KR960006967B1 - 전자부품의 전극과 리드의 접합방법 - Google Patents

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bump
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신이쯔 타케하시
켄조 하타다
히로아키 후지모토
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마쯔시다덴기산교 가부시기가이샤
다니이 아끼오
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Abstract

내용 없음.

Description

전자부품의 전극과 리드의 접합방법
제 1 도는 본 발명의 일실시예에 있어서의 본딩장치의 구성도.
제 2 도는 본 발명의 일실시예에 있어서의 본딩장치의 본딩공구를 표시한 사시도.
제 3 도는 본 발명의 일실시예에 있어서의 리드와 반도체칩의 소자전극과의 접합공정 단면도.
제 4 도는 본 발명의 일실시예에 있어서의 리드와 반도체칩의 의 소자전극과의 접합공정 단면도.
제 5 도는 본 발명의 일실시예에 있어서의 접합재의 선단형상예를 표시한 사시도.
제 6 도는 본 발명의 접합방법에 의한 리드의 접합상태를 주사형 전자현미경에 의해서 관찰한 이미지사진으로부터 그린 모사도.
제 7 도는 종래의 웨이퍼범프방식에 있어서의 반도체웨이퍼에의 범프형성공정을 표시한 공정단면도.
제 8 도는 종래의 리드와 반도체칩의 소자전극과의 접합공정단면도.
제 9 도는 종래의 볼범프의 형성방법을 표시한 사시도.
제10도는 종래의 리드에의 범프형성법을 표시한 리드의 단면도 및 사시도.
제11도는 종래의 단일점본딩방식을 표시한 사시도.
제12도는 종래의 단일점본딩방식에 의한 본딩을 표시한 공정단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
4 : 본딩공구 5 : 가열장치
6 : 접합재 7 : 수납릴
8 : 클램프 9 : 가열스테이지
10 : 반도체칩 12 : 필름 캐리어
13 : 리드 14 : 소자전극
H : 간격
본 발명은 TAB 패키지의 제조방법에 관한 것으로서 특히 필름리드와 LSI 칩의 전극과의 집합방법을 제공하는 것이다.
최근, 전자기기는 복수부품의 LSI 칩화와 고밀도실장기술의 향상에 의해서 소형 "고기능"저비용화가 도모되고 있다. 그 중에서도 폴리이미드등의 가소성필름을 기판으로 하고, 표면에 도체배선을 형성 "도출한 접속리드를 범프를 개재해서 반도체칩의 소자전극과 접합하는 필름캐리어에 의한 반도체칩의 실장방식이 많이 사용되고 있다. 그러나 필름캐리어에 의해서 반도체칩을 실장하기 위해서는 반도체칩의 소자극전극위에 Au, 땜납등으로 이루어진 범프를 형성할 필요가 있다.
범프의 형성방법에는 몇가지 방식이 있으며, 제 7 도는 웨이퍼범프방식에 있어서의 범프의 형성방법을 표시한다. 반도체웨이퍼(30)의 전체면에 전해도금한 전극과 소자 전극(60)과 범프계면의 접촉저항의 증가를 방지하기 위한 배리어메탈이라고 칭하는 도전층(31)을 증착법에 의해 형성한다(동도면 7a). 도전층(31)의 재료로서는 TiPd 등이 사용된다. 도전층(13)을 형성한 후, 소자전극(60)의 위에 선택적으로 Au 범프를 형성하기 위한 감광성절연재료로 이루어진 절연층(33)을 도포한다(동도면 7b). 감광성절연재료에는 포토레지스트등을 사용할 수 있다. 다음에 반도체웨이퍼(30)의 소자전극(60)의 배치패턴과 상대한 포토마스크(도시생략)에 의해서 절연층(33)을 선택적으로 제거해서 소자전극(32)의 개구부(34)를 형성한다(동도면 7c). 절연층(33)에 개구부(34)를 형성한 후, 도금액속에 반도체웨이퍼(30)를 침지시키고, 도전층(31)에 전계를 인가시키고, 개구부(34)에 Au 범프(54)를 도금성장, 형성한다(동도면 7d). 범프(54) 형성후, 사진석판에 의해서 소자전극(60)이외의 절연층(33) 및 도전층(31)을 에칭에 의해 제거하고, 반도체웨이퍼(30)상의 소자전극(60)의 전부에 범프(54)를 형성하는 것이다(동도면 7e).
