半導体素子の実装方法
【課題】基板の第１電極に、半導体素子の第２電極を超音波接合することにより半導体素子を実装する方法において、第１電極と第２電極との間の金属接合を、求められる接合強度を確保しながら、少なくとも銅を含む金属間の接合として実現する半導体素子の実装方法を提供する。
【解決手段】第１電極３と第２電極５との間の金属接合を、少なくとも銅を含む金属間の超音波接合として行う際に、少なくとも第１電極３と第２電極５との接合界面の周囲に還元性を有する接合補助剤７が存在する状態にて超音波接合を行う。これにより、第１電極３と第２電極５との接合界面に既に形成されている銅の酸化膜６を除去できるとともに、超音波接合の実施に伴って接合界面に酸化膜が形成されることを抑制することができる。
【解決手段】第１電極３と第２電極５との間の金属接合を、少なくとも銅を含む金属間の超音波接合として行う際に、少なくとも第１電極３と第２電極５との接合界面の周囲に還元性を有する接合補助剤７が存在する状態にて超音波接合を行う。これにより、第１電極３と第２電極５との接合界面に既に形成されている銅の酸化膜６を除去できるとともに、超音波接合の実施に伴って接合界面に酸化膜が形成されることを抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の第１電極に半導体素子の第２電極を超音波接合することにより半導体素子を実装する方法に関する。
【０００２】
従来、このような超音波接合を用いた半導体素子の実装方法としては種々のものが知られている。このような従来の半導体素子の実装方法では、半導体素子に形成されたＡｕバンプ（第２電極）を、基板の配線に接続されて形成されたＡｕ電極（第１電極）に押し付けた状態にて接触界面に対して超音波振動を付与し、ＡｕバンプとＡｕ電極とを金属接合（すなわち、Ａｕ−Ａｕ接合）するというような手順により、半導体素子が基板に実装される（例えば、特許文献１または２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−６８３２７号公報
【特許文献２】特開２００１−２３７２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、このような半導体素子が基板に実装されて製造される素子実装済み基板が内蔵される各種電子機器に対するコスト削減の要求は高く、半導体素子の実装において、コスト削減のための様々な工夫が求められている。
【０００５】
材料コストの観点からは、基板に用いられているＡｕ電極のコストは高く、このＡｕ電極をより安価なＣｕ電極に置き換えることができれば、コスト削減を実現することができる。例えば、半導体素子として発光素子（ＬＥＤチップ）のＡｕバンプを、基板のＡｕ電極に超音波接合するような形態では、基板のＡｕ電極をＣｕ電極に置き換えて、Ａｕ−Ｃｕ間の金属接合が、Ａｕ−Ａｕ間の金属接合と同等の信頼性を担保できれば、接合信頼性を保持したままで、大幅なコスト削減が可能となる。
【０００６】
本発明の発明者らは、基板のＣｕ電極の表面に形成されている酸化膜の除去処理を行った後、酸化膜が除去された状態の基板のＣｕ電極と半導体素子のＡｕバンプとの超音波接合を大気中で行い、接合後のシェア強度を測定した。しかしながら、事前にＣｕ電極の酸化膜を除去したにもかかわらず十分なシェア強度を得ることができなかった。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、基板の第１電極に、半導体素子の第２電極を超音波接合する半導体素子の実装方法において、第１電極と第２電極との間の金属接合を、求められる接合強度を確保しながら、少なくとも銅を含む金属間の接合として実現する半導体素子の実装方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００９】
本発明の第１態様によれば、基板ステージ上に載置された基板の第１電極に、半導体素子の第２電極を超音波接合する半導体素子の実装方法であって、少なくともいずれか一方が銅にて形成された第１電極または第２電極上に、還元性を有する接合補助剤を供給する接合補助剤供給工程と、第２電極を第１電極に押し付けた状態にて超音波振動を付与することで、第１電極と第２電極との間の接合界面が局所的に加熱され、その熱を利用して接合補助剤が還元反応を起こしながら第１電極と第２電極とを金属接合する超音波接合工程と、を含み、超音波接合工程において、少なくとも第１電極と第２電極とが金属接合するまでの間は、少なくとも第１電極と第２電極との間の接合界面の周囲に接合補助剤が存在する、半導体素子の実装方法を提供する。
【００１０】
本発明の第２態様によれば、基板の第１電極が銅にて形成され、接合補助剤供給工程において、基板の第１電極上に接合補助剤が供給される、第１態様に記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１１】
本発明の第３態様によれば、基板の第１電極が銅にて形成され、半導体素子の第２電極が金により形成され、超音波接合工程において、銅により形成された第１電極と、金により形成された第２電極との接合界面の周囲に、接合補助剤がある状態にて、第１電極と第２電極との金属接合が行われる、第１態様に記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１２】
本発明の第４態様によれば、超音波接合工程後に基板と半導体素子との間に残存する接合補助剤を除去する接合補助剤除去工程を含む、第１態様から第３態様のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１３】
本発明の第５態様によれば、接合補助剤除去工程において、基板と半導体素子との間に残存する接合補助剤を加熱して蒸発させることにより、接合補助剤の除去を行う、第４態様に記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１４】
本発明の第６態様によれば、接合補助剤供給工程前に、銅にて形成された少なくとも第１電極または第２電極のいずれか一方の電極上の酸化膜を除去する酸化膜除去工程を含む、第１態様から第５態様のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１５】
本発明の第７態様によれば、接合補助剤は、ＯＨ基を有する、第１態様から第６態様のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１６】
本発明の第８態様によれば、接合補助剤は、沸点が２００℃以上である、第１態様から第７態様のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１７】
本発明の第９態様によれば、半導体素子を搭載した基板を製造する方法であって、
第１態様から第８態様のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法と、
接合補助剤除去工程後に基板と半導体素子の隙間ならびに第１電極と第２電極との接合部分を含む領域を樹脂で封止する樹脂封止工程と、を含む、半導体素子搭載基板の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
発明者らは、大気中で超音波接合された基板のＣｕ電極と発光素子のＡｕバンプの接合界面の分析を行ったところ、Ｃｕ電極の表面が黒く変色しているのを確認し、さらに黒く変色した部分を詳細に分析したところ銅の酸化物であることが判明した。この事実より、発明者らは、超音波接合による摩擦熱によってＣｕ電極の表面に新たな酸化膜が生じ、これがＣｕ電極への接合を阻害していたとの結論を得て本発明を完成するに至ったものである。
【００１９】
本発明によれば、第１電極と第２電極との間の金属接合を、少なくとも銅を含む金属間の超音波接合として行う際に、第１電極と第２電極との間の接触界面が接合補助剤により覆われている状態で、さらに、超音波接合のときに発生する熱を利用して、接合補助剤による還元反応を発生させながら、超音波接合を行う。したがって、第１電極と第２電極との接合界面（接触界面）に既に形成されている酸化膜を除去するとともに、超音波接合の実施に伴う酸化膜の形成を抑制する。よって、求められる接合強度を確保しながら、第１電極または第２電極を銅を用いた超音波接合を実現することができ、半導体素子の実装におけるコスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一の実施形態にかかる半導体素子の実装方法により複数の発光素子が実装された状態の基板の断面図
