JP3990842B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置を構成する半導体素子と回路基板との間に樹脂充填を行う方法及びこの方法を実施する半導体製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フリップチップ型半導体装置は、半導体素子とこの半導体素子が搭載された回路基板から構成されている。図１４は、従来のフリップチップ型半導体装置の断面図である。集積回路が内部に形成された半導体素子２にはこの集積回路に電気的に接続された複数の接続電極（図示せず）が形成されている。この接続電極には、例えば、はんだなどからなるボール状の接続端子（バンプ）７が接続されている。回路基板１は、半導体素子２が搭載される主面には配線及び接続電極（図示せず）が形成されている。そして、複数のバンプ７が主面の接続電極に接続されている。回路基板１の裏面には、図示しない接続電極が形成されており、この接続電極に接続されるように、例えば、ボール状の外部端子８が取り付けられている。回路基板１の主面の接続電極と裏面の接続電極とは適宜回路基板１の内部配線（図示せず）を介して接続されている。半導体素子２と回路基板１との間にはバンプ７の厚さ分だけ間隙がある。この間隙にはエポキシ樹脂などの樹脂封止体６が封止されている。
【０００３】
この樹脂封止体６を形成する方法として、まず、半導体素子（チップ）２に取り付けたバンプ７を回路基板１に搭載してから、半導体素子２と回路基板１との間隙の半導体素子２の外周の一部にディスペンスノズルから液状樹脂を滴下し、次いで、加熱軟化した液状樹脂を毛細管現象により半導体素子２と回路基板１の間隙に浸透させる。間隙に浸透された液状樹脂は、半導体素子２と回路基板１の間隙に均一に広がり、加熱硬化されて樹脂封止体６が形成される。しかし、この様に半導体素子２と回路基板１との間隙への樹脂充填が終了した後、均一な樹脂封止体６を形成するため、あらかじめ塗布しなかった一部に再度液状樹脂を塗布していた。この場合、樹脂塗布工程に要する時間は、塗布装置を１台で補おうとすると、塗布時間のみならず半導体素子外周より回路基板の間隙に樹脂を充填する時間も合計されたものとなり、生産性が非常に低い樹脂充填装置となる。
そこで、従来に比べて短時間で樹脂充填が実現でき、且つ空気の巻き込みや樹脂から発生するガスなどによるボイド不良が低減できる樹脂充填方法が開発された（特願平９−２８３６７８号）。
【０００４】
この方法は、フリップチップ型半導体装置の半導体素子と回路基板との間隙及びその外周への樹脂充填方法において、液状樹脂を半導体素子外周に塗布し、外周の１部は排気孔として液状樹脂を塗布せずにおいて真空チャンバへセットし、真空チャンバ内を、例えば、２ｔｏｒｒ以下に減圧し、減圧直後に液状樹脂を塗布しない部分を閉鎖した後、真空破壊を実施して半導体素子内外の気圧差（例えば、約１気圧）を利用して樹脂充填させることを特徴としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の図１４に示すフリップチップ型半導体装置を樹脂封止する上記真空破壊を実施する方法について図１５及び乃至図１６を参照しながら説明する。
半導体製造装置の樹脂塗布装置において、外部端子が取り付けられた回路基板１とこの回路基板１にフリップチップボンディングされた半導体素子２との隙間に樹脂を充填させるために、ディスペンスノズルから一部排気孔４となる未塗布部分を残して半導体素子の周辺に液状樹脂３を塗布する（図１５（ａ））。その後半導体素子２を取り付けた回路基板１をチャンバ内へと移送させ、これを減圧雰囲気にさらすと同時に、樹脂粘度を下げるために回路基板１を加熱させ、樹脂加熱を行う。樹脂加熱後、排気孔４近傍の液状樹脂３が毛細管現象により浸透が進んで排気孔４が閉じられる（図１５（ｂ））。その後、雰囲気の圧力を大気圧まで上昇させる。回路基板１と半導体素子２との隙間は、低圧状態で樹脂３により密閉空間となっているため、雰囲気の圧力を上昇させることにより、この密閉空間と雰囲気との間に圧力差が生じる。この圧力差により液状樹脂３がこの隙間の内部に吸い込まれ（もしくは押し込まれ）て図１４に示すような樹脂封止体６が回路基板１と半導体素子２との隙間に形成される（図１６）。
【０００６】
この方法によると、間隙への樹脂充填が終了した後あらかじめ塗布しなかった一部に再度液状樹脂を塗布する従来技術に比べて、減圧直後に排気孔を閉鎖するので短時間でフリップチップ型半導体装置の樹脂充填が実現でき、また、空気の巻き込みや樹脂から発生するガスなどによるボイド不良も低減できる。
しかし、▲１▼大気開放を行うときの圧力変化により、液状樹脂にかかる力が樹脂の粘度、界面力等により互いに結びつこうとする力よりも大きい場合には、図１６に示すように樹脂量の少ない排気孔の部分が破壊され、周囲から気体が流入する現象が発生する。この流入した気体がボイドとなって残り、その結果、製品の信頼性を落とすという問題があった。また、▲２▼半導体素子と回路基板との隙間が小さくなると、形状抵抗が大きくなり、樹脂抵抗が大きくなり、樹脂粘度、チクソトロピー性等の影響を受け、充填速度の著しい低下を招き、その結果、生産性の低下につながるという問題があった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、半導体素子と回路基板との隙間に液状樹脂を封止する方法において、雰囲気を低圧にし、回路基板、半導体素子及び液状樹脂で形成される密閉空間と、雰囲気との間に圧力差を設け、密閉空間にエアー流入無しに樹脂封止をするとともに樹脂封止に要する時間を短くすることができる半導体装置の製造方法及び半導体製造装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体素子と回路基板との隙間に樹脂封止する樹脂充填方法において、雰囲気を低圧にし、半導体素子、回路基板及び液状樹脂で形成される密閉空間と雰囲気との間に任意の値に設定・制御された圧力差を設けて密閉空間にエアー流入のない状態で樹脂封止を行うことに特徴がある。また、圧力差を設けるために、減圧ガスのみでなく、高圧ガスを雰囲気に用いて樹脂封止に要する時間を短くすることに特徴がある。
すなわち、本発明の半導体装置の製造方法は、主面に形成された接続電極にボール状接続端子を設けた半導体素子がこのボール状接続端子を介して接続された回路基板を塗布装置に搭載させ、前記回路基板上に前記半導体素子外周の一部を残して液状樹脂を塗布する工程と、前記半導体素子と前記回路基板とを減圧下に置いて、前記半導体素子と前記回路基板との間隙の空気を排除すると共に残された未塗布部を塞ぎ、前記半導体素子の全外周を前記液状樹脂で充填させる工程と、前記液状樹脂が充填された前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻して前記半導体素子と前記回路基板との間隙の未充填部分の樹脂充填を完了させる工程とを備え、前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、任意の設定値に設定しながら、制御することを第１の特徴としている。
【０００８】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、主面に形成された接続電極にボール状接続端子を設けた半導体素子がこのボール状接続端子を介して接続された回路基板を塗布装置に搭載させ、前記回路基板上に前記半導体素子外周の一部を残して液状樹脂を塗布する工程と、前記半導体素子と前記回路基板とを減圧下に置いて、前記半導体素子と前記回路基板との間隙の空気を排除すると共に残された未塗布部を塞ぎ、前記半導体素子の全外周を前記液状樹脂で充填させる工程と、前記液状樹脂が充填された前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻して前記半導体素子と前記回路基板との間隙の未充填部分の樹脂充填を完了させる工程とを備え、前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、流入する気体の流量を制御することにより段階的に任意の設定値に設定しながら、制御することを第２の特徴としている。前記流入する気体は、１００〜５００ｋＰａの高圧ガスであるようにしても良い。前記任意の設定値は複数であっても良い。
【０００９】
また、本発明の半導体製造装置は、主面に形成された接続電極にボール状接続端子を有する半導体素子がこのボール状接続端子を介して接続された回路基板に液状樹脂を塗布する塗布装置と、前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、段階的に任意の設定値に設定しながら、制御する圧力制御装置とを備え、前記回路基板上の前記半導体素子外周の少なくとも一部を残して液状樹脂を塗布し、前記半導体素子が接続された回路基板を減圧下に置いて、前記半導体素子と前記回路基板との間隙の空気を排除すると共に残された未塗布部を塞いで前記半導体素子全外周を前記液状樹脂で充填させ、前記液状樹脂が充填された前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻して前記半導体素子と前記回路基板との間隙の未充填部分の樹脂充填を完了させ、且つ前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、段階的に任意の設定値に設定しながら、制御することを特徴としている。流入する気体の流量を制御することにより前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、段階的に任意の設定値に設定しながら、制御するようにしても良い。
