JP4031383B2

JP4031383B2 - Semiconductor device bonding method

Info

Publication number: JP4031383B2
Application number: JP2003068079A
Authority: JP
Inventors: 朋之吉野
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP2004281521A

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の接合方法に関する。
【従来の技術】
近時、電子部品や半導体デバイスの小型化、更には高密度実装技術の発展が著しい。特に携帯機器の小型化、軽量化、薄型化が注目されている。
最近では半導体装置の表面に形成した外部取り出し電極（以下、バンプと言う）面を下にした（フェイスダウン）で回路基板の導電パターンへ直接接合するフリップチップ接合方式（以下、ＦＣＢと言う）を採用する製品が増えてきている。
従来のフリップチップ実装技術は、チップの電極形成面に半田のバンプを形成して、金メッキされた回路基板の導電パターンに搭載し、その後加熱して半田を溶融させて接合する方法があり、Ｃ４と呼ばれている。（例えば、非特許文献１参照。）
また、チップの電極形成面に金のバンプを形成して、金メッキされた回路基板の導電パターンに搭載し、その後加熱して金と金の接合を行う。または金ワイヤーを利用して半導体装置にバンプを形成し、その先端にクリーム半田を塗布して加熱接合する方法もある。（例えば、非特許文献２参照。）
【非特許文献１】
大澤直著「電子材料のはんだ付技術」工業調査会出版、１９９２年１０月１０日、ｐ．２３３〜２３４
【非特許文献２】
塚田裕著「高密度・高性能・低コストフリップチップ技術」日刊工業新聞社出版、２０００年６月２０日、ｐ.１２３〜１２５
このようなＦＣＢを行う上で、回路基板の材料としては、セラミック基板、ガラス繊維などにエポキシ樹脂を含浸させた樹脂基板、ポリイミドなどのフィルムをベースにした所謂フレキシブル基板がある。
特に最近では、携帯機器関連の製品を見ると、液晶パネルの実装部分や携帯オーディオ、ビデオカメラなどの分野でフレキシブル基板を用いる例が多い。
また、高周波無線などに使用される回路実装にはセラミックス基板が、半導体パッケージなどではガラスエポキシ樹脂基板などが良く用いられる。
回路基板は、概ね平坦化された絶縁層の上に導電パターンを形成している。
この導電パターンと半導体装置側のバンプが位置合わせされた後、半導体装置または回路基板が加熱され接合する。
【発明が解決しようとする課題】
携帯機器の小型化を進める上でベアチップのＦＣＢは重要である。
更なる携帯機器の小型化を進めるためにはチップのサイズも小さくする必要があり、それには必然的にバンプ間距離を縮めるとともに、チップを構成するバンプ自体も小さくする必要がある。
しかし、バンプが小さいほど接合面積が小さくなり、接合力の低下につながっている。
また、バンプが小さいために比較的低荷重でもバンプ潰れが発生し、半導体装置と回路基板が接触してしまうことがある。
更に、信頼性においても、接合面積が小さいので熱衝撃や高温高湿の環境などで接合不良を起こしやすい。
そこで本発明は、上記した課題を解決し、接合強度の向上、バンプ変形を低減させたことによる狭ピッチ実装、信頼性向上の実現を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置の接合方法によれば、低温、低荷重、低応力でバンプと回路基板を接合出来るのでバンプ変形が少なく、接合強度が高く、信頼性も向上させることが出来る。
具体的には、第一に、半導体装置の金バンプに酸素を用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第二に、半導体装置の金バンプにアルゴンガスを用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第三に、半導体装置の金バンプに水素を用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第四に、半導体装置の半田バンプに酸素を用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の半田バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第五に、半導体装置の半田バンプにアルゴンガスを用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の半田バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第六に、半導体装置の半田バンプに水素を用いたプラズマを照射する。その後、半導体装置の半田バンプと回路基板の導電パターンを接合する。
第七に、半導体装置の金バンプに酸素、アルゴン、水素などを用いたプラズマを照射した後に、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μm程度擦過させ、その後、半導体装置と回路基板を熱圧着する。
第八に、半導体装置の金バンプに酸素、アルゴン、水素などを用いたプラズマを照射した後に、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μm程度擦過させ、その後、半導体装置に超音波を印加して回路基板と超音波接合する。
第九に、半導体装置の半田バンプに酸素、アルゴン、水素などを用いたプラズマを照射した後に、半導体装置の半田バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μm程度擦過させ、その後半導体装置の半田バンプを加熱することで半田を溶融し、回路基板と半田接合する。
第十に、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μm程度擦過させ、その後半導体装置と回路基板を熱圧着する。
第十一に、半導体装置の金バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μm程度擦過させ、その後半導体装置に超音波を印加して回路基板と超音波接合する。
第十二に、半導体装置の半田バンプと回路基板の導電パターンを位置合わせして数μm程度擦過させ、その後半導体装置の半田バンプを加熱することで半田を溶融し、回路基板と半田接合する。
【発明の実施の形態】
以下、図１の工程図を参照して本発明に係わる実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明によるフリップチップ実装工程を示す説明図である。
図１（１）は、半導体ウェハ１にダイシングを行い、ダイシングライン２を入れたところを示している。
図１（２）は、半導体ウェハから個片化された半導体装置を示しており、その表面にはバンプ４が形成されている。金バンプの場合、メッキによってバンプを形成する方法と、金ワイヤーからボールを形成する方法がある。
半田バンプの場合には、メッキによってバンプを形成する方法と、予め粒状に加工された半田ボールを半導体装置に搭載する方法などがある。
図１（３）は、プラズマ照射装置で半導体ウェハ８にプラズマ照射する工程を示している。ここで示しているプラズマ装置は、一般的に減圧プラズマ装置と言われているものである。プラズマ照射装置は、上部電極５と下部電極６の間に挟まれた密閉空間に減圧下で酸素、アルゴン、水素等のガスを注入し、上部電極５と下部電極６間に電圧を印加することでプラズマ状態を作り出している。
プラズマ装置には、減圧プラズマ装置の他に大気圧下でプラズマ発生できる大気圧プラズマ装置がある。
プラズマ照射することにより、半導体装置１１に形成したバンプ１０の表面に付着した有機物や表面近傍に形成された酸化層を除去し、バンプ１０の純粋な金属面を露出させることが出来る。
図２（１）は、プラズマ照射された半導体ウェハ１から個片化された半導体装置を吸着パーツ９でピックアップする工程を示している。
図２（２）は、前工程でピックアップされた半導体装置１１を吸着パーツ９が反転して、半導体装置の１１のバンプ１０が下向きになるように配置した状態を示している。
図２（３）は、半導体装置１１をボンディングヘッド１２へ受け渡ししている状態を示している。
図１（１）〜（３）及び図２（１）〜（３）の工程説明図で、半導体ウェハの状態からボンディングヘッドへ半導体装置を受け渡すまでの工程を示してきたが、半導体装置を予め個片化してトレイなどに収納した状態でプラズマ照射し、吸着パーツを介してボンディングヘッドに受け渡すことも可能である。
図３（１）は、吸着ヘッド１２に保持された半導体装置１１とベース基材１４と導電パターン１３からなる回路基板を位置合わせしている状態を示している。
図３（２）は、回路基板に半導体装置１１を搭載したところを示している。
図３（３）及び図４（１）は、半導体装置１１に形成したバンプ１０と回路基板の導電パターン１３を接触させた後、左右に摺動させて表面を擦過させている工程を示している。
このような摺動を行うことで、バンプ１０と回路基板の導電パターン１３を平滑化する
ことが出来ると同時に、プラズマ照射だけでは取り除くことが出来なかった不純物層を削除することが可能になる。
図４（２）は、ボンディングヘッドに超音波振動１６を印加している状態を示している。
ボンディングヘッドに印加された超音波振動は、半導体装置のバンプ１０へ伝わり、バンプ１０と導電パターン１３は接触された状態で、半導体装置１１を左右（または、前後）に数μm摺動することで接合する。
本例では、超音波接合法による接合例を示したが、超音波接合の他に加熱及び加圧による接合法もある。
図４（３）は、前記した図１（１）から図４（２）の工程を経て半導体装置１１と回路基板を接合した状態を示している。
図５及び図６は従来のフリップチップ実装工程を示す説明図である。
工程としては、図１で示した本発明の工程からプラズマ照射工程と、半導体装置のバンプと回路基板の導電パターンを擦過させる工程を削除したものである。
図５（１）は、ダイシングされた半導体ウェハから吸着パーツ９で半導体装置をピックアップする状態である。
図５（２）は、吸着された半導体装置１１が吸着パーツ９が反転することでバンプ形成面が下向きになっている状態を示している。
図５（３）〜図６（１）は、ボンディングヘッド１２に半導体装置１１を受け渡ししている状態を示している。