【図２】本発明の実施の形態の実装方法が行われるボンディング装置の構成図
【図３】本発明の実施の形態の実装方法の手順を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態の実装方法におけるそれぞれの工程の説明図
【図５】本発明の実施の形態の実装方法により製造した基板についてダイシェア強度を測定した図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
本発明の一の実施の形態にかかる半導体素子の実装方法を用いて、複数の半導体素子が実装された状態の半導体素子を図１に示す。
【００２３】
図１に示すように、基板１の図示上面には複数の配線２が形成されており、配線２の端部が基板電極３（第１電極）として形成されている。半導体素子の一例である発光素子（ＬＥＤチップ）４は、それぞれの基板電極３に接続されたバンプ５（第２電極）を備えている。ここで、基板１の配線２は、例えば銅にて形成され、基板電極３は、同様に銅にて形成される。発光素子４のバンプ５は、例えば金、または銅にて形成される。本実施の形態では、配線２および基板電極３は銅（Ｃｕ）にて形成され、バンプ５は金（Ａｕ）にて形成された場合を例として説明を行う。
【００２４】
次に、本実施の形態の超音波接合による半導体素子の実装方法に用いられるフリップチップボンディング装置の主要な構成について、図２を用いて説明する。
【００２５】
図２に示すように、ボンディング装置１０は、複数の発光素子４を供給する素子供給部１１と、素子供給部１１から供給される発光素子４を吸着保持するとともに、保持した発光素子４を上下方向に反転させる素子反転ユニット１２と、素子反転ユニット１２により反転された状態の発光素子４を受け取って吸着保持し、基板１上の所定位置に発光素子４を実装するボンディングヘッド１３と、基板１のそれぞれの基板電極３上に後述する接合補助剤を塗布して供給するディスペンサユニット１４と、基板１を載置して保持する基板ステージ１５と、ボンディングヘッド１３により保持された状態の発光素子４の画像を撮像して、その保持姿勢を認識するカメラユニット１６とを備えている。
【００２６】
素子供給部１１の上面には、複数の発光素子４が、そのバンプ５の形成面を上向きとして配列されている。素子供給部１１は、基板１の表面沿いの方向（水平方向）であって互いに直交する方向であるＸ方向およびＹ方向に移動可能であり、素子供給部１１がＸＹ方向へ移動されることにより、１個の発光素子４と素子反転ユニット１２との間の位置合わせが可能となっている。
【００２７】
素子反転ユニット１２は、発光素子４を解除可能に吸着保持するノズル１７を有し、発光素子４を吸着保持した状態のノズル１７を上下方向に１８０度反転させることにより、発光素子４の姿勢を上下方向に反転させる。
【００２８】
ボンディングヘッド１３は、発光素子４を解除可能に吸着保持するノズル１８と、超音波振動を発生させる振動子１９と、振動子１９にて発生された超音波振動を増幅してノズル１８に伝達する超音波ホーン２０とを備えている。また、ボンディングヘッド１３はＸＹ方向に移動可能であって、ボンディングヘッド１３が所定の位置にＸＹ移動されて位置決めされることにより、素子反転ユニット１２からボンディングヘッド１３への発光素子４の受け取り動作、およびカメラユニット１６による発光素子４の保持姿勢の画像撮像動作などが実施される。
【００２９】
ディスペンサユニット１４は、ＸＹ方向に移動可能であって、基板１上に形成されたそれぞれの基板電極３上に所定量の接合補助剤の塗布供給を行う。
【００３０】
基板ステージ１５は、ヒータ（図示せず）を内蔵しており、載置された基板１を所定の温度に加熱する機能を有している。
【００３１】
次に、このような構成のボンディング装置１０を用いて、複数の発光素子４を基板１上に超音波接合により実装して半導体素子搭載基板を製造する手順について具体的に説明する。この説明にあたって、手順のフローチャートを図３に示し、フローチャートに示すそれぞれの工程における説明図を図４（Ａ）〜（Ｆ）に示す。
【００３２】
（酸化膜除去工程）
基板１の配線２および基板電極３は銅にて形成されている。そのため、図４（Ａ）に示すように、銅表面である配線２および基板電極３の表面には、酸化膜６が形成された状態となっている。まず、基板１の配線２および基板電極３の表面に形成された酸化膜６の除去を行う（ステップＳ１）。
【００３３】
具体的には、大気圧プラズマ発生装置（図示せず）を用いて、水素を添加したＡｒガスを供給するとともに、水素を添加したＡｒガスに高周波エネルギを付与してプラズマを発生させる。図４（Ｂ）に示すように、発生したプラズマ９を基板１の配線２および基板電極３の表面に供給することにより、プラズマ９による酸化膜６の還元処理が行われ、酸化膜６が除去される。酸化膜６を除去したい部分にのみをプラズマ９に曝すことにより、効果的に酸化膜６の除去を行うことができる。大気圧プラズマ発生装置としては、特開２００９−２０６０２２や特開２００９−２５９６２６に記載の装置が適用可能である。なお、このような酸化膜除去工程は、大気圧プラズマを用いた処理の他に、バッチ・プラズマを用いた処理によっても行うことができ、プラズマ以外の除去・還元方法を用いてもよい。
【００３４】
なお、酸化膜除去工程は、接合予定部分に既に形成されている銅の酸化膜を接合前にあらかじめ除去しておくことが目的であるため、後述する接合補助剤の還元反応による除去量も考慮した上で、形成されている銅の酸化膜の量に応じて酸化膜除去工程の実施の必要性を検討し、場合によっては酸化膜除去工程を省略しても良い。
【００３５】
（接合補助剤供給工程）
酸化膜除去工程が終了すると、ボンディング装置１０の基板ステージ１５上に基板１を載置して保持させる。その後、酸化膜６が除去された状態の配線２および基板電極３の表面に対して、ディスペンサユニット１４を用いて接合補助剤の供給を行う（ステップＳ２）。
【００３６】
ここで接合補助剤とは、還元性を有し、かつ、後述する超音波接合工程の際に基板電極３とバンプ５との間の接合界面（接触界面）を覆うことで、接合界面に形成された酸化膜を除去するとともに接合界面における酸化を抑制する液状またはペースト状の溶剤である。また、超音波接合が行われた後は、後述する接合補助剤除去工程の実施により、接合界面およびその近傍から蒸発して除去されるような溶剤でもある。さらに、接合界面において、銅の表面に対する還元性の作用を担保できるように、接合補助剤としてはＯＨ基を含む溶剤が用いられることが好ましい。このような特徴を有する接合補助剤の一例として、本実施の形態ではグリセリンを用いる。なお、接合補助剤がシリカフィラー、金属粒子、蒸発しない樹脂成分を含むものである場合、接合補助剤除去工程で接合補助剤を除去するのが困難となるのでこのような物質は含まないことが好ましい。
【００３７】
ボンディング装置１０において、ディスペンサユニット１４をＸＹ方向に移動させることにより、基板１上の所望の基板電極３（あるいは配線２）とディスペンサユニット１４との位置合わせが行われ、ディスペンサユニット１４よりこの基板電極３上に接合補助剤７（例えば、グリセリン）が塗布供給される。その結果、図４（Ｃ）に示すように、基板１への発光素子４の実装位置において、それぞれの基板電極３およびその周囲の配線２の全体を覆うように接合補助剤７が配置される。
【００３８】
（超音波接合工程）
