JP2012169398A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置の反りを抑制可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法では、半導体チップが搭載され、前記半導体チップが熱硬化性の樹脂で覆われた配線基板を、第1の温度で前記樹脂を熱硬化して第1の成型品を製造し、第1の成型品の反りの向きと量を測定し、反りの向きと量を減らすような第2の温度を選定し、半導体チップが搭載され、前記半導体チップが熱硬化性の樹脂で覆われた配線基板を、前記第2の温度で前記樹脂を熱硬化して第2の成型品を製造する。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
従来、BGA(Ball Grid Array)型の半導体装置の製造方法としては、複数の製品形成部を有する配線基板を準備し、製品形成部のそれぞれに半導体チップを搭載し、配線基板上の複数の製品形成部を一体的に覆う封止体を形成し、配線基板を個々の製品形成部毎に分割するMAP(Mold Array Process)方式が用いられていた(特許文献1、特許文献2)。
特開2001−44229号公報 特開2001−44324号公報
ここで、BGA型の半導体装置では、配線基板、半導体チップ、封止樹脂の熱膨張係数の違いにより、半導体装置に反りが発生する場合がある。
また近年、携帯機器等の小型化・薄型化により、半導体装置も薄型化、マルチチップ化が進んでおり、同じ材料の配線基板と封止樹脂を用いた場合であっても、半導体チップの寸法やチップ積層配置等が変わることで、製品毎に半導体装置の反りの向きが変わる場合がある。
このような半導体装置の反りは、製品毎に配線基板や封止樹脂の材料(の組み合わせ)を選定することにより、ある程度は抑制可能である。しかしながら、このような選定には多大な時間を要する。
さらに半導体装置の反りが大きい場合には、二次実装での接続不良を発生する恐れがある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、配線基板や封止樹脂の材料を変更することなく、反りを調整可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
前述した目的を達成するために、本発明は、(a)半導体チップが搭載され、前記半導体チップが熱硬化性の樹脂で覆われた配線基板を、第1の温度で前記樹脂を熱硬化して第1の成型品を製造し、(b)前記第1の成型品の反りを測定し、(c)前記(b)の測定結果に基づき、前記反りが減少するような第2の温度を選定し、(d)半導体チップが搭載され、前記半導体チップが熱硬化性の樹脂で覆われた配線基板を、前記第2の温度で前記樹脂を熱硬化して第2の成型品を製造する、半導体装置の製造方法である。
本発明によれば、配線基板や封止樹脂の材料を変更することなく、反りを抑制可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
第1の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 第1の実施形態の半導体装置の製造に用いる配線基板の概略構成を示す図である。 図3の4−4断面図である。 ワイヤボンディングの手順を説明するための平面図である。 図5の6−6断面図である。 第1の実施形態に係る半導体装置の封止に用いる成型装置(トランスファモールド装置)の概略構成を示す断面図である。 封止の手順を説明するための断面図である。 封止の手順を説明するための断面図である。 封止後の配線基板を示す平面図である。 図10の11−11断面図である。 アフターキュアの手順を説明するための断面図である。 ボールマウントの手順を説明するための平面図である。 図13の14−14断面図である。 基板ダイシングの手順を説明するための平面図である。 図15の16−16断面図である。 図2のS2の詳細を示す図である。 「凹反り」状態の半導体装置700(第1の成型品)を示す断面図である。 「凸反り」状態の半導体装置700(第1の成型品)を示す断面図である。 封止体を熱硬化する際の温度と収縮量の関係を示す図であって、横軸は温度、縦軸はモールド成形時の収縮を示しており、T1は第1の温度、T21は第1の温度より温度を下げた場合の第2の温度、Tgはガラス転移点、T3は常温、硬化収縮は、封止樹脂307が硬化する際の収縮、熱収縮は、加熱により膨張した封止樹脂の、温度が降下することによる収縮を示している。 封止体を熱硬化する際の温度と収縮量の関係を示す図であって、横軸は温度、縦軸はモールド成形時の収縮を示しており、T1は第1の温度、T22は第1の温度より温度を上げた場合の第2の温度、Tgはガラス転移点、T3は常温、硬化収縮は、封止樹脂が硬化する際の収縮、熱収縮は、加熱により膨張した封止樹脂の、温度が降下することによる収縮を示している。 第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 「凹反り」状態の配線基板(第1の成型品)を示す断面図である。 「凸反り」状態の配線基板(第1の成型品)を示す断面図である。
