JP2003243449A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置の硬化物の物理特性が従来のアン
ダーフィル材と同等以上であり、フィラーの噛み込みに
よる接続不良を起こさず、電気特性等の信頼性に優れ、
製造工程を短縮化できる半導体装置の製造方法を提供す
る。 【解決手段】 １）基板と電気的接合させるための半田
バンプを有する多数個の半導体素子が形成されたウエハ
ーに樹脂組成物１を塗布する工程、２）樹脂組成物１を
Ｂ−ステージ化する工程、３）ウエハーをダイシング
し、半導体素子を個片化する工程、４）個片化した半導
体素子及び／又は基板に樹脂組成物２を塗布する工程、
５）半導体素子の半田バンプと対応する基板上の接続パ
ッドを位置決めする工程、６）部分加熱法又は全体加熱
法により半田を接続し且つ樹脂組成物１及び２を硬化さ
せる工程からなる半導体装置の製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法及び半導体装置に関するものであり、より好ましく
はフリップチップ型の半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣチップの高集積化、高密度化とＩＣ
パッケージの小型化という要求からフリップチップ実装
方式が登場した。同実装方式はこれまでのワイヤーボン
ディングによる接続ではなく、ＩＣチップ表面とプリン
ト基板とを金属バンプで電気的接続することで小型、薄
型化を可能としている。しかし、ＩＣチップ、プリント
配線基板、半田の熱膨張係数が異なるために冷熱衝撃試
験時に熱ストレスが発生する。特にチップ中央から遠い
コーナー近辺の金属バンプには局所的に熱ストレスが集
中する。このため接合部位にクラックが生じ、回路の作
動信頼性は大きく低下する。

【０００３】そこで、熱ストレスを緩和する目的から液
状注入封止アンダーフィル材による封止が行われる。し
かしこの方法はチップとプリント配線基板との隙間にア
ンダーフィル材を注入、硬化して、封止する方法が採ら
れるため工程が煩雑であり、コストもかかる。更にこの
ような半導体素子の場合は、ウエハー作製工程、ウエハ
ー上への電気回路形成工程、個片化工程、バンプ形成工
程、バンプ接合工程、アンダーフィル封止工程が必要で
あり、個々の工程は製造会社又は工場が異なる場合が多
くデリバリーコストがかかるという問題があった。

【０００４】そこで提案されたのがウエハーに電気回路
を形成し個片化せずバンプを形成し、その後個片化する
方法が考え出された。この方法はウエハー製造から一環
のラインでバンプ付半導体素子を作ることも可能であ
り、大幅に素子のコストが下がる可能性がある。しかし
この方法であっても信頼性を上げるためにはアンダーフ
ィル封止工程又はバンプ補強封止工程が必要であり、コ
ストに反映してしまう問題が残っていた。

【０００５】これらを解決する方法として特開2000-174
044号公報に開示されているＢ−ステージ樹脂をウエハ
ーに塗布する方法がある。ここでＢ−ステージとは常温
付近で固体状態であり、加熱溶融し、硬化した後完全な
パッケージの封止が行なえる事をいう。この方法に従う
と接合と封止を同時に出ることができるため更にパッケ
ージ製造工程を短縮することができる。しかし、この方
法の場合、塗布面を平滑化することが困難であり、加熱
溶融する際巻き込みボイドが発生し封止歩留まりの低下
を招いていた。また信頼性を向上させるために樹脂にフ
ィラーを入れる場合、塗布後に半田バンプ上にフィラー
が残り後工程の接合においてフィラーの噛み込みによる
接合不良を起こす恐れがあった。

【０００６】また、バンプ接合型パッケージの製造工程
短縮技術としてノンフローアンダーフィル材がある。こ
れは、基板又はバンプ付チップのバンプ面に樹脂を塗布
し、チップと基板を重ね封止と接合を同時に行う技術で
ある（特許第2589239号公報）。しかし、硬化剤とは別
に熱硬化性樹脂にフラックス機能を有する化合物を添加
して用いられるため電気特性等の信頼性において問題で
あった。そこでフラックス作用を有する硬化剤を適用す
ることにより信頼性のあるノンフローアンダーフィル材
が見いだされている(特開2001-106770号公報)。

