(57)【要約】【課題】回路基板が有機材料からなるものであっても、半導体チップとの接合性を良好に保持することのできる半導体装置の製造方法、及び同方法に用いるチップボンディング装置を提供する。【解決手段】半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、前記半導体チップを所定の温度で加熱する一方、前記所定の温度に対する半導体チップの熱膨張量と略同量熱膨張するように、前記回路基板を加熱するようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、前記半導体チップを所定の温度で加熱する一方、前記所定の温度に対する半導体チップの熱膨張量と略同量熱膨張するように、前記回路基板を加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体チップを保持するチップ保持手段と、前記回路基板を保持する基板保持手段と、前記チップ保持手段で保持した半導体チップと前記基板保持手段で保持した回路基板とを加圧接触させる加圧接触手段と、前記半導体チップを所定温度に加熱する第１の加熱手段と、前記回路基板を所定温度に加熱する第２の加熱手段とを具備し、前記第１の加熱手段の加熱による半導体チップの熱膨張量と略同量回路基板が熱膨張するように、前記第２の加熱手段を温度制御可能としたことを特徴とするチップボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法、及び同製造方法に用いるチップボンディング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造方法の一つとして、電極端子が形成された面を下向きにして回路基板上に半導体チップを実装し、前記電極端子と回路基板の回路パターンとをバンプを介して接合するフリップチップ実装がある（特許文献１を参照。）。そして、かかるフリップチップ実装は、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）やＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）などの半導体パッケージ部品の製造にも広く適用されている。
【０００３】
このようなフリップチップ実装において、近年では、超音波発振手段を備えたチップボンディング装置により、前記半導体チップの電極端子と回路基板上の回路パターンとを超音波エネルギにより金属接合する超音波接合法が主流となりつつある（例えば特許文献２を参照。）。この超音波接合法は、短時間で接合が可能であり、また、接合に要する温度が低温で済み、かつ低コストであるという点で半田接合法などと比べて有利だからである。
【０００４】
しかし、上記超音波接合法は、接合強度において前記半田接合法に比べて弱く、接合部に対する熱ストレスで接合強度信頼性が低下するという問題があることから、上記特許文献１に開示されているように、接合された半導体チップと回路基板との間に熱硬化性樹脂を充填し、接合部に対する熱ストレスを緩和するようにしたアンダーフィルコート処理が採用されることが多い。
【０００５】
このアンダーフィルコート処理は、半導体チップと回路基板との熱膨張係数の著しい違いから生じる応力を軽減するためのもので、半導体チップ全体で応力を負担して接合部に応力が集中することを防止するようにしたものである。
【０００６】
一方、フリップチップ実装に用いる回路基板は、従来、セラミック基板などの無機材料を主体として構成したものが一般的であったが、近年では、コスト的に有利なフェノール樹脂やエポキシ樹脂、あるいはポリミイド樹脂などの有機材料を主体として構成した回路基板を採用することも多くなってきた（例えば特許文献３を参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１８１１２２号公報
【０００８】
【特許文献２】
特許第２６２９２１６号公報
【０００９】
【特許文献３】
特許第２５８６４２３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、有機材料からなる回路基板（以下、「有機基板」という）と半導体チップとの熱膨張率の差は、無機材料からなる回路基板（以下、「無機基板」という）のそれと比べて著しく大きい。
【００１１】
