(57)【要約】【課題】低コストでかつ放熱性が良く、突起電極精度の高い半導体実装体半製品、半導体実装体及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体チップと基板電極が、金属線又は金属テープの側面で対向して接続されていることを特徴とする半導体実装体、その半製品及びこれらの製造方法である。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有する基材を2個以上接続されてなる半導体実装体であって、
対向する電極同士が、金属線又は金属テープの側面で接続されてなる部分を少なくとも有することを特徴とする半導体実装体。
【請求項２】
前記基材の少なくとも1個が半導体チップであることを特徴とする請求項１記載の半導体実装体。
【請求項３】
前記基材の少なくとも1個が基板であることを特徴とする請求項１記載の半導体実装体。
【請求項４】
半導体実装体としてLEDが構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体実装体。
【請求項５】
前記金属線又は金属テープの融点が450℃以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体実装体。
【請求項６】
前記金属が錫、錫合金、又は銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウムの中の少なくとも１種を主体とする合金から選ばれる金属であることを特徴とする請求項５記載の半導体実装体。
【請求項７】
前記金属線又は金属テープが、融点が450℃以下の表層部とこれより融点が20℃以上高い芯部との複層構造を有することを特徴とする請求項１記載の半導体実装体。
【請求項８】
前記芯部が銅、アルミニウム、銀、金、白金又はパラジウム金属、又はこれらを主体とする合金であることを特徴とする請求項７記載の半導体実装体。
【請求項９】
前記表層部が錫、錫合金、又は銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウムの中の少なくとも1種を主体とする合金から選ばれる金属であることを特徴とする請求項７記載の半導体実装体。
【請求項１０】
少なくとも一方の前記電極と金属線又は金属テープの側面の接続部が、熱硬化型又は光硬化型の導電性ペーストを介して接続されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体実装体。
【請求項１１】
基材に設けられた電極上に、金属線又は金属テープの側面が接合した金属突起(バンプ)を少なくとも1箇所以上有することを特徴とする半導体実装体半製品。
【請求項１２】
前記金属線又は金属テープの融点が450℃以下であることを特徴とする請求項１１記載の半導体実装体半製品。
【請求項１３】
前記金属が錫、錫合金、又は銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウムの中の少なくとも1種を主体とする合金から選ばれる金属であることを特徴とする請求項１１記載の半導体実装体半製品。
【請求項１４】
前記金属線又は金属テープが、融点が450℃以下の表層部とこれより融点が20℃以上高い芯部との複層構造を有することを特徴とする請求項１３記載の半導体実装体半製品。
【請求項１５】
前記芯部が銅、アルミニウム、銀、金、白金又はパラジウム金属、又はこれらを主体とする合金であることを特徴とする請求項１４記載の半導体実装体半製品。
【請求項１６】
前記表層部が錫、錫合金、又は銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウムを含有する合金から選ばれる金属であることを特徴とする請求項１４記載の半導体実装体半製品。
【請求項１７】
基材上の電極と金属線又は金属テープの側面の接続部が、熱硬化型又は光硬化型の導電性ペーストを介して接続されてなることを特徴とする請求項１１記載の半導体実装体半製品。
【請求項１８】
前記基材が半導体ウェハ、半導体チップ又は基板であることを特徴とする請求項１１記載半導体実装体半製品。
【請求項１９】
半導体ウェハ又は基板の電極上に、金属線又は金属テープを配列し、対向して接続するもう一方の半導体ウェハ、チップ又は基板の電極を合わせて配置し、両方の電極と金属線又は金属テープの接続処理を行ない一体化した後に、個々のチップ毎に切断することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体実装体の製造方法。
【請求項２０】
電極を形成した半導体ウェハ、チップ、基板の電極上、又は接続用の金属線又は金属テープの少なくともどちらか一方に接続用の表面修飾を施し、両方の基体上の電極と金属線又は金属テープの接続処理を行なうことを特徴とする請求項１９に記載の半導体実装体の製造方法。
