JP2007300101A - 接着剤の水分吸湿を防止するフリップチップ用ウエハーレベルパッケージの製造方法 - Google Patents

接着剤の水分吸湿を防止するフリップチップ用ウエハーレベルパッケージの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
本発明は、ウエハーレベルパッケージの製造工程において、ダイシング工程中に発生する接着剤への水分吸湿、又は、接着剤の初期に潜在されている水分を効果的に防止・除去することができる、新しいウエハーレベルパッケージの製造方法を提供する。
【解決手段】
本発明は、バンプが形成されたウエハー上に接着剤を塗布して接着剤層を形成する段階、及び、前記接着剤層にレーザーを照射して個別チップ単位にダイシングする段階を包含するウエハーレベルパッケージの製造方法である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ウエハーレベルパッケージの製造方法に関し、より詳細には、ウエハーレベルパッケージの製造工程において、ダイシングの途中に発生する接着剤の水分吸湿を効果的に防止することのできる新しいウエハーレベルパッケージの製造方法に関する。
電子パッケージング技術は、最終電子製品の性能、サイズ、コスト及び信頼性を決定するにおいて非常に重要な技術であり、最近の高い電気的性能及び小型・軽薄型化の傾向に併せて、その重要性はより強く認識されている。このような電子パッケージング技術の中、チップを基板に実装するための接続材料として使用される異方性伝導性接着剤は、液晶表示装置（ＬＣＤ）における駆動チップの接続材料だけでなく、半導体パッケージチップの接続材料として最近広範囲に利用されている。
特に、半導体パッケージのフリップチップ形態のチップ接続は、凡そ、はんだバンプを使用するはんだフリップチップと、非はんだバンプと異方性伝導性接着剤を使用する非はんだフリップチップに区分することができる。しかし、従来のはんだフリップチップ接続技術は、複雑な工程、即ち、はんだフラックス（flux）の塗布、チップと基板の整列、はんだリフロー、フラックスの除去、アンダーフィル塗布及び硬化などの工程を経ることになるため、コストアップの問題がある。これに反して、非はんだバンプと異方性伝導性接着剤を使用するフリップチップ接続技術は、前記のはんだフリップチップ技術と比べるとき、簡単な工程、無鉛（Lead-free）工程、環境親和的な無フラックス（Fluxless）工程、低温工程、極微細ピッチの適用性などによって、その重要性は益々大きく認識されており、有機基板及びガラスなどの硬性基板（Rigid board）及び軟性基板（Flexible substrate）などにそれぞれＣＯＢ（Chip on Board）、ＣＯＧ（Chip on Glass）、ＣＯＦ（Chip on Flexible）などの多様な形態で適用されている。
異方性伝導性接着剤を利用する従来のフリップチップの製造技術は、シングルチップパッケージ（Single chip package）の形態で製造されており、チップサイズと類似するサイズの異方性伝導性接着剤を切断した後、これを基板上に仮接着した後、バンプが形成されているウエハーを個別単位にダイシングしたチップを整列させた後、熱と圧力を加えることによりフリップチップを接続する方法を採用してきた。
図１は、先行特許文献「塗布された異方性伝導性接着剤を利用したウエハー型フリップチップの製造方法（韓国特許第３６１６４０号）」及び「Method for fabricating wafer-level flip chip packages using pre-coated anisotropic conductive adhesives（米国特許第６５１８０９７）」が提供する、ウエハー上に予め塗布された異方性伝導性接着剤を利用したウエハー型フリップチップの製造方法を模式的に示している。
前記のウエハーレベルフリップチップの接続方法は、大きく３段階の工程に分けられる。即ち、１）非はんだバンプが形成されたウエハー上にフィルム或はペースト状の異方性伝導性接着剤、又は、非伝導性接着剤をラミネート或はスピンコーティングするなどの方法で塗布する段階、２）接着剤が塗布されたウエハーを個別単位のチップにダイシングする段階、３）接着剤が塗布されて個別単位にダイシングされたチップを基板上にフリップチップ接続する段階でなる。