したがって、アンダーフィル樹脂の熱硬化工程において、半導体チップと有機基板との間の接合部に生ずる応力集中は、半導体チップと無機基板との間のそれよりも一層大きくなり、接合性が却って低下してしまう。特に、超音波接合法で半導体チップと有機基板とを接合した場合、有機基板は無機基板に比べて硬度が低いことから、有機基板側に加える荷重も小さくせざるを得ず、そのために、接合強度が無機基板に比べて小さくなり、上記接合性の問題が一層顕著になる。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決することのできる半導体装置の製造方法、及び同製造方法に用いるチップボンディング装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【発明が解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明では、半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、前記半導体チップを所定の温度で加熱する一方、前記所定の温度に対する半導体チップの熱膨張量と略同量熱膨張するように、前記回路基板を加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法とした。
【００１４】
請求項２記載の本発明では、前記半導体チップを保持するチップ保持手段と、前記回路基板を保持する基板保持手段と、前記チップ保持手段で保持した半導体チップと前記基板保持手段で保持した回路基板とを加圧接触させる加圧接触手段と、前記半導体チップを所定温度に加熱する第１の加熱手段と、前記回路基板を所定温度に加熱する第２の加熱手段とを具備し、前記第１の加熱手段の加熱による半導体チップの熱膨張量と略同量回路基板が熱膨張するように、前記第２の加熱手段を温度制御可能としたことを特徴とするチップボンディング装置とした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、前記半導体チップを所定の温度で加熱する一方、前記所定の温度に対する半導体チップの熱膨張量と略同量熱膨張するように、前記回路基板を加熱するようにしたものである。
【００１６】
そのために、上記製造方法に用いるチップボンディング装置として、半導体チップを保持するチップ保持手段と、回路基板を保持する基板保持手段と、前記チップ保持手段で保持した半導体チップと前記基板保持手段で保持した回路基板とを加圧接触させる加圧接触手段と、前記半導体チップを所定温度に加熱する第１の加熱手段と、前記回路基板を所定温度に加熱する第２の加熱手段とを具備し、前記第１の加熱手段の加熱による半導体チップの熱膨張量と略同量回路基板が熱膨張するように、前記第２の加熱手段を温度制御可能とした構成とすることができる。
【００１７】
フリップチップ接合では、超音波を利用した接合方法とすることが望ましく、チップボンディング装置は超音波発振手段を備えた構成とするとよい。
【００１８】
なお、前記第１の加熱手段の加熱による半導体チップの熱膨張量と略同量の回路基板の熱膨張量というのは、前記半導体チップの所定の加熱温度における常温に対する熱膨張量に対して±１０％の範囲に収まる量が目安となる。
【００１９】
また、前記半導体チップの加熱温度は、常温〜３００℃の範囲から選択するとよい。
【００２０】
さらに、前記半導体チップと回路基板とを接合した後、アンダーフィルコート処理を行うことが望ましく、かかるアンダーフィルコート処理により、半導体チップと回路基板との接合部に対する熱ストレスを緩和することができ、接合性をより高上させることができる。
【００２１】
上述してきたフリップチップ接合を採用することにより、特に超音波フリップチップ接合とすれば、前記回路基板を、ガラスエポキシ樹脂、ポリミイド樹脂、ＡＬＩＶＨ（Ａｎｙ  Ｌａｐｓ  Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ  Ｖｉａ  Ｈｏｌｅ）などからなる有機基板とした場合であっても接合性を確保でき、生産性を高め低コストを実現し、高周波デバイスなどへの展開が可能となる。
【００２２】
以下、本実施形態に係る半導体装置の製造方法、同製造方法に用いるチップボンディング装置について、図面を参照しながらより具体的に説明する。
【００２３】
図１は本実施形態に係るチップボンディング装置の概略構成図、図２はフリップチップ実装状態を示す説明図、図３はアンダーフィルコート処理を行った半導体装置の説明図である。
【００２４】
図１に示すように、チップボンディング装置Ａは、半導体チップ１を保持するチップ保持手段となるボンディングツール２と、回路基板３を保持する基板保持手段となる台座状のボンディングステージ４とを主たる構成とし、さらに、前記ボンディングツール２で保持した半導体チップ１と前記ボンディングステージ４で保持した回路基板３とを加圧接触させる加圧接触手段となる昇降機構５と、前記半導体チップ１を所定温度に加熱する第１の加熱手段である第１ヒータ６と、前記回路基板３を所定温度に加熱する第２の加熱手段である第２ヒータ７とを具備している。そして、本チップボンディング装置Ａの動作については、上記第１、第２ヒータ６，７を含め、全て図示しない制御部によって制御されている。
【００２５】
ボンディングツール２は、その先端部（図中下端部）に図示せぬ真空吸着部が設けられており、この真空吸着部において前記半導体チップ１をフェースダウン、つまり電極形成面が下向きになるように保持可能としている。
【００２６】
また、このボンディングツール２に前記第１ヒータ６を内蔵しており、保持した半導体チップ１を、例えば常温〜３００℃の範囲内で所定温度に加熱可能としている。
