(57)【要約】      （修正有）【課題】  フリップチップ接合において、封止材内の泡残存を防止可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】配線基板１０の端子面に、接合用金属３０の表面の酸化膜を除去する作用を有する封止材用樹脂４１を設ける工程と、配線基板１０の端子１１と半導体チップ２０のバンプ２１上の接合用金属３０とを相対向配置した後、封止材用樹脂４１の硬化開始条件を満たさない加熱条件で接合用金属３０を溶融した後冷却固化させ、且つ接合用金属３０が溶融してから冷却固化するまで一定の荷重を付与するようにして接合する工程と、次いで、硬化開始条件となる所定温度より低く且つ封止材用樹脂４１を軟化させる温度条件下で封止材用樹脂４１の脱ボイドを行う工程と、その後、前記封止材用樹脂を硬化する工程とを具備するフリップチップ接合方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ或いは配線基板からなる第１チップ及び第２チップを、それぞれの端子が設けられた端子面同士を相対向させ、少なくとも一方の端子に設けられた接合用金属を介して前記第１チップ及び第２チップの端子同士を接合するフリップチップ接合方法において、
前記第１チップ及び第２チップの端子が設けられた端子面の何れか又は両方に、前記接合用金属の表面の酸化膜を除去する作用を有する封止材用樹脂を設ける工程と、
次いで、前記第１チップと前記第２チップとを端子同士が相対向するように相対向配置した後、前記封止材用樹脂の硬化開始条件を満たさない加熱条件で前記接合用金属を溶融した後冷却固化させ且つ前記接合用金属が溶融してから冷却固化するまで前記端子間に一定の荷重を付与するようにして前記端子同士を接合する工程と、
次いで、前記硬化開始条件となる所定温度より低く且つ前記封止材用樹脂を軟化させる温度条件下で前記封止材用樹脂の脱ボイドを行う工程と、
その後、前記封止材用樹脂を硬化する工程とを具備することを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項２】
請求項１に記載のフリップチップ接合方法において、前記接合用金属を溶融した後冷却固化するまでの加熱条件が、前記硬化開始条件を満たす所定温度以上であるが、前記硬化開始条件に満たない加熱時間であることを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のフリップチップ接合方法において、前記接合用金属を溶融した後冷却固化するまでの加熱条件が、１４０℃以上の加熱が２００秒以内の加熱条件であることを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載のフリップチップ接合方法において、
前記第１チップ及び第２チップの何れか又は両方の端子面に封止材用樹脂を設けた後、当該封止材用樹脂を脱泡する工程を具備することを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れかに記載のフリップチップ接合方法において、前記第１チップと前記第２チップの何れか一方を接合装置の載置台に載置すると共に、チップを所定位置の範囲内で上下方向移動自在に保持すると共に当該チップを載置台上のチップに対して所定荷重で押圧する荷重付加ヘッドに他方を保持し、当該荷重付加ヘッドを所定位置に位置決め配置した状態で前記第１チップと前記第２チップとを端子同士が相対向するように相対向配置させて前記所定荷重で前記第１チップと第２チップとを押圧した状態とし、その状態で前記封止材用樹脂の硬化開始条件を満たさない加熱条件で前記接合用金属を溶融し且つ冷却固化させることを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項６】
請求項５に記載のフリップチップ接合方法において、前記荷重付加ヘッドは、前記載置台に対して位置決め移動可能な移動機構の移動ヘッドに設けられた荷重付加機構と、この荷重付加機構の先端に設けられたチップ保持部とを具備し、前記荷重付加機構は、前記チップ保持部に保持されたチップが下方に支持されたチップに当接した際に前記所定位置の範囲内で所定荷重で押圧するように機能することを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のフリップチップ接合方法において、前記荷重保持機構は、所定の弾性力により押圧する弾性部材を介して前記チップ保持部を支持するものであることを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項８】
