JP2007096278A - 積層型半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

積層型半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 積層型半導体装置において、半導体装置の反りによってはんだ接合部に接合不良が生じるのを防ぐ。
【解決手段】 第1層の半導体装置2と第2層の半導体装置3a、3bを積層してはんだ接合する積層型半導体装置1は、その構成部材の熱膨張係数の違いや、個々の弾性率の違いにより反りが発生する。そこで、第1層の半導体装置2と第2層の半導体装置3a、3bの間に、はんだによる外部接続端子11とともに熱硬化性樹脂25を介在させ、はんだのリフロー予備加熱の温度である150〜180℃で30〜90秒間加熱する。これによって、第1層の半導体装置2の反りを低減し、その状態で熱硬化性樹脂25を完全硬化させた後、はんだのリフロー温度まで上昇させ、外部接続端子11によるはんだ接合を行う。
【選択図】 図1

Description

本発明は、それぞれ半導体素子を搭載した半導体装置が、少なくとも2層以上積み重ねられて三次元的に実装された積層型半導体装置およびその製造方法に関するものである。
近年では、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等のデジタル機器の小型化が進み、より省スペースに各部品を実装することができる三次元実装が注目されている。三次元実装としては、CSP(Chip Size Package)、BGA(Ball Grid Array)として半導体素子を2層以上積み重ねたスタックドチップタイプや、半導体装置同士を2層以上積層した積層型半導体装置が知られている。
図7は、スタックドチップタイプの半導体パッケージを示すもので、配線基板51上に大きな半導体素子52と小さな半導体素子53が順に積み重ねて搭載されている。配線基板51と半導体素子52、53は、ワイヤボンド54によって電気的接続されている。半導体素子52、53及びワイヤボンド54は、封止樹脂55により封止されている。
また近年、特開2004−281919号公報(特許文献1)および特開2004−335603号公報(特許文献2)等に開示された積層型半導体装置が脚光を浴びている。一般的な積層型半導体装置を図8に示す。配線基板121上にはACF樹脂124を介して半導体素子122が実装されている。配線基板121上及び半導体素子122からなる半導体装置102の上に、半導体素子132が実装された配線基板131を封止樹脂133で封止した半導体装置103を積層したものである。半導体装置102の表面のランド123と、半導体装置103の裏面のランド133は、外部接続端子(はんだボール)111によりに接合されている。すなわち半導体装置102と半導体装置103は、はんだボール111により電気的に接続されている。また配線基板121の裏面には複数のランド125が設けられており、ランド125には外部接続端子(はんだボール)112が取り付けられている。
図9は、図8に示す積層型半導体装置を構成する半導体装置102と半導体装置103の接合工程を示す断面図である。まず、図9の(a)に示すように半導体装置102の表面のランド123の上にフラックス123aを供給する。次に半導体装置102の上に半導体装置103をはんだボール111を介してマウントする。尚、はんだボール111は、予め半導体装置102の裏面に接合されている。半導体装置102の上に半導体装置103をマウントしたままの状態で、半導体装置102と半導体装置103をリフロー処理し、はんだボール111とランド123を接合する。次に、図9の(b)に示すように、半導体装置102の裏面にはんだボール112を接合する。このようにして完成した積層型半導体装置を、図9の(c)に示すマザーボード104に実装する。
特開2004−281919号公報 特開2004−335603号公報
しかし、半導体装置は、その構成部材である配線基板と半導体素子との熱膨張係数の違いや、個々の弾性率の違いにより容易に反りが発生してしまう。一般の半導体装置を例にとって説明する。図10は、配線基板121にACF樹脂124を介して半導体素子122が実装された一般的な半導体装置である。通常半導体装置は、図10(a)に示すように、配線基板121、ACF樹脂124、半導体素子122の線膨張係数の違いにより、半導体素子122を上にして凸状に反っている。これは、半導体装置102を製造する際に、加熱工程を経るため、その際の熱膨張係数の差により発生する。この反り量は各構成部材の仕様にもよるが、例えば配線基板121の厚みが0.4〜0.5mm、半導体素子122の厚みが0.1〜0.2mm、半導体装置102のサイズが10〜15mmである場合には、配線基板121が40〜50μm程度反ることが確認されている。
