JP2006156794A - 半導体装置の接合方法及び接合構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】 接合部を保護する樹脂材の充填性を高め、且つ信頼性にも優れた半導体装置の接合方法及び接合構造を提供すること。
【解決手段】 バンプ2を半導体装置1に形成する工程と、バンプ2を覆うように第1の樹脂材3を半導体装置1のバンプ形成面1aに形成した後、第1の樹脂材3を硬化させる工程と、バンプ2の先端部2bを第1の樹脂材3から露出させる工程と、露出された先端部2bを接合対象物11に形成された導体部12に押し当てた状態で溶融させて接合させる工程と、未硬化状態で先端部2bを覆った後、接合時に硬化されて第1の樹脂材3の厚さよりも小さい第1の樹脂材3と接合対象物11の導体部形成面11aとの間の間隙を充填する第2の樹脂材4を形成する工程とを有する。
【選択図】 図2
【解決手段】 バンプ2を半導体装置1に形成する工程と、バンプ2を覆うように第1の樹脂材3を半導体装置1のバンプ形成面1aに形成した後、第1の樹脂材3を硬化させる工程と、バンプ2の先端部2bを第1の樹脂材3から露出させる工程と、露出された先端部2bを接合対象物11に形成された導体部12に押し当てた状態で溶融させて接合させる工程と、未硬化状態で先端部2bを覆った後、接合時に硬化されて第1の樹脂材3の厚さよりも小さい第1の樹脂材3と接合対象物11の導体部形成面11aとの間の間隙を充填する第2の樹脂材4を形成する工程とを有する。
【選択図】 図2
Description
本発明は、半導体装置を導電性のバンプを介して接合対象物に接合させる半導体装置の接合方法及び接合構造に関し、詳しくは、半導体装置のバンプ形成面と接合対象物の導体部形成面との間にバンプを覆って充填されるアンダーフィル材としてそれぞれ別に形成され特性の異なる2つの樹脂材を用いた半導体装置の接合方法及び接合構造に関する。
半導体装置の回路基板などへの接合(実装)形態は、電子機器の軽薄短小の要求に応えてピン挿入型から表面実装型へ移行してきている。表面実装型の中でも接続リードが半導体装置の側面から出るタイプよりも、裏面(回路基板に向き合わされる面)にはんだやめっき金属などによるバンプをアレイ状に並べ、面全体で接続できるBGA(Ball Grid Array)タイプが特に多ピン化に対して有利である。
BGAタイプの半導体装置の接合方法としては、図6に示す方法が従来よりよく採用されている。図6Aに示すように、半導体装置31には高温はんだのバンプ32が形成され、接合対象物である基板34の導体部(ランド)35上には低温はんだ36が塗布され、さらに基板34上には、酸化膜を除去して接合性を高めるためのフラックス33が塗布されている。
図6Bに示すように、半導体装置31は基板34に対して押圧されながら加熱され、低温はんだ36が溶融して半導体装置31のバンプ32が基板34の導体部35と電気的に接合される。接合後、図6Cに示すように、フラックス33が洗浄により除去される。そして、図6Dに示すように、半導体装置31と基板34との間の間隙に熱硬化性樹脂からなるアンダーフィル材37を供給して加熱硬化させて接合部を保護する。
また、最近は、図7Aに示すように、フラックス機能を有する樹脂材44を基板45に前もって塗布しておき、図7Bに示すように、半導体装置41のバンプ42の先端部42aの溶融による導体部46との接合と、樹脂材44の加熱硬化による半導体装置41と基板45との間の間隙の充填とを同時に行う方法も提案されている(例えば特許文献1参照)。これに用いられる樹脂材44は、未硬化状態では接合面及びはんだ材料の酸化物などを除去して接合性を高め、さらに接合時にそのまま加熱されることで3次元架橋した樹脂となり接合部に補強材として作用するため、接合後に洗浄によるフラックス除去が不要である。
特開2003−158153号公報
図6に示した、接合後にアンダーフィル材37を形成するいわゆる後アンダーフィル法では、バンプの狭ピッチ化、微細化に伴って半導体装置31と基板34との間の狭ギャップ化が進むと充填性が悪くなり、図8に示すように、アンダーフィル材37の未充填部分sが生じやすい。元々、後アンダーフィル用の樹脂材は、バンプの保護機能を高めるべく熱膨張係数や弾性率を小さくするためにフィラーを多く混入しておりその分粘度が大きく充填性が悪い。充填しやすいフィラーの少ない材料を用いると熱膨張係数や弾性率が大きくなり信頼性に問題が出てくる。
