JP2006165303A - 半導体チップのフリップチップ接続方法およびフリップチップ接続構造およびそのフリップチップ接続構造を備えた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体チップの狭ピッチ化に伴い金スタッドバンプの高さが減少しても、チップ−基板間へアンダーフィル樹脂を完全充填し、微小塵によるチップアクティブ面の損傷を防止できるフリップチップ接続方法を提供する。
【解決手段】 PO−SRmax-10≦Fmax≦PO-SRmaxかつPO-SRmax-15≦Fave≦PO-SRmax〔単位μｍ、Fmax：最大フィラー粒径、Fave：平均フィラー粒径、PO：チップパッド開口幅、SRmax：ソルダレジスト層最大厚さ〕を満たすフィラー粒子を含有するアンダーフィル樹脂を、基板上のフリップチップ接続予定位置に滴下して樹脂液丘とし、その上から半導体チップを押し付けて樹脂液丘を押し広げつつ、チップ−基板間に挟持したフィラー粒子をスペーサとしてチップ−基板間を所定間隔に保持し、アンダーフィル樹脂を硬化させ、チップスタッドバンプと基板はんだバンプを接合する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体チップのフリップチップ接続方法に関し、特に狭ピッチ化に対応できるフリップチップ接続方法に関する。

本発明はまた、上記のフリップチップ接続により形成されたフリップチップ接続構造およびその構造を備えた半導体装置に関する。

フリップチップ接続技術の一つに金−はんだ接続方式がある。この工法では、まずボンディング工程により、チップパッドに形成した金スタッドバンプと基板パッドに形成したはんだバンプとの接合により半導体チップを基板上に固定し、その後、アンダーフィル樹脂をチップ−基板間に充填し硬化させて金−はんだ接合部への応力を緩和する処置が取られるのが一般的である（例えば特許文献１）。

しかし近年、半導体装置の小型化の進行に伴い、チップパッドのピッチおよび開口幅の減少により下記の問題が生じている。

すなわち、パッド開口幅が減少すると、パッド開口部に形成できる金スタッドバンプの高さも不可避的に減少するため、フリップチップ接続したときのチップ−基板間の間隙も減少する。その結果、（１）チップ−基板間へのアンダーフィル樹脂の充填が不完全になり、また（２）チップ−基板間に非常に小さな塵が存在していても半導体チップのアクティブ面を傷つけてしまう。

特開２００３−２２９５１８号公報

本発明は、チップパッドの開口幅の減少に伴い金スタッドバンプの高さが減少しても、チップ−基板間の間隙へアンダーフィル樹脂を完全に充填できるように、かつ、チップ−基板間の塵の存在によるチップアクティブ面の損傷発生を防止できるように、チップ−基板間の間隔を確保する半導体チップのフリップチップ接続方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、基板上に半導体チップをフリップチップ接続する方法において、
〔１〕下記の条件（１）（２）：
ＰＯ−ＳＲmax−１０≦Ｆmax≦ＰＯ−ＳＲmax・・・・・・・（１）
ＰＯ−ＳＲmax−１５≦Ｆave≦ＰＯ−ＳＲmax・・・・・・・（２）
ただし、上記式中の各項は単位μｍであり、
Ｆmax：フィラー粒子の最大粒径、
Ｆave：フィラー粒子の平均粒径、
ＰＯ：半導体チップのフリップチップ用スタッドバンプ基部のパッド開口幅、
ＳＲmax：基板上のソルダレジスト層厚さ最大値、
を満たすフィラー粒子を含有するアンダーフィル樹脂を用意する工程、
〔２〕基板上のフリップチップ接続後にチップ下に位置する領域内に、上記アンダーフィル樹脂を滴下して樹脂液丘を形成する工程、
〔３〕上記樹脂液丘の上から半導体チップを押し付けて該樹脂液丘を押し広げると共に、半導体チップと基板との間に挟持された上記フィラー粒子をスペーサとして用いることにより半導体チップと基板とを所定間隔に保持する工程、および
〔４〕上記所定間隔を維持した状態で、アンダーフィル樹脂を硬化させると共に半導体チップのスタッドバンプと基板のはんだバンプとを接合する工程、
を含むことを特徴とする半導体チップのフリップチップ接続方法が提供される。

