(57)【要約】【課題】工程数の減少及び高い生産性を達成でき、さらにボイドレスで高信頼な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】接続端子を有する半導体チップと接続端子を有する基板とを接合する半導体装置の製造方法において、半導体封止材用接着剤を介して前記半導体チップを前記基板上に仮固定する工程と、前記基板上の前記半導体チップを樹脂封止するオーバーモールド工程とを備え、前記オーバーモールド工程において、前記半導体チップの接続端子と前記基板の接続端子との接合及び前記半導体封止材用接着剤の硬化反応を伴う、半導体装置の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続端子を有する半導体チップと接続端子を有する基板とを接合する半導体装置の製造方法において、半導体封止材用接着剤を介して前記半導体チップを前記基板上に仮固定する工程と、前記基板上の前記半導体チップを樹脂封止するオーバーモールド工程とを備え、前記オーバーモールド工程において、前記半導体チップの接続端子と前記基板の接続端子との接合及び前記半導体封止材用接着剤の硬化反応を伴う、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体封止材用接着剤が、ペースト状又はフィルム状である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
オーバーモールド工程が、コンプレッション成形により行われる請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
オーバーモールド工程が、トランスファー成形により行われる請求項１又は２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、接続端子を有する半導体チップと接続端子を有する基板とを接合する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の小型化、軽量化、高性能化に伴い、より多ピン化・高速化が可能なＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）やＣＳＰ（チップサイズパッケージ）等のエリアアレイ型の半導体パッケージ（以下「半導体パッケージ」又は「半導体装置」ということがある）が広く用いられようになってきている。これらのＦＣ（フリップチップ）接続を行う半導体パッケージでは、半導体チップが接続端子（バンプ）を介して基板上に搭載されており、熱膨張係数の相違に基づくバンプへの応力を緩和するために、その間隙に毛細管現象を利用して液状樹脂組成物を用いて封止する方式が主に採用されている。
【０００３】
しかしながら、この方式は半導体チップや基板の半田酸化膜を除去するためにフラックス材を塗布する工程、半導体チップを基板に載せてリフロー炉に通しバンプを溶融させ接続を取る工程、フラックス残渣を洗浄する工程、液状封止樹脂組成物を注入する工程、樹脂を硬化させる工程とが必要であり、プロセス工程が非常に多いという問題がある。また、ＦＣパッケージは多ピン化、狭ピッチ化、狭ギャップ化する傾向にあり、液状封止樹脂組成物の注入工程に時間がかかるとともに、注入自体も技術的に困難になってきている。さらに近年、バンプ材質の鉛フリー化や、狭ピッチに対応のＣｕ（銅）ピラー化などが進んでおり、バンプ材質が高融点化、高弾性化していることにより、リフロー後の冷却時に半導体チップと基板との熱膨張係数差によって生じる応力が大きくなり、バンプの接続部及びその周辺部を破壊してしまうことも問題となっている。
【０００４】
これらの問題を解決するため、あらかじめ基板または半導体チップに半導体封止材用接着剤を塗布またはフィルム状で配置しておき、接続端子付き半導体チップを搭載し、接続端子の接合と樹脂封止を同時に行う先塗布方式が提案され（例えば、特許文献１参照）、一部普及され始めている。この先塗布方式では、フラックス洗浄や注入時間が不要なことから、工程数の簡略化やコスト面でメリットがある。またこの方式では、半導体封止材用接着剤は接続端子の接合とほぼ同時に硬化するために、硬化後の半導体封止材用接着剤が接続端子部及び周辺部を保護して破壊を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６０２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、課題として、この先塗布方式では半導体チップ一つ一つを加熱圧着するとともに、加熱圧着時、良好な端子接続性を重視すると圧着時間が長くなり、生産性が低下する可能性がある。加熱圧着時間を短いと、半導体チップの接続端子が基板側に溶融した後にうまく濡れ広がらないために起こる接続不良や、半導体封止材用接着剤の未硬化により起こる接続端子部の補強不足のため、冷却時に接続端子が断線するなどの不良が起こる可能性がある。
【０００７】
