JPS62204547A

JPS62204547A - はんだバンプの形成方法

Info

Publication number: JPS62204547A
Application number: JP61046609A
Authority: JP
Inventors: Michihiko Inaba; 道彦稲葉; Tatsuya Hatanaka; 畠中　達也; Nobuo Iwase; 岩瀬　暢男; Seiichi Hirata; 誠一平田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-04
Filing date: 1986-03-04
Publication date: 1987-09-09
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH0727905B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明ははんだバンプの形成方法に関し、特に半導体工
業で使用されるものである。

（従来の技術）半導体装置のボンディング技術はワイヤボンディング技
術と、ワイヤレスボンディング技術との２つに大別され
る。

前者はワイヤで半導体チップのｆｆｉ［ｃとリードフレ
ームのリード端子とを接続するものである。この技術は
、接続数が少ない場合には十分対応できるが、素子の高
集積化に伴い、電極の寸法が１００−口取下となり、か
つａ回度となるにつれ、特に信頼性の点で問題が多くな
る。

これに対して、後者の方法は半導体チップの電極と、リ
ードフレームのリード端子又はガラス。

セラミックス基板上の電極とを一括してボンディングす
るものであり、素子の高集積化に対応して信頼性を確保
するために実用化がなされている。

このワイヤレスボンディング技術としては、例えばテー
プオートメ−ティラドボンディング方式（ＴＡＢ方式）
、フリップチップ方式あるいはＣＣＢ方式等が知られて
おり、これらの方式では通常半導体チップの電極上にバ
ンプを形成する。

このバンプとしては、従来から安価なＰｂ−８ｎはんだ
が検討されている。

従来、半導体チップの電極上に形成されるｐｂ−３ｎは
んだからなるバンプは、第７図に示すようなものである
。第７図において、シリコン基板１上には酸化シリコン
膜等の絶縁膜２を介してＡ２又はＡλ合金簀からなる電
極３がパターニングされて形成され、全面に窒化シリコ
ンＩＩＩ等のパッシベーション躾４を被覆したｌ餐、電
極３上のパッシベーションＩＩ　４を選択的にエツチン
グして電極３を露出させている。露出した電極３上には
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｕ％ＡＱ等からなる下地金
属５が形成されている。更に、下地金属５上にははんだ
バンプ６が形成されている。

前記下地金属５ははんだとの接合性を改善するために設
けられるものである。この目的のために下地金属５とし
ては１層〜３層の金属層が設けられ、種々の組合わせが
検討されている。

ところで、はんだバンプ６は通常メッキ又は蒸着により
形成され、種々の方法が提案されているが、これらの方
法は以下に述べるようにいずれも欠点がある。

めっきによる方法では、例えば電極孔あけ工程が終了し
た後、電極上の自然酸化膜を反応性イオンエツチングに
より除去し、電極部が開孔しためつきレジストを被覆し
、電極上の下地金属上にのみはんだめっきを行ない、め
っきレジスト及び下地金属の不要部分をエツチングする
という工程がとられる。ところが、このような方法は金
バンプの形成の場合には問題がないが、はんだバンプの
形成に適用しようとすると、はんだの耐薬品性がよくな
いため下地金属をエツチングする際、はんだもエツチン
グ液に侵されるという欠点がある。

したがって、Ｓｎ、Ｐｂを順次めっきし、下地金属のエ
ツチング後に加熱して合金化するという方法がとられる
。

また、蒸着による方法では、例えばｉｎ孔あけ工程が終
了した後、電極上の自然酸化膜を反応性イオンエツチン
グにより除去し、全面に１〜３層の下地金属を蒸暑し、
バターニングし、更に７！ＩＬ極上の下地金属上のみが
開孔したレジストを？！！ｉｌした後、はんだを蒸着し
、レジスト除去とともに不要部分のはんだを除去すると
いう工程がとられる。

