JP2007189210A - フリップチップ型半導体装置の組立方法及びその方法を用いて製作された半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フラックス性のない若しくはフラックス性の弱い樹脂をアンダーフィル材として用い、信頼性の高い半導体装置を提供すること。
【解決手段】回路基板１と半導体チップ４を多数個の半田バンプ電極５を介して接続する半導体装置において、回路基板１における接続パッド３の箇所、もしくは半導体チップ４の少なくともいずれかに無洗浄型フラックスを塗布する工程、回路基板１もしくは半導体チップ４のいずれかにアンダーフィル材料２を塗布する工程、半導体チップ４と回路基板１を位置合わせする工程、半導体チップ４と回路基板１を熱圧着する工程からなる半導体装置の組立方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、フリップチップ型で基板と半導体チップをバンプを介して接合する半導体装置の組立方法に関するものであり、その方法を用いて製作された半導体装置である。

電子材料分野において半導体デバイスが高集積化、高性能化、軽量化していく中で、フリップチップ接続方式を採用した半導体装置が広く用いられるようになってきている。フリップチップ方式による接続方法はシリコンチップの素子面と有機基板やセラミック基板の間にハンダ等を用いて接続したのち、毛細管現象を利用してアンダーフィル材料をシリコンチップと基板の狭部に侵入させ硬化させることでシリコンチップの固定化と信頼性の確保を行うものである。このためアンダーフィル材料に対する要求も応力特性、耐湿特性などを中心に要求が高度化している。特にフリップチップ接続においては、シリコンチップの膨張係数は３ｐｐｍ／℃、有機基板などは１７ｐｐｍ／℃と膨張係数の差が大きいことから非常に大きな剪断応力がハンダバンプ部に発生する。シリコンチップと基板の間にアンダーフィル材料を注入硬化させることによりハンダ接合部位における応力を低くすることが可能となる。また、耐湿信頼性や機械的な面からもアンダーフィル材料は有効であることが実証されている。

しかしながら、半導体素子の高集積化に伴い、ダイサイズの一辺が１０ｍｍ、２０ｍｍを超える物も有り、ダイサイズの大型化が進んできている。このような大型ダイを用いたフリップチップ半導体装置では、毛細管現象を利用しても十分な薄膜侵入特性が得られず、途中で止まり未充填などがおきるといった問題がおきている。また、薄膜侵入特性を得る為に充填材料を減少させる処方が取られているが、膨張係数が小さくなる為、半田リフロー時にダイと封止材にかかる応力が増大し封止材とダイ及び基板の界面で剥離が生じたり、パッケージや封止材にクラックが入るといった問題が指摘されてきている。

更に、毛細管現象を利用したアンダーフィル剤は、薄膜侵入工程に工数がかかりコストアップの原因ともなっている。そこで、特許２５８９２３９号公報（特許文献１）では、半導体素子を基板に接続する際に予めフラックスを混合したアンダーフィル材を滴下、その後はんだ接続と同時にアンダーフィル材を硬化させる処方が提案されている。このアセンブリ方法は、薄膜侵入工程を省き大幅なコストダウンに有効である。

このような状況で、現在のノンフローアンダーフィル材は主剤に液状エポキシ、硬化剤として無水フタル酸系の酸無水物が広く用いられているが、その理由として硬化剤の酸無水物自体にフラックス作用があり、更に必要に応じて酸無水物をエポキシとの当量以上に過剰に添加することによりフラックス性を強化できるというのが理由である。しかしながら、無水フタル酸系のような酸無水物は吸湿をおこしやすく、使用前及び使用中の吸湿により粘度上昇を起こしやすい。また過剰な酸無水物を添加すると樹脂硬化物内に未硬化の酸無水物を含むことになるが、未硬化物は容易に水を取り込み、硬化後も加水分解が促進され、吸湿により体積膨張を起こすことにより、フリップチップ型半導体装置などでは信頼性低下の問題を生じる。さらに酸無水物以外のフラックス材を添加する場合も、ノンフローアンダーフィル材の半田接続性を良好とするためには、多量の添加が必要となり、そのため硬化性が阻害されたり、基材に対する密着性が低下するものが殆どであり、信頼性を満足できる半導体装置を得るには至っていないのが現状である。

