JPH0748497B2 - 金属突起物の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、金属突起物の形成方法に関し、特に半導体素
子実装用の金属突起物の形成方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、LSIなどの半導体製品は各種の民生用機器、産業
用機器などその応用分野はますます拡大してきた。これ
らの機器は、その利用分野拡大のため低価格化とともに
ポータブル化が進められている。従って、半導体製品に
おいてもこれらの要求に対応するため、パッケージング
や機器へ組み込み工程の低価格化や軽量化、薄型化、小
型化といった高密度実装が要求されている。

一般に、半導体素子の高密度実装に適した方法としては
TAB方式が知られており、実用化の拡大がはかられてき
た。TAB方式の半導体素子と実装用配線基板間の接続に
は、半導体素子の電極配置に合わせてパターン化された
AuまたはSuメッキをしたCuからなる金属リードと金属リ
ード保持用ポリイミド膜とを貼り合わせした構成のフィ
ルムキャリヤを用いる。ここで、半導体素子のAl電極と
金属リード間の接合を行うには接合部を凸にする必要が
あり、Al電極部または金属リード上にバンプと呼ばれる
金属突起物が設けられる。この金属突起物を介したAl電
極と金属リードとの接合には通常熱圧着法が用いられて
いる。

従来の金属突起物の形成方法としては、いわゆるメッキ
バンプ法が広く用いられてきた。第７図は、一般的なメ
ッキバンプの形成工程を示す。まず、半導体素子30上に
Ti、Crなどの接着層40、Cu、Ptなどの拡散防止層41をス
パッタで積層形成する（第７図（ａ））。図中、35はAl
層、36は保護層、37はシリコン基板を示す。次いで、Al
電極部31以外を被うレジスト層42をリソグラフィ形成し
た後、電極部31にAuメッキ層43を約30μｍ形成する（第
７図（ｂ））。その後、レジスタ層42を除去した後、Al
電極部31を覆うレジスト層で保護してAl電極部31以外の
拡散防止層41、接着層40をエッチング除去する（第７図
（ｃ））。以上のような工程を踏みAl電極上にメッキに
より金属突起物が形成される。

メッキバンプ法以外では、第８図の工程図に示すAuワイ
ヤのボールボンディングの技術を用いるボールバンプ法
が注目され、開発が進んでいる。まず、キャピラリ50下
に出たAuワイヤ51の先端を電気トーチ52を用いて放電溶
融させAuボール53を形成する（第８図（ａ））。次い
で、Auボール53をAl電極31にキャピラリ50で超音波接合
した後（第８図（ｂ））、キャピラリ50、Auワイヤ51を
引き上げてAuボール部54のネック部からAuワイヤ51を引
きちぎりボール部54のみをAl電極31上に残す（第８図
（ｃ））。この方法は、湿式工程がなく工程が簡略で、
電極上に１点ずつ形成するため少量多品種に適してい
る。

他に、TABフィルム側に金属突起物を形成できるとして
転写バンプ法も有力視されている。この方法は、Al電極
に対応した導体開口部を持つメッキ用基板に電気メッキ
によりAuの突起物を形成した後、TABの金属リードと重
ね合わせて加熱加圧してAu突起物をメッキ用基板からTA
Bの金属リード上に転写するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来の金属突起物の形成方法は、下記のような
欠点をもっている。すなわち、メッキバンプ法は、工程
が複雑であり厚いメッキ膜を付けるため資材費や工数が
かかること、大きい設備投資が必要であること、素子歩
留の低下の原因となることなど形成コストが高いという
欠点がある。ボールバンプ法の場合は、湿式工程がない
という利点があるものの、Auボールの大きさのバラツキ
やワイヤを引きちぎったあとの高さのバラツキがあり、
またAuボールを用いるため電極ピッチは100μｍ程度が
限界でありそれ以下の微細接合は困難であるとされてい
る。さらに、TABフィルム接合時だけでなく、バンプ形
成時にも電極部に機械的ストレスをかけるので接合部の
信頼性が問題となっている。転写バンプ法は、メッキ用
基板へメッキを行うのでメッキバンプ法に比べチップ歩
留への影響がないが、工程の複雑さは解消出来ない上
に、Au突起物を不具合なくTABフィルム上に転写するに
はメッキ用基板の形成、メッキ工程などの高度の管理と
ノウハウが必要である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の金属突起物の形成方法は、多層構造を有する板
状金属材料をポンチとダイスを用いたプレス加工法によ
り打ち抜いて金属小片を形成する打ち抜き工程と、前記
金属小片を金属リードまたは基板上電極に接合する工程
とを有する。金属小片の金属リードまたは基板上電極へ
の圧着は、多層構造を有する板状金属材料を打ち抜いて
ポンチの移動を続けてポンチを用いて行うことができ
る。ポンチの先端に凹部を設けて金属リードまたは基板
上電極に圧着し金属小片の表面に凸部を形成することが
有効である。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に
説明する。

