JPH10313022A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体チップが回路配線基板にフリップチッ
プ実装された構造において、信頼性の高い半導体チップ
の実装構造を実現する。 【解決手段】 回路配線基板と半導体素子との間隙に樹
脂が充填されたフリップチップ実装構造の半導体装置に
おいて、前記樹脂を、バンプ電極の周辺部の柔らかい第
１の樹脂と、それ以外の部分の硬い第２の樹脂とを含む
少なくとも２種類以上の樹脂から構成することにより、
バンプ電極の横方向の広がり変形と樹脂のバンプ電極周
辺部での応力を低減し、信頼性の高い半導体チップの実
装構造を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に係わ
り、特にバンプ電極部分の接続信頼性を高くするため
に、半導体素子と回路配線基板との間隙部分に樹脂を封
入したフリップチップ構造を有する半導体装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体チップを回路配線基板上に高密度
に実装し、かつ多数の入出力電極を有する半導体チップ
に対しても実装外形が大型化することなしに回路配線基
板上に実装可能な方法として、半導体チップの能動素子
形成面と回路配線基板とを向かい合わせて、バンプ電極
を用いてこれらを接続するフリップチップ実装方式が効
果的である。ところが、例えば”Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ηａｎｄｂｏｏｋ
（Ｖａｎ Ｎｏｓｔｒａｎｄ Ｒｅｉｎｈｏｌｄ，１９
８９）”に有るように、フリップチップ実装に於いては
半導体チップと回路配線基板との熱膨張の差による相対
変形がバンプ電極接続部に大きな剪断歪を生じさせるた
め、半導体チップ熱膨張係数と基板材料の熱膨張係数が
大きく異なる場合には、バンプ電極による接続信頼性が
低下するという欠点があった。特にガラスエポキシ基板
やＢＴレジン基板等の樹脂基板に半導体チップをフリッ
プチップ接続する場合には、樹脂基板の熱膨張係数が半
導体チップの４倍から６倍程度と大きいために接続信頼
性が低下してしまうという問題がある。

【０００３】これに対して、例えば、特開平４−２１９
９４４では接続信頼性を向上させるための接続構造が提
案されている。これは半導体チップが半田バンプを介し
て樹脂基板上にフリップチップ接続されされた構造にお
いて、半導体チップと樹脂基板との間隙に樹脂を封入す
ることにより、半導体チップと樹脂基板とを樹脂によっ
て固定するものである。これによって半導体チップと回
路配線基板の熱膨張差がある程度吸収され、バンプ電極
に生ずる剪断歪が減少して接続信頼性が向上する。

【０００４】ところが、上述の例のように半導体チップ
と回路配線基板との間隙を樹脂で封止する場合には、一
般に樹脂の熱膨張係数を小さくしてバンプ材料の熱膨張
係数に近づけるために充填剤が混合されるが、フリップ
チップ実装で用いるための樹脂は、半導体チップと回路
基板との間の狭い間隙に注入するため低粘度であること
が必要である。充填剤の含有率を増加させると樹脂粘度
が上昇することから、フリップチップ用封止樹脂では充
填剤の含有率が制限されるため、熱膨張率を充分に下げ
ることが困難である。したがって樹脂とバンプ電極の熱
膨張係数の不整合により例えば図１２中の矢印に示すよ
うに、バンプ電極に横に広がる変形が生じて信頼性が低
下するという問題があった。

【０００５】また、“フリップチップ実装の高信頼化に
及ぼす樹脂補強効果（曽我 他、電子情報通信学会論文
誌Ｃ−２ ｖｏｌ．Ｊ−７３−Ｃ−２ ｎｏ．９，ｐｐ
５１６−５２４、１９９０）”に示されるように、バン
プ電極周辺部の樹脂に応力が集中してバンプ周辺部の樹
脂が破断し、信頼性が低下するという問題もあった。こ
れに対して、例えば、特開平５−２８３４５５では樹脂
中に柔軟剤を添加することにより樹脂に柔軟性をもたせ
て破断を防ぐ方法が提案されている。柔軟剤を添加する
ことにより樹脂のヤング率が低下して樹脂中に発生する
応力が低減され、樹脂の破断を防ぐことが出来る。とこ
ろが、“フリップチップ実装の高信頼化に及ぼす樹脂補
強効果（曽我 他、電子情報通信学会論文誌Ｃ−２ ｖ
ｏｌ．Ｊ−７３−Ｃ−２ ｎｏ．９，ｐｐ５１６−５２
４、１９９０）”に示されるように、バンプ電極に生ず
る歪を減少させるためには樹脂にはヤング率が数ＧＰａ
程度の硬さが必要であるため、柔軟剤を添加によるヤン
グ率の低下に伴ってバンプ電極に生ずる剪断歪が増加し
てしまい、バンプ電極の接続信頼性が低下するという問
題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上に述べたように、
半導体チップと回路配線基板との間隙を樹脂で封止する
場合には、樹脂とバンプ電極の熱膨張係数の不整合によ
りバンプ電極に横に広がる変形が生じて信頼性が低下す
るという問題と、樹脂のバンプ電極周辺部に応力が集中
してバンプ周辺部の樹脂が破断し、信頼性が低下すると
いう問題があった。また、樹脂中に柔軟剤を添加するこ
とにより樹脂に柔軟性をもたせて樹脂の破断を防ぐ方法
では、樹脂のヤング率の低下に伴いバンプ電極に生ずる
剪断歪が増加してバンプ電極の接続信頼性が低下すると
いう問題があった。本発明は半導体チップが回路配線基
板にフリップチップ実装された構造において、信頼性の
高い半導体チップの実装構造を実現することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明の半導体装置は以下のような構成を有す
るものである。

