JP5209329B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、詳細には、ワイヤボンディングの前加熱工程において、ダイボンド剤の硬化反応を部分的に進行させることを特徴とする。これにより、ダイボンド剤の硬化を専らの目的とする工程及び機器が不要となり、半導体装置の生産性向上と、コスト削減が達成される。

半導体装置の製造工程は、基板、ダイボンド剤、ワイヤ、封止剤等の各種の部材と、ダイボンダー、ワイヤボンダー、トランスファー成型機等の各種の機器が関わる、複雑で、長時間を要する工程であり、その簡略化及び時間短縮は、半導体装置の生産性向上とコスト削減に直結する。この一連の工程の中で、特に長時間を要するのは、ダイボンド剤、或いは封止剤等の樹脂組成物の硬化工程であり、通常１００〜２００℃で１〜４時間程度の長時間を要する。

このうちダイボンド剤の硬化を封止剤の硬化と同時に行うことにより、生産性向上を図る方法が提案されている（特許文献１）。
特開２０００−４９１７１号公報

しかし、上記方法は、ダイボンド剤に相反する性質、即ち、ダイボンディング工程における柔軟性と、ワイヤボンディング工程における半導体素子の移動を防ぐ硬さを要求するものであるので、該要求を達成するために、エラストマーを含む特定のダイボンド剤を使用しなければならない。

また、上記方法において、ダイボンド剤の形態としてはフィルムであることが好ましいとあるが、フィルム型のダイボンド剤は、薄膜化、乾燥、切断、巻き取り等の工程を要するので、ペースト状のダイボンド剤と比較して高価であり、却ってコスト高になり得る。そこで本発明は、これらの問題の無い方法を提供することを目的とする。

即ち本発明は、
（工程１）回路基板上にペースト状の熱硬化性のダイボンド剤を施与する工程、
（工程２）前記ダイボンド剤を、温度Ｔ１で加熱して、半固形化する工程、
（工程３）ダイボンド剤上に、電極パッドを備えた半導体素子を熱圧着により載置する工程、
（工程４）半導体素子が載置された回路基板を、温度Ｔ２において、１秒〜１０分間加熱する工程、
（工程５）前記電極パッドと回路基板をワイヤボンディングする工程、
（工程６）工程５で得られた装置を樹脂封止する工程、
を含む半導体装置の製造方法であって、
Ｔ２がＴ１より２０℃以上高温であり且つ工程５において回路基板が加熱される温度以下であり、
工程２が完了した時点でのダイボンド剤の残存硬化反応率を１００％としたときの、工程４が完了した時点での残存硬化反応率が７０〜９５％である、
ことを特徴とする方法である。

本発明は、長時間を要するダイボンド剤の硬化工程を専らの目的とする工程及び該工程用の機器を要しない為に、半導体装置の生産性向上とコスト削減を達成できる。

以下、工程順に本発明を説明する。
（工程１）ダイボンド剤の施与工程
ダイボンド剤の施与方法としては、例えば、ダイボンド剤を充填したシリンジの先端に取り付けられた中空の針を介して描画する方法、ステンシルマスク或いはスクリーンマスクを用いて印刷する方法、目的の形状を有する印鑑を用いて押印する方法等が挙げられる。このうち、印刷方法は、厚み、フィレットの大きさ等の制御が容易であり、特に同一の基板上に多数の半導体素子を搭載し、更に同一の半導体素子に多数のワイヤを施す、高密度実装に好適である。

（工程２）ダイボンド剤の半固形化工程
本発明の半導体装置の製造方法は、第２にペースト状のダイボンド剤を、温度Ｔ１において加熱により半固形にする。ここで、「半固形」は流動性が無い状態、即ち、柔らかいがダレて、変形等しない状態を意味する。また半固形化は化学反応を伴わないものであることが望ましい。例えば、溶剤を揮発させることによる半固形化、アクリル樹脂等の微粒子をエポキシ樹脂に膨潤させることによる半固形化等が挙げられる。Ｔ１は、後述するＴ２より２０度以上低い温度になるように選択する。Ｔ１が該温度より高いと、工程２で過度に硬化が進行し、工程３のダイボンディング工程で半導体素子が十分に接合されず、該接合不足により発生する問題、例えばワイヤボンディング、或いは樹脂封止の際の、半導体素子の移動等が発生する恐れがある。

