JP3914332B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として半導体ベアチップからなる半導体素子を回路基板に実装してなる半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器においては小型化および軽量化が求められており、それに伴って、回路基板上に半導体素子を実装してなる半導体装置では、電子回路の実装密度を高めることを目的として、ウェハを個片に分割した半導体ベアチップを裏返して回路基板上に直接実装する工法が多用されている。特に、サーマルヘッドドライバ、液晶ディスプレイドライバおよびゲートアレイなどの超多ピン素子の組立および実装技術として、半導体ベアチップの素子電極部上にワイヤボンダによるボールボンディング工法により突起電極を形成し、この突起電極を回路基板の基板電極部に電気的接続状態に接合することにより、回路基板に半導体ベアチップを実装する方法が知られている。
【０００３】
つぎに、従来の半導体装置の製造方法の一列として、液晶ディスプレイドライバの製造工程について説明する。先ず、図４（ａ）に示すように、例えばニッケル金属の微粉などの導電性粒子２を分散して含有させた導電性樹脂シート１を、回路基板３における基板電極部４の形成面上に貼り付ける。この樹脂シート１は加圧箇所のみが導電性を有するようになる。続いて、同図（ｂ）に示すように、ヘッドヒータ１１を内蔵した実装ヘッド１０は、ボールボンディング工法により素子電極部８上に２段形状の突起電極（スタッドバンプ）９を予め形成した半導体ベアチップからなる半導体素子７を吸着する。ここで、半導体素子７は，その突起電極９の非形成面に実装ヘッド１０の吸着面を押し付けられるとともに、真空ポンプ（図示せず）などの空気吸引力が実装ヘッド１０の空気吸引通路１２を介して作用することにより、実装ヘッド１０に吸着される。
【０００４】
半導体素子７を吸着した実装ヘッド１０は、素子電極部８つまり突起電極９が基板電極部４に対向するように半導体素子７を回路基板３に対し位置決めしたのちに、同図（ｃ）に示すように、下降して半導体素子７を樹脂シート１上に載置する。つぎに、実装ヘッド１０は半導体素子７を加圧して樹脂シート１に押し付ける。それにより、同図（ｃ）に示すように、突起電極９は、樹脂シート１内に埋入していき、導電性粒子２を介して回路基板３の基板電極部４に電気的接続状態に接触する。また、実装ヘッド１０は、ヘッドヒータ１１を駆動して２００℃の加熱温度に昇温させる。樹脂シート１は、ヘッドヒータ１１の発生熱が素子電極部８および突起電極９を通じて伝熱されることにより溶融硬化する。この溶融硬化した樹脂シート１は、突起電極９と基板電極部４との接合部を強固に保持するとともに、半導体素子７と回路基板３との間隙を封止する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置の製造方法では、導電性粒子２による突起電極９と基板電極部４との電気的接続と、半導体素子７と回路基板３の間隙の樹脂による封止とを単一の工程で行うことを目的として、導電性粒子２を混入した樹脂シート１を用いているため、実装状態時に突起電極９と基板電極部４との間に介在する導電性粒子２は、少数であって、その数にもばらつきが生じる。それにより、突起電極９と基板電極部４との接続抵抗値は半導体装置毎に変動して一定とならず、製造された半導体装置の電気特性が変化してしまう問題がある。
【０００６】
さらに、この製造方法では、突起電極９と基板電極部４との間に介在する導電性粒子２の数を可及的に一定とするために、回路基板３と半導体素子７とを正確な平行度で対向させる必要がある。そのため、一つの半導体素子７に形成した複数の２段突起電極９は、各々の先端部をレベルリングステージに押し付けるなどの手段により平坦面に整形し、且つそれぞれの高さを正確な一定値に揃える必要があり、さらに、突起電極９を形成した半導体素子７は、回路基板３に対し正確な平行度を保って押し付ける必要がある。したがって、従来の製造方法では、半導体製造装置に対し煩雑で困難な調整を必要とする。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、半導体素子の突起電極と回路基板の基板電極部とを常にほぼ一定した接続抵抗値で安定に接続できるとともに、煩雑な調整を要することなく半導体素子を回路基板に容易に実装することのできる半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、半導体素子の素子電極部に形成した突起電極を回路基板の基板電極部に電気的接続状態に接合することにより、前記半導体素子を前記回路基板に実装してなる半導体装置を製造する方法において、前記回路基板における前記半導体素子を実装すべき箇所に、前記回路基板と半導体素子との間隙を封止するための樹脂シートを貼り付ける工程と、前記樹脂シートにおける前記突起電極を対向させる位置に導電性材料を付着する工程と、前記突起電極を前記導電性材料に対向させて前記半導体素子を前記回路基板に対し位置決めしたのちに、加熱および加圧して、前記半導体素子と前記回路基板とを接合、封止する工程とを備えている。
