JP5146678B2

JP5146678B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5146678B2
Application number: JP2008279024A
Authority: JP
Inventors: 保博須賀; 和典濱崎
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: WO2009122607A1; US20100308476A1; CN101983419B; TW200945457A; CN101983419A; KR101261104B1; US8409932B2; KR20100114019A; TWI373077B; HK1154990A1; EP2261963A1; JP2009267344A; EP2261963A4

Description

本発明は、回路基板上の半導体チップが樹脂封止されている半導体装置の製造方法に関する。

回路基板上の半導体チップが樹脂封止されている半導体装置を、回路基板に半導体チップを接着剤で実装し（チップ実装工程）、続いて封止用の樹脂シートで半導体チップを覆い、リジッドな表面を有するロールプレス機や、通常のボンダーではない高価な真空プレス機で半導体チップを封止する（モールディング工程）という２工程で製造することが提案されている（特許文献１）。

特開２００６−３４４７５６号公報

しかしながら、モールディング工程は封止樹脂を加熱加圧しなければならないため、特許文献１の方法では、半導体チップ実装工程で形成された回路基板と半導体チップとの間の接続部に、モールディング工程時の熱と圧力が再度印加されるため、接続部に剥離やずれ等のダメージが生じ、接続信頼性が低下することが懸念される。また、真空プレス機などの高価な装置を使用することは、半導体装置の製造コストを増大させかねない。

本発明は、回路基板上の半導体チップが樹脂封止されている半導体装置を製造する際に、回路基板と半導体チップとの間の接続部に熱や圧力によるダメージが生じないように、比較的簡易な手法により製造できるようにすることを目的とする。

本発明者らは、回路基板への半導体チップの実装と、半導体チップの封止とを、一回の熱圧着処理により同時に行うことにより上述の課題を解決できるとの仮定の下、そのためには、回路基板に半導体チップを仮接着した後、半導体チップを所定の厚みの封止樹脂フィルムでカバーし、所定範囲のゴム硬度を有するゴムヘッドで加圧しながら、反対側から加熱すれば、半導体チップの実装と封止とを同時にできることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、回路基板上の半導体チップが樹脂封止されている半導体装置の製造方法であって、
回路基板に熱硬化型接着フィルムを介して半導体チップを仮固定し、
仮固定された半導体チップに対し、離型フィルムとその上に積層され、該半導体チップの厚みの０．５〜２倍の層厚の熱硬化型封止樹脂層とを有する封止樹脂フィルムを、該熱硬化型封止樹脂層が半導体チップ側に面するように配置し、
離型フィルム側からゴム硬度５〜１００のゴムヘッドで加圧しながら回路基板側から加熱することにより、回路基板に半導体チップを接着固定すると同時に半導体チップを樹脂封止し、
表面の離型フィルムを引き剥がす
ことを特徴とする製造方法を提供する。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、回路基板への半導体チップの実装と、半導体チップの封止とを、所定の厚みの熱硬化型封止樹脂層を有する封止樹脂フィルムを用いて、一回の熱圧着処理により同時に行うので、回路基板と半導体チップとの間で形成された接続部が、接続後に再び加熱加圧を受けることがない。従って、接続部に剥離やずれ等のダメージが生じない。

本発明は、回路基板上の半導体チップが樹脂封止されている半導体装置の製造方法である。この製造方法の各工程を図１Ａ〜図１Ｄに従って説明する。

まず、図１Ａに示すように、回路基板１に熱硬化型接着フィルム２を介して半導体チップ３を仮固定する。具体的には、回路基板１に熱硬化型接着フィルム２の粘着力を利用して仮貼し、その上に更に半導体チップ３を仮固定する。

回路基板１としては、半導体装置に広く使用されているガラスエポキシ回路基板、ガラス回路基板、フレキシブル回路基板等を利用することができる。

また、熱硬化型接着フィルム２としては、電子部品の固定用に汎用されている絶縁性の熱硬化型接着フィルムを利用することができ、好ましくはエポキシ樹脂やアクリル樹脂を主体とするものを使用することができる。熱硬化型接着フィルム２は、イミダゾール系潜在性硬化剤を固形分換算で２０〜５０質量％配合することが好ましい。また、熱硬化型接着フィルム２には、公知の添加剤を配合することができ、特に、その線膨張係数をコントロールするために、微粒子シリカを固形分換算で１０〜６０質量％配合することが好ましい。なお、また、熱硬化型接着フィルム２の厚みとしては、通常、４０〜５０μｍである。

