半導体装置の製造方法
【課題】ボイドを抑制して高い信頼性を実現することのできる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程と、半田溶融点よりも低い温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを接触させ、かつ、前記接合材を完全には硬化させない接触工程と、完全には硬化していない前記接合材を、加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程と、半田溶融点以上の温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを溶融接合させる電極接合工程とを有する半導体装置の製造方法。
【解決手段】半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程と、半田溶融点よりも低い温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを接触させ、かつ、前記接合材を完全には硬化させない接触工程と、完全には硬化していない前記接合材を、加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程と、半田溶融点以上の温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを溶融接合させる電極接合工程とを有する半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイドを抑制して高い信頼性を実現することのできる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ますます進展する半導体装置の小型化、高集積化に対応するために、半田等からなる突起電極（バンプ）を有する半導体チップを用いたフリップチップ実装が多用されている。
フリップチップ実装においては、一般的に、半導体チップの突起電極と、基板又は他の半導体チップの電極部とを接合させた後、アンダーフィルを注入して樹脂封止を行う方法が用いられている。しかしながら、近年、半導体チップの小型化が進行するとともに突起電極間のピッチもますます狭くなっており、また、これらに伴って半導体チップ同士又は半導体チップと基板との間のギャップが狭くなっていることから、アンダーフィルの注入時に空気が巻き込まれ、ボイドが発生しやすくなっている。
【０００３】
ボイドを抑制するために、突起電極の接合後にアンダーフィルを注入するのではなく、基板又は半導体チップに予め接合材を供給しておく方法が用いられている。このような方法は、一般的に、フリップチップボンダを用いて行われる。しかしながら、このような方法では、加熱により突起電極の接合と接合材の硬化とを同時に行うことから、精度の高い突起電極の接合とボイドの抑制とを両立することは容易ではない。
【０００４】
また、生産効率を向上させるために、フリップチップボンダを使わずに、量産可能なリフロー装置のみを用いた方法も検討されている。例えば、特許文献１には、無機基板または有機基板の回路形成面の半導体素子を搭載する位置に所定の液状接合材組成物を塗布した後、前記半導体素子の電極と前記基板の回路を、リフロー炉内にてバンプを介して接合すると同時に前記液状接合材組成物の硬化を行う半導体装置の製造方法が記載されている。
【０００５】
特許文献１に記載の方法においては、半田の融点よりも低い温度のリフロー予備加熱と、半田の融点よりも高い温度のリフロー本加熱とが行われる。予備加熱時には液状接合材組成物が十分に低粘度を保持し、半導体素子の自重のみで半導体素子の接続用電極部と配線回路基板が接触する。その後、本加熱により接続用電極部を溶融させて配線回路基板の電極に半田付けを行い、半田接合後に液状接合材組成物が硬化する。
しかしながら、このような方法においては、予備加熱時の液状接合材組成物の粘度が低いことから、基板にそりが生じた場合には液状接合材組成物が流動することによって接合前の電極部にズレが生じることがあり、また、リフロー炉の振動又は風圧によっても、接合前の電極部にズレが生じることがあった。また、このような液状接合材組成物の流動、電極部のズレ、加熱時の液状接合材組成物の発泡等に起因して、ボイドが生じる可能性も充分には排除できていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−９６８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ボイドを抑制して高い信頼性を実現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する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程と、半田溶融点よりも低い温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを接触させ、かつ、前記接合材を完全には硬化させない接触工程と、完全には硬化していない前記接合材を、加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程と、半田溶融点以上の温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを溶融接合させる電極接合工程とを有する半導体装置の製造方法である。
以下、本発明を詳述する。
【０００９】
本発明者は、半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程と、半田溶融点よりも低い温度で加熱して、半導体チップの突起電極と基板の電極部とを接触させ、かつ、接合材を完全には硬化させない接触工程とを行った後、電極接合を行う前に、接合材を加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程を行うことにより、仮に接合材に空気が巻き込まれた場合であってもボイドを除去することができ、かつ、電極接合を良好に行い高い信頼性を実現できることを見出し、本発明を完成させるに至った。ボイド除去工程を行うことにより、ボイドを単に成長させないだけではなく、積極的に除去できるものと考えられる。なお、このようなボイド除去工程では接合材も硬化されるが、接合材を完全に硬化させてもよいし、途中段階まで硬化させて、電極接合を行う際に完全に硬化させたのでもよい。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法では、まず、半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程を行う。
【００１１】
上記半導体チップとして、例えば、シリコン、ガリウム砒素等の半導体からなり、半田からなる先端部を有する突起電極が表面に形成された半導体チップが挙げられる。なお、半田からなる先端部を有する突起電極は、半田からなる先端部を有していれば、突起電極全体が半田からなっていてもよい。
【００１２】
上記接合材を供給する方法は特に限定されず、例えば、予めウエハにシート状の接合材を貼付したりペースト状の接合材を塗布又は印刷して塗膜を形成したりした後、半導体チップに個片化する方法、シート状の接合材を基板上又は半導体チップ上に貼付する方法、ペースト状の接合材をシリンジに充填し、シリンジ先端に精密ノズルを取り付けて、ディスペンサ装置を用いて基板上に吐出する方法等が挙げられる。
【００１３】
上記接合材は、シート状であってもペースト状であってもよく、硬化性化合物及び硬化剤を含有することが好ましい。硬化性化合物と硬化剤との組み合わせによって、上記接合材の硬化性を制御することができる。
上記硬化性化合物は特に限定されず、例えば、付加重合、重縮合、重付加、付加縮合、開環重合等の反応により硬化する化合物が挙げられる。上記硬化性化合物として、具体的には例えば、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、レゾルシノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂、ジアリルフタレート樹脂、キシレン樹脂、アルキル−ベンゼン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、珪素樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性化合物が挙げられる。なかでも、半導体装置の信頼性及び接合強度に優れていることから、エポキシ樹脂、アクリル樹脂が好ましく、イミド骨格を有するエポキシ樹脂がより好ましい。
【００１４】