以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法により製造される半導体装置700の概略構成を説明する。
図1に示すように、半導体装置700は、平面形状が多角形(ここでは四角形)の板状の配線基板100と、配線基板100の一方の面に接着剤あるいはDAF(Die Attached Film)等の接着部701を介して搭載された多角形(ここでは四角形)の半導体チップ109とを有している。
半導体チップ109は、シリコンやゲルマニウムなどの材料を有する基板の一面に、例えばマイクロプロセッサ等のような論理回路またはSRAM(Static Random Access Memory)やDRAM(Dynamic Random Access Memory)等のような記憶回路等を備えており、表面(接着面と反対側の面)には、電極パッド112を有している。
なお、電極パッド112を除く、半導体チップ109の表面には図示しないパッシベーション膜が形成され、回路形成面を保護している。
配線基板100は、半導体チップ109が設けられた面側に設けられた接続パッド103、他の面側に設けられたランド104、および、接続パッド103とランド104を接続する内部配線105を有している。
配線基板100は、例えばガラスエポキシ基材で構成されている。
ランド104上には半導体装置700を他の装置と接続するための半田ボール500が外部端子(バンプ電極)として設けられており、接続パッド103と電極パッド112はワイヤ110によって電気的に接続されている。
即ち、半導体チップ109は、電極パッド112、ワイヤ110、接続パッド103、内部配線105、ランド104を介して半田ボール500と接続されている。
なお、配線基板100の表面には図示しない配線パターンが形成され、接続パッド103、ランド104が設けられた領域以外の領域はソルダーレジスト等の図示しない絶縁膜で覆われている。
さらに、半導体装置700は、少なくとも半導体チップ109、接続パッド103、電極パッド112、ワイヤ110を覆うように封止体401が設けられている。
封止体401は例えばエポキシ樹脂等の絶縁性の熱硬化樹脂であり、半導体チップ109や、電気的接続部位である接続パッド103、電極パッド112、ワイヤ110を保護している。
以上が半導体装置700の構造の概略である。
次に、半導体装置700の製造方法について、図2〜図21を参照して説明する。
まず、製造方法の概略について、図2を参照して説明する。
まず、第1の成型品としての半導体装置700(試作品)を製造する(図2のS1)。なお、この際の封止体401の熱硬化時の温度を「第1の温度」と称する(詳細は後述)。
次に、試作品の反りを測定する(図2のS2)。
次に、S2で測定した反りを元に、反りの量の減少する(好ましくは0になる)ような温度(第2の温度)を選定する(図2のS3)。
次に、第2の成型品としての半導体装置700(量産品)を製造する(図2のS4)。この際、封止体401の熱硬化時の温度は「第2の温度」で行う。
このように、先に製造した試作品の反りを元に、反りが減少するような温度にて量産品を製造することにより、量産品の反りを抑制できる。
次に、図2の製造法の詳細について、図3〜図21を参照して説明する。
まず、S1の詳細について説明する。
最初に、図3および図4に示すような配線基板100を準備する。
図3および図4に示すように、配線基板100は、例えば0.2mm厚のガラスエポキシ配線基板であり、図3に示すようにマトリックス状に配置された複数の製品形成部101を有している。マトリックス状に配置された複数の製品形成部101は、図3では4×4で16個の2つのエリア102a、102bをそれぞれ構成している。複数の製品形成部101は、それぞれ図1に示す半導体装置700の1個分の配線基板100に相当する部分であり、前述した接続パッド103、ランド104、内部配線105(図3および図4では図示せず)等が形成されている。
また、製品形成部101がマトリックス状に配置されたエリア102a、102bの周囲には枠部106が配置されている。枠部106には所定の間隔で位置決め孔107が設けられ、搬送・位置決めが可能に構成されている。また、製品形成部101間はダイシングライン108となる。
次に、配線基板100上に半導体チップ109を配置する。
具体的には、まず、配線基板100を、接続パッド103が上になるように図示しないダイボンディング装置に載置する。
配線基板100の載置が完了すると、図示しないダイボンディング装置を用いて接着部701の上に半導体チップ109を載置したのち、加熱等により接着部701を硬化させてダイボンディングを完了する。
半導体チップ109の載置が完了すると、配線基板100を図示しないワイヤボンディング装置に載置する。
配線基板100の載置が完了すると、図示しないワイヤボンディング装置により、ワイヤ110の一端を電極パッド112(図1参照)に超音波熱圧着により接続し、その後、所定のループ形状を描きながら他端を接続パッド103上に超音波熱圧着により接続する(図5、図6参照)。
