JPH1117103A - バンプを備える基材同士の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接続信頼性、コスト性及び生産性に優れたバ
ンプを備える基材同士の接合方法を提供する。 【解決手段】 第１の基材２及び第２の基材３は、互い
のバンプ形成面２ａ，３ａを対向させるようにして離間
配置されている。基材２，３間に、バンプ形成材料より
も硬い被圧接体２３を介在させる。その被圧接体２３の
両側面に両基材２，３のバンプ形成面２ａ，３ａを圧接
する。すると、第１の基材２に形成された第１のバンプ
群のフラットニング処理と、第２の基材３に形成された
第２のバンプ群のフラットニング処理とが略同時に行わ
れる。その後、アライメントされた第１のバンプ４及び
第２のバンプ５同士をフリップチップボンディング法に
より圧着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バンプを備える基
材同士の接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ボンディングワイヤを用いたワイヤボン
ディングに代わる技術として、近年新たにフリップチッ
プボンディングと呼ばれる技術が提唱されている。以
下、フリップチップボンディング法の概要を、半導体チ
ップ同士を接合する場合（いわゆるチップオンチップの
場合）を例に挙げて簡単に説明する。

【０００３】第１の半導体チップの下面側には、第１の
バンプからなる第１のバンプ群が形成される。第２の半
導体チップの上面側には、第２のバンプからなる第２の
バンプ群が形成される。第２の半導体チップは、バンプ
形成面を上方に向けた状態でフリップチップボンダのヒ
ートステージの上面に真空吸着される。第１の半導体チ
ップは、バンプ形成面を下方に向けた状態で、真空吸着
機能を有するヘッドに吸着される。そして、第１のバン
プ群を第２のバンプ群に対してアライメントした後にヘ
ッドを降下させる。すると、両バンプ同士が圧着・接合
し、２つの半導体チップが一体化するようになってい
る。

【０００４】ところで、フリップチップボンディングを
実施する場合、同じバンプ群に属するバンプの高さにば
らつきがあると、第２の半導体チップ上に載せられてい
る第１の半導体チップが傾いて位置ずれを起こす。この
ような位置ずれは接続信頼性の低下をもたらす原因にも
なるので、あらかじめバンプの高さを揃えておくという
フラットニング処理が必要と考えられている。

【０００５】従来提唱されているフラットニング処理と
しては、例えばバンプにめっきを施して高さを揃える方
法がある。また、別の方法としては、バンプを板材に圧
接することにより機械的にバンプの高さを揃える方法も
ある。図７〜図９に後者の方法を簡単に示す。

【０００６】後者の方法では、まず第１の半導体チップ
３１をヘッド３２の下面側に真空吸着する（図７参
照）。第１の半導体チップ３１の下面、即ちバンプ形成
面には、第１のバンプ３３が多数形成されている。この
状態でヘッド３２を下降させ、板材３４の片側面に第１
のバンプ３３を圧接する。その結果、第１のバンプ群に
おける高さばらつきＢが解消され、各バンプ３３の高さ
が揃えられる（図８参照）。フラットニング処理を終え
た第１の半導体チップ３１を釈放した後、続いて同様の
手順により第２の半導体チップ３５に対する第２のバン
プ３６のフラットニング処理を行う。なお、この順序は
逆でもよい。そして、最後に第１の半導体チップ３１と
第２の半導体チップ３５とをフリップチップボンダのヒ
ートステージ３７上にて接合する（図９参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来技術に
は次のような問題があった。めっき法によるフラットニ
ング処理では、そのためのめっき設備が必要になるの
で、コスト高が避けられなかった。

