JP2006351589A - 半導体チップ、電子装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップ及びそれを実装した電子装置において、バンプを微細化した場合にバンプ接続の確実性を高めることが半導体チップ、電子装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ハンダからなる実装基板用バンプ２４を有する実装基板２０に実装される半導体チップ１０であって、電子回路が形成された半導体チップ本体１１と、電子回路に接続して半導体チップ本体に形成された半導体チップ用バンプ１２を有し、この半導体チップ用バンプ１２は、ハンダより高融点の金属からなり、実装時に実装基板用バンプ２４に接続され、実装基板用バンプ２４の径よりも小さいものとする。また、電子装置としては上記の半導体チップ１０を上記のような実装基板用バンプ２４を有する実装基板２０に実装した構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップ、電子装置及びその製造方法に関し、特に、バンプの微細化に対応した半導体チップ、電子装置及びその製造方法に関する。

デジタルビデオカメラ、デジタル携帯電話、あるいはノートパソコンなど、携帯用電子機器の小型化、薄型化、軽量化に対する要求は強くなる一方であり、これに応えるために近年のＶＬＳＩなどの半導体装置においては３年で７割の縮小化を実現してきた一方で、このような半導体装置をプリント配線基板上に実装した電子回路装置としても、実装基板（プリント配線基板）上の部品実装密度をいかに向上させるかが重要な課題として研究および開発がなされてきた。

例えば、半導体装置の実装用のパッケージ形態としては、ＤＩＰ（Dual Inline Package ）などのリード挿入型から表面実装型へと移行し、さらには半導体チップのパッド電極にハンダや金などからなるバンプ（突起電極）を設け、フェースダウンでバンプを介して配線基板に接続するフリップチップ実装法が開発された。

例えば、φ３０μｍ以下程度の微細バンプを上下に有する場合のフリップチップボンディングは、特許文献１などに記載されているようにして、ボンダーステージに吸着した下バンプ付きチップ（あるいはバンプ付き実装基板）に、ボンディングツールに吸着した上バンプ付きチップを対向させ、バンプ同士を位置合わせした後、ボンディングツールを下げ、バンプ同士を接触させて下バンプ付きチップに上バンプ付きチップをマウントした後、加圧加熱してバンプ同士のボンディングを行う。このようなボンディングをローカルリフローボンディングと称する。

しかし、上記のように加圧加熱を行うローカルリフローボンディングは、ボンディングを確実に行うために１チップあたりに６０〜９０秒の加熱加圧時間をかかってしまい、ボンディング時間が長くなると言う不利益を有していた。

図４は従来方法のローカルボンディングの問題点を説明する模式図である。
上バンプ付きチップ１１０は、チップ本体１１１に形成された電子回路に接続してチップ本体１１１上にパッド電極１１２が形成され、それを被覆するように球面形状のハンダバンプ１１３が形成されて構成されている。
一方、下バンプ付きチップ（または実装基板）１２０は、チップ本体（または基板）１２１に形成された電子回路に接続してチップ本体１２１上にパッド電極１２２が形成され、それを被覆するように球面形状のハンダバンプ１２３が形成されて構成されている。
上記の上バンプ付きチップ１１０と下バンプ付きチップ１２０のボンディングにおいて、ハンダのような微細バンプ同士をボンディングする場合は、バンプ形状が球面状をしていることによりバンプ同士が滑り、位置合わせ時にズレを生じる場合があった。

図５（ａ）及び（ｂ）は従来方法のローカルボンディングの問題点を説明する模式図である。
図４に示すような上バンプ付きチップ１１０と下バンプ付きチップ１２０のボンディングに際し、図５（ａ）に示すようにボンディングステージＢＳ上に下バンプ付きチップ１２０を保持し、ボンディングヘッドＢＨで上バンプ付きチップ１１０を保持して、バンプ同士を位置合わせし、加圧加熱してリフローボンディングを行い、冷却した後にボンディングステージＢＳ及びボンディングヘッドＢＨから取り外して図５（ｂ）に示す状態となる。
このようなローカルリフローボンディングは、バンプ同士を位置合わせした後、その位置でバンプが加圧加熱されてボンディングされるため、一般的なハンダ付けでの一括リフローで得られるようなセルフアライメント効果が得られず、位置ズレが発生すればそのままの状態を保持していた。

