JP4626839B2 - Mounting method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の実装方法に関し、特に、半導体装置と配線基板との間の熱硬化性樹脂におけるボイドの発生を抑制し、高い接続信頼性が得られる半導体層装置の実装方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のはんだバンプを用いたフリップチップ実装方法を図7に示す。図7に示すように、従来は、バンプ2形成後のLSIチップ等の半導体装置1のバンプ先端または配線基板3にフラックス10を付着させた後、配線基板3に位置合わせして半導体装置1を搭載した後、リフローを行い、その後、フラックス10を洗浄した後、毛細管現象により半導体装置1と配線基板3のギャップにアンダーフィル樹脂(熱硬化性樹脂6)の充填を行い、最後に熱硬化性樹脂6を硬化させる方法が行われている。
【0003】
また、はんだを有するフリップチップ実装方法のうち、あらかじめ配線基板3上に封止樹脂6を塗布しておき、半導体装置1をマウント後、加熱することではんだ接続および樹脂硬化を行なう実装方法として、例えば、特開平11−233558号公報に開示されている方法がある。この方法による実装プロセスを図8に示す。
【0004】
まず、半導体装置1を配線基板3上に搭載する前工程として、半導体装置1の端子電極にバンプ2を形成し(ステップ1)、パッド4にはんだ5を形成する(ステップ2)。次に、予め配線基板3の半導体装置1が搭載される部分に、半導体装置1と配線基板3の間を充分に介在させる量の樹脂6を塗布する(ステップ3)。次に、この樹脂6を塗布したパッド4上のはんだ5にバンプ2が位置するように半導体装置1を配線基板3に位置決め搭載する。その後、半導体装置1を吸着したボンディングツ−ル7に備えられたヒ−タ−等の加熱手段により、位置決め搭載した半導体装置1を加熱すると同時に、配線基板3を載せた基板ステ−ジ8に備えられたヒ−タ−等の加熱手段で加熱を行なう(ステップ4)。この加熱工程では、最初、はんだ融点以上の温度に加熱してバンプ2とはんだ5との接合部を金属結合させた後、はんだ融点以下に加熱温度を下げて樹脂6を硬化させて実装が完了する。
【0005】
他の従来例として、バンプ2がはんだバンプであり、樹脂6に酸化膜除去作用を含んだ樹脂を用いる場合がある。これらの方法により、半導体装置と基板のギャップにアンダーフィル樹脂充填する工程を削除し、生産性を向上させている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図7に示すフラックスを用いてはんだバンプを接続する従来のフリップチップ実装方法では、以下の問題点がある。
【0007】
まず、第1の問題点は、LSIの高密度化による狭ピッチ化が進むにつれ、バンプ2が微細化し、半導体装置1と配線基板3間の隙間が狭くなる傾向があり、フラックス洗浄が益々困難な状況となってきている。フラックス残渣が引き起こす問題点としては、活性剤がLSI等の電子部品に残留し、この残留した活性剤が吸湿すると、そのイオン成分が電気的絶縁性を低下させ、マイグレーション等により製造された電子部品の信頼性を低下させるといった問題を引き起こす。また、アンダーフィル充填をも阻害することとなり、樹脂封止層にボイドが発生するなど実装信頼性を低下させるという問題がある。
【0008】
第2の問題点は、フラックス洗浄工程やアンダ−フィル充填工程などのプロセスを必要とする為、フラックス洗浄に必要な設備を必要としたり、アンダ−フィル充填に時間がかかる等、生産コストが高くなることである。
【0009】
このような問題に関して、図8に示すようなあらかじめ配線基板3上に熱硬化性樹脂6を塗布しておき、半導体装置1を搭載後、熱硬化性樹脂6を硬化させる一括プロセスが提案されている。しかしながら、この方法では、半導体装置1を熱硬化性樹脂6が塗布された配線基板3上に搭載する際に、半導体装置1側の突起電極間凹部の外気が抜けきれずに残ったり、樹脂6を外側に強制的に押し出すこととなるため、バンプ2や配線基板3の凹凸があると樹脂6が乱流になって外気を巻き込む等の影響でボイドが発生しやすい。
【0010】
この現象は、半導体装置1と配線基板3を接続する電極が半導体装置1表面全体に配置しているエリア配置の場合に特に顕著に発生する。電極間にボイドがある状態では、ボイド部のバンプ2に応力が集中して接続破壊を起こすことがあるだけでなく、装置動作時に発生する熱応力で電極金属を塑性変形させ、場合によってはボイドを介して隣り合った電極が連結してしまうショ−トを引き起こす等、接続信頼性に対して重大な問題となる。
【0011】
また、はんだ酸化膜除去作用を含む樹脂を使用し、はんだ接続を行なう場合、ボイドがあると酸化膜除去作用が弱くなり、はんだ表面の酸化膜を除去しにくくなる為、ボイド部分のバンプは接続不良を起こしやすくなる。
【0012】
前記のようなボイドが引き起こす問題は、接続信頼性を向上させるために熱硬化性樹脂の熱膨張係数を調整する手段として樹脂中にシリカ等のフィラ−を添加すると、樹脂粘度が相対的に上昇する為、樹脂がなめらかに流れず半導体装置や配線基板に濡れにくくなるためさらに顕著になることから、信頼性の高い実装品を得ることは困難である。
