(57)【要約】【課題】  動作保証が求められる高限の温度においてアンダーフィル樹脂の弾性率を確保することができ、かつアンダーフィル樹脂を硬化させた後に低温へ変化させた場合の半導体チップにかかる内部応力を小さくすることができる半導体装置の製造方法を得る。【解決手段】  回路基板上にバンプを介して半導体チップをフリップチップ接続する工程と、回路基板と半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を設ける工程と、熱処理によりアンダーフィル樹脂を硬化させる工程とを有し、アンダーフィル樹脂として、動作保証が求められる高限の温度Ｔに対してガラス転位温度が、Ｔ−２５℃以上、Ｔ−５℃以下のものを用い、アンダーフィル樹脂を硬化させる工程において、Ｔ−１０℃以上、Ｔ＋１０℃以下の温度で熱処理する。【選択図】      図３
2006313826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板上にバンプを介して半導体チップをフリップチップ接続する工程と、
前記回路基板と前記半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を設ける工程と、
熱処理により前記アンダーフィル樹脂を硬化させる工程とを有し、
前記アンダーフィル樹脂として、動作保証が求められる高限の温度Ｔに対してガラス転位温度が、Ｔ−２５℃以上、Ｔ−５℃以下のものを用い、
前記アンダーフィル樹脂を硬化させる工程において、Ｔ−１０℃以上、Ｔ＋１０℃以下の温度で熱処理することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
回路基板上にバンプを介して半導体チップをフリップチップ接続する工程と、
前記回路基板と前記半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を設ける工程と、
熱処理により前記アンダーフィル樹脂を硬化させる工程とを有し、
前記アンダーフィル樹脂として、動作保証が求められる高限の温度Ｔにおける弾性率が１００ＭＰａ以上のものを用い、
前記アンダーフィル樹脂を硬化させる工程において、Ｔ−１０℃以上、Ｔ＋１０℃以下の温度で熱処理することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
回路基板上にバンプを介して半導体チップをフリップチップ接続する工程と、
前記回路基板と前記半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を設ける工程と、
熱処理により前記アンダーフィル樹脂を硬化させる工程とを有し、
前記アンダーフィル樹脂として、ガラス転位温度が、１００℃以上１２０℃以下のものを用い、
前記アンダーフィル樹脂を硬化させる工程において、１１５℃以上１３５℃以下の温度で熱処理することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記バンプは鉛フリー半田で構成され、
前記半導体チップは低誘電率膜を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板上にバンプを介して半導体チップをフリップチップ接続し、回路基板と半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を設ける半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回路基板上にバンプを介して半導体チップがフリップチップ接続された半導体装置において、バンプにかかる応力を低減するために回路基板と半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂が設けられる（例えば、特許文献１参照）。このアンダーフィル樹脂を加熱した場合にガラス状の化体状態からゴム状に変わる現象をガラス転移といい、ガラス転移が起こる温度をガラス転移温度Ｔｇ（glass transition temperature）という。
【０００３】
一般的に半導体チップに対して１２５℃程度での動作信頼性が求められる。また、１２５℃程度での信頼性を確かめる上で、１２５℃程度の温度に加熱し、長時間バイアスをかける加速試験であるバーンイン試験を行うことがある。このため、従来は、バンプを保護するためにＴｇが１２５℃以上でなければならないと考えられていた。これは、Ｔｇが低すぎると、動作保証が求められる１２５℃においてアンダーフィル樹脂の弾性率が低くなるため、バンプに応力が集中し金属疲労を起こし、クラックが生じる恐れがあるからである。