JPH10163269A - 半導体加工用樹脂複合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】応力緩和に優れ、信頼性の高い、高密度表面実
装に適した半導体加工用樹脂複合体を提供する。 【解決手段】回路基板上に半導体素子を直接搭載するに
際し、柔軟性物質からなりかつその表面に導電性が付与
された樹脂複合体を用いて、半導体装置の組立加工を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体特に高密度
表面実装タイプの高集積半導体を加工するための樹脂複
合体に関するものである。さらに詳しくは、応力緩和性
の特性に加えて導電性という機能を更に有する、高密度
表面実装タイプの半導体を加工するための樹脂複合体に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エレクトロニクス産業は著しい発展を遂
げ、様々な電子機器が工場、オフィス或いは家庭に入り
込んできている。これらの電子機器は、小型で高性能し
かも低価格のものが強く求められている。

【０００３】これに対応するため、半導体素子の高集積
化やパッケージの軽薄短小化が進行してる。一方、基板
搭載方法が、半導体全面が半田溶融温度まで上昇する表
面実装へと移行している。該表面実装に於いて、半田付
け時に半導体素子に加わる応力は、非常に大きなものに
なる。更に、半導体を封止する樹脂組成物などに水分が
含まれていると、半田付けの際の高温のため水分が気化
し高い圧力を発生し、それが半導体装置の機能を不充分
なものとし更には半導体装置を破壊する原因にもなって
いる。こうした背景から、半導体装置の信頼性を飛躍的
に高める技術が強く要求されている。

【０００４】半導体装置に対する、小型で高性能しかも
低コストの要求に対応じて、半導体ベアチップを基板に
直接取り付ける、いわゆるフリップチップ・ボンデイン
グといわれる加工法がある。従来半導体装置の加工法の
主流であったワイヤーボンデイングに比較して、フリッ
プチップ・ボンデイングは製品即ち半導体装置を小型に
し得るという特徴を有している。しかし、高密度の実装
を行うには基板上の配線密度を高密度にする必要があ
る。この点、電極を面状に配置したＣＳＰ（チップ・サ
イズ・パッケージ）は、通常の配線密度でほぼ実装面積
をチップ単体とほぼ同等にできるメリットがある。

【０００５】半導体装置の組み立てに際し、加工時の応
力を吸収するためと半導体を外部からの衝撃等から保護
するため、一般的には樹脂封止が行われる。これは、半
導体チップと基板との加工時に於ける熱膨張の差によっ
て生じる応力を、樹脂で緩和させようとするものであ
る。現在、半導体装置の封止用樹脂として、エポキシ樹
脂組成物が主として使用されている。そして、樹脂組成
物に関しいろいろな発明がなされ、数多くの特許が出願
されている。

【０００６】しかし、半導体装置の小型化に当たって、
樹脂組成物の改良だけではもはや充分に対応できなくな
っている。即ち、樹脂組成物には互いに相反する要求を
満足させることが必要になってきている。例えば、応力
を緩和させるためには、シリコーンゴムが単品では効果
があるが、エポキシ樹脂と組み合わせて使用する場合に
は、シリコーンゴムとエポキシ樹脂との接着性が悪く、
結果的には接合欠陥が生じ、これが原因となって半導体
装置の性能不足や破壊をおこす。又、エラストマーにシ
リカなどの無機微粒子を混合する方法もあるが、この様
な無機微粒子をエラストマーに混合すると、エラストマ
ーの特性である弾性が失われ、結果的には半導体加工時
の応力を充分緩和させることができなくなる。更に、使
用する樹脂に弾性即ち柔軟性を要求するとともに機密
性、導電性、放熱性或いは脱気性を要求されるに至って
いる。これらの問題解決のため種々検討されているが、
未だに有効な手法は見つかっていないのが現状である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上説明してきたよう
に、小型で高性能しかも低コストの半導体装置を製造し
ようとすれば、互いに矛盾する要求を満たさなければな
らない。本発明は、こうした問題を解決する、小型で高
性能しかも低コストの半導体装置を組み立てるための、
応力を緩和する特性を有する柔軟性物質に導電性を付与
した樹脂複合体を提供しようとするものである。

