(57)【要約】【課題】携帯機器の小型化が進むと共に、半導体装置のサイズも小さくする必要があり、それには必然的にバンプ間距離を縮めるとともに、チップを構成するバンプ自体も小さくする必要がある。しかし、バンプが小さいほど接合面積が小さくなり、接合が安定せず、接合力を低下させてしまう。また、バンプが小さいために比較的低荷重でもバンプ潰れが発生し、半導体装置と回路基板が接触してしまう。信頼性においても、接合面積が小さいので熱衝撃や高温高湿の環境などで接合不良を起こしやすい。【解決手段】半導体装置と回路基板を接合する前処理として、半導体装置のバンプにプラズマを照射して、バンプ表面に形成された不純物層を除去した。更に、回路基板の導電パターンと半導体装置に形成したバンプを接合前に擦過させることで安定した接合を得られるようにした。【選択図】    図４
2004281521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の外部取り出し電極であるバンプを形成した面が回路基板に対向した状態で接合するフリップチップ実装で、回路基板は電気絶縁層と導電パターンからなり、その導電パターンは半導体装置のバンプと接合させる半導体装置の接合方法において、前記半導体装置の構成部であるバンプは金からなり、該金バンプに酸素を用いたプラズマを照射する工程を経た後に、回路基板の導電パターンに接合する半導体装置の接合方法。
【請求項２】
半導体装置の外部取り出し電極であるバンプを形成した面が回路基板に対向した状態で接合するフリップチップ実装で、回路基板は電気絶縁層と導電パターンからなり、その導電パターンは半導体装置のバンプと接合させる半導体装置の接合方法において、前記半導体装置の構成部であるバンプは金からなり、該金バンプにアルゴンガスを用いたプラズマを照射する工程を経た後に、回路基板の導電パターンに接合する半導体装置の接合方法。
【請求項３】
半導体装置の外部取り出し電極であるバンプを形成した面が回路基板に対向した状態で接合するフリップチップ実装で、回路基板は電気絶縁層と導電パターンからなり、その導電パターンは半導体装置のバンプと接合させる半導体装置の接合方法において、前記半導体装置の構成部であるバンプは金からなり、該金バンプに水素を用いたプラズマを照射する工程を経た後に、回路基板の導電パターンに接合する半導体装置の接合方法。
【請求項４】
半導体装置の外部取り出し電極であるバンプを形成した面が回路基板に対向した状態で接合するフリップチップ実装で、回路基板は電気絶縁層と導電パターンからなり、その導電パターンは半導体装置のバンプと接合させる半導体装置の接合方法において、前記半導体装置の構成部であるバンプは半田からなり、該半田バンプに酸素を用いたプラズマを照射する工程を経た後に、回路基板の導電パターンに接合する半導体装置の接合方法。
【請求項５】
半導体装置の外部取り出し電極であるバンプを形成した面が回路基板に対向した状態で接合するフリップチップ実装で、回路基板は電気絶縁層と導電パターンからなり、その導電パターンは半導体装置のバンプと接合させる半導体装置の接合方法において、前記半導体装置の構成部であるバンプは半田からなり、該半田バンプにアルゴンガスを用いたプラズマを照射する工程を経た後に、回路基板の導電パターンに接合する半導体装置の接合方法。
【請求項６】
半導体装置の外部取り出し電極であるバンプを形成した面が回路基板に対向した状態で接合するフリップチップ実装で、回路基板は電気絶縁層と導電パターンからなり、その導電パターンは半導体装置のバンプと接合させる半導体装置の接合方法において、前記半導体装置の構成部であるバンプは半田からなり、該半田バンプに水素を用いたプラズマを照射する工程を経た後に、回路基板の導電パターンに接合する半導体装置の接合方法。
【請求項７】
請求項１乃至３記載のプラズマ照射を行った半導体装置を、回路基板の所定の接合位置に位置合わせした後に搭載する工程と、回路基板の導電パターンへ半導体装置を加圧する工程と、前記回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを擦過する工程を行った後に、回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを熱及び圧力で接合する半導体装置の接合方法。
【請求項８】
請求項１乃至３記載のプラズマ照射を行った半導体装置を、回路基板の所定の接合位置に位置合わせした後に搭載する工程と、回路基板の導電パターンへ半導体装置を加圧する工程と、前記回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを擦過する工程を行った後に、回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを加圧しながら超音波印加して接合する半導体装置の接合方法。
【請求項９】