しかし、前記のような工程でなる、従来技術におけるウエハーレベルパッケージの製造方法において、異方性伝導性接着剤が塗布されたウエハーを個別のチップにダイシングするとき、数万〜数十万ｒｐｍの速度で高速回転するダイヤモンドホイール（Diamond blade wheel）の発熱を冷却させるために撒布する冷却水によって異方性伝導性接着剤、又は、非伝導性接着剤への吸湿現象が発生する問題がある。
このように、パッケージの製造工程において、前記接着剤の内部に小量でも水分が含有された場合、この水分は、ボンディングの後にも接着剤の内部に気孔（voids）或はバブル（bubbles）の形態で存在し、接着剤と基板、又は、接着剤とチップとの接着力を劣化させる原因となり、さらには、吸湿環境においては外部の湿気がこのような気孔或はバブルを成長させることにより、パッケージの吸湿信頼性に致命的な影響をもたらす問題がある。
韓国特許第３６１６４０号 米国特許第６５１８０９７号
本発明は、従来技術に有する前記の問題を解決するための発明であって、本発明の目的は、ウエハーレベルパッケージの製造工程において、ダイシングの工程中に発生する接着剤への水分吸湿を効果的に防止することのできる新しいウエハーレベルパッケージの製造方法を提供する。
前記目的を達成するために、本発明は、バンプが形成されたウエハー上に接着剤を塗布して接着剤層を形成する段階；及び前記接着剤層にレーザーを照射して個別チップ単位にダイシングする段階を包含するウエハーレベルパッケージの製造方法を提供する。
本発明は、好ましくは、前記接着剤を塗布する以前の段階において、バンプが形成されているウエハーを個別チップ単位にダイシングする段階をさらに包含する。
本発明は、好ましくは、前記個別チップ単位にダイシングした後、乾燥させる工程によって前記接着剤の内部に含有されている水分を除去する段階をさらに包含する。
本発明は、好ましくは、前記乾燥させる工程は、接着剤の硬化を最高３０％程度以内に制限して進行されることを特徴とする。
本発明は、好ましくは、前記接着剤が異方性伝導性接着剤または非伝導性接着剤である。
本発明は、好ましくは、前記レーザーのソースがＹＡＧレーザー、エキシマーレーザー、紫外線レーザー、又は、ＣＯ２レーザーから選択されることを特徴とする。
本発明は、好ましくは、前記ウエハーの厚さが２００μｍ以下の薄厚型ウエハーであることを特徴とする。
本発明による異方性伝導性接着剤又は非伝導性接着剤を利用したウエハーレベルパッケージの製造方法によれば、ダイシングの工程中で発生する接着剤への吸湿を効果的に防止することができる。従って、従来技術が有するウエハーレベルパッケージの製造工程における接着剤の吸湿による問題を解決するばかりでなく、工程段階の削減とコスト節減とともに、パッケージ素子の吸湿信頼性及び特性向上にも大きく寄与することができると期待される。
以下、本発明の内容を好適な実施例を通じてより詳細に説明する。
本発明は、従来の一般的なウエハーレベルパッケージの製造工程において、個別チップにダイシングする工程中、冷却水を必要としないので、接着剤の吸湿が発生しない。
本発明によるウエハーレベルパッケージの製造方法は、接着剤をバンプが形成されたウエハー上に塗布して接着剤層を形成する段階と、前記接着剤層にレーザーを照射して個別チップ単位に分離する段階を包含する。
ここで、前記のバンプは、好ましくは、非はんだバンプを意味する。
本発明に使用可能な接着剤は、特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を使用することができる。熱可塑性樹脂は、例えば、固相のフェノキシ樹脂を挙げることができ、熱硬化性樹脂は、例えば、固相のビスフェノールＡタイプのエポキシ樹脂と、液相のビスフェノールＦタイプのエポキシ樹脂、又は、これらの混合樹脂を挙げることができる。
前記のように本発明に使用可能な接着剤は、伝導性接着剤又は非伝導性接着剤を包含し、伝導性接着剤は、等方性または異方性伝導性接着剤を包含するが、異方性伝導性接着剤の方が好ましい。
