(57)【要約】  チップと基板を接合するフリップ・チップ方法を説明する。熱圧縮ボンダを使用してチップと基板が位置合せされ、チップ上の金属バンプに対して基板上のはんだバンプを保持するために接触力が加えられる。チップは、はんだバンプでリフロー温度に達するまで、ボンダのヘッド中のパルス・ヒータによってその非固有側（ｎｏｎ−ｎａｔｉｖｅ  ｓｉｄｅ）から急速に加熱される。はんだバンプでリフロー温度に達する頃に、接触力が解放される。基板の金属突起のぬれと、接合が容易になるように、はんだは数秒間そのリフロー温度より高い温度に保持される。はんだバンプの融点未満の揮発温度を有する非洗浄フラックスが使用され、事後相互接続フラックス除去走査の必要が最小限に抑えられ、または不要となる。
2005509269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融温度を有するはんだバンプが取り付けられた基板の第１表面に、前記溶融温度未満の揮発温度を有する成分を含むフラックスを塗布すること、
前記はんだバンプを、チップの第１表面に取り付けられる対応する金属バンプにほぼ位置合せすること、
前記はんだバンプを、前記対応する金属バンプと接触させること、および
溶融温度以上の第１温度に前記はんだバンプを加熱することを含む方法。
【請求項２】
前記第１表面が銅である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記はんだバンプを前記対応する金属バンプに接触させることが接触力を加えることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記接触力が、前記はんだバンプが少なくとも溶融温度まで加熱された直後に除去される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記はんだバンプが、すず９６．５％、銀３．５％のはんだからなる請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記フラックスがカルボン酸を含み、摂氏約２００度の揮発温度を有する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記はんだバンプを溶融温度未満の温度まで冷却することによって前記はんだバンプを前記金属バンプに接合すること、
揮発温度以上であるが溶融温度未満である温度範囲内で、前記チップおよび基板の前記第１表面を加熱すること、および
前記温度範囲内に前記チップおよび基板の第１表面を第１の期間維持することをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記はんだバンプの第１温度までの前記加熱を実施するための熱が、前記チップの第１表面と反対側の、前記チップの第２表面を通じて供給される請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記はんだバンプの第１温度までの前記加熱が、前記第１温度よりも高い第２温度まで前記第２表面の温度を急速に上昇させることを含み、第２温度の第２表面から第１温度の前記チップの第１表面まで、前記チップを通じて温度勾配が確立される請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記加熱を実施するための前記熱が、前記第２表面と接触するヒータによって供給される請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記チップの第１表面が前記第１温度であるとき、前記第１基板表面と反対側の第２基板表面での第３温度が前記第１温度よりも著しく低い請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
ある期間、前記第２表面を前記第２温度に維持することをさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記期間が、約１から５秒である請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
基板上に、第１の融点を有するはんだバンプを複数を形成させると共に、構成成分のほぼすべてが揮発する前記第１温度以下の揮発温度を有するフラックスを形成させ、かつ
第１固定具を前記第１温度未満の第２温度に維持するようにして、
第１固定具に基板を配置し、
複数の金属突起を有するチップを、
前記第１温度未満の第３温度に維持されるヒータに結合される第２固定具に
配置し、
前記第１固定具および第２固定具の一方または両方を他方へ移動させることにより、複数のはんだバンプを前記複数金属突起と接触させ、
