JP2004146534A - 半導体装置の実装構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を提供する。
【解決手段】樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積を、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積の４／７以上に規定することによって、特に、はんだバンプ３の接合部３ａの「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみの増加量を抑制することが可能となる。
【選択図】 図１
【解決手段】樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積を、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積の４／７以上に規定することによって、特に、はんだバンプ３の接合部３ａの「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみの増加量を抑制することが可能となる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の実装構造体に関し、特に小形化および高密度化されたパッケージ形態を有する半導体装置の実装構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置においては、著しい小形化、高密度化が達成され、その実装形態も変化してきている。従来、半導体装置の実装形態としては、配線基板に形成されたスルーホールにリードを挿入する挿入形の形態（略称ＤＩＰ：Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ
Ｐａｃｋａｇｅ）、またはリード線を基板の一表面部にはんだ付けして実装する形態（略称ＱＦＰ：Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）が採用されてきた。一方で、半導体装置の小形化、高密度化に対する要求はさらに高まりつつあり、ＱＦＰなどのパッケージ形態では、前記小形化、高密度化に対応できなくなってきている。
【０００３】
このため出力端子をエリア化し、はんだボールによって電気的、機械的な接続をした実装形態（略称ＢＧＡ：Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）および半導体パッケージが略チップサイズにまで小形化された実装形態（略称ＣＳＰ：Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）に変化してきている。しかし、このようなＣＳＰ形半導体装置の実装構造体においては、熱応力および応力を「はんだ」だけで享受することになる。前記熱応力は、配線基板と半導体装置との間の熱膨張係数の違いに起因して発生する。前記応力は、落下衝撃などによる基板の変形によって発生する。それ故、ＣＳＰ形半導体装置の実装構造体は、温度サイクル信頼性および機械的強度が劣る。この防止策として、半導体装置と配線基板との間の間隙部分に、樹脂から成る充填部材を介在させる構造が多く採用されている。
【０００４】
たとえば半導体チップと、この半導体チップが搭載される基板と、それらの間の間隙部分に充填される樹脂から成る充填部材とを有する半導体装置の実装構造体（たとえば、特許文献１参照）が開示されている。この半導体装置の実装構造体においては、前記樹脂の縦弾性係数が５ｋｇｆ／ｍｍ２以上１０００ｋｇｆ／ｍｍ２以下（５０ＭＰａ以上１０ＧＰａ以下）でかつ線膨張係数が１８ｐｐｍ／Ｋ以上４０ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴としている。これによって、配線層およびはんだに作用するせん断力を小さくするとともに、樹脂と半導体チップの一表面部との熱膨張差を小さくして熱応力を小さくしている。これによって製品の信頼性を高くしている。
【０００５】
また半導体装置と配線基板との間隙部分において、４隅部分に、樹脂から成る補強部材つまり充填部材が介在される半導体装置の実装構造体（たとえば、特許文献２参照）も開示されている。この半導体装置の実装構造体においては、前記４隅部分だけに充填部材が介在されているので、半導体装置は配線基板から剥離し易くなる。換言すれば、不良チップの交換つまりリペアを容易にしている。
【０００６】
他方、環境保護の観点から、半導体装置を無鉛はんだを用いて外部電極に接続する技術が検討されている。接続のために供給されるはんだペーストに加えて、半導体装置を配線基板に電気的かつ機械的に接続するためのはんだバンプについても同様に無鉛はんだを用いる技術も採用されつつある。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２７２０８３１号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開２０００−２９９３５６号公報（第４−５頁、第３図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置と配線基板との間の間隙部分に、単に充填部材を介在させた前記構造では、充填部材によってせん断力は和らげられるが、この半導体装置の実装構造体には、配線基板に垂直な方向の引張り、圧縮応力が発生する。これによって、はんだの接合部に「のび」が生じ、ひずみが大きくなってしまう。したがって、良好な温度サイクルの信頼性が得られない場合がある。
【０００９】
特に、はんだバンプの材質が鉛を含まない合金である場合には、はんだの弾性のびの範囲が小さくなる。それ故、環境の変化および装置の発熱、落下衝撃などの外部応力による配線基板の変形によって、はんだの接合部にひずみが負荷した場合、このはんだの接合部にクラックが発生して、接続不良が発生する。表１は、実際に半導体装置の実装構造体を用いて、温度サイクルの加速試験を行った結果を示す。間隙部分に、充填部材が充填されていないサンプルでは、平均寿命が６３５サイクルであった。これに対し、間隙部分に、充填部材が充填されたサンプルでは、すべて１００サイクル以下の平均寿命つまり故障であった。
【００１０】
【表１】
【００１１】
図７は、従来の技術に係り、前記条件下において温度サイクル試験を行った後のはんだの接合部を、配線基板の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。図７によれば、配線基板の一表面部の外部接続のためのパッドと、半導体装置の一表面部の外部接続のためのパッドとを、電気的かつ機械的に接続しているはんだバンプが破断している。破断している断線部分のはんだ形状は、配線基板に垂直な方向に引きちぎられたかのように、鋸の歯のような鋭利な凹凸形状である。この断線部分のはんだ形状によっても、充填部材の熱膨張による配線基板に垂直な方向の応力によって、はんだバンプが破断したことが確認できる。
【００１２】
特許文献１における技術については、一般的な樹脂の線膨張係数である６０ｐｐｍ／Ｋ以上１００ｐｐｍ／Ｋ以下と比べて、線膨張係数を著しく低くする必要がある。樹脂の線膨張係数を低くする簡便な技術としては、樹脂の主成分にフィラーを含有させる技術が挙げられる。しかしフィラーを樹脂に充填することによって、樹脂の粘度が高くなる。
【００１３】
半導体装置の小形化に伴い、はんだ接合部の微細化が進むと、隣接するはんだ接合部のピッチが狭くなり、半導体装置と配線基板との間の空隙部分の高さも低くなる。このようにはんだ接合部のピッチが狭くなり、空隙部分の高さも低くなるにも拘わらず、この空隙部分に、粘度の高い樹脂から成る充填部材を注入しなければならない。前記技術においては、狭ピッチでかつ狭い空隙部分に、粘度の高い樹脂を注入しなければならないので、樹脂の注入自体が困難となる。したがって小形化された半導体装置においては、前記空隙部分に、線膨張係数が１８ｐｐｍ／Ｋ以上４０ｐｐｍ／Ｋ以下の樹脂を注入することは、非現実的である。
【００１４】
特許文献２における技術については、半導体装置の実装構造体を、たとえば携帯電話などの携帯情報機器に使用した場合には、キー押しおよび落下などの外部からの外部応力が、半導体装置の実装構造体に負荷されることが予想される。しかし前記技術では、半導体装置と配線基板との間隙部分における４隅部分に、樹脂が介在されるだけである。したがって、その樹脂の注入量の少なさから、樹脂の注入による機械的な強度向上の効果は不十分である。特に、はんだ接合部の材質が鉛を含まない合金である場合、このはんだ接合部は、鉛入りはんだに比べて、破断限界のびの範囲が小さい。したがってひずみ量増加による早期故障の発生が顕著になる。
【００１５】
したがって本発明の目的は、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子部品が搭載された半導体装置が、複数のはんだバンプを介して配線基板に電気的かつ機械的に接続されて成る半導体装置の実装構造体であって、
半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、熱硬化性を有するとともに予め設定される温度以上に再加熱することで剥離可能な樹脂から成る充填部材が介在され、
前記樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下であり、かつ半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積が、半導体装置に臨む充填部材の総面積の４／７以上であることを特徴とする半導体装置の実装構造体である。
【００１７】
本発明に従えば、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂から成る充填部材が介在されているので、少なくともはんだバンプの接合部に作用するせん断応力を軽減することができるうえ、樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積を、半導体装置に臨む充填部材の総面積の４／７以上に規定することによって、特に、はんだバンプの接合部の「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプの接合部のひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプの接合部のクラックを未然に防止し、電気的かつ機械的な接続不良を防止することができる。したがって、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を実現することができる。
【００１８】
また本発明は、電子部品が搭載された半導体装置が、複数のはんだバンプを介して配線基板に電気的かつ機械的に接続されて成る半導体装置の実装構造体であって、
半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、熱硬化性を有するとともに予め設定される温度以上に再加熱することで剥離可能な樹脂から成る充填部材が介在され、
前記樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下であり、かつ前記樹脂のガラス転移温度以下の線膨張係数が、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であり、半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積が、半導体装置に臨む充填部材の総面積の１／４以上であることを特徴とする半導体装置の実装構造体である。
【００１９】
本発明に従えば、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂から成る充填部材が介在されているので、少なくともはんだバンプの接合部に作用するせん断応力を軽減することができる。前記樹脂のガラス転移温度以下の線膨張係数を、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲に規定したので、前記線膨張係数は、一般的な各種はんだのガラス転移温度以下における線膨張係数に近づく。これによって充填部材と、はんだバンプとの熱膨張差を小さくすることができる。
【００２０】
さらに、半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積を、半導体装置に臨む充填部材の総面積の１／４以上に規定することによって、特に、はんだバンプの接合部の「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプの接合部のひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプの接合部のクラックを未然に防止し、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を実現することができる。また樹脂の線膨張係数の下限値を規定しているので、樹脂の粘度が高くなることを抑制することができる。したがって、はんだバンプの接合部の微細化が進行した場合においても、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂を容易に注入することができる。
