JP2002334906A - フリップチップの実装方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子上の半田バンプを用いて回路基板
にフリップチップ実装する際に、コストが安く、工程時
間が短く、接続信頼性が高い実装方法を実現すること。 【解決手段】 半田バンプ２が溶融する温度より低い温
度にて硬化が始まる樹脂４をあらかじめ回路基板５もし
くは半導体素子１上に塗布する。回路基板５と半導体素
子１を位置合わせした後の熱処理工程において、半田が
溶融する前に前記樹脂が硬化を開始するため、半田溶融
時にはこの硬化した樹脂が支えとなり半導体の自重で半
導体素子が回路基板側に下がることを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はフリップチップの実
装方法に関し、特に回路基板上にフリップチップの実装
をする方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年電子回路は高密度化に進んでおり、
実装されるデバイスには面積低減および接続抵抗低減が
強く求められている。その高密度実装を達成する一つの
手段としてフリップチップ実装が挙げられる。フリップ
チップ実装には様々な方法が挙げられるが、その中の一
つとして半導体素子上に半田バンプを設け、該半田バン
プを溶融して回路基板と接続する方法、もしくは半導体
素子上に半田バンプを設け、さらに回路基板上にも半田
バンプを形成し、少なくともどちらか一方を溶融して接
続する方法が考えられている。この方法は他のフリップ
チップ方法と比較して、同じ回路基板上に搭載される例
えばＱＦＰ(Quard Flat Package)やチップ抵抗、チップ
コンデンサーなどの他の部品と同時にリフロー処理する
ことが可能で最も合理的な方法である。

【０００３】ここで従来の技術を、図５、図６を用いて
説明する。まず図５(a)、図６(a)のように半導体素子１
上に公知の事実であるＣ４（Controlled Collapse Chip
Connection）などの方法を用いて半田バンプ２を形成
する。その後図５(b)のように半田バンプ２上にフラッ
クス３を転写する。もしくは図６(b)のように回路基板
上の電極６上にフラックス３を塗布する。このときあら
かじめ回路基板上の電極６上にクリーム半田を塗布し、
他の部品（図示せず）を配置していてもよい。その後、
図５(c)、図６(c)のように半導体素子１と回路基板５と
を高精度に位置合わせし、半田バンプ２が溶融する温度
以上の熱処理（例えばリフロー処理）などを行い、前記
半田バンプ２と回路基板上の電極６とを金属結合させ実
装を完了する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の方
法では以下の様な課題があった。半導体素子１上に設け
られた半田バンプ２が溶融する際に,溶融した半田バン
プは図５(d)、図６(d)のように電極６上に濡れ広がる。
加えて半導体素子１の自重で半導体素子１が回路基板５
側に下がるためますます半田は濡れ広がり、結果として
図５(e)、図６(e)のように半導体素子１と回路基板５と
の隙間gがなくなる。

【０００５】その結果、従来の方法では、信頼性を高め
るため、半導体素子１と回路基板５との隙間gに注入す
るアンダーフィルの形成が困難なものとなり、接続時間
を要するとともに、著しく信頼性を低下させていた。

【０００６】また、半田溶融を助成するフラックス３が
半導体素子１と回路基板５との間の著しく狭くなった隙
間gに挟まれ、洗浄時に洗浄できず残渣として残ってし
まう。その結果フラックス３に含まれる腐食成分が半導
体素子１の表面を腐食させ、著しく信頼性を低下させて
いた。

【０００７】また、この課題を解決する方法としては図
７のように回路基板上の電極６上に半田流れ防止のダム
８を設ける方法があるが、このダムは半田バンプが搭載
されるエリアを高精度に囲みなおかつ半田バンプが接続
される部分には形成してはならないという極めて厳しい
制約があり、回路基板の著しいコストアップの要因とな
っていた。