請求項５又は６に記載のフリップチップ接合方法において、前記荷重保持機構は、前記移動ヘッドに固定された固定部と当該固定部に対して上下方向に移動自在となると共に前記チップ保持部が設けられた移動部とを具備し且つ磁力により前記固定部に対して前記移動部に浮力を与えて浮遊状態で保持するものであり、前記移動部及び前記チップ保持部の自重と前記浮力との差分を下方への押圧荷重とするものであることを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかに記載のフリップチップ接合方法において、前記封止材用樹脂が、カルボキシル基を有する重合開始剤を含有する熱硬化樹脂であることを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れかに記載のフリップチップ接合方法において、前記脱ボイドを減圧雰囲気下で行うことを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れかに記載のフリップチップ接合方法において、前記第１チップが配線基板であり、この第１チップ上に半導体チップである第２チップを複数接合した後、前記封止材の脱ボイドを行う工程と、その後、前記封止材用樹脂を硬化する工程とを実行することを特徴とするフリップチップ接合方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れかに記載のフリップチップ接合方法を用いて半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体装置の製造方法において、複数の半導体チップを併設或いは積層して一つの半導体装置であるシステムインパッケージモジュールを製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、前記システムインパッケージモジュールをさらに配線基板にワイヤボンディング実装或いはフリップチップ実装し、封止してパッケージ化することを特徴とする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、半導体チップの端子を別の半導体チップの端子或いは配線基板上の端子に接合するフリップチップ接合方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年システムインパッケージ（以下、ＳｉＰ）と呼ばれる複数の半導体チップを組み合わせて、単一チップでは実現できない機能を持たせた半導体装置が多く提案されており、半導体チップ同士又は半導体チップの配線基板との接合には、一般的には、フリップチップ（以下、ＦＣ）接合が適用される。また、このようにＦＣ接合を適用した実装においては、接合端子の周囲はアンダーフィルと呼ばれる封止樹脂により封止されるが、この方法として、後アンダーフィル法と先アンダーフィル法とが知られている。
【０００３】
後アンダーフィル法は、現在、一般的に用いられている方法であるが、端子同士を接合した後にチップ間の隙間に液状の封止材を封止材充填装置により注入し、毛細管現象を利用して接合端子の周囲に封止材を注入し、その後封止材を硬化して接合部を封止するというものである。
【０００４】
一方、先アンダーフィル法は、端子同士の接合前に、封止材であるアンダーフィル材を何れか又は両方のチップの端子が設けられた端子面に予め所定量塗布或いは貼付した後、端子同士がアライメントされた状態となるようチップ同士を相対向配置し、加熱、加圧、超音波等により端子接合及び封止材の硬化を行ってＦＣ接合すると共にアンダーフィル材を硬化させるものである。
【０００５】
後アンダーフィル法は複数のチップを並べて実装する場合、チップ間の隙間が狭くなり封止材注入スペースの確保が困難である。また、端子間隔が狭く、バンプが小さくなり、接続ギャップが小さくなると、封止材中のフィラーが流入し難くなるため、高密度実装の半導体装置や、狭端子間隔のチップを実装する場合には、先アンダーフィル法が有利である。
【０００６】
しかしながら、先アンダーフィル法では、半田の接合プロセスと予め設けられたアンダーフィル材の硬化プロセスとを端子同士の接合不良が生じないように如何に行うかが課題である。
【０００７】
そこで、半田の融点温度より低い融点の硬化剤を含むボンド（アンダーフィル材）を塗布した後、圧着ツールで押圧しながら、ボンドが完全硬化する前に半田を溶融温度以上に加熱し、ボンドが完全に硬化する前に半田を溶融させて接合するようにする方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００８】
また、半田の融点温度より低い融点の硬化剤を含むボンド（アンダーフィル材）を塗布した後、圧着ツールで押圧しながら加熱し、半田バンプが溶融する前にボンドの硬化を開始させて溶融半田の周囲を粘度の高いボンドで包み、半田温度融点温度より低い制御切替温度範囲に達した後、押圧加重制御から高さ制御方式に切り替えて制御して電極間の短絡を防止してＦＣ接合する方法が提案されている（特許文献２参照）。
【０００９】
さらに、アンダーフィル材として室温で固体である熱硬化性樹脂からなるフィルムをチップに貼り付け、これを半田の融点以下の温度で溶融させて、チップと配線基板との接合時には溶融状態を保つようにし、チップと配線基板とを電気接続後、半田の融点以下の温度で熱硬化性樹脂を硬化させる方法が提案されている（特許文献３参照）。
【００１０】
これらの先アンダーフィル法によるＦＣ接合においては、封止材が塗布された半導体チップと、これと接合する配線基板或いは半導体チップとを相対向配置する際に空気の巻き込みにより生じる気泡や、樹脂が高温に晒された際に生じる気泡により、半導体装置の信頼性を損ねるという問題がある。このような問題を解消するために、先アンダーフィル法によるＦＣ接合において、脱泡処理を行うことが提案されている（特許文献４参照）が、ＦＣ接合プロセスとアンダーフィル材の硬化プロセスとが同時に行われており、脱泡を効果的に行うことが困難である。