加熱方法は特に制限されず、例えば、開閉式のオーブンを用いてバッチ処理をする方法、コンベアー方式のオーブンを用いてインライン処理をする方法等が挙げられる。温度Ｔ１はダイボンド剤の性状、或いは使用目的に応じて任意に選択される。好ましくは５０〜１５０℃である。また温度Ｔ１での加熱時間は１分〜１時間であることが望ましい。

（工程３）半導体素子の載置工程
載置方法としては、ダイボンダーを用いて熱圧着する方法等が一般的である。熱圧着条件は、ダイボンド剤の性状、或いは使用目的に応じて調整するが、通常は、温度は５０〜１５０℃、時間は０．１〜１０秒、荷重は０．１〜２０ｋｇｆである。

（工程４）ワイヤボンディングの前加熱工程
ワイヤボンディングの前加熱工程の目的は、半導体素子、及び回路基板に印加される熱衝撃の緩和である。即ち、半導体素子と回路基板との間に金線等のワイヤを接続する際に、ワイヤは超音波により溶融し、非常な高温に達するが、この熱衝撃を緩和するべく、ダイボンディング工程で得られた装置を、ワイヤボンディングに先立ち予め加熱するのである。さらに、該前加熱工程に、ダイボンド剤の部分的な硬化の機能を兼ね備えさせることにより、ダイボンド剤の硬化不足により発生しうる問題、例えばワイヤボンディング、或いは樹脂封止の際の、半導体素子の移動、或いはボイドの発生等を防ぐ。

温度Ｔ２は、上記目的を達成するために、ワイヤボンディングの温度に応じて選択する。後述するように、ワイヤボンディング工程における回路基板の加熱温度が１００〜２００℃であるとすると、Ｔ２は５０〜２００℃、好ましくは８０〜２００℃である。上述のとおり、Ｔ２はＴ１より２０℃以上高温であることが必要である。

また温度Ｔ２での加熱時間は１秒〜１０分である。ここで加熱時間が前記下限値より短いと、ダイボンド剤が十分に加熱されず、先述のダイボンド剤の硬化不足により発生しうる問題、例えばワイヤボンディング、或いは樹脂封止の際の半導体素子の移動、或いはボイドの発生等が発生する恐れがある。また加熱時間が前記上限値より長いと、半導体装置の製造方法の簡略化、時間短縮効果が低減する。

工程２が完了した時点でのダイボンド剤の残存硬化反応率を１００％としたときの、工程４が完了した時点でのダイボンド剤の残存硬化反応率が９５％以下、好ましくは９０％以下である。ここで、残存硬化反応率は、ダイボンド剤中の硬化性官能基が総て反応していないときを１００％としたときの、未硬化の官能基が残っている割合を表す。工程２が完了した時点でのダイボンド剤の残存硬化反応率がほぼ１００％である。工程４で、回路基板がＴ２で加熱されることによって、５％以上、好ましくは１０％以上、硬化された状態となり、これによって、後続のワイヤボンディング工程で半導体素子の移動が防止される。ここで残存硬化反応率は、例えばＤＳＣ（示差走査熱量解析）の発熱ピークの面積から算出することができる。即ち、ＤＳＣにおいて、工程２が完了した時点でのダイボンド剤を完全に硬化させることによって求められる単位質量当たりの発熱ピーク面積に対する、工程４が完了した時点でのダイボンド剤を完全に硬化させて求められる単位質量当たりの発熱ピーク面積の割合で求めることができる。該硬化は化学反応を伴うものであることが望ましく、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂等の熱硬化性樹脂の架橋反応による硬化等が挙げられる。また、工程２が完了した時点での残存硬化反応率に対する程４が完了した時点でのダイボンド剤の残存硬化反応率の下限値については、特に限定は無いが、典型的には７５％〜８０％である。

（工程５）ワイヤボンディング工程
ワイヤボンディングは公知の方法であってよく、ワイヤボンダーを用いて金、金合金、アルミニウム等のワイヤを超音波により溶融して接続する。接続条件は、ワイヤの種類に応じて任意に選択される。通常は、回路基板が１００〜２００℃にセットされたステージ上で加熱され、ボンディング時間は０．０５〜０．２秒／ｍｍ、荷重は１０〜２０ｋｇｆである。好ましくは、ワイヤボンディングは工程４とインラインで、即ち、同一の機器内、例えばベルトコンベアの別個の箇所で実施される。これにより、半導体装置の生産性が高められる。