しかし、蒸着法を用いる場合、はんだ中のＰｂとＳｎと
の蒸気圧が異なるため、共品紺成をもつはんだバンプを
形成することが困難であるという欠点がある。

いずれにしても従来の方法は、下地金属を用い、しかも
Ｉ！極部以外の部分にはんだがめつきあるいは蒸着され
ないようにマスクを形成しなければならない等、工程の
煩雑化につながる基本的な問題点がある。

このため、超音波を利用したはんだづけによりＡｌ２１
！極上にバンプを形成する方法が提案されている（特開
昭５３−８９３６８＞。しかし、この方法で用いられて
いるはんだはＳｎ、ＺｎＳＭｏ、Ｂｉ、Ｓｂを基準成分
とするため、Ａ２電極以外の部分にも付着してしまうし
、バンプの高さも低いという欠点がある。

（発明が解決しようとする問題点）本発明上記問題点を解消するためになされたものであり
、電極上に下地金属を設けることなく、直接はんだバン
プを形成することができ、工程を簡略化できる方法を提
供することを目的とする乙のである。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段と作用）本発明のはんだ
バンプの形成方法は、基板を被覆する絶縁膜から電極を
露出させ、少なくとも電極部の表面に油又は界面活性剤
を接触させた後、少なくとも電極部に溶融はんだを接触
させて該溶融はんだに超音波を印加し、電極表面の自然
酸化膜を破壊するとともに電極との合金化により選択的
にはんだを付着させることを特徴とするもので必る。

本発明の作用を原理的に説明すると、以下のようになる
。すなわち、電極部に接触した溶融はんだに超音波を印
加すると、超音波エネルギーにより溶融はんだ中に金鷺
蒸気の気泡が発生する。この気泡は瞬時に成長・消滅し
、局部的に＾温・高圧となる。この高圧の気泡が破壊す
る時、電橋表面に強い′ｆＩＪ撃を与え、これによりＮ
極表面の自然酸化膜が破壊されるとともに、露出したＴ
ｉｔｌの新生面に選択的にはんだづ（プが行なわれる。

このようにして電極上にはんだバンブが形成される。

ただし、上記のような手段を用いるだけでは、Ａｌｌ：
ＩＩ及び溶融はんだの酸化が起り、溶融はんだのぬれが
悪くなっていわゆるブリッジが生じ、はんだバンプ同士
が接続される不良が発生するおそれがある。これを防止
するために、不活性ガスを流しながらはんだづけ操作を
行なうという対策がとられているが、このような対策で
は酸化を十分に防止できない。

そこで、予め基板表面に油又は界面活性剤を接触させて
おくと、基板（少なくとも電極部）に溶融はんだを接触
させた時、あるいは基板を溶融はんだ槽から引上げる時
に、これらの膜が溶融はんだあるいははんだバンブの表
面に一様に分散し、これらの表面が大気にさらされるこ
とがなく、酸化を防止することができる。したがって、
はんだの表面張力でバンプ形状が保たれ、バンプ間のブ
リッジを防止することができる。このように高精度には
んだバンブが形成できるので、特に電極の径及び電極間
のピッチが小さくなった場合に有効である。

本発明において、油は溶融はんだ表面に一様に分散する
ものであればどのようなものでもよい。

例えば、一般的な動物油や植物油でもよいが、これらの
油は不純物を多く含んでいる場合もあるので、シリコー
ン油やフッ素油を使用することが望ましい。また、界面
活性剤を用いても油と同法の効果を得ることができる。

基板の少なくとも電極部に油又は界面活性剤を接触させ
る方法としては、基板を液状の油や界面活性剤の溶液に
浸漬する、基板上にこれらをスプレーする、布等を用い
て基板上又は電極部上にのみこれらを塗布する、電極部
上にのみこれらを滴下する等の方法を用いることができ
る。なお、Ａｊ２？ｉ極上にフラックスやリン酸、硝酸
等のエツチング液を塗布する場合には、これらを塗布し
た後に油又は界面活性剤を付着させる方が効果的である
が、この逆でもさしつかえない。