【０００７】このようなノンフローアンダーフィル材は
一般にフィラーが添加されていないため、硬化物の物理
特性(線膨張係数、吸水率等)が従来のアンダーフィル材
に比べ大幅に劣るためパッケージ信頼性が著しく低下す
る。これを防ぐためにノンフローアンダーフィル材にフ
ィラーを添加することが考えられる。しかしフィラーが
存在すると接合工程において先に述べたようにフィラー
の噛み込みによる接続不良を起こす恐れがあり好ましく
なかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】半導体素子を個片化
し、アンダーフィル材で充填する半導体装置の製造方法
において、半導体装置の硬化物の物理特性(線膨張係
数、吸水率等)が従来のアンダーフィル材と同等以上で
あり、フィラーの噛み込みによる接続不良を起こす恐れ
がなく、電気特性等の信頼性に優れ、製造工程を大幅に
短縮化することができる半導体装置の製造方法を提供す
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、
１）基板と電気的接合させるための半田バンプを有する
多数個の半導体素子が形成されたウエハーにエポキシ樹
脂、フラックス作用を有する硬化剤を主成分とする樹脂
組成物１を塗布する工程、２）該樹脂組成物１をＢ−ス
テージ化する工程、３）該ウエハーをダイシングし、半
導体素子を個片化する工程、４）個片化した半導体素子
及び／又は基板に熱硬化性樹脂、フィラーを主成分とす
る樹脂組成物２を塗布する工程、５）半導体素子の半田
バンプと対応する基板上の接続パッドを位置決めする工
程、６）部分加熱法又は全体加熱法により半田を接続し
且つ樹脂組成物１及び樹脂組成物２を硬化させる工程か
らなる半導体装置の製造方法である。

【００１０】更に好ましい形態としては、フラックス作
用を有する硬化剤が、芳香族カルボン酸、フェノール性
水酸基を有する化合物であり、樹脂組成物２に含まれる
フィラーが球状であり、最大粒径が２０ミクロン以下で
あり、樹脂組成物２の熱硬化性樹脂成分が樹脂組成物１
の成分と同一である半導体装置の製造方法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明について詳細に説明する。
まずウエハー上に電気回路が形成された多数個の半導体
素子に半田バンプを形成させた後、エポキシ樹脂、フラ
ックス作用を有する硬化剤を主成分とする樹脂組成物１
を塗布する。ここでエポキシ樹脂はＢ−ステージ化を可
能にするためにエポキシ基が２官能以上であれば特に限
定されないが、後工程で容易に溶融しフラックス活性が
発現できること、不純物特にイオン性不純物が少ないこ
とが満たされていることが好ましい。更に好ましくは、
エポキシ当量が200以上である固形樹脂であることが好
ましい。エポキシ当量が200より小さいとＢ−ステージ
後の樹脂が脆く、個片化時に剥離、欠けが生じてしまう
恐れがある。また固形エポキシ樹脂を選択する理由は、
Ｂ−ステージ後のウエハーに塗布した樹脂層がタックフ
リー(べたつきが無いこと)化が短時間に実現できるから
である。タックフリーにすることは後工程の処理を考え
ると好ましい。液状エポキシ樹脂を適用した場合はタッ
クフリー化に時間がかかるか、高温にしなければなら
ず、エポキシ樹脂と硬化剤の反応が進行しすぎるため制
御されたＢ−ステージ化は困難な場合がある。

【００１２】樹脂組成物１ではフラックス作用を有する
硬化剤を用いる。ここでフラックス作用とは半田の表面
の酸化膜を還元し、基板の金属パッドと接合できるため
の活性のことをいう。フラックス作用を有する化合物は
一般にカルボン酸類又は酸無水物が知られている。しか
しカルボン酸の中で例えばモノカルボン酸の場合は、架
橋密度低下のため最終硬化物の物性が著しく低下するた
め必然的に他の硬化剤を添加する必要がある。そのため
カルボン酸の添加量が低くなりフラックス作用が発現し
にくくなる。化合物自身が硬化剤として作用するために
２官能以上の多官能カルボン酸があるが、反応性が高い
ため液状樹脂組成物の粘度上昇が激しく、更にＢ−ステ
ージにした後の作業性(再溶融性)も劣るため本用途に使
用することはできない。硬化剤として使用でき且つフラ
ックス作用を示す化合物としては、１分子あたり少なく
とも２個以上のフェノール性水酸基と１分子当たり少な
くとも１個以上の芳香族カルボン酸を有する固形の化合
物が好適である。その例としては、例えば、2,3-ジ#ヒ
ドロキシ安息香酸、2,4-ヒドロキシ安息香酸、2,5-ヒド
ロキシ安息香酸、2,6-ヒドロキシ安息香酸、3,4-ジ#ヒ
ドロキシ安息香酸、没食子酸、1,4-ジ#ヒドロキシ2-ナ
フトエ酸、3,5-ジヒドロキシ２−ナフトエ酸、フェノー
ルフタリン、ジフェノール酸等がある。

