JP2003289089A - 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】 熱衝撃試験の様な信頼性試験において半田電
極の変形またはバンプクラックが生じることのない半導
体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 回路基板に、回路面に半田突起電極が具
備された半導体チップを接合するエリア実装法におい
て、回路基板または半導体チップの回路面（半田突起電
極形成面）かつ又はこれを受ける回路基板に熱硬化性樹
脂を塗布し、電極が電気接合されるように回路基板と半
導体チップとを位置合わせした後、少なくとも半田融点
以上に加熱することによって上記突起電極と回路基板を
電気的に接合し、樹脂を硬化させて製造する半導体装置
の製造方法に関し、該接合-硬化プロセス直後に熱硬化
性樹脂組成物の反応率を40%以下又は70%以上に制御する
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、信頼性に優れ、か
つ組み立て工程を簡略できる半導体装置の製造方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年半導体パッケージの軽薄短小化の技
術革新は目覚しいものがあり、さまざまなパッケージ構
造が提唱され、製品化されている。その中で従来のリー
ドフレーム接合に代わり、半田のような突起電極によ
り、回路基板に接合するエリア実装方式は特に重要であ
る。

【０００３】この様なエリア実装（フリップチップ実
装）は、半田電極(バンプ)の場合、バンプの表面の酸化
膜を除去するためにフラックスで処理した後リフロー等
の方法で接合する。しかしバンプ、回路基板等の周囲に
フラックスが残存し、不純物として問題となるために残
存フラックスを除去する洗浄を行い、更に間隙を液状樹
脂により封止を行う。封止の理由は、直接回路基板にバ
ンプで接合するため、温度サイクル試験のような信頼性
試験を行うと、チップと回路板の線膨張係数の差により
バンプ接合部の電気的不良が発生するためである。

【０００４】液状樹脂による封止は、チップの一辺また
は複数辺に液状封止樹脂を塗布し毛細管現象を利用して
樹脂を回路基板とチップの間隙に流し込ませる。この一
連の方法はフラクッス処理、洗浄、樹脂封止、硬化を行
うため工程が長くなりかつ洗浄廃液の処理問題等環境管
理を厳しくしなければならないため、生産性に問題があ
った。

【０００５】そこで直接回路基板に樹脂を塗布し、半田
電極(バンプ)を持ったチップをその上から搭載し半田接
合と樹脂封止を同時に行う方法が考案された（米国特許
US5,128,746）。この方法は、従来のフリップチップパ
ッケージの組み立てに対し大幅な工数削減を実現できる
極めて重要な技術である。しかし、樹脂が層間に存在し
更に硬化時に半田溶融温度以上の高温に上げるため樹脂
層にボイドが発生する恐れがあった。この様に硬化樹脂
層にボイドが残存してしまうと熱衝撃試験の様な信頼性
試験においてボイドの熱収縮膨張により、バンプにスト
レスがかかり、半田電極の変形またはバンプクラックが
生じる恐れがあった。

【０００６】上記工法におけるボイドの発生に関し本発
明者らは詳細に検討し以下の原因が重要であるとの結論
に至った。 1.基板等のパッケージ部材の吸湿 2.樹脂の吸湿 3.樹脂から発生する揮発分 4.樹脂塗布時またはフリップチップを位置決めするとき
の巻き込み 5.樹脂硬化中のひけ

【０００７】これらの原因に対する対策として、上記の
１に関しては部材の予め乾燥させ、更には保管管理をす
る。２に関しては樹脂製造工程の管理、原材料の吸湿管
理等をする。３に関しては樹脂処方において高温で揮発
する成分のない処方に変更する、樹脂の耐熱性を向上さ
せる等を行う。４に関しては塗布条件、フリップチップ
設置条件を制御する。等の対策をとることが有効である
ことを見出した。

