JP2932995B2 - 半導体装置の製造方法と半導体素子実装用基板保持具 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
特にフリップチップ実装技術を用いた半導体装置の製造
方法及び半導体装置実装用の回路基板を保持するための
保持具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の集積度が高くなり、
半導体装置の小型化及び接続端子の狭ピッチ化が進み、
そのためフリップチップ実装技術用いた半導体装置の開
発が盛んに行われている。以下図面を参照しながら、従
来のフリップチップ実装技術を用いた半導体装置の一例
について説明する。

【０００３】図７に、従来のフリップチップ実装技術を
用いた半導体装置の断面図を示す。半導体素子１０１の
素子形成面上にはアルミ電極端子１０２が形成され、ア
ルミ電極端子１０２以外の部分はＳｉ酸化膜あるいは窒
化膜等からなる絶縁膜１０３で覆われている。アルミ電
極端子１０２面上には、Ａｕ、Ｃｕ等の導電性金属材料
からなるバンプ（突起電極）１０４が形成されている。
一方、回路基板１０５の主面上には、所望の回路パター
ン１０６及び電極端子１０７が形成されている。なお、
回路基板１０５の基板材質としては、絶縁性及び剛性を
有し変形が生じにくい（０．４mm 以上の厚みを有す
る）、良好な平坦精度を有すセラミック材料が主に使用
される。端子電極１０７は回路パターン１０６に接続さ
れ、フリップチップ実装の際、半導体素子１０１と電気
的接続を行う。バンプ（突起電極）１０４と電極端子１
０７とは、導電性接着剤１０８により電気的に接続され
ている。導電性接着剤１０８はＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ等の導
電性金属材料の粉体を樹脂中に含んだ接着剤である。半
導体素子１０１と回路基板１０５の間の隙間部は、絶縁
樹脂（封止材料）１０９が充填されている。絶縁樹脂１
０９が硬化されると、その硬化収縮応力により半導体素
子１０１と回路基板１０５を接着した後、強力に引きつ
けて固定する。そのため、半導体装置における半導体素
子１０１と回路基板１０５の接続の機械的強度を高めら
れ、安定を保たれる。

【０００４】以上のように構成された従来の半導体装置
の製造方法を、図８のプロセスを示す工程図を用いて説
明する。まず、通常の半導体プロセスにおいて所望の素
子や配線及び絶縁膜１０３を形成した半導体素子１０１
を多数個形成した半導体ウエハを作製する。次に、アル
ミ電極端子１０２にプローブを接触させ電気的検査を行
い半導体素子１０１の良否を判定したうえで、バンプ
（突起電極）１０４を形成した後、良好な平面精度を有
す平板に押し当てる等して、バンプの高さを均一にする
平坦化加工を行う。さらに、半導体ウエハを個々の半導
体素子１０１に切断する。一方、予めＡｕやＣｕ等の導
電性金属材料を用いて、絶縁物からなる回路基板１０５
上に所望の回路パターン１０６や電極端子１０７を形成
しておき、この回路基板１０５上に導電性接着剤１０８
を介して、所定の電極端子１０７とバンプ（突起電極）
１０４が当接して電気的接続が行えるように半導体素子
１０１をフェースダウンにて配置する。その後、加熱処
理を行い導電性接着剤１０８を硬化させ、電気検査を行
い動作状態を確認する。そして正常な動作を確認した
後、半導体素子１０１と回路基板１０５の間に液状のエ
ポキシ系等の絶縁性を有する樹脂１０９を毛細管現象を
利用して充填する。充填完了後、加熱処理等を行い絶縁
樹脂１０９を硬化させてフリップチップ実装を行う。

【０００５】以上のようにしてフリップチップ実装技術
を用いた半導体装置を製造していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の半導体装置の構成及び製造方法では、図９に示すよ
うに、回路基板１０５aの基材として、有機材質から成
る樹脂基板や、無機材質からなるセラミック基板等にお
いても比較的、板厚の薄い基板（０．４mm より厚みの
薄い基板）においては、従来使用されている板厚の厚い
回路基板１０５に比べ、剛性が弱く容易に変形するの
で、例えば回路パターン１０６等のような非対称で不均
一に描かれたような、不均一に存在する形成物により発
生する不均一な熱応力による変形が生じ、局所的な反り
やうねりとなることが知られている。

