JP2005166739A - 金属バンプ接続方法および金属バンプ付き回路部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 接続不良や短絡を招くとこなく、より高密度な接続を可能とする金属バンプ接続方法および金属バンプ付き回路部品を提供する。
【解決手段】 基板上にはんだ薄膜パターン１０４-1〜１０４-8を形成し、これらを集積回路チップ２０３の電極パッド２０４上に常温接合により積層して積層構造体からなるはんだバンプ１０５を形成する。パターニングによって基板上に微細なはんだ薄膜パターン１０４-1〜１０４-8を形成することができるので、これらを接合して積層することにより、形状精度に優れた微小な金属バンプが得られ、接続不良や短絡を招くことなく、より高密度な接続が可能となる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、半導体集積回路を有する回路基板や回路チップ等の回路部品の接続面にボールバンプ、スタッドバンプ等の金属バンプを接続する金属バンプ接続方法および金属バンプ付き回路部品に関し、特に、接続不良や短絡を招くとこなく、より高密度な接続を可能とする金属バンプ接続方法および金属バンプ付き回路部品に関する。

近年、半導体集積回路の集積度向上に伴い、集積回路チップから取り出す端子数が著しく増大してきている。例えば、数ｍｍ角の半導体集積回路の接続ピン数は従来の数１０ピンから数１００、あるいは数１０００を超える数に増大してきており、その数は更に増加する傾向にある。

この要求に応えるものとして、半導体集積回路の接続面に金属バンプを設けて実装する方法が実用化されている。

このような回路実装例としては、集積回路チップをセラミック配線基板にワイヤーボンディングやハンダボールによるフリップチップ等により接続実装し、さらにそのセラミック配線基板を、その下に設られた多数のはんだボールからなるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を介してプリント基板に実装するものである。このはんだボールを接続する従来の方法としては、例えば、はんだボールを吸引する方法が知られている（例えば、特許文献１）。

また、他の回路実装例としては、集積回路チップの電極パッドに金スタッドバンプによる突起を設け、接続対象の電極に金電極を用い、低温での加圧により金属同士の固層拡散を用いて接続するものである。この金スタッドバンプを接続する従来の方法としては、金ワイヤーを用いる方法が知られている（例えば、特許文献２）。

特許文献１に記載されたはんだボールの接続方法は、以下の工程からなる。
１）ハンダーボールの形成、
２）同ボールの基板上への付着形成：具体的にはボール吸着用専用治具により個々のボールを漏れなく吸着し、かつ、ハンダフラックスを塗布した基板電極上に位置合わせし、押し当て、落下もしくは圧縮空気噴射により各ボールを基板電極に乗せ、かつ、加熱溶融させる。
３）配線基板への溶融実装：具体的には、はんだボール付き基板をさらに大きな配線基板の電極パッド上に位置合わせして載置し、はんだボールを加熱溶融させて、電極パッドと接続する。

特許文献２に記載された金スタッドバンプの接続方法は、次の工程からなる。
１）金スタッドバンプの形成：金ワイヤーを電極パッドにワイヤーボンディングすることにより、金スタッドバンプを形成する。
２）配線基板への実装：上記チップを配線基板に加圧し、金スタッドバンプの変形に伴い配線基板上の金属電極との間で固層拡散接合させ、接続させる。
特開２００１−１５６０９３号公報 特開平７−２９７２２７号公報

しかし、従来のはんだボールの接続方法によると、ＢＧＡを用いた接続方式は煩雑な工程を必要とするとともに、はんだボールと配線電極界面においてボイド等を原因とする接続不良により抵抗値が上昇する、あるいははんだボールが溶融した際に隣接するボール同士が融着して回路が短絡するなどの不具合が生じる。これらの不具合は接続ピン数の増大とともに更に多くなるため、実装プロセスにおける歩留まり低下を来すなどの問題となっている。
さらに、接続端子数の増加によりボールサイズはより小さくなるため、実装のためのボールの形成、搭載は益々困難になる等の問題が生じており、実質的にははんだボールのサイズは１００μｍ程度が限界であり、それ以上の高密度の実装は不可能である。