【００２１】
また本発明は、充填部材は、加熱硬化した後も、はんだバンプの融点以上に再加熱することによって、半導体装置および配線基板の少なくともいずれか１つから剥離可能であることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、充填部材を、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に注入して加熱硬化した後であっても、この充填部材を、はんだバンプの融点以上に再加熱することによって、充填部材を半導体装置および配線基板の少なくともいずれか１つから剥離することが可能となる。したがって半導体装置は配線基板から剥離し易くなる。換言すれば、たとえば不良品と判定された半導体装置の交換つまりリペアを簡単化することが可能となるうえ、配線基板を再利用することが可能となる。
【００２３】
また本発明は、接合部に臨む半導体装置の一表面部は、はんだバンプおよび充填部材によって少なくとも一部が埋設されていることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、はんだバンプの接合部に臨む半導体装置の一表面部は、はんだバンプおよび充填部材によって少なくとも一部が埋設されているので、外部応力に対して、樹脂による機械的な強度向上の効果を十分に発揮することができる。
【００２５】
また本発明は、前記半導体装置の実装構造体を搭載した電子機器である。
本発明に従えば、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を搭載した電子機器を、実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１の実装構造体２の図であり、（ａ）は半導体装置１の実装構造体２を部分的に示す斜視図、（ｂ）は、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積と、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積との関係を示し、半導体装置１の一表面部１ａを配線基板５側から見た端面図である。図２は、第１の実施形態に係る半導体装置１の実装構造体２を、その配線基板５の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。本実施形態の半導体装置１の実装構造体２は、たとえば携帯電話などに適用される。前記実装構造体２は、半導体装置１が半導体チップの略チップサイズにまで小形化されたＣＳＰ形（ＣＳＰ：Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）の半導体装置１の実装構造体２の一例である。
【００２７】
半導体装置１の実装構造体２は、配線基板５と、半導体装置１と、複数のはんだバンプ３と、樹脂４ａから成る充填部材４とを有する。この半導体装置１の実装構造体２は、電子部品としての半導体チップ６が搭載された半導体装置１が、複数のはんだバンプ３を介して配線基板５の一表面部に形成された配線の電極部５ａに電気的かつ機械的に接続されて成る。半導体チップ６はワイヤ７などによって半導体装置１に電気的かつ機械的に接続され、これら半導体チップ６および半導体装置１の厚み方向一方には、モールド８が施されている。
【００２８】
半導体装置１と配線基板５との間には、複数のはんだバンプ３の表面張力によって、空隙部分９が確保されている。この第１の実施形態の半導体装置１の実装構造体２においては、空隙部分９の一部に、樹脂４ａから成る充填部材４を介在させている。前記樹脂４ａは、未硬化の状態で流動性があり、加熱などの手段によって硬化して所望の物性を示すものが用いられる。前記流動性を利用して半導体装置１と配線基板５との間に、樹脂４ａを容易に介在させることが可能となる。
【００２９】
さらに樹脂４ａの硬化物は、熱硬化性を有するとともに、予め設定される温度以上に再加熱することで剥離可能になっている。具体的には、充填部材４を、半導体装置１と配線基板５との間の空隙部分９に注入して加熱硬化した後であっても、充填部材４を、はんだバンプ３の融点以上に再加熱することによって、半導体装置１および配線基板５の少なくともいずれか１つから剥離可能になっている。したがって半導体装置１は配線基板５から剥離し易くなる。換言すれば、たとえば不良品と判定された半導体装置１の交換つまりリペアを簡単化することが可能となるうえ、配線基板５を再利用することが可能となる。
【００３０】
以上の特性を有する樹脂４ａの材料は、いくつか考えられるが、本実施形態においては次のような材料が好適に用いられる。たとえば液状のエポキシを主成分としたアミン系の樹脂であり、無機微粉末および硬化剤および／または硬化促進剤などを混合した組成物が好適に用いられる。ここで、線膨張係数を調整するために用いられる無機微粉成分としては、たとえば、石英、炭酸カルシウム、炭化珪素、窒化珪素、アルミナなどそれ自体の線膨張係数が小さい材料が好適である。ここで、樹脂４ａの注入性を考慮すると、無機微粉成分の含有量は、たとえば５０％程度以下が望ましい。
【００３１】
また半導体装置１の実装構造体２においては、半導体装置１を配線基板５に実装した後に、樹脂４ａを硬化させる。配線基板５の一表面部５ａには、高温でのダメージを受け易い部品が搭載されていることもあるので、前記樹脂４ａをたとえば１００℃程度の低温で硬化することが望ましい。樹脂４ａの形成工程としては、予め樹脂４ａを配線基板５に供給したうえで、半導体装置１を実装する方式いわゆるノーフロー方式でもよい。実装した後の半導体装置１と配線基板５との間の空隙部分９に、樹脂４ａを流し込む方式いわゆるフロー方式でもよい。
【００３２】
この第１の実施形態の半導体装置１の実装構造体２においては、特に、樹脂４ａの常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ図１（ｂ）に示すように、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積の４／７以上に規定されている。すなわち図１（ｂ）は、図２のＡ−Ａ線端面図である。半導体装置１は、その厚み方向に見て一辺Ｈの正方形状に形成されている。一辺Ｈは、たとえば約７．２ｍｍに設定されている。以後はんだバンプ３の接合部３ａを、単に、はんだの接合部３ａという場合がある。
【００３３】
この一辺Ｈの正方形状の領域内に、９行９列で総数８１個のはんだバンプ３の接合部３ａであって、各接合部３ａが直径Ｒの円形状に形成されたはんだバンプ３の接合部３ａが、一定間隔δおきに配置されている。直径Ｒはたとえば約０．４６ｍｍに設定され、一定間隔δはたとえば約０．８ｍｍに設定されている。前記９行の行方向は、任意の一辺Ｈに平行な方向であり、前記９列の列方向は、前記一辺Ｈに隣接する一辺Ｈに平行な方向である。はんだバンプ３の接合部３ａの総数を、ピン数という場合がある。前記一定間隔をピッチという場合もある。この正方形状の領域内において、その中央付近部の正方形領域１０を除く矩形枠部分に充填部材４が注入されている。
【００３４】
ここで、この半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１は、各接合部３ａの面積Ｓｈに、接合部３ａの総数（たとえば８１個）を乗じることによって得られる。各接合部３ａの面積Ｓｈは、直径Ｒ（たとえば約０．４６ｍｍ）を「２」で除した半径の２乗に、円周率πを乗じることによって求められる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１は、約１３．５ｍｍ２と求められる。上述したように、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１は、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積Ｓ２の４／７以上に規定されているので、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積Ｓ２は、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１に「７」を乗じて「４」で除すことによって求められる。これによって、充填部材４の総面積Ｓ２は、２３．６ｍｍ２以下とすればよい。
【００３５】
図３は、樹脂４ａの注入方法を段階的に示す図である。ただし種々のチップ部品および大規模集積回路パッケージ（略称ＬＳＩパッケージ、ＬＳＩ：Ｌａｒｇｅ
Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）は省略されている。この図３においては、配線基板５の一部と半導体装置１とが、それらの厚み方向一方に見て示されている。またディスペンサ１１を用いて、半導体装置１の実装構造体２に樹脂４ａを注入するようになっている。この樹脂４ａを注入する際、配線基板５は、室温以上、たとえば５０℃程度の温度に保持されていることが望ましい。
【００３６】
樹脂４ａは、ディスペンサ１１のノズル１２によって半導体装置１の外周部から注入するが、図１（ｂ）に斜線にて表される矩形枠部分に樹脂４ａを注入するため、半導体装置１の周囲を先ず囲むように樹脂４ａを注入するのが望ましい。ここで、樹脂４ａを半導体装置１と配線基板５との間の空隙部分９に注入する際、配線基板５の温度を室温以上に保ちながら行うことによって、樹脂４ａの粘度を低くすることができる。したがって、狭ピッチの半導体装置１を実装する場合においても、前記空隙部分９に樹脂４ａをスムースに注入することができる。つまり迅速かつ確実に樹脂４ａを注入することができる。
【００３７】
上述したように半導体装置１と配線基板５との間に樹脂４ａが注入された後、この樹脂４ａの硬化温度まで加熱し、所定の時間保持して硬化させることによって、半導体装置１の実装構造体２を実現することができる。具体的に、樹脂４ａはアミン系であるので、硬化温度はたとえば約１００℃で、硬化させる時間はたとえば４０分程度でよい。前記硬化温度は、モジュールの状態で硬化させるのに十分な低温である。この硬化温度では、同一の配線基板５に搭載された他の半導体装置または電子機器に対し、悪影響を与えない。
【００３８】
ここで半導体装置１の実装構造体２において、熱疲労寿命強度を示す際の指標の１つとして、温度サイクル試験１０００サイクルクリアを挙げることができる。はんだ材料の熱疲労寿命とひずみとの関係によると、はんだバンプ３の接合部３ａが錫Ｓｎ３．５銀Ａｇ０．７５銅Ｃｕはんだである場合には、温度サイクル試験１０００サイクルクリアするための非線形ひずみは０．７％以下である。（于強、他３名、日本機械学会 ＲＣ１６２ エレクトロニクス実装における信頼性評価に関する研究分科会 研究報告書、ｐ．３１３〜３４３）つまり、半導体装置１の実装構造体２の温度サイクル信頼性を確保するためには、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみを０．７％以下にする必要がある。
【００３９】
温度サイクル加速試験の温度変化範囲を２３３Ｋから３９８Ｋまでとし、前記温度変化範囲におけるはんだバンプの線膨張係数が２４ｐｐｍ／Ｋ、前記温度変化範囲におけるはんだバンプの縦弾性係数が５５ＧＰａである錫Ｓｎ銀Ａｇはんだによって、半導体装置１と配線基板５とを接続する。この場合に、はんだバンプ３に臨む半導体装置１の一表面部において、はんだバンプ３および充填部材４それぞれが作用する前記厚み方向の力の釣り合いを考える。
【００４０】
ここで外部応力によって拘束されていない樹脂４ａであって、自由伸びである場合の樹脂４ａのひずみε２、および同様の自由伸びである場合のはんだのひずみε１が、それぞれお互いによって制限され、半導体装置１全体としてのひずみεｒとなったとすると、はんだバンプ３の接合部３ａおよび充填部材４それぞれに生じる内部応力は、以下の式で表される。
Ｆ１＝（εｒ−ε１）×Ｅ１ …（１）
Ｆ２＝（εｒ−ε２）×Ｅ２ …（２）
【００４１】
すなわち、はんだバンプ３の接合部３ａの内部応力Ｆ１は、半導体装置１全体としてのひずみεｒからはんだのひずみε１を減じた値に、はんだの縦弾性係数をＥ１を乗じることによって求められる。充填部材４の内部応力Ｆ２は、半導体装置１全体としてのひずみεｒから樹脂４ａのひずみε２を減じた値に、樹脂４ａの縦弾性係数Ｅ２を乗じることによって求められる。式１および式２は、力の釣り合いによって以下の式で表される。
Ｆ１×Ｓ１＋Ｆ２×Ｓ２＝０ …（３）
【００４２】
すなわち接合部３ａの内部応力Ｆ１に、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１を乗じた値と、充填部材４の内部応力Ｆ２に、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積Ｓ２を乗じた値との和は、「０」になる。はんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１が、充填部材４の総面積Ｓ２のＳｒ倍であるとすると、半導体装置１全体としてのひずみεｒは、式１〜式３から以下のように表される。
