(57)【要約】【課題】反り、うねりを有する回路基板に対して半導体チップを、電気的、機械的な信頼性が高く、フリップチップ接続によって実装した小型実装モジュールを提供すること。【解決手段】基準平面１０に対して配置された回路基板２に設けられているスタッドバンプ４ａに形成された平坦面２ｂを構成する接合用平面部２ｃと、端子電極３ａが設けられている半導体チップ３とを対向配置させ、電極平面３ｂと、接合用平面部２ｃとを平行な位置関係にする。そして、半導体チップ３の端子電極３ａをスタッドバンプ４ａに形成されている接合用平面部２ｃ上に配置させる。このとき、半導体チップ３に設けられている各端子電極３ａの電極平面３ｂと、回路基板２に設けられている各スタッドバンプ４ａの接合用平面部２ｃとが均一な接触状態である。ここで、所定の温度及び圧力による熱圧着を行って、半導体チップ３と回路基板２とを接合固定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板上の接続パターンと半導体チップの端子電極とをフリップチップ接続によって実装して構成される小型実装モジュールにおいて、
前記半導体チップが実装される前記回路基板に設けられた接続パターンに、整形可能な金属バンプを設けたことを特徴とする小型実装モジュール。
【請求項２】
前記回路基板の接続パターンに設けられた金属バンプの接合面側に、前記端子電極の電極平面に平行で平坦面を構成する接合用平面部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の小型実装モジュール。
【請求項３】
前記金属バンプの接合面に対して平坦面形成部材の基準面を押圧して、前記金属バンプの接合面側に接合用平面部を整形したことを特徴とする請求項２に記載の小型実装モジュール。
【請求項４】
回路基板上の接続パターンと半導体チップの端子電極とをフリップチップ接続によって実装して構成される小型実装モジュールにおいて、
前記回路基板に設けられた接続パターンと、前記半導体チップの端子電極との間に一段以上のバンプを形成したことを特徴とする小型実装モジュール。
【請求項５】
前記回路基板の接続パターン上に、整形可能な金属バンプを設ける一方、前記半導体チップの端子電極上に前記金属バンプを設けたことを特徴とする請求項４に記載の小型実装モジュール。
【請求項６】
回路基板上の実装面に設けられている接続パターンに、整形可能な金属バンプを設けるバンプ形成工程と、
常温において、前記バンプ形成工程によって前記接続パターン上に設けられた金属バンプの接合面側に平坦面形成部材の基準面を押圧して、前記金属バンプの接合面側に平坦面を構成する接合用平面部を整形するバンプ接合面平坦化工程と、
前記バンプ接合面平坦化工程において整形された前記金属バンプの接合用平面部と半導体チップの端子電極とをフリップチップ接続する実装工程と、
を具備することを特徴とする小型実装モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板上に半導体チップを実装して構成される小型実装モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩチップ等の半導体チップを回路基板上に実装するに当たって、小型高機能化が強く求められている。このため、半導体チップを回路基板上に実装する方法として、回路基板面に対して半導体チップを直接実装する、いわゆるフリップチップ接続が採用されている。このフリップチップ接続では、半導体チップと回路基板の電極との電気的接続を、半田、金（Ａｕ）等の材料から構成される金属バンプを介して一括接続で行うことができる。
【０００３】
前記回路基板がガラスエポキシ基板、セラミック基板等の有機基板及びセラミック基板等の無機基板においては、導電パターンが形成された基板表面（実装面とも記載する）に反りやうねりが発生して平坦化が損なわれ、このことによって、基板表面に形成されている接続パターンの高さ方向の寸法にバラツキが生じる。
【０００４】
すると、例えば半導体チップの端子電極に形成されたＡｕバンプと回路基板の接続パターンとをフリップチップ接続する際、接続パターンの高さ方向の寸法にバラツキが生じていることにより、接触圧が不均一になる。そして、接触圧が不均一な状態で、Ａｕバンプと接続パターンとをフリップチップ接続することによって、Ａｕバンプと接続パターンとの接合部の接合状態が不均一になることが考えられる。つまり、接合部によって、導通不良や機械的接続強度の低下等の不具合が発生するおそれがある。
【０００５】
