JP4692101B2

JP4692101B2 - 部品接合方法

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Publication number: JP4692101B2
Application number: JP2005186730A
Authority: JP
Inventors: 浅見　　博
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2025-06-27
Also published as: JP2007005707A

Description

本発明は、例えば配線基板への半導体装置の実装工程に用いて好適な部品接合方法およびこの方法に用いられる部品接合用治具に関する。

半導体装置の配線基板等への接合（実装）形態は、電子機器の軽薄短小の要求に応えてピン挿入型から表面実装型へ移行してきている。表面実装型の中でも接続リードが半導体装置の側面から突出するタイプよりも、半導体装置の裏面にバンプをアレイ状に並べたＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプが、特に多ピン化に対して有利とされている。

ＢＧＡタイプの半導体装置の接合方法としては、例えば図６に示す方法が知られている（下記特許文献１参照）。図６Ａに示すように、半導体装置８１には高温はんだのバンプ８２が形成され、基板８４の導体部（ランド）８５上には低温はんだ８６が塗布されている。基板８４上には、酸化膜を除去して接合性を高めるためのフラックス８３が塗布されている。

図６Ｂに示すように、半導体装置８１は基板８４に対して押圧されながら加熱され、低温はんだ８６が溶融してバンプ８２が導体部８５と電気的に接合される。接合後、図６Ｃに示すように、フラックス８３が洗浄により除去される。そして、図６Ｄに示すように、半導体装置８１と基板８４との間の間隙に熱硬化性樹脂でなるアンダーフィル材８７を供給し加熱硬化させて接合部を保護する。

この方法では、半導体装置８１と基板８４とを接合した後、接合部に残存するフラックス８３を除去する工程が必要とされるが、バンプピッチの微細化によりフラックスの洗浄が十分できなくなりつつあると同時に、洗浄力のある有機溶剤は環境負荷が大きいため使用制限の要請が高い。

一方、最近では、図７Ａに示すように、フラックス機能を有する樹脂材９４を基板９５上に前もって塗布しておき、図７Ｂに示すように、半導体装置９１のバンプ９２の先端部９２ａと基板９５の導体部９６との接合を行うと同時に、樹脂材９４を加熱硬化させてアンダーフィルを形成する方法も提案されている（下記特許文献２参照）。

これに用いられる樹脂材９４は、未硬化状態では接合面及びはんだ材料の酸化物等を除去して接合性を高め、さらに接合時（リフロー時）に硬化して接合部を補強する。この樹脂材９４は、一般的なフラックス材料と異なり、接合後の洗浄除去が不要とされる。

ところで、上述した従来の半導体装置９１の接合方法には、フリップチップマウンタと呼ばれる実装機を用いて行われている。図８に模式的に示すように、実装機１０１は、半導体装置９１を吸着保持する吸着具１０２をガイド軸１０３に沿って移動自在な構成を有している。実装機９１は、吸着ノズル１０２に保持された半導体装置９１を加熱冷却する機構が内蔵されている。

半導体装置９１と接合される基板９５は、作業台１０３上の基板保持面１０４に保持され、吸着ノズル１０２に吸着された半導体装置９１と対向される。そして、接合時、吸着ノズル１０２が矢印Ａ方向に移動し半導体装置９１を基板９５へ所定圧力で押し付けながら、半導体装置９１をリフロー温度に加熱してはんだ付けする。その後、半導体装置９１の冷却工程を経て、吸着ノズル１０２による半導体装置９１の吸着動作が解除され、接合が完了とされる。

特開２００５−５１１２８号公報特開２００３−１５８１５３号公報

図８に示した実装機１０１を用いる従来の部品接合方法においては、上述したように実装機１０１で半導体装置９１を機械的に押圧しながらバンプ９２を基板９５の導体部９６へ接合するようにしている。半導体装置９１に加えられる押圧力は、予め設定された圧力に制限されている。

しかしながら、例えばリフロー加熱時等に発生する熱で、実装機１０１の機構部が熱膨張し、これが原因で半導体装置９１に過荷重が加わり、バンプや半導体装置９１あるいは基板９５の損傷を招くおそれがある。また、過荷重によりバンプが潰れ、隣接するバンプと接触する等してブリッジが発生するおそれがある。