【００１０】
なお液状樹脂の粘度は、ディスペンス時には１０〜１０００００ｐｏｉｓ程度が適当である。半導体素子の周辺に塗布される液状樹脂に設けられた排気孔として用いられる未塗布部分のトータルの大きさは、半導体素子の５％〜７０％が適当である。５％未満では、排気孔としての効果はなく、７０％を越えると減圧空間を形成することができない。また、半導体素子と回路基板との間隙は２０〜２００μｍ程度である。回路基板は、セラミックスもしくは合成樹脂を材料にしている。さらに、液状樹脂は、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、ビニル重合樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂などの熱硬化性樹脂、芳香族ポリアミド、ナイロン樹脂、超高分子量ポリエチレン、オレフィンやアミドなどを使用した熱可塑性エラストマーなどの熱可塑性樹脂などが用いられる。
【００１１】
請求項１及び請求項２の発明では、液状樹脂の界面に発生する粘着力、粘度等により生じる樹脂が結びついて圧力変化に打ち勝とうとする力に対して、それ以下の力を発生させるように圧力制御を行って、半導体素子、回路基板及び液状樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができる。
請求項３の発明では、設定圧力を複数設けることにより一層圧力制御が容易になる。
請求項４の発明では、半導体素子と回路基板との隙間が狭くなり、形状抵抗が大きくなって充填速度が著しく遅くなった場合でも大気圧に戻した後、雰囲気を高圧状態にすることにより、樹脂を充填する方向に対して力が加わり、その結果充填速度を加速させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
まず、図１乃至図５を参照して第１の実施例を説明する。
図１は、樹脂充填方法を説明するフリップチップ型半導体装置の平面図、図２は、樹脂充填方法を説明する樹脂が充填された回路基板の平面図（図中、半導体素子は、説明を容易にするために点線で表示）、図３は、半導体素子と回路基板との間に樹脂封止体（アンダーフィル）が形成された半導体装置の断面図、図４及び図５は、圧力制御プロファイルを示すタイミング図である。
図３に示されるフリップチップ型半導体装置は、半導体素子１１と、この半導体素子１１が搭載された回路基板１３と、両者の間に形成されたアンダーフィル樹脂封止体１６とから構成されている。すなわち、集積回路が内部に形成された半導体素子１１にはこの集積回路に電気的に接続された複数の接続電極が形成されている。この接続電極には、例えば、はんだからなるボール状の接続端子（バンプ）１２が接続されている。回路基板１３の半導体素子１１が搭載される主面には図示はしないが配線及び接続電極が形成されている。半導体素子１１の複数のバンプ１２は、回路基板１３主面の接続電極に接続されている。回路基板１３の裏面には、接続電極が形成されており、この接続電極に接続されるようにボール状の外部端子１４が取り付けられている。
【００１３】
回路基板１３の主面の接続電極と裏面の接続電極とは適宜回路基板１３の内部配線を介して接続されている。また、半導体素子１１と回路基板１３との間にはバンプの厚さ分だけ間隙がある。この間隙にはエポキシ樹脂などの樹脂が封止されており、図１及び図２は、この樹脂の間隙への充填方法を示すものである。
この充填方法を図１、図２、図４を参照して説明する。まず、▲１▼回路基板１３上の半導体素子１１外周に樹脂が塗布されていない部分を一部残してディスペンサーから供給される液状樹脂１５をディスペンスする。樹脂が塗布されていない部分は、排気孔１０として用いられる（図１（ａ））。すなわち、半導体素子１１外周の一部を残して全体を囲い込む様に液状樹脂１５を塗布する。ここで、半導体素子１１外周の一部に液状樹脂を塗布しない理由は、後工程の減圧処理において、半導体素子と回路基板の間の空気を排気するためである。▲２▼その後、図４に示す時刻ａで半導体装置全体を大気圧より低い真空もしくは減圧雰囲気（図４では減圧状態にしている）下にさらすことにより、半導体素子外周部が塗布されていない部分を介して、半導体素子１１と回路基板１３との間の空気を排気する。この際、充分な排気を実現するためには半導体素子外周の液状樹脂が塗布されていない部分を所定時間残存させておくことが有効である。
【００１４】
半導体装置を減圧下にさらすことは、真空チャンバ１８内で行う（図１（ｂ））。そして、▲３▼半導体装置を減圧雰囲気にさらすと同時に回路基板１３を加熱する。この加熱処理により樹脂も加熱されその粘度が下げられる。その結果、液状樹脂１５が流動し易くなり、毛細管現象によって半導体素子１１と回路基板１３との隙間に浸透していき、最終的に液状樹脂１５が塗布されていない排気孔１０は、液状樹脂１５によって閉じられる（図１（ｃ））。
▲４▼排気孔１０が閉じられて半導体素子１１の液状樹脂１５が完全に繋がった後の半導体素子１１と回路基板１３との間の半導体素子１１中央に存在する樹脂未充填部分は、閉じた減圧空間１０１になっている（図２（ａ））。次に、真空チャンバ１８を大気圧状態にする、すなわち、閉じた減圧空間１０１が存在する状態で回路基板１３及び液状樹脂１５の周囲を大気圧雰囲気に開放すると、内部の減圧空間とその外周との間に気圧差が生じるので液状樹脂１５外周全体に掛かる大気圧により減圧空間１０１が潰れて半導体素子１１と回路基板１３との間隙の内部まで確実に充填がなされる（図２（ｂ））。大気圧は、９００〜１０６０ｈＰａ程度をいう（この実施例では大気圧は、図４に示すように１×１０5 Ｐａとする）。
【００１５】
この減圧雰囲気を変化させて大気圧に解放する期間は、図４に示す時刻ｂから時刻ｄまでに相当する。この期間において、まず、設定圧力を時刻ｂにおいてＰ１に設定する。設定圧力Ｐ１を所定時間維持してから、徐々に圧力を上げて時刻ｃにおいて設定圧力をＰ２に設定し、この圧力を所定時間維持してから圧力を上げて時刻ｄにおいて大気圧雰囲気に開放する。このように、２つの設定圧力を設けてから大気圧に戻すので、樹脂の界面に発生する粘着力や粘度等により生じる「樹脂が結びつき、圧力変化に打ち勝とうとする力」に対して、それ以下の力を発生させるように制御し、その結果、半導体素子、回路基板、樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができるので製品信頼性の向上が可能になる。
【００１６】
以上説明した充填方法は、図４のタイミングにしたがって処理されるが、この実施例では図５のタイミングにしたがた処理することも可能である。図１（ｂ）に示すように、図５に示す時刻ａで半導体装置全体を到達真空度下にさらし、この真空度は、所定時間継続させる。この減圧雰囲気を変化させて大気圧に解放する期間は、図５に示す時刻ｂから時刻ｃまでに相当する。この期間において、所定時間維持する設定圧力を設定せずに徐々に圧力を上げて時刻ｃにおいて大気圧雰囲気に開放する。このように、とくに設定圧力を設けずに常時制御しながら大気圧に戻すことになる。このため樹脂の界面に発生する粘着力や粘度等により生じる「樹脂が結びつき、圧力変化に打ち勝とうとする力」に対して、それ以下の力を発生させるように制御し、その結果、半導体素子、回路基板、樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができるので製品信頼性の向上が可能になる。
次に、▲５▼液状樹脂を半導体素子と回路基板１３との間に充填させて樹脂封止体１６を形成する。その後、半導体装置を真空チャンバ１８から取り出して後処理を行って製品を完成させる。
従来技術に比べ極めて短時間でフリップチップ型半導体装置の樹脂充填が実現でき、また、樹脂充填は空気の巻き込みや樹脂から発生するガスなどによるボイド不良も低減できる。
【００１７】
次に、図６及び図７を参照して第２の実施例を説明する。
この実施例では圧力制御装置を説明する。図６、図７は、減圧用チャンバ及び圧力制御の配管系統を示す概念図である。図６において、チャンバは、チャンバ本体２０を有し、チャンバ本体２０にはゲートバルブ２１が取り付けられていて減圧状態で密閉されるようになっている。チャンバ本体２０内部には半導体素子を取り付けた回路基板が搭載されるワークステージ２２がセットされている。チャンバ本体２０にはバルブ２４を介して排気機構である真空ポンプ２３が接続されている。また、チャンバ本体２０には空気、窒素等のガスをチャンバ本体２０に流入させる圧力制御用バルブ２５が取り付けられている。そして、チャンバ内部の圧力を測定する真空計２６がチャンバ本体２０に取り付けられている。
