JP2009004462A

JP2009004462A - 半導体装置の実装方法

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Publication number: JP2009004462A
Application number: JP2007162070A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Wada; 義之和田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: JP4640380B2

Abstract

【課題】熱硬化後の樹脂におけるクラックの発生と電極間の短絡を防止することができる半導体装置の実装方法を提供することを目的とする。
【解決手段】基板３に熱硬化性の樹脂７を塗布した後、半導体装置２のバンプ電極４と基板３の電極パッド５とを間に半田６を介在させて接触させる。そして、熱圧着ツール２９で半導体装置２を基板３に押し付けつつ加熱して半導体装置２の中央部の樹脂７の温度がバンプ電極４近傍部の樹脂７の温度よりも高くなるような温度分布を樹脂７内に形成し、バンプ電極４と電極パッド５とを半田接合させるとともに、半導体装置２の中央部直下に位置する樹脂７を半導体装置２と基板３との仮接合に十分な接着強度を得る程度まで熱硬化を進行させて半導体装置２と基板３とを仮接合させる。仮接合の後、半導体装置２及び基板３から成る仮接合体１ａを冷却し、更に加圧雰囲気下で加熱して樹脂７全体を完全に熱硬化させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体装置と基板とをフリップチップ接合させる半導体装置の実装方法に関するものである。

ＩＣチップ等の半導体装置と基板とを接合させる技術としてフリップチップ接合が知られている。フリップチップ接合では、半導体装置に形成したバンプ電極と基板の回路面に形成した電極パッドとを半田を介して接触させたうえで、専用の熱圧着ツールによって半導体装置を基板に押し付けつつ加熱し、半田を溶融させて両電極（バンプ電極と電極パッド）を接合させる。しかし、バンプ電極と電極パッドの半田接合だけでは半導体装置と基板との間の接合強度は弱いものであり、その後に温度が下がったときに半導体装置と基板の熱膨張係数の違いによって熱応力が生じ、電極の接合部が剥がれてしまうことがある。このため、フリップチップ接合を行う前に、基板の回路面に予め熱硬化性の樹脂を塗布しておき、両電極を接触させて熱圧着する際に樹脂も同時に熱硬化させて半導体装置と基板とを強固に結合させる方法も行われている（特許文献１）。

ところが、フリップチップ接合の前に基板に樹脂を先塗りする半導体装置の実装方法では、バンプ電極と電極パッドを接触させる際に半導体装置と樹脂との間に空気が入り込むこと等によって樹脂内にボイド（気泡）が生じることがあり、このボイドが原因となって熱硬化後の樹脂にクラックが発生したり、基板から滲み出した水がボイド内に溜まって隣接する電極間が短絡したりすることがある。このようなことから、熱硬化後の樹脂内のボイドは少なくかつ小さいことが望ましく、このような観点から、両電極の熱圧着と樹脂の熱硬化を高圧雰囲気下で行うことによって樹脂の熱硬化中にボイドを小さくする方法が考案されている（特許文献２）。
特開平１１−５４５５９号公報特開２００４−３１１７０９号公報

しかしながら、上記方法によってボイドを小さくするには限界があり、より一層ボイドを小さくできる方法が求められている。

そこで本発明は、樹脂内に生じたボイドをより一層小さくすることができ、熱硬化後の樹脂におけるクラックの発生と電極間の短絡を防止することができる半導体装置の実装方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の半導体装置の実装方法は、ペリフェラル配置された複数のバンプ電極を備えた半導体装置とこの半導体装置の複数のバンプ電極に対応して配置された複数の電極パッドを備えた基板とをフリップチップ接合させる半導体装置の実装方法であって、基板に熱硬化性の樹脂を塗布する樹脂塗布工程と、半導体装置のバンプ電極と樹脂が塗布された基板の電極パッドとを間に半田を介在させて接触させ、半導体装置の上面に接触させた熱圧着ツールで半導体装置を基板に押し付けつつ加熱して半導体装置の中央部の樹脂の温度がバンプ電極近傍部の樹脂の温度よりも高くなるような温度分布を樹脂内に形成し、バンプ電極と電極パッドの間に介在させた半田を溶融させてバンプ電極と電極パッドとを半田接合させるとともに、半導体装置の中央部直下に位置する樹脂を半導体装置と基板との仮接合に十分な接着強度を得る程度まで熱硬化を進行させて半導体装置と基板とを仮接
合させる第１の加熱工程と、第１の加熱工程により仮接合された半導体装置及び基板から成る仮接合体の冷却を行う冷却工程と、冷却後の仮接合体を加圧雰囲気下で加熱し、樹脂全体を完全に熱硬化させる第２の加熱工程とを含む。

