JP2009038349A

JP2009038349A - Ａｃｆ／ｎｃｆ溶液を利用したウェハーレベルのフリップチップパッケージの製造方法

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Publication number: JP2009038349A
Application number: JP2008160286A
Authority: JP
Inventors: Kyung Wook Paik; キュンウパク; Kyung Woon Jang; キュンウンジャン; Iru Kim; イルキム
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2009-02-19
Also published as: KR100821962B1

Abstract

【課題】非はんだフリップチップ技術改良のため半硬化初期状態の異方性伝導接着剤(ACA)または非伝導性接着剤(NCA)を利用した技術を提供する。
【解決手段】絶縁性高分子樹脂、硬化剤及び有機溶媒を含む混合物溶液１１５を、非はんだバンプの形成されたウェハー１００上に塗布した後、乾燥して、ウェハー１００上に塗布された混合物１１５を半硬化状態(B-stage)初期にする段階と、前記乾燥されたウェハー１００を個別チップ２００にダイシングする段階と、前記個別チップにダイシングされた半導体チップ２００を基板３００の電極と配列した後、熱と圧力を加えて、フリップチップ接続する段階とから製造される。接着剤を溶液状態で直接ウェハー上にコーティングして利用するため、平坦ではないウェハー表面で発生しやすいシャドー効果を効果的に抑えることができ、またコーティングの厚さ調節が容易である。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶液(solution)状態の異方性伝導接着剤(ACA; Anisotropic Conductive Adhesives、以下ACA)または非伝導性接着剤(NCA; Non-Conductive Adhesives、以下NCA)を、ウェハー上に直接コーティングすることによりフリップチップパッケージを製造できる方法に関するものである。

電子パッケージ技術は、半導体素子から最終製品までの全ての段階を含む、非常に広範囲で多様なシステム製造技術であって、特に、電子製品の急速な発展に伴い、機器の小型化、軽量化、高性能化を達成するに非常に重要な技術である。電子パッケージ技術は、最終電子製品の性能、大きさ、値段、及び信頼性などを決定する非常に重要な技術である。特に、電気的高性能、極小型/高密度、低電力、多機能、超高速信号処理、永久的信頼性を追求する最近の電子製品において、極小型パッケージ部品は、コンピューター、情報通信、移動通信、高級家電製品などの必須部品であって、この中、チップを基板に実装する技術の一つであるフリップチップ(Flip Chip)技術は、現在、スマートカード(Smart Cards)、ＬＣＤ、ＰＤＰなどのディスプレイパッケージング(Display Packaging)、コンピューター、携帯電話、通信システムなどに、その活用範囲を広げていっている。

このようなフリップチップ技術は、大きく二つに分けられるが、はんだを利用したはんだフリップチップ(Solder Flip Chip)と、はんだを利用しない非はんだフリップチップ(Non-Solder Flip Chip)とがある。はんだフリップチップは、はんだフラックス塗布、チップ/基板整列、はんだバンプリフロー、フラックス除去、アンダーフィル充填及び硬化などの複雑な接続工程を有しており、生産単価上昇の問題点がある。したがって、最近は、このような複雑な工程を減らすために、非はんだフリップチップ技術が大きく台頭されている。

非はんだフリップチップの代表的技術は、ＡＣＡを利用したフリップチップ技術である。既存のＡＣＡを利用したフリップチップ技術は、基板上にＡＣＡ材料を塗布あるいは仮接着して、チップと基板を配列(align)し、最終的に熱と圧力を加えてフリップチップパッケージを完成する工程過程を有する、しかしながら、このような工程は、フィルムを形成したり、それぞれの基板ごとにＡＣＡ材料を塗布また仮接着したりする長い工程時間を有する。

したがって、最近は、ウェハー状態でフラックスとアンダーフィルの機能を有するポリマー材料を塗布して加工するウェハーレベルパッケージ技術に関心が集まっている。また、最近は、一般的なはんだフリップチップに比べ安価で、極微細の電極ピッチが可能であり、リードフリー(lead free)、環境親和的なフラックスレス(fluxless)工程、低温工程などの長所を有する伝導性接着剤を利用したフリップチップ接続技術の開発が進行されている。

