JP2002270642A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
ル樹脂によって容易にかつ適正にパッケージ封止すると
ともに、良好なフィレット形状を実現し、信頼性の高い
フリップチップパッケージを得ることができる半導体装
置の製造方法を提供する。 【解決手段】 本半導体装置の製造方法は、回路基板1
0上に、配線パターン12を覆うようにアンダーフィル
樹脂層(16)を形成する第1工程と、回路基板10の
配線パターン12上に、突起状電極24を有する半導体
チップ20を対向させ、更に、アンダーフィル樹脂層
(16)を貫通して配線パターン12に突起状電極24
を押し付けつつ半導体チップ20に超音波振動を与え
て、配線パターン12と突起状電極24とを相互に結合
させる第2工程と、回路基板10と半導体チップ20と
の間に介在するアンダーフィル樹脂層16を硬化させる
第3工程とを備える。
Description
方法に関し、更に詳細には、フリップチップ型半導体チ
ップの接続パッドを回路基板に接続する際に用いて好適
な半導体装置の製造方法に関するものである。
かつ電気的に結合させてフリップチップパッケージを作
製する際に、超音波接合法を用いることに関心が高まっ
ている。超音波接合法に関する記述が、例えば、特開平
10-50758号公報や特開2000−195905号公報にある。ま
た、フリップチップパッケージの作製に際しては、半導
体チップと回路基板との間にアンダーフィル樹脂を注
入、硬化させて、半導体チップと回路基板との温度膨張
係数のミスマッチに起因する損傷を防止することが知ら
れている。しかし、特開平10-50758号公報では、超音波
接合法に用いる装置概要に関する内容が中心に記載され
るだけで、接続した回路基板と半導体チップとの間の隙
間にアンダーフィル樹脂を注入するプロセスの記載はな
い。また、特開2000−195905号公報にも、超音波接合装
置のツールヘッドの洗浄に関する内容が主として記載さ
れるだけで、アンダーフィル樹脂の注入に関する記載は
ない。
に超音波接合法を用いることに関心が高まってはいるも
のの、現状の技術で製造が可能なのは、セラミックス基
板の使用により樹脂注入が不要なパッケージや、少ピン
かつ小チップで樹脂注入による強度補強を必要としない
パッケージ等に限られる。
プの半導体チップや、より多ピンの半導体チップに超音
波接合法を適用する際には、半導体チップと回路基板と
の接合後にアンダーフィル樹脂を注入することが不可欠
であるが、その場合、次のような問題の発生が考えられ
る。つまり、半導体チップと回路基板との接合後に、双
方の間にアンダーフィル樹脂を注入するには、ディスペ
ンサーと呼ばれる装置を用いなければならない。しか
し、ディスペンサーを用いる場合、適切な樹脂注入量の
制御が難しく、適量の樹脂を連続して注入することは困
難である。
管現象を利用して半導体チップと回路基板との間に浸入
させるため、半導体チップと回路基板双方の間をアンダ
ーフィル樹脂で適正な状態に封止することが難しい。そ
の場合、半導体チップの外縁部から緩やかに垂れ下がる
ような良好なフィレット形状を得ることは困難である。
このため、半導体チップと回路基板との温度膨張係数の
ミスマッチに起因する応力を有効に吸収することができ
ず、良好な導通性能を損なってしまう等、パッケージの
信頼性を低下させるおそれもある。
用いながらも、半導体チップと回路基板との間の隙間を
アンダーフィル樹脂によって容易にかつ適正に封止する
とともに、良好なフィレット形状を実現し、半導体チッ
プと回路基板間に働く応力を適正に吸収でき、良好な導
通性能を有する信頼性の高いフリップチップパッケージ
を得ることができる半導体装置の製造方法を提供するこ
とである。
に、本発明に係る半導体装置の製造方法は、配線パター
ンが形成された回路基板上に、配線パターンの少なくと
も一部を覆うようにアンダーフィル樹脂層を形成する第
1工程と、回路基板の配線パターン上に、接続パッド及
び接続パッド上に形成された突起状電極を有する半導体
チップを対向させ、更に、アンダーフィル樹脂層を貫通
して配線パターンに突起状電極を押し付けつつ半導体チ
ップに超音波振動を与えて、配線パターンと突起状電極
とを相互に機械的かつ電気的に結合させる第2工程と、
配線パターン及び突起状電極が結合した回路基板及び半
導体チップに所定の処理を施して、回路基板と半導体チ
ップとの間に介在するアンダーフィル樹脂層を硬化させ
