回路基板接合構造体およびその製造方法
【課題】第１の回路基板と第２の回路基板との接合信頼性を向上させる回路基板接合構造体を提供する。
【解決手段】第１のバンプ電極２の第１の中心線Ｌ１と、第２のバンプ電極４の第２の中心線Ｌ２とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とが、対向して接合されている。小面積の第２のバンプ電極４が塑性変形するときに、大面積の第１のバンプ電極２の側面までの距離が短い方は、自由端となり、バンプ電極の変形拘束をうけないため、小面積バンプ電極４が塑性変形するとき、大面積バンプ電極２の自由端の方向へ接合界面での横すべりが生じやすく、その結果、小面積バンプ電極４が容易に変形しやすくなる。
【解決手段】第１のバンプ電極２の第１の中心線Ｌ１と、第２のバンプ電極４の第２の中心線Ｌ２とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とが、対向して接合されている。小面積の第２のバンプ電極４が塑性変形するときに、大面積の第１のバンプ電極２の側面までの距離が短い方は、自由端となり、バンプ電極の変形拘束をうけないため、小面積バンプ電極４が塑性変形するとき、大面積バンプ電極２の自由端の方向へ接合界面での横すべりが生じやすく、その結果、小面積バンプ電極４が容易に変形しやすくなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回路基板の接合構造体およびその製造方法に関し、特に、バンプ電極を介して回路基板の一例である半導体チップを他方の回路基板の一例である他方の半導体チップにフリップチップ実装する半導体装置に適用される。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの機能向上に伴い、半導体チップ内部の配線は、複雑かつ長い配線を多く含む状態になってきている。また、半導体装置に作り込む機能が複雑になり、半導体装置の製造プロセスが長くなってきている。
【０００３】
これら問題を打開する接合構造体として、半導体装置を構成する半導体チップ同士を対向させて接合する、いわゆるチップ・オン・チップと呼ばれる構造がある。このチップ・オン・チップ構造の半導体チップは、少なくとも２種類の半導体チップを用い、各半導体チップ表面にほぼ同じ形状に形成されたバンプ電極同士をいわゆるフェースダウン方式で接合し、半導体チップ間の電気的および機械的な接合を達成している。
【０００４】
このチップ・オン・チップ構造の例として、従来、対向する半導体チップの両方に、めっき法にて同様な形状をしたバンプ電極を形成し、それらのバンプ電極同士を位置合わせし、加熱と加圧により、半導体チップ同士を接合するものがある（特開２０００−２５２４１３号公報：特許文献１参照）。半導体チップ上のバンプ電極の接合面の面積と、他方の半導体チップ上のバンプ電極の接合面の面積を異ならせ、バンプ電極同士を接合している。
【０００５】
具体的に述べると、この半導体装置は、図１１に示すように、第１の半導体チップ１０１と第２の半導体チップ１０３とをバンプ電極１０５を介して接合している。なお、図１１に示すように、第１の半導体チップ１０１には、バンプ電極として金バンプ１０２が形成されている。また、第１の半導体チップ１０１と接合する第２の半導体チップ１０３には、第１の半導体チップ１０１の金バンプ１０２に対向する位置に、バンプ電極として金バンプ１０４が形成されている。
【０００６】
各半導体チップ１０１、１０３上に形成された各金バンプ１０２、１０４の接合面積も異なっており、バンプ電極１０２とバンプ電極１０４との幅の中心線を一致させ（位置合わせさせ）、第１の半導体チップ１０１と第２の半導体チップ１０３とを接合する。
【０００７】
この半導体装置では、半導体チップの近傍に接合界面（接合部）が存在しないため、各半導体チップ１０１、１０３とバンプ電極１０５との線膨張係数の差による接合界面の熱疲労を避けることが可能になる。
【０００８】
また、バンプ電極１０５のサイズが小さくなった場合においても、接合時のバンプ電極１０５の座屈変形による接合ピッチ制限も緩和され、さらに接合するバンプ電極のサイズが相互に異なるため、面積が大きなバンプの何れかの部分に、一方のバンプが接合すればよいので、半導体チップを重ねる時の機械的位置精度の誤差を吸収することができる。したがって、さらなる多端子化が進展しているチップ・オン・チップ構造には、図１１に示す半導体装置は好適な構造である。
【特許文献１】特開２０００−２５２４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１１に示す従来の半導体装置において、以下の第１と第２の問題点を見出した。
【００１０】
第１の問題点として、小面積のバンプ電極と大面積のバンプ電極とを接合する時に、大面積のバンプ電極が、小面積のバンプ電極の塑性変形を阻害していることが判明した。
【００１１】
すなわち、小面積のバンプ電極が、加熱・加圧により塑性変形する際に、小面積のバンプ電極の加圧方向と垂直方向へのバンプ電極の変形が、小面積のバンプ電極と接していない大面積のバンプ電極の面積部分に拘束されてしまい、加圧方向と垂直方向へのバンプ電極同士の接合界面の横すべりによるバンプ電極の変形が生じにくい。
【００１２】
したがって、小面積のバンプ電極と大面積のバンプ電極とを接合する半導体装置において、接合信頼性を確保できる接合強度を得るためには、接合界面に未接合部がない程度までバンプ変形をさせる必要があり、結果的に高加圧のボンディング条件が必要となる。
【００１３】
そのため、バンプ電極の下部にある半導体チップの酸化膜、素子等への機械的ダメージが発生しやすいという問題が見られた。
【００１４】
第２の問題点として、半導体チップの多端子化が進み、接合ピッチが更に微細になると、バンプ電極に関わる構成は、種々の制約を受けることになる。例えば、バンプ電極のせん断強度などのメカニカルな強度は、その接合面積に比例するため、バンプ電極の強度を保つためにはバンプ電極の接合面積を極力大きくすることが望まれる。
【００１５】
しかしながら、接合ピッチが微細化するため、バンプ電極の接合面積には制限が生じ、バンプ電極の接合面積は小さくせざるを得ない。
【００１６】
そのため、バンプ電極の強度は、その接合面積に比例して小さくなり、アンダーフィル樹脂による接合部に対する補強が必要になってくる。
【００１７】
以上より、図１１に示す半導体装置は、半導体チップ同士を接合するバンプ電極に金からなるバンプを使用しているため、ファインピッチ実装が可能であり、バンプ電極接合位置ずれにも有効な半導体装置であるが、ファインピッチ実装の接合信頼性確保に必要不可欠である接合性向上には適していない構造である。
【００１８】
そこで、この発明の課題は、バンプ電極を介して、回路基板を他方の回路基板にフリップチップ実装する接合構造体において、回路基板と他方の回路基板との接合信頼性を向上させる回路基板接合構造体を提供することにある。特に、回路基板として、半導体チップに適合させることができる接合構造体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、この発明の回路基板接合構造体は、
第１の回路基板と第２の回路基板とが重ね合わせて接合される回路基板接合構造体であって、
上記第１の回路基板の電極上には、第１のバンプ電極が形成され、
上記第２の回路基板の電極上には、上記第１のバンプ電極の頂面とは面積が異なる頂面を有する第２のバンプ電極が形成され、
上記第１の回路基板の電極面に直交すると共に上記第１のバンプ電極の頂面の中心を通る第１の中心線と、上記第２の回路基板の電極面に直交すると共に上記第２のバンプ電極の頂面の中心を通る第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とが、対向して接合されていることを特徴としている。
【００２０】
この発明の回路基板接合構造体によれば、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とが、対向して接合されているので、大面積のバンプ電極と小面積のバンプ電極との接合位置が偏移しているため、小面積のバンプ電極が大面積のバンプ電極に当接したときに、大面積のバンプ電極の両端までの距離が小面積のバンプ電極の両端で異なる。
【００２１】
すなわち、小面積バンプ電極が塑性変形するときに、大面積バンプ電極の側面までの距離が短い方は、自由端となり、バンプ電極の変形拘束をうけないため、小面積バンプ電極が塑性変形するとき、大面積バンプ電極の自由端の方向へ接合界面での横すべりが生じやすく、その結果、小面積バンプ電極が容易に変形しやすくなる。
【００２２】
したがって、接合信頼性を確保するために高加圧でバンプ変形させていた従来条件に比べ、低加圧で従来条件と同程度の接合強度を確保することができる。その結果、バンプ電極下部の酸化膜、素子等のダメージの回避が可能になり、接合起因による不良がない高信頼性を有する回路基板接合構造体を得ることができる。
【００２３】
要するに、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる構造を得ることができる。
【００２４】
また、一実施形態の回路基板接合構造体では、
上記第１の中心線と上記第２の中心線との間の偏移量を、Ｗ０とし、
上記第１のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、
上記第２のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、
以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たしている。
【００２５】
この実施形態の回路基板接合構造体によれば、２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２、および、Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０を満たすので、従来加圧より低加圧にて、同程度のバンプ変形が得られるとともに、接合性を一層向上できる。
【００２６】
また、一実施形態の回路基板接合構造体では、上記第１の回路基板および上記第２の回路基板のうちの少なくとも一方の回路基板に関して、上記バンプ電極は、予め、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが重ならずに偏移するように、形成されている。
【００２７】
この実施形態の回路基板接合構造体によれば、上記第１の回路基板および上記第２の回路基板のうちの少なくとも一方の回路基板に関して、上記バンプ電極は、予め、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが重ならずに偏移するように、形成されているので、機種切替え時に必須となるフリップチップボンダーの偏移量の設定を変えずに接合することができて、効率的な生産が可能になる。
【００２８】
また、一実施形態の回路基板接合構造体では、上記第１のバンプ電極または上記第２のバンプ電極の一方のバンプ電極の頂面の面積は、他方のバンプ電極の頂面の面積よりも、小さく、
上記一方のバンプ電極の少なくとも一部は、上記他方のバンプ電極に埋設され、
上記一方のバンプ電極の一方の側面は、上記他方のバンプ電極に接触していない。
【００２９】
この実施形態の回路基板接合構造体によれば、上記一方のバンプ電極の少なくとも一部は、上記他方のバンプ電極に埋設され、上記一方のバンプ電極の一方の側面は、上記他方のバンプ電極に接触していないので、上記一方のバンプ電極の接合界面近傍での横すべりが容易に生じて、上記一方のバンプ電極が変形しやすくなり、接合強度を強固にできる。
【００３０】
また、一実施形態の回路基板接合構造体では、上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極は、互いに、同一材料にて形成されている。
【００３１】