【請求項２１】
前記接続処理が加熱溶接処理、加熱硬化処理、光硬化処理のいずれかであることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の半導体実装体の製造方法。
【請求項２２】
前記表面修飾物が融点450℃以下の金属であることを特徴とする請求項２０に記載の半導体実装体の製造方法。
【請求項２３】
前記表面修飾物が熱硬化型又は光硬化型の導電性ペーストであることを特徴とする請求項２０に記載の半導体実装体の製造方法。
【請求項２４】
電極を形成した半導体ウェハ又は基板の電極上に金属線又は金属テープを配列し、電極と金属線又は金属テープの接続処理を行ってバンプを形成することを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の半導体実装体半製品の製造方法。
【請求項２５】
電極を形成した半導体ウェハ又は基板の電極上、又は接続用の金属線又は金属テープの少なくとも一方に、接続用の表面修飾を施し、金属線又は金属テープを配列した後に、電極と金属線又は金属テープの接続処理を行ってバンプを形成することを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の半導体実装体半製品の製造方法。
【請求項２６】
前記接続処理が加熱溶接処理、加熱硬化処理又は光硬化処理であることを特徴とする請求項２４又は２５に記載の半導体実装体半製品の製造方法。
【請求項２７】
前記表面修飾物が融点450℃以下の金属であることを特徴とする請求項２５に記載の半導体実装体半製品の製造方法。
【請求項２８】
前記表面修飾物が、熱硬化型又は光硬化型の導電性ペーストであることを特徴とする請求項２４記載の半導体実装体半製品の製造方法。
【請求項２９】
バンプの接続処理前後あるいは接続工程中に、個々の電極にまたがる金属線、金属テープあるいはバンプを分断、絶縁する工程を有することを特徴とする請求項２４〜２８のいずれか１項に記載の半導体実装体半製品の製造方法。
【請求項３０】
バンプの接続処理の後、バンプを形成した基体を切断して任意の単位の基材チップを製造することを特徴とする請求項２４〜２９のいずれか１項に記載の半導体実装体半製品の製造方法。
【請求項３１】
請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の半導体実装体半製品上のバンプと、半導体ウェハ、半導体チップ又は基板で構成された基材上の電極とを対向して配置し、接続処理を施して個々の半導体実装体を製造することを特徴とする半導体実装体の製造方法。
【請求項３２】
請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の半導体実装体半製品上のバンプと、半導体ウェハ、半導体チップ又は基板で構成された基材上の電極とを対向して配置し、接続処理を施した後、個々のチップを切断して半導体実装体を製造することを特徴とする半導体実装体の製造方法。
【請求項３３】
基材上の対向する電極の両方がバンプであることを特徴とする請求項３１又は３２に記載の半導体実装体の製造方法。
【請求項３４】
対向する電極の少なくとも一方に接続用の表面修飾を施した後に、電極同士の位置合わせを行い、接続処理を行なうことを特徴とする請求項３１〜３３のいずれか１項に記載の半導体実装体の製造方法。
【請求項３５】
前記接続処理が加熱溶接処理、加熱硬化処理、光硬化処理のいずれかであることを特徴とする請求項３４に記載の半導体実装体の製造方法。
【請求項３６】
前記表面修飾物が融点450℃以下の金属であることを特徴とする請求項３４に記載の半導体実装体の製造方法。
【請求項３７】
前記表面修飾物が、熱硬化型又は光硬化型の導電性ペーストであることを特徴とする請求項３４に記載の半導体実装体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体実装体とこの部材となる半導体実装体半製品、及びこれらの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップとこれに信号や電気エネルギーを伝達・供給するための外部電極とを接続する方法として、ワイヤボンディングによるワイヤ接続、タブテープを用いたテープ接続、ボール材料等を用いたバンプ接続が考案され、用いられている。
【０００３】
近年、LSI等の半導体実装体の小型化が進んでいる中で、バンプを用いた接続が増加しつつある。バンプ接続とは、半導体チップあるいは基板上の電極を対向させ、電極同士をバンプ(突起)を介して接続する実装方式である。
【０００４】