また、図１３に示すように内層パターン１３ａを有する多層積層基板である例えば有機ビルトアップ基板１３において、実装面の平坦化が損なわれていると、半導体チップ１２をビルトアップ基板１３に対してフリップチップ接続する際、接触圧が不均一になって、応力の偏りによる基板の沈降で、内層パターン１３ａ、１３ａ同士が接触するという不具合が発生するおそれがあった。なお、符号１２ａは端子電極、符号１３ｂは接続パターンである。
【０００６】
前述した電気的な接続の不具合や機械的接続強度の低下を解消するため、例えば、特開２００１−７１５５号公報にはフリップチップ接続構造体が示されている。このフリップチップ接続構造体においては、反り、うねりの大きい回路基板上に半導体チップをフェースダウンボンディングする場合、回路基板の反りが大きい端子電極に対して、他の端子電極に形成されたＡｕバンプよりも接続面積が大きくなるように、寸法の大きなＡｕバンプを形成して接続を行う。このことによって、反り、うねりの大きい回路基板に対して半導体チップをフリップチップ接続する場合において、電気的接続及び機械的接続の信頼性が向上する。
【特許文献１】特開２００１−７１５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記特開２００１−７１５５号公報のフリップチップ接続構造体においては、信頼性の高いフリップチップ接続を行うために、それぞれ基板の変形具合に対して選択的に寸法の異なる２種類以上のバンプを形成しなければならない。このため、量産性が損なわれる。また、反り、うねりの大きい場所に接続面積が大きくなるように寸法の大きなバンプを形成するため、高密度実装に弊害が生じる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、反り、うねりを有する回路基板に対して半導体チップを、電気的、機械的な信頼性が高く、かつ高密度に量産性を損なうことなく、フリップチップ接続によって実装した小型実装モジュール及びその製造方法を提供することを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の小型実装モジュールは、回路基板上の接続パターンと半導体チップの端子電極とをフリップチップ接続によって実装して構成される小型実装モジュールにおいて、
前記半導体チップが実装される前記回路基板に設けられた接続パターンに、整形可能な金属バンプを設けている。
【００１０】
そして、前記回路基板の接続パターンに設けられた金属バンプの接合面側に、前記端子電極の電極平面に平行で平坦面を構成する接合用平面部を設けている。
【００１１】
この構成によれば、実装面に反りやうねりを有する回路基板上の接続パターンに設けた金属バンプの接合面側に、例えば常温において接合用平面部を形成することによって、フリップチップ接続する際に接触する、回路基板に設けられた金属バンプの接合用平面部と、端子電極の電極平面とが平行平面になる。
【００１２】
また、本発明の小型モジュールの製造方法は、回路基板上の実装面に設けられている接続パターンに、整形可能な金属バンプを設けるバンプ形成工程と、常温において、前記バンプ形成工程によって前記接続パターン上に設けられた金属バンプの接合面側に平坦面形成部材の基準面を押圧して、前記金属バンプの接合面側に平坦面を構成する接合用平面部を整形するバンプ接合面平坦化工程と、前記バンプ接合面平坦化工程において整形された前記金属バンプの接合用平面部と半導体チップの端子電極とをフリップチップ接続する実装工程とを具備している。
【００１３】
この製造方法によれば、バンプ形成工程及びバンプ接合面平坦化工程を経た回路基板に対して金導体チップをフリップチップ接続する際、回路基板に設けられた金属バンプの接合用平面部と半導体チップの端子電極の電極平面とが均一な接触圧で当接した状態で、電気的・物理的に接合される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による小型実装モジュールは、回路基板上の接続パターンと半導体チップの端子電極とをフリップチップ接続によって実装して構成されるものにおいて、反り、うねりを有する回路基板に対して半導体チップを、電気的及び機械的な信頼性が高く、かつ高密度に実装できる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 
図１ないし図５は本発明の一実施形態に係り、図１は小型実装モジュールを説明する図、図２はバンプ形成工程におけるスタッドバンプを設けた回路基板を示す図、図３はスタッドバンプの接合面側に平坦面を整形するバンプ接合面平坦化工程を説明する図、図４はバンプ接合面平坦化工程で整形された平坦面を有する回路基板を説明する図、図５は実装工程における回路基板と半導体チップとを説明する図である。
【００１６】
