JP3653227B2 - 半導体装置およびその製造方法並びにこれに用いる半導体チップ接着用フィルム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップ接着用フィルムを適用した半導体装置、その半導体装置の製造方法、および信頼性に優れた半導体装置を得ることが可能な実装方法に供される半導体チップ接着用フィルム、に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微細な電極間隔を有する半導体チップを高密度に実装する方法として、配線基板上に設けた熱硬化性の半導体チップ接着用フィルム（以下、単に接着用フィルムと言う）に、加熱した半導体チップを押し付けることによって半導体チップを配線基板上に機械的かつ電気的に接続するフリップチップ実装法が有効である。
【０００３】
従来の接着用フィルムは大別して３種類あった。すなわち、粒径５μｍの導電粒子を含有した樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルム（以下、接着用フィルムＩと言う）、導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と導電粒子を含有しない樹脂系接着剤からなる第２の接着層の２層で構成された接着用フィルム（以下、接着用フィルムＩＩと言う）、導電粒子を含有しない樹脂系接着剤のみからなる単層の接着用フィルム（以下、接着用フィルムＩＩＩと言う）を用いる方法である。ちなみに導電粒子を含有した接着用フィルムは、特に異方性導電接着用フィルムと呼ばれる。
【０００４】
以下、図を用いて各接着用フィルムを用いた場合の半導体チップの実装方法を説明する。
【０００５】
従来の導電粒子を含有した樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルムＩを用いて半導体チップを実装する方法を図８に示す。かかる半導体チップの接続構造の一例は、特開昭６０−１８０１３２号公報中の図１に開示されている。
【０００６】
図中、２は導電粒子、４は半導体チップ、５は半導体チップ側の電極、６は配線基板、７は配線基板上の電極、１０５は導電粒子２を含有した樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルム（接着用フィルムＩ）、２０５は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【０００７】
図８（ａ）は接着用フィルム１０５を配線基板６上に貼りつけた状態の断面図であり、図８（ｂ）は約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けた状態の断面図、をそれぞれ示す。
【０００８】
図８（ｂ）に示すように、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７で単層の接着用フィルム１０５に含有された導電粒子２をはさむことによって、半導体チップ４と配線基板６間の電気的接続を実現している。
【０００９】
図９は従来の導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と導電粒子を含有しない樹脂系接着剤からなる第２の接着層の２層からなる接着用フィルムＩＩを用いて半導体チップを実装する方法を示している。かかる実装方法は、エレクトロニクス実装学会誌、Vol. 2、No.2、99〜103ページ、(1999)の「フリップチップ接続用異方導電材料」竹村他、に記載されている。
【００１０】
図中、１０６ａは導電粒子２を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１０６ｂは導電粒子２を含有しない樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２０６は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【００１１】
図９（ａ）は配線基板６に接着用フィルム１０６を貼りつけた状態の断面図、図９（ｂ）は約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し当てた状態の断面図、をそれぞれ示す。
【００１２】
加熱した半導体チップ４を配線基板６に押し付けた際に、導電粒子２が第２の接着層１０６ｂに分散し、半導体チップ側の電極５間，また配線基板上の電極７間でそれぞれ導電粒子２の凝集の発生を防止できるため、半導体チップ４の複数の電極５間の高絶縁性を維持しつつ、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７で導電粒子２をはさんで半導体チップ４と配線基板６を電気的に接続することによって、電極５の間隔の小さな半導体チップ４においても、実装を可能にしている。
【００１３】
図１０は従来の導電粒子２を含有しない樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルム（接着用フィルムＩＩＩ）を用いた半導体チップの実装方法を示す。かかる半導体チップの接続構造は特開平９−９７８１６号公報中の図１に開示されている。
【００１４】
図１０（ａ）は配線基板６に接着用フィルム１０７を貼りつけた状態の断面図、図１０（ｂ）は約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けた状態の断面図、をそれぞれ示す。図中、２０７は加熱硬化後の接合層を示す。
【００１５】
半導体チップ４と配線基板６の電気的接続は、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の機械的接触によって得られる。つまり、半導体チップ４上に設けられた電極５が変形する際に周囲の樹脂系接着剤１０７を排除することによって、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の機械的接触が得られ、この結果、半導体チップ４と配線基板６の電気的接続を実現している。
【００１６】
図１１は、従来の導電粒子を含有しない樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルムを用いた半導体チップの実装方法を示す。かかる半導体チップの接続方法は特開平１０−３３５３７３号公報中の図１に開示されている。
【００１７】
図１１（ａ）は予め配線基板６上に配置した接着用フィルム１０９をとおして、半導体チップ４を押し付け、超音波振動１２を加えて半導体チップ４と配線基板６とを接合した状態の断面図である。図１１（ｂ）は接着用フィルム１０９を加熱して接合層２０９を硬化した状態の断面図を示す。超音波振動１２により固相接合された半導体チップ４側の電極５と配線基板６側の電極７を介して、半導体チップ４と配線基板６は電気的に接続されている。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明した接着用フィルムＩ,ＩＩ,ＩＩＩは下記の問題点があった。
【００１９】
導電粒子２を含有した樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルム１０５（接着用フィルムＩ、図８）では、加熱した半導体チップ４を押し付けた際に接着用フィルム１０５を構成する樹脂系接着剤の粘度が液状化により低下し、樹脂系接着剤自体が流動する。この結果、半導体チップ側の電極５、配線基板上の電極７間ではさみこんで捕捉できる導電粒子２の数が本来の導電粒子の含有量から補足できうると見積もられる値より大幅に減少するため、導通抵抗が増大する問題があった。
【００２０】
樹脂系接着剤の流動を抑えるために接着用フィルム１０５全体に一様に非導電粒子を混入する方法が有効であるが、非導電粒子混入によってもたらされた接着用フィルム全体の流動性低下のため、図１２に示すように、加熱硬化後に半導体チップ４の周側部に排出した接合層２０８が半導体チップ４周側部に沿って円弧形状にならずに半導体チップ４下端部から離れた部分で盛り上がる形状、すなわち凸部形状１１を有するため、半導体チップ４と配線基板６間の機械的強度が低下する問題があった。
【００２１】
導電粒子２を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層１０６ａと導電粒子を含有しない樹脂系接着剤からなる第２の接着層１０６ｂの２層で構成される接着用フィルム１０６（接着用フィルムＩＩ、図９）は、単層の接着用フィルムＩとは異なり、半導体チップ４と導電粒子２を含有する第１の接着層１０６ａが直接接触しないため、半導体チップ４の電極５間の絶縁性が高いという長所がある一方、単層の接着用フィルムＩを用いた場合と同様に、接着用フィルムを構成する樹脂系接着剤の粘度が加熱による液状化の際低下し、樹脂系接着剤自体が流動する問題が生じた。
【００２２】
導電粒子を含有しない樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルム１０７（接着用フィルムＩＩＩ、図１０）を用いる場合も以下の問題があった。
【００２３】
すなわち、半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の機械的接触を維持する力は、樹脂系接着剤と電極５の熱収縮の差によって生じる。樹脂系接着剤の熱膨張が大きいと高温時に樹脂系接着剤が膨張し、半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の機械的接触が失われる。高温時でも半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の機械的接触を安定に維持するには、加熱硬化後の接合層２０７の熱膨張を低減する必要がある。かかる熱膨張の低減を図るには、非導電粒子を接着用フィルム１０７全体に混入させればよいが、この場合上述した単層の接着用フィルムＩと同様な機械的強度低下の問題が生じた。
【００２４】
また、図１１に示した従来の接着用フィルムは構成上最も簡単であるものの、上述したように、樹脂系接着剤のみでは加熱硬化後の接合層２０９の熱膨張が大きくなってしまい、半導体チップ４側の電極５と配線基板６側の電極７の機械的および電気的接続を壊す問題があった。
【００２５】
本発明は上記問題点を鑑み考案されたもので、低コストで高い信頼性が実現可能な半導体装置、その半導体装置の製造方法、およびこの半導体装置を得ることが可能な実装方法に供される半導体チップ接着用フィルム、を提供するものである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、電極を具備する半導体チップと、電極を具備する配線基板と、導電粒子および第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度であってかつ粒径の小さな第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層とを有する接着用フィルムを、第１の接着層を配線基板上の電極が設けられている側に、第２の接着層を半導体チップの電極が設けられている側に配置して加熱硬化することにより形成された接合層と、を備えることとした。
【００２９】
また、本発明に係る半導体装置は、上述の第１の非導電粒子の粒径は１〜５μｍ、濃度は４０〜７０重量％であって、かつ第２の非導電粒子の粒径は０．１μｍ以上１．０μｍ未満で濃度は１０〜３０重量％であることとした。
【００３４】
また、本発明に係る半導体装置は、電極を具備する半導体チップと、電極を具備する配線基板と、第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度よりも低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層とを有する接着用フィルムを、第１の接着層を配線基板上の電極が設けられている側に、第２の接着層を半導体チップの電極が設けられている側に配置して加熱硬化することにより形成された接合層と、を備えることとした。
【００３５】
また、本発明に係る半導体装置は、上述の第１の非導電粒子の粒径は１〜５μｍで濃度は４０〜７０重量％であり、上述の第２の非導電粒子の粒径は０．１μｍ以上１．０μｍ未満で濃度は１０〜３０重量％であることとした。
【００３９】
また、本発明に係る半導体チップ接着用フィルムは、導電粒子および第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層と、を備えることとした。
【００４２】
また、本発明に係る半導体チップ接着用フィルムは、第１の非導電粒子を含有する第１の樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層と、を備えることとした。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明は、半導体チップと配線基板とを接着用フィルムを介して接着する場合に、接着用フィルムを加熱硬化した後に形成される接合層の層厚の再現性を維持しながら、半導体チップと配線基板間の接合が機械強度的に充分強くなるよう接合層が半導体チップ周側部の所定の部位まで覆う形状とすべく、接着用フィルムを２層の接着層で構成して、配線基板側の接着層の流動性を半導体チップ側の接着層の流動性より小さくなるようにしたものである。以下、各実施の形態において、本発明を説明する。
【００４４】
実施の形態１.
