップチップ実装方法。
3. 前記半田バンプは、Ｓｎと、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｎｉ及びＰｂのいずれかを含む半田である請求項１に記載の半田フリップチップ実装方法。