(57)【要約】      （修正有）【課題】フリップチップ接合及びフリップチップ配置の合金の接合技法を提供する。【解決手段】第１のダイ１０の金属層１２と、ボード１６の第１及び第２の金属層１８、２０のうちの少なくとも１つとが合金２４を形成して、第１のダイがボードに付着するようになるまで、第１のリフロー温度で行う第１のリフローステップと、第１のリフロー温度よりも高い温度で行う第２のリフローステップを有する。形成される合金は、第２のリフロー温度よりも高い融点を有する。【選択図】図２
2017063180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのダイをボードにフリップチップ実装する方法であって、
少なくとも１つの金属層を有する第１のダイ上に、はんだ付け可能な複数の接合パッドを形成する形成ステップと、
前記第１のダイ上の前記複数の接合パッドまたは前記ボード上の複数のマッチングする接合パッドのうちの少なくとも１つの上に、はんだペーストまたははんだバンプのうちの１つを戴置する戴置ステップであって、前記ボードの前記複数のマッチングする接合パッドのそれぞれは少なくとも２つの金属層を有する、戴置ステップと、
フラックスまたは不純物のうちの少なくとも１つを焼尽させ、前記はんだペーストまたははんだバンプを溶融させて第１の合金を形成するため、第１のリフロー温度で第１のリフローを実施する第１のリフローステップと、
前記第１のダイを前記ボード上にフリップチップ実装するフリップチップ実装ステップと、
第２のリフロー温度で第２のリフローを実施して、前記第１の合金の少なくとも一部を溶融して前記第２のリフロー温度よりも高い融点を有する第２の合金を形成する第２のリフローステップであって、前記第２の合金は前記ダイ及び前記ボードのうちの少なくとも１つの接合パッドからの金属を含む、第２のリフローステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記第１のダイはチタン層、ニッケル層、及び銀層を有する接合パッドを含み、前記ボードの前記接合パッドは銅層及び銀層を含み、前記第２の合金は前記第１のダイの金属層及びボードの金属層の両方からの金属を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第２のダイを前記ボードにフリップチップ実装し、前記第１のダイ及び前記ボードの金属層が完全には溶融しないようにして、前記第２のダイ及び前記ボードをリフロー温度プロファイル下に置くステップと、
前記第２のダイをフリップチップ実装するのに先立って、前記第１のダイ上の前記接合パッドの最上金属層上に金属ペーストを戴置するステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ボード接合パッドパターンを呈した複数の接合パッドを含むボードであって、各接合パッドが少なくとも１つの金属層を有する、ボードと、
前記ボード接合パッドパターンとマッチするダイ接合パッドパターンを有する複数の接合パッドを有する第１のダイであって、前記ボードにフリップチップ実装された、第１のダイと、
を含む装置であって、
前記第１のダイの前記複数の接合パッドは、少なくとも２つの金属層を備え、
前記ボードの前記複数の接合パッドと、前記ダイの前記複数のマッチングする接合パッドとが、前記ボード接合パッドと前記第１のダイの複数のマッチングする接合パッドとを接合するのに使用したリフロー温度よりも高い融点を有する合金を用いて、接合される、
装置。
【請求項５】
隣接するダイの接合パッドを接続する金属または合金を使用せずに、非常に近接してフリップチップ実装された複数のダイをさらに含む、請求項４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して回路製造に関し、具体的にはフリップチップ接合及びフリップチップ配置の技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フリップチップ設計の実装を組み入れたマルチチップモジュールは、多種多様な用途においてますます使用されてきている。多くの場合、多様な作業及び／または機能のために、確立された集積回路の設計を利用することは有利である。そのため、確立された設計としてダイ製品で見られるものは、単一のボード上またはマルチチップモジュール上で、組み合わされている。しかしその一方で、様々な製造上の検討事項のため、各種の集積回路装置、具体的にはフリップチップ素子は、マルチチップモジュールに必ずしも組み込まれている訳ではない。例えば、種々のフリップチップ素子は、種々の製造設備によって製造され得、したがって、種々の時点でマルチチップモジュールに付け加えられ得る。ダイをボードまたはモジュールに取り付けるのに使用できる技法は、ワイヤボンディング、ダイ接着フィルム、及び種々の時点におけるはんだ付けなど、複数存在する。こうした応用は、必ずしも全ての用途にとって適切ではないが、しばしば行われる。例えば、ワイヤボンドの解決法は、設置面積の要件によって集積回路（ＩＣ）占有面積（ｒｅａｌ  ｅｓｔａｔｅ）の効率的な利用が必要とされる状況においては、適切でないかもしれない。
【０００３】
はんだ合金及びはんだペーストは、ダイをボードに接合するため、しばしばリフローオーブンまたはリフロー炉と併せて使用される。１個のダイを、セラミックのボードもしくは基板、または金属リードフレームといったボードに接合するのに、ある状況では、どちらの形状のはんだを用いることにも便益がある。なぜなら、リフローオーブンまたはリフロー炉から取り出した後、はんだが冷却すると、確実な接合が形成されるからである。通常、はんだ合金またははんだペーストは、素子とボードがリフローオーブン内に配置されているときには流動し、次いで冷却してダイをボードに接合し、必要に応じて素子とボードの間で電気的接続を形成する。単一のダイの場合、この手法は、不良があった場合に、続いてリフローオーブンまたはリフロー炉内でダイとボードをリフローすることによってダイを取り除けるという点でも、また便益がある。しかしこのプロセスは通常、リフロー中に溶融した際にはんだが拡散して、現在リフロー中のダイの他の接合パッドや別のダイの接合パッドに接触しないように、ダイ間、及びダイの接合パッド間に十分な間隔を必要とする。