また特開２００５−１０５０２１号公報（特許文献２）にも、２個以上のカルボキシル基を有する芳香族カルボン酸を含有させたアンダーフィル材料が提案されているが、このようなカルボン酸を樹脂に配合する場合でも、カルボン酸の配合量が不足すると十分なフラックス性能が得られない場合や、配合量が多い場合液状化しにくいといった欠点がある。

また特開平５−２４３３３１号公報（特許文献３）には、基板にフラックスを塗布し、さらに封止樹用の樹脂を供給し、その後半導体装置を基板上に載置するという提案があるが、この提案は封止樹脂を先に供給することをめざしているのでは無く、仮止め用の接着剤をバンプを除く部分に供給しており、後工程でさらにバンプ周囲を保護するため更に樹脂を供給する必要があり、薄膜浸入工程を改善するものではない。

特許２５８９２３９号公報 特開２００５−１０５０２１号公報 特開平５−２４３３３１号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、本発明を用いればアンダーフィル材に封止剤としての性能を低下させるフラックス成分を添加する必要がないため、フラックス性のない若しくはフラックス性の弱い樹脂をアンダーフィル材として用いることが可能となるため信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は下記のフリップチップ型半導体装置の組立方法及びその方法を用いて製作された半導体装置に関する。
（１）回路基板と半導体チップを多数個の半田バンプ電極を介して接続する半導体装置において、
前記回路基板における接続パッドの箇所、もしくは半導体チップの少なくともいずれかに無洗浄型フラックスを塗布する工程、
前記回路基板もしくは半導体チップのいずれかにアンダーフィル材料を塗布する工程、
前記半導体チップと前記回路基板を位置合わせする工程、
前記半導体チップと前記回路基板を熱圧着する工程からなることを特徴とする半導体装置の組立方法。
（２）アンダーフィル材料を塗布する工程がディスペンスもしくはスクリーン印刷もしくはステンシル印刷により行われる上記（１）記載の半導体装置の組立方法。
（３）半導体チップと回路基板を熱圧着する方法がパルスヒートもしくはリフローにより行われる上記（１）記載の半導体装置の組立方法。
（４）前記アンダーフィル材料がエポキシ樹脂系である上記（１）記載の半導体装置の組立方法。
（５）前記エポキシ樹脂が下記式（１）で示されるエポキシ樹脂を含む上記（４）記載の半導体装置の組立方法。

［式（１）中、Ｒ^１は水素原子又は炭素数１〜２０の一価炭化水素基であり、ｎは１〜４の整数であり、ｎが２以上の場合、Ｒ^１は同じでも異なっても良い。］
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載した半導体装置の組立方法を用いて作製された半導体装置。

本発明の方法を用いれば、アンダーフィル材に封止剤として信頼性を損なうフラックス成分を添加する必要がないため、半導体装置の信頼性を損なうことがない。また本発明は薄膜浸入といった工程を用いないため、比較的短時間で実装が行えるというメリットがある。

以下、本発明について詳細に説明する。本発明において用いられるアンダーフィル材料としては熱硬化性樹脂が好ましく、更には常温で液状の一液性エポキシ樹脂が好ましい。常温で液状のエポキシ樹脂は、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであれば、分子構造、分子量等は特に限定されないが、特にビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、シクロペンタジエン型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は１種単独で又は２種以上混合して用いることができる。この中でも室温（例えば２５℃）で液状のエポキシ樹脂が望ましい。

また、これらのエポキシ樹脂には下記構造で示されるエポキシ樹脂を流動性に影響を及ぼさない範囲で添加しても何ら問題はない。

本発明においては、特に下記一般式（１）で示されるエポキシ樹脂を含むことが好ましい。

ここで、Ｒ^１は水素原子、又は炭素数１〜２０、好ましくは１〜１０、更に好ましくは１〜３の一価炭化水素基であり、一価炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基等のアルキル基、ビニル基、アリル基等のアルケニル基等が挙げられる。また、ｎは１〜４の整数、特に１又は２である。また、ｎが２以上の場合、Ｒ^１は同じでも異なっても良い。

