バンプ配置評価装置、半導体装置設計支援装置及び半導体装置製造方法

【課題】バンプレイアウトの適否を試作前に判定することで、試作チップの製作コストの低減及び半導体装置設計の時間短縮を行うこと。
【解決手段】半導体チップ１０２の外形寸法、半導体チップ１０２におけるバンプ座標、各バンプ１０３のバンプ径、半導体チップ１０２に印加する超音波振動に基づいて半導体チップ１０２にかかる回転力を算出し、回転力によって各バンプ１０３に生じる応力を算出し、各バンプ１０３に生じる応力に基づいてバンプ１０３の配置の適否を評価する制御部３１を備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置のバンプを最適に配置するためのバンプ配置評価装置、半導体装置設計支援装置及び半導体装置製造方法に関し、特に各バンプに生じる応力に基づいて試作コストを低減できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２２は、半導体装置１００の一例を示す断面図である。半導体装置１００は、配線基板１０１上に半導体チップ１０２をバンプ１０３を介して実装し、樹脂１０４で封止して形成されている。このような半導体装置１００は、配線基板１０１上にバンプ１０３を形成し（図２３）、シリコン板１０５及び加圧ツール１０６を介して平坦化する（図２４）。そして、半導体チップ１０２を載置した状態で、ボンディングツール１０７を用いて超音波振動を印加しながら加圧することで接合する（図２５）。
【０００３】
一方、半導体装置１００の設計は次のようにして行われる。すなわち、ＣＡＤ装置を用いて、配線基板１０１や半導体チップ１０２の構造に基づいて設計が行われ、バンプ１０３の配置が定められる。
【０００４】
バンプ配置が不適切な場合、ボンディングツール１０７による超音波振動の印加を行った際、バンプ１０３の接合不良が生じる虞があるため、バンプ配置を変えて半導体チップ１００を数〜数十種類試作する。そして、所定の温度試験を行った後、分解測定してバンプの状態を観察してバンプ配置の適否を判断するようにしていた。
【０００５】
なお、バンプ配置によって超音波振動印加方向を選択する技術が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２５２２５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した半導体装置の設計方法では、次のような問題があった。すなわち、半導体装置の設計は、バンプレイアウトを変えた試作品を作った上で各種の試験を行わないと、その適否が判明しないため、バンプレイアウトを少しずつ変えた試作チップを何種類も試作することになり、開発コストが増大する。また、多種の試作チップを組み立てて試験を行い、その都度分解測定を行うため開発時間がかかるという問題があった。
【０００７】
なお、図２６に示すようにバンプ１０３が均等に配列されている場合と、図２７に示すようにバンプ１０３が偏って配列されている場合とでは、接合不良の発生率が大きく異なる。これは、超音波振動を印加する過程で半導体チップ１０２に回転力が作用し、各バンプ１０３に過大な応力が発生し、接合が破断することによることがわかった。原因がわかった場合でも、設計時にはどのバンプ配置が回転しにくいかを予測できないため、やはり試作チップが必要となる。
【０００８】
そこで本発明は、バンプ配置の適否を試作前に判定することで、試作チップの製作コストの低減及び半導体装置設計の時間短縮を行うことができるバンプ配置評価装置、半導体装置設計支援装置及び半導体装置製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明のバンプ配置評価装置、半導体装置設計支援装置及び半導体装置製造方法は次のように構成されている。
【００１０】
バンプを介して半導体チップを配線基板に実装する際の上記バンプの配置の適否を評価するバンプ配置評価装置において、上記半導体チップの外形寸法、上記半導体チップにおける上記バンプ座標、上記各バンプのバンプ径、上記半導体チップに印加する超音波振動に基づいて上記バンプに生じる回動方向の応力を算出するバンプ応力算出手段と、上記バンプ応力算出手段に求められたバンプに生じる応力に基づいて上記バンプの配置の適否を評価する評価手段とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