また、配線基板121の反り量及び反り方向は、加熱温度により変化する。すなわち、室温(23℃)において、図10の(a)に示すように凸状に40〜50μm反っている場合、はんだ溶融温度である220℃では、図10の(c)に示すように、逆方向、すなわち凹状に20〜30μm反ることとなる。
このような半導体装置102の上に半導体装置103を接合して積層型半導体装置1を形成するときの様子を、図11に示す。
まず図11の(a)に示すように、半導体素子122側に凸状に40〜50μm反った半導体装置102の上に、半導体装置103がマウントされる。次に、はんだボール111を溶融するためのリフロー処理により220℃まで加熱されると、配線基板121は図11(b)に示すように凹状に20〜30μm反る。更に、この積層型半導体装置1を冷却すると、配線基板121は図11(a)に示す凸状に戻ろうとする。しかしながら、はんだボール111で拘束されている端部は変形しないため、最終的に図11(c)に示すように、配線基板121はW型の形状をとることとなる。このような形状を有する積層型半導体装置1は、マザーボードへの実装工程におけるコプラナリティーの問題を生じ、接合不良を発生させることとなる。
すなわち、図12に示すように、マザーボード104へ積層型半導体装置1をマウントする際、配線基板121の内側のはんだボール112は、マザーボード104のランド141へ接触しない状態となる。そのため、はんだが溶融してもマザーボード104と接合されず接続不良となってしまう。
また、積層型半導体装置1の配線基板121は、リフロー処理等により熱を加えられると、図13に示すように、半導体装置102がW型から凹型に変形する。この際、配線基板121の変形量が大きいと、半導体素子122の直下のはんだボール112は潰されてしまい、隣り合うはんだ同士が接触し、ショートしてしまうこともある。また外周部においては、配線基板121とマザーボード104との距離が離れてしまい、はんだが伸長し、接続不良となることもある。
このような配線基板121の反り量は、配線基板の厚さが半分になると反り量は約2倍になることが確認されている。従って、半導体装置の小型化に伴い、配線基板の反りによる影響は大きくなっている。特に、積層型半導体装置は小型化が進んでおり、反りの問題が顕在化している。
また、特開2004−335603号公報(特許文献2)には、図14に示すように、半導体装置102と半導体装置103の間に接着材125を介在させた積層型半導体装置が開示されている。接着材125は半導体装置102と半導体装置103を精度良く位置決めすること、また、半導体装置間の剥離を抑止することを目的とするものである。そのため接着剤125は、はんだボール111が硬化した後に硬化させなければならない。従って接着材125は、はんだのリフロー処理においては硬化せず、リフロー後に硬化する熱可塑性の接着剤が使用されている。
しかしながら特開2004−335603号公報における積層型半導体装置は、はんだを溶融するリフロー処理において発生する、配線基板121の反りを抑制することはできない。すなわち、半導体装置102の上に半導体装置103がマウントされる際には、半導体装置102は、半導体素子122を上にして凸状に反った状態となっている。そして、加熱されリフロー処理を施されると、この時の接着材125はまだ硬化はしていないため、配線基板121は、図14の(a)に示すように凹状に反ることとなる。次に、半導体装置102は冷却され、所定の温度で接着剤125は硬化する。しかしながら、この時、配線基板121は、既に図14の(b)に示すように、W型に変形していることとなる。従って、前述の図12、図13に示した接合不良や、ショートの問題が発生する。
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、積層される半導体装置の反り量を抑制し、はんだボール等の外部接続端子の接続不良を回避できる積層型半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
上記の目的を達成するため、本発明の積層型半導体装置は、半導体素子が表面に実装された第1層の半導体装置と、接合手段を介して前記第1層の半導体装置の前記表面側に積層された第2層の半導体装置とを有する積層型半導体装置において、前記接合手段は、前記第1層の半導体装置と前記第2層の半導体装置との間をはんだによって接合したはんだ接合部と、前記第1層の半導体装置と前記第2層の半導体装置との間を、はんだ溶融温度より低い硬化温度を有する熱硬化性樹脂によって接着固定した接着固定部であることを特徴としている。
また本発明は、互に積層して配置された第1層および第2層の半導体装置を有する積層型半導体装置の製造方法において、第1層の半導体装置と第2層の半導体装置の間に、両半導体装置を接合するためのはんだおよび熱硬化性樹脂を介在させる工程と、前記第1層および第2層の半導体装置を、第1の温度に加熱して熱硬化性樹脂を硬化させる工程と、前記第1層および第2層の半導体装置を、第1の温度よりも高い第2の温度に昇温させてはんだを溶融する工程と、前記第1層および第2層の半導体装置を冷却し、前記はんだを硬化させる工程とを経ることを特徴としている。