εｒ＝（ε１Ｅ１Ｓｒ＋ε２Ｅ２）／（Ｅ１Ｓｒ＋Ｅ２） …（４）
【００４３】
すなわち、はんだのひずみε１にはんだの縦弾性係数をＥ１を乗じ、さらに倍数Ｓｒを乗じた値に、樹脂４ａのひずみε２に樹脂４ａの縦弾性係数Ｅ２を乗じた値を加える。これによって求められる値（ε１Ｅ１Ｓｒ＋ε２Ｅ２）を第１の値とする。また、はんだの縦弾性係数をＥ１に倍数Ｓｒを乗じた値に、樹脂４ａの縦弾性係数Ｅ２を加える。これによって求められる値（Ｅ１Ｓｒ＋Ｅ２）を第２の値とする。したがって、半導体装置１全体としてのひずみεｒは、前記第１の値から第２の値を除して求められる。
【００４４】
第１の実施形態の半導体装置１の実装構造体２においては、樹脂４ａの縦弾性係数Ｅ２が１０ＧＰａ以下に規定されているので、式４から次の式５が成立する。
Ｅ２＝｛Ｅ１Ｓｒ（εｒ−ε１）／（ε２−εｒ）｝≦１０ …（５）
【００４５】
また第１の実施形態の半導体装置１の実装構造体２においては、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１が、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積Ｓ２の４／７以上に規定されているので、式５から次の式６が成立する。
４／７ ≦Ｓｒ≦１０（ε２−εｒ）／Ｅ１（εｒ−ε１） …（６）
【００４６】
式６から、半導体装置１全体としてのひずみεｒが、次の式７のように表される。
εｒ≦｛７０ε２＋４Ｅ１ε１｝／（４Ｅ１＋７０） …（７）
【００４７】
式７に、はんだの縦弾性係数Ｅ１（５５）、自由伸びである場合のはんだのひずみε１（（線膨張係数）×（温度変化量）＝２４×１０−６×１６５＝０．００３９６）、自由伸びである場合の樹脂４ａのひずみε２（（線膨張係数）×（温度変化範囲）＝１００×１０−６×１６５）＝０．００３９６）をそれぞれ代入すると、ひずみεｒは次の式８のように表される。
εｒ≦０．００７ …（８）
【００４８】
上述のように、半導体装置１の実装構造体２の温度サイクル信頼性を確保するためには、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみを０．７％以下にする必要がある。式８から、本実施形態における半導体装置１の実装構造体２においては、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみは０．７％以下となり、熱疲労寿命１０００サイクルクリアが可能となることがわかる。さらにこの第１の実施形態においては、樹脂４ａの線膨張係数は、一般的な樹脂の線膨張係数である６０ｐｐｍ／Ｋ以上１００ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲である。すなわち第１の実施形態においては、特許文献１の技術のように、樹脂の線膨張係数を、前記一般的な樹脂の線膨張係数よりも著しく低くする必要がない。したがって、樹脂４ａの主成分にフィラーを含有させる必要がなくなり、樹脂４ａの粘度を低く維持することが可能となる。それ故、半導体装置１の小形化に伴って、はんだバンプ３の接合部３ａの微細化が進行した場合においても、半導体装置１と配線基板５との間の空隙部分９に、樹脂４ａを容易に注入することができる。
【００４９】
以上説明した第１の実施形態に係る半導体装置１の実装構造体２によれば、半導体装置１と配線基板５との間の空隙部分９に充填部材４が介在されているので、はんだバンプ３の接合部３ａに作用するせん断応力を軽減することができるうえ、樹脂４ａの常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積を、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積の４／７以上に規定することによって、特に、はんだバンプ３の接合部３ａの「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプ３の接合部３ａのクラックを未然に防止し、電気的かつ機械的な接続不良を防止することができる。したがって、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置１の実装構造体２を実現することができる。
【００５０】
図４は、第２の実施形態に係る半導体装置１Ａの実装構造体において、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積と、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積との関係を示し、半導体装置１Ａの一表面部を配線基板５側から見た端面図である。ただし前記実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。この半導体装置１Ａの実装構造体においては、特に、樹脂４ａの常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ樹脂４ａのガラス転移温度以下の線膨張係数が、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であるとともに、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積の１／４以上に規定されている。
【００５１】
半導体装置１Ａは、その厚み方向に見て一辺Ｈ２の正方形状に形成されている。一辺Ｈ２は、たとえば約４．５ｍｍに設定されている。この一辺Ｈ２の領域内に、９行９列で総数８１個のはんだバンプ３の接合部３ａであって、各接合部３ａが直径Ｒ２の円形状に形成されたはんだバンプ３の接合部３ａが、一定間隔δ２おきに配置されている。直径Ｒ２はたとえば約０．２ｍｍに設定され、一定間隔δ２はたとえば約０．５ｍｍに設定されている。この正方形状の領域内において、その中央付近部の正方形領域１３を除く矩形枠部分に充填部材４が注入されている。
【００５２】
ここで、この半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、各接合部３ａの面積に接合部３ａの総数（たとえば８１個）を乗じることによって得られる。各接合部３ａの面積は、直径Ｒ２（たとえば約０．２ｍｍ）を「２」で除した半径の２乗に、円周率πを乗じることによって求められる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、約２．５４ｍｍ２と求められる。上述したように、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積の１／４以上に規定されているので、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積は、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積に「４」を乗じることによって求められる。これによって、充填部材４の総面積は、１０．２ｍｍ２以下とすればよい。
【００５３】
第１の実施形態に対する第２の実施形態の相違点は、充填部材４の総面積の割合が増加していることである。これによって、第２の実施形態の半導体装置１Ａの実装構造体は、第１の実施形態のものと比べて、曲げ、落下衝撃などの外部応力に対しての機械的強度が向上する。樹脂４ａの注入は、第１の実施形態の場合と同様のディスペンス方式が採用されている。
【００５４】
温度サイクル加速試験の温度変化範囲を２３３Ｋから３９８Ｋまでとし、前記温度変化範囲におけるはんだバンプ３の線膨張係数が２４ｐｐｍ／Ｋ、前記温度変化範囲におけるはんだバンプ３の縦弾性係数が５５ＧＰａである錫Ｓｎ銀Ａｇはんだによって、半導体装置１Ａと配線基板５とを接続する。この場合に、はんだバンプ３に臨む半導体装置１Ａの一表面部において、はんだバンプ３および充填部材４それぞれが作用する前記厚み方向の力の釣り合いを考える。
【００５５】
第２の実施形態の半導体装置１Ａの実装構造体においても、樹脂４ａの縦弾性係数Ｅ２が１０ＧＰａ以下に規定されているので、前記式１〜式５までと同様にして次の式１０が成立する。ただし、自由伸びである場合の樹脂４ａのひずみは、ε´２で表される。
Ｅ２＝｛Ｅ１Ｓｒ（εｒ−ε１）／（ε´２−εｒ）｝≦１０ …（１０）
【００５６】
また第２の実施形態の半導体装置１Ａの実装構造体においては、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積の１／４以上に規定されているので、式１０から次の式１１が成立する。
１／４ ≦Ｓｒ≦１０（ε´２−εｒ）／Ｅ１（εｒ−ε１） …（１１）
【００５７】
式１１から、半導体装置１Ａ全体としてのひずみεｒが、次の式１２のように表される。
εｒ≦｛４０ε´２＋Ｅ１ε１｝／（Ｅ１＋４０） …（１２）
【００５８】
式１２に、はんだの縦弾性係数Ｅ１（５５）、自由のびである場合のはんだのひずみε１（（線膨張係数）×（温度変化量）＝２４×１０−６×１６５＝０．００３９６）、自由伸びである場合の樹脂４ａのひずみε´２（（線膨張係数）×（温度変化範囲）＝６０×１０−６×１６５）＝０．００９９）をそれぞれ代入すると、ひずみεｒは次の式１３のように表される。
εｒ≦０．００７ …（１３）
【００５９】
上述のように、半導体装置１Ａの実装構造体の温度サイクル信頼性を確保するためには、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみを０．７％以下にする必要がある。式１３から、本実施形態における半導体装置１Ａの実装構造体においては、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみは０．７％以下となり、熱疲労寿命１０００サイクルクリアが可能となることがわかる。これは、樹脂４ａの線膨張係数をはんだバンプ３の接合部３ａの線膨張係数に近づけることによって、環境の変化または装置の発熱などにより熱膨張する際の、樹脂４ａによる前記厚み方向の引張りおよび圧縮応力に起因するはんだバンプ３の接合部３ａのひずみの上昇を低減させることができるためである。
【００６０】
さらにこの第２の実施形態においては、樹脂４ａの線膨張係数は、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく規定されている。すなわち、第２の実施形態においては、特許文献１の技術のように、樹脂の線膨張係数を一般的な樹脂の線膨張係数よりも著しく低くする必要がない。したがって、樹脂４ａの主成分にフィラーを含有させる必要がなくなり、樹脂４ａの粘度を低く維持することが可能となる。それ故、半導体装置１Ａの小形化に伴って、はんだバンプ３の接合部３ａの微細化が進行した場合においても、半導体装置１Ａと配線基板５との間の空隙部分に、樹脂４ａを容易に注入することができる。
【００６１】
以上説明した第２の実施形態に係る半導体装置１Ａの実装構造体によれば、半導体装置１Ａと配線基板５との間の空隙部分９に充填部材４が介在されているので、はんだバンプ３の接合部３ａに作用するせん断応力を軽減することができるうえ、前記樹脂４ａのガラス転移温度以下の線膨張係数を、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲に規定したので、一般的な各種はんだのガラス転移温度以下における線膨張係数に近づく。これによって充填部材４と、はんだバンプ３との熱膨張差を小さくすることができる。
【００６２】
さらに、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積を、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積の１／４以上に規定することによって、特に、はんだバンプ３の接合部３ａの「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプ３の接合部３ａのクラックを未然に防止し、高信頼性を有する半導体装置１Ａの実装構造体を実現することができる。
【００６３】
図５は、第３の実施形態に係る半導体装置１Ｂの実装構造体において、はんだバンプ３の接合部３ａに臨む半導体装置１Ｂの一表面部を配線基板５側から見た端面図である。ただし前記実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。この半導体装置１Ｂの実装構造体においては、特に、接合部３ａに臨む半導体装置１Ｂの一表面部が、はんだバンプ３および充填部材４によってすべて埋められている。また半導体装置１Ｂに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、半導体装置１Ｂに臨む充填部材４の総面積の４／７以上に規定されている。
【００６４】
半導体装置１Ｂは、その厚み方向に見て一辺Ｈ３の正方形状に形成されている。一辺Ｈ３は、たとえば約７．２ｍｍに設定されている。この一辺Ｈ３の正方形状の領域内に９行９列で総数８１個のはんだバンプ３の接合部３ａであって、各接合部３ａが直径Ｒ３の円形状に形成されたはんだバンプ３の接合部３ａが、一定間隔δ３おきに配置されている。直径Ｒ３はたとえば約０．５４ｍｍに設定され、一定間隔δ３はたとえば約０．８ｍｍに設定されている。