【０００８】本発明者は、半導体装置製造に用いられる
樹脂封止材に求められる要求を満たすには、従来手法に
よる樹脂組成物の改良のみでは困難と判断し、応力緩和
に充分な性能を持つ柔軟性樹脂を使用しその表面に導電
性を付与することによって、従来なかった効果が実現で
きると考え、半導体装置加工時に於ける該樹脂複合体に
つき鋭意検討し本発明を完成させたのである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、回路基
板上に半導体素子を直接搭載するに際使用する樹脂複合
体であって、応力緩和性を有する柔軟性物質からなりか
つその表面に導電性を付与したことを特徴とする樹脂複
合体である。

【００１０】そして、柔軟性物質としては、エラストマ
ー、エラストマー粉末充填体、ゴム、有機繊維、並びに
有機繊維から得た織布、編地及び不織布等、からなる群
から選ばれる少なくとも一種を採用することができる。
又、導電性を付与する方法としては、金属コーテイン
グ、金属箔の張り付け、及び金属繊維布の張り付け等、
の方法から選択した少なくとも一種の方法で行うことが
できる。

【００１１】従来、応力緩和の方法として応力発生抑制
法、応力緩和法が採用されてきた。応力発生抑制法は、
流動性に優れる球状シリカを高充填し低熱膨張化を図る
手法であるが、球状シリカを使用すると界面剥離が生
じ、強度低下や水侵入腐食といった問題が生じ、又応力
緩和法は、柔軟性に優れるシリコーンを用い低弾性率化
を図る手法であるが、シリコーンは接着力が極めて弱い
ためエポキシ樹脂と接着しにくく、得られる半導体装置
は強度低下や水侵入腐食の問題を生じるものであった。

【００１２】本発明の樹脂複合体を使用すれば、無機物
或いは柔軟性を有する物質を混合することなく、単独で
使用することができる。従って、樹脂自身が有する固有
の柔軟性を損なうことなく、半導体装置の組立に使用す
ることができる。

【００１３】本発明に於いて使用する柔軟性物体とし
て、エラストマー、エラストマー粉末充填体、ゴム、有
機繊維、並びに有機繊維から得た織布、編地及び不織布
等、を挙げることができる。エラストマーとしては、シ
リコーン系エラストマー等の硬化型エラストマー、及
び、スチレン系エラストマー、塩化ビニール系エラスト
マー、オレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラ
ストマー、ポリアミド系エラストマー及びウレタン系エ
ラストマー等の熱可塑性型エラストマーの中から適宜選
択することができる。有機繊維としては、ポリエステル
系繊維、ポリアミド系繊維、ポリアラミド繊維、ポリオ
レフィン系繊維、アクリル系繊維、セルロース系繊維、
絹、及び羊毛等から適宜選択することができる。織布、
編地、不織布についても、上記有機繊維を製織、製編乃
至不織布に加工したものを使用することができる。ゴム
としては、天然ゴム、合成ゴムいずれも使用することが
できる。

【００１４】エラストマーは、架橋のないものでもよい
し、部分的に架橋のあるものでもよい。又、半導体チッ
プを基板に組み立てる際に、熱処理を行うのでこのとき
に同時にエラストマーを架橋させるようにしてもよい。
合成ゴムは当然のことながら、加硫即ち架橋されてい
る。長鎖の炭化水素基をその構成単位に含むエラストマ
ー、繊維及びゴムは、水分率が小さく低吸湿性であると
いう特徴を有する。

【００１５】有機繊維としては、中空繊維、細孔を有す
る繊維、更には細孔を有する中空繊維も使用することが
できる。中空繊維は、専用の紡糸ノズルを使用すること
によって得ることができる。細孔を有する繊維は、原料
中に不活性粒子を混合しておいて繊維形成後、該粒子を
溶剤等で抽出除去する方法、結晶性高分子を高配向に紡
糸し、更に配向させた後延伸し熱処理する方法でも製造
することができる。これらの繊維は、細孔或いは中空部
には空気が含まれているので、半導体チップ組立時の熱
応力を充分緩和する働きをすることができる。