積層された少なくとも2個の半導体装置の熱ストレスによる反りを低減するために、はんだ溶融温度より低い硬化温度を有する熱硬化性樹脂を用いた接着固定部を設ける。これにより積層される半導体装置の反り量を抑制し、はんだボール等の外部接続端子の接続不良やショートを回避することができる。
まず、本発明の基本的な考え方を説明する。図10において説明したように、一般的な半導体装置は、室温(23℃)において図10(a)に示すように凸状に反っている。またこれをはんだの溶融する220℃に加熱すると、図10(c)に示すように、凹状に反ることとなる。従って、室温から220℃に加熱する途中において、必ず、図10(b)に示すように、ほとんど反りのない状態となっている。通常150℃〜180℃において、このほとんど反りのない状態となるものが多い。本発明では、このほとんど反りのない状態に着目し、このときの温度で、半導体装置102に半導体装置103を固定し実装するものである。
次に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図1に示すように、本実施例の積層型半導体装置1は、第1層の半導体装置2と第2層の半導体装置3を積層することにより構成される。第1層の半導体装置2は、配線基板20上に形成されたランド20aと半導体素子22のバンプ22aがACF樹脂23により接合されたものである。
第2層の半導体装置3は、配線基板10上に半導体パッケージ32a及び半導体パッケージ3bが実装されている。半導体素子3aの裏面には配線層31aが形成されており、配線層31aに設けられたランド34aは、配線基板10の表面に形成されたランド10bと、はんだボール12aを介して接合されている。半導体素子32bの裏面には緩衝材33bと配線層31bが形成されており、配線層31bに設けられたランド34bは、配線基板10の表面に形成されたランド10bと、はんだボール12bを介して接合されている。配線基板10の裏面にはランド10aが形成されており、はんだボール11により、配線基板20の表面のランド20bと接合している。
ここで、配線基板10と配線基板20の接合方法は、熱圧着後、封止樹脂を流し込み硬化させて接合したもの、あるいは、超音波等により接合したものでもよい。また、外部接続端子として機能するはんだボール11、12a、12bは、PGAやLGAのように金属でもよい。
半導体素子22と配線基板10の間には、硬化温度が150℃〜180℃の温度で30秒〜90秒かけて完全に硬化する熱硬化性樹脂25が配設されている。すなわち、第1層の半導体装置2と第2層の半導体装置3は、熱硬化性樹脂25とはんだボール11とによって接合されることとなる。熱硬化性樹脂25は、はんだが溶融するリフロー処理温度220℃よりも低い硬化温度を有する熱硬化性樹脂を使用する。これにより熱硬化性樹脂25の硬化は、リフロー処理の予備加熱工程において行うことができる。
また、熱硬化性樹脂25は第1層の半導体装置2に搭載された半導体素子22と配線基板10のみを固着するものが望ましい。すなわち、第1層の半導体装置2の全面に熱硬化性樹脂25を配置し、第2層の半導体装置3を貼り付けると、熱ストレスに対して熱硬化性樹脂25は強固であるため、逆に配線基板10、20の応力が緩和されなくなってしまう可能性がある。またはんだボール11とランド10a及び21bとの間に侵入し、接合不良を発生させる可能性もある。
また熱硬化性樹脂25は後述するように、第1層の半導体装置2の反り量を低減した状態で固定するものであるため、比較的剛性の高いものを使用する必要がある。剛性が低いものを使用すると、第1層の半導体装置2の反りに追従してしまい、反りを抑制することが困難となってしまう。
また、一般的に反りにより発生する応力は半導体素子22の端部もしくは中央部が大きくなるため、熱硬化性樹脂25は半導体素子22の全面に貼り付けるのではなく分散させて配置することが好ましい。図2は、第1層の半導体装置2を上方より見た模式図である。図2において熱硬化性樹脂25は、半導体素子22の4端部、中央部の合計5箇所に形成されている。また図3に示すように、半導体素子22の中央部から端部に向けて十字型に形成してもよい。
すなわち図2および図3に示すように熱硬化性樹脂を分散させると、全面に熱硬化性樹脂を貼り付けるよりは、伸縮が抑制されることないため、応力集中が起こりにくくなり、接合不良等の不具合も発生しにくくなる。このような形態とすることにより、熱硬化性樹脂25により発生する配線基板10、20の応力を抑制することが可能となる。特に、前述のように熱硬化性樹脂は剛性の高いものを使用している場合、応力の影響は顕著であり、図2、図3で示した形態を使用することが望ましい。