【０００８】また、板材圧接によるフラットニング処理
では、半導体チップ３１，３５を１枚ずつ個々に処理す
る必要があったことから、生産性の向上が望まれてい
た。本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、
その目的は、接続信頼性、コスト性及び生産性に優れた
バンプを備える基材同士の接合方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明では、互いのバンプ形成面
を対向させるようにして離間配置された第１の基材及び
第２の基材の間に、バンプ形成材料よりも硬い被圧接体
を介在させる工程と、その被圧接体の両側面に前記両基
材のバンプ形成面を圧接することにより、前記第１の基
材に形成された第１のバンプ群のフラットニング処理
と、前記第２の基材に形成された第２のバンプ群のフラ
ットニング処理とを略同時に行う工程と、アライメント
された第１のバンプ及び第２のバンプ同士をフリップチ
ップボンディング法により圧着する工程とを含むことを
特徴とするバンプを備える基材同士の接合方法をその要
旨とする。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１におい
て、前記被圧接体はガラス板であるとした。請求項３に
記載の発明は、請求項１または２において、前記第１の
バンプ及び前記第２のバンプは、ともにワイヤボンディ
ング装置を利用して形成された金バンプであるとした。

【００１１】請求項４に記載の発明は、請求項１または
２において、前記第１のバンプ及び前記第２のバンプ
は、ともにワイヤボンディング装置を利用して形成され
たはんだバンプであるとした。

【００１２】以下、本発明の「作用」を説明する。請求
項１〜４に記載の発明によると、第１の基材のバンプ形
成面が被圧接体の一方側面に圧接される結果、第１のバ
ンプのうち相対的に高いものの頭部が押し潰され、第１
のバンプ群における各バンプの高さが揃えられる。これ
と略同時に、第２の基材のバンプ形成面が被圧接体の他
方側面に圧接される結果、第２のバンプのうち相対的に
高いものの頭部が押し潰され、第２のバンプ群における
各バンプの高さが揃えられる。従って、基材接合時に基
材同士が位置ずれを起こすことがなく、バンプ同士の接
続信頼性も向上する。

【００１３】また、両バンプ群のフラットニング処理が
略同時に行われるため、１枚ずつ個々に処理する方法に
比べて所要時間も短かくなり、生産性が確実に向上す
る。さらに、この方法であればめっき設備も不要である
ため、高コスト化を伴うこともない。

【００１４】請求項２に記載の発明によると、ガラス板
はある程度の耐熱性を有するので、フリップチップボン
ダ内の高温にも耐えられる。また、ガラス板は安価であ
り加工も容易という利点がある。さらに、ガラス板は透
光性を有するので、検査等を行う場合に便利である。

【００１５】請求項３に記載の発明によると、第１のバ
ンプ及び第２のバンプの形成材料がともに金であるた
め、異種のものを組み合わせた場合に比べて、圧着時に
金属同士が馴染みやすい。このことは接続信頼性の向上
にも貢献する。また、金は比較的軟質であるので、被圧
接体への圧接により簡単にフラットニングされる。

【００１６】請求項４に記載の発明によると、第１のバ
ンプ及び第２のバンプの形成材料がともにはんだである
ため、異種のものを組み合わせた場合に比べて、圧着時
に金属同士が馴染みやすい。このことは接続信頼性の向
上にも貢献する。また、はんだは廉価であるため、低コ
スト化にも有利である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明をチップオンチップ
構造体の製造方法に具体化した一実施の形態を図１〜図
６に基づき詳細に説明する。

【００１８】図５には、チップオンチップ構造体１が概
略的に示されている。このチップオンチップ構造体１
は、２枚の半導体チップ２，３を一体化してなるもので
ある。第１の基材としての第１の半導体チップ２は略矩
形状であって、バンプ形成面（即ち下面）２ａに第１の
バンプ群を備えている。第１のバンプ群は多数の第１の
バンプ４からなる。第２の基材としての第２の半導体チ
ップ３は略矩形状であって、前記第１の半導体チップ２
よりも大きい。第２の半導体チップ３は、バンプ形成面
（即ち上面）３ａに第２のバンプ群を備えている。第２
のバンプ群は多数の第２のバンプ５からなる。第１のバ
ンプ４と第２のバンプ５とは互いに圧着されている。従
って、これらのバンプ４，５を介して、両半導体チップ
２，３間の電気的な接続が図られている。両半導体チッ
プ２，３間には一定幅のギャップ６が存在している。こ
のギャップ６には、エポキシ樹脂等のような封止材７が
充填されている。上記のようなチップオンチップ構造体
１は、例えば図示しないマザーボード上に実装された状
態で使用される。なお、第２の半導体チップ３における
バンプ形成面３ａの外周部には、マザーボードに対する
ワイヤボンディングのための図示しないボンディングパ
ッドが多数形成されている。

