JP3594120B2 - 半導体装置の製造方法及びボンディング用加圧治具 - Google Patents

半導体装置の製造方法及びボンディング用加圧治具 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを回路基板上に熱硬化性又は熱可塑性の樹脂シートを介在させて、フリップチップ実装する半導体装置の製造方法及びその製造方法に用いるボンディング用加圧治具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の携帯情報端末の小型化・軽量化による半導体装置パッケージの高密度化・小型化・薄型化に伴い、フリップチップ接続によるＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）やＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）が必要とされている。フリップチップ実装方法について図４に基づいて説明する。回路基板２１表面には電極２２や配線２８が形成されており、搭載される半導体チップ２３には回路基板２１と相対する面に電極２４が形成されている。これらの電極２２、２４を位置合わせし、ボンディングツール２５にて半導体チップ２３を加熱・加圧することにより実装する。この際、電極同士を電気的に接続する方法として異方導電性フィルム２６を介在させる方法がある。この異方導電性フィルムはその中に微細な導電性粒子を分散された熱硬化性又は熱可塑性の樹脂フィルムで、半導体チップと回路基板との間で加熱・加圧されることにより、軟化・流動化して半導体チップ下全体に押し広げられて固化される。この際、半導体チップと回路基板の電極２２、２４間には導電性粒子２７が挟まれ電気的接続が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この異方導電性シート２６は実装前に回路基板１上に貼り付けられるのだが、この際、回路基板２１とその上に形成された配線２８との段差の部分に気泡を巻き込んでしまう。この気泡を排出する方法として、特開平９−２１９５７９号公報に開示されている技術等がある。これは、異方導電性樹脂２６その硬化温度以下にて加熱し、気泡の流動性を上げることにより、気泡を半導体チップ２３外に排出、その後、硬化温度にて加熱・加圧して電極部にはボイドを残さないというものである。しかし、これのみでは半導体チップ２３の外周には大きなボイド２９を含んだ樹脂層３０が形成されてしまう。また、この流れ出す樹脂は上方へと盛り上がっていくため、回路基板１と十分に密着されておらず、その間隔より水分が浸入しやすくなる。よって、吸湿試験に投入するとそれらの部分に多量の水分を含むようになり、このままリフロー炉に流せば、吸湿した水分が気化し、ボイド内にて膨張するため、半導体チップ外周付近より半導体パッケージの剥離や損傷が起こりやすくなる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、第１電極を有する半導体チップと該半導体チップと対向する面に前記第１極と対向する位置に第２電極を有する回路基板とを接着用の樹脂を介してフリップチップ方式にて、電気的に接続する半導体装置の製造方法において、前記半導体チップを加圧することによって前記半導体チップの外周より外側に流れ出た前記樹脂を加圧することを特徴とするものである。
【０００５】
また、本発明の半導体装置は、前記半導体チップを加圧する際に用いる加圧治具と半導体チップとの間にシート状部材を挟んだ後に前記半導体チップ及び前記樹脂を加圧することが望ましい。
【０００６】
また、本発明の半導体装置は、前記シート状部材の少なくとも前記樹脂と接触する面が前記樹脂が付着しないような材料から成ることが望ましい。
【０００７】
また、前記樹脂は異方導電性樹脂であることが望ましい。
【０００８】
また、本発明の半導体装置の製造方法において前記半導体チップ及び前記樹脂を加圧する際に用いるのボンディング用加圧治具は、前記半導体チップとの接触面に、開口部が該半導体チップの外形と略同一形状で、且つ、深さが接続後の前記回路基板の上面から前記半導体チップの上面までの高さよりも低く、且つ、加圧時に半導体チップと直接又は前記シート部材を介して嵌合する凹部を有することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明のボンディング用加圧治具は、本発明の半導体装置の製造方法において前記半導体チップ及び前記樹脂を加圧する際に用いるのボンディング用加圧治具であって、少なくとも前記樹脂との接触面が、該樹脂が付着しないような材質から成ることが望ましい。
【００１０】