【００１８】
チャンバ内ガスは、例えば、真空ポンプ２３などの排気機構によりチャンバ外へと排出される。図４又は図５のタイミングにしたがって最も高い真空度（すなわち低い圧力）から徐々に外部から圧力制御バルブ２５を介してガスをを流入させて大気圧まで復帰させる。半導体素子と回路基板との隙間は、減圧下で密閉空間となっているため、気体流入時に雰囲気と圧力差が生じる。そして、大気開放を行うときの圧力変化により、液状樹脂にかかる力が樹脂の粘度、界面力等により互いに結びつこうとする力よりも大きくならないようにして樹脂量の少ない排気孔の部分が破壊され、周囲から気体が流入する現象が発生しないように段階的に圧力制御を行いながら、この圧力差を解消していく。
段階的な圧力制御を行う手段は、図６ではチャンバ内部の圧力を測定する真空計２６を備えているので、チャンバ内部の圧力をセンシングして制御する方法で行う。一方、図７に記載されたチャンバには、圧力制御バルブ２５に代えて流量制御機構２７が取り付けられている。したがって、図７のチャンバではガスの流量と時間を管理し、予め取得したデータにより流量制御を行って最終的に必要な圧力に到達させる方法で制御する。
【００１９】
次に、図８及び図９を参照して第３の実施例を説明する。
この実施例は、圧力制御装置において高圧用及び減圧用チャンバを使用することに特徴がある。図８は、圧力制御プロファイルを示すタイミング図、図９は、減圧・高圧両用チャンバと配管系統図を示す概念図である。
この実施例の樹脂充填方法は、図１及び図２に示す工程で行われ、この工程中において図８に示す圧力制御プロファイルにしたがって真空破壊が実施される。すなわち、▲１▼回路基板上の半導体素子外周に樹脂が塗布されていない部分を一部排気孔として残してディスペンサーから供給される液状樹脂をディスペンスする。その後、▲２▼図８に示す時刻ａで半導体装置全体を大気圧より低い所定の到達真空度の雰囲気下にさらすことにより、半導体素子外周部が塗布されていない部分を介して、半導体素子と回路基板との間の空気を排気する。このとき、充分な排気を実現するためには半導体素子外周の樹脂が塗布されていない部分を所定時間残存させる。そして、▲３▼半導体装置が減圧雰囲気にさらされると同時に回路基板が加熱されて樹脂の粘度が低下される。その結果、液状樹脂が流動し易くなり、毛細管現象によって半導体素子と回路基板との隙間に浸透していき、最終的に液状樹脂が塗布されていない排気孔は、液状樹脂によって閉じられる。
【００２０】
次に、▲４▼排気孔が閉じられて液状樹脂が完全に繋がった後の半導体素子と回路基板との間の半導体素子中央に存在する樹脂未充填部分は、閉じた減圧空間になる。次に、真空チャンバを大気圧状態にする。閉じた減圧空間が存在する状態で回路基板及び液状樹脂の周囲を大気圧雰囲気に開放すると、内部の減圧空間とその外周との間に気圧差が生じるので液状樹脂外周全体に掛かる大気圧（この実施例では１×１０5 とする）により減圧空間が潰れて半導体素子と回路基板との間隙の内部まで確実に充填される。
この減圧雰囲気を変化させて大気圧に解放する期間は、図８に示す時刻ｂから時刻ｆまでに相当する。この期間において、まず、第１の設定圧力として時刻ｂにおいてＰ１を設定する。第１の設定圧力Ｐ１を所定時間維持してから、徐々に圧力を上げて時刻ｃにおいて大気圧雰囲気にする。そして、大気圧に戻した後、高圧ガス（１００〜５００ｋＰａ（１〜５ｋｇｆ／ｃｍ2 ）程度）を注入することにより樹脂充填の速度を加速するとともに、さらに圧力を上げて大気圧以上にし、時刻ｄにおいて第２の設定圧力Ｐ２を設定する。この圧力を所定時間維持してから圧力を上げて時刻ｅにおいて第３の設定圧力Ｐ３を設定する。この第３の設定圧力Ｐ３を所定時間維持させてから減圧して時刻ｆにおいて大気圧雰囲気に開放する。
【００２１】
このように、３つの設定圧力を設けてから大気圧に戻すので、樹脂の界面に発生する粘着力や粘度等により生じる、樹脂が結びついて圧力変化に打ち勝とうとする力に対して、それ以下の力を発生させるように制御され、その結果、半導体素子、回路基板、液状樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができ、製品信頼性の向上が可能になる。また、半導体素子と回路基板との隙間が狭くなり、形状抵抗が大きくなった場合、充填速度が著しく遅くなり、生産性が落ちるが、この実施例のように、大気圧にした後加圧すると、充填の方向に対して力を加えることになり、充填速度を加速させて生産性の向上につながるようになる。
図９は、図８の圧力制御プロファイルにしたがった樹脂充填方法を実施するための圧力制御装置の概念図である。チャンバは、チャンバ本体２０を有し、チャンバ本体２０にはゲートバルブ２９が取り付けられていて減圧状態及び高圧状態で密閉されるようになっている。チャンバ本体２０内部には半導体素子を取り付けた回路基板が搭載されるワークステージ２２がセットされている。チャンバ本体２０にはバルブ２４を介して排気機構である真空ポンプ２３が接続されている。また、チャンバ本体２０には空気、窒素等のガスをチャンバ本体２０に流入させる圧力制御用バルブ２５が取り付けられている。そして、チャンバ内部の圧力を測定する真空計２６がチャンバ本体２０に取り付けられている。また、チャンバには空気、窒素などの高圧ガスをチャンバ本体２０内部に供給する高圧ガス供給システム２８が接続されている。
【００２２】
チャンバ内ガスは、例えば、真空ポンプ２３などの排気機構によりチャンバ外へと排出される。図８のタイミングにしたがって最も高い真空度（すなわち低い圧力）から徐々に外部から圧力制御バルブ２５を介してガスをを流入させて大気圧まで復帰させる。大気圧に復帰後、高圧ガス供給システム２８から高圧ガスをチャンバ本体２０内部に、真空ポンプ２３で排気ガスを調整しながら、供給して内部の雰囲気を高圧状態にする。
そして、大気開放を行うときの圧力変化により、液状樹脂にかかる力が樹脂の粘度、界面力等により互いに結びつこうとする力よりも大きくならないようにして樹脂量の少ない排気孔の部分が破壊され、周囲から気体が流入する現象が発生しないように段階的に圧力制御を行いながら、圧力差を解消し液状樹脂を半導体素子と回路基板との隙間に充填させていく。段階的な圧力制御を行う手段は、チャンバ内部の圧力を測定する真空計２６を備えているので、チャンバ内部の圧力をセンシングして制御する方法で行う。
図９の圧力制御装置は、図１３の圧力プロファイルにしたがった樹脂充填方法を実施することもできる。
【００２３】
上記工程▲４▼において、真空チャンバを大気圧状態にする。閉じた減圧空間が存在する状態で回路基板及び液状樹脂の周囲を大気圧雰囲気に開放すると、内部の減圧空間とその外周との間に気圧差が生じるので液状樹脂外周全体に掛かる大気圧により減圧空間が潰れて半導体素子と回路基板との間隙の内部まで確実に充填される。この減圧雰囲気を変化させて大気圧に解放する期間は、図１３に示す時刻ｂから時刻ｆまでに相当する。この期間において、まず、第１の設定圧力として時刻ｂにおいてＰ１を設定する。第１の設定圧力Ｐ１を所定時間維持してから、時刻ｃから徐々に圧力を上げて時刻ｄにおいて大気圧雰囲気にする。そして、大気圧に戻した後、高圧ガス（１００〜５００ｋＰａ（１〜５ｋｇｆ／ｃｍ2 ）程度）を注入することにより樹脂充填の速度を加速するとともに、さらに圧力を上げて大気圧以上にし、時刻ｅにおいて第２の設定圧力Ｐ２を設定する。この圧力を所定時間維持してから減圧して時刻ｆにおいて大気圧雰囲気に開放する。
このように、２つの設定圧力を設けてから大気圧に戻すので、樹脂の界面に発生する粘着力や粘度等により生じる、樹脂が結びついて圧力変化に打ち勝とうとする力に対して、それ以下の力を発生させるように制御され、その結果、半導体素子、回路基板、液状樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができ、製品信頼性の向上が可能になる。
【００２４】
次に、図１０及び図１１を参照して第４の実施例を説明する。
図１０は、本発明のフリップチップ型半導体装置の製造方法を実施するために用いられ、この半導体装置に樹脂封止体（アンダーフィル）を形成する半導体製造装置の概略上面図、図１１は、アンダーフィル樹脂封止体を形成する製造工程を示すフロー図である。
図１１に示すように、回路基板に搭載された半導体素子外周に排気孔を備えるように液状樹脂を塗布してから樹脂封止体を形成するまでの工程は、以下の通りである。まず▲１▼回路基板とその上に搭載された半導体素子を樹脂塗布ステージにセットする。▲２▼樹脂塗布ステージにおいて、回路基板上の半導体素子外周に樹脂が塗布されていない部分を排気孔として一部残すようにディスペンサーから液状樹脂をディスペンスする。▲３▼その後半導体装置全体を真空チャンバに収容し、半導体素子を搭載した回路基板をワークステージに載置しこれを加熱する。これにより半導体装置は減圧雰囲気下にさらされて半導体素子外周部が塗布されていない部分の排気孔を介して、半導体素子と回路基板との間の空気を排気する。このとき、充分な排気を実現するために半導体素子外周の樹脂が塗布されていない部分を所定時間残存させておく。
