JP5022756B2

JP5022756B2 - 半導体チップの実装方法

Info

Publication number: JP5022756B2
Application number: JP2007097492A
Authority: JP
Inventors: 勝彦北川; 裕之篠木; 紘士山田; 崇野間; 祐一森田
Original assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Current assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-04-03
Also published as: JP2008258318A

Description

本発明は、複数の突起電極が形成された半導体チップの実装方法に関するものである。

近年、新たなパッケージ技術としてＣＳＰ(Chip Size Package)が注目されている。ＣＳＰとは、半導体チップの外形寸法と略同サイズの外形寸法を有する小型パッケージをいう。そして、ＣＳＰの一種としてＢＧＡ(Ball Grid Array)型の半導体装置が知られている。ＢＧＡ型の半導体装置は、ハンダ等の金属材料から成るボール状の端子がパッケージの一方の面上に複数配列されたものである。

ＢＧＡ型の半導体チップの従来の実装方法について図５を参照しながら説明する。半導体基板１００と、その一方の面（裏面）上に一定の間隔で形成された複数の突起電極１０１と、半導体基板１００の他方の面（表面）上に貼り合わされた支持体１０２（例えばガラス基板）とを備える半導体チップ１０３を準備する。なお、突起電極１０１が形成された部分以外の半導体基板１００の裏面はソルダーレジスト等から成る絶縁性の保護膜１０４で被覆されている。

続いて、表面上にアルミニウム等から成る複数のパッド電極１０５が形成された実装基板１０６を準備する。次に、実装基板１０６上に半導体チップ１００を重ねて突起電極１０１とパッド電極１０５とを接続し、実装基板１０６上に半導体チップ１０３を固定する。この工程の際、突起電極１０１は過熱融解されることでパッド電極１０５と接合される。このような実装方式は、一般にフリップチップ(Flip Chip)接続と呼ばれている。

ただし、近年における半導体チップの微細化に伴って、突起電極のサイズを小さくすることや突起電極のピッチを出来る限り短くする等の要求がある。そのため、突起電極とパッド電極との接合のみでは実装強度の確保が困難な場合がある。実装強度が十分でない場合に熱的応力や物理的応力が突起電極の接合部に集中すると、クラックの発生等が起きてしまい、信頼性を確保できない。

そこで、微細な半導体チップを実装する際には、半導体チップと実装基板との接続を補強する材料として図５に示すようなアンダーフィルと呼ばれる封止樹脂１０７を半導体チップ１０３と実装基板１０６との間に充填させ、これによって高い実装強度を確保していた。

封止樹脂１０７は、実装基板１０６に半導体チップ１０３を実装した後、ディスペンサーノズル等を用いて半導体チップ１０３の周囲にペースト状の封止樹脂材を供給し、毛細管現象により半導体チップ１０３と実装基板１０６との隙間に封止樹脂材を充填させ、当該封止樹脂材を加熱硬化させることによって形成される。なお、封止樹脂１０７としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂等があるが、特性やコストの面からエポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂が一般的である。

本発明に関連した技術は、例えば以下の特許文献に記載されている。
特開２００１−２８４３８０号公報

しかしながら、上述したように封止樹脂１０７を形成すると、以下に説明するような問題があった。それは、実装後の信頼性検査によって半導体チップ１０３と実装基板１０６との接合部で不良（実装ズレ等）が発見された場合に、当該接合部のリペア作業が困難であるという問題である。なぜなら、エポキシ樹脂等の多くの封止樹脂１０７は、一度熱処理を施して硬化させると接続強度が強く、実装後に実装基板１０６から半導体チップ１０３を取り外すことは極めて困難だからである。従ってこのような場合には、それら全体を廃棄することになってしまうことが多い。

また、封止樹脂１０７の材料を選別し、仮に半導体チップ１０３を実装基板１０６から取り外すことができるとしても、ヒートガン等の局所ヒータを用いて封止樹脂１０７を軟化させる作業、実装基板１０６上の周辺部品に損傷を及ぼさないように半導体チップ１０３を剥がす作業、実装基板１０６上に残った封止樹脂１０７の除去作業等が必要である。このような手間がかかるため、リペア作業が容易とはいえない。