電子パッケージングに使用される接着剤は、その使用形態によって、フィルムとペーストの形態に分けられて、導電粒子を含むか含まないかによって、伝導性、異方性伝導性、非伝導性に分けられる。したがって、電子パッケージングに使用される接着剤は、異方性伝導フィルム(ACF; Anisotropic Conductive Film、以下、ACF)、異方性伝導ペースト(ACP; Anisotropic Conductive Paste、以下、ACP)、非伝導性フィルム(NCF; Non-Conductive Film、以下、NCF)、及び非伝導性ペースト(NCP; Non-Conductive Paste、以下、NCP)に分けられる。

フィルム形態の接着剤(ACF、NCF)と、ペースト形態の接着剤(ACP、 NCP)は、その形態と組成によって大きな差異点がある。まず、ＡＣＦは、フィルム形態としてコーティングが可能になるように、組成物中に、コーティング性を向上させる有機溶媒が含まれて、フィルム形態でコーティングされた後、有機溶媒を乾燥させてから製品化される。

ＡＣＰは、フィルムとは異なって、基板上に、ディスペンシングなどのような方法で直接塗布してフリップチップ工程を行うため、内部の気泡生成を防ぐために、有機溶媒を含めていない。また、シリンジ(syringe)の中にペースト状にして充填されて製品化される。

米国特許５，３２３，０５１号(Semiconductor wafer level package)は、ウェハー状態で、また他のキャップウェハーをガラス接着剤で接着させた後、ウェハーをそれぞれのチップに切断する技術であって、本発明のような、ＡＣＡを塗布して、これをパッケージ接続用として使用するものとは相異なる特許である。

また他の米国特許５，９１８，１１３号(Process for producing a semiconductor device using anisotropic conductive adhesive)は、ＡＣＡを基板に付着した後、半導体チップを、熱と圧力により基板に接触させることにより電気的に接続させる方法であるが、本発明は、ＡＣＡを、ウェハー状態で非はんだバンプ形成されたチップに予め塗布する面で、非常に異なる技術方法である。

文献として、Ｓ．Ｈ．Ｓｈｉらが発表した内容(Development of the Wafer Level Compressive-Flow Underfill Process and Its Required Materials, 1999, ECTC, pp.961-966)は、はんだバンプが形成されたウェハー上に、はんだフラックス機能を含むアンダーフィル材料を塗布した後、各チップをダイシングした後、既存のＳＭＴアセンブリ(assembly)装置を利用して基板に配置する。これにより、既存のはんだリフロー接続後、アンダーフィル材料をチップと基板との間に入れる工程を簡素化した方法として紹介した内容である。

大韓民国特許３６１６４０号(塗布された異方性伝導接着剤を利用したウェハー型フリップチップパッケージの製造方法)には、ＡＣＦの場合において、離型紙フィルム上にコーティング後、熱と圧力を加えるラミネーション工程方法を通じて、ウェハー上に転写する工程方法を有して、ＡＣＰの場合においては、スプレー、ドクターブレードまたはメニスカス方法によりウェハー上に塗布する工程方法を明示している。したがって、フィルム形態を使用する場合、ウェハー上部にフィルムを位置させて、熱と圧力を加えるラミネーション工程及び離型紙を除去する工程が必要であり、平坦ではないウェハー表面にフィルム形態のＡＣＡまたはＮＣＡを付着する場合、シャドー効果が現れやすく、ペースト形態を使用する場合、コーティングの厚さ調節が難しい短所がある。