図６（２）は、回路基板と半導体装置を位置合わせしている状態を示している。
図６（３）は、半導体装置に超音波振動もしくは熱をかけてバンプ１７と回路基板の導電パターン１３を接合したところを示している。
【発明の効果】
本発明の工程によれば、半導体装置のバンプと回路基板の導電パターンの接合強度が増すことが出来る。
更に、低加圧・低温・低エネルギーで接合が可能になるので、バンプ自体の変形を少なく出来、安定した接合が可能になる。
接合の信頼性においても、新生面同士の接合が出来ているので耐熱衝撃性や耐高温高湿性が向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【図２】本発明によるフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【図３】本発明によるフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【図４】本発明によるフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【図５】従来のフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【図６】従来のフリップチップ実装工程を示す説明図である。
【符号の説明】
１半導体ウェハ
２ダイシングライン
３半導体装置
４バンプ
５上部電極
６下部電極
７プラズマ
８半導体ウェハ
９吸着パーツ
１０バンプ
１１半導体装置
１２ボンディングヘッド
１３導電パターン
１４電気絶縁層
１５擦過方向
１６超音波振動
１７バンプBACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for bonding semiconductor devices.
[Prior art]
In recent years, electronic components and semiconductor devices have been downsized and high-density packaging technology has been remarkably developed. In particular, downsizing, lightening, and thinning of portable devices are attracting attention.
Recently, a flip-chip bonding method (hereinafter referred to as FCB) that directly bonds to a conductive pattern on a circuit board with an external extraction electrode (hereinafter referred to as bump) formed on the surface of a semiconductor device facing down (face down) is used. More products are being adopted.
In the conventional flip chip mounting technology, there is a method in which solder bumps are formed on the electrode forming surface of a chip, mounted on a conductive pattern of a gold-plated circuit board, and then heated to melt the solder and join. is called. (For example, refer nonpatent literature 1.)
Also, gold bumps are formed on the electrode forming surface of the chip, mounted on a conductive pattern on a gold-plated circuit board, and then heated to join the gold and gold. Alternatively, there is a method in which bumps are formed on a semiconductor device using a gold wire, cream solder is applied to the tip of the semiconductor device, and heat bonding is performed. (For example, refer nonpatent literature 2.)
[Non-Patent Document 1]
Osawa Nao, "Electronic Material Soldering Technology", published by Industrial Research Council, October 10, 1992, p. 233-234
[Non-Patent Document 2]
Hiroshi Tsukada, “High-density, high-performance, low-cost flip chip technology” published by Nikkan Kogyo Shimbun, June 20, 2000, p.123-125
In performing such FCB, as a material for the circuit board, there are a ceramic substrate, a resin substrate obtained by impregnating glass fiber or the like with an epoxy resin, and a so-called flexible substrate based on a film of polyimide or the like.
In particular, recently, when looking at products related to portable devices, there are many examples of using flexible substrates in the fields of liquid crystal panel mounting, portable audio, video cameras, and the like.
Further, a ceramic substrate is often used for circuit mounting used for high-frequency radio, and a glass epoxy resin substrate is often used for semiconductor packages.
The circuit board has a conductive pattern formed on a substantially planarized insulating layer.
After the conductive pattern and the bumps on the semiconductor device side are aligned, the semiconductor device or circuit board is heated and bonded.
[Problems to be solved by the invention]
Bare-chip FCB is important for miniaturization of portable devices.
In order to further reduce the size of the portable device, it is necessary to reduce the size of the chip. To that end, it is necessary to reduce the distance between the bumps, and also to reduce the bump itself constituting the chip.
However, the smaller the bump, the smaller the bonding area, leading to a decrease in bonding force.
Further, since the bumps are small, the bumps may be crushed even with a relatively low load, and the semiconductor device and the circuit board may come into contact with each other.
Further, in terms of reliability, since the bonding area is small, bonding failure is likely to occur due to thermal shock or high temperature and high humidity environment.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to solve the above-described problems and to realize a narrow pitch mounting and improved reliability by improving the bonding strength and reducing the deformation of the bump.
[Means for Solving the Problems]
According to the semiconductor device bonding method of the present invention, the bump and the circuit board can be bonded at a low temperature, a low load, and a low stress, so that the bump deformation is small, the bonding strength is high, and the reliability can be improved.
