WO2014125536A1 - 半導体モジュールおよび半導体チップ実装方法 - Google Patents

半導体モジュールおよび半導体チップ実装方法 Download PDF

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WO2014125536A1
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electrode
chip
semiconductor
semiconductor chip
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章夫 下山
富士夫 吾郷
肇 小田
克二 川上
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シャープ株式会社
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    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/12Passive devices, e.g. 2 terminal devices
    • H01L2924/1204Optical Diode
    • H01L2924/12041LED

Definitions

  • ultrasonic waves are applied from the semiconductor chip 108 side. That is, when the back surface of the semiconductor chip 108 is sucked and held by the tool 110 and ultrasonic vibration in a direction perpendicular to the electrode surface of the semiconductor chip 108 is applied, the metal on the semiconductor chip 108 and the substrate 102 below the semiconductor chip 108 is applied by the ultrasonic application. The oxide and contaminants on the electrode surface in contact with the paste 106 are removed, and the metal surface is cleaned and activated.
  • the reason why the electrodes 102 and 107 and the metal fine particles 104 between them are metal-bonded is that the electrode surfaces are activated by the ultrasonic wave application process of FIG. 6C, and the metal fine particles 104 are originally active.
  • the metal bond between the metal fine particles 104 depends on the sintering mechanism, but in the case of metal fine particles having a particle diameter of 1 to 100 nm, sintering is performed at a low temperature as compared with general metal particles having a particle diameter exceeding 100 nm. be able to.
  • the reason why the portion other than the metal fine particles 104 (mainly the solvent) can be removed is because it is heated to a temperature higher than the boiling point of the solvent 105. Therefore, the heating temperature can be selected from a temperature range not lower than the boiling point of the solvent 105 and not higher than the melting point of the metal constituting the metal fine particles 104.
  • the chip mounting method in Patent Document 1 has the following problems in the case of the chip mounting method using the metal paste 106.
  • a gold paste 205 is applied or printed on the electrodes of the substrate 204.
  • the heating temperature of the gold paste to the connecting material by the heating and pressing tool during chip connection is 200 degrees Celsius to 300 degrees Celsius.
  • the present invention by providing the gold paste containing gold fine particles on the electrode side of the semiconductor chip, it is possible to mount the chip efficiently at a low temperature, and to greatly increase the gold consumption while maintaining high heat resistance. Can be saved.
  • FIG. 3 is a plan view for comparing the substrate electrode pad area of FIG. 2 and the connection material formation area of the gold paste in plan view.
  • the rearranged one or more semiconductor chips 3 are projected electrodes by a printing technique or the like in addition to a dispensing technique (spot coating) or a transfer technique.
  • a gold paste 8 is applied or transferred onto each bump electrode 7 of the portion.
  • the heating temperature by the heating / pressurizing tool 21 was 200 degrees Celsius to 250 degrees Celsius, the pressing load was several N, and the time was several seconds to several tens of seconds.
  • the heating / pressurizing tool 21 rises after the heating / pressurizing tool 21 completes the heating / pressurizing for a set time. At this time, the semiconductor chip 3 is also naturally peeled from the adhesive sheet 13 by heat. Therefore, when the heating / pressurizing tool 21 rises, the adhesive sheet 13 also rises due to its elasticity and returns to its original state, but the semiconductor chip 3 remains thermally bonded to the electrode pad 4 of the chip mounting substrate 2, and the adhesive sheet 13 The semiconductor chip 3 is peeled from the sheet 13.
  • FIG. 5A is a schematic diagram for explaining a chip connection process in which a plurality of semiconductor chips are collectively mounted with respect to the chip connection process of FIG. 4E
  • FIG. 5B is a height of the semiconductor chip. It is a schematic diagram for demonstrating the chip
  • the tool size (area size) of the heating / pressurizing tool 21 in FIG. 4E is the size of one semiconductor chip 3, each semiconductor chip 3 is connected to each electrode pad 4 sequentially. As illustrated in FIG. 5A, the area size may be such that the plurality of semiconductor chips 3 are covered by the heating / pressurizing tool 22.
  • the plurality of semiconductor chips 3 existing within the tool size of the heating / pressurizing tool 22 are simultaneously pressed and heated at the same time, whereby each electrode pad 4 on the chip mounting substrate 2 and each gold paste on each bump electrode 7 are heated. At the same time, heat and pressure can be applied to 8 to form a metal bond with Au—Au.
  • the bump electrode 7 is formed as an electrode of the semiconductor chip 3 at a low cost by an electroless plating method.
  • the average particle size of the gold particles in the connection material 81A of the gold paste 81 is set to a gold particle of more than 0.5 ⁇ m and less than 1 ⁇ m, so that the heating temperature is about 250 to 300 degrees Celsius, Metal bonding between the electrode pad 4 and the bump electrode 7 via the connecting material 81A becomes possible, and a joining device (a heating / pressure tool 21 described later) using a heater and a pressure mechanism can be used.

