JP4569605B2 - 半導体装置のアンダーフィルの充填方法 - Google Patents

Description

本発明は、フリップチップ実装におけるアンダーフィルの充填方法に関し、特に、アンダーフィル用樹脂のボイドまたは気泡の削減または消滅に関する。

携帯電話、携帯型コンピュータ、その他の小型電子機器の高機能化に伴い、これらに搭載される半導体装置の高集積化、狭ピッチ化の要求が高まっている。こうした要求に応えるべく、半導体チップを基板に接続するフリップチップ実装がある。フリップチップ実装では、半導体チップの集積回路面である主面に形成されたバンプ電極を、基板上の電極またはランドに対向させて直接接続させている。このようなフリップチップ実装は、半導体チップの電極をワイヤボンディングにより基板に接続する方法に置き換わるものである。

例えば特許文献１には、半導体チップをフリップチップまたはフェイスダウンし、基板と半導体チップとの間をアンダーフィル処理し、ＢＧＡパッケージを製造する方法が開示されている。また、特許文献２は、真空雰囲気中で、半導体チップの一方の主面と基板との間にアンダーフィル用樹脂を注入することで、アンダーフィル用樹脂内のボイドの発生を抑制し、信頼性の高いフリップチップ実装を提供する技術を開示している。

特開平１１−３４５８３７号 特開２００７−１０３７７２号

フリップチップ実装を行う場合、例えば図８に示すように、半導体チップ１０の表面にはスタッドバンプ電極１２がピッチＰで形成され、他方、基板１６上には、このピッチＰと対応するように銅パターン１４が形成されている。銅パターン１４上には、半田めっきによりボール状の半田バンプ１８が形成され、半田バンプ１８にスタッドバンプ電極１２を突き刺すことで両者を結合し、さらに半田バンプ１８を溶融して結合部分の合金化を行っている。その後、スタットバンプ電極１２や半田バンプ１８への応力集中により接合が破断するのを防止するために、半導体チップ１０と基板１６との間にアンダーフィル用の液状の樹脂２０が注入される。アンダーフィル用樹脂２０は、毛細管現象を利用して、半導体チップと基板の隙間の奥まで進行し、半導体チップと基板の接合面を樹脂封止する。

しかしながら、いくつかの要因により、アンダーフィル用樹脂２０が半導体チップの中央近傍にまで適切に行き渡らなかったり、あるいは行き渡ったとしても、アンダーフィル用樹脂２０は、図９に示すように樹脂内に気泡等のボイド２２を含んでしまうことがある。ボイド２２は、大きいもので４０〜５０ミクロンである。このようなボイドが発生する原因として、半導体チップや基板の物理的な大きさや形状が影響しているものと考えられる。例えば、半導体チップの電極やバンプのピッチＰが５０μｍと狭くなったり、電極の数が数十〜数百になったり、半導体チップと基板の間隔Ｄが５０μｍ以下になると、樹脂の進行に対する抵抗や障害が大きくなり、樹脂の内部での進行速度が一様でなくなり、その結果、樹脂が気泡を取り込み、ボイドが生成されてしまう。樹脂内に多数のボイドが生じてしまうと、樹脂にクラックが発生し易くなり、樹脂による応力緩和効果が軽減され、電極間の接合が破断され易くなる。特に、間隔Ｄが狭くなると、半導体チップと基板との熱膨張係数の差により１つの電極に加わる荷重が大きくなり、より大きなストレスがアンダーフィル用樹脂にも加わることになる。また、樹脂にクラックが生じると、外部からの水分や湿気に対する保護が不十分になってしまう。

本発明は、上記のような従来の課題を解決するものであり、半導体チップのファインピッチ化に対応し、アンダーフィル用樹脂内のボイドの発生を極力削減し、信頼性の高いフリップチップ実装を実現した半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体チップの一面に２次元的に配列された複数の電極を、基板上の対応する導電性領域に接合するステップと、半導体チップの一面と基板との間に液状化されたアンダーフィル用樹脂を注入するステップと、一定の圧力下において前記アンダーフィル用樹脂を溶融し前記アンダーフィル用樹脂をキュアするステップとを有する。ここで、半導体チップの複数の電極は、Ａｕ、半田等のバンプを含むことができる。同様に基板の導電性領域は、Ａｕ、半田等のバンプを含むことができる。

