JP2007329307A - 表面改質方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストのプロセスによって適正な表面改質効果を得ることができる表面改質方法を提供することを目的とする。
【解決手段】ポリイミドなどの樹脂の絶縁膜が形成された基板に半導体チップを実装した実装体４を処理対象物として、前記絶縁膜と封止樹脂との密着性向上を目的として行われる表面改質処理において、実装体４を表面改質装置５の減圧された処理室７内に収容し、原子状水素発生装置２０によって水素ガスから発生された原子状水素を実装体４の絶縁膜の樹脂表面に接触させる。そして原子状水素の活性作用によって樹脂表面の化学結合を切断して、樹脂表面にカルボニル基などの親水性の反応基を生成させ、濡れ性を向上させる。これにより、プラズマ処理による従来の表面改質と比較して、低コストのプロセスによって適正な表面改質効果を得ることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、表面に有機物層を有する処理対処物の表面改質を行う表面改質方法に関するものである。

半導体装置などの電子部品の製造分野では、樹脂基板や半導体パッケージなど表面に有機物層を有する部品を対象とした表面改質処理が行われる。例えば、半導体チップを基板に実装して半導体チップの接続用端子と基板の回路電極とをボンディングワイヤによって接続した後には、半導体チップは樹脂によって覆われて樹脂封止される。この場合、樹脂と基板との密着性を向上させるために、樹脂封止に先立って表面改質処理が行われる（特許文献１参照）。

また、実装される半導体チップが接続用のバンプを有するフリップチップである場合には、バンプを基板の回路電極に接合した後に、半導体チップと基板との隙間にはアンダーフィル樹脂が充填されて、バンプと回路電極との接合部を周囲から樹脂で補強する。この場合においても、樹脂と基板との密着性を向上させるために表面改質が行われる（特許文献２参照）。

このような基板や半導体チップを対象とした表面改質は、従来よりプラズマ処理によって行われる。このプラズマ処理では減圧された処理空間内においてプラズマ放電を発生させ、これによって発生したプラズマの作用によって基板の樹脂表面などの処理対象面の表面改質を行う。
特開平１１−１４５１２０号公報 特開２０００−９１３７３号公報

しかしながら、プラズマ処理によって上述のような表面改質を行う場合には、以下に説明するような課題があった。まず、プラズマ処理を用いた表面改質のプロセスでは、減圧された処理空間内でプラズマを発生させるための複雑・高価な専用装置を必要とすることから、処理プロセスのコストを低減させることが困難であった。すなわちプラズマ処理の専用装置においては、処理空間を構成する真空チャンバやプラズマ発生用の電極や電源装置、これらを制御して適正条件のプラズマを発生させるための制御装置など、複雑・高価な装置を必要としており、設備費用の増大が避けられなかった。

さらにプラズマ処理においては、酸素やアルゴンなどの処理用ガスがプラズマ放電によって電離して発生したイオンの物理作用やラジカル粒子の化学作用によって表面改質が行われることから、処理対象の特性によっては作用が過剰となる場合が発生し、目的とする表面改質の適正条件にかなったプラズマ処理条件を実現することが難しいという課題がある。例えば樹脂表面を対象とした表面改質では、イオンの物理作用が過剰な場合には却って樹脂との密着性を阻害して最適な処理効果を得ることができない場合がある。また樹脂基板など耐熱温度の制約があるものを処理対象とする場合には、プラズマの作用によって処理対象物の温度が耐熱限度を超えて上昇して熱ダメージを与える場合が生ずる。このように、従来のプラズマ処理を用いた表面改質方法には、低コストのプロセスによって適正な表面改質効果を得ることが困難であるという課題があった。

そこで本発明は、低コストのプロセスによって適正な表面改質効果を得ることができる
表面改質方法を提供することを目的とする。

本発明の表面改質方法は、表面に有機物層を有する処理対象物の表面改質を行う表面改質方法であって、原子状水素発生装置によって水素ガスから原子状水素を発生させ、発生した原子状水素を減圧された空間に供給してこの空間内に収容された前記処理対象物の前記有機物層に接触させ、この有機物層の表面の化学結合を前記原子状水素の作用によって切断して前記表面に反応基を生成させる。

