JPH11297904A

JPH11297904A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH11297904A
Application number: JP10103116A
Authority: JP
Inventors: Masanori Mizutani; 昌紀水谷; Koji Noro; 弘司野呂; Makoto Kuwamura; 誠桑村
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 1999-10-29
Anticipated expiration: 2018-04-14
Also published as: JP3976395B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体素子と配線回路基板および接続用電極部
に生ずる応力の緩和効果に優れ、半導体素子と配線回路
基板との電気的接続信頼性に優れた半導体装置を提供す
る。【解決手段】複数の接続用電極部２が設けられた配線回
路基板１面に、上記接続用電極部２に対応する接続用電
極部３が設けられた半導体素子５が、上記配線回路基板
１面に設けられた接続用電極部２と半導体素子５面に設
けられた接続用電極部３とが当接状態で搭載され、上記
配線回路基板１と半導体素子５との間の空隙が封止樹脂
層４によって封止された半導体装置である。そして、上
記封止樹脂層４が、下記の硬化物特性（Ｙ）を備えてい
る。とともに、上記半導体素子５と配線回路基板１との
当接状態における距離が５０μｍ以下に設定されてい
る。（Ｙ）４０〜８０℃の間における平均熱膨張係数が
１００ｐｐｍ／℃以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子をフェ
ースダウン構造でマザーボード、あるいはドーターボー
ド等の配線回路基板上に実装した方式による半導体装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の半導体デバイスの性能向上に伴う
要求として、半導体素子をフェースダウン構造で、配線
回路が形成されたマザーボード、あるいはドーターボー
ド等の配線回路基板に実装される方法（フリップチップ
方式、ダイレクトチップアタッチ方式等）が注目されて
いる。これは、従来から用いられている方式、例えば、
半導体素子から金ワイヤーでリードフレーム上にコンタ
クトをとりパッケージングされた形態でマザーボード、
あるいはドーターボード等の配線回路基板に実装する方
法では、配線による情報伝達の遅れ、クロストークによ
る情報伝達エラー等が生ずるという問題が発生している
ことに起因する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、上記フリップチ
ップ方式等においては、互いの線膨脹係数が異なる半導
体素子と上記配線回路基板をダイレクトに電気接続を行
うことから、接続部分の信頼性が問題となっている。こ
の対策としては、半導体素子と上記配線回路基板との空
隙にアンダーフィル材と呼ばれる液状樹脂材料を充填し
硬化させて樹脂硬化体を形成し、電気接続部に集中する
応力を上記樹脂硬化体にも分散させることにより接続信
頼性を向上させる方法が採られている。しかしながら、
上記フリップチップ方式の配線回路基板に設けられた電
極と、半導体素子に設けられた電極との電気的接続は、
通常、両者の金属溶融によって行われるため、電気接続
部に集中する応力を上記アンダーフィル材によって緩和
するという効果は充分とはいえず、例えば、冷熱サイク
ル等のストレス試験において、上記電極に亀裂が発生す
る等の問題が生じるのが現状である。

【０００４】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、上記半導体素子と配線回路基板および接続用電
極部に生ずる応力の緩和効果に優れ、半導体素子と配線
回路基板との電気的接続信頼性に優れた半導体装置の提
供をその目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の半導体装置は、接続用電極部が設けられた
配線回路基板面に、上記接続用電極部に対応する接続用
電極部が設けられた半導体素子が、上記配線回路基板面
に設けられた接続用電極部と半導体素子面に設けられた
接続用電極部とが当接状態で搭載され、上記配線回路基
板と半導体素子との間の空隙が封止樹脂層によって封止
されてなる半導体装置であって、上記封止樹脂層が、下
記の硬化物特性（Ｙ）を備えているとともに、上記半導
体素子と配線回路基板との当接状態における距離が５０
μｍ以下に設定されているという構成をとる。（Ｙ）４
０〜８０℃の間における平均熱膨張係数が１００ｐｐｍ
／℃以下である。

【０００６】すなわち、本発明の半導体装置では、配線
回路基板に設けられた接続用電極部と半導体素子に設け
られた接続用電極部との電気的接続を従来のような金属
溶融によって行わず、単に当接させるという物理的接触
によって行う。このため、配線回路基板と半導体素子の
線膨張係数の差異等によって生ずる電極に加わる応力を
抑制するという効果を奏する。また、本発明は、各接続
用電極部を介在して接続された、配線回路基板と半導体
素子との間の空隙に封止樹脂層が形成された半導体装置
において、上記封止樹脂層自身の有する硬化物特性とし
て４０〜８０℃の温度範囲の間での平均熱膨張係数を上
記特定の範囲に設定するとともに、半導体素子と配線回
路基板との距離を特定範囲に設定することにより、例え
ば、冷熱サイクル条件下において封止樹脂層と電極部と
の縦方向の熱膨張係数の差によって生じる応力が低減さ
れ、安定した電気的接続を行うことが可能となり電気的
接続信頼性が向上する。

【０００７】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を詳
しく説明する。

【０００８】本発明の半導体装置の一例を図１に基づい
て説明する。１は配線回路基板であり、この配線回路基
板１の片面には接続用電極部２が複数個設けられてい
る。そして、上記接続用電極部２上に、これと対応して
半導体素子５面に設けられた、突起状の凸部を有する接
続用電極部３を当接させた状態で半導体素子５が搭載さ
れたフェイスダウン構造をとる半導体装置である。さら
に、上記配線回路基板１と半導体素子３との間には封止
樹脂層４が形成されている。

【０００９】上記配線回路基板１面に設けられた接続用
電極部２と、半導体素子５面に設けられた接続用電極部
３との電気的接続は、両者を単に当接した状態（物理的
接触）により電気的接続を行っているのであって、従来
のように両者を加熱して溶融させることにより溶融接続
したものではない。

