JP2005217133A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置の信頼性を向上させる。
【解決手段】 配線基板２上に半田を供給し、半導体チップおよび受動部品４を搭載し、リフローにより受動部品４の接続端子４ａを配線基板２の基板側端子１１ａに半田１３ａを介して接続する。半導体チップに対するワイヤボンディングを行ってから、配線基板２上に半導体チップおよび受動部品４を覆うように封止用樹脂を供給する。半田１３ａの融点よりも高い温度でベーク処理を行って、半田１３ａが溶融した状態で封止用樹脂を硬化させて封止樹脂部５ａを形成する。温度を常温に低下させると、固化した半田１３ａと封止樹脂部５ａとの間に空間２１が形成される。
【選択図】 図１４

Description

本発明は、半導体装置の製造技術および半導体装置に関し、特に、配線基板に半導体チップおよび受動部品を搭載し樹脂封止した半導体装置の製造技術に適用して有効な技術に関する。

配線基板上に半導体チップおよび受動部品を搭載し樹脂封止することで半導体装置を製造することができる。

特開平７−１６１８７３号公報には、表面実装型の部品が半田付けにより実装されたハイブリッド基板の全面上を樹脂膜により被覆するに際して、該基板上に被覆用の樹脂を注下して該基板上を該樹脂膜で覆った後、該基板を該半田が固形状態を維持し得る該半田の溶融点近傍の温度に上昇させた状態で該樹脂膜の固化を行い、次いで該基板を常温に復帰させて該部品を実装する半田と該樹脂膜との間に選択的に半田退避用の隙間を形成せしめる工程を有するハイブリッドＩＣの製造技術が記載されている（特許文献１参照）。
特開平７−１６１８７３号公報

本発明者の検討によれば、次のことが分かった。

配線基板上に半導体チップおよび受動部品を搭載し樹脂封止した半導体装置は、実装基板に半田リフロー（２次実装リフロー）により実装することができる。この２次実装リフローで半導体装置内の受動部品接続用の半田が再溶融して膨張すると、その溶融膨張圧力が封止樹脂部に対して作用し、受動部品と封止樹脂部の界面、または封止樹脂部と配線基板の界面を剥離させ、そこに半田がフラッシュ状に流れ込み、受動部品の両端の接続端子（電極）が半田で繋がって短絡する可能性がある。これは半導体装置の信頼性を低下させる。

また、半田の体積は、融点より低い温度で固体状態にあるときは温度が上昇してもそれ程膨張しない（膨張率が小さい）が、融点以上の温度になり固体状態から液体状態に相変化するときに大きく膨張する。このため、表面実装型の部品が半田付けにより実装されたハイブリッド基板の全面上を樹脂膜により被覆するに際して、半田が固形状態を維持し得る半田の溶融点近傍の温度に上昇させた状態で樹脂膜の固化を行う技術では、半田の常温からの膨張率はそれ程大きくないので、常温に復帰したときに部品を実装する半田と樹脂膜との間に形成される隙間がかなり小さくなる。その後、実装基板に２次実装する際に、半導体装置内で半田が再溶融して液体状態になると、半田と樹脂膜との間に形成されていた隙間よりも更に半田が大きく膨張しようとするので、その溶融膨張圧力が樹脂膜に対して作用し、上記の短絡のような不具合が発生する可能性がある。これは半導体装置の信頼性を低下させる。

本発明の目的は、半導体装置の信頼性を向上することができる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明は、受動部品を配線基板に接続するための半田の融点以上の温度で封止樹脂を硬化するものである。

また、本発明は、受動部品を配線基板に接続する半田と硬化した封止樹脂との間に空間を形成したものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

半導体装置の信頼性を向上することができる。また、半導体装置の製造歩留りを向上することができる。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションに分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。

本実施の形態の半導体装置の製造工程および半導体装置について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程を示す製造プロセスフロー図である。図２〜図１１は、本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程を示す平面図（上面図）または断面図（側面断面図）である。図２〜図１１のうち、図２，図４，図６，図８および図１０が平面図（上面図）に対応し、図３は図２と同じ工程中の断面図、図５は図４と同じ工程中の断面図、図７は図６と同じ工程中の断面図、図９は図８と同じ工程中の断面図、図１１は図１０と同じ工程中の断面図に対応する。また、図６のＡ−Ａ線の概念的な断面が図７に対応し、図３，図５，図９および図１１は、図７と同じ断面が示されている。

本実施の形態の半導体装置１は、配線基板２に表面実装部品（半導体チップ３および受動部品４）が半田実装されるとともに、前記表面実装部品が封止樹脂部５ａによって覆われる構造を有するものである。