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Abstract

金微粒子を含む金ペーストを半導体チップの電極側に設けることにより、低温で効率的なチップ実装を可能とし、高耐熱性を維持しつつ金消費量を大幅に節約する。チップ実装基板2上に一または複数の半導体チップ3を搭載した半導体モジュール1であって、半導体チップ3はその電極上に金ペースト8の接続材料8Aが形成されており、チップ実装基板2にはパッド開口部6内にバンプ電極7が備えられ、パッド開口部6内のバンプ電極7の平面視面積よりも小さい平面視面積で金ペースト8の接続材料8Aの領域が形成されている。この場合、チップ搭載時に、平均粒径がサブミクロンオーダの微細な金粒子を含む金ペースト8の接続材料8Aがチップ実装基板2のパッド電極4の領域内に搭載されている。

Description

半導体モジュールおよび半導体チップ実装方法
 本発明は、パワーデバイス(PD)やLED(発光ダイオード素子)、LD(レーザ素子)などに用いられ、バンプ電極などの電極が形成された半導体チップが基板上にフリップチップ接続などで搭載された半導体モジュールおよび半導体チップ実装方法に関する。
 従来の半導体モジュールにおいて、基板上への半導体チップのフリップチップ実装方法としては、チップ電極に金バンプを形成し、金バンプと基板電極とを超音波接合したり、半田により接合したりすることが一般的に行われている。
 超音波接合の場合には、接続時の超音波振動により半導体チップや基板を損傷してしまう可能性がある。また、半田接続の場合には、再溶融温度が低いという問題が生じる。即ち、パワーデバイス(PD)やLED(発光ダイオード素子)、LD(レーザ素子)などでは、近年、チップ仕様が大電流化しており、これによりより高い発熱を伴う。半田の再溶融温度は摂氏260度程度であるため、高い発熱により半田の再溶融温度を超えると、チップ搭載部分が溶融して問題が生じる。大電流デバイスを実装する近年の半導体モジュールでは、高信頼性を確保するために、更なる耐熱性が要望されている。
 また、半導体チップの電極と基板の電極を実際に接合する従来の接合装置では、超音波を使用しない金バンプと金電極の接合には、その温度が摂氏500度以上を要し時間も要するため、チップ接合には非効率となり実用化が困難となっていた。
 この対策として、低温接合が可能でかつ大電流にて高温となっても再溶融しない高信頼性な接合方法として貴金属粒子を含有した導電性ペーストによるチップ実装方法が挙げられる。特許文献1の半導体チップのフリップチップ実装方法では、平均金属粒子粒径が1~100nmの微粒子を含有した金属ペーストによるフリップチップ実装方法が開示されている。これを図6(a)~図6(d)を用いて詳細に説明する。
 図6(a)~図6(d)は、特許文献1に開示されている従来の半導体チップのフリップチップ実装方法を示す要部縦断面図である。
 まず、図6(a)に示すように、基板101の電極102上方には、それらを覆う保護膜103に開口部が設けられており、この開口部内の電極102上に、金属微粒子104を溶媒105中に分散させた金属ペースト106を供給する。
 金属ペースト106の電極102上への供給には、インクジェットやディスペンサによる吐出供給、スクリーン印刷や転写など各種供給方法を用いることができる。その供給量は、フリップチップ実装後にチップ電極107と基板電極102の隙間を埋めるのに必要な量以上であればよい。金属微粒子104の組成は、例えばAu,Ag,Cu,Niなどであり、溶媒105としては金属の融点より低い沸点を有する液体を選択でき、例えばテルピネオール,トルエン,テトラデカンなどを用いることができる。
 次に、図6(b)に示すように、基板101の電極102と半導体チップ108の電極107とを位置合わせする。半導体チップ108の電極107上方にも、それらを覆う保護膜109に開口部が設けられて、その開口部内に電極107がある。
 上下に位置合わせされた電極102,107と金属ペースト106とを間に挟んで接触させた後、金属ペースト106は液体挙動を示すので、電極102,107は金属ペースト106の表面張力に起因するセルフアライメント作用によって、高精度の位置決めを自発的に行うことができる。
 その後、図6(c)に示すように、半導体チップ108側から超音波を印加する。即ち、半導体チップ108の背面をツール110で吸着保持し、半導体チップ108の電極面に対して垂直方向の超音波振動を印加すると、超音波印加により半導体チップ108およびその下の基板102上の金属ペースト106と接する電極表面の酸化物や汚染物が除去されて金属表面がクリーニングされて活性化される。
 続いて、図6(d)に示すように、加熱工程を実施する。この加熱工程により、金属ペースト106に含まれる溶媒105を蒸発させて、上下の電極102,107とその間の金属微粒子104からなる接続材料106Aとの金属結合、金属微粒子104間の金属結合(焼結)を行う。
 電極102,107とその間の金属微粒子104とが金属結合するのは、電極表面が図6(c)の超音波印加工程で活性化され、金属微粒子104は元来活性だからである。金属微粒子104間が金属結合するのは、焼結のメカニズムによるが、粒子径100nmを超える一般的な金属粒子と比較して、粒子径1~100nmの金属微粒子の場合は、低温で焼結することができる。金属微粒子104以外の部分(主に溶媒)を除去できるのは、溶媒105の沸点以上の温度に加熱するからである。したがって、加熱温度は溶媒105の沸点以上で、かつ金属微粒子104を構成する金属の融点以下の温度範囲から選択することができる。
 加熱方法としては、例えば基板101上に半導体チップ108を仮保持した状態の電子回路装置を焼成炉やリフロー炉などの加熱設備に投入してもよいし、超音波接合方式のフリップチップ実装設備に設けられている加熱機構を用いて加熱してもよい。加熱条件としては、例えば加熱温度が摂氏100度~摂氏300度、加熱時間5分~60分である。なお、加熱工程を低酸素雰囲気中で実施した場合、電極表面の活性状態をより安定に維持できて、接続信頼性が向上するため好ましい。
 しかしながら、上記特許文献1におけるチップ実装方法では、金属ペースト106によるチップ実装方法の場合、以下のような課題がある。