【００１０】本発明において、上記接続用電極部とは、
その形状として特に限定するものではなく、周知の電極
のみでもよいが、電極とジョイントボール，ジョイント
バンプ等の電極に配備される導電体を含む概念である。
したがって、一般的に配線回路基板の接続用電極部と半
導体素子の接続用電極部とは、両者とも電極のみで連絡
されていてもよいが、図１に示すように、通常、少なく
とも一方が電極とジョイントバンプ（あるいはジョイン
トボール）からなる電極部であるようにして両者の電極
部が連絡される。

【００１１】したがって、通常の形態では上記配線回路
基板１と半導体素子５とを電気的に接続する上記複数の
接続用電極部では、予め配線回路基板１面にジョイント
バンプ等が配設されていてもよいし、半導体素子５面に
ジョイントバンプ等が配設されていてもよい。さらに
は、予め配線回路基板１面および半導体素子５面の双方
にそれぞれジョイントバンプ等が配設されていてもよ
く、また、両者の電極部は電極のみであってもよい。

【００１２】上記複数の接続用電極部２および接続用電
極部３の材質としては、特に限定するものではないが、
例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、クロ
ム、錫、鉛、インジウム、ビスマス、亜鉛およびこれら
２種以上の合金、さらには２層以上の複層構造のものが
あげられる。また、上記接続用電極部の形状としては、
特に限定するものではないが、配線回路基板１および半
導体素子５の双方の接続用電極部２，３間の封止樹脂を
押し出す効果の高いものが好ましく、電極部表面に凹部
の少ないものが好ましい。

【００１３】また、上記配線回路基板１の材質として
は、特に限定するものではないが、大別してセラミック
基板、プラスチック基板があり、上記プラスチック基板
としては、例えば、エポキシガラス基板、ポリイミド基
板、ビスマレイミドトリアジン基板、ポリフェニレンエ
ーテル基板等があげられる。

【００１４】つぎに、本発明の半導体装置の配線回路基
板１と半導体素子５との空隙に形成される上記封止樹脂
層４について説明する。

【００１５】本発明において、上記封止樹脂層４形成材
料としては、特に限定するものではなく各種高分子材料
を用いることができ、また、液状、シート状等の固形状
等があげられる。そして、上記液状の場合は、熱硬化性
樹脂組成物からなるものがあけられる。また、上記シー
ト状の場合は、熱硬化性樹脂組成物、熱可塑性樹脂組成
物、感圧性樹脂組成物等、種々の樹脂組成物を用いるこ
とができる。なかでも、液状およびシート状とも、熱硬
化性樹脂組成物を用いることが特に好ましい。

【００１６】上記熱硬化性樹脂組成物としては、エポキ
シ樹脂，ポリイミド樹脂等があげられ、例えば、エポキ
シ樹脂をベースポリマーとするエポキシ樹脂組成物が好
適に用いられる。なお、上記ポリイミド樹脂とは、イミ
ド閉環したものもしくは閉環しうるものをいう。

【００１７】上記エポキシ樹脂としては、特に限定する
ものではなく、各種エポキシ樹脂があげられる。例え
ば、常温で固体を示すエポキシ樹脂として、ビフェニル
型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹
脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノ
ールＡ型エポキシ樹脂等があげられ、これらは単独でも
しくは２種以上併せて用いられる。特に好ましくは、濡
れ性が良くなるという観点から、具体的に下記の一般式
（１）で表される構造のビフェニル型エポキシ樹脂があ
げられる。このビフェニル型エポキシ樹脂は、グリシジ
ル基を有するフェニル環に、下記のＲ₁〜Ｒ₄で表され
る炭素数１〜４のアルキル基が付加されたものである。
そのため、このビフェニル型エポキシ樹脂を含有するエ
ポキシ樹脂組成物によって形成された封止樹脂層は、撥
水性および低吸湿性を発揮することができる。

【００１８】

【化１】

【００１９】上記一般式（１）中のＲ₁〜Ｒ₄で表され
る炭素数１〜４のアルキル基としては、メチル基、エチ
ル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブ
チル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基等の直
鎖状または分岐状の低級アルキル基があげられ、特にメ
チル基が好ましく、上記Ｒ₁〜Ｒ₄は互いに同一であっ
ても異なっていてもよい。なかでも、上記Ｒ₁〜Ｒ₄が
全てメチル基である下記の式（２）で表されるビフェニ
ル型エポキシ樹脂を用いることが特に好適である。

【００２０】

【化２】

【００２１】上記一般式（１）で表されるビフェニル型
エポキシ樹脂としては、エポキシ当量が１７７〜２４０
ｇ／ｅｑで、軟化点が８０〜１３０℃のものを用いるこ
とが好ましく、なかでも、エポキシ当量が１７７〜２２
０ｇ／ｅｑで、軟化点が８０〜１２０℃のものを用いる
ことが特に好ましい。

【００２２】上記ビフェニル型エポキシ樹脂とともに、
他のエポキシ樹脂を併用する場合には、上記ビフェニル
型エポキシ樹脂の含有量を、エポキシ樹脂成分全体の３
０重量％以上となるよう設定することが好ましく、なか
でも、５０重量％以上となるよう設定することが好まし
い。

【００２３】また、上記エポキシ樹脂組成物には、必要
によりエポキシ樹脂の硬化剤を配合することができる。
このような硬化剤としては、特に限定するものではなく
通常用いられている各種硬化剤、例えば、フェノール樹
脂、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒ
ドロ無水フタル酸等の酸無水物、アミン化合物等があげ
られる。なかでも、フェノール樹脂を用いることが好ま
しい。そして、より一層良好な接着力、耐湿性等の点か
ら、特に下記の一般式（３）で表されるフェノール樹脂
を用いることが好適である。

