JP2000323624A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体チップと絶縁性基板の間のアンダーフ
ィル樹脂が硬化する際に絶縁性基板が反るのを低減し、
アンダーフィル樹脂の剥離を防止することができる半導
体装置およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 樹脂基板11上に、アンダーフィル樹脂
19を介して半導体チップ12がフリップチップ実装さ
れる半導体装置において、アンダーフィル樹脂19の注
入により半導体チップ12の側端面に形成されるフィレ
ット20の長さが、樹脂基板11の表面から半導体チッ
プ12の裏面迄の距離よりも長い。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置およ
びその製造方法に関し、特に、プリント配線基板に半導
体チップがフリップチップ実装された半導体装置および
その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、プリント配線基板(printe
d wiring board:PWB)に半導体チッ
プがフリップチップ実装された半導体装置が知られてい
る。
【0003】図7は、従来の半導体装置の断面図であ
る。図7に示すように、半導体装置1は、銅(Cu)か
らなる補強材が張り付けられた、例えば、ポリイミド等
の樹脂からなる絶縁性基板(PWB)2上に、ハンダバ
ンプ3を持ったフリップチップ4がフェイスダウンで実
装されている。このハンダバンプ3と絶縁性基板2の予
備ハンダとが溶融接続されることにより、フリップチッ
プ4と絶縁性基板2が電気的に接続される。
【0004】ここで、フリップチップ4と絶縁性基板2
とのギャップは120μm、バンプ間ピッチは240μ
m、バンプ数は3000個、チップサイズは13mm
□、チップ厚は0.68mmである。
【0005】この半導体装置1の製造に際し、絶縁性基
板2とフリップチップ4との間のハンダ接続部には、エ
ポキシ系の樹脂がアンダーフィル樹脂5として適量注入
され、その後、アンダーフィル樹脂5は、適正な温度、
例えば、150℃で硬化される。硬化により、フリップ
チップ4の側方から絶縁性基板2上にかけて、アンダー
フィル樹脂5のはみ出し部分であるフィレット5aが形
成される。
【0006】アンダーフィル樹脂5の注入後、フリップ
チップ4の裏面に、導電性の特性を有する銀(Ag)ペ
ーストを接着樹脂6aとして塗布する。このとき、絶縁
性基板2の両側に配置された補強板7の上部にも、接着
樹脂6bを塗布しておく。その後、フリップチップ4の
裏面及び補強板7の上部に、Cuからなるリッド8を配
置し、接着樹脂6a,6bを硬化させリッド8を固着す
る。
【0007】リッド8を取り付けた後、フリップチップ
4が搭載されていない絶縁性基板2の裏面にハンダボー
ル9を搭載することにより、フリップチップ型のBGA
(ball grid array)パッケージからな
る半導体装置1が得られる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、半導体
装置1に対し温度サイクル試験等の信頼性試験を実施し
た場合、インターポーザである絶縁性基板2の反りによ
り、フリップチップ4と絶縁性基板2の間のアンダーフ
ィル樹脂5注入部分にストレスが加わり、アンダーフィ
ル樹脂5の剥離が発生し易い。
【0009】また、アンダーフィル樹脂5にかかる応力
は、フィレット5aから絶縁性基板2の内側に向かって
クラックc(図7参照)も引き起こし易い。
【0010】このような剥離やクラックcがあると、オ
ープン不良による断線等の異常を生じさせる。剥離発生
率は、温度サイクル試験の300サイクル後で約10%
(5/53個)である。
【0011】このようなアンダーフィル樹脂5の剥離が
起こるのは、チップ側面に形成されたアンダーフィル樹
脂5のフィレット5aの長さがチップ厚よりも短く、チ
ップ直下にフィレット5aが位置する場合である。この
場合、アンダーフィル樹脂5の硬化時、フリップチップ
4及び絶縁性基板2には、熱膨張係数の違いによる大き
な応力がかかり、フリップチップ4及び絶縁性基板2が
大きく反ってしまう。
【0012】とりわけ、現在、半導体チップにおいて
は、柔軟性を有する樹脂基板を用いた高密度配線が主流
になってきており、柔軟性に欠ける従来のガラス基板で
は、高密度配線に対応することができないため、熱膨張
に伴う応力への対応は避けられないものとなっている。
【0013】この発明の目的は、半導体チップと絶縁性
基板の間のアンダーフィル樹脂が硬化する際に絶縁性基
板が反るのを防ぎ、アンダーフィル樹脂の剥離を防止す
ることができる半導体装置およびその製造方法を提供す
ることである。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明に係る半導体装置は、基板上に、アンダー