請求項４乃至６記載のプラズマ照射を行った半導体装置を、回路基板の所定の接合位置に位置合わせした後に搭載する工程と、回路基板の導電パターンへ半導体装置を加圧する工程と、前記回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを擦過する工程を行った後に、回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを加熱することで半田バンプを溶融して接合する半導体装置の接合方法。
【請求項１０】
半導体装置の外部取り出し電極であるバンプを形成した面が回路基板に対向した状態で接合するフリップチップ実装で、回路基板は電気絶縁層と導電パターンからなり、その導電パターンは半導体装置のバンプと接合させる半導体装置の接合方法において、前記半導体装置の構成部であるバンプは金からなり、回路基板の所定の接合位置に位置合わせした後に搭載する工程と、回路基板の導電パターンへ半導体装置を加圧する工程と、前記回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを擦過する工程を行った後、回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを熱及び圧力で接合する半導体装置の接合方法。
【請求項１１】
半導体装置の外部取り出し電極であるバンプを形成した面が回路基板に対向した状態で接合するフリップチップ実装で、回路基板は電気絶縁層と導電パターンからなり、その導電パターンは半導体装置のバンプと接合させる半導体装置の接合方法において、前記半導体装置の構成部であるバンプは金からなり、回路基板の所定の接合位置に位置合わせした後に搭載する工程と、回路基板の導電パターンへ半導体装置を加圧する工程と、前記回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを擦過する工程を行った後に、回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを加圧しながら超音波印加して接合する半導体装置の接合方法。
【請求項１２】
半導体装置の外部取り出し電極であるバンプを形成した面が回路基板に対向した状態で接合するフリップチップ実装で、回路基板は電気絶縁層と導電パターンからなり、その導電パターンは半導体装置のバンプと接合させる半導体装置の接合方法において、前記半導体装置の構成部であるバンプは半田からなり、回路基板の所定の接合位置に位置合わせした後に搭載する工程と、回路基板の導電パターンへ半導体装置を加圧する工程と、前記回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを擦過する工程を行った後、加熱によって半田を溶融して回路基板の導電パターンと半導体装置のバンプを接合する半導体装置の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の接合方法に関する。
【従来の技術】
近時、電子部品や半導体デバイスの小型化、更には高密度実装技術の発展が著しい。特に携帯機器の小型化、軽量化、薄型化が注目されている。
最近では半導体装置の表面に形成した外部取り出し電極（以下、バンプと言う）面を下にした（フェイスダウン）で回路基板の導電パターンへ直接接合するフリップチップ接合方式（以下、ＦＣＢと言う）を採用する製品が増えてきている。
従来のフリップチップ実装技術は、チップの電極形成面に半田のバンプを形成して、金メッキされた回路基板の導電パターンに搭載し、その後加熱して半田を溶融させて接合する方法があり、Ｃ４と呼ばれている。（例えば、非特許文献１参照。）
また、チップの電極形成面に金のバンプを形成して、金メッキされた回路基板の導電パターンに搭載し、その後加熱して金と金の接合を行う。または金ワイヤーを利用して半導体装置にバンプを形成し、その先端にクリーム半田を塗布して加熱接合する方法もある。（例えば、非特許文献２参照。）
【非特許文献１】
大澤直著「電子材料のはんだ付技術」工業調査会出版、１９９２年１０月１０日、ｐ．２３３〜２３４
【非特許文献２】
塚田裕著「高密度・高性能・低コスト  フリップチップ技術」日刊工業新聞社出版、２０００年６月２０日、ｐ．１２３〜１２５
このようなＦＣＢを行う上で、回路基板の材料としては、セラミック基板、ガラス繊維などにエポキシ樹脂を含浸させた樹脂基板、ポリイミドなどのフィルムをベースにした所謂フレキシブル基板がある。
特に最近では、携帯機器関連の製品を見ると、液晶パネルの実装部分や携帯オーディオ、ビデオカメラなどの分野でフレキシブル基板を用いる例が多い。
また、高周波無線などに使用される回路実装にはセラミックス基板が、半導体パッケージなどではガラスエポキシ樹脂基板などが良く用いられる。
回路基板は、概ね平坦化された絶縁層の上に導電パターンを形成している。
この導電パターンと半導体装置側のバンプが位置合わせされた後、半導体装置または回路基板が加熱され接合する。
【発明が解決しようとする課題】
携帯機器の小型化を進める上でベアチップのＦＣＢは重要である。