半導体チップ３としては、半導体装置の用途に応じた性能のものを使用する。例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＬＥＤ等の用途に応じて適宜選択される。また、半導体チップ３と回路基板１との電気的接続の態様としては、半導体チップ３の裏面に形成されたバンプを利用するフリップチップ接合、半導体チップ３と回路基板１の接続端子との間にハンダボールを介して行うフリップチップ接合等が挙げられる。

次に図１Ｂに示すように、仮固定された半導体チップ３に対し、離型フィルム４とその上に積層された熱硬化型封止樹脂層５とを有する封止樹脂フィルム６を、熱硬化型封止樹脂層５が半導体チップ３側に面するように配置する。

封止樹脂フィルム６を構成する離型フィルム４としては、剥離表面処理したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等の公知の離型フィルムを使用することができる。離型フィルム４の厚みとしては、特に制限はないが、通常、４０〜６０μｍである。また、熱硬化型封止樹脂層５としては、公知の熱硬化型封止用樹脂を使用することができ、好ましくはエポキシ樹脂やアクリル樹脂を主体とするものを使用することができる。熱硬化型封止用樹脂は、イミダゾール系潜在性硬化剤を好ましくは２０〜５０質量％含有する。また、熱硬化型封止樹脂層５には、公知の添加剤を配合することができ、特に、その線膨張係数をコントロールするために、微粒子シリカを固形分換算で１０〜６０質量％配合することが好ましい。

なお、熱硬化型封止樹脂層５の厚みとしては、通常、５０〜５００μｍであるが、半導体チップ３の厚みより薄すぎると半導体チップ３を十分に封止できず、露出することがあり、厚すぎると十分な押圧ができず、接続信頼性が不充分になるので、本発明では、封止すべき半導体チップ３の厚みの０．３〜２倍、好ましくは１〜２倍の厚みとする。

なお、封止樹脂フィルム６の熱硬化型封止樹脂層５について、線膨張係数をＡｅ、弾性率をＡｍとし、熱硬化型接着フィルム２について、その線膨張係数をＢｅ、弾性率をＢｍとしたときに、以下の式（１）〜（２）を満足することが好ましい。

式（１）において、「Ｂｅ／Ａｅ」の数値は、小さすぎると初期導通不良となり、大きすぎると信頼性において導通不良となるので、好ましくは０より大きく２．２５以下、より好ましくは、０．３以上２以下である。

式（２）において、「Ａｍ／Ｂｍ」の数値は、小さすぎると初期導通不良となり、大きすぎると信頼性において導通不良となるので、好ましくは０より大きく３．５以下、より好ましくは、０．２以上１以下である。

なお、熱硬化型封止樹脂層５と熱硬化型接着フィルム２のそれぞれの線膨脹係数と弾性率とを対比させる場合、それぞれのガラス転移温度以下の温度におけるそれらの数値をまず比較すべきである。これは、通常使用される環境が室温領域だからである。この場合、更に、ガラス転移温度を超える温度におけるそれらの数値を対比させ、その結果も式（１）〜（２）の関係を満たしていることが好ましい。これは、部品の後加工が行われる場合、熱履歴が加わることがあるからである。

次に、図１Ｃに示すように、離型フィルム４側からゴムヘッド７で加圧しながら回路基板１側から加熱ステージ８で加熱する。これにより、回路基板１に半導体チップ３を接着固定すると同時に半導体チップ３を樹脂封止することができる。

ゴムヘッド７は、対象物と接触する部分が、押圧すべき対象物の複雑な表面凹凸に追随しつつ押圧できるゴムから構成されることが必要である。具体的には、好ましくはゴム硬度（ＪＩＳＳ６０５０）が５〜１００、より好ましくは４０〜８０の樹脂から構成する。このようなゴム硬度の好ましい樹脂としては、耐熱性の点からシリコーン樹脂又はフッ素系樹脂を挙げることができる。押圧力としては、通常１〜３ＭＰａである。

加熱ステージ８は、通常、３００℃まで加熱可能なステンレスやセラミックなどの熱伝導性の良い材料から構成することが好ましい。加熱ステージ８の温度は、熱硬化型接着フィルム２と封止樹脂フィルム６とが、通常、１６０〜２００℃に加熱されるような温度である。