【００２４】

【化３】

【００２５】上記一般式（３）中の繰り返し数ｍは、０
または正の整数を示すが、特にｍは０〜１０の整数であ
ることが好ましく、なかでもｍは０〜８の整数であるこ
とがより好適である。

【００２６】上記一般式（３）で表されるフェノール樹
脂は、例えば、アラルキルエーテルとフェノールとを、
フリーデルクラフツ触媒で反応させることにより得られ
る。

【００２７】上記フェノール樹脂としては、特に、水酸
基当量が１４７〜２５０ｇ／ｅｑ、軟化点が６０〜１２
０℃のものが好ましく、なかでも、水酸基当量が１４７
〜２２０ｇ／ｅｑ、軟化点が６０〜１１０℃のものが好
適である。

【００２８】上記フェノール樹脂のエポキシ樹脂に対す
る配合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量当た
り、上記フェノール樹脂中の水酸基が０．７〜１．３当
量となるように配合することが好適であり、なかでも
０．９〜１．１当量となるように配合することがより好
適である。

【００２９】上記エポキシ樹脂と硬化剤との組み合わせ
においては、例えば、前記式（２）で表されるビフェニ
ル型エポキシ樹脂と一般式（３）で表されるフェノール
樹脂を組み合わせて用いることが、半導体素子と配線回
路基板に対する接着性という点から好ましい。また、ビ
スフェノールＡ型エポキシ樹脂とメチルテトラヒドロ無
水フタル酸を組み合わせて用いることが、上記と同様、
半導体素子と配線回路基板に対する接着性という点から
好ましい。

【００３０】さらに、上記エポキシ樹脂および硬化剤と
ともにアクリロニトリル−ブタジエン系共重合体を用い
ることができる。上記アクリロニトリル−ブタジエン系
共重合体としては、アクリロニトリル−ブタジエン共重
合体（ＮＢＲ）の含有量が１００重量％である場合のみ
ならず、このＮＢＲに他の共重合成分が含まれている場
合をも含む広い意味での共重合体をいう。他の共重合成
分としては、例えば、水添アクリロニトリル−ブタジエ
ンゴム、アクリル酸、アクリル酸エステル、スチレン、
メタクリル酸等があげられ、なかでも、金属、プラスチ
ックとの接着力に優れる等の点で、アクリル酸、メタク
リル酸が好適である。すなわち、アクリロニトリル−ブ
タジエン−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル−
ブタジエン−アクリル酸共重合体が好適に用いられる。
また、上記ＮＢＲにおけるアクリロニトリルの結合量
は、特に、１０〜５０重量％が好ましく、なかでも、１
５〜４０重量％のものが特に好適である。

【００３１】本発明において、エポキシ樹脂組成物の全
有機成分中における上記アクリロニトリル−ブタジエン
系共重合体の配合割合は、特に２〜６０重量％の範囲が
好ましく、なかでも３〜５０重量％の範囲が好適であ
る。すなわち、上記アクリロニトリル−ブタジエン系共
重合体の配合割合が２重量％未満であれば、半導体素子
の封止用途において、冷熱サイクル下、高温高湿下の各
ストレス試験において、優れた耐久性を発揮することが
困難であり、逆に、６０重量％を超えると高温下での固
着力が低下する傾向がみられるからである。

【００３２】本発明では、上記エポキシ樹脂組成物に
は、上記エポキシ樹脂、硬化剤、アクリロニトリル−ブ
タジエン系共重合体とともに、必要に応じて他の添加剤
を適宜配合することもできる。

【００３３】上記他の添加剤としては、例えば、硬化促
進剤があげられる。このような硬化促進剤としては、従
来からエポキシ樹脂の硬化促進剤として知られている種
々の硬化促進剤が使用可能であり、例えば、アミン系、
リン系、ホウ素系、リン−ホウ素系等の硬化促進剤があ
げられる。なかでも、トリフェニルホスフィン、２−エ
チル−４−メチルイミダゾール、ジアザビシクロウンデ
セン等が好適である。これらは単独でもしくは２種以上
併せて用いられる。

【００３４】さらに、シランカップリング剤、チタンカ
ップリング剤、表面調整剤、酸化防止剤等の有機材料を
用いることができる。

【００３５】また、半導体封止材料としては、各種無機
質充填剤を配合することができる。上記無機質充填剤と
しては、アルミナ、シリカ、窒化珪素等があげられる。
なかでも、球状溶融シリカ、破砕状結晶性シリカ、摩砕
処理済み結晶性シリカが好適に用いられる。上記無機質
充填剤の配合割合は、特に限定するものではないが、通
常、全配合物（エポキシ樹脂組成物全体）中の９０重量
％以下に設定され、好ましくは８５重量％以下に設定す
ることであり、より好ましくは８０重量％以下である。
すなわち、無機質充填剤を上記配合割合を超えて多量に
配合すると、半導体素子の電極と配線回路基板の電極と
の電気的接合が良好に行われなくなり不都合が生じ易く
なるからである。

【００３６】さらに、銅、銀、アルミニウム、ニッケ
ル、半田等の金属粒子の無機材料、その他、顔料、染料
等を用いることができる。

【００３７】本発明の半導体装置の封止樹脂層形成材料
の製造方法について述べる。例えば、シート状封止材料
は、つぎのようにして製造することができる。まず、エ
ポキシ樹脂をはじめ、前述の各成分を所定量配合したエ
ポキシ樹脂組成物を調製する。そして、このエポキシ樹
脂組成物を、トルエン、メチルエチルケトン、酢酸エチ
ル等の溶剤に混合溶解し、この混合溶液を離型処理した
ポリエステルフィルム等の基材フィルム上に塗布する。
つぎに、この塗布した基材フィルムを５０〜１６０℃で
乾燥させ、トルエン等の溶剤を除去することにより、上
記基材フィルム上に目的とするシート状の封止材料を製
造することができる。また、他の方法として、トルエン
等の溶剤を用いることなく加熱溶融して押し出すことに
よっても、目的とするシート状の封止材料を製造するこ
とができる。

