JP5037406B2 - Conductive adhesive and flip chip bonding method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、導電接着剤及びこれを利用したフリップチップボンディング方法に関し、より詳細には、半導体チップと基板との間隔を調整するための非導電性ボールを含む導電接着剤及びこれを利用したフリップチップボンディング方法に関する。 The present invention relates to a conductive adhesive and a flip-chip bonding method using the same, and more particularly, a conductive adhesive including non-conductive balls for adjusting a distance between a semiconductor chip and a substrate and a flip using the same. The present invention relates to a chip bonding method.
電子パッケージング技術は、半導体素子から最終完成製品までのすべての段階を含む広範囲で且つ多様なシステム製造技術である。最近急速に発展する半導体技術は、既に百万個以上のセル(cell)を集積化しており、非メモリ素子の場合は、多いI/Oピン数、大きいダイ(die)サイズ、多い熱放出、高い電気的性能などの傾向に発展している。しかし、このような素子をパッケージするための電子パッケージング技術は、急速な半導体産業と足並みを揃えていないという事実がある。電子パッケージング技術は、最終電子製品の性能、サイズ、価格、信頼性などを決める非常に重要な技術であって、特に高い電気的性能、極小型/高密度、低電力、多機能、超高速信号処理、永久的信頼性などを追求する最近の電子製品においては、その位相がさらに重要になっている。 Electronic packaging technology is a wide and diverse system manufacturing technology that includes all stages from semiconductor devices to final finished products. Recently, the rapidly developing semiconductor technology has already integrated more than 1 million cells, and in the case of non-memory devices, it has a large number of I / O pins, a large die size, a large heat dissipation, The trend is toward high electrical performance. However, there is a fact that electronic packaging technology for packaging such devices is not in line with the rapid semiconductor industry. Electronic packaging technology is a very important technology that determines the performance, size, price, reliability, etc. of the final electronic product, especially high electrical performance, ultra-small / high density, low power, multi-function, ultra-high speed In recent electronic products that pursue signal processing, permanent reliability, etc., the phase has become more important.
このような傾向に連動して、近年、リードを使用せずに、半導体チップを基板に電気的に連結させる技術の中の1つであるフリップチップ(Flip chip)ボンディング技術が注目を集めている(例えば、特許文献1参照)。フリップチップボンディング工程において、半導体チップを基板に結合するために使用される導電接着剤は、一般的に導電性粒子であるソルダと熱硬化性及び/または熱可塑性を有する絶縁樹脂とで構成される。 In conjunction with this trend, in recent years, flip chip bonding technology, which is one of the technologies for electrically connecting a semiconductor chip to a substrate without using leads, has attracted attention. (For example, refer to Patent Document 1). In a flip chip bonding process, a conductive adhesive used for bonding a semiconductor chip to a substrate is generally composed of a solder which is a conductive particle and an insulating resin having thermosetting and / or thermoplastic properties. .
最近、半導体チップと基板との電気的結合を強化するために、低い溶融点を有する低融点ソルダを含む導電接着剤が多用されている(例えば、非特許文献1参照)。フリップチップボンディング方法において、低融点ソルダ粒子は、温度が増加するにつれて溶融され、互いに融合され、低融点ソルダのぬれ性(Wettability)によって半導体チップの電極と基板の電極との間にウェティング(wetting)されることによって、電極を電気的に連結する。この時、低融点ソルダ粒子が充分に融合及びウェティングされるためには、半導体チップの電極と基板の電極との間隔が一定の時間の間に一定の間隔で維持されなければならない。 Recently, a conductive adhesive containing a low-melting-point solder having a low melting point has been widely used in order to enhance electrical coupling between a semiconductor chip and a substrate (for example, see Non-Patent Document 1). In the flip chip bonding method, the low melting point solder particles are melted and fused together as the temperature increases, and the wetting property of the low melting point solder wets between the electrode of the semiconductor chip and the electrode of the substrate. ) To electrically connect the electrodes. At this time, in order for the low melting point solder particles to be sufficiently fused and wetted, the distance between the electrode of the semiconductor chip and the electrode of the substrate must be maintained at a constant interval for a predetermined time.
