JPH09246300A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】封止樹脂の積層界面での接着力が強く、信頼性
の高い半導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】回路基板１の上に空隙をもってフリップチ
ップ４が配置されている。フリップチップ４と回路基板
１との隙間に、液状エポキシ樹脂を注入し、１５分以下
の加熱によってエポキシ基が初期の３０％以上残ってい
る半硬化状態にし、フリップチップ４全体を覆うように
液状エポキシ樹脂１０を配置し、２時間の加熱によって
積層した両樹脂を完全硬化させる。その結果、フリップ
チップ４と回路基板１との隙間に下層側封止樹脂７が配
置されるとともに、フリップチップ４全体が上層側封止
樹脂８にて覆われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、樹脂封止型半導
体装置の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、フリップチップＩＣを実装した回
路基板は、例えば、図１１に示すように、ハウジングケ
ース３０に入れ、フリップチップ３１の下の隙間に熱膨
張係数の小さな樹脂３２を注入充填してバンプ部３３，
３４の応力を低減し、二次封止材としてシリコーンゲル
３５によって全体を覆うように封止する構造をとる。
尚、図１１において、３６は回路基板であり、３７はリ
ードフレームであり、３８，３９は回路基板３６の上に
形成された導電パターンである。しかしこの構造ではシ
リコーンゲル３５の気体透過性が大きくなるため腐食性
ガスの侵入による回路基板３６の電極の腐食が発生し、
高信頼性を実現できない。

【０００３】そこで、フリップチップ３１の下の隙間に
熱膨張係数の小さな樹脂を注入し、さらに、気体透過性
の小さい、シリコーン以外の樹脂で二次封止を施す構造
も提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような構
造において封止樹脂の積層界面での接着力が小さく、初
期又は温度変化の大きい厳しい環境下（厳しい冷熱サイ
クル環境下）において剥離が生じるという問題点があっ
た。この積層樹脂の界面剥離が存在すると、剥離先端部
の応力が増大し、チップや基板への剥離進展やパッケー
ジクラック、水分浸入を招き信頼性が低下する。

【０００５】そこで、封止樹脂の積層界面の接着力を増
大するのための一手法として、一次封止材を完全硬化
し、露出した樹脂表面の機械研磨を行い表面粗さの増加
による接着面積増加を行った後、二次封止を行うことが
考えられる。これにより、接着力は機械研磨を行わない
場合に比べ増加するが、信頼性は大きくは向上しない。
つまり、図９に示すように、第１層の樹脂の注入および
硬化、第２層の樹脂の配置および硬化を行うと、第１層
の樹脂と第２層の樹脂の界面の接着強度は弱い。さらに
その上、工程が煩雑化してしまったり、積層封止のため
に別々の樹脂硬化工程が行われるため、硬化工程が長時
間におよび生産効率が低下してしまう。

【０００６】そこで、この発明の目的は、封止樹脂の積
層界面での接着力が強く、信頼性の高い半導体装置の製
造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、第１工程により、チップと基板との隙間に硬化
前の熱硬化性樹脂が注入され、第２工程により、当該樹
脂が半硬化状態にされる。そして、第３工程により、チ
ップ全体を覆うように硬化前の熱硬化性樹脂が配置さ
れ、第４工程により、積層した両樹脂が完全硬化され
る。

【０００８】この第４工程において、半硬化状態の第１
層の樹脂と、硬化前の第２層の樹脂との界面において、
第１層の反応性官能基（例えば、エポキシ樹脂において
はエポキシ基）と第２層の樹脂の反応性官能基（例え
ば、エポキシ樹脂においてはエポキシ基）が結合して、
第１層の樹脂と第２層の樹脂との界面の接着強度は強く
なる。

【０００９】つまり、封止樹脂としてエポキシ樹脂を用
いた場合において、図９に示すように、第１層の樹脂の
注入および硬化、第２層の樹脂の配置および硬化を行う
と、第１層の樹脂と第２層の樹脂の界面の接着強度は弱
い。さらにその上、工程が煩雑化してしまったり、積層
封止により別々の樹脂硬化工程が行われるため、硬化工
程が長時間にわたり生産効率が低下してしまう。

