JPH08330352A

JPH08330352A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH08330352A
Application number: JP7133699A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Suzuki; 勝彦鈴木; Katsunobu Suzuki; 克信鈴木
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1996-12-13
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: JP2699929B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ガラスエポキシ基板１にハンダによるフリップ
チップ接続し、チップパッドの内側を熱伝導性・熱可塑
性樹脂９で基板と接着する構造である。また、表に露出
したチップ裏面に金属又はガラスエポキシ基板のキャッ
プ７を熱伝導性・熱可塑性樹脂で接着し、このキャップ
７の周囲でも熱伝導性・熱可塑性樹脂９で接着封止す
る。【効果】低価格、低熱抵抗、温度サイクルに強い高信頼
のパッケージが実現出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、特に
樹脂回路基板を用いたフリップチップ型の半導体装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のフリップチップ構造の半導体装置
の第１例として、特開平４−２３４１３９号公報の「半
導体チップの基板への直接取り付け法」に記載された図
４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）の各断面図
を参照して、製造方法を説明する。まず図６（Ａ）で
は、半導体チップ２８の主表面上の各電極に、半田バン
プ又はポリイミドーシロキサン金の複合材バンプ２４が
形成され、別途挿入材１９が用意される。ここで、ポリ
マー挿入材１９の製造方法は、２００乃至２５０μｍ厚
のシリコンなどの熱可塑性誘電体エラストマー、熱可塑
性誘電体ポリマー、またはポリイミドとシロキサンなど
の共重合体、あるいはその他の様々なポリマー及び共重
合体のシートを用意し、このシートの片面には弱い接着
剤１６を塗布し、さらに保護シート１４で覆い、反対面
には逆に強い接着剤１５を塗布する。次に、このシート
に半導体チップ２８のパンプ２４の配列ピッチとバンプ
径にあわせて、打ち抜き又はレーザ照射により孔１３を
あける。この孔１３のあいた保護シート１４とポリマー
挿入材１９とを半導体チップ２８と同じ大きさにカット
し、（Ｂ）に示すように、シート面の強い接着剤１５の
塗布面をチップ面にあわせて接着する。この時、シート
にあけた孔１３は半導体チップ２８の半田バンプ４に嵌
合するように位置決めする。

【０００３】このシートの各孔１３内には、共重合ポリ
イミドーシロキサンなどの熱可塑性ポリマーに導電性微
細金属を混合して形成される複合ペースト３０が、スク
リーン印刷により生め込まれている。次に（Ｃ）に示す
様に、保護シート１４を剥離して、弱い接着層１６を露
出させる。（Ｄ）では、回路基板２３のペーストバンプ
に対してチップパッド上に塗布したペーストを位置決め
している状態である。次の（Ｅ）では、基板２３とチッ
プ２８とに圧力を加えて接合した状態である。

【０００４】次に従来のフリップチップ構造の半導体装
置の第２例として、特開平３−１２９４２号公報の「半
導体装置の封止方法および半導体チップ」に記載された
図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照して、説明する。ま
ず図５（Ａ）において、半導体ウエハ状態の半導体チッ
プ２８にレジストを塗布・露光・現像をしてチップ電極
２６の部分を開口させる。次に、半田メッキを施し半田
バンプ２４を電極２６上に形成する。その後、スピンコ
ートにより熱可塑性樹脂２９を塗布し、加熱仮硬化させ
る。この状態で、半導体ウエハをダイシシンし、半導体
チップ２８が用意される。この半導体チップ２８を回路
基板２３に接続する方法を説明する図５（Ｂ）におい
て、ホットプレート２１上に置かれた回路基板２３に、
ボンディングツール２０で吸着した前記半導体チップ２
８を対向させ、フリップチップボンダで半田バンプ２４
と基板電極２２とを位置合わせする。次に、図５（Ｃ）
に示すようにボンディングツール２０を下降させ、基板
電極２２にチップ電極２６を接触させ加圧する。ホット
プレート２１の温度は、半田４が溶融する温度まで上昇
させ溶融接続する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の第１例については、２００〜２５０μｍの厚さ
の熱可塑性ポリマーシートの孔１３に熱可塑性ポリイミ
ドーシロキサン／金の複合材が充填されており、また回
路基板２３の電極との電気的接続は、半導体チップ２８
のポリマー挿入材１９に付着されている弱い接着剤１６
によって圧接接続されているだけであるので、接触抵抗
が温度サイクル等によって経時変化する心配があり、接
続上の信頼性が低下する心配がある。

【０００６】またチップ２８の取り外しは、加熱しなが
らポリマーシートの基板２３との接着面から剥離は可能
と思われが、孔１３に充填した熱硬化性ポリイミドーシ
ロキサン／金の複合材の破壊状態面が、基板電極面から
均一に剥がれないとモジュールの再生が難しくなる。