【００１３】樹脂組成物１は塗布し易いように溶剤を加
えることができる。その場合、使用する溶剤はエポキシ
樹脂を溶解するものであり、且つフラックス作用を有す
る硬化剤に対し貧溶媒であることが好ましい。その例示
としては、例えばビスＡ型エポキシ樹脂／２，５ジヒド
ロキシ安息香酸の場合には、ヘキサン、ヘプタン、ソル
ベントナフサ等の脂肪族炭化水素、ブチルセロソルブア
セテートやブチルカルビトールアセテート等水への溶解
性が低いエステル類などが挙げられるが、実際にはエポ
キシ樹脂、フラックス作用を有する硬化剤への溶解性を
調べて決められるものである。

【００１４】樹脂組成物１を塗布する方法は印刷、ディ
スペンス、スピンコート、ディッピング等を使用するこ
とができる。次に塗布後に樹脂をＢ−ステージ化する。
Ｂ−ステージの定義は、Ｂ−ステージ後常温以下の温度
条件下で少なくとも一ヶ月以上保管した後再加熱して樹
脂が再溶融し、接続できることをいう。Ｂ−ステージ化
時の加熱の方法としては、例えば、オーブン、真空乾燥
機等既存の方法を用いることができる。その場合、温度
はエポキシ樹脂にフラックス活性を有する硬化剤が溶解
しない温度にすることが好ましい。あまり高い温度でＢ
−ステージ化すると硬化剤がエポキシ樹脂に溶解し均一
化するため保存性が著しく劣るためである。樹脂組成物
１はフィラーのような溶融しない固体物質を入れること
は好ましくない。これは半田バンプ接合時に該固体が接
合を妨げる恐れがあるためである。次にウエハーをダイ
シングして半導体素子を個片化する。

【００１５】次に個片化した半導体素子を基板に接合す
る。その工程は半導体素子及び／又は基板に樹脂組成物
２を塗布し、フリップチップボンダー等を用いてバンプ
と対応する金属パッドを位置合わせ、パルスヒート等の
部分加熱法、リフロー法等全体加熱法により接合させ
る。半田はフラックス活性を有する樹脂組成物１により
表面が活性化され、基板の金属端子と接合する。続いて
樹脂組成物１及び２を硬化し、封止も行われる。硬化が
不十分な場合は接合後、ポストベークを行うこともでき
る。

【００１６】ここで樹脂組成物２は、熱硬化性樹脂、フ
ィラーが主成分である。この場合の熱硬化性樹脂の例と
しては、樹脂組成物１のフラックス活性を阻害しないも
の、即ち還元作用が失われるものや半田が接合するより
前に硬化してしまわないものであれば特に限定されな
い。その例としては、例えば、エポキシ樹脂、アクリレ
ート樹脂、ブタジエン樹脂、シアネート樹脂、フェノー
ル樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。その中でエポ
キシ樹脂は信頼性の点で好ましい。より好ましくは樹脂
組成物１と同一のエポキシ樹脂である。これは樹脂組成
物１及び２の界面の接合信頼性の点で好ましいからであ
る。

【００１７】次にフィラーとしてはシリカ、アルミナ、
炭酸カルシウム等があるが半導体素子へのダメージを与
えないという点で球状であることが好ましい。更にその
大きさは最大粒径が２０μｍ以下の球状フィラーである
ことが好ましい。２０μｍを越えると硬化後の厚みにば
らつきが大きくなりバンプ接合時に接合不良を起こす恐
れがある。フィラーの添加量は、特に制限されないが、
全組成物に対して１０〜８０重量％が望ましい。下限値
未満だと、耐湿性や硬化物の線膨張係数が大きくなり、
上限値を越えると結果として得られる組成物の粘度が高
くなり過ぎ、流動特性が悪化する可能性がある。