上記液状エポキシ樹脂中の全塩素含有量は、１５００ｐｐｍ以下、望ましくは１０００ｐｐｍ以下である必要がある。また、１００Ｃで５０％エポキシ樹脂濃度における２０時間での抽出水塩素が１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。全塩素含有量が１５００ｐｐｍを越え、抽出水塩素が１０ｐｐｍを越えると半導体素子の信頼性、特に耐湿性に悪影響を与えるおそれがある。

なお、上記式（１）で示されるエポキシ樹脂の含有量は、全エポキシ樹脂中２５〜１００質量％、より好ましくは５０〜１００質量％、更に好ましくは７５〜１００質量％であることが推奨される。２５質量％未満であると組成物の粘度が上昇したり、硬化物の耐熱性が低下したりする恐れがある。エポキシ樹脂の粘度は、２５℃で１０００Ｐａ・ｓ以下、好ましくは５００Ｐａ・ｓ以下であることが作業性の点で好ましい。

本発明の液状エポキシ樹脂を硬化させるために硬化剤を添加する。上記エポキシ樹脂の硬化系としては特に限定するものではなく単独硬化系、酸無水物硬化系、アミン硬化系等いかなる硬化系を採用しても本発明の趣旨を阻害しないかぎり適宜用いることができるが、例えば、液状エポキシ樹脂中のエポキシ基と反応可能な官能基（例えばフェノール型水酸基、アミノ基、酸無水物基など）を２個以上（但し、酸無水物基は１個以上）有する化合物が挙げられ、分子構造、分子量等は特に限定されず、公知のものを使用することができるが、特にフェノール系硬化剤が好ましく用いられる。

１分子中にフェノール性水酸基を少なくとも２個以上有するフェノール樹脂としては、具体的にはフェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂等のノボラック型フェノール樹脂、パラキシリレン変性ノボラック樹脂、メタキシリレン変性ノボラック樹脂、オルソキシリレン変性ノボラック樹脂等のキシリレン変性ノボラック樹脂、ビスフェノールＡ型樹脂、ビスフェノールＦ型樹脂等のビスフェノール型フェノール樹脂、ビフェニル型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、フェノールアラルキル型樹脂、ビフェニルアラルキル型樹脂、トリフェノールメタン型樹脂、トリフェノールプロパン型樹脂等のトリフェノールアルカン型樹脂及びその重合体等のフェノール樹脂、ナフタレン環含有フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂等のいずれのフェノール樹脂も使用可能である。

特に、本発明のフェノール系硬化剤としては、下記一般式（２）で表されるフェノール系硬化剤を含有することが望ましい。

（式中、Ｒ^２は同一または異種の炭素数１０以下の一価炭化水素基であり、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基等のアルキル基、ビニル基、アリル基、プロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基等のアルケニル基等があげられる。特に、Ｒ^２は二重結合を有する炭素数１０以下、好ましくは２〜１０の一価炭化水素基であり、ビニル基、アリル基、ヘキセニル基が好ましい。

Ｒ^３は下記式で示される二価炭化水素基のいずれか一つである。

（式中、Ｒ^４は同じでも異なってもよく、水素原子又は炭素数１０以下、好ましくは１〜５のアルケニル基を除く一価炭化水素基であり、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基等のアルキル基等が挙げられる。）

上記一般式（２）で表されるフェノール系硬化剤は、常温で液状であることが好ましく、２５℃における粘度は３００Ｐａ・ｓ以下、特に１００Ｐａ・ｓ以下であることが望ましい。粘度が３００Ｐａ・ｓを超えると組成物の粘度が高くなり作業性が悪くなることがある。