上記エポキシ樹脂は特に限定されず、例えば、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型、ビスフェノールＡＤ型、ビスフェノールＳ型等のビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型等のノボラック型エポキシ樹脂、レゾルシノール型エポキシ樹脂、トリスフェノールメタントリグリシジルエーテル等の芳香族エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フルオレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ポリエーテル変性エポキシ樹脂、ＮＢＲ変性エポキシ樹脂、ＣＴＢＮ変性エポキシ樹脂、及び、これらの水添化物等が挙げられる。なかでも、粘度の低い接合材が得られることから、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、レゾルシノール型エポキシ樹脂、ポリエーテル変性エポキシ樹脂が好ましい。
【００１５】
上記ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂のうち、市販品として、例えば、ＥＸＡ−８３０−ＬＶＰ、ＥＸＡ−８３０−ＣＲＰ（以上、ＤＩＣ社製）等が挙げられる。また、上記レゾルシノール型エポキシ樹脂のうち、市販品として、例えば、ＥＸ−２０１（ナガセケムテックス社製）等が挙げられる。また、上記ポリエーテル変性エポキシ樹脂のうち、市販品として、例えば、ＥＸ−９３１（ナガセケムテックス社製）、ＥＸＡ−４８５０−１５０（ＤＩＣ社製）、ＥＰ−４００５（アデカ社製）等が挙げられる。
【００１６】
上記硬化性化合物は、吸湿率の好ましい上限が１．５％であり、より好ましい上限が１．１％である。このような吸湿率を有する硬化性化合物として、例えば、ナフタレン型エポキシ樹脂、フルオレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等が挙げられる。
【００１７】
上記硬化剤は特に限定されず、従来公知の硬化剤を上記硬化性化合物に合わせて適宜選択することができる。上記硬化性化合物としてエポキシ樹脂を用いる場合、上記硬化剤として、例えば、トリアルキルテトラヒドロ無水フタル酸等の加熱硬化型酸無水物系硬化剤、フェノール系硬化剤、アミン系硬化剤、ジシアンジアミド等の潜在性硬化剤、カチオン系触媒型硬化剤等が挙げられる。これらの硬化剤は、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００１８】
上記硬化剤の配合量は特に限定されないが、上記硬化性化合物の官能基と等量反応する硬化剤を用いる場合、上記硬化性化合物の官能基量に対して、６０〜１００当量であることが好ましい。また、触媒として機能する硬化剤を用いる場合、上記硬化剤の配合量は、上記硬化性化合物１００重量部に対して好ましい下限が１重量部、好ましい上限が２０重量部である。
【００１９】
上記接合材は、硬化速度、硬化物の物性等を調整するために、上記硬化剤に加えて硬化促進剤を含有してもよい。
上記硬化促進剤は特に限定されず、例えば、イミダゾール系硬化促進剤、３級アミン系硬化促進剤等が挙げられる。なかでも、硬化速度、硬化物の物性等の調整をするための反応系の制御をしやすいことから、イミダゾール系硬化促進剤が好ましい。これらの硬化促進剤は、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００２０】
上記イミダゾール系硬化促進剤は特に限定されず、例えば、イミダゾールの１位をシアノエチル基で保護した１−シアノエチル−２−フェニルイミダゾール、イソシアヌル酸で塩基性を保護したイミダゾール系硬化促進剤（商品名「２ＭＡ−ＯＫ」、四国化成工業社製）、２ＭＺ、２ＭＺ−Ｐ、２ＰＺ、２ＰＺ−ＰＷ、２Ｐ４ＭＺ、Ｃ１１Ｚ−ＣＮＳ、２ＰＺ−ＣＮＳ、２ＰＺＣＮＳ−ＰＷ、２ＭＺ−Ａ、２ＭＺＡ−ＰＷ、Ｃ１１Ｚ−Ａ、２Ｅ４ＭＺ−Ａ、２ＭＡＯＫ−ＰＷ、２ＰＺ−ＯＫ、２ＭＺ−ＯＫ、２ＰＨＺ、２ＰＨＺ−ＰＷ、２Ｐ４ＭＨＺ、２Ｐ４ＭＨＺ−ＰＷ、２Ｅ４ＭＺ・ＢＩＳ、ＶＴ、ＶＴ−ＯＫ、ＭＡＶＴ、ＭＡＶＴ−ＯＫ（以上、四国化成工業社製）等が挙げられる。これらのイミダゾール系硬化促進剤は、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００２１】
上記硬化促進剤の配合量は特に限定されず、上記硬化性化合物１００重量部に対して好ましい下限が１重量部、好ましい上限が１０重量部である。
【００２２】
上記硬化性化合物としてエポキシ樹脂を用い、かつ、上記硬化剤と上記硬化促進剤とを併用する場合、用いる硬化剤の配合量は、用いるエポキシ樹脂中のエポキシ基に対して理論的に必要な当量以下とすることが好ましい。上記硬化剤の配合量が理論的に必要な当量を超えると、接合材を硬化して得られる硬化物から、水分によって塩素イオンが溶出しやすくなることがある。即ち、硬化剤が過剰であると、例えば、得られる接合材の硬化物から熱水で溶出成分を抽出した際に、抽出水のｐＨが４〜５程度となるため、エポキシ樹脂から塩素イオンが多量溶出することがある。従って、得られる接合材の硬化物１ｇを、１００℃の純水１０ｇで２時間浸した後の純水のｐＨが６〜８であることが好ましく、ｐＨが６．５〜７．５であることがより好ましい。
【００２３】
上記接合材は、粘度を低減させるために希釈剤を含有してもよい。
上記希釈剤は、エポキシ基を有することが好ましく、１分子中のエポキシ基数の好ましい下限が２、好ましい上限が４である。１分子中のエポキシ基数が２未満であると、接合材の硬化後に充分な耐熱性が発現しないことがある。１分子中のエポキシ基数が４を超えると、硬化によるひずみが発生したり、未硬化のエポキシ基が残存したりすることがあり、これにより、接合強度の低下又は繰り返しの熱応力による接合不良が発生することがある。上記希釈剤の１分子中のエポキシ基数のより好ましい上限は３である。
また、上記希釈剤は、芳香環及び／又はジシクロペンタジエン構造を有することが好ましい。
【００２４】
上記希釈剤は、１２０℃での重量減少量及び１５０℃での重量減少量の好ましい上限が１％である。１２０℃での重量減少量及び１５０℃での重量減少量が１％を超えると、接合材の硬化中又は硬化後に未反応物が揮発してしまい、生産性又は半導体装置の性能に悪影響を与えることがある。
また、上記希釈剤は、他の硬化性化合物よりも硬化開始温度が低く、硬化速度が大きいものであることが好ましい。
【００２５】
上記接合材における希釈剤の配合量の好ましい下限は１重量％、好ましい上限は２０重量％である。上記希釈剤の配合量が上記範囲外であると、接合材の粘度を充分に低減できないことがある。
【００２６】
上記接合材は、更に、チキソトロピー付与剤を含有することが好ましい。上記チキソトロピー付与剤を含有することにより、接合材は所望の粘度挙動を達成することができる。
上記チキソトロピー付与剤は特に限定されず、例えば、金属微粒子、炭酸カルシウム、ヒュームドシリカ、酸化アルミニウム、窒化硼素、窒化アルミニウム、硼酸アルミ等の無機微粒子等が挙げられる。なかでも、ヒュームドシリカが好ましい。また、上記チキソトロピー付与剤として、必要に応じて、表面処理を行ったチキソトロピー付与剤を用いることができる。特に、上記チキソトロピー付与剤として、表面に親水基を有する粒子を用いることが好ましい。上記表面に親水基を有する粒子として、具体的には例えば、表面に親水基を有するヒュームドシリカ等が挙げられる。
【００２７】
上記チキソトロピー付与剤として、粒子状のチキソトロピー付与剤を用いる場合、平均粒子径の好ましい上限は１μｍである。上記チキソトロピー付与剤の平均粒子径が１μｍを超えると、接合材が所望のチキソトロピー性を発現できないことがある。
【００２８】
上記接合材における上記チキソトロピー付与剤の配合量は特に限定されないが、好ましい下限が０．５重量％、好ましい上限が２０重量％である。上記チキソトロピー付与剤の配合量が０．５重量％未満であると、接合材に充分なチキソトロピー性を付与することができないことがある。上記チキソトロピー付与剤の配合量が２０重量％を超えると、接合材の排除性が低下することがある。上記チキソトロピー付与剤の配合量のより好ましい下限は３重量％、より好ましい上限は１０重量％である。
【００２９】
上記接合材は、更に、上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物を含有することが好ましい。このような高分子化合物を含有することにより、熱によるひずみが発生する際の接合信頼性が向上する。
【００３０】
上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物として、上記硬化性化合物としてエポキシ樹脂を用いる場合には、例えば、アミノ基、ウレタン基、イミド基、水酸基、カルボキシル基、エポキシ基等を有する高分子化合物等が挙げられる。なかでも、エポキシ基を有する高分子化合物が好ましい。上記エポキシ基を有する高分子化合物を添加することで、接合材の硬化物は、優れた可撓性を発現する。即ち、上記接合材の硬化物は、上記硬化性化合物としてのエポキシ樹脂に由来する優れた機械的強度、耐熱性及び耐湿性と、上記エポキシ基を有する高分子化合物に由来する優れた可撓性とを兼備することとなるので、耐冷熱サイクル性、耐ハンダリフロー性、寸法安定性等に優れるものとなり、高い接合信頼性又は高い導通信頼性を発現することとなる。
