JPS6386456A - はんだバンブの形成方法 - Google Patents

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） 本発明は半導体ｇｅｖｓ造におけるはんだバンプの形成
方法に関する。。

（従来の技術） 半導体ｉＲ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電極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１００μｍ口以下となり、かつ高
密度となるにつれ、詩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。

セラミック纂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
る友めに実用化がなされている。

このワイヤレスポンディング技術としては１例えばテー
プオートメ−ティラドポンディング方式（ＴＡＢ方式）
、フリップチップ方式あるいはＣＣＢ方ａ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（パ
ッド）上にバンプを形成する。このバンプとしでは、従
来から安価なＰｂ−８ｎはんだが次材されている。

従来、字導体チップの電極上に形成されるｐｂ−８ｎは
んだからなるパンツは、耳７図に示すようなものである
。＠７図において、シリコン基板７１上ｆこは酸化シリ
コン膜等の杷碌膜７２を介してＡＩ又はＡ１合金等から
なる１偲７３がパターニングされで形成され、全面に窒
化シリコン膜等のパッシベーション膜７４′Ｆ：被覆し
ｔ後、電極７３上のパッシベーション瞑ヲ選択的にエツ
チングして電極を露出さ？でいる。酩出しｔ電極７３上
にはＯｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＡｕｗＡｇ等からなる下
地金属７５が形成されている。更に、下地金属７５上ｌ
こはんだバンプ７６が形成されている。

前記下地金１ｊＡ７５ははんだとの接合性を改善するｔ
めに設けられるものである。この目的のｔめｌこ下地金
４７５としては１ｒｔ１〜３１−の金ｖ４ＰＪが設けら
れ、櫨々の組合わせが検討されて仇る。

ところで、はんだバンプ７６は通常めっき又は蒸着によ
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ｊこ述べるようにいずれも欠点がある。

めっきによる方法で：寸１例えば電極孔あけ工Ｇが終了
しｆｉ　ｌ　ｈ　電極上の自然酸化膜を反応性イオンエ
ツチングｆこよジ除去し、電極部が開孔しｔめりきレジ
ス）　Ｐ　液ｊ夏し、電極上の下地金（１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一５工程がとられる。ところが
、このような方法は金）くンプの形成の場合シこは問題
がないが、はんだパンプリ形成に適用しようとすると、
はんだの耐薬品性がよく々いため下地金４′５：エツチ
ングする際、はんだもエツチング後に浸されるという欠
点がある。し之がって、”８ｎ、Ｐｂを順次めっきし、
下地金１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ｔ、蒸着による方法では１列えば′ｇＬ極孔あけ１株
が終了し次後、電板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１〜３Ｉ＠の下地金属を蒸
着し、パターニングし、更に電極上の下地金属上のみが
開孔したレジストを被覆した後、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８ｎと
の蒸気圧が異なるため、共晶＠故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
しても従来方法は、下地金属を弔い、しかも電極部ヅ外
の部分にはんだがめつきあるいは蒸着されないようζこ
マスクを形成しなければならない等、工程の煩雑化ｆζ
つながる基本的な問題がある。

このため、超音波を利用したはんだづけシこよりＡ７１
［匝上にバンプを形成する方法が提案されている（特開
昭５３−　ｆ’、　９３６８号）。しかし、この方法で
用いられているはんだはＳｎ　、Ｚｎ　、Ｍｏ　、Ｂｉ
　。

５ｂ５−基準成分とするため、ＡＩ電極以外の部分にも
付着してしまうし、Ａｊ電極のキャビテーションエロー
ジョンによるＡｌｘ極くわれ等の問題力）ら、実際にＡ
ノ薄膜上にバンプ形成するのけ嬉３図に示すように困難
であつ九。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記問題点を解決するｔめＩこなされたもので
あジ、ａＷ上ｌこ下地合間や被覆＃を設けることなく＠
接バンプを形成し、工程を簡略化できる方法を提供する
もので、特に薄膜への超音波はんだ付は方法におけるキ
ャビテーションエロージョン問題を解決しようとするも
のである。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） ４ｉ：発明の骨子となる超音波はんだ付は方法ｌこうい
て、以下に説明−ｒる。