【００３８】このようにして得られたシート状封止材料
としては、つぎのような特性を有していることが好まし
い。すなわち、１７５℃におけるゲルタイムが５〜３０
０秒であることが好ましい。上記ゲルタイムは、１７５
±１℃に設定された熱板上に、ピンセットで測定試料を
載置すると同時に測定を開始し、針先で線を入れてい
き、その線が広がり乱れた点を終点とし、その間の時間
を読み取ることにより測定した。

【００３９】また、液状の場合は、エポキシ樹脂をはじ
め、前述の各成分を所定量配合し混合することにより液
状のエポキシ樹脂組成物が得られる。

【００４０】このようにして得られた液状のエポキシ樹
脂組成物としては、粘性を有しており、２５℃における
粘度が１〜５０００ｐｏｉｓｅ（Ｅ型粘度計、回転数：
１ｒｐｍ）のものが好ましい。また、上記シート状封止
材料と同様、１７５℃におけるゲルタイムが５〜３００
秒であることが好ましい。

【００４１】このようにして得られるシート状封止材料
もしくは液状封止材料を硬化してなる硬化物は、例え
ば、つぎのようにして製造することができる。すなわ
ち、上記方法により得られたシート状封止材料を１００
〜２２５℃、好ましくは１２０〜２００℃で、３〜３０
０分間、好ましくは５〜１８０分間加熱硬化することに
より、目的とする硬化物を製造することができる。な
お、上記硬化条件は、後述の半導体装置の製法における
封止樹脂層の形成時の加熱硬化条件と同様である。

【００４２】そして、得られた硬化物は、つぎのような
硬化物特性（Ｙ）を備えていなければならない。（Ｙ）
４０〜８０℃の間における平均熱膨張係数が１００ｐｐ
ｍ／℃以下である。

【００４３】より好ましくは４０〜８０℃の間における
平均熱膨張係数が９０ｐｐｍ／℃以下であり、なかで
も、３〜８０ｐｐｍ／℃が好適である。このような範囲
に設定することにより、冷熱サイクル下において、半導
体素子、配線回路基板、接続用電極部にかかる応力をバ
ランスよく緩和することができ、安定した電気接続が得
られるようになる。すなわち、平均熱膨張係数が１００
ｐｐｍ／℃を超えると、高温下における安定した電気接
続が得られなくなる。

【００４４】なお、上記４０〜８０℃の間における平均
熱膨張係数は、つぎのようにして測定される。すなわ
ち、上記４０〜８０℃の温度設定は、本発明の半導体装
置に用いられる封止材料のガラス転移温度（Ｔｇ）以下
の領域となっており、測定対象となる硬化物（大きさ：
厚み８０μｍ×横４ｍｍ×縦３０ｍｍ）の両端を所定距
離間隔（１５ｍｍ）をあけてチャッキングし、引っ張り
方向に一定荷重（２ｇ）を加えたまま、５℃／ｍｉｎの
速さで昇温させた際の長さの変化を熱機械分析装置（Ｔ
ＭＡ／ＳＳ１１０、セイコー社製）を用いて測定され
る。そして、上記４０〜８０℃における平均熱膨張係数
とは、〔８０℃におけるチャッキング距離間隔（ｍｍ）
−４０℃におけるチャッキング距離間隔（ｍｍ）〕を、
〔初期チャッキング距離間隔（１５ｍｍ）×（８０℃−
４０℃）〕で除した値である。

【００４５】本発明の半導体装置は、先に述べたよう
に、配線回路基板上に、配線回路基板に設けられた接続
用電極部、および、半導体素子に設けられた接続用電極
部を介して半導体素子が搭載され、上記配線回路基板と
半導体素子との間の空隙が封止樹脂層によって封止され
たフェイスダウン構造を有するものであって、このよう
な半導体装置の製法の一例を以下に説明するが、これに
限定するものではない。

【００４６】まず、封止樹脂層形成材料としてシート状
封止材料を用いた場合について述べる。すなわち、図２
に示すように、複数の接続用電極部２が設けられた配線
回路基板１上に、上記接続用電極部２を介して固形のシ
ート状封止材料１０を配置し、さらに、図３に示すよう
に、上記シート状封止材料１０上の所定位置に、突起状
の凸部を有する接続用電極部３が設けられた半導体素子
５を配置し、加熱および加圧することによって上記両接
続用電極部２，３間に存在するシート状封止材料１０を
加熱溶融し押し出して、両接続用電極部２，３を当接し
両者の物理的接触による電気的接続を行うとともに、溶
融したシート状封止材料１０の硬化を行って封止樹脂層
４を形成することにより、配線回路基板１と半導体素子
５の電気的接続および固着を完了する。このようにし
て、図１に示す半導体装置を製造する。

【００４７】上記シート状封止材料１０の大きさとして
は、上記搭載される半導体素子５の大きさ（面積）によ
り適宜に設定され、通常、半導体素子５の大きさ（面
積）とほぼ同じに設定することが好ましい。

【００４８】また、上記シート状封止材料１０の厚み
は、特に限定されるものではないが、半導体素子５と配
線回路基板１との空隙を充填し、かつ、接続用電極部
２，３間の電気的接続を妨げないように適宜に設定する
ことができ、通常、３〜２００μｍ、好ましくは５〜１
８０μｍに設定される。