【００１６】導電性を付与する方法としては、金属コー
テイング、金属箔の張り付け及び金属繊維布の張り付け
等の方法から選択された少なくとも一種の方法を使用す
ることができる。金属のコーテイング法としては、金属
蒸着、スパッタリング或いは金属メッキ等の方法で行う
ことができる。もっとも、これ等の方法に限るものでは
ない。金属箔や金属繊維布の張り付け方法は、接着剤等
で柔軟性を有する樹脂の表面に金属箔、金属繊維布を接
着せしめるのが、簡便な方法である。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の樹脂複合体を使用
した半導体装置の実施形態を具体的に説明する。その前
に、フリップチップ・ボンディング方式に於ける半導体
装置の一例を図２に示した。この場合、半導体チップ１
は、バンプ１０を介して回路基板２に固定されている。
バンプ１０は、半導体チップを基板に接着させるととも
に基板電極へ接続する役割を担っている。半導体装置の
実装時の熱応力を緩和するために、半導体チップを樹脂
層８で樹脂封止をしている。応力は、バンプ１０周辺が
もっとも大きく受ける。

【００１８】本発明の樹脂複合体を使用した半導体装置
の実施形態の一例を、図１に示した。回路基板２の基板
電極５と半導体チップ電極３との間に本発明の樹脂複合
体４が装着されている。樹脂複合体４は、シリコーンゴ
ムの表面に金をスパタッリングし、導電層６を設けたも
のである。樹脂複合体４は、通常使用されるバンプ１０
よりも大きくなっている。これは、半導体チップを基板
電極に接続するとともに半導体チップを基板に固定する
役目も担っている。更に、この樹脂複合体４は、それ自
身柔軟性を有する物質であるから、半導体装置実装時に
於ける熱応力を充分緩和することができるものである。
この実施形態の例は、樹脂複合体が従来のバンプの役目
を果たすと同時に封止用樹脂の役目をも果たすものとな
っている。樹脂複合体と電極との接着は、超音波加熱に
よりアルミニウムの電極３と樹脂複合体４表面の金とを
直接結合させてもよいし、接着剤を使用してもよいし、
更には半田を使用しても良い。又、全体を別途エポキシ
樹脂等で封止することは何ら差し支えない。

【００１９】本発明の樹脂複合体を使用した半導体装置
の実施例形態の他の一例を、図３に示した。回路基板２
の基板電極５と半導体チップ電極３との間に本発明の樹
脂複合体３２が装着されている。樹脂複合体３２は、シ
リコーンゴムからなる柔軟性物質で、その両端部分の表
面に銅箔を接着し導電性を付与したものである。銅箔を
接着せしめた導電層３１と、半導体チップ電極３及び基
板電極５と接合せしめる。これにより、樹脂複合体は半
導体チップ電極と基板電極とを接続するとともに、応力
緩和の役割も果たす。樹脂複合体と電極との接着は、半
田を使用しても良いし、接着剤を使用してもよい。又、
全体を別途エポキシ樹脂等で封止することは何ら差し支
えない。

【００２０】本発明の樹脂複合体を使用した半導体装置
の実施例形態の他の一例を、図４に示した。半導体チッ
プの上側には、半導体チップ電極４３が設けられてい
る。基板アース電極５０と半導体チップ１の下側との間
に本発明の樹脂複合体４２が装着されている。樹脂複合
体４２は、スチレン系エラストマーからなる柔軟性物質
で、その表面全面に亘って銅をメッキしその表面に導電
性を付与した導電層４１を有する。樹脂複合体上に銅メ
ッキした導電層４１は、半導体チップの下側及び基板ア
ース電極５０の間に装着せしめる。これにより、樹脂複
合体４２は半導体チップのアース用電極と基板アース電
極とを接続するとともに、応力緩和の役割も果たす。樹
脂複合体及び電極との接着は、半田を使用しても良い
し、接着剤を使用してもよい。又、全体を別途エポキシ
樹脂等で封止することは何ら差し支えない。

