JP2011054851A

JP2011054851A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2011054851A
Application number: JP2009204081A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Watabe; 博渡部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-17

Abstract

【課題】フリップチップ実装によって多段積層された半導体装置の複数のギャップにアンダーフィル樹脂を一括で充填しても、他段から溢れ出た樹脂の流入に起因する巻き込みボイドの発生を防ぐことのできる製造方法を提供する。
【解決手段】バンプ３Ａ、３Ｂ、３Ｃの大きさを３Ａ＞３Ｂ＞３Ｃとなるように変えて、基板１と半導体チップＡのギャップ高さ４Ａ、半導体チップＡと半導体チップＢのギャップ高さ４Ｂ、半導体チップＢと半導体チップＣのギャップ高さ４Ｃの関係を、４Ａ＞４Ｂ＞４Ｃとし、下段のギャップほどアンダーフィル樹脂の浸透速度を速くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体部品の実装では、実装密度の向上や回路動作速度の向上のため、フリップチップによる実装が多く用いられている。また、実装密度をさらに向上させるために、複数の半導体チップを積層するフリップチップの多段積層も行われている。

フリップチップ実装では、チップとバンプ接続部の機械的強度の補強および周囲環境からの保護のために、チップと基板のギャップにアンダーフィル樹脂を充填して封止する。このとき、アンダーフィル樹脂の中に空隙（ボイド）が発生すると、半導体装置としての信頼性が著しく低下する。

通常、アンダーフィル樹脂の充填には、チップと基板のギャップに樹脂が毛細管現象により浸透していく現象を利用する毛管法が使用される。毛管法を用いた場合、ギャップ部分における樹脂の浸透速度は、チップの大きさ、ギャップの高さ、浸透の障害物となるバンプの配置などによって変化する。

そのため、多段積層の半導体装置において、各チップ間の複数のギャップを一括で充填すると、樹脂の浸透速度がギャップごとに異なることが多い。したがって、各チップのチップサイズが同じで、樹脂の浸透距離が同じ場合、浸透速度が速いギャップほど樹脂の充填が早く完了する。その結果、充填が早く完了したギャップからは、樹脂があふれ出てしまう。そのギャップが上段である場合、あふれ出た樹脂が下段のギャップに流入してしまう。そのとき、下段のギャップ内に空気を巻き込んでしまい、下段のギャップ内に信頼性低下の原因となる巻き込みボイドを発生させることがあった。

これに対して、多段積層の半導体装置のチップ間のギャップに均等にアンダーフィル樹脂を充填する方法として、複数のチップを多段積層した基板を略垂直に設置し、積み重ねたチップの側面の上方からノズルにより各ギャップにアンダーフィル樹脂を充填する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

上述の提案の方法は、多段積層した基板を略垂直に設置して各ギャップの向きを垂直方向にすることにより、アンダーフィル樹脂の自重を利用して各ギャップに均等にアンダーフィル樹脂を注入しようとするものである。この方法は、チップ間のギャップが広い場合には有効である。

ところが、近年では、フリップチップを多段積層した半導体装置でもパッケージの薄型化が進展し、チップ間のギャップが数十μｍ程度に狭くなっている。チップ間のギャップがこの程度に狭くなると、多段積層した基板を垂直方向にしても、アンダーフィル樹脂の浸透は毛細管現象によるものが支配的になり、やはりボイドが発生しやすくなるという問題があった。

特開２００６−１０８５８８号公報

本発明は、フリップチップ実装によって多段積層された半導体装置の複数のギャップにアンダーフィル樹脂を一括で充填しても、他段からの樹脂の進入を起因とする巻き込みボイドの発生を防ぐことのできる製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、フリップチップ実装によって多段積層された複数のチップのチップ間および基板とのギャップに、下段のギャップほど浸透速度を速くしてアンダーフィル樹脂を充填することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、フリップチップ実装によって多段積層された半導体装置の複数のギャップにアンダーフィル樹脂を一括で充填しても、他段からの樹脂の進入を起因とする巻き込みボイドの発生を防ぐことができる。

