(57)【要約】【課題】  スタッドバンプに関する接合強度低下の問題を解決する。【解決手段】  キャピラリ１１を、ボールＢがチャンファ孔１１ａから完全に露出しない高さまで上昇させてから、更にキャピラリ１１を水平移動させることにより、ボールＢをチャンファ孔１１ａのエッジ１１ｂによって切断して金属ワイヤＷから分離する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャピラリ下端のチャンファ孔から導出された金属ワイヤの先端を溶融させてボールを形成するボール形成工程と、この形成されたボールを上記チャンファ孔に収容して移動させ、超音波熱圧着によって対象基板に固着させる接触固着工程と、この固着されたボールを上記金属ワイヤから分断する分離工程とからなるスタッドバンプの形成方法において、
上記分離工程では、
上記キャピラリを、上記ボールが上記チャンファ孔から完全に露出しない高さまで上昇させてから、更に水平移動させることにより、上記ボールを上記チャンファ孔のエッジによって切断して上記金属ワイヤから分離させることを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
【請求項２】
キャピラリ下端のチャンファ孔から導出された金属ワイヤの先端にボールを形成するボール形成工程と、この形成されたボールを上記チャンファ孔に収容して移動させ、超音波熱圧着によって対象基板に固着させる接触固着工程と、この固着されたボールに連続する金属ワイヤを分断する分離工程とからなるスタッドバンプの形成方法において、
上記分離工程のあと、形成されたスタッドバンプ先部を、所定の処理によって除去して平坦化する平坦化工程を更に付加したことを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
形成されたスタッドバンプ先部の表面硬質部を、所定の処理によって軟質化させる表面処理工程を更に付加したことを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
【請求項４】
請求項２において、上記平坦化工程では、
形成されたスタッドバンプの全体を樹脂に浸漬させ、この樹脂を硬化させたのち研磨し、更に樹脂全体を除去して、先部が研磨除去されたスタッドバンプを出現させることを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
【請求項５】
請求項３において、上記表面処理工程では、
形成されたスタッドバンプ先部の表面をプラズマ処理によってエッチングすることにより、軟質化させることを特徴とするスタンドバンプの形成方法。
【請求項６】
請求項３において、上記表面処理工程では、
形成されたスタッドバンプ先部の表面をレーザー照射によって溶融させることにより、軟質化させることを特徴とするスタンドバンプの形成方法。
【請求項７】
請求項３において、上記表面処理工程では、
形成されたスタッドバンプ先部の表面を放電によって溶融させることにより、軟質化させることを特徴とするスタッドバンプの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを実装基板に実装するために用いられるスタッドバンプの形成方法を改良するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ａｕバンプと電極とをフリップチップ方式で直接接合する際には、高温雰囲気中で熱圧着、あるいは超音波熱圧着させる方法が知られている。しかし、半導体チップと実装基板との熱膨張係数の違いにより、接合したあとで剪断応力が生じて接合部分にクラックが発生し、破壊につながる問題があった。
【０００３】
この問題に対処するために、常温でフリップチップ方式の接合を行う方法も提供されるようになってきている。例えば、以下の非特許文献には、半導体チップにＡｕメッキバンプを形成し、このメッキバンプに対応するＡｕ薄膜の電極を実装基板に形成し、それらを接合させる場合に、予めメッキバンプと電極とをプラズマ照射により活性化させておけば、常温下で圧接接合しても良好な結果が得られることが記載されている。
【０００４】
また、以下の特許文献には、エネルギー波による洗浄により常温接合を可能とした接合を迅速に実行させる方法が開示されている。
【非特許文献１】富田  誠  外３名「表面活性化による低温フリップチップ接合」第１２回μエレクトロニクスシンポジウム論文集、２００２年１０月