【００２５】
▲４▼ その後真空チャンバ内を真空ポンプを用いて減圧状態にし、この減圧下で半導体装置の半導体素子外周部が塗布されていない部分の排気孔を塞いで半導体素子の周辺の液状樹脂を繋げる。▲５▼液状樹脂が完全に繋がった後の半導体素子と回路基板との間の半導体素子中央に存在する樹脂未充填部分は閉じた減圧空間になっている。そして真空チャンバを所定の設定圧力を設定しながら大気圧状態にすると、内部の減圧空間とその外周との間に気圧差が生じて液状樹脂外周全体に掛かる大気圧により減圧空間が潰れ、半導体素子と回路基板との間隙の内部まで確実に充填がなされる。次に、▲６▼半導体素子及び樹脂封止体を搭載させた回路基板を真空チャンバから取り出す。後に半導体素子と回路基板との間の液状樹脂は、オーブンで硬化される。
【００２６】
図１０に示すように半導体製造装置は、ワークステージ（塗布ステージ）３１とチャンバ本体２０内に設置されたワークステージ（加熱ステージ）２２とに分離されている。ワークステージ３１は、大気圧中で操作される。半導体素子を搭載した回路基板上にはワークステージ３１上で液状樹脂が塗布される。液状樹脂は、ノズルヘッド駆動機構（Ｘ−Ｙ−Ｚロボット）３５により制御されるディスペンサーのノズルヘッド３３から回路基板上に供給される。回路基板の位置は、認識カメラ（位置補正用ＣＣＤカメラ）３４で認識され、この認識に基づいてノズル位置合わせポジション３６でノズル位置を補正する。液状樹脂が塗布された回路基板は、チャンバ本体２０内に搬送される。チャンバ本体２０は、図９に示す減圧用及び高圧用のチャンバであって、真空ポンプ２３、圧力制御用バルブ２５及び高圧ガス供給システム２８が取り付けられている。樹脂を塗布する工程は、操作パネル３７を介して操作され、減圧状態から大気圧に戻すチャンバ内の工程は、操作パネル３８を介して操作される。ワークステージ３１で図１１の▲１▼工程及び▲２▼工程が行われ、ワークステージ２２で▲３▼工程乃至▲６▼工程が行われる。
【００２７】
次に、図１２を参照して第５の実施例を説明する。
この実施例は、回路基板上に塗布された液状樹脂に形成された排気孔の形状に関するものである。図１２は、回路基板上において半導体素子外周に塗布された液状樹脂の形状を示す半導体素子及び回路基板の平面図である。
本発明は、以上のように、フリップチップ型半導体装置の半導体素子と回路基板との間隙及びその外周へ樹脂充填し、この間隙に樹脂封止体を形成する方法において、液状樹脂を半導体素子外周に塗布し、外周の１部は排気孔として液状樹脂を塗布せずにおいて真空チャンバへセットし、真空チャンバ内を減圧し、減圧後に大気圧雰囲気にして排気孔を閉鎖して前記間隙に液状樹脂で構成された減圧空間を形成後、真空破壊を行って半導体素子内外の気圧差を利用し樹脂充填させることを特徴としている。
【００２８】
回路基板５２上の半導体素子５１外周に塗布された液状樹脂４９の形状は、排気孔５０の数、大きさを自由に変えることができる。図１２は、液状樹脂の塗布形状の例を示したものである。排気孔５０は、半導体素子５１周辺の一か所にのみ形成する第１〜第４の実施例の場合（図１２（ａ））に限らず、複数箇所に形成することができる（図１２（ｂ）〜（ｎ））。減圧時の排気効率が向上するので複数の排気孔を形成し、その位置をバランス良く設定することは重要である。また、半導体素子の辺だけでなく角部にも形成することができる（図１２（ｆ）〜（ｍ））。角部に形成すると外観が綺麗になるという利点がある。しかし、角部は最も応力が集中するところであるので、液状樹脂は、予め塗布しておくことが好ましい。排気孔のトータルの大きさ、すなわち、液状樹脂の未塗布部分の大きさは、半導体素子外周の５％〜７０％程度が適当である。
従来技術に比べて短時間でフリップチップ型半導体装置の樹脂充填が実現でき、また、空気の巻き込みや樹脂から発生するガスなどによるボイド不良も低減することが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、以上の構成により、従来技術に比べて短時間でフリップチップ型半導体装置の樹脂充填が実現できる。そして、樹脂の界面に発生する粘着力、粘度等により得られる樹脂が結びついて圧力変化に打ち勝とうとする力に対して、それ以下の力を発生させるように圧力制御を行って、半導体素子、回路基板及び液状樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができ製品の信頼性が向上する。また、半導体素子と回路基板との隙間が狭くなり、形状抵抗が大きくなって樹脂充填速度が著しく遅くなり、生産性が落ちてくる場合でも大気圧に戻した後、高圧状態にすることにより、樹脂充填の方向に対して力を加えて充填速度を加速させ、その結果生産性を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の樹脂充填方法を説明する半導体装置の平面図。
【図２】本発明の樹脂充填方法を説明する半導体装置の平面図。
【図３】本発明の半導体装置の断面図。
【図４】本発明の圧力制御プロファイルを示すタイミング図。
【図５】本発明の圧力制御プロファイルを示すタイミング図。
【図６】本発明の減圧用チャンバ及び圧力制御の配管系統を示す概念図。
【図７】本発明の減圧用チャンバ及び圧力制御の配管系統を示す概念図。
【図８】本発明の圧力制御プロファイルを示すタイミング図。
【図９】本発明の減圧・高圧両用チャンバと配管系統図を示す概念図。
【図１０】本発明の半導体装置に樹脂封止体を形成する半導体製造装置の概略上面図。
【図１１】本発明の樹脂封止体を形成する製造工程を示すフロー図。
【図１２】本発明の回路基板上において半導体素子外周に塗布された液状樹脂の形状を示す半導体素子及び回路基板の平面図。
【図１３】本発明の圧力制御プロファイルを示すタイミング図。
【図１４】従来の半導体装置の断面図。
【図１５】従来の半導体装置の製造工程平面図。
【図１６】従来の半導体装置の製造工程平面図。
【符号の説明】
１、１３、５２・・・回路基板、
２、１１、５１・・・半導体素子（チップ）
３・・・樹脂、樹脂封止体（アンダーフィル）、
４、１０、５０・・・排気孔、 ５・・・ボイド、
６、１６・・・樹脂封止体（アンダーフィル）、
７、１２・・・ボール状の接続端子（バンプ）、
８、１４・・・外部端子、 １５、４９・・・液状樹脂、
１８・・・真空チャンバ、 ２０・・・チャンバ本体、
２１、２９・・・ゲートバルブ、
２２・・・ワークステージ（加熱ステージ）、 ２３・・・真空ポンプ、
２４・・・バルブ、 ２５・・・圧力制御用バルブ、 ２６・・・真空計、
２７・・・流量制御機構、 ２８・・・高圧ガス供給システム、
３１・・・ワークステージ（塗布ステージ）、
３３・・・ノズルヘッド、
３４・・・認識カメラ（位置補正用ＣＣＤカメラ）、
３５・・・ノズルヘッド駆動機構（Ｘ−Ｙ−Ｚロボット）、
３６・・・ノズル位置合わせポジション、 ３７、３８・・・操作パネル、
１０１・・・閉じた減圧空間。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置を構成する半導体素子と回路基板との間に樹脂充填を行う方法及びこの方法を実施する半導体製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フリップチップ型半導体装置は、半導体素子とこの半導体素子が搭載された回路基板から構成されている。図１４は、従来のフリップチップ型半導体装置の断面図である。集積回路が内部に形成された半導体素子２にはこの集積回路に電気的に接続された複数の接続電極（図示せず）が形成されている。この接続電極には、例えば、はんだなどからなるボール状の接続端子（バンプ）７が接続されている。回路基板１は、半導体素子２が搭載される主面には配線及び接続電極（図示せず）が形成されている。そして、複数のバンプ７が主面の接続電極に接続されている。回路基板１の裏面には、図示しない接続電極が形成されており、この接続電極に接続されるように、例えば、ボール状の外部端子８が取り付けられている。回路基板１の主面の接続電極と裏面の接続電極とは適宜回路基板１の内部配線（図示せず）を介して接続されている。半導体素子２と回路基板１との間にはバンプ７の厚さ分だけ間隙がある。この間隙にはエポキシ樹脂などの樹脂封止体６が封止されている。
【０００３】
この樹脂封止体６を形成する方法として、まず、半導体素子（チップ）２に取り付けたバンプ７を回路基板１に搭載してから、半導体素子２と回路基板１との間隙の半導体素子２の外周の一部にディスペンスノズルから液状樹脂を滴下し、次いで、加熱軟化した液状樹脂を毛細管現象により半導体素子２と回路基板１の間隙に浸透させる。間隙に浸透された液状樹脂は、半導体素子２と回路基板１の間隙に均一に広がり、加熱硬化されて樹脂封止体６が形成される。しかし、この様に半導体素子２と回路基板１との間隙への樹脂充填が終了した後、均一な樹脂封止体６を形成するため、あらかじめ塗布しなかった一部に再度液状樹脂を塗布していた。この場合、樹脂塗布工程に要する時間は、塗布装置を１台で補おうとすると、塗布時間のみならず半導体素子外周より回路基板の間隙に樹脂を充填する時間も合計されたものとなり、生産性が非常に低い樹脂充填装置となる。
