(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性接着剤を介して回路基板に半導体チップが接続された構造を有する半導体装置の製造方法において、以下の工程（ａ）〜（ｄ）：
（ａ）回路基板上にビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂を主成分とする熱硬化性接着剤層を形成する工程；
（ｂ）該熱硬化性接着剤層に対して半導体チップを押圧することにより仮圧着する工程；
（ｃ）半導体チップに対する押圧を開放し、該熱硬化性接着剤層をその反応率が３０〜５０％となるように加熱により予備硬化させる工程；  及び
（ｄ）半導体チップを押圧しながら、該熱硬化性接着剤層をその反応率が５０％を超えるように加熱により本硬化させ、半導体チップを回路基板に接続する工程
を有することを特徴とする製造方法。
【請求項２】
熱硬化性接着剤が、更に潜在性硬化剤を含有する請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
工程（ａ）において、熱硬化性接着剤を、シリンジの先端に吐出ノズルを備えた構造のエアー圧送式ディスペンサーの当該シリンジに充填し、該ディスペンサーから熱硬化性接着剤を回路基板上に塗工することにより該熱硬化性接着剤層が形成される請求項１記載の製造方法。
【請求項４】
該シリンジが所定の温度に制御されている請求項３記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱硬化性接着剤を介して回路基板に半導体チップが接続された構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造における、回路基板に半導体チップを実装する方法として、熱硬化性接着剤を用いたフリップチップ方式が広く用いられている。この実装方法では、通常、回路基板の所定の位置に、熱硬化性接着剤として異方導電性フィルム（ＡＣＦ）、絶縁性フィルム（ＮＣＦ）、異方導電性ペースト（ＡＣＰ）又は絶縁性ペースト（ＮＣＰ）等を貼付又は塗布し、次いで、回路基板のパッド電極に対し、半導体チップ（ベアチップ）のバンプをアラインメントして仮圧着し、その後に加熱加圧して熱硬化性接着剤を硬化させて本熱圧着することにより、半導体チップを回路基板に接続している。なお、一般に、この実装方法においては、半導体チップのアライメント操作、仮圧着操作、本圧着操作は、いずれも同一の加熱加圧ヘッドを用いて行われている。
【０００３】
しかし、熱硬化性接着剤を用いた半導体チップの実装方法では、半導体チップ実装後の硬化した熱硬化性接着剤中に気泡が混入している場合があり、その場合には、その後のリフロー処理、ヒートショック、高温高湿エージング試験時に熱硬化性樹脂が気泡の存在部位から剥離し、導通不良が生じやすくなるという問題がある。気泡の混入原因としては、熱硬化性接着剤に含まれている揮発性成分の揮発や、熱硬化性接着剤の塗布時における空気の巻き込み、回路基板中に含まれている水分の揮発等が挙げられるが、中でも、熱硬化性接着剤の塗布時の空気の巻き込みの影響が大きい。特に、熱硬化性接着剤としてＡＣＰやＮＣＰ等の液状接着剤を使用する場合には、その粘度が低いために一旦巻き込まれた空気が押し出されにくいので、熱硬化性接着剤中に気泡が残りやすい。
【０００４】
熱硬化性接着剤中の気泡を除去する方法としては、加熱加圧処理を２段階で行う、あるいは加熱速度を遅くする等の加熱加圧条件のプロファイル制御が検討されているが、十分な効果が得られるには至っていない。特に、タクトタイムが短縮できないという問題もある。
【０００５】
