JP2009120799A - 導電接着剤及びこれを利用したフリップチップボンディング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高度の制御技術なしに低費用で低融点ソルダを利用したフリップチップボンディング工程を行うことができる導電接着剤及びこれを利用したフリップチップボンディング方法を提供する。
【解決手段】本発明による導電接着剤は、熱硬化性を有する高分子樹脂と、前記高分子樹脂に分散されている低融点ソルダボールと、前記高分子樹脂に分散されており、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有する非導電性ボールとで構成される。本発明は、導電接着剤の内部に半導体チップと基板との間隔を調整するための非導電性ボールを含ませることによって、別途の精巧な制御技術なしに、単に圧力を調節することによって、低費用でフリップチップボンディング工程を行うことができ、これにより、工程時間を短縮することができ、製品の収率を増加させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導電接着剤及びこれを利用したフリップチップボンディング方法に関し、より詳細には、半導体チップと基板との間隔を調整するための非導電性ボールを含む導電接着剤及びこれを利用したフリップチップボンディング方法に関する。

電子パッケージング技術は、半導体素子から最終完成製品までのすべての段階を含む広範囲で且つ多様なシステム製造技術である。最近急速に発展する半導体技術は、既に百万個以上のセル（cell）を集積化しており、非メモリ素子の場合は、多いＩ／Ｏピン数、大きいダイ（die）サイズ、多い熱放出、高い電気的性能などの傾向に発展している。しかし、このような素子をパッケージするための電子パッケージング技術は、急速な半導体産業と足並みを揃えていないという事実がある。電子パッケージング技術は、最終電子製品の性能、サイズ、価格、信頼性などを決める非常に重要な技術であって、特に高い電気的性能、極小型／高密度、低電力、多機能、超高速信号処理、永久的信頼性などを追求する最近の電子製品においては、その位相がさらに重要になっている。

このような傾向に連動して、近年、リードを使用せずに、半導体チップを基板に電気的に連結させる技術の中の１つであるフリップチップ（Flip chip）ボンディング技術が注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。フリップチップボンディング工程において、半導体チップを基板に結合するために使用される導電接着剤は、一般的に導電性粒子であるソルダと熱硬化性及び／または熱可塑性を有する絶縁樹脂とで構成される。

最近、半導体チップと基板との電気的結合を強化するために、低い溶融点を有する低融点ソルダを含む導電接着剤が多用されている（例えば、非特許文献１参照）。フリップチップボンディング方法において、低融点ソルダ粒子は、温度が増加するにつれて溶融され、互いに融合され、低融点ソルダのぬれ性（Wettability）によって半導体チップの電極と基板の電極との間にウェティング（wetting）されることによって、電極を電気的に連結する。この時、低融点ソルダ粒子が充分に融合及びウェティングされるためには、半導体チップの電極と基板の電極との間隔が一定の時間の間に一定の間隔で維持されなければならない。

従来のフリップチップボンディング方法は、基板の表面に別途のスタンドオフ（Stand-off）を形成することによって、低融点ソルダの融合及びウェティング中に半導体チップと基板との間隔がスタンドオフによって維持され得るようにする。しかし、従来のフリップチップボンディング方法は、スタンドオフを形成するために高価なボンディング装備及び精巧な制御技術を必要とするという短所がある。
大韓民国特許公開第１９９８−０１３９６１号 New Electrically Conductive Adhesives Filled With Low-Melting-Point Alloy Fillers 1Department of Manufacturing Science, Graduate School of Engineering, Osaka University, Suita 565-0871,Japan2Sakaiko Power Plant, Kansai Electric Power Co. Ltd., Osaka 530-8270,Japan

本発明の目的は、高度の制御技術なしに低費用で低融点ソルダを利用したフリップチップボンディング工程を行うことができる導電接着剤及びこれを利用したフリップチップボンディング方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る導電接着剤は、熱硬化性を有する高分子樹脂と、前記高分子樹脂に分散されている低融点ソルダボールと、前記高分子樹脂に分散されており、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有する非導電性ボールと、を含む。