超音波はんだ付けｌこ必安な基本構成は第４図に示す超
汁波振動子４５．はんだ槽４１．及び４融はんだ４２で
あり、基本原理は超迂波振勧子４５の周辺から生じたキ
ャビテーション（蒸気化し九溶姻はんだ等による気泡）
がＡ　Ｉ　−甑表面の被１戻を破壊するとともｌｃ超ｉ
ｅエネルギーが−ｄしたＡｊと４融はんだ４２との合金
化を促進するものである。この場合、子導体素子への４
１彼の印加法としては、４４図のように噴流ｄ融はんだ
中に超音波振動子４５を挿入して超音波を印加するか又
は溶融はんだ槽自体を超音波摂動させて溶融けんだｔこ
超音波を印加してもよい、また嘉５図の如く超ｆ波振動
子５５は垂直方向であってもよいし。

渠６図のように超音波振動できるはんだごてと用い、電
極に溶融はんだを接触させると同時に溶融はんだにｉｆ
波を印加してもよい。なお古くなり九電極では、その表
面が汚染物で覆われていることかあＶ、この場合ｌこは
前処理としてオゾンをふきかけてもよい。

４′発明方法においてはんだ層を形成する際１ｍ融はん
だに印加する超「彼の周波数は１０〜６０ＫＨｚ　　程
度でよく、好ましくは１５〜４９ＫＨｚである。これは
１周波数が低すぎると、上記のような作用が起りにくり
、逆に高すぎると電極等の剥離が起すおそれがあるｔめ
である。まｅ、　［ｆ−波の出力は２〜ｓｏｏｗ程度で
よいが、好ましくは１０〜３００Ｗである。一方、溶融
はんだのは度は２３０〜３５０″Ｃ程度、処理時間は０
．１〜１０秒程度程度る。これは＠度が高く処理時間が
長いと電極の溝底元素であるＡｊの１容解が起り、逆に
＠度が低く処理時間が短いとＡＩとはんだとの合金化が
行なわれなくなるためである。好ましくけ、溶融ばんだ
ｌヅ２４０〜３２０’Ｃ程度、処理時間０．５〜５秒程
程度よい。

しかし、これだけでは前述のキャビテーションがアルミ
ナ被膜だけでなく、Ａ１４ＪＬ’ｍ自体をも破壊してし
まい（落３図）、安定し之けんだバンプを形成するには
不十分であっ九、ｔた。キャビテーションの衝撃緩和の
ため被覆層を形成するのは工程の増か口をまねき、工程
の簡略比にそぐわない。

そこで本宅明け、キャビテーションの気泡サイズを制−
することにより、キャビテーションエロージョンの深さ
を浅くしようとするものであり。

従来大気圧下で超音波はんだ付けを行ってい九のに対し
嘉Ｉ　ＬＸＩＩのように加圧界囲気下で行うことを特徴
としている。

このときの加圧は、高圧Ａｉｒでもよいが、を極パッド
間のブリッヂを防ぐ九めＮ１等の非酸化高圧ガスが望ま
しい。

実際にキャビテーション発生は、はんだ材料。

ｆｌｌｔなどにより変わる蒸気圧に起因しているｔめ。

キャビテーション・エロージョンの程度によって加圧状
態も変える必要がある。

（作用） まず溶融はんだ中で半導体素子に超音波印加することｉ
こより、Ａｌｔ極上のアルミナ被：漠を破壊するととも
にＡＩと溶融はんだの合金化を促進する。このときけん
だ槽内で発生しｔキャビテーションは通常アルミナ被膜
だけでな（Ａｊ［極をも破壊してしまうがこれを高圧ガ
ス下で行えば、キャビテーションサイズは小さくなり、
キャビテーションにる衝撃はアルミナ被漢破壊までに抑
えることができる。キャビテーションに・よる破壊程度
（大きさ）は、主ｔこキャビテーションサイズに起因し
ており、Ａｌ電極の厚さ、アルミナ被膜の厚さによりキ
ャビテーションサイズを−Ｊ却する必決があるが、高圧
ガスにより自由ｌこキャビテーションサイズ’２ｔえる
ことができる。