半導体チップがバンプを介して配線基板に実装される半導体装置をコンピュータを使用して設計するための半導体装設計支援装置において、上記半導体チップの外形寸法、上記半導体チップにおける上記バンプの座標、上記各バンプのバンプ径、上記半導体チップに印加する超音波振動に関する情報を入力として上記バンプに生じる応力をコンピュータに算出させるバンプ応力算出手段と、上記バンプ応力算出手段に求められた各バンプに生じる応力を入力として上記バンプの配置の適否を評価する所定の評価指標との比較をコンピュータに行わせ、比較結果を出力させる評価手段とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
半導体チップをバンプを介して配線基板に実装する半導体装置製造方法において、上記半導体チップの外形寸法、上記半導体チップにおける上記バンプの座標、上記バンプのバンプ径、上記半導体チップに印加する超音波振動に基づいて上記バンプに生じる回動方向の応力を算出するバンプ応力算出工程と、上記バンプ応力算出工程に求められたバンプに生じる応力に基づいて上記バンプの配置の適否を評価する評価工程と、上記評価工程において上記バンプの配置が適していた場合に、上記バンプの配置に基づいて、半導体チップ及び配線基板を形成する部品形成工程と、上記半導体チップ又は上記配線基板にバンプを取り付けるバンプ取付工程と、上記配線基板上に上記バンプを介して上記半導体チップを載置する載置工程と、上記半導体チップに超音波印加することで上記半導体チップを上記配線基板に実装する実装工程とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、バンプレイアウトの適否を試作前に判定することで、試作チップの製作コストの低減及び半導体装置設計の時間短縮を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明の一実施の形態に係る半導体装置設計装置１０の構成を示すブロック図である。半導体装置設計装置１０は、半導体チップ１０２の形状やバンプ電極１０３の位置を設計し、座標データを出力するＣＡＤ装置２０と、このＣＡＤ装置２０によって設計された座標データに基づいてバンプ１０３の配置の適否を判断する評価装置３０とを備えている。
【００１５】
ＣＡＤ装置２０は、制御部２１と、この制御部２１にデータを入力する入力デバイス２２と、制御部２１における演算結果等を表示するディスプレイ２３とを備えている。また、評価装置３０は、制御部３１と、この制御部３１にデータを入力する入力デバイス３２と、制御部３１における演算結果等を表示するディスプレイ３３とを備えている。
【００１６】
このように構成された半導体装置設計装置１０では、図２に示すフロー図に沿って半導体装置１００の設計を行う。すなわち、ＣＡＤ装置２０をよって半導体チップ１０２の配置（チップ素子配置）とバンプレイアウトを検討し（ＳＴ１０）、半導体チップ１０２の外形寸法、バンプ１０３の位置座標、バンプ１０３の半径等の各種データを入力デバイス２２から入力する（ＳＴ１１）。このとき、ディスプレイ２３上に半導体チップ１０２に対するバンプ１０３の位置等が表示される。
【００１７】
次に、評価装置３０の制御部３１では、ＣＡＤ装置２０で設定されたバンプ１０３の位置座標のデータが取り込まれ、評価を行う。評価は次のようにして行う。すなわち、図３に示すように、半導体チップ１０２の重心座標と、各バンプ１０３の重心座標（剛心座標）を算出し、偏心距離Ｄを求める。
【００１８】
各バンプ１０３と剛心との距離をｒｉ、バンプ１０３の面積をＳｉとすると、偏心率Ｈは、次のように求められる。
【数１】

【００１９】
この偏心率Ｈは半導体チップ１０２の回転のし易さを示す指標となる。これは、構造体（剛体）にある方向から力が加わった場合、剛心を中心（支点）、重心を力点とした回転力が働くという原理に基づくものである。
【００２０】
したがって、半導体チップ１０２を剛体とみなすことによって剛心を中心に回転力が作用することとなる。また、半導体チップ１０２の回転に伴う各バンプ１０３の移動量は剛心からの距離に依存する。すなわち、各バンプ１０３に生ずる応力は、剛心からの距離に比例することとなる。
【００２１】
このことから、各バンプ１０３に加わる力の比ｆは、偏心率Ｈと剛心からの距離の関数となる。これにより、各バンプ１０３に加わる力は、ベクトルΨｉとなる。ここで、半導体チップ１０２に対し平行に加わる力をＦ、材料等の条件から定まる定数をＫとすると、ベクトルΨｉを次のようにして算出する（ＳＴ１４）。
【数２】

【００２２】
