JP2006147880A

JP2006147880A - 半田バンプ付き半導体接合方法および半田バンプ付き半導体接合装置

Info

Publication number: JP2006147880A
Application number: JP2004336479A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Oi; 義昭大井; Kaoru Yoda; 薫依田
Original assignee: Citizen Miyota Co Ltd
Current assignee: Citizen Miyota Co Ltd
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】半田バンプ付き半導体接合における、接合タクトの問題、フラックス使用による問題、熱硬化性樹脂の注入に関する問題、信頼性の低下問題を解決することを目的としている。
【解決手段】少なくとも、熱硬化性樹脂７を予め基板２に供給する工程と、該熱硬化性樹脂７上に半田バンプ付き半導体１を供給する工程と、非接触の熱源９による局部加熱で前記半田バンプ付き半導体１を加熱して半田バンプ３を溶融させ基板２上の電極４と接合を行なう工程を有する半田バンプ付き半導体接合方法とする。
【選択図】図８

Description

本発明は半田バンプ付き半導体の接合方法および半田バンプ付き半導体接合装置に関す
るものである。

近年、半導体デバイスの軽薄短小化や高機能化が進んでおり、それに伴った高密度実装
要求に応えていくために半田バンプ付き半導体（以下チップという）を直接フェイスダウ
ンにて、基板上に実装するフリップチップボンディングが開発されている。これは、チッ
プ側にある半田と基板側にある基板電極を使って、裏返したチップ（フリップチップ）を
基板上に位置合わせした後、半田を溶融させ接合を行なうものである。

図２は従来技術によるフリップチップ工法において、チップの半田バンプ部及び基板電極上にフラックスが供給された状態の断面図である。従来、チップ１をフリップチップ工法にて基板２に接合する場合、予め半田バンプ３表面および／または基板電極４側にフラックス５を転写あるいは供給し、フラックス５の有する粘着性を利用してチップ１の搭載後の仮固定を行う。リフロー方式の加熱では、チップ１を基板２に搭載後リフロー炉（不図示）に投入して半田バンプ３を溶融し、半田バンプ３と基板電極４を接合し、その後、冷却して半田バンプ３を固化することで接合が終了する工程を辿っている。

図３は従来技術によるフリップチップ工法において、ボンディングヘッドにより吸着したチップの半田バンプと基板電極の位置を合わせて搭載し、所定の加熱及び加重で押し付け半田溶融を行なった状態の断面図（Ａ）と、ボンディングヘッドにより吸着したチップを半田バンプと基板電極の位置を合わせて搭載し、所定の加重で押し付けた後、リフローによる加熱で半田溶融を行なった状態の断面図（Ｂ）である。図（Ａ）のフリップチップ工法では、ボンディングヘッド６により吸着したチップ１の半田バンプ３と基板２に形成された基板電極４の位置合わせをして搭載し、そのまま所定の加重でチップ１を基板２に押し付け、ボンディングヘッド６により加熱して半田バンプ３を溶融し、半田バンプ３と基板電極４を接合し、半田バンプが固まるのを待ってボンディングヘッド６を外す工程を辿っている。

フラックスの主な作用は、前述の粘着性によるチップ搭載後の仮固定と、半田が溶融し接合する際に、半田や非半田接合面の酸化膜を除去するとともに、前記半田や非半田接合面の表面を覆って再酸化を防止することにあり、半田溶融させる際には必要不可欠なものとなっている。

しかしながらフラックスには腐食性があるため、接合後は除去しなければならず、洗浄工程を必要としている。図４は従来のフリップチップ工法において洗浄工程によりフラックスを除去した後の状態の断面図である。また、フラックス除去後は、チップ１と基板２の間に樹脂を充填するのが一般的である。図５は、チップと基板との間に熱硬化性樹脂を充填した状態の断面図であるが、チップ１と基板２との接合強度を補強し、製品の信頼性を向上させる為、接合後のチップ１と基板２の間に熱硬化性樹脂７などのアンダーフィル樹脂の充填が必須条件となっていた。熱硬化性樹脂７はディスペンサー８等で供給するが、フラックス５の残渣により樹脂の注入が阻害され充填が困難になるといった問題がある。さらに、フラックス残渣は接合後に注入する熱硬化性樹脂７との密着性が悪い為、剥離を起こすことがあり、製造された製品の信頼性を低下させる要因となっている。