【００３１】
上記エポキシ基を有する高分子化合物は、末端及び／又は側鎖（ペンダント位）にエポキシ基を有する高分子化合物であれば特に限定されず、例えば、エポキシ基含有アクリルゴム、エポキシ基含有ブタジエンゴム、ビスフェノール型高分子量エポキシ樹脂、エポキシ基含有フェノキシ樹脂、エポキシ基含有アクリル樹脂、エポキシ基含有ウレタン樹脂、エポキシ基含有ポリエステル樹脂等が挙げられる。なかでも、エポキシ基を多く含む高分子化合物を得ることができ、硬化物の機械的強度又は耐熱性がより優れたものとなることから、エポキシ基含有アクリル樹脂が好ましい。これらのエポキシ基を有する高分子化合物は、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００３２】
上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物として、上記エポキシ基を有する高分子化合物、特に、エポキシ基含有アクリル樹脂を用いる場合、上記エポキシ基を有する高分子化合物の重量平均分子量の好ましい下限が１万である。重量平均分子量が１万未満であると、接合材の造膜性が不充分となって、接合材の硬化物の可撓性が充分に向上しないことがある。
【００３３】
上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物として、上記エポキシ基を有する高分子化合物、特に、エポキシ基含有アクリル樹脂を用いる場合、上記エポキシ基を有する高分子化合物のエポキシ当量の好ましい下限が２００、好ましい上限が１０００である。エポキシ当量が２００未満であると、接合材の硬化物の可撓性が充分に向上しないことがある。エポキシ当量が１０００を超えると、接合材の硬化物の機械的強度又は耐熱性が不充分となることがある。
【００３４】
上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物の配合量は特に限定されないが、上記硬化性化合物１００重量部に対し、好ましい下限が１重量部、好ましい上限が３０重量部である。上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物の配合量が１重量部未満であると、接合材は、熱ひずみに対する充分な信頼性が得られないことがある。上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物の配合量が３０重量部を超えると、接合材の耐熱性が低下することがある。
【００３５】
上記接合材は、更に、表面処理されたシリカフィラーを含有することが好ましい。上記表面処理されたシリカフィラーは特に限定されないが、フェニルシランカップリング剤で表面処理されたシリカフィラーが好ましい。
【００３６】
上記表面処理されたシリカフィラーの配合量は特に限定されないが、上記硬化性化合物１００重量部に対し、好ましい下限が３０重量部、好ましい上限が４００重量部である。上記表面処理されたシリカフィラーの配合量が３０重量部未満であると、接合材が充分な信頼性を保持することができないことがある。上記表面処理されたシリカフィラーの配合量が４００重量部を超えると、接合材の粘度が高くなりすぎて、塗布安定性が低下することがある。
【００３７】
上記接合材は、必要に応じて、溶媒を含有してもよい。
上記溶媒は特に限定されず、例えば、芳香族炭化水素類、塩化芳香族炭化水素類、塩化脂肪族炭化水素類、アルコール類、エステル類、エーテル類、ケトン類、グリコールエーテル（セロソルブ）類、脂環式炭化水素類、脂肪族炭化水素類等が挙げられる。
【００３８】
上記接合材は、必要に応じて、無機イオン交換体を含有してもよい。
上記無機イオン交換体のうち、市販品としては、例えば、ＩＸＥシリーズ（東亞合成社製）等が挙げられる。上記接合材における上記無機イオン交換体の配合量の好ましい上限は１０重量％、好ましい下限は１重量％である。
【００３９】
上記接合材は、必要に応じて、ブリード防止剤、イミダゾールシランカップリング剤等の接着性付与剤等のその他の添加剤を含有してもよい。
【００４０】
上記接合材は、常温から半田溶融点までの温度域における最低溶融粘度の好ましい下限が０．１Ｐａ・ｓ、好ましい上限が１０５Ｐａ・ｓである。最低溶融粘度が０．１Ｐａ・ｓ未満であると、フィレットのはみ出しが多すぎて、他デバイスを汚染してしまうことがある。最低溶融粘度が１０５Ｐａ・ｓを超えると、ボイドを充分に除去できないことがある。
なお、常温から半田溶融点までの温度域における最低溶融粘度は、レオメーターを用いて測定することができる。
【００４１】
上記接合材を製造する方法は特に限定されず、例えば、硬化性化合物及び硬化剤に、必要に応じて硬化促進剤、硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物、チキソトロピー付与剤、その他の添加剤等を所定量配合して混合する方法が挙げられる。上記混合の方法は特に限定されず、例えば、ホモディスパー、万能ミキサー、バンバリーミキサー、ニーダー等を使用する方法が挙げられる。
【００４２】
本発明の半導体装置の製造方法では、次いで、半田溶融点よりも低い温度で加熱して、上記半導体チップの突起電極と上記基板の電極部とを接触させ、かつ、上記接合材を完全には硬化させない接触工程を行う。
【００４３】
半田溶融点よりも低い温度で加熱して突起電極と電極部とを接触させる方法として、例えば、半田溶融点よりも低い温度で加熱しながら半導体チップに荷重を付与する方法等が挙げられる。なお、半田溶融点は、例えば鉛フリーの半田の場合、通常、２２５〜２３５℃程度である。
上記半田溶融点よりも低い温度の好ましい下限は７０℃、好ましい上限は２１０℃であるが、接合材を適正化することで常温にて突起電極と電極部とを接触させられるならば、常温が好ましい。なお、常温とは、通常、１５〜３０℃程度である。
【００４４】
なお、接合材が完全に硬化しているか否かは、接合材の硬化率を調べることにより確認することができる。接合材の硬化率とは、下記式（１）により求められる値を意味する。
接合材の硬化率（％）＝（１−Ｄｈ／Ｄｉ）×１００ （１）
式（１）中、Ｄｉは示差走査熱量計にて算出される接合材の初期状態の発熱量を表し、Ｄｈは示差走査熱量計にて算出される接合材の加熱処理後の発熱量を表す。
上記接合材の硬化率の好ましい上限は４０％である。上記接合材の硬化率が４０％を超えると、ボイド除去工程を行ってもボイドを充分に除去できないことがある。上記接合材の硬化率のより好ましい上限は２０％である。また、上記接合材の硬化率の下限は特に限定されず、０％であってもよい。
【００４５】
上記位置合わせ工程から上記接触工程までは、一般的に、フリップチップボンダ、チップマウンター等の実装用装置を用いて行われる。フリップチップボンダを用いる場合には、上記位置合わせ工程において半導体チップと基板とのアライメントマークを合わせた後、上記接触工程において加熱及び半導体チップに対する荷重の付与を行うことができる。フリップチップボンダを用いる場合には、電極接合の精度が高くなる反面、昇温及び降温の時間の分だけ工程に時間がかかる。
また、チップマウンターを用いる場合には上記位置合わせ工程から上記接触工程までは常温で行われ、昇温及び降温の時間がないため工程に要する時間が短くなる反面、電極接合の精度はフリップチップボンダを用いた場合よりも低くなる。半田の表面張力によるセルフアラインメントを利用して電極接合の精度を上げることのできる系の場合には、チップマウンターを用いることが有効である。
【００４６】
本発明の半導体装置の製造方法では、次いで、完全には硬化していない上記接合材を、加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程を行う。
加圧雰囲気下とは、常圧（大気圧）より高い圧力雰囲気下を意味する。ボイド除去工程を行うことにより、仮に上記接触工程において接合材に空気が巻き込まれた場合であってもボイドを除去することができる。ここでは、ボイドを単に成長させないだけではなく、積極的に除去できるものと考えられる。なお、ボイド除去工程では接合材も硬化されるが、接合材を完全に硬化させてもよいし、途中段階まで硬化させて、電極接合を行う際に完全に硬化させたのでもよい。
【００４７】
完全には硬化していない上記接合材を加圧雰囲気下で加熱する方法として、例えば、加圧キュアオーブン（例えば、ＮＴＴアドバンステクノロジ社製のＰＣＯ−０８３ＴＡ等）を用いる方法等が挙げられる。このような加圧キュアオーブンを用いると、加熱と加圧とを同時に行うことができる。
このとき、圧力の好ましい下限は０．１ＭＰａ、好ましい上限は１０ＭＰａである。圧力が０．１ＭＰａ未満であると、上記接触工程において接合材に空気が巻き込まれた場合にボイドを充分に除去できないことがある。圧力が１０ＭＰａを超えると、接合材自体の変形が生じ、半導体装置の信頼性に悪影響を及ぼすことがある。圧力のより好ましい下限は０．３ＭＰａ、より好ましい上限は１ＭＰａである。