バンプ接続の利点は、ワイヤボンディングによるワイヤ接続やインナーリードボンディングによるタブテープによる接続方式のような接続材料の長手方向に電流を流す方式と異なり、点接続であるために、小型化や信号の高速化が容易である。特に、半導体チップをパッケージキャリア(リードフレームを含む基板)にバンプを介して直接接続するフリップチップ実装は、小型化、高速化のキーテクノロジーであり、近年急速な市場の伸びが期待される青色、白色発光ダイオードを始めとするLEDにおいても、小型化、高輝度化を実現するために検討が開始されている。
【０００５】
バンプを形成する方法としては、蒸着、めっき、スクリーン印刷、マイクロボール配列させる方式があるが、それぞれ方式には一長一短がある。この内、蒸着法は古くから用いられている方法(特許文献1)であり、例えば、半導体ウェハ上のアルミニウム電極上にUBM(Under Bump Metal)を形成した後、蒸着により半田バンプをウェハの電極位置に形成するものである。
【０００６】
この方法は、信頼性については実績が積み重ねられているが、設備が大掛かりなこと、蒸着される金属の大半がマスク上等のバンプとして使用されない部分で消費されてしまうと言う問題点がある。めっき法(特許文献2)は、狭ピッチのバンピング法としては適しているが、工程が複雑なことや、環境の問題の他、近年の鉛フリー化の検討等においては、合金組成の選択が自由にできない問題がある。また、ペーストを印刷する方式(特許文献3)は、高生産性、材料選択性に優れているが、狭ピッチのバンピングには適さないとされている。一方、近年開発が進んでいる真球の金属マイクロボールを配列、接合する方式(特許文献4、5)は、高精度で効率的である上、金属の選択にも自由度がある技術であるが、高精度のボールを製造する技術、ボールが静電気による接触や抜けがないように配列する技術、これらの欠陥を修復(リペア)する技術には高度なものが必要である。
【０００７】
現在、フリップチップ実装に使用されている半導体チップとパッケージキャリアを接続するボールバンプに使用されている金属マイクロボールの直径は80μｍから150μｍ程度であり、これに利用されている直径100μmのボールの高さのばらつきは典型的には±5μm程度である。めっき等で形成されるバンプ高さのばらつきは、これより大きくばらつき、±20μm以上になる場合がある。今後も実装形態は小型化していくことから、バンプの高さもより精度の高いものが要求される。
【０００８】
また、実装が小型化するにしたがって、素子から出る熱を放熱する必要性が高まっている。特に、LEDのような発熱の大きな素子をフリップチップ化する場合、ボールバンプのような点接触にした場合、抜熱が課題として挙げられている。
【０００９】
【特許文献１】特許第３４３１３２１号公報
【特許文献２】特許第２６９９５２９号公報
【特許文献３】特許第３２１４３０２号公報
【特許文献４】特許第２６５７３５６号公報
【特許文献５】特許第２７４３０５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、低コストでかつ熱伝導、電気伝導性の優れた半導体実装体とこの部材となる半導体実装体半製品、及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記従来技術の問題を解決するために鋭意検討した結果、以下の構成を要旨とする。
(1)  電極を有する基材を2個以上接続されてなる半導体実装体であって、対向する電極同士が、金属線又は金属テープの側面で接続されてなる部分を少なくとも有することを特徴とする半導体実装体。
(2)  前記基材の少なくとも1個が半導体チップである(1)記載の半導体実装体。
(3)  前記基材の少なくとも1個が基板である(1)記載の半導体実装体。
(4)  半導体実装体としてLEDが構成される(1)記載の半導体実装体。
(5)  前記金属線又は金属テープの融点が450℃以下である(1)記載の半導体実装体。
(6)  前記金属が錫、錫合金、又は、銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウムの中の少なくとも1種を主体とする合金から選ばれる金属である(5)記載の半導体実装体。
(7)  前記金属線又は金属テープが、融点が450℃以下の表層部とこれより融点が20℃以上高い芯部との複層構造を有する(1)記載の半導体実装体。
(8)  前記芯部が、銅、アルミニウム、銀、金、白金又はパラジウム金属、又は、これらを主体とする合金である(7)記載の半導体実装体。
(9)  前記表層部が、錫、錫合金、又は、銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウムの中の少なくとも1種を主体とする合金から選ばれる金属である(7)記載の半導体実装体。
(10)  少なくとも一方の前記電極と金属線又は金属テープの側面の接続部が、熱硬化型又は光硬化型の導電性ペーストを介して接続されてなる(1)記載の半導体実装体。
【００１２】