【０００８】本発明の半導体装置は、第１の面に接続端
子を有する半導体素子と、前記半導体素子の第１の面と
所定の間隙を保持して対向配置され、前記半導体素子の
接続端子と対応する位置に形成された接続電極を有する
回路基板と、前記半導体素子の接続端子と前記回路基板
の接続電極とを接続する導電性バンプと、前記半導体素
子と前記回路基板との間隙の少なくとも前記バンプの周
囲の第１の領域を封止するように形成された第１の樹脂
層と、前記半導体素子と前記回路基板との間隙の、前記
第１の領域以外の第２の領域を封止するように形成され
た前記第１の樹脂層よりも硬い第２の樹脂層とを具備し
たことを特徴とする。

【０００９】前記第１の樹脂層のヤング率は約２ＧＰａ
より小さく設定するようにしてもよい。

【００１０】すなわち本発明の半導体装置は、所定の間
隙を保持して対向配置された半導体素子の接続端子と回
路基板の接続電極とを接続する導体バンプと、前記半導
体素子と前記回路基板との位置関係を固定するとともに
前記導体バンプに印加される応力が緩和されるように、
前記半導体素子と前記回路基板との間隙を封止する封止
部材とを具備したものである。

【００１１】このような本発明の半導体装置のより具体
的な構成としては、回路配線基板と、前記回路配線基板
上にバンプ電極により実装された半導体素子とを具備
し、前記回路配線基板と半導体素子との間隙に樹脂が充
填された半導体装置であって、バンプ電極の周辺部の第
１の領域は第１の樹脂を充填し、それ以外の第２の領域
には第２の樹脂を充填し、前記第１の樹脂のヤング率を
２ＧＰａ以下に設定し、第２の樹脂のヤング率を４ＧＰ
ａ以上に設定するようにしてもよい。

【００１２】第１の樹脂を充填する第１の領域は、バン
プ電極１個ごとに分離していてもよいし、列設された複
数のバンプを封止するように連続していてもよい。つま
り、少なくともバンプにより半導体素子と配線回路基板
とが接続された部分（第１の領域）には、第１の樹脂を
充填するようにすればよい。第１の樹脂を形成する第１
の領域は、前記第１の樹脂層と前記半導体素子の第１の
面とが対向する領域が前記半導体素子の前記第１の面の
面積の約６０％よりも小さくなるように設定することが
好適である。また前記第１の樹脂層の厚さは好ましくは
約３０μｍ〜約１５０μｍの範囲に、より好ましくは約
５０μｍ〜約１２０μｍに設定することが好ましい。

【００１３】さらに前記第１の樹脂及び第２の樹脂は、
硬化温度におけるゲルタイムが１２０秒以下の熱硬化性
樹脂を用いるようにしてもよい。

【００１４】このように本発明の半導体装置は、回路配
線基板と半導体素子との間隙に樹脂が充填されたフリッ
プチップ実装構造の半導体装置において、ヤング率の異
なる複数の樹脂を用いて半導体素子と配線回路基板との
間隙を封止することにより、半導体素子と回路基板とを
強固に固定するとともに、バンプ電極にかかる応力を緩
和しているから、接続の信頼性が向上する。例えばバン
プ電極の周辺部の第１の領域を、ヤング率が約２ＧＰａ
以下と柔らかい第１の樹脂で封止し、それ以外の第２の
領域をヤング率が４ＧＰａ以上と第１の樹脂よりも硬い
第２の樹脂により封止することにより、バンプ電極の横
方向の広がり変形と樹脂のバンプ電極周辺部での応力を
低減し、信頼性の高い半導体チップの実装構造が実現さ
れる。前述のように、第１の樹脂層の厚さは好ましくは
約３０μｍ〜約１５０μｍの範囲に、より好ましくは約
５０μｍ〜約１２０μｍに設定するようにすればよい。