そこで、従来に比べて短時間で樹脂充填が実現でき、且つ空気の巻き込みや樹脂から発生するガスなどによるボイド不良が低減できる樹脂充填方法が開発された（特願平９−２８３６７８号）。
【０００４】
この方法は、フリップチップ型半導体装置の半導体素子と回路基板との間隙及びその外周への樹脂充填方法において、液状樹脂を半導体素子外周に塗布し、外周の１部は排気孔として液状樹脂を塗布せずにおいて真空チャンバへセットし、真空チャンバ内を、例えば、２ｔｏｒｒ以下に減圧し、減圧直後に液状樹脂を塗布しない部分を閉鎖した後、真空破壊を実施して半導体素子内外の気圧差（例えば、約１気圧）を利用して樹脂充填させることを特徴としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の図１４に示すフリップチップ型半導体装置を樹脂封止する上記真空破壊を実施する方法について図１５及び乃至図１６を参照しながら説明する。
半導体製造装置の樹脂塗布装置において、外部端子が取り付けられた回路基板１とこの回路基板１にフリップチップボンディングされた半導体素子２との隙間に樹脂を充填させるために、ディスペンスノズルから一部排気孔４となる未塗布部分を残して半導体素子の周辺に液状樹脂３を塗布する（図１５（ａ））。その後半導体素子２を取り付けた回路基板１をチャンバ内へと移送させ、これを減圧雰囲気にさらすと同時に、樹脂粘度を下げるために回路基板１を加熱させ、樹脂加熱を行う。樹脂加熱後、排気孔４近傍の液状樹脂３が毛細管現象により浸透が進んで排気孔４が閉じられる（図１５（ｂ））。その後、雰囲気の圧力を大気圧まで上昇させる。回路基板１と半導体素子２との隙間は、低圧状態で樹脂３により密閉空間となっているため、雰囲気の圧力を上昇させることにより、この密閉空間と雰囲気との間に圧力差が生じる。この圧力差により液状樹脂３がこの隙間の内部に吸い込まれ（もしくは押し込まれ）て図１４に示すような樹脂封止体６が回路基板１と半導体素子２との隙間に形成される（図１６）。
【０００６】
この方法によると、間隙への樹脂充填が終了した後あらかじめ塗布しなかった一部に再度液状樹脂を塗布する従来技術に比べて、減圧直後に排気孔を閉鎖するので短時間でフリップチップ型半導体装置の樹脂充填が実現でき、また、空気の巻き込みや樹脂から発生するガスなどによるボイド不良も低減できる。
しかし、▲１▼大気開放を行うときの圧力変化により、液状樹脂にかかる力が樹脂の粘度、界面力等により互いに結びつこうとする力よりも大きい場合には、図１６に示すように樹脂量の少ない排気孔の部分が破壊され、周囲から気体が流入する現象が発生する。この流入した気体がボイドとなって残り、その結果、製品の信頼性を落とすという問題があった。また、▲２▼半導体素子と回路基板との隙間が小さくなると、形状抵抗が大きくなり、樹脂抵抗が大きくなり、樹脂粘度、チクソトロピー性等の影響を受け、充填速度の著しい低下を招き、その結果、生産性の低下につながるという問題があった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、半導体素子と回路基板との隙間に液状樹脂を封止する方法において、雰囲気を低圧にし、回路基板、半導体素子及び液状樹脂で形成される密閉空間と、雰囲気との間に圧力差を設け、密閉空間にエアー流入無しに樹脂封止をするとともに樹脂封止に要する時間を短くすることができる半導体装置の製造方法及び半導体製造装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体素子と回路基板との隙間に樹脂封止する樹脂充填方法において、雰囲気を低圧にし、半導体素子、回路基板及び液状樹脂で形成される密閉空間と雰囲気との間に任意の値に設定・制御された圧力差を設けて密閉空間にエアー流入のない状態で樹脂封止を行うことに特徴がある。また、圧力差を設けるために、減圧ガスのみでなく、高圧ガスを雰囲気に用いて樹脂封止に要する時間を短くすることに特徴がある。
すなわち、本発明の半導体装置の製造方法は、主面に形成された接続電極にボール状接続端子を設けた半導体素子がこのボール状接続端子を介して接続された回路基板を塗布装置に搭載させ、前記回路基板上に前記半導体素子外周の一部を残して液状樹脂を塗布する工程と、前記半導体素子と前記回路基板とを減圧下に置いて、前記半導体素子と前記回路基板との間隙の空気を排除すると共に残された未塗布部を塞ぎ、前記半導体素子の全外周を前記液状樹脂で充填させる工程と、前記液状樹脂が充填された前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻して前記半導体素子と前記回路基板との間隙の未充填部分の樹脂充填を完了させる工程とを備え、前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、任意の設定値に設定しながら、制御することを第１の特徴としている。
【０００８】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、主面に形成された接続電極にボール状接続端子を設けた半導体素子がこのボール状接続端子を介して接続された回路基板を塗布装置に搭載させ、前記回路基板上に前記半導体素子外周の一部を残して液状樹脂を塗布する工程と、前記半導体素子と前記回路基板とを減圧下に置いて、前記半導体素子と前記回路基板との間隙の空気を排除すると共に残された未塗布部を塞ぎ、前記半導体素子の全外周を前記液状樹脂で充填させる工程と、前記液状樹脂が充填された前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻して前記半導体素子と前記回路基板との間隙の未充填部分の樹脂充填を完了させる工程とを備え、前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、流入する気体の流量を制御することにより段階的に任意の設定値に設定しながら、制御することを第２の特徴としている。前記流入する気体は、１００〜５００ｋＰａの高圧ガスであるようにしても良い。前記任意の設定値は複数であっても良い。
【０００９】
また、本発明の半導体製造装置は、主面に形成された接続電極にボール状接続端子を有する半導体素子がこのボール状接続端子を介して接続された回路基板に液状樹脂を塗布する塗布装置と、前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、段階的に任意の設定値に設定しながら、制御する圧力制御装置とを備え、前記回路基板上の前記半導体素子外周の少なくとも一部を残して液状樹脂を塗布し、前記半導体素子が接続された回路基板を減圧下に置いて、前記半導体素子と前記回路基板との間隙の空気を排除すると共に残された未塗布部を塞いで前記半導体素子全外周を前記液状樹脂で充填させ、前記液状樹脂が充填された前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻して前記半導体素子と前記回路基板との間隙の未充填部分の樹脂充填を完了させ、且つ前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、段階的に任意の設定値に設定しながら、制御することを特徴としている。流入する気体の流量を制御することにより前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、段階的に任意の設定値に設定しながら、制御するようにしても良い。
【００１０】
なお液状樹脂の粘度は、ディスペンス時には１０〜１０００００ｐｏｉｓ程度が適当である。半導体素子の周辺に塗布される液状樹脂に設けられた排気孔として用いられる未塗布部分のトータルの大きさは、半導体素子の５％〜７０％が適当である。５％未満では、排気孔としての効果はなく、７０％を越えると減圧空間を形成することができない。また、半導体素子と回路基板との間隙は２０〜２００μｍ程度である。回路基板は、セラミックスもしくは合成樹脂を材料にしている。さらに、液状樹脂は、エポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂、ビニル重合樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂などの熱硬化性樹脂、芳香族ポリアミド、ナイロン樹脂、超高分子量ポリエチレン、オレフィンやアミドなどを使用した熱可塑性エラストマーなどの熱可塑性樹脂などが用いられる。
【００１１】
請求項１及び請求項２の発明では、液状樹脂の界面に発生する粘着力、粘度等により生じる樹脂が結びついて圧力変化に打ち勝とうとする力に対して、それ以下の力を発生させるように圧力制御を行って、半導体素子、回路基板及び液状樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができる。