【０００９】
この半導体装置の製造方法では、複数の突起電極と基板電極部との各間に、樹脂シートとは別個に設けた導電性材料が確実に一定量ずつ介在するので、突起電極と基板電極部との接合部は確実に電気的接続される上に、その接続抵抗値が常に一定値に安定する。しかも、樹脂シートとは別個に設けた導電性材料を突起電極と基板電極部との間に介在させるので、半導体素子を回路基板に対し正確な平行度に対向するよう調整する必要がなく、容易に製造することができる。
【００１４】
上記発明において、導電性材料として、はんだ金属または導電フィラーを含有する接着剤を用いることにより、前記突起電極と前記基板電極部との接合を強固なものとすることができる。
【００１５】
また、上記発明における樹脂シートとして、半導体素子の熱膨張係数よりも大きく、且つ回路基板の熱膨張係数よりも小さな熱膨張係数を有するものを用いることが好ましい。これにより、半導体素子と回路基板との熱膨張係数の差による熱ストレスに起因して樹脂シートに加わろうとする熱膨張による応力を緩和することができる。そのため、導電性材料を介在しての半導体素子の突起電極と基板電極部との接合に高い信頼性を得ることができる。
【００１６】
さらに、上記発明の樹脂シートとして、半導体素子との対面側部位から回路基板との対面側部位に向けて徐々に大きくなるよう変化する熱膨張係数を有するものを用いれば、より好ましい。これにより、半導体素子と回路基板との熱膨張係数の差による熱ストレスに起因して導電性材料に加わろうとする熱膨張による応力を極めて効果的に緩和することができるから、半導体素子の突起電極と基板電極部との導電性材料を介しての接合により一層高い信頼性を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示した概略縦断面図であり、図４と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してその説明を省略する。この実施の形態では、同図（ａ）に示すように、導電性粒子を含まない単なる樹脂シート１３を設けて、この樹脂シート１３を、２点鎖線で示すように、回路基板３における半導体素子７を実装すべき箇所に貼り付ける。この樹脂シート１３は、熱硬化性樹脂、例えばエポキシ系樹脂を用いたものが適しており、半導体素子７に設ける２段形状の突起電極９の高さよりも僅かに大きい厚み、すなわち５０〜１００μｍの厚みに形成されている。
【００１９】
つぎに、同図（ｂ）に示すように、樹脂シート１３上における所定の各位置には、導電性材料１４をスクリーン印刷法により同時に、またはディスペンス法により個々に供給する。ここで、樹脂シート１３の所定の位置は、半導体素子７の各突起電極９を回路基板３の対応する基板電極部４にそれぞれ接触させるために対向させる位置である。また、導電性材料１４としては、この実施の形態では金または銀あるいは銀−パラジウム合金などの導電性金属材料の微粉末を導電フィラーとして、この導電フィラーを熱硬化性樹脂、例えばエポキシ系樹脂と溶剤とを混合してなる導電性接着剤を用いる。なお、導電性材料１４としては錫−鉛系などのはんだ金属を使用することもでき、はんだ金属の場合にはディスペンス法により各所定位置に個々に供給して付着させる。
【００２０】
続いて、同図（ｃ）に示すように、ヘッドヒータ１１を内蔵した実装ヘッド１０は、ボールボンディング工法またはめっき法などにより素子電極部８上に２段形状の突起電極９が予め形成された半導体ベアチップからなる半導体素子７を吸着する。ここで、半導体素子７は，その突起電極９の非形成面に実装ヘッド１０の吸着面が押し付けられるとともに、真空ポンプなどの空気吸引力が実装ヘッド１０の空気吸引通路１２を介して作用することにより、実装ヘッド１０に吸着されている。このように半導体素子７を吸着した実装ヘッド１０は、素子電極部８つまり突起電極９が導電性材料１４に正確に対向するように半導体素子７を回路基板３に対し位置決めしたのちに、加熱状態下においてその位置決め状態を保持したまま下降して、半導体素子７を回路基板３に対し加圧する。
【００２１】
