(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの電子部品（２７，２８）の間にフラックスレス・フリップチップ・ボンディングを形成する方法であって、
基板層と、前記基板層（１３）上に形成された少なくとも１つの導電層とを備えたボンディング領域（２９）を有する第１電子部品（２８）を設ける工程と、
前記第１電気部品（２８）の前記ボンディング領域（２９）に粗面を形成する工程と、
ボンディング表面を有する第２電子部品（２７）を設ける工程と、
前記第２電子部品（２７）の前記ボンディング表面に半田ボール（１２）を取り付ける工程と、
前記半田ボール（１２）に接触して前記粗面を配置する工程と、
前記半田ボール（１２）が前記粗面に接着するように、前記２つの電子部品（２７，２８）にタック圧力を印加する工程と、
前記半田ボール（１２）がリフローするように前記２つの電子部品（２７，２８）を加熱して、前記２つの電子部品（２７，２８）の間に湿式ボンディングを形成する工程とを備え、
前記粗面は、前記基板層（１３）に化学エッチングを施し、ついで前記粗面をそれ以降の導電層（１４，１６，１７，１８，１９）で複製することによって形成される、フラックスレス・フリップチップ・ボンディングを形成する方法。
【請求項２】
少なくとも１つのボンディング領域（２９）を有する第１電子部品（２８）と、前記少なくとも１つのボンディング領域（２９）は、基板層（１３）、および前記基板層（１３）上に形成された少なくとも１つの導電層（１４，１６，１７，１８，１９）を備えることと、前記少なくとも１つのボンディング領域（２９）は前記基板層（１３）に化学エッチングを施し、ついで前記粗面をそれ以降の導電層（１４，１６，１７，１８，１９）で複製することによって形成された粗面をさらに有することと、
少なくとも１つのリード（１１）、および該少なくと１つのリード（１１）に取り付けられた半田ボール（１２）を有する第２電子部品（２７）と、
湿式ボンディングとを備え、該湿式ボンディングは前記半田ボール（１２）が前記第１電子部品（２８）の前記粗面に接触したときに前記半田ボール（１２）をリフローすることにより形成されたものである、２つの電子部品間の電気ボンディング。
【請求項３】
フラックスを利用せずに半導体デバイスを基板にボンディングするための方法であって、
少なくとも１つの半田ボール（１２）を有する半導体デバイス（２７）を設ける工程と、
粗面を有したボンディング領域（２９）を有する基板（１３）を設ける工程と、
前記ボンディング領域（２９）の前記粗面に接触して、前記少なくとも１つの半田ボール（１２）を配置する工程と、
タック圧力を印加して、前記半導体デバイス（２７）を前記基板（１３）に取り付ける工程と、
前記少なくとも１つの半田ボール（１２）がボンディングを形成するように、前記半導体デバイス（２７）および前記基板（１３）を加熱する工程とを備え、
前記粗面は、前記基板層（１３）に化学エッチングを施し、ついで前記粗面をそれ以降の導電層（１４，１６，１７，１８，１９）で複製することによって形成される、フラックスを利用せずに半導体デバイスを基板にボンディングするための方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、半導体デバイスに関し、さらに詳しくは、フラックス(flux)を利用せずに互いにボンディングされた２つの電子部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体パッケージングは、ＰＣ基板上に後で配置する置され、第２電子デバイスの適切なボンディング・パッドと整合される。２つのデバイスが互いに接触した状態で、半田が加熱され、リフローして、２つのデバイス間で永久ボンディングを形成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
フリップチップ技術の問題点の１つは、確実なボンディングが形成されるように、リフロー・プロセス中にすべての半田ボールを適切なボンディング・パッドと接触させる必要があることである。フリップチップ・ボンディングの２つの部品を接着させ、ボンディング表面に酸化物がないようにするため、ロジンなどのフラックス材料が利用されてきた。ボンディング後に、フラックス材料を除去しなければならない。これはフラックスからの残留物が半田ボールの接着特性に影響を及ぼし、またフリップチップ・モジュールを腐食するためである。フラックスは、フリップチップ・プロセスの費用を増加し、フラックス材料の適用，除去および処分において環境問題を追加する。
【０００４】
残留膜の問題を解消するため、フラックスレス技術も実験されている。当業者によって利用される最も一般的な方法に、２つの電子部品間にタック圧力(tacking pressure)をかける方法がある。この圧力は、第１電子部品の半田ボールを第２電子部品のなめらかなボンディング表面に接着させるためである。しかし、過剰な圧力が加わると、半田ボールは変形して、互いにまたはいずれかの部品の基板にショートすることがある。
【０００５】