前記ヒータの温度を第３温度から前記第１温度よりも高い第４温度に急速に上昇させ、および
前記複数のはんだバンプが溶融し、前記複数の金属突起をぬらすまで、ほぼ前記第４温度以上にパルス加熱具を保つことを含む方法。
【請求項１５】
前記基板上に前記複数のはんだバンプを設け、前記チップに複数の金属突起が取り付けられている請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２温度が、摂氏約１００から１７０度の範囲内である請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記第３温度が摂氏約３０から１００度の間であり、前記第４温度が摂氏約２５０から４００度の間である請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記温度が、毎秒摂氏５０度以上の速度で前記第３温度から前記第４温度まで急速に上昇する請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数のはんだバンプと前記複数のバンプ金属突起を互いに接触させることが、接触力を加えることをさらに含む請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数のはんだバンプが前記第１温度に達した後、前記接触力が取り除かれる請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１固定具、第２固定具、および前記ヒータが、熱圧縮ボンダを備える請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
チップと基板を相互接続する方法であって、
活性面とその反対側の第２表面とを有するチップの活性面上の電気相互接続パッドに金属突起を形成させ、
底面も有する基板の表面上の電気相互接続パッドに、溶融温度を有するはんだバンプを形成させること、
前記溶融温度未満の揮発温度を有する構成成分から主に構成される洗浄不要フラックスで前記はんだバンプを被覆すること、
熱圧縮ボンダのプラテン上に前記基板の前記底面を配置することであって、前記プラテンが、前記揮発温度と溶融温度未満の第１温度に維持されること、
前記熱圧縮ボンダのヘッドに前記チップの前記第２表面を固定することであって、前記ヘッドがヒータを含むこと、
前記はんだバンプを、対応する金属突起にほぼ位置合せすること、
前記ヘッドを下げ、または前記プラテンを上げて、前記はんだバンプを前記金属突起と接触させること、
接触力を加えて、前記はんだバンプと対応する金属突起を一緒に保持すること、
前記基板の前記第２表面が前記溶融温度よりも高い第２温度に達するまで、前記ヒータの温度を上昇させること、および
前記はんだバンプが溶融するまでの期間、前記第２表面を前記第２温度に保つことを含む方法。
【請求項２３】
前記はんだバンプが溶融した後、前記接触力が除かれる請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ヒータの温度を上昇させることが、毎秒摂氏３０度を超える加熱速度を含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記ヒータがパルス加熱具である請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
複数のチップ電気相互接続パッドを有する活性面を有するチップを用意し、
前記複数のチップ電気相互接続パッドに対応する複数の基板電気相互接続パッドを備えた表面を有する基板を用意し、
溶融温度を有する第１の複数のはんだバンプまたは第１の複数の金属バンプを前記複数のチップ電気相互接続パッドに付着させ、
前記溶融温度を有する第２の複数のはんだバンプまたは第２の複数の金属バンプを前記複数の基板電気相互接続パッドに付着させ、その際、前記対応する複数のチップ電気相互接続パッドと複数の基板電気相互接続パッドのどちらにも複数の金属バンプが取り付けられておらず、
前記溶融温度未満の揮発温度を有する成分からなる洗浄不要フラックスで前記はんだバンプを覆い、
前記チップ電気相互接続パッドと基板電気相互接続パッドをほぼ位置合せし、
第１複数のはんだバンプを第２複数の金属バンプと接触させ、接触力を加え、および
前記溶融温度を超える第１温度まで前記第１の複数のはんだバンプを加熱することを含むチップと基板を相互接続する方法。
【請求項２７】
