(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電子部品の電極と第２の電子部品の電極との接続構造を形成するため、はんだボールバンプを形成した第１の電子部品及び第２の電子部品の少なくとも一方に、スピンコート又はラミネート方法により接着作用を持つと共にはんだの融点以下のキュア温度を持つ有機樹脂を予め供給し、露光及び現像によってはんだボールバンプ周辺の前記有機樹脂を除去し、その第１の電子部品又は第２の電子部品のいずれか一方の電極に対して、荷重を印加した状態で超音波振動を与え、第１の電子部品の電極の中心位置と第２の電子部品の電極の中心位置とを水平方向にずらして相対する第１の電子部品又は第２の電子部品のいずれか一方の電極表面にはんだボールバンプを仮接続し、はんだ金属の融点以下の温度で且つ樹脂がキュアする温度以上で有機樹脂をキュアした後にはんだ金属の融点以上の温度でリフローによりはんだ金属を溶融することを特徴とするフリップチップ接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージのはんだバンプを使用したフリップチップ接続方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１乃至３に開示されたバンプ構造等及びＣ４（Controlled Collapse Chip Connection）技術と呼ばれる従来のはんだバンプを用いたフリップチップ接続においては、ＬＳＩ（Large Scale Integration）チップに形成されたはんだバンプを溶融させる際に、溶融はんだの回路基板電極への濡れ性は、はんだ合金組成と回路基板電極の材質及び表面状態により左右される。そのため、良好な電極へのはんだ濡れ性を確保するために、フラックスが必要であり、また、はんだ溶融接続後にフラックス洗浄の工程が必要であった。
【０００３】
また、特許文献４に開示されている技術では、回路基板電極にフラックスを混練したはんだペーストを印刷法により供給し、その後に金属ボールが形成された半導体素子を回路基板上に搭載している。
【０００４】
しかしながら、上述の特許文献１乃至４に記載された技術においては、リフロー後のフラックス洗浄工程が必要であるが、このリフロー後のフラックスの洗浄は、狭ピッチのはんだバンプ接続においてＬＳＩと回路基板との間が小さくなった場合に極めて困難となり、洗浄が不十分であると樹脂残渣が残り、フラックス中に含まれる活性な塩素等が接続構造体の内部に残留することによって、ＬＳＩの金属部分が腐食作用を受け、信頼性を悪化させることがある。
【０００５】
また、通常のフラックスを塗布した回路基板にＬＳＩを搭載した後、リフロー工程によるはんだバンプ接続を行うことは、はんだ接続部の位置ずれが起きたり、又はバンプが表面張力及びチップ自重により大きく潰れたりすると、ショートが起こる危険性がある。
【０００６】
更に、特許文献４に開示された技術は、異種の金属又ははんだを用いてくびれをバンプに形成するというものであるが、ＬＳＩ電極又は回路基板の電極とはんだとの界面に形成される金属間化合物層以外にバンプ内部に異種金属の界面が形成されて信頼性を損ねる。
【０００７】
例えば、特許文献５には、バンプに荷重を印加して、バンプ表面を接続対象の回路基板表面へ押し当てた後、この位置で、ＬＳＩのつかみ部分を固定しながら、はんだバンプを溶融する接続方法が開示されている。このような加熱機構を有する接続装置によるリフロー、即ちローカルリフローにより、チップに個別に温度を付加する場合においても、装置能力により昇温及び冷却に要する時間は異なるが、少なくとも４０秒程度の長い接続時間が必要である。一台の装置において４０秒の接続時間は、ベルト炉で連続的にリフローを行うのに比べて、一つの接続に費やす時間としては極めて長いものである。
【０００８】
また、接続時のＬＳＩと回路基板との間隔を特定の変位量に保つことにより、隣り合うバンプ同士のショートを避ける方法は、実際には接続時の温度によりツール部分が熱膨張を起こすため、装置上の設定から推測される数値と実際のＬＳＩと回路基板との間隔が異なり、異なるＬＳＩと回路基板との組み合わせでの接続時には常に異なる変位制御の接続条件が必要であり、多品種の接続を行う場合には接続条件の設定が困難である。
【０００９】
このように、特許文献５に開示された技術は、はんだの融点以上のピーク温度を持つ温度プロファイルを使用するため、はんだバンプ自体が溶融し、そのため荷重による制御を行った場合にはんだバンプ同士が潰れすぎてショートすることがある。この場合は、ＬＳＩを吸着して、そのＬＳＩを回路基板上に搭載するツールを変位制御し、接続時のＬＳＩと回路基板との間隔を特定の数値に保つことにより隣り合うはんだバンプ同士のショートを避ける方法等が用いられるが、接続時の温度によりツール部分が熱膨張を起こすため、装置上の設定から推測される数値と実際のＬＳＩと回路基板との間隔が異なり、接続条件の最適化が困難である。
【００１０】
一方、はんだバンプとＬＳＩ電極又は回路基板電極との接続部分には、金属接合する際に脆い金属間化合物層が形成され、且つその金属間化合物層が存在するバンプの外側は応力集中するため、クラックの基点となり、信頼性を損ねる危険性がある。
【００１１】
特許文献６に開示された技術においては、はんだバンプと電極との接続部をＬＳＩのインターポーザーと呼ばれる基板樹脂層内部に設けることによって、この接続部に故意にくびれを形成し、このくびれの部分で応力集中を招き、はんだを塑性変形させることによって、インターポーザーとマザーボード間に位置するはんだバンプに、熱膨張係数差により生ずる応力を減少させることができるとされている。しかしながら、応力集中によりインターポーザー内部のはんだが塑性変形する場合には、インターポーザー内部の配線層及び絶縁樹脂層を破壊し、信頼性を損ねてしまうという問題点がある。
【００１２】
例えば、特許文献４に開示された技術は、融点が異なる二種類の金属を用いることによって、融点の高いはんだ又は金を溶かさずに、融点の低いはんだをその外周で溶融することによりバンプ接続構造を得ている。この場合、二種類の合金を接続に使用する点が、はんだ金属間化合物による接合界面を通常の銅電極表面との界面だけでなく、高融点金属と低融点金属との間に一つ増やす結果となり、界面に形成される金属間化合物の脆さ及び非溶融金属部分への溶融金属の元素拡散によって生じるボイドが信頼性に悪影響を及ぼす。また、回路基板側にはんだペースト等、何らかの形態による低融点金属を供給する工程が一つ増えることによって、製品となる場合のコスト上昇を招く。
【００１３】
また、特許文献７及び８に開示されている技術においては、高信頼化のため、半導体チップと回路基板とをはんだバンプで接続した後、再度溶融してウェスト形状のバンプを形成している。この場合、バンプ外側の面は通常の外側に凸となる曲面とならずに、内側に凸となる曲面を形成するが、バンプ全体の高さを引き上げているため、パッケージ形状の増大を招く。
【００１４】
更に、ウェスト形状のバンプの半導体チップ電極と回路基板電極とを結ぶ方向に垂直の横断面の面積は、どの高さ位置においてもはんだバンプにおける接続される電極との接合界面の面積よりも小さい面積となり、くびれの部分が最小の断面積を有するため、バンプ接合界面に対して平行な応力が加わる場合には、はんだバンプはくびれの部分に限らず非常に小さな応力によって破断される。また、くびれの部分がはんだバンプの中心部付近に位置するため、バンプ接合界面付近に存在する脆い金属間化合物層から最も離れた位置に存在することとなり、脆い金属間化合物層に対する応力緩和の効果が小さく、良好な信頼性を得ることが困難である。
【００１５】
【特許文献１】特開平０９−０９７７９１号公報
【特許文献２】特許第２７９５２７０号公報
【特許文献３】特許第２７９３５２８号公報
【特許文献４】特開２０００−２１６５３０号公報
【特許文献５】特開平０３−３０６０６１号公報
【特許文献６】特許第３６２３６４１号公報
【特許文献７】特開２００２−３１４２４１号公報
【特許文献８】特開平５−２２６４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述の如く、特許文献６乃至８に開示された技術は、はんだバンプとＬＳＩ電極又は回路基板電極との接続部分にはんだバンプによって金属接合する際に脆い金属間化合物層が形成され、且つその金属間化合物層が存在するバンプの外側は応力集中するためクラックの基点となり、信頼性を損ねる危険性がある。
【００１７】
図１１乃至１４は、従来のはんだ接続技術によってＬＳＩチップ１に形成されたはんだボールバンプ３と回路基板電極６とをはんだボールバンプ３を溶融することによって接続したときの断面接続構造を示す。
【００１８】
図１１は、対向して配置されたＬＳＩチップ１の電極２と回路基板５の電極６との間をはんだボールバンプ３をリフロー法又はローカルリフロー法によってフリップチップ接続したときの断面接続構造と金属間化合物７の分布を示している。はんだボールバンプ３は、溶融した際、表面張力により球形に近づこうとするために、ＬＳＩ電極２と回路基板電極６との間の外気に接する外側は、冷却後に球面に近い構造となる。図１１に、回路基板５の電極６付近の応力集中箇所８を示している。形状的変曲点であり、局部収縮した応力集中箇所８は、回路基板電極６とはんだボールバンプ３とが接する回路基板電極６表面外周のくびれの部分に形成される。同時にこの応力集中箇所８は、回路基板電極６とはんだボールバンプ３とによって形成された金属間化合物７の端部に形成されている。また、この金属間化合物層は、Ｓｎ−Ｃｕ化合物、Ｎｉ−Ｓｎ化合物又はＡｕ−Ｓｎ化合物等から形成され、非常に脆い材料である。Ｓｉ等によって構成されるＬＳＩチップ１と、有機樹脂、ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３セラミックス等から構成される回路基板５との間では、温度が付加された場合に熱膨張係数に差があることによってはんだボールバンプ３に応力がかかるが、このような熱膨張係数差による応力が応力集中箇所８において脆い金属間化合物層７に集中するためにクラック等を生じ易く、信頼性を損ねる問題点がある。
【００１９】
図１２は、図１１と同様に、対向して配置されたＬＳＩチップ１の電極２と回路基板５の電極６との間をはんだボールバンプ３をリフロー法又はローカルリフロー法によってフリップチップ接続したときの断面接続構造と金属間化合物７の分布を示している。図１１の場合と異なり、ＬＳＩ電極２と回路基板電極６の中心が少なくとも一方向でずれており、形状的変曲点である応力集中箇所８が各電極とはんだボールバンプ３の接合された４隅に形成された断面接続構造を示している。はんだボールバンプ３は、溶融した際、表面張力により球形に近づこうとするために、ＬＳＩ電極２と回路基板電極６との間の外気に接する外側は、ＬＳＩ電極２と回路基板電極６の中心ずれも有るため、冷却後に傾いた球面に近い構造となる。この場合にも、応力集中箇所８は、金属間化合物層７の端部に形成されるために、Ｓｉ等により構成されるＬＳＩチップ１と、有機樹脂、ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３セラミックス等により構成される回路基板５との間において熱膨張係数差により発生した応力によりクラック等の発生と拡大を起こし、信頼性が悪かった。
【００２０】
図１３は、図１１及び１２と同様に、対向して配置されたＬＳＩチップ１の電極２と回路基板５の電極６との間をはんだボールバンプ３をリフロー法又はローカルリフロー法によってフリップチップ接続したときの断面接続構造と金属間化合物７の分布を示している。図１１の場合と異なり、はんだボールバンプ３の回路基板電極６への濡れ性が悪く、形状的変曲点でありバンプが局部収縮した応力集中箇所８が回路基板電極６の表面内側に形成された断面接続構造を示している。はんだボールバンプ３は、溶融した際、表面張力により球形に近づこうとするために、ＬＳＩ電極２と回路基板電極６との間の外気に接する外側は、冷却後に球面に近い構造となる。この場合においても、応力集中箇所８は、金属間化合物層７の端部に形成されるために、Ｓｉ等により構成されるＬＳＩチップ１と有機樹脂、ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３セラミックス等により構成される回路基板５との間において熱膨張係数差により発生した応力によりクラック等の発生と拡大を起こし、信頼性が悪かった。