【0013】
本発明の目的は、はんだバンプが形成されたベアチップまたはチップサイズパッケージ等の半導体装置において、接続信頼性を確保するとともに生産性に優れた実装方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の実装方法は、半導体装置の電極と配線基板の電極とがバンプを介して電気的に接続され、前記半導体装置と前記配線基板との間を熱硬化性樹脂により封止してなる半導体装置の実装方法において、前記配線基板上に熱硬化性樹脂を塗布する工程と、前記半導体装置を前記配線基板上に搭載するに際し、前記半導体装置と前記熱硬化性樹脂とが接触する直前に、前記半導体装置を載置するツールの移動速度を減速又は一旦停止させる工程と、前記半導体装置の電極と前記配線基板の電極とが前記バンプを介して接触した状態で、前記半導体装置を加熱して前記半導体装置の電極と前記配線基板間の電極とを電気的に接続するバンプ接続工程と、前記半導体装置の搭載が完了した前記配線基板を、前記バンプ接続工程以下の温度雰囲気中に保持し、前記熱硬化性樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と、を含むものである。
【0015】
本発明においては、前記半導体装置と前記熱硬化性樹脂とが接触する前における前記ツールの移動速度が、略10mm/s以下に設定される構成とすることができる。
【0017】
また、本発明の半導体装置の実装方法は、半導体装置の電極と配線基板の電極とがバンプを介して電気的に接続され、前記半導体装置と前記配線基板との間を熱硬化性樹脂により封止してなる半導体装置の実装方法において、前記配線基板上に熱硬化性樹脂を塗布する工程と、前記半導体装置を前記配線基板上に搭載するに際し、前記半導体装置と前記熱硬化性樹脂とが接触する前に、前記半導体装置を少なくとも前記配線基板より高い温度で加熱する予備加熱工程と、前記半導体装置と前記熱硬化性樹脂とが接触する直前に、前記半導体装置を載置するツールの移動速度を減速又は一旦停止させる工程と、前記半導体装置の電極と前記配線基板の電極とが前記バンプを介して接触した状態で、前記半導体装置を前記予備加熱工程以上の温度に加熱して前記半導体装置の電極と前記配線基板間の電極とを電気的に接続するバンプ接続工程と、前記半導体装置の搭載が完了した前記配線基板を、前記バンプ接続工程以下の温度雰囲気中に保持し、前記熱硬化性樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と、を含むものである。
【0022】
本発明の実装方法の場合、半導体装置の搭載に際し、半導体装置と熱硬化性樹脂とが接触する前に半導体装置を少なくとも前記配線基板より高い温度で加熱することで、配線基板側に塗布した熱硬化性樹脂が半導体装置と接触すると、瞬時に樹脂粘度が低下して半導体装置側に濡れやすくなる。このため、半導体装置側の突起電極間の凹部にも樹脂が入り込みやすくなる。また、中央部の樹脂が押し出されることにより、樹脂充填される半導体装置外周については樹脂が濡れやすくなることで押し出される樹脂速度に対して樹脂の濡れが追従可能となる。このため、搭載時に発生するボイドを防止することが可能となる。
【0023】
また、フィラ−添加した時など粘度が高い樹脂の場合、樹脂の濡れ性や流動性が不足するが、加熱に加えて半導体装置と熱硬化性樹脂が接触する直前に半導体装置の搭載速度を減速させることにより、突起電極間の凹部へ樹脂が入り込みやすくなり、樹脂の濡れが樹脂押し出し速度に追従可能となるため、搭載時に発生するボイドを防止することが可能となる。
【0024】
また、使用する樹脂によっては、高温で長時間加熱すると樹脂自体からボイドが発生するものがあるが、短時間の高温加熱で接続を行い、低い温度で樹脂硬化させる方法にすれば、ボイドを防止できる。
【0025】
従って、本実装方法を行なえば、熱硬化性樹脂の熱膨張係数を調整する為にシリカ等のフィラ−を添加した場合であっても、搭載時のボイドや接続不良を生じることがない為、信頼性の高い実装品を得ることが出来る。
【0026】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図2を参照して、エリアに配列されたCuパッド9上に高融点バンプ2が形成されたLSIを、同一配列位置にCuパッド4を形成し、且つパッド4上に共晶はんだ5が予備はんだとして形成されたプリント配線基板3上に実装する時の一例について説明する。
【0027】
まず、図2(a)に示すように、予備はんだ5が形成されたプリント配線基板3を加熱されたステ−ジ8上に置き、昇温する。昇温の目的は、熱硬化性樹脂6を塗布する際にプリント配線基板3表面の樹脂の濡れ性を向上させ、樹脂塗布時に配線基板3表面の凹凸の影響で空気を巻き込みにくくする為である。この時の温度は熱硬化性樹脂6の硬化反応があまり進まないことが望ましく、60℃〜100℃程度が良い。プリント配線基板3は、濡れ性改善のためにステ−ジ8に置く前にプラズマ等の表面処理により、表面改質することも有効である。
【0028】
次に、図2(b)に示すように、プリント配線基板3上の半導体装置1搭載位置に熱硬化性樹脂6をディスペンサ−等により塗布する。塗布形状は、中央部分に1点塗布する方法が一般的であるが、半導体装置1搭載位置の対角線上に「×」を描くように塗布する方法、数点に分けて塗布する方法等がある。
