JP2009110991A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体素子をフリップチップで実装を行う際、加熱におけるはんだの量の減少を生じず、半導体素子と回路基板の接続不良がないようにする手段を提供する。
【解決手段】貫通孔を有する第1フィルム101及び第2フィルム103を互いに貫通孔の開口が大きい面101a、103aを向かい合せて、その真ん中にはんだボール102を載置し、半導体素子104の電極106と回路基板100の電極105をそれぞれ第1フィルム及び第2フィルムの貫通孔の開口小さい面101b、103bを位置合わせ、真空で加圧及び加熱により、半導体素子、フィルム、回路基板が互いに接着すると同時に、はんだボールを介して、半導体素子の電極と回路基板の電極が電気的に接続される。
【選択図】図3

Description

本発明は、半導体素子をフリップチップ方式で実装するための半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体素子を回路基板に実装して半導体装置を製造するために、ワイヤ・ボンディング(半導体素子上の電極と回路基板とを非常に細い電線で接続すること)を介して、フェイスアップ(半導体素子の回路面が上向き)という方式で行ってきた。この方式では、I/O(入出力端子)が半導体素子の周辺部にあるため,必要なI/O数をそろえるために半導体素子の面積を大きくしなければならなかった。
近年、半導体素子の電極端子は、半導体素子の回路規模に応じて、数個から数千個形成される。このような状況の中で、半導体素子の電極端子を高密度に実装する要求が高まっており、即ち端子間隔は小さくなる方向へ推移している。このため、ワイヤ・ボンディング実装に代わって、フリップチップ実装方式が注目されている。
フリップチップ実装方式は、半導体素子と回路基板との電気的接続を、半導体素子をフェイスダウン(半導体素子の回路面が下向き)し、アレイ状に並んだバンプと呼ばれる突起状の端子によって、半導体素子側の電極と回路基板側の電極間を電気的および機械的に接続する方式である。
フリップチップ実装方式は、I/Oが半導体素子の周辺部にそろえる必要がなく、半導体素子全面に配置することが出来るため、ワイヤ・ボンディングに比べて実装面積を小さくできる。また、配線が半導体素子の周辺部まで引く必要がないため、配線の長さが短く、電気的特性が良いという特徴もある。小型、薄型に対する要求の強い携帯機器の回路や、電気的特性が重視される高周波回路などに向く。半導体素子の熱を回路基板に伝えやすいため、発熱が問題になる発光ダイオード(LED)の実装にも使われている。
図7はフリップチップ実装方式を示す半導体装置の図である。図7(a)は回路基板の平面図であり、図を見易くするため、半導体素子、樹脂接着剤等は取り去って示している。図7(b)は図7(a)のX−X’方向切断図面であり、説明の都合上、図7(a)で取り去った半導体素子、樹脂接着剤等が描かれている。
図中、1は回路基板、2は基板電極、3は半導体素子、4は半導体素子電極、5はバンプ、6はアンダーフィル(樹脂接着剤)である。
バンプ5には、通常、はんだを使う方法と導電性接着剤を使う方法のどちらかを使用する。現時点では、ほとんどのパッケージははんだ接合である。はんだタイプのバンプを備えた半導体素子は、はんだリフロープロセスにより回路基板に取り付けられる。
実装後に温度サイクルや衝撃、折り曲げなどの応力が加った時に、半導体素子と回路基板との接続信頼性(製品が使用期間中、故障しないで機能する性質)が保持できない場合がある。その防止策として、半導体素子3と回路基板1との隙間にアンダーフィル6を入れて、応力の緩和、脱落防止の補強として用いられている。
アンダーフィルが使用される手段としては、半導体素子を回路基板上に接合した後に、半導体素子の周囲(1〜3辺)にアンダーフィル剤を塗布し、半導体素子と回路基板との隙間浸透させ、加熱硬化させるというものである。