【００２１】図４の実施形態に於いて、樹脂複合体とし
てエラストマー粉末を袋に充填したエラストマー粉末充
填体を使用する例を説明する。半導体チップの上側に
は、配線用の電極即ち半導体チップ電極４３が設けられ
ている。基板アース電極５０と半導体チップ１との間に
本発明の樹脂複合体が装着される。樹脂複合体は、エラ
ストマー粉末充填体からなる柔軟性物質で、その表面全
面に亘って網状銅箔を接着固定しその表面に導電性を付
与した導電層を有する。網状銅箔部分の導電層は、半導
体チップの下側及び基板アース電極５０と接続せしめ
る。これにより、樹脂複合体は半導体チップのアース電
極と基板アース電極とを接続するとともに、応力緩和の
役割も果たす。

【００２２】前記エラストマー粉末充填体について説明
する。ポリエステル系エラストマーをフェノール系溶剤
又は弗素アルコール系溶剤に溶解せしめ、アルコール等
の非溶剤を用いることによりエラストマーを再沈させ、
粒径３０μｍ程度の粉末を得た。この粉末を、ポリイミ
ドフィルムよりなる袋に充填し密封した。このエラスト
マー充填体は、柔軟性を有し半導体装置加工時の応力緩
和を充分行うことができるものである。該エラストマー
充填体を包むポリイミドフィルムに、銅箔の貼り付け、
金の蒸着等により、その表面に導電性を付与する事がで
きる。

【００２３】又、エラストマー粉末として、市販のシリ
コーン系粉末を使用することができる。具体的には、東
レ・ダウコーニング・シリコーン社のトレフィルＥシリ
ーズ或いは信越化学工業社のＫＭＰシリーズの製品を上
記同様に使用することができる。

【００２４】図５は、本発明の樹脂複合体を使用する半
導体装置の他の実施形態の例を示すものである。１は半
導体チップであり、１０はバンプ、５は基板電極であ
る。この装置に於いて、回路基板７１は本発明の樹脂複
合体からなっている。即ち、シリコーン系エラストマー
の基板に銅箔を張り付け、エッチングを施したものであ
る。この実施形態に於いては、回路基板そのものがエラ
ストマーであるので。半導体チップ加工時の応力緩和
を、充分吸収することができる。

【００２５】

【実施例】次に、本発明を実施例に基づき説明する。

【実施例１】本実施例は、図１の実施形態に於いて、半
導体電極の部分即ち従来バンプを使用している部分に、
表面に導電性を付与した樹脂複合体を使用する例であ
る。信越化学工業社製二液型シリコーン系ゴム（品番Ｋ
Ｅ−１０９）から得たシリコーン系エラストマーの表面
に金をスパッタリングして、表面に導電性を有する樹脂
複合体を得た。得られた樹脂複合体の硬度は、ＪＩＳＡ
表示で２０であった。半導体チップのアルミニウム電極
３及び基板電極５と樹脂複合体４の表面の導電層６とを
超音波加熱により接合せしめた。こうして製作した半導
体装置を模擬テストにより、半導体装置としての性能を
評価した。発生クラック数は０／２０個で、良好な結果
であった。評価条件は下に示した通りである。 評価条件： １）性能評価サイズ 模擬チップのサイズ：外寸１０×１０×０．５mm、パッ
ド寸法：１００μｍ□ ２）回路基板：ＦＲ−４（利昌工業）、片面銅箔、部分
金メッキ ３）吸湿、半田テスト ＰＣＴ吸湿（１２５℃＊１００％＊２０ｈｒｓ）＋半田
浸食（２６０℃＊１０ｓｅｃ）の条件を５回繰り返し
た。評価結果は、クラック数として、処理後のクラック
発生数（＞５０μｍ）を検体２０個のうちクラックの発
生した数で表した。

