JP4873901B2

JP4873901B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4873901B2
Application number: JP2005233182A
Authority: JP
Inventors: 恵一郎林
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2025-08-11
Also published as: JP2006121042A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

近年の電子機器の高性能化、小型化の流れの中、半導体装置の高密度、高機能化が一層求められている。半導体装置を搭載したモジュールにおいても、高密度、高機能化への対応が要求されている。半導体装置を高密度に実装するために、両面回路基板や多層回路基板の適用が進展されつつある。

例えば、半導体チップに導電バンプを形成し、フリップチップ接続時の加熱により溶融可能な熱硬化樹脂で前記バンプ形成部分が塗布する。上記半導体装置の実装方法は前記バンプとプリント配線板の電極が対向するように位置合わせする。この時、プリント配線板上の金属配線パターン電極部はエッチング等により電気絶縁樹脂が剥離され、金属が露出している。次に、上記プリント配線板上に上記半導体装置を搭載し加圧しながら加熱することによって、バンプによるフリップチップ接続と熱硬化性樹脂層のゲル化を同時に行う（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−３０７５８６号公報

しかしながら、従来の方法では予め半導体装置のバンプ形成部分が加熱により溶融可能な熱硬化樹脂で被覆する必要があるので、製造工程が複雑になるという問題を有していた。また、前記バンプに前記熱硬化性樹脂を介して前記プリント配線板電極部へ加圧しているため、熱硬化性樹脂がバンプとプリント配線板電極部間に局所的に介在してしまい接続の信頼性を低下させていた。したがって、本発明は、大幅に簡易な工程が可能で、かつ薄型化が可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の半導体装置の製造方法は、電子部品に設けられた導電性バンプと、前記導電性バンプの厚さより薄く、金属配線パターンの全面を被覆するソルダーレジストとを対向配置する工程と、前記導電性バンプを前記ソルダーレジストに接触させ、前記ソルダーレジストに熱、荷重、及び超音波を印加する工程と、前記導電性バンプを押し込み、前記ソルダーレジストの前記導電性バンプと接触する部分を排除して、前記金属配線パターンの一部を露出する工程と、前記金属配線パターンの一部及び前記導電性バンプのそれぞれの金属の原子同士を直接接合し、前記金属配線パターンの一部と前記導電性バンプとを電気的に接合する工程とを備えることを特徴とする。

また、前記金属配線パターンの一部及び前記導電性バンプのそれぞれの金属の原子同士を直接接合し、前記金属配線パターンの一部と前記導電性バンプとを電気的に接合する工程の後、前記金属配線パターンの一部と前記導電性バンプとが接合された部分をアンダーフィル封止する工程を備えることを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法により予め樹脂によって電気絶縁されている金属配線パターンの電極部分をエッチング等により露出させる工程が無くなり、大幅に簡易な工程で半導体装置を製造することが可能である。

また、接合時に周波数４０ＫＨｚ〜６０ＫＨｚで振幅３μｍ〜５μｍの超音波を０．１ｓｅｃ〜０．５ｓｅｃ印加することにより露出した半導体装置の導電性バンプおよび基板の電極部表面にある１μｍ〜２μｍの凹凸が無くなり電極接続部金属の真面が現れ、金属の原子同士が直接接合するため、従来の熱と荷重を印加しただけでは得られない接続の信頼性を得ることができる。

本発明の半導体装置において、半導体チップの導電性バンプと金属配線パターンの全面を被覆する電気絶縁樹脂とを対向させてフェイスダウンによって実装するフリップチップ接続するものである。図１は本発明の実施の形態の一例を係る半導体装置製造方法を示す製造工程図であり、図３は、本発明の好ましい実施態様にかかる半導体装置の実装構造模式図である。

フリップチップ接続では、まず、半導体チップのパッド（表面電極）側に導電性バンプを形成し、半導体チップと電気絶縁樹脂によって電気絶縁されている金属配線パターンが形成されているチップ支持基板とを対向させた後、半導体チップの導電性バンプと金属配線パターンの電極部とを位置合わせし、半導体チップを搭載する。その後、チップ裏面から熱及び荷重及び超音波を印加することにより、電気絶縁樹脂によって電気絶縁されている電極部を露出させ、導電性バンプと支持基板の配線電極パターンとを接続するものである。