【特許文献１】特開２００１−３５１８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の常温におけるフリップチップ接合では、金メッキバンプを用いるため、実装基板側の平面度のバラツキやバンプ高さのバラツキのために、接合不良が発生するという問題があった。この問題は、バンプの変形量が大きいＡｕスタッドバンプを用いれば、解決できるが、Ａｕスタッドバンプ先部における硬質性や、洗浄不足のため接合強度が低下するという問題は、依然解決されていなかった。これらＡｕスタッドバンプに係る問題は、具体的には次のようなものである。
【０００６】
図６は、スタッドバンプの結晶粒の大きさを説明する縦方向の断面図である。この図に示すように、スタッドバンプでは、先部の結晶粒がより細かくなり、底部の結晶粒がより大きくなるという性質がある。これは、スタッドバンプの先部は、バンプ形成時に充分溶融せずに変形するのに対し、底部はバンプ形成時に充分に溶融、再結晶するという違いに起因している。このような性質を持つスタッドバンプでは、硬くなっている先部が、フリップチップ接合時に容易に変形しないため、実装基板との接合面積が小さくなり、その結果、接合強度が低下してしまうのである。
また、清浄不足の問題は、スタッドバンプ形成時に、スタッドバンプの表面に吸着された雰囲気ガス分子や、スタッドバンプ形成後、フリップチップ接合までの保管中に付着する異物などが原因になっている。
【０００７】
本発明は、スタッドバンプに関する接合強度低下の問題を解決することを目的としており、常温下におけるフリップチップ接合において、接合不良が発生せず、かつ接合強度も高いスタッドバンプの形成方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的のため、第１の発明となる請求項１のスタッドバンプの形成方法は、キャピラリ下端のチャンファ孔から導出された金属ワイヤの先端を溶融させてボールを形成するボール形成工程と、この形成されたボールを上記チャンファ孔に収容して移動させ、超音波熱圧着によって対象基板に固着させる接触固着工程と、この固着されたボールを上記金属ワイヤから分断する分離工程とからなるスタッドバンプの形成方法において、上記分離工程では、上記キャピラリを、上記ボールが上記チャンファ孔から完全に露出しない高さまで上昇させてから、更に水平移動させることにより、上記ボールを上記チャンファ孔のエッジによって分断して上記金属ワイヤから分離することを特徴とする。
【０００９】
第２の発明となる請求項２のスタッドバンプの形成方法は、キャピラリ下端のチャンファ孔から導出された金属ワイヤの先端にボールを形成するボール形成工程と、この形成されたボールを上記チャンファ孔に収容して移動させ、超音波熱圧着によって対象基板に固着させる接触固着工程と、この固着されたボールに連続する金属ワイヤを分断する分離工程とからなるスタッドバンプの形成方法において、上記分離工程のあと、形成されたスタッドバンプ先部を、所定の処理によって除去して平坦化する平坦化工程を更に付加したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３のスタッドバンプの形成方法は、請求項１または２において、形成されたスタッドバンプ先部の表面硬質部を、所定の処理によって軟質化させる表面処理工程を更に付加したことを特徴とする。
【００１１】
請求項４のスタッドバンプの形成方法は、請求項２において、上記平坦化工程では、形成されたスタッドバンプの全体を樹脂に浸漬させ、この樹脂を硬化させたのち研磨し、更に樹脂全体を除去して、先部が研磨除去されたスタッドバンプを出現させることを特徴とする。
【００１２】
請求項５のスタンドバンプの形成方法は、請求項３において、上記表面処理工程では、形成されたスタッドバンプ先部の表面をプラズマ処理によってエッチングすることによって、軟化させることを特徴とする。
【００１３】
請求項６のスタンドバンプの形成方法は、請求項３において、上記表面処理工程では、形成されたスタッドバンプ先部の表面をレーザー照射によって溶融させることによって、軟化させることを特徴とする。
【００１４】
請求項７のスタッドバンプの形成方法は、請求項３において、上記表面処理工程では、形成されたスタッドバンプ先部の表面を放電によって溶融させることによって、軟化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１によれば、キャピラリを、ボールがチャンファ孔から完全に露出しない高さまで上昇させてから、更にキャピラリを水平移動させることにより、ボールをチャンファ孔のエッジによって分断して金属ワイヤから分離させるようにしている。
【００１６】
