JP2010003879A

JP2010003879A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2010003879A
Application number: JP2008161411A
Authority: JP
Inventors: Taiji Sakai; 泰治酒井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-06-20
Also published as: JP5320844B2

Abstract

【課題】半導体装置及びその製造方法に関し、先アンダーフィル接合方式において、半導体素子のコーナー部に十分な封止樹脂を設け、かつ信頼性の高い不透明な封止樹脂を使用したフリップチップ接合を可能にする。
【解決手段】半導体チップ１１と前記半導体チップを搭載する回路基板上との間に充填した第１の封止樹脂１４の前記半導体チップの少なくとも４隅におけるはみ出し部を第２の封止樹脂１５で覆い、前記第１の封止樹脂の耐湿性及び耐熱性を前記第２の封止樹脂の耐湿性及び耐熱性より優れたものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に関するものであり、例えば、先アンダーフィル方式で半導体チップと回路基板とをフリップチップ接続して樹脂封止する半導体装置の耐湿性及び耐熱性等の信頼性を向上するための構成に関するものである。

従来より、半導体素子を回路基板に実装する際に、半導体素子を回路基板上にフリップチップ接合したのち、半導体素子と回路基板との間に封止樹脂を注入する後アンダーフィル方式が採用されてきた。

しかし、近年、携帯機器、特に携帯電話市場における小型化の要求に伴い、搭載される半導体素子のフリップチップ接続において半導体素子と回路基板のギャップが小さくなり、フリップチップ接合後に半導体素子と回路基板との間に封止樹脂を後入れで注入することが困難になってきている。また個々の半導体素子それぞれに封止樹脂を注入するためコスト上昇の問題がある。

このため、後アンダーフィル方式を改善する方式として、予め半導体素子が形成されたウエハに半硬化の封止樹脂層を一括して形成しておき、ダイシング、チップ化後に電極と封止樹脂を一括してフリップチップ接合する先アンダーフィル方式のニーズが高まってきている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２１４４４０号公報

しかし、先アンダーフィル方式においては、封止樹脂が加圧により同心円状に押し出されるため、半導体素子のコーナー部の樹脂量が不足するという問題があるので、図６を参照してこの事情を説明する。図６は、従来の先アンダーフィル方式による半導体装置の概念的平面図であり、半導体素子５２を回路基板５１に封止樹脂５３ごと圧接してフリップチップ接合する際に、封止樹脂５３が半導体素子５２の外周からはみでる。

この封止樹脂５３が半導体素子５２からはみだした部分はフィレット部と呼ばれ、信頼性の点から重要である。特に、半導体素子５２のコーナー部は、応力が大きいために十分な量のフィレット部を形成しなくてはならないが、上述のように半導体素子５２のコーナー部で樹脂量が不足して信頼性が低下するという問題がある。

また、先アンダーフィル方式の別の問題として、フリップチップ接合時の位置合わせのために封止樹脂５３は光透過性のものに限られるということが挙げられる。一般的に、封止樹脂に耐熱性や吸湿性などの信頼性を持たせるためには数種類の樹脂成分およびシリカフィラーを混合する必要があり、混合の結果、光透過性が失われることになる。したがって、先アンダーフィル方式においては、信頼性の高い封止樹脂を使用できないという問題がある。

したがって、本発明は、先アンダーフィル接合方式において、半導体素子のコーナー部に十分な封止樹脂を設け、かつ信頼性の高い不透明な封止樹脂を使用したフリップチップ接合を可能にすることを目的とする。

本発明の一観点からは、半導体チップと前記半導体チップを搭載する回路基板上との間に充填する第１の封止樹脂が前記半導体チップの外周からはみ出しており、且つ、前記半導体チップの少なくとも４隅において前記第１の封止樹脂を覆うように第２の封止樹脂が設けられた半導体装置であって、前記第１の封止樹脂の耐湿性及び耐熱性が前記第２の封止樹脂の耐湿性及び耐熱性より優れている半導体装置が提供される。