本発明は、異方性伝導接着剤フィルムまたは非伝導性接着剤フィルムの組成を有する物質を、溶液状態で直接ウェハー上にコーティングして利用するため、異方性伝導接着剤フィルムまたは非伝導性接着剤フィルムをウェハー上にラミネーションして、離型紙を除去する工程が不要であり、高い生産性を有して且つその工程が単純であって、またフィルムではなく溶液状態でコーティングをするため、平坦ではないウェハー表面で発生しやすいシャドー効果を効果的に抑えることができ、異方性伝導接着剤ペーストまたは非伝導性接着剤ペーストでは難しいコーティングの厚さ調節が容易な長所があって、有機溶媒を揮発させる単純乾燥を通じて、硬化の潜在性を失わない水準の半硬化初期状態が得られるという長所がある。

本発明の目的は、高い生産性を有する単純な工程を利用して、平坦ではないウェハー表面で発生しやすいシャドー効果を効果的に抑えることができ、コーティングの厚さ調節が容易で、単純乾燥を通じて、硬化の潜在性を失わない水準の半硬化初期状態の異方性伝導接着剤(ACA; Anisotropic Conductive Adhesives、以下、ACA)または非伝導性接着剤(NCA; Non-Conductive Adhesives、以下、NCA)を得ることができる、ＡＣＡまたはＮＣＡを利用したウェハー型フリップチップパッケージの製造方法を提供することである。

本発明のウェハー型フリップチップパッケージの製造方法は、(a)絶縁性高分子樹脂、硬化剤及び有機溶媒を含む混合物溶液を、非はんだバンプの形成されたウェハー上に塗布した後、乾燥して、ウェハー上に塗布された混合物を半硬化状態(B-stage)初期にする段階と、(b)前記乾燥されたウェハーを個別チップにダイシングする段階と、(c)前記個別チップにダイシングされた半導体チップを基板の電極と整列した後、熱と圧力を加えて、フリップチップ接続する段階と、を含んで製造される特徴を有する。

本発明の核心思想は、異方性伝導フィルム(ACF; Anisotropic Conductive Film、以下、ACF)または非伝導性フィルム(NCF; Non-Conductive Film、以下、NCF)を構成する物質を、フィルム形態ではなく、有機溶媒を利用した溶液状態で、非はんだバンプが形成されたウェハー上に直接塗布してウェハー型フリップチップパッケージを製造することにある。

本発明の核心思想による本発明の製造方法は、フィルム形態ではなく、有機溶媒を利用した溶液状態でウェハーにコーティングするため、ラミネーション工程及び離型紙を除去する工程が不要であり、粘性のような流動学的特性を調節する方法を通じて、平坦ではないウェハー表面で発生しやすいシャドー効果を効果的に抑えることができ、基本的にＡＣＦまたはＮＣＦを構成する組成と類似した組成を含む溶液を利用するため、コーティングの厚さ調節が容易であり、有機溶媒を揮発させる単純乾燥を通じて、半硬化初期状態を得ることができるようになる。

ＡＣＦとＮＣＦの組成上の特徴は、導電性粒子の有無を除いては同一であるため、前記混合物溶液に前記絶縁高分子樹脂１００重量部に対して、５〜２０重量部の導電性粒子をさらに添加することにより、ＡＣＦ溶液を製造することができる。前記導電性粒子は、ＡＣＦまたはＡＣＰに通常的に使用される導電性粒子が使用可能であるが、好ましくは、金、銀、ニッケル、金属がコーティングされたポリマー、伝導性高分子または絶縁ポリマーがコーティングされた金属粒子、またはこれらの混合物であることが好ましく、さらに好ましくは、金粒子、銀粒子、ニッケル粒子、金がコーティングされたポリマー、銀がコーティングされたポリマー、ニッケルがコーティングされたポリマー、絶縁ポリマーがコーティングされた金粒子、絶縁ポリマーがコーティングされた銀粒子または絶縁ポリマーがコーティングされたニッケル粒子、またはこれらの混合物であることがさらに好ましく、最も好ましくは、ニッケル粒子、金がコーティングされたポリマー、ニッケルがコーティングされたポリマーまたは絶縁ポリマーがコーティングされたニッケル粒子、または、これらの混合物であることが最も好ましい。