次に、半導体チップ109を載置した配線基板100を成型装置300に載置する。
成型装置300は、図7に示すように、上型301と下型302を有する成形金型を有している。上型301の下型302との対向面にはキャビティ303が形成されており、下型302の上型301との対向面には配線基板100を搭載する凹部304が形成されている。
ワイヤボンディングの完了した配線基板100(図5参照)は、図8に示すように、下型302の凹部304(図7参照)にセットされる。
次に、図8に示すように、上型301と下型302で配線基板100を型閉めする。本実施形態では、MAP方式で構成されているため、キャビティ303は複数の製品形成部101を一括で覆う大きさで構成されている。また、本実施形態ではキャビティ303はエリア102a、102bに対応するように2つに分割して配置されている。次に、下型302のポットにタブレット306(レジンタブレット)が供給され、加熱溶融される。
次に、図9に示すように、溶融された封止樹脂307をプランジャー308によりゲート305からキャビティ303(図8参照)内に注入し、キャビティ303内に封止樹脂307を充填し、第1の温度、例えば175℃でモールド成型すると、封止樹脂307が硬化され、封止体401(図2参照)が形成される。
このようにして、図10及び図11に示すように、配線基板100の製品形成部101の2つのエリア102a、102b(図3参照)に、2つの封止体401a、401bが形成される。
次に、封止体401a、401bに接続されたゲート305とランナー309及びカル310の封止樹脂307を除去した後、配線基板100をベーク炉311内に載置する。
その後、ベーク炉311内で、封止体401を第1の温度で所定の時間アフターキュアすることで封止体401が完全に硬化される。
次に、図13及び図14に示すように、配線基板100のランド104上に、半田ボール500を搭載し、外部端子となるバンプ電極を形成する。
具体的には、配線基板100上のランド104の配置に合わせて複数の吸着孔が形成された図示しない吸着機構を用いて、半田ボール500を吸着孔に保持し、保持された半田ボール500を、フラックスを介して配線基板100のランド104に一括搭載する。
全ての製品形成部101への半田ボール500の搭載後、配線基板100をリフローすることでバンプ電極(外部端子)が形成される。
次に、半田ボール500の搭載された配線基板100を図示しない基板ダイシング装置に載置する。
配線基板100の載置が完了すると、図15及び図16に示すように、配線基板100をダイシングライン108(図3参照)で切断し、製品形成部101毎に分離する(製品形成部101は図3参照)。具体的には、配線基板100の封止体401a、401b側をダイシングテープ600に図示しない接着層を介して接着し、ダイシングテープ600によって配線基板100を支持する。その後、配線基板100を図示しないダイシング装置のダイシングブレードにより縦横にダイシングライン108を切断して製品形成部101毎に切断分離する。切断分離後、切断分離された個々の製品形成部101をダイシングテープ600からピックアップすることで、図1に示すような半導体装置700が得られる。
以上が図2のS1の詳細である。
次に、図2のS2の詳細について説明する。
まず、図17に示すように、半導体装置700を、上下いずれかの面(図17では下面、即ち半田ボール500が露出した側の面)が露出するように適当な検査ステージ801に載置し、レーザー変位計802を用いて、当該露出面の複数箇所での高さを測定することで、対角線上の凹凸量を算出し、半導体装置の反りの向きと反りの量を測定する。
なお、ここで測定される反りの向きには以下の2つの向きがある。
1つは、図18に示すように、配線基板100の、半導体チップ109を搭載した面が凹形状となるような向きであり、本実施形態ではこの向きの反りを「凹反り」と称す。
もう1つは、図19に示すように、配線基板100の、半導体チップ109を搭載した面が凸形状となるような向きであり、本実施形態ではこの向きの反りを「凸反り」と称す。
以上が図2のS2の詳細である。
次に、図2のS3の詳細について説明する。
まず、S2で測定した半導体装置700の形状が「凹反り」形状である場合は、第2の温度として、第1の温度よりも低い温度を選択する。
この理由を図20を参照して説明する。
図20は、モールド成形時の温度を低温化した場合を示す図であって。横軸は温度、縦軸はモールド成形時の収縮を示しており、T1は第1の温度、例えば175℃、T21は第1の温度より温度を下げた場合の第2の温度、例えば155℃、Tgはガラス転移点、T3は常温、例えば27℃、また硬化収縮は、封止樹脂307が硬化する際の収縮、熱収縮は加熱により膨張した封止樹脂の、温度が降下することによる収縮を示している。
まず、封止体401を第1の温度T1で硬化させた場合には、封止樹脂307が硬化する際にα3だけ硬化収縮し、その後、加熱されていたことで熱膨張していた封止樹脂307が、温度が下がることで、α2、α1だけさらに熱収縮する。