請求項３の発明では、設定圧力を複数設けることにより一層圧力制御が容易になる。
請求項４の発明では、半導体素子と回路基板との隙間が狭くなり、形状抵抗が大きくなって充填速度が著しく遅くなった場合でも大気圧に戻した後、雰囲気を高圧状態にすることにより、樹脂を充填する方向に対して力が加わり、その結果充填速度を加速させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
まず、図１乃至図５を参照して第１の実施例を説明する。
図１は、樹脂充填方法を説明するフリップチップ型半導体装置の平面図、図２は、樹脂充填方法を説明する樹脂が充填された回路基板の平面図（図中、半導体素子は、説明を容易にするために点線で表示）、図３は、半導体素子と回路基板との間に樹脂封止体（アンダーフィル）が形成された半導体装置の断面図、図４及び図５は、圧力制御プロファイルを示すタイミング図である。
図３に示されるフリップチップ型半導体装置は、半導体素子１１と、この半導体素子１１が搭載された回路基板１３と、両者の間に形成されたアンダーフィル樹脂封止体１６とから構成されている。すなわち、集積回路が内部に形成された半導体素子１１にはこの集積回路に電気的に接続された複数の接続電極が形成されている。この接続電極には、例えば、はんだからなるボール状の接続端子（バンプ）１２が接続されている。回路基板１３の半導体素子１１が搭載される主面には図示はしないが配線及び接続電極が形成されている。半導体素子１１の複数のバンプ１２は、回路基板１３主面の接続電極に接続されている。回路基板１３の裏面には、接続電極が形成されており、この接続電極に接続されるようにボール状の外部端子１４が取り付けられている。
【００１３】
回路基板１３の主面の接続電極と裏面の接続電極とは適宜回路基板１３の内部配線を介して接続されている。また、半導体素子１１と回路基板１３との間にはバンプの厚さ分だけ間隙がある。この間隙にはエポキシ樹脂などの樹脂が封止されており、図１及び図２は、この樹脂の間隙への充填方法を示すものである。
この充填方法を図１、図２、図４を参照して説明する。まず、▲１▼回路基板１３上の半導体素子１１外周に樹脂が塗布されていない部分を一部残してディスペンサーから供給される液状樹脂１５をディスペンスする。樹脂が塗布されていない部分は、排気孔１０として用いられる（図１（ａ））。すなわち、半導体素子１１外周の一部を残して全体を囲い込む様に液状樹脂１５を塗布する。ここで、半導体素子１１外周の一部に液状樹脂を塗布しない理由は、後工程の減圧処理において、半導体素子と回路基板の間の空気を排気するためである。▲２▼その後、図４に示す時刻ａで半導体装置全体を大気圧より低い真空もしくは減圧雰囲気（図４では減圧状態にしている）下にさらすことにより、半導体素子外周部が塗布されていない部分を介して、半導体素子１１と回路基板１３との間の空気を排気する。この際、充分な排気を実現するためには半導体素子外周の液状樹脂が塗布されていない部分を所定時間残存させておくことが有効である。
【００１４】
半導体装置を減圧下にさらすことは、真空チャンバ１８内で行う（図１（ｂ））。そして、▲３▼半導体装置を減圧雰囲気にさらすと同時に回路基板１３を加熱する。この加熱処理により樹脂も加熱されその粘度が下げられる。その結果、液状樹脂１５が流動し易くなり、毛細管現象によって半導体素子１１と回路基板１３との隙間に浸透していき、最終的に液状樹脂１５が塗布されていない排気孔１０は、液状樹脂１５によって閉じられる（図１（ｃ））。
▲４▼排気孔１０が閉じられて半導体素子１１の液状樹脂１５が完全に繋がった後の半導体素子１１と回路基板１３との間の半導体素子１１中央に存在する樹脂未充填部分は、閉じた減圧空間１０１になっている（図２（ａ））。次に、真空チャンバ１８を大気圧状態にする、すなわち、閉じた減圧空間１０１が存在する状態で回路基板１３及び液状樹脂１５の周囲を大気圧雰囲気に開放すると、内部の減圧空間とその外周との間に気圧差が生じるので液状樹脂１５外周全体に掛かる大気圧により減圧空間１０１が潰れて半導体素子１１と回路基板１３との間隙の内部まで確実に充填がなされる（図２（ｂ））。大気圧は、９００〜１０６０ｈＰａ程度をいう（この実施例では大気圧は、図４に示すように１×１０5 Ｐａとする）。
【００１５】
この減圧雰囲気を変化させて大気圧に解放する期間は、図４に示す時刻ｂから時刻ｄまでに相当する。この期間において、まず、設定圧力を時刻ｂにおいてＰ１に設定する。設定圧力Ｐ１を所定時間維持してから、徐々に圧力を上げて時刻ｃにおいて設定圧力をＰ２に設定し、この圧力を所定時間維持してから圧力を上げて時刻ｄにおいて大気圧雰囲気に開放する。このように、２つの設定圧力を設けてから大気圧に戻すので、樹脂の界面に発生する粘着力や粘度等により生じる「樹脂が結びつき、圧力変化に打ち勝とうとする力」に対して、それ以下の力を発生させるように制御し、その結果、半導体素子、回路基板、樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができるので製品信頼性の向上が可能になる。
【００１６】
以上説明した充填方法は、図４のタイミングにしたがって処理されるが、この実施例では図５のタイミングにしたがた処理することも可能である。図１（ｂ）に示すように、図５に示す時刻ａで半導体装置全体を到達真空度下にさらし、この真空度は、所定時間継続させる。この減圧雰囲気を変化させて大気圧に解放する期間は、図５に示す時刻ｂから時刻ｃまでに相当する。この期間において、所定時間維持する設定圧力を設定せずに徐々に圧力を上げて時刻ｃにおいて大気圧雰囲気に開放する。このように、とくに設定圧力を設けずに常時制御しながら大気圧に戻すことになる。このため樹脂の界面に発生する粘着力や粘度等により生じる「樹脂が結びつき、圧力変化に打ち勝とうとする力」に対して、それ以下の力を発生させるように制御し、その結果、半導体素子、回路基板、樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができるので製品信頼性の向上が可能になる。
次に、▲５▼液状樹脂を半導体素子と回路基板１３との間に充填させて樹脂封止体１６を形成する。その後、半導体装置を真空チャンバ１８から取り出して後処理を行って製品を完成させる。
従来技術に比べ極めて短時間でフリップチップ型半導体装置の樹脂充填が実現でき、また、樹脂充填は空気の巻き込みや樹脂から発生するガスなどによるボイド不良も低減できる。
【００１７】
次に、図６及び図７を参照して第２の実施例を説明する。
この実施例では圧力制御装置を説明する。図６、図７は、減圧用チャンバ及び圧力制御の配管系統を示す概念図である。図６において、チャンバは、チャンバ本体２０を有し、チャンバ本体２０にはゲートバルブ２１が取り付けられていて減圧状態で密閉されるようになっている。チャンバ本体２０内部には半導体素子を取り付けた回路基板が搭載されるワークステージ２２がセットされている。チャンバ本体２０にはバルブ２４を介して排気機構である真空ポンプ２３が接続されている。また、チャンバ本体２０には空気、窒素等のガスをチャンバ本体２０に流入させる圧力制御用バルブ２５が取り付けられている。そして、チャンバ内部の圧力を測定する真空計２６がチャンバ本体２０に取り付けられている。
【００１８】
チャンバ内ガスは、例えば、真空ポンプ２３などの排気機構によりチャンバ外へと排出される。図４又は図５のタイミングにしたがって最も高い真空度（すなわち低い圧力）から徐々に外部から圧力制御バルブ２５を介してガスをを流入させて大気圧まで復帰させる。半導体素子と回路基板との隙間は、減圧下で密閉空間となっているため、気体流入時に雰囲気と圧力差が生じる。そして、大気開放を行うときの圧力変化により、液状樹脂にかかる力が樹脂の粘度、界面力等により互いに結びつこうとする力よりも大きくならないようにして樹脂量の少ない排気孔の部分が破壊され、周囲から気体が流入する現象が発生しないように段階的に圧力制御を行いながら、この圧力差を解消していく。
段階的な圧力制御を行う手段は、図６ではチャンバ内部の圧力を測定する真空計２６を備えているので、チャンバ内部の圧力をセンシングして制御する方法で行う。一方、図７に記載されたチャンバには、圧力制御バルブ２５に代えて流量制御機構２７が取り付けられている。したがって、図７のチャンバではガスの流量と時間を管理し、予め取得したデータにより流量制御を行って最終的に必要な圧力に到達させる方法で制御する。
【００１９】
次に、図８及び図９を参照して第３の実施例を説明する。
この実施例は、圧力制御装置において高圧用及び減圧用チャンバを使用することに特徴がある。図８は、圧力制御プロファイルを示すタイミング図、図９は、減圧・高圧両用チャンバと配管系統図を示す概念図である。
