JP4288517B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法、回路基板並びに電子機器に関する。

近年の電子機器の小型化に伴い、高密度実装に適した半導体装置のパッケージが要求されている。これに応えるために、ＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Scale/Size Package）のような表面実装型パッケージが開発されている。表面実装型パッケージでは、半導体チップに接続される配線パターンの形成された基板が使用されることがある。

表面実装型パッケージでは、半導体チップと基板との間に隙間が形成されて水分が侵入しないようにすることが要求されている。

本発明は、この問題点を解決するものであり、その目的は、信頼性及び生産性に優れた半導体装置の製造方法及びその方法により製造される半導体装置、回路基板並びに電子機器を提供することにある。

（１）本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の配線パターンが形成された面と、半導体素子の電極が形成された面との間に、接着剤を介在させる第１工程と、
前記半導体素子と前記基板との間に圧力を加えて、前記配線パターンと前記電極とを電気的に導通させ、前記接着剤を、前記半導体素子の側面を覆うまで回り込ませる第２工程と、
前記接着剤の前記側面を覆った部分を硬化する第３工程と、
を含む。
本発明によれば、接着剤が、半導体素子の側面を覆うので、機械的な破壊から半導体素子を保護することに加え、電極に水分が到達することを防止してコロージョンを防止することができる。
（２）この半導体装置の製造方法において、
前記接着剤は、前記第２工程完了後における前記半導体素子と前記基板との間隔よりも大きな厚みで前記第１工程で設けられ、前記第２工程で前記半導体素子と前記基板との間で加圧されて前記半導体素子からはみ出してもよい。
（３）この半導体装置の製造方法において、
前記第２工程後、前記接着剤と前記半導体素子との接触領域以外の領域で前記基板を切断することをさらに含んでもよい。
（４）この半導体装置の製造方法において、
前記接着剤には導電粒子が分散されており、前記導電粒子により前記配線パターンと前記電極とを電気的に導通させてもよい。
これによれば、導電粒子によって配線パターンと電極とを電気的に導通させるので、信頼性及び生産性に優れた方法で半導体装置を製造することができる。
（５）この半導体装置の製造方法において、
前記第１工程前に、前記接着剤を予め前記半導体素子の前記電極が形成された前記面に設けておいてもよい。
（６）この半導体装置の製造方法において、
前記第１工程前に、前記接着剤を予め前記基板の前記配線パターンが形成された面に設けておいてもよい。
（７）この半導体装置の製造方法において、
前記接着剤は、遮光性材料を含有してもよい。
これによれば、接着剤が遮光性材料を含有するので、半導体素子の電極を有する面への迷光を遮断することができる。これにより、半導体素子の誤作動を防止することができる。
（８）本発明に係る半導体装置は、電極を有する半導体素子と、配線パターンが形成された基板と、接着剤と、
を有し、
前記電極と前記配線パターンとは電気的に導通し、
前記接着剤は、前記基板の前記配線パターンが形成された面と、前記半導体素子の前記電極が形成された面との間に介在し、かつ、前記半導体素子の側面を覆い、かつ、前記接着剤の前記側面を覆った部分が硬化している。
これによれば、接着剤は、半導体素子の側面を覆うので、機械的な破壊から半導体素子を保護する。また、半導体素子は、電極から遠い位置まで接着剤にて覆われるので、電極に水分が到達しにくくなり、電極のコロージョンを防止することができる。
（９）この半導体装置において、
前記接着剤には導電粒子が分散されて異方性導電材料を構成してもよい。
これによれば、異方性導電材料によって配線パターンと電極とが電気的に導通しているので、信頼性及び生産性に優れている。
（１０）この半導体装置において、
前記異方性導電材料は、前記配線パターンの全てを覆って設けられてもよい。
（１１）この半導体装置において、
前記接着剤は、遮光性材料を含有してもよい。
これによれば、接着剤が遮光性材料を含有するので、半導体素子の電極を有する面への迷光を遮断することができる。これにより、半導体素子の誤作動を防止することができる。
（１２）本発明に係る半導体装置は、上記方法により製造されたものである。
（１３）本発明に係る回路基板には、上記半導体装置が実装されている。
（１４）本発明に係る電子機器は、上記回路基板を有する。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の実施の形態は、図５Ａ及び図５Ｂに示されている。本発明の実施には、次の参考形態を適用することができる。