次に、積層型半導体装置1の製造方法について、図4および図5に基づいて説明する。
まず、図4の(a)に示すように、配線基板10のランド10bにはんだペースト10cを印刷し、第2層の半導体装置3a、3bのはんだボール12a、12bをリフロー処理等により接合させる。その後、第1層の半導体装置2の表面のはんだボール11と配線基板10のランド10aを位置合わせしマウントする。そして、一般的なはんだのリフロー処理である予備加熱、本加熱を要するプロファイルのもとに熱印加を行い、はんだボール11とランド10aを接合させる。熱硬化性樹脂25は、リフロー処理の熱プロファイルである予備加熱中に完全硬化し、第1層の半導体装置2が配線基板10に接着される。
つまり、熱硬化性樹脂25は一般的なリフローの予備加熱である150℃〜180℃、30秒〜90秒間で硬化し、第1層の半導体装置2を配線基板10に接着させる。ここで、リフロー処理中の第1層の半導体装置2の反り挙動と熱硬化性樹脂25の役割を説明する。
マウント時は図4の(b)に示すように第1層の半導体装置2の配線基板20は、図10(a)と同様に凸型に反っている。しかし、リフロー処理により熱が印加され150℃〜180℃になると、配線基板20は図10(b)と同様に、図5の(a)に示すようにほぼフラットになる。本発明では、配線基板20は150℃〜180℃で一旦フラットになることに着目し、配線基板20がフラット状態で配線基板10と固着させ、凹方向に反るのを抑制する。
その後、はんだ溶融温度である220℃で外部接続端子11が溶融し、配線基板10のランド10aとはんだに接合される。熱硬化性樹脂25は熱硬化性であるため、一般的な鉛フリーのリフロー処理時のピーク温度である240℃まで温度が上昇しても、軟化することはない。従って、第1層の半導体装置2と配線基板10はフラットな形状を維持したまま固定されている。
さらに、図5の(b)に示すように、積層型半導体装置1をマザーボード4に実装する。この工程においても、熱硬化性樹脂25によって配線基板10と固着された第1層の半導体装置2はフラット状態で凹型に反ることはない。従って、隣り合う端子がショートしたり、はんだ形状の異形による接合強度の低下や信頼性の低下等の不具合を回避できる。
(シミュレーション)
次に、本発明の効果を確認すべくシミュレーションを実施した。その解析モデルおよび解析結果を以下に説明する。
図1の積層型半導体装置1のモデル化を行った。解析モデルの各材料の物性値は表1〜6に示す。表1は熱硬化性樹脂25の物性値である。表2ははんだボール11、12a、12b、13、及び配線基板10の物性値である。表3は第1の半導体装置2を形成する配線基板20、AFC樹脂23、半導体素子22の物性値である。表4は半導体パッケージ3aを形成する配線層31a、半導体素子32aの物性値である。表5は半導体パッケージ3bを形成する配線層31b、半導体素子32b、緩衝材33bの物性値である。表6ははんだボール11、12a、12b、13の形状を示す値である。なお、解析モデルはFullモデルにて実施した。はんだは全ての半導体装置において立方体で、単純モデル化にて実施した。
配線基板10、マザーボード4、第1層の半導体装置2、第2層の半導体装置3a、3bはそれぞれ個々のメッシュサイズでメッシングを行った。
配線基板21、マザーボード4、配線基板10はコア材、ビルトアップ材、ソルダーレジストの物性値を平均化して扱い各表に示す物性値を使用した。また、物性値は、線形解析のため、23℃の値を使用した。
熱硬化性樹脂25は図2に示すように、第1層の半導体装置2の半導体素子22の上に設置した。設置場所は半導体素子22の四隅と中央部にそれぞれ2.16×2.16×0.12mmのサイズのものを付着させた。
Figure 2007096278
Figure 2007096278
Figure 2007096278
Figure 2007096278
Figure 2007096278
Figure 2007096278
前記解析モデルにおいて、熱硬化性樹脂25の有る積層型半導体装置1と、熱硬化性樹脂25を介在させていない従来型の積層型半導体装置に対して解析を行った。それぞれ室温(23℃)、及びはんだが硬化する温度である220℃での、配線基板20の反り量を計算し、その結果を図6に示す。室温における積層型半導体装置とは、図5(a)に示すマザーボード4にマウントする前の積層型半導体装置を示す。また220℃における積層型半導体装置とは、図5(b)に示すマザーボード4にマウントし、リフロー処理においてはんだボール13を溶融させた状態の積層型半導体装置を示す。
反り量は配線基板20の対角方向における値を、配線基板20の中心を0としてプロットしたものである。熱硬化性樹脂25を有する場合の配線基板20のリフロー工程前の温度である23℃の反り量を○、リフロー工程における温度である220℃での反り量を□で示した。また同様に熱硬化性樹脂のない場合の配線基板20の23℃の反り量を●、220℃での反り量を■で示した。