【０００８】また別の手法として図８(a)のように半導
体素子１を回路基板５に実装するヘッド９に加熱機構を
設け、図８(b)のように半導体素子１と回路基板５とを
高精度に位置あわせした後、半導体素子１上の半田バン
プ２が溶融する温度以上に加熱し、半田バンプ２が溶融
した後そのままヘッド９の位置を保持するか、もしくは
上昇させて半田の濡れ広がりを防止する方法があるが、
この方法では半導体素子と基板の位置合わせから加熱・
冷却まで数十秒の時間を高精度のボンディング装置で行
わなければならず大量生産には不向きな方法であった。

【０００９】本発明はこのような問題を解決するために
なされたものであり、半導体素子と回路基板との接続信
頼性が高く、接続の工程が短く、また、コストが安いフ
リップチップの実装方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明の請求項１に記載のフリップチップの実装
方法は、半田バンプが形成された半導体素子を回路基板
上に載置し、前記半田バンプを加熱して溶融させること
により、前記半導体素子と前記回路基板とを接続するフ
リップチップの実装方法において、前記回路基板上の電
極以外のエリアもしくは、半導体素子上の半田バンプ以
外のエリアに半田バンプの溶融温度より低い温度で硬化
する熱硬化タイプの樹脂を配置し、前記半導体素子と前
記回路基板とを位置合わせし、前記熱硬化タイプの樹脂
が硬化するまで加熱し、前記樹脂の硬化後に、前記半田
バンプが溶融するまでさらに高温で加熱し、該半田バン
プを溶融させて、最後にアンダーフィルを注入、充填
し、熱をかけて硬化させて前記半導体素子と前記回路基
板とを接続するものとしたものである。これにより、半
田溶融後においても、硬化した樹脂が支えとなって、前
記半導体素子と前記回路基板との距離が保持できるとと
もに、金属結合後の前記フラックスの洗浄が容易にな
り、接続信頼性を向上させる前記アンダーフィルも確実
に、且つ短時間で注入できるので、短い工程時間で、接
続信頼性の高いフリップチップの実装を行うことができ
る。

【００１１】また、本発明の請求項２に記載のフリップ
チップの実装方法は、請求項１に記載のフリップチップ
の実装方法において、前記硬化した樹脂は、前記半田バ
ンプが溶融した際、支えとなって前記半導体素子と前記
回路基板との距離を保持するものとしたものである。こ
れにより、金属結合後の前記フラックスの洗浄が容易に
なり、接続信頼性を向上させる前記アンダーフィルも確
実に、且つ短時間で注入できるので、短い工程時間で、
接続信頼性の高いフリップチップの実装を行うことがで
きる。

【００１２】また、本発明の請求項３に記載のフリップ
チップの実装方法は、請求項１または２のいずれかに記
載のフリップチップの実装方法において、前記半田バン
プは、溶融した際に、その表面張力により円柱状もしく
は鼓状になっているものである。これにより、従来のよ
うにダムを設けることなく、半田の濡れ広がりが止ま
り、半田が回路基板上の電極上に過剰に濡れ広がること
がなく、金属結合できるので、コストの安いフリップチ
ップの実装が可能になる。

【００１３】また、本発明の請求項４に記載のフリップ
チップの実装方法において、請求項1ないし３のいずれ
かに記載のフリップチップの実装方法において、使用す
る樹脂の硬化開始温度は、半田バンプの溶融温度に対
し、その温度差が１０℃以上であるものとしたものであ
る。これにより、半田の溶融が始まる時には、前記樹脂
は硬化して、支えとなっており、前記半導体素子と前記
回路基板との距離を保持できるとともに、金属結合後の
前記フラックスの洗浄が容易になり、信頼性を向上させ
る前記アンダーフィルも確実に、且つ短時間で注入でき
るので、短い工程時間で、接続信頼性の高いフリップチ
ップの実装を行うことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１〜図４に示す
実施の形態は本発明のフリップチップの実装方法を段階
的に示す。図１〜図４の(a)は,公知の技術で半導体素子
１上に半田バンプ２を形成した模式図である。この時点
において、メッキ、半田ボール配置、クリーム半田法な
どその工法は問わない。また、組成も問わない。