前記第１の複数の金属バンプを前記複数のチップ電気相互接続パッドに付着し、前記第２の複数のはんだバンプを前記複数の基板電気相互接続パッドに付着する請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の複数のはんだバンプを前記複数のチップ電気相互接続パッドに付着し、前記第２の複数のはんだバンプを前記複数の基板電気相互接続パッドに付着する請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１の複数のはんだバンプを前記複数のチップ電気相互接続パッドに付着し、前記第２の複数の金属バンプを前記複数の基板電気相互接続パッドに付着する請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の複数のはんだバンプが、毎秒摂氏５０度を超える速度で溶融温度まで加熱される請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記第２の複数のはんだバンプが、毎秒摂氏５０度を超える速度で溶融温度まで加熱される請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（著作権の表示）
本明細書は、著作権保護の対象である要素を含む。著作権者は、この特許開示が米国特許商標局の特許ファイルまたは記録中に見出されるとき、それが何人によって複製されることに対しても異議はないが、そうでない場合は、その著作権に対するすべての権利を何であれ留保する。
【０００２】
本発明は、一般に半導体チップのパッケージングに関する。より詳細には、本発明は、フリップ・チップ・プロセスを用いて半導体チップと基板を接合することに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来、半導体チップは、一端がチップの頂部領域にはんだ付けされ、他端がチップを取り囲む基板上のトレース・パッドにはんだ付けされたワイア相互接続を介して基板上の電気トレースに電気的に結合されている。これらのタイプの相互接続は、あまり空間効率が良好ではなく、チップのフットプリントとトレース・パッド周囲のどちらについても領域を必要とする。基板表面をより効率的に使用し、チップ・パッケージをより小型にするために、フリップ・チップ相互接続プロセスが開発された。基本的には、半導体チップの活性面が、基板に面するように裏返しにされ、チップが、活性面に隣接して位置するトレース・パッドに直接はんだ付けされる。その結果、よりコンパクトで空間効率の良いパッケージが得られる。
【０００４】
裏返しにされたチップを最も首尾よく効果的に基板に電気的に接続する方法の１つは、制御式陥没チップ接続技術（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ−ｃｏｌｌａｐｓｅ  ｃｈｉｐ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）（カリフォルニア州サンタクララのインテル・コーポレーションによって開発されたＣ４プロセス）を利用する。図１を参照しながらこのプロセスの詳細を以下で説明する。簡潔に言えば、このプロセスは、基板上のパッドにはんだバンプを付着させることからなる。フラックスが、接合すべき表面上に少なくとも塗布され、表面が雰囲気から分離され、プロセス中に基板にチップを保持する接着力が与えられる。次いではんだがリフローされる。最終的には、洗浄／ベーク・サイクルを用いてパッケージを清浄にすることができる。
【０００５】
チップの活性面と基板の表面の間にエポキシ・アンダーフィルが塗布され、はんだ相互接続が取り囲まれ、支持される。アンダーフィリングにより、パッケージの相互接続の信頼性と疲労抵抗が著しく向上する。アンダーフィルは、チップと基板の間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の違いのために熱的に誘発されるひずみによって引き起こされる応力を、チップと基板の表面全体にわたってより均等に分布させる助けになる。相互接続されたチップと基板の間のギャップがアンダーフィルされない場合、応力が比較的薄いはんだ相互接続によって運ばれ、しばしば、早期にパッケージが破損することになる。しかし、アンダーフィルが適切に働くためには、アンダーフィルをチップ表面と基板表面に十分接着しなければならない。フラックス残留物の薄膜でさえも、結合面を早期に層間剥離させる可能性があり、最終的には相互接続のうちの１つまたは複数が破損する。したがって、Ｃ４技術を使用することについての難しい問題の１つは、パッケージからすべてのフラックス残留物を完全に除去することである。このことは、チップと基板間のギャップの厚さが減少するときに特に厄介なことになる。
【０００６】
