JP5208205B2 - フリップチップ実装方法とフリップチップ実装装置およびそれに使用されるツール保護シート - Google Patents

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Description

本発明は、フリップチップ実装方法とフリップチップ実装装置に関する。
近年、電子機器の小型薄型化の要求により、裸(ベア)の半導体チップを配線基板上に直接に実装(ベアチップ実装)した半導体装置が要求されている。特に、半導体チップの回路面を配線基板上に向き合わさるようにひっくり返して実装(フリップチップ実装)された半導体装置が要求されている。
従来、フリップチップタイプの半導体装置は、配線基板に金属バンプ電極などの内部接続端子を備えた半導体チップをフリップチップ接続により搭載することにより構成されている。
配線基板は、その両面に配線パターンが形成されており、両者は配線基板に形成されたビア(貫通孔)などを介して電気的に接続されている。配線パターンの一方には半導体素子の内部接続端子が接続され、他方には半田ボールなどの外部接続端子が接続されている。半導体素子と配線基板の間であって半導体素子の内部接続端子が配線パターンに接続されている領域には、エポキシ樹脂などからなる熱硬化性樹脂が充填されて内部接続端子を保護している。
図14(a)に示すように、基台100の上に配線基板101をセットし、この配線基板101に半導体チップ102を実装する場合、半導体チップ102の上に異方導電性接着フィルム103を貼り付け、半導体チップ102をフリップチップ状態で位置決め配設する。熱圧着ヘッド104の内側には、圧着部105としてゴム硬度が40以上80以下のエラストマーがセットされている。
次に、図14(b)に示すように、熱圧着ヘッド104によって圧着部105を介して半導体チップ102の頂部とその側部を加熱加圧することで、異方導電性接着フィルム103を所定の圧力差をもって加圧硬化することができる。つまり、配線基板101と半導体チップ102接続部分に対して十分な圧力を加えることができるとともに、半導体チップ102の周囲のフィレット部に対してもボイドの生じないように加圧できる。
特開2005−32952号公報
しかしながら、半導体チップ102をエラストマーの圧着部105を介して熱圧着ヘッド104によって加熱加圧するために、熱圧着ヘッド104からの熱伝導が悪く温度上昇に時間がかかるため、半導体チップ102と配線基板101との間の異方導電性接着フィルム103の硬化にはさらに時間がかかってしまい、生産リードタイムが長くかかってしまう。
一方で、圧着部105のエラストマーの温度を事前に上げておくためには、熱圧着ヘッド104をかなり高温状態で維持しておかなくてはならない。前記エラストマーの耐熱性、温度バラツキにより厚みがばらついてしまい、異方導電性接着フィルム103の硬化が不均一になってしまう。
また、熱圧着ヘッド104と半導体チップ102とを面平行に加圧することが困難で、荷重により半導体チップ102のバンプ高さを均一に制御することが困難になる。しかも、半導体チップ102が多ピンである場合は、前記荷重の制御によってバンプ高さを制御することが、ますます困難になってしまう。
本発明は、半導体チップのバンプ高さバラツキが少なく、半導体チップと配線基板との間のアンダーフィル樹脂に外圧をかけながら短時間硬化でき、短いリードタイムで生産性の高い、フリップチップ実装方法とフリップチップ実装装置を提供することを目的とする。
本発明の請求項1記載のフリップチップ実装方法は、熱硬化性のアンダーフィル樹脂を半導体チップと配線基板の間に介在させて半導体チップを配線基板にフリップチップ実装するに際し、前記配線基板と前記半導体チップの間に熱硬化性のアンダーフィル樹脂を挟んで位置決め配設された前記半導体チップを、少なくともベースフィルムと加圧フィルムの2層フィルム構造からなるツール保護シートの上から加圧加熱し、前記半導体チップ下の前記アンダーフィル樹脂を硬化させながら、前記半導体チップの直上の加圧部以外の前記ツール保護シートから前記加圧フィルムを分離させ、前記分離した加圧フィルムが前記半導体チップの周囲の前記アンダーフィル樹脂に膨らみながら当接し加圧加熱しながら硬化させて、前記配線基板に前記半導体チップを固定させることを特徴とする。
本発明の請求項2記載のフリップチップ実装方法は、請求項1において、前記ツール保護シートは、ベースフィルムと加圧フィルムの間に、固体、液体、気体の少なくともひとつ以上を密封してなることを特徴とする。なお、固体は発泡体材料で、例えば、エーテル系樹脂、エステル系ウレタン樹脂や熱膨張性カプセルを粘着剤(アクリル系樹脂、ゴム系樹脂、シリコーン粘着剤)と合わさった混合樹脂、リバアルファのようなものが好ましい。液体は、揮発性膨張材料の例えば、エタノールやIPAのような低沸点の溶剤が好ましい。気体は、例えば空気(エアー、ドライエアー)や窒素等の不活性ガス、水素等、加熱時に膨張しやすい気体が好ましい。
本発明の請求項3記載のフリップチップ実装方法は、熱硬化性のアンダーフィル樹脂を半導体チップと配線基板の間に介在させて半導体チップを配線基板にフリップチップ実装するに際し、前記配線基板と前記半導体チップの間に熱硬化性のアンダーフィル樹脂を挟んで位置決め配設された前記半導体チップを、ベースフィルムと加圧フィルムと前記加圧フィルムに貼り付けられたシールドフィルムの3層フィルム構造からなるツール保護シートの上から加圧加熱し、前記半導体チップ下の前記アンダーフィル樹脂を硬化させながら、前記半導体チップの直上の加圧部以外の前記ツール保護シートから前記加圧フィルムを分離させ、前記分離した加圧フィルムが前記シールドフィルムを介して前記半導体チップの周囲の前記アンダーフィル樹脂に膨らみながら当接し加圧加熱しながら硬化させて、前記配線基板に前記半導体チップを固定させるとともに、前記シールドフィルムを前記半導体チップの側に接着することを特徴とする。
本発明の請求項4記載のフリップチップ実装方法は、請求項3において、前記ツール保護シートは、ベースフィルムと加圧フィルムの間に、固体、液体、気体の少なくともひとつ以上を密封してなることを特徴とする。