【０００７】図１０（ａ）に回路基板１０５上の半導体
素子実装領域１１０の反り量の模式図、図１０（ｂ）に
従来基板（セラミック基板）における半導体素子実装領
域内の反り量のヒストグラム、図１０（ｃ）に樹脂基板
（ガラスエポキシ基板）における半導体素子実装領域内
の反り量のヒストグラムをそれぞれ示す。ここで、反り
量とは図１０（ａ）に示す通り、回路基板１０５上の半
導体素子実装領域１１０が、水平面から、どれだけ垂直
方向へ反っているかを表す値である。

【０００８】また図１０（ｂ）と図１０（ｃ）におい
て、グラフの横軸は反り量を示し、縦軸はその分布の割
合を百分率で示している。これらの図からわかるよう
に、従来基板（例えば、０．４mm 以上の厚みを有する
セラミック基板）の反り量は、すべて１０ミクロン以下
であるが、樹脂基板（例えば、ガラスエポキシ基板や、
０．４mmより薄いセラミック基板）では、８ミクロンか
ら３０ミクロンという比較的大きな反り量の分布を示し
た。

【０００９】この回路基板１０５ａにおいて局在する反
りやうねりのために、半導体素子実装領域内に位置する
回路基板側の電極端子１０７間における高さのばらつき
が大きくなる。このため半導体素子１０１をフェースダ
ウンにて実装した際に、凹部に位置する電極端子１０７
面に導電性接着剤１０８の接合層が到達する事ができ
ず、電気的な接続不良になるという問題点を有してい
た。図１１に、回路基板の反り量に対する半導体素子と
回路基板との接続不良の発生率の一例を示す。図１１の
実験結果より、図１０（ｃ）に示すような反り量が１０
ミクロン以上の大きな反りやうねりを有する回路基板を
用いる場合では、半導体素子の接続不良発生率が急激に
多くなり、半導体素子実装には適さないことが分かる。

【００１０】なお、この図１１に示すグラフの値は、バ
ンプ形状や導電性接着剤の性質及び転写量等の様々な要
因にて変化する値である。

【００１１】また、熱応力による局所的な反りやうねり
の発生は、回路基板作製工程だけでなく、フリップチッ
プ工程中における導電性接着剤や封止材料硬化等の加熱
工程においても発生するため、例えば一旦は半導体素子
実装時に、導電性接着剤１０８の接合層の到達が良好に
行えた後において、封止材料の硬化が終了するまでの間
で、限度を超えた局所的な反りやうねりにより、接続不
良が発生する場合もあるという問題点も有している。

【００１２】本発明は上記従来の問題点を解決するため
になされたものであり、半導体素子と回路基板をより確
実に安定して電気的に接続することで、極めて品質の安
定した、生産性の良い半導体装置及びその製造方法を提
供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体装置の製造方法は、回路基板と、先
端に未硬化の導電性接着剤が塗布された突起電極が電極
端子上に形成された半導体素子を予め準備する工程と、
前記半導体素子を実装しようとする前記回路基板の実装
領域の面形状が、前記半導体素子の前記電極端子形成面
と略平行で、かつ平坦面となるように、前記回路基板を
保持する工程と、前記回路基板を保持した状態で、前記
半導体素子を前記回路基板上の前記実装領域内に設けら
れた入出力電極端子に、前記未硬化の導電性接着剤によ
りフェースダウンで実装する工程と、前記未硬化の導電
性接着剤を硬化させる工程と、さらに、前記半導体素子
と前記回路基板間に封止材料を充填する工程と、前記封
止材料を硬化する工程を行い、前記封止材料を硬化した
後、前記回路基板の平坦化のための保持を解除すること
を特徴とするものである。

【００１４】またさらに、回路基板の平坦化のための保
持方法として、回路基板を載置するための凹部を有する
基板支持台に、前記回路基板を載置し、少なくとも前記
回路基板の実装領域分の大きさの開口部を有する基板固
定蓋を前記回路基板の前記実装領域部を塞がないようし
て、前記基板支持台と位置合わせを行って固定すること
により、前記回路基板の平坦化を保持することを特徴と
するものである。

【００１５】また、本発明の半導体素子実装用基板保持
具は、半導体素子をフェースダウンで実装するための回
路基板であって、前記回路基板の前記半導体素子の実装
領域面が、前記半導体素子の電極端子形成面と略平行か
つ、平坦となるように前記回路基板を保持することを特
徴とする。

【００１６】また、本発明の半導体素子実装用基板保持
具は、回路基板を載置するための凹部を有する基板支持
台と、少なくとも前記回路基板の実装領域分の大きさの
開口部を有する基板固定蓋とからなることを特徴とする
ものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、図面に基づき説明する。

【００１８】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１における半導体素子実装用基板保持具を用いた回路
基板の保持方法を示す概略図である。