(11)  基材に設けられた電極上に、金属線又は金属テープの側面が接合した金属突起(バンプ)を少なくとも1箇所以上有する半導体実装体半製品。
(12)  前記金属線又は金属テープの融点が450℃以下である(11)記載の半導体実装体半製品。
(13)  前記金属が錫、錫合金、又は、銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウムの中の少なくとも1種を主体とする合金から選ばれる金属である(11)記載の半導体実装体半製品。
(14)  前記金属線又は金属テープが、融点が450℃以下の表層部とこれより融点が20℃以上高い芯部との複層構造を有する(13)記載の半導体実装体半製品。
(15)  前記芯部が、銅、アルミニウム、銀、金、白金又はパラジウム金属、又は、これらを主体とする合金である(14)記載の半導体実装体半製品。
(16)  前記表層部が、錫、錫合金、又は、銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウムを含有する合金から選ばれる金属である(14)記載の半導体実装体半製品。
(17)  基材上の電極と金属線又は金属テープの側面の接続部が、熱硬化型又は光硬化型の導電性ペーストを介して接続されてなる(11)記載の半導体実装体半製品。
(18)  前記基材が、半導体ウェハ、半導体チップ又は基板である(11)記載半導体実装体半製品。
【００１３】
(19)  半導体ウェハ又は基板の電極上に、金属線又は金属テープを配列し、対向して接続するもう一方の半導体ウェハ、チップ又は基板の電極を合わせて配置し、両方の電極と金属線又は金属テープの接続処理を行ない一体化した後に、個々のチップ毎に切断することを特徴とする(1)〜(10)のいずれかに記載の半導体実装体の製造方法。
(20)  電極を形成した半導体ウェハ、チップ、基板の電極上、又は、接続用の金属線又は金属テープの少なくともどちらか一方に、接続用の表面修飾を施し、両方の基体上の電極と金属線又は金属テープの接続処理を行なうことを特徴とする(19)に記載の半導体実装体の製造方法。
(21)  前記接続処理が加熱溶接処理、加熱硬化処理、光硬化処理のいずれかである(19)又は(20)に記載の半導体実装体製品の製造方法。
(22)  前記表面修飾物が融点450℃以下の金属である(20)に記載の半導体実装体の製造方法。
(23)  前記表面修飾物が、熱硬化型又は光硬化型の導電性ペーストである(20)に記載の半導体実装体の製造方法。
【００１４】
(24)  電極を形成した半導体ウェハ又は基板の電極上に、金属線又は金属テープを配列し、電極と金属線又は金属テープの接続処理を行ってバンプを形成することを特徴とする(11)〜(18)のいずれかに記載の半導体実装体半製品の製造方法。
(25)  電極を形成した半導体ウェハ又は基板の電極上、又は、接続用の金属線又は金属テープの少なくとも一方に、接続用の表面修飾を施し、金属線又は金属テープを配列した後に、電極と金属線又は金属テープの接続処理を行ってバンプを形成することを特徴とする(11)〜(18)のいずれかに記載の半導体実装体半製品の製造方法。
(26)  前記接続処理が、加熱溶接処理、加熱硬化処理又は光硬化処理である(24)又は(25)に記載の半導体実装体半製品の製造方法。
(27)  前記表面修飾物が融点450℃以下の金属である(25)に記載の半導体実装体半製品の製造方法。
(28)  前記表面修飾物が、熱硬化型又は光硬化型の導電性ペーストである(24)記載の半導体実装体半製品の製造方法。
(29)  バンプの接続処理前後あるいは接続工程中に、個々の電極にまたがる金属線、金属テープあるいはバンプを分断、絶縁する工程を有する(24)〜(28)のいずれかに記載の半導体実装体半製品の製造方法。
(30)  バンプの接続処理の後、バンプを形成した基体を切断して任意の単位の基材チップを製造することを特徴とする(24)〜(29)のいずれかに記載の半導体実装体半製品の製造方法。
【００１５】
(31)  (11)〜(18)のいずれかに記載の半導体実装体半製品上のバンプと、半導体ウェハ、半導体チップ又は基板で構成された基材上の電極とを対向して配置し、接続処理を施して個々の半導体実装体を製造することを特徴とする半導体実装体の製造方法。
(32)  (11)〜(18)のいずれかに記載の半導体実装体半製品上のバンプと、半導体ウェハ、半導体チップ又は基板で構成された基材上の電極とを対向して配置し、接続処理を施した後、個々のチップを切断して半導体実装体を製造することを特徴とする半導体実装体の製造方法。
(33)  基材上の対向する電極の両方がバンプである(31)又は(32)に記載の半導体実装体の製造方法。
(34)  対向する電極の少なくとも一方に、接続用の表面修飾を施した後に、電極同士の位置合わせを行い、接続処理を行なうことを特徴とする(31)〜(33)のいずれかに記載の半導体実装体の製造方法。