前記問題があるためフラックス５を完全に除去する為の洗浄工程が必要となっている。フリップチップ実装のフラックス洗浄を行なう場合、チップ１と基板２間は５０μｍ程度であり、非常に狭ギャップ間の洗浄を行なうことになり、完全に除去するためには長時間の洗浄を行なう必要があり、コストアップの要因となっている。

前述の加熱方式は、リフロー方式だと全体加熱のため半田溶融までに時間がかかってしまい、ボンディングヘッド加熱による接合方法だと局部加熱により半田溶融までに至る時間は短く出来るものの、溶融後の半田が冷却し凝固するまでボンディングヘッドをチップから離せないため、長時間の接合タクトが必要となりコストアップの要因となっている。

このような問題を解決する為、フラックスレスにてフリップチップ実装を行なう方法として、フラックス作用を有する熱硬化性樹脂を使用し、リフローによる接合工法もあるが、リフロー時の高温により熱硬化性樹脂中の水分及び樹脂中に巻き込まれた空気が急激に膨張してクラックを起こしたり、リフロー炉に入った時点では、熱硬化性樹脂が硬化しておらず液状である為、チップ保持力が弱く、リフロー炉内の熱風によりチップ位置がずれるなどの問題がある。（例えば特許文献１参照）

特開２００１―２８４３８２号公報

リフロー方式及びボンディングヘッド加熱方式による長時間の接合タクトによるコストアップ問題。チップをフリップチップ工法にて実装する際に使用するフラックスによる腐食あるいは製品の信頼性低下の問題。チップと基板の接合後の、狭ギャップ間のフラックス洗浄工程を行なう場合の長時間の洗浄時間を行なうことによるコストアップ問題。洗浄後のフラックス残渣による熱硬化性樹脂の注入阻害。フラックス残渣と熱硬化性樹脂との密着性による信頼性の低下問題。本発明は、接合タクトの問題、フラックス使用による問題、熱硬化性樹脂の注入に関する問題、信頼性の低下問題を解決することを目的としている。

請求項１に記載のチップ接合方法の発明は、少なくとも、熱硬化性樹脂を予め基板に供給する工程と、該熱硬化性樹脂上にチップを供給する工程と、非接触の熱源による局部加熱で前記チップを加熱して半田バンプを溶融させ基板上の電極と接合を行なう工程を有することを特徴とするチップ接合方法である。

請求項２に記載のチップ接合方法の発明は、請求項１において、熱硬化性樹脂を硬化させる工程を有することを特徴とする請求項１記載のチップ接合方法である。

請求項３に記載のチップ接合装置の発明は、少なくとも、チップが供給された基板を位置決め載置する手段と、前記基板の半導体載置部を局部的に加熱する非接触加熱手段と、該加熱手段を制御する手段を有することを特徴とするチップ接合装置である。

請求項４に記載のチップ接合装置の発明は、請求項３において、熱硬化性樹脂を供給する手段と、チップを供給する手段を有することを特徴とするチップ接合装置である。

請求項５に記載のチップ接合装置の発明は、請求項４において、チップの供給を行なう前に、半田バンプと基板電極の位置を合わせるための位置合わせ認識機能と、チップを供給した際に、半田バンプと基板電極間に介在している熱硬化性樹脂を押し出す為の搭載加重を制御する手段を有することを特徴とするチップ接合装置である。

請求項６に記載のチップ接合装置の発明は、請求項３〜５のいずれか１項に記載において、少なくとも、熱硬化性樹脂を供給する手段と、半田バンプ付き半導体を供給する手段と半導体載置部を局部的に加熱する手段を同一搬送系上で次工程への流動を連続に行なう手段を有することを特徴とする半田バンプ付き半導体接合装置である。