本発明の請求項5に記載のツール保護シートは、少なくともベースフィルムと加圧フィルムの2層フィルム構造からなり、加熱すると加圧されていない部分の前記加圧フィルムが前記ベースフィルムから分離して膨らむように構成したことを特徴とする。
本発明の請求項6記載のツール保護シートは、請求項5において、前記ベースフィルムと加圧フィルムの間に、固体、液体、気体の少なくともひとつ以上を密封してなることを特徴とする。
本発明の請求項7記載のツール保護シートは、少なくともベースフィルムと加圧フィルムと前記加圧フィルムに貼り付けられたシールドフィルムの3層フィルム構造からなり、加熱すると加圧されていない部分の前記加圧フィルムが前記ベースフィルムから分離して膨らむように構成したことを特徴とする。
本発明の請求項8記載のツール保護シートは、請求項7において、前記ベースフィルムと加圧フィルムの間に、固体、液体、気体の少なくともひとつ以上を密封してなることを特徴とする。
本発明の請求項9記載のフリップチップ実装装置は、熱硬化性のアンダーフィル樹脂を半導体チップと配線基板の間に介在させて半導体チップを配線基板にフリップチップ実装するフリップチップ実装装置であって、少なくともベースフィルムと加圧フィルムの2層フィルム構造または少なくともベースフィルムと加圧フィルムと前記加圧フィルムに貼り付けられたシールドフィルムの3層フィルム構造のツール保護シートを保持して前記配線基板と前記半導体チップの間に熱硬化性のアンダーフィル樹脂を挟んで位置決め配設された前記半導体チップとその周囲に被せるシート固定治具と、前記半導体チップを前記配線基板に加熱しながら押圧するとともに、前記シート固定治具の内周部と前記半導体チップの外周部分の間の前記ツール保護シートを、前記熱硬化性のアンダーフィル樹脂の外周部分に押圧する突部が形成された加圧加熱ツールとを設けたことを特徴とする。
この構成によると、2層フィルム構造または3層フィルム構造のツール保護シートを介して半導体チップを加熱加圧して、前記半導体チップ下の前記アンダーフィル樹脂を硬化させながら、半導体チップの直上の加圧部以外の前記ツール保護シートから前記加圧フィルムを分離させ、前記分離した加圧フィルムが前記半導体チップの周囲の前記アンダーフィル樹脂に膨らみながら当接し加圧加熱しながら硬化させるため、短リードタイムで生産性の高い、高信頼性の半導体装置を製造できる。
本発明のフリップチップ実装方法の実施の形態1の前工程図 同実施の形態の後工程の最初の断面図 同実施の形態の後工程の最初の一部切り欠き平面図 同実施の形態の後工程の工程図 本発明のフリップチップ実装方法の実施の形態2の後工程図 本発明のフリップチップ実装方法の実施の形態3で使用するツール保護シートの平面図と断面図 同実施の形態の後工程の工程図 本発明のフリップチップ実装方法の実施の形態4で使用するツール保護シートの断面図 同実施の形態の後工程の工程図 本発明のフリップチップ実装方法の実施の形態5で使用するツール保護シートの断面図 同実施の形態で使用するツール保護シートの平面図とその側面図 同実施の形態の後工程の最初の断面図 同実施の形態の後工程の最初の平面図 同実施の形態の後工程の工程図 同実施の形態の後工程の工程図 同実施の形態の後工程の工程図 従来例の実装方法の工程図
以下、本発明のフリップチップ実装方法を具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1,図2A,図2B,図3は本発明の実施の形態1を示す。
この実施の形態1のフリップチップ実装方法は、ツール保護シートを使用した実装方法で、配線基板に対して半導体チップを位置決めする図1(a)〜(c)に示す前工程と、前工程に次いで実施されツール保護シートを介して半導体チップを押圧する図2A,図2Bと図3(a)〜(e)に示す後工程とで構成されている。
図1(a)に示すように、半導体チップ1の電極パッド3上にバンプ2が設けられている。バンプ2は公知のワイヤーボンディング法によりスタッドバンプや引きちぎりバンプが形成されてもよいし、めっき法、印刷法により形成されてもよい。バンプ2は主に金、銅、パラジウム、ニッケル、錫、アルミニウム、半田等の少なくとも1種類から形成されている。また、バンプ2を形成するためのワイヤーには微量元素を添加、含有してもよい。この場合のバンプ高さは約50μmとした。
配線基板6はガラスエポキシ基板(アラミド基板、シリコン基板、シリコンインターポーザでもよい)で、厚みが0.2〜0.4mm、端子電極は銅(ニッケル+Auメッキしてもよい)であり、半導体チップ1の厚みは0.15〜0.2mmを使用した。絶縁性樹脂膜5の樹脂はエポキシ樹脂、180℃で硬化するものを用いた。配線基板6の端子電極4上には半導体チップ1よりも必要に応じて若干大きな寸法にてカットされたアンダーフィル樹脂としての絶縁性樹脂膜5を貼り付けている。
次に、半導体チップ搭載位置決め装置7により半導体チップ1をツールで吸着し、図1(b)に示すように配線基板6上の端子電極4の所望の位置に、認識マーク等で位置決めし、半導体チップ1のバンプ2は各相対応する端子電極4上に重なり合うように搭載される。この時点で、バンプ2は絶縁性樹脂膜5に突き刺さった状態である。一部のバンプ2は絶縁性樹脂膜5を貫通し、端子電極4に当たって変形している。位置決め荷重は、1バンプ当たり10g程度である。半導体チップ搭載位置決め装置7は内蔵するヒータにより加熱してもよいが樹脂を100%硬化させてはいけない。半導体チップ搭載位置決め装置7は半導体チップ1を搭載した後に離脱して、図1(c)に示すものができる。
なお、図1(a)において、絶縁性樹脂膜5は、配線基板6の上に粘着して貼り付けられるように、あらかじめ、50℃程度の温度で配線基板6を加熱しておいてもよいし、貼り付け装置のツール(図示せず)が加熱されるようになっていてもよい。貼り付け荷重は、5〜10kgf/cm。この絶縁性樹脂膜5の厚みは50μmのものを使用した。絶縁性樹脂膜5が保護用セパレータ(図示せず)と2層になっていれば、それを剥がす。絶縁性樹脂膜5の絶縁性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、また、絶縁性熱可塑性樹脂では、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリカーボネイト、変性ポリフェニレンオキサイド(PPO)、または、これら、絶縁性熱硬化性樹脂と絶縁性熱可塑性樹脂を混合したものなどが使用できる。無機フィラー量は50wt%のものを使用した。フィラー量は半導体チップ1と配線基板6との熱膨張、反りにより発生する応力から決定する。また、吸湿リフロー試験や湿中バイアス試験等による耐湿密着性による信頼性で決定する。また、絶縁性樹脂膜5は、リフロー耐熱性(265℃10秒間)を有することが好ましい。