図6から、熱硬化性樹脂の無い配線基板20の反り量は23℃では凸状に42μm、220℃では凹状に23μmであった。これに対し、熱硬化性樹脂25を接着させた配線基板20の反り量は23℃で凸状に21μm、220℃では凹状に11μmとなっている。すなわち熱硬化性樹脂を設けることにより、配線基板の反り量は半減していることが分かる。
Figure 2007096278
ここで、図5における積層型半導体装置1をはんだボール13によりマザーボード4に実装する際の反りによる影響を説明する。マザーボード4の表面に形成されたランド14上には、はんだボールとの接合を容易にするため、あらかじめマザーボード4上に形成されたランド14上にはんだペーストが塗られている。はんだペーストにより、積層型半導体装置とマザーボード4の間隔のばらつきを吸収することができる。印刷によりマザーボード4に転写されたはんだペーストの高さは、平均すると90μm程度である。しかしながら、バラツキが大きく場合によっては、その高さが40μm程度の場合もある。従って、配線基板20の反り量が40μm以上になると、図12に示すように、マウント時に、配線基板20の中心付近のはんだボールと、はんだペーストとが接触せず、接合不良が発生してしまう。
従って、表7からわかるように、熱硬化性樹脂122を使用することにより、配線基板121の反り量を40μm以下とすることができ、はんだ接合の信頼性を大幅に向上させることができる。
なお、本発明において、1つの配線基板に実装される半導体素子の数や、積層される半導体装置の層数は、本実施例に限られるものでない。また半導体素子の実装される形態は、フィリップチップ実装や、スタックドパッケージや、シングルパッケージであってもかまわない。
実施例における積層型半導体装置を示す断面図である。 実施例における熱硬化性樹脂の貼り付け形状を示す平面図である。 実施例における熱硬化性樹脂の貼り付け形状を示す平面図である。 実施例における積層型半導体装置の製造工程の示す断面図である。 実施例における積層型半導体装置の製造工程の示す断面図である。 実施例におけるシミュレーションの結果を示すグラフである。 従来例における半導体装置を示す断面図である。 従来例における積層型半導体装置を示す断面図である。 従来例における積層型半導体装置の製造工程を示す断面図である。 半導体装置の反りを説明する断面図である。 従来例における積層型半導体装置の反りを説明する断面図である。 従来例における積層型半導体装置の課題を説明する断面図である。 従来例における積層型半導体装置の課題を説明する断面図である。 従来例における積層型半導体装置の反りを説明する断面図である。
符号の説明
1 積層型半導体装置
2 第1層の半導体装置
3a、3b 第2層の半導体装置
10 配線基板
11、12a、12b、13 外部接続端子
21 配線基板
22、32a、32b 半導体素子
25 熱硬化性樹脂

Claims (8)

  1. 半導体素子が表面に実装された第1層の半導体装置と、接合手段を介して前記第1層の半導体装置の前記表面側に積層された第2層の半導体装置とを有する積層型半導体装置において、
    前記接合手段は、前記第1層の半導体装置と前記第2層の半導体装置との間をはんだによって接合したはんだ接合部と、前記第1層の半導体装置と前記第2層の半導体装置との間を、はんだ溶融温度より低い硬化温度を有する熱硬化性樹脂によって接着固定した接着固定部であることを特徴とする積層型半導体装置。
  2. 前記熱硬化性樹脂は、150℃以上180℃以下の温度で30秒以上90秒以下の時間加熱することにより完全硬化する樹脂であることを特徴とする請求項1記載の積層型半導体装置。
  3. 前記熱硬化性樹脂は前記半導体素子の表面にのみ配置されていることを特徴とする請求項1または2記載の積層型半導体装置。
  4. 前記熱硬化性樹脂は前記半導体素子の複数箇所に配置されていることを特徴とする請求項1または2記載の積層型半導体装置。
  5. 前記熱硬化性樹脂は前記半導体素子の中央部に配置されていることを特徴とする請求項3記載の積層型半導体装置。
  6. 互に積層して配置された第1層および第2層の半導体装置を有する積層型半導体装置の製造方法において、
    第1層の半導体装置と第2層の半導体装置の間に、両半導体装置を接合するためのはんだおよび熱硬化性樹脂を介在させる工程と、
    前記第1層および第2層の半導体装置を、第1の温度に加熱して熱硬化性樹脂を硬化させる工程と、
    前記第1層および第2層の半導体装置を、第1の温度よりも高い第2の温度に昇温させてはんだを溶融する工程と、
    前記第1層および第2層の半導体装置を冷却し、前記はんだを硬化させる工程とを経ることを特徴とする積層型半導体装置の製造方法。
  7. 熱硬化性樹脂の硬化温度