(57)【要約】【課題】半田の種類によることなくフラックスレスで良好な濡れ性を確保し、且つチップと基板との間隔を広範囲で制御することが可能な実装方法を提供することを目的とする。【解決手段】半田バンプ３を形成したチップ部品１と、半田バンプに対向した電極上５に高融点金属の突起物４を形成した基板２とを用いて実装を行う。あらかじめチップ部品１に半田バンプ３の融点以上の熱を加えつつ、半田バンプ３を接続すべき基板２の突起物４に挿入する。次に、チップ部品１と基板２との間隔９が所望の距離になるように突起物４を変形させるための圧力をチップ部品１に加え、チップ部品１と前記基板２とを接続した接続体を作製する。次に、周囲温度を半田バンプ３の融点以下の温度に冷却して実装を終了する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品の電極上に半田バンプを形成する第１の工程と、
前記電子部品の電極に対向した基板の電極上に高融点金属の突起物を形成してボンディングステージに載せる第２の工程と、
前記電子部品の電極側と反対の面をボンディングヘッドに吸着し前記半田バンプの融点以上の熱を加える第３の工程と、
前記ボンディングヘッドを前記ボンディングステージに移動して、前記電子部品の半田バンプに対応する前記基板の電極上の前記突起物に、前記半田バンプを所定の圧力で挿入し、前記電子部品と前記基板とを接続する第４の工程と、
を含むことを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項２】
前記電子部品の電極上に高融点金属の突起物を形成する第１の工程と、
前記電子部品の電極に対向した前記基板の電極上に半田バンプを形成して
ボンディングステージに載せる第２の工程と、
前記電子部品をボンディングヘッドに吸着する第３の工程と、
前記基板に前記半田バンプの融点以上の熱を加えつつ、
前記ボンディングヘッドを前記ボンディングステージに移動して、
前記電子部品の前記突起物に対応する前記基板の電極上の前記半田バンプに、
前記突起物を所定の圧力で挿入し、前記電子部品と前記基板とを接続する第４の
工程と、
を含むことを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項３】
前記高融点金属の突起物はＡｕを主成分とし、前記半田バンプはＡｕＳｎであることを特徴とする請求項１及び２に記載の電子部品の実装方法。
【請求項４】
前記第２の工程において、形成される高融点金属の突起物はスタッドバンプであり、このスタッドバンプの先端部を尖らせたままで前記第４の工程に使用することを特徴とする請求項１及び２に記載のチップ部品の実装方法。
【請求項５】
前記第３の工程において加える熱は、前記半田バンプが溶融し、そのバンプ形状を保持したまま表面張力で前記電子部品と接続されている範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の実装方法。
【請求項６】
前記第４の工程において加える熱は、前記半田バンプが溶融し、そのバンプ形状を保持したまま表面張力で前記電子部品と接続されている範囲にあることを特徴とする請求項２に記載の電子部品の実装方法。
【請求項７】
前記ボンディングステージは、前記半田ボールに所定の熱を加えることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の実装方法。
【請求項８】
前記ボンディングヘッドは、前記半田ボールに所定の熱を加えることを特徴とする請求項２に記載の電子部品の実装方法。
【請求項９】
前記第４の工程における所定の圧力は、接続後の前記電子部品と前記基板の距離が所望の値になるように予め定められた圧力と距離の関係によって決まる値を用いるものであることを特徴とする請求項１及び２に記載の電子部品の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半田バンプを用いて半導体チップ部品と基板部品とを電気的に接続する実装方法であり、特には半導体チップ部品と基板部品との間隔を高精度に制御することを求められる実装方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半田バンプを用いた実装方法は量産性がよく良好な金属接合を得られるということで広く実施されており、代表的なものにＣ４工法がある。
【０００３】