そこで、半導体チップの仮圧着操作及び本圧着操作を、それぞれ別の加熱加圧ヘッドで行うことによりタクトタイムを短縮すると共に、接着剤中への気泡の混入を防止するために、半導体チップを回路基板にアラインメントする前に、予め熱硬化性接着剤をその反応率が１〜２０％となるように予備加熱しておき、その予備加熱後に回路基板に対して半導体チップをアライメントして仮圧着し、その後に本熱圧着することが提案されている（特開２００１−６８５０８号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体チップを回路基板にアラインメントする前に、予め熱硬化性接着剤をその反応率が１〜２０％となるように予備加熱した場合、予備加熱環境下で、熱硬化性接着剤の表面が半導体チップで覆われずに露出しているので、予備加熱中にゴミや異物が表面に付着する可能性が増大し、付着した場合には、本圧着後に導通不良や絶縁不良が生じやすく、接続信頼性が低下することが懸念される。
【０００７】
本発明は、熱硬化性接着剤を用いて回路基板に半導体チップが接続された構造を有する半導体装置を製造する際に、硬化後の熱硬化性接着剤層中に気泡が含まれないようにすると共に、熱硬化性接着剤層の表面にゴミや異物の付着を極力防止して、良好な接続信頼性を得られるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、熱硬化性接着剤を回路基板に貼付あるいは塗布し、半導体チップを回路基板に仮圧着した後、半導体チップへの押圧を開放した状態で所定の範囲内の反応率となるまで加熱により予備硬化させ、その後で半導体チップを押圧しながら加熱して本硬化させることにより、上述の目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
即ち、本発明は、熱硬化性接着剤を介して回路基板に半導体チップが接続された構造を有する半導体装置の製造方法において、以下の工程（ａ）〜（ｄ）：
（ａ）回路基板上にビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂を主成分とする熱硬化性接着剤層を形成する工程；
（ｂ）該熱硬化性接着剤層に対して半導体チップを押圧することにより仮圧着する工程；
（ｃ）半導体チップに対する押圧を開放し、該熱硬化性接着剤層をその反応率が３０〜５０％となるように加熱により予備硬化させる工程；  及び
（ｄ）半導体チップを押圧しながら、該熱硬化性接着剤層をその反応率が５０％を超えるように加熱により本硬化させ、半導体チップを回路基板に接続する工程
を有することを特徴とする製造方法を提供する。
【００１０】
また、本発明においては、熱硬化性接着剤が充填されるシリンジの先端に吐出ノズルを備えた構造のエアー圧送式ディスペンサーであって、該シリンジの温度を制御するための温度制御装置を備えているエアー圧送式ディスペンサーを、上述の半導体装置の製造方法における工程（ａ）の熱硬化性接着剤層の形成工程に好ましく適用することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、工程（ａ）〜（ｄ）を有する本発明の半導体の製造方法について、図１を参照しつつ工程毎に詳細に説明する。なお、各図中、同一符号は同一又は同等の構成要素を表している。
【００１２】
工程（ａ）
まず、支持基板１上に配線パターン（図示せず）の接続端子２が形成された回路基板３上に、熱硬化性接着剤層４を形成する（図１（ａ））。
【００１３】
熱硬化性接着剤層４は、半導体チップの実装のために従来より使用されている種々の熱硬化性の絶縁性接着剤、導電性接着剤、あるいは異方導電性接着剤等から形成することができるが、作業環境や設備の点から、溶剤を含有しない樹脂を使用することが好ましい。
【００１４】
熱硬化性樹脂の例としては、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、テトラブロモビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等の一般的なエポキシ樹脂と、マイクロカプセル封入アミン、ＢＦ３・アミン錯体、アミンイミド化合物、ジシアンジアミド、ジカルボン酸ジヒドラジドイミダゾール系等の潜在性硬化剤、さらに必要に応じて適宜配合する硬化促進剤、難燃剤、充填剤等からなるものを挙げることができる。但し、本願発明では、少なくともビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂の使用が必須である。
【００１５】