図2Aでは、図1(c)に示した加工品を加圧加熱ステージ8に搬送し、配線基板6の裏面を加圧加熱ステージ8に吸着させる。そして、半導体チップ1の上方に、2層フィルム構造からなるツール保護シート10を配設し、さらにそのツール保護シート10の上方に加圧加熱ツール11を配設する。9はツール保護シート10を保持するシート固定治具である。
ツール保護シート10の加圧加熱ツール11側は、ベースシート10aで、耐熱性を有するフィルムが望ましい。ベースフィルム10aの材質は、例えば、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂等の耐熱性フィルムが好ましい。ベースフィルム10aの厚みは5〜10μm程度のものを使用した。ツール保護シート10の半導体チップ1側は加圧フィルム10bで、こちらも耐熱性(NCF硬化温度)を有するフィルムが望ましい。加圧フィルム10bの材質は、例えば、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂等である。加圧フィルム10bの厚みは5〜10μm程度のものを使用した。
ベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間には、液体としての溶剤12が密封されている。溶剤12は、揮発性膨張材料の例えば、エタノールやIPAのような低沸点の溶剤が膨張しやすいので好ましい。
加圧加熱ツール11は、半導体チップ1を配線基板6に加熱しながら押圧するとともに、シート固定治具9の内周部と半導体チップ1の外周部分の間のツール保護シート10を、前記熱硬化性の絶縁性樹脂膜5の外周部分に押圧する突部25が形成されており、ツール保護シート10を介して半導体チップ1に熱を伝え、さらに、絶縁性樹脂膜5の硬化温度180℃になるようにするため、210℃に設定した。今回は、コンスタントヒートタイプを使用したが、セラミック高速昇温タイプのものを使用してもよい。図2Bは、加圧加熱ツール11側から見た平面図である。シート固定治具9でツール保護シート10をクランプ固定している。
このように加圧加熱ツール11の外周に環状に突部25を形成したので、加圧加熱ツール11の熱を、より早く、ツール保護シート10に伝達できる。
次に図3(a)では、ツール保護シート10を半導体チップ1に接するようにシート固定治具9で降下させると同時に、加圧加熱ツール11でツール保護シート10を半導体チップ1に押し当て挟みながら、半導体チップ1を加圧加熱していく。
図3(b)では、加圧加熱ツール11で荷重を加えることによって、バンプ2すべてが絶縁性樹脂膜5を突き破り、配線基板6の端子電極4に接触しながら変形していく。なお、シート固定治具9によって保持されて半導体チップ1に押し付けられたツール保護シート10のシート固定治具9の内側と半導体チップ1の外周部の間の部分は、配線基板6の近くまで傾斜している。
図3(c)では、ツール保護シート10のうち、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間の溶剤12が、加圧加熱ツール11からの熱で暖められて気化膨張していく。
図3(d)では、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bの間の溶剤12がさらに膨張していく。かつ、加圧加熱ツール11で半導体チップ1のバンプ2の高さを所望の値に近づいていく。加圧加熱ツール11とシート固定治具9と配線基板6とで取り囲まれた空間に加圧フィルム10bが膨らみ、半導体チップ1の端からはみ出ている絶縁性樹脂膜5を側面方向から半導体チップ1のフィレット部19に圧力をかけながら押し付け、半導体チップ1の下の絶縁性樹脂膜5が加圧加熱されている状態の内圧を、加圧フィルム10bによる外圧で抑制しながら絶縁性樹脂膜5を硬化していく。
このときの変形荷重は1バンプ当たり50g程度である。バンプ2のサイズによって荷重をコントロールするが、この場合、バンプ高さは25μmtとした。また、必要に応じて、加熱加圧ステージ8を加熱したり、冷却して、絶縁性樹脂膜5にかかる内圧をコントロールし、ボイドの発生を抑えてもよい。
図3(e)に、絶縁性樹脂膜5が加圧フィルム10bによる外圧で硬化した後、加圧加熱ツール11を解除して得られたフリップチップ実装体を示す。
このように、薄いツール保護シート10を使って加圧加熱することで半導体チップ1と周辺に熱を容易に伝導でき、絶縁性樹脂膜5を硬化させることもでき、薄いツール保護シート10により、加圧加熱ツール11で半導体チップ1を平行に均一に荷重を加えて加圧し、短リードタイムで硬化することができる。さらに、溶剤12が気化膨張し膨らむことで加圧フィルム10bが絶縁性樹脂膜に押し当たりながら、外圧をかけながら硬化することができる。
また、ツール保護シート10は薄いシートなのでゴムと異なり柔軟に曲がることができ、半導体チップ1の、周辺の絶縁性樹脂膜5のフィレット部19を小さくすることができ、ボイド発生を抑えることができる。
なお、絶縁性樹脂膜5に代えて、異方性導電膜(ACF)を用いてもよく、さらに異方性導電膜に含まれる導電粒子(図示せず)として、ニッケル粉に金メッキを施したものを用いることにより、端子電極4とバンプ2との間での接続抵抗値を低下せしめることができて良好な接続信頼性が得られる。さらに、導電粒子は樹脂ボールにニッケルや金メッキを施した粒子を使ってもよい。さらに、導電粒子は、半田等の微粒子を使用することによって、端子電極4とバンプ2との間での接触状態の接続から、合金状態の接続を得ることもでき、さらに接続信頼性を向上させることができる。