本発明の半導体装置の実装方法によれば、樹脂内に生じたボイドは、第１の加熱工程の後に樹脂が冷却されることによって縮小され、その後の第２の加熱工程において樹脂が加圧圧縮されることによって更に収縮されるので、樹脂内に生じたボイドは極めて小さいものとなり、熱硬化後におけるクラックの発生と電極間の短絡を防止することができる。また、第１の加熱工程ではバンプ電極と電極パッドが半田接合されるだけでなく、熱硬化進行した一部の樹脂によって半導体装置と基板が仮接合されるので、仮接合された半導体装置及び基板（仮接合体）は容易に移動させることができる。このため、第１の加熱工程、冷却工程及び第２の加熱工程はそれぞれ別の装置内で行うことができ、一部の工程をバッチ処理するなど、多用な手順で処理を行うことが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態における半導体装置実装構造体の一部断面正面図、図２は本発明の一実施の形態における実装装置の構成を示すブロック図、図３は本発明の一実施の形態における熱圧着装置の正面図、図４（ａ），（ｂ）は本発明の一実施の形態における熱圧着ツールに吸着された状態の半導体装置の側面図及び下面図、図５は本発明の一実施の形態における半導体装置の実装方法の工程の流れを示すフローチャート、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）及び図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の一実施の形態における半導体装置の実装方法の工程説明図、図８は本発明の一実施の形態における第１の加熱工程中の樹脂内の温度分布の一例を示すグラフである。

図１に示す半導体装置実装構造体１は、半導体装置２と基板３がフリップチップ接合（実装）されて成るものであり、半導体装置２の下面２ａにペリフェラル配置（外周配置）された複数のバンプ電極４と、基板３の上面（回路面）３ａに半導体装置２の複数のバンプ電極４に対応して配置された複数の電極パッド５が半田６によって機械的に接合されるとともに電気的に接続されている。また、半導体装置２と基板３は熱硬化性の樹脂７（図６（ａ）参照）が熱硬化した樹脂硬化体７ａによって強固に結合されている。ここではバンプ電極４は金、銀或いは銅から構成されているものとする。

半導体装置２を基板３に実装する実装装置１０は、図２に示すように、熱圧着装置１１、冷却用載置台１２及び加圧炉１３を備えている。図３に示すように、熱圧着装置１１は、基台２１に対して水平方向に（矢印Ａ）移動自在に設けられたステージ２２と、ステージ２２の上方に基台２１に対して上下方向（矢印Ｂ）に移動自在に設けられたヘッド部２３とを備えている。ステージ２２の内部にはステージ２２の上面に開口した真空管路２４が設けられており、この真空管路２４はステージ２２の外部に設けられた外部管路２５を介して真空源２６に繋がっている。外部管路２５には制御バルブ２７が介装されており、ステージ２２の上面に基板３を載置した状態で制御バルブ２７を作動させることにより、基板３をステージ２２上に設置（真空吸着）させることができる。

ヘッド部２３は基台２１に対して上下方向に移動自在な昇降部２８と、昇降部２８の下端に取り付けられた熱圧着ツール２９を備えており、熱圧着ツール２９の内部にはヒータ３０が設けられている。熱圧着ツール２９の内部には熱圧着ツール２９の下面２９ａに開口した真空管路３１が設けられており、真空管路３１は熱圧着ツール２９の外部に設けられた外部管路３２を介して上記真空源２６に繋がっている。外部管路３２には制御バルブ３３が介装されており、熱圧着ツール２９の下面２９ａに半導体装置２を接触させた状態
で制御バルブ３３を作動させることにより、半導体装置２を熱圧着ツール２９の下面２９ａに真空吸着させることができる。ヒータ３０は熱圧着ツール２９の外部に設けられたヒータ電源３４からの電力供給を受けて発熱し、これにより熱圧着ツール２９が昇温する。