合計スループット時間（ＴＰＴ）、すなわちはんだ付けしたチップを作成するのにかかる時間は、吸収された水分をチップおよび基板から除去するのに必要な時間に大きく影響を受ける。このことは、特に時間がかかる可能性がある。例えば、化学フラックス除去は数分かかる可能性があるが、ポスト・ベークして、吸収された水分をチップおよび基板から除去することは数時間かかる可能性がある。高温で完全に揮発するフラックスが開発されている。しかし、Ｃ４プロセスではリフローの前にチップと基板を一緒に保持するためにフラックスが必要であるので、Ｃ４プロセスでの使用に適するのは、はんだ融点以上の揮発温度を有するフラックスだけである。しかし、チップと基板の間のギャップ距離の厚さが小さいこと、およびフラックスの揮発温度の高いことがあいまって、リフロー・プロセス中または後続のポスト・ベーク操作において、はんだ溶融温度よりわずかに低い温度ではんだフラックス残留物のすべてを蒸発させることは、不可能ではないにしても困難となる。フラックスを蒸発させるのに必要な長時間のポスト・ベーク時間とフラックス除去操作により、著しくＴＰＴを短縮する可能性がなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
添付の図面の各図では、限定的にではなく例示によって本発明を図示する。各図では、類似の参照番号は類似の要素を指す。
【０００８】
揮発温度が低い洗浄不要フラックスを使用して、チップを基板に相互接続するフリップ・チップ方法を説明する。はんだバンプのリフローの前に、接触圧力を使用してチップおよび関連する基板をほぼ位置合せして保持する熱圧縮ボンダ（または同様に装備された装置）を使用することによって、はんだバンプがリフローするまでチップと基板を一緒に接着力で保持するフラックスを使用する必要がなくなる。したがって、はんだの溶融温度未満の揮発温度を有する洗浄不要フラックスを指定することができ、それによってはんだリフロー温度で短時間保持する間に、フラックスの実質上すべてではないにしても大部分が揮発する。代替実施形態では、洗浄不要フラックスが完全に蒸発したことを保証するために、ポスト加熱期間を使用することもできる。有利には、低揮発洗浄不要フラックスを熱圧縮ボンダと共に使用することにより、ＴＰＴが著しく短縮され、かつ従来のＣ４処理を使用した通常の結合よりも完全な結合が得られる。この開示では、洗浄不要フラックスは、特定の温度で完全に揮発し、固体残留物を残さない構成成分を含むフラックスである。
【０００９】
図１にＣ４プロセスを示す。まず、処理ブロック１０５に示すように、通常は、プリンティング（Ｃ４プロセスについてははんだペーストを使用する）、めっき、および気相形成を含む任意の数の適切なプロセスを使用して、はんだバンプを基板上のパッドに付着させる。一般には、摂氏２００度未満の融点を有する鉛−すずはんだが使用される。次に処理ブロック１１０では、はんだの融点より高い温度まではんだバンプを加熱して、はんだバンプをそれぞれのパッドに対して完全にぬらすことによってはんだバンプをリフローする。通常は、鉛含有量の高い金属バンプまたは金属突起を、対応するチップ・パッド上に形成させる。
【００１０】
処理ブロック１１５では、接合すべき表面のうち少なくとも１つにフラックスを塗布する。通常は、フラックスは溶剤および活性剤を含む。フラックス溶剤は、第２リフロー中にはんだの表面を雰囲気から分離させる働きをし、はんだが熱く、かつ／または溶融している間に酸化の危険を最小限に抑える。フラックス溶剤は一般に粘着性があり、第２リフローの前にチップと基板を一緒に保持する接着力を与える。活性剤は通常、はんだ上に存在する任意の酸化物または表面膜を除去する有機酸または無機酸であり、接合すべき金属面のはんだぬれを促進する。処理ブロック１２０では、チップおよび基板のフラックス支持面が、ほぼ位置合せされて互いに接触して配置される。
【００１１】
次に、処理ブロック１２５で示すように、はんだの融点より高い温度までチップおよび基板パッケージを加熱することによって第２リフローを実施する。溶融したはんだバンプは、対応する金属バンプをぬらし、溶融したはんだの表面張力により、金属バンプが対応する基板パッドのそれぞれと自己整列する。次いで新しく形成された相互接続を冷却してはんだを凝固させる。
【００１２】
処理ブロック１３０で示すフラックス除去操作では、任意のフラックスまたはフラックス残留物をチップおよび基板パッケージから除去する。この操作は通常、パッケージを溶剤洗浄してフラックス残留物を除去することを含む。ポスト相互接続ベーク・サイクルを指定して、残りの任意の溶剤または低沸点フラックス構成成分を揮発させることもできる。Ｃ４応用例に対しては水溶性フラックスが一般に使用され、フラックス除去のために水が使用される。ベーク・サイクルの主な目的は、フラックス除去中にチップおよび基板に吸収される水分を除去することである。そのような吸収される水分はアンダーフィリング中に気泡の原因となるからである。