上述の場合においては、アンダーフィルにボイドが生じる場合がある。端子間にボイドを生じると、過熱で再溶融が発生した場合、電極間でショートすることがある。
この問題を解決するために、アンダーフィルの代わりに、半導体素子及び回路基板の電極に対応した複数の貫通孔が設けられた絶縁性フィルムを使う場合がある。
図8は絶縁性フィルムを用いた場合のフリップチップ実装方式を示す半導体装置の図である。図8(a)は回路基板の平面図であり、図を見易くするため、半導体素子、絶縁性フィルム等は取り去って示している。図8(b)は図8(a)のY−Y’方向切断図面であり、説明の都合上、図8(a)で取り去った半導体素子、絶縁性フィルム等が描かれている。
図中、1は回路基板、2は回路基板電極、3は半導体素子、4は半導体素子電極、7は絶縁性フィルム、8は貫通孔、9ははんだである。
半導体素子を回路基板へ実装する際に、まず、貫通孔8内にはんだペーストを充填する。その後、半導体素子3の電極4とはんだペーストの半導体素子側露出部との位置合わせを行い、耐熱接着剤によって半導体素子3と絶縁性フィルム7とを接合する。
その後、リフロー炉を通して、はんだペーストを溶融することにより、はんだ9は半導体素子3の電極4と電気的に接続する。
次いで、半導体素子3の電極4と回路基板1の電極2との位置合わせを行い、リフロー炉を通して、はんだ9を溶融することにより、半導体素子3の電極4と回路基板1の電極2とがはんだ9を介して、電気的に接続される。
特許第3623641号公報 特開第2000−150732号公報 特開第2002−50738号公報
しかしながら、絶縁フィルムの貫通孔にはんだペーストを充填してから、リフローを行うと、はんだペーストの成分中の活性剤が揮発される。その結果、はんだの量が数割減り、貫通孔内のはんだが満杯の状態から未満の状態になり、半導体素子と回路基板間の接触不良が起きることがある。
上記問題を解決するために、本発明の一観点によれば、基板上に第1電極を形成する工程と、半導体素子上に第2電極を形成する工程と、第1フィルムに、該第1フィルムの表面側の第1開口が、裏面側の第2開口よりも大きい第1貫通孔を形成する工程と、第2フィルムに、該第2フィルムの表面側の第3開口が、裏面側の第4開口よりも大きい第2貫通孔を形成する工程と、前記第1フィルムの前記第1開口上に、はんだボールを載置する工程と、前記はんだボールを介して、前記第1フィルム上に前記第2フィルムを配置し、該第1フィルムの前記第1開口と、該第2フィルムの前記第3開口との位置合わせを行う工程と、前記基板上に形成された前記第1電極と、前記第1フィルムの前記第2開口との位置合わせを行う工程と、前記半導体素子に形成された前記第2電極と、前記第2フィルムの前記第4開口との位置合わせを行う工程と、前記はんだボールを加熱溶融して、前記第1電極と前記第2電極とを電気的に接続する工程と、を含むようにし、半導体素子と回路基板間の接触不良を避けることにした。
本発明の他の観点によれば、第1電極を有する基板と、前記基板上に配置され、前記第1電極と位置合わせる裏面側の第1開口が、表面側の第2開口よりも小さい第1貫通孔を有する第1フィルムと、前記第1フィルムの前記第2開口上に載置されるはんだと、前記はんだを介して、前記第1フィルムの前記第2開口と位置合わせる表面側の第3開口が、裏面側の第4開口よりも大きい第2貫通孔を有する第2フィルムと、前記第2のフィルム上に配置され、前記第2のフィルムの第4開口と位置合わせる電極を有する半導体素子と、を有する半導体装置を提供することにより、半導体素子と回路基板間の接触不良を避けることにした。
半導体素子をフリップチップで実装するに際して、穴を有する第1のフィルム及び第2のフィルムを穴の大きい開口同士を向かい合わせる構造とするため、両フィルムの間に形成された穴のサイズと同等サイズのはんだボールを載置することができるようになる。この結果、後の加圧、加熱工程において、活性剤の揮発がないため、はんだ量の減少がなく、半導体素子と回路基板の接触不良を防ぐことができる。また、微細なピッチではんだボールを用いて、半導体素子と回路基板を接続する際に、はんだボールが半導体素子または回路基板との接合部の径を小さくすることができ、接合時におけるショートや、マイグレーションの発生を回避することもできる。