図7に示した、接合前に基板45に樹脂材44を供給するいわゆるプリコート法では、図9に示すように、半導体装置41を基板45に押し付ける際に空気を取り込んでしまうことや、硬化時に樹脂材44から発生する溶剤分のガスが抜けきらないことによるボイド(空隙)vが形成されやすく信頼性に支障をきたす場合がある。また、フラックス機能を持たせたり、はんだの溶融による接合を阻害しないようにするためにフィラーを十分に混入できず、樹脂材44の熱膨張係数や弾性率が大きく、特に熱サイクル試験で問題を生じやすい。
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、接合部を保護する樹脂材の充填性を高め、且つ信頼性にも優れた半導体装置の接合方法及び接合構造を提供することにある。
本発明は前記課題を解決するため以下の構成を採用した。
すなわち、本発明の半導体装置の接合方法は、導電性のバンプを半導体装置に形成する工程と、このバンプを覆うように第1の樹脂材を半導体装置のバンプ形成面に形成した後第1の樹脂材を硬化させる工程と、バンプの先端部を第1の樹脂材から露出させる工程と、この露出された先端部を接合対象物に形成された導体部に押し当てた状態で溶融させて接合させる工程と、未硬化状態で先端部を覆った後、接合時に硬化されて第1の樹脂材の厚さよりも小さい第1の樹脂材と接合対象物の導体部形成面との間の間隙を充填する第2の樹脂材を形成する工程と、を有する。
すなわち、本発明の半導体装置の接合方法は、導電性のバンプを半導体装置に形成する工程と、このバンプを覆うように第1の樹脂材を半導体装置のバンプ形成面に形成した後第1の樹脂材を硬化させる工程と、バンプの先端部を第1の樹脂材から露出させる工程と、この露出された先端部を接合対象物に形成された導体部に押し当てた状態で溶融させて接合させる工程と、未硬化状態で先端部を覆った後、接合時に硬化されて第1の樹脂材の厚さよりも小さい第1の樹脂材と接合対象物の導体部形成面との間の間隙を充填する第2の樹脂材を形成する工程と、を有する。
上記第1の樹脂材は、半導体装置と接合対象物との接合前に、半導体装置のバンプ形成面に形成される。したがって、接合対象物に向き合わされずに開放された状態のバンプ形成面に第1の樹脂材を供給することができるので、接合後に形成される半導体装置と接合対象物との間の間隙の大きさには関係なく、バンプを隙間なく覆うことが容易に行える。また、その第1の樹脂材は形成された後、接合前に硬化されるため、接合時には硬化収縮や溶剤の揮発による体積の収縮が生じず、半導体装置や接合対象物の反りや変形を防げる。
バンプの先端部はその溶融による接合対象物の導体部との接合を可能にするため、接合前に第1の樹脂材から露出させる必要がある。したがって、第1の樹脂材だけでは半導体装置を接合対象物に接合させた際にこれら両者の間隙を完全に充填させることができず、露出させたバンプ先端部の高さ分だけ空隙ができてしまう。そこで、第2の樹脂材でその空隙を充填する。また、第1の樹脂材は接合前に硬化され接着性に優れないので、未硬化状態で半導体装置と接合対象物との間に介在される第2の樹脂材が両者の接着層としても機能する。
第2の樹脂材は、バンプ先端部の溶融による導体部への接合を妨げないようにフィラーを含まないかあるいは含有量が第1の樹脂材に比べれば少ない。よって熱膨張係数と弾性率の低減を図ることができず信頼性が第1の樹脂材に比べて低い。しかし、第2の樹脂材は導体部との接合に寄与するバンプ先端部のみを覆い、バンプの特に強度に不安のある付け根部を含む大部分は第1の樹脂材が覆っておりこの第1の樹脂材が接合部の強度補強の役割を担っている。
第1の樹脂材は、バンプにおける接合に寄与しない部分を覆うのでその覆われた部分の溶融を許容する必要がなく、また接合後に形成される半導体装置と接合対象物との間隙に後から供給するのでもないので粘度を小さく調整する必要もなく、よって熱膨張係数や弾性率を下げる目的でフィラーを多く混入できる。したがって、第1の樹脂材は信頼性が高く、これが前記間隙の大部分に充填されるので、接合部の強度補強を図ることができる。
また、第2の樹脂材として、未硬化状態でフラックス作用を有するものを用いれば、接合時にはバンプ先端部と導体部の酸化膜などを除去して両者の接合性を高めることができ、さらに加熱されると硬化してバンプ先端部を覆って保護する樹脂となる。このような第2の樹脂材を用いれば、別途フラックスを用いる必要がなく、またその洗浄工程も不要となる。