次に、ボンディング装置１０では、素子供給部１１から１個の発光素子４が、素子反転ユニット１２のノズル１７により吸着保持して取り出され、素子反転ユニット１２にてノズル１７が上下方向に反転されることにより、保持されている発光素子４が反転される。その後、ボンディングヘッド１３が、反転された状態の素子反転ユニット１２の上方に位置決めされて、素子反転ユニット１２からボンディングヘッド１３のノズル１８に発光素子４が受け渡される。ボンディングヘッド１３はＸＹ方向に移動されて、先に接合補助剤７の供給が行われた基板１上の実装位置の上方に位置決めされる。その後、ボンディングヘッド１３が下降して、ノズル１８に保持された状態の発光素子４のそれぞれのバンプ５が、基板１のそれぞれの基板電極３に接触して押し付けられた状態とされる。一方、それぞれの基板電極３およびその近傍の配線２上には、接合補助剤７が供給されているため、発光素子４のバンプ５と基板電極３との間の接合界面８は、接合補助剤７により覆われた状態とされる（図４（Ｄ）参照）。
【００３９】
このような状態にて、ボンディングヘッド１３において、振動子１９により超音波振動を発生させ、発生された超音波振動が超音波ホーン２０にて増幅されてノズル１８を通して発光素子４に付与される。発光素子４のバンプ５と基板電極３との間の接合界面８に対して、この超音波振動が付与されることにより、バンプ５と基板電極３とが金属接合（すなわち、超音波接合）される（ステップＳ３）。その後、振動子１９にて超音波振動の発生を停止させるとともに、ノズル１８による発光素子４の吸着保持を解除して、ノズル１８を上昇させ、発光素子４より離脱させる。
【００４０】
上述のように、超音波接合工程では、発光素子４のバンプ５によって基板電極３が押し付けられているため、荷重がバンプ５を介して基板電極３に加えられる。このように、発光素子４のバンプ５から基板電極３に荷重が加えられた状態で、接合界面８に超音波振動が付与されると、接合界面８が摩擦熱によって局所的に高温になる。従来の接合補助剤を用いない超音波接合では、この摩擦熱による高温によって合金接合が促進されると考えられていたが、実際には銅（基板電極３）の表面の酸化（黒い膜）も進行して十分な接合強度を確保できない。
【００４１】
これに対し、本発明では、接合界面８の周囲に還元性を有する接合補助剤７を存在させた状態で超音波接合を行うので、接合界面８を覆うようにして配置された接合補助剤は、その摩擦熱を利用して還元反応を発生させる。したがって、超音波接合によって発生する熱が銅に作用することで銅の酸化膜が新たに形成される可能性があるが、上述した接合補助剤による還元反応により、超音波接合中の銅の酸化を抑制することができる。
【００４２】
また、前述の酸化膜除去工程を省略した場合や、酸化膜除去工程における酸化膜の除去が不十分であった場合には、銅の表面に酸化膜が残っていることも想定されるが、このように接合補助剤が発生させる還元反応により、接合界面８に既に形成されている銅の酸化膜も還元して除去することができる。
【００４３】
さらに、超音波接合が行われている間、すなわち超音波接合が完了するまでは、少なくともバンプ５と基板電極３との間の接合界面８は、接合補助剤７により覆われているため酸素との接触を遮断された状態が保たれる。したがって、超音波接合により接合界面８あるいはその近傍に酸化膜が形成されることを抑制できる。
【００４４】
以上の通り、銅の表面の酸化を接合補助剤によって防止しながら超音波接合を行うため、酸化膜のない銅とバンプ５の合金接合を確実に行うことができる。
【００４５】
なお、この超音波接合工程において、素子供給部１１からの発光素子４の取り出し動作から、ボンディングヘッド１３への発光素子４の受け渡し動作までの一連の動作は、接合補助剤供給工程と並行して実施しても良い。
【００４６】
（接合補助剤除去工程）
次に、基板１と発光素子４との間に残存している接合補助剤７の除去を行う（ステップＳ４）。具体的には、基板１を加熱することにより、接合補助剤７の蒸発を促進させて、接合補助剤７の除去を行う。このような基板１の加熱方法としては、例えば、ボンディング装置１０の基板ステージ１５を用いて基板１を加熱する、あるいはその他の加熱手段を用いて基板１の加熱を行うような方法でも良く、また、熱風を吹き付けるなどの乾燥促進手段を用いても良い。その結果、図４（Ｅ）に示すように、基板１と発光素子４との間に残存していた接合補助剤７が除去されて、基板１への発光素子４の実装が完了する。
【００４７】
なお、接合補助剤除去工程は、超音波接合工程後に残存する接合補助剤を、後述する樹脂封止工程に先立って除去することが目的であるため、残存する接合補助剤の量に応じて接合補助剤除去工程の実施の必要性を検討し、場合によっては接合補助剤除去工程を省略しても良い。
【００４８】
（樹脂封止工程）
次に、基板１と発光素子４との接合部分などを樹脂によって封止して、発光素子搭載基板を完成させる（ステップＳ５）。具体的には、基板電極３とバンプ５との接合界面８を含めて、配線２、基板電極３、およびバンプ５の表面を覆うように樹脂２１を塗布することにより、発光素子４と基板１との間を封止する。樹脂２１には、発光特性を発揮するために光透過性を有する樹脂を用いても良い。その結果、図４（Ｆ）に示すように、基板１と発光素子４との間が樹脂２１によって封止されて、発光素子搭載基板２２の製造が完了する。
【００４９】
なお、基板１に複数の発光素子４が実装される場合には、上述の酸化膜除去工程〜樹脂封止工程までの手順が順次実施されることで、それぞれの発光素子４が基板１に実装されるとともに、発光素子搭載基板２２が製造される。なお、酸化膜除去工程（ステップＳ１）、接合補助剤供給工程（ステップＳ２）、および接合補助剤除去工程（ステップＳ４）は、基板１上における個々の実装位置毎に行われる場合に代えて、基板１の複数の実装位置に対してまとめてそれぞれの工程を行うようにしても良い。
【００５０】
上記実施の形態によれば、バンプ５（Ａｕ）から基板電極３（Ｃｕ）に荷重が加えられた状態で超音波振動が付与されて、バンプ５と基板電極３との間の接合界面８が局所的に加熱されることにより、その摩擦熱を利用して、接合界面８を覆うようにして配置された接合補助剤７が還元反応を発生させる。その還元反応を利用することで、超音波接合の熱が銅に作用して新たな銅の酸化膜が形成されることを抑制するとともに、接合界面８に既に形成されている銅の酸化膜を除去することができる。また、接合界面８が覆われていることにより、Ａｕに比して酸化し易いＣｕの表面が酸素に触れることを抑制でき、超音波接合に伴って接合界面８に酸化膜が形成されることを防止できる。このように、銅の表面の酸化を接合補助剤によって防止しながら、超音波接合を行うため、酸化膜のない銅とバンプ５の合金接合を確実に行うことができる。すなわち、Ａｕ−Ｃｕ接合において好適なダイシェア強度を維持することができ、従来のＡｕ−Ａｕ接合に代替可能な金属接合を提供できるとともに、半導体素子の実装およびその半導体素子搭載基板の製造におけるコスト削減を実現できる。また、超音波接合による局所的な高温を利用するため、基板やチップ全体を高温にする必要がなく、大規模な還元用の加熱装置等も不要となるため、さらなるコスト削減を実現することができる。
【００５１】
また、このような接合補助剤７は、超音波接合が完了した後、接合補助剤除去工程の実施により基板１上から除去されるため、発光素子４や基板１の機能が阻害されることもない。
【００５２】
また、基板１の配線２および基板電極３の表面に対して、酸化膜除去工程が行われ、その後、それぞれの表面が接合補助剤により覆われた状態にて超音波接合工程が実施されるため、配線２および基板電極３の表面には酸化膜が再度形成されることはない。そのため、銅（Ｃｕ）にて形成された配線２および基板電極３の表面は、Ａｕの表面と同等に高輝度状態の表面として保持される。よって、発光素子４からの光を効率的に反射することができる。したがって、Ａｕに比して安価なＣｕを基板の配線および基板電極の材料として用いながら、半導体素子からの光を効率的に反射して発光効率を高めることができる。また、樹脂封止工程において、光透過性樹脂を用いて基板１などを封止する場合、配線２および基板電極３の表面の高輝度状態を保持することができる。
【００５３】