本発明は、このフリップチップ接続方法により形成されたことを特徴とするフリップチップ接続構造をも提供する。

本発明は更に、このフリップチップ接続構造を備えたことを特徴とする半導体装置をも提供する。

本発明は、規定範囲内の粒径を持つフィラー粒子を含有するアンダーフィル樹脂を基板のフリップチップ接続予定部位に滴下して樹脂液丘を形成しておき、その後で半導体チップを樹脂液丘の上から押圧することにより樹脂液丘を押し広げつつフィラー粒子を両者間のスペーサとして用いて半導体チップと基板との接合を行なう。

これにより、フリップチップ接続後にチップ下に位置する領域内にはチップ接続前にアンダーフィル樹脂が供給されるので、接続したチップと基板との間隙が狭くてもアンダーフィル樹脂を完全に充填することができる。

同時に、規定範囲の粒径を持つフィラーがチップ−基板間に挟持されて両者間のスペーサとして機能するので、後に詳述するようにチップと基板との間隙を従来に比べて広く確保することができ、微細の塵の存在によるチップアクティブ面の損傷を低減できる。

本発明においてフィラー粒子の粒径を限定する理由を、従来と対比して説明する。

従来は、フィラー粒子を含有するアンダーフィル樹脂が充填される、チップ−基板間の間隙は下記のようにスタッドバンプ高さに基づいた固定値として考えていた。

すなわち、アンダーフィル樹脂の充填可否に大きく影響するチップ−基板間の間隙の最小値は、半導体チップのスタッドバンプ高さＨから基板上のソルダレジスト層厚さの最大値ＳＲmaxを差し引いた値になる。すなわち、スタッドバンプ高さＨがそのまま、フリップチップ接続された半導体チップのアクティブ面のチップパッドと基板表面の基板パッドとの間隔となり、この間隔（＝Ｈ）からソルダレジスト層厚さ（部位により変動あり）の最大値ＳＲmaxを差し引いたものがチップ−基板間間隙の最小値となる。

ここで、実操業での管理値としては、半導体チップのスタッドバンプ高さＨの代わりにスタッドバンプのパッド開口幅ＰＯを用いる。その理由は、（１）スタッドバンプ高さＨはパッド開口幅ＰＯと同等であり、また、（２）実績値の変動がスタッドバンプ高さＨに比べてパッド開口幅ＰＯは非常に小さいため設計値をそのまま管理値として直接用いることができるからである。

これを前提とすると、チップ−基板間間隙の最小値は、半導体チップのスタッドバンプのパッド開口幅ＰＯ（＝スタッドバンプ高さＨ）からソルダレジスト層厚さ最大値ＳＲmaxを差し引いた（ＰＯ−ＳＲmax）で表すことができる。

従来、このように最小値（ＰＯ−ＳＲmax）であるチップ−基板間間隙に、アンダーフィル樹脂を確実に充填するために、下記のようにフィラー最大粒径Ｆmaxがチップ−基板間間隙最小値の半分以下であるフィラー粒子を用いていた。

Ｆmax≦（ＰＯ−ＳＲmax）／２・・・・（Ａ）
しかし前述のとおり、狭ピッチ化によりチップパッド開口幅が小さくなり、それに伴ってスタッドバンプ高さが小さくなって、フリップチップ接続後のチップ−基板間間隙が小さくなると、上記のような考え方でフィラー粒子径を設定し、チップ搭載後にアンダーフィル樹脂を充填していた従来の方法では、アンダーフィル樹脂の未充填および微小塵によるチップアクティブ面の損傷発生という問題が避けられなくなってきた。