【００１１】
また、ＦＣ接合においては、フラックスにより半田の表面の酸化膜を除去する工程と、接合後、フラックスを洗浄する工程とが必要になるが、先アンダーフィル法では、このような酸化膜をどのように処理するかも問題となる。かかる問題を解消するものとして、フラックス作用を有する硬化剤とエポキシ樹脂とからなり、電気絶縁性に優れると共に封止時間が短い液状樹脂組成物が提案されている（特許文献５参照）。かかる液状樹脂組成物は、先アンダーフィル法に適用できるものであるが、封止時間の短いものであり、気泡の問題は解決できない。
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−２１４４４０号公報
【特許文献２】特開平１１−２１４４３８号公報
【特許文献３】特許第３５５８５７６号公報
【特許文献４】特開２００４−２４７５３１号公報
【特許文献５】特開２００１−１０６７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上述した事情に鑑み、先アンダーフィル法によるＦＣ接合において、接合不良が生じる虞が少なく、狭端子間隔に対応可能なＦＣ接合方法、並びにそれらの狭端子間隔ＦＣ接合方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成する本発明の第１の態様は、半導体チップ或いは配線基板からなる第１チップ及び第２チップを、それぞれの端子が設けられた端子面同士を相対向させ、少なくとも一方の端子に設けられた接合用金属を介して前記第１チップ及び第２チップの端子同士を接合するフリップチップ接合方法において、前記第１チップ及び第２チップの端子が設けられた端子面の何れか又は両方に、前記接合用金属の表面の酸化膜を除去する作用を有する封止材用樹脂を設ける工程と、次いで、前記第１チップと前記第２チップとを端子同士が相対向するように相対向配置した後、前記封止材用樹脂の硬化開始条件を満たさない加熱条件で前記接合用金属を溶融した後冷却固化させ且つ前記接合用金属が溶融してから冷却固化するまで前記端子間に一定の荷重を付与するようにして前記端子同士を接合する工程と、次いで、前記硬化開始条件となる所定温度より低く且つ前記封止材用樹脂を軟化させる温度条件下で前記封止材用樹脂の脱ボイドを行う工程と、その後、前記封止材用樹脂を硬化する工程とを具備することを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００１５】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載のフリップチップ接合方法において、前記接合用金属を溶融した後冷却固化するまでの加熱条件が、前記硬化開始条件を満たす所定温度以上であるが、前記硬化開始条件に満たない加熱時間であることを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００１６】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載のフリップチップ接合方法において、前記接合用金属を溶融した後冷却固化するまでの加熱条件が、１４０℃以上の温度が２００秒以内の加熱条件であることを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様に記載のフリップチップ接合方法において、前記第１チップ及び第２チップの何れか又は両方の端子面に封止材用樹脂を設けた後、当該封止材用樹脂を脱泡する工程を具備することを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様に記載のフリップチップ接合方法において、前記第１チップと前記第２チップの何れか一方を接合装置の載置台に載置すると共に、チップを所定位置の範囲内で上下方向移動自在に保持すると共に当該チップを載置台上のチップに対して所定荷重で押圧する荷重付加ヘッドに他方を保持し、当該荷重付加ヘッドを所定位置に位置決め配置した状態で前記第１チップと前記第２チップとを端子同士が相対向するように相対向配置させて前記所定荷重で前記第１チップと第２チップとを押圧した状態とし、その状態で前記封止材用樹脂の硬化開始条件を満たさない加熱条件で前記接合用金属を溶融し且つ冷却固化させることを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００１９】
本発明の第６の態様は、第５の態様に記載のフリップチップ接合方法において、前記荷重付加ヘッドは、前記載置台に対して位置決め移動可能な移動機構の移動ヘッドに設けられた荷重付加機構と、この荷重付加機構の先端に設けられたチップ保持部とを具備し、前記荷重付加機構は、前記チップ保持部に保持されたチップが下方に支持されたチップに当接した際に前記所定位置の範囲内で所定荷重で押圧するように機能することを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００２０】