まず、図２および図３に示されるように、配線基板（モジュール基板）２を準備する（ステップＳ１）。配線基板２は、例えば、複数の絶縁（誘電体）層と、複数の導体層（配線層）とを積層して一体化した多層基板（多層配線基板）を用いることができる。配線基板２の絶縁層を形成する材料としては、例えばアルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ₂Ｏ₃）などのようなセラミック材料を用いることができる。この場合、配線基板２はセラミック多層基板である。配線基板２の絶縁層の材料は、セラミック材料に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばガラスエポキシ樹脂などを用いても良い。配線基板２の導体層を形成する材料としては、例えば銅または銅合金などの導電性および熱伝導性の良い材料などを用いることができる。配線基板２を構成する各導体層（配線層）は、必要に応じて絶縁層に形成されたスルーホール（スルーホール内の導体）を介して電気的に接続されている。また、配線基板２としてプリント配線基板（ＰＣＢ基板）を用いることもできる。

配線基板２の上面（表面、主面）２ａには、配線基板２の最上層の導体層（配線層）として、導電体からなる基板側端子（端子、電極）１１が形成されている。配線基板２の下面（裏面、主面）２ｂには、配線基板２の最下層の導体層（配線層）として、導電体からなる外部接続端子（端子、電極）１２が形成されている。配線基板２の上面２ａの基板側端子１１は、必要に応じて配線基板２の内部の配線層（絶縁層間の配線層）や図示しないスルーホール（スルーホール内の導体）などを介して配線基板２の下面２ｂの外部接続端子（端子、モジュール電極）１２に電気的に接続されている。

配線基板２の基板側端子１１には、後述するように、金線などからなるボンディングワイヤがワイヤボンディングされるので、銅または銅合金などからなる各基板側端子１１の表面に、金めっき層などを形成しておくこともできる。例えば、基板側端子１１を、下層から順に、Ｃｕ層とＮｉ下地めっき層と金めっき層との積層構造とすることができる。また、基板側端子１１の半田接続すべき領域以外の領域は、半田レジスト層で覆われて絶縁することもできる。

次に、配線基板２の上面２ａの基板側端子１１のうち、受動部品４を半田接続すべき基板側端子１１ａ上に半田（第１の半田）１３ａを供給（付与）する（ステップＳ２）。半田１３ａは受動部品４の半田接続用の半田である。半田１３ａは、例えば印刷法または塗布法などを用いて配線基板２の基板側端子１１ａ上に供給することができ、例えば半田ペーストの状態で半田１３ａを配線基板２上に供給することができる。半田１３ａとして、鉛（Ｐｂ）を含有しない半田である鉛（Ｐｂ）フリー半田を用いることが好ましく、例えばＳｎ（スズ）−Ｓｂ（アンチモン）系の半田（ＳｎとＳｂの合金からなる半田）を用いれば更に好ましい。

次に、配線基板２の上面２ａの基板側端子１１のうち、半導体チップ３を半田接続すべき基板側端子１１ｂ上に半田（第２の半田）１３ｂを供給（付与）する（ステップＳ３）。半田１３ｂは半導体チップ３の半田接続用の半田である。半田１３ｂは、例えば印刷法または塗布法などを用いて配線基板２の基板側端子１１ｂ上に供給することができ、例えば半田ペーストの状態で半田１３ｂを配線基板２上に供給することができる。また、配線基板２にキャビティが設けられ、半導体チップをキャビティ内に搭載する場合は、基板側端子１１ｂがキャビティ内に位置するので、ポッティングなどによって基板側端子１１ｂ上に半田１３ｂを供給することができる。半田１３ｂは半田１３ａとは異なる半田（材料）を用いることが好ましく、半田１３ｂの融点が半田１３ａの融点よりも高ければ、更に好ましい。また、先に配線基板２の基板側端子１１ｂ上に半田１３ｂを供給（ステップＳ３）してから、配線基板２の基板側端子１１ａ上に半田１３ａを供給（ステップＳ２）することもできる。また、半田１３ａと半田１３ｂとに同じ半田を用いる場合は、配線基板２の基板側端子１１ａおよび基板側端子１１ｂ上に同じ工程（例えば同じ半田印刷工程）で半田を供給することもできる。

次に、配線基板２の上面２ａ上に、能動素子からなる半導体チップ３と受動素子からなる受動部品４とを搭載（配置）する（ステップＳ４）。

半導体チップ３は能動素子からなり、例えば、単結晶シリコンなどからなる半導体基板（半導体ウエハ）に種々の半導体素子または半導体集積回路を形成した後、必要に応じて半導体基板の裏面研削を行ってから、半田接続用のメタライズ処理(Ti-Ni-Au)を蒸着等により施し、その後ダイシングなどにより半導体基板を各半導体チップ３に分離したものである。半導体チップ３の表面には、複数の電極（ボンディングパッド、パッド電極）３ａが形成されている。電極３ａは、半導体チップ３に形成された半導体素子または半導体集積回路に電気的に接続されている。半導体チップ３は、その表面（半導体素子形成側の主面）が上方を向くように配線基板２上に搭載される。このため、半導体チップ３の裏面（半導体素子形成側の面とは逆側の主面）が配線基板２の基板側端子１１ｂに半田１３ｂを介して対向するように、基板側端子１１ｂ上に半導体チップ３が半田１３ｂを介して配置される。

