JP3564980B2

JP3564980B2 - 半導体チップの実装方法

Info

Publication number: JP3564980B2
Application number: JP32738297A
Authority: JP
Inventors: 裕久日野; 太郎福井; 賢次北村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2017-11-28
Also published as: JPH11163048A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップをフリップチップ実装方式で基板に実装する、半導体チップの実装方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の小型化が加速する中、半導体装置等の高密度実装の要求が高まってきており、例えば、フリップチップ実装方式が検討されている。このフリップチップ実装方式は、半導体チップをフェイスダウンの状態で基板に取り付ける実装方式であり、半導体チップの表面に形成されたバンプを、基板の表面に形成された電極と接合することにより電気的に接続する実装方式である。
【０００３】
このフリップチップ実装方式は、ワイヤーボンディング方式や、ビームリード方式等と比較して、短距離での接合ができるため、電気的性能が優れた実装が可能であると共に、バンプを半導体チップの周囲部分や中央部分に形成することにより、半導体チップの面積全体を活用して実装することができるため、高密度な実装が可能であり、採用が増加している方式である。
【０００４】
しかしこの方式は、半導体チップと基板を短距離で接続するため、電子機器を使用することによって温度が上昇すると、半導体チップと基板の熱膨張率の差に起因する応力によって、バンプにクラックが入りやすく、接続信頼性が低下する場合があるという問題があった。そのため、半導体チップと基板の間の隙間に液状の封止材料を充填した後、固化させることによって隙間を埋め、発生する応力を分散させて、バンプにクラックが入りにくくする方法が検討されている。
【０００５】
この半導体チップと基板の間の隙間に封止材料を充填する方法としては、半導体チップと基板の間の隙間が一般に１５０μｍ以下と狭いため、毛細管現象を利用して、半導体チップと基板の間の空気を追い出しながら充填する方法が行われている。この毛細管現象を利用する方法は、図３（ａ）に示すように、表面に電極１１を有する基板１０と、表面にバンプ１３を有する半導体チップ１２を重ねて、電極１１とバンプ１３を接合した後、半導体チップ１２の一方の端面部分に液状の封止材料１４を供給する。すると、図３（ｂ）に示すように、毛細管現象によって、封止材料１４が半導体チップ１２と基板１０の隙間に侵入して行き、図３（ｃ）に示すように、半導体チップ１２と基板１０の隙間全体に封止材料１４が充填される。なお、図３（ａ）〜（ｃ）の左列の図は平面方向の封止材料１４の様子を表し、右列の図は垂直方向の封止材料１４の様子を表す。
【０００６】
近年半導体チップ１２の大きさは大型化する傾向にあり、また、バンプ１３の数は増加する傾向にある。この大型化した半導体チップ１２や、バンプ１３の数が増加した半導体チップ１２の場合、半導体チップ１２と基板１０の間の隙間に封止材料１４が十分に充填されず、半導体チップ１２と基板１０の間に気泡が残留し、接続信頼性が低下する場合があるという問題があった。これは、大型化した半導体チップ１２の場合、封止材料１４が侵入するべき距離が長くなるため、毛細管現象による浸透力だけでは不足となり、封止材料１４を供給した端面部分から遠い部分に封止材料１４が到達しなくなるためと考えられている。
【０００７】
また、バンプ１３の数が増加した場合、例えば図４（ａ）に示すような、周辺部と中央部にバンプ１３が偏在する配列の場合、図４（ｂ）に示すように、バンプ１３の有無によって封止材料１４の流れが均一でなくなり、図４（ｃ）に示すように、封止材料１４の流れが遅くなった部分に、気泡３０が残留しやすくなるためと考えられている。
【０００８】
一方、図５（ａ）に示すように、表面に電極１１を有する基板１０の上にあらかじめ液状の封止材料１４を塗布した後、表面にバンプ１３を有する半導体チップ１２を、電極１１とバンプ１３が接触するように重ねて実装する方法も検討されている。しかしこの方法の場合、封止材料１４の流動による半導体チップ１２と基板１０の間の空気を追い出す効果が期待されないため、半導体チップ１２と基板１０の間の隙間に気泡３０が残留し、接続信頼性が低下する場合があるという問題があった。
【０００９】