る第3工程とを備えることを特徴としている。
ダーフィル樹脂層を形成し、その硬化前に超音波接合を
行うことができるので、超音波接合法を用いながらも、
半導体チップと回路基板との間の隙間に、容易にかつ適
正にアンダーフィル樹脂を介在させてパッケージ封止す
ることができる。アンダーフィル樹脂には通常、半導体
チップと樹脂との線膨張係数を近づけるために、フィラ
ーと呼ばれる絶縁性粒子が混合されており、例えば、超
音波接合法とは異なる他の樹脂圧接工法では、電極間に
フィラーを噛み込んだ場合に接続不良が生じるとの報告
もある。しかし、本発明の製造方法では、アンダーフィ
ル樹脂層上から配線パターンに突起状電極を押し付けつ
つ半導体チップに超音波振動を与えるので、超音波振動
でアンダーフィル樹脂層中のフィラーを突起状電極と配
線パターンとの間から押し出しつつ、双方を溶融、結合
させることができる。
えばゲル状樹脂を使用すれば、ゲル状樹脂の各部に超音
波振動が伝わることにより、半導体チップの外縁部から
はみ出た部分が回路基板に向かって自然に垂れ下がる、
良好なフィレット形状を得ることができる。一方、アン
ダーフィル樹脂層に、例えばアンダーフィル樹脂フィル
ムを使用する場合は、第3工程の所定処理を熱処理とす
ることで、半導体チップの外縁部からはみ出た樹脂端部
を収縮させながら硬化させて、良好なフィレット形状を
得ることができる。
フィル樹脂層を形成してから突起状電極と配線パターン
とを接合処理するにも拘わらず、双方を良好な導通性能
をもって機械的かつ電気的に結合することができる。ま
た、半導体チップと回路基板との間に働く応力を適正に
吸収でき、良好な導通性能をもつ信頼性が高いフリップ
チップパッケージを得ることができる。
は、配線パターン上に、アンダーフィル樹脂層として、
絶縁性とともに熱硬化性を有するゲル状樹脂を塗布し、
第3工程では、所定温度下(例えば140℃〜160
℃)の熱処理によりゲル状樹脂を硬化させる。ゲル状樹
脂としては、例えば、松下電工社製の「CV5186」
(製品番号)を挙げることができる。
スペンス方式、又は印刷方式を用いることができる。例
えば、ディスペンス方式を用いる場合、超音波接合法を
用いた半導体組み立て工程において第2工程(初期接
合)の前に樹脂塗布を行うので、精密な樹脂塗布処理が
不要となって作業が簡便になるという利点がある。一
方、印刷方式を用いる場合には、ディスペンサーといっ
た装置を別途使用する必要がない。このため、ディスペ
ンス量が適正にならずに良好な封止状態が得られないと
いった不具合を無くすことができる。本発明によれば、
ディスペンス方式と印刷方式双方の方式を用いることに
より、超音波接合法による樹脂封止工程の簡略化が可能
になり、工程不良を解消することが可能になる。
程では、配線パターン上に、アンダーフィル樹脂層とし
て、絶縁性とともに熱硬化性を有する樹脂フィルムを貼
り付け、第3工程では、所定温度下(例えば140℃〜
160℃)の熱処理により樹脂フィルムを硬化させる。
この場合、樹脂フィルムを第2工程(初期接合)の前に
貼り付けるだけで、アンダーフィル樹脂層を容易にかつ
適正に形成できるので、工程不良を解消できるととも
に、精密な樹脂塗布等の煩雑な工程を省き、より一層の
工程簡略化を実現することができる。
温度膨張係数に近い温度膨張係数を有する二酸化ケイ素
(シリカ)及び/又は酸化アルミニウム(アルミナ)等
の粒子を混入したアンダーフィル樹脂フィルムを使用す
ることができる。アンダーフィル樹脂フィルムとして
は、例えば、日東電工社製の「PFM21−B1F」
(製品番号)を挙げることができる。
形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に
説明する。実施形態例1 本実施形態例は、本発明に係る半導体装置の製造方法の
実施形態の一例であって、図1は、本実施形態例に係る
半導体装置の製造方法を示すフローチャート、図2は、
図1に対応する各工程を示す側面図、図3は、ディスペ
ンス方式によるゲル状樹脂の塗布方式を示す平面図、図
4は、本実施形態例で使用可能な突起状電極の形状を示
す側面図である。尚、図2、図4では、多数存在する突
起状電極のうちの2つ又は1つを記載した。
超音波接合法を開始し、ステップS2で、回路基板10
の配線パターン(導配線)12上に、ディスペンス方式
により、樹脂塗布用シリンジ14を用いてアンダーフィ
ル樹脂層、つまりゲル状樹脂16を塗布する(図2