なお、本発明の硬化剤の添加量は、エポキシ樹脂を硬化させる有効量であり、適宜選定されるが、フェノール系硬化剤の場合、液状エポキシ樹脂中に含まれるエポキシ基１モルに対してフェノール性水酸基が０．７〜１．３倍モル、特に０．８〜１．２倍モルであることが望ましい。

更に、本発明には、液状エポキシ樹脂を硬化させるため、あるいは液状エポキシ樹脂と、硬化剤との硬化反応を促進するために、硬化促進剤を配合する。この硬化促進剤は、硬化反応を促進させるものならば特に限定されないが、特にイミダゾール化合物、有機リン系化合物等から選ばれる１種又は２種以上の硬化促進触媒を含むものをそのまま添加するか、又は内部に上記した硬化促進剤を内包するマイクロカプセル型硬化促進剤あるいはそれらの混合物として使用することが好ましい。

イミダゾール化合物としては、下記一般式（３）で示されるものを使用することができる。

（式中、Ｒ^５、Ｒ^６はそれぞれ独立して水素原子、メチル基、エチル基、ヒドロキシメチル基、フェニル基から選ばれるいずれかであり、Ｒ^７はメチル基、エチル基、ペンタデシル基、ウンデシル基、フェニル基、アリル基から選ばれるいずれかであり、Ｒ^８は水素原子、メチル基、エチル基、シアノエチル基、ベンジル基又は下記式（４）で示される基から選ばれるいずれかである。）

具体的には、
２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、１，２−ジメチルイミダゾール、２，４−ジメチルイミダゾール、１，２−ジエチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−へプタデシルイミダゾール、２−ウンデシルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール、１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾール、２，４−ジアミノ−６−［２’−メチルイミダゾリル−（１）’］−エチル−Ｓ−トリアジン、２，４−ジアミノ−６−［２’−エチル−４’−メチルイミダゾリル−（１）’］−エチル−Ｓ−トリアジン、２，４−ジアミノ−６−［２’−ウンデシルイミダゾリル］−エチル−Ｓ−トリアジン、２，４−ジアミノ−６−［２’−メチルイミダゾリル−（１）’］−エチル−Ｓ−トリアジンイソシアヌール酸付加物、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール、２−アリール−４，５−ジフェニルイミダゾール等のイミダゾール化合物が挙げられる。

上記したイミダゾール化合物はそのまま添加するか、又は内部に上記したイミダゾール化合物を内包するマイクロカプセル型硬化促進剤あるいはそれらの混合物として使用することができる。

一方、有機リン系化合物としては、トリフェニルホスフィン、トリブチルホスフィン、トリ（ｐ−メチルフェニル）ホスフィン、トリ（ノニルフェニル）ホスフィン、ジフェニルトリルホスフィン等のトリオルガノホスフィン、トリフェニルホスフィンとトリフェニルボランとの塩等のトリオルガノホスフィンとトリオルガノボランとの塩、テトラフェニルホスホニウム等のテトラオルガノホスホニウム、テトラフェニルホスホニウムとテトラフェニルボレートとの塩等のテトラオルガノホスホニウムとテトラオルガノボレートとの塩等が挙げられる。これらの中で下記一般式（５）で示されるものが好ましい。

（式中、Ｒ^９は同じであっても異なってもよく、それぞれ独立して水素原子、又は炭素数１〜４のアルキル基又はアルコキシ基である。）
上記Ｒ^９のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基等が挙げられ、アルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基等が挙げられ、好ましくは水素原子又はメチル基である。

上記した有機リン系化合物はそのまま添加するか、又は内部に上記した有機リン系化合物を内包するマイクロカプセル型硬化促進剤あるいはそれらの混合物として使用することができる。有機リン系化合物をそのまま硬化促進剤として使用する場合には、半田バンプの融点以上で硬化反応を促進させることが必要である。具体的には、硬化性と潜在性のバランスが良好なトリフェニルホスフィンが好ましい。