【００１０】これに対し、本発明においては、第１層の
樹脂を半硬化状態にすることにより、半硬化状態での第
１層の樹脂においては反応性官能基が残存しており、第
４工程での硬化時においては、第１層の樹脂の反応性官
能基と第２層の樹脂の反応性官能基により強力な結合が
形成される。これにより、第１層の樹脂と第２層の樹脂
との界面の接着強度は強くなる。即ち、封止樹脂として
エポキシ樹脂を用いた場合において、図１０に示すよう
に、第１層の樹脂を半硬化状態することにより、半硬化
状態での第１層の樹脂においてはエポキシ基が残存して
おり、第４工程での硬化時においては、第１層の樹脂と
第２層の樹脂とのエポキシ基により強力な結合が形成さ
れる。これにより、第１層の樹脂と第２層の樹脂との界
面の接着強度は強くなる。

【００１１】又、硬化時間を短くし、半硬化状態とする
ことにより、製造時間の短縮を図ることができる。即
ち、従来方法では硬化に必要な加熱時間は第１層の樹脂
の完全硬化に必要な加熱時間と第２層の樹脂の完全硬化
に必要な加熱時間との和であったが、本発明において
は、第１層の樹脂の半硬化に必要な加熱時間と第２層の
樹脂の完全硬化に必要な加熱時間との和となり、硬化時
間の短縮が図られ生産効率が向上する。

【００１２】請求項４に記載のように、第１工程におい
てイミダゾール触媒を添加したエポキシ樹脂を用いると
潜在硬化性を付加でき、樹脂への熱履歴が多く（例え
ば、加熱時間が長く）なってもエポキシ基を残存させ易
くなる。

【００１３】請求項５に記載のように、第２工程におい
て、エポキシ基が初期の３０％〜９０％残っている半硬
化状態にすることにより、モールドの注入圧に耐え得る
状態にでき、第３工程でのトランスファモールドを行う
上で好ましいものとなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、この発明の第１の実施の形
態を図面に従って説明する。

【００１５】図１には、本実施の形態における半導体装
置の断面図を示す。図１において、セラミック等よりな
る回路基板１の上面には、導電パターン２，３が形成さ
れている。フリップチップ４においては半導体ペレット
の電極上にバンプ５，６が形成されており、半導体ペレ
ットの電極面を下にして回路基板１上の導電パターン
２，３と半田等により接合されている。このようにし
て、回路基板１の上に空隙をもってフリップチップ４が
対向配置されるとともに、回路基板１上の導電パターン
２，３とフリップチップ４とがバンプ５，６を介して電
気的に接続されている。

【００１６】さらに、回路基板１の上面とフリップチッ
プ４の下面との間に形成された隙間には下層側封止樹脂
７が充填されている。下層側封止樹脂７は、エポキシ樹
脂よりなり、バンプ部の応力を低減する機能を有する。
さらに、回路基板１の上面においてフリップチップ４の
全体を覆うように上層側封止樹脂８が配置されている。
上層側封止樹脂８は、エポキシ樹脂よりなり、腐食性ガ
スの侵入を防ぎ、回路基板１の導電パターン２，３等が
腐食するのを防止している。

【００１７】次に、このように構成した半導体装置の製
造方法を説明する。図２に示すように、バンプ５，６を
介して回路基板１の導電パターン２，３とフリップチッ
プ４とを半田等により接合する。

【００１８】そして、図３に示すように、フリップチッ
プ４と回路基板１の隙間に一次封止材としての液状イミ
ダゾール硬化型エポキシ樹脂９（エポキシ樹脂にイミダ
ゾール触媒を添加したもの）を注入し、１５０℃、１５
分間以下の熱履歴を与え半硬化状態にする。ここで、図
４のＬ１に示すように、半硬化の反応度合はエポキシ基
の残存量が初期の３０％以上となる。尚、図４は、一次
封止樹脂としてイミダゾール硬化型液状エポキシを用い
た場合における、半硬化時間と反応度合との関係を示す
図であり、横軸に半硬化時間をとり、縦軸にエポキシ基
残存率をとっている。

【００１９】尚、エポキシ基の残存量の測定方法として
は、ＦＴ−ＩＲにてエポキシ基ピーク強度の比を求める
ことにより行った。さらに、図１に示すように、フリッ
プチップ４全体を覆うように二次封止材としての液状エ
ポキシ樹脂材１０を配置して、１５０℃、２時間で完全
硬化する。この際、フリップチップ４と回路基板１の隙
間のエポキシ樹脂９はエポキシ基が初期の３０％以上残
存しており、フリップチップ４上を覆ったエポキシ樹脂
１０の触媒や硬化剤と容易に反応し積層樹脂の界面にお
いては架橋による強力な結合が形成される。このため、
図５に示すように、接着力が良好となる。