次に、同じ封止樹脂307を用いて、モールド成形温度を第2の温度T21で封止した場合には、第1の温度T1で封止した場合と同程度の硬化収縮(α3)が起こる。しかしながら、第2の温度T21は、第1の温度より低く、第1の温度で封止した場合と比べて、加熱による熱膨張が小さいために、温度が下がることで発生する熱収縮(α2、α1)が小さくなる。この熱収縮が小さくなることで、第1の温度で封止した場合と比べて、半導体装置の反りは凸反り方向に変移される。そのため、半導体装置700の形状が「凹反り」形状である場合は、第2の温度として、第1の温度よりも低い温度を選択する。
一方、S2で測定した半導体装置700の形状が「凸反り」形状である場合は、第2の温度として、第1の温度よりも高い温度を選択する。
この理由を図21を参照して説明する。
図21に示すように、第1の温度T1で封止した場合には、封止樹脂307が硬化する際にα3だけ硬化収縮し、その後、加熱されていたことで熱膨張していた封止樹脂307が、温度が下がることで、α2、α1だけ熱収縮する。
次に、同じ封止樹脂307を用いて、モールド成形温度を第2の温度T22で封止した場合には、第1の温度T1で封止した場合と同程度の硬化収縮(α3)が起こる。しかしながら、第2の温度T22は、第1の温度より高く、第1の温度で封止した場合と比べて、加熱による熱膨張が大きいために、温度が下がることで発生する熱収縮(α2、α1)が大きくなる。この熱収縮が大きくなることで、第1の温度で封止した場合と比べて、半導体装置の反りは凹反り方向に変移される。そのため、半導体装置700の形状が「凸反り」形状である場合は、第2の温度として、第1の温度よりも高い温度を選択する。
なお、具体的な第2の温度の値は、反りの量に応じて、例えば反りの量が+90μm〜−30μmの範囲にするように調整される。
以上が図2のS3の詳細である。
次に、図2のS4の詳細について説明する。
S4ではS1と同様の手順で量産品(第2の成型品)としての半導体装置700を製造する。
具体的な製造方法はS1と同様であるが、封止体401を熱硬化させる際の加熱温度を第2の温度としている点のみ異なる。
なお、前述のように、封止体401を硬化させる際には、モールド成型時と、アフターキュア時の2回、封止体401を加熱するが、S2で測定した反り量と、要求値(許容される反り量)との差が小さい場合には、アフターキュアのみ第2の温度で封止樹脂307を熱硬化させ(モールド成型時は第1の温度)、反り量と、要求値との差が中程度の場合には、モールド成形のみ第2の温度で封止樹脂307を熱硬化させ(アフターキュア時は第1の温度)、反り量と、要求値との差が大きい場合には、モールド成形とアフターキュアの両方で第2の温度で封止樹脂307を熱硬化させることで、反り量を調整してもよい。
以上が図2のS4の詳細である。
このように、第1の実施形態によれば、配線基板100上に半導体チップ109を搭載し、半導体チップ109を封止体401で覆い、第1の温度で熱硬化して試作品を製造し、試作品の反りの向きと量から第2の温度を選定し、量産品の封止体401を第2の温度で熱硬化して製造している。
そのため、配線基板100や封止体401の材料を変えることなく、反りを調整でき、半導体装置の反り調整期間を短縮できる。また封止樹脂307の品種数を削減することができ、製造工程での合理化・効率化を図ることができる。
さらに、半導体装置の反りを低減することで、半導体装置の二次実装の接続性・信頼性を向上させることができる。
次に、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図22〜24を参照して説明する。
第2の実施形態は、第1の実施形態と異なり、試作品の反りを元に第2の温度を設定するのではなく、量産品のモールド成型時の反りを元に第2の温度を設定し、第2の温度で当該量産品にアフターキュアを行って反りを抑制するものである(即ち、第1の成型品と第2の成型品が同一)。
なお、第2の実施形態において、第1の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の番号を付し、主に第1の実施形態と異なる部分について説明する。
まず、半導体装置700を途中まで製造する(図22のS11)。ここでは、樹脂封止の前(図6の状態)の状態まで製造する。
次に、半導体チップ109を封止体401で覆い、モールド成型して第1の成型品を製造する(図22のS12)。
次に、第1の成型品(ここでは図23、24のような状態を示す)を上下いずれかの面が露出するように適当な検査ステージに載置し、レーザー変位計を用いて、当該露出面の複数箇所での高さを測定することで、対角線上の凹凸量を算出し、第1の成型品の反りの向きと反りの量を確認する(図22のS13)。
この際、第1の成型品が凹反りであれば図23に示すような形状となり、凸反りであれば、図24に示すような形状となる。
次に、S13で測定した反りを元に、反りの量の減少する(好ましくは0になる)ような温度(第2の温度)を選定する(図22のS14)。
なお、具体的な選定方法は第1の実施形態と同様である。