この実施例の樹脂充填方法は、図１及び図２に示す工程で行われ、この工程中において図８に示す圧力制御プロファイルにしたがって真空破壊が実施される。すなわち、▲１▼回路基板上の半導体素子外周に樹脂が塗布されていない部分を一部排気孔として残してディスペンサーから供給される液状樹脂をディスペンスする。その後、▲２▼図８に示す時刻ａで半導体装置全体を大気圧より低い所定の到達真空度の雰囲気下にさらすことにより、半導体素子外周部が塗布されていない部分を介して、半導体素子と回路基板との間の空気を排気する。このとき、充分な排気を実現するためには半導体素子外周の樹脂が塗布されていない部分を所定時間残存させる。そして、▲３▼半導体装置が減圧雰囲気にさらされると同時に回路基板が加熱されて樹脂の粘度が低下される。その結果、液状樹脂が流動し易くなり、毛細管現象によって半導体素子と回路基板との隙間に浸透していき、最終的に液状樹脂が塗布されていない排気孔は、液状樹脂によって閉じられる。
【００２０】
次に、▲４▼排気孔が閉じられて液状樹脂が完全に繋がった後の半導体素子と回路基板との間の半導体素子中央に存在する樹脂未充填部分は、閉じた減圧空間になる。次に、真空チャンバを大気圧状態にする。閉じた減圧空間が存在する状態で回路基板及び液状樹脂の周囲を大気圧雰囲気に開放すると、内部の減圧空間とその外周との間に気圧差が生じるので液状樹脂外周全体に掛かる大気圧（この実施例では１×１０5 とする）により減圧空間が潰れて半導体素子と回路基板との間隙の内部まで確実に充填される。
この減圧雰囲気を変化させて大気圧に解放する期間は、図８に示す時刻ｂから時刻ｆまでに相当する。この期間において、まず、第１の設定圧力として時刻ｂにおいてＰ１を設定する。第１の設定圧力Ｐ１を所定時間維持してから、徐々に圧力を上げて時刻ｃにおいて大気圧雰囲気にする。そして、大気圧に戻した後、高圧ガス（１００〜５００ｋＰａ（１〜５ｋｇｆ／ｃｍ2 ）程度）を注入することにより樹脂充填の速度を加速するとともに、さらに圧力を上げて大気圧以上にし、時刻ｄにおいて第２の設定圧力Ｐ２を設定する。この圧力を所定時間維持してから圧力を上げて時刻ｅにおいて第３の設定圧力Ｐ３を設定する。この第３の設定圧力Ｐ３を所定時間維持させてから減圧して時刻ｆにおいて大気圧雰囲気に開放する。
【００２１】
このように、３つの設定圧力を設けてから大気圧に戻すので、樹脂の界面に発生する粘着力や粘度等により生じる、樹脂が結びついて圧力変化に打ち勝とうとする力に対して、それ以下の力を発生させるように制御され、その結果、半導体素子、回路基板、液状樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができ、製品信頼性の向上が可能になる。また、半導体素子と回路基板との隙間が狭くなり、形状抵抗が大きくなった場合、充填速度が著しく遅くなり、生産性が落ちるが、この実施例のように、大気圧にした後加圧すると、充填の方向に対して力を加えることになり、充填速度を加速させて生産性の向上につながるようになる。
図９は、図８の圧力制御プロファイルにしたがった樹脂充填方法を実施するための圧力制御装置の概念図である。チャンバは、チャンバ本体２０を有し、チャンバ本体２０にはゲートバルブ２９が取り付けられていて減圧状態及び高圧状態で密閉されるようになっている。チャンバ本体２０内部には半導体素子を取り付けた回路基板が搭載されるワークステージ２２がセットされている。チャンバ本体２０にはバルブ２４を介して排気機構である真空ポンプ２３が接続されている。また、チャンバ本体２０には空気、窒素等のガスをチャンバ本体２０に流入させる圧力制御用バルブ２５が取り付けられている。そして、チャンバ内部の圧力を測定する真空計２６がチャンバ本体２０に取り付けられている。また、チャンバには空気、窒素などの高圧ガスをチャンバ本体２０内部に供給する高圧ガス供給システム２８が接続されている。
【００２２】
チャンバ内ガスは、例えば、真空ポンプ２３などの排気機構によりチャンバ外へと排出される。図８のタイミングにしたがって最も高い真空度（すなわち低い圧力）から徐々に外部から圧力制御バルブ２５を介してガスをを流入させて大気圧まで復帰させる。大気圧に復帰後、高圧ガス供給システム２８から高圧ガスをチャンバ本体２０内部に、真空ポンプ２３で排気ガスを調整しながら、供給して内部の雰囲気を高圧状態にする。
そして、大気開放を行うときの圧力変化により、液状樹脂にかかる力が樹脂の粘度、界面力等により互いに結びつこうとする力よりも大きくならないようにして樹脂量の少ない排気孔の部分が破壊され、周囲から気体が流入する現象が発生しないように段階的に圧力制御を行いながら、圧力差を解消し液状樹脂を半導体素子と回路基板との隙間に充填させていく。段階的な圧力制御を行う手段は、チャンバ内部の圧力を測定する真空計２６を備えているので、チャンバ内部の圧力をセンシングして制御する方法で行う。
図９の圧力制御装置は、図１３の圧力プロファイルにしたがった樹脂充填方法を実施することもできる。
【００２３】
上記工程▲４▼において、真空チャンバを大気圧状態にする。閉じた減圧空間が存在する状態で回路基板及び液状樹脂の周囲を大気圧雰囲気に開放すると、内部の減圧空間とその外周との間に気圧差が生じるので液状樹脂外周全体に掛かる大気圧により減圧空間が潰れて半導体素子と回路基板との間隙の内部まで確実に充填される。この減圧雰囲気を変化させて大気圧に解放する期間は、図１３に示す時刻ｂから時刻ｆまでに相当する。この期間において、まず、第１の設定圧力として時刻ｂにおいてＰ１を設定する。第１の設定圧力Ｐ１を所定時間維持してから、時刻ｃから徐々に圧力を上げて時刻ｄにおいて大気圧雰囲気にする。そして、大気圧に戻した後、高圧ガス（１００〜５００ｋＰａ（１〜５ｋｇｆ／ｃｍ2 ）程度）を注入することにより樹脂充填の速度を加速するとともに、さらに圧力を上げて大気圧以上にし、時刻ｅにおいて第２の設定圧力Ｐ２を設定する。この圧力を所定時間維持してから減圧して時刻ｆにおいて大気圧雰囲気に開放する。
このように、２つの設定圧力を設けてから大気圧に戻すので、樹脂の界面に発生する粘着力や粘度等により生じる、樹脂が結びついて圧力変化に打ち勝とうとする力に対して、それ以下の力を発生させるように制御され、その結果、半導体素子、回路基板、液状樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができ、製品信頼性の向上が可能になる。
【００２４】
次に、図１０及び図１１を参照して第４の実施例を説明する。
図１０は、本発明のフリップチップ型半導体装置の製造方法を実施するために用いられ、この半導体装置に樹脂封止体（アンダーフィル）を形成する半導体製造装置の概略上面図、図１１は、アンダーフィル樹脂封止体を形成する製造工程を示すフロー図である。
図１１に示すように、回路基板に搭載された半導体素子外周に排気孔を備えるように液状樹脂を塗布してから樹脂封止体を形成するまでの工程は、以下の通りである。まず▲１▼回路基板とその上に搭載された半導体素子を樹脂塗布ステージにセットする。▲２▼樹脂塗布ステージにおいて、回路基板上の半導体素子外周に樹脂が塗布されていない部分を排気孔として一部残すようにディスペンサーから液状樹脂をディスペンスする。▲３▼その後半導体装置全体を真空チャンバに収容し、半導体素子を搭載した回路基板をワークステージに載置しこれを加熱する。これにより半導体装置は減圧雰囲気下にさらされて半導体素子外周部が塗布されていない部分の排気孔を介して、半導体素子と回路基板との間の空気を排気する。このとき、充分な排気を実現するために半導体素子外周の樹脂が塗布されていない部分を所定時間残存させておく。
【００２５】
▲４▼ その後真空チャンバ内を真空ポンプを用いて減圧状態にし、この減圧下で半導体装置の半導体素子外周部が塗布されていない部分の排気孔を塞いで半導体素子の周辺の液状樹脂を繋げる。▲５▼液状樹脂が完全に繋がった後の半導体素子と回路基板との間の半導体素子中央に存在する樹脂未充填部分は閉じた減圧空間になっている。そして真空チャンバを所定の設定圧力を設定しながら大気圧状態にすると、内部の減圧空間とその外周との間に気圧差が生じて液状樹脂外周全体に掛かる大気圧により減圧空間が潰れ、半導体素子と回路基板との間隙の内部まで確実に充填がなされる。次に、▲６▼半導体素子及び樹脂封止体を搭載させた回路基板を真空チャンバから取り出す。後に半導体素子と回路基板との間の液状樹脂は、オーブンで硬化される。
【００２６】
図１０に示すように半導体製造装置は、ワークステージ（塗布ステージ）３１とチャンバ本体２０内に設置されたワークステージ（加熱ステージ）２２とに分離されている。ワークステージ３１は、大気圧中で操作される。半導体素子を搭載した回路基板上にはワークステージ３１上で液状樹脂が塗布される。液状樹脂は、ノズルヘッド駆動機構（Ｘ−Ｙ−Ｚロボット）３５により制御されるディスペンサーのノズルヘッド３３から回路基板上に供給される。回路基板の位置は、認識カメラ（位置補正用ＣＣＤカメラ）３４で認識され、この認識に基づいてノズル位置合わせポジション３６でノズル位置を補正する。液状樹脂が塗布された回路基板は、チャンバ本体２０内に搬送される。チャンバ本体２０は、図９に示す減圧用及び高圧用のチャンバであって、真空ポンプ２３、圧力制御用バルブ２５及び高圧ガス供給システム２８が取り付けられている。樹脂を塗布する工程は、操作パネル３７を介して操作され、減圧状態から大気圧に戻すチャンバ内の工程は、操作パネル３８を介して操作される。ワークステージ３１で図１１の▲１▼工程及び▲２▼工程が行われ、ワークステージ２２で▲３▼工程乃至▲６▼工程が行われる。