(35)  前記接続処理が、加熱溶接処理、加熱硬化処理、光硬化処理のいずれかである(34)に記載の半導体実装体の製造方法。
(36)  前記表面修飾物が融点450℃以下の金属である(34)に記載の半導体実装体の製造方法。
(37)  前記表面修飾物が、熱硬化型又は光硬化型の導電性ペーストである(34)に記載の半導体実装体の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明における半導体実装体及びその半製品は、従来の点接触によるバンプ接続方式に対して、線接触であるため信号やエネルギーの伝達ロスが少なく、半導体で発生する熱を外部に逃がすのに有利な半導体実装体であり、そのための半製品である。本発明における半導体実装体及び半導体半製品の製造方法は、めっきラインのような大掛かりな設備が不要であり、低コストである。また、バンプ形成に、直径、厚さの精度が出し易い線材、テープ材を用いるため、基材間の間隔、バンプ高さの自由度、精度が高い実装が実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図1は、本発明における半導体実装体の代表的な一形態であり、フリップチップ実装例である。説明のために、半導体チップ4(上側)と基板6(下側)を接続した例を示した。本実装の形態は、図1に示すように、金属線(ワイヤ)や金属テープ(テープ)の周面を介して、接続したいチップ又は基板同士が対向して接続された半導体実装体である。したがって、本発明のバンプの代表的な形態は、断面が同心円状のワイヤを用いた場合、図1に示したような円柱に近い形となり、テープを用いた場合には直方体に近い形となる。但し、そのアスペクト比は電極の形状等、製造方法によって異なり、図1におけるワイヤの長手方向が径方向より長くなるとは限らない。また、接続処理の方式によっては、円柱や直方体から大きくずれる場合がある。特に、バンプを形成するためのワイヤ又はテープ材全体がソルダーで構成され、接続時に全体が加熱溶融する場合は、円柱又は直方体から大きく変化するが、この場合も本発明の形態に含まれる。
【００１８】
図1は、半導体チップとワイヤを加熱溶融で接合、基板とワイヤを導電ペーストを用いた硬化処理で接合した場合の例である。ワイヤの上側が溶融接合により潰れていて、下側は円柱側面の形態を保っている。
【００１９】
現在、フリップチップ実装に使用されている金属マイクロマイクロボールは、小さいもので80μm程度であるが、ワイヤ又はテープの場合、直径又は厚さ管理はより容易であり、更に小さいものにも対応可能である。例えば、伸線加工によって得られるワイヤの直径は、15μm以下のものも得られ、その精度もサブミクロンである。したがって、より高精度のバンプの高さ管理が可能であり、横方向の電極間隔も5μm以下にすることも理論的には可能である。
【００２０】
図1では、基板と外部電極をつなぐアウターバンプも、本発明のバンプを用いた例を示しているが、これらの一部がボール接続されていても良いし、基板回路の表面電極から、ワイヤボンディングを用いて外部のリードフレームと接続されていても良い。あるいは、半導体チップと基板間が従来のバンプであって、基板と外部電極間に本発明のバンプが使用されていても良い。また、積層された半導体チップ同士が本発明のバンプで接続されていても構わない。即ち、本発明の半導体実装体内で、半導体チップ、基板、外部電極等の被接続体間の一部が本発明のバンプで接続されていれば良い。
また、本発明の形態は、図1に示したような、2枚の基材の接合形態である必要は無く、突起電極を介して基材が3枚以上積み重なった積層構造をとっても良い。
【００２１】
図1に示した半導体実装体は、多極電極構造のものであるが、本発明が他の実装方法に比較して優位性が大きくなるのは、LED等の2極電極である。図2にその模式図を示す。LEDは、一般的にエネルギーを供給するための正負の2電極あれば良く、後に示す本発明のプロセスは、他の方法に比して一層単純となる。図2に示すようなフリップチップ型のLEDの場合は、発生する熱を基板側に放出せしめる必要があり、本発明のように電極が線状にコンタクトしていることにより、点接触に比較して、抜熱し易い利点がある。図2のように、ワイヤ径と長さのアスペクト比を5とした場合、同じバンプ高さで同じ材質のボールを電極当たり1個使用して接続した場合に比較して、チップ側から基板側への熱伝導度は、少なくとも5倍以上となる。
【００２２】
本発明において接続するバンプの材質は、特に定めないが、錫、銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウムから選ばれた金属、又は、これらを主体とする合金であることが望ましい。但し、銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウムから選ばれた金属、又は、これらを主体とする合金の融点が450℃以上ある場合は、これらのバンプ材料と被接続体の間に、半田等の低融点ソルダー材料、導電ペースト材料等を介している必要がある。接続処理温度が450℃超になると、半導体チップや基板が熱によって損傷を受けるため、バンプ材料自体を溶融させる接続処理ができないからである。融点の下限は特に定めないが、常温近傍で溶融又は軟化する材料である場合、最終製品の使用温度が極めて限定されるから、50℃以上が望ましい。