この実施形態の回路基板接合構造体によれば、上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極は、互いに、同一材料にて形成されているので、バンプ電極を容易に変形できて、接合性を一層向上できる。
【００３２】
また、この発明の回路基板接合構造体の製造方法は、
第１の回路基板と第２の回路基板とが重ね合わせて接合される回路基板接合構造体の製造方法であって、
上記第１の回路基板の電極上には、第１のバンプ電極が形成され、上記第２の回路基板の電極上には、上記第１のバンプ電極の頂面とは面積が異なる頂面を有する第２のバンプ電極が形成され、
上記第１の回路基板の電極面に直交すると共に上記第１のバンプ電極の頂面の中心を通る第１の中心線と、上記第２の回路基板の電極面に直交すると共に上記第２のバンプ電極の頂面の中心を通る第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合する第１の工程と、
上記第１の回路基板と上記第２の回路基板との間に樹脂を充填する第２の工程と
を備えることを特徴としている。
【００３３】
この発明の回路基板接合構造体の製造方法によれば、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合する第１の工程を備えるので、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる回路基板接合構造体を容易に得ることができる。
【００３４】
また、一実施形態の回路基板接合構造体の製造方法では、
上記第１の工程では、
上記第１の中心線と上記第２の中心線との間の偏移量を、Ｗ０とし、
上記第１のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、
上記第２のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、
以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たすように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合する。
【００３５】
この実施形態の回路基板接合構造体の製造方法によれば、上記第１の工程では、２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２、および、Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０を満たすように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合するので、従来加圧より低加圧にて、同程度のバンプ変形が得られるとともに、接合性を一層向上できる。
【００３６】
また、一実施形態の回路基板接合構造体の製造方法では、上記第１の工程では、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを接触させ加圧した後、上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極に超音波振動を印加する。
【００３７】
この実施形態の回路基板接合構造体の製造方法によれば、上記第１の工程では、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを接触させ加圧した後、上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極に超音波振動を印加するので、上記第１のバンプ電極と上記第２のバンプ電極との接合界面の汚染層を効果的に排斥できて、接合性を一層向上できる。
【発明の効果】
【００３８】
この発明の回路基板接合構造体によれば、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とが、対向して接合されているので、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる構造を得ることができる。
【００３９】
この発明の回路基板接合構造体の製造方法によれば、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合する第１の工程を備えるので、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる回路基板接合構造体を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４１】
図１は、この発明の回路基板接合構造体の一実施形態である一部断面図を示している。この回路基板接合構造体では、第１の回路基板としての第１の半導体チップ１と、第２の回路基板としての第２の半導体チップ３とが、重ね合わせて接合される。
【００４２】
上記第１の半導体チップ１の電極上には、第１のバンプ電極２が形成されている。上記第２の半導体チップ３の電極上には、上記第１のバンプ電極２の頂面とは面積が異なる頂面を有する第２のバンプ電極４が形成されている。
【００４３】
上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とが、対向して接合されている。上記第１のバンプ電極２および上記第２のバンプ電極４にて、バンプ電極５を構成している。
【００４４】
上記第１のバンプ電極２は、上記第１の半導体チップ１上に、公知の電解めっき法により、形成されている。上記第２のバンプ電極４は、上記第２の半導体チップ３上に、公知の電解めっき法により、形成されている。
【００４５】
上記第１のバンプ電極２のサイズは、４５μｍ□であり、上記第２のバンプ電極４のサイズは、３０μｍ□であり、バンプ電極のピッチは、共に、６０μｍである。なお、第１のバンプ電極２ならびに第２のバンプ電極４は、接合時にバンプ電極自体が座屈しないアスペクト比が１以下である高さが望ましい。ここでは、第１のバンプ電極２の高さは、８μｍであり、第２のバンプ電極４の高さは、１５μｍである。
【００４６】
上記第１の半導体チップ１の電極面に直交すると共に上記第１のバンプ電極２の頂面の中心を通る第１の中心線Ｌ１と、上記第２の半導体チップ３の電極面に直交すると共に上記第２バンプ電極４の頂面の中心を通る第２の中心線Ｌ２とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２バンプ電極４の頂面とが、対向して接合されている。
【００４７】
具体的に述べると、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２との間の偏移量を、Ｗ０とし、上記第１のバンプ電極２の頂面における上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、上記第２バンプ電極４の頂面における上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たす。
【００４８】
上記（式１)(式２）の関係を得るために、バンプ電極の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ１、Ｗ２が異なる５種類の半導体チップを任意の量だけ偏移（位置ずれ）させたサンプルを試作した。つまり、幅Ｗ１は、４５μｍ、４０μｍ、３０μｍ、２５μｍであり、幅Ｗ２は、３０μｍ、２０μｍである。
【００４９】
図１０に示すように、試作したサンプルＡ〜Ｉ（９条件）にて、接合強度測定ならびに信頼性試験を実施した。その結果について説明する。
【００５０】
接合後のバンプ電極の偏移量（位置ずれ）Ｗ０を、０μｍ（つまり、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが、重なって偏移していない）、２μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍとした。
【００５１】
また、第１のバンプ電極２の頂面の中心位置を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ１と、第２のバンプ電極４の頂面の中心位置を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ２との関係を確認するために、上記第１のバンプ電極２の頂面の幅Ｗ１と上記第２のバンプ電極４の頂面の幅Ｗ２を変化させたサンプルの試作も行い、その接合性も検討した。
【００５２】
なお、バンプ電極の頂面の中心位置を通り予め偏移させる方向の頂面の幅を変化したサンプルにおいても、接合ピッチは、６０μｍである。また接合条件は、接合温度４３０℃、接合加圧２００Ｎ／ｍｍ２、接合時間１ｓｅｃである。
【００５３】
上記のサンプルの接合性の耐候性を確認するため、接合信頼性として、温度サイクル試験（−５５℃／１５０℃、各３０分サイクル）を実施した。
【００５４】
各サンプルの接合性を比較した結果、温度サイクル試験１０００時間においても、接合部の抵抗値上昇が見られず、接合状態が良好な第１のバンプ電極２および第２のバンプ電極４の頂面の幅ならびに位置ずれの関係を見出した。
【００５５】
すなわち、図１０より、第１のバンプ電極２の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ１は、第２のバンプ電極４の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ２より大きく、かつ、この幅Ｗ２の２倍より小さいことが望ましく、さらに、第１のバンプ電極２の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ１と第２のバンプ電極４の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ２との偏移量（位置ずれ）Ｗ０は、ゼロより大きく、かつ、上記第１のバンプ電極２の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ２から第２のバンプ電極４の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ１を減じて０．５を乗じた値以下であることが望ましいことが判明した。
【００５６】
例えば、図１０中のサンプルＩについて、第１のバンプ電極の幅Ｗ１が４５μｍ□であり、第２のバンプ電極の幅Ｗ２が２０μｍ□であり、上記（式１）を満たしていない。また、図１０中のサンプルＨについても、幅Ｗ１、Ｗ２に関して上記（式１）を満たしていない。
【００５７】
図１０中のサンプルＨ、Ｉについて、第２のバンプ電極４が第１のバンプ電極２と接合した時に、第１のバンプ電極２と第２のバンプ電極４との接合界面に生じる未接合部が占有する割合が多くなる。
【００５８】
すなわち、熱圧着接合の場合は、接合時の加圧によりバンプ電極に塑性変形が生じる。このバンプ電極の塑性変形により、バンプ電極表面のコンタミが排斥され、バンプ電極材の金属の新生面が生じた結果、バンプ電極の新生面同士での接合が可能となる。
【００５９】
しかし、バンプ電極の接合部には、排斥されたコンタミによる微小な未接合部が不可避な状態にて生じる。またバンプ電極表面には、±１μｍ程度の凹凸がバンプめっき工程後に生じる。このバンプ電極表面の凹凸を加圧で塑性変形させ消失させる必要がある。
【００６０】
しかし、上記（式１）を満たさないバンプ電極のサイズでは、加熱加圧により第１のバンプ電極２である大面積バンプ電極に、第２のバンプ電極４である小面積バンプ電極が埋設するが、大面積バンプ電極の両端が加圧方向と垂直方向への小面積バンプ電極の変形を阻害しているため、小面積バンプ電極の大面積バンプ電極との接合界面（接触部）近傍で横すべりが生じにくく、結果的に、バンプ変形が生じにくい。
【００６１】
そして、この未接合部を消失させるためには、高加圧が必要になる。最悪の場合は、小面積バンプ電極である第２のバンプ電極４の座屈が生じてしまい、半導体チップ内の端子毎の接合強度バラツキが生じる。
【００６２】