また、本発明の他の態様に係るフリップチップボンディング方法は、低融点ソルダボール、高分子樹脂、第１非導電性ボール及び第２非導電性ボールを含む導電接着剤を前記基板上に用意する段階と、前記半導体チップの電極と前記基板の電極を整列する段階と、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い第１温度で前記半導体チップと前記基板との間に所定の第１圧力を加える段階と、前記第１温度より高い第２温度で前記半導体チップと前記基板との間に前記第１圧力より高い第２圧力を加える段階と、を含み、前記第１非導電性ボールは、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有し、前記第２非導電性ボールは、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有し、前記第１非導電性ボールの直径より小さい直径を有する。

また、本発明のさらに他の態様に係るフリップチップボンディング方法は、低融点ソルダボールと、高分子樹脂と、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有する非導電性ボールとを含む導電接着剤を前記基板上に用意する段階と、前記半導体チップの電極と前記基板の電極とを整列する段階と、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い所定の第１温度で前記半導体チップと前記基板との間に所定の圧力を加える段階と、前記第１温度より高い第２温度で前記半導体チップと前記基板との間に前記所定の圧力を加える段階と、を含む。

本発明は、導電接着剤の内部に半導体チップと基板との間隔を調整するための非導電性ボールを含ませることによって、別途の精巧な制御技術なしに単に圧力を調節することによって、低費用でフリップチップボンディング工程を行うことができ、これにより、工程時間を短縮することができ、製品の収率を増加させることができる。

また、本発明は、優秀な熱伝導性を有する導電接着剤を半導体ウェーハ間のボンディング工程で等方性導電接着剤として使用することによって、半導体の発熱特性を改善することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る導電接着剤の構成を示す図である。図１を参照すれば、導電接着剤１１０は、低融点ソルダボール１１１及び高分子樹脂１１２を含み、第１非導電性ボール１１３及び第２非導電性ボール１１４をさらに含む。一実施例において、低融点ソルダボール１１１は、Ｓｎ／Ｂｉなどで構成され、約１４０℃の溶融点を有することができる。また、高分子樹脂１１２は、熱硬化性を有するフェノール樹脂、メラニン樹脂などの高分子絶縁樹脂で構成されることができる。

第１非導電性ボール１１３及び第２非導電性ボール１１４は、低融点ソルダボール１１１の融合及びウェティング中に半導体チップの電極と基板の電極との間隔を一定に維持するスタンドオフの役目をするために、低融点ソルダボール１１１の溶融点以上の温度でも溶融されない物質、すなわち低融点ソルダボール１１１の溶融点より高い溶融点を有する物質で構成される。また、ボンディング工程において、前記間隔を２つの段階に調整するために、第１非導電性ボール１１３は、第２非導電性ボール１１４の直径より大きい直径を有する。一実施例において、第１非導電性ボール１１３は、ＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）、ポリカーボネート（Polycarbonate）、ポリスチレン（Polystyrene）などの高分子で構成されることができ、第２非導電性ボール１１４は、第１非導電性ボール１１３と同一の素材または第１非導電性ボール１１３の硬度より大きい硬度を有するガラス種類の物質で構成されることができる。

一方、導電接着剤１１０に含まれた低融点ソルダボール１１１は、電気的伝導性だけでなく、熱伝導性に優れているので、このような点を利用して導電接着剤１１０は、半導体ウェーハ間のボンディング工程でも使用されることができる。言い換えれば、導電接着剤１１０は、フリップチップボンディング工程では半導体チップの電極と基板の電極とを電気的に連結するための異方性導電接着剤として使用されることができ、半導体ウェーハ間のボンディング工程では、半導体ウェーハ間の熱伝導を容易にして半導体の発熱特性を改善する等方性導電接着剤として使用されることもできる。この時、第１非導電性ボール１１３及び第２非導電性ボール１１４は、半導体ウェーハ間に低融点ソルダボール１１１が充分に融合及びウェティングされ得るように間隔を維持する役目をする。

図２ａ乃至図２ｃは、本発明の第１実施例に係るフリップチップボンディング方法を説明するための図であり、図２ｄは、本発明の第１実施例に係るフリップチップボンディング方法において時間による温度及び圧力の変化を示すグラフである。

図２ａを参照すれば、導電接着剤２１０は、低融点ソルダボール２１１、第１非導電性ボール２１３及び第２非導電性ボール２１４を高分子樹脂２１２と混合してフィルムまたはペストリー（Pastry）形態で製作され、ボンディングしようとする半導体チップ２２０と基板２３０との間に位置する。

