JP2003100810A

JP2003100810A - 半導体装置とその製造方法

Info

Publication number: JP2003100810A
Application number: JP2001297416A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Shimokawa; 一生下川; Tetsuo Komatsu; 哲郎小松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体装置の製造に際して、低コストで生産
性が高くかつ、電気的な接続信頼性の高い製造方法を確
立するとともに、それによる半導体装置と半導体装置の
配線基板への実装方法を提供すること。【解決手段】はんだパンプ５には酸化膜還元能力の高
い第１の封止樹脂６を被覆し、半導体素子３と基板１と
の間は所定の物性値を備えた第２の封止樹脂７を充填さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置とその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、BGA（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒ
ｒａｙ）等の半導体パッケージとして形成されている半
導体装置は、半導体素子とパッケージの基板の電極とを
ワイヤボンディングにより接続し、半導体素子とワイヤ
ボンディング部を封止樹脂で樹脂封止して形成されてい
る。

【０００３】近年、半導体素子をフリップチップボンデ
ィングにより実装した構造のエリアアレイ型半導体装置
が製造されている。このエリアアレイ型半導体装置は、
液状の封止樹脂で半導体素子とパッケージのＢＧＡ用基
板との間隙が充填された、樹脂封止構造に形成されてい
る。

【０００４】また、携帯電話、ノート型パソコンなどの
モバイル製品に使用される半導体装置では小型化が要求
されてきている。また、モバイル製品ではＱＦＰ（Ｑｕ
ａｄｒａｔｅＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）などのリー
ド端子を持つ半導体パッケージに代わり、パッケージ主
面に電極が複数配置されるエリアアレイ型パッケージが
多く採用されるようになってきた。エリアアレイ型パッ
ケージをモバイル製品に使用する場合、配線基板に実装
する際に、電気的な接続部の信頼性を確保するため、エ
リアアレイ型パッケージの電気的な接続部と配線基板と
の間隙は封止樹脂で充填される。

【０００５】半導体素子のＢＧＡ用基板へのフリップチ
ップ実装は、ＢＧＡ用基板にフラックスを供給する工
程、半導体素子をＢＧＡ用基板にマウントする工程、は
んだをリフローする工程、フラックス残渣を洗浄する工
程、封止樹脂を半導体素子とＢＧＡ用基板との間に充填
する工程、封止樹脂を硬化する工程が順次行われてい
る。

【０００６】フリップチップ実装方法では、電気的な接
続信頼性を確保するためにはんだのリフロー工程後にフ
ラックス残渣の洗浄が必須であるが、フラックス残渣の
洗浄には設備、材料の面で多大なコストがかかり、さら
に、洗浄液は環境に与える負荷が大きいという問題があ
った。

【０００７】また、毛細管現象を用いて液状の封止樹脂
を半導体素子とＢＧＡ用基板の間隙に充填し樹脂封止す
る方法では、封止樹脂を半導体素子の外側に塗布し、封
止樹脂が半導体素子とＢＧＡ用基板の間隙を浸透するの
に30秒以上の時間を要するため生産性が低いという問題
もあった。

【０００８】これらの問題点を解決するため、例えば、
特開平４−２８０４４３号公報に開示されているよう
な、有機酸などのフラックス剤を添加した封止樹脂を用
いた新規のはんだフリップチップ実装方法が開発されて
いる。この実装方法では、まず、はじめにフラックス剤
を添加した液状の封止樹脂を基板の上に塗布する工程、
半導体素子を基板にマウントする工程、はんだをリフロ
ーする工程からなり、はんだをリフローする際の加熱で
半導体素子と基板のとの間に充填された封止樹脂を硬化
させている。この実装方法により、従来の実装方法での
フラックス残渣を洗浄する工程と、液状の封止樹脂を半
導体素子と基板の間に充填する工程を削減できる。それ
により、材料コストの削減を可能にするとともに、高い
生産性が確保できる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
有機酸などのフラックス剤を添加した封止樹脂を用いた
新規のはんだフリップチップ実装方法では、フラックス
剤が封止樹脂へ添加されているので、半導体装置の電気
的な接続信頼性を確保するために必要とされる封止樹脂
の物性値を低下させるという問題点がある（ガラス転移
点の低下、吸水率の増加など）。

