JP5168221B2

JP5168221B2 - 半導体装置製造方法

Info

Publication number: JP5168221B2
Application number: JP2009103061A
Authority: JP
Inventors: 暁小路口
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: JP2010258030A

Description

本発明は、基板上に半導体チップが実装された半導体装置を製造する半導体装置製造方法に関するものである。

近年の電子機器の高密度化、高機能化の傾向に対応する半導体装置の実装技術の１つとして、半導体チップを裏返しにして基板上に実装するフリップチップ実装が実用化されている。
このフリップチップ実装としては、各種の方法が知られているが、例えば、導電性粒子及び気泡発生剤が含有された樹脂を利用して、基板上に半導体チップをフリップチップ実装する方法が知られている（特許文献１参照）。

この方法は、まず樹脂を間に挟んだ状態で基板上に半導体チップを配置させる。すると、樹脂に含まれている導電性粒子が、電極との濡れ性により、互いに対向している半導体チップ側の電極と基板側の電極との間に集まり、両電極間の導通を確保する。その後、樹脂を加熱して、導電性粒子を溶融させると共に樹脂を硬化させる。これにより、基板と半導体チップとの強固な固定と、両電極間の導通とを簡便に図ることが可能とされている。
通常、濡れ性だけで対向する電極間の十分な導通性と非対向する電極間の絶縁性とを同時に確保するには、導電性粒子の局在性に不十分さが残るが、上記方法では気泡発生剤が含有された樹脂を利用している。そのため、加熱時に気泡を発生させることができ、この気泡の対流によって、対向する電極間に導電性粒子の局在化を促進させることが可能とされている。

特開２００８−１７２２１５号公報

しかしながら、上述した従来の方法は、加熱時に気泡を発生させてしまうので、この気泡によって両電極間の導通接続部にボイドが生じてしまう恐れがあった。また、加熱時に気泡発生剤が分解されずに残滓として残ってしまう恐れもあった。従って、これらボイドや残滓によって、導電性能の低下を招いてしまい易かった。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、気泡発生剤等の混入物を用いずに、高い導通性を確保しながら簡便に半導体チップを基板上にフリップチップ実装することができ、作動の信頼性及び品質が向上した半導体装置を製造することができる半導体装置製造方法を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明に係る半導体装置製造方法は、チップ電極を有する半導体チップを、基板電極を有する基板上にフリップチップ実装して半導体装置を製造する方法であって、前記チップ電極と前記基板電極とのうち少なくともいずれか一方の電極の表面に導電性の突起部を形成する形成工程と、前記チップ電極と前記基板電極とが対向するように前記基板上に前記半導体チップをセットすると共に、基板と半導体チップとの間に導電性フィラーが含有された樹脂を供給するセット工程と、前記チップ電極と前記基板電極との間に電圧を印加して前記突起部に電界を局所的に集中させ、前記導電性フィラーを突起部側に引き寄せると共に、電極対向方向に沿わせながら両電極間に局在化させる電圧印加工程と、前記樹脂を硬化させて、前記半導体チップと前記基板とを一体的に固定する固定工程と、を備えていることを特徴とする。

本発明に係る半導体装置製造方法によれば、電圧印加時に電界を突起部に局所的に集中させることができるので、導電性フィラーを突起部側に引き寄せることができる。そして、引き寄せた導電性フィラーを、電極対向方向に沿わせながら対向するチップ電極と基板電極との間に局在化させることができる。従って、局在化した導電性フィラーを介して、互いに対向するチップ電極と基板電極とを導通させることができる。しかも、引き寄せた導電性フィラーの一部を、濡れ性の効果により突起部が形成された電極に密着させることができる。特に、突起部によって表面積が大きく確保されているので、濡れ性の効果が高まり、突起部が形成された電極に多くの導電性フィラーが密着させることができる。従って、両電極の安定した導通性能を実現することができる。

