JP2000082715A - 半導体装置の樹脂封止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンダーフィルモールドの封止樹脂の流れ性
を改善すると共に水分や気泡の混入が少ない清浄な封止
樹脂を供給し、かつ硬化シュリンクによる樹脂密度やフ
ィラーの分布が均一となる半導体装置の樹脂封止方法を
提供する。 【解決手段】 半導体チップ４がはんだボール３を介し
て配線基板２に接合され、該半導体チップ４と配線基板
２との間をアンターフィルモールドされてなる半導体装
置１の樹脂封止方法において、配線基板２と半導体チッ
プ４との隙間を封止するための封止樹脂５をポッティン
グノズル６より所定量流下させて供給する樹脂供給工程
と、ポッティングノズル６より流下した封止樹脂５が隙
間に到達する前に該封止樹脂５を所定温度に加熱する第
１の加熱工程と、隙間に封止樹脂５が充填された半導体
装置１に、半導体チップ４の中心部より加熱を行って封
止樹脂５を周辺部に向かって順次硬化させる第２の加熱
工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップがバ
ンプを介して配線基板に接合され、該半導体チップと配
線基板との間をアンターフィルモールドされてなる半導
体装置の樹脂封止方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の小型化、高集積化が
進行するなかで、半導体チップを電極端子に形成された
バンプを介して配線基板にフリップチップ接続して用い
る半導体装置が用いられている。例えば、図８において
半導体装置５１は、配線基板５２上に半導体チップ５３
が搭載されて、電極端子としてのはんだボール５４によ
りフリップチップ接続されている。半導体チップ５３と
配線基板５２との間には、ポッティング法により封止樹
脂５５が充填されてアンダーフィルモールドされて半導
体装置が製造される。この封止樹脂５５は、一般に熱硬
化性樹脂にガラス繊維などのフィラーが混入されてお
り、熱放散性を高めると共に熱膨張係数差により半導体
チップに加わるストレスを軽減している。封止樹脂５５
は、半導体チップ５３と配線基板５２との間に充填され
て加熱されることにより硬化させられる。

【０００３】半導体装置５１のアンターフィルモールド
方法について具体的に説明すると、図７において、配線
基板５２を所定角度θに傾けて保持させ、該配線基板５
２と半導体チップ５３との隙間に図示しないポッティン
グノズルより流下させた室温程度に加温された封止樹脂
５５を流し込む。このとき、配線基板５２は図示しない
ヒーターにより１００°Ｃ程度に加熱することで、該配
線基板５２と半導体チップ５３との隙間に到達した封止
樹脂５５を低粘度化して、内部のエアを押し出すように
半導体チップ５３の上方より封止樹脂５５が流れ込んで
充填される。そして、封止樹脂５５が上記半導体チップ
５３の下方に到達して充填が終了すると、配線基板５２
の向きを傾き位置から水平位置となるように変更し、ヒ
ートプレート上に配線基板５２を載置して半導体装置５
１を封止樹脂５５の硬化温度でキュアしてアンダーフィ
ルモールドが終了する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、配線基板５２上
に搭載される半導体チップ５３は、高集積化、高密度化
が進行しているため、図８において半導体チップ５３の
寸法Ｌは、例えば１０ｍｍから２０ｍｍ程度に大きくな
る傾向にある一方で、実装に要する占有容積を考慮する
と高さをできるだけ低く抑えたいことから、半導体チッ
プ５３と配線基板５２との隙間Ｈは、例えば１００μｍ
程度から３０μｍ程度へと狭くなる傾向にある。また、
隙間Ｈにははんだバンプ５４が配設されているため、封
止樹脂５５の流れ性が低下する。また、封止樹脂５５の
粘度、とりわけフィラーの混入量が樹脂の流れ性に与え
る影響が大きく、混入量が多いほど流れ性が悪くなる。
また、配線基板５２と半導体チップ５３を加熱すること
により隙間に充填される封止樹脂５５を低粘度化して流
れ性の改善を図ったとしても、隙間Ｈが狭いため微細な
気泡が残留し易く、フィラーが沈降して樹脂との分離が
起こり易い。