本発明の実施例１に係る製造方法を用いる半導体装置の構造の例を示す模式的断面図。アンダーフィル樹脂を充填するギャップの量と充填完了所要時間の関係の例を示す図。本発明の実施例１に係る製造方法によるアンダーフィル樹脂充填の様子を示す説明図。本発明の実施例２に係る製造方法を用いる半導体装置の各チップにおけるアンダーフィル樹脂の接触角の違いを示す図。本発明の実施例２に係る製造方法によるアンダーフィル樹脂充填の様子を示す説明図。本発明の実施例３に係る製造方法を用いる半導体装置の各チップのバンプ配置の例を示す模式的平面図。本発明の実施例３に係る製造方法によるアンダーフィル樹脂充填の様子を示す説明図。本発明の実施例４に係る製造方法によるアンダーフィル樹脂充填の様子を示す説明図。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、図中、同一または相当部分には同一の符号を付して、その説明は繰り返さない。

フリップチップ実装によって多段積層された半導体装置のギャップにアンダーフィル樹脂を充填するとき、ギャップ高さが高いほど、アンダーフィル樹脂のギャップへの浸透速度は速くなる。

そこで、本実施例では、多段積層された半導体装置の下段のギャップほどギャップ高さを高くしてアンダーフィル樹脂の浸透速度を速くし、下段のギャップほど早くアンダーフィル樹脂の充填が完了するようにする。

図１は、本発明の実施例１に係る製造方法を用いる半導体装置の構造の例を示す模式的断面図である。

本実施例における半導体装置では、基板１の上に、半導体チップＡ、半導体チップＢ、半導体チップＣを順次積層する。

この積層を行う際、基板１と半導体チップＡはバンプ３Ａで接続し、半導体チップＡと半導体チップＢはバンプ３Ｂで接続し、半導体チップＢと半導体チップＣはバンプ３Ｃで接続する。

このとき、本実施例では、各バンプの体積を変えることによって下段のバンプほど高くする。すなわち、バンプ３Ａ、３Ｂ、３Ｃの高さをそれぞれ３Ａ、３Ｂ、３Ｃとすると、３Ａ＞３Ｂ＞３Ｃとなるように、バンプ３Ａ、３Ｂ、３Ｃのバンプ体積を変える。

これにより、基板１と半導体チップＡのギャップ高さを４Ａ、半導体チップＡと半導体チップＢのギャップ高さを４Ｂ、半導体チップＢと半導体チップＣのギャップ高さを４Ｃとすると、ギャップ高さ４Ａ、４Ｂ、４Ｃの間の関係は４Ａ＞４Ｂ＞４Ｃとなる。すなわち、下段のギャップほどギャップ高さが高くなる。

図２に、アンダーフィル樹脂を充填するギャップ高さに対する充填完了所要時間の関係を測定した例を示す。この例は、チップサイズが８ｍｍ□の半導体チップと、フィラー含有量が５０ｗ％のエポキシ系アンダーフィル樹脂を使用したときの例を示すものである。

この例では、ギャップ高さが３７μｍのときは充填完了までの所要時間が１７秒であり、ギャップ高さが３０μｍのときは充填完了までの所要時間が２０秒である。

そこで、例えば、図１に示す構造で、ギャップ高さ４Ａ＝３７μｍ、ギャップ高さ４Ｂ＝３３μｍ、ギャップ高さ４Ｃ＝３０μｍとすると、下段のギャップほど、アンダーフィル樹脂の充填を早く完了させることができる。

図３に、本実施例におけるアンダーフィル樹脂の充填の様子を示す。本実施例では、積層した半導体チップ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの側面から、ノズル１００を介してアンダーフィル樹脂５を注入する。

図３（ａ）は、最下段のギャップ（ギャップ高さ４Ａ）の充填が完了した時点の各ギャップのアンダーフィル樹脂５の充填の様子を示す。この時点では、中段のギャップ（ギャップ高さ４Ｂ）および最上段のギャップ（ギャップ高さ４Ｃ）は未だ充填の途中である。このとき、中段のギャップよりも最上段のギャップの方が充填の速度が遅い。

図３（ｂ）は、中段のギャップの充填が完了した時点の様子を示す。この時点でも、最上段のギャップは未だ充填の途中である。

図３（ｃ）は、最上段のギャップまで充填が完了したときの様子を示す。このとき、中段のギャップからアンダーフィル樹脂５が流れ出し、下の方へ流れ落ちることがある。しかし、その場合でも、最下段のギャップは既にアンダーフィル樹脂５の充填が完了しているため、中段のギャップから流れ落ちたアンダーフィル樹脂５が最下段のギャップに流れ込むことはない。