また、接合前にバンプの高さを揃えるためにバンプを研磨する場合には、バンプは硬化された第1の樹脂で覆われているので、その第1の樹脂材を研磨して平坦化することで前記バンプの高さを前記第1の樹脂材の厚さにそろえることができる。バンプは第1の樹脂材で保護された状態で研磨されるので、特に微細バンプに生じやすいバンプ側面側の削れや折損といった研磨不良を防げる。
また、本発明の半導体装置の接合構造は、互いに向き合わされた半導体装置のバンプ形成面と接合対象物の導体部形成面との間に、導体部に接合された先端部を除いてバンプを覆う第1の樹脂材と、第1の樹脂材の厚さよりも小さい第1の樹脂材と導体部形成面との間の間隙を充填しバンプの先端部を覆う第2の樹脂材とが形成され、第1の樹脂材の熱膨張係数の大きさは第2の樹脂材の熱膨張係数の大きさ以下であり、第1の樹脂材の弾性率の大きさは第2の樹脂材の弾性率の大きさ以下であることを特徴としている。
上記バンプ先端部を覆う第2の樹脂材は、バンプ先端部の溶融による導体部への接合を妨げないようにフィラーを含まないかあるいは含有量が第1の樹脂材に比べれば少ない。よって熱膨張係数と弾性率の低減を図ることができず信頼性が第1の樹脂材に比べて低い。しかし、バンプの特に強度に不安のある付け根部を含む大部分は第1の樹脂材が覆っており、この第1の樹脂材には熱膨張係数と弾性率を下げる目的でフィラーが多く混入され、この第1の樹脂材によって接合部の強度補強が図られている。
本発明の半導体装置の接合方法によれば、半導体装置と接合対象物との間隙の大部分を覆ってバンプを保護する第1の樹脂材が、接合前に予め半導体装置側に形成されてから半導体装置と接合対象物との間の間隙に介在されるので、これら両者の間隙が狭いものであっても隙間なく充填を行え、バンプ保護を確実に行える。また、第2の樹脂材に比べて物性の点で信頼性に優れる第1の樹脂材が上記間隙の大部分を充填しているので、このことによってもバンプ保護効果が高められている。
本発明の半導体装置の接合構造によれば、バンプの先端部を除く大部分を覆い熱膨張係数と弾性率が低く抑えられた第1の樹脂材によってバンプの保護が図られ、バンプの先端部と接合対象物の導体部との接合を妨げないようにフィラー混入が制限された第2の樹脂材によって、良好な接合性の確保と、バンプ先端部と導体部との接合部位の保護が図られている。
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
[第1の実施形態]
図1Aに本実施形態に係る半導体装置1を示す。半導体装置1は、例えばシリコンなどの半導体に集積回路が作り込まれた半導体回路形成体であり、その形態としては、チップ状のもの、チップがパッケージングされたもの、さらにはウェーハ状のものが挙げられる。
図1Aに本実施形態に係る半導体装置1を示す。半導体装置1は、例えばシリコンなどの半導体に集積回路が作り込まれた半導体回路形成体であり、その形態としては、チップ状のもの、チップがパッケージングされたもの、さらにはウェーハ状のものが挙げられる。
(図1Bの工程)
半導体装置1の電極パッド(図示せず)上に導電性のバンプ2を形成する。バンプ2は例えば略円柱状であり、基部2aと先端部2bの2つの部分からなる。基部2aは、電極パッド上に例えばめっき法で形成された銅やニッケルといった金属または合金からなる。基部2aの直径は例えば25μm、高さは例えば20μmである。先端部2bは、基部2aに続いてめっき法により形成され、例えば錫、銀等を含むはんだからなる。先端部2bの高さは例えば10μmである。後述する接合工程における加熱温度では、基部2aは溶融せず、先端部2bのみが溶融する。バンプ2間のピッチは例えば50μmである。
半導体装置1の電極パッド(図示せず)上に導電性のバンプ2を形成する。バンプ2は例えば略円柱状であり、基部2aと先端部2bの2つの部分からなる。基部2aは、電極パッド上に例えばめっき法で形成された銅やニッケルといった金属または合金からなる。基部2aの直径は例えば25μm、高さは例えば20μmである。先端部2bは、基部2aに続いてめっき法により形成され、例えば錫、銀等を含むはんだからなる。先端部2bの高さは例えば10μmである。後述する接合工程における加熱温度では、基部2aは溶融せず、先端部2bのみが溶融する。バンプ2間のピッチは例えば50μmである。