【００４９】一方、封止樹脂層形成材料として液状封止
材料を用いた場合について述べる。すなわち、図４に示
すように、複数の接続用電極部２が設けられた配線回路
基板１上に、液状封止材料１１を設け、さらに、図５に
示すように、上記液状封止材料１１上の所定位置に、突
起状の凸部を有する接続用電極部３が設けられた半導体
素子５を配置し、加圧することによって上記両接続用電
極部２，３間に存在する液状封止材料１１を押し出し、
両接続用電極部２，３を当接し両者の物理的接触による
電気的接続を行うとともに、上記液状封止材料１１の硬
化を行って封止樹脂層４を形成することにより、配線回
路基板１と半導体素子５の電気的接続および固着を完了
する。このようにして、図１に示す半導体装置を製造す
る。

【００５０】上記封止材料（シート状および液状とも）
を上記半導体素子５と上記配線回路基板１との間の空隙
内に充填するとともに両接続用電極部２，３を当接する
際には、上記のように加圧することが好ましく、その加
圧条件としては、接続用電極部２，３の材質および個数
等や、温度によって適宜に設定されるが、具体的には
０．０１〜１．０ｋｇｆ／個の範囲に設定され、好まし
くは０．０２〜０．８ｋｇｆ／個の範囲に設定される。

【００５１】上記半導体装置の製法では、配線回路基板
１を下方にして、その上方に半導体素子５を搭載すると
いう位置関係に基づいて説明したが、これに限定するも
のではなく、反対の位置関係、すなわち、半導体素子５
を下方にして、その上方に配線回路基板１を搭載すると
いう位置関係であってもよい。

【００５２】そして、上記半導体装置の製法において
は、配線回路基板１に設けられた接続用電極部２、およ
び、半導体素子５に設けられた接続用電極部３の、各接
続用電極部２，３が溶融する温度未満に設定して行われ
る。このような温度設定によって、両接続用電極部２，
３が溶融せずに物理的接触の当接状態となり電気的接続
が行われる。そして、加熱方法としては、赤外線リフロ
ー炉、乾燥機、温風機、熱板等があげられる。

【００５３】すなわち、本発明の半導体装置の特徴の一
つは、半導体素子５と配線回路基板１との電気的接続
が、上記のように、両接続用電極部２，３の当接によっ
てなされている点にある。通常のフリップチップ方式の
半導体装置においては、予め配線回路基板１と半導体素
子５との電気的接続を行い、その後、アンダーフィルと
呼ばれる樹脂封止を行う工程順序をとる。このため、配
線回路基板１と半導体素子５との電気的接続は、両接続
用電極部２，３の溶融による金属接合によることが不可
欠となる。これに対して、本発明の半導体装置は、配線
回路基板１と半導体素子５との電気的接続（両接続用電
極部２，３の当接）と、配線回路基板１と半導体素子５
との固着とを同一工程にて行うため、両接続用電極部
２，３を溶融接合する必要がない。したがって、本発明
の半導体装置は、配線回路基板１の線膨張係数と半導体
素子５の線膨張係数の差異等によって生じる両電極部
２，３に加わる応力を抑制するという優れた効果を備え
ている。

【００５４】また、本発明の半導体装置のもう一つの特
徴は、先に述べたように、上記形成された樹脂封止層４
（樹脂硬化物）の４０〜８０℃における平均熱膨張係
数、および、半導体素子５と配線回路基板１との距離を
それぞれ特定範囲に設定することにより、冷熱サイクル
下における安定した電気的接続が得られるようになるも
のである。

【００５５】つまり、上記半導体装置の製法において、
配線回路基板１と半導体素子５との固着完了後の、半導
体素子５と配線回路基板１の距離を５０μｍ以下に設定
する必要がある。より好ましくは４５μｍ以下であり、
特に好ましくは１〜４０μｍである。すなわち、半導体
素子５と配線回路基板１との距離が５０μｍを超えて大
きくなると、形成された封止樹脂層４と電極層（当接状
態の両接続用電極部２，３）の縦方向の熱膨張係数の差
が大きくなり、安定した電気接続が得られなくなるから
である。なお、上記半導体素子５と配線回路基板１の距
離とは、図１に示すような、配線回路基板１面上にソル
ダーレジスト等の保護層が形成されていない場合の半導
体装置においては、接続用電極部２が設けられた配線回
路基板１面から、接続用電極部３が設けられた半導体素
子５面までの距離（Ｌ）をいう。また、配線回路基板１
面上にソルダーレジスト等の保護層が形成された場合の
半導体装置においては、図６に示すように、接続用電極
部２が設けられた配線回路基板１面に形成されたソルダ
ーレジスト等の保護層７表面から、半導体素子５の接続
用電極部３が設けられた素子面までの距離（Ｌ′）をい
う。さらに、上記半導体素子面において、素子表面にも
通常、ポリイミド等の保護層が形成されているが、その
場合の素子表面とは保護層表面をいう。

【００５６】また、本発明の半導体装置において、樹脂
封止層４の４０〜８０℃における平均熱膨張係数は、先
に述べたように、１００ｐｐｍ／℃以下に設定されなけ
ればならない〔硬化物特性（Ｙ）〕。より好ましくは９
０ｐｐｍ／℃以下であり、なかでも、１〜８０ｐｐｍ／
℃が好適である。すなわち、平均熱膨張係数が１００ｐ
ｐｍ／℃を超えると、高温下における電気接続が安定し
ないからである。

【００５７】さらに、上記硬化物特性（Ｙ）とともに、
封止樹脂層４（硬化物）としては、、例えば、つぎのよ
うな硬化物特性を備えていることが好ましい。すなわ
ち、２５℃における引張弾性率が０．５〜２００００Ｍ
Ｐａであることが好ましく、より好ましくは６００〜１
５０００ＭＰａである。なお、この引張弾性率は、ＪＩ
ＳＫ６９００に準じて測定される値であり、具体的
には万能引張試験機（オートグラフ、島津製作所社製）
を用いて測定される。