また、この先塗布方式では、半導体チップと基板との接続を高温条件（例えば３００〜４５０℃）且つ短時間（例えば１〜１０秒）で行い、その間に半導体封止材用接着剤の流動と硬化を行う必要があるため、ボイドレスに半導体パッケージを作製することが非常に難しい。例えば、樹脂流動中に硬化反応が始まり粘度上昇が起こると、接続端子部周辺に巻き込みによるボイドの発生や、基板面に凹凸がある場合、埋め込み不足によるボイドの発生が生じる。また、急に昇温することにより、基板や樹脂中の揮発分や水分が気化して、それがボイドの発生源となり易い。また、高温のチップ搭載ツールが半導体チップから離れたときなどに、半導体封止材用接着剤の熱収縮に起因するボイド（ひけボイド）が生じ易い。このようなボイドは、狭ピッチ接続端子間の絶縁性や、耐リフロー性などの信頼性を低下させる原因となる。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、工程数の減少及び高い生産性を達成でき、さらにボイドレスで高信頼な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】
【０００９】
本発明は以下の通りである。
（１）  接続端子を有する半導体チップと接続端子を有する基板とを接合する半導体装置の製造方法において、半導体封止材用接着剤を介して前記半導体チップを前記基板上に仮固定する工程と、前記基板上の前記半導体チップを樹脂封止するオーバーモールド工程とを備え、前記オーバーモールド工程において、前記半導体チップの接続端子と前記基板の接続端子との接合及び前記半導体封止材用接着剤の硬化反応を伴う、半導体装置の製造方法。
（２）  半導体封止材用接着剤が、ペースト状又はフィルム状である（１）に記載の半導体装置の製造方法。
（３）  オーバーモールド工程が、コンプレッション成形により行われる（１）又は（２）に記載の半導体装置の製造方法。
（４）  オーバーモールド工程が、トランスファー成形により行われる（１）又は（２）に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体チップを基板上に配置するときは、接続端子の接合は行わず仮固定のみを行い、オーバーモールド工程において端子接合及び半導体封止材用接着剤の硬化反応を一括で行うことで、大幅な工程数の減少及び生産タクトの向上を達成できる。
本発明によって、工程数の減少及び高い生産性を達成でき、さらにボイドレスで高信頼な半導体装置の製造方法を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】半導体装置の一例を示す概略平面図（ａ）及び断面図（ｂ）及び断面拡大図（ｃ）である。
【図２】基板上に半導体封止用の半導体封止材用接着剤を塗布する工程を示す断面説明図である。
【図３】基板上に半導体チップを仮固定する工程を示す断面説明図である。
【図４】コンプレッッション成形によりオーバーモールドする工程を示す断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、半導体装置の一例を示す概略平面図及び断面図及び断面拡大図、図２は基板上に半導体封止用の接着剤を供給する工程を示す断面説明図、図３は基板上に半導体チップを仮固定する工程を示す断面説明図、図４はコンプレッッション成形によりオーバーモールドする工程を示す断面説明図である。なお、本発明において、半導体装置とは半導体チップを組み込んだ半導体パッケージのことをいう。
【００１３】
図１では、半導体チップ１の上面が樹脂封止（オーバーモールド）された状態を示している。半導体チップ１が基板３上にマトリクス状に並んでいるのは、一括でオーバーモールドを行い、生産性を向上させるためである。また、半導体チップ１は一般的に、基板３上に数十〜百個程度並んでいる。また、図１（ａ）のオーバーモールド後の半導体装置は、その後ダイシングを行い、一つ一つの半導体装置に個片化される。
【００１４】
図１（ｃ）に、本発明により製造される半導体チップ１と基板３を電気的に接続し、固定された半導体装置の一例の断面拡大図を示す。図１（ｃ）に示すように、基板３の片面すなわち接続端子６（配線）が形成された面に半導体チップ１の複数の接続端子５を介して半導体チップ１が搭載された構造をとる。また、基板３と半導体チップ１との間に半導体封止材用接着剤２が形成されている。また、半導体チップ１の上面に、オーバーモールド工程による樹脂封止層４が形成されている。
なお、上記基板３の回路と半導体素子１の電極とを電気的に接続する上記複数の接続端子６は、予め基板３面に配設されてもよいし、半導体チップ１面に配設されていてもよい。さらには、予め基板３面及び半導体チップ１面の双方にそれぞれ配設されてもよい。
【００１５】
基板３の材質としては、有機質と無機質のいずれでもよく、特に制限するものではないが、大別して、セラミック基板、プラスチック基板があり、前記プラスチック基板としては、例えば、エポキシ基板、ビスマレイミドトリアジン基板、ポリイミド基板等が挙げられる。
【００１６】