以下、図１を参照し、本発明の製造方法をさらに詳細に説明する。図１は、容易な説明のために示したもので、本発明が図１に限定されるものではない。

図１(ａ)及び図１(ｂ)に示したように、混合物溶液が塗布されるウェハー１００は、一般の半導体工程を通じて製造されたウェハーであって、通常よく使用されているチップ１１０が一つのウェハー上に存在し、各チップは、外部との電気的信号連絡のための入出力端子(I/O pad、112)が形成されている。

この際、前記チップの種類は、特に限定されるものではなく、例えば、ディスプレイ駆動回路ＩＣ、イメージセンサーＩＣ、メモリーＩＣ、非メモリーＩＣ、超高周波またはＲＦＩＣ、シリコンを主成分とする半導体ＩＣ、または化合物半導体ＩＣである。

前記入出力端子上部に非はんだバンプ１１３が形成されるが、前記非はんだバンプは、ボンディングワイヤボンダーまたはメッキ方法を利用して形成された金属スタッドバンプまたは金属メッキバンプであって、金スタッドバンプ、銅スタッドバンプ、金メッキバンプ、銅メッキバンプ、無電解ニッケル/金バンプまたは無電解ニッケル/銅/金バンプであり得て、前記非はんだバンプが形成されていないウェハーの上部は、絶縁物質１１４でパッシベーション(passivation)されていることが通常的である。

図１(ｃ)に示したように、ＡＣＦまたはＮＣＦ混合物溶液は、スプレー、ドクターブレード、メニスカス、スピンコーティング、スクリーンプリンティング、ステンシルプリンティング、またはコンマロールコーティングにより、前記ウェハーの非はんだバンプの形成された面上部に塗布される。混合物が塗布されたウェハーを７０〜８０℃で１〜４分間乾燥し有機溶媒を揮発させて、前記乾燥を通じて、塗布された混合物１１５が流れやすい未硬化状態(A-stage)を経て、後続工程時、常温で形態を維持しながら操作が可能な物性を有して、加熱時、流動性を有する半硬化初期状態(B-stage)となる。半硬化初期状態の意味は、硬化が始まる時点から硬化が終了する時点までの半硬化状態の中でも、特定の高い温度以上でのみ硬化反応が起こる潜在性を失わない硬化初期状態であって、前記乾燥された混合物は、１８０〜２００℃で１０〜３０秒内に硬化可能な硬化特性を有する。

この際、塗布された混合物の厚さは、前記乾燥後、１０〜１００μｍであることが好ましい。これは、上記の範囲で、フリップチップ接続のために必要な物理的接着力を得ることができ、シャドー効果を最小化して、チップ上で電気的絶縁及び電気的接続が円滑になされるためである。

前記混合物の塗布されたウェハーは、ウェハーダイシングマシーンに装着され、ウェハーのスクライブ線を基準とし、図１(ｄ)に示した記号２００の個別チップ２００にダイシングされる。前記ダイシングされた個別チップ２００は、半硬化状態のＡＣＦまたはＮＣＦが接着されているのと同様であるため、一つのフリップチップパッケージとして使用可能である。前記個別チップを基板３００の電極３１０と配列させた後、フリップチップボンダーを使用し、熱と圧力を加えて前記混合物を硬化させて、前記個別チップと基板とが物理的・電気的に接続されたフリップチップアセンブリ(assembly)を得ることができる。

上述のように、本発明の核心思想は、ＡＣＦまたはＮＣＦを、フィルム形態でなく、溶液形態として製造し、ウェハー上に直接コーティングすることであるため、混合物溶液は、通常的に使用されるＡＣＦまたはＮＣＦを構成する物質と有機溶媒とを混合して製造することができるが、前記混合物溶液は、絶縁高分子樹脂１００重量部に対して、１００〜４００重量部の硬化剤及び５０〜２００重量部の有機溶媒が混合されたものが好ましく、特に、絶縁高分子樹脂重量部に対して、１２０〜３７５重量部の硬化剤及び８０〜１５０重量部の有機溶媒が混合されたものがさらに好ましい。