本発明の好ましい実施態様においては、電子部品が、集積回路およびチップ部品を含んでいる。本発明のさらに好ましい実施態様においては、金属が、銅、アルミニウム、銀、金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれる金属によって構成されている。本発明のさらに好ましい実施態様においては、金属が、銅またはアルミニウムによって構成されている。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、電気絶縁樹脂が、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリル／スチレン樹脂（ＡＳ）、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂（ＡＢＳ）、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＧＦ強化ポリエチレンテレフタレート（ＧＦ―ＰＥＴ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）からなる群より選ばれる熱可塑性樹脂によって構成されている。本発明のさらに好ましい実施態様においては、樹脂がフィラーを含んでいる。本発明のさらに好ましい実施態様によれば、樹脂に、フィラーを添加することにより、機械的性質、熱伝導性、熱膨張率、コストなどを考慮して、樹脂の材料を選択することができる。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、電気絶縁樹脂がソルダーレジスト材（エポキシ系、アクリル系、ウレンタン系樹脂）によって構成されている。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、電気絶縁樹脂がフリップチップ接続時の加熱により溶融可能な熱硬化樹脂によって構成されている。

以下、添付図面に基づいて、本発明の好ましい実施態様につき、詳細に説明を加える。図３は、本発明の好ましい実施態様にかかる半導体装置の実装構造模式図である。

図３に示されるように、まず、電気絶縁樹脂３上に金属配線パターン４を形成し、金属配線パターン４上を電気絶縁樹脂６で全面被覆した支持基板に、電子部品である集積回路１を、位置決めされた所定の金属配線パターン４の電極部と対向させる。ここに、電子部品は、支持基板の電気絶縁樹脂６で被覆された電極部と接合するわけで、電極部上にある電気絶縁樹脂６を一部排除する必要がある。

図４に示されるように、集積回路１がフリップチップボンデイング装置のヘッド５に吸着され熱及び荷重及び超音波振動により所定の電極部上にある電気絶縁樹脂６を排除し、導電性バンプ２が金属配線パターン４と接合または接触する。本実施態様によれば、電気絶縁樹脂６に熱及び荷重及び、周波数４０ＫＨｚ〜６０ＫＨｚで振幅３μｍ〜５μｍの超音波を０．１ｓｅｃ〜０．５ｓｅｃ印加することにより、集積回路１の導電性バンプ２が電気絶縁樹脂を一部排除し、電極部を露出させ、さらに露出した半導体装置の接合部および支持基板の電極部表面にある１μｍ〜２μｍの凹凸が無くなり電極接続部金属の真面が現れ、金属の原子同士が直接接合することにより、金属配線パターン４の電極部と電気的に接合及び接触させることによって、半導体装置を製造することができるから、簡易な工程で半導体装置を製造することが可能になる。

これによって、半導体装置の製造工程が簡略化できる。本実施態様によれば、半導体装置を構成している支持基板上に金属配線パターン４が形成された後、金属配線パターン４上に腐食防止及び保護用にソルダーレジストを一括塗布できるため、電極部を除く配線部分に選択的に塗布する工程と比して、大幅に製造工程が簡略化でき低コストで製造可能になる。

さらに、本実施態様によれば、金属配線パターン４の金属が、銅、アルミニウム、銀、金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれる金属によって構成されている場合においても回路パターン形成後、直ちにソルダーレジストを全面塗布するため金属表面の清浄度が非常に高い値で保たれるため、電極部を露出する選択塗布に比して後工程での電子部品実装の接合強度が高く、しかも長期耐久試験における信頼性テスト評価結果も良好である。

さらに、本実施態様によれば、金属配線パターン４形成後、直ちにソルダーレジストを全面塗布するため、電極部を露出する選択塗布の場合に比して、電子部品を実装する前に基板電極の清浄度を高めるためにドライ洗浄工程が必要で無くなり、電子部品実装設備にドライ洗浄装置を導入しなくてすむばかりでなく、工程も短縮化できる。

さらに、本実施態様によれば、電気絶縁樹脂６にポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）系の樹脂を用い、電気絶縁樹脂厚みを導電性バンプ２高さと同じにしておけば、導電性バンプが電気絶縁樹脂６に埋没し、回路パターン電極と電気的に接合及び接触させることによって、半導体装置を製造することができるから、アンダーフィル封止工程が不要で、接続信頼性の高い半導体装置を製造することが可能になる。

さらに、本実施態様によれば、電気絶縁樹脂６に電子部品が電気絶縁樹脂に埋没し、回路パターン電極と電気的に接合及び接触させることによって、半導体装置を製造することができるから、電気絶縁樹脂６にフリップチップ接続時の加熱により溶融可能な熱硬化樹脂を用いれば、電気的接続が得られた後に樹脂が硬化し始めるため、硬化時の収縮により接触接合の効果も得ることができる。

