(57)【要約】      （修正有）【課題】シリコンチップと基板をバンプを介して接続する際に使用するアンダーフィルのボイド発生回避。【解決手段】シリコンチップを接合用のバンプを具備した基板に、又は接合用のバンプを具備したシリコンチップを基板に接着用有機樹脂を介して搭載するに際し、２００℃での揮発分が０．５重量％以下の接着用有機樹脂を減圧下で基板上に塗布し、シリコンチップを加熱しながら加重をかけて上記接着用有機樹脂によって上記基板に接合した後、常圧下でリフロー炉を通して完全に有機樹脂を硬化させると共に、上記バンプを溶融させて、シリコンチップと基板とを接合することを特徴とするフリップチップデバイスの製造方法。【効果】基板とチップの接合に使用した接着用有機樹脂の硬化物中や該硬化物と基板界面等基板とチップの間にボイドをほとんど含まず、デバイスの信頼性が著しく向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンチップを接合用のバンプを具備した基板に又は接合用のバンプを具備したシリコンチップを基板に、接着用有機樹脂を介して搭載するに際し、２００℃での揮発分が０．５重量％以下の接着用有機樹脂を減圧下で基板上に塗布し、シリコンチップを加熱しながら加重をかけて上記接着用有機樹脂によって上記基板に接合した後、常圧下でリフロー炉を通して完全に有機樹脂を硬化させると共に、上記バンプを溶融させて、シリコンチップと基板とを接合することを特徴とするフリップチップデバイスの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法により得られることを特徴とするフリップチップデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンチップを基板上にノーフロータイプの液状有機樹脂を使用して接合する際に、基板とチップ間のボイド発生を防止して接合するフリップチップデバイスの製造方法、及びこの方法によって製造されたフリップチップデバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、フリップチップデバイスはあらかじめ有機基板にハンダバンプを具備したシリコンチップを接合した後、キャピラリータイプのアンダーフィル材をチップと基板の間隙に浸入させて硬化させることで製造されていた。しかし、この方法ではチップサイズが大きくなった場合、完全に充填させるためには長時間を要するため生産性が悪いといった問題や、チップと基板の間隙を完全に埋めることができない場合がある。
【０００３】
一方、この種の問題点を解決するため、ノーフロータイプのアンダーフィル材が提案されている。この方式は、キャピラリータイプのアンダーフィル材を使用した場合より生産性は大幅に向上するが、得られるフリップチップデバイスはチップと基板の間に多数のボイドが発生し、デバイスの信頼性が低下することが問題点として指摘されている。このためノーフロータイプのアンダーフィル材を使用したフリップチップデバイスはまだ実用化されていない。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｚｈｕｑｉｎｇ  Ｚｈａｎｇ，  Ｌｉａｎｈｕａ  Ｆａｎ，  Ｃ．Ｐ．Ｗｏｎｇ，  ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ２００１，  ｐ．１４７４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、基板上にシリコンチップをノーフロータイプの接着用有機樹脂を使用して接合する際に、基板とチップ間にボイドが発生しないフリップチップデバイスの製造方法、及びこの方法によって製造されたフリップチップデバイスを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、シリコンチップを基板上に接合用バンプを介してノーフロータイプのアンダーフィル材を使用して接合するフリップチップデバイスの製造方法において、アンダーフィル材の揮発分を抑えた上で、減圧下にシリコンチップと有機基板とを該アンダーフィル材にて接合すれば、得られたデバイスは基板とチップとの間にボイドが全く発生しないことを見出し、本発明をなすに至った。