次に、第1の成型品を第2の温度でアフターキュアし、封止体401を完全に硬化させる(図22のS15)。この際、封止体401の熱硬化時の温度は「第2の温度」で行う。
最後に、第1の成型品の状態からさらに製造を進行させ(図13〜図16参照)、半導体装置700(第2の成型品)が完成する。
このように、第2の実施形態によれば、配線基板100上に半導体チップ109を搭載し、半導体チップ109を封止体401で覆い、第1の温度で熱硬化し、反りの向きと量から第2の温度を選定し、封止体401を第2の温度で熱硬化して製造している。
従って、第1の実施形態と同様の効果を奏する。
また、第2の実施形態によれば、同一の製品について、まず第1の温度でモールド成型を行い、モールド成型時の反りから第2の温度を選定し、第2の温度でアフターキュアを行っている。
そのため、第2の温度を選定するための試作品の製造が不要であり、また、量産工程において、反りの量を随時調整できるため、フレキシブルに反りを調整できる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば本実施例では、配線基板上に1つの半導体チップを搭載した半導体装置に適用した場合について説明したが、配線基板上に複数の半導体チップが搭載されたMCP(Multi Chip Package)型の半導体装置に適用しても良い。
また、上記した実施形態では、配線基板として、ガラスエポキシ基材を用いた半導体装置700の製造方法について説明したが、ポリイミド基材やセラミック基材を用いた半導体装置の製造方法に適用してもよい。
100………配線基板
101………製品形成部
103………接続パッド
104………ランド
106………枠部
107………位置決め孔
109………半導体チップ
110………ワイヤ
112………電極パッド
301………上型
302………下型
303………キャビティ
304………凹部
500………半田ボール
700………半導体装置

Claims (10)

  1. (a)半導体チップが搭載され、前記半導体チップが熱硬化性の樹脂で覆われた配線基板を、第1の温度で前記樹脂を熱硬化して第1の成型品を製造し、
    (b)前記第1の成型品の反りを測定し、
    (c)前記(b)の測定結果に基づき、前記反りが減少するような第2の温度を選定し、
    (d)半導体チップが搭載され、前記半導体チップが熱硬化性の樹脂で覆われた配線基板を、前記第2の温度で前記樹脂を熱硬化して第2の成型品を製造する、半導体装置の製造方法。
  2. 前記(c)は、前記反りの向きが、前記基板の前記半導体チップを搭載した面が凹形状となるような向きである場合に、前記第2の温度として、前記第1の温度よりも低い温度を選定する、請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記(c)は、前記反りの向きが、前記基板の前記半導体チップを搭載した面が凸形状となるような向きである場合に、前記第2の温度として、前記第1の温度よりも高い温度を選定する、請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第1の成型品は前記第2の温度を選定するための試作品であり、
    前記第2の成型品は、前記第2の温度で製造される量産品であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記(a)における前記熱硬化は、前記樹脂のモールド成型時の熱硬化と、前記モールド成型後のアフターキュア時の熱硬化と、を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記(d)は、前記モールド成型時の熱硬化温度を第2の温度とし、前記アフターキュア時の熱硬化温度を第1の温度とする、請求項5記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記(d)は、前記モールド成型時の熱硬化温度を第1の温度とし、前記アフターキュア時の熱硬化温度を第2の温度とする、請求項5記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記(d)は、前記モールド成型時の熱硬化温度および前記アフターキュア時の熱硬化温度を第1の温度とする、請求項5記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第1の成型品と前記第2の成型品は同一であり、
    前記(a)における熱硬化は、前記第1の成型品のモールド成型時の熱硬化であり、前記(d)は前記第1の成型品の前記モールド成型後のアフターキュア時の熱硬化である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  10. (e)前記第2の成型品における前記基板の、前記半導体チップが設けられた面と反対側の面に外部端子を設ける、
    を有する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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