【００１９】次に、半導体チップ２，３に対してバンプ
４，５を形成する方法について説明する。図６（ａ）に
は、ワイヤボンディング装置１１の要部が概略的に示さ
れている。このワイヤボンディング装置１１を構成する
キャピラリ１２には、ワイヤスプールＳｐから引き出さ
れた金属線材１３が挿通されている。ここでは金属線材
１３として、金含有量が９９．９９重量％以上の金ワイ
ヤを選択している。キャピラリ１２とワイヤスプールＳ
ｐとの間には、金属線材１３を挟むためのクランパ１４
が配置されている。また、このワイヤボンディング装置
１１は、電気的溶融手段としての電気トーチ１５を備え
ている。電気トーチ１５は、図示しないムービングヘッ
ドに支持されている。ムービングヘッドは、キャピラリ
１２の先端にあるワイヤ吐出口１２ａの付近まで移動可
能に構成されている。

【００２０】次に、前記装置１１を用いたバンプ形成方
法を図６（ｂ）〜図６（ｅ）に基づいて工程順に説明す
る。ここでは、第１の半導体チップ２に対する第１のバ
ンプ４の形成を例に挙げる。

【００２１】あらかじめ従来公知の方法に従って作製さ
れた半導体チップ２を、バンプ形成面２ａ側を上に向け
た状態でワイヤボンディング装置１１のステージ上にセ
ットしておく。なお、第１の半導体チップ２のバンプ形
成面２ａには、バンプ形成用パッド１６がスパッタリン
グ等によってあらかじめ形成されている。

【００２２】まず、金属線材１３の先端をキャピラリ１
２のワイヤ吐出口１２ａから僅かに突出させる。次のボ
ール形成工程では、前記突出している金属線材１３の先
端の近傍まで電気トーチ１５を移動させ、かつ金属線材
１３と非接触の状態で電気トーチ１５に通電を行う。す
ると、電気トーチ１５から金属線材１３へと電流が流れ
る結果、金属線材１３の先端が溶融してボール状になる
（図６(b) 参照）。

【００２３】次のボール圧着工程では、キャピラリ１２
を下動させることにより、前記ボールＢ1 をバンプ形成
用パッド１６の上面に圧着する。ボールＢ1 は、このと
きキャピラリ１２のワイヤ吐出口１２ａの内部形状に対
応した形状に、即ちネイルヘッド状に成形される（図６
(c) 参照）。そして、このネイルヘッド状に成形された
ボールＢ1 は、多段状をした第１のバンプ４の基部とな
る。

【００２４】次の線材切断工程では、金属線材１３をク
ランプした状態でキャピラリ１２を上動させることによ
り、金属線材１３をあらかじめ設定された所定の長さで
引きちぎる（図６(d) 参照）。そして、上記の一連の手
順を必要に応じて繰り返すことにより、他のバンプ形成
用パッド１６上にも同様に第１のバンプ４を形成する。
形成された第１のバンプ４は、後述するフラットニング
処理によって高さが揃えられる（図６(e) 参照）。な
お、第２の半導体チップ３に対する第２のバンプ５の形
成も同様の手順によって実施される。

