JP2019021672A - 半導体デバイスの製造に用いる積層体、及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチチップ実装において、半導体デバイスの高さの相違やバラツキをキャンセルすることができ、より簡便かつ精度よく複数の半導体デバイスを製造することのできる技術を提供する。
【解決手段】素子と接着剤とを含む複数の半導体デバイスを、一括して接合する際に用いられる積層体１は、金属層２と、熱硬化性樹脂層３と、可撓層６から構成され、さらに熱硬化性樹脂層は、未膨張の発泡剤４と、熱硬化性樹脂５から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの製造に用いる積層体、及び半導体デバイスの製造方法に関する。

基板上に素子を有し、接着剤を用いて素子を固定する半導体デバイスの製造工程において、フィルムを介して半導体デバイスを圧着する技術がある。

特許文献１には、マルチチップ実装用緩衝フィルムに関する技術が開示されている。同文献の段落[００９０]には、「本発明のマルチチップ実装用緩衝フィルムは、チップ素子側に配すべき、所定の線膨張係数を超えない比較的変形しにくい耐熱性樹脂層に、ボンディングヘッド側に配されるべき、所定のショアＡ硬度を示す材料からなる比較的変形し易い柔軟性樹脂を積層した構成を有する。」と記載されている。

特開２０１２−０８４５８２号公報

複数の半導体デバイスを同時に製造できれば、製造効率が向上する。

特許文献１に記載されたマルチチップ実装用緩衝フィルムは、半導体デバイスの高さの相違やバラツキをキャンセルすることを目的の一つとしている。しかしながら、キャンセルできる高さは柔軟性樹脂層の厚さに限定される。キャンセルできる高さを増すために、フィルムを厚く構成することが考えられるが、樹脂の性質による制限がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、より簡便かつ精度よく複数の半導体デバイスを製造することのできる技術の提供を目的とする。

本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る半導体デバイスの製造に用いる積層体は、未膨張の発泡剤と、熱硬化性樹脂とを含む熱硬化性樹脂層と、半導体デバイスに接する側に設けられた可撓性を有する可撓層と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、より簡便かつ精度よく複数の半導体デバイスを製造する技術を提供することができる。

上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

半導体デバイスの製造に用いる積層体の一例を示す模式図である。 積層体を用いた半導体デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。 半導体デバイスの製造工程を説明するための図（その１）である。 半導体デバイスの製造工程を説明するための図（その２）である。 接合後の半導体デバイスの一例を示す模式図である。 実施例及び比較例における一括接合プロセスの解析に用いた積層体及び半導体デバイスを示す模式図である。 実施例及び比較例における一括接合プロセスの解析に用いた積層体の数値図である。 実施例及び比較例の計算に用いた物性値を示す図（その１）である。 実施例及び比較例の計算に用いた物性値を示す図（その２）である。 計算に用いた発熱式と発泡式の定数を示す図である。 一括接合プロセスにおける温度履歴の流動解析結果を示す図である。 一括接合プロセスにおける熱硬化性樹脂と接着剤の硬化反応率の計算結果を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態の例を説明する。図１は、半導体デバイスの製造に用いる積層体１の一例を示す模式図である。積層体１は、素子と接着剤とを含む複数の半導体デバイスを、一括して接合する際に用いられる。本実施形態における積層体１は、金属層２と、熱硬化性樹脂層３と、可撓層６と、を含む。

積層体１において、金属層２は熱硬化性樹脂層３の一方の面に形成され、可撓層６は熱硬化性樹脂層３の他方の面に形成される。

金属層２は、金属を有する層である。金属層２に用いられる金属は、薄膜化が容易であり、半導体デバイスの製造工程において取り扱いが容易であって、かつ熱伝導率の高い金属であることが望ましい。具体的には、１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超える熱伝導率を有する金属を用いることが望ましい。

金属層２に用いられる金属は、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ＳＵＳ、ニッケル、ニッケル合金である。特に、薄膜化が容易で、かつ熱伝導率に優れる銅が好適に用いられる。なお、銅の熱伝導率は、３００Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超える。

金属層２の厚さは、好ましくは９μｍ以上３５μｍ以下であって、より好ましくは１７μｍ以上１８μｍである。金属層２が厚過ぎると積層体１により構成されるフィルムの剛性が高くなり、取り扱いが困難になる。一方、金属層２が薄過ぎるとフィルムの製造時に破けたり、しわが出来たり等、取り扱いに注意を要すると共に、破損の可能性が増す。