複数の接続端子部５の材質としては、脱鉛の材質が好ましく、例えば、錫、錫−銀、錫−銀−銅、錫−ビスマス、インジウムなどが挙げられる。また、基板３上の接続端子部が上記の材質からなるものに対しては、図中の接続端子部５の材質は金、銅などであっても良い。
【００１７】
半導体チップ１は、特に制限されず、通常使用されるものが使用できる。例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの元素半導体、ガリウム−ヒ素、インジウム−リン等の化合物半導体等の各種半導体が使用される。
【００１８】
本発明は上記のような半導体装置を製造する際に好適に用いられる製造方法に関するものである。以下、本発明による半導体装置の製造方法について図面に基づき順を追って説明する。
まず、図２において、基板３上に半導体封止材用接着剤２を供給する方法について説明する。ペースト状の半導体封止材用接着剤２は、ディスペンサー７を用いて基板３のチップを搭載する箇所の中心に塗布する。このときの塗布量は、半導体チップ１のサイズや接続端子５、６の高さなどに応じて、適宜設定すれば良い。ここで、塗布量が多過ぎると後述の仮固定する工程で半導体チップ１上へ這い上がり、チップ搭載ツール８に付着して汚してしまうとともに、そこで硬化が始まるとチップ搭載ツール８と接着してしまい、チップ搭載ツール８上昇時に半導体チップ１が基板３から外れてしまう可能性がある。また、塗布量が少なすぎると半導体チップ１と基板３の間隙が完全にカバーされず、ボイド発生の原因となる可能性がある。
【００１９】
また、半導体封止材用接着剤２の塗布形状は、ドット状、バツ状、コメ印状などが挙げられる。正方形または長方形の半導体チップ１を均等にカバーするためには、バツ状、コメ印状が好ましい。また、塗布形状がコメ印状の場合、塗布形状中心の基板３面からの樹脂高さがあることから、半導体封止材用接着剤２が多く流動し、ボイドが発生しにくくなることから、より好ましい。
【００２０】
また、ディスペンサー７から半導体封止材用接着剤２を塗布するとき、半導体封止材用接着剤２が途切れることなく吐出し易くするために、必要に応じてディスペンサー７を加温してもよい。ただし、加温する温度は、半導体封止材用接着剤２の硬化反応が開始する温度以下が好ましい。
【００２１】
なお、半導体封止材用接着剤２は、ペースト状に替えてフィルム状を用いても良い。フィルム状の半導体封止材用接着剤を用いる場合、フィルムの大きさや厚みは半導体チップ１のサイズや接続端子５、６の高さなどに応じて、適宜設定すれば良い。また、フィルム状の場合、半導体チップ１と基板３との間に接着層を設けることができれば良いため、半導体チップ１側にフィルムを供給しても良い。すなわち、半導体ウエハの接続端子形成面にフィルムを貼り付け、その後ダイシングして個片化し、これを基板３上に配置しても良い。
【００２２】
また、半導体封止材用接着剤２は、ペースト状に替えて半導体ウエハ上にスピンコートするタイプの液状の半導体封止材用接着剤を用いても良い。その後ダイシングして個片化し、これを基板３上に配置しても良い。
【００２３】
次に、図３において、半導体封止材用接着剤２が供給された基板３上に半導体チップ１を仮固定する工程について説明する。基板３は加温可能なステージ上に置かれ、チップ搭載ツール８にて半導体チップ１を基板３上に移動させ、基板３と半導体チップ１の接続端子５の位置を合わせた後に、チップ搭載ツール８を降下させる。そのとき、チップ搭載ツール８は半導体チップ１と基板３の接続端子５、６が接触するように必要な圧力をかけて搭載する。また、後述するオーバーモールド工程時の半導体チップ１の位置ずれを防ぐために、チップ搭載ツール８と基板３を加温して半導体封止材用接着剤２が仮固定できる状態まで硬化反応を進めることが好ましい。また、図１で示したような先に半導体封止材用接着剤２が供給された基板３に数十〜百個搭載する場合、仮固定のみだと半導体チップ１の搭載時間は非常に短時間で済むため、生産性が向上するとともに、半導体封止材用接着剤２の加温時間が短くなるため、搭載初期と終期の半導体封止材用接着剤２の材料特性差が生じにくくなる。
【００２４】
ステージ温度は、室温（２５℃）でも良いが、半導体封止材用接着剤２の流動性を高め、基板３や半導体封止材用接着剤２中に残存する揮発分や水分を除くため、加温することが好ましい。また、加温するときのステージ温度は、高過ぎると半導体封止材用接着剤２の硬化反応が開始してしまうので、半導体封止材用接着剤２の硬化反応開始温度以下の範囲が好ましい。
【００２５】
チップ搭載ツール８の温度は、半導体封止材用接着剤２の流動性を高め、また半導体チップ１を仮固定するために、加温することが好ましい。温度範囲としては、半導体封止材用接着剤２の硬化反応開始温度程度からチップの接続端子５の融点までの範囲で、適宜調整する。ここで、チップ搭載ツール８の温度を一定に保持しておくと、ツールを昇温、降温させる時間がかからないため、生産性を向上できる。