 即ち、金属ペースト106が銀ペーストの場合、銀は硫化が発生するため接続信頼性において問題が生ずる。金属ペースト106に金ペーストを使用すれば、この硫化の問題は解消される。
 また、大電流印加製品(LEDやPD等)において高信頼性を確保するためには、高耐熱性(再溶融防止)が要求されるが、この高耐熱性要求に対しても金(Au)が有効である。よって、接続材料に金ペーストを用いた場合について図7(a)~図7(d)を用いて説明する。
 図7(a)~図7(d)は、金ペーストを用いた従来のチップ実装方法を説明するための模式図である。
 まず、図7(a)に示すように、粘着テープ201上の半導体ウエハだけを複数の半導体チップ202にフルダイシングした後に、粘着テープ201をその周囲からエキスパンドして、切断したダイシングライン203に隙間を広げるようにする。
 一方、図7(b)に示すように、基板204の電極上に金ペースト205を塗布するかまたは印刷する。
 次に、図7(c)に示すように、基板204上の電極表面に設けられた金ペースト205上にアライメントをとって半導体チップ202の電極を搭載する。
 このように、基板204の電極側に金ペースト205を塗布するかまたは印刷し、その上に半導体チップ202の電極を搭載することにより、半導体チップ202を基板204上に実装して半導体モジュールを作製することができる。
特開2005-116612号公報
 特許文献1に開示されている上記従来のチップ実装方法では、接続材料である金属ペースト106の主材料となる金属粒子104は粒径を微細な1~100nmとしているが、このサイズでは、接合させたいプロセス以外でも焼結が進行してしまうため、材料保管またはプロセス管理上で大幅な制限が加わることとなる。
 また、図7(a)~図7(c)を用いて説明した上記従来のチップ実装方法では、金ペースト205を基板204の電極上に塗布するかまたは印刷した後に、半導体チップ202の電極を基板204の電極上に搭載することにより高耐熱性で高信頼性の金-金による金属接合が達成されているものの、金ペーストを広範囲へ塗布または印刷する必用がありロスが生じる。
 即ち、接続材料として金粒子を含む金ペースト205は非常に高価であるため、グラム単位での使用量削減が求められるが、従来の基板204の電極上への金ペースト205の塗布または印刷では、図7(d)のように、基板204の電極206上への金ペースト205の塗布精度または印刷精度、およびチップ実装精度を考慮して、半導体チップ202の電極207より大幅に広い範囲で金ペースト205の塗布または印刷が必要となって金の使用量が大幅に増加しているという問題があった。
 基板204の電極206上への金ペースト205の塗布精度または印刷精度を±50μmとし、半導体チップ202の電極207の領域範囲の1辺がAμmの正方形の場合に、チップ実装時に基板204の電極206と半導体チップ202の電極207とを金ペースト205を介して電気的に確実に接続するためには、金ペースト205の領域範囲は、1辺がAμm±50μm、即ちAμm+100μmの正方形の領域に塗布または印刷面積を増加させざるを得ない。これに加えて、チップ搭載精度として±10μm程度のマージンを持たせる必要があって、金ペースト205の領域範囲の面積は更に増加させざるを得ず、結果として、基板204の電極206の領域範囲いっぱいまで金ペースト205が配置されている。
 本発明は、上記従来の問題を解決するもので、金微粒子を含む金ペーストを、半導体チップの電極側に設けることにより、基板電極よりも狭い面積で、より低温で効率的なチップ実装を可能とし、高耐熱性を維持しつつ金材料の消費量を大幅に節約することができる半導体モジュールおよび半導体チップ実装方法を提供することを目的とする。
 本発明の半導体モジュールは、基板上に半導体チップを搭載した半導体モジュールであって、該半導体チップはその電極上に金ペーストの接続材料が形成されており、該基板には開口部内に電極が備えられ、該開口部内の電極面積よりも小さい面積で該金ペーストの接続材料領域が形成されているものであり、そのことにより上記目的が達成される。
 また、好ましくは、本発明の半導体モジュールにおける基板の開口部内の電極は、前記金ペーストの該基板の電極上への搭載精度を含む広い電極領域面積を有しており、チップ搭載時に前記金ペーストの接続材料が前記基板の電極領域内に搭載されている。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体モジュールにおける金ペースの接続材料の平均粒径が0.01μm以上1μm未満である。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体モジュールにおける半導体チップの電極としてのバンプ電極上に形成された前記金ペーストの接続材料によりフェイスダウンで前記基板上にフリップチップ実装されている。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体モジュールにおける半導体チップの電極としてバンプ電極が無電解メッキ法により形成されている。
 本発明の半導体チップ実装方法は、本発明の上記半導体モジュールの半導体チップ実装方法であって、粘着シート上に貼り付けられた一または複数の半導体チップを上下に反転させて、加熱および加圧ツールにより該半導体チップの電極を前記基板の電極上に前記金ペーストの接続材料を介して実装する半導体チップ接続工程を有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。