実際に、接合した第１のバンプ電極２と第２のバンプ電極４との接合部を保護するために、アンダーフィル樹脂を注入し、温度サイクル試験（−５５℃／１５０℃、各３０分サイクル）を実施すると、バンプ電極とアンダーフィル樹脂との線膨張係数の差による熱応力により、第２のバンプ電極４の塑性変形不足に起因する未接合部を起点としたクラックが進展しており、接合部の熱疲労破壊に至っていることを確認した。
【００６３】
また、上記（式２）を満たさない偏移（位置ずれ）量Ｗ０を有する図１０中のサンプルＥでは、図４に示すように、第１のバンプ電極４２と第２のバンプ電極４４とを接合した際に、第２のバンプ電極４４が第１のバンプ電極４２の側面４６よりはみだすため、接合面積が減少し、単位面積あたりの接合荷重が見かけ上高くなるため、第２のバンプ電極４４が異常変形を起こす。
【００６４】
その結果、第１の半導体チップ４１の素子形成面４７に第２のバンプ電極４４の隆起した一部４８が接触してしまい、ショート等が生じてしまう。
【００６５】
したがって、上記（式１)(式２）を満たすことが必要であり、上記（式１)(式２）を満たすことにより、従来加圧より低加圧にて、同程度のバンプ変形が得られるとともに、接合性が向上できることが判明した。
【００６６】
なお、上記（式１)(式２）を満たす偏移（位置ずれ）量Ｗ０は、ゼロより大きければ、偏移（位置ずれ）がない場合に比べて、接合強度の向上が確認できる。つまり、上記（式１)(式２）を満たす図１０中のサンプルＢ，Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｇは、Ｗ０がゼロである図１０中のサンプルＡに比べて、接合強度が向上している。
【００６７】
そして、より安定した接合状態を確保するために、Ｗ０は５μｍ以上が好適である。つまり、図１０中のサンプルＣ，Ｄ，Ｆについて、Ｗ０が５μｍ以上である。
【００６８】
また、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが異なり、上記第１のバンプ電極２と上記第２のバンプ電極４とが接合されていればよい。
【００６９】
次に、図２および図３に示すように、本発明の半導体チップ接合構造により実現できる半導体装置について説明する。図２は、図１に示される半導体チップの接合構造体により実現できるモジュール構造の模式図を示し、図３は、図１に示される半導体チップの接合構造体により実現できるモジュール構造の上面模式図を示す。
【００７０】
なお、図２は、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが、同一方向でなく多様な方向に偏移しており、上記第１のバンプ電極２と上記第２のバンプ電極４とが、相互に接合されている半導体チップ接合構造体の一例である。
【００７１】
第１の半導体チップ１は、液晶パネルのコモン電極およびセグメント電極を駆動する液晶ドライバーＩＣである。また、上記第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ３は、同一材料のシリコンからなっている。上記第１の半導体チップ１と上記第２の半導体チップ３の裏面研磨は特に行わなくてもいいし、半導体チップの割れや取り扱いを考慮した程度の裏面研磨を行ってもよい。
【００７２】
第１の半導体チップ１の電極上（図示せず）には、バンプ電極２である金バンプが形成されている。これらの金バンプは公知技術である電解めっき法にて形成され、たとえば平均で８μｍの高さを有している。
【００７３】
また、第２の半導体チップ３の電極上（図示せず）にも、バンプ電極４である金バンプが形成されている。公知技術である電解めっき法により形成された金バンプは、平均で１５μｍの高さを有している。
【００７４】
つまり、上記第１のバンプ電極２および上記第２のバンプ電極４は、互いに、同一材料にて形成されている。
【００７５】
配線基板７には、第２の半導体チップ３に接合するための配線８と他方の配線基板（図示せず）に接合するための端子（図示せず）が形成されている。さらに、配線基板７には、第１の半導体チップ１が搭載される範囲に打ち抜き穴１０が設けられている。配線基板７上の配線８は、この打ち抜き穴１０から露出しないように形成されている。
【００７６】
また、配線基板７の配線８の端子部分以外は、ソルダーレジスト（図示せず）の被膜によって保護されている。具体的には、配線基板７はポリイミド等の有機材料からなる基材であり、配線８はＣｕ配線パターンがパターニングされている。
【００７７】
第２の半導体チップ３の第３のバンプ電極６である金バンプと接合するために、上記Ｃｕ配線パターン上の電極部分には、錫メッキもしくは金メッキが施されている。さらに上記Ｃｕ配線パターンは、基材の周縁部から相互に平行となるように引き出され、異方導電性膜等を介し液晶パネル（図示せず）の電極に接合され、一方の引き出し部は電源や画像データ信号が伝送されるプリント基板（図示せず）の電極に接合される。
【００７８】
上記第２の半導体チップ３と配線基板７とは、第３のバンプ電極６である金バンプと、配線基板７との配線８とをインナーリードボンダーによって接続する。
【００７９】
また、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ３は、各バンプ電極５である金バンプ同士２、４とをフリップチップボンダーによって接合する。そのボンディング条件は、たとえば温度４３０℃、時間が１ｓｅｃ、圧力は１ｍｍ２あたり１６０Ｎ〜２００Ｎである。
【００８０】
第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ３と配線基板７とを各々接合し得られた構造において、上記第２の半導体チップ３と上記第１の半導体チップ１とが対向する領域ならびに上記配線基板７と上記第２の半導体チップ３とが接合された領域の周囲に、アンダーフィル樹脂９を塗布し硬化する。
【００８１】
なお、硬化は、キュア炉によって、たとえば１２５℃で２０分程度、プリキュアされ、さらに１２５℃で３時間程度ポストキュアする。以上より、得られたモジュール構造は、アンダーフィル樹脂９により封止され、機械的強度保持や環境からの保護が実現されている。
【００８２】
本モジュール構造は、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ３のボンディング後、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ３との間の隙間は、２０μｍ程度となる。さらに、コストの観点から金バンプの高さを低くした場合には、上記隙間は１０μｍ程度になる。
【００８３】
したがって、気泡を巻き込むことがなく、かつ、流動性が良好でなければならないアンダーフィル樹脂９の粘度は、９Ｐａ・ｓ程度の低粘度が望ましい。また、狭間隙に注入するため、フィラであるシリカの最大粒径は０．３５μｍ以下が望ましい。さらに、同一部材のバンプ電極である接合部の高信頼を得るためには、アンダーフィル樹脂の熱膨張係数は、５６ｐｐｍ／Ｋ以下であることが望ましく、そのためには、無機充填材料としてシリカを５０重量％含有した樹脂が望ましい。これらのアンダーフィル樹脂９として、長瀬チバ製の型番ＸＳ−８４４３が候補としてあげられる。
【００８４】
以上のようなモジュール構造にすることで、微細ピッチで多ピンの安定した接合構造を得ることが可能となる小型な液晶モジュールが実現できる。
【００８５】
さらに、配線基板７に実装するチップ部品の機能を、第２の半導体チップ３に盛り込む設計をすることにより、実装面積が大幅に削減可能となり、モジュールの小型化、しいては製品の小型化に大きく貢献できる。
【００８６】
次に、図５と図６に示すように、本発明の実施の形態である接合構造体を実現する半導体チップについて説明する。図５は、第１の半導体チップである液晶ドライバーの概略上面模式図である。図６は、第２の半導体チップの概略上面模式図である。なお、ここでは、第２の半導体チップ３は、第１の半導体チップ１と配線基板７との信号の中継基板（インターポーザ）として説明する。
【００８７】
図５に示すように、第１の半導体チップ１には、第１のバンプ電極２である金バンプがエリア状に配列されている。また、第２の半導体チップ３と接合するための基準印として、第１の半導体チップ１の隅にアライメントマーク１１、１２が公知の技術により設けられている。
【００８８】
また、図６に示すように、第２の半導体チップ３には、第２のバンプ電極４と第３のバンプ電極６である金バンプが設けられている。なお、第２のバンプ電極４は、第１の半導体チップ１の第１のバンプ電極２と対向する位置に設けられている。さらに、配線基板７と接合するために、第３のバンプ電極６は、第２の半導体チップ３の周囲に設けられている。
【００８９】
ここで、第２の半導体チップ３上に形成した各々の第２のバンプ電極４を、望ましい偏移量Ａ１だけ、異なる方向に予め偏移して形成している。予め偏移した第２のバンプ電極４を形成する方法は、公知のめっきプロセスで容易に実現できる。
【００９０】
なお、図６に示す第２の半導体チップ３の第２のバンプ電極４を予め偏移したが、図５に示す第１の半導体チップ１の第１のバンプ電極３を予め偏移しても構わない。
【００９１】
要するに、上記第１の半導体チップ１および上記第２の半導体チップ３のうちの少なくとも一方の半導体チップ１，３に関して、上記バンプ電極２，４を、予め、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが重ならずに偏移するように、形成するようにしてもよい。したがって、機種切替え時に必須となるフリップチップボンダーの偏移量の設定を変えずに接合することができて、効率的な生産が可能になる。
【００９２】
図７に、本発明の半導体チップの接合構造体の最も好適な接合部断面図を示す。つまり、この半導体チップの接合構造体では、第２のバンプ電極７４の頂面の面積は、第１のバンプ電極７２の頂面の面積よりも小さく、第２のバンプ電極７４の少なくとも一部は、第１のバンプ電極７２に埋設され、第２のバンプ電極７４と第１のバンプ電極７２との対向面同士が、接合されている。さらに、第２のバンプ電極７４の一方の側面７６は、半導体チップ７１の第１のバンプ電極７２に接触していない。
【００９３】
したがって、第２のバンプ電極７４の側面７６は第１のバンプ電極７２に接していないため、第２のバンプ電極７４の接合界面近傍での横すべりが容易に生じて、第２のバンプ電極７４が変形しやすくなり、接合強度を強固にできる。
【００９４】
次に、本発明の半導体チップ接合構造体を得る製造方法について説明する。
【００９５】
まず、図８に示すように、本発明の半導体チップ接合構造体を得る製造方法の位置合わせ工程を説明する。なお、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とは、同一方向に偏移し、上記第１のバンプ電極２と上記第２のバンプ電極４とが相互に接合されている構造に関し、説明する。
【００９６】
ここで、第１の半導体チップ１のアライメントマーク１１から第１のバンプ電極２までの距離をＡ２とする。また、第２の半導体チップ３のアライメントマーク１１から第２のバンプ電極４までの距離をＡ１とする。
【００９７】
第２の半導体チップ３の第２のバンプ電極４の上方位置で、ボンディングツール１３により第１の半導体チップ１を吸着する。そして、第１の半導体チップ１の第１のバンプ電極２と第２の半導体チップ３の第２のバンプ電極４を対向させ、アライメントマーク１１、１２にて位置合わせをする。
【００９８】
このとき、予め、Ａ３＝Ａ２−Ａ１ほど偏移させ形成した第２のバンプ電極４を有する第２の半導体チップ３を用いているため、この位置合わせ工程の時点で、第１のバンプ電極２と第２のバンプ電極４とが、予め偏移させた量である（Ａ２−Ａ１）だけ、偏移（位置ずれ）した状態にある。なお、予め偏移させる量Ａ３は、５μｍが望ましい。
【００９９】
以上より、機種切替え時に必須となるフリップチップボンダーの偏移量の設定を変えずに接合することができるため、効率的な生産が可能になる。なお、ここでは、予め第２のバンプ電極４を偏移した半導体チップを使用する製造方法を説明したが、アライメントマークに対するバンプ電極位置までの距離が同一のバンプ電極を予め偏移させていない半導体チップを使用する場合は、予め接合装置であるフリップチップボンダーの位置合わせ時に、望ましい偏移量Ａ３のオフセット量を設けて接合すればよい。