また、従来の先塗布方式では、この半導体チップ１搭載の段階で、接続端子５を溶融させるとともに、半導体封止材用接着剤２を硬化させるために、チップ搭載ツール８の温度を短時間で高温に上昇させる必要がある。そのため、半導体封止材用接着剤２の流動時の粘度上昇により起こる巻き込みボイドや、埋め込み不足によるボイド、また基板３や半導体封止材用接着剤２からの揮発分や水分の気化によるボイドが発生しやすい。一方、本発明の方式では、半導体チップ１搭載時において半導体封止材用接着剤２は位置ずれしない程度に硬化反応が進んでいれば良いので、チップ搭載ツール８を低温に設定することができ、従来技術と比較して、ボイドレスな半導体装置を得ることができる。
【００２６】
また、チップ搭載ツール８の圧力は、基板３に設けられた接続端子６上の半導体封止材用接着剤２を排除して、半導体チップ１側の接続端子５と接触させるように、適宜調整することが好ましい。
【００２７】
チップ搭載ツール８を用いた仮固定の時間は、半導体チップ１が仮固定でき、オーバーモールド工程で接続端子の接合を確保するために硬化反応が進みすぎない程度に適宜調整することが好ましい。ここでの仮固定の時間は、短時間であるほど生産性が向上するため好ましい。また、ここで仮固定できていなくても、その後ホットプレート上に放置して、後述するオーバーモールド工程時に位置ずれをしない程度まで硬化反応を進めても良い。
【００２８】
次に、図４において、に半導体チップ１が仮固定された基板３をコンプレッッション成形によりオーバーモールドする工程を説明する。
コンプレッション成形用金型９内に、半導体チップ１が仮固定された基板３を搬入し、その上にオーバーモールド樹脂４を供給する。その後、金型９の上型を下降させ、オーバーモールド樹脂４を押し流し、硬化させる。金型９の温度は半導体チップ１の接続端子５の融点以上が必要であり、この工程で接続端子の接合と、半導体封止材用接着剤２の硬化を同時に行う。
【００２９】
コンプレッション成形用金型９の温度は、半導体チップ１の接続端子５の融点以上であることが好ましい。しかし、温度が高すぎると、金型９の上型を下降する前に半導体用接着剤２の硬化反応がさらに進んでしまい、接続端子５の接合が確保しにくくなり、またオーバーモールド樹脂４の硬化反応が始まり流動性も低下するため、適宜調整することが好ましい。
【００３０】
オーバーモールド樹脂４は、一般的に市販されるオーバーモールド用の固形または液状の封止樹脂を用いて良い。
また、成形時間は、接合後の端子部を補強するために、半導体封止材用接着剤２の硬化がほぼ完了し、オーバーモールド樹脂４も硬化する程度に時間をかけることが好ましい。
【００３１】
また、オーバーモールド工程においては、従来技術よりも高い圧力下で半導体封止材用接着剤２の硬化反応を行うので、基板３や半導体封止材用接着剤２からの揮発分や水分の気化によるボイドや、半導体封止材用接着剤２の流動時に生じた微細なボイドの成長を抑えることができる。さらに、半導体封止材用接着剤２の表層が完全に硬化していない状態でオーバーモールドを行うため、樹脂同士の界面の接着を高めることができ、耐リフロー性や耐温度サイクル性などの信頼性向上が期待できる。
【００３２】
なお、オーバーモールド工程は、コンプレッション成形装置に替えて、トランスファー成形装置を用いても良い。
オーバーモールド後のパッケージは、その後オーバーモールド樹脂４を硬化させるため、後硬化を行う。その後、ダイシングを行い、一つ一つの半導体装置に個片化される。
【００３３】
本願発明における製造方法において好適に用いられる接着剤について説明する。
本願発明における半導体封止材用接着剤２は、半導体封止材用接着剤として通常用いられるものであれば特に制限はされない。例えば、熱硬化性樹脂、硬化剤を含むような樹脂組成物であることが好ましい。
【００３４】
半導体封止材用接着剤２に用いる熱硬化性樹脂は、特に制限はないが、耐熱性や接着性の観点から、エポキシ樹脂が好ましい。さらに、流動性の点から、常温で液状である液状エポキシ樹脂がより好ましい。本発明で用いる液状エポキシ樹脂は、特に制限はなく、例えば、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＡＤ、ビスフェノールＳ、ナフタレンジオール、水添ビスフェノールＡ等とエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂をはじめとするフェノール類とアルデヒド類とを縮合又は共縮合させて得られるノボラック樹脂をエポキシ化したもの、フタル酸、ダイマー酸等の多塩基酸とエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルエステル型エポキシ樹脂、ジアミノジフェニルメタン、イソシアヌル酸等のポリアミンとエピクロルヒドリンの反応により得られるグリシジルアミン型エポキシ樹脂、オレフィン結合を過酢酸等の過酸で酸化して得られる線状脂肪族エポキシ樹脂、及び脂環族エポキシ樹脂などを用いることができる。特に、本発明では、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、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、ナフタレンジオール型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも１種を用いることが望ましく、これらは単独で用いても２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００３５】