特に、従来のように気泡発生剤等の混入物によってボイドや残滓の可能性があった方法とは異なり、突起部を形成し、その後電圧印加を行うだけの簡便な方法で、対向するチップ電極と基板電極との導通性を安定に確保できると共に絶縁不良を防止することができる。従って、作動の信頼性及び品質が向上した半導体装置を得ることができる。
更に、対向するチップ電極と基板電極との間に導電性フィラーを局在化させることができるので、非対向状態にあるチップ電極と基板電極との間に導電性フィラーが集まり難い。従って、非対向状態にあるチップ電極と基板電極との間を、確実に絶縁状態にし易い。この点においても、半導体装置の作動の信頼性を高めることができる。

本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す部分断面図である。図１に示す半導体装置を製造する際のフローチャートである。図１に示す半導体装置を製造する際の一工程図であって、基板側の基板電極の表面に突起部を形成した状態を示す図である。図１に示す半導体装置を製造する際の一工程図であって、半導体チップ側のチップ電極の表面に突起部を形成した状態を示す図である。図３に示す基板上に導電性フィラーが含有された樹脂を供給した状態を示す図である。図５に示す導電性フィラーの拡大断面図である。図５に示す状態の後、樹脂を間に挟んで半導体チップを基板上にセットした状態を示す図である。図７に示す状態の後、チップ電極と基板電極との間に電圧を印加している状態を示す図である。図８に示す状態の後、チップ電極と基板電極との間に局在化した導電性フィラーを加熱により溶融した状態を示す図である。

以下、本発明に係る半導体装置製造方法の一実施形態を、図１から図９を参照して説明する。はじめに半導体装置について、簡単に説明する。
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１は、複数の基板電極２ａを有する基板２上に、複数のチップ電極３ａを有する半導体チップ３がフリップチップ実装されたものである。この際、基板２と半導体チップ３とは、硬化した樹脂４によって一体的に固定されている。そのため、半導体チップ３は、ぐらつくことなく、高い剛性で強固に実装された状態となっている。
また、互いに対向するチップ電極３ａと基板電極２ａとは、後述する複数の導電性フィラーＦが溶融した導通部５を介して電気的に接続されている。これにより、互いに対向するチップ電極３ａと基板電極２ａとは、安定した導通性が確保されている。
なお、非対向のチップ電極３ａと基板電極２ａとに関しては、確実に絶縁された状態となっている。

次に、このように構成された半導体装置１を製造する半導体装置製造方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら、以下に説明する。
本実施形態の製造方法は、形成工程（Ｓ１）と、セット工程（Ｓ２）と、電圧印加工程（Ｓ３）と、加熱工程（Ｓ４）と、固定工程（Ｓ５）と、を順に行って製造する方法である。これら各工程について、詳細に説明する。

まず、図３に示すように、基板電極２ａの表面に導電性の突起部１０を形成する形成工程（Ｓ１）を行う。本実施形態では、先端が先鋭化するように三角状の突起部１０を形成すると共に、基板電極２ａの表面全体に亘って複数形成する場合を例に挙げて説明する。なお、突起部１０を形成する方法としては、例えば、結晶成長法、電気マイグレーションや結晶析出法等が挙げられる。
また、本実施形態では、基板電極２ａだけに突起部１０を形成するのではく、図４に示すように、チップ電極３ａの表面にも同様に突起部１１を形成する。この場合も、やはり先端が先鋭化するように三角状の突起部１１を形成すると共に、チップ電極３ａの表面全体に亘って複数形成する。
この時点で、形成工程（Ｓ１）が終了する。

次に、チップ電極３ａと基板電極２ａとが対向するように基板２上に半導体チップ３をセットすると共に、基板２と半導体チップ３との間に導電性フィラーＦが含有された樹脂４を供給するセット工程（Ｓ２）を行う。
具体的には、図５に示すように、流動性のある状態の樹脂４の中に導電性フィラーＦを所定比率混合させた後、導電性フィラーＦを含有する樹脂４を基板２上に塗布等により供給する。この際、導電性フィラーＦとしては、図６に示すように、金属コアｆ１の表面に電界配向性を有する被膜ｆ２がコーティングされた球形状のものを用いる。また、樹脂４としては、後に硬化するもの、例えば光硬化性或いは熱硬化性の樹脂を用いる。