フリップチップボンディング装備を使用して半導体チップ２２０及び基板２３０を整列した後、半導体チップ２２０と基板２３０との間に圧力を加えれば、導電接着剤２１０の内部で直径が最も大きい第１非導電性ボール２１３に圧力が加えられる。これにより、半導体チップ２２０と基板２３０との間隔は、第１非導電性ボール２１３の弾性と、半導体チップ２２０と基板２３０との間の圧力によって決定される。

この時、第２非導電性ボール２１４の直径が第１非導電性ボール２１３の直径より小さいため、第２非導電性ボール２１４は、第１非導電性ボール２１３の変形が起きる前までは、半導体チップ２２０と基板２３０との間に加えられる圧力に影響を受けない。

図２ｂ及び図２ｄを参照すれば、温度が増加し、時間１で低融点ソルダボール２１１の融点である第１温度を通過すれば、低融点ソルダボール２１１が互いに融合し、半導体チップ２２０と基板２３０の電極２２１、２３１との間に凹レンズ形状が形成される。一実施例において、低融点ソルダボール２１１がＳｎ／Ｂｉで構成される場合、第１温度は、１３９℃乃至１４１℃になることができる。

この時、高分子樹脂２１２は、数百ｃｐｓの低い粘度を維持するので、低融点ソルダボール２１１の融合及びウェティングに影響を及ぼさない。また、第１非導電性ボール２１３及び第２非導電性ボール２１４は、低融点ソルダボール２１１に対するぬれ性が非常に悪い高分子などで構成されるので、第１非導電性ボール２１３及び第２非導電性ボール２１４も、低融点ソルダボール２１１の融合及びウェティングに影響を及ぼさない。

その後、温度及び圧力が増加し、時間２で第１圧力及び第２温度に到逹し、所定時間の間に（時間２〜時間３）第１圧力及び第２温度が維持される。この時、第１圧力は、第１非導電性ボール２１３の変形圧力より低い圧力である。ここで、変形圧力というのは、一定の形態の構造物に圧力を加えた時、構造物の変形が起き始める圧力を言う。一実施例において、第１圧力は、１００ｇ／ｃｍ^２乃至３００ｇ／ｃｍ^２であり、第２温度は、１５５℃乃至１６５℃である。

半導体チップ２２０と基板２３０との間隔は、スタンドオフの役目をする第１非導電性ボール２１３の弾性及び第１圧力によって決定され、このような間隔は、低融点ソルダボール２１１の十分な融合及びウェティングのために所定時間の間（時間２〜時間３）維持される。一実施例において、低融点ソルダボール２１１の十分な融合及びウェティングのために、第１圧力及び第２温度は、略７０秒間維持される。

図２ｃ及び図２ｄを参照すれば、時間３の経過後、圧力を増加し、時間４で第２圧力に到逹する。この時、第２圧力は、第１非導電性ボール２１３の変形圧力より高く、且つ第２非導電性ボール２１４の変形圧力より低い圧力である。一実施例において、第２圧力は、３００ｇ／ｃｍ^２乃至６００ｇ／ｃｍ^２である。

第２圧力が加えられることによって、半導体チップ２２０と基板２３０の表面に形成された電極２２１、２３１との間隔が減少し、第２圧力が第１非導電性ボール２１３及び第２非導電性ボール２１４に分散され、半導体チップ２２０と基板２３０との間隔が決定される。第１圧力によって決定された間隔で融合及びウェティングされた低融点ソルダボール２１１は、第２圧力によって前記間隔が狭められることによって凸レンズ形状が形成される。これにより、低融点ソルダボール２１１と電極２２１、２３１との接合面積は極大化されることができる。

これと同時に、圧力の増加に伴って温度も増加し、時間４で第３温度に到逹する。ここで、第３温度は、高分子樹脂２１２の硬化反応が始まる温度、すなわち高分子樹脂２１２の熱硬化温度より高い温度である。所定時間の間に（時間４〜時間５）第３温度を維持した後、温度を減少させれば、高分子樹脂２１２は略７０％以上硬化され、完全硬化状態の９０％程度の熱機械的物性を示す。一実施例において、第３温度は、１７９℃乃至１８１℃である。高分子樹脂２１２の硬化度が９５％以上要求される場合、第３温度で大気圧または第２圧力を加える追加硬化工程を行うことができる。