フィル樹脂を介して半導体チップがフリップチップ実装
される半導体装置において、前記アンダーフィル樹脂の
注入により前記半導体チップの側端面に形成されるフィ
レットの長さが、前記基板の表面から前記半導体チップ
の裏面迄の距離よりも長いことを特徴している。
【0015】上記構成を有することにより、基板上に、
アンダーフィル樹脂を介して半導体チップがフリップチ
ップ実装される半導体装置において、前記アンダーフィ
ル樹脂の注入により前記半導体チップの側端面に形成さ
れるフィレットの長さは、前記基板の表面から前記半導
体チップの裏面迄の距離よりも長くなる。これにより、
半導体チップと絶縁性基板の間のアンダーフィル樹脂が
硬化する際に絶縁性基板が反るのを防ぎ、アンダーフィ
ル樹脂の剥離を防止することができる。
【0016】また、この発明に係る半導体装置の製造方
法により、上記半導体装置を製造することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。 (第1の実施の形態)図1は、この発明の第1の実施の
形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図1
に示すように、半導体装置10は、例えばポリイミドか
らなる絶縁性の樹脂基板(PWB)11、フリップチッ
プ方式による半導体チップ12、及びCuからなるリッ
ド13が、記載順に下から積層された層構造を有する矩
形板状に形成され、樹脂基板11上の周縁には、中心部
の半導体チップ12を囲むように、リッド13との間に
挟み込まれた金属製の補強枠14が設けられている。
【0018】樹脂基板11と補強枠14は接着樹脂15
により、半導体チップ12とリッド13は接着樹脂16
により、リッド13と補強枠14は接着樹脂17によ
り、それぞれ接着されている。これら接着樹脂15,1
6,17は、例えば、シリコーン系、エポキシ系又は熱
可塑性樹脂によるAgペーストが用いられる。
【0019】樹脂基板11には、Cuからなる補強板が
張り付けられており、この樹脂基板11上に、ハンダバ
ンプ18を持った半導体チップ12がフェイスダウンに
より実装される。実装により、半導体チップ12のハン
ダバンプ18と樹脂基板11の予備ハンダとが溶融接続
され、半導体チップ12と樹脂基板11が電気的に接続
される。
【0020】半導体チップ12と樹脂基板11の間の、
ハンダバンプ18を介在させたハンダ接続部には、アン
ダーフィル樹脂19としてエポキシ系樹脂が適量注入さ
れている。アンダーフィル樹脂19の注入により、半導
体チップ12の側面には、アンダーフィル樹脂19のは
み出し部であるフィレット20が形成される。フィレッ
ト20は、縦断面が、半導体チップ12の上面と側端面
とが交差する上角部20aと、樹脂基板11に沿って半
導体チップ12から遠ざかる先端部である下角部20b
とを結ぶ線を斜辺とする、略直角三角形状を呈している
(図1参照)。
【0021】アンダーフィル樹脂19の注入量は、半導
体チップ12の側端面からフィレット20の下角部20
b迄の距離であるフィレット長さLが、樹脂基板11の
表面から半導体チップ12の裏面迄の距離であるチップ
高さH1よりも長くなるように、調整される。
【0022】ここで、チップ高さH1は、半導体チップ
12の厚みに、ハンダバンプ18の厚み、即ち、半導体
チップ12と樹脂基板11とのギャップを加えたもので
ある。また、チップ高さH1の代わりに、反り等による
変形前の樹脂基板11の表面から、変形後の半導体チッ
プ12の裏面迄の距離であるチップ高さH2を用いても
良い。この場合、フィレット長さLは、チップ高さH2
よりも長くなるように調整されることになり、樹脂基板
11の変形度合いに応じた調整が可能になる。
【0023】なお、樹脂基板11、半導体チップ12及
びアンダーフィル樹脂19の熱膨張係数α(ppm/
℃)は、一例として次のようになる。樹脂基板11はα
=18、半導体チップ12はα=3、アンダーフィル樹
脂19はα=20〜32である。また、アンダーフィル
樹脂19の粘度は13〜40(Pa・s)である。
【0024】樹脂基板11の半導体チップ12が搭載さ
れていない下面側には、下面全域に渡って複数のハンダ
ボール21が設けられている。
【0025】この半導体装置10は、例えば、半導体チ
ップ12と樹脂基板11とのギャップが120μm、バ
ンプ間ピッチが240μm、バンプ数が3000個、チ
ップサイズが13mm□、チップ厚が0.68mm、に
それぞれ形成される。
【0026】図2は、図1の半導体装置の製造方法を示
す工程図である。図2に示すように、先ず、矩形の樹脂
基板11を用意する((a)参照)。
【0027】樹脂基板11には、予め一方の面にパッド
22が複数配列され、他方の面に外部電極23が配列さ
れている。パッド22と外部電極23は、樹脂基板11
中の配線層(図示しない)を介して互いに対応するもの