従来の金スタッドバンプの接続方法によると、金スタッドバンプはワイヤーボンディングにより形成されるため、その接続密度はワイヤボンディングの密度に制約され、そのピッチは高々８０ミクロン程度であり、高密度の要求には十分応えられるとは言えない。また、バンプ形状もワイヤーボンディングでのワイヤー切断に依存してバラツキが生じているため、接続不良となる場合が見られる。

従って、本発明の目的は、接続不良や短絡を招くとこなく、より高密度な接続を可能とする金属バンプ接続方法および金属バンプ付き回路部品を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、回路部品の接続面に金属バンプを接続する金属バンプ接続方法において、基板上に前記金属バンプの断面形状に対応した複数の金属薄膜を形成し、前記複数の金属薄膜を前記接続面上に常温接合により積層して前記金属バンプを形成することを特徴とする金属バンプ接続方法を提供する。

本発明は、上記目的を達成するため、回路部品の接続面に金属バンプを接続した金属バンプ付き回路部品において、前記金属バンプは、前記接続面上に複数の金属薄膜を常温接合により積層して形成されたことを特徴とする金属バンプ付き回路部品を提供する。

本発明の金属バンプ接続方法および金属バンプ付き回路部品によれば、パターニングによって基板上に微細な複数の金属薄膜を形成することができるので、これらを接合して積層することにより、形状精度に優れた微小な金属バンプが得られ、接続不良や短絡を招くことなく、より高密度な接続が可能となる。

また、複数の接続面に複数の金属バンプを同時に接続することにより、製造工程を短縮でき、大量生産が可能となる。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る金属バンプとしてのはんだボールを示し、同図（ａ）は、目標とするはんだボール１を示し、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示すはんだボール１を複数の層１-1〜１-8に分割したものを示す。なお、図中、２０４は、はんだボール１の接続対象の電極パッドであり、２０４ａは、電極パッド２０４の接続面である。また、ここでは説明を簡略にするために１つのはんだボールを形成する場合について説明するが、実際は複数同時に形成することは言うまでもない。この実施の形態では、はんだボールの直径を約１０μｍとし、これを約８層に分割した。

次に、図２〜図７に示す接続工程を参照しながら第１の実施の形態に係るはんだボールの接続方法を説明する。

（１）はんだ薄膜パターンの形成
この実施の形態では、基板上にはんだ薄膜を形成し、そのはんだ薄膜をフォトリソグラフィ法を用いてパターニングすることによりはんだ薄膜パターンを形成する。まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉウェハ基板１００の表面にポリイミドをスピンコート法により１〜５μｍの厚さで塗布し、硬化処理および表面のフッ素化処理を施して離型層１０１を形成する。さらにその離型層１０１上に図１（ｂ）で分割したパターンの層１-1〜１-8に相当するフォトマスクを用いて、はんだ膜を形成する部分に開口１０２ａを有するレジストパターン１０２を約１μｍの厚さで形成する。

続いて、図２（ｂ）に示すように、全面にはんだ薄膜１０３を蒸着法等により約１μｍの厚さで形成し、その後レジストパターン１０２を除去することにより、同時にその上のはんだ膜も除去することができ、結果として図２（ｃ）に示すように、図１（ｂ）に示す微小はんだボールの各層１-1〜１-4に対応したはんだ薄膜パターン１０４-1〜１０４-4が得られる。

図３は、図２（ｃ）に示す基板１００を上方から見た状態を示す。複数のはんだ薄膜パターン１０４-1〜１０４-8は、基板１００上に一定のピッチで縦横に配列されている。

（２）はんだ薄膜パターンの積層
ここでは、はんだ薄膜パターン１０４-1〜１０４-8を常温接合により積層してはんだボールを形成する。ここで「常温接合」とは、加熱も冷却もせずに室温を含む温度環境下で接合することをいう。まず、図４（ａ）に示すように、はんだ薄膜パターン１０４-1〜１０４-8が形成された基板１００を真空槽２００内に導入する。ここでは簡単のために、１層目のはんだ薄膜パターン１０４-1と２層目のはんだ薄膜パターン１０４-2のみを図示している。一方、真空槽２００内で、はんだボールの接続対象となる集積回路チップ２０３を吸着したステージ２０１を基板１００に対向するように配置する。図では集積回路チップ２０３上の電極パッド２０４およびパシベーション膜２０５を模式的に示している。