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１０６３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アンダーフィル樹脂を硬化させるための樹脂硬化温度（キュア温度）は少なくともＴｇよりも高くしなければアンダーフィル樹脂の硬化が不十分となる。このため、Ｔｇが高いとキュア温度も高くなる。従って、アンダーフィル樹脂を硬化させた後に低温へ変化させた場合の温度差が大きくなり、熱膨張差により半導体チップにかかる内部応力が大きくなる。熱膨張差に起因する内部応力は、硬化させた温度からの温度差と熱膨張係数ミスマッチの積分で表される。これにより、半導体チップ、特にチップ内の低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）にクラックが発生するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、動作保証が求められる高限の温度においてアンダーフィル樹脂の弾性率を確保することができ、かつアンダーフィル樹脂を硬化させた後に低温へ変化させた場合の半導体チップにかかる内部応力を小さくすることができる半導体装置の製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、回路基板上にバンプを介して半導体チップをフリップチップ接続する工程と、回路基板と半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を設ける工程と、熱処理によりアンダーフィル樹脂を硬化させる工程とを有し、アンダーフィル樹脂として、動作保証が求められる高限の温度Ｔに対してガラス転位温度が、Ｔ−２５℃以上、Ｔ−５℃以下のものを用い、アンダーフィル樹脂を硬化させる工程において、Ｔ−１０℃以上、Ｔ＋１０℃以下の温度で熱処理する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、動作保証が求められる高限の温度においてアンダーフィル樹脂の弾性率を確保することができ、かつアンダーフィル樹脂を硬化させた後に低温へ変化させた場合の半導体チップにかかる内部応力を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
温度とアンダーフィル樹脂の弾性率の関係について引張り試験により調べた実験結果を図１に示す。樹脂Ａはガラス転移温度Ｔｇが６５℃、樹脂ＢはＴｇが９５℃、樹脂Ｃと樹脂ＤはＴｇが１１０℃である。ここで、ＰｂＳｎ共晶半田に比べて硬くて脆い鉛フリー半田からなるバンプを保護するためには、動作保証が求められる１２５℃におけるアンダーフィル樹脂の弾性率が１００ＭＰａ以上必要である。しかし、この条件を満たすのは樹脂Ｃと樹脂Ｄだけであった。これにより、バンプを保護するためには、アンダーフィル樹脂のＴｇは１００℃以上必要であることが分かった。
【００１０】
また、回路基板と半導体チップとの間にアンダーフィル樹脂を設けた半導体装置について、樹脂硬化時と低温時の温度差により半導体チップにかかる応力について調べた結果を図２に示す。樹脂Ｃはキュア温度を１５０℃とし、樹脂Ｄはキュア温度を１２５℃とした。この結果、樹脂硬化時と低温時における半導体チップにかかる応力は、樹脂Ｄよりも樹脂Ｃの方が大きくなることが分かった。キュア温度を１５０℃とした樹脂Ｃにおいては、シミュレーションの結果、マイナス２５℃において、チップにかかる応力が８８．８ＭＰａ程度となる。温度サイクル時において、半導体チップにかかる応力が大きいため、チップ内部でのクラックの発生に至る可能性を十分に低くするのが難しくなる。これに比較して、キュア温度を１２５℃とした樹脂Ｄにおいては、シミュレーションの結果、マイナス２５℃において、チップにかかる応力が６９．１ＭＰａ程度となる。温度サイクル時において、半導体チップにかかる応力を小さくすることができる。実際に、キュア温度を１５０℃とした場合に比較して、キュア温度を１２５℃とした場合には、マイナス２５℃〜１２５℃の温度サイクル試験における耐久性が高い事が分かった。これらの評価により、半導体チップにかかる内部応力を小さくするには、キュア温度は１３５℃以下にする必要があることが分かった。特に、半導体チップに強度の低い低誘電率膜を使用する場合など、十分な応力低減が求められる場合には、本発明適用の必要性は更に高くなる。ただし、キュア温度は少なくともＴｇよりも高くしなければならないため、キュア温度を１３５℃以下にするためにＴｇも１２０℃以下にしなければならない。
【００１１】
以上の実験結果を踏まえて提案された本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について図面を用いて以下に説明する。まず、図３（ａ）に示すように、回路基板１１上にバンプ１２を介して半導体チップ１３をフラックスレス・フリップチップボンディング技術によりフリップチップ接続する。ただし、バンプ１２は鉛フリー半田で構成する。鉛フリー半田とは、鉛が含まれていないか、又は環境負荷が少ない程度（１ｗｔ％未満）の鉛しか含まれていない半田である。ここでは、鉛フリー半田として、ＳｎにＡｇが１％程度含有し、Ｃｕが０．５％程度含有したものを用いる。