【０００４】
しかし、はんだ合金またははんだペーストの使用に伴う別の問題は、ボードに新たなダイを接合するためにボード及び別のダイがリフローオーブン内に配置されたとき、はんだが溶融してリフローするということである。したがって、後続のダイを接合するためにリフローオーブンまたはリフロー炉内ではんだが溶融する間に、当初接合されていたダイを付着させている接合が切れてしまう可能性がある。この問題を解決する１つの手法として、ダイを接合する金属合金が、はんだ合金のリフローに必要なものよりも高いリフロー温度を有するように、最初のダイ用には、別の金属合金が使用されてきた。この目的のために使用されてきた２つの金属には、鉛及び金が含まれる。これらは、より高い融点を有するからである。しかし、鉛は健康問題を引き起こすことが知られており、常に望ましいという訳ではない。一方で、金は高価であり、製品コストを吊り上げる。ダイまたはボードに、後でエッチング除去され、次いでリフロー中に溶融してしまう金の層を形成することは、そうした手法が必要でない限り、貴金属の浪費である。したがって、制約があるにも関わらず、しばしばはんだが使用される。
【０００５】
各種の実施形態による付随の図面を参照することによって、本開示はより良く理解され得、その多くの特徴及び利点は当業者にとって明らかになり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１のフリップチップを回路ボードに接合する前の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。
【図２】第１のフリップチップを回路ボードに接合する前であるが、はんだペーストが合金内にリフローされた後の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。
【図３】第１のフリップチップが回路ボードに接合され、はんだペーストが合金内にリフローされた後の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。
【図４】第１のフリップチップを回路ボードに接合する前の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。
【図５】第１のフリップチップを回路ボードに接合する前であるが、はんだペーストが合金内にリフローされた後の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。
【図６】第１のフリップチップが回路ボードに接合され、はんだ合金が他の金属と共に合金内にリフローされた後の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。
【図７】一実施形態によるボードまたは金属リードフレームに第１のフリップチップを実装するためのリフロー温度プロファイルを示す、温度−時間グラフである。
【図８】一実施形態による、ボード及び、ボードに実装された複数のフリップチップの図である。
【図９】一実施形態による、ボード及び、ボードに実装された複数のフリップチップの、少なくとも１つのさらなるチップまたはダイを追加するために後続してリフローを行った後の図である。
【図１０】一実施形態による、ボード及び、ボードに実装された複数のフリップチップの、少なくとも１つのさらなるチップまたはダイを追加するために後続してリフローを行った後の図である。
【図１１】一実施形態による、フリップチップを接合する方法を示すフロー図である。
【図１２】一実施形態による、複数のフリップチップを接合する方法を示すフロー図である。
【図１３】一実施形態による、複数のフリップチップを接合する方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
別々の図で同一の参照番号が使用されている場合は、類似または同一のアイテムを意味する。別様の特記がない限り、用語「連結された」及びそれに関連する動詞形には、直接の接続と当該技術分野における既知の方法による間接の電気的接続との両方が含まれる。また別様の特記がない限り、直接の接続を示す任意の記載は、適切な形態の間接の電気的接続を使用した代替的実施形態もまた含意する。
【０００８】
図１は、第１のフリップチップを回路ボードに接合する前の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。図１は、それぞれに金属層１２が含まれる複数の接合パッドを有する、シリコンダイまたはフリップチップ１０を含むシステムを示す。錫と銀の組み合わせを含むはんだペースト１４が、金属層１２を含む接合パッド上に置かれている。ボード１６は接合パッドを備え、接合パッドはさらに金属層１８及び２０を備える。ダイの接合パッドとボードの接合パッドは、ほぼ同様の接合パッドパターンを有するように形成されている。ボード１６は、任意の既知の方法で組み立てられ得、例えばセラミックボードまたは基板を備え得る。代替方法として、ボードの代わりに金属リードフレームが使用され得る。以降、ボード、セラミックボード、基板、または金属リードフレームのうちのどれか１つが言及される場合にはいつでも、残りの支持構造要素（ボード、基板、セラミックボードまたは金属リードフレーム）のうちの任意のものが代替的に使用され得ることは理解さるべきである。酸化を防止するため、オプションで、フリップチップまたはボードの接合パッドの外側金属層にフラックス２２が塗布され得る。ここでは、フラックス２２はボード１６の接合パッド上のみに示されている。
【０００９】
