(57)【要約】【課題】  半導体部品のスタッド・バンプに均一な量のはんだを供給し、回路基板上の接合パッドとはんだ接合させる。【解決手段】  複数のスタッド・バンプ（１２）が設けられた半導体部品（１０）を準備するステップ、スタッド・バンプの各々に対応する固形はんだ（１４）が並べられたはんだ基板（１３）を準備するステップ、スタッド・バンプの各々に対応する接合パッド（２１）を有する回路基板（２０）を準備するステップ、スタッド・バンプの各々の先端部にはんだ基板上の対応する固形はんだを付着させるステップ、スタッド・バンプの先端部に付着した固形はんだをはんだ基板から分離するステップ、スタッド・バンプの各々の先端部に付着した固形はんだと対応する接合パッドとを接触させるステップ、対応する接合パッドに接触した固形はんだを溶融させてスタッド・バンプの各々と対応する接合パッドをはんだ接合させるステップとを含む方法が提供される。
2008078631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板上に半導体部品を搭載する方法であって、
表面に複数のスタッド・バンプが設けられた半導体部品を準備するステップと、
表面に前記複数のスタッド・バンプの各々に対応する固形はんだが並べられたはんだ基板を準備するステップと、
表面に前記複数のスタッド・バンプの各々に対応する接合パッドを有する回路基板を準備するステップと、
前記複数のスタッド・バンプの各々の先端部に、前記はんだ基板上の前記対応する固形はんだを付着させるステップと、
前記スタッド・バンプの先端部に付着した固形はんだを前記はんだ基板から分離するステップと、
前記スタッド・バンプの各々の先端部に付着した固形はんだと前記対応する接合パッドとを接触させるステップと、
前記対応する接合パッドに接触した前記固形はんだを溶融させて、前記スタッド・バンプの各々と前記対応する接合パッドをはんだ接合させるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記複数のスタッド・バンプの各々の先端部に前記対応する固形はんだを付着させるステップは、前記複数のスタッド・バンプの各々と前記対応する固形はんだとが位置あわせされるように、前記半導体部品と前記はんだ基板を近づけるステップを含む、請求項１の方法。
【請求項３】
前記スタッド・バンプの各々の先端部に付着した固形はんだと前記対応する接合パッドとを接触させるステップは、前記複数のスタッド・バンプの各々と前記対応する接合パッドとが位置あわせされるように、前記半導体部品と前記回路基板を近づけるステップを含む、請求項１の方法。
【請求項４】
前記はんだ基板は、表面に前記複数のスタッド・バンプの各々に対応する開口を有し、当該開口に固形はんだが収納されている、請求項１の方法。
【請求項５】
前記固形はんだは、はんだボールからなる、請求項４の方法。
【請求項６】
前記複数のスタッド・バンプの各々の先端部に前記対応する固形はんだを付着させるステップは、前記半導体部品および前記はんだ基板のいずれか一方あるいは双方を加圧するステップを含む、請求項２の方法。
【請求項７】
前記複数のスタッド・バンプは、突起状の先端部を有する、請求項１の方法。
【請求項８】
前記複数のスタッド・バンプは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、およびＮｉを含むグループから選択された１つ、あるいは２つ以上の金属の組み合わせからなる、請求項１の方法。
【請求項９】
前記固形はんだを溶融させるステップは、リフロー炉あるいはフリップ・チップ・ボンダーを用いて、前記固形はんだを溶融させることを含む、請求項１の方法。
【請求項１０】
前記固形はんだは、鉛フリーはんだからなる、請求項１の方法。
【請求項１１】
前記開口は、前記はんだ基板の表面から当該開口の底部に向かって先細りとなる形状を有する、請求項４の方法。
【請求項１２】
前記固形はんだは、前記はんだ基板の開口に充填されたはんだからなる、請求項４の方法。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項の方法により、回路基板上に搭載された半導体部品を有する、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板上に半導体部品を搭載する方法に関する。本発明は、特にスタッド・バンプを有する半導体部品と接合パッドを有する回路基板とをはんだを用いて接合させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体部品を回路基板に電気的に接合させる方法として、両者の接合（電極）パッドをはんだを用いて接合する、フリップ・チップ・ボンデイング（ＦＣＢ）法がある。このＦＣＢ法の一つに、半導体部品の接合パッドにバンプを設け、回路基板の接合パッドに予めはんだ層を設ける方法（プリコート法）がある。図１はプリコート法を説明するための図である。バンプ２が設けられた半導体部品１と、基板３上の接合パッド４上にはんだ層５が設けられた基板３を準備する（ａ）。バンプ２と接合パッド４を位置合わせさせた後に接触させる（ｂ）。加熱して接合パッド４上のはんだ層５を溶融させて、バンプ２と接合パッド４をはんだ接合する（ｃ）。【０００３】
