(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に半導体チップがフリップチップ実装により搭載される半導体チップの実装構造において、
前記半導体チップの端子と前記基板の端子との間の接続構造が、金属間接続により接続されている金属間接続端子群と圧接接合により接続されている圧接接合端子群とに分かれていることを特徴とする半導体チップの実装構造。
【請求項２】
前記金属間接続端子群が、半導体チップと基板との熱膨張差により半導体チップに応力が生じる部位の端子群であることを特徴とする請求の範囲１記載の半導体チップの実装構造。
【請求項３】
前記金属間接続端子群が、半導体チップの４隅に位置する端子群を含むことを特徴とする請求の範囲１または２記載の半導体チップの実装構造。
【請求項４】
前記金属間接続端子群が、半導体チップの各辺の中間に位置する端子群を含むことを特徴とする請求の範囲３記載の半導体チップの実装構造。
【請求項５】
前記金属間接続される端子間の金属構成の金属拡散速度の方が、前記圧接接合される端子間の金属構成の金属拡散速度よりも大きくなるように、各端子間の金属構成がされていることを特徴とする請求の範囲１、２、３または４記載の半導体チップの実装構造。
【請求項６】
前記金属間接続端子群がＡｕ−Ａｕの金属間接続により接続され、前記圧接接合端子群がＡｕとＡｕ以外の金属との圧接接合により接続されていることを特徴とする請求の範囲５記載の半導体チップの実装構造。
【請求項７】
基板上に半導体チップをフリップチップ実装により搭載する半導体チップの実装方法において、
前記基板の端子を覆って絶縁性接着剤を塗布する工程と、
前記半導体チップを前記基板上に、基板と半導体チップの対応する端子とが重なるように位置合わせして載置する工程と、
前記位置合わせした後に、超音波装置の超音波ヘッドを半導体チップの所要部位に押し当て、超音波を発して前記端子群の一部を金属間接合により接続する超音波接続工程と、
超音波接続工程の後に、半導体チップを加圧しつつ、加熱して前記絶縁性接着剤を硬化させる工程とを含むことを特徴とする半導体チップの実装方法。
【請求項８】
前記超音波接続工程で、半導体チップと基板との熱膨張差により半導体チップに応力が生じる部位の端子群の金属間接続を行うことを特徴とする請求の範囲７記載の半導体チップの接続方法。
【請求項９】
前記金属間接続を行う端子の高さを、前記圧接接合を行う端子の高さよりあらかじめ高く形成しておくことを特徴とする請求の範囲７または８記載の半導体チップの接続方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体チップを基板にフリップチップ実装する実装構造とその実装方法に関する。
従来の技術
半導体チップを基板にフリップチップ実装する、従来の代表的な３つの方法について説明する。
第１の方法は、樹脂の収縮によって、半導体チップの端子を基板の端子に圧接せしめて両者間の電気的接続をとる圧接接合方法である。
まず、図１９に示すように、半導体チップ１０の端子部（アルミニウム端子部、図示せず）上にＡｕワイヤによりバンプ１２を形成する。次いで、パンプ１２の高さを一致させるために当板１３上に押しつけて潰すバンプレベリングを行う（図２０）。次に、ガラス板１４上に塗布した導電性接着剤１５に押し当てて、バンプ１２上に導電性接着剤１５を付着させる（図２１）。一方、基板１６の端子１７を覆って絶縁性接着剤１８を塗布しておく（図２２）。次に、基板１６と半導体チップ１０とを位置合わせして重ね、加圧治具１９により加圧しつつ炉内で加熱して絶縁性接着剤を硬化させる。冷却時の絶縁性接着剤の収縮によりバンプ１２が端子１７に圧接され、これにより両端子１１、１７間の電気的接続がとられる（図２３）。