熱硬化性接着剤層４の形成方法には特に制限はなく、例えばＡＣＦ、ＮＣＦ等の貼付、ＡＣＰ、ＮＣＰ等の塗布により形成できる。本発明においては、低粘度の熱硬化性接着剤を塗布することにより、塗布時に熱硬化性接着剤に気泡が巻き込まれても、後述する工程（ｄ）の本硬化工程の加熱加圧により熱硬化性接着剤層４中の気泡を排除できる。従って、熱硬化性接着剤層４の形成には粘度（２５℃）が１００万ｍＰａ・ｓ以下、好ましくは１０万〜５０万ｍＰａ・ｓの任意の粘度のＡＣＰ、ＮＣＰ等も使用することができる。この場合、図２（ａ）に示す、熱硬化性接着剤２１が充填されるステンレス等からなるシリンジ２２の先端に、ニードルノズル等の吐出ノズル２３を備えた構造のエアー圧送式ディスペンサー２４を使用することができる。
【００１６】
なお、このようなエアー圧送式ディスペンサー２４を連続使用すると、シリンジ２２内の空気の圧縮膨張により熱硬化性接着剤２１の温度が変化し、吐出量が不安定になるという問題がある。また、熱硬化性接着剤２１には、本硬化後のフィレット形状を改善し且つ硬化後の熱硬化性接着剤の耐衝撃性を改善する目的でシリカなどの無機フィラーを数十％まで添加することがしばしば行われているが、その場合には、吐出ノズル２３であるニードルノズルに目詰まりが発生するという問題がある。
【００１７】
そこで、本発明においては、エアー圧送式ディスペンサーとして、該シリンジの温度を制御するための温度制御装置を備えているものを使用することが好ましい。そのような温度制御装置としては、公知の温度制御手段を採用することができる。例えば、図２（ｂ）に示すような温調ジャケット２５をシリンジ２２の周囲に設け、シリンジ２２とジャケット２５との間に、水などの加熱媒体又は冷却媒体ｗを通液するものなどが挙げられる。
【００１８】
また、ノズルの目詰まりを抑制するために、図２（ｂ）に示すような、先端に向かって径が小さくなるテーパー形状の吐出ノズル２３を使用することが好ましい。
【００１９】
工程（ｂ）
次に、熱硬化性接着剤層４に対して半導体チップ５を、通常の加熱加圧ヘッド（図示せず）で押圧することにより仮圧着する（図１（ｂ））。この工程に要する時間は、通常１０秒以内である。また、半導体チップ５としては、通常、回路基板３の接続端子２に対向する部分にバンプが形成されているものを好ましく使用することができる。
【００２０】
本工程において、加熱加圧ヘッドから半導体チップ５を加熱しないことが好ましい。また、回路基板３は、加熱が可能なスーテジ上に必要に応じてバキュームチャック等により仮固定しておくことが好ましい。ここで、ステージを加熱しておく必要はないが、タクトタイムを短縮するために、後述する工程（ｃ）の予備硬化工程におけるステージ温度と略同一温度に加熱しておいてもよい。
【００２１】
また、押圧の大きさとしては、熱硬化性接着剤層４を構成する接着剤の組成等に応じて適宜設定することができる。例えば、０．１〜１Ｎ／ｂｕｍｐという押圧を例示することができる。
【００２２】
工程（ｃ）
次に、半導体チップ５に対する押圧を開放し、熱硬化性接着剤層４をその反応率が３０〜５０％となるように加熱により予備硬化させる（図１（ｃ））。従って、予備硬化に先立って、半導体チップ５で熱硬化性接着剤層４の接続部位が覆われるので、熱硬化性接着剤層４の表面にゴミや異物が付着することを大きく抑制することができる。
【００２３】
ここで、半導体チップ５に対して「押圧を開放して」予備加熱できるので、専用の治具や設備が必要なく、生産性が優れたものとなる。
【００２４】
また、熱硬化性接着剤層４を「その反応率が３０〜５０％となるように」予備硬化させる理由は、反応率が３０％未満であると、後述する工程（ｄ）の本硬化の際に熱硬化性接着剤層４中にボイドが残り易く、エージングテストの際の導通特性が大きく悪化する傾向があり、一方、反応率が５０％を超えると、半導体チップを押し込み難くなり、良好な本硬化が困難になるためである。
【００２５】
熱硬化性接着剤層４の反応率は、ＤＳＣ（示差走査熱量計）による反応熱量の測定から、次のように算出される。
【００２６】
【数１】
Ｒ（％）＝（１−Ｂ／Ａ）×１００
【００２７】
（式中、Ｒ：ＤＳＣ反応率
Ａ：予備加熱前の試料の発熱量
