專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過貴金屬凸起面朝下地在布線基板上安裝Si芯片的半導(dǎo)體裝置和安裝方法，尤其是涉及可降低安裝時(shí)的芯片損傷、大大改善連接部的耐熱性、溫度循環(huán)壽命和高溫高濕及高溫保持可靠性的芯片/基板間的接合結(jié)構(gòu)及接合端子的金屬化結(jié)構(gòu)和金屬接合方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的使用Au凸起的半導(dǎo)體芯片的倒裝片安裝法中，有1)Au/Au直接接合、2)通過絕緣樹脂的芯片粘接，Au/Au接觸連接、3)通過各向異性導(dǎo)電性樹脂的芯片粘接，Au/Ag粒子/Au接觸連接、4)Au/Sn的熔化接合。2)、3)的樹脂粘接的接觸連接方式在曝露于高濕度環(huán)境后的各種可靠性試驗(yàn)中惡化顯著，缺乏可靠性，4)的使用低熔點(diǎn)金屬的熔化接合方式中，在接合界面上形成脆的金屬間化合物，在接合后的冷卻工序和溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，存在容易發(fā)生裂紋、強(qiáng)度可靠性低的問題。在現(xiàn)狀下，可靠性最好的安裝法是Au/Au直接接合方式。
作為Au/Au接合方式的背景技術(shù)，在特開平10-107078號(hào)或電子通信學(xué)會(huì)技術(shù)報(bào)告書(1995年7月)中作為現(xiàn)有技術(shù)公開了在布線基板的Au墊上增加超聲波并面朝下地金屬接合搭載形成Au凸起的表面波裝置。在這些現(xiàn)有技術(shù)中，為了使Au凸起/Au墊間確實(shí)金屬接合，設(shè)Au墊的膜厚大于0.5微米，作為適當(dāng)?shù)慕雍蠗l件，設(shè)接合負(fù)荷為75gf/bump-300gf/bump，接合溫度為150-250度，超聲波施加時(shí)間為500-800ms。作為在該條件下的Au凸起接合部的剪斷強(qiáng)度，得到40gf/bump-100gf/bump。因?yàn)楸砻娌ㄑb置的電介質(zhì)基板是復(fù)合氧化物系列的電介質(zhì)材料，所以強(qiáng)度非常強(qiáng)，在接合負(fù)荷為300gf/bump以前，沒有接合產(chǎn)生的損傷。作為接合條件下限值的接合負(fù)荷75gf/bump、接合溫度150、超聲波施加時(shí)間300ms是若下降到其上則在接合強(qiáng)度下降的同時(shí)，接合變得不穩(wěn)定，產(chǎn)生未接合品或未接合凸起，導(dǎo)致合格率下降或連接可靠性降低，制品的組裝困難的條件。另外，僅就陶瓷基板描述布線基板。
另一方面，特開平10-275826號(hào)中作為現(xiàn)有技術(shù)公開了在包含有機(jī)材料的布線基板上面朝下地經(jīng)金屬接合搭載形成Au凸起的半導(dǎo)體芯片的安裝方法。在現(xiàn)有技術(shù)中，通過在接合前，在真空中，照射離子或原子來清潔布線基板上覆蓋硬質(zhì)金屬Ni(3-5微米)/Au(0.03-0.05微米)的接合墊部，在形成凸起后，在非氧化性氣氛中保管芯片，保持清潔，進(jìn)行彼此接合。接合是將這些布線基板和芯片在大氣中加熱和加壓后保持規(guī)定時(shí)間，在硬質(zhì)金屬與Au凸起之間形成合金后進(jìn)行金屬接合。此時(shí)的適當(dāng)接合條件為接合溫度在芯片側(cè)為150-300度，在基板側(cè)為60-120度，接合負(fù)荷為20gf/bump-30gf/bump，接合時(shí)間為10-150秒。作為在照射離子或原子并清潔后的墊表面上僅剩余Au的程度，通過在上述條件下進(jìn)行接合，在硬質(zhì)金屬Ni與Au凸起之間形成合金，在對(duì)接合部進(jìn)行破壞試驗(yàn)的情況下，在挖去部分Ni層后附著在凸起電極前端的狀態(tài)下，越是斷裂，越可牢固接合。若提供超聲波，則可實(shí)現(xiàn)接合溫度的低溫化和接合時(shí)間的短時(shí)間化，但未詳細(xì)公開。
我們?cè)陂_發(fā)搭載微型計(jì)算機(jī)、圖像處理裝置或存儲(chǔ)器等最新的LSI芯片的高速、高功能的多芯片模塊的同時(shí)，研究評(píng)價(jià)了現(xiàn)有的Au/Au接合方式。模塊基板中，為了符號(hào)LSI芯片的電極間距，最小布線間距必須為90-40微米的間距。一般的印刷布線基板通過貼上Cu箔后進(jìn)行蝕刻并布圖的方法來制造，但在細(xì)微間距化方面，100微米間距的程度為界限?？蓪?duì)應(yīng)于在此以上的細(xì)微間距的布線基板中，在芯板上形成薄的絕緣層后，通過電鍍方法形成圖案的依次層疊方式的組合基板在生產(chǎn)性和可靠性及成本方面最有力。但是，該組合基板的依次層疊形成的有機(jī)絕緣層的玻璃轉(zhuǎn)變溫度為較低溫度(100-150度)，彈性率低，電鍍處理限定于無電解電鍍，所以形成厚的電鍍膜在成本上困難，由于形狀、尺寸的制約，細(xì)微布線的剛性低，所以存在現(xiàn)有的Au/Au金屬接合的倒裝片安裝困難的問題。具體研究實(shí)例如下所示。
