JP2013073955A - 回路接続構造体の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ボイドの発生に起因する接続不良を抑制することができる回路接続構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置(回路接続構造体)100の製造方法は、配線回路基板11、並びに、配線回路基板11の主面11a上に配置された接続部13及び接着剤層19、を有する回路部材10と、半導体チップ21、並びに、半導体チップ21の主面21a上に配置された接続部23及び接着剤層29、を有する回路部材20と、を準備する準備工程と、配線回路基板11及び半導体チップ21の間に接着剤層19及び接着剤層29を介在させて回路部材10及び回路部材20を圧着する圧着工程と、を備える。
【選択図】図6

Description

本発明は、回路接続構造体の製造方法に関する。
従来、半導体装置等の回路接続構造体の製造に際し、例えば半導体チップと基板の接続には、金ワイヤ等の金属細線を用いるワイヤーボンディング方式が広く適用されている。一方、回路接続構造体に対する高機能・高集積・高速化等の要求に対応するため、半導体チップ又は基板にバンプと呼ばれる導電性突起を形成して、半導体チップと基板とを直接接続するフリップチップ接続方式(FC接続方式)が広まりつつある。
フリップチップ接続方式としては、ハンダ、スズ、金、銀又は銅等を用いて金属接合させる方法、超音波振動を印加して金属接合させる方法、樹脂の収縮力によって機械的接触を保持する方法等が知られている。これらの中でも、フリップチップ接続方式としては、接続部の信頼性の観点から、ハンダ、スズ、金、銀又は銅等を用いて金属接合させる方法が一般的である。例えば、基板と半導体チップとの接続においては、BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip Size Package)等に盛んに用いられているCOB(Chip On Board)型の接続方式もフリップチップ接続方式である。
また、フリップチップ接続方式は、半導体チップ上にバンプ又は配線を形成して、半導体チップ間で接続するCOC(Chip On Chip)型の接続方式にも広く用いられている(例えば、下記特許文献1参照)。
さらに、更なる小型化、薄型化、高機能化の要求に対応するため、上述した接続方式を積層・多段化したチップスタック型パッケージやPOP(Package On Package)、TSV(Through−Silicon Via)等も広く普及し始めている。このような技術は、積層対象を二次元的(平面状)ではなく三次元的(立体状)に配置することで、パッケージを小さくできる。そのため、上記の技術は多用されており、半導体の性能向上、ノイズ低減、実装面積の削減及び省電力化に有効であり、次世代の半導体配線技術として注目されている。
フリップチップ実装方式(接続方式)は、大きく分けて二つあり、Capillary−Flow方式と、Pre−applied方式とがある(例えば、下記特許文献2〜5参照)。Capillary−Flow方式は、リフロー炉等で接続部の金属(ハンダ等)を溶融させる加熱プロセスを経て接続部同士を接続した後に、接続部に半導体封止用接着剤を供給する方式である。Pre−applied方式は、前記半導体封止用接着剤を供給した状態で、接続部を構成する材料の融点以上に接続部を加熱する加熱プロセスを経て接続部同士を接続する方式である。
CPU、MPU等に用いられるエリアアレイ型の半導体パッケージでは、高機能化が強く要求され、チップの大型化、ピン(バンプ、配線)数の増加、及び、ピッチやギャップの高密度化が求められている。これに対し、Capillary−Flow方式では、チップの大型化、多ピン化、及び、バンプの狭ピッチ化や狭ギャップ化に伴い、半導体封止用接着剤の注入に時間を要するようになり、生産性が低下する場合がある。一方、Pre−applied方式では、接着剤の注入に関する上記懸念事項はない。
しかし、Pre−applied方式では、半導体封止用接着剤を供給した状態で、接続部を構成する材料の融点以上に加熱する加熱プロセス(例えば、接続部がハンダであれば、240℃以上の加熱プロセス)を経ると、チップの大型化、多ピン化、及び、バンプの狭ピッチ化や狭ギャップ化に伴い、ボイドが発生しやすくなる。また、ボイドは、接続部を構成する材料の融点以上に加熱する加熱プロセスを経るような接続工程中や、接続工程の後続の工程においても発生する。
チップの大型化、多ピン化、及び、狭ピッチ化や狭ギャップ化が進展する中、ボイドの発生原因は多々ある。ボイドとしては、例えば、アンダーフィルを供給する際の凹凸部分の埋め込み不足(充填不足)により生じる巻き込みボイドや、バンプや配線の段差部等に空気等の気体を巻き込む等して生じる巻込みボイド等が挙げられる。また、半導体接着剤自身が加熱プロセスにおいて揮発することにより、埋め込みボイドにより形成された微細な空隙を起点に更にボイドが生じる場合もある。
特開2008−294382号公報 特開2001−223227号公報 特開2002−283098号公報 特開2005−272547号公報 特開2006−169407号公報 特開2006−188573号公報 国際公開WO2004/111148号パンフレット 特開2006−054226号公報 特開2007−092083号公報 特開2009−117811号公報 特開2009−26033号公報
上記のようなボイドは、外観評価の結果を低下させるだけでなく、半導体封止用接着剤の強度を低下させる等のように材料の信頼性に大きな影響を与える(例えば、上記特許文献6〜11参照)。そのため、回路接続構造体の製造方法においては、このようなボイドの発生を抑制して接続不良を抑制することが求められている。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、ボイドの発生に起因する接続不良を抑制することができる回路接続構造体の製造方法を提供することを目的とする。
図9,10は、従来の回路接続構造体の製造方法の一例を示す模式断面図である。従来の製造方法では、まず、配線回路基板11と、配線回路基板11の主面11a上に配置された複数の接続部13と、を有する部材を準備する(図9(a))。接続部13は、配線回路基板11の主面11a上に配置された配線15と、配線15のそれぞれの上に配置された接続バンプ(例えばハンダバンプ)17と、を有している。次に、配線回路基板11の主面11a上に接着剤層19を、接着剤層19が接続部13の全体を埋めるように供給して回路部材10を得る(図9(b))。
続いて、半導体チップ91と、半導体チップ91の主面91a上に配置された複数の接続部93と、を有する回路部材90を準備する(図10(a))。接続部93は、半導体チップ91の主面91a上に配置された配線95と、配線95のそれぞれの上に配置された接続バンプ(例えばハンダバンプ)97と、を有している。そして、配線回路基板11の主面11aと半導体チップ91の主面91aとが対向するように回路部材10及び回路部材90を配置した後、回路部材10及び回路部材90の間に接着剤層19が介在した状態で、接続バンプを構成する金属の融点以上の温度で回路部材10及び回路部材90を熱圧着して、接着剤層19を介して配線回路基板11及び半導体チップ91を接続すると共に、接続部13及び接続部93を電気的に接続する(図10(b))。この場合、接続バンプ17及び接続バンプ97が一体化されて接続バンプ30が形成される。
本発明者らは、鋭意検討の結果、上記従来の方法に関して下記の知見を見出した。すなわち、従来の接続方法においては、一方の回路部材10のみに接着剤層19を設けて回路部材10,90同士を圧着することにより回路部材10,90同士を接続している。この場合、回路部材10及び回路部材90の圧着に際して、接着剤層が設けられていない回路部材90の接続部93と半導体チップ91の主面91aとの段差部の隅に十分に接着剤が供給されず、回路部材10,90同士を接続した状態において、接着剤が供給されていない隙間Sが当該段差部の隅に形成される場合がある(図10(b))。これは、一方の回路部材10のみに接着剤層19が設けられている状態でもう一方の回路部材90を圧着する回路部材同士の圧着となるため、圧着と同時に隙間Sを埋め込むことが困難な場合があるからであると考えられる。隙間Sには、空気等の気体が閉じ込められることとなり、当該気体は、圧着工程時に巻き込みボイドを生じる原因となり得ることに加えて、その後の加熱プロセスを伴う工程においてボイドが更に発生する原因となり得る。このような知見に基づき本発明者らは、接続部が存在する基板のそれぞれの主面上に予め接着剤層を配置することにより、回路部材における接続部の基端部(接続部の底面の外周)を接着剤層により埋め込むことができることから、接続部と基板の主面との段差部の隅(接続部と基板の主面との間の空間の隅)を接着剤層で満たすことが可能となり、上記課題を解決可能であることを見出した。これは、接続部が存在する基板のそれぞれの主面上に予め接着剤層を配置するプロセスを採ることにより、圧着のプロセスの制約を受けずに接着剤層を設けることができ、回路部材における接続部の基端部(接続部の底面の外周)を接着剤層により埋め込むことができるためであると考えられる。