【００１５】バンプ電極の周辺部にヤング率が２ＧＰａ
以下の柔らかい第１の樹脂を配置することにより、バン
プ電極周辺の樹脂が容易に変形しバンプ電極に生ずる応
力が減少するため、バンプ電極の横方向の広がり変形が
低減する。また、樹脂に生ずる応力は樹脂のヤング率に
比例するため、樹脂のバンプ電極周辺部での応力も低減
する。さらに、バンプ電極の周辺部の第１の樹脂層の半
導体素子上への投影面積を、半導体素子の第１の面の面
積の約６０％以下に設定し、あるいは、第１の樹脂層の
厚さを約３０μｍ〜約１５０μｍの範囲に設定し、か
つ、回路配線基板と半導体素子との間隙のバンプ電極周
辺以外の部分がヤング率が４ＧＰａ以上の硬い第２の樹
脂で充填することにより、半導体チップと樹脂基板が樹
脂によって充分強固に固定され、半導体チップと回路配
線基板の熱膨張差が吸収される。このため、バンプ電極
に生ずる剪断歪が減少してバンプ電極の接続信頼性が向
上する。

【００１６】第１の樹脂としては、硬化した状態の樹脂
のみならず、例えばセミキュア状態の樹脂や、液状の樹
脂、油状物質を用いることもできる。またグリース、ポ
リオルガノシロキサンなどを用いることもできる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の半導体装置につい
てさらに詳細に説明する。

【００１８】（実施形態１）図１は本発明の半導体装置
の構造の例を概略的に示す断面図である。この半導体装
置は、シリコン基板上に微細な回路を作り込んだ半導体
チップ１１と、絶縁層にガラスエポキシを用いた回路配
線基板１２上の接続電極１４とが、錫と鉛の比率が約６
対４からなるバンプ電極１３によって接続されている。
そして、半導体チップ１１と回路配線基板１２との間隙
は、絶縁性樹脂層によって封止されているが、半導体チ
ップ１１と回路配線基板１２との間隙のバンプ電極周辺
の第１の領域２１は第１の樹脂３１によって封止されて
おり、間隙のバンプ電極１３の周囲以外の第２の領域２
２は、第１の樹脂３１より硬い第２の樹脂３２で封止さ
れている。図２は、第１の樹脂層と第２の樹脂層との分
布の例を説明するための図であり、図１に例示した本発
明の半導体装置を上から透視して示している。この例で
は第１の樹脂により封止されている第１の領域２１の範
囲はバンプ電極１３の表面から約３０μｍないし１５０
μｍの部分である。なお、第１の領域２１と第２の領域
２２との間に、両者の遷移的領域として第３の領域を備
えるようにしてもよい。

【００１９】ここで半導体チップ１１の寸法は１０．２
ｍｍ×１０．１２ｍｍである。回路配線基板１２上に形
成された接続電極１４としては例えば銅や、銅／ニッケ
ル／金を順次積層したものを用いることができる。バン
プ電極１３の高さは約４０〜８０μｍである。また、バ
ンプ電極１３は、半導体チップの主面の４辺に沿って、
２５０μｍのピッチで１列ずつ配置されており、バンプ
数は１チップ当り１４４個である。

【００２０】第１の樹脂３１は、無水フタル酸とポリエ
チレングリコールとポリプロピレングリコールとジプチ
ルフタレートとからなる可撓性付与剤と、ビスフェノー
ル系エポキシ、イミダゾール硬化触媒、酸無水物硬化剤
および球状の石英フィラーを重量比で約４０パーセント
含有するものであり、石英フィラーの粒径は平均値が約
２μｍ〜約１０μｍ、最大値が約１５μｍ〜約２５μｍ
である。第１の樹脂は熱膨張係数が約３０×１０^-6／
℃、室温でのヤング率が約０．４０ＧＰａ〜１．８ＧＰ
ａ程度である。上述のように、第１の樹脂３１は、必ず
しも硬化した樹脂で形成する必要はなく、各種グリース
あるいはシリコーンなどの液状樹脂、油状物質、または
セミキュア状態の樹脂を用いるようにしてもよい。

【００２１】第２の樹脂３２はビスフェノール系エポキ
シとイミダゾール硬化触媒、酸無水物硬化剤および球状
の石英フィラーを重量比で約４０パーセント含有するも
のであり、石英フィラーの粒径は平均値が約２μｍ〜１
０μｍ程度、最大値が約１５μｍ〜２５μｍ程度であ
り、熱膨張係数が約３０×１０^-6／℃、室温でのヤング
率が約６ＧＰａ〜９ＧＰａ程度である。