次に、真空槽２００内を約１０^−５Ｐａ程度まで排気し、図４（ｂ）に示すように、１層目のはんだ薄膜パターン１０４-1の表面および集積回路チップ２０３の電極パッド２０４の表面の接続面２０４ａにＡｒガス２０６を源とするＦＡＢ(Fast Atom Beam)処理を施す。これはＡｒガス２０６を１ｋＶ程度の電圧で加速してはんだ薄膜パターン１０４-1および電極パッド２０４の表面に照射し、これらの表面の酸化物、不純物などを除去して正常な表面を形成する工程である。

次に、図５（ａ）に示すように、ステージ２０１を下降させて電極パッド２０４の清浄な接続面２０４ａとはんだ薄膜パターン１０４-1の清浄な表面を接触させ、更に荷重として５０ｋｇｆ／ｃｍ^２を印加して５分間押し付けて、はんだ薄膜パターン１０４-1と電極パッド２０４を接合する。

そして、図５（ｂ）に示すように、ステージ２０１を上昇させると、はんだ薄膜パターン１０４-1と電極パッド２０４との接合力の方が、はんだ薄膜パターン１０４-1と基板１００表面の離型層１０１との密着力よりも大きいため、はんだ薄膜パターン１０４-1は基板１００から電極パッド２０４に転写される。

引き続き、図６（ａ）に示すように、ステージ２０１を水平方向に移動させて、同様にして接合する表面にＦＡＢ処理を施すが、２回目以降はその直前に転写されたはんだ薄膜パターン、本例では、１層目のはんだ薄膜パターン１０４-1のそれまで基板１００と接していた下面と新たに接合する２層目のはんだ薄膜パターン１０４-2の表面にＦＡＢを照射する。しかる後に上記したのと同様にステージ２０１を下降、接触、荷重印加、上昇により、図６（ｂ）に示すように、１層目のはんだ薄膜パターン１０４-1に続いて２層目のはんだ薄膜パターン１０４-2が転写される。以上の動作をはんだ薄膜パターンの層数に相当する回数だけ行うことにより、積層構造体からなるはんだボールが得られる。

図７は、その積層構造体からなるはんだボール１０５を示す。集積回路チップ２０３の電極パッド２０４に図１（ｂ）に示すはんだボール１に近似したはんだ薄膜パターン１０４-1〜１０４-8からなるはんだボール１０５が形成される。

この第１の実施の形態によれば、本実施の形態により形成されたはんだボール１０５は、蒸着薄膜のフォトリソエッチングにより形成された金属薄膜を常温接合により積層して構成されることから、 ボール１０５の幾何学的寸法として１０μｍまたはそれ以下の極小サイズの形成が可能であり、 多数のボールの直径等の幾何学的形状がミクロンオーダーでの均一化が可能であり、電極パッド２０４に対する密着性に優れ、ボイド等欠陥の発生が非常に少なく、多数の電極パッドに対して一括して形成することが可能であり、 常温での形成が可能であることから、Ｓｉ結晶の集積回路チップ以外に高温処理を嫌う有機デバイス等への形成が可能であるなどの、多くの優れた点を有する画期的な接続方法と言うことができる。また、従来６０μｍ程度のピッチを１０μｍ以下に小さくすることができるので、実装密度を約２０倍以上に向上させることができる。

＜第２の実施の形態＞
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る金属バンプとしての金スタッドバンプに関し、同図（ａ）は、目標となる金スタッドバンプ２を示し、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す金スタッドバンプ２を複数の層２-1，２-2に分割したものを示す。なお、図中、２０４は、金スタッドバンプ２の接続対象の電極パッドであり、２０４ａは、電極パッド２０４の接続面である。また、ここでは説明を簡略にするために１つの金スタッドバンプを形成する場合について説明するが、実際は複数同時に形成することは言うまでもない。