更に、従来の部品接合方法では、実装機１０１を用いて半導体装置９１を１個ずつ基板９５へ接合する工法であるので、生産性の向上が図れないという問題もある。なお、実装機１０１を複数台用いて生産性を高めることも可能であるが、作業スペースおよび装置コストが増大し現実的でない。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、接合時における部品の過荷重を防止でき、生産性の向上をも図ることができる部品接合方法およびこれに用いられる部品接合用治具を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の部品接合方法は、突起電極を有する第１の被接合部品と、突起電極と接合される端子部を有する第２の被接合部品と、を相互に接合する部品接合方法であって、突起電極または端子部にははんだ層が形成されており、第２の被接合部品の端子形成面に粘着性樹脂層を形成する工程と、粘着性樹脂層に突起電極を食い込ませて第１，第２の被接合部品の仮固定体を作製する工程と、仮固定体を流体圧で一定加圧しながら上記はんだ層を溶融させ突起電極と端子部とを接合する工程を有する。

本発明においては、第１の被接合部品と第２の被接合部品とを粘着性樹脂層を介して仮固定した後、その仮固定体に一定の流体圧を作用させながら加熱し、はんだ層をリフローさせて突起電極と端子部とを相互に接合する。一定の流体圧を部品に作用させることで、リフロー加熱時における部品の過荷重を防止し、接合部の破損やブリッジの発生を回避する。

一方、本発明の部品接合用治具は、治具本体と、この治具本体の内部に形成され流体圧が導入される圧力室と、治具本体の内部に形成され第１，第２の被接合部品の仮固定体を収容する部品収容室と、圧力室と部品収容室との間を仕切る弾性シート体と、圧力室に導入された流体圧が所定圧を超えたときに開弁するリリーフ弁とを備えている。

本発明に係る部品接合用治具は、そのままリフロー炉等の加熱装置へ装填される構成となっている。リフロー炉内では、治具本体の部品収容室に収容された被接合部品の仮固定体が、弾性シート材を介して流体圧による加圧作用を受けて接合される。流体圧には空気等のガス圧、油等の液圧が適用可能であるが、空気圧が取り扱い上有利である。

加熱により膨張した空気圧は、リリーフ弁を介して圧力室から開放されるので、仮固定体に対する押圧力を常に一定に維持することができる。また、処理室内に複数の仮固定体を収容することで、同時に複数の接合処理が可能となるので、生産性の向上を図ることができる。

したがって本発明によれば、接合時における部品の過荷重を防止できるので、接合部の破損やブリッジの発生を回避することができる。また、同時に複数の接合処理が可能となるので、生産性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１および図２は、本発明の実施の形態による部品接合方法を説明する断面工程図である。図１Ａは、半導体チップ１１と、この半導体チップ１１と接合される配線基板２１を示している。本実施の形態では、半導体チップ１１が本発明の「第２の被接合部品」に対応し、配線基板２１が本発明の「第１の被接合部品」に対応している。

半導体チップ１１の能動面にはパッシベーション膜１３を介して複数の電極パッド１４がグリッド状に配列されている。電極パッド１４の上には、例えばＡｇ（銀）の微粒子が分散されたペースト膜を加熱硬化させた導電性膜１５が形成されている。導電性膜１５の上には、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）の多層膜構造でなる凸型の接合パッド１８が形成されている。接合パッド１８は、本発明の「端子部」に相当する。

半導体チップ１１の具体的な大きさとしては、縦横の寸法が１０ｍｍ、厚さは２５０μｍで、接合パッド１８の配列ピッチは２００μｍである。また、接合パッド１８を構成するＣｕ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜の厚さはそれぞれ２２μｍ、３μｍ、０．０５μｍである。

以上のように構成される半導体チップ１１は、配線基板２１への実装に先だって、後述するように接合パッド１８の形成面（端子形成面）に活性樹脂層１９が形成される。活性樹脂層１９は、未硬化状態で粘着性とフラックス機能を有する熱硬化性樹脂を半導体チップ１１の端子形成面に塗布して形成される。なお、この活性樹脂層は、本発明の「粘着性樹脂層」に相当する。

この種の熱硬化性樹脂は、例えば、液状のビスフェノール系エポキシ系樹脂に硬化剤の作用とフラックスの作用とを有するジヒドロキシ安息香酸とフェノールフタリン、および硬化促進剤を添加したもの（特開２００３−１０５０５４号公報）があるがこれに限られない。なお、この活性樹脂層１９にシリカ微粒子等のフィラーを添加して、完全硬化後の弾性率あるいは熱膨張係数を調整するようにしてもよい。

一方、配線基板２１は、マザー基板でもよいしインターポーザ基板でもよい。配線基板２１には、半導体チップ１１の接合パッド１８の配列間隔に対応してバンプ２８が設けられている。このバンプ２８は、本発明の「突起電極」に相当する。

