JP4005077B2 - 半導体装置の製造方法及び粘性液体の塗膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、粘性液体を基体上に塗膜する工程を有する半導体装置の製造方法、及び粘性液体の塗膜方法に関する。

基幹系の通信機器やハイエンド・コンピュータなどに利用される半導体デバイスでは、年々、高速化、高性能化への要求が高まっている。こうしたニーズに応えるには、半導体デバイスの多ピン化や優れた電気特性を実現する必要がある。その解決策となるのがＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型半導体装置である。

従来、半導体チップとパッケージ基板を電気的に接続する方法として、チップの回路面を上にして、金の細線を使って端子と配線するワイヤ・ボンディング方式が用いられていた。これに対し、ＢＧＡ型半導体装置では、半導体チップの回路面を下にして半田や金の端子（バンプ）を使いチップをパッケージ基板に接続することで電気的な接続を行うフリップチップ方式を採用している。
この方式は、ワイヤ・ボンディング方式に比して、配線の長さが短いため電気特性に優れ、高速化や高密度化に対応できるというメリットを有する。また、半導体チップの真下にもピンを二次元的に配置できるため数千ピンという多ピン化が容易、といった特長を備えている。

フリップチップ方式においては、半田等のバンプを半導体チップの所定の位置に正確に固定せしめるために、半導体チップの主面上にフラックスを適量塗膜する技術が極めて重要となる。そこで、フラックス塗膜方法について種々の提案がなされている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

図４は、従来例に係る半導体チップ上へのフラックス塗膜方法及びバンプを配設する方法を説明するための概略的な工程図である。
フラックスは、粘性液体であり後述する半田ボール等を固定してバンプを正確な位置に形成するための役割を担うものである。フラックスを塗膜する際に用いられるマスク１０１は、図４（ａ）に示すように、フラックス１０３がマスク１０１主面の垂直方向に通過可能なメッシュ状の開口部１０１ａを備えている。フラックス１０３を塗布する半導体チップ１０２の主面上には、直径数１００μｍ程度の任意の数の電極１０２ａが形成せしめられている。

まず、図４（ａ）に示すように、半導体チップ１０２上の電極が形成せしめられている側の主面に印刷スクリーン用のマスク１０１を載置する。
次に、図４（ｂ）に示すように、半導体チップ１０２の電極１０２ａの露出表面に印刷スクリーン用のマスク１０１を用いてフラックス１０３を塗布する。具体的には、マスク１０１のメッシュ状の開口部１０１ａ以外の領域の一端部に塗布したフラックス１０３をスキージ１０４を用いて塗布する。スキージ１０４の先端部を任意の角度及び任意の圧力にて当接するようにマスクに対して水平方向に任意のスピードでマスク１０１の他端部まで移動せしめる。これにより、フラックス１０３が、メッシュ状の開口部１０１ａを通じて半導体チップ１０２上に塗布される。

その後、図４（ｃ）に示すように、マスク１０１を取り外す。これにより、半導体チップ１０２上には、数１０μｍ程度の厚みのフラックスが塗布された状態となる。
続いて、ボールマウンタ１０７を用いて、フラックス１０３上に半田ボール１０６を仮固定する（図４（ｄ）参照）。用いられる半田ボール１０６の直径は、電極１０２ａの直径と略同一のものを用いる。

最後に、図４（ｅ）に示すように、熱処理により半田ボール１０６を溶融せしめ、半田バンプ１０８を形成する。熱処理温度は、半田の溶融温度以上で行う。この熱処理により、フラックス１０３の成分は、水蒸気のように大気中に飛び散る。上記熱処理の終了後、残留しているフラックス１０３を洗浄等の処理で除去することにより一連の工程が完了する。

上記特許文献１には、基板の電極の露出表面に印刷スクリーンを用いて局部的にフラックスを塗布する技術が提案されている。また、上記特許文献２には、ローラやゴム版を使用することによりフラックスを適量塗布する技術が提案されている。
特開平６−１２４９５４号公報 特開平１１−１８６３２９号公報

フラックスの塗膜膜厚の適量値は、半田ボールの径やピッチ等により変動する。
フラックスの塗膜膜厚が適量膜厚より厚い場合には、図５（ａ）に示すようにフラックスの厚みに起因して半田ボール１０６と電極１０２ａとの接触ができない場合がある。そのため、リフロー中に半田ボール１０６が位置ずれして隣り合う半田と接触して（図５（ａ）参照）バンプのブリッジが発生し（図５（ｂ）の半田バンプ１０８ａ参照）、ショートしてしまう場合があった。また、フラックスの量が多いことに起因してリフロー後も電極の間隙等にフラックスが残留してしまう場合がある。この場合、洗浄時間を多く設定する必要が生じてしまう。さらに、洗浄によってもフラックスが除去しきれない場合には、樹脂封入の妨げになる。

