(57)【要約】【課題】半導体チップと基板とをアルミニウムよりなるバンプを介して接合してなるバンプ接合体において、バンプ接合時の潰れによるバンプの横方向への広がりを抑制しつつ、高耐久なバンプ接合を実現する。【解決手段】半導体チップ１０の一面１１と基板２０の一面２１とを対向させ、両一面１１、２１をバンプ設置面としてアルミニウムよりなるバンプ３０、４０が設けられている。各バンプ３０、４０は、バンプ設置面より突出し、先端側にて相手側のバンプ３０、４０に接合されたものであって、且つ、根元側から先端側に行くにつれて細くなる先すぼまり形状をなす。半導体チップ１０と基板２０との線膨張係数差によりバンプ３０、４０に発生する応力は、Ｘ方向よりもＹ方向の方が大きいものであり、バンプ３０、４０におけるＹ方向の寸法はＸ方向の寸法よりも大きいものとされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面（１１）が接合面とされた第１の被接合部材（１０）と、
一面（２１）が接合面とされ、当該一面が前記第１の被接合部材の一面と対向するように前記第１の被接合部材に対して配置された第２の被接合部材（２０）と、
前記第１の被接合部材の一面および前記第２の被接合部材の一面のうちの少なくとも一方の一面をバンプ設置面として、当該バンプ設置面に設けられたアルミニウムよりなるバンプ（３０、４０）と、を備え、
前記バンプは、前記バンプ設置面より突出し、先端側にて相手の被接合部材側に接合されたものであって、且つ、根元側から先端側に行くにつれて細くなる先すぼまり形状をなすものであり、
前記バンプ設置面に平行な面内において、１つの方向をＸ方向、前記Ｘ方向に直交するもう一つの方向をＹ方向と規定したとき、
前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材との線膨張係数差により前記バンプに発生する応力は、前記Ｘ方向よりも前記Ｙ方向の方が大きいものであり、
前記バンプにおける前記Ｙ方向の寸法が、前記バンプにおける前記Ｘ方向の寸法よりも大きいものとされているバンプ接合体。
【請求項２】
前記第１の被接合部材は、前記Ｙ方向の寸法が前記Ｘ方向の寸法よりも大きいものである請求項１に記載のバンプ接合体。
【請求項３】
前記第１の被接合部材は、前記Ｙ方向に長辺を有し、前記Ｘ方向に短辺を有する長方形板状をなす半導体チップ（１０）であり、前記第２の被接合部材は基板（２０）である請求項２に記載のバンプ接合体。
【請求項４】
前記先すぼまり形状をなす前記バンプは、前記第１の被接合部材の一面および前記第２の被接合部材の一面の両方を前記バンプ設置面として、前記第１の被接合部材側および前記第２の被接合部材側の両方に設けられたものであり、
前記第１の被接合部材の一面より突出する前記バンプを第１のバンプとし、前記第２の被接合部材の一面より突出する前記バンプを第２のバンプとするものであって、前記第１のバンプの先端側と前記第２のバンプの先端側とが接合されており、
前記Ｘ方向および前記Ｙ方向を規定する面は、前記第１の被接合部材の一面に平行な面および前記第２の被接合部材の一面に平行な面のいずれか一方である請求項１ないし３のいずれか１つに記載のバンプ接合体。
【請求項５】
前記バンプは、前記バンプ設置面において複数個設けられている請求項１ないし４のいずれか１つに記載のバンプ接合体。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１つに記載のバンプ接合体を製造するバンプ接合体の製造方法であって、
前記バンプの形状に対応する空間形状をなす凹部（１１１）が先端（１１０）に形成されているツール（１００）を用い、前記バンプ設置面に置かれたアルミワイヤに対して、前記ツールの先端を押し当てて前記アルミワイヤを前記凹部の空間形状に変形させるステッチボンディングを行うことにより、前記バンプを形成することを行うバンプ接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の被接合部材と第２の被接合部材とをアルミニウムよりなるバンプを介して接合してなるバンプ接合体および、そのようなバンプ接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の一般的なバンプ接合体は、次の通りである。まず、バンプ接合体は、一面が接合面とされた第１の被接合部材と、一面が接合面とされ、当該一面が第１の被接合部材の一面と対向するように第１の被接合部材に対して配置された第２の被接合部材と、を備える。
【０００３】
そして、第１の被接合部材の一面および第２の被接合部材の一面のうちの両方もしくはいずれか一方の一面をバンプ設置面として、当該バンプ設置面にバンプが設けられている。ここで、バンプは、バンプ設置面より突出し、先端側にて相手の被接合部材側に接合されたものである。たとえば、第１の被接合部材は半導体チップ、第２の被接合部材は基板とされ、いわゆるフリップチップ接合が構成される。