図１に、従来の方法により半導体チップ１０を基板２０にフリップチップ接続し、両者の間隙にアンダーフィル樹脂３０を充填した状態を示す。

半導体チップ１０のアクティブ面を被覆するパッシベーション膜１２に設けた開口に露出したチップパッド１４上に金スタッドバンプ１６が接合されている。

基板２０は、例えばガラス・エポキシ等の絶縁基板であり、その表面を覆うソルダレジスト層２２の開口に露出した基板パッド２４上にはんだバンプ２６が設けてある。

半導体チップ１０の金スタッドバンプ１６と基板２０のはんだバンプ２６との接合により、半導体チップ１０と基板２０とのフリップチップ接続が行なわれている。

半導体チップ１０と基板２０との間隙を充填するアンダーフィル樹脂３０のフィラー粒子３２は、チップ−基板間間隙に比べて粒径が十分に小さい（図示の都合上、実際より大きめに示してある）。半導体チップ１０と基板２０との間隙が小さいので、図示のように微小塵Ｑであっても半導体チップ１０に損傷１８を生じさせるし、アンダーフィル樹脂の充填が不完全にもなる。

金スタッドバンプ１６の高さＨは、スタッドバンプのパッド開口幅ＰＯに略等しく、チップ−基板間間隙Ｇはほぼ（Ｈ−ＳＲ）すなわち（ＰＯ−ＳＲ）で表すことができる。間隙Ｇはソルダレジスト層厚さＳＲが最大値ＳＲmaxのところで最小になる。このことを考慮してフィラー粒子３２は最大粒径Ｆmax≦（ＰＯ−ＳＲmax）／２として、できるだけ小さい粒径を用いていたが、アンダーフィル樹脂の不完全充填および微小塵によるチップ損傷の発生を防止することができなかった。

そこで本発明においては、上記従来とは発想を逆転してこれを解決した。

本発明の特徴は、チップ−基板間隔の最小値を（ＰＯ−ＳＲmax）に固定して考えずに、スタッドバンプ高さが小さくなっても、従来のように小さいフィラー粒子を用いることなく、むしろ大きい粒径のフィラー粒子をチップ−基板間に挟み込んでスペーサとして介在させることにより、チップ−基板間隔を従来よりも広く確保する点にある。

すなわち、上記（Ａ）で規定した従来の上限値を超える大径フィラー粒子を含むアンダーフィル樹脂を用い、このアンダーフィル樹脂をチップ搭載前のフリップチップ接続予定位置に滴下して樹脂液丘とし、次いでこの樹脂液丘の上からチップを押し付けて搭載し、樹脂を滴下位置から周囲に押し広げつつ、同時に、大径フィラー粒子をチップ−基板間に挟持して両者間のスペーサとして用いて両者を広い間隔に保持する。

このようにチップ−基板間隔を広く確保するために、本発明のフィラー粒子の粒径は下記の関係を満たす。

ＰＯ−ＳＲmax−１０≦Ｆmax≦ＰＯ−ＳＲmax・・・・・・・（１）
ＰＯ−ＳＲmax−１５≦Ｆave≦ＰＯ−ＳＲmax・・・・・・・（２）
ただし、上記式中の各項は単位μｍであり、
Ｆmax：フィラー粒子の最大粒径、
Ｆave：フィラー粒子の平均粒径、
ＰＯ：半導体チップのフリップチップ用スタッドバンプ基部のパッド開口幅、
ＳＲmax：基板上のソルダレジスト層厚さ最大値である。

例えば、いずれも単位μｍとして、ＰＯ＝４０、ＳＲmax＝２０の製品について本発明の上記条件を当て嵌めると、１０≦Ｆmax≦２０、５≦Ｆave≦２０となる。同製品について従来であれば前述の式（Ａ）によりＦmax≦１０であるから、本発明は従来の上限を超える粒径の大径フィラー粒子を用いる。

本発明者は、このように粒径が従来の上限値を超え、上記範囲内の大径フィラー粒子を用いることにより、従来と同じ小さいスタッドバンプ高さであっても、チップ−基板間隔の最小値を従来より大幅に拡大できることを見出して本発明を完成させた。

