JP3732148B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関するものであり、より好ましくはフリップチップ型の半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣチップの高集積化、高密度化とＩＣパッケージの小型化という要求からフリップチップ実装方式が登場した。同実装方式はこれまでのワイヤーボンディングによる接続ではなく、ＩＣチップ表面とプリント基板とを金属バンプで電気的接続することで小型、薄型化を可能としている。しかし、ＩＣチップ、プリント配線基板、半田の熱膨張係数が異なるために冷熱衝撃試験時に熱ストレスが発生する。特にチップ中央から遠いコーナー近辺の金属バンプには局所的に熱ストレスが集中する。このため接合部位にクラックが生じ、回路の作動信頼性は大きく低下する。
【０００３】
そこで、熱ストレスを緩和する目的から液状注入封止アンダーフィル材による封止が行われる。しかしこの方法はチップとプリント配線基板との隙間にアンダーフィル材を注入、硬化して、封止する方法が採られるため工程が煩雑であり、コストもかかる。更にこのような半導体素子の場合は、ウエハー作製工程、ウエハー上への電気回路形成工程、個片化工程、バンプ形成工程、バンプ接合工程、アンダーフィル封止工程が必要であり、個々の工程は製造会社又は工場が異なる場合が多くデリバリーコストがかかるという問題があった。
【０００４】
そこで提案されたのがウエハーに電気回路を形成し個片化せずバンプを形成し、その後個片化する方法が考え出された。この方法はウエハー製造から一環のラインでバンプ付半導体素子を作ることも可能であり、大幅に素子のコストが下がる可能性がある。しかしこの方法であっても信頼性を上げるためにはアンダーフィル封止工程又はバンプ補強封止工程が必要であり、コストに反映してしまう問題が残っていた。
【０００５】
これらを解決する方法として特開2000-174044号公報に開示されているＢ−ステージ樹脂をウエハーに塗布する方法がある。ここでＢ−ステージとは常温付近で固体状態であり、加熱溶融し、硬化した後完全なパッケージの封止が行なえる事をいう。この方法に従うと接合と封止を同時に出ることができるため更にパッケージ製造工程を短縮することができる。しかし、この方法の場合、塗布面を平滑化することが困難であり、加熱溶融する際巻き込みボイドが発生し封止歩留まりの低下を招いていた。また信頼性を向上させるために樹脂にフィラーを入れる場合、塗布後に半田バンプ上にフィラーが残り後工程の接合においてフィラーの噛み込みによる接合不良を起こす恐れがあった。
【０００６】
また、バンプ接合型パッケージの製造工程短縮技術としてノンフローアンダーフィル材がある。これは、基板又はバンプ付チップのバンプ面に樹脂を塗布し、チップと基板を重ね封止と接合を同時に行う技術である（特許第2589239号公報）。しかし、硬化剤とは別に熱硬化性樹脂にフラックス機能を有する化合物を添加して用いられるため電気特性等の信頼性において問題であった。そこでフラックス作用を有する硬化剤を適用することにより信頼性のあるノンフローアンダーフィル材が見いだされている(特開2001-106770号公報)。
【０００７】
このようなノンフローアンダーフィル材は一般にフィラーが添加されていないため、硬化物の物理特性(線膨張係数、吸水率等)が従来のアンダーフィル材に比べ大幅に劣るためパッケージ信頼性が著しく低下する。これを防ぐためにノンフローアンダーフィル材にフィラーを添加することが考えられる。