次に、図１Ｄに示すように、ゴムヘッド７を引き上げ、離型フィルム４を引き剥がす。これにより、回路基板１への半導体チップ３の固定と、半導体チップ３の封止とを同時に行うことができる。これにより、回路基板１に接続された半導体チップ３が樹脂封止されてなる半導体装置を取得することができる。なお、図１Ｃ及び図１Ｄにおいて、熱硬化型封止樹脂層５と熱硬化型接着フィルム２とは、既に硬化物となっていることに留意すべきである。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。なお、以下の実施例又は比較例において使用した評価用の回路基板は、表面にニッケル／金メッキが施された厚さ１２μｍの「銅配線が形成された、０．３ｍｍ×３８ｍｍ×３８ｍｍのサイズのガラスエポキシ回路基板である。また、評価用の半導体チップは、金スタッドバンプ（１６０ピン）が設けられた、２００μｍ×６．３ｍｍ×６．３ｍｍのサイズのシリコンチップである。

参考例１＜熱硬化型接着フィルムＡの作成＞
エポキシ樹脂（ｊＥＲ８２８、ジャパンエポキシレジン（株））５０質量部と、潜在性硬化剤（ＨＸ３９４１ＨＰ、旭化成ケミカルズ（株））１００質量部と、微粒子シリカ（（株）龍森）５０質量部との混合物を、固形分が５０質量％となるようにトルエンに溶解・分散させてなる熱硬化型接着組成物を、剥離処理された５０μｍ厚のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（東セロ（株））に、乾燥厚で４５μｍとなるように塗布し８０℃で乾燥することにより、熱硬化型接着フィルムＡを作成した。弾性率Ｂｍは５ＧＰａであった。また、ガラス転移温度未満（２０〜４０℃領域）での線膨脹係数Ｂｅ１は３０ｐｐｍであった。ガラス転移温度を超える温度（１６０〜１９０℃領域）での線膨脹係数Ｂｅ２は１１０ｐｐｍであった。

参考例２＜熱硬化型接着フィルムＢの作成＞
微粒子シリカの配合量を５０質量部から３０質量部に代えること以外は、参考例１と同様にして熱硬化型接着フィルムＢを作成した。弾性率Ｂｍは３．５ＧＰａであった。また、ガラス転移温度未満（２０〜４０℃領域）での線膨脹係数Ｂｅ１は５２ｐｐｍであった。ガラス転移温度を超える温度（１６０〜１９０℃領域）での線膨脹係数Ｂｅ２は１４５ｐｐｍであった。

参考例３＜熱硬化型接着フィルムＣの作成＞
微粒子シリカの配合量を５０質量部から０質量部に代えること以外は、参考例１と同様にして熱硬化型接着フィルムＣを作成した。弾性率Ｂｍは１．６ＧＰａであった。また、ガラス転移温度未満（２０〜４０℃領域）での線膨脹係数Ｂｅ１は６６ｐｐｍであった。ガラス転移温度を超える温度（１６０〜１９０℃領域）での線膨脹係数Ｂｅ２は１８７ｐｐｍであった。

参考例４＜熱硬化型接着フィルムＤの作成＞
微粒子シリカの配合量を５０質量部から８０質量部に代えること以外は、参考例１と同様にして熱硬化型接着フィルムＤを作成した。弾性率Ｂｍは８ＧＰａであった。また、ガラス転移温度未満（２０〜４０℃領域）での線膨張係数Ｂｅ１は２２ｐｐｍであった。ガラス転移温度を超える温度（１６０〜１９０℃領域）での線膨張係数Ｂｅ２は６９ｐｐｍであった。

参考例５＜熱硬化型封止樹脂フィルム１の作成＞
エポキシ樹脂（ｊＥＲ８２８、ジャパンエポキシレジン（株））５０質量部と、潜在性硬化剤（ＨＸ３９４１ＨＰ、旭化成ケミカルズ（株））１００質量部と、微粒子シリカ（（株）龍森）５０質量部との混合物を、固形分が５０質量％となるようにトルエンに溶解・分散させてなる熱硬化型接着組成物を、剥離処理された５０μｍ厚のＰＥＴフィルム（東セロ（株））に、乾燥厚で５０μｍとなるように塗布し８０℃で乾燥することにより、熱硬化型封止樹脂フィルム１を作成した。弾性率Ａｍは５ＧＰａであった。また、ガラス転移温度未満（２０〜４０℃領域）での線膨脹係数Ａｅ１は３０ｐｐｍであった。ガラス転移温度を超える温度（１６０〜１９０℃領域）での線膨脹係数Ａｅ２は１１０ｐｐｍであった。