本発明の第７の態様は、第５又は６の態様に記載のフリップチップ接合方法において、前記荷重保持機構は、所定の弾性力により押圧する弾性部材を介して前記チップ保持部を支持するものであることを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００２１】
本発明の第８の態様は、第５又は６の態様に記載のフリップチップ接合方法において、前記荷重保持機構は、前記移動ヘッドに固定された固定部と当該固定部に対して上下方向に移動自在となると共に前記チップ保持部が設けられた移動部とを具備し且つ磁力により前記固定部に対して前記移動部に浮力を与えて浮遊状態で保持するものであり、前記移動部及び前記チップ保持部の自重と前記浮力との差分を下方への押圧荷重とするものであることを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００２２】
本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様に記載のフリップチップ接合方法において、前記封止材用樹脂が、カルボキシル基を有する重合開始剤を含有する熱硬化樹脂であることを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００２３】
本発明の第１０の態様は、第１〜９の何れかの態様に記載のフリップチップ接合方法において、前記脱ボイドを減圧雰囲気下で行うことを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００２４】
本発明の第１１の態様は、第１〜１０の何れかの態様に記載のフリップチップ接合方法において、前記第１チップが配線基板であり、この第１チップ上に半導体チップである第２チップを複数接合した後、前記封止材の脱ボイドを行う工程と、その後、前記封止材用樹脂を硬化する工程とを実行することを特徴とするフリップチップ接合方法にある。
【００２５】
本発明の第１２の態様は、第１〜１１の何れかの態様に記載のフリップチップ接合方法を用いて半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法にある。
【００２６】
本発明の第１３の態様は、第１２の態様に記載の半導体装置の製造方法において、複数の半導体チップを併設或いは積層して一つの半導体装置であるシステムインパッケージモジュールを製造することを特徴とする半導体装置の製造方法にある。
【００２７】
本発明の第１４の態様は、第１３の態様に記載の半導体装置の製造方法において、前記システムインパッケージモジュールをさらに配線基板にワイヤボンディング実装或いはフリップチップ実装し、封止してパッケージ化することを特徴とする半導体装置の製造方法にある。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、先アンダーフィル法によるＦＣ接合において、接合不良が生じる虞が少なく、狭端子間隔に対応可能なＦＣ接合方法、並びにそれらの狭端子間隔ＦＣ接合方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下に示した実施の形態には限定されない。
【００３０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図４に基づき説明する。
【００３１】
図１に本発明のＦＣ接合方法により製造された半導体装置の一例の概略を示す。
【００３２】
図１に示すように、この半導体装置１は、第１の半導体チップ１０の端子１１と第２半導体チップ２０の端子２１とが半田等の接合用金属３０を用いて溶融接合されており、且つ第１及び第２の半導体チップ１０，２０の間の空間が、熱硬化性樹脂を主成分とする封止材４０により封止されたものである。
【００３３】
本発明のＦＣ接合方法は、図１に示すような半導体装置１の製造に適用できるものであり、以下、本実施形態に係るＦＣ接合方法を説明する。なお、本実施形態は、接合用金属による接合の際に接合用金属の加熱開始から固化終了まで、一定に保たれた荷重を付加してＦＣ接合を行うことが可能なＦＣボンダーと呼ばれる接合装置を用いてＦＣ接合を行う場合の一例である。なお、このＦＣボンダーは、荷重測定のフィードバックによりモータの駆動制御で荷重を一定に保つものとは異なる。
【００３４】
図２（ａ）〜（ｇ）に本実施形態におけるＦＣ接合方法の流れを示す。
【００３５】
図２（ａ）に示すように、第１の半導体チップ１０を載置し、その端子１１が設けられた面上に端子１１を覆うように、図２（ｂ）に示すように、封止材４０となる封止材用樹脂であるアンダーフィル材４１を、滴下、スピンコートなどによる塗布、印刷、貼付、或いは載置等により設ける。
【００３６】
次いで、本実施形態においては、図２（ｃ）に示す通り、アンダーフィル材４１を軟化させるが、ゲル化或いは硬化温度より低い温度において、減圧（２５０〜２６０ｔｏｒｒ）状態で保持し、アンダーフィル材４１を脱泡する前脱泡処理を行う。かかる前脱泡処理は、図２（ｂ）において第１の半導体チップ１０上にアンダーフィル材４１を設ける際に巻込み等により発生した泡５１を除去するために行われる。
【００３７】
