説明

半導体装置の製造方法および製造装置

【課題】エリアパッド構成の半導体チップが薄型回路基板上にフェースダウンで搭載される構造の半導体装置の製造において、高い接合荷重により発生する加圧機構の撓みによる加圧・加熱の不均一化に起因するチップ破壊あるいは接合不良の発生を防止する。
【解決手段】半導体チップ1と回路基板7とのフリップチップ接合において、半導体チップ1の電極パッド2と回路基板7上の配線電極7aとを、該回路基板7を曲げた状態で1点ないし複数点ずつ接合する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体チップがインターポーザ(中継基板)上にフリップチップ実装される構造を有する半導体装置の製造方法および製造装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
図6(a),(b)は従来の半導体装置の一例を示す図であり、図6(a)は平面図、図6(b)は横断面図である。この半導体装置はTCP(Tape Carrier Package)構造であり、半導体チップ101をTAB(Tape Automated Bonding)テープ108上に搭載した構成となっている。
【0003】
前記TABテープ108は、ポリイミド樹脂等からなる絶縁性フィルム106上に、銅からなるインナーリード105aおよびアウターリード105bを含むリード105を形成したものであり、リード105は熱硬化性接着剤により絶縁性フィルム106上に接着されている。半導体チップ101は金バンプ103を介してインナーリード105a上に接続されており、また、半導体チップ101とTABテープ108との間隙が封止樹脂104により封止されている。
【0004】
前記リード105上には金もしくは錫の被覆層が施されている。電極パッド102上に金バンプ103が形成された半導体チップ101を、金バンプ103を下側にしてインナーリード105aの先端上に配置し、絶縁性フィルム106の裏面から、加熱された接合ツール(図示せず)を押圧することにより、半導体チップ101とTABテープ108とが接合される(特許文献1参照)。
【0005】
ところが近年、各種電子機器が高機能化・小型化するのに伴い、それらに組み込まれる半導体チップには1チップ内に多くの機能が搭載されるようになり、設けるべき入出力端子(電極パッド)の数も増加の一途をたどっている。
【0006】
従来では、金バンプ103が設けられた半導体チップ101の電極パッド102は、図7(a)に示す例のように、半導体チップ周縁部に沿って1〜2列に配置する(ペリフェラルパッド)のみで必要個数を満たしていたが、今後は、図7(b)に示す例のように、回路素子上のチップ領域にも平面的にパッドを配置する(エリアパッド)ことが必要不可欠となる。
【0007】
また、半導体チップをマザーボード上に搭載する際に使用される中継基板(インターポーザ)も薄型化が進んでいる。
【特許文献1】特開平10−256302号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
従来の技術では、例えば電極パッド上に金バンプが形成された半導体チップと湾曲しやすい薄型インターポーザとを、金バンプとインターポーザ上の配線電極を介してフリップチップ接合する工程において、半導体チップをインターポーザ上に搭載する際に両者の平行度を半導体チップの投影面全面にわたって確保することが困難となる。
【0009】
さらに、半導体チップがエリアパッド化し、多数のパッドが半導体チップ上に配置されるようになると、1パッド当りの負荷荷重は同じでも、合計荷重は多大なものとなる。
【0010】
万一、インターポーザの湾曲などにより平行度が確保できていない場合、接合する金バンプとインターポーザ配線電極の加熱・加圧が不均一となるために接合不良が発生したり、付与する荷重の偏りのためにチップ破壊が生じたりする。
【0011】
また、高い接合荷重が必要となるため、接合時に加圧機構に撓みを生じることによるチップずれが発生しないように装置の剛性を確保するため、接合装置の高コスト化を招いたり、パッド数や接合工法によっては、必要な接合荷重の発生自体が物理的に不可能となったりすることが起こり得る。
【0012】
本発明は、前記従来の課題を解決し、半導体チップの回路基板上への搭載を、エリアパッド化された半導体チップにおいても、不良を発生させることなく実現可能な構成の半導体装置の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
前記目的を達成するため、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップを回路基板上にフリップチップ接合することにより半導体装置を製造するための製造方法であって、接合する前記半導体チップの電極パッドと前記回路基板上の電極との少なくとも一方に導電性接続材料を設ける工程と、接合する前記半導体チップの電極パッドと前記回路基板上の電極とを、前記回路基板を曲げた状態で1点ずつまたは複数点ずつ加熱しながら接合する工程からなることを特徴とする。