經(jīng)上述超聲波接合技術(shù)，通過Au/Au接合將最新的LSI芯片倒裝片安裝在上述組合基板上。結(jié)果，在接合負(fù)荷為75gf/bump、接合溫度為150-250度、接合時(shí)間為300ms的條件下，在形成Au凸起的芯片的Al電極下絕緣層中產(chǎn)生微小的裂紋，判斷芯片損傷是該安裝法的大問題。另外，加熱組合基板時(shí)，細(xì)微布線因?yàn)槭┘釉诩?xì)微布線部上的接合負(fù)荷和超聲波振動(dòng)而變形大，電鍍形成在表面的Ni層中產(chǎn)生裂紋，判斷產(chǎn)生布線剝離。為了避免這些問題，若降低接合負(fù)荷，則得不到充分的接合，在大于50管腳的LSI芯片中，基于接合故障而產(chǎn)生初始導(dǎo)通故障，判斷難以實(shí)現(xiàn)100％接合率。另外，在接合溫度為150度時(shí)，由于有機(jī)基板的熱膨脹率17ppm與LSI芯片的熱膨脹率3ppm的差，在10mm的芯片中，最大產(chǎn)生約20微米的初始錯(cuò)位，在超聲波接合時(shí)的Au凸起變形工序中，該錯(cuò)位擴(kuò)大，判斷容易產(chǎn)生與相鄰端子短路的故障。另外，在芯片接合成粗的圖案的情況下，雖然不產(chǎn)生錯(cuò)位和短路故障，但在接合后的冷卻工序中，在芯片/基板間產(chǎn)生大的熱變形，芯片上的Al膜厚薄，基礎(chǔ)弱，判斷在LSI中產(chǎn)生芯片損傷(基礎(chǔ)絕緣層的裂紋)。
另一方面，在清潔基板表面并熱壓的現(xiàn)有的上述Au/Au接合法中，在Ni(5微米)/Au(0.05微米)規(guī)格的組合基板上倒裝片安裝最新的LSI芯片，在芯片溫度為150度/基板溫度為60度、接合時(shí)間為10-150s、接合負(fù)荷為20-30gf/bump的條件下，由大氣中的熱壓接合來實(shí)現(xiàn)充分的金屬接合。通過將接合樣品在NaOH水溶液中腐蝕Al電極去除芯片，檢查Au凸起向基板側(cè)的轉(zhuǎn)錄率的方法來評(píng)價(jià)接合狀態(tài)，判斷有無金屬接合。檢查得到Au凸起轉(zhuǎn)錄率100％的接合條件的結(jié)果，在芯片溫度為300度/基板溫度為120度的接合溫度、接合負(fù)荷為20-30gf/bump、接合時(shí)間大于150s的條件下確認(rèn)轉(zhuǎn)錄率100％。但是，因?yàn)樵谏鲜鋈我粭l件下接合時(shí)間都長至10-150s，所以判斷組合基板的溫度上升，依次層疊的絕緣層的彈性率下降，由該現(xiàn)象可知在基底中芯板具有Cu圖案布線的區(qū)域的細(xì)微布線部和無Cu圖案布線的區(qū)域的細(xì)微布線部的變形大小不同。因此，判斷Au凸起的變形率產(chǎn)生差異，變形率大的凸起得到充分的金屬接合，而變形率小的Au凸起接合不充分。這是在由玻璃轉(zhuǎn)變溫度和彈性率高的材料構(gòu)成的現(xiàn)有印刷布線板中未產(chǎn)生的問題。若接合溫度上升，則接合水平整體提高，所以即使在變形率小的Au凸起中也實(shí)現(xiàn)金屬接合，但由于伴隨基板熱膨脹的凸起/細(xì)微布線間的錯(cuò)位增大及細(xì)微布線部變形大并導(dǎo)致錯(cuò)位增加這兩個(gè)原因，難以安裝不足100微米的細(xì)微間距LSI。另外，在生產(chǎn)率方面，也存在接合時(shí)間長導(dǎo)致制造成本上升的問題。
另外，制作由現(xiàn)有的Au/Au接合法將模擬LSI的TEG芯片倒裝片安裝在各種布線基板上，在基板/芯片之間填充熱膨脹率約為30ppm的無機(jī)絕緣填料樹脂的安裝樣品，進(jìn)行-50/150度的溫度循環(huán)試驗(yàn)后進(jìn)行評(píng)價(jià)，在Au凸起向基板側(cè)的轉(zhuǎn)錄率為100％條件的樣品中，Au凸起的變形大，芯片/基板間的間隙小，在芯片的Al電極與Au凸起間產(chǎn)生裂紋，判斷1000循環(huán)水平下產(chǎn)生斷路。在抑制Au凸起變形的條件的樣品中，Au凸起的轉(zhuǎn)錄率不是100％，初期確認(rèn)導(dǎo)通，但在數(shù)百循環(huán)的試驗(yàn)中，判斷Au凸起與Au連接端子的接合界面開口，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到斷路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體的制造方法，在具有最小布線間距小于100微米的細(xì)微布線層且具有低的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的表面絕緣層的有機(jī)布線板中，在最小電極間距小于100微米具有多于50管腳的電極墊的LSI芯片中，不產(chǎn)生基板/芯片間的錯(cuò)位，并不產(chǎn)生芯片損傷，經(jīng)Au/Au金屬接合來可靠倒裝片連接所有管腳。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種安裝結(jié)構(gòu)和安裝工序，可將多管腳、細(xì)微間距的LSI芯片搭載在高可靠性低阻抗特性并具有細(xì)微布線層的有機(jī)布線基板上，提高組裝合格率，生產(chǎn)性好。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種半導(dǎo)體裝置，通過倒裝片連接將具有多于50管腳的電極墊的多管腳LSI芯片搭載在在表面層中具有由細(xì)微布線層和低玻璃轉(zhuǎn)變溫度的有機(jī)絕緣層構(gòu)成的組合層的有機(jī)布線基板上，倒裝片芯片連接部的耐熱性、電特性、高溫高濕及溫度循環(huán)可靠性好。