本発明の第1側面に係る回路接続構造体の製造方法は、第1の基板の主面上に配置された第1の接続部と、第2の基板の主面上に配置された第2の接続部と、を互いに対向した状態で電気的に接続させてなる回路接続構造体の製造方法であって、第1の基板、第1の接続部、及び、第1の基板の主面上に配置された第1の接着剤層、を有する第1の回路部材と、第2の基板、第2の接続部、及び、第2の基板の主面上に配置された第2の接着剤層、を有する第2の回路部材と、を準備する準備工程と、第1の基板及び第2の基板の間に第1の接着剤層及び第2の接着剤層を介在させて第1の回路部材及び第2の回路部材を圧着する圧着工程と、を備える。
本発明の第1側面に係る回路接続構造体の製造方法では、準備工程における第1の回路部材及び第2の回路部材において、基板の主面上に接続部が配置されていると共に、当該主面上に接着剤層が配置されている。この場合、第1の接続部の基端部を第1の接着剤層により埋め込むことができると共に、第2の接続部の基端部を第2の接着剤層により埋め込むことができるため、接続部と基板の主面との段差部の隅を接着剤層で満たしておくことができる。これにより、圧着工程において巻き込みボイドの発生を抑制できると共に、加熱プロセスを経る場合であってもボイドが更に発生することを抑制できる。したがって、本発明の第1側面に係る回路接続構造体の製造方法では、ボイドの発生に起因する接続不良を抑制することができる。
さらに、本発明者らは、鋭意検討の結果、上記従来の方法において、絶縁層が半導体チップ91の主面91a上に配置されている場合に関して下記の知見を見出した。すなわち、この場合にも、回路部材10及び回路部材90の圧着に際して、回路部材90の接続部93と絶縁層との段差部の隅に十分に接着剤が供給されず、回路部材10,90同士を接続した状態において、接着剤層19により十分に埋められていない隙間が当該段差部の隅に形成される場合があり、当該隙間はボイドが発生する要因となり得る。このような知見に基づき本発明者らは、回路部材における基板の主面上に接続部と共に絶縁層が配置されている場合であっても、絶縁層上に予め接着剤層を配置することにより、接続部と絶縁層との段差部の隅(接続部と絶縁層の表面との間の空間の隅)を接着剤層で満たすことが可能となり、上記課題を解決可能であることを見出した。
本発明の第2側面に係る回路接続構造体の製造方法は、第1の基板の主面上に配置された第1の接続部と、第2の基板の主面上に配置された第2の接続部と、を互いに対向した状態で電気的に接続させてなる回路接続構造体の製造方法であって、第1の基板、第1の接続部、第1の基板の主面上に配置された絶縁層、及び、絶縁層上に配置された第1の接着剤層、を有する第1の回路部材と、第2の基板、第2の接続部、及び、第2の基板の主面上に配置された第2の接着剤層、を有する第2の回路部材と、を準備する準備工程と、第1の基板及び第2の基板の間に第1の接着剤層及び第2の接着剤層を介在させて第1の回路部材及び第2の回路部材を圧着する圧着工程と、を備える。
本発明の第2側面に係る回路接続構造体の製造方法では、準備工程における第1の回路部材において、第1の基板の主面上に第1の接続部が配置されていると共に当該主面上に絶縁層が配置されており、さらに、絶縁層上に第1の接着剤層が配置されている。この場合、第1の接続部の基端部を絶縁層により埋め込むことができるため、第1の接続部と第1の基板の主面との段差部の隅を絶縁層で満たしておくことができると共に、第1の接続部が絶縁層から露出する場合であっても、第1の接続部における絶縁層から露出した部分の基端部を第1の接着剤層により埋め込むことができるため、第1の接続部と絶縁層との段差部の隅を第1の接着剤層で満たしておくことができる。また、本発明の第2側面に係る回路接続構造体の製造方法では、準備工程における第2の回路部材において、第2の基板の主面上に第2の接続部が配置されていると共に、当該主面上に第2の接着剤層が配置されている。この場合、第2の接続部の基端部を第2の接着剤層により埋め込むことができるため、第2の接続部と第2の基板の主面との段差部の隅を第2の接着剤層で満たしておくことができる。そのため、本発明の第2側面に係る回路接続構造体の製造方法では、圧着工程において巻き込みボイドの発生を抑制できると共に、加熱プロセスを経る場合であってもボイドが更に発生することを抑制できる。したがって、本発明の第2側面に係る回路接続構造体の製造方法では、ボイドの発生に起因する接続不良を抑制することができる。
本発明の第3側面に係る回路接続構造体の製造方法は、第1の基板の主面上に配置された第1の接続部と、第2の基板の主面上に配置された第2の接続部と、を互いに対向した状態で電気的に接続させてなる回路接続構造体の製造方法であって、第1の基板、第1の接続部、第1の基板の主面上に配置された第1の絶縁層、及び、第1の絶縁層上に配置された第1の接着剤層、を有する第1の回路部材と、第2の基板、第2の接続部、第2の基板の主面上に配置された第2の絶縁層、及び、第2の絶縁層上に配置された第2の接着剤層、を有する第2の回路部材と、を準備する準備工程と、第1の基板及び第2の基板の間に第1の接着剤層及び第2の接着剤層を介在させて第1の回路部材及び第2の回路部材を圧着する圧着工程と、を備える。
本発明の第3側面に係る回路接続構造体の製造方法では、準備工程における第1の回路部材において、第1の基板の主面上に第1の接続部が配置されていると共に当該主面上に第1の絶縁層が配置されており、さらに、第1の絶縁層上に第1の接着剤層が配置されている。この場合、第1の接続部の基端部を第1の絶縁層により埋め込むことができるため、第1の接続部と第1の基板の主面との段差部の隅を第1の絶縁層で満たしておくことができると共に、第1の接続部が第1の絶縁層から露出する場合であっても、第1の接続部における第1の絶縁層から露出した部分の基端部を第1の接着剤層により埋め込むことができるため、第1の接続部と第1の絶縁層との段差部の隅を第1の接着剤層で満たしておくことができる。また、本発明の第3側面に係る回路接続構造体の製造方法では、準備工程における第2の回路部材において、第2の基板の主面上に第2の接続部が配置されていると共に当該主面上に第2の絶縁層が配置されており、さらに、第2の絶縁層上に第2の接着剤層が配置されている。この場合、第2の接続部の基端部を第2の絶縁層により埋め込むことができるため、第2の接続部と第2の基板の主面との段差部の隅を第2の絶縁層で満たしておくことができると共に、第2の接続部が第2の絶縁層から露出する場合であっても、第2の接続部における第2の絶縁層から露出した部分の基端部を第2の接着剤層により埋め込むことができるため、第2の接続部と第2の絶縁層との段差部の隅を第2の接着剤層で満たしておくことができる。そのため、本発明の第3側面に係る回路接続構造体の製造方法では、圧着工程において巻き込みボイドの発生を抑制できると共に、加熱プロセスを経る場合であってもボイドが更に発生することを抑制できる。したがって、本発明の第3側面に係る回路接続構造体の製造方法では、ボイドの発生に起因する接続不良を抑制することができる。
上記回路接続構造体の製造方法のそれぞれは、準備工程において、第1の接続部の先端部が第1の接着剤層に埋め込まれており、第2の接続部の先端部が第2の接着剤層に埋め込まれている態様であってもよい。また、上記回路接続構造体の製造方法のそれぞれは、準備工程において、第1の接続部の先端部が第1の接着剤層に埋め込まれていると共に第2の接続部の先端部が第2の接着剤層から露出している、又は、第1の接続部の先端部が第1の接着剤層から露出していると共に第2の接続部の先端部が第2の接着剤層に埋め込まれている態様であってもよい。さらに、上記回路接続構造体の製造方法のそれぞれは、準備工程において、第1の接続部の先端部が第1の接着剤層から露出しており、第2の接続部の先端部が第2の接着剤層から露出している態様であってもよい。
第1の接着剤層及び第2の接着剤層の少なくとも一方は、エポキシ樹脂及び硬化剤を含有していてもよい。この場合、接着剤層の硬化が進行し易くなり、接着剤層の硬化不足に起因するスプリングバックボイドの発生や接続不良の発生を抑制し易くなる。
ところで、上述したパッケージの多くの接続部(例えばバンプや配線)には、ハンダ、錫、金、銀、銅及びニッケル等の金属や、これらを含んだ導電材料が用いられる。接続部が銅、ハンダ等の金属により形成されている場合、当該金属が酸化して接続部に酸化物が生じやすい傾向があると共に、金属表面に酸化物等の不純物が付着しやすい傾向がある。これらの酸化物や不純物が存在していると、回路部材間の接続信頼性や絶縁信頼性が十分に確保し難くなる場合があり、パッケージを組み立て難くなる場合がある。これに対し、上記第1の接着剤層及び第2の接着剤層の少なくとも一方は、フラックス剤を含有していてもよい。この場合、フラックス剤が除去剤として作用してフラックス活性を十分に発現させることができる。これにより、酸化物や不純物を生じやすい金属によって接続部が形成されている場合であっても、酸化物や不純物を除去することができるため、回路部材間の接続信頼性や絶縁信頼性を更に向上させることができる。また、Pre−applied方式では、接続部同士の接続と同時に酸化物や不純物を除去できるため、このような酸化物や不純物の除去方法をPre−applied方式で採用すると、Capillary−Flow方式に比べて作業性や生産性を向上させることができる。
本発明によれば、ボイドの発生に起因する接続不良を抑制することができる回路接続構造体の製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、作業性や生産性を向上させることも可能であり、回路接続構造体を低コストに製造することができる。