従来のフリップチップボンディング方法は、基板の表面に別途のスタンドオフ(Stand-off)を形成することによって、低融点ソルダの融合及びウェティング中に半導体チップと基板との間隔がスタンドオフによって維持され得るようにする。しかし、従来のフリップチップボンディング方法は、スタンドオフを形成するために高価なボンディング装備及び精巧な制御技術を必要とするという短所がある。
本発明の目的は、高度の制御技術なしに低費用で低融点ソルダを利用したフリップチップボンディング工程を行うことができる導電接着剤及びこれを利用したフリップチップボンディング方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a conductive adhesive capable of performing a flip chip bonding process using a low melting point solder at a low cost without a high level of control technology, and a flip chip bonding method using the same.
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る導電接着剤は、熱硬化性を有する高分子樹脂と、前記高分子樹脂に分散されている低融点ソルダボールと、前記高分子樹脂に分散されており、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有する非導電性ボールと、を含む。 In order to achieve the above object, a conductive adhesive according to one embodiment of the present invention includes a thermosetting polymer resin, a low-melting solder ball dispersed in the polymer resin, and the polymer resin. And non-conductive balls which are dispersed and have a melting point higher than the melting point of the low melting point solder balls.
また、本発明の他の態様に係るフリップチップボンディング方法は、低融点ソルダボール、高分子樹脂、第1非導電性ボール及び第2非導電性ボールを含む導電接着剤を前記基板上に用意する段階と、前記半導体チップの電極と前記基板の電極を整列する段階と、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い第1温度で前記半導体チップと前記基板との間に所定の第1圧力を加える段階と、前記第1温度より高い第2温度で前記半導体チップと前記基板との間に前記第1圧力より高い第2圧力を加える段階と、を含み、前記第1非導電性ボールは、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有し、前記第2非導電性ボールは、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有し、前記第1非導電性ボールの直径より小さい直径を有する。 Also, in the flip chip bonding method according to another aspect of the present invention, a conductive adhesive including a low melting point solder ball, a polymer resin, a first non-conductive ball, and a second non-conductive ball is prepared on the substrate. Applying a predetermined first pressure between the semiconductor chip and the substrate at a first temperature higher than a melting point of the low melting point solder ball; aligning the electrodes of the semiconductor chip and the electrodes of the substrate; And applying a second pressure higher than the first pressure between the semiconductor chip and the substrate at a second temperature higher than the first temperature, the first non-conductive ball comprising the step of: The second non-conductive ball has a melting point higher than the melting point of the low-melting solder ball, and the second non-conductive ball has a melting point higher than the melting point of the low-melting solder ball and is larger than the diameter of the first non-conductive ball. Has a small diameter That.
また、本発明のさらに他の態様に係るフリップチップボンディング方法は、低融点ソルダボールと、高分子樹脂と、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い溶融点を有する非導電性ボールとを含む導電接着剤を前記基板上に用意する段階と、前記半導体チップの電極と前記基板の電極とを整列する段階と、前記低融点ソルダボールの溶融点より高い所定の第1温度で前記半導体チップと前記基板との間に所定の圧力を加える段階と、前記第1温度より高い第2温度で前記半導体チップと前記基板との間に前記所定の圧力を加える段階と、を含む。 In addition, a flip chip bonding method according to still another aspect of the present invention includes a conductive material including a low melting point solder ball, a polymer resin, and a non-conductive ball having a melting point higher than the melting point of the low melting point solder ball. Preparing an adhesive on the substrate, aligning the electrodes of the semiconductor chip and the electrodes of the substrate, and the semiconductor chip and the semiconductor chip at a predetermined first temperature higher than the melting point of the low melting point solder ball Applying a predetermined pressure to the substrate, and applying the predetermined pressure between the semiconductor chip and the substrate at a second temperature higher than the first temperature.