次に、図２（ｄ）に示すように、アンダーフィル材４１が設けられた第１の半導体チップ１０上に、端子２１上に接合用金属３０が設けられている第２の半導体チップ２０を相対向配置し、端子１１、２１同士を接合用金属３０を介して密着状態とするように位置決め配置する。
【００３８】
次いで、図２（ｅ）に示すように、端子１１、２１同士を密着状態とし且つ両者の間に所定の荷重を付与した状態で、接合用金属３０をその融点よりも数十度高い温度に加熱して溶融して端子１１、２１同士が接合用金属３０を介して接続された状態とし、その後冷却することにより、第１の半導体チップ１０の端子１１と第２の半導体チップ２０の端子２１とを接合する。ここで、このような端子１１、２１同士の接合用金属３０を用いた接合の工程には、ＦＣボンダーと呼ばれる接合装置が用いられるが、このＦＣボンダーの詳細については後述する。
【００３９】
続いて、アンダーフィル材４１の脱ボイドを行う。この脱ボイドはＦＣボンダーに搭載したまま行ってもよいが、ＦＣボンダーから外し、例えば、減圧加温装置で行う。すなわち、端子１１、２１が接合された半導体チップを取り外し、室内圧力調整が可能な加温装置内に移送し、アンダーフィル材４１の粘性を下げる温度であるが、硬化開始温度より低い温度で且つ減圧（２５０〜２６０ｔｏｒｒ）下に放置してボイドを行う。これにより、ＦＣ接合時に巻き込まれた空気や後述するように接合用金属３０の表面酸化膜がアンダーフィル材４１の作用により除去された際に発生する水などからなるボイド５２が除去される。
【００４０】
後脱泡が終了した状態を図２（ｆ）に示す。このように脱ボイドが終了した後、アンダーフィル材４１を硬化させて封止材４０とする。この状態を図２（ｇ）に示す。かかる硬化工程は、接合用金属３０の融点より低い温度で且つアンダーフィル材４１をゲル化或いは硬化させる加熱条件下で行えばよい。また、かかる硬化工程は、脱ボイドに続けて減圧加熱装置で行ってもよいが、拡散炉などにより別途行ってもよい。
【００４１】
さらに、後脱泡と硬化工程とを同時に行ってもよい。すなわち、アンダーフィル材４１のゲル化或いは硬化が開始される加熱温度化で脱泡を行い、脱ボイド終了後に硬化が完了するようにすればよい。
【００４２】
以上説明した本実施形態のＦＣ接合方法では、アンダーフィル材４１が所定の条件を満足している必要がある。
【００４３】
すなわち、アンダーフィル材４１は、第１に、接合用金属３０及び端子１１、２１の表面、特に接合用金属３０の表面の酸化膜を除去する機能を有する。このような機能を有するアンダーフィル材４１としては、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ系樹脂を主成分とし、カルボキシル基を有する重合開始剤が添加されたものを挙げることができる。
【００４４】
このような酸化膜除去作用を有する封止材用樹脂を用いることにより、接合用金属３０の表面の酸化膜による端子１１及び２１同士の接触不良を防止することができる。
【００４５】
また、アンダーフィル材４１は、第２に、ＦＣ接合の際の加熱条件では硬化開始条件を満たさないものを用いる。すなわち、アンダーフィル材４１は、接合用金属３０を介しての端子１１、２１同士のＦＣ接合の際の加熱条件によっては、硬化開始しないものを用いる。ここで、アンダーフィル材４１は、主成分が重合開始剤と反応することにより重合が開始してゲル化或いは硬化するものであるから、既に重合開始剤が混合された状態では、常温下においても部分的には或いは非常に小さな速度ではゲル化或いは硬化反応が開始されている。よって、本発明における硬化開始とは、所定の加熱温度で所定時間加熱したことにより、全体としてゲル化或いは硬化反応が開始することをいい、このような反応状態とする条件を硬化開始条件とする。
【００４６】
このようなアンダーフィル材４１としては、例えば、一般的な熱硬化性樹脂のゲル化開始温度である１４０℃以上で且つ接合用金属３０の融点を越える温度に加熱されても所定時間以上経過しないと硬化開始条件を満たすことにならないものを用いる。すなわち、一般的なＦＣボンダーによる加熱条件である、例えば、２６０℃で１０秒〜３０程度の加熱条件、具体的に加熱開始からの熱履歴を考えると、例えば、一般的な熱硬化性樹脂の硬化開始条件となる加熱温度である１４０℃から２６０℃まで加熱されて１４０℃未満に冷却されるまで、延べ２００秒程度加熱されていても硬化反応を開始しないものを用いる。
【００４７】
よって、アンダーフィル材４１としては、例えば、１４０℃〜２００℃の何れかの温度、好ましくは、１５０℃〜１８０℃の何れかの温度が硬化開始条件を満たす所定温度であり、この所定温度以上の加熱条件を所定時間、例えば、最低３０秒以上、好ましくは６０秒以上、さらに好ましくは１２０秒以上２００秒程度維持したときに硬化開始条件を満たすものを用いる。
【００４８】
このようなアンダーフィル材４１を用いると、接合用金属３０を溶融し、冷却固化するＦＣ接合は、硬化開始条件を満たす所定温度以上の温度が最低限２００秒以内、好ましくは１５０秒以内、さらには１２０秒以内、さらに好ましくは６０秒以内、さらには３０秒以内という加熱条件で行えばよいことになる。
【００４９】
なお、アンダーフィル材４１は、上述したように、酸化膜除去作用を有すると共に、所定の条件を満足する硬化開始条件を有するものであれば、カルボキシル基を有する重合開始剤を含有する熱硬化性樹脂に限定されないことはいうまでもない。