そのため、大型化した半導体チップ１２や、バンプ１３の数が増加した半導体チップ１２の場合であっても、半導体チップ１２と基板１０の間の隙間に封止材料１４が充填されやすく、半導体チップ１２と基板１０の間に残留する気泡３０が少ない実装が可能な半導体チップ１２の実装方法が望まれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を改善するために成されたもので、その目的とするところは、半導体チップと基板の間の隙間に封止材料を充填して実装する半導体チップの実装方法であって、半導体チップと基板の間に残留する気泡が少ない実装が可能な半導体チップの実装方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る半導体チップの実装方法は、表面に電極を有する基板の、半導体チップを実装しようとする部分に、液状の封止材料を供給した後、減圧雰囲気下で、封止材料を供給した部分に、表面にバンプを有する半導体チップを重ねて上記電極と上記バンプを接続し、次いでその接続した状態を保ちながら外気を導入することにより、減圧槽内部の雰囲気の圧力を解放した後、その接続した状態を保ちながら封止材料を固化することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２に係る半導体チップの実装方法は、請求項１記載の半導体チップの実装方法において、減圧雰囲気の減圧度が、１３ｋＰａ以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３に係る半導体チップの実装方法は、請求項１又は請求項２記載の半導体チップの実装方法において、液状の封止材料を供給する方法が、室温で液状の封止材料を塗布する方法、又はシート状の封止材料を載置した後、加熱溶融させる方法であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４に係る半導体チップの実装方法は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体チップの実装方法において、封止材料が、熱硬化性樹脂組成物であると共に、封止材料を固化する方法が、封止材料を加熱して硬化する方法であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項５に係る半導体チップの実装方法は、請求項４記載の半導体チップの実装方法において、加熱する方法が、パルスヒート方式であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項６に係る半導体チップの実装方法は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体チップの実装方法において、電極とバンプを接続する方法が、電極とバンプを、金属接触により接続する方法であると共に、接続した状態を保つ方法が、半導体チップを基板の方向に加圧する方法であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項７に係る半導体チップの実装方法は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体チップの実装方法において、電極とバンプを接続する方法が、電極とバンプを、金属溶着により接着する方法であると共に、接続した状態を保つ方法が、その接着によることを特徴とする。
【００１８】
本発明によると、半導体チップと基板を重ねた直後には、半導体チップと基板の間に気泡が残留している場合であっても、電極とバンプが接続した状態を保ちながら、外気を導入することにより、減圧槽内部の雰囲気の圧力を解放したときには、半導体チップと基板の間の気泡は縮小して微少化し、その後封止材料を固化した後も、その封止材料内の気泡は微少化が保持されるため、半導体チップと基板の間に残留する気泡の体積が少ない実装が可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体チップの実装方法を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体チップの実装方法の一実施の形態を説明する工程図であり、図２は本発明に係る半導体チップの実装方法の他の実施の形態の、工程の一部を説明する図である。
【００２０】
本発明に係る半導体チップの実装方法の一実施の形態は、図１（ａ）に示すように、表面に電極１１を有する基板１０の、半導体チップ（１２）を実装しようとする部分に、液状の封止材料１４を供給する。この封止材料１４を供給する量としては、後の工程で基板１０と半導体チップを重ねたとき、基板１０と半導体チップの間に形成される隙間の体積より、やや多めの封止材料１４を供給する。
【００２１】
液状の封止材料１４を供給する方法としては、室温で液状の封止材料１４を塗布する方法や、シート状の封止材料１４を載置した後、加熱溶融させる方法や、粉状の封止材料１４を載置した後、加熱溶融させる方法等が挙げられる。なお、室温で液状の封止材料１４を塗布する方法の場合、作業性が優れ好ましく、シート状の封止材料１４を載置した後、加熱溶融させる方法の場合、封止材料１４を供給する量が安定すると共に、封止材料１４の取り扱い性が優れ好ましい。