一方、フラックスの塗膜膜厚が適量膜厚よりも薄い場合には、図５（ｃ）に示すように、半田ボール１０６を電極１０２ａの位置に保持するだけの接着力をもつことができず、位置ずれが発生してしまう場合がある（図５（ｃ）中の半田ボール１０６ａ参照）。さらに、隣り合う半田ボール１０６同士が接触した場合には、バンプのブリッジが発生してショートしてしまう。
ただし、粘性の高いフラックスを基体上に塗膜する場合においては、膜厚を制御するという以前に、薄く塗膜すること自体が技術的に困難であった。

上記特許文献１の技術によれば、局部的にフラックスを塗布しているのでフラックスの使用量を低減することができるとしている。しかしながら、局部的にフラックスを塗布するためのスクリーン印刷用のマスクを半田ボール等の径やピッチに応じて用意する必要がありコスト高は避けられない。また、マスクの正確な位置あわせを行う必要があるため、半田ボールの小径化や狭ピッチ化には不向きである。さらに、フラックス塗布後にフラックスを囲うマスクを形成しているが、このマスクの耐熱性が低いことに起因して半田バンプ溶融工程において支障をきたす恐れがある。従って、実際には、同文献の技術を適用することは困難である。
また、上記特許文献２の技術においては、ローラやゴム版の経時的磨耗によりフラックスの塗膜膜厚が経時的に変化してしまう。また、装置が大掛かりなものとなってしまう。

なお、上記においては、ＢＧＡ型半導体装置の製造工程で用いられるフラックスに関する課題について説明したが、基体上に塗膜する粘性液体全般において同様の課題が生じ得る。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体装置の基体の主面上に粘性液体を塗布し、 該粘性液体上に、該粘性液体を構成する分子の分子間結合力よりも該粘性液体を構成する分子との結合力が強いフレキシブルな被覆部材を被覆して密着させ、該被覆部材を前記半導体装置の前記基体の主面上に塗布された前記粘性液体の一部とともに剥離するものである。

本発明によれば、予め適切な厚みより厚く基体上に塗布し、粘性液体に被覆部材を密着させて、被覆部材を剥離することにより粘性液体の厚みを減少させ、所望の膜厚を有する粘性液体の塗膜を得ることができる。この方法によれば、従来形成が困難であった粘性液体の薄膜の塗膜を形成する際に特に有用である。

本発明においては、粘性液体を基体上に所望の膜厚に塗膜することができる半導体装置の製造方法及び粘性液体の塗膜方法を提供することができるという優れた効果がある。

以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。なお、本発明の趣旨に合致する限り、他の実施形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。

図１（ａ）は、本実施形態に係る印刷スクリーン用のマスク１の上面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図２は、本実施形態に係る半導体チップ上に半田バンプを配設する方法を説明するための概略的な工程図である。
マスク１は、柔軟性のある材料からなり、図１に示すように、半導体チップ２上に粘性液体たるフラックス３を塗布したい領域と略同一形状のメッシュ上の開口部１ａを備えている。このメッシュ状の開口部１ａにおいて、後述するフラックス３がマスク１の垂直方向を通過することができる。フラックスは、粘性液体により構成され、後述する半田ボール等を正確な位置に固定せしめるための役割を担う。

まず、図２（ａ）に示すように、メッシュ状の開口部１ａが半導体チップ２上の電極２ａが形成せしめられている位置に重なるようにマスク１を載置する。電極２ａは、例えば直径数１００μｍ程度のものが任意の数、形成せしめられている。半導体チップ２とこの電極２ａは、フラックス３を構成する分子間結合力よりも強い力で固定せしめられている。また、半導体チップ２もその場から移動しないように、電極２aが形成せしめられている面と反対の面を真空吸着するなどして固定されている。

次に、図２（ｂ）に示すように、半導体チップ２の電極２ａの露出表面に印刷スクリーン用のマスク１を用いてフラックスを塗布する。具体的には、マスク１のメッシュ状の開口部１ａ以外の領域の一端部に塗布したフラックス３をスキージ４を用いて塗布する。スキージ４の先端部を任意の角度及び任意の圧力にて当接するようにマスクに対して水平方向に任意のスピードでマスク１の他端部まで移動せしめる。これにより、フラックス３がメッシュ状の開口部１ａを通じて半導体チップ２上に塗布される。

その後、図２（ｃ）に示すように、マスク１を半導体チップ２に対して略垂直方向に離間して、半導体チップ上に密着せしめられているマスク１を取り外す。これにより、半導体チップ２上には、数１０μｍ程度の厚みのフラックスが塗布された状態となる。