【００２１】
図１４は、図１１乃至１３と同様に、対向して配置されたＬＳＩチップ１の電極２と回路基板５の電極６との間をはんだボールバンプ３をリフロー法又はローカルリフロー法によってフリップチップ接続したときの断面接続構造と金属間化合物７の分布を示している。図１３の場合と異なり、はんだボールバンプ３の回路基板電極６への濡れ性が良く、形状的変曲点である応力集中箇所８が回路基板電極６の側面で回路基板５の近傍に形成された断面接続構造を示している。はんだボールバンプ３は、溶融した際、表面張力により球形に近づこうとするために、ＬＳＩ電極２と回路基板電極６との間の外気に接する外側は、冷却後に球面に近い構造となる。ここでも、応力集中箇所８は金属間化合物層７の端部に形成されるために、Ｓｉ等により構成されるＬＳＩチップ１と有機樹脂、ＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３セラミックス等により構成される回路基板５との間において熱膨張係数差により発生した応力によりクラック等の発生と拡大を起こし、信頼性が悪かった。
【００２２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、フラックスを使用せずに良好な接続が得られ、またはんだバンプの電子部品電極への接触面積が常に一定になるように制御でき、リフロー時のバンプ間ショートが起きず、接続部の信頼性が高いフリップチップ接続方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明に係るフリップチップ接続方法は、第１の電子部品の電極と第２の電子部品の電極との接続構造を形成するため、はんだボールバンプを形成した第１の電子部品及び第２の電子部品の少なくとも一方に、スピンコート又はラミネート方法により接着作用を持つと共にはんだの融点以下のキュア温度を持つ有機樹脂を予め供給し、露光及び現像によってはんだボールバンプ周辺の前記有機樹脂を除去し、その第１の電子部品又は第２の電子部品のいずれか一方の電極に対して、荷重を印加した状態で超音波振動を与え、第１の電子部品の電極の中心位置と第２の電子部品の電極の中心位置とを水平方向にずらして相対する第１の電子部品又は第２の電子部品のいずれか一方の電極表面にはんだボールバンプを仮接続し、はんだ金属の融点以下の温度で且つ樹脂がキュアする温度以上で有機樹脂をキュアした後にはんだ金属の融点以上の温度でリフローによりはんだ金属を溶融することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】
更に、本発明のフリップチップ接続方法は、はんだ溶融温度以下において、低荷重による制御が可能となり、リフロー時のバンプ間ショートを防ぐことが可能となる。
【００３７】
更にまた、超音波接続によりはんだバンプを仮接続し、リフロー炉においてはんだ溶融接続を行うことによって、接合時に形成される脆い金属間化合物層にくびれが形成されるのを防ぎ、金属間化合物層における応力集中を防ぐことができる。くびれは変形により応力緩和可能なはんだ母材中に形成されることにより、接合体の高信頼性を得ることができる。
【００３８】
本発明に係るはんだバンプを用いたフリップチップ接続に用いる電子部品としては半導体チップ及び回路基板が使用される。
【００３９】
半導体チップとしては、Ｓｉ又はＧａＡｓを使用したものが考えられるがそれらに限定されない。本発明による接続に用いる電子部品として、半導体特性は無いがＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、水晶等に配線形成したもの、ＢＧＡ（Ball Grid Array）及びＣＳＰ（Chips Scale Package）も考えられるが、それらに限定されない。
【００４０】
また、回路基板は、有機基板としてプリント基板及びフレキシブル基板、並びにセラミクス基板としてアルミナ基板、ガラスセラミクス基板及びガラス基板などが好適に使用されるがそれらに限定されない。
【００４１】
Ｓｎ基のはんだバンプとしては、Ｓｎを含み、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｍｇ及びＰｂのいずれかが一種類以上含まれる金属が好適に使用されるが、Ｓｎに添加される元素はそれらに限定されない。また、本発明で使用される半導体チップ電極及び回路基板電極としては、Ｃｕ又はＡｌ等をメッキ等により形成した電極が考えられるが、それらに限定されない。電極の表面処理も、Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金及びＳｎ−Ｚｎ合金などが好適に用いられるがそれらに限定されない。また、半導体チップ及び回路基板の電極の形状と材質並びに半導体チップ及び回路基板の外形寸法も限定されない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
次に、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１、図２及び図３は本発明の第１実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図１は、本発明で使用したＬＳＩチップ１と回路基板５との接続前の状態を示している。半導体には、ウェハの状態でＬＳＩ電極２の上に、所定の合金組成を持つはんだペーストをステンレスマスク又はスクリーンマスクを用いて印刷し、はんだ融点以上のピーク温度を持つプロファイルを設定したリフロー炉を通すことによって、予めＳｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ又はＳｎ−Ｚｎ等の組成を持つはんだボールバンプ３を形成する。
【００４３】
また、半導体ウェハにフラックスを塗布し、球状の所定の合金組成を持つはんだボールを転写し、リフロー炉を通すことによってもはんだボールバンプを形成することができる。
【００４４】
また、ＬＳＩ電極２の周辺を樹脂除去したメッキレジストパターンを形成し、所定のはんだを所定の量メッキした後、メッキレジストを剥離してリフロー処理をすることによってもボールバンプを形成可能であるが、ボールバンプ製造方法はこれらに限定されない。更に、第４実施形態に記した本発明によるバンプ製造方法においては、フラックス無しでボールバンプを形成可能である。
【００４５】
はんだペースト及びフラックスを使用した場合においては、ボールバンプを形成する工程の後、金属に対して活性な成分を含む有機樹脂を、エタノール、メチルエチルケトン及び／又は荒川化学工業製パインアルファ（商品名）等を使用して除去する。
【００４６】
いずれのはんだボールバンプ製造方法によっても、はんだボールバンプ３とＬＳＩ電極２との界面に金属間化合物層４が形成される。
【００４７】
はんだボールバンプ３を形成した半導体ウェハは、そのままダイシングすることによって本発明による接続に使用することができる。また、図１に示すように、予めはんだボールバンプ３を形成した半導体ウェハに対して、感光性及び熱硬化性を持つ接着樹脂をスピンコート又はラミネート方法により供給し、露光／現像によってバンプ周辺の接着樹脂を除去して接着樹脂９を形成することで、本発明による接続工程において、回路基板５の電極６の表面は、はんだボールバンプ３の表面に直接接することができる。
【００４８】
このような半導体ウェハをチップ固片にダイシングすることによって、接着樹脂層９を設けた接続用のＬＳＩチップ１とすることができる。ここで、半導体ウェハをダイシングしなくとも本発明による接続に用いることも可能である。なお、ＬＳＩチップ１に接着樹脂層９を形成せずに本発明による接続を行うことも可能である。
【００４９】
また、接着樹脂としては、低熱膨張係数化のためＳｉＯ２フィラを含有したものが好適に使用されるが、それらに限定されない。また、回路基板５側に接続温度において流動可能な通常のＮＣＦ（Non Conductive Film）及びＮＣＰ（Non Conductive Paste）も好適に使用されるがそれらに限定されない。
【００５０】
図２は、図１に示した接続用のＬＳＩチップ１と回路基板５とを上述のフリップチップ接続方法によって接続した後の接続構造体を示す断面図である。接続は、チップつかみ部（ツール）に超音波発振機、荷重制御装置及び加熱ヒーターの機能を兼ね備えた接続装置を使用する。
【００５１】
回路基板５は、前記接続装置の加熱ヒーター機構を有するステージに真空吸着して使用する。ツールをはんだボールバンプ３の融点以下の温度で且つ樹脂が流動する温度の約２００℃、ステージを約１００℃に設定した後、ツールにＬＳＩチップ１を吸着し、ステージに回路基板５を吸着する。
【００５２】
続いて、夫々の接続する半導体側のはんだボールバンプ３と回路基板電極６とを向かい合うよう目合わせを行った後、ツールを降下させて、回路基板電極６にはんだボールバンプ３を接触させる。
【００５３】
その後、直径約５０μｍ程度のボールバンプ一つ当たり０．０２Ｎ程度の低荷重を印加した状態で、振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって、はんだボールバンプ３と回路基板電極６とを接続する。尚、この荷重の値は、同一のチップとバンプ配列を持つＡｕバンプとＡｕ電極との接続の際の熱圧着による接続荷重の約１０分の１の値であり、同一のチップとバンプ配列を持つＡｕバンプとＡｕ電極との超音波を使用した接続時の約３〜４分の１の値である。
【００５４】
このことは、本発明の接続構造体を形成する方法は、他の方法と比較して、極めて脆い低誘電率膜をＬＳＩ内部に形成したチップをフリップチップ接続する際に低誘電率膜を損傷することがなく、接続構造体の信頼性に優れていることを示している。
【００５５】
接着樹脂９が速硬化タイプの樹脂であれば、超音波による接続直後に樹脂が本硬化（キュア）されているが、接続樹脂９が流動時間の長いタイプであれば、超音波による接続後、トレー等に多数の接続構造体を収納し、オーブン等で接着樹脂層９のキュアを行う。多数固片の接続構造体を一度にキュアすることによって、接続構造体一個当たりのキュアに要する時間が短くなる。
【００５６】
接着樹脂層９を形成していないＬＳＩチップ１を使用した場合も同様に、低荷重を印加した状態で超音波振動を与えることによって、はんだボールバンプ３と回路基板電極６との接続を行うことが可能であり、続く工程において、アンダーフィル樹脂をディスペンサーによりＬＳＩチップ１と回路基板５との隙間に供給して、オーブン等で樹脂をキュアする。
【００５７】
なお、アンダーフィル樹脂又は接着樹脂９をキュアした後、多数個の接続構造体を連続的に温度プロファイルのピーク温度をはんだの融点以上に設定したリフロー炉でリフロー処理をすることによって、Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ又はＡｕ−Ｚｎ等の組成を持つ金属間化合物層７を約５μｍの厚みに拡大し、更にその面積を拡大し、接続を強固なものとして、リフロー時に位置ずれが無く、バンプ間がショートすることが無い、信頼性に優れた接続が可能となる。
【００５８】
なお、本発明の接続方法においては、ＬＳＩチップ１と回路基板５との隙間に接着樹脂９のような有機樹脂が無くとも、はんだボールバンプ３に低荷重を印加した状態で、振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって回路基板電極６と接続後、アンダーフィル樹脂をディスペンサー等で供給せずにはんだの融点以上のピーク温度プロファイルにてリフロー処理をすることによって、充分な厚みを持つ金属間化合物７を形成した強固なバンプ接続が可能となる。