【００２３】
パワーICやLEDのような発熱が大きな半導体の実装には、銅、アルミニウム、銀、金、白金、パラジウム等の良導体に半田等の低融点ソルダー材料、導電ペースト材料を介していた構造か、Au-Sn合金のような低融点良導体が用いられている形態が望ましい。
【００２４】
バンプ形成用の金属線あるいは金属テープ自体に、低融点ソルダーあるいは導電ペースト材料が被覆されていても良い。接続方法が加熱溶融(リフロー)である場合、芯部が接続時に固体の状態を保つ材料を用いることで、これがスペーサーの役割を果たし、接続する基体同士の距離を適度な間隔に保つことができる。ワイヤやテープは、引き抜きあるいは圧延を用いて製造することが可能であるため、ボールに比較して、外形寸法を正確にすることが容易である。したがって、蒸着法、めっき法、ボールバンピング法に比較して、基体同士の間隔を正確に制御可能であり、高い平行度を得ることもできる。
【００２５】
図1は、接合に融点の高い芯と融点が低く接合時に溶融する外周部の複層構造を有するワイヤを用いて接続した例を示しており、芯部がスペーサーの役割を示している。
接続方法が加熱溶接である場合、使用する芯部と表層部の材質が異なるワイヤあるいはテープ材の芯部と表層部の融点差は20℃以上であることが望ましい。融点差がこれより小さい場合、溶融接続時の温度管理を正確にする必要があるからである。数cm〜数十cmの空間を有する炉の均熱を±10℃より小さくしようとした場合、技術的な難易度が増し、余計なコストを必要とする。一方、融点差の上限は、特に定めるものではないが、金属で最高の融点を有するタングステンの融点が、3407℃であることから、表層部の融点の下限も考慮すると3350℃以上は現実的でない。
【００２６】
芯部と表層部に融点差のあるワイヤ、テープの材質の組み合わせや製造方法は様々なものが考えられる。例えば、芯部が銅で、表層部が錫系の半田の場合は、接続加熱温度が250℃以下で済み、接続後の抜熱も優れた実装体が得られる。このようなワイヤ、テープの代表的な製造方法として、めっき法やクラッド法が挙げられる。ワイヤやテープを被覆する方法も、ボールに被覆する方法より寸法管理が容易であり、高さ精度の優れたバンプを製造することが可能である。様々な製造方法を取ることができるため、材質の制限も極めて小さく、鉛フリー化等の環境問題に対する対応も容易である。
【００２７】
加熱溶融以外のバンプの接続形態としては、導電性ペーストが挙げられる。導電性ペーストには、加熱硬化型と光硬化型があるが、どちらの形態でも構わない。
【００２８】
上記の半導体実装体を製造する製造過程において、半導体ウェハ、半導体チップあるいは基板上に、金属線又は金属テープの側面が接合した金属突起電極(バンプ)を形成した基体を取る場合がある。このような半導体実装体半製品も、半導体実装体を構成する汎用部品として利用価値のあるものであり、本発明によって得られる特徴的な形態である。基材、金属バンプの材質、基材と金属バンプ間の接合材は、上記に説明してきた半導体実装体と全く同じである。
【００２９】
次に、本発明の大きな特徴である上記構造の形成方法を示す。本発明の半導体実装構造の形成方法として、接続する基体同士の対向する電極間に、ワイヤ又はテープを配置して、挟んだ後に、2枚以上の基体を同時に接続する方法と、片側の基体にワイヤ又はテープを配置して接続処理を行い、片側電極のバンプを先に形成して、半導体実装体半製品を製造した後、対向する基体を合わせて再度接続処理する方法(これを以降、二次接合と呼ぶ)がある。
【００３０】
いずれの方法も、製造上、接続するどちらか一方の基材電極上に、ワイヤ又はテープを配置する工程を取ることが望ましい。この時、基材は、半導体ウェハ、チップであってもいいし、金属、セラミックス、樹脂からなる基板でも良い。基材は、最終製品の半導体実装体毎に分割されていてもよいが、複数のチップ又は基板が面内に配列した分割前の集合体であった方が、本発明の製造方法としては効率的である。
【００３１】
ここでは、電極を形成した基材にワイヤあるいはテープを配列する方法は問わないが、例えば、図3に示したような方法が挙げられる。図3は、基材の一つである半導体ウェハ8にワイヤを配置する一つの方法を示している。半導体ウェハ内の破線9は、最終製品である半導体実装体の1単位であり、製造工程内のある段階で切断(ダイシング)される。図3右上は、一つの半導体チップ内の拡大図であり、この例の場合、1つのチップ当たり、4列の電極上にそれぞれワイヤを配列している。図3に示すように、ピッチを調整するガイドローラー11を用いて、繰り出されるワイヤ10を基材(本例の場合、半導体ウェハ)電極上に往復させ、基材上方からワイヤを押さえる方法が一つの方法として挙げられる。ワイヤのピッチを調整する方法は様々な機構が考えられ、織物を織る装置と同じ機構が応用できる。