以下、本発明の実施の形態を、画面を参照して詳細に説明する。
まず、フィルムにテーパ状の貫通孔を形成する方法について説明する。
図1は第1の方法、即ち、熱可塑性フィルムを用いて、テーパ状の貫通孔を形成する方法を説明する断面図である。
ガラス基板11上に、例えば、厚さが7.5μmの三井化学製熱可塑性ポリイミドフィルムオーラム(商品名)12の両端を固定してから、フィルム12の上端から10mmを離れたところに開口28μmのマスク13を設置する。
次いで、マスク13の上方から炭酸ガスレーザ14にて一回シュート(約0.1秒間程度)することにより、フィルム12に開口が大きい側の直径を27μm、小さい側の直径を20μm程度とするテーパ状の貫通孔15を形成する。
図2は第2の方法、即ち、感光性樹脂を用いて、テーパ状の貫通孔を形成する方法を説明する断面図である。
金メッキ基板16上に、塗布法を適用することにより、ポジレジストを常温にて塗布し、厚さが7.5μmのポジレジスト膜17を形成する(図2(a))。
次いで、ポジレジスト膜17の上端から3mmを離れたところに開口27μmのマスク(図示しない)を設置してから、UVランプにて10秒間程度照射する。
現像処理を行うことにより、所望のポジレジストパターン(図示しない)が形成できる。
次いで、120℃、60分程度の条件で、キュア処理を行う。
これにより、ポジレジスト膜17に開口が大きい側の直径を27μm、小さい側の直径を20μm程度とするテーパ状の貫通孔15を形成し、金メッキ板16の表面に樹脂フィルム18が完成される(図2(b))。
次いで、金メッキ板16から、樹脂フィルム18を剥離する(図2(c))。
以上のようにして、本発明に使われるフィルムが完成する。
なお、貫通孔を形成する方法としては、上述の方法に限定されるわけではなく、炭酸ガスレーザより、大きいフィルムを順次に照射してから、所要の大きさのフィルムに切るなどの他の方法を用いることもできる。
図3は、実施例1を説明する実装工程図である。図3(a)は半導体装置の平面図であり、図3(b)〜(f)は図3(a)のZ−Z’方向における実装工程断面図である。
まず、40mm×40mmの回路基板100及び6.6mm×6.6mmの半導体素子104に、同じ配置でそれぞれ340個の基板電極105と340個の半導体素子電極106を形成する。電極の間隔はそれぞれ50μmであり、半導体素子電極106は半導体素子104の周辺に配置する。(図3(a))。
次いで、上述のフィルム作製方法の第1の方法で、例えば7.5μmの厚さを有する三井化学製熱可塑性ポリイミドフィルムオーラム(商品名)に、基板電極105及び半導体素子電極106と同じ配置の貫通孔を形成し、第1フィルム101を作製する。第1フィルム101の表面側の第1開口101aの直径を27μmとし、裏面側の第2開口101bの直径を101aより小さく、20μm程度とする(図3(b))。
次に、第1フィルム101に形成した貫通孔と同じ配置で凹部を有する基板(図示せず)上にSnAgはんだペーストを印刷し、これを260℃のリフロー炉に通すことにより、基板の凹部にはんだボールを形成する。はんだボールの直径は、30μm程度とする。
その後、第1フィルム101の表面側の第1開口101aを上述基板上に形成されたはんだボール側に合わせて、はんだボールを転写することにより、第1フィルム101の表面側の第1開口101aにはんだボール102を載置する(図3(c))。
次いで、第1フィルム101と同じ配置、同じ形状の穴を有する第2フィルム103を上述の方法で作製し、図に示すように、第2フィルム103の表面側の第3開口103aを第1フィルムの表面側の第1開口101aと互いに向かい合せて、第2フィルム103をはんだボール102の上に配置する(図3(d))。