在本發(fā)明中，為了實(shí)現(xiàn)上述第一目的，在LSI芯片的電極上形成Au凸起，底座部的直徑或矩形的一邊大小為電極尺寸的60-100％或最小電極間距的50-90％、高度為5-40微米，在其上部為小于底座部直徑的70％，前端部更小，從底面到前端的整體高度大于30微米。另一方面，在具有細(xì)微布線層的有機(jī)布線基板側(cè)的Cu布線的連接端子最表面形成Au電鍍膜。在倒裝片接合兩者之前，在大氣壓或0.1-數(shù)Pa的減壓Ar氣氛下，經(jīng)Ar離子濺射物理蝕刻Au凸起表面，使膜厚大于5nm，經(jīng)Ar離于濺射物理蝕刻連接端了側(cè)的Au電鍍表面至大于5nm或Au膜厚的1/10-1/2左右。在減壓下物理蝕刻兩者的情況下，在氮?dú)饣蛉コ值母煽諝庵猩龎?，并將其分別取出到大氣中。將有機(jī)布線基板搭載在接合裝置的臺(tái)上，使LSI芯片反轉(zhuǎn)吸附在超聲波接合頭的接合工具面上，使兩者對(duì)位后，下降接合頭，使之重合。此時(shí)，將臺(tái)或接合工具保持在規(guī)定溫度，在對(duì)位工序中使有機(jī)布線基板和LSI芯片溫度達(dá)到規(guī)定溫度。重合后，從芯片里面施加壓力和超聲波振動(dòng)，金屬接合Au凸起和Au電鍍膜。此時(shí)的接合條件中，從1/2S1(m2)*120(Mpa)≤P(N)≤S1(m2)*180(Mpa)(公式1)的范圍內(nèi)選擇每1bump增加的負(fù)荷P(其中，S1Au凸起/電極間的接觸面積)。在比該條件高的負(fù)荷下，因?yàn)樵贏u凸起/芯片電極的接觸部中伴隨Au凸起的變形產(chǎn)生芯片損傷，所以在低負(fù)荷下，接合面積相比凸起尺寸明顯變小，在芯片/基板間產(chǎn)生熱變形的情況下，凸起主體不變形，變形集中在接合界面上，知路的概率增大。
作為其它接合條件，設(shè)接合氣氛的溫度小于60度，接合溫度在搭載基板的臺(tái)側(cè)為室溫-60度，在接合頭側(cè)為室溫-150度的范圍，設(shè)接合時(shí)間為50-500ms的范圍，設(shè)振動(dòng)振幅為芯片的振幅，在50kHz的情況下為0.3-2.0微米，因此，工具振幅在接合工具/芯片間的振動(dòng)傳遞效率為1/2的情況下為0.6-4.0微米的范圍，組合工件選擇適當(dāng)條件。另外，施加負(fù)荷方法為在施加超聲波中從低負(fù)荷向高負(fù)荷上升的方式，從表面清潔化到接合的接合工件曝露在大氣中的時(shí)間小于10分鐘。通過設(shè)定該接合條件范圍，僅在前端部分附近殘留Au凸起變形，不產(chǎn)生基板/芯片間的錯(cuò)位，且不對(duì)芯片產(chǎn)生損傷，確認(rèn)可達(dá)到全部管腳的Au/Au金屬接合。其研究結(jié)果一例如

圖12和圖13所示。圖12表示Ar濺射有機(jī)基板側(cè)和芯片側(cè)兩個(gè)面，使Au厚度為20nm左右，在工具振幅為3微米下超聲波接合情況下的接合部截面與拉長斷面的掃描型電子顯微鏡像。接合負(fù)荷小，將基板側(cè)的接合面積與芯片側(cè)的接合面積相比小于1/5左右，確認(rèn)在拉長斷截面中部分凸起附著在基板側(cè)，可知實(shí)現(xiàn)金屬接合。這里，所謂金屬接合的定義是指在接合界面處因位力而斷裂的情況下，在Au/Au接合部實(shí)現(xiàn)伴隨局部延伸呈現(xiàn)延展性斷裂的接合，確認(rèn)在凸起側(cè)與電鍍膜側(cè)的斷截面中觀察到Au突起。圖13表示凸起尺寸為50微米φ時(shí)將電極間距為80微米的芯片接合在組合基板上的截面照片。因?yàn)榛鍌?cè)的接合溫度為室溫，所以無熱變形，從低倍的截面像可知Au凸起高精度地接合在連接端子的其中中央處。另外，從中高倍率的像可知，Au凸起的組織僅在基板側(cè)變扁平并金屬接合的狀況。雖然在該條件的接合樣品中檢查芯片損傷，但沒有發(fā)生損傷。根據(jù)這些研究結(jié)果確認(rèn)可提供一種半導(dǎo)體的制造方法，即使最小電極間距小于100微米并具有大于50管腳的電極墊的LSI芯片中也不產(chǎn)生基板/芯片間的錯(cuò)位，并不產(chǎn)生芯片損傷，經(jīng)Au/Au的金屬接合來確實(shí)倒裝片連接全部管腳。
接著，為了實(shí)現(xiàn)第二目的，在LSI芯片上形成上述Au凸起，在基板側(cè)形成上述Au電鍍膜。作為接合前的濺射表面清潔方法，有局部同時(shí)進(jìn)行真空排氣工序和Ar氣體導(dǎo)入工序的工序，組合必要個(gè)數(shù)并依次進(jìn)行將多個(gè)LSI芯片載在托盤上一起濺射的工序和一起濺射多個(gè)基板的工序的工序。另外，選擇設(shè)接合溫度中搭載基板的臺(tái)側(cè)為室溫，僅升溫吸附芯片的接合頭側(cè)，施加超聲波和負(fù)荷進(jìn)行接合的方式。首先，在濺射工序中，在部分時(shí)間中重疊真空排氣和Ar氣體導(dǎo)入，縮短將Ar氣壓控制到規(guī)定氣壓的時(shí)間，可迅速開始放電，通過托盤承載芯片，可同時(shí)搬運(yùn)清潔多個(gè)芯片，將基板與芯片分開后進(jìn)行清潔的方式下，通過最佳化各清潔條件和設(shè)定各必要個(gè)數(shù)可定時(shí)清潔，大幅度縮短工件清潔所需的時(shí)間。另外，通過增加清潔基板與芯片兩者接合表面的工序的超聲波接合，可大幅度改善Au/Au接合性，可在低負(fù)荷、低溫、短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行接合，因?yàn)闆]有升溫時(shí)間縮短和熱的動(dòng)搖，所以可縮短對(duì)位工序，大幅度縮短倒裝片接合工序，提高生產(chǎn)性。另外，由于提高接合性，接合故障大大減少，提高了生產(chǎn)合格率。