第１図は、本発明の一実施例の工程を示す断面図であ
る。まず、TABフィルム５の金属リード６を加熱ステー
ジ４上に設置し、リボン状の多層構造を有する金属材料
３を送り込んだポンチ１、ダイス２を有するプレス加工
治具をポンチ軸が金属リード６の先端に来るように位置
合わせする（第１図（ａ））。次に、ポンチ１に矢印方
向の所定の圧力を加えて下降させ金属材料３を打ち抜い
て金属小片を形成すると共に、連続してポンチ１を下降
させ金属小片を金属リード６上に圧着する（第１図
（ｂ））。プレス治具を取り除けば１個目の金属突起物
８の形成工程が完了する（第１図（ｃ））。このように
して、順次TABのリード上に複数の金属小片を圧着して
いき半導体素子の一連のAl電極に対応した金属突起物形
成を行うことができる。ここで、金属突起物８は金属材
料３を打ち抜きそのままリードに圧着しただけであるの
で、金属材料の構造に対応した多層構造となる。なお、
ダイス２の加工穴は精密放電加工で形成できる。ポンチ
１の外形は研削加工により作ることができる。ダイス
２、ポンチ１の材料にはハイス鋼、超硬合金、ダイス鋼
などが適している。

上述の方法で形成した金属突起物の形状、高さは金属材
料の厚さとポンチ先端形状で制御できるので精度が良好
であり、その後の半導体素子電極との接合の信頼性も高
い。本発明は、Auボールを作るボールバンプ法と異な
り、ポンチ径を小さくすることにより100μｍ以下の挟
ピッチリードを持つTABにも対応できる。上述の実施例
では、金属小片のリードへの接合は、加工用ポンチを用
いて行ったが、金属小片の形成後、ガイド機構を用いて
金属小片を送り専用治具でリードへ圧着してもよい。

第２、３図は、半導体素子のAl電極のTABフィルムの金
属リードと接合に適した多層構造の金属突起物形成の実
施例を説明する断面図である。第２図は、第１図を用い
て説明した方法で３層構造の板状金属材料を打ち抜いて
金属リード６上に圧着し３層構造の金属突起物8dを形成
した例である。半導体素子30のAl電極31にTABのAuメッ
キリード６を接合する場合、リードとの接合層32とAl電
極との接合層33には接合実績のあるAuを用い、中間層34
には低価格なCuを用いると良い。40μｍ高さ金属突起物
のとき、両面のAu層31、33は５μｍの厚さで良好な接合
性が得られる。このような３層材料は、圧延法やメッキ
で容易に形成でき、単層のAu材料を使用したときに比べ
て材料費を節減できる。上記と同様であるが金属リード
６との接合層32をハンダ合金とすることも有効である。
この場合、リードへの圧接は低圧力で軽く行い、ハンダ
の熱溶融により接合強度を得ることができる。また、金
属突起物材料であるAuとの接合性からTABの金属リード
のメッキ材料には従来Auが広く用いられてきたが、Pb・
Sn系ハンダのような低コストの材料を用いることもでき
るという利点もある。このように、本発明は多様な電極
や金属リードに対して金属突起物構成を選択できるの
で、低コスト化、接合の高信頼化に対する効果も大き
い。

第３図は、２層構造の金属突起物8eを半導体素子30のAl
電極31上に形成し、その後金属リード６を接合する例を
示す。この場合の金属突起物8eの形成方法も金属リード
に先に付けるときに同様にすれば良い。ただし、ボール
バンプ法と同様に金属突起物形成時に半導体素子30のAl
電極部31に機械的ストレスがかかる。金属リード６との
接合の際に再度の機械的ストレスをかけたくない場合
は、下記のような金属突起物8eの構成とするとよい。こ
の実施例では、Al電極側の層39をAu、金属リード側の層
38をAu・Siハンダの２層構造とした。金属リード６の熱
圧着に際してはハンダの熱溶融性を利用できるので小さ
い加圧力で行うことができ、接合部の信頼性を確保でき
る。このように本発明は、各種実装方式に適用できる。