【００１５】その後図１(b)、図２(b)のように半導体素
子上の半田バンプ２と回路基板上の電極との金属結合を
確実にするために半導体素子上の半田バンプ２上にフラ
ックス３を転写する。このとき図３(b)、図４(b)のよう
に回路基板上の電極６上にフラックス３を印刷もしくは
塗布しておいてもよい。

【００１６】図１(c)、図３(c)は回路基板上の電極6以
外のエリアに半田バンプ２が溶融する温度の１０℃以下
の温度で硬化開始する樹脂４を塗布または印刷した模式
図である。このとき図2(c)、図4(c)のように半導体素子
上の半田バンプ２以外のエリアに前記樹脂４を塗布して
もよい。なお、この樹脂４は液状のものが望ましい。ま
た、樹脂４は塗布時に半田バンプもしくは回路基板上も
しくは半田バンプの余分な部分にはみ出さないために粘
度は１０，０００cps(centipoises)以上のものがよい。
塗布領域としては半導体素子１の面積の１／４程度を目
安に行う。塗布の厚みについては半田バンプ２以上厚み
が必要である。詳細な粘度、塗布量については半導体素
子１の面積、半田バンプ２の高さなどを考慮し決定すれ
ばよい。

【００１７】また、フラックス３と樹脂４の形成方法の
組み合わせは問わない。たとえば図2のようにフラック
ス３は半導体素子１上の半田バンプ２上に転写し、樹脂
４も半導体素子上に塗布してもよく、一方図３のように
フラックス３は回路基板上の電極６上に塗布し、樹脂４
は回路基板上の電極６以外のエリアに塗布または印刷し
てもよく、また、図４のようにフラックス３は回路基板
上の電極６上に塗布し、樹脂４は半導体素子1上の半田
バンプ以外のエリアに塗布してもよい。その組み合わせ
は半導体素子１の大きさ、フラックス３や樹脂４の粘度
などによって決定すればよい。

【００１８】また、回路基板５にはセラミックをはじめ
プリント基板やフレキ基板などの樹脂基板を用いること
ができる。さらに回路基板５にはフラックス３や樹脂４
を形成する前に半導体素子以外の部品のためにクリーム
半田を印刷しそれらの部品（図示せず）を搭載しておい
てもよい。また、回路基板上の電極６である導体材質は
特に問わない。銅、銀、など一般の電極にも対応可能で
あり必要に応じてそれらの電極上にＮｉ／Ａｕメッキを
施してもよい。このときのＮｉ／Ａｕメッキの厚みは問
わない。

【００１９】図１〜図４の(d)は、半導体素子１と回路
基板５とを高精度に位置あわせし、熱処理を行った模式
図である。この位置あわせを行うとき、半導体素子１の
裏面から適当な加重を掛けるが、その加重は回路基板が
セラミックのような固い材質の場合は半田バンプが変形
する加重を、一方フレキなどの柔らかい材質の場合は回
路基板が変形する加重をかけ半田バンプ２と回路基板上
の電極６とが接するようにする。しかしこの状態では、
半田バンプ２と回路基板上の電極６とは金属結合を完了
しておらず、単に接しているだけである。また位置あわ
せが完了した時点では半導体素子１と回路基板５とは半
田バンプ２の高さの距離をもって保持されている。また
塗布した樹脂４は半導体素子1と回路基板5との隙間に挟
まれている状態である。さらにこの時点での半導体素子
１と回路基板５との機械的な保持力は半田バンプ２と回
路基板上の電極６に挟まれたフラックス３の粘着力と半
導体素子１と回路基板５に挟まれた樹脂の粘着力で保た
れている。