【００６５】
ここで、この半導体装置１Ｂに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、各接合部３ａの面積に、接合部３ａの総数（たとえば８１個）を乗じることによって得られる。各接合部３ａの面積は、直径Ｒ（たとえば約０．５４ｍｍ）を「２」で除した半径の２乗に、円周率πを乗じることによって求められる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、約１８．６ｍｍ２と求められる。上述したように、半導体装置１Ｂに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、半導体装置１Ｂに臨む充填部材４の総面積の４／７以上に規定されているので、半導体装置１Ｂに臨む充填部材４の総面積は、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積に「７」を乗じて「４」で除すことによって求められる。これによって、充填部材４の総面積は、３２．５ｍｍ２と求められる。
【００６６】
第１および第２の実施形態と比較して、この第３の実施形態では、充填部材４の総面積の割合がさらに増加している。これによって、曲げ、落下衝撃などの外部応力に対して、樹脂４ａによる機械的な強度向上の効果を十分に発揮することができる。樹脂４ａの注入はディスペンス方式を採用する。具体的に樹脂４ａを注入する際、配線基板５は、室温以上、たとえば５０℃程度の温度に保持されている。図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、樹脂４ａは、ディスペンサ１１のノズル１２によって半導体装置１Ｂの外周部から注入する。
【００６７】
さらにディスペンサ１１のノズル１２を半導体装置１Ｂの１辺に沿って略平行に移動させつつ、樹脂４ａを半導体装置１Ｂの前記１辺から供給するか（図３ｂ参照）、または、ノズル１２を半導体装置１Ｂの隣り合う２辺に沿って移動させつつ、樹脂４ａを半導体装置１Ｂの前記２辺から供給する（図３ｃ参照）のが望ましい。これによって、半導体装置１Ｂと配線基板５との間におけるボイドを防ぐことができる。
【００６８】
ここで、樹脂４ａを半導体装置１Ｂと配線基板５との間の空隙部分９に注入する際、配線基板５の温度を室温以上に保ちながら行うことによって、樹脂４ａの粘度を低くすることができる。したがって、狭ピッチの半導体装置１Ｂを実装する場合においても、前記空隙部分９に樹脂４ａをスムースに注入することができる。つまり迅速かつ確実に樹脂４ａを注入することができる。しかもボイドの発生を防止することができ、接合部３ａに臨む半導体装置１Ｂの一表面部において、前記接合部３ａ以外の部分を、樹脂４ａによってすべて埋めることができる。
【００６９】
第３の実施形態においても、温度サイクル加速試験の温度変化範囲を２３３Ｋから３９８Ｋまでとして、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみを、簡易なモデルによって算出すると、半導体装置１Ｂに臨む充填部材４の総面積に対し、半導体装置１Ｂに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積の割合が４／７以上であれば、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみは、０．７％となり、熱疲労寿命１０００サイクルクリアが可能となる。
【００７０】
また第１〜第３の実施形態において、特に、接続のためのはんだバンプ３の材質が錫Ｓｎ銀Ａｇ銅Ｃｕ系はんだをはじめとする各種鉛を含まないはんだである場合においても、半導体装置の実装構造体を構成する各材料の熱膨張係数の違いに起因する熱応力によるはんだバンプ３の接合部３ａの故障を防止することができる。よって、はんだバンプ３の材質として、各種鉛を含まないはんだの使用を可能にすることができる。さらに、樹脂４ａは加熱することにより剥離可能である材料を用いることにより、半導体装置の実装後に不良が確認された場合でのリペアが可能となり、不良部品が搭載されている配線基板５の再利用が可能となる。
【００７１】
前記半導体装置の実装構造体を用いることにより、はんだバンプ３の接合部３ａの良好な機械的強度および温度サイクル信頼性を有し、かつ小形化および軽量化を達成する電子機器を提供することができる。
【００７２】
さらに、前記半導体装置の実装構造体を用いることにより、接続のためのはんだバンプ３として鉛を含まないはんだを用いることができる。また、不良部品のみを取り除くリペアが可能となるために、不良部品が存在する配線基板５の再利用が可能となる。つまり、半導体装置の実装構造体を搭載することによって、鉛を含まないはんだの使用および基板の再利用ができ、環境問題に貢献する電子機器を提供することができる。
【００７３】
図６は、本発明の実施の他の形態に係る半導体装置の実装構造体を、その配線基板５の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。ただし第１の実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。前記半導体装置の実装構造体は、図示外の保護膜を施された半導体チップ１４が、複数のはんだバンプ３を介して配線基板５の一表面部に形成された配線の電極部５ａに電気的かつ機械的に接続されて成るウエハプロセスＣＳＰの一例である。この場合、保護膜を施された半導体チップ１４が、電子部品が搭載された半導体装置に相当する。この半導体装置の実装構造体においても、各実施形態と同様の効果を奏する。
【００７４】
第１および第２の実施形態においては、前記正方形状の領域内において、矩形枠部分に充填部材４が注入されているが、この充填部材４が注入される領域は、この矩形枠部分に必ずしも限定されるものではない。つまり、半導体装置に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置に臨む充填部材４の総面積に対し、規定された範囲内であればよい。
【００７５】
第３の実施形態において、接合部３ａの総面積が充填部材４の総面積の４／７以上に規定されているが、必ずしもこれに限定されるものではない。たとえば、樹脂４ａのガラス転移温度以下の線膨張係数が、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲に規定されるとともに、半導体装置に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置に臨む充填部材４の総面積の１／４以上に規定されてもよい。この場合、第２および第３の実施形態と同様の効果を奏する。その他、前記実施形態に、特許請求の範囲を逸脱しない範囲において種々の部分的変更を行う場合もある。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂から成る充填部材が介在されているので、少なくともはんだバンプの接合部に作用するせん断応力を軽減することができるうえ、樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積を、半導体装置に臨む充填部材の総面積の４／７以上に規定することによって、特に、はんだバンプの接合部の「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプの接合部のひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプの接合部のクラックを未然に防止し、電気的かつ機械的な接続不良を防止することができる。したがって、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を実現することができる。
【００７７】
また本発明によれば、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂から成る充填部材が介在されているので、少なくともはんだバンプの接合部に作用するせん断応力を軽減することができる。前記樹脂のガラス転移温度以下の線膨張係数を、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲に規定したので、前記線膨張係数は、一般的な各種はんだのガラス転移温度以下における線膨張係数に近づく。これによって充填部材と、はんだバンプとの熱膨張差を小さくすることができる。
【００７８】
さらに、半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積を、半導体装置に臨む充填部材の総面積の１／４以上に規定することによって、特に、はんだバンプの接合部の「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプの接合部のひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプの接合部のクラックを未然に防止し、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を実現することができる。また樹脂の線膨張係数の下限値を規定しているので、樹脂の粘度が高くなることを抑制することができる。したがって、はんだバンプの接合部の微細化が進行した場合においても、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂を容易に注入することができる。
【００７９】
また本発明によれば、充填部材を、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に注入して加熱硬化した後であっても、この充填部材を、はんだバンプの融点以上に再加熱することによって、充填部材を半導体装置および配線基板の少なくともいずれか１つから剥離することが可能となる。したがって半導体装置は配線基板から剥離し易くなる。換言すれば、たとえば不良品と判定された半導体装置の交換つまりリペアを簡単化することが可能となるうえ、配線基板を再利用することが可能となる。
【００８０】
また本発明によれば、はんだバンプの接合部に臨む半導体装置の一表面部は、はんだバンプおよび充填部材によって少なくとも一部が埋設されているので、外部応力に対して、樹脂による機械的な強度向上の効果を十分に発揮することができる。
【００８１】
また本発明によれば、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を搭載した電子機器を、実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置１の実装構造体２の図であり、（ａ）は半導体装置１の実装構造体２を部分的に示す斜視図、（ｂ）は、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積と、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積との関係を示し、半導体装置１の一表面部を配線基板５側から見た端面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置１の実装構造体２を、その配線基板５の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。
【図３】樹脂の注入方法を段階的に示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る半導体装置１Ａの実装構造体において、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積と、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積との関係を示し、半導体装置１Ａの一表面部を配線基板側から見た端面図である。
【図５】第３の実施形態に係る半導体装置１Ｂの実装構造体において、はんだバンプ３の接合部３ａに臨む半導体装置１Ｂの一表面部を配線基板側から見た端面図である。
【図６】本発明の実施の他の形態に係る半導体装置の実装構造体を、その配線基板５の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。
【図７】従来の技術に係り、温度サイクル試験を行った後のはんだの接合部を、配線基板の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体装置
２ 実装構造体
３ はんだバンプ
３ａ 接合部
４ 充填部材
５ 配線基板
６ 半導体チップ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の実装構造体に関し、特に小形化および高密度化されたパッケージ形態を有する半導体装置の実装構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置においては、著しい小形化、高密度化が達成され、その実装形態も変化してきている。従来、半導体装置の実装形態としては、配線基板に形成されたスルーホールにリードを挿入する挿入形の形態（略称ＤＩＰ：Ｄｕａｌ Ｉｎｌｉｎｅ