제 8 도에서 이들 소자전극(60)위에 범프(54)가 형성된 반도체칩(59)의 필름캐리어실장공정에 대해서 설명한다. 반도체웨이퍼(30)는 개개의 반도체칩(59)에 절단되고, 가열스테이지(67)위에 입시고정한다. 반도체칩(59)위에 필름캐리어(56)를 위치시키고, 리드(55)와 반도체칩(59)의 소자전극(60) 즉 범프(54)와 위치맞춤을 행한다(동도면 8a). 리드(55)의 위치맞춤후, 가열된 압접지그(61)에 의해서 리드(55)를 압접(58)하고, 반도체칩(59)의 소자전극(60)과 리드 (55)를 범프(54)를 개재해서 접합한다(동도면 8b). 접합후 가압지그(61)에 의한 가압을 해제한다. 이에 의해 반도체칩(59)의 소자전극(60)과 리드(55)는 일괄해서 갱본딩된다.
제 9 도는 다른 방법에 의한 범프형성방법을 표시한 것이다. 범프는 기존의 볼본딩에 의해서 캐필러리공구(72)로부터 도출한 Au 와이어(70)의 선단부를 방진불꽃에 의해서 Au 볼(71)을 형성하고(동도면 9a), 캐필러리공구(72)에 의해서 반도체칩(59)의 소자전극(60)에 압점(58)시킨다. 압접(58)후, Au 와이어(70)의 Au 볼부(71)만을 반도체칩(59)의 소자전극(60)의 위에 남기고 Au 와이어(70)을 절단한다. 이것을 반복해서 반도체칩(59)의 소자전극(60)전부에 Au 볼범프(73)를 형성시키는 것이다(동도면 9b). 이 Au 볼범프(73)에 의해서 필름캐리어의 리드와 소자전극을 접합할 수 있는 것이다.
이 방식은 종래의 Au 볼본더를 사용할 수 있고, 상기 웨이퍼범프방식과 비교해서 용이하게 범프형성을 행할 수 있다는 특징을 가진다.
제10도는 또다른 범프형성방법을 표시한 것으로서, 필름캐리어(56)의 리드(55)의 선단부를 에칭에 의해 메사형상(75)으로 가공하고, 이것을 범프로서 반도체칩(59)의 소자전극(60)을 접합하도록 하는 것이다. 그러나 리드(55)의 재질은 Cu이기 때문에 경도가 Au를 재료로 한 범프보다 높으므로, 리드(55)를 반도체칩(59)의 소자전극(60)에 압접했을때, 소자전극(60) 아래의 산화막에 손상을 주고, 반도체칩(59)을 불량에 이르게하고, 신뢰성을 현저하게 저하시키는 것이었다.
한편, 최근 반도체칩의 다기능, 고성능화를 위하여 소자의 고집적화에 의해서 칩치수가 대형화하고, 또 전극을 다단자화의 경향에 있다. 또 마이크로프로세서, 게이트 어레이와 같은 개발사이클이 짧고, 또 사용자 사양에 의해서 설계되는 소량다품종의 반도체칩에 있어서의 TAB 패키지화를 용이하게 할 수 있는 방식으로서 제11도에 표시한 필름캐리어(56)의 리드(55)와 범프가 형성된 반도체칩(59)의 전극(60)과의 접합을 와이어본딩과 마찬가지로 1점1점 각각에 반도체칩의 전극치수에 가까운 압접면을 가진 본딩공구(61)에 의해서 가압(58)해서 행하는 단일점법이 사용되고 있다.