２つの段階の圧力を使用する工程の複雑さを減少させるために、第１非導電性ボールを含まない導電接着剤を使用する第２実施例について図３ａ乃至図３ｃを参照して以下で説明する。

図３ａ及び図３ｂは、本発明の第２実施例に係るフリップチップボンディング方法を説明するための図であり、図３ｃは、本発明の第２実施例に係るフリップチップボンディング方法において時間による温度及び圧力の変化を示すグラフである。

図３ａを参照すれば、導電接着剤３１０は、低融点ソルダボール３１１及び第２非導電性ボール３１３を高分子樹脂３１２と混合し、フィルムまたはペストリー形態で製作され、ボンディングしようとする半導体チップ３２０と基板３３０との間に位置する。

フリップチップボンディング装備を使用して半導体チップ３２０及び基板３３０を整列した後、半導体チップ３２０と基板３３０との間に圧力を加えれば、第２非導電性ボール３１３に圧力が加えられる。半導体チップ３２０と基板３３０との間隔は、第２非導電性ボール３１３の弾性と、半導体チップ３２０と基板３３０との圧力によって決定される。

図３ｂ及び図３ｃを参照すれば、第２圧力を維持した状態で温度が増加するにつれて高分子樹脂３１２の粘度は数百ｃｐｓまで低くなり、時間１を経過しながら温度が低融点ソルダボール３１１の融点である第１温度より高くなり、これにより、低融点ソルダボール３１１は固体状態から液体状態に変化する。ここで、第２圧力は、第１実施例の第２圧力と同様に、第２非導電性ボール３１３の変形圧力より低い圧力である。一実施例において、第２圧力は、３００ｇ／ｃｍ^２乃至６００ｇ／ｃｍ^２である。

時間２で温度が第２温度に到逹し、所定時間の間に（時間２〜時間３）維持される。これにより、低融点ソルダボール３１１は、互いに融合され、半導体チップ３２０と基板３３０の電極３２１、３３１との間に凸レンズ形状で形成される。一実施例において、第２温度は、１５５℃乃至１６５℃である。

その後、温度がさらに増加し、時間４で第３温度に到逹する。ここで、第３温度は、第１実施例の第３温度と同様に、高分子樹脂３１２の熱硬化温度より高い温度である。所定時間の間に（時間４〜時間５）第３温度を維持した後、温度を減少させれば、高分子樹脂３１２は略７０％以上硬化され、完全硬化状態の９０％程度の熱機械的物性を示す。一実施例において、第３温度は、１７９℃乃至１８１℃である。高分子樹脂３１２の硬化度が９５％以上要求される場合、第３温度で大気圧または第２圧力を加える追加硬化工程を行うことができる。

一方、本発明の一実施例に係る導電接着剤を半導体ウェーハボンディング工程で等方性導電接着剤として使用する場合にも、低融点ソルダボールが半導体ウェーハの間に充分に融合及びウェティングされるように、所定時間の間に半導体ウェーハ間の間隔が維持される必要がある。したがって、前記図２ａ乃至図３ｃを参照して説明したボンディング方法のうち半導体チップ及び基板を整列する段階を除いた残りのボンディング過程は、半導体ウェーハボンディング工程にも同様に適用することができる。

以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。

本発明の一実施例に係る導電接着剤の構成を示す図である。 本発明の第１実施例に係るフリップチップボンディング方法を説明するための図である。 本発明の第１実施例に係るフリップチップボンディング方法を説明するための図である。 本発明の第１実施例に係るフリップチップボンディング方法を説明するための図である。 本発明の第１実施例に係るフリップチップボンディング方法において時間による温度及び圧力の変化を示すグラフである。 本発明の第２実施例に係るフリップチップボンディング方法を説明するための図である。 本発明の第２実施例に係るフリップチップボンディング方法を説明するための図である。 本発明の第２実施例に係るフリップチップボンディング方法において時間による温度及び圧力の変化を示すグラフである。

符号の説明

１１１ 低融点ソルダボール
１１２ 高分子樹脂
１１３ 第１非導電性ボール
１１４ 第２非導電性ボール

Claims (17)