配線基板6としては、片面、両面あるいは多層板であり、半導体チップ1のバンプ2に対応した端子電極4が表面に形成されている。材質は、セラミックス基板、樹脂基板、樹脂フレキシート(ポリイミドフレキ等)、シリコンの基板でもよい。
絶縁性樹脂膜5はエポキシ樹脂のBステージ(半固体)状態でフィルム状のものを貼り付けてもよい。ペースト状のものを塗布あるいは印刷によって形成してもよい。また、無機の(シリカ)フィラーを含んでいてもよい。フィラー量をコントロールすることにより、絶縁性樹脂膜5の貼り付け性や熱膨張や弾性率を変化させ、量産性と信頼性を得ることができる。今回は50wt%とした。
なお、溶剤12は、液状だけでなく粘着剤に混合して形成されていてもよい。
(実施の形態2)
図1と図4は本発明の実施の形態2を示す。
実施の形態1のフリップチップ実装方法では、図2Aにおいてツール保護シート10のベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間に液状の溶剤12が密封もしくは、粘着剤に混合して形成されていたが、この実施の形態2のツール保護シート10のベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間には、溶剤12に代わって、図4(a)に示すように発泡体13を含有している点が異なっている。その他は実施の形態1と同じである。
図1に次いで、図4(a)では、図1(c)に示した加工品を加圧加熱ステージ8に搬送し、配線基板裏面を加圧加熱ステージ8に吸着させる。半導体チップ1の上方に、シート固定治具9によって保持されたツール保護シート10を配置する。
ツール保護シート10はベースフィルム10aと加圧フィルム10bの2層フィルム構造となっており、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間には、固体としての発泡体13が形成されている。例えば、エーテル系樹脂、エステル系ウレタン樹脂や熱膨張性カプセルを粘着剤(アクリル系樹脂、ゴム系樹脂、シリコーン粘着剤)と合わさった混合樹脂、リバアルファのようなものが好ましい。
発泡体13は、加熱処理による熱膨張性微粒子の膨脹ないし発泡を介して表面粗さの増大による被着体との接着面積の減少効果、表面膨張による接着界面での剥離応力の発生効果などが発現し、被着体に対する接着力が低下ないし消失するような粒子が含まれていてもよい。熱膨張性カプセルは、バリア性の熱可塑性樹脂を共重合させた外殻に発泡剤を内包したマイクロカプセルで、加熱することにより外殻が軟化し発泡剤の気化圧力によって膨張するものである。例えば、株式会社クレハ製マイクロスフェアー等を挙げることができる。特許第2898480号公報などを参照。高温でガス状になる揮発性膨張剤をマイクロカプセル化した熱膨張性マイクロカプセルでもよい。
発泡体13は、常温では接着力を有し低温で膨張剥離する熱剥離シート(具体的には、日東電工株式会社製のリバアルファ(Thermal Release Tape REVALPHA)等のようなもの)が好ましい。発泡体は液体でも半固体や固体であってもよい。
発泡体13は粘着剤とあわさってベースフィルム10aと加圧フィルム10bとに密着されていてもよいし、加圧フィルム10bの側が剥離しやすく、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間に気体の入った閉空間が形成されてもよい。アクリル系、ゴム系、シリコーン粘着剤と混合されていてもよい。
加圧加熱ツール11は、ツール保護シート10を介して半導体チップ1に熱を伝え、さらに、絶縁性樹脂膜5の硬化温度180℃になるようにするため、210℃に設定した。
次に図4(b)では、ツール保護シート10を半導体チップ1に接するようにシート固定治具9でクランプしながら降下させると同時に、加圧加熱ツール11でツール保護シート10を半導体チップ1に押し当て挟みながら、半導体チップ1を加圧加熱していく。
加圧加熱ツール11で荷重を加えることによって、バンプ2すべてが絶縁性樹脂膜5を突き破り、配線基板6の端子電極4に接触しながら変形していく。なお、ツール保護シート10はシート固定治具9で配線基板6の近くまで傾斜して配置されている。この時、加圧加熱ツール11の外周は図4(a)のように半導体チップ1の周辺のフィレット部19となる絶縁性樹脂膜5の側に傾斜していてもよい。傾斜26をつけることによって、加圧加熱ツール11の熱を、より早く、ツール保護シート10に熱を伝達することができる。
加圧加熱ツール11がツール保護シート10に近接または接し、加熱することによって、発泡体13が加圧加熱ツール11からの熱で暖められて発泡膨張していく。
図4(c)では、加圧加熱ツール11がさらに下降し、ツール保護シート10を加熱することで、発泡体13がさらに膨張していく。シート固定治具9でツール保護シート10はクランプ固定される。かつ、加圧加熱ツール11で半導体チップ1のバンプ2の高さを所望の値に近づけていく。加圧加熱ツール11とシート固定治具9と配線基板6とで取り囲まれた空間に発泡体13が膨張することで加圧フィルム10bが膨らみ、半導体チップ1の端からはみ出ているフィレット部19となる絶縁性樹脂膜5を側面方向から圧力をかけながら硬化を進め、半導体チップ1の下の絶縁性樹脂膜5が加圧加熱されている時の内圧を、加圧フィルム10bによる外圧で抑制しながら、絶縁性樹脂膜5の硬化を進めていく。バンプ2の変形荷重は1バンプ当たり50g程度である。バンプ2のサイズによって、荷重をコントロールするが、この場合、信頼性を考慮して、バンプ高さは25μmtとした。また、必要に応じて、加熱加圧ステージ8を加熱したり、冷却して、絶縁性樹脂膜5にかかる内圧をコントロールし、ボイドの発生を抑えてもよい。
図4(d)に、絶縁性樹脂膜5が加圧フィルム10bによる外圧で硬化した後、加圧加熱ツール11を解除して得られたフリップチップ実装体を示す。
このように、薄いツール保護シート10を使って加圧加熱することで半導体チップ1と周辺に熱を容易に伝導でき、絶縁性樹脂膜5を硬化させることもでき、薄いツール保護シート10により、加圧加熱ツール11で半導体チップ1を平行に均一に荷重を加えて加圧することができる。短いリードタイムで硬化することができる。さらに、発泡体13が気化膨張し膨らむことで加圧フィルム10bが絶縁性樹脂膜5に押し当たりながら、外圧をかけながら硬化することができる。このことによって、ツール保護シート10は薄いシートなのでゴムと異なり柔軟に曲がることができ、半導体チップ1の、周辺の絶縁性樹脂膜5のフィレット部19を小さくすることができ、ボイド発生を抑えることができる。
