JP2000164610A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】F/C接続構造を具備する半導体装置におい
て、半導体素子と配線基板との熱膨張係数の差による半
導体素子のエッジ部近傍の欠損部への応力集中に起因す
るチップクラックを防ぎ、信頼性を向上した半導体装置
及びその製造方法を提供する。 【構成】半導体素子2において、引張り応力のかかる上
面側エッジ部近傍を樹脂層66で被覆する構造を取るこ
とで、半導体素子のダイシング(切り出し)時に前記エ
ッジ部近傍に生じた欠損部にかかる応力集中を緩和し、
チップクラックを防止する

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、配線基板に半導体素子
をバンプ電極を介して実装する構造、いわゆるフリップ
チップ(以下、F/Cとも称する)実装構造を具備する
半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体装置の高密度実装化、低背
化が進んでおり、従来のワイヤボンディングやTAB
(Tape Automated Bonding)等の実装方法で対応する
には限界があった。そこで、半導体素子に直接形成した
複数の電極端子を配線基板上の接続端子にダイレクトに
接続するフリップチップ(F/C)接続法が注目されて
いる。
【0003】図12乃至図15は、従来のF/C接続法
の具体例である。図12は、いわゆるC4(Controlled
Collapse Chip Connection)法と呼ばれるものであ
る。半導体素子2をはんだバンプ5を介して配線基板1
上の電極4にはんだリフローにより接続する。その後、
半導体素子2と配線基板1の間に応力緩和のための樹脂
層6を形成する。
【0004】図13は、いわゆるSSB(Stud Bump
Bonding)法と呼ばれるものである。半導体素子2をバ
ンプ7を介して配線基板1上の電極4に導電性接着剤8
により接続する。その後、半導体素子2と配線基板1の
間に応力緩和のための樹脂層6を形成する。
【0005】図14は、いわゆるACF(Anisotropic
Conductive Film)法と呼ばれるものである。半導体
素子2をバンプ7を介して配線基板1上の電極4に導電
粒子10を含有する異方性導電シート9によって接続す
る。この場合、前記バンプ7と前記電極4との間の電気
的接続は、導電粒子10を介して行われる。
【0006】図15は、いわゆるMBB(Micro Bump
Bonding)法と呼ばれるものである。半導体素子2を
バンプ7を介して電極4上に配置する。その後、半導体
素子2と配線基板1の間に光硬化性樹脂を充填し、紫外
線等を照射して光硬化させて樹脂層11を形成する。こ
の場合、前記バンプ7と前記電極4との間の電気的接続
は、樹脂層11の光硬化時の収縮応力による圧接によっ
て行われる。
【0007】上記の従来技術においては、半導体素子の
大面積化に伴い、実装時に半導体素子にクラックが発生
する不具合(以下、チップクラックと称する)が見受け
られた。図16は、「チップクラック」の発生メカニズ
ムの概念図である。加熱下での半導体素子の実装時にお
いて、半導体素子2と配線基板1の熱膨張係数の違いに
より、半導体素子2の上面に引張り応力σが働き、チッ
プクラック12が発生する。
【0008】従来より、チップクラックは半導体素子の
実装面と対向する上面側のエッジ部近傍から発生するこ
とが知られていた。この理由は、半導体素子のエッジ部
近傍にダイシング(切り出し)時に微細なチッピング等
の欠損部が生じ、この欠損部に上記引張り応力σに基づ
く応力集中が発生するからと推察される。
【0009】F/C接続構造における半導体素子やバン
プ電極の破損を防止する方法が種々検討されている。特
許第2095210号公報には、所定のヤング率を有す
るシリコンゲルを用いて封止する方法が開示されてい
る。しかし、半導体装置全体を容器中で封止するため、
MCM(マルチ チップ モジュール)やCSP(チッ
プ サイズ パッケージ)等のベアチップ実装には不向
きであった。
【0010】特開平7−66326号公報には、F/C