下面，為了實(shí)現(xiàn)第三目的，將布線基板上形成的有機(jī)絕緣層上的Cu細(xì)微布線圖案形成為從絕緣層上突出的形狀，在該Cu布線上的最表面形成Au膜，LSI芯片電極上的Au凸起和Au電鍍膜以Au凸起接合部相對(duì)拉力拉伸2微米以上的接合水平金屬接合，在芯片/基板間的間隙中填充低熱膨脹、包含細(xì)微無機(jī)填料的樹脂。這里，圖9、圖10、圖11根據(jù)拉斷實(shí)例來表示Au拉伸2微米以上的條件的定義。根據(jù)接合水平，拉斷位置除了凸起/Au膜的接合界面附近、凸起內(nèi)、凸起/Al電極的接合界面附近外，即使任一種情況下，Hb-H0作為Au的延伸。首先，通過Au/Au的金屬接合連接的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連接部的耐熱性與電特性的大幅度提高。接著，通過Au/Au接合水平具有可在接合界面處吸收大于2微米的變形的性能、在芯片/基板間填充無機(jī)填料樹脂、不向接合部增加大的變形、基板的布線層比基板面、擴(kuò)大實(shí)質(zhì)的芯片/基板間隙并減小加到接合部上的熱變形，可大幅度改善溫度循環(huán)可靠性，由延展性的某個(gè)Au接合部吸收吸濕等引起的芯片/基板間隙的擴(kuò)大，從而可大幅度提高高溫高濕可靠性。
附圖的簡要說明圖1是本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的一實(shí)施例。
圖2是本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例。
圖3是本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的再一實(shí)施例。
圖4是本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的又一實(shí)施例。
圖5是本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的又一實(shí)施例。
圖6是本發(fā)明的LSI芯片與有機(jī)布線基板的接合結(jié)構(gòu)的一實(shí)施例。
圖7是本發(fā)明的LSI芯片與有機(jī)布線基板的接合結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例。
圖8是本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的又一實(shí)施例。
圖9是接合部拉伸拉斷時(shí)的Au延伸的定義和拉斷實(shí)例。
圖10是接合部拉伸拉斷時(shí)的Au延伸的定義和拉斷實(shí)例。
圖11是接合部拉伸拉斷時(shí)的Au延伸的定義和拉斷實(shí)例。
圖12是Au凸起接合部的截面形狀和拉斷狀況。
圖13是80微米間距LSI芯片與組合基板的接合截面圖。
發(fā)明的
具體實(shí)施例方式
下面，使用附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1表示本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的一實(shí)施例。圖中，布線基板由芯板12、形成于其兩側(cè)上的組合層17、27和芯片連接用端子21構(gòu)成。芯板12由玻璃環(huán)氧樹脂絕緣板8、通過蝕刻布圖粘接的Cu箔的粗布線層10、11和連接表里布線間的貫通孔9構(gòu)成，組合層17由涂布形成的薄絕緣層13、在其上通過電鍍法形成的細(xì)微布線層14和連接粗布線層和細(xì)微布線層的輔助孔15構(gòu)成。組合層中的薄絕緣層在150-180度的溫度下硬化焙烤液態(tài)樹脂，所以Tg溫度小于150度，彈性率也低。芯片有連接端子21由Cu電鍍形成的細(xì)微布線18、其上的Ni電鍍膜19、以及還在其上的Au電鍍膜20構(gòu)成。Ni電鍍由導(dǎo)入P的無電解電鍍形成，膜厚為5-10微米，Au電鍍由置換型無電解電鍍形成，膜厚為0.03-0.06微米。半導(dǎo)體芯片6具有形成于半導(dǎo)體基板1中央的電路形成區(qū)域2的區(qū)域和形成于周邊的積層絕緣膜3的區(qū)域，并具有外部連接用Al電極墊4和覆蓋其外區(qū)域的保護(hù)膜5。在半導(dǎo)體芯片的Al電極墊上，由超聲波熱壓的球形焊接法形成Au凸起。芯片的電極墊數(shù)為256管腳，墊間距為80微米，墊尺寸為65微米四方形，墊材料為Al-Cu或Al-Cu-Si，Al膜厚為400-1000nm。Au凸起尺寸為壓后的凸起直徑為50微米φ，臺(tái)座高度為10-25微米，頭部的直徑為30-40微米φ，高度為35-50微米，包含至導(dǎo)線突起部的整體高度為50-70微米。另外，倒裝片接合工序中的表面清潔處理通過Ar氣體濺射蝕刻芯片側(cè)的Au凸起面至Au膜厚相當(dāng)于10-20nm，濺射蝕刻基板側(cè)的Au墊面至Au膜厚相當(dāng)于5-10nm。在表面清潔處理后從取出到大氣中到進(jìn)行接合為止的時(shí)間為10min以內(nèi)，在周圍的相對(duì)濕度小于60％的氣氛下進(jìn)行接合。作為接合條件，接合負(fù)荷模式是在超聲波施加中使負(fù)荷增加的變動(dòng)負(fù)荷方式，初期負(fù)荷在1g/bump-5g/bump的范圍內(nèi)，最終負(fù)荷在10g/bump-30g/bump的范圍內(nèi)，壓在芯片上的工具前端的振動(dòng)振幅在1-4微米范圍內(nèi)，超聲波施加時(shí)間在100ms-500ms的范圍內(nèi)，并從其中選擇最佳條件。具體而言，在初期負(fù)荷為5g/bump(1.28kg)，最終負(fù)荷為20g/bump(5.12kg)，振動(dòng)振幅為3微米，超聲波施加時(shí)間為300ms下進(jìn)行接合。接合溫度為芯片側(cè)的工具加熱溫度為150度，搭載基板的臺(tái)溫度為室溫20度。實(shí)際的接合部截面如圖B所示。盡管組合基板的Au膜厚非常薄，也認(rèn)為Au/Au接合界面中幾乎無缺陷，實(shí)現(xiàn)金屬接合。在有機(jī)基板的外部連接端子23中，通過Ni電鍍膜形成無鉛的焊錫凸起28。初期的Au膜溶解在焊錫中，沒殘留在界面中。