(実施の形態3)
図1と図5および図6は本発明の実施の形態3を示す。
実施の形態1のフリップチップ実装方法では、図2Aにおいてツール保護シート10のベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間に液状の溶剤12が密封もしくは、粘着剤に混合して形成されていたが、図5(a)(b)に示すように、この実施の形態3のツール保護シート10のベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間には、溶剤12に代わって気体を間に挟んだ、閉空間14が形成されたツール保護シート10である点が異なっている。その他は実施の形態1と同じである。
ツール保護シート10の閉空間14となる気体は、一般的なエアー、ドライエアー、窒素等の不活性ガス、水素等、加熱時に膨張しやすい気体であればよい。ベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの長辺側の閉じ方は、プロセス温度以上の熱によるラミネート融着や、耐熱性接着剤等、加熱時に袋状態を維持できればよい。
図6(a)では、図1(c)に示した加工品を加圧加熱ステージ8に搬送し、配線基板裏面を加圧加熱ステージ8に吸着させる。半導体チップ1の上方に、シート固定治具9によって保持されたツール保護シート10を配置する。さらにそのツール保護シート10の上方に加圧加熱ツール11を配設する。
図6(b)では、ツール保護シート10を半導体チップ1に接するようにシート固定治具9でクランプしながら降下させると同時に、加圧加熱ツール11でツール保護シート10を半導体チップ1に押し当て挟みながら、半導体チップ1を加圧加熱していく。ツール保護シート10のベースフィルム10aと加圧フィルム10bに挟まれた閉空間14は加圧加熱ツール11で潰れ、半導体チップ1の周辺に膨らみとなって、形成される。
加圧加熱ツール11で荷重を加えることによって、バンプ2のすべてが絶縁性樹脂膜5を突き破り、配線基板6の端子電極4に接触しながら、変形していく。なお、ツール保護シート10はシート固定治具9で配線基板6近くまで傾斜して配置されている。
この時、加圧加熱ツール11の外周は図6(b)のように半導体チップ1の周辺のフィレット部19となる絶縁性樹脂膜5の側に傾斜していてもよい。傾斜26をつけることによって、加圧加熱ツール11の熱を、より早く、ツール保護シート10に熱を伝達することができる。
加圧加熱ツール11がツール保護シート10に近接または接し、加熱することによって閉空間14が、加圧加熱ツール11からの熱で暖められて膨張していく。
図6(c)では、加圧加熱ツール11がさらに下降し、ツール保護シート10を加熱することで、閉空間14がさらに熱膨張していく。シート固定治具9でツール保護シート10はクランプ固定され、かつ、加圧加熱ツール11で半導体チップ1のバンプ2の高さを所望の値に近づけていく。
加圧加熱ツール11とシート固定治具9と配線基板6とで取り囲まれた空間に閉空間14が膨張することで加圧フィルム10bが膨らみ、半導体チップ1の端からはみ出ているフィレット部19となる絶縁性樹脂膜5を側面方向から圧力をかけながら硬化を進め、また、半導体チップ1の下の絶縁性樹脂膜5が加圧加熱されている時の内圧を、加圧フィルム10bによる外圧で抑制しながら、絶縁性樹脂膜5の硬化を進めていく。バンプ2の変形荷重は1バンプ当たり50g程度である。バンプ2のサイズによって、荷重をコントロールするが、この場合、信頼性を考慮して、バンプ高さは25μmtとした。また、必要に応じて、加熱加圧ステージ8を加熱したり、冷却して、絶縁性樹脂膜5にかかる内圧をコントロールし、ボイドの発生を抑えてもよい。
図6(d)は絶縁性樹脂膜5が加圧フィルム10bによる外圧で硬化した後、解除して得られたフリップチップ実装体である。
このように、薄いツール保護シート10を使って加圧加熱することで半導体チップ1と周辺に熱を容易に伝導でき、絶縁性樹脂膜5を硬化させることもでき、薄いツール保護シート10により、加圧加熱ツール11で半導体チップ1を上方から平行に均一に荷重を加えて加圧することができる。しかも、短リードタイムで硬化することができる。さらに、閉空間14が気化膨張し膨らむことで加圧フィルム10bが絶縁性樹脂膜5に押し当たりながら、外圧をかけながら硬化することができる。このことによって、ツール保護シート10は薄いシートなのでゴムと異なり柔軟に曲がることができ、半導体チップ1の、周辺の絶縁性樹脂膜5のフィレット部19を小さくすることができ、ボイド発生を抑えることができる。
(実施の形態4)
図1と図7および図8は本発明の実施の形態4を示す。
実施の形態1のフリップチップ実装方法では、図2Aに示すようにツール保護シート10のベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間に液状の溶剤12が密封もしくは、粘着剤に混合して形成されていたが、図7(a)に示すように、この実施の形態4のツール保護シート10のベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間には、溶剤12に代わってベースフィルム10aと加圧フィルム10bの間にUV硬化型接着剤15が形成されている。ベースフィルム10aにはUVカットする遮光性のフィルムを使用し、ツール保護シート10は、使用部分のみが、ガイドから露出しているように構成されている。
図7(b)では、半導体チップ1の裏面と接する加圧フィルム10b側から、略半導体チップ1の裏面と接する部分にUVが入射しないように遮光マスク16を配置した状態でUV光17を加圧フィルム10bに照射する。これによって部分的にUV硬化型接着剤15が硬化して、その部分の接着力が低下してベースフィルム10aから加圧フィルム10bが剥離し易くなる。