 また、好ましくは、本発明の半導体チップ実装方法における粘着シートの粘着剤は熱により粘着力が低下する特性を有している。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体チップ実装方法における半導体チップ接続工程の前工程として、前記粘着シート上に前記一または複数の半導体チップを再配置する半導体チップ再配置工程と、該粘着シート上に再配置された該一または複数の半導体チップの各電極上に前記金ペーストを形成する金ペースト形成工程とを有する。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体チップ実装方法における半導体チップ再配置工程で、前記半導体チップとして同一種の良品半導体チップまたは異種の良品半導体チップを所定位置に再配置する。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体チップ実装方法における加熱および加圧ツールは一括接続用の加熱および加圧ツールであり、該一括接続用の加熱および加圧ツールを用いて前記複数の半導体チップの各電極を前記基板の各電極に前記金ペーストの接続材料をそれぞれ介して同時に接続する。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体チップ実装方法における一または複数の半導体チップが貼り付けられる前記粘着シートのシート材がクッション性を有しており、高さの異なる該半導体チップの一括接続時に該シート材のクッション性がチップ段差を吸収する。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体チップ実装方法における半導体チップ接続工程において、前記一または複数の半導体チップの各電極上に前記金ペーストを形成した後に、前記粘着シート上に貼り付けられた一または複数の半導体チップを上下に反転し、該粘着シート側から前記加熱および加圧ツールにより該半導体チップを押圧して、該半導体チップの電極上の金ペーストを前記基板の電極上に押し付けて加熱する。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体チップ実装方法における金ペーストに、その接続材料の平均粒径が0.01μm以上1μm未満の金粒子を用いる。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体チップ実装方法における半導体チップ接続工程において、チップ接続時の前記加熱および加圧ツールによる前記金ペーストの接続材料への加熱温度は摂氏200度~摂氏300度である。
 さらに、好ましくは、本発明の半導体チップ実装方法における半導体チップの電極としてバンプ電極を無電解メッキ法で形成する。
 上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。
 本発明においては、基板上に半導体チップを搭載した半導体モジュールであって、半導体チップはその電極上に金ペーストの接続材料が形成されており、基板には開口部内に電極が備えられ、開口部内の電極面積よりも小さい面積で金ペーストの接続材料領域が形成されている。
 これによって、高価格な金微粒子を含む金ペーストを必要最小限の面積で形成でき、金消費量を大幅に節約することが可能となる。また、接続材料となる金微粒子の平均粒径を0.01μm以上1μm未満とすることにより、低温で効率的なチップ実装が可能となるため、高耐熱性を維持しつつ金消費量を大幅に節約できる実装が実現可能となる。
 即ち、金微粒子を含む金ペーストによる電極間接合により摂氏300度以上の発熱にも高品質を維持する半導体モジュールを少量の金ペースト、即ち低価格で実現し、さらに、金粒子径を1μm未満とすることにより高効率なチップ実装およびチップ実装装置を得ることが可能となる。
 以上により、本発明によれば、金微粒子を含む金ペーストを半導体チップの電極側に設けることにより、低温で効率的なチップ実装を可能とし、高耐熱性を維持しつつ金消費量を大幅に節約することができる。
本発明の実施形態1における半導体モジュールの要部構成例を模式的に示す縦断面図であって、(a)は基板上に複数の半導体チップが設けられた場合を示す縦断面図、(b)は基板上に一の半導体チップが設けられた場合を示す縦断面図である。 図1の半導体モジュールの詳細を説明するための一部縦断面図である。 平面視で図2の基板電極パッド面積と金ペーストの接続材料形成面積とを比較するための平面図である。 (a)~(f)は、金ペーストを用いて図1の半導体モジュールを製造するチップ実装方法の各工程を説明するための模式図である。 (a)は、図4(e)のチップ接続工程に対して複数チップを一括実装するチップ接続工程を説明するための模式図、(b)は、半導体チップの高さが異なる異種チップの場合の複数チップを一括実装するチップ接続工程を説明するための模式図である。 特許文献1に開示されている従来の半導体チップのフリップチップ実装方法を示す要部縦断面図である。 (a)~(d)は、金ペーストを用いた従来のチップ実装方法を説明するための模式図である。
 1、10 半導体モジュール
 2 チップ実装基板(基板)
 3、3A、3B、31 半導体チップ
 4 電極パッド(基板の電極)
 4a 金属配線
 5 保護膜
 6 パッド開口部(開口部)
 7 バンプ電極(半導体チップの電極)
 8、81 金ペースト
 8A、81A 金ペーストの接続材料
 11、13、14 粘着テープ
 12 切断したダイシングライン
 21 単品接続用の加熱・加圧ツール
 22、23 一括接続用の加熱・加圧ツール
 以下に、本発明の半導体モジュールおよびチップ実装方法の実施形態1、2について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図における構成部材のそれぞれの厚みや長さなどは図面作成上の観点から、図示する構成に限定されるものではない。
 (実施形態1)
 図1は、本発明の実施形態1における半導体モジュールの要部構成例を模式的に示す縦断面図であって、図1(a)は基板上に複数の半導体チップが設けられた場合を示す縦断面図、図1(b)は基板上に一の半導体チップが設けられた場合を示す縦断面図である。図2は、図1の半導体モジュールの詳細を説明するための一部縦断面図である。
 図1(a)および図1(b)、図2において、本実施形態1の半導体モジュール1は、チップ実装基板2(基板)上に一または複数の半導体チップ3が搭載されている。チップ実装基板2上に、金属配線4aに接続された一または複数の電極パッド4(チップ実装基板2の電極)が設けられ、電極パッド4の上方には、基板全面に設けられた保護膜5にパッド開口部6(開口部)が形成されている。
 一方、半導体チップ3のバンプ電極7(半導体チップ3の電極)上に設けられた金ペーストの接続材料8Aの領域面積(平面視で1辺がBの正方形)は、パッド開口部6内の電極パッド4の面積(平面視で1辺がAの正方形)よりも小さい面積(A>B)で形成されている。