受動部品４は抵抗素子、容量素子またはインダクタ素子などの受動素子からなり、例えばチップ抵抗、チップコンデンサまたはチップインダクタなどのチップ部品である。また、受動部品４は、配線基板２に半田で実装される半田実装型の受動部品である。受動部品４は両端に接続端子（電極）４ａを有している。受動部品４の接続端子４ａは、例えば、下層から順番に、Ａｇ／Ｐｄ電極とＮｉ下地めっき層と半田めっき層とからなる積層構造を有している。受動部品４を配線基板２上に搭載する際には、配線基板２の基板側端子１１ａ（上の半田１３ａ）上に受動部品４の接続端子４ａが位置するように、受動部品４を配置する。

次に、リフロー処理（半田リフロー処理、熱処理）を行って、半導体チップ３および受動部品４を配線基板２に半田接続する（ステップＳ５）。これにより、図４および図５に示される構造が得られる。ステップＳ５のリフロー処理（熱処理）により、半導体チップ３の裏面が配線基板２の基板側端子１１ｂに、半田（第２の半田）１３ｂを介して接続（接合）され固定される。すなわち、半導体チップ３は、ダイボンド材として半田１３ｂを用いて配線基板２の基板側端子１１ｂに接続（半田接続）される。また、ステップＳ５のリフロー処理（熱処理）により、受動部品４は、半田（第１の半田）１３ａを介して配線基板２の基板側端子１１ａに接続（接合）され、固定される。すなわち、受動部品４の接続端子４ａが配線基板２の基板側端子１１ａに半田１３ａで接続（半田接続）されて、電気的に接続される。

次に、ワイヤボンディング工程を行って、半導体チップ３の電極３ａと配線基板２の上面２ａの基板側端子１１とを、例えば金（Ａｕ）線などの金属細線などからなるボンディングワイヤ１４を介して電気的に接続する（ステップＳ６）。これにより、図６および図７に示される構造が得られる。このワイヤボンディングの際、各ボンディングワイヤ１４の一端を半導体チップ３の電極３ａに接続し、他端を、配線基板２の基板側端子１１のうち、半導体チップ３の電極３ａと電気的に接続すべき基板側端子１１ｃに接続する。上記のように、配線基板２の基板側端子１１ｃの表面に金めっき層を形成しておけば、金線を用いたワイヤボンディングが容易になるので、より好ましい。

次に、配線基板２の上面２ａ上に封止用樹脂（封止樹脂）５を供給（形成）する（ステップＳ７）。これにより、図８および図９に示される構造が得られる。封止用樹脂５は、配線基板２の上面２ａ上に半導体チップ３、受動部品４およびボンディングワイヤ１４を覆うように形成される。封止用樹脂５は、熱硬化性樹脂材料などの樹脂材料などからなり、フィラーなどを含むこともできる。例えば、封止用樹脂５としてフィラーを含むエポキシ樹脂などを用いることができる。封止用樹脂５は、例えば印刷法または塗布法などを用いて配線基板２の上面２ａ上に供給される。

次に、ベーク処理（熱処理）を行い、封止用樹脂５を硬化させる（ステップＳ８）。これにより、図１０および図１１に示される構造が得られる。封止用樹脂５として熱硬化性樹脂材料を用いることで、ステップＳ８のベーク処理（熱処理）によって封止用樹脂５を硬化させることができる。硬化した封止用樹脂５によって封止樹脂部（封止樹脂）５ａが形成される。

また、ステップＳ７の封止用樹脂５の供給（印刷）後、ステップＳ８のベーク処理による封止用樹脂５の硬化処理の前に、配線基板２上に供給された封止用樹脂５の脱気（真空脱気）処理を行うことが好ましく、この封止用樹脂５の脱気処理は充分に（比較的長い時間）行うことがより好ましい。ステップＳ７の封止用樹脂５の供給（印刷）工程で受動部品４と配線基板２との間が封止用樹脂５で充分には満たされずにそこに気泡が存在すると、ステップＳ８のベーク処理による封止用樹脂５の硬化の際に、その気泡が膨張して受動部品４が外れる可能性があるが、ステップＳ７の封止用樹脂５の供給（印刷）後、ステップＳ８のベーク処理による封止用樹脂５の硬化処理の前に、封止用樹脂５の脱気（真空脱気）処理を充分に行うことで、受動部品４と配線基板２との間に気泡が存在するのを防止でき、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化の際に、受動部品４が外れるのを防止することができる。