ボード１６の金属層１８及び２０には、銀、錫または銅といった、はんだ付け可能な金属のうちの少なくとも１つが含まれる。記載の実施形態では、フリップチップ１０の接合パッドパターンとほぼ同様のパターンでボード１６上に接合パッドを作製するのに先立って、銀層１８及び銅層２０が使用されている。金属層１８及び２０はまた、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、錫（Ｓｎ）、もしくは銀（Ａｇ）、または２以上の金属から形成された合金といった、複数の金属層または金属合金層も含み得る。ここでは、（１４で示されるはんだペーストバンプを除外すると）１つの層だけが示されているが、フリップチップ１０は、２以上の層を含み得る。図１では、フリップチップ１０の接合パッド上の１つの層１２、並びにボード１６の接合パッド上の２つの層１８及び２０だけが示されているが、本書の諸実施形態は限定されることなく、ダイとボードにはさらなる層が含まれ得る。さらに、任意の１つの層は合金であってよく、単一の要素または金属であることは必須ではない。層１２の金属ｍ１は、多様な金属または金属合金を含み得る。記載の実施形態では銀の金属層１２が使用されているが、一実施形態では、フリップチップ１０上の金属層１２は、銀、錫、及びニッケルの組み合わせを含み得る。代替の実施形態では、ｍ１はニッケルを含む。
【００１０】
図１で示唆されているように、フリップチップ１０は、ボード１６に（具体的には、ボード１６の接合パッドの層１８に）取り付けられる。リフロー中、フリップチップをボードに接合するため、はんだペーストが、フリップチップまたはボードの他の金属とブレンドされるように使用される。しかしここでは、ダイ及びボードの複数の金属層の金属または金属合金について、リフロー中に溶融または拡散してはんだペースト１４と共に合金を形成し、後続するリフローの温度が、該合金を作製する元の金属層のリフロー中に使用された温度よりも高くなるような、金属または金属合金が選択される。記載の実施形態では、はんだまたははんだペーストが使用される場合でも、金属が溶融または拡散してはんだと混じり合って、はんだのリフローに必要な温度よりも高いリフロー温度を有する合金が作製されるように、金属が選択される。ボード及び１または複数のダイを「リフロー」するため、ボードはしばしば、特定の温度プロファイルで特定の期間にわたって、リフロー炉またはリフローオーブン内に配置される。代替的なプロセスでは、金属のリフローに関する他の技法もまた使用され得る。本書では、炉またはオーブンに関して記載される場合はいつでも、ダイ及びボードの金属層を溶融またはリフローさせる代替的な技法が含まれることは、理解されるべきである。
【００１１】
図２は、第１のフリップチップを回路ボードに接合する前であるが、図１で概略的に１４で示されているはんだペーストが合金内にリフローされた後の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。図２は、それぞれに金属層１２が含まれる複数の接合パッドを有する、シリコンダイまたはフリップチップ１０を含むシステムを示す。前もって接合パッドの金属層１２上に置かれた、錫と銀の組み合わせを含むフリップチップのはんだペースト１４は、低いリフロー温度でリフローされ、合金２４が作製される。図２は、ボードの接合パッド上にフリップチップを配置するのに先立って、錫／銀のはんだペーストをリフローさせて、凝固して合金２４（ここでは、はんだペーストの組成に基づく錫−銀の合金）になるのを促進する、最初の低温リフローを実施することを通常含む、フリップチップをフリップチップ実装する方法を示す。記載の実施形態では、この最初のリフローは、約２３０〜２３５°Ｃで発生する。この温度では、錫／銀のはんだは溶融するが、銀は（及び、もしフリップチップ１０内に存在すれば他の金属層も）溶融しない。上記のように、フリップチップ１０には、少なくとも１つの金属層を備える接合パッドが含まれる。したがって、はんだペースト１４は、第１のリフローに先立ってフリップチップの接合パッド上に置かれる。第１のリフロー中、存在するフラックスすべてと不純物は焼尽し、金属ペースト１４から第１の合金２４が形成される。
【００１２】
図３は、第１のフリップチップが回路ボードに接合され、はんだペーストが他の金属を含む合金内にリフローされた後の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。上記のように、ボードには、フリップチップの接合パッドパターンと同様の接合パッドパターンを有する接合パッドが含まれる。記載の実施形態では、ボードの接合パッドは、複数の金属層を備える。続いて、上に前もって形成された第１の合金２４を持つフリップチップ１０がボード上にフリップチップ実装された後、図３に示すように、フリップチップの複数の接合パッド層（この時点では錫／銀（Ｓｎ／Ａｇ）の金属層２４を含む）のそれぞれと、ボードの接合パッドの金属層との間で、第２の合金２６を形成するため、ボード及びフリップチップの第２の温度リフローが第２のリフロー温度で実施される。
【００１３】
記載の実施形態では、第２の融点は約２５０°Ｃである。第２のリフローによって形成される第２の合金２６は、第２のリフロー温度（例えば２６０°Ｃ）よりも高い融点を有する。記載の実施形態では、第２の合金２６の融点は、第２のリフロー温度よりも高く、第２の合金２６を作製するのに使用された第２のリフロー温度より、少なくとも１０°Ｃ高くてよい。例えば、使用された金属の比率と金属の組み合わせに応じて、合金２６の融点は２６０°Ｃよりも高くてよく、約２７０°Ｃであってよい。図から分かるように、第２の合金２６は、フリップチップ１０及びボード１６の層１２、１８、２０の一部と混合されている。通常のリフロー温度は、合金２６の融点よりも低い約２６０°Ｃであるため、後続するリフローのプロセス中、合金２６は完全には溶融しない。本例では、合金２６は層１２、１８及び２０からの金属を有する（但しこれは必須ではない）。最低でも、合金２６は、金属層１２、１８、及び２０のうちの少なくとも１つを有する。
【００１４】
図４は、第１のフリップチップを回路ボードに接合する前の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。図４は、複数の金属層、即ち金属層１２、２８、及び３０を備える複数の接合パッドを有する、フリップチップ１０を含むシステムを示す。金属層１２には、銀が含まれる。記載の実施形態では、金属層２８にはニッケルが含まれる一方、金属層３０には、チタンが含まれる。錫と銀の組み合わせを含むはんだペースト１４が、フリップチップ１０の、接合パッドの金属層１２上に置かれている。