次に、本発明に用いられる接合補助剤について、さらに説明する。接合補助剤は、超音波接合が完了するまでの間、バンプと基板電極との間の接合界面を覆って酸素から遮断するとともに、銅の酸化膜を還元する還元反応を発生させる役割を担っている。一方、ボンディング装置１０において、基板ステージ１５に保持されている基板１は、発光素子４の基板１への超音波接合を効果的に行えるように、通常所定の温度に加熱（加温）されていることが多い。このように加温された状態の基板１の配線２および基板電極３上に供給された接合補助剤７は、極短時間で蒸発してしまうことなく、少なくとも超音波接合が完了するまでは残存して接合界面を覆っている必要がある。例えば、基板１を載置する基板ステージ１５の温度よりも５０℃以上高い沸点を有する溶剤であれば、供給後、極短時間で蒸発して消失してしまうことは防げる。すなわち、基板ステージ１５の温度の上限を１５０℃に設定する場合、溶剤の沸点は、２００℃以上とすることが好ましい。
【００５４】
ここで、各種の接合補助剤を用いて、実装を行った半導体素子についてダイシェア強度の測定実験を行い、その実験結果を図５に示す。図５では、接合補助剤の種類を横軸に、それらの接合補助剤を用いた発行素子のダイシェア強度（ｇｆ）を縦軸に示す。ここで、比較例として、接合補助剤にエチレングリコール（沸点１９８℃）を用いた結果を示し、実施例として、接合補助剤にジエチレングリコール（沸点２４４−２４５℃）、トリエチレングリコール（沸点２８８℃）、グリセリン（沸点２９０℃）を用いた結果を示す。実験条件は、半導体素子搭載基板のサイズが４ｍｍ×４ｍｍ、バンプサイズが９０μｍ×３０μｍ、バンプ個数が２８８ｐｃｓ、バンプの材質がＡｕメッキバンプである。さらに、上記条件に加え、基板ステージ１５の温度：８０℃、荷重：３０Ｎ、超音波出力：１０Ｗ、基板ステージ１５の温度：１２０℃、荷重：３０Ｎ、超音波出力：１０Ｗ、のそれぞれ２パターン（パターン１、２）で実験を行った。
【００５５】
半導体素子搭載基板のダイシェア強度について、判定基準を２０００ｇｆとした。図５に示すように、比較例の半導体素子のダイシェア強度は、パターン１および２のいずれの場合も２０００ｇｆ以下である。一方、実施例の半導体素子搭載基板のダイシェア強度は、パターン１および２のいずれの場合も２０００ｇｆ以上である。このことから、本発明の接合補助剤として、比較例で用いたエチレングリコールは適さず、実施例で用いたジエチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリンは適するということが分かる。
【００５６】
また、接合補助剤は、接合界面を覆って酸素を遮断するとともに還元反応を発生させるという役割を果たした後、基板上から簡便な方法を用いて確実に除去される必要がある。そのため、接合補助剤は、例えば、加熱されることにより蒸発して基板上に残存することなく除去されるような溶剤である必要がある。
【００５７】
また、接合補助剤が少なくとも１つのＯＨ基を有していることにより、接合界面などに対する還元性の効果を担保することもできる。
【００５８】
このように接合補助剤に求められる条件を総合すれば、本発明の接合補助剤としては、例えば、上記実施例で用いたグリセリン、トリエチレングリコール、ジエチレングリコールや、その他に、ジエチレングリコールモノｎブチルエーテル（沸点２３０℃）、トリエチレングリコールジメチルエーテル（沸点２１６℃）、テトラエチレングリコール（沸点３２７℃）などを用いることができる。
【００５９】
上述の実施の形態の説明では、発光素子４のバンプ５（Ａｕ）と基板１の基板電極３（Ｃｕ）とが超音波接合される場合を例として説明したが、発光素子４のバンプ５を銅にて形成して、Ｃｕ−Ｃｕの超音波接合が行われるような場合であっても良い。また、バンプ５を銅にて形成し、基板電極３を金にて形成して、Ｃｕ−Ａｕの超音波接合を行っても良い。
【００６０】
また、上述の説明では、ディスペンサユニット１４を用いて、基板１の配線２および基板電極３上に接合補助剤を塗布供給するような場合を例として説明したが、接合補助剤の供給方法としては、塗布による供給の他、転写による供給方法を採用することもできる。また、接合補助剤を基板１側に供給する場合の他、発光素子４側に供給する場合、両者に供給する場合などのいずれの手法を採用しても良い。
【００６１】
また、酸化膜除去工程において、配線２および基板電極３の表面などにおいて、大気圧プラズマに曝された部分は、その後、接合補助剤７が供給された場合に、接合補助剤７が濡れ広がり易い領域となる。したがって、大気圧プラズマに曝す領域を制御することにより、接合補助剤の供給領域を制御することができるとともに、接合補助剤の供給量の管理を適切に行うことができる。
【００６２】
また、接合補助剤の供給位置として、接合補助剤が接合界面８の周囲を覆うような場合について説明したが、代わりに接合補助剤が少なくとも接触界面の周囲に存在するように供給を行っても良い。この場合、超音波接合工程において、超音波振動の作用により、接合界面８の周囲に存在する接合補助剤は接触界面８に浸入するため、上述した還元反応などにより同様に、既に形成されている銅の酸化膜の除去、および新たな銅の酸化膜の形成の抑制を実現することができる。
【００６３】
また、接合補助剤除去工程では、接合補助剤を積極的に加熱するなどして除去するような場合に代えて、例えば放置して自然蒸発させることで除去を行うようにしても良い。
【００６４】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、半導体素子の実装において、Ａｕ−Ｃｕ接合あるいはＣｕ−Ｃｕ接合を、従来のＡｕ−Ａｕと同等のダイシェア強度を保持しながら実現できるため、コスト削減の継続的な要求が高い半導体素子の実装方法に有用である。
【符号の説明】
【００６６】
１ 基板
２ 配線
３ 基板電極
４ 半導体素子
５ バンプ
６ 酸化膜
７ 接合補助剤
８ 接合界面
９ プラズマ
１０ ボンディング装置
１１ 素子供給部
１２ 素子反転ユニット
１３ ボンディングヘッド
１４ ディスペンサユニット
１５ 基板ステージ
１６ カメラユニット
１７ ノズル
１８ ノズル
１９ 振動子
２０ 超音波ホーン
２１ 樹脂
２２ 半導体素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の第１電極に半導体素子の第２電極を超音波接合することにより半導体素子を実装する方法に関する。
【０００２】
従来、このような超音波接合を用いた半導体素子の実装方法としては種々のものが知られている。このような従来の半導体素子の実装方法では、半導体素子に形成されたＡｕバンプ（第２電極）を、基板の配線に接続されて形成されたＡｕ電極（第１電極）に押し付けた状態にて接触界面に対して超音波振動を付与し、ＡｕバンプとＡｕ電極とを金属接合（すなわち、Ａｕ−Ａｕ接合）するというような手順により、半導体素子が基板に実装される（例えば、特許文献１または２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−６８３２７号公報
【特許文献２】特開２００１−２３７２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、このような半導体素子が基板に実装されて製造される素子実装済み基板が内蔵される各種電子機器に対するコスト削減の要求は高く、半導体素子の実装において、コスト削減のための様々な工夫が求められている。
【０００５】
材料コストの観点からは、基板に用いられているＡｕ電極のコストは高く、このＡｕ電極をより安価なＣｕ電極に置き換えることができれば、コスト削減を実現することができる。例えば、半導体素子として発光素子（ＬＥＤチップ）のＡｕバンプを、基板のＡｕ電極に超音波接合するような形態では、基板のＡｕ電極をＣｕ電極に置き換えて、Ａｕ−Ｃｕ間の金属接合が、Ａｕ−Ａｕ間の金属接合と同等の信頼性を担保できれば、接合信頼性を保持したままで、大幅なコスト削減が可能となる。
【０００６】
本発明の発明者らは、基板のＣｕ電極の表面に形成されている酸化膜の除去処理を行った後、酸化膜が除去された状態の基板のＣｕ電極と半導体素子のＡｕバンプとの超音波接合を大気中で行い、接合後のシェア強度を測定した。しかしながら、事前にＣｕ電極の酸化膜を除去したにもかかわらず十分なシェア強度を得ることができなかった。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、基板の第１電極に、半導体素子の第２電極を超音波接合する半導体素子の実装方法において、第１電極と第２電極との間の金属接合を、求められる接合強度を確保しながら、少なくとも銅を含む金属間の接合として実現する半導体素子の実装方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【０００９】