次いで、フリップチップボンダ(図示せず)上に回路基板100を設置し、ボンダツールにて、はんだボール102を載置した第1フィルム101の裏面側の第2開口101bを、回路基板100の電極105に合わせて設置する。
次いで、ボンダツールにて、半導体素子104の電極106を、第2フィルム103の裏面側の第4開口103bとの位置合わせを行う(図3(e))。
次いで、真空中、5MPaの圧力で10秒間程度プレスし、半導体素子104、第2フィルム103、はんだボール102、第1フィルム101及び回路基板100を互いに接着させる。
最後に、真空中、5MPaの圧力をかけながら、280℃で、20秒間程度加熱することにより、半導体素子104、第2フィルム103、第1フィルム101、及び回路基板100が互いに接着されると同時に、半導体素子104の電極106と回路基板100の電極105とがはんだボール102を介して、電気的に接続される(図3(f))。
このようにして、本実施形態に係る半導体装置が完成する。
なお、実施例1では、半導体素子の電極が素子の周辺に配置したが、素子の全面に配置してもよいことは言うまでもない。
図4は、実施例2を説明する実装工程図である。図4(a)は半導体装置の平面図であり、図4(b)〜(e)は図4(a)のW−W’方向における実装工程断面図である。
まず、40mm×40mmの回路基板200及び6.6mm×6.6mmの半導体素子204に、同じ配置でそれぞれ340個の基板電極205と340個の半導体素子電極206を形成する。半導体素子電極206は半導体素子204の全面に配置する。(図4(a))。
次いで、実施例1と同じ方法で、基板電極205及び半導体素子電極206と同じ配置の貫通孔を有する第1フィルム201と第2フィルム203を作製する。
その後、回路基板200上に、第1フィルム201の裏面側の第2開口201bと回路基板200の電極205との位置合わせを行う。
次いで、真空中、280℃で5MPaの圧力で20秒間程度プレスすることにより、第1フィルム201と回路基板200を接着する(図4(b))。
次いで、実施例1と同じように、はんだボールを作製し、第1フィルム201の表面側の第1開口201aにはんだボール202を載置する(図4(c))。
次いで、第2フィルム203の表面側の第3開口203aを第1フィルムの表面側の第1開口201aと互いに向かい合せて、第2フィルム203をはんだボール202の上に配置する(図4(d))。
次いで、半導体素子204の電極206を第2フィルム203の裏面の第4開口203bとの位置合わせを行う。
次いで、真空中、5MPaの圧力で10秒間程度プレスし、半導体素子204、第2フィルム203、はんだボール202及び第1フィルム201を接着させる。
最後に、真空中、5MPaの圧力をかけながら、280℃で、20秒間程度加熱することにより、半導体素子204、第2フィルム203、及び第1フィルム201が互いに接着されると同時に、半導体素子204の電極206と回路基板200の電極205とがはんだボール202を介して、電気的に接続される(図4(e))。
このようにして、本実施形態に係る半導体装置が完成する。
なお、実施例2では、半導体素子の電極が素子の全面に配置したが、素子の周辺に配置してもよいことは言うまでもない。
図5は、実施例3を説明する実装工程断面図である。フィルムの断面の方向は実施例1と同じである。
まず、実施例1と同じように、回路基板300の電極305及び半導体素子304の電極306を形成する。
その後、実施例1と同じように、第1フィルム301と第2フィルム303を作製する。
次いで、実施例1と同じ方法で、はんだボール302を形成する。はんだボールの直径は、25μm程度とする。
次いで、実施例1と同じ方法で、第1フィルム301の表面側の第1開口301aにはんだボール302を載置する。
次いで、第2フィルム303の表面側の第3開口303aを第1フィルムの表面側の第1開口301aと互いに向かい合せて、第2フィルム303をはんだボール302の上に配置する。
次いで、第2フィルム303の裏面の第4開口303bからニホンハンダ株製導電ペーストNH−070A(型格)307を充填する(図5(a))。