このようにして形成されたスタッドバンプでは、超音波熱圧着時に充分に溶融されなかったために結晶粒が小さく硬いボールの金属ワイヤ側が除去され、溶融し再結晶したため結晶粒が大きく軟らかくなっている接合部が残ることになる。従って、フリップチップ接合時にスタッドバンプが容易に変形して目的基板と密着しやすく、常温でも強度の高い接合が可能になる。
【００１７】
また、この方法では、キャピラリのチャンファ孔のエッジによりボールを分断しているので、特別な治具や工程も必要なく、容易に実施できる。
【００１８】
請求項２によれば、分離工程のあと、形成されたスタッドバンプ先部を、所定の処理によって除去して平坦化する平坦化工程を更に実行するので、請求項１と同様に、超音波熱圧着時に充分に溶融されなかったために結晶粒が小さく硬いスタッドバンプ先部が除去され、溶融し再結晶したため結晶粒が大きく軟らかくなっているスタッドバンプ底部が残ることになる。従って、フリップチップ接合時にスタッドバンプが容易に変形して目的基板と密着しやすく、常温でも強度の高い接合が可能になる。
【００１９】
請求項３によれば、スタッドバンプ先部の表面硬質部を、所定の処理によって軟質化させる表面処理工程を更に実行するので、フリップチップ接合時にスタッドバンプが容易に変形して目的基板と密着しやすく、常温でも強度の高い接合が可能になる。
【００２０】
請求項４による平坦化工程では、複数のスタッドバンプの全体を樹脂に浸漬させ、この樹脂を硬化させたのち研磨することができるので、スタッドバンプの高さを確実に均一化できる。
【００２１】
請求項５によれば、プラズマエッチすることにより、スタッドバンプ先部の表面硬質部を除去して内部の軟質部を露出させる（軟質化）ことができ、同時にスタッドバンプ先部の異物等を剥ぎ取ることになるので清浄度も向上する。よって、フリップチップ接合時にスタッドバンプ先部が容易に変形して目的基板と密着しやすく、清浄不足による接合強度低下も発生しないので、常温でも強度の高い接合が可能になる。
【００２２】
請求項６によれば、スタッドバンプ先部にレーザー照射することにより、スタッドバンプ先部の表面硬質部を溶融、再結晶化させ、これにより軟質化、平滑化させることができる。よって、フリップチップ接合時にスタッドバンプの先部が容易に変形して目的基板と密着しやすく、常温でも強度の高い接合が可能になる。
【００２３】
請求項７によれば、スタッドバンプと電極との間に電圧を加えることによりスパークを発生させ、スタッドバンプ先部の表面硬質部を溶融、再結晶化させ、これにより軟質化、平滑化させることができる。よって、フリップチップ接合時にスタッドバンプの先部が容易に変形して目的基板と密着しやすく、常温でも強度の高い接合が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１、図２は、上記のスタッドバンプの形成方法の各工程を説明する工程面と、スタッドバンプの形成に用いるワイヤボンディング装置の概略構造を示す見取り図である。
以下、そのワイヤボンディング装置の概略構成と、スタッドバンプの形成の各工程を図に従って説明する。
【００２６】
ワイヤボンディング装置１０は、キャピラリ１１、ボンダヘッド１２、超音波ホーン１３、ＸＹテーブル１４、ワイヤクランパ１５等からなる。キャピラリ１１は下端にチャンファ孔１１ａが開口した中空針構造で、超音波ホーン１３を介して、ボンダヘッド１２に内蔵された図示しない超音波振動子に接続されている。このボンダヘッド１２は、ＸＹテーブル１４上で、Ｘ、Ｙ方向に移動可能に取付けられており、更に超音波ホーン１３をＺ方向に上下動できるようになっている。ワイヤクランパ１５は、キャピラリ１１の上方に配置されており、金属ワイヤＷを把持、解放することにより、キャピラリ１１を通過した金属ワイヤＷの繰り出しを規制、解放するものである。
【００２７】
図３は、キャピラリ１１全体とその下端部の形状を示す軸に沿った断面図である。キャピラリ１１は、先端がテーパ状になった直径約１．５ ｍｍ、長さ約１１ｍｍの中空の針で、材質は強化アルミナなどである。キャピラリ１１の下端には、円錐面を有するチャンファ孔１１ａがエッジ１１ｂで開口しており、キャピラリ１１上部から導入された金属ワイヤＷは、このチャンファ孔１１ａから繰り出されるようになっている。
【００２８】
金属ワイヤＷにはφ１８〜３５μｍのＡｕワイヤが好適であり、スタッドバンプＢＰを形成すべき半導体チップＳ（あるいは実装基板）側のパッドＰもＡｕとすることが信頼性の観点からは望ましい。しかしながら不活性ガス雰囲気などを利用すれば、金属ワイヤＷやパッドＰとしてＡｌ、Ｃｕなどを用いることも可能である。
【００２９】