同士が電気的に接続されている。
【0028】また、樹脂基板11の縁周辺には、後にリ
ッド13を固定するための補強枠14が、接着樹脂15
によって予め接着されている。この補強枠14は、樹脂
基板11とリッド13との間に半導体チップ12を設置
するためのスペースを確保する働きも持つ。
【0029】次に、各ハンダバンプ18とそれらに対応
するパッド22との位置合わせを行ってから、半導体チ
ップ12をフェイスダウンにより樹脂基板11上に載置
する((b)参照)。載置後、リフローにより、ハンダ
バンプ18を溶かして外部電極22と接続することによ
り、半導体チップ12を樹脂基板11上に実装する、所
謂、フリップチップ実装を行う((c)参照)。その
後、フラックス洗浄を行う。
【0030】次に、ハンダバンプ18の剥がれを防止す
るために、半導体チップ12と樹脂基板11の隙間のハ
ンダ接続部に、流動性のあるアンダーフィル樹脂19を
注入し基板11上に塗布する((d)参照)。注入され
たアンダーフィル樹脂19は、半導体チップ12と樹脂
基板11との間隔は非常に狭いため、毛細管現象により
半導体チップ12の全面に行き渡って広がる。
【0031】このとき、フィレット20のフィレット長
さLが、樹脂基板11の表面から半導体チップ12の裏
面迄の距離であるチップ高さH1よりも長くなるよう
に、例えば、1〜1.5mmに、アンダーフィル樹脂1
9の注入量が調整される。この場合、チップ高さH1
(120μm+0.68mm=0.8mm)に対し、フ
ィレット長さLは約1mmに調整される。
【0032】その後、アンダーフィル樹脂19を適正な
温度、例えば、150℃でキュア(加熱処理)し硬化さ
せる。
【0033】なお、半導体チップ12の真下に位置す
る、樹脂基板11のチップ接続面部分は、反り量が最大
60μm程度有する山形に変形した状態にある。
【0034】次に、樹脂基板11上に搭載された半導体
チップ12の裏面(能動素子形成面とは反対側の面)及
び補強枠14の上面に、シリコーン系で低弾性のAgペ
ーストからなる接着樹脂16,17をそれぞれ塗布し、
半導体チップ12及び補強枠14を覆うようにリッド1
3を載置した後、パッケージ全体をキュアする((e)
参照)。接着樹脂16,17の硬化により、リッド13
が載置状態で固定される。
【0035】その後、半導体チップ12が搭載されてい
ない樹脂基板11の裏面にハンダボール21を搭載し、
フリップチップ型のBGAパッケージからなる半導体装
置10を得る。
【0036】つまり、半導体チップ12の側面に形成し
たアンダーフィル樹脂19のフィレット長さLを、チッ
プ高さH1(或いは、チップ高さH2)よりも長くする
ことによって、半導体チップ12と樹脂基板11の間に
注入したアンダーフィル樹脂19の剥離を防止すること
ができる。また、剥離を防ぐことにより、フィレット2
0の先端部である下角部20bから樹脂基板11に入る
クラックcを防止することができる。
【0037】上述した半導体チップ12における、温度
サイクル試験で300サイクル実施後の剥離発生率は、
0%(0/97個)であった。これは、フィレット長さ
Lをチップ高さH1よりも長くすることで、半導体チッ
プ12と樹脂基板11とにかかるアンダーフィル樹脂1
9の応力を低減(分散)することができるためと思われ
る。
【0038】なお、アンダーフィル樹脂19の注入後、
半導体チップ12の裏面及び補強枠14の上面に接着樹
脂16,17をそれぞれ塗布し、アンダーフィル樹脂1
9と共に接着樹脂16,17をキュアすることによっ
て、アンダーフィル樹脂19及び接着樹脂15,16,
17を同時に硬化させてもよい。
【0039】その結果、各部に塗布された樹脂の硬化に
際し応力が発生するものの、同時に硬化させることによ
って応力の発生が同時になって応力が相殺され、樹脂基
板11や半導体チップ12に対し局所的に応力がかかる
ことはない。 (第2の実施の形態)図3は、この発明の第2の実施の
形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。
図3に示すように、半導体装置25は、半導体チップ1
2と樹脂基板11の隙間のハンダ接続部に注入したアン
ダーフィル樹脂19を、金型(図示しない)を用いて硬
化させ、フィレット26を、略直角三角形状ではなく矩
形状の縦断面となるように形成する。その他の構成及び
作用は、半導体装置10(図1参照)と同様である。
【0040】従って、フィレット26は、半導体チップ
12を取り巻く壁状に一体成形され、樹脂基板11の表
面から半導体チップ12の裏面まで、チップ高さH1
(或いはチップ高さH2)よりも長いフィレット長さL
(約1mm)を有することになる。 (第3の実施の形態)図4は、この発明の第3の実施の
形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。図5
は、図4の半導体装置に形成されたフィレットを示し、