本実施の形態では、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化温度（封止用樹脂５を硬化させるための熱処理温度）Ｔ₁を、受動部品４を配線基板２の基板側端子１１ａに半田接続するための半田１３ａの融点Ｔ₂以上にする（すなわちＴ₁≧Ｔ₂とする）。このため、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化工程（熱処理工程）で、受動部品４を配線基板２の基板側端子１１ａに半田接続するための半田１３ａ（受動部品４の半田接続用の半田１３ａ）が溶融した状態になる。すなわち、受動部品４の半田接続用の半田１３ａが溶融した状態（液体状態）で封止用樹脂５を硬化する。ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化温度Ｔ₁は、例えば２５０〜２８０℃程度とすることができる。

図１２は、半田１３ａの温度と体積の関係を示すグラフであり、図１２のグラフの横軸が半田１３ａの温度（任意単位：arbitrary unit）、縦軸がその温度における半田１３ａの体積（任意単位：arbitrary unit）に対応する。図１２のグラフからも分かるように、一般に、半田の体積は、融点（半田１３ａの場合は融点Ｔ₂）より低い温度で固体状態にある間は体積変化がそれ程大きくなく、融点より高い温度で液体状態にある間も体積変化がそれ程大きくないが、融点の前後で固体状態から液体状態に相変化するときに体積が大きく変化する。すなわち、半田は、固体状態から液体状態になるときに体積が大きくなり（膨張し）、液体状態から固体状態になるときに体積が小さくなる（収縮する）。融点の前後での（すなわち固体状態から液体状態に変化するときの）半田の体積の変化率は、例えば数％〜２０％程度である。

図１３は、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化処理中（封止用樹脂５を硬化させるための熱処理中）の状態を示す要部断面図であり、受動部品４の近傍領域が示されている。また、図１４および図１５は、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化処理（封止用樹脂５を硬化させるための熱処理）を終了して温度が常温（室温）に低下した状態を示す要部断面図であり、図１４には図１３と同じ領域の断面が示されており、図１５には図１４のＢ−Ｂ線に対応する断面が示されている。すなわち、図１３および図１４は半導体装置１の受動部品４近傍領域を側方からみたときの断面図に対応し、図１５は半導体装置１の受動部品４近傍領域を上方からみたときの断面図に対応する。

ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化工程では、上記のように、封止用樹脂５の硬化温度（封止用樹脂５を硬化させるための熱処理温度）Ｔ₁を、受動部品４の半田接続用の半田１３ａの融点Ｔ₂以上にする（すなわちＴ₁≧Ｔ₂とする）ので、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化処理中（封止用樹脂５を硬化させるための熱処理中）は、半田１３ａが溶融した状態（液体状態）になる。すなわち、ステップＳ８では、半田１３ａが溶融した状態で封止用樹脂５を硬化させる。図１２のグラフからも分かるように半田１３ａは溶融するときに大きく膨張する。ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化処理の初期段階では封止用樹脂５は比較的軟らかいので、半田１３ａが溶融して膨張した分、封止用樹脂５が変形し、溶融した半田１３ａと封止用樹脂５との間に空間（隙間）は形成されない。この半田１３ａが溶融した状態で封止用樹脂５が徐々に硬化し、封止樹脂部５ａが形成される。封止用樹脂５が充分に硬化して封止樹脂部５ａが形成された後、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化処理（封止用樹脂５を硬化させるための熱処理）を終了し、温度が（例えば常温に）低下すると、溶融していた半田１３ａは固化し、図１２のグラフからも分かるように体積が大きく収縮（減少）する。すなわち、半田１３ａが液体状態から固体状態に変化したことに伴い、半田１３ａの体積が小さくなる（収縮する）。半田１３ａは収縮するが、封止樹脂部５ａ（封止用樹脂５）は既に硬化しているので、封止樹脂部５ａの形状はほとんど変化せず、半田１３ａの体積が小さくなった分、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化処理（熱処理）後に固化した半田１３ａと封止樹脂部５ａとの間に空間（隙間、空洞）２１が形成される。空間２１は、半田１３ａや封止樹脂部５ａの材料が存在しない領域である。

また、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化のためのベーク処理（熱処理）は、一度で行っても、複数回（例えば１次キュアおよび２次キュアの二度）に分けて行っても良い。例えば１次キュアおよび２次キュアに分けて行う場合は、１次キュアの硬化温度（熱処理温度）を受動部品４の半田接続用の半田１３ａの融点Ｔ₂以上にして半田１３ａが溶融した状態で封止用樹脂５を１次キュアである程度硬化させれば、１次キュアにより上記のような空間２１を形成することが可能である。このため、その後の２次キュアでは、受動部品４の半田接続用の半田１３ａの融点Ｔ₂より低い硬化温度（熱処理温度）で封止用樹脂５を完全に硬化させることもできる。

ステップＳ８で封止用樹脂５を硬化させて封止樹脂部５ａを形成した後、必要に応じて配線基板を切断するなどして個片に分割（ステップＳ９）し、半導体装置（モジュール）１を得る（製造する）ことができる。

