JP2014143316A - フリップチップ部品の樹脂封止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工程の短縮が図れ、樹脂中に気泡が生じることを防止でき、半田による電極の接合を確実に行うことが可能なフリップチップ部品の樹脂封止方法を提供する。
【解決手段】本発明のフリップチップ部品の樹脂封止方法では、半田バンプ９が形成されたパッド６を有する半導体チップ２と、接続用電極８を有する回路基板３とが準備される。ついで、接続用電極８が形成された回路基板３の表面に樹脂４が塗布される（図２（ｂ））。ついで、パッド６と接続用電極８とが向かい合うように、半導体チップ２が回路基板３上に配置される（図２（ｃ））。ついで、回路基板３上に半導体チップ２が配置された部品１５が、加圧炉２０内におけるホットプレート３０の上に配置される（図２（ｄ））。ついで、加圧炉２０内の気圧を大気圧よりも高めた状態で、ホットプレート３０の温度が変化される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体チップが回路基板に実装されるフリップチップ部品において、回路基板と半導体チップとの間を樹脂で封止するための方法に関する。

従来、半導体チップ等の電子部品素子を回路基板に実装する方法として、半導体チップ表面のパッド上に半田バンプを形成し、このバンプを溶融及び固化させた半田により半導体チップのパッドと回路基板の接続用電極とを接合して、半導体チップと回路基板とを電気接続するフリップチップ実装が広く採用されている（特許文献１）。

フリップチップ実装の一つの方法として、バンプ電極及び接続用電極の接合とアンダーフィル材の注入とを、同一の工程内で行なう先入れアンダーフィル工法が提案されている。該先入れアンダーフィル工法では、通常、アンダーフィル材料として、一液性タイプのエポキシ樹脂が用いられる。

上記先入れアンダーフィル工法の中には、アンダーフィル材として、フラックス活性を有する樹脂材料を用いる工法がある。この工法では、通常、リフロー炉に電子部品を通過させることで半田接続が行なわれて、オーブン内で樹脂材料を硬化させる方法がある。以下、この方法について、図４を用いて説明する。

まず、半田バンプ９が形成されたパッド６を有する半導体チップ２と、接続用電極８を有する回路基板３とが準備されて（Ｓ１）、図４（ａ）に示すように、回路基板３が乾燥される（Ｓ２）。

ついで、図４（ｂ）に示すように、接続用電極８が形成された回路基板３の表面に、アンダーフィル材としてのエポキシ樹脂４が塗布される（Ｓ３）。

ついで、図４（ｃ）に示すように、パッド６と接続用電極８とが向かい合うように、回路基板３上に半導体チップ２が配置される（Ｓ４）。以下、回路基板３上に半導体チップ２が配置されたものを、部品１５と記す。

ついで、リフロー炉４０（図４（ｄ））の内部で、部品１５が加熱されることで、半田バンプ９と電極８との接合面に生じた酸化被膜が除去されて（Ｓ５）、この後、半田バンプ９が溶融する（Ｓ６）。ついで、リフロー炉４０の内部で、部品１５が冷却されることで、溶融した半田９が固化する（Ｓ７）。以下、Ｓ５〜Ｓ７について詳述する。

リフロー炉４０の内部にはベルトコンベア４１が設置される。部品１５は、ベルトコンベア４１に搬送されることで、リフロー炉４０内におけるプリヒートゾーンと半田溶融ゾーンとを順次通過する。

プリヒートゾーンは、ヒータによる加熱で、炉内空気の温度が１８０℃程度に高められる領域である。半田溶融ゾーンは、ヒータによる加熱で、炉内空気が２５０℃程度に高められる領域である。

図５は、従来のフリップチップ実装におけるリフロープロファイルを示す。横軸は、部品１５の搬送が開始されてからの経過時間を示す。縦軸は、部品１５が通過する位置におけるリフロー炉４０内の空気の温度を示す。

図５のプロファイルによれば、部品１５がプリヒートゾーンに向かうｔ０〜ｔ１の間では、部品１５がプリヒートゾーンに徐々に近づくことで、部品１５の周囲の空気の温度が徐々に高くなる。