しかし、このＣ４工法は、フラックスの使用が必要なことと、半導体チップと基板との間隔を一定に保つことが難しいと云う課題がある。フラックスを使用することにより、洗浄工程が必要となることやフラックス残渣による半導体素子や接合部の信頼性低下が起こる。また、半導体チップと基板の間隔がばらつきやすいことは、間隔が狭くなった場合にはバンプ間ショートやアンダーフィルボイドの発生要因となる。
【０００４】
これらの欠点を改善するために、半田バンプに対向した基板電極上に半田より硬質のスタッドバンプを配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。これによると、半田より硬質のスタッドバンプを半田バンプに押圧することで半田バンプ表面の酸化膜を破壊することができ、フラックスを用いずとも半田濡れ性を確保できるとある。また、スタッドバンプがあるため、チップと基板との間隔が狭くなりすぎたり、チップが傾いたりすることを防止できる。
【特許文献１】特開平１１−１８６３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、スタッドバンプ材料として、一般的に使用されるＡｕの硬度は２０ＨＶ程度である。一方、近年の環境規制により使用が望まれているＰｂフリー半田の硬度は１５〜３０ＨＶの硬度であり一般的に使用されるＳｎＰｂの硬度（約１１ＨＶ）よりも硬い。さらには、光部品実装でよく使用される高融点半田材料のＡｕＳｎ（重量比８０：２０）の硬度は約１８０ＨＶと非常に大きい。
【０００６】
従って、前記従来技術を用いてスタッドバンプよりも硬度の高い半田バンプを使用すると、押圧時に半田バンプ表面の酸化膜を十分に破壊することはできないので、良好な半田濡れ性を得ることは難しい。
【０００７】
また、前記従来技術においては、スタッドバンプの先端部が細長い場合には信頼性が低下する。すなわち、先端部が半田バンプに接触すると同時に横方向に折れ曲がってしまい、半田との接続信頼性が低下するほか、電極間隔が狭ピッチの場合には電極間でショートするなどの不良が生じてしまう。そのため、スタッドバンプの先端部をレベリングと呼ばれる工程により潰し、スタッドバンプの高さを揃える処理する必要がある。さらに、スタッドバンプの全体高さはレベリング前の約７０〜８０μｍから約４０〜５０μｍとなるため、チップと基板との間隔を５０μｍ以上にすることはできない。
【０００８】
本発明は、前記従来技術の課題を解決するもので、押圧時のみ半田バンプの硬度を下げることが出来るので、半田の種類によることなくフラックスレスで良好な濡れ性を確保し、且つチップと基板との間隔を広範囲で制御することが可能な実装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】
【０００９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の部品の実装方法は、電子部品の電極上に半田バンプを形成する第１の工程と、前記電子部品の電極に対向した基板の電極上に高融点金属の突起物を形成してボンディングステージに載せる第２の工程と、前記電子部品の電極側と反対の面をボンディングヘッドに吸着し前記半田バンプの融点以上の熱を加える第３の工程と、前記ボンディングヘッドを前記ボンディングステージに移動して、前記電子部品の半田バンプに対応する前記基板の電極上の前記突起物に、前記半田バンプを所定の圧力で挿入し、前記電子部品と前記基板とを接続する第４の工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の部品の実装方法によれば、半田の種類によることなくフラックスレスで良好な濡れ性を確保し、且つチップと基板との間隔を広範囲で制御することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の使用部品構成と実装プロセスを示したものである。図１ａは、チップ部品である半導体チップ１とその接続先の基板２を示す。半導体チップ１には面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用い、基板２にはガラス基板を使用している。半導体チップ１の電極上には融点約２８０度のＡｕＳｎ（重量比Ａｕ８０％Ｓｎ２０％）の直径約１００μｍの半田ボール３が形成されており、またガラス基板２の電極上にはＡｕスタッドバンプ４が形成されている。このＡｕスタッドバンプ４はワイヤボンディング装置を用い、キャピラリ先端に形成したＡｕボールを電極上にボンディングし、そのままワイヤを上方向に引きちぎる方式で形成しているので、スタッドバンプ先端は尖った形状となる。金線は、直径が２５μｍのものを使用し、スタッドバンプの形状は、台座径約７５μｍ、台座厚約２５μｍ、高さ約８０μｍである。なお、通常の実装においてはスタッドバンプの先端部は高さを揃えるためにバンプ先端を潰し込む（レベリング）工程を入れるが、この実施例ではチップと基板との間隔（ギャップ）８を広範囲で制御可能とするために、先端部はレベリングせずにわざと尖らせたままのものを用いることとする。