参考例６＜熱硬化型封止樹脂フィルム２の作成＞
熱硬化型接着組成物を乾燥厚で１００μｍとなるように塗布すること以外は、参考例５を同様にして熱硬化型封止樹脂フィルム２を作成した。弾性率Ａｍ、線膨脹係数Ａｅ１、線膨脹係数Ａｅ２は、参考例５の熱硬化型封止樹脂フィルム１と同じであった。

参考例７＜熱硬化型封止樹脂フィルム３の作成＞
熱硬化型接着組成物を乾燥厚で２００μｍとなるように塗布すること以外は、参考例５を同様にして熱硬化型封止樹脂フィルム３を作成した。弾性率Ａｍ、線膨脹係数Ａｅ１、線膨脹係数Ａｅ２は、参考例５の熱硬化型封止樹脂フィルム１と同じであった。

参考例８＜熱硬化型封止樹脂フィルム４の作成＞
熱硬化型接着組成物を乾燥厚で３００μｍとなるように塗布すること以外は、参考例５を同様にして熱硬化型封止樹脂フィルム４を作成した。弾性率Ａｍ、線膨脹係数Ａｅ１、線膨脹係数Ａｅ２は、参考例５の熱硬化型封止樹脂フィルム１と同じであった。

参考例９＜熱硬化型封止樹脂フィルム５の作成＞
熱硬化型接着組成物を乾燥厚で５００μｍとなるように塗布すること以外は、参考例５を同様にして熱硬化型封止樹脂フィルム５を作成した。弾性率Ａｍ、線膨脹係数Ａｅ１、線膨脹係数Ａｅ２は、参考例５の熱硬化型封止樹脂フィルム１と同じであった。

参考例１０＜熱硬化型封止樹脂フィルム６の作成＞
微粒子シリカの配合量を５０質量部から０質量部に代えること以外は、参考例７と同様にして熱硬化型封止樹脂フィルム６を作成した。弾性率Ａｍは１．６ＧＰａ、線膨脹係数Ａｅ１は６６ｐｐｍ、線膨脹係数Ａｅ２は１８７ｐｐｍであった。

実施例１
参考例１の熱硬化型接着フィルムＡを、評価用の回路基板に貼り付け、離型フィルムを剥がし、その上に評価用の半導体チップを位置合わせして仮固定し、更に参考例６の熱硬化型封止樹脂フィルム２を被せ、下から加熱しながら、シリコンゴムヘッドで加圧プレスすることにより、回路基板への半導体チップの実装と封止とを同時に行った。最後に表面の離型フィルムを剥がすことにより実施例１の半導体装置を得た。なお、プレス条件は、１８０℃、２０秒、２．５ＭＰａであった。

実施例２
参考例６の熱硬化型封止樹脂フィルム２に代えて、参考例８の熱硬化型封止樹脂フィルム４を使用すること以外は、実施例１と同様にして実施例２の半導体装置を得た。

実施例３
参考例１の熱硬化型接着フィルムＡに代えて、参考例２の熱硬化型接着フィルムＢを使用し、且つ参考例６の熱硬化型封止樹脂フィルム２に代えて、参考例７の熱硬化型封止樹脂フィルム３を使用すること以外は、実施例１と同様にして実施例３の半導体装置を得た。

実施例４
参考例１の熱硬化型接着フィルムＡに代えて、参考例３の熱硬化型接着フィルムＣを使用すること以外は、実施例３と同様にして実施例４の半導体装置を得た。

実施例５
参考例１の熱硬化型接着フィルムＡに代えて、参考例４の熱硬化型接着フィルムＤを使用し、且つ参考例６の熱硬化型封止樹脂フィルム２に代えて、参考例１０の熱硬化型封止樹脂フィルム６を使用すること以外は、実施例１と同様にして実施例５の半導体装置を得た。

比較例１
参考例１の熱硬化型接着フィルムＡを、評価用の回路基板に貼り付け、離型フィルムを剥がし、そのまま１８０℃、２０秒、２．５ＭＰａの条件で加熱、加圧を行うことにより回路基板に半導体チップを実装接合した。その後、封止用液状樹脂（松下電工（株））を用いて半導体チップをポッティング封止し、加熱循環式オープン中で１５０℃で３時間加熱することにより、比較例１の半導体装置を得た。