本発明の硬化促進剤は、内部に上述した硬化促進剤を内包する平均粒径０．５〜１０μｍのマイクロカプセル、即ちマイクロカプセル型硬化促進剤であることが好ましい。

このマイクロカプセル型硬化促進剤は、（メタ）アクリル系単量体、例えばアクリル酸エステル、イタコン酸エステル、クロトン酸エステル等の炭素数１〜８のアルキルエルテルやこのアルキルエステルのアルキル基の水素原子の一部又は全部がアリル基等で置換されたもの、また、スチレン、α−メチルスチレン、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、酢酸ビニル等の単官能性単量体、エチレングリコール（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジビニルベンゼン、ビスフェノールＡジ（メタ）アクリレート、メチレンビス（メタ）アクリルアミド等の多官能単量体等の各種単量体のポリマー中に、前述のイミダゾール化合物、有機リン化合物等の硬化促進剤（硬化促進触媒）を内包するものが挙げられるが、このポリマーとしては、特に（メタ）アクリレート単量体のポリマーが好ましい。

本発明のマイクロカプセル型硬化促進剤の製造方法としては、様々な方法が挙げられ従来公知の方法で製造することができるが、生産性及び球状度が高いマイクロカプセル型硬化促進剤を製造するためには、通常懸濁重合法又は乳化重合法等が好ましく用いられる。例えばエポキシ樹脂硬化剤用アミン類を主成分とする固体状芯物質を重合性二重結合を有する有機酸を含有するラジカル重合性モノマーでマイクロカプセル化する方法が特開平５−２４７１７９号公報に開示されている。

この場合、一般的に使用されている硬化促進触媒の分子構造から、高濃度のマイクロカプセル型硬化促進剤を得るためには、硬化促進触媒１０質量部に対して使用する上記単量体の総量は、望ましくは１０〜２００質量部、特に望ましくは１０〜１００質量部、更に望ましくは２０〜５０質量部である。１０質量部未満では、マイクロカプセルが硬化促進触媒の潜在性に十分に寄与することが困難になることがあり、２００質量部を超えると触媒の比率が低くなり、十分な硬化性を得るためには多量に使用しなければならなくなり、経済的に不利となる場合がある。即ち、マイクロカプセル中に含有される硬化促進剤の濃度としては、約５〜５０質量％、好ましくは約１０〜５０質量％程度のものを使用することができる。

マイクロカプセル型硬化促進剤のシェル組成物は、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、メタクリレート樹脂、オレフィン樹脂、スチレン系樹脂等が挙げられる。これらは必要に応じて架橋して用いることができる。

このようなマイクロカプセル型硬化促進剤の平均粒径としては、０．５〜１０μｍのものを使用することが好ましく、特に平均粒径が０．５〜１０μｍかつ最大粒径が５０μｍ以下、とりわけ平均粒径２〜５μｍかつ最大粒径が２０μｍ以下のものを使用することが好ましい。平均粒径が０．５μｍより小さいと比表面積が大きくなり、混合した時の粘度が高くなる恐れがあり、１０μｍを超えるとレジンとの分散が不均一になり信頼性の低下を引き起こす恐れがある。

硬化促進剤の配合量は、イミダゾール化合物、有機リン系化合物等をマイクロカプセル化せずそのまま使用する場合の配合量は、液状エポキシ樹脂１００質量部に対して好ましくは０．１〜１５質量部、特に０．５〜７質量部である。配合量が０．１質量部未満では硬化性が低下する恐れがあり、１５質量部を超えると、硬化性には優れるが保存性が低下する恐れがある。

また、マイクロカプセル型硬化促進剤の配合量は、液状エポキシ樹脂１００質量部に対して、マイクロカプセル中に内包される硬化促進触媒の量が１〜１５質量部、特に２〜１０質量部となる量であることが好ましい。１質量部未満では硬化性が低下する恐れがあり、１５質量部を超えると硬化性には優れるが、組成物の保存性が低下する恐れがある。

更に、マイクロカプセル型硬化促進剤と前述のマイクロカプセル化していない硬化促進剤とを併用してもよい。この場合、液状エポキシ樹脂１００質量部に対して、マイクロカプセル中に内包される硬化促進触媒とマイクロカプセル化していない硬化促進剤との合計が、１〜１５質量部、特に２〜７質量部となる量であることが好ましい。１質量部未満では硬化性が低下する恐れがあり、１５質量部を超えると硬化性には優れるが、組成物の保存性が低下する恐れがある。

