(57)【要約】【課題】従来に比べて溶融接続の不良の発生確率を低減することができ、信頼性の向上と生産性の向上を図ることのできる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半田バンプの融点より高い温度に暴露して半田バンプを溶融させる加熱工程によって、第１の接続端子と第２の接続端子とを接続する半導体装置の製造方法において、加熱工程中に少なくとも２回以上半田バンプの融点よりも高い温度に暴露され、かつ、少なくとも２回以上半田バンプの融点よりも低い温度に降温される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップに形成された第１の接続端子と、配線基板に形成された第２の接続端子のうちの、少なくともいずれか一方が半田バンプを有し、
前記第１の接続端子と第２の接続端子のうちの少なくともいずれか一方にフラックスを供給し、
前記第１の接続端子と第２の接続端子が対向した位置になるように前記半導体チップを前記配線基板に搭載し、
前記半田バンプの融点より高い温度に暴露して前記半田バンプを溶融させる加熱工程によって、前記第１の接続端子と第２の接続端子とを接続する半導体装置の製造方法において、
前記加熱工程中に少なくとも２回以上前記半田バンプの融点よりも高い温度に暴露され、かつ、少なくとも２回以上前記半田バンプの融点よりも低い温度に降温されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半田バンプの融点が２６０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記加熱工程が、リフロー炉によってなされ、少なくとも１回目の昇温が開始する時点と２回目の降温が開始して前記半田バンプの融点以下になる時点までの間が酸素濃度５００ｐｐｍ以下に保持されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記配線基板が樹脂基板であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１の接続端子が鉛を９０%以上含有するスズ鉛系高融点半田バンプを有し、前記第２の接続端子がスズ鉛共晶半田バンプを有し、
前記加熱工程中に少なくとも２回以上前記スズ鉛共晶半田バンプの融点よりも高い温度に暴露され、かつ、少なくとも２回以上前記スズ鉛共晶半田バンプの融点よりも低い温度に降温されることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半田バンプによる溶融接続部を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半田バンプを介した溶融接続を用いた半導体装置、例えばフリップチップ型半導体装置等が知られている。このような半田バンプを使用した溶融接続の場合、接続を形成するためには、半田バンプ表面に形成された酸化膜等の不活性膜を取り除く必要がある。通常、半田バンプの部分にフラックスを供給した後、リフロー炉で高温に曝し、フラックスの化学反応によって酸化膜を除去して、接続を達成する方法が一般的である。
【０００３】
しかしながら、酸化膜の除去のされやすさが、半田バンプの形成状態等に左右されて、時として非常に困難となり、酸化膜を残したまま接続工程を終了してしまいコールドジョイントと呼ばれる断線不良を作りこんでしまう危険性を持っていた。特に、鉛添加量が９０％を超えるスズ鉛系高融点半田バンプをチップ側に形成し、配線基板側にスズ鉛共晶半田バンプを形成して、接続するような場合においては、チップ側の高融点半田の酸化膜の除去が非常に難しいため、コールドジョイント発生の危険性が非常に高くなっていた。
【０００４】
ここで、上記のような半田バンプを用いたフリップチップ型半導体パッケージの製造工程を例に、どのようにしてコールドジョイントが発生するかについて説明する。図３（ａ）に示すように、半導体チップ１の接続端子には、半田バンプ２が形成され、配線基板３の接続端子には、半田バンプ４が形成されている。半田バンプ２は、例えば、鉛添加量が９０％を超えるスズ鉛系高融点半田バンプであり、半田バンプ４は、例えば、スズ鉛共晶半田バンプである。そして、半田バンプ４の部分にフラックス６が供給される。次に、図３（ｂ）に示すように、半導体チップ１を配線基板３上にフェイスダウンで搭載し、リフロー炉での加熱により溶融接続を行う。
【０００５】
リフロー炉での加熱工程において、図３（ｃ）に示すように、半田バンプ４は、始めの状態では酸化膜５に覆われている。そして、図３（ｃ）に矢印７で示すように、温度上昇に伴い、配線基板３には熱膨張が生じる。
【０００６】