熱硬化性樹脂層３は、発泡剤４と、熱硬化性樹脂５と、を含む。熱硬化性樹脂層３の厚さは、好ましくは２０μｍ以上２００μｍ以下であるが、積層体１を用いて接合する複数の半導体デバイスの高さの違いによって適正値が異なる。熱硬化性樹脂層３が厚過ぎると、積層体１の製造が困難となる一方で、熱硬化性樹脂層３が薄過ぎると、積層体１を用いて複数の半導体デバイスの高さの違いをキャンセルするという効果が十分に得られない。

発泡剤４は、加熱により発泡する材料から少なくとも１種類を用いる。発泡剤４には、例えば熱膨張性マイクロカプセル、物理発泡剤、又は化学発泡剤を用いる。発泡剤４は、熱硬化性樹脂５の硬化反応速度に影響を与えない材料から構成されることが望ましい。その点において、発泡剤４には、熱膨張性マイクロカプセルが好適に用いられる。

発泡剤４は、加熱前の状態では、未膨張の状態である。なお、発泡剤４が未膨張の状態とは、加熱により膨張できる状態を指し、半導体デバイスの一括接合前の熱硬化性樹脂層３中において一部膨張している状態も含む。未膨張の発泡剤４は、未だ発泡していない。

発泡剤４に好適に用いられる熱膨張性マイクロカプセルは、ポリマー外殻に、該ポリマーの軟化温度以下で揮発する揮発性膨張剤が封入された材料により構成される。ポリマー外殻は、熱可塑性樹脂であり、かつガスバリア性を有するものが好ましい。例えば、塩化ビニリデン共重合体および（メタ）アクリロニトリル共重合体などが挙げられる。特に、耐溶剤性と高温発泡性に優れる（メタ）アクリロニトリル共重合体が好適に用いられる。

塩化ビニリデン共重合体としては、重合性単量体として、塩化ビニリデン単独、あるいは塩化ビニリデンとこれと共重合可能なビニル系単量体との混合物を用いて得られる共重合体を挙げることができる。塩化ビニリデンと共重合可能な単量体としては、例えば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、メタクリル酸エステル、アクリル酸エステル、スチレン、酢酸ビニルなどが挙げられる。（メタ）アクリロニトリル共重合体としては、重合性単量体として、（メタ）アクリロニトリル単独、または（メタ）アクリロニトリルとそれと共重合可能なビニル系単量体とを用いて得られる共重合体を挙げることができる。（メタ）アクリロニトリルと共重合可能なビニル系単量体としては、塩化ビニリデン、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、スチレン、酢酸ビニルなどが挙げられる。

揮発性膨張材としては、例えば、エタン、エチレン、プロパン、プロペン、ｎ−ブタン、イソブタン、ブテン、イソブテン、ｎ−ペンタン、イソペンタン、ネオペンタン、ｎ−へキサン、ヘプタン、石油エーテル等の低沸点炭化水素、ＣＣｌ_３Ｆ、ＣＣｌ_２Ｆ_２、ＣＣｌＦ_３、ＣＣｌＦ_２−ＣＣｌＦ_２等のクロロフルオロカーボン、テトラメチルシラン、トリメチルエチルシラン、トリメチルイソプロピルシラン、トリメチル−ｎ−プロピルシラン等のテトラアルキルシラン等が挙げられる。これらの揮発性膨張剤は単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

未膨張の熱膨張性マイクロカプセルの平均粒子径としては、少なくとも熱硬化性樹脂層３の厚さよりも小さいものを用いる。例えば、熱硬化性樹脂層３の厚さを４５μｍとした場合、熱膨張性マイクロカプセルの平均粒子径は５〜３０μｍ程度であることが望ましい。

熱硬化性樹脂５は、加熱により硬化する樹脂から少なくとも１種を用いる。例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリアミド樹脂、トリアジン樹脂、シアノアクリレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイソシアネート樹脂、フラン樹脂、レゾルシノール樹脂、キシレン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコン樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、シロキサン変性エポキシ樹脂、シロキサン変性ポリアミドイミド樹脂またはアクリルレート樹脂等が挙げられる。硬化剤としては、例えば、フェノール樹脂、脂肪族アミン、脂環式アミン、芳香族ポリアミン、ポリアミド、脂肪族酸無水物、脂環式酸無水物、芳香族酸無水物、ジシアンジアミド、有機酸ジヒドラジド、三フッ化ホウ素アミン錯体、イミダゾール類、第３級アミンまたは有機過酸化物等を用いることができる。