請求項１の発明のチップ接合方法によると、予め基板に供給された熱硬化性樹脂の粘着性により搭載されたチップに、非接触の熱源にてチップを局部的に加熱するので、短時間で半田溶融点まで温度が上昇し溶融・接合が行なわれ、非接触の局部加熱なので、半田が冷却し凝固するまでの待機時間がきわめて短くなる。従来のリフロー方式及びボンディングヘッド方式による接合時間に比べ、短時間接合が可能となり長時間の接合タクトによるコストアップ問題を解決することが出来る。また、フラックス洗浄工程を省くことが出来、工程を簡略化することが出来る為、洗浄工程を行なうことによるコストアップ問題を解決することが出来る。さらに、ノンフラックスにて半田溶融接合が行なわれることで、フラックスによる腐食あるいは剥離等による製品の信頼性低下の問題を解決することが出来る。予め熱可塑性樹脂を供給するので、従来技術の課題であったフラックス残渣による熱硬化性樹脂の注入阻害はあり得なくなる。

請求項２の発明のチップ接合方法によると、溶融接合時で半硬化状態であった熱硬化性樹脂を接合後に硬化させることにより、熱硬化性樹脂が本硬化され製品の信頼性向上を行なうことが出来る。

請求項３の発明のチップ接合装置は、予め基板に供給された熱硬化性樹脂の粘着性により搭載されたチップに、非接触の熱源にてチップを局部的に加熱する手段を有するので、短時間で半田溶融点まで温度が上昇し溶融・接合が行なわれる。非接触の局部加熱なので、半田が冷却し凝固するまでの待機時間がきわめて短くなる。従来のリフロー方式及びボンディングヘッド方式による接合時間に比べ、短時間接合が可能となり長時間の接合タクトが必要な装置と比べ接合装置の生産能力が向上できる。また従来後工程で必要であったフラックス洗浄工程を省くことが出来、工程を簡略化することが出来る為、洗浄工程を行なうことによるコストアップ問題を解決することが出来る。さらに、ノンフラックスにて半田溶融接合が行なえるので、フラックスによる腐食あるいは剥離等による製品の信頼性低下の問題を解決することが出来る。局部的な加熱なので、高温により熱硬化性樹脂中の水分及び樹脂中に巻き込まれた空気が急激に膨張してクラックを起こしたり、リフロー炉内の熱風によりチップ位置がずれるなどの問題が発生しない等々の特徴を有する。

請求項４の発明のチップ接合装置によると、さらに熱硬化性樹脂を供給する手段とチップを供給する手段を有することにより、基板上に供給されたチップが次工程である半田溶融工程に流動するまでの移動距離や移動時間が短縮される為、製品移動間での外部衝撃によるチップ位置のずれや樹脂の長時間放置による吸湿などの不具合がなくなる。また、熱硬化性樹脂供給とチップ供給及び半田溶融接合とを同一装置で行なうことが可能になり、人員削減が可能となる。

請求項５の発明のチップ接合装置によると、さらにチップの半田バンプ部と基板電極位置を合わせる為の位置認識機能を有することにより、常に正確な位置にチップ供給を行なうことが可能となる。また、搭載加重制御機能を有することにより、常に適正な加重にて搭載を行なうことが出来、過加重によるチップ破壊や加重不足によりバンプと基板電極間の樹脂を押し出すことが出来ず、それらが接触出来ないことによる未接合問題を防ぐことが出来る。

請求項６の発明のチップ接合装置によると、さらに熱硬化性樹脂の供給手段とチップ供給手段とチップへの非接触による局部的加熱手段を同一搬送系にて行なえる機能を有することにより、各工程が同一搬送系上で行なわれ、次工程への流動が連続となることにより、熱硬化性樹脂の供給手段とチップ供給手段とチップへの非接触による局部加熱手段を一人の作業者にて行なうことが可能となり、人員削減及び作業効率の向上が可能となる。

少なくとも、熱硬化性樹脂を予め基板に供給する工程と、チップを供給する工程と、非接触の熱源にて局部加熱を行い、半田を溶融させ接合を行なう工程を有することを特徴とするチップ接合方法である。

図１は本発明に係わる基板とチップを重ね合わせた上面図（Ａ）と側面図（Ｂ）である（Ａ）においては重ね合わせた部分にある基板電極、半田バンプ部を透視して記載してあり、（Ｂ）においては基板とチップを離して記載してある。チップ１には１２の半田バンプ３が形成され、基板２には半田バンプ３に対応する１２の基板電極４が形成されている。