図１に示すように本実施形態の小型実装モジュール１は回路基板２上に半導体チップ３を実装して構成される。本実施形態においては、回路基板２の接続パターン２ａの所定部に金バンプ（以下、バンプと略記する）４が設けられている。そして、回路基板２の接続パターン２ａに設けられた各バンプ４と、半導体チップ３に設けられている各端子電極３ａとが、フリップチップ接続によって、電気的及び機械的に接合されている。
【００１７】
ここで、図２乃至図５を参照して小型実装モジュール１の製造工程を順に説明する。 
まず、小型実装モジュール１を製造するに当たって、回路基板２と、半導体チップ３とを用意する。回路基板２は例えばセラミック基板であり、実装面には接続パターン２ａが設けられている。回路基板２の接続パターン２ａが設けられた実装面には、反り、うねり等が発生している。
【００１８】
次に、図２を参照してバンプ形成工程を説明する。 
図に示すように実装面に例えば反りが発生している回路基板２を、基準平面１０上に配置する。そして、回路基板２の実装面上に設けられているそれぞれの接続パターン２ａ上に、例えばスタッドバンプ４ａ、…、４ａを設ける。このとき、スタッドバンプ４ａの高さ寸法は、回路基板２の反り大きさを考慮して所定寸法に設定される。
【００１９】
ここで、スタッドバンプは常温或いは高温でも、さらには低圧力若しくは高圧力でも整形可能である。
【００２０】
次いで、図３及び図４を参照してバンプ接合面平坦化工程を説明する。 
図に示すように回路基板２の実装面に、二点鎖線に示す前記半導体チップ３と略同形状で形成されている平坦面形成部材５の平坦面形成面５ａを対向配置させる。この平坦面形成面５ａは、基準平面１０に対して平行である。
【００２１】
そして、平坦面形成部材５の平坦面形成面５ａを矢印に示すように回路基板２の実装面側に移動し、スタッドバンプ４ａ、…、４ａの接合面側を所定の力量で所定時間押圧する。その後、再び、平坦面形成部材５を元の位置に移動する。
【００２２】
回路基板２の接続パターン２ａ上に設けられた各スタッドバンプ４ａの接合面側の突起部分が平坦面形成面５ａによって押圧されたことによって、図４に示すように各スタッドバンプ４ａの接合面側の突起部分は押しつぶされて、実装面の有する反りやうねりに関わらず、基準平面１０に対して平行な一点鎖線に示す平坦面２ｂを構成する接合用平面部２ｃが各スタッドバンプ４ａに一括して形成される。 
このことによって、回路基板２に設けられている各スタッドバンプ４ａ、…、４ａの接合用平面部２ｃの基準平面１０に対する高さ寸法のバラツキが解消される。
【００２３】
最後に、図５を参照してフリップチップ接続による実装工程を説明する。 
基準平面１０に対して配置された回路基板２に設けられているスタッドバンプ４ａに平坦面２ｂが形成されたなら、この回路基板２に対して前記平坦面形成部材５の代わりに、端子電極３ａが設けられている半導体チップ３を対向配置させる。この半導体チップ３の表面は、基準平面１０に対して平行である。したがって、半導体チップ３の電極平面３ｂは、回路基板２の接合用平面部２ｃに対して平行な位置関係になる。
【００２４】
その後、図に示すように半導体チップ３の端子電極３ａをスタッドバンプ４ａに形成されている平坦面２ｂを構成する接合用平面部２ｃ上に配置させる。このとき、半導体チップ３に設けられている各端子電極３ａの電極平面３ｂと、回路基板２に設けられている各スタッドバンプ４ａの接合用平面部２ｃとが均一な接触状態になる。そして、所定の温度及び圧力による熱圧着を行って半導体チップ３を回路基板２上に接合固定する。このことによって、前記図１に示した小型実装モジュール１が熱圧着によって形成される。
【００２５】
このように、接続パターンが設けられて、反りやうねりが発生している回路基板に対して半導体チップをフリップチップ接続する際、回路基板の接続パターン上にスタッドバンプを設け、そのスタッドバンプの接合面側に所定の平坦面を構成する接合用平面部を形成し、この接合用平面部に半導体チップの各端子電極の電極平面を接合して小型実装モジュールを形成することによって、所望の高密度実装を行うことができる。
【００２６】
また、接続パターンが設けられた回路基板に対して半導体チップをフリップチップ接続する際、回路基板に発生している反りやうねりを考慮して接続パターンの上に所定の高さ寸法のスタッドバンプを設け、各スタッドバンプの接合面側に所定の平坦面を構成する接合用平面部を形成している。このことによって、回路基板と半導体チップとをフリップチップ接続するために、スタッドバンプと端子電極とを当接させた際、各端子電極の電極平面と、各スタッドバンプの平坦面を構成する接合用平面部との接触圧を均一にすることができる。
【００２７】