(図1Cの工程)
バンプ2を覆うように、半導体装置1のバンプ形成面1aに第1の樹脂材3を形成する。第1の樹脂材3は、熱硬化性のエポキシ系やアクリル系の主剤樹脂に硬化剤やフィラーなどを混入させたものである。フィラーは例えば球状シリカであり、熱膨張係数や弾性率を下げる目的で、約50重量%の比率で混入されている。
バンプ2を覆うように、半導体装置1のバンプ形成面1aに第1の樹脂材3を形成する。第1の樹脂材3は、熱硬化性のエポキシ系やアクリル系の主剤樹脂に硬化剤やフィラーなどを混入させたものである。フィラーは例えば球状シリカであり、熱膨張係数や弾性率を下げる目的で、約50重量%の比率で混入されている。
第1の樹脂材3は、未硬化状態でバンプ形成面1a上に例えば30μmの厚さで塗布された後、その表面が例えばローラで押圧されることで平坦化される。第1の樹脂材3は、バンプ先端部2bの下端面上を覆う部分の厚さが2〜3μmとなるように平坦化される。この平坦化後、加熱により第1の樹脂材3は硬化される。これにより、バンプ2は、硬化された第1の樹脂材3に覆われて保護される。
また、半導体装置1が接合対象物に対して接合される前の、バンプ形成面1a側が開放されている状態で、第1の樹脂材3をバンプ形成面1a上に供給できるので充填性が良く、未充填部分(空隙)を生じさせることなく第1の樹脂材3を形成できる。
(図1Dの工程)
例えばレーザートリミング法によって、第1の樹脂材3における、バンプ先端部2bを覆っている部分(厚さ約10μm)を除去し、先端部2bを露出させる。前工程での第1の樹脂材3の平坦化によって、均一に同じ厚さ分を除去すればよい。なお、先端部2bを構成するはんだは溶かさずに、第1の樹脂材3だけを溶かす薬品を使って、第1の樹脂材3の除去による先端部2bの露出を行ってもよい。
例えばレーザートリミング法によって、第1の樹脂材3における、バンプ先端部2bを覆っている部分(厚さ約10μm)を除去し、先端部2bを露出させる。前工程での第1の樹脂材3の平坦化によって、均一に同じ厚さ分を除去すればよい。なお、先端部2bを構成するはんだは溶かさずに、第1の樹脂材3だけを溶かす薬品を使って、第1の樹脂材3の除去による先端部2bの露出を行ってもよい。
(図2Eの工程)
前工程で露出されたバンプ先端部2bを加熱溶融させて半球状にする。図2Hに示す接合対象物11の導体部12との接合の際には、その半球状の先端部2bの頂部が導体部12に先に接触してその先端部2bがつぶれることで、先端部2bが後述する第2の樹脂材4を押し退けながら導体部12に接合されるので、先端部2bと導体部12との間に第2の樹脂材4を挟み込むことによる接続不良を防げる。
前工程で露出されたバンプ先端部2bを加熱溶融させて半球状にする。図2Hに示す接合対象物11の導体部12との接合の際には、その半球状の先端部2bの頂部が導体部12に先に接触してその先端部2bがつぶれることで、先端部2bが後述する第2の樹脂材4を押し退けながら導体部12に接合されるので、先端部2bと導体部12との間に第2の樹脂材4を挟み込むことによる接続不良を防げる。
(図2Fの工程)
例えば印刷法でペースト状の第2の樹脂材4をバンプ先端部2bを覆うように第1の樹脂材3に約10μmの厚さで塗布する。あるいはフィルム状の第2の樹脂材4を加熱加圧して接着してもよい。ペースト状、フィルム状、何れにしても未硬化状態である。
例えば印刷法でペースト状の第2の樹脂材4をバンプ先端部2bを覆うように第1の樹脂材3に約10μmの厚さで塗布する。あるいはフィルム状の第2の樹脂材4を加熱加圧して接着してもよい。ペースト状、フィルム状、何れにしても未硬化状態である。
第2の樹脂材4は、未硬化状態ではフラックス作用を有し、加熱されて硬化されると3次元架橋した樹脂となり、接合部の補強材として機能する。例えば、少なくとも1つ以上のフェノール性水酸基を有する化合物と、硬化剤として作用するエポキシ樹脂やイソシアネート樹脂を含む組成物が挙げられる。第2の樹脂材4に含まれるフィラーの含有比率は、フラックス作用を阻害しないために第1の樹脂材3よりも小さく、例えば0〜10重量%ほどである。
(図2Gの工程)