【００５８】さらに、上記硬化物特性に加えて、上記封
止樹脂層４としては、吸水率が１．５重量％以下である
ことが好ましい。より好ましくは吸水率が１．２重量％
以下である。また、上記封止樹脂層４に含まれるイオン
性不純分（例えば、Ｎａ⁺，Ｋ⁺，ＮＨ₃ ⁺，Ｃｌ^-，
ＳＯ₄ ^2-）が各５０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
上記吸水率の測定は、その硬化物を８５℃×８５％ＲＨ
で１６８時間放置した後、微量水分測定器（平沼水分測
定装置ＡＱ−５、平沼産業社製）にて行った。また、上
記イオン性不純分の測定は、硬化物を粉砕し、１２１℃
の純水にて２４時間抽出し、イオンクロマトグラフィー
によって測定した。

【００５９】そして、上記のようにして製造された半導
体装置において、半導体素子５の大きさは、通常、幅２
〜２０ｍｍ×長さ２〜３０ｍｍ×厚み０．１〜２ｍｍに
設定される。また、半導体素子５を搭載する配線回路が
形成された配線回路基板１の大きさは、通常、幅２〜３
００ｍｍ×長さ２〜３００ｍｍ×厚み０．０５〜３．０
ｍｍに設定される。そして、溶融した封止用樹脂が充填
される、半導体素子５と配線回路基板１の空隙の両者間
の距離は、先に述べたように、５０μｍ以下に設定され
なければならない。

【００６０】つぎに、実施例について比較例と併せて説
明する。

【００６１】まず、実施例に先立って、下記に示す各成
分を準備した。

【００６２】〔エポキシ樹脂ａ１〕下記の構造式で表さ
れるビフェニル型エポキシ樹脂

【００６３】

【化４】

【００６４】〔エポキシ樹脂ａ２〕ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エポキシ当量：１８
５ｇ／ｅｑ）

【００６５】〔アクリロニトリル−ブタジエン系共重合
体〕アクリロニトリル−ブタジエン−メタクリル酸共重合体
〔ムーニー粘度：５０、結合アクリロニトリル含量：３
０重量％、結合カルボキシル基量：０．０５ｅｐｈｒ
（ゴム１００ｇ当たりのモル数）〕

【００６６】〔液状アクリロニトリル−ブタジエンゴ
ム〕液状ＮＢＲ〔粘度：１０００ｐｏｉｓｅ（ａｔ２５
℃）〕

【００６７】〔フェノール樹脂〕下記の構造式で表されるフェノール樹脂（水酸基当量：
１７５ｇ／ｅｑ、軟化点７５℃）

【００６８】

【化５】

【００６９】〔メチルテトラヒドロ無水フタル酸〕酸無水物当量：１６５

【００７０】〔硬化促進剤ｄ１〕トリフェニルホスフィン

【００７１】〔硬化促進剤ｄ２〕２−エチル−４−メチルイミダゾール

【００７２】〔無機質充填剤〕球状溶融シリカ（平均粒径：３μｍ、最大粒径：１０μ
ｍ）

【００７３】

【実施例１〜８、比較例１〜４】〔シート状封止材料の
作製：実施例１〜５、比較例１〜２〕下記の表１〜表３
に示す各成分を、同表に示す割合で配合しエポキシ樹脂
組成物を調製した。このエポキシ樹脂組成物をメチルエ
チルケトンに混合溶解し、この混合溶液を離型処理した
ポリエステルフィルム上に塗布した。つぎに、上記混合
溶液を塗布したポリエステルフィルムを１２０℃で乾燥
させ、メチルエチルケトンを除去することにより、上記
ポリエステルフィルム上に目的とする厚み８０μｍのシ
ート状封止材料を作製した。

【００７４】〔液状封止材料の作製：実施例６〜８、比
較例３〜４〕下記の表１〜表３に示す割合で配合して混
合することにより目的とする液状封止材料を作製した。

【００７５】

【表１】

【００７６】

【表２】

【００７７】

【表３】

【００７８】このようにして得られた各実施例および比
較例のシート状封止材料、液状封止材料を用い、前述の
半導体装置の製法に従って半導体装置を製造した。すな
わち、シート状封止材料を用いる場合は、図２に示すよ
うに、接続用電極部２（材質：ニッケル（融点１４５５
℃）・金（融点１０６３℃）めっきされた銅（融点１０
８３℃））６４個が設けられた配線回路基板１（厚み
０．６ｍｍのガラスエポキシ基板）上に、上記シート状
封止材料１０を載置した後、図３に示すように、上記シ
ート状封止材料１０上の所定の位置に、突起状の凸部を
有する接続用電極部３（材質：金、融点：１０６３℃、
高さ７０μｍ）６４個を設けた半導体素子５（厚み：６
２５μｍ、大きさ：８ｍｍ×８ｍｍ）を載置した。その
後、加熱温度２５０℃×荷重（上記表１〜表３参照）×
３０秒の条件でシート状封止材料を加熱溶融して、配線
回路基板１と半導体素子５との空隙内に溶融状態の樹脂
を充填して仮固着するとともに上記双方の接続用電極部
２，３を物理的に接触させて当接し、その後、熱硬化
（条件：１５０℃×３０分）することにより、図１に示
すように、上記空隙が封止樹脂層４で樹脂封止された半
導体装置を各例６個ずつ作製した。得られた半導体装置
の、半導体素子５と配線回路基板１との間の距離（Ｌ）
は、後記の表４〜表５に示す。