第２の方法は、上記の絶縁性接着剤１８の代わりに異方性導電接着剤を用いる方法である。半導体チップ１０の端子部にバンプ１２を形成し、このバンプ１２をレベリングする点までは第１の方法と同じである。一方、図２４に示すように、基板１６の端子１７を覆って異方性導電接着剤２０を塗布しておく。そして、図２５に示すように、基板１６と半導体チップ１０とを位置合わせして重ね、加圧治具１９により加圧しつつ炉内で加熱して異方性導電接着剤２０を硬化させるのである。異方性導電接着剤２０がやはり収縮することによって両端子１１、１７が圧接し、電気的導通がとられる。両端子間で加圧された異方性導電接着剤２０の部位が導電性を有するので、第１の方法のように、あらかじめ導電性接着剤１５をバンプ１２に塗布する必要はない。
第３の方法は、超音波により半導体チップの端子と基板の端子とを金属間接続させる方法である。
この場合には、図２６に示すように、半導体チップ１０の端子部にバンプ１２を形成し、一方基板１６には端子１７を覆って絶縁性接着剤１８を塗布しておき（図２７）、図２８に示すように、基板１６と半導体チップ１０とを位置合わせして重ね、超音波ヘッド２１により半導体チップ１０を加圧しつつ超音波をかけ、両端子１１、１７を金属間接続して電気的に接続するのである。また、別途炉内で加熱して絶縁性接着剤１８を硬化させる。
技術的課題
上記第１の方法では次の課題がある。
すなわち、単に接触しているだけの圧接接合の信頼性を高めるために、バンプ１２に導電性接着剤１５を塗布する必要があり、他の方法と比較して工程数が多くなる。また、半導体チップ実装と同時に絶縁性接着剤１８の硬化工程が必要となり、最大３０分ほどの長時間を要する。
上記第２の方法では、工程数は比較的少ないが、バンプ１２と端子１７との間に導電粒子を挟み込まない確率が生じ、接合信頼性に劣る。また、異方性接着剤２０の硬化工程が必要となり、やはり長時間を要するという課題がある。
また第３の方法では、工程数が少なく、超音波による端子間接続も０．５秒程度の短時間で済むので最も優位な方法である。しかし、この方法では多ピン（３０ピン以上）の接続には不向きである。すなわち、超音波による接続が極めて短時間な故に、超音波エネルギーの伝達が均一には行えず、ある端子間ではまだ接続されていないのに、別な端子間では既に接続が完了し、なおも超音波が付与されると逆に接続が破壊されることになるからである。
発明の開示
そこで、本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、多ピンであっても端子間の接続が確実になされる半導体チップの実装構造と実装方法を提供する。
すなわち、本発明に係る半導体チップの実装構造では、半導体チップの端子と基板の端子との間の接続構造が、金属間接続により接続されている金属間接続端子群と圧接接合により接続されている圧接接合端子群とに分かれていることを特徴としている。
このように、一部の端子群を超音波による金属間接続により接続し、残りの端子群を圧接接合により接合するので、多ピンのものでも確実に接続を行うことができる。
特に、半導体チップと基板との熱膨張差により半導体チップに応力が生じる部位の端子群を超音波による確実な金属間接続とすることによって、応力が生じても接続の信頼性の高い半導体チップの実装構造を提供できる。
また、本発明の半導体チップの実装方法では、前記基板の端子を覆って絶縁性接着剤を塗布する工程と、前記半導体チップを前記基板上に、基板と半導体チップの対応する端子とが重なるように位置合わせして載置する工程と、前記位置合わせした後に、超音波装置の超音波ヘッドを半導体チップの所要部位に押し当て、超音波を発して前記端子群の一部を金属間接合により接続する超音波接続工程と、超音波接続工程の後に、半導体チップを加圧しつつ、加熱して前記絶縁性接着剤を硬化させる工程とを含むことを特徴としている。
超音波接続工程と絶縁性接着剤を硬化させる工程とは別工程であり、絶縁性接着剤を硬化させる工程は多数の基板をまとめて一斉に炉内で行うことができるので、全体として工程時間の短縮が行える。
発明を実施するための最良の形態
以下本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
（第１実施例）
前記従来の技術に示したのと同一の部材は同一符号を付す。