本発明では、膨張係数を小さくする目的から従来より知られている各種の無機質充填剤を添加する。具体的に無機質充填剤としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、ボロンナイトライド、窒化アルミニウム、窒化珪素、マグネシア、マグネシウムシリケート、アルミニウム等が使用される。なかでも真球状の溶融シリカが低粘度化が可能なために望ましい。

無機質充填剤の配合量としては、液状エポキシ樹脂と硬化剤との総量１００質量部に対して５０〜４００質量部で配合することが好ましく、より好ましくは１００〜２５０質量部の範囲で配合する。５０質量部未満では、膨張係数が大きく、冷熱試験においてクラックの発生を誘発させるおそれがある。４００質量部を超えると、粘度が高くなり、薄膜侵入性の低下をもたらすおそれがある。この場合の好ましい粘度としては、２５℃で２５０Ｐａ・ｓ以下、好ましくは１００Ｐａ・ｓ以下である。

本発明のエポキシ樹脂組成物には、応力を低下させる目的でシリコーンゴム、シリコーンオイルや液状のポリブタジエンゴム、メタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレンよりなる熱可塑性樹脂などを配合してもよい。本発明の液状エポキシ樹脂組成物には、更に必要に応じ、接着性向上用炭素官能性シラン、カーボンブラック等の顔料、染料、酸化防止剤、表面処理剤（γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等）、その他の添加剤を配合することができる。

また、本発明の液状エポキシ樹脂組成物の成形方法、成形条件は表面実装時のハンダリフロー条件の常法とすることができる。一般的な例として『常温→２００〜２６０℃（ハンダ溶融温度範囲内）／１分以上５分以下→常温』の温度プロファイルである。ハンダ溶融温度以下では、ハンダが接続できない恐れが有る。ハンダ溶融温度以上では、高温度による熱衝撃により半導体装置の故障する恐れがある。リフロー最大温度状態が１分未満であると液状エポキシ樹脂組成物が十分に硬化しておらず十分な接着強度がでず落下試験等で不良が発生するおそれがある。５分以上では、高温度による熱衝撃により半導体装置の故障する恐れがある。

なお、本発明において、封止材として用いる液状エポキシ樹脂組成物の粘度は、２５℃において１，０００Ｐａ・ｓ以下、特に５００Ｐａ・ｓ以下のものが好ましい。また、この組成物の成形方法、成形条件は、常法とすることができるが、好ましくは、先に１００〜１２０℃、０．５時間以上、その後１５０〜１７５℃、０．５時間以上の条件で熱オーブンキュアを行う。１００〜１２０℃での加熱が０．５時間未満では、硬化後にボイドが発生する場合がある。また１５０〜１７５℃での加熱が０．５時間未満では、十分な硬化物特性が得られない場合がある。この場合、キュアの時間は加熱温度に応じて適宜選定される。

ここで本発明に用いるフリップチップ型半導体装置は、下記図１に示したように、通常電子回路基板１の配線パターン面に複数個のハンダバンプ５を介して半導体チップ４が搭載されているものであり、上記電子回路基板１と半導体チップ４との隙間（バンプ５間の隙間）をアンダーフィル材２が充填さている構造を有するものである。

本発明の半導体の組立方法は、電子回路基板１と半導体チップ４を多数個の半田バンプ電極５を介して接続する半導体装置において、（１）上記回路基板における接続パッドの箇所、もしくは半導体チップの少なくともいずれかに無洗浄型フラックスを塗布する工程、（２）上記回路基板もしくは半導体チップのいずれかにアンダーフィル材料を塗布する工程、（３）上記半導体チップと上記回路基板を位置合わせする工程、（４）上記半導体チップと上記回路基板を熱圧着する工程からなることを特徴とする半導体装置の組立方法である。