(a)は第1の例の平面図、(b)は第2の例の平面図
である。
【0041】図4に示すように、半導体装置30は、半
導体チップ12の真下に位置する、樹脂基板11のチッ
プ接続面部分が、中空にされ(図4参照)、或いは低熱
膨張係数のアンダーフィル樹脂が注入されると共に、高
粘度樹脂からなるフィレット31を有している。その他
の構成及び作用は、半導体装置10(図1参照)と同様
である。
【0042】この場合、図5に示すように、フィレット
31は、半導体チップ12の四辺を除いて四隅の角部の
みに形成され((a)参照)、或いは、半導体チップ1
2の四隅を除いて四辺のみに形成される((b)参
照)。フィレット長さLは、任意で良いが、チップ高さ
H1(或いはチップ高さH2)よりも長いフィレット長
さLとすることにより、より効果的である。
【0043】つまり、半導体チップ12の真下に位置す
る、樹脂基板11のチップ接続面部分には、硬化に際し
応力を発生させるアンダーフィル樹脂がなく、或いは、
あっても低熱膨張係数のアンダーフィル樹脂であるた
め、樹脂基板11や半導体チップ12の間に応力が発生
せず、また、発生しても僅かなので、応力発生による反
り等を生じないか、殆ど影響がない。
【0044】なお、フィレット31及び注入される場合
のアンダーフィル樹脂の熱膨張係数α(ppm/℃)等
は、一例として次のようになる。フィレット31の高粘
度樹脂は、α=10、粘度=100(Pa・s)、アン
ダーフィル樹脂は、α=7〜10である。
【0045】図6は、図4の半導体装置のフィレット形
成状態を示す断面図である。図6に示すように、半導体
チップ12の側端面に沿って上下動可能に半導体チップ
12の側端面側上方に位置させた、樹脂供給ノズル32
から、ハンダ接続部側方の四隅或いは四辺に、高粘度樹
脂を滴下しフィレット31を形成する。
【0046】なお、低熱膨張係数のアンダーフィル樹脂
を、樹脂基板11と半導体チップ12の間のハンダ接続
部に注入する場合、高粘度樹脂からなるフィレット31
のエア抜き用の孔から行っても良い。
【0047】このように、この発明によれば、フリップ
チップ型BGAの半導体装置10において、樹脂基板1
1の反りによりチップ剥がれ等が発生するのを防止する
ため、樹脂基板11と半導体チップ12の間のハンダ接
続部に注入した、補強用樹脂としてのアンダーフィル樹
脂19の半導体チップ12側面からのはみ出し部である
フィレットを、チップ高さ以上に調整した。
【0048】これにより、熱膨張係数が異なる複数の樹
脂間に働く応力を分散することができ、半導体チップ1
2と樹脂基板11の間のアンダーフィル樹脂19が硬化
する際に樹脂基板11が反るのを防いで、アンダーフィ
ル樹脂19の剥離、更に、樹脂基板11にクラックcが
入るのを防止することができる。
【0049】よって、従来例に示すように剥離や歪みが
生じることはなく、ハンダバンプ構造を有する半導体装
置の生産性及び信頼性を高めることができる。
【0050】これは、特に、現在主流になってきてい
る、柔軟性を有する樹脂基板11を用いた高密度配線の
半導体チップ12において効果的である。即ち、この樹
脂基板11を用いた高密度配線の半導体チップ12にお
いては、端子数が約3000ピンから5000ピン程に
なるが、ガラス基板からなる液晶ドライバの場合は、約
40から50ピン程であり、また、チップサイズも、半
導体チップ12の場合、約13から17mm角である
が、液晶ドライバの場合、約9mm角であり、応力は面
積比に比例することから、加わる応力に大きな差があ
る。
【0051】また、半導体装置30は、半導体チップ1
2の真下に位置する、樹脂基板11のチップ接続面部分
が、中空にされ(図4参照)、或いは低熱膨張係数のア
ンダーフィル樹脂が注入されると共に、高粘度樹脂から
なるフィレット31を有する。これにより、樹脂基板1
1のチップ接続面部分には、硬化に際し応力を発生させ
るアンダーフィル樹脂がなく、或いは、あっても低熱膨
張係数のアンダーフィル樹脂であるため、応力発生によ
る反り等を生じさせないか、殆ど影響を及ぼさない。
【0052】なお、上記各実施の形態において、BGA
構造に限るものではなく、CSP(chip size
package)構造の半導体装置についても、同様
の対応が可能である。
【0053】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、基板上に、アンダーフィル樹脂を介して半導体チッ
プがフリップチップ実装される半導体装置において、前
記アンダーフィル樹脂の注入により前記半導体チップの
側端面に形成されるフィレットの長さは、前記基板の表
面から前記半導体チップの裏面迄の距離よりも長くなる
ので、半導体チップと絶縁性基板の間のアンダーフィル
樹脂が硬化する際に絶縁性基板が反るのを低減し、アン
ダーフィル樹脂の剥離を防止することができ、更に、樹
脂基板にクラックが入るのを防止することができる。よ