本実施態様においては電気絶縁樹脂３として、熱可塑性樹脂が用いられる。これによって、半導体装置の薄型化が実現される。

本実施態様によれば、半導体装置は、実施例１の半導体装置に、集積回路１Ａを内蔵した電気絶縁樹脂３によって構成されており、電気絶縁樹脂３に電子部品が埋没しているから、支持基板上に、金属配線パターンが形成され、金属配線パターン上に、電子部品が搭載されて、封止樹脂によって被覆された従来の電子部品内蔵基板に比して、大幅に薄型化することが可能になる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図５は、本発明のさらに好ましい実施態様にかかる半導体装置の実装構造模式図である。

本実施の形態２の半導体装置は、図５に示されるように、実施例１の方法で製造された半導体装置において集積回路１がフリップチップボンデイングされている電極面と反対側面の金属配線パターン４に接する電気絶縁樹脂３は、電気絶縁樹脂３の厚みを導電性バンプ２Ａの高さにし、かつ、電気絶縁樹脂３を加熱により溶融可能な樹脂で構成しておく。まず、実施例１の方法で製造された半導体装置において集積回路１がフリップチップボンデイングされている電極面と反対側面の配線パターンに電子部品である集積回路１Ａを位置決めされた所定の電極と対向させる。ここに、集積回路１Ａの端子は、金属敗戦パターン４の電極部との間にある電気絶縁樹脂３材を介して接合するわけで、電極部上にある電気絶縁樹脂３を一部排除する必要がある。実施例１と同様に集積回路１がフリップチップボンデイングされる時に熱により所定の電極部上にある加熱により溶融可能な樹脂で構成されている電気絶縁樹脂３を軟化させ、次に荷重を印加しながら電気絶縁樹脂３材を一部排除できる。さらに、超音波を印加しながら荷重をかけるため、導電性バンプ２Aと電極部間に局所的に介在している溶融可能な樹脂を完全に排除し、かつ、露出した半導体装置の接合部および支持基板の電極部表面にある１μｍ〜２μｍの凹凸が無くなり電極部の金属の真面が現れ、金属の原子同士が直接接合することにより、導電性バンプ２Ａと電極部とが接触または、接合する。

本実施態様においては電気絶縁樹脂３として、熱可塑性樹脂が用いられる。これによって、半導体装置の薄型化が実現される。本実施態様によれば、半導体装置は、集積回路１Ａを内蔵した電気絶縁樹脂３と、金属配線パターン４とによって構成されており、電気絶縁樹脂３に電子部品が埋没しているから、支持基板上に、金属配線パターン４が形成され、金属配線パターン４上に、電子部品が搭載されて、封止樹脂によって被覆された従来の電子部品内蔵基板に比して、大幅に薄型化することが可能になる。

さらに、本実施態様によれば、電気絶縁樹脂３に熱及び荷重及び超音波振動により、電子部品が埋没させ、金属配線パターン４の電極部と電気的に接合及び接触させることによって、半導体装置を製造することができるから、簡易な工程で、実装密度の高い半導体装置を製造することが可能になる。また、両面実装基板や多層実装基板に必ず必要となるスルーホールを予め製造する必要が無くなり、非常に安価な両面及び多層実装基板を製造できる。さらに、本実施態様によれば、電子部品が電気絶縁樹脂３に埋没し、金属配線パターン４の電極部と電気的に接合及び接触させることによって、半導体装置を製造することができるから、アンダーフィル封止工程が不要で、接続信頼性の高い半導体装置を製造することが可能になる。

さらに、本実施態様によれば、電子部品が電気絶縁樹脂３に埋没し、回路パターン電極裏面と電気的に接合及び接触させることによって、半導体装置を製造することができるから、電気絶縁樹脂に加熱により溶融可能な熱可塑樹脂を用いれば、電気的接続が得られた後に樹脂が硬化し始めるため、硬化時の収縮により接触接合の効果も得ることができる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図６に示されるように、まず、金属配線パターン４上にレジストで構成された電気絶縁樹脂６を形成した支持基板に、電子部品である集積回路１を、位置決めされた所定の金属配線パターン４の電極部と対向させる。ここに、電子部品は、基板の電気絶縁樹脂６で被覆された電極部と接合するわけで、電極部上にある電気絶縁樹脂６を一部排除する必要がある。

本実施態様によれば、電気絶縁樹脂６に熱及び荷重及び、周波数４０ＫＨｚ〜６０ＫＨｚで振幅３μｍ〜５μｍの超音波を０．１ｓｅｃ〜０．５ｓｅｃ印加することにより、集積回路１の導電性バンプ２が電気絶縁樹脂６を一部排除し、金属配線パターン４の電極部を露出させ、さらに露出した半導体装置の接合部および支持基板の電極部表面にある１μｍ〜２μｍの凹凸が無くなり電極部の金属の真面が現れ、金属の原子同士が直接接合することにより、金属配線パターンの電極部と導電性バンプ２とが電気的に接合及び接触させることによって、半導体装置を製造することができるから、簡易な工程で半導体装置を製造することが可能になる。