【００１０】また、電気的な接続信頼性を確保するため
に封止樹脂の硬化後に十分なフィレット形状を確保でき
る樹脂量を供給した場合、封止樹脂の粘度が低いと樹脂
のタック力が低いため、半導体素子のマウント工程後、
パッケージの基板をはんだリフローを行う加熱装置へ搬
送するときの振動で半導体素子とパッケージの基板が位
置ずれやすくなる。

【００１１】また、封止樹脂の粘度が高いと半導体素子
のマウント時の荷重を開放した際に、封止樹脂が十分に
半導体素子の側面ならびに基板の表面が濡れないため、
封止樹脂の表面張力により半導体素子が持ち上げられ
る。それにより、加熱装置への搬送の際に、受けた振動
によって半導体素子と基板が位置ずれやすくなるという
問題点がある。

【００１２】本発明はこれらの事情にもとづいてなされ
たもので、半導体装置の製造に際して、低コストで生産
性が高くかつ、電気的な接続信頼性の高い製造方法を確
立するとともに、それによる半導体装置とその製造方法
を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、基板に形成されたボンディングパッドに半
導体素子の電極がはんだバンプを介してはんだ接合さ
れ、前記半導体素子と前記基板との間が封止樹脂によっ
て充填硬化されている半導体装置において、前記はんだ
パンプは第１の封止樹脂により被覆され、前記半導体素
子と前記基板との間は第２の封止樹脂により充填されて
いることを特徴とする半導体装置である。

【００１４】また請求項２の発明による手段によれば、
前記第１の封止樹脂は、酸無水物を硬化剤として添加し
たエポキシ系封止樹脂であることを特徴とする半導体装
置である。

【００１５】また請求項３の発明による手段によれば、
半導体素子の電極に形成されたはんだバンプを第１の封
止樹脂により被覆する被覆工程と、基板に第２の封止樹
脂を供給する樹脂供給工程と、前記被覆工程が終了した
前記半導体素子を前記第２の封止樹脂の供給が終了した
前記基板にマウントするマウント工程と、前記マウント
工程後に前記はんだバンプをリフローするリフロー工程
とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法であ
る。

【００１６】また請求項４の発明による手段によれば、
前記はんだバンプに第１の封止樹脂を被覆する被覆工程
は、前記第1の封止樹脂が均一厚さにスキージングされ
たステージに前記はんだバンプを押し付けることにより
行うことを特徴とする半導体装置の製造方法である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１８】発明者はかねてから、半導体装置の製造プ
ロセスや、半導体装置を配線基板に実装する際おこなわ
れているリフロー工程で、はんだ接合と樹脂封止を一括
して行うプロセス（以下、一括プロセスと言う）の開発
を進めてきた。この一括プロセスでは、従来のプロセス
におけるはんだ接合後のフラックス洗浄工程と樹脂の充
填工程を削減することができて生産性向上を実現でき
る。使用する封止樹脂にははんだ表面酸化膜の還元能力
とリフロー工程での適正な硬化特性を持つことが要求さ
れる。ただ、その酸化膜還元メカニズムと良好なはんだ
接合を得るための硬化特性について解明されていないた
め、発明者らはそれらについて実験をおこなって解明
し、先に以下のように報告している。「樹脂封止一括は
んだフリップチップ接合技術」（下川一生他、７ｔｈ
ＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＭｉｃｒｏｊｏｉｎｉｎｇ
ａｎｄＡｓｓｅｍｂｌｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ" ２００１，２００
１，ｐｐ．１４７〜１５２）すなわち、発明者は、封止
樹脂に一般に酸化膜還元能力を有すると言われる酸無水
物系エポキシ樹脂を用いて、一括プロセスの開発実験を
おこなった。この酸無水物系エポキシ樹脂は、硬化反応
過程で生成するエポキシ樹脂と硬化剤との中間生成物が
還元能力を持つカルボキシル基を有している。また、加
熱により硬化促進剤から分離した有機酸もカルボキシル
基を有しており、これらが樹脂の酸化膜還元能力に寄与
していると考え、酸無水物系エポキシ樹脂の酸化膜還元
メカニズムを明確にすると共に、このプロセスに用いる
封止樹脂（以下、一括樹脂と言う）の硬化特性として樹
脂粘度に注目してはんだ融点での樹脂粘度がはんだの濡
れ性に与える影響を明らかにして、製造した封止樹脂で
の良好な初期接続性と接続信頼性を確認した。