根據(jù)本實(shí)施例，提供一種高可靠的多芯片模塊，在以80微米的布線間距形成的具有低玻璃轉(zhuǎn)變溫度的表面絕緣層的有機(jī)布線基板上形成細(xì)微Au柱形凸起的LSI芯片中，不產(chǎn)生連接部的錯(cuò)位，并且不產(chǎn)生芯片損傷、即Al電極下的絕緣多層膜的裂紋，可由Au/Au金屬接合倒裝片連接所有256管腳，所以可將最先端的超高速LSI芯片搭載在有機(jī)基板上。因?yàn)榇藭r(shí)不必對(duì)LSI芯片進(jìn)行特殊加工，所以可實(shí)現(xiàn)模塊制品的低成本，由可在短時(shí)間(兩個(gè)月左右)制造的有機(jī)基板構(gòu)成模塊，可在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)組裝符合顧客規(guī)格的系統(tǒng)的模塊。另外，可在相鄰0.1mm左右的狀態(tài)下將芯片搭載到基板上，實(shí)現(xiàn)高密度安裝，可使模塊小型化。另一方面，因?yàn)橛裳诱剐缘腁u/Au金屬接合連接作為接合部的結(jié)構(gòu)，其形狀為芯片側(cè)大、基板側(cè)小的接合形狀，所以即使在芯片/基板間產(chǎn)生變形的情況下，在芯片側(cè)產(chǎn)生高的應(yīng)力之前，通過基板側(cè)的Au凸起部和接合界面附近的彈性變形來吸收變形，所以不會(huì)發(fā)生模塊組裝工序中的芯片損傷和接合部的斷路等組裝故障，可高合格率地進(jìn)行模塊組裝，降低制品成本。
另外，由于可在Au膜厚為0.03-0.06微米、非常薄有連接端子上進(jìn)行倒裝片安裝，所以基板的外部連接端子側(cè)的Au膜厚也同樣薄，即使由包含很多Sn的焊錫形成焊錫凸起，也不形成AuSn金屬間化合物層，實(shí)現(xiàn)焊錫連接部的高強(qiáng)度化，提高與母板的連接可靠性。
圖2表示本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例。圖中，組合基板在具有通孔布線32和雙面布線33、34的芯板35的兩側(cè)形成由涂布形成的絕緣層36、37、43、44、電鍍形成的細(xì)微布線38、45、輔助孔布線40、47、48和最表面的Au膜厚為0.05微米的電鍍形成的連接端子39、41、46構(gòu)成的組合層42、49。在組合基板的單面中，多個(gè)LSI芯片51通過由球形焊接法形成于Al電極52上的Au凸起55由Au/Au金屬接合連接搭載在基板的連接端子41上。以凸起高度為30微米、布線高度為20微米進(jìn)行組裝。在LSI芯片/基板間，填充對(duì)芯片側(cè)的鈍化膜53和基板的絕緣層37兩者粘接性好的無機(jī)填料的未充滿樹脂56。另外，被動(dòng)部件57由無鉛焊錫58連接搭載在連接端子39上。另一方面，在組合基板的相對(duì)側(cè)覆蓋部分連接端子46地形成抗蝕刻膜59，在連接端子中形成無鉛的焊錫凸起。圖3表示圖2的半導(dǎo)體裝置組裝流程的一實(shí)施例。從準(zhǔn)備LSI芯片形成Au柱形凸起后進(jìn)行濺射、并濺射組合基板開始，在基板上順序超聲波倒裝片接合規(guī)定個(gè)數(shù)的LSI芯片。Au凸起的柱形厚度大于10nm，基板側(cè)的柱形厚度大于Au膜厚的1/10或大于10nm。接合溫度在芯片側(cè)為常溫-150度，在基板側(cè)為常溫-60度。LSI芯片接合后，在芯片/基板間流入未充滿樹脂，在120度以下進(jìn)行偽烘烤。接著，在基板的芯片搭載側(cè)的被動(dòng)部件連接端子上印刷焊錫膠，提供被動(dòng)部件進(jìn)行回流。之后，將部分涂布焊劑的焊錫球提供給連接端子，進(jìn)行回流。最后，洗凈焊劑后，通過150度的烘烤完成硬化LSI芯片下的未充滿部分，完成組裝。
根據(jù)本實(shí)施例，基于LSI芯片/組合基板的間隙大到50微米進(jìn)行組裝，在其間隙中填充樹脂后經(jīng)加熱烘烤進(jìn)行硬化，經(jīng)樹脂的硬化收縮和從烘烤溫度150的冷卻，總向接合部施加壓縮力，在溫度循環(huán)試驗(yàn)和高溫高濕試驗(yàn)中，在接合部中不產(chǎn)生剝離方向的大的力，另外，微小的剪斷方向的變形小，可由Au凸起的彈性變化吸收，所以在接合部周邊不發(fā)生高的應(yīng)力的理由，可提高LSI芯片的連接可靠性非常高的半導(dǎo)體裝置。另外，因?yàn)橛苫暹B接端子的Au膜厚為0.05微米非常薄的膜構(gòu)成，所以可提高焊錫連接部的可靠性。另外，LSI芯片的微小連接部由低電阻的Au金屬且最短距離地連接到基板上，所以連接部的電阻和阻抗分量非常小，電特性好，可減小信號(hào)傳送延遲，不降低高速系統(tǒng)的性能。另外，因?yàn)锳u/Au倒裝片接合部的耐熱性高，所以此后容易進(jìn)行被動(dòng)部件和LSI部件的焊錫搭載，可混載超先端的LSI芯片和焊錫接合部件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇范圍變寬，設(shè)計(jì)容易。