【００１５】
ボード１６は接合パッドを備え、接合パッドはさらに金属層１８及び２０を備える。図１の例のように、金属層１８及び２０には、それぞれ銀及び銅が含まれる。フリップチップ１０の金属層１２、２８、及び３０を備える接合パッドパターンと、ボード１６の金属層１８及び２０の接合パッドパターンとは、ほぼ同様である。ボード１６は、任意の既知の方法で組み立てられ得、例えばセラミックボードまたは基板を含み得る。代替方法として、ボードの代わりに金属リードフレームが使用され得る。酸化を防止するため、オプションで、フリップチップまたはボードの接合パッドの外側金属層にフラックス２２が塗布され得る。ここでは、フラックス２２はボード１６の接合パッド上のみに示されている。
【００１６】
ボード１６の金属層１８及び２０には、銀、錫、または銅といった、はんだ付け可能な金属のうちの少なくとも１つが含まれている。記載の実施形態では、フリップチップ１０の接合パッドパターンとほぼ同様のパターンで接合パッドを作製するためにエッチングするのに先立って、銀層１８と銅層２０が使用されている。金属層１８及び２０は、例えば、銅、ニッケル、錫、もしくは銀、または２以上の金属から形成された合金といった、複数の金属層または金属合金層を含み得る。一実施形態では、フリップチップ上の金属層１２、２８及び３０は、銀、錫、及びニッケルの組み合わせを含み得る。記載の実施形態では、金属層１２、２８、及び３０には、それぞれ銀層、ニッケル層、及びチタン層が含まれる。
【００１７】
図４では、フリップチップ１０の３つの金属層１２、２８、及び３０、並びにボード１６の２つの層１８及び２０だけが示されているが、諸実施形態は限定されることなく、ダイとボードにはさらなる層またはより少ない数の層が含まれ得る。さらに、図４に関連してここで記載されるように、任意の１つの層は合金であってよく、単一の要素または金属であることは必須ではない。
【００１８】
図４で示唆されているように、フリップチップ１０は、ボード１６に（具体的には、ボード１６の接合パッドの層１８に）取り付けられる。フリップチップの接合パッドをボードの接合パッドに接合するため、はんだペーストが、フリップチップまたはボードの他の金属とブレンドされるように使用される。しかしここでは、ダイ及びボードの複数の金属層の金属または金属合金について、リフロー中に溶融または拡散してはんだペースト１４と共に合金を形成し、該合金が持つ後続の融点が、図５に示す）合金２４を作製する元の金属層のリフロー中に使用された温度よりも高くなるような、金属または金属合金が選択される。記載の実施形態では、合金２４の作製のためにはんだまたははんだペースト１４が使用される場合でも、金属が溶融または拡散してはんだ合金２４と混じり合って、はんだの融点よりも高い融点を有する合金が作製されるように、金属が選択される。
【００１９】
図５は、第１のフリップチップを回路ボードに接合する前であるが、はんだペーストが合金内にリフローされた後の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。図５は、金属層１２、２８、及び３０を備える複数の接合パッドを有する、シリコンダイまたはフリップチップ１０を含むシステムを示す。前もって接合パッドの金属層１２上に置かれた、錫と銀の組み合わせを含むはんだペースト１４は、低いリフロー温度でリフローされ、図５に示すように合金２４が作製される。図５は、ボードの接合パッド上にフリップチップを配置するのに先立って、錫／銀のはんだペーストをリフローさせて、凝固して合金２４（ここでは、はんだペーストの組成に基づく錫−銀の合金）になるのを促進する、最初の低温によるリフローを実施することを通常含む、フリップチップの実装方法を示す。
【００２０】
記載の実施形態では、銀／錫合金を作製するためのこの最初のリフローは、約２３０〜２３５°Ｃで発生する。ここでは３つの金属層が示されているが、上記のように、フリップチップ１０には、少なくとも１つの金属層を含む接合パッドが含まれる。したがって、はんだペースト１４は、第１のリフローに先立ってフリップチップの接合パッド上に置かれる。第１のリフロー中、金属層１２、２８、及び３０のどれもが溶融しないが、存在するフラックスすべてと不純物は焼尽し、金属ペースト１４から第１の合金２４が形成される。なぜならば、この第１のリフロー温度は、層１２、２８〜３０、及び１８〜２０のリフロー温度よりも低いからである。
【００２１】
図６は、第１のフリップチップが回路ボードに接合され、はんだ合金が他の金属と共に合金内にリフローされた後の、回路ボードと第１のフリップチップの側面図である。これもまた言及されたように、ボードには、フリップチップ１０の接合パッドパターンと同様の接合パッドパターンを有する、接続点または接合パッドが含まれる。記載の実施形態では、フリップチップ１０及びボード１６の接合パッドは、それぞれ複数の金属層を備える。続いて、上に既に形成された第１の合金２４を持つフリップチップ１０がボード上にフリップチップ実装された後、フリップチップの複数の接合パッド層（この時点ではＳｎ／Ａｇの金属層２４を含む）のうちの少なくとも１つと、ボード１６の接合パッドの複数の層との間で第２の合金３２を形成するため、ボード及びフリップチップの第２の温度リフローが第２のリフロー温度で実施される。
【００２２】
記載の実施形態では、第２の融点は約２５０°Ｃである。第２のリフローによって形成される第２の合金３２は、第２のリフロー温度よりも高い融点を有する。記載の実施形態では、第２の合金３２の融点は、第２の合金３２を作製するのに使用された第２のリフロー温度より、少なくとも１０°Ｃ高い。例えば、使用される金属の比率と金属の組み合わせに応じて、合金３２の融点は（約１０〜２０°高い）約２７０°Ｃであってよい。
【００２３】
第２の合金３２には、フリップチップとボードの両方からの金属が含まれる。図６の実施形態の一態様は、第２のリフロー中、それ以前のリフロープロセス中に既に接合されたいかなるダイの金属層及び合金層をも完全に溶融またはリフローすることなく、第２の合金が作製されたことである。これは、以前のリフロープロセス中に形成された合金の融点の方が高いことによる。