また、従来のような実装工程時における封止樹脂１０７の形成によると製造コストが増大するという問題もあった。

そこで本発明は、実装後のリペア作業が容易に行えるとともに、製造コストを抑えることができる半導体チップとその実装方法、及び当該半導体チップが実装された半導体装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な特徴は以下のとおりである。すなわち、本発明の半導体チップの実装方法は、半導体基板と、前記半導体基板の一方の面上に形成された複数の突起電極と、前記半導体基板の一方の面上に部分的に形成された封止樹脂とを備えた半導体チップを形成する工程と、一方の面上に電極が形成された実装基板を準備し、前記突起電極と前記電極とを電気的に接触させ、かつ前記封止樹脂を軟化させて前記半導体チップと前記実装基板とを前記封止樹脂を介して接着させる工程と、その後前記封止樹脂を硬化させる工程とを有し、前記半導体チップを形成する工程は、前記突起電極の外側が前記封止樹脂から露出するように行われ、前記封止樹脂は、前記半導体基板の一方の面上にペースト状の樹脂を形成する工程と、その後第１の熱処理を施して前記樹脂を半硬化させる工程を経て形成され、前記半導体チップと前記実装基板とを前記封止樹脂を介して接着させる工程は、前記第１の熱処理よりも高温の第２の熱処理を施して前記封止樹脂の流動性を増加させる工程を含み、前記封止樹脂を硬化させる工程は、前記第２の熱処理よりも高温の第３の熱処理を施す工程を含み、この封止樹脂を硬化させる工程の後においても前記突起電極の外側が前記封止樹脂から露出されていることを特徴とする。

本発明では、半導体チップの実装面側に封止樹脂が選択的に形成され、突起電極の側面が外側から露出している。そのため、実装基板に半導体体チップを実装した後であっても、突起電極の接合部が半導体チップの外側から露出するようになり、当該露出部から導電材料等を補充することでリペア作業を容易に行うことが出来る。

また、個片化した半導体チップを得る前の工程で一括して封止樹脂を形成している。そのため、半導体チップの実装工程の際に個別に封止樹脂を形成していた従来方法に比べて生産性を向上させるとともに、製造コストを抑えることが出来る。また、本発明の封止樹脂は半導体チップの一方の面上に部分的に形成されており、封止樹脂の材料を効率的に使用できるため、製造コストを抑えることができる。

本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１乃至図３は半導体チップの製造工程から、製造された半導体チップの実装工程までを順番に示す断面図あるいは平面図である。なお、図１及び図２を用いて説明する半導体チップの製造工程では、ダイシングラインＤＬを境界として多数の半導体チップがマトリクス状に形成されることになるが、便宜上その一部のみを図示して説明する。

まず図１に示すように、多数の半導体素子（例えばＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタやキャパシタ等から成る集積回路）がチップ領域ごとに形成されたウェハ状の半導体基板１を準備する。半導体基板１の表面上には接着層（不図示）を介して支持体２が貼り合わされている。支持体２はガラス等から成り、半導体基板１を支持するとともに、半導体基板１の表面上に形成された半導体素子（例えばＭＯＳトランジスタやキャパシタ等から構成される半導体集積回路）を保護するためのものである。

次に、半導体基板１の裏面上に露出させた金属層（例えばアルミニウム配線）上に導電材料（たとえばハンダペースト）をスクリーン印刷し、この導電材料を熱処理でリフローさせることで突起電極３を形成する。突起電極３は、半導体基板１に形成された多数の半導体素子と電気的に接続された外部接続用の電極である。突起電極３は、電解メッキ法やディスペンサを用いて導電材料を塗布するディスペンス法（塗布法）等で形成することも出来る。なお、突起電極３が形成された部分以外の半導体基板１の裏面はソルダーレジスト等から成る絶縁性の保護膜４で被覆されている。

１つの半導体チップ領域に対応する突起電極３の数は設計で予め決められており、本実施形態の設計では、図２Ａに示すように４つの突起電極３が半導体チップの各コーナーに対応して配置される構成である。また、隣り合う突起電極３のピッチは例えば０．４ｍｍ〜０．６５ｍｍ程度であり、その高さは例えば０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度である。

次に、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、半導体基板１の裏面上に柱状に突起した封止樹脂５を選択的に形成する。図２Ａは、封止樹脂５が形成された状態を示す概略平面図であり、図２Ｂは図２ＡのＸ−Ｘ線に沿った断面図に対応するものである。

封止樹脂５について説明する。封止樹脂５は、後述する熱処理（第２の熱処理）によって半硬化状態からペースト状に状態変化（軟化）して、半導体チップ１０と実装基板１２との間の隙間に部分的に充填され、両者の接続強度を補強する役割を有するものである。