本発明によれば、原子状水素を減圧された空間に供給してこの空間内に収容された処理対象物の有機物層に接触させ、この有機物層の表面の化学結合を原子状水素の作用によって切断して表面に反応基を生成させることにより、プラズマ処理による従来の表面改質と比較して、低コストのプロセスによって適正な表面改質効果を得ることができる。

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法の工程説明図、図２は本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法において用いられる表面改質装置の断面図、図３、図４，図５，図６は本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法における表面改質方法の工程説明図、図７，図８は本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法において用いられる表面改質装置の断面図である。

まず図１を参照して電子部品の製造方法のフローについて説明する。この電子部品の製造方法は、基板に実装された半導体チップなどの素子を封止樹脂で覆って構成された電子部品を製造するものである。図１（ａ）において、基板１の上面には複数の電極１ａが設けられており、さらに基板１において電極１ａ以外の範囲は、ポリイミドなどの樹脂で形成された有機物層としての絶縁膜１ｂによって覆われている。基板１に実装される半導体チップ２の回路形成面（図１（ａ）において上面）には、外部接続用の接続用端子２ａが設けられており、接続用端子２ａの周囲は同様にポリイミドなどの樹脂より成る有機物層としての絶縁膜２ｂによって覆われている。

まず半導体チップ２を基板１に実装する（実装工程）。すなわち半導体チップ２は回路形成面を上向きにした状態で基板１にボンディングされ、接着剤によって固着された後、ワイヤボンディング工程に送られる。そして図１（ｂ）に示すように、電極１ａと接続用端子２ａとをボンディングワイヤ３によって接続して電気的に導通させることにより、基板１へ半導体チップ２を実装した実装体４が完成する。

この後実装体４は樹脂封止工程に送られ、ここで基板１に実装された半導体チップ２を封止樹脂で覆って保護する。この樹脂封止工程に先立って、実装体４は図１（ｃ）に示すように、真空チャンバ６を備えた表面改質装置５に送られる。ここで実装体４は真空チャンバ６内の処理室７に設けられた載置台８上に載置され、基板１の表面を含む実装体４の樹脂封止面を対象として、封止樹脂との密着性を向上させるための表面改質処理が行われる（表面改質工程）。

次いで表面改質後の実装体４を対象として樹脂封止が行われる、すなわち図１（ｄ）に示すように、半導体チップ２およびボンディングワイヤ３を覆ってエポキシ樹脂などの封止樹脂９を所定形状にした樹脂モールドが形成され、これにより、基板１に実装された素子である半導体チップ２を封止樹脂９で覆って構成された電子部品の製造が完了する。

次に図２を参照して、表面改質装置５の構造を説明する。図２において、真空チャンバ
６は略箱形の密閉容器であり、側面には処理対象物を搬入・搬出するための搬送用開口部６ａが設けられている。搬送用開口部６ａは開閉駆動機構（図示省略）によって駆動される扉部材１０によって開閉自在となっている。実装体４などの処理対象物は、開放状態の搬送用開口部６ａを介して処理室７内に搬入され、載置台８上に載置される。扉部材１０を閉じることにより処理室７は密閉状態となり、この状態で表面改質処理が行われる。そして処理終了後の実装体４は、搬送用開口部６ａから外部へ搬出される。

真空チャンバ６の底面には吸排気用開口部６ｂが設けられており、吸排気用開口部６ｂに接続された管路１１は、第１の開閉バルブ１２，第２の開閉バルブ１３を介して真空排気部１４に接続されている。第１の開閉バルブ１２，第２の開閉バルブ１３を開にした状態で真空排気部１４を駆動することにより、管路１１および吸排気用開口部６ｂを介して処理室７は真空排気され、表面改質処理のための減圧された空間が形成される。管路１１には、第３の開閉バルブ１５が第１の開閉バルブ１２の手前側で分岐して設けられている。第３の開閉バルブ１５を開放することにより、処理室７内には管路１１および吸排気用開口部６ｂを介して大気が導入され、これにより処理室７は常圧に復帰する。

第１の開閉バルブ１２と第２の開閉バルブ１３の間には、第４の開閉バルブ１６を介して管路１７が繋ぎ込まれており、管路１７は以下に説明する原子状水素発生装置２０に接続されている。第１の開閉バルブ１２を閉じた状態で、第２の開閉バルブ１３および第４の開閉バルブ１６を開状態にすることにより、真空排気部１４によって原子状水素発生装置２０を対象とした真空排気を行うことが可能となっている。