【００２４】
本発明の様々な実施形態の一態様は、フリップチップの接合パッドをボードの接合パッドに接合するのに使用される合金バンプが、後続する融点として、当初の合金が作製されたリフロー温度よりも高い融点を持つように形成されることである。別の態様は、該合金の金属組成が、フリップチップの接合パッド及びボードの接合パッドに使用された金属層のみならず、それらの相対的な厚さ及びリフロープロセスの継続期間にも基づくということである。リフロー用の温度プロファイルは、温度と期間の両方を規定する。温度プロファイルの期間が延びれば延びるほど、溶融し拡散する金属層の数及び金属層の量が増加し、それによって合金３２中の金属の種類が増加するか、または結果として生じる合金３２内の金属の比率が変化する。金属の比率は、元の金属層の厚さ及びに応じて、また該合金を作製するためのリフロープロセスの合計期間にも基づいて徐々に変化し得るため、結果として生じる合金は均質的でない可能性がある、即ち、（合金全体を通して組成が一定な）均質合金の代わりに、金属間化合物合金（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ  ａｌｌｏｙｓ）が作製され得るということは、留意されるべきである。したがって、リフローの結果によっては、合金の代わりに金属間化合物という用語がより適切に使用され得ることは、理解されるべきである。これに影響する２つの要因には、リフローの継続期間、並びに相対的な層の厚さ及び構造、が含まれる。合金に関する本書中の全ての検討は、必要に応じ、金属間化合物合金に言及しており、また金属間化合物合金を含んでいると理解されるべきである。
【００２５】
引き続き図６を参照すると、リフローが最短の時間であった場合、合金３２は銀と錫から成り得る。リフロー期間が延長するにつれ、リフローのプロファイルに従って、さらなる金属が溶融し得、合金３２の一部となり得る。例えば、リフロー期間が増大すると、合金３２は銀及び錫に加えてニッケルを含み得る。さらにより大きくリフロー期間が増大すると、合金３２はまた、（記載の実施形態中のフリップチップからの）チタン（及び／またはボードからの銅）も含み得る。結果として生じる合金バンプのリフロー特性は、合金内の金属に応じて異なり得る。したがって、リフロー温度プロファイル（温度及び継続期間）は、該合金内に何の金属があるかに影響し、したがって場合によっては、後続するリフロー中の融点に影響する。しかし全ての場合において、作製された合金の融点は、該合金を作製するために金属を溶融したリフロー中に使用された温度よりも、高い。
【００２６】
記載の実施形態のうちの１つでは、フリップチップの様々な接合パッドの金属層に使用される厚さは、以下のとおりである。
チタン：１．１５ｋＡ（実質的な変動の幅はあり得るが）
ニッケル：０．２ｋＡ（より高温による施用の場合、または錫の厚い層が使用される場合には、より厚い層が使用され得る）
銀：４ｋＡ（１ｋＡから１２ｋＡまで変動し得る）
錫：２ｋＡ〜３６ｋＡ
【００２７】
錫に対する銀の比率は、用途に基づいて調整されてよい。例えば、表面が粗いまたは多孔性である場合、ボードの濡れを増すためとボイドを削減するのに資するため、錫合金が増加される。銀が増量されればされるほど、ニッケルの保護が増大する。しかし、銀の量が多すぎると、形成されるＮｉＳｎ金属間化合物の量が制限され、したがってダイのせん断強度とフリップチップのコンシステンシーが減少し得る。一般的に、濡れの目的で、より厚い錫が使用されるが、厚さが大きすぎると、製造上の問題が発生し得る。特定の一実施形態では、錫の層の厚さは、２２ｋＡ〜２６ｋＡの範囲である。
【００２８】
上記の金属及び付随する厚さの利点及び便益は、ボイドが最少量でボードのはんだ付け可能面まで良く濡れている銀及び錫によって、結果として生じる合金または金属間化合物が迅速に形成され、それによってボード全体にわたって銀及び錫の流動が制限されるということである。さらに、合金の融点は迅速にリフロー温度よりも上昇し、後続するリフロー中の、以後の溶融は防止される。こうして、他の素子がボードに実装されリフローされる後続するリフローの間、フリップチップは所定の場所に留まる。
【００２９】
相対的な金属層の厚さと、リフロー中に使用される温度プロファイルに応じて、ボードから銅もまた溶融して、リフロー中に作製される合金の一部となり得る。これによって接合が強化され、ダイの取り付けが強固になり、結果として生じる合金のニッケル及び錫の比率が減少する。ニッケルと錫の間に存在する銀によって、錫のニッケルへの拡散が阻害され、ニッケル／錫合金が制限され、したがってフリップチップの接合パッドとボードの接合パッドとの間でより強固なフリップチップ接合が可能になるということは、さらに留意されるべきである。
【００３０】
同様の結果を生じさせる代替的な金属（純金属及び合金）層の組み合わせは、以下を含む。
Ｔｉ／Ｎｉ／Ｃｕ／Ａｇ／ＡｇＳｎ、
Ｔｉ／Ｎｉ／Ｃｕ／Ｓｎ、
Ｔｉ／Ｃｕ／Ａｇ／ＡｇＳｎ、
Ｔｉ／Ｃｕ／Ａｇ／Ｓｎ、
Ｔｉ／Ｃｕ／ＡｇＳｎ、及び
Ｔｉ／Ｃｕ／Ｓｎ
【００３１】
これらの様々な実施形態によって、フリップチップまたはダイの接合パッドをボードの接合パッドに接合する、はんだ接合または合金の融点は上昇する。概して、構造には、チタン、ニッケル、及び銀の層を備える層状接合パッドの頂部上に、銀／錫の、ダイまたはフリップチップのはんだ付け可能面が含まれる。銀／錫は、フリップチップをボードのはんだ付け可能面に接合する。一実施形態では、ボードのはんだ付け可能面は、銀を含む。代替方法として、はんだ付け可能面は銅を含む。さらなる別の実施形態では、はんだ付け可能面は銀と銅の両方を含む。
【００３２】
錫または銀／錫合金の使用に関して、銀／錫合金は通常、１つのフリップチップ素子内の少なくとも１つの層において、銀が６．５Ｗｔ％以下である組成を有する。この結果、追加ではんだペーストやプリフォームを用いることなく、はんだ付け可能面が濡らされる。概して、プロセスには、銀／錫の最終組成が、銀が６．５Ｗｔ％以下になるように、銀／錫のはんだペーストまたは純錫を、チタン／ニッケル／銀といったはんだ付け可能面に塗布することが含まれる。こうした組成の場合、該ペーストが合金に変わる融点は、２３０°Ｃ〜２５０°Ｃの範囲である。特定の一実施形態では、ペーストを溶融し第１の合金を形成するため、２３３°Ｃ〜２３５°Ｃの範囲の温度で動作するリフローオーブンまたはリフロー炉の温度が使用される。
