JP4084835B2 - フリップチップ実装方法および基板間接続方法 - Google Patents

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    • H01L25/50—Multistep manufacturing processes of assemblies consisting of devices, each device being of a type provided for in group H01L27/00 or H01L29/00
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Description

本発明は、半導体チップを回路基板に実装するフリップチップ実装方法、及び複数の電極が形成された基板間を接続する基板間接続方法に関する。
近年、電子機器に使用される半導体集積回路（ＬＳＩ）の高密度、高集積化に伴い、ＬＳＩチップの電極端子の多ピン、狭ピッチ化が急速に進んでいる。これらＬＳＩチップの回路基板への実装には、配線遅延を少なくするために、フリップチップ実装が広く用いられている。そして、このフリップチップ実装においては、ＬＳＩチップの電極端子上にはんだバンプを形成し、当該はんだバンプを介して、回路基板上に形成された接続端子に一括接合されるのが一般である。
しかしながら、電極端子数が５，０００を超えるような次世代ＬＳＩを回路基板に実装するためには、１００μｍ以下の狭ピッチに対応したバンプを形成する必要があるが、現在のはんだバンプ形成技術では、それに適応することが難しい。また、電極端子数に応じた多数のバンプを形成する必要があるので、低コスト化を図るためには、チップ当たりの搭載タクトの短縮による高い生産性も要求される。
同様に、半導体集積回路は、電極端子の増大でペリフェラル電極端子からエリア配置の電極端子に変化している。また、高密度化、高集積化の要求で半導体プロセスが９０ｎｍから６５ｎｍ、４５ｎｍへと進展していくことが予想される。その結果、配線の微細化が更に進み、配線間の容量が増大することにより、高速化、消費電力ロスの問題が深刻になり、配線層間の絶縁膜の低誘電率化（Ｌｏｗ−Ｋ）の要求が更に高まっている。このような絶縁膜のＬｏｗ−Ｋ化の実現は、絶縁層材料の多孔質化（ポーラス化）によって得られるため、機械的強度が弱く、半導体の薄型化の障害になっている。また、上述のように、エリア配置の電極端子を構成する場合、Ｌｏｗ−Ｋ化による多孔質膜上の強度に問題があるため、エリア配置電極上にバンプを形成すること、およびフリップチップ実装そのものが困難となっている。従って、今後の半導体プロセスの進展に対応した薄型・高密度半導体に適した低荷重フリップチップ実装法が要求されている。
従来、バンプの形成技術としては、メッキ法やスクリ−ン印刷法などが開発されている。メッキ法は狭ピッチには適するものの、工程が複雑になる点、生産性に問題があり、また、スクリーン印刷法は、生産性には優れているが、マスクを用いる点で、狭ピッチ化には適していない。
こうした中、最近では、ＬＳＩチップや回路基板の電極上に、はんだバンプを選択的に形成する技術がいくつか開発されている。これらの技術は、微細バンプの形成に適しているだけでなく、バンプの一括形成ができるので、生産性にも優れており、次世代ＬＳＩの回路基板への実装に適応可能な技術として注目されている。
例えば、特許文献１又は特許文献２等に開示された技術は、導電性粒子とフラックスの混合物によるソルダーペーストを、表面に電極が形成された基板上にベタ塗りし、基板を加熱することによって、導電性粒子を溶融させ、濡れ性の高い電極上に選択的にはんだバンプを形成させるものである。
また、特許文献３に開示された技術は、有機酸鉛塩と金属錫を主要成分とするペースト状組成物（化学反応析出型はんだ）を、電極が形成された基板上にベタ塗りし、基板を加熱することによって、ＰｂとＳｎの置換反応を起こさせ、Ｐｂ／Ｓｎの合金を基板の電極上に選択的に析出させるものである。
しかしながら、上記特許文献１乃至３に開示された技術は、いずれも、ペースト状組成物を基板上に塗布により供給するので、局所的な厚みや濃度のバラツキが生じ、そのため、電極ごとのはんだ析出量が異なり、均一な高さのバンプが得られない。また、これらの方法は、表面に電極の形成された凹凸のある回路基板上に、ペースト状組成物を塗布により供給するので、凸部となる電極上には、十分なはんだ量が供給できず、フリップチップ実装において必要とされる所望のバンプ高さを得ることが難しい。
ところで、従来のバンプ形成技術を用いたフリップチップ実装は、バンプが形成された回路基板に半導体チップを搭載した後、半導体チップを回路基板に固定するために、アンダーフィルと呼ばれる樹脂を、半導体チップと回路基板の間に注入する工程をさらに必要とする。
そこで、半導体チップと回路基板の対向する電極端子間の電気的接続と、半導体チップの回路基板への固定を同時に行なう方法として、異方性導電材料を用いたフリップチップ実装技術（例えば、特許文献４参照）が開発されている。これは、回路基板と半導体チップの間に、導電粒子を含有させた熱硬化性樹脂を供給し、半導体チップを押圧すると同時に、熱硬化性樹脂を加熱することによって、半導体チップと回路基板の電極端子間の電気的接続と、半導体チップの回路基板への固定を同時に実現するものである。