本発明は、導電接着剤の内部に半導体チップと基板との間隔を調整するための非導電性ボールを含ませることによって、別途の精巧な制御技術なしに単に圧力を調節することによって、低費用でフリップチップボンディング工程を行うことができ、これにより、工程時間を短縮することができ、製品の収率を増加させることができる。 The present invention reduces the cost by simply adjusting the pressure without a separate elaborate control technique by including a non-conductive ball in the conductive adhesive to adjust the distance between the semiconductor chip and the substrate. Thus, the flip chip bonding process can be carried out, whereby the process time can be shortened and the yield of the product can be increased.
また、本発明は、優秀な熱伝導性を有する導電接着剤を半導体ウェーハ間のボンディング工程で等方性導電接着剤として使用することによって、半導体の発熱特性を改善することができる。 Further, the present invention can improve the heat generation characteristics of a semiconductor by using a conductive adhesive having excellent thermal conductivity as an isotropic conductive adhesive in a bonding process between semiconductor wafers.
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施例に係る導電接着剤の構成を示す図である。図1を参照すれば、導電接着剤110は、低融点ソルダボール111及び高分子樹脂112を含み、第1非導電性ボール113及び第2非導電性ボール114をさらに含む。一実施例において、低融点ソルダボール111は、Sn/Biなどで構成され、約140℃の溶融点を有することができる。また、高分子樹脂112は、熱硬化性を有するフェノール樹脂、メラニン樹脂などの高分子絶縁樹脂で構成されることができる。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a conductive adhesive according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the conductive adhesive 110 includes a low melting
第1非導電性ボール113及び第2非導電性ボール114は、低融点ソルダボール111の融合及びウェティング中に半導体チップの電極と基板の電極との間隔を一定に維持するスタンドオフの役目をするために、低融点ソルダボール111の溶融点以上の温度でも溶融されない物質、すなわち低融点ソルダボール111の溶融点より高い溶融点を有する物質で構成される。また、ボンディング工程において、前記間隔を2つの段階に調整するために、第1非導電性ボール113は、第2非導電性ボール114の直径より大きい直径を有する。一実施例において、第1非導電性ボール113は、PMMA(Polymethyl methacrylate)、ポリカーボネート(Polycarbonate)、ポリスチレン(Polystyrene)などの高分子で構成されることができ、第2非導電性ボール114は、第1非導電性ボール113と同一の素材または第1非導電性ボール113の硬度より大きい硬度を有するガラス種類の物質で構成されることができる。
The first
一方、導電接着剤110に含まれた低融点ソルダボール111は、電気的伝導性だけでなく、熱伝導性に優れているので、このような点を利用して導電接着剤110は、半導体ウェーハ間のボンディング工程でも使用されることができる。言い換えれば、導電接着剤110は、フリップチップボンディング工程では半導体チップの電極と基板の電極とを電気的に連結するための異方性導電接着剤として使用されることができ、半導体ウェーハ間のボンディング工程では、半導体ウェーハ間の熱伝導を容易にして半導体の発熱特性を改善する等方性導電接着剤として使用されることもできる。この時、第1非導電性ボール113及び第2非導電性ボール114は、半導体ウェーハ間に低融点ソルダボール111が充分に融合及びウェティングされ得るように間隔を維持する役目をする。
On the other hand, since the low melting
図2a乃至図2cは、本発明の第1実施例に係るフリップチップボンディング方法を説明するための図であり、図2dは、本発明の第1実施例に係るフリップチップボンディング方法において時間による温度及び圧力の変化を示すグラフである。 2a to 2c are diagrams for explaining a flip chip bonding method according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2d is a diagram illustrating temperature according to time in the flip chip bonding method according to the first embodiment of the present invention. It is a graph which shows the change of pressure.