これらの硬化物（硬化剤）は一種を単独で用いても良く、２種以上を併用してもよい。熱硬化性樹脂５は、加熱前の状態では、未硬化あるいは半硬化状態のフィルム状である。

また、熱硬化性樹脂層３において、熱硬化性樹脂５に対する発泡剤４の添加率は、好ましくは未膨張状態において５％以上２０％未満であり、より好ましくは９％以上１１％未満である。添加率がより大きいと、熱硬化性樹脂層３内の熱伝導率の低下により、発泡する発泡剤４の割合が下がり、発泡効率の低下を招くとともに、複数の半導体デバイスを適切に加圧することができない。また、添加率がより小さいと、複数の半導体デバイスの高さのばらつきを適切にキャンセルすることができず、適切な加圧を行うことができない。

熱硬化性樹脂５の硬化点は、発泡剤４が発泡を開始する温度より高いことが望ましい。発泡剤４が熱膨張性マイクロカプセルである場合、熱硬化性樹脂５の硬化点は、少なくともカプセル内の揮発性膨張材が膨張を開始する温度よりも高いことが望ましい。また、熱硬化性樹脂５の硬化点が、接合する半導体デバイスに用いられる樹脂（接着剤）の硬化点よりも低ければ、半導体デバイスの有する樹脂よりも先に熱硬化性樹脂５が硬化し、適切に半導体デバイスに加圧することができる。

また、材料設計を行う上で、同じ昇温速度条件化で観測される熱硬化性樹脂５のピーク温度と、半導体デバイスに用いられる接着剤のピーク温度との差が大きくなるよう熱硬化性樹脂５を構成してもよい。これにより、硬化した熱硬化性樹脂５を含む積層体１を用いて、未硬化の接着剤を含む半導体デバイスに加圧することができる。なお、熱硬化性樹脂５の硬化速度を早くし過ぎると、積層体１の保管時のポットライフの低減を招く。従って、例えば昇温速度５℃／ｍｉｎのＤＳＣ測定におけるピーク温度が１２０℃前後の熱硬化性樹脂５が好適に用いられる。

可撓層６は、熱可塑性樹脂を含む。可撓層６に用いられる熱可塑性樹脂には、一括接合の際に用いられる後述するボンディングヘッドの温度よりも高い融点を持つ樹脂を用いる。例えば、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、シクロオレフィン樹脂（ＣＯＰ）、シクロオレフィン共重合体（ＣＯＣ）、変性ポリフェニレンエーテル樹脂（変性ＰＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート樹脂（ＰＥＮ）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）、超高分子量ポリエチレン樹脂（ＵＨＰＥ）、ポリテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）、ポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド樹脂（ＰＥＩ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）およびポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）が挙げられる。特に、耐熱性に優れるポリイミド樹脂を用いることが好ましい。

可撓層６の厚さは、好ましくは５μｍ以上２００μｍ以下であって、より好ましくは２４μｍ以上２５μｍである。可撓層６が厚過ぎると、可撓層６が半導体デバイスの形状に十分に追従せず、積層体１を用いて接合することによる半導体デバイスのアライメントずれを防ぐ硬化が十分に得られない。一方、可撓層６が薄過ぎると、半導体デバイスへの伝熱が促進され、熱硬化性樹脂層３が硬化する前に半導体デバイスの接着剤が硬化する恐れが生じる。詳細は後述するが、熱可塑性樹脂層３が硬化する前に半導体デバイスの接着剤が硬化すると、半導体デバイスのアライメントずれを防ぐ効果が十分に得られなくなる懸念がある。

なお、本実施形態において、積層体１の有する各層の厚さは、金属層２の厚さ≦可撓層６の厚さ＜熱硬化性樹脂層３の厚さであることが望ましい。

複数の半導体を一括して接合する一括接合プロセスにおいて、加熱に用いられるボンディングヘッドは３００℃以上の高温とする場合がある。そのため、可撓層６に高耐熱のフィルムを用いることで、プロセス中の積層体１の劣化による半導体デバイスの汚染を防ぐことができる。また、可撓層６に可撓性のある材料を用いることで、半導体デバイスに過度な負荷がかかることによる破損を防止することができる。