【００１９】図１は、本発明の一括プロセスのリフロー
工程における樹脂粘度変化のイメージ図である。横軸は
時間であり、縦軸は温度と粘度である。まず、はんだの
加熱を行い（図中、Ａに期間）、はんだの表面酸化膜は
昇温過程で樹脂の酸化膜還元能力により還元され（図
中、Ｂの期間）、はんだ融点ではんだは接合する（図
中、Ｃの期間）。一方、封止樹脂ははんだ融点まではん
だ接合を阻害しないように硬化が進まず、はんだ接合が
完了した後に硬化反応が促進する（図中、Ｄの期間）。

【００２０】封止樹脂としては、エポキシ樹脂をビスフ
ェノールＡ型（Ｂｉｓ−Ａ）、酸無水物系硬化剤をメチ
ルへキサヒドロ無水フ夕ル酸（Ｍｅ−ＨＨＰＡ）とし、
硬化促進剤であるアミンと有機酸を含めて作製した。基
本的にアミンと有機酸は塩の状態で添加している。これ
は、樹脂の硬化を促すアミンが室温で作用することを抑
制するためである。加熱によりアミンと有機酸は分離
し、アミンは硬化を進行させる作用がある。

【００２１】硬化促進剤の調整により硬化速度を変えた
封止樹脂を種々の粘度で樹脂粘度とはんだの濡れ性の関
係を調べた。その結果、良好なはんだ濡れは、封止樹脂
の硬化速度にかかわらず、粘度が１．０×ｌ０^３Ｐａ・
ｓ以下で得られた。

【００２２】粘度が１．０×ｌ０^３Ｐａ・ｓ以上の高粘
度領域ではんだの濡れ性が低下し、濡れなくなる原因
は、はんだ融点での封止樹脂の粘度が増加することによ
り、はんだがはんだと基板との間に存在する封止樹脂を
排除できなくなったためであると考えれる。

【００２３】この結果、良好なはんだの濡れ性は、樹脂
の硬化特性にかかわらず、はんだ融点での粘度が１．０
×ｌ０^３Ｐａ・ｓ以下の場合に得られることが分かっ
た。

【００２４】これらの知見を基づいて、はんだ接合と樹
脂封止を一括して行う一括プロセスに適合した半導体装
置とその製造方法、ならびに半導体装置の配線基板への
実装方法を発明した。

【００２５】図２は、本発明の半導体装置の断面側面図
である。パッケージの基板であるＢＧＡ用基板１のボン
ディングパッド２には、半導体素子３の電極４に形成さ
れているはんだバンプ５を介して半導体素子３がフリッ
プチップボンディングされている。ＢＧＡ用基板１は、
ガラスエポキシ基板であり、そのサイズは、３０ｍｍ×
３０ｍｍ（厚さ：０．８ｍｍ）である。また、ＢＧＡ用
基板１の半導体素子３の実装面のボンディングパッド２
には、厚さ２０μｍ〜４０μｍのはんだがプリコートさ
れている。

【００２６】はんだバンプ５の側面は、硬化した第１の
封止樹脂６（一括樹脂）に被覆されている。半導体素子
３とＢＧＡ用基板１との間は、硬化した第２の封止樹脂
７が充填されており、パッケージングした半導体装置１
０を形成している。なお、第１の封止樹脂６と第２の封
止樹脂７については、第１の封止樹脂６としては、酸化
膜還元能力の高い樹脂を用い、一方、第２の封止樹脂７に
ついては、接続信頼性を確保するために必要な硬化後の
物性値を持つ封止樹脂を用いている。