【０００７】また、上述した従来の第２例については、
チップ電極２６に半田２４が付着されているが半田面を
含めてチップ全面に熱可塑性樹脂２９が塗布されてい
る。この構造では加熱接続する時に基板電極２２とチッ
プ電極（半田）２６との間に樹脂２９が挟み込まれて完
全な接続ができず接続されても接続抵抗にバラツキが生
じるという心配がある。

【０００８】さらに、上述した従来の第１，第２例共に
回路基板の適切な材料が記載されとらず、この材料に何
を選ぶかによって、電極接続部が温度サイクル等の熱応
力試験で破壊する恐れがある。この理由は、例えば基板
材料にガラスエポキシを使用するとこの熱膨脹係数が２
００×１０^-7、半導体チップが２４×１０^-7であり、基
板とチップの間隙に前述した樹脂またはポリマーシート
を挟んだ程度では、温度サイクル等の応力発生により電
極接続部の破壊発生があり、信頼性維持ができない。

【０００９】また、半導体チップの保護としては、樹脂
コーティングした程度のものであり、耐湿性の確保なら
び放熱性を改善した低熱抵抗の半導体装置の供給が望ま
れている。

【００１０】以上のような諸問題点に鑑み、本発明は次
の課題を揚げる。

【００１１】（１）半導体チップの主表面上の電極と回
路基板上の対向電極との電気的及び機械的接続状態を良
好にすること。

【００１２】（２）温度サイクル等によって、接続部分
の接触抵抗が増大したり、接合力が低下したりしないよ
うにすること。

【００１３】（３）半導体チップの取り外し及び再度の
接続が容易に行えるようにすること。

【００１４】（４）接続部分によって、接続抵抗にバラ
ツキが生じず、一様に接続されること。

【００１５】（５）温度サイクル等の熱応力試験で、接
続部分が破壊されないようにすること。

【００１６】（６）耐湿性を確保し、放熱性も改善する
こと。

【００１７】（７）低熱抵抗の構造とすること。

【００１８】（８）熱膨脹差の大きな材料を用いても、
バンプ接続部分が破壊されないようにすること。

【００１９】（９）接続部分の信頼性を向上し、もって
半導体装置としての信頼性を高めること。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の半導体装
置の構成は、絶縁性基板の裏面に凹状のキャビティを形
成し、前記キャビティの周囲の前記裏面に外部バンプ又
は外部リードピンを形成し、前記キャビティの底面と半
導体チップの主表面とが第１の樹脂で固着され、前記外
部バンプ又は外部リードピンと電気的に接続されかつ前
記キャビティの底面に形成された内部バンプと前記半導
体チップの電極とが半田接続され、前記半導体チップの
裏面とキャップとが第２の樹脂で固着され、前記キャッ
プと前記キャビティとが第３の樹脂で固着されているこ
とを特徴とする。

【００２１】特に前記キャビティの底面が、放熱メタル
となっていることを特徴とし、さらに前記放熱メタルと
前記キャップとが同一材料からなることを特徴とする。

【００２２】また特に前記キャビティの底面に多数の放
熱ビアが形成されていることを特徴とする。

【００２３】本発明の第２の半導体装置の構成は、絶縁
性基板の主表面に内部バンプを形成し、前記基板の裏面
に、前記内部バンプと電気的に接続された外部バンプ又
は外部リードピンを形成し、キャップの裏面に凹状のキ
ャビティを形成し、前記キャビティの底面と半導体チッ
プの裏面とが第１の樹脂で固着され、前記半導体チップ
の主表面の電極と前記内部バンプとが半田接続され、前
記半導体チップの主表面と前記基板とが第２の樹脂で固
着され、前記キャップのキャビティの周端と前記基板と
が第３の樹脂で固着されていることを特徴とする。

【００２４】前記第１又は第２の構成の半導体装置にお
いて、特に前記第１，第２，第３の樹脂が共通した熱可
塑性樹脂であることを特徴とし、またキャップの素材と
して、銅又はアルミニウムあるいはガラスエポキシ樹脂
が使用されていることも特徴とする。

【００２５】

【実施例】本発明の第１の実施例を示す図１の断面図を
参照すると、この実施例のカラスエポキシ基板１の構造
は、基板の裏面の略中央にチップ搭載部２となる凹状の
キャビティを設け、このキャビティの周辺には、他の回
路基板１と接続するための半田バンプ４が多数設けらて
いる。この半田バンプ４の代わりに、後述する図３のリ
ードピン５を設けても良い。ＬＳＩの半導体チップ８の
搭載部２のキャビティ底面には、このチップ８の電極に
各々対向する内部の半田バンプ３が設けられている。キ
ャビティの内部バンプ３は、基板１の裏面の半田バンプ
４と、電気的に各々接続されるように、基板１の内部に
は配線パターンがあり、ホールを介して外部バンプ４ま
で導出されている。