【００５０】
本実施形態のＦＣ接合方法では、図２（ｂ）〜（ｃ）に示すように、第１の半導体チップ１０の表面にアンダーフィル材４１を設けた後、脱泡処理を行って、アンダーフィル材４１を設けた際に巻き込まれた空気の泡５１を除去するものであるが、この脱泡処理を行わず、上述した図２（ｅ）〜（ｆ）の脱ボイド工程で一緒に処理するようにしてもよい。
【００５１】
図２（ｅ）〜（ｆ）の脱ボイド処理は必須であり、これにより、上述したように、接合用金属３０の表面の酸化膜がアンダーフィル材４１の作用により除去された際に生じる水や巻き込まれた空気からなるボイド５２を除去する。これにより、封止材４０による封止後における端子間の短絡や腐食を防止し、信頼性を向上することができる。
【００５２】
このような脱泡或いは脱ボイド処理は、アンダーフィル材４１の硬化開始条件を満たさないが、アンダーフィル材４１の粘性を低下させる加熱条件で行えばよく、上述したように、アンダーフィル材４１の硬化開始条件となる所定温度に達しない加熱温度で行えばよく、また、脱泡或いは脱ボイドできるようにアンダーフィル材４１の粘性が低下した状態とすればよい。具体的には、例えば８０℃〜１３０℃、好ましくは、１００℃〜１３０℃、さらに好ましくは、１１０℃〜１２０℃で行えばよく、アンダーフィル材４１の粘度が、例えば、１．０Ｐａ・ｓ以下となるようにするのが好ましい。
【００５３】
また、本実施形態においては、接合用金属３０としては、アンダーフィル材４１の硬化開始条件となる所定温度よりも高い融点を有する材料を用いる。これにより、ＦＣ接合後のアンダーフィル材４１の硬化処理の際に接合用金属３０の再溶融が防止され、ＦＣ接合の信頼性が保持される。
【００５４】
また、本実施形態では、接合用金属３０を溶融し、冷却固化するＦＣ接合プロセスにおいては、第１の半導体チップ１０の端子１１と第２の半導体チップ２０の端子２１との間に一定の荷重が付加されるように機能したＦＣボンダーを用いた。
【００５５】
このようなＦＣボンダーは、第１の半導体チップ１０を載置する載置台と、第２の半導体チップ２０を第１の半導体チップ１０に相対向配置して所定位置の範囲内で上下方向移動自在に保持すると共に当該第２の半導体チップ２０を第１の半導体チップ１０に対して所定荷重で押圧する荷重付加ヘッドとを具備するものである。
【００５６】
さらに詳言すると、荷重付加ヘッドは、載置台に対して位置決め移動可能な移動機構の移動ヘッドに設けられた荷重付加機構と、この荷重付加機構の先端に設けられたチップ保持部とを具備し、荷重付加機構は、チップ保持部に保持されたチップが下方に支持されたチップに当接した際に所定位置の範囲内で所定荷重で押圧するように機能するものである。
【００５７】
ここで、所定位置の範囲内で所定荷重で押圧するように機能するとは、アクチュエータを検出される荷重によりフィードバック制御して荷重を一定に保つものではなく、所定の弾性力により押圧する弾性部材を介してチップ保持部を支持するもの、又は第１の半導体チップ１０が保持されたチップ保持部が一定の荷重のみ下方に付加されるように構成されたものをいう。前者は、具体的には、チップ保持部がバネ定数が小さなコイルバネにより支持されているものである。
【００５８】
後者は、荷重保持機構が、移動ヘッドに固定された固定部と当該固定部に対して上下方向に移動自在となると共に前記チップ保持部が設けられた移動部とを具備し且つ磁力により固定部に対して移動部に浮力を与えて浮遊状態で保持するものであり、移動部及びチップ保持部の自重と浮力との差分を下方への押圧荷重とするものである。
【００５９】
ここで、後者の構成を有する具体的なＦＣボンダーの一例を図３を参照しながら説明する。なお、図３は、一定の押圧荷重を付加する構成について説明するためのものであり、ボンダーとしての一般的な構成については省略してある。すなわち、かかるＦＣボンダーは、上述したように、端子１１、１２同士を平面方向（Ｘ、Ｙ方向）に精密に位置決め移動するための機構を備えており、また、ＦＣ接合する際の加熱手段も備えているが、これらについては以下の説明では省略し、特徴的な構成のみについて説明する。
【００６０】
図３に示すように、第１の半導体チップ１０が載置される載置台１０１に、コラム１０２が立設され、コラム１０２の上部には主軸ヘッド１０３が設けられている。主軸ヘッド１０３には図示しない駆動手段が設けられており、この駆動手段には下方に向かった送りネジ軸１０４が回転自在に支持され、この送りネジ軸１０４に噛み合って昇降可能となる送りナット１０５が設けられている。この送りナット１０５には接続部材１０６が固定されており、接続部材１０６がコラム１０２の側面に設けられたガイド１０７に上下方向移動自在に噛み合うことにより、送りナット１０５は回転が規制された状態で昇降自在に保持されている。
【００６１】
このような構成により、主軸ヘッド１０３に設けられた駆動手段を駆動することにより、送りネジ軸１０４を回転すると、送りナット１０５が上下方向に移動するので、送りネジ軸１０４および送りナット１０５が移動機構を構成し、送りナット１０５が移動ヘッドとして機能する。
【００６２】
