(57)【要約】【課題】超音波振動の印加パワーを小さくしても、十分な接続を形成することができる超音波ボンディング方法を提供する。【解決手段】樹脂基板を加熱し、半導体素子の接続電極が樹脂基板に設けられた配線電極に押圧されるように荷重を増大させながら、半導体素子へ超音波を印加し、接続電極と配線電極とを接続する超音波ボンディング方法において、最大荷重の５〜７０％の荷重が印加されたとき、半導体素子へ超音波振動の印加を開始し、超音波振動の印加を停止した後、あるいは停止と同時に、最大荷重を印加するとともに、加熱時における弾性率が１８ＧＰａより大きい樹脂基板を用いる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂基板を加熱し、半導体素子の接続電極を樹脂基板に設けられた配線電極に押圧するように荷重を増大させながら、前記半導体素子へ超音波振動を印加し、前記接続電極と前記配線電極とを接続する超音波ボンディング方法において、
最大荷重の５〜７０％の荷重が印加されたとき、前記半導体素子へ超音波振動の印加を開始し、該超音波振動の印加を停止した後あるいは停止と同時に、最大荷重を印加するとともに、前記加熱時における弾性率が１８ＧＰａより大きい樹脂基板を用いることを特徴とする超音波ボンディング方法。
【請求項２】
請求項１記載の超音波ボンディング方法において、最大印加パワーが５〜１５ｍＷ（１接続電極当たり）の範囲で超音波振動を印加することを特徴とする超音波ボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、バンプ電極のような半導体素子の接続電極と、樹脂基板に設けられた配線電極とを接続するボンディング方法に関し、特に、樹脂基板を加熱し、荷重及び超音波を印加しながら行う超音波ボンディング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリイミド等からなる樹脂基板上に形成された配線電極（接続パッド）に、接続電極（金属バンプ）を備えた半導体素子（ＩＣチップ）を接続する方法として、特開２００１−１３５６７３号（特許文献１）には、次のような方法が開示されている。即ち、金属バンプが接続パッドに押圧されるように、ＩＣチップに荷重を印加すると共に荷重を増大させ、印加される荷重が増大している間にＩＣチップへの超音波振動の印加を開始するというものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１３５６７３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体素子を接続する基板としてＢＴ樹脂基板や高耐熱ガラスエポキシ基板等の樹脂基板を使用する場合、前述の印加する荷重や超音波振動の条件が最適化されているとは言えず、従来のセラミック基板に適用していた条件がそのまま適用されていたり、柔らかい樹脂基板に対して超音波が十分に伝わらないため、荷重や超音波振動を過大に印加したりしていた。
【０００５】
一方、過大な荷重や超音波振動の印加は、配線電極の剥離や、半導体素子にクラックが入るという問題を生じさせてしまう。特に近年の半導体素子の微小化に伴い、これらの問題は深刻化している。そこで、荷重や超音波振動の印加をできるだけ少なくしたボンディング条件が望まれる。本発明は、超音波振動の印加パワーを小さくしても、十分な接続を形成することができる超音波ボンディング方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、樹脂基板を加熱し、半導体素子の接続電極を樹脂基板に設けられた配線電極に押圧するように荷重を増大させながら、前記半導体素子へ超音波振動を印加し、前記接続電極と前記配線電極とを接続する超音波ボンディング方法において、最大荷重の５〜７０％の荷重が印加されたとき、前記半導体素子へ超音波振動の印加を開始し、該超音波振動の印加を停止した後あるいは停止と同時に、最大荷重を印加するとともに、前記加熱時における弾性率が１８ＧＰａより大きい樹脂基板を用いることを特徴とするものである。
【０００７】