１９９１年１２月３１日にCarey らに発行された米国特許第５，０７５，９６５号において教示されるように、金属デンドライト(metallic dendrite) を利用すると、ボンディング領域の表面に金属スパイク(metal spikes)を形成することによって、必要なタック圧力の量を低減するのに役立つ。これらのデンドライトは、金属層によってメッキされ、「既知の良好なダイ(known good die)」試験について一時的なボンディングのためにのみ用いられる。デンドライトは制御が困難で、通常の冶金被着では避けられるので、デンドライト・プロセスはパッケージング・プロセスの複雑さを増す。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、フラックス材料を利用する必要がなく、半田ボールの変形する危険を排除し、製造プロセスにあまり複雑さまたはコストを追加しない、電子部品をボンディングする改善された方法を提供することは有利である。
【０００７】
【実施例】
一般的なフリップチップ・ボンディング方法では、第１電子部品の半田ボールを第２電子部品のボンディング領域に整合させて、これらの構造を固定して半田をリフローさせて、永久的な電気的なボンディングを形成する。確実なボンディングを形成するために半田ボールとボンディング表面とがリフロー・プロセス中に互いに接触したままとなることが重要である。接触を維持する従来の方法では、２つの部品間の一時的な接着層として機能するフラックス・ロジンを利用した。本発明は、半田ボールを第２電子部品上に形成された粗面にタックすることによって、半導体デバイス間にフラックスレス・フリップチップ・ボンディングを形成するための効果的な方法を教示する。半田ボールは粗面(roughened surface) に接着し、半田ボールのリフロー・プロセス中に確実な接触を施す。また、本発明は、「既知の良好なダイ」試験方法について、一時的にボンディングするために半導体デバイスを基板にボンディングするために利用できる。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施例を示す拡大断面図である。ここで、ガラス基板１３を半導体にフリップチップ・ボンディングする構造およびプロセスについて説明するが、本発明は、任意の組成または用途の２つの電子部品の端子をボンディングすることに利用できる。第１電子部品２７のボンディング表面は、導電基板２６として表される。図１では金属膜として示されるが、基板２６はシリコン，ガリウム砒素，ガラス，磁気材料または電子用途で利用される任意の他の材料など多くの材料から構成できる。ある用途では、フリップチップ・パッケージングの当業者に周知の多くの方法のうち１つを介して金属化ボンディング・パッド１１を第１電子部品２７の基板２６上に形成する必要がある。ボンディング・パッド１１の機能は、ボンディング・パッド１１上に形成される半田ボール１２の接着を行うことである。ボンディング・パッド１１は、第１電子部品２７の基板２６と半田ボール１２との間の界面層である。ボンディング・パッド１１は、銅，錫，銀，クロム，ニッケル，金またはアルミニウムなどのいくつかの金属の合金から作ることができ、基板２６の組成に応じて必要ない場合もある。半田ボール１２は、任意の半田可能な材料でもよく、一般に鉛と錫合金の混合からなる。半田ボール１２は、２つの機能を提供する。まず第１に、半田ボール１２は、組立および試験プロセス中に電子部品２７，２８間の一時的な接着を行い、第２に、半田ボール１２がンディング・パッド，ボンディング端子，バンプまたはボンディング・バンプともいう。ガラス基板１３は、基板１３上に形成される以降の導電層の上で粗面を設けるため粗面仕上げされる。粗面仕上げされたボンディング領域２９は、組立プロセス中に部品２７．２８を固定するためのフラックス・ロジンの必要性を省く。
【０００９】
ガラス基板１３上に粗面を形成するいくつかの化学的および物理的な方法があり、そのいくつかをここで説明する。露出されパターニングされたフォトレジストからなるマスキング層は、エッチングされる基板の領域を分離し、エッチングされない領域を保護するために用いられる。第２電子部品２８の部分を選択的に粗面仕上げするため、任意の他の物理的な障壁を利用できる。エッチングされる材料の組成に応じて、さまざまな化学的なエッチング剤を利用できる。ほとんどのガラス基板は、フッ化水素酸の溶液でエッチングできる。金属基板は、グリコールなどの任意の適切な溶液でエッチングできる。適切なフッ化炭化水素プラズマを利用して、基板１３を粗面仕上げするため、プラズマ・エッチング装置も利用できる。
【００１０】
好適な実施例では、基板１３は物理的に粗面仕上げされる。低圧の細粒研磨剤(low pressure and fine coarseness abrasive) を利用するサンドブラスト(sandblast) が好適な方法である。直径が２０μｍ〜２００μｍのオーダのフリップチップ半田ボールでは、０．２μｍ〜２０μｍシリカ・サンド(silica sand) のオーダの研磨剤を利用して２０〜５０ＰＳＩで１〜３秒の圧力が基板１３に印加される。また、基板の表面の十分な部分を除去または被着して、粗面パターンを生成する任意のスパッタリング方法も利用できる。
【００１１】