【００２７】
さらに、本チップボンディング装置Ａは、超音波フリップチップ接合を行えるように、前記ボンディングツール２には、超音波発振手段としての超音波ホーン８を取付け、超音波振動をもってボンディングツール２を水平方向に微動可能としている。図中、９はボンディングツール２の上面側に配設したロードセルであり、ボンディング荷重を検知可能としている。
【００２８】
一方、ボンディングステージ４は、そのステージ上に図示しない真空吸着部を有し、この真空吸着部にて回路基板３のチップ実装面側が上向きになるよう、回路基板３を前記半導体チップ１と対向する状態で保持可能としている。本実施の形態において用いた回路基板３は、ガラスエポキシ樹脂からなる有機材料を主体として形成されたものである。
【００２９】
また、同ボンディングステージ４には、セラミックヒータからなる前記第２ヒータ７を内蔵しており、前記回路基板３を所望温度で加熱可能としている。
【００３０】
前記ボンディングツール２に連結した昇降機構５は、駆動源となるサーボモータ５１と、同サーボモータ５１とボンディングツール２とを連結する連結軸５２などを具備しており、駆動対象となるボンディングツール２を垂直方向に移動可能に支持している。そして、所定のボンディング荷重で前記半導体チップ１と回路基板３とを加圧接触させることができる。
【００３１】
次に、上述した構成のチップボンディング装置Ａの動作について説明する。
【００３２】
図１及び図２に示すように、先ず、ボンディングツール２の先端部に、電極形成面１１を下向きにして半導体チップ１を吸着させる一方、ボンディングステージ４上にチップ実装面側を上向きにして回路基板３を吸着させる。なお、回路基板３には、半導体チップ１の電極パッド１２に対応するように予めＡｕなどからなるバンプ３１が形成されているものとする。
【００３３】
次に、半導体チップ１と回路基板３との位置を画像認識カメラ（図示せず）により認識し、ステージ用サーボモータ（図示せず）を駆動しながら半導体チップ１の電極パッド１２と回路基板３のバンプ３１との位置合わせを行う。
【００３４】
次いで、昇降機構５のサーボモータ５１を駆動してボンディングツール２を下降させ、半導体チップ１と回路基板３とを接触させる。その後、前記ロードセル９が所定の荷重を検出すると、超音波ホーン８により半導体チップ１に超音波振動を与え、半導体チップ１と回路基板３とをバンプ３１を介して接合する（図２参照）。
【００３５】
このとき、有機材料からなる前記回路基板３は無機材料の回路基板よりも硬度が低いために、半導体チップ１に加える荷重は比較的小さく、半導体チップ１と回路基板３との接触抵抗値も低くできるので、特に高周波デバイス用などに薄型化された半導体チップであってもクラックなどが発生するおそれがない。
【００３６】
かかるフリップチップ接合を行うに際し、ボンディングツール２に内蔵した第１ヒータ６及びボンディングステージ４に内蔵した第２ヒータ７を共に動作させ、半導体チップ１及び回路基板３をそれぞれ加熱するのであるが、本実施の形態において特徴となるのは、前記第１ヒータ６の加熱による半導体チップ１の熱膨張量と略同量回路基板３が熱膨張するように、前記第２ヒータ７を温度制御したことにある。
【００３７】
回路基板３の温度をどの程度にすればよいのかは、半導体チップ１を何℃になるまで加熱するかにより算出することができる。ここでは、前記第１ヒータ６により半導体チップ１を２００℃に加熱する一方、第２ヒータ７を温度制御して、回路基板３が７２℃となるように加熱するようにしている。
【００３８】
すなわち、シリコンからなる前記半導体チップ１の電極パッド間距離を５ｍｍ、線熱膨張率を３．５×１０−６／Ｋ、常温を２５℃とした場合、この常温２５℃から前記２００℃まで加熱したとすると、半導体チップ１の線熱膨張量は次式により得られる。
【００３９】
３．５×１０−６／Ｋ×５ｍｍ×（２００−２５）＝３．０６μｍ
一方、回路基板３のバンプ間距離を５ｍｍ、線膨張率を１３×１０−６／Ｋとすると、この回路基板３の熱膨張量が半導体チップ１の前記熱膨張量３．０６μｍと同じになるための温度ｔは、次式で求められる。
【００４０】
ｔ＝（３．０６×１０−６）／（１３×１０−６／Ｋ×５×１０−３）＋２５＝７２℃
このように、半導体チップ１と有機材料からなる回路基板３とをフリップチップ実装するに際し、本実施形態に係るチップボンディング装置Ａでは、半導体チップ１が２００℃となるように、回路基板３が７２℃となるように、それぞれ第１ヒータ６、第２ヒータ７とを制御部により制御している。
【００４１】
なお、半導体チップ１と回路基板３間の熱膨張量差については、熱ストレスなどによる接合強度への影響を考慮すると、±１０％までは許容範囲であることが実験結果から分かっている。したがって、半導体チップ１を２００℃とした場合、回路基板３との熱膨張量差がこの範囲内にあるためには、回路基板３の温度が６７．４℃〜７６．８℃の範囲になるように第２ヒータ７を制御すればよい。
【００４２】