(a))。この塗布工程は、図3(a)に示すように、回
路基板中央部の一点を中心に塗布すること、図3(b)
に示すように、回路基板中央部の四点にそれぞれ塗布す
ること、図3(d)に示すように、回路基板中央部の五
点にそれぞれ塗布することができる。ディスペンス方式
では、ゲル状樹脂16が充填された樹脂塗布用シリンジ
14を空気圧で制御するので、上記の一点乃至五点塗布
に限らず、更に多くの多点塗布を採用することができ、
導配線12のレイアウトに応じて、各塗布方式から任意
に選択することができる。
ーヘッド18に装着した半導体チップ20の接続パッド
22(図4参照)上の突起状電極24を、配線パターン
12に対向させる(図2(b))。
アルミニウム製の複数の接続パッド22が形成されてお
り、各接続パッド22には、突起状電極24がそれぞれ
電気的かつ機械的に結合されている。突起状電極24に
は、例えば、図4(a)に示すように全くレベリングし
ていない形状のもの、図4(b)に示すように比較的低
荷重でレベリングした形状のもの、図4(c)に示すよ
うに比較的高荷重でレベリングしたものを用いることが
できる。図4(c)に示すタイプは、通常ACF接続等
で用いられる電極形状であり、突起状電極24の先端部
分が、面積をかせぐために、他のタイプのものに比して
平坦状を呈する。
の初期荷重で容易に潰れて変形するように、金(Au)
ワイヤによるスタッドバンプとして構成されている。
尚、本実施形態例では、超音波接合時の初期荷重で突起
状電極24の先端が同時に配線パターン12に当接でき
ることから、図4(b)に示すものを用いる。
り、半導体チップ20の突起状電極24を回路基板10
の配線パターン12に所定の圧力で押し付けながら、超
音波ボンダーヘッド18から半導体チップ20に超音波
振動を与える(図2(c))。この際、矢印26で示す方
向の超音波振動により、突起状電極24が配線パターン
12に対して加圧状態で摺動するので、突起状電極24
と配線パターン12が相互に機械的かつ電気的に結合す
る(図2(d))。
2との結合時の状態を図5に示す。すなわち、図5
(a)に示すように、ゲル状樹脂16上から配線パター
ン12に突起状電極24を押し付けてゲル状樹脂16を
貫通し、突起状電極24の先端部を配線パターン12に
当接させる。
ップ20、つまり突起状電極24を矢印28で示す方向
に押し付けつつ、半導体チップ20に矢印26方向の超
音波振動を与える。これにより、先端部が潰れて変形し
た突起状電極24が、矢印35で示す方向に振動して、
ゲル状樹脂16中のフィラー32を配線パターン12と
の間から押し出しつつ、図5(c)に示すように、配線
パターン12に対して溶融、結合する。同時に、ゲル状
樹脂16の各部に超音波振動が伝わることにより、半導
体チップ20の外縁部からはみ出た部分が回路基板10
に向かって自然に垂れ下がるような、図5(c)に示す
良好なフィレット形状が得られる。これに対し、例え
ば、突起状電極24と配線パターン12とを接合した後
に、ゲル状樹脂16を接合部の周囲に設ける場合には、
良好なフィレット形状が得られない等の不具合が出る。
半導体チップ20と回路基板10とを所定のチャンバー
に収容し、例えば140℃〜160℃の温度下で110
分〜130分程度の熱処理(熱キュア)を施すことによ
り、ゲル状樹脂16を硬化させる。次いで、ステップS
5において、ゲル状樹脂16の硬化によってパッケージ
をなした半導体チップ20及び回路基板10に対する導
通性能等の検査を実施する。この結果、良好と判定され
れば、そのパッケージは良品として処理を終了する(ス
テップS6)。一方、不良と判定されれば、そのパッケ
ージは不良品として回収されることになる。
ル状樹脂16を塗布してから突起状電極24と配線パタ
ーン12とを接合しながらも、突起状電極24と回路基
板12の双方を、良好な導通性能をもって機械的かつ電
気的に結合することができる。また、半導体チップ13
と回路基板10との間に働く応力を適正に吸収でき、良
好な導通性能を有する信頼性が高いフリップチップパッ
ケージを得ることができる。
ンダーフィル樹脂層の形成処理にディスペンス方式を用
いた例を挙げたが、これに限らず、印刷方式を用いるこ
ともできる。図6は、印刷方式によるゲル状樹脂16の
塗布工程を段階的に示す図である。まず、図6(a)に
示すように、回路基板10を用意し、図6(b)に示す
ように、印刷用スクリーン34で配線パターン12上を
覆い、図6(c)に示すように、印刷用スクリーン34