次に、はんだづけを実施するための具体的な手段として
は、基板をはんだ槽内の溶融はんだ中に浸）真し、超音
波振動子を挿入して？Ｉｌ融はんだに超音波を印加する
か、又は溶融はんだ槽自体を超音波撮動させて溶融はん
だに超音波を印加してもよいし、超音波振動できるはん
だごてを用い、１！極に溶融はんだを接触させると同時
に溶融はんだに超音波を印加してもよい。また、はんだ
バンプ形成後、バンブ高さが足りない場合には超音波を
印加しない一般のはんだ槽に浸漬してバンブ高さを高く
してもよい。なお、事前にはんだ浴の上に油又は界面活
性剤を滴下しておけば、溶融はんだ表面にこれらの膜が
一様に分散するためより効果的である。また、はんだづ
け後に残留している油や界面活性剤は有機溶剤等で洗浄
することが望ましい。

本発明方法は、基板が半導体基板であってもガラスある
いはセラミックス等の絶縁基板であっても同様に適用で
きる。これらの基板を上記のように溶融はんだに浸漬す
る場合、基板全体を浸漬してもよいし、部分的に浸漬し
てもよい。また、電極以外のパッシベーション膜等の絶
縁膜にははんだが付着しないので、ポリイミド等で覆う
必要はないが、電極以外の金属が露出している場合には
保護する必要がある。なお、半導体ウェハを溶融はんだ
中に浸漬する場合、ブレードダイシングを行なった後で
あると、ダイシングラインに沿って割れて半導体チップ
が分離することがあるので、これを防止するために、ウ
ェハの裏面に高温用の粘着テープを貼付け、更に金属や
ガラス等に接着したり、ウェハの裏面を真空チャック等
で吸着しておくことが望ましい。また、はんだバンプを
形成し・た後、ブレードダイシングを行なってもよい。

また、半導体素子では通常電極としてＡ２又はＡｇを主
成分としてＳｉやＣＬＩを添加したものが用いられるこ
とが多い。これらの材質からなる電極に対応して用いら
れるはんだはどのようなものでもよいが、通常はＰｂ−
８ｎはんだあるいはＡｇやＣｄ入りのはんだを利用する
。また、古くなった電極でははんだが付着しにくいこと
もあるため、ＺｎＪＦｒ添加したはんだを用いてもよい
。上記のような電極及びはんだの組合わせでは、電極と
はんだバンブとの間にＡｆｆｉとはんだとの合金属が形
成される。なお、古くなった電極では、その表面が固い
酸化膜で覆われていることがあり、この場合には前処理
としてオゾンをふきかけてもよい。

また、はんだづけ操作は、不活性ガスを流して非酸化性
雰囲気中で行なうことが望ましい。これは雰囲気ガスが
５％以上の酸素を含む場合、上述したように酸化が起り
易くなるので、油や界面活性剤の効果を補うためである
。

本発明において、溶融はんだに印加する超音波の周波数
は１０〜６０ｋＨ２程度でよく、好ましくは１５〜４０
ｋＨｚである。これは、周波数が低すぎると、上記のよ
うな作用が起りにクク、逆に高すぎると電極等の剥離を
起すおそれがあるためである。また、超音波の出力は２
〜５００Ｗ程度でよいが、好ましくは１０〜３００Ｗで
ある。

一方、溶融はんだの温度は２３０〜３５０℃程度、処理
時間は０．１〜１０秒程度である。これは湿度が高く処
理時間が長いと電極の構成元素であるＡ２の溶解が起り
、逆に温度が低く処理時間が短いとＡｇとはんだとの合
金化が行なわれなくなるためである。好ましくは、溶融
はんだ温度２４０〜３２０℃程度、処理時間０．５〜５
秒程度がよい。

なお、ガラス又はセラミックス基板はシリコン又は化合
物半導体基板と比較して別れにくいため、超音波の周波
数、出力、溶融はんだの温度等を高くすることができる
。また、はんだ成分によって液体となる温度が異なるた
め、はんだ成分に合わせた温度を選ぶことがよい。