本発明の第１態様によれば、基板ステージ上に載置された基板の第１電極に、半導体素子の第２電極を超音波接合する半導体素子の実装方法であって、少なくともいずれか一方が銅にて形成された第１電極または第２電極上に、還元性を有する接合補助剤を供給する接合補助剤供給工程と、第２電極を第１電極に押し付けた状態にて超音波振動を付与することで、第１電極と第２電極との間の接合界面が局所的に加熱され、その熱を利用して接合補助剤が還元反応を起こしながら第１電極と第２電極とを金属接合する超音波接合工程と、を含み、超音波接合工程において、少なくとも第１電極と第２電極とが金属接合するまでの間は、少なくとも第１電極と第２電極との間の接合界面の周囲に接合補助剤が存在する、半導体素子の実装方法を提供する。
【００１０】
本発明の第２態様によれば、基板の第１電極が銅にて形成され、接合補助剤供給工程において、基板の第１電極上に接合補助剤が供給される、第１態様に記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１１】
本発明の第３態様によれば、基板の第１電極が銅にて形成され、半導体素子の第２電極が金により形成され、超音波接合工程において、銅により形成された第１電極と、金により形成された第２電極との接合界面の周囲に、接合補助剤がある状態にて、第１電極と第２電極との金属接合が行われる、第１態様に記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１２】
本発明の第４態様によれば、超音波接合工程後に基板と半導体素子との間に残存する接合補助剤を除去する接合補助剤除去工程を含む、第１態様から第３態様のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１３】
本発明の第５態様によれば、接合補助剤除去工程において、基板と半導体素子との間に残存する接合補助剤を加熱して蒸発させることにより、接合補助剤の除去を行う、第４態様に記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１４】
本発明の第６態様によれば、接合補助剤供給工程前に、銅にて形成された少なくとも第１電極または第２電極のいずれか一方の電極上の酸化膜を除去する酸化膜除去工程を含む、第１態様から第５態様のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１５】
本発明の第７態様によれば、接合補助剤は、ＯＨ基を有する、第１態様から第６態様のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１６】
本発明の第８態様によれば、接合補助剤は、沸点が２００℃以上である、第１態様から第７態様のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法を提供する。
【００１７】
本発明の第９態様によれば、半導体素子を搭載した基板を製造する方法であって、
第１態様から第８態様のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法と、
接合補助剤除去工程後に基板と半導体素子の隙間ならびに第１電極と第２電極との接合部分を含む領域を樹脂で封止する樹脂封止工程と、を含む、半導体素子搭載基板の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
発明者らは、大気中で超音波接合された基板のＣｕ電極と発光素子のＡｕバンプの接合界面の分析を行ったところ、Ｃｕ電極の表面が黒く変色しているのを確認し、さらに黒く変色した部分を詳細に分析したところ銅の酸化物であることが判明した。この事実より、発明者らは、超音波接合による摩擦熱によってＣｕ電極の表面に新たな酸化膜が生じ、これがＣｕ電極への接合を阻害していたとの結論を得て本発明を完成するに至ったものである。
【００１９】
本発明によれば、第１電極と第２電極との間の金属接合を、少なくとも銅を含む金属間の超音波接合として行う際に、第１電極と第２電極との間の接触界面が接合補助剤により覆われている状態で、さらに、超音波接合のときに発生する熱を利用して、接合補助剤による還元反応を発生させながら、超音波接合を行う。したがって、第１電極と第２電極との接合界面（接触界面）に既に形成されている酸化膜を除去するとともに、超音波接合の実施に伴う酸化膜の形成を抑制する。よって、求められる接合強度を確保しながら、第１電極または第２電極を銅を用いた超音波接合を実現することができ、半導体素子の実装におけるコスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一の実施形態にかかる半導体素子の実装方法により複数の発光素子が実装された状態の基板の断面図
【図２】本発明の実施の形態の実装方法が行われるボンディング装置の構成図
【図３】本発明の実施の形態の実装方法の手順を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態の実装方法におけるそれぞれの工程の説明図
【図５】本発明の実施の形態の実装方法により製造した基板についてダイシェア強度を測定した図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
本発明の一の実施の形態にかかる半導体素子の実装方法を用いて、複数の半導体素子が実装された状態の半導体素子を図１に示す。
【００２３】
図１に示すように、基板１の図示上面には複数の配線２が形成されており、配線２の端部が基板電極３（第１電極）として形成されている。半導体素子の一例である発光素子（ＬＥＤチップ）４は、それぞれの基板電極３に接続されたバンプ５（第２電極）を備えている。ここで、基板１の配線２は、例えば銅にて形成され、基板電極３は、同様に銅にて形成される。発光素子４のバンプ５は、例えば金、または銅にて形成される。本実施の形態では、配線２および基板電極３は銅（Ｃｕ）にて形成され、バンプ５は金（Ａｕ）にて形成された場合を例として説明を行う。
【００２４】
次に、本実施の形態の超音波接合による半導体素子の実装方法に用いられるフリップチップボンディング装置の主要な構成について、図２を用いて説明する。
【００２５】
図２に示すように、ボンディング装置１０は、複数の発光素子４を供給する素子供給部１１と、素子供給部１１から供給される発光素子４を吸着保持するとともに、保持した発光素子４を上下方向に反転させる素子反転ユニット１２と、素子反転ユニット１２により反転された状態の発光素子４を受け取って吸着保持し、基板１上の所定位置に発光素子４を実装するボンディングヘッド１３と、基板１のそれぞれの基板電極３上に後述する接合補助剤を塗布して供給するディスペンサユニット１４と、基板１を載置して保持する基板ステージ１５と、ボンディングヘッド１３により保持された状態の発光素子４の画像を撮像して、その保持姿勢を認識するカメラユニット１６とを備えている。
【００２６】
素子供給部１１の上面には、複数の発光素子４が、そのバンプ５の形成面を上向きとして配列されている。素子供給部１１は、基板１の表面沿いの方向（水平方向）であって互いに直交する方向であるＸ方向およびＹ方向に移動可能であり、素子供給部１１がＸＹ方向へ移動されることにより、１個の発光素子４と素子反転ユニット１２との間の位置合わせが可能となっている。
【００２７】
素子反転ユニット１２は、発光素子４を解除可能に吸着保持するノズル１７を有し、発光素子４を吸着保持した状態のノズル１７を上下方向に１８０度反転させることにより、発光素子４の姿勢を上下方向に反転させる。
【００２８】
ボンディングヘッド１３は、発光素子４を解除可能に吸着保持するノズル１８と、超音波振動を発生させる振動子１９と、振動子１９にて発生された超音波振動を増幅してノズル１８に伝達する超音波ホーン２０とを備えている。また、ボンディングヘッド１３はＸＹ方向に移動可能であって、ボンディングヘッド１３が所定の位置にＸＹ移動されて位置決めされることにより、素子反転ユニット１２からボンディングヘッド１３への発光素子４の受け取り動作、およびカメラユニット１６による発光素子４の保持姿勢の画像撮像動作などが実施される。