バンプ２８は、配線基板２１上の外層絶縁樹脂膜２３上に形成されビアを介して配線層２４に接続された銅核２６と、銅核２６の周囲に形成されたはんだ２７とで構成されている。銅核２６は、接合後の半導体チップ１１と配線基板２１との間の間隙を確保する作用を有し、リフロー時に溶融しない材料であれば銅に限られない。銅核２６には、はんだ２７との密着性を高めるために例えばＮｉ／Ａｕめっきが施される。

はんだ２７は本発明の「はんだ層」に相当し、リフロー時に溶融して半導体チップ１１の接合パッド１８に濡れ広がる。はんだ２７としてはＳｎＡｇＣｕ系、特に、Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだが用いられている。なおこれ以外にも、Ｓｎ系、ＳｎＡｇ系、ＳｎＢｉ系、ＳｎＣｕ系、ＳｎＡｇＢｉ系、ＳｎＡｇＢｉＣｕ系等の他のＳｎ系はんだを用いてもよい。

以上のように構成される半導体チップ１１と配線基板２１との接合は、以下のようにして行われる。

まず、半導体チップ１１の端子形成面に活性樹脂層１９が形成される（図１Ａ）。

活性樹脂層１９の形成方法としては、印刷法やスピンコート法等による塗布、ドライフィルムのラミネート処理等がある。活性樹脂層１９の厚さは、例えば３０μｍである。なお、活性樹脂層１９の形成は、半導体チップ１１の製造工程の際に行ってもよいし、配線基板２１への実装直前に行ってもよい。

次に、半導体チップ１１を配線基板２１の上に仮止めし、半導体チップ１１と配線基板２１の仮固定体１０Ａを作製する（図１Ｂ）。

半導体チップ１１は、その接合パッド１８が配線基板２１のバンプ２８の直上に位置するように位置合わせされた後、１４０℃程度に加熱され、配線基板２１に対して軽く押し当てられる。配線基板２１に対する半導体チップ１１の押圧量は、活性樹脂層１９にバンプ２８の先端が食い込む程度の大きさとされる。なお、配線基板２１に対する半導体チップ１１の位置合わせは、チップマウンタ等の位置合わせ機能を備えた機器を用いて行われる。

続いて、配線基板２１に対する半導体チップ１１のリフロー実装を行う（図２Ｃ）。

このリフロー実装工程において、半導体チップ１１はその上面に一定の空気圧を受けて加圧されながら、リフロー温度（本例では２５０℃）に加熱される。これにより、活性樹脂層１９が溶融しバンプ２８が接合パッド１８に接触する。そして、はんだ２７が溶融し接合パッド１８上に濡れ広がる。活性樹脂層１９は、溶融したはんだ２７の周囲を取り囲みフラックス機能で酸化物を除去する。その後、冷却工程に移行してはんだ２７が固化する。これにより、接合パッド１８と銅核２６との間に接合部３０が形成された部品実装体１０Ｂが作製される。

なお、リフロー実装工程は、図３に示す部品接合用治具３５を用いて行われる。部品接合用治具３５の構成および当該リフロー実装工程の詳細については後述する。また、接合後における活性樹脂層１９の洗浄除去は行われない。

最後に、作製された実装体１０Ｂの接合部３０をアンダーフィル３１で封止する工程が行われる（図２Ｄ）。これにより、半導体装置１０Ｃが作製される。

アンダーフィル３１の構成樹脂は、活性樹脂層１９の物性との関係で決められる。本実施の形態では、活性樹脂層１９よりもアンダーフィル３１の方が弾性率が低く、かつ熱膨張係数が大きくなるように材料設計されている。これにより、接合部３１に作用するストレス（熱応力）から、接合部１８を効果的に保護することが可能となる。

続いて、図３を参照して本発明に係る部品接合用治具３５の構成について説明する。

図３は本実施の形態の部品接合用治具３５の概略構成を示す断面図である。ステンレスやアルミニウム合金等の金属製の治具本体３６の内部に、圧力室３７と部品収容室３８とを上下で区画する弾性シート体３９が設けられている。治具本体３６は、上本体部３６Ａと下本体部３６Ｂの２分割構造で、弾性シート体３９は上本体部３６Ａの下面側に固定されており、下本体３６Ｂとの組合せ時に上下の本体部３６Ａ，３６Ｂ間に周縁部および中間部が挟圧される。