以上のようにしてはんだバンブが形成された基板はワイ
ヤレスボンディング技術で実装される。

例えば、ＴＡＢ方式では、はんだバンブが形成された半
導体基板とリードフレーム（テープ）とを位置合わせし
て熱圧着する。この場合、リードフレームを構成する導
体金属はＣＵ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、ＡＵ、Ａ
Ｑ、３ｎ等が用いられる。これらの金属をめっきしたも
のでもよい。ただし、リードフレーム側がＦｅ−Ｎｉ合
金の場合にはフラックスを使用する。また、八λの場合
にははんだを同様な方法で付着させておくことが２まし
い。この場合、リード間の間隔が狭い時には、基板の場
合と同様に油や界面活性剤を付着させることが効果的で
ある。また、フリップチップ方式やＣＣＢ方式でははん
だバンプが形成された半導体チップとはんだバンプが形
成されたガラス又はセラミックス基板のバンプ同士を熱
融着する。

以上のように本発明によれば、下地金属を使用すること
なく、電極上に直接はんだバンブを高精度に形成するこ
とができるので、工程を簡略化して大幅な時間短縮を達
成できる。また、後のワイヤレスボンディング工程も容
易に行なうことができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１通常のウェハプロセスにより配線・電極の形成を行なっ
た後、全面にパッシベーションｊｌ　ｆ　Ｉｆｆ積し、
更にコンタクトパッド用の開孔部を形成したシリコンウ
ェハ１１を用意した。前記配線・電極はスパッタリング
装置により形成された膜厚的１譚のＡ２−２％５ｉ−２
％Ｃｕからなり、またパッシベーション膜としては窒化
シリコン膜が用いられている。そして、このシリコンウ
ェハ１１に形成された各チップには３０譚口の電極（コ
ンタクトパッド）がそれぞれ２００個形成されている。

なお、このシリコンウェハ１１についてはブレードダイ
シングを行なっていない。

まず、このシリコンウェハ１１の裏面に？３温用の両面
接着テープを貼付し、表面側をシリコーン油の槽に浸漬
した。

次に、第１図に示すような超音波はｌυだづけ装置を用
いて、このシリコンウェハ１１の電極上にはんだバンブ
を形成した。第１図において、はんだｌ！２１内にはは
んだの還流路２２が形成され、溶融はんだ２３が収容さ
れている。この溶融はんだ２３は図示しないモータによ
り回転される撹拌棒２４により還流路２２内を通って液
面より上に噴出して還流する。前記シリコンウェハ１１
は裏面に高温用の両面接着テープを貼付し、更に図示し
ないガラス板に接着した状態で縦にして、噴出している
溶融はんだ２３に浸漬される。そして、シリコンウェハ
１１近傍のＷＪＦａはんだ２３中に超音波振動子２５を
挿入して溶融はんだ２３に超音波を印加する。

なお、はんだとしてはＰｂ−８ｎの共晶はんだを使用し
、はんだ１舒瀉度を２８０℃に維持した。

また、超音波振動子２５により溶融はんだ２３に周波数
２０ｋＨｚ、出力８０Ｗの超音波を印加し、シリコンウ
ェハ１１の浸漬時間は１秒間とした。

このはんだづけ操作中、周囲に窒素ガスを１０ｆｆ／分
の流」で流し、電極の構成元素であるアルミニウム及び
はんだ中のスズの酸化を防止した。

この操作により第２図に示すように、はんだバンブが形
成された。すなわち、浸漬前にはシリコン基板３１上に
は酸化膜３２を介して電極３３が形成され、全面を被覆
するパッシベーション膜３４から電極３３が露出してい
るが、浸漬後にこのＩ！［３３上にはんだバンブ３５が
直接接合して山型に形成された。このバンブ高さは１５
−であった。なお、電極３３とはんだバンブ３５との接
合面にはＡ２とＳｎとの合金層が薄く生成していた。