Specifically, first, plasma using oxygen is irradiated to the gold bump of the semiconductor device. Thereafter, the gold bumps of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are bonded.
Second, plasma using argon gas is irradiated to the gold bumps of the semiconductor device. Thereafter, the gold bumps of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are bonded.
Third, plasma using hydrogen is irradiated to the gold bump of the semiconductor device. Thereafter, the gold bumps of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are bonded.
Fourth, the plasma using oxygen is irradiated to the solder bump of the semiconductor device. Thereafter, the solder bumps of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are bonded.
Fifth, plasma using argon gas is irradiated to the solder bumps of the semiconductor device. Thereafter, the solder bumps of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are bonded.
Sixth, plasma using hydrogen is irradiated to the solder bumps of the semiconductor device. Thereafter, the solder bumps of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are bonded.
Seventh, after irradiating the gold bump of the semiconductor device with plasma using oxygen, argon, hydrogen, etc., the gold bump of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are aligned and rubbed about several μm, and then the semiconductor The device and circuit board are thermocompression bonded.
Eighth, after irradiating the gold bump of the semiconductor device with plasma using oxygen, argon, hydrogen, etc., the gold bump of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are aligned and rubbed about several μm, and then the semiconductor Ultrasonic bonding is applied to the circuit board by applying ultrasonic waves to the apparatus.
Ninth, after irradiating the solder bump of the semiconductor device with plasma using oxygen, argon, hydrogen, etc., the solder bump of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are aligned and rubbed about several μm, and then the semiconductor device The solder bumps are heated to melt the solder and are soldered to the circuit board.
Tenth, the gold bumps of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are aligned and rubbed for about several μm, and then the semiconductor device and the circuit board are thermocompression bonded.
Eleventh, the gold bumps of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are aligned and rubbed by about several μm, and then ultrasonic waves are applied to the semiconductor device to ultrasonically bond with the circuit board.
Twelfth, the solder bumps of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are aligned and rubbed for about several μm, and then the solder bumps of the semiconductor device are heated to melt the solder and are soldered to the circuit board.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the process diagram of FIG.
FIG. 1 is an explanatory view showing a flip chip mounting process according to the present invention.
FIG. 1 (1) shows that the semiconductor wafer 1 is diced and a dicing line 2 is inserted.
FIG. 1 (2) shows a semiconductor device separated from a semiconductor wafer, and bumps 4 are formed on the surface thereof. In the case of gold bumps, there are a method of forming bumps by plating and a method of forming balls from gold wires.
In the case of solder bumps, there are a method of forming bumps by plating, a method of mounting solder balls that have been processed into a granular shape in a semiconductor device, and the like.
FIG. 1 (3) shows a step of irradiating the semiconductor wafer 8 with plasma with a plasma irradiation apparatus. The plasma apparatus shown here is generally called a low-pressure plasma apparatus. The plasma irradiation apparatus injects a gas such as oxygen, argon, hydrogen, or the like under reduced pressure into a sealed space sandwiched between the upper electrode 5 and the lower electrode 6 and applies a voltage between the upper electrode 5 and the lower electrode 6. Is creating a plasma state.
As a plasma apparatus, there is an atmospheric pressure plasma apparatus capable of generating plasma under atmospheric pressure in addition to a low pressure plasma apparatus.
By irradiating with plasma, the organic matter adhering to the surface of the bump 10 formed on the semiconductor device 11 and the oxide layer formed near the surface can be removed, and the pure metal surface of the bump 10 can be exposed.