前記の伝導性接着剤は、組成内に導電ボールを含有している。前記導電ボールは、特別に限定されないが、例えば、ニッケル／金層が薄くコーティングされたポリマー高分子ボール、又は金メッキされたニッケル粉末、又は、銀粉末を挙げることができ、これらの導電ボールの組成内での含量は、特別に限定されないが、例えば、直径２〜１０μｍのボールを選択した場合、全体組成の中、１０〜６０重量％の含量にすることが好ましい。
また、本発明に使用する接着剤は、非導電粒子を包含することができる。非導電粒子は、特別に限定されないが、例えば、アルミナ、ベリリア（Beryllia）、シリコンカーバイド、又はシリカ粉末を挙げることができる。これら非導電粒子の組成内での含量は、特に限定されないが、例えば、直径０．１〜１．０μｍの粒子を選択した場合、全体組成の中、１０〜６０重量％の含量にすることが好ましい。
本発明に使用する接着剤は、適当な有機溶媒と硬化剤を包含し、前記有機溶媒は、例えば、メチルエチルケトン、トルエン或はこれらの混合溶媒などがあり、硬化剤は、例えば、液相のイミダゾール硬化剤などを挙げることができる。
前記のように、ウエハー上に塗布される接着剤は、フィルム又はペースト状であっても良い。接着剤がフィルム形状である場合、接着剤層が形成される面の基板上に８０℃程度で５ｋｇｆ／ｃｍ２の加圧により圧着した後、剥離フィルムを除去する方法により、基板上にフィルム状の接着剤層を形成することができる。また、接着剤がペースト状である場合、スピンコーティング、ディスペンシング、ドクターブレード法、メニスカス（meniscus）コーティングなどの方法を利用して所望の形状に一定量を塗布することができる。
本発明において、前記接着剤は、レーザーを照射してウエハーを個別チップにダイシングする以前、又は、以後に塗布することもある。なお、本発明に使用するレーザーのソースは特別に限定されないが、例えば、ＹＡＧレーザー、エキシマーレーザー、紫外線レーザー、ＣＯ２レーザーなどを利用することができる。ここで、レーザーを利用して接着剤が塗布されたウエハーを個別チップ単位に分離するときに、ウエハー自体の厚さが考慮されなければならない。通常、ウエハーの厚さが２００μｍを超える場合には、接着剤層と一緒にウエハーを同時にダイシングすることは多少の無理がある。従って、このような場合には、好ましくは、接着剤を塗布する以前の段階において、ウエハーをスクライビングライン（Scribing line）に沿って、個別チップに予めダイシングして置く方法が好ましい。このようにして、接着剤層だけを前記スクライビングラインに沿って、個別チップにダイシングすることになれば、従来の方法によってダイシングする場合においても発生する熱を簡単に防止しながら個別チップ単位に分離することができる。なお、レーザーを利用するウエハーのダイシング工程では、熱の発生がないので冷却水の必要がない。従って、接着剤への水分の吸湿を根源的に防止することができる。
次いで、ウエハーが個別チップに分離された後、熱と圧力を加えて基板にＣＯＢ（Chip on Board）、ＣＯＧ（Chip on Glass）、ＣＯＦ（Chip on Flexible）の形態で周知のフリップチップ接続の工程が進行することになるが、この過程においても、接着剤への吸湿を防止するために、接着剤の硬化が殆ど生じないか、或は、最高３０％程度以内に接着剤の硬化を制限する条件下において、追加的な乾燥工程を設けることが好ましい。
以下、従来のウエハーレベルパッケージの製造方法におけるダイシングの工程中に発生する接着剤への水分吸湿を防止する具体的な実施例を通じて本発明をより詳しく説明する。
本実施例によると、従来の前記パッケージ製造工程におけるダイシング工程の中、異方性伝導性接着剤、又は、非伝導性接着剤の吸湿量は、接着剤の初期質量の０．５〜０．７重量％程度が測定された。これは、ダイシング工程時間や冷却水の温度及び量、ダイヤモンドホイールの回転速度などに従って多少の差はあるが、比較的多量の水分が接着剤内に吸収されていることが分かる(図２参照)。
前記のような、接着剤への吸湿現象を防止する方法としては、下記のように大きく３つに分けて要約することができる。
１．ウエハーをダイシングした後、追加の乾燥工程を設けることによって吸湿された接着剤の水分を除去する方法；