図１は本発明の実施の形態１による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、１０１は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１０１ａは導電粒子２および非導電粒子３を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１０１ｂは樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２は導電粒子、３は非導電粒子、４は半導体チップ、５は半導体チップ側の電極、６は配線基板、７は配線基板上の電極、２０１は加熱硬化後の接合層、８は加熱硬化後の接合層における半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分、をそれぞれ表す。
【００４５】
図１（ａ）は配線基板６上に接着用フィルム１０１を貼りつけた状態の断面図、図１（ｂ）は半導体チップ４が接合層２０１を介して配線基板６に接着した状態の断面図、をそれぞれ示す。
【００４６】
第１の接着層１０１ａは配線基板６上で電極７が設けられた側の表面を覆うように配置され、第１の接着層１０１ａ上にさらに第２の接着層１０１ｂが配置され、半導体チップ４と配線基板６の接合時には、接着用フィルム１０１が両者にはさまれる形となる。
【００４７】
半導体チップ側の電極５の高さ３０μｍと配線基板上の電極７の高さ２０μｍを鑑み、第１の接着層１０１ａと第２の接着層１０１ｂの層厚をそれぞれ５０μｍ、２０μｍに設定することにより、接着用フィルム１０１の層厚が電極全体の層厚より厚くなるようにしている。
【００４８】
第１の接着層１０１ａの層厚は、半導体チップ側の電極５の高さと配線基板上の電極７の高さの総和に等しいことが望ましいが、特にかかる値に限定されるものではない。
【００４９】
接着用フィルム１０１に約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けた際に、一旦第２の接着層１０１ｂが液状化して充分流動した後、加熱することにより生じる硬化によって接合層２０１において半導体チップ周側部に沿って半導体チップ４側から配線基板６に拡がる円弧形状の部分８が形成される。
【００５０】
この結果、半導体チップ４と配線基板６間の機械的強度が向上し、半導体装置の長期信頼性を確保することができる。また、非導電粒子３を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層１０１ａは、非導電粒子３を含有したことにより配線基板６の平面方向に対して接着用フィルム１０１の流動が抑えられるため、半導体チップ側の小面積の電極５でも接続抵抗を充分小さくできる程度の導電粒子数を捕捉することができる。
【００５１】
具体的には従来の導電粒子のみを含有した従来の単層の接着用フィルム（接着用フィルムI）では半導体チップ側の直径６０μｍの電極５を用いた場合、１０個の導電粒子しか捕捉できなかったが、本実施の形態では導電粒子の捕捉数は１５個に向上し、接続抵抗を従来の２／３に低減することができた。なお、本実施の形態では接着用フィルム１０１としてエポキシ系樹脂の接着剤で９０℃における粘度が２００ｃｐｓのものを用いた。
【００５２】
しかしながら、エポキシ系樹脂に限らず、ポリイミド系、アクリル系の樹脂からなる接着剤でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
樹脂系接着剤からなる第１の接着層１０１ａに含有された導電粒子２は、粒径5μｍのスチレン等からなるプラスチックのボールに金（Au）あるいはニッケル（Ni）メッキを施したものが一般的であるが、ニッケルからなる金属粒子を用いても良い。
【００５４】
第１の接着層１０１ａ中の導電粒子２の濃度は、５０万〜３００万個／ｍｍ3の範囲が望ましく、１００万〜２００万個／ｍｍ3の範囲がより好適である。
【００５５】
本実施の形態では、樹脂系接着剤からなる第１の接着層１０１ａに含有された非導電粒子３は粒径１．５μｍのシリカを約５０重量％含有したものを用いたが、本発明の効果を発現する非導電粒子３の濃度としては、２０〜８０重量％の範囲が望ましく、より好適には４０〜７０重量％、さらに好適には４５〜５５重量％の範囲が望ましい。また、非導電粒子３の材料として、アルミナ、窒化硼素、窒化珪素等を用いることができる。
【００５６】
なお、加熱硬化後の接合層２０１の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明における機械的強度が充分高くなるという効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【００５７】
また、本実施の形態における第２の接着層１０１ｂには、導電粒子は意図的には含まれていないが、本発明の効果は、第２の接着層１０１ｂ中の導電粒子の有無に係わらず生じる。
【００５８】
実施の形態２.
図２は本発明の実施の形態２による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、３１は第１の非導電粒子、３２は第２の非導電粒子、１０２は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１０２ａは導電粒子２および第１の非導電粒子３１を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１０２ｂは第１の接着層中の第１の非導電粒子３１の濃度より低濃度である第２の非導電粒子３２を含有した樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２０２は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。なお、第２の非導電粒子３２の粒径は第１の非導電粒子３１の粒径とほぼ等しい。
【００５９】
図２（ａ）は配線基板６上に接着用フィルム１０２を貼りつけた状態の断面図を、図２（ｂ）は半導体チップ４を接着用フィルム１０２を介して配線基板６に接着した状態の断面図を、それぞれ示す。
【００６０】
約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けた際に、第２の非導電粒子３２を含有した樹脂系接着剤からなる第２の接着層１０２ｂが液状化して流動し、半導体チップ４の周辺に樹脂系接着剤を排出する。
【００６１】
樹脂系接着剤からなる第１の接着層１０２ａに含有された非導電粒子３１として粒径１．５μｍのシリカを約５０重量％含んだものを用いたが、本発明の効果を発現する第１の非導電粒子３１の濃度としては、４０〜７０重量％、より好適には４５〜５５重量％の範囲が望ましい。また、第１および第２の非導電粒子３１，３２の材料として、アルミナ、窒化硼素、窒化珪素等を用いることができる。
【００６２】
樹脂系接着剤からなる第２の接着層１０２ｂは第１の接着層１０２ａ中の第１の非導電粒子３１の濃度より低濃度である１０〜２０重量％の第２の非導電粒子３２を含有するが、この程度の非導電粒子含有量であれば、樹脂系接着剤の流動性を損なうことはなく、半導体チップ４の周辺に排出した樹脂は半導体チップの周側部に沿った円弧状の形状８を有する接合層２０２を形成できる。
【００６３】
第２の接着層１０２ｂ中に相対的に低濃度の第２の非導電粒子３２を含有させることで、第２の接着層１０２ｂの粘度が向上するため、第２の接着層１０２ｂの層厚制御が容易になる。この結果、以下の効果が生じる。すなわち、第１の接着層１０２ａは半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の層厚の総和に設定する必要があるが、半導体チップ側の電極５の高さまたは配線基板上の電極７の厚さがばらつくと、半導体チップ側の電極５が形成された面近傍に非導電粒子３１，３２を含有しない接着層が形成されたり、導電粒子２および第１の非導電粒子３１を含有した第１の接着層１０２ａが厚すぎて、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の接触を妨げる不都合が生じるが、第１の非導電粒子３１の含有によって流動性を低下させることにより第１の接着層１０２ａの層厚を安定に制御できるため、かかる問題を防止できる。
【００６４】
第１の接着層１０２ａ中の導電粒子２の濃度は、５０万〜３００万個／ｍｍ3の範囲が望ましく、１００万〜２００万個／ｍｍ3の範囲がより好適である。
【００６５】
また、本発明の効果は、第２の接着層１０２ｂ中の導電粒子の有無に係わらず生じる。
【００６６】
なお、加熱硬化後の接合層２０２の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【００６７】
実施の形態３.