（是九例） 以下に本発明の一実施例を説明する。術１図は超音波振
動するはんだ摺を用いた装置概略図である。

図に於いて、１１け、′４！−導体素子、１２け、溶融
けんだ、１３け超迂波根やけんだ槽、１４け高圧ボック
スである。

図のように装置全体を高圧ボックスの中に入れてしまえ
ば、溶融はんだ液表面は常に高圧雰囲気を保つことがで
き、キャビテーションサイズは容易に別間できる。

実際嘉こ用いｔはんだ材けＰｂ−８ｎ系の共晶はんだで
、温１丈は２４０℃〜２８０’Ｃ，超音彼の周Ｖ数は２
０ＫＨ２％出力は５００〜Ｖ程度である。超ト１隅勧け
んだ槽１３の底との距離は１ｍｍ〜４ｍｍとし。

超音波印カロ時間は１秒〜５秒で行っ九。なおＡＩ電ｊ
間プリｙチが生じないようにＮ、ガスを流入させＯｈｍ
度を０．５％以下で半導体素子ｔこ対し上記条件で超音
波はんだ付けを行っｔが、いずれの条件でもキャビテー
ションエロージョンにヨルＡｌくわれが敞しく安定し史
ばんだバンプ２形成することができなかった。これに対
し窮１図に示し九高圧ボックス１４を設置すると、窮２
図に示すようなはんだバンプ２５を、Ａ１１！極２３に
直接形成することができｔ６ 第２図ｉこおいて、２６は半導体素子、２２は絶燻模、
２３け電極、２４はパッシベーション嘆。

２５ははんだバンプである。

第４〜６図に示すような形態の超「波はんだ付けｆｃｆ
においても溶融はんだ表面を加圧することにより同様な
効果が期待できる。又、はんだ材も腐食等の考慮して自
由に１沢することができる。

尚、鵠４乃至窮６１凶において、４１．５１．６１はけ
んだｒコ、４２．５２．６２は容融ばんだ、４３゜５３
ははんだ流路、４４．５４ｄ寸んだ還流用スクリュー、
　　４ｓｔ５５け・屈丘波邊妨子、４６゜５６．６６は
半導体−、ｆｉ、菫（ウニ八−又は素子）。

４７．５７は流路壁である。

〔活力の効果〕

以下詳述し九グロく＄１明Ｏはんだバンプ形成方法によ
れば極めて簡便な工程でＪＬｘｉ上にバンプ高さの高い
はんだバンプと＠凄形成することができ（１２図ζこ示
すような？４造）、ワイヤレスボンディング波付の導入
を８易にし、素その微皿ｆヒに対応してボンディングの
１幀件の高い半導体）２Ｒ２製；貴できる′亭、産業上
△めてＬ：１著な効果を・４するらのである。

４、図面ｖ！ｉ５単な税調 耳１図は本宅間による超音波はんだ付けによるバンプ形
成法の一矢晦列に１いる湊江の５９を略４収Ａ、耳２図
は本宅間の曜音彼はんだ寸は法により形成し之はんだバ
ンプ奪造の所［１ｆｌ　’ｊ４　＠　’Ｊ　３図；ま従
来の超音波はんだ付は法を半導体１子に１５用した１１
．２６・・・半導体素子、１２・・・啓融ばんだ。

１３・・・超「波振動はんだ；１ｉ１，１４・・・高圧
ボックス。

２１・・・シリコン基板。

代理人　弁理士　　則　近　憲　右 同　　　　　　　　竹　　花　　−藩久カρｏに入ζご
造門ししζ王しン 第　　１　図 第　　２５ａ （ａ）　３本 （ム） （Ｃ） 第　　３　図 第　　５　図 第　　６　図 第　　７　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体素子を溶融はんだ槽に浸漬し、超音波を印
   加することにより、前記半導体素子の電極上にはんだバ
   ンプを形成する方法において、溶融はんだ表面での気圧
   を少なくとも大気圧より高くに加圧しておくことにより
   溶融はんだ中に生じるキャビテーションの大きさを制御
   しながら半導体素子上の電極上にはんだバンプを形成す
   ることを特徴とするはんだバンプの形成方法。
2. （２）溶融はんだ表面への加圧を高圧非酸化性ガスによ
   り行う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。