第１の本発明によるスタッドバンプの形成方法は、キャピラリ１１下端のチャンファ孔１１ａから導出された金属ワイヤＷの先端を溶融させてボールＢを形成するボール形成工程と、この形成されたボールＢをチャンファ孔１１ａに収容して移動させ、超音波熱圧着によって対象の半導体チップＳ（あるいは実装基板）に固着させる接触固着工程と、この固着されたボールＢを金属ワイヤＷから分断する分離工程とからなる。
【００３０】
そして、この分離工程では、キャピラリ１１を、変形したボールＢのチャンファ孔に収容されていた部分が、チャンファ孔１１ａから完全に露出しない高さ（破断面を図１の破線で示す）まで上昇させてから、キャピラリ１１上方のワイヤクランパ１５で金属ワイヤＷを把持固定し、更にキャピラリ１１を水平移動させることにより、変形したボールＢをチャンファ孔１１ａのエッジによってスリ切って金属ワイヤＷから分離する点に特徴がある。以下、それらのボール形成工程、接触固着工程、分離工程をそれぞれ詳細に説明する。
【００３１】
まず、ボール形成工程では、キャピラリ１１のチャンファ孔１１ａから導出された金属ワイヤＷの先端を、図示しないトーチと呼ばれる電極から１．３ｍｍ程度離れた位置に保持した状態で、それらの間にアーク放電を発生させ、発熱により金属ワイヤＷの先端を溶融させて、ボールＢを形成する。
【００３２】
これに続き、接触固着工程では、ボンダヘッド１２やＸＹテーブル１４を駆動して、キャピラリ１１を半導体チップＳのパッドＰの上方に移動させる。この移動の終了までに、ボールＢがチャンファ孔１１ｂに収容される。そして、半導体チップＳのパッドＰに向かってキャピラリ１１を下降させてボールＢをパッドＰに接触させ、キャピラリ１１に所定の荷重（２０ｇ〜１００ｇ程度）を加えてボールＢを変形させつつ、同時に超音波振動させて、ボールＢをパッドＰとの接触部から溶融させる。これにより、ボールＢはパッドＰと一体化する。このとき、金属ワイヤＷや半導体チップＳは、摂氏１００〜２５０度程度に予熱されている。
【００３３】
これに続き、分離工程では、キャピラリ１１を、パッドＰと接合され変形したボールＢのチャンファ孔に収容されていた部分がチャンファ孔１１ａから完全に露出しない高さまで上昇させ、その状態でワイヤクランパ１５を閉じてワイヤＷを固定する。そして、キャピラリ１１の高さを維持しつつ水平移動させる。この水平移動に従って、ボールＢのチャンファ孔１１ａ内に残されていた部分と、露出していた部分とがチャンファ孔１１ａのエッジ１１ｃによって水平に切断され、金属ワイヤＷから分離されたスタッドバンプＢＰが形成される。
【００３４】
このように形成されたスタッドバンプＢＰでは、超音波熱圧着時に充分に溶融されなかったために結晶粒が小さく硬いボールＢの金属ワイヤＷ側が除去され、溶融、再結晶したために結晶粒が大きく軟かくなっている接合部が残ってスタッドバンプＢＰの先部から露出している。よって、このようなスタッドバンプＢＰを表面に形成した半導体チップＳを実装基板にフリップチップ接合すれば、常温でも強度の高い接合が可能になる。
【実施例２】
【００３５】
図４は、第２の本発明によるスタッドバンプの形成方法の前半である各工程を説明する工程図である。以下、その各工程を、図２〜図５に従って説明する。
【００３６】
このスタッドバンプの形成方法は、第１の発明と同様に、ワイヤボンディング装置１０を用いるものであり、キャピラリ１１下端のチャンファ孔１１ａから導出された金属ワイヤＷの先端にボールＢを形成するボール形成工程と、この形成されたボールＢを上記チャンファ孔１１ａに収容して移動させ、超音波熱圧着によって目的の半導体チップＳ（実装基板）に固着させる接触固着工程と、この固着されたボールＢに連続する金属ワイヤＷを引きちぎるなどして分断する分離工程とからなる。
【００３７】
そして、この分離工程のあと、形成されたスタッドバンプＢＰの一部を、所定の処理によって除去して平坦化する平坦化工程を更に付加した点に特徴がある。
【００３８】
以下、それらボール形成工程、接触固着工程、分離工程、平坦化工程のうち、分離工程、平坦化工程を詳細に説明する。ボール形成工程、接触固着工程は、第１の発明によるスタッドバンプの形成方法の対応する工程と同様なので、説明を省略する。
【００３９】
分離工程では、キャピラリ１１を、チャンファ孔１１ｂから変形したボールＢの全体が露出するまで上昇させ、その状態でワイヤクランパ１５を閉じてワイヤＷを固定し、その後、キャピラリ１１を更に上昇させる。すると、金属ワイヤＷは、変形したボールＢの上方で断裂して、スタッドバンプＢＰが形成される。
【００４０】
平坦化工程は、形成されたスタッドバンプＢＰの一部を除去して平坦化するものであるが、次いで、その具体的な内容を説明する。