しかしフィラーが存在すると接合工程において先に述べたようにフィラーの噛み込みによる接続不良を起こす恐れがあり好ましくなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体素子を個片化し、アンダーフィル材で充填する半導体装置の製造方法において、半導体装置の硬化物の物理特性(線膨張係数、吸水率等)が従来のアンダーフィル材と同等以上であり、フィラーの噛み込みによる接続不良を起こす恐れがなく、電気特性等の信頼性に優れ、製造工程を大幅に短縮化することができる半導体装置の製造方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、１）基板と電気的接合させるための半田バンプを有する多数個の半導体素子が形成されたウエハーにエポキシ樹脂、フラックス作用を有する硬化剤を主成分とする樹脂組成物１を塗布する工程、２）該樹脂組成物１をＢ−ステージ化する工程、３）該ウエハーをダイシングし、半導体素子を個片化する工程、４）個片化した半導体素子及び／又は基板に熱硬化性樹脂、フィラーを主成分とする樹脂組成物２を塗布する工程、５）半導体素子の半田バンプと対応する基板上の接続パッドを位置決めする工程、６）部分加熱法又は全体加熱法により半田を接続し且つ樹脂組成物１及び樹脂組成物２を硬化させる工程からなる半導体装置の製造方法である。
【００１０】
更に好ましい形態としては、フラックス作用を有する硬化剤が、芳香族カルボン酸、フェノール性水酸基を有する化合物であり、樹脂組成物２に含まれるフィラーが球状であり、最大粒径が２０ミクロン以下であり、樹脂組成物２の熱硬化性樹脂成分が樹脂組成物１の成分と同一である半導体装置の製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明について詳細に説明する。
まずウエハー上に電気回路が形成された多数個の半導体素子に半田バンプを形成させた後、エポキシ樹脂、フラックス作用を有する硬化剤を主成分とする樹脂組成物１を塗布する。ここでエポキシ樹脂はＢ−ステージ化を可能にするためにエポキシ基が２官能以上であれば特に限定されないが、後工程で容易に溶融しフラックス活性が発現できること、不純物特にイオン性不純物が少ないことが満たされていることが好ましい。更に好ましくは、エポキシ当量が200以上である固形樹脂であることが好ましい。エポキシ当量が200より小さいとＢ−ステージ後の樹脂が脆く、個片化時に剥離、欠けが生じてしまう恐れがある。
また固形エポキシ樹脂を選択する理由は、Ｂ−ステージ後のウエハーに塗布した樹脂層がタックフリー(べたつきが無いこと)化が短時間に実現できるからである。タックフリーにすることは後工程の処理を考えると好ましい。
液状エポキシ樹脂を適用した場合はタックフリー化に時間がかかるか、高温にしなければならず、エポキシ樹脂と硬化剤の反応が進行しすぎるため制御されたＢ−ステージ化は困難な場合がある。
【００１２】
樹脂組成物１ではフラックス作用を有する硬化剤を用いる。ここでフラックス作用とは半田の表面の酸化膜を還元し、基板の金属パッドと接合できるための活性のことをいう。フラックス作用を有する化合物は一般にカルボン酸類又は酸無水物が知られている。しかしカルボン酸の中で例えばモノカルボン酸の場合は、架橋密度低下のため最終硬化物の物性が著しく低下するため必然的に他の硬化剤を添加する必要がある。そのためカルボン酸の添加量が低くなりフラックス作用が発現しにくくなる。化合物自身が硬化剤として作用するために２官能以上の多官能カルボン酸があるが、反応性が高いため液状樹脂組成物の粘度上昇が激しく、更にＢ−ステージにした後の作業性(再溶融性)も劣るため本用途に使用することはできない。硬化剤として使用でき且つフラックス作用を示す化合物としては、１分子あたり少なくとも２個以上のフェノール性水酸基と１分子当たり少なくとも１個以上の芳香族カルボン酸を有する固形の化合物が好適である。
その例としては、例えば、2,3-ジ#ヒドロキシ安息香酸、2,4-ヒドロキシ安息香酸、2,5-ヒドロキシ安息香酸、2,6-ヒドロキシ安息香酸、3,4-ジ#ヒドロキシ安息香酸、没食子酸、1,4-ジ#ヒドロキシ2-ナフトエ酸、3,5-ジヒドロキシ２−ナフトエ酸、フェノールフタリン、ジフェノール酸等がある。