【００４８】
また、完全には硬化していない上記接合材を加圧雰囲気下で加熱する際の加熱温度は、接合材の最低溶融粘度を目安に設定することが好ましく、具体的には、接合材が最低溶融粘度を示す温度の±２０℃の範囲内であることが好ましい。
【００４９】
本発明の半導体装置の製造方法では、次いで、半田溶融点以上の温度で加熱して、上記半導体チップの突起電極と上記基板の電極部とを溶融接合させる電極接合工程を行う。上記ボイド除去工程を行った後で電極接合工程を行うことにより、仮に上記接触工程において接合材に空気が巻き込まれた場合であってもボイドを除去することができ、かつ、電極接合を良好に行うことができる。
【００５０】
本発明の半導体装置の製造方法では、上記ボイド除去工程に加えて上記電極接合工程も加圧雰囲気下で行うことが好ましい。また、加圧容器内に組み込まれたフリップチップボンダ等の実装用装置を用いて、上記位置合わせ工程から上記電極接合工程までを、連続した工程として加圧雰囲気下で行ってもよい。この場合には、加圧雰囲気下とするために別の装置を用いたり別の装置に搬送したりする必要がなく、また、圧力の調整が少なくて済むことから、生産効率を低下させることがない。
【００５１】
突起電極と電極部とを溶融接合させる温度の好ましい下限は２４０℃、好ましい上限は２８０℃である。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、ボイドを抑制して高い信頼性を実現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ができる。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下に実施例を掲げて本発明の態様を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。
なお、以下の実施例及び比較例に記載の粒子径の測定には粒子サイズ測定機（コールターカウンターＺＢ／Ｃ−１０００、コールターエレクトロニクス社製）を使用した。
【００５４】
（実施例１）
（１）接合材の製造
表１に記載の組成に従って、下記に示す各材料を、ホモディスパーを用いて攪拌混合することにより接合材を製造した。
１．エポキシ樹脂
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ＥＸＡ−８３０−ＣＲＰ、ＤＩＣ社製）
２．エポキシ基を有する高分子化合物
エポキシ基含有アクリル樹脂（ブレンマーＣＰ−３０、日油社製）
３．ゴム変性エポキシ樹脂
ＮＢＲ変性エポキシ樹脂（ＥＰＲ−４０３３、アデカ社製）
４．硬化剤
酸無水物（ＹＨ−３０６、三菱化学社製）
５．硬化促進剤
イミダゾール化合物（２ＭＡ−ＯＫ、四国化成工業社製）
６．接着性付与剤
イミダゾールシランカップリング剤（ＳＰ−１０００、日鉱マテリアル社製）
７．チキソトロピー付与剤
ヒュームドシリカ（表面親水基含有チキソトロピー付与剤、ＱＳ−４０、トクヤマ社製）
８．シリカフィラー
球状シリカ（ＳＥ−４０５０−ＳＰＥ、アドマテックス社製、平均粒子径１μｍ、最大粒子径５μｍ）
【００５５】
（２）半導体装置の製造
（２−１）位置合わせ工程及び接触工程
得られた接合材を１０ｍＬシリンジ（岩下エンジニアリング社製）に充填し、シリンジ先端に精密ノズル（岩下エンジニアリング社製、ノズル先端径０．３ｍｍ）を取り付け、ディスペンサ装置（ＳＨＯＴ ＭＡＳＴＥＲ３００、武蔵エンジニアリング社製）を用いて、吐出圧０．４ＭＰａ、基板とニードルとのギャップ２００μｍ、塗布量１．５ｍｇにて基板上に塗布した。フリップチップボンダ（ＦＣ−３０００Ｓ、東レエンジニアリング社製）を用いて、塗布した接合材を介して半導体チップ（半田からなる先端部を有する突起電極が表面に形成されている、厚さ１００μｍ、ＷＡＬＴＳ−ＴＥＧ ＭＢ５０−０１０１ＪＹ、ウォルツ社製）を基板上に位置合わせし、１７０℃、２０Ｎで２秒間荷重、ステージ温度７０℃で実装することにより、半導体チップの突起電極と基板の電極部とを接触させて実装体を得た。
このとき、接合材の硬化率は５％であった。なお、接合材の硬化率（％）は、硬化率を測定するためのサンプルを別途、同条件で作製し、得られたサンプルから半導体チップを剥がして接合材の一部をかきとり、ＤＳＣ６２２０（Ｓｅｉｋｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製）により測定した発熱量から、式（１）により求めた。
【００５６】
（２−２）ボイド除去工程及び電極接合工程
得られた実装体について、加圧キュアオーブン（ＰＣＯ−０８３ＴＡ、ＮＴＴアドバンステクノロジ社製）を用いて以下の加圧、加熱条件によりボイド除去を行い、その後、リフロー炉にて最高温度２６０℃の条件にて加熱を行い、半導体チップの突起電極と基板の電極部とを接合させて、半導体装置を得た。
＜加圧、加熱条件＞
ＳＴＥＰ１：４０℃で５分保持、０．５ＭＰａ
ＳＴＥＰ２：３０分で１５０℃まで一定昇温、０．５ＭＰａ
ＳＴＥＰ３：１５０℃で３０分保持、０．５ＭＰａ
ＳＴＥＰ４：１０分で１７０℃まで一定昇温、０．５ＭＰａ
ＳＴＥＰ５：１７０℃で３０分保持、０．５ＭＰａ
ＳＴＥＰ６：６０分で室温まで一定降温、０．５ＭＰａ
【００５７】
（実施例２）
フリップチップボンダを用いて半導体チップの突起電極と基板の電極部とを接触させる際の条件を２５℃、２０Ｎで０．５秒間荷重に変更し、このときの接合材の硬化率を０％としたこと以外は実施例１と同様にして、半導体装置を得た。
【００５８】
（比較例１）
ボイド除去を行う際の加圧、加熱条件を以下のように変更したこと以外は実施例１と同様にして、半導体装置を得た。
＜加圧、加熱条件＞
ＳＴＥＰ１：４０℃で５分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ２：３０分で１５０℃まで一定昇温、加圧なし
ＳＴＥＰ３：１５０℃で３０分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ４：１０分で１７０℃まで一定昇温、加圧なし
ＳＴＥＰ５：１７０℃で３０分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ６：６０分で室温まで一定降温、加圧なし
【００５９】
（比較例２）
ボイド除去を行う際の加圧、加熱条件を以下のように変更したこと以外は実施例２と同様にして、半導体装置を得た。
＜加圧、加熱条件＞
ＳＴＥＰ１：４０℃で５分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ２：３０分で１５０℃まで一定昇温、加圧なし
ＳＴＥＰ３：１５０℃で３０分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ４：１０分で１７０℃まで一定昇温、加圧なし
ＳＴＥＰ５：１７０℃で３０分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ６：６０分で室温まで一定降温、加圧なし
【００６０】
（評価）
実施例及び比較例で得られた半導体装置について、以下の評価を行った。結果を表１に示した。
【００６１】
（１）ボイド発生の有無
超音波探査映像装置（Ｃ−ＳＡＭ Ｄ９５００、日本バーンズ社製）を用いて、ボイド除去工程前後の実装体のボイドを観察し、下記の基準で評価した。
○ ボイドがほとんど観察されなかった。
△ ボイドがわずかに観察された。
× ボイドによる目立った剥離が観察された。
【００６２】
（２）接続信頼性
得られた半導体装置１０個について、温度サイクル試験を行うことにより接続信頼性を評価した。温度サイクル試験は、プリコンディション条件をＪＥＤＥＣ ＬＥＶＥＬ３ テストコンディションＢとし、−５５℃〜１２５℃、１０００サイクルの条件とした。試験後の抵抗値が初期値の±５％以内で導通していることを良品サンプルの基準として、１０個中の良品率を求めることで評価した。
【００６３】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、ボイドを抑制して高い信頼性を実現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ができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイドを抑制して高い信頼性を実現することのできる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ますます進展する半導体装置の小型化、高集積化に対応するために、半田等からなる突起電極（バンプ）を有する半導体チップを用いたフリップチップ実装が多用されている。