半導体装置1の第2の樹脂材4の形成面と、接合対象物11の導体部形成面11aとを向き合わせて、半導体装置1と接合対象物11とを位置合わせする。各バンプ2が、接合すべき導体部12上に位置するように位置合わせされる。半導体装置1はバンプ形成面1aの反対面側が実装機の吸着具に吸着保持され、接合対象物11はテーブル上に支持されている。接合対象物11は、例えば樹脂やシリコンからなる基板であり、半導体装置1との接合面に導体部12が形成されている。導体部12は例えば銅材料からなり、その表面には、無電解めっきによって、ニッケル(1.5μm)/金(0.10μm)の表面処理が施されている。
半導体装置1の第2の樹脂材4の形成面と、接合対象物11の導体部形成面11aとを向き合わせて、半導体装置1と接合対象物11とを位置合わせする。各バンプ2が、接合すべき導体部12上に位置するように位置合わせされる。半導体装置1はバンプ形成面1aの反対面側が実装機の吸着具に吸着保持され、接合対象物11はテーブル上に支持されている。接合対象物11は、例えば樹脂やシリコンからなる基板であり、半導体装置1との接合面に導体部12が形成されている。導体部12は例えば銅材料からなり、その表面には、無電解めっきによって、ニッケル(1.5μm)/金(0.10μm)の表面処理が施されている。
(図2Hの工程)
実装機のテーブル側と吸着具側の温度をそれぞれ例えば150℃に予熱した状態で半導体装置1に形成された第2の樹脂材4を接合対象物11の導体部形成面11aに接触させ、さらに半導体装置1を接合対象物11に対して押圧しながら吸着具側を例えば290℃に加熱する。この吸着具側からの熱がバンプ先端部2bに伝わり、バンプ先端部2bは溶融して第2の樹脂材4を押し退けて導体部12に接合する。さらに、この加熱により第2の樹脂材4は硬化する。先端部2bの溶融による導体部12との接合が数秒程度であるのに対して、第2の樹脂材4が完全に硬化するまでの時間はそれよりも遅く、第2の樹脂材4の硬化が先端部2bと導体部12との接合を妨げることはない。
実装機のテーブル側と吸着具側の温度をそれぞれ例えば150℃に予熱した状態で半導体装置1に形成された第2の樹脂材4を接合対象物11の導体部形成面11aに接触させ、さらに半導体装置1を接合対象物11に対して押圧しながら吸着具側を例えば290℃に加熱する。この吸着具側からの熱がバンプ先端部2bに伝わり、バンプ先端部2bは溶融して第2の樹脂材4を押し退けて導体部12に接合する。さらに、この加熱により第2の樹脂材4は硬化する。先端部2bの溶融による導体部12との接合が数秒程度であるのに対して、第2の樹脂材4が完全に硬化するまでの時間はそれよりも遅く、第2の樹脂材4の硬化が先端部2bと導体部12との接合を妨げることはない。
以上の接合により、半導体装置1に形成された半導体集積回路は、バンプ形成面1aに形成された電極パッド、バンプ2、および導体部12を介して接合対象物11と電気的に接続される。
また、上記接合時の加熱温度では、バンプ2の基部2aは溶融せず、先端部2bのみが溶融し、その先端部2bは5μmほどの高さにまでつぶれた。バンプ2の基部2aが溶融しないので、基部2aの高さによって、半導体装置1と接合対象物11との間の距離を安定して保持でき、また、基部2aがつぶれないため基部2aによる応力緩和作用も損なわれない。
また、上記接合時、第2の樹脂材4は、硬化前はそのフラックス作用により、先端部2bと導体部12との接合面の酸化膜などを除去して接合性を高めた後、硬化されると3次元架橋した樹脂となりバンプ先端部2bを覆って保護する。このような特性のためフラックスの洗浄工程が必要ない。バンプ2の狭ピッチ化や、半導体装置1と接合対象物11との間の狭ギャップ化が進むと、フラックスの洗浄が不十分になりやすく、また、洗浄力に優れた有機溶剤を用いて洗浄することも考えられるがそのような溶剤は環境問題の面から使用が規制されつつある。このような背景から、フラックスの洗浄を不要にできることは大きな利点である。また、フラックスの洗浄工程が不要な分コスト低減も図れる。
また、第1の樹脂材3は接合前にすでに硬化されており接着性を失っているので、接合時には、第1の樹脂材3と導体部形成面11aとの間に介在される未硬化状態の第2の樹脂材4が、半導体装置1と接合対象物11とを接着する接着層として機能する。
以上述べた接合方法によれば、バンプ2と導体部12との接合と、半導体装置1と接合対象物11との間の間隙への樹脂材3、4の充填とが同時に行われ、工程数を削減でき生産効率の向上を図れる。また、樹脂材3、4の充填は、いわゆる後アンダーフィル法と呼ばれる接合後の狭い間隙に樹脂材を供給することによる充填ではないので未充填部分をなくせ、半導体装置1と接合対象物11との間の間隙を完全に充填することが可能になる。この結果、信頼性を向上できる。