【００３２】
ワイヤ又はテープの直進性を得るためには、ワイヤあるいはテープの長さに破断しない程度のテンションをかけることが望ましい。また、ワイヤあるいはテープを基材上に押し付けるように、テンションあるいは上方から圧力をかけることが望ましい。ワイヤあるいはテープの直進性を得、かつ基材に向かって圧力をかけるために、図4の12で示すようなガイドを用いても良い。
【００３３】
また、図4のような、基材電極と同じピッチの波型ガイドに予めワイヤ、テープを配列させておき、ガイドと基材を合わせることで配列させても良い。この時、ワイヤ又はテープが溝から脱落することを防ぐため、ガイド凹部に吸引孔または溝を設けておき、そのガイドにワイヤ又はテープを吸引させても良い。
【００３４】
他の配列方法としては、図5に示すように、ウェッジボンダーのような装置を用いて、基材内部又は外部に、ウェッジ接合部(圧着接合部)を作りながら配列していく方法もある。この方法は、配列の自由度が大きく利点がある。接合方法が加熱であって、大型ウェハとワイヤの熱膨張差によるワイヤのたわみが問題になるような場合に、ウェッジ接合部をウェハ内のワイヤ長さ方向に数箇所作ることによって、ワイヤ列の電極列からのずれを防ぐことが可能である。
【００３５】
対向する複数の基材をテープ又はワイヤを介して同時に接続する場合、両方の対向する電極の位置を合わせて接続処理すれば良い。ワイヤ又はテープを配列していない側の基材は、半導体ウェハ、チップであってもいいし、金属、セラミックス、樹脂からなる基板でも良い。複数のチップ又は基板が面内に配列した分割前の集合体である場合、接続処理後に個々のチップ毎に切断(ダイシング)することで、本発明の半導体実装体とすることができる。
【００３６】
また、接合する基材は2枚である必要はなく、ワイヤ又はテープの配列と基材の配置を繰り返して、3枚以上の基材層と2層以上のバンプ層とが交互に積み重なった積層実装体を形成しても良い。
接続処理としては、加熱溶接、加熱硬化、光硬化が挙げられる。
【００３７】
加熱溶接は、接続用のワイヤ又はテープ自体、又は、これらと基材上の電極界面を溶融させて接合する方法である。加熱溶接温度は、基材自体への損傷を小さくすることからも、450℃以下であることが望ましい。したがって、ワイヤ又はテープ全体もしくはその表面の融点が450℃以下であることが望ましい。ワイヤ又はテープ全体が溶融しなくとも良く、基材電極、もしくは、ワイヤ又はテープの接合面に融点が450℃以下の低融点金属をコーティングされていても良い。修飾方法は、めっき、蒸着、スラリー金属の塗布等がある。また、ワイヤ又はテープに、これより融点が20℃以上低くかつ融点が450℃以下の金属を予め修飾しておくことで、プロセスを簡略化できる。この場合、表面修飾の方法としては、上記以外にクラッド圧延が挙げられる。
【００３８】
接合法が加熱溶接である場合、溶融する金属又は相手の電極が酸化し易い金属の場合、これらの金属に適当なフラックスを予め塗布することが望ましい。
【００３９】
加熱溶接以外の接合方法としては、硬化樹脂と金属粉末を混合した導電性ペーストを電極、もしくは、ワイヤ、テープの少なくともどちらか一方に塗布して、基材で挟み込んだ後、硬化させる方法がある。硬化樹脂の代表的なものとして、熱硬化型のものと光硬化型のものがある。光硬化型の樹脂を用いた場合は、硬化のための紫外線が接合部に届く必要があり、基材の大きさ、材質、形状に制限がある。
【００４０】
本方法は、めっき法に比較して、寸法管理の行い易いワイヤ、テープを使用するため、基材間の間隔精度、平行度が取り易いが、基材が大きくなった場合、基材自体のたわみも多少あることから、接合時は基材面に直角な方向から多少加圧する必要がある。ワイヤ又はテープ全体が溶融する場合は、その圧力と温度管理に注意が必要である。接合処理中に基材間が適当な間隔を保つような、接合処理温度で固体の状態を保つスペーサーを基材間に挟んでも良い。
【００４１】
この点、ワイヤ、テープの芯部が固体状態を保つことができる方法は、それ自体がスペーサーの役割を果たすため、温度管理、圧力管理が容易である。
基材間の接合処理を同時に行なわず、一旦片側の基材に接合処理を行い、バンプを形成し、その後対向する基板を配置する方法も取り得る。次に、本発明の方法で、バンプを形成する方法を説明する。
【００４２】
バンプを形成するために、ワイヤ又はテープを配列する方法は、基材間の接合処理を同時に行なう方法で説明した方法と全く同じ方法が取り得る。また、接合処理も、加熱溶接、加熱硬化、光硬化を取ることができ、基材を重ねて配置することを省略する以外は、接合処理、表面修飾処理も、上記で説明した方法と全く同じ方法が取り得る。