これ以降の工程は、実施例1と同じである(図5(b))。
このようにして、本実施形態に係る半導体装置が完成する。
なお、実施例1〜3では、はんだボールをSnAgのはんだペーストで形成したが、その他のはんだペーストで形成してもよい。これらのはんだペーストとして、SnIn、SnBi、SuAg及びSuAgCuなどが挙げられる。
また、フィルムは、三井化学製熱可塑性ポリイミドフィルムオーラム(商品名)を使用したが、宇部興産製ユーピレックス(商品名)でもよく、また、その他のフィルムを使用してもよい。使用できるフィルムとして、熱可塑性フィルム、熱融着性を有するフィルム、例えばポリアミドイミド又はポリエーテルイミドフィルム、または熱硬化性フィルムが挙げられる。
テーパ状の貫通孔の形状では、開口が小さい側の直径は大きい側の直径の0.5〜0.75程度であることが好ましい。これより小さいと、フィルムの貫通孔の開口大きい側が面積を取りすぎるので、高密度に実装する要求に満たさない。逆に、これより大きいと、はんだボールが貫通孔に入らなかったり、入っても後の工程で穴にいっぱい埋められなかったりするので、半導体素子と回路基板の接触不良が起きる。
また、実施例1〜3では、フィルムにテーパ状の貫通孔を形成したが、はんだボールが入ることができるなら、その他の形状の貫通孔を形成してもよい。
図6(a)〜(f)はそれぞれ第1の変形例〜第6の変形例におけるフィルムの断面を示した図である。図中401と402はそれぞれ第1の変形例における第1フィルム及び第2フィルムの断面図である。501と502はそれぞれ第2の変形例における第1フィルム及び第2フィルムの断面図である。601と602はそれぞれ第3の変形例における第1フィルム及び第2フィルムの断面図である。701と702はそれぞれ第4の変形例における第1フィルム及び第2フィルムの断面図である。801と802はそれぞれ第5の変形例における第1フィルム及び第2フィルムの断面図である。901と902はそれぞれ第6の変形例における第1フィルム及び第2フィルムの断面図である。
実施例1〜3では、回路基板上に半導体素子を実装したが、例えば、第1電極を形成した第1基板上に第2電極を形成した第2基板を実装する場合も、同様な工程で行うことができる。
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。例えば、種々の置換、変更、改良、組み合わせなどが可能であることは当然である。
本発明は、半導体装置を製造する際、フリップチップによる実装工程で利用可能である。

フィルムにテーパ状の貫通孔を形成する方法を説明する断面図(その1)である。 フィルムにテーパ状の貫通孔を形成する方法を説明する断面図(その2)である。 実施例1を説明する実装工程図である。 実施例2を説明する実装工程図である。 実施例3を説明する実装工程断面図である。 フィルムの貫通孔の形状の例を示す断面図である。 フリップチップ実装の原理説明図である。 フィルムを用いる際のフリップチップ実装の説明図である。
11 ガラス基板
12 フィルム
13 マスク
14 炭酸ガスレーザ
15 テーパ状の貫通孔
16 金メッキ板
17 ポジレジスト膜
18 樹脂フィルム
100 回路基板
101 第1フィルム
101a 第1フィルムの表面側の第1開口
101b 第1フィルムの裏面側の第2開口
102 はんだボール
103 第2フィルム
103a 第2フィルムの表面側の第3開口
103b 第2フィルムの裏面側の第4開口
104 半導体素子
105 基板電極
106 半導体素子電極
201 第1フィルム
201a 第1フィルムの表面側の第1開口
201b 第1フィルムの裏面側の第2開口
202 はんだボール
203 第2フィルム
203a 第2フィルムの表面側の第3開口
203b 第2フィルムの裏面側の第4開口
204 半導体素子
205 基板電極
206 半導体素子電極
301 第1フィルム
301a 第1フィルムの表面側の第1開口
301b 第1フィルムの裏面側の第2開口