フリップチップ実装においては、一般的に、半導体チップの突起電極と、基板又は他の半導体チップの電極部とを接合させた後、アンダーフィルを注入して樹脂封止を行う方法が用いられている。しかしながら、近年、半導体チップの小型化が進行するとともに突起電極間のピッチもますます狭くなっており、また、これらに伴って半導体チップ同士又は半導体チップと基板との間のギャップが狭くなっていることから、アンダーフィルの注入時に空気が巻き込まれ、ボイドが発生しやすくなっている。
【０００３】
ボイドを抑制するために、突起電極の接合後にアンダーフィルを注入するのではなく、基板又は半導体チップに予め接合材を供給しておく方法が用いられている。このような方法は、一般的に、フリップチップボンダを用いて行われる。しかしながら、このような方法では、加熱により突起電極の接合と接合材の硬化とを同時に行うことから、精度の高い突起電極の接合とボイドの抑制とを両立することは容易ではない。
【０００４】
また、生産効率を向上させるために、フリップチップボンダを使わずに、量産可能なリフロー装置のみを用いた方法も検討されている。例えば、特許文献１には、無機基板または有機基板の回路形成面の半導体素子を搭載する位置に所定の液状接合材組成物を塗布した後、前記半導体素子の電極と前記基板の回路を、リフロー炉内にてバンプを介して接合すると同時に前記液状接合材組成物の硬化を行う半導体装置の製造方法が記載されている。
【０００５】
特許文献１に記載の方法においては、半田の融点よりも低い温度のリフロー予備加熱と、半田の融点よりも高い温度のリフロー本加熱とが行われる。予備加熱時には液状接合材組成物が十分に低粘度を保持し、半導体素子の自重のみで半導体素子の接続用電極部と配線回路基板が接触する。その後、本加熱により接続用電極部を溶融させて配線回路基板の電極に半田付けを行い、半田接合後に液状接合材組成物が硬化する。
しかしながら、このような方法においては、予備加熱時の液状接合材組成物の粘度が低いことから、基板にそりが生じた場合には液状接合材組成物が流動することによって接合前の電極部にズレが生じることがあり、また、リフロー炉の振動又は風圧によっても、接合前の電極部にズレが生じることがあった。また、このような液状接合材組成物の流動、電極部のズレ、加熱時の液状接合材組成物の発泡等に起因して、ボイドが生じる可能性も充分には排除できていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−９６８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ボイドを抑制して高い信頼性を実現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する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程と、半田溶融点よりも低い温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを接触させ、かつ、前記接合材を完全には硬化させない接触工程と、完全には硬化していない前記接合材を、加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程と、半田溶融点以上の温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを溶融接合させる電極接合工程とを有する半導体装置の製造方法である。
以下、本発明を詳述する。
【０００９】
本発明者は、半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程と、半田溶融点よりも低い温度で加熱して、半導体チップの突起電極と基板の電極部とを接触させ、かつ、接合材を完全には硬化させない接触工程とを行った後、電極接合を行う前に、接合材を加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程を行うことにより、仮に接合材に空気が巻き込まれた場合であってもボイドを除去することができ、かつ、電極接合を良好に行い高い信頼性を実現できることを見出し、本発明を完成させるに至った。ボイド除去工程を行うことにより、ボイドを単に成長させないだけではなく、積極的に除去できるものと考えられる。なお、このようなボイド除去工程では接合材も硬化されるが、接合材を完全に硬化させてもよいし、途中段階まで硬化させて、電極接合を行う際に完全に硬化させたのでもよい。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法では、まず、半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程を行う。
【００１１】
上記半導体チップとして、例えば、シリコン、ガリウム砒素等の半導体からなり、半田からなる先端部を有する突起電極が表面に形成された半導体チップが挙げられる。なお、半田からなる先端部を有する突起電極は、半田からなる先端部を有していれば、突起電極全体が半田からなっていてもよい。
【００１２】
上記接合材を供給する方法は特に限定されず、例えば、予めウエハにシート状の接合材を貼付したりペースト状の接合材を塗布又は印刷して塗膜を形成したりした後、半導体チップに個片化する方法、シート状の接合材を基板上又は半導体チップ上に貼付する方法、ペースト状の接合材をシリンジに充填し、シリンジ先端に精密ノズルを取り付けて、ディスペンサ装置を用いて基板上に吐出する方法等が挙げられる。
【００１３】
上記接合材は、シート状であってもペースト状であってもよく、硬化性化合物及び硬化剤を含有することが好ましい。硬化性化合物と硬化剤との組み合わせによって、上記接合材の硬化性を制御することができる。
上記硬化性化合物は特に限定されず、例えば、付加重合、重縮合、重付加、付加縮合、開環重合等の反応により硬化する化合物が挙げられる。上記硬化性化合物として、具体的には例えば、ユリア樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、レゾルシノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂、ジアリルフタレート樹脂、キシレン樹脂、アルキル−ベンゼン樹脂、エポキシアクリレート樹脂、珪素樹脂、ウレタン樹脂等の熱硬化性化合物が挙げられる。なかでも、半導体装置の信頼性及び接合強度に優れていることから、エポキシ樹脂、アクリル樹脂が好ましく、イミド骨格を有するエポキシ樹脂がより好ましい。
【００１４】
上記エポキシ樹脂は特に限定されず、例えば、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型、ビスフェノールＡＤ型、ビスフェノールＳ型等のビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型、クレゾールノボラック型等のノボラック型エポキシ樹脂、レゾルシノール型エポキシ樹脂、トリスフェノールメタントリグリシジルエーテル等の芳香族エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、フルオレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ポリエーテル変性エポキシ樹脂、ＮＢＲ変性エポキシ樹脂、ＣＴＢＮ変性エポキシ樹脂、及び、これらの水添化物等が挙げられる。なかでも、粘度の低い接合材が得られることから、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、レゾルシノール型エポキシ樹脂、ポリエーテル変性エポキシ樹脂が好ましい。
【００１５】
上記ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂のうち、市販品として、例えば、ＥＸＡ−８３０−ＬＶＰ、ＥＸＡ−８３０−ＣＲＰ（以上、ＤＩＣ社製）等が挙げられる。また、上記レゾルシノール型エポキシ樹脂のうち、市販品として、例えば、ＥＸ−２０１（ナガセケムテックス社製）等が挙げられる。また、上記ポリエーテル変性エポキシ樹脂のうち、市販品として、例えば、ＥＸ−９３１（ナガセケムテックス社製）、ＥＸＡ−４８５０−１５０（ＤＩＣ社製）、ＥＰ−４００５（アデカ社製）等が挙げられる。
【００１６】
上記硬化性化合物は、吸湿率の好ましい上限が１．５％であり、より好ましい上限が１．１％である。このような吸湿率を有する硬化性化合物として、例えば、ナフタレン型エポキシ樹脂、フルオレン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等が挙げられる。
【００１７】
上記硬化剤は特に限定されず、従来公知の硬化剤を上記硬化性化合物に合わせて適宜選択することができる。上記硬化性化合物としてエポキシ樹脂を用いる場合、上記硬化剤として、例えば、トリアルキルテトラヒドロ無水フタル酸等の加熱硬化型酸無水物系硬化剤、フェノール系硬化剤、アミン系硬化剤、ジシアンジアミド等の潜在性硬化剤、カチオン系触媒型硬化剤等が挙げられる。これらの硬化剤は、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００１８】