部品１５がプリヒートゾーンを通過するｔ１〜ｔ２では、１８０℃程度の空気によって、部品１５が加熱される。これにより、エポキシ樹脂４に含まれるフラックスが活性化して、半田バンプ９と電極８の接合面に生じた酸化被膜が除去される（Ｓ５）。なお、プリヒートゾーンでは、半田バンプ９の融点（２２０℃程度）が炉内空気の温度（１８０℃程度）よりも高いため、半田バンプ９は溶融しない。

部品１５が半田溶融ゾーンに向かうｔ２〜ｔ３の間では、部品１５が半田溶融ゾーンに徐々に近づくことで、部品１５の周囲の空気の温度がさらに高くなる。

部品１５が半田溶融ゾーンを通過するｔ３〜ｔ４では、２５０℃程度の空気によって、部品１５が加熱されて、半田バンプ９が溶融する（Ｓ６）。

半田溶融ゾーンを通過した後のｔ４〜ｔ５では、部品１５が半田溶融ゾーンから徐々に遠ざかることで、部品１５の周囲の温度が徐々に低くなる。これにより、部品１５が冷却されて、溶融した半田９が固化する（Ｓ７）。

Ｓ５〜Ｓ７の後では、部品１５がリフロー炉４０から取り出されて、図４（ｅ）に示すように、部品１５がオーブン５０内に投入される。そして、部品１５がオーブン５０内で加熱されることで、エポキシ樹脂４が硬化する（Ｓ８）。これにより、回路基板３と半導体チップ２との間の空隙がエポキシ樹脂４で封止されて、図６に示すようなフリップチップ部品１００が得られる。なおＳ８では、ヒータの熱により、オーブン５０内の空気の温度が高められて、部品１５が加熱される。

また、上記先入れアンダーフィル工法の他の方法として、圧接タイプのエポキシ樹脂の硬化時の収縮応力を利用して、バンプ電極と接続用電極とを物理的に押し付けて接合する工法が提案されている。この工法によれば、バンプ電極と接続用電極との接合を簡易に行うことが出来る。

また近年においては、電子部品に搭載される半導体デバイスの小型高性能・高集積化が進行している。その結果、Ｉ／Ｏピンの増大、パッケージサイズの小型化、ピン間距離の縮小化が進行しており、これに伴い、パッドと接続用電極とを半田で接合した後に、アンダーフィル材を側方から半導体チップと回路基板との間に注入する所謂、後入れアンダーフィル方式が提案されている。

特開２００８−２７０４１５号公報

しかしながら、上記Ｓ１〜Ｓ８の工程が行われる従来のフリップチップ実装では、半田バンプ９の溶融及び固化や、樹脂４の硬化を行なうために、４つの工程（Ｓ５〜Ｓ８）や、部品１５をリフロー炉４０からオーブン５０へ移すことが必要である。このため、多大な手間と時間を要する。

また、従来のフリップチップ実装では、半田９による電極６，８の接合を確実に行えなかった。以下、この理由を詳述する。

半田９による電極６，８の接合を確実に行なうためには、エポキシ樹脂４が硬化する前に半田バンプ９を溶融させて、該溶融した半田９を接続用電極８の周囲に到達させる必要がある。しかしながらＳ５〜Ｓ７では、ヒータを設計通りに加熱しても、必ずしも炉内空気が所望の温度にならなかった。このため、エポキシ樹脂４が硬化した状態で半田バンプ９が溶融して、接続用電極８の周囲に到達する半田９が少なかった。この結果、図６に示す例のように、半田９と接続用電極８との接触面積が小さくなり、半田９による電極６，８の接合を確実に行えない事態が生じていた。

また、圧接タイプのエポキシ樹脂を用いる先入れアンダーフィル工法では、バンプと接続用電極とを物理的に押し付けるため、電極間における接触抵抗が大きく、ハイエンドの用途の電子部品には不向きである。

また、フラックス活性を有する樹脂材料を用いる先入れアンダーフィル工法は、安定した半田接合が出来ず、また、接合部分に気泡が残存する問題が有り、多用されていなかった。