次に、図９、図１０に示す接続工程を参照しながら第２の実施の形態に係る金スタッドバンプの接続方法を説明する。

（１）金メッキ膜パターンの形成
この実施の形態では、金メッキ膜パターンを電鋳法により形成する。まず、図９（ａ）に示すように、ステンレス、アルミニウム等の金属材料の他、Ｓｉ、セラミック、合成樹脂等の絶縁体からなるベース基板３００の表面にポリイミドをスピンコート法により１〜５μｍの厚さで塗布し、硬化処理および表面のフッ素化処理を施して離型層３０１を形成する。次に、離型層３０１の表面に電導性を付与するための導電膜３０２を望ましくは金であるが、その他としては銀、銅、ニッケルなどをスパッタにより厚さ約３０００Åで形成する。

次に、図８（ｂ）で分割したパターンの層２-1、２-2に相当するフォトマスクを用いて、金メッキ膜を形成する部分に開口３０３ａを有するフォトレジストパターン３０３を５〜２５μｍの厚さで形成する。上記基板３００を金電気メッキ液層に入れ、図９（ｂ）に示すように、フォトレジストパターン３０３で覆われていない部分にフォトレジストパターン３０３と同等の厚さまで金メッキ膜３０４を、形成する。金メッキ後フォトレジスト３０３を除去し、さらに導電膜３０２の露出部分をエッチングにより除去すると、金メッキ膜パターン３０４-1，３０４-2が形成された基板３００を得る。この場合、導電膜３０２の材料が金の場合、同時に金メッキ３０４の表面も同時にエッチングされるが、エッチング量は導電膜３０２の厚さ分の３０００Åでありほとんど影響はない。

（２）金メッキ膜パターンの積層
次に、第１の実施の形態と同様に、図１０（ａ）に示すように、金メッキ膜パターン３０４-1，３０４-2が形成された基板３００を真空槽２００内に導入する。一方、真空槽２００内で、金スタッドバンプの接続対象の集積回路チップ２０３を吸着したステージ２０１を基板３００に対向するように配置する。本例では電極パッド２０４に金メッキ膜パターン３０４-1，３０４-2を転写する。

以下、第１の実施の形態と同様に、真空排気後、ＦＡＢ、ステージ２０１下降、荷重印加、ステージ２０１上昇による転写を２回繰り返すことにより、図１０（ｂ）に示すように、電極パッド２０４の接続面２０４ａ上に１層目の金メッキ膜パターン３０４-1および２層目の金メッキ膜パターン３０４-2の積層からなる金スタッドバンプ３０５が形成される。

この第２の実施の形態によれば、本実施の形態により形成された金スタッドバンプ３０５は、電鋳法により形成されたメッキ薄膜を常温接合により積層して構成されることから、バンプ３０５の幾何学的寸法として１０μｍまたはそれ以下の極小サイズの形成が可能であり、多数のバンプの厚さ、幅等の幾何学的形状がミクロンオーダーでの均一化が可能であり、電極パッド２０４に対する密着性にすぐれ、ボイド等欠陥の発生が非常に少なく、多数の電極パッド２０４に対して一括して形成することが可能であり、 常温での形成が可能であることから、Ｓｉ結晶の集積回路チップ以外に高温処理を嫌う有機デバイス等への形成が可能であるなどの、多くの優れた点を有する画期的な実装方法と言うことができる。また、従来６０μｍ程度のピッチを１０μｍ以下に小さくすることができるので、実装密度を約２０倍以上に向上させることができる。

＜第３の実施の形態＞
図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る金属バンプ付き回路部品を示す。この金属バンプ付き回路部品は、高密度配線基板４００上に、電極パッド２０４に接続した積層構造体からなるはんだボール１０５Ａを有する集積回路チップ２０３を搭載し、高密度配線基板４００の下面の電極パッド２０４に積層構造体からなり、はんだボール１０５Ａよりも直径の大きいはんだボール１０５Ｂを接続し、図示しないプリント基板上に実装できるようにしたものである。この第３の実施の形態によれば、高密度な接続を可能とする積層構造体からなるはんだボール１０５を用いているので、多ピン化を図った回路部品を提供することができる。

＜第４の実施の形態＞
図１２は、本発明の第４の実施の形態に係る金属バンプ付き回路部品を示す。この金属バンプ付き回路部品は、高密度配線基板４００上に、電極パッド２０４に接続した積層構造体からなるスタッドバンプ３０５を有する集積回路チップ２０３を搭載し、高密度配線基板４００の下面の電極パッド２０４に積層構造体からなるはんだボール１０５Ｂを接続し、図示しないプリント基板上に実装できるようにしたものである。この第４の実施の形態によれば、第３の実施の形態と同様に、多ピン化を図った回路部品を提供することができる。