Ｐａｃｋａｇｅ）、またはリード線を基板の一表面部にはんだ付けして実装する形態（略称ＱＦＰ：Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）が採用されてきた。一方で、半導体装置の小形化、高密度化に対する要求はさらに高まりつつあり、ＱＦＰなどのパッケージ形態では、前記小形化、高密度化に対応できなくなってきている。
【０００３】
このため出力端子をエリア化し、はんだボールによって電気的、機械的な接続をした実装形態（略称ＢＧＡ：Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）および半導体パッケージが略チップサイズにまで小形化された実装形態（略称ＣＳＰ：Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）に変化してきている。しかし、このようなＣＳＰ形半導体装置の実装構造体においては、熱応力および応力を「はんだ」だけで享受することになる。前記熱応力は、配線基板と半導体装置との間の熱膨張係数の違いに起因して発生する。前記応力は、落下衝撃などによる基板の変形によって発生する。それ故、ＣＳＰ形半導体装置の実装構造体は、温度サイクル信頼性および機械的強度が劣る。この防止策として、半導体装置と配線基板との間の間隙部分に、樹脂から成る充填部材を介在させる構造が多く採用されている。
【０００４】
たとえば半導体チップと、この半導体チップが搭載される基板と、それらの間の間隙部分に充填される樹脂から成る充填部材とを有する半導体装置の実装構造体（たとえば、特許文献１参照）が開示されている。この半導体装置の実装構造体においては、前記樹脂の縦弾性係数が５ｋｇｆ／ｍｍ２以上１０００ｋｇｆ／ｍｍ２以下（５０ＭＰａ以上１０ＧＰａ以下）でかつ線膨張係数が１８ｐｐｍ／Ｋ以上４０ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴としている。これによって、配線層およびはんだに作用するせん断力を小さくするとともに、樹脂と半導体チップの一表面部との熱膨張差を小さくして熱応力を小さくしている。これによって製品の信頼性を高くしている。
【０００５】
また半導体装置と配線基板との間隙部分において、４隅部分に、樹脂から成る補強部材つまり充填部材が介在される半導体装置の実装構造体（たとえば、特許文献２参照）も開示されている。この半導体装置の実装構造体においては、前記４隅部分だけに充填部材が介在されているので、半導体装置は配線基板から剥離し易くなる。換言すれば、不良チップの交換つまりリペアを容易にしている。
【０００６】
他方、環境保護の観点から、半導体装置を無鉛はんだを用いて外部電極に接続する技術が検討されている。接続のために供給されるはんだペーストに加えて、半導体装置を配線基板に電気的かつ機械的に接続するためのはんだバンプについても同様に無鉛はんだを用いる技術も採用されつつある。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２７２０８３１号公報（第２−３頁、第１図）
【特許文献２】
特開２０００−２９９３５６号公報（第４−５頁、第３図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置と配線基板との間の間隙部分に、単に充填部材を介在させた前記構造では、充填部材によってせん断力は和らげられるが、この半導体装置の実装構造体には、配線基板に垂直な方向の引張り、圧縮応力が発生する。これによって、はんだの接合部に「のび」が生じ、ひずみが大きくなってしまう。したがって、良好な温度サイクルの信頼性が得られない場合がある。
【０００９】
特に、はんだバンプの材質が鉛を含まない合金である場合には、はんだの弾性のびの範囲が小さくなる。それ故、環境の変化および装置の発熱、落下衝撃などの外部応力による配線基板の変形によって、はんだの接合部にひずみが負荷した場合、このはんだの接合部にクラックが発生して、接続不良が発生する。表１は、実際に半導体装置の実装構造体を用いて、温度サイクルの加速試験を行った結果を示す。間隙部分に、充填部材が充填されていないサンプルでは、平均寿命が６３５サイクルであった。これに対し、間隙部分に、充填部材が充填されたサンプルでは、すべて１００サイクル以下の平均寿命つまり故障であった。
【００１０】
【表１】
図７は、従来の技術に係り、前記条件下において温度サイクル試験を行った後のはんだの接合部を、配線基板の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。図７によれば、配線基板の一表面部の外部接続のためのパッドと、半導体装置の一表面部の外部接続のためのパッドとを、電気的かつ機械的に接続しているはんだバンプが破断している。破断している断線部分のはんだ形状は、配線基板に垂直な方向に引きちぎられたかのように、鋸の歯のような鋭利な凹凸形状である。この断線部分のはんだ形状によっても、充填部材の熱膨張による配線基板に垂直な方向の応力によって、はんだバンプが破断したことが確認できる。
【００１２】
特許文献１における技術については、一般的な樹脂の線膨張係数である６０ｐｐｍ／Ｋ以上１００ｐｐｍ／Ｋ以下と比べて、線膨張係数を著しく低くする必要がある。樹脂の線膨張係数を低くする簡便な技術としては、樹脂の主成分にフィラーを含有させる技術が挙げられる。しかしフィラーを樹脂に充填することによって、樹脂の粘度が高くなる。
【００１３】
半導体装置の小形化に伴い、はんだ接合部の微細化が進むと、隣接するはんだ接合部のピッチが狭くなり、半導体装置と配線基板との間の空隙部分の高さも低くなる。このようにはんだ接合部のピッチが狭くなり、空隙部分の高さも低くなるにも拘わらず、この空隙部分に、粘度の高い樹脂から成る充填部材を注入しなければならない。前記技術においては、狭ピッチでかつ狭い空隙部分に、粘度の高い樹脂を注入しなければならないので、樹脂の注入自体が困難となる。したがって小形化された半導体装置においては、前記空隙部分に、線膨張係数が１８ｐｐｍ／Ｋ以上４０ｐｐｍ／Ｋ以下の樹脂を注入することは、非現実的である。
【００１４】
特許文献２における技術については、半導体装置の実装構造体を、たとえば携帯電話などの携帯情報機器に使用した場合には、キー押しおよび落下などの外部からの外部応力が、半導体装置の実装構造体に負荷されることが予想される。しかし前記技術では、半導体装置と配線基板との間隙部分における４隅部分に、樹脂が介在されるだけである。したがって、その樹脂の注入量の少なさから、樹脂の注入による機械的な強度向上の効果は不十分である。特に、はんだ接合部の材質が鉛を含まない合金である場合、このはんだ接合部は、鉛入りはんだに比べて、破断限界のびの範囲が小さい。したがってひずみ量増加による早期故障の発生が顕著になる。
【００１５】
したがって本発明の目的は、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子部品が搭載された半導体装置が、複数のはんだバンプを介して配線基板に電気的かつ機械的に接続されて成る半導体装置の実装構造体であって、
半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、熱硬化性を有するとともに予め設定される温度以上に再加熱することで剥離可能な樹脂から成る充填部材が介在され、
前記樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下であり、かつ半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積が、半導体装置に臨む充填部材の総面積の４／７以上であることを特徴とする半導体装置の実装構造体である。
【００１７】
本発明に従えば、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂から成る充填部材が介在されているので、少なくともはんだバンプの接合部に作用するせん断応力を軽減することができるうえ、樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積を、半導体装置に臨む充填部材の総面積の４／７以上に規定することによって、特に、はんだバンプの接合部の「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプの接合部のひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプの接合部のクラックを未然に防止し、電気的かつ機械的な接続不良を防止することができる。したがって、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を実現することができる。
【００１８】
また本発明は、電子部品が搭載された半導体装置が、複数のはんだバンプを介して配線基板に電気的かつ機械的に接続されて成る半導体装置の実装構造体であって、
半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、熱硬化性を有するとともに予め設定される温度以上に再加熱することで剥離可能な樹脂から成る充填部材が介在され、
前記樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下であり、かつ前記樹脂のガラス転移温度以下の線膨張係数が、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であり、半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積が、半導体装置に臨む充填部材の総面積の１／４以上であることを特徴とする半導体装置の実装構造体である。
【００１９】
本発明に従えば、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂から成る充填部材が介在されているので、少なくともはんだバンプの接合部に作用するせん断応力を軽減することができる。前記樹脂のガラス転移温度以下の線膨張係数を、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲に規定したので、前記線膨張係数は、一般的な各種はんだのガラス転移温度以下における線膨張係数に近づく。これによって充填部材と、はんだバンプとの熱膨張差を小さくすることができる。
【００２０】
さらに、半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積を、半導体装置に臨む充填部材の総面積の１／４以上に規定することによって、特に、はんだバンプの接合部の「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプの接合部のひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプの接合部のクラックを未然に防止し、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を実現することができる。また樹脂の線膨張係数の下限値を規定しているので、樹脂の粘度が高くなることを抑制することができる。したがって、はんだバンプの接合部の微細化が進行した場合においても、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂を容易に注入することができる。
【００２１】
また本発明は、充填部材は、加熱硬化した後も、はんだバンプの融点以上に再加熱することによって、半導体装置および配線基板の少なくともいずれか１つから剥離可能であることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、充填部材を、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に注入して加熱硬化した後であっても、この充填部材を、はんだバンプの融点以上に再加熱することによって、充填部材を半導体装置および配線基板の少なくともいずれか１つから剥離することが可能となる。したがって半導体装置は配線基板から剥離し易くなる。換言すれば、たとえば不良品と判定された半導体装置の交換つまりリペアを簡単化することが可能となるうえ、配線基板を再利用することが可能となる。
【００２３】
また本発明は、接合部に臨む半導体装置の一表面部は、はんだバンプおよび充填部材によって少なくとも一部が埋設されていることを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、はんだバンプの接合部に臨む半導体装置の一表面部は、はんだバンプおよび充填部材によって少なくとも一部が埋設されているので、外部応力に対して、樹脂による機械的な強度向上の効果を十分に発揮することができる。
【００２５】
また本発明は、前記半導体装置の実装構造体を搭載した電子機器である。