また、本発明の別の観点からは、半導体チップの回路面上に第１の封止樹脂を塗布して半硬化させる工程、前記第１の封止樹脂層上であって、前記半導体チップの少なくとも４隅を含むようにパターンニングされた第２の封止樹脂層を選択的に形成して半硬化させる工程と、前記第１の封止樹脂層及び第２の封止樹脂層を設けた半導体チップを回路基板に対して圧接してフリップチップ接合する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。

開示の半導体装置によれば、半導体素子に予め封止樹脂を形成しておく先アンダーフィル方式において、従来は困難であった半導体素子コーナー部にも十分な量のフィレット部を形成でき、接合信頼性を大幅に高めることができる。

また、第２の封止樹脂の形成、露光、現像プロセスが追加となるが、全てチップ化の前のウエハ段階で処理できるために生産性は高く、半導体素子１つ１つに追加でフィレット用封止樹脂を形成する場合と比較し、大幅にプロセスタイムを低減させることができる。

また、第１の封止樹脂をフィラー入りおよびフラックス機能入りとし、第２の封止樹脂を位置合わせ用マーク形成用と機能を分離することによって、接合信頼性を犠牲にすることなく位置合わせ容易な先アンダーフィル方式のフリップチップ接合を実現することができる。

ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態のフリップチップ接合前の構成説明図であり、図１（ａ）は概念的平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。図に示すように、パッド１２上に接続電極１３を設けた半導体素子１１の回路面上に接続電極１３の表面を覆うように全面に耐湿性及び耐熱性に優れた第１の封止樹脂１４を半硬化状態で設ける。この第１の封止樹脂１４上に可視光に対して透明で且つ感光性を有する第２の封止樹脂１５を半硬化状態で選択的に設ける。なお、接続電極１３は特に制約などはなく、半田電極、Ａｕメッキバンプ、Ｃｕメッキバンプ、Ａｕボールバンプなどを用いれば良い。

この場合、第１の封止樹脂１４は、シート状のフィルムをラミネートによって貼付しても良いし、或いは、液状樹脂を印刷もしくはスピンコートにより形成した後、乾燥し半硬化状態としても良い。この第１の封止樹脂１４は、シリカなどの無機フィラーまたはゴム状樹脂などの有機フィラーを含むエポキシ系樹脂またはウレタン系樹脂またはフェノキシ樹脂またはシアネートエステル系樹脂を主成分とし、さらに有機酸を含有させてフラックス機能を持たせたものである。この内では、シリカなどの無機フィラーを含んだエポキシ系樹脂が耐熱性及び弾性の観点から好適である。

一方、第２の封止樹脂１５は、シート状のフィルムをラミネートによって貼付しても良いし、或いは、液状樹脂を印刷もしくはスピンコートにより形成、乾燥させる工程によって半硬化状態にしたのち、露光・現像によってパターンニングする工程によって形成される。

この場合の第２の封止樹脂１５のパターンは、図１（ａ）に示すように、半導体素子１１の４隅にのみ選択的に設けても良い。或いは、半導体素子１１の中心から放射状に伸びる複数のストライプ状パターンで構成するとともに、ストライプ状パターンのうち、半導体チップ１１の４隅方向に伸びるストライプ状パターンの幅が、その他の方向に伸びるストライプ状パターンの幅より広くなるパターンとしても良い。

第２の封止樹脂１５を半導体素子１１の４隅にのみ選択的に設ける場合には、各コーナーにおける占有面積が半導体素子１１の面積の２〜１０％となり、且つ、樹脂が押し出されてフィレット部を構成した場合に、各コーナーにおける第２の封止樹脂１５によるフィレット部が０．１〜１．０ｍｍ³ の樹脂量になるように厚さを規定する。