（第１の参考形態）
図１Ａ〜図１Ｄは、第１の参考形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。本参考形態では、図１Ａに示すように、配線パターン１０が少なくとも一方の面１８に形成された基板１２が使用される。

基板１２は、フレキシブル基板等の有機系材料から形成されたもの、金属系基板等の無機系材料から形成されたもの、両者の組み合わされたもののうちいずれであってもよい。フレキシブル基板として、テープキャリアが使用されてもよい。基板１２の導電性が高い場合には、基板１２と配線パターン１０との間及びスルーホール１４の内側、又はこれに加えて配線パターン１０の形成面とは逆の面に、絶縁膜が形成される。

基板１２にはスルーホール１４が形成されており、配線パターン１０はスルーホール１４上をまたいで形成されている。また、配線パターン１０の一部として、スルーホール１４上には外部電極形成用のランド１７が形成されている。

このような基板１２が用意されると、基板１２に接着剤の一例として異方性導電材料１６を設ける。以下の説明において、異方性導電材料は、接着剤の一例である。異方性導電材料１６は、接着剤（バインダ）に導電粒子（導電フィラー）が分散されたもので、分散剤が添加される場合もある。異方性導電材料１６は、予めシート状に形成されてから基板１２に貼り付けてもよく、あるいは液状のまま基板１２に設けてもよい。また、異方性導電材料１６は、半導体素子２０の電極２２を有する面２４よりも大きく設けてもよいが、面２４よりも小さく設けて、押圧されて面２４からはみ出す量で設けてもよい。

あるいは、異方性導電材料１６を、半導体素子２０の面２４に、押圧されて面２４からはみ出す量で設けてもよい。なお、導電粒子を含有しない接着剤を使用しても、電極２２と配線パターン１０とを電気的に接続することができる。

本参考形態では、異方性導電材料に熱硬化性の接着剤が使用され、さらに、異方性導電材料１６は遮光性材料を含有してもよい。遮光性材料として、例えば黒色染料あるいは黒色顔料を接着剤樹脂中に分散させたものを用いることができる。

使用する接着剤としては、エポキシ系を代表例とする熱硬化型接着剤を使用してもよいし、エポキシ系又はアクリレート系を代表例とする光硬化型接着剤を使用してもよい。さらに、電子線硬化タイプ、熱可塑（熱接着）タイプの接着剤を用いてもよい。熱硬化型以外の接着剤を使用する場合、以下全ての実施の形態中で、加熱又は加圧する代わりに、エネルギーを加えればよい。

次に、例えば、異方性導電材料１６上に、半導体素子２０を載せる。詳しくは、半導体素子２０の電極２２を有する面２４を、異方性導電材料１６に向けて半導体素子２０を載せる。また、電極２２が、配線パターン１０の電極接続用のランド（図示せず）上に位置するように、半導体素子２０を配置する。なお、半導体素子２０は、二辺にのみ電極２２が形成されたものであっても、四辺に電極２２が形成されたものでもよい。電極２２は、金又はハンダ等の突起をＡｌパッド上に設けたものを用いることが多いが、配線パターン１０側に、前述の突起又は配線パターン１０をエッチングして作成した突起を用いても良い。

以上の工程により、半導体素子２０の電極２２が形成された面２４と、基板１２の配線パターン１０が形成された面１８と、の間に異方性導電材料１６が介在する。そして、治具３０を、電極２２が形成された面２４とは反対の面２６に押しつけて、半導体素子２０を基板１２の方向に加圧する。あるいは、半導体素子２０と基板１２との間に圧力を加える。接着剤の一例である異方性導電材料１６は、半導体素子２０の面２４の領域内に設けられていた場合でも、圧力によって、面２４からはみ出すようになる。また、治具３０は、ヒータ３２を内蔵しており、半導体素子２０を加熱する。なお、治具３０として、異方性導電材料１６がはみ出した部分にも熱を出来るだけ加えたい点を考慮すると、半導体素子２０の平面積よりも大きい平面積を有するものを用いることが好ましい。こうすることで、半導体素子２０の周囲まで熱が加わり易くなる。