また、発明の目的を損なわない範囲であれば固形のエポキシ樹脂を併用しても良い。さらには粘度調整のためエポキシ基を有する反応性希釈剤を混合しても良い。エポキシ基を有する反応性希釈剤としては例えばｎ−ブチルグリシジルエーテル、バーサティック酸グリシジルエーテル、スチレンオキサイド、エチルヘキシルグリシジルエーテル、フェニルグリシジルエーテル、ブチルフェニルグリシジルエーテル、１，６−ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテルがあり、これらの内の１種類あるいは複数種と併用しても良い。これらのエポキシ樹脂は、十分に精製されたもので、イオン性不純物が少ないものが好ましい。例えば、遊離Ｎａイオン、遊離Ｃｌイオンは５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００３６】
本発明において使用可能な硬化剤は、エポキシ樹脂と硬化反応が可能な化合物であれば特に制限されるものではなく、電子部品用エポキシ樹脂組成物に一般的に使用されている硬化剤を用いることができ、エポキシ樹脂組成物が室温（２５℃）で液状であれば、固形、液状のどちらか一方を用いても両者を併用してもよい。例えば、無水フタル酸、無水マレイン酸、メチルハイミック酸無水物、ハイミック酸無水物、無水コハク酸、テトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、クロレンド酸無水物、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、３−メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、４−メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、トリアルキルテトラヒドロ無水フタル酸マレイン酸付加物、メチルヘキサヒドロフタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸無水物、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、水素化メチルナジック酸無水物等の酸無水物、ジエチレントリアミン、トリエチレントリアミン、テトラエチレンペンタミン、ｍ−キシレンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、２−メチルペンタメチレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン、イソフォロンジアミン、１，３−ビスアミノメチルシクロヘキサン、ビス（４−アミノシクロヘキシル）メタン、ノルボルネンジアミン、１，２−ジアミノシクロヘキサン、ラロミン、ジアミノジフェニルメタン、メタフェニレンジアミン、ジアミノジフェニルスルフォン、ポリオキシプロピレンジアミン、ポリオキシプロピレントリアミン、ポリシクロヘキシルポリアミン混合物、Ｎ−アミノエチルピペラジン等のアミン化合物、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、１−（２−シアノエチル）−２−エチル−４−メチルイミダゾール、２，４−ジアミノ−６−（２−メチルイミダゾイル−（１））エチル−ｓ−トリアジン、２−フェニルイミダゾリン、２，３−ジヒドロ−１Ｈ−ピロロ（１，２−ａ）ベンズイミダゾール等のイミダゾール化合物、３級アミン、ＤＢＵ（１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７）、ジシアンジアミド、有機酸ジヒドラジド、Ｎ，Ｎ−ジメチル尿素誘導体等が挙げられる。
【００３７】
エポキシ樹脂と硬化剤との当量比は特に制限はないが、それぞれの未反応分を少なくするため、エポキシ樹脂のエポキシ基１当量に対して硬化剤を０．６〜１．６当量の範囲に設定することが好ましく、０．７〜１．４当量がより好ましく、０．８〜１．２当量がさらに好ましい。０．６〜１．６当量の範囲からはずれた場合、未反応分が多くなり信頼性が低下する傾向がある。
上記接着剤は必要に応じて硬化促進剤やフィラーを含んでもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１  半導体チップ、２  半導体封止材用接着剤、３  基板、４  オーバーモールド樹脂又は樹脂封止層、５  接続端子（チップ側）又は接続端子部、６  接続端子（基板側）、７  ディスペンサー、８  チップ搭載ツール、９  コンプレッション成形用金型又は金型。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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