図３は本発明の実施の形態３による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、１１２は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１１２ａは導電粒子２および第１の非導電粒子３１を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１１２ｂは第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子３２を含有した樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２１２は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【００６８】
図３（ａ）は配線基板６上に接着用フィルム１１２を貼りつけた状態の断面図を、図３（ｂ）は半導体チップ４が接合層２１２を介して配線基板６に接着した状態の断面図、をそれぞれ示す。
【００６９】
約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けた際に、第２の非導電粒子３２を含有した第２の接着層１１２ｂが液状化して流動し、半導体チップ４の周辺に樹脂系接着剤を排出する。第１の非導電粒子３１の粒径は１．５μｍ、濃度は約５０重量％であるのに対し、第２の接着層１１２ｂに含まれる第２の非導電粒子３２は粒径が０．５μｍで濃度が約２０重量％と第１の非導電粒子３１の濃度よりも低くなるよう設定した。この程度の第２の非導電粒子３２の含有量であれば、樹脂系接着剤の流動性を損なうことはないので、半導体チップ４の周辺に排出した樹脂は半導体チップの周側部に沿った円弧状の形状８を有する接合層２１２を形成することが可能である。
【００７０】
第２の非導電粒子３２の粒径を第１の非導電粒子３１の粒径より小さくする理由は、非導電粒子の粒径が小さくなるほどそれを含有した接着層の流動性が向上するためである。この流動性の向上は、質量の小さい非導電粒子の方が慣性力が小さく、また、重力の影響も受けにくいことによって生じる。
【００７１】
本実施の形態においては第１および第２の非導電粒子材料として同一のシリカを使用したが、第１の非導電粒子３１と第２の非導電粒子３２の材料を変えてもよい。例えば、第１の非導電粒子材料にアルミナ、窒化珪素等の比重の大きい材料を使用し、第２の非導電粒子材料にはシリカ等を用いても同様な効果が得られる。
【００７２】
本実施の形態においては、樹脂系接着剤からなる第１の接着層１１２ａに含有された第１の非導電粒子３１は粒径１．５μｍで約５０重量％の濃度のものを用いたが、本発明の効果を発現する第１の非導電粒子３１の濃度としては、４０〜７０重量％が好適であり、４５〜５５重量％の範囲がさらに好適である。また、第１の非導電粒子３１の粒径は１〜５μｍの範囲が望ましく、１〜２μｍの範囲がより好適である。
【００７３】
一方、樹脂系接着剤からなる第２の接着層１１２ｂに含有された第２の非導電粒子３２は粒径０．５μｍで約２０重量％の濃度のものを用いたが、本発明の効果を発現する第２の非導電粒子３２の濃度としては、１０〜３０重量％の範囲が望ましく、１５〜２５重量％の範囲がより好適であり、第２の非導電粒子３２の粒径は０．１μｍ以上１．０μｍ未満の範囲が望ましく、０．３〜０．７μｍの範囲がより好適である。
【００７４】
第２の接着層１１２ｂに相対的に低濃度の第２の非導電粒子３２を含有させることで、第２の接着層１１２ｂの層厚制御がより容易になる。この結果、以下の効果が生じる。すなわち、第１の接着層１１２ａは半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の層厚の総和に設定する必要があるが、半導体チップ側の電極５の高さまたは配線基板上の電極７の厚さがばらつくと、半導体チップ側の電極５が形成された面近傍に第１あるいは第２の非導電粒子３１、３２を含有しない接着層が形成されたり、第１の非導電粒子３１および導電粒子２を含有した第１の接着層１１２ａが厚すぎて、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の接触を妨げる不都合が生じるが、第１の非導電粒子３１の含有によって流動性を低下させることにより第１の接着層１１２ａの層厚を安定に制御できるため、かかる問題を防止できる。
【００７５】
第１の接着層１１２ａ中の導電粒子２の濃度は、５０万〜３００万個／ｍｍ3の範囲が望ましく、１００万〜２００万個／ｍｍ3の範囲がより好適である。
【００７６】
また、本発明の効果は、第２の接着層１１２ｂ中の導電粒子の有無に係わらず生じる。
【００７７】
なお、加熱硬化後の接合層２１２の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【００７８】
実施の形態４.
図４は本発明の実施の形態４による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、１０３は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１０３ａは非導電粒子３を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１０３ｂは樹脂系接着剤からなる非導電粒子を含有しない第２の接着層、２０３は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【００７９】
図４（ａ）は配線基板に接着用フィルム１０３を貼りつけた状態の断面図、図４（ｂ）は、半導体チップ４を加熱硬化後の接合層２０３を介して配線基板６に接着した状態の断面図、をそれぞれ示す。樹脂系接着剤からなる第２の接着層１０３ｂが液状化して流動し、半導体チップ４周辺に排出されることで半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分８を有する接合層２０３が形成される。
【００８０】
第２の接着層１０３ｂを構成する樹脂は非導電粒子３を含有しないため流動しやすくなり、加熱硬化後に半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分８を有する接合層２０３が得られる。また、接着後は半導体チップ４と配線基板６間は分散した非導電粒子３で満たされるので、接合層２０３の熱膨張係数を小さくすることができる。かかる２つの効果のため、半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の接触を高温まで保持することが可能となる結果、半導体チップ４と配線基板６の機械的接続の長期信頼性を確保するとともに、耐熱性をも向上することができる。
【００８１】
具体的には、第１の接着層１０３ａに非導電粒子３である粒径１．５μｍのシリカを５０重量％含有させることにより、加熱硬化後の接合層２０３の線膨張係数を７０ｐｐｍから３０ｐｐｍに低減できるため、耐熱温度を従来の１５０℃から２２０℃まで向上できる。
【００８２】
本発明の効果を発現する第１の接着層１０３ａの非導電粒子３の濃度としては、２０〜８０重量％の範囲が望ましく、４０〜７０重量％がより好適であり、４５〜５５重量％の範囲がさらに好適である。
【００８３】
本実施の形態においては、接着用フィルムに加熱した半導体チップを押し付けることによって半導体装置を形成する方法について示した。また、別の実装方法として、接着用フィルムに半導体チップを押し付けた後、半導体チップに超音波振動を加えて、半導体チップと配線基板を接合した後、接着用フィルムを硬化する方法を用いても同様な効果が期待できる。
【００８４】
なお、加熱硬化後の接合層２０３の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【００８５】
実施の形態５.
図５は本発明の実施の形態５による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、１１３は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１１３ａは第１の非導電粒子３１を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１１３ｂは第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度よりも低濃度の第２の非導電粒子３２を含有した樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２１３は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【００８６】
図５（ａ）は配線基板に接着用フィルム１１３を貼りつけた状態の断面図、図５（ｂ）は、半導体チップ４を加熱硬化後の接合層２１３を介して配線基板６に接着した状態の断面図、をそれぞれ示す。
【００８７】
第２の接着層１１３ｂを構成する樹脂中の第２の非導電粒子３２は低濃度であるため流動しやすくなり、加熱硬化後に半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分８を有する接合層２１３が得られる。また、接着後は半導体チップ４と配線基板６間は分散した第１および第２の非導電粒子３１、３２で満たされるので、接合層２１３の熱膨張係数を小さくすることができる。かかる２つの効果のため、半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の接触を高温まで保持することが可能となる結果、半導体チップ４と配線基板６の機械的接続の長期信頼性を確保するとともに、耐熱性をもさらに向上することができる。
【００８８】
本発明の効果を発現する第１の非導電粒子３１の濃度としては、４０〜７０重量％の範囲が望ましく、４５〜５５重量％の範囲がさらに好適である。また、第１の非導電粒子３１の粒径は１〜５μｍの範囲が望ましく、１〜２μｍの範囲がより好適である。一方、本発明の効果を発現する第２の非導電粒子３２の濃度としては、１０〜３０重量％の範囲が望ましく、１５〜２５重量％の範囲がより好適である。
【００８９】
本実施の形態では、接着用フィルム１１３に加熱した半導体チップ４を押し付けることによって半導体装置を形成する方法について示した。また、別の実装方法として、接着用フィルム１１３に半導体チップ４を押し付けた後、半導体チップ４に超音波振動を加えて、半導体チップ４と配線基板６を接合した後、接着用フィルム１１３を硬化する方法を用いても同様な効果が期待できる。
【００９０】
なお、加熱硬化後の接合層２１３の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップ４の周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【００９１】
実施の形態６.