こうして、図１Ｂに示すように、半導体素子２０の電極２２と、配線パターン１０とは、異方性導電材料１６の導電粒子を介して、電気的に導通する。本参考形態によれば、異方性導電材料１６によって配線パターン１０と電極２２とを電気的に導通させるので、信頼性及び生産性に優れた方法で半導体装置を製造することができる。

また、治具３０によって半導体素子２０が加熱されているので、異方性導電材料１６は、半導体素子２０との接触領域において硬化している。ただし、この状態では、半導体素子２０と接触してない領域又は半導体素子２０から離れた領域は、異方性導電材料１６には熱が行き届かないので、完全には硬化していない。この領域の硬化は、次の工程で行われる。

図１Ｃに示すように、基板１２のスルーホール１４内及びその付近に、ハンダ３４を設ける。ハンダ３４は、例えばクリームハンダを用いて、印刷法により設けることができる。また、予め形成されたハンダボールを上記位置に載せても良い。

続いて、リフロー工程においてハンダ３４を加熱して、図１Ｄに示すように、ハンダボール３６を形成する。ハンダボール３６は、外部電極となる。このリフロー工程では、ハンダ３４のみならず異方性導電材料１６も加熱される。この熱によって、異方性導電材料１６の未硬化の領域も硬化する。すなわち、異方性導電材料１６のうち、半導体素子２０と接触していない領域又は半導体素子２０から離れた領域が、ハンダボール３６の形成のためのリフロー工程で硬化する。

こうして得られた半導体装置１によれば、異方性導電材料１６の全てが硬化しているので、半導体素子２０の外周部において異方性導電材料１６が基板１２からはがれて水分が侵入して配線パターン１０のマイグレーションを引き起こすことが防止される。また、異方性導電材料１６の全体が硬化するので、異方性導電材料１６中への水分の含有も防止することができる。

さらに、半導体装置１は、遮光性材料を含有する異方性導電材料１６によって、半導体素子２０の電極２２を有する面２４が覆われているので、この面２４への迷光を遮断することができる。これにより、半導体素子２０の誤作動を防止することができる。

図２Ａ及び図２Ｂは、第１の参考形態の変形例を示す図である。この変形例では、第１の参考形態と同じ構成には同じ符号をとり、その構成及びその構成に起因する効果についての説明を省略する。この点は、以降の実施の形態でも同様である。

図２Ａに示す工程は、図１Ｂの工程後で図１Ｃの工程前に、行われる。具体的には、異方性導電材料１６のうち、半導体素子２０と接触していない領域又は半導体素子２０から離れた領域を、加熱治具３８にて加熱する。加熱治具３８には、未硬化の異方性導電材料１６が付着しにくいように、接着剤の一例である異方性導電材料１６との離型性が高いテフロン（登録商標）などからなる離型層３９が設けられていることが好ましい。あるいは、離型層３９を、接着剤の一例である異方性導電材料１６上に設けておいてもよい。さらに、接着剤の一例である異方性導電材料１６とは非接触で、これを加熱してもよい。こうすることで、異方性導電材料１６のうち、半導体素子２０と接触していない領域又は半導体素子２０から離れた領域を硬化させることができる。また、治具ではなく、部分的に加熱できる熱風又は光ヒータを用いても良い。

あるいは、図２Ｂに示すように、図１Ｂの工程後で図１Ｃの工程前に、半導体素子２０とは別の電子部品４０を配線パターン１０に電気的に接合するためのリフロー工程を行ってもよい。このリフロー工程によって、異方性導電材料１６のうち、半導体素子２０と接触していない領域又は半導体素子２０から離れた領域が加熱されて硬化する。なお、電子部品４０として、例えば、抵抗器、コンデンサ、コイル、発振器、フィルタ、温度センサ、サーミスタ、バリスタ、ボリューム又はヒューズなどがある。