また、ステップＳ１で準備された配線基板２が、複数の装置領域（そこから１つの半導体装置１が製造される領域）が形成された多数個取り基板である場合、ステップＳ２の半田１３ａ供給、ステップＳ３の半田１３ｂ供給、ステップＳ４の半導体チップ３および受動部品４搭載、ステップＳ６のワイヤボンディングは、配線基板２の各装置領域に対して行うことができ、ステップＳ７の封止用樹脂５供給は、封止用樹脂５が配線基板２の各装置領域を覆うようにまたは複数の装置領域を一括して覆うように形成することができ、ステップＳ９の分割工程では各装置領域に分割して複数の半導体装置１を製造することができる。また、配線基板２に分割用の溝を設けておき、ステップＳ９の分割工程でその溝に沿って機械的力で分割することもできる。

ステップＳ９の分割工程の後、電気的特性テストを行って（ステップＳ１０）、半導体装置１が完成する。ステップＳ１０の電気的特性テストで良品として選別されたものが、半導体装置１となる。

製造された（完成した）半導体装置１では、受動部品４を配線基板２に接続する半田１３ａと封止樹脂部５ａとの間に空間（隙間、空洞）２１が形成されている。

次に、半導体装置１の実装（２次実装）工程について説明する。図１６は、半導体装置１の実装（２次実装）工程を示すプロセスフロー図である。図１７は、半導体装置１の実装（２次実装）工程により、半導体装置１が実装基板に実装された状態を示す側面図である。

半導体装置１の配線基板２の下面２ｂには、出荷先などでの実装基板（プリント配線基板、外部回路基板、マザーボード）３１に実装可能なように、半田接続用の外部接続端子１２が形成されている。

半導体装置１の出荷先などでは、まず、例えばプリント配線基板（ＰＣＢ基板）のような実装用の実装基板３１を準備し（ステップＳ１１）、その後、実装基板３１の端子（実装基板電極）３２上に半田（第３の半田）３３を供給する（ステップＳ１２）。例えば半田ペーストなどを実装基板３１上に印刷することなどにより、半田３３を実装基板３１上に供給することができる。半田３３として、鉛（Ｐｂ）を含有しない半田である鉛（Ｐｂ）フリー半田を用いることが好ましく、例えばＳｎ（スズ）−Ａｇ（銀）−Ｃｕ（銅）系の半田（ＳｎとＡｇとＣｕの合金からなる半田）を用いれば更に好ましい。

次に半導体装置１（の配線基板２）を、実装基板３１上に搭載（配置）する（ステップＳ１３）。それから、リフロー処理（半田リフロー処理、熱処理）を行って、半導体装置１（の配線基板２）を実装基板３１に半田３３を介して接続する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４のリフロー温度（熱処理温度）Ｔ₃は、例えば２４０〜２６０℃程度とすることができる。ステップＳ１４のリフロー処理により、半導体装置１の配線基板２の下面２ｂの外部接続端子１２が実装基板３１の端子３２に半田３３で接続（半田接続）されて、電気的に接続される。その後、電気的特性テストを行って（ステップＳ１５）、実装完成となる。

ステップＳ１４のリフロー（２次実装リフロー）工程では、半田３３を溶融させるが、この際、半導体装置１内の受動部品４の半田接続用の半田１３ａも再溶融する。半導体装置１内で半田１３ａが再溶融すると、半田１３ａの体積が膨張（増大する）。本実施の形態とは異なり、ステップＳ１４のリフロー工程の前に、半田１３ａと封止樹脂部５ａとの間に空間２１が形成されておらず、常温（室温）において半導体装置１の封止樹脂部５ａと半田１３ａとが密着した状態であった場合、ステップＳ１４のリフローで半田１３ａが再溶融して膨張すると、短絡などの不具合が発生する可能性がある。例えば、半田１３ａが再溶融して膨張すると、その溶融膨張圧力が封止樹脂部５ａに対して作用し、受動部品４と封止樹脂部５ａの界面、または封止樹脂部５ａと配線基板２の界面を剥離させ、そこに半田１３ａがフラッシュ状に流れ込み、受動部品４の両端の接続端子４ａが半田で繋がって短絡に至ってしまう。これは半導体装置の信頼性を低下させる。

それに対して、本実施の形態では、常温（室温）の半導体装置１内において半田１３ａと封止樹脂部５ａとの間に空間（隙間、空洞）２１を形成している。このため、ステップＳ１４のリフロー（２次実装リフロー）工程で半導体装置１内の半田１３ａが再溶融して膨張したとしても、再溶融して膨張した半田１３ａは空間２１に侵入することができるので、封止樹脂部５ａに対して半田１３ａの溶融膨張圧力が作用するのを防止することができる。空間２１は、溶融して膨張した半田１３ａの退避用の空間（空洞）として作用することができる。このため、受動部品４と封止樹脂部５ａの界面や封止樹脂部５ａと配線基板２の界面が剥離してそこに半田１３ａがフラッシュ状に流れ込む現象が発生するのを防止でき、受動部品４の両端の接続端子４ａが半田で繋がって短絡するのを防止することができる。従って、半導体装置の信頼性を向上することができる。また、半導体装置の製造歩留りを向上し、製造コストを低減できる。