【０００５】また、低粘度化した封止樹脂５５が、配線
基板５２と半導体チップ５３との隙間を流れ込む最中
に、該封止樹脂５５の硬化が半導体チップ５３の周辺部
から進行し始めるため、中央部に空間ができ易くなり、
樹脂密度やフィラーが偏って硬化するおそれがあった。
具体的には、半導体装置５１に上記封止樹脂５５を充填
する際から加熱が行われ、最終的に該半導体装置５１を
キュアして均等に加熱しているため、封止樹脂５５の硬
化速度に差があり、遅れて硬化する部分には封止樹脂５
５がシュリンクしても必要な樹脂量を充填できず負圧域
が生ずる。配線基板５２と半導体チップ５３との隙間Ｈ
は非常に狭くなってきているため、わずかな硬化シュリ
ンクのばらつきにより大きな面積に渡って負圧域を生
じ、封止樹脂５５に混入する気体が噴出して空間が形成
されやすい。この空間の形成が、配線基板５２と半導体
チップ５３との熱伝導性や熱膨張率の偏りを生じて、半
導体チップ５３にストレスが加わり機能障害を生ずるお
それがあった。

【０００６】本発明の目的は、上記従来技術の課題を解
決し、アンダーフィルモールドの封止樹脂の流れ性を改
善すると共に水分や気泡の混入が少ない清浄な封止樹脂
を供給し、かつ硬化シュリンクによる樹脂密度やフィラ
ーの分布が均一となる半導体装置の樹脂封止方法を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため次の構成を備える。即ち、半導体チップがバン
プを介して配線基板に接合され、該半導体チップと配線
基板との間をアンターフィルモールドされてなる半導体
装置の樹脂封止方法において、配線基板と半導体チップ
との隙間を封止するための封止樹脂をポッティングノズ
ルより所定量流下させて供給する樹脂供給工程と、ポッ
ティングノズルより流下した封止樹脂が隙間に到達する
前に該封止樹脂を所定温度に加熱する第１の加熱工程
と、隙間に封止樹脂が充填された半導体装置に、半導体
チップの中心部より加熱を行って封止樹脂を周辺部に向
かって順次硬化させる第２の加熱工程とを有することを
特徴とする。

【０００８】また、配線基板が所定角度に傾いた傾き位
置で隙間に半導体チップの上方より封止樹脂を流し込
み、該半導体チップの下方に到達した際に、配線基板の
向きを水平位置へ変えるのが好ましく、また封止樹脂が
半導体チップの下方に到達したことを監視カメラにより
確認すると、配線基板を傾き位置から水平位置へ向きを
変えるようにしても良い。また、第１の加熱工程は、ポ
ッティングノズルより流下した封止樹脂を、室温以上で
封止樹脂の硬化温度以下の範囲内で加熱するのが好まし
い。また、第２の加熱工程は、半導体装置を補助ヒータ
により加熱されたプレート上に載置して配線基板側より
補助加熱すると共に、半導体チップ側より封止樹脂の硬
化温度まで加熱するのが望ましい。また、第２の加熱工
程において、中心部が周辺部より熱伝導率が高い硬化ツ
ール、或いは中心部が周辺部より熱容量が高い硬化ツー
ルを用いて半導体チップ側より封止樹脂の硬化温度まで
加熱しても良い。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の態様
を添付図面に基づいて詳細に説明する。本実施の態様
は、ＢＧＡタイプの半導体装置の製造方法について説明
するものとする。図１はポッティング法により半導体装
置へ封止樹脂を充填する状態を示す説明図、図２は半導
体装置に充填させた封止樹脂を硬化させる状態を示す上
視図及び半導体装置の加熱硬化状態を示す正面図、図３
（ａ）は硬化ツールの正面図、図３（ｂ）は硬化ツール
の下面図、図４は硬化ツールによる半導体装置の加熱硬
化状態を示す説明図、図５は他例に係る硬化ツールによ
る半導体装置の加熱硬化状態を示す説明図、図６は他例
に係るマルチ硬化ツールを示す説明図である。