次に封止樹脂５の特性について説明する。封止樹脂５は絶縁性であって、半導体基板１の裏面上に塗布した時点ではペースト状であって流動性を有するが（第１の状態）、第１の熱処理によって流動性が低下して半硬化状態（第２の状態）となり、第１の熱処理と異なる温度（本実施形態では、第１の熱処理よりも高い温度）の第２の熱処理によって再び流動性が増してペースト状になり（第３の状態）、その後第２の熱処理よりも高い温度の第３の熱処理及びその後の冷却を経ることによって完全に硬化するという特性を有する樹脂の材料からなる。なお、本実施形態で説明している半硬化状態は、「Ｂステージ」と呼ばれることもある。また、ここでいうペースト状とは粘性が約５０００〜５００００センチポアズ(cp)程度の状態をいい、半硬化状態とは粘性がほとんど無く、ペーストの状態と固体の状態の中間的な状態をいう。本発明者が検証する際に用いた封止樹脂５は、約１２０℃〜１４０℃での第1の熱処理で上記半硬化状態となり、約１６０℃〜１７０℃での第２の熱処理で再びペースト状（第３の状態）となり、約１７５℃以上の第３の熱処理及びその後の冷却処理で完全硬化する樹脂層である。

封止樹脂５は熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂）を含む材料が好適に用いられ、上記状態変化の特性を有するのであればその材料に限定はない。従って、複数の種類の樹脂層を混合したものでもよいし、種々の熱硬化剤や熱可塑剤が含まれていてもよい。なお、封止樹脂５に用いられる樹脂は、プリアプライド用封止樹脂と呼ばれることもある。

封止樹脂５の形成は例えば以下のようにして行う。まず、所定の印刷用マスク及びスキージを用いたスクリーン印刷法やディスペンサを用いたディスペンサ法等によって、封止樹脂５のペースト状の材料を半導体基板１の中央領域であって突起電極３で囲まれた位置に選択的に塗布する。なお、封止樹脂５の半導体基板１からの高さは、突起電極３と同程度（例えば、０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度）であることが好ましい。

次に、例えば１２０℃〜１４０℃程度の熱処理（第１の熱処理）を施し、当該ペースト状の材料を半硬化状態（第２の状態）にさせる。封止樹脂５は、本実施形態のように突起電極３で囲まれた位置に形成する等して、突起電極３の少なくとも外側６が封止樹脂５で被覆されずに露出されるようにする。換言すれば、突起電極３の側面の少なくとも一部が封止樹脂５で被覆されず、個々の半導体チップ領域の外周方向から露出されるようにする。なお、突起電極３の外側６が露出されるのであれば、封止樹脂５の平面的形状や数、形成位置に限定はない。

次に、所定のダイシングラインＤＬに沿って半導体基板１及び支持体２を切断し、チップ状の半導体チップ１０に分割する。半導体チップ１０に分割する方法としては、ダイシング法、エッチング法、レーザーカット法等がある。

次に、図３に示すように、アルミニウム等から成るパッド電極１１が形成された実装基板１２を準備する。実装基板１２は半導体チップ１０が搭載される基板であり、例えばガラス・エポキシ樹脂やフェノール樹脂等から成る。パッド電極１１は、実装基板１２上に形成された回路素子と電気的に接続された配線パターンの一部である。

次に、個片化された半導体チップ１０を所定のボンディングツール（不図示）に吸着保持させた後、突起電極３とパッド電極１１との位置合わせを行う。次に、突起電極３とパッド電極１１とを接触させ、この状態でボンディングツールに圧力と熱を加える。そうすると、突起電極３あるいはパッド電極１１が融解されて、突起電極３とパッド電極１１とが接合される（第２の熱処理）。なお、突起電極３とパッド電極１１の電気的接続及び接合強度を向上させるため、事前にハンダ材等の導電性接着剤を対応する突起電極３とパッド電極１１との間に塗布しても良い。

上記第２の熱処理の際、封止樹脂５は半硬化状態から軟化（溶解）してペースト状になり、半導体チップ１０と実装基板１２との間に充填され、半導体チップ１０と実装基板１２とがペースト状の封止樹脂５を介して接着される。ここでいう充填とは、半導体チップ１０と実装基板１２の間の一部が充填されるのであって、突起電極３あるいはパッド電極１１の一部は封止樹脂５で被覆されずに実装基板１２の外周方向から露出している。第２の熱処理の条件は、封止樹脂５の材料や特性に応じて変更されるものであり、例えば１６０℃〜１７０℃程度の条件で行う。

次に、温度を更に上げた（第３の熱処理、例えば１７５℃以上）後、冷却することによってペースト状の封止樹脂５を硬化させる。

以上の工程により、実装基板１２上に半導体チップ１０が実装された半導体装置２０が完成する。半導体装置２０は、半導体チップ１０と実装基板１２との間に形成された完全硬化状態の封止樹脂５によって実装強度が補強されている。