 チップ実装基板2上のパッド開口部6内の電極パッド4上に、半導体チップ3のバンプ電極7が金ペーストの接続材料8Aの薄膜を介して搭載されている。チップ実装基板2の電極パッド4の最上金層上に金ペーストの接続材料8Aの薄膜を介してバンプ電極7の最上金層が搭載されて、金ペーストの接続材料8Aである金粒子が各最上金層とAu-Auで金属結合している。
 このように、接続材料として、金ペーストを使用し、半導体チップ3のバンプ電極7上、即ち、チップ実装基板2の電極パッド4と接続する必要最低限の面積にバンプ電極7上の金ペーストを領域形成することにより、電極パッド4側に金ペーストを領域形成した従来の場合に比べて金ペーストの接続材料8Aの面積を小さくすることができて金の使用量を大幅に少量化することができる。
 また、金ペーストの接続材料8Aにおける金粒子の粒径はサブミクロンサイズとすることにより、加熱温度を摂氏200度程度で、金ペーストの接続材料8Aを介した電極パッド4とバンプ電極7との金属結合が可能となり、加熱ヒータおよび加圧機構を使用する接合装置(後述する加熱・加圧ツール21)を用いることができる。
 ここで、金ペーストの接続材料8Aの領域面積(平面視で1辺がBの正方形)と、パッド開口部6内の電極パッド4の面積(平面視で1辺がAの正方形)とを比較して図3を用いて更に詳細に説明する。
 図3は、平面視で図2の基板電極パッド面積と金ペーストの接続材料形成面積とを比較するための平面図である。
 図3に示すように、半導体チップ3のバンプ電極7上、即ち、チップ実装基板2の電極パッド4と接続する必要最低限の面積に転写方式などにより金ペーストの接続材料8Aが配置されている。半導体チップ3を実装するチップ実装基板2上には、半導体チップ3のバンプ電極7を搭載して接続するためのパッド開口部6内の電極パッド4を備えている。パッド開口部6の開口面積(電極パッド4の面積)よりも小さくなる面積で金ペーストの接続材料8Aの配置領域が形成されている。
 即ち、チップ実装基板2のパッド開口部6は半導体チップ3の凸状のバンプ電極7の面積に、チップ接合時のアライメントマージンを加算した広い面積で設計されたデザインとし、バンプ電極7上の金ペーストの形成面積(平面視で1辺がBの正方形)は基板開口部6内の電極パッド4の面積(平面視で1辺がAの正方形)よりも小さく構成(A>B)されている。
 要するに、チップ実装基板2のパッド開口部6内の電極パッド4は、チップ実装基板2の電極パッド4上への金ペーストの接続材料8Aの搭載精度を含む広い電極領域面積を有しており、チップ搭載時に金ペーストの接続材料8Aがチップ実装基板2のパッド開口部6内の電極パッド4の電極領域内に搭載されて、金ペーストの接続材料8Aがパッド開口部6内の電極パッド4からチップ搭載時にはみ出さない。
 チップ搭載精度が±10μmとした場合に、金ペーストの接続材料8Aの領域に対して±10μm広い領域が基板電極の最小領域(チップ実装基板2の電極パッド4の領域)となる。金ペーストの接続材料8Aの1辺がBの正方形とした場合に、1辺がB±10μmが基板電極の最小領域(チップ実装基板2の電極パッド4の領域)となる。チップ搭載精度が向上すれば、金ペーストの接続材料8Aと基板電極領域との面積差は小さくなる。要するに、パッド開口部6内の基板電極領域(電極パッド4の領域)よりも狭い領域で金ペーストの接続材料8Aの領域が形成されている。
 接続材料として使用する金ペーストの接続材料8Aの金粒子平均径はサブミクロン、具体的には0.05μm~0.5μmとしている。これによって、焼結作用により摂氏200度程度の低温で金-金の金属接合が得られる。要するに、バルクのAu-Auであれば金が金属結合するのに摂氏500度以上必要であるが、金粒子径がサブミクロンオーダの金微粒子により熱が伝わり易く金属結合し易い。後述する金ペースト8はアルコール系などの揮発性溶媒に金粒子が適量混合されており、これを加熱すると溶媒が揮発して金粒子同士が接続材料として残りこれが上下の金層と共に金属結合する。また、金粒子平均径が0.01μmを下回れば、金同士を接合させたいプロセス以外では焼結が容易には進行せず安定した状態を維持することができないが、金粒子径を0.01μm以上とすることで、金同士を接合させたいプロセス以外では焼結が容易には進行せず安定した状態を維持することができる。
 上記構成により、図4および図5を用いて本実施形態1の半導体モジュール1を効率的に製造するチップ搭載方法とこれに用いる接合装置について詳細に説明する。
 図4(a)~図4(e)は、金ペーストを用いて図1の半導体モジュール1を製造するチップ実装方法の各工程を説明するための模式図である。
 まず、図4(a)のチップフルダイシング・エキスパンド工程に示すように、粘着テープ11上に、LED素子(発光ダイオード素子)やLD素子(レーザ素子)などの複数素子がマトリクス状に形成された半導体ウエハを搭載する。粘着テープ11上の半導体ウエハだけを複数の半導体チップ3に格子状にフルダイシングして個片化した後に、粘着テープ11をその周囲から均等にエキスパンドして、切断したダイシングライン12の隙間を広げる。
 このように、図4(a)の個片化した複数の半導体チップ3に対して各種検査を実施した後に、図4(b)のチップ再配置工程に示すように、検査工程により各素子を検査してランク分けや良品不良品などに識別して再配置するが、検査結果が例えば良品の半導体チップ3を別の粘着テープ13上に選択して所定間隔に並べ替える。このチップ供給方法は、別の粘着シート13上に、良品の半導体チップ3のみをバンプ電極7を上向きにした状態で貼り付ける。
 粘着シート13は、仮接着が可能な弾性体シートや、低粘着シートの他、加熱により粘着力が低下する熱発泡タイプや熱硬化性を有した粘着剤を使用するのがよい。粘着シート13上への複数の半導体チップ3の貼り付け位置は、チップ実装基板2の実装位置と同一位置に複数の半導体チップ3を貼り付けておけばよい。このことは、複数の半導体チップ3の一括実装時には必要となる。要するに、特に一括実装時に、バンプ電極7を上向きにした状態で、複数のバンプ電極7の配置はチップ実装基板2の電極パッド4の配置に一致していればよい。
 粘着シート13上への良品の半導体チップ3の貼り付け精度、即ち、半導体チップ3の再配置精度は高精度な方が良いが、今回の場合は、0.3μm以下の搭載精度にて良品だけの半導体チップ3の再配置を行った。