【００１３】
図１ｂは、ボンディング装置による半導体チップ１および基板２の吸着と位置決めの工程を示したものである。このボンディング装置は一般的な加圧制御のボンディング装置であり、真空吸引を行い部材の吸着を行う。また、ボンディングヘッド６とボンディングステージ７にはヒーターが内蔵されており、チップと基板を加熱できるようになっている。また、図には描かれていないが半田再酸化防止のためのガス吹き付け機構がステージ周辺付近に取り付けられている。
【００１４】
図１ｃは、実装前にあらかじめ半導体チップ１をボンディングヘッド６のヒーターによりＡｕＳｎ半田ボールの融点である２８０℃以上に加熱した工程を示したものである。このとき、半田ボール３はその内部まで溶融しており表面張力により半導体チップ１の電極と接続している。また、半田ボールの表面には、酸化膜が形成されている。本実施例では、ボンディングヘッド６のヒーターは余裕をみて３２０℃で加熱している。これは、ボンディングヘッドのヒーター部から半導体チップまでの間に距離があるために生じる放熱を考慮して、半導体チップの半田バンプを十分に溶融させるために行った。なお、この実施例の場合、ボンディングステージ７のヒーターは２００℃で加熱しているが、半田の融点温度程度で加熱しても良い。しかし、ヒーターの温度を１５０℃未満にすると、溶融したＡｕＳｎ半田とＡｕスタッドバンプ４とが合金化されないため、良好な接合強度を得ることはできない。
【００１５】
図１ｄは、ボンディングヘッド６を降下させて実装を開始した直後の工程を示したものである。ボンディングヘッド６およびボンディングステージ７を上記工程の温度で加熱している。半田ボール３がＡｕスタッドバンプ４に接するとき、半田ボール３はすでに溶融状態にあり柔らかいため、Ａｕスタッドバンプ４の先端は折れ曲がることはなく、容易に半田ボール３内に差し込まれていくことになる。また、半田ボール３表面の酸化膜はＡｕスタッドバンプ４の先端によって破れられるため良好な濡れ性を得ることができる。もし、ボンディングヘッド６を半田融点以上で加熱せず半田ボール３が溶融していない状態で実装を行うと、Ａｕスタッドバンプ４の先端は折れ曲がり、半田ボール３との接合性を悪くするほか、隣接する電極などとショートする場合がある。
【００１６】
表１は、ボンディングヘッド６の加熱温度とその接合状態の合否を判定したものである。判定基準としては、Ａｕスタッドバンプ４の先端部がＡｕＳｎ半田ボール３にまっすぐに挿入されること、必要な接続強度である２０ｇｆ／ｂｕｍｐを満たしていることをＯＫと判断し、この基準を満たさない場合とオープン不良やショート不良が発生した場合をＮＧと判断した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
表１に示すようにＡｕＳｎの融点である２８０度未満の条件では半田ボール３は溶融していないため、Ａｕスタッドバンプ４の先端部は半田ボール３の内部に侵入できず、折れ曲がり接続できなかった。ＡｕＳｎ融点以上である３００℃、３２０℃、４００℃の条件では先端部が折れ曲がらずに半田ボール３にまっすぐ挿入することが出来、十分な接続を得ることができた。しかし、６００℃という条件では、高温になりすぎることで半田ボール３の表面張力が大きく下がり、半導体チップ１の電極上から半田ボールが脱落してしまう不良が生じてしまった。また、半田ボールの材料であるＡｕＳｎ融点の２８０度では、接続が出来る場合と出来ない場合があった。これは半田ボール３に加えられる熱は、ボンディングヘッド６を経由して加えられるため、半導体チップ１のサイズによりＡｕＳｎの溶融状態がばらついたものと考えられる。接合のばらつきを無くすには、半導体チップに加わる熱の効率を上げることが必要で、ボンディングヘッド６の材質や寸法を半導体チップに合わせて、適宜、最適な値を選択すれば良い。以上の結果から、ボンディングヘッド６の加熱温度は２８０℃から４００℃までの間で設定すれば良好な接合が得られることがわかる。