【００２７】第１の封止樹脂６は、熱硬化性樹脂であ
り、はんだリフロー時の良好なはんだ接合を確保するた
め、酸化膜還元能力を有していることが知られる酸無水
物を硬化剤として添加したエポキシ系封止樹脂である。
その主成分の構成比は、１ｍｏｌのビスフェノールＡ型
エポキシ樹脂に対して、１．５〜２．０等量のメチルヘ
キサヒドロ無水フタル酸、１ｍｏｌのビスフェノールＡ
型エポキシ樹脂に対して０．２〜０．７ｗｔ％のアミ
ン、及び、アミンに対して１５〜２０等量の有機酸とな
っている。

【００２８】ここで硬化剤として使用されているメチル
ヘキサヒドロ無水フタル酸を用いたエポキシ樹脂は、上
述の報告で示されているように、高い酸化膜還元能力が
確認されている。今回使用した樹脂は、はんだリフロー
時のはんだバンプ５とプリコートはんだの接合性を向上
させるために、エポキシ樹脂中に添加されている硬化剤
と、硬化促進剤の抑制剤として添加されている有機酸の
添加量を増加し、封止樹脂の酸化膜還元能力を向上させ
たものである。

【００２９】第２の封止樹脂７は、フリップチップ実装
用の封止樹脂として、一般に用いられている熱硬化性樹
脂である無溶剤系のエポキシ系封止樹脂であり、その主
成分は以下のとおりである。ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１０〜２０ｗｔ％脂環式エポキシ樹脂１０〜２０ｗｔ％ビフェニル型エポキシ樹脂１０〜２０ｗｔ％硬化剤（酸無水物）２５〜３５ｗｔ％フィラー（二酸化珪素）１０〜３０ｗｔ％フィラー（黒鉛）１ｗｔ％以下つまり、第１の封止樹脂６にはんだバンプ５に対して、
酸化膜還元能力の高い樹脂を用い、第２の封止樹脂７に
硬化後の機械的強度が高く、吸水性の低い樹脂を用いて
いる。それにより、半導体装置１０の良好な初期接続性
を確保するとともに、接続後の電気的な接続信頼性を確
保できる。なお、第１の封止樹脂６に高い酸化膜還元能
力を与えるため、硬化剤、有機酸を過剰に添加すること
により、ガラス転移点、吸水率などの硬化後の物性値が
低下した場合でも、第２の樹脂が十分な硬化後の物性値
を有しているため、半導体装置１０の電気的な接続信頼
性には問題は発生しない。

【００３０】次に、第１の封止樹脂６および第２の封止
樹脂７の粘度について説明する。半導体装置１０の製造
工程のうち、第１の封止樹脂６および第２の封止樹脂７
がまだ硬化していない流体の状態の工程では、もし、第
１の封止樹脂６および第２の封止樹脂７の粘度がどちら
も低い場合、もしくは、どちらも高い場合には、はんだ
リフローを行う加熱装置への搬送する際に、搬送時の振
動で半導体素子３とＢＧＡ用基板１が位置ずれし易くな
る。しかし、第１の封止樹脂６に粘度の高い樹脂を使用
することにより、第１の封止樹脂６のタック力（粘性保
持力）により、マウンタのマウント荷重を開放したとき
の樹脂の表面張力による半導体素子３の浮きを抑制する
とともに、第２の封止樹脂７に粘度の低い樹脂を使用し
て、マウント荷重の開放時の表面張力による半導体素子
３の浮きを抑えることにより、加熱装置への搬送の際の
振動による位置ずれを防止することができる。

【００３１】また、第１の封止樹脂６の硬化前の粘度
を、第２の封止樹脂７の硬化前の粘度よりも高くするこ
とにより、第１の封止樹脂６をはんだバンプ５とプリコ
ートはんだの接合界面に供給することが可能となる。両
樹脂６、７の粘度の一例は、第１の封止樹脂６が８Ｐａ
・ｓであり、第２の封止樹脂７が２Ｐａ・ｓである。