【００５９】
図３は、本発明に係るバンプ製造方法によってはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属化合物層７の分布を示している。
【００６０】
はんだボールバンプ３が回路基板電極６と接触した後、低荷重を印加した状態で超音波及びはんだの融点以下の熱を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系化合物を形成することができる。
【００６１】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の、はんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となる。
【００６２】
続く工程において、はんだ溶融温度以上のピーク温度を持つリフロー処理をすることによって、更にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ又はＡｕ−Ｚｎ等の組成を持つ金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能となる。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に位置する。
【００６３】
このとき、はんだボールバンプ３のＬＳＩチップ電極２と回路基板電極６とを結ぶ方向に垂直の横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。このはんだボールバンプ３内部のくびれ１０はその局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であるため、接続構造体の高信頼化が可能となる。
【００６４】
図４は、本発明の第２実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図４は、本発明に係るバンプ製造方法によってはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を図３の場合より高い荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層７の分布を示している。
【００６５】
はんだボールバンプ３が回路基板電極６と接触した後、図３の場合の数倍程度の低荷重を印加した状態で超音波及びはんだの融点以下の熱を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系化合物を形成することができる。
【００６６】
その際、荷重と超音波とによってはんだの融点以下の加熱化ではんだボールバンプ３が潰れ、回路基板電極６の表面全体に接することができるが、それ以上の荷重がかかった場合には、超音波によりＬＳＩチップ１が振動している間は回路基板電極６の側面にはんだボールバンプ３が接することができず、回路基板電極６の側面外周でくびれ１０の位置より下で、回路基板５の表面位置より上にはんだが変形して存在することとなる。くびれ１０の位置は、通常回路基板電極６の端部位置より内側に存在するが、仮に装置加圧軸が傾斜している等の原因で外側に出た場合でも構造的変曲点となり、金属間化合物層７への応力集中を抑制する。
【００６７】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等のはんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となる。
【００６８】
続く工程において、はんだ溶融温度以上のピーク温度を持つリフロー処理をすることによって、更にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ又はＡｕ−Ｚｎ等の組成を持つ金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能となる。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７の直上に位置する。
【００６９】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。このはんだボールバンプ３内部のくびれ１０はその局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であるため、接続構造体の高信頼化が可能となる。
【００７０】
図５は、本発明の第３実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図５は、本発明に係るバンプ製造方法によってはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を図３の場合より高い荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に所定の距離だけ水平方向にずらして接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層７の分布を示している。
【００７１】
はんだボールバンプ３が回路基板電極６と接触した後、図３の場合の数倍程度の低荷重を印加した状態で超音波及びはんだの融点以下の熱を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系化合物を形成することができる。
【００７２】
その際、荷重と超音波とによってはんだの融点以下の加熱化ではんだボールバンプ３が潰れ、中心位置のずれた回路基板電極６の片側に対しては、図３の場合同様に回路基板電極６の表面端部まで接触しないが、回路基板電極６の表面で反対側では、図４の場合と同様に、中心位置のずれた変位分に相当する量のはみ出たはんだが超音波によりＬＳＩチップ１が振動している間は回路基板電極６の側面に接することができず、回路基板電極６の側面外周でくびれ１０の位置より下、回路基板５の表面位置より上にはんだが変形して存在することとなる。
【００７３】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等のはんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となる。
【００７４】
続く工程において、はんだ溶融温度以上のピーク温度を持つリフロー処理をすることによって、更にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ又はＡｕ−Ｚｎ等の組成を持つ金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能となる。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に位置する。
【００７５】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。このはんだボールバンプ３内部のくびれ１０はその局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であるため、接続構造体の高信頼化が可能となる。
【００７６】
図６は、本発明の第４実施形態に係るバンプ製造方法を示す断面図である。図６は、本発明のはんだボール吸着用治具を用いて、荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えてＬＳＩチップ１の電極２にはんだボールバンプ３を形成する状態を示している。
【００７７】
はんだバンプ配列に従って粘着シートを張ったステンレスの板又はバンプ位置に真空吸着用の穴を開けて作成したボール吸着治具１１に、はんだボールを配列させ、荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによってはんだボールバンプ３をＬＳＩ電極２と接続する。荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、ＬＳＩ電極２のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、ＬＳＩ電極２とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができる。
【００７８】
その後、はんだの融点以上のピーク温度においてリフロー処理を行い、Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ又はＡｕ−Ｚｎ等の組成を持つ金属間化合物層を成長させる。この接続方法を行う場合、はんだボールバンプ３を接続される対象物は半導体ウェハでもよい。半導体ウェハの場合は、はんだボールバンプ形成後に、ダイシングする等して、接続用のはんだボールバンプ３を有するＬＳＩチップ１を作成する。
【００７９】
図７は、本発明の第５実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図７は、本発明に係るバンプ製造方法によって、予めはんだボールバンプ３を配列させた基板とＬＳＩチップ１とを、荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによってＬＳＩチップ１にはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を使用して、更に荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層７の分布を示している。
【００８０】
事前に、はんだバンプ配列に従って粘着シートを張ったステンレスの板又はバンプ位置に真空吸着用の穴を開けて作成したボール吸着治具１１に、はんだボールを配列させ、荷重、超音波及び熱を与えることによってはんだボール３をＬＳＩ電極２と接続し、その後、はんだの融点以上のピーク温度においてリフロー処理を行い、接続用のはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を作成する。この接続方法を行う場合、はんだボールバンプ３を接続される対象物は半導体ウェハでもよい。半導体ウェハの場合は、はんだボールバンプ形成後に、ダイシングする等して、接続用のはんだボールバンプ３を有するＬＳＩチップ１を作成する。
【００８１】
荷重を印加下状態で超音波及び熱を与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、ＬＳＩ電極２のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、ＬＳＩ電極２とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができる。
【００８２】
また、その際のはんだボールの潰れが小さい場合、図３のときと同様に、リフロー後は、くびれの部分がＬＳＩチップ１の電極２に形成される金属間化合物層４に隣接するはんだ母相側に形成される。このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接するＬＳＩ基板電極２の表面の面積よりも小さく、且つそのＬＳＩ基板電極２の表面には金属間化合物層４がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。
【００８３】
このようにして用意したＬＳＩチップ１は、その後、ＬＳＩチップ１のはんだボールバンプ３を回路基板電極６と接触させた後、低荷重を印加した状態で超音波及びはんだの融点以下の熱を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができる。
【００８４】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の、はんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となる。