【００３３】
約２５０〜２６０°Ｃで後続のリフローをしている間、チタン／ニッケル／銀／銀−錫のはんだ付け可能面は溶融し、ダイまたはフリップチップがボードのはんだ付け可能面に接合されて、さらなるダイをボードに取り付けるのに使用される後続するリフロープロセス中に完全には溶融しない、新しい合金が作製される。銀／錫の金属間化合物は、後続するリフロープロファイル中に完全には溶融しない他の記載の金属層と共に、銀−錫または錫の最上層から形成される。
【００３４】
図７は、一実施形態によりボードまたは金属リードフレームに第１のフリップチップを実装するためのリフロー温度プロファイルを示す、温度−時間グラフである。ここで図７を参照すると、一実施形態によるプロセスで使用される、様々な温度段階を表す５つの期間ｐ１〜ｐ５を識別する、リフロー温度プロファイルグラフが示されている。図から分かるように、期間ｐ１は、リフローオーブンを予熱温度まで予熱するための、加熱の勾配を表す。期間ｐ２は、通常のリフロープロセスで使用される予熱期間を表す。期間ｐ３は、リフロー温度までの加熱の勾配を表す。期間ｐ４は、リフロー温度が保持される、継続期間を表す。期間ｐ５は、合金が凝固し得る、冷却期間を表す。
【００３５】
通常、先行技術の施用では、リードと素子を互いに接合するか、またはリードと素子をプリント基板に接合するのに使用される従来型のはんだ要素の場合、注目すべき継続期間にわたっては、リフロー温度は維持されない。なぜならば、従来型のはんだ要素は、リフロー温度に達するまでにあるいは達したときに、溶融するからである。しかしここでは、少なくとも時点ｔ１に到達するまで、リフロー温度は維持される。時点ｔ１は、合金を形成し、接合を作り出すために複数の金属を溶融または拡散するのに必要な、時間の量である。この時点ｔ１は、何の金属が溶融されているかの、及び各金属層の相対的な厚さの、関数である。さらに、上記の図面に記載されているように、ダイまたはボードのうちの少なくとも１つに、複数の金属層が使用され得る。
【００３６】
時点ｔ１を超えて時点ｔ２までリフロー温度が維持された場合、ダイまたはボードのどちらかに配置されたさらなる金属層から、さらなる合金が形成され得る。そこで、時点ｔ２の後まもなく、冷却期間を表す期間５が開始する。上記のとおり、時点ｔ１及びｔ２におけるリフロー温度によって形成される合金が有する後続の融点は、期間ｐ４のリフロー温度よりも高い。図７に表されるプロセスは、同一のリフローでボードに接合されている、第１のダイもしくは複数のダイまたはフリップチップのためのリフロープロセスである。後続するリフローによって、同一または同様の温度プロファイルが利用されてよい。但し、特性は設計要件に応じて異なっていてよい。
【００３７】
図８は、一実施形態による、ボード及び、ボードに実装された複数のフリップチップの図である。基板、セラミックボードまたは金属リードフレームを備え得るボード４０には、複数の接合パッド素子パターン４２ａ〜ｃが含まれる。各接合パッド素子パターン４２ａ〜ｃは、その上に実装され接合されるダイまたはフリップチップの接合パッドパターンと、ほぼ同様の接合パッドパターンを有する。具体的には、接合パッド素子パターン４２ａ及び４２ｂは、列４４ａ、４４ｂ、及び４４ｃに示す、より小さいダイまたはフリップチップを受容するようにサイジングされ構成されているが、一方、列４４ｄに示すように、接合パッド素子パターン４２ｃは、より大きいダイまたはフリップチップを受容するようにサイジングされ構成されている。
【００３８】
ボード４０に実装されているフリップチップまたはダイは、１または複数の記載の実施形態によって実装され接合される場合、概略的に４６で示されるように、ごくわずかのスペースによって仕切られていてよい。対照的に、より高温の融点を持つ合金を作製しないはんだが使用される場合、４８で示されるように、十分により大きな間隔が必要とされる。なぜならば、リフロー中、及び／または後続するリフロー中、はんだが溶融し、流動して隣接する接合パッドまたは素子の間で短絡が発生し得るからである。本書に記載のプロセスでは、従来のはんだのように標準的なはんだの融点でははんだが流動しないため、本実施形態で記載されたプロセス及び構造は、将来の非常に小さなスケールでの施用に用いられ得る。
【００３９】
集積回路内に形成されるトランジスタの数は、常に増加し続けている。同時に、集積回路装置の大きさは、実質的に縮小し続けている。チップの製造業者たちは、トランジスタの総数の指数関数的な成長を達成するのに、トランジスタのサイズが縮小し続けることに依存してきたが、既知のダイ接合技法によって、将来的な縮小が制限される可能性がある。例えば、最新のトランジスタの部品は、原子何個か分の厚さしかなく、したがって、集積回路ダイの大きさも、トランジスタの縮小に伴って縮小する。現在の素子が１００ミクロン（１μは１メートルの１００万分の１）程度まで小さい一方、将来的には素子の幅は、５〜１５ピコメートル程度まで小さくなり得ると確信されている。したがって、将来的には、集積回路全体の大きさが人間の目で容易に見るには小さすぎるようなものも、開発され得よう。そうした縮小が実際に達成されるかどうかに関わらず、素子を接合する現在の技法が変更されなくてはならないところまで、素子のサイズを縮小するという現在の趨勢が継続することは確実である。こうした集積回路または微小ダイは、基板もしくはセラミックボードまたは、接続点もしくは接合パッドを有する他のタイプのパッケージングといったホストプラットフォームに接合されなくてはならない。
【００４０】