図６は従来方法のローカルボンディングの問題点を説明する模式図である。
図４に示すような上バンプ付きチップ１１０と下バンプ付きチップ１２０のボンディングに際し、ハンダバンプ同士の加圧加熱によるローカルリフローボンディングでは、ハンダ溶融時にボンディングヘッドにより加圧するため、この圧力より一部Ｘでハンダバンプが潰れすぎ、チップが傾いてしまい、所望のチップ間ギャップが確保できなくなり、はみだしたハンダでショートすることがあった。また、この傾きにより他の部分Ｙではバンプ同士が接触できずに接続不良となることもあった。
特開２０００−３４９１２３号公報

本発明が解決しようとする問題は、半導体チップ及びそれを実装した電子装置において、バンプを微細化した場合にバンプ接続の確実性を高めることが困難であることである。

本発明の半導体チップは、ハンダからなる実装基板用バンプを有する実装基板に実装される半導体チップであって、電子回路が形成された半導体チップ本体と、前記電子回路に接続するように前記半導体チップ本体に形成され、実装時に前記実装基板用バンプに接続されるバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、前記実装基板用バンプの径よりも小さい径を有する半導体チップ用バンプとを有する。

上記の本発明の半導体チップは、ハンダからなる実装基板用バンプを有する実装基板に実装される半導体チップであって、電子回路が形成された半導体チップ本体と、電子回路に接続するように半導体チップ本体に形成され、実装時に実装基板用バンプに接続されるバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、実装基板用バンプの径よりも小さい径を有する半導体チップ用バンプを有する。

本発明の電子装置は、ハンダからなる実装基板用バンプを有する実装基板と、電子回路が形成された半導体チップ本体と、前記電子回路に接続するように前記半導体チップ本体に形成されたバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、前記実装基板用バンプの径よりも小さい径を有する半導体チップ用バンプとを有し、前記半導体チップ用バンプが前記実装基板用バンプと接続されて、前記実装基板に実装された半導体チップとを有する。

上記の本発明の電子装置は、ハンダからなる実装基板用バンプを有する実装基板と、半導体チップとを有する。
ここで、半導体チップは、電子回路が形成された半導体チップ本体と、電子回路に接続するように半導体チップ本体に形成されたバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、実装基板用バンプの径よりも小さい径を有する半導体チップ用バンプとを有しており、半導体チップ用バンプが実装基板用バンプと接続されて、半導体チップが実装基板に実装されている。

また、本発明の電子装置の製造方法は、ハンダからなる実装基板用バンプを有する実装基板の前記実装基板用バンプに対して、電子回路が形成された半導体チップ本体と、前記電子回路に接続するように前記半導体チップ本体に形成されたバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、前記実装基板用バンプの径よりも小さい径を有する半導体チップ用バンプとを有する半導体チップの前記半導体チップ用バンプを位置合わせして突き刺し、前記半導体チップを前記実装基板に仮付けする工程と、前記実装基板用バンプのハンダをリフロー及び固化させ、前記実装基板用バンプと前記半導体チップ用バンプを接続して前記半導体チップを前記実装基板に固定する工程とを有する。

上記の本発明の電子装置の製造方法は、まず、ハンダからなる実装基板用バンプを有する実装基板の実装基板用バンプに対して、電子回路が形成された半導体チップ本体と、電子回路に接続するように半導体チップ本体に形成されたバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、実装基板用バンプの径よりも小さい径を有する半導体チップ用バンプとを有する半導体チップの前記半導体チップ用バンプを、位置合わせして突き刺し、半導体チップを実装基板に仮付けする。
次に、実装基板用バンプのハンダをリフロー及び固化させ、実装基板用バンプと半導体チップ用バンプを接続して半導体チップを実装基板に固定する。

本発明の半導体チップによれば、実装基板に実装される半導体チップにおいて、ハンダからなる実装基板側のバンプより径の小さいチップ側のバンプを用いることで、実装基板側のバンプにチップ側のバンプを突き刺して仮付けし、リフローにより実装することができ、バンプを微細化した場合にバンプ接続の確実性を高めることができる。

本発明の電子装置によれば、半導体チップを実装基板に実装してなる電子装置において、ハンダからなる実装基板側のバンプより径の小さいチップ側のバンプを用いることで、実装基板側のバンプにチップ側のバンプを突き刺して仮付けし、リフローにより実装することができ、バンプを微細化した場合にバンプ接続の確実性を高めることができる。