【００２９】
ディスペンサユニット１４は、ＸＹ方向に移動可能であって、基板１上に形成されたそれぞれの基板電極３上に所定量の接合補助剤の塗布供給を行う。
【００３０】
基板ステージ１５は、ヒータ（図示せず）を内蔵しており、載置された基板１を所定の温度に加熱する機能を有している。
【００３１】
次に、このような構成のボンディング装置１０を用いて、複数の発光素子４を基板１上に超音波接合により実装して半導体素子搭載基板を製造する手順について具体的に説明する。この説明にあたって、手順のフローチャートを図３に示し、フローチャートに示すそれぞれの工程における説明図を図４（Ａ）〜（Ｆ）に示す。
【００３２】
（酸化膜除去工程）
基板１の配線２および基板電極３は銅にて形成されている。そのため、図４（Ａ）に示すように、銅表面である配線２および基板電極３の表面には、酸化膜６が形成された状態となっている。まず、基板１の配線２および基板電極３の表面に形成された酸化膜６の除去を行う（ステップＳ１）。
【００３３】
具体的には、大気圧プラズマ発生装置（図示せず）を用いて、水素を添加したＡｒガスを供給するとともに、水素を添加したＡｒガスに高周波エネルギを付与してプラズマを発生させる。図４（Ｂ）に示すように、発生したプラズマ９を基板１の配線２および基板電極３の表面に供給することにより、プラズマ９による酸化膜６の還元処理が行われ、酸化膜６が除去される。酸化膜６を除去したい部分にのみをプラズマ９に曝すことにより、効果的に酸化膜６の除去を行うことができる。大気圧プラズマ発生装置としては、特開２００９−２０６０２２や特開２００９−２５９６２６に記載の装置が適用可能である。なお、このような酸化膜除去工程は、大気圧プラズマを用いた処理の他に、バッチ・プラズマを用いた処理によっても行うことができ、プラズマ以外の除去・還元方法を用いてもよい。
【００３４】
なお、酸化膜除去工程は、接合予定部分に既に形成されている銅の酸化膜を接合前にあらかじめ除去しておくことが目的であるため、後述する接合補助剤の還元反応による除去量も考慮した上で、形成されている銅の酸化膜の量に応じて酸化膜除去工程の実施の必要性を検討し、場合によっては酸化膜除去工程を省略しても良い。
【００３５】
（接合補助剤供給工程）
酸化膜除去工程が終了すると、ボンディング装置１０の基板ステージ１５上に基板１を載置して保持させる。その後、酸化膜６が除去された状態の配線２および基板電極３の表面に対して、ディスペンサユニット１４を用いて接合補助剤の供給を行う（ステップＳ２）。
【００３６】
ここで接合補助剤とは、還元性を有し、かつ、後述する超音波接合工程の際に基板電極３とバンプ５との間の接合界面（接触界面）を覆うことで、接合界面に形成された酸化膜を除去するとともに接合界面における酸化を抑制する液状またはペースト状の溶剤である。また、超音波接合が行われた後は、後述する接合補助剤除去工程の実施により、接合界面およびその近傍から蒸発して除去されるような溶剤でもある。さらに、接合界面において、銅の表面に対する還元性の作用を担保できるように、接合補助剤としてはＯＨ基を含む溶剤が用いられることが好ましい。このような特徴を有する接合補助剤の一例として、本実施の形態ではグリセリンを用いる。なお、接合補助剤がシリカフィラー、金属粒子、蒸発しない樹脂成分を含むものである場合、接合補助剤除去工程で接合補助剤を除去するのが困難となるのでこのような物質は含まないことが好ましい。
【００３７】
ボンディング装置１０において、ディスペンサユニット１４をＸＹ方向に移動させることにより、基板１上の所望の基板電極３（あるいは配線２）とディスペンサユニット１４との位置合わせが行われ、ディスペンサユニット１４よりこの基板電極３上に接合補助剤７（例えば、グリセリン）が塗布供給される。その結果、図４（Ｃ）に示すように、基板１への発光素子４の実装位置において、それぞれの基板電極３およびその周囲の配線２の全体を覆うように接合補助剤７が配置される。
【００３８】
（超音波接合工程）
次に、ボンディング装置１０では、素子供給部１１から１個の発光素子４が、素子反転ユニット１２のノズル１７により吸着保持して取り出され、素子反転ユニット１２にてノズル１７が上下方向に反転されることにより、保持されている発光素子４が反転される。その後、ボンディングヘッド１３が、反転された状態の素子反転ユニット１２の上方に位置決めされて、素子反転ユニット１２からボンディングヘッド１３のノズル１８に発光素子４が受け渡される。ボンディングヘッド１３はＸＹ方向に移動されて、先に接合補助剤７の供給が行われた基板１上の実装位置の上方に位置決めされる。その後、ボンディングヘッド１３が下降して、ノズル１８に保持された状態の発光素子４のそれぞれのバンプ５が、基板１のそれぞれの基板電極３に接触して押し付けられた状態とされる。一方、それぞれの基板電極３およびその近傍の配線２上には、接合補助剤７が供給されているため、発光素子４のバンプ５と基板電極３との間の接合界面８は、接合補助剤７により覆われた状態とされる（図４（Ｄ）参照）。
【００３９】
このような状態にて、ボンディングヘッド１３において、振動子１９により超音波振動を発生させ、発生された超音波振動が超音波ホーン２０にて増幅されてノズル１８を通して発光素子４に付与される。発光素子４のバンプ５と基板電極３との間の接合界面８に対して、この超音波振動が付与されることにより、バンプ５と基板電極３とが金属接合（すなわち、超音波接合）される（ステップＳ３）。その後、振動子１９にて超音波振動の発生を停止させるとともに、ノズル１８による発光素子４の吸着保持を解除して、ノズル１８を上昇させ、発光素子４より離脱させる。
【００４０】
上述のように、超音波接合工程では、発光素子４のバンプ５によって基板電極３が押し付けられているため、荷重がバンプ５を介して基板電極３に加えられる。このように、発光素子４のバンプ５から基板電極３に荷重が加えられた状態で、接合界面８に超音波振動が付与されると、接合界面８が摩擦熱によって局所的に高温になる。従来の接合補助剤を用いない超音波接合では、この摩擦熱による高温によって合金接合が促進されると考えられていたが、実際には銅（基板電極３）の表面の酸化（黒い膜）も進行して十分な接合強度を確保できない。
【００４１】
これに対し、本発明では、接合界面８の周囲に還元性を有する接合補助剤７を存在させた状態で超音波接合を行うので、接合界面８を覆うようにして配置された接合補助剤は、その摩擦熱を利用して還元反応を発生させる。したがって、超音波接合によって発生する熱が銅に作用することで銅の酸化膜が新たに形成される可能性があるが、上述した接合補助剤による還元反応により、超音波接合中の銅の酸化を抑制することができる。
【００４２】
また、前述の酸化膜除去工程を省略した場合や、酸化膜除去工程における酸化膜の除去が不十分であった場合には、銅の表面に酸化膜が残っていることも想定されるが、このように接合補助剤が発生させる還元反応により、接合界面８に既に形成されている銅の酸化膜も還元して除去することができる。
【００４３】
さらに、超音波接合が行われている間、すなわち超音波接合が完了するまでは、少なくともバンプ５と基板電極３との間の接合界面８は、接合補助剤７により覆われているため酸素との接触を遮断された状態が保たれる。したがって、超音波接合により接合界面８あるいはその近傍に酸化膜が形成されることを抑制できる。
【００４４】
以上の通り、銅の表面の酸化を接合補助剤によって防止しながら超音波接合を行うため、酸化膜のない銅とバンプ５の合金接合を確実に行うことができる。
【００４５】
なお、この超音波接合工程において、素子供給部１１からの発光素子４の取り出し動作から、ボンディングヘッド１３への発光素子４の受け渡し動作までの一連の動作は、接合補助剤供給工程と並行して実施しても良い。
【００４６】
（接合補助剤除去工程）