部品の寸法が極小のため、このレベルの集積化は達成困難であろう。マイクロエレクトロニクスの小さい部品を、現在の製造プロセスで可能な方法によって個別にパターニングすることは、不可能な可能性がある。現在のＩＣがほとんどあらゆる任意のパターンを有し得る一方、これらのマイクロエレクトロニクスのレイアウトは、物理的プロセスの制限によって動かされる可能性がある。本実施形態の一態様は、接合に使用されるはんだが流動して、隣接する接合パッドまたは接続点、リードまたはノードの間で短絡を生じるようなことは、ないということである。したがって再び図８を参照すると、接合パッドパターンのレイアウトによって、４８で示すより顕著な間隔の代わりに、４６で示すような、個々のダイまたはフリップチップの、最小限の間隔による近接した配置が可能になる。なぜならば、短絡を発生させる隣接する素子間及び接合パッド間のはんだの流動が、問題ではないからである。さらに、図８の実施形態によって、こうしたマイクロ回路や今日製作されているフリップチップ素子が表されてよいことは、理解されるべきである。
【００４１】
図９は、一実施形態による、ボード及び、ボードに実装された複数のフリップチップの、少なくとも１つのさらなるチップまたはダイを追加するために後続するリフローを行った後の図である。図９は主に、少なくとも１つのさらなる素子、フリップチップ、またはダイを追加するための後続するリフローについてさえ、記載の実施形態によって、隣接する接合パッド及び／または素子の間で、既存の接合を損傷したり短絡を発生させたりすることなしに、素子を追加して、接合のためにリフローすることが可能であることを示している。図から分かるように、より小さいダイまたはフリップチップが４４ｂに示す素子の横列に追加され、より大きいダイまたはフリップチップが、４４ｄに示す素子の横列に追加されている。ダイがボードの両面に追加されてよいことは、留意すべきである。単純化のため、１面のみが示されている。このことは、全ての実施形態に該当する。さらに、本書に記載する実施形態は、両面に接合パッドを有する積層ダイを備えるマルチチップモジュール用に使用され得る。
【００４２】
図１０は、一実施形態による、ボード及び、ボードに実装された複数のフリップチップの、少なくとも１つのさらなるチップまたはダイを追加するために後続するリフローを行った後の図である。図１０は主に、少なくとも１つのさらなる素子、フリップチップ、またはダイを追加するための後続するリフロー（例えば第３のリフロー）についてさえ、記載の実施形態によって、隣接する接合パッド及び／または素子の間で、既存の接合を損傷したり短絡を発生させたりすることなしに、素子を追加して、接合のためにリフローすることが可能であることを示している。図から分かるように、２つの後続するリフローにおいて、より小さいダイまたはフリップチップが４４ｂ及び４４ｃに示す素子の横列に追加され、より大きいダイまたはフリップチップが、４４ｄに示す素子の横列に追加されている。ダイまたはフリップチップのうちの全ての間の間隔４６は、リフローのたびに溶融するであろう従来型のはんだが使用された場合に必要であろう間隔４８よりも、実質的に小さい。作製された合金がより高い融点を有することによる便益によって、接合パッド間の間隔もまた減少してよいことは、理解されるべきである。
【００４３】
図１１は、一実施形態による、ダイを接合する方法を示すフロー図である。図１１の方法は、ウエハ形状のダイの上に、少なくとも１つの金属層を形成すること（１０２）によって開始する。その後、該少なくとも１つの金属層は、接合パッドを形成するためにエッチングされる（１０４）。ダイ上に接合パッドが形成された後、該ダイは、複数のマッチングする接合パッドを有するボード上にフリップチップ実装される（１０６）。記載の実施形態では、ボードははんだ付け可能なボードである。はんだ付け可能なボードは、セラミックボード及び基板または金属リードフレームを含む、電子素子を固定または接続するのに使用される任意のタイプの既知のボードを含み得る。一実施形態では、ボードの接合パッドを製作するために使用されるはんだ付け可能なボードの金属層は、錫または銅といったはんだ付け可能な金属層である。開示の実施形態では、ボードには１つの表面上に形成された２つの金属層が含まれる一方、ダイには少なくとも１つのはんだ付け可能な金属層が含まれる。ダイは、ボードの外側金属層と第１のダイとが互いに接触するように、ボード上に配置される。
【００４４】
方法にはその後、フラックス及び不純物のうちの少なくとも１つを焼尽させ、ペーストが使用されている場合、金属ペーストから第１の合金を形成するため、第１のリフロー温度による第１の温度リフローを実施すること（１０８）が含まれる。方法にはその後、はんだペーストが使用された場合、ダイ及びボードの接合パッドの複数の金属層のそれぞれと、第１のリフロー中に作成された第１の合金との間で第２の合金を形成するため、第２のリフロー温度でボード及びダイの第２の温度リフローを実施すること（１１０）が含まれる。
【００４５】
これらのリフローの温度プロファイルには、特定の温度までの温度勾配と、冷却期間の開始または所望の温度までの勾配と、次いで、該金属層がリフローして少なくとも１つの合金を作製するのに十分な特定の期間または継続期間にわたる温度または温度範囲の維持とが含まれ得る。本書で温度プロファイルに言及する場合には、ダイ及びボードの金属層を溶融して所望の合金及び／または金属間化合物を作製するのに使用される、温度及び時間の任意の組み合わせが含まれる。方法には、オプションで、（例えば、第２の期間にわたって第１のリフロー温度プロファイルを用いるといった）第２の温度プロファイルによって１つの合金が既に作成された後も、第３の合金を形成するため、第１のダイ並びに、該ダイ及びボードの金属層のうちの１または複数のリフローを継続するために、リフローを継続すること（１１２）が含まれる。
【００４６】
方法には、第１のリフロープロセスが完了し、形成されたあらゆる合金が冷却し凝固した後、第２のダイもしくはフリップチップ（または複数の第２のダイもしくはフリップチップ）をはんだ付け可能なボード上に配置し、第１及び第２のダイを持つ該ボードをリフロー炉またはリフローオーブン内に配置すること（１１２）が含まれる。その後、第２のダイ及びボードの金属層は、第１のリフロープロセス中に作製された第１のダイ及びボードのいかなる合金も完全にはリフローすることなく、第３のリフロー温度プロファイルによってリフローされる。第２のダイの金属層とボードの金属層とがリフローされ、第２のダイ及びボード用の第４の合金が形成される（１１４）。方法には、最後に、第２のダイ用の第５の合金を形成するために、第４の温度プロファイルで第２のダイ及びボードの金属層のリフローを継続すること（１１６）が、オプションで含まれる。第１、第２、第３、及び第４の各温度プロファイルは、同様であってもよく異なっていてもよいことは、理解されるべきである。同様に、作製された第２、第３、第４及び第５の合金及び／または金属間化合物は、該温度プロファイル及び金属層組成に基づいており、したがって同様であってもよく異なっていてもよい。