加熱温度が上昇すると、図３（ｄ）に符号８で示すように、酸化膜５がフラックス６との化学反応により除去される。そして、酸化膜５が除去されて半田の金属面が露出すると、固体の高融点半田が液状の共晶半田中に溶け出していき、図３（ｅ）に示すように、溶融接続１０が達成される。ここで、何らかの理由により、半田バンプ２の酸化膜５が残存している場合には、当該固液反応が起きず、溶融接続１０が実現できない。ただし、固液反応が起きた接続点での半田の表面張力により、図３（ｄ）に矢印９で示すように半導体チップ１が配線基板３へ引き寄せられるため、酸化膜が残っていて固液反応が起きなかった部分も押し付けられて、接触だけはしている。このような状態のままで加熱工程を終了してしまったものがコールドジョイントと呼ばれる不良である。図３（ｅ）において、符号１１は、未溶融接続部（コールドジョイント）を示している。
【０００７】
なお、半導体チップ１と配線基板３とでは、前者の熱膨張率が３．５ｐｐｍ、後者のそれが１７ｐｐｍと大きく異なるため、加熱高温下においては、配線基板３の方が大きく熱膨張しており、半田バンプ２，４の対向位置も配線基板３側の方が外側となっている。したがって、配線基板３側にある液状の半田バンプ４に対し、半導体チップ２中心側に少しオフセンターした位置に固体の高融点半田バンプ２が押し付けられる状態になるため、半田バンプ４が半導体チップ１の外側に倒れるように変形するという特徴がある。
【０００８】
上記のようなコールドジョイントを防止するための対策として、一般には、リフロー温度を上げる、リフロー時の半田融点以上に暴露する時間を長くするという手法が取られるが、配線基板に低価格な樹脂基板を用いた場合には、その耐熱性の問題により十分な対策が取れないのが実情であった。また、樹脂基板を用いない場合であっても、半田の下地のバリアメタルが拡散して消失する等の不具合があり、やはり十分な対策は取れなかった。また、熱的な負荷を考慮して、半田の融点以下の、例えば１２０℃程度でプレヒートを長時間行うことによってフラックスによる酸化膜除去を進めるという方法も提案されているが、実際にはその効果はほとんど得られないのが実情であった。
【０００９】
また、プレヒート時の温度プロファイルを２段階とし、第１段目のプレヒート温度をより、第２段目のプレヒート温度を高くする技術も知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−１７８１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように、従来においては、溶融接続の不良の発生する確率が高く、半導体装置における信頼性の低下と、生産性の低下を招くという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、従来に溶融接続の不良の発生確率を低減することができ、信頼性の向上と生産性の向上を図ることのできる半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様によれば、半導体チップに形成された第１の接続端子と、配線基板に形成された第２の接続端子のうちの、少なくともいずれか一方が半田バンプを有し、前記第１の接続端子と第２の接続端子のうちの少なくともいずれか一方にフラックスを供給し、前記第１の接続端子と第２の接続端子が対向した位置になるように前記半導体チップを前記配線基板に搭載し、前記半田バンプの融点より高い温度に暴露して前記半田バンプを溶融させる加熱工程によって、前記第１の接続端子と第２の接続端子とを接続する半導体装置の製造方法において、前記加熱工程中に少なくとも２回以上前記半田バンプの融点よりも高い温度に暴露され、かつ、少なくとも２回以上前記半田バンプの融点よりも低い温度に降温されることを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来に比べて溶融接続の不良の発生確率を低減することができ、信頼性の向上と生産性の向上を図ることのできる半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示すものである。本実施形態は、本発明の半導体装置の製造方法を半田バンプを用いたフリップチップ型半導体パッケージの製造工程に適用したものである。
【００１５】
図１（ａ）に示すように、半導体チップ１の接続端子には、半田バンプ２が形成され、配線基板３の接続端子には、半田バンプ４が形成されている。半田バンプ２は、例えば、鉛添加量が９０％を超えるスズ鉛系高融点半田バンプであり、半田バンプ４は、例えば、スズ鉛共晶半田バンプである。そして、半田バンプ４の部分にフラックス６が供給される。
【００１６】
次に、図１（ｂ）に示すように、半導体チップ１を配線基板３上にフェイスダウンで搭載し、リフロー炉での加熱により溶融接続を行う。
【００１７】
リフロー炉での加熱工程において、半田バンプ４は、始めの状態では酸化膜５に覆われている。そして、図１（ｃ）に矢印７で示すように、温度上昇に伴い、配線基板３には熱膨張が生じる。
【００１８】