【００１０】先ず、ＢＧＡタイプの半導体装置の概略構
成について説明すると、短冊状のフレーム基板に穴開け
や銅箔の積層やエッチングなどの工程を繰り返して配線
パターンを有する配線基板２が形成される。上記フレー
ム基板としては、ガラスエポキシ樹脂基板や、ＢＴ基
板、ポリイミドなどのテープ基板等が好適に用いられ
る。配線基板２には、電極端子にはんだボール３が形成
された半導体チップ４がフリップチップ接続されてい
る。フレーム基板より配線基板２が個片に分離された
後、アンダーフィルモールドが行われる。即ち、半導体
チップ４と配線基板２との間に隙間に封止樹脂５が充填
され、キュアされて半導体装置１が形成される（図１参
照）。

【００１１】次に、半導体装置のアンダーフィルモール
ド工程について図１及び図２を参照して具体的に説明す
る。先ず、図１において、室温程度に加温された所定量
の封止樹脂５を図示しないディスペンサによりポッティ
ングノズル６を介して連続して流下させて半導体装置１
へ供給する。封止樹脂５には、例えば熱硬化性のエポキ
シ樹脂が用いられ、これに所定の割合でガラス繊維など
の熱伝導性の高いフィラーが混入したものなどが用いら
れる。半導体装置１は、図示しない治具により所定角度
θに傾けて保持されている。配線基板２が傾き位置に保
持しながら、該配線基板２と半導体チップ４との間のは
んだボール３が配設された隙間を埋めるようにポッティ
ングノズル６より上記封止樹脂５を流下させて充填す
る。

【００１２】次に、上記ポッティングノズル６より流下
させた封止樹脂５が配線基板２と半導体チップ４との隙
間に到達する前に該封止樹脂５を第１の加熱手段として
の第１加熱装置７により所定温度に加熱する。第１の加
熱装置７としては、レーザー光を照射するレーザー発振
装置、赤外線を照射したり温風を吹き付けたりするニク
ロム線加熱装置など様々な加熱装置が適用可能である。
従来は、配線基板や半導体チップから常に熱の補充を受
けながら封止樹脂の温度を一定に保つようにしているた
め、該封止樹脂に常に熱交換が進行して硬化が進行し易
い。これに対して本発明では、第１の加熱装置７により
所定温度に加熱された封止樹脂５は、室温の他には熱交
換を受けないので硬化が進行し難く、流下する途中で温
度が若干低下するが、流れ性の良い低粘度を長時間保っ
たままアンダーフィルされる箇所に充填できる。例え
ば、５０μｍや２０μｍ程度の極めて狭い隙間や、３０
ｍｍ×３０ｍｍの寸法の大きな半導体チップ４の比較的
大きな隙間にも高精度に流下位置を制御して充填でき
る。また、低粘度化した封止樹脂５は、配線基板２と半
導体チップ４との間の狭い隙間に流れる際に、フィラー
が沈降して樹脂との分離が生じ易いが、配線基板２を傾
けながら封止樹脂５を充填することにより樹脂とフィラ
ーとの分離も回避できる。

【００１３】また、第１の加熱装置７による加熱位置
は、ポッティングノズル６の開口より流下した近傍位置
で加熱するのが好ましい。第１の加熱装置７による加熱
温度は、少なくとも室温（例えばおよそ２０°Ｃ）以上
であり封止樹脂５の硬化温度（例えばおよそ１７０°
Ｃ）以下に加熱するのが好ましい。これによって、封止
樹脂５を低粘度化して流れ性の改善を図ると共に水分を
水蒸気として蒸発させたり、或いは封止樹脂５が流下す
るに従って細糸状に絞られるので該封止樹脂５に含まれ
る大小様々な大きさの気泡を脱気させることが可能とな
り、従来得られなかった樹脂密度の高い清浄な封止樹脂
５を供給することが可能となる。