【００１３】
樹脂組成物１は塗布し易いように溶剤を加えることができる。その場合、使用する溶剤はエポキシ樹脂を溶解するものであり、且つフラックス作用を有する硬化剤に対し貧溶媒であることが好ましい。その例示としては、例えばビスＡ型エポキシ樹脂／２，５ジヒドロキシ安息香酸の場合には、ヘキサン、ヘプタン、ソルベントナフサ等の脂肪族炭化水素、ブチルセロソルブアセテートやブチルカルビトールアセテート等水への溶解性が低いエステル類などが挙げられるが、実際にはエポキシ樹脂、フラックス作用を有する硬化剤への溶解性を調べて決められるものである。
【００１４】
樹脂組成物１を塗布する方法は印刷、ディスペンス、スピンコート、ディッピング等を使用することができる。次に塗布後に樹脂をＢ−ステージ化する。Ｂ−ステージの定義は、Ｂ−ステージ後常温以下の温度条件下で少なくとも一ヶ月以上保管した後再加熱して樹脂が再溶融し、接続できることをいう。Ｂ−ステージ化時の加熱の方法としては、例えば、オーブン、真空乾燥機等既存の方法を用いることができる。その場合、温度はエポキシ樹脂にフラックス活性を有する硬化剤が溶解しない温度にすることが好ましい。あまり高い温度でＢ−ステージ化すると硬化剤がエポキシ樹脂に溶解し均一化するため保存性が著しく劣るためである。
樹脂組成物１はフィラーのような溶融しない固体物質を入れることは好ましくない。これは半田バンプ接合時に該固体が接合を妨げる恐れがあるためである。次にウエハーをダイシングして半導体素子を個片化する。
【００１５】
次に個片化した半導体素子を基板に接合する。その工程は半導体素子及び／又は基板に樹脂組成物２を塗布し、フリップチップボンダー等を用いてバンプと対応する金属パッドを位置合わせ、パルスヒート等の部分加熱法、リフロー法等全体加熱法により接合させる。
半田はフラックス活性を有する樹脂組成物１により表面が活性化され、基板の金属端子と接合する。続いて樹脂組成物１及び２を硬化し、封止も行われる。硬化が不十分な場合は接合後、ポストベークを行うこともできる。
【００１６】
ここで樹脂組成物２は、熱硬化性樹脂、フィラーが主成分である。この場合の熱硬化性樹脂の例としては、樹脂組成物１のフラックス活性を阻害しないもの、即ち還元作用が失われるものや半田が接合するより前に硬化してしまわないものであれば特に限定されない。その例としては、例えば、エポキシ樹脂、アクリレート樹脂、ブタジエン樹脂、シアネート樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。その中でエポキシ樹脂は信頼性の点で好ましい。より好ましくは樹脂組成物１と同一のエポキシ樹脂である。これは樹脂組成物１及び２の界面の接合信頼性の点で好ましいからである。
【００１７】
次にフィラーとしてはシリカ、アルミナ、炭酸カルシウム等があるが半導体素子へのダメージを与えないという点で球状であることが好ましい。更にその大きさは最大粒径が２０μｍ以下の球状フィラーであることが好ましい。２０μｍを越えると硬化後の厚みにばらつきが大きくなりバンプ接合時に接合不良を起こす恐れがある。
フィラーの添加量は、特に制限されないが、全組成物に対して１０〜８０重量％が望ましい。下限値未満だと、耐湿性や硬化物の線膨張係数が大きくなり、上限値を越えると結果として得られる組成物の粘度が高くなり過ぎ、流動特性が悪化する可能性がある。
【００１８】
本発明で用いる樹脂組成物１、２の製造例としては、それぞれに必須な材料、その他の添加剤を秤量し、ロール混練等を用いて均一分散させる。さらに脱泡して作製する。
また樹脂組成物１、２には、前記の必須成分の他に、必要に応じてダイシング時の剥離、欠けを防ぐために可塑性ポリマー、その他の硬化剤、反応を促進するための触媒、希釈剤、顔料、カップリング剤、難燃剤、レベリング剤、消泡剤等の添加物を用いても差し支えない。