제12도에 단일점법에 의한 리드와 반도체칩의 전극과의 접합방법을 표시한다. 동도면(12a)는 소자전극위에 범프를 형성한 반도체칩을 가열스테이지에 임시고정하고, 필름캐리어의 리드를 소자전극과 위치맞춤을 행한다. 위치맞춤후, 리드 (55)를 1개씩 본딩공구(61)에 의해서 반도체칩의 전극수만큼 즉 리드(55)의 개수만큼 압접(58), 초음파를 인가하고, 범프(54)를 소성변형시키고, 리드(55)를 반도체칩(59)의 소자전극(60)에 접합되는 것이었다(동도면 12b,12c). 또한 이방식에 의한 접합은 반도체칩의 소자전극위에 형성되는 범프의 형성방법에 관계없이 행할 수 있고, 웨이퍼 범프방식에서도 볼범프에 있어서도 적용이 가능한 것이었다.
그러나 상기 방법에 의하면, 하기에 표시하는 문제점을 가지는 것이다.
필름캐리어 TAB 기술에 있어서는 리드와 반도체칩의 전극과 접합을 행하기 위하여 종래의 웨이퍼범프방식에서는 반도체칩의 전극위에, 한편 전자범프방식에서는 리드쪽에 각각 범프를 형성할 필요가 있다. 이 때문에 하기의 중대한 문제점이 있다.
① 웨이퍼범프방식에 있어서는 반도체웨이퍼일때의 반도체소자전극 위에 증착, 사진석판등의 범프형성과정을 필요로 한다. 이 때문에, 범프형성시 기판상에 리드 및 반도체칩의 전극의 위치와 상대한 배치에서 도금과정에 의한 범프형성과 리드에의 범프형성을 위한 포토마스크의 제작이 필요하고 또 포토마스크는 품종마다 제작하지 않으면 안되고, 범프형성비용의 증가, 생산성에 지장을 초래하고 소량다품종의 반도체칩에의 TAB 패키지화가 현저하게 곤란했다. 또한 이들 범프형성공정이 복잡하고 또한 많은 공정을 필요로 하기 때문에, 그에 사용하는 고액의 제조설비를 필요로 했다. 이에 의해 범프형성비용이 현저하게 폭등하는 것이다. 그리고 반도체웨이퍼의 반도체 소자전극위에 Ti, Pd 등의 배리어메탈의 증착, 사진석판, 에칭등의 범프형성공정에 의해서 반도체소자의 불량이 발생하고, 수율이 현저하게 저하한다.
② 전사범프방식에 있어서는 반도체칩의 전극과 상대한 배치에서 범프가 형성된 범프형성기판과 이들 범프를 리드에 전사하는 공정 및 설비가 필요하게 된다. 또 반도체칩의 품종변경시에는 품종마다 범프형성기판이 그때마다 필요하고 이에 의해 범프형성비용이 증가하고, 생산성에 다대한 지장을 초래하고, 소량다품종의 반도체칩에의 TAB 패키지화가 매우 곤란하게 된다.
③ 반도체칩의 전극에 볼본딩에 의해서 범프를 형성하는 볼범프에 있어서는 반도체칩의 전극을 범프형성시와 리드접합시의 2회에 걸쳐서 접합할때의 충격하중 및 열압착스트레스가 가해진다. 그 때문에 전극의 밑바탕산화막에의 균열이나 소자의 정전파괴에 의한 불량이 발생하여 반도체칩의 수율이 저하한다.
④ 웨이퍼범프, 전사범프 및 볼범프에 있어서 범프재료에는 주로 고가의 Au(Au 도금액, Au 와이어)가 사용된다. 그 때문에 범프형성의 재료코스트는 현저하게 증대하는 것이다.