また、得られた接合体においては、半導体装置1と接合対象物11間の間隙に第1の樹脂材3と第2の樹脂材4という特性の異なる2つの樹脂材が充填された構造となっており、それぞれに混入されているフィラーの含有率の違いによって、第1の樹脂材3の方が第2の樹脂材4よりも、熱膨張係数及び弾性率を小さくすることができる。
熱膨張係数と弾性率が小さく調整された第1の樹脂材3が、バンプ2において特に応力に弱い付け根部を含むバンプ2の大部分を保護し、半導体装置1と接合対象物11間の間隙の約80%を占めている(約25μmの間隙に対して第1の樹脂材3の厚さは約20μm)ので、高い信頼性を得ることができる。
その第1の樹脂材3は接合前にバンプ形成面1a側に形成されて硬化されることから、バンプ先端部2bの導体部12に対する接合を妨げないようにするため先端部2bは覆わない。したがって、第1の樹脂材3だけでは半導体装置1と接合対象物11との間隙を完全に充填することはできない。そこで、第2の樹脂材4が未硬化の状態で先端部2bを覆うように供給された後、先端部2bと導体部12との接合完了後に完全硬化されることで、前記間隙は2つの樹脂材3、4によって隙間なく充填される。
また、第2の樹脂材4は未硬化状態でフラックス機能をもたせるため、これを阻害しないためにフィラーをそれほど混入できず、熱膨張係数と弾性率は大きめになる。しかし、第2の樹脂材4はバンプ2の先端部2bを覆うだけで、上記間隙の充填樹脂の大部分を占める信頼性の高い第1の樹脂材3に比べれば量が少なく(例えば体積比で、第1の樹脂材3が80%に対して第2の樹脂材4は20%)、第1の樹脂材3によって第2の樹脂材4の信頼性不足は十分に補えている。また、第2の樹脂材4を少なくできるということは、その分、硬化時に発生するガスに起因するボイドの形成も抑えられる。
一般に半導体装置の実装は、図10に概略示すような実装機を用いて行われる。昇降体21がガイド軸25に沿って矢印方向に下降することで、昇降体21の下端部に設けられた吸着部22に吸着保持された半導体装置1のバンプ2が、テーブル23の保持面24上に支持された接合対象物11の導体部に一定荷重で押し付けられる。このとき、実装機側の精度あるいは半導体装置1側の精度によっては、図10に1点鎖線で示すように、半導体装置1が接合対象物11に対して傾いた状態で(両者の接合面が非平行の状態)で押し付けられることがあり、一部のバンプ2に、設定された荷重よりも大きな荷重がかかってしまうことがある。バンプ2に過荷重がかかると、図11に示すように、特に付け根部が折損しやすい。
しかし、本実施形態では、接合前に、バンプ2の付け根部を含む大部分を占める基部2aを、硬化された第1の樹脂材3で覆って保護しているのでバンプ2の傾きは第1の樹脂材3によって規制され折損を防げる。
また、近年、半導体装置1に対する薄型化の要求が強く、半導体装置1における電極パッド及びバンプ2の形成面の反対側の面をバックグラインディングして100μm以下まで薄くすることがある。このように半導体装置1が薄くなった場合には、従来の接合後に接合部に樹脂材を供給して硬化させる後アンダーフィル法では、樹脂材からの溶剤揮発と硬化収縮によって樹脂材の体積が収縮し、図13に示すように、半導体装置1の変形をきたす場合がある。また、接合対象物11にも変形が生じ得る。
これに対して、本実施形態では、半導体装置1と接合対象物11との間の間隙を充填する樹脂材の約80%の体積を占める第1の樹脂材3は、接合前に一方の面側が開放され拘束を受けない状態で完全に硬化されることから、接合時の加熱を受けた際には上記間隙を充填する樹脂材に起因する半導体装置1や接合対象物11の変形を抑えられる。なお、第2の樹脂材4は接合時に加熱硬化されるが、上述したようにその量は少なく、よって溶剤揮発や硬化収縮による体積の収縮も小さい。
[第2の実施形態]
次に、図3を参照して第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、第2の樹脂材4を、半導体装置1と接合対象物11との接合後に、両者の間隙に供給している。すなわち、図3Aに示すように、第2の樹脂材4を介在させないでバンプ先端部2bを接合対象物11の導体部12に押し付けながら加熱溶融させて接合させた後、図3Bに示すように、未硬化状態の第2の樹脂材4を、第1の樹脂材3と接合対象物11の導体部形成面11aとの間の間隙に供給して、その後硬化させる。