【００２０】特に、フリップチップ４と回路基板１の隙
間にイミダゾール硬化型エポキシ樹脂９を用いると、潜
在硬化性を付加でき、注入充填時又は充填後における樹
脂への熱履歴が多く（例えば時間が長く）なってもエポ
キシ基を残存させ易くなる。

【００２１】尚、図５は、テストピースにおけるモデル
試験での反応度合と接着力との関係を示す図であり、横
軸にイミダゾール硬化型液状エポキシ樹脂のエポキシ基
残存量をとり、縦軸にエポキシ基残存量が１００％の時
の接着力を「１」とした場合における接着力（比）をと
っている。

【００２２】このようにして、フリップチップ４の下面
と、回路基板１の上面におけるフリップチップ４との対
向部に、下層側封止樹脂７が配置されるとともに、回路
基板１の上面においてフリップチップ４の全体を覆うよ
うに上層側封止樹脂８が配置される。

【００２３】そして、下層側と上層側の積層樹脂７，８
の界面においては架橋による強力な結合が形成され接着
力が良好な樹脂界面となっているので、初期および厳し
い冷熱サイクル環境において剥離は発生しない。

【００２４】次に、図１０の分子構造の模式図を用いて
作用を説明する。第１層のエポキシ樹脂９の硬化前にお
いては各分子（モノマー）が結合することなく単独に存
在している。そして、第１層のエポキシ樹脂９が半硬化
状態になると、エポキシ樹脂９においてはエポキシ基に
おける酸素の結合手により各分子（モノマー）が相互に
結合する。ただし、相互結合するのは全分子のうちの一
部であり、未結合のものもエポキシ基として残ってい
る。

【００２５】又、第２層のエポキシ樹脂１０の硬化前に
おいては各分子が結合することなく単独に存在してい
る。そして、エポキシ樹脂９，１０が完全硬化すると、
エポキシ樹脂１０においてはエポキシ基における酸素の
結合手により各分子が相互に結合するとともに、エポキ
シ樹脂９に残存するエポキシ基における酸素の結合手に
よりエポキシ樹脂１０の各分子と結合する。よって、エ
ポキシ樹脂９とエポキシ樹脂１０との界面において架橋
による強力な結合ができ強固に両樹脂が接着する。

【００２６】このように本実施の形態は、下記の
（イ），（ロ）の特徴を有する。 （イ）フリップチップ４と回路基板１との隙間に、液状
エポキシ樹脂９を注入し、短時間（１５分以下）の加熱
によってエポキシ基が初期の３０％以上残っている半硬
化状態にし、フリップチップ４全体を覆うように液状エ
ポキシ樹脂１０を配置し、長時間（２時間）の加熱によ
って積層した両樹脂９，１０を完全硬化する。このと
き、半硬化状態の第１層のエポキシ樹脂９と、硬化前の
第２層のエポキシ樹脂１０との界面において、第１層の
エポキシ樹脂９のエポキシ基と第２層のエポキシ樹脂１
０のエポキシ基が結合して、第１層のエポキシ樹脂９と
第２層のエポキシ樹脂１０との界面の接着強度は強くな
る。又、硬化に必要な加熱時間は第１層の樹脂９の半硬
化に必要な加熱時間（１５分以下）と第２層の樹脂１０
の完全硬化に必要な加熱時間（２時間）との和の２時間
１５分以下となり、第１層の樹脂９を完全硬化する場合
にはタートルの加熱時間が４時間（＝２時間＋２時間）
となるのに対し、硬化時間の短縮が図られ生産効率が向
上する。 （ロ）第１層のエポキシ樹脂９に、イミダゾール触媒を
添加しているので、潜在硬化性を付加でき、樹脂への熱
履歴が多く（長く）なってもエポキシ基を残存させ易く
なる。 （第２の実施の形態）次に、第２の実施の形態を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００２７】図６には、本実施の形態における半導体装
置の断面図を示す。図６において、回路基板１の導電パ
ターン２，３とフリップチップ４とはバンプ５，６を介
して電気的に接続されている。回路基板１はリードフレ
ーム２０上に搭載されている。

【００２８】さらに、回路基板１とフリップチップ４と
の間の隙間には下層側封止樹脂７が充填されている。下
層側封止樹脂７は、エポキシ樹脂よりなる。さらに、フ
リップチップ４および回路基板１の全体を覆うように上
層側封止樹脂２１が配置されている。上層側封止樹脂２
１は、エポキシ樹脂よりなり、トランスファモールドに
より成形されたものである。