⑤ 필름캐리어의 리드를 에칭에 의해서 돌기형상의 범프를 형성하는 경우에 있어서는 전용리드의 에칭공정 설비가 필요하게 되고 필름캐리어의 가격이 고액이 된다. 또, 리드의 재질은 강철이면 경도는 Au와 비교하면 3배 가까이 높다. 그 때문에 반도체칩의 전극에 접합할때의 가압에 의해서 전극의 밑바탕산화막에 균열이 발생한다. 또 접합은 돌기형상의 범프의 소성변형에 의해서 행해진다. 그리고 경도가 높은 리드범프이기 때문에 전극과 충분한 소성변형이 행해지지 않으므로 접합강도가 낮아지고, 접합불량등에 의한 수율저하가 발생한다.
이상과 같이 본 발명은 상기 문제점에 비추어 TAB 패키지화시에, 필름리드 및 반도체칩의 전국에 불가결했던 범프형성이 불필요하고, 다품종의 반도체칩에도 신속 또한 저코스트로 대응할 수 있고, 종래의 범프형성방식에 의한 리드와 전극의 접합방법에 있어서의 종래의 문제점을 일소하고, TAB 기술의 범용성을 더욱 높이고, 저코스트이며 신뢰성이 높은 TAB 패키지를 매우 용이하게 실현할 수 있는 것을 제공하는 것이다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 전자부품의 전극과 리드의 접합방법은, 이간한 필름캐리어의 리드와 전자부품의 전극간에, 접합재를 설치하고 지그에 의해 상기 리드와 상기 접합재 및 상기 전극을 가압해서 상기 접합재를 개재해서 상기 리드와 전극을 접속하고, 상기 접합재를 절단하는 것이다. 또 바람직하게는 접합재를 전극과 위치맞춘 후, 리드를 상기 전극과 위치맞춤한다. 또, 접합재의 선단형상이 구형상인 것, 접합재의 절단을, 지그를 제거한 후, 가압되어 있지 않은 영역에서 절단하는 방법을 본 발명은 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 수단 즉 이간한 리드와 소자전극의 사이에, 범프의 대치품이 되는 접합재를 설치해서 리드를 가압지그에 의해서 가열, 가압해서 리드와 소자전극을 압접·접합하고, 접합후 접합재를 절단함으로써 반도체웨이퍼 및 반도체칩의 소자전극위에의 범프형성공정이 불필요하게 된다. 또 이들 리드의 가공설비가 불필요하게 되고, 소량 다품종생산을 신속하게 행할 수 있게 된다. 따라서 반도체칩의 TAB 패키지기술의 범용성이 매우 높아지는 것이다.
이하 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다.
제 1 도는 본 발명의 전자부품의 전극과 리드의 접합방법에 있어서의 본딩장치의 일실시예를 표시한 것이다. 본딩헤드(1)에는 초음파발진코일(2)로부터 도출한 초음파폰(3)이 형성되고, 초음파폰(3)의 선단부에는 본딩공구(4)가 장착되어 있다. 본딩공구(4)의 축에는 본딩공구를 가열하기 위한 가열장치(5)가 설치되어 있다. 접합재(6)는 초음파폰(3)의 상부에 수납릴(7)에 감겨서 고정되고, 수납릴(7)로부터 초음파폰(3)의 축방향의 본딩공구(4)의 선단부에 인도된다. 접합재(6)의 도출경로도중에는 접합재(6)의 유지와 접합후 접합재를 잡아당기기 위한 클램프(8)가 설치되어 있다. 접합재(6)의 선단부는 항상 본딩공구(4)의 선단부의 바로 아래 오도록 유지되는 것이다. 본딩동작기구는 종래와 마찬가지로 θ방향의 회전기구와 석영판으로 이루어진 열흡수판(17)을 구비한 가열스테이지(9)에 반도체칩(10)을 진공흡착등(11)에 의해서 고정한다. 그 상부에 필름캐리어(12)를 유지하고, 리드(13)와 반도체칩(10)의 소자 전극(14)은 소정의 간격 H를 유지해서 이간되고, 위치맞춤하는 유지기구(15)가 설치되어 있다. 간격 H는 사용하는 접합재(6)의 형상치수에 의하나 50∼100㎛ 정도이다. 본딩은 소정의 리드위치에 본딩헤드(1)를 X-Y-θ방향으로 위치이동시키고 리드(13)와 소자전극(14)의 사이에 접합재(6)를 삽입해서, 본딩공구(4)를 강하, 압접(16), 클램프(8)에 의해서 접합재(6)를 접합재로부터 잡아당기고 필름캐리어(12)의 리드(13)마다 각각에 본딩하는 것이다.