本実施形態では、個片化された半導体チップを得る以前の工程で、個々の半導体チップ領域に対して半硬化状態の柱状の封止樹脂５を一括形成している。そのため、半導体チップの実装工程の際に個別に封止樹脂を形成していた従来方法に比べて生産性を向上させるとともに、製造コストを抑えることが出来る。また、本発明の封止樹脂は半導体チップの一方の面上に選択的に形成されており、封止樹脂の材料を効率的に使用できるため、製造コストを抑えることができる。

また、図２Ａ及び図２Ｂで示したように、個片化された半導体チップ１０を得る時点で、突起電極３の外側６は封止樹脂５で被覆されておらず、半導体チップ１０の外周方向から露出している。そのため、半導体チップ１０が実装工程を経ても、従来構造（図５参照）のように突起電極１０１及びパッド電極１０５の全てが封止樹脂１０７で被覆されるのではなく、図３に示すように突起電極３とパッド電極１１の接合部の側面が半導体装置２０の外側から露出している。従って、後の信頼性検査により突起電極３とパッド電極１１との接合部で電気的な接続不良（実装ズレ等）が発見された場合であっても、当該接合部に導電材料（例えばハンダ）を補充することができる。つまり、実装後に半導体チップを実施基板から取り外すことなくリペア作業を行うことでき、接続不良等の問題を容易に解消することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば従来に比べて実装後のリペア作業が容易に行えるとともに、製造コストを抑えた半導体チップとその実装方法、及び当該半導体チップが実装された半導体装置を提供することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能なことは言うまでも無い。例えば、上述した実施形態で支持体２が半導体チップの一方の面に貼り合わされていたが、支持体２が貼り合わされていない半導体チップに対して本発明を適用することも出来る。また、突起電極３及び封止樹脂５の数や形状は、上述した実施形態に限定されない。従って、図４Ａに示すように半導体基板１の一方の面上に３個の突起電極３と封止樹脂５が形成されていてもよいし、図４Ｂに示すように半導体基板１の一方の面上に平板状の突起電極３ａと封止樹脂５ａが形成されていてもよい。本発明は、半導体チップの一方の面上に突起電極が形成され、当該チップを実装基板に実装する技術として広く適用できるものである。

本発明の実施形態に係る半導体チップ及びその実装方法、半導体チップが実装された半導体装置を説明する断面図である。本発明の実施形態に係る半導体チップ及びその実装方法、半導体チップが実装された半導体装置を説明する平面図及び断面図である。本発明の実施形態に係る半導体チップ及びその実装方法、半導体チップが実装された半導体装置を説明する断面図である。本発明の変更例を示す平面図である。従来の半導体チップの実装方法を説明する断面図である。

符号の説明

１半導体基板２支持体３，３ａ突起電極４保護膜
５，５ａ封止樹脂６（突起電極の）外側１０半導体チップ
１１パッド電極１２実装基板２０半導体装置１００半導体基板
１０１突起電極１０２支持体１０３半導体チップ１０４保護膜
１０５パッド電極１０６実装基板１０７封止樹脂

Claims

半導体基板と、前記半導体基板の一方の面上に形成された複数の突起電極と、前記半導体基板の一方の面上に部分的に形成された封止樹脂とを備えた半導体チップを形成する工程と、
一方の面上に電極が形成された実装基板を準備し、前記突起電極と前記電極とを電気的に接触させ、かつ前記封止樹脂を軟化させて前記半導体チップと前記実装基板とを前記封止樹脂を介して接着させる工程と、
その後前記封止樹脂を硬化させる工程とを有し、
前記半導体チップを形成する工程は、前記突起電極の外側が前記封止樹脂から露出するように行われ、
前記封止樹脂は、前記半導体基板の一方の面上にペースト状の樹脂を形成する工程と、その後第１の熱処理を施して前記樹脂を半硬化させる工程を経て形成され、
前記半導体チップと前記実装基板とを前記封止樹脂を介して接着させる工程は、前記第１の熱処理よりも高温の第２の熱処理を施して前記封止樹脂の流動性を増加させる工程を含み、
前記封止樹脂を硬化させる工程は、前記第２の熱処理よりも高温の第３の熱処理を施す工程を含み、この封止樹脂を硬化させる工程の後においても前記突起電極の外側が前記封止樹脂から露出されていることを特徴とする半導体チップの実装方法。
前記封止樹脂は、前記複数の突起電極で囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体チップの実装方法。