これらの変形例によっても、異方性導電材料１６の全てを硬化させることができるので、異方性導電材料１６が基板１２からはがれて水分が侵入し、配線パターン１０のマイグレーションを引き起こすことが防止される。また、異方性導電材料１６の全体が硬化するので、水分の含有も防止することができる。

また、上記工程後に、接着剤の一例である異方性導電材料１６の半導体素子２０からはみ出した領域で、基板１２を切断してもよい。

本参考形態では、基板１２として片面配線基板を用いた例を述べたが、これに限ることはなく、両面配線板又は多層配線板を用いてもよい。この場合、スルーホール中にハンダを形成せず、半導体素子載置面とは逆の面に設けられるランド上にハンダボールを形成してもよい。また、ハンダボールのかわりに、他の導電性突起を用いても良い。さらに、半導体素子と基板との接続は、ワイヤーボンディングによってもよい。これらは、以降の実施の形態でも同様である。

また、本実施の形態では、熱硬化性の接着剤のみならず、熱可塑性の接着剤の一例となる異方性導電材料１６を使用してもよい。熱可塑性の接着剤は、冷却して硬化させることができる。あるいは、紫外線などの放射線で硬化する接着剤を使用してもよい。このことは、以下の実施の形態でも同様である。

（第２の参考形態）
図３Ａ及び図３Ｂは、第２の参考形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。本参考形態は、第１の参考形態に引き続き行われる。

すなわち、本参考形態では、図１Ｄの工程に続いて、図３Ａに示すように、異方性導電材料１６及び基板１２を、半導体素子２０よりもわずかに大きいサイズに、固定刃４１にて押さえながら可動刃４２によって切断して、図３Ｂに示す半導体装置２を得る。切断の手段は、これに限定されるものではなく、他の切断手段及び固定手段があれば適用することができる。半導体装置２は、異方性導電材料１６とともに基板１２が切断されるので、両者の切断面が面一になり、基板１２の全面を異方性導電材料１６が覆う。そして、配線パターン１０が露出しないので、水分が配線パターン１０に到達せずマイグレーションを防止することができる。

また、本参考形態によれば、異方性導電材料１６は、切断されることになるので、半導体素子２０と等しいかわずかに大きいサイズに予め切断しておく必要もなく、半導体素子２０の位置に対応するように正確に位置合わせする必要がない。

なお、本参考形態は、ハンダボール３６を形成してから異方性導電材料１６及び基板１２が切断される例であるが、切断の時期は、少なくとも半導体素子２０が異方性導電材料１６上に載せられた後であればハンダボール３６の形成に関わらずいつでもよい。ただし、異方性導電材料１６は、少なくとも半導体素子２０との接触領域において硬化していることが好ましい。この場合には、半導体素子２０と配線パターン１０との位置ずれを防止することができる。また、異方性導電材料１６は、切断箇所においても未硬化であるよりも硬化していた方が、切断工程が容易である。

なお、基板１２を切断するのであれば、接着剤の一例である異方性導電材料１６の全体を一度に硬化させてもよい。例えば、半導体素子２０の電極２２と配線パターン１０とを電気的に接続させるときに、接着剤の一例である異方性導電材料１６の全体に対して、加熱したり冷却したりすればよい。熱硬化性の接着剤が使用されるときには、具体的には、半導体素子２０及び半導体素子２０からはみ出した接着剤の両方に接触する治具を使用してもよい。あるいは、オーブンによって加熱してもよい。

（第３の参考形態）
図４Ａ及び図４Ｂは、第３の参考形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。本参考形態では、第１の参考形態の基板１２が使用され、基板１２には、保護層５０が形成される。保護層５０は、配線パターン１０を覆って水分に触れないようにするもので、例えばソルダレジストが使用される。

保護層５０は、半導体素子２０を基板１２に搭載するための領域よりも広い領域５２を除いて形成されている。すなわち、領域５２は、半導体素子２０の電極２２を有する面２４よりも大きく、この領域５２内において、半導体素子２０の電極２２との接続用のランド（図示せず）が、配線パターン１０に形成されている。あるいは、保護層５０は、少なくとも半導体素子２０の電極２０との電気的な接続部を避けて形成されていればよい。