比較例２
参考例６の熱硬化型封止樹脂フィルム２に代えて、参考例５の熱硬化型封止樹脂フィルム１を使用すること以外は、実施例１と同様にして比較例２の半導体装置を得た。

比較例３
参考例６の熱硬化型封止樹脂フィルム２に代えて、参考例９の熱硬化型封止樹脂フィルム５を使用すること以外は、実施例１と同様にして比較例３の半導体装置を得た。

（評価）
各実施例及び比較例で得られた半導体装置について、回路基板と半導体チップとの間の導通抵抗値（ｍΩ）を４端子法（４０チャンネル／サンプル）により吸湿・リフロー前（初期）と後（８５℃−８５％ＲＨ中に２４時間放置後、２６５℃（ＭＡＸ）のハンダリフローにワンパス）に測定し、電気的接合を確認した。また、絶縁抵抗値（Ω）をデイジーチェーン法により吸湿・リフロー前（初期）と後（８５℃−８５％ＲＨ中に２４時間放置後、２６５℃（ＭＡＸ）のハンダリフローにワンパス）に測定し、絶縁性を確認した。得られた結果を表１に示す。また、吸湿・リフロー後の外観を目視観察した。得られた結果を表１に示す。

表１から、半導体チップの実装と封止とを同時に行い、しかも熱硬化型封止樹脂層厚を半導体チップ厚の０．３〜２倍の範囲内とすると、導通抵抗、絶縁抵抗、外観の各評価項目で良好な結果が得られたことが解る。それに対し、比較例１の場合は、半導体チップの実装と封止とを同時に行っていないので、吸湿・リフロー後の電気的導通が取れなくなった。比較例２の場合には、熱硬化型封止樹脂層厚が半導体チップ厚の０．３未満であったので、半導体チップを完全に封止することができなかった。比較例３の場合には、熱硬化型封止樹脂層厚が半導体チップ厚の２倍を超えていたので、十分な押圧ができず、電気的導通が取れなかったことが解る。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、回路基板への半導体チップの実装と、半導体チップの封止とを、所定の厚みの熱硬化型封止樹脂層を有する封止樹脂フィルムを用いて、一回の熱圧着処理により同時に行うので、回路基板と半導体チップとの間で形成された接続部が、接続後に再び加熱加圧を受けることがない。従って、工程の短縮と歩留まりの向上を実現することができる。よって、本発明は、半導体装置の製造方法として有用である。

図１Ａは、本発明の製造方法の工程の一部の説明図である。図１Ｂは、本発明の製造方法の工程の一部の説明図である。図１Ｃは、本発明の製造方法の工程の一部の説明図である。図１Ｄは、本発明の製造方法の工程の一部の説明図である。

符号の説明

１回路基板
２熱硬化型接着フィルム
３半導体チップ
４離型フィルム
５熱硬化型封止樹脂層
６封止樹脂フィルム
７ゴムヘッド
８加熱ステージ

Claims

回路基板上の半導体チップが樹脂封止されている半導体装置の製造方法であって、
回路基板に熱硬化型接着フィルムを介して半導体チップを仮固定し、
仮固定された半導体チップに対し、離型フィルムとその上に積層され、該半導体チップの厚みの０．３〜２倍の層厚の熱硬化型封止樹脂層とを有する封止樹脂フィルムを、該熱硬化型封止樹脂層が半導体チップ側に面するように配置し、
離型フィルム側からゴム硬度５〜１００のゴムヘッドで加圧しながら回路基板側から加熱することにより、回路基板に半導体チップを接着固定すると同時に半導体チップを樹脂封止し、
表面の離型フィルムを引き剥がす
ことを特徴とする製造方法。
封止樹脂フィルムの熱硬化型封止樹脂層について、線膨張係数をＡｅ、弾性率をＡｍとし、熱硬化型接着フィルムについて、線膨張係数をＢｅ、弾性率をＢｍとしたときに、以下の式（１）〜（２）を満足する請求項１の製造方法。
封止樹脂フィルムの熱硬化型封止樹脂層及び接着フィルムが、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂から構成されている請求項１又は２記載の製造方法。
該ゴムヘッドが、シリコーン樹脂から構成されている請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。