【００２９】次に、このように構成した半導体装置の製
造方法を説明する。図７に示すように、回路基板１の上
にフリップチップ４をバンプ５，６を介して半田付けす
るとともに、リードフレーム２０上に回路基板１を搭載
する。

【００３０】そして、図８に示すように、回路基板１と
フリップチップ４との間の隙間に液状イミダゾール硬化
型エポキシ樹脂（エポキシ樹脂にイミダゾール触媒を添
加したもの）２２を注入し、１５０℃、１０〜１５分の
熱履歴を与え半硬化状態にする。

【００３１】ここで、１５０℃、８分以下の熱履歴では
硬化が十分でなく、モールドの注入圧に耐えられず、エ
ポキシ樹脂２２はフリップチップ４と基板１の隙間から
流出してしまう。モールドの注入圧に耐え得る半硬化状
態とするための反応度合はエポキシ基の残存量が初期の
９０％以下になった状態である。

【００３２】このように、第１層のエポキシ樹脂２２
は、モールド注入圧に耐えうるように、エポキシ基が初
期の３０％〜９０％残っている半硬化状態にする。さら
に、図６に示すように、フリップチップ４上をＢステー
ジ状エポキシ樹脂２３にてトランスファモールドする。
つまり、フリップチップ４全体を覆うようにエポキシ樹
脂２３を配置し、２時間（長時間）の加熱処理により完
全硬化させる。その結果、接着力が良好な樹脂界面が得
られる。

【００３３】これまで説明した実施の形態の他にも次の
ように実施してもよい。上記実施の形態では、エポキシ
樹脂を注入した後において短時間の加熱処理により（１
５０℃、１５分間以下の熱履歴を与えることにより）半
硬化状態にしたが、図４のＬ２に示すように、低温での
加熱処理により（例えば１３０℃、３０分間以下の熱履
歴を与えることにより）半硬化状態にしてもよい。要
は、加熱時間あるは加熱温度の少なくともいずれか一方
を完全硬化のための条件に対し変更すればよい。

【００３４】又、一次および二次の封止樹脂はエポキシ
樹脂の他にも、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、フェ
ノール樹脂等の熱硬化性樹脂を用いてもよい。さらに、
一次および二次の封止樹脂の注入・成形方法も各種のも
のを用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施の形態における半導体装置の断面
図。

【図２】 半導体装置の製造工程を説明するための断面
図。

【図３】 半導体装置の製造工程を説明するための断面
図。

【図４】 半硬化時間とエポキシ基残存率との関係を示
す関係図。

【図５】 エポキシ基残存量と接着力との関係を示す関
係図。

【図６】 第２の実施の形態における半導体装置の断面
図。

【図７】 半導体装置の製造工程を説明するための断面
図。

【図８】 半導体装置の製造工程を説明するための断面
図。

【図９】 分子構造の模式図。

【図１０】 分子構造の模式図。

【図１１】 従来技術を説明するための半導体装置の断
面図。

【符号の説明】

１…回路基板、４…フリップチップ、７…下層側封止樹
脂、８…上層側封止樹脂、９…エポキシ樹脂、１０…エ
ポキシ樹脂。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の上に空隙をもってチップが対向配
   置され、このチップと基板との隙間に下層側封止樹脂が
   充填されるとともに、チップ全体が上層側封止樹脂にて
   覆われた半導体装置の製造方法であって、 チップと基板との隙間に硬化前の熱硬化性樹脂を注入す
   る第１工程と、 当該樹脂を半硬化状態にする第２工程と、 チップ全体を覆うように硬化前の熱硬化性樹脂を配置す
   る第３工程と、 積層した両樹脂を完全硬化させる第４工程とを備えるこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記樹脂は、エポキシ樹脂である請求項
   １に記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 第２工程は、エポキシ基が初期の３０％
   以上残っている半硬化状態にするものである請求項２に
   記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 第１工程で使用するエポキシ樹脂は、イ
   ミダゾール触媒を添加したものである請求項２に記載の
   半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 第２工程は、エポキシ基が初期の３０％
   〜９０％残っている半硬化状態にするものであり、第３
   工程は、Ｂステージ状エポキシ樹脂をトランスファモー
   ルドするものである請求項２に記載の半導体装置の製造
   方法。