同様に、最上段のギャップからアンダーフィル樹脂５が流れ落ちたとしても、その流れ落ちたアンダーフィル樹脂５が、中段および最下段のギャップに流れ込むことはない。

このように、本実施例では、充填が完了したギャップから他のギャップへアンダーフィル樹脂５が流入することがないので、アンダーフィル樹脂５の流入に伴ってギャップ内に空気を巻き込むことに起因する巻き込みボイドの発生を防止することができる。

このような本実施例によれば、多段積層された半導体装置の下段のギャップほどギャップ高さを高くしてアンダーフィル樹脂の浸透速度を速くし、下段のギャップほど早くアンダーフィル樹脂の充填が完了するようにするため、上段のギャップから溢れたアンダーフィル樹脂が下方へ流れ落ちたとしても、下段のギャップへアンダーフィル樹脂が流入することがなく、上段ギャップからの樹脂流入に起因する巻き込みボイドの発生を防止することができる。

アンダーフィル樹脂の浸透速度は、半導体チップ表面に対するアンダーフィル樹脂の濡れ性によっても変化する。アンダーフィル樹脂の濡れ性は、半導体チップ表面に対するアンダーフィル樹脂の接触角によって評価することができる。接触角が小さいほど濡れ性が良くなり、半導体チップ間のギャップへ充填するアンダーフィル樹脂の浸透速度は速くなる。

そこで、本実施例では、半導体チップの表面に対するアンダーフィル樹脂の接触角を、半導体チップごとに変化させることによって、積層された半導体チップの各ギャップへ注入するアンダーフィル樹脂の浸透速度を制御するようにする。

図４は、本発明の実施例２に係る製造方法を用いる半導体装置の各チップにおけるアンダーフィル樹脂の接触角の違いを示す図である。

実施例１と同様、３つの半導体チップＡ、Ｂ、Ｃを順次積層する場合、それぞれのチップの表面におけるアンダーフィル樹脂５の接触角θ１、θ２、θ３に、θ１＜θ２＜θ３となる関係性を持たせる。

接触角θ１、θ２、θ３は、半導体チップＡ、Ｂ、Ｃの表面状態を変えることによって、変化させる。すなわち、下段のチップほど接触角が小さくなるような処理をする。プラズマ洗浄により洗浄を行う場合、プラズマ洗浄の時間を変えることなどにより、表面状態を変化させることができる。

図５に、本実施例におけるアンダーフィル樹脂の充填の様子を示す。本実施例においても、実施例１と同様、積層した半導体チップ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの側面から、ノズル１００を介してアンダーフィル樹脂５を注入する。なお、本実施例では、各段のギャップ高さは同じ（４Ａ＝４Ｂ＝４Ｃ）とする。

本実施例では、下段の半導体チップほどアンダーフィル樹脂の接触角が小さくアンダーフィル樹脂の浸透速度が速いので、実施例１と同様、下段のギャップほど早くアンダーフィル樹脂の充填が完了する。

このような本実施例によれば、半導体チップ表面の表面状態を変化させて下段の半導体チップほどアンダーフィル樹脂の接触角を小さくすることによって、アンダーフィル樹脂の浸透速度を下段のギャップほど速くすることができ、アンダーフィル樹脂の充填を下段のギャップほど早く完了させることができる。これにより、上段のギャップからアンダーフィル樹脂が溢れても、上段ギャップからの樹脂流入に起因する巻き込みボイドの発生を防止することができる。

アンダーフィル樹脂の浸透速度は、バンプの数や形状、配置位置など、アンダーフィル樹脂浸透の障害物となるバンプの配置形態が変わることによっても変化する。例えば、バンプの数が少ないとアンダーフィル樹脂の浸透速度は速く、バンプの数が増加するに連れてアンダーフィル樹脂の浸透速度は遅くなる。

そこで、本実施例では、上段の半導体チップほどバンプの数が多くなるようにして、積層された半導体チップの各ギャップへ注入するアンダーフィル樹脂の浸透速度を制御するようにする。