【００２５】次に、バンプ４，５が形成された半導体チ
ップ２，３同士を接合する方法について説明する。図１
に示されるように、まず、フリップチップボンダのヒー
トステージ２１の上面にフラットニング処理前の第２の
半導体チップ３をセットする。このとき、第２の半導体
チップ３は、バンプ形成面３ａを上方に向けた状態でヒ
ートステージ２１上に真空吸着される。ヒートステージ
２１は１５０℃〜２００℃程度の温度に加熱される。一
方、フラットニング処理前の第１の半導体チップ２は、
バンプ形成面２ａを下方に向けた状態で、真空吸着機能
を有するヘッド２２の下面に吸着される。このヘッド２
２は図示しない駆動手段に支持されており、それによっ
て上下左右方向に駆動される。

【００２６】図１の状態では、第１及び第２の半導体チ
ップ２，３は、互いのバンプ形成面２ａ，３ａが対向す
るようにして配置されている。従って、両半導体チップ
２，３間には未だ一定のクリアランスが存在している。

【００２７】次いで図２に示されるように、２つの半導
体チップ２，３をそれぞれセットした後、両者２，３の
間に被圧接体としてのガラス板２３を介在させる。被圧
接体としてガラス板２３を選択した１つの理由は、ガラ
スはバンプ形成材料（ここでは金）よりも硬い材料だか
らである。前記ガラス板２３は、図示しない被圧接体駆
動手段によって水平に支持されている。被圧接体駆動手
段はガラス板２３を水平方向に駆動させる。即ち、必要
なときにはガラス板２３を使用位置まで突出させ、不要
なときにはガラス板２３を不使用位置まで待避させる。

【００２８】上記の準備工程が完了した後、次いで図３
に示されるように、ヘッド２２を所定距離だけ降下させ
る。すると、第１の半導体チップ２のバンプ形成面２ａ
がガラス板２３の上面に圧接されると同時に、第２の半
導体チップ３のバンプ形成面３ａがガラス板２３の下面
に圧接される。その結果、第１のバンプ４のうち相対的
に高いものの頭部が押し潰され、第１のバンプ群におけ
る各バンプ４の高さが揃えられる。また、第２のバンプ
５のうち相対的に高いものの頭部が押し潰され、第２の
バンプ群における各バンプ５の高さが揃えられる。

【００２９】つまり、第１のバンプ群のフラットニング
処理と第２のバンプ群のフラットニング処理とがこの工
程において同時に行われる。上記のフラットニング工程
が完了した後、まず、ヘッド２２を上昇させるとともに
ガラス板２３を待避させる。次いで、ヘッド２２を水平
方向に移動させることによりアライメント工程を行う。
その結果、第１のバンプ群を第２のバンプ群に対して位
置合わせする。

【００３０】アライメント工程が完了した後、再びヘッ
ド２２を降下させることにより、アライメントされた第
１のバンプ４及び第２のバンプ５同士をフリップチップ
ボンディング法により圧着する（図４参照）。さらに、
一体化した２つの半導体チップ２，３間にあるギャップ
６に、図示しないディスペンサ等を用いて封止材を隙間
なく充填する。以上の結果、図５に示す所望のチップオ
ンチップ構造体１を得ることができる。

【００３１】さて、以下に本実施形態において特徴的な
作用効果を列挙する。 （イ）この実施形態では、両方の半導体チップ２，３に
ついてフラットニング処理を行なった後に圧着工程を行
なっている。従って、アライメントされた第１の半導体
チップ２が圧着工程の際に傾いて位置ずれを起こすよう
なことが回避される。よって、正しい位置関係で圧着が
行われる結果、バンプ４，５同士の接続信頼性も確実に
向上する。

【００３２】また、この実施形態では、両バンプ群のフ
ラットニング処理が同時に行われる。そのため、半導体
チップ２，３を１枚ずつ個々に処理する従来方法に比べ
て、所要時間も短かくなり、生産性が確実に向上する。
さらに、この方法であればめっき設備も不要であるた
め、高コスト化を伴うこともない。