【００８５】
続く工程において、はんだ溶融温度以上のピーク温度を持つリフロー処理をすることによって、更にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ又はＡｕ−Ｚｎ等の組成を持つ金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能となる。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に位置する。
【００８６】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。これらのＬＳＩ電極２と回路基板電極６のはんだボールバンプ３との界面に形成される金属間化合物層４及び７に隣接するはんだ母相側に位置するくびれは、その局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であるため、接続構造体の高信頼化が可能となる。
【００８７】
図８は、本発明の第６実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図８は、本発明に係るバンプ製造方法によって、予めはんだボールバンプ３を配列させた基板とＬＳＩチップ１に荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって、ＬＳＩチップ１にはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を使用して、更に荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層７の分布を示している。
【００８８】
事前に、はんだバンプ配列に従って粘着シートを張ったステンレスの板又はバンプ位置に真空吸着用の穴を開けて作成したボール吸着治具１１に、はんだボールを配列させ、はんだボール３をＬＳＩチップ１の電極２と、図７の場合より高い荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって接続し、その後、はんだの融点以上のピーク温度においてリフロー処理を行い、接続用のはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を作成する。この接続方法を行う場合、はんだボールバンプ３を接続される対象物は半導体ウェハでもよい。半導体ウェハの場合は、はんだボールバンプ形成後に、ダイシングする等して、接続用のはんだボールバンプ３を有するＬＳＩチップ１を作成する。
【００８９】
荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、ＬＳＩ電極２のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、ＬＳＩ電極２とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができる。
【００９０】
また、その際のはんだボールの潰れが大きい場合、図３のときと同様に、リフロー後は、くびれの部分がＬＳＩチップ１の電極２に形成される金属間化合物層４に隣接するはんだ母相側に形成され、ＬＳＩ電極２の表面以上にはみ出たはんだは、超音波振動時にＬＳＩ電極２の側面には接することなく、ＬＳＩチップ１の表面に近い場所に存在することとなる。このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接するＬＳＩ基板電極２の表面の面積よりも小さく、且つそのＬＳＩ基板電極２の表面には金属間化合物層４がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。
【００９１】
このようにして用意したＬＳＩチップ１は、その後、ＬＳＩチップ１のはんだボールバンプ３を回路基板電極６と接触させた後、図３の場合の数倍程度の低荷重を印加した状態で超音波及びはんだの融点以下の熱を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができる。
【００９２】
その際、荷重と超音波とによってはんだの融点以下の加熱化ではんだボールバンプ３が潰れ、回路基板電極６の表面全体に接することができるが、それ以上の荷重がかかった場合には、超音波によりＬＳＩチップ１が振動している間は回路基板電極６の側面に接することができず、回路基板電極６の側面外周でくびれ１０の位置より下、回路基板５の表面位置より上にはんだが変形して存在することとなる。
【００９３】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の、はんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となる。
【００９４】
続く工程において、はんだ溶融温度以上のピーク温度を持つリフロー処理をすることによって、更にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ又はＡｕ−Ｚｎ等の組成を持つ金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能となる。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に位置する。
【００９５】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。これらのＬＳＩ電極２と回路基板電極６のはんだボールバンプ３との界面に形成される金属間化合物層４及び７に隣接するはんだ母相側に位置するくびれは、その局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であるため、接続構造体の高信頼化が可能となる。
【００９６】
図９は、本発明の第７実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図９は、ＬＳＩチップ１の電極２の上端の面積と回路基板電極６の大きさが異なる場合の、本発明に係るバンプ製造方法によって、予めはんだボールバンプ３を配列させた基板とＬＳＩチップ１を荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって、ＬＳＩチップ１にはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を使用して、更に荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層７の分布を示している。
【００９７】
事前に、はんだバンプ配列に従って粘着シートを張ったステンレスの板又はバンプ位置に真空吸着用の穴を開けて作成した仮バンプ固定基板にはんだボールを配列させ、はんだボール３をＬＳＩチップ１の電極２と、荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって接続し、その後、はんだの融点以上のピーク温度においてリフロー処理を行い、接続用のはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を作成する。この接続方法を行う場合、はんだボールバンプ３を接続される対象物は半導体ウェハでもよい。半導体ウェハの場合は、はんだボールバンプ形成後に、ダイシングする等して、接続用のはんだボールバンプ３を有するＬＳＩチップ１を作成する。
【００９８】
荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、ＬＳＩ電極２のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、ＬＳＩ電極２とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができる。
【００９９】
また、その際のはんだボールの潰れが大きい場合、図３のときと同様に、リフロー後は、くびれの部分がＬＳＩチップ１の電極２に形成される金属間化合物層４に隣接するはんだ母相側に形成され、ＬＳＩ電極２の表面以上にはみ出たはんだは、超音波振動時にＬＳＩ電極２の側面には接することなく、ＬＳＩチップ１の表面に近い場所に存在することとなる。このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接するＬＳＩ基板電極２の表面の面積よりも小さく、且つそのＬＳＩ基板電極２の表面には金属間化合物層４がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。
【０１００】
このようにして用意したＬＳＩチップ１は、その後、ＬＳＩチップ１のはんだボールバンプ３を回路基板電極６と接触させた後、低荷重を印加した状態で超音波及びはんだの融点以下の熱を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができる。
【０１０１】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の、はんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となる。
【０１０２】
続く工程において、はんだ溶融温度以上のピーク温度を持つリフロー処理をすることによって、更にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ又はＡｕ−Ｚｎ等の組成を持つ金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能となる。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に位置する。
【０１０３】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。これらのＬＳＩ電極２と回路基板電極６のはんだボールバンプ３との界面に形成される金属間化合物層４及び７に隣接するはんだ母相側に位置するくびれは、その局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であるため、接続構造体の高信頼化が可能となる。
【０１０４】
尚、ＬＳＩチップ１の電極２の大きさが回路基板５の電極６の大きさよりも大きい場合には、はんだボールバンプ３のＬＳＩチップへの形成時の荷重、超音波及び熱の印加条件並びに、はんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１の回路基板５への接合する際の、荷重、超音波及び熱の印加条件によって、はんだボールバンプ３のＬＳＩ電極２と回路基板電極６の接合後の形状が図９のはんだ接合構造の逆と為り得ることは言うまでもないが、得られる高信頼化の効果は変わりないものである。
【０１０５】
また、はんだボールバンプ３をＬＳＩチップに形成する際の荷重、超音波及び熱の印加条件並びにはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１の回路基板への接合する際の、荷重、超音波及び熱の印加条件により、いずれかの接合時に搭載位置ずれが生じた場合には、ＬＳＩ電極２と回路基板電極６のいずれか一方のはんだボールバンプ３の接合構造が図５の形状に成り得るが、ここでも従来の溶融接続より高信頼化の効果が得られる。
【０１０６】
図１０は、本発明の第８実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。本発明の第３実施例の回路基板側もＬＳＩチップとして、本発明に係るバンプ製造方法によってはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を荷重、超音波及び熱を与えて、別のＬＳＩチップ１の電極２に所定の距離だけ水平方向にずらして接続した後、２つのＬＳＩチップ１の間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層４の分布に関するＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真を示す。