また、後入れアンダーフィル方式では、アンダーフィル材による封止を十分行うことが出来ない。

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであって、その目的は、工程の短縮が図れ、樹脂中に気泡が生じることを防止でき、半田による電極の接合を確実に行うことが可能なフリップチップ部品の樹脂封止方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明にかかる樹脂封止方法は、半導体チップが回路基板に実装されるフリップチップ部品において、前記半導体チップと前記回路基板との間の空隙を樹脂で封止するための方法であって、半田バンプが形成されたパッドを有する前記半導体チップと、接続用電極を有する前記回路基板とを準備する第１工程と、前記接続用電極が形成された前記回路基板の表面に樹脂を塗布する第２工程と、前記パッドと前記接続用電極とが向かい合うように、前記半導体チップを前記回路基板上に配置する第３工程と、前記回路基板上に前記半導体チップが配置された部品を、加圧炉内におけるホットプレートの上に配置する第４工程と、前記加圧炉内の気圧を大気圧よりも高めた状態で、前記ホットプレートの温度を変化させる第５工程とを有する。

好ましくは、前記樹脂は、一液型のエポキシ樹脂である。

好ましくは、前記樹脂は、熱硬化性のウレタン樹脂である。

好ましくは、前記半田の溶融温度は、前記樹脂の硬化温度よりも高く、前記第５工程では、前記部品の温度が、前記半田バンプの溶融温度以上に高くなった後、前記樹脂の硬化温度まで下がるように、前記ホットプレートの温度を変化させる。

好ましくは、前記樹脂は、熱可塑性樹脂である。

好ましくは、前記第５工程では、前記加圧炉内の気圧が、０．５Ｐａ以上０．８Ｐａ以下に調整される。

好ましくは、前記第５工程では、前記部品の温度の計測記録に基づき、前記ホットプレートの温度を変化させる。

好ましくは、前記ホットプレートは、前記加圧炉と熱的に絶縁される。

好ましくは、前記加圧炉内には、複数のホットプレートを収納可能な棚が設けられ、前記第４工程では、前記部品がそれぞれ配置された複数のホットプレートが前記棚に収納され、前記第５工程では、前記加圧炉内の気圧を大気圧よりも高めた状態で、各前記ホットプレートの温度を変化させる。

好ましくは、前記第２工程では、前記接続用電極の上に前記樹脂が塗布される。

本発明によれば、半導体チップが回路基板上に配置された部品を、加圧炉内のホットプレート上に配置して、ホットプレートの温度を変化させることで、半田の溶融及び硬化や、樹脂の硬化を行うことができる。このため、従来のフリップチップ実装のように、多くの工程を要せず、半田や樹脂の硬化等を行うことができる。したがって、工程の短縮が図られる。

また、加圧炉内の気圧が大気圧よりも高められた状態で、ホットプレートの温度が変化される。このため、ホットプレートの温度を変化させる間に、樹脂に気泡が発生しない。また、樹脂の塗布時等において、樹脂に生じた気泡を消滅させることができる。

また、ホットプレートの熱が部品に直接伝達されるため、部品に所望の温度変化を生じさせることができる。したがって、エポキシ樹脂が硬化する前に半田を溶融させて、該溶融した半田を電極の周囲に確実に到達させることが可能である。この結果、半田と接続用電極との接触面積が大きく、半田による電極の接合が確実に行われたフリップチップ部品が得られる。

本発明の実施形態に係るフリップチップ部品を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る樹脂封止方法を説明するための図である。 ホットプレートの温度プロファイルを示す図である。 従来の樹脂封止方法を説明するための図である。 従来の樹脂封止方法におけるリフロープロファイルを示す図である。 従来のフリップチップ部品を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るフリップチップ部品１を示す断面図である。図１において、図６と同様の構成部分については同一の符号を付している。