【００３３】（ロ）この実施形態では、被圧接体として
ガラス板２３を用いている。ガラス板２３はある程度の
耐熱性を有するので、フリップチップボンダ内の高温に
も確実に耐えられる。つまり、１５０℃〜２００℃とい
う温度に晒されても殆ど熱膨張することがないため、被
圧接体として適している。つまり、バンプ４，５の高さ
を精度よく揃えることができる。また、ガラス板２３は
安価であり加工も容易という利点がある。このことはコ
スト性の向上にも貢献する。さらに、ガラス板２３は透
光性を有するので、検査等を行う場合にも便利である。

【００３４】（ハ）この実施形態では、第１のバンプ４
及び第２のバンプ５は、ともにワイヤボンディング装置
１１を利用して形成された金バンプである。ゆえに、バ
ンプ形成用材料として異種金属を組み合わせた場合に比
べ、圧着時に金属同士が馴染みやすい。このことは接続
信頼性の向上にも貢献する。また、金は比較的軟質であ
るので、ガラス板２３への圧接により簡単にフラットニ
ングされる。よって、半導体チップ２，３に大きな応力
が付加する危険性も小さく、半導体チップ２，３の破壊
等が未然に防止される。加えて、金は導電性にも優れて
いるため低抵抗化を図ることができる。

【００３５】なお、本発明は上記の実施形態のみに限定
されることはなく、例えば次のように変更することが可
能である。 ◎ 被圧接体は実施形態において例示したガラス板２３
のみに限定されることはない。例えば、アルミナ板、窒
化珪素板、窒化ほう素板等のようなセラミックス焼結体
製の板材であってもよい。また、融点の高い金属からな
る金属製の板材を使用してもよい。ただし、熱膨張係数
の小さなセラミックス材料を選択するほうがフラットニ
ング精度が高くなる。なお、被圧接体は必ずしも板状物
でなくてもよい。

【００３６】◎ ワイヤボンディング装置１１を利用し
て形成される第１及び第２のバンプ４，５は必ずしも金
バンプに限定されることはなく、金を主成分として含む
バンプであってもよい。また、金を含まないもの、例え
ばはんだバンプなども許容される。はんだバンプを採用
した場合でも、バンプ４，５の形成材料がともに等しく
なるため、異種金属を組み合わせた場合に比べて、圧着
時に金属同士が馴染みやすくなる。このことは接続信頼
性の向上にも貢献する。また、はんだは廉価であるた
め、低コスト化にも有利となる。

【００３７】◎ フラットニング処理の対象物であるバ
ンプ４，５は、ワイヤボンディング装置１１を利用して
形成されたもののみに限定されることはなく、それ以外
の方法により形成されたものであってもよい。

【００３８】◎ アライメント工程は、実施形態のよう
に圧着工程の直前に行われてもよく、例えば準備工程完
了後かつフラットニング工程実施前に行われてもよい。 ◎ ガラス板２３等の被圧接体の突出・待避動作は、被
圧接体駆動手段によって行なわれてもよいほか、手動で
行なわれても勿論よい。

【００３９】◎ ヘッド２２及びヒートステージ２１を
上下に配置する実施形態の構成に代え、例えばそれら２
１，２２を左右に配置してもよい。 ◎ 本発明の基材同士の接合方法は、半導体チップ２，
３同士の接合に適用されるばかりでなく、例えば半導体
チップと回路基板との接合等に適用されることが可能で
ある。つまり、チップオンボード構造体の製造にも応用
することができる。また、バンプを備える回路基板同士
を接合する場合に応用することが可能である。

【００４０】ここで、特許請求の範囲に記載された技術
的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される
技術的思想をその効果とともに以下に列挙する。 （１） 互いのバンプ形成面を対向させるようにして離
間配置された第１の基材及び第２の基材の間に、バンプ
形成材料よりも硬い被圧接体を介在させる工程と、その
被圧接体の両側面に前記両基材のバンプ形成面を圧接す
ることにより、前記第１の基材に属する第１のバンプ群
のフラットニングと前記第２の基材に属する第２のバン
プ群のフラットニングとを同時に行う工程とを含むバン
プのフラットニング方法。この方法であると、短時間で
効率よくバンプの高さを揃えることができる。

