(57)【要約】【課題】  半導体チップおよび基板のパッドとバンプとを接合する際に、接合面の活性化や酸化膜の除去が好適に行えるとともに、バンプが過度に潰れたり、接続端子の接合を、その後の超音波振動によって破壊してしまうことのない、フリップチップ接合方法を提供する。【解決手段】  半導体チップのバンプまたはパッドと、基板のパッドまたはバンプとを位置合わせして当接させる位置合わせ工程２と、半導体チップと基板とを、第一所定荷重で圧接させることで、バンプの形状をレベリングするレベリング工程４と、前記第一所定荷重を徐々に弱めながら、半導体チップおよび／または基板に、超音波振動を、振幅が徐々に大きくなるように印加する接合予備工程６と、半導体チップと基板とを、前記第一所定荷重よりも小さい第二所定荷重で圧接させた状態で、半導体チップおよび／または基板に超音波振動を印加することで、バンプとパッドとを接合する接合工程８とを含む。【選択図】          図２
2006135207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと基板とを、第一所定荷重で圧接させることで、半導体チップのバンプの形状をレベリングするレベリング工程と、
前記第一所定荷重を徐々に弱めながら、前記半導体チップおよび／または前記基板に、超音波振動を、振幅が徐々に大きくなるように印加する超音波振動印加工程と、
前記半導体チップと前記基板とを、前記第一所定荷重よりも小さい第二所定荷重で圧接させた状態で、半導体チップおよび／または基板に超音波振動を印加することで、前記バンプと前記基板のパッドとを接合する接合工程とを含むことを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項２】
前記超音波振動印加工程において、前記半導体チップと前記基板とに掛ける荷重を、前記第一所定荷重から前記第二所定荷重へと徐々に弱め、
前記超音波振動印加工程と前記接合工程とを連続的に行うことを特徴とする請求項１記載のフリップチップ接合方法。
【請求項３】
前記接合工程において、超音波振動の振幅を徐々に小さくすることを特徴とする請求項１または２記載のフリップチップ接合方法。
【請求項４】
前記接合工程において、前記半導体チップと前記基板との間に掛ける荷重を、前記第二所定荷重から徐々に小さくすることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項記載のフリップチップ接合方法。
【請求項５】
前記半導体チップは、ボンディングツールに吸着保持され、
前記接合工程において、前記半導体チップを吸着保持する吸着力を、徐々に小さくすることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか一項記載のフリップチップ接合方法。
【請求項６】
前記接合工程の後に、接合工程における振幅以下の超音波振動を前記半導体チップおよび／または前記基板に印加して、前記半導体チップと前記基板とを、前記第二所定荷重よりも大きい第三所定荷重で圧接させる接合強化工程を含むことを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか一項記載のフリップチップ接合方法。
【請求項７】
半導体チップと基板とを、所定荷重で圧接させた状態で、半導体チップおよび／または基板に超音波振動を印加することで、半導体チップのバンプと基板のパッドとを接合する接合工程を含み、
該接合工程において、超音波振動の振幅を徐々に小さくすることを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項８】
半導体チップと基板とを、所定荷重で圧接させた状態で、半導体チップおよび／または基板に超音波振動を印加することで、半導体チップのバンプと基板のパッドとを接合する接合工程を含み、
該接合工程において、前記半導体チップと前記基板との間に掛ける荷重を、徐々に小さくすることを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項９】
半導体チップをボンディングツールに吸着保持する吸着工程と、
前記半導体チップと基板とを、所定荷重で圧接させた状態で、半導体チップおよび／または基板に超音波振動を印加することで、半導体チップのバンプと基板のパッドとを接合する接合工程とを含み、