上記硬化剤の配合量は特に限定されないが、上記硬化性化合物の官能基と等量反応する硬化剤を用いる場合、上記硬化性化合物の官能基量に対して、６０〜１００当量であることが好ましい。また、触媒として機能する硬化剤を用いる場合、上記硬化剤の配合量は、上記硬化性化合物１００重量部に対して好ましい下限が１重量部、好ましい上限が２０重量部である。
【００１９】
上記接合材は、硬化速度、硬化物の物性等を調整するために、上記硬化剤に加えて硬化促進剤を含有してもよい。
上記硬化促進剤は特に限定されず、例えば、イミダゾール系硬化促進剤、３級アミン系硬化促進剤等が挙げられる。なかでも、硬化速度、硬化物の物性等の調整をするための反応系の制御をしやすいことから、イミダゾール系硬化促進剤が好ましい。これらの硬化促進剤は、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００２０】
上記イミダゾール系硬化促進剤は特に限定されず、例えば、イミダゾールの１位をシアノエチル基で保護した１−シアノエチル−２−フェニルイミダゾール、イソシアヌル酸で塩基性を保護したイミダゾール系硬化促進剤（商品名「２ＭＡ−ＯＫ」、四国化成工業社製）、２ＭＺ、２ＭＺ−Ｐ、２ＰＺ、２ＰＺ−ＰＷ、２Ｐ４ＭＺ、Ｃ１１Ｚ−ＣＮＳ、２ＰＺ−ＣＮＳ、２ＰＺＣＮＳ−ＰＷ、２ＭＺ−Ａ、２ＭＺＡ−ＰＷ、Ｃ１１Ｚ−Ａ、２Ｅ４ＭＺ−Ａ、２ＭＡＯＫ−ＰＷ、２ＰＺ−ＯＫ、２ＭＺ−ＯＫ、２ＰＨＺ、２ＰＨＺ−ＰＷ、２Ｐ４ＭＨＺ、２Ｐ４ＭＨＺ−ＰＷ、２Ｅ４ＭＺ・ＢＩＳ、ＶＴ、ＶＴ−ＯＫ、ＭＡＶＴ、ＭＡＶＴ−ＯＫ（以上、四国化成工業社製）等が挙げられる。これらのイミダゾール系硬化促進剤は、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００２１】
上記硬化促進剤の配合量は特に限定されず、上記硬化性化合物１００重量部に対して好ましい下限が１重量部、好ましい上限が１０重量部である。
【００２２】
上記硬化性化合物としてエポキシ樹脂を用い、かつ、上記硬化剤と上記硬化促進剤とを併用する場合、用いる硬化剤の配合量は、用いるエポキシ樹脂中のエポキシ基に対して理論的に必要な当量以下とすることが好ましい。上記硬化剤の配合量が理論的に必要な当量を超えると、接合材を硬化して得られる硬化物から、水分によって塩素イオンが溶出しやすくなることがある。即ち、硬化剤が過剰であると、例えば、得られる接合材の硬化物から熱水で溶出成分を抽出した際に、抽出水のｐＨが４〜５程度となるため、エポキシ樹脂から塩素イオンが多量溶出することがある。従って、得られる接合材の硬化物１ｇを、１００℃の純水１０ｇで２時間浸した後の純水のｐＨが６〜８であることが好ましく、ｐＨが６．５〜７．５であることがより好ましい。
【００２３】
上記接合材は、粘度を低減させるために希釈剤を含有してもよい。
上記希釈剤は、エポキシ基を有することが好ましく、１分子中のエポキシ基数の好ましい下限が２、好ましい上限が４である。１分子中のエポキシ基数が２未満であると、接合材の硬化後に充分な耐熱性が発現しないことがある。１分子中のエポキシ基数が４を超えると、硬化によるひずみが発生したり、未硬化のエポキシ基が残存したりすることがあり、これにより、接合強度の低下又は繰り返しの熱応力による接合不良が発生することがある。上記希釈剤の１分子中のエポキシ基数のより好ましい上限は３である。
また、上記希釈剤は、芳香環及び／又はジシクロペンタジエン構造を有することが好ましい。
【００２４】
上記希釈剤は、１２０℃での重量減少量及び１５０℃での重量減少量の好ましい上限が１％である。１２０℃での重量減少量及び１５０℃での重量減少量が１％を超えると、接合材の硬化中又は硬化後に未反応物が揮発してしまい、生産性又は半導体装置の性能に悪影響を与えることがある。
また、上記希釈剤は、他の硬化性化合物よりも硬化開始温度が低く、硬化速度が大きいものであることが好ましい。
【００２５】
上記接合材における希釈剤の配合量の好ましい下限は１重量％、好ましい上限は２０重量％である。上記希釈剤の配合量が上記範囲外であると、接合材の粘度を充分に低減できないことがある。
【００２６】
上記接合材は、更に、チキソトロピー付与剤を含有することが好ましい。上記チキソトロピー付与剤を含有することにより、接合材は所望の粘度挙動を達成することができる。
上記チキソトロピー付与剤は特に限定されず、例えば、金属微粒子、炭酸カルシウム、ヒュームドシリカ、酸化アルミニウム、窒化硼素、窒化アルミニウム、硼酸アルミ等の無機微粒子等が挙げられる。なかでも、ヒュームドシリカが好ましい。また、上記チキソトロピー付与剤として、必要に応じて、表面処理を行ったチキソトロピー付与剤を用いることができる。特に、上記チキソトロピー付与剤として、表面に親水基を有する粒子を用いることが好ましい。上記表面に親水基を有する粒子として、具体的には例えば、表面に親水基を有するヒュームドシリカ等が挙げられる。
【００２７】
上記チキソトロピー付与剤として、粒子状のチキソトロピー付与剤を用いる場合、平均粒子径の好ましい上限は１μｍである。上記チキソトロピー付与剤の平均粒子径が１μｍを超えると、接合材が所望のチキソトロピー性を発現できないことがある。
【００２８】
上記接合材における上記チキソトロピー付与剤の配合量は特に限定されないが、好ましい下限が０．５重量％、好ましい上限が２０重量％である。上記チキソトロピー付与剤の配合量が０．５重量％未満であると、接合材に充分なチキソトロピー性を付与することができないことがある。上記チキソトロピー付与剤の配合量が２０重量％を超えると、接合材の排除性が低下することがある。上記チキソトロピー付与剤の配合量のより好ましい下限は３重量％、より好ましい上限は１０重量％である。
【００２９】
上記接合材は、更に、上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物を含有することが好ましい。このような高分子化合物を含有することにより、熱によるひずみが発生する際の接合信頼性が向上する。
【００３０】
上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物として、上記硬化性化合物としてエポキシ樹脂を用いる場合には、例えば、アミノ基、ウレタン基、イミド基、水酸基、カルボキシル基、エポキシ基等を有する高分子化合物等が挙げられる。なかでも、エポキシ基を有する高分子化合物が好ましい。上記エポキシ基を有する高分子化合物を添加することで、接合材の硬化物は、優れた可撓性を発現する。即ち、上記接合材の硬化物は、上記硬化性化合物としてのエポキシ樹脂に由来する優れた機械的強度、耐熱性及び耐湿性と、上記エポキシ基を有する高分子化合物に由来する優れた可撓性とを兼備することとなるので、耐冷熱サイクル性、耐ハンダリフロー性、寸法安定性等に優れるものとなり、高い接合信頼性又は高い導通信頼性を発現することとなる。
【００３１】
上記エポキシ基を有する高分子化合物は、末端及び／又は側鎖（ペンダント位）にエポキシ基を有する高分子化合物であれば特に限定されず、例えば、エポキシ基含有アクリルゴム、エポキシ基含有ブタジエンゴム、ビスフェノール型高分子量エポキシ樹脂、エポキシ基含有フェノキシ樹脂、エポキシ基含有アクリル樹脂、エポキシ基含有ウレタン樹脂、エポキシ基含有ポリエステル樹脂等が挙げられる。なかでも、エポキシ基を多く含む高分子化合物を得ることができ、硬化物の機械的強度又は耐熱性がより優れたものとなることから、エポキシ基含有アクリル樹脂が好ましい。これらのエポキシ基を有する高分子化合物は、単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００３２】
上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物として、上記エポキシ基を有する高分子化合物、特に、エポキシ基含有アクリル樹脂を用いる場合、上記エポキシ基を有する高分子化合物の重量平均分子量の好ましい下限が１万である。重量平均分子量が１万未満であると、接合材の造膜性が不充分となって、接合材の硬化物の可撓性が充分に向上しないことがある。
【００３３】
上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物として、上記エポキシ基を有する高分子化合物、特に、エポキシ基含有アクリル樹脂を用いる場合、上記エポキシ基を有する高分子化合物のエポキシ当量の好ましい下限が２００、好ましい上限が１０００である。エポキシ当量が２００未満であると、接合材の硬化物の可撓性が充分に向上しないことがある。エポキシ当量が１０００を超えると、接合材の硬化物の機械的強度又は耐熱性が不充分となることがある。
【００３４】