【００４１】（２） 前記金バンプの金含有量は９９．
９９重量％以上であることを特徴とするバンプを備える
基材同士の接合方法。この方法であると、接続信頼性の
向上、フラットニング処理の容易化、低抵抗化等を図る
ことができる。

【００４２】（３） 請求項３または４において、ワイ
ヤボンディング装置を構成するキャピラリの先端から突
出している金属線材の先端を溶融手段により溶融してボ
ール状にするボール形成工程と、形成されたボールを前
記基材上のバンプ形成位置に圧着するとともに、そのボ
ールをネイルヘッド状に成形するボール圧着工程と、前
記金属線材を所定の長さで引きちぎる線材切断工程とか
らなるバンプの形成方法により、前記第１のバンプ及び
第２のバンプを形成することを特徴とするバンプを備え
る基材同士の接合方法。

【００４３】なお、本明細書中において使用した技術用
語を次のように定義する。「キャピラリ： ワイヤボン
ディング装置の一部であって、その先端にある吐出口か
ら例えば金等のような金属からなる線材を吐出させる機
能を備えたものをいう。」

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜４に記
載の発明によれば、接続信頼性、コスト性及び生産性に
優れたバンプを備える基材同士の接合方法を提供するこ
とができる。

【００４５】請求項２に記載の発明によれば、バンプの
高さを精度よく揃えることができるとともに、コスト性
のさらなる向上を図ることができる。請求項３，４に記
載の発明によれば、圧着時に金属同士が馴染みやすいた
め接続信頼性のさらなる向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態において、第１の半導体チップ及び第
２の半導体チップをフリップチップボンダにセットした
状態を示す概略断面図。

【図２】両半導体チップ間にガラス板を介在させた状態
を示す概略断面図。

【図３】両半導体チップのバンプ形成面をガラス板の両
面に圧接した状態を示す概略断面図。

【図４】両半導体チップのバンプ同士を圧着した状態を
示す概略断面図。

【図５】チップオンチップ構造体を示す概略断面図。

【図６】（ａ）はワイヤボンディング装置を示す概略
図、（ｂ）〜（ｅ）は同装置によるバンプの形成手順を
説明するための概略断面図。

【図７】従来の接合方法を説明するための概略断面図。

【図８】従来の接合方法を説明するための概略断面図。

【図９】従来の接合方法を説明するための概略断面図。

【符号の説明】

２…第１の基材としての第１の半導体チップ、２ａ，３
ａ…バンプ形成面、３…第２の基材としての第２の半導
体チップ、４…第１のバンプ、５…第２のバンプ、２３
…被圧接体としてのガラス板。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いのバンプ形成面を対向させるようにし
   て離間配置された第１の基材及び第２の基材の間に、バ
   ンプ形成材料よりも硬い被圧接体を介在させる工程と、 その被圧接体の両側面に前記両基材のバンプ形成面を圧
   接することにより、前記第１の基材に形成された第１の
   バンプ群のフラットニング処理と、前記第２の基材に形
   成された第２のバンプ群のフラットニング処理とを略同
   時に行う工程と、 アライメントされた第１のバンプ及び第２のバンプ同士
   をフリップチップボンディング法により圧着する工程と
   を含むことを特徴とするバンプを備える基材同士の接合
   方法。
2. 【請求項２】前記被圧接体はガラス板であることを特徴
   とする請求項１に記載のバンプを備える基材同士の接合
   方法。
3. 【請求項３】前記第１のバンプ及び前記第２のバンプ
   は、ともにワイヤボンディング装置を利用して形成され
   た金バンプであることを特徴とする請求項１または２に
   記載のバンプを備える基材同士の接合方法。
4. 【請求項４】前記第１のバンプ及び前記第２のバンプ
   は、ともにワイヤボンディング装置を利用して形成され
   たはんだバンプであることを特徴とする請求項１または
   ２に記載のバンプを備える基材同士の接合方法。