(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状半導体素子の表面電極に球状バンプを有する半導体装置の製造方法であって、
配列基板上の前記球状半導体素子の表面電極に対応する位置に、球状バンプを形成すべき導電性ボールを仮配列させ、各導電性ボールを前記球状半導体素子の表面電極に転写接合することを特徴とする球状半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記導電性ボールを配列基板から前記球状半導体素子の表面電極に転写する際、前記配列基板上の各導電性ボールを位置規制しながら転写するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の球状半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記導電性ボールを配列基板から前記球状半導体素子の表面電極に転写する際、前記配列基板表面と前記球状半導体素子表面の間に所定の間隙が形成されるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の球状半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記導電性ボールは、熱圧着により前記球状半導体素子の表面電極に転写接合されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の球状半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記導電性ボールは、溶着により前記球状半導体素子の表面電極に転写接合されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の球状半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記球状半導体素子の表面電極もしくは導電性ボールにフラックスを塗布し、導電性ボールを該電極に転写接合することを特徴とする請求項５に記載の球状半導体装置の製造方法。
【請求項７】
球状半導体素子の電極１組以上の導電性ボールを前記配列基板に配列させておき、１枚の配列基板から１組以上の導電性ボールを供給転写することによりバンプを形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の球状半導体装置の製造方法。
【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、特に表面に１つ以上の電極を有する球状半導体素子からなる球状半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、シリコンウェハ上に集積回路を形成する、これまでの半導体デバイスの代わりに球状シリコンの表面に回路が形成されてなる球状半導体素子が開発されている。この球状半導体素子はその表面に１つ以上の電極を有し、種々の機能を持つ球状半導体素子を組み合わせることにより、多様な機能を持つ半導体装置を実現することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる球状半導体素子はそれ自体では機能することができず、つまり外部回路等と電気信号をやり取りするめに外部と電気的に接続する入出力手段が必要である。このように球状半導体素子自体は優れた機能を持ちながらも、従来では特にその実装レベルで有効な手段がないのが実情であった。
【０００４】
本発明はかかる実情に鑑み、外部との接続性に優れた球状半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の球状半導体装置の製造方法は、球状半導体素子の表面電極に球状バンプを有する半導体装置の製造方法であって、配列基板上の前記球状半導体素子の表面電極に対応する位置に、球状バンプを形成すべき導電性ボールを仮配列させ、各導電性ボールを前記球状半導体素子の表面電極に転写接合することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の球状半導体装置の製造方法において、前記導電性ボールを配列基板から前記球状半導体素子の表面電極に転写する際、前記配列基板上の各導電性ボールを位置規制しながら転写するようにしたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の球状半導体装置の製造方法において、前記導電性ボールを配列基板から前記球状半導体素子の表面電極に転写する際、配列基板表面と前記球状半導体素子表面の間に所定の間隙が形成されるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の球状半導体装置の製造方法において、前記導電性ボールは、熱圧着により球状半導体素子の表面電極に転写接合されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の球状半導体装置の製造方法において、前記導電性ボールは、溶着により前記球状半導体素子の表面電極に転写接合されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の球状半導体装置の製造方法において、前記球状半導体素子の表面電極もしくは導電性ボールにフラックスを塗布し、導電性ボールを該電極に転写接合することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の球状半導体装置の製造方法において、球状半導体素子の電極１組以上の導電性ボールを前記配列基板に配列させておき、１枚の配列基板から１組以上の導電性ボールを供給転写することによりバンプを形成することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、球状半導体素子の表面電極に対応する配列孔を有する配列基板を使用する。この配列基板に一旦、導電性ボールを仮配列させておき、導電性ボールと球状半導体素子の電極とを位置合わせしながら、両者を接触させて導電性ボールを表面電極に転写接合する。