その後、図２（ｄ）に示すように、フレキシブルな被覆部材５をフラックス３上の一端部から他端部に向けて被覆して密着させる。被覆部材５としては、フラックス３を構成する分子の分子間結合力よりもフラックス３を構成する分子との結合力が強いシートやフィルム等を用いることができる。具体的には、ポリエチレンやポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニルなどのフィルムやシートを挙げることができる。

次いで、図２（ｅ）に示すように、被覆部材５を任意の方向に任意のスピードで剥離する。剥離に際して、被覆部材５上に一定量のフラックス３ｂが付着する。被覆部材に付着する粘性液体３ｂの付着量は、被覆部材と粘性液体の種類により決定する。そして、被覆部材剥離後の半導体チップ２上にあるフラックス３ａの塗膜膜厚は、初期の塗膜膜厚から被覆部材５に付着しているフラックス３ｂの塗膜膜厚を差し引いた値となる。この方法によれば、従来形成が困難であったフラックス３の薄膜の塗膜を形成する際に特に有用である。

剥離方法は、特に限定されないが、半導体チップの主面に対して垂直方向に剥離するより、半導体チップ２に対して鋭角あるいは略水平方向に剥離する方が好ましい。フラックスの接着力が半導体チップ２の固定される力より大きくなったとき、半導体チップ２が被覆部材５と共に移動することを防ぎ、また電極２ａと半導体チップ２との剥離を効果的に防止することができるためである。本実施形態においては、被覆部材５を半導体チップの主面に対して略水平方向にその一端部から他端部に向かうように剥離する。被覆部材５を剥離後、必要に応じて半導体チップ２上に形成されたフラックス３ａを常温且つクリーンルーム等の無塵の空間で１０分〜２０分静置する。このようにすることにより、より塗膜膜厚を均一にならすことができる。

続いて、図２（ｆ）に示すようにボールマウンタ７を用いてフラックス３ａ上に半田ボール６を搭載し、図２（ｇ）に示すようにフラックスを介して電極２ａと対向するように半田ボール６を仮固定する。用いられる半田ボール６の直径は、電極２ａの直径と略同一のものを用いる。

最後に、図２（ｈ）に示すように、熱処理により半田ボール６を溶融せしめ、半田バンプ８を形成する。熱処理温度は、半田の溶融温度以上で行う。この熱処理により、フラックス３ａの成分は、水蒸気のように大気中に飛び散る。上記熱処理の終了後、残留しているフラックス３ａを必要に応じて洗浄等の処理で除去することにより一連の工程が完了する。本実施形態によれば、フラックス３の塗膜量を必要な量に制御可能であるので、フラックスの洗浄工程を省略又は時間を短縮することができる。

次に、所望の厚みを有する粘性液体の塗膜を基体上に形成することができる理由を、図３を用いて説明する。図３は、粘性液体を所望の膜厚にすることができるメカニズムを説明するための図である。
まず、図３（ａ）に示すように、常温にてフレキシブルな第１の被覆部材１５ａと第２の被覆部材１５ｂと粘性液体１３を用意する。そして、第１の被覆部材１５ａと第２の被覆部材１５ｂをそれぞれ矢印Ａ、Ａ'方向に移動させて、図３（ｂ）に示すように、粘性液体１３を第１の被覆部材１５ａと第２の被覆部材１５ｂとで挟み込むようにして密着させる。
次に、図３（ｃ）に示すように、粘性液体１３から第１の被覆部材１５ａ及び第２の被覆部材１５ｂをそれぞれ矢印Ｂ、Ｂ'方向に同時に剥離する。被覆部材としてフレキシブルなものであって、かつ粘性液体を構成する分子の分子間結合力よりも粘性液体を構成する分子との結合力がより強いものを用いているので、第１の被覆部材１５ａ及び第２の被覆部材１５ｂに粘性液体１３の一部が同一量付着（それぞれ、粘性液体１３ａ、粘性液体１３ｂ）した状態で剥離される。これらの被覆部材に付着する粘性液体の付着量は、被覆部材と粘性液体の種類により決定する。そして、粘性液体１３の被覆部材剥離後の塗膜膜厚は、初期の塗膜膜厚から第１の被覆部材１５ａ及び第２の被覆部材１５ｂに付着している粘性液体の塗膜膜厚を差し引いた値（図３（ｃ）中の粘性液体１３ｃ）となる。
これを応用することにより予め適切な厚みより厚く基体上に塗布し、粘性液体に被覆部材を密着させて、被覆部材を剥離することにより粘性液体の厚みを減少させ、所望の膜厚を有する粘性液体の塗膜を得ることができる。この方法によれば、従来形成が困難であった粘性液体の薄膜の塗膜を形成する際に特に有用である。