また、本実施の形態とは異なり、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化温度（封止用樹脂５を硬化させるための熱処理温度）Ｔ₁を、受動部品４の半田接続用の半田１３ａの融点Ｔ₂よりも低く（すなわちＴ₁＜Ｔ₂に）した場合、次のような不具合が生じてしまう。図１２のグラフからも分かるように、半田の体積は、融点より低い温度で固体状態にあるときは温度が上昇してもそれ程膨張しない（膨張率が小さい）が、融点以上の温度になり固体状態から液体状態に相変化するときに大きく膨張する。このため、本実施の形態とは異なり、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化温度Ｔ₁を、受動部品４の半田接続用の半田１３ａの融点Ｔ₂よりも低く（すなわちＴ₁＜Ｔ₂に）して、受動部品４の半田接続用の半田１３ａが固体状態で封止用樹脂５を硬化させた場合、半田１３ａの常温からの膨張率はそれ程大きくないので、ステップＳ８後に常温に低下（復帰）したときに、封止樹脂部５ａと半田１３ａとの間に形成される空間は非常に小さいものとなる。従って、ステップＳ１４のリフロー（２次実装リフロー）工程で半導体装置１内の半田１３ａが再溶融して液体状態になると、再溶融した半田１３ａはその小さな空間を満たし更に大きく膨張しようとするので、封止樹脂部５ａに対して半田１３ａの溶融膨張圧力が作用し、受動部品４と封止樹脂部５ａの界面や封止樹脂部５ａと配線基板２の界面が剥離してそこに半田１３ａがフラッシュ状に流れ込むなどして短絡などの不具合が発生してしまう可能性がある。これは半導体装置の信頼性を低下させる。

それに対して、本実施の形態では、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化温度（封止用樹脂５を硬化させるための熱処理温度）Ｔ₁を、受動部品４の半田接続用の半田１３ａの融点Ｔ₂以上（すなわちＴ₁≧Ｔ₂）にしている。このため、受動部品４の半田接続用の半田１３ａが溶融して大きく膨張した状態で封止用樹脂５が硬化するので、ステップＳ８後に常温に低下（復帰）したときに、半導体装置１内において半田１３ａと封止樹脂部５ａとの間に充分な大きさの空間２１を形成することができる。従って、ステップＳ１４のリフロー（２次実装リフロー）工程で半導体装置１内の半田１３ａが再溶融して膨張しても、再溶融した半田１３ａは空間２１に侵入するだけで、封止樹脂部５ａに対して溶融膨張圧力を作用させず、上記の短絡のような不具合が発生するのを確実に防止することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上することができる。また、半導体装置の製造歩留りを向上し、製造コストを低減できる。

また、本実施の形態では、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化温度Ｔ₁をステップＳ１４のリフロー温度（２次実装リフロー温度、熱処理温度）Ｔ₃以上（すなわちＴ₁≧Ｔ₃）とすれば、より好ましい。図１２のグラフからも分かるように、半田１３ａの体積は、固体状態から液体状態へ相変化したときに大きく膨張するが、その後も温度が上昇すると液体状態の体積が少しずつ大きくなる。このため、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化温度Ｔ₁をステップＳ１４のリフロー温度Ｔ₃以上（すなわちＴ₁≧Ｔ₃）とすれば、形成された空間２１の体積を、ステップＳ１４の半田リフロー（２次実装リフロー）工程で再溶融した半田１３ａの膨張を充分に吸収できる大きさにすることができ、再溶融した半田１３ａが封止樹脂部５ａに対して溶融膨張圧力を作用させるのをより確実に防止することができる。

また、本実施の形態では、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化温度Ｔ₁を調整する（すなわちＴ₁≧Ｔ₂にする）ことで、ステップＳ８後の半導体装置１内において固化した半田１３ａと封止樹脂部５ａとの間に空間２１を形成することができる。このため、ステップＳ１４のリフロー（２次実装リフロー）工程で再溶融して膨張した半田１３ａの退避用の空間として作用する空間２１を容易かつ低コストで形成することができる。