【００２２】このような構成を採用することにより、本
発明の半導体装置においては、半導体素子１１と回路配
線基板１２とは、第２の樹脂３２により強固に固定され
ており、一方、バンプ電極１３の周囲の第１の領域は、
第２の樹脂３２よりも柔らかい第２の樹脂３１により封
止されることになる。つまり、バンプ電極１３の周辺部
にヤング率が２ＧＰａ以下の柔らかい第１の樹脂３１が
配置されており、バンプ電極１３の周辺の封止樹脂層は
容易に変形し、バンプ電極１３に生ずる応力が減少す
る。このため、バンプ電極１３の横方向の広がり変形を
低減することができる。また、樹脂に生ずる応力は樹脂
のヤング率に比例するため、第１の樹脂３１により封止
されたバンプ電極周辺部の第１の領域での応力を緩和す
ることができる。さらに、回路配線基板１２と半導体素
子１１との間隙の第２の領域は例えばヤング率が４ＧＰ
ａ以上と第１の樹脂３１よりも硬い第２の樹脂３２が充
填されている。このため、半導体チップ１１と樹脂基板
１２とは、第２の樹脂３２によって充分強固に固定さ
れ、半導体チップ１１と回路配線基板１２の熱膨張差が
吸収されるため、バンプ電極１３に生ずる剪断歪を減少
することができる。したがってバンプ電極１３による接
続の信頼性を向上することができる。

【００２３】なお、図２では、第１の領域２１が、バン
プ電極１３ごとに分離して形成された形態を例示した
が、本発明の半導体装置はこのような形態に限定される
ことはない。図３は第１の樹脂層と第２の樹脂層との分
布の別の例を説明するための図である。このように、列
設された複数のバンプ電極１３を覆うよう第１の領域２
１を連続して形成しても、上述同様の効果を得ることが
できる。

【００２４】なお、本発明の半導体装置に用いることが
できる回路配線基板１３はガラスエポキシ基板に限定さ
れるものではなく、例えばアラミドエポキシ・ＢＴレジ
ン・ポリフェニルエーテル等の樹脂基板でも良いし、ア
ルミナ・窒化アルミニウム・サファイア・ムライト等の
セラミック基板またはガラス基板を用いるようにしても
よい。また、配線回路を形成する導体層についても、
銅、金、アルミニウム、ニッケルをはじめとして各種金
属材料または導電性樹脂材料を用いることができる。さ
らに回路配線基板は単層基板でも多層基板でもよい。

【００２５】第１の樹脂に用いられる可撓性付与剤とし
ては、上述以外にも例えばポリアゼライン酸無水物と無
水フタル酸からなるものを用いるようにしてもよいし、
コールタール、グリセリン、ポリエチレングリコール、
ポリプロビレングリコール、高級脂肪酸、芳香族カルボ
ン酸エステルおよびこれらの混合物を用いるようにして
もよい。

【００２６】（実施形態２）図４は本発明の半導体装置
の構造の別の例を概略的に示す断面図である。この半導
体装置も図１の例と同様の構成を有しており、シリコン
基板上に微細な回路を作り込んだ半導体チップ１１と、
絶縁層にガラスエポキシを用いた回路配線基板１２上の
接続電極１４とがバンプ電極１３によって接続されたも
のである。

【００２７】そして、図４に示した本発明の半導体装置
は、第１の領域２１と第２の領域２２との間に、両者の
遷移的領域として第３の領域２３を備えたものである。

【００２８】図５及び図６は、第１の樹脂層３１、第２
の樹脂層３２及び第３の樹脂層３６の分布の例を説明す
るための図であり、図４に例示した本発明の半導体装置
を上から透視して示した図である。図５の例では、第１
の樹脂層３１はバンプ電極１３ごとに分離して形成され
ているが、図６の例では列設された複数のバンプ電極１
３を覆うように第１の領域２１を連続して形成してい
る。

【００２９】すなわち、半導体チップ１１と回路配線基
板１２との間隙は、絶縁性樹脂層によって封止されてお
り、半導体チップ１１と回路配線基板１２との間隙のバ
ンプ電極周辺の第１の領域２１は第１の樹脂３１によっ
て封止されており、間隙のバンプ電極１３の周囲以外の
第２の領域２２は、第１の樹脂３１より硬い第２の樹脂
３２で封止されており、さらに、第１の樹脂３１と第２
の樹脂３２との境界部の第３の領域３３には厚さｄが約
１０μｍないし３０μｍの第３の樹脂３６が形成されて
いる。第３の樹脂３６は、第１の樹脂３１と第２の樹脂
３２との混合物から構成されており、その室温でのヤン
グ率は約０．４ＧＰａ〜９ＧＰａ程度であり、これは第
１の樹脂３１と第２の樹脂３２の中間的な値である。こ
の第３の樹脂層３６は、第１の樹脂層３１と第２の樹脂
層３２との緩衝層としての役割を果たす。つまり、第３
の樹脂層３６のヤング率は、第１の樹脂層３１のヤング
率と第２の樹脂層３２のヤング率との中間的な値であ
り、第３の樹脂層により物性値の変化がよりなだらかな
ものとなって、例えば第１の樹脂層３１と第２の樹脂層
３２との界面にかかる応力を緩和することができる。し
たがって、バンプ電極１３による半導体素子１１と回路
配線基板１２の接続信頼性をさらに向上することができ
る。