図2aを参照すれば、導電接着剤210は、低融点ソルダボール211、第1非導電性ボール213及び第2非導電性ボール214を高分子樹脂212と混合してフィルムまたはペストリー(Pastry)形態で製作され、ボンディングしようとする半導体チップ220と基板230との間に位置する。
Referring to FIG. 2a, the
フリップチップボンディング装備を使用して半導体チップ220及び基板230を整列した後、半導体チップ220と基板230との間に圧力を加えれば、導電接着剤210の内部で直径が最も大きい第1非導電性ボール213に圧力が加えられる。これにより、半導体チップ220と基板230との間隔は、第1非導電性ボール213の弾性と、半導体チップ220と基板230との間の圧力によって決定される。
After aligning the
この時、第2非導電性ボール214の直径が第1非導電性ボール213の直径より小さいため、第2非導電性ボール214は、第1非導電性ボール213の変形が起きる前までは、半導体チップ220と基板230との間に加えられる圧力に影響を受けない。
At this time, since the diameter of the second non-conductive
図2b及び図2dを参照すれば、温度が増加し、時間1で低融点ソルダボール211の融点である第1温度を通過すれば、低融点ソルダボール211が互いに融合し、半導体チップ220と基板230の電極221、231との間に凹レンズ形状が形成される。一実施例において、低融点ソルダボール211がSn/Biで構成される場合、第1温度は、139℃乃至141℃になることができる。
Referring to FIGS. 2b and 2d, if the temperature increases and passes the first temperature which is the melting point of the low melting
この時、高分子樹脂212は、数百cpsの低い粘度を維持するので、低融点ソルダボール211の融合及びウェティングに影響を及ぼさない。また、第1非導電性ボール213及び第2非導電性ボール214は、低融点ソルダボール211に対するぬれ性が非常に悪い高分子などで構成されるので、第1非導電性ボール213及び第2非導電性ボール214も、低融点ソルダボール211の融合及びウェティングに影響を及ぼさない。
At this time, since the
その後、温度及び圧力が増加し、時間2で第1圧力及び第2温度に到逹し、所定時間の間に(時間2〜時間3)第1圧力及び第2温度が維持される。この時、第1圧力は、第1非導電性ボール213の変形圧力より低い圧力である。ここで、変形圧力というのは、一定の形態の構造物に圧力を加えた時、構造物の変形が起き始める圧力を言う。一実施例において、第1圧力は、100g/cm2乃至300g/cm2であり、第2温度は、155℃乃至165℃である。
Thereafter, the temperature and the pressure increase, reach the first pressure and the second temperature at time 2, and maintain the first pressure and the second temperature for a predetermined time (time 2 to time 3). At this time, the first pressure is lower than the deformation pressure of the first
半導体チップ220と基板230との間隔は、スタンドオフの役目をする第1非導電性ボール213の弾性及び第1圧力によって決定され、このような間隔は、低融点ソルダボール211の十分な融合及びウェティングのために所定時間の間(時間2〜時間3)維持される。一実施例において、低融点ソルダボール211の十分な融合及びウェティングのために、第1圧力及び第2温度は、略70秒間維持される。
The distance between the
図2c及び図2dを参照すれば、時間3の経過後、圧力を増加し、時間4で第2圧力に到逹する。この時、第2圧力は、第1非導電性ボール213の変形圧力より高く、且つ第2非導電性ボール214の変形圧力より低い圧力である。一実施例において、第2圧力は、300g/cm2乃至600g/cm2である。
Referring to FIGS. 2 c and 2 d, after the elapse of time 3, the pressure is increased and the second pressure is reached at time 4. At this time, the second pressure is higher than the deformation pressure of the first
第2圧力が加えられることによって、半導体チップ220と基板230の表面に形成された電極221、231との間隔が減少し、第2圧力が第1非導電性ボール213及び第2非導電性ボール214に分散され、半導体チップ220と基板230との間隔が決定される。第1圧力によって決定された間隔で融合及びウェティングされた低融点ソルダボール211は、第2圧力によって前記間隔が狭められることによって凸レンズ形状が形成される。これにより、低融点ソルダボール211と電極221、231との接合面積は極大化されることができる。
When the second pressure is applied, the distance between the
これと同時に、圧力の増加に伴って温度も増加し、時間4で第3温度に到逹する。ここで、第3温度は、高分子樹脂212の硬化反応が始まる温度、すなわち高分子樹脂212の熱硬化温度より高い温度である。所定時間の間に(時間4〜時間5)第3温度を維持した後、温度を減少させれば、高分子樹脂212は略70%以上硬化され、完全硬化状態の90%程度の熱機械的物性を示す。一実施例において、第3温度は、179℃乃至181℃である。高分子樹脂212の硬化度が95%以上要求される場合、第3温度で大気圧または第2圧力を加える追加硬化工程を行うことができる。
At the same time, the temperature increases as the pressure increases and reaches the third temperature at time 4. Here, the third temperature is a temperature at which the curing reaction of the
2つの段階の圧力を使用する工程の複雑さを減少させるために、第1非導電性ボールを含まない導電接着剤を使用する第2実施例について図3a乃至図3cを参照して以下で説明する。 In order to reduce the complexity of the process using two stages of pressure, a second embodiment using a conductive adhesive that does not include the first non-conductive ball is described below with reference to FIGS. 3a-3c. To do.