Ｂ：予備加熱後の試料の発熱量）
【００２８】
予備硬化の方法としては、加熱オーブンに投入する方法や回路基板が載置されたステージ自体を加熱する方法等を挙げることができる。
【００２９】
予備硬化条件としては、熱硬化性接着剤層４の反応率が３０〜５０％となるような条件であり、熱硬化性接着剤層４を構成する接着剤の組成等に応じて加熱温度や加熱時間等の条件を適宜設定することができる。例えば、熱硬化性接着剤がエポキシ樹脂と潜在性硬化剤とからなる場合には、７０〜９０℃で５〜１５分の加熱という条件を例示できる。
【００３０】
工程（ｄ）
次に、通常の加熱加圧ヘッド（図示せず）で半導体チップ５を押圧しながら、熱硬化性接着剤層４をその反応率が５０％を超えるように加熱により本硬化させる（図１（ｄ））。これにより、半導体チップ５が回路基板３に接続された構造の半導体装置が得られる。
【００３１】
本硬化は、通常の加熱加圧ヘッドにより、半導体チップ５を、例えば、０．１〜１Ｎ／ｂｕｍｐという押圧の下、１９０〜２３０℃で５〜１０秒間加熱加圧することにより行うことができる。この場合、回路基板３が載置されているステージを必要に応じて加熱してもよい。
【００３２】
本発明は、図１に示したように、回路基板３の接続端子２を含む接続部位全面に熱硬化性接着剤層４を形成し、その上から半導体チップ５のバンプをアライメントする場合の他に、バンプが形成された回路基板上に熱硬化性接着剤層を形成し、その上からバンプレス半導体チップの接続バッドをアライメントする場合や、半導体チップと回路基板との接続をバンプレスにて異方性導電接着剤を用いて接続する場合等にも適用することができる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３４】
実施例１〜４及び比較例１〜１１
熱硬化性接着剤として表１の成分を均一に混合したＮＣＰを調製した。得られたＮＣＰの初期粘度（８０℃）は４５０ｍＰａ・ｓであった。
【００３５】
【表１】
0003750606.tif 000002
【００３６】
得られたＮＣＰを、内径０．３ｍｍのニードルノズルを備え、１００〜５００ｋＰａの吐出圧で内容物を吐出可能なエアー圧送式ディスペンサー（Σ−ＭＸ９０００ＳＭ、武蔵エンジニアリング社製）の１０ｍｌ容量のシリンジ（ＰＳＹ−１０Ｅ）に充填し、２層フレキシブル回路基板（ポリイミドベース２０μｍ、Ｃｕパターン１２μｍ、表面Ｎｉ−Ａｕメッキ）の接続端子を含む接続部位に塗布した。
【００３７】
次に、この２層フレキシブル回路基板を特段に加熱されていないステージ又は８０℃に加熱されたステージ上に仮固定し、その２層フレキシブル回路基板に対し、ＩＣチップ（６ｍｍ□、０．４ｍｍ厚み、端子ピッチ８５μｍ、Ａｕメッキバンプ（６０μｍ□、２０μｍ高さ、２７２個））を、特段に加熱していない加圧ヘッドでアラインメントし、０．３Ｎ／バンプの推力で３秒間押圧することにより仮圧着した。
【００３８】
次に、加圧ヘッドをＩＣチップから引き離し、ＩＣチップが仮圧着されている２層フレキシブル回路基板をオーブンに投入し、表２に示す予備硬化条件で予備硬化した。予備硬化後のＮＣＰの反応率を、ＤＳＣの反応熱量から算出した。得られた結果を表２示す。
【００３９】
次に、ステージの温度を１００℃とし、加熱加圧ヘッドでＩＣチップを２３０℃で、０．６Ｎ／バンプの推力で５秒間押圧することにより本硬化させ、半導体装置を得た。
【００４０】
評価
（１）気泡（ボイド）の有無
本硬化直後の半導体装置の熱硬化性接着剤層における気泡の有無を、回路基板の裏面から光学顕微鏡により観察した。気泡が全面にわたって観察されたものを×、部分的に観察されたものを△、 観察されたなかったものを○と評価した。結果を表２に示す。
（２）初期導通試験
本硬化直後の半導体装置のＩＣチップのチェーン抵抗を測定し、導通が正常であったものを○、導通不良であったものを×と評価した。結果を表２に示す。
（３）エージング後導通試験
半導体装置をＰＣＴ（１１０℃、８５％ＲＨ、１００時間）によりエージングし、エージング後のチェーン抵抗を測定し、導通が正常なものを○、導通不良が発生していたものを×と評価した。結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