圧力室３７は、図示しない圧力源（エアタンクあるいはエアコンプレッサ）に接続される圧力供給口４０と連通している。この圧力供給口４０には、上記圧力源から圧力室３７への空気の流入を許容しその逆の流れを禁止する逆止弁４１が設けられている。これにより、圧力室３７に導入された所定圧の空気圧の流出が防止され、圧力源との接続が解除された治具単独での取り回しが可能となっている。

また、上本体部３６Ａには、導入された空気圧が所定圧を超えた際にその超過圧力を外部に解放するリリーフ弁４２が設けられている。このリリーフ弁４２は即ち、リフロー炉への装填時に加熱により膨張した空気の増圧分を外部に解放し、圧力室３７の内部を一定の圧力に維持する機能を果たす。

部品収容室３８は、図１Ｂを参照して説明した半導体チップ１１と配線基板２１の仮固定体１０Ａを収容する。部品収容室３８は、複数の仮固定体１０Ａを同時に収容できる広さに形成することができる。仮固定体１０Ａが載置される部品収容室３８の底部には、貫通孔４３が形成されており、部品収容室３８の内外における空気の移動が可能となっている。

部品収容室３８に収容される複数の仮固定体１０Ａは、図１Ｂに示したように各々個片化された形態のものでもよいが、本実施の形態では図４に示したように、共通の配線基板２１Ａ上に複数の半導体チップ１１が仮固体された複合仮固定体１０としている。なお、この複合仮固定体１０は、いわゆるマルチチップパッケージであってもよいし、接合後に個々に個片化されてもよい。

治具本体３６は、リフロー炉へ装填できる大きさの範囲内で、複数の部品収容室３８を有する構成とされている。部品収容室３８と部品収容室３８との間は隔壁３６Ｃ（図３）で隔てられている。各部品収容室３８は、圧力室３７が共通とされている。

弾性シート体３９は、リフロー温度に耐え得る耐熱強度を有する材料であれば特に制限されず、フッ素系ゴムやシリコーン系ゴム等が用いられる。この弾性シート体３９は、圧力室３８に所定の空気圧が導入された際に、図５に示すように部品収容室３８側へ弾性変形し、各部品収容室３８に収容された仮固体体１０の上面側を均等に押圧できる程度の弾性率を有する。

以上のように構成される本実施の形態の部品接合用治具３５は、上本体部３６Ａと下本体部３６Ｂとを分離することで開放された各部品収容室３８に、図４に示した構成の半導体チップ１１と配線基板２１Ａの仮固定体１０がそれぞれ収容される。その後、上本体部と下本体部３６Ｂとが一体化され、弾性シート体３９により圧力室３７と部品収容室３８との間が気密に区画される。

ここで、仮固定体１０を構成する半導体チップ１１と配線基板２１Ａとはタック性（粘着性）のある活性樹脂層１９（図１Ｂ）を介して位置決めされているので、両者間に位置ズレを起こすことなく部品収容室３８へ収容することができる。また、リフロー炉の移送過程での位置ズレも防止される。

次に、圧力供給口４０に図示しない圧力源が接続され、圧力室３７内に所定圧（本例ではゲージで０．１気圧以下）の圧縮空気が導入される。これにより、弾性シート体３９は部品収容室３８側へ弾性変形し、図５に示したように、各部品収容室３８において仮固定体１０を構成する各々の半導体チップ１１上面を均等な圧力で加圧する。

その後、部品接合用治具３５は、図示しないリフロー炉へ装填される。リフロー炉において、部品接合用治具３５はリフロー温度に加熱される。そして、仮固定体１０を構成する半導体チップ１１と配線基板２１Ａとは、圧力室３７からの加圧作用を受けながら図２Ｃに示したように相互にはんだ接合されることで、部品実装体１０Ｂが製造される。

本実施の形態によれば、リフロー炉において、圧力室３７内の圧縮空気が加熱作用で膨張するが、その増圧分がリリーフ弁４２を介して外部へ解放される。従って、圧力室３７の内部は加熱前後において常に一定の圧力に維持されるので、半導体チップ１１に対する加圧力も一定とされる。これにより、過荷重よるはんだ接合部の破損や、ブリッジの発生を確実に回避することができ、信頼性の高い部品接合を実現することができる。

特に、半導体チップ１１の接合時に所望の接合圧力を付与することができるので、半導体チップ１１の自重や活性樹脂層１９の粘性、バンプ２８の先端形状等に応じて最適な接合圧力を設定できる。また、品種変更や条件出しが容易に行えるようになる。さらに、活性樹脂層１９へのフィラー混入量の自由度が高まり、熱膨張係数を例えば６０ｐｐｍ以下（４０ｐｐｍ）へ低減することができた。