【0029】
次に、図2(c)に示すように、ツ−ル7に吸着された半導体装置1をプリント配線基板3上に位置合わせした後、ツ−ル7に内蔵された加熱ヒ−タにより、半導体装置1を加熱する。加熱の目的は、半導体装置1のバンプ2と熱硬化性樹脂6とが接触した際に、接触した熱硬化性樹脂6の粘度を瞬時に低下させ、バンプ2へ濡れやすくさせる為であり、この作用により半導体装置1搭載時にバンプ2間の凹部の空気が取り残されてボイドになることを未然に防いでいる。この時のツ−ル7の加熱温度は150℃以上であることが望ましい。また半導体装置1は、ツ−ル7に吸着する前にプラズマ等の表面処理により、表面改質することも有効である。
【0030】
また、使用する熱硬化性樹脂6にフィラ−を添加する場合、その添加量が50%以上になると加熱時の樹脂粘度が低下しにくくなり、半導体装置1の加熱によるボイド防止効果が薄れる為、半導体装置1の加熱と同時に半導体装置1と熱硬化性樹脂6とが接触する直前に、半導体装置1の搭載速度を減速させると効果がある。この場合の搭載速度は10mm/s以下が効果的である。ツ−ル7の搭載速度を制御する方法として、半導体装置1と熱硬化性樹脂6とが接触する直前に一度停止させてもよい。
【0031】
次に、図2(d)に示すように、半導体装置1に対して所定の荷重をかけ、はんだ融点以上に昇温する事で電極部のはんだ接続を行なう。この際、熱硬化性樹脂6に付与されているはんだ酸化膜除去作用も加わり、短時間で確実なはんだ結合が行なわれる。このとき、熱硬化性樹脂6は硬化反応がほとんど進んでいない状態であるため、樹脂粘度は十分に低くはんだ接続を阻害することはない。なお、半導体装置1に加える荷重は半導体装置1のサイズやバンプ2のピッチ、サイズ、数などにより異なるが、目安として1バンプあたり0.1〜5g程度が望ましく、加熱温度ははんだ融点温度より20〜50℃高いことが望ましく、この条件にてはんだ接続を行なう時間は、3〜10秒程度が望ましい。
【0032】
また、半導体装置1をプリント配線基板3に搭載する際に、振動を加えながら加熱して搭載し、電気的接続を行う方法を用いれば、熱硬化性樹脂6にはんだ酸化膜除去作用を添加する必要が無くなる。
【0033】
次に、はんだ接続が完了した上記実装品の熱硬化性樹脂6を硬化させるが、樹脂を完全に硬化させる手段としては、はんだ接続を行った後の実装品を複数個まとめて樹脂硬化可能な温度雰囲気に保たれた恒温槽等に移して行なうと良い。これにより、個々の搭載サイクルタイムははんだ接続に必要な時間のみで良いため、時間の短縮が可能となり、かつ一定の樹脂硬化時間で複数個の半導体装置1の樹脂硬化が可能となるため、生産性が向上する。
【0034】
図1に、実装が完了した本実施の形態の一例として、バンプ2にはんだバンプを用いて製作した場合のフリップチップ実装構造体の断面図を示す。図1において、配線基板3のパッド4上にプリコ−トされたはんだ5と半導体装置1の突起電極であるバンプ2とがそれぞれ対応する位置にて金属接合されることで、半導体装置1と配線基板3の電気的接続が行われている。半導体装置1と配線基板3の間の封止樹脂は、熱硬化性樹脂6で構成されている。
【0035】
はんだ5の材質の例としてはSn/Pb共晶はんだがあるが、Sn/Pb共晶はんだに限定されず、たとえばSn/Pb(共晶を除く)、Sn/Ag、Sn/Cu、Sn/Sb、Sn/Zn、Sn/Biおよびこれら前記した材料に特定の添加元素をさらに加えた材料を挙げることができ、これらが適宜用いられる。また、バンプ2ははんだ5と同じでも異なる材質であってもよく、融点の異なるはんだであっても良い。よく用いられる材料はPbリッチなSn/Pbがあげられる。異なる材質の一例としてはAuバンプがあげられる。
【0036】
また、電気的接続部を除く半導体装置1と配線基板3の間は、電気的接続部を保護すると共に、半導体装置1と配線基板3の熱膨張係数の違いにより生じる熱応力が電気的接続部に集中することを緩和し、接続信頼性を向上させる目的で熱硬化性樹脂6により樹脂封止されている。
【0037】
熱硬化性樹脂6は、はんだ接続を行なう場合、活性樹脂(はんだ酸化膜を除去する効果がある熱硬化性樹脂)を用いることが望ましい。例えば、基材となる熱硬化性樹脂6にフラックス効果を有する剤を添加した構成であり、はんだおよび被はんだ接続面の酸化膜を除去する作用を持つ。すなわち、はんだ接続での硬化前の加熱状態において、フラックス作用を有する剤が作用し、はんだおよび被はんだ接続面の酸化膜が除去される。活性樹脂は、硬化後は基材樹脂と結合することにより化学的に安定となり、十分な電気的絶縁性を有する。
【0038】
また、熱硬化性樹脂6にフラックス作用を与えるには、(メタ)アクリル酸、マレイン酸などの不飽和酸、蓚酸、マロン酸などの有機二酸、クエン酸などの有機酸をはじめ、炭化水素の側鎖に、ハロゲン基、水酸基、ニトリル基、ベンジル基、カルボキシル基等を少なくとも1つ以上を添加することにより可能である。また、(メタ)アクリルアルコールなどの不飽和アルコール、トリメリット酸、テトラメリット酸および一般的に知られているキレート剤を用いることもできる。このような前記フラックス作用を有する剤は、二種以上組合せて用いることができる。なお、フラックスには、公知のゲル化剤を含むこともできる。