かかる温度制御の下で接合された半導体チップ１と回路基板３は、熱膨張量が互いに略同量となっているので、接合後に常温に復帰しても熱膨張の差によるずれが生じず、熱ストレスが抑制され、本来、接合性が低下しがちな有機材料からなる回路基板３と半導体チップ１との超音波フリップチップ接合であっても、極めて良好な接合性が得られる。
【００４３】
ところで、半導体チップ１や回路基板３の温度については、これらの温度を直接測定してもよいが、本実施形態では、半導体チップ１を保持するボンディングツール２のヘッド部温度、回路基板３を保持するボンディングステージ４のヘッド部温度を検出して得た間接的な値としている。
【００４４】
また、本実施形態における超音波フリップチップ接合においては、図３に示すように、接合された半導体チップ１と回路基板３との間に、例えばエポキシ系の熱硬化性樹脂１０を注入・充填するアンダーフィルコート処理を行い、接合部に生じる応力集中の緩和を図っている。
【００４５】
かかるアンダーフィルコート処理では、前記熱硬化性樹脂１０を硬化するために１３０℃〜１８０℃の範囲で加熱処理するが、この加熱時においても本実施の形態では、半導体チップ１と回路基板３との接合部（バンプ３１）における熱ストレスが抑制されているために、アンダーフィルコートによる効果を損なうことがなく、接合性の良好な半導体装置を提供することができる。
【００４６】
以上説明してきたように、本実施の形態では、装置構成としては既存のチップボンディング装置を利用することが可能であり、特に新たなデバイスなどを必要とすることなく、フリップチップ接合時のバンプ３１にかかる熱ストレスを抑制することができる。
【００４７】
したがって、設備費など高騰を招くことなく、互いに熱膨張率が大きく異なっている有機材料からなる回路基板３と半導体チップ１とであっても、両者の接合性が良好な半導体装置を低コストで製造することが可能となる。
【００４８】
また、半導体チップ１と回路基板３との接触抵抗値が低い接合方法となるために、前述したように高周波デバイスなどへの展開も可能となる。
【００４９】
なお、本発明の適用は、必ずしも超音波フリップチップ実装に限るものではなく、また、超音波フリップチップ実装の場合は、超音波発振時に、スクラブ動作を実行する実装方法であっても構わない。
【００５０】
さらに、本発明は、上述してきた実施の形態のように、バンプ３１を設けた回路基板３に半導体チップ１を接続する場合に限られるものではなく、バンプ付きの半導体チップを回路基板に接続する場合にも適用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明してきたような形態で実施され、以下の効果を奏する。
【００５２】
（１）請求項１記載の本発明によれば、請求項１記載の本発明では、半導体チップと回路基板とをフリップチップ接合するに際し、前記半導体チップを所定の温度で加熱する一方、前記所定の温度に対する半導体チップの熱膨張量と略同量熱膨張するように、前記回路基板を加熱することとしたので、フリップチップ接合時の熱ストレスを抑制することができ、熱膨張率が半導体チップよりも著しく大きな有機材料からなる回路基板へも接合性の良好な超音波フリップチップ接合が行えるようになり、低コストで高生産性が見込まれる。
【００５３】
（２）請求項２記載の本発明では、半導体チップを保持するチップ保持手段と、回路基板を保持する基板保持手段と、前記チップ保持手段で保持した半導体チップと前記基板保持手段で保持した回路基板とを加圧接触させる加圧接触手段と、前記半導体チップを所定温度に加熱する第１の加熱手段と、前記回路基板を所定温度に加熱する第２の加熱手段とを具備し、前記第１の加熱手段の加熱による半導体チップの熱膨張量と略同量回路基板が熱膨張するように、前記第２の加熱手段を温度制御可能とした。したがって、既存のチップボンディング装置を利用することが可能となり、特に新たなデバイスなどを必要とすることなくフリップチップ接合時の熱ストレスを抑制することができ、設備費など高騰を招くことなく、互いに熱膨張率が大きく異なっている回路基板と半導体チップであっても接合性の良好な半導体装置を低コストで製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るチップボンディング装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】半導体チップと回路基板との接合時の説明図である。
【図３】アンダーフィルコート処理を行った半導体装置を示す説明図図である。
【符号の説明】
Ａ  チップボンディング装置
１  半導体チップ
２  ボンディングツール（チップ保持手段）
３  回路基板
４  ボンディングステージ（基板保持手段）
５  昇降機構（加圧接触手段）
６  第１ヒータ（第１の加熱手段）
７  第２ヒータ（第２の加熱手段）
【図１】
2004253663.tif 000003
【図２】
2004253663.tif 000004
【図３】
2004253663.tif 000005