【００１４】次に、配線基板２を所定角度θに傾けた傾
き位置で、配線基板２と半導体チップ４との隙間に、該
半導体チップ４の左斜め上方４ａより封止樹脂５を流し
込み、該半導体チップ４の右斜め下方４ｂに到達した際
に、配線基板２の向きを水平位置へ変更する。例えば、
配線基板２を保持する治具（図示せず）を傾き位置から
水平位置へ向きを変更させる。このように、封止樹脂５
の充填完了間際にθ＝０に戻すことによって、半導体チ
ップ４の右斜め下方４ｂより流れ出し途中にある封止樹
脂５を毛細管現象によって戻すことができ、右斜め下方
４ｂの封止樹脂５のはみ出し具合のばらつきを均一化で
きる。配線基板２の向きの変更は、監視カメラ８を設け
て、封止樹脂５が半導体チップ４の右斜め下方４ｂに到
達したことを確認して行っても良い。これによって、半
導体チップ４よりはみ出る樹脂量をより精度良く均一化
して、成形品質の向上に寄与することができる。

【００１５】次に、上述のように配線基板２と半導体チ
ップ４との隙間に封止樹脂５が充填された半導体装置１
に、図２に示すように、第２の加熱手段としての第２の
加熱装置９により半導体チップ４の中心部より加熱を行
って周辺部に向かって熱伝導されて封止樹脂５を硬化さ
せる。この場合、半導体装置１を配線基板２が補助ヒー
タ１０により加熱されたヒートプレート１１上に載置し
て半導体チップ４側より第２の加熱装置９により封止樹
脂５の硬化温度まで加熱を行うことが好ましい。半導体
チップ４と配線基板２との温度差による熱膨張率の差に
より、該半導体チップ４にストレスが加わるのを防止す
るためである。例えば、半導体チップ４の加熱温度を１
９０°Ｃ、封止樹脂５の硬化温度１７０°Ｃ、とすると
配線基板２の温度を１４０°Ｃ程度に加熱することが好
ましい。第２の加熱装置９としては、レーザー光を照射
するレーザー発振装置、ニクロム線により赤外線を照射
するニクロム線加熱装置、熱風を吹きつける加熱装置、
ヒータを点接触させるものなど様々なタイプの装置が適
用できる。

【００１６】また、第２の加熱装置に代わる封止樹脂５
を加熱硬化させる手段として以下に述べる硬化ツールを
用いても良い。例えば、図３（ａ）（ｂ）に示すような
硬化ツール１２を用いて半導体チップ４を加熱しても良
い。この硬化ツール１２は、中心部１２ａに熱伝導率が
比較的大きい部材、例えば銅などが用いられ、周辺部１
２ｂに比較的熱伝導率が小さい部材、例えばスチールな
どが用いられている。また、中心部１２ａは接触面積を
大きくし、周辺部１２ｂは径方向外側ほど溝１２ｃの幅
を広げて、半導体チップ４の接触面積も中心部１２ａ大
きく、周辺部１２ｂで小さくなっている。このように、
中心部１２ａが周辺部１２ｂより熱伝導率が高い硬化ツ
ール１２を用いて、図４に示すように半導体チップ４側
より封止樹脂５の硬化温度まで加熱することにより、該
半導体チップ４に作用する熱量を制御して封止樹脂５を
効率的に硬化させることが好ましい。尚、硬化ツール１
２を同一部材で形成し、半導体チップ４に対する接触面
積を変化させても良い。

【００１７】また、硬化ツールの他例について図５を参
照して説明する。図５において、硬化ツール１３はスチ
ール、銅などの金属製のものが用いられ、中心部１３ａ
の板厚が周辺部１３ｂの板厚より漸次厚くなるように形
成されている。このように、中心部１３ａが周辺部１３
ｂより熱容量が高い硬化ツール１３を用いて半導体チッ
プ４に作用する熱量を制御して封止樹脂５の硬化温度ま
で加熱するようにしても良い。

【００１８】また、更に硬化ツールの他例について図６
を参照して説明する。図６は図３（ａ）（ｂ）に示す硬
化ツール１２を加熱手段を設けた上型１４に内蔵したス
プリング１５により押圧可能に複数設け、下型１６側の
ヒートプレート１１に複数の半導体チップ４が搭載され
た配線基板２を載置して、複数の半導体装置１を同時に
硬化させるマルチ硬化ツール１７を用いて封止樹脂５を
硬化させるようにすると生産性を向上させるためには好
適である。