FIG. 2 (1) shows a process of picking up the semiconductor device separated from the semiconductor wafer 1 irradiated with plasma by the suction part 9.
FIG. 2B shows a state in which the semiconductor device 11 picked up in the previous process is arranged so that the suction parts 9 are reversed and the bumps 10 of the semiconductor device 11 face downward.
FIG. 2 (3) shows a state where the semiconductor device 11 is delivered to the bonding head 12.
1 (1) to (3) and FIGS. 2 (1) to (3) are explanatory diagrams of processes, from the state of the semiconductor wafer to the process of delivering the semiconductor device to the bonding head. It is also possible to irradiate the plasma in a state of being separated into pieces in advance and accommodated in a tray or the like, and to deliver it to the bonding head via a suction part.
FIG. 3 (1) shows a state in which the circuit board including the semiconductor device 11, the base substrate 14, and the conductive pattern 13 held by the suction head 12 is aligned.
FIG. 3B shows the semiconductor device 11 mounted on the circuit board.
3 (3) and 4 (1) show a process in which the bump 10 formed on the semiconductor device 11 and the conductive pattern 13 of the circuit board are brought into contact and then slid left and right to scratch the surface. Yes.
By performing such sliding, the bump 10 and the conductive pattern 13 of the circuit board can be smoothed, and at the same time, the impurity layer that could not be removed only by plasma irradiation can be deleted.
FIG. 4B shows a state where the ultrasonic vibration 16 is applied to the bonding head.
The ultrasonic vibration applied to the bonding head is transmitted to the bumps 10 of the semiconductor device, and the semiconductor device 11 is slid left and right (or back and forth) several μm while the bumps 10 and the conductive pattern 13 are in contact with each other. Join.
In this example, the example of joining by the ultrasonic joining method was shown, but there is also a joining method by heating and pressurization in addition to the ultrasonic joining.
FIG. 4 (3) shows a state in which the semiconductor device 11 and the circuit board are bonded through the steps of FIGS. 1 (1) to 4 (2).
5 and 6 are explanatory views showing a conventional flip chip mounting process.
As the process, the plasma irradiation process and the process of rubbing the bump of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board are deleted from the process of the present invention shown in FIG.
FIG. 5A shows a state in which a semiconductor device is picked up from the diced semiconductor wafer by the suction part 9.
FIG. 5B shows a state in which the bump forming surface is directed downward when the sucked part 9 of the sucked semiconductor device 11 is reversed.
5 (3) to 6 (1) show a state in which the semiconductor device 11 is delivered to the bonding head 12. FIG.
FIG. 6B shows a state where the circuit board and the semiconductor device are aligned.
FIG. 6 (3) shows a state where the bump 17 and the conductive pattern 13 of the circuit board are joined by applying ultrasonic vibration or heat to the semiconductor device.
【The invention's effect】
According to the process of the present invention, the bonding strength between the bump of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board can be increased.
Further, since bonding can be performed with low pressure, low temperature, and low energy, the deformation of the bump itself can be reduced and stable bonding can be achieved.
In terms of bonding reliability, since the new surfaces can be bonded to each other, the thermal shock resistance and the high temperature and high humidity resistance have been improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a flip chip mounting process according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a flip chip mounting process according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory view showing a flip chip mounting process according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view showing a flip chip mounting process according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view showing a conventional flip chip mounting process.
FIG. 6 is an explanatory view showing a conventional flip chip mounting process.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor wafer 2 Dicing line 3 Semiconductor device 4 Bump 5 Upper electrode 6 Lower electrode 7 Plasma 8 Semiconductor wafer 9 Adsorption part 10 Bump 11 Semiconductor device 12 Bonding head 13 Conductive pattern 14 Electrical insulation layer 15 Friction direction 16 Ultrasonic vibration 17 Bump