該接合工程において、前記半導体チップを吸着保持する吸着力を、徐々に小さくすることを特徴とするフリップチップ接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップのバンプまたはパッドと、基板のパッドまたはバンプとを当接させ、半導体チップに超音波振動を印加することで、半導体チップおよび基板のバンプとパッドとを接合するフリップチップ接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体パッケージ等の半導体装置を製造するにあたって半導体チップを配線基板にフリップチップ接合して搭載する際、半導体チップのバンプ（接合端子）と配線基板のパッド（接合端子）とを当接させ、半導体チップに超音波振動を印加することで、半導体チップのバンプと配線基板のパッドとを接合（ボンディング）する方法が用いられている。
なお、基板側にバンプが設けられ、半導体チップ側にパッドが設けられる場合もある。
【０００３】
この接合方法においては、バンプとパッドとが、超音波振動によって強く擦り合わされることにより、バンプを構成する金属とパッドを構成する金属との合金化反応が生じ、バンプとパッドとが接合されるのである。
なお、バンプとのパッドの材質の組み合わせとして、バンプが金（Ａｕ）のバンプで、パッドが金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）といった組み合わせが一般的である。
【０００４】
さて、このような超音波振動による接合方法において、バンプやパッドの表面に酸化皮膜が形成されていたり、スタッドバンプの先端形状が鋭すぎてバンプとパッドとの間に生じる応力が不均一になったりするなどの原因により、バンプとパッドとの接続強度が十分でなくなる場合がある。
【０００５】
フリップチップ接合ではないが、従来、超音波振動により半導体装置のワイヤボンディングを行う際、接合端子間に与える荷重を調節することで、接続端子間の接続状態を良好にする技術が提案されている。
特許文献１には、まず端子間に高荷重（第１および第２のボンディング荷重）を与えて酸化膜等の除去等を行い、続いて荷重を低荷重（第３のボンディング荷重）に切り替えて超音波振動を印加して、端子を接続する技術が記載されている（特許文献１  段落００１０−００１１，第２図）。
特許文献１においては、さらに、接合の最終段階として、超音波振動を印加したまま、前記第１のボンディング荷重より小さく、第３のボンディング荷重より大きい中位の荷重（第４ボンディング荷重）を接合端子間に印加することで、接続を強固にする技術が記載されている（特許文献１  段落００１４，第２図）。
【０００６】
また、特許文献２には、端子間に高荷重を与えた状態で超音波振動の印加を開始し、その後、荷重を小さくして接合を行う技術が記載されている（特許文献２  段落０００７，第１，２図）。
【特許文献１】特開平１０−１２５７１１号公報（段落００１０−００１１，００１４，第２図）
【特許文献２】特開平４−２７９０４０号公報（段落０００７，第１，２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載のワイヤボンディング方法では、超音波振動の印加に先立って、端子間に高荷重を与えるだけであるから、端子の接合面の活性化や酸化膜の除去が十分になされないという課題がある。
他方、特許文献２記載のワイヤボンディング方法は、端子間に高荷重を与えた状態で超音波振動を印加するため、金属細線等の接合端子が過度に潰れて横に広がってしまう。したがって、端子間隔が細密なフリップチップ接合には向かない。
【０００８】
また、特許文献１および２における接合端子の接合工程（特許文献１の第３および第４のボンディング荷重を与えての接合工程、および、特許文献２の低荷重ＡおよびＢを与えての接合工程）では、接合端子に対する荷重を一定に保ちまたは増大させて超音波振動を印加するから、接合端子が過度に潰れてしまう。
また、フリップチップ接合においては、多数の接合端子を接合する必要があるが、全ての接合端子が同時に接合するわけではなく、各接合端子が接合するタイミングは、互いにずれている。したがって、特にフリップチップ接合においては、接合端子に対する荷重を一定に保ちまたは増大させて超音波振動を印加すると、先に接合された接合端子が、その後の超音波振動によってその接合が破壊されて接合強度が弱くなるといった課題が生じる。
【０００９】
本願発明は、上記課題を解決すべく成され、その目的とするところは、半導体チップおよび基板のパッドとバンプとを接合する際に、接合面の活性化や酸化膜の除去が好適に行えるとともに、バンプが過度に潰れたり、接続端子の接合を、その後の超音波振動によって破壊してしまうことのない、フリップチップ接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るフリップチップ接合方法は、上記課題を解決するために、以下の構成を備える。すなわち、半導体チップと基板とを、第一所定荷重で圧接させることで、半導体チップのバンプの形状をレベリングするレベリング工程と、前記第一所定荷重を徐々に弱めながら、前記半導体チップおよび／または前記基板に、超音波振動を、振幅が徐々に大きくなるように印加する超音波振動印加工程と、前記半導体チップと前記基板とを、前記第一所定荷重よりも小さい第二所定荷重で圧接させた状態で、半導体チップおよび／または基板に超音波振動を印加することで、前記バンプと前記基板のパッドとを接合する接合工程とを含むことを特徴とする。
これによれば、前記第一所定荷重を徐々に弱めながら、超音波振動を、振幅が徐々に大きくなるように印加する超音波振動印加工程において、バンプ形状を大きく潰すことなく、接合面の活性化や酸化膜の除去を好適に行える。
【００１１】
さらに、前記超音波振動印加工程において、前記半導体チップと前記基板とに掛ける荷重を、前記第一所定荷重から前記第二所定荷重へと徐々に弱め、前記超音波振動印加工程と前記接合工程とを連続的に行うことを特徴とする。
これによれば、レベリング工程、超音波振動印加工程、および接合工程とを、荷重を連続的に変化させて連続的に行うことができ、接合を短時間に行うことができる。
【００１２】
また、前記接合工程において、超音波振動の振幅を徐々に小さくすることを特徴とする。
また、前記接合工程において、前記半導体チップと前記基板との間に掛ける荷重を、前記第二所定荷重から徐々に小さくすることを特徴とする。
また、前記半導体チップは、ボンディングツールに吸着保持され、前記接合工程において、前記半導体チップを吸着保持する吸着力を、徐々に小さくすることを特徴とする。
これによれば、パッドとバンプとの間に掛かる力が徐々に弱まるため、接合されたパッドとバンプとが、その後の超音波振動によってその接合状態が破壊されることがない。
【００１３】
また、前記接合工程の後に、接合工程における振幅以下の超音波振動を前記半導体チップおよび／または前記基板に印加して、前記半導体チップと前記基板とを、前記第二所定荷重よりも大きい第三所定荷重で圧接させる接合強化工程を含むことを特徴とする。
これによれば、接合強化工程において、超音波振動の振幅を小さくして荷重を強めるため、接合されたパッドとバンプとの接合状態が破壊されることがない。そして、接合面に存在する空隙をなくして、接合面積を増大させて、接合強度を強めることができる。
【００１４】
また、半導体チップと基板とを、所定荷重で圧接させた状態で、半導体チップおよび／または基板に超音波振動を印加することで、半導体チップのバンプと基板のパッドとを接合する接合工程を含み、該接合工程において、超音波振動の振幅を徐々に小さくすることを特徴とする。
これによれば、パッドとバンプとの間に掛かる力が徐々に弱まるため、接合されたパッドとバンプとが、その後の超音波振動によってその接合状態が破壊されることがない。
【００１５】
また、半導体チップと基板とを、所定荷重で圧接させた状態で、半導体チップおよび／または基板に超音波振動を印加することで、半導体チップのバンプと基板のパッドとを接合する接合工程を含み、該接合工程において、前記半導体チップと前記基板との間に掛ける荷重を、徐々に小さくすることを特徴とする。
これによれば、パッドとバンプとの間に掛かる力が徐々に弱まるため、接合されたパッドとバンプとが、その後の超音波振動によってその接合状態が破壊されることがない。
【００１６】
また、半導体チップをボンディングツールに吸着保持する吸着工程と、前記半導体チップと基板とを、所定荷重で圧接させた状態で、半導体チップおよび／または基板に超音波振動を印加することで、半導体チップのバンプと基板のパッドとを接合する接合工程とを含み、該接合工程において、前記半導体チップを吸着保持する吸着力を、徐々に小さくすることを特徴とする。
これによれば、パッドとバンプとの間に掛かる力が徐々に弱まるため、接合されたパッドとバンプとが、その後の超音波振動によってその接合状態が破壊されることがない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るフリップチップ接合方法によれば、半導体チップおよび基板のパッドとバンプとを接合する際に、接合面の活性化や酸化膜の除去が好適に行えるとともに、バンプが過度に潰れたり、接続端子の接合を、その後の超音波振動によって破壊してしまうことがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係るフリップチップ接合方法を実施するための最良の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るフリップチップ接合方法を利用して回路基板に半導体チップをフリップチップ接合する接合装置の一実施形態の構成図である。
フリップチップ接合装置５０は、超音波ヘッド側の構成として、半導体チップをエア吸着して支持する、ボンディングツールとしての超音波ヘッド５２と、超音波ヘッド５２に超音波振動を印加する超音波発信器５４と、半導体チップを回路基板に向けて加圧する加圧機構５６と、加圧機構５６による荷重を制御する加圧制御部５８とを備える。
【００１９】
また、回路基板を支持する支持テーブル５９側の構成として、支持テーブル５９をアライメント位置に合わせてＸ−Ｙ−θ方向に移動可能に支持するアライメント機構６０と、アライメント機構６０を位置制御してフリップチップ接合時における、半導体チップと回路基板との相互位置を調節するアライメント機構制御部６２とを備える。
【００２０】
また、半導体チップと回路基板との相互の配置位置を検知する検知機構として、撮像ユニット６４と、撮像ユニット６４により得られた画像を画像処理する画像処理部６６と、撮像ユニット６４を任意位置に移動可能に支持する撮像ユニット移動機構６８と、撮像ユニット移動機構６８を駆動して撮像ユニット６４を所定位置に移動させる撮像ユニット移動機構制御部６９とを備える。
【００２１】
メイン・コントローラ７０は、画像処理部６６の検知結果に基づきアライメント機構制御部６２を制御して半導体チップと回路基板とを相互に位置合わせし、加圧制御部５８により、図示しない荷重センサを用いてフリップチップ接合時における荷重を制御しつつ、超音波発信器５４を駆動することにより、回路基板の所定位置に半導体チップを接合する操作を制御する。
【００２２】
次に、本実施の形態に係るフリップチップ接合方法について、図２を用いて説明する。
図２は、メイン・コントローラ７０の加圧機構５６の制御によるボンディングツール（超音波ヘッド５２）の動作と、半導体チップに対する超音波ヘッド５２の超音波出力と、半導体チップと回路基板との間の荷重プロファイルと、半導体チップに印加する超音波の振幅プロファイルとの関係を時系列に表すグラフである。
【００２３】
まず、メイン・コントローラ７０は、超音波ヘッド５２に半導体チップを吸着保持させる（吸着工程）。
【００２４】
メイン・コントローラ７０は、続いて、画像処理部６６の検知結果に基づきアライメント機構制御部６２を制御して、超音波ヘッド５２に吸着された半導体チップのバンプと、支持テーブル５９上に載置された回路基板のパッドとを相互に位置合わせし、加圧制御部５８により超音波ヘッド５２および半導体チップを下降させて、半導体チップのバンプと回路基板のバンプとを当接させる（位置合わせ工程２）。
【００２５】
メイン・コントローラ７０は、前記位置合わせ工程２で超音波ヘッド５２を下降させてバンプとパッドとを当接させた後、さらに、半導体チップと回路基板との間の荷重が、予め定められた第一所定荷重となる位置まで超音波ヘッド５２を下降させ、その位置で超音波ヘッド５２の下降を停止して一定時間保持することで、バンプの形状をレベリングする（レベリング工程４）。
なお、パッドとバンプとが当接してから、荷重が一定時間で第一所定荷重に達するように、また第一所定荷重を一定時間保持するよう制御する。なお、第一所定荷重を一定時間保持する制御は、前記荷重センサが第一所定荷重を検出するのをトリガとして、メイン・コントローラ７０内のタイマをスタートさせ、タイマのカウント値が前記一定時間に該当する値に達したところで、続く超音波振動印加工程６に移行するよう構成する。後述する各荷重時間の制御は、同様の処理により実現することができるため、以降、説明は省略する。
ここまでの工程では、半導体チップに超音波振動は印加しない。
【００２６】
続く超音波振動印加工程６においては、メイン・コントローラ７０は、加圧制御部５８を制御することにより、前記第一所定荷重を徐々に弱めながら、半導体チップに、超音波振動を、振幅が徐々に大きくなるように印加する。
超音波振動印加工程６において、メイン・コントローラ７０は、半導体チップと回路基板との間の荷重を、前記第一所定荷重よりも小さい、予め定められた第二所定荷重にまで下げるよう制御を行う。それと同時に、超音波振動は、予め定められた第一所定振幅となるまで、振幅を大きくするよう制御を行う。
振幅の制御は、超音波発信器５４へ印加する駆動電圧を調節することで行う。
【００２７】
この際、荷重を下げ始めるタイミングと超音波振動を印加し始めるタイミングとは、一致するよう制御する。また、荷重が第二所定荷重に達するタイミングと、超音波振動の振幅が前記第一所定振幅に達するタイミングとは、なるべく一致するよう制御すると好適である。
なお、超音波振動印加工程６において、図２に示すように、さらに、前記第二所定荷重および前記第一所定振幅を一定時間維持してもよい。
【００２８】