【００１９】以上説明したように、半導体装置１の上側
より中心部から周辺部に向かって封止樹脂５を順次硬化
させることで、該封止樹脂５のシュリンクによって内部
に空間部が生ずることはなく樹脂密度が低下することも
ない。また、封止樹脂５に混入するフィラーの偏りが生
ずることがないので、均一に熱伝導がなされ、熱膨張率
の分布を一定にあるので、封止樹脂５の硬化シュリンク
によって半導体チップ４にストレスが作用することがな
い。

【００２０】上記構成によれば、ポッティングノズル６
より所定量流下させた封止樹脂５が、ノズル開口近傍で
第１の加熱装置７により室温以上硬化温度以下に加熱す
ることで、封止樹脂５を低粘度化させて流れ性の改善を
図ることができる。このとき、加熱された封止樹脂５
は、室温の他には熱交換を受けないので該封止樹脂５の
硬化が進行せず、半導体チップ４と配線基板２との隙間
に高精度に位置制御されて充填でき、封止樹脂５に含有
する水分を水蒸気として蒸発させたり、或いは流下する
に従って細糸状に絞られるので封止樹脂５に含まれる大
小様々な大きさの気泡を脱気させることができる。これ
によって、従来得られなかった樹脂密度の高い清浄な封
止樹脂５を半導体装置１に充填して、アンダーフィルモ
ールドによる成形品質を高めることができる。

【００２１】また、配線基板２を傾き位置に保持して封
止樹脂５を充填することにより、該封止樹脂５とフィラ
ーとの分離も回避でき、半導体チップ４の上方４ａより
流れ込んだ封止樹脂５が該半導体チップ４の下方４ｂに
到達する際に、配線基板５を水平位置となるよう向きを
変更することによって、封止樹脂５の半導体チップ４か
らのはみ出し具合のばらつきを均一化できる。

【００２２】また、封止樹脂５が充填された半導体装置
１に半導体チップ４の中心部より第２の加熱装置９によ
って加熱を行って周辺部に向かって順次硬化させるの
で、封止樹脂５のシュリンクによって内部に空間部が生
ずることはなく樹脂密度が低下することもない。また、
封止樹脂５に混入するフィラーの偏りが生ずることがな
いので、熱伝導性が均一になり、熱膨張率の分布も一定
になるので、封止樹脂５の硬化シュリンクによって半導
体チップ４にストレスが作用することがないので、半導
体装置１の信頼性を向上させることができる。

【００２３】上記実施例は、半導体チップがバンプを介
して基板にフリップチップ接続されたＢＧＡタイプの半
導体装置を用いて説明したが、これに限定されるもので
はなく、半導体チップに他の電極端子を形成したもの
や、テープＢＧＡなどのポッティング法により樹脂封止
を行う様々な種類の半導体装置に適用することが可能で
ある等、発明の精神を逸脱しない範囲内でさらに多くの
改変を施し得るのはもちろんのことである。

【００２４】

【発明の効果】本発明は前述したように、ポッティング
ノズルより所定量流下させた封止樹脂が、第１の加熱手
段により所定温度に加熱することで、封止樹脂を低粘度
化させて流れ性の改善を図ることきができ、室温の他に
は熱交換を受けないので該封止樹脂の硬化が進行せず、
半導体チップと配線基板との隙間に高精度に位置制御さ
れて充填できる。また、封止樹脂に含有する水分を水蒸
気として蒸発させたり、或いは封止樹脂が流下するに従
って細糸状に絞られるので、該封止樹脂に含まれる大小
様々な大きさの気泡を脱気させることができる。従っ
て、従来得られなかった樹脂密度の高い清浄な封止樹脂
を半導体装置に充填して、アンダーフィルモールドによ
る成形品質を高めることができる。また、配線基板を傾
き位置に保持して封止樹脂を充填することにより、該封
止樹脂とフィラーとの分離も回避でき、半導体チップの
上方より流れ込んだ封止樹脂が該半導体チップの下方に
到達した際に、配線基板が水平位置となるように向きを
変更することによって、封止樹脂のはみ出し具合のばら
つきを均一化できる。また、封止樹脂が充填された半導
体装置に半導体チップの中心部より第２の加熱手段によ
って加熱を行って該封止樹脂を周辺部に向かって順次硬
化させるので、該封止樹脂のシュリンクによって内部に
空間部が生ずることはなく樹脂密度が低下することもな
い。また、封止樹脂に混入するフィラーの偏りが生ずる
ことがないので、熱伝導性が均一になり、熱膨張率の分
布も一定になるので、封止樹脂の硬化シュリンクによっ
て半導体チップにストレスが作用することがなく、半導
体装置の信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ポッティング法により半導体装置へ封止樹脂を
充填する状態を示す説明図である。