本発明に従えば、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を搭載した電子機器を、実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置１の実装構造体２の図であり、（ａ）は半導体装置１の実装構造体２を部分的に示す斜視図、（ｂ）は、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積と、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積との関係を示し、半導体装置１の一表面部１ａを配線基板５側から見た端面図である。図２は、第１の実施形態に係る半導体装置１の実装構造体２を、その配線基板５の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。本実施形態の半導体装置１の実装構造体２は、たとえば携帯電話などに適用される。前記実装構造体２は、半導体装置１が半導体チップの略チップサイズにまで小形化されたＣＳＰ形（ＣＳＰ：Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）の半導体装置１の実装構造体２の一例である。
【００２７】
半導体装置１の実装構造体２は、配線基板５と、半導体装置１と、複数のはんだバンプ３と、樹脂４ａから成る充填部材４とを有する。この半導体装置１の実装構造体２は、電子部品としての半導体チップ６が搭載された半導体装置１が、複数のはんだバンプ３を介して配線基板５の一表面部に形成された配線の電極部５ａに電気的かつ機械的に接続されて成る。半導体チップ６はワイヤ７などによって半導体装置１に電気的かつ機械的に接続され、これら半導体チップ６および半導体装置１の厚み方向一方には、モールド８が施されている。
【００２８】
半導体装置１と配線基板５との間には、複数のはんだバンプ３の表面張力によって、空隙部分９が確保されている。この第１の実施形態の半導体装置１の実装構造体２においては、空隙部分９の一部に、樹脂４ａから成る充填部材４を介在させている。前記樹脂４ａは、未硬化の状態で流動性があり、加熱などの手段によって硬化して所望の物性を示すものが用いられる。前記流動性を利用して半導体装置１と配線基板５との間に、樹脂４ａを容易に介在させることが可能となる。
【００２９】
さらに樹脂４ａの硬化物は、熱硬化性を有するとともに、予め設定される温度以上に再加熱することで剥離可能になっている。具体的には、充填部材４を、半導体装置１と配線基板５との間の空隙部分９に注入して加熱硬化した後であっても、充填部材４を、はんだバンプ３の融点以上に再加熱することによって、半導体装置１および配線基板５の少なくともいずれか１つから剥離可能になっている。したがって半導体装置１は配線基板５から剥離し易くなる。換言すれば、たとえば不良品と判定された半導体装置１の交換つまりリペアを簡単化することが可能となるうえ、配線基板５を再利用することが可能となる。
【００３０】
以上の特性を有する樹脂４ａの材料は、いくつか考えられるが、本実施形態においては次のような材料が好適に用いられる。たとえば液状のエポキシを主成分としたアミン系の樹脂であり、無機微粉末および硬化剤および／または硬化促進剤などを混合した組成物が好適に用いられる。ここで、線膨張係数を調整するために用いられる無機微粉成分としては、たとえば、石英、炭酸カルシウム、炭化珪素、窒化珪素、アルミナなどそれ自体の線膨張係数が小さい材料が好適である。ここで、樹脂４ａの注入性を考慮すると、無機微粉成分の含有量は、たとえば５０％程度以下が望ましい。
【００３１】
また半導体装置１の実装構造体２においては、半導体装置１を配線基板５に実装した後に、樹脂４ａを硬化させる。配線基板５の一表面部５ａには、高温でのダメージを受け易い部品が搭載されていることもあるので、前記樹脂４ａをたとえば１００℃程度の低温で硬化することが望ましい。樹脂４ａの形成工程としては、予め樹脂４ａを配線基板５に供給したうえで、半導体装置１を実装する方式いわゆるノーフロー方式でもよい。実装した後の半導体装置１と配線基板５との間の空隙部分９に、樹脂４ａを流し込む方式いわゆるフロー方式でもよい。
【００３２】
この第１の実施形態の半導体装置１の実装構造体２においては、特に、樹脂４ａの常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ図１（ｂ）に示すように、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積の４／７以上に規定されている。すなわち図１（ｂ）は、図２のＡ−Ａ線端面図である。半導体装置１は、その厚み方向に見て一辺Ｈの正方形状に形成されている。一辺Ｈは、たとえば約７．２ｍｍに設定されている。以後はんだバンプ３の接合部３ａを、単に、はんだの接合部３ａという場合がある。
【００３３】
この一辺Ｈの正方形状の領域内に、９行９列で総数８１個のはんだバンプ３の接合部３ａであって、各接合部３ａが直径Ｒの円形状に形成されたはんだバンプ３の接合部３ａが、一定間隔δおきに配置されている。直径Ｒはたとえば約０．４６ｍｍに設定され、一定間隔δはたとえば約０．８ｍｍに設定されている。前記９行の行方向は、任意の一辺Ｈに平行な方向であり、前記９列の列方向は、前記一辺Ｈに隣接する一辺Ｈに平行な方向である。はんだバンプ３の接合部３ａの総数を、ピン数という場合がある。前記一定間隔をピッチという場合もある。この正方形状の領域内において、その中央付近部の正方形領域１０を除く矩形枠部分に充填部材４が注入されている。
【００３４】
ここで、この半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１は、各接合部３ａの面積Ｓｈに、接合部３ａの総数（たとえば８１個）を乗じることによって得られる。各接合部３ａの面積Ｓｈは、直径Ｒ（たとえば約０．４６ｍｍ）を「２」で除した半径の２乗に、円周率πを乗じることによって求められる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１は、約１３．５ｍｍ２と求められる。上述したように、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１は、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積Ｓ２の４／７以上に規定されているので、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積Ｓ２は、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１に「７」を乗じて「４」で除すことによって求められる。これによって、充填部材４の総面積Ｓ２は、２３．６ｍｍ２以下とすればよい。
【００３５】
図３は、樹脂４ａの注入方法を段階的に示す図である。ただし種々のチップ部品および大規模集積回路パッケージ（略称ＬＳＩパッケージ、ＬＳＩ：Ｌａｒｇｅ
Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）は省略されている。この図３においては、配線基板５の一部と半導体装置１とが、それらの厚み方向一方に見て示されている。またディスペンサ１１を用いて、半導体装置１の実装構造体２に樹脂４ａを注入するようになっている。この樹脂４ａを注入する際、配線基板５は、室温以上、たとえば５０℃程度の温度に保持されていることが望ましい。
【００３６】
樹脂４ａは、ディスペンサ１１のノズル１２によって半導体装置１の外周部から注入するが、図１（ｂ）に斜線にて表される矩形枠部分に樹脂４ａを注入するため、半導体装置１の周囲を先ず囲むように樹脂４ａを注入するのが望ましい。ここで、樹脂４ａを半導体装置１と配線基板５との間の空隙部分９に注入する際、配線基板５の温度を室温以上に保ちながら行うことによって、樹脂４ａの粘度を低くすることができる。したがって、狭ピッチの半導体装置１を実装する場合においても、前記空隙部分９に樹脂４ａをスムースに注入することができる。つまり迅速かつ確実に樹脂４ａを注入することができる。
【００３７】
上述したように半導体装置１と配線基板５との間に樹脂４ａが注入された後、この樹脂４ａの硬化温度まで加熱し、所定の時間保持して硬化させることによって、半導体装置１の実装構造体２を実現することができる。具体的に、樹脂４ａはアミン系であるので、硬化温度はたとえば約１００℃で、硬化させる時間はたとえば４０分程度でよい。前記硬化温度は、モジュールの状態で硬化させるのに十分な低温である。この硬化温度では、同一の配線基板５に搭載された他の半導体装置または電子機器に対し、悪影響を与えない。
【００３８】
ここで半導体装置１の実装構造体２において、熱疲労寿命強度を示す際の指標の１つとして、温度サイクル試験１０００サイクルクリアを挙げることができる。はんだ材料の熱疲労寿命とひずみとの関係によると、はんだバンプ３の接合部３ａが錫Ｓｎ３．５銀Ａｇ０．７５銅Ｃｕはんだである場合には、温度サイクル試験１０００サイクルクリアするための非線形ひずみは０．７％以下である。（于強、他３名、日本機械学会 ＲＣ１６２ エレクトロニクス実装における信頼性評価に関する研究分科会 研究報告書、ｐ．３１３〜３４３）つまり、半導体装置１の実装構造体２の温度サイクル信頼性を確保するためには、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみを０．７％以下にする必要がある。
【００３９】
温度サイクル加速試験の温度変化範囲を２３３Ｋから３９８Ｋまでとし、前記温度変化範囲におけるはんだバンプの線膨張係数が２４ｐｐｍ／Ｋ、前記温度変化範囲におけるはんだバンプの縦弾性係数が５５ＧＰａである錫Ｓｎ銀Ａｇはんだによって、半導体装置１と配線基板５とを接続する。この場合に、はんだバンプ３に臨む半導体装置１の一表面部において、はんだバンプ３および充填部材４それぞれが作用する前記厚み方向の力の釣り合いを考える。
【００４０】
ここで外部応力によって拘束されていない樹脂４ａであって、自由伸びである場合の樹脂４ａのひずみε２、および同様の自由伸びである場合のはんだのひずみε１が、それぞれお互いによって制限され、半導体装置１全体としてのひずみεｒとなったとすると、はんだバンプ３の接合部３ａおよび充填部材４それぞれに生じる内部応力は、以下の式で表される。
Ｆ１＝（εｒ−ε１）×Ｅ１ …（１）
Ｆ２＝（εｒ−ε２）×Ｅ２ …（２）
【００４１】
すなわち、はんだバンプ３の接合部３ａの内部応力Ｆ１は、半導体装置１全体としてのひずみεｒからはんだのひずみε１を減じた値に、はんだの縦弾性係数をＥ１を乗じることによって求められる。充填部材４の内部応力Ｆ２は、半導体装置１全体としてのひずみεｒから樹脂４ａのひずみε２を減じた値に、樹脂４ａの縦弾性係数Ｅ２を乗じることによって求められる。式１および式２は、力の釣り合いによって以下の式で表される。
Ｆ１×Ｓ１＋Ｆ２×Ｓ２＝０ …（３）
【００４２】
すなわち接合部３ａの内部応力Ｆ１に、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１を乗じた値と、充填部材４の内部応力Ｆ２に、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積Ｓ２を乗じた値との和は、「０」になる。はんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１が、充填部材４の総面積Ｓ２のＳｒ倍であるとすると、半導体装置１全体としてのひずみεｒは、式１〜式３から以下のように表される。
εｒ＝（ε１Ｅ１Ｓｒ＋ε２Ｅ２）／（Ｅ１Ｓｒ＋Ｅ２） …（４）
【００４３】
すなわち、はんだのひずみε１にはんだの縦弾性係数をＥ１を乗じ、さらに倍数Ｓｒを乗じた値に、樹脂４ａのひずみε２に樹脂４ａの縦弾性係数Ｅ２を乗じた値を加える。これによって求められる値（ε１Ｅ１Ｓｒ＋ε２Ｅ２）を第１の値とする。また、はんだの縦弾性係数をＥ１に倍数Ｓｒを乗じた値に、樹脂４ａの縦弾性係数Ｅ２を加える。これによって求められる値（Ｅ１Ｓｒ＋Ｅ２）を第２の値とする。したがって、半導体装置１全体としてのひずみεｒは、前記第１の値から第２の値を除して求められる。
【００４４】
第１の実施形態の半導体装置１の実装構造体２においては、樹脂４ａの縦弾性係数Ｅ２が１０ＧＰａ以下に規定されているので、式４から次の式５が成立する。
Ｅ２＝｛Ｅ１Ｓｒ（εｒ−ε１）／（ε２−εｒ）｝≦１０ …（５）
【００４５】
また第１の実施形態の半導体装置１の実装構造体２においては、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積Ｓ１が、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積Ｓ２の４／７以上に規定されているので、式５から次の式６が成立する。
４／７ ≦Ｓｒ≦１０（ε２−εｒ）／Ｅ１（εｒ−ε１） …（６）
【００４６】
式６から、半導体装置１全体としてのひずみεｒが、次の式７のように表される。
εｒ≦｛７０ε２＋４Ｅ１ε１｝／（４Ｅ１＋７０） …（７）
【００４７】
式７に、はんだの縦弾性係数Ｅ１（５５）、自由伸びである場合のはんだのひずみε１（（線膨張係数）×（温度変化量）＝２４×１０−６×１６５＝０．００３９６）、自由伸びである場合の樹脂４ａのひずみε２（（線膨張係数）×（温度変化範囲）＝１００×１０−６×１６５）＝０．００３９６）をそれぞれ代入すると、ひずみεｒは次の式８のように表される。
