(57)【要約】【課題】配線基体をバンプで接合する多層配線基体の製造方法において、バンプ表面の酸化物層の影響を受けずに、配線基体のバンプの融点未満の低温での加熱加圧接合によりバンプ間を強固に接合すると共に配線基体間の熱硬化性樹脂層にボイド発生の無い信頼性の高い多層配線基体を得ること。【解決手段】第１の配線基体の表面に、最上層がＳｎを主成分とする合金層でその下層がＩｎを主成分とする合金層であるバンプ電極を形成し、第２の配線基体の表面に、Ａｕを主成分とする合金層のパッド電極を形成し、パッド電極が形成された面に熱硬化性樹脂層を形成し、前記バンプ電極と前記パッド電極とを、互いに接触させ圧着し、ＳｎーＩｎ合金層との共晶反応温度以上であり、Ａｕを主成分とする合金層の融点未満である温度で接合し、熱硬化性樹脂層をバンプ電極とパッド電極との接合部に形成されたＳｎ−Ｉｎ−Ａｕ合金層の融点未満の温度で硬化する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の配線基体の表面に、最上層がＳｎを主成分とする合金層であり、前記Ｓｎを主成分とする合金層の直下層がＩｎを主成分とする合金層であるバンプ電極を形成する工程と、
第２の配線基体の表面に、最上層がＡｕを主成分とする合金層であるパッド電極を形成する工程と
前記第１の配線基体の前記バンプ電極が形成された面および前記第２の配線基体の前記パッド電極が形成された面のうちの少なくとも一方の面に熱硬化性樹脂層を形成する工程と、
前記バンプ電極と前記パッド電極とを、互いに接触させ圧着し、前記Ｓｎを主成分とする合金層と前記Ｉｎを主成分する合金層との共晶反応温度以上であり、前記Ａｕを主成分とする合金層の融点未満である温度で接合する工程と、
前記熱硬化性樹脂層を、前記工程で前記バンプ電極と前記パッド電極との接合部に形成されたＳｎ−Ｉｎ−Ａｕ合金層の融点未満の温度で硬化し、前記第１の配線基体と前記第２の配線基体とを接着する工程とからなる多層配線基体の製造方法。
【請求項２】
バンプ電極とパッド電極との接合時間より長いゲル化時間を有する樹脂を熱硬化性樹脂層に用いることを特徴とする請求項１記載の多層配線基体の製造方法。
【請求項３】
バンプ電極におけるＳｎを主成分とする合金層の厚さ（ｄｓ）とＩｎを主成分とする合金層の厚さ（ｄｉ）との比ｄｓ／ｄｉが１００／１〜１００／２０であることを特徴とする請求項１または２に記載の多層配線基体の製造方法。
【請求項４】
熱硬化性樹脂層に用いる樹脂が、エポキシ樹脂とフェノール樹脂とを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の多層配線基体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、半導体チップを配線基板や半導体チップなどの配線基体にフリップチップ構造で接続する多層配線基体の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の小形化、高密度化に伴い、半導体チップや配線基板のような配線基体を相互に接続した多層配線基体の製造方法として、半導体チップの所定位置に複数のバンプ電極を形成し、このバンプ電極と相対する配線基板の位置にパッド電極を形成し、バンプ電極とパッド電極とを直接に接続するフリップチップ構造の接続方法が用いられている。
【０００３】
従来のフリップチップ構造を有する多層配線基体の製造方法においては、半導体チップ表面のチップ電極上にＡｕバンプを形成し、ガラスエポキシを基材とするプリント基板表面の基板電極にはんだバンプを形成している。プリント基板の半導体チップが搭載される部分の中心部に絶縁性樹脂を予めディスペンサなどにより供給しておく。チップ電極と基板電極を位置あわせした後に半導体チップをプリント基板に対し加熱圧接すると共に前記絶縁性樹脂を硬化させる。