1. 熱硬化性を有する高分子樹脂と、
   前記高分子樹脂に分散されている低融点ソルダボールと、
   前記高分子樹脂に分散されており、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有する非導電性ボールと、を含む導電接着剤。
2. 前記非導電性ボールは、第１非導電性ボールと、前記第１非導電性ボールの直径より小さい直径を有する第２非導電性ボールとで構成されることを特徴とする請求項１に記載の導電接着剤。
3. 前記第２非導電性ボールの硬度は、前記第１非導電性ボールの硬度より大きいことを特徴とする請求項２に記載の導電接着剤。
4. 前記第１非導電性ボールは、高分子物質で構成され、
   前記第２非導電性ボールは、前記第１非導電性ボールと同一の物質で構成されるか、又はガラス種類の物質で構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の導電接着剤。
5. 前記第１非導電性ボールは、ＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）、ポリカーボネート（Polycarbonate）またはポリスチレン（Polystyrene）で構成されることを特徴とする請求項４に記載の導電接着剤。
6. 半導体チップを基板に結合するフリップチップボンディング方法において、
   （ａ）低融点ソルダボール、高分子樹脂、第１非導電性ボール及び第２非導電性ボールを含む導電接着剤を前記基板上に用意する段階と、
   （ｂ）前記半導体チップの電極と前記基板の電極とを整列する段階と、
   （ｃ）前記低融点ソルダボールの溶融点より高い第１温度で前記半導体チップと前記基板との間に所定の第１圧力を加える段階と、
   （ｄ）前記第１温度より高い第２温度で前記半導体チップと前記基板との間に前記第１圧力より高い第２圧力を加える段階と、を含み、
   前記第１非導電性ボールは、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有し、前記第２非導電性ボールは、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有し、前記第１非導電性ボールの直径より小さい直径を有するフリップチップボンディング方法。
7. 前記第２非導電性ボールの硬度は、前記第１非導電性ボールの硬度より大きいことを特徴とする請求項６に記載のフリップチップボンディング方法。
8. 前記第１圧力は、前記第１非導電性ボールの変形圧力未満であることを特徴とする請求項６に記載のフリップチップボンディング方法。
9. 前記第２圧力は、前記第１非導電性ボールの変形圧力以上であり、且つ前記第２非導電性ボールの変形圧力未満であることを特徴とする請求項６に記載のフリップチップボンディング方法。
10. 前記高分子樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
    前記第２温度は、前記高分子樹脂の熱硬化性温度以上であることを特徴とする請求項６に記載のフリップチップボンディング方法。
11. 前記第１温度は、１５５℃乃至１６５℃であり、前記第２温度は１７９℃乃至１８１℃であることを特徴とする請求項６に記載のフリップチップボンディング方法。
12. 前記第１圧力は、１００ｇ／ｃｍ^２乃至３００ｇ／ｃｍ^２であり、前記第２圧力は、３００ｇ／ｃｍ^２乃至６００ｇ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項６に記載のフリップチップボンディング方法。
13. 半導体チップを基板に結合するフリップチップボンディング方法において、
    （ａ）低融点ソルダボールと、高分子樹脂と、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有する非導電性ボールとを含む導電接着剤を前記基板上に用意する段階と、
    （ｂ）前記半導体チップの電極と前記基板の電極とを整列する段階と、
    （ｃ）前記低融点ソルダボールの溶融点より高い所定の第１温度で前記半導体チップと前記基板との間に所定の圧力を加える段階と、
    （ｄ）前記第１温度より高い第２温度で前記半導体チップと前記基板との間に前記所定の圧力を加える段階と、を含むフリップチップボンディング方法。
14. 前記所定の圧力は、前記非導電性ボールの変形圧力未満であることを特徴とする請求項１３に記載のフリップチップボンディング方法。
15. 前記高分子樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
    前記第２温度は、前記高分子樹脂の熱硬化温度以上であることを特徴とする請求項１３に記載のフリップチップボンディング方法。
16. 前記第１温度は、１５５℃乃至１６５℃であり、前記第２温度は、１７９℃乃至１８１℃であることを特徴とする請求項１３に記載のフリップチップボンディング方法。
17. 前記所定の圧力は、３００ｇ／ｃｍ^２乃至６００ｇ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１３に記載のフリップチップボンディング方法。

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