圖4表示本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的又一實(shí)施例。細(xì)微單面布線基板65的細(xì)微連接端子66對(duì)Cu圖案實(shí)施Ni/Au電鍍。在LSI芯片60、61的Al電極上形成Au柱形凸起，通過Au/Au的金屬接合與基板65的連接端子連接。在基板與LSI芯片之間填充無機(jī)填料的低熱膨脹樹脂，經(jīng)加熱后硬化。將基板65粘接固定在母板68上，在基板與母板之間用Au線70的絲焊進(jìn)行連接。
根據(jù)本實(shí)施例，因?yàn)樵跓o通孔的單面布線基板中構(gòu)成模塊，所以可由貼有薄Cu箔的基板蝕刻工序來制造，通過降低基板的成本，可穩(wěn)定模塊成本。另外，因?yàn)榘聊赴宕钶d都沒有焊錫接合部，所以不制約后加部件的焊錫搭載，組裝容易，可提高溫度循環(huán)可靠性和高溫高濕可靠性。
圖5表示本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的又一實(shí)施例。圖中，在雙層布線印刷基板93的單面的一部分上通過粘接劑粘貼具有通孔85的單面帶形基板95，通過Au/Au的高負(fù)荷條件的熱壓來接合帶形基板的通孔電極85和印刷基板的連接端子90。通過超聲波熱壓來Au/Au接合帶形基板的布線連接端子84和形成于LSI芯片80的Al電極81上的Au電鍍凸起82。在芯片/帶形基板間填充硬化樹脂87。在印刷基板里面的外部連接端子91上形成焊錫凸起。
根據(jù)本實(shí)施例，作為僅在LSI芯片搭載部中形成細(xì)微布線區(qū)域的結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ㄟ^壓接在其它工序中制造的細(xì)微布線帶形基板的方法可制造模塊基板，所以可提高基板制造的產(chǎn)量，可低成本化。另外，在由于芯片收縮等變更LSI芯片規(guī)格的情況下，僅通過帶形基板的最小限度變更就可再制作基板，可縮短規(guī)格變更的開發(fā)周期。
圖6表示本發(fā)明的LSI芯片與有機(jī)布線基板的接合結(jié)構(gòu)的一實(shí)施例。圖中，在LSI芯片100的Al電極101上通過球形焊接法形成Au柱形凸起103。柱形凸起由在毛細(xì)工具前端面壓Au球的厚度為20微米的臺(tái)部和壓入毛細(xì)孔中形成的主體部及拉伸斷裂AU導(dǎo)線形成的尖塔形前端部構(gòu)成。形成僅在前端部壓碎后Au/Au接合在基板連接端子上的形狀。芯片側(cè)的接合部直徑為45微米，基板側(cè)的接合部直徑為30微米。有機(jī)布線基板在芯板115的兩個(gè)面上形成薄的絕緣層107、108，并在其上形成細(xì)微布線層。芯片連接端子的結(jié)構(gòu)是在Cu圖案上進(jìn)行Ni/Au或Ni/Pd/Au的結(jié)構(gòu)，Au厚度或Pd+Au厚度為0.05-0.1微米。
根據(jù)本實(shí)施例，基板側(cè)的接合面積比芯片側(cè)的接合面積小1/2，凸起高度維持初期柱形凸起主體部的高度并且高，即使在接合后的負(fù)荷開放時(shí)產(chǎn)生的基板翹曲時(shí)，也不會(huì)向芯片Al電極周邊施加大于Au屈服強(qiáng)度1/2的力，所以不會(huì)應(yīng)力破壞芯片Al電極下的絕緣多層膜。因此，即使基板的平坦精度低，組裝合格率也高。該應(yīng)力的問題在接合中也一樣，通過對(duì)實(shí)施例的凸起形狀進(jìn)行控制，可降低接合時(shí)的芯片損傷。
圖7表示本發(fā)明的LSI芯片與有機(jī)布線基板的接合結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例。圖中，在LSI芯片120的Al電極121上部分覆蓋鈍化膜122地形成金屬化膜123，在其上通過電鍍法形成Au凸起。Au凸起在電鍍工序后施加熱處理，實(shí)施軟化處理，使維氏硬底Hv小于80。有機(jī)布線基板的芯片連接端子137的連接端子前端部的尺寸設(shè)計(jì)得相對(duì)凸起的底面尺寸小，接合后的端子側(cè)接合面積小于凸起底面面積的1/2。具體而言，凸起為40微米四方形*15微米高度，連接端子臺(tái)部寬30微米，前端部寬20微米，高為20微米。連接端子的結(jié)構(gòu)為在Cu圖案上進(jìn)行Ni-P/Au或Ni-P/Pd/Au的結(jié)構(gòu)，Au厚度或Pd+Au厚度為0.05-0.1微米。
根據(jù)本實(shí)施例，提供一種可靠性非常高的半導(dǎo)體裝置，因?yàn)闃?gòu)成為在有機(jī)布線基板上通過Au/Au金屬接合搭載形成Au電鍍凸起的LSI芯片，所以Al電極不曝露在外部，即使曝露在高溫高濕氣氛的腐蝕環(huán)境下也不會(huì)受到影響。另外，凸起的底面覆蓋在鈍化膜上，在凸起中央接觸連接端子來配置，所以不會(huì)在Al電極周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，不會(huì)對(duì)芯片產(chǎn)生接合損傷，可提高組裝合格率。最擔(dān)心的是因?yàn)锳u凸起變形，基板的高度差異或電鍍凸起的高度差異不被吸收，產(chǎn)生未接合端子，但通過熱處理降低Au凸起硬度及減小連接端子尺寸，容易侵入Au電鍍凸起，可通過Au凸起的局部變形來吸收高度差異，避免該問題。