なお、打ち抜いた金属小片の形状は、ポンチ・ダイス間
のクリアランス、軸ずれがそれぞれ８％以下、２μｍ以
下では良好であった。第４、５および６図はポンチの先
端形状と金属リード上に形成した金属突起物の形状を説
明する断面図である。第２図は先端が平坦面のポンチ１
を用いた場合である。金属突起物上面の外周部には、金
属リード６への圧着時にポンチ下が押しつぶされるため
生じたバリ13が残り、形成した金属突起物の上面は凹状
になる。金属小片のリード６との接合を予め強固してお
く必要があるとき、ポンチ１の加圧力を大きくすること
になるので、このバリ13が大きくなる。このとき、突起
物形成後の半導体素子のAl電極との圧着の際に、電極中
央部に圧力がかかりにくくAl電極との接合強度が低下す
る。

一方、第５図はポンチ先端が凹部のとき、第６図はポン
チ先端にメッシュ状の溝がはいっているときである。金
属突起物の外周部には上記と同様な理由でバリ13が生じ
るものの中央部はポンチ先端15の形状に対応した凸部16
が形成される。この場合、外周部にはバリがあっても中
央部が凸部があるため半導体素子のAl電極との圧着の際
には電極中央部に圧力がかかり易いので接合の信頼性が
高くなる。リードとの接合強度は、その後の半導体素子
のAl電極と圧着を通常の熱圧着工程で行うときは、この
圧着工程で金属リード・金属突起物間の接合も強化され
るので取扱中に外れない程度であれば良い。ポンチ圧力
は、打ち抜き後小さくて低加圧でリードに押し付けるよ
うにすれば、圧着時の金属小片のつぶれ量が小さく、バ
リの大きさや中央部の高さのバラツキを小さくできる。

〔発明の効果〕

本発明の金属突起物の形成方法は、湿式工程がなく、１
つのプレス機で金属小片の形成とリードまたは基板電極
上への接合を行うことが出来るので工程が簡略であり、
資材費や設備投資が少なくて済むなどの低コストの金属
突起物の形成ができる利点がある。また、金属突起物の
形状や高さは金属材料の厚みとポンチ先端形状で制御で
きるので、精度の高い金属突起物の形成ができ、接合を
高信頼化できるとともに挟ピッチ接合にも対応できる利
点がある。更に、実装の構成に応じて金属突起物の構造
の選択をし、低コスト化、高信頼化できるという利点も
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例を工程順に示す
断面図、第２、３図は本発明の実施例の金属突起物の多
層構造を説明する断面図、第４〜６図は、本発明の実施
例のポンチの先端形状と形成された金属突起物の形状を
説明する断面図であり、第４図はポンチの先端が平坦な
場合、第５図はポンチの先端面が凹状の場合、第６図は
ポンチの先端面に溝か入っている場合、第７図は従来の
金属突起物の形成方法のメッキバンプ法を工程順に示す
断面図、第８図は従来の他の金属突起物の形成方法のボ
ールバンプ法を工程順に示す断面図である。 １、1b、1c…ポンチ、２…ダイス、３…金属材料、４…
ステージ、５…TABフィルム、６…金属リード、７…ポ
リイミド膜、８、8b、8c、8d、8e…金属突起物、９…打
ち抜き残り部、10…ダイス穴部、13…バリ、14…ポンチ
動作、15…ポンチ先端面、16…金属突起物上面、30…半
導体素子、31…Al電極部、32、33、34、38、39…金属突
起物内の層、35…Al層、36…保護層、37…シリコン基
板、40…接着層、41…拡散防止層、42…レジスト層、43
…Auメッキ層、50…キャピラリ、51…Auワイヤ、52…電
気トーチ、53…Auボール、54…Auボール部。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多層構造を有する板状金属材料をポンチと
   ダイスを用いたプレス加工法により打ち抜いて金属小片
   を形成する打ち抜き工程と、前記金属小片を金属リード
   または基板上電極に接合する工程とを含むことを特徴と
   する金属突起物の形成方法。
2. 【請求項２】ダイスと協働して多層構造を有する板状金
   属材料を打ち抜いてポンチの移動を続けて前記金属小片
   を前記ダイスの下に位置決めされた金属リードまたは基
   板上電極に圧着する請求項１記載の金属突起物の形成方
   法。
3. 【請求項３】多層構造の少なくとも１層は金、銅、ハン
   ダ合金の中から選ばれた１つである請求項１または２記
   載の金属突起物の形成方法。
4. 【請求項４】ポンチの先端に凹部を設けて金属リードま
   たは基板上電極に圧着した金属小片の表面に凸部を形成
   する請求項1,2または３記載の金属突起物の形成方法。
5. 【請求項５】凹部が複数の溝であり凸部が複数の凸条で
   ある請求項４記載の金属突起物の形成方法。
6. 【請求項６】金属リードまたは基板上電極TAB方式のフ
   ィルムキャリヤの金属リードまたは半導体素子の電極で
   ある請求項１、２、３、４または５記載の金属突起物の
   形成方法。