【００３２】また、使用した第１の封止樹脂６、第２の
封止樹脂７は、上述した実施の形態と成分の異なる封止
樹脂を用いてもよく、また、ＢＧＡ用基板１などの材質
は、セラミック基板等の材質の基板を使用してもよい。

【００３３】また、使用したＢＧＡ用基板１の半導体素
子３に対する実装面のボンディングパッド２は、金プリ
コート等や他の表面処理がなされているものを使用して
もよい。

【００３４】なお、上述の場合は、ＢＧＡ用基板１に半
導体素子３を実装して半導体装置１０を形成したが、こ
の半導体装置１０を同様の接続構造で、図３に示すよう
に、配線基板１５に実装構造を形成することもできる。
すなわち、その場合は、上述の説明において、半導体素子
３を半導体装置１０に置き換え、ＢＧＡ用基板１を配線
基板１５に置き換えればよい。それにより、半導体装置
１０が配線基板１５に、第１の封止樹脂６が被覆された
はんだバンプ４を介して接合され、半導体装置１０と配
線基板１５の間は、第２の封止樹脂７で充填されて形成
されている半導体装置１０の配線基板１５への実装構造
となる。なお、図３においては、図2と同一機能部分に
は同一符号を付して、個々の説明を省略する。

【００３５】次に、本発明の半導体装置１０の製造方法
について説明する。図４（ａ）〜（ｄ）は本発明の半導
体装置１０の製造工程を示す模式図である。

【００３６】まず、図４（ａ）に示すように、第１の封
止樹脂６が均一厚さにスキージングされたステージ１１
に、マウンタ（不図示）のヘッド１２に保持された半導
体素子３を下降させ、半導体素子３の電極４に形成され
ているはんだバンプ５を第１の封止樹脂６に押し当て、
はんだバンプ５の外周に第１の封止樹脂６を供給する。
このはんだバンプ５は、直径がφ１００μｍで、ピッチ
が２５０μｍ〜５００μｍ程度である。このとき用いた
半導体素子３のサイズの一例は、１０ｍｍ×１０ｍｍ
（厚さ：０．６ｍｍ）である。使用した第１の封止樹脂
６は、はんだリフロー時の良好なはんだ接合を確保する
ため、酸化膜還元能力を有していることが知られる酸無
水物を硬化剤として添加したエポキシ系封止樹脂であ
る。

【００３７】次に、図４（ｂ）に示すように、ＢＧＡ用
基板１の上にディスペンサ１３により第２の封止樹脂７
を２４ｍｇ程度供給する。なお、ボンディングパッド２
にはプリコートはんだ８がコーティングされている。ま
た、ＢＧＡ用基板１への第２の封止樹脂７の供給には、
ディスペンサ１３による供給方法以外には印刷法による
供給方法を用いてもよい。

【００３８】次に図４（ｃ）に示すように、ＢＧＡ用基
板１に第２の封止樹脂７の塗布後、マウンタのヘッド１
２を下降させて半導体素子３のはんだバンプ５をＢＧＡ
用基板１のボンディングパッド２にマウントする。マウ
ント時の荷重は、５ｇｆ／ｂｕｍｐとなるように設定し
ている。

【００３９】このとき用いた粘度の一例は、第１の封止
樹脂６が８Ｐａ・ｓであり、第２の封止樹脂７が２Ｐａ
・ｓである。マウントの際は、第１の封止樹脂６の粘度
が第２の封止樹脂７の粘度よりも高いので、はんだバン
プ５の下降と共に第２の封止樹脂７は、はんだバンプ５
にコーティングされている第１の封止樹脂６により排除
されて、第１の封止樹脂６の外側に流動する。また、は
んだバンプ５とボンディングパッド２が接触する際に
は、マウント時の加重により、はんだバンプ５の外周に付
着していた第１の封止樹脂６は排除されて、はんだバン
プ５とボンディングパッド２が直接接触する。