0003750606.tif 000003
【００４２】
表２の実施例１−２、比較例１−７から分かるように、ＩＣチップを仮圧着した後、熱硬化性接着剤層に対して反応率が３０〜５０％となるように予備硬化を行うと、本硬化後に硬化した熱硬化性接着剤層に気泡が巻き込まれることがなく、しかも初期、エージング後のそれぞれの導通特性が良好であった。また、実施例３−４、比較例７−１１から分かるように、ＩＣチップを仮圧着する際のステージ温度を予備硬化温度と同じにしておくと、同じ反応率を得るのに要する予備硬化時間を短縮することができることがわかる。また、ＩＣチップを仮圧着してから予備硬化するので、予備硬化の際に熱硬化性接着剤表面にゴミや異物が付着する可能性を大きく低減することができ、従って、初期並びにＰＣＴエージング後の導通信頼性を低下させないことがわかる。
【００４３】
実施例５
本実施例では、実施例１で使用したエアー圧送式ディスペンサーに、図２（ｂ）に示した温調ジャケットを設置した場合の温度制御効果並びに吐出ノズル形状の影響を調べるための以下の実験例１〜１３を行った。なお、使用した、熱硬化性接着剤としては、実施例１で使用した熱硬化性接着剤のアエロジルＲＹ２００の使用量を３重量部から、５重量部（接着剤Ａ）、２重量部（接着剤Ｂ）、７重量部（接着剤Ｃ）、１重量部（接着剤Ｄ）又は１０重量部（接着剤Ｅ）としたものを使用した。
【００４４】
これらの接着剤をそれぞれ、テーパ型ノズル又はニードル型ノズルを備えたエアー圧送式ディスペンサーのシリンジに充填し、実施例１と同様に回路基板上に表３に示すシリンジ温度で吐出させ、更に、ＩＣチップの仮圧着、予備硬化、本硬化を行うことにより半導体装置を作製した。
【００４５】
（評価）
（ａ）シリンジ内熱硬化性接着剤の粘度
シリンジ温度における接着剤の粘度（ｍＰａ・ｓ）を回転温度計（回転数２．５ｒ／ｍｉｎ）で測定した。得られた結果を表３に示す。
（ｂ）エアー圧送式ディスペンサーの吐出安定性
エアー圧送式ディスペンサーから、熱硬化性接着剤の１０００ショット吐出を行ったときの吐出量のバラツキを評価した。ここで、バラツキが１０％未満の場合を○、１０％以上の場合を×と評価した。得られた結果を表３に示す。
（ｃ）圧着品外観
実施例１と同様に仮圧着、予備硬化、本硬化を行うことにより得られた半導体装置の本硬化後のチップ周辺のフィレット形状を目視にて評価した。フィレット形状が良好な場合を○、不良な場合を×と評価した。得られた結果を表３に示す。
（ｄ）接続信頼性
得られた半導体装置をＰＣＴ（１２０℃、１００％ＲＨ、５０時間）によりエージングし、エージング後の接続抵抗評価を行った。ＯＰＥＮ発生がない場合を○、ＯＰＥＮ発生がある場合を×と評価した。得られた結果を表３に示す。
【００４６】
【表３】
0003750606.tif 000004
【００４７】
表３の結果から、エアー圧送式ディスペンサーに温調ジャケットを設置し、シリンジ温度を２５〜５０℃に設定することにより、熱硬化性接着剤を安定的に吐出させ得ることが分かる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、熱硬化性接着剤を介して回路基板に半導体チップが接続された構造を有する半導体装置を製造する際に、硬化後の熱硬化性接着剤層中に気泡が含まれないようにすると共に、熱硬化性接着剤層の表面にゴミや異物の付着を極力防止して、良好な接続信頼性を得られるようにすることを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体装置の製造方法の工程説明図である。
【図２】  エアー圧送式ディスペンサーの概略断面図である。
【符号の説明】
１  支持基板、２  接続端子、３  回路基板、４  熱硬化性接着剤層、５  半導体チップ、２１  熱硬化性接着剤、２２  シリンジ、２３  吐出ノズル、２４エアー圧送式ディスペンサー、２５  温調ジャケット
【図１】
0003750606.tif 000005
【図２】
0003750606.tif 000006