【0039】
また、半導体装置実装工程においては、熱硬化性樹脂6に活性樹脂を使用することで、フラックスを使用する必要が無くなるため、フラックス洗浄工程を省略でき、また、洗浄不良によって生じるフラックス残渣に起因する信頼性への悪影響を防止することができる。
【0040】
熱硬化性樹脂の基材としては、エポキシ、ポリエステル(不飽和ポリエステル、不飽和ポリエステルと活性水素基を有する化合物の組合せなど)、アクリレート((メタ)アクリロキシプロピルポリシロキサンなどのシリコンアクリレート、エポキシアクリレートを含む)などである。熱硬化時に前記した熱硬化性樹脂と反応して硬化を促進する促進剤、および/または硬化剤(加熱によって硬化するためのラジカル等が発生するラジカル開始剤、アニオン開始剤またはカチオン開始剤)等を有している。なお、αーシアノアクリレートなどの常温で硬化する接着剤等を用いることもできる。前記熱硬化性樹脂、促進剤、硬化剤および開始剤等は、2種以上、組合せて用いることができる。さらに、熱硬化性樹脂には、熱膨張係数等を調整し接続信頼性を向上させる目的でシリカ等のフィラ−を添加しても良い。
【0041】
なお、バンプ形成された半導体装置1を短時間で確実にはんだ接続させる為に、搭載時に加熱とともに加圧を行なったり、振動によりはんだ接続させることもできる。
【0042】
図3は、プリント配線基板3上に予備はんだが形成されていない場合のはんだバンプを用いた本発明の実施の形態を示す図である。実装方法に関しては図2で示した例と同様であるが、この場合、加熱加圧時にバンプ2を潰してしまわないように、半導体装置1と配線基板3との隙間を一定に保つような位置制御を行なう必要がある。
【0043】
【実施例】
上記した本発明の実施の形他についてさらに詳細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照して説明する。本実施例では、上記実装方法により、半導体装置を熱硬化性樹脂が塗布された配線基板上に搭載する際に、半導体装置側の突起電極間凹部の外気が抜けきれずに残り、ボイドとなる不具合が発生しないことを確認するとともに、その際の接続信頼性を確認するため以下の実験を行なった。まず、使用機材について説明する。
【0044】
半導体装置1は、サイズ10mm□であり、はんだバンプが0.24mmピッチで半導体装置1表面全面に配置されているフルグリッドエリア配置である。はんだバンプ材質はPb95%、Sn5%である。配線基板3は、半導体装置1に対応した電極が配置されており、パッド4上には予備はんだが約20μmの高さで形成されている。予備はんだ材質は共晶はんだである。なお、実装後の半導体装置1と配線基板3は電気的接続の確認が行なえる構造となっている。
【0045】
熱硬化性樹脂6はエポキシであり、フェノ−ル系硬化剤を使用した樹脂Aと酸無水物系硬化剤を使用した樹脂Bを用い、共にはんだ酸化膜除去作用を有する樹脂である。さらにこれらの樹脂にシリカフィラ−を添加したものについても評価を行なった。ここで、熱硬化性樹脂6は、エポキシに限られるものではなく、上述したように、ポリエステルやアクリレートなどでも良い。
【0046】
次に、実装方法について説明する。
【0047】
まず、半導体装置1にArプラズマ処理を行い、プラズマの表面改質効果による半導体装置1と樹脂6の濡れ性向上及びはんだバンプ2の接続性向上を図った。続いて、配線基板3をステ−ジ8上に置き、ディスペンサ−により熱硬化性樹脂6を配線基板3上の半導体装置1が搭載される中央部に約20mg塗布した。続いて、半導体装置1をツ−ル7に吸着し、配線基板3との位置合わせを行ない、半導体装置1を配線基板3上に搭載し、半導体装置1のはんだバンプ2と配線基板3の予備はんだ5が接触後、半導体装置1を230℃に加熱しながら3g/バンプの加圧を5秒間行ない、電極間のはんだ接続をした。なお、接続の際、加圧を行なわない方法も試みたが、この場合、フィラー添加量40%以上の樹脂は、ほとんどの接続部ではんだ濡れ不良が発生し、未接続となった。
【0048】
続いて、はんだ接続の完了した実装品を150℃大気雰囲気中の恒温槽に90分間入れて、熱硬化性樹脂6の硬化を行ない実装を完了した。
【0049】
半導体装置搭載時のボイド評価として、半導体装置1の搭載速度とステ−ジ8及びツ−ル7の温度条件を変えて比較評価を行なった。本実施例で使用した樹脂における温度と樹脂粘度の関係を、表1に示す。25℃に比べ50℃ではかなり樹脂粘度が低下しており、70℃近傍から昇温に連れて急に樹脂粘度が低下している事がわかる。
【0050】
評価条件詳細および結果として、表2は常温で搭載速度が速い従来条件に対して搭載速度を遅くし、ツ−ル温度及びステ−ジ温度を変化させたときのボイド観察結果、表3は表2の条件でボイドが発生しなかった温度条件に関して、樹脂にフィラ−添加し、搭載速度を速くしたときのボイド観察結果を示す。ボイドの観察方法としては、実装が完了したサンプルについて、樹脂層部分の断面を顕微鏡で観察した。
【0051】