【０１０７】
この場合でも、第５実施例同様、図１０のＳＥＭ写真上側のＬＳＩチップ１の電極上に形成されたはんだボールバンプ３が図１０のＳＥＭ写真下側のＬＳＩ電極２と接触した後、低荷重を印加した状態で超音波及びはんだの融点以下の熱を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２とはんだボールバンプ３との界面にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系化合物を形成することができる。
【０１０８】
その際、荷重と超音波とによってはんだの融点以下の加熱化ではんだボールバンプ３が潰れ、図１０のＳＥＭ写真上下のＬＳＩチップ中心位置がずれた分、図１０のＳＥＭ写真下側のＬＳＩ電極２の左側に対しては、電極表面端部まで接触しないが、反対側では、中心位置のずれた変位分に相当する量のはみ出したはんだが、図１０のＳＥＭ写真下側のＬＳＩ電極２の側面外周で図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２のくびれ１０の位置より下、図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩチップ１の表面位置より上に変形して存在することとなる。
【０１０９】
その後、図１０のＳＥＭ写真上下のＬＳＩチップ１の間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって、キュア温度によって更に図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の、はんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２中に拡散するため、図１０のＳＥＭ写真下側の金属間化合物層４の厚みが拡大し、図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層４に隣接するはんだ母相側約３μｍの範囲内に形成することが可能となる。
【０１１０】
続く工程において、はんだ溶融温度以上のピーク温度を持つリフロー処理をすることによって、更にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ又はＡｕ−Ｚｎ等の組成を持つ図１０のＳＥＭ写真下側の金属間化合物層４が厚く、図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能となる。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、図１０のＳＥＭ写真下側の金属間化合物層４に隣接するはんだ母相側に位置する。
【０１１１】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接するＬＳＩ基板電極２の表面の面積よりも小さく、且つそのＬＳＩ基板電極２の表面には金属間化合物層４がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。このはんだボールバンプ３内部のくびれはその局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１とその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であるため、接続構造体の高信頼化が可能となる。
【０１１２】
次に、本発明の実施例について添付図面を参照して具体的に説明する。本発明に係るはんだバンプを用いたフリップチップ接続構造体に用いる電子部品としては半導体チップ及び回路基板が使用される。
【０１１３】
半導体チップとしては、Ｓｉ又はＧａＡｓを使用したものが考えられるがそれらに限定されない。本発明による接続に用いるデバイスとして、半導体特性は無いがＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、水晶等に配線形成したもの、ＢＧＡ及びＣＳＰパッケージも考えられるが、それらに限定されない。
【０１１４】
また、回路基板は、有機基板としてプリント基板及びフレキシブル基板、並びにセラミクス基板としてアルミナ基板、ガラスセラミクス基板及びガラス基板などが好適に使用されるがそれらに限定されない。
【０１１５】
Ｓｎ基のはんだバンプとしては、Ｓｎを含み、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｍｇ及びＰｂのいずれかが一種類以上含まれる金属が好適に使用されるが、Ｓｎに添加される元素はそれらに限定されない。また、本発明で使用される半導体チップ電極及び回路基板電極としては、Ｃｕ又はＡｌ等をメッキ等により形成した電極が考えられるが、それらに限定されない。電極の表面処理も、Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｓｎ−３７重量％Ｐｂ、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ合金及びＳｎ−８．８重量％Ｚｎ合金などが好適に用いられるがそれらに限定されない。また、ＬＳＩチップ及び回路基板の電極の形状及び材質並びにＬＳＩチップ及び回路基板の外形寸法も限定されない。
【０１１６】
図１乃至３は本発明の第１実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図１は、本発明で使用したＬＳＩチップ１と回路基板５との接続前の状態を示している。半導体は裏面を５０μｍ〜３００μｍの所定のＳｉの厚みになるまで研削したウェハの状態で、ＬＳＩ電極２の上に、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ合金組成を持つはんだペーストをステンレスマスクを用いて電極上に印刷し、はんだ融点以上のピーク温度を持つプロファイルを設定したリフロー炉を通すことによって、はんだボールバンプ３を形成した。
【０１１７】
直径が小さいボールバンプを形成する場合には、東京応化工業製ＬＡ９００（商品名）によって、半導体ウェハのバンプ形成するための電極上を樹脂開口したメッキレジスト膜を形成し、表面がＣｕ又はＡｕの組成を持つＬＳＩ電極２上にのみＳｎ−２．５〜３．０重量％Ａｇ又はＳｎ−０．７重量％Ｃｕを電解メッキして、メッキレジストを剥離後、ピーク温度を２４０℃〜２６０℃に設定したリフロー処理を行うことによってボールバンプを形成した。また、直径３００μｍ以上のはんだボールバンプを形成する場合には、半導体ウェハにフラックスを塗布し、球状のＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕの合金組成を持つはんだボールを転写し、ピーク温度を２４０℃〜２６０℃に設定したリフロー処理を行うことによってはんだボールバンプを形成した。
【０１１８】
更に第４実施例に記した本発明に係るバンプ製造方法では、フラックス無しでボールバンプを形成可能である。はんだペースト及びフラックスを使用した場合においては、ボールバンプを形成する工程の後、金属に対して活性な有機成分を含むフラックスを、エタノール、メチルエチルケトン及び／又は荒川化学工業製パインアルファ（商品名）等を使用して除去した。
【０１１９】
はんだボールバンプ３を形成した半導体ウェハは、そのままダイシングすることによって本発明による接続に使用することができる。また、図１に示すように、予めはんだボールバンプ３を形成した半導体ウェハに対して、感光性及び熱硬化性を持つ樹脂をスピンコート又はラミネート方法により供給し、露光／現像によってバンプ周辺の樹脂を除去することによって、本発明による接続工程において、回路基板５の電極６の表面ははんだボールバンプ３の表面に直接接することができる。
【０１２０】
感光性及び熱硬化性を有する封止樹脂としては、新日鐵化学株式会社製「Ｖ−２５９ＰＡ」（商品名）で粘度２００ｃｐｓから１０００ｃｐｓ、感光性基（ネガ型）を有するポリイミド前駆体である旭化成工業（株）製「パイメル」（商品名）及び住友ベークライト株式会社製「スミレジン  ＣＲＣ−８３００」（商品名）が好適に用いられるが、それらに限定されない。このような半導体ウェハをチップ固片へダイシングすることによって、接着樹脂層９を設けた接続用のＬＳＩチップ１とすることができる。なお、ＬＳＩチップ１に接着樹脂層９を形成せずに本発明による接続を行うことも可能である。
【０１２１】
図２は、図１に示した接続用のＬＳＩチップ１と回路基板５とを上述のフリップチップ接続方法によって接続した後の接続構造体を示す断面図である。接続は、チップつかみ部（ツール）に超音波発振機、荷重制御装置及び加熱ヒーターの機能を兼ね備えた接続装置を使用する。
【０１２２】
回路基板５は、前記接続装置の加熱ヒーター機構を有するステージに真空吸着して使用する。ツールをはんだボールバンプ３の融点以下の温度で且つ樹脂が流動する温度の約２００℃、ステージを約１００℃に設定した後、ツールにＬＳＩチップ１を吸着し、ステージに回路基板５を吸着する。
【０１２３】
続いて、夫々の接続する半導体側のはんだボールバンプ３と回路基板電極６とを向かい合うよう目合わせを行った後、ツールを降下させて、表面がＣｕ又はＡｕから成る回路基板電極６にはんだボールバンプ３を接触させる。
【０１２４】
その後、直径約５０μｍ程度のボールバンプ一つ当たり０．０２Ｎ程度の低荷重を印加した状態で、振幅約１〜３μｍ程度の超音波振動を１〜３秒程度与えることによって、はんだボールバンプ３と回路基板電極６とを接続する。尚、この荷重の値は、同一のチップとバンプ配列を持つＡｕバンプとＡｕ電極との接続の際の熱圧着（接続温度：約３５０度、接続時間：２０〜４０秒）による接続荷重の約１０分の１の値であり、同一のチップとバンプ配列を持つＡｕバンプとＡｕ電極との超音波を使用した接続時の約３〜４分の１の値であった。
【０１２５】
本発明の接続構造体を形成する方法は、他の方法と比較して接続荷重が低いため、極めて脆い低誘電率膜をＬＳＩ内部に形成したチップをフリップチップ接続する際に低誘電率膜を損傷することがなく、また、接続温度もＡｕバンプとＡｕ電極との熱圧着時より１００℃以上の低温化が可能で、接続時間も極めて短いため、本発明による接続構造体は従来の方法による接続構造体よりも信頼性に優れていることを示している。
【０１２６】
接着樹脂９が速硬化タイプの樹脂であれば、超音波による接続直後に樹脂が本硬化（キュア）されているが、接続樹脂９が流動時間の長いタイプで、反応性が遅い樹脂であれば、超音波による接続後、トレー等に多数の接続構造体を収納し、オーブン等で接着樹脂層９のキュアを行う。多数固片の接続構造体を一度にキュアすることによって、接続構造体一個当たりのキュアに要する時間を短縮することが可能である。
【０１２７】
接着樹脂層９を形成していないＬＳＩチップ１を使用した場合も同様に、直径約５０μｍ程度のボールバンプ一つ当たり０．０２Ｎ程度の低荷重を印加した状態で、振幅約１〜３μｍ程度の超音波振動を１〜３秒程度与えることによって、はんだボールバンプ３と回路基板電極６との接続を行うことが可能であり、続く工程において、エポキシ樹脂系のアンダーフィル樹脂をディスペンサーによりＬＳＩチップ１と回路基板５との隙間に供給して、オーブン等で樹脂をキュアすることができる。
【０１２８】
なお、アンダーフィル樹脂又は接着樹脂９をキュアした後、多数個の接続構造体を連続的に温度プロファイルのピーク温度をはんだの融点以上、つまりＳｎ−２．５〜３重量％Ａｇ及びＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕの場合には２４０〜２６０℃にピーク温度を設定したリフロー炉でリフロー処理をすることによって、金属間化合物層７を約５μｍの厚みに拡大し、更にその面積を拡大し、接続を強固なものとして、リフロー時に位置ずれが無く、バンプ間がショートすることが無い、信頼性に優れた接続が可能となる。