接続部の応力緩和層として充填する樹脂層のフィレット
形状等を規定する方法が開示されている。しかし、CS
Pのように半導体素子と配線基板の寸法が略同等の場合
には、所定のフィレット形状を形成する余地がないため
適用が不可能な場合がある。
【0011】特開平8−55938号公報には、F/C
接続部にヤング率の異なる2種類の樹脂を充填する方法
が開示されている。しかし、半導体素子の中央部と外周
部とで異なる種類の樹脂を所定の範囲に充填し分ける必
要があるため、前述したような種々のF/C接続構造を
選択する自由度が得られない問題があった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、F/
C接続構造を具備する半導体装置において、半導体素子
と配線基板との熱膨張係数の差による半導体素子のエッ
ジ部近傍の欠損部への応力集中に起因するチップクラッ
クを防ぎ、信頼性を向上した半導体装置及びその製造方
法を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】請求項1は、F/C接続
構造を有する半導体装置において、半導体素子と配線基
板の間に充填され、且つ、半導体素子の一主面と対向す
る面と半導体素子の側面とが接してなるエッジ部を被覆
するように形成された樹脂層とを有することを要旨とす
る。ここにいう「エッジ部を被覆する」とは、半導体素
子上面のエッジ部の全周を樹脂で被覆する構造のみなら
ず、必要な部位のみを選択的に被覆する構造をも含む概
念である。すなわち、半導体素子上面のエッジ部近傍へ
の応力集中を緩和してチップクラックを防止できる箇所
を被覆する構造であれば、本発明の目的は達成される。
この概念は、請求項2乃至請求項5においても共通する
概念である。例えば、応力集中の比較的少ない半導体素
子の角部のエッジ部を除いた四辺部のみを樹脂で被覆す
る構造であってもよい。また、半導体素子が長方形の場
合には、応力の高い長辺側のエッジ部のみを樹脂で被覆
する構造であってもよい。尚、樹脂被覆を必要とする部
位の決定は、実際のサンプルでの破壊部位の観察やFE
M等の応力解析結果に基づいて行う。
【0014】図1乃至図4は、本発明の基本的構成を例
示した説明図である。図1は、C4法への応用例であ
る。ここで、「半導体素子と配線基板の間に充填」され
た樹脂層とは、例えば図1における樹脂層6を示す。ま
た、「半導体素子の一主面と対向する面と半導体素子の
側面とが接してなるエッジ部を被覆するように形成」さ
れた樹脂層とは、例えば図1における樹脂層66を示
す。図2は、導電性接着剤を用いた方法への応用例であ
る。図3は、異方性導電シートを用いた方法への応用例
である。図4は、光硬化性樹脂を用いた方法への応用例
である。
【0015】半導体素子2において、引張り応力のかか
る上面側エッジ部近傍を樹脂層66で被覆する構造を取
ることで、半導体素子のダイシング(切り出し)時に前
記エッジ部近傍に生じた欠損部にかかる応力集中を緩和
し、チップクラックを防止することができる。尚、ここ
では図1及び図2の樹脂層6と樹脂層66に用いる樹脂
は同じ樹脂を使用しているため、当該半導体装置の断面
を観察しても、樹脂層6と樹脂層66の境界面は殆ど区
別することはできない。これは、図3の樹脂層9と樹脂
層99、図4の樹脂層11と樹脂層111においても同
様である。
【0016】請求項2は、F/C接続構造を有する半導
体装置において、半導体素子と配線基板の間に充填され
た第1の樹脂層と、半導体素子の一主面と対向する面と
半導体素子の側面とが接してなるエッジ部を被覆するよ
うに形成された第2の樹脂層とを有することを要旨とす
る。
【0017】図5乃至図8は、第1の樹脂層と第2の樹
脂層に異なる種類の樹脂を用いた場合の基本的構成を例
示した説明図である。図5は、C4法において、第1の
樹脂層6と第2の樹脂層66に異なる種類の樹脂を用い
た例である。図6は、導電性接着剤を用いた方法におい
て、第1の樹脂層6と第2の樹脂層66に異なる種類の
樹脂を用いた例である。図7は、第1の樹脂層に異方性
導電シート9を用いた後、第2の樹脂層66で半導体素