また、それぞれの搭載時の加熱及びツ−ル変位を示すプロファイル図を図4乃至図6に示す。なお、表2又は表3の搭載プロファイル欄の番号と図4乃至図6の番号とが対応している。図4乃至図6に示す▲1▼は、はんだバンプと熱硬化性樹脂とが接触した時点であり、▲2▼ははんだバンプと基板(基板上のパッド)とが接触した時点である。また、ツール温度は、▲2▼以降はんだバンプの融点以上の温度に上昇されている。表2および表3において、ツール温度は、はんだバンプと熱硬化性樹脂が接触した時点での温度である。
【0052】
【表1】
【0053】
【表2】
【0054】
【表3】
【0055】
表2に関して、ツール及びステージを常温にて40mm/sで搭載した従来条件の場合は、封止樹脂全面に多数発生した。これに対し、半導体装置と樹脂が接触する直前に搭載速度を0.1mm/sと遅くした場合、ボイドが減っていることは確認できたが、主に樹脂塗布した中央部分にはボイドが残っており、完全にボイドを無くすまでには至らなかった。さらにツール及びステージ温度を変化させていくと、ツール温度150℃、ステージ温度60℃以下のときボイドが発生しなかった。
【0056】
次に、表3に示すように、ボイドが発生しなかったツール温度150℃、ステージ温度60℃の温度条件において、再び搭載速度を40mm/sとし、樹脂にシリカフィラーを添加したものを含め、ボイド観察を行なった。結果はフィラー添加量40%まではボイドが発生しなかったが、フィラー添加量60%の場合、ボイドが発生した。そこでフィラー添加量60%については、この温度条件のまま搭載速度を10mm/sとするとボイドが発生しなかった。
【0057】
この結果から、フィラ−添加量が40%以下の樹脂に関しては、半導体装置1側を配線基板3側より高い温度で加熱しておき、半導体装置1に熱硬化性樹脂6が接触した際、半導体装置1側に熱硬化性樹脂6が濡れやすくなる状況を作り出す本実装方法を行なうことで、半導体装置1搭載時のボイドを未然に防げることを確認した。ここで、ツール温度は、150℃としたが、ツール温度は、基板3よりも高い温度であれば、半導体装置1の搭載速度と使用する熱硬化性樹脂6の温度による樹脂粘度の変化によって変える事が可能である事はもちろんである。
【0058】
また、フィラ−添加量の割合が多く樹脂粘度が40Pa・s(25℃の時)以上の樹脂は半導体装置側の加熱と共に搭載速度を減速させることで、半導体装置搭載時のボイドを未然に防げることを確認した。また、これらのサンプルのうち、フィラー添加量40%以上のものについて−40℃〜125℃の温度サイクル試験を行い接続信頼性を評価した結果、樹脂A,B共に1000サイクル以上接続信頼性が確保できていることを確認した。この結果から、本発明の実装方法により、樹脂層にボイドが無く接続信頼性が高い実装品が得られることを確認した。
【0059】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置の実装方法によれば、配線基板上に熱硬化性樹脂を塗布後、半導体装置を配線基板上に搭載するに際し、半導体装置と熱硬化性樹脂とが接触する前に、半導体装置を少なくとも配線基板より高い温度で加熱、又は、半導体装置の搭載速度を減速又は一旦停止、又はこれらを組み合わせて、半導体装置側に熱硬化性樹脂を濡れやすくすることにより、樹脂層に発生しやすいボイドを未然に防ぐとともに、シリカフィラ−を添加し、熱膨張係数を調整した熱硬化性樹脂を用いてもはんだ接続を行うことができ、接続信頼性の高い実装品を得る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実装方法により実装したフリップチップ実装構造体を示す断面図である。
【図2】配線基板に予備はんだが形成された場合における本発明の実装方法を示す工程断面図である。
【図3】配線基板に予備はんだが形成されていない場合における本発明の実装方法を示す工程断面図である。
【図4】半導体装置搭載時の加熱及びツ−ル変位を示すプロファイル図である。
【図5】半導体装置搭載時の加熱及びツ−ル変位を示すプロファイル図である。
【図6】半導体装置搭載時の加熱及びツ−ル変位を示すプロファイル図である。
【図7】従来のフラックスによるはんだ接合を行なった場合の実装方法を示す工程断面図である。
【図8】従来の配線基板に樹脂塗布して半導体装置を搭載する実装方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
1 半導体装置
2 バンプ
3 配線基板
4 パッド(配線基板)
5 はんだ
6 熱硬化性樹脂
7 ツ−ル
8 ステ−ジ
9 パッド(半導体装置)
10 フラックス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for mounting a semiconductor device, and more particularly, to a method for mounting a semiconductor layer device that suppresses the generation of voids in a thermosetting resin between a semiconductor device and a wiring board and provides high connection reliability.
