JP2015070187A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップと配線基板の間の封止樹脂にボイドがなく、信頼性の高い半導体装置を形成する。【解決手段】少なくとも片側に接続パッド３を有する配線基板４と、配線基板４にフリップチップ方式で搭載される半導体チップ１１と、半導体チップ１１と配線基板４との間に充填された第１封止樹脂１０及び第２封止樹脂１３と、によって半導体装置を構成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、配線基板、半導体パッケージあるいは機能モジュール等の半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体装置には小型化、高密度化が要求されている。半導体装置の小型化、高密度化の要求に伴って、半導体装置と半導体基板との接続が、半導体チップと配線基板との電気的接続を行うワイヤボンディングによって行う方式に代わって、フリップチップ方式による半導体チップの実装が広く行われるようになってきた。フリップチップ方式による実装は、実装面積をワイヤボンディング方式よりも小さくし、半導体装置の高さを低くすることが可能できる。さらに、フリップチップ方式は、半導体チップと配線基板との電気的接続を一括で形成できるため、作業の効率化を図ることができる。

フリップチップ方式では、半導体チップと配線基板の電気的接続を形成し、これらの間を絶縁性の樹脂（封止樹脂）等で封止する。封止方法として、半導体チップを配線基板に搭載した後に封止樹脂を充填する「後入れ工法」と、半導体チップを搭載する前に配線基板に封止樹脂を供給する「先のせ工法」の二種類が挙げられる。
図３（ａ）〜（ｄ）は、「後入れ工法」を説明するための図である。「後入れ工法」では、先ず、図３（ａ）に示すように、半導体チップ１１のバンプ（突起電極）１２が配置される面を配線基板４に向けて、半導体チップ１１のバンプ１２と配線基板４との位置合わせを行う。配線基板４上にはソルダーレジスト層２が形成されていて、ソルダーレジスト層２の開口部にはバンプ１２と位置合わせされる接続パッド３が形成されている。

次に、図３（ｂ）に示すように、バンプ１２と配線基板４とを電気的に接続する。さらに、図３（ｃ）に示すように、半導体チップ１１と配線基板４の間に未硬化の封止樹脂１４を封止樹脂注入ノズル２１で注入し、加熱して封止樹脂１４を硬化させる。図３（ｄ）は、硬化後の半導体チップ１１と配線基板４との状態を示した図である。
上記の「後入れ工法」では、接続後に半導体チップ１１が占める空間が大きくなり、半導体チップ１１と配線基板４のギャップが狭くなると、封止樹脂１４の注入が困難になる。また、半導体チップ１１の中央部と周辺部とで封止樹脂１４注入の進行速度が異なり、半導体チップ１１の中央部付近に巻き込みボイドが生じるおそれがある。このようなおそれを低減するため、配線基板４にプラズマ処理を施し、封止樹脂の濡れ性を向上させる方法がある。

図４（ａ）〜（ｃ）は、「先のせ工法」を説明するための図である。「先のせ工法」は、半導体チップ１１と配線基板４の電気的接続形成と樹脂封止を同時に行うことができる。「先のせ工法」では、先ず、図４（ａ）に示すように、配線基板４上に封止樹脂１５を供給する。
次に、図４（ｂ）に示すように、半導体チップ１１のバンプ１２が配置された面を配線基板４に向けて、半導体チップ１１のバンプ１２と配線基板４の接続パッド３との位置合わせを行う。そして、図４（ｃ）に示すように、半導体チップ１１、配線基板４、封止樹脂１５を加熱及び加圧することによって封止樹脂１５を硬化させ、半導体チップ１１を配線基板４に搭載する。なお、図４（ｃ）中に、封止樹脂１５を加熱及び加圧する加熱・加圧ツール２０を示す。

「先のせ工法」では、半導体チップ１１が封止部材１５に載せられた後、配線基板４に近付いていく過程で封止樹脂１５が半導体チップ１１と配線基板４との間から押し出されるため、封止樹脂１５にボイドが生じるおそれがある。ボイドは、半導体チップ１１のバンプ１２、配線基板４の接続パッド３、ソルダーレジスト層２の開口部に発生しやすい。封止樹脂１５内にボイドが存在すると、半導体装置の信頼性が低下する。特に、半導体チップ１１のバンプ１２及び配線基板４の接続パッド３近傍にボイドが存在すると、マイグレーションが発生する。はんだを用いたバンプ１２、接続パッド３間にマイグレーションが発生した場合には、ショートが発生するおそれがある。バンプ１２、接続パッド３近傍のボイドを回避する方法としては、ソルダーレジスト等の保護絶縁層にボイドトラップ用の切欠開口部を形成する方法が提案されている。