【０１００】
すなわち、位置合わせ工程後には、アライメントマークが不一致された状態で、第１の半導体チップ１の第１のバンプ電極２と第２の半導体チップ３の第２のバンプ電極４とが対向している状態となる。
【０１０１】
その後、図９に示すように、位置合わせ工程後、ボンディングツール１３を下降させ、第１の半導体チップ１のバンプ電極２を第２の半導体チップ３のバンプ電極４に当接させる。当接後、第１の半導体チップ１を加熱加圧し、バンプ電極５を塑性変形させ、固相接合させる。
【０１０２】
要するに、本発明の半導体チップ接合構造体の製造方法は、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とを、対向して接合する第１の工程と、上記第１の半導体チップ１と上記第２の半導体チップ３との間に樹脂９を充填する第２の工程とを備える。
【０１０３】
上記第１の工程では、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２との間の偏移量を、Ｗ０とし、上記第１のバンプ電極２の頂面における上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、上記第２のバンプ電極４の頂面における上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たすように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とを、対向して接合する。
【０１０４】
なお、上記第１の工程では、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とを接触させ加圧した後、上記第１のバンプ電極２および上記第２のバンプ電極４に超音波振動を印加する。したがって、上記第１のバンプ電極２と上記第２のバンプ電極４との接合界面の汚染層を効果的に排斥できて、接合性を一層向上できる。
【０１０５】
また、上記第１のバンプ電極２および上記第２のバンプ電極４は、互いに、同一材料にて形成されている。したがって、バンプ電極２，４を容易に変形できて、接合性を一層向上できる。なお、ここでは、バンプ塑性変形が容易であり、バンプ表面に酸化膜が形成されない金バンプが望ましい。
【０１０６】
上記構成の半導体チップの接合構造体によれば、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とが、対向して接合されているので、大面積のバンプ電極２と小面積のバンプ電極４との接合位置が偏移しているため、小面積のバンプ電極４が大面積のバンプ電極２に当接したときに、大面積のバンプ電極２の両端までの距離が小面積のバンプ電極４の両端で異なる。
【０１０７】
すなわち、小面積バンプ電極４が塑性変形するときに、大面積バンプ電極２の側面までの距離が短い方は、自由端となり、バンプ電極の変形拘束をうけないため、小面積バンプ電極４が塑性変形するとき、大面積バンプ電極２の自由端の方向へ接合界面での横すべりが生じやすく、その結果、小面積バンプ電極４が容易に変形しやすくなる。
【０１０８】
したがって、接合信頼性を確保するために高加圧でバンプ変形させていた従来条件に比べ、低加圧で従来条件と同程度の接合強度を確保することができる。その結果、バンプ電極下部の酸化膜、素子等のダメージの回避が可能になり、接合起因による不良がない高信頼性を有する半導体チップの接合構造体を得ることができる。
【０１０９】
要するに、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極２，４の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる構造を得ることができる。
【０１１０】
また、２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２、および、Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０を満たすので、従来加圧より低加圧にて、同程度のバンプ変形が得られるとともに、接合性を一層向上できる。
【０１１１】
また、上記構成の半導体チップの接合構造体の製造方法によれば、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とを、対向して接合する第１の工程を備えるので、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極２，４の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる半導体チップの接合構造体を容易に得ることができる。
【０１１２】
また、上記第１の工程では、２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２、および、Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０を満たすように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とを、対向して接合するので、従来加圧より低加圧にて、同程度のバンプ変形が得られるとともに、接合性を一層向上できる。
【０１１３】
なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、上記全てのバンプ電極５に関して、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが偏移する方向は、同一方向に偏移していても構わないし、異種方向に偏移していても構わない。つまり、上記全てのバンプ電極５の内の少なくとも一つのバンプ電極５の偏移方向は、他のバンプ電極５の偏移方向と相違する。
【０１１４】
また、上記全てのバンプ電極５に関して、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが偏移する方向は、同一方向に角度ずれして偏移していても構わないし、異種方向に角度ずれして偏移していても構わない。つまり、上記全てのバンプ電極５の内の少なくとも一つのバンプ電極５の偏移方向は、他のバンプ電極５の偏移方向と相違する。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の回路基板としての半導体チップの接合構造体の断面模式図である。
【図２】本発明の半導体チップの接合構造体により完成する半導体装置の断面模式図である。
【図３】本発明の半導体チップの接合構造体により完成する半導体装置の上面模式図である。
【図４】本発明の半導体チップの接合構造体の不具合を説明する断面模式図である。
【図５】本発明の第１の半導体チップの上面模式図である。
【図６】本発明の第２の半導体チップの上面模式図である。
【図７】本発明の半導体チップの接合構造体を説明する半導体チップ構造の断面模式図である。
【図８】本発明の回路基板としての半導体チップの製造方法の製造工程の位置あわせを示す断面模式図である。
【図９】本発明の半導体チップの製造方法の接合工程の接合を示す断面模式図である。
【図１０】偏移量Ｗ０および幅Ｗ１、Ｗ２と接合強度および信頼性試験結果との関係を説明する表である。
【図１１】従来の半導体チップの接合構造体を説明する説明図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１ 第１の半導体チップ（第１の回路基板）
２ 第１のバンプ電極
３ 第２の半導体チップ（第２の回路基板）
４ 第２のバンプ電極
５ バンプ電極
６ 第３のバンプ電極
７ 配線基板
８ 配線
９ アンダーフィル樹脂
１１，１２ 位置合わせマーク
Ｌ１ 第１の中心線
Ｌ２ 第２の中心線
Ｗ０ 偏移量
Ｗ１ 第１のバンプ電極の頂面の幅
Ｗ２ 第２のバンプ電極の頂面の幅
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回路基板の接合構造体およびその製造方法に関し、特に、バンプ電極を介して回路基板の一例である半導体チップを他方の回路基板の一例である他方の半導体チップにフリップチップ実装する半導体装置に適用される。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの機能向上に伴い、半導体チップ内部の配線は、複雑かつ長い配線を多く含む状態になってきている。また、半導体装置に作り込む機能が複雑になり、半導体装置の製造プロセスが長くなってきている。
【０００３】
これら問題を打開する接合構造体として、半導体装置を構成する半導体チップ同士を対向させて接合する、いわゆるチップ・オン・チップと呼ばれる構造がある。このチップ・オン・チップ構造の半導体チップは、少なくとも２種類の半導体チップを用い、各半導体チップ表面にほぼ同じ形状に形成されたバンプ電極同士をいわゆるフェースダウン方式で接合し、半導体チップ間の電気的および機械的な接合を達成している。
【０００４】
このチップ・オン・チップ構造の例として、従来、対向する半導体チップの両方に、めっき法にて同様な形状をしたバンプ電極を形成し、それらのバンプ電極同士を位置合わせし、加熱と加圧により、半導体チップ同士を接合するものがある（特開２０００−２５２４１３号公報：特許文献１参照）。半導体チップ上のバンプ電極の接合面の面積と、他方の半導体チップ上のバンプ電極の接合面の面積を異ならせ、バンプ電極同士を接合している。
【０００５】
具体的に述べると、この半導体装置は、図１１に示すように、第１の半導体チップ１０１と第２の半導体チップ１０３とをバンプ電極１０５を介して接合している。なお、図１１に示すように、第１の半導体チップ１０１には、バンプ電極として金バンプ１０２が形成されている。また、第１の半導体チップ１０１と接合する第２の半導体チップ１０３には、第１の半導体チップ１０１の金バンプ１０２に対向する位置に、バンプ電極として金バンプ１０４が形成されている。
【０００６】
各半導体チップ１０１、１０３上に形成された各金バンプ１０２、１０４の接合面積も異なっており、バンプ電極１０２とバンプ電極１０４との幅の中心線を一致させ（位置合わせさせ）、第１の半導体チップ１０１と第２の半導体チップ１０３とを接合する。
【０００７】
この半導体装置では、半導体チップの近傍に接合界面（接合部）が存在しないため、各半導体チップ１０１、１０３とバンプ電極１０５との線膨張係数の差による接合界面の熱疲労を避けることが可能になる。
【０００８】
また、バンプ電極１０５のサイズが小さくなった場合においても、接合時のバンプ電極１０５の座屈変形による接合ピッチ制限も緩和され、さらに接合するバンプ電極のサイズが相互に異なるため、面積が大きなバンプの何れかの部分に、一方のバンプが接合すればよいので、半導体チップを重ねる時の機械的位置精度の誤差を吸収することができる。したがって、さらなる多端子化が進展しているチップ・オン・チップ構造には、図１１に示す半導体装置は好適な構造である。
【特許文献１】特開２０００−２５２４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１１に示す従来の半導体装置において、以下の第１と第２の問題点を見出した。
【００１０】
第１の問題点として、小面積のバンプ電極と大面積のバンプ電極とを接合する時に、大面積のバンプ電極が、小面積のバンプ電極の塑性変形を阻害していることが判明した。
【００１１】
すなわち、小面積のバンプ電極が、加熱・加圧により塑性変形する際に、小面積のバンプ電極の加圧方向と垂直方向へのバンプ電極の変形が、小面積のバンプ電極と接していない大面積のバンプ電極の面積部分に拘束されてしまい、加圧方向と垂直方向へのバンプ電極同士の接合界面の横すべりによるバンプ電極の変形が生じにくい。
【００１２】
したがって、小面積のバンプ電極と大面積のバンプ電極とを接合する半導体装置において、接合信頼性を確保できる接合強度を得るためには、接合界面に未接合部がない程度までバンプ変形をさせる必要があり、結果的に高加圧のボンディング条件が必要となる。