302 はんだボール
303 第2フィルム
303a 第2フィルムの表面側の第3開口
303b 第2フィルムの裏面側の第4開口
304 半導体素子
305 基板電極
306 半導体素子電極
307 導電ペースト

Claims (7)

  1. 第1基板上に第1電極を形成する工程と、
    第2基板上に第2電極を形成する工程と、
    第1フィルムに、該第1フィルムの表面側の第1開口が、裏面側の第2開口よりも大きい第1貫通孔を形成する工程と、
    第2フィルムに、該第2フィルムの表面側の第3開口が、裏面側の第4開口よりも大きい第2貫通孔を形成する工程と、
    前記第1フィルムの前記第1開口上に、はんだボールを載置する工程と、
    前記はんだボールを介して、前記第1フィルム上に前記第2フィルムを配置し、該第1フィルムの前記第1開口と、該第2フィルムの前記第3開口との位置合わせを行う工程と、
    前記第1基板の前記第1電極と、前記第1フィルムの前記第2開口との位置合わせを行う工程と、
    前記第2基板の前記第2電極と、前記第2フィルムの前記第4開口との位置合わせを行う工程と、
    前記はんだボールを加熱溶融して、前記第1電極と前記第2電極とを電気的に接続する工程と
    を含むことを特徴とする回路基板の製造方法。
  2. 前記加熱工程を行う前に、前記第2フィルムの貫通孔に更に導電ペーストを充填することを特徴とする請求項1記載の回路基板の製造方法。
  3. 前記第1フィルム及び第2フィルムは、熱可塑フィルム、熱融着フィルム、または熱硬化性フィルムであることを特徴とする請求項1又は2記載の回路基板の製造方法。
  4. 前記はんだボールは、SnAg、SnIn、SnBi、SuAg及びSuAgCuを含むはんだペーストで形成されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の回路基板の製造方法。
  5. 前記加熱溶融工程を行う前、又は後、又は同時に、前記第1フィルムと前記第2フィルムを加圧することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の回路基板の製造方法。
  6. 基板上に第1電極を形成する工程と、
    半導体素子上に第2電極を形成する工程と、
    第1フィルムに、該第1フィルムの表面側の第1開口が、裏面側の第2開口よりも大きい第1貫通孔を形成する工程と、
    第2フィルムに、該第2フィルムの表面側の第3開口が、裏面側の第4開口よりも大きい第2貫通孔を形成する工程と、
    前記第1フィルムの前記第1開口上に、はんだボールを載置する工程と、
    前記はんだボールを介して、前記第1フィルム上に前記第2フィルムを配置し、該第1フィルムの前記第1開口と、該第2フィルムの前記第3開口との位置合わせを行う工程と、
    前記基板上に形成された前記第1電極と、前記第1フィルムの前記第2開口との位置合わせを行う工程と、
    前記半導体素子に形成された前記第2電極と、前記第2フィルムの前記第4開口との位置合わせを行う工程と、
    前記はんだボールを加熱溶融して、前記第1電極と前記第2電極とを電気的に接続する工程と
    を含むことを特徴とする回路基板の製造方法。
  7. 第1電極を有する基板と、
    前記基板上に配置され、前記第1電極と位置合わせる裏面側の第1開口が、表面側の第2開口よりも小さい第1貫通孔を有する第1フィルムと、
    前記第1フィルムの前記第2開口上に載置されるはんだと、
    前記はんだを介して、前記第1フィルムの前記第2開口と位置合わせる表面側の第3開口が、裏面側の第4開口よりも大きい第2貫通孔を有する第2フィルムと、
    前記第2のフィルム上に配置され、前記第2のフィルムの第4開口と位置合わせる第2電極を有する半導体素子と、
    を有することを特徴とする回路基板。
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