原子状水素発生装置２０について説明する。原子状水素発生装置２０は実装体４を対象とした表面改質に使用される原子状水素を発生する機能を有するものであり、内部に原子状水素を発生するための生成室２２が形成された密閉可能な箱状の容器２１を備えている。容器２１の上部に設けられたガス導入部２１ａには、第５の開閉バルブ２４を介してガス供給装置２３が接続されており、第５の開閉バルブ２４を開にすることにより、生成室２２内には原子状水素を発生させるためのガスが供給される。ここでは、水素ガスをヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスによって所定濃度（好ましくは４％以下）に希釈した希釈ガスを用い、高濃度の水素ガスが大気中の酸素と混合することによる危険を防止するようにしている。また容器２１の側面に設けられた吸引孔２１ｂには、管路１７が接続されており、前述のように真空排気部１４によって生成室２２内を真空排気することができるようになっている。

生成室２２内には、タングステンやモリブデンなどの高融点の金属をフィラメント状にした発熱体２５が配置されており、発熱体２５は電源装置２６から供給される電力によって発熱する。発熱体２５の作動において、電源装置２６によって電力を制御することにより、発熱体２５を原子状水素の生成に適した所定の温度で発熱させることができる。ガス供給装置２３からガス導入部２１ａを介して生成室２２内に供給された水素ガスが、加熱された発熱体２５に接触することにより、２つの水素原子が結合した状態の水素分子は、それぞれの水素原子が分離した原子状水素となる。原子状水素は電気的に中性で活性作用を有しており、この活性作用によって実装体４を対象とする表面改質処理が行われる。

容器２１の底面に設けられた水素供給孔２１ｃは真空チャンバ６の上面に開口したガス導入用開口部６ｃと連通しており、生成室２２内で発生した原子状水素を処理室７内にガス導入用開口部６ｃを介して供給することができるようになっている。ガス導入用開口部６ｃはシャッタ部材２７によって開閉自在となっており、シャッタ部材２７は連結ロッド２８ａを介して開閉駆動機構２８に接続されている。開閉駆動機構２８を開方向（図２において右側方向）に駆動してガス導入用開口部６ｃを開放することにより、生成室２２と処理室７とを連通させることができ、これにより、原子状水素の処理室７内への供給が行
われる。そして開閉駆動機構２８を閉方向（図２において左側）に駆動してガス導入用開口部６ｃを閉鎖することにより、生成室２２と処理室７との連通状態を遮断して、原子状水素の処理室７内への供給が停止される。

次に図３〜図６を参照して、表面改質装置５を用いた表面改質処理について説明する。図３は、表面改質処理が開始される前の準備作業を示している。すなわち扉部材１０を下降させて搬送用開口部６ａを開放状態にして、処理室７内へ複数の処理対象の実装体４を搬入し、載置台８上へこれらの実装体４を載置する。このとき、原子状水素発生装置２０においては、生成室２２内の真空排気が既に開始されている。すなわち、第１の開閉バルブ１２を閉状態に、また第２の開閉バルブ１３、第４の開閉バルブ１６を開状態にして真空排気部１４を駆動することにより、生成室２２のみを対象とした真空排気が行われる。

次に図４をに示すように、扉部材１０を上昇させて搬送用開口部６ａを閉鎖することにより処理室７を密閉状態にし、次いで第１の開閉バルブ１２を開状態にする。これにより、生成室２２内とともに処理室７の真空排気が開始される。そして処理室７内が所定に真空圧（約１０Ｐａ）まで減圧されたならば、原子状水素による表面改質処理が開始される。

すなわち図５に示すように、開閉駆動機構２８を開方向に駆動してシャッタ部材２７を移動させ、ガス導入用開口部６ｃを開放する。次いで、電源装置２６によって発熱体２５を所定温度（８００℃以上）に加熱した状態で、第５の開閉バルブ２４を開放してガス供給装置２３から生成室２２内へ、水素ガスを希釈した希釈ガスを供給する。これにより、希釈ガス中の水素ガスが加熱された発熱体２５に接触して原子状水素が発生し、発生した原子状水素は処理室７内へ供給される。そしてこの原子状水素が基板１の有機物層である絶縁膜１ｂや半導体チップ２の絶縁膜２ｂに接触することにより、これらの樹脂表面は原子状水素の作用によって表面改質され、濡れ性が大幅に向上する。