図１の従来の方法には、例えば以下のような問題がある。接合パッド４がＣｕからなり、かつはんだ材料としてＳｎ−Ａｇを使用した場合、接合パッド４上にはんだ層５を設ける際の加熱（プリコート加熱）により、はんだ中のＳｎと接合パッド４を構成するＣｕとの間で金属間化合物（Ｓｎ−Ｃｕ）が形成されてしまう。その結果、はんだ中のＳｎ原子が減少してＡｇの割合が大きくなって、はんだの融点が上昇する。なお、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだでも、共晶点である６３％Ｓｎ−３７％Ｐｂの比率が変わることで、同様に融点は上昇する。ＰｂフリーのＳｎ−Ａｇ系の場合は、特にこの融点上昇が顕著になる。【０００４】
はんだの融点が上昇すると、図１（ｃ）のはんだを溶融させるための加熱温度を高くする必要がある。その結果、基板と半導体部品との熱膨張係数の差によって生ずる伸び（熱膨張）の差も大きくなる。そして、スタッド・バンプ２と接合パッド４の位置ズレや基板３の反リに起因する欠陥が発生する。また、プリコート時とはんだ接合時の２回のはんだ溶融において作られるＡｇ３Ｓｎ結晶の硬度が高いので、溶融後の固化したはんだにクラックが発生しやすい。【０００５】
プリコートの際のはんだの溶融を回避する従来方法として、ペースト転写法がある。図２はペースト転写法を説明するための図である。半導体部品１のバンプ２をはんだペースト７中に漬ける（ａ）。はんだペースト７は、はんだ粒子に粘性を有するフラックスを混合したものである。フラックスの粘性により、半導体部品１のバンプ２の表面にはんだペースト８が付着する。はんだペースト８が付着したバンプ２を基板３上の接合パッド４上に位置決めする（ｂ）。その後、バンプ２を加熱して、はんだペースト８を溶融させて、バンプ２と接合パッド４を固化したはんだ９により接合する（ｃ）。【０００６】
図２のペースト転写法では、１回しかはんだを溶融させないので、図１の方法におけるＳｎ−Ｃｕ金属間化合物あるいはＡｇ３Ｓｎの生成に起因する問題を低減することができる。しかし、ペースト転写法には以下の問題がある。はんだペースト中のフラックスの粘度が高い場合、バンプへのペースト付着時に、隣り合うバンプ間ではんだペーストがつながってブリッジを形成してしまう。逆に、その粘性が低い場合、バンプへのペーストの付着量が少なくなってしまう。はんだ溶融後に、前者の場合はバンプ間のショートを生じさせ、後者の場合は、はんだ接合強度の低下（断線）を生じさせる。いずれの場合もはんだ接合の不良となる。【０００７】
半導体部品と回路基板との電気的接続をその接続時にはんだを溶融しないでおこなう方法が日本の公開特許公報、平６−１８８２８９と２０００−２３２１２９に開示されている。これらの従来技術では、基板上のコンタクトピンを半導体部品上のボール状のはんだバンプに突き刺すことで、両者の電気的接続をとる。しかし、単にピンをはんだボールに突き刺しているだけなので、その接合部の強度が低くかつ接触抵抗も溶融させる場合に比べて大きくなる。また、この２つの従来技術は、はんだバンプが、半導体素子の電極パッドに予め設けられており、回路基板側に予めはんだ層を設ける図１および図２の従来方法と異なっている。【０００８】
【特許文献１】日本の公開特許公報、平６−１８８２８９
【特許文献２】日本の公開特許公報、２０００−２３２１２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、半導体部品のスタッド・バンプと回路基板の接合パッドとを１回のはんだ溶融で接合させることができる方法を提供することである。【００１０】
本発明の目的は、半導体部品の全てのスタッド・バンプに予め均一な量のはんだを供給した上で、回路基板上の接合パッドとスタッド・バンプをはんだ接合させる方法を提供することである。【００１１】
本発明の目的は、半導体部品のスタッド・バンプと回路基板のＣｕ製の接合パッドとをはんだ接合させる際に、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成を軽減することができる接合方法を提供することである。【００１２】