上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物の配合量は特に限定されないが、上記硬化性化合物１００重量部に対し、好ましい下限が１重量部、好ましい上限が３０重量部である。上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物の配合量が１重量部未満であると、接合材は、熱ひずみに対する充分な信頼性が得られないことがある。上記硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物の配合量が３０重量部を超えると、接合材の耐熱性が低下することがある。
【００３５】
上記接合材は、更に、表面処理されたシリカフィラーを含有することが好ましい。上記表面処理されたシリカフィラーは特に限定されないが、フェニルシランカップリング剤で表面処理されたシリカフィラーが好ましい。
【００３６】
上記表面処理されたシリカフィラーの配合量は特に限定されないが、上記硬化性化合物１００重量部に対し、好ましい下限が３０重量部、好ましい上限が４００重量部である。上記表面処理されたシリカフィラーの配合量が３０重量部未満であると、接合材が充分な信頼性を保持することができないことがある。上記表面処理されたシリカフィラーの配合量が４００重量部を超えると、接合材の粘度が高くなりすぎて、塗布安定性が低下することがある。
【００３７】
上記接合材は、必要に応じて、溶媒を含有してもよい。
上記溶媒は特に限定されず、例えば、芳香族炭化水素類、塩化芳香族炭化水素類、塩化脂肪族炭化水素類、アルコール類、エステル類、エーテル類、ケトン類、グリコールエーテル（セロソルブ）類、脂環式炭化水素類、脂肪族炭化水素類等が挙げられる。
【００３８】
上記接合材は、必要に応じて、無機イオン交換体を含有してもよい。
上記無機イオン交換体のうち、市販品としては、例えば、ＩＸＥシリーズ（東亞合成社製）等が挙げられる。上記接合材における上記無機イオン交換体の配合量の好ましい上限は１０重量％、好ましい下限は１重量％である。
【００３９】
上記接合材は、必要に応じて、ブリード防止剤、イミダゾールシランカップリング剤等の接着性付与剤等のその他の添加剤を含有してもよい。
【００４０】
上記接合材は、常温から半田溶融点までの温度域における最低溶融粘度の好ましい下限が０．１Ｐａ・ｓ、好ましい上限が１０５Ｐａ・ｓである。最低溶融粘度が０．１Ｐａ・ｓ未満であると、フィレットのはみ出しが多すぎて、他デバイスを汚染してしまうことがある。最低溶融粘度が１０５Ｐａ・ｓを超えると、ボイドを充分に除去できないことがある。
なお、常温から半田溶融点までの温度域における最低溶融粘度は、レオメーターを用いて測定することができる。
【００４１】
上記接合材を製造する方法は特に限定されず、例えば、硬化性化合物及び硬化剤に、必要に応じて硬化促進剤、硬化性化合物と反応可能な官能基を有する高分子化合物、チキソトロピー付与剤、その他の添加剤等を所定量配合して混合する方法が挙げられる。上記混合の方法は特に限定されず、例えば、ホモディスパー、万能ミキサー、バンバリーミキサー、ニーダー等を使用する方法が挙げられる。
【００４２】
本発明の半導体装置の製造方法では、次いで、半田溶融点よりも低い温度で加熱して、上記半導体チップの突起電極と上記基板の電極部とを接触させ、かつ、上記接合材を完全には硬化させない接触工程を行う。
【００４３】
半田溶融点よりも低い温度で加熱して突起電極と電極部とを接触させる方法として、例えば、半田溶融点よりも低い温度で加熱しながら半導体チップに荷重を付与する方法等が挙げられる。なお、半田溶融点は、例えば鉛フリーの半田の場合、通常、２２５〜２３５℃程度である。
上記半田溶融点よりも低い温度の好ましい下限は７０℃、好ましい上限は２１０℃であるが、接合材を適正化することで常温にて突起電極と電極部とを接触させられるならば、常温が好ましい。なお、常温とは、通常、１５〜３０℃程度である。
【００４４】
なお、接合材が完全に硬化しているか否かは、接合材の硬化率を調べることにより確認することができる。接合材の硬化率とは、下記式（１）により求められる値を意味する。
接合材の硬化率（％）＝（１−Ｄｈ／Ｄｉ）×１００ （１）
式（１）中、Ｄｉは示差走査熱量計にて算出される接合材の初期状態の発熱量を表し、Ｄｈは示差走査熱量計にて算出される接合材の加熱処理後の発熱量を表す。
上記接合材の硬化率の好ましい上限は４０％である。上記接合材の硬化率が４０％を超えると、ボイド除去工程を行ってもボイドを充分に除去できないことがある。上記接合材の硬化率のより好ましい上限は２０％である。また、上記接合材の硬化率の下限は特に限定されず、０％であってもよい。
【００４５】
上記位置合わせ工程から上記接触工程までは、一般的に、フリップチップボンダ、チップマウンター等の実装用装置を用いて行われる。フリップチップボンダを用いる場合には、上記位置合わせ工程において半導体チップと基板とのアライメントマークを合わせた後、上記接触工程において加熱及び半導体チップに対する荷重の付与を行うことができる。フリップチップボンダを用いる場合には、電極接合の精度が高くなる反面、昇温及び降温の時間の分だけ工程に時間がかかる。
また、チップマウンターを用いる場合には上記位置合わせ工程から上記接触工程までは常温で行われ、昇温及び降温の時間がないため工程に要する時間が短くなる反面、電極接合の精度はフリップチップボンダを用いた場合よりも低くなる。半田の表面張力によるセルフアラインメントを利用して電極接合の精度を上げることのできる系の場合には、チップマウンターを用いることが有効である。
【００４６】
本発明の半導体装置の製造方法では、次いで、完全には硬化していない上記接合材を、加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程を行う。
加圧雰囲気下とは、常圧（大気圧）より高い圧力雰囲気下を意味する。ボイド除去工程を行うことにより、仮に上記接触工程において接合材に空気が巻き込まれた場合であってもボイドを除去することができる。ここでは、ボイドを単に成長させないだけではなく、積極的に除去できるものと考えられる。なお、ボイド除去工程では接合材も硬化されるが、接合材を完全に硬化させてもよいし、途中段階まで硬化させて、電極接合を行う際に完全に硬化させたのでもよい。
【００４７】
完全には硬化していない上記接合材を加圧雰囲気下で加熱する方法として、例えば、加圧キュアオーブン（例えば、ＮＴＴアドバンステクノロジ社製のＰＣＯ−０８３ＴＡ等）を用いる方法等が挙げられる。このような加圧キュアオーブンを用いると、加熱と加圧とを同時に行うことができる。
このとき、圧力の好ましい下限は０．１ＭＰａ、好ましい上限は１０ＭＰａである。圧力が０．１ＭＰａ未満であると、上記接触工程において接合材に空気が巻き込まれた場合にボイドを充分に除去できないことがある。圧力が１０ＭＰａを超えると、接合材自体の変形が生じ、半導体装置の信頼性に悪影響を及ぼすことがある。圧力のより好ましい下限は０．３ＭＰａ、より好ましい上限は１ＭＰａである。
【００４８】
また、完全には硬化していない上記接合材を加圧雰囲気下で加熱する際の加熱温度は、接合材の最低溶融粘度を目安に設定することが好ましく、具体的には、接合材が最低溶融粘度を示す温度の±２０℃の範囲内であることが好ましい。
【００４９】
本発明の半導体装置の製造方法では、次いで、半田溶融点以上の温度で加熱して、上記半導体チップの突起電極と上記基板の電極部とを溶融接合させる電極接合工程を行う。上記ボイド除去工程を行った後で電極接合工程を行うことにより、仮に上記接触工程において接合材に空気が巻き込まれた場合であってもボイドを除去することができ、かつ、電極接合を良好に行うことができる。
【００５０】
本発明の半導体装置の製造方法では、上記ボイド除去工程に加えて上記電極接合工程も加圧雰囲気下で行うことが好ましい。また、加圧容器内に組み込まれたフリップチップボンダ等の実装用装置を用いて、上記位置合わせ工程から上記電極接合工程までを、連続した工程として加圧雰囲気下で行ってもよい。この場合には、加圧雰囲気下とするために別の装置を用いたり別の装置に搬送したりする必要がなく、また、圧力の調整が少なくて済むことから、生産効率を低下させることがない。
【００５１】
突起電極と電極部とを溶融接合させる温度の好ましい下限は２４０℃、好ましい上限は２８０℃である。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、ボイドを抑制して高い信頼性を実現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ができる。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下に実施例を掲げて本発明の態様を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。
なお、以下の実施例及び比較例に記載の粒子径の測定には粒子サイズ測定機（コールターカウンターＺＢ／Ｃ−１０００、コールターエレクトロニクス社製）を使用した。
【００５４】
（実施例１）
（１）接合材の製造