子のエッジ部近傍を被覆した例である。図8は、第1の
樹脂層に光硬化性樹脂11を用いた後、第2の樹脂層6
6で半導体素子のエッジ部近傍を被覆した例である。以
上のように、F/C接続部に充填する樹脂と半導体素子
上面のエッジ部を被覆する樹脂の種類を使い分けること
によって、バンプの接続信頼性とチップクラックの2つ
の問題を効果的に解消することができる。
【0018】請求項3は、半導体素子上面のエッジ部を
被覆する樹脂層の物性値を規定することを要旨とする。
ここにいう「ヤング率」とは、樹脂の硬化体に超微小硬
度計を用いて測定される見かけヤング率をいう。所定の
ヤング率を有する樹脂を用いて半導体素子上面のエッジ
部を被覆することで、該エッジ部に存在するチッピング
やマイクロクラック等の欠損部にかかる引張り応力に基
づく応力集中を効果的に緩和できる。
【0019】請求項4は、請求項1乃至請求項3のいず
れかに記載の半導体装置の製造方法を例示したものであ
る。具体例によれば、図1、図2、図5、図6にかかる
半導体装置の製造方法が該当する。以下、図5にかかる
半導体装置の製造方法を例に説明する。
【0020】図9乃至図11は、図5に係る半導体装置
の製造方法の説明図である。はんだバンプを有する半導
体素子2を配線基板1上の電極4にはんだリフローによ
りF/C接続を行う(図示せず)。次いで、図9に示す
ように半導体素子2と配線基板1の間にディスペンサー
13を用いて樹脂を充填し、図10に示すように第1の
樹脂層6の形成を完了する。さらに、図11に示すよう
にディスペンサー13を用いて半導体素子上面のエッジ
部近傍を第2の樹脂で被覆する。その後、150℃に加
熱して各樹脂層を熱硬化させて(図示せず)、図5に示
す半導体装置を完成する。
【0021】半導体素子と配線基板とをあらかじめF/
C接続した後に応力緩和用の樹脂を充填する工程を含む
タイプであれば、上記の具体例に挙げたF/C接続構造
に限定されずに適用可能である。
【0022】請求項5は、請求項4と同様に、請求項1
乃至請求項3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法
を例示したものである。具体例によれば、図3、図4、
図7、図8にかかる半導体装置の製造方法が該当する。
本発明は、異方性導電シートや光硬化性樹脂を用いたF
/C接続方法に代表されるように、第1の樹脂層の形成
時にF/C接続構造が成立するタイプであれば、上記の
具体例に挙げたF/C接続構造に限定されずに適用可能
である。
【0023】以上の本発明に係る半導体装置に用いる配
線基板としては、例えばPTFE系複合樹脂、BT(ビ
スマレイミド−トリアジン)或いはFR−4等のエポキ
シ系の耐熱樹脂を主成分として用いたあらゆるプラスチ
ック製配線基板が使用可能である。これらのプラスチッ
ク材料は、シリコン等の半導体素子よりも熱膨張係数が
高いため、チップクラックが発生しやすい。しかし、本
発明の実装構造及び製造方法を用いれば、係る熱膨張係
数のミスマッチに起因するチップクラックを効果的に防
止可能である。
【0024】また、本発明は、F/C実装構造を有する
半導体装置であれば前記プラスチック製配線基板を用い
た半導体装置に限定されない。アルミナ、窒化アルミニ
ウム等からなるセラミックパッケージを用いた半導体装
置にも適用可能である。これらのセラミック材料の熱膨
張係数は、前記プラスチック材料の熱膨張係数よりも半
導体素子の熱膨張係数に近い。したがって、本発明の実
装構造及び製造方法を用いれば、半導体装置の薄型化や
大型化が進んだ場合においても、チップクラックを効果
的に防止可能である。
【0025】また、ホウケイ酸鉛系ガラス、ホウケイ酸
系結晶化ガラス、ホウケイ酸リチウム系結晶化ガラス等
のガラス成分にアルミナ、シリカ等のフィラー成分を複
合化させた複合材料からなるガラスセラミックパッケー
ジを用いた半導体装置にも適用可能である。この場合、
熱膨張係数がシリコン等の半導体素子よりも大きい複合
材料からなるガラスセラミックパッケージ(いわゆる高
膨張率ガラスセラミックパッケージ)を用いた半導体装
置に特に有用である。
【0026】
【実施例】以下、具体例を持って本発明を説明するが、