即ち、ダイシング工程中に発生する接着剤内に吸収された水分を除去するためにダイシング工程の直後、乾燥工程を追加することができる。この時、吸収された水分を充分に乾燥させるためには、できるだけ高い乾燥温度と充分な乾燥時間を必要とする。しかし、これは接着剤の硬化度を増大させる結果をもたらすことになる。なお、接着剤は、以後の工程において基板と接続しなければならないため、接続以前の高い硬化度は接続を進行する間に樹脂による接着剤の場合、レジンの流動性に悪影響を及ぼすことにより、接合特性及び信頼性を低下せしめる。従って、可能な限り、低い温度で乾燥させることによって接着剤の硬化度を殆どない程度に低く維持するとともに、充分な乾燥を実現させることが重要な課題になる。
図２は、ダイシングの直後、１００℃で２０分までの間、ウエハー上に塗布された異方性伝導性接着剤又は非伝導性接着剤を乾燥させるときの時間の経過による吸湿量及び硬化度を示すグラフである。この結果から見るとき、１００℃で１０分経過以後の前記本実施例の接着剤の質量がほぼ一定に現れていることが分かる。これは、１００℃での１０分の間、充分に乾燥されていることを意味する。一方、硬化度の場合、１００℃で１０分までは、約１０％程度の比較的低い硬化度を表しているが、以後の時間経過に従って硬化度は持続的に増大し、１２０℃で１０分の間の乾燥の場合は、その硬化度が９０％に達する結果を示している。これは前記の理由で好ましくない。
さらに注目すべき事実は、１００℃で５分間乾燥後の前記接着剤の質量は、初期の質量に比べて約０．１２重量％減少されていることが分かる。これは、前記接着剤を保存する過程で発生する水分或は製造直後に存在する可能性のある残留ソルベントなどによると見られる。従って、ダイシング工程中に異方性伝導性接着剤が水分を吸収することがなくても、追加的な乾燥工程を設けて接着剤に吸収されている水分を除去することによって、パッケージの吸湿信頼性をより改善・向上させることができる方法として期待される。
ただ、前記の方法は、従来技術の製造方法と比較するとき、乾燥工程を追加することによって全体工程時間が多少増加する問題はあるが、実際に乾燥工程に所要される時間は全体工程時間からみるとき、大きく影響を及ぼす程度ではない水準であり、殊に、乾燥工程を通じて接着剤の初期から潜在する可能性の有る水分の除去効果と比べて見れば極めて微小な問題に過ぎない。
２．予めダイシングされたウエハー上に接着剤をフィルム状に塗布して接着剤層を形成した後、レーザーにより異方性伝導性接着剤又は非伝導性接着剤をダイシングする方法；
前述のように、ダイヤモンドホイールを使用する従来のダイシング技術は、冷却水を必須的に使用するため、接着剤の吸湿は避けることができない。一方、レーザーによるダイシング技術は、材料に与えるダメージを最小化することができるというメリットがあるため広く利用されているが、このような用途で使用されるレーザーは、ＹＡＧレーザー、エキシマーレーザー、紫外線レーザー、ＣＯ２レーザーなどがあり、このようなレーザーによるウエハーの加工は、冷却水を必要としないため、吸湿に対する惧れがない。又、接着剤層は、２０〜８０μｍの非常に薄い薄膜状であるため、レーザーダイシング工程に所要される時間が極めて短いというメリットもある。一方、ダイヤモンドホイールによるダイシングの場合、現在最小切断線幅が４０μｍあるのに反し、これより薄く微少な切断線幅の接着剤層だけをダイシングすることになる。さらに、チップ上に塗布される接着剤のサイズを調節することができるので、接着剤の塗布サイズをチップよりやや大きくする場合、基板に接続させるとき、充分なフィレット形成にも有利である。
図３は、ウエハーを予めダイシングした後、接着剤を塗布して接着剤層を形成した後、個別チップに分離する工程を模式的に示している。
図３に示すウエハーレベルパッケージの接続工程は、 １）バンプ１が形成されたウエハー２をスクライビングライン（Scribing line）に沿って個別チップにダイシングする段階（段階１→２）、２）個別チップにダイシングされたウエハー上にフィルム状の接着剤４を塗布して接着剤層を形成する段階（段階２→３）、３）前記１）段階のスクライビングラインに沿って、その上部に塗布された接着剤層をレーザーソースによりダイシング加工する段階（段階３→４）、４）ダイシングされた個別チップを基板に接続する段階（段階４→５）に分けられる。ここで、符号３は、チップ付着フィルム（ダイシングテープ）であり、符号５は導電ボールを示す。
