JP4640380B2 - Mounting method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置と基板とをフリップチップ接合させる半導体装置の実装方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device mounting method in which a semiconductor device and a substrate are flip-chip bonded.
ICチップ等の半導体装置と基板とを接合させる技術としてフリップチップ接合が知られている。フリップチップ接合では、半導体装置に形成したバンプ電極と基板の回路面に形成した電極パッドとを半田を介して接触させたうえで、専用の熱圧着ツールによって半導体装置を基板に押し付けつつ加熱し、半田を溶融させて両電極(バンプ電極と電極パッド)を接合させる。しかし、バンプ電極と電極パッドの半田接合だけでは半導体装置と基板との間の接合強度は弱いものであり、その後に温度が下がったときに半導体装置と基板の熱膨張係数の違いによって熱応力が生じ、電極の接合部が剥がれてしまうことがある。このため、フリップチップ接合を行う前に、基板の回路面に予め熱硬化性の樹脂を塗布しておき、両電極を接触させて熱圧着する際に樹脂も同時に熱硬化させて半導体装置と基板とを強固に結合させる方法も行われている(特許文献1)。 Flip chip bonding is known as a technique for bonding a semiconductor device such as an IC chip and a substrate. In flip chip bonding, the bump electrode formed on the semiconductor device and the electrode pad formed on the circuit surface of the substrate are brought into contact via solder, and then heated while pressing the semiconductor device against the substrate with a dedicated thermocompression tool, Solder is melted to join both electrodes (bump electrode and electrode pad). However, the bonding strength between the semiconductor device and the substrate is weak only by the solder bonding of the bump electrode and the electrode pad, and when the temperature subsequently decreases, the thermal stress is caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the semiconductor device and the substrate. This may cause the electrode joint to peel off. Therefore, before flip-chip bonding, a thermosetting resin is applied in advance to the circuit surface of the substrate, and when both electrodes are brought into contact and thermocompression bonded, the resin is also thermally cured at the same time so that the semiconductor device and the substrate There is also a method of firmly bonding the two (Patent Document 1).
ところが、フリップチップ接合の前に基板に樹脂を先塗りする半導体装置の実装方法では、バンプ電極と電極パッドを接触させる際に半導体装置と樹脂との間に空気が入り込むこと等によって樹脂内にボイド(気泡)が生じることがあり、このボイドが原因となって熱硬化後の樹脂にクラックが発生したり、基板から滲み出した水がボイド内に溜まって隣接する電極間が短絡したりすることがある。このようなことから、熱硬化後の樹脂内のボイドは少なくかつ小さいことが望ましく、このような観点から、両電極の熱圧着と樹脂の熱硬化を高圧雰囲気下で行うことによって樹脂の熱硬化中にボイドを小さくする方法が考案されている(特許文献2)。
しかしながら、上記方法によってボイドを小さくするには限界があり、より一層ボイドを小さくできる方法が求められている。 However, there is a limit to reducing the voids by the above method, and a method capable of further reducing the voids is required.
そこで本発明は、樹脂内に生じたボイドをより一層小さくすることができ、熱硬化後の樹脂におけるクラックの発生と電極間の短絡を防止することができる半導体装置の実装方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a method for mounting a semiconductor device that can further reduce voids generated in the resin, and can prevent generation of cracks in the resin after thermosetting and short circuit between electrodes. Objective.