電子用途において２つの部品の間で導電ボンディングを必要とする場合、ボンディング領域に導電層が形成される。各層は、基板１３の粗面仕上げ表面を各以降の層で複製(replicate) するように被着・形成される。まず第１に、１００Åのオーダのクロムの膜が基板１３に被着され、接着層(glue layer)１４として機能する。５００Åの銅層１６は、接着層１４上に被着される。次に、５μｍの銅層１７が５００Åの銅層１６上に被着される。１μｍのニッケル層１８は、５μｍ銅層１７上に被着される。最後に、０．２５μｍの金層１９が被着され、上部導電層として機能する。スパッタリング、電解メッキまたは蒸着方法など、導電膜を形成するために用いられるいくつかの冶金方法がある。基板１３に適用される層の組成，厚さまたは数は、変えることができ、電子用途およびボンディング条件によって決定される。
【００１２】
ボンディング表面を粗面仕上げするための上記のどの方法もデンドライト構造を形成するよりもはるかに効率的な方法であることが当業者に明白である。デンドライト構造は、デンドライトを形成・メッキするために複雑なプロセス工程を必要とする。このような工程は、製造プロセスにおいて制御するのが困難であり、その複雑さは組立費用を増加する。導電層が粗面を複製し、デンドライト・プロセスで説明したような追加のメッキ工程を必要としないので、粗面を利用することは同様な費用を追加しない。ガラス基板１３の表面の粗面組織の複製により、組立プロセス中に用いられるタック圧力を低くできる。一般的なフリップチップ・プロセスでは、２つの部品が互いに接触して配置されると、圧力が加えられ、半田ボール１２を変形させて、これらの半田ボールは第２部品２８に接着する。本発明の粗面実施例は、２つの表面をボンディングするための所要圧力を低減し、それにより隣接半田ボールまたは導電リードへショートするほど半田ボールを変形させる危険を排除する。
【００１３】
図２は、さらに処理した後の、本発明の第１実施例を示す拡大断面図である。２つの電子部品２７，２８は、互いに接触して配置され、半田ボール当たり５グラム〜１５グラムの力がボンディング領域に対して垂直に印加されるように圧縮される。層１９上に粗面がなければ、半田ボール２１は第２電子部品２８に接着せずに、その後の組立工程または試験工程中に分離する可能性がある。また、粗面を利用することにより、組立工程において低いタック圧力が可能になる。フリップチップ組立の従来の方法では、半田ボール当たり３０グラム〜１０００グラムの力を必要とし、それにより半田ボールを著しく変形させて、電気ショートを発生する可能性があった。２つの電子部品２７，２８は、一般に１５０゜Ｃ〜４００゜Ｃである半田ボール２１のリフロー温度まで加熱される。このとき、半田ボール２１は、２つの電子部品２７，２８の間で湿式ボンディングを形成する。図３は、本発明の第２実施例を示す拡大断面図である。第２電子部品２８の基板層１３を粗面仕上げせずに、中間導電層の１つが粗面仕上げされる。図３は、５μｍ銅層１７が粗面仕上げされ、粗面パターンが１μニッケル層１８および０．２５μ金て、ガラス基板１３はマスキングされ、選択的に粗面仕上げされて、粗面２３を形成する。粗面２３は、ボンディング領域２９が形成され、リード２４に取り付けられる部分である。一連の導電層１４，１６，１７，１８，１９は、粗面パターンが上部層の上で複製されるように、粗面２３上に形成され、パターニングされる。次に、上部層は半田ボール１２（図１参照）と接触して配置される。半田ボール１２（図１参照）がボンディング領域２９と整合されると、タック圧力が加えられ、部品２７，２８（図２）をボンディングする。永久ボンディングが望ましい場合、半田ボール１２は加熱され、リフローして、湿式ボンディングを形成する。
【００１４】
以上、本発明は、２つの電子部品をフリップチップ・ボンディングする新規な方法を提供することが理解されよう。本発明の実施例は、任意の２つの電子部品のリード間でフラックスレス・ボンディングを形成し、タック圧力を加えて、残りのプロセス工程中に２つの部品を互いに保持する方法を提供する。これらの実施例は、フラックス接着剤のコストを省き、環境的に危険な材料を適用・除去することに伴う問題を解消することにより、従来技術に比べて改善された効率性を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す拡大断面図である。
【図２】さらに処理した後の、本発明の第１実施例を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す拡大断面図である。
【図４】本発明の実施例において用いられる基板の拡大部分を示す図である。
【符号の説明】
１１  金属化ボンディング・パッド
１２  半田ボール
１３  ガラス基板
１４  接着層（クロム層）
１６  ５００Å銅層
１７  ５μｍ銅層
１８  １μｍニッケル層
１９  ０．２５μｍ金層
２２  非エッチング部分
２３  エッチング部分（粗面）
２６  導電基板
２７  第１電子部品
２８  第２電子部品
２９  ボンディング領域
【図１】
0003768601.tif 000002
【図２】
0003768601.tif 000003
【図３】
0003768601.tif 000004
【図４】
0003768601.tif 000005