本発明の電子装置の製造方法によれば、半導体チップを実装基板に実装する電子装置の製造方法において、ハンダからなる実装基板側のバンプより径の小さいチップ側のバンプを用いて、実装基板側のバンプにチップ側のバンプを突き刺して仮付けし、リフローにより実装することにより、バンプを微細化した場合にバンプ接続の確実性を高めることができる。

以下に、本発明の実施の形態に係る半導体チップ、電子装置及びそれらの製造方法について、図面を参照して説明する。

図１（ａ）は、本実施形態に係る半導体チップの構成を示す模式断面図である。
半導体チップ１０は、電子回路が形成された半導体チップ本体１１と、電子回路に接続するように半導体チップ本体１１に形成された半導体チップ用バンプ１２とを有する。
半導体チップ１０は、ハンダからなる実装基板用バンプを有する実装基板に実装される半導体チップであり、半導体チップ用バンプ１２は、実装時に実装基板用バンプに接続されるバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、実装基板用バンプの径よりも小さい径を有する。

半導体チップ用バンプは、好適には、略角柱、略角錐、略円柱または略円錐の形状となっている。
例えば、略角柱または略円柱の形状とする場合は、Ａｌパッド上にＡｕやＣｕでメッキ処理を施すことにより、あるいはＡｕスタッドバンプの形成工程により、形成することができる。あるいは、略角錐または略円錐の形状とする場合は、Ａｌパッド上にＺｎ置換メッキ処理を行い、Ｎｉ無電解メッキ処理によってＮｉコアを形成し、さらにＡｕメッキ処理などを施して形成することができる。
また、好適には、半導体チップ用バンプ１２の最大の径が３０μｍ以下であり、例えば１０μｍ，１５μｍ，…などである。

図１（ｂ）は、本実施形態に係る半導体チップを実装する実装基板の構成を示す模式断面図である。
実装基板２０は、例えば、実装基板用の半導体チップ本体２１の表面に絶縁膜２２が形成されており、その上部に半導体チップ本体２１に形成された電子回路などに接続するパッド電極２３が形成されており、各パッド電極２３を被覆するように球面形状のハンダからなる実装基板用バンプ２４が形成されている。
例えば、実装基板用バンプ２４はハンダのメッキ処理などで形成でき、その径は例えば３０μｍ程度である。
実装基板としては、パッド電極にハンダからなる実装基板用バンプ２４が形成されていれば、本体部分としては通常の樹脂基板や樹脂層を積層した基板、あるいはセラミック基板などを用いてもよい。

本実施形態に係る電子装置は、図１（ａ）に示す半導体チップを図１（ｂ）に示す実装基板に実装して構成されたものであり、その製造方法について説明する。
図２（ａ）及び（ｂ）は本実施形態に係る電子装置の製造方法を示す模式的断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、ハンダからなる実装基板用バンプ２４を有する実装基板２０の実装基板用バンプ２４に対して、電子回路が形成された半導体チップ本体１１と、電子回路に接続するように半導体チップ本体１１に形成されたバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、実装基板用バンプ２４の径よりも小さい径を有する半導体チップ用バンプ１２とを有する半導体チップ１０の当該半導体チップ用バンプ１２を、位置合わせして突き刺し、半導体チップ１０を実装基板２０に仮付けする。

上記の仮付けは、半導体チップ用バンプ１２の径が実装基板用バンプ２４の径よりも小さいことから可能となったものであり、例えば、半導体チップ用バンプ１２が略角柱、略角錐、略円柱または略円錐の形状であると、効果的に実装基板用バンプ２４に突き刺すことができる。
ここで、半導体チップ用バンプを実装基板用バンプに突き刺して半導体チップを実装基板に仮付けするとは、半導体チップ用バンプを実装基板用バンプに押圧し、実装基板用バンプの少なくとも一部を変形させて、特に実装基板用バンプ２４を構成するハンダの表面の酸化膜を突き破って、半導体チップ用バンプと実装基板用バンプとをある程度の力を印加しても剥がれない程度に固定させることを指す。
上記のように半導体チップ用バンプ１２を実装基板用バンプ２４に突き刺し、ある程度の力を印加しても剥がれない程度に固定させることで、半導体チップ１０と実装基板２０との位置ずれの発生を防止できる。