第２の封止樹脂１５を放射状パターンとして設ける場合にも、各コーナーにおける第２の封止樹脂１５によるフィレット部が０．１〜１．０ｍｍ³ の樹脂量になるようにストライプ状パターンの幅及び厚さを規定する。

また、このパターンニングされた第２の封止樹脂層には、パターン工程において、図１（ａ）に示すように少なくとも２つの位置合わせ用マーク１６がパターンニングされる。この位置合わせ用マーク１６は３つ設けて半導体チップの方向性を示すようにしても良いし、また、スクライブラインを同時にパターニングしても良い。

この第２の封止樹脂は、フィラーを含まないエポキシ系樹脂またはウレタン系樹脂またはフェノキシ樹脂またはシアネートエステル系樹脂を主成分とし、且つ、感光剤を含有させて感光性を持たせたものであり、耐熱性及び耐湿性に劣るものの可視光に対して透明である。この透明性は、ウェハの周辺部に形成したアライメント用パターンを認識するために必要となる。

図２は、本発明の実施の形態のフリップチップ接合後の構成説明図であり、図２（ａ）は概念的平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。図に示すように、パッド２２を設けた回路基板２１に、封止樹脂を形成した半導体素子１１を、封止樹脂の軟化温度まで加熱した状態で圧接することによってフリップチップ接合する。この時、カメラにより位置あわせ用マーク１６を確認しながら位置合わせしてフリップチップ接合する。なお、図における符号２３はソルダーレジストである。

図に示すように、第２の封止樹脂１５は完全に半導体素子１１の外周の外へ押し出されてフィレット部１８を構成するとともに、第１の封止樹脂１４の一部も半導体素子１１の外周の外へ押し出されてフィレット部１７を構成する。この時、第２の封止樹脂１５からなるフィレット部１８は、半導体素子１１のコーナー部における樹脂量の不足を補うことになる。

このように、本発明の実施の形態においては、アンダーフィル樹脂の主要部を耐熱性及び耐湿性に優れたフィラー入りの樹脂で構成しているので半導体素子の信頼性が低下することはない。また、アンダーフィル樹脂の補足部を透明な樹脂で半導体素子のコーナー部に設けているので、ウェハの周辺部に形成したアライメント用パターンの認識に支障が生ずることはなく、且つ、半導体素子のコーナー部における樹脂量の不足を補うことができる。

以上を前提として、次に、本発明の実施例１の半導体装置の製造工程を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、例えば、約１００μｍΦ、１００μｍの厚さのＳｎ−２．６Ａｇからなる半田電極（図示は省略）を２５０μｍピッチでアレイ状に形成したウェハ３１を用意する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、シリカフィラーを含有するとともにカルボン酸を含有してフラックス機能を持たせたエポキシ樹脂を主成分とする第１の封止樹脂３２をスピンコートによって形成する。スピンコート条件は、５００ｒｐｍで５秒間保持したのち、７００ｒｐｍで３０秒間保持してウェハ３１の全面に均一に塗布する。

次いで、ウェハ３１のエッジから３〜５ｍｍ、例えば、５ｍｍの第１の封止樹脂３２の周辺部を例えば、メチルエチルケトンによって１５００ｒｐｍで２０秒間洗浄することで除去する。この除去工程において、後述する第２の封止樹脂を露光する際のアライメント用パターン３３が露出されることになる。

次いで、図３（ｃ）に示すように、オーブンで、例えば、１２０℃で３０分間熱処理することによりＢステージ（半硬化）状態とした。熱処理後の第１の封止樹脂３２の膜厚は約１１０μｍであった。

次いで、図４（ａ）に示すように、感光性エポキシ系樹脂、例えば、ＷＰＲＳ１９６Ｐ（ＪＳＲ社製商品型番）を用いて第２の封止樹脂３４をスピンコートによって形成する。スピンコート条件は、５００ｒｐｍで５秒間保持したのち、１５００ｒｐｍで３０秒間保持してウェハ３１の全面に均一に塗布する。