そして所定の表面改質処理時間が経過すると、原子状水素発生装置２０による原子状水素の供給を停止し、次いで図６に示すように、開閉駆動機構２８を閉方向に駆動してガス導入用開口部６ｃを閉じる。これにより、生成室２２と処理室７との連通状態が断たれ、この後、処理室７への大気導入が行われる。すなわち、第１の開閉バルブ１２を閉じるとともに、第３の開閉バルブ１５を開状態にすることにより、吸排気用開口部６ｂから処理室７内へ大気が導入され、処理室７内が常圧に復帰する。これにより、搬送用開口部６ａを開放して処理後の実装体４を処理室７から搬出することが可能な状態となる。そして原子状水素発生装置２０においては、真空排気部１４による生成室２２内の真空排気が継続して行われる。

ここで樹脂表面の表面改質について説明する。基板１の絶縁膜１ｂや半導体チップ２の絶縁膜２ｂなどを構成するポリイミドなどの樹脂は各種の化学結合によって構成されており、樹脂表面層には炭素単結合基（Ｃ−Ｃ）やカルボニル基（Ｃ＝Ｏ）など、炭素と酸素、水素等を含む原子同士が固有の形態で結合した化学結合が多数存在する。そしてこれらの化学結合のうちカルボニル基などの親水性の反応基は活性基であり、樹脂表面の濡れ性を改善する性質を有している。

したがって、エポキシ樹脂などの封止樹脂との密着性の向上を目的とした表面改質処置では、樹脂表面層に存在する複数種類の化学結合のうち、カルボニル基など親水性の反応基の割合を増加させることが求められる。本実施の形態に示す実装体４の表面改質を目的とした原子状水素による処理においては、樹脂表面層に存在する複数種類の化学結合のうち、カルボニル基よりも結合エネルギの小さい化学結合を原子状水素の作用によって切断して、カルボニル基が樹脂表面に表出しやすくする。換言すれば、ポリイミドなどの樹脂
を構成する各種の化学結合が原子状水素の活性作用によって切断され、カルボニル基など封止樹脂との密着性に優れた親水性の反応基を生成させる。

すなわち、上述の表面に有機物層としての絶縁膜１ｂ、２ｂを有する実装体４を対象とした表面改質方法においては、原子状水素発生装置２０によって水素ガスから原子状水素を発生させ、発生した原子状水素を減圧された空間である処理室７に供給してこの空間内に収容された実装体４の絶縁膜１ｂ、２ｂに接触させ、絶縁膜１ｂ、２ｂの樹脂表面の化学結合を原子状水素の作用によって切断して、樹脂表面に反応基を生成させるようにしている。そして原子状水素の発生において、原子状水素発生装置２０により水素ガスを不活性ガスによって希釈した希釈ガスを用いて原子状水素を発生する方法を用いている。

上述の原子状水素を用いて行われる表面改質は、以下に述べるような優れた特徴を有している。まず従来同様の用途に用いられていたプラズマ処理による表面改質のプロセスでは、減圧された処理空間内でプラズマを発生させるための複雑・高価な専用装置を必要とすることから、設備費用の増大が避けられなかった。これに対し、本実施の形態に示す表面改質装置は、減圧空間内に収容された処理対象物に原子状水素を接触させるための構成のみを備えればよく、複雑な装置構成を必要とすることなく、簡便・安価な処理装置によって表面改質処理を効率よく行うことができる。

またプラズマ処理による表面改質では、処理対象面にプラズマの効果が適正且つ均一に及ぶようにする必要があり、この条件が満たされない場合には適正な表面改質の品質が確保できなかった。すなわちプラズマの照射が不足の場合には表面改質効果が十分でなく所期の濡れ性改善効果が得られない。そしてプラズマの照射が適正量を超えて過剰の場合には、却って濡れ性を低下させるのみならず、温度上昇により処理対象物の熱ダメージを招くおそれがあった。