【００１３】
この場合特に半導体素子の表面は球面であるから、導電性ボールを仮配列する際に単に配列基板上に載置しただけでは転写時に位置ずれを起こしてしまう。本発明では配列基板上の各導電性ボールを位置規制しながら接触させることで、導電性ボールを適正かつ確実に転写することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明による半導体装置の製造方法の好適な実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る半導体装置の一実施形態を示している。この例ではたとえば図示のように、球状半導体素子１の電極の位置に導電性の球状バンプ１０が形成されている。
【００１５】
ここで、球状半導体素子１は球状のシリコン結晶材料を用い、複数の製造工程を経て球状結晶材料の表面に所望の回路を形成することでつくられる。この球状半導体素子１自体の製造工程としては主に、結晶材料の清浄工程、酸化膜形成工程、フォトレジスト膜形成工程、球面露光によるフォトリソグラフィ工程、パターン現像工程、エッチング工程等を含んでいる。これらの工程により形成された回路には、外部との電気的接続を行うための電極が設けられる。すなわち複数の電極が球状半導体素子１の球面に沿って列設される。
【００１６】
たとえば、図１の例のように球状半導体素子１の表面の円周に沿って、外部との接続対象となる１組の球状バンプ１０が形成されている。球状バンプ１０は、導電性の金属ボールを球状半導体素子１の電極部に転写したものである。これら１組の球状バンプ１０は、共通の接触平面（球面であってもよい）Ｓを有する。この接触平面Ｓと球状半導体素子１の表面との間に所定の間隙が形成されるように、１組の球状バンプ１０を球状半導体素子１から突出配置してある。
【００１７】
図２は、球状バンプ１０の配列例を模式的に示している。接触平面Ｓに接する１組の球状バンプ１０の各々は、球状半導体素子１の表面に形成されている電極２に接合する。図から明らかなように接触平面Ｓと球状半導体素子１の表面（頂点Ｐとする）間には間隙Ｇが形成される。この間隙Ｇを形成するように球状バンプ１０を球状半導体素子１から突出させて配置することで、球状バンプ１０をたとえば接続対象に加圧して接合する際、球状バンプ１０の有効な加圧変形しろを確保し、適正なバンプ接合を保証する。
【００１８】
図２の図示例において、頂点Ｐを通る接触平面Ｓ′とした場合には球状半導体素子１の表面との間に間隙がなくなり、このような状態では適正なバンプ接合が難しくなる。したがって、球状バンプ１０の配列位置は、下記式を満足することが好ましい。
Ｒ−ｒ≦（ｒ＋Ｒ）ｃｏｓθ  （０≦θ≦２π）
上式において、Ｒは球状半導体素子の半径、ｒは球状バンプの半径、またθは球状半導体素子と球状バンプの中心を結ぶ線と頂点Ｐを通る直径とのなす角度である。
【００１９】
上記構成のように球状半導体素子１の表面の電極２に球状バンプ１０を有する球状半導体装置を製造する本発明方法は、球状半導体素子１の表面の電極２に対応する配列孔を有する配列基板を使用する。この配列基板上に球状バンプ１０を形成すべき導電性の金属ボールを仮配列させ、各導電性の金属ボールを球状半導体素子１の表面電極２に転写接合するというものである。
【００２０】
ここで、図３は本発明方法に係る配列基板２０上に、球状バンプ１０を形成するための導電性の金属ボール１１を仮配列した様子を示している。図１のように球状半導体素子１の表面の円周に沿って球状バンプ１０を形成する場合には、図３に示されるように金属ボール１１が円形に仮配列される。
【００２１】
各金属ボール１１は、図４に示すように配列基板２０の配列孔２１によって位置決めされ、保持されている。配列孔２１は球状半導体素子１の電極２に対応して、この例では円周に沿って形成されている。なお、配列基板２０は平板状のものであってよい。配列孔２１の開口部２１ａはテーパ状に形成されており、このようにテーパを付すことで金属ボール１１の座りをよくし、正確に位置決め保持することができる。
【００２２】
ここで図５に示すように、配列孔２１の開口部２１ａのテーパ角αは、好ましくは１０°＜α＜６０°の範囲に設定される。
また、最も好ましくは３０°−θ＜α＜６０°−θ（θ＜２０°）の範囲とする。
【００２３】
また、配列基板２０の配列孔２１を適当なバキューム源（図示せず）と接続しておいてもよい。つまり配列孔２１に仮配列された金属ボール１１を図４の点線のように負圧吸引し、これにより金属ボール１１を配列孔２１に吸着させるようにすることができる。
【００２４】
本発明方法において金属ボール１１は、熱圧着により球状半導体素子１の表面電極２に転写接合することができる。図６において、配列基板２０には前述の図３のように金属ボール１１が円形に仮配列されているものとする。そして、配列基板２０上に仮配列された金属ボール１１に対して、球状半導体素子１を下降させる。金属ボール１１と球状半導体素子１の電極２とを位置合わせしながら、両者を接触させる。このとき金属ボール１１を適度に加熱して電極２に押しつけることで、金属ボール１１を電極２に転写接合することができ、これにより球状半導体素子１の各電極２に球状バンプ１０が形成される。
【００２５】
上記の場合金属ボール１１は、図４に示したように配列基板２０の配列孔２１にてテーパ状の開口部２１ａによって正確に位置決め保持されている。金属ボール１１を電極２に転写する際、金属ボール１１がぐらつかないように位置規制することで、金属ボール１１を適正かつ確実に転写することができる。
【００２６】
また、金属ボール１１の転写時に配列基板２０の基板表面２０ａと球状半導体素子１の表面（頂点Ｐ、図２参照）との間には間隙Ｇが形成されるようにする。なお、この間隙Ｇは電極２の配列位置、金属ボール１１の大きさ等これらの幾何学的関係によって決まる。
【００２７】