【００１３】
そのため、バンプ電極の下部にある半導体チップの酸化膜、素子等への機械的ダメージが発生しやすいという問題が見られた。
【００１４】
第２の問題点として、半導体チップの多端子化が進み、接合ピッチが更に微細になると、バンプ電極に関わる構成は、種々の制約を受けることになる。例えば、バンプ電極のせん断強度などのメカニカルな強度は、その接合面積に比例するため、バンプ電極の強度を保つためにはバンプ電極の接合面積を極力大きくすることが望まれる。
【００１５】
しかしながら、接合ピッチが微細化するため、バンプ電極の接合面積には制限が生じ、バンプ電極の接合面積は小さくせざるを得ない。
【００１６】
そのため、バンプ電極の強度は、その接合面積に比例して小さくなり、アンダーフィル樹脂による接合部に対する補強が必要になってくる。
【００１７】
以上より、図１１に示す半導体装置は、半導体チップ同士を接合するバンプ電極に金からなるバンプを使用しているため、ファインピッチ実装が可能であり、バンプ電極接合位置ずれにも有効な半導体装置であるが、ファインピッチ実装の接合信頼性確保に必要不可欠である接合性向上には適していない構造である。
【００１８】
そこで、この発明の課題は、バンプ電極を介して、回路基板を他方の回路基板にフリップチップ実装する接合構造体において、回路基板と他方の回路基板との接合信頼性を向上させる回路基板接合構造体を提供することにある。特に、回路基板として、半導体チップに適合させることができる接合構造体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、この発明の回路基板接合構造体は、
第１の回路基板と第２の回路基板とが重ね合わせて接合される回路基板接合構造体であって、
上記第１の回路基板の電極上には、第１のバンプ電極が形成され、
上記第２の回路基板の電極上には、上記第１のバンプ電極の頂面とは面積が異なる頂面を有する第２のバンプ電極が形成され、
上記第１の回路基板の電極面に直交すると共に上記第１のバンプ電極の頂面の中心を通る第１の中心線と、上記第２の回路基板の電極面に直交すると共に上記第２のバンプ電極の頂面の中心を通る第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とが、対向して接合されていることを特徴としている。
【００２０】
この発明の回路基板接合構造体によれば、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とが、対向して接合されているので、大面積のバンプ電極と小面積のバンプ電極との接合位置が偏移しているため、小面積のバンプ電極が大面積のバンプ電極に当接したときに、大面積のバンプ電極の両端までの距離が小面積のバンプ電極の両端で異なる。
【００２１】
すなわち、小面積バンプ電極が塑性変形するときに、大面積バンプ電極の側面までの距離が短い方は、自由端となり、バンプ電極の変形拘束をうけないため、小面積バンプ電極が塑性変形するとき、大面積バンプ電極の自由端の方向へ接合界面での横すべりが生じやすく、その結果、小面積バンプ電極が容易に変形しやすくなる。
【００２２】
したがって、接合信頼性を確保するために高加圧でバンプ変形させていた従来条件に比べ、低加圧で従来条件と同程度の接合強度を確保することができる。その結果、バンプ電極下部の酸化膜、素子等のダメージの回避が可能になり、接合起因による不良がない高信頼性を有する回路基板接合構造体を得ることができる。
【００２３】
要するに、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる構造を得ることができる。
【００２４】
また、一実施形態の回路基板接合構造体では、
上記第１の中心線と上記第２の中心線との間の偏移量を、Ｗ０とし、
上記第１のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、
上記第２のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、
以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たしている。
【００２５】
この実施形態の回路基板接合構造体によれば、２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２、および、Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０を満たすので、従来加圧より低加圧にて、同程度のバンプ変形が得られるとともに、接合性を一層向上できる。
【００２６】
また、一実施形態の回路基板接合構造体では、上記第１の回路基板および上記第２の回路基板のうちの少なくとも一方の回路基板に関して、上記バンプ電極は、予め、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが重ならずに偏移するように、形成されている。
【００２７】
この実施形態の回路基板接合構造体によれば、上記第１の回路基板および上記第２の回路基板のうちの少なくとも一方の回路基板に関して、上記バンプ電極は、予め、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが重ならずに偏移するように、形成されているので、機種切替え時に必須となるフリップチップボンダーの偏移量の設定を変えずに接合することができて、効率的な生産が可能になる。
【００２８】
また、一実施形態の回路基板接合構造体では、上記第１のバンプ電極または上記第２のバンプ電極の一方のバンプ電極の頂面の面積は、他方のバンプ電極の頂面の面積よりも、小さく、
上記一方のバンプ電極の少なくとも一部は、上記他方のバンプ電極に埋設され、
上記一方のバンプ電極の一方の側面は、上記他方のバンプ電極に接触していない。
【００２９】
この実施形態の回路基板接合構造体によれば、上記一方のバンプ電極の少なくとも一部は、上記他方のバンプ電極に埋設され、上記一方のバンプ電極の一方の側面は、上記他方のバンプ電極に接触していないので、上記一方のバンプ電極の接合界面近傍での横すべりが容易に生じて、上記一方のバンプ電極が変形しやすくなり、接合強度を強固にできる。
【００３０】
また、一実施形態の回路基板接合構造体では、上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極は、互いに、同一材料にて形成されている。
【００３１】
この実施形態の回路基板接合構造体によれば、上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極は、互いに、同一材料にて形成されているので、バンプ電極を容易に変形できて、接合性を一層向上できる。
【００３２】
また、この発明の回路基板接合構造体の製造方法は、
第１の回路基板と第２の回路基板とが重ね合わせて接合される回路基板接合構造体の製造方法であって、
上記第１の回路基板の電極上には、第１のバンプ電極が形成され、上記第２の回路基板の電極上には、上記第１のバンプ電極の頂面とは面積が異なる頂面を有する第２のバンプ電極が形成され、
上記第１の回路基板の電極面に直交すると共に上記第１のバンプ電極の頂面の中心を通る第１の中心線と、上記第２の回路基板の電極面に直交すると共に上記第２のバンプ電極の頂面の中心を通る第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合する第１の工程と、
上記第１の回路基板と上記第２の回路基板との間に樹脂を充填する第２の工程と
を備えることを特徴としている。
【００３３】
この発明の回路基板接合構造体の製造方法によれば、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合する第１の工程を備えるので、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる回路基板接合構造体を容易に得ることができる。
【００３４】
また、一実施形態の回路基板接合構造体の製造方法では、
上記第１の工程では、
上記第１の中心線と上記第２の中心線との間の偏移量を、Ｗ０とし、
上記第１のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、
上記第２のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、
以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たすように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合する。
【００３５】
この実施形態の回路基板接合構造体の製造方法によれば、上記第１の工程では、２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２、および、Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０を満たすように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合するので、従来加圧より低加圧にて、同程度のバンプ変形が得られるとともに、接合性を一層向上できる。
【００３６】
また、一実施形態の回路基板接合構造体の製造方法では、上記第１の工程では、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを接触させ加圧した後、上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極に超音波振動を印加する。
【００３７】
この実施形態の回路基板接合構造体の製造方法によれば、上記第１の工程では、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを接触させ加圧した後、上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極に超音波振動を印加するので、上記第１のバンプ電極と上記第２のバンプ電極との接合界面の汚染層を効果的に排斥できて、接合性を一層向上できる。
【発明の効果】
【００３８】
この発明の回路基板接合構造体によれば、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とが、対向して接合されているので、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる構造を得ることができる。
【００３９】
この発明の回路基板接合構造体の製造方法によれば、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合する第１の工程を備えるので、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる回路基板接合構造体を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４１】
図１は、この発明の回路基板接合構造体の一実施形態である一部断面図を示している。この回路基板接合構造体では、第１の回路基板としての第１の半導体チップ１と、第２の回路基板としての第２の半導体チップ３とが、重ね合わせて接合される。
【００４２】
上記第１の半導体チップ１の電極上には、第１のバンプ電極２が形成されている。上記第２の半導体チップ３の電極上には、上記第１のバンプ電極２の頂面とは面積が異なる頂面を有する第２のバンプ電極４が形成されている。
【００４３】
上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とが、対向して接合されている。上記第１のバンプ電極２および上記第２のバンプ電極４にて、バンプ電極５を構成している。
【００４４】
上記第１のバンプ電極２は、上記第１の半導体チップ１上に、公知の電解めっき法により、形成されている。上記第２のバンプ電極４は、上記第２の半導体チップ３上に、公知の電解めっき法により、形成されている。