ソルダーレジスト層にはんだパッドとなる導体を露出する開口部を設けることは特許文献１に記載されている。また、保護絶縁樹脂膜の開口部の側壁に切欠開口部を設けることが、特許文献２に記載されている。

特許第３４３７４５１号公報 特開２０１２−１３４３１８号公報

しかしながら、「先のせ工法」において封止樹脂１５が押し出されることは、プラズマ処理による濡れ性向上を行っても防ぐことができない。このため、「先のせ工法」では、封止樹脂１５が半導体チップ１１のバンプ１２、配線基板４の接続パッド３、ソルダーレジスト層２の開口部２ａの凹凸等に追従できず、ボイドが発生するおそれがある。
また、配線基板４の保護絶縁層にボイドトラップ用の切欠開口部を設けた場合、封止樹脂内１５にはボイドが存在していることとなる。このボイドの存在により、保護絶縁層の剥離等の不具合が発生するおそれがある。

さらに、「後入れ工法」の場合、半導体チップ１１が大きくなると、半導体チップ１１と配線基板４の線膨張係数（ＣＴＥ）の差のために、封止樹脂１５を注入する前に半導体チップ１１と配線基板４との接続部が破壊することが考えられる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、封止樹脂内にボイドが存在しない半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様の半導体装置は、少なくとも片側に半導体チップ搭載用接続パッドを有する配線基板と、前記配線基板にフリップチップ方式で搭載される半導体チップと、前記半導体チップと前記配線基板との間に充填された少なくとも二種類の封止樹脂と、を有することを特徴とする。
また、本発明の一態様の半導体装置は、上記態様において、前記半導体チップのバンプが、当該半導体チップの周囲に配置されたペリフェラル配置で配置されていることが望ましい。

また、本発明一態様の半導体装置は、上記態様において、前記半導体チップは、各辺が４ｍｍ以上の矩形形状を有することが望ましい。
また、本発明一態様の半導体装置は、上記態様において、前記半導体チップのバンプ及び前記配線基板の半導体チップ搭載用接続パッドは、前記二種類の封止樹脂のうちの一種類の封止樹脂によって封止されていることが望ましい。

本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、少なくとも片側に半導体チップ搭載用接続パッドを有する配線基板上に第１封止樹脂を供給する工程と、前記配線基板上の前記第１封止樹脂上に半導体チップを固定する工程と、前記半導体チップと前記配線基板との間であって、かつ前記第１封止樹脂の周囲に第２封止樹脂を充填し、前記半導体チップのバンプと前記配線基板の半導体チップ搭載用接続パッドとの電気的接続を封止する工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、上記態様において、前記半導体チップのバンプと前記配線基板の半導体チップ搭載用接続パッドとを電気的に接続する工程は、前記半導体チップを前記配線基板に搭載した後に第２封止樹脂を充填する後入れ工法で行うことが望ましい。

上記した態様によれば、半導体チップの中央部分を先のせ工法により封止し、半導体チップの外周部分を後入れ工法により封止するという、二種類の封止樹脂を用いた封止をすることにより、封止樹脂内にボイドが存在せず、信頼性の高い半導体装置を提供できる。

本発明の一実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法を説明するための透視平面図である。 一般的な後入れ工法の工程を説明するための図である。 一般的な先のせ工法の工程を説明するための図である。

以下に、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の半導体装置及び半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。図２（ａ）〜（ｅ）は、図１（ａ）〜（ｅ）の各々に対応する上面図であって、図１（ａ）〜（ｅ）は、図２（ａ）〜（ｅ）中に示した線分Ａ−Ａ’に沿う断面図である。

図１（ｅ）及び図２（ｅ）に示すように、本発明の半導体装置１は、半導体チップ１１と、配線基板４と、を備え、半導体チップ１１と配線基板４の間が第１封止樹脂１０と第２封止樹脂１３の二種類の封止樹脂を用いて封止された半導体装置である。半導体チップ１１の配線基板４と対向する面には、半導体チップ１１をフリップチップ方式によって搭載するため、バンプ（突起電極）１２が設けられている。バンプ１２は、半導体チップ１１の周囲に配置されたペリフェラル配置によって配置されている。