３．薄型（２００μｍ以下）に加工されたウエハー上に接着剤を塗布して接着剤層を形成した後、レーザーダイシング法により接着剤層とウエハーを同時にダイシングする方法。
４”〜８”サイズのシリコンウエハーは、製造のとき、約５００〜７５０μｍ厚さを有するが、実際のパッケージングにおいては、パッケージの薄型化と容易な熱発散効果の側面から、より格段に薄い厚さで薄型化加工（thinning）される。ここで、本発明を好適に実施するために、ウエハーの厚さを２００μｍ下の薄厚型に加工することが好ましい。
一方、凸レンズなどを使用して凝縮されたレーザービームを利用するレーザーダイシング法は、冷却水を必要としないため、水に脆弱性のある素子の加工に応用することができ、また、切断線の幅がダイヤモンドホイールを利用するダイシング法に比べて、非常に微少（約５〜１０μｍ）であるとともにダイシングの断面を綺麗に仕上げることができるメリットがあるため、最近その重要性が注目されている技術である。しかし、現在のレーザーダイシング技術の限界は、前述のように、ウエハーの厚さを約２００μｍ以下に制限するときにのみ適用することができる。即ち、ウエハーの厚さが２００μｍを超える場合、ウエハーの厚さと接着剤層を同時にダイシングすることができないか、或は、レーザービームの進行速度（Feed speed）が非常に鈍化する問題がある。従って、接着剤が予め塗布された２００μｍ以下の薄型ウエハーを個別チップ単位にダイシングする方法として利用することができる。
前記方法を段階別に要約すると、１）バンプが形成されたウエハーを２００μｍ以下の薄型に加工する段階、２）フィルム或はペースト状の接着剤をウエハー上に予め塗布する段階、３）レーザーダイシング法により接着剤層とウエハーを同時に個別チップ単位にダイシングする段階、４）ダイシングされた個別チップを基板に接続する段階に分けられる。
従来のフリップチップ用ウエハーレベルパッケージの製造工程を示す模式図である。 本発明の方法により、ダイシング工程を経た直後、追加乾燥工程を通じて、ダイシングの工程中で発生するウエハーの吸湿及び初期の異方性伝導性接着剤又は非伝導性接着剤が有している水分或は残留ソルベントが除去されていることがわかる、乾燥時間による吸湿量と硬化度を示すグラフである。 本発明の好適な実施例の１つとして、予めダイシングされたウエハー上にフィルム状の異方性伝導性接着剤又は非伝導性接着剤を塗布した後、これをレーザーダイシング法により個別チップ単位に切断し、個別チップを基板に接続するまでの工程を段階別に示す模式図である。

Claims (7)

  1. バンプが形成されているウエハー上に接着剤を塗布して接着剤層を形成する段階；及び前記接着剤層にレーザーを照射して個別チップ単位にダイシングする段階を包含するウエハーレベルパッケージの製造方法。
  2. 前記接着剤を塗布する以前の段階において、バンプが形成されているウエハーを個別チップ単位にダイシングする段階をさらに包含する請求項１に記載のウエハーレベルパッケージの製造方法。
  3. 前記個別チップ単位にダイシングした後、乾燥させる工程によって前記接着剤内に含有されている水分を除去する段階をさらに包含する請求項１又は２に記載のウエハーレベルパッケージの製造方法。
  4. 前記乾燥させる工程は、前記接着剤の硬化を最高３０％以内に制限して進行されることを特徴とする請求項３に記載のウエハーレベルパッケージの製造方法。
  5. 前記接着剤は、異方性伝導性接着剤または非伝導性接着剤である請求項１又は２に記載のウエハーレベルパッケージの製造方法。
  6. 前記レーザーのソースは、ＹＡＧレーザー、エキシマーレーザー、紫外線レーザー、又は、ＣＯ２レーザーから選択されることを特徴とする請求項１又は２に記載のウエハーレベルパッケージの製造方法。
  7. 前記ウエハーは、厚さが２００μｍ以下の薄厚型ウエハーであることを特徴とする請求項１に記載のウエハーレベルパッケージの製造方法。
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