本発明は以下に示す具体的な実施の形態のみに限定され
るものではない。
【0027】(実施例1)実施例1は、実体形状を用い
て耐チップクラック性を評価したものである。
【0028】(1)半導体装置の製造 半導体素子は、□11.33mm×厚み0.635mm
のシリコン製を使用した。該半導体素子の実装面の周縁
には、外径125μmのはんだパンプが250μmピッチ
で配置されている。
【0029】配線基板は、□42.5mm×厚み0.8
mmのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を主成
分とする樹脂製のものを使用した。該配線基板には、銅
配線が形成されている。銅配線の半導体素子を実装する
部分には、ニッケルメッキ及び金メッキが施されてい
る。該配線基板の半導体素子の実装面には、スティフナ
と称される□42.5mm×厚み0.7mmの銅製の補
強板(図17及び図18に示す14)が接着されてい
る。該スティフナのほぼ中央部には、半導体素子を実装
するための開口部(□22.5mm)が設けられてい
る。
【0030】前記半導体素子を前記配線基板上の実装用
電極に配置し、最高保持温度260℃×5秒の条件では
んだリフロー炉を通して半導体素子実装基板を作製し
た。
【0031】試験に用いた樹脂は、表1に示した4種類
とした。表1に示す各樹脂の「ヤング率」とは、各樹脂
の硬化体に超微小硬度計(Fischer社製 フィッ
シャースコープ H−100)を用いて測定される見か
けヤング率{E/(1−ν2)}(単位;GPa)をい
う。ここで、Eはヤング率(単位;GPa)、νはポア
ソン比である。測定方法はDIN50359−1に準じ
て行った。充填層用樹脂及び被覆層用樹脂の組み合わせ
は、表2に示した10種類とした。
【0032】まず、前記半導体素子実装基板のF/C接
続部に各充填層用樹脂をディスペンサーを用いて毛細管
現象を利用して充填した。次いで、半導体素子の上面エ
ッジ部近傍をディスペンサーを用いて各被覆層用樹脂に
て被覆した。
【0033】その後、加熱炉を用い大気中にて120℃
×15分〜150℃×30分の加熱処理を行って充填層
用樹脂及び被覆層用樹脂を熱硬化させて、各半導体装置
の製造を完了した。図17は実施例の形態を示す説明図
である。図18は、比較例の形態を示す説明図である。
【0034】(2)耐チップクラック試験 前記(1)で作製した各半導体装置を、耐チップクラッ
ク加速試験として各20個ずつ最高保持温度260℃×
5秒の条件ではんだリフロー炉を6回連続で通した。室
温に戻るまで室温で放置した後、蛍光探傷液を用いてチ
ップクラックが発生しているか否かを目視及び倍率20
倍の拡大鏡を用いて検査した。チップクラックが一切発
生しなかったものを合格とした。その合格率を「リフロ
ー合格率」として、結果を表2に示した。
【0035】
【表1】
【0036】
【表2】
【0037】表2の試料番号1乃至試料番号4は、充填
層と被覆層に同一の樹脂を用いた実施例である。試料番
号5乃至試料番号8は、半導体素子上面のエッジ部を被
覆しなかった比較例である。試料番号本発明の実施例で
ある試料番号2乃至試料番号4、試料番号9及び試料番
号10は、リフロー合格率が90〜100%と良好な耐
チップクラック性を示した。
【0038】一方、半導体素子上面のエッジ部を被覆し
なかった比較例である試料番号5乃至試料番号8は、リ
フロー合格率が60〜84%という結果であった。ま
た、半導体素子上面のエッジ部を被覆する樹脂のヤング
率が5GPa未満の比較例である試料番号1及び試料番
号11は、リフロー合格率がそれぞれ75%及び82%
という結果であった。
【0039】表2における試料番号9乃至試料番号11
は、充填層と被覆層の樹脂のヤング率を変化させた例で
ある。半導体素子上面のエッジ部を被覆する樹脂のヤン
グ率が5GPa以上の実施例である試料番号9及び試料
番号10は、リフロー合格率がそれぞれ100%と良好
な耐チップクラック性を示した。一方、半導体素子上面
のエッジ部を被覆する樹脂のヤング率が5GPa未満の
実施例である試料番号11は、82%という結果であっ
た。