次に、図3を参照して第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、第2の樹脂材4を、半導体装置1と接合対象物11との接合後に、両者の間隙に供給している。すなわち、図3Aに示すように、第2の樹脂材4を介在させないでバンプ先端部2bを接合対象物11の導体部12に押し付けながら加熱溶融させて接合させた後、図3Bに示すように、未硬化状態の第2の樹脂材4を、第1の樹脂材3と接合対象物11の導体部形成面11aとの間の間隙に供給して、その後硬化させる。
この場合、第2の樹脂材4にフィラーを入れない、または含有量を少なくして流動性を高めることで、微小間隙であっても空隙を生じさせずに充填が可能になる。上記第1の実施形態で述べたように、第2の樹脂材4は第1の樹脂材3に比べて量が少なく、接合部の保護は、前記間隙を充填する樹脂材の大部分を占めフィラー含有量を多くした信頼性の高い第1の樹脂材3が担っており、フィラーを多く含まない第2の樹脂材4の物性が接合部の強度補強に不十分であっても問題ない。
[第3の実施形態]
次に、図4を参照して第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、第2の樹脂材4を、図4に示すように、半導体装置1との接合前の接合対象物11側に形成している。第2の樹脂材4は未硬化状態で接合対象物11の導体部形成面11aに供給され、その後、上記第1の実施形態と同様に、半導体装置1を接合対象物11に対して押圧しながらバンプ先端部2bを加熱溶融させて導体部12に接合させると共に、第2の樹脂材4を加熱硬化させる
次に、図4を参照して第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、第2の樹脂材4を、図4に示すように、半導体装置1との接合前の接合対象物11側に形成している。第2の樹脂材4は未硬化状態で接合対象物11の導体部形成面11aに供給され、その後、上記第1の実施形態と同様に、半導体装置1を接合対象物11に対して押圧しながらバンプ先端部2bを加熱溶融させて導体部12に接合させると共に、第2の樹脂材4を加熱硬化させる
なお、1つの接合対象物11に対して1つの半導体装置1を接合させることに限らず複数の半導体装置1を接合させてもよい。この場合に、第3の実施形態の方法を実施するとなると、生産性を高めるために第2の樹脂材4を先に接合対象物11上の複数箇所に供給してから、1個ずつ半導体装置1をその上に押し付けて接合していく方法の採用が考えられる。通常、実装機の吸着具側からバンプ2に伝わる熱が接合対象物11を支持するテーブルに逃げて安定温度に達するのが遅くならないように、テーブル側も接合前の状態で予熱されている。この場合には、ある1つの半導体装置1の接合を行っているときに、まだ半導体装置1が接合されていない箇所の第2の樹脂材4がテーブルからの熱を受けて硬化し始めフラックス作用が失われる可能性が起こり得る。
これに対して上記第1の実施形態では、第2の樹脂材4を半導体装置1側に形成した上で接合対象物11に接合させるので、各々の半導体装置1に形成された第2の樹脂材4に作用する熱履歴を同じにすることができ、品質のばらつきを抑えられる。
[第4の実施形態]
図12Aに示すように、各バンプ2の高さにばらつきがあると、接合時にバンプ2を接合対象物11の導体部12に押し付ける際に、最も高いバンプ2が接合対象物11の導体部12に最初に接触することになり、そのバンプ2に過大に荷重がかかってしまいバンプ2の折損をきたす可能性がある。
図12Aに示すように、各バンプ2の高さにばらつきがあると、接合時にバンプ2を接合対象物11の導体部12に押し付ける際に、最も高いバンプ2が接合対象物11の導体部12に最初に接触することになり、そのバンプ2に過大に荷重がかかってしまいバンプ2の折損をきたす可能性がある。
そこで、従来より、バンプ高さのばらつきが大きい場合には、研磨によってバンプ高さを揃えることが行われているが、ピッチが60μmで微細なバンプになると研磨機の研磨パッドとバンプ先端部2bの下端面とが平行に当接した状態で研磨されず、図12Bに示すようにバンプ先端部2bが側面側から削れた状態(いわゆる片当たり状態)になりやすい。そして、その先端部2bの傾斜した面に研磨パッドが当接することでバンプ2が斜めに傾いてしまい、場合によっては図12Cに示すようにバンプ2が折損してしまう。