【００１３】
図２は、本発明の一実施形態に従って使用される接合プロセスの一実施形態の流れ図である。まず、処理ブロック２０５に示すように、基板の表面上のボンド・パッドにはんだを付着させる。代替実施形態では、チップ（ダイ）上のボンド・パッドにはんだを付着させることもできることを当業者は理解されよう。限定はしないが、プリンティング、気相形成、および電気めっきを含む当業者に周知の任意の数の適切な技法を用いて、ボンド・パッドにはんだを付着させることができる。はんだを付着させた後、ボンド・パッドの完全なぬれを促進するために、基板をはんだの融点を超える温度まで加熱し、処理ブロック２１０に示すようにはんだをリフローさせる。一実施形態では、摂氏約２２１度の融点を有する９６．５％のすず／３．５％銀の共晶はんだが指定されるが、任意の数の適切なはんだ化合物を使用することができる。理想的には無鉛はんだが指定され、鉛によって引き起こされる潜在的な環境問題が解消される。
【００１４】
通常、チップ上のボンド・パッドに金属バンプを付着させるが、代替実施形態では、その代わりに基板にバンプ金属パッドを付着させることもできる。当業者に周知の任意の数の方法によってバンプ金属パッドをボンディング・パッドに付着させることができる。理想的には、バンプ金属は、高い接合温度で良好な電気伝導率を有し、酸化に対する妥当な耐性を有する。伝統的には、従来のＣ４フリップ・チップ接合プロセスでは、９７％Ｐｂ３％Ｓｎ合金などの耐酸化性の鉛ベースのバンプ金属が利用されてきた。鉛ベースのバンプ金属と、その物質用のはんだにより、従来のＣ４プロセスで使用される炉温度上昇／保持時間の間、必要な耐酸化性が得られる。本発明の実施形態では、上昇／保持時間は比較的短い（例えば、１秒当たり１００度の上昇、および保持時間１〜５秒）。したがって、著しい酸化の可能性が最小限に抑えられ、優れた電気特性を有するより反応性の高いベース金属を金属バンプで使用することができる。一実施形態では、銅ベース金属バンプが指定される。図３に、基板３１５上のボンディング・パッド３１０に付着し、リフローされたはんだバンプ３０５、ならびにチップ３２５の表面上のボンディング・パッドに付着させた銅ベース金属バンプ３２０を示す。
【００１５】
図２に戻ると、処理ブロック２１５では、洗浄不要フラックスを基板のはんだバンプ形成表面に塗布する。はんだバンプ３０５を実質的に封じるように洗浄不要フラックス４０５が表面に塗布されたはんだバンプ形成基板３１５を図４Ａで示す。洗浄不要フラックス４０５の主な機能は、はんだバンプ３０５やベース金属バンプ３２０の表面から酸化物および他の異物を除去し、相互接続プロセス中にベース金属やはんだバンプ上に新しい酸化膜が形成されるのを防止することである。典型的なＣ４ボンディング・プロセスでは、フラックスは、接合中にリフロー温度に達するまでチップと基板を一緒に接着して保持する追加の役割を果たす。したがって、Ｃ４プロセスで使用される洗浄不要フラックスは、はんだバンプの融点よりも高い沸点を有する構成成分を有する。本発明の好ましい実施形態では、リフローより前は、熱圧縮ボンダによって加えられる圧力を使用してチップと基板を一緒に保持するので、はんだの融点よりも低い沸点を有する構成成分で完全に構成されている洗浄不要フラックスを使用することができる。一実施形態では、摂氏２００度前後の沸点を有するカルボン酸洗浄不要フラックスが使用される。
【００１６】
図２の処理ブロック２２０を参照すると、チップ３２０が、熱圧縮ボンダのヘッドによってピックアップされ、基板３１５に位置合せされる。基板３１５は通常、図４Ｂに示す熱プラテン３３０上に配置される。プラテン３３０は一般に、はんだ３０５の融点未満の一定温度に保たれる。一実施形態では、摂氏１３５度前後の温度が指定される。同様に、中間温度、通常は摂氏３０から１００度の間にダイ・ヘッド３３５を維持することができる。ダイ・ヘッド３３５は、内部発熱体を備えることができ、または図４Ｂに示すように、非常に急速な加熱（例えば毎秒摂氏２５度超）が可能なパルス加熱具３４０を使用することができる。
【００１７】
次に、処理ブロック２３０では、相互接続サイクルを開始する。まず、図４Ｃに示すように、チップ３１５のベース金属バンプ３２５を、基板３１５上の対応するはんだバンプ３０５と接触させ、パルス加熱具３４０がはんだバンプ３０５の融点より十分高い温度まで急速に加熱して圧力を加える。
【００１８】