【００３０】（実施形態３）図１３は本発明の半導体装
置の構造の別の例を概略的に示す断面図である。この半
導体装置も図１の例と同様の構成を有しており、シリコ
ン基板上に微細な回路を作り込んだ半導体チップ１１
と、絶縁層にガラスエポキシを用いた回路配線基板１２
上の接続電極１４とがバンプ電極１３によって接続され
たものである。

【００３１】図１４は第１の樹脂層と第２の樹脂層との
分布の様子を説明するための図であり、図１３に例示し
た本発明の半導体装置を半導体チップ１１側から透視し
て見た図である。

【００３２】図１３の半導体装置では、７２９個のバン
プ電極１３が半導体チップ１１の主面の全面にわたって
３５０μｍピッチで２７列×２７列のアレイ状に配設さ
れている。半導体チップ１１と回路配線基板１２との対
向面は、バンプ電極１３の周辺の第１の領域２１とこれ
以外の第２の領域２２とからなっている。そして第１の
領域２１は第１の樹脂３１により封止され、第２の領域
２２は第１の領域２１よりも硬い第２の樹脂３２により
封止されている。このような構成を採用することによ
り、本発明の半導体装置においては半導体チップ１１と
回路基板１２とが主として第２の樹脂３２により強固に
固定される。 フリップチップ実装においては、バンプ
電極に生じる剪断歪みを減少させるために、封止樹脂に
より半導体チップ１１と回路基板１２とを固着してい
る。このため、封止樹脂にはヤング率で数ＧＰａ程度の
硬さが必要になる。前述のように、バンプ電極１３の周
辺部の第１の領域には第２の樹脂よりも柔らかい第１の
樹脂３１が配置してバンプ電極１３に生ずる応力を緩和
させている。このような構成では、第１の領域と第２の
領域との比率により封止樹脂全体としての硬さが決まる
ことになる。したがって、半導体装置の信頼性を向上す
るためには、第１の領域と第２の領域との割合を調節す
るようにしてもよい。

【００３３】発明者らは半導体装置の信頼性をさらに向
上するため、半導体チップ１１と回路基板１２とが対向
する領域のうち第１の領域２１と第２の領域２２の割合
を調節して構造解析を行った。図１５は半導体チップ１
１と回路基板１２との対向面の面積に対する第１の領域
２１の面積の割合と、熱サイクルによってバンプ電極１
３に生じる熱歪の剪断成分との関係を示すグラフであ
る。図１５では第１の樹脂層のヤング率を変化させて調
べている。ここで熱歪みとは、半導体の消費電力による
発熱や周囲の温度変化により半導体装置が熱膨張と収縮
を繰り返す際に、半導体チップや回路基板のような構成
部材間の熱膨張係数の差異に起因する相対変位によって
生ずる変形のことである。

【００３４】熱歪の成分としては、半導体チップと回路
基板の熱膨張差によるバンプ電極の剪断変形を封止樹脂
の固着力で低減する効果を評価するために、歪みの剪断
成分を用いて評価し、熱サイクルの条件は−５５℃〜１
２５℃を与えた。図１５からもわかるように、第１の領
域２１の割合が半導体チップ１１と回路基板１２との対
向面の面積の約６０％を超えると熱歪が大きくなる。こ
れは、第１の領域２１の割合が大きくなると、第１の樹
脂層３１が第２の樹脂層３２よりも柔らかいため封止樹
脂全体としての平均のヤング率が低下し、その結果とし
て半導体チップ１１と回路基板１２とを十分強固に固着
できなくなるためである。したがって、半導体装置の信
頼性を確保するためには第１の領域２１の割合を制御す
る必要があり、特に図１３の例のようにバンプ電極１３
が半導体チップ１１の主面全体にわたって配設されてい
る場合には、第１の領域の制御がより重要となる。

【００３５】図１６は本発明の半導体装置において第１
の領域の厚みｄとバンプ電極に印加される熱歪との関係
を構造解析により求めた結果を示すグラフである。封止
樹脂とバンプ電極との熱膨張差により生じるバンプ電極
が横に広がる変形と、バンプ電極の剪断変形とを統一的
に評価するため、熱歪の成分としては歪みの相当成分を
用いた。