【0014】
また、本発明に係る半導体装置の製造装置は、半導体チップを回路基板上にフリップチップ接合することにより半導体装置を製造するための製造装置であって、接合する前記半導体チップの電極パッドと前記回路基板の電極の少なくとも一方に導電性接続材料を形成もしくは塗布する部材と、接合する前記半導体チップの電極パッドと前記回路基板上の電極を前記回路基板を曲げた状態で1点ずつまたは複数点ずつ加熱しながら接合する部材とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明により、例えばエリアパッドの半導体チップを湾曲しやすい薄型の回路基板(インターポーザ)上にフリップチップ接合する場合に、半導体チップの電極パッドと回路基板の配線電極とを少数ずつ接合する形態となり、従来の技術に比べ低荷重での接合となる。そのため、大きな接合荷重により回路基板が撓むことや、チップ面積が比較的大きい場合に加熱・加圧が接合面内で不均一となることなどによる接合不良や、チップ破壊を防止すると共に、接合荷重によってチップ加圧機構に生じる撓みに起因するチップずれが発生しないようチップ加圧機構の剛性を大幅に高める必要がなく、低コストの接合装置により半導体チップの搭載を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
本発明の半導体装置の製造装置および製造方法の実施形態について、以下、図面を参照しながら説明する。
【0017】
(実施形態1)
図1(a)は本発明の実施形態1に係る半導体装置の製造装置の構成図、図1(b)は図1(a)における接合部Aの拡大図である。なお、実施形態1では、半導体チップと回路基板とを電気的に接続するための導電性接続材料として、半導体チップの電極パッド上に金バンプが設けられ、回路基板の配線電極上に錫メッキが施されている例を示すが、施される導電性接続材料はこれらに限定されるものではない。
【0018】
図1(a),(b)において、1は半導体チップ、2は電極パッド、3は金バンプ、4は押圧ツール、5は吸引孔、6は回路基板保持用の筒体、6aは吸引孔、7は回路基板、7aは配線電極(設置ピッチP)、8は集束光発生ユニット、11は搬送用コンベア、12はマガジン昇降ステージ、13は回路基板収納マガジン、14はプッシャーである。
【0019】
前記半導体チップ1を前記回路基板7へ搭載する工程を以下順次説明する。
【0020】
図2(a)〜(c)は金バンプ形成の説明図であり、31はキャピラリ、32は金線、32aはイニシャルボール、36はチップトレイ、36aはポケットである。
【0021】
まず、図2(a)に示すように、半導体チップ1の電極パッド2上に、ボールボンディング法により金バンプ3を形成する。エリアパッド配置の半導体チップ1の場合、金バンプ形成後は図2(b)に示す形態となる。金バンプ形成後の半導体チップ1は、図2(c)に示すように、チップトレイ36に設けられたポケット36a内に、金バンプ3の形成面が上になるように収納される。
【0022】
なお、本実施形態において、金バンプ3はボールボンディング法により形成されるが、メッキ法により形成されてもよい。
【0023】
次に、図1(a),(b)に示す装置により、配線電極7a上に錫メッキが施された回路基板7上に、金バンプ3の形成された半導体チップ1がフリップチップ搭載される。回路基板収納マガジン13内には回路基板7が収納されている。
【0024】
前記回路基板7は、プッシャー14により搬送用コンベア11上に押し出され、さらに搬送用コンベア11により回路基板保持用の筒体6に移送される。回路基板7は、吸引孔6aにより回路基板保持用の筒体6上に吸引保持される。
【0025】
一方、電極パッド2上に金バンプ3が形成された半導体チップ1の供給は、図3に示すチップ反転ユニット35により行われる。
【0026】
前記チップ反転ユニット35には複数(本例では4つ)のコレット33a,33b,33c,33dが設けられており、半導体チップ1は、コレット33a,33b,33c,33dの吸引孔34a,34b,34c,34dにより、コレット33a,33b,33c,33dの表面に吸引保持される。さらに、チップ反転ユニット35は、鉛直方向の直線動作および回転軸Bまわりの回転動作が可能であり、コレット33a,33b,33c,33dがチップトレイ36の表面付近に位置するようにチップ反転ユニット35が下降し、S1の位置で半導体チップ1を吸引することにより、チップトレイ36のポケット36a内に収納されている半導体チップ1を吸引保持する。
【0027】
その後、チップ反転ユニット35は、回転軸Bまわりに90度刻みで回転動作し、半導体チップ1を吸引保持しているコレットがS3に位置したとき、押圧ツール4が下降し半導体チップ1を吸引することにより、押圧ツール4はチップ背面を介して半導体チップ1を吸引保持する。このようにして、電極パッド2上に金バンプ3が形成された半導体チップ1が図1(a)に示す形態で供給される。
【0028】