[0002]
[Prior art]
A conventional flip chip mounting method using solder bumps is shown in FIG. As shown in FIG. 7, conventionally, after
[0003]
Among the flip chip mounting methods having solder, as a mounting method in which the sealing
[0004]
First, as a pre-process for mounting the
[0005]
As another conventional example, the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional flip chip mounting method for connecting solder bumps using the flux shown in FIG. 7 has the following problems.
[0007]
First, the first problem is that as the pitch becomes narrower due to the higher density of LSI, the
[0008]
The second problem is that a process such as a flux cleaning process and an underfill filling process is required, so that the equipment required for flux cleaning is required, and it takes time to fill the underfill, resulting in high production costs. It is to become.
[0009]
Regarding such a problem, a batch process is proposed in which a
[0010]
This phenomenon occurs particularly conspicuously in the case of an area arrangement in which the electrodes connecting the
[0011]
Also, when using a resin that has a solder oxide film removal action and soldering, if there is a void, the oxide film removal action will be weak and it will be difficult to remove the oxide film on the solder surface. It tends to cause defects.
[0012]
The problem caused by voids as described above is that when a filler such as silica is added to the resin as a means for adjusting the thermal expansion coefficient of the thermosetting resin in order to improve the connection reliability, the resin viscosity is relatively increased. Therefore, since the resin does not flow smoothly and becomes difficult to get wet with the semiconductor device or the wiring board, it becomes more prominent, and it is difficult to obtain a highly reliable mounted product.
[0013]
An object of the present invention is to provide a mounting method that secures connection reliability and is excellent in productivity in a semiconductor device such as a bare chip or a chip size package on which solder bumps are formed.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In the semiconductor device mounting method of the present invention, the electrode of the semiconductor device and the electrode of the wiring board are electrically connected via bumps, and the semiconductor device and the wiring board are sealed with a thermosetting resin. In the method for mounting a semiconductor device, the step of applying a thermosetting resin on the wiring substrate and the semiconductor device and the thermosetting resin come into contact with each other when the semiconductor device is mounted on the wiring substrate. Immediately before , the step of decelerating or temporarily stopping the moving speed of the tool for mounting the semiconductor device, and the semiconductor device in a state where the electrode of the semiconductor device and the electrode of the wiring board are in contact via the bumps A bump connection step for electrically connecting the electrode of the semiconductor device and the electrode between the wiring substrates by heating, and the wiring substrate on which the mounting of the semiconductor device has been completed. Kept in degrees atmosphere, a resin curing step of curing the thermosetting resin, it is intended to include.
[0015]
In this invention, it can be set as the structure by which the moving speed of the said tool before the said semiconductor device and the said thermosetting resin contact is set to about 10 mm / s or less .
[0017]
In the semiconductor device mounting method of the present invention, the electrode of the semiconductor device and the electrode of the wiring board are electrically connected via bumps, and the semiconductor device and the wiring board are sealed with a thermosetting resin. In the mounting method of the semiconductor device, the step of applying a thermosetting resin on the wiring substrate, and the mounting of the semiconductor device on the wiring substrate, the semiconductor device and the thermosetting resin Before the contact, a preheating step of heating the semiconductor device at a temperature higher than at least the wiring substrate, and a movement of a tool for mounting the semiconductor device immediately before the semiconductor device and the thermosetting resin contact each other a step of stopping the speed reduction or once, the state where the electrode of the semiconductor device and the electrode of the wiring board are in contact via the bumps, the semiconductor device above the preheating step temperature A bump connecting step of electrically connecting the electrodes between the wiring substrate and electrodes of the semiconductor device heated to, the wiring board mounting of the semiconductor device is completed, in a temperature atmosphere below the bump connection step Holding and curing the thermosetting resin.
[0022]
In the case of the mounting method of the present invention, when the semiconductor device is mounted, the heat applied to the wiring board side by heating the semiconductor device at a temperature higher than at least the wiring board before the semiconductor device and the thermosetting resin come into contact with each other. When the curable resin comes into contact with the semiconductor device, the resin viscosity is instantaneously reduced and the semiconductor device is easily wetted. For this reason, the resin easily enters the recesses between the protruding electrodes on the semiconductor device side. In addition, by extruding the resin at the center, the outer periphery of the semiconductor device filled with the resin can easily wet the resin, so that the resin can follow the speed of the extruded resin. For this reason, it becomes possible to prevent the void which generate | occur | produces at the time of mounting.
[0023]
Also, in the case of a resin with high viscosity, such as when a filler is added, the wettability and fluidity of the resin are insufficient. However, in addition to heating, the mounting speed of the semiconductor device is reduced immediately before the semiconductor device contacts the thermosetting resin. By doing so, it becomes easier for the resin to enter the recesses between the projecting electrodes, and the wetting of the resin can follow the resin extrusion speed, so that it is possible to prevent voids generated during mounting.
[0024]
Depending on the resin used, there may be voids generated from the resin itself when heated at a high temperature for a long time. However, if a method is used in which the resin is cured at a low temperature for a short time, the void can be prevented. it can.