図５に接合の一実施形態を示す。線５４０は、サイクル中の所与の時間でのパルス加熱具３４０の温度を表す。線５４５は、所与の時間で金属バンプ３２５とはんだバンプ３０５の間の境界に加えられる力の大きさを示す圧力曲線である。まず、上記で論じたように、パルス加熱具が摂氏３０度などの中間温度に維持されている。時刻５２５で、チップが熱圧縮ボンダ・ヘッドによってピックアップされる。時刻５３０前後で、チップと基板が位置合せされ、チップが基板と接触し、チップに圧力が加えられる。通常、チップの寸法と、作成するフリップ・チップ接続の数とに応じて、２から５キログラムの力が加えられる。同様に時刻５３０では、パルス加熱具が駆動され、その保持温度まで急速に加熱される。一実施形態では、摂氏１００度程度の加熱速度が指定される。ピーク保持温度５１５は、チップの厚さ、チップの熱伝導率、ならびにはんだバンプ３０５の融点および所望のリフロー温度を含むいくつかの因子に応じて、通常は摂氏２５０から４００度程度である。
【００１９】
通常、はんだバンプ３０５との境界での温度がパルス加熱具３４０との境界での温度未満となるような温度勾配がチップで確立される。したがって、パルス加熱具の保持温度５１５は通常、はんだバンプ３０５のリフロー温度よりも高い。保持温度５１５に達した時刻５５０頃に、圧力曲線５４５で示すように、チップに加えられる圧力がほぼゼロまで減少する。時刻５５０頃、または時刻５５０のすぐ前に、チップと基板の間の境界ではんだの溶融温度に達し、チップと基板を一緒に保持するのに圧力はもはや不要となる。パルス加熱具が温度５１５に保持される間、はんだバンプが溶融し、リフローする。パルス加熱具は、短い期間、通常は１から５秒の間、温度５１５に維持され、その後、パルス加熱具３４０への加熱が停止させられ、その後すぐにはんだが凝固する。パルス加熱具が温度５１０に達した後、結合したチップと基板を熱圧縮ボンダから取り外し、ボンダを自由にして別のチップ接合を実施する。
【００２０】
チップ接合の加熱段階の間に、チップと基板の間の境界は、洗浄不要フラックスの沸点（または揮発点）より高い温度に達する。上記で議論したように、好ましい実施形態の洗浄不要フラックスは、摂氏２００度の温度で沸騰するカルボン酸からなる。理想的には、フラックスのほぼすべてが加熱段階中に揮発し、はんだのリフロー中には存在しなくなることである。通常は、高い温度での酸化効果からはんだおよびベース金属を保護するフラックスが存在しないことが問題である。しかし、パルス・ツールの加熱速度が急速であることを考えると、溶融およびリフローの前にはんだおよびベース金属が保護されない時間は重要ではない。さらに、ガス状のフラックス揮発成分により、はんだバンプの周囲に一時的な保護クラウドが形成され、溶融およびリフローの前に接合面に酸素分子が影響を及ぼすことが実質上防止される。
【００２１】
一実施形態では、上記で論じたように、はんだバンプを形成するのに９６．５％Ｓｎ３．５％Ａｇはんだが使用される。このはんだは、摂氏約２２１度の融点を有し、その融点よりも少なくとも数度高いリフロー温度を必要とする。上記で論じたように、Ｃ４などの典型的な方法では、摂氏１９０度未満の融点を有する鉛ベースのはんだ（３７％鉛６３％すずなど）が使用される。Ｃ４プロセスを使用してチップをピン付き基板に接合するとき、より低い融点のはんだが特に必要である。摂氏２１０度を超える温度は、ピン止めはんだ（通常、摂氏２３２度前後で溶融し始める９５％すず５％アンチモン）の軟化を引き起こし、ピンが移動する可能性があるからである。９６．５％Ｓｎ３．５％Ａｇはんだを使用する一実施形態では、ピン止めはんだの温度は摂氏２００度を超過しない。高温端のチップ−パルス加熱具境界と、低温端のプラテン−基板境界との間の温度勾配は、パルス加熱具が加熱されている短期間では決して等しくなることがない。図６Ａは、基板がピン・グリッド・アレイ（ＰＧＡ）を含むチップ／基板パッケージの図である。ＰＧＡのピン６２０は、ピン止めはんだ６２０によって定位置に保持される。図６Ｂは、一実施形態に従って実施されたチップ接合の間に、チップ上および基板上のいくつかの位置で観測された温度を示す、実験から導出された図である。水平軸に沿って列挙された温度は、チップ接合領域６０５の中心での温度を示す。好ましいはんだの溶融およびリフローは通常、摂氏２２０度と２３５度の間の温度で生じることに留意されたい。上の線は、基板のピン・グリッド・アレイ側の中心での対応する温度を示す。下の線は、基板のピン・グリッド・アレイ側の縁部での対応する温度を示す。図６Ｂに示すように、基板のピン・グリッド・アレイ側の温度は決して摂氏１６５度を超過しないが、はんだバンプの溶融温度は摂氏１６５度に達し、それを超過して、リフローおよび接合が容易になる。
【００２２】