また、本発明のボンディング用加圧治具は、更に、開口部が半導体チップの外形と略同一形状で、且つ、高さが接続後の前記回路基板の上面から前記半導体チップの上面までの高さよりも低く、且つ、加圧時に半導体チップと直接又は前記シート部材を介して嵌合する枠部と、前記半導体チップと前記枠とを加圧する加圧部とから成ることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明のボンディング用加圧治具は、前記枠部が前記樹脂との接着力を有する材質から成る、又は、前記枠部が該樹脂が付着しないような材質から成ること場合がある。
【００１２】
更に、前記樹脂が付着しないような材質としてフッ素系樹脂を用いることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に基づいて、本発明の半導体装置の製造方法及び、その製造方法に用いるボンディング用加圧治具について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図、図２は本発明の第１の実施例において、シート部材を用いた場合の製造工程の一部断面図、図３は本発明の第２の実施例の半導体装置の製造工程の一部断面図である。また、図１から図３において、１は回路基板、２は回路基板上に形成された電極、３は半導体チップ、４は半導体チップ上に形成された電極、５は加圧武となるボンディングツール、６は接着用の樹脂となる異方導電性フィルム、７は導電粒子、８は配線、９は気泡、１０は半導体チップよりはみ出した樹脂、１１は加圧治具となる、接触面をくり貫いて凹状の構造にしたボンディングツール、１２は枠、１３はシートである。
【００１５】
本発明の、半導体装置の製造方法において半導体チップ及び半導体チップ外縁からはみ出した樹脂を加圧する際に用いるのボンディング用加圧治具１１は、半導体チップ３との接触面に、開口部が半導体チップ３の外形と略同一形状で、且つ、深さが接続後の回路基板１の上面から半導体チップ３の上面までの高さよりも低く、且つ、加圧時に半導体チップ３と直接又はシート部材１３を介して嵌合する凹部を有することを特徴とする。
【００１６】
また、少なくともはみ出した樹脂１０との接触面が、樹脂１０が付着しないような材質から成ることが望ましい。具体的には、フッ素系樹脂のテフロン等が挙げられる。
【００１７】
また、開口部が半導体チップ３の外形と略同一形状で、且つ、高さが接続後の回路基板１の上面から半導体チップ３の上面までの高さよりも低く、且つ、加圧時に半導体チップ３と直接又はシート部材１３を介して嵌合する枠１２と、前記半導体チップ３と枠１２とを加圧する加圧部であるボンディングツール５とから成ることを特徴とする。
【００１８】
また、枠１２が樹脂１０との接着力を有する材質から成ることによって、枠を取り除く工程を省くことができる。具体的には、半導体チップをモールドするモールド樹脂と同じ材料を用いる。
【００１９】
また、枠１２が樹脂１０が付着しないような材質から成ることにより、取り扱いが容易になる。具体的には、フッ素系樹脂のテフロン等が挙げられる。
【００２０】
以下、図１を用いて、第１の実施例の半導体装置の製造工程を説明する。
【００２１】
図１（ａ）のように、まず、回路基板１上に半導体チップが搭載される位置に、その中に微細な導電性粒子を分散させた熱硬化性又は熱可塑性のフィルム状樹脂からなる異方導電性フィルム６を貼り付ける。一方、半導体チップ３の電極にはバンプ４予め形成する。バンプ形成は、例えば、直径２０μｍのＡｕワイヤを使用し、ボールボンディング法により形成する。形成後のバンプサイズは直径約８０μｍ程度である。
【００２２】
次に、半導体チップ３の電極４と回路基板１の電極２を位置合わせし、半導体チップ３を加熱・加圧してバンプ４を回路基板１の電極４と接触させる。バンプ４が押しつぶされ半導体チップが異方導電性フィルム６に接触すると、半導体チップ３に加えられた熱が伝わり、異方導電性フィルム６が軟化・流動化し、更に加圧により半導体チップ３の外に流されて行く。このとき、異方導電性フィルム６の貼り付け時に巻き込んだ空気も半導体チップ１の外に押し出されて行く。
【００２３】
次に、このはみ出した樹脂１０しつぶすために、図１（ｂ）に示すようなボンディングツール１１いる。このボンディングツール１１は、接触面が半導体チップ３の外形もしくはそれよりやや大きいサイズをくり貫いた凹状の構造をとり、半導体チップ３の外にはみ出た樹脂１０を加熱・加圧するものである。また、そのくり貫く深さをはみ出した樹脂１０と半導体チップ３の両方に同時に加圧できるように調整することにより、最初のステップの接続においては、位置合わせと樹脂が完全には硬化しきらないような低い温度にて、仮の接合をしておき、次のステップで、ボンディングツール１１にて加熱・加圧を行ない樹脂６を完全硬化させ、本接続することが可能となる。樹脂への段階的な加熱が可能になることから、樹脂の急激な加熱によるボイドの発生を防ぐことができる。
【００２４】