図２は、積層体１を用いた半導体デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。

まず、複数の半導体デバイスとボンディングヘッドとの間に、積層体１を配置する（配置工程：ステップＳ１）。

図３は、配置工程を説明するための図（その１）である。本例における半導体デバイス１１は、基板１２と、接着剤１３と、チップ素子１４と、基板側電極１５と、バンプ１６と、チップ側電極１７とを含む。半導体デバイス１１は、基板１２上に、接着剤１３を介して、複数のチップ素子１４が搭載されて構成される。基板側電極１５とチップ側電極１７とは、バンプ１６を介して位置合わせされている。接着剤１３は、半導体デバイス１１の設計に応じて適切な材料を用いることができる。本例において、接着剤１３には樹脂が用いられる。

ボンディングヘッド２０は、半導体デバイス１１を加熱及び加圧するヘッドである。積層体１は、接合する複数の半導体デバイス１１を覆うことのできる大きさを有しており、可撓層６が半導体デバイス１１側、金属層２がボンディングヘッド２０側を向く方向で、半導体デバイス１１とボンディングヘッド２０との間に配置される。なお、図３において、積層体１は金属層２の全面がボンディングヘッド２０と接するように配置されているが、積層体１の配置される状況についてはこれに限定されない。例えば、配置工程において、金属層２はボンディングヘッド２０と接していなくてもよい。

説明を図２に戻す。次に、ボンディングヘッド２０が積層体１に接するとともに積層体１を加熱し、発泡剤４が発泡する（カプセル発泡工程：ステップＳ２）。次に、熱硬化性樹脂層３内の熱硬化性樹脂５が硬化する（熱硬化性樹脂層硬化工程：ステップＳ３）。次に、ボンディングヘッド２０を用いて、配置された複数の半導体デバイス１１を、積層体１を介して加圧する（加圧工程：ステップＳ４）。ステップＳ２からステップＳ４において行われる処理を、加熱加圧工程として説明する。

図４は、半導体デバイス１１の製造工程を説明するための図（その２）である。複数の半導体デバイス１１のうち、高さの最も高い半導体デバイス１１の有するチップ素子１４をチップ素子１４Ａとし、チップ素子１４Ａとボンディングヘッド２０とに挟まれた領域を接触領域とする。まず、ボンディングヘッド２０が図４に示す下方向に移動し、接触領域において、積層体１とボンディングヘッド２０とが接し、かつ積層体１とチップ素子１４Ａとが接する。さらにボンディングヘッド２０が移動し、積層体１に圧力が加わると、接触領域における積層体１の熱硬化性樹脂層３が流動し、接触領域以外の部分へ流れ出る。

なお、この状態において、チップ素子１４Ａ以外のチップ素子１４（チップ素子１４Ｂとする）上に位置する金属層２と、ボンディングヘッド２０とは、接していてもよいし、接していなくてもよい。チップ素子１４Ｂ上の金属層２とボンディングヘッド２０とが接している場合、加熱により発泡剤４が発泡し、チップ素子１４Ｂ上の熱硬化性樹脂層３が膨張する。

また、例えば積層体１が可撓性を有しており、ボンディングヘッド２０に積層体１を固定する手段（吸引手段等）を有していない場合、接触領域から非接触領域へ向かう方向で積層体１がたわみ、チップ素子１４Ｂ上の金属層２とボンディングヘッド２０との間に隙間が生じる場合がある。

このように、チップ素子１４Ｂ上の金属層２とボンディングヘッド２０とが接していない場合、まずボンディングヘッド２０により接触領域における金属層２が加熱される。熱は金属層２内を伝導し、チップ素子１４Ｂ上部の金属層２へと伝わる。金属層２が加熱されることにより、チップ素子１４Ｂ上の熱硬化性樹脂層３が加熱され、発泡剤４が発泡することにより、チップ素子１４Ｂ上の熱硬化性樹脂層３が膨張する。

熱硬化性樹脂層３の膨張により、金属層２とボンディングヘッド２０、及び可撓層６とチップ素子１４Ｂが接触する。また、ボンディングヘッド２０を用いた積層体１への加熱が継続され、熱硬化性樹脂５が硬化する。その結果、図４に示すように、積層体１が半導体デバイス１１の形状に応じた形状に硬化する。

その後、さらにボンディングヘッド２０を用いてチップ素子１４Ａ・１４Ｂに対して加熱加圧を行う。熱硬化性樹脂層３が硬化しているため、チップ素子１４Ａとチップ素子１４Ｂに対して均等に圧力が加わり、半導体デバイス１１内の接着剤１３が適切に硬化する。その後、図２に示すフローチャートの処理を終了する。

図５は、接合後の半導体デバイス１１の一例を示す模式図である。積層体１を半導体デバイス１１からはがして除去する。また、必要に応じて加熱炉に半導体デバイス１１を入れ、接着剤１３を完全に硬化させるキュア工程を行ってもよい。以上の工程により、より接合信頼性の高い半導体デバイス１１が得られる。