本実施形態に係るフリップチップ部品１は、図６の例と同様、半導体チップ２を回路基板３に実装したものである。半導体チップ２は、例えば、シリコン、ガリウム砒素などの半導体からなる半導体ウェハ１０を備える。半導体ウェハ１０の一方の表面には、図示しない多数の回路が形成されており、例えば銅、アルミニウム、ニッケルなどを含むパッド６が設けられている。パッド６は、半田９によって回路基板３の接続用電極８と接合される。この接合により、半導体チップ２の回路と、回路基板３の回路とが電気的に接続される。半田９は、錫と銀と銅を含むものである。半田９の融点温度は、例えば２２０℃〜２３０℃であり、後述の樹脂４の硬化温度よりも高い。なお、半田９の材料や融点温度は上記に限られず、半田９として、錫と鉛を含むものや、ビスマスを含むものや、ニッケルを含むものを使用できる。また、パッド６や接続用電極８の形状も特に制限されず、パッド６や接続用電極８として、銅からなる柱状導体（銅ポスト）が形成されてもよい。

半導体チップ２と回路基板３との間の空隙は樹脂４により封止される。樹脂４は、一液性のエポキシ樹脂であり、硬化温度が、例えば１５０℃〜１８０℃である。樹脂４には、酸化膜を除去するためのフラックスが含まれる。フラックスは、加熱時にエポキシ樹脂４と反応して硬化するものが使用される。

次に、図２を用いて、本発明の実施形態に係る樹脂封止方法を説明する。

まず、半田バンプ９が形成されたパッド６を有する半導体チップ２と、接続用電極８を有する回路基板３とが準備されて（Ｓ１）、図２（ａ）に示すように、回路基板３が乾燥される（Ｓ２）。これにより、回路基板に含まれる水分が蒸発する。

ついで、図２（ｂ）に示すように、接続用電極８が形成された回路基板３の一方の表面に、アンダーフィル材としてのエポキシ樹脂４が塗布される（Ｓ３）。

Ｓ３では、例えば、エアーディスペンサーやジェットディスペンサーにより、回路基板３の表面に樹脂４が吐出されることで、回路基板３に樹脂４が塗布される。

或いは、メタルマスクを用いて、回路基板３に樹脂４が塗布されてもよい。この場合、回路基板３の上にメタルマスクがセットされた状態で、メタルマスクの表面側に樹脂４が供給される。そして、スキージの作動により、樹脂４がメタルマスクのパターン孔に押し込まれることで、回路基板３の表面の所定位置に樹脂４が塗布される。

ついで、図２（ｃ）に示すように、パッド６と接続用電極８とが向かい合うように、回路基板３上に半導体チップ２が配置される（Ｓ４）。Ｓ４では、例えば、半導体チップ２は、バキュームヘッドでピックアップされて、回路基板３上に配置される。また、カメラの撮影画像に基づき、回路基板３に対する半導体チップ２の位置が調整される。

以下、回路基板３上に半導体チップ２が配置されたものを部品１５と記す。

ついで、図２（ｄ）に示すように、部品１５を、加圧炉２０内におけるホットプレート３０の上に配置する（Ｓ５）。ホットプレート３０は、加熱手段（図示せず）により温度が可変とされたものである。ホットプレート３０は、加圧炉２０と熱的に絶縁される。

そして、加圧炉２０内の気圧を大気圧よりも高くした状態で、ホットプレート３０の温度を変化させることで、半田バンプ９を溶融及び固化させ、この後、樹脂４を硬化させる。（Ｓ６）。Ｓ６では、加圧炉２０内の気圧が例えば０．５Ｐａ（Pascal）以上０．８Ｐａ以下に調整される。

図３は、Ｓ６におけるホットプレート３０の温度プロファイルを示す図である。横軸は、ホットプレート３０の温度変化が開始されてからの経過時間を示す。縦軸は、ホットプレート３０の温度を示す。

初期段階ｔ０〜ｔ１では、ホットプレート３０の温度が２５０℃程度になるまで、ホットプレート３０が加熱される。ホットプレート３０の温度が２５０℃になるｔ１では、半田バンプ９の温度が融点（２２０〜２３０℃）に達して、半田バンプ９が溶融する。なお、半田バンプ９が確実に溶融するように、ホットプレート３０が２５０℃になる状態は、所定時間継続されてもよい。