また、ボンディングツール１１の表面を異方導電性フィルムが付着しないような素材で、コーティングするか、或いは、図２に示すように、図１（ａ）の工程の後、凹状の構造となるボンディングツール１１と半導体チップ３との間に同様の素材でできたシート１３を介在させることにより、異方導電性フィルムの付着を防止し、付着によるトラブルやクリーニング作業を避けることが望ましい。この素材には、フッ素系樹脂のテフロンなどが挙げられる。
【００２５】
次に、図３を用いて、本発明の第２の実施例について説明する。
【００２６】
半導体チップ３を回路基板１に接続するまでは第１の実施例（図１（ａ））と同様である。次に、図３に示すように、半導体チップ３の外形もしくはそれよりやや大きいサイズを打ち抜いた枠１２を位置合わせして、実装した半導体チップ３の側面よりはみ出た異方性導電樹脂１０上に置く。それから、回路基板３と平行にした表面の平らなツール５にて加圧し、はみ出し樹脂１０内のボイド９を押し潰し、同時にはみ出した樹脂１０と回路基板１とを十分に密着させる。
【００２７】
これにより様々な大きさの半導体チップを接続する際に、各々に合わせたツールを用意するのではなく、枠のみを用意すればよいため、コストが抑えられる。また、枠１２の高さを接続後の回路基板の上面から半導体チップの上面までの高さよりも低くし、半導体チップ３とはみ出した樹脂１０の両方を同時に加圧できるように調節することによって、第１の実施例同様、加熱を段階的にでき、ボイドの発生を抑えることができる。
【００２８】
枠１２に異方導電性樹脂との離型性の良い素材でコーティングするなり、枠１２と実装後の半導体装置との間に同様の素材でできたシートを介在させることにより、取り扱いを容易にすることが可能となり、枠１２の再利用が容易に可能となる。逆に、枠１２の素材を異方導電性樹脂との接着力がある樹脂にすることにより、ボンディング後枠をそのまま密着させて、枠を取り除く工程を省くことができる。この素材には例えば半導体装置パッケージにおいて、モールドまで施す場合、そのモールド樹脂と同様の樹脂を用いるのが好ましい。
【００２９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、異方導電性フィルムなどの熱硬化性または熱可塑性の樹脂を介在させたフリップチップ実装において、半導体チップよりはみ出た樹脂に加熱・加圧を与えることにより、その中に形成されたボイドを押し潰し、更に、その樹脂と回路基板との密着性を向上させ、これにより、吸湿試験における水分の浸入を極力抑えることができ、半導体装置の耐湿信頼性及び耐リフロー性を向上させることができる。
【００３０】
また、前記半導体チップを加圧する際に用いる加圧治具と半導体チップとの間にシート状部材を挟んだ後に前記半導体チップ及び前記樹脂を加圧することにより、より確実に半導体チップからはみ出した樹脂を加圧することができ、樹脂中のボイドを押しつぶすことができる。
また、シート状部材の少なくともはみ出した樹脂と接触する面が樹脂が付着しないような材料から成ることにより、樹脂の付着のトラブルやクリーニング作業を回避することができる。
【００３１】
また、本発明の半導体装置の製造方法において前記半導体チップ及び前記樹脂を加圧する際に用いるボンディング用加圧治具が、半導体チップとの接触面に、開口部が該半導体チップの外形と略同一形状で、且つ、深さが接続後の前記回路基板の上面から前記半導体チップの上面までの高さよりも低く、且つ、加圧時に半導体チップと直接又は前記シート部材を介して嵌合する凹部を有することによって、又は、開口部が半導体チップの外形と略同一形状で、且つ、高さが接続後の前記回路基板の上面から前記半導体チップの上面までの高さよりも低く、且つ、加圧時に半導体チップと直接又は前記シート部材を介して嵌合する枠部と、前記半導体チップと前記枠とを加圧する加圧部とから成ることによって、その中に形成されたボイドを押し潰し、更に、その樹脂と回路基板との密着性を向上させ、これにより、吸湿試験における水分の浸入を極力抑えることができ、半導体装置の耐湿信頼性及び耐リフロー性を向上させることができる。
【００３２】
本発明のボンディング用加圧治具は少なくとも前記樹脂との接触面が、該樹脂が付着しないような材質、例えば、フッ素系樹脂から成ることにより、取り扱いを容易にすることができる。
【００３３】
また、枠部が樹脂との接着力を有する材質から成ることことにより、ボンディング後枠をそのまま密着させて、枠を取り除く工程を省くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例において、シート部材を用いた場合の製造工程の一部断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例の半導体装置の製造工程の一部断面図である。
【図４】従来の、フリップチップ実装工程の一部断面図である。
【符号の説明】
１ 回路基板
２ 回路基板上に形成された電極
３ 半導体チップ
４ 半導体チップ上に形成された電極
５ ボンディングツール
６ 異方導電性フィルム