図４（ａ）に示すように、熱圧着ツール２９の下面２９ａは半導体装置２の上面２ｂと接触するが、熱圧着ツール２９の下面２９ａは半導体装置２の上面２ｂ全域と接触する大きさを有しているのではなく、図４（ｂ）に示すように、半導体装置２の下面２ａ側にペリフェラル配置された複数のバンプ電極４によって囲まれる矩形の領域Ｒとほぼ同じかそれよりもやや小さい大きさを有したものとなっている。このため、熱圧着ツール２９と半導体装置２の中心が上下方向に合致し、かつ、熱圧着ツール２９の下面２９ａの矩形の外縁２９ｂが半導体装置２の複数のバンプ電極４の列に沿うように半導体装置２に対する熱圧着ツール２９の向きを調整して熱圧着ツール２９に半導体装置２を真空吸着させるようにすれば、半導体装置２を下方から見たときには（図４（ｂ））、熱圧着ツール２９の下面２９ａの外縁２９ｂは、複数のバンプ電極４によって囲まれる領域Ｒ内に収まった状態となり、半導体装置２の複数のバンプ電極４の直上付近に熱圧着ツール２９の下面２９ａの外縁２９ｂが位置することとなる。

冷却用載置台１２はテーブル状の部材であり、平らな載置面１２ａ（図７（ｂ）参照）を有している。加圧炉１３は密閉状態で加圧雰囲気を生成することができ、内部に平らな載置面１３ａ（図７（ｃ）参照）を有している。

次に、図５のフローチャート及び図６、図７の工程説明図を用いて上記実装装置１０を用いた半導体装置２の基板３への実装（半導体装置実装構造体１の製造）手順を説明する。半導体装置２を基板３へ実装するには、先ず、各電極パッド５に半田６をプリコートした基板３を上面３ａが上を向くように熱圧着装置１１のステージ２２上に設置する（図５のステップＳ１）。

基板３をステージ２２上に真空吸着させたら、熱硬化性の樹脂７をディスペンサ３５等によって基板３の上面３ａに塗布する（ステップＳ２及び図６（ａ）。樹脂塗布工程）。このとき、基板３上の全ての電極パッド５が樹脂７によって覆われるようにする。

樹脂塗布工程が終了したら、実装しようとする半導体装置２を前述の要領で熱圧着ツール２９の下面２９ａに真空吸着させたうえで、半導体装置２と基板３を相対移動させて、半導体装置２と基板３を上下に対向させる（ステップＳ３及び図６（ｂ））。そして、半導体装置２と基板３とを相対的に近づけ、半導体装置２のバンプ電極４と基板３の電極パッド５を電極パッド５にプリコートした（バンプ電極４と電極パッド５との間に介在させた）半田６を介して接触させ、熱圧着ツール２９で半導体装置２を基板３に押し付けつつ、半導体装置２を介して樹脂７を加熱する（ステップＳ４及び図６（ｃ）。第１の加熱工程）。

この第１の加熱工程では、前述のように、熱圧着ツール２９の下面２９ａの外縁２９ｂが半導体装置２の複数のバンプ電極４の直上付近に位置しており、また、熱圧着ツール２９の外縁２９ｂ付近は外気に晒されていることから、熱圧着ツール２９の周辺部分（外縁２９ｂに近い部分）の温度は熱圧着ツール２９の中央部の温度よりも低くなる。このため樹脂７には、半導体装置２の中央部の温度がバンプ電極４近傍部の温度よりも高くなるような温度分布が形成され、その結果、樹脂７の熱硬化の進行度は半導体装置２の中央部に近いほど高く、周辺部（バンプ電極４近傍部）に近いほど遅くなる。但し、この第１の加熱工程でバンプ電極４と電極パッド５との間に介在する半田６が溶融してバンプ電極４と電極パッド５が半田接合されるようにするため、バンプ電極４近傍部における最低温度は半田融点温度よりも高くなるようにする必要がある。図８は、この第１の加熱工程中の樹
脂７内の温度分布の一例を示すグラフを示している。

上記のような温度分布（半導体装置２の中央部の樹脂７の温度がバンプ電極４近傍部の樹脂７の温度よりも高くなるような温度分布）が確実に形成されるようにするため、ヒータ３０の発熱量が熱圧着ツール２９の周辺部よりも中央部に集中するような構成にしたり、加熱中の樹脂７の周囲に冷風を供給することによって、バンプ電極４近傍部の樹脂７の熱が外に放散されるようにしたりすることが好ましい。なお、半導体装置２の中央部の温度の最高値の温度とバンプ電極４近傍部における平均的な温度との差（図８においてΔＴで示す温度差）は３０℃以上であることが好ましい。