請求項1に記載の半導体装置の実装方法は、ペリフェラル配置された複数のバンプ電極を備えた半導体装置とこの半導体装置の複数のバンプ電極に対応して配置された複数の電極パッドを備えた基板とをフリップチップ接合させる半導体装置の実装方法であって、基板に熱硬化性の樹脂を塗布する樹脂塗布工程と、半導体装置のバンプ電極と樹脂が塗布された基板の電極パッドとを間に半田を介在させて接触させ、半導体装置の上面に接触させた熱圧着ツールで半導体装置を基板に押し付けつつ加熱して半導体装置の中央部の樹脂の温度がバンプ電極近傍部の樹脂の温度よりも高くなるような温度分布を樹脂内に形成し、バンプ電極と電極パッドの間に介在させた半田を溶融させてバンプ電極と電極パッドとを半田接合させるとともに、バンプ電極近傍部の樹脂は熱硬化がほとんど進行していない未硬化状態のままで、半導体装置の中央部直下に位置する樹脂を半導体装置と基板との仮接合に十分な接着強度を得る程度まで熱硬化を進行させて半導体装置と基板とを仮接合させる第1の加熱工程と、第1の加熱工程により仮接合された半導体装置及び基板から成る仮接合体の冷却を行う冷却工程と、冷却後の仮接合体を加圧雰囲気下で加熱し、樹脂全体を完全に熱硬化させる第2の加熱工程とを含む。
The semiconductor device mounting method according to
本発明の半導体装置の実装方法によれば、樹脂内に生じたボイドは、第1の加熱工程の後に樹脂が冷却されることによって縮小され、その後の第2の加熱工程において樹脂が加圧圧縮されることによって更に収縮されるので、樹脂内に生じたボイドは極めて小さいものとなり、熱硬化後におけるクラックの発生と電極間の短絡を防止することができる。また、第1の加熱工程ではバンプ電極と電極パッドが半田接合されるだけでなく、熱硬化進行した一部の樹脂によって半導体装置と基板が仮接合されるので、仮接合された半導体装置及び基板(仮接合体)は容易に移動させることができる。このため、第1の加熱工程、冷却工程及び第2の加熱工程はそれぞれ別の装置内で行うことができ、一部の工程をバッチ処理するなど、多用な手順で処理を行うことが可能となる。 According to the semiconductor device mounting method of the present invention, voids generated in the resin are reduced by cooling the resin after the first heating step, and the resin is compressed and compressed in the subsequent second heating step. As a result, the voids generated in the resin are extremely small, and the occurrence of cracks and short-circuiting between the electrodes after thermosetting can be prevented. Further, in the first heating step, not only the bump electrode and the electrode pad are solder-bonded, but also the semiconductor device and the substrate are temporarily bonded by a part of the resin that has undergone thermosetting. (Temporary joined body) can be easily moved. For this reason, the first heating process, the cooling process, and the second heating process can be performed in separate apparatuses, and it is possible to perform processing in various procedures such as batch processing of some processes. Become.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は本発明の一実施の形態における半導体装置実装構造体の一部断面正面図、図2は本発明の一実施の形態における実装装置の構成を示すブロック図、図3は本発明の一実施の形態における熱圧着装置の正面図、図4(a),(b)は本発明の一実施の形態における熱圧着ツールに吸着された状態の半導体装置の側面図及び下面図、図5は本発明の一実施の形態における半導体装置の実装方法の工程の流れを示すフローチャート、図6(a),(b),(c)及び図7(a),(b),(c)は本発明の一実施の形態における半導体装置の実装方法の工程説明図、図8は本発明の一実施の形態における第1の加熱工程中の樹脂内の温度分布の一例を示すグラフである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial cross-sectional front view of a semiconductor device mounting structure according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the mounting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIGS. 4A and 4B are a side view and a bottom view of a semiconductor device in a state of being adsorbed by a thermocompression bonding tool according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 6A, FIG. 6B, FIG. 6C and FIG. 7A, FIG. 7B, and FIG. 7C show the flow of the steps of the semiconductor device mounting method according to the embodiment of the present invention. Process explanatory drawing of the mounting method of the semiconductor device in one embodiment of the invention, FIG. 8 is a graph showing an example of the temperature distribution in the resin during the first heating process in one embodiment of the present invention.