なお、熱硬化性樹脂層３に、熱硬化性樹脂以外の柔軟材料、例えばボンディングヘッド２０の温度よりも低融点の熱可塑性樹脂や熱可塑性エラストマーを用いた場合、仮に半導体デバイス１１の高さの違いに対して積層体１の形状が適切に追従したとしても、樹脂が硬化しないため、複数の半導体デバイス１１を均等に加圧することができない。

また例えば、熱硬化性樹脂層３を、ボンディングヘッド２０の温度よりも高融点の熱可塑性樹脂や熱可塑性エラストマーと発泡剤４とを用いて構成した場合、加熱されても粘弾性体であるため、発泡剤４が発泡せず、半導体デバイス１１の高さの違いを埋めることができない。

本実施形態における積層体１を用いることで、複数の半導体デバイス１１の高さの違いが適切にキャンセルされ、各々の半導体デバイス１１に対して均等に圧力を加えることができ、半導体デバイス１１の接続信頼性が向上する。また、熱硬化性樹脂層３が膨張し硬化するため、積層体１が半導体デバイス１１の形状に追従したまま硬化することで、半導体デバイス１１のアライメントずれを抑止しつつ、均等に加熱及び加圧を行うことができる。

なお、先述したように、積層体１の有する各層の厚さは、金属層２の厚さ≦可撓層６の厚さ＜熱硬化性樹脂層３の厚さであることが望ましい。熱硬化性樹脂層３を可撓層６よりも薄く構成すると、熱硬化性樹脂５の流動によるチップ素子１４Ｂへの形状追従が不十分となり、半導体デバイス１１のアライメントずれの抑止効果が低減する。また、熱硬化性樹脂層３を金属層２よりも薄く構成すると、積層体１をロール状に巻回して保管する場合に、使用時に過度に反り返り、取り扱いが困難になる。

また、可撓層６を金属層２よりも薄く構成すると、可撓層６を介した半導体デバイス１１への伝熱速度が速くなりすぎて、熱硬化性樹脂５の硬化が不十分なまま接着剤１３の硬化反応が生じ、半導体デバイス１１への均等な加圧が阻害されるとともに、アライメントずれの抑止効果が制限される。

＜実施例及び比較例＞

次に、本発明の実施例及び比較例について説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。実施例及び比較例では、半導体デバイス１１の製造に際して用いられる積層体１の構成に関する予備検討を行った。

図６は、実施例及び比較例における一括接合プロセスの解析に用いた積層体１及び半導体デバイス１１を示す模式図である。実施例及び比較例では、高さの異なる２つの半導体デバイス１１を一括接合するプロセスを模擬した。

以下、汎用流体解析ソフトウェア（ＦｌｏｗＳｃｉｅｎｃｅ社製）を用いて、積層体を用いた一括接合プロセスの伝熱計算を行った結果について説明する。チップ素子１４Ａ・１４Ｂの大きさは、幅７．３ｍｍ×長さ７．３ｍｍとした。また、チップ素子１４Ａの厚さ（高さ）を１７０μｍとし、チップ素子１４Ｂの厚さを１００μｍとした。即ち、デバイス凹凸Ｄ１が７０μｍとなる。チップ素子１４Ａとチップ素子１４Ｂとの中心部間の距離（チップピッチ）Ｗ１を１００μｍとした。

また、半導体デバイス１１の有する接着剤１３の厚さを４０μｍとし、基板１２の大きさを幅２４ｍｍ×長さ２４ｍｍ×厚さ１００μｍとした。また、基板１２を配置するステージ２１の厚さを２６０μｍとした。

さらに、電極による伝熱挙動の違いを再現するため、半導体デバイス１１の中心部に位置するフルエリア部１３Ａと、半導体デバイス１１の周辺部に位置するペリフェラル部１３Ｂに、それぞれ電極の体積比率に対応した空隙率を設定した固体を定義し、熱伝導率の違いを入力した。

また、一括接合プロセスの初期段階において、ボンディングヘッド２０と積層体１とは、接触領域でのみ接触しているものとした。これは、先述したように、積層体１が可撓性を有し、チップ素子１４Ａ上からチップ素子１４Ｂ上に向かう方向においてたわみを生じることを想定している。