特開２０００−９４１７９号公報 特開平６−１２５１６９号公報 特開平１−１５７７９６号公報 特開２０００−３３２０５５号公報 特開２００２−２６０７０号公報 特開平１１−１８６３３４号公報 特開２００４−２６０１３１号公報 安田真大他，「低融点金属フィラー含有樹脂による自己組織化接合プロセス」，第10回「エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術」シンポジウム（10th Symposium on "Microjoing and Assembly Technology in Electronics"），183−188頁，2004年
異方性導電材料を用いたフリップチップ実装は、半導体チップと回路基板の電極端子間の電気的接続と、半導体チップの回路基板への固定を同時に実現するものとして生産性に優れていると言えるが、以下のような課題がある。
上記異方性導電材料は、樹脂中に導電粒子が均一に分散されているが、半導体チップを回路基板に押圧することによって、分散された導電粒子が、半導体チップと回路基板の電極端子に物理的に接触し、これにより、対向する電極端子間の電気的な接続を可能にする一方、異方性導電材料の樹脂によって、隣接する電極端子間の絶縁性を確保している。
しかしながら、導電粒子は樹脂中に均一に分散されているため、対向する電極端子間の導通に寄与している導電粒子は、その一部に過ぎず、安定した導通状態を得ることが難しく、電気的接続に十分な信頼性が得られないという問題がある。また、たとえ隣接する電極端子間は樹脂で絶縁されているとしても、対向する電極端子間の導通に寄与していない導電粒子が樹脂中に分散されているので、十分な絶縁性が確保できない可能性もある。
すなわち、異方性導電材料を用いたフリップチップ実装は、接続端子数が５，０００を超えるような次世代ＬＳＩチップに適用するためには、信頼性の面で解決すべき課題を残している。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、次世代ＬＳＩのフリップチップ実装に適用可能な、生産性及び信頼性の高いフリップチップ実装方法、及び当該方法と基本工程を一にする基板間接続方法を提供することを目的とする。
本発明のフリップチップ実装方法は、複数の接続端子を有する回路基板に対向させて、複数の電極端子を有する半導体チップを配置し、回路基板の接続端子と半導体チップの電極端子とを電気的に接続するフリップチップ実装方法において、回路基板と半導体チップとの隙間に、導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を供給する第１の工程と、樹脂を加熱して、樹脂中に含有する気泡発生剤から気泡を発生させる第２の工程と、半導体チップを、回路基板に押圧する第３の工程と、樹脂を硬化する第４の工程とを含み、第２の工程において、樹脂は、気泡発生剤から発生した気泡が成長することで該気泡外に押し出されることによって、回路基板の接続端子と半導体チップの電極端子との間に自己集合し、第３の工程において、端子間に自己集合した樹脂中に含有する導電性粒子同士が互いに接触することによって、端子間を電気的に接続し、第４の工程において、端子間の樹脂を硬化することによって、半導体チップを回路基板に固定することを特徴とする。
ここで、上記気泡発生剤は、樹脂が加熱されたときに沸騰する材料からなることが好ましい。また、気泡発生剤は、沸点の異なる２種類以上の材料からなるものであってもよい。さらに、気泡発生剤は、樹脂が加熱されたときに、気泡発生剤が熱分解することにより気体を発生する材料からなるものであってもよい。例えば、気泡発生剤は、結晶水を含む化合物からなり、樹脂が加熱されたとき分解されて水蒸気を発生する。
ある好適な実施形態において、上記第２の工程は、回路基板と半導体チップとの隙間の間隔を変動させながら実行される。
ある好適な実施形態において、上記第１の工程は、回路基板上に、導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を供給した後、該樹脂表面に前記半導体チップを配設することにより実行される。
ある好適な実施形態において、上記第４の工程は、樹脂を加熱して、該樹脂を熱硬化させることにより行なわれる。また、第４の工程の後、回路基板と半導体チップとの隙間にアンダーフィル材を供給し、然る後、該アンダーフィル材を硬化させる工程をさらに含むものであってもよい。
ある好適な実施形態において、上記複数の電極端子を有する半導体チップは、半導体ベアチップが複数の電極端子を有するインターポーザに搭載された構成になっている。
本発明の基板間接続方法は、複数の電極を有する第１の基板に対向させて、複数の電極を有する第２の基板を配置し、第１の基板の電極と第２の基板の電極とを電気的に接続する基板間接続方法において、第１の基板と第２の基板との隙間に、導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を供給する第１の工程と、樹脂を加熱して、樹脂中に含有する気泡発生剤から気泡を発生させる第２の工程と、第２の基板を、第１の基板に押圧する第３の工程と、樹脂を硬化する第４の工程とを含み、第２の工程において、樹脂は、気泡発生剤から発生した気泡が成長することで該気泡外に押し出されることによって、第１の基板の電極と第２の基板の電極間に自己集合し、第３の工程において、電極間に自己集合した樹脂中に含有する導電性粒子同士が互いに接触することによって、電極間を電気的に接続し、第４の工程において、電極間に自己集合した樹脂を硬化することによって、第１の基板を第２の基板に固定することを特徴とする。