【００１８】本発明で用いる樹脂組成物１、２の製造例
としては、それぞれに必須な材料、その他の添加剤を秤
量し、ロール混練等を用いて均一分散させる。さらに脱
泡して作製する。また樹脂組成物１、２には、前記の必
須成分の他に、必要に応じてダイシング時の剥離、欠け
を防ぐために可塑性ポリマー、その他の硬化剤、反応を
促進するための触媒、希釈剤、顔料、カップリング剤、
難燃剤、レベリング剤、消泡剤等の添加物を用いても差
し支えない。本発明の半導体装置の製造方法を用いて半
導体装置を製作する方法は、前記以外は従来の公知の方
法を用いることが出来る。

【００１９】

【実施例】＜実施例１＞ 樹脂組成物１の調整：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂
（エポキシ当量250）70重量部を溶剤として30重量部の
ソルベントナフサに溶解させたワニス100重量部、2,5ジ
ヒドロキシ安息香酸20重量部、硬化促進剤として2-フェ
ニル4-エチルイミダゾール0.2重量部を秤量し、ミキサ
ーにて混練・分散後、真空脱泡処理を行い樹脂組成物１
を作製した。高さ８０μｍの共晶半田(融点183℃)バン
プが形成されたウエハー（厚み350μｍ）にスピンコー
ターによりウエハー（個片化した後それぞれの素子で接
続性が調べられるようなデイジーチェーンの回路が形成
してあるもの、バンプ配列：フルアレイ、バンプ数：１
２００）上に樹脂組成物１を塗布した。その後８０℃、
９０分でＢ−ステージ化を行なった。バンプ周りに数10
μｍコーティングされていた。次にダイシングソーを用
いてウエハーを素子毎に個片化した（チップサイズ12x1
2mm）。Ｂ−ステージ化した樹脂組成物１の層のカット
面付近に、割れ、欠けは見られなかった。 樹脂組成物２の調整：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂
(エポキシ当量160)100重量部、硬化剤として液状フェノ
ール樹脂（水酸基当量141）90重量部、最大粒径２０μ
ｍ、平均粒径２μｍの球状シリカ290重量部を三本ロー
ルで混錬して樹脂組成物２を得た。

【００２０】次に素子を接合させるＢＴ基板（接合パッ
ド；金）上に樹脂組成物２を塗布し、フリップチップボ
ンダーを用いてバンプを位置決めして仮接合した後、リ
フロー(リフロー条件：最高温度２２０℃、最低温度１
８３℃で６０秒のＩＲリフロー)炉に通して半田バンプ
を接合させた。半田は１００％接合し、フィラーの噛み
込みもなかった。次にポストベークとして１５０℃、１
時間硬化させた。樹脂組成物２は素子の外側まで流動し
フィレットが形成されており封止が完了していた。更
に、Ｂ−ステージ化した後１ヶ月、２ヶ月それぞれ常温
にて保存したものを同様に接合を行い、初期と同様に樹
脂組成物封止と接合を同時に行うことができた。接続は
デイジーチェーンにより調査した。更に得られたパッケ
ージの信頼性として熱衝撃試験を行い、すべてのバンプ
の接続信頼性を調べた。試験条件は−４０℃〜１２５
℃、１０００サイクルで行った。

【００２１】＜実施例２＞実施例１に用いた樹脂組成物
１に更に最大粒径１０μｍ、平均粒径２μｍのシリカフ
ィラーを40重量部追加し、ソルベントナフサの量を40重
量部に変更した以外は実施例１と同様に樹脂組成物を調
整し、更に実施例１の樹脂組成物２を用いて実施例１と
同様の方法でパッケージを組み立て同様の試験を行っ
た。

【００２２】＜比較例１＞実施例１において樹脂組成物
２の代わりに以下の樹脂組成物Ａを調整した。実施例１
のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂100重量部、２，５
ジヒドロキシ安息香酸22重量部、実施例１の樹脂組成物
２のシリカフィラー183重量部を秤量、混錬し、樹脂組
成物Ａを得た。次に何も塗布していないウエハーから個
片化された素子を用い、樹脂組成物２に当たる樹脂組成
物ＡをＢＴ基板に塗布し、フリップチップボンダーを用
いて仮接合し実施例１と同様にリフローを用いて接合さ
せた。評価は実施例１と同様に行った。 ＜比較例２＞実施例１において、樹脂組成物２の処方よ
りフィラーを含まない処方（樹脂組成物Ｂ）を調整し、
これを樹脂組成物２の代わりに用いた以外は実施例１と
同様にしてパッケージを組み立て同様の試験を行った。 ＜比較例３＞比較例１の何も塗布されていない素子に対
し市販フラックスを用いて実施例１のＢＴ基板にリフロ
ー炉を用いて接合した。次にフラックス洗浄剤を用いて
フラックス残渣を除去した。この組み立てた試験片のチ
ップと基板の隙間に市販アンダーフィル材（CRP-4152
S、住友ベークライト社製、フィラー含有率60重量％）
を流し込み硬化させたものを同様に信頼性試験を行なっ
た。