図２に、本発明の方法により半導体チップ１０を基板２０にフリップチップ接続した状態を示す。チップ−基板間の間隙を充填しているアンダーフィル樹脂４０は、フリップチップ接続より前に基板２０上に供給されている。図２に示した各部位は、アンダーフィル樹脂４０のフィラー粒子４２が大径である以外は、図１に示した各部位と同じである。

本発明の規定を満たす大径粒子４２が、チップ１０と基板２０との間に挟持されてスペーサとして機能し、両者間の間隙Ｇを図１の従来法よりも著しく拡大している。そのため、微小塵Ｑが半導体チップ１０に損傷を及ぼすことがない。また、アンダーフィル樹脂４０は、フリップチップ接続前に基板２０上に供給された後に半導体チップ１０により挟まれて最初から間隙Ｇを充填しているので、従来のようにフリップチップ接続により形成した間隙に後からアンダーフィル樹脂を充填する際の不完全充填が発生することがない。

本発明においては、大径フィラー粒子を含有するアンダーフィル樹脂をフリップチップ接続位置に配設した後に、その上から半導体チップを押し付けて搭載する。その結果、大径フィラー粒子がチップ−基板間にスペーサとして挟持され両者間の間隔が従来より広がる。これにより、チップ−基板間隔がスタッドバンプ高さによる直接の制限から解放されて拡大可能となるので、スタッドバンプ高さの減少に直結したチップ−基板間隔の減少により従来生じていたアンダーフィル樹脂の不完全充填も微小塵起因のチップ損傷も同時に防止できる。

フィラー粒子径の最大値Ｆmaxおよび平均値Ｆaveの下限をそれぞれＧmin−１０μｍおよびＧmin−１５μｍとしたのは、基板表面の段差やチップスタッドバンプ高さのばらつきを考慮して、基板上のはんだバンプ高さ１０〜２０μｍの範囲内で接合可能とするためである。

本発明の範囲の大径フィラーを用いると、実施例において詳述するように、実際に得られるチップ−基板間間隙は用いたフィラー粒子の最大粒径Ｆmaxよりやや小さい値となる。これは、チップ−基板間に挟持されたフィラー粒子が基板のソルダレジスト層内に多少食い込んだ状態でスペーサとして保持されるからであるし、粒径分布で最大粒径Ｆmaxの粒子個数は少数であり、それよりも個数の多い最大粒径Ｆmaxよりやや小さい粒子が実際にはスペーサとしての厚みを決定しているからである、と考えられる。

したがって、実際にチップ−基板間間隙を制御するには、最大粒径Ｆmaxを上記式（１）により制限するだけでなく、それよりやや小さい粒子による寄与も取り込む必要があり、そのために本発明においては平均粒径Ｆaveも上記式（２）により限定した。

本発明の方法は、アンダーフィル樹脂の滴下量の制御により、アンダーフィル樹脂の充填を１段階または２段階で完結させる下記２種類の形態で実施できる。

＜１段階充填方式＞
この形態においては、工程〔２〕において上記樹脂液丘を構成するアンダーフィル樹脂の滴下量は、工程〔３〕において該樹脂液丘が押し広げられた際に上記半導体チップと上記基板との間隙全体を該アンダーフィル樹脂が充填するのに十分な量とする。

＜２段階充填方式＞
この形態では、工程〔２〕において上記樹脂液丘を構成するアンダーフィル樹脂の滴下量は、工程〔３〕において該樹脂液丘が押し広げられた際に上記半導体チップと上記基板との間隙のうち中央部分のみを該アンダーフィル樹脂が充填するだけの量であり、工程〔４〕において該アンダーフィル樹脂の硬化および半導体チップのスタッドバンプと基板のはんだバンプとの接合を行なった後に、下記工程：
〔５〕上記中央部分の硬化したアンダーフィル樹脂の周囲に残された間隙に、該間隙を閉塞させない粒径のフィラー粒子を含有する第２のアンダーフィル樹脂を充填する工程、
を更に行なう。