これに対し原子状水素を用いた表面改質では、このような不具合を生じることなく、容易に均質な効果を得ることができる。すなわち原子状水素は原子量１で極めて軽い粒子であることから運動性に優れており、処理室７中において良好に拡散し、狭い隙間の空間内にも奥深くまで進入する。しかも原子状水素は化学的に安定で単体で他の物体と衝突しても活性を失うことなく、活性粒子としての寿命が長いことから、処理室７中を拡散する過程において処理対象面に接触するたびに活性作用を及ぼす。

したがって、処理室７内においてガス導入用開口部６ｃから離隔した位置に載置された状態の処理対象物であっても十分な表面改質効果が及び、また処理対象物の形状が複雑で奥深く入り組んだ部分を処理対象面とする場合にあっても、表面改質効果のばらつきを招くことなく、均質な処理効果を得ることができる。さらに、処理対象物にはプラズマ処理におけるエッチング作用や発熱作用によるダメージが及ぶことがなく、このようなダメージに起因する不具合の発生を低減することができる。すなわち本発明によれば、有機物層を有する処理対象物に対して原子状水素による表面改質を適用することにより、低コストのプロセスによって適正な表面改質効果を得ることが可能となっている。

なお上述実施例においては、処理対象物である実装体４を処理室７内に収容するに際し、載置台８の上面に平面的に並べて載置する例を示したが、図７，図８に示すような実装体４の保持方法を用いてもよい。

図７は、処理室７において載置台８上に実装体４を平面的に載置する替わりに、複数の実装体４を保持可能なホルダ１８を用いた例を示している。すなわち実装体４を縦姿勢で保持可能な溝が設けられた水平な板状のホルダ１８に複数の実装体４を並列して保持させ、この状態のホルダ１８を処理室７内の載置台８上に載置した例を示している。

また図８は、複数の実装体４を収容可能なマガジン１９を用いた例を示している。すなわち複数の実装体４をマガジン１９内に段積み状態で収容しておき、この状態のマガジン１９を複数処理室７内の載置台８上に載置する。上述例においてはいずれの場合にも、限られた容積の処理室７内に極力多数の実装体４を収容して一括処理することができ、表面改質の処理効率を大幅に向上させることができる。

このような場合において、前述のように原子状水素は粒子としての運動性が良好であり、また活性作用を保持した状態を長い時間保つことから、処理室７内において原子状水素発生装置２０から離隔した位置にある実装体４に対しても、また実装体４相互が近接して配置され、狭い隙間を形成した状態となっている場合においても、全ての処理対象面について安定した均一な表面改質効果を得ることが可能となっている。

本発明の表面改質方法は、低コストのプロセスによって適正な表面改質効果を得ることができるという効果を有し、素子が実装された基板の樹脂封止に先だって行われる表面改質など、表面に有機物層を有する処理対象物の表面改質を行う用途に有用である。

本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法の工程説明図 本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法において用いられる表面改質装置の断面図 本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法における表面改質方法の工程説明図 本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法における表面改質方法の工程説明図 本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法における表面改質方法の工程説明図 本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法における表面改質方法の工程説明図 本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法において用いられる表面改質装置の断面図 本発明の一実施の形態の電子部品の製造方法において用いられる表面改質装置の断面図

符号の説明

１ 基板
１ａ 電極
１ｂ 絶縁膜（有機物層）
２ 半導体チップ（素子）
２ａ 接続用端子
２ｂ 絶縁膜（有機物層）
４ 実装体（処理対象物）
５ 表面改質装置
７ 処理室
９ 封止樹脂
２０ 原子状水素発生装置

Claims (2)

1. 表面に有機物層を有する処理対象物の表面改質を行う表面改質方法であって、原子状水素発生装置によって水素ガスから原子状水素を発生させ、発生した原子状水素を減圧された空間に供給してこの空間内に収容された前記処理対象物の前記有機物層に接触させ、この有機物層の表面の化学結合を前記原子状水素の作用によって切断して前記表面に反応基を生成させることを特徴とする表面改質方法。
2. 前記原子状水素発生装置は、水素ガスを不活性ガスによって希釈した希釈ガスを用いて前記原子状水素を発生することを特徴とする請求項１記載の表面改質方法。
   

Images