前記絶縁性高分子樹脂は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であって、前記熱可塑性樹脂は、アクリル樹脂、フェノキシ樹脂またはラバー、またはこれらの混合物であり、前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂、またはこれらの混合物であることが好ましく、前記有機溶媒は、トルエン、メチルエチルケトン、アセトン、ジメチルホルムアミドまたはシクロヘキサン、またはこれらの混合物から選択されたものが好ましく、前記硬化剤は、イミダゾール系またはアミン系、またはこれらの混合物から選択されたものが好ましい。

前記有機溶媒の重量比は、ＡＣＦまたはＮＣＦを構成する物質と類似した組成を含む前記混合物溶液を、通常的に製造されるウェハーの表面にコーティングして乾燥し、フィルム形態の接着剤を付着させるに最適化された重量比であるが、混合物溶液の流動学的(rheological)特性を決定する有機溶媒の重量比は、非はんだバンプの厚さや非はんだバンプの数のように、ウェハー表面の不均一程度によって調節されることが好ましい。

本発明の製造方法を示した一例であって、図１(ａ)は、ウェハー、図１(ｂ)は、図１(ａ)のＡ−Ｂ線断面図、図１(ｃ)は、混合物溶液が塗布されたウェハーのＡ−Ｂ線断面図、図１(ｄ)は、ダイシングされた個別チップのフリップチップ接続を示した図である。

符号の説明

１００ウェハー
１１０ウェハー上のチップ
１１１半導体物質
１１２入出力パッド
１１３非はんだバンプ
１１４パッシベーション層
１１５コーティングされた混合溶液
２００ダイシングされた個別チップ
３００基板
３１０基板上の電気的配線

Claims

(a)絶縁性高分子樹脂、硬化剤及び有機溶媒を含む混合物溶液を、非はんだバンプの形成されたウェハー上に塗布した後、乾燥して、ウェハー上に塗布された混合物を半硬化状態(B-stage)初期にする段階と、
(b)前記乾燥されたウェハーを個別チップにダイシングする段階と、
(c)前記個別チップにダイシングされた半導体チップを基板の電極と整列した後、熱と圧力を加えて、フリップチップ接続する段階と、を含んで製造されることを特徴とする、フリップチップパッケージの製造方法。
段階(a)の混合物溶液は、前記絶縁性高分子樹脂の重量を基準に、５〜２０重量部の導電性粒子をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
段階(a)の塗布は、スプレー、ドクターブレード、メニスカス、スピンコーティング、スクリーンプリンティング、ステンシルプリンティング、またはコンマロールコーティングにより行われることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
段階(a)の乾燥は、７０〜８０℃で１〜４分間乾燥して有機溶媒を揮発させ、塗布された混合物を、硬化の潜在性を失わない水準の半硬化状態(B-stage)初期にすることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
前記乾燥された混合物は、１８０〜２００℃で１０〜３０秒間の硬化時間を有することを特徴とする、請求項４に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
段階(a)で塗布された混合物溶液の厚さは、前記乾燥後１０〜１００μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
段階(a)の前記混合物溶液は、絶縁性高分子樹脂１００重量部に対し、１００〜４００重量部の硬化剤及び５０〜２００重量部の有機溶媒が混合されたものであることを特徴とする、請求項１に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
前記絶縁性高分子樹脂は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であって、前記熱可塑性樹脂は、アクリル樹脂、フェノキシ樹脂またはラバー、またはこれらの混合物であり、前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂、またはこれらの混合物であることを特徴とする、請求項７に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
前記有機溶媒は、トルエン、メチルエチルケトン、アセトン、ジメチルホルムアミドまたはシクロヘキサン、またはこれらの混合物であることを特徴とする、請求項７に記載のフリップチップパッケージの製造方法。
前記導電性粒子は、金、銀、ニッケル、金属がコーティングされたポリマー、伝導性高分子または絶縁ポリマーがコーティングされた金属粒子、またはこれらの混合物であることを特徴とする、請求項２に記載のフリップチップパッケージの製造方法。