上の一端側にゲル状樹脂16を盛りつける。
に、印刷用スキージ36を矢印40で示す方向に平行移
動させる。これにより、印刷用スクリーン34の開口部
34a内にゲル状樹脂16が、図3(e)に示すよう
に、ムラなく浸入する。更に、印刷用スクリーン34を
取り外すことにより、図6(f)に示すように、配線パ
ターン12の所定の箇所に、所定厚さのゲル状樹脂16
が形成される。
において樹脂塗布用シリンジ14の制御空気圧がシリン
ジ内の残存樹脂量により変化して樹脂塗布量が不安定と
なるようなことがなく、配線パターン12上への塗布量
を確実に制御できる。このため、量産導入時の樹脂塗布
の制御がより容易になる。
別の実施形態であって、図7は、本実施形態例に係る半
導体装置の製造方法を示すフローチャート、図8及び図
9は、図7に対応する各工程を示す側面図、図10は、
突起状電極を配線パターンに接合するまでの過程を段階
的に示す側面図である。
開始し(ステップS11)、回路基板10を用意して
(図8(a))、回路基板10の配線パターン12上に、
アンダーフィル樹脂層、つまり、アンダーフィル樹脂フ
ィルム42を貼り付ける(図8(b))。アンダーフィル
樹脂フィルム42は、取扱い性向上のため、セパレータ
部44と接着層46とから構成されている。従って、ま
ず、回路基板10上の配線パターン12の少なくとも一
部を覆うようにアンダーフィル樹脂フィルム42の接着
層46を貼り付けた後、セパレータ部44を取り除く
(図8(c))。これにより、回路基板10の配線パター
ン12上に接着層46が残存する。この場合、使用する
アンダーフィル樹脂フィルム42の厚さに応じて、配線
パターン12上の接着層46の厚さを適宜変更できるの
で、印刷方式によりゲル状樹脂16を所定の厚さに塗布
する方法に対して、工程が簡便になる。
ため、図8(d)及び(e)に示すように、フィルム仮
付け装置のヘッド部48により、接着層46に所定の荷
重を加えて、配線パターン12上に接着層46を平坦状
に馴染ませる。この後、図8(f)に示すように、例え
ば100℃の温度下で10秒程度の熱処理を行い、接着
層46を一旦溶融させてから所定の硬度に硬化させる
(仮り硬化処理)。
波接合を実施する。すなわち、超音波ボンダーヘッド1
8により半導体チップ20を配線パターン12上の接着
層46に対向させる(図9(a))。更に、半導体チップ
20の突起状電極24を配線パターン12上に所定の圧
力で押し付けながら、超音波ボンダーヘッド18から半
導体チップ20に超音波振動を与える(図9(b))。こ
の際、矢印26で示す方向の超音波振動により、加圧状
態で突起状電極24が配線パターン12に対して摺動す
るので、突起状電極24と配線パターン12とが相互に
機械的かつ電気的に結合する(図9(c))。
2との結合時の状態を図10に示す。すなわち、図10
(a)に示すように、アンダーフィル樹脂フィルム42
の接着層46上から配線パターン12に突起状電極24
を押し付けて接着層46を貫通し、突起状電極24の先
端部を配線パターン12に当接させる。更に、図10
(b)に示すように、半導体チップ20、従って突起状
電極24を矢印28で示す方向に押し付けつつ、半導体
チップ20に矢印26で示す方向の超音波振動を与え
る。これにより、先端部が潰れて変形した突起状電極2
4が、矢印30で示す方向に振動し、接着層46中のフ
ィラー32を突起状電極24と配線パターン12との間
から押し出しつつ、配線パターン12に対して溶融、結
合する(図10(c))。
140℃〜160℃の温度下で110分〜130分程度
の熱処理(熱キュア)を施すことにより、接着層46を
完全に硬化させる(本硬化処理)。この硬化時、接着層
46では、半導体チップ20の外縁部からはみ出た樹脂
部分が収縮することにより、回路基板10に向かって自
然に垂れ下がるような、図10(c)に示す良好なフィ
レット形状となる。引き続き、ステップS15におい
て、導通性能等の必要事項をチェックする検査を実施
し、良好と判定されれば処理を終了し(ステップS1
6)、不良と判定されれば、そのパッケージを不良品と
して回収する。
2では、ゲル状樹脂16又はアンダーフィル樹脂フィル
ム42でアンダーフィル樹脂層を形成し、その硬化前に
超音波接合を行うことができるので、超音波接合法を用
いながらも、半導体チップ20と回路基板10との間の
隙間に、簡単にかつ適正にアンダーフィル樹脂を介在さ
せてパッケージ封止することができる。しかも、アンダ