【００２６】

【実施例２】本実施例は、図３の実施例形態に於いて半
導体チップの電極と基板電極との間に樹脂複合体を装着
したもので、その樹脂複合体の両端に導電性を付与した
例である。シェル・ジャパン社製スチレン系エラストマ
ー（品番Ｄ−１１０７）に銅をその両端にメッキして、
両端部表面に導電性を持たせた樹脂複合体を製作した。
樹脂複合体の硬度は、ＪＩＳＡ表示で３０であった。半
導体チップのアルミニウム電極３及び基板電極５と樹脂
複合体３２の表面の銅層即ち導電層３１とを半田で接合
せしめた。こうして製作した半導体装置を実施例１と同
様に模擬テストにより、半導体装置としての性能を評価
した。クラック発生数は０／２０で、良好な結果を得
た。

【００２７】

【実施例３】本実施例は、図４の実施例形態に於いて、
半導体チップの上側に電極が設けられており半導体チッ
プの下側がアース電極となっている例である。樹脂複合
体は、半導体チップの下側と基板電極の間に装着されて
いる。信越化学工業社製二液型シリコーン系ゴム（品番
ＫＥ−１０９）から得たシリコーン系エラストマーに金
をスパッタリングして、樹脂複合体を得た。樹脂複合体
の硬度は、ＪＩＳＡ表示で２０であった。半導体チップ
のアース電極及び基板アース電極５０樹脂複合体４２の
表面の導電層４１とを超音波加熱により接合せしめた。
こうして製作した半導体装置を実施例１と同様にして模
擬テストにより、半導体装置としての性能を評価した。
発生クラック数は０／２０で、良好な結果を得た。

【００２８】

【実施例４】図４の実施例形態に於いて、シェル・ジャ
パン社製スチレン系エラストマー（品番Ｄ−１１０７）
の表面を銅メッキして、表面に導電性を持たせた樹脂複
合体を使用した。樹脂複合体の硬度は、ＪＩＳＡ表示で
３０であった。半導体チップのアース側電極及び基板ア
ース電極５０と樹脂複合体４２の表面の導電層４１とを
半田により接合せしめた。こうして製作した半導体装置
を実施例１と同様にして模擬テストにより、半導体装置
としての性能を評価した。クラック発生数は０／２０個
で、良好な結果であった。

【００２９】

【比較例１】実施例１に於いて、樹脂に導電性を付与す
るために、信越化学工業社製二液型シリコーン系ゴム
（品番ＫＥ−１０９）に銀粉末を８０重量％添加し、ゴ
ムの硬化を試みた。硬化反応が阻害されゴムは硬化せ
ず、目的とする半導体装置を得ることができなかった。
導電性物質を単に、エラストマーに混合するだけでは、
効果がないことを示している。

【００３０】

【比較例２】実施例１に於いて、導電性を付与するため
に、樹脂としてシェル・ジャパン社製スチレン系エラス
トマー（品番Ｄ−１１０７）を使用し、これに銀粉末を
８０重量％添加した。一応銀粉末はエラストマー中に分
散させることは可能であったが、エラストマーの硬度は
ＪＩＳＡ表示で６０と高い数字となり、柔軟性が損なわ
れるものとなった。実施例１と同様に、半導体チップの
アルミニウム電極及び基板電極とエラストマーの表面と
を半田により接合せしめた。こうして製作した半導体装
置を実施例１と同様にして模擬テストにより、半導体装
置としての性能を評価した。クラック発生数は、１３／
２０個であった。これは、銀粉末を混入させたため、エ
ラストマーの硬度が高くなり、応力緩和の効果が充分発
揮されなかったためである。尚、このケースに於いては
導電性が不足し、回路としては機能しないものであっ
た。