好ましくは溶融するステップは、アンダーフィル用樹脂をガラス転移温度以上に加熱する。アンダーフィル用樹脂は、例えばシリカが充填されたエポキシ樹脂である。この場合、アンダーフィル用樹脂が溶融されたときの粘度は、６０Ｐａ・ｓ以上であってもよい。また、半導体チップの一面と基板表面との間隔は、５０ミクロン以下であり、半導体チップの複数の電極は、５０ミクロン以下のピッチで配列されている場合に特に有効である。

製造方法はさらに、液状化されたアンダーフィル用樹脂を硬化するステップを含むことができる。製造方法はさらに、アンダーフィル用樹脂が注入された基板をチャンバー内に配置するステップを含み、溶融するステップは、チャンバー内においてアンダーフィル用樹脂を溶融することができる。注入するステップは、半導体チップの１つの側面側からアンダーフィル用樹脂を注入するものであってもよいし、対角線方向からアンダーフィル用樹脂を注入するものであってもよい。

さらに本発明の半導体装置の製造方法は、半導体パッケージの一面に２次元的に配列された複数の電極を、基板上の対応する導電性領域に接合するステップと、半導体パッケージの一面と基板との間にアンダーフィル用樹脂を供給するステップと、一定の圧力下において前記アンダーフィル用樹脂を溶融し前記アンダーフィル用樹脂をキュアするステップとを有する。

さらに本発明の半導体装置の製造方法は、１の半導体パッケージの一面に２次元的に配列された複数の電極を、他の半導体パッケージ上の対応する導電性領域に接合するステップと、１の半導体パッケージの一面と他の半導体パッケージの一面との間にアンダーフィル用樹脂を供給するステップと、一定の圧力下において前記アンダーフィル用樹脂を溶融し前記アンダーフィル用樹脂をキュアするステップとを有する。

本発明によれば、一定の圧力下においてアンダーフィル用の樹脂を溶融するようにしたので、樹脂内に発生した気泡等のボイドが溶融した樹脂内に分散され、その結果、樹脂内のボイドの存在を事実上無視することができる。好ましくは、ボイドは、肉眼または超音波映像解析装置によって観察することができない程度として存在し得る。

以下、本発明の最良の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここでは、フリップチップ実装された半導体装置を例に用いる。

図１は、本発明の実施例に係る半導体装置の製造方法を示すフローである。本実施例の製造方法は、半導体チップおよび基板を用意する工程（ステップＳ１０１）、半導体チップの電極を基板の導体パターンにフリップチップ接続する工程（ステップＳ１０２）、半導体チップと基板との間に形成された空間内にアンダーフィル用の樹脂を注入する工程（ステップＳ１０３）、アンダーフィル用樹脂をキュアする工程（ステップＳ１０４）、および外部接続端子を接続する工程（ステップＳ１０５）とを含んでいる。

フリップチップ接続される半導体チップは、その一面に複数の電極が形成されている。電極は、例えば、めっきやペースト印刷等により形成されたＡｕや半田バンプ、キャピラリーによって形成されたＡｕスタットバンプであり、あるいはそのようなバンプを含むことができる。勿論、フリップチップ実装またはフェイスダウン実装が可能であれば、電極の形状、おおきさ、材質は、上記の例に限るものではない。

複数の電極は、２次元的に配列され、シリコン基板の表面に形成された回路素子と電気的に接続されている。電極のピッチが５０ミクロン以下のファインピッチとき、本実施例の製造方法による利益を大きく享受することができるが、電極のピッチは、５０ミクロンよりも大きくても良い。

図２に、いくつかの半導体チップの電極の配列パターンを示す。図２(ａ)は、エリアアレイであり、半導体チップの表面のほぼ全域に複数の電極が行列状に配列されている。図２（ｂ）は、コアアレイであり、半導体チップの中心部に複数の電極が行列状に配列されている。図２（ｃ）は、ペリフェラルアレイであり、半導体チップの周囲に電極が単列または複数列で配列されている。図２（ｄ）はコアアレイとペリフェラルを混在した混在アレイである。以上は、半導体チップの例示であって、ここに例示する以外の電極の配列パターンであってもよい。