【０１２９】
なお、本発明の接続方法においては、ＬＳＩチップ１と回路基板５との隙間に接着樹脂層９のような有機樹脂が無くとも、はんだボールバンプ３を直径約５０μｍ程度のボールバンプ一つ当たり０．０２Ｎ程度の低荷重を印加した状態で、振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって回路基板電極６と接続後、アンダーフィル樹脂をディスペンサー等で供給せずにはんだの融点以上のピーク温度プロファイルにてリフロー処理をすることによって、充分な厚みを持つ金属間化合物７を形成した強固なバンプ接続が可能となった。
【０１３０】
図３は、本発明に係るバンプ製造方法によってはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の接続構造体及び金属化合物層７の分布を示す断面図である。
【０１３１】
Ｓｎ−２．５重量％Ａｇの組成を持つはんだボールバンプ３がＣｕ又はＡｕ表面の回路基板電極６と接触した後、はんだボールバンプ３を直径約５０μｍ程度のボールバンプ一つ当たり０．０２Ｎ程度の低荷重を印加した状態で、振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６の表面がＣｕの場合にはＣｕが、また、Ｃｕ電極にＮｉ、Ａｕの順にメッキとしたものであればＡｕが、夫々元素拡散し、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ又はＡｕ−Ｓｎの組成を持つ金属間化合物をベースとした金属間化合物層７を形成することができた。
【０１３２】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にエポキシ樹脂系のアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９を１５０〜２００℃で６０分から１２０分キュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ及びＣｕ等の、はんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となった。
【０１３３】
続く工程において、はんだボールバンプ３がＳｎ−２．５〜３重量％Ａｇ及びＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕの場合には２４０〜２６０℃にピーク温度を設定したリフロー炉でリフロー処理をすることによって、更に金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能であった。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側で、金属間化合物層７の直上に位置する。
【０１３４】
このとき、はんだボールバンプ３のＬＳＩチップ電極２と回路基板電極６とを結ぶ方向に垂直の横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。このはんだボールバンプ３内部のくびれはその局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であり、−５５℃〜１２５℃の熱サイクル試験等においての接続構造体の信頼性が向上した。
【０１３５】
図４は、本発明の第２実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図４は、本発明に係るバンプ製造方法によってはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を図３の場合より高い荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層７の分布を示している。
【０１３６】
はんだボールバンプ３に直径約５０μｍ程度のボールバンプ一つ当たり図３の場合の２〜３倍程度の０．０４〜０．０６Ｎ程度の低荷重を印加した状態で、振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって、Ｓｎ−２．５重量％Ａｇのはんだボールバンプ３を使用した接続においては、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６の表面がＣｕの場合にはＣｕが、また、Ｃｕ電極にＮｉ、Ａｕの順にメッキとしたものであればＡｕが、夫々元素拡散し、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ又はＡｕ−Ｓｎの組成を持つ金属間化合物をベースとした金属間化合物層を形成することができた。
【０１３７】
その際、荷重と超音波とによってはんだの融点以下の加熱化ではんだボールバンプ３が潰れ、回路基板電極６の表面全体に接することができるが、それ以上の荷重がかかった場合には、超音波によりＬＳＩチップ１が振動している間は回路基板電極６の側面にはんだボールバンプ３が接することができず、回路基板電極６の側面外周でくびれ１０の位置より下で回路基板５の表面位置より上にはんだが変形して存在することとなる。くびれ１０の位置は、通常回路基板電極６の端部位置より内側に存在するが、仮に装置加圧軸が傾斜している等の原因で外側に出た場合でも構造的変曲点となり、金属間化合物層７への応力集中を抑制する。
【０１３８】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９を１５０℃〜２００℃で６０分から１２０分間キュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等のはんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能になった。
【０１３９】
続く工程において、はんだボールバンプ３がＳｎ−２．５〜３重量％Ａｇ及びＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕの場合には２４０〜２６０℃にピーク温度を設定したリフロー炉でリフロー処理をすることによって、更に金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能であった。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側で、金属間化合物層７の直上に位置する。
【０１４０】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。このはんだボールバンプ３内部のくびれはその局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であり、−５５℃〜１２５℃の熱サイクル試験等においての接続構造体の信頼性が向上した。
【０１４１】
図５は、本発明の第３実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図５は、本発明に係るバンプ製造方法によってはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に所定の距離だけ水平方向にずらして接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層７の分布を示している。
【０１４２】
はんだバンプ３に直径約５０μｍ程度のボールバンプ一つ当たり図３の場合の２〜３倍程度の０．０４〜０．０６Ｎ程度の低荷重を印加した状態で振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって、Ｓｎ−２．５重量％Ａｇのはんだボールバンプ３を使用した接続においては、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６の表面がＣｕの場合にはＣｕが、また、Ｃｕ電極にＮｉ、Ａｕの順にメッキとしたものであればＡｕが、夫々元素拡散し、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ又はＡｕ−Ｓｎの組成を持つ金属間化合物をベースとした金属間化合物層を形成することができた。
【０１４３】
その際、荷重と超音波とによってはんだの融点以下の加熱化ではんだボールバンプ３が潰れ、中心位置が一方向に対して約５〜１５μｍずれた回路基板電極６の片側に対しては、図３の場合同様に回路基板電極６の表面端部まで接触しないが、回路基板電極６の表面で反対側では、図４の場合と同様に、中心位置のずれた変位分に相当する量のはみ出たはんだが超音波によりＬＳＩチップ１が振動している間は回路基板電極６の側面に接することができず、回路基板電極６の側面外周でくびれ１０の位置より下、回路基板５の表面位置より上にはんだが変形して存在することとなる。
【０１４４】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９を１５０℃〜２００℃で６０分から１２０分間キュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等のはんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となった。
【０１４５】
続く工程において、はんだボールバンプ３がＳｎ−２．５〜３重量％Ａｇ及びＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕの場合には２４０〜２６０℃にピーク温度を設定したリフロー炉でリフロー処理をすることによって、更に金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能であった。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に位置する。
【０１４６】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。このはんだボールバンプ３内部のくびれはその局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であるため、接続構造体の高信頼化が可能となった。
【０１４７】
図６は、本発明の第４実施形態に係るバンプ製造方法を示す断面図である。図６は、本発明のはんだボール吸着用治具を用いて、荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えてＬＳＩチップ１の電極２にはんだボールバンプ３を形成する状態を示している。
【０１４８】
はんだバンプ配列に従って粘着シートを張ったステンレスの板又はステンレス、Ｓｉ若しくはセラミックスの板の半導体のバンプ位置に相当する場所に真空吸着用の穴を開けて作成したボール吸着治具１１に、Ｓｎ−３重量％−０．５重量％Ｃｕ又はＳｎ−８．８重量％Ｚｎの組成を持つはんだボールを配列させ、はんだボールをＬＳＩチップ又は半導体ウェハのＡｕ又はＣｕ電極と接触させ、はんだボールバンプ３を０．１ｍＮ／μｍ２以下の低荷重を印加した状態で振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、ＬＳＩ電極２のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、ＬＳＩ電極２とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができた。
【０１４９】