次に、図1(b)に示すように回路基板7上において、これから半導体チップ1上の金バンプ3の1列と接続する配線電極7aの1列が回路基板保持筒体6の中心軸を通る鉛直面内に位置するように、回路基板保持筒体6が回転して位置決めされる。さらに、次に接続を実施する半導体チップ1上の金バンプ3の1列が、次に接続を実施する配線電極7aの列に対向するように、押圧ツール4を水平面内で位置決めする。次に、押圧ツール4が鉛直に下降していき、接合を実施する半導体チップ1の金バンプ列と回路基板7の配線電極列に所定の荷重が負荷された時点で下降が止まる。
【0029】
さらに、集束光発生ユニット8から、集束光Lが半導体チップ1における金バンプ3の列と、回路基板7における配線電極7aの列との接続部分に照射される。集束光Lの照射は、金バンプ3の1個と配線電極7aの1本とが接触する1接続点ずつ行われてもよく、複数の接続点に対し一度に行われてもよい。
【0030】
集束光Lの照射が一定時間行われ、半導体チップ1の金バンプ列と回路基板の配線電極列との接合部に荷重と熱が加えられることにより、金と錫との拡散接合により両者が接合される。なお、この加熱は、回路基板保持用の筒体6に装着されている、セラミックヒータなどの微小な発熱源により行われてもよく、また、押圧ツール4に設けられた発熱源により、半導体チップ1の一部もしくは全体を加熱することで行われてもよい。
【0031】
接合が完了した後、回路基板保持用の筒体6が、次に接合を実施する回路基板7の配線電極列が回路基板保持筒体6の中心軸を通る鉛直面内に位置するように回転し位置決めされると共に、これに同期して半導体チップ1が吸引保持された押圧ツール4が水平方向に移動する。すなわち、押圧ツール4は、接合が完了した箇所に水平方向の負荷が加わらないように、かつ、次に接合を実施する半導体チップ1の金バンプ列が次に接合を実施する回路基板7の配線電極列に対向するように、回路基板7の配線電極7aの設置ピッチPと同じ量だけ水平方向に移動する。
【0032】
以降、前記位置決め、および接合の動作を、半導体チップ1の全ての金バンプ列について繰り返すことにより、半導体チップ1を回路基板7上へ搭載する。
【0033】
(実施形態2)
図4(a)は本発明の実施形態2に係る半導体装置の製造装置の構成図、図4(b)は図4(a)における接合部Aの拡大図である。なお、以下の説明において、図1〜図3にて説明した部材に対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【0034】
実施形態2では、半導体チップと回路基板とを電気的に接続するための導電性接続材料として、半導体チップの電極パッド上に金バンプ、回路基板の配線電極上に錫メッキが施されている例を示すが、施される導電性接続材料はこれらに限定されるものではない。
【0035】
半導体チップ1の電極パッド2上に金バンプ3が形成され、押圧ツール4により半導体チップ1が供給される工程は、実施形態1と同様である。
【0036】
図4(a),(b)において、21は基板ガイドユニット、21aはガイドローラ、22は支持台、22aは回転軸、23は筒体、23aは吸引孔である。
【0037】
半導体チップ1を回路基板7へ搭載する工程は以下の通りである。
【0038】
すなわち、回路基板収納マガジン13内には、配線電極7a上に錫メッキが施された回路基板7が収納されている。まず、回路基板7は、プッシャー14により搬送用コンベア11上に押し出され、さらに搬送用コンベア11により筒体23に渡されるが、この際、基板ガイドユニット21は、図5に示すように水平位置まで回転し、回路基板7を搬入する。回路基板7を搬入した後、基板ガイドユニット21は、図4(a)に示す状態になるよう回転し、筒体23が、該筒体23に設けられた吸引孔23aにより回路基板7を吸引保持する。
【0039】
次に、電極パッド2上に金バンプ3が形成された半導体チップ1が、押圧ツール4に設けられた吸引孔5により、押圧ツール4の押圧面を介して吸引保持された状態で供給される。半導体チップ1においては、図2(b)に示すように、電極パッド2はエリアパッド配置となっており、電極パッド2上に金バンプ3が形成されている。なお、図2(b)において、金バンプ3はボールボンディング法により形成されているが、メッキバンプでもよい。
【0040】
次に、図4(a)において、回路基板7上の、これから半導体チップ1上の金バンプ3の1列と接続する配線電極7aの1列が、筒体23の中心軸を通る鉛直面内に位置するように筒体23が回転し位置決めされる。さらに、次に接続を実施する半導体チップ1上の金バンプ3の1列が、次に接続を実施する配線電極7aの1列に対向するように、押圧ツール4を水平面内で位置決めする。次に、押圧ツール4が鉛直に下降していき、接合を実施する半導体チップ1の金バンプ列と回路基板7の配線電極列に所定の荷重が負荷された時点で下降が止まる。
【0041】
さらに、集束光発生ユニット8より、集束光Lが半導体チップ1の金バンプ列と回路基板7の配線電極列との接続部分に照射される。集束光Lの照射は、金バンプ3の1個と配線電極7aの1本とが接触する1接続点ずつ行われてもよく、複数の接続点に対し一度に行われてもよい。集束光Lの照射が一定時間行われ、半導体チップ1の金バンプ列と回路基板の配線電極列との接合部に荷重と熱が加えられることにより、金と錫との拡散接合により両者が接合される。