【図２】半導体装置に充填させた封止樹脂を硬化させる
状態を示す上視図及び半導体装置の加熱硬化状態を示す
正面図である。

【図３】硬化ツールの正面図及び下面図である。

【図４】硬化ツールによる半導体装置の加熱硬化状態を
示す説明図である。

【図５】他例に係る硬化ツールによる半導体装置の加熱
硬化状態を示す説明図である。

【図６】他例に係るマルチ硬化ツールを示す説明図であ
る。

【図７】従来のポッティティン法による半導体装置のア
ンダーフィルモールドを示す説明図である。

【図８】従来の半導体装置の構成を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 半導体装置 ２ 配線基板 ３ はんだボール ４ 半導体チップ ５ 封止樹脂 ６ ポッティングノズル ７ 第１の加熱装置 ８ 監視カメラ ９ 第２の加熱装置 １０ 補助ヒータ １１ ヒートプレート １２，１３ 硬化ツール １２ａ，１３ａ 中心部 １２ｂ，１３ｂ 周辺部 １２ｃ 溝部 １４ 上型 １５ スプリング １６ 下型 １７ マルチ硬化ツール

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体チップがバンプを介して配線基板
   に接合され、該半導体チップと配線基板との間をアンタ
   ーフィルモールドされてなる半導体装置の樹脂封止方法
   において、 前記配線基板と前記半導体チップとの隙間を封止するた
   めの封止樹脂をポッティングノズルより所定量流下させ
   て供給する樹脂供給工程と、 前記ポッティングノズルより流下した前記封止樹脂が前
   記隙間に到達する前に該封止樹脂を所定温度に加熱する
   第１の加熱工程と、 前記隙間に前記封止樹脂が充填された前記半導体装置
   に、前記半導体チップの中心部より加熱を行って前記封
   止樹脂を周辺部に向かって順次硬化させる第２の加熱工
   程と、 を有することを特徴とする半導体装置の樹脂封止方法。
2. 【請求項２】 前記配線基板が所定角度に傾いた傾き位
   置で前記隙間に前記半導体チップの上方より前記封止樹
   脂を流し込み、該半導体チップの下方に到達した際に、
   前記配線基板の向きを水平位置へ変えることを特徴とす
   る請求項１記載の半導体装置の樹脂封止方法。
3. 【請求項３】 前記封止樹脂が前記半導体チップの下方
   に到達したことを監視カメラにより確認すると、前記配
   線基板を傾き位置から水平位置へ向きを変えることを特
   徴とする請求項２記載の半導体装置の樹脂封止方法。
4. 【請求項４】 前記第１の加熱工程は、前記ポッティン
   グノズルより流下した前記封止樹脂を、室温以上で前記
   封止樹脂の硬化温度以下の範囲内で加熱することを特徴
   とする請求項１記載の半導体装置の樹脂封止方法。
5. 【請求項５】 前記第２の加熱工程は、前記半導体装置
   を補助ヒータにより加熱されたプレート上に載置して前
   記配線基板側より補助加熱すると共に、前記半導体チッ
   プ側より前記封止樹脂の硬化温度まで加熱することを特
   徴とする請求項１記載の半導体装置の樹脂封止方法。
6. 【請求項６】 前記第２の加熱工程は、中心部が周辺部
   より熱伝導率が高い硬化ツールを用いて前記半導体チッ
   プ側より前記封止樹脂の硬化温度まで加熱することを特
   徴とする請求項５記載の半導体装置の樹脂封止方法。
7. 【請求項７】 前記第２の加熱工程は、中心部が周辺部
   より熱容量が高い硬化ツールを用いて前記半導体チップ
   側より前記封止樹脂の硬化温度まで加熱することを特徴
   とする請求項５記載の半導体装置の樹脂封止方法。