【００３６】また図１７は図１６の結果を、第１の領域
の厚さｄとバンプ電極に印加される熱歪の減少率との関
係として整理したグラフである。なお図１６、図１７で
も第１の樹脂層のヤング率を変化させて調べている。こ
れらの図から、第１の樹脂層３１のヤング率が小さいほ
どバンプ電極にかかる熱歪が小さくなることが解る。ま
た、第１の樹脂層の厚さｄ（半導体チップのバンプ電極
形成面方向の厚さ）が約５０μｍ以下では、第１の樹脂
層の厚さｄの増加に伴ってバンプ電極に加わる熱歪が減
少するが、第１の樹脂層の厚さｄが約５０μｍ〜約１３
０μｍの範囲では第１の樹脂層の厚さを増加させてもバ
ンプ電極に加わる熱歪の減少は飽和し、さらに第１の樹
脂層の厚さが約１３０μｍ以上の範囲では第１の樹脂層
の厚さを増加させるとバンプ電極に加わる熱歪も増加し
てしまうことがわかる。これは、第１の樹脂層３１の厚
さｄが約１３０μｍを超えると、半導体チップ１１と回
路基板１２との間の封止樹脂全体としてのヤング率が低
下し、その結果として半導体チップと回路基板とを十分
に固着できなくなるということを示している。

【００３７】以上のことから信頼性の高い半導体装置を
得るためには、第１の樹脂層３１の厚さｄには適切な範
囲が存在することがわかる。したがって、半導体装置の
信頼性を向上するためには、第１の領域２１の面積は、
半導体チップ１１と回路基板１２との対向面の約６０％
以下に設定することが好ましい。特に、バンプ電極１３
が半導体チップ１１の主面全体にわたって配設されてい
る場合には、第１の樹脂層３１の厚さｄを好ましくは約
３０μｍ〜約１５０μｍの範囲に、より好ましくは約５
０μｍ〜約１２０μｍの範囲に設定するようにすればよ
い。このような構成を採用することにより、さらに信頼
性の高い半導体装置を提供することができる。

【００３８】（実施形態４）次に本発明の半導体装置の
製造方法の１例について説明する。図７、図８は本発明
の半導体装置の製造工程の概要を説明するための図であ
る。

【００３９】まず、半導体チップ１１の接続端子上にあ
らかじめ形成されたバンプ電極１３と回路配線基板１２
上の接続電極１４とをバンプ電極１３によってリフロー
接続する。次いで、イソプロピルアルコールを溶媒とし
て、無水フタル酸とポリエチレングリコールとポリプロ
ピレングリコールとジプチルフタレートとからなる可撓
性付与剤を２％ないし１０％溶解させた可撓性付与剤溶
液３３を吐出装置１６を用いて半導体チップの端部１５
上に塗布する。可撓性付与剤の溶液は毛細管現象により
半導体チップと回路配線基板との間隙１７に流入し（図
７（ａ））、間隙は可撓性付与剤溶液で充填される（図
７（ｂ））。

【００４０】次いで、温風オーブン等の加熱装置を用い
て約６０℃ないし８０℃程度の温度で約１０分ないし３
０分間程度加熱して可撓性付与剤溶液中の溶媒成分であ
るイソプロピルアルコールを蒸発させる。このとき、イ
ソプロピルアルコールが蒸発して可撓性付与剤溶液の体
積が減少する過程で、液体の表面張力により可撓性付与
剤溶液は凹状の形状を持つ部分に引き寄せられるため、
イソプロピルアルコールが完全に蒸発した段階では可撓
性付与剤３４の大部分がバンプ電極１３の付け根３５の
付近に固体の状態で堆積する（図７（ｃ））。

【００４１】次いで、ビスフェノール系エポキシとイミ
ダゾール硬化触媒、酸無水物硬化剤および球状の石英フ
ィラーからなる液状樹脂１９を、吐出装置１８を用いて
半導体チップの端部１５上に塗布し、５０℃ないし８０
℃に加熱しながら毛細管現象により半導体チップと回路
配線基板との間隙１７に含浸させ（図８（ｄ））、間隙
に樹脂を充填させる（図８（ｅ））。

【００４２】さらにオーブンなどの加熱装置を用いて１
２０℃ないし１６０℃で３時間から６時間の加熱を行い
樹脂を硬化させる。加熱することにより可撓性付加剤が
樹脂中に溶解するが、硬化時の樹脂のゲルタイムが１分
ないし３分と短いために、可撓性付加剤が拡散する領域
はバンプ電極表面から３０μｍないし１５０μｍ以下で
ある。