上記のように金属ボール１１を転写接合して、球状半導体素子１の各電極２に球状バンプ１０を形成する場合、金属ボール１１をバキュームによって配列孔２１に吸着させるようにしてもよい。このバキュームを用いると、金属ボール１１が配列基板２０の下面側にくるように保持することができ、上述の場合とは上下位置関係を逆にして金属ボール１１を転写接合することができる。
【００２８】
また、本発明方法において金属ボール１１は、溶着により球状半導体素子１の表面の電極２に転写接合することができる。この場合球状半導体素子１の電極２もしくは金属ボール１１にフラックスを塗布しておくのが好ましい。つまりアルミニウム等の合金からなる電極２は、一般には半田等の低融点金属とは濡れ性が悪いため、上記のようにフラックスを塗布することで良好な接合性を確保することができる。また、半田酸化膜の除去、金属ボールの固定等の目的にもフラックスとして有用な機能を発揮する。
【００２９】
本発明に係る半導体装置を実装する場合、上記のように形成される球状バンプ１０を介して外部回路等に接続することができる。つまり球状半導体素子１の電極２はたとえば、セラミックス基板、フィルムキャリア、シリコン基板、プリント回路基板、リードフレーム、半導体チップまたは球状半導体素子それぞれの電極と接続される。
【００３０】
ここで図７（Ａ）は、球状半導体素子１を用いたＢＧＡパッケージの例を示している。図において、球状半導体素子１の各電極２はそれに形成された球状バンプ１０を介して、プリント回路基板３０と接続される。球状半導体素子１が接続されたプリント回路基板３０はさらに、各種の電子機器等と接続され、これらの電子機器との間で電気信号のやり取りを行うことができる。
【００３１】
この例の場合をはじめ本発明の半導体装置を実装するにあたって、図７（Ａ）に示すように球状半導体素子１を封止材料３で封止するとよい。なお、この封止材料３としては、樹脂あるいは樹脂とフィラーを含むモールドコンパウンド等の絶縁材料で封止するのが好ましい。このように封止することで、球状半導体素子１の回路面の保護を図り、あるいは球状半導体素子１とプリント回路基板３０等の熱膨張係数の差に起因する熱歪みを有効に抑制することができる。
【００３２】
図７（Ｂ）に示すように複数の球状半導体素子１が各電極２に形成された複数の球状バンプ１０を介して相互に接続され、このように接続されたものがプリント回路基板２０と接続されるものであってもよい。この場合、図７（Ａ）に示したように複数の球状半導体素子１全体を封止材料３で封止してもよい。
【００３３】
あるいはまた、図８は、球状半導体素子１を用いたＱＦＰパッケージの例を示している。図において、球状半導体素子１の各電極２はそれに形成された球状バンプ１０を介して、リードフレーム３１と接続される。この場合にも球状半導体素子１を封止材料３で封止するとよい。
【００３４】
さらに、図９は所謂、複数個どりで球状半導体素子１に球状バンプ１０を転写接合する例を示している。この例は、球状半導体素子の電極１組以上の金属ボールを配列基板に配列させておき、１枚の配列基板から１組以上の金属ボールを供給転写するというものである。
【００３５】
たとえば、まず図９（Ａ）のように複数の球状半導体素子１が保持基板１００に並べて保持される。この場合、各球状半導体素子１の電極２が下側に配置されるようにする。配列基板２００には球状半導体素子１に対応して、複数組の金属ボール１１を仮配列させておく。なお、金属ボール１１は、配列基板２００に形成されている仮配列用のディンプルもしくは凹部２０１（図９（Ｂ）参照）によって正確に位置決めされているものとする。この電極２と金属ボール１１をアライメントした状態で、保持基板１００を配列基板２００に重ね合わせる。
【００３６】
保持基板１００と配列基板２００に重ね合わせて、適度な圧力をかけることにより金属ボール１１を電極２に転写接合することができる。つぎに、図９（Ｂ）のように保持基板１００を引き上げると、球状半導体素子１の各電極２に球状バンプ１０が形成される。このように複数の球状半導体素子１に一括でバンプを形成することで、製造実装工程を大幅に効率化することができる。
【００３７】
本発明の好適な実施の形態を説明したが、球状半導体素子１の電極２の位置に形成されるべき球状バンプ１０の配列の仕方等につき、たとえば図１等に示した円形状の場合のみに限定されるものではなく、その他種々の配列方法を採用可能であり、いずれの場合も形成された球状バンプ１０を介して外部との電気的接続を容易かつ的確に行うことができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、この種の球状半導体素子から成る半導体装置の製造において、配列基板に一旦、導電性ボールを仮配列させておき、導電性ボールと球状半導体素子の電極とを位置合わせしながら、両者を接触させて導電性ボールを表面電極に転写接合する。これより導電性ボールでなる優れた特性の球状バンプを形成することができ、この球状バンプを介して外部回路等との良好な電気的接続を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の半導体装置における球状バンプの配列例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態における配列基板上に金属ボールを仮配列した様子を示す平面図である。
【図４】図３に示した配列基板上に仮配列された金属ボールを示す断面図である。
【図５】本発明の半導体装置の製造方法に係る配列基板の配列孔まわりの部分拡大図である。
【図６】本発明の半導体装置の製造方法における金属ボール転写時の様子を示す図である。
【図７】本発明に係る半導体装置のそれぞれ実装例を示す図である。
【図８】本発明に係る半導体装置の別の実装例を示す図である。
【図９】本発明の半導体装置の製造方法における複数個どりの例を示す図である。
【符号の説明】
１    球状半導体素子
２    電極
３    封止材料
１０    球状バンプ
１１    金属ボール
２０    配列基板
２１    配列孔
２１ａ  開口部
【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】
0003955394.tif 000009
【図９】
0003955394.tif 000010