それにより、突起電極９は、同図（ｄ）に示すように、対応する導電性材料１４をそれぞれ押し下げながら樹脂シート１３中に埋入していき、この樹脂シート１３を突き破るようにして導電性材料１４を介し基板電極部４に電気的接続状態に接触する。なお、実装ヘッド１０は、ヘッドヒータ１１による加熱温度が２００℃に昇温するよう制御する。それにより、樹脂シート１３は、ヘッドヒータ１１の発生熱を素子電極部８および突起電極９を通じて伝熱されることにより溶融し、且つ半導体素子７を介して加圧されることにより、突起電極９の高さよりも僅かに大きな厚みを有していることから回路基板３と半導体素子７との間隙を隙間無く埋めつくすように変形する。また導電性材料１４および樹脂シート１３は、溶融硬化することによって突起電極９と基板電極部４との接合状態を強固なものとするとともに、半導体素子７と回路基板３とを互いに強固に接合する。
【００２２】
一方、はんだ金属を導電性材料１４として用いた場合には、この導電性材料１４がヘッドヒータ１１の発生熱で加熱されて溶融硬化することによって突起電極９と基板電極部４とを電気的かつ機械的に強固に接続するとともに、導電性材料１４が溶融硬化することによって突起電極９と基板電極部４とを強固に接合する。
【００２３】
図２は本発明に関する第 1 の参考例としての半導体装置の製造方法を工程順に示した概略縦断面図を示し、この参考例では、上記実施の形態に対しそれらの工程のうちの一部の順次が異なるのみである。すなわち、同図（ａ）に示すように、回路基板３の各基板電極部４における突起電極９を接合すべき箇所に、導電性材料１４をスクリーン印刷法により同時に、またはディスペンス法により個々に供給する。つぎに、ヘッドヒータ１１を内蔵した実装ヘッド１０は、素子電極部８上に突起電極９が予め形成された半導体ベアチップからなる半導体素子７を吸着して、素子電極部８つまり突起電極９が導電性材料１４に正確に対向するように半導体素子７を回路基板３に対し位置決めしたのちに、その位置決め状態を保持したまま下降して、半導体素子７を回路基板３に対し加圧する。それにより、突起電極９は、同図（ｄ）に示すように、対応する導電性材料１４を押し下げながら樹脂シート１３中に埋入していき、この樹脂シート１３を突き破るようにして導電性材料１４を介し基板電極部４に電気的接続状態に接触する。
【００２４】
このとき、この参考例では、実装ヘッド１０がヘッドヒータ１１を駆動して２００℃の加熱温度まで昇温させている。そのため、樹脂シート１３は、ヘッドヒータ１１の発生熱を素子電極部８および突起電極９を通じて伝熱されることにより溶融するので、突起電極９は、溶融した樹脂シート１３内にスムーズに埋入していき、同図（ｄ）に示すように、対応する導電性材料１４を介し基板電極部４に電気的接続状態に接触する。
【００２５】
なお、樹脂シート１３は、上記実施の形態と同様に、半導体素子７を介して加圧および加熱されて、回路基板３と半導体素子７との間隙を隙間無く埋めつくすように変形したのちに硬化し、突起電極９と基板電極部４との導電性材料１４を介在しての接合部を内部に封入して、その接合状態を強固に保持するとともに、半導体素子７と回路基板３とを互いに強固に接合する。
【００２６】
図３は本発明に関する第 2 の参考例としての半導体装置の製造方法を工程順に示した概略縦断面図を示し、この参考例では、上記実施の形態に対しその工程の一部の順序が異なるのみである。すなわち、同図（ａ）に示すように、樹脂シート１３の一面には、回路基板３への貼着に先立って、突起電極９と基板電極部４との接合箇所にそれぞれ対応する部位に導電性材料１４をスクリーン印刷法により同時に、またはディスペンス法により個々に供給しておく。このように、導電性材料１４を予め付着した樹脂シート１３は、同図（ｂ）に示すように、導電性材料１４を上方に位置させた状態で、その導電性材料１４が基板電極部４における突起電極９の接合箇所に対応するよう位置決めして、回路基板３上に貼り付ける。そののちは、同図（ｃ）および同図（ｄ）に示すように、上記実施の形態と同様の工程を経て半導体素子７を回路基板３に実装して半導体装置１７を製造する。すなわち、同図（ｃ），（ｄ）は図１（ｃ），（ｄ）と同一工程である。
【００２７】
したがって、この製造方法により得られた半導体装置１７は上記実施の形態と全く同じ効果を得られる。それに加えて、この製造方法では、導電性材料を予め付着させた樹脂シートを回路基板に貼着するので、工程を簡略化できる利点がある。
【００２８】
一方、図３（ａ）に示すように導電性材料１４を予め一面に付着した樹脂シート１３を、同図（ｂ）とは逆に導電性材料１４が下方に位置する配置として、その導電性材料１４が基板電極部４における突起電極９の接合箇所に対応するよう位置決めして、回路基板３上に貼り付けるようにしてもよい。そののちは、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、第 1 の参考例と同様の工程を経て半導体素子７を回路基板３に実装して半導体装置１７を製造する。この製造方法により得られた半導体装置１７は第 1 の参考例と全く同様の効果を得られる。