 次に、図4(c)の金ペースト形成工程に示すように、再配置を行った一または複数の半導体チップ3は、ディスペンス技術(スポット塗布)や転写技術の他、印刷技術などにより突起電極部の各バンプ電極7上に金ペースト8を塗布または転写して形成する。
 続いて、図4(d)のチップ反転・基板位置認識工程に示すように、粘着シート13上に、良品の半導体チップ3のみをバンプ電極7を上向きにしかつバンプ電極7上に金ペースト8が形成された状態から、上下方向を反転した状態、即ち、半導体チップ3のバンプ電極7およびその上の金ペースト8の薄膜が下側を向いた状態で、チップ実装基板2の各電極パッド4の上部に搬送されて、画像認識システムおよび、チップ実装基板2が搭載されたXYθステージによりチップ実装基板2の各電極パッド4と金ペースト8との位置合わせを行う。
 このとき、カメラを含む画像認識システムは、上方に位置する金ペースト8と、下方に位置するチップ実装基板2の各電極パッド4とを共に画像位置認識して、その画像データをXYθステージにフィードバックしてX方向とY方向の他に回転方向θにも高精度に、金ペースト8と電極パッド4とが平面視で画像一致するように位置調整して位置合わせを行う。
 この場合に、画像撮像用のカメラは、チップ実装基板2と半導体チップ3の間に配置することもできる。また、画像認識は、半導体チップ3とチップ実装基板2に共にマークを配置しておいて、その各マークの位置に基づいて位置合わせしてもよいが、ここでは、画像認識は、半導体チップ3のバンプ電極7上の金ペースト8と、チップ実装基板2の電極パッド4とを直に順次画像認識して最大限重なる位置(一致する位置)に位置合わせを行う。
 その後、図4(e)のチップ接続工程(加熱・加圧工程)に示すように、上部から、先端部が熱伝導性のよい円柱または角柱状の加熱・加圧ツール21を下降させて、半導体チップ3の裏側の粘着シート13上を押圧して粘着シート13の弾性により半導体チップ3をチップ実装基板2側に下降させつつ、加熱・加圧ツール21からの熱を半導体チップ3のバンプ電極7およびその上の金ペースト8に伝達させて、バンプ電極7およびその上の金ペースト8とチップ実装基板2の電極パッド4とを所定圧力で押圧する。
 これによって、熱が伝達された金ペースト8の接続材料8Aとチップ実装基板2の電極パッド4とを仮接続または本接続する。なお、チップ実装基板2はその上に多数の半導体チップ3を搭載した後に、所定サイズにチップ実装基板2を切断して個片化するようにしてもよい。
 加熱・加圧ツール21による加熱温度は摂氏200度~摂氏250度とし、加圧荷重は数N、時間は数秒~数十秒にて実施した。加熱・加圧ツール21による設定時間の加熱・加圧完了後、加熱・加圧ツール21は上昇するが、このとき、粘着シート13から半導体チップ3も熱によって自然に剥離される。したがって、加熱・加圧ツール21が上昇したときには粘着シート13もその弾性により上昇して元に戻るが、半導体チップ3はチップ実装基板2の電極パッド4に熱接合したままとなって残り、粘着シート13から半導体チップ3が剥離される。
 つまり、これは、この粘着シート13からの半導体チップ3の剥離において、粘着剤が摂氏200度程度で熱硬化性などの特性を有した粘着シート13を採用しているためであって、粘着シート13の半導体チップ3からの剥離時に、半導体チップ3に無用な負荷を与えることがなく、半導体チップ3の破損などが容易に回避される。
 図5(a)は、図4(e)のチップ接続工程に対して複数の半導体チップを一括実装するチップ接続工程を説明するための模式図、図5(b)は、半導体チップの高さが異なる異種チップの場合の複数の半導体チップを一括実装するチップ接続工程を説明するための模式図である。
 図4(e)の加熱・加圧ツール21はツールサイズ(エリアサイズ)が半導体チップ3の1個分のサイズであるため、各半導体チップ3を順次、各電極パッド4上に接続したが、図5(a)に示すように、複数の半導体チップ3を加熱・加圧ツール22がカバーするエリアサイズであってもよい。加熱・加圧ツール22のツールサイズ内に存在する複数の半導体チップ3を同時に一括で押圧して加熱することにより、チップ実装基板2の各電極パッド4と、各バンプ電極7上の各金ペースト8とに同時に熱と圧力を加えてAu-Auで金属結合させることができる。
 したがって、従来は、フリップチップボンドで、半導体チップは1チップ毎に反転して実装が必要でありチップ実装効率が悪かったが、複数の半導体チップを一括して同時にチップ実装基板2上に実装できるため、チップ実装効率が大幅に向上する。
 画像認識システムは、図4(d)では半導体チップ3のバンプ電極7上の金ペースト8と、チップ実装基板2の電極パッド4とを直に順次画像認識して最大限重なる位置(複数の金ペースト8と複数の電極パッド4とが互いに最大限重なる位置)に位置合わせを行っていたが、この一括実装の押圧加熱時の位置合わせでは、チップ実装基板2の電極パッド4と金ペースト8との位置合わせを離れた2箇所以上の複数点で行えば回転も含めてチップ実装基板2全体に対して広いエリアで素早く正確に位置合わせを行うことができる。
 図5(b)では、高さが異なる異種チップの半導体チップ3A,3Bのチップ実装基板2上への搭載方法において、一または複数の半導体チップ3A、3Bを貼り付ける粘着シート14のシート材にクッション性を持たせれば、高さの異なる半導体チップ3A,3Bに対する加熱・加圧ツール23の一括搭載時にもシート材のクッション性が半導体チップ3A,3Bのチップ段差を吸収して、加熱・加圧ツール23により、高さの異なる半導体チップ3A,3Bを同時に押圧して、チップ実装基板2の各電極パッド4に対して一括搭載を可能とする。この際、粘着シート14の熱伝導率が低く、熱伝導性に問題が生じる場合、基板側からの加熱としても良い。
 要するに、半導体チップ再配置工程において、複数の半導体チップとして同一種の一または複数の良品半導体チップ3Aまたは3B、または、チップ高さが異なる異種の良品半導体チップ3A,3Bを、チップ実装基板2の各電極パッド4の位置に対応した所定位置に再配置すればよい。