本発明の目的は、Ｐｂフリーはんだを用いた半導体部品のスタッド・バンプと回路基板の接合において、はんだのリフロー温度の上昇を抑えることができる接合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、回路基板上に半導体部品を搭載する方法であって、表面に複数のスタッド・バンプ（１２）が設けられた半導体部品（１０）を準備するステップと、表面に複数のスタッド・バンプの各々に対応する固形はんだ（１４）が並べられたはんだ基板（１３）を準備するステップと、表面に複数のスタッド・バンプの各々に対応する接合パッド（２１）を有する回路基板（２０）を準備するステップと、複数のスタッド・バンプの各々の先端部に、はんだ基板上の対応する固形はんだを付着させるステップと、スタッド・バンプの先端部に付着した固形はんだをはんだ基板から分離するステップと、スタッド・バンプの各々の先端部に付着した固形はんだと対応する接合パッドとを接触させるステップと、対応する接合パッドに接触した固形はんだを溶融させて、スタッド・バンプの各々と対応する接合パッドをはんだ接合させるステップとを含む方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、半導体部品のスタッド・バンプと回路基板の接合パッドとを１回のはんだ溶融ではんだ接合させることができる。【００１５】
本発明によれば、半導体部品の全てのスタッド・バンプに予め均一な量のはんだを供給した上で、回路基板上の接合パッドとスタッド・バンプをはんだ接合させることができる。【００１６】
本発明によれば、半導体部品のスタッド・バンプと回路基板のＣｕ製の接合パッドとをＳｎを含むはんだを用いて接合させる際に、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成を軽減し、かつＡｇ３Ｓｎ等の結晶の析出を抑制することができる。【００１７】
本発明によれば、Ｓｎが主であるはんだを用いた場合、半導体部品のスタッド・バンプと回路基板の接合において、はんだのリフロー温度の上昇を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明について図面を参照しながら以下に詳細に説明する。図３は、本発明の方法（フロー）を説明するための図である。工程（ａ）で、表面上の接合パッド１１に複数のスタッド・バンプ１２が設けられた半導体部品１０を準備する。さらに、工程（ａ）で、スタッド・バンプ１２の各々に対応する固形はんだ１４が並べられたはんだ基板１３を準備する。図３（ａ）の固形はんだ１４は球形である。球形のはんだボール１４は、従来の印刷法あるいはスプレイ法などの任意の方法で製作できる。はんだボール１４の材料としては、Ｐｂ入りのＳｎ−Ｐｂ系、ＰｂフリーのＳｎ−Ａｇ系などの１元系あるいは２元系以上の任意のはんだ材料を選択することができる。はんだボール１４のサイズ（直径）は、スタッド・バンプ１２のサイズ、その間隔（ピッチ）などに応じて、作成可能な範囲で任意に決めることができる。そのサイズはnmオーダーからmmオーダーまで任意に選択可能である。【００１９】
半導体部品１０には、マイクロ・プロセッサ・ユニット（ＭＰＵ）やシステム・オン・チップ（ＳＯＣ）などの大型なＩＣチップや他の比較的小さな半導体チップなどの各種の電子部品が含まれる。スタッド・バンプ１２の数は半導体部品のサイズ、電極（接合パッド）の数に応じて変化する。スタッド・バンプ１２は、突起状の先端部１７を有する。スタッド・バンプ１２の形状は、図３に示される形状に限定されず、例えば円柱形、円錐形、直方体などの他の形状でもよい。スタッド・バンプ１２は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、およびＮｉを含むグループから選択された１つ、あるいは２つ以上の金属の組み合わせからなる。はんだ基板１３は、はんだボール１４が収まる開口１５を有している。開口１５は、少なくとも対応するスタッド・バンプ１２の個数だけ設けられる。開口１５は、少なくともはんだボール１４の一部（下部）が入る深さおよび幅（内径）を有する。開口１５は、凹部又ははんだボール１４が保持可能であればスルーホールでもよい。【００２０】
図４は、半導体部品１０とはんだ基板１３の関係を示す斜め側面図である。はんだ基板１３の開口１５は、半導体部品１０のスタッド・バンプ１２に一対一で対応している。各開口１５には、はんだボール１４が入っている。図５は、はんだ基板１３および充填はんだ１８の他の例を示す図である。図５（ａ）では、開口１５は、はんだ基板１３の表面から開口の底部に向かって先細りとなる形状を有している。この形状の場合、間口が広くなっているので、はんだボール１４がスタッド・バンプ１２によって取り出しやすい。図５（ｂ）は、はんだボール１４を用いない場合の例である。各開口１５にはんだが充填されている形状１８を有している。この場合、別にはんだボール１４を準備しなくてもよいというメリットがある。その反面、充填はんだ１８がスタッド・バンプ１２によって取り出しにくいというデメリットがある。このデメリットを緩和するために、開口１５にはんだを充填する前に開口１５の表面にフラックスを塗布して、充填はんだ１８が開口１５から抜けやすくしておくなどの対応が必要である。【００２１】