次いで、図４（ｂ）に示すように、オーブンで、例えば、１１０℃で５分間熱処理することによりＢステージ（半硬化）状態とした。熱処理後の第２の封止樹脂３４の膜厚は約５０μｍであった。

次いで、図４（ｃ）に示すように、露光機を用いてウエハ３１の外周部に形成されたアライメント用パターン３３を参照して位置合わせを行い、紫外線を例えば１５００ｍＪ／ｃｍ² 照射したのち、現像液ＮＭＤ−３（東京応化工業株式会社社製商品型番）に約３．５分間浸積して第２の封止樹脂パターン３５を形成する。

この場合、各第２の封止樹脂パターン３５のサイズは、第２の封止樹脂パターン３５の膜厚にも依存するが半導体チップ３６の面積の２〜１０％になるようにする。また、このパターニング工程において、フリップチップ接合時の位置合わせ用として、十字状のマーク３７を半導体チップ３６の対角に形成する。

以降は、上記の図２に示したように、半導体チップ３６を回路基板に対向させ、例えば、２３０℃で１０秒間加熱し、半導体チップ３６に形成したＳｎ−２．６Ａｇからなる半田電極を溶融させるとともに、第１の封止樹脂３２及び第２の封止樹脂パターン３５を軟化させた状態で、例えば、２ＭＰａで圧接することによってフリップチップ接合する。この時、加圧により軟化した第１の封止樹脂３２及び第２の封止樹脂パターン３５は半導体チップ３６の外周部から押し出されててフィレットを形成する。

その後、例えば、１８０℃で２時間熱処理をすることによって、アンダーフィル状態の第１の封止樹脂３２と、第１の封止樹脂３２及び第２の封止樹脂パターン３５が押し出されて形成したフィレットを完全硬化させることによって本発明の実施例１の半導体装置の基本構成が完成する。

このように、本発明の実施例１においては、封止樹脂の主要部を耐熱性及び耐湿性に優れた第１の封止樹脂で構成するとともに、半導体チップのコーナー部における樹脂量の不足を補うために感光性を有する透明な第２の封止樹脂を半導体チップのコーナー部に選択的に設けているので半導体装置の信頼性を高めることができる。

次に、図５を参照して、本発明の実施例２の半導体装置を説明するが、第２の封止樹脂パターンが異なるだけで基本的な製造工程は上記の実施例１と同様であるので、素子構成のみ説明する。なお、図５（ａ）はフリップチップ接合前の半導体チップの回路面側の概念的平面図であり、図５（ｂ）はフリップチップ接合後の半導体チップ側からみた概念的平面図である。

まず、図５（ａ）に示すように、半導体チップの回路面側に、上記の実施例１と同様に、シリカフィラーを含有するとともにカルボン酸を含有してフラックス機能を持たせたエポキシ樹脂を主成分とする第１の封止樹脂３２をスピンコートによって形成したのち、半硬化状態にする。なお、この場合の第１の封止樹脂３２の軟化温度は１２０℃とする。

次いで、感光性エポキシ系樹脂、例えば、ＷＰＲＳ１９６Ｐ（ＪＳＲ社製商品型番）を用いて第２の封止樹脂をスピンコートによって形成したのち、オーブンで熱処理することによりＢステージ（半硬化）状態する。なお、この場合の第２の封止樹脂の軟化温度は第１の封止樹脂３２の軟化温度である１５０℃より低い１２０℃とする。

次いで、露光機を用いてウエハの外周部に形成されたアライメント用パターン３３を参照して位置合わせを行い、紫外線を照射したのち、現像液で現像することにより、放射状のストライプパターンからなる第２の封止樹脂パターン３８を形成するとともに、位置合わせ用のマーク３７を形成する。