実施例及び比較例の計算において、当該状況を再現するため、ボンディングヘッド２０からの伝熱は、積層体１とチップ素子１４Ａとが直接接触している部分においてのみ起こることとし（ボンディングヘッド２０Ａ部位）、それ以外の部位では、接触熱抵抗として界面コンダクタンスｈｃ＝１０Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）を与えた。ただし、計算途中で熱硬化性樹脂層３の膨張によりチップ素子１４Ｂ上の積層体１とボンディングヘッド２０とが接触した場合、チップ素子１４Ｂ上においても伝熱が生じるものとした（ボンディングヘッド２０Ｂ部位）。

図７は、実施例及び比較例における一括接合プロセスの解析に用いた積層体１の数値図である。実施例及び比較例における積層体１の有する各層の厚さは等しい。

実施例における積層体１は、１層目（金属層２に相当）を銅で構成し、２層目（熱硬化性樹脂層３に相当）を熱硬化性樹脂５と発泡剤４とで構成し、３層目（可撓層６に相当）をポリイミドで構成した。

比較例１における積層体１は、１層目をポリイミドで構成し、２層目を熱硬化性樹脂５と発泡剤４とで構成し、３層目をポリイミドで構成した。実施例とは１層目の構成が異なる。

比較例２における積層体１は、１層目をポリイミドで構成し、２層目を熱硬化性樹脂５のみで構成し、３層目をポリイミドで構成した。実施例とは１層目の構成と、２層目に発泡剤４を含まない点で異なる。なお、いずれの積層体１も、初期段階において熱硬化性樹脂５は未硬化であるものとした。

図８は、実施例及び比較例の計算に用いた物性値を示す図（その１）である。銅、ポリイミド、及びチップ素子１４は、図８に示す文献値を入力した。なお、チップ素子１４は、シリコンを含むことを想定した。熱硬化性樹脂５、及び接着剤１３は、各々図８に示す実測値を入力した。ステージ２１は、実際の装置の大きさを模擬するため、温度履歴の実験結果を再現するように熱伝導率と比熱とを調節した値を入力した。

図９は、実施例及び比較例の計算に用いた物性値を示す図（その２）である。フルエリア部１３Ａとペリフェラル部１３Ｂについて、半導体デバイス１１の厚さ方向と面内方向に対して異なる熱伝導率を入力した。また、設定した空隙率に対し、空隙部はすべて接着剤１３で埋まっていることとして、接着剤１３との複合則により実際の熱伝導率を計算した。

また、評価に用いる計算条件は、ボンディングヘッド２０の温度を３００℃の固定値とし、それ以外の部品の初期温度をすべて８０℃とした。また、計算の初期段階において、ボンディングヘッド２０が０．３ｍｍ／ｓの移動速度で移動し、積層体１に加圧するものとした。この際、ボンディングヘッド２０は、２層目の厚さ分だけ移動するものとした。

流体解析には、質量保存方程式（式（１））、運動量保存方程式（式（２））、及びエネルギー保存方程式（式（３））を計算した。また、熱硬化性樹脂５と接着剤１３の硬化反応率と発熱挙動を、式（４）〜式（８）に示す発熱式より計算した。また、発泡剤４の発泡による熱硬化性樹脂５の体積膨張と密度変化を、式（９）に示す発泡評価式により計算した。

ρは密度、νは流速、μは粘度、Ｐは圧力、Ｔは温度、Ｇは重力ベクトル、Ｃは比熱、ｋは熱伝導率、γはせん断速度、Ｑは任意時刻までの発熱量、ｄＱ／ｄｔは発熱速度、∇はナブラ演算子である。また、αは反応率、Δαは反応率の変化量、ｄα／ｄｔは反応速度、Ｋ１とＫ２は温度の関数となる係数、ＭとＮは反応の次数、ＫａとＫｂは反応速度定数、ＥａとＥｂは活性化エネルギー、Ｑは任意時刻までの発熱量、Ｑｏは反応終了時までの総発熱量、ｄＱ／ｄｔは発熱速度である。また、Ｂ、Ｅｄ、Ｄ、Ｆ、Ｎｄは材料固有の定数である。

図１０は、計算に用いた発熱式と発泡式の定数を示す図である。

図１１は、一括接合プロセスにおける温度履歴の流動解析結果を示す図である。本図は、チップ素子１４Ｂの中心部の直上における積層体１の２層目の温度変化の履歴を示す。

実施例における積層体１は、１層目に金属を用いているため、初期段階において、比較例に比べボンディングヘッド２０から熱硬化性樹脂５への伝熱が促進された。また、実施例１において、加熱開始から約０．５秒後に、温度が急に下降しているが、これは２層目の熱硬化性樹脂層３内の発泡剤４の発泡により、積層体１からチップ素子１４Ｂへの伝熱が行われたことを示している。