【００１９】この方法は、回路基板１を２枚の金属板か
らなる基板支持台２ａ，基板固定蓋２ｂからなる基板保
持具に挟み、回路基板１に垂直方向の圧力を加え、回路
基板１を平坦に保持する方法である。

【００２０】図１における基板保持具の基板支持台２ａ
は、回路基板１を定位置に固定し易くするための溝（凹
部）を設けた構造をしており、基板固定蓋２ｂは、回路
基板１の半導体実装領域１ａに当たる部分に開口部を設
けた構造を有している。また、基板支持台２ａ，基板固
定蓋２ｂのそれぞれの外周部には、ネジ穴が設けられて
いる。

【００２１】以下に、本実施の形態１の基板保持具を用
いた回路基板の保持方法について説明する。

【００２２】まず、基板支持台２ａの中央部に設けた溝
（凹部）に、半導体素子実装面を上向きにして回路基板
１を置き、その上から、基板固定蓋２ｂに設けた開口部
が回路基板１の実装領域１ａの外側を囲むように基板固
定蓋２ｂを置く。

【００２３】その後、基板支持台２ａ，基板固定蓋２ｂ
の外周部に設けたネジ穴にネジ２ｃを差し込み、ネジ２
ｃを締め込むことによって、垂直方向に圧力を加え、回
路基板１を保持する。

【００２４】図２は、回路基板１を基板保持具に固定し
た状態の断面図である。この状態での回路基板１の半導
体素子実装領域１ａ内の反り量と基板保持具固定前の回
路基板１の半導体素子実装領域１ａ内の反り量を測定し
た結果を図３に示す。

【００２５】図３は、基板保持具固定前後の回路基板１
（厚さ０．８mm のガラスエポキシ基板）の半導体素子
実装領域１ａ内の反り量分布を示したもので、基板保持
具にて保持することにより、回路基板１の半導体素子実
装領域１ａ内の反り量が小さくなっていることを示して
いる。

【００２６】次に、基板保持具で保持した回路基板１の
半導体素子実装領域１ａに、導電性接着剤を塗布した半
導体素子をフェースダウンで実装し、その後、オーブン
中130℃の温度で導電性接着剤を硬化する。図４（ａ）
は、基板保持具で保持した回路基板１の半導体素子実装
領域１ａに半導体素子３を実装した状態の断面図で、図
４（ｂ）は、図４（ａ）において回路基板１と半導体素
子３の接続箇所の一部を拡大した図である。

【００２７】図４（ｂ）において、半導体素子３上のア
ルミ電極端子３ａに形成されたバンプ（突起電極）４と
回路基板１上に形成された入出力電極端子１ｂとは導電
性接着剤５を介して接合される。ここで、基板保持具で
保持しない場合は、回路基板１の実装領域１ａの表面精
度が良くないために、半導体素子３の実装時に、導電性
接着剤５が回路基板１上の入出力電極端子１ｂに接触し
ない箇所が発生する。

【００２８】また、わずかに接触した状態では、導電性
接着剤５が硬化時の回路基板１の熱変形によって、接触
箇所が離れ、電気的接続が得られない。

【００２９】しかしながら、本実施の形態１に示す方法
にて、半導体素子を実装することにより、上記問題は解
決される。

【００３０】次に、導電性接着剤５が硬化後の回路基板
１の半導体素子３と回路基板１表面との間に封止剤料を
注入し、オーブン中130℃の温度で封止剤料を硬化して
被覆する。

【００３１】封止剤料硬化後は、半導体素子３と回路基
板１との接着力が高くなるため、回路基板１を基板保持
具から外しても接続箇所の電気的な接続が確保される。

【００３２】本実施の形態１では、基板保持具の材質と
してSUS-304を用いたが、銅、アルミ、などの金属材料
でも良く、アルミナなどのセラミック材料でも良い。

【００３３】（実施の形態２）図５は、本発明の実施の
形態２における半導体素子実装用基板保持具で回路基板
を保持した状態を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は
上面図である。

【００３４】本実施の形態２における基板保持具は、複
数個の半導体素子実装領域が形成された回路基板を平坦
に保持するためのものである。

【００３５】図５における基板保持具の基板支持台２ａ
は、実施の形態１と同様に回路基板１が定位置に固定し
易くするための溝（凹部）を設けた構造をしており、基
板固定蓋２ｂは、回路基板１に形成されている複数個の
半導体素子実装領域１ａに対応して、それぞれの実装領
域１ａに当たる部分に開口部を設け、さらに、回路測定
端子部にも開口部を設けた構造をしている。また、基板
支持台２ａ、基板固定蓋２ｂの外周部には、ネジ穴が設
けられている。