【００２０】次に熱処理を開始するが、この熱処理中、
半田バンプ２が溶融する温度より低い温度にて、樹脂４
が半田バンプの高さと同じ厚みで硬化を開始する。その
ため半導体素子１と回路基板５とは半田バンプ２の高さ
の隙間を保持しながらこの樹脂によって機械的に固定さ
れる。その後、半田バンプ２は溶融し、回路基板上の電
極６と金属結合するが、このとき半導体素子１と回路基
板５とは、前記樹脂の硬化によって保持されているた
め、半導体素子の自重によって半田バンプがつぶれ、前
記隙間gがなくなることはなく良好に保たれる。また、
半田バンプも表面張力の作用で半田が電極上へ過剰に濡
れ広がる心配がなくなる。なお、この時の熱処理の雰囲
気は窒素などの不活性ガス雰囲気でも、大気雰囲気でも
よく指定はない。

【００２１】図１〜図４の(e)は、フラックス３を洗浄
し半導体素子１と回路基板５の間に信頼性を向上させる
ためにアンダーフィル７を注入し、硬化した模式図であ
る。このとき、フラックスの洗浄はフラックスが溶解す
る溶剤を用いて洗浄を行う。また、樹脂であるアンダー
フィルは、半導体素子と回路基板との間に毛細管現象に
より注入、充填し適度な熱をかけ硬化を行う。以上の工
程を経て本発明の半導体素子の実装が完了する。

【００２２】

【実施例】図１に示す製造工程で半導体素子を製造し、
その性能を評価した。以下に本発明の実施例を示す。

【００２３】回路基板 フレキ基板 電極ピッチ：２００（μm） 電極数：８０ピン 電極材料：Ｃｕメッキ＋無電解Ｎｉメッキ＋無電解Ａｕ
メッキ 半導体素子 制御用ＩＣを使用 ＩＣサイズ６×４×０．６５ｍｍ ＩＣ電極パッドピッチ：２００μm ピン数：８０ピン 半田バンプ径：１００μm 半田バンプ高さ：５０μm 半田バンプ組成：６３ｗｔ％Ｓｎ−３７ｗｔ％Ｐｂ（融
点：１８３℃） フラックス 粘度：１００００ｃｐｓ（室温） 樹 脂 熱硬化タイプエポキシ樹脂 硬化開始温度：１２０℃ アンダーフィル 熱硬化タイプエポキシ樹脂 硬化開始温度：１２０℃ 本硬化条件：１５０℃ ２時間

【００２４】上記半導体素子上の半田バンプに上記フラ
ックスを約２０μm転写した。その後回路基板上の電極
以外のエリアにディスペンサーを用いて上記樹脂を塗布
した。このとき塗布領域としては半導体素子の面積の１
／４程度、樹脂の膜厚としては約７０μmになるように
塗布量をコントロールした。その後半導体素子と回路基
板とを高精度に位置あわせし、約２ｋｇの加重を掛け半
導体素子と回路基板とを確実に接触させた。この時樹脂
は半導体素子と回路基板のほぼ中央に挟まれており、半
田バンプおよび回路基板上の電極に、はみ出していない
ことを確認した。また半導体素子と回路基板との隙間は
半田バンプの高さで保持されていることも併せて確認し
た。

【００２５】その後２４０℃ピークのリフロー処理を行
い、１２０℃を越えたあたりで上記樹脂が硬化を開始す
るため半導体素子と回路基板との隙間を保持しながら両
者を固定し、さらに１８３℃を越えたあたりで半田バン
プが溶融を開始し回路基板の電極と金属結合し、接続を
開始した。その後冷却工程を経て実装を完了した。

【００２６】そこで本発明のフリップチップ実装を行っ
たモジュールと従来の工法でフリップチップ実装を行っ
たモジュールについて（１）半導体素子と回路基板との
隙間、（２）アンダーフィルが注入完了する時間、
（３）接続信頼性試験（ヒートサイクル試験：条件 −
５５／＋１２５℃ 各３０分）を評価した。結果を以下
に示す。