次に、基板１と発光素子４との間に残存している接合補助剤７の除去を行う（ステップＳ４）。具体的には、基板１を加熱することにより、接合補助剤７の蒸発を促進させて、接合補助剤７の除去を行う。このような基板１の加熱方法としては、例えば、ボンディング装置１０の基板ステージ１５を用いて基板１を加熱する、あるいはその他の加熱手段を用いて基板１の加熱を行うような方法でも良く、また、熱風を吹き付けるなどの乾燥促進手段を用いても良い。その結果、図４（Ｅ）に示すように、基板１と発光素子４との間に残存していた接合補助剤７が除去されて、基板１への発光素子４の実装が完了する。
【００４７】
なお、接合補助剤除去工程は、超音波接合工程後に残存する接合補助剤を、後述する樹脂封止工程に先立って除去することが目的であるため、残存する接合補助剤の量に応じて接合補助剤除去工程の実施の必要性を検討し、場合によっては接合補助剤除去工程を省略しても良い。
【００４８】
（樹脂封止工程）
次に、基板１と発光素子４との接合部分などを樹脂によって封止して、発光素子搭載基板を完成させる（ステップＳ５）。具体的には、基板電極３とバンプ５との接合界面８を含めて、配線２、基板電極３、およびバンプ５の表面を覆うように樹脂２１を塗布することにより、発光素子４と基板１との間を封止する。樹脂２１には、発光特性を発揮するために光透過性を有する樹脂を用いても良い。その結果、図４（Ｆ）に示すように、基板１と発光素子４との間が樹脂２１によって封止されて、発光素子搭載基板２２の製造が完了する。
【００４９】
なお、基板１に複数の発光素子４が実装される場合には、上述の酸化膜除去工程〜樹脂封止工程までの手順が順次実施されることで、それぞれの発光素子４が基板１に実装されるとともに、発光素子搭載基板２２が製造される。なお、酸化膜除去工程（ステップＳ１）、接合補助剤供給工程（ステップＳ２）、および接合補助剤除去工程（ステップＳ４）は、基板１上における個々の実装位置毎に行われる場合に代えて、基板１の複数の実装位置に対してまとめてそれぞれの工程を行うようにしても良い。
【００５０】
上記実施の形態によれば、バンプ５（Ａｕ）から基板電極３（Ｃｕ）に荷重が加えられた状態で超音波振動が付与されて、バンプ５と基板電極３との間の接合界面８が局所的に加熱されることにより、その摩擦熱を利用して、接合界面８を覆うようにして配置された接合補助剤７が還元反応を発生させる。その還元反応を利用することで、超音波接合の熱が銅に作用して新たな銅の酸化膜が形成されることを抑制するとともに、接合界面８に既に形成されている銅の酸化膜を除去することができる。また、接合界面８が覆われていることにより、Ａｕに比して酸化し易いＣｕの表面が酸素に触れることを抑制でき、超音波接合に伴って接合界面８に酸化膜が形成されることを防止できる。このように、銅の表面の酸化を接合補助剤によって防止しながら、超音波接合を行うため、酸化膜のない銅とバンプ５の合金接合を確実に行うことができる。すなわち、Ａｕ−Ｃｕ接合において好適なダイシェア強度を維持することができ、従来のＡｕ−Ａｕ接合に代替可能な金属接合を提供できるとともに、半導体素子の実装およびその半導体素子搭載基板の製造におけるコスト削減を実現できる。また、超音波接合による局所的な高温を利用するため、基板やチップ全体を高温にする必要がなく、大規模な還元用の加熱装置等も不要となるため、さらなるコスト削減を実現することができる。
【００５１】
また、このような接合補助剤７は、超音波接合が完了した後、接合補助剤除去工程の実施により基板１上から除去されるため、発光素子４や基板１の機能が阻害されることもない。
【００５２】
また、基板１の配線２および基板電極３の表面に対して、酸化膜除去工程が行われ、その後、それぞれの表面が接合補助剤により覆われた状態にて超音波接合工程が実施されるため、配線２および基板電極３の表面には酸化膜が再度形成されることはない。そのため、銅（Ｃｕ）にて形成された配線２および基板電極３の表面は、Ａｕの表面と同等に高輝度状態の表面として保持される。よって、発光素子４からの光を効率的に反射することができる。したがって、Ａｕに比して安価なＣｕを基板の配線および基板電極の材料として用いながら、半導体素子からの光を効率的に反射して発光効率を高めることができる。また、樹脂封止工程において、光透過性樹脂を用いて基板１などを封止する場合、配線２および基板電極３の表面の高輝度状態を保持することができる。
【００５３】
次に、本発明に用いられる接合補助剤について、さらに説明する。接合補助剤は、超音波接合が完了するまでの間、バンプと基板電極との間の接合界面を覆って酸素から遮断するとともに、銅の酸化膜を還元する還元反応を発生させる役割を担っている。一方、ボンディング装置１０において、基板ステージ１５に保持されている基板１は、発光素子４の基板１への超音波接合を効果的に行えるように、通常所定の温度に加熱（加温）されていることが多い。このように加温された状態の基板１の配線２および基板電極３上に供給された接合補助剤７は、極短時間で蒸発してしまうことなく、少なくとも超音波接合が完了するまでは残存して接合界面を覆っている必要がある。例えば、基板１を載置する基板ステージ１５の温度よりも５０℃以上高い沸点を有する溶剤であれば、供給後、極短時間で蒸発して消失してしまうことは防げる。すなわち、基板ステージ１５の温度の上限を１５０℃に設定する場合、溶剤の沸点は、２００℃以上とすることが好ましい。
【００５４】
ここで、各種の接合補助剤を用いて、実装を行った半導体素子についてダイシェア強度の測定実験を行い、その実験結果を図５に示す。図５では、接合補助剤の種類を横軸に、それらの接合補助剤を用いた発行素子のダイシェア強度（ｇｆ）を縦軸に示す。ここで、比較例として、接合補助剤にエチレングリコール（沸点１９８℃）を用いた結果を示し、実施例として、接合補助剤にジエチレングリコール（沸点２４４−２４５℃）、トリエチレングリコール（沸点２８８℃）、グリセリン（沸点２９０℃）を用いた結果を示す。実験条件は、半導体素子搭載基板のサイズが４ｍｍ×４ｍｍ、バンプサイズが９０μｍ×３０μｍ、バンプ個数が２８８ｐｃｓ、バンプの材質がＡｕメッキバンプである。さらに、上記条件に加え、基板ステージ１５の温度：８０℃、荷重：３０Ｎ、超音波出力：１０Ｗ、基板ステージ１５の温度：１２０℃、荷重：３０Ｎ、超音波出力：１０Ｗ、のそれぞれ２パターン（パターン１、２）で実験を行った。
【００５５】
半導体素子搭載基板のダイシェア強度について、判定基準を２０００ｇｆとした。図５に示すように、比較例の半導体素子のダイシェア強度は、パターン１および２のいずれの場合も２０００ｇｆ以下である。一方、実施例の半導体素子搭載基板のダイシェア強度は、パターン１および２のいずれの場合も２０００ｇｆ以上である。このことから、本発明の接合補助剤として、比較例で用いたエチレングリコールは適さず、実施例で用いたジエチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリンは適するということが分かる。
【００５６】
また、接合補助剤は、接合界面を覆って酸素を遮断するとともに還元反応を発生させるという役割を果たした後、基板上から簡便な方法を用いて確実に除去される必要がある。そのため、接合補助剤は、例えば、加熱されることにより蒸発して基板上に残存することなく除去されるような溶剤である必要がある。
【００５７】
また、接合補助剤が少なくとも１つのＯＨ基を有していることにより、接合界面などに対する還元性の効果を担保することもできる。
【００５８】
このように接合補助剤に求められる条件を総合すれば、本発明の接合補助剤としては、例えば、上記実施例で用いたグリセリン、トリエチレングリコール、ジエチレングリコールや、その他に、ジエチレングリコールモノｎブチルエーテル（沸点２３０℃）、トリエチレングリコールジメチルエーテル（沸点２１６℃）、テトラエチレングリコール（沸点３２７℃）などを用いることができる。
【００５９】
上述の実施の形態の説明では、発光素子４のバンプ５（Ａｕ）と基板１の基板電極３（Ｃｕ）とが超音波接合される場合を例として説明したが、発光素子４のバンプ５を銅にて形成して、Ｃｕ−Ｃｕの超音波接合が行われるような場合であっても良い。また、バンプ５を銅にて形成し、基板電極３を金にて形成して、Ｃｕ−Ａｕの超音波接合を行っても良い。
【００６０】
また、上述の説明では、ディスペンサユニット１４を用いて、基板１の配線２および基板電極３上に接合補助剤を塗布供給するような場合を例として説明したが、接合補助剤の供給方法としては、塗布による供給の他、転写による供給方法を採用することもできる。また、接合補助剤を基板１側に供給する場合の他、発光素子４側に供給する場合、両者に供給する場合などのいずれの手法を採用しても良い。