上記の仮付けにおいては、例えば２００℃位の実装基板用バンプ２４を構成するハンダが溶融しない程度に実装基板２０を予め加温しておくことが好ましい。
この場合、実装基板用バンプ２４を変形させて酸化膜を突き破るのが容易となり、半導体チップ用バンプが柱状であっても実装基板用バンプに突き刺すのが容易となる。

次に、図２（ｂ）に示すように、リフロー処理によってハンダを溶解し、冷却してハンダを固化し、ハンダからなる実装基板用バンプ２４と半導体チップ用バンプ１２を電気的かつ機械的に接続して、半導体チップ１０を実装基板２０に固定する。
上記のようにして、本実施形態の電子装置が製造できる。

上記のハンダのリフロー処理において、半導体チップ用バンプ１２はハンダからなる実装基板用バンプ２４を貫通してパッド電極２３にまで達する状態となる。ハンダバンプなどの潰れによって半導体チップと実装基板間のギャップが所定の値からずれてしまうことがあるが、本実施形態においては、半導体チップ用バンプの高さを調整することによって、ボンディング時のバンプ潰れすぎを防止し、バンプ潰れ調整を行うことが可能であり、半導体チップと実装基板間のギャップを安定して一定に制御することができる。

上記の実装基板用バンプのハンダをリフロー及び固化する工程は、１つの電子装置に対して単独で行うことも可能であるが、複数の電子装置に対して同時に行うことが好ましい。
複数の電子装置を製造する際に、リフロー処理を一括で行うことで、処理時間を短縮することができる。

また、実装基板用バンプのハンダをリフローする工程において、実装基板用バンプに対する半導体チップ用バンプの位置を、ハンダの表面張力により自動的に調整することが好ましい。
図３（ａ）及び（ｂ）は実装基板用バンプに対して半導体チップ用バンプが自己整合的位置決めされることを示す模式的断面図である。
図３（ａ）は実装基板用バンプに対して半導体チップ用バンプの位置が中心からずれた状態で、半導体チップを実装基板に仮付けした状態を示す。
上記の状態でリフロー処理を施した場合、従来例のように半導体チップがボンディングヘッドで固定されていないことから、図３（ｂ）に示すように溶融したハンダの表面張力によって半導体チップ用バンプ１２が実装基板２０のパッド電極２３の中央へと自動的に移動し、半導体チップ１０が実装基板２０に対して自己整合的に位置決めすることができる。

上記において、半導体チップ用バンプ１２の形状を、略角柱、略角錐、略円柱または略円錐の形状とすることが好ましい。
また、例えば、半導体チップ用バンプの最大の径を３０μｍ以下とすることが好ましい。
半導体チップ用バンプ１２ｂ形状を上記の形状とすることや径を細くすることで、実装基板用バンプに対して滑ることなく、突き刺して固定することがより容易となる。

上記の実装基板２０として、半導体を有する基板を用いることが好ましい。
例えば、半導体チップを他の半導体チップ上に実装するときに上記の方法を適用することができる。

上記の製造方法で製造された本実施形態に係る電子装置は、ハンダからなる実装基板用バンプ２４を有する実装基板２０に半導体チップ用バンプ１２が形成された半導体チップ１０が実装されて構成されている。
半導体チップ用バンプ１２は、半導体チップ本体１１の電子回路に接続するように半導体チップ本体１１に形成されたバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、実装基板用バンプ２４の径よりも小さい径を有し、半導体チップ用バンプ１２が実装基板用バンプ２４と接続されて、半導体チップ１０が実装基板２０に実装された構成となっている。

上記の本実施形態に係る電子装置において、上記の理由により、半導体チップ用バンプが、略角柱、略角錐、略円柱または略円錐の形状であることが好ましく、また、半導体チップ用バンプの最大の径が３０μｍ以下であることが好ましい。
また、実装基板が半導体を有する基板である、半導体チップを他の半導体チップ上に実装した構成に適用できる。