[0025]
Therefore, if this mounting method is performed, even when a filler such as silica is added to adjust the thermal expansion coefficient of the thermosetting resin, voids and poor connection during mounting will not occur. A highly reliable mounted product can be obtained.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Referring to FIG. 2, an LSI in which high melting point bumps 2 are formed on
[0027]
First, as shown in FIG. 2A, the printed wiring board 3 on which the
[0028]
Next, as shown in FIG. 2B, a
[0029]
Next, as shown in FIG. 2C, the
[0030]
In addition, when a filler is added to the
[0031]
Next, as shown in FIG. 2D, a predetermined load is applied to the
[0032]
Further, when the
[0033]
Next, the
[0034]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a flip-chip mounting structure when a
[0035]
Examples of the material of the
[0036]
In addition, the electrical connection portion is protected between the
[0037]
As the
[0038]
Moreover, in order to give a flux action to the
[0039]
Further, in the semiconductor device mounting process, the use of an active resin for the
[0040]
Thermosetting resin base materials include epoxy, polyester (unsaturated polyester, combination of unsaturated polyester and compound having active hydrogen group), acrylate (silicon acrylate such as (meth) acryloxypropylpolysiloxane, epoxy acrylate) Etc.). An accelerator that accelerates curing by reacting with the above-described thermosetting resin at the time of thermosetting, and / or a curing agent (a radical initiator, an anionic initiator, or a cationic initiator that generates radicals for curing by heating), etc. have. An adhesive such as α-cyanoacrylate that cures at room temperature can also be used. The thermosetting resin, accelerator, curing agent, initiator and the like can be used in combination of two or more. Furthermore, a filler such as silica may be added to the thermosetting resin for the purpose of adjusting the coefficient of thermal expansion and improving the connection reliability.
[0041]
In addition, in order to reliably solder-connect the bump-formed
[0042]
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of the present invention using solder bumps when no preliminary solder is formed on the printed wiring board 3. The mounting method is the same as the example shown in FIG. 2, but in this case, the position where the gap between the
[0043]
【Example】
The embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings in order to explain the embodiment and the like of the present invention in more detail. In this embodiment, when the semiconductor device is mounted on the wiring substrate coated with the thermosetting resin by the above mounting method, the outside air remains in the recesses between the protruding electrodes on the semiconductor device side, and becomes a void. The following experiment was conducted to confirm that no defects occurred and to confirm the connection reliability at that time. First, the equipment used will be explained.
[0044]
The
[0045]
The
[0046]
Next, a mounting method will be described.
[0047]
First, the Ar plasma treatment was performed on the
[0048]
Subsequently, the mounted product in which the solder connection was completed was placed in a thermostatic chamber in a 150 ° C. air atmosphere for 90 minutes, and the
[0049]
As a void evaluation at the time of mounting the semiconductor device, a comparative evaluation was performed by changing the mounting speed of the
[0050]
Table 2 shows the details of the evaluation conditions and the results. Table 2 shows the results of void observation when the tool temperature and stage temperature are changed by slowing the mounting speed with respect to the conventional conditions where the mounting speed is high at normal temperature. With respect to the temperature condition in which no void was generated under the condition of 2, the filler observation result when the filler was added to the resin and the mounting speed was increased is shown. As a method for observing the void, the cross section of the resin layer portion was observed with a microscope for the sample for which mounting was completed.
[0051]
Moreover, the profile figure which shows the heating at the time of each mounting and tool displacement is shown in FIG. 4 thru | or FIG. The numbers in the mounting profile column in Table 2 or Table 3 correspond to the numbers in FIGS. 4 to 6 show the time point (1) when the solder bump and the thermosetting resin are in contact, and (2) time point when the solder bump and the substrate (pad on the substrate) are in contact. The tool temperature has been raised to a temperature equal to or higher than the melting point of the solder bump since (2). In Tables 2 and 3, the tool temperature is the temperature at the time when the solder bump contacts the thermosetting resin.
[0052]
[Table 1]
[0053]
[Table 2]
[0054]
[Table 3]
[0055]
Regarding Table 2, in the case of the conventional conditions in which the tool and the stage were mounted at room temperature at 40 mm / s, a large number occurred on the entire surface of the sealing resin. On the other hand, when the mounting speed was slowed down to 0.1 mm / s just before the semiconductor device and the resin contacted, it was confirmed that the void was reduced, but the void remained mainly in the central portion where the resin was applied. The void was not completely eliminated. Furthermore, when the tool and stage temperature were changed, no void was generated when the tool temperature was 150 ° C. and the stage temperature was 60 ° C. or less.
[0056]
Next, as shown in Table 3, in the temperature conditions of the tool temperature of 150 ° C. and the stage temperature of 60 ° C. in which no voids were generated, the mounting speed was again 40 mm / s, including the resin added with the silica filler, Void observation was performed. As a result, voids were not generated up to 40% filler addition, but voids were generated when the filler addition amount was 60%. Therefore, with respect to the filler addition amount of 60%, when the mounting speed was 10 mm / s with this temperature condition, no void was generated.