まず、図１に示すように、半導体チップ１０の端子部（アルミニウム端子部、図示せず）上にＡｕワイヤにより公知の手法によりバンプ１２を設けて端子１１を形成する。バンプ１２はＡｕめっき皮膜により形成してもよい。
なお、本発明では、半導体チップ側および実装基板側を含めて、端子というときは、何も処理をしていない無垢の端子部（半導体チップ側はＡｌ端子部、基板側はＣｕ端子部）の他、該端子部にめっき皮膜やワイヤによるバンプを形成したものの双方を含むものとする。端子部というときは、何も処理をしていないものをいう。
一方、図２に示すように、基板１６の端子１７を覆って、エポキシ樹脂等の絶縁性接着剤１８を塗布する。
そして、図３に示すように、基板１６の端子１７に半導体チップ１０の端子１１を位置合わせして載せ、超音波ヘッド２１を半導体チップ１０に当接し、加圧しながら超音波をかけて両端子を接合する。なお、２２はゴム等の弾性材からなるクッション材である。
この場合に、超音波ヘッド２１により超音波のエネルギーが端子群の一部に加わるようにし、端子群の一部が超音波による金属間接続となるようにするのである。
超音波による金属間接続条件の一例を下に示す。
タクト時間＝１〜３秒
温度＝３０〜２００℃
超音波付与時間＝０．５秒
荷重＝３０〜１００ｇ／バンプ
この金属間接続により接続される端子群が、半導体チップ１０と基板１６との熱膨張差により半導体チップ１０に応力が生じる部位の端子群となるようにすると好適である。
半導体チップ（シリコン）の熱膨張係数は３〜４×１０−６／ｃｍであるのに対し、樹脂製の基板の熱膨張係数は１６〜１７×１０−６／ｃｍと大きく異なる。
このため、基板１６が伸縮することによる応力集中は、図４に示すように、主として、半導体チップ１０の４隅の端子１１（黒丸で示した部位）に向けられる。したがって、少なくともこの部位の端子１１と基板１６側の対応する端子１７との間が確実に超音波による金属間接続となるようにする。
また、基板１６の反りによる応力集中は、半導体チップ１０の４隅の端子１１が固定された場合、半導体チップ１０の各辺の中央部付近の端子１１に向けられる。この応力集中による端子間の接続の剥がれ等を防止するためには、上記４隅の端子１１とこれに対応する端子１７との間の他、半導体チップ１０の各辺の中央部付近の端子１１とこれに対応する基板１６側の端子１７との間も超音波による金属間接続となるようにすると一層好適となる。
上記のように、一部の端子群を超音波により金属間接続した後、基板１６を複数個加熱炉（図示せず）に収容して同時に加圧、加熱処理をして、絶縁性接着剤１８を熱硬化させる。超音波による端子の金属間接続は０．５秒ほどであるが、炉内での加熱処理は５〜３０分ほどの長時間を要する。しかし、両工程は別個であるから、まとめて多数の基板を加熱炉に収容して行えるので、全体としての処理時間は短縮できる。
絶縁性接着剤１８が硬化した後、冷却して収縮することにより、両端子１１、１７が圧接され、電気的に接続される。
（第２実施例）
上記の金属間接続される端子群に効率的に超音波エネルギーが集中するように、種々の工夫をするとよい。圧接接合される端子群が金属間接続されても構わないが、できるだけ超音波エネルギーが分散されないようにして、目的とする端子群が確実に金属間接続されるようにするためである。
そのための１つの方法は、金属間接続される端子間の金属構成の金属拡散速度（超音波エネルギーが付与された際の金属拡散速度）の方が、圧接接合される端子間の金属構成の金属拡散速度よりも大きくなるように、各端子間の金属構成をすることである。
例えば、次の金属構成（端子表面の金属構成）を採用できる。
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この▲５▼の場合を図５〜図８により説明する。
図５に示すように、半導体チップ１０の、金属間接続すべき端子部上にＡｕワイヤによりワイヤバンプ１２を形成する。半導体チップ１０の他の端子部（圧接接合する部位）は、Ａｌ端子部をそのまま露出させている。