フリップチップに用いられる基板は、ポリイミド基板やセラミック基板を用いることができ、多層配線基板であってもよい。例えば、ガラスエポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなるラミネート基板等を用いることができる。基板の表面には、半導体チップの電極に接続される導体パターンが形成される。導体パターンは、導電性領域であり、例えばＣｕパターンやＣｕパターン上に半田めっきが施されたり、半田等のバンプが形成されていてもよい。

図３は、フリップチップ実装される半導体チップと基板の一例を示す断面図である。半導体チップ１００の集積回路面である主面１１０には、複数のアルミニウム等から形成される電極パッド１２０が形成されている。電極パッド１２０には、バンプ１３０が接続されている。バンプ１３０は、例えば、Ａｕスタットバンプであり、その直径は約３５μｍである。電極パッド１３０は、好ましくは５０μｍのピッチで４４０個配列されている。

基板２００は、その上面２１０にＣｕ等の電極２２０が形成され、電極２２０には、幾分だけ突出した半田バンプ２３０が形成されている。半田バンプ２３０は、半導体チップ１００の電極パッド１２０またはバンプ１３０に対応する位置に配置されている。電極２２０は、基板２００の内部配線２４０を介して、基板裏面２５０に形成された外部電極２６０に接続される。

半導体チップ１００のバンプ１３０を基板２００の半田バンプ２３０に接続し、はんだリフローによりバンプ１３０と電極２２０が共晶接合される。このとき、半導体チップ１００の主面１１０と基板２００の上面２１０との間隔は、約１５ミクロンである。

次に、バンプ１３０と電極２３０の接合状態は脆いため、これを補強するためにアンダーフィル用樹脂３００が、半導体チップ１００の主面１１０と基板２００の隙間に注入される。アンダーフィル用樹脂３００は、好ましくは一定の温度で低粘性をもつエポキシ樹脂等を用いることができる。例えば、ナミックスＵ８４３７−４８やＮＳＣＣ ＮＥＸ−３５１Ｒ（０５３）を用いることができる。図４は、これらのエポキシ樹脂の特性を示す表である。例えば、ナミックスは、５５重量％のシリカ粒子を含有し、粘度は６５Ｐａ・ｓである。ＮＳＣＣは、６５重量％のシリカ粒子を含有し、粘度は６１Ｐａ・ｓである。

アンダーフィル用樹脂の注入は、エポキシ樹脂が液状化される温度にて行われる。好ましくは、ガラス転移温度以上の温度に加熱される。アンダーフィル用樹脂は、フリップチップ実装される半導体チップの形状、大きさ、電極の数、電極の配列に応じて注入する位置や方向が選択される。例えば、図５（ａ）に示すように半導体チップ１００の対角線の方向Ｓ、図５（ｂ）に示すように半導体チップ１００の１つの側面の方向Ｓ１、あるいは図５（ｃ）に示すように半導体チップの隣接する２つの側面の方向Ｓ１、Ｓ２から注入することができる。

アンダーフィル用樹脂３００は、上記したように毛細管現象によって半導体チップと基板の間隙内を奥に進んでいく。このときの進行速度は、半導体チップおよび基板表面の摩擦や接合された電極の障害により不均一となり、その結果、樹脂は空気を取り込みボイドを生成してしまう。特に、エポキシ樹脂の粘度が高かったり、半導体チップと基板間の間隔が狭かったり、電極がファインピッチ化されていると、ボイドの発生確率は高くなる。また、このようなボイドの発生する位置や大きさを予測することは現実的に不可能である。