図６は基板上に熱硬化性樹脂のチップ接合装置を供給した状態の模式図である。熱硬化性樹脂（例えばエポキシ系樹脂）７の供給位置としては半田バンプ３が接触する基板電極４部が全て覆われるように行なうことが望ましく、供給手段としてはディスペンサ８や転写等の汎用手段でよく、供給量としては、チップ１を搭載した際に、チップ１の側面にチップ１の厚さの半分程度にまでフィレットが出来る程度の量が良い。熱硬化性エポキシ樹脂７中に巻き込まれた空気が急激に膨張してクラックを起こしたり、熱硬化性エポキシ樹脂７による浮力でチップ１の位置がズレてしまうことのないよう配慮することは言うまでもない。

使用する熱硬化性エポキシ樹脂７の樹脂物性値については、チップ１を搭載した際に、位置ズレを起こさないように、またチップ１付近のみの局部加熱を行なった際に、照射熱により熱硬化性エポキシ樹脂７が飛散するのを抑える為に、ある程度の粘度（１０Ｐａ．ｓ程度）をもった樹脂が望ましい。また、加熱した際に熱硬化性エポキシ樹脂のゲル化が始まり半田バンプ３より先に硬化してしまうと、チップ１が傾き接続することが出来なくなる恐れがある為、ゲルタイム（１５０℃時）が１００ｓｅｃ〜１２０ｓｅｃのものが望ましい。

図７は、熱硬化性エポキシ樹脂を供給した基板上に、ボンディングヘッドにより吸着したチップを半田バンプと基板電極の位置を合わせて搭載し、所定の加重で押し付けた状態の断面図である。この際のボンディング加重は半田バンプ３と基板電極４の間に介在している熱硬化性エポキシ樹脂７を押し出すように、４０〜５０ｇｆ／バンプ程度の加重をかけることが望ましい。

図８は、非接触の熱源（例えばハロゲンランプ・キセノンランプ・レーザー光線等）にて搭載されたチップをスポット加熱し、半田溶融させて接合を行なった状態を示す模式図である。この時の照射時間は熱硬化性エポキシ樹脂７の硬化が始まらないようになるべく短くするのが望ましく（好ましくは２ｓｅｃ以内程度）、照射時間内に半田バンプ３の溶融が可能となるような温度に達するように非接触熱源のパワーを調整することが必要である。

図９は所定の硬化条件にて熱硬化性エポキシ樹脂の硬化を行なった状態の断面図である。使用熱硬化性エポキシ樹脂のメーカー推奨条件にてポストキュアを行い、樹脂硬化を行なう。

本実施例では、基板材料に外形５×５ｍｍで厚み０．５ｍｍ程度のガラエポを使用したが、使用する基板材料は、外形２×２ｍｍ以上程度で半田バンプが接合される基板電極などが形成されているセラミックやＦＰＣまたはガラスや樹脂基板であれば同様に接合を行なうことが可能である。また、チップに２×２ｍｍ程度の小チップを使用したが、チップサイズの大小による局部加熱の対応は、非接触の局部加熱源の高さを調整し、焦点範囲を調整することにより所望の局部過熱を得ることができる。尚、焦点範囲を広げると加熱温度も下がる為、非接触熱源のパワーを上げる必要がある。チップが小さくなった場合は、非接触の熱源の最小焦点範囲に限界があるため、２×２ｍｍよりチップサイズが小さくなる場合は、照射されるチップ上にチップサイズと同程度の穴の空いた金属製のマスクなどを設置し、マスク穴により強制的に焦点範囲を小さくし、照射を行なう必要がある。使用する半田バンプの種類に関しては、共晶半田や鉛フリー半田等、溶融温度の異なるものでも接合が可能であり、その際の加熱温度は、各半田バンプの所定の溶融可能温度に１０〜２０℃程度プラスした温度を照射し溶融接合を行なえば良い。非接触の熱源にハロゲンランプを使用したが、キセノンランプやレーザー光線など非接触で急加熱が可能な熱源であれば本発明のチップ接合方法やチップ接合装置に適用できる。