（工程６）樹脂封止工程
封止方法は、封止樹脂を充填したシリンジの先端に取り付けられた中空の針を介して描画した後又はステンシルマスク或いはスクリーンマスクを用いて印刷した後に硬化させる方法、トランスファー成型機を用いて押出し成型する方法等が挙げられる。封止条件は封止樹脂の種類に応じて調整することが必要であるが、例えばトランスファー成型の場合は、温度は１５０〜２００℃、注入時間は５〜２０秒、注入圧は２０乃至１００ＫＰａ、成型時間は６０〜１２０秒である。

その他の工程
本発明の半導体装置の製造方法は、以上の６つの逐次工程を含むことが必須であり、その前後、或いは各工程の間にその他の工程を含んでも良く、例えば、工程１の直前に加熱乾燥により回路基板から水分を除去する工程、工程６の直前にプラズマ洗浄により半導体素子、回路基板、ダイボンド剤、又はワイヤの表面付着物を除去する工程、工程６の後にダイボンド剤及び封止剤を後硬化する工程が挙げられる。

ダイボンド剤
本発明に用いられるダイボンド剤は、次の２点の特徴を有することが望ましい。
（１）工程２の半固形化が化学反応を伴わないものであること、及び
（２）工程４で進行するダイボンド剤の硬化が化学反応を伴うものであること。
これらの特徴を備える物として、Ｔ１で十分な蒸気圧を備える溶剤と、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂等の熱硬化性樹脂、及び、Ｔ２で所望の硬化度となるような触媒を含むダイボンド剤、Ｔ１で樹脂粒子が膨潤して半固形化し、Ｔ２で硬化するダイボンド剤を例示することができ、たとえば、信越化学工業（株）社製のＳＦＸ５２６シリーズが挙げられる。

封止樹脂
封止樹脂としては、ダイボンド剤と封止剤が互いの反応を妨げあわないように選択されることが望ましい。例えば、信越化学工業（株）社製のＫＭＣ−２５２０、ＫＭＣ−２８００、ＳＭＣ−８１０等が挙げられる。

半導体装置
本発明の方法は、種々の半導体装置の製造に適用することができるが、特に、高密度実装の基板を多数枚取りする製造に好適である。

以下に実施例及び比較例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１〜３、比較例１及び２
下記部材を用いて、表１に示す種々の条件で半導体装置を作成し、（ａ）〜（ｅ）の評価を行なった。
使用部材
回路基板：表面にソルダーレジスト（２０ミクロン厚）を塗布したＢＴ基板（２００ミクロン厚、３５ｍｍ×３５ｍｍ）の表面中央に、後述の半導体素子を搭載する内部回路と接続端子を有する。
ダイボンド剤：信越化学工業（株）社製、ＳＦＸ５２６
半導体素子：窒化珪素膜を施したシリコンチップ（２００ミクロン厚、１０ｍｍ×１０ｍｍ）
封止樹脂：信越化学工業（株）社製、ＫＭＣ−２５２０

半導体装置の製造
下記工程により装置を製造した。
（１）回路基板の乾燥
温度１００℃、時間１０分で回路基板を乾燥した。
（２）ダイボンド剤の塗布
ステンシルマスク（ＳＵＳ製、５０ミクロン厚、開口部寸法：１０ｍｍ×１０ｍｍ）とスキージ（ＳＵＳ製、５００ミクロン厚、角度６０°）を用いて、速度１０ｍｍ／秒、圧力１０ｐｓｉの条件でダイボンド剤を印刷した。
（３）ダイボンド剤の半固形化
前工程で得られた回路基板を、表１に示した各温度、時間で加熱した。
（４）半導体素子の載置
半導体素子を、温度１５０℃、回路基板の温度１５０℃、荷重１ｋｇ、時間０．１秒で半導体素子を回路基板の中央に載置した。
（５）ワイヤボンディングの前加熱
半導体素子が載置された回路基板を、表１に記載の各温度、時間で加熱した。但し、比較例２は本工程を行なわなかった。
（６）ワイヤボンディング
回路基板加熱温度１５０℃、ボンディング時間０．１秒／ｍｍ、荷重１２ｋｇｆで回路基板と半導体素子の間に金ワイヤを接続した。
（７）プラズマ洗浄
前肯定で得られた装置に、Ａｒプラズマ洗浄を、流量１０ｃｃ／分、出力２５０ｗ、時間３０秒で施した。
（８）樹脂封止工程
金型温度１７５℃、時間１０秒、注入圧７０ＫＰａ、成型時間９０秒でトランスファー成型した。