【０００７】
従って、本発明は、シリコンチップを接合用のバンプを具備した基板に又は接合用のバンプを具備したシリコンチップを基板に、接着用有機樹脂を介して搭載するに際し、２００℃での揮発分が０．５重量％以下の接着用有機樹脂を減圧下で基板上に塗布し、シリコンチップを加熱しながら加重をかけて上記接着用有機樹脂によって上記基板に接合した後、常圧下でリフロー炉を通して完全に有機樹脂を硬化させると共に、上記バンプを溶融させて、シリコンチップと基板とを接合することを特徴とするフリップチップデバイスの製造方法、及びこの方法により得られることを特徴とするフリップチップデバイスを提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明において、基板上にシリコンチップを接合する接着用有機樹脂としては、ハンダフラックスを内蔵し、流動性を制御した液状のエポキシ系アンダーフィル材が主に使用される。この種のエポキシ系アンダーフィル材としては、液状エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤及び無機質充填剤を含有する液状エポキシ樹脂組成物からなるものが好適に用いられる。
【０００９】
本発明に用いられる液状エポキシ樹脂は、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものであれば、分子構造、分子量等は特に限定されないが、特にビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、シクロペンタジエン型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は１種単独で又は２種以上を混合して用いることができる。これらの中でも室温（例えば２５℃）で液状のエポキシ樹脂が望ましい。
【００１０】
本発明に用いられる液状エポキシ樹脂組成物には、液状エポキシ樹脂を硬化させるために硬化剤を添加する。硬化剤としては、上記エポキシ樹脂を硬化し得るものであれば特に限定されず、硬化性エポキシ樹脂組成物に用いられる公知の硬化剤全般を使用することができる。例えば、液状エポキシ樹脂中のエポキシ基と反応可能な官能基（例えばフェノール型水酸基、アミノ基、酸無水物基など）を２個以上（但し、酸無水物基は１個以上）有する化合物が挙げられ、分子構造、分子量等は特に限定されない。
【００１１】
硬化剤の配合量としては、エポキシ樹脂を硬化させる有効量であり、適宜選定されるが、例えば、フェノール系硬化剤を使用する場合、液状エポキシ樹脂中に含まれるエポキシ基１モルに対してフェノール性水酸基が０．８〜１．４倍モル、特に０．９〜１．２倍モルとなる量を配合することが望ましい。
【００１２】
更に、本発明に用いられる液状エポキシ樹脂組成物には、液状エポキシ樹脂と硬化剤との硬化反応を促進するために硬化促進剤を配合する。この硬化促進剤は、硬化反応を促進させるものならば特に限定されないが、特にイミダゾール化合物、有機リン系化合物等から選ばれる１種又は２種以上の硬化促進触媒を含むものであることが好ましい。
【００１３】
硬化促進剤の配合量としては、特に限定されるものではないが、液状エポキシ樹脂１００重量部に対して０．０１〜１０重量部、特に０．０５〜５重量部であることが好ましい。配合量が少なすぎると硬化が不十分なために接着強度が不足するおそれがあり、配合量が多すぎるとゲル化が早くなり、十分な流動性が確保できなくなるおそれがある。
【００１４】
本発明においては、膨張係数を小さくする目的から従来より知られている各種の無機質充填剤を添加する。具体的に無機質充填剤としては、溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、ボロンナイトライド、窒化アルミニウム、窒化珪素、マグネシア、マグネシウムシリケート、アルミニウム等が使用される。なかでも真球状の溶融シリカが低粘度化が可能なために望ましい。
【００１５】