加熱温度が上昇すると、図１（ｄ）に符号８で示すように、酸化膜５がフラックス６との化学反応により除去される。そして、酸化膜５が除去されて半田の金属面が露出するとともに、加熱温度が半田バンプ４の溶融温度以上となると、固体の高融点半田が液状の共晶半田中に溶け出していき、図１（ｅ）に示すように、溶融接続１０が達成される。この時点では、符号１１で示すように、半田バンプ２の酸化膜５が残存し、溶融接続１０が実現できない部位（未溶融接続部）が残存している。ただし、固液反応が起きた接続点での半田の表面張力により、矢印９で示すように半導体チップ１が配線基板３へ引き寄せられるため、酸化膜が残っていて固液反応が起きなかった部分も押し付けられて、接触だけはしている。
【００１９】
次に、図１（ｆ）に示すように、未溶融接続部１１を残したまま、一旦半田バンプ４の融点以下の温度にまで冷却される。このように、半田バンプ４の融点以下の温度まで冷却することにより、半田バンプ４が凝固して固形化し、固体の半田バンプ２と半田バンプ４とが押し付けられることによって半田表面に傷が付けられる。すなわち、図１（ｆ）においては、スズ鉛共晶半田バンプである半田バンプ４の融点以下の温度になっているため、半田バンプ４も固形化しており、矢印１２で示すように冷却による配線基板３の収縮により、矢印１３で示すように、固形化した配線基板３側の半田バンプ４と、半導体チップ１側の半田バンプ２とが押し付けられ、擦られる。
【００２０】
これにより、図１（ｇ）に符号１４で示すように、半田パンプ２あるいは、半田バンプ４のいずれかを覆っていた酸化膜５は部分的に破壊される。そして、再度半田バンプ４の融点以上に加熱される。これにより、矢印７で示すように、配線基板３が膨張して、半導体チップ１側の半田バンプ２に対して、配線基板３側の半田バンプ４が再び外側に離れていくが、半田パンプ４の融点を超えるため、倒れた形状にあった配線基板３側の半田バンプ４は半球状に丸まろうとして、半導体チップ１側の半田バンプ２に接触する。ここで、両者の固液反応を妨げる酸化膜５は既に一部で破壊されているため、同部を起点にして固液反応が開始し、その表面張力によって周りの酸化膜５も決壊していく。
【００２１】
そして、図１（ｈ）に示すように、未溶融接続部１１のない状態となり、全ての半田バンプ２と半田バンプ４が溶融接続された状態で、半田バンプ４の融点以下の温度まで冷却される。
【００２２】
図２は、本実施形態におけるリフロー温度プロファイルの一例を示すグラフである。図２に示すように、本実施形態におけるリフロー温度プロファイルでは、始めに２２１℃ピークで１８３℃以上７７秒暴露の半田溶融プロセスを経た後、一旦１４８℃まで冷却し、その後２３０℃ピークで１８３℃以上１０２秒暴露の半田溶融プロセスに再投入されるプロファイルとなっている。１８３℃以上の温度に暴露される総時間は１７９秒である。
【００２３】
このリフロー温度プロファイルによって、チップサイズ１８×１８ｍｍ、最小半田バンプピッチ２００μｍ、半田バンプ数６５１２個、半田組成９５％Ｐｂ/５％Ｓｎの半導体チップと、当該半導体チップと対向する位置に３７％Ｐｂ/６３％Ｓｎの共晶半田バンプを形成したビルドアップ基板とをロジン系のフラックスを介してフリップチップ接続した際のコールドジョイント発生数は、以下の表１に示されるように５０パッケージで０個（コールドジョイント発生率が０％）であった。
【表１】
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【００２４】
一方、比較のため、従来のリフロー温度プロファイルで図４乃至図７に示すようにピーク温度を２１０℃と２３０℃、１８３℃以上の暴露時間を１００秒弱と２００秒強とで、パラメータサーベイした。この結果、表１（比較例１〜４）に示されるように、ピーク温度を上げた方が、また、１８３℃以上の暴露時間を長くした方が、コールドジョイント発生率が低減することが確認できた。
【００２５】
この結果をもとに、ピーク温度を２３０℃にして、１８３℃以上の暴露時間を極端に長時間(８００秒弱)にしたリフロー温度プロファイルが図８である。この図８のリフロー温度プロファイルを採用した場合、表１（従来例５）に示されるように、コールドジョイント発生率が６％となり、図７のリフロー温度プロファイル（コールドジョイント発生率が１４％）よりもさらにコールドジョイント発生率が低減できた。しかしながら、この場合においても、図２に示した実施形態のリフロー温度プロファイル、すなわち１８３℃以上に暴露される総時間が４分の１以下の１７９秒しかないリフロー温度プロファイルでの結果（コールドジョイント発生率が０％）には及ばなかった。
【００２６】
なお、同様の効果は、例えば図４のようなプロファイルのリフローを２回通すことによっても期待できる。しかしながら、この場合には、生産性が悪化することはもちろんであり、加えて、冷却過程で一旦リフロー炉から排出されるため、窒素雰囲気に制御された状態から大気中の酸化されやすい環境に暴露されてしまう。したがって、雰囲気制御されたリフロー炉の中で温度プロファイルを２ピークにして接続を完了させてしまうことがより好ましい。