ーフィル樹脂層上から配線パターン12に突起状電極2
4を押し付けつつ半導体チップ20に超音波振動を与え
るので、超音波振動でアンダーフィル樹脂層中のフィラ
ー32を突起状電極24と配線パターン12との間から
確実に押し出しつつ、双方を溶融、結合させることがで
きる。このため、配線パターン12へのアンダーフィル
樹脂層形成後の接合処理にも拘わらず、双方を良好な導
通性能をもって接合することができる。これにより、半
導体チップ20と回路基板10との間に働く応力を適正
に吸収でき、良好な導通性能をもつ信頼性が高いフリッ
プチップパッケージを得ることができる。
極24が、金ワイヤによるスタッドバンプとして形成さ
れ、かつ、配線パターン12との接続距離が極めて短く
されている。このため、例えば、ワイヤボンディングに
より半導体チップと配線パターンとを接続する場合に比
較して、 Z0={R2+(ωL−1/ωc)2}1/2 で示されるインピーダンスZ0が大幅に低減する良好な
導通状態が得られる。
置の製造方法によれば、超音波接合法を用いながらも、
半導体チップと回路基板との間の隙間をアンダーフィル
樹脂によって容易にかつ適正に封止するとともに、良好
なフィレット形状を実現し、半導体チップと回路基板と
の間に働く応力を適正に吸収でき、良好な導通性能を有
する信頼性の高いフリップチップパッケージを得ること
ができる。
方法を示すフローチャートである。
各工程毎の側面図である。
を示し、(a)〜(c)はそれぞれ、一点、四点及び五
点の塗布方式を示す平面図である。
示し、(a)〜(c)はそれぞれ、異なるレベリング形
状を示す側面図である。
との結合工程を示し、(a)〜(c)はそれぞれ異なる
段階を示す側面図である。
(f)は工程を段階的に示す側面図である。
方法を示すフローチャートである。
各工程毎の側面図である。
各工程毎の側面図である。
ンとの結合工程を示し、(a)〜(c)はそれぞれ異な
る段階を示す側面図である。
脂塗布用シリンジ、16……ゲル状樹脂、18……超音
波ボンダーヘッド、20……半導体チップ、22……接
続パッド、24……突起状電極、32……フィラー、3
4……印刷用スクリーン、42……アンダーフィル樹脂
フィルム、44……セパレータ部、46……接着層、4
8……フィルム仮付け装置のヘッド部。
Claims (5)
- 【請求項1】 配線パターンが形成された回路基板上
に、配線パターンの少なくとも一部を覆うようにアンダ
ーフィル樹脂層を形成する第1工程と、 回路基板の配線パターン上に、接続パッド及び接続パッ
ド上に形成された突起状電極を有する半導体チップを対
向させ、更に、アンダーフィル樹脂層を貫通して配線パ
ターンに突起状電極を押し付けつつ半導体チップに超音
波振動を与えて、配線パターンと突起状電極とを相互に
機械的かつ電気的に結合させる第2工程と、 配線パターン及び突起状電極が結合した回路基板及び半
導体チップに所定の処理を施して、回路基板と半導体チ
ップとの間に介在するアンダーフィル樹脂層を硬化させ
る第3工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製
造方法。 - 【請求項2】 第1工程では、配線パターン上に、アン
ダーフィル樹脂層として、絶縁性とともに熱硬化性を有
するゲル状樹脂を塗布し、第3工程では、所定温度下の
熱処理によりゲル状樹脂を硬化させることを特徴とする
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】 ゲル状樹脂を塗布するに際して、ディス
ペンス方式又は印刷方式を用いることを特徴とする請求
項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 第1工程では、配線パターン上に、アン
ダーフィル樹脂層として、絶縁性とともに熱硬化性を有
する樹脂フィルムを貼り付け、第3工程では、所定温度
下の熱処理により樹脂フィルムを硬化させることを特徴
とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 樹脂フィルムとして、半導体チップの温
度膨張係数に近い温度膨張係数を有する二酸化ケイ素及
び/又は酸化アルミニウムの粒子を混入したアンダーフ
ィル樹脂フィルムを使用することを特徴とする請求項4
に記載の半導体装置の製造方法。
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