図3a及び図3bは、本発明の第2実施例に係るフリップチップボンディング方法を説明するための図であり、図3cは、本発明の第2実施例に係るフリップチップボンディング方法において時間による温度及び圧力の変化を示すグラフである。 FIGS. 3a and 3b are diagrams for explaining a flip chip bonding method according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3c illustrates a temperature according to time in the flip chip bonding method according to the second embodiment of the present invention. It is a graph which shows the change of pressure.
図3aを参照すれば、導電接着剤310は、低融点ソルダボール311及び第2非導電性ボール313を高分子樹脂312と混合し、フィルムまたはペストリー形態で製作され、ボンディングしようとする半導体チップ320と基板330との間に位置する。
Referring to FIG. 3a, a
フリップチップボンディング装備を使用して半導体チップ320及び基板330を整列した後、半導体チップ320と基板330との間に圧力を加えれば、第2非導電性ボール313に圧力が加えられる。半導体チップ320と基板330との間隔は、第2非導電性ボール313の弾性と、半導体チップ320と基板330との圧力によって決定される。
After aligning the
図3b及び図3cを参照すれば、第2圧力を維持した状態で温度が増加するにつれて高分子樹脂312の粘度は数百cpsまで低くなり、時間1を経過しながら温度が低融点ソルダボール311の融点である第1温度より高くなり、これにより、低融点ソルダボール311は固体状態から液体状態に変化する。ここで、第2圧力は、第1実施例の第2圧力と同様に、第2非導電性ボール313の変形圧力より低い圧力である。一実施例において、第2圧力は、300g/cm2乃至600g/cm2である。
Referring to FIGS. 3b and 3c, the viscosity of the
時間2で温度が第2温度に到逹し、所定時間の間に(時間2〜時間3)維持される。これにより、低融点ソルダボール311は、互いに融合され、半導体チップ320と基板330の電極321、331との間に凸レンズ形状で形成される。一実施例において、第2温度は、155℃乃至165℃である。
At time 2, the temperature reaches the second temperature and is maintained for a predetermined time (time 2 to time 3). As a result, the low melting
その後、温度がさらに増加し、時間4で第3温度に到逹する。ここで、第3温度は、第1実施例の第3温度と同様に、高分子樹脂312の熱硬化温度より高い温度である。所定時間の間に(時間4〜時間5)第3温度を維持した後、温度を減少させれば、高分子樹脂312は略70%以上硬化され、完全硬化状態の90%程度の熱機械的物性を示す。一実施例において、第3温度は、179℃乃至181℃である。高分子樹脂312の硬化度が95%以上要求される場合、第3温度で大気圧または第2圧力を加える追加硬化工程を行うことができる。
Thereafter, the temperature further increases and reaches the third temperature at time 4. Here, the third temperature is higher than the thermosetting temperature of the
一方、本発明の一実施例に係る導電接着剤を半導体ウェーハボンディング工程で等方性導電接着剤として使用する場合にも、低融点ソルダボールが半導体ウェーハの間に充分に融合及びウェティングされるように、所定時間の間に半導体ウェーハ間の間隔が維持される必要がある。したがって、前記図2a乃至図3cを参照して説明したボンディング方法のうち半導体チップ及び基板を整列する段階を除いた残りのボンディング過程は、半導体ウェーハボンディング工程にも同様に適用することができる。 On the other hand, when the conductive adhesive according to an embodiment of the present invention is used as an isotropic conductive adhesive in a semiconductor wafer bonding process, the low melting point solder ball is sufficiently fused and wetted between the semiconductor wafers. Thus, the interval between the semiconductor wafers needs to be maintained during a predetermined time. Therefore, the remaining bonding process except the step of aligning the semiconductor chip and the substrate in the bonding method described with reference to FIGS. 2a to 3c can be applied to the semiconductor wafer bonding process.