【００７９】また、液状封止材料を用いる場合は、図４
に示すように、接続用電極部２（材質：ニッケル（融点
１４５５℃）・金（融点１０６３℃）めっきされた銅
（融点１０８３℃））６４個が設けられた配線回路基板
１（厚み０．６ｍｍのガラスエポキシ基板）上に液状封
止材料１１を設置した後、図５に示すように、上記液状
封止材料１１上の所定位置に、突起状の凸部を有する接
続用電極部３（材質：金、融点：１０６３℃、高さ７０
μｍ）６４個を設けた半導体素子５（厚み：６２５μ
ｍ、大きさ：８ｍｍ×８ｍｍ）を載置した。その後、加
熱温度２５０℃×荷重（上記表１〜表３参照）×３０秒
の条件で配線回路基板１と半導体素子５との空隙内に樹
脂を充填して上記液状封止材料をゲル化させ仮固着する
とともに上記双方の接続用電極部２，３を物理的に接触
させて当接し、その後、熱硬化（条件：１５０℃×３０
分）させることにより、図１に示すように、上記空隙が
封止樹脂層４で樹脂封止された半導体装置を各例６個ず
つ作製した。得られた半導体装置の、半導体素子５と配
線回路基板１との間の距離（Ｌ）は、後記の表４〜表５
に示す。

【００８０】得られた半導体装置全てについて、初期の
通電試験を−５５℃、２５℃および１２５℃にて行い、
さらに、その後冷熱サイクルテスト〔ＴＣＴテスト（条
件：−５５℃×３０分⇔１２５℃×３０分）１０００サ
イクルを行った後に、再度、上記温度条件下にて通電試
験を行った。その結果、通電不良の発生した数をカウン
トした。また、上記冷熱サイクルテスト後の半導体装置
の断面を顕微鏡を用い観察することにより、半導体素子
と配線回路基板との距離（当接状態）を測定した。これ
らの結果を下記の表４〜表５に示した。

【００８１】一方、上記各実施例および比較例で得られ
たシート状封止材料および液状封止材料のみを１５０℃
×３０分の条件で加熱して硬化物を得た。この各硬化物
の４０〜８０℃における平均熱膨張係数を熱機械分析装
置（ＴＭＡ／ＳＳ１１０、セイコー社製）を用い、先に
述べた方法と同様にして測定した。

【００８２】また、上記シート状封止材料，液状封止材
料およびこれらの硬化物について、ゲルタイム（１７５
℃）、ガラス転移温度（Ｔｇ）、吸水率、２５℃におけ
る引張弾性率（実施例１〜８のみ）を下記の方法に従っ
て測定した。

【００８３】〔１７５℃のゲルタイム〕先に述べた方法
に従って測定した。

【００８４】〔ガラス転移温度（Ｔｇ）〕動的粘弾性測
定装置ＤＭＳ２１０（セイコー社製）にて測定した。そ
して、ｔａｎδが最大を示す温度をガラス転移温度（Ｔ
ｇ）とした。

【００８５】〔吸水率〕硬化物を８５℃×８５％ＲＨで
１６８時間放置した後、微量水分測定器（平沼水分測定
装置ＡＱ−５、平沼産業社製）にて測定した。

【００８６】〔２５℃における引張弾性率〕ＪＩＳＫ
６９００に準じ、万能引張試験機（オートグラフ、島
津製作所社製）を用いて測定した。

【００８７】

【表４】

【００８８】

【表５】

【００８９】上記表４〜表５の結果、実施例品に関して
は、各温度の初期通電試験、および、ＴＳＴ試験後の各
温度の通電試験の全てにおいて不良が全く発生しなかっ
たことが確認された。これに対して、比較例品は、上記
各試験項目の少なくともいずれかにおいて、不良が発生
していることが確認された。このことから、実施例品
は、比較例品に対して、冷熱サイクル試験に対して安定
した通電を確保していることが明らかである。

【００９０】〔シート状封止材料α、βの作製〕さら
に、下記の表６に示す各成分（先に記載した各材料）を
用い、同表に示す割合で配合しエポキシ樹脂組成物を調
製した。このエポキシ樹脂組成物をメチルエチルケトン
に混合溶解し、この混合溶液を離型処理したポリエステ
ルフィルム上に塗布した。つぎに、上記混合溶液を塗布
したポリエステルフィルムを１２０℃で乾燥させ、メチ
ルエチルケトンを除去することにより、上記ポリエステ
ルフィルム上に目的とする厚み７０μｍのシート状封止
材料α、βを作製した。

【００９１】

【表６】

【００９２】つぎに、上記得られたシート状封止材料
α、βおよびこれらの硬化物における、物性〔１７５℃
のゲルタイム、４０〜８０℃における平均熱膨張係数、
ガラス転移温度を超えた温度での平均熱膨張係数、ガラ
ス転移温度（Ｔｇ）、５０℃，１００℃，１５０℃，２
００℃の各温度での弾性率、吸水率、２５℃における引
張弾性率）を、下記の方法に従って測定した。その結果
を下記の表７に示す。なお、硬化物特性に関しては、上
記シート状封止材料α、βを１５０℃×３０分の条件で
加熱して硬化させることにより作製した。

【００９３】〔１７５℃のゲルタイム〕先に述べた方法
に従って測定した。

【００９４】〔４０〜８０℃における平均熱膨張係数〕
各硬化物の４０〜８０℃の間における平均熱膨張係数を
熱機械分析装置（ＴＭＡ／ＳＳ１１０、セイコー社製）
を用い、先に述べた方法と同様にして測定した。

【００９５】〔Ｔｇを超えた温度での平均熱膨張係数〕
上記４０〜８０℃における平均熱膨張係数と同様の装置
を用い、先に述べた方法に従って測定した。

【００９６】〔ガラス転移温度（Ｔｇ）〕動的粘弾性測
定装置ＤＭＳ２１０（セイコー社製）にて測定した。そ
して、ｔａｎδが最大を示す温度をガラス転移温度（Ｔ
ｇ）とした。

【００９７】〔弾性率〕５０℃，１００℃，１５０℃，
２００℃の各温度における硬化物の弾性率を動的粘弾性
測定装置にて測定した。

【００９８】〔吸水率〕吸水率の測定は、その硬化物を
８５℃×８５％ＲＨで１６８時間放置した後、微量水分
測定器（平沼水分測定装置ＡＱ−５、平沼産業社製）に
て測定した。