本発明の半導体装置の製造方法を用いて半導体装置を製作する方法は、前記以外は従来の公知の方法を用いることが出来る。
【００１９】
【実施例】
＜実施例１＞
樹脂組成物１の調整：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エポキシ当量250）70重量部を溶剤として30重量部のソルベントナフサに溶解させたワニス100重量部、2,5ジヒドロキシ安息香酸20重量部、硬化促進剤として2-フェニル4-エチルイミダゾール0.2重量部を秤量し、ミキサーにて混練・分散後、真空脱泡処理を行い樹脂組成物１を作製した。高さ８０μｍの共晶半田(融点183℃)バンプが形成されたウエハー（厚み350μｍ）にスピンコーターによりウエハー（個片化した後それぞれの素子で接続性が調べられるようなデイジーチェーンの回路が形成してあるもの、バンプ配列：フルアレイ、バンプ数：１２００）上に樹脂組成物１を塗布した。その後８０℃、９０分でＢ−ステージ化を行なった。バンプ周りに数10μｍコーティングされていた。次にダイシングソーを用いてウエハーを素子毎に個片化した（チップサイズ12x12mm）。Ｂ−ステージ化した樹脂組成物１の層のカット面付近に、割れ、欠けは見られなかった。
樹脂組成物２の調整：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂(エポキシ当量160)100重量部、硬化剤として液状フェノール樹脂（水酸基当量141）90重量部、最大粒径２０μｍ、平均粒径２μｍの球状シリカ290重量部を三本ロールで混錬して樹脂組成物２を得た。
【００２０】
次に素子を接合させるＢＴ基板（接合パッド；金）上に樹脂組成物２を塗布し、フリップチップボンダーを用いてバンプを位置決めして仮接合した後、リフロー(リフロー条件：最高温度２２０℃、最低温度１８３℃で６０秒のＩＲリフロー)炉に通して半田バンプを接合させた。
半田は１００％接合し、フィラーの噛み込みもなかった。次にポストベークとして１５０℃、１時間硬化させた。樹脂組成物２は素子の外側まで流動しフィレットが形成されており封止が完了していた。更に、Ｂ−ステージ化した後１ヶ月、２ヶ月それぞれ常温にて保存したものを同様に接合を行い、初期と同様に樹脂組成物封止と接合を同時に行うことができた。接続はデイジーチェーンにより調査した。
更に得られたパッケージの信頼性として熱衝撃試験を行い、すべてのバンプの接続信頼性を調べた。試験条件は−４０℃〜１２５℃、１０００サイクルで行った。
【００２１】
＜実施例２＞
実施例１に用いた樹脂組成物１に更に最大粒径１０μｍ、平均粒径２μｍのシリカフィラーを40重量部追加し、ソルベントナフサの量を40重量部に変更した以外は実施例１と同様に樹脂組成物を調整し、更に実施例１の樹脂組成物２を用いて実施例１と同様の方法でパッケージを組み立て同様の試験を行った。
【００２２】
＜比較例１＞
実施例１において樹脂組成物２の代わりに以下の樹脂組成物Ａを調整した。実施例１のビスフェノールＦ型エポキシ樹脂100重量部、２，５ジヒドロキシ安息香酸22重量部、実施例１の樹脂組成物２のシリカフィラー183重量部を秤量、混錬し、樹脂組成物Ａを得た。次に何も塗布していないウエハーから個片化された素子を用い、樹脂組成物２に当たる樹脂組成物ＡをＢＴ基板に塗布し、フリップチップボンダーを用いて仮接合し実施例１と同様にリフローを用いて接合させた。評価は実施例１と同様に行った。
＜比較例２＞
実施例１において、樹脂組成物２の処方よりフィラーを含まない処方（樹脂組成物Ｂ）を調整し、これを樹脂組成物２の代わりに用いた以外は実施例１と同様にしてパッケージを組み立て同様の試験を行った。
＜比較例３＞