実際に、電極数が１６個（４×４のエリアアレイ）、半導体チップ側の電極がＡｕスタットバンプ、電極ピッチが５０ミクロン、半導体チップと基板との間隔が１５ミクロン、アンダーフィル用樹脂にナミックスを用いたとき、アンダーフィル用樹脂内には、最大で４０〜５０ミクロンのボイドが発生することが確認された。特に、スタットバンプ電極の場合、電極の形状が不均一となりやすく、これがボイドの発生に寄与していると考えられる。また、電極パターンが、図２（ｄ）に示す混在アレイになれば、アンダーフィル用樹脂の進行速度のばらつきが内部で大きくなり、ボイドの発生する確率が高くなることがある程度予測される。

本実施例では、このようなボイドを事実上無くすためにアンダーフィル用樹脂をキュアする。アンダーフィル用樹脂の注入により、アンダーフィル用樹脂が半導体チップと基板の隙間を毛細管現象により進行し、注入が終了すると、アンダーフィル用樹脂は一旦硬化する。次ぎ、アンダーフィル用樹脂がキュアされる。アンダーフィル用樹脂の注入とキュアは連続的に行うことが望ましいが、その間に他の工程が行われることを妨げるものではない。

キュアは、アンダーフィル樹脂３００に一定の圧力を加えつつ、アンダーフィル用樹脂をガラス転移温度以上の温度に加熱して溶融させる。圧力を加えた状態で樹脂を溶融することで、樹脂内のボイドの移動が可能となり、樹脂内のボイドが液状化された樹脂内に分散され、あるいは樹脂から排出される。また、圧力は、アンダーフィル用樹脂の材質（例えば、粘度）や、半導体チップの形状、大きさ、電極ピッチ、電極パターン、および半導体チップと基板との間隔に応じて適宜変更し得る。

以上のキュアによって、樹脂内のボイドは、細分化、微細化あるいは排出されるため、ボイドを肉眼やＳＡＴ（超音波映像装置）によって観察することができない状態にすることができる。その結果、ボイドにより樹脂の強度が低下したり、ボイドによりクラックが生じ難くなり、ボイドの存在を事実上無視することができる。

好ましくはキュアは、昇温機能が付与された圧力チャンバーを用いて行うことができる。圧力チャンバー内に、アンダーフィル用樹脂が充填された基板を配置し、次いで、チャンバー内を所定の圧力に設定し、チャンバー内の温度をガラス転移温度を超える温度に昇温し、アンダーフィル用樹脂をキュアする。例えば、図４に示すナミックスが用いられた場合、キュアの温度は、ガラス転移温度１４５度より高い１７５度に設定され、チャンバー内の圧力は０．５Ｍｐａに設定される。キュア時間は、約１時間である。ナミックスは、比較的粘度が高いが、上記のようなキュアを施すことで、樹脂内にはは事実上ボイドが存在しなくなる。

アンダーフィル用樹脂のキュアが行われた後、基板２００の裏面２５０の外部電極２６０には、ＢＧＡ用またはＣＳＰ用の半田ボール２７０が接続される。勿論、ＬＧＡ（Land Grid Array）であれば、外部電極２６０が外部端子となり、半田ボールを接続することを要しない。基板２００上に複数の半導体チップがマウントされている場合には、基板が個々の半導体チップ毎に切り落とされる。

このように、フリップチップ実装においてアンダーフィル用樹脂をキュアすることで、アンダーフィル用樹脂内のボイドを極力無くすことができ、半導体チップと基板の電極の剥離を抑制し、ファインピッチに対応した信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

次に、他のフリップチップ実装の例について説明する。上記実施例は、半導体チップを基板にフリップチップ実装する例を示したが、図６は、半導体パッケージを基板にフリップチップ実装する例を示している。同図に示すように、ＢＧＡまたはＣＳＰ等の半導体パッケージ４００は、パッケージの裏面に２次元アレイ状の複数の外部端子４１０を備えている。外部端子４１０は、例えばはんだボールである。複数の外部端子４１０は、基板２００の上面に形成された導電性ランド２２０に接合された後、パッケージ４００と基板２００との間にアンダーフィル用樹脂３００が充填される。アンダーフィル用樹脂３００は、上記と同様に一定の圧力を印加された状態でガラス転移温度以上の温度でキュアされる。