【０００８】しかし、これらの諸策をとってとしてもま
だボイドが発生することがあり、その寄与率が大きいこ
とが判明した。即ち、樹脂硬化物のひけである。樹脂の
ひけ発生メカニズムは本質的に解明されていないが、推
定原因として、1)急速な硬化により発生する。2)樹脂に
加わる熱伝導の差によるゲル化速度のばらつきなどが考
えられた。しかし、急速な硬化に関しては生産性を考慮
すると限界があり、2)に関してはパッケージ構造が複雑
なため困難である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の特性を維持しな
がら、熱衝撃試験の様な信頼性試験において半田電極の
変形またはバンプクラックが生じることのない半導体装
置の製造方法を提供し，樹脂硬化物のひけを抑え，ボイ
ドの無い半導体装置の製造方法を提供する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、回路基板に、
半導体回路面に半田突起電極が具備された半導体チップ
を接合するエリア実装法において、回路基板または半導
体チップの回路面かつ又はこれを受ける回路基板に熱硬
化性樹脂を塗布し、電極が電気接合されるように回路基
板と半導体チップとを位置合わせした後、少なくとも半
田融点以上に加熱することによって該半田突起電極と回
路基板を電気的に接合し、且つ樹脂を硬化させて製造す
る半導体装置の製造方法に関し、上記接合−硬化プロセ
ス直後の熱硬化性樹脂組成物の反応率を４０％以下又は
７０％以上に制御し、反応率が４０％以下の場合には半
田融点以下の温度で後硬化させる工程を含む該熱硬化性
樹脂組成物を硬化させる半導体装置の製造方法である。

【００１１】更に好ましい形態としては、硬化前の熱硬
化性樹脂を２０℃／分以下の昇温条件において示差熱天
秤（DSC）により測定した際の硬化に伴う全反応熱をΔ
Ｈ１、接合−硬化プロセス後の熱硬化性樹脂の半硬化物
又は硬化物を同様の試験方法により測定した硬化に伴う
反応熱をΔＨ２とし、 反応率（％）＝｛（ΔＨ１−ΔＨ２）／ΔＨ２｝×１０
０ により求められ、熱硬化性樹脂が、２個以上のエポキシ
基を有するエポキシ樹脂、フラックス作用を有し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個以上のカルボン酸基を有する化
合物を主成分とする半導体装置の製造方法である。ま
た、上記に記載の半導体装置の製造方法を用いて製造さ
れた半導体装置である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、半導体の製造方法に関
し、樹脂の硬化性を制御することにより、ボイドの発生
を少なくできることを見出したものである。具体的に
は、接合−硬化の工程において樹脂の反応率を４０％以
下又は７０％以上に限定することが必要である。より好
ましい範囲としては３０％以下又は８０％以上である。
これは接合―硬化プロセス直後に樹脂の反応率がその範
囲外にあると特にプロセス終了後の冷却時にひけによる
ボイドが発生してしまうためである。反応率を低く抑え
て接合−硬化プロセスを行なった場合は後硬化において
より低温で処理するため、硬化が均一に行なうことがで
きる。反応率が４０％を越えて７０％未満であると、硬
化物に不均一なゲルが生成し特に冷却時のひけが発生し
易くなる。反応率を７０％以上にすれば硬化物のゲルが
均一化され、冷却時のひけは起こらない。

【００１３】反応率は種々の方法で測定することができ
る。その方法としては示差熱天秤等により発熱量を調べ
る方法、IR、固体NMR等により残存反応基の濃度を調べ
る方法、などがある。この中で示差熱天秤による方法
が、簡便であり且つ正確な情報を得るためには好まし
い。その測定方法としては、２０℃/分以下の昇温条
件、好ましくは１０℃/分以下の条件において測定した
際の反応熱をΔH1、前記接合−硬化プロセス後の熱硬化
性樹脂の半硬化物を同様の試験方法により測定した反応
熱をΔH2とした時、反応率（％）＝｛（ΔH1-ΔH2）/Δ
H1｝×１００により求めことができる。この場合の反応
熱は硬化を伴う反応熱だけを考慮すればよい。このよう
に反応を行なうためには、接合−硬化プロセスにおける
温度条件を最適化することにより実現できる。

【００１４】次に本発明を具現化するための樹脂として
は、フラックス活性を有することが必要である。そのた
めに熱硬化性樹脂に活性ロジンや酸性度の高いカルボン
酸又は還元性の強い物質を添加する必要がある。しか
し、本発明の様な半導体装置の製造の場合、より信頼性
の高い樹脂組成物が好ましく、フラックス活性物質が硬
化物の架橋構造に取り込まれることが好ましい。その例
としては。エポキシ樹脂／酸無水物系、エポキシ樹脂／
多官能カルボン酸系等がある。より好ましい例として
は、必須成分として、２個以上のエポキシ基を有するエ
ポキシ樹脂、フラックス作用を有し、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個以上のカルボン酸基を有する化合物である
熱硬化性樹脂が挙げられる。この場合、硬化剤自身が半
田の酸化膜を除去するフラックス活性を有し、且つ硬化
剤としてエポキシと反応するために好ましい。