【0042】
なお、この加熱は、筒体23に装着されている、セラミックヒータなどの微小な発熱源により行われてもよく、また、押圧ツール4に設けられた発熱源により、半導体チップ1の一部もしくは全体を加熱することで行われてもよい。
【0043】
接合が完了した後、筒体23が、次に接合を実施する回路基板7の配線電極列が、筒体23の中心軸を通る鉛直面内に位置するように回転して位置決めされると共に、これに同期して半導体チップ1が吸引保持された押圧ツール4が水平方向に移動する。すなわち、押圧ツール4は、接合が完了した箇所に水平方向の負荷が加わらないように、かつ、次に接合を実施する半導体チップ1の金バンプ列が、次に接合を実施する回路基板7の配線電極列に対向するように、回路基板7の配線電極ピッチPと同じ量だけ水平方向に移動する。
【0044】
以降、前記位置決め、および接合の動作を半導体チップ1の全ての金バンプ列について繰り返すことにより、半導体チップ1を回路基板7上へ搭載する。
【0045】
このように本実施形態は、半導体チップ1と回路基板7とのフリップチップ接合において、半導体チップ1の電極パッド2と回路基板7上の配線電極7aとを、回路基板7を曲げた状態で1点ないし複数点ずつ接合することを特徴とする。
【0046】
具体的には既述したように、回路基板7は吸引孔6a,23aを備えた筒体6,23上に吸引固定され、半導体チップ1は、押圧ツール4に設けられた吸引孔5により、電極パッド2が形成されている面と反対側の面(チップ背面)を介して保持される。このとき半導体チップ1は、接合を実施する電極パッド2と配線電極7aとが、回路基板7が吸引固定されている筒体6,23の中心を通る直線上で相対するように位置決めされ、回路基板7上方から押圧される。
【0047】
さらに、接合する半導体チップ1の電極パッド2と回路基板7の配線電極7aの少なくとも一方に金,錫,銀ペーストなどの導電性接続材料が形成もしくは塗布されており、導電性接続材料は半導体チップ1と回路基板7との間隙より接合箇所へ向けて集束光Lを照射することにより加熱され、半導体チップ1の電極パッド2と回路基板7の配線電極7aとが接合されることになる。
【0048】
例えば、半導体チップ1の電極パッド2上に金バンプが設けられ、回路基板の配線電極上に錫メッキが施されている場合、加熱・加圧による金・錫の拡散反応によって電極パッド2と配線電極7aとが接合される。接合箇所への加熱の際、集束光Lはスポット光として半導体チップ1の電極パッド2、および回路基板7の配線電極7aとを1点ずつ加熱・接合してもよく、また、線状の集束光Lとして電極パッド2および配線電極7aの1列を一度に加熱・接合してもよい。
【0049】
1列の接合が完了すると、回路基板7を吸引固定している筒体6,23は、次に接合する回路基板7の配線電極7aが、次に接合する半導体チップ1の電極パッド2と筒体6,23の中心を通る直線上で相対するまで回転して位置決めされる。
【0050】
以降、同様にして全ての半導体チップ1の電極パッド2と回路基板7の配線電極7aとが接合される。
【0051】
本実施形態において、接合箇所の加熱は、回路基板7を吸引固定する筒体6,23に装着された発熱源により実施してもよく、また、回路基板7下面より、接合する回路基板7の配線電極7aへ集束光Lまたは電波を照射することにより実施してもよい。
【産業上の利用可能性】
【0052】
本発明の半導体装置の製造方法および製造装置は、エリアパッドをもつ半導体チップを薄型回路基板上へフリップチップ搭載する方法および装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】(a)は本発明の実施形態1に係る半導体装置の製造装置の構成図、(b)は(a)における接合部Aの拡大図
【図2】(a)〜(c)は本実施形態における半導体チップへの金バンプ形成の説明図
【図3】本実施形態における金バンプが形成された半導体チップを反転ユニットにより押圧ツールへ供給する工程を示す図
【図4】(a)は本発明の実施形態2に係る半導体装置の製造装置の構成図、(b)は(a)における接合部Aの拡大図
【図5】実施形態2における装置の動作の説明図
【図6】(a),(b)は従来の半導体装置の一例を示す図であり、(a)は平面図、(b)は横断面図
【図7】(a)はペリフェラルパッド配置の半導体チップへ金バンプを形成した状態を示す図、(b)はエリアパッド配置の半導体チップへ金バンプを形成した状態を示す図
【符号の説明】
【0054】
1 半導体チップ
2 電極パッド
3 金バンプ
4 押圧ツール
5 吸引孔
6 回路基板保持用の筒体
6a 吸引孔
7 回路基板
7a 配線電極
8 集束光発生ユニット
11 搬送用コンベア
12 マガジン昇降ステージ
13 回路基板収納マガジン
14 プッシャー
21 基板ガイドユニット
21a ガイドローラ
22 支持台
22a 回転軸
23 筒体
23a 吸引孔
31 キャピラリ
32 金線
32a イニシャルボール