図1に示す半導体装置実装構造体1は、半導体装置2と基板3がフリップチップ接合(実装)されて成るものであり、半導体装置2の下面2aにペリフェラル配置(外周配置)された複数のバンプ電極4と、基板3の上面(回路面)3aに半導体装置2の複数のバンプ電極4に対応して配置された複数の電極パッド5が半田6によって機械的に接合されるとともに電気的に接続されている。また、半導体装置2と基板3は熱硬化性の樹脂7(図6(a)参照)が熱硬化した樹脂硬化体7aによって強固に結合されている。ここではバンプ電極4は金、銀或いは銅から構成されているものとする。
A semiconductor
半導体装置2を基板3に実装する実装装置10は、図2に示すように、熱圧着装置11、冷却用載置台12及び加圧炉13を備えている。図3に示すように、熱圧着装置11は、基台21に対して水平方向に(矢印A)移動自在に設けられたステージ22と、ステージ22の上方に基台21に対して上下方向(矢印B)に移動自在に設けられたヘッド部23とを備えている。ステージ22の内部にはステージ22の上面に開口した真空管路24が設けられており、この真空管路24はステージ22の外部に設けられた外部管路25を介して真空源26に繋がっている。外部管路25には制御バルブ27が介装されており、ステージ22の上面に基板3を載置した状態で制御バルブ27を作動させることにより、基板3をステージ22上に設置(真空吸着)させることができる。
As shown in FIG. 2, the
ヘッド部23は基台21に対して上下方向に移動自在な昇降部28と、昇降部28の下端に取り付けられた熱圧着ツール29を備えており、熱圧着ツール29の内部にはヒータ30が設けられている。熱圧着ツール29の内部には熱圧着ツール29の下面29aに開口した真空管路31が設けられており、真空管路31は熱圧着ツール29の外部に設けられた外部管路32を介して上記真空源26に繋がっている。外部管路32には制御バルブ33が介装されており、熱圧着ツール29の下面29aに半導体装置2を接触させた状態
で制御バルブ33を作動させることにより、半導体装置2を熱圧着ツール29の下面29aに真空吸着させることができる。ヒータ30は熱圧着ツール29の外部に設けられたヒータ電源34からの電力供給を受けて発熱し、これにより熱圧着ツール29が昇温する。
The
図4(a)に示すように、熱圧着ツール29の下面29aは半導体装置2の上面2bと接触するが、熱圧着ツール29の下面29aは半導体装置2の上面2b全域と接触する大きさを有しているのではなく、図4(b)に示すように、半導体装置2の下面2a側にペリフェラル配置された複数のバンプ電極4によって囲まれる矩形の領域Rとほぼ同じかそれよりもやや小さい大きさを有したものとなっている。このため、熱圧着ツール29と半導体装置2の中心が上下方向に合致し、かつ、熱圧着ツール29の下面29aの矩形の外縁29bが半導体装置2の複数のバンプ電極4の列に沿うように半導体装置2に対する熱圧着ツール29の向きを調整して熱圧着ツール29に半導体装置2を真空吸着させるようにすれば、半導体装置2を下方から見たときには(図4(b))、熱圧着ツール29の下面29aの外縁29bは、複数のバンプ電極4によって囲まれる領域R内に収まった状態となり、半導体装置2の複数のバンプ電極4の直上付近に熱圧着ツール29の下面29aの外縁29bが位置することとなる。
As shown in FIG. 4A, the lower surface 29a of the
冷却用載置台12はテーブル状の部材であり、平らな載置面12a(図7(b)参照)を有している。加圧炉13は密閉状態で加圧雰囲気を生成することができ、内部に平らな載置面13a(図7(c)参照)を有している。
The cooling mounting table 12 is a table-like member, and has a flat mounting surface 12a (see FIG. 7B). The pressurizing
次に、図5のフローチャート及び図6、図7の工程説明図を用いて上記実装装置10を用いた半導体装置2の基板3への実装(半導体装置実装構造体1の製造)手順を説明する。半導体装置2を基板3へ実装するには、先ず、各電極パッド5に半田6をプリコートした基板3を上面3aが上を向くように熱圧着装置11のステージ22上に設置する(図5のステップS1)。
Next, a procedure of mounting the
基板3をステージ22上に真空吸着させたら、熱硬化性の樹脂7をディスペンサ35等によって基板3の上面3aに塗布する(ステップS2及び図6(a)。樹脂塗布工程)。このとき、基板3上の全ての電極パッド5が樹脂7によって覆われるようにする。
After the
樹脂塗布工程が終了したら、実装しようとする半導体装置2を前述の要領で熱圧着ツール29の下面29aに真空吸着させたうえで、半導体装置2と基板3を相対移動させて、半導体装置2と基板3を上下に対向させる(ステップS3及び図6(b))。そして、半導体装置2と基板3とを相対的に近づけ、半導体装置2のバンプ電極4と基板3の電極パッド5を電極パッド5にプリコートした(バンプ電極4と電極パッド5との間に介在させた)半田6を介して接触させ、熱圧着ツール29で半導体装置2を基板3に押し付けつつ、半導体装置2を介して樹脂7を加熱する(ステップS4及び図6(c)。第1の加熱工程)。