【００２７】
次に、図１２を参照して第５の実施例を説明する。
この実施例は、回路基板上に塗布された液状樹脂に形成された排気孔の形状に関するものである。図１２は、回路基板上において半導体素子外周に塗布された液状樹脂の形状を示す半導体素子及び回路基板の平面図である。
本発明は、以上のように、フリップチップ型半導体装置の半導体素子と回路基板との間隙及びその外周へ樹脂充填し、この間隙に樹脂封止体を形成する方法において、液状樹脂を半導体素子外周に塗布し、外周の１部は排気孔として液状樹脂を塗布せずにおいて真空チャンバへセットし、真空チャンバ内を減圧し、減圧後に大気圧雰囲気にして排気孔を閉鎖して前記間隙に液状樹脂で構成された減圧空間を形成後、真空破壊を行って半導体素子内外の気圧差を利用し樹脂充填させることを特徴としている。
【００２８】
回路基板５２上の半導体素子５１外周に塗布された液状樹脂４９の形状は、排気孔５０の数、大きさを自由に変えることができる。図１２は、液状樹脂の塗布形状の例を示したものである。排気孔５０は、半導体素子５１周辺の一か所にのみ形成する第１〜第４の実施例の場合（図１２（ａ））に限らず、複数箇所に形成することができる（図１２（ｂ）〜（ｎ））。減圧時の排気効率が向上するので複数の排気孔を形成し、その位置をバランス良く設定することは重要である。また、半導体素子の辺だけでなく角部にも形成することができる（図１２（ｆ）〜（ｍ））。角部に形成すると外観が綺麗になるという利点がある。しかし、角部は最も応力が集中するところであるので、液状樹脂は、予め塗布しておくことが好ましい。排気孔のトータルの大きさ、すなわち、液状樹脂の未塗布部分の大きさは、半導体素子外周の５％〜７０％程度が適当である。
従来技術に比べて短時間でフリップチップ型半導体装置の樹脂充填が実現でき、また、空気の巻き込みや樹脂から発生するガスなどによるボイド不良も低減することが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、以上の構成により、従来技術に比べて短時間でフリップチップ型半導体装置の樹脂充填が実現できる。そして、樹脂の界面に発生する粘着力、粘度等により得られる樹脂が結びついて圧力変化に打ち勝とうとする力に対して、それ以下の力を発生させるように圧力制御を行って、半導体素子、回路基板及び液状樹脂で形成される密閉空間内へのエアー流入を防ぐことができ製品の信頼性が向上する。また、半導体素子と回路基板との隙間が狭くなり、形状抵抗が大きくなって樹脂充填速度が著しく遅くなり、生産性が落ちてくる場合でも大気圧に戻した後、高圧状態にすることにより、樹脂充填の方向に対して力を加えて充填速度を加速させ、その結果生産性を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の樹脂充填方法を説明する半導体装置の平面図。
【図２】本発明の樹脂充填方法を説明する半導体装置の平面図。
【図３】本発明の半導体装置の断面図。
【図４】本発明の圧力制御プロファイルを示すタイミング図。
【図５】本発明の圧力制御プロファイルを示すタイミング図。
【図６】本発明の減圧用チャンバ及び圧力制御の配管系統を示す概念図。
【図７】本発明の減圧用チャンバ及び圧力制御の配管系統を示す概念図。
【図８】本発明の圧力制御プロファイルを示すタイミング図。
【図９】本発明の減圧・高圧両用チャンバと配管系統図を示す概念図。
【図１０】本発明の半導体装置に樹脂封止体を形成する半導体製造装置の概略上面図。
【図１１】本発明の樹脂封止体を形成する製造工程を示すフロー図。
【図１２】本発明の回路基板上において半導体素子外周に塗布された液状樹脂の形状を示す半導体素子及び回路基板の平面図。
【図１３】本発明の圧力制御プロファイルを示すタイミング図。
【図１４】従来の半導体装置の断面図。
【図１５】従来の半導体装置の製造工程平面図。
【図１６】従来の半導体装置の製造工程平面図。
【符号の説明】
１、１３、５２・・・回路基板、
２、１１、５１・・・半導体素子（チップ）
３・・・樹脂、樹脂封止体（アンダーフィル）、
４、１０、５０・・・排気孔、 ５・・・ボイド、
６、１６・・・樹脂封止体（アンダーフィル）、
７、１２・・・ボール状の接続端子（バンプ）、
８、１４・・・外部端子、 １５、４９・・・液状樹脂、
１８・・・真空チャンバ、 ２０・・・チャンバ本体、
２１、２９・・・ゲートバルブ、
２２・・・ワークステージ（加熱ステージ）、 ２３・・・真空ポンプ、
２４・・・バルブ、 ２５・・・圧力制御用バルブ、 ２６・・・真空計、
２７・・・流量制御機構、 ２８・・・高圧ガス供給システム、
３１・・・ワークステージ（塗布ステージ）、
３３・・・ノズルヘッド、
３４・・・認識カメラ（位置補正用ＣＣＤカメラ）、
３５・・・ノズルヘッド駆動機構（Ｘ−Ｙ−Ｚロボット）、
３６・・・ノズル位置合わせポジション、 ３７、３８・・・操作パネル、
１０１・・・閉じた減圧空間。
Claims (6)
- 主面に形成された接続電極にボール状接続端子を設けた半導体素子がこのボール状接続端子を介して接続された回路基板を塗布装置に搭載させ、前記回路基板上に前記半導体素子外周の一部を残して液状樹脂を塗布する工程と、前記半導体素子と前記回路基板とを減圧下に置いて、前記半導体素子と前記回路基板との間隙の空気を排除すると共に残された未塗布部を塞ぎ、前記半導体素子の全外周を前記液状樹脂で充填させる工程と、前記液状樹脂が充填された前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻して前記半導体素子と前記回路基板との間隙の未充填部分の樹脂充填を完了させる工程とを備え、前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、段階的に任意の設定値に設定しながら、制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 主面に形成された接続電極にボール状接続端子を設けた半導体素子がこのボール状接続端子を介して接続された回路基板を塗布装置に搭載させ、前記回路基板上に前記半導体素子外周の一部を残して液状樹脂を塗布する工程と、前記半導体素子と前記回路基板とを減圧下に置いて、前記半導体素子と前記回路基板との間隙の空気を排除すると共に残された未塗布部を塞ぎ、前記半導体素子の全外周を前記液状樹脂で充填させる工程と、前記液状樹脂が充填された前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻して前記半導体素子と前記回路基板との間隙の未充填部分の樹脂充填を完了させる工程とを備え、前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、流入する気体の流量を制御することにより段階的に任意の設定値に設定しながら、制御すること特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記任意の設定値は複数設けることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記流入する気体は、１００〜５００ｋＰａの高圧ガスであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
- 主面に形成された接続電極にボール状接続端子を有する半導体素子がこのボール状接続端子を介して接続された回路基板に液状樹脂を塗布する塗布装置と、前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、段階的に任意の設定値に設定しながら、制御する圧力制御装置とを備え、前記回路基板上の前記半導体素子外周の少なくとも一部を残して液状樹脂を塗布し、前記半導体素子が接続された回路基板を減圧下に置いて、前記半導体素子と前記回路基板との間隙の空気を排除すると共に残された未塗布部を塞いで前記半導体素子全外周を前記液状樹脂で充填させ、前記液状樹脂が充填された前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻して前記半導体素子と前記回路基板との間隙の未充填部分の樹脂充填を完了させ、且つ前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、段階的に任意の設定値に設定しながら、制御することを特徴とする半導体製造装置。
- 流入する気体の流量を制御することにより、前記半導体素子と前記回路基板とを大気圧に戻すまでの圧力を、段階的に任意の設定値に設定しながら、制御することを特徴とする請求項５に記載の半導体製造装置。
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