また請求項２に係る発明は、請求項１記載の超音波ボンディング方法において、最大印加パワーが５〜１５ｍＷ（１接続電極当たり）の範囲で超音波振動を印加することを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に用いられる一般的な超音波ボンディング装置の概略図を示す。超音波発生器１で駆動される超音波ホーン２にコレット３が取り付けられ、半導体素子１０が吸着保持されている。基板搭載台４上には、半導体素子１０の接続電極（バンプ電極）が接合する配線電極が形成された樹脂基板５が載置されている。基板搭載台４には、樹脂基板５を加熱するためヒータ６が設けられている。このヒータ６は、ボンディング時に樹脂基板５を昇温させることができる。昇降手段７は、超音波ホーン２及びコレット３を基板載置台４に対して昇降させ、荷重を印加することができる。
【０００９】
本発明では、図１に示す通常の超音波ボンディング装置を用いて、図２に示すように、半導体素子１０に印加される荷重が増大する間に、超音波振動の印加を開始する構成とし、さらに加熱された状態で、樹脂基板５の弾性率が所定の値となるよう、加熱温度及び使用する樹脂基板５の種類を選択するように構成している。即ち、図２に示すように超音波振動の印加は、荷重が増大している間に（Ｐ１に達したところで）開始し、最大荷重（Ｐ３）に達する前に（Ｐ２に達したときに）終了する。その後、最大荷重（Ｐ３）が印加されるように構成する。（超音波振動の印加は、最大荷重（Ｐ３）に達したと同時に終了しても良い。）このとき、後述するように超音波パワー印加開始時の荷重（Ｐ１）を最大荷重（Ｐ３）の５〜７０％とする。
【００１０】
また樹脂基板は、ボンディング時に加熱された状態でのその弾性率が１８ＧＰａ以上であると、それ以下の弾性率の樹脂基板と比較して、十分なダイスシェア強度が得られる。
【００１１】
一般的に樹脂基板５の弾性率は、図３に示すように温度特性を有している。図３に示す２種類の樹脂基板では、室温での弾性率が樹脂基板Ａは約２１ＧＰａ、樹脂基板Ｂは約１３ＧＰａと異なる。またいずれの樹脂基板も、温度の上昇に伴い弾性率が低下する。従って、本発明の実施においては、樹脂基板の種類と加熱温度を選択する必要がある。即ち、本発明を実施するためには、樹脂基板Ａを用い、しかも、加熱温度を１５０℃以下とすることが必要となる。
【００１２】
図４は、ダイスシェア強度の樹脂基板Ａと樹脂基板Ｂの比較を示している。ボンディング条件は、最大荷重を５０ｇ（１接続電極当たり）、樹脂基板の加熱温度を１５０℃とした。また、印加される荷重が最大荷重の６０％に達したとき、超音波振動の印加を開始し、最大荷重に達する前に超音波振動の印加を停止させ、その後最大荷重が印加するように構成した。なお半導体素子は、４０μｍ×７０μｍ長方形の接続電極（バンプ電極）が形成されているものを用いた。樹脂基板は、図３で説明した弾性率の異なる２種類の基板を使用した。
【００１３】
その結果、全般的に樹脂基板Ａは樹脂基板Ｂに比べて、ダイスシェア強度が大きく、十分な接続が得られることがわかる。特に、印加される超音波パワーが５〜１５ｍＷ（１接続電極当たり）の範囲で、樹脂基板Ｂのダイスシェア強度が大きく減少するのに対し、樹脂基板Ａのダイスシェア強度は大きく、本発明の効果が大きいことがわかる。なお５ｍＷ未満では、いずれの樹脂基板でも十分な接続が得られず、１５ｍＷを超えると、半導体素子に対し、ダメージを少なくするという目的を達成することが難しくなるため、この範囲において本発明は、特に有利となる。
【００１４】
同様に図５には、半導体素子を樹脂基板から引き離したときのバンプ転写率（配線基板上に残る接続電極の割合）、即ち配線基板と接続電極との接続が、半導体素子の表面と接続電極との接続より強い電極の割合を調べた結果を示す。印加される超音波パワーが大きい場合、樹脂基板Ａと樹脂基板Ｂとの間に大きな差はみられず、いずれの場合も、配線基板と接続電極との間で十分な接続が形成されていることがわかる。一方、印加される超音波パワーが小さい場合、樹脂基板Ａと樹脂基板Ｂとの間に明らかな差がみられる。即ち、本願発明の方法による樹脂基板Ａではほとんどの接続電極が配線基板上に残るのに対し、樹脂基板Ｂではその数が急激に減少している。これらの結果から本願発明は、印加される超音波パワーが小さい場合に、配線基板と接続電極との間で十分な接続が形成されていることがわかる。