【００２６】キャップ７は、基板１と同じ材料であるガ
ラスエポキシ基板を用いる。熱可塑性樹脂接着剤９とし
て商品名「スティスティックス」を、このキャップ７の
上面に接着する。チップ８の主表面のうち周辺電極を除
いた内面に、シート状の同じ接着剤９を接着しておく。
また、キャップ７の周辺にも同じ接着剤を塗布してお
く。次の工程で、前記ガラスエポキシ基板１の半田バン
プ３と半導体チップ８の電極とをフリップチップボンダ
により位置合わせした後、窒素雰囲気中で半田を加熱溶
融し、さらに、上記接着剤９をすべて軟化させ接着す
る。この作業により、チップ８の電極と基板１のバンプ
３が接続され、基板１の面とチップ８は熱伝導接着剤で
接着され、キャップ７の周辺は、基板１のキャビティの
内側面で封止されている。前記ガラスエポキシ基板１の
チップ接続部は、多数の放熱ビア１１が設けられてい
る。この放熱ビア１１は、０．２乃至０．３ｍｍφのド
リル穴にＣｕメッキをしたものである。

【００２７】まず、この放熱ビア全面に、７５乃至１２
５μｍ厚のシート状で熱伝導性が良好な可塑性樹脂の接
着剤９を仮接着し、次にチップ８を接着し、次にキャッ
プ７の中央にシート状熱伝導性熱可塑性樹脂接着剤９を
仮接着しておく。このキャップ７を、前記半導体チップ
８の裏面から被せるように、回路基板３の周辺とキャッ
プ７周辺を上述した通り、位置決めしながら加熱接着す
る。チップ８と基板１との間隙の樹脂９により、温度サ
イクル時に発生する応力を半減する構造である。このよ
うにして、第１の実施例の半導体装置が完成する。この
キャップ７は、チップ８の裏面とキャップ７周辺とに同
一の接着材料で接着され、気密封止が保たれ、バンプ接
続部の熱応力の緩和にも寄与している。尚、半導体チッ
プの電極レイアウトは、４辺に配置した単列又は千鳥状
の複数列とする。

【００２８】本発明の第２実施例を示す図２の断面図を
参照すると、この実施例は、上述した第１の実施例との
違いについてのみ説明する。この実施例のガラスエポキ
シ基板１のキャビティに、放熱ビア１１の代わりとし
て、放熱メタル１２が用いられ、基板１を貫通して取付
けている。またキャップ７も、放熱メタル１２と熱膨脹
係数が同じ素材か又は極めて近い材料がよい。例えばこ
の材料としては、銅（熱膨脹係数１６０乃至１７０×１
０^-7、熱伝導率４０３Ｗ／Ｍ／Ｋ）、またはアルミニウ
ム（熱膨脹係数２０３×１０^-7、熱伝導率２３６Ｗ／Ｍ
／Ｋ）が好ましい。この材料組み合わせにおいても、製
造方法は第１の実施例と同じである。

【００２９】この構造の熱放散は、放熱メタル１２側と
半導体チップ８裏面側とに分散されるので、極めて低熱
抵抗が可能であり、大出力のパワートランジスタが使用
できる。例えば、充分なる大きさの外付けヒートシンク
（図示せず）を取り付けたと仮定すると、１〜２℃／Ｗ
の低熱抵抗のパッケージの実現も可能である。また、半
田バンプ３の接続部の熱応力による破壊はなく、放熱メ
タル１２とキャップ７との熱膨脹係数が近いので、加熱
・収縮による膨脹は両面で同様の膨脹・伸縮を行う。こ
の結果、半田バンプ３の剪断応力を最小限にする事が出
来る。

【００３０】本発明の第３の実施例は、上述した第２の
実施例で示した図２と構造及び製造方法上は共通してい
るが、第２の実施例と相違する点は、キャップ７の材質
としてガラスエポキシ基板を用いている事である。半田
バンプ３の熱応力による破壊は、第１，第２の実施例と
同様な原理により、応力を最小限に抑える効果がある。

【００３１】本発明の第４の実施例は、第１の実施例の
構造及び製造方法と共通するが、この実施例のキャップ
７の材質が、ガラスエポキシではなく、銅またはアルミ
ニウムを用いている。ガラスエポキシ基板１等は、第１
の実施例と共通している。