７ 導電粒子
８ 配線
９ 気泡
１０ 半導体チップよりはみ出した樹脂
１１ 接触面をくり貫いて凹状の構造にしたボンディングツール
１２ 枠
１３ シート

Claims (14)

  1. 第１の電極を有する半導体チップと該半導体チップと対向する面に前記第１の電極と対向する位置に第2の電極を有する回路基板とを接着用の樹脂を介してフリップチップ方式にて、電気的に接続する半導体装置の製造方法において、
    前記半導体チップとの接触面に、開口部が該半導体チップの外形と略同一形状で、且つ、深さが接続後の前記回路基板の上面から前記半導体チップの上面までの高さよりも低く、且つ、加圧時に半導体チップと直接又は前記シート部材を介して嵌合する凹部を有するボンディング用加圧治具、を用いて、前記半導体チップを加圧することによって前記半導体チップの外周より外側に流れ出た前記樹脂を加圧し、前記樹脂の中に形成されたボイドを押し潰し、更に、前記樹脂と前記回路基板との密着性を向上させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記半導体チップを加圧する際に用いる加圧治具と半導体チップとの間にシート状部材を挟んだ後に前記半導体チップ及び前記樹脂を加圧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。
  3. 前記シート状部材の少なくとも前記樹脂と接触する面が前記樹脂が付着しないような材料から成ることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記樹脂は異方導電性樹脂であることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記樹脂が付着しないような材料としてフッ素系樹脂を用いることを特徴とする、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記樹脂が硬化しきらない温度で前記半導体チップと前記回路基板との仮の接合をするステップと、
    前記ボンディング用加圧治具にて加熱・加圧を行ない前記樹脂を完全硬化させるステップとを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において前記半導体チップ及び前記半導体チップを加圧することによって前記半導体チップの外周より外側に流れ出た前記樹脂を加圧し、前記樹脂の中に形成されたボイドを押し潰し、更に、前記樹脂と前記回路基板との密着性を向上させる際に用いるボンディング用加圧治具であって、前記半導体チップとの接触面に、開口部が該半導体チップの外形と略同一形状で、且つ、深さが接続後の前記回路基板の上面から前記半導体チップの上面までの高さよりも低く、且つ、加圧時に半導体チップと直接又は前記シート部材を介して嵌合する凹部を有することを特徴とするボンディング用加圧治具。
  8. 前記凹部の深さが、前記半導体チップの外周より外側に流れ出た前記樹脂と前記半導体チップとを同時に加圧できる深さであることを特徴とする請求項７に記載のボンディング用加圧治具。
  9. 少なくとも前記樹脂との接触面が、該樹脂が付着しないような材質から成ることを特徴とする、請求項７または８に記載のボンディング用加圧治具。
  10. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において前記半導体チップ及び前記半導体チップを加圧することによって前記半導体チップの外周より外側に流れ 出た前記樹脂を加圧し、前記樹脂の中に形成されたボイドを押し潰し、更に、前記樹脂と前記回路基板との密着性を向上させる際に用いるボンディング用加圧治具であって、開口部が半導体チップの外形と略同一形状で、且つ、高さが接続後の前記回路基板の上面から前記半導体チップの上面までの高さよりも低く、且つ、加圧時に半導体チップと直接又は前記シート部材を介して嵌合する枠部と、前記半導体チップと前記枠部とを加圧する加圧部とから成ることを特徴とするボンディング用加圧治具。
  11. 前記枠部の高さが、前記半導体チップの外周より外側に流れ出た前記樹脂と前記半導体チップとを同時に加圧できる高さであることを特徴とする請求項１０に記載のボンディング用加圧治具。
  12. 前記枠部が前記樹脂との接着力を有する材質から成ることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のボンディング用加圧治具。
  13. 前記枠部が該樹脂が付着しないような材質から成ることを特徴とする、請求項１０または１１に記載のボンディング用加圧治具。
  14. 前記樹脂が付着しないような材質としてフッ素系樹脂を用いることを特徴とする、請求項９または請求項１３に記載のボンディング用加圧治具。
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