【００９９】〔２５℃における引張弾性率〕ＪＩＳＫ
６９００に準じ、万能引張試験機（オートグラフ、島
津製作所社製）を用いて測定した。

【０１００】

【表７】

【０１０１】

【実施例９〜１０、比較例５〜６】つぎに、上記シート
シート状封止材料α、βを用いて、先に述べた方法に従
って半導体装置を作製した。すなわち、図２に示すよう
に、接続用電極部２が設けられた配線回路基板１上に、
上記シート状封止材料１０を載置した後、図３に示すよ
うに、上記シート状封止材料１０上の所定の位置に、突
起状の凸部を有する接続用電極部３を設けた半導体素子
５を載置した。その後、加熱温度２５０℃×荷重（下記
の表９参照）×３０秒の条件でシート状封止材料を加熱
溶融して、配線回路基板１と半導体素子５との空隙内に
溶融状態の樹脂を充填して仮固着するとともに上記双方
の接続用電極部２，３を物理的に接触させて当接し（半
導体素子５と配線回路基板１との距離は下記の表９参
照）、その後、熱硬化（条件：１５０℃×３０分）する
ことにより、図１に示すように、上記空隙が封止樹脂層
４で樹脂封止された半導体装置を作製した。なお、上記
配線回路基板１およびそれに設けられた接続用電極部
３、半導体素子５およびそれに設けられた突起状の凸部
を有する接続用電極部３の各材質およびサイズを下記の
表８に示す。

【０１０２】

【表８】

【０１０３】

【表９】

【０１０４】このようにして得られた各半導体装置を用
い、耐半田信頼性および耐熱衝撃テストについて下記の
方法に従って測定し評価した。その結果を上記表９に併
せて示す。

【０１０５】〔耐半田信頼性〕半導体装置を３０℃／６
０％ＲＨの条件下１９２時間放置して吸湿させた後、２
１５℃×９０秒間半田リフロー（ＶＰＳ）を３回行った
後、各電極の電気導通を確認した。その結果、通電不良
の発生した数をカウントした。

【０１０６】〔耐熱衝撃テスト〕−４０℃×５分⇔２５
℃×１分⇔１２５℃×５分の１０００サイクルで耐熱衝
撃テスト（ＴＳＴテスト）を行った。その後、各電極の
電気導通を確認した。その結果、通電不良の発生した数
をカウントした。

【０１０７】上記測定の結果、シート状封止材料αを用
い、半導体素子と配線回路基板との距離が５０μｍ以下
であった実施例９，１０品では、耐半田信頼性および耐
熱衝撃テスト後においても各電極の電気導通が良好に行
われていることが確認されたこれに対して、シート状封
止材料βを用い、半導体素子と配線回路基板との距離が
５０μｍを超えた比較例５品では、耐半田信頼性評価後
においては、各電極の電気導通は良好に行われたが、耐
熱衝撃テスト後においては全ての電極に導通不良が発生
した。また、シート状封止材料βを用い、半導体素子と
配線回路基板との距離が３６μｍの比較例６品では、上
記比較例５品と同様、耐半田信頼性評価後においては、
各電極の電気導通は良好に行われたが、耐熱衝撃テスト
後においては全ての電極に導通不良が発生した。

【０１０８】

【発明の効果】以上のように、本発明では、複数の接続
用電極部を介在して接続された、配線回路基板と半導体
素子との間の空隙に封止樹脂層が形成された半導体装置
において、上記封止樹脂層自身の有する硬化物特性とし
て４０〜８０℃の温度範囲の間での平均熱膨張係数が１
００ｐｐｍ／℃以下に設定されている。とともに、当接
状態における半導体素子と配線回路基板との距離が５０
μｍ以下に設定されていることにより、例えば、冷熱サ
イクル条件下において封止樹脂層と電極部との縦方向の
熱膨張係数の差によって生じる応力が低減され、安定し
た電気的接続を行うことが可能となり電気的接続信頼性
が向上する。また、配線回路基板面に設けられた接続用
電極部と半導体素子面に設けられた接続用電極部との電
気的接続を、従来のように金属溶融によって行わず、単
に当接させるだけの物理的接触によって行うため、配線
回路基板と半導体素子の各線膨張係数の差異等によって
生じる電極部に加わる応力を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の一例を示す断面図であ
る。

【図２】上記半導体装置の製造工程を示す説明断面図で
ある。

【図３】上記半導体装置の製造工程を示す説明断面図で
ある。

【図４】上記半導体装置の他の製造工程を示す説明断面
図である。

【図５】上記半導体装置の他の製造工程を示す説明断面
図である。

【図６】本発明の半導体装置の他の例を示す一部断面図
である。

【符号の説明】

１配線回路基板２接続用電極部３接続用電極部４封止樹脂層５半導体素子１０シート状封止材料１１液状封止材料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接続用電極部が設けられた配線回路基板
面に、上記接続用電極部に対応する接続用電極部が設け
られた半導体素子が、上記配線回路基板面に設けられた
接続用電極部と半導体素子面に設けられた接続用電極部
とが当接状態で搭載され、上記配線回路基板と半導体素
子との間の空隙が封止樹脂層によって封止されてなる半
導体装置であって、上記封止樹脂層が、下記の硬化物特
性（Ｙ）を備えているとともに、上記半導体素子と配線
回路基板との当接状態における距離が５０μｍ以下に設
定されていることを特徴とする半導体装置。（Ｙ）４０
〜８０℃の間における平均熱膨張係数が１００ｐｐｍ／
℃以下である。
【請求項２】上記封止樹脂層が、下記の硬化物特性
（Ｚ）を備えている請求項１記載の半導体装置。（Ｚ）
２５℃における引張弾性率が６００〜１５０００ＭＰａ
である。