제 2 도는 다른 실시예에 의한 본 발명의 본딩공구 구조를 표시한 것이다. 본딩공구(4)의 뒤쪽에는 관통구멍(17)이 형성되고 이 관통구멍(17)으로부터 접합재(6)를 통화시킴으로서 접합재(6)의 선단부를 항상 본딩공구(4)의 선단부 바로 아래에 위치시키는 것이 가능하게 된다. 또 접합재(6)의 공급경로가 일정해지기 때문에 클램프(8)의 개폐 A 및 잡아당기기 B의 절단동작이 확실해지기 때문에 안정된 접합이 가능하게 된다. 또한 접합시 압접영역에 접합재를 설치할 수 있는 구조이면 본딩구조(4)에 관통구멍(17)을 형성할 필요는 없다.
다음에 본 발명에 있어서의 리드와 반도체칩의 소자전극의 접합방법에 대해서 설명한다. 제 3 도에 있어서 가열스테이지(9)에 반도체칩(10)을 고정시키고, 반도체칩(10)의 소자전극(14)과 필름캐리어(12)의 리드(13)을 위치맞춤을 행한다(동도면3a). 이때 리드(13)와 반도체칩(10)의 소자전극(14)의 간격은 접합재를 삽입할 수 있는 소정의 간격 H를 형성한다. 필름캐리어(12)의 리드(13)와 소자전극(14)의 위치맞춤후, 접합재(5)를 리드(13)와 소자전극(14)의 사이에 삽입(18)시키고 위치고정한다(동도면 3b). 그리고 가열한 본딩공구(4)를 접합재(6)의 선단부가 삽입된 리드(13)의 위로부터 압접(16)하고, 리드(13)를 소자전극(14)에 접합한다(동도면 3c). 다음에 제4도(4a)에 있어서 리드(13)를 본딩공구(4)에 의해서 압접한 상태에서 클램프(8)를 A방향으로 폐쇄하고, 접합재(6)를 가로방향 B로 잡아당겨서 접합부에서 접합재(6)를 절단한다. 그후 본딩공구(4)의 가압을 해제하고(동도면 4b), 이 동작의 반복을 전체리드(13)에 대해서 행하고, 리드(13)와 소자 전극(14)의 접합을 행한다(동도면 4c).
또한, 상기에서 사용하는 접합재는 종래의 와이어본딩에서 사용하고 있는 금, 알루미늄, 구리, 은등의 선직경이 20∼200㎛의 본딩와이어를 사용할 수 있는 것이다. 사용하는 본딩와이어의 직경은 리드폭과 동등하거나 혹은 10∼20% 굵은 것이 적정하다. 또 접합재의 형상은 종래의 본딩와이어를 그대로 사용하거나, 제5도(A)에 표시한 바와같이 예를들면, 접합재의 선단부를 구형상으로 가공해도 마찬가지로 사용하는 것이 가능하다. 또한 제5도(5b)에 표시한 바와같이 평판형상(리본형상)으로 가공된 금, 알루미늄, 구리, 은 등의 재료도 접합재로서 사용할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 있어서의 접합방법의 접합재는 기존의 재료를 무가공으로 그대로 사용할 수 있는 것이다. 또 접합재가 땜납등의 저융점금속재료이어도 마찬가지로 사용할 수 있다. 이 경우 리드는 주석도금이나 니켈도금이 실시된 것으로서 Au 도금리드의 경우보다 저코스트에서의 접합이 가능하다. 이 경우의 접합방법은 본딩공구를 가열시키고, 일정시간 가압시킴으로써 저융점금속의 접합재를 용해시켜 리드접합이 행해지는 것이다. 또 접합재로서 도전성재료를 함유한 유기재료, 예를들면 도전성 접착재를 스틱형상 또는 봉형상으로 가공한 것을 사용하고(도시하지 않음), 가열한 본딩공구에 의해서 가압시켜 접합할 수도 있다.