本発明の一実施形態に係る回路接続構造体の製造方法により得られる回路接続構造体を示す模式断面図である。 本発明の他の実施形態に係る回路接続構造体の製造方法により得られる回路接続構造体を示す模式断面図である。 本発明の他の実施形態に係る回路接続構造体の製造方法により得られる回路接続構造体を示す模式断面図である。 本発明の他の実施形態に係る回路接続構造体の製造方法により得られる回路接続構造体を示す模式断面図である。 本発明の他の実施形態に係る回路接続構造体の製造方法により得られる回路接続構造体を示す模式断面図である。 本発明の一実施形態に係る回路接続構造体の製造方法を示す模式断面図である。 本発明の他の実施形態に係る回路接続構造体の製造方法を示す模式断面図である。 本発明の他の実施形態に係る回路接続構造体の製造方法を示す模式断面図である。 従来の回路接続構造体の製造方法の一例を示す模式断面図である。 従来の回路接続構造体の製造方法の一例を示す模式断面図である。
以下、場合により図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。なお、以下の説明において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
<回路接続構造体>
本実施形態に係る回路接続構造体の製造方法により得られる回路接続構造体について、図1〜図4を用いて説明する。図1は、第1実施形態に係る回路接続構造体の製造方法により得られる回路接続構造体を示す模式断面図である。図2は、第2実施形態に係る回路接続構造体の製造方法により得られる回路接続構造体を示す模式断面図である。図3は、第3実施形態に係る回路接続構造体の製造方法により得られる回路接続構造体を示す模式断面図である。図4は、他の実施形態に係る回路接続構造体の製造方法により得られる回路接続構造体を示す模式断面図である。
図1に示される半導体装置(回路接続構造体)100では、COB型の接続方式が採用されている。半導体装置100は、互いに対向する配線回路基板(第1の基板)11及び半導体チップ(第2の基板)21と、配線回路基板11の主面11a上に配置された複数の配線15と、半導体チップ21の主面21a上に配置された複数の配線25と、配線15及び配線25を電気的に接続する接続バンプ30と、配線回路基板11及び半導体チップ21間に隙間なく充填された接着剤組成物から形成された接着剤層32と、を備えている。配線回路基板11及び半導体チップ21は、配線15,25及び接続バンプ30によりフリップチップ接続されている。配線15,25及び接続バンプ30は、接着剤層32により封止されており外部環境から遮断されている。半導体装置100は、例えば、配線15として銅配線を備え、配線25として銅ピラーを備え、接続バンプ30としてハンダバンプを備えたパッケージである。接続バンプ30の配置構成は、例えば、フルアレイ配置である。
図2に示される半導体装置(回路接続構造体)200では、COB型の接続方式が採用されている。半導体装置200は、ソルダーレジスト(絶縁層)34が配線回路基板11の主面11a上に配置されており、接着剤層32がソルダーレジスト34及び半導体チップ21間に配置されている点を除き、半導体装置100と同様の構成を有している。
図3に示される半導体装置(回路接続構造体)300では、COB型の接続方式が採用されている。半導体装置300は、ソルダーレジスト34が配線回路基板11の主面11a上に配置されており、ソルダーレジスト(絶縁層)36が半導体チップ21の主面21a上に配置されており、接着剤層32がソルダーレジスト34及びソルダーレジスト36間に配置されている点を除き、半導体装置100と同様の構成を有している。
ソルダーレジスト34,36には、接続バンプ30が配置される位置に開口が形成されている。ソルダーレジスト34,36を設けることにより、配線間のブリッジの発生を抑制し、接続信頼性・絶縁信頼性を更に向上させることができる。ソルダーレジスト34,36は、例えば、市販のソルダーレジスト用インキを用いて形成することができる。市販のソルダーレジスト用インキとしては、具体的には、SRシリーズ(日立化成工業株式会社製、商品名)及びPSR4000−AUSシリーズ(太陽インキ製造(株)製、商品名)等が挙げられる。
図4(a)に示される半導体装置(回路接続構造体)400では、COC型の接続方式が採用されている。半導体装置400は、配線回路基板11と配線15とに代えて半導体チップ41と半導体チップ41の主面41a上に配置された複数の配線45とを備え、半導体チップ21及び半導体チップ41が配線25,45及び接続バンプ30によりフリップチップ接続されている点を除き、半導体装置100と同様の構成を有している。
図4(b)に示される半導体装置(回路接続構造体)500は、互いに対向する配線回路基板51及び半導体チップ61と、配線回路基板51の主面51a上に配置された複数のバンプ53と、半導体チップ61の主面61a上に配置された複数のバンプ63と、配線回路基板51及び半導体チップ61間に隙間なく充填された接着剤組成物から形成された接着剤層32とを備えている。配線回路基板51及び半導体チップ61は、バンプ53,63によりフリップチップ接続されている。バンプ53,63は、接着剤層32により封止されており外部環境から遮断されている。
図4(c)に示される半導体装置(回路接続構造体)600は、配線回路基板51とバンプ53とに代えて半導体チップ71と半導体チップ71の主面71a上に配置された複数のバンプ73とを備え、半導体チップ61及び半導体チップ71がバンプ63,73によりフリップチップ接続されている点を除き、半導体装置500と同様の構成を有している。
なお、上記のとおり、半導体装置の構成は、互いに対向する基板のうちの一方が半導体チップであり、他方が配線回路基板又は半導体チップである構成であってもよい。また、半導体装置の構成は、配線回路基板同士が接続された構成であってもよい。
配線やバンプが主面に配置された基板同士の接続は、フリップチップ接続であればよく、バンプと配線、バンプとバンプによる金属接合のいずれであってもよい。バンプは、半導体チップ及び配線回路基板のいずれに形成されていてもよい。
半導体チップの構成材料としては、特に限定はなく、シリコン、ゲルマニウム等の同一種類の元素から構成される元素半導体や、ガリウムヒ素、インジウムリン等の化合物半導体など、各種半導体を用いることができる。半導体チップの厚さは、例えば10〜760μmである。
配線を有する配線回路基板(半導体基板)としては、通常の回路基板であれば特に制限はなく、ガラスエポキシ、ポリイミド、ポリエステル、セラミック、エポキシ又はビスマレイミドトリアジン等を主な成分とする絶縁基板の表面に、金属膜の不要な個所をエッチング除去して形成された配線パターンを有する回路基板、上記絶縁基板の表面に金属めっき等によって形成された配線パターンを有する回路基板、上記絶縁基板の表面に導電性物質を印刷して形成された配線パターンを有する回路基板等を用いることができる。配線回路基板の厚さは、例えば100〜1500μmである。
配線(配線パターン)やバンプ(導電性突起)の材質としては、金、銀、銅、ハンダ(主成分は、例えばスズ−銀、スズ−鉛、スズ−ビスマス、スズ−銅、スズ−銀−銅等)、スズ、ニッケル等を主な成分とする材質が用いられる。これらの中でも、安価であることから一般的に使用されている銅やハンダが好ましい。この場合、フラックス活性が付与されていることが好ましい。配線及びバンプは、単一の成分のみで構成されていてもよく、複数の成分から構成されていてもよい。また、配線及びバンプは、単層であってもよく、複数の金属層が積層された構造を有していてもよい。配線及びバンプの高さは、例えば5〜50μmである。
上記配線及びバンプの表面には、金、銀、銅、ハンダ(主成分は、例えばスズ−銀、スズ−鉛、スズ−ビスマス、スズ−銅、スズ−銀−銅等)、スズ、ニッケル等を主な成分とする金属層が形成されていてもよい。これらの中でも、安価であることから一般的に使用されている銅やハンダが好ましい。この場合、フラックス活性が付与されていることが好ましい。この金属層は、単一の成分のみで構成されていてもよく、複数の成分から構成されていてもよい。また、上記金属層は、単層であってもよく、複数の金属層が積層された構造を有していてもよい。
また、回路接続構造体は、半導体装置100〜600に示すような構造(パッケージ)が複数積層されていてもよい。この場合、半導体装置100〜600は、金、銀、銅、ハンダ(主成分は、例えばスズ−銀、スズ−鉛、スズ−ビスマス、スズ−銅、スズ−銀−銅等)、スズ又はニッケル等を含むバンプや配線で互いに電気的に接続されていてもよい。バンプや配線の材質としては、安価であることから一般的に使用されている銅やハンダが好ましい。この場合、フラックス活性が付与されていることが好ましい。
半導体装置を複数積層する手法としては、例えばTSV(Through−Silicon Via)技術のように、複数の回路部材をフリップチップ接続又は積層し、回路部材を貫通する孔を形成し、パターン面の接続部(電極等)をつなげる手法が挙げられる。図5に示される半導体装置(回路接続構造体)700では、インターポーザ82上に配置された配線84が接続バンプ30を介して半導体チップ21の配線25と接続されることにより、半導体チップ21とインターポーザ82とはフリップチップ接続されている。半導体チップ21とインターポーザ82との間の空隙には、接着剤組成物が隙間なく充填されて接着剤層32が形成されている。上記半導体チップ21におけるインターポーザ82と反対側の表面上には、配線25、接続バンプ30及び接着剤層32を介して半導体チップ21が繰り返し積層されている。