本発明に用いられる液状エポキシ樹脂組成物で使用する無機質充填剤としては、フリップチップギャップ幅（基板と半導体チップとの隙間）に対し、平均粒径が約１／１０以下、かつ最大粒径が１／２以下の無機質充填剤を有機樹脂の合計１００重量部に対して５０〜４００重量部、特に１００〜２５０重量部の範囲で添加することが好ましい。５０重量部未満では、膨張係数が大きく冷熱試験においてクラックの発生を誘発するおそれがあり、４００重量部を超えると、粘度が高くなり流動性の低下をもたらすおそれがある。
【００１６】
本発明に用いられる液状エポキシ樹脂組成物には、半田等との濡れ性を改善するために半田フラックスを配合した方がよい。半田フラックスとしては、通常使用されているロジン系、高級脂肪酸系などの半田フラックスを配合したものが望ましい。
【００１７】
この場合、半田フラックスの配合量としては、特に限定されるものではないが、エポキシ樹脂組成物中０．５〜１０重量％、特に１〜５重量％であることが好ましい。配合量が少なすぎると半田の基板に対する濡れが低下するおそれがあり、多すぎるとエポキシ樹脂の硬化特性や物理特性が低下するおそれがある。
【００１８】
本発明に用いられる液状エポキシ樹脂組成物には、更に必要に応じ、接着性向上用炭素官能性シラン、カーボンブラック等の顔料、染料、酸化防止剤、表面処理剤（γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン等）、その他の添加剤を配合することができる。
【００１９】
本発明に用いられる液状エポキシ樹脂組成物は、上記成分を常法に準じて混合することにより得ることができる。
【００２０】
本発明においては、上記液状エポキシ樹脂組成物等の接着用有機樹脂の流動特性を制御することが好ましく、例えば液状エポキシ樹脂組成物を使用する場合、そのチキソ比は１．１〜３．０、望ましくは１．１〜２．０であることが推奨される。チキソ比が１．１未満であるとエポキシ樹脂組成物が流れすぎ、チップ周辺を汚すおそれがあり、３．０より大きいとチップ接着時に樹脂の流動が悪く、チップ面を完全にコートできなくなるおそれがある。
【００２１】
シリコンチップを有機基板にキャピラリー方式ではなく、ノーフロー方式で接合する場合、接合温度が通常半田の融点近傍で行われることから、上記液状エポキシ樹脂組成物の揮発分は２００℃で０．５重量％以下、望ましくは０．１重量％以下でなければならない。０．５重量％を超える揮発分を持った液状エポキシ樹脂組成物で接合する場合、該組成物は半田温度近傍で硬化反応が進行するが、その際、揮発成分が硬化物中に閉じこめられてボイドの原因となる。その為揮発成分はできるだけ少ない方が望ましい。
【００２２】
なお、本発明において、揮発分は、直径５ｃｍ、高さ１ｃｍのアルミシャーレに液状エポキシ樹脂組成物を１ｇ量り取り、２００℃の乾燥機に１時間入れた後、このエポキシ樹脂組成物の重量を測定することにより求めたものである。
【００２３】
ボイドの原因としては、上述した樹脂起因の他に、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＢＴ樹脂などからできた有機基板が挙げられる。このような有機基板は、あらかじめ１２０〜１５０℃程度の温度で４〜１６時間乾燥することにより、ボイドの原因となる基板中の水分をあらかじめ除去することが好ましい。
【００２４】
通常使用する基板上には、シリコンチップを接合するための共晶ハンダバンプや金バンプなどがあらかじめ形成されている。基板上あるいはハンダバンプを具備した基板上に液状有機樹脂をポッティングした後、シリコンチップをフリップチップボンダー等を使用して接合する際、樹脂中や樹脂と基板界面、あるいはバンプ周辺部にトラップされたエアーが液状有機樹脂の硬化時にボイドとなって硬化樹脂中にトラップされることが、検討の結果、ボイド発生の主たる原因であることを見出したものである。
【００２５】
従って、本発明に使用する接着用有機樹脂は、有機樹脂内部からのボイド発生を防止するため、接着用有機樹脂そのものの揮発分を２００℃において０．５重量％以下とし、かつ有機基板においては、有機基板が吸湿した水分を加熱することであらかじめ脱湿することが有効である。この場合、基板の水分含有量は０．５重量％以下、特に０．１重量％以下であることが好ましい。