このような基板１２に、第１の参考形態の異方性導電材料１６として選択可能な材料からなる異方性導電材料５４（接着剤）が設けられる。なお、異方性導電材料５４は、遮光性材料を含有することが必須ではないが、含有していれば第１の参考形態と同様の効果を得られる。

本参考形態では、異方性導電材料５４は、半導体素子２０の搭載領域から保護層５０にかけて設けられる。すなわち、異方性導電材料５４は、保護層５０の形成されない領域５２において配線パターン１０及び基板１２を覆うとともに、保護層５０の領域５２を形成する端部に重なって形成される。あるいは、接着剤の一例となる異方性導電材料５４は、半導体素子２０側に設けてもよい。詳しくは、第１の参考形態で説明した内容が適用される。

そして、図４Ａに示すように、治具３０を介して半導体素子２０を基板１２の方向に加圧して加熱する。あるいは、少なくとも半導体素子２０と基板１２との間に圧力を加える。こうして、図４Ｂに示すように、半導体素子２０の電極２２と配線パターン１０とが電気的に導通する。その後、図１Ｃ及び図１Ｄに示すのと同様の工程で、ハンダボールを形成して半導体装置が得られる。

本参考形態によれば、異方性導電材料５４が、保護層５０の形成されない領域５２に形成されるだけでなく、保護層５０の領域５２を形成する端部に重なって形成されている。したがって、異方性導電材料５４と保護層５０との間に隙間が形成されないので、配線パターン１０が露出せず、マイグレーションを防止することができる。

なお、本参考形態においても、半導体素子２０からはみだした領域において異方性導電材料５４を硬化させることが好ましい。その硬化の工程は、第１の参考形態と同様の工程を適用することができる。

（本実施の形態）
図５Ａ及び図５Ｂは、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。本実施の形態では、第１の参考形態の基板１２が使用され、基板１２の上に、異方性導電材料５６（接着剤）が設けられる。本実施の形態では、第１の参考形態と比べて、異方性導電材料５６の厚みにおいて異なっていてもよい。すなわち、図５Ａに示すように、本実施の形態では、異方性導電材料５６の厚みが、図１Ａに示す異方性導電材料１６の厚みよりも大きくなっている。具体的には、異方性導電材料５６は、半導体素子２０の電極２２を有する面２４と、基板１２に形成された配線パターン１０との間隔よりも厚くなっている。また、異方性導電材料５６は、半導体素子２０よりも少なくとも若干大きくなっている。なお、この厚みと大きさの条件は、少なくともいずれか一方が満たされていればよい。

そして、図５Ａに示すように、例えば、治具３０を介して半導体素子２０を基板１２の方向に加圧して加熱する。そうすると、図５Ｂに示すように、異方性導電材料５６が、半導体素子２０の側面２８の一部又は全部に至るまでまわりこむ。その後、図１Ｃ及び図１Ｄに示すのと同様の工程で、ハンダボールを形成して半導体装置が得られる。

本実施の形態によれば、半導体素子２０の側面２８の少なくとも一部が異方性導電材料５６によって覆われるので、機械的な破壊から半導体素子２０が保護されることに加えて、電極２２から離れた位置まで異方性導電材料５６が覆うので、電極２２などのコロージョンを防止することができる。

前述した実施の形態は、ＦＤＢ（Face Down Bonding）のＣＳＰ（Chip Size/Scale Package）を中心に記述されているが、ＦＤＢを適用した半導体装置、例えばＣＯＦ（Chip on Film）やＣＯＢ（Chip on Board）を適用した半導体装置などにも、本発明を適用することができる。

図６には、上述した実施の形態に係る方法によって製造された半導体装置１１００を実装した回路基板１０００が示されている。回路基板１０００には例えばガラスエポキシ基板等の有機系基板を用いることが一般的である。回路基板１０００には、例えば銅からなる配線パターンが所望の回路となるように形成されている。そして、配線パターンと半導体装置１１００の外部電極とを機械的に接続することでそれらの電気的導通が図られる。