更なる携帯機器の小型化を進めるためにはチップのサイズも小さくする必要があり、それには必然的にバンプ間距離を縮めるとともに、チップを構成するバンプ自体も小さくする必要がある。
しかし、バンプが小さいほど接合面積が小さくなり、接合力の低下につながっている。
また、バンプが小さいために比較的低荷重でもバンプ潰れが発生し、半導体装置と回路基板が接触してしまうことがある。
更に、信頼性においても、接合面積が小さいので熱衝撃や高温高湿の環境などで接合不良を起こしやすい。
そこで本発明は、上記した課題を解決し、接合強度の向上、バンプ変形を低減させたことによる狭ピッチ実装、信頼性向上の実現を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置の接合方法によれば、低温、低荷重、低応力でバンプと回路基板を接合出来るのでバンプ変形が少なく、接合強度が高く、信頼性も向上させることが出来る。
具体的には、第一に、半導体装置の金バンプに酸素を用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第二に、半導体装置の金バンプにアルゴンガスを用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第三に、半導体装置の金バンプに水素を用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第四に、半導体装置の半田バンプに酸素を用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の半田バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第五に、半導体装置の半田バンプにアルゴンガスを用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の半田バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第六に、半導体装置の半田バンプに水素を用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の半田バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第七に、半導体装置の金バンプに酸素、アルゴン、水素などを用いたプラズマを照射した後に、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μｍ程度擦過させ、その後、半導体装置と回路基板を熱圧着する。
第八に、半導体装置の金バンプに酸素、アルゴン、水素などを用いたプラズマを照射した後に、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μｍ程度擦過させ、その後、半導体装置に超音波を印加して回路基板と超音波接合する。
第九に、半導体装置の半田バンプに酸素、アルゴン、水素などを用いたプラズマを照射した後に、半導体装置の半田バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μｍ程度擦過させ、その後半導体装置の半田バンプを加熱することで半田を溶融し、回路基板と半田接合する。
第十に、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μｍ程度擦過させ、その後半導体装置と回路基板を熱圧着する。
第十一に、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μｍ程度擦過させ、その後半導体装置に超音波を印加して回路基板と超音波接合する。
第十二に、半導体装置の半田バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μｍ程度擦過させ、その後半導体装置の半田バンプを加熱することで半田を溶融し、回路基板と半田接合する。
【発明の実施の形態】
以下、図１の工程図を参照して本発明に係わる実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明によるフリップチップ実装工程を示す説明図である。
図１（１）は、半導体ウェハ１にダイシングを行い、ダイシングライン２を入れたところを示している。
図１（２）は、半導体ウェハから個片化された半導体装置を示しており、その表面にはバンプ４が形成されている。金バンプの場合、メッキによってバンプを形成する方法と、金ワイヤーからボールを形成する方法がある。
半田バンプの場合には、メッキによってバンプを形成する方法と、予め粒状に加工された半田ボールを半導体装置に搭載する方法などがある。
図１（３）は、プラズマ照射装置で半導体ウェハ８にプラズマ照射する工程を示している。ここで示しているプラズマ装置は、一般的に減圧プラズマ装置と言われているものである。プラズマ照射装置は、上部電極５と下部電極６の間に挟まれた密閉空間に減圧下で酸素、アルゴン、水素等のガスを注入し、上部電極５と下部電極６間に電圧を印加することでプラズマ状態を作り出している。