一方、１層目に熱伝導率の低いポリイミドを用いた比較例１において、ボンディングヘッド２０から熱硬化性樹脂５への伝熱速度は実施例と比較して遅かった。また、２層目の熱硬化性樹脂層３の温度の急落タイミングは、加熱開始から３秒以上経っており、実施例１に比べて時間を要したことが分かった。

以上、実施例と比較例１との比較により、ボンディングヘッド２０に接する１層目に金属を用いることで、より短時間で発泡剤４が発泡し、複数の半導体デバイス１１の高さのばらつきがキャンセルされたことが分かった。これにより、効率のよい一括接合プロセスが可能となることが分かった。

なお、１層目に耐熱性に優れる金属を用いることで、積層体１の熱劣化によるボンディングヘッド２０の汚染を防止することができる。

また、図１１の比較例２を示すグラフを参照すると、２層目における温度降下が見られなかった。このことから、実施例では発泡剤４の膨張により半導体デバイス１１の凹凸がキャンセルされたが、比較例２における積層体１では半導体デバイス１１の凹凸がキャンセルされなかったことが分かった。即ち、半導体デバイス１１の高さの違いが積層体１の厚さよりも大きい場合であっても、２層目の熱硬化性樹脂層３に未膨張の発泡剤４が添加されていれば、高さの違いをキャンセルすることが可能であると考えられる。一方で、発泡剤４が添加されていない場合には、積層体１の厚さを超えた半導体デバイス１１の高さの違いをキャンセルできないと考えられる。

なお、既発泡の発泡剤４が熱硬化性樹脂層３に添加されている場合には、熱硬化性樹脂層３の見かけの体積が膨張しないため、半導体デバイス１１の高さの違いをキャンセルすることができない。

図１２は、一括接合プロセスにおける熱硬化性樹脂５と接着剤１３の硬化反応率の計算結果を示す図である。図１２（ａ）は、実施例において高さの高い側の半導体デバイス１１の接着剤１３と、高さの低い側の半導体デバイス１１上の熱硬化性樹脂５との硬化反応率を示す。図１２（ｂ）は、比較例１において高さの高い側の半導体デバイス１１の接着剤１３と、高さの低い側の半導体デバイス１１上の熱硬化性樹脂５との硬化反応率を示す。

なお、チップ素子１４Ｂの中心部の直上における熱硬化性樹脂５は、積層体１内において最も硬化の遅い部分であり、チップ素子１４Ａの中心部の直下における接着剤１３は、複数の半導体デバイス１１の中で最も硬化の早い部分と考えられる。この２点を比較することで、複数の半導体デバイス１１の接合信頼性を適切に推測することができる。

図１２（ａ）によれば、実施例１において、積層体１内の熱硬化性樹脂５が完全に硬化してから、半導体デバイス１１の接着剤１３の硬化が開始された。硬化した積層体１を介して半導体デバイス１１に対して加熱加圧することで、複数の半導体デバイス１１に均等に加圧することができ、接続信頼性を確保することが可能となる。

一方、図１２（ｂ）によれば、比較例１において、熱硬化性樹脂５が硬化する前に、接着剤１３の硬化が開始された。この場合において、仮にチップ素子１４Ｂ上の熱硬化性樹脂５内の発泡剤４が発泡していなければ、チップ素子１４Ｂへの加圧が制限されたまま高い側の半導体デバイス１１が硬化することとなり、均等に加圧することができない。

また、チップ素子１４Ｂ上の熱硬化性樹脂５内の発泡剤４が発泡し、半導体デバイス１１の高さの違いがキャンセルされていたとしても、チップ素子１４Ｂには未硬化の積層体１を介した加圧が行われることとなり、チップ素子１４Ａ及びチップ素子１４Ｂに対して均等に加圧することができず、接続不良の要因となる。

なお、熱硬化性樹脂５と接着剤１３との硬化速度を求めるには、示差走査熱量測定（ＤＳＣ：Differential Scanning Calorimetry）を用い、複数の昇温速度条件化において、室温からボンディングヘッド２０の温度までの測定を行い、上述の式（４）〜（８）の発熱式でフィッティングすることが有効である。例えば、上述の計算方法のように、昇温速度３、５、１０℃／ｍｉｎの複数のＤＳＣ測定結果に対し、式（４）〜（８）の係数のフィッティングを行うことで、任意の温度履歴に対する反応率の履歴を予測することができる。