そして、移動ヘッドである送りナット１０５には、荷重付加ヘッドを構成する荷重付加機構１０８が付設されている。荷重付加機構１０８は、送りナット１０５に固定された固定部１０９と、この固定部１０９に対して所定の浮力が与えられた移動部１１０とを具備し、移動部１１０の下端部にチップ保持部１１１が設けられ、チップ保持部１１１に第２の半導体チップ２０が保持されている。
【００６３】
荷重付加機構１０８は、固定部１０９および移動部１１０に相反する磁力を発生させ且つその強度を制御することにより、固定部１０９と移動部１１０との磁力の相互作用により移動部１１０に所定の浮力を与えるものである。本実施形態では、固定部１０９に永久磁石を内蔵する一方、移動部１１０に電磁石を設け、移動部１１０内の電磁石への電流の大きさを調整することにより、浮力の大きさを調整することができるようにしている。なお、電磁石と永久磁石は逆に設けてもよいし、両方を電磁石としてもよいし、両方に永久磁石を設けると共に何れか一方に浮力調整用の電磁石を設けるようにしてもよく、これらの構成は限定されるものではない。
【００６４】
また、移動部１１０は、固定部１０９に対する上下方向への移動は規制されておらず、図示しないストッパにより落下しないように保持されているだけである。よって、第２の半導体チップ２０と第１の半導体チップ１０とを当接した状態では、第２の半導体チップ２０は、移動部１１０およびチップ保持部１１１並びに第２の半導体チップ２０の総自重から所定の浮力を差し引いた荷重で下方の第１の半導体チップ１０を押圧しており、且つ所定の移動範囲内においては（ストッパにより規制されない限り）上下方向に移動自在である。
【００６５】
図３のＦＣボンダーを用いて図２（ｄ）及び図２（ｅ）に示した端子１１、２１同士の接合を行う際には、まず載置台１０１に第１の半導体チップ１０を載置し、チップ保持部１１１に第２の半導体チップ２０を保持させた後、アライメント機構により、互いに接合される半導体チップ１０、２０の端子１１、２１同士が相対向するようにアライメントする。
【００６６】
次に、移動機構の送りネジ軸１０４を駆動して送りナット１０５下方に移動し、チップ保持部１１１に保持された第２の半導体チップ２０を載置台１０１上の第１の半導体チップ１０に接近させ、第１の半導体チップ１０と第２の半導体チップ２０との距離を制御して二つの半導体チップの端子１１、２１同士を略接触状態とする。
【００６７】
第１の半導体チップ１０と第２の半導体チップ２０とを略接触状態とする際には、加熱機構によりアンダーフィル材４１を加熱してその粘性を低下させるようにしてもよい。
【００６８】
その後、移動機構とは独立して荷重を付加することが可能な荷重付加機構１０８を用いて浮力を所定値とし、第２の半導体チップ２０が、移動部１１０およびチップ保持部１１１並びに第２の半導体チップ２０の総自重から所定の浮力を差し引いた荷重で下方の第１の半導体チップ１０を押圧するようにする。この際の荷重は、例えば、５〜１００ｇｆの範囲の所望の値とすればよく、この値は、ＦＣ接合工程を開始してから終了するまで変化させない。
【００６９】
この状態で、加熱機構により接合用金属３０の融点よりも数十度高い温度に加熱することで、端子１１、２１間に設けられた接合用金属３０を溶融し、その後、冷却して接合用金属３０が固化し、端子１１、２１同士をＦＣ接合する。
【００７０】
ここで、本実施形態の接合処理の概念的な説明を図４に示す。図４に示すように、状態Ａは、端子１１、２１同士を略接触状態とした後、荷重付加機構１０８を用いて浮力を所定値として第２の半導体チップ２０が移動部１１０およびチップ保持部１１１並びに第２の半導体チップ２０の総自重から所定の浮力を差し引いた荷重で下方の第１の半導体チップ１０を押圧するようにする接触させた状態であり、端子１１上に端子２１に設けられた接合用金属３０を接触した状態である。
【００７１】
この状態から温度を上昇させ、接合用金属３０が溶融すると、状態Ｂに示すように、端子１１と端子２１とは多少接近するが、端子１１を押圧する荷重は全く変化しない。そして、この状態で冷却すれば、端子１１、１２同士の接合は完了し、状態Ｃとなる。
【００７２】
このように、図３に示すＦＣボンダーを用いると、接合プロセスにおいて、端子１１、１２間の荷重は全く一定となるが、荷重付加機構１０８として所定の弾性力により押圧する弾性部材を用いてもよい。この場合、駆動手段とは切り離したバネ定数の小さな弾性部材を用いることができるので、状態Ａで所定の荷重を付加するように弾性力を調整すると、状態Ａから状態Ｂへの変位によって多少弾性力が変化するが、その変化量は微小であり、付加荷重をほぼ一定に保つことができる。
【００７３】
本実施形態では、第１の半導体チップ１０として、１辺が１０．５ｍｍの大きさで、５０μｍ角の端子１１を１００μｍピッチで有するロジックチップを用い、第２の半導体チップ２０として、５０μｍ角の端子２１を１００μｍピッチで有するメモリチップを用いた。また、端子１１は、銅層の上にニッケル、金を設けた構造で、厚さが約１２μｍ、端子２１が銅層の上に、約２５μｍの厚さのニッケル層を設けた構造とし、接合用金属３０を融点２３０℃の錫銀系の半田（Ｓｎ3Ａｇ）とした。そして、１２０℃で３０分の条件で前脱泡処理を行った後、付加荷重約５０ｇの条件下で２６０℃×１０秒の加熱で接合処理を行い、さらに、２５０ｔｏｒｒの減圧条件下で、１２０℃×３０分の加熱処理で脱ボイド処理を行い、最後に１７５℃×３０分で硬化処理を行った。