半導体チップ21の表裏におけるパターン面の配線25は、半導体チップ21の内部を貫通する孔内に充填された貫通電極86により互いに接続されている。なお、貫通電極86の材質としては、銅やアルミニウム等を用いることができる。
このようなTSV技術により、通常は使用されない半導体チップの裏面からも信号を取得することが可能となる。さらには、半導体チップ21内に貫通電極86を垂直に通すため、対向する半導体チップ21間や、半導体チップ21及びインターポーザ82間の距離を短くし、柔軟な接続が可能である。接着剤組成物は、このようなTSV技術において、積層チップとインターポーザとの間にも用いることができる。
また、エリアバンプチップ技術等の自由度の高いバンプ形成方法では、インターポーザを介さないでそのまま半導体チップをマザーボードに直接実装できる。本実施形態では、このように半導体チップをマザーボードに直接実装してもよい。
CPU、MPU、GPU等の半導体パッケージは、実装チップの大型化や狭ピッチ化、狭ギャップ化と相まって多ピン化が進んでいる。本実施形態では、このような半導体パッケージに対してもボイドを抑制できる。
<半導体封止用接着剤>
以下、接着剤組成物を構成する半導体封止用接着剤の構成成分について説明する。
(a)エポキシ樹脂
半導体封止用接着剤は、エポキシ樹脂を含有することができる。エポキシ樹脂は、分子内に2個以上のエポキシ基を有するものであれば特に制限はなく、例えば、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ナフタレン型、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型、フェノールアラルキル型、ビフェニル型、トリフェニルメタン型及びジシクロペンタジエン型のエポキシ樹脂、並びに、各種多官能エポキシ樹脂等を使用することができる。これらは1種を単独で又は2種以上の混合体として使用することができる。エポキシ樹脂の配合量は、半導体封止用接着剤の全体100質量部に対して、例えば10〜50質量部である。
(b)硬化剤
半導体封止用接着剤は、硬化剤を含有することができる。硬化剤としては、例えば、フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤、イミダゾール系硬化剤及びホスフィン系硬化剤が挙げられる。以下、各硬化剤について説明する。
(i)フェノール樹脂系硬化剤
フェノール樹脂系硬化剤としては、分子内に2個以上のフェノール性水酸基を有するものであれば特に制限はなく、例えば、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、フェノールアラルキル樹脂、クレゾールナフトールホルムアルデヒド重縮合物、トリフェニルメタン型多官能フェノール、各種多官能フェノール樹脂等を使用することができる。これらは1種を単独で又は2種以上の混合体として使用することができる。フェノール性水酸基を含むフェノール樹脂系硬化剤は、酸化膜を除去するフラックス活性を示すことから、フェノール樹脂系硬化剤を用いることにより、接続信頼性や絶縁信頼性を更に向上させることができる。
(a)エポキシ樹脂に対する(i)フェノール樹脂系硬化剤の当量比(フェノール性水酸基/エポキシ基、モル比)は、硬化性、接着性、保存安定性等の観点から、0.3〜1.5が好ましく、0.4〜1.0がより好ましく、0.5〜1.0が更に好ましい。当量比が0.3より小さいと、硬化性が低下し、接着力が低下する傾向がある。当量比が1.5を超えると、未反応のフェノール性水酸基が過剰に残存し、吸水率が高くなり、絶縁信頼性が低下する傾向がある。
(ii)酸無水物系硬化剤
酸無水物系硬化剤としては、例えば、メチルシクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、エチレングリコールビスアンヒドロトリメリテート等を使用することができる。これらは1種を単独で又は2種以上の混合体として使用することができる。酸無水物を含む酸無水物系硬化剤は、酸化膜を除去するフラックス活性を示すことから、酸無水物系硬化剤を用いることにより、接続信頼性や絶縁信頼性を更に向上させることができる。
(a)エポキシ樹脂に対する(ii)酸無水物系硬化剤の当量比(酸無水物基/エポキシ基、モル比)は、硬化性、接着性、保存安定性等の観点から、0.3〜1.5が好ましく、0.4〜1.0がより好ましく、0.5〜1.0が更に好ましい。当量比が0.3より小さいと、硬化性が低下し、接着力が低下する傾向がある。当量比が1.5を超えると、未反応の酸無水物が過剰に残存し、吸水率が高くなり、絶縁信頼性が低下する傾向がある。
(iii)アミン系硬化剤
アミン系硬化剤としては、例えば、アンモニアの水素原子を炭化水素基で1つ以上置換した化合物であればよく、ジシアンジアミド等を使用することができる。アミン類を含むアミン系硬化剤は、酸化膜を除去するフラックス活性を示すことから、アミン系硬化剤を用いることにより、接続信頼性や絶縁信頼性を更に向上させることができる。
(a)エポキシ樹脂に対する(iii)アミン系硬化剤の当量比(アミン/エポキシ基、モル比)は、硬化性、接着性、保存安定性等の観点から、0.3〜1.5が好ましく、0.4〜1.0がより好ましく、0.5〜1.0が更に好ましい。当量比が0.3より小さいと、硬化性が低下し、接着力が低下する傾向がある。当量比が1.5を超えると、未反応のアミンが過剰に残存し、絶縁信頼性が低下する傾向がある。
(iv)イミダゾール系硬化剤
イミダゾール系硬化剤としては、例えば、2−フェニルイミダゾール、2−フェニル−4−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノ−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−ウンデシルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体、2−フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール、エポキシ樹脂とイミダゾール類の付加体等が挙げられる。これらの中でも、硬化性、保存安定性、接続信頼性の観点から、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾール、1−シアノ−2−フェニルイミダゾール、1−シアノエチル−2−ウンデシルイミダゾールトリメリテイト、1−シアノエチル−2−フェニルイミダゾリウムトリメリテイト、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン、2,4−ジアミノ−6−[2’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジンイソシアヌル酸付加体、2−フェニルイミダゾールイソシアヌル酸付加体、2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾールが好ましい。前述したイミダゾールの類似構造(置換基が異なるもの等)で液状のものを用いてもよい。これらは1種を単独で又は2種以上を併用してもよい。また、これらをマイクロカプセル化して潜在性を高めたものを用いてもよい。
イミダゾール系硬化剤の配合量は、(a)エポキシ樹脂100質量部に対して、0.1〜20質量部が好ましく、0.1〜10質量部がより好ましい。イミダゾール系硬化剤の配合量が0.1質量部より少ないと、硬化性が低下する傾向がある。イミダゾール系硬化剤の配合量が20質量部を超えると、金属−金属の接続部が形成される前に硬化してしまい、接続不良が発生する傾向がある。
(v)ホスフィン系硬化剤
ホスフィン系硬化剤としては、例えば、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、テトラフェニルホスホニウムテトラ(4−メチルフェニル)ボレート、テトラフェニルホスホニウム(4−フルオロフェニル)ボレート等が挙げられる。
ホスフィン系硬化剤の配合量は、(a)エポキシ樹脂100質量部に対して、0.1〜10質量部が好ましく、0.1〜5質量部がより好ましい。ホスフィン系硬化剤の配合量が0.1質量部より少ないと、硬化性が低下する傾向がある。ホスフィン系硬化剤の配合量が10質量部を超えると、金属−金属の接続部が形成される前に硬化してしまい、接続不良が発生する傾向がある。
フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤及びアミン系硬化剤は、それぞれ1種を単独で又は2種以上の混合物として使用することができる。イミダゾール系硬化剤及びホスフィン系硬化剤は、(a)エポキシ樹脂に対してそれぞれ単独で用いてもよいが、硬化促進剤として、フェノール樹脂系硬化剤、酸無水物系硬化剤又はアミン系硬化剤と共に用いてもよい。
(c)フラックス剤
半導体封止用接着剤は、フラックス活性(酸化物や不純物を除去する活性)を示す化合物であるフラックス剤を含有することができる。フラックス活性剤としては、イミダゾール類やアミン類のように非共有電子対を有する含窒素化合物;カルボン酸類;フェノール類;アルコール類が挙げられる。これらの中でも、カルボン酸類はフラックス活性が強く、(a)エポキシ樹脂と容易に反応し、接着剤組成物の硬化物中に遊離した状態で存在しないため、絶縁信頼性の低下を防ぐことができる。