【００２２】
なお、後の工程で基板１０と半導体チップ（１２）を重ねたとき、電極１１上の封止材料１４が動いて接続に支障が生じなくなる場合には、電極１１上にも封止材料１４を供給しても良いが、電極１１上は供給しないことが好ましい。
【００２３】
本発明に用いる封止材料１４としては、特に限定するものではなく、エポキシ樹脂組成物等の熱硬化性樹脂組成物や、ポリエチレン樹脂組成物等の熱可塑性樹脂組成物が挙げられる。なお、熱硬化性樹脂組成物の場合、熱可塑性樹脂組成物と比較して一般に耐熱性が優れるため、実装の信頼性が優れ好ましい。
【００２４】
次いで、図１（ｂ）に示すように、内部を減圧可能な減圧槽２０に、封止材料１４を表面に有する基板１０及び半導体チップ１２を投入した後、真空ポンプ２２を動かすと共に、減圧弁２３を開状態、外気導入弁２４を閉状態にして、減圧槽２０の内部を減圧にする。なおこのとき、基板１０と半導体チップ１２は重ねずに、離した状態で減圧にする。
【００２５】
このときの減圧度は、１３ｋＰａ（１００Ｔｏｒｒ）以下、より好ましくは１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下が好ましい。１３ｋＰａ（１００Ｔｏｒｒ）を越える場合、後の工程で減圧槽２０の内部の雰囲気の圧力を解放したとき、気泡が縮小する効果が小さく、基板１０と半導体チップ１２の間にやや大きな気泡が残留して、実装の接続信頼性が低下する場合がある。なお、減圧度の下限は、いくら小さくても良いが、１Ｐａ程度が経済的である。
【００２６】
なお、上記基板１０に封止材料１４を供給する工程と、上記基板１０及び半導体チップ１２を減圧槽２０に投入する工程の順番は、どちらを先に行っても良い。
【００２７】
次いで、図１（ｃ）に示すように、減圧槽２０の内部を減圧にしたままの状態で、基板１０の封止材料１４を供給した部分に半導体チップ１２を重ねて電極１１とバンプ１３を接続する。なおこのときには、半導体チップ１２と基板１０の間に気泡３０が多少残留していても良い。
【００２８】
電極１１とバンプ１３を接続する方法としては、特に限定するものではなく、必要に応じて半田等を介して金属溶着により接着する方法や、銀ペースト等を介して金属接触により接続する方法や、電極１１とバンプ１３を直接接触させて金属接触により接続する方法等が挙げられる。
【００２９】
次いで、図１（ｄ）に示すように、電極１１とバンプ１３が接続した状態を保ちながら、減圧弁２３を閉状態にして真空ポンプ２２との接続を停止すると共に、外気導入弁２４を開状態にして外気を導入することにより、減圧槽２０の内部の雰囲気の圧力を解放する。すると、半導体チップ１２と基板１０の間の気泡３０はそれぞれ縮小して微少化し、残留する気泡３０の体積が少なくなり、接続信頼性を低下させない程度になる。
【００３０】
なおこのときの外気を導入することにより、減圧槽内部の雰囲気の圧力を解放する程度は、前工程で減圧した圧力の１０倍以上の圧力まで解放することが好ましい。なお、常圧まで戻す方法が容易である。
【００３１】
電極１１とバンプ１３が接続した状態を保つ方法としては、電極１１とバンプ１３を金属接触により接続した場合には、例えば図２に示すように、半導体チップ１２と基板１０を、加圧盤２６，２６の間に挟んで加圧することにより、半導体チップ１２を基板１０の方向に加圧する方法が挙げられる。なお、電極１１とバンプ１３を金属溶着により接着した場合には、その接着により接続した状態が保たれるため、特別な加圧等は不要である。
【００３２】
次いで、電極１１とバンプ１３が接続した状態を保ちながら、封止材料１４を固化した後、図１（ｅ）に示すように、減圧槽２０から取り出すことにより、実装が終了する。半導体チップ１２と基板１０の間の封止材料１４が固化した部分に残留する気泡３０は、外気を導入することにより、減圧槽内部の雰囲気の圧力を解放したときに微少化した状態が保持されるため、半導体チップ１２と基板１０の間に残留する気泡の体積が少ない実装となる。
【００３３】
なお、封止材料１４を固化する方法としては、封止材料１４が熱硬化性樹脂組成物の場合、加熱して硬化させ、封止材料１４が熱可塑性樹脂組成物の場合、放冷することにより固化する。なお、上記加熱する方法としては、パルスを封止材料１４の部分又は半導体チップ１２等に印加して、その印加した部分から発熱させて加熱するパルスヒート方式による局部加熱が、過度に加熱することを防止でき好ましい。
【００３４】