ここで、フラックスは無洗浄型のフラックスが好ましく、またアビエチン酸等のロジンを溶剤等で希釈したものを用いることもできるが、更にはボイド発生を防止するために塗布後フラックスに含まれる溶剤成分を乾燥機等を用い揮発させた後用いることが望ましい。

この場合市販のフラックスのままでも、或いは有効成分のみを添加しても良い。この有効成分はベース樹脂と活性剤に大別される。前者ではアビエチン酸、デヒドロアビエチン酸、ジヒドロアビエチン酸、テトラヒドロアビエチン酸、ネオアビエチン酸、イソピマール酸、ピマール酸、レボピマール酸、パラストリン酸、後者では安息香酸、ステアリン酸、乳酸、クエン酸、シュウ酸、コハク酸、アジピン酸、セバシン酸等が挙げられる。

フラックスの塗布量は樹脂全体の１００質量部に対して、乾燥後の塗布量として０．０５質量部乃至２質量部、特に０．０５質量部乃至０．５質量部であることが望ましい。フラックスが０．０５質量部未満では、その効果が十分に得られず、また２質量部より多い場合はハンダバンプ周辺に多くフラックスが残ることになるが、フラックスはハンダバンプに対し熱膨張係数が大きく、アンダーフィル材と比較しハンダバンプ保護性が低下する恐れがあるため好ましくない。

また、アンダーフィル材料を塗布する工程はディスペンスもしくはスクリーン印刷もしくはステンシル印刷により行われることが好ましく、特にディスペンス方式がコスト的にが好ましい。

半導体チップと回路基板を熱圧着する方法はパルスヒートもしくはリフローにより行われることが好ましく、特にパルスヒートが好ましい。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

半導体チップとして半田バンプが５７６個搭載された日立超ＬＳＩシステムズ社製フリップチップキットのＪＴＥＧ Ｐｈａｓｅ２Ｅ１７５鉛フリー仕様と基板として同社製ＪＫＩＴ ＴＹＰＥ−IIIを用いた。この半導体チップと基板は両者の接続によりデイジーチェーンを構成し、チップ内の全ての半田バンプが接続ができたときに導通が可能となるものである。即ち５７６個のバンプの内１個でも接続できなければ導通試験で絶縁性を示し、接続性が良好な実装方法を用いなければ接続が困難である。

使用するアンダーフィル材は表１で示す成分を３本ロ−ルで均一に混練することにより樹脂組成物を得た。フラックスとしてはアビエチン酸とエタノールを２０ｇ対８０ｇの比で混合したものを用いた。この樹脂組成物（以下樹脂と略す）とフラックスを用いて、以下に示す実装試験を行った。ただし表１の数値は質量部を示すものとする。

上記半導体チップの半田バンプ部に上記フラックスを塗布しその後、溶剤分が揮発するまで乾燥機にて乾燥した。また対となる基板にはオートディスペンサーを用いて上記の樹脂を塗布した。以上の工程経たものを実施例１、２に用いる。

［実施例１］
パルスヒート機能を具備したフリップチップボンダーを用い上記工程を経た半導体チップと基板を位置決めし圧接しその後パルスヒートにて熱圧着を行った。熱圧着後乾燥機にて１５０℃２時間で樹脂を硬化させた。

［実施例２］
フリップチップボンダーを用い上記工程を経た半導体チップと基板を位置決めし圧接し、圧接したサンプルをリフロー炉にて半田を溶融させ半導体チップと基板を接続させる。その後乾燥機にて１５０℃×２時間で樹脂の硬化を行った。

［比較例１］
半導体チップの半田バンプ部にフラックスを塗布しないものと実施例と同様に樹脂を
塗布した基板を上記実施例１と同様にパルスヒーターを具備したフリップチップボンダーを用い位置決め、圧接、熱圧着を行った。即ち実施例１からフラックスを塗布することを除いた組立方法によるものである。