図６は本発明の実施の形態６による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、１２３は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１２３ａは第１の非導電粒子３１を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１２３ｂは第１の非導電粒子よりも粒径が小さくかつ第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度の第２の非導電粒子３２を含有した樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２２３は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【００９２】
図６（ａ）は配線基板６に接着用フィルム１２３を貼りつけた状態の断面図、図６（ｂ）は、半導体チップ４を加熱硬化後の接合層２２３を介して配線基板６に接着した状態の断面図、をそれぞれ示す。樹脂系接着剤からなる第２の接着層１２３ｂが液状化して流動し、半導体チップ４周辺に排出されることで半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分８を有する接合層２２３が形成される。
【００９３】
第２の接着層１２３ｂを構成する樹脂は、第１の非導電粒子３１よりも粒径が小さい第２の非導電粒子３２を第１の接着層中の第１の非導電粒子３１の濃度よりも低濃度で含有しているため流動しやすくなり、加熱硬化後に半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分８を有する接合層２２３が得られる。また、接着後は半導体チップ４と配線基板６間は分散した第１および第２の非導電粒子３１、３２で満たされるので、接合層２２３の熱膨張係数を小さくすることができる。かかる２つの効果のため、半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の接触を高温まで保持することが可能となる結果、半導体チップ４と配線基板６の機械的接続の長期信頼性を確保するとともに、耐熱性をも向上することができる。
【００９４】
第１の非導電粒子３１の粒径は１〜５μｍの範囲が望ましく、１〜２μｍの範囲がより好適である。また、第１の非導電粒子３１の濃度は４０〜７０重量％の範囲が望ましく、４５〜５５重量％の範囲がさらに好適である。
【００９５】
一方、第２の非導電粒子３２の粒径は０．１μｍ以上１．０μｍ未満の範囲が望ましく、０．３〜０．７μｍの範囲がより好適である。また、第２の非導電粒子３２の濃度は１０〜３０重量％の範囲が望ましく、１５〜２５重量％の範囲がより好適である。
【００９６】
また、本実施の形態では、非導電粒子３１，３２として同一のシリカを使用したが、第１の非導電粒子３１と第２の非導電粒子３２の材料を変えてもよい。例えば、第１の非導電粒子材料にアルミナ、窒化珪素等の比重の大きい材料を使用し、第２の非導電粒子にはシリカ等を用いても同様な効果が得られる。
【００９７】
具体的には、第１の接着層１２３ａに第１の非導電粒子３１である粒径１．５μｍのシリカを５０重量％含有させることにより、加熱硬化後の接合層２２３の線膨張係数を７０ｐｐｍから３０ｐｐｍに低減できるため、耐熱温度を従来の１５０℃から２２０℃まで向上できる。
【００９８】
本実施の形態では、接着用フィルムに加熱した半導体チップを押し付けることによって半導体装置を形成する方法について示した。また、別の実装方法として、接着用フィルムに半導体チップを押し付けた後、半導体チップに超音波振動を加えて、半導体チップと配線基板を接合した後、接着用フィルムを硬化する方法を用いても同様な効果が期待できる。
【００９９】
なお、加熱硬化後の接合層２２３の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【０１００】
実施の形態７.
図７は本発明の実施の形態７による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【０１０１】
図中、１０４は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１０４ａは導電粒子２および非導電粒子３を含有した第１の接着層、１０４ｂは第２の接着層、２０４は加熱硬化後の接合層、９はボイド、１０はホットプレート、をそれぞれ示す。
【０１０２】
また、図７（ａ）は配線基板６上に接着用フィルム１０４を貼りつけた状態の断面図、図７（ｂ）は配線基板６をホットプレート１０上で加熱した状態の断面図、図７（ｃ）は加熱した半導体チップ４を押し付け、接着用フィルム１０４を硬化させた状態の断面図、をそれぞれ示す。
【０１０３】
配線基板６を加熱すると約９０℃で接着用フィルム１０４の樹脂が液状化し、接着用フィルム１０４と配線基板６間に閉じ込められていたボイド９が第１の接着層１０４ａをつきやぶって、第２の接着層１０４ｂに上昇する。
【０１０４】
配線基板６に約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けると、非導電粒子３を含有しない樹脂系接着剤からなる第２の接着層１０４ｂは流動しやすく、第２の接着層１０４ｂの樹脂系接着剤が排出すると同時にボイド９は半導体チップ４周辺に排出される。
【０１０５】
接着用フィルム１０４が半導体チップ４により２００℃に加熱されると硬化が生じ、接合層２０４が形成される。この加熱硬化の際に、接合層２０４のうち半導体チップ４の周側部に沿った部分に円弧形状の部分８が形成される。
【０１０６】
上述の実験では、樹脂系接着剤として９０℃で２００ｃｐｓになるエポキシ樹脂を用いた。また、接着用フィルム１０４を貼りつけた配線基板６を９０℃に加熱することにより、接着用フィルム１０４と配線基板６間に閉じ込められたボイド９は第１の接着層１０４ａを突き破り、さらに第２の接着層１０４ｂに浮き上がるので、約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けて樹脂系接着剤を排除すると同時にボイド９も排出することができる。
【０１０７】
なお、加熱硬化後の接合層２０４の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置では、電極を具備する半導体チップと、電極を具備する配線基板と、導電粒子および第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度であってかつ粒径の小さな第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層とを有する接着用フィルムを、第１の接着層を配線基板上の電極が設けられている側に、第２の接着層を半導体チップの電極が設けられている側に配置して加熱硬化することにより形成された接合層と、を備えることとしたので、小さな電極でも導電粒子を捕捉することができるとともに、半導体チップ周側部に所定の形状の接合層を安定に形成することができる結果、機械的強度に優れた信頼性の高い半導体装置を得る効果がある。
【０１１３】
また、本発明に係る半導体装置では、電極を具備する半導体チップと、電極を具備する配線基板と、第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度よりも低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層とを有する接着用フィルムを、第１の接着層を配線基板上の電極が設けられている側に、第２の接着層を半導体チップの電極が設けられている側に配置して加熱硬化することにより形成された接合層と、を備えることとしたので、接合層の層厚を安定に制御することができるとともに、長期信頼性に優れかつ耐熱特性も向上した半導体装置を容易に得ることができる。
【０１１７】
また、本発明に係る半導体チップ接着用フィルムでは、導電粒子および第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層と、を備えることとしたので、半導体チップ上の小さな電極でも容易に導電粒子を捕捉することができるとともに、半導体チップと配線基板とを接着する際に半導体チップ周側部に所定の形状の接合層が安定に形成できる効果がある。
【０１２０】
また、本発明に係る半導体チップ接着用フィルムでは、第１の非導電粒子を含有する第１の樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層と、を備えることとしたので、半導体チップと配線基板とを接着する際に容易に半導体チップ周側部で接着用フィルム側に所定の形状の接合層が安定に形成でき、かつ耐熱性に優れているという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態２による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態３による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態４による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図５】 本発明の実施の形態５による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態６による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図７】 本発明の実施の形態７による接着用フィルムを用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図８】 従来の接着用フィルム（接着用フィルムI）を用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図９】 従来の接着用フィルム（接着用フィルムII）を用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図１０】 従来の接着用フィルム（接着用フィルムIII）を用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図１１】 従来の接着用フィルムを用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１２】 従来の接着用フィルムを用いた半導体装置の周側部近傍の断面図である。
【符号の説明】
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５，１０６、１０７、１１２、１１３、１２３ 接着用フィルム、 １０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａ、１０６ａ、１１２ａ、１１３ａ、１２３ａ 第１の接着層、 １０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ、１０６ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１２３ｂ 第２の接着層、 ２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２１１、２１３、２２３ 接合層、 ２ 導電粒子、 ３ 非導電粒子、 ３１ 第１の非導電粒子、 ３２ 第２の非導電粒子、 ４ 半導体チップ、 ５ 半導体チップ上の電極、 ６ 配線基板、 ７ 配線基板上の電極、 ８ 加熱硬化した接合層における半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分、 ９ ボイド、 １０ ホットプレート、 １１ 半導体チップ下端部から離れた部分で凸部形状を呈した接合層、 １２ 超音波振動。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップ接着用フィルムを適用した半導体装置、その半導体装置の製造方法、および信頼性に優れた半導体装置を得ることが可能な実装方法に供される半導体チップ接着用フィルム、に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微細な電極間隔を有する半導体チップを高密度に実装する方法として、配線基板上に設けた熱硬化性の半導体チップ接着用フィルム（以下、単に接着用フィルムと言う）に、加熱した半導体チップを押し付けることによって半導体チップを配線基板上に機械的かつ電気的に接続するフリップチップ実装法が有効である。