なお、上記封止材料１４を固化する工程と、上記減圧槽２０から取り出す工程の順番はどちらが先でもよいが、先に減圧槽２０から取り出す場合には、電極１１とバンプ１３が接続した状態を保ちながら、減圧槽２０から取り出すことが必要である。なお、封止材料１４が熱硬化性樹脂組成物の場合、減圧槽２０内で封止材料１４がゲル化する程度まで硬化を進めた後、減圧槽２０から取り出し、次いで再度加熱して硬化するようにしても良い。
【００３５】
また、電極１１とバンプ１３を加熱して金属溶着により接着する場合には、金属溶着により接着した後、冷却し、次いで外気を導入することにより、減圧槽内部の雰囲気の圧力を解放した後、再度加熱して封止材料１４を固化しても良いが、一度の加熱の間に、金属溶着・雰囲気の圧力解放・封止材料１４の固化を連続して行うようにすると、生産性が優れ好ましい。
【００３６】
本発明に用いる基板１０としては、表面に電極１１を有し、半導体チップ１２を実装可能なものであれば特に限定するものではなく、ガラスエポキシ積層板等の有機系の板や、アルミナセラミック等の無機系の板が挙げられる。なお、有機系の板の場合、無機系の板と比較して安価であり好ましい。基板１０の表面に形成された電極１１としては、銅や半田等で一般に形成される。
【００３７】
また、本発明に用いる半導体チップ１２としては、表面にバンプ１３を有するものであれば特に限定するものではなく、半導体素子が形成されたシリコンチップ等が挙げられる。半導体チップ１２の表面に形成されたバンプ１３としては、半田や金等で一般に形成される。
【００３８】
【実施例】
（実施例１）
表面にバンプを有する半導体チップとして、半田バンプを一方の表面の周辺部に２００μｍピッチで形成した１０ｍｍ角１７８端子の半導体チップを用いた。また、表面に電極を有する基板として、銅の表面に半田の層を２０μｍ形成した電極を表面に有する、厚み１．６ｍｍのガラスエポキシ樹脂積層板を用いた。
【００３９】
そして、減圧槽に基板と半導体チップを投入した後、基板の半導体チップを実装しようとする９ｍｍ角の範囲に、液状の熱硬化性封止材料［松下電工株式会社製、品名ＣＶ−５１８６Ｓ］を０．０３ｇ塗布した。次いで、真空ポンプを動かして、減圧槽の内部を９３Ｐａ（０．７Ｔｏｒｒ）の減圧状態にした。
【００４０】
次いで、電極とバンプが接触するように基板と半導体チップを重ねて、半導体チップを基板の方向に５ｋｇで加圧した。なおこの加圧によって、半導体チップの４辺から封止材料の流れ出しが多少観測された。次いで、パルスヒート方式で半導体チップを２５０℃５秒加熱して、バンプを形成する半田及び電極表面の半田を溶融させて、電極とバンプを接着した。
【００４１】
次いで、減圧槽内に外気を導入することにより雰囲気の圧力を常圧まで解放した後、１５０℃で３分間加熱して封止材料をゲル化させた。次いで、基板と半導体チップを減圧槽から取り出した後、１５０℃で２時間加熱して封止材料を硬化して実装を終了した。
【００４２】
（実施例２）
電極とバンプが接触するように基板と半導体チップを重ねて、半導体チップを基板の方向に５ｋｇで加圧した後、その加圧した状態を保ったまま、減圧槽内に外気を導入することにより雰囲気の圧力を常圧まで解放し、次いで、その加圧した状態を保ったまま、パルスヒート方式で半導体チップを２５０℃５秒加熱して、バンプを形成する半田及び電極表面の半田を溶融させて、電極とバンプを接着したこと以外は実施例１と同様にして半導体チップを基板に実装した。
【００４３】
（実施例３）
減圧槽の内部を２６７Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）の減圧状態にしたこと以外は実施例１と同様にして半導体チップを基板に実装した。
【００４４】
（実施例４）
減圧槽の内部を２７ｋＰａ（２００Ｔｏｒｒ）の減圧状態にしたこと以外は実施例１と同様にして半導体チップを基板に実装した。
【００４５】
（実施例５）
実施例１で用いた液状の封止材料を、９×９×０．１２ｍｍの大きさに注型した後、１００℃で１時間加熱してシート状とした封止材料を用いたこと以外は実施例１と同様にして半導体チップを基板に実装した。
【００４６】
（実施例６）
半田バンプを一方の表面の周辺部に２００μｍピッチと、その表面の中央部に３００μｍピッチで１０行１０列形成した１０ｍｍ角２７８端子の半導体チップを用いたこと以外は実施例１と同様にして半導体チップを基板に実装した。
【００４７】
（実施例７）
表面にバンプを有する半導体チップとして、金ワイヤボンダを用いて作成したスタッドバンプを一方の表面の周辺部に２００μｍピッチで形成した１０ｍｍ角１７８端子の半導体チップを用いた。また、表面に電極を有する基板として、銀ペーストを塗布した後、１２０℃１０分加熱して樹脂をＢステージ化させて形成した電極を表面に有する、厚み１．６ｍｍのガラスエポキシ樹脂積層板を用いた。
【００４８】
そして、基板の半導体チップを実装しようとする９ｍｍ角の範囲に、液状の熱硬化性封止材料［松下電工株式会社製、品名ＣＶ−５１８３Ｆ］を０．０２ｇ塗布した後、減圧槽に基板と半導体チップを投入し、次いで、真空ポンプを動かして、減圧槽の内部を９３Ｐａ（０．７Ｔｏｒｒ）の減圧状態にした。