しかし、本実施形態では、図5Aに示すように、バンプ2は、導体部12との接合前に第1の樹脂材3で覆われるので、バンプ2が単独で研磨されることはなく、硬化された第1の樹脂材3と共に研磨できる。この結果、バンプ2の側面側に研磨パッドが当たることがなく、よってバンプ2の側面が削れたり、バンプ2を折損させることなく、バンプ高さの均一化が可能になる。バンプ高さは第1の樹脂材3の厚さと略同じに揃えられる。この後、先端部2bの溶融による導体部12への接合を可能にするため、上記第1の実施形態と同様、図1Dに示す工程にて先端部2bの露出が行われる。
なお、接合の阻害やフラックス機能の阻害にならないようであれば、第2の樹脂材4にもフィラーを多く混入して、第2の樹脂材4の熱膨張係数及び弾性率を第1の樹脂材3と同程度まで低減させてもよい。
1…半導体装置、1a…バンプ形成面、2…バンプ、2a…基部、2b…先端部、3…第1の樹脂材、4…第2の樹脂材、11…接合対象物、11a…導体部形成面、12…導体部。
Claims (6)
- 半導体装置を接合対象物に接合させる半導体装置の接合方法であって、
導電性のバンプを前記半導体装置に形成する工程と、
前記バンプを覆うように第1の樹脂材を前記半導体装置のバンプ形成面に形成した後、前記第1の樹脂材を硬化させる工程と、
前記バンプの先端部を前記第1の樹脂材から露出させる工程と、
前記露出された先端部を前記接合対象物に形成された導体部に押し当てた状態で溶融させて接合させる工程と、
未硬化状態で前記先端部を覆った後、接合時に硬化されて前記第1の樹脂材の厚さよりも小さい前記第1の樹脂材と前記接合対象物の導体部形成面との間の間隙を充填する第2の樹脂材を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の接合方法。 - 前記第2の樹脂材は未硬化状態でフラックス作用を有し、
前記先端部の露出後に前記先端部を覆うように未硬化状態の前記第2の樹脂材を前記第1の樹脂材に形成する工程と、
未硬化状態の前記第2の樹脂材を前記導体部形成面に押し当てて加熱し、前記先端部を溶融させて前記導体部に接合させると共に前記第2の樹脂材を硬化させる工程と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の接合方法。 - 前記第2の樹脂材は未硬化状態でフラックス作用を有し、
未硬化状態の前記第2の樹脂材を前記接合対象物の前記導体部形成面に形成する工程と、
未硬化状態の前記第2の樹脂材に、前記先端部が露出された前記バンプ形成面を押し当てて加熱し、前記先端部を溶融させて前記導体部に接合させると共に前記第2の樹脂材を硬化させる工程と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の接合方法。 - 前記バンプを覆う前記第1の樹脂材を形成して硬化させた後、前記第1の樹脂材を研磨して平坦化することで前記バンプの高さを前記第1の樹脂材の厚さにそろえる工程を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の接合方法。 - 半導体装置が導電性のバンプを介して接合対象物の導体部に接合された半導体装置の接合構造であって、
互いに向き合わされた前記半導体装置のバンプ形成面と前記接合対象物の導体部形成面との間に、前記導体部に接合された先端部を除いて前記バンプを覆う第1の樹脂材と、前記第1の樹脂材の厚さよりも小さい前記第1の樹脂材と前記導体部形成面との間の間隙を充填し前記先端部を覆う第2の樹脂材とが形成され、
前記第1の樹脂材の熱膨張係数の大きさは前記第2の樹脂材の熱膨張係数の大きさ以下であり、前記第1の樹脂材の弾性率の大きさは前記第2の樹脂材の弾性率の大きさ以下である
ことを特徴とする半導体装置の接合構造。 - 前記第2の樹脂材は未硬化状態でフラックス作用を有する
ことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の接合構造。
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