【０００４】
このようなフリップチップ接合のバンプとしては、従来では、特許文献１に記載のように、金よりなるものであって、ボールボンディングにより形成されるものが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２６０８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、バンプ接合の信頼性やコスト等の面から、フリップチップにおいてアルミニウムよりなるバンプによる接合が要望されている。このようなアルミのバンプは、ボールボンディングでは作成が困難であるため、現状では、たとえばアルミシートを打ち抜く方法により形成される。しかし、この場合、ボールボンディングに比べて、フリップチップ接合に適したバンプ形状とすることは難しく、通常、円柱状のバンプとなる。
【０００７】
一方で、フリップチップ接合を行う場合、全バンプの接合性を確保するために、ある程度バンプの先端側を潰す必要がある。しかし、バンプを潰すことにより横方向にバンプが広がり、余計な箇所へのバンプのはみ出しや、隣り合うバンプ同士の接触等の原因となってしまう。
【０００８】
また、両被接合部材間の線膨張係数差、または、被接合部材とバンプとの線膨張係数差等により、バンプ接合部分に応力が発生する。ここで、たとえば両被接合部材の形状等によって一の方向よりも他の方向の方が応力が大きい、というように、応力の大きさが異方性を有することが多く、このような応力の異方性に対応した高耐久なバンプ接合を実現するバンプ形状が望まれる。
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、第１の被接合部材と第２の被接合部材とをアルミニウムよりなるバンプを介して接合してなるバンプ接合体において、バンプ接合時の潰れによるバンプの横方向への広がりを抑制しつつ、高耐久なバンプ接合を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一面（１１）が接合面とされた第１の被接合部材（１０）と、一面（２１）が接合面とされ、当該一面が第１の被接合部材の一面と対向するように第１の被接合部材に対して配置された第２の被接合部材（２０）と、第１の被接合部材の一面および第２の被接合部材の一面のうちの少なくとも一方の一面をバンプ設置面として、当該バンプ設置面に設けられたアルミニウムよりなるバンプ（３０、４０）と、を備え、
バンプは、バンプ設置面より突出し、先端側にて相手の被接合部材側に接合されたものであって、且つ、根元側から先端側に行くにつれて細くなる先すぼまり形状をなすものであり、
バンプ設置面に平行な面内において、１つの方向をＸ方向、Ｘ方向に直交するもう一つの方向をＹ方向と規定したとき、第１の被接合部材と第２の被接合部材との線膨張係数差によりバンプに発生する応力は、Ｘ方向よりもＹ方向の方が大きいものであり、バンプにおけるＹ方向の寸法が、バンプにおけるＸ方向の寸法よりも大きいものとされているバンプ接合体が提供される。
【００１１】
それによれば、バンプ接合時には、先すぼまり形状とされたバンプにおける先端側が、相手の被接合部材側に対し、押しつけられて潰される。このとき、バンプは、接合時に潰される部分である先端側が細くなるような先すぼまり形状とされているので、潰された部分の横方向への広がりを少ないものにでき、バンプ周囲へのバンプの余分なはみ出しが抑制される。
【００１２】
また、バンプを、当該バンプに発生する応力の大きなＹ方向の寸法の方が当該応力の小さなＸ方向の寸法よりも大きいものとすることで、バンプ形状に異方性を持たせているから、当該応力に対して高耐久性を有するバンプ接合を実現できる。よって、本発明によれば、バンプ接合時の潰れによるバンプの横方向への広がりを抑制しつつ、高耐久なバンプ接合を実現することができる。
【００１３】
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態にかかるバンプ接合体を示す概略断面図である。
【図２】図１中の上視概略平面図である。
【図３】図１における第２のバンプの詳細形状を示す概略断面図である。
【図４】図３中の上視概略断面図である。
【図５】バンプ形成するためのステッチボンディング用のツールを示す概略断面図である。
【図６】図５の下視図であってツールの先端構成を示す概略平面図である。
【図７】他の実施形態としてのツールの先端構成を示す概略平面図である。
【図８】他の実施形態としての第２のバンプの詳細形状を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００１６】