【００３２】本発明の第５の実施例を示す図３を参照す
ると、この実施例は、半導体チップがフェースダウン構
造となっており、上述した第１乃至大４の実施例のフェ
ースアップ構造と相違している。

【００３３】この実施例は、リードピン５が使用されて
いるが、この他に図１の如く球状あるいは半球状のバン
プであってよい。キャップ６の略中央部には、凹状のキ
ャビティが形成され、第１の実施例の樹脂９と共通した
樹脂が、半導体チップ８の裏面とキャビティとの間及び
半導体チップ８の主表面と基板１との間に、使用され
る。

【００３４】キャップ６は、基板１の方形平面と共通し
た寸法を有し、この材料として銅またはアルミニウム等
の金属を用い、放熱性を改善している。このキャップ６
は、ガラスエポキシ樹脂であってもよい。基板１等の材
料は、上述した第１の実施例と共通する。

【００３５】以上の通り、本発明の各実施例によれば、
半導体チップ８は、両面から特に同一材料で挟まれてお
り、温度サイクルの熱膨脹・収縮に対して、チップ８が
基板１に追従するため、バンプ接続部の応力の緩和に寄
与する。また発熱部から直接基板とキャップとに伝達さ
れるので、熱抵抗が低く、放熱効果が高い。また、使用
した熱可塑性樹脂９は、エポキシ樹脂よりも水分の透過
性が少ないので、耐湿性が向上する。また、リペア性
は、接着作業温度よりも若干高くして引き剥がすことに
より、簡単に剥離することができるため、著しく向上す
る。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体チップと膨脹係数が大幅に異なる材料をバンプ接
続した時に、熱膨脹差によりバンプ接続部の破壊を防止
する効果と、大発熱量の半導体チップからの放熱を効率
的に行い低熱抵抗で高信頼性の半導体装置を供給する効
果が得られ、さらに基板にベアチップ実装する上でバン
プの破壊がなく、温度サイクルの耐性が向上し、チップ
表面からの放熱性も向上し、１０℃／Ｗ以下の耐湿性も
向上し、セラミックパッケージに近い耐湿性を有する等
の効果が得られ、上述した各課題がことごとく達成され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１，第４の実施例の半導体装置を示
す断面図である。

【図２】本発明の第２，第３の実施例の半導体装置を示
す断面図である。

【図３】本発明の第５の実施例を示す断面図である。

【図４】（Ａ）乃至（Ｅ）は従来の第１例の半導体装置
の製造方法を工程順に示す断面図である。

【図５】（Ａ）乃至（Ｃ）は従来の第２例の半導体装置
の製造方法を工程順に示す断面図である。

【符号の説明】

１配線基板２チップ搭載部３，４，２４半田バンプ５リードピン６，７キャップ８，２８半導体チップ９，２９熱可塑性樹脂１１放熱ビア１２放熱メタル１３孔１４保護シート１５，１６接着剤１９ポリマー挿入剤２０ボンディングツール２２基板電極２１ホットプレート２３回路基板２６チップ電極３０複合ペースト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板の裏面に凹状のキャビティを
形成し、前記キャビティの周囲の前記裏面に外部バンプ
又は外部リードピンを形成し、前記キャビティの底面と
半導体チップの主表面とが第１の樹脂で固着され、前記
外部バンプ又は外部リードピンと電気的に接続されかつ
前記キャビティの底面に形成された内部バンプと前記半
導体チップの電極とが半田接続され、前記半導体チップ
の裏面とキャップとが第２の樹脂で固着され、前記キャ
ップと前記キャビティとが第３の樹脂で固着されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記キャビティの底面が、放熱メタルと
なっている請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】前記放熱メタルと前記キャップとが同一
材料からなる請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】前記キャビティの底面に、多数の放熱ビ
アが形成されている請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】絶縁性基板の主表面に内部バンプを形成
し、前記基板の裏面に、前記内部バンプと電気的に接続
された外部バンプ又は外部リードピンを形成し、キャッ
プの裏面に凹状のキャビティを形成し、前記キャビティ
の底面と半導体チップの裏面とが第１の樹脂で固着さ
れ、前記半導体チップの主表面の電極と前記内部バンプ
とが半田接続され、前記半導体チップの主表面と前記基
板とが第２の樹脂で固着され、前記キャップのキャビテ
ィの周端と前記基板とが第３の樹脂で固着されているこ
とを特徴とする半導体装置。
【請求項６】前記第１，第２，第３の樹脂は共通した
熱可塑性樹脂である請求項１又は５記載の半導体装置。
【請求項７】前記キャップの素材として、銅又はアル
ミニウムあるいはガラスエポキシ樹脂が使用されている
請求項１又は５記載の半導体装置。