この場合、第２の封止樹脂パターン３８を構成するストライプ状パターンのうち、半導体チップの４隅方向に伸びるストライプ状パターンの幅が、その他の方向に伸びるストライプ状パターンの幅より広くなるパターンとする。例えば、各コーナーにおける第２の封止樹脂パターン３８によるフィレット（図５（ｂ）の４１）が０．１〜１．０ｍｍ³ の樹脂量になるようにストライプ状パターンの幅及び厚さを規定する。

以降は、図５（ｂ）に示すように、半導体チップ３６を回路基板３９に対向させ、例えば、第２の封止樹脂の軟化温度である１５０℃以上に加熱したのち、加圧して第２の封止樹脂をチップ外周まで押し出すことによりフィレット４１が形成される。

次いで、第２の封止樹脂の軟化温度である１５０℃以上、例えば、２３０℃まで昇温して１０秒間加熱し、半導体チップ３６に形成したＳｎ−２．６Ａｇからなる半田電極を溶融させるとともに、第１の封止樹脂３２を軟化させた状態で、例えば、２ＭＰａで圧接することによってフリップチップ接合する。この時、加圧により軟化した第１の封止樹脂３２の一部も半導体チップ３６の外周部から押し出されててフィレット４０を形成する。

その後、例えば、１８０℃で２時間熱処理をすることによって、アンダーフィル状態の第１の封止樹脂３２と、フィレット４０，４１を完全硬化させることによって本発明の実施例２の半導体装置の基本構成が完成する。

この本発明の実施例２においては、信頼性の劣る第２の封止樹脂は第１の封止樹脂が軟化していない状態における最初の加圧工程で大部分が半導体チップ３６の外周部に押し出されて半導体チップ３６の直下には存在しないため、信頼性が向上する。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は、各実施例に示した条件に限られるものではない。例えば、第２の封止樹脂を露光する際のアライメント用パターン露出方法として、周辺部をメチルエチルケトンによる洗浄を用いているが、レーザー加工によってウエハ外周部の少なくとも２カ所の樹脂を除去しても良い。

或いは、予め保護フィルムを外周部に貼付して、第１の封止樹脂後に保護フィルムを除去することで位置合わせマークを露出させることも可能である。または、露光装置に赤外線で樹脂を透過させることで位置合わせを行う機能があれば、外周部の樹脂を除去する必要なく第２の封止樹脂を位置合わせすることが可能である。またこの場合には、第２の封止樹脂に透過性のある樹脂を用いなくても本願の製造方法は達成可能である。

ここで、実施例１及び実施例２を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を開示する。
（付記１）半導体チップと前記半導体チップを搭載する回路基板上との間に充填する第１の封止樹脂が前記半導体チップの外周からはみ出しており、且つ、前記半導体チップの少なくとも４隅において前記第１の封止樹脂を覆うように第２の封止樹脂が設けられた半導体装置であって、前記第１の封止樹脂の耐湿性及び耐熱性が前記第２の封止樹脂の耐湿性及び耐熱性より優れている半導体装置。
（付記２）前記第１の封止樹脂は、無機フィラー或いは有機フィラーのいずれかを含むエポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、シアネートエステル系樹脂、或いは、フェノキシ樹脂のいずれかを主成分とするとともに、フラックス機能を有する有機酸を含んでいる付記１記載の半導体装置。
（付記３）前記の第２の封止樹脂は、感光性を有するとともに、可視光に対して透過性を有する付記１または２に記載の半導体装置。
（付記４）半導体チップの回路面上に第１の封止樹脂を塗布して半硬化させる工程、前記第１の封止樹脂層上であって、前記半導体チップの少なくとも４隅を含むようにパターンニングされた第２の封止樹脂層を選択的に形成して半硬化させる工程と、前記第１の封止樹脂層及び第２の封止樹脂層を設けた半導体チップを回路基板に対して圧接してフリップチップ接合する工程とを有する半導体装置の製造方法。
（付記５）前記第２の封止樹脂層をパターニングする工程において、前記第２の封止樹脂層に、少なくとも２つの位置合わせ用のマークをパターニングする付記４記載の半導体装置の製造方法。
（付記６）前記第１の封止樹脂層は、シート状のフィルムをラミネートによって貼付する工程、或いは、液状樹脂を印刷もしくはスピンコートのいずれかにより塗布した後、乾燥し半硬化状態とする工程のいずれかによって形成される付記４または５に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）前記第２の封止樹脂層は、シート状のフィルムをラミネートによって貼付する工程、或いは、液状樹脂を印刷もしくはスピンコートのいずれかにより塗布した後、乾燥し半硬化状態とする工程のいずれかによって形成したのち、露光・現像によってパターンニングする工程によって選択的に形成される付記４乃至６のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）前記露光・現像によってパターンニングする工程において、前記第２の封止樹脂層を、前記半導体チップの４隅のみに選択的に設ける付記７記載の半導体装置の製造方法。
（付記９）前記露光・現像によってパターンニングする工程において、前記第２の封止樹脂層を、前記半導体チップの中心から放射状に伸びる複数のストライプ状パターンで構成するとともに、前記ストライプ状パターンのうち、前記半導体チップの４隅に伸びるストライプ状パターンの幅が、その他の方向に伸びるストライプ状パターンの幅より広くする付記７記載の半導体装置の製造方法。