제 6 도는 본 발명에 있어서의 접합방법에 의한 알루미늄전극에 접합을 행한 접합상태를 주사형 전자현미경으로 관찰한 이미지사진을 토대로 그린 모사도이다. 여기서 사용한 리드는 Au 도금처리하고 있으며, 리드폭은 50㎛, 접합재는 선직경 50㎛의 Au 와이어를 사용했다. 본딩장치는 기존의 장치를 사용했다. 접합강도는 종래의 TAB 리드의 접합강도와 손색이 없는 10∼13㎏/㎟의 접합강도가 확인되었다.
이와 같이 본 발명은 반도체웨이퍼 및 반도체칩의 소자전극위에의 범프형성이 불필요하고, 그에 따른 설비, 공정이 일체 불필요하게 되고 소량다품종에 신속하게 대응할 수 있고, 반도체칩의 TAB 패키지화를 매우 용이하게 행할 수 있는 것이다. 또 기존의 설비를 소규모의 개량에 의해서 행할 수 있고, 매우 실용성이 높은 것이다.
이상과 같이 본 발명은,
① 반도체웨이퍼나 반도체칩의 소자전극에 범프를 형성할 필요가 없고, 반도체칩의 소자전극과 리드를 접합시에 범프형성과 접합을 순시에 행할 수 있고, 제조공정이 현저하게 간소화되고, 제조코스트의 저감을 도모할 수 있다.
②반도체칩, 반도체웨이퍼의 소자전극위에의 범프형성공정과 그에 필요한 설비가 불필요하게 되고, 범프형성코스트가 발생하지 않는다.
③ 범프형성공정이 없기 때문에 반도체웨이퍼 및 반도체칩위에 형성된 반도체 소자의 불량이 발생하지 않고 수율의 저하가 전혀 없게 된다.
④ 무처리의 반도체웨이퍼 및 반도체칩을 사용할 수 있기 때문에, 범프형성에 의한 특별한 설비, 기술, 공정을 필요로하지 않기 때문에 세트메이커에 있어서도 용이하게 TAB 패키지기술을 사용할 수 있고, TAB 기술의 범용성이 매우 향상한다.
⑤ 접합영역을 리드폭과 동등이하로 할 수 있고, 미소피치에서의 접합이 가능하게 된다. 그리고 다단자의 반도체칩에의 TAB 패키지화에도 용이하게 대응할 수 있다.
⑥ 기존의 재료를 접합재로서 사용할 수 있고, 범프재료코스트를 낮게 억제할 수 있다. 또 땜납등의 저융점금속에 의한 리드의 접합도 종래와 비교해서 매우 용이하게 행할 수 있다. 또 도전성의 유기재료로도 마찬가지로 사용가능하며 저코스트화를 확실히 행할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 반도체칩의 TAB 패키지화시에 다대한 효과를 확실히 발휘하는 것이다.

Claims (4)

  1. 이간한 필름캐리어의 리드와 전자부품의 전극간에 유지부재에 유지된 접합재를 설치하는 공정과 지그에 의해 상기 리드와 상기 접합재 및 상기 전극을 가압해서 상기 접합재를 개재해서 상기 리드와 전극을 접속하는 공정과, 상기 접합재를 절단하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자부품의 전극과 리드의 접합방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 접합재를 전극과 위치맞춘후, 리드를 상기 전극과 위치맞춤하는 것을 특징으로 하는 전자부품의 전극과 리드의 접합방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 접합재의 선단형상이 구형상인 것을 특징으로 하는 전자부품의 전극과 리드의 접합방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 접합재의 절단을, 지그를 제거한 후, 가압되어 있지 않은 영역에서 절단하는 것을 특징으로 하는 전자부품의 전극과 리드의 접합방법.
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