 したがって、本実施形態1の半導体チップ実装方法としては、粘着シート13上に一または複数の半導体チップ3を再配置する半導体チップ再配置工程と、粘着シート13上に再配置された一または複数の半導体チップ3の各バンプ電極7上に金ペースト8を形成する金ペースト形成工程と 粘着シート13上に貼り付けられた一または複数の半導体チップ3を上下に反転させて、加熱および加圧ツール21または22により一または複数の半導体チップ3の各バンプ電極7をチップ実装基板2の電極パッド4上に金ペースト8の接続材料8Aを介して実装する半導体チップ接続工程とを有している。
 以上により、本実施形態1によれば、チップ実装基板2上に一または複数の半導体チップ3を搭載した半導体モジュール1であって、半導体チップ3はその電極上に金ペースト8の接続材料8Aが形成されており、チップ実装基板2にはパッド開口部6内に電極パッド4が備えられ、パッド開口部6内の電極パッド4の平面視面積よりも小さい平面視面積でバンプ電極7上に金ペースト8の接続材料8Aの領域が形成されている。この場合、チップ搭載時に金ペースト8の接続材料8Aがチップ実装基板2のパッド電極4の領域内に搭載されている。
 これによって、平均粒径がサブミクロンオーダ(0.05μm以上0.5μm以下)の多数の微細な金粒子が混合された金ペースト8を半導体チップ3のバンプ電極7側に設けることにより、摂氏200度~摂氏250度程度の低温で素早く効率的なチップ実装を行うことができ、実装後は摂氏300度以上の高耐熱性を維持しつつ金消費量を大幅に節約することができる低コストの半導体モジュール1を得ることができる。
 なお、本実施形態1では特に説明しなかったが、半導体チップ3の電極としてのバンプ電極7上に形成された金ペースト8の接続材料8Aを、フェイスダウンでチップ実装基板2の各電極パッド4上に接続して、チップ実装基板2上に半導体チップ3がフリップチップ実装されている。
 なお、本実施形態1では特に説明しなかったが、半導体チップ3の電極としてバンプ電極7が無電解メッキ法により低コストで形成されている。
 (実施形態2)
 上記実施形態1では、パッド開口部6内の電極パッド4の平面視面積よりも小さい平面視面積で金ペースト8の接続材料8Aの領域が形成され、金ペースト8の金粒子平均径をサブミクロンオーダ、具体的には0.05μm~0.5μmとし、これによって、焼結作用で摂氏200度~摂氏250度程度の低温で金-金の金属接合を素早く得る場合について説明したが、本実施形態2では、パッド開口部6内の電極パッド4の平面視面積よりも小さい平面視面積で金ペースト81の接続材料81Aの領域が形成され、金ペースト81は、その接続材料81Aの金粒子平均粒径が0,5μmを超え1μm未満の金粒子とし、これによって、焼結作用で摂氏250度~摂氏300度程度の低温で金-金の金属接合を容易に得る場合について説明する。
 図1(a)および図1(b)~図3を用いて、本実施形態2の半導体モジュール10について詳細に説明する。
 図1(a)および図1(b)、図2において、本実施形態2の半導体モジュール10は、チップ実装基板2(基板)上に一または複数の半導体チップ31が搭載されている。チップ実装基板2上に、金属配線4aに接続された一または複数の電極パッド4(チップ実装基板2の電極)が設けられ、電極パッド4の上方には、基板全面に設けられた保護膜5にパッド開口部6(開口部)が形成されている。
 一方、半導体チップ31のバンプ電極7(半導体チップ31の電極)上に設けられた図示しないが金ペースト81(前述の金ペースト8に対応)の接続材料81Aの領域面積(平面視で1辺がBの正方形)は、パッド開口部6内の電極パッド4の面積(平面視で1辺がAの正方形)よりも小さい面積(A>B)で形成されている。
 チップ実装基板2上のパッド開口部6内の電極パッド4上に、半導体チップ3のバンプ電極7が金ペースト81の接続材料81Aの薄膜を介して搭載されている。チップ実装基板2の電極パッド4の最上金層上に金ペースト81の接続材料81Aの薄膜を介してバンプ電極7の最上金層が搭載されて、金ペースト6の金粒子が各最上金層とAu-Auで金属結合している。
 このように、接続材料として、上記金ペースト8の金粒子の平均粒径(具体的には0.05μm~0.5μm)よりも大きい金ペースト81(具体的には0.5μmを超え1μm未満)を使用し、半導体チップ3のバンプ電極7上、即ち、チップ実装基板2の電極パッド4と接続する必要最低限の面積にバンプ電極7上の金ペースト81を領域形成することにより、電極パッド4側に金ペースト8を領域形成した従来の場合に比べて金ペースト81の接続材料81Aの面積を大幅に小さくすることができて金の使用量を大幅に少量化することができる。
 要するに、チップ実装基板2のパッド開口部6内の電極パッド4は、チップ実装基板2の電極パッド4上への金ペースト81の接続材料81Aの搭載精度を含む広い電極領域面積を有しており、チップ搭載時に金ペースト81の接続材料81Aがチップ実装基板2のパッド開口部6内の電極パッド4の電極領域以内に搭載されて、金ペースト81の接続材料81Aがパッド開口部6内の電極パッド4からチップ搭載時にはみ出さない。
 また、この金ペースト81の接続材料81Aにおける金粒子の平均粒径は0.5μmを超え1μm未満の金粒子とすることにより、加熱温度を摂氏250度~摂氏300度程度で、金ペースト81の接続材料81Aを介した電極パッド4とバンプ電極7との金属結合が可能となり、加熱ヒータおよび加圧機構を使用する接合装置(後述する加熱・加圧ツール21)を用いることができる。
 要するに、バルクのAu-Auであれば金が金属結合するのに摂氏500度程度が一般的に必要であるが、金粒子平均径が0.5μmを超え1μm未満の金微粒子により熱が伝わり易く金属結合し易い。金ペースト81はアルコール系などの揮発性溶媒に金粒子が適量混合されており、これを加熱すると溶媒が揮発して金粒子同士が接続材料として残りこれが上下の金層と共に金属結合する。また、金粒子平均径が0.01μmを下回れば、金同士を接合させたいプロセス以外で焼結が容易に進行してしまい、安定した状態を維持することができないが、金粒子平均径が0.5μmを超える粒径であるので、金同士を接合させたいプロセス以外では焼結がより確実にプロセスが進行せず安定した状態を維持することができる。
 なお、上記実施形態1では、金ペースト8の金粒子平均径を0.05μm~0.5μmとし、本実施形態2では、金ペースト81の金粒子平均径を0,5μmを超え1μm未満としている。金粒子平均径が0.01μmを下回れば、金同士を接合させたいプロセス以外で焼結が容易に進行してしまい、安定した状態を維持することができないし、接続材料である金ペーストの主材料となる金粒子の平均粒径が1μmを超えると、接続時に高温と長時間を要してしまい、チップ実装効率が大幅に低下する。このため、金ペーストの金粒子の平均粒径を0,01μm以上1μm未満とすることができる。