図7(c)では、シート固定治具9の加圧フィルム10b側に当たるローラー27を内側に回転させて加圧フィルム10bを巻き寄せることでベースフィルム10aから加圧フィルム10bを部分的に剥離させ、ツール保護シートの中央部に向かってフィルム弛みを持たせる。なお、加圧フィルム10bはUV硬化型接着剤が剥離しやすくするために、光透過性のフィルムにすることが好ましい。なお、シート固定治具のフィルム剥離動作で閉空間が容易に形成されるように、UV硬化型接着剤の接着剤厚みや接着力を選定、コントロールしてもいい。
図8(a)では、図1(c)に示した加工品を加圧加熱ステージ8に搬送し、配線基板裏面を加圧加熱ステージ8に吸着させる。半導体チップ1の上方に、図7(c)で示したUV硬化型接着剤15が剥離し閉空間14が形成されたツール保護シート10を配設し、さらにそのツール保護シート10の上方に加圧加熱ツール11を配設する。
図8(b)では、ツール保護シート10を半導体チップ1に接するようにシート固定治具9でクランプしながら降下させると同時に、加圧加熱ツール11でツール保護シート10を半導体チップ1に押し当て挟みながら、半導体チップ1を加圧加熱していく。加圧フィルム10bの弛みは半導体チップ1の周辺に膨らみとなって形成される。加圧加熱ツール11で荷重を加えることによって、バンプ2すべてが絶縁性樹脂膜5を突き破り、配線基板6の端子電極4に接触しながら変形していく。
なお、ツール保護シート10はシート固定治具9で配線基板6の近くまで傾斜して配置されている。この時、加圧加熱ツール11の外周に突部25を設け、半導体チップ1の周辺のフィレット部19となる絶縁性樹脂膜5の側に傾斜した傾斜26を設けたほうが好ましい。傾斜26をつけることによって、加圧加熱ツール11の熱を、より早く、ツール保護シート10に熱を伝達することができる。
加圧加熱ツール11がツール保護シート10に近接または接し、加熱することによって、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間の閉空間14が、加圧加熱ツール11からの熱で暖められて膨張していく。
図8(c)では、加圧加熱ツール11がさらに下降し、ツール保護シート10を加熱することで、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bの間の閉空間14がさらに熱膨張していく。シート固定治具9でツール保護シート10はクランプ固定され、かつ、加圧加熱ツール11で半導体チップ1のバンプ2の高さを所望の値に近づけていく。加圧加熱ツール11とシート固定治具9と配線基板6とで取り囲まれた空間に閉空間14が膨張することで加圧フィルム10bが膨らみ、半導体チップ1の端からはみ出ているフィレット部19となる絶縁性樹脂膜5を側面方向から圧力をかけながら硬化を進め、また、半導体チップ1の下の絶縁性樹脂膜5が加圧加熱されている時の内圧を、加圧フィルム10bによる外圧で抑制しながら、絶縁性樹脂膜5の硬化を進めていく。バンプ2の変形荷重は1バンプ当たり50g程度である。バンプ2のサイズによって、荷重をコントロールするが、この場合、信頼性を考慮してバンプ高さは25μmtとした。また、必要に応じて、加熱加圧ステージ8を加熱したり、冷却して絶縁性樹脂膜5にかかる内圧をコントロールし、ボイドの発生を抑えてもよい。
図8(d)は、絶縁性樹脂膜5が加圧フィルム10bによる外圧で硬化した後、解除して得られたフリップチップ実装体である。
なお、ここでは図7(b)を実行してUV光17をツール保護シート10に照射し、その後に図1(c)に示した加工品を加圧加熱ステージ8に搬送して加圧加熱ステージ8に吸着させたが、加工品を加圧加熱ステージ8に搬送して加圧加熱ステージ8に吸着させる工程とツール保護シート10へのUV光17の照射処理とを並行して実行することによって製造タクトを短縮できる。
このように、薄いツール保護シート10を使って加圧加熱することで半導体チップ1と周辺に熱を容易に伝導でき、絶縁性樹脂膜5を硬化させることもでき、薄いツール保護シート10により、加圧加熱ツール11で半導体チップ1を上方から平行に均一に荷重を加えて加圧することができる。しかも、短いリードタイムで硬化することができる。さらに、閉空間14が気化膨張し膨らむことで加圧フィルム10bが絶縁性樹脂膜5に押し当たりながら、外圧をかけながら硬化することができる。このことによって、ツール保護シート10は薄いシートなのでゴムと異なり柔軟に曲がることができ、半導体チップ1の周辺の絶縁性樹脂膜5のフィレット部19を小さくすることができ、ボイド発生を抑えることができる。
(実施の形態5)
図1と図9,図10,図11A,図11B,図12A,図12B,図13は本発明の実施の形態5を示す。
実施の形態4ではツール保護シート10がベースフィルム10aと加圧フィルム10bの2層フィルム構造で、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bの間にUV硬化型接着剤15が形成されており、ベースフィルム10aが遮光性のフィルム、加圧フィルム10bがUV透過性のフィルムであったが、図9と図10(a)(b)に示す実施の形態5のツール保護シート10は、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bとシールドフィルム18との3層フィルム構造であって、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bの間にUV硬化型接着剤15が形成されており、加圧フィルム10bの外面には個片化したシールドフィルム18が弱粘着層24で接着されている。シールドフィルム18は、工程中の最大温度に耐える例えばポリイミドのような耐熱性樹脂フィルムにアルミニウム等の金属を蒸着したものでもよい。ベースフィルム10aはUV透過性のフィルムで構成されている。このようなツール保護シート10がシート固定治具9で保持されている。図10(a)はツール保護シート10をベースフィルム10aの側から見た平面図、図10(b)は図10(a)の側面図である。