【００２６】
本発明のフリップチップデバイスは、シリコンチップを接合用のバンプを具備した基板に、又は接合用のバンプを具備したシリコンチップを基板に接着用有機樹脂を介して搭載するに際し、上述した接着用有機樹脂を減圧下で基板上に塗布し、シリコンチップを加熱しながら加重をかけて該基板に接合した後、常圧下でリフロー炉を通して完全に有機樹脂を硬化させ、シリコンチップと基板を接合することにより得られるものである。
【００２７】
基板とシリコンチップの接合は、フリップチップボンダー等を使用して行うが、従来の方式では前記したボイドの発生を防止することができなかった。そこで、本発明者は種々検討した結果、図１に示したようなフリップチップボンダーのヘッド部を減圧して真空度を上げられるようにした装置を用いて接合すれば、ボイドの発生を防止できることを見出した。
【００２８】
ここで、図１のフリップチップボンダーのヘッド部を減圧して真空度を上げられるようにした装置について説明すると、図中１は基台であり、この基台１上に底部が開放された金属ケース２をシリコーンゴム３を介して着脱可能に載置される。この場合、基台１に対し、金属ケース２を圧接してシリコーンゴム３を基台１と金属ケース２とで挟着させることにより、金属ケース２内は密閉状態になる。
上記ケース２内部には、脱気管４の一端がケース２の側壁を気密に貫通して挿入されており、この脱気管４の他端には真空ポンプ５が接続されていると共に、脱気管４にはバルブ６が介装されている。また、ケース２内部には、接着用有機樹脂を収容する容器７に接続されたシリンジ８の一端がケース２の側壁を気密に貫通し、水平方向（図中矢印Ａ方向）移動可能に挿入されており、このシリンジ８にもバルブ９が介装されている。更に、ケース２内部には、フリップチップボンダーヘッド１０が配置されている。このヘッド１０は、ケース２上壁を気密に貫通し、上下方向（図中矢印Ｂ方向）移動可能にケース２内部に挿入されたロッド１１の一端に取り付けられており、ロッド１１の上下動と一体に上下動するようになっている。
【００２９】
上記装置を用いてフリップチップデバイスを製造する方法の一例を説明すると、まず、乾燥したハンダバンプ１２を備えた基板１３を上記装置にセットし、シリコンチップ１４をフリップチップボンダーヘッド１０に吸着させ、容器７に接着用有機樹脂を充填しておく。この状態で装置を密閉して減圧を開始し、内部を１００ｍｍＨｇ以下、望ましくは５０ｍｍＨｇ以下にする。１００ｍｍＨｇを超える減圧度ではボイドを完全に除去することができない。装置内部が減圧状態となったところで、シリンジ８から接着用有機樹脂１５の所定量をドーム状になるように基板１３上に注入塗布する。なお、塗布量はチップの大きさによって決める必要がある。
【００３０】
次に、図２に示すように、ヘッド１０に吸着させたシリコンチップ１４を１８０〜２３０℃、特に２００〜２１０℃で、基板１３に１〜１００Ｎ、特に５〜５０Ｎで５〜３０秒間加熱、加圧し、シリコンチップ１４と基板１３とを仮接合させる。この場合、接着用有機樹脂は、加熱、加圧と同時に硬化反応し、基板とチップを仮接合することができるものである。その後、図３に示すように、金属ケース２内を常圧に戻し、金属ケース２を取り外し、接合したフリップチップデバイス１６を取り出す。
【００３１】
取り出したフリップチップデバイスは、リフロー炉に移し、所定の温度プロファイルのリフロー炉で最終硬化を行う。温度プロファイルは使用したハンダの種類によって適宜決定すればよい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の方法で製造したフリップチップデバイスは、基板とチップの接合に使用した接着用有機樹脂の硬化物中や該硬化物と基板界面等基板とチップの間にボイドをほとんど含まないものである。ボイドが存在しないことから、デバイスの信頼性も著しく向上する。
【００３３】
【実施例】
以下、共晶ハンダをバンプとして利用したフリップチップデバイス製造の実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【００３４】