【００４０】その後、図４（ｄ）に示すように、半導体素
子３をＢＧＡ用基板１にマウントした後、半導体素子３
をマウントしたＢＧＡ用基板１をリフロー炉（不図示）
に通す。リフロー炉での加熱条件の一例は、室温から２
００℃まで２分間で一定速度昇温した後２００℃で２分
間保持するプロファイルである。このはんだリフロー時
の加熱によりはんだずけがなされるとともに、第１の封
止樹脂６ならびに第２の封止樹脂７の仮硬化も同時に行
うことができる。

【００４１】リフロー炉を通した後、樹脂を完全に硬化
させるためオーブン（不図示）での加熱を行う。その際
の加熱・本硬化条件は、はんだが溶融しない程度の温
度、例えば、１５０℃で１時間程度である。これらの工
程により、図２に示すような半導体装置１０が形成でき
る。

【００４２】半導体装置１０の配線基板１５への実装方
法については、図４（ａ）〜（ｄ）に示した半導体装置
１０の製造方法の説明において、半導体素子３を半導体
装置１０に置き換え、ＢＧＡ用基板１を配線基板１５に
置き換えて適用する。

【００４３】以上に説明したように、上述の実施の形態
によれば、半導体素子３とＢＧＡ用基板１、および半導
体装置１０と配線基板１５との間で良好なはんだ接合性
を得られるとともに、充填された封止樹脂７の硬化後の
物性値により高い電気的な接続信頼性を確保できる。

【００４４】また、半導体素子３もしくは半導体装置１
０を、それぞれの基板にはんだフリップチップ実装する
製造工程において、フラックスの洗浄工程と封止樹脂の
浸透工程を削減することができるので、材料コストを削
減できるとともに、製造工程での高い生産性の確保が可
能になる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、低コストで電気的な信
頼性の高い半導体装置が得られる。

【００４６】また、フラックスの洗浄工程と封止樹脂の
浸透工程を削減した半導体装置の製造方法や、半導体装
置の配線基板への実装方法が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一括プロセスのリフロー工程における
樹脂粘度変化のイメージ図。

【図２】本発明の半導体装置の構成断面図。

【図３】本発明の半導体装置の配線基板への実装構造の
構成断面図。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の半導体装置の製造
方法の模式図。

【符号の説明】

１…ＢＧＡ用基板、２…ボンディングパッド、３…半導
体素子、４…電極、５…はんだバンプ、６…第１の封止
樹脂、７…第２の封止樹脂、１０…半導体装置、１５…
配線基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M109 AA02 BA03 CA05 CA07 DB15 EA02 EB02 EC07 5F044 LL04 LL11 RR17 RR18 RR19 5F061 AA02 CA05 CA07 CB03 CB13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に形成されたボンディングパッドに
半導体素子の電極がはんだバンプを介してはんだ接合さ
れ、前記半導体素子と前記基板との間が封止樹脂によっ
て充填硬化されている半導体装置において、前記はんだパンプは第１の封止樹脂により被覆され、前
記半導体素子と前記基板との間は第２の封止樹脂により
充填されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記第１の封止樹脂は、酸無水物を硬化
剤として添加したエポキシ系封止樹脂であることを特徴
とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】半導体素子の電極に形成されたはんだバ
ンプを第１の封止樹脂により被覆する被覆工程と、基板
に第２の封止樹脂を供給する樹脂供給工程と、前記被覆工程が終了した前記半導体素子を前記第２の封
止樹脂の供給が終了した前記基板にマウントするマウン
ト工程と、前記マウント工程後に前記はんだバンプをリ
フローするリフロー工程とを有することを特徴とする半
導体装置の製造方法。
【請求項４】前記はんだバンプに第１の封止樹脂を被
覆する被覆工程は、前記第1の封止樹脂が均一厚さにス
キージングされたステージに前記はんだバンプを押し付
けることにより行うことを特徴とする請求項３記載の半
導体装置の製造方法。