本実施形態にかかるバンプ接合体について、図１〜図４を参照して述べる。なお、図３および図４では、第２のバンプ４０を示しているが、第１のバンプ３０も、これら図３、図４に示される第２のバンプ４０と実質同等の形状とされる。このバンプ接合体は、たとえば自動車などの車両に搭載される電子装置として適用されるものである。
【００１７】
半導体チップ１０は、第１の被接合部材として構成されるものであり、たとえば半導体プロセスにより形成されたシリコン半導体等よりなるＩＣチップ、トランジスタ、マイコン等のチップである。ここでは、半導体チップ１０は、一面１１と他面１２とが表裏の板面の関係をなす長方形板状をなしている。
【００１８】
基板２０は、第２の被接合部材として構成されるものであり、たとえばプリント基板やセラミック基板等の配線基板よりなる。ここでは、基板２０は、樹脂を基材とするプリント基板であり、一面２１と他面２２とが表裏の板面の関係をなす板状をなしている。
【００１９】
そして、図１、図２に示されるように、半導体チップ１０の一面１１と基板２０の一面２１とが対向するように、半導体チップ１０に対して基板２０が配置されている。ここでは、典型的なフリップチップ接合と同様、半導体チップ１０の一面１１と基板２０の一面２１とは、実質的に平行な関係とされている。
【００２０】
そして、本実施形態では、半導体チップ１０の一面１１および基板２０の一面２１の両方の面をバンプ設置面として、当該バンプ設置面には、アルミニウムよりなるバンプ３０、４０が設けられている。つまり、バンプ３０、４０は、半導体チップ１０側および基板２０側の両側に設けられたものとされている。
【００２１】
ここで、図示しないが、半導体チップ１０の一面１１および基板２０の一面２１のうちバンプ３０、４０が設置される部位には、パッドが設けられ、このパッドに対してバンプ３０、４０が固定されている。
【００２２】
そして、本実施形態では、半導体チップ１０の一面１１より突出するバンプ３０を第１のバンプ３０とし、基板２０の一面２１より突出するバンプ４０を第２のバンプ４０とする。本実施形態では、図１、図２に示されるように、半導体チップ１０側および基板２０側のそれぞれのバンプ設置面において、第１のバンプ３０、第２のバンプ４０は複数個設けられている。
【００２３】
各バンプ３０、４０は、バンプ設置面より突出し、先端側にて相手の被接合部材側に接合されたものである。ここでは、複数個の第１のバンプ３０の先端側と、これに対向する第２のバンプ４０の先端側とが接合されている。
【００２４】
また、図１〜図４に示されるように、各バンプ３０、４０は、バンプ設置面側である根元側から相手の被接合部材側である先端側に行くにつれて細くなる先すぼまり形状をなすものとされている。具体的に、本実施形態では、各バンプ３０、４０は、根元側から先端側に向かって縮径する円錐形状とされている。
【００２５】
詳しく言えば、各バンプ３０、４０は、円錐の頂部側を切断して円錐の先端に面を有する形状、すなわち軸方向の断面が台形状の円錐形、更に言えば、いわゆるプリンカップ状の外形とされている。
【００２６】
また、図１〜図４に示されるように、本実施形態のバンプ接合体において、バンプ設置面に平行な面内において、１つの方向をＸ方向、このＸ方向に直交するもう一つの方向をＹ方向と規定する。
【００２７】
本実施形態では、半導体チップ１０の一面１１、基板２０の一面２１の両方をバンプ設置面として、それぞれ第１のバンプ３０、第２のバンプ４０が設置されているが、Ｘ方向およびＹ方向を規定する面は、半導体チップ１０の一面１１に平行な面および基板２０の一面２１に平行な面のいずれか一方であればよい。本実施形態では、当該規定する面は、半導体チップ１０の一面１１に平行な面とするが、基板２０の一面２１に平行な面であってもよいことはもちろんである。
【００２８】
さらに言えば、バンプ接合体においては、半導体チップ１０の一面１１と基板２０の一面２１とは実質平行な位置にて対向しており、Ｘ方向およびＹ方向を規定する面は、これら両一面１１、２１の対向する方向と実質的に直交する面、つまり、バンプ３０、４０の突出方向と実質的に直交する面となる。
【００２９】
このようなＸ方向、Ｙ方向を規定したとき、バンプ接合体においては、半導体チップ１０と基板２０との線膨張係数差によりバンプ３０、４０に発生する応力は、Ｘ方向よりもＹ方向の方が大きいものとされている。
【００３０】
具体的に言えば、半導体チップ１０は、Ｙ方向に長辺を有し、Ｘ方向に短辺を有する長方形板状をなすものであり、半導体チップ１０は、Ｙ方向の寸法がＸ方向の寸法よりも大きいものである。そのため、上記の線膨張係数差により発生する応力は、Ｙ方向の方がＸ方向よりも大きいものとなる。
【００３１】