図６は、本発明の実施例３に係る製造方法を用いる半導体装置の各チップのバンプ配置の例を示す模式的平面図である。

実施例１および実施例２と同様、３つの半導体チップ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを順次積層する場合、本実施例では、半導体チップＢ、半導体チップＣには、半導体チップとの電気的接続を行わないダミーバンプ３３Ｂ、ダミーバンプ３３Ｃをそれぞれ設け、ダミーバンプ３３Ｂの個数よりもダミーバンプ３３Ｃの個数を増やす。すなわち、本実施例では、半導体チップに配置されるバンプの数が、上段のチップほど多くなる。

図７に、本実施例におけるアンダーフィル樹脂の充填の様子を示す。本実施例においても、実施例１および実施例２と同様、積層した半導体チップ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの側面から、ノズル１００を介してアンダーフィル樹脂５を注入する。なお、本実施例でも、実施例２と同様、各段のギャップ高さは同じ（４Ａ＝４Ｂ＝４Ｃ）とする。

本実施例では、下段の半導体チップほど、アンダーフィル樹脂浸透の障害物となるバンプの数が少なく、アンダーフィル樹脂の浸透速度が速いので、実施例１および実施例２と同様、下段のギャップほど早くアンダーフィル樹脂の充填が完了する。

このような本実施例によれば、半導体チップに配置するバンプの数を下段のチップほど少なくすることによって、アンダーフィル樹脂の浸透速度を下段のギャップほど速くすることができ、アンダーフィル樹脂の充填を下段のギャップほど早く完了させることができる。これにより、上段のギャップからアンダーフィル樹脂が溢れても、上段ギャップからの樹脂流入に起因する巻き込みボイドの発生を防止することができる。

一般的に、アンダーフィル樹脂の粘度は、その温度によって変化し、硬化による増粘が始まるまでは温度が高いほど粘度が低下する。したがって、半導体チップ間のギャップへ充填するアンダーフィル樹脂の温度が高いほど、ギャップを浸透するアンダーフィル樹脂の浸透速度は速くなる。

そこで、本実施例では、アンダーフィル樹脂を充填するときに、積層された半導体チップの温度が、下段の半導体チップほど高くなるように制御して、積層された半導体チップの各ギャップへ注入するアンダーフィル樹脂の浸透速度を制御するようにする。

図８に、本発明の実施例４に係る製造方法によるアンダーフィル樹脂の充填の様子を示す。本実施例においても、積層した半導体チップ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの側面から、ノズル１００を介してアンダーフィル樹脂５を注入する。また、各段のギャップ高さは同じ（４Ａ＝４Ｂ＝４Ｃ）とする。

本実施例では、アンダーフィル樹脂を充填するときに、基板１の底面をヒーターなどにより加熱し、最上段の半導体チップ２Ｃの上面をヒートシンクなどにより冷却する。その結果、積層された半導体チップＡ、Ｂ、Ｃ間には、最下段の半導体チップ２Ａの温度が最も高く、最上段の半導体チップ２Ｃの温度が最も低くなるような、温度勾配が生じる。

この温度勾配より、下段のギャップほど、注入されたアンダーフィル樹脂５の浸透速度が速くなり、アンダーフィル樹脂の充填が早く完了する。

このような本実施例によれば、アンダーフィル樹脂を充填するときに、積層された半導体チップの温度を、下段の半導体チップほど高くなるように制御することによって、アンダーフィル樹脂の浸透速度を下段のギャップほど速くすることができ、アンダーフィル樹脂の充填を下段のギャップほど早く完了させることができる。これにより、上段のギャップからアンダーフィル樹脂が溢れても、上段ギャップからの樹脂流入に起因する巻き込みボイドの発生を防止することができる。

１基板
２Ａ〜２Ｃ半導体チップ
３Ａ〜３Ｃバンプ
４Ａ〜４Ｃギャップ
５アンダーフィル樹脂

Claims

フリップチップ実装によって多段積層された複数のチップのチップ間および基板とのギャップに、下段のギャップほど浸透速度を速くしてアンダーフィル樹脂を充填する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記ギャップのそれぞれのギャップ高さを変えることによって前記浸透速度を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記アンダーフィル樹脂の前記複数のチップに対する接触角をチップごとに変えることによって前記浸透速度を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記複数のチップに接続されるバンプの配置形態をチップごとに変えることによって前記浸透速度を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記アンダーフィル樹脂を充填するときに、前記複数のチップ間に温度勾配を持たせることによって前記浸透速度を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。