図５は、このスタッドバンプの形成方法の後半である平坦化工程を説明する工程図である。
【００４１】
平坦化工程では、ボール形成工程、接触固着工程、分離工程により形成されたスタッドバンプＢＰの全体を樹脂Ｒに浸漬させ、この樹脂Ｒを硬化させたのち研磨し、更に樹脂Ｒ全体を除去して、先部が研磨除去されたスタッドバンプＢＰを出現させている。ここで、スタッドバンプＢＰを埋没させる樹脂にはフォトレジストが用いられる。
【００４２】
より具体的には、スタッドバンプＢＰを形成した半導体チップＳ（実装基板）にフォトレジストＲをスタッドバンプＢＰ高さである約８０μｍの厚みで塗布し、約１５０度に加熱して硬化させたあと、スタッドバンプＢＰとともに所定の深さまで機械研磨し、その後現像液に浸してレジストＲを剥離除去して、先部が研磨除去されたスタッドバンプＢＰを出現させる。
【００４３】
このように形成されたスタッドバンプＢＰでは、第１の発明と同様に、結晶粒が小さく硬いスタッドバンプＢＰ先部が除去され、結晶粒が大きく軟らかくなっている底部が残って露出している。
【００４４】
次いで、第１の発明、または第２の発明によるスタッドバンプの形成方法に従って形成されたスタッドバンプＢＰに対して更に適用可能な表面処理工程を、図４に従って説明する。
【００４５】
この表面処理工程は、第１の発明、または第２の発明によるスタッドバンプの形成方法に従って形成されたスタッドバンプＢＰ先部の表面硬質部を、次のような処理によって軟質化させるものである。
【００４６】
図５には、その処理として、スタッドバンプＢＰ先部の表面がプラズマ処理によってエッチングされる例、スタッドバンプＢＰ先部の表面がレーザー照射によって溶融される例、スタッドバンプＢＰ先部の表面が放電によって溶融される例が示されている。
【００４７】
スタッドバンプＢＰ先部の表面がプラズマ処理によってエッチングされる例をより具体的に説明すると、例えば、プラズマ照射強度７５Ｗ、プラズマ照射時間６０Ｓ、Ａｒガス内圧５Ｐａのプラズマ条件でスタッドバンプＢＰ先部をプラズマエッチすることにより、スタッドバンプＢＰ先部の表面硬質部を除去して内部の軟質部を露出させる（軟質化）ことができる。また、同時にスタッドバンプＢＰ先部を清浄することもできる。なお、このプラズマ条件は一例に過ぎず、これだけには限定されない。
【００４８】
次に、スタッドバンプＢＰ先部の表面がレーザー照射によって溶融される例をより具体的に説明すると、例えば、波長２４８ｎｍのエキシマレーザーあるいは第３高調波のＹＡＧレーザーをφ５０μｍに絞り込んでスタッドバンプＢＰ先部に照射することにより、スタッドバンプＢＰ先部の表面硬質部を溶融、再結晶させ、これにより軟質化、平滑化させることができる。なお、このレーザー照射条件は一例に過ぎず、これだけには限定されない。
【００４９】
次に、スタッドバンプＢＰ先部の表面が放電によって溶融される例をより具体的に説明すると、例えば、スタッドバンプＢＰの上方１．３ｍｍに電極を配置し、スタッドバンプＢＰと電極との間に電圧を加えることによりスパークを発生させ、スタッドバンプＢＰ先部の表面硬質部を溶融、再結晶させ、これにより軟質化、平滑化させることができる。
【００５０】
このような表面処理工程で、スタッドバンプＢＰ先部の表面硬質部を軟質化させることにより、フリップチップ接合時にスタッドバンプＢＰの先部が容易に変形して実装基板ＳのパッドＰと密着しやすく、常温でも強度の高い接合が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１の本発明によるスタッドバンプの形成方法を説明する工程図。
【図２】ワイヤボンディング装置の概略構造を示す見取り図。
【図３】キャピラリ全体とその下端部の拡大縦断面図。
【図４】第２の本発明によるスタッドバンプの形成方法を説明する工程図。
【図５】第２の本発明による平坦化工程を説明する工程図。
【図６】Ａｕスタッドバンプの結晶粒の大きさを説明する縦方向の断面図。
【符号の説明】
【００５２】
１０    ワイヤボンディング装置
１１    キャピラリ
１１ａ  チャンファ孔
１１ｂ  エッジ
Ｂ      ボール
ＢＰ    スタッドバンプ
Ｓ      基板（半導体チップ）
Ｒ      樹脂
Ｗ      金属ワイヤ
【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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【図６】
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