次いで、シリコンウェハ１１をブレードダイシングして
個々のチップに分離した。これと別に銅リードフレーム
が形成され、その表面に金めつきが施されたＴＡＢ方式
のテープを用意した。そして、チップのバンブとテープ
のリード端子とを位置合わせして２７０℃で両者を熱融
着した。このインナーリードボンディング工程でも全く
問題は生じなかった。

実施例２実施例１と同様なシリコンウェハ１１を用意した。この
場合、配線・電極としてはＡＲ−１％Ｓｉが用いられ、
シリコンウェハ１１に形成された各チップには４０−口
のｆｆ１ｔｆｆｉ（コンタクトパッド）がそれぞれ１６
３個形成されている。なお、このシリコンウェハ１１は
素子形成後、かなりの期間を経ており、電極表面が固い
酸化膜で覆われていることが予想されたので、オゾン洗
浄を行なった。また、一部に電極以外の金属が露出して
いるので、ポリイミドで電極以外の金属をマスクした。

まず、このシリコンウェハ１１表面にフッ素油をスプレ
ーした。

次に、第３図に示すような超音波はんだづけ装置を用い
て、このシリコンウェハ１１のＷＡＮ上にはんだバンブ
を形成した。第３図において、はんだ槽４１内にははん
だの還流路４２が形成され、溶融はんだ４３が収容され
ている。この溶融はんだ４３は図示しないモータにより
回転される撹拌棒４４により還流路４２内を通ってはん
だ槽４１中央部で液面より上に噴出して３！流する。前
記シリコンウェハ１１は裏面をバキュームチャックによ
り吸着された状態で、電極が形成されている表面の全面
が噴出した溶融はんだ４３の液面に浸漬される。そして
、はんだ槽４１の底面から超音波振動子４５を挿入し、
シリコンウェハ１１近傍の溶融はんだ４３に超音波を印
加する。

なお、はんだとしてはＡＱを２％含むＰｂ−３ｎの共晶
はんだを使用し、はんだ槽温度を２６０℃に維持した。

また、超音波振動子４５により溶融はんだ４３に周波数
３０ｋＨｚ、出力５０Ｗの超音波を印加し、シリコンウ
ェハ１１の浸漬時間は３秒間とした。このはんた゛づけ
操作中、周囲にＡｒガスを２０ρ／分の流出で流した。

この操作により第２図に示すようなバンブ高さ１０−の
はんだバンブが形成された。更に、超音波を印加しない
一般のはんだ槽内に２秒間浸漬してバンブ高ざを２０Ｊ
Ｊ！ｎとした。

次いで、シリコンウェハ１１をブレードダイシングして
個々のチップに分離した後、ＴＡＢ方式のテープとの間
で実施例１と同様にインナーリードボンディングを行な
ったが、全く問題は生じなかった。

実施例３実施例１と同様なシリコンウェハ１１を用意した。この
場合、配線・電極としてはＡｎ−１％Ｓ１が用いられ、
シリコンウェハ１１に形成された各チップには３００ｍ
口の電極（コンタクトパッド）がそれぞれ８個形成され
ている。

まず、このシリコンウェハ１１の表面をリン酸水溶液に
浸漬し、ポリオキシエチレンメチルエーテルの溶液を滴
下した。

次に、第４図に示すような超音波を印加するこもに、超
音波を印加してはんだバンブを形成した。

なお、はんだとしては９０Ｐｂ−３ｎはんだを使用し、
はんだ温度を３００　’Ｃに維持した。また、溶融はん
だ５２には周波数４０ｋＨ２、出力３０Ｗの超音波を印
加し、はんだづけ時間は５秒間とした。また、この場合
には、はんだづけ面積が大きいため、周囲に不活性ガス
を流す必要がなかった。