図４は、このようにして算出された各バンプ１０３の配置と各バンプ１０３に生じる応力との関係を示す説明図である。また、図５は、各バンプ１０３に生じる応力の方向と大きさを示す説明図であり、ディスプレイ３３に表示される。
【００２３】
次に、図４の計算結果からベクトルΨｉの絶対値が最大値のものと最小値のものが抽出され、それらの比からチップ回転係数ＧＸ（最大値／最小値）が算出される。チップ回転係数Ｇが大きいほどチップ回転容易性が高い。次に、図６に示すようにして、半導体チップ１０２の向きを９０度ずらし、同様にしてチップ回転係数ＧＹを求める。また、図７は、各バンプ１０３に生じる応力の方向と大きさを示す説明図であり、ディスプレイ３３に表示される。
【００２４】
そして、図８に示すように、予め定められた部材、接合条件から求められたグラフに基づいてチップ回転係数ＧＸから判定係数ＰＸを求める。同様にしてチップ回転係数ＧＹから判定係数ＰＹを求める。
【００２５】
そして、判定係数ＰＸ，ＰＹと製品仕様から予め定められた基準値Ｐとを比較する。そして、基準値Ｐ以下、かつ、より判定係数の値が小さいバンプ配置を選択する。本例では判定係数ＰＸ、すなわちＸ方向への超音波振動印加が選択される（ＳＴ１５）。いずれの判定係数ＰＸ，ＰＹも基準値Ｐを超えている場合は不適とされ、バンプ座標修正要求出力をディスプレイ３３に表示し（ＳＴ２０）、ＳＴ１０に戻る。ＳＴ１０では、バンプ数を変更、バンプ位置をずらす等の検討を行う。この際に追加するバンプには、電気信号を通過させてもさせなくてもよく、回転に対する影響のみを考慮して追加・削除がなされる。
【００２６】
次に、ＳＴ１５で選択されたバンプ配置における、接合部寿命を算出する（ＳＴ１６）。接合部寿命の算出は、最初に、図１０に示すように、各バンプ１０３に生ずる応力の絶対値と、使用するボンディング部材、接合条件によって定まるグラフによって接合強度を算出する。さらに、有限要素計算法を用いて、熱サイクル試験条件下で各バンプ１０３に加わる熱応力値を求める（図１１）。そして、バンプ１０３毎に求めた接合強度と、バンプ１０３毎にかかる熱応力値を比較し、予め設定された製品の要求仕様によって定まるグラフに基づいて、判定を行う（図１２）。このとき、１つでも接合強度と熱応力値から求められる寿命が基準よりも短い場合には、不適とされ、バンプ座標修正要求出力をディスプレイ３３に表示し（ＳＴ２０）、ＳＴ１０に戻る。ＳＴ１０では、バンプ数を変更、バンプ位置をずらす等の検討を行う。この際に追加するバンプには、電気信号を通過させてもさせなくてもよく、回転に対する影響のみを考慮して追加・削除がなされる。
【００２７】
全てのバンプ１０３の判定が適だった場合には、算出結果を表示して終了する（ＳＴ１７）。
【００２８】
なお、上述して適であったバンプ配置に基づいて、下層の配線設計を見直した上、設計を確定させて、配線基板１０１及び半導体チップ１０２を製造する。そして、半導体チップ１０２又は配線基板１０１にバンプ１０３を取り付け、配線基板１０１上にバンプ１０３を介して半導体チップ１０２を載置する。バンプ１０３の平坦化を経て、ボンディングツールを用いて、半導体チップ１０２に超音波振動を印加することで半導体チップ１０２を配線基板１０１に実装し、半導体装置１００が完成する。
【００２９】
上述したように本実施の形態に係る半導体装置設計装置１０によれば、ＣＡＤ装置２０で算出したバンプ配置に基づいて、回転容易性と接合部の寿命とを算出し、予測することができるため、試作チップを試作する必要がなく、コストが低減できるとともに、試験及び分解測定が不要になるため、開発時間を短縮することが可能となる。
【００３０】
なお、ＳＴ１４を行う前に予め超音波振動印加方向を一方向に定めるための演算を行うようにしてもよい。すなわち、図１３に示すように、各バンプ１０３の位置から剛心の位置を求める。次に、Ｙ方向の中心軸（図１４参照）及びＸ方向の中心軸（図１５参照）と剛心との最短距離をそれぞれ求める。このとき、剛心の位置との距離が短い中心線に沿って超音波振動を印加するほうが回転容易性が低くなることが予想される。したがって、最適な超音波振動の印加方向においてのみＳＴ１５の演算を行うことで、計算時間を短縮することが可能となる。
【００３１】
図１７は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置設計装置４０の構成を示すブロック図である。半導体装置設計装置４０は、半導体チップ１０２の形状やバンプ電極１０３の位置を設計し、座標データを出力するＣＡＤ部４１と、このＣＡＤ部４１によって設計された座標データに基づいてバンプ１０３の配置の適否を判断する評価部４２と、データを入力する入力デバイス４３、演算結果等を表示するディスプレイ４４とを備えている。