【０００３】
従来の接着用フィルムは大別して３種類あった。すなわち、粒径５μｍの導電粒子を含有した樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルム（以下、接着用フィルムＩと言う）、導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と導電粒子を含有しない樹脂系接着剤からなる第２の接着層の２層で構成された接着用フィルム（以下、接着用フィルムＩＩと言う）、導電粒子を含有しない樹脂系接着剤のみからなる単層の接着用フィルム（以下、接着用フィルムＩＩＩと言う）を用いる方法である。ちなみに導電粒子を含有した接着用フィルムは、特に異方性導電接着用フィルムと呼ばれる。
【０００４】
以下、図を用いて各接着用フィルムを用いた場合の半導体チップの実装方法を説明する。
【０００５】
従来の導電粒子を含有した樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルムＩを用いて半導体チップを実装する方法を図８に示す。かかる半導体チップの接続構造の一例は、特開昭６０−１８０１３２号公報中の図１に開示されている。
【０００６】
図中、２は導電粒子、４は半導体チップ、５は半導体チップ側の電極、６は配線基板、７は配線基板上の電極、１０５は導電粒子２を含有した樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルム（接着用フィルムＩ）、２０５は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【０００７】
図８（ａ）は接着用フィルム１０５を配線基板６上に貼りつけた状態の断面図であり、図８（ｂ）は約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けた状態の断面図、をそれぞれ示す。
【０００８】
図８（ｂ）に示すように、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７で単層の接着用フィルム１０５に含有された導電粒子２をはさむことによって、半導体チップ４と配線基板６間の電気的接続を実現している。
【０００９】
図９は従来の導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と導電粒子を含有しない樹脂系接着剤からなる第２の接着層の２層からなる接着用フィルムＩＩを用いて半導体チップを実装する方法を示している。かかる実装方法は、エレクトロニクス実装学会誌、Vol. 2、No.2、99〜103ページ、(1999)の「フリップチップ接続用異方導電材料」竹村他、に記載されている。
【００１０】
図中、１０６ａは導電粒子２を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１０６ｂは導電粒子２を含有しない樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２０６は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【００１１】
図９（ａ）は配線基板６に接着用フィルム１０６を貼りつけた状態の断面図、図９（ｂ）は約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し当てた状態の断面図、をそれぞれ示す。
【００１２】
加熱した半導体チップ４を配線基板６に押し付けた際に、導電粒子２が第２の接着層１０６ｂに分散し、半導体チップ側の電極５間，また配線基板上の電極７間でそれぞれ導電粒子２の凝集の発生を防止できるため、半導体チップ４の複数の電極５間の高絶縁性を維持しつつ、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７で導電粒子２をはさんで半導体チップ４と配線基板６を電気的に接続することによって、電極５の間隔の小さな半導体チップ４においても、実装を可能にしている。
【００１３】
図１０は従来の導電粒子２を含有しない樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルム（接着用フィルムＩＩＩ）を用いた半導体チップの実装方法を示す。かかる半導体チップの接続構造は特開平９−９７８１６号公報中の図１に開示されている。
【００１４】
図１０（ａ）は配線基板６に接着用フィルム１０７を貼りつけた状態の断面図、図１０（ｂ）は約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けた状態の断面図、をそれぞれ示す。図中、２０７は加熱硬化後の接合層を示す。
【００１５】
半導体チップ４と配線基板６の電気的接続は、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の機械的接触によって得られる。つまり、半導体チップ４上に設けられた電極５が変形する際に周囲の樹脂系接着剤１０７を排除することによって、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の機械的接触が得られ、この結果、半導体チップ４と配線基板６の電気的接続を実現している。
【００１６】
図１１は、従来の導電粒子を含有しない樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルムを用いた半導体チップの実装方法を示す。かかる半導体チップの接続方法は特開平１０−３３５３７３号公報中の図１に開示されている。
【００１７】
図１１（ａ）は予め配線基板６上に配置した接着用フィルム１０９をとおして、半導体チップ４を押し付け、超音波振動１２を加えて半導体チップ４と配線基板６とを接合した状態の断面図である。図１１（ｂ）は接着用フィルム１０９を加熱して接合層２０９を硬化した状態の断面図を示す。超音波振動１２により固相接合された半導体チップ４側の電極５と配線基板６側の電極７を介して、半導体チップ４と配線基板６は電気的に接続されている。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明した接着用フィルムＩ,ＩＩ,ＩＩＩは下記の問題点があった。
【００１９】
導電粒子２を含有した樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルム１０５（接着用フィルムＩ、図８）では、加熱した半導体チップ４を押し付けた際に接着用フィルム１０５を構成する樹脂系接着剤の粘度が液状化により低下し、樹脂系接着剤自体が流動する。この結果、半導体チップ側の電極５、配線基板上の電極７間ではさみこんで捕捉できる導電粒子２の数が本来の導電粒子の含有量から補足できうると見積もられる値より大幅に減少するため、導通抵抗が増大する問題があった。
【００２０】
樹脂系接着剤の流動を抑えるために接着用フィルム１０５全体に一様に非導電粒子を混入する方法が有効であるが、非導電粒子混入によってもたらされた接着用フィルム全体の流動性低下のため、図１２に示すように、加熱硬化後に半導体チップ４の周側部に排出した接合層２０８が半導体チップ４周側部に沿って円弧形状にならずに半導体チップ４下端部から離れた部分で盛り上がる形状、すなわち凸部形状１１を有するため、半導体チップ４と配線基板６間の機械的強度が低下する問題があった。
【００２１】
導電粒子２を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層１０６ａと導電粒子を含有しない樹脂系接着剤からなる第２の接着層１０６ｂの２層で構成される接着用フィルム１０６（接着用フィルムＩＩ、図９）は、単層の接着用フィルムＩとは異なり、半導体チップ４と導電粒子２を含有する第１の接着層１０６ａが直接接触しないため、半導体チップ４の電極５間の絶縁性が高いという長所がある一方、単層の接着用フィルムＩを用いた場合と同様に、接着用フィルムを構成する樹脂系接着剤の粘度が加熱による液状化の際低下し、樹脂系接着剤自体が流動する問題が生じた。
【００２２】
導電粒子を含有しない樹脂系接着剤からなる単層の接着用フィルム１０７（接着用フィルムＩＩＩ、図１０）を用いる場合も以下の問題があった。
【００２３】
すなわち、半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の機械的接触を維持する力は、樹脂系接着剤と電極５の熱収縮の差によって生じる。樹脂系接着剤の熱膨張が大きいと高温時に樹脂系接着剤が膨張し、半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の機械的接触が失われる。高温時でも半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の機械的接触を安定に維持するには、加熱硬化後の接合層２０７の熱膨張を低減する必要がある。かかる熱膨張の低減を図るには、非導電粒子を接着用フィルム１０７全体に混入させればよいが、この場合上述した単層の接着用フィルムＩと同様な機械的強度低下の問題が生じた。
【００２４】
また、図１１に示した従来の接着用フィルムは構成上最も簡単であるものの、上述したように、樹脂系接着剤のみでは加熱硬化後の接合層２０９の熱膨張が大きくなってしまい、半導体チップ４側の電極５と配線基板６側の電極７の機械的および電気的接続を壊す問題があった。
【００２５】
本発明は上記問題点を鑑み考案されたもので、低コストで高い信頼性が実現可能な半導体装置、その半導体装置の製造方法、およびこの半導体装置を得ることが可能な実装方法に供される半導体チップ接着用フィルム、を提供するものである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、電極を具備する半導体チップと、電極を具備する配線基板と、導電粒子および第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度であってかつ粒径の小さな第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層とを有する接着用フィルムを、第１の接着層を配線基板上の電極が設けられている側に、第２の接着層を半導体チップの電極が設けられている側に配置して加熱硬化することにより形成された接合層と、を備えることとした。
【００２９】
また、本発明に係る半導体装置は、上述の第１の非導電粒子の粒径は１〜５μｍ、濃度は４０〜７０重量％であって、かつ第２の非導電粒子の粒径は０．１μｍ以上１．０μｍ未満で濃度は１０〜３０重量％であることとした。
【００３４】
また、本発明に係る半導体装置は、電極を具備する半導体チップと、電極を具備する配線基板と、第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度よりも低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層とを有する接着用フィルムを、第１の接着層を配線基板上の電極が設けられている側に、第２の接着層を半導体チップの電極が設けられている側に配置して加熱硬化することにより形成された接合層と、を備えることとした。
【００３５】
また、本発明に係る半導体装置は、上述の第１の非導電粒子の粒径は１〜５μｍで濃度は４０〜７０重量％であり、上述の第２の非導電粒子の粒径は０．１μｍ以上１．０μｍ未満で濃度は１０〜３０重量％であることとした。
【００３９】
また、本発明に係る半導体チップ接着用フィルムは、導電粒子および第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層と、を備えることとした。
【００４２】
また、本発明に係る半導体チップ接着用フィルムは、第１の非導電粒子を含有する第１の樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層と、を備えることとした。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明は、半導体チップと配線基板とを接着用フィルムを介して接着する場合に、接着用フィルムを加熱硬化した後に形成される接合層の層厚の再現性を維持しながら、半導体チップと配線基板間の接合が機械強度的に充分強くなるよう接合層が半導体チップ周側部の所定の部位まで覆う形状とすべく、接着用フィルムを２層の接着層で構成して、配線基板側の接着層の流動性を半導体チップ側の接着層の流動性より小さくなるようにしたものである。以下、各実施の形態において、本発明を説明する。
【００４４】
実施の形態１.