って、ハンダバンプ構造を有する半導体装置の生産性及
び信頼性を高めることができる。
【0054】また、この発明に係る半導体装置の製造方
法により、上記半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態に係る半導体装置
の構成を示す断面図である。
【図2】図1の半導体装置の製造方法を示す工程図であ
る。
【図3】この発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の概略構成を示す断面図である。
【図4】この発明の第3の実施の形態に係る半導体装置
の構成を示す断面図である。
【図5】図4の半導体装置に形成されたフィレットを示
し、(a)は第1の例の平面図、(b)は第2の例の平
面図である。
【図6】図4の半導体装置のフィレット形成状態を示す
断面図である。
【図7】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
10,25,30 半導体装置 11 樹脂基板 12 半導体チップ 13 リッド 14 補強枠 15,16,17 接着樹脂 18 ハンダバンプ 19 アンダーフィル樹脂 20,26,31 フィレット 20a 上角部 20b 下角部 21 ハンダボール 22 パッド 23 外部電極 32 樹脂供給ノズル H1,H2 チップ高さ L フィレット長さ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に、アンダーフィル樹脂を介して半
    導体チップがフリップチップ実装される半導体装置にお
    いて、 前記アンダーフィル樹脂の注入により前記半導体チップ
    の側端面に形成されるフィレットの長さが、前記基板の
    表面から前記半導体チップの裏面迄の距離よりも長いこ
    とを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】前記基板は、樹脂基板であることを特徴と
    する請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】前記基板と前記半導体チップは、ハンダバ
    ンプを介して接続され、前記半導体チップの裏面側に
    は、前記半導体チップを取り囲む補強枠の上面と共に接
    着樹脂で接着されたリッドを有することを特徴とする請
    求項2に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】前記アンダーフィル樹脂を、型を用いて硬
    化させ前記半導体チップを取り巻く壁状に一体成形した
    ことを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装
    置。
  5. 【請求項5】前記アンダーフィル樹脂の熱膨張係数を、
    前記基板の熱膨張係数と前記半導体チップの熱膨張係数
    の中間の値にしたことを特徴とする請求項2から4のい
    ずれかに記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】前記基板の前記半導体チップとの接続面部
    分から前記アンダーフィル樹脂を取り除き、前記半導体
    チップの周辺のみに前記フィレットを形成したことを特
    徴とする請求項2〜5のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 【請求項7】前記アンダーフィル樹脂を取り除いた部分
    に、低熱膨張係数のアンダーフィル樹脂を注入したこと
    を特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
  8. 【請求項8】基板上に、半導体チップをフリップチップ
    実装する工程と、 リフローを行い前記基板と前記半導体チップをバンプに
    より接続する工程と、 その後、前記基板と前記半導体チップとの間に、アンダ
    ーフィル樹脂の塗布により前記半導体チップ側面に形成
    されるフィレットの長さが、前記基板の表面から前記半
    導体チップの裏面迄の距離よりも長くなるように樹脂量
    を調整して、前記アンダーフィル樹脂を塗布する工程
    と、 塗布した前記アンダーフィル樹脂を硬化する工程とを有
    することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】前記アンダーフィル樹脂を塗布する工程に
    おいて、 前記フィレットを、前記基板の前記半導体チップとの接
    続面部分を除き前記半導体チップの周辺のみに形成する
    ことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方
    法。
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