【0040】以上の結果より、半導体素子上面のエッジ
部を樹脂で被覆する構造をとれば、耐チップクラック性
を向上させる効果が得られることが分かる。特には、所
定のヤング率を有する樹脂を用いて被覆層を形成するこ
とで、耐チップクラック性をより一層向上できる。被覆
層を形成する樹脂の好ましいヤング率は5GPa以上で
ある。より好ましくは7.5GPa以上である。被覆層
を形成する樹脂のヤング率を7.5GPa以上にするこ
とで、リフロー合格率を90%以上に高めることができ
る。更に好ましくは9.0GPa以上である。被覆層を
形成する樹脂のヤング率を9.0GPa以上にすること
で、リフロー合格率をほぼ100%に高めることができ
る。
【0041】以上の実施例1では、シングルチップ実装
型の半導体装置を例に説明したが、本発明の半導体装置
は当該形態に限定されるものではない。本発明の半導体
装置は、CSP、MCM或いはチップオンボード等の様
々な形態に適用可能である。
【0042】(実施例2)実施例2は、切り出し試験片
形状の4点曲げ強度測定して、耐チップクラック性を評
価したものである。
【0043】(1)評価サンプルの作製 評価サンプルは、シリコンウエハからダイシングソーを
用いて切り出したものを使用した。評価サンプルのエッ
ジ部は、基本的にはダイヤモンドやすりを用いて切り出
し時に生じたチッピングを除去し、評価上必要とされる
部位についてはチッピングをそのまま残した。
【0044】評価サンプルの寸法は、長さ35mm×幅
4mm×厚み0.73mmの板状とした。評価サンプル
には、半導体素子のエッジ部に存在する欠損部を想定し
て、あらかじめ2種類の欠陥を設けた。一つは、評価サ
ンプルの引っ張り応力がかかる面側のエッジ部に、効果
を明確にするため実際の半導体素子に見られるものより
大きめのチッピングを設けた。これを以下、「チッピン
グ品」と称する。他方は、評価サンプルの略中央部にビ
ッカースの圧子で1Nの荷重をかけて、図19に示すよ
うな欠陥部を設けた。これを以下、「予備欠陥品」と称
する。
【0045】評価サンプルの形態は以下の計10種類と
した。 .チッピング品 .チッピング被覆品4種類(チッピング品のエッジ部
を表1の4種類の樹脂でそれぞれ被覆したもの。) .予備欠陥品 .予備欠陥被覆品4種類(予備欠陥品の欠陥部エッジ
部を表1の4種類の樹脂でそれぞれ被覆したもの。)
【0046】(2)4点曲げ強度の測定 前記(1)で作製した10種類の評価サンプルについ
て、4点曲げ強度を測定した。試験方法は、JIS R
1601に準じて行った。結果を表3に示した。
【0047】
【表3】
【0048】表3に示すように、本発明の実施例である
試料番号14乃至試料番号16、試料番号19及び試料
番号21は、108〜140MPaの良好な4点曲げ強
度を示した。被覆樹脂のヤング率が上昇するにつれて、
4点曲げ強度も上昇していくことがわかる。
【0049】一方、被覆層を有しない比較例である試料
番号12及び試料番号17は、4点曲げ強度がそれぞれ
95MPa及び89MPaという結果となった。また、
被覆層のヤング率が5GPa未満の比較例である試料番
号13及び試料番号18は、4点曲げ強度がそれぞれ1
03MPa及び93MPaという結果となった。
【0050】以上の結果より、実施例2における評価サ
ンプルでの4点曲げ強度の結果は、実施例1で実体形態
で評価した耐チップクラック性の結果とほぼ相関関係が
あるといえる。よって、半導体素子上面のエッジ部を所
定の樹脂層で被覆すれば、半導体素子にかかる引っ張り
応力に基づく応力集中を効果的に緩和することができる
ことがわかる。
【0051】尚、実施例1及び実施例2の結果より、被
覆樹脂層のヤング率の上限値としては、少なくとも1
1.0GPaまでは適用可能であることが確認されてい
る。半導体装置上面に作用する引っ張り応力に基づくエ
ッジ部近傍への応力集中を緩和するという本発明の目的
から判断すれば、11.0GPa以上の樹脂を用いても
当該応力緩和の効果を奏することが可能である。
【0052】
【発明の効果】本発明によれば、F/C接続構造を具備
する半導体装置において、半導体素子と配線基板との熱
膨張係数の差による半導体素子のエッジ部近傍の欠損部