33a,33b,33c,33d コレット
34a,34b,34c,34d 吸引孔
35 チップ反転ユニット
36 チップトレイ
36a ポケット
101 半導体チッ
L 集束光
B 回転軸

【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体チップを回路基板上にフリップチップ接合することにより半導体装置を製造するための製造方法であって、
接合する前記半導体チップの電極パッドと前記回路基板上の電極との少なくとも一方に導電性接続材料を設ける工程と、接合する前記半導体チップの電極パッドと前記回路基板上の電極とを、前記回路基板を曲げた状態で1点ずつまたは複数点ずつ加熱しながら接合する工程からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記回路基板の曲げ動作を、前記回路基板を筒体上に保持して行うことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
前記筒体を、前記半導体チップと前記回路基板との接合実施箇所の移動に伴い回転することを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記回路基板の曲げ動作を、前記回路基板を前記筒体により該回路基板下面を介して保持する可動式の基板ガイドユニットによって行うことを特徴とする請求項2または3記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
前記加熱を、接合する前記半導体チップの電極パッドと前記回路基板の電極とに、集束光または電波を前記半導体チップと前記回路基板間の間隙より直接照射することにより行うことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記加熱を、前記回路基板の下面より、接合する前記回路基板の電極へ集束光または電波を照射することにより行うことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】
前記加熱を、前記筒体に装着された発熱源により行うことを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項8】
前記加熱を、前記半導体チップを保持および/または加圧する押圧ツールに設けられた発熱源により、前記半導体チップの一部もしくは全体を加熱することにより行うことを特徴とする請求項1〜4記載いずれか1項の半導体装置の製造方法。
【請求項9】
半導体チップを回路基板上にフリップチップ接合することにより半導体装置を製造するための製造装置であって、
接合する前記半導体チップの電極パッドと前記回路基板の電極の少なくとも一方に導電性接続材料を形成もしくは塗布する部材と、接合する前記半導体チップの電極パッドと前記回路基板上の電極を前記回路基板を曲げた状態で1点ずつまたは複数点ずつ加熱しながら接合する部材とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項10】
前記回路基板の曲げ動作を保持しながら行う筒体を備えたことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造装置。
【請求項11】
前記筒体を、前記半導体チップと前記回路基板との接合実施箇所の移動に伴い回転可能にしたことを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造装置。
【請求項12】
前記回路基板の曲げ動作を、前記回路基板を前記筒体により該回路基板下面を介して保持しながら行う可動式の基板ガイドユニットを備えたことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造装置。
【請求項13】
前記半導体チップと前記回路基板間の間隙より、前記半導体チップの電極パッドと前記回路基板の電極とに集束光または電波を直接照射して前記加熱を行う部材を備えたことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造装置。
【請求項14】
前記回路基板の下面より、接合する前記回路基板の電極へ集束光または電波を照射して前記加熱を行う部材を備えたことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造装置。
【請求項15】
前記筒体に装着されて、前記加熱を行う発熱源を備えたことを特徴とする請求項9〜12いずれか1項記載の半導体装置の製造装置。
【請求項16】
前記加熱を行うため前記半導体チップを保持および/または加圧する押圧ツールに設けられて、前記半導体チップの一部もしくは全体を加熱する発熱源を設けたことを特徴とする請求項9〜12いずれか1項記載の半導体装置の製造装置。

【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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