図１０は本発明によるチップ接合装置の模式図である。チップ接合装置は、少なくとも、基板２上に熱硬化性エポキシ樹脂７の供給を行なうユニット（Ａ）と基板２上にチップ１供給を行なうユニット（Ｂ）さらに供給されているチップ１上に非接触にて局部加熱を行なうユニット（Ｃ）にて構成されており、各工程を同一搬送系１０（例えばベルトコンベア）にて行なえるような機構となっている。ユニット（Ａ）の熱硬化性エポキシ樹脂７供給部は、ディスペンサーにて行なえるようになっており、半田バンプ３が接触する基板電極４部が全て覆われるように供給を行なう。ユニット（Ｂ）のチップ供給部は、半田バンプ３と基板電極４との位置合わせ認識機能と加重制御機能を持ち合せた機構１１となっており、所定のチップ位置及び搭載加重にて供給を行なう。ユニット（Ｃ）部の非接触の局部加熱部は、加熱量を制御できる機構と焦点調整を行なう為の高さ調整機構１２を持ち合せており、熱量及び加熱範囲の制御を行い、供給済みのチップ１上に局部加熱を行なう。尚、各ユニットは同一搬送系１０上にて行なわれ、全工程を同時進行及び次工程への自動流動が行なえるような構造となっている。

本発明に係わる基板とチップを重ね合わせた上面図（Ａ）と側面図（Ｂ）従来技術によるフリップチップ工法において、チップの半田バンプ部及び基板電極上にフラックスが供給された状態の断面図従来技術によるフリップチップ工法において、ボンディングヘッドにより吸着したチップの半田バンプと基板電極の位置を合わせて搭載し、所定の加熱及び加重で押し付け半田溶融を行なった状態の断面図（Ａ）と、ボンディングヘッドにより吸着したチップを半田バンプと基板電極の位置を合わせて搭載し、所定の加重で押し付けた後、リフローによる加熱で半田溶融を行なった状態の断面図（Ｂ）従来のフリップチップ工法において洗浄工程によりフラックスを除去した後の状態の断面図チップと基板との間に熱硬化性樹脂を充填した状態の断面図基板上に熱硬化性樹脂のチップ接合装置を供給した状態の模式図熱硬化性エポキシ樹脂を供給した基板上に、ボンディングヘッドにより吸着したチップを半田バンプと基板電極の位置を合わせて搭載し、所定の加重で押し付けた状態の断面図非接触の熱源にて搭載されたチップをスポット加熱し、半田溶融させて接合を行なった状態を示す模式図所定の硬化条件にて熱硬化性エポキシ樹脂の硬化を行なった状態の断面図本発明によるチップ接合装置の模式図

符号の説明

１チップ
２基板
３半田バンプ
４基板電極
５フラックス
６ボンディングヘッド
７熱硬化性（エポキシ）樹脂
８ディスペンサ
９非接触の熱源
１０搬送系
１１位置合わせ認識機能と加重制御機能を持ち合せた機構
１２高さ調整機構

Claims

少なくとも、熱硬化性樹脂を予め基板に供給する工程と、該熱硬化性樹脂上に半田バンプ付き半導体を供給する工程と、非接触の熱源による局部加熱で前記半田バンプ付き半導体を加熱して半田バンプを溶融させ基板上の電極と接合を行なう工程を有することを特徴とする半田バンプ付き半導体接合方法。
さらに熱硬化性樹脂を硬化させる工程を有することを特徴とする請求項１記載の半田バンプ付き半導体接合方法。
少なくとも、半田バンプ付き半導体が供給された基板を位置決め載置する手段と、前記基板の半導体載置部を局部的に加熱する非接触加熱手段と、該加熱手段を制御する手段を有することを特徴とする半田バンプ付き半導体接合装置。
さらに、熱硬化性樹脂を供給する手段と、半田バンプ付き半導体を供給する手段を有することを特徴とする請求項３に記載の半田バンプ付き半導体接合装置。
さらに、半田バンプ付き半導体の供給を行なう前に、半田バンプと基板電極の位置を合わせるための位置合わせ認識機能と、半田バンプ付き半導体を供給した際に、半田バンプと基板電極間に介在している熱硬化性樹脂を押し出す為の搭載加重を制御する手段を有することを特徴とする請求項４に記載の半田バンプ付き半導体接合装置。
少なくとも、熱硬化性樹脂を供給する手段と、半田バンプ付き半導体を供給する手段と半導体載置部を局部的に加熱する手段を同一搬送系上で次工程への流動を連続に行なう手段を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の半田バンプ付き半導体接合装置。