本実施形態により、φ３０μｍ以下のバンプ付きチップのフリップチップ実装において、（１）仮付けと複数個の電子装置に対する一括リフロー処理による短時間実装、（２）リフローによる実装基板用バンプに対する半導体チップ用バンプの自己整合的位置決め、（３）半導体チップ用バンプの高さ調整によるチップと実装基板間のギャップの調整、が可能となる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、実装基板としては、半導体チップの他、樹脂基板やセラミック基板などの通常の実装基板や中間基板などを用いることができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る半導体チップの構成を示す模式断面図であり、図１（ｂ）は本発明の実施形態に係る半導体チップを実装する実装基板の構成を示す模式断面図である。 図２（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施形態に係る電子装置の製造方法を示す模式的断面図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は実装基板用バンプに対して半導体チップ用バンプが自己整合的位置決めされることを示す模式的断面図である。 図４は従来方法のローカルボンディングの問題点を説明する模式図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は従来方法のローカルボンディングの問題点を説明する模式図である。 図６は従来方法のローカルボンディングの問題点を説明する模式図である。

符号の説明

１０…半導体チップ、１１…半導体チップ本体、１２…半導体チップ用バンプ、２０…実装基板、２１…実装基板用の半導体チップ本体、２２…絶縁膜、２３…パッド電極、２４…実装基板用バンプ、１１０…上バンプ付きチップ、１１１…チップ本体、１１２…パッド電極、１１３…ハンダバンプ、１２０…下バンプ付きチップ（または実装基板）、１２１…チップ本体（または基板）、１２２…パッド電極、１２３…ハンダバンプ、ＢＨ…ボンディングヘッド、ＢＳ…ボンディングステージ

Claims (13)

1. ハンダからなる実装基板用バンプを有する実装基板に実装される半導体チップであって、
   電子回路が形成された半導体チップ本体と、
   前記電子回路に接続するように前記半導体チップ本体に形成され、実装時に前記実装基板用バンプに接続されるバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、前記実装基板用バンプの径よりも小さい径を有する半導体チップ用バンプと
   を有する半導体チップ。
2. 前記半導体チップ用バンプが、略角柱、略角錐、略円柱または略円錐の形状である
   請求項１に記載の半導体チップ。
3. 前記半導体チップ用バンプの最大の径が３０μｍ以下である
   請求項１に記載の半導体チップ。
4. ハンダからなる実装基板用バンプを有する実装基板と、
   電子回路が形成された半導体チップ本体と、前記電子回路に接続するように前記半導体チップ本体に形成されたバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、前記実装基板用バンプの径よりも小さい径を有する半導体チップ用バンプとを有し、前記半導体チップ用バンプが前記実装基板用バンプと接続されて、前記実装基板に実装された半導体チップと
   を有する電子装置。
5. 前記半導体チップ用バンプが、略角柱、略角錐、略円柱または略円錐の形状である
   請求項４に記載の電子装置。
6. 前記半導体チップ用バンプの最大の径が３０μｍ以下である
   請求項４に記載の電子装置。
7. 前記実装基板が半導体を有する基板である
   請求項４に記載の電子装置。
8. ハンダからなる実装基板用バンプを有する実装基板の前記実装基板用バンプに対して、電子回路が形成された半導体チップ本体と、前記電子回路に接続するように前記半導体チップ本体に形成されたバンプであって、ハンダより高融点の金属からなり、前記実装基板用バンプの径よりも小さい径を有する半導体チップ用バンプとを有する半導体チップの前記半導体チップ用バンプを位置合わせして突き刺し、前記半導体チップを前記実装基板に仮付けする工程と、
   前記実装基板用バンプのハンダをリフロー及び固化させ、前記実装基板用バンプと前記半導体チップ用バンプを接続して前記半導体チップを前記実装基板に固定する工程と
   を有する電子装置の製造方法。
9. 前記実装基板用バンプのハンダをリフロー及び固化する工程を、複数の電子装置に対して同時に行う
   請求項８に記載の電子装置の製造方法。
10. 前記実装基板用バンプのハンダをリフローする工程において、前記実装基板用バンプに対する前記半導体チップ用バンプの位置を、前記ハンダの表面張力により自動的に調整する
    請求項８に記載の電子装置の製造方法。
11. 前記半導体チップ用バンプの形状を、略角柱、略角錐、略円柱または略円錐の形状とする
    請求項８に記載の電子装置の製造方法。
12. 前記半導体チップ用バンプの最大の径を３０μｍ以下とする
    請求項８に記載の電子装置の製造方法。
13. 前記実装基板として半導体を有する基板を用いる
    請求項８に記載の電子装置の製造方法。
    

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