【００２３】

【表１】

【００２４】接合性−１：樹脂組成物１をＢ−ステージ
化した直後に接合封止試験を行った。パッケージ個数は
N=10、すべてのバンプが導通したものを良品としてカウ
ントした。 接合性―２：樹脂組成物１をＢ−ステージ化し常温で一
ヶ月保存した後に接合封止試験を行った。 接合性―３：樹脂組成物１をＢ−ステージ化し常温で二
ヶ月保存した後に接合封止試験を行った。 熱衝撃試験：接合性―１において接合したパッケージを
更に熱衝撃試験にかけ接合性を確認した。

【００２５】実施例１では良好な接合性、信頼性が得ら
れた。実施例２ではＢ−ステージ性がやや劣るものの信
頼性は良好であった。比較例１では接合性―１において
フィラーの噛み込みによる接合不良が見られた。更に熱
衝撃試験で不良が生じたが原因はフィラーの噛み込みに
より接合が不安定となり熱衝撃応力によりバンプクラッ
クによる断線が見られた。比較例２では接合性は良好で
あったが、信頼性においてフィラーが入っていないため
線膨張率が高くなりバンプ変形が起こった。比較例３で
は従来法であり、信頼性は良好であるがフラックス塗
布、同洗浄、アンダーフィル流動工程、アンダーフィル
硬化工程を含むためトータル工程が長くなった。

【００２６】

【発明の効果】本発明に従うと、従来問題であったノン
フローアンダーフィル工程におけるフィラーの噛み込み
の問題に関し、予め半田バンプにフラックス活性を有す
る組成物をＢ−ステージ化させており、その状態でフィ
ラーを含む熱硬化性樹脂で封止する方法であるためバン
プと対応する金属パッドの間にフィラーが存在しても、
Ｂ−ステージ化物が溶融し液体化し、且つ半田が溶融し
パッドに広がる作用によりフィラーが効率的に排除する
ことができる。更には樹脂組成物２がフラックス活性材
料を用いなくても良いため、フラックス活性硬化剤の未
反応物や未反応官能基(カルボン酸等)による封止樹脂層
の吸水率の上昇、電気絶縁性の低下等がなく従来のアン
ダーフィルで封止するパッケージと同様な信頼性を有
し、大幅な工程短縮が図れる組み立て方法である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4J036 AD08 DB16 DB18 DB22 5F044 KK02 LL01 LL11 RR17 5F061 AA01 BA03 CA10 CB03

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １）基板と電気的接合させるための半田
   バンプを有する多数個の半導体素子が形成されたウエハ
   ーにエポキシ樹脂、フラックス作用を有する硬化剤を主
   成分とする樹脂組成物１を塗布する工程、２）該樹脂組
   成物１をＢ−ステージ化する工程、３）該ウエハーをダ
   イシングし、半導体素子を個片化する工程、４）個片化
   した半導体素子及び／又は基板に、熱硬化性樹脂、フィ
   ラーを主成分とする樹脂組成物２を塗布する工程、５）
   半導体素子の半田バンプと対応する基板上の接続パッド
   を位置決めする工程、６）部分加熱法又は全体加熱法に
   より半田を接続し且つ樹脂組成物１及び樹脂組成物２を
   硬化させる工程からなることを特徴とする半導体装置の
   製造方法。
2. 【請求項２】 フラックス作用を有する硬化剤が、芳香
   族カルボン酸、フェノール性水酸基を有する化合物であ
   る請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 樹脂組成物２に含まれるフィラーが球状
   であり、最大粒径が２０ミクロン以下である請求項１記
   載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 樹脂組成物２の熱硬化性樹脂成分が樹脂
   組成物１の成分と同一である請求項１記載の半導体装置
   の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜４に記載の半導体装置の製造
   方法を用いて製作された半導体装置。