ついで、ホットプレート３０の温度が１８０℃程度になるまで、ホットプレート３０が冷却される（ｔ１〜ｔ２）。これにより、溶融した半田９の温度が融点（２２０〜２３０℃）よりも低くなり、半田９が固化する。

ホットプレート３０の温度が１８０℃程度になった状態は、所定時間ｔ３〜ｔ４（例えば１時間）維持される。この間、エポキシ樹脂４の温度が硬化点（１５０℃〜１８０℃）になり、エポキシ樹脂４が硬化する。

所定時間ｔ２〜ｔ３が経過した後では、ホットプレート３０の温度が徐々に下げられて（ｔ３〜ｔ４）、部品１５が冷却される。以上の処理により、図１に示すように、パッド６と接続用電極８とが半田９で接合されて、半導体チップ２と回路基板３との間の空隙が樹脂４で封止されたフリップチップ部品１が得られる。

本実施形態によれば、加圧炉２０内のホットプレート３０上に部品１５を配置して（Ｓ５）、ホットプレート３０の温度を変化させることで（Ｓ６）、半田バンプ９の溶融及び硬化や樹脂４の硬化（以下、半田９及び樹脂４の硬化等）を行うことができる。このため、従来のフリップチップ実装のように、多くの工程を要せず、半田９や樹脂４の固化等を行うことができる。したがって、工程の短縮が図られる。

また、加圧炉２０内の気圧が大気圧よりも高められた状態で、ホットプレート３０の温度が変化される。このため、ホットプレート３０の温度を変化させる間に、樹脂４に気泡が発生しない。また、樹脂４の塗布時（Ｓ３）等において、樹脂４に生じた気泡を消滅させることができる。また、加圧炉２０内の気圧が大気圧よりも高められることで、回路基板３や半導体チップ２に反りが生じることを防止できる。

さらに、加圧炉２０内の気圧が大気圧よりも高められるため、ホットプレート３０の温度が変化する間に、半田９に気泡が生じない。また、半田パンプ９がパッドに形成された際などに、半田パンプ９に生じた気泡を消滅させることができる。

また、ホットプレート３０の熱が部品１５に直接伝達されるため、部品１５に所望の温度変化を生じさせることができる。したがって、エポキシ樹脂４が硬化する前に半田バンプ９を溶融させて、溶融した半田９を電極の周囲に確実に到達させることが可能である。この結果、図１に示すように、半田９と接続用電極８との接触面積が大きく、半田９による電極６，８の接合が確実に行われたフリップチップ部品１が得られる。

また、ホットプレート３０が加圧炉２０と熱的に絶縁されるため、ホットプレート３０の熱が加圧炉２０に逃げない。したがって、より一層確実に、部品１５に所望の温度変化を生じさせることができる。

また、部品１５の温度が、半田バンプ９の溶融温度以上に高くなった後、エポキシ樹脂４の硬化温度まで下がるように、ホットプレート３０の温度が変化される。このため、半田バンプ９を溶融させた後、溶融した半田９を固化させ、さらにエポキシ樹脂４を固化させることが可能である。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。

例えば、上記実施形態は、半導体チップ２と回路基板３との間の空隙全体を樹脂４で封止する例を示したが（図１）、樹脂４の封止範囲はこれに限られない。例えば、Ｓ３で、接続用電極８の上に樹脂４を塗布することで、接続用電極８及びパッド６の近傍のみを樹脂４で封止するようにしてもよい。

また、回路基板３を乾燥する工程（Ｓ２）は省略されてもよい。このようにしても、Ｓ６で加圧炉２０内の気圧を大気圧よりも高めて、ホットプレート３０の温度を変化させることで、Ｓ６において回路基板３に含まれる水分が蒸発することを抑制でき、該水分の蒸発による気泡の発生を防止できる。