なお、上記各実施の形態では、金属薄膜の材料として、はんだと金について説明したが、これらに限らず、銅、アルミニウム等の他の単一金属や銅合金、アルミニウム合金等の合金でもよい。

また、上記各実施の形態では、集積回路チップ側を移動させて金属薄膜の接合を行ったが、相対的に移動して接合できるなら、基板側を移動させても、両者を移動させてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るはんだボールに関し、（ａ）は、目標となるはんだボールを示す断面図、（ｂ）は、（ａ）に示すはんだボールを複数の層膜に分割した状態を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係るはんだボールの接続方法を説明するための断面図である。 図２（ｃ）に示す基板を上方から見た図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るはんだボールの接続工程を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るはんだボールの接続工程を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るはんだボールの接続工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るはんだボールの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る金スタッドバンプを示し、（ａ）は、目標となる金スタッドバンプを示す断面図、（ｂ）は、（ａ）に示す金スタッドバンプを複数の層に分割した状態を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態に係る金スタッドバンプの接続工程を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る金スタッドバンプの接続工程を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る金属バンプ付き回路部品の断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る金属バンプ付き回路部品の断面図である。

符号の説明

１ はんだボール
１-1〜１-8 層
２ 金スタッドバンプ
２-1，２-2 層
１００ Ｓｉウェハ基板
１０１ 離型層
１０２ レジストパターン
１０２ａ 開口
１０３ はんだ薄膜
１０４-1〜１０４-8 はんだ薄膜パターン
１０５、１０５Ａ、１０５Ｂ はんだボール
２００ 真空槽
２０１ ステージ
２０３ 集積回路チップ
２０４ 電極パッド
２０４ａ 接続面
２０５ パシベーション膜
２０６ Ａｒガス
３００ ベース基板
３０１ 離型層
３０２ 導電膜
３０３ フォトレジストパターン
３０３ａ 開口
３０４ 金メッキ膜
３０４-1，３０４-2 金メッキ膜パターン
３０５ 金スタッドバンプ
４００ 高密度配線基板

Claims (8)

1. 回路部品の接続面に金属バンプを接続する金属バンプ接続方法において、
   基板上に前記金属バンプの断面形状に対応した複数の金属薄膜を形成し、
   前記複数の金属薄膜を前記接続面上に常温接合により積層して前記金属バンプを形成することを特徴とする金属バンプ接続方法。
2. 前記複数の金属薄膜の形成は、前記基板上に金属薄膜を形成し、その金属薄膜をホトリソグラフィー法によりパターニングして行うことを特徴とする請求項１記載の金属バンプ接続方法。
3. 前記複数の金属薄膜の形成は、電鋳法により行うことを特徴とする請求項１記載の金属バンプ接続方法。
4. 回路部品の複数の接続面に複数の金属バンプを接続する金属バンプ接続方法において、
   基板上に前記複数の金属バンプの断面形状に対応した複数の金属薄膜を一括して形成し、
   前記複数の金属薄膜を前記複数の接続面上に常温接合により積層して前記複数の金属バンプを同時に形成することを特徴とする金属バンプ接続方法。
5. 回路部品の接続面に金属バンプを接続した金属バンプ付き回路部品において、
   前記金属バンプは、前記接続面上に複数の金属薄膜を常温接合により積層して形成されたことを特徴とする金属バンプ付き回路部品。
6. 前記金属薄膜は、円形のはんだ薄膜からなり、
   前記金属バンプは、ボール形状を有することを特徴とする請求項５記載の金属バンプ付き回路部品。
7. 前記金属薄膜は、金メッキ膜からなり、
   前記金属バンプは、スタッドバンプ形状を有することを特徴とする請求項５記載の金属バンプ付き回路部品。
8. 前記回路部品は、複数の接続面を有し、
   前記金属バンプは、前記複数の接続面上に積層して形成された複数の前記金属バンプであることを特徴とする請求項５記載の金属バンプ付き回路部品。
   
   

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