【００３２】
このように構成された半導体装置設計装置４０では、図１８に示すフロー図に沿って半導体装置１００が行われる。
【００３３】
すなわち、チップ設計が開始されると、ＣＡＤ部４１を用いてチップ形状及びバンプ電極を作画する（ＳＴ４０）。作画されたチップ形状及びバンプ電極から半導体チップ１０２の外形寸法及びバンプ座標位置を抽出する（ＳＴ４１）。そして、バンプ配置の適否を判定する（ＳＴ４２）。ＳＴ４２においては、上述したＳＴ１３〜１７と同様の演算が行われ、判定が行われる。結果がディスプレイ４４に表示され、適合の場合には終了、不適の場合にはＳＴ４０に戻る。
【００３４】
上述したように本実施の形態に係る半導体装置設計装置４０においても、ＣＡＤ部４１と評価部４２が一体となっているという構成の違いはあるが、上述した半導体装置設計装置１０と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
図１９は本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置設計装置５０の構成を示すブロック図である。半導体装置設計装置５０は、最適なバンプ配置と超音波振動印加方向を算出する評価装置６０と、この評価装置６０によって算出されたバンプ配置と超音波振動印加方向に基づいて、半導体装置１００を設計するＣＡＤ装置７０とを備えている。
【００３６】
評価装置６０は、制御部６１と、この制御部６１にデータを入力する入力デバイス６２と、制御部６１における演算結果等を表示するディスプレイ６３とを備えている。また、ＣＡＤ装置７０は、制御部７１と、この制御部７１にデータを入力する入力デバイス７２と、制御部７１における演算結果等を表示するディスプレイ７３とを備えている。
【００３７】
このように構成された半導体装置設計装置５０では、図２０に示すフロー図に沿って半導体装置１００の設計を行う。
【００３８】
すなわち、チップ設計を開始し、最適化条件、具体的には、バンプ１０３の数、径、移動量、移動方向、可動範囲α〜γ、初期位置及び超音波振動印加方向を入力する（ＳＴ５０）。各バンプ１０３を領域α，β，γの初期位置における回転力によって発生する応力値ベクトルΨと、接合部寿命を算出する（ＳＴ５１）。全ての座標位置における算出が終わったか否かが判断され（ＳＴ５２）、完了していなければバンプ座標を移動し（ＳＴ５３）、ＳＴ５１に戻る。
【００３９】
移動が完了していれば、算出結果から最適化条件に最も近いバンプ配置及び超音波振動印加方向を抽出する（ＳＴ５４）。そして、結果をディスプレイ６３に表示する（Ｓ５５Ｔ）。
【００４０】
次に、最適なバンプ配置に基づいてＣＡＤ作画を開始する（ＳＴ６０）。開始されると、ＣＡＤ装置７０によって、チップ形状、バンプ位置を作画し（ＳＴ６１）、完了する（ＳＴ６２）。
【００４１】
上述したように本実施の形態に係る半導体装置設計装置５０においても、先に評価を行ってから、設計を行うという構成の違いはあるが、上述した半導体装置設計装置１０と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置設計装置の構成を示すブロック図。
【図２】同半導体装置設計装置における処理の流れを示すフロー図。
【図３】同半導体装置設計装置における評価原理を示す説明図。
【図４】同半導体装置設計装置における評価原理を示す説明図。
【図５】同半導体装置設計装置におけるディスプレイ表示例を示す説明図。
【図６】同半導体装置設計装置における評価原理を示す説明図。
【図７】同半導体装置設計装置におけるディスプレイ表示例を示す説明図。
【図８】同半導体装置設計装置におけるチップ回転係数と判定係数との関係を示すグラフ。
【図９】同半導体装置設計装置におけるチップ回転係数と判定係数との関係を示すグラフ。
【図１０】同半導体装置設計装置における応力値と接合強度との関係を示すグラフ。
【図１１】同半導体装置設計装置における熱応力値計算結果を示す説明図。
【図１２】同半導体装置設計装置における接合強度と熱応力値と寿命との関係を示すグラフ。
【図１３】同半導体装置設計装置の変形例に係る評価原理を示す説明図。
【図１４】同半導体装置設計装置の変形例に係る評価原理を示す説明図。
【図１５】同半導体装置設計装置の変形例に係る評価原理を示す説明図。
【図１６】同半導体装置設計装置の変形例に係る評価原理を示す説明図。