【００３６】本実施の形態２における基板保持具を用い
た回路基板１の保持方法は、実施の形態１と同様に、基
板支持台２ａの中央部に設けた溝に、半導体素子実装面
を上向きにして回路基板１を置き、その上から、基板固
定蓋２ｂに設けた開口部が回路基板１の半導体素子実装
領域１ａのそれぞれの外側を囲むように基板固定蓋２ｂ
を置く。その後、基板支持台２ａ、基板固定蓋２ｂの外
周部に設けたネジ穴にネジ２ｃを差し込み、ネジ２ｃを
締め込むことによって、回路基板１に垂直方向に圧力を
加え、回路基板１を保持する。

【００３７】図６は、基板保持具固定前後の回路基板１
（厚さ０．８mm のガラスエポキシ基板）の半導体素子
実装領域１ａ内の反り量を視覚的に分かるように回路基
板１の半導体素子実装面を拡大した図である。図６から
明かなように、基板保持具にて保持することにより、回
路基板１の半導体素子実装領域１ａ内の反り量が小さく
なり、平坦化が実現されている。

【００３８】次に、基板保持具にて保持した回路基板１
の半導体素子実装領域１ａに、導電性接着剤を塗布した
半導体素子をフェースダウンで実装し、その後、オーブ
ン中130℃の温度で導電性接着剤を硬化する。次に、導
電性接着剤硬化後の回路基板の半導体素子と回路基板表
面との間に封止剤を注入し、オーブン中130℃の温度で
封止剤料を硬化して被覆する。封止剤料硬化後は、半導
体素子と回路基板との接着力が高くなるため、回路基板
を基板保持具から外しても接続箇所の電気的な接続が保
持される。

【００３９】本実施の形態では、基板保持具の材質にア
ルミニウムを用い、表面をアルマイト処理を施し、絶縁
性をもたせて回路基板の導通検査を保持具に保持した状
態で行える構造としたが、絶縁樹脂などで被服しても良
い。

【００４０】なお、本実施の形態では、回路基板を平坦
化するために基板支持台２ａ、基板固定蓋２ｂからなる
基板保持具を使用して、ネジを締め込むことによって回
路基板に垂直方向に圧力を加えて保持を行ったが、回路
基板を平坦化するための手段は、何等この基板保持具に
限らず、例えば、基板支持台の上に回路基板を載置した
状態で、基板支持台の下方より空気等で吸引したり、磁
気力によって回路基板の半導体素子実装領域を平坦化す
るなどの方法によるものでも良い。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明の半導体装置の製造
方法は、回路基板と、先端に未硬化の導電性接着剤が塗
布された突起電極が電極端子上に形成された半導体素子
を予め準備する工程と、前記半導体素子を実装しようと
する前記回路基板の実装領域の面形状が、前記半導体素
子の前記電極端子形成面と略平行で、かつ平坦面となる
ように、前記回路基板を保持する工程と、前記回路基板
を保持した状態で、前記半導体素子を前記回路基板上の
前記実装領域内に設けられた入出力電極端子に、前記未
硬化の導電性接着剤によりフェースダウンで実装する工
程と、前記未硬化の導電性接着剤を硬化させる工程と、
さらに、前記半導体素子と前記回路基板間に封止材料を
充填する工程と、前記封止材料を硬化する工程を行い、
前記封止材料を硬化した後、前記回路基板の平坦化のた
めの保持を解除することを特徴とし、また、本発明の半
導体素子実装用基板保持具は、半導体素子をフェースダ
ウンで実装するための回路基板であって、前記回路基板
の前記半導体素子の実装領域面が、前記半導体素子の電
極端子形成面と略平行かつ、平坦となるように前記回路
基板を保持することを特徴とするものであり、これによ
り、回路基板の半導体実装領域面の局所的な反りやうね
りをなくすことができ、半導体素子側と回路基板側に設
けられたそれぞれの電極端子間における高さばらつきを
少なくし、半導体素子実装時の電気的接続不良をなくす
ことができる。

【００４２】また、フリップチップ実装工程における加
熱処理時に発生していた局所的な反りやうねりも、本発
明の方法により抑制される。

【００４３】そのため、極めて安定して電気的接続が行
えるため、生産性良く品質の高い半導体装置を作製でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における半導体素子実装
用基板固定治具を用いた回路基板の固定方法を示す概略
図

【図２】本発明の実施の形態１における回路基板を固定
治具に固定した状態の断面図

【図３】本発明の実施の形態１における基板保持具固定
前後の回路基板（厚さ０．８mmのガラスエポキシ基板）
の半導体素子実装領域内の反り量分布を示した図

【図４】（ａ）は本発明の実施の形態１における治具固
定した回路基板の半導体素子実装領域に半導体素子を実
装した状態の断面図 （ｂ）は回路基板と半導体素子の接続箇所の一部を拡大
した図