【００４５】
上記第１のバンプ電極２のサイズは、４５μｍ□であり、上記第２のバンプ電極４のサイズは、３０μｍ□であり、バンプ電極のピッチは、共に、６０μｍである。なお、第１のバンプ電極２ならびに第２のバンプ電極４は、接合時にバンプ電極自体が座屈しないアスペクト比が１以下である高さが望ましい。ここでは、第１のバンプ電極２の高さは、８μｍであり、第２のバンプ電極４の高さは、１５μｍである。
【００４６】
上記第１の半導体チップ１の電極面に直交すると共に上記第１のバンプ電極２の頂面の中心を通る第１の中心線Ｌ１と、上記第２の半導体チップ３の電極面に直交すると共に上記第２バンプ電極４の頂面の中心を通る第２の中心線Ｌ２とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２バンプ電極４の頂面とが、対向して接合されている。
【００４７】
具体的に述べると、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２との間の偏移量を、Ｗ０とし、上記第１のバンプ電極２の頂面における上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、上記第２バンプ電極４の頂面における上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たす。
【００４８】
上記（式１)(式２）の関係を得るために、バンプ電極の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ１、Ｗ２が異なる５種類の半導体チップを任意の量だけ偏移（位置ずれ）させたサンプルを試作した。つまり、幅Ｗ１は、４５μｍ、４０μｍ、３０μｍ、２５μｍであり、幅Ｗ２は、３０μｍ、２０μｍである。
【００４９】
図１０に示すように、試作したサンプルＡ〜Ｉ（９条件）にて、接合強度測定ならびに信頼性試験を実施した。その結果について説明する。
【００５０】
接合後のバンプ電極の偏移量（位置ずれ）Ｗ０を、０μｍ（つまり、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが、重なって偏移していない）、２μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍとした。
【００５１】
また、第１のバンプ電極２の頂面の中心位置を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ１と、第２のバンプ電極４の頂面の中心位置を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ２との関係を確認するために、上記第１のバンプ電極２の頂面の幅Ｗ１と上記第２のバンプ電極４の頂面の幅Ｗ２を変化させたサンプルの試作も行い、その接合性も検討した。
【００５２】
なお、バンプ電極の頂面の中心位置を通り予め偏移させる方向の頂面の幅を変化したサンプルにおいても、接合ピッチは、６０μｍである。また接合条件は、接合温度４３０℃、接合加圧２００Ｎ／ｍｍ２、接合時間１ｓｅｃである。
【００５３】
上記のサンプルの接合性の耐候性を確認するため、接合信頼性として、温度サイクル試験（−５５℃／１５０℃、各３０分サイクル）を実施した。
【００５４】
各サンプルの接合性を比較した結果、温度サイクル試験１０００時間においても、接合部の抵抗値上昇が見られず、接合状態が良好な第１のバンプ電極２および第２のバンプ電極４の頂面の幅ならびに位置ずれの関係を見出した。
【００５５】
すなわち、図１０より、第１のバンプ電極２の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ１は、第２のバンプ電極４の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ２より大きく、かつ、この幅Ｗ２の２倍より小さいことが望ましく、さらに、第１のバンプ電極２の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ１と第２のバンプ電極４の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ２との偏移量（位置ずれ）Ｗ０は、ゼロより大きく、かつ、上記第１のバンプ電極２の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ２から第２のバンプ電極４の頂面の中心を通り予め偏移させる方向の頂面の幅Ｗ１を減じて０．５を乗じた値以下であることが望ましいことが判明した。
【００５６】
例えば、図１０中のサンプルＩについて、第１のバンプ電極の幅Ｗ１が４５μｍ□であり、第２のバンプ電極の幅Ｗ２が２０μｍ□であり、上記（式１）を満たしていない。また、図１０中のサンプルＨについても、幅Ｗ１、Ｗ２に関して上記（式１）を満たしていない。
【００５７】
図１０中のサンプルＨ、Ｉについて、第２のバンプ電極４が第１のバンプ電極２と接合した時に、第１のバンプ電極２と第２のバンプ電極４との接合界面に生じる未接合部が占有する割合が多くなる。
【００５８】
すなわち、熱圧着接合の場合は、接合時の加圧によりバンプ電極に塑性変形が生じる。このバンプ電極の塑性変形により、バンプ電極表面のコンタミが排斥され、バンプ電極材の金属の新生面が生じた結果、バンプ電極の新生面同士での接合が可能となる。
【００５９】
しかし、バンプ電極の接合部には、排斥されたコンタミによる微小な未接合部が不可避な状態にて生じる。またバンプ電極表面には、±１μｍ程度の凹凸がバンプめっき工程後に生じる。このバンプ電極表面の凹凸を加圧で塑性変形させ消失させる必要がある。
【００６０】
しかし、上記（式１）を満たさないバンプ電極のサイズでは、加熱加圧により第１のバンプ電極２である大面積バンプ電極に、第２のバンプ電極４である小面積バンプ電極が埋設するが、大面積バンプ電極の両端が加圧方向と垂直方向への小面積バンプ電極の変形を阻害しているため、小面積バンプ電極の大面積バンプ電極との接合界面（接触部）近傍で横すべりが生じにくく、結果的に、バンプ変形が生じにくい。
【００６１】
そして、この未接合部を消失させるためには、高加圧が必要になる。最悪の場合は、小面積バンプ電極である第２のバンプ電極４の座屈が生じてしまい、半導体チップ内の端子毎の接合強度バラツキが生じる。
【００６２】
実際に、接合した第１のバンプ電極２と第２のバンプ電極４との接合部を保護するために、アンダーフィル樹脂を注入し、温度サイクル試験（−５５℃／１５０℃、各３０分サイクル）を実施すると、バンプ電極とアンダーフィル樹脂との線膨張係数の差による熱応力により、第２のバンプ電極４の塑性変形不足に起因する未接合部を起点としたクラックが進展しており、接合部の熱疲労破壊に至っていることを確認した。
【００６３】
また、上記（式２）を満たさない偏移（位置ずれ）量Ｗ０を有する図１０中のサンプルＥでは、図４に示すように、第１のバンプ電極４２と第２のバンプ電極４４とを接合した際に、第２のバンプ電極４４が第１のバンプ電極４２の側面４６よりはみだすため、接合面積が減少し、単位面積あたりの接合荷重が見かけ上高くなるため、第２のバンプ電極４４が異常変形を起こす。
【００６４】
その結果、第１の半導体チップ４１の素子形成面４７に第２のバンプ電極４４の隆起した一部４８が接触してしまい、ショート等が生じてしまう。
【００６５】
したがって、上記（式１)(式２）を満たすことが必要であり、上記（式１)(式２）を満たすことにより、従来加圧より低加圧にて、同程度のバンプ変形が得られるとともに、接合性が向上できることが判明した。
【００６６】
なお、上記（式１)(式２）を満たす偏移（位置ずれ）量Ｗ０は、ゼロより大きければ、偏移（位置ずれ）がない場合に比べて、接合強度の向上が確認できる。つまり、上記（式１)(式２）を満たす図１０中のサンプルＢ，Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｇは、Ｗ０がゼロである図１０中のサンプルＡに比べて、接合強度が向上している。
【００６７】
そして、より安定した接合状態を確保するために、Ｗ０は５μｍ以上が好適である。つまり、図１０中のサンプルＣ，Ｄ，Ｆについて、Ｗ０が５μｍ以上である。
【００６８】
また、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが異なり、上記第１のバンプ電極２と上記第２のバンプ電極４とが接合されていればよい。
【００６９】
次に、図２および図３に示すように、本発明の半導体チップ接合構造により実現できる半導体装置について説明する。図２は、図１に示される半導体チップの接合構造体により実現できるモジュール構造の模式図を示し、図３は、図１に示される半導体チップの接合構造体により実現できるモジュール構造の上面模式図を示す。
【００７０】
なお、図２は、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが、同一方向でなく多様な方向に偏移しており、上記第１のバンプ電極２と上記第２のバンプ電極４とが、相互に接合されている半導体チップ接合構造体の一例である。
【００７１】
第１の半導体チップ１は、液晶パネルのコモン電極およびセグメント電極を駆動する液晶ドライバーＩＣである。また、上記第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ３は、同一材料のシリコンからなっている。上記第１の半導体チップ１と上記第２の半導体チップ３の裏面研磨は特に行わなくてもいいし、半導体チップの割れや取り扱いを考慮した程度の裏面研磨を行ってもよい。
【００７２】
第１の半導体チップ１の電極上（図示せず）には、バンプ電極２である金バンプが形成されている。これらの金バンプは公知技術である電解めっき法にて形成され、たとえば平均で８μｍの高さを有している。
【００７３】
また、第２の半導体チップ３の電極上（図示せず）にも、バンプ電極４である金バンプが形成されている。公知技術である電解めっき法により形成された金バンプは、平均で１５μｍの高さを有している。
【００７４】
つまり、上記第１のバンプ電極２および上記第２のバンプ電極４は、互いに、同一材料にて形成されている。
【００７５】
配線基板７には、第２の半導体チップ３に接合するための配線８と他方の配線基板（図示せず）に接合するための端子（図示せず）が形成されている。さらに、配線基板７には、第１の半導体チップ１が搭載される範囲に打ち抜き穴１０が設けられている。配線基板７上の配線８は、この打ち抜き穴１０から露出しないように形成されている。
【００７６】
また、配線基板７の配線８の端子部分以外は、ソルダーレジスト（図示せず）の被膜によって保護されている。具体的には、配線基板７はポリイミド等の有機材料からなる基材であり、配線８はＣｕ配線パターンがパターニングされている。
【００７７】
第２の半導体チップ３の第３のバンプ電極６である金バンプと接合するために、上記Ｃｕ配線パターン上の電極部分には、錫メッキもしくは金メッキが施されている。さらに上記Ｃｕ配線パターンは、基材の周縁部から相互に平行となるように引き出され、異方導電性膜等を介し液晶パネル（図示せず）の電極に接合され、一方の引き出し部は電源や画像データ信号が伝送されるプリント基板（図示せず）の電極に接合される。
【００７８】
上記第２の半導体チップ３と配線基板７とは、第３のバンプ電極６である金バンプと、配線基板７との配線８とをインナーリードボンダーによって接続する。
【００７９】
また、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ３は、各バンプ電極５である金バンプ同士２、４とをフリップチップボンダーによって接合する。そのボンディング条件は、たとえば温度４３０℃、時間が１ｓｅｃ、圧力は１ｍｍ２あたり１６０Ｎ〜２００Ｎである。
【００８０】