【００１９】
図１ｅは、ボンディングヘッド６に所定の加圧を加えて、Ａｕスタッドバンプ４を押し潰す工程を示したものである。ボンディングヘッド６およびボンディングステージ７を上記工程の温度で加熱している。
【００２０】
次にボンディングヘッドの加圧力によってギャップ８の調整を行う方法を示す。図３は加圧力とギャップの関係をグラフ化したものであり、加圧力とギャップとの間には強い相関関係があることを示している。図３に示す加圧力は、１バンプ当たりに加わる力で表している。図３より、実装時の加圧力を調整することで容易にギャップ９を約７０μｍから３０μｍまで自由に制御できることがわかる。この実施例では、半導体チップ１と基板２のギャップ９は５０μｍを狙っているため加圧力は３０ｇ／ｂｕｍｐとした。また、繰り返しばらつきとチップ面内ばらつきとを含んだ精度は±３μｍ以内に収めることが可能である。
【００２１】
図１ｆは、半導体チップ１の吸着および加圧を解除しボンディングヘッドを上昇させた工程を示したものである。ボンディングヘッド６とボンディングステージ７の加熱も終了させて、半田を硬化させる。また、この発明では高融点金属の突起物があり突起物よりギャップが狭まることがないため半田が溶融している状態ですぐにボンディングヘッドの吸着および加圧を解除してもチップが傾くことはなく、実装時間を大幅に短縮することができる。以上で実装プロセスは終了となる。
【００２２】
また、上記実装工程において、半田の再酸化を防止するため、窒素ガスを吹き付けながら実装を行っている。さらに、窒素が常温の場合は半田溶融の妨げになるため、この窒素ガスは２００℃で加熱されている。
【実施例２】
【００２３】
図２は実施例２の使用部品構成と実装プロセスを示したものである。なお、実施例１と大きく相違する点は、Ａｕスタッドバンプ４を半導体チップ１上に、半田バンプ３を基板２上に形成した点である。
【００２４】
図２ａは、チップ部品である半導体チップ１とその接続先の基板２を示す。半導体チップ１には面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用い、基板２にはガラス基板を使用している。半導体チップ１の電極上にはＡｕスタッドバンプ４が形成されている。このＡｕスタッドバンプ４はワイヤボンディング装置を用い、キャピラリ先端に形成したＡｕボールを電極上にボンディングし、そのままワイヤを上方向に引きちぎる方式で形成しているので、スタッドバンプ先端は尖った形状となる。金線は、直径が２５μｍのものを使用し、スタッドバンプの形状は、台座径約７５μｍ、台座厚約２５μｍ、高さ約８０μｍである。なお、通常の実装においてはスタッドバンプの先端部は高さを揃えるためにバンプ先端を潰し込む（レベリング）工程を入れるが、この実施例ではチップと基板との間隔（ギャップ）８を広範囲で制御可能とするために、先端部はレベリングせずにわざと尖らせたままのものを用いることとする。また、ガラス基板２の電極上には融点約２８０度のＡｕＳｎ（重量比Ａｕ８０％Ｓｎ２０％）の直径約１００μｍの半田ボール３が形成されている。
【００２５】
図２ｂは、ボンディング装置による半導体チップ１および基板２の吸着と位置決めの工程を示したものである。このボンディング装置は一般的な加圧制御のボンディング装置であり、真空吸引を行い部材の吸着を行う。また、ボンディングヘッド６とボンディングステージ７にはヒーターが内蔵されており、チップと基板を加熱できるようになっている。また、図には描かれていないが半田再酸化防止のためのガス吹き付け機構がステージ周辺付近に取り付けられている。
【００２６】
図２ｃは、実装前にあらかじめ基板２をボンディングステージ７のヒーターによりＡｕＳｎ半田ボールの融点である２８０℃以上に加熱した工程を示したものである。このとき、半田ボール３はその内部まで溶融しており表面張力により半田ボールの形を保ちつつ基板２の電極と接続している。また、半田ボールの表面には、酸化膜が形成されている。本実施例では、ボンディングヘッド６のヒーターは余裕をみて３２０℃で加熱している。これは、ボンディングステージのヒーター部から基板までの間に距離があるために生じる放熱を考慮して、半導体チップの半田バンプを十分に溶融させるために行った。なお、この実施例の場合、ボンディングヘッド６のヒーターは２００℃で加熱しているが、半田の融点温度程度で加熱しても特に問題はない。ただし、ヒーターの温度を１５０℃未満と下げすぎると、溶融したＡｕＳｎ半田とＡｕスタッドバンプ４とが合金化されないため、良好な接合強度を得ることはできない。