When the resin coating process is completed, the
この第1の加熱工程では、前述のように、熱圧着ツール29の下面29aの外縁29bが半導体装置2の複数のバンプ電極4の直上付近に位置しており、また、熱圧着ツール29の外縁29b付近は外気に晒されていることから、熱圧着ツール29の周辺部分(外縁29bに近い部分)の温度は熱圧着ツール29の中央部の温度よりも低くなる。このため樹脂7には、半導体装置2の中央部の温度がバンプ電極4近傍部の温度よりも高くなるような温度分布が形成され、その結果、樹脂7の熱硬化の進行度は半導体装置2の中央部に近いほど高く、周辺部(バンプ電極4近傍部)に近いほど遅くなる。但し、この第1の加熱工程でバンプ電極4と電極パッド5との間に介在する半田6が溶融してバンプ電極4と電極パッド5が半田接合されるようにするため、バンプ電極4近傍部における最低温度は半田融点温度よりも高くなるようにする必要がある。図8は、この第1の加熱工程中の樹
脂7内の温度分布の一例を示すグラフを示している。
In the first heating step, as described above, the outer edge 29b of the lower surface 29a of the
上記のような温度分布(半導体装置2の中央部の樹脂7の温度がバンプ電極4近傍部の樹脂7の温度よりも高くなるような温度分布)が確実に形成されるようにするため、ヒータ30の発熱量が熱圧着ツール29の周辺部よりも中央部に集中するような構成にしたり、加熱中の樹脂7の周囲に冷風を供給することによって、バンプ電極4近傍部の樹脂7の熱が外に放散されるようにしたりすることが好ましい。なお、半導体装置2の中央部の温度の最高値の温度とバンプ電極4近傍部における平均的な温度との差(図8においてΔTで示す温度差)は30℃以上であることが好ましい。
In order to ensure that the above temperature distribution (a temperature distribution in which the temperature of the
この第1の加熱工程では、半田6が溶融して両電極(半導体装置2のバンプ電極4と基板3の電極パッド5)が半田接合されるタイミング(熱圧着時間にして約0.5秒程度)で熱圧着ツール29を半導体装置2から離間させた状態では(図7(a))、バンプ電極4近傍部の樹脂7は熱硬化がほとんど進行していない未硬化(液状)状態(加圧雰囲気において樹脂7に含まれる下記のボイド(気泡)Vの収縮が可能な状態)のままであり、半導体装置2の中央部直下に位置する樹脂7(図6(c)、図7(a)及び図7(b)において間隔の小さい斜線を付して示す領域の樹脂7b)は、半導体装置2と基板3とを仮接合するのに十分な接着強度を得るところまで熱硬化が進行している。これにより半導体装置2と基板3が仮接合された状態となる。なお、第1の加熱工程では、樹脂7は半導体装置2によって押しのけられて横方向に広がり、半導体装置2の下面2aの全域に密着するようになるが、この際、半導体装置2と樹脂7との間に空気が入り込んだりして樹脂7内にボイドVが生じることがある(図7(a)中の拡大図参照)。
In this first heating process, the
第1の加熱工程が終了したら、仮接合された半導体装置2及び基板3から成る仮接合体1aをステージ22の真空吸着を解除して取り外す。そして、ステージ22から取り外した仮接合体1aを冷却用載置台12の載置面12aに載置し、上記所定温度T1よりも低い温度T3(好ましくは100℃以下。常温でよい)の雰囲気下で冷却する(ステップS5及び図7(b)。冷却工程)。この冷却工程ではバンプ電極4近傍の樹脂7が第1の加熱工程において一旦加熱された後、未硬化(液状)のままで冷却されることから、ボイドV内の水蒸気成分が凝結するとともに、樹脂7内に発生したボイドV(ボイドVの占める空間)そのものが大幅に縮小する(図7(b)の拡大図参照)。
When the first heating step is completed, the temporary bonded
冷却工程が終了したら、冷却用載置台12から仮接合体1aを移動させて加圧炉13内に入れ、加圧炉13内の載置面13aに載置する。そして、加圧炉13を密閉して加圧雰囲気を生成し、仮接合体1aをその加圧雰囲気下で100〜180℃程度にまで加熱する。これにより仮接合体1aの樹脂7は完全に硬化して樹脂硬化体7aとなるので、半導体装置2と基板3は結合(強固に接合)される(ステップS6及び図7(c)。第2の加熱工程)。
When the cooling step is completed, the temporary joined
この第2の加熱工程では、加圧炉13内の圧力は10気圧以下、好ましくは3〜5気圧程度とし、加熱は少なくとも加圧の開始前には行わないこととする。
In this second heating step, the pressure in the
この第2の加熱工程では、加圧炉13内の圧力が樹脂7に均等に伝わってその全体が圧縮されるが、それまで未硬化(液状)であった樹脂7が加圧圧縮されることから、樹脂7内のボイドVも樹脂7と一緒になって大幅に縮小する(図7(c)の拡大図参照)。
In this second heating step, the pressure in the pressurizing