【００２７】
また、本実施形態では、半導体チップ１と配線基板３との熱膨張率差を利用して半田酸化膜５に傷を付けるため、配線基板３が、例えば熱膨張率が７ｐｐｍのアルミナセラミックスであっても効果が得られるものの、１５〜２０ｐｐｍという大きな熱膨張率をもつ樹脂製の配線基板３を用いることが好ましい。
【００２８】
なお、上記実施例においては、半導体チップ１側に鉛９０％以上のスズ鉛系高融点半田バンプ２を、配線基板側にスズ鉛系共晶半田バンプ４を形成した場合を例にして説明したが、半田バンプは半導体チップ側かあるいは配線基板側の少なくとも一方が低融点であることが好ましい。この場合、例えば、半導体チップ、配線基板のいずれにもスズ鉛系共晶半田を用いても良く、またスズ鉛系共晶半田の代わりに鉛フリー半田を用いても良い。鉛フリー半田の組成としては、純スズ、銀と銅と亜鉛とアンチモンとビスマスとインジウムの少なくともいずれかひとつを含むスズ系半田、ビスマスを主成分とする半田、インジウムを主成分とする半田、のいずれであっても良い。
【００２９】
また、本実施形態のリフロー温度プロファイルを用いれば、例えばスズ亜鉛系のような表面活性化が困難な鉛フリー半田を用いた場合においても高い接続歩留まりを得ることができる。また、半田バンプを半導体チップ側あるいは配線基板側のいずれか一方にだけ形成して、対向する接続点には半田付けが可能な金属による電極、あるいは非溶融バンプ、を形成しても良い。要は、１段目の昇温で少なくともいずれか一方の半田バンプが溶融し、途中の冷却で対応する接続点の双方が固体状態であって、２段目の昇温で再び少なくともいずれか一方の半田バンプが溶融すれば、前述した作用効果が得られる。また、３段目以降の昇温ピークを形成しても良いことは勿論である。
【００３０】
さらに、同様の効果は、例えばＢＧＡパッケージにおける半田ボールを介したボード実装においても得られる。ＢＧＡ実装では、実装基板側には半田ペーストを使うことが一般的であり、この場合、１段目の半田溶融で半田ペーストが溶融凝集するため、途中の冷却において半田の固まりとしてＢＧＡボール表面に傷を付けることができる。
【００３１】
さらに本実施形態のリフロープロファイルを実現できるリフロー炉の仕様は、５槽以上の個別温度制御できる加熱ゾーンを具備していて、それらのいずれのゾーンをも酸素濃度５００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気に制御する機能を具備していることが好ましい。さらに、より好ましくは、中間の加熱ゾーンが強制冷却用のチラーに連結されていることが望ましい。
【００３２】
以上のとおり、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、半田バンプを介した溶融接続において、過剰な高温処理を用いることなく、極めて高い歩留まりを得ることができる。すなわち、例えば半田フリップチップ接続における重大な不良モードであるコールドジョイントの発生率を低減させることができる。また、過剰な高温処理による以下の不具合を未然に回避することができる。すなわち、配線基板に樹脂材料を用いた場合には、樹脂の耐熱劣化による変色、クラック、剥れ、変形等の不具合、バンプ下地として形成されたバリアメタルの拡散による消滅、あるいは薄膜化、およびそれに伴う寿命の劣化の不具合、他の電極端子、例えば、配線基板の裏面に形成されたＢＧＡパッドなどの酸化の進行、あるいはバリアメタルの拡散、を原因とする当該箇所の接合性の劣化の不具合、半導体チップ自体の特性変動の不具合、その他、同時に高温処理に暴露される電子部品等の耐熱劣化接続に用いるフラックスの焼き付きによる洗浄性の劣化の不具合である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図。
【図２】図１の半導体装置の製造方法におけるリフロー温度プロファイルの一例を示す図。
【図３】コールドジョイントの発生メカニズムを説明するための図。
【図４】比較例におけるリフロー温度プロファイルの例を示す図。
【図５】比較例におけるリフロー温度プロファイルの例を示す図。
【図６】比較例におけるリフロー温度プロファイルの例を示す図。
【図７】比較例におけるリフロー温度プロファイルの例を示す図。
【図８】比較例におけるリフロー温度プロファイルの例を示す図。
【符号の説明】
【００３４】
１……半導体チップ、２……半田バンプ（鉛９０％以上のスズ鉛系高融点半田バンプ）、３……配線基板、４……半田バンプ（スズ鉛系共晶半田）、５……酸化膜、６……フラックス。
【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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