圖8表示本發(fā)明半導(dǎo)體裝置的截面結(jié)構(gòu)的又一實(shí)施例。圖中，在LSI芯片140的電路形成面中形成由厚度為2-4微米聚酰亞胺絕緣膜142和帶墊壘膜的Cu布線143構(gòu)成的再布線膜，在其上形成最表面為Au膜的電極端子144。在該電極端子中通過球形焊接法形成AU柱形凸起145。有機(jī)布線基板為布線間距為200微米的印刷電路基板，對(duì)連接端子實(shí)施Ni/Au電鍍。在基板相對(duì)側(cè)的外部連接端子上形成焊錫凸起，另外，在芯片/基板間填充樹脂進(jìn)行固定。
根據(jù)本實(shí)施例，使用在細(xì)微間距的LSI芯片中形成再布線擴(kuò)大層的芯片，通過Au/Au金屬接合連接在有機(jī)基板上，所以可在有機(jī)布線基板中使用一般的印刷電路基板，可低成本化。另外，因?yàn)槭峭ㄟ^聚酰亞胺墊傳遞接合時(shí)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，所以完全不會(huì)產(chǎn)生組裝工序中的芯片損傷，對(duì)位容易，可大幅度提高合格率。另外，因?yàn)樾酒?基板間的連接部耐熱性和可靠性高，所以基本上沒有對(duì)模塊向母板的搭載工序的制約，容易處理，使用方便。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，提供一種半導(dǎo)體的制造方法，在具有最小布線間距小于100微米的細(xì)微布線層且具有低的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的表面絕緣層的有機(jī)布線板中，在最小電極間距小于100微米具有多于50管腳的電極墊的LSI芯片中，不產(chǎn)生基板/芯片間的錯(cuò)位，并不產(chǎn)生芯片損傷，經(jīng)Au/Au金屬接合來確實(shí)倒裝片連接所有管腳。
另外，提供一種安裝結(jié)構(gòu)和安裝工序，可將多管腳、細(xì)微間距的LSI芯片搭載在高可靠性低阻抗特性并具有細(xì)微布線層的有機(jī)布線基板上，提高組裝合格率，生產(chǎn)性好。
另外，提供一種半導(dǎo)體裝置，通過倒裝片連接將具有多于50管腳的電極墊的多管腳LSI芯片搭載在在表面層中具有由細(xì)微布線層和低玻璃轉(zhuǎn)變溫度的有機(jī)絕緣層構(gòu)成的組合層的有機(jī)布線基板上，倒裝片芯片連接部的耐熱性、電特性、高溫高濕及溫度循環(huán)可靠性好。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，具備至少一部分由有機(jī)材料構(gòu)成的多層布線基板；形成電路的半導(dǎo)體芯片；和埋置在上述半導(dǎo)體芯片與上述多層布線基板之間的有機(jī)樹脂，其特征在于上述多層布線基板上的芯片連接用端子下的至少一部分的構(gòu)成部件由具有小于150度的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的有機(jī)材料構(gòu)成，芯片連接用端子的最小間距為小于100微米的間距，芯片連接用端子的表面金屬由Ni-P/Au或Ni-P/Pd/Au的電鍍層構(gòu)成，并且Au或Pd/Au的貴金屬部的總厚度為0.005-0.3微米，在半導(dǎo)體芯片的電極端子上形成Au凸起，通過金屬接合連接基板上的上述Au連接端子和芯片的上述Au凸起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述多層布線基板是由如下各部分構(gòu)成的多層布線基板單面或雙面具有布線圖案的印刷布線基板構(gòu)成的芯板；具有在上述芯板上涂布液態(tài)樹脂并使之硬化或貼附膜形樹脂而形成的有機(jī)絕緣層、在上述有機(jī)絕緣層上形成比芯板細(xì)微的最小布線間距小于100微米的Cu布線的細(xì)微布線層、和連接上層細(xì)微布線和下層細(xì)微布線的輔助孔連接部的多于一層的組合層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于由呈現(xiàn)Au延性斷裂的金屬接合來倒裝片連接Au凸起/Au連接端子，在芯片/基板間填充包含無機(jī)絕緣填料的樹脂，基板的外部連接端子由焊錫凸起構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于上述芯板上的上述有機(jī)絕緣層由玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg150以下的有機(jī)樹脂構(gòu)成，細(xì)微布線Cu圖案的至少一部分由電鍍形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于粘接聚酰亞胺帶形基板來形成上述芯板上的上述有機(jī)絕緣層和上述細(xì)微布線層。
6.一種半導(dǎo)體裝置，具備至少一部分由有機(jī)材料構(gòu)成的多層布線基板；形成電路的半導(dǎo)體芯片；和埋置在上述半導(dǎo)體芯片與上述多層布線基板之間的有機(jī)樹脂，其特征在于金屬接合上述多層布線基板上的Au連接端子和上述半導(dǎo)體芯片上的Au凸起，Au凸起的結(jié)晶組織是在芯片側(cè)粗、在基板側(cè)與端子面方向一致的扁平形狀且細(xì)微的組織。
7.一種半導(dǎo)體裝置，包含組合基板，在具有通孔和雙面布線圖案的有機(jī)布線基板的兩個(gè)面上形成由有機(jī)絕緣層、Cu電鍍布線和輔助孔構(gòu)成的1-4層組合層，在與半導(dǎo)體芯片連接的端子面上實(shí)施Au厚度為0.005-0.3微米的無電解Ni/Au或無電解Ni/Pd/Au電鍍；和半導(dǎo)體芯片，在具有多于50個(gè)管腳的裸芯片的連接電極或設(shè)置在芯片表面上的再布線層上的連接電極上形成Au凸起，通過Au/Au的金屬接合來倒裝片連接Au凸起與Au電鍍面，在基板與芯片之間的間隙中填充包含無機(jī)絕緣填料的樹脂，在組合基板里面的外部連接端子上，經(jīng)回流形成焊錫凸起。