への応力集中に起因するチップクラックを防ぎ、信頼性
を向上した半導体装置及びその製造方法を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1に係る発明のC4法への応用例の説明
図。
【図2】請求項1に係る発明のSSB法への応用例の説
明図。
【図3】請求項1に係る発明のACF法への応用例の説
明図。
【図4】請求項1に係る発明のMBB法への応用例の説
明図。
【図5】請求項2に係る発明のC4法への応用例の説明
図。
【図6】請求項2に係る発明のSSB法への応用例の説
明図。
【図7】請求項2に係る発明のACF法への応用例の説
明図。
【図8】請求項2に係る発明のMBB法への応用例の説
明図。
【図9】請求項3又は請求項4に係る半導体装置の製造
方法の説明図。
【図10】請求項3又は請求項4に係る半導体装置の製
造方法の説明図。
【図11】請求項3又は請求項4に係る半導体装置の製
造方法の説明図。
【図12】従来のC4法を用いた半導体装置の説明図。
【図13】従来のSSB法を用いた半導体装置の説明
図。
【図14】従来のACF法を用いた半導体装置の説明
図。
【図15】従来のMBB法を用いた半導体装置の説明
図。
【図16】「チップクラック」の発生メカニズムの概念
図。
【図17】実施例1の実施例に係る形態を示す説明図。
【図18】実施例1の比較例に係る形態を示す説明図。
【図19】実施例2に係る予備欠陥の形態を示す説明
図。
【符号の説明】
1 配線基板 2 半導体素子 3 半導体素子側の電極 4 配線基板側の電極 5 はんだバンプ 6 充填層 66 被覆層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一主面にバンプ電極が形成された半導体
    素子と、 前記バンプ電極を接続するための電極パッド群を有し、
    該電極パッド群上に前記バンプ電極とが実質的に固定さ
    れるようにして前記半導体素子が搭載された配線基板
    と、 前記半導体素子と前記配線基板の間に充填され、且つ、
    前記半導体素子の一主面と対向する面と前記半導体素子
    の側面とが接してなるエッジ部を被覆するように形成さ
    れた樹脂層とを有する半導体装置。
  2. 【請求項2】 一主面にバンプ電極が形成された半導体
    素子と、 前記バンプ電極を接続するための電極パッド群を有し、
    該電極パッド群上に前記バンプ電極とが実質的に固定さ
    れるようにして前記半導体素子が搭載された配線基板
    と、 前記半導体素子と前記配線基板の間に充填された第1の
    樹脂層と、 前記半導体素子の一主面と対向する面と前記半導体素子
    の側面とが接してなるエッジ部を被覆するように形成さ
    れた第2の樹脂層とを有する半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記半導体素子のエッジ部を被覆する樹
    脂層のヤング率が5GPa以上である請求項1又は請求
    項2に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記半導体素子のバンプ電極を前記配線
    基板上の電極パッド群に接続する工程と、 前記半導体素子と前記配線基板の間に第1の樹脂層を充
    填する工程と、 前記半導体素子の一主面に対向する面と前記半導体素子
    の側面とが接してなるエッジ部を第2の樹脂で被覆する
    工程とを具備する請求項1乃至請求項3のいずれかに記
    載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記半導体素子のバンプ電極を第1の樹
    脂層を介して前記配線基板上の電極パッド群に接続する
    工程と、 前記半導体素子の一主面に対向する面と前記半導体素子
    の側面とが接してなるエッジ部を第2の樹脂で被覆する
    工程とを具備する請求項1乃至請求項3のいずれかに記
    載の半導体装置の製造方法。
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