すなわち、はんだバンプには、Ｓｎ／３．５％Ａｇはんだが使用されており、加熱加圧により接続部のＡｕバンプとはんだバンプの間には、Ａｕはんだ合金層が形成される。Ａｕ−Ｓｎ合金の最低融点は２１７℃であり、Ｓｎ／３．５％Ａｇはんだの融点２２１℃よりも低い２２０℃以下で加熱加圧すると、Ａｕとはんだの界面での２１７℃を超えた部分ではＡｕ−Ｓｎ合金を形成し、Ａｕバンプとはんだバンプとの接続が得られるとともに、前記絶縁性樹脂の硬化も完了する。次に接続部の温度が、ピーク温度で２５０℃、２２１℃以上の温度である時間が３０〜４５ｓｅｃの条件でリフロー炉を通し、はんだバンプを溶融することにより、接続部のはんだバンプとＡｕはんだ合金層とが完全に溶融し、はんだバンプ全体にＡｕが拡散して半導体チップと配線基板との接続を完全にしている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１７２１１４号公報（第３−４頁、第５図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフリップチップ構造を有する多層配線基体の製造方法において、チップ表面のバンプとプリント基板表面のバンプとの融点未満の温度での加熱加圧による接合だけでは、はんだバンプ表面の酸化物層の影響でバンプ間の接合界面に濡れの悪い部分が存在して良好な接合が得られなかった。そこで、バンプとバンプの接続部全体を完全に濡らし良好な接合を得るためには、はんだバンプ融点以上の高温で加熱処理する工程が必要となり、製造効率が低下するという課題があった。
また、接合時に絶縁樹脂が半導体チップとプリント基板の閉鎖された空間で瞬時に２１７℃の高温状態となるため、絶縁樹脂が発泡して接合後絶縁樹脂層にボイドが多発して信頼性が低下するという課題があった。
更に、はんだバンプ間の距離が狭ピッチで絶縁樹脂層にボイドが存在した場合、はんだバンプ融点以上の高温での加熱処理により溶融状態のはんだバンプ同士が接触して短絡不良を発生するという課題があった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、バンプ表面の酸化物層の影響を受けずに、バンプの融点未満の低温での加熱加圧接合によりバンプ間を強固に接合すると共に熱硬化性樹脂層にボイド発生の無い信頼性の高い多層配線基体の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかわる多層配線基体の製造方法は、第１の配線基体の表面に、最上層がＳｎを主成分とする合金層であり、前記Ｓｎを主成分とする合金層の直下層がＩｎを主成分とする合金層であるバンプ電極を形成する工程と、第２の配線基体の表面に、最上層がＡｕを主成分とする合金層であるパッド電極を形成する工程と、前記第１の配線基体の前記バンプ電極が形成された面および前記第２の配線基体の前記パッド電極が形成された面のうちの少なくとも一方の面に熱硬化性樹脂層を形成する工程と、前記バンプ電極と前記パッド電極とを、互いに接触させ圧着し、前記Ｓｎを主成分とする合金層と前記Ｉｎを主成分する合金層との共晶反応温度以上であり、前記Ａｕを主成分とする合金層の融点未満である温度で接合する工程と、前記熱硬化性樹脂層を、前記工程で前記バンプ電極と前記パッド電極との接合部に形成されたＳｎ−Ｉｎ−Ａｕ合金層の融点未満の温度で硬化し、前記第１の配線基体と前記第２の配線基体とを接着する工程とからなるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における多層配線基体の製造方法の工程を示す断面模式図である。
図１に示すように、まず、第１の半導体チップ１表面に形成されたアルミ電極パッド上に下層からＣｕ合金層２、Ｉｎ合金層３、Ｓｎ合金層４からなる３層構造のバンプ電極５をめっきにより形成する（ａ）。第１の半導体チップ１は、例えば５ｍｍ四角のシリコンチップであり、９６個のバンプ電極５が形成されている。
次に、第２の半導体チップ６の表面には、第１の半導体チップ１のバンプ電極５と相対する位置に下層からＮｉ合金層７、Ａｕ合金層８からなる２層構造のパッド電極９をめっきにより形成する（ｂ）。第２の半導体チップ６は、第１の半導体チップ１より大きく、例えば８ｍｍ四角のシリコンチップであり、バンプ電極５と同数の９６個のパッド電極９が形成されている。また、第１の半導体チップ１と第２半導体チップ６には接合後の導通確認のためにデイジーチェーンの配線が形成されている。