フリップチップボンダーヘッド部に、図１で示すような密閉可能で、内部を減圧することができる装置を使用し、液状エポキシ樹脂組成物（エポキシ樹脂としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を５０重量部、硬化剤としてノボラック型フェノール樹脂を２５重量部、硬化促進剤としてテトラフェニルホスフィン・テトラフェニルボレートを１重量部、無機質充填剤として平均粒径５μｍの球状シリカを３５重量部、フラックスとしてアビエチン酸を２重量部含有したフェノール硬化型液状エポキシ樹脂組成物で、２００℃での揮発分が０．０７％、チキソ比が１．４である。）を用いて、以下のようにフリップチップデバイスを製造した。
【００３５】
まず、２５０個の６３Ｓｎ／３７Ｐｂの共晶ハンダバンプ１２を備えたＦＲ−４有機基板１３を基台１の所定の位置にセットし、かつシリコンチップ１４をヘッド１０に吸着させた後、金属ケース２を気密状態に配設し、真空ポンプ５を操作して内部の空気を排除した。なお、使用した有機基板１３はあらかじめ窒素気流中１５０℃で８時間乾燥し、水分含量を０．１重量％以下とした。次に金属ケース２の内部の真空度を５０ｍｍＨｇ以下まで低下させた。金属ケース２内部の真空度が５０ｍｍＨｇに達したところで減圧バルブ６を閉め、その後、シリンジ８から所定量の液状エポキシ樹脂組成物１５を有機基板１３上にドーム状に注入塗布し、シリンジ８のバルブ９を閉めてシリンジ８を移動させた。
【００３６】
次に、図２に示すように、シリコンチップ１４を吸着しているヘッド１０を液状エポキシ樹脂組成物１５上に接触させながら２５Ｎで加圧、２１０℃で１０秒間加熱してシリコンチップ１４と有機基板１３とをエポキシ樹脂組成物１５を介して仮接合した。
【００３７】
その後、図３に示すように、減圧バルブ６を開けて常圧に戻し、金属ケース２を開けて接合したデバイス１６を取り出した。取り出したデバイスサンプル１６は、下記に示した温度プロファイルのリフロー炉に入れて完全に硬化させた。リフロー炉の温度プロファイルは、室温から１８５℃まで８０秒で昇温し、最高温度２１０℃で６０秒間キープした後、１６０秒間で１８０〜１５０℃まで温度を下げ、更に８０秒間で室温まで温度を下げたものである。
【００３８】
接合したデバイスを超音波探傷装置を用いて樹脂内部のボイドの観察を行ったところ、本発明の方法で接合したものは全くボイドを含んでいなかった。また、ハンダバンプも完全にチップと接合していた。
【００３９】
比較例として減圧せずに接合した以外は、全く同じ装置、同じ条件で接合を行い、チップと基板を接合したデバイスを作製した。このデバイスを実施例と同じ装置を用いて樹脂内部のボイドを観察したところ、０．１〜０．５ｍｍ程度の大きさのボイドが多数観察された。
【００４０】
このように有機基板とシリコンチップをノーフロータイプの液状有機樹脂を用いて接合する場合、揮発分の少ない液状有機樹脂を用い、かつ減圧下で接合を行うことにより、ボイドのない信頼性の良好なフリップチップデバイスが得られる。
【００４１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるダイボンダーヘッド部の減圧工程と液状有機樹脂の注入工程の一実施例を示す概略図である。
【図２】本発明におけるシリコンチップと基板の接合と液状有機樹脂の熱硬化工程の一実施例を示す概略図である。
【図３】本発明における減圧解除と接合したデバイスの取り出し工程の一実施例を示す概略図である。
【符号の説明】
１  基台
２  金属ケース
３  シリコーンゴム
４  脱気管
５  真空ポンプ
６  バルブ
７  容器
８  シリンジ
９  バルブ
１０  フリップチップボンダーヘッド
１１  ロッド
１２  ハンダバンプ
１３  基板
１４  シリコンチップ
１５  接着用有機樹脂（液状エポキシ樹脂組成物）
１６  フリップチップデバイス
【図１】
2004158497.tif 000003
【図２】
2004158497.tif 000004
【図３】
2004158497.tif 000005