表１に記載の組成に従って、下記に示す各材料を、ホモディスパーを用いて攪拌混合することにより接合材を製造した。
１．エポキシ樹脂
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ＥＸＡ−８３０−ＣＲＰ、ＤＩＣ社製）
２．エポキシ基を有する高分子化合物
エポキシ基含有アクリル樹脂（ブレンマーＣＰ−３０、日油社製）
３．ゴム変性エポキシ樹脂
ＮＢＲ変性エポキシ樹脂（ＥＰＲ−４０３３、アデカ社製）
４．硬化剤
酸無水物（ＹＨ−３０６、三菱化学社製）
５．硬化促進剤
イミダゾール化合物（２ＭＡ−ＯＫ、四国化成工業社製）
６．接着性付与剤
イミダゾールシランカップリング剤（ＳＰ−１０００、日鉱マテリアル社製）
７．チキソトロピー付与剤
ヒュームドシリカ（表面親水基含有チキソトロピー付与剤、ＱＳ−４０、トクヤマ社製）
８．シリカフィラー
球状シリカ（ＳＥ−４０５０−ＳＰＥ、アドマテックス社製、平均粒子径１μｍ、最大粒子径５μｍ）
【００５５】
（２）半導体装置の製造
（２−１）位置合わせ工程及び接触工程
得られた接合材を１０ｍＬシリンジ（岩下エンジニアリング社製）に充填し、シリンジ先端に精密ノズル（岩下エンジニアリング社製、ノズル先端径０．３ｍｍ）を取り付け、ディスペンサ装置（ＳＨＯＴ ＭＡＳＴＥＲ３００、武蔵エンジニアリング社製）を用いて、吐出圧０．４ＭＰａ、基板とニードルとのギャップ２００μｍ、塗布量１．５ｍｇにて基板上に塗布した。フリップチップボンダ（ＦＣ−３０００Ｓ、東レエンジニアリング社製）を用いて、塗布した接合材を介して半導体チップ（半田からなる先端部を有する突起電極が表面に形成されている、厚さ１００μｍ、ＷＡＬＴＳ−ＴＥＧ ＭＢ５０−０１０１ＪＹ、ウォルツ社製）を基板上に位置合わせし、１７０℃、２０Ｎで２秒間荷重、ステージ温度７０℃で実装することにより、半導体チップの突起電極と基板の電極部とを接触させて実装体を得た。
このとき、接合材の硬化率は５％であった。なお、接合材の硬化率（％）は、硬化率を測定するためのサンプルを別途、同条件で作製し、得られたサンプルから半導体チップを剥がして接合材の一部をかきとり、ＤＳＣ６２２０（Ｓｅｉｋｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製）により測定した発熱量から、式（１）により求めた。
【００５６】
（２−２）ボイド除去工程及び電極接合工程
得られた実装体について、加圧キュアオーブン（ＰＣＯ−０８３ＴＡ、ＮＴＴアドバンステクノロジ社製）を用いて以下の加圧、加熱条件によりボイド除去を行い、その後、リフロー炉にて最高温度２６０℃の条件にて加熱を行い、半導体チップの突起電極と基板の電極部とを接合させて、半導体装置を得た。
＜加圧、加熱条件＞
ＳＴＥＰ１：４０℃で５分保持、０．５ＭＰａ
ＳＴＥＰ２：３０分で１５０℃まで一定昇温、０．５ＭＰａ
ＳＴＥＰ３：１５０℃で３０分保持、０．５ＭＰａ
ＳＴＥＰ４：１０分で１７０℃まで一定昇温、０．５ＭＰａ
ＳＴＥＰ５：１７０℃で３０分保持、０．５ＭＰａ
ＳＴＥＰ６：６０分で室温まで一定降温、０．５ＭＰａ
【００５７】
（実施例２）
フリップチップボンダを用いて半導体チップの突起電極と基板の電極部とを接触させる際の条件を２５℃、２０Ｎで０．５秒間荷重に変更し、このときの接合材の硬化率を０％としたこと以外は実施例１と同様にして、半導体装置を得た。
【００５８】
（比較例１）
ボイド除去を行う際の加圧、加熱条件を以下のように変更したこと以外は実施例１と同様にして、半導体装置を得た。
＜加圧、加熱条件＞
ＳＴＥＰ１：４０℃で５分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ２：３０分で１５０℃まで一定昇温、加圧なし
ＳＴＥＰ３：１５０℃で３０分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ４：１０分で１７０℃まで一定昇温、加圧なし
ＳＴＥＰ５：１７０℃で３０分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ６：６０分で室温まで一定降温、加圧なし
【００５９】
（比較例２）
ボイド除去を行う際の加圧、加熱条件を以下のように変更したこと以外は実施例２と同様にして、半導体装置を得た。
＜加圧、加熱条件＞
ＳＴＥＰ１：４０℃で５分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ２：３０分で１５０℃まで一定昇温、加圧なし
ＳＴＥＰ３：１５０℃で３０分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ４：１０分で１７０℃まで一定昇温、加圧なし
ＳＴＥＰ５：１７０℃で３０分保持、加圧なし
ＳＴＥＰ６：６０分で室温まで一定降温、加圧なし
【００６０】
（評価）
実施例及び比較例で得られた半導体装置について、以下の評価を行った。結果を表１に示した。
【００６１】
（１）ボイド発生の有無
超音波探査映像装置（Ｃ−ＳＡＭ Ｄ９５００、日本バーンズ社製）を用いて、ボイド除去工程前後の実装体のボイドを観察し、下記の基準で評価した。
○ ボイドがほとんど観察されなかった。
△ ボイドがわずかに観察された。
× ボイドによる目立った剥離が観察された。
【００６２】
（２）接続信頼性
得られた半導体装置１０個について、温度サイクル試験を行うことにより接続信頼性を評価した。温度サイクル試験は、プリコンディション条件をＪＥＤＥＣ ＬＥＶＥＬ３ テストコンディションＢとし、−５５℃〜１２５℃、１０００サイクルの条件とした。試験後の抵抗値が初期値の±５％以内で導通していることを良品サンプルの基準として、１０個中の良品率を求めることで評価した。
【００６３】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明によれば、ボイドを抑制して高い信頼性を実現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ができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程と、
半田溶融点よりも低い温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを接触させ、かつ、前記接合材を完全には硬化させない接触工程と、
完全には硬化していない前記接合材を、加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程と、
半田溶融点以上の温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを溶融接合させる電極接合工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
接触工程における半田溶融点よりも低い温度は、常温であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
ボイド除去工程に加えて電極接合工程も加圧雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
半田からなる先端部を有する突起電極が形成された半導体チップを、接合材を介して基板上に位置合わせする位置合わせ工程と、
半田溶融点よりも低い温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを接触させ、かつ、前記接合材を完全には硬化させない接触工程と、
完全には硬化していない前記接合材を、加圧雰囲気下で加熱してボイドを除去するボイド除去工程と、
半田溶融点以上の温度で加熱して、前記半導体チップの突起電極と前記基板の電極部とを溶融接合させる電極接合工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
接触工程における半田溶融点よりも低い温度は、常温であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
ボイド除去工程に加えて電極接合工程も加圧雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
【公開番号】特開２０１３−１０２０９２（Ｐ２０１３−１０２０９２Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５７２１（Ｐ２０１１−２４５７２１）
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００２１７４）積水化学工業株式会社 (5,781)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月９日（２０１１．１１．９）
【出願人】（０００００２１７４）積水化学工業株式会社 (5,781)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]