以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。 The present invention described above can be variously replaced, modified, and changed without departing from the technical idea of the present invention as long as it has ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment and attached drawings.
111 低融点ソルダボール
112 高分子樹脂
113 第1非導電性ボール
114 第2非導電性ボール
111 Low melting
Claims (10)
前記高分子樹脂に分散されており、第1温度を溶融点として有するソルダボールと、
前記高分子樹脂に分散されており、前記第1温度より高い溶融点を有する非導電性ボールと、を含み、
前記非導電性ボールは、第1非導電性ボールと、前記第1非導電性ボールの直径より小さい直径を有する第2非導電性ボールとで構成され、前記第2非導電性ボールの硬度は、前記第1非導電性ボールの硬度より大きいことを特徴とする導電接着剤。 A thermosetting polymer resin selected from phenolic resins or melanin resins;
Solder balls that are dispersed in the polymer resin and have a first temperature as a melting point;
Dispersed in the polymer resin, including a non-conductive ball having a melting point higher than the first temperature,
The non-conductive ball includes a first non-conductive ball and a second non-conductive ball having a diameter smaller than the diameter of the first non-conductive ball, and the hardness of the second non-conductive ball is A conductive adhesive having a hardness higher than that of the first non-conductive ball.
前記第2非導電性ボールは、前記第1非導電性ボールと同一の物質で構成されるか、又はガラスで構成されることを特徴とする請求項1に記載の導電接着剤。 The first non-conductive ball is made of a polymer material,
The conductive adhesive according to claim 1, wherein the second non-conductive ball is made of the same material as the first non-conductive ball or glass.
(a)第1温度を溶融点として有するソルダボール、フェノール樹脂またはメラニン樹脂から選択される高分子樹脂、前記第1温度より高い溶融点を有する第1非導電性ボール及び第2非導電性ボールを含む導電接着剤を前記基板上に用意する段階と、
(b)前記半導体チップの電極と前記基板の電極とを整列する段階と、
(c)前記第1温度より高い第2温度で前記半導体チップと前記基板との間に第1圧力を加える段階と、
(d)前記第2温度より高い第3温度で前記半導体チップと前記基板との間に前記第1圧力より高い第2圧力を加える段階と、を含み、
前記第2非導電性ボールは、前記第1非導電性ボールの直径より小さい直径を有するフリップチップボンディング方法。 In a flip chip bonding method for bonding a semiconductor chip to a substrate,
(A) a solder ball having a first temperature as a melting point, a polymer resin selected from a phenol resin or a melanin resin, a first non-conductive ball and a second non-conductive ball having a melting point higher than the first temperature Providing on the substrate a conductive adhesive comprising:
(B) aligning the electrodes of the semiconductor chip and the electrodes of the substrate;
(C) applying a first pressure between the semiconductor chip and the substrate at a second temperature higher than the first temperature;
(D) applying a second pressure higher than the first pressure between the semiconductor chip and the substrate at a third temperature higher than the second temperature;
The flip chip bonding method, wherein the second non-conductive ball has a diameter smaller than that of the first non-conductive ball.
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