8.一種半導(dǎo)體裝置，具備至少一部分由有機(jī)材料構(gòu)成的多層布線基板；形成電路的半導(dǎo)體芯片；和埋置在芯片與基板之間的有機(jī)樹脂，其特征在于由Au電鍍層構(gòu)成上述多層布線基板上的芯片連接端子的最表面金屬，在上述半導(dǎo)體芯片的電極端子面上形成貴金屬柱形凸起，通過金屬接合連接上述芯片連接端子上的Au電鍍層和上述貴金屬凸起，芯片電極/凸起間的緊貼面積Sc與凸起/基板側(cè)連接端子間的緊貼面積Sk之比Sk/Sc小于1/2。
9.一種半導(dǎo)體裝置，通過貴金屬彼此的固態(tài)金屬接合的倒裝片連接將半導(dǎo)體芯片安裝在布線基板上，其特征在于布線基板上的半導(dǎo)體芯片連接端子的表面金屬由Ni/Au或Ni/Pd/Au的電鍍層構(gòu)成，并且Au或Pd/Au的貴金屬部的總厚度為0.005-0.3微米，半導(dǎo)體芯片由Si基板上的電路形成區(qū)域和電極墊區(qū)域構(gòu)成，在其表面上夾雜厚度大于2微米的有機(jī)絕緣層來形成再布線層，與電極墊電連接的再布線層的連接墊由總厚度大于2微米的Cu/勢(shì)壘金屬/Au的多層金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在該連接墊上形成Au凸起，通過Au/Au的金屬接合倒裝片連接Au凸起與Au電鍍面，并用包含無機(jī)絕緣填料的樹脂填充基板與芯片間的間隙，在布線基板里面的外部連接端子上，由回流形成焊錫凸起。
10.一種半導(dǎo)體裝置，通過貴金屬彼此的固態(tài)金屬接合的倒裝片連接將半導(dǎo)體芯片安裝在布線基板上，其特征在于布線基板上的芯片連接端子的表面金屬由Ni/Au或Ni/Pd/Au的電鍍層構(gòu)成，并且Au或Pd/Au的貴金屬部的總厚度為0.005-0.3微米，半導(dǎo)體芯片由Si基板上的Cu布線的電路形成區(qū)域和Cu電極墊區(qū)域構(gòu)成，經(jīng)勢(shì)壘層在Cu電極墊最表面實(shí)施Au或Al金屬化處理，并在其上形成Au柱形凸起或Au電鍍凸起，由Au/Au金屬接合倒裝片連接Au凸起和Au電鍍面，并用包含無機(jī)絕緣填料的樹脂填充基板與芯片間的間隙，在布線基板里面的外部連接端子上形成焊錫凸起。
11.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，具有在布線基板的Au電鍍連接端子和芯片上形成的Au凸起的倒裝片連接中，通過平行平板電極間產(chǎn)生的減壓下的Ar放電氣體物理濺射蝕刻布線基板的Au連接端子表面大于Au膜厚的1/10或大于10nm、小于Au膜厚的1/2的厚度的工序；與基板側(cè)一樣濺射蝕刻芯片上的Au凸起表面數(shù)-數(shù)十nm的厚度的工序；使基板與芯片面對(duì)并對(duì)位的工序；將芯片側(cè)加熱到室溫至150度范圍的溫度Tc、將基板側(cè)加熱到室溫-低于基板的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg的溫度Tb的工序；通過包含在超聲波加振中增加施加在芯片上的負(fù)荷的工序的超聲波接合方法來進(jìn)行Au/Au的金屬接合的工序；在基板與芯片之間填充樹脂的工序；加熱硬化填充的樹脂的工序；和在基板的外部連接端子中形成焊錫凸起的工序。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于設(shè)在濺射蝕刻芯片和布線基板兩者后到由超聲波倒裝片接合之前的大氣開放時(shí)間為10分鐘以內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于設(shè)超聲波接合時(shí)的基板溫度為室溫，設(shè)芯片溫度為室溫到150度。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于設(shè)超聲波接合時(shí)的基板溫度和芯片溫度為室溫。
全文摘要
對(duì)于在有機(jī)基板上直接搭載具有小于100微米間距大于50管腳的電極的LSI芯片的半導(dǎo)體裝置，提供半導(dǎo)體裝置的耐焊錫回流性、溫度循環(huán)可靠性、高溫高濕可靠性好的安裝結(jié)構(gòu)及制造方法。構(gòu)成為通過Au/Au金屬接合直接倒裝片接合芯片的電極Au凸起和基板連接端子最表面的Au膜，并接合構(gòu)成為Au凸起的接合部延伸大于2微米。得到該接合結(jié)構(gòu)的方法為從濺射清潔開始在10分鐘內(nèi)超聲波接合兩接合面的工序，選擇接合條件為基板側(cè)常溫，芯片側(cè)常溫－150度，接合負(fù)荷1/2S＊100MPa－S＊180MPa(S凸起/芯片間的接觸面積)，負(fù)荷模式接合中增加，超聲波時(shí)間50－500ms，可實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H05K3/46GK1430272SQ02159388
公開日2003年7月16日 申請(qǐng)日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月26日
發(fā)明者梶原良一, 小泉正博, 筱田政佳, 成澤明彥, 西村朝雄, 守田俊章, 高橋和彌, 伊藤和利 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所