続く接合工程８においては、メイン・コントローラ７０は、半導体チップと回路基板との間の荷重は前記第二所定加重に保ったまま、超音波振動の振幅を、前記第一所定振幅から、徐々に小さくする。図２に示すように、振幅は、第一所定振幅よりも小さい、第二所定振幅となるまで小さくなるよう制御される。
【００２９】
続く接合強化工程１０では、半導体チップに印加する超音波振動の振幅は前記第二所定振幅に保ったまま、半導体チップと回路基板との間の荷重を、前記第二所定荷重よりも大きく前記第一所定荷重よりは小さい、予め定められた第三所定荷重で圧接させる。
【００３０】
本実施の形態に係るフリップチップ接合方法によれば、超音波振動印加工程において第一所定荷重を徐々に弱めながら、超音波振動を、振幅が徐々に大きくなるように印加するため、バンプ形状を大きく潰すことなく、接合面の活性化や酸化膜の除去を好適に行える。
すなわち、特許文献１に記載された技術のように、接合の前に大きな荷重を与えるだけでは、接合面の活性化や酸化膜の除去が不十分になりがちであるという課題が解決される。それとともに、荷重を弱めながら超音波振動を徐々に与えるから、特許文献２に記載された技術のように、大きな荷重を与えた状態で超音波接合を開始するために接合端子の形状が大きく崩れてしまうといった課題も発生しない。
【００３１】
また、接合工程８において、超音波振動の振幅を徐々に小さくするから、パッドとバンプとの間に掛かる力が徐々に弱まり、接合されたパッドとバンプとが、その後の超音波振動によってその接合状態が破壊されることがない。
すなわち、前述したように、フリップチップ接合においては、各接続端子が互いにずれたタイミングで接合されるが、パッドとバンプとの間に掛かる力を徐々に弱めることで、先に接合された接合端子が、その後の超音波振動によってその接合が破壊されて接合強度が弱くなるといった問題を回避できるとともに、接合途中の接続端子の接合は継続させることができる。
【００３２】
なお、本願発明において、接合工程で一旦接合した接続端子（パッドとバンプ）の接合を破壊しないようにするための構成は、超音波振動の振幅を徐々に小さくする構成に限定されない。例えば、接合工程において、半導体チップと基板との間に掛ける荷重を、前記第二所定荷重から徐々に小さくすることによっても、接続端子間に掛かる力を徐々に小さくできるから、同様の効果を得ることができる。また、接合工程において、半導体チップを吸着保持する吸着力を、徐々に小さくすることによっても、超音波ヘッド５２から半導体チップに伝達される超音波振動のエネルギーを小さくすることができることから、同様の効果を得ることができる。
【００３３】
さらに、接合強化工程１０において、超音波振動の振幅を小さくして荷重を強めるため、接合されたパッドとバンプとの接合状態が破壊されることがない。そして、接合面に存在する空隙をなくして、接合面積を増大させて、接合強度を強めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本実施形態においては、基板側にパッドが設けられ、半導体チップ側にバンプが設けられた場合の例を説明したが、基板側にバンプが設けられ、半導体チップ側にパッドが設けられている場合の半導体チップの接合にも、本発明を適用することができる。
また、超音波振動は、半導体チップのみに印加する構成に限定されず、基板のみに印加したり、両者に印加したりする構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係るフリップチップ接合方法を利用して回路基板に半導体チップをフリップチップ接合する接合装置の一実施形態の構成図である。
【図２】本発明に係るフリップチップ接合方法における、ボンディングツール（超音波ヘッド）の動作と、半導体チップに対する超音波ヘッドの超音波出力と、半導体チップと回路基板との間の荷重プロファイルと、半導体チップに印加する超音波の振幅プロファイルとの関係を時系列に表すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
２  位置合わせ工程
４  レベリング工程
６  超音波振動印加工程
８  接合工程
１０  接合強化工程
５０  フリップチップ接合装置
５２  超音波ヘッド（ボンディングツール）
５４  超音波発信器
５６  加圧機構
５８  加圧制御部
５９  支持テーブル
６０  アライメント機構
６２  アライメント機構制御部
６４  撮像ユニット
６６  画像処理部
６８  撮像ユニット移動機構
６９  撮像ユニット移動機構制御部
７０  メイン・コントローラ
【図１】
2006135207.tif 000003
【図２】
2006135207.tif 000004