本発明の実施の形態のフリップチップ接合前の構成説明図である。本発明の実施の形態のフリップチップ接合後の構成説明図である。本発明の実施例１の半導体装置の製造工程の途中までの説明図である。本発明の実施例１の半導体装置の製造工程の図３以降の説明図である。本発明の実施例２の半導体装置の製造方法における第２封止樹脂パターンの説明図である。従来の先アンダーフィル方式による半導体装置の概念的平面図である。

符号の説明

１１半導体素子
１２パッド
１３接続電極
１４第１の封止樹脂
１５第２の封止樹脂
１６位置合わせ用マーク
１７，１８フィレット部
２１回路基板
２２パッド
２３ソルダーレジスト
３１ウェハ
３２第１の封止樹脂
３３アライメント用パターン
３４第２の封止樹脂
３５第２の封止樹脂パターン
３６半導体チップ
３７マーク
３８第２の封止樹脂パターン
３９回路基板
４０，４１フィレット
５１回路基板
５２半導体素子
５３封止樹脂

Claims

半導体チップと前記半導体チップを搭載する回路基板上との間に充填する第１の封止樹脂が前記半導体チップの外周からはみ出しており、且つ、前記半導体チップの少なくとも４隅において前記第１の封止樹脂を覆うように第２の封止樹脂が設けられた半導体装置であって、前記第１の封止樹脂の耐湿性及び耐熱性が前記第２の封止樹脂の耐湿性及び耐熱性より優れている半導体装置。
前記第１の封止樹脂は、無機フィラー或いは有機フィラーのいずれかを含むエポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、シアネートエステル系樹脂、或いは、フェノキシ樹脂のいずれかを主成分とするとともに、フラックス機能を有する有機酸を含んでいる請求項１記載の半導体装置。
半導体チップの回路面上に第１の封止樹脂を塗布して半硬化させる工程、前記第１の封止樹脂層上であって、前記半導体チップの少なくとも４隅を含むようにパターンニングされた第２の封止樹脂層を選択的に形成して半硬化させる工程と、前記第１の封止樹脂層及び第２の封止樹脂層を設けた半導体チップを回路基板に対して圧接してフリップチップ接合する工程とを有する半導体装置の製造方法。
前記第２の封止樹脂層を、前記半導体チップの４隅のみに選択的に設ける請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記第２の封止樹脂層を、前記半導体チップの中心から放射状に伸びる複数のストライプ状パターンで構成するとともに、前記ストライプ状パターンのうち、前記半導体チップの４隅に伸びるストライプ状パターンの幅を、その他の方向に伸びるストライプ状パターンの幅より広くする請求項３記載の半導体装置の製造方法。