第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ３と配線基板７とを各々接合し得られた構造において、上記第２の半導体チップ３と上記第１の半導体チップ１とが対向する領域ならびに上記配線基板７と上記第２の半導体チップ３とが接合された領域の周囲に、アンダーフィル樹脂９を塗布し硬化する。
【００８１】
なお、硬化は、キュア炉によって、たとえば１２５℃で２０分程度、プリキュアされ、さらに１２５℃で３時間程度ポストキュアする。以上より、得られたモジュール構造は、アンダーフィル樹脂９により封止され、機械的強度保持や環境からの保護が実現されている。
【００８２】
本モジュール構造は、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ３のボンディング後、第１の半導体チップ１と第２の半導体チップ３との間の隙間は、２０μｍ程度となる。さらに、コストの観点から金バンプの高さを低くした場合には、上記隙間は１０μｍ程度になる。
【００８３】
したがって、気泡を巻き込むことがなく、かつ、流動性が良好でなければならないアンダーフィル樹脂９の粘度は、９Ｐａ・ｓ程度の低粘度が望ましい。また、狭間隙に注入するため、フィラであるシリカの最大粒径は０．３５μｍ以下が望ましい。さらに、同一部材のバンプ電極である接合部の高信頼を得るためには、アンダーフィル樹脂の熱膨張係数は、５６ｐｐｍ／Ｋ以下であることが望ましく、そのためには、無機充填材料としてシリカを５０重量％含有した樹脂が望ましい。これらのアンダーフィル樹脂９として、長瀬チバ製の型番ＸＳ−８４４３が候補としてあげられる。
【００８４】
以上のようなモジュール構造にすることで、微細ピッチで多ピンの安定した接合構造を得ることが可能となる小型な液晶モジュールが実現できる。
【００８５】
さらに、配線基板７に実装するチップ部品の機能を、第２の半導体チップ３に盛り込む設計をすることにより、実装面積が大幅に削減可能となり、モジュールの小型化、しいては製品の小型化に大きく貢献できる。
【００８６】
次に、図５と図６に示すように、本発明の実施の形態である接合構造体を実現する半導体チップについて説明する。図５は、第１の半導体チップである液晶ドライバーの概略上面模式図である。図６は、第２の半導体チップの概略上面模式図である。なお、ここでは、第２の半導体チップ３は、第１の半導体チップ１と配線基板７との信号の中継基板（インターポーザ）として説明する。
【００８７】
図５に示すように、第１の半導体チップ１には、第１のバンプ電極２である金バンプがエリア状に配列されている。また、第２の半導体チップ３と接合するための基準印として、第１の半導体チップ１の隅にアライメントマーク１１、１２が公知の技術により設けられている。
【００８８】
また、図６に示すように、第２の半導体チップ３には、第２のバンプ電極４と第３のバンプ電極６である金バンプが設けられている。なお、第２のバンプ電極４は、第１の半導体チップ１の第１のバンプ電極２と対向する位置に設けられている。さらに、配線基板７と接合するために、第３のバンプ電極６は、第２の半導体チップ３の周囲に設けられている。
【００８９】
ここで、第２の半導体チップ３上に形成した各々の第２のバンプ電極４を、望ましい偏移量Ａ１だけ、異なる方向に予め偏移して形成している。予め偏移した第２のバンプ電極４を形成する方法は、公知のめっきプロセスで容易に実現できる。
【００９０】
なお、図６に示す第２の半導体チップ３の第２のバンプ電極４を予め偏移したが、図５に示す第１の半導体チップ１の第１のバンプ電極３を予め偏移しても構わない。
【００９１】
要するに、上記第１の半導体チップ１および上記第２の半導体チップ３のうちの少なくとも一方の半導体チップ１，３に関して、上記バンプ電極２，４を、予め、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが重ならずに偏移するように、形成するようにしてもよい。したがって、機種切替え時に必須となるフリップチップボンダーの偏移量の設定を変えずに接合することができて、効率的な生産が可能になる。
【００９２】
図７に、本発明の半導体チップの接合構造体の最も好適な接合部断面図を示す。つまり、この半導体チップの接合構造体では、第２のバンプ電極７４の頂面の面積は、第１のバンプ電極７２の頂面の面積よりも小さく、第２のバンプ電極７４の少なくとも一部は、第１のバンプ電極７２に埋設され、第２のバンプ電極７４と第１のバンプ電極７２との対向面同士が、接合されている。さらに、第２のバンプ電極７４の一方の側面７６は、半導体チップ７１の第１のバンプ電極７２に接触していない。
【００９３】
したがって、第２のバンプ電極７４の側面７６は第１のバンプ電極７２に接していないため、第２のバンプ電極７４の接合界面近傍での横すべりが容易に生じて、第２のバンプ電極７４が変形しやすくなり、接合強度を強固にできる。
【００９４】
次に、本発明の半導体チップ接合構造体を得る製造方法について説明する。
【００９５】
まず、図８に示すように、本発明の半導体チップ接合構造体を得る製造方法の位置合わせ工程を説明する。なお、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とは、同一方向に偏移し、上記第１のバンプ電極２と上記第２のバンプ電極４とが相互に接合されている構造に関し、説明する。
【００９６】
ここで、第１の半導体チップ１のアライメントマーク１１から第１のバンプ電極２までの距離をＡ２とする。また、第２の半導体チップ３のアライメントマーク１１から第２のバンプ電極４までの距離をＡ１とする。
【００９７】
第２の半導体チップ３の第２のバンプ電極４の上方位置で、ボンディングツール１３により第１の半導体チップ１を吸着する。そして、第１の半導体チップ１の第１のバンプ電極２と第２の半導体チップ３の第２のバンプ電極４を対向させ、アライメントマーク１１、１２にて位置合わせをする。
【００９８】
このとき、予め、Ａ３＝Ａ２−Ａ１ほど偏移させ形成した第２のバンプ電極４を有する第２の半導体チップ３を用いているため、この位置合わせ工程の時点で、第１のバンプ電極２と第２のバンプ電極４とが、予め偏移させた量である（Ａ２−Ａ１）だけ、偏移（位置ずれ）した状態にある。なお、予め偏移させる量Ａ３は、５μｍが望ましい。
【００９９】
以上より、機種切替え時に必須となるフリップチップボンダーの偏移量の設定を変えずに接合することができるため、効率的な生産が可能になる。なお、ここでは、予め第２のバンプ電極４を偏移した半導体チップを使用する製造方法を説明したが、アライメントマークに対するバンプ電極位置までの距離が同一のバンプ電極を予め偏移させていない半導体チップを使用する場合は、予め接合装置であるフリップチップボンダーの位置合わせ時に、望ましい偏移量Ａ３のオフセット量を設けて接合すればよい。
【０１００】
すなわち、位置合わせ工程後には、アライメントマークが不一致された状態で、第１の半導体チップ１の第１のバンプ電極２と第２の半導体チップ３の第２のバンプ電極４とが対向している状態となる。
【０１０１】
その後、図９に示すように、位置合わせ工程後、ボンディングツール１３を下降させ、第１の半導体チップ１のバンプ電極２を第２の半導体チップ３のバンプ電極４に当接させる。当接後、第１の半導体チップ１を加熱加圧し、バンプ電極５を塑性変形させ、固相接合させる。
【０１０２】
要するに、本発明の半導体チップ接合構造体の製造方法は、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とを、対向して接合する第１の工程と、上記第１の半導体チップ１と上記第２の半導体チップ３との間に樹脂９を充填する第２の工程とを備える。
【０１０３】
上記第１の工程では、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２との間の偏移量を、Ｗ０とし、上記第１のバンプ電極２の頂面における上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、上記第２のバンプ電極４の頂面における上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たすように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とを、対向して接合する。
【０１０４】
なお、上記第１の工程では、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とを接触させ加圧した後、上記第１のバンプ電極２および上記第２のバンプ電極４に超音波振動を印加する。したがって、上記第１のバンプ電極２と上記第２のバンプ電極４との接合界面の汚染層を効果的に排斥できて、接合性を一層向上できる。
【０１０５】
また、上記第１のバンプ電極２および上記第２のバンプ電極４は、互いに、同一材料にて形成されている。したがって、バンプ電極２，４を容易に変形できて、接合性を一層向上できる。なお、ここでは、バンプ塑性変形が容易であり、バンプ表面に酸化膜が形成されない金バンプが望ましい。
【０１０６】
上記構成の半導体チップの接合構造体によれば、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とが、対向して接合されているので、大面積のバンプ電極２と小面積のバンプ電極４との接合位置が偏移しているため、小面積のバンプ電極４が大面積のバンプ電極２に当接したときに、大面積のバンプ電極２の両端までの距離が小面積のバンプ電極４の両端で異なる。
【０１０７】
すなわち、小面積バンプ電極４が塑性変形するときに、大面積バンプ電極２の側面までの距離が短い方は、自由端となり、バンプ電極の変形拘束をうけないため、小面積バンプ電極４が塑性変形するとき、大面積バンプ電極２の自由端の方向へ接合界面での横すべりが生じやすく、その結果、小面積バンプ電極４が容易に変形しやすくなる。
【０１０８】
したがって、接合信頼性を確保するために高加圧でバンプ変形させていた従来条件に比べ、低加圧で従来条件と同程度の接合強度を確保することができる。その結果、バンプ電極下部の酸化膜、素子等のダメージの回避が可能になり、接合起因による不良がない高信頼性を有する半導体チップの接合構造体を得ることができる。
【０１０９】
要するに、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極２，４の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる構造を得ることができる。
【０１１０】
また、２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２、および、Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０を満たすので、従来加圧より低加圧にて、同程度のバンプ変形が得られるとともに、接合性を一層向上できる。
【０１１１】
また、上記構成の半導体チップの接合構造体の製造方法によれば、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とを、対向して接合する第１の工程を備えるので、ファインピッチ実装が可能なバンプ電極２，４の接合位置ずれ、ならびに接合性向上をともに満足できる半導体チップの接合構造体を容易に得ることができる。
【０１１２】
また、上記第１の工程では、２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２、および、Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０を満たすように、上記第１のバンプ電極２の頂面と上記第２のバンプ電極４の頂面とを、対向して接合するので、従来加圧より低加圧にて、同程度のバンプ変形が得られるとともに、接合性を一層向上できる。
【０１１３】
なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、上記全てのバンプ電極５に関して、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが偏移する方向は、同一方向に偏移していても構わないし、異種方向に偏移していても構わない。つまり、上記全てのバンプ電極５の内の少なくとも一つのバンプ電極５の偏移方向は、他のバンプ電極５の偏移方向と相違する。