この第１の加熱工程では、半田６が溶融して両電極（半導体装置２のバンプ電極４と基板３の電極パッド５）が半田接合されるタイミング（熱圧着時間にして約０．５秒程度）で熱圧着ツール２９を半導体装置２から離間させた状態では（図７（ａ））、バンプ電極４近傍部の樹脂７は熱硬化がほとんど進行していない未硬化（液状）状態（加圧雰囲気において樹脂７に含まれる下記のボイド（気泡）Ｖの収縮が可能な状態）であり、半導体装置２の中央部直下に位置する樹脂７（図６（ｃ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）において間隔の小さい斜線を付して示す領域の樹脂７ｂ）は、半導体装置２と基板３とを仮接合するのに十分な接着強度を得るところまで熱硬化が進行している。これにより半導体装置２と基板３が仮接合された状態となる。なお、第１の加熱工程では、樹脂７は半導体装置２によって押しのけられて横方向に広がり、半導体装置２の下面２ａの全域に密着するようになるが、この際、半導体装置２と樹脂７との間に空気が入り込んだりして樹脂７内にボイドＶが生じることがある（図７（ａ）中の拡大図参照）。

第１の加熱工程が終了したら、仮接合された半導体装置２及び基板３から成る仮接合体１ａをステージ２２の真空吸着を解除して取り外す。そして、ステージ２２から取り外した仮接合体１ａを冷却用載置台１２の載置面１２ａに載置し、上記所定温度Ｔ１よりも低い温度Ｔ３（好ましくは１００℃以下。常温でよい）の雰囲気下で冷却する（ステップＳ５及び図７（ｂ）。冷却工程）。この冷却工程ではバンプ電極４近傍の樹脂７が第１の加熱工程において一旦加熱された後、未硬化（液状）のままで冷却されることから、ボイドＶ内の水蒸気成分が凝結するとともに、樹脂７内に発生したボイドＶ（ボイドＶの占める空間）そのものが大幅に縮小する（図７（ｂ）の拡大図参照）。

冷却工程が終了したら、冷却用載置台１２から仮接合体１ａを移動させて加圧炉１３内に入れ、加圧炉１３内の載置面１３ａに載置する。そして、加圧炉１３を密閉して加圧雰囲気を生成し、仮接合体１ａをその加圧雰囲気下で１００〜１８０℃程度にまで加熱する。これにより仮接合体１ａの樹脂７は完全に硬化して樹脂硬化体７ａとなるので、半導体装置２と基板３は結合（強固に接合）される（ステップＳ６及び図７（ｃ）。第２の加熱工程）。

この第２の加熱工程では、加圧炉１３内の圧力は１０気圧以下、好ましくは３〜５気圧程度とし、加熱は少なくとも加圧の開始前には行わないこととする。

この第２の加熱工程では、加圧炉１３内の圧力が樹脂７に均等に伝わってその全体が圧縮されるが、それまで未硬化（液状）であった樹脂７が加圧圧縮されることから、樹脂７内のボイドＶも樹脂７と一緒になって大幅に縮小する（図７（ｃ）の拡大図参照）。

第２の加熱工程が終了したら、加圧炉１３内の温度を常温程度まで下げるとともに、加圧炉１３内の圧力を大気圧程度に戻し、加圧炉１３から完成した半導体装置実装構造体１を取り出す（ステップＳ７）。これにより半導体装置２の基板３への実装（半導体装置実装構造体１の製造）が完了する。

このように、本実施の形態における半導体装置の実装方法では、樹脂７内に生じたボイドＶは、第１の加熱工程の後に樹脂７が冷却されることによって縮小され、その後の第２の加熱工程において樹脂７が加圧圧縮されることによって更に収縮されるので、樹脂７内に生じたボイドＶは極めて小さいものとなり、熱硬化後における樹脂７（樹脂硬化体７ａ）にクラックが発生しにくく、基板３から滲み出した水がボイドＶに溜まった場合であっても、隣接する電極間に短絡が生じにくい。

また、第１の加熱工程ではバンプ電極４と電極パッド５が半田接合されるだけでなく、半導体装置２の中央部直下に位置する熱硬化が進行した樹脂７（７ｂ）によって半導体装置２と基板３とが仮接合されるので、仮接合体１ａを移動させても、移動時の衝撃等でバンプ電極４と電極パッド５を電気的に接続する半田接合部が破壊されたり半導体装置２が基板３から脱落したりすることを防止できる。このため、第１の加熱工程、冷却工程及び第２の加熱工程はそれぞれ別の装置（熱圧着装置１１、冷却用載置台１２及び加圧炉１３）を用いて行うことができ、一部の工程（上記実施の形態では例えば冷却工程及び第２の加熱工程）をバッチ処理するなど、多用な手順で処理を行うことが可能となる。