なお、図２（ａ）〜（ｅ）においては、半導体チップ１１の下面の封止樹脂の様子が見えるよう、半導体チップ１１を輪郭のみで示している。
本実施形態では、図１（ａ）、図２（ａ）に示すように、先ず、配線基板４上に第１封止樹脂１０を供給する。また、配線基板４の少なくとも片側の最表層には、半導体チップ１１と接続するための接続パッド３が設けられている。また、配線基板４の最表層にソルダーレジスト層２を設けることも可能である。

次に、図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すように、半導体チップ１１のバンプ１２が形成された面を配線基板４に向けた状態で、バンプ１２を配線基板４上の接続パッド３と位置合わせする。このような状態で、半導体チップ１１は、第１封止樹脂１０上に載せられる。そして、図１（ｃ）、図２（ｃ）に示すように、加熱・加圧ツール２０を使って第１封止樹脂１０を加熱、加圧することによって硬化させる。このような処理により、半導体チップ１１が配線基板４上に固定され、バンプ１２と接続パッド３とが電気的に接続する。

次に、本実施形態では、図１（ｄ）、図２（ｄ）に示すように、半導体チップ１１と配線基板４との間であって、かつ第１封止樹脂１０の周囲に未硬化の第２封止樹脂１３を注入する。さらに、図１（ｅ）、図２（ｅ）に示すように、注入された第２封止樹脂１３を加熱して硬化させる。このような処理により、バンプ１２と接続パッド３との電気的接続が第２封止樹脂１３によって封止される。

配線基板４は、接続パッド３等の導電部と絶縁部とを有する。導電部には、Ｃｕ、ＮｉめっきＣｕ、ＡｕめっきＣｕ、はんだめっきＣｕ、Ａｌ、Ａｇ／Ｐｄ等公知の材料が用いられる。絶縁部には、エポキシ樹脂、ポリイミド、マレイミド樹脂、ポリエチレンテレフタラート、ポリフェニレンオキシド、液晶ポリマー等の樹脂材料、エポキシ樹脂とガラス繊維等を組み合わせた材料、及びガラス、セラミックス等の無機材料を用いることができる。

また、ソルダーレジスト層２を形成するソルダーレジストには、エポキシ系等の絶縁性樹脂が用いられる。ソルダーレジスト層２は、半導体チップ１１との接続部に対応する位置に開口部５を有する。ソルダーレジスト２の開口部５は、その内部に接続パッド３を含むものと、含まないものとがあってもよい。接続パッド３を含む場合においては、一つの接続パッド３のみを含む場合と、複数の接続パッド３を含む場合のいずれも可能である。ソルダーレジスト層２の開口部５より、半導体チップ１１と接続するための接続パッド３が露出している。

接続パッド３には、半導体チップ１１のバンプ１２と接合しやすいよう、共晶はんだまたはＳｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ等の鉛フリーはんだによってプリソルダー処理が施されたり、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｎ等のめっき処理が施されたりする。このうち、鉛フリーはんだによるプリソルダー処理は高い信頼性の接続部を形成できるため、特に好ましい。

半導体チップ１１には、トランジスタ、ダイオード、ＩＣ、ＬＳＩ等のいずれを用いることも可能である。半導体チップ１１は、矩形形状を有し、各辺が４ｍｍ以上の長さを有している。バンプ１２には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属及びこれらの合金、ＣｕにＡｕめっき等を施した金属複合体、Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ等のはんだが用いられる。

本実施形態では、第１封止樹脂１０と第２封止樹脂１３の二種類の封止樹脂を用いる。第１封止樹脂１０は、粘度が２０〜３００Ｐａ・ｓであり、加熱・加圧により０．１〜３０秒、より好ましくは０．５〜１０秒で硬化する。第２封止樹脂１３は、粘度は１〜１００Ｐａ・ｓであり、１０分から１８０分、より好ましくは３０分から９０分加熱することによって硬化する。また、第１封止樹脂１０は、前記の加熱・加圧による硬化後、さらに１０分から１８０分、より好ましくは３０分から９０分の加熱を行っても差し支えない。

第１封止樹脂１０及び第２封止樹脂１３には、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、オキセタン樹脂、マレイミド樹脂及びこれらを２種類以上混合した樹脂に、フィラーとしてシリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛等を加えた材料が用いられることが一般的である。第１封止樹脂１０及び第２封止樹脂１３を用いることにより、半導体チップ１１と接続パッド３の接続部を保護するとともに、半導体チップ１１と配線基板４の熱膨脹の相違等によって生じる応力を緩和することができる。