カルボン酸類としては、エタン酸、プロパン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ドデカン酸、テトラデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸等の飽和脂肪族カルボン酸;オレイン酸、リノール酸、リノレン酸、アラキドン酸、ドコサヘサエン酸、エイコサペンタエン酸等の不飽和脂肪族カルボン酸;シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸等の脂肪族ジカルボン酸;安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、トリメリット酸、トリメシン酸、ヘミメリット酸、ピロメリット酸、ペンタンカルボン酸、メシン酸、ジフェノール酸等の芳香族カルボン酸;マレイン酸及びフマル酸が挙げられる。また、カルボン酸類は、乳酸、りんご酸、クエン酸及びサリチル酸等のヒドロキシル基を有するカルボン酸であってもよい。フェノール類としては、例えばフェノール、クレゾール等の1価フェノール;カテコール、レゾルシノール等の2価フェノール(ジフェノール);ピロガロール、フロログルシノール等の3価フェノール(トリフェノール)が挙げられる。アルコール類としては、例えば上述のカルボン酸のカルボキシル基をヒドロキシル基に変換したもの等が挙げられる。フラックス剤の配合量は、(a)エポキシ樹脂100質量部に対して、例えば3〜30質量部である。
(d)フィラ
半導体封止用接着剤は、粘度や硬化物の物性を制御するため、及び、回路接続部材同士を接続した際のボイドの発生や吸湿率の抑制のために、フィラを更に含有していてもよい。フィラとしては、絶縁性無機フィラ、ウィスカー又は樹脂フィラを用いることができる。
絶縁性無機フィラとしては、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化チタン、カーボンブラック、マイカ、窒化ホウ素等が挙げられ、その中でも、シリカ、アルミナ、酸化チタン、窒化ホウ素等が好ましく、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素がより好ましい。ウィスカーとしては、ホウ酸アルミニウム、チタン酸アルミニウム、酸化亜鉛、珪酸カルシウム、硫酸マグネシウム、窒化ホウ素等が挙げられる。樹脂フィラとしては、ポリウレタン、ポリイミド等を用いることができる。これらのフィラ及びウィスカーは、1種を単独で又は2種以上の混合体として使用することもできる。(d)フィラの形状、粒径及び含有量は特に制限されない。(d)フィラの配合量は、(a)エポキシ樹脂100質量部に対して、例えば50〜150質量部である。
(e)重量平均分子量10000以上の高分子成分
半導体封止用接着剤は、重量平均分子量10000以上の高分子成分を含有していてもよい。半導体封止用接着剤が上記高分子成分を含有していると、フィルム形成性が向上する。半導体封止用接着剤をフィルム状にすると作業性、生産性が向上する。重量平均分子量10000以上の高分子成分を配合するか否かや配合量等は、その他物性を考慮して適宜決めることができる。なお、本明細書において、重量平均分子量とは、高速液体クロマトグラフィー(島津製作所製C−R4A)を用いて、ポリスチレン換算で測定したときの重量平均分子量を意味する。
重量平均分子量10000以上の高分子成分とは、例えば、フェノキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、シアネートエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ウレタン樹脂、アクリルゴム等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を併用してもよい。
(その他の成分)
半導体封止用接着剤は、酸化防止剤、シランカップリング剤、チタンカップリング剤、レベリング剤、イオントラップ剤等の添加剤を更に含有していてもよい。これらは1種を単独で用いてもよいし、2種以上組み合わせて用いてもよい。これらの配合量については、各添加剤の効果が発現するように適宜調整すればよい。
上記接着剤層は、フィルム状の半導体封止用接着剤(以下、「半導体封止用フィルム状接着剤」という)やペースト状の半導体封止用接着剤(以下、「半導体封止用ペースト状接着剤」という)を用いて形成することができる。
半導体封止用フィルム状接着剤は、以下の作製方法により得ることができる。まず、エポキシ樹脂、硬化剤、フラックス剤、フィラ、重量平均分子量10000以上の高分子成分、添加剤等を有機溶媒中に加えた後、攪拌混合又は混錬等により各成分を溶解又は分散させて、樹脂ワニスを調製する。そして、離型処理を施した基材フィルム上に、ナイフコーター、ロールコーターやアプリケーターを用いて樹脂ワニスを塗布した後、加熱により有機溶媒を減少させて、基材フィルム上にフィルム状接着剤を形成する。また、重量平均分子量10000以上の高分子成分(例えばポリイミド樹脂)を配合する場合、重量平均分子量10000以上の高分子成分を合成した後に単離することなく、合成後に得られるワニス中に各成分を加えて上記樹脂ワニスを調製してもよい。
基材フィルムとしては、有機溶媒を揮発させる際の加熱条件に耐え得る耐熱性を有するものであれば特に制限はなく、ポリエステルフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリイミドフィルム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリエーテルナフタレートフィルム、メチルペンテンフィルム等が例示できる。基材フィルムは、これらのフィルムからなる単層のものに限られず、2種以上の材料からなる多層フィルムであってもよい。
塗布後の樹脂ワニスから有機溶媒を揮発させる際の条件は、有機溶媒が十分に揮発する条件とすることが好ましく、具体的には、50〜200℃、0.1〜90分間の加熱を行うことが好ましい。
半導体封止用ペースト状接着剤は、エポキシ樹脂、硬化剤、フラックス剤、フィラ、重量平均分子量10000以上の高分子成分、添加剤等を有機溶媒中に加えた後、攪拌混合又は混錬等により各成分を溶解又は分散させることにより作製することができる。
<回路接続構造体の製造方法>
本実施形態に係る回路接続構造体の製造方法は、複数の回路部材を準備する準備工程と、回路部材同士を圧着する圧着工程と、をこの順に備えている。本実施形態に係る回路接続構造体の製造方法は、接続部を構成する材料の融点以上の温度で接続部を加熱する加熱プロセス(接続プロセス)を経て回路部材の接続部同士を電気的に接続することができる。
以下、本実施形態に係る回路接続構造体の製造方法について、図6,7及び上記図9を用いて説明する。図6は、第1実施形態及び第2実施形態に係る回路接続構造体の製造方法を示す模式断面図である。図7は、第3実施形態及び第4実施形態に係る回路接続構造体の製造方法を示す模式断面図である。第1実施形態及び第2実施形態では、半導体装置100が作製され、第3実施形態では、半導体装置200が作製され、第4実施形態では、半導体装置300が作製される。
第1実施形態に係る回路接続構造体の製造方法は、準備工程及び圧着工程に加えて、圧着工程の後に回路部材の接続部を互いに電気的に接続する接続工程を更に備えている。
準備工程では、まず、配線回路基板(第1の基板)11と、配線回路基板11の主面11a上に配置された複数の接続部(第1の接続部)13と、を有する部材を準備する(図9(a))。接続部13は、配線回路基板11の主面11a上に配置された配線15と、配線15のそれぞれの上に配置された接続バンプ(例えばハンダバンプ)17と、を有している。接続バンプ17は、例えば、配線15上に印刷されて形成されている。
次に、配線回路基板11の主面11a上に熱硬化性の接着剤層19を、接着剤層19が接続部13(配線15及び接続バンプ17)の全体を埋めるように供給して回路部材10を得る(図9(b))。回路部材10では、接続部13の側面の全てが接着剤層19に接しており、接続部13の基端部の外周が接着剤層19により埋められているため、配線回路基板11の主面11aと接続部13との段差部の隅に隙間が形成されることが抑制されている。
続いて、半導体チップ(第2の基板)21と、半導体チップ21の主面21a上に配置された複数の接続部(第2の接続部)23と、を有する部材を準備する(図6(a))。接続部23は、半導体チップ21の主面21a上に配置された配線25と、配線25のそれぞれの上に配置された接続バンプ(例えばハンダバンプ)27と、を有している。接続バンプ27は、例えば、配線25上に印刷されて形成されている。
次に、半導体チップ21の主面21a上に熱硬化性の接着剤層29を、接着剤層29が接続部23(配線25及び接続バンプ27)の全体を埋めるように供給して回路部材20を得る。回路部材20では、接続部23の側面の全てが接着剤層29に接しており、接続部23の基端部の外周が接着剤層29により埋められているため、半導体チップ21の主面21aと接続部23との段差部の隅に隙間が形成されることが抑制されている。