ここで、上記気泡発生剤は、樹脂が加熱されたときに沸騰する材料からなることが好ましい。
ある好適な実施形態において、上記第２の工程は、第１の基板と第２の基板との隙間の間隔を変動させながら実行される。
ある好適な実施形態において、上記第１の工程は、第１の基板上に、導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を供給した後、該樹脂表面に前記第２の基板を配設することにより実行される。
ある好適な実施形態において、上記第４の工程の後、第１の基板と第２の基板との隙間にアンダーフィル材を供給し、然る後、該アンダーフィル材を硬化させること工程をさらに含む。
本発明のフリップチップ実装体は、複数の接続端子を有する回路基板に対向させて、複数の電極端子を有する半導体チップを配置され、回路基板の接続端子と半導体チップの電極端子とが電気的に接続されたフリップチップ実装体において、接続端子と電極端子は、回路基板と半導体チップとの隙間に供給された導電性粒子と気泡発生剤を含有する樹脂が、接続端子と電極端子間に自己集合し、該自己集合した樹脂中の導電性粒子同士が接触することによって、電気的に接続されていることを特徴とする。
ある好適な実施形態において、上記フリップチップ実装体は、回路基板と半導体チップとの隙間に供給されたアンダーフィル材で固定されている。
本発明のフリップチップ実装装置は、半導体チップを回路基板にフリップチップ実装するフリップチップ実装装置であって、半導体チップ及び回路基板を、一定の隙間をもって互いに対向させて保持する保持手段と、半導体チップと回路基板との隙間に、導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を供給する供給手段と、樹脂を加熱する加熱手段と、半導体チップを回路基板に押圧する押圧手段とを備え、加熱手段は、樹脂中に含有する気泡発生剤から気泡を発生させる温度に制御する第１の加熱手段と、樹脂を熱硬化させる温度に制御する第２の加熱手段を有していることを特徴とする。
ある好適な実施形態において、上記第１の加熱手段で加熱された樹脂は、気泡発生剤から発生した気泡が成長することで該気泡外に押し出されることによって、回路基板の接続端子と半導体チップの電極端子との間に自己集合し、押圧手段により半導体チップを回路基板に押圧することによって、端子間に自己集合した樹脂中に含有する導電性粒子同士が互いに接触し、端子間に電気的な接続がなされ、第２の加熱手段により樹脂を加熱することによって、樹脂中に含有する導電性粒子同士が互いに接触した状態で、半導体チップを前記回路基板に固定される。
本発明に係るフリップチップ実装方法は、回路基板と半導体チップの隙間に供給された導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を加熱することによって、気泡発生剤から気泡を発生させ、当該気泡が成長することで樹脂を気泡外に押し出すことにより、当該樹脂を回路基板の接続端子と半導体チップの電極端子との間に自己集合させることができる。そして、半導体チップを回路基板に押圧することによって、対向する端子間に自己集合した樹脂中に含有する導電性粒子同士を互いに接触させて、端子間を電気的に接続することができる。これにより、樹脂中に分散した導電性粒子を効率よく端子間に自己集合させ、端子間の導電に寄与させることができるので、安定した導通状態が得られ、信頼性の高い電気的接続が達成できる。
また、同様に、本発明に係る基板間接続法においても、対向する基板間に供給された導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を加熱することによって、気泡発生剤から気泡を発生させ、当該気泡が成長することで樹脂を気泡外に押し出すことにより、当該樹脂を対向する基板の電極間に自己集合させることができる。そして、基板同士を押圧することによって、電極間に自己集合した樹脂中に含有する導電性粒子同士を互いに接触させて、電極間を電気的に接続することができる。これにより、樹脂中に分散した導電性粒子を効率よく電極間に自己集合させ、電極間の導電に寄与させることができるので、安定した導通状態が得られ、信頼性の高い基板間接続が達成できる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。本発明は以下の実施形態に限定されない。
図１（ａ）〜（ｄ）、及び図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態におけるフリップチップ実装方法の基本的な工程を示した工程断面図である。
まず、図１（ａ）に示すように、複数の接続端子１１を有する回路基板１０上に、導電性粒子（例えば、Ｃｕ等）１２と気泡発生剤（例えば、イソプロピルアルコール等）を含有した樹脂（例えば、エポキシ樹脂等）１３を供給する。次に、図１（ｂ）に示すように、樹脂１３表面に、複数の電極端子２１を有する半導体チップ２０を、回路基板１０に対向させて配設する。このとき、半導体チップ２０の電極端子２１は、回路基板１０の接続端子１１に位置合わせされている。