また、複数のホットプレート３０を収納可能な棚が加圧炉２０内に設けられてもよい。この場合、Ｓ５では、複数のホットプレート３０の各々に部品１５が配置された後、複数のホットプレート３０が加圧炉２０内の棚に収納される。そして、Ｓ６では、加圧炉２０内の気圧を大気圧よりも高めた状態で、各ホットプレート３０の温度が変化される。このようにすることで、大きなスペースを要せずに、多くのフリップチップ部品１を短時間で製造することができる。

また、Ｓ６では、過去のＳ６で計測された部品１５の温度記録に基づき、ホットプレート３０の温度が変化されてもよい。このようにすることで、より一層確実に、部品１５に所望の温度変化を生じさせることができる。

また、エポキシ樹脂４の代わりに、熱硬化性のウレタン樹脂やイミド樹脂やポリエステル樹脂が用いられてもよい。これらの樹脂が用いられる場合、上記実施形態と同様の工程（Ｓ１〜Ｓ６）が実行され得る。或いは、熱可塑性樹脂が用いられてもよい。この場合、Ｓ６では、まず、ホットプレート３０を加熱して、半田９を溶融させる。ついで、ホットプレート３０を冷却することで、半田９を固化させて、この後、熱可塑性樹脂を固化させる。

１ フリップチップ部品
２ 半導体チップ
３ 回路基板
４ 樹脂
６ パッド
８ 接続用電極
９ 半田パンプ
１５ 回路基板上に半導体チップが配置された部品
２０ 加圧炉
３０ ホットプレート

Claims (10)

1. 半導体チップが回路基板に実装されるフリップチップ部品において、前記半導体チップと前記回路基板との間の空隙を樹脂で封止するための方法であって、
   半田バンプが形成されたパッドを有する前記半導体チップと、接続用電極を有する前記回路基板とを準備する第１工程と、
   前記接続用電極が形成された前記回路基板の表面に樹脂を塗布する第２工程と、
   前記パッドと前記接続用電極とが向かい合うように、前記半導体チップを前記回路基板上に配置する第３工程と、
   前記回路基板上に前記半導体チップが配置された部品を、加圧炉内におけるホットプレートの上に配置する第４工程と、
   前記加圧炉内の気圧を大気圧よりも高めた状態で、前記ホットプレートの温度を変化させる第５工程とを有するフリップチップ部品の樹脂封止方法。
2. 前記樹脂は、一液型のエポキシ樹脂である請求項１に記載のフリップチップ部品の樹脂封止方法。
3. 前記樹脂は、熱硬化性のウレタン樹脂である請求項１に記載のフリップチップ部品の樹脂封止方法。
4. 前記半田の溶融温度は、前記樹脂の硬化温度よりも高く、
   前記第５工程では、前記部品の温度が、前記半田バンプの溶融温度以上に高くなった後、前記樹脂の硬化温度まで下がるように、前記ホットプレートの温度を変化させる請求項２又は３に記載のフリップチップ部品の樹脂封止方法。
5. 前記樹脂は、熱可塑性樹脂である請求項１に記載のフリップチップ部品の樹脂封止方法。
6. 前記第５工程では、前記加圧炉内の気圧が、０．５Ｐａ以上０．８Ｐａ以下に調整される請求項１乃至５のいずれかに記載のフリップチップ部品の樹脂封止方法。
7. 前記第５工程では、前記部品の温度の計測記録に基づき、前記ホットプレートの温度を変化させる請求項１乃至６のいずれかに記載のフリップチップ部品の樹脂封止方法。
8. 前記ホットプレートは、前記加圧炉と熱的に絶縁される請求項１乃至７のいずれかに記載のフリップチップ部品の樹脂封止方法。
9. 前記加圧炉内には、複数のホットプレートを収納可能な棚が設けられ、
   前記第４工程では、前記部品がそれぞれ配置された複数のホットプレートが前記棚に収納され、
   前記第５工程では、前記加圧炉内の気圧を大気圧よりも高めた状態で、各前記ホットプレートの温度を変化させる請求項１乃至８のいずれかに記載のフリップチップ部品の樹脂封止方法。
10. 前記第２工程では、前記接続用電極の上に前記樹脂が塗布される請求項１乃至９のいずれかに記載のフリップチップ部品の樹脂封止方法。