図１は本発明の実施の形態１による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、１０１は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１０１ａは導電粒子２および非導電粒子３を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１０１ｂは樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２は導電粒子、３は非導電粒子、４は半導体チップ、５は半導体チップ側の電極、６は配線基板、７は配線基板上の電極、２０１は加熱硬化後の接合層、８は加熱硬化後の接合層における半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分、をそれぞれ表す。
【００４５】
図１（ａ）は配線基板６上に接着用フィルム１０１を貼りつけた状態の断面図、図１（ｂ）は半導体チップ４が接合層２０１を介して配線基板６に接着した状態の断面図、をそれぞれ示す。
【００４６】
第１の接着層１０１ａは配線基板６上で電極７が設けられた側の表面を覆うように配置され、第１の接着層１０１ａ上にさらに第２の接着層１０１ｂが配置され、半導体チップ４と配線基板６の接合時には、接着用フィルム１０１が両者にはさまれる形となる。
【００４７】
半導体チップ側の電極５の高さ３０μｍと配線基板上の電極７の高さ２０μｍを鑑み、第１の接着層１０１ａと第２の接着層１０１ｂの層厚をそれぞれ５０μｍ、２０μｍに設定することにより、接着用フィルム１０１の層厚が電極全体の層厚より厚くなるようにしている。
【００４８】
第１の接着層１０１ａの層厚は、半導体チップ側の電極５の高さと配線基板上の電極７の高さの総和に等しいことが望ましいが、特にかかる値に限定されるものではない。
【００４９】
接着用フィルム１０１に約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けた際に、一旦第２の接着層１０１ｂが液状化して充分流動した後、加熱することにより生じる硬化によって接合層２０１において半導体チップ周側部に沿って半導体チップ４側から配線基板６に拡がる円弧形状の部分８が形成される。
【００５０】
この結果、半導体チップ４と配線基板６間の機械的強度が向上し、半導体装置の長期信頼性を確保することができる。また、非導電粒子３を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層１０１ａは、非導電粒子３を含有したことにより配線基板６の平面方向に対して接着用フィルム１０１の流動が抑えられるため、半導体チップ側の小面積の電極５でも接続抵抗を充分小さくできる程度の導電粒子数を捕捉することができる。
【００５１】
具体的には従来の導電粒子のみを含有した従来の単層の接着用フィルム（接着用フィルムI）では半導体チップ側の直径６０μｍの電極５を用いた場合、１０個の導電粒子しか捕捉できなかったが、本実施の形態では導電粒子の捕捉数は１５個に向上し、接続抵抗を従来の２／３に低減することができた。なお、本実施の形態では接着用フィルム１０１としてエポキシ系樹脂の接着剤で９０℃における粘度が２００ｃｐｓのものを用いた。
【００５２】
しかしながら、エポキシ系樹脂に限らず、ポリイミド系、アクリル系の樹脂からなる接着剤でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
樹脂系接着剤からなる第１の接着層１０１ａに含有された導電粒子２は、粒径5μｍのスチレン等からなるプラスチックのボールに金（Au）あるいはニッケル（Ni）メッキを施したものが一般的であるが、ニッケルからなる金属粒子を用いても良い。
【００５４】
第１の接着層１０１ａ中の導電粒子２の濃度は、５０万〜３００万個／ｍｍ3の範囲が望ましく、１００万〜２００万個／ｍｍ3の範囲がより好適である。
【００５５】
本実施の形態では、樹脂系接着剤からなる第１の接着層１０１ａに含有された非導電粒子３は粒径１．５μｍのシリカを約５０重量％含有したものを用いたが、本発明の効果を発現する非導電粒子３の濃度としては、２０〜８０重量％の範囲が望ましく、より好適には４０〜７０重量％、さらに好適には４５〜５５重量％の範囲が望ましい。また、非導電粒子３の材料として、アルミナ、窒化硼素、窒化珪素等を用いることができる。
【００５６】
なお、加熱硬化後の接合層２０１の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明における機械的強度が充分高くなるという効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【００５７】
また、本実施の形態における第２の接着層１０１ｂには、導電粒子は意図的には含まれていないが、本発明の効果は、第２の接着層１０１ｂ中の導電粒子の有無に係わらず生じる。
【００５８】
実施の形態２.
図２は本発明の実施の形態２による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、３１は第１の非導電粒子、３２は第２の非導電粒子、１０２は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１０２ａは導電粒子２および第１の非導電粒子３１を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１０２ｂは第１の接着層中の第１の非導電粒子３１の濃度より低濃度である第２の非導電粒子３２を含有した樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２０２は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。なお、第２の非導電粒子３２の粒径は第１の非導電粒子３１の粒径とほぼ等しい。
【００５９】
図２（ａ）は配線基板６上に接着用フィルム１０２を貼りつけた状態の断面図を、図２（ｂ）は半導体チップ４を接着用フィルム１０２を介して配線基板６に接着した状態の断面図を、それぞれ示す。
【００６０】
約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けた際に、第２の非導電粒子３２を含有した樹脂系接着剤からなる第２の接着層１０２ｂが液状化して流動し、半導体チップ４の周辺に樹脂系接着剤を排出する。
【００６１】
樹脂系接着剤からなる第１の接着層１０２ａに含有された非導電粒子３１として粒径１．５μｍのシリカを約５０重量％含んだものを用いたが、本発明の効果を発現する第１の非導電粒子３１の濃度としては、４０〜７０重量％、より好適には４５〜５５重量％の範囲が望ましい。また、第１および第２の非導電粒子３１，３２の材料として、アルミナ、窒化硼素、窒化珪素等を用いることができる。
【００６２】
樹脂系接着剤からなる第２の接着層１０２ｂは第１の接着層１０２ａ中の第１の非導電粒子３１の濃度より低濃度である１０〜２０重量％の第２の非導電粒子３２を含有するが、この程度の非導電粒子含有量であれば、樹脂系接着剤の流動性を損なうことはなく、半導体チップ４の周辺に排出した樹脂は半導体チップの周側部に沿った円弧状の形状８を有する接合層２０２を形成できる。
【００６３】
第２の接着層１０２ｂ中に相対的に低濃度の第２の非導電粒子３２を含有させることで、第２の接着層１０２ｂの粘度が向上するため、第２の接着層１０２ｂの層厚制御が容易になる。この結果、以下の効果が生じる。すなわち、第１の接着層１０２ａは半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の層厚の総和に設定する必要があるが、半導体チップ側の電極５の高さまたは配線基板上の電極７の厚さがばらつくと、半導体チップ側の電極５が形成された面近傍に非導電粒子３１，３２を含有しない接着層が形成されたり、導電粒子２および第１の非導電粒子３１を含有した第１の接着層１０２ａが厚すぎて、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の接触を妨げる不都合が生じるが、第１の非導電粒子３１の含有によって流動性を低下させることにより第１の接着層１０２ａの層厚を安定に制御できるため、かかる問題を防止できる。
【００６４】
第１の接着層１０２ａ中の導電粒子２の濃度は、５０万〜３００万個／ｍｍ3の範囲が望ましく、１００万〜２００万個／ｍｍ3の範囲がより好適である。
【００６５】
また、本発明の効果は、第２の接着層１０２ｂ中の導電粒子の有無に係わらず生じる。
【００６６】
なお、加熱硬化後の接合層２０２の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【００６７】
実施の形態３.