【００２７】
図２ｄは、ボンディングヘッド６を降下させて実装を開始した直後の工程を示したものである。ボンディングヘッド６およびボンディングステージ７を上記工程の温度で加熱している。半田ボール３がＡｕスタッドバンプ４に接するとき、半田ボール３はすでに溶融状態にあり柔らかいため、Ａｕスタッドバンプ４の先端は折れ曲がることはなく、容易に半田ボール３内に差し込まれていくことになる。また、半田ボール３表面の酸化膜はＡｕスタッドバンプ４の先端によって破れられるため良好な濡れ性を得ることができる。もし、ボンディングステージ７を半田融点以上で加熱せず半田ボール３が溶融していない状態で実装を行うと、Ａｕスタッドバンプ４の先端は折れ曲がり、半田ボール３との接合性を悪くするほか、隣接する電極などとショートする場合がある。
【００２８】
表２は、実施例１と同様に、ボンディングステージ７の加熱温度とその接合状態の合否を判定したものである。判定基準としては、Ａｕスタッドバンプ４の先端部がＡｕＳｎ半田ボール３にまっすぐに挿入されること、必要な接続強度である２０ｇｆ／ｂｕｍｐを満たしていることをＯＫと判断し、この基準を満たさない場合とオープン不良やショート不良が発生した場合をＮＧと判断した。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
表２に示すように、ＡｕＳｎの融点である２８０度未満の条件では半田ボール３は溶融していないため、Ａｕスタッドバンプ４の先端部は半田ボール３の内部に侵入できず、折れ曲がり接続できなかった。ＡｕＳｎ融点以上である３００℃、３２０℃、４００℃の条件では先端部が折れ曲がらずに半田ボール３にまっすぐ挿入することが出来、接続強度も十分であった。ただし、６００℃の条件では、半田ボール３の表面張力が大きく下がり、スタッドバンプ４を突き刺すより先に基板２の電極５や電極から引き回している配線へ半田ボール３が濡れ広がってしまい、スタッドバンプ４との接続面積が減ってしまうことで良好な接続強度が得られなかった。以上の結果から、ボンディングヘッド６の加熱温度は２８０℃から４００℃までの間で設定すれば良好な接合が得られることがわかる。
【００３１】
図２ｅは、ボンディングヘッド６に所定の加圧を加えて、Ａｕスタッドバンプ４を押し潰す工程を示したものである。ボンディングヘッド６およびボンディングステージ７を上記工程の温度で加熱している。
【００３２】
図２ｆは、半導体チップ１の吸着および加圧を解除しボンディングヘッドを上昇させた工程を示したものである。ボンディングヘッド６とボンディングステージ７の加熱も終了させて、半田を硬化させる。また、この発明では高融点金属の突起物があり突起物よりギャップが狭まることがないため半田が溶融している状態ですぐにボンディングヘッドの吸着および加圧を解除してもチップが傾くことはなく、実装時間を大幅に短縮することができる。以上で実装プロセスは終了となる。
【００３３】
また、上記実装工程において、半田の再酸化を防止するため、窒素ガスを吹き付けながら実装を行っている。さらに、窒素が常温の場合は半田溶融の妨げになるため、この窒素ガスは２００℃で加熱されている。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明にかかる電子部品の実装方法は、半田の種類によることなくフラックスレスで良好な濡れ性を確保し、且つチップと基板との間隔を広範囲で制御することが出来るので、チップ部品などの電子部品の実装に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例１における実装工程および構造を示した断面図
【図２】本発明の実施例２における実装工程後の構造を示した断面図
【図３】本発明の実装時の加圧量とギャップの関係を示した図
【符号の説明】
【００３６】
１  半導体チップ
２  基板
３  半田ボール
４  Ａｕスタッドバンプ
５  電極
６  ボンディングヘッド
７  ボンディングステージ
８  チップと基板の間隔（ギャップ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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