その後、はんだの融点以上のピーク温度においてリフロー処理を行い、Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ａｌ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｎｉ−Ｚｎ又はＡｕ−Ｚｎ等の組成を持つ金属間化合物層を成長させることができた。この接続方法を行う場合、はんだボールバンプ３を接続される対象物は半導体ウェハでもよい。半導体ウェハの場合は、はんだボールバンプ形成後に、ダイシングする等して、接続用のはんだボールバンプ３を有するＬＳＩチップ１を作成した。
【０１５０】
図７は、本発明の第５実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図７は、本発明に係るバンプ製造方法によって、予めはんだボールバンプ３を配列させた基板とＬＳＩチップ１とを、荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによってＬＳＩチップ１にはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を使用して、更に荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層７の分布を示している。
【０１５１】
事前に、図６に示した様にはんだバンプ配列に従って粘着シートを張ったステンレスの板又はバンプ位置に真空吸着用の穴を開けて作成したボール吸着治具１１に、はんだボールを配列させ、荷重を印加した状態で超音波及び熱を加えることによってはんだボール３をＬＳＩ電極２と接続し、その後、はんだの融点以上のピーク温度においてリフロー処理を行い、Ｓｎ−２．５〜３重量％Ａｇ、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ又はＳｎ−８．８重量％Ｚｎの組成を持つはんだボールバンプ３を形成した接続用のＬＳＩチップ１を作成した。この接続方法を行う場合、はんだボールバンプ３を接続される対象物は半導体ウェハでもよい。半導体ウェハの場合は、はんだボールバンプ形成後に、ダイシングする等して、接続用のはんだボールバンプ３を有するＬＳＩチップ１を作成する。
【０１５２】
超音波を印加した状態で熱及び荷重を与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、ＬＳＩ電極２のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、ＬＳＩ電極２とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができた。
【０１５３】
また、その際のはんだボールの潰れが小さい場合、図３のときと同様に、リフロー後は、くびれの部分がＬＳＩチップ１の電極２に形成される金属間化合物層４に隣接するはんだ母相側に形成される。このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接するＬＳＩ基板電極２の表面の面積よりも小さく、且つそのＬＳＩ基板電極２の表面には金属間化合物層４がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。
【０１５４】
このようにして用意したＬＳＩチップ１は、その後、ＬＳＩチップ１のはんだボールバンプ３を回路基板電極６と接触させた後、はんだボールバンプ３に０．１ｍＮ／μｍ２以下の低荷重を印加した状態で振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６の表面がＣｕの場合にはＣｕが、また、Ｃｕ電極にＮｉ、Ａｕの順にメッキとしたものであればＡｕが、夫々元素拡散し、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ又はＡｕ−Ｓｎの組成を持つ金属間化合物をベースとした金属間化合物層を形成することができた。
【０１５５】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にエポキシ系アンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の、はんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となる。
【０１５６】
続く工程において、はんだボールバンプ３がＳｎ−２．５〜３重量％Ａｇ及びＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕの場合には２４０〜２６０℃にピーク温度を設定したリフロー炉でリフロー処理をすることによって、更に金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能であった。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に位置する。
【０１５７】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。これらのＬＳＩ電極２と回路基板電極６のはんだボールバンプ３との界面に形成される金属間化合物層４及び７に隣接するはんだ母相側に位置するくびれは、その局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であり、−４０℃〜１２５℃の温度サイクル試験において、接続構造体の高信頼化が可能となった。
【０１５８】
図８は、本発明の第６実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図８は、本発明に係るバンプ製造方法によって、予めはんだボールバンプ３を配列させた基板とＬＳＩチップ１を荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって、ＬＳＩチップ１にはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を使用して、更に荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層７の分布を示している。
【０１５９】
事前に、はんだバンプ配列に従って粘着シートを張ったステンレスの板又はバンプ位置に真空吸着用の穴を開けて作成したボール吸着治具１１に、はんだボールを配列させ、はんだボール３をＬＳＩチップ１の電極２と、図７の場合より高い約０．１ｍＮ／μｍ２の荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって接続し、その後、はんだの融点以上のピーク温度においてリフロー処理を行い、Ｓｎ−２．５〜３重量％Ａｇ、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ又はＳｎ−８．８重量％Ｚｎの組成を持つはんだボールバンプ３を形成した接続用のＬＳＩチップ１を作成した。この接続方法を行う場合、はんだボールバンプ３を接続される対象物は半導体ウェハでもよい。半導体ウェハの場合は、はんだボールバンプ形成後に、ダイシングする等して、接続用のはんだボールバンプ３を有するＬＳＩチップ１を作成した。
【０１６０】
荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、ＬＳＩ電極２のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、ＬＳＩ電極２とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができた。
【０１６１】
また、その際のはんだボールの潰れが大きい場合、図３のときと同様に、リフロー後は、くびれ１０の部分がＬＳＩチップ１の電極２に形成されるＣｕ−Ｓｎ又はＡｕ−Ｓｎ及びＮｉ−Ｓｎ等の金属間化合物層４に隣接するはんだ母相側に形成され、ＬＳＩ電極２の表面以上にはみ出たはんだは、超音波振動時にＬＳＩ電極２の側面には接することなく、ＬＳＩチップ１の表面に近い場所に存在することとなる。このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接するＬＳＩ基板電極２の表面の面積よりも小さく、且つそのＬＳＩ基板電極２の表面には金属間化合物層４がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。
【０１６２】
このようにして用意したＬＳＩチップ１は、その後、ＬＳＩチップ１のはんだボールバンプ３を回路基板電極６と接触させた後、はんだボールバンプ３に約０．１ｍＮ／μｍ２の低荷重を印加した状態で振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６の表面がＣｕの場合にはＣｕが、また、Ｃｕ電極にＮｉ、Ａｕの順にメッキとしたものであればＡｕが、夫々元素拡散し、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ又はＡｕ−Ｓｎの組成を持つ金属間化合物をベースとした金属間化合物層を形成することができた。
【０１６３】
その際、荷重と超音波とによってはんだの融点以下の加熱化ではんだボールバンプ３が潰れ、回路基板電極６の表面全体に接することができるが、それ以上の荷重がかかった場合には、超音波によりＬＳＩチップ１が振動している間は回路基板電極６の側面に接することができず、回路基板電極６の側面外周でくびれ１０の位置より下、回路基板５の表面位置より上にはんだが変形して存在することとなった。
【０１６４】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にエポキシ系のアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９を１５０℃〜２００℃で６０分から１２０分間キュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の、はんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となった。
【０１６５】
続く工程において、はんだボールバンプ３がＳｎ−２．５〜３重量％Ａｇ及びＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕの場合には２４０〜２６０℃にピーク温度を設定したリフロー炉でリフロー処理をすることによって、更に金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能となった。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に位置する。
【０１６６】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。これらのＬＳＩ電極２と回路基板電極６のはんだボールバンプ３との界面に形成される金属間化合物層４及び７に隣接するはんだ母相側に位置するくびれは、その局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であり、−４０℃〜１２５℃の温度サイクル試験において、接続構造体の高信頼化が可能となった。
【０１６７】
図９は、本発明の第７実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。図９は、ＬＳＩチップ１の電極２の上端の面積と回路基板電極６の大きさが異なる場合の、本発明に係るバンプ製造方法によって、予めはんだボールバンプ３を配列させた基板とＬＳＩチップ１を荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって、ＬＳＩチップ１にはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を使用して、更に荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えて回路基板５の電極６に接続した後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層７の分布を示している。