【００２７】本発明の方法 （１）半導体素子と回路との隙間 ＭＡＸ ５１μｍ、ＭＩＮ ４３μｍ、ＡＶＥ（平均）
４７．３μｍ （２）アンダーフィルが注入完了する時間 ＭＡＸ ６．３分、ＭＩＮ ５．３分、ＡＶＥ（平均）
５．９分 （３）接続信頼性試験 １０００サイクル ５／５実装体 ＯＫ。即ち、加速試
験で１０００サイクル経過後も５つのサンプル全てが良
好。 従来の方法（比較） （１）半導体素子と回路との隙間 ＭＡＸ １２μｍ、ＭＩＮ ３μｍ、ＡＶＥ ９．７μ
ｍ （２）アンダーフィルが注入完了する時間 ３０分経過しても注入完了しないため試験中止。 （３）接続信頼性試験 １００サイクル ５／５実装体 オープン発生。即ち、
加速試験で１０００サイクル経過後に５つのサンプル全
てに回路的なオープンが発生。

【００２８】上記試験および評価の結果、本発明のフリ
ップチップ実装体ではアンダーフィル注入時間も短くま
た接続信頼性試験も良好で本発明の有効性が確認され
た。

【００２９】以上実施の形態１によれば、半導体素子上
もしくは、回路基板上に配置した樹脂が熱硬化すること
によって、半田溶融時でも、硬化した樹脂が支えとな
り、半導体素子と回路基板との間の距離が保持される。
それにより、金属結合後に、フラックスを除去するため
の洗浄を容易に行えるため、前記フラックスが洗浄され
ずに残渣となるのを防ぎ、半導体素子の表面を腐食させ
ることが無くなる。また、接続信頼性を向上させるアン
ダーフィルの注入も確実に行いやすくなるとともに、注
入時間も短縮されるので、工程時間が短く、接続信頼性
の高いフリップチップの実装を可能にする。

【００３０】また、半田バンプにおいても、半田溶融時
には前記硬化した樹脂が支えになり、半導体素子の自重
でつぶれることなく、その表面張力により円柱状もしく
は鼓状になっている。それにより、従来のような半田流
れ防止のダムを作ることなく、半田が回路基板上の電極
に過剰に濡れ広がるのを防ぐ事ができるため、コストの
安いフリップチップの実装を可能にする。

【００３１】

【発明の効果】本発明の請求項１に係るフリップチップ
の実装方法によれば、半田バンプが形成された半導体素
子を回路基板上に載置し、前記半田バンプを加熱して溶
融させることにより、前記半導体素子と前記回路基板と
を接続するフリップチップの実装方法において、前記回
路基板上の電極以外のエリアもしくは、半導体素子上の
半田バンプ以外のエリアに半田バンプの溶融温度より低
い温度で硬化する熱硬化タイプの樹脂を配置し、前記半
導体素子と前記回路基板とを位置合わせし、前記熱硬化
タイプの樹脂が硬化するまで加熱し、前記樹脂の硬化後
に、前記半田バンプが溶融するまでさらに高温で加熱
し、該半田バンプを溶融させて、最後にアンダーフィル
を注入、充填し、熱をかけて硬化させて前記半導体素子
と前記回路基板とを接続するので、半田溶融後も、半導
体素子と回路基板との距離が確保できるとともに、金属
結合後のフラックスの洗浄が容易になり、接続信頼性を
向上させるアンダーフィルの確実な、且つ短時間での注
入が可能になり、短い工程時間で、接続信頼性の高いフ
リップチップの実装ができる効果がある。

【００３２】また、本発明の請求項２に係るフリップチ
ップの実装方法によれば、請求項１に記載のフリップチ
ップの実装方法において、前記硬化した樹脂は、前記半
田バンプが溶融した際、前記半導体素子と前記回路基板
との距離を保持するので、金属結合後のフラックスの洗
浄が容易になり、接続信頼性を向上させるアンダーフィ
ルの確実な、且つ短時間での注入が可能になり、短い工
程時間で、接続信頼性の高いフリップチップの実装がで
きる効果がある。

【００３３】また、本発明の請求項３に係るフリップチ
ップの実装方法によれば、請求項１または２のいずれか
に記載のフリップチップの実装方法において、前記半田
バンプは、溶融した際に、その表面張力により円柱状も
しくは鼓状になっているので、従来のように半田流れを
防止するダムを設けることなく、半田が回路基板上の電
極上に濡れ広がる心配のない、コストの安いフリップチ
ップの実装ができる効果がある。