【０１１４】
また、上記全てのバンプ電極５に関して、上記第１の中心線Ｌ１と上記第２の中心線Ｌ２とが偏移する方向は、同一方向に角度ずれして偏移していても構わないし、異種方向に角度ずれして偏移していても構わない。つまり、上記全てのバンプ電極５の内の少なくとも一つのバンプ電極５の偏移方向は、他のバンプ電極５の偏移方向と相違する。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の回路基板としての半導体チップの接合構造体の断面模式図である。
【図２】本発明の半導体チップの接合構造体により完成する半導体装置の断面模式図である。
【図３】本発明の半導体チップの接合構造体により完成する半導体装置の上面模式図である。
【図４】本発明の半導体チップの接合構造体の不具合を説明する断面模式図である。
【図５】本発明の第１の半導体チップの上面模式図である。
【図６】本発明の第２の半導体チップの上面模式図である。
【図７】本発明の半導体チップの接合構造体を説明する半導体チップ構造の断面模式図である。
【図８】本発明の回路基板としての半導体チップの製造方法の製造工程の位置あわせを示す断面模式図である。
【図９】本発明の半導体チップの製造方法の接合工程の接合を示す断面模式図である。
【図１０】偏移量Ｗ０および幅Ｗ１、Ｗ２と接合強度および信頼性試験結果との関係を説明する表である。
【図１１】従来の半導体チップの接合構造体を説明する説明図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１ 第１の半導体チップ（第１の回路基板）
２ 第１のバンプ電極
３ 第２の半導体チップ（第２の回路基板）
４ 第２のバンプ電極
５ バンプ電極
６ 第３のバンプ電極
７ 配線基板
８ 配線
９ アンダーフィル樹脂
１１，１２ 位置合わせマーク
Ｌ１ 第１の中心線
Ｌ２ 第２の中心線
Ｗ０ 偏移量
Ｗ１ 第１のバンプ電極の頂面の幅
Ｗ２ 第２のバンプ電極の頂面の幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回路基板と第２の回路基板とが重ね合わせて接合される回路基板接合構造体であって、
上記第１の回路基板の電極上には、第１のバンプ電極が形成され、
上記第２の回路基板の電極上には、上記第１のバンプ電極の頂面とは面積が異なる頂面を有する第２のバンプ電極が形成され、
上記第１の回路基板の電極面に直交すると共に上記第１のバンプ電極の頂面の中心を通る第１の中心線と、上記第２の回路基板の電極面に直交すると共に上記第２のバンプ電極の頂面の中心を通る第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とが、対向して接合されていることを特徴とする回路基板接合構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の回路基板接合構造体において、
上記第１の中心線と上記第２の中心線との間の偏移量を、Ｗ０とし、
上記第１のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、
上記第２のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、
以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たすことを特徴とする回路基板接合構造体。
【請求項３】
請求項１に記載の回路基板接合構造体において、
上記第１の回路基板および上記第２の回路基板のうちの少なくとも一方の回路基板に関して、上記バンプ電極は、予め、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが重ならずに偏移するように、形成されていることを特徴とする回路基板接合構造体。
【請求項４】
請求項１に記載の回路基板接合構造体において、
上記第１のバンプ電極または上記第２のバンプ電極の一方のバンプ電極の頂面の面積は、他方のバンプ電極の頂面の面積よりも、小さく、
上記一方のバンプ電極の少なくとも一部は、上記他方のバンプ電極に埋設され、
上記一方のバンプ電極の一方の側面は、上記他方のバンプ電極に接触していないことを特徴とする回路基板接合構造体。
【請求項５】
請求項１に記載の回路基板接合構造体において、
上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極は、互いに、同一材料にて形成されていることを特徴とする回路基板接合構造体。
【請求項６】
第１の回路基板と第２の回路基板とが重ね合わせて接合される回路基板接合構造体の製造方法であって、
上記第１の回路基板の電極上には、第１のバンプ電極が形成され、上記第２の回路基板の電極上には、上記第１のバンプ電極の頂面とは面積が異なる頂面を有する第２のバンプ電極が形成され、
上記第１の回路基板の電極面に直交すると共に上記第１のバンプ電極の頂面の中心を通る第１の中心線と、上記第２の回路基板の電極面に直交すると共に上記第２のバンプ電極の頂面の中心を通る第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合する第１の工程と、
上記第１の回路基板と上記第２の回路基板との間に樹脂を充填する第２の工程と
を備えることを特徴とする回路基板接合構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の回路基板接合構造体の製造方法において、
上記第１の工程では、
上記第１の中心線と上記第２の中心線との間の偏移量を、Ｗ０とし、
上記第１のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、
上記第２のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、
以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たすように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合することを特徴とする回路基板接合構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項６に記載の回路基板接合構造体の製造方法において、
上記第１の工程では、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを接触させ加圧した後、上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極に超音波振動を印加することを特徴とする回路基板接合構造体の製造方法。
【請求項１】
第１の回路基板と第２の回路基板とが重ね合わせて接合される回路基板接合構造体であって、
上記第１の回路基板の電極上には、第１のバンプ電極が形成され、
上記第２の回路基板の電極上には、上記第１のバンプ電極の頂面とは面積が異なる頂面を有する第２のバンプ電極が形成され、
上記第１の回路基板の電極面に直交すると共に上記第１のバンプ電極の頂面の中心を通る第１の中心線と、上記第２の回路基板の電極面に直交すると共に上記第２のバンプ電極の頂面の中心を通る第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とが、対向して接合されていることを特徴とする回路基板接合構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の回路基板接合構造体において、
上記第１の中心線と上記第２の中心線との間の偏移量を、Ｗ０とし、
上記第１のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、
上記第２のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、
以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たすことを特徴とする回路基板接合構造体。
【請求項３】
請求項１に記載の回路基板接合構造体において、
上記第１の回路基板および上記第２の回路基板のうちの少なくとも一方の回路基板に関して、上記バンプ電極は、予め、上記第１の中心線と上記第２の中心線とが重ならずに偏移するように、形成されていることを特徴とする回路基板接合構造体。
【請求項４】
請求項１に記載の回路基板接合構造体において、
上記第１のバンプ電極または上記第２のバンプ電極の一方のバンプ電極の頂面の面積は、他方のバンプ電極の頂面の面積よりも、小さく、
上記一方のバンプ電極の少なくとも一部は、上記他方のバンプ電極に埋設され、
上記一方のバンプ電極の一方の側面は、上記他方のバンプ電極に接触していないことを特徴とする回路基板接合構造体。
【請求項５】
請求項１に記載の回路基板接合構造体において、
上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極は、互いに、同一材料にて形成されていることを特徴とする回路基板接合構造体。
【請求項６】
第１の回路基板と第２の回路基板とが重ね合わせて接合される回路基板接合構造体の製造方法であって、
上記第１の回路基板の電極上には、第１のバンプ電極が形成され、上記第２の回路基板の電極上には、上記第１のバンプ電極の頂面とは面積が異なる頂面を有する第２のバンプ電極が形成され、
上記第１の回路基板の電極面に直交すると共に上記第１のバンプ電極の頂面の中心を通る第１の中心線と、上記第２の回路基板の電極面に直交すると共に上記第２のバンプ電極の頂面の中心を通る第２の中心線とが、重ならずに偏移するように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合する第１の工程と、
上記第１の回路基板と上記第２の回路基板との間に樹脂を充填する第２の工程と
を備えることを特徴とする回路基板接合構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の回路基板接合構造体の製造方法において、
上記第１の工程では、
上記第１の中心線と上記第２の中心線との間の偏移量を、Ｗ０とし、
上記第１のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ１とし、
上記第２のバンプ電極の頂面における上記第１の中心線と上記第２の中心線とを結ぶ方向の幅を、Ｗ２としたときに、
以下の（式１）および（式２）
２Ｗ２＞Ｗ１＞Ｗ２・・・（式１）
Ｗ１−Ｗ２≧２Ｗ０＞０・・・（式２）
を満たすように、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを、対向して接合することを特徴とする回路基板接合構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項６に記載の回路基板接合構造体の製造方法において、
上記第１の工程では、上記第１のバンプ電極の頂面と上記第２のバンプ電極の頂面とを接触させ加圧した後、上記第１のバンプ電極および上記第２のバンプ電極に超音波振動を印加することを特徴とする回路基板接合構造体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２０５２６０（Ｐ２００８−２０５２６０Ａ）
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４０５９３（Ｐ２００７−４０５９３）
【出願日】平成１９年２月２１日（２００７．２．２１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２１日（２００７．２．２１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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