【００３１】

【比較例３】実施例１に於いて、樹脂複合体の代わりに
導電性を有するエラストマー、信越化学工業社製導電性
シリコーンゴム（品番ＥＣ−Ａ）を使用した。このエラ
ストマーの硬度はＪＩＳＡ表示で７０と高い数字のもの
であり、柔軟性が低いものである。半導体チップ電極と
基板電極及びエラストマーを半田で接合した。こうして
製作した半導体装置を模擬テストにより実施例１と同様
にして、半導体装置としての性能を評価した。クラック
発生数は、１８／２０個で、性能の良くないものであっ
た。これは、シリコーンゴムの硬度が高いため、応力を
緩和する効果が小さいためである

【００３２】

【比較例４】図２は、通常のフリップチップ・ボンディ
ング方式に於ける半導体装置の一例である。半導体チッ
プは、バンプを介して半田で基板電極に固定されてお
り、全体がエポキシ樹脂で封止されている。この例に於
いて、同様に性能テストを行ったところ、クラック数は
２０／２０で、検体２０個全てにクラックが認められ
た。

【００３３】

【比較例５】実施例４に於いて樹脂複合体の代わりに、
シェル・ジャパン社製スチレン系エラストマー（品番Ｄ
−１１０７）に銀粉末を８０重量％混合したものを使用
した。エラストマーの硬度は、ＪＩＳＡ表示で６０であ
り、銀粉末を混合しないものに比較して高くなった。即
ち、柔軟性が大きく低下した。半導体チップのアース側
電極及び基板電極と樹脂複合体の表面とを半田で接合せ
しめた。こうして製作した半導体装置を模擬テストによ
り、実施例１と同様にして半導体装置としての性能を評
価した。クラック発生数は、１５／２０個であり、性能
は好ましいものではなかった。

【００３４】

【比較例６】実施例３に於いて、信越化学工業社製二液
型シリコーン系ゴム（品番ＫＥ−１０９）に金をスパッ
タしたものの代わりに、東芝ケミカル社製銀ペースト
（品番ＣＴ２１２Ｆ）を、半導体チップのアース側電極
及び基板電極との間に装着せしめた。こうして製作した
半導体装置を実施例１と同様にして模擬テストにより、
半導体装置としての性能を評価した。発生クラック数
は、２０／２０であり、検体全数にクラックが認められ
た。これは、半導体装置に柔軟性がなく熱応力を緩和す
ることが出来なかったためである。

【００３５】

【発明の効果】柔軟性物質の表面に導電性物を付与した
樹脂複合体を使用することにより、半導体装置組立時に
発生する応力を緩和することができる。そして、小型で
高性能しかも低コストの半導体装置を容易に組み立てる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】バンプ部分に樹脂複合体を使用する実施形態の
一例を示す図である

【図２】フリップチップ・ボンデイング方式の一例を示
す図である

【図３】樹脂複合体の両端部分に導電性を付与した実施
形態の一例を示す図である

【図４】樹脂複合体がアース電極に接合した実施形態の
一例を示す図である

【図５】基板に樹脂複合体を使用する実施形態の一例を
示す図である

【符号の説明】 １ 半導体チップ ２、７１ 回路基板 ３、４３ 半導体チップ電極 ４、３２、４２ 樹脂複合体 ５ 基板電極 ６、３１、４１ 導電層 ８ 樹脂層 １０ バンプ ５０ 基板アース電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回路基板上に半導体素子を直接搭載するに
   際し使用する樹脂複合体であって、柔軟性物体からなり
   かつその表面に導電性が付与されたことを特徴とする樹
   脂複合体。
2. 【請求項２】柔軟性物体が、エラストマー、エラストマ
   ー粉末充填体、ゴム、有機繊維、並びに有機繊維から得
   た織布、編地及び不織布等、からなる群から選ばれる少
   なくとも一種を主成分とすることを特徴とする請求項１
   記載の樹脂複合体。
3. 【請求項３】金属コーテイング、金属箔の張り付け、及
   び金属繊維布の張り付け等の方法から選ばれた少なくと
   も一種の方法で導電性を付与したことを特徴とする請求
   項１又は請求項２に記載の樹脂複合体。