これらのことによって、接続パターンが設けられて実装面に反りやうねり等が発生している回路基板に対して半導体チップをフリップチップ接続によって実装して形成された小型実装モジュールの電気的接続の信頼性及び機械的接続の信頼性が大幅に向上する。また、内層パターンを有する例えば有機ビルトアップ基板においても、スタッドバンプの接合面側に接合用平面部を形成し、その接合用平面部に半導体チップに設けられている端子電極の電極平面を当接させることによって、接触圧のバラツキによって基板が沈降して発生する内層パターン同士の接触を防止した小型実装モジュールを形成することができる。
【００２８】
さらに、実装工程の前段に、バンプ形成工程及びバンプ接合面平坦化工程を設けることによって、特別な設備の追加等を行うことなく、小型実装モジュールの生産を連続的に行うことができる。
【００２９】
図６ないし図８は小型実装モジュールの他の構成例にかかり、図６は金メッキバンプを設けた回路基板を説明する図、図７はバンプ接合面平坦化工程で整形された平坦面を有する回路基板を説明する図、図８は実装工程における回路基板と半導体チップとを説明する図である。
【００３０】
前記実施形態においては、回路基板２の接続パターン２ａに設けるバンプ４をスタッドバンプ４ａとしていたが、図６に示すように本実施形態においてはバンプ４を金メッキバンプ４ｂとしている。回路基板２Ａに設けられる金メッキバンプ４ｂは、接続パターン２ａからの高さ寸法が同一に形成することが可能であるが、前述の回路基板２と同様に実装面に反りやうねり等が生じることによって、たとえ予め高さ寸法を同一に形成した場合であっても、例えば反りによって基準平面１０に対する金メッキバンプ４ｂの高さ方向の寸法に対してバラツキが生じる。
【００３１】
このため、金メッキバンプ４ｂを設けた回路基板２Ａにおいても、バンプ接合面平坦化工程で、図中の二点鎖線で示すように平坦面形成部材５を配置させて、金メッキバンプ４ｂの接合面側を所定の力量で所定時間押圧する。このことによって、図７に示すように各金メッキバンプ４ｂ、…、４ｂの接合面側が押しつぶされて、実装面の有する反りやうねりに関わらず、基準平面１０に対して平行な一点鎖線に示す平坦面２ｂを構成する接合用平面部２ｃが各金メッキバンプ４ｂに一括して形成される。そして、本実施形態においても、回路基板２に対して半導体チップ３を対向配置させたとき、半導体チップ３の電極平面３ｂと、回路基板２の接合用平面部２ｃとが平行な位置関係になる。 
その他の構成は前記実施形態と同様であり、同部材には同符号を付して説明を省略する。
【００３２】
したがって、前述した実施形態と同様に、実装工程において、図８に示すように半導体チップ３に設けられている端子電極３ａの電極平面３ｂを、金メッキバンプ４ｂに形成されている平坦面２ｂを構成する接合用平面部２ｃ上に配置させたとき、半導体チップ３の電極平面３ｂと、回路基板２に設けられている各金メッキバンプ４ｂの接合用平面部２ｃとの間に均一な接触圧がかかった状態にして、熱圧着による半導体チップ３と回路基板２との接合を行える。このことによって、前述した実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
【００３３】
なお、金メッキバンプの形成に当たっては、通常のメッキ温度であれば良く、圧力は無関係となる。
【００３４】
図９ないし図１２は小型実装モジュールの別の構成例にかかり、図９はスタッドバンプを設けた回路基板と金メッキバンプを設けた半導体チップとを説明する図、図１０は実装工程における回路基板と半導体チップとを説明する図、図１１は小型実装モジュールの応用例にかかるＮＣＰ法によるフリップチップ接続を説明する図、図１２は小型実装モジュールの他の応用例にかかる超音波法によるフリップチップ接続を説明する図である。
【００３５】
上述した実施形態においては、回路基板２の接続パターン２ａにスタッドバンプ４ａ又は金メッキバンプ４ｂを設けていたのに対し、本実施形態においては図９に示すように回路基板２に加えて、半導体チップ３に設けられている端子電極３ａの電極平面３ｂにも例えばスタッドバンプ４ｃを設けている。そして、各スタッドバンプ４ｃの接合面側に、半導体チップ３の表面に対して平行なチップ側接合用平面部４ｄを形成する。そして、回路基板２に対して半導体チップ３を対向配置させたとき、半導体チップ３のチップ側接合用平面部４ｄと、回路基板２の接合用平面部２ｃとが平行な配置関係になる。 
その他の構成は前記実施形態と同様であり、同部材には同符号を付して説明を省略する。
【００３６】
図１０に示すように半導体チップ３の電極平面３ｂに設けられたスタッドバンプ４ｃに形成されたチップ側接合用平面部４ｄを、回路基板２のスタッドバンプ４ａに形成されている接合用平面部２ｃ上に配置した際、前述と同様に半導体チップ３のチップ側接合用平面部４ｄと、回路基板２の接合用平面部２ｃとの間に均一な接触圧がかかるとともに、回路基板２と半導体チップ３との間に、スタッドバンプ４ｃの高さ寸法分だけ間隔の広がった間隙を得られる。
【００３７】