【００４９】
次いで、電極とバンプが接触するように基板と半導体チップを重ねて、半導体チップを基板の方向に５０ｋｇで加圧した。次いで、その加圧した状態を保ったまま、減圧槽内に外気を導入することにより雰囲気の圧力を常圧まで解放した後、パルスヒート方式で半導体チップを１８０℃２分加熱して、銀ペーストを硬化させて、バンプと電極を接着すると共に、封止材料をゲル化させた。次いで、基板と半導体チップを減圧槽から取り出した後、１５０℃で２時間加熱して封止材料を硬化して実装を終了した。
【００５０】
（比較例１）
減圧槽内を減圧にすることなしに、実装の工程全体を常圧下で行ったこと以外は実施例１と同様にして半導体チップを基板に実装した。
【００５１】
（比較例２）
減圧槽内に外気を導入することなしに、１５０℃で３分間加熱して封止材料をゲル化させた後、減圧槽内に外気を導入することにより雰囲気の圧力を常圧まで解放したこと以外は実施例１と同様にして半導体チップを基板に実装した。
【００５２】
（評価、結果）
基板に実装した半導体チップの、気泡残留状況と接続信頼性を評価した。気泡残留状況は、基板と半導体チップの間の封止材料の硬化した部分を断面観察して、直径０．３ｍｍ以上の気泡の数を数えた。また、接続信頼性は、−５５℃３０分と１２５℃３０分の処理を１サイクルとして、このサイクルを１０００サイクル処理した後、バンプの接続抵抗を測定し、接続抵抗が１Ω以上のバンプの数を数えた。
【００５３】
その結果は、表１に示したように、各実施例は各比較例と比べて、残留している気泡が少ないと共に、接続信頼性が優れていることが確認された。また、減圧雰囲気の減圧度が１３ｋＰａ以下である実施例１〜３及び実施例５〜７は、実施例４と比べて、残留している気泡が特に少なく、接続信頼性も特に優れていることが確認された。
【００５４】
【表１】

【００５５】
【発明の効果】
本発明に係る半導体チップの実装方法は、減圧雰囲気下で、電極とバンプを接続した後、その接続した状態を保ちながら雰囲気の圧力を解放し、次いでその接続した状態を保ちながら封止材料を固化して実装するため、半導体チップと基板の間に残留する気泡が少ない実装が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体チップの実装方法の一実施の形態を説明する工程図である。
【図２】本発明に係る半導体チップの実装方法の他の実施の形態の、工程の一部を説明する図である。
【図３】従来の半導体チップの実装方法を説明する工程図である。
【図４】従来の、他の半導体チップの実装方法を説明する工程図である。
【図５】従来の、更に他の半導体チップの実装方法を説明する工程図である。
【符号の説明】
１０基板
１１電極
１２半導体チップ
１３バンプ
１４封止材料
２０減圧槽
２２真空ポンプ
２３減圧弁
２４外気導入弁
２５加圧盤
３０気泡

Claims

表面に電極を有する基板の、半導体チップを実装しようとする部分に、液状の封止材料を供給した後、減圧雰囲気下で、封止材料を供給した部分に、表面にバンプを有する半導体チップを重ねて上記電極と上記バンプを接続し、次いでその接続した状態を保ちながら外気を導入することにより、減圧槽内部の雰囲気の圧力を解放した後、その接続した状態を保ちながら封止材料を固化することを特徴とする半導体チップの実装方法。
減圧雰囲気の減圧度が、１３ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体チップの実装方法。
液状の封止材料を供給する方法が、室温で液状の封止材料を塗布する方法、又はシート状の封止材料を載置した後、加熱溶融させる方法であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体チップの実装方法。
封止材料が、熱硬化性樹脂組成物であると共に、封止材料を固化する方法が、封止材料を加熱して硬化する方法であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体チップの実装方法。
加熱する方法が、パルスヒート方式であることを特徴とする請求項４記載の半導体チップの実装方法。
電極とバンプを接続する方法が、電極とバンプを、金属接触により接続する方法であると共に、接続した状態を保つ方法が、半導体チップを基板の方向に加圧する方法であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体チップの実装方法。
電極とバンプを接続する方法が、電極とバンプを、金属溶着により接着する方法であると共に、接続した状態を保つ方法が、その接着によることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体チップの実装方法。