【００１５】更に詳細に説明すると、エポキシ樹脂に関
しては、平均エポキシ当量が２以上であれば、既存のビ
スフェノール系ジグリシジルエーテル類、またそれらの
水素添加反応により芳香環を飽和炭化水素化したもの、
フェノールノボラックとエピクロールヒドリンとの反応
で得られるグリシジルエーテルで常温で液状のもの等、
またはそれらを混合したものが挙げられる。またこれら
の液状樹脂にジヒドロキシナフタレンのジグリシジルエ
ーテル、テトラメチルビフェノールのジグリシジルエー
テル等の結晶性のエポキシ樹脂を混合し、液状にしたも
のを使用することもできる。また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化合物の例と
しては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。こ
の硬化剤としての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化合物はフラックス作用があ
り、本発明熱硬化性樹脂の硬化剤として好ましい。

【００１６】更に信頼性を向上させるためには、例え
ば、炭酸カルシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミ等
の電気絶縁性のフィラーを入れることが好ましい。形状
はチップのダメージを防ぐため球状が好ましい。

【００１７】本発明の熱硬化性樹脂は、前記液状エポキ
シ樹脂、硬化剤、無機フィラー以外に、必要に応じて硬
化促進剤、反応性希釈材、顔料、染料、レベリング剤、
消泡剤、カップリング材等の添加剤を混合し、真空脱泡
することにより製造することができる。これらの場合接
合−硬化プロセスにおいてボイド発生に重大な揮発分を
発生させないことは言うまでもない。

【００１８】次に、上記の樹脂を回路基板又は半導体チ
ップの回路形成面に塗布し、フリップチップボンダー等
を用いて位置決めをし、バンプと対応する回路基板の接
続部位を接触させる。接合-硬化はリフロー等の全体加
熱法とパルスヒート等の部分加熱法により、半田融点以
上に加熱しフラックス作用により半田が回路基板接合部
位に接合され、同時に樹脂を硬化させる。更に、接合−
硬化プロセス終了後は樹脂の反応率に応じて後硬化をす
る。その硬化条件としては半田融点温度以下であること
が好ましい。半田融点を越えた条件では硬化後の冷却時
にパッケージに応力がかかるため好ましくない。

【００１９】本発明の製造方法を用いて、フリップチッ
プ、ＣＳＰ（チップ・サイズ・パッケージ）等の半導体
素子を封止して半導体装置を製造することが出来る。半
導体装置の製造方法は公知の方法を用いることができ
る。

【００２０】

【実施例】＜実施例１−３、比較例１−３＞表１の処方
に従って秤量し、ミキサーにて混練し、真空脱泡後、液
状樹脂組成物を作製した。この際、各原材料が吸湿して
いる場合が多い為混練前にレジンに関しては１２０℃/
２ｈｒｓ、分散性を上げる為固形硬化剤に関しては粉砕
して粒径を３０μｍ以下にした後、５Ｔｏｒｒ以下の減
圧下１４０℃/３ｈｒｓであらかじめ乾燥したものを用
いた。

【００２１】次に特性を把握するため以下の代用特性を
評価した。 （１）常態粘度：２５℃において東機産業（株）製Ｅ型
粘度計で初期粘度（コーン回転数２．５ｒｐｍ）及び２
５℃における０．５ｒｐｍ/２．５ｒｐｍ比をチキソ比
とした。 （２）ボイド評価：十分に乾燥させたガラス−エポキシ
基板上に１５〜１６ｍｇの液状樹脂組成物をＸ字でディ
スペンスし、１０×１０ｍｍ□の共晶半田バンプ（バン
プ数９００）付きチップを澁谷工業製フリップチップボ
ンダーにてマウントした。ここで材料が吸湿して、揮発
水分等によるボイド発生の要因を少なくする為マウント
時はステージ側を６０℃に加熱しながら行った。その
後、リフロー（ピーク２１５℃）を用いて接合状態と同
じように熱履歴をかけた後、実施例１を除き１５０℃/
２ｈｒ後硬化した後、ボイドの発生具合を超音波探傷法
にてボイドを観察した。サンプル数はｎ＝５で行なっ
た。判定は５０μｍ以上のボイドが一ケでも見られた場
合を不良とした。 （３）ＤＳＣ評価：セイコーインスツルメンツ社製ＤＳ
Ｃ装置を用いて、空気中３０℃から３５０℃まで昇温速
度１０℃/ｍｉｎで上昇させたときの未硬化樹脂の硬化
挙動を測定し、そのときの発熱ピークの面積を反応熱
と、所定リフロープロファイルで硬化させた樹脂をサン
プリングし同様に測定し、前記計算式により反応率を計
算した。