逆に言えば、このようなＸＹ平面内における応力の大きさの異方性が存在するときに、この異方性に応じて、ＸおよびＹの各方向を規定するものであり、ここでは、応力の小さい半導体チップ１０の短辺方向をＸ方向、応力の大きい長辺方向をＹ方向としている。
【００３２】
そして、この応力の大きさの異方性に対応して、図２、図４に示されるように、各バンプ３０、４０におけるＹ方向の寸法が、各バンプ３０、４０におけるＸ方向の寸法よりも大きいものとされている。具体的に言えば、各バンプ３０、４０は、Ｙ方向に長径、Ｘ方向に短径を有する楕円形のプリンカップ形状をなしている。
【００３３】
次に、本実施形態のバンプ接合体の製造方法について、主としてバンプ３０、４０の形成方法を中心に述べることとする。このバンプ接合体は、通常のフリップチップ接合と同様、半導体チップ１０および基板２０にバンプ３０、４０を形成した後、互いのバンプ３０、４０の先端側を接触させて加圧、加熱による接合を行うことで、製造される。
【００３４】
ここで、図５、図６に示されるように、本実施形態では、バンプ３０、４０は、図示しないアルミワイヤを用いたステッチボンディングにより形成する。ステッチボンディング装置は、図５、図６に示されるツール１００を備える。このツール１００は、たとえばステンレス等よりなる。
【００３５】
そして、このツール１００を用い、バンプ設置面に置かれたアルミワイヤに対して、ツール１００の先端１１０を押し当て荷重を印加しながら超音波を印加することで接合を行うことで、バンプ３０、４０を形成する。ここで、ツール１００は、ステッチボンディング装置に備えられた図示しないアクチュエータ等により、所望の位置に適宜移動されるようになっている。
【００３６】
そして、本実施形態のツール１００は、図５、図６に示されるように、バンプ３０、４０の形状に対応する空間形状をなす凹部１１１が先端１１０に形成されたものとなっている。ここでは、凹部１１１は、本実施形態のバンプ形状に対応して、凹部１１１の底部側から開口部側に向かって拡径する円錐状、すなわちプリンカップ形状をなしている。
【００３７】
本実施形態のステッチボンディングでは、ステッチボンディング装置に備えられた図示しないワイヤガイド等により、バンプ設置面にアルミワイヤを設置する。そして、このアルミワイヤに対して、ツール１００の先端１１０を押し当ててアルミワイヤを凹部１１１の空間形状に変形させることにより、バンプ３０、４０を形成する。具体的には、アルミワイヤは、凹部１１１内に入り込むように変形する。その後は、ワイヤカットを行うことで、バンプ形成が完了する。
【００３８】
ここで、このステッチボンディングにおいては、凹部１１１は開口部側に拡径しているので、ツール１００をアルミワイヤから離脱するときに、凹部１１１に入り込んだアルミワイヤの部分の抜けが良好に行える。また、この抜けを良くするために、凹部１１１の内面を鏡面処理してもよい。
【００３９】
また、バンプ３０、４０はステッチボンディングにより形成されるため、ツール１００の先端１１０における凹部１１１の外側部分にてワイヤが潰された部分が存在する。この部分は、上記の図３、図４に示されるように、バンプ３０、４０の外側に位置するはみ出し部４１として形成され、このはみ出し部４１もバンプ３０、４０の接合性に関与する。
【００４０】
そこで、たとえばツール１００の先端１１０における凹部１１１の外側部分に、粗化処理を施せば、当該外側部分によるワイヤの押し付けが確実に行えるようになり、はみ出し部４１における接合力の向上が期待できる。
【００４１】
ところで、本実施形態によれば、バンプ接合時には、先すぼまり形状とされたバンプ３０、４０における先端側が、相手の被接合部材の一面に設けられたバンプに対し、押しつけられて潰される。
【００４２】
このとき、バンプ３０、４０は、接合時に潰される部分である先端側が細くなるような先すぼまり形状とされているので、潰された部分の横方向への広がりを少ないものにでき、バンプ３０、４０周囲へのバンプ３０、４０の余分なはみ出しが抑制される。
【００４３】
また、隣り合うバンプ３０、４０同士の接触も抑制でき、バンプ間隔を狭くしてバンプ３０、４０の狭ピッチ化に好適なものにできる。さらには、バンプ３０、４０はＸ方向の方が寸法が小さいので、このＸ方向において、より狭ピッチ化を図れる。
【００４４】
また、バンプ接合部分において、バンプ３０、４０の先端側に細い部分が存在するので、バンプ３０、４０の根元側における応力が緩和されやすい形状となっており、バンプ３０、４０の根元側における接合疲労を抑制しやすいという利点もある。
【００４５】
また、バンプ３０、４０を、当該バンプに発生する応力の大きなＹ方向の寸法の方が当該応力の小さなＸ方向の寸法よりも大きいものとすることで、バンプ形状に異方性を持たせているから、当該応力に対して高耐久性を有するバンプ接合を実現できる。