なお、ここに示した工程は、先に、回路基板１０と半導体チップ２０を一定の隙間（例えば、１０〜８０μｍ）を設けて互いに対向させて配置し、然る後、導電性粒子１２と気泡発生剤を含有した樹脂１３を、この隙間に供給してもよい。
この状態で、樹脂１３を所定の温度（例えば、１００〜１５０℃）に加熱すると、図１（ｃ）に示すように、樹脂１３中に含有する気泡発生剤から気泡３０が発生する。発生した気泡３０は、図１（ｄ）に示すように、徐々に成長し、成長した気泡３０によって、樹脂１３は、この気泡３０外に押し出される。
押し出された樹脂１３は、図２（ａ）に示すように、回路基板１０の接続端子１１と半導体チップ２０の電極端子２１間に柱状（例えば、略円柱状）に自己集合する。このとき、端子間に自己集合しなかった樹脂１３のほとんどは、成長した気泡３０の圧力によって、回路基板１０と半導体チップ２０の隙間から外部に押し出される。
次に、この状態で、図２（ｂ）に示すように、半導体チップ２０を回路基板１０に矢印の方向に押圧する。ここで、押圧の大きさは、例えば、２０ｋ〜２００ｋＰａ程度に設定される。この押圧により、対向する端子間に自己集合した樹脂１３中に含有する導電性粒子１２同士が互いに接触することによって、端子間を電気的に接続する。このとき、端子間には、少なくとも一つ以上の導電性粒子１２が介在した状態で、端子間の電気的接続を図っている。なお、押圧の際、樹脂１３中に含有する導電性粒子１２は、樹脂１３の粘性による応力が働くので、樹脂１３外に流出することはない。
この状態で、図２（ｃ）に示すように、対向する端子間に自己集合した樹脂１３を硬化させることによって、半導体チップ２０を回路基板１０に固定させる。樹脂１３は、端子面全体に拡がっているので、半導体チップ２０を回路基板１０に固定するには十分であるが、必要に応じて、半導体チップ２０と回路基板１０の隙間にアンダーフィル材１４を注入し、然る後、アンダーフィル材１４を硬化させて、半導体チップ２０の回路基板１０への固定をさらに強化してもよい。なお、アンダーフィル材１４の供給は、半導体チップ２０を回路基板１０に押圧する前に行なってもよい。
本発明によれば、回路基板１０と半導体チップ２０の隙間に供給された導電性粒子１２と気泡発生剤を含有した樹脂１３を加熱することによって、気泡発生剤から気泡を発生させ、当該気泡が成長することで樹脂１３を気泡外に押し出すことにより、樹脂１３を回路基板１０の接続端子１１と半導体チップ２０の電極端子２１との間に自己集合させることができる。そして、半導体チップ２０を回路基板１０に押圧することによって、対向する端子間に自己集合した樹脂１３中に含有する導電性粒子１２同士を互いに接触させて、端子間を電気的に接続することができる。これにより、樹脂１３中に分散した導電性粒子１２を効率よく端子間に自己集合させ、端子間の導電に寄与させることができるので、安定した導通状態が得られ、信頼性の高い電気的接続が達成できる。
ここで、図１（ａ）〜（ｄ）、及び図２（ａ）〜（ｃ）に示した各構成の大きさや相対的な位置関係（例えば、導電性粒子１２の大きさや、回路基板１０と半導体チップ２０との隙間の間隔等）は、説明を容易にするために便宜的に現されたもので、実際の大きさ等を示したものではない。
図３（ａ）及び（ｂ）は、上記のフリップチップ実装方法において、樹脂１３の加熱工程における温度プロファイル、及び押圧工程における圧力プロファイルの一例をそれぞれ示したグラフである。
図３（ａ）に示すように、まず、樹脂１３を、樹脂１３中に含有する気泡発生剤から気泡３０が発生する温度Ｔ１に加熱する。この温度Ｔ１を一定時間ｔ１保持し、この間、発生した気泡３０が成長することによって、樹脂１３が気泡３０外に押し出され、対向する端子間に柱状に自己集合する。ここで、温度Ｔ１は、例えば、１００〜１８０℃、一定時間ｔ１は、例えば、５〜１０秒程度に設定される。
次に、この状態で、図３（ｂ）に示すように、半導体チップ２０を回路基板１０に矢印の方向に圧力Ｐ１で、一定時間ｔ２押圧する。この押圧により、対向する端子間に自己集合した樹脂１３中に含有する導電性粒子１２同士が互いに接触することによって、端子間を電気的に接続する。なお、このときの樹脂１３は、一定の加熱温度Ｔ１に維持される。ここで、圧力Ｐ１は、例えば、７０〜２００ｋＰａ、一定時間ｔ２は、例えば、０〜５秒程度に設定される。
そして、最後に、図３（ａ）に示すように、樹脂１３を、樹脂１３が硬化する温度Ｔ３に加熱する。この温度Ｔ３を一定時間ｔ３保持し、対向する端子間に残存する樹脂１３を硬化させることによって、半導体チップ２０を回路基板１０に固定させる。ここで、温度Ｔ３は、例えば、１５０〜２５０℃、一定時間ｔ３は、例えば、１０〜２０秒程度に設定される。
なお、図３（ａ）に示した温度プロファイルは、気泡発生剤から気泡３０を発生させる加熱温度を、時間ｔ１（またはｔ１＋ｔ２の時間）の間、一定温度Ｔ１に保つようにしているが、この間、徐々に温度を上昇させていってもよい。
ここで、本発明のフリップチップ実装方法において、そのポイントとなる樹脂１３の端子間への自己集合について、図４（ａ）、（ｂ）を参照しながら、そのメカニズムを簡単に説明する。
図４（ａ）は、樹脂１３が、成長した気泡（不図示）によって、回路基板１０の接続端子１１と半導体チップ２０の電極端子２１との間に押し出された状態を示した図である。接続端子１１及び電極端子２１に接した樹脂１３は、その界面における界面張力（いわゆる樹脂の濡れ広がりに起因する力）Ｆｓが、樹脂の粘度ηから発生する応力Ｆηよりも大きいので、接続端子１１及び電極端子２１の全面に亙って広がり、最終的に、端子１１、１２の端部を境とした柱状樹脂が形成される。そのため、接続端子１１と電極端子２１の対向する位置が多少ずれていても、確実に樹脂１３を端子間に界面張力で自己集合させることができる。
なお、端子間に自己成長して形成された柱状の樹脂１３には、図４（ｂ）に示すように、気泡３０の成長（または移動）による応力Ｆbが加わるが、樹脂１３の粘度ηによる逆向きの応力Ｆηの作用により、その形状を維持することができ、一旦自己集合した樹脂１３が消滅することはない。また、樹脂１３と気体（例えば気泡３０）との境界には、表面張力（又は、気−液の界面張力）が働いており、この表面張力も柱状の樹脂１３の形状維持に作用し得る。
上述のように、本発明のフリップチップ実装方法においては、気泡発生剤から発生する気泡の成長が、樹脂を端子間に自己集合させる作用を担うものであるが、さらに、その作用効果を高めるために、樹脂の加熱工程中において、回路基板１０と半導体チップ２０との隙間の間隔（ギャップ）を変動させることが有効である。
図５（ａ）〜（ｃ）は、樹脂１３の加熱工程の中で、樹脂１３中に含有する気泡発生剤から気泡を発生させ、当該気泡が成長することで樹脂１３を端子間に自己集合させる工程において、回路基板１０と半導体チップ２０とのギャップを変動させる例を示した図である。
図５（ａ）は、回路基板１０と半導体チップ２０との隙間に、導電性粒子１２と気泡発生剤（不図示）を含有する樹脂１３を供給した状態を示したものであるが、このときの回路基板１０と半導体チップ２０のギャップＬ１は狭くなっている。
この状態から、図５（ｂ）に示すように、回路基板１０と半導体チップ２０のギャップＬ２を広げながら、樹脂１３を加熱する。この加熱工程において、気泡発生剤から発生した気泡３０は、徐々に成長していくが、その過程で、回路基板１０と半導体チップ２０のギャップＬ２も広がっていくので、当初、回路基板１０と半導体チップ２０との隙間に供給された一定の量の樹脂１３を、効率よく接続端子１１と電極端子２１間に自己集合させることができる。
図５（ｃ）は、回路基板１０と半導体チップ２０のギャップがＬ３の時点で、対向する端子間に自己集合した樹脂１３の状態を示したもので、隣接する端子間には、樹脂１３はほとんど残存しない。これは、端子間に自己集合しなかった樹脂１３のほとんどが、成長した気泡３０の圧力によって、回路基板１０と半導体チップ２０の隙間から外部に押し出されたことによる。
なお、図５（ａ）〜（ｃ）では、加熱工程において、回路基板１０と半導体チップ２０のギャップを広げる例を説明したが、ギャップを周期的に変動させながら行なっても、同様の作用効果を得ることができる。
本発明のフリップチップ実装方法の特徴の一つは、樹脂１３中に含有する気泡発生剤から気泡を発生させ、当該気泡が成長することによって、樹脂１３を対向する端子間に自己集合させる点にある。図１（ａ）〜（ｃ）、及び図２（ａ）〜（ｃ）に示した例では、気泡発生剤として、１種類のものを示したが、例えば、沸点の異なる２種類以上の材料からなるものであってもよい。
図６は、沸点の異なる２種類の気泡発生剤が樹脂１３中に含有された例を示した図で、樹脂１３を加熱し、気泡発生剤から気泡が発生した状態を示している。沸点の低い方の気泡発生剤から発生した気泡３０ａは、沸点の高い方の気泡発生剤から発生した気泡３０ｂに比べて、気泡の成長が時間的に進んでいる分、大きくなっている。
成長した気泡３０ｂは、その成長する圧力によって、樹脂１３を気泡外に押し出し、その一部を、回路基板１０の接続端子１１と半導体チップ２０の電極端子２１との間に運ぶことができるが、後に取り残された樹脂１３もある。そこで、この取り残された樹脂１３を、遅れて成長する気泡３０ｂによって、再び、気泡外に押し出す動作を繰り返すことによって、効率よく樹脂１３を端子間に運ぶようにすることができる。これにより、樹脂１３を端子間に均一性よく自己集合させることができる。
ここで、本発明のフリップチップ実装方法に使用する樹脂１３、導電性粒子１２、及び気泡発生剤は、特に限定されないが、それぞれ、以下のような材料を使用することができる。
樹脂１３としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは、熱可塑性樹脂等を使用することができるが、少なくとも、樹脂１３の加熱工程において、流動可能な程度の粘度を有していることが好ましい。
また、導電性粒子１２としては、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｇＣｕ等を使用することができる。なお、本発明においては、導電性粒子同士の接触によって端子間の電気的接続を図ることから、導電性粒子の表面には、できるだけ酸化膜が成長しないようにしておくことが好ましい。また、互いに接触する導電性粒子同士の表面だけ溶融して、互いの界面で金属結合をなすような状態であってもよい。なお、導電性粒子１２の樹脂１３中の含有率は、例えば、０．５〜３０体積％程度が好ましい。また、気泡発生剤の樹脂１３中の含有率は、例えば、０．１〜２０重量％程度が好ましい。
気泡発生剤としては、図７に示した材料を使用することができる。なお、気泡発生剤から気泡（Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２等の気体）を発生させる加熱工程において、導電性粒子１２が溶融しないように、気泡発生時の沸点が、導電性粒子１２の融点よりも低い材料を選択する必要がある。
なお、気泡発生剤として、樹脂が加熱されたときに、気泡発生剤が熱分解することにより気泡を発生する材料も使用することができる。そのような気泡発生剤としては、図８に挙げた材料を使用することができる。例えば、結晶水を含む化合物（水酸化アルミニウム）を使用した場合、樹脂が加熱されたときに熱分解し、水蒸気が気泡となって発生する。
以上説明したフリップチップ実装方法において、半導体チップ２０は、半導体ベアチップが複数の電極端子（ランド）を有するインターポーザに搭載された構成（例えば、ＣＳＰ、ＢＧＡ等）であってもよい。また、本発明は、フリップチップ実装だけでなく、それぞれ複数の電極を有する基板同士の電極間を電気的に接続する基板間接続にも適用することができる。基板間接続は、以下の方法で行うことができる。
まず、複数の電極を有する第１の基板と第２の基板との隙間に、導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を供給し、然る後、当該樹脂を加熱して、樹脂中に含有する気泡発生剤から気泡を発生させる。この加熱工程で、樹脂は、気泡発生剤から発生した気泡が成長することで、当該気泡外に押し出されることによって、第１の基板の電極と第２の基板の電極間に自己集合する。
次に、第２の基板を、第１の基板に押圧して、対向する電極間に自己集合した樹脂中に含有する導電性粒子同士を互いに接触させる。これにより、対向する電極間を電気的に接続させることができる。
最後に、電極間に自己集合した樹脂を硬化することによって、第１の基板と第２の基板を固定し、基板間接続を完成させる。
ここで、第１の基板又は第２の基板としては、回路基板、半導体ウエハ、半導体チップ（ベアチップ、実装チップを含む）等を使用することができる。
なお、この基板間接続方法においても、上記のフリップチップ実装方法で説明した種々の条件又は方法を適用することができる。例えば、樹脂１３の加熱工程における温度プロファイルは、図３（ａ）に示したプロファイルを、また、基板間のギャップの変動については、図５に示した方法を、それぞれ適用することができる。
また、使用する樹脂１３、導電性粒子１２、気泡発生剤についても、フリップチップ実装方法で説明した材料を適宜選んで使用することができる。
以上、本発明に係るフリップチップ実装方法、及び基板間接続方法について説明してきたが、例えば、フリップチップ実装方法を実行して、フリップチップ実装体を製造する装置は、図９に示すようなフリップチップ実装装置４０で実現することができる。
図９のブロック図に示すように、フリップチップ実装装置４０は、半導体チップ２０と回路基板１０を、一定の隙間をもって互いに対向させて保持する保持手段４１、半導体チップ２０と回路基板１０との隙間に、導電性粒子１２と気泡発生剤を含有した樹脂１３を供給する供給手段４２、樹脂１３を加熱する加熱手段４３、及び半導体チップ２０を回路基板１０に押圧する押圧手段４６とで構成されている。また、加熱手段４３は、樹脂１３中に含有する気泡発生剤から気泡を発生させる温度に加熱制御する第１の加熱手段４４と、樹脂１３を熱硬化する温度に加熱制御する第２の加熱手段４５を有している。
ここで、保持手段４１には、半導体チップ２０の電極端子と、回路基板１０の接続端子との位置を合わせるアライメント機構が付いている。また、供給手段４２は、樹脂がペースト状であれば、ディスペンサ等を用いることができ、加熱手段４３は、加熱ステージ（ホットプレート）や、熱風や赤外線によって加熱される加熱ボックス（オーブン）等が使用できる。
このフリップチップ実装装置４０において、第１の加熱手段４４で加熱された樹脂１３は、気泡発生剤から発生した気泡が成長することで、当該気泡外に押し出されることによって、回路基板１０の接続端子１１と半導体チップ２０の電極端子２１との間に自己集合する。そして、押圧手段４６により、半導体チップ２０を回路基板１０に押圧することによって、対向する電極間に自己集合した樹脂１３中に含有する導電性粒子１２同士を互いに接触させ、フリップチップ実装体を完成させる。
ところで、はんだ粉（導電性粒子）を含有させた樹脂を用いて、半導体チップと回路基板との対向する端子間の電気的接続と、半導体チップの回路基板への固定を同時に行なう方法が、特許文献５（特開２００２−２６０７０号公報）、及び特許文献６（特開平１１−１８６３３４号公報）に記載されている。ここに記載された方法は、樹脂中に含有させたはんだ粉を溶融することによって、半導体チップ及び回路基板の対向する端子が当接する部位を半田付けするとともに、その後、樹脂を硬化することによって、半導体チップを回路基板に封止、固定するもので、一見、本発明と類似した技術のようにも見える。しかしながら、ここに記載された方法は、いわゆるリフロー処理によって端子間をはんだ付けするもので、従って、樹脂封止後においても、樹脂中にはんだ粉は分散されており、本発明のように、導電性粒子を含有する樹脂を対向する端子間に自己集合させた後、樹脂中に含有する導電性粒子同士を互いに接触させて端子間の電気的接続を図るものではなく、本発明とは本質的に異なる技術である。
また、導電性粒子（低融点金属フィラー）を含有させた樹脂を用いて、半導体チップと回路基板の対向する端子間の電気的接続と、半導体チップの回路基板への固定を同時に行なう方法が、特許文献７（特開２００４−２６０１３１号公報）、及び非特許文献１（安田真大他，「低融点金属フィラー含有樹脂による自己組織化接合プロセス」，第10回「エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術」シンポジウム（10th Symposium on "Microjoing and Assembly Technology in Electronics"），183−188頁，2004年）に記載されている。ここには、酸化還元能力を有する樹脂を用いて、樹脂中に含有する溶融した金属フィラーの凝集や濡れに基づいて、選択的に端子間に導電性粒子が自己組織化した接続体を形成する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献７及び非特許文献１は、対向する端子間を選択的（自己集合的）に接合を行うプロセスの可能性を示唆するに止まり、もっぱら、溶融した導電性粒子の濡れ性のみによって端子間に凝集（自己集合）させているので、端子間に形成される接続体を均一に形成することは難しい。
本発明は、導電性粒子を含有する樹脂が、溶融した導電性粒子が自由に移動できるほどの”海”の役目を果たすものではないために、導電性粒子の結合過程が均一に進行せず、その結果、端子間に均一な接合体を形成することができないという認識のもとになされたもので、本発明による方法を適用することによって、多数の電極端子を有する半導体チップを歩留まりよくフリップチップ実装することができ、量産工程に適用可能な有用な方法を提供するものである。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。
本発明によれば、次世代ＬＳＩのフリップチップ実装に適用可能な、生産性及び信頼性の高いフリップチップ実装方法、及び基板間接続方法を提供することができる。
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態におけるフリップチップ実装方法を示す工程断面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態におけるフリップチップ実装方法を示す工程断面図である。 図３（ａ）は、本発明における樹脂の加熱温度プロファイルを示す図、図３（ｂ）は半導体チップを回路基板に押力したときの圧力プロファイルを示す図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、本発明における樹脂の自己集合のメカニズムを説明するための図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明における回路基板と半導体チップのギャップを変動させながら加熱する工程を説明する工程断面図である。 図６は、本発明における２種類以上の気泡発生剤を含む樹脂の自己集合を説明するための図である。 図７は、本発明における気泡発生剤の材料を示す図である。 図８は、本発明における加熱分解する気泡発生剤粉の材料を示す図である。 図９は、本発明におけるフリップチップ実装装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
１０ 回路基板
１１ 接続端子
１２ 導電性粒子
１３ 樹脂
１４ アンダーフィル材
２０ 半導体チップ
２１ 電極端子
３０，３０ａ，３０ｂ 気泡
４０ フリップチップ実装装置
４１ 保持手段
４２ 供給手段
４３ 加熱手段
４４ 第１の加熱手段
４５ 第２の加熱手段
４６ 押圧手段

Claims (17)

  1. 複数の接続端子を有する回路基板に対向させて、複数の電極端子を有する半導体チップを配置し、前記回路基板の接続端子と前記半導体チップの電極端子とを電気的に接続するフリップチップ実装方法において、
    前記回路基板と前記半導体チップとの隙間に、導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を供給する第１の工程と、
    前記樹脂を加熱して、前記樹脂中に含有する前記気泡発生剤から気泡を発生させる第２の工程と、
    前記半導体チップを、前記回路基板に押圧する第３の工程と、
    前記樹脂を硬化する第４の工程と
    を含み、
    前記第２の工程において、前記樹脂は、前記気泡発生剤から発生した気泡が成長することで該気泡外に押し出されることによって、前記回路基板の接続端子と前記半導体チップの電極端子間に自己集合し、
    前記第３の工程において、前記端子間に自己集合した前記樹脂中に含有する導電性粒子同士が互いに接触することによって、前記端子間を電気的に接続し、
    前記第４の工程において、前記端子間の前記樹脂を硬化することによって、前記半導体チップを前記回路基板に固定することを特徴とするフリップチップ実装方法。
  2. 前記気泡発生剤は、前記樹脂が加熱されたときに沸騰する材料からなることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップ実装方法。
  3. 前記気泡発生剤は、沸点の異なる２種類以上の材料からなることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップ実装方法。
  4. 前記気泡発生剤は、前記樹脂が加熱されたときに、前記気泡発生剤が熱分解することにより気体を発生する材料からなることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップ実装方法。
  5. 前記気泡発生剤は、結晶水を含む化合物からなり、前記樹脂が加熱されたとき分解されて水蒸気を発生することを特徴とする、請求項４に記載のフリップチップ実装方法。
  6. 前記第２の工程は、前記回路基板と前記半導体チップとの隙間の間隔を変動させながら実行されることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップ実装方法。
  7. 前記第１の工程は、前記回路基板上に、前記導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を供給した後、該樹脂表面に前記半導体チップを配設することにより実行されることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップ実装方法。
  8. 前記第４の工程は、前記樹脂を加熱して、該樹脂を熱硬化させることにより行なわれることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップ実装方法。
  9. 前記第４の工程の後、前記回路基板と前記半導体チップとの隙間にアンダーフィル材を供給し、然る後、該アンダーフィル材を硬化させること工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップ実装方法。
  10. 前記複数の電極端子を有する半導体チップは、半導体ベアチップが前記複数の電極端子を有するインターポーザに搭載された構成になっていることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップ実装方法。
  11. 複数の電極を有する第１の基板に対向させて、複数の電極を有する第２の基板を配置し、前記第１の基板の電極と前記第２の基板の電極とを電気的に接続する基板間接続方法において、
    前記第１の基板と前記第２の基板との隙間に、導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を供給する第１の工程と、
    前記樹脂を加熱して、前記樹脂中に含有する前記気泡発生剤から気泡を発生させる第２の工程と、
    前記第２の基板を、前記第１の基板に押圧する第３の工程と、
    前記樹脂を硬化する第４の工程と
    を含み、
    前記第２の工程において、前記樹脂は、前記気泡発生剤から発生した気泡が成長することで該気泡外に押し出されることによって、前記第１の基板の電極と前記第２の基板の電極間に自己集合し、
    前記第３の工程において、前記電極間に自己集合した前記樹脂中に含有する導電性粒子同士が互いに接触することによって、前記電極間を電気的に接続し、
    前記第４の工程において、前記電極間に自己集合した前記樹脂を硬化することによって、前記第１の基板を前記第２の基板に固定することを特徴とする基板間接続方法。
  12. 前記気泡発生剤は、前記樹脂が加熱されたときに沸騰する材料からなることを特徴とする、請求項１１に記載の基板間接続方法。
  13. 前記第２の工程は、前記第１の基板と前記第２の基板との隙間の間隔を変動させながら実行されることを特徴とする、請求項１１に記載の基板間接続方法。
  14. 前記第１の工程は、前記第１の基板上に、前記導電性粒子と気泡発生剤を含有した樹脂を供給した後、該樹脂表面に前記第２の基板を配設することにより実行されることを特徴とする、請求項１１に記載の基板間接続方法。
  15. 前記第４の工程の後、前記第１の基板と前記第２の基板との隙間にアンダーフィル材を供給し、然る後、該アンダーフィル材を硬化させる工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の基板間接続方法。
  16. 複数の接続端子を有する回路基板に対向させて、複数の電極端子を有する半導体チップが配置され、前記回路基板の接続端子と前記半導体チップの電極端子とが電気的に接続されたフリップチップ実装体において、
    前記接続端子と前記電極端子は、前記回路基板と前記半導体チップとの隙間に供給された導電性粒子と気泡発生剤を含有する樹脂が、前記接続端子と前記電極端子間に自己集合し、該自己集合した前記樹脂中の導電性粒子同士が接触することによって、電気的に接続されていることを特徴とするフリップチップ実装体。
  17. 前記フリップチップ実装体は、前記回路基板と前記半導体チップとの隙間に供給されたアンダーフィル材で固定されていることを特徴とする、請求項１６に記載のフリップチップ実装体。
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