そして、樹脂４を供給した後、図７に示すように、チップ電極３ａが基板２側に向くように半導体チップ３を裏返しにすると共に、間に樹脂４を挟んで状態で半導体チップ３を基板２上にセットする。この際、複数のチップ電極３ａと複数の基板電極２ａとがそれぞれ対向するように、半導体チップ３をセットする。
この時点で、セット工程（Ｓ２）が終了する。

次に、チップ電極３ａと基板電極２ａとの間に所定の電圧を印加する電圧印加工程（Ｓ３）を行う。
具体的には、図８に示すように、電流計１５を介在させた状態で各チップ電極３ａを電源１６の負極側に接続すると共に、各基板電極２ａを電源１６の正極側に接続する。このように回路を形成した後、チップ電極３ａと基板電極２ａとの間に所定の電圧を印加する。すると、電界が突起部１０、１１に局所的に集中するので、導電性フィラーＦを突起部１０、１１に引き寄せて自己集合させることができる。ところで、この際電界は、対向しているチップ電極３ａと基板電極２ａとを結ぶ電極対向方向に作用する。そのため、突起部１０、１１に引き寄せた導電性フィラーＦを、電極対向方向に沿わせながら両電極２ａ、３ａ間に局在化させることができる。これにより、局在化した導電性フィラーＦを介して、互いに対向するチップ電極３ａと基板電極２ａとを導通させることができる。

しかも、引き寄せられた導電性フィラーＦの一部は、濡れ性の効果により突起部１０、１１が形成されたチップ電極３ａ及び基板電極２ａにそれぞれ密着する。特に、突起部１０、１１によって表面積が大きく確保されているので、濡れ性の効果が高まり、突起部１０、１１が形成されたチップ電極３ａ及び基板電極２ａには多くの導電性フィラーＦが密着した状態となる。従って、導通性をより確実なものとすることができ、安定した導通性能を実現することができる。
この時点で、電圧印加工程（Ｓ３）が終了する。

次に、図９に示すように、導電性フィラーＦを加熱して溶融させる加熱工程（Ｓ４）を行う。
このように溶融させることで、対向しているチップ電極３ａと基板電極２ａとの間に局在化されている導電性フィラーＦを一体化させて導通部５とすることができる。従って、対向するチップ電極３ａと基板電極２ａとの導通性の安定化を図ることができる。

そして、最後に半導体チップ３と基板２との間に供給した樹脂４を硬化させて、半導体チップ３と基板２とを一体的に固定する固定工程（Ｓ５）を行う。
この際、光硬化性の樹脂４を採用している場合には、紫外線等の光を照射することで樹脂４を硬化させる。また、熱硬化性の樹脂４を採用している場合には、所定の温度まで加熱することで樹脂４を硬化させる。いずれにしても、樹脂４の種類に応じた方法により樹脂４を硬化させれば良い。
その結果、基板２上に半導体チップ３がフリップチップ実装された図１に示す半導体装置１を得ることができる。

特に、本実施形態の製造方法によれば、従来のように気泡発生剤等の混入物によりボイドや残滓の可能性があった方法とは異なり、突起部１０、１１を形成し、その後電圧印加を行うだけの簡便な方法で、対向するチップ電極３ａと基板電極２ａとの導通性を安定に確保できると共に絶縁不良を防止することができる。従って、作動の信頼性及び品質が向上した半導体装置１を得ることができる。
また、対向するチップ電極３ａと基板電極２ａとの間に導電性フィラーＦを局在化させることができるので、非対向状態にあるチップ電極３ａと基板電極２ａとの間に導電性フィラーＦが集まり難い。従って、非対向状態にあるチップ電極３ａと基板電極２ａとの間を、確実に絶縁状態にし易い。この点においても、半導体装置１の作動の信頼性を高めることができる。