また、本実施の形態の部品接合用治具３５によれば、これ一台で同時に複数の部品実装体１０Ｂ（図２Ｃ）を製造することができるので、従来のチップマウンタを用いた実装工程と比較して、生産性の向上を図ることができる。実際に、チップマウンタを用いる場合に比べて処理時間を半分にまで短縮できたことが確認されている。

さらに、本実施の形態の部品接合用治具３５によれば、圧力源と接続される圧力供給口４０に空気の逆流を防止する逆止弁４１が設けられているので、当該治具３５を圧力源に常に接続しておく必要がなく、治具単独での取り回しが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、半導体チップ１１側に活性樹脂層１９を設けたが、これに代えて、配線基板２１（２１Ａ）側に活性樹脂層１９を設けてもよい。また、半導体チップ１１側に突起電極を形成し、配線基板２１側に端子部を形成してもよい。更に、はんだ２７はバンプ２８に形成する場合に限らず、接合パッド１８上に設けてもよい。

なお、本発明に係る部品接合方法は、半導体チップ１１と配線基板２１（２１Ａ）との接合に限らず、半導体チップどうしの接合にも適用可能である。また、半導体チップ１１はベアチップに限らず、半導体チップを樹脂でモールドしたパッケージ部品であってもよい。

また、以上の実施の形態では、粘着性樹脂層として活性樹脂層１９を用いたが、これに限らず、例えば異方性導電フィルム（ＡＣＦ）等の未硬化状態で一定の粘着性がある樹脂層を用いてもよい。

さらに、以上の実施の形態では、部品接合用治具３５をリフロー炉へ装填することで、半導体チップ１１と配線基板２１Ａとの接合を行うようにしたが、この部品接合用治具にヒータ等の加熱源を内蔵させ、リフロー炉を用いることなく治具単独で部品の接合を行うことも可能である。

なお、上述の実施形態で説明した部品接合用治具３５に対し、更に、空気圧が設定圧を下回った際に不足圧力を外部から補充可能なように逆止弁等の弁機構を設けてもよい。これにより、リフロー炉において、冷却工程での圧力不足を緩和でき、半導体チップ１１に対して終始一定の圧力を付与することが可能となる。

本発明の実施の形態による部品接合方法を説明する工程断面図である。本発明の実施の形態による部品接合方法を説明する工程断面図である。本発明の実施の形態による部品接合用治具３５の概略構成を示す断面図である。配線基板２１Ａに複数の半導体チップ１１が仮止めされた複合仮固定体１０を示す図である。部品接合用実３５の一作用を説明する断面図である。従来の部品接合方法を説明する工程断面図である。従来の他の部品接合方法を説明する工程断面図である。チップマウンタの概略構成図である。

符号の説明

１０，１０Ａ…仮固体体、１０Ｂ…部品実装体、１０Ｃ…半導体装置、１１…半導体チップ、１８…接合パッド（端子部）、１９…活性樹脂層（粘着性樹脂層）、２１…配線基板、２７…はんだ、２８…バンプ（突起電極）、３０…接合部、３１…アンダーフィル、３５…部品接合用治具、３６…治具本体、３７…圧力室、３８…部品収容室、３９…弾性シート体、４０…圧力供給口、４１…逆止弁、４２…リリーフ弁。

Claims

突起電極を有する第１の被接合部品と、前記突起電極と接合される端子部を有する第２の被接合部品と、を相互に接合する部品接合方法であって、
前記突起電極または前記端子部にははんだ層が形成されており、
前記第２の被接合部品の端子形成面に粘着性樹脂層を形成する工程と、
前記粘着性樹脂層に前記突起電極を食い込ませて前記第１，第２の被接合部品の仮固定体を作製する工程と、
前記仮固定体を流体圧で一定加圧しながら前記はんだ層を溶融させ前記突起電極と前記端子部とを接合する工程とを有する
部品接合方法。
前記粘着性樹脂層として、フラックス機能を有する活性樹脂を用いる
請求項１に記載の部品接合方法。
前記第１，第２の被接合部品は、一方が配線基板で他方が半導体素子である
請求項１に記載の部品接合方法。
前記第１，第２の被接合部品は、ともに半導体素子である
請求項１に記載の部品接合方法。
前記仮固定体のリフロー工程では、複数の仮固定体を同時に一括処理する
請求項１に記載の部品接合方法。