なお、半導体装置１１００は、実装面積をベアチップにて実装する面積にまで小さくすることができるので、この回路基板１０００を電子機器に用いれば電子機器自体の小型化が図れる。また、同一面積内においてはより実装スペースを確保することができ、高機能化を図ることも可能である。

そして、この回路基板１０００を備える電子機器として、図７には、ノート型パーソナルコンピュータ１２００が示されている。

なお、能動部品か受動部品かを問わず、種々の面実装用の電子部品に本発明を応用することもできる。電子部品として、例えば、抵抗器、コンデンサ、コイル、発振器、フィルタ、温度センサ、サーミスタ、バリスタ、ボリューム又はヒューズなどがある。

図１Ａ〜図１Ｄは、第１の参考形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、第１の参考形態の変形例を示す図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、第２の参考形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、第３の参考形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 図６は、本実施の形態に係る半導体装置が実装された回路基板を示す図である。 図７は、本実施の形態に係る半導体装置が実装された回路基板を備える電子機器を示す図である。

符号の説明

１０ 配線パターン
１２ 基板
１６ 異方性導電材料
１８ 面
２０ 半導体素子
２２ 電極
２４ 面
２８ 側面
３０ 治具
３６ ハンダボール
３８ 加熱治具
４０ 電子部品

Claims (8)

1. 配線パターンが形成された基板と、電極が形成された半導体素子と、を用意する第１工程と、
   前記第１工程後、前記基板上において前記半導体素子が搭載されるための半導体素子領域と、前記配線パターンのうち、前記半導体素子領域から外側に延びる配線パターンの一部を、導電粒子が分散されてなる異方性導電材料で覆い、前記基板の前記配線パターンが形成された面と、前記半導体素子の前記電極が形成された面との間に、前記異方性導電材料を介在させる第２工程と、
   前記第２工程後、前記半導体素子を前記基板の前記半導体素子領域に搭載し、前記基板と前記半導体素子の間に圧力を加えて、前記配線パターンと前記電極とを電気的に導通させ、前記半導体素子領域における前記異方性導電材料を、前記半導体素子の側面を覆うまで回り込ませる第３工程と、
   前記第３工程後、前記異方性導電材料と前記半導体素子との接触領域における、前記異方性導電材料を硬化する第４工程と、
   前記第４工程後、前記配線パターンの一部を覆った部分における、前記異方性導電材料であって、かつ、前記半導体素子と接触していない前記異方性導電材料を硬化する第５工程と、
   を含む半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記異方性導電材料は、前記第３工程完了後における前記半導体素子と前記基板との間隔よりも大きな厚みで前記第２工程で設けられ、前記第３工程で前記半導体素子と前記基板との間で加圧されて前記半導体素子からはみ出す半導体装置の製造方法。
3. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第５工程後、前記異方性導電材料と前記半導体素子との前記接触領域以外の領域で前記基板を切断することをさらに含む半導体装置の製造方法。
4. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第３工程前に、前記異方性導電材料を予め前記基板の前記配線パターンが形成された面に設けておく半導体装置の製造方法。
5. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記異方性導電材料は、遮光性材料を含有する半導体装置の製造方法。
6. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第５工程の前記配線パターン領域の一部を覆った部分の前記異方性導電材料を硬化する方法は、加熱治具を、前記異方性導電材料と直接接触させて加熱して行う半導体装置の製造方法。
7. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第５工程の前記配線パターン領域の一部を覆った部分の前記異方性導電材料を硬化する方法は、加熱治具、熱風または光ヒーターにより、前記異方性導電材料と非接触で加熱して行う半導体装置の製造方法。
8. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第５工程の前記配線パターン領域の一部を覆った部分の前記異方性導電材料を硬化する方法は、前記配線パターンに形成されるハンダバンプをリフローする際、加えられる熱の熱伝導により、前記異方性導電材料を非接触で加熱して行う半導体装置の製造方法。

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