【０１６８】
事前に、はんだバンプ配列に従って粘着シートを張ったステンレスの板又はバンプ位置に真空吸着用の穴を開けて作成した仮バンプ固定基板にはんだボールを配列させ、はんだボール３をＬＳＩチップ１の電極２と、荷重を印加した状態で超音波及び熱を加えることによって接続し、その後、はんだの融点以上のピーク温度を持つリフロー処理を行い、Ｓｎ−２．５〜３重量％Ａｇ、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ又はＳｎ−８．８重量％Ｚｎの組成を持つはんだボールバンプ３を形成した接続用のＬＳＩチップ１を作成した。この接続方法を行う場合、はんだボールバンプ３を接続される対象物は半導体ウェハでもよい。半導体ウェハの場合は、はんだボールバンプ形成後に、ダイシングする等して、接続用のはんだボールバンプ３を有するＬＳＩチップ１を作成した。
【０１６９】
荷重を印加した状態で超音波及び熱を与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、ＬＳＩ電極２のＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の元素を拡散させて、ＬＳＩ電極２とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ及びＡｌ−Ｓｎ等の組成を持つ金属間化合物若しくはそれらに限定されない二元系化合物又はそれら二元系化合物をベースとした多元系の金属間化合物層を形成することができる。
【０１７０】
また、その際のはんだボールの潰れが大きい場合、図３のときと同様に、リフロー後は、くびれの部分がＬＳＩチップ１の電極２に形成される金属間化合物層４に隣接するはんだ母相側に形成され、ＬＳＩ電極２の表面以上にはみ出たはんだは、超音波振動時にＬＳＩ電極２の側面には接することなく、ＬＳＩチップ１の表面に近い場所に存在することとなる。このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接するＬＳＩ基板電極２の表面の面積よりも小さく、且つそのＬＳＩ基板電極２の表面には金属間化合物層４がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。
【０１７１】
このようにして用意したＬＳＩチップ１は、その後、ＬＳＩチップ１のはんだボールバンプ３を回路基板電極６と接触させた後、はんだボールバンプ３に約０．１ｍＮ／μｍ２の低荷重を印加した状態で振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、回路基板電極６の表面がＣｕの場合にはＣｕが、また、Ｃｕ電極にＮｉ、Ａｕの順にメッキとしたものであればＡｕが、夫々元素拡散し、回路基板電極６とはんだボールバンプ３との間にＣｕ−Ｓｎ又はＡｕ−Ｓｎ及びＮｉ−Ｓｎの組成を持つ金属間化合物をベースとした金属間化合物層７を形成することができた。
【０１７２】
その後、ＬＳＩチップ１と回路基板５との間にエポキシ系のアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９を１５０℃〜２００℃で６０分から１２０分間キュアすることによって、キュア温度によって更に回路基板電極６からＡｕ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＡｌ等の、はんだ３内部への元素拡散が進み、また、はんだ３中のＳｎも回路基板電極６中に拡散するため、金属間化合物層７の厚みが拡大し、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となった。
【０１７３】
続く工程において、はんだボールバンプ３がＳｎ−２．５〜３重量％Ａｇ及びＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕの場合には２４０〜２６０℃にピーク温度を設定したリフロー炉でリフロー処理をすることによって、更に金属間化合物層７が厚く、回路基板電極６の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能となった。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、金属間化合物層７に隣接するはんだ母相側に位置する。
【０１７４】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接する回路基板電極６の表面の面積よりも小さく、且つその回路基板電極６の表面には金属間化合物層７がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。これらのＬＳＩ電極２と回路基板電極６のはんだボールバンプ３との界面に形成される金属間化合物層４及び７に隣接するはんだ母相側に位置するくびれは、その局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１と回路基板５及びその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であり、−４０℃〜１２５℃の温度サイクル試験において、接続構造体の高信頼化が可能となった。
【０１７５】
図１０は、本発明の第８実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。本発明の第３実施例の回路基板側もＬＳＩチップとして、本発明に係るバンプ製造方法によってはんだボールバンプ３を形成したＬＳＩチップ１を荷重、超音波及び熱を与えて、別のＬＳＩチップ１の電極２に所定の距離だけ水平方向にずらして接続した後、２つのＬＳＩチップ１の間にアンダーフィル樹脂を供給しキュアするか又は接着樹脂層９をキュアすることによって得られる、はんだボールバンプ３の断面構造及び金属間化合物層４の分布に関するＳＥＭ写真を示す。
【０１７６】
図１０のＳＥＭ写真上側のＬＳＩチップ１の電極上に形成されたはんだボールバンプ３が図１０のＳＥＭ写真下側の高さ約５μｍのＣｕ上にＮｉ、Ａｕの順でメッキしたＬＳＩ電極２と接触した後、約０．１ｍＮ／μｍ２の低荷重を印加した状態で振幅約１μｍ程度の超音波振動を１秒程度与えることによって、Ｓｎを母相とするはんだボールバンプ３内部に、図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２のＡｕ及びＮｉの元素を拡散させて、図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２とはんだボールバンプ３との界面にＡｕ−Ｓｎ及びＮｉ−Ｓｎの組成を持つ金属間化合物をベースとした写真下側の金属間化合物層４を形成することができた。
【０１７７】
その際、荷重と超音波とによってはんだの融点以下の加熱化ではんだボールバンプ３が潰れ、図１０のＳＥＭ写真上下のＬＳＩチップ中心位置のずれた分、図１０のＳＥＭ写真下側のＬＳＩ電極２の左側に対しては、電極表面端部まで接触しないが、反対側では、中心位置のずれた変位分に相当する量がはみ出したはんだが、図１０のＳＥＭ写真下側のＬＳＩ電極２の側面外周で図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２のくびれ１０の位置より下、図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩチップ１の表面位置より上に変形して存在することとなる。
【０１７８】
その後、図１０のＳＥＭ写真上下のＬＳＩチップ１の間の接着樹脂層９を１５０〜２００℃で６０分から１２０分間キュアすることによって、キュア温度によって更に図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２からＡｕ及びＮｉの、はんだボールバンプ３内部への元素拡散が進み、また、はんだボールバンプ３中のＳｎも図１０のＳＥＭ写真下側電極２中に拡散するため、図１０のＳＥＭ写真下側の金属間化合物層４の厚みが拡大し、図１０のＳＥＭ下側ＬＳＩ電極２の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、バンプ内部のくびれ１０の位置を金属間化合物層４に隣接するはんだ母相側に形成することが可能となる。
【０１７９】
続く工程において、２４０℃のはんだ溶融温度以上ピーク温度を持つリフロー処理をすることによって、更にＡｕ−Ｓｎ及びＮｉ−Ｓｎの組成を持つ図１０のＳＥＭ写真下側の金属間化合物層４が厚く、図１０のＳＥＭ写真下側ＬＳＩ電極２の表面全体にはんだボールバンプ３の端部が広がり、強固な接続構造を得ることが可能となった。このリフロー処理後も、くびれ１０の位置は、図１０のＳＥＭ写真下側の金属間化合物層４に隣接するはんだ母相側に位置する。
【０１８０】
このとき、はんだボールバンプ３の前記横断面の面積が、くびれ１０の位置においてくびれ１０に近接するＬＳＩ基板電極２の表面の面積よりも小さく、且つそのＬＳＩ基板電極２の表面には金属間化合物層４がはんだボールバンプ３のくびれ１０の位置における前記横断面の面積よりも広い面積で形成されている。このはんだボールバンプ３内部のくびれはその局部収縮している形状によって、ＬＳＩチップ１とその他の部材との熱膨張係数差から生ずる残留応力の応力集中箇所となるが、従来の脆い金属間化合物層に応力が集中し、クラックの基点となる場合と異なり、本発明においては、はんだボールバンプ３のはんだ母相内部が応力集中箇所となり、はんだが有する延性及び弾性、さらに塑性変形によってその残留応力を吸収することが可能であり、−４０℃〜１２５℃の温度サイクル試験において、接続構造体の高信頼化が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【０１８１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係るバンプ製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。
【図９】本発明の第７実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。
【図１０】本発明の第８実施形態に係るフリップチップ接続構造体を示す断面図である。
【図１１】従来例を示す断面図である。
【図１２】従来例を示す断面図である。
【図１３】従来例を示す断面図である。
【図１４】従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１８２】
１；ＬＳＩチップ
２；ＬＳＩチップ電極
３；はんだ又ははんだボールバンプ
４；ＬＳＩチップ電極とはんだ界面との間に形成される金属間化合物層
５；回路基板
６；回路基板電極
７；回路基板電極とはんだ界面との間に形成される金属間化合物層
８；応力集中箇所
９；接着樹脂
１０；くびれ
１１；ボール吸着用治具
【図１】
0004720438.tif 000002
【図２】
0004720438.tif 000003
【図３】
0004720438.tif 000004
【図４】
0004720438.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004720438.tif 000007
【図７】
0004720438.tif 000008
【図８】
0004720438.tif 000009
【図９】
0004720438.tif 000010
【図１０】
0004720438.tif 000011
【図１１】
0004720438.tif 000012
【図１２】
0004720438.tif 000013
【図１３】
0004720438.tif 000014
【図１４】
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