【０００９】
次に、第２の半導体チップ６のパッド電極９を覆うように熱硬化性樹脂からなるフィルムを貼り付け熱硬化性樹脂層１０を形成する。（ｃ）
次に、バンプ電極５を形成した第１の半導体チップ１をヘッド２０に位置決めして固定し、ヘッド２０を移動して第１の半導体チップ１を、加熱ステージ２１に位置決めして固定された第２の半導体チップ６と対向させる（ｄ）。この時、ヘッド２０は例えば５０℃に加熱し、加熱ステージ２１は例えば１４５℃に加熱する。
第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ６とを接合する装置は、特に制限はないが、ヘッド２０と加熱ステージ２１とを備え、これらの加熱機能と位置決め精度の点からフリップチップボンダーが好ましい。
【００１０】
次に、ヘッド２０を動かし、ヘッド２０に固定した第１の半導体チップ１のバンプ電極５と加熱ステージ２１に固定した第２の半導体チップ６のパッド電極９とを接触させる。続いて、加熱状態を保持したまま、第１の半導体チップ１に荷重を加え、荷重が例えば、半導体チップ１個あたり１ｋｇに達したときに、速やかにヘッド２０を昇温し、例えば１４５℃に達したら１５秒間保持し、ヘッド２０により第１の半導体チップ１を加熱する。この加熱条件ではヘッド２０と加熱ステージ２１を介してバンプ電極５とパッド電極９との接触部が１４５℃に加熱される。この加圧と加熱により最初にバンプ電極５のＩｎ合金層３とＳｎ合金層４が固相拡散してＳｎ−Ｉｎ合金層が形成される。次にＳｎ−Ｉｎ合金層とパッド電極９のＡｕ合金層が固相拡散層を形成して、バンプ電極５とパッド電極９とが最終的にはＳｎ−Ｉｎ−Ａｕ合金層１１からなる金属結合により接合される。しかし、この加熱条件では、熱硬化性樹脂層はゲル化しない（ｅ）。
次に、接合された第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ６とを、Ｓｎ−Ｉｎ−Ａｕ合金層１１の融点未満の温度である１５５℃のオーブン２２中で２時間加熱することにより熱硬化性樹脂層１０を硬化させて（ｆ）、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２とを接着し、多層配線基体１２を完成する。
【００１１】
本実施の形態の製造方法で得られ多層配線基体１２のバンプ電極５とパッド電極９との接合特性の評価を以下の（Ａ）〜（Ｄ）の手順で行った。
（Ａ）図１の（ｅ）工程後のバンプ電極５とパッド電極９とが接合された多層配線基体（試験体イ）を準備する。
（Ｂ）試験体イを、テトラヒドロフランの有機溶剤中に浸漬し熱硬化性樹脂層１０を溶解する。
（Ｃ）試験体イの第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ６と間の導通試験を行う。
（Ｄ）試験体イの第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ２とのシェア強度を測定する。
（Ｅ）図１の（ｆ）工程後の熱硬化性樹脂層が硬化された多層配線基体（試験体ロ）を準備する。
（Ｆ）試験体ロの熱硬化性樹脂層のボイド発生の有無を超音波顕微鏡で観察する。
（Ｇ）試験体ロのバンプ接合部の断面を走査型電子顕微鏡で観察する。
導通試験において、すべての電極間の導通が確認でき、バンプ間での短絡不良は発生していなかった。
シェア強度試験において、半導体チップのシェア強度が半導体チップ１個あたり３ｋｇｆ以上であり十分な強度の金属結合が形成していることが確認できた。
熱硬化性樹脂層の超音波顕微鏡観察により、この部分にボイドが発生していないことが確認できた。
バンプ接合部の断面の走査型電子顕微鏡観察により接合界面にボイドやクラックは認められず、良好な金属接合部であることが確認できた。
【００１２】