本実施形態によれば、半導体チップ２の主面上に所望の膜厚のフラックスを塗布することができる。また、フラックス３の塗膜膜厚が適正値なので、バンプを正確な位置に配置せしめることができる。すなわち、半田ボールによるバンプ形成不具合、例えば半田ボール同士の接触による電気的ショート等を防ぐことができる。さらに、リフロー後に余分なフラックスが残らないため、フラックスの洗浄工程をカット又は洗浄時間を短縮化しても樹脂封止工程における不具合やボイドの発生を抑制できる。また、被覆部材を密着させて剥離させるという簡易な方法なため、低コスト化を図ることができる。また、半田ボール等の小径化や狭ピッチ化に対応可能であり、汎用性にも優れている。前述したとおり、スクリーン印刷法を用いると、塗膜膜厚の薄膜化が難しいが、本実施形態の方法によれば従来困難であった塗膜膜厚の薄膜化に特に有用である。

なお、上記実施形態においては半導体チップの主面上にバンプを形成する方法を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、回路配線基板の主面上に外部と接続するためのバンプを形成する際に用いてもよい。また、上記実施形態においては粘性液体としてフラックスの場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、所望の膜厚を塗膜したい粘性液体全般において本件発明を適用することができる。本件発明に好適に用いられる粘性液体の粘度としては、粘度が１０００〜１００Ｐａ・ｓである。より好ましい粘度としては４００〜２００ｐａ・ｓ、さらに好ましくは３５０〜２５０Ｐａ・ｓである。また、粘性液体の基体への第１段階の塗膜法として、本実施形態においてはスクリーン印刷用のマスクを用いる例を説明したが、これに限定されるものではなく、本発明の趣旨に反しない限り公知の塗膜方法を使用することができる。

（ａ）マスクの上面図、（ｂ）図１（ａ）のＡ−Ａ断面図。 実施形態に係るフラックスの塗膜方法を説明するための工程図。 粘性液体を所望の塗膜膜厚にする方法を説明するための図。 従来例に係るフラックスの塗膜方法を説明するための工程図。 従来例に係るフラックスの塗膜方法における問題点を説明するための工程図。

符号の説明

１ マスク
１ａ メッシュ状の開口部
２ 半導体チップ
２ａ 電極
３、１３ フラックス
４ スキージ
５ 被覆部材
６ 半田ボール
７ ボールマウンタ
８ バンプ
１５ａ 第１の被覆部材
１５ｂ 第２の被覆部材

Claims (11)

1. 半導体装置の基体の主面上に粘性液体を塗布し、
   該粘性液体上に、該粘性液体を構成する分子の分子間結合力よりも該粘性液体を構成する分子との結合力が強いフレキシブルな被覆部材を被覆して密着させ、
   該被覆部材を前記半導体装置の前記基体の主面上に塗布された前記粘性液体の一部とともに剥離する半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   上記被覆部材の剥離方向は、上記基体の主面に対して略水平方向であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法において、
   上記粘性液体はフラックスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
   上記被覆部材を上記フラックスの一部とともに剥離した後に、該フラックスが塗膜されている上記基体面上にバンプを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記半導体装置は半導体チップであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記粘性液体の粘度は、２５０Ｐａ・ｓから３５０Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 基体上に粘性液体を塗膜する粘性液体の塗膜方法であって、
   該基体の主面上に該粘性液体を塗布し、
   該粘性液体上に該粘性液体を構成する分子の分子間結合力よりも該粘性液体を構成する分子との結合力が強いフレキシブルな被覆部材を被覆して密着させ、
   該被覆部材を前記基体上に塗布された該粘性液体の一部とともに剥離する粘性液体の塗膜方法。
8. 前記半導体装置は半導体チップであることを特徴とする請求項７に記載の粘性液体の塗膜方法。
9. 前記粘性液体の粘度は、２５０Ｐａ・ｓから３５０Ｐａ・ｓであることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の粘性液体の塗膜方法。
10. 請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記粘性液体を塗布する領域と同一形状のメッシュ状の開口部を備えるマスクを前記半導体装置の基体の主面上に載置するステップと、
    前記半導体装置の基体の主面に前記マスクを通して前記粘性液体を塗布するステップと、
    前記マスクを前記半導体装置の基体の主面から離間するステップと、
    被覆部材を前記粘性液体が塗布された前記半導体装置の基体の主面に被覆して密着させるステップと、
    前記被覆部材を任意の方向に任意のスピードで剥離するステップと、
    を有する半導体装置の製造方法。
11. 前記半導体装置は、半導体チップであって、
    当該半導体チップは、当該半導体チップの電極の間に複数の開口部を有し、
    前記マスクの開口部が、前記半導体チップの前記電極の間の複数の前記開口部が形成される領域に亘って形成されており、
    前記粘性液体を塗布するステップは、
    前記半導体チップの前記電極の間の複数の前記開口部及び前記開口部の間を覆うように前記粘性液体を塗布する、ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。

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