更に、表面に電界配向性を有する被膜ｆ２が形成された導電性フィラーＦを用いるので、電圧印加によって発生した電界の方向、即ち、電極対向方向に沿って導電性フィラーＦをより積極的に配向させることができる。従って、対向するチップ電極３ａと基板電極２ａとの間に、導電性フィラーＦをより効率良く確実に局在化させることができる。
なお、突起部１０、１１によって電界の方向が強調されているので、電界配向性を有する被膜ｆ２の膜厚を薄くしたとしても、確実な導通性を確保することができる。加えて、加熱工程（Ｓ４）によって導電性フィラーＦを溶融させるので、導電性能が金属より劣る電界配向性の被膜ｆ２を分解若しくは除去することができる。従って、この点においても、高い導電性能を実現した半導体装置１を得ることができる。

また、本実施形態では、先端が先鋭化した三角状に突起部１０、１１を形成しているので、電界を突起部１０、１１の先端により集中させることができ、導電性フィラーＦをより引き寄せ易くすることができる。従って、対向するチップ電極３ａと基板電極２ａとの間の導通性をより確実なものにすることができる。
加えて、本実施形態では、チップ電極３ａ及び基板電極２ａの表面全体に亘って突起部１０、１１を複数形成しているで、さらに効率良く導電性フィラーＦを引き寄せることができ、対向するチップ電極３ａと基板電極２ａとの間により集中的に局在化させることができる。また、表面積をできるだけ大きくすることができるので、突起部１０、１１に引き寄せられた導電性フィラーＦをチップ電極３ａ及び基板電極２ａに密着させ易い。これらの点においても、チップ電極３ａと基板電極２ａとの導通性を確実にすることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、三角状の突起部１０、１１を形成した場合を例に挙げて説明したが、この場合に限定されるものではなく、突起部１０、１１の形状は自由に設計して構わない。また、突起部１０、１１の数に関しても、自由に設計して構わない。
また、上記実施形態では、基板電極２ａ及びチップ電極３ａのそれぞれに突起部１０、１１を形成した場合を例に挙げたが、基板電極２ａ側にだけ形成しても構わないし、チップ電極３ａ側にだけ形成しても構わない。いずれにしても少なくともいずれか一方の電極の表面に突起部を形成すれば良い。

また、突起部１０、１１の表面に、アーク放電法、レーザ蒸発法、化学気相成長法等といった代表的手法を用いて、カーボンナノチューブ（CNT：Carbon nanotube）の束を形成しても構わない。こうすることで、表面積をさらに大きくして濡れ性の効果を格段に高めることができるので、導通性を飛躍的に向上させることができる。

Ｆ…導電性フィラー
ｆ２…電界配向性の被膜
１…半導体装置
２…基板
２ａ…基板電極
３…半導体チップ
３ａ…チップ電極
４…樹脂
１０、１１…突起部

Claims

チップ電極を有する半導体チップを、基板電極を有する基板上にフリップチップ実装して半導体装置を製造する方法であって、
前記チップ電極と前記基板電極とのうち少なくともいずれか一方の電極の表面に導電性の突起部を形成する形成工程と、
前記チップ電極と前記基板電極とが対向するように前記基板上に前記半導体チップをセットすると共に、基板と半導体チップとの間に導電性フィラーが含有された樹脂を供給するセット工程と、
前記チップ電極と前記基板電極との間に電圧を印加して前記突起部に電界を局所的に集中させ、前記導電性フィラーを突起部側に引き寄せると共に、電極対向方向に沿わせながら両電極間に局在化させる電圧印加工程と、
前記樹脂を硬化させて、前記半導体チップと前記基板とを一体的に固定する固定工程と、を備えていることを特徴とする半導体装置製造方法。
請求項１に記載の半導体装置製造方法において、
前記形成工程の際、先端が先鋭化するように前記突起部を形成することを特徴とする半導体装置製造方法。
請求項１又は２に記載の半導体装置製造方法において、
前記形成工程の際、前記一方の電極の表面全体に亘って前記突起部を複数形成することを特徴とする半導体装置製造方法。
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置製造方法において、
前記電圧印加工程と前記固定工程との間に、前記導電性フィラーを加熱して溶融させる加熱工程を備えていることを特徴とする半導体装置製造方法。
請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置製造方法において、
前記導電性フィラーとして、表面に電界配向性を有する被膜が形成されたものを用いることを特徴とする半導体装置製造方法。