Claims

Flip chip mounting in which a surface on which a bump as an external extraction electrode of a semiconductor device is formed is bonded in a state of facing the circuit board, and the circuit board includes an electrically insulating layer and a conductive pattern, and the conductive pattern is connected to the semiconductor device. In the bonding method of the semiconductor device to be bonded to the bump,
Irradiating the bump made of gold with plasma using one of oxygen, argon gas, and hydrogen;
Mounting the semiconductor device that has been subjected to the plasma irradiation after being aligned with a predetermined bonding position of the circuit board;
Pressurizing the semiconductor device to the conductive pattern of the circuit board;
Rubbing the conductive pattern of the circuit board and the bump of the semiconductor device;
A method of bonding a semiconductor device, comprising: bonding the bumps irradiated with plasma to the conductive pattern of the circuit board .

2. The step of bonding the bump to the conductive pattern of the circuit board includes a step of bonding the conductive pattern of the circuit board and the bump of the semiconductor device with heat and pressure. Semiconductor device bonding method.

The step of bonding the bump to the conductive pattern of the circuit board includes the step of bonding by applying ultrasonic waves while pressing the bump of the semiconductor device and the conductive pattern of the circuit board. Item 8. A method for bonding a semiconductor device according to Item 1.

Flip chip mounting in which a surface on which a bump as an external extraction electrode of a semiconductor device is formed is bonded in a state of facing the circuit board, and the circuit board includes an electrically insulating layer and a conductive pattern, and the conductive pattern is connected to the semiconductor device. In the bonding method of the semiconductor device to be bonded to the bump,
Irradiating the bump made of solder with plasma using any of oxygen, argon gas, and hydrogen;
Mounting the semiconductor device that has been subjected to the plasma irradiation after being aligned with a predetermined bonding position of the circuit board;
Pressurizing the semiconductor device to the conductive pattern of the circuit board;
Rubbing the conductive pattern of the circuit board and the bump of the semiconductor device;
Melting and bonding the bumps made of solder by heating the bumps irradiated with plasma and the conductive pattern of the circuit board;
A method for bonding semiconductor devices, comprising: