JP4620553B2

JP4620553B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4620553B2
Application number: JP2005249029A
Authority: JP
Inventors: 直世安田; 俊寛岩崎
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: JP2007067047A

Description

本発明は、配線基板上にチップをフリップチップ接続し、両者の隙間を樹脂で充填した半導体装置及びその製造方法に関するものである。

フリップチップタイプStacked Chip Scale Package(SCSP)では、配線基板上に表面を下にしてチップがフリップチップ接続される。そして、配線基板とチップとの隙間にアンダーフィル樹脂が充填される（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。さらに、チップの裏面上に別のチップが搭載される。その後、チップ全体がモールド樹脂で封止される。このモールド樹脂には、収縮量を小さくして成形後のパッケージの反りを抑えるために、モールド樹脂の樹脂成分よりも熱膨張係数の小さいフィラー、例えばシリカからなるフィラーが大量に含有されている。また、フリップチップ接続する工程において、治具を用いてチップ裏面に加重を印可する場合があるが、この場合、チップ裏面にはい上がろうとする接着剤による治具の汚染を防ぐために、治具とチップ裏面との間に、フッ素樹脂フィルムを介在させる場合がある。（特許文献２参照）また、フリップチップ接続する工程において、治具によってチップ裏面に超音波を印可する場合がある。（例えば、特許文献４、特許文献５参照）

特開２００４−６７２１号公報特開２００５−１９１５０号公報特開平９−２６６２２１号公報特開２００３−１００７９９特開平１１−２６５１１

フリップチップ接続の際に治具によって、熱や加重を印可するとともに、超音波振動を印可する超音波熱圧着法を用いることによって、チップ突起電極と、配線基板上電極との接合性を更に向上させることができる。超音波熱圧着を行う場合、超音波振動の伝達効率確保などの点から、チップを上から押える治具とチップとの間にフッ素フィルムを挟むことが難しい。フッ素樹脂フィルムを用いずに超音波熱圧着を行う場合、接着剤による治具の汚染を防ぐために、治具のチップとの接触面の大きさを、チップ裏面の大きさよりも小さくすることが有効である。しかし、治具をチップ裏面よりも小さくすると、アンダーフィル樹脂がチップの裏面に這い上がり、チップの裏面上に段差ができて、別のチップを積層して搭載することが難しくなる。これを防止するためには、アンダーフィル樹脂の量を減らして、治具が小さい場合でも、接着剤がチップ裏面上にはい上がらないようにすることが有効である。。

また、アンダーフィル樹脂とモールド樹脂の熱膨張係数の違いにより、両者の界面に内部応力が発生する。この内部応力を起因として、両者の界面に剥離が発生する場合がある。そして、この剥離を起点としてリフロー時にクラックが進行し、封止樹脂内部のボンディングワイヤの断線に発展する可能性がある。これを防止するためには、アンダーフィル樹脂の量を減らすことが有効である。

しかし、アンダーフィル樹脂の量を減らすと、チップのコーナー部分においてアンダーフィル樹脂が充填されない部分が発生する場合がある。フリップチップ接続後に、モールド樹脂によって封止する工程を有する場合、アンダーフィル樹脂が充填されないチップ主面と配線基板との間隙は、モールド樹脂によって充填されることになる。モールド樹脂の注入圧力は大きいため、この部分にモールド樹脂中のフィラーが噛み込む場合がある。モールド樹脂充填時には、加熱することによってモールド樹脂を熱硬化させ、その後室温まで冷却される。この際、モールド樹脂やアンダーフィル樹脂は比較的熱膨張係数が大きいため、冷却に従ってその体積が収縮するが、フィラーはアンダーフィル樹脂やＡｕバンプよりも熱膨張率が小さいので、冷却時の体積の収縮が、モールド樹脂やアンダーフィル樹脂に比べて小さく、チップと配線基板との間隙にはまり込んだフィラーが、チップに食い込む可能性がある。これにより、チップにダメージが入るという問題があった。
これを防ぐために、配線基板とチップとの隙間より小さいフィラー、例えば直径が５μｍ以下のフィラーのみを含有するモールド樹脂を用いる手段が考えられる。しかし、直径の小さいフィラーのみを含有するモールド樹脂を用いると、フィラーの表面積が大きくなって粘度が上がるため、金線の変形や未充填の発生などによって成形が困難になるという問題があった。そして、粘度を下げるためにフィラーの含有量を減らすと、モールド樹脂の熱膨張係数が大きくなり、パッケージの反りが発生するという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、モールド樹脂の粘度を上げることなく、パッケージの反りを防ぎ、かつチップのダメージを抑えることができる半導体装置及びその製造方法を得るものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、（ａ）配線基板上に、複数のバンプを介して、チップをフリップチップ接続し、前記配線基板と前記チップの隙間を前記チップの角部を残してアンダーフィル樹脂で充填する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記チップと、前記アンダーフィル樹脂から露出する前記チップの角部における前記隙間を、前記アンダーフィル樹脂と異なるモールド樹脂で封止する工程とを有し、前記モールド樹脂は、前記隙間以上の直径のフィラーを含有し、前記モールド樹脂中の前記隙間以上の直径のフィラーの割合は、２wt%以下である。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、モールド樹脂の粘度を上げることなく、パッケージの反りを防ぎ、かつチップのダメージを抑えることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。

まず、図１に示すように、配線基板１上にＡｕめっきランド２を形成し、チップ３の表面にＡｕスタッドバンプ４を形成する。なお、Ａｕめっきランド２及びＡｕスタッドバンプ４の個数は、それぞれ１００ピン程度である。

次に、図２に示すように、配線基板１上に、フィルム状のエポキシ樹脂からなるアンダーフィル樹脂５を載せる。ただし、アンダーフィル樹脂５には、５０ｗｔ％程度のシリカフィラーが含有されている。アンダーフィル樹脂に、樹脂成分よりも熱膨張係数の小さなフィラーが含有されていることにより、アンダーフィル樹脂５の熱膨張率は４５ｐｐｍ／℃程度になる。

次に、図３に示すように、５０〜１４０℃に保たれたステージ６の上に配線基板１を載せる。また、１５０〜２００℃に保たれた治具７に表面を下にしてチップ３を真空吸着させる。ステージ６の温度や、治具７の温度は適宜選択可能であるが、ステージの温度は、アンダーフィル樹脂５の硬化温度よりも低い温度に設定することが好ましい。そして、治具７によりチップ３に超音波振動を与えながら、１バンプあたり５０〜１００ｇ、すなわちチップ全体で５〜１０Ｋｇの荷重をかけて、図４に示すように、配線基板１上に表面を下にしてチップ３をフリップチップ接続する。この際、配線基板１のＡｕめっきランド２とチップ３のＡｕスタッドバンプ４とが超音波熱圧着される。これに伴い、配線基板１とチップ３との隙間の一部がアンダーフィル樹脂５で充填される。印可する振動の周波数としては、超音波振動に限る物ではないが、特に超音波の周波数を持つ振動を印可することによって、音波又はそれ以下の周波数を持つ振動を印可する場合に比較して、短時間でより確実な接合を行うことができる。その後、１５０℃で３時間程度のキュアを行うことにより、アンダーフィル樹脂５を硬化させる。

このように、超音波熱圧着を行う場合、治具７とチップ３との間にフッ素フィルムを介在させると、超音波の伝達を妨げるため好ましくない。また、アンダーフィル樹脂５は、フリップチップ接続工程時の加熱によって、流動性が増し、チップ３の裏面に這い上がる可能性がある。そこで、治具とチップ裏面との接続面が、チップ裏面よりも小さな治具を用いるのが好ましい。更に好ましくは、図５に示すように、Ａｕスタッドバンプ４を形成した領域よりも小さな治具７を用いる。例えば、Ａｕスタッドバンプ４がチップ３の外周から０．１ｍｍ内側に形成されている場合、治具７がチップ３の外周から０．２５ｍｍ内側を押えるように治具７の大きさを設定する。これにより、チップと治具との間にフッ素樹脂フィルムを介在させない場合でも、チップ３の裏面に這い上がったアンダーフィル樹脂５が治具７に付着するのを防ぐことができる。

また、配線基板１とチップ３との隙間は２０μｍ程度になる。そこで、アンダーフィル樹脂５が含有するフィラーの直径を、この隙間よりも小さくする。これにより、アンダーフィル樹脂５のフィラーによってチップ３がダメージを受けるのを防ぐことができる。

また、チップ３の裏面にアンダーフィル樹脂５が這い上がるのを抑えるために、アンダーフィル樹脂５の量を少なくする。アンダーフィル樹脂５の量を少なくすると、アンダーフィル樹脂５の濡れ広がり具合によって、図６に示すように、チップ３のコーナー部分においてアンダーフィル樹脂５が充填されない部分が発生する場合がある。

次に、図７に示すように、チップ３の裏面上に別のチップ８を搭載する。そして、チップ３と配線基板１をワイヤ９によりボンディングする。その後、チップ３，８，およびワイヤ９をエポキシ樹脂からなるモールド樹脂１０で封止することで図８に示すような半導体装置が製造される。この際、配線基板１とチップ３との隙間にもモールド樹脂１０が充填される。

ここで、モールド樹脂１０には、少なくともアンダーフィルよりも多く、例えば７８ｗｔ％のシリカフィラーが含有されている。モールド樹脂の樹脂成分よりも熱膨張係数の小さなフィラーが大量に含有されることにより、モールド樹脂１０の熱膨張率は１０ｐｐｍ／℃程度になる。従って、モールド樹脂１０の収縮量を小さくし、成形後のパッケージの反りを抑えることができる。特に、一つの半導体装置を構成するモールド樹脂１０の体積は、アンダーフィル樹脂５の体積よりも大きいため、パッケージの反りを低減するためには、モールド樹脂１０の熱膨張係数が、アンダーフィル樹脂５の熱膨張係数よりも小さくなるように、より大量のフィラーを含有させることが好ましい。

また、モールド樹脂１０のフィラーは、平均の直径が４μｍ、最大の直径が２５μｍとする。即ち、配線基板１とチップ３との隙間２０μｍよりも大きな直径のフィラーをモールド樹脂１０に含有させる。これにより、パッケージの反りを防ぐのに必要な量だけフィラーをモールド樹脂１０に含有させても、直径の大きなフィラーが混在するため、モールド樹脂１０の粘度の上昇を抑えることができ、ワイヤの変形や、未充填などによる不具合の発生を防ぐことができる。

ただし、配線基板１とチップ３との隙間よりも大きな直径のフィラーの割合が２ｗｔ％以下となるようにするのが好ましい。このように配線基板１とチップ３との隙間に噛み込むフィラーの割合を制限することで、チップ３にダメージが発生する可能性を低減することができる。従って、半導体装置の信頼性を十分に確保することができる。

また、アンダーフィル樹脂５の量を少なくして、図９に示すように、アンダーフィル樹脂５のフィレットはチップ３の裏面よりも低くする。これにより、アンダーフィル樹脂５がチップ３の裏面へはい上がるのを防ぐことができるため、チップ３上に別のチップ８を搭載する際に、アンダーフィル樹脂によって別のチップ８が傾くのを防止することができる。また、モールド樹脂１０とアンダーフィル樹脂５の熱膨張率の違いにより両者の界面に剥離が発生する場合があるが、フィレットがチップ３の裏面よりも低い場合は、剥離を起点としたクラックは伝搬し難いという利点がある。一方、図１０に示すように、アンダーフィル樹脂５のフィレットがチップ３の裏面まで達しているとこの剥離を起点としてクラックが進行し、モールド樹脂１０内に封止されるワイヤ９の断線が発生する可能性が高まる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その３）である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その４）である。チップを押える治具を示す上面図である。配線基板とチップの間にアンダーフィル樹脂を充填した状態を示す上面図である。本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図（その５）である。本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。アンダーフィル樹脂のフィレットがチップの裏面よりも低い場合の半導体装置の腰部断面図である。アンダーフィル樹脂のフィレットがチップの裏面まで達している場合の半導体装置の腰部断面図である。

符号の説明

１配線基板
２Ａｕめっきランド
３，８チップ
４Ａｕスタッドバンプ
５アンダーフィル樹脂
６ステージ
７治具
９ワイヤ
１０モールド樹脂

Claims

（ａ）配線基板上に、複数のバンプを介して、チップをフリップチップ接続し、前記配線基板と前記チップの隙間を前記チップの角部を残してアンダーフィル樹脂で充填する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記チップと、前記アンダーフィル樹脂から露出する前記チップの角部における前記隙間を、前記アンダーフィル樹脂と異なるモールド樹脂で封止する工程とを有し、
前記モールド樹脂は、前記隙間以上の直径のフィラーを含有し、
前記モールド樹脂中の前記隙間以上の直径のフィラーの割合は、２wt%以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記アンダーフィル樹脂は、フィラーを含有し、
前記モールド樹脂における全体のフィラーの含有率は、前記アンダーフィル樹脂における全体のフィラーの含有率より高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記モールド樹脂のフィラー及び前記アンダーフィル樹脂のフィラーは、シリカであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記アンダーフィル樹脂のフィラーの直径は、前記隙間よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。