JPS6388846A - はんだパンプの形成方法 - 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） 本発明は半導体装置の製造におけるはんだバンプの形成
方法Ｉこ関する。

（従来の枝４） 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′ＷＬ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ｔこ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
プオートメーティヅ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ＣＯＢ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（パッ
ド）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−８ｎは
んだからなるバンプけ、第７図に示すようなものである
。第７図ｔこおｈて、シリコン基板７１上ｆこけ酸化シ
リコン模等の絶縁膜７２を介してＡ７！又はＡ１合金等
からなる電極７３がパターニングされて形成され、全面
に窒化シリコン嘆等のパッシベーション＄　７４　’２
被覆しｔ後、電極７３上のパッシベーション＠を選択的
にエツチングして電極を露出させでいるＣ２露出した電
極７３上にはＣｒ　、Ｎｉ　。

Ｍｏ　、ＣＩｌ　、Ａｕ　、Ａｇ等からなる下地金＠７
５が形成されているつ更に、Ｆ地金属７５＃こけんだバ
ング７６が形成されている。前記下地金＠７５ばはんだ
との接合性を改善するｔめに設けられるものである。

この目的のために下地金属７５としては１層〜３１１ｉ
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７６は通常めっき又は蒸着によ
り形成され１種々の方法が提案されているがこれらの方
法！′ｉμ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５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っ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＠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゛、）Ｙ また、蒸着による方法では１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、全面に１〜３Ｎａ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）％被覆しｔ後、はんだを蒸着し、レジスト
除去とともに不要部分のけんだを除去するとｈ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、共晶組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
でも従来方法は、下地金属を用い、しかも電極部以外の
部分にはんだがめつきあるいは蒸着されないようｔこマ
スクを形成しなければならない等、工程の煩雑化につな
がる基本的な問題がある。

このため、超音波を利用したけんだづけによりＡＩ電極
上ｌζバンプを形成する方法が提案されている（特開昭
５３−８９３６８号）。しかし、この方法で用いられて
いるはんだけＳｎ　、Ｚｎ　、Ｍｏ、Ｂｌ。

８ｂを基準成分とするｔめ、ＡＪ電極以外の部分にも付
着してしまうし、Ａ７ｒｆｉ極のキャビテーションエロ
ージ１ンによるＡＩ電極くわれ等の問題から、実際にＡ
ノ薄模上にバンプ形成するのは第３図に示すように困難
であった。

（発明が解決しようとする間電点） 本発明は上記問題点を解消するためｌこなされたもので
あり、電極上に下地金属や被覆層を設けることなく直接
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法におけるキャビ
テーション１０−ジョン問題を解決しようとするもので
ある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決する九めの手段） 本発明の骨子となる超音波はんだ付は方法について、以
下Ｅこ説明する。

超音波はんだ付けに必要な基本構成は第４図１こ示す超
音波振動子４５．はんだ槽４１及び溶融はんだ４２であ
り基本原理は超音波振動子４５の周辺から生じたキャビ
テーション（蒸気化した溶融はんだ等による気泡）がＡ
Ｊ電極表面の被膜を破壊するとともに超音波エネルギー
が露出したＡノと溶融はんだ４２との合金比を促進する
ものである。この場合、半導体素子への超音波の印加法
としては、＠４図のように噴流溶融はんだ中に超音波Ｓ
物子４５を挿入して超音波を印加するか、又は溶融はん
だ槽自体を超音波振動させて溶融はんだｔこｒａｉ波を
印加してもよい。ま九第５図の如く超音波振動子５５け
垂直方向であってもよいし。

πε図のように超音波振動できるはんだごてを用い、電
極に溶融はんだを接触させると同時に溶融はんだに超音
波を印加してもよ論、なお、古くなった電極では、その
表面が汚染物で覆われていることがあり、この場合メこ
け前処理としてオシ１５−ふきかけでもよい。

本発明方法ｆこおいでけんだ１ｉを形成する際、溶融は
んだ多こ印加する＠Ｉ音波の周波数は１０〜６０ＫＨｚ
４！！度でよく、好ましくは１５〜４０　ＫＨｚ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＜＜、逆に高すぎると電極等の剥離を起すおそれが
おるためである。また、超ｆ［の出力け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、処理時間け
０．１〜ｌＯ秒程度である。これは＠度が高く処理時間
が長いと電極の構成元素であるＡＩの溶解が起り、逆に
温度が低く処理時間が短いとＡｊ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、溶融はんだ
＠度２４０〜３２０℃程度、処理時間０．５〜５秒程度
でよい。

しかし、これだけは前述のキャビチー−／８ンがアルミ
ナ被膜だけでなくＡｔ＠極自体をも破壊してしまい、（
第３図）、安定したけんだバンプを形成するには不十分
であったｅまたキャビテーシ田／の衝撃緩和の之めの被
覆＃を形成するのけ工程の増加をまねき、工程の簡略化
にそぐわない。