比較例１の何も塗布されていない素子に対し市販フラックスを用いて実施例１のＢＴ基板にリフロー炉を用いて接合した。次にフラックス洗浄剤を用いてフラックス残渣を除去した。この組み立てた試験片のチップと基板の隙間に市販アンダーフィル材（CRP-4152S、住友ベークライト社製、フィラー含有率60重量％）を流し込み硬化させたものを同様に信頼性試験を行なった。
【００２３】
【表１】

【００２４】
接合性−１：樹脂組成物１をＢ−ステージ化した直後に接合封止試験を行った。パッケージ個数はN=10、すべてのバンプが導通したものを良品としてカウントした。
接合性―２：樹脂組成物１をＢ−ステージ化し常温で一ヶ月保存した後に接合封止試験を行った。
接合性―３：樹脂組成物１をＢ−ステージ化し常温で二ヶ月保存した後に接合封止試験を行った。
熱衝撃試験：接合性―１において接合したパッケージを更に熱衝撃試験にかけ接合性を確認した。
【００２５】
実施例１では良好な接合性、信頼性が得られた。実施例２ではＢ−ステージ性がやや劣るものの信頼性は良好であった。比較例１では接合性―１においてフィラーの噛み込みによる接合不良が見られた。更に熱衝撃試験で不良が生じたが原因はフィラーの噛み込みにより接合が不安定となり熱衝撃応力によりバンプクラックによる断線が見られた。比較例２では接合性は良好であったが、信頼性においてフィラーが入っていないため線膨張率が高くなりバンプ変形が起こった。比較例３では従来法であり、信頼性は良好であるがフラックス塗布、同洗浄、アンダーフィル流動工程、アンダーフィル硬化工程を含むためトータル工程が長くなった。
【００２６】
【発明の効果】
本発明に従うと、従来問題であったノンフローアンダーフィル工程におけるフィラーの噛み込みの問題に関し、予め半田バンプにフラックス活性を有する組成物をＢ−ステージ化させており、その状態でフィラーを含む熱硬化性樹脂で封止する方法であるためバンプと対応する金属パッドの間にフィラーが存在しても、Ｂ−ステージ化物が溶融し液体化し、且つ半田が溶融しパッドに広がる作用によりフィラーが効率的に排除することができる。更には樹脂組成物２がフラックス活性材料を用いなくても良いため、フラックス活性硬化剤の未反応物や未反応官能基(カルボン酸等)による封止樹脂層の吸水率の上昇、電気絶縁性の低下等がなく従来のアンダーフィルで封止するパッケージと同様な信頼性を有し、大幅な工程短縮が図れる組み立て方法である。

Claims (5)

1. １）基板と電気的接合させるための半田バンプを有する多数個の半導体素子が形成されたウエハーにエポキシ樹脂、フラックス作用を有する硬化剤を主成分とする樹脂組成物１を塗布する工程、２）該樹脂組成物１をＢ−ステージ化する工程、３）該ウエハーをダイシングし、半導体素子を個片化する工程、４）個片化した半導体素子及び／又は基板に、熱硬化性樹脂、フィラーを主成分とする樹脂組成物２を塗布する工程、５）半導体素子の半田バンプと対応する基板上の接続パッドを位置決めする工程、６）部分加熱法又は全体加熱法により半田を接続し且つ樹脂組成物１及び樹脂組成物２を硬化させる工程からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. フラックス作用を有する硬化剤が、芳香族カルボン酸、フェノール性水酸基を有する化合物である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 樹脂組成物２に含まれるフィラーが球状であり、最大粒径が２０ミクロン以下である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 樹脂組成物２の熱硬化性樹脂成分が樹脂組成物１の成分と同一である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 請求項１〜４に記載の半導体装置の製造方法を用いて製作された半導体装置。