【００２２】上記の測定結果を表１に示す。実施例に用
いた原材料の内容は下記のとおりである。 ・２個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂として：
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂 粘度；２，０００ｍ
Ｐａ・ｓ（２５℃） ・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
酸を有する化合物として：２，５-ジヒドロキシ安息香
酸 ・硬化促進剤：２-フェニル−１Ｈイミダゾール−４，
５ジメタノール（２ＰＨＩ） ・フィラー：最大粒径１０μｍ、平均粒径３μｍの球状
シリカ

【００２３】熱履歴を与える熱プロファイル：表１に示
す。

【表１】

【００２４】評価結果を表２に示す。

【表２】

【００２５】実施例１では、熱プロファイルにより反応
率が９０％以上まで達しており、十分に反応が進行して
いる為、パッケージ内の材料において反応進行度が均一
化できており、ひけによるボイド発生が抑えられてい
る。また実施例２及び３の場合、材料にかかる熱履歴は
極端に短く反応はほとんど進行せずに加熱は終了してい
ることからひけを生じるような反応後の構造をとらずに
ボイド発生が抑えられたからだと考えられる。一方、比
較例１−３では、適用した熱プロファイルにより反応率
が４０−７０％の範囲であり、硬化反応の割合として硬
化収縮が比較的大きい状態で加熱が終了してしまい、そ
こからの冷却によりひけを生じてしまった為、各熱履歴
を施した後、バンプ周りにボイドのような空隙が見られ
た。

【００２６】

【発明の効果】本発明によると、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化合物の反応
率を制御することでボイドが大幅に改善されることが見
いだされた。接合と封止樹脂の硬化を同時に行なうフリ
ップチップを回路基板に実装する際に、半導体装置のボ
イドの発生を抑えることができ、パッケージ生産の歩留
まりが向上し、信頼性も向上する。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路基板に、半導体回路面に半田突起電
   極が具備された半導体チップを接合するエリア実装法に
   おいて、回路基板または半導体チップの回路面かつ又は
   これを受ける回路基板に熱硬化性樹脂を塗布し、電極が
   電気接合されるように回路基板と半導体チップとを位置
   合わせした後、少なくとも半田融点以上に加熱すること
   によって該半田突起電極と回路基板を電気的に接合し、
   且つ樹脂を硬化させて製造する半導体装置の製造方法に
   関し、上記接合−硬化プロセス直後の熱硬化性樹脂組成
   物の反応率を４０％以下又は７０％以上に制御し、反応
   率が４０％以下の場合には半田融点以下の温度で後硬化
   させる工程を含む該熱硬化性樹脂組成物を硬化させるこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 硬化前の熱硬化性樹脂を２０℃／分以下
   の昇温条件において示差熱天秤（DSC）により測定した
   際の硬化に伴う全反応熱をΔＨ１、接合−硬化プロセス
   後の熱硬化性樹脂の半硬化物又は硬化物を同様の試験方
   法により測定した硬化に伴う反応熱をΔＨ２とし、 反応率（％）＝｛（ΔＨ１−ΔＨ２）／ΔＨ２｝×１０
   ０ により求められる請求項１に記載の半導体装置の製造方
   法。
3. 【請求項３】 熱硬化性樹脂が、２個以上のエポキシ基
   を有するエポキシ樹脂、フラックス作用を有し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個以上のカルボン酸基を有する化合
   物を主成分とする請求項１に記載の半導体装置の製造方
   法。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３に記載の半導体装置
   の製造方法を用いて製造された半導体装置。