【００６１】
また、酸化膜除去工程において、配線２および基板電極３の表面などにおいて、大気圧プラズマに曝された部分は、その後、接合補助剤７が供給された場合に、接合補助剤７が濡れ広がり易い領域となる。したがって、大気圧プラズマに曝す領域を制御することにより、接合補助剤の供給領域を制御することができるとともに、接合補助剤の供給量の管理を適切に行うことができる。
【００６２】
また、接合補助剤の供給位置として、接合補助剤が接合界面８の周囲を覆うような場合について説明したが、代わりに接合補助剤が少なくとも接触界面の周囲に存在するように供給を行っても良い。この場合、超音波接合工程において、超音波振動の作用により、接合界面８の周囲に存在する接合補助剤は接触界面８に浸入するため、上述した還元反応などにより同様に、既に形成されている銅の酸化膜の除去、および新たな銅の酸化膜の形成の抑制を実現することができる。
【００６３】
また、接合補助剤除去工程では、接合補助剤を積極的に加熱するなどして除去するような場合に代えて、例えば放置して自然蒸発させることで除去を行うようにしても良い。
【００６４】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、半導体素子の実装において、Ａｕ−Ｃｕ接合あるいはＣｕ−Ｃｕ接合を、従来のＡｕ−Ａｕと同等のダイシェア強度を保持しながら実現できるため、コスト削減の継続的な要求が高い半導体素子の実装方法に有用である。
【符号の説明】
【００６６】
１ 基板
２ 配線
３ 基板電極
４ 半導体素子
５ バンプ
６ 酸化膜
７ 接合補助剤
８ 接合界面
９ プラズマ
１０ ボンディング装置
１１ 素子供給部
１２ 素子反転ユニット
１３ ボンディングヘッド
１４ ディスペンサユニット
１５ 基板ステージ
１６ カメラユニット
１７ ノズル
１８ ノズル
１９ 振動子
２０ 超音波ホーン
２１ 樹脂
２２ 半導体素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板ステージ上に載置された基板の第１電極に、半導体素子の第２電極を超音波接合する半導体素子の実装方法であって、
少なくともいずれか一方が銅にて形成された第１電極または第２電極上に、還元性を有する接合補助剤を供給する接合補助剤供給工程と、
第２電極を第１電極に押し付けた状態にて超音波振動を付与することで、第１電極と第２電極との間の接合界面が局所的に加熱され、その熱を利用して接合補助剤が還元反応を起こしながら第１電極と第２電極とを金属接合する超音波接合工程と、を含み、
超音波接合工程において、少なくとも第１電極と第２電極とが金属接合するまでの間は、少なくとも第１電極と第２電極との間の接合界面の周囲に接合補助剤が存在する、半導体素子の実装方法。
【請求項２】
基板の第１電極が銅にて形成され、
接合補助剤供給工程において、基板の第１電極上に接合補助剤が供給される、請求項１に記載の半導体素子の実装方法。
【請求項３】
基板の第１電極が銅にて形成され、半導体素子の第２電極が金により形成され、
超音波接合工程において、銅により形成された第１電極と、金により形成された第２電極との接合界面の周囲に、接合補助剤がある状態にて、第１電極と第２電極との金属接合が行われる、請求項１に記載の半導体素子の実装方法。
【請求項４】
超音波接合工程後に基板と半導体素子との間に残存する接合補助剤を除去する接合補助剤除去工程を含む、請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法。
【請求項５】
接合補助剤除去工程において、基板と半導体素子との間に残存する接合補助剤を加熱して蒸発させることにより、接合補助剤の除去を行う、請求項４に記載の半導体素子の実装方法。
【請求項６】
接合補助剤供給工程前に、銅にて形成された少なくとも第１電極または第２電極のいずれか一方の電極上の酸化膜を除去する酸化膜除去工程を含む、請求項１から５のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法。
【請求項７】
接合補助剤は、ＯＨ基を有する、請求項１から６のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法。
【請求項８】
接合補助剤は、沸点が２００℃以上である、請求項１から７のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法。
【請求項９】
半導体素子を搭載した基板を製造する方法であって、
請求項１から８のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法と、
接合補助剤除去工程後に基板と半導体素子の隙間ならびに第１電極と第２電極との接合部分を含む領域を樹脂で封止する樹脂封止工程と、を含む、半導体素子搭載基板の製造方法。
【請求項１】
基板ステージ上に載置された基板の第１電極に、半導体素子の第２電極を超音波接合する半導体素子の実装方法であって、
少なくともいずれか一方が銅にて形成された第１電極または第２電極上に、還元性を有する接合補助剤を供給する接合補助剤供給工程と、
第２電極を第１電極に押し付けた状態にて超音波振動を付与することで、第１電極と第２電極との間の接合界面が局所的に加熱され、その熱を利用して接合補助剤が還元反応を起こしながら第１電極と第２電極とを金属接合する超音波接合工程と、を含み、
超音波接合工程において、少なくとも第１電極と第２電極とが金属接合するまでの間は、少なくとも第１電極と第２電極との間の接合界面の周囲に接合補助剤が存在する、半導体素子の実装方法。
【請求項２】
基板の第１電極が銅にて形成され、
接合補助剤供給工程において、基板の第１電極上に接合補助剤が供給される、請求項１に記載の半導体素子の実装方法。
【請求項３】
基板の第１電極が銅にて形成され、半導体素子の第２電極が金により形成され、
超音波接合工程において、銅により形成された第１電極と、金により形成された第２電極との接合界面の周囲に、接合補助剤がある状態にて、第１電極と第２電極との金属接合が行われる、請求項１に記載の半導体素子の実装方法。
【請求項４】
超音波接合工程後に基板と半導体素子との間に残存する接合補助剤を除去する接合補助剤除去工程を含む、請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法。
【請求項５】
接合補助剤除去工程において、基板と半導体素子との間に残存する接合補助剤を加熱して蒸発させることにより、接合補助剤の除去を行う、請求項４に記載の半導体素子の実装方法。
【請求項６】
接合補助剤供給工程前に、銅にて形成された少なくとも第１電極または第２電極のいずれか一方の電極上の酸化膜を除去する酸化膜除去工程を含む、請求項１から５のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法。
【請求項７】
接合補助剤は、ＯＨ基を有する、請求項１から６のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法。
【請求項８】
接合補助剤は、沸点が２００℃以上である、請求項１から７のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法。
【請求項９】
半導体素子を搭載した基板を製造する方法であって、
請求項１から８のいずれか１つに記載の半導体素子の実装方法と、
接合補助剤除去工程後に基板と半導体素子の隙間ならびに第１電極と第２電極との接合部分を含む領域を樹脂で封止する樹脂封止工程と、を含む、半導体素子搭載基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２０４７７１（Ｐ２０１２−２０４７７１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７０３１８（Ｐ２０１１−７０３１８）
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]