接着剤層19,29を主面11a,21a上に供給する方法としては、ラミネータを用いて半導体封止用フィルム状接着剤を主面11a,21aに貼り付けてもよく、ワニス状の半導体封止用接着剤を主面11a,21aにスピンコートしてもよく、半導体封止用ペースト状接着剤を主面11a,21aに塗布してもよい。
半導体封止用フィルム状接着剤の貼付は、加熱プレス、ロールラミネート、真空ラミネート等によって行うことができる。半導体封止用フィルム状接着剤の供給面積や厚みは、半導体チップや配線回路基板のサイズ、接続バンプの高さ等によって適宜設定される。半導体封止用フィルム状接着剤は、半導体封止用接着剤の粘度が低くなるような条件で供給される。半導体封止用フィルム状接着剤は、配線回路基板上に貼付してもよく、半導体チップに貼付してもよい。半導体封止用接着剤をフィルム状にすることで、作業性を向上させることができる。
半導体封止用ペースト状接着剤は、配線回路基板に塗布されてもよく、半導体チップに塗布されてもよい。半導体封止用ペースト状接着剤を塗布した後、スピンコート又は印刷によって整形することができる。半導体封止用ペースト状接着剤が溶媒を含んでいる場合は、乾燥工程を行なってもよい。半導体封止用ペースト状接着剤の供給面積や厚みは、配線回路基板又は半導体チップのサイズやバンプ高さ等によって適宜設定される。半導体封止用ペースト状接着剤を用いる場合、接続部の接続方法や接続条件を含めた半導体装置の製造方法等は半導体封止用フィルム状接着剤と同様にすることができる。
互いに接続される回路部材のそれぞれの接着剤層を構成する接着剤組成物の構成成分、溶融粘度等は、互いに同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。接着剤層の構成成分が異なる場合の一例として、一方の接着剤層がエポキシ樹脂、硬化剤、フィラを含み、他方の接着剤層がフラックス剤を含む構成であってもよい。
互いに接続される回路部材の接着剤層の両方が、同等の半導体封止用フィルム状接着剤を有していてもよい。また、接続部と基板又は絶縁層の主面との段差部の隅を空隙なく充填することが容易であることから、互いに接続される回路部材において凹凸の大きい側(接続部と基板又は絶縁層の主面との段差が大きい側)に、溶融粘度の低い半導体封止用フィルム状接着や半導体封止用ペースト状接着剤を供給することが好ましい。
互いに接続される回路部材の接着剤層の少なくとも一方は、(a)エポキシ樹脂及び(b)硬化剤を含有することが好ましい。これにより、接続部を構成する材料の融点以上の加熱プロセスを経るような接続工程中において、半導体封止用接着剤の一部の硬化反応が十分に進行しないことでスプリングバックによるボイドの発生や接続不良が生じることを抑制し易くなる。
上記のとおり、パッケージの接続部(バンプや配線)に用いられる主な金属としては、ハンダ、錫、金、銀、銅、ニッケル及びこれらを含んだ導電材料が挙げられる。この場合、銅及びハンダ等は、酸化物や不純物を生じやすい場合があるため、互いに接続される回路部材の接着剤層の少なくとも一方は、(c)フラックス剤を含有することが好ましい。
互いに接続される回路部材の接続部の少なくとも一方が、酸化物や不純物を除去する必要性が高い(フラックス性の必要性が高い)銅やハンダ等の金属を含む場合、当該金属を含む接続部を有する回路部材に優先的に、フラックス活性が発現する半導体封止用接着剤を供給することが好ましい。
圧着工程では、まず、図6(a)に示すように、配線回路基板11の主面11aと半導体チップ21の主面21aとが対向するように回路部材10及び回路部材20を配置すると共に、接続バンプ17と接続バンプ27とが対向するように接続バンプ17及び接続バンプ27をフリップチップボンダー等の接続装置を用いて位置合わせする。次に、接続バンプ17及び接続バンプ27が互いに接するように回路部材10上に回路部材20を搭載する。
次に、配線回路基板11及び半導体チップ21の間に接着剤層19及び接着剤層29が介在した状態で、回路部材10及び回路部材20を圧着する。圧着温度は例えば150〜350℃であり、圧着圧力は例えば0.05〜2MPaである。圧着工程において接着剤層32を硬化させる場合には、接続バンプ17及び接続バンプ27が互いに接した状態で固定される。上記圧着により、接着剤層19及び接着剤層29が一体化されて接着剤層32が形成され、接着剤層32を介して配線回路基板11及び半導体チップ21が接続される。また、接着剤層32によって配線回路基板11及び半導体チップ21間の空隙が封止充てんされる。
接続工程では、例えば接続バンプ17,27を構成する材料の融点以上の温度で接続バンプ17,27を加熱する。これにより、図6(b)に示すように、接続バンプ17及び接続バンプ27が一体化されて接続バンプ30が形成され、接続バンプ30を介して配線15及び配線25が電気的に接続される。第1実施形態では、配線回路基板11の主面11aと配線15との段差部の隅、及び、半導体チップ21の主面21aと配線25との段差部の隅に隙間が形成されることが抑制された状態で、配線15及び配線25を電気的に接続することができる。接続工程では、加圧下において接続バンプ17,27を加熱してもよい。以上により、半導体装置100(図1参照)が得られる。
第2実施形態に係る回路接続構造体の製造方法は、準備工程及び圧着工程を備えており、圧着工程において、回路部材の接続部を互いに電気的に接続する。準備工程では、第1実施形態と同様に回路部材10及び回路部材20を準備する。
圧着工程では、まず、第1実施形態と同様に、配線回路基板11の主面11aと半導体チップ21の主面21aとが対向するように回路部材10及び回路部材20を配置すると共に、接続バンプ17と接続バンプ27とが対向するように接続バンプ17及び接続バンプ27を位置合わせする(図6(a))。次に、接続バンプ17及び接続バンプ27が互いに接するように回路部材10上に回路部材20を搭載する。
続いて、配線回路基板11及び半導体チップ21の間に接着剤層19及び接着剤層29が介在した状態で、例えば接続バンプ17,27を構成する材料の融点以上の温度で回路部材10及び回路部材20を熱圧着する。これにより、図6(b)に示すように、接着剤層19及び接着剤層29が一体化されて接着剤層32が形成され、接着剤層32を介して配線回路基板11及び半導体チップ21が接続される。また、接着剤層32によって配線回路基板11及び半導体チップ21間の空隙が封止充てんされている。さらに、接続バンプ17及び接続バンプ27が一体化されて接続バンプ30が形成され、接続バンプ30を介して配線15及び配線25が電気的に接続される。第2実施形態では、配線回路基板11の主面11aと配線15との段差部の隅、及び、半導体チップ21の主面21aと配線25との段差部の隅に隙間が形成されることが抑制された状態で、配線15及び配線25を電気的に接続することができる。以上により、半導体装置100(図1参照)が得られる。
第3実施形態に係る回路接続構造体の製造方法は、回路部材10に代えて回路部材10a(図7(a))を用いる点で、第1実施形態及び第2実施形態と異なる。準備工程では、まず、配線回路基板(第1の基板)11と、配線回路基板11の主面11a上に配置された複数の接続部(第1の接続部)13と、配線回路基板11の主面11a上に配置されたソルダーレジスト(絶縁層)34と、を有する部材を準備する。接続部13は、配線回路基板11の主面11a上に配置された配線15と、配線15のそれぞれの上に配置された接続バンプ(例えばハンダバンプ)17と、を有している。接続部13の基端部はソルダーレジスト34により埋め込まれており、例えば、配線15の全体がソルダーレジスト34により埋め込まれており、接続バンプ17の先端部がソルダーレジスト34から露出している。これにより、接続部13と配線回路基板11の主面11aとの段差部の隅に隙間が形成されることが抑制されている。
次に、ソルダーレジスト34上に接着剤層19を、接着剤層19が接続部13及びソルダーレジスト34の全体を埋めるように供給して回路部材10aを得る。回路部材10aでは、接続部13の側面の全てが接着剤層19及びソルダーレジスト34に接しており、接続部13におけるソルダーレジスト34から露出した部分の基端部が接着剤層19により埋め込まれるため、接続部13とソルダーレジスト34との段差部の隅に隙間が形成されることが抑制されている。
続いて、第1実施形態及び第2実施形態と同様に回路部材20を準備する。そして、第1実施形態及び第2実施形態と同様の圧着工程や接続工程を行って、回路部材10aと回路部材20とを接続する。以上により、半導体装置200(図2参照)が得られる。第3実施形態では、互いに接続される回路部材10a,20のいずれにおいても、接続部と基板の主面との段差部、及び、接続部とソルダーレジストとの段差部に隙間が形成されることが抑制されている。
第4実施形態に係る回路接続構造体の製造方法は、回路部材20に代えて回路部材20a(図7(b))を用いる点で、第3実施形態と異なる。準備工程では、まず、第3実施形態と同様に回路部材10aを準備する。次に、半導体チップ(第2の基板)21と、半導体チップ21の主面21a上に配置された複数の接続部(第2の接続部)23と、半導体チップ21の主面21a上に配置されたソルダーレジスト(絶縁層)36と、を有する部材を準備する。接続部23は、半導体チップ21の主面21a上に配置された配線25と、配線25のそれぞれの上に配置された接続バンプ(例えばハンダバンプ)27と、を有している。接続部23の基端部はソルダーレジスト36により埋め込まれており、例えば、配線25の全体がソルダーレジスト36により埋め込まれており、接続バンプ27の先端部がソルダーレジスト36から露出している。これにより、接続部23と半導体チップ21の主面21aとの段差部の隅に隙間が形成されることが抑制されている。