以上、本発明に係る各実施形態及び変形例の説明を行ってきたが、本発明は、上記した実施形態の一例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態の一例は、本発明を分かり易くするために詳細に説明したものであり、本発明は、ここで説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の一例の構成の一部を他の一例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の一例の構成に他の一例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の一例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることもできる。

また、上記の検査装置の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。

１：積層体、２：金属層、３：熱硬化性樹脂層、４：発泡剤、５：熱硬化性樹脂、６：可撓層、１１：半導体デバイス、１２：基板、１３：接着剤、１３Ａ：フルエリア部、１３Ｂ：ペリフェラル部、１４・１４Ａ・１４Ｂ：チップ素子、１５：基板側電極、１６：バンプ、１７：チップ側電極、２０：ボンディングヘッド、２１：ステージ

Claims (13)

1. 未膨張の発泡剤と、熱硬化性樹脂とを含む熱硬化性樹脂層と、
   半導体デバイスに接する側に設けられた可撓性を有する可撓層と、を含むことを特徴とする、半導体デバイスの製造に用いる積層体。
2. 請求項１に記載の、半導体デバイスの製造に用いる積層体であって、
   前記熱硬化性樹脂層に対し前記可撓層と反対側の面に積層された金属層を含むことを特徴とする、半導体デバイスの製造に用いる積層体。
3. 請求項２に記載の、半導体デバイスの製造に用いる積層体であって、
   前記金属層は、銅又は銅合金からなることを特徴とする、半導体デバイスの製造に用いる積層体。
4. 請求項１に記載の、半導体デバイスの製造に用いる積層体であって、
   前記発泡剤は、熱膨張性マイクロカプセルであることを特徴とする、半導体デバイスの製造に用いる積層体。
5. 請求項１に記載の、半導体デバイスの製造に用いる積層体であって、
   前記可撓層は、熱可塑性樹脂を含むことを特徴とする、半導体デバイスの製造に用いる積層体。
6. 請求項１に記載の、半導体デバイスの製造に用いる積層体であって、
   前記熱硬化性樹脂の硬化点は、前記半導体デバイスの積層に用いられる樹脂の硬化点よりも低いことを特徴とする、半導体デバイスの製造に用いる積層体。
7. 請求項１に記載の、半導体デバイスの製造に用いる積層体であって、
   前記可撓層は、ポリイミドを含むことを特徴とする、半導体デバイスの製造に用いる積層体。
8. 請求項２に記載の、半導体デバイスの製造に用いる積層体であって、
   前記金属層の厚さ≦前記可撓層の厚さ＜前記熱硬化性樹脂層の厚さであることを特徴とする、半導体デバイスの製造に用いる積層体。
9. 複数の半導体デバイスと加熱加圧ヘッドとの間に、未膨張の発泡剤と熱硬化性樹脂とを含む熱硬化性樹脂層と、前記半導体デバイスに接する側に設けられた可撓性を有する可撓層と、を含む積層体を配置する配置工程と、
   前記加熱加圧ヘッドを用いて前記積層体を加熱するとともに、前記積層体を介して前記複数の半導体デバイスに加圧する加熱加圧工程と、
   を実行することを特徴とする、半導体デバイスの製造方法。
10. 請求項９に記載の半導体デバイスの製造方法であって、
    前記積層体は、前記熱硬化性樹脂層に対し前記可撓層と反対側の面に積層された金属層を含み、
    前記発泡剤は、熱膨張性マイクロカプセルであることを特徴とする、半導体デバイスの製造方法。
11. 請求項１０に記載の半導体デバイスの製造方法であって、
    前記加熱加圧工程は、前記熱膨張性マイクロカプセルが発泡する発泡工程と、前記熱硬化性樹脂が硬化する硬化工程と、硬化した前記熱硬化性樹脂を有する前記積層体を介して前記半導体デバイスに加圧する加圧工程と、を含むことを特徴とする、半導体デバイスの製造方法。
12. 請求項１０に記載の半導体デバイスの製造方法であって、
    前記可撓層は、ポリイミドを含み、
    前記可撓層の融点は、前記加熱加圧ヘッドの温度よりも高いことを特徴とする、半導体デバイスの製造方法。
13. 請求項１０に記載の半導体デバイスの製造方法であって、
    前記積層体は、前記金属層の厚さ≦前記可撓層の厚さ＜前記熱硬化性樹脂層の厚さであることを特徴とする、半導体デバイスの製造方法。

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