以上説明した本実施形態の半導体装置１は、半導体チップ１１の略中央部分を「先のせ工法」により封止し、半導体チップ１１の外周部分を「後入れ方法」により封止する。本実施形態は、二種類の封止樹脂を用いた封止をすることにより、第１封止樹脂１０及び第２封止樹脂１３内にボイドが存在しない半導体装置１を形成することが可能となる。
（実施例）
実施例では、各辺が７．３ｍｍの矩形形状を有する半導体チップと、半導体チップを搭載する接続パッドが形成された１７ｍｍ角の配線基板を用いて半導体装置を作成し、評価を行った。半導体チップのバンプは金スタッドバンプであり、バンプのピッチは５０μｍである。配線基板の接続パッドは、Ｃｕの上にＳｎ−３．５Ａｇはんだ層が形成された構成とした。

以下、本実施例の半導体装置の製造方法を説明する。まず、配線基板の半導体チップ搭載面に、Ｏ_２プラズマを１００Ｗで３０秒間照射した。この配線基板を６０℃のホットプレートに載せ、配線基板の略中央部に第１封止樹脂を１ｍｇ塗布する。次に、バンプが配置される面を配線基板に向けて、半導体チップのバンプと配線基板の接続パッドとを位置合わせをする。半導体チップを配線基板に圧着させ、２４０℃で５秒間加熱する。この後、９０℃のホットプレート上で第２封止樹脂を８ｍｇ第１封止樹脂の周囲に充填し、１６５℃で９０分硬化させた。

上記のようにして作成された半導体装置を超音波探傷装置（ＳＡＴ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈ）にて観察を行ったところ、ボイドは見られなかった。
本実施例では、上記した本実施例の半導体装置と比較するため、以下のようにして比較例の半導体装置を製造した。

比較例の半導体装置には、各辺が７．３ｍｍの矩形形状を有する半導体チップと、半導体チップを搭載する接続パッドが形成された１７ｍｍ角の配線基板を用いた。半導体チップのバンプは金スタッドバンプであり、バンプのピッチは５０μｍである。配線基板の接続パッドには、Ｃｕの上にＳｎ−３．５Ａｇはんだ層が形成されている。
配線基板の半導体チップ搭載面に、Ｏ_２プラズマを１００Ｗで３０秒間照射した。この配線基板に６０℃のホットプレート上で第１封止樹脂を配線基板の略中央部に９ｍｇ塗布する。次に、バンプが配置される面を配線基板に向けて、半導体チップのバンプと配線基板の接続パッドとを位置合わせしながら半導体チップを第１封止樹脂上に載せる。そして、半導体チップを配線基板に圧着させ、２４０℃で５秒間加熱する。この後、さらに第１封止樹脂を１６５℃で９０分硬化させた。
上記のようにして作成された半導体装置を超音波探傷装置にて観察を行ったところ、ボイドが見られた。

本発明は、配線基板及び配線基板に半導体チップを搭載した半導体装置に関し、封止樹脂内にボイドがなく、信頼性の高い半導体装置の形成に好適である。

１…半導体装置
２…ソルダーレジスト層
３…接続パッド
４…配線基板
５…開口部
１０…第１封止樹脂
１１…半導体チップ
１２…バンプ
１３…第２封止樹脂
１４、１５…封止樹脂
２０…加熱・加圧ツール
２１…封止樹脂注入ノズル

Claims (6)

1. 少なくとも片側に半導体チップ搭載用接続パッドを有する配線基板と、
   前記配線基板にフリップチップ方式で搭載される半導体チップと、
   前記半導体チップと前記配線基板との間に充填された少なくとも二種類の封止樹脂と、を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体チップのバンプは、当該半導体チップの周囲に配置されたペリフェラル配置で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体チップは、各辺が４ｍｍ以上の矩形形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体チップのバンプ及び前記配線基板の半導体チップ搭載用接続パッドは、前記二種類の封止樹脂のうちの一種類の封止樹脂によって封止されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに１項に記載の半導体装置。
5. 少なくとも片側に半導体チップ搭載用接続パッドを有する配線基板上に第１封止樹脂を供給する工程と、
   前記配線基板上の前記第１封止樹脂上に半導体チップを固定する工程と、
   前記半導体チップと前記配線基板との間であって、かつ前記第１封止樹脂の周囲に第２封止樹脂を充填し、前記半導体チップのバンプと前記配線基板の半導体チップ搭載用接続パッドとの電気的接続を封止する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記半導体チップのバンプと前記配線基板の半導体チップ搭載用接続パッドとの電気的接続を封止する工程は、前記半導体チップを前記配線基板に搭載した後に第２封止樹脂を充填する後入れ工法で行うことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

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