そこで本発明では上述の超音波はんだ付は法に加え窮１
図に示すように溶融はんだ表面の気圧を減圧すること番
こよりキャピテーシ四ンの発生率と衝撃圧をフントロー
ルすることを特徴として論る。

（作用） まず溶融はんだ中で半導体素子に超腎波印加することに
より、ＡＩ電極上のアルぽす被膜を破壊するとともにＡ
Ｊと溶融はんだの合金化を促進する。このときけんだ槽
内で発生したキャビテーシヨンは通常アルミナ被膜だけ
でなくＡＡｌ’！！極をも破壊してしまうが、これを減
圧下で行えば、キヤビテーシ目ン発生は多くな５．キャ
ビチーシラン１つの衝撃圧は小さくなる九め素子表面に
均一でやわらかい衝撃を与えることができるのでＡＩ電
極を破壊することなく、安定し九はんだパンダを形成す
ることができる。すなわち、中ヤビテーク田ンの発生は
次式のαが小さいほど著しいことが知られており、キャ
ビテーション −ａ　−（Ｐａ−Ｐｖ　）／（−１ｖ”　）　　　　　
　（１）の衝撃圧は次式で計算できるので、そのうちの
靜をコントロールし、比較的均一でやわらかい衝撃圧を
生じさせでいる。

ＣＣでＰｖ、ｐ、ｖ、Ｃ，Ｒｅ、Ｒｒ＊ｒは液体の蒸気
圧密度、速度、ｆ速、気泡の初期中径、瞬間半径。

表面張力である。この式中で蒸気圧Ｐｖを大きくしても
同様な効果があるが、Ｐｖは材料と温度に起因し、温度
を変えると他の材料定数も変わってしまう。材料や温度
に独立にコントロールできるのけＰｌだけであるのでこ
の方法によるキャビチーシコン制御性の優れでいるのが
わかる。

（大施例） 本発明の１！ｔＩＩＩ例１こ用いる超音波振動するはん
だ槽１３ｆ−用いた装置を第１図に示すつ図においで、
１１は半導体素子、１２は、ｇ融はんだ、１３は、超音
波振動はんだ槽、１４け。

高圧ゼククスである。

このようｌｃ装置全体を減圧ボックスの中に入れでしま
えば、ＷＩ融はんだ液表面は常に減圧されており、キｆ
ピテーシｍ：／発生率と、衝撃圧とを容易Ｒ−制岬でき
る。

実際ｌζ用いたはんだ材はＰｂ−８ｎ系の共晶はんだで
、温度は２４０〜２８０℃、超音波の周波数は２９ＫＨ
ｚ、出力は５００Ｗ穆度である。超音波振動はんだ槽１
３の底との距離は１ｍｍ〜４ｍｍとし、超音波印加時間
は１秒〜５秒で行った。なおＡＪ電極間ブリッヂが生じ
ないようにＮ、ガスを流入させＯ１濃度を０．５　％以
下で半導体素子に対し上記条件で超音波はんだ寸け２行
ったが、いずれの条件でもキャビテーションエロージョ
ンによるＡｌくわれが激しく安定したはんだパンダを形
成することができなかった。これに対し第１図に示した
減圧ボックス１４を設置すると、嘉２図に示すようなは
んだバンプ２５をＡｌｌ他極２３直接形成することがで
きた。

篤２図において、２６は半導体素子、２２は絶縁膜、２
３は電極、２４はパッシベーション膜。

２５ははんだバンプである。

窮４〜６図に示すような形態の超音波はんだ付は装置に
おい′Ｃ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、はんだ材も腐食等を考慮して自
由に選択することができる。

尚、＠４図乃至第６図１こおいて、４１．５１゜６１は
はんだ槽、４２，５２．６２は溶融はんだ。

４３．５３ははんだ流路、４４．５４ははんだ還流用ス
クリュー、４５．５５は超音波撮動子、４６゜５６．６
６は半導体装置（ウェハー又は素子）。

４７．５７は流路壁でちる。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く本発明のけんだバンプ形成方法によれ
ば極めて簡便な工程で電極上にバンプ高さの高いけんだ
バンプを直接形成することができ（第２１閑に・亡すよ
うな構造）、ワイヤレン、ボンディング技術の導入を容
易ｔこし、素子の微細化に対応してボンディングの信頼
性の高い半導体装置を製造できる等、産朶上極めて顕著
な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明番こよる超音波はんだ付けＯこよるｔは
んだバンプ構造の断面図、第３図は従来の超陛波はんだ
付は法を半導体装置（こ適用した場合のＡＩ電極の断面
図、第４乃至第６図は超音波はんだ付は装置の谷種構成
例を示す図である。 １１．２６・・・半導体素子、１２・・・溶融ばんだ、
１３・・・超音波振動はんだ槽、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　　喜久男づ汗啼１ σの 第　　１　　図 第　　２　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体装置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低くしておくことにより、前記
   半導体素子へのキャビテーションエロージョンを制御し
   ながら、電極上に均一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形成方法。
2. （２）溶融はんだ表面を非酸化雰囲気に保ちながら減圧
   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
   だバンプ形成法。