図１８は、エポキシ樹脂とシリコーン樹脂の温度特性の一例を示すグラフ（特性図）である。図１８のグラフの横軸は温度に対応し、図１８のグラフの縦軸は弾性率に対応する。

図１８のグラフからも分かるように、エポキシ樹脂はシリコーン樹脂に比較して弾性率が高い。このため、エポキシ樹脂のような高弾性率の樹脂材料を封止樹脂部５ａ（封止用樹脂５）の材料として用いることで、半導体装置１の強度を向上でき、例えば半導体装置１を落下したときの強度または耐久性を高めることができる。しかしながら、半導体装置１の強度を高めるためにエポキシ樹脂のような高弾性率の樹脂材料を封止樹脂部５ａ（封止用樹脂５）の材料として用いた場合、ステップＳ１４のリフロー工程で半田１３ａが再溶融して膨張し、その溶融膨張圧力が封止樹脂部５ａに作用すると、封止樹脂部５ａは再溶融した半田１３ａの溶融膨張圧力を吸収できずに、上記の短絡のような不具合が発生しやすい。

本実施の形態では、封止樹脂部５ａ（封止用樹脂５）の材料としてエポキシ樹脂のような比較的弾性率が高い樹脂材料を用いたとしても、ステップＳ１４のリフロー（２次実装リフロー）工程において、半導体装置１内で再溶融した半田１３ａは空間２１に侵入するだけで、封止樹脂部５ａに対して溶融膨張圧力を作用させず、上記の短絡のような不具合が発生するのを防止することができる。このため、本実施の形態は、封止樹脂部５ａ（封止用樹脂５）の材料としてエポキシ樹脂のような比較的弾性率が高い樹脂材料を用いる場合（すなわち封止樹脂部５ａ（封止用樹脂５）がエポキシ樹脂を含む場合）に適用すれば、より有効である。封止樹脂部５ａ（封止用樹脂５）の材料としてエポキシ樹脂のような比較的弾性率が高い樹脂材料を用いることで、半導体装置１の強度を向上でき、例えば半導体装置１を落下したときの強度または耐久性を高めることができる。

また、本実施の形態では、ステップＳ１４のリフロー（２次実装リフロー）工程で半導体装置１内の半田１３ａが再溶融して膨張したときの不具合を防止できるので、ステップＳ１４のリフロー温度（熱処理温度）Ｔ₃を比較的高くし、受動部品４の半田接続用の半田１３ａの融点Ｔ₂以上（Ｔ₃≧Ｔ₂）とする場合に適用すれば、より有効である。本実施の形態では、ステップＳ１４のリフロー（２次実装リフロー）工程において、半導体装置１の２次実装用の半田３３に鉛（Ｐｂ）フリー半田を用いて比較的高い温度（例えば２４０〜２６０℃）でリフローを行うことが可能である。そのような温度でリフロー（２次実装リフロー）を行っても、半導体装置１内で再溶融した半田１３ａは空間２１を埋めるだけでそれ以上広がることはなく、半導体装置１内で半田１３ａがフラッシュするのを防止できる。このため、高い信頼性を有するモジュール製品を製造することができる。また、半導体装置の実装基板への２次実装を比較的融点が高い鉛フリー半田を用いて行うことが可能になる。

また、本実施の形態では、半導体チップ３の半田接続用の半田１３ｂは受動部品４の半田接続用の半田１３ａとは異なる半田（材料）を用いることが好ましく、半導体チップ３の半田接続用の半田１３ｂの融点Ｔ₄が受動部品４の半田接続用の半田１３ａの融点Ｔ₂よりも高ければ（Ｔ₄＞Ｔ₂）より好ましく、半導体チップ３の半田接続用の半田１３ｂの融点Ｔ₄がステップＳ８の封止用樹脂５の硬化温度Ｔ₁よりも高ければ（Ｔ₄＞Ｔ₁）更に好ましい。ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化工程で半導体チップ３接続用の半田１３ｂが溶融すると、半田１３ｂ中にボイドが生じやすくなり、これは半導体装置１における半導体チップ３の熱抵抗（半導体チップ３の熱を半田１３ｂを介して配線基板２の基板側端子１１ｂに伝導させる経路の熱抵抗）を増大させてしまう可能性がある。本実施の形態では、上記のように半田１３ｂとして高融点の半田を用いることで（すなわちＴ₄＞Ｔ₁とすることで）、ステップＳ８の封止用樹脂５の硬化工程で半導体チップ３接続用の半田１３ｂが溶融するのを防止でき、半田１３ｂ中にボイドが発生するのを防止し、半導体装置１における半導体チップ３の熱抵抗（半導体チップ３の熱を半田１３ｂを介して配線基板２の基板側端子１１ｂに伝導させる経路の熱抵抗）を低減することができる。従って、半導体装置の性能を向上することができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば、配線基板に半導体チップおよび受動部品を搭載し樹脂封止した半導体装置の製造技術および半導体装置に適用できる。