【００３４】また、本発明の請求項４に係るフリップチ
ップの実装方法によれば、請求項１ないし３のいずれか
に記載のフリップチップの実装方法において、使用する
樹脂の硬化開始温度は、半田バンプの溶融温度に対し、
その温度差が１０℃以上であるので、半田の溶融が始ま
る時には、前記樹脂が硬化しており、該樹脂が支えにな
って、前記半導体素子と前記回路基板との距離を保持で
きるとともに、金属結合後のフラックスの洗浄が容易に
なり、接続信頼性を向上させるアンダーフィルの確実
な、且つ短時間での注入が可能になり、短い工程時間
で、接続信頼性の高いフリップチップの実装ができる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における、フリップチッ
プの実装方法を段階的に示す工程断面図である。

【図２】本発明の実施の形態１における、フリップチッ
プの実装方法で、半導体素子１上に樹脂４を塗布した例
を示す工程断面図である。

【図３】本発明の実施の形態１における、フリップチッ
プの実装方法で、回路基板上の電極６上にフラックス３
を印刷もしくは塗布し、回路基板５上に樹脂４を塗布し
た例を示す工程断面図。

【図４】本発明の実施の形態１における、フリップチッ
プの実装方法で、回路基板上の電極６上にフラックス３
を印刷もしくは塗布し、半導体素子１上に樹脂４を塗布
した例を示す工程断面図。

【図５】従来のフリップチップの実装方法を段階的に表
す工程断面図。

【図６】従来のフリップチップの実装方法でフラックス
を回路基板上の電極６上に塗布した例を表す工程断面
図。

【図７】従来のフリップチップの実装方法で回路基板上
の電極６上に半田流れ防止のダム８を設けた方法を表す
断面図

【図８】従来のフリップチップの実装方法で半導体素子
１を回路基板５に実装するヘッド９に加熱機構を設けた
方法を表す断面図

【符号の説明】

１ 半導体素子 ２ 半田バンプ ３ フラックス ４ 半田が溶融する温度以下で硬化が開始する樹脂 ５ 回路基板 ６ 回路基板上の電極 ７ アンダーフィル ８ 半田流れ防止ダム ９ 加熱ヘッド ｇ 半導体素子と回路基板との隙間

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半田バンプが形成された半導体素子を回
   路基板上に載置し、前記半田バンプを加熱して溶融させ
   ることにより、前記半導体素子と前記回路基板とを接続
   するフリップチップの実装方法において、 前記回路基板上の電極以外のエリアもしくは、半導体素
   子上の半田バンプ以外のエリアに半田バンプの溶融温度
   より低い温度で硬化する熱硬化タイプの樹脂を配置し、 前記半導体素子と前記回路基板とを位置合わせし、 前記熱硬化タイプの樹脂が硬化するまで加熱し、 前記樹脂の硬化後に、前記半田バンプが溶融するまでさ
   らに高温で加熱し、該半田バンプを溶融させて、最後に
   アンダーフィルを注入、充填し、熱をかけて硬化させて
   前記半導体素子と前記回路基板とを接続する、 ことを特徴とするフリップチップの実装方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のフリップチップの実装
   方法において、 前記硬化した樹脂は、前記半田バンプが溶融した際、支
   えとなって前記半導体素子と前記回路基板との距離を保
   持する、 ことを特徴とするフリップチップの実装方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２のいずれかに記載のフ
   リップチップの実装方法において、 前記半田バンプは、溶融した際に、その表面張力により
   円柱状もしくは鼓状になっている、 ことを特徴とするフリップチップの実装方法。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載のフ
   リップチップの実装方法において、 使用する樹脂の硬化開始温度は、半田バンプの溶融温度
   に対し、その温度差が１０℃以上である，ことを特徴と
   するフリップチップの実装方法。