【００４７】
図１２は、一実施形態による、複数のダイを接合する方法を示すフロー図である。方法は、溶融した金属が流動する間隔をダイ間に残すことなく、ボードまたは金属リードフレーム上にエッチングされた複数の接合パッド上に、第１の複数のダイをフリップチップ実装すること（１２０）によって開始される。方法には、その後、ダイの接合パッドの金属層とボードの接合パッドの金属層との両方からの金属要素を含む複数の合金を作製するために、複数のリフローを実施すること（１２２）が含まれる。方法には、続いて、溶融した金属が流動する間隔をダイ間に残すことなく、ボードまたは金属リードフレーム上にエッチングされた第２の複数の接合パッド上に、第２の複数のダイをフリップチップ実装すること（１２４）が含まれる。方法は、最後に、ダイの接合パッドの金属層とボードの接合パッドの金属層との両方からの金属要素を含む複数の合金を作製するために、複数のリフローを実施すること（１２６）によって完了する。
【００４８】
図１２に示す方法の一態様は、溶融して接合パッドから流出するはんだは、様々な実施形態によるダイまたはフリップチップの実装及び接合に関連して実施されるリフローにとって、問題ではないということである。従って、個別のダイ／フリップチップは、非常に近接して配列され配置され得る。
【００４９】
図１３は、一実施形態による、複数のダイを接合する方法を示すフロー図である。方法は、ボードの導体パッド上に第１のダイをフリップチップ実装（１０２）し、第１のダイ及びボードをリフロー炉またはリフローオーブン内に配置すること（１０４）によって開始される。方法には、その後、第１の合金を形成するため、第１のリフロー温度プロファイルで第１のダイ及びはんだ付け可能なボードの金属層をリフローすること（１０６）が含まれる。この第１のリフローは、通常、不純物及びフラックスを焼尽させ、プロセス中ではんだペーストが使用されている場合、はんだペーストから合金を形成するためである。
【００５０】
方法は、その後、第２の合金を形成するように第１のダイをリフローし続けるための、第２のリフロー温度プロファイルによるリフロー（１０８）に進む。この第２の合金には、ダイの接合パッドの金属層及び／またははんだペーストからのうちの少なくとも１つの金属と、はんだ付け可能なボードの接合パッドの金属層からの少なくとも１つの金属とが含まれる。方法には、その後、第３の合金を形成するために、第１のダイ及びボードのリフローを継続すること（１１０）が含まれる。
【００５１】
記載の実施形態では、プロセス中で少なくとも３つの金属が使用されている。第２のリフローでは、少なくとも１つの金属が溶融して、別の層から拡散した金属を含む、第２の合金を形成する。フリップチップ／ダイ及びボードのリフローを継続することによって、第３の金属が溶融し、第１及び第２の金属と混合され、少なくとも３つの金属を含む第３の合金が形成される。このプロセスが完了し該合金が冷却して凝固した後、方法には、複数の金属層を有するボードの接合パッド上に第２のダイをフリップチップ実装すること（１１２）と、接合された第１のダイを有する第２のダイ及びボードの両方を、リフロー炉またはリフローオーブン内に配置すること（１１４）と、第４の合金を形成するため、第１のダイを完全にリフローすることなく、第２のダイをリフローする第４のリフロー温度プロファイルによってリフローすること（１１６）とが含まれる。第１の合金と同様、ここで形成される第４の合金は、プロセス中ではんだペーストが使用されている場合、はんだペーストからのものである。方法にはその後、第２の合金と同様の第５の合金を形成するように、第１のダイをリフローすることなく第２のダイをリフローするため、第５のリフロー温度プロファイルによってリフローすること（１１８）が含まれる。最後に、方法には、第６の合金を形成するためにオプションでリフローを継続すること（１２０）が含まれる。
【００５２】
各図に関する上記の検討及び記載は、ダイまたはフリップチップの接合パッドを、ボードの接合パッドに付着させることに関する。上記で開示された主題は例示であって限定的でなく、添付の特許請求の範囲はこうした修正形態、拡張形態、及び特許請求の真の範囲に該当する他の実施形態の全てをカバーすることが意図されていることは、理解されるべきである。
【００５３】
例えば本開示の装置及び方法の一態様によると、ボードの接合パッドには、銅が含まれる。
【００５４】
別の態様によると、第１のダイの複数の接合パッドの少なくとも２つの金属層には、チタン層が含まれる。
【００５５】
さらなる別の態様によると、該合金には、錫、銀、及び銅の合金、または錫及び銀の合金のうちの１つが含まれる。
【００５６】
本装置の一態様によると、第１のダイの複数の接合パッドは銀と錫を含む少なくとも３つの金属層を備え、ボードの複数の接合パッドは少なくとも２つの金属層を備える。
【００５７】
別の態様によると、第１のダイの複数の接合パッドの少なくとも２つの金属層には、銀層とニッケル層が含まれる。
【００５８】
さらなる別の態様によると、ボードの少なくとも２つの金属層には、銀層と銅層が含まれる。
【００５９】
こうして、法の許す最大の範囲まで、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲及びその均等物の可能な限り最も幅広い解釈によって決定されるべきであり、前記の詳細な記載によって制限されたり限定されたりするべきではない。
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
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