いずれの場合においても、工程〔４〕におけるアンダーフィル樹脂の硬化は、破壊しなければ不完全硬化であってもよい。

本発明の方法によりＩＣチップを基板上に下記の条件および手順でフリップチップ接続した。

用いたＩＣチップおよび基板は下記のとおりであった。

〔ＩＣチップ〕
サイズ ：６．７ｍｍ×６．７ｍｍ×ｔ０．１ｍｍ
パッド配置 ：ペリフェラル
パッド数 ：４１５
パッドピッチ ：５０μｍ
パッド開口幅 ：３７μｍ
スタッドバンプ高さ ：３６μｍ
パッシベーション膜厚： ５μｍ
〔基板〕
材質 ：ガラスエポキシ基板
サイズ ：１５ｍｍ×１５ｍｍ×ｔ０．４ｍｍ
ソルダレジスト層厚さ：１０〜２０μｍ
パッド数 ：４１５
パッドピッチ ：５０μｍ
はんだ膜厚 ：１０〜２０μｍ
上記のＩＣチップと基板について、下記Ａ、Ｂ、Ｃ３種類のアンダーフィル樹脂を用いて、フリップチップ接続を行なった。

〔アンダーフィル樹脂〕
Ａ）本発明例
樹脂成分 ：エポキシ樹脂
フィラー
材質 ：シリカ粒子
粒径 平均： ５μｍ
最大：１６μｍ
Ｂ）従来例
樹脂成分 ：エポキシ樹脂
フィラー
材質 ：シリカ粒子
粒径 平均： １μｍ
最大： ８μｍ
Ｃ）参考例
樹脂成分 ：エポキシ樹脂
フィラー ：無し
各アンダーフィル樹脂を用い下記の手順でフリップチップ接続を行なった。

１）基板上のフリップチップ接続部のチップセンターに対応する位置にアンダーフィル樹脂を滴下して樹脂液丘を形成。滴下量は０．１〜１．０ｍｇであった。

２）下記条件により、樹脂液丘の上から半導体チップを搭載してフリップチップ接続を行なう。その際、樹脂液丘は半導体チップに押圧されてチップセンターから周囲に拡張してチップアクティブ面全体にまで広がる。併行して、チップスタッドバンプと基板はんだバンプとの接合およびアンダーフィル樹脂の硬化が進行して、フリップチップ接続が完了する。

〔フリップチップ接続条件〕
ステージ温度：５０〜１００℃
ツール温度 ：２７０〜３３０℃
荷重 ：１〜５ｇ／バンプ
時間 ：１〜５秒
フリップチップ接続完了後、チップセンターを含む線に沿って切断し、切断面を走査電子顕微鏡により観察して、チップ−基板間間隙を測定した。結果を下記に示す（単位はμｍ）。

Ａ）本発明例：１１〜１３μｍ 〔フィラー：Ｆave＝５μｍ、Ｆmax＝１６μｍ〕
Ｂ）従来例 ：４〜５ 〔フィラー：Ｆave＝１μｍ、Ｆmax＝８μｍ〕
Ｃ）参考例 ：０（測定不能）〜２μｍ 〔ノンフィラー〕
本発明例では大径フィラー粒子を用いたことにより、チップ−基板間間隙を従来例の４〜５μｍに対して約２〜３倍の１１〜１３μｍに拡大することができた。

なお、本発明例の大径フィラー粒子を用いたもう一つ例として、２段階充填を行なった。第１段階として、最初の滴下量を少なくして、フリップチップ接続時の押圧によるアンダーフィル樹脂拡張を少なくすることで、チップアクティブ面の周辺部分と基板との間隙を空隙のまま残し、フリップチップ接続後に、第２段階としてこの空隙に上記Ｂ）の従来のアンダーフィル樹脂を従来と同様に充填し加熱硬化させる。ステージ温度、ツール温度、荷重、時間は上記と同様であった。この２段階方式においても、上記と同等にチップ−基板間間隙が拡大され、完全な充填が行なわれた。

このように本発明によれば、半導体チップの狭ピッチ化によるパッド開口幅の減少に伴いスタッドバンプ高さが減少しても、チップ−基板間間隙を広く確保できるので、従来法では避けられなかったアンダーフィル樹脂の不完全充填および微小塵によるチップ損傷の発生を防止してフリップチップ接続を行なうことができる。