 金ペーストの金粒子の平均粒径が0,01μm以上1μm未満とすれば、加熱温度を摂氏200度~摂氏300度程度で、金ペーストの接続材料における耐熱性にも問題がなく、金ペーストの接続材料を介した電極パッド4とバンプ電極7との金属結合を素早く行うことができる。
 これによって、本実施形態2の半導体モジュール10においても、上記実施形態1の半導体モジュール1の場合と同様、金ペーストを、基板電極側よりも狭い面積で半導体チップの電極側に設けることにより、より低温で効率的なチップ実装を可能とし、高耐熱性を維持しつつ金材料の消費量を大幅に節約することができる本発明の目的を達成することができる。
 なお、本実施形態2では特に説明しなかったが、本実施形態2の半導体チップ実装方法においても、図4(a)~図4(e)、図5(a)および図5(b)を用いて説明した上記実施形態1の半導体チップ実装方法と同様に行うことができる。
 以上のように、本発明の好ましい実施形態1、2を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態1、2に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態1、2の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
 本発明は、パワーデバイス(PD)やLED(発光ダイオード素子)、LD(レーザ素子)などに用いられ、バンプ電極などの電極が形成された半導体チップが基板上にフリップチップ接続などで搭載された半導体モジュールおよび半導体チップ実装方法の分野において、金微粒子を含む金ペーストを半導体チップの電極側に設けることにより、低温で効率的なチップ実装を可能とし、高耐熱性を維持しつつ金消費量を大幅に節約することができる。

Claims (5)

  1.  基板上に半導体チップを搭載した半導体モジュールであって、該半導体チップはその電極上に金ペーストの接続材料が形成されており、該基板には開口部内に電極が備えられ、該開口部内の電極面積よりも小さい面積で該金ペーストの接続材料領域が形成されている半導体モジュール。
  2.  請求項1に記載の半導体モジュールであって、前記基板の開口部内の電極は、前記金ペーストの該基板の電極上への搭載精度を含む広い電極領域面積を有しており、チップ搭載時に前記金ペーストの接続材料が前記基板の電極領域内に搭載されている半導体モジュール。
  3.  請求項1に記載の半導体モジュールであって、前記金ペースの接続材料の平均粒径が0.01μm以上1μm未満である半導体モジュール。
  4.  請求項1~3のいずれかに記載の半導体モジュールの半導体チップ実装方法であって、
     粘着シート上に貼り付けられた一または複数の半導体チップを上下に反転させて、加熱および加圧ツールにより該半導体チップの電極を前記基板の電極上に前記金ペーストの接続材料を介して実装する半導体チップ接続工程を有する半導体チップ実装方法。
  5.  請求項4に記載の半導体チップ実装方法であって、前記粘着シートの粘着剤は熱により粘着力が低下する特性を有している半導体チップ実装方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109786307A (zh) * 2017-11-15 2019-05-21 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司 微型led显示面板的制备方法
JP2022082758A (ja) * 2015-08-28 2022-06-02 昭和電工マテリアルズ株式会社 緩衝シート用組成物及び緩衝シート

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004072037A (ja) * 2002-08-09 2004-03-04 Renesas Technology Corp 半導体装置の製造方法
WO2010101236A1 (ja) * 2009-03-06 2010-09-10 田中貴金属工業株式会社 バンプ及び該バンプの形成方法並びに該バンプが形成された基板の実装方法
WO2011043102A1 (ja) * 2009-10-06 2011-04-14 株式会社フジクラ 回路基板

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004072037A (ja) * 2002-08-09 2004-03-04 Renesas Technology Corp 半導体装置の製造方法
WO2010101236A1 (ja) * 2009-03-06 2010-09-10 田中貴金属工業株式会社 バンプ及び該バンプの形成方法並びに該バンプが形成された基板の実装方法
WO2011043102A1 (ja) * 2009-10-06 2011-04-14 株式会社フジクラ 回路基板

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022082758A (ja) * 2015-08-28 2022-06-02 昭和電工マテリアルズ株式会社 緩衝シート用組成物及び緩衝シート
JP7322998B2 (ja) 2015-08-28 2023-08-08 株式会社レゾナック 緩衝シート用組成物及び緩衝シート
CN109786307A (zh) * 2017-11-15 2019-05-21 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司 微型led显示面板的制备方法
CN109786307B (zh) * 2017-11-15 2021-02-05 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司 微型led显示面板的制备方法

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