このように、半導体パッケージ４００を基板２００の間に充填されたアンダーフィル用樹脂３００をキュアすることにより、アンダーフィル用樹脂３００内のボイドを限りなく削減し、半導体パッケージと基板の電極の接合強度を向上させることができる。

さらにフリップチップ実装は、半導体パッケージ上に他の半導体パッケージを接続するパッケージ・オン・パッケージ（ＰＯＰ）であってもよい。図７は、ＢＧＡパッケージの上にＢＧＡパッケージが積層されたＰＯＰ構造を示している。

第１の半導体パッケージ５００は、多層配線基板５０２と、多層配線基板５０２の裏面に形成された複数のはんだボール５０４と、多層配線基板５０２の上面に形成されたモールド樹脂５０６とを備えている。基板５０２の上面にダイアタッチ５０８を介して半導体チップ５１０が取り付けられ、半導体チップ５１０の電極はボンディングワイヤ５１２により基板上の銅パターン５１４に接続されている。半導体チップ５１０およびボンディングワイヤ５１２を含む領域がモールド樹脂５０６によって封止されている。半導体チップ５１０は、このような構成以外にも上記したようなフリップチップ接続であってもよい。

第１の半導体パッケージ５００上に、第２の半導体パッケージ６００が積層されている。第２の半導体パッケージ６００は、例えば基板６０２の上面に半導体チップ６０４、６０６を積層し、これらの半導体チップ６０４、６０６がモールド樹脂６０８によって封止されている。基板６０２の裏面には、その４方向に２列のはんだボール６１０が形成されている。

第２の半導体パッケージ６００を第１の半導体パッケージ５００上にマウントしたとき、はんだボール６１０がモールド樹脂５０６を取り囲むように配置され、はんだボール６１０が、基板５０２の上面に形成された電極５１６に接続される。次に、第１の半導体パッケージ５００と第２の半導体パッケージ６００の隙間に、アンダーフィル用樹脂３００が充填される。アンダーフィル用樹脂３００は、上記と同様に、キュアされる。これにより、第１のパッケージ５００と第２のパッケージ６００間の接合強度を向上させることができる。

本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明に係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 半導体チップの電極パターンの例を示す平面図である。 フリップチップ実装される半導体チップと基板の一例を示す断面図である。 アンダーフィル用樹脂に用いられるエポキシ樹脂の特性を示す表である。 アンダーフィル用樹脂の注入方向を示す図である。 他のフリップチップ実装の例を説明する図である。 他のフリップチップ実装の例を説明する図である。 従来のフリップチップ実装の課題を説明する図である。 ボイドの発生を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１００：半導体チップ
１１０：主面
１２０：電極
１３０：バンプ
２００：基板
２１０：上面
２２０：電極
２３０：半田バンプ
２４０：内部配線
２５０：裏面
２６０：外部電極
２７０：半田ボール
３００：アンダーフィル用樹脂
４００：半導体パッケージ
４１０：外部端子
５００：第１の半導体パッケージ
６００：第２の半導体パッケージ

Claims (5)

1. 半導体チップの一面に２次元的に配列された複数の電極を、基板上の対応する導電性領域に接合するステップと、
   接合された半導体チップの一面と基板表面との間隔は、５０ミクロン以下であり、半導体チップの一面と基板との間に液状化されたアンダーフィル用樹脂を注入し、当該アンダーフィル用樹脂を硬化するステップと、
   アンダーフィル用樹脂が注入された基板を昇温機能が付与された圧力チャンバー内に配置するステップと、
   前記圧力チャンバー内の一定の圧力下において前記アンダーフィル用樹脂をガラス転移温度以上に加熱して溶融し前記アンダーフィル用樹脂を一定時間キュアするステップと、
   を有する、半導体装置の製造方法。
2. 前記アンダーフィル用樹脂が溶融されたときの粘度は、６０Ｐａ・ｓ以上である、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記アンダーフィル用樹脂は、シリカが充填された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。
4. 半導体チップの複数の電極は、５０ミクロン以下のピッチで配列されている、請求項１ないし３いずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記注入するステップは、半導体チップの１つの側面側からまたは対角線の方向からアンダーフィル用樹脂を注入する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。

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