【００４３】
基材同士を一括して接合する方法では、ワイヤ又はテープの長さ方向には、一単位の半導体実装体の中に、一つの電極しか設けることが難しい。ワイヤ又はテープを完全に溶融させる接合であれば、溶融金属の表面張力により、電極上のみにバンプが残留し、自然にバンプが長さ方向に電極毎に分断することが可能であるが、ワイヤ又はテープが接合処理時に固体状態を保つ場合は、この方法を取ることができない。例えば、図2のLEDのような半導体実装体であれば良いが、図1のような、ワイヤ長さ方向に複数の電極を形成するためには、ワイヤ又はテープを分断する必要がある。
【００４４】
基材とワイヤ又はテープの接合処理を行い、バンプが接合された状態になっていれば、分断は行い易い。除去する方法は、超音波カッターやワイヤソー等を用いた切断が考えられる。基材がシリコンや炭化ケイ素等の半導体である場合、ワイヤ又はテープ金属の方が軟質であるため、ウェハにダメージを与えず金属だけを除去するのは容易である。切断部間の間隔を取りたい場合は、その間隔を有する二重刃を用いる等をすればよい。電極間のワイヤあるいはテープは、基材と接合されていないため、除去は容易である。
【００４５】
以上のように製造されたバンプを形成した基材は、基材を切断して、最終製品である半導体実装体に分割した基材チップとしても良いし、二次接合に都合の良い任意の単位にすることも可能である。
【００４６】
バンプを先に形成する方法の利点は、基材の一方にバンプ電極が強固に固定されることから、以降の処理のハンドリングが行ない易い点がある。バンプを形成した基材を半製品として、他の工場に移送して二次接合処理を実施することも可能になる。
バンプを形成した基材の二次接合処理方法も、上記で説明してきた接合処理に準じて実施すればよい。
【００４７】
接合する基材同士が、最終製品である半導体実装体個々の単位になっていれば、電極同士の位置を合わせて二次接合処理を行えば良い。接合基材の少なくともどちらか一方が、最終製品である半導体実装体の複数の単位であれば、二次接合後、個々の半導体実装単位に切断すれば良い。
【００４８】
接合する基材の両方がバンプ電極でも良い。この場合、最終製品の半導体実装体の電極高さを高くすることができ、接合処理時や製品使用時の熱応力を緩和することができ、熱サイクルに強い半導体実装体を製造することができる。
【００４９】
二次接合処理も、加熱溶接処理、加熱硬化処理、光接合処理、いずれの方法も取ることができる。バンプ形成を行なう接合(一次接合)処理と同じ方法であっても違う方法であっても良い。一次接合処理は、導電ペーストの硬化処理であった場合、少なくともどちらか一方の電極の表面に、二次接合を行なうための表面修飾を行なう必要がある。一次接合が加熱溶融処理であった場合、バンプ電極表面には低融点金属が残留しているため、必ずしも表面修飾を実施する必要はない。必要に応じて、二次接合のための表面修飾を施しても構わない。二次接合を加熱溶接する場合のフラックスも、一次接合時に殆ど分解しているため、必要に応じて塗布しても良い。
【００５０】
また、接合する基材は2枚である必要はなく、ワイヤ又はテープの配列と基材の配置を繰り返して、3枚以上の基材層と2層以上のバンプ層とが交互に積み重なった積層実装体を形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明における半導体実装体の代表的な一形態であり、上側の半導体チップと下側の基板を接続したフリップチップを示す図である。
【図２】本発明の半導体実装体の代表的な一形態であり、発光ダイオード(LED)への適用例を示す図である。
【図３】本発明におけるワイヤ又はテープ材料を基材に配列する方法の一例を示した図である。
【図４】本発明におけるワイヤ又はテープ材料を基材に配列する治具の一例を示した図である。
【図５】本発明におけるワイヤ又はテープ材料を基材に配列する方法の一例を示した図であり、ウェッジボンディングを利用するものを示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
1.ワイヤを材料とした、金属突起電極
2.多層ワイヤの芯部(高融点金属部)
3.多層ワイヤの表層部(低融点金属部)
4.半導体チップ
5.基材上電極
6.基板
7.LED素子(透明基板、エピ層)
8.半導体ウェハ
9.個々の半導体チップの境界線
10.接続用金属ワイヤ
11.ピッチ調整用ガイドローラー
12.ワイヤ配置用治具
13.ウェッジボンディング用キャピラリ
14.ウェッジ接合部
【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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