εｒ≦０．００７ …（８）
【００４８】
上述のように、半導体装置１の実装構造体２の温度サイクル信頼性を確保するためには、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみを０．７％以下にする必要がある。式８から、本実施形態における半導体装置１の実装構造体２においては、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみは０．７％以下となり、熱疲労寿命１０００サイクルクリアが可能となることがわかる。さらにこの第１の実施形態においては、樹脂４ａの線膨張係数は、一般的な樹脂の線膨張係数である６０ｐｐｍ／Ｋ以上１００ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲である。すなわち第１の実施形態においては、特許文献１の技術のように、樹脂の線膨張係数を、前記一般的な樹脂の線膨張係数よりも著しく低くする必要がない。したがって、樹脂４ａの主成分にフィラーを含有させる必要がなくなり、樹脂４ａの粘度を低く維持することが可能となる。それ故、半導体装置１の小形化に伴って、はんだバンプ３の接合部３ａの微細化が進行した場合においても、半導体装置１と配線基板５との間の空隙部分９に、樹脂４ａを容易に注入することができる。
【００４９】
以上説明した第１の実施形態に係る半導体装置１の実装構造体２によれば、半導体装置１と配線基板５との間の空隙部分９に充填部材４が介在されているので、はんだバンプ３の接合部３ａに作用するせん断応力を軽減することができるうえ、樹脂４ａの常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積を、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積の４／７以上に規定することによって、特に、はんだバンプ３の接合部３ａの「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプ３の接合部３ａのクラックを未然に防止し、電気的かつ機械的な接続不良を防止することができる。したがって、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置１の実装構造体２を実現することができる。
【００５０】
図４は、第２の実施形態に係る半導体装置１Ａの実装構造体において、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積と、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積との関係を示し、半導体装置１Ａの一表面部を配線基板５側から見た端面図である。ただし前記実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。この半導体装置１Ａの実装構造体においては、特に、樹脂４ａの常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ樹脂４ａのガラス転移温度以下の線膨張係数が、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であるとともに、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積の１／４以上に規定されている。
【００５１】
半導体装置１Ａは、その厚み方向に見て一辺Ｈ２の正方形状に形成されている。一辺Ｈ２は、たとえば約４．５ｍｍに設定されている。この一辺Ｈ２の領域内に、９行９列で総数８１個のはんだバンプ３の接合部３ａであって、各接合部３ａが直径Ｒ２の円形状に形成されたはんだバンプ３の接合部３ａが、一定間隔δ２おきに配置されている。直径Ｒ２はたとえば約０．２ｍｍに設定され、一定間隔δ２はたとえば約０．５ｍｍに設定されている。この正方形状の領域内において、その中央付近部の正方形領域１３を除く矩形枠部分に充填部材４が注入されている。
【００５２】
ここで、この半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、各接合部３ａの面積に接合部３ａの総数（たとえば８１個）を乗じることによって得られる。各接合部３ａの面積は、直径Ｒ２（たとえば約０．２ｍｍ）を「２」で除した半径の２乗に、円周率πを乗じることによって求められる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、約２．５４ｍｍ２と求められる。上述したように、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積の１／４以上に規定されているので、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積は、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積に「４」を乗じることによって求められる。これによって、充填部材４の総面積は、１０．２ｍｍ２以下とすればよい。
【００５３】
第１の実施形態に対する第２の実施形態の相違点は、充填部材４の総面積の割合が増加していることである。これによって、第２の実施形態の半導体装置１Ａの実装構造体は、第１の実施形態のものと比べて、曲げ、落下衝撃などの外部応力に対しての機械的強度が向上する。樹脂４ａの注入は、第１の実施形態の場合と同様のディスペンス方式が採用されている。
【００５４】
温度サイクル加速試験の温度変化範囲を２３３Ｋから３９８Ｋまでとし、前記温度変化範囲におけるはんだバンプ３の線膨張係数が２４ｐｐｍ／Ｋ、前記温度変化範囲におけるはんだバンプ３の縦弾性係数が５５ＧＰａである錫Ｓｎ銀Ａｇはんだによって、半導体装置１Ａと配線基板５とを接続する。この場合に、はんだバンプ３に臨む半導体装置１Ａの一表面部において、はんだバンプ３および充填部材４それぞれが作用する前記厚み方向の力の釣り合いを考える。
【００５５】
第２の実施形態の半導体装置１Ａの実装構造体においても、樹脂４ａの縦弾性係数Ｅ２が１０ＧＰａ以下に規定されているので、前記式１〜式５までと同様にして次の式１０が成立する。ただし、自由伸びである場合の樹脂４ａのひずみは、ε´２で表される。
Ｅ２＝｛Ｅ１Ｓｒ（εｒ−ε１）／（ε´２−εｒ）｝≦１０ …（１０）
【００５６】
また第２の実施形態の半導体装置１Ａの実装構造体においては、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積の１／４以上に規定されているので、式１０から次の式１１が成立する。
１／４ ≦Ｓｒ≦１０（ε´２−εｒ）／Ｅ１（εｒ−ε１） …（１１）
【００５７】
式１１から、半導体装置１Ａ全体としてのひずみεｒが、次の式１２のように表される。
εｒ≦｛４０ε´２＋Ｅ１ε１｝／（Ｅ１＋４０） …（１２）
【００５８】
式１２に、はんだの縦弾性係数Ｅ１（５５）、自由のびである場合のはんだのひずみε１（（線膨張係数）×（温度変化量）＝２４×１０−６×１６５＝０．００３９６）、自由伸びである場合の樹脂４ａのひずみε´２（（線膨張係数）×（温度変化範囲）＝６０×１０−６×１６５）＝０．００９９）をそれぞれ代入すると、ひずみεｒは次の式１３のように表される。
εｒ≦０．００７ …（１３）
【００５９】
上述のように、半導体装置１Ａの実装構造体の温度サイクル信頼性を確保するためには、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみを０．７％以下にする必要がある。式１３から、本実施形態における半導体装置１Ａの実装構造体においては、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみは０．７％以下となり、熱疲労寿命１０００サイクルクリアが可能となることがわかる。これは、樹脂４ａの線膨張係数をはんだバンプ３の接合部３ａの線膨張係数に近づけることによって、環境の変化または装置の発熱などにより熱膨張する際の、樹脂４ａによる前記厚み方向の引張りおよび圧縮応力に起因するはんだバンプ３の接合部３ａのひずみの上昇を低減させることができるためである。
【００６０】
さらにこの第２の実施形態においては、樹脂４ａの線膨張係数は、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく規定されている。すなわち、第２の実施形態においては、特許文献１の技術のように、樹脂の線膨張係数を一般的な樹脂の線膨張係数よりも著しく低くする必要がない。したがって、樹脂４ａの主成分にフィラーを含有させる必要がなくなり、樹脂４ａの粘度を低く維持することが可能となる。それ故、半導体装置１Ａの小形化に伴って、はんだバンプ３の接合部３ａの微細化が進行した場合においても、半導体装置１Ａと配線基板５との間の空隙部分に、樹脂４ａを容易に注入することができる。
【００６１】
以上説明した第２の実施形態に係る半導体装置１Ａの実装構造体によれば、半導体装置１Ａと配線基板５との間の空隙部分９に充填部材４が介在されているので、はんだバンプ３の接合部３ａに作用するせん断応力を軽減することができるうえ、前記樹脂４ａのガラス転移温度以下の線膨張係数を、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲に規定したので、一般的な各種はんだのガラス転移温度以下における線膨張係数に近づく。これによって充填部材４と、はんだバンプ３との熱膨張差を小さくすることができる。
【００６２】
さらに、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積を、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積の１／４以上に規定することによって、特に、はんだバンプ３の接合部３ａの「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプ３の接合部３ａのクラックを未然に防止し、高信頼性を有する半導体装置１Ａの実装構造体を実現することができる。
【００６３】
図５は、第３の実施形態に係る半導体装置１Ｂの実装構造体において、はんだバンプ３の接合部３ａに臨む半導体装置１Ｂの一表面部を配線基板５側から見た端面図である。ただし前記実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。この半導体装置１Ｂの実装構造体においては、特に、接合部３ａに臨む半導体装置１Ｂの一表面部が、はんだバンプ３および充填部材４によってすべて埋められている。また半導体装置１Ｂに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、半導体装置１Ｂに臨む充填部材４の総面積の４／７以上に規定されている。
【００６４】
半導体装置１Ｂは、その厚み方向に見て一辺Ｈ３の正方形状に形成されている。一辺Ｈ３は、たとえば約７．２ｍｍに設定されている。この一辺Ｈ３の正方形状の領域内に９行９列で総数８１個のはんだバンプ３の接合部３ａであって、各接合部３ａが直径Ｒ３の円形状に形成されたはんだバンプ３の接合部３ａが、一定間隔δ３おきに配置されている。直径Ｒ３はたとえば約０．５４ｍｍに設定され、一定間隔δ３はたとえば約０．８ｍｍに設定されている。
【００６５】
ここで、この半導体装置１Ｂに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、各接合部３ａの面積に、接合部３ａの総数（たとえば８１個）を乗じることによって得られる。各接合部３ａの面積は、直径Ｒ（たとえば約０．５４ｍｍ）を「２」で除した半径の２乗に、円周率πを乗じることによって求められる。これによって、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、約１８．６ｍｍ２と求められる。上述したように、半導体装置１Ｂに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積は、半導体装置１Ｂに臨む充填部材４の総面積の４／７以上に規定されているので、半導体装置１Ｂに臨む充填部材４の総面積は、はんだバンプ３の接合部３ａの総面積に「７」を乗じて「４」で除すことによって求められる。これによって、充填部材４の総面積は、３２．５ｍｍ２と求められる。
【００６６】
第１および第２の実施形態と比較して、この第３の実施形態では、充填部材４の総面積の割合がさらに増加している。これによって、曲げ、落下衝撃などの外部応力に対して、樹脂４ａによる機械的な強度向上の効果を十分に発揮することができる。樹脂４ａの注入はディスペンス方式を採用する。具体的に樹脂４ａを注入する際、配線基板５は、室温以上、たとえば５０℃程度の温度に保持されている。図３（ｂ）および（ｃ）に示すように、樹脂４ａは、ディスペンサ１１のノズル１２によって半導体装置１Ｂの外周部から注入する。
【００６７】
さらにディスペンサ１１のノズル１２を半導体装置１Ｂの１辺に沿って略平行に移動させつつ、樹脂４ａを半導体装置１Ｂの前記１辺から供給するか（図３ｂ参照）、または、ノズル１２を半導体装置１Ｂの隣り合う２辺に沿って移動させつつ、樹脂４ａを半導体装置１Ｂの前記２辺から供給する（図３ｃ参照）のが望ましい。これによって、半導体装置１Ｂと配線基板５との間におけるボイドを防ぐことができる。