【図１７】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置設計装置の構成を示すブロック図。
【図１８】同半導体装置設計装置における処理の流れを示すフロー図。
【図１９】本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置設計装置の構成を示すブロック図。
【図２０】同半導体装置設計装置における処理の流れを示すフロー図。
【図２１】同半導体装置設計装置の変形例に係る評価原理を示す説明図。
【図２２】半導体装置の一例を示す断面図。
【図２３】同半導体装置の製造工程を示す説明図。
【図２４】同半導体装置の製造工程を示す説明図。
【図２５】同半導体装置の製造工程を示す説明図。
【図２６】バンプレイアウトの一例を示す平面図。
【図２７】バンプレイアウトの一例を示す平面図。
【符号の説明】
【００４４】
１０…半導体装置設計装置、２０…ＣＡＤ装置、３０…評価装置、４０…半導体装置設計装置、５０…半導体装置設計装置、６０…評価装置、７０…ＣＡＤ装置、１００…半導体装置、１０２…半導体チップ、１０３…バンプ。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンプを介して半導体チップを配線基板に実装する際の上記バンプの配置の適否を評価するバンプ配置評価装置において、
上記半導体チップの外形寸法、上記半導体チップにおける上記バンプ座標、上記各バンプのバンプ径、上記半導体チップに印加する超音波振動に基づいて上記バンプに生じる回動方向の応力を算出するバンプ応力算出手段と、
上記バンプ応力算出手段に求められたバンプに生じる応力に基づいて上記バンプの配置の適否を評価する評価手段とを備えていることを特徴とするバンプ配置評価装置。
【請求項２】
上記評価手段は、上記各バンプに生じる応力に基づいて上記半導体チップの回転し易さを示すチップ回転係数を算出するチップ回転係数算出手段と、
このチップ回転係数算出手段により算出されたチップ回転係数と所定の評価指標とを比較するチップ回転係数比較手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のバンプ配置評価装置。
【請求項３】
上記回転係数は、上記バンプに生じる応力の最大値と最小値との比に基づいて算出されることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置設計支援装置。
【請求項４】
上記評価手段は、上記バンプに生じる応力に基づいて上記バンプの接合強度を算出する接合強度算出手段と、
上記接合強度算出手段により算出されたバンプの接合強度と所定の評価指標とを比較する接合強度比較手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のバンプ配置評価装置。
【請求項５】
半導体チップがバンプを介して配線基板に実装される半導体装置をコンピュータを使用して設計するための半導体装設計支援装置において、
上記半導体チップの外形寸法、上記半導体チップにおける上記バンプの座標、上記各バンプのバンプ径、上記半導体チップに印加する超音波振動に関する情報を入力として上記バンプに生じる応力をコンピュータに算出させるバンプ応力算出手段と、
上記バンプ応力算出手段に求められた各バンプに生じる応力を入力として上記バンプの配置の適否を評価する所定の評価指標との比較をコンピュータに行わせ、比較結果を出力させる評価手段とを備えていることを特徴とする半導体装置設計支援装置。
【請求項６】
半導体チップをバンプを介して配線基板に実装する半導体装置製造方法において、
上記半導体チップの外形寸法、上記半導体チップにおける上記バンプの座標、上記バンプのバンプ径、上記半導体チップに印加する超音波振動に基づいて上記バンプに生じる回動方向の応力を算出するバンプ応力算出工程と、
上記バンプ応力算出工程に求められたバンプに生じる応力に基づいて上記バンプの配置の適否を評価する評価工程と、
上記評価工程において上記バンプの配置が適していた場合に、上記バンプの配置に基づいて、半導体チップ及び配線基板を形成する部品形成工程と、
上記半導体チップ又は上記配線基板にバンプを取り付けるバンプ取付工程と、
上記配線基板上に上記バンプを介して上記半導体チップを載置する載置工程と、
上記半導体チップに超音波印加することで上記半導体チップを上記配線基板に実装する実装工程とを備えていることを特徴とする半導体装置製造方法。

【図１】