図9では、ツール保護シート10のベースフィルム10a側の半導体チップ1を略加熱加圧する部分に遮光マスク16を配設し、ベースフィルム10側からUV光17を照射して、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの接着が低下するようにしておく。加圧フィルム10bは光に当たらないように、加圧フィルム10b側にUVカットする遮光性のフィルムを使用してもよい。ツール保護シート10は、熱加圧に使用部分のみ、シート固定治具に供給するガイド(図示せず)から露出しているように装置構成がされている。
図11Aでは、図1(c)に示した加工品を加圧加熱ステージ8に搬送し、配線基板裏面を加圧加熱ステージ8に吸着させる。半導体チップ1の上方に、図9で示したシールドフィルム18を含むツール保護シート10を位置合わせして配設する。
次に、ツール保護シート10のうち、加圧フィルム10bの側をシート固定治具9で剥離させ、加圧フィルム10bにたわみを持たせる。具体的には、UV光17の照射により接着力が低下したベースフィルム10aから加圧フィルム10bが剥離しやすくなっており、シート固定治具9のローラ27を半導体チップ1の側へ回転させることで剥離させて加圧フィルムを巻き寄せることでツール保護シート10の中央部に向かってフィルム弛みを作る。シート固定治具9のフィルム剥離動作で閉空間が容易に形成されるように、UV硬化型接着剤の厚みや接着力を選定、コントロールしてもよい。
加圧フィルム10bの剥離は、半導体チップ1に加圧フィルム10bが接し始めて0.1秒程度のちに加圧が安定に印加されてから、シート固定治具9のローラ27を回転させることによって行なった。図11Bは図11Aの平面図を示す。この実施の形態ではシート固定治具9のローラ27は、半導体チップ1の外周を取り巻くように4個配置されている。この点は実施の形態4におけるシート固定治具9のローラ27も同じである。
次いで図12Aでは、ツール保護シート10を半導体チップ1に接するようにシート固定治具9でクランプしながら降下させると同時に、加圧加熱ツール11でツール保護シート10を半導体チップ1に押し当て挟みながら、半導体チップ1を加圧加熱していく。加圧フィルム10bの弛みは半導体チップ1の周辺に膨らみとなって形成される。
加圧加熱ツール11で荷重を加えることによって、バンプ2すべてが絶縁性樹脂膜5を突き破り、配線基板6の端子電極4に接触しながら変形していく。なお、ツール保護シート10はシート固定治具9で配線基板6の近くまで傾斜して配置されている。
この時、加圧加熱ツール11の外周は図12Aのように半導体チップ1の周辺のフィレット部19となる絶縁性樹脂膜5の側に傾斜していたほうが好ましい。傾斜26をつけることによって、加圧加熱ツール11の熱をより早くツール保護シート10に伝達できる。
加圧加熱ツール11がツール保護シート10に近接または接し、加熱することによって、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bとの間の閉空間14が、加圧加熱ツール11からの熱で暖められて膨張していき、シールドフィルム18をフィレット部19に押し当たり密着していく。
さらに、加圧フィルム10bの弛みである閉空間14がさらに熱膨張することで、加圧加熱ツール11とシート固定治具9と配線基板6とで取り囲まれた空間に加圧フィルム10bが膨らみ、半導体チップ1の端からはみ出ている絶縁性樹脂膜5を側面方向から半導体チップ1のフィレット部19をシールドフィルム18で圧力をかけて押し当てながら形成し、半導体チップ1の下の絶縁性樹脂膜5が加圧加熱されている状態の内圧を、加圧フィルムによる外圧で抑制しながら、絶縁性樹脂膜5を硬化していく。図12Bは図12Aの平面図である。
図13(a)では、加圧加熱ツール11がさらに下降し、ツール保護シート10を加熱することで、ベースフィルム10aと加圧フィルム10bの間の閉空間14がさらに熱膨張していく。シート固定治具9でツール保護シート10はクランプ固定され、かつ、加圧加熱ツール11で半導体チップ1のバンプ2の高さを所望の値に近づけていく。加圧加熱ツール11とシート固定治具9と配線基板6とで取り囲まれた空間に閉空間14が膨張することで加圧フィルム10bが膨らむことで、シールドフィルム18が半導体チップ1の端からはみ出ているフィレット部19に押し当たり絶縁性樹脂膜5に一部埋め込まれるように側面方向から圧力をかけながら押さえ密着していく。半導体チップ1の下の絶縁性樹脂膜5が加圧加熱されている時の内圧を、加圧フィルム10bによる外圧で抑制しながら、絶縁性樹脂膜5の硬化が行われる。バンプ2の変形荷重は1バンプ当たり50g程度である。バンプ2のサイズによって、荷重をコントロールするが、この場合、信頼性を考慮して、バンプ高さは25μmtとした。また、必要に応じて、加熱加圧ステージ8を加熱したり、冷却して、絶縁性樹脂膜5にかかる内圧をコントロールし、ボイドの発生を抑えてもよい。
図13(b)は、絶縁性樹脂膜5が加圧フィルム10bによる外圧で硬化し、解除して得られた半導体チップがシールドフィルム18で覆われたフリップチップ実装体を示す断面図である。図13(c)は図13(b)の平面図である。
このように、薄いツール保護シート10を使って加圧加熱することで半導体チップ1と周辺に熱を容易に伝導でき、絶縁性樹脂膜5を硬化させることもでき、薄いツール保護シート10により、加圧加熱ツール11で半導体チップ1を上方から平行に均一に荷重を加えて加圧することができる。しかも、短いリードタイムで硬化することができる。さらに、閉空間14が気化膨張し膨らむことで加圧フィルム10bが絶縁性樹脂膜5に押し当たりながら、外圧をかけながら硬化することができる。このことによって、ツール保護シート10は薄いシートなのでゴムと異なり柔軟に曲がることができ、半導体チップ1の、周辺の絶縁性樹脂膜5のフィレット部19を小さくすることができ、ボイド発生を抑えることができる。
シールドフィルム18が金属被膜付きであれば、電磁波等を遮断でき、樹脂であれば、半導体チップ上面、側面を含めて、外力や悪環境に対して、信頼性の高いフリップチップ実装構造体とすることができる。
ベースフィルム10aとしては、耐熱性を有するフィルムが望ましい。例えば、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂等である。加圧フィルム10bとしては、こちらも耐熱性(NCF硬化温度以上)を有するフィルムが望ましい。例えば、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂等である。ベースフィルム10aと加圧フィルム10bの厚みは5〜10μm程度のものを使用した。