［比較例２］
比較例１と同様の工程を経た半導体チップと基板を実施例２と同様フリップチップボンダーにて位置決め、圧接したサンプルをリフロー炉にて半田を溶融させ半導体チップと基板を接続させる。その後乾燥機にて１５０℃２時間で樹脂の硬化を行った。即ち比較例１と同様実施例２からフラックスを塗布することを除いた組立方法によるものである。

［比較例３］
表１の樹脂組成にフラックス性を強化するため、硬化剤であるメチルテトラヒドロ無水フタル酸（ＭＨ７００を：新日本理化（株）製）を更に２０質量部添加したものを用いて比較例１と同じ方法にて接続を行った。

［導通試験］
上記実施例１，２及び比較例１〜３により作製されたサンプルの端子間抵抗測定により導通試験をおこなった。導通試験の値はデイジーチェーンの抵抗値（オーム）を示す。
［ＰＣＴテスト］
上記実施例１，２及び比較例１〜３により作製されたサンプルをＰＣＴ（プレッシャークッカーテスト：１２１℃、２．１ａｔｍ）の環境下に置き、１６８ｈｒ後の剥離をＣ−ＳＡＭで確認した。結果が良好なものを○、不良なものを×とした。

エポキシ樹脂
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂：ＲＥ３０３Ｓ−Ｌ（日本化薬（株）製）
硬化剤
メチルテトラヒドロ無水フタル酸：ＭＨ７００（新日本理化（株）製）
無機充填剤
球状シリカ：ＳＥ８ＦＣ（最大粒径２４ミクロン以下、平均粒径６ミクロン、徳山ソーダ（株）製）
硬化促進剤
硬化促進剤ａ：キュアゾールＣ_１１Ｚ−ＰＷ（四国化成（株）製）
硬化促進剤ｂ：２Ｅ４ＭＺのマイクロカプセル、２Ｅ４ＭＺ（四国化成（株）製）を２０質量％含有したメタクリル酸メチルの重合体。平均粒径が７μｍ。Ｏ−クレゾール中で３０℃、１５分間の処理でマイクロカプセルから溶出する触媒の量は８７質量％。

実施例１、２は良好な導通が得られたが、比較例１、２においては導通が得られなかった。比較例３においては初期接続は良好であったがＰＣＴテストにおいて剥離を生じ、樹脂の信頼性が低下していることが確認された。上記実験はフラックスを半導体チップ側に塗布したが、基板側に塗布してもかまわない。またディスペンスによりアンダーフィル材を塗布したが印刷の手法をとってもなんら問題がない。

本発明のフリップチップ型半導体装置の概念図を示す。

符号の説明

１ 電子回路基板
２ アンダーフィル材
３ パッド
４ 半導体チップ
５ ハンダバンプ

Claims (6)

1. 回路基板と半導体チップを多数個の半田バンプ電極を介して接続する半導体装置において、
   前記回路基板における接続パッドの箇所、もしくは半導体チップの少なくともいずれかに無洗浄型フラックスを塗布する工程、
   前記回路基板もしくは半導体チップのいずれかにアンダーフィル材料を塗布する工程、
   前記半導体チップと前記回路基板を位置合わせする工程、
   前記半導体チップと前記回路基板を熱圧着する工程からなることを特徴とする半導体装置の組立方法。
2. アンダーフィル材料を塗布する工程がディスペンスもしくはスクリーン印刷もしくはステンシル印刷により行われる請求項１記載の半導体装置の組立方法。
3. 半導体チップと回路基板を熱圧着する方法がパルスヒートもしくはリフローにより行われる請求項１記載の半導体装置の組立方法。
4. 前記アンダーフィル材料がエポキシ樹脂系である請求項１記載の半導体装置の組立方法。
5. 前記エポキシ樹脂が下記式（１）で示されるエポキシ樹脂を含む請求項４記載の半導体装置の組立方法。
   

   

   ［式（１）中、Ｒ^１は水素原子又は炭素数１〜２０の一価炭化水素基であり、ｎは１〜４の整数であり、ｎが２以上の場合、Ｒ^１は同じでも異なっても良い。］
6. 請求項１〜５のいずれかに記載した半導体装置の組立方法を用いて作製された半導体装置。

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