【００１５】
なおボンディング時の加熱温度は、一般的に低温より高温であることが好ましく、かつ樹脂基板では高温になるほど弾性率が低下してしまう。具体的には、樹脂基板Ａを用いて、加熱温度を１５０℃以上とした場合、樹脂基板の弾性率が急激に減少してしまい、ダイスシェア強度、バンプ転写率とも、樹脂基板Ａと樹脂基板Ｂとの間に差が無くなり、接続が弱くなることが確認された。また、加熱温度が７５℃を下まわる場合も、接続強度の絶対値が低下することも確認された。従って本発明では、１００〜１５０℃の範囲であることが好ましい。
【００１６】
以上の結果から、樹脂基板に対して荷重及び超音波振動を印加してボンディングする場合、ボンディング時の加熱温度及び使用する樹脂基板を、ボンディング時の樹脂基板の弾性率が１８ＧＰａ以上となるように選択することにより、十分な接続が得られることがわかった。特に本発明では、印加する超音波パワーが５〜１５ｍＷ（１接続電極当たり）の場合、従来のボンディング方法と比較して、優位となることがわかった。なお、１接続電極の面積の違いによる効果の違いは少なく、電極の面積によらず同様の効果があることが確認された。
【００１７】
また図６から、最大荷重（図２のＰ３に相当）に対して超音波パワー印加開始時の荷重（図２のＰ１に相当）が５〜７０％の荷重が印加されたときに超音波振動の印加を開始することで、１接続電極当たりダイスシェア強度が４０ｇｆ程度以上となり、十分な強度が得られることがわかる。なおこの結果は、樹脂基板Ａを用い、最大荷重５０ｇ（１接続電極当たり）、加熱温度１５０℃、超音波パワー２０ｍＷ（１接続電極当たり）で実験したものである。
【００１８】
以上本発明の実施形態について、図３に示す温度特性を有する樹脂基板Ａを例にとり説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくともボンディング時（加熱時）に１８ＧＰａ以上の弾性率を有する樹脂基板において、同様の効果を奏することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、所定の荷重及び超音波振動を印加し、樹脂基板の弾性率が１８ＧＰａより大きい温度でボンディングすることで、接続電極と配線電極とを強固に接続することができた。弾性率を所定の値にすることは、使用する樹脂基板の選択、樹脂基板の加熱温度の設定により行うことができ、簡便である。
【００２０】
特に本発明のボンディング方法では、印加する超音波パワーが、５〜１５ｍＷ（１接続電極当たり）と小さく設定することができ、配線電極の剥離や半導体素子の破壊を防ぐことができ、効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】通常の超音波ボンディング装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態の荷重と超音波パワーの印加の方法を説明する図である。
【図３】樹脂基板の弾性率の温度特性を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態のダイスシェア強度と印加する超音波パワーの関係を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態のバンプ反転率と印加する超音波パワーの関係を説明する図である。
【図６】本発明の実施形態のダイスシェア強度と超音波パワー印加時の荷重の割合を説明する図である。
【符号の説明】
１：超音波発生器、２：ホーン、３：コレット、４：基板搭載台、５：樹脂基板、６：ヒータ、７：昇降手段、１０：半導体素子
【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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