シールドフィルム18としては、絶縁性の金属の薄板フィルムもしくは、導電性の金属の薄板フィルムに絶縁被覆処理したものでもよい。さらに、電気的にシールドする以外では、信頼性用途によって、絶縁性、耐熱性、低吸水率、ガスバリア性の樹脂フィルムでもよい。この樹脂フィルムを用いることによって、半導体チップ1と絶縁性樹脂膜5との密着以外に、熱や応力による機械的、耐湿性の信頼性を向上させることが可能となる。
この実施の形態5では図11Aにおいて加圧フィルム10bを部分的に剥離したが、加工品を加圧加熱ステージ8に搬送して加圧加熱ステージ8に吸着させる工程前の工程で行われるようにすると、工程タクトの短縮になるので好ましい。
この実施の形態5ではベースフィルム10aと加圧フィルム10bの間にUV硬化型接着剤15を設けたが、UV硬化型接着剤15に代わって微粘着型接着剤を設けて実施することもできる。
この実施の形態5ではシールドフィルム18を加圧フィルム10bに弱粘着層24で接着したが、シールドフィルム18を加圧フィルム10bに静電気によって密着させて実施することもできる。
上記の各実施の形態において、閉空間が形成される工程では、そこに封入されていた材料を熱膨張させるだけであったが、そこに封入されていた材料を熱膨張させるとともに、強制的に、気体を注射することで、閉空間のサイズと成長をコントロールしてもよい。
上記の実施の形態5においては、ツール保護シート10の側にシールドフィルム18を付けておき、このシールドフィルム18を半導体チップ1に移動させた。仕上がり形状が実施の形態5によく似たものは、シールドフィルム18を微粘着性樹脂を介して半導体チップ1の上に貼り付けてから、この半導体チップ1を実施の形態1〜実施の形態4のようにツール保護シート10で熱加圧することによっても実現できる。
本発明は、多層回路基板に半導体素子がフリップチップ実装された小型薄型の半導体装置等に利用できる。

Claims (9)

  1. 熱硬化性のアンダーフィル樹脂を半導体チップと配線基板の間に介在させて半導体チップを配線基板にフリップチップ実装するに際し、
    前記配線基板と前記半導体チップの間に熱硬化性のアンダーフィル樹脂を挟んで位置決め配設された前記半導体チップを、少なくともベースフィルムと加圧フィルムの2層フィルム構造からなるツール保護シートの上から加圧加熱し、前記半導体チップ下の前記アンダーフィル樹脂を硬化させながら、前記半導体チップの直上の加圧部以外の前記ツール保護シートから前記加圧フィルムを分離させ、前記分離した加圧フィルムが前記半導体チップの周囲の前記アンダーフィル樹脂に膨らみながら当接し加圧加熱しながら硬化させて、前記配線基板に前記半導体チップを固定させる
    フリップチップ実装方法。
  2. 前記ツール保護シートは、ベースフィルムと加圧フィルムの間に、固体、液体、気体の少なくともひとつ以上を密封してなる
    請求項1に記載のフリップチップ実装方法。
  3. 熱硬化性のアンダーフィル樹脂を半導体チップと配線基板の間に介在させて半導体チップを配線基板にフリップチップ実装するに際し、
    前記配線基板と前記半導体チップの間に熱硬化性のアンダーフィル樹脂を挟んで位置決め配設された前記半導体チップを、ベースフィルムと加圧フィルムと前記加圧フィルムに貼り付けられたシールドフィルムの3層フィルム構造からなるツール保護シートの上から加圧加熱し、前記半導体チップ下の前記アンダーフィル樹脂を硬化させながら、前記半導体チップの直上の加圧部以外の前記ツール保護シートから前記加圧フィルムを分離させ、前記分離した加圧フィルムが前記シールドフィルムを介して前記半導体チップの周囲の前記アンダーフィル樹脂に膨らみながら当接し加圧加熱しながら硬化させて、前記配線基板に前記半導体チップを固定させるとともに、前記シールドフィルムを前記半導体チップの側に接着する
    フリップチップ実装方法。
  4. 前記ツール保護シートは、ベースフィルムと加圧フィルムの間に、固体、液体、気体の少なくともひとつ以上を密封してなる
    請求項3に記載のフリップチップ実装方法。
  5. 少なくともベースフィルムと加圧フィルムの2層フィルム構造からなり、加熱すると加圧されていない部分の前記加圧フィルムが前記ベースフィルムから分離して膨らむように構成した
    ツール保護シート。
  6. 前記ベースフィルムと加圧フィルムの間に、固体、液体、気体の少なくともひとつ以上を密封してなる
    請求項5に記載のツール保護シート。
  7. 少なくともベースフィルムと加圧フィルムと前記加圧フィルムに貼り付けられたシールドフィルムの3層フィルム構造からなり、加熱すると加圧されていない部分の前記加圧フィルムが前記ベースフィルムから分離して膨らむように構成した
    ツール保護シート。
  8. 前記ベースフィルムと加圧フィルムの間に、固体、液体、気体の少なくともひとつ以上を密封してなる
    請求項7に記載のツール保護シート。
  9. 熱硬化性のアンダーフィル樹脂を半導体チップと配線基板の間に介在させて半導体チップを配線基板にフリップチップ実装するフリップチップ実装装置であって、
    少なくともベースフィルムと加圧フィルムの2層フィルム構造または少なくともベースフィルムと加圧フィルムと前記加圧フィルムに貼り付けられたシールドフィルムの3層フィルム構造のツール保護シートを保持して前記配線基板と前記半導体チップの間に熱硬化性のアンダーフィル樹脂を挟んで位置決め配設された前記半導体チップとその周囲に被せるシート固定治具と、
    前記半導体チップを前記配線基板に加熱しながら押圧するとともに、前記シート固定治具の内周部と前記半導体チップの外周部分の間の前記ツール保護シートを、前記熱硬化性のアンダーフィル樹脂の外周部分に押圧する突部が形成された加圧加熱ツールと
    を設けた
    フリップチップ実装装置。
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