従来の方法により半導体チップを基板にフリップチップ接続し、両者の間隙にアンダーフィル樹脂を充填した状態を示す断面図である。 本発明の方法により半導体チップを基板にフリップチップ接続した状態を示す断面図であり、チップ−基板間の間隙を充填しているアンダーフィル樹脂は、フリップチップ接続より前に基板上に供給されている。

符号の説明

１０ 半導体チップ
１２ パッシベーション膜
１４ チップパッド
１６ 金スタッドバンプ
２０ 基板
２２ ソルダレジスト層
２４ 基板パッド
２６ はんだバンプ
３０ 従来のアンダーフィル樹脂
３２ 従来のフィラー粒子
４０ 本発明のアンダーフィル樹脂
４２ 本発明のフィラー粒子
Ｈ スタッドバンプ高さ
ＰＯ チップパッド開口幅
ＳＲmax ソルダレジスト層厚さ最大値
Ｆmax フィラー粒子の最大粒径
Ｆave フィラー粒子の平均粒径
Ｑ 微小塵

Claims (6)

1. 基板上に半導体チップをフリップチップ接続する方法において、
   〔１〕下記の条件（１）（２）：
   ＰＯ−ＳＲmax−１０≦Ｆmax≦ＰＯ−ＳＲmax・・・・・・・（１）
   ＰＯ−ＳＲmax−１５≦Ｆave≦ＰＯ−ＳＲmax・・・・・・・（２）
   ただし、上記式中の各項は単位μｍであり、
   Ｆmax：フィラー粒子の最大粒径、
   Ｆave：フィラー粒子の平均粒径、
   ＰＯ：半導体チップのフリップチップ用スタッドバンプ基部のパッド開口幅、
   ＳＲmax：基板上のソルダレジスト層厚さ最大値、
   を満たすフィラー粒子を含有するアンダーフィル樹脂を用意する工程、
   〔２〕基板上のフリップチップ接続後にチップ下に位置する領域内に、上記アンダーフィル樹脂を滴下して樹脂液丘を形成する工程、
   〔３〕上記樹脂液丘の上から半導体チップを押し付けて該樹脂液丘を押し広げると共に、半導体チップと基板との間に挟持された上記フィラー粒子をスペーサとして用いることにより半導体チップと基板とを所定間隔に保持する工程、および
   〔４〕上記所定間隔を維持した状態で、アンダーフィル樹脂を硬化させると共に半導体チップのスタッドバンプと基板のはんだバンプとを接合する工程、
   を含むことを特徴とする半導体チップのフリップチップ接続方法。
2. 請求項１において、工程〔２〕において上記樹脂液丘を構成するアンダーフィル樹脂の滴下量は、工程〔３〕において該樹脂液丘が押し広げられた際に上記半導体チップと上記基板との間隙全体を該アンダーフィル樹脂が充填するのに十分な量であることを特徴とする方法。
3. 請求項１において、工程〔２〕において上記樹脂液丘を構成するアンダーフィル樹脂の滴下量は、工程〔３〕において該樹脂液丘が押し広げられた際に上記半導体チップと上記基板との間隙のうち中央部分のみを該アンダーフィル樹脂が充填するだけの量であり、工程〔４〕において該アンダーフィル樹脂の硬化および半導体チップのスタッドバンプと基板のはんだバンプとの接合を行なった後に、下記工程：
   〔５〕上記中央部分の硬化したアンダーフィル樹脂の周囲に残された間隙に、該間隙を閉塞させない粒径のフィラー粒子を含有する第２のアンダーフィル樹脂を充填する工程、
   を更に含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項において、上記アンダーフィル樹脂の上記硬化は不完全硬化であることを特徴とする方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載のフリップチップ接続方法により形成されたことを特徴とするフリップチップ接続構造。
6. 請求項５記載のフリップチップ接続構造を備えたことを特徴とする半導体装置。

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