図３は本発明の実施の形態３による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、１１２は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１１２ａは導電粒子２および第１の非導電粒子３１を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１１２ｂは第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子３２を含有した樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２１２は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【００６８】
図３（ａ）は配線基板６上に接着用フィルム１１２を貼りつけた状態の断面図を、図３（ｂ）は半導体チップ４が接合層２１２を介して配線基板６に接着した状態の断面図、をそれぞれ示す。
【００６９】
約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けた際に、第２の非導電粒子３２を含有した第２の接着層１１２ｂが液状化して流動し、半導体チップ４の周辺に樹脂系接着剤を排出する。第１の非導電粒子３１の粒径は１．５μｍ、濃度は約５０重量％であるのに対し、第２の接着層１１２ｂに含まれる第２の非導電粒子３２は粒径が０．５μｍで濃度が約２０重量％と第１の非導電粒子３１の濃度よりも低くなるよう設定した。この程度の第２の非導電粒子３２の含有量であれば、樹脂系接着剤の流動性を損なうことはないので、半導体チップ４の周辺に排出した樹脂は半導体チップの周側部に沿った円弧状の形状８を有する接合層２１２を形成することが可能である。
【００７０】
第２の非導電粒子３２の粒径を第１の非導電粒子３１の粒径より小さくする理由は、非導電粒子の粒径が小さくなるほどそれを含有した接着層の流動性が向上するためである。この流動性の向上は、質量の小さい非導電粒子の方が慣性力が小さく、また、重力の影響も受けにくいことによって生じる。
【００７１】
本実施の形態においては第１および第２の非導電粒子材料として同一のシリカを使用したが、第１の非導電粒子３１と第２の非導電粒子３２の材料を変えてもよい。例えば、第１の非導電粒子材料にアルミナ、窒化珪素等の比重の大きい材料を使用し、第２の非導電粒子材料にはシリカ等を用いても同様な効果が得られる。
【００７２】
本実施の形態においては、樹脂系接着剤からなる第１の接着層１１２ａに含有された第１の非導電粒子３１は粒径１．５μｍで約５０重量％の濃度のものを用いたが、本発明の効果を発現する第１の非導電粒子３１の濃度としては、４０〜７０重量％が好適であり、４５〜５５重量％の範囲がさらに好適である。また、第１の非導電粒子３１の粒径は１〜５μｍの範囲が望ましく、１〜２μｍの範囲がより好適である。
【００７３】
一方、樹脂系接着剤からなる第２の接着層１１２ｂに含有された第２の非導電粒子３２は粒径０．５μｍで約２０重量％の濃度のものを用いたが、本発明の効果を発現する第２の非導電粒子３２の濃度としては、１０〜３０重量％の範囲が望ましく、１５〜２５重量％の範囲がより好適であり、第２の非導電粒子３２の粒径は０．１μｍ以上１．０μｍ未満の範囲が望ましく、０．３〜０．７μｍの範囲がより好適である。
【００７４】
第２の接着層１１２ｂに相対的に低濃度の第２の非導電粒子３２を含有させることで、第２の接着層１１２ｂの層厚制御がより容易になる。この結果、以下の効果が生じる。すなわち、第１の接着層１１２ａは半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の層厚の総和に設定する必要があるが、半導体チップ側の電極５の高さまたは配線基板上の電極７の厚さがばらつくと、半導体チップ側の電極５が形成された面近傍に第１あるいは第２の非導電粒子３１、３２を含有しない接着層が形成されたり、第１の非導電粒子３１および導電粒子２を含有した第１の接着層１１２ａが厚すぎて、半導体チップ側の電極５と配線基板上の電極７の接触を妨げる不都合が生じるが、第１の非導電粒子３１の含有によって流動性を低下させることにより第１の接着層１１２ａの層厚を安定に制御できるため、かかる問題を防止できる。
【００７５】
第１の接着層１１２ａ中の導電粒子２の濃度は、５０万〜３００万個／ｍｍ3の範囲が望ましく、１００万〜２００万個／ｍｍ3の範囲がより好適である。
【００７６】
また、本発明の効果は、第２の接着層１１２ｂ中の導電粒子の有無に係わらず生じる。
【００７７】
なお、加熱硬化後の接合層２１２の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【００７８】
実施の形態４.
図４は本発明の実施の形態４による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、１０３は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１０３ａは非導電粒子３を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１０３ｂは樹脂系接着剤からなる非導電粒子を含有しない第２の接着層、２０３は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【００７９】
図４（ａ）は配線基板に接着用フィルム１０３を貼りつけた状態の断面図、図４（ｂ）は、半導体チップ４を加熱硬化後の接合層２０３を介して配線基板６に接着した状態の断面図、をそれぞれ示す。樹脂系接着剤からなる第２の接着層１０３ｂが液状化して流動し、半導体チップ４周辺に排出されることで半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分８を有する接合層２０３が形成される。
【００８０】
第２の接着層１０３ｂを構成する樹脂は非導電粒子３を含有しないため流動しやすくなり、加熱硬化後に半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分８を有する接合層２０３が得られる。また、接着後は半導体チップ４と配線基板６間は分散した非導電粒子３で満たされるので、接合層２０３の熱膨張係数を小さくすることができる。かかる２つの効果のため、半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の接触を高温まで保持することが可能となる結果、半導体チップ４と配線基板６の機械的接続の長期信頼性を確保するとともに、耐熱性をも向上することができる。
【００８１】
具体的には、第１の接着層１０３ａに非導電粒子３である粒径１．５μｍのシリカを５０重量％含有させることにより、加熱硬化後の接合層２０３の線膨張係数を７０ｐｐｍから３０ｐｐｍに低減できるため、耐熱温度を従来の１５０℃から２２０℃まで向上できる。
【００８２】
本発明の効果を発現する第１の接着層１０３ａの非導電粒子３の濃度としては、２０〜８０重量％の範囲が望ましく、４０〜７０重量％がより好適であり、４５〜５５重量％の範囲がさらに好適である。
【００８３】
本実施の形態においては、接着用フィルムに加熱した半導体チップを押し付けることによって半導体装置を形成する方法について示した。また、別の実装方法として、接着用フィルムに半導体チップを押し付けた後、半導体チップに超音波振動を加えて、半導体チップと配線基板を接合した後、接着用フィルムを硬化する方法を用いても同様な効果が期待できる。
【００８４】
なお、加熱硬化後の接合層２０３の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【００８５】
実施の形態５.
図５は本発明の実施の形態５による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、１１３は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１１３ａは第１の非導電粒子３１を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１１３ｂは第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度よりも低濃度の第２の非導電粒子３２を含有した樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２１３は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【００８６】
図５（ａ）は配線基板に接着用フィルム１１３を貼りつけた状態の断面図、図５（ｂ）は、半導体チップ４を加熱硬化後の接合層２１３を介して配線基板６に接着した状態の断面図、をそれぞれ示す。
【００８７】
第２の接着層１１３ｂを構成する樹脂中の第２の非導電粒子３２は低濃度であるため流動しやすくなり、加熱硬化後に半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分８を有する接合層２１３が得られる。また、接着後は半導体チップ４と配線基板６間は分散した第１および第２の非導電粒子３１、３２で満たされるので、接合層２１３の熱膨張係数を小さくすることができる。かかる２つの効果のため、半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の接触を高温まで保持することが可能となる結果、半導体チップ４と配線基板６の機械的接続の長期信頼性を確保するとともに、耐熱性をもさらに向上することができる。
【００８８】
本発明の効果を発現する第１の非導電粒子３１の濃度としては、４０〜７０重量％の範囲が望ましく、４５〜５５重量％の範囲がさらに好適である。また、第１の非導電粒子３１の粒径は１〜５μｍの範囲が望ましく、１〜２μｍの範囲がより好適である。一方、本発明の効果を発現する第２の非導電粒子３２の濃度としては、１０〜３０重量％の範囲が望ましく、１５〜２５重量％の範囲がより好適である。
【００８９】
本実施の形態では、接着用フィルム１１３に加熱した半導体チップ４を押し付けることによって半導体装置を形成する方法について示した。また、別の実装方法として、接着用フィルム１１３に半導体チップ４を押し付けた後、半導体チップ４に超音波振動を加えて、半導体チップ４と配線基板６を接合した後、接着用フィルム１１３を硬化する方法を用いても同様な効果が期待できる。
【００９０】
なお、加熱硬化後の接合層２１３の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップ４の周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【００９１】
実施の形態６.
図６は本発明の実施の形態６による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。図中、１２３は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１２３ａは第１の非導電粒子３１を含有した樹脂系接着剤からなる第１の接着層、１２３ｂは第１の非導電粒子よりも粒径が小さくかつ第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度の第２の非導電粒子３２を含有した樹脂系接着剤からなる第２の接着層、２２３は加熱硬化後の接合層、をそれぞれ示す。
【００９２】
図６（ａ）は配線基板６に接着用フィルム１２３を貼りつけた状態の断面図、図６（ｂ）は、半導体チップ４を加熱硬化後の接合層２２３を介して配線基板６に接着した状態の断面図、をそれぞれ示す。樹脂系接着剤からなる第２の接着層１２３ｂが液状化して流動し、半導体チップ４周辺に排出されることで半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分８を有する接合層２２３が形成される。
【００９３】
第２の接着層１２３ｂを構成する樹脂は、第１の非導電粒子３１よりも粒径が小さい第２の非導電粒子３２を第１の接着層中の第１の非導電粒子３１の濃度よりも低濃度で含有しているため流動しやすくなり、加熱硬化後に半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分８を有する接合層２２３が得られる。また、接着後は半導体チップ４と配線基板６間は分散した第１および第２の非導電粒子３１、３２で満たされるので、接合層２２３の熱膨張係数を小さくすることができる。かかる２つの効果のため、半導体チップ４側の電極５と配線基板６上の電極７の接触を高温まで保持することが可能となる結果、半導体チップ４と配線基板６の機械的接続の長期信頼性を確保するとともに、耐熱性をも向上することができる。
【００９４】
第１の非導電粒子３１の粒径は１〜５μｍの範囲が望ましく、１〜２μｍの範囲がより好適である。また、第１の非導電粒子３１の濃度は４０〜７０重量％の範囲が望ましく、４５〜５５重量％の範囲がさらに好適である。
【００９５】
一方、第２の非導電粒子３２の粒径は０．１μｍ以上１．０μｍ未満の範囲が望ましく、０．３〜０．７μｍの範囲がより好適である。また、第２の非導電粒子３２の濃度は１０〜３０重量％の範囲が望ましく、１５〜２５重量％の範囲がより好適である。
【００９６】
また、本実施の形態では、非導電粒子３１，３２として同一のシリカを使用したが、第１の非導電粒子３１と第２の非導電粒子３２の材料を変えてもよい。例えば、第１の非導電粒子材料にアルミナ、窒化珪素等の比重の大きい材料を使用し、第２の非導電粒子にはシリカ等を用いても同様な効果が得られる。
【００９７】
具体的には、第１の接着層１２３ａに第１の非導電粒子３１である粒径１．５μｍのシリカを５０重量％含有させることにより、加熱硬化後の接合層２２３の線膨張係数を７０ｐｐｍから３０ｐｐｍに低減できるため、耐熱温度を従来の１５０℃から２２０℃まで向上できる。
【００９８】
本実施の形態では、接着用フィルムに加熱した半導体チップを押し付けることによって半導体装置を形成する方法について示した。また、別の実装方法として、接着用フィルムに半導体チップを押し付けた後、半導体チップに超音波振動を加えて、半導体チップと配線基板を接合した後、接着用フィルムを硬化する方法を用いても同様な効果が期待できる。
【００９９】
なお、加熱硬化後の接合層２２３の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【０１００】
実施の形態７.