このことによって、反りやうねりの発生した回路基板２のエッジ部と半導体チップ３のエッジ部とが接触することをより確実に防止することができる。その他の作用及び効果は前述した実施形態と同様である。
【００３８】
なお、回路基板２と半導体チップ３とをフリップチップ接続する際、上述したいわゆる熱圧着ではなく図１１に示すように回路基板２の実装面側に熱硬化樹脂６を塗布し、その後、半導体チップ３を配置させた状態で、熱硬化樹脂６を硬化させて、半導体チップ３と回路基板２とを電気的及び機械的に接合固定する。このことによって、熱硬化樹脂を用いたＮＣＰ法による小型実装モジュール１が形成される。
【００３９】
この実施形態においては、半導体チップ３の電極平面３ｂに設けられたスタッドバンプ４ｃに形成されたチップ側接合用平面部４ｄを、回路基板２のスタッドバンプ４ａに形成されている接合用平面部２ｃ上に配置させた際、前述と同様に半導体チップ３のチップ側接合用平面部４ｄと、回路基板２の接合用平面部２ｃとの間に均一な接触圧がかかる。したがって、回路基板２に塗布された熱硬化樹脂６がチップ側接合用平面部４ｄと接合用平面部２ｃとの間から均一に排除される。したがって、ＮＣＰ法における電気的接続の信頼性の大幅な向上を図れる。
【００４０】
なお、ＮＣＰ法によるフリップチップ接続は、熱圧着によるフリップチップ接続に比較して低い温度で、半導体チップと回路基板との接合を行える。このため、ＮＣＰ法において回路基板は、前記セラミック基板に加えて、ガラスエポキシ基板等であっても熱的な影響が緩和されて良好な接合が可能である。
【００４１】
また、半導体チップ３のチップ側接合用平面部４ｄを、回路基板２の接合用平面部２ｃ上に配置させた際、半導体チップ３のチップ側接合用平面部４ｄと、回路基板２の接合用平面部２ｃとの間に均一な接触圧がかかることを利用して、図１２に示すように回路基板２の接合用平面部２ｃと半導体チップ３のチップ側接合用平面部４ｄとを当接させた状態において、半導体チップ３の裏面３ｃに超音波振動装置に備えられた振動部７を当接させる。そして、所定の荷重下で振動部７から発生される超音波振動によって、接合用平面部２ｃとチップ側接合用平面部４ｄとの接触面を振動させて、半導体チップ３と回路基板２とを電気的及び機械的に接合固定する。このことによって、超音波法による小型実装モジュール１が形成される。
【００４２】
なお、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である。また、本実施形態では、金属バンプとしてスタッドバンプ及び金メッキバンプについて説明したが、これらには限定されず、ＴＡＢ実装に用いる転写バンプを応用して金属バンプを形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１ないし図５は本発明の一実施形態に係り、図１は小型実装モジュールを説明する図
【図２】バンプ形成工程におけるスタッドバンプを設けた回路基板を示す図
【図３】スタッドバンプの接合面側に平坦面を整形するバンプ接合面平坦化工程を説明する図
【図４】バンプ接合面平坦化工程で整形された平坦面を有する回路基板を説明する図
【図５】実装工程における回路基板と半導体チップとを説明する図
【図６】図６ないし図８は小型実装モジュールの他の構成例にかかり、図６は金メッキバンプを設けた回路基板を説明する図
【図７】バンプ接合面平坦化工程で整形された平坦面を有する回路基板を説明する図
【図８】実装工程における回路基板と半導体チップとを説明する図
【図９】図９ないし図１２は小型実装モジュールの別の構成例にかかり、図９はスタッドバンプを設けた回路基板と金メッキバンプを設けた半導体チップとを説明する図
【図１０】実装工程における回路基板と半導体チップとを説明する図
【図１１】小型実装モジュールの応用例にかかるＮＣＰ法によるフリップチップ接続を説明する図
【図１２】小型実装モジュールの他の応用例にかかる超音波法によるフリップチップ接続を説明する図
【図１３】有機ビルトアップ基板において、内層パターン同士が接触している状態を示す図
【符号の説明】
【００４４】
１…小型実装モジュール    
２…回路基板    
２ａ…接続パターン
２ｂ…平坦面
２ｃ…接合用平面部
３…半導体チップ
３ａ…端子電極
３ｂ…電極平面    
４ａ…スタッドバンプ    
１０…基準平面    
代理人    弁理士    伊藤  進
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005340393.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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