一方、図６に示すように、基板１６上の全端子部上にＡｕめっき皮膜（めっきバンプ）１２ａを形成し、圧接接合すべき端子部上にはさらにＡｕワイヤによりワイヤバンプ１２を形成する。そして図７に示すように、Ａｕめっき皮膜１２ａやワイヤバンプ１２を覆って絶縁性接着剤１８を塗布する。ワイヤバンプ１７の先端は絶縁性接着剤１８上に若干突出する。
次いで、図８に示すように、基板１６の端子１７に半導体チップ１０の端子１１を位置合わせして載せ、超音波ヘッド２１を半導体チップ１０に当接し、加圧しながら超音波をかけて両端子を接合する。Ａｕ−Ａｕ間の金属拡散速度の方が、Ａｕ−Ａｌ間の金属拡散速度よりも大きいので、金属間接続すべき端子間が確実に金属間接続される。次に基板１６を加熱炉中に収容して加熱処理し、絶縁性接着剤１８を硬化させるのである。
上記のように、Ａｕ−Ａｕ間の金属拡散速度の方が、ＡｕとＡｕ以外の他の金属との間の金属拡散速度よりも大きい。なお▲４▼のようにＡｕめっき皮膜であっても、その表面に傷を入れることによって、接触面積が小さくなるから、金属拡散速度が低くなる。
このように、金属拡散速度に差をもたせることにより、超音波エネルギーを付与した際、金属拡散速度の大きい端子間が確実に金属間接続されることになる。
（第３実施例）
図９は、金属間接続する側の端子間により多く超音波エネルギーが集中しやすいように超音波ツールに工夫をした例である。
この実施例では、超音波ヘッド２１を、金属間接続すべき端子１１、１７が配置されているエリアの半導体チップ１０の上面に当接するようにヘッド形状を形成している。
（第４実施例）
図６は、クッション材２２が、金属間接続すべき端子１１、１７が配置されているエリアの基板１６の下面側に配置し、当該端子１１、１７に超音波ヘッド２１からより多くの荷重が加わるようにして超音波エネルギーを集中させるようにしている。
（第５実施例）
図１１〜図１５に第５実施例を示す。
図１１に示すように半導体チップ１０の、圧接接合すべき端子部上にＡｕワイヤによりワイヤバンプ１２を形成する。
次に図１２に示すように、ワイヤバンプ１２を当板１３に押し当ててワイヤバンプ１２の高さを揃えるレベリングを行う。
次いで図１３に示すように、半導体チップ１０の金属間接続をすべき端子部上にＡｕワイヤによりワイヤバンプ１２ｂを形成する。
そして図１４に示すように、半導体チップ１０上に、絶縁性接着剤シート１８ａを配置する。絶縁性接着剤シート１８ｂはＢステージ（未硬化で、柔軟性かつ粘着性を有するもの）状のシートであって、ワイヤバンプ１２は埋没し、ワイヤバンプ１２ｂの尖った先端部は絶縁性接着剤シート１８ｂを突き破り、露出する。
この半導体チップ１０を、基板１６の端子１７に半導体チップ１０の端子１１を位置合わせして載せ、超音波ヘッド２１を半導体チップ１０に当接し、加圧しながら超音波をかけて両端子を接合する。その際、絶縁性接着材シート１８ｂから突出しているワイヤバンプ１２ｂの先端部に超音波エネルギーが集中するから、金属間接続すべき端子の金属間接続が確実に行えるのである。他の端子は、超音波ヘッド２１により半導体チップ１０が押圧されるから、両端子１１、１７が当接する状態となる。次いで加熱炉で加圧、加熱処理して絶縁性接着剤シート１８ｂを熱硬化させるのである。
（第６実施例）
図１６〜図１８に第６実施例を示す。
図１６に示すように、半導体チップ１０の全端子部上にＡｕワイヤによりワイヤバンプ１２を形成し、さらに金属間接続すべき端子部の上記第１のワイヤバンプ１２上に、Ａｕワイヤにより第２のワイヤバンプ１２ｃを形成する。
すなわち、金属間接続すべき端子１１のワイヤバンプが２段に形成され、他の端子よりも高さを高くするのである。
基板１６上には端子（Ａｕめっき皮膜のバンプを形成してある）１７を覆って絶縁性接着剤１８を塗布する（図１７）。