[0057]
From this result, when the filler addition amount is 40% or less, the
[0058]
Further, a resin having a high filler addition ratio and a resin viscosity of 40 Pa · s (at 25 ° C.) or more can prevent voids when the semiconductor device is mounted by reducing the mounting speed together with the heating on the semiconductor device side. It was confirmed. Of these samples, those with a filler addition amount of 40% or more were subjected to a temperature cycle test of −40 ° C. to 125 ° C. and the connection reliability was evaluated. I confirmed that it was made. From this result, it was confirmed that a mounting product having no void in the resin layer and having high connection reliability can be obtained by the mounting method of the present invention.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device mounting method of the present invention, when the semiconductor device is mounted on the wiring board after the thermosetting resin is applied on the wiring board, the semiconductor device and the thermosetting resin are separated from each other. By heating the semiconductor device at a temperature at least higher than that of the wiring board before contact, or by reducing or temporarily stopping the mounting speed of the semiconductor device, or by combining these, the thermosetting resin is easily wetted on the semiconductor device side. In addition to preventing voids that are likely to occur in the resin layer, it is possible to make solder connections even with the use of thermosetting resins with added silica filler and adjusted thermal expansion coefficient. Can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a flip chip mounting structure mounted by a mounting method of the present invention.
FIG. 2 is a process cross-sectional view showing a mounting method of the present invention when preliminary solder is formed on a wiring board.
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating the mounting method of the present invention when preliminary solder is not formed on the wiring board.
FIG. 4 is a profile diagram showing heating and tool displacement when a semiconductor device is mounted.
FIG. 5 is a profile diagram showing heating and tool displacement when a semiconductor device is mounted.
FIG. 6 is a profile diagram showing heating and tool displacement when a semiconductor device is mounted.
FIG. 7 is a process cross-sectional view illustrating a mounting method in the case of performing solder bonding with a conventional flux.
FIG. 8 is a process cross-sectional view showing a mounting method for mounting a semiconductor device by applying resin to a conventional wiring board.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
5
10 Flux
Claims (3)
前記配線基板上に熱硬化性樹脂を塗布する工程と、前記半導体装置を前記配線基板上に搭載するに際し、前記半導体装置と前記熱硬化性樹脂とが接触する直前に、前記半導体装置を載置するツールの移動速度を減速又は一旦停止させる工程と、前記半導体装置の電極と前記配線基板の電極とが前記バンプを介して接触した状態で、前記半導体装置を加熱して前記半導体装置の電極と前記配線基板間の電極とを電気的に接続するバンプ接続工程と、前記半導体装置の搭載が完了した前記配線基板を、前記バンプ接続工程以下の温度雰囲気中に保持し、前記熱硬化性樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と、を含むこと特徴とする半導体装置の実装方法。In the mounting method of the semiconductor device, wherein the electrode of the semiconductor device and the electrode of the wiring substrate are electrically connected via bumps, and the space between the semiconductor device and the wiring substrate is sealed with a thermosetting resin.
Placing a step of applying the thermosetting resin on the wiring substrate, upon mounting the semiconductor device on the wiring board, immediately before said semiconductor device with said thermosetting resin is in contact, the semiconductor device Decelerating or temporarily stopping the moving speed of the tool, and heating the semiconductor device in a state where the electrode of the semiconductor device and the electrode of the wiring board are in contact with each other via the bump. A bump connection step for electrically connecting electrodes between the wiring substrates, and the wiring substrate on which mounting of the semiconductor device is completed is held in a temperature atmosphere below the bump connection step, and the thermosetting resin is A method of mounting a semiconductor device, comprising: a resin curing step of curing.
前記配線基板上に熱硬化性樹脂を塗布する工程と、前記半導体装置を前記配線基板上に搭載するに際し、前記半導体装置と前記熱硬化性樹脂とが接触する前に、前記半導体装置を少なくとも前記配線基板より高い温度で加熱する予備加熱工程と、前記半導体装置と前記熱硬化性樹脂とが接触する直前に、前記半導体装置を載置するツールの移動速度を減速又は一旦停止させる工程と、前記半導体装置の電極と前記配線基板の電極とが前記バンプを介して接触した状態で、前記半導体装置を前記予備加熱工程以上の温度に加熱して前記半導体装置の電極と前記配線基板間の電極とを電気的に接続するバンプ接続工程と、前記半導体装置の搭載が完了した前記配線基板を、前記バンプ接続工程以下の温度雰囲気中に保持し、前記熱硬化性樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と、を含むこと特徴とする半導体装置の実装方法。 In the mounting method of the semiconductor device, wherein the electrode of the semiconductor device and the electrode of the wiring substrate are electrically connected via bumps, and the space between the semiconductor device and the wiring substrate is sealed with a thermosetting resin.
A step of applying a thermosetting resin on the wiring board; and when mounting the semiconductor device on the wiring board, before the semiconductor device and the thermosetting resin contact each other, the semiconductor device is at least A preheating step of heating at a temperature higher than the wiring substrate, a step of decelerating or temporarily stopping a moving speed of a tool on which the semiconductor device is placed, immediately before the semiconductor device and the thermosetting resin are in contact with each other; With the electrode of the semiconductor device and the electrode of the wiring substrate in contact with each other via the bump, the semiconductor device is heated to a temperature equal to or higher than the preheating step, and the electrode of the semiconductor device and the electrode between the wiring substrate and A bump connection step for electrically connecting the semiconductor device, and the wiring board on which the semiconductor device has been mounted is held in a temperature atmosphere equal to or lower than the bump connection step, and the thermosetting resin is hardened. Mounting method of a semiconductor device comprising: the resin curing step of, between this and the characteristics, including.
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