次に、ソルダーレジスト36上に接着剤層29を、接着剤層29が接続部23及びソルダーレジスト36の全体を埋めるように供給して回路部材20aを得る。回路部材20aでは、接続部23の側面の全てが接着剤層29及びソルダーレジスト36に接しており、接続部23におけるソルダーレジスト36から露出した部分の基端部が接着剤層29により埋め込まれるため、接続部23とソルダーレジスト36との段差部の隅に隙間が形成されることが抑制されている。
続いて、第1実施形態及び第2実施形態と同様の圧着工程や接続工程を行って、回路部材10aと回路部材20aとを接続する。以上により、半導体装置300(図3参照)が得られる。第4実施形態では、互いに接続される回路部材10a,20aのいずれにおいても、接続部と基板の主面との段差部、及び、接続部とソルダーレジストとの段差部に隙間が形成されることが抑制されている。
上記の各実施形態において接続部同士を電気的に接続するための接続部の温度(接続温度)は、接続バンプ17,27を構成する材料の融点以上となることが好ましいが、それぞれの接続部(バンプや配線)の金属接合が形成される温度であればよい。接続バンプ30がハンダバンプである場合、接続温度は、240℃以上が好ましく、240〜340℃がより好ましく、240〜280℃が更に好ましい。
接続荷重は、バンプ数に依存するが、バンプの高さばらつき吸収や、バンプ変形量の制御を考慮して設定される。接続荷重は、例えば0.05〜2MPaである。接続時間は、生産性向上の観点から、短時間であるほど好ましく、ハンダを溶融させ、酸化膜や表面の不純物を除去し、金属接合を接続部に形成するには、20秒以下が好ましく、10秒以下がより好ましく、5秒以下が更に好ましい。
なお、回路接続構造体の製造方法は上記に限られるものではない。例えば、位置合わせをして一方の回路部材上に他方の回路部材を搭載した後、リフロー炉で加熱処理することによって接続バンプ(例えばハンダバンプ)を溶融させて回路部材同士を接続することによって半導体装置を製造してもよい。回路部材の搭載時は、金属接合を形成する必要性が顕著に要求されないため、上記方法では、上述の本圧着に比べて低荷重、短時間、低温度でもよく、生産性向上、接続部の劣化防止等のメリットが得られる。
また、回路部材同士を接続した後、オーブン等で加熱処理を行って半導体封止用接着剤を硬化させて、更に接続信頼性・絶縁信頼性を高めてもよい。加熱温度は、半導体封止用接着剤の硬化が進行する温度が好ましく、半導体封止用接着剤が完全に硬化する温度がより好ましい。この場合、半導体装置100における接着剤層32は、例えば、接着剤組成物の硬化物である。加熱温度、加熱時間は適宜設定される。
また、半導体ウエハに半導体封止用フィルム状接着剤を貼付した後、ダイシングして、半導体チップに個片化することによって、半導体封止用フィルム状接着剤が貼り付けられた半導体チップを作製することができる。半導体ウエハに半導体封止用ペースト状接着剤を塗布した後、ダイシングして、半導体チップに個片化することによって、半導体封止用ペースト状接着剤を供給した半導体チップを作製することもできる。
回路部材の構成は上記に限られるものではない。例えば、互いに接続される回路部材の一方の配線上にのみ接続バンプが形成されていてもよい。また、回路部材のそれぞれは、少なくとも一つの接続部を有していればよい。
また、準備工程では、それぞれの回路部材において、接続部の基端部が接着剤層又は絶縁層により埋め込まれていることが好ましい。上記のとおり、一方の接続部の全体が接着剤層、又は、接着剤層及び絶縁層により埋め込まれていると共に、他方の接続部の全体が接着剤層、又は、接着剤層及び絶縁層により埋め込まれている態様であってもよい。また、一方の接続部の全体が接着剤層、又は、接着剤層及び絶縁層により埋め込まれていると共に、他方の接続部の先端部が接着剤層から露出している態様であってもよい。接続部の先端部が接着剤層から露出している場合、当該接続部の基端部は、接着剤層により埋め込まれていてもよく、絶縁層により埋め込まれていてもよい。接続部の基端部が絶縁層により埋め込まれている場合、接続部における絶縁層から露出した部分の先端は、接着剤層により埋め込まれていてもよく、接着剤層から露出していてもよい。
例えば、図8(a)では、回路部材10と回路部材20bとが圧着される。回路部材20bは、回路部材20と同様の半導体チップ21及び接続部23と、半導体チップ21の主面21a上に配置された接着剤層29aとを備えている。接続部23の基端部は接着剤層29aにより埋め込まれており、接続部23の先端部は接着剤層29aから露出している。具体的には、配線25の基端側の部分は接着剤層29aにより埋め込まれており、配線25の先端側の部分と接続バンプ27の全体とは接着剤層29aから露出している。圧着工程において回路部材10と回路部材20bとが圧着されると、配線25の先端側の部分と接続バンプ27の全体とは、接着剤層19と接着剤層29aとが一体化して形成される接着剤層により埋め込まれる。
なお、このような構成に代えて、接続部13の基端部が接着剤層により埋め込まれており、接続部13の先端が接着剤層から露出しており、接続部23の全体が接着剤層により埋め込まれた構成を採用してもよい。
また、接着剤層は、単層であってもよく、複数の層を有していてもよい。例えば、図8(b)では、回路部材10と回路部材20cとが圧着される。回路部材20cは、回路部材20と同様の半導体チップ21及び接続部23と、半導体チップ21の主面21a上に配置された接着剤層29aと、接着剤層29a上に配置された接着剤層29bとを備えている。配線25の基端側の部分は接着剤層29aにより埋め込まれており、配線25の先端側の部分と接続バンプ27の全体とは接着剤層29bにより埋め込まれている。
なお、準備工程は、一方の接続部の先端部が接着剤層及び絶縁層から露出していると共に、他方の接続部の先端部が接着剤層及び絶縁層から露出している態様であってもよい。このような場合においても、接続温度や接続荷重を調整することにより、接続部同士を接続することができる。
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(1)半導体封止用接着剤の作製
実施例及び比較例で使用した半導体封止用接着剤の構成成分を以下に示す。
(a)エポキシ樹脂
トリフェノールメタン骨格含有多官能固形エポキシ(ジャパンエポキシレジン株式会社、EP1032H60、以下「EP1032」と表記する)
(b)硬化剤
2−フェニル−4,5−ジヒドロキシメチルイミダゾール(四国化成株式会社製、2PHZ−PW、以下「2PHZ」と表記する)
(c)フラックス剤
ジフェノール酸(東京化成株式会社製)
(d)フィラ
0.5μmシリカフィラ(アドマテックス株式会社、SE2050)
メタブレン型有機フィラ(三菱レイヨン、W5500)
(e)重量平均分子量10000以上の高分子成分
下記合成ポリイミド(重量平均分子量Mw:45000、Tg:30℃)
(合成ポリイミドの合成方法)
温度計、攪拌機及び塩化カルシウム管を備えた300mlフラスコに、1,12−ジアミノドデカン2.10g(0.035モル)、ポリエーテルジアミン(BASF製、ED2000(重量平均分子量:1923))17.31g(0.03モル)、1,3−ビス(3−アミノプロピル)テトラメチルジシロキサン(信越化学製、LP−7100)2.61g(0.035モル)及びN−メチル−2−ピロリドン(関東化学製)150gを仕込み攪拌した。ジアミンの溶解後、フラスコを氷浴中で冷却しながら、無水酢酸で再結晶精製した4,4´−(4,4´−イソプロピリデンジフェノキシ)ビス(フタル酸二無水物)(ALDRICH製、BPADA)15.62g(0.10モル)を少量ずつ添加した。室温で8時間反応させた後、キシレン100gを加え、窒素ガスを吹き込みながら180℃で加熱し、水と共にキシレンを共沸除去し、ポリイミド溶液を得た(ポリイミド樹脂のTg:30℃、重量平均分子量:45000)。
上記構成成分を用いて下記のとおり半導体封止用接着剤を作製した。まず、合成ポリイミド:2.0g、エポキシ樹脂(EP1032):2g、2PHZ:0.2g、ジフェノール酸:0.4g、SE2050:3.0g、W5500:0.3gを、固形分濃度(NV)60%になるように有機溶媒(トルエンと酢酸エチル1:1の混合溶媒)に添加した。次に、Φ0.8mm、Φ2.0mmのビーズを固形分と同質量加え、ビーズミル(フリッチュ・ジャパン株式会社、遊星型微粉砕機P−7)で30分撹拌した。その後、撹拌に用いたビーズをろ過によって除去してワニスを得た。作製したワニスを小型精密塗工装置(廉井精機)で基材フィルム(帝人デュポンフィルム株式会社製、商品名「ピューレックスA53」)上に塗工した後、クリーンオーブン(ESPEC製)で乾燥(110℃/10min)し、フィルム状接着剤を得た。
(2)半導体装置の作製
(実施例1)
まず、上記半導体封止用接着剤(フィルム状:縦20.5mm×横20.5mm×厚さ40μm)を、ガラスエポキシ基板(図2の配線回路基板11、縦35mm×横35mm×厚さ0.8〜1.0mm、コア:E679FGR(0.8mm)、ソルダーレジストPSR4000、ランド表面Cu無垢(配線)+ハンダバンプ(SAC:Sn−Ag−Cuハンダ、先端部分の高さ:ソルダーレジストの上面から25μm)、ソルダーレジスト開口0.08mm、バンプピッチ150μm、14884ピン、WALTS製)上に供給して回路部材A1を得た。回路部材A1では、配線及びハンダバンプの全体が半導体封止用接着剤に埋め込まれていた。