【００４３】以上の工程により可撓性付加剤が拡散した
領域の内のバンプ電極表面から３０μｍないし１５０μ
ｍ以内の領域にはヤング率が０．８０ＧＰａないし１．
７ＧＰａの第１の樹脂が形成され、第１の樹脂の外側に
は厚さが１０μｍないし３０μｍでヤング率が０．８０
ＧＰａないし９．０ＧＰａの第３の樹脂の層が形成さ
れ、それ以外の部分にはヤング率が６．０ＧＰａないし
９．０ＧＰａの第２の樹脂が形成されることにより本発
明の半導体装置が実現される（図８（ｆ））。

【００４４】（実施形態５）次に本発明の半導体装置の
製造方法の別の例について説明する。図９、図１０は本
発明の半導体装置の製造工程の概要を説明するための図
である。半導体チップ１１及び回路配線基板１２は上述
した例と同じものを用いて説明する。

【００４５】まず、半導体チップ１１上に形成されたバ
ンプ電極１３上にフラックス２３を塗布し、バンプ電極
と回路配線基板１２上の接続電極１４とを対向させて位
置合わせする（図９（ａ））。フラックス２３はグリセ
リン、またはポリエチレングリコール、または高級脂肪
酸、またはこれらの混台物からなる可撓性付与剤とロジ
ンと高沸点アルコール溶剤または環状アミド溶剤からな
る。

【００４６】次いでフラックスの粘着性を利用して半導
体チップを回路配線基板上に仮置きして（図９
（ｂ））、電気炉を用いて２００℃ないし２５０℃に加
熱し、バンプ電極１３によって回路配線基板１２上の接
続電極１４にリフロー接続する。リフロー中にフラック
ス中の溶剤が蒸発し、ロジンと可撓性付与剤からなる固
体状の残渣２４がバンプ周囲をとりまくように残る（図
９（ｃ））。

【００４７】次いで、ビスフェノール系エポキシとイミ
ダゾール硬化触媒、酸無水物硬化剤および球状の石英フ
ィラーからなる液状樹脂１９を、吐出装置１８を用いて
樹脂１９を半導体チップの端部１５上に塗布し、約５０
℃ないし８０℃程度の温度で加熱しながら毛細管現象に
より半導体チップと回路配線基板との間隙１７に含浸さ
せ（図１０（ｄ））、間隙に樹脂を充填させる（図１０
（ｅ））。

【００４８】さらにオーブンなどの加熱装置を用いて約
１２０℃ないし１６０℃程度の温度で約３時間から６時
間程度の加熱を行い樹脂を硬化させる。加熱することに
より可撓性付加剤が樹脂中に溶解するが、硬化時の樹脂
のゲルタイムが１分ないし３分と短いために、可撓性付
加剤が拡散する領域はバンプ電極１３の表面から約３０
μｍないし１５０μｍ程度以下である。

【００４９】以上の工程により可撓性付加剤が拡散した
領域の内のバンプ電極表面から３０μｍないし１５０μ
ｍ以内の第１の領域２１にはヤング率が０．８０ＧＰａ
ないし１．７ＧＰａの第１の樹脂３１が形成され、第１
の樹脂の外側には厚さが１０μｍないし３０μｍでヤン
グ率が０．８０ＧＰａないし９．０ＧＰａの第３の樹脂
層３６が形成され、それ以外の第２の領域２２にはヤン
グ率が６．０ＧＰａないし９．０ＧＰａの第２の樹脂層
３２が形成されることにより本発明の半導体装置が実現
される（図１０（ｆ））。

【００５０】（実施形態６）次に、本発明の半導体装置
の信頼性評価の試験結果について説明する。本発明の半
導体装置による信頼性向上の効果を評価するために、例
えば実施形態１に例示したような本発明の半導体装置を
用いて温度サイクル試験を行い、従来の方法で実装した
半導体装置と比較した。温度サイクル試験の試験条件は
−５５℃／１２５℃、３０分／３０分とし、バンプ接続
部分の電気抵抗が１００ｍΩ以上となった試料を不良と
判定し、累積不良率が５０％を越えた時点の温度サイク
ルを５０％累積不良サイクルと定義して信頼性の比較に
用いた。比較対象として半導体チップ１１と回路配線基
板１２との間の間隙の全面を、上述した第２の樹脂３２
で封止した半導体装置試料を試験した。

【００５１】表１に温度サイクル試験の結果を示す。

【００５２】

【表１】 従来の構造の半導体装置では、５０％累積不良サイクル
が約４０００サイクルであるのに対して、本発明の構造
の半導体装置では５５００サイクルであり、本発明によ
りバンプ接続部の寿命が約５０％向上することが分か
る。