これによって、半導体装置の製造工程が簡略化できる。本実施態様によれば、電気絶縁性樹脂６にレジスト材を用いることにより、半導体装置を構成している支持基板上に金属配線パターン４が形成された後、金属配線パターン４上に腐食防止及び保護用にソルダーレジストを一括塗布できるため、電極部を除く配線部分に選択的に塗布する工程と比して、大幅に製造工程が簡略化でき低コストで製造可能になる。

さらに、本実施態様によれば、金属配線パターン４の金属が、銅、アルミニウム、銀、金、白金およびパラジウムからなる群より選ばれる金属によって構成されている場合においても金属配線パターン４形成後、直ちにソルダーレジストを全面塗布するため金属表面の清浄度が非常に高い値で保たれるため、電極部を露出する選択塗布に比して後工程での電子部品実装の接合強度が高く、しかも長期耐久試験における信頼性テスト評価結果も良好である。

以上、本発明の実施形態及び実施例を図面に沿って説明した。本発明が対象とする半導体装置は、電気絶縁樹脂でコーティングしてある電極に対し、熱及び荷重及び超音波振動を印加して、電極部上にある電気絶縁樹脂を一部排除し電子部品の端子と基板を接合または接触させ、かつ、接合部をアンダーフィル封止または電子部品封止ができる半導体装置製造方法である。

また、接合または接触方式が、Ａｕ−Ａｌ、Ａｕ−Ｓｎ、Ｉｎ−Ａｕによる合金接続の場合、Ａｕ−Ａｕ、Ａｌ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｃｕによる圧着接続の場合、ＡＣＦ、ＡＣＰ、ＮＣＰ、ＮＣＦによる圧接接続の場合及びはんだによる溶融接続の場合、全ての接続方法において本発明を限定する要素にはならない。

また、接合または接触方式において、電子部品と支持基板の接続時に介在する樹脂が半熱硬化性、熱硬化性又はＵＶ硬化性のものであるか、非導電性ものであるか、導電性のものであるか、その導電粒子の寸法および材質、その粒子組成が金属、金属メッキされた樹脂又は金属粒子、絶縁被覆された金属メッキ樹脂又は金属粒子であるかなどは、本発明を限定する要素にはならない。

本発明は、電気電子装置に用いられる支持基板にフリップチップボンデイング実装するに好適なる半導体装置に利用可能である。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す製造工程図である。従来例に係る半導体装置の製造方法を示す製造工程図である。本発明の実施形態に係る、集積回路を電気絶縁樹脂で被覆された金属配線パターンが形成された支持基板へ対向配置し、電気絶縁樹脂を排除し、金属配線パターン電極部と接合した後の断面図である。本発明の実施形態に係る集積回路と金属配線パターンが形成された支持基板とを対向させた後、集積回路をフリップチップボンデイング装置ヘッドで吸着し、導電性バンプと金属配線パターンとを位置合わせした時の半導体装置製造方法を示す断面図である。本発明の実施形態に係る集積回路を図１で示した製造方法で接合した半導体装置の基板へ図１で集積回路が実装されている電極部の裏面に集積回路を実装した両面実装を示す断面図である。本発明の実施形態に係る、集積回路を金属配線パターンが形成された支持基板へ金属配線パターン電極部のある面と反対方向から接合した後の断面図である。

１，１Ａ集積回路
２，２Ａ導電性バンプ
３電気絶縁樹脂
４金属配線パターン
５フリップチップボンデイング装置ヘッド
６電気絶縁樹脂

Claims

電子部品に設けられた導電性バンプと、前記導電性バンプの厚さより薄く、金属配線パターンの全面を被覆するソルダーレジストとを対向配置する工程と、
前記導電性バンプを前記ソルダーレジストに接触させ、前記ソルダーレジストに熱、荷重、及び超音波を印加する工程と、
前記導電性バンプを押し込み、前記ソルダーレジストの前記導電性バンプと接触する部分を排除して、前記金属配線パターンの一部を露出する工程と、
前記金属配線パターンの一部及び前記導電性バンプのそれぞれの金属の原子同士を直接接合し、前記電子部品と前記ソルダーレジストとの間に隙間を有する状態で、かつ前記導電性バンプの一部を前記ソルダーレジストから露出した状態で前記金属配線パターンの一部と前記導電性バンプとを電気的に接合する工程とを備え、前記金属配線パターンの一部及び前記導電性バンプのそれぞれの金属の原子同士を直接接合し、前記金属配線パターンの一部と前記導電性バンプとを電気的に接合する工程の後、前記金属配線パターンの一部と前記導電性バンプとが接合された部分をアンダーフィル封止または電子部品封止をする工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。