図３に戻って、工程（ｂ）で、スタッド・バンプ１２の各々と対応するはんだボール１４とが位置あわせされるように、半導体部品１０とはんだ基板１３を近づける。その後、スタッド・バンプ１２の各々の先端部１７を対応するはんだボール１４に突き刺す。その際、半導体部品１０の側から又ははんだ基板１３の側から力を加える。はんだボール１４中に入るスタッド・バンプ１２の先端部１７の長さは、その加えられる力によって調整される。なお、その力は、加圧部材によって直接に又は空気などの気体あるいは液体を介して間接的に半導体部品１０あるいははんだ基板１３に加えられる。はんだボール１４にスタッド・バンプ１２を突き刺す際に、はんだの融点を超えない範囲ではんだボール１４を加熱しても良い。スタッド・バンプ１２の先端部１７が、はんだボール１４の表面で滑ってしまって、はんだボール１４に突き刺さりにくい場合は、はんだボール１４の上部を平坦にしてもよい。【００２２】
図３の工程（ｃ）で、スタッド・バンプ１２の先端部１７に付着したはんだボール１４とはんだ基板１３を分離する。その際、半導体部品１０を上に移動する、あるいははんだ基板１３を下に移動する、のいずれの動作をおこなってもよい。また、その分離の際に、はんだ基板１３の下側から空気あるいは窒素などの気体を吹きかけて、はんだボール１４が開口１５から抜けやすくしてもよい。あるいは、はんだボール１４とはんだ基板１３の間を負圧にして、はんだボール１４の下側に圧力差に起因する力が加わるようにしてもよい。【００２３】
工程（ｄ）で、半導体部品１０を別に予め準備された回路基板２０上に移動する。回路基板２０は、表面に複数のスタッド・バンプ１２の各々に対応する接合パッド２１を有する。この時、各接合パッド２１に、対応するはんだボール１４付のスタッド・バンプ１２が軽く接触するように、両者を位置決めする。回路基板２０には、ガラスエポキシ基板、ポリイミドのようなフレックス基板、セラミックス基板、シリコン基板など各種の材料の基板が含まれる。また、回路基板２０には、通常の印刷回路板、絶縁層と配線層を交互に積層した多層配線基板などの各種の回路基板が含まれる。接合パッド２１は、基板表面の他の配線層（図示なし）と接続している。接合パッド２１は、回路基板の表面に対して凹部となる形状を有してもよい。接合パッド２１は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、ＳｎおよびＮｉなどを含むグループから選択された１つ、あるいは２つ以上の金属の組み合わせからなる。接合パッド２１は、これらの金属からなる多層構造を有してもよい。【００２４】
工程（ｅ）で、はんだボール１４を溶融させて、スタッド・バンプ１２の各々と、対応する接合パッド２１を接合させる。はんだボール１４の加熱は、リフロー炉あるいはフリップ・チップ・ボンダーを用いておこなう。他の加熱手段を用いてもよい。加熱温度は、はんだ材料が溶融し、スタッド・バンプ１２と接合パッド２１が接続可能な温度であればよい。加熱温度は、使用するはんだ材料に応じて決める。はんだボール１４は溶融した後はんだ接合２２を形成する。はんだ接合２２は、接合パッド２１の表面全体を覆っているが、接合パッド２１よりも外側に広がってはいない。その理由は、はんだボール１４が接合に必要な適切な量に制御されているからである。また、はんだボール１４はほぼ均一に作られているので、接合パッド２１間で、はんだのブリッジ（ショート）を形成することもない。接合パッド２１がＣｕからなり、かつはんだ材料がＳｎを主とする材料である場合、はんだの溶融は１回だけなので、図１の従来の場合に比べて、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成を軽減することができる。【００２５】
本発明について、図面を参照しながら説明した。しかし、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲でいかなる変形も可能であることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来のプリコート法を説明するための図である。
【図２】従来のペースト転写法を説明するための図である。
【図３】本発明の方法（フロー）を説明するための図である。
【図４】本発明の半導体部品とはんだ基板の関係を示すための図である。
【図５】本発明のはんだ基板の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１、１０   半導体部品
２、１２  スタッド・バンプ
３、２０  基板
４、２１  接合パッド
５  はんだ層
７、８  はんだペースト
９  はんだ（接合）
１１  接合パッド
１３  はんだ基板
１４  はんだボール
１５  開口
１７  スタッド・バンプの先端
１８  充填はんだ  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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