また、上記半導体封止用接着剤(フィルム状:縦20.5mm×横20.5mm×厚さ60μm)を、ハンダバンプ付き半導体チップ(図2の半導体チップ21、チップサイズ:縦20mm×横20mm×厚さ0.725mm、バンプ高さ:銅ピラー+ハンダバンプ計約50μm、バンプピッチ150μm、14884ピン、表面:日立化成デュポンPL−H708、WALTS製)上に供給して回路部材A2を得た。回路部材A2では、銅ピラー及びハンダバンプの全体が半導体封止用接着剤に埋め込まれていた。回路部材A2を4つ準備した。
そして、4つの回路部材A2をフリップチップ実装装置「FCB3」(パナソニック製)で回路部材A1上に搭載した後に実装して、図2と同様の構成を有する半導体装置を作製した。4つの回路部材A2は、互いに離隔するように正方形の各頂点の位置に配置した。半導体チップ搭載後の接続条件は、半導体封止用接着剤到達温度180℃/10秒/80Nの後、半導体封止用接着剤到達温度250℃/10秒/80Nとした。半導体チップ搭載時に半導体封止用接着剤にかかる温度は、半導体装置を設置するステージの温度で調整し、100℃で搭載した。
(比較例1)
まず、上記半導体封止用接着剤(フィルム状:縦20.5mm×横20.5mm×厚さ100μm)を、実施例1と同様のガラスエポキシ基板の主面上に供給して回路部材B1を得た。回路部材B1では、配線及びハンダバンプの全体が半導体封止用接着剤に埋め込まれていた。次に、半導体封止用接着剤を供給することなく、実施例1と同様のハンダバンプ付き半導体チップを回路部材B2として準備した。回路部材B2においてハンダバンプの先端部分はチップの主面から50μm突出しており、回路部材B2には、50μmの段差を有する凹凸が形成されていた。回路部材B2を4つ準備した。そして、4つの回路部材B2をフリップチップ実装装置「FCB3」(パナソニック製)で回路部材B1上に搭載した後に実装して半導体装置を作製した。半導体チップ搭載後の接続条件・接続方法は、実施例1と同様にした。
(比較例2)
まず、半導体封止用接着剤を供給することなく、実施例1と同様のガラスエポキシ基板を回路部材C1として準備した。回路部材C1においてハンダバンプの先端部分はソルダーレジストの上面から25μm突出しており、回路部材C1には、25μmの段差を有する凹凸が形成されていた。次に、上記半導体封止用接着剤(フィルム状:縦20.5mm×横20.5mm×厚さ100μm)を、実施例1と同様のハンダバンプ付き半導体チップの主面上に供給して回路部材C2を得た。回路部材C2では、銅ピラー及びハンダバンプの全体が半導体封止用接着剤に埋め込まれていた。回路部材C2を4つ準備した。そして、4つの回路部材C2をフリップチップ実装装置「FCB3」(パナソニック製)で回路部材C1上に搭載した後に実装して半導体装置を作製した。半導体チップ搭載後の接続条件・接続方法は、実施例1と同様にした。
(3)接続評価
上記ガラスエポキシ基板とハンダバンプ付き半導体チップ(デイジーチェーン接続)をFCB3で実装後に、マルチメータ(ADVANTEST製、R6871E)を用いて初期導通の可否を測定した。各半導体チップの四隅の計8箇所について導通の可否を測定した。8箇所全ての初期接続抵抗値が12〜17ΩであるサンプルをA(接続良好)と評価し、初期接続抵抗値が12〜17Ω以外の不安定な数値であるサンプルをB(接続不良:ハンダ濡れ不足、硬化性制御不足等の接続不良)と評価し、未接続のサンプルをC(接続不良)と評価した。評価結果を表1に示す。
(4)ボイド発生率評価方法
上記(2)で作製したサンプル(接続部の金属の融点以上の接続加熱プロセスを経たサンプル)を超音波映像診断装置(Insight−300、インサイト製)により、外観画像を撮り、スキャナGT−9300UF(EPSON社製)でチップ上の半導体封止用接着剤層の画像を取り込み、画像処理ソフトAdobe Photoshopを用いて、色調補正、二階調化によりボイド部分を識別し、ヒストグラムによりボイド部分の占める割合を算出した。チップ上の半導体封止用接着剤部分の面積を100%とした。ボイド発生率が10%未満である場合をAと評価し、10〜20%である場合をBと評価し、20%より多い場合をCと評価した。評価結果を表1に示す。
Figure 2013073955
比較例1及び比較例2の対比により示されるように、凹凸の大きい側に半導体封止用接着剤を予め供給して、半導体封止用接着剤を供給していない側の凹凸の大きさ(バンプや配線高さ)を小さくすることでボイドが減少することが確認された。また、実施例1により示されるように、回路部材同士の圧着に際してそれぞれの回路部材に予め接着剤を供給した実施例1では、最もボイドが抑制されていることが確認された。
10,10a,20,20a,20b,20c…回路部材、11,51…配線回路基板、11a,21a,41a,51a,61a,71a…主面、13,23…接続部、19,29,29a,29b…接着剤層、21,41,61,71…半導体チップ、34…ソルダーレジスト、36…ソルダーレジスト、53,63,73…バンプ、100,200,300,400,500,600,700…半導体装置。

Claims (8)

  1. 第1の基板の主面上に配置された第1の接続部と、第2の基板の主面上に配置された第2の接続部と、を互いに対向した状態で電気的に接続させてなる回路接続構造体の製造方法であって、
    前記第1の基板、前記第1の接続部、及び、前記第1の基板の主面上に配置された第1の接着剤層、を有する第1の回路部材と、前記第2の基板、前記第2の接続部、及び、前記第2の基板の主面上に配置された第2の接着剤層、を有する第2の回路部材と、を準備する準備工程と、
    前記第1の基板及び前記第2の基板の間に前記第1の接着剤層及び前記第2の接着剤層を介在させて前記第1の回路部材及び前記第2の回路部材を圧着する圧着工程と、を備える、回路接続構造体の製造方法。
  2. 第1の基板の主面上に配置された第1の接続部と、第2の基板の主面上に配置された第2の接続部と、を互いに対向した状態で電気的に接続させてなる回路接続構造体の製造方法であって、
    前記第1の基板、前記第1の接続部、前記第1の基板の主面上に配置された絶縁層、及び、前記絶縁層上に配置された第1の接着剤層、を有する第1の回路部材と、前記第2の基板、前記第2の接続部、及び、前記第2の基板の主面上に配置された第2の接着剤層、を有する第2の回路部材と、を準備する準備工程と、
    前記第1の基板及び前記第2の基板の間に前記第1の接着剤層及び前記第2の接着剤層を介在させて前記第1の回路部材及び前記第2の回路部材を圧着する圧着工程と、を備える、回路接続構造体の製造方法。
  3. 第1の基板の主面上に配置された第1の接続部と、第2の基板の主面上に配置された第2の接続部と、を互いに対向した状態で電気的に接続させてなる回路接続構造体の製造方法であって、
    前記第1の基板、前記第1の接続部、前記第1の基板の主面上に配置された第1の絶縁層、及び、前記第1の絶縁層上に配置された第1の接着剤層、を有する第1の回路部材と、前記第2の基板、前記第2の接続部、前記第2の基板の主面上に配置された第2の絶縁層、及び、前記第2の絶縁層上に配置された第2の接着剤層、を有する第2の回路部材と、を準備する準備工程と、
    前記第1の基板及び前記第2の基板の間に前記第1の接着剤層及び前記第2の接着剤層を介在させて前記第1の回路部材及び前記第2の回路部材を圧着する圧着工程と、を備える、回路接続構造体の製造方法。
  4. 前記準備工程において、前記第1の接続部の先端部が前記第1の接着剤層に埋め込まれており、前記第2の接続部の先端部が前記第2の接着剤層に埋め込まれている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の回路接続構造体の製造方法。
  5. 前記準備工程において、前記第1の接続部の先端部が前記第1の接着剤層に埋め込まれていると共に前記第2の接続部の先端部が前記第2の接着剤層から露出している、又は、前記第1の接続部の先端部が前記第1の接着剤層から露出していると共に前記第2の接続部の先端部が前記第2の接着剤層に埋め込まれている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の回路接続構造体の製造方法。
  6. 前記準備工程において、前記第1の接続部の先端部が前記第1の接着剤層から露出しており、前記第2の接続部の先端部が前記第2の接着剤層から露出している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の回路接続構造体の製造方法。
  7. 前記第1の接着剤層及び第2の接着剤層の少なくとも一方が、エポキシ樹脂及び硬化剤を含有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の回路接続構造体の製造方法。
  8. 前記第1の接着剤層及び第2の接着剤層の少なくとも一方が、フラックス剤を含有する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の回路接続構造体の製造方法。
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