試験方法
（ａ）残存硬化反応率の測定
ＤＳＣにより、上記（３）ダイボンド剤の半固形化の直後と、（５）ワイヤボンディングの前加熱の直後に、ダイボンド剤約１０ｍｇ（固形分）をアルミセルに秤量して、空のアルミセルを参照試料として、空気下で２５℃から３００℃迄、昇温速度１０℃／分で測定した。発熱ピークの面積比、即ち、（３）ダイボンド剤の半固形化の直後の発熱量に対する、（５）ワイヤボンディングの前加熱の直後の発熱量の比率を計算し、残存硬化反応率とした。

（ｂ）ワイヤボンディング時の半導体素子の移動
（４）半導体素子の載置直後と、（６）ワイヤボンディングの直後に、半導体素子の四隅の位置から、ワイヤボンディング前後の中心位置の移動距離と回転角度を測定した。移動距離が１００ミクロン以上、回転角度が０．５°以上であるものを不合格とし、不合格の半導体装置数／総半導体装置数（２０個）を求めた。

（ｃ）ワイヤボンディング時のボイドの発生
（６）ワイヤボンディングの直後に半導体装置を、ＳＡＴ（超音波索傷法）観測してボイドの有無を確認し、半導体素子の面積（１０ｍｍ×１０ｍｍ）に対する、ボイドの面積の比率を算出した。これが１％以上であるものを不合格とし、不合格の半導体装置数／総半導体装置数（２０個）を求めた。

（ｄ）樹脂封止時の半導体素子の移動
（６）ワイヤボンディングの直後と、（８）樹脂封止工程の直後に半導体素子の四隅の位置から、ワイヤボンディング前後の中心位置の移動距離と回転角度を測定した。尚、（８）樹脂封止工程の直後の半導体素子の四隅の位置は、ＳＡＴ観測により確認した。移動距離が１００ミクロン以上、回転角度が０．５°以上であるものを不合格とし、不合格の半導体装置数／総半導体装置数（２０個）を求めた。

（ｅ）樹脂封止時のボイドの発生
（８）樹脂封止工程の直後に半導体装置を、ＳＡＴ（超音波索傷法）観測して、ボイドの有無を確認し、半導体素子の面積（１０ｍｍ×１０ｍｍ）に対する、ボイドの面積の比率を算出した。これが１％以上であるものを不合格とし、不合格の半導体装置数／総半導体装置数（２０個）を求めた。

表１から分かるように、ワイヤボンディング前加熱工程の無い比較例２の方法では、ワイヤボンディング時に半導体素子が移動し、ボイドも発生した。また、残存硬化反応率が９５％超である、比較例１のものも、ワイヤボンディング時に半導体素子が移動した。これらに対して、本発明の方法により製造された装置では、半導体素子の移動も、ボイドの発生も観察されなかった。

本発明の方法によれば、実装密度が高い半導体装置を、高い生産性且つ低コストで製造することができる。

Claims (5)

1. （工程１）回路基板上にペースト状の熱硬化性のダイボンド剤を施与する工程、
   （工程２）前記ダイボンド剤を、温度Ｔ１で加熱して、半固形化する工程、
   （工程３）ダイボンド剤上に、電極パッドを備えた半導体素子を熱圧着により載置する工程、
   （工程４）半導体素子が載置された回路基板を、温度Ｔ２において、１秒〜１０分間加熱する工程、
   （工程５）前記電極パッドと回路基板をワイヤボンディングする工程、
   （工程６）工程５で得られた装置を樹脂封止する工程、
   を含む半導体装置の製造方法であって、
   Ｔ２がＴ１より２０℃以上高温であり且つ工程５において回路基板が加熱される温度以下であり、
   工程２が完了した時点でのダイボンド剤の残存硬化反応率を１００％としたときの、工程４が完了した時点での残存硬化反応率が７０〜９５％である、
   ことを特徴とする方法。
2. 工程３において、熱圧着を５０〜１５０℃の範囲にある温度、０．１〜１０秒の範囲にある時間、及び０．１〜２０ｋｇｆの範囲にある荷重で行う、請求項１記載の方法。
3. Ｔ２が１５０℃以下である、請求項１または２記載の方法。
4. 工程５が工程４とインラインで実施されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の方法。
5. Ｔ１が５０〜１５０℃であり、Ｔ２が工程５において回路基板が加熱される温度と等しいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。