【００７４】
この結果、チップ間隔が２２０μｍで、第２の半導体チップ２１からの封止材４０の辺方向へのはみ出しは２００〜３５０μｍと十分に小さく、第１の半導体チップ１０の周囲に設けられたワイヤボンディング用のパッドまで封止材がかかることはなかった。
【００７５】
図５は上述したように第２の半導体チップ２０を設けた第１の半導体チップ１０を第３の半導体チップ６０に搭載した状態の一例を示す。この場合、第１の半導体チップ１０の周囲に設けられたワイヤボンディング用のパッド１２と第３の半導体チップ６０のパッド６１とをワイヤボンディング接合し、第１の半導体チップ１０及び第２の半導体チップ２０をモールド樹脂７０でモールドしたものである。この場合、封止材４０のはみ出しが小さいので、パッド１２を近接して設けることができ、全体として省スペース化を図ることができる。
【００７６】
（第２実施形態）
本実施形態は、第１実施形態のＦＣ接合において、複数の半導体チップを一つの半導体チップにＦＣ接合して半導体装置を作製する例である。
【００７７】
本発明の第２実施形態における半導体装置の製造方法を図６に基づき説明する。
【００７８】
まず第１の半導体チップ１０Ａの端子１１Ａが設けられた面に、樹脂注入装置による注入、印刷、又はスピンコート法などによりアンダーフィル材４１を塗布し、第１実施形態と同様に前脱泡する（図６（ａ）参照）。なお、この前脱泡は省いてもよい。
【００７９】
次に図６（ｂ）に示すように、第２の半導体チップ２０Ａの端子２１Ａと第１の半導体チップの端子１１Ａとが第１実施形態と同様にして（図２（ｄ）〜（ｅ））、端子１１Ａと端子２１Ａとを接合用金属３０を介して接合する。その後、脱ボイド及びアンダーフィル材の硬化完了工程は行わずに、さらに第２の半導体チップ２０Ｂを同様に接合する。その後、図２（ｆ）〜（ｇ）と同様に脱ボイド及びアンダーフィル材の硬化工程を行うことにより、第１の半導体チップ１０Ａの端子１１Ａと、第２の半導体チップ２０Ａ、２０Ｂの端子２１Ａ、２１Ｂとを第１実施形態と同様に接合する（図６（ｃ）、（ｄ）参照）。
【００８０】
本実施形態において用いられるアンダーフィル材４１は所定の硬化開始条件を有し、硬化開始条件を満たさない条件で第２の半導体チップ２０Ａ、２０ＢをＦＣ接合でき、その後、脱ボイド処理を行うことができる。
【００８１】
（その他の実施形態）
上述した実施形態では、下方に載置した半導体チップにアンダーフィル材を設けたが、ＦＣボンダーの移動側に搭載される半導体チップにアンダーフィル材を設けてもよい。
【００８２】
この場合、アンダーフィル材を印刷やスピンコートにより全面に塗布することが可能となる。また、この場合にも脱泡処理を行うことができ、さらに、脱泡処理した後、ガラス基板等を表面に密着させて表面の平坦化処理を行ってもよい。さらに、アンダーフィル材は、フィルム状に成形されたものを貼付することにより設けることもできる。
【００８３】
また、上述した実施形態に示すようにＦＣ接合した後、さらに、配線基板や他の半導体チップに実装する場合、ワイヤボンディングを行う例を示したが（図５）、半導体チップに設けたビヤホール内の接続部を介してさらにＦＣ接合するようにしてもよい。
【００８４】
本発明のＦＣ接合方法を用いて半導体チップと半導体チップをＦＣ接合した半導体装置（パッケージ）を、ワイヤボンディング或いはＦＣ接合により配線基板に実装することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＦＣ接合方法を用いて製造される半導体装置の断面概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＦＣ接合方法の流れを示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るＦＣボンダーの概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るＦＣボンダーを用いたＦＣ接合時における時間経過に伴う温度制御及び荷重付加制御を示すグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態に係るＦＣ接合方法を用いて製造される半導体装置の応用例を示す断面概略図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るＦＣ接合方法の流れを示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１      半導体装置
１０、１０Ａ、２０、２０Ａ、２０Ｂ      半導体チップ
１１、１１Ａ、２１、２１Ａ、２１Ｂ      端子
３０      接合用金属
４０      封止材
４１      アンダーフィル材
【図１】
2008147601.tif 000003
【図２】
2008147601.tif 000004
【図３】
2008147601.tif 000005
【図４】
2008147601.tif 000006
【図５】
2008147601.tif 000007
【図６】
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