図２に戻ると、ブロック２４０に示すように、チップと基板の間のギャップは通常、相互接続の寿命、耐環境性、および疲労強度が大幅に向上するようにエポキシ樹脂でアンダーフィルされる。アンダーフィリング操作から最大の利益を得るために、結合すべき表面にはフラックスまたは他の残留物がないようにすべきである。したがって、ある実施形態では、ポスト加熱操作を実施して、後続のアンダーフィル結合に悪い影響を及ぼす可能性のあるあらゆる残留フラックスも確実に除去する。ブロック２３５で示すように、相互接続されたチップと基板は、洗浄不要フラックスの揮発温度、またはそれよりわずかに高い温度で、オーブン内で適切な期間加熱することができる。例えば、沸点２００度のカルボン酸フラックスを使用する一実施形態によって接合されたチップ基板パッケージは、少なくとも摂氏２００度で１０分間ベークされる。フラックスがはんだバンプのリフロー温度未満では揮発しない典型的なフリップ・チップ結合プロセスとは異なり、時間のかかる溶剤ベースのフラックス除去操作をほとんど、または全く実施する必要がなく、ＴＰＴが著しく短縮される。加えて、溶融およびリフローの前にフラックスが揮発することにより、相互接続部の断面図である図７Ａに示すように、高い一体性を有する低空隙率の結合を容易にする助けとなる。
【００２３】
相互接続中に摂氏２３５度の沸点を有するカルボン酸を使用した、チップ／基板パッケージのアンダーフィル後表面の検査を実施した。アンダーフィルの前に、パッケージに対して溶剤ベースのフラックス除去操作を実施しなかった。蒸気雰囲気中で１６８時間経過した後、主にリフロー・プロセス中に揮発することができなかったフラックス残留物のために、アンダーフィル結合のほぼ１３．６％が層間剥離した。フラックスの沸点が、ピン止めはんだの融点より上であるのは言うまでもなく、はんだの融点よりも上であるので、カルボン酸フラックスの沸点２３５度でのポスト加熱ベークは実現できない。摂氏２００度の沸点を有するカルボン酸を相互接続中に使用し、アンダーフィリングの前に摂氏２００度で１０分間ポスト加熱を実施した、チップ／基板パッケージのアンダーフィル後表面の検査も実施した。こちらの検査では、蒸気雰囲気中で１６８時間経過した後にはほとんど層間剥離が存在せず（０．６％）、アンダーフィル操作中に、フラックス残留物が存在するとしてもそれが非常に少ないことを示している。
【００２４】
代替実施形態
上記の説明では、本発明を完全に理解できるようにするために多数の特定の細部について述べた。本明細書で議論した詳細な説明および実施形態は、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲を限定するものではない。むしろ、特許請求の範囲の文言の全範囲を包含する、特許請求の範囲の実施形態を企図した。したがって、本発明は、本明細書で与えた特定の細部の一部を用いずに実施することができる。
【００２５】
例えば、上記では、熱圧縮ボンダを使用するフリップ・チップ結合プロセスの点から本発明の実施形態を主に説明した。当業者にとって明らかな他の装置を使用して特許請求の範囲の限定を実施することが考えられる。同様に、２００度の沸点を有するカルボン酸フラックスと共に９６．５％すず／３．５％銀はんだを使用する例示的実施形態の点からプロセスを説明したが、他の適切なはんだとフラックスの組合せも企図される。一実施形態では、はんだバンプが溶融し始めた後に、チップを基板に押しつける圧力が除かれるが、相互接続プロセス全体を通して、チップに対する少なくとも何らかの圧力が維持される代替実施形態も企図される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】Ｃ４接合プロセスを使用してフリップ・チップ結合を作成するのに通常必要な操作を示す従来技術の流れ図である。
【図２】接合プロセスの一実施形態の流れ図である。
【図３】基板上のボンディング・パッドに付着し、リフローされたはんだバンプ、ならびにチップの表面上のボンディング・パッドに付着した銅ベース金属バンプの一実施形態を示す図である。
【図４】相互接続プロセスの間の様々な操作中のチップと基板の実施形態を示す図である。
【図５】接合サイクルに関するダイアグラムの一実施形態を示す図である。
【図６】Ａ：チップ／基板パッケージの一実施形態の図である。Ｂ：本発明の一実施形態に従って実施されたチップ接合中に、チップ上および基板上のいくつかの位置で観測された温度を示す、実験から導出された図である。
【図７Ａ】相互接続継手の断面図を示す図である。
【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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【図７】
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【国際調査報告】
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