次いで図１８に示すように、半導体チップ１０を、基板１６の端子１７に半導体チップ１０の端子１１を位置合わせして載せ、超音波ヘッド２１を半導体チップ１０に当接し、加圧しながら超音波をかけて両端子を接合する。その際、高さの高い端子１１（ワイヤバンプ１２ｂを有する端子）が基板１６側の端子１７とまず当接し、この端子に超音波エネルギーが集中するから、金属間接続すべき端子の金属間接続が確実に行えるのである。他の端子１１は、超音波接続が完了する時点で端子１７に当接する状態となる。次いで加熱炉で加圧、加熱処理して絶縁性接着剤シート１８ｂを熱硬化させるのである。
以上、本発明の好適な実施例について種々述べたが、本発明は上述の実施例に限定されるのではなく、発明の精神を逸脱しない範囲でさらに多くの改変を施し得るのはもちろんである。
発明の効果
以上のように、本発明によれば、一部の端子群を超音波による金属間接続により接続し、残りの端子群を圧接接合により接合するので、多ピンのものでも確実に接続を行うことができる。
特に、半導体チップと基板との熱膨張差により半導体チップに応力が生じる部位の端子群を超音波による確実な金属間接続とすることによって、応力が生じても接続の信頼性の高い半導体チップの実装構造を提供できる。
また、本発明方法では、超音波接続工程と絶縁性接着剤を硬化させる工程とは別工程であり、絶縁性接着剤を硬化させる工程は多数の基板をまとめて一斉に炉内で行うことができるので、全体として工程時間の短縮が行える。
【図面の簡単な説明】
図１〜図４は第１実施例を示し、
図１は半導体チップ上にバンプを形成した状態の説明図であり、図２は基板上に絶縁性接着剤を塗布した状態の説明図であり、図３は超音波接合している状態の説明図であり、図４は、半導体チップ上での応力集中部位を示す説明図である。
図５〜図８は第２実施例を示し、
図５は半導体チップの金属間接続すべき部位にバンプを形成した状態の説明図であり、図６は基板の圧接接合すべき部位にバンプを形成した状態の説明図であり、図７は基板上に絶縁性接着剤を塗布した状態の説明図であり、図８は超音波接合している状態の説明図である。
図９は第３実施例で、超音波ヘッドの形状を変形した状態を示す説明図である。
図１０は第４実施例で、クッション材を基板下面の必要部位のみに配置した状態を示す説明図である。
図１１〜図１５は第５実施例を示し、
図１１は半導体チップの圧接接合すべき部位にバンプを形成した状態の説明図であり、図１２はレベリングを行った説明図であり、図１３は半導体チップの金属間接続をすべき部位にバンプを形成した状態の説明図であり、図１４は半導体チップ上に絶縁性接着剤シートを配置した状態の説明図であり、図１５は超音波接合している状態の説明図である。
図１６〜図１８は第６実施例を示し、
図１６は半導体チップの金属間接続すべき部位にバンプを２段に形成した状態を示す説明図であり、図１７は基板に絶縁性接着剤を塗布した状態を示す説明図であり、図１８は超音波接合している状態の説明図である。
図１９〜図２３は従来の第１の方法を示すもので、
図１９は半導体チップにバンプを形成した状態の説明図であり、図２０はレベリングを行った説明図であり、図２１はバンプに導電性接着剤を塗布した状態の説明図であり、図２２は基板に絶縁性接着剤を塗布した状態の説明図であり、図２３は圧接接合を行っている状態の説明図である。
図２４から図２５は従来の第２の方法を示すもので、
図２４は基板上に異方性導電接着剤を塗布した状態の説明図であり、図２５は圧接接合を行っている状態の説明図である。
図２６〜図２８は従来の第３の方法を示し、
図２６は半導体チップ上にバンプを形成した状態の説明図であり、図２７は基板上に絶縁性接着剤を塗布した状態の説明図であり、図２８は超音波接合を行っている状態の説明図である。
【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９】
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【図１０】
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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