【００４６】
ここでは、上述のように、当該応力が大きいＹ方向は、長方形板状をなす半導体チップ１０の長辺方向であり、当該応力が小さいＸ方向は、半導体チップ１０の短辺方向である。そして、第１のバンプ３０、第２のバンプ４０ともに、応力の小さいＸ方向に比べて応力の大きいＹ方向に長い形状とされているので、当該Ｙ方向における実効的な接合面積が大きいものとなり、接合耐久性にすぐれたものとなる。
【００４７】
このように本実施形態によれば、バンプ接合時の潰れによるバンプ３０、４０の横方向への広がりを抑制しつつ、高耐久なバンプ接合を実現することができる。
【００４８】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、根元側から先端側に行くにつれて細くなる先すぼまり形状をなすバンプ３０、４０として、円錐状（プリンカップ状）の例を挙げたが、これに限定するものではない。
【００４９】
たとえば、根元側から先端側に向かって縮径する錐体形状であればよく、ピラミッドのような四角錐、三角錐、その他の多角錐等であってもよい。図７には、四角錐のバンプ３０、４０を形成する場合のツール１００の先端１１０における凹部１１１形状の例を示している。
【００５０】
また、先すぼまり形状をなすバンプ３０、４０としては、上記のような連続的に縮径する錐体形状のものに限定するものではなく、たとえば、図８に示されるように、根元側から先端側に向かって多段階に縮径するものであってもよい。ここで、第１のバンプ３０も、図８に示される第２のバンプ４０と同等の形状としてもよいことはもちろんである。この図８のような形状も、同形状の凹部１１１を有するツール１００を用いて形成できることは言うまでもない。
【００５１】
なお、上記の多角錐形状および多段階形状のバンプ３０、４０の場合でも、上記実施形態と同様に、応力の大きなＹ方向の寸法の方が当該応力の小さなＸ方向の寸法よりも大きいものとなるように異方性を持たせたバンプ平面形状とすることはもちろんである。
【００５２】
また、上記実施形態では、第１の被接合部材を半導体チップ１０、第２の被接合部材を基板２０としたが、バンプ接合される部材であれば、第１の被接合部材、第２の被接合部材は半導体チップ１０や基板２０に限定されるものではない。たとえば、リードフレームなども、これら被接合部材として適用が可能である。
【００５３】
また、上記実施形態では、バンプ３０、４０は、半導体チップ１０側、基板２０側の両方に設けられていたが、バンプ３０、４０は、半導体チップ１０側のみに設けられていてもよいし、基板２０側のみに設けられていてもよい。
【００５４】
たとえば半導体チップ１０側のみの場合には、第２のバンプ４０が省略されて、半導体チップ１０の一面１１をチップ設置面とする先すぼまり形状の第１のバンプ３０の先端が基板２０の一面２１に直接当たって潰されて接合される。
【００５５】
一方、たとえば基板２０側のみの場合には、第１のバンプ３０が省略されて、基板２０の一面２１をチップ設置面とする先すぼまり形状の第２のバンプ４０の先端が半導体チップ１０の一面１１に直接当たって潰されて接合される。
【００５６】
また、上記実施形態では、半導体チップ１０側および基板２０側のそれぞれにおいて、バンプ設置面に複数個の第１のバンプ３０、第２のバンプ４０が設けられていたが、第１のバンプ３０、第２のバンプ４０はそれぞれ１個であってもよい。この場合、１個ずつの両バンプ３０、４０同士が接合されることになる。もちろん、バンプが半導体チップ１０側のみ、あるいは、基板２０側のみに設けられる場合でも、１個のバンプとすることは可能である。
【００５７】
また、１個のバンプ設置面につき、異なる位置に複数個のバンプが設けられている場合、複数個のバンプのすべてについて、応力の小さいＸ方向およびこれに直交する応力の大きいＹ方向が共通していなくてもよい。つまり、当該複数個のバンプのうち位置の異なる一のものと他のものとでは、Ｘ方向およびＹ方向が異なっていてもよい。この場合、当該一のものと他のものとでは、上記したバンプ平面形状の異方性が異なるものとなる。
【００５８】
また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能であり、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５９】
１０  半導体チップ
１１  半導体チップの一面
２０  基板
２１  基板の一面
３０  第１のバンプ
４０  第２のバンプ
【図１】
2017157631.tif 000003
【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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