【００６８】
ここで、樹脂４ａを半導体装置１Ｂと配線基板５との間の空隙部分９に注入する際、配線基板５の温度を室温以上に保ちながら行うことによって、樹脂４ａの粘度を低くすることができる。したがって、狭ピッチの半導体装置１Ｂを実装する場合においても、前記空隙部分９に樹脂４ａをスムースに注入することができる。つまり迅速かつ確実に樹脂４ａを注入することができる。しかもボイドの発生を防止することができ、接合部３ａに臨む半導体装置１Ｂの一表面部において、前記接合部３ａ以外の部分を、樹脂４ａによってすべて埋めることができる。
【００６９】
第３の実施形態においても、温度サイクル加速試験の温度変化範囲を２３３Ｋから３９８Ｋまでとして、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみを、簡易なモデルによって算出すると、半導体装置１Ｂに臨む充填部材４の総面積に対し、半導体装置１Ｂに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積の割合が４／７以上であれば、はんだバンプ３の接合部３ａのひずみは、０．７％となり、熱疲労寿命１０００サイクルクリアが可能となる。
【００７０】
また第１〜第３の実施形態において、特に、接続のためのはんだバンプ３の材質が錫Ｓｎ銀Ａｇ銅Ｃｕ系はんだをはじめとする各種鉛を含まないはんだである場合においても、半導体装置の実装構造体を構成する各材料の熱膨張係数の違いに起因する熱応力によるはんだバンプ３の接合部３ａの故障を防止することができる。よって、はんだバンプ３の材質として、各種鉛を含まないはんだの使用を可能にすることができる。さらに、樹脂４ａは加熱することにより剥離可能である材料を用いることにより、半導体装置の実装後に不良が確認された場合でのリペアが可能となり、不良部品が搭載されている配線基板５の再利用が可能となる。
【００７１】
前記半導体装置の実装構造体を用いることにより、はんだバンプ３の接合部３ａの良好な機械的強度および温度サイクル信頼性を有し、かつ小形化および軽量化を達成する電子機器を提供することができる。
【００７２】
さらに、前記半導体装置の実装構造体を用いることにより、接続のためのはんだバンプ３として鉛を含まないはんだを用いることができる。また、不良部品のみを取り除くリペアが可能となるために、不良部品が存在する配線基板５の再利用が可能となる。つまり、半導体装置の実装構造体を搭載することによって、鉛を含まないはんだの使用および基板の再利用ができ、環境問題に貢献する電子機器を提供することができる。
【００７３】
図６は、本発明の実施の他の形態に係る半導体装置の実装構造体を、その配線基板５の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。ただし第１の実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。前記半導体装置の実装構造体は、図示外の保護膜を施された半導体チップ１４が、複数のはんだバンプ３を介して配線基板５の一表面部に形成された配線の電極部５ａに電気的かつ機械的に接続されて成るウエハプロセスＣＳＰの一例である。この場合、保護膜を施された半導体チップ１４が、電子部品が搭載された半導体装置に相当する。この半導体装置の実装構造体においても、各実施形態と同様の効果を奏する。
【００７４】
第１および第２の実施形態においては、前記正方形状の領域内において、矩形枠部分に充填部材４が注入されているが、この充填部材４が注入される領域は、この矩形枠部分に必ずしも限定されるものではない。つまり、半導体装置に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置に臨む充填部材４の総面積に対し、規定された範囲内であればよい。
【００７５】
第３の実施形態において、接合部３ａの総面積が充填部材４の総面積の４／７以上に規定されているが、必ずしもこれに限定されるものではない。たとえば、樹脂４ａのガラス転移温度以下の線膨張係数が、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲に規定されるとともに、半導体装置に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積が、半導体装置に臨む充填部材４の総面積の１／４以上に規定されてもよい。この場合、第２および第３の実施形態と同様の効果を奏する。その他、前記実施形態に、特許請求の範囲を逸脱しない範囲において種々の部分的変更を行う場合もある。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂から成る充填部材が介在されているので、少なくともはんだバンプの接合部に作用するせん断応力を軽減することができるうえ、樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下で、かつ半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積を、半導体装置に臨む充填部材の総面積の４／７以上に規定することによって、特に、はんだバンプの接合部の「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプの接合部のひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプの接合部のクラックを未然に防止し、電気的かつ機械的な接続不良を防止することができる。したがって、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を実現することができる。
【００７７】
また本発明によれば、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂から成る充填部材が介在されているので、少なくともはんだバンプの接合部に作用するせん断応力を軽減することができる。前記樹脂のガラス転移温度以下の線膨張係数を、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲に規定したので、前記線膨張係数は、一般的な各種はんだのガラス転移温度以下における線膨張係数に近づく。これによって充填部材と、はんだバンプとの熱膨張差を小さくすることができる。
【００７８】
さらに、半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積を、半導体装置に臨む充填部材の総面積の１／４以上に規定することによって、特に、はんだバンプの接合部の「のび」の増加量を抑制することができる。これによって、はんだバンプの接合部のひずみの増加量を抑制することが可能となる。それ故、はんだバンプの接合部のクラックを未然に防止し、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を実現することができる。また樹脂の線膨張係数の下限値を規定しているので、樹脂の粘度が高くなることを抑制することができる。したがって、はんだバンプの接合部の微細化が進行した場合においても、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、樹脂を容易に注入することができる。
【００７９】
また本発明によれば、充填部材を、半導体装置と配線基板との間の空隙部分に注入して加熱硬化した後であっても、この充填部材を、はんだバンプの融点以上に再加熱することによって、充填部材を半導体装置および配線基板の少なくともいずれか１つから剥離することが可能となる。したがって半導体装置は配線基板から剥離し易くなる。換言すれば、たとえば不良品と判定された半導体装置の交換つまりリペアを簡単化することが可能となるうえ、配線基板を再利用することが可能となる。
【００８０】
また本発明によれば、はんだバンプの接合部に臨む半導体装置の一表面部は、はんだバンプおよび充填部材によって少なくとも一部が埋設されているので、外部応力に対して、樹脂による機械的な強度向上の効果を十分に発揮することができる。
【００８１】
また本発明によれば、小形化および高密度化を図るとともに、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を搭載した電子機器を、実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置１の実装構造体２の図であり、（ａ）は半導体装置１の実装構造体２を部分的に示す斜視図、（ｂ）は、半導体装置１に臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積と、半導体装置１に臨む充填部材４の総面積との関係を示し、半導体装置１の一表面部を配線基板５側から見た端面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置１の実装構造体２を、その配線基板５の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。
【図３】樹脂の注入方法を段階的に示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る半導体装置１Ａの実装構造体において、半導体装置１Ａに臨むはんだバンプ３の接合部３ａの総面積と、半導体装置１Ａに臨む充填部材４の総面積との関係を示し、半導体装置１Ａの一表面部を配線基板側から見た端面図である。
【図５】第３の実施形態に係る半導体装置１Ｂの実装構造体において、はんだバンプ３の接合部３ａに臨む半導体装置１Ｂの一表面部を配線基板側から見た端面図である。
【図６】本発明の実施の他の形態に係る半導体装置の実装構造体を、その配線基板５の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。
【図７】従来の技術に係り、温度サイクル試験を行った後のはんだの接合部を、配線基板の表面部に垂直な厚み方向を含む仮想平面で切断して見た断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体装置
２ 実装構造体
３ はんだバンプ
３ａ 接合部
４ 充填部材
５ 配線基板
６ 半導体チップ
Claims (5)
- 電子部品が搭載された半導体装置が、複数のはんだバンプを介して配線基板に電気的かつ機械的に接続されて成る半導体装置の実装構造体であって、
半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、熱硬化性を有するとともに予め設定される温度以上に再加熱することで剥離可能な樹脂から成る充填部材が介在され、
前記樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下であり、かつ半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積が、半導体装置に臨む充填部材の総面積の４／７以上であることを特徴とする半導体装置の実装構造体。 - 電子部品が搭載された半導体装置が、複数のはんだバンプを介して配線基板に電気的かつ機械的に接続されて成る半導体装置の実装構造体であって、
半導体装置と配線基板との間の空隙部分に、熱硬化性を有するとともに予め設定される温度以上に再加熱することで剥離可能な樹脂から成る充填部材が介在され、
前記樹脂の常温における縦弾性係数が１０ＧＰａ以下であり、かつ前記樹脂のガラス転移温度以下の線膨張係数が、４０ｐｐｍ／Ｋより大きく６０ｐｐｍ／Ｋ以下の範囲であり、半導体装置に臨むはんだバンプの接合部の総面積が、半導体装置に臨む充填部材の総面積の１／４以上であることを特徴とする半導体装置の実装構造体。 - 充填部材は、加熱硬化した後も、はんだバンプの融点以上に再加熱することによって、半導体装置および配線基板の少なくともいずれか１つから剥離可能であ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の実装構造体。
- 接合部に臨む半導体装置の一表面部は、はんだバンプおよび充填部材によって少なくとも一部が埋設されてい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の実装構造体。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の実装構造体を搭載した電子機器。
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-
2002
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| WO2024053115A1 (ja) * | 2022-09-09 | 2024-03-14 | 株式会社レゾナック | シミュレーション方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置 |
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