【００１２】
また、半導体チップ１３は、低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）からなる層間絶縁膜を有する。ここで、低誘電率膜とは、ＳｉＯ２に比べて比誘電率が低い膜であり、例えば、ＳｉＯＣである。このような低誘電率膜は一般的に密度が低く、強度が弱い。
【００１３】
次に、図３（ｂ）に示すように、バンプ１２にかかる応力を低減するために、回路基板１１と半導体チップ１３との間にエポキシ樹脂等からなるアンダーフィル樹脂１４を設ける。ただし、アンダーフィル樹脂１４として、ガラス転位温度Ｔｇが１００℃以上１２０℃以下、ここでは１１０℃のものを用いる。Ｔｇの測定方法には様々なものがあるが、ここではＤＭＡ法（引張り法）を用いる。即ち、試験片を室温から２℃／分の割合で昇温させ、粘弾性測定装置にて試験片の動的粘弾性及び損失正接を測定し、その損失正接のピーク温度からＴｇを求める。
【００１４】
その後、回路基板及び半導体チップを、１１５℃以上１３５℃以下の温度、ここでは１２５℃で６時間程度熱処理してアンダーフィル樹脂１４を硬化させる。ここで、従来は高温の１５０℃で熱処理することで処理時間を短縮していた。これに対し、本実施の形態では、処理時間を長くし、ＴＡＴを低下させてでも、熱処理の温度を低くしている。これにより、アンダーフィル樹脂１４を硬化した後に低温へ変化させた場合の温度差を小さくすることができるため、半導体チップ１３にかかる内部応力を小さくすることができる。低温でも十分な硬化を達成し、半導体チップ１３の保護をより確実にするために、少なくとも２時間以上、より好ましくは５時間以上の硬化熱処理を施すのが好ましい。
【００１５】
次に、図３（ｃ）に示すように、回路基板１１上に吸着テープによりスティフナー１５を設け、半導体チップ１３の裏面に熱伝導樹脂１６によりヒートスプレッダ１７を取り付ける。
【００１６】
次に、図３（ｄ）に示すように、回路基板１１の裏面に直径１．０ｍｍの鉛フリー半田からなる半田ボール１８を配列する。その後、回路基板１１及び半導体チップ１３を１２５℃程度に加熱してバーンイン試験を行う。以上の工程により、本実施の形態に係る半導体装置が製造される。
【００１７】
バンプを保護するためには動作保証が求められる高限の温度（１２５℃）におけるアンダーフィル樹脂の弾性率が１００ＭＰａ以上必要であるが、上記の半導体装置では、アンダーフィル樹脂の弾性率が２７０ＭＰａであり、条件を満たしている。
【００１８】
上記のように、Ｔｇが１００℃以上１２０℃以下のアンダーフィル樹脂を用い、キュア温度を１１５℃以上１３５℃以下として製造した半導体装置を、温度範囲が−２５〜１２５℃で１０００サイクルの温度サイクル試験にかけた結果、良好な信頼性を示す結果が得られた。特に、Ｔｇ１１０℃のアンダーフィル樹脂を用い、キュア温度を１２５℃とした場合に、最も良好な結果が得られた。
【００１９】
ここで、動作保証が求められる高限の温度をＴとすると、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、アンダーフィル樹脂として、ガラス転位温度がＴ−２５℃以上、Ｔ−５℃以下のものを用い、アンダーフィル樹脂を硬化させる工程において、Ｔ−１０℃以上、Ｔ＋１０℃以下の温度で熱処理する。または、アンダーフィル樹脂として、動作保証が求められる高限の温度をＴにおける弾性率が１００ＭＰａ以上のものを用い、アンダーフィル樹脂を硬化させる工程において、Ｔ−１０℃以上、Ｔ＋１０℃以下の温度で熱処理する。ただし、半導体チップが１０ｍｍ角以上の場合は、Ｔ−５℃以上、Ｔ＋５℃以下の温度で熱処理するのが好ましい。
【００２０】
これにより、動作保証が求められる高限の温度においてアンダーフィル樹脂の弾性率を確保することができ、かつアンダーフィル樹脂を硬化させた後に低温へ変化させた場合の半導体チップにかかる内部応力を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】温度とアンダーフィル樹脂の弾性率の関係を示す図である。
【図２】樹脂硬化時と低温時の温度差により半導体チップにかかる応力について調べた結果を示す図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１１  回路基板
１２  バンプ
１３  半導体チップ
１４  アンダーフィル樹脂
【図１】
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【図２】
2006313826.tif 000004
【図３】
2006313826.tif 000005