本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程を示す製造プロセスフロー図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造工程を示す平面図である。 図２の工程における断面図である。 図２に続く半導体装置の製造工程中における平面図である。 図４の工程における断面図である。 図４に続く半導体装置の製造工程中における平面図である。 図６の工程における断面図である。 図６に続く半導体装置の製造工程中における平面図である。 図８の工程における断面図である。 図８に続く半導体装置の製造工程中における平面図である。 図１０の工程における断面図である。 半田の温度と体積の関係を示すグラフである。 封止用樹脂の硬化のための熱処理中の状態を示す要部断面図である。 封止用樹脂の硬化のための熱処理が終了して温度が低下した状態を示す要部断面図である。 封止用樹脂の硬化のための熱処理が終了して温度が低下した状態を示す要部断面図である。 半導体装置の２次実装工程を示すプロセスフロー図である。 半導体装置が実装基板に実装された状態を示す側面図である。 エポキシ樹脂とシリコーン樹脂の温度特性の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ 半導体装置
２ 配線基板
２ａ 上面
２ｂ 下面
３ 半導体チップ
３ａ 電極
４ 受動部品
４ａ 接続端子
５ 封止用樹脂
５ａ 封止樹脂部
１１ 基板側端子
１１ａ 基板側端子
１１ｂ 基板側端子
１１ｃ 基板側端子
１２ 外部接続端子
１３ａ 半田
１３ｂ 半田
１４ ボンディングワイヤ
２１ 空間
３１ 実装基板
３２ 端子
３３ 半田

Claims (20)

1. （ａ）配線基板を準備する工程、
   （ｂ）前記配線基板上に第１の半田を供給する工程、
   （ｃ）前記配線基板上に、能動素子からなる半導体チップと受動素子からなる受動部品とを配置する工程、
   （ｄ）前記受動部品を前記第１の半田を介して前記配線基板に接続する工程、
   （ｅ）前記配線基板上に封止樹脂を供給する工程、
   （ｆ）前記封止樹脂を硬化する工程、
   を有し、
   前記（ｆ）工程の前記封止樹脂の硬化温度が、前記第１の半田の融点以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記（ｆ）工程では、前記第１の半田が溶融した状態で前記封止樹脂を硬化させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記（ｄ）工程では、熱処理により、前記受動部品を前記第１の半田を介して前記配線基板に接続することを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記（ｆ）工程後に、前記受動部品および前記配線基板を接続する前記第１の半田と前記封止樹脂との間に空間が形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第１の半田が鉛フリー半田であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項５記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第１の半田がＳｎ−Ｓｂ系の半田であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記封止樹脂がエポキシ樹脂を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記（ｂ）工程では、前記配線基板上に前記第１の半田と第２の半田が供給され、
   前記（ｄ）工程では、前記受動部品が前記第１の半田を介して前記配線基板に接続され、前記半導体チップが前記第２の半田を介して前記配線基板に接続され、
   前記第１の半田と前記第２の半田とが異なることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 請求項８記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第２の半田の融点が、前記第１の半田の融点よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 請求項８記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第２の半田の融点が、前記（ｆ）工程の前記封止樹脂の硬化温度よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｆ）工程の前記封止樹脂の硬化温度が２５０〜２８０℃であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｆ）工程後に、
    （ｇ）実装基板上に第３の半田を供給する工程、
    （ｈ）前記実装基板上に前記配線基板を配置する工程、
    （ｉ）熱処理により、前記配線基板を前記第３の半田を介して前記実装基板に接続する工程、
    を更に有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
13. 請求項１２記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｆ）工程の前記封止樹脂の硬化温度が、前記（ｉ）工程の前記熱処理の温度以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. 請求項１２記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第３の半田が鉛フリー半田であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. 請求項１４記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第３の半田がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
16. 請求項１２記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｉ）工程の前記熱処理の温度が、前記第１の半田の融点以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
17. 請求項１６記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｂ）工程では、前記配線基板上に前記第１の半田と第２の半田が供給され、
    前記（ｄ）工程では、前記受動部品が前記第１の半田を介して前記配線基板に接続され、前記半導体チップが前記第２の半田を介して前記配線基板に接続され、
    前記第２の半田の融点が、前記（ｆ）工程の前記封止樹脂の硬化温度および前記（ｉ）工程の前記熱処理の温度よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
18. 請求項１２記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｉ）工程の前記熱処理の温度が２４０〜２６０℃であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
19. 配線基板と、
    前記配線基板上に配置された能動素子からなる半導体チップと、
    前記配線基板上に配置され、鉛フリー半田からなる第１の半田を介して前記配線基板に接続された受動素子からなる受動部品と、
    前記配線基板上に前記受動部品および前記半導体チップを覆うように形成され、エポキシ樹脂を含む封止樹脂と、
    を有し、
    前記受動部品を前記配線基板に接続する前記第１の半田と前記封止樹脂との間に空間が形成されていることを特徴とする半導体装置。
20. 請求項１９記載の半導体装置において、
    前記半導体チップが第２の半田を介して前記配線基板に接続され、前記第２の半田の融点が前記第１の半田の融点よりも高いことを特徴とする半導体装置。

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