図７は本発明の実施の形態７による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【０１０１】
図中、１０４は第１の接着層および第２の接着層からなる接着用フィルム、１０４ａは導電粒子２および非導電粒子３を含有した第１の接着層、１０４ｂは第２の接着層、２０４は加熱硬化後の接合層、９はボイド、１０はホットプレート、をそれぞれ示す。
【０１０２】
また、図７（ａ）は配線基板６上に接着用フィルム１０４を貼りつけた状態の断面図、図７（ｂ）は配線基板６をホットプレート１０上で加熱した状態の断面図、図７（ｃ）は加熱した半導体チップ４を押し付け、接着用フィルム１０４を硬化させた状態の断面図、をそれぞれ示す。
【０１０３】
配線基板６を加熱すると約９０℃で接着用フィルム１０４の樹脂が液状化し、接着用フィルム１０４と配線基板６間に閉じ込められていたボイド９が第１の接着層１０４ａをつきやぶって、第２の接着層１０４ｂに上昇する。
【０１０４】
配線基板６に約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けると、非導電粒子３を含有しない樹脂系接着剤からなる第２の接着層１０４ｂは流動しやすく、第２の接着層１０４ｂの樹脂系接着剤が排出すると同時にボイド９は半導体チップ４周辺に排出される。
【０１０５】
接着用フィルム１０４が半導体チップ４により２００℃に加熱されると硬化が生じ、接合層２０４が形成される。この加熱硬化の際に、接合層２０４のうち半導体チップ４の周側部に沿った部分に円弧形状の部分８が形成される。
【０１０６】
上述の実験では、樹脂系接着剤として９０℃で２００ｃｐｓになるエポキシ樹脂を用いた。また、接着用フィルム１０４を貼りつけた配線基板６を９０℃に加熱することにより、接着用フィルム１０４と配線基板６間に閉じ込められたボイド９は第１の接着層１０４ａを突き破り、さらに第２の接着層１０４ｂに浮き上がるので、約２００℃に加熱した半導体チップ４を押し付けて樹脂系接着剤を排除すると同時にボイド９も排出することができる。
【０１０７】
なお、加熱硬化後の接合層２０４の形状としては、上述した機械的強度の見地から半導体チップ周側部に沿った円弧形状８が好適であるが、半導体チップの周側部を接着用フィルム側から所定の部位まで被覆した接合層が形成されているなら、同様の効果は生じる。ここで所定の部位とは、本発明の効果が生じうる程度、すなわち半導体チップ周側部全体の２０％以上１００％までの範囲を指す。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置では、電極を具備する半導体チップと、電極を具備する配線基板と、導電粒子および第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度であってかつ粒径の小さな第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層とを有する接着用フィルムを、第１の接着層を配線基板上の電極が設けられている側に、第２の接着層を半導体チップの電極が設けられている側に配置して加熱硬化することにより形成された接合層と、を備えることとしたので、小さな電極でも導電粒子を捕捉することができるとともに、半導体チップ周側部に所定の形状の接合層を安定に形成することができる結果、機械的強度に優れた信頼性の高い半導体装置を得る効果がある。
【０１１３】
また、本発明に係る半導体装置では、電極を具備する半導体チップと、電極を具備する配線基板と、第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度よりも低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層とを有する接着用フィルムを、第１の接着層を配線基板上の電極が設けられている側に、第２の接着層を半導体チップの電極が設けられている側に配置して加熱硬化することにより形成された接合層と、を備えることとしたので、接合層の層厚を安定に制御することができるとともに、長期信頼性に優れかつ耐熱特性も向上した半導体装置を容易に得ることができる。
【０１１７】
また、本発明に係る半導体チップ接着用フィルムでは、導電粒子および第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層と、を備えることとしたので、半導体チップ上の小さな電極でも容易に導電粒子を捕捉することができるとともに、半導体チップと配線基板とを接着する際に半導体チップ周側部に所定の形状の接合層が安定に形成できる効果がある。
【０１２０】
また、本発明に係る半導体チップ接着用フィルムでは、第１の非導電粒子を含有する第１の樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、第１の接着層における第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層と、を備えることとしたので、半導体チップと配線基板とを接着する際に容易に半導体チップ周側部で接着用フィルム側に所定の形状の接合層が安定に形成でき、かつ耐熱性に優れているという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態２による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態３による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態４による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図５】 本発明の実施の形態５による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態６による接着用フィルムを用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図７】 本発明の実施の形態７による接着用フィルムを用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図８】 従来の接着用フィルム（接着用フィルムI）を用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図９】 従来の接着用フィルム（接着用フィルムII）を用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図１０】 従来の接着用フィルム（接着用フィルムIII）を用いた半導体装置の構造および製造方法を示す断面図である。
【図１１】 従来の接着用フィルムを用いた半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１２】 従来の接着用フィルムを用いた半導体装置の周側部近傍の断面図である。
【符号の説明】
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５，１０６、１０７、１１２、１１３、１２３ 接着用フィルム、 １０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａ、１０６ａ、１１２ａ、１１３ａ、１２３ａ 第１の接着層、 １０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ、１０６ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１２３ｂ 第２の接着層、 ２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２１１、２１３、２２３ 接合層、 ２ 導電粒子、 ３ 非導電粒子、 ３１ 第１の非導電粒子、 ３２ 第２の非導電粒子、 ４ 半導体チップ、 ５ 半導体チップ上の電極、 ６ 配線基板、 ７ 配線基板上の電極、 ８ 加熱硬化した接合層における半導体チップ周側部に沿った円弧形状の部分、 ９ ボイド、 １０ ホットプレート、 １１ 半導体チップ下端部から離れた部分で凸部形状を呈した接合層、 １２ 超音波振動。
Claims (6)
- 電極を具備する半導体チップと、電極を具備する配線基板と、導電粒子および第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、前記第１の接着層における前記第１の非導電粒子の濃度より低濃度であってかつ粒径の小さな第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層とを有する接着用フィルムを、前記第１の接着層を前記配線基板上の電極が設けられている側に、前記第２の接着層を前記半導体チップの電極が設けられている側に配置して加熱硬化することにより形成された接合層と、を備えたことを特徴とする半導体装置。
- 前記第１の非導電粒子の粒径は１〜５μｍ、濃度は４０〜７０重量％であって、かつ前記第２の非導電粒子の粒径は０．１μｍ以上１．０μｍ未満で濃度は１０〜３０重量％であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 電極を具備する半導体チップと、電極を具備する配線基板と、第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、前記第１の接着層における前記第１の非導電粒子の濃度よりも低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層とを有する接着用フィルムを、前記第１の接着層を前記配線基板上の電極が設けられている側に、前記第２の接着層を前記半導体チップの電極が設けられている側に配置された接着用フィルムを加熱硬化することにより形成された接合層と、を備えたことを特徴とする半導体装置。
- 前記第１の非導電粒子の粒径は１〜５μｍで濃度は４０〜７０重量％であり、前記第２の非導電粒子の粒径は０．１μｍ以上１．０μｍ未満で濃度は１０〜３０重量％であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
- 導電粒子および第１の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、前記第１の接着層における前記第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層と、を備えたことを特徴とする半導体チップ接着用フィルム。
- 第１の非導電粒子を含有する第１の樹脂系接着剤からなる第１の接着層と、前記第１の接着層における前記第１の非導電粒子の濃度より低濃度でかつ粒径の小さい第２の非導電粒子を含有する樹脂系接着剤からなる第２の接着層と、を備えたことを特徴とする半導体チップ接着用フィルム。
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