本実施の形態の多層配線基体の製造方法では、バンプ電極５が、Ｉｎ合金層３の上にＳｎ合金層４が設けられた多層構造になっており、接合時初期に、Ｓｎ−Ｉｎ合金層が形成され、この形成されたＳｎ−Ｉｎ合金層が、パッド電極９のＡｕ合金層８と固相拡散反応によりＳｎ−Ｉｎ−Ａｕ合金層１１を形成して接合される。
すなわち、本実施の形態の多層配線基体の製造方法では、表面活性が高く酸化膜形成速度が速いＩｎ合金層３が接合表面に出ていないので、除去が困難で、バンプ電極５とパッド電極９との固層拡散接合を妨害する酸化膜の形成が防止される。
また、Ｓｎ−Ｉｎ合金層の共晶反応温度が１２０℃程度と低いので、固相拡散反応によりＳｎ合金層４をパッド電極９のＡｕ合金層８と接合するのに必要な温度２１７℃に比べて、はるかに低い温度での固相拡散反応により、バンプ電極５のＳｎ−Ｉｎ合金層とパッド電極９のＡｕ合金層８とを接合できる。
更に、Ｉｎ合金層３をＳｎ合金層４に対して薄くすることにより、接合層であるＳｎ−Ｉｎ−Ａｕ合金層１１の融点温度を高くすることが可能であり、高温で使用が可能な多層配線基体が得られる。Ｓｎを主成分とする合金層４の厚さ（ｄｓ）と、Ｉｎを主成分とする合金層３の厚さ（ｄｉ）との比ｄｓ／ｄｉは１００／１〜１００／２０であることが好ましい。
【００１３】
また、バンプ電極５とパッド電極９の接合温度が低いので、接合時に、熱硬化性樹脂層１０中にボイドが発生しないとともに、熱硬化性樹脂層１０はゲル化しない。
また、用いられる熱硬化性樹脂層１０は、フェノール樹脂硬化剤が配合されたエポキシ樹脂が好ましく、接合時、熱硬化性樹脂層１０がゲル化しないので、フェノール樹脂の還元作用が十分に発現でき接合表面の酸化物層を除去することによる表面の活性化が可能となる。
【００１４】
すなわち、本実施の形態の多層配線基体の製造方法では、Ａｕを主成分とする合金層の融点未満で、且つ、Ｓｎ−Ｉｎ合金層の共晶反応温度以上の低温での加熱加圧接合によりバンプ間を接合できるので、接合部に酸化膜の発生がなく、熱硬化性樹脂層にボイド発生の無い信頼性の高い多層配線基体の製造が可能となる。
【００１５】
実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２における多層配線基体１９の製造方法の工程を示す断面模式図である。
図２に示すように、本実施の形態における多層配線基体の製造方法では、第２の半導体チップ２の替わりに、ランド１８を有する配線基板１４を用いた以外、実施の形態１と同様にして、多層配線基体１９を製造する。
具体的には、（ｂ）工程において、配線基板１４、例えばガラスエポキシ銅張り基板に、一般の配線基板製造方法であるサブトラクティブ法によりバンプ電極接合用のランド１８を形成する。ランド１８はＣｕ合金層１５、Ｎｉ合金層１６とＡｕ合金層１７の３層構造であり、各層ともめっきにより形成される。更に、配線基板１４の表面に、ランド１８を覆うように熱硬化性樹脂層１０を形成する。
半導体チップ１にバンプ電極３を形成する（ａ）工程と、（ｃ）〜（ｆ）の工程は実施の形態１と同様である。
【００１６】
本実施の形態における多層配線基体の製造方法にて得られた多層配線基体１９を、実施の形態１と同様の評価をした。導通試験において、すべての電極間の導通が確認でき、バンプ間での短絡不良は発生していなかった。
シェア強度試験において、半導体チップ１のシェア強度が半導体チップ１個あたり３ｋｇｆ以上であり十分な強度の金属結合が形成していることが確認できた。
超音波顕微鏡観察により、熱硬化性樹脂層１０にボイド発生がない事が確認できた。
バンプ接合部の断面の走査型電子顕微鏡観察により接合界面にボイドやクラックは観察されず、良好な金属接合部であることが確認された。
【００１７】
本実施の形態における多層配線基体の製造方法においても、低温での固相拡散により接合でき、熱硬化性樹脂層にボイド発生の無い、信頼性が高い電気的接続が可能となる。
【００１８】
なお、配線基板に複数個の半導体チップの搭載個所を設け、複数個の半導体チップを１枚の配線基板に接合しても良い。