第2の加熱工程が終了したら、加圧炉13内の温度を常温程度まで下げるとともに、加圧炉13内の圧力を大気圧程度に戻し、加圧炉13から完成した半導体装置実装構造体1を取り出す(ステップS7)。これにより半導体装置2の基板3への実装(半導体装置実装構造体1の製造)が完了する。
When the second heating step is finished, the temperature in the pressurizing
このように、本実施の形態における半導体装置の実装方法では、樹脂7内に生じたボイドVは、第1の加熱工程の後に樹脂7が冷却されることによって縮小され、その後の第2の加熱工程において樹脂7が加圧圧縮されることによって更に収縮されるので、樹脂7内に生じたボイドVは極めて小さいものとなり、熱硬化後における樹脂7(樹脂硬化体7a)にクラックが発生しにくく、基板3から滲み出した水がボイドVに溜まった場合であっても、隣接する電極間に短絡が生じにくい。
As described above, in the semiconductor device mounting method according to the present embodiment, the void V generated in the
また、第1の加熱工程ではバンプ電極4と電極パッド5が半田接合されるだけでなく、半導体装置2の中央部直下に位置する熱硬化が進行した樹脂7(7b)によって半導体装置2と基板3とが仮接合されるので、仮接合体1aを移動させても、移動時の衝撃等でバンプ電極4と電極パッド5を電気的に接続する半田接合部が破壊されたり半導体装置2が基板3から脱落したりすることを防止できる。このため、第1の加熱工程、冷却工程及び第2の加熱工程はそれぞれ別の装置(熱圧着装置11、冷却用載置台12及び加圧炉13)を用いて行うことができ、一部の工程(上記実施の形態では例えば冷却工程及び第2の加熱工程)をバッチ処理するなど、多用な手順で処理を行うことが可能となる。
Further, in the first heating step, not only the
上述の実施の形態では、樹脂7には半田粒子は含まれておらず、金、銀或いは銅から構成されたバンプ電極4と電極パッド5とが、電極パッド5にプリコートされた半田6を介して接触され、その後の第1の加熱工程において、プリコートされた半田6が溶融されることによって、バンプ電極4と電極パッド5が電気的に接続される構成であったが、樹脂7に半田粒子を含有したものを用いるとともに、バンプ電極4が金、銀、銅或いは半田から成るものとすることによって、バンプ電極4と電極パッド5とが樹脂7に含有された半田を介して接触されるようにし、その後の第1の加熱工程において、樹脂7に含有された半田が溶融されることによって、バンプ電極4と電極パッド5が電気的に接続される構成としてもよい。但し、バンプ電極4に半田を用いる場合には、第1の加熱工程によってバンプ電極4が溶融しないようにするため、バンプ電極4に用いる半田は樹脂7に含有される半田粒子よりも高融点のものを用いる必要がある。また、バンプ電極4が銅から構成される場合には、バンプ電極4と電極パッド5とを半田接合させるための半田をバンプ電極4の表面にめっきしておくこともできる。
In the above-described embodiment, the
これまで本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上述の実施の形態に示したものに限定されない。例えば、上述の実施の形態では、熱圧着装置11で第1の加熱工程を行った後、得られた仮接合体1aを熱圧着装置11から取り外して冷却用載置台12に移動し、そこで冷却工程を行うようにしていたが、熱圧着装置11により第1の加熱工程を行った後、仮接合体1aを熱圧着装置11から取り外すことなくしばらくそのまま放置するなどして第1の加熱工程と冷却工程を同じ装置で行うようにしてもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described so far, the present invention is not limited to those shown in the above-described embodiments. For example, in the above-described embodiment, after the first heating step is performed by the thermocompression bonding apparatus 11, the obtained temporary joined
樹脂内に生じたボイドをより一層小さくすることができ、熱硬化後の樹脂におけるクラックの発生と電極間の短絡を防止することができる。 Voids generated in the resin can be further reduced, and generation of cracks in the resin after thermosetting and a short circuit between the electrodes can be prevented.
1a 仮接合体
2 半導体装置
3 基板
4 バンプ電極
5 電極パッド
6 半田
7 樹脂
29 熱圧着ツール
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