プラズマ装置には、減圧プラズマ装置の他に大気圧下でプラズマ発生できる大気圧プラズマ装置がある。
プラズマ照射することにより、半導体装置１１に形成したバンプ１０の表面に付着した有機物や表面近傍に形成された酸化層を除去し、バンプ１０の純粋な金属面を露出させることが出来る。
図２（１）は、プラズマ照射された半導体ウェハ１から個片化された半導体装置を吸着パーツ９でピックアップする工程を示している。
図２（２）は、前工程でピックアップされた半導体装置１１を吸着パーツ９が反転して、半導体装置の１１のバンプ１０が下向きになるように配置した状態を示している。
図２（３）は、半導体装置１１をボンディングヘッド１２へ受け渡ししている状態を示している。
図１（１）〜（３）及び図２（１）〜（３）の工程説明図で、半導体ウェハの状態からボンディングヘッドへ半導体装置を受け渡すまでの工程を示してきたが、半導体装置を予め個片化してトレイなどに収納した状態でプラズマ照射し、吸着パーツを介してボンディングヘッドに受け渡すことも可能である。
図３（１）は、吸着ヘッド１２に保持された半導体装置１１とベース基材１４と導電パターン１３からなる回路基板を位置合わせしている状態を示している。
図３（２）は、回路基板に半導体装置１１を搭載したところを示している。
図３（３）及び図４（１）は、半導体装置１１に形成したバンプ１０と回路基板の導電パターン１３を接触させた後、左右に摺動させて表面を擦過させている工程を示している。
このような摺動を行うことで、バンプ１０と回路基板の導電パターン１３を平滑化する
ことが出来ると同時に、プラズマ照射だけでは取り除くことが出来なかった不純物層を削除することが可能になる。
図４（２）は、ボンディングヘッドに超音波振動１６を印加している状態を示している。
ボンディングヘッドに印加された超音波振動は、半導体装置のバンプ１０へ伝わり、バンプ１０と導電パターン１３は接触された状態で、半導体装置１１を左右（または、前後）に数μｍ摺動することで接合する。
本例では、超音波接合法による接合例を示したが、超音波接合の他に加熱及び加圧による接合法もある。
図４（３）は、前記した図１（１）から図４（２）の工程を経て半導体装置１１と回路基板を接合した状態を示している。
図５及び図６は従来のフリップチップ実装工程を示す説明図である。
工程としては、図１で示した本発明の工程からプラズマ照射工程と、半導体装置のバンプと回路基板の導電パターンを擦過させる工程を削除したものである。
図５（１）は、ダイシングされた半導体ウェハから吸着パーツ９で半導体装置をピックアップする状態である。
図５（２）は、吸着された半導体装置１１が吸着パーツ９が反転することでバンプ形成面が下向きになっている状態を示している。
図５（３）〜図６（１）は、ボンディングヘッド１２に半導体装置１１を受け渡ししている状態を示している。
図６（２）は、回路基板と半導体装置を位置合わせしている状態を示している。図６（３）は、半導体装置に超音波振動もしくは熱をかけてバンプ１７と回路基板の導電パターン１３を接合したところを示している。
【発明の効果】
本発明の工程によれば、半導体装置のバンプと回路基板の導電パターンの接合強度が増すことが出来る。
更に、低加圧・低温・低エネルギーで接合が可能になるので、バンプ自体の変形を少なく出来、安定した接合が可能になる。
接合の信頼性においても、新生面同士の接合が出来ているので耐熱衝撃性や耐高温高湿性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【図２】本発明によるフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【図３】本発明によるフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【図４】本発明によるフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【図５】従来のフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【図６】従来のフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【符号の説明】
１      半導体ウェハ
２      ダイシングライン
３      半導体装置
４        バンプ
５      上部電極
６      下部電極
７      プラズマ
８      半導体ウェハ
９      吸着パーツ
１０      バンプ
１１      半導体装置
１２      ボンディングヘッド
１３      導電パターン
１４      電気絶縁層
１５      擦過方向
１６      超音波振動
１７      バンプ
【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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