この操作により第２図に示すような、バンブ高さ８０ｍ
のはんだバンブ３５が形成された。

なお、本発明において用いられる超音波はんだづけ装置
は、上記実施例１〜３で用いたものに限らず、例えば第
５図に示すようなものでもよい。

第５図図示の超音波はんだづけＩ胃は、はんだ槽６１自
体が超音波撮動し、溶融はんだ６２に超音波を印加する
ものである。

また、上記実施例１〜３では、本発明をＴＡＢ方式のワ
イヤレスボンディングに適用した場合について説明した
が、これに限らず本発明はフリップチップ方式あるいは
ＣＣＢ方式等他のワイヤレスボンディングにも同様に適
用できる。この場合、まず第６図（ａ）に示すようにシ
リコン基板３１上に絶縁膜を介して電極３３を形成し、
全面をパッシベーションＩ！３４で被覆した後、電極３
３上に開孔部を設けたものと、第６図（ｂ）に示すよう
なガラスあるいはセラミックス基板７１上に電極７２を
形成し、全面を絶Ｉｔ　ＩＩ　７３で被覆した後、１！
極７２上に開孔部を設けたもののそれぞれについて、実
施例１〜３で説明したような方法で電極３３．７２上に
はんだバンブ３５を形成する。次に、第６図（Ｃ）に示
すように、両者のはんだパンツ３５同士を熱融着するこ
とにより接合する。

更に、上記実施例１〜３では、本発明をＡＲを主成分と
してＳｉ、Ｃｕ等の添加物を含む電極上でのはんだバン
プ形成について説明したが、本発明は電極がタングステ
ン、モリブデン等の金属又はこれらの金属のシリサイド
であっても同様に適用できる。

［発明の効果］以上詳述した如く本発明のはんだバンブの形成方法によ
れば、極めて簡便な工程で電極上に直接はんだバンブを
高ｆＩｒｘに直接形成することができ、ワイヤレスボン
ディング技術の導入を容易にし、素子の微細化に対応し
てボンディングの信頼性の古い半導体装置を製造できる
等産業土掻めて顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１におけるはんだバンブの形成
方法を示す説明図、第２図は本発明方法によりはんだバ
ンブが形成されたシリコノウ１ハの断面図、第３図は本
発明の実施例２におけるはんだバンブの形成方法を示す
説明図、第４図は本発明の実施例３におけるはんだバン
ブの形成方法を示す説明図、第５図は本発明の他の実施
例におけるはんだバンブの形成方法を示す説明図、第６
図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の他の実施例におけるワイヤ
レスボンディングの工程を示す断面図、第７図は従来の
はんだバンプが形成されたシリコンウェハの断面図であ
る。１１・・・シリコンウェハ、２１・・・はんだ槽、２２
・・・還流路、２３・・・溶融はんだ、２４・・・撹拌
棒、２５・・・超音波振動子、３１・・・シリコンＭ板
、３２・・・絶縁膜、３３・・・電極、３４・・・パッ
シベーション躾、３５・・・はんだバンプ、４１・・・
はんだ槽、４２・・・還流路、４４・・・撹拌棒、４５
・・・超音波振動子、５１・・・はんだごて、５２・・
・溶融はんだ、６１・・・はんだ樽、６２・・・溶融は
んだ、７１・・・ガラス又はセラミックス基板、７２・
・・電極、７３・・・絶縁膜。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図第２図第５図笥　６　図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板を被覆する絶縁膜から電極を露出させ、少な
くとも電極部の表面に油又は界面活性剤を接触させた後
、少なくとも電極部に溶融はんだを接触させて該溶融は
んだに超音波を印加し、電極表面の自然酸化膜を破壊す
るとともに電極との合金化により選択的にはんだを付着
させることを特徴とするはんだバンプの形成方法。
（２）基板を溶融はんだ槽に浸漬することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載のはんだバンプの形成方法。
（３）基板が半導体基板又はガラスもしくはセラミック
ス基板であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のはんだバンプの形成方法。
（４）電極がアルミニウムを主成分とし、はんだがＳｎ
を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のは
んだバンプの形成方法。
（５）非酸化性雰囲気中で処理することを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載のはんだバンプの形成方法。