【図５】（ａ）は本発明の実施の形態２における半導体
素子実装用基板固定治具で回路基板を固定した状態の断
面図 （ｂ）は同状態の上面図

【図６】本発明の実施の形態２における基板保持具固定
前後の回路基板（厚さ０．８mmのガラスエポキシ基板）
の半導体素子実装領域１ａ内の反り量を視覚的に分かる
ように回路基板の半導体素子実装面を拡大した図

【図７】従来のフリップチップ実装技術を用いた半導体
装置の断面図

【図８】従来の半導体装置の製造方法をを示す工程図

【図９】従来のフリップチップ実装技術を用いた半導体
装置における回路基板の反りによる半導体素子の実装不
良を示す断面図

【図１０】（ａ）は回路基板上の半導体素子実装領域に
おける反り量を表す模式図 （ｂ）は従来基板（セラミック基板）における半導体素
子実装領域内の反り量のヒストグラムを示す図 （ｃ）は樹脂基板（ガラスエポキシ基板）における半導
体素子実装領域内の反り量のヒストグラムを示す図

【図１１】回路基板の反り量に対する半導体素子と回路
基板との接続不良の発生率の一例を示す図

【符号の説明】

１ 回路基板 １ａ 半導体素子実装領域 １ｂ 入出力端子電極 ２ａ 基板支持台 ２ｂ 基板固定蓋 ２ｃ ネジ ３ 半導体素子 ３ａ アルミ電極端子 ４ バンプ（突起電極） ５ 導電性接着剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 別所 芳宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 戸村 善広 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 小野 正浩 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−227029（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−244242（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/60 311

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回路基板と、先端に未硬化の導電性接着剤
   が塗布された突起電極が電極端子上に形成された半導体
   素子を予め準備する工程と、 前記半導体素子を実装しようとする前記回路基板の実装
   領域の面形状が、前記半導体素子の前記電極端子形成面
   と略平行で、かつ平坦面となるように、前記回路基板を
   保持する工程と、 前記回路基板を保持した状態で、 前記半導体素子を前記回路基板上の前記実装領域内に設
   けられた入出力電極端子に、前記未硬化の導電性接着剤
   によりフェースダウンで実装する工程と、 前記未硬化の導電性接着剤を硬化させる工程と、 さらに、前記半導体素子と前記回路基板間に封止材料を
   充填する工程と、 前記封止材料を硬化する工程を行い、 前記封止材料を硬化した後、前記回路基板の平坦化のた
   めの保持を解除することを特徴とする半導体装置の製造
   方法。
2. 【請求項２】回路基板の基板材質が樹脂である請求項１
   記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】回路基板の基板材質が樹脂とガラスにより
   構成される請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】回路基板の基板材質がセラミックである請
   求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】回路基板を載置するための凹部を有する基
   板支持台に、前記回路基板を載置し、少なくとも前記回
   路基板の実装領域分の大きさの開口部を有する基板固定
   蓋を前記回路基板の前記実装領域部を塞がないようし
   て、前記基板支持台と位置合わせを行って固定すること
   により、前記回路基板の平坦化を保持することを特徴と
   する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】半導体素子をフェースダウンで実装するた
   めの回路基板であって、前記回路基板の前記半導体素子
   の実装領域面が、前記半導体素子の電極端子形成面と略
   平行かつ、平坦となるように前記回路基板を保持するた
   めの半導体素子実装用基板保持具。
7. 【請求項７】回路基板を載置するための凹部を有する基
   板支持台と、少なくとも前記回路基板の実装領域分の大
   きさの開口部を有する基板固定蓋とからなることを特徴
   とする請求項６記載の半導体素子実装用基板保持具。
8. 【請求項８】金属材料もしくは表面が絶縁処理された金
   属材料からなることを特徴とする請求項６または請求項
   ７記載の半導体素子実装用基板保持具。
9. 【請求項９】基板支持台と基板固定蓋とをネジ止めによ
   り位置合わせして固定することを特徴とする請求項７記
   載の半導体素子実装用基板保持具。
10. 【請求項１０】回路基板を平坦化するための保持が吸着
    力によるものであることを特徴とする請求項６記載の半
    導体素子実装用基板保持具。
11. 【請求項１１】回路基板を平坦化するための保持が磁力
    によるものであることを特徴とする請求項６記載の半導
    体素子実装用基板保持具。