【００２９】
また、上述の実施の形態及び、第１、第 2 の参考例において、樹脂シート１３の熱膨張係数は、半導体素子７の熱膨張係数よりも大きく、且つ回路基板３の熱膨張係数よりも小さく設定されている。具体的には、一般的な半導体素子７の熱膨張係数が３ppm ／Ｋ、回路基板３の熱膨張係数がセラミック基板の場合に６ppm ／Ｋで、樹脂基板の場合に１４ppm ／Ｋであるから、樹脂シート１３の熱膨張係数は３ppm ／Ｋ〜６ppm ／Ｋの間の値、または３ppm ／Ｋ〜１４ppm ／Ｋの間に設定する。
【００３０】
これにより、半導体素子７と回路基板３との熱膨張係数の差による熱ストレスに起因して樹脂シート１３に加わろうとする熱膨張による応力を緩和することができる。そのため、導電性材料１４を介在しての半導体素子７の突起電極９と基板電極部４との接合に高い信頼性を得ることができる。
【００３１】
一方、上述の実施の形態及び、第１、第 2 の参考例において、樹脂シート１３の熱膨張係数は、半導体素子７との対面側から回路基板３との対面側に向けて徐々に大きくなる状態に変化するよう設定することもできる。この場合の樹脂シート１３の熱膨張係数の設定に際しては、特に半導体素子７および回路基板３に各々固有の熱膨張係数に制約を受けることはないが、好ましくは、半導体素子７の熱膨張係数の３ppm ／Ｋから回路基板３の熱膨張係数の６ppm ／Ｋまたは１４ppm ／Ｋまで熱膨張係数が連続的に徐々に変化する樹脂シート１３を用いる。このような樹脂シート１３を用いることにより、半導体素子７と回路基板３との熱膨張係数の差による熱ストレスに起因して導電性材料１４に加わろうとする熱膨張による応力を極めて効果的に緩和することができるから、半導体素子７の突起電極９と基板電極部４とを導電性材料１４を介しての接合に一層高い信頼性を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明の半導体装置の製造方法によれば、複数の突起電極と基板電極部との各間に、樹脂シートとは別個に設けた導電性材料を確実に一定量ずつ介在させることができるので、突起電極と基板電極部との接合部を確実に電気的接続できるとともに、その接続抵抗値を一定値に安定できる。また、樹脂シートとは別個に設けた導電性材料を突起電極と基板電極部４との間に介在させるので、半導体素子を回路基板に対し正確な平行度に対向するよう調整する必要がなく、容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程を順に示した概略縦断面図。
【図２】 （ａ）〜（ｄ）は本発明に関する第 1 の参考例としての半導体装置の製造方法の工程を順に示した概略縦断面図。
【図３】 （ａ）〜（ｄ）は本発明に関する第 2 の参考例としての半導体装置の製造方法の工程を順に示した概略縦断面図。
【図４】 （ａ）〜（ｃ）は従来の半導体装置の製造方法の工程を順に示した概略縦断面図。

Claims (5)

1. 半導体素子の素子電極部に形成した突起電極を回路基板の基板電極部に電気的接続状態に接合することにより、前記半導体素子を前記回路基板に実装してなる半導体装置を製造する方法において、前記回路基板における前記半導体素子を実装すべき箇所に、前記回路基板と半導体素子との間隙を封止するための樹脂シートを貼り付ける工程と、前記樹脂シートにおける前記突起電極を対向させる位置に導電性材料を付着する工程と、前記突起電極を前記導電性材料に対向させて前記半導体素子を前記回路基板に対し位置決めしたのちに、加熱および加圧して、前記半導体素子と前記回路基板とを接合封止する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 導電性材料がはんだ金属である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 導電性材料が導電フィラーを含有する接着剤である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 樹脂シートとして、半導体素子の熱膨張係数よりも大きく、且つ回路基板の熱膨張係数よりも小さな熱膨張係数を有するものを用いた請求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 樹脂シートとして、半導体素子との対面側部位から回路基板との対面側部位に向けて徐々に大きくなるよう変化する熱膨張係数を有するものを用いた請求項１記載の半導体装置の製造方法。

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