なお、配線基板の基板材料に関して特に制限はないが、一般的なガラスエポキシ基板以外の耐熱エポキシ樹脂、ビスマレイミド・トリアジン（ＢＴ）樹脂、シアン酸エステル樹脂およびポリフェニレンエーテル等の熱可塑性樹脂を変成した基板材料など各種の基板材料が適用可能である。
また、各種のセラミックの配線基板、セラミック絶縁層と有機絶縁層を複合した配線基板およびポリイミドなどのフィルムを用いた配線基板も適用できる。
更に、異なった基板材料の配線基板の組み合わせでも良い。
【００１９】
比較例１．
第１の半導体チップ１にＩｎ合金層３を形成せずＳｎ合金層４とＣｕ合金層２のバンプ電極５を形成した以外実施の形態１と同様にして、多層配線基体１２を製造する。すなわち、このようにして形成したバンプ電極５をパッド電極９に熱圧着をする。
この比較例で得られた第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ６との接合体について、実施の形態１と同様にして評価した。その結果、ＡｕとＳｎの共晶反応温度が２１７℃であるため、１４５℃の接合温度ではバンプ電極５とパッド電極９の接合が不可能であった。
【００２０】
比較例２．
第１の半導体チップ１にバンプ最表層にＳｎ合金層４を形成しないバンプ電極５を形成した以外実施の形態１と同様にして、多層配線基体１２を製造する。すなわち、Ｉｎ合金層３とＣｕ合金層２とからなるバンプ電極５をパッド電極９に熱圧着をする。
この比較例で得られた第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ６との接合体について、実施の形態１と同様にして評価した。その結果、チップシェア強度が０．３Ｋｇｆと小さく、信頼性の高い電気的接続が得られなかった。
Ｉｎ合金層３表面の酸化膜が厚く、フェノール樹脂のフラックス活性だけでは良好な接合が不可能であった。
【００２１】
【発明の効果】
この発明にかかわる多層配線基体の製造方法は、第１の配線基体の表面に、最上層がＳｎを主成分とする合金層であり、前記Ｓｎを主成分とする合金層の直下層がＩｎを主成分とする合金層であるバンプ電極を形成する工程と、第２の配線基体の表面に、最上層がＡｕを主成分とする合金層であるパッド電極を形成する工程と、前記第１の配線基体の前記バンプ電極が形成された面および前記第２の配線基体の前記パッド電極が形成された面のうちの少なくとも一方の面に熱硬化性樹脂層を形成する工程と、前記バンプ電極と前記パッド電極とを、互いに接触させ圧着し、前記Ｓｎを主成分とする合金層と前記Ｉｎを主成分する合金層との共晶反応温度以上であり、前記Ａｕを主成分とする合金層の融点未満である温度で接合する工程と、前記熱硬化性樹脂層を、前記工程で前記バンプ電極と前記パッド電極との接合部に形成されたＳｎ−Ｉｎ−Ａｕ合金層の融点未満の温度で硬化し、前記第１の配線基体と前記第２の配線基体とを接着する工程とからなるものであり、バンプ間を強固に接合すると共に熱硬化性樹脂層にボイド発生の無い信頼性の高い多層配線基体の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１における多層配線基体の製造方法を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態２における多層配線基体の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１  第１の半導体チップ、３  Ｉｎ合金層、４  Ｓｎ合金層、５  バンプ電極、６  第２の半導体チップ、８，１７  Ａｕ合金層、９  パッド電極、１０  熱硬化性樹脂層、１１  Ｓｎ−Ｉｎ−Ａｕ合金層、１２，１９  多層配線基体、１４  配線基板、１８  ランド、２０  ヘッド、２１  加熱ステージ、２２  オーブン。
【図１】
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【図２】
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