上述の実施の形態では、樹脂７には半田粒子は含まれておらず、金、銀或いは銅から構成されたバンプ電極４と電極パッド５とが、電極パッド５にプリコートされた半田６を介して接触され、その後の第１の加熱工程において、プリコートされた半田６が溶融されることによって、バンプ電極４と電極パッド５が電気的に接続される構成であったが、樹脂７に半田粒子を含有したものを用いるとともに、バンプ電極４が金、銀、銅或いは半田から成るものとすることによって、バンプ電極４と電極パッド５とが樹脂７に含有された半田を介して接触されるようにし、その後の第１の加熱工程において、樹脂７に含有された半田が溶融されることによって、バンプ電極４と電極パッド５が電気的に接続される構成としてもよい。但し、バンプ電極４に半田を用いる場合には、第１の加熱工程によってバンプ電極４が溶融しないようにするため、バンプ電極４に用いる半田は樹脂７に含有される半田粒子よりも高融点のものを用いる必要がある。また、バンプ電極４が銅から構成される場合には、バンプ電極４と電極パッド５とを半田接合させるための半田をバンプ電極４の表面にめっきしておくこともできる。

これまで本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上述の実施の形態に示したものに限定されない。例えば、上述の実施の形態では、熱圧着装置１１で第１の加熱工程を行った後、得られた仮接合体１ａを熱圧着装置１１から取り外して冷却用載置台１２に移動し、そこで冷却工程を行うようにしていたが、熱圧着装置１１により第１の加熱工程を行った後、仮接合体１ａを熱圧着装置１１から取り外すことなくしばらくそのまま放置するなどして第１の加熱工程と冷却工程を同じ装置で行うようにしてもよい。

樹脂内に生じたボイドをより一層小さくすることができ、熱硬化後の樹脂におけるクラックの発生と電極間の短絡を防止することができる。

本発明の一実施の形態における半導体装置実装構造体の一部断面正面図本発明の一実施の形態における実装装置の構成を示すブロック図本発明の一実施の形態における熱圧着装置の正面図（ａ），（ｂ）本発明の一実施の形態における熱圧着ツールに吸着された状態の半導体装置の側面図及び下面図本発明の一実施の形態における半導体装置の実装方法の工程の流れを示すフローチャート（ａ），（ｂ），（ｃ）本発明の一実施の形態における半導体装置の実装方法の工程説明図（ａ），（ｂ），（ｃ）本発明の一実施の形態における半導体装置の実装方法の工程説明図本発明の一実施の形態における第１の加熱工程中の樹脂内の温度分布の一例を示すグラフ

符号の説明

１ａ仮接合体
２半導体装置
３基板
４バンプ電極
５電極パッド
６半田
７樹脂
２９熱圧着ツール

Claims

ペリフェラル配置された複数のバンプ電極を備えた半導体装置とこの半導体装置の複数のバンプ電極に対応して配置された複数の電極パッドを備えた基板とをフリップチップ接合させる半導体装置の実装方法であって、基板に熱硬化性の樹脂を塗布する樹脂塗布工程と、半導体装置のバンプ電極と樹脂が塗布された基板の電極パッドとを間に半田を介在させて接触させ、半導体装置の上面に接触させた熱圧着ツールで半導体装置を基板に押し付けつつ加熱して半導体装置の中央部の樹脂の温度がバンプ電極近傍部の樹脂の温度よりも高くなるような温度分布を樹脂内に形成し、バンプ電極と電極パッドの間に介在させた半田を溶融させてバンプ電極と電極パッドとを半田接合させるとともに、半導体装置の中央部直下に位置する樹脂を半導体装置と基板との仮接合に十分な接着強度を得る程度まで熱硬化を進行させて半導体装置と基板とを仮接合させる第１の加熱工程と、第１の加熱工程により仮接合された半導体装置及び基板から成る仮接合体の冷却を行う冷却工程と、冷却後の仮接合体を加圧雰囲気下で加熱し、樹脂全体を完全に熱硬化させる第２の加熱工程とを含むことを特徴とする半導体装置の実装方法。