【００５３】また、図１１は第１の樹脂のヤング率と半
導体装置の５０％不良サイクル数との関係を示すグラフ
である。バンプ電極１３の周辺の第１の領域を封止する
樹脂層（第１の樹脂層）のヤング率が小さくなるにした
がって、半導体装置の寿命が延びていることがわかる。
従来構造の半導体装置では、バンプ電極１３の周囲の第
１の樹脂層３１のヤング率が大きいため、温度負荷が累
積すると信頼性が低下し、寿命が短くなってしまう。こ
れに対して、本発明の半導体装置では少なくともバンプ
電極周辺はヤング率の小さい樹脂層を用いて封止し、そ
の他の領域はよりヤング率の大きい第２の樹脂で封止し
ているために、累積的な熱負荷にがかかっても信頼性の
高い接続を維持することができる。

【００５４】

【発明の効果】 このように本発明の半導体装置は、ヤ
ング率の異なる複数の樹脂を用いて半導体素子と配線回
路基板との間隙を封止することにより、半導体素子と回
路基板とを強固に固定され半導体素子と回路配線基板と
の熱膨張差が吸収されるとともに、バンプ電極にかかる
応力を緩和することができる。したがって繰り返し熱的
負荷がかかる実際の使用時にも接続の信頼性を維持する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の構造の例を概略的に示す
断面図。

【図２】図２は第１の樹脂層と第２の樹脂層との分布の
例を説明するための図。

【図３】図３は第１の樹脂層と第２の樹脂層との分布の
別の例を説明するための図。

【図４】本発明の半導体装置の構造の別の例を概略的に
示す断面図。

【図５】図５は第１の樹脂層、第２の樹脂層及び第３の
樹脂層の分布の例を説明するための図。

【図６】図６は第１の樹脂層、第２の樹脂層及び第３の
樹脂層の分布の例を説明するための図。

【図７】本発明の半導体装置の製造工程の概要を示す
図。

【図８】本発明の半導体装置の製造工程の概要を示す分
図。

【図９】本発明の半導体装置の製造工程の別の例の概要
を示す図。

【図１０】本発明の半導体装置の製造工程の別の例の概
要を示す図。

【図１１】第１の樹脂のヤング率と半導体装置の５０％
不良サイクル数との関係を示すグラフ。

【図１２】従来の構造のバンプ電極に生じる横方向の変
形を示す図。

【図１３】本発明の半導体装置の構造の別の例を概略的
に示す断面図。

【図１４】第１の樹脂層と第２の樹脂層との分布の様子
を説明するための図。

【図１５】半導体チップと回路基板との対向面の面積に
対する第１の領域の面積の割合とバンプ電極に生じる熱
歪の剪断成分との関係を示すグラフ。

【図１６】本発明の半導体装置において第１の領域の厚
みｄとバンプ電極に印加される熱歪との関係を構造解析
により求めた結果を示すグラフ。

【図１７】本発明の半導体装置において第１の領域の厚
みｄとバンプ電極に印加される熱歪の減少率との関係を
構造解析により求めた結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１１………半導体チップ １２………回路配線基板 １３………接続電極 １４………バンプ電極 １５………半導体チップの端部 １６………吐出装置 １７………間隙 １８………吐出装置 １９………液状樹脂 ２１………第１の領域 ２２………第２の領域 ２３………フラックス ２４………残渣 ２６………樹脂 ２７………半導体チップの端部 ３１………第１の樹脂 ３２………第２の樹脂 ３３………可撓性付与剤溶液 ３４………可撓性付与剤 ３５………バンプの付け根 ３６………第３の樹脂

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の面に接続端子を有する半導体素子
   と、 前記半導体素子の第１の面と所定の間隙を保持して対向
   配置され、前記半導体素子の接続端子と対応する位置に
   形成された接続電極を有する回路基板と、 前記半導体素子の接続端子と前記回路基板の接続電極と
   を接続する導電性バンプと、 前記半導体素子と前記回路基板との間隙の少なくとも前
   記バンプの周囲の第１の領域を封止するように形成され
   た第１の樹脂層と、 前記半導体素子と前記回路基板との間隙の、前記第１の
   領域以外の第２の領域を封止するように形成された前記
   第１の樹脂層よりも硬い第２の樹脂層とを具備したこと
   を特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 前記第１の樹脂層のヤング率は約２ＧＰ
   ａより小さい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】 前記第１の樹脂層と前記半導体素子の第
   １の面とが対向する領域は、前記半導体素子の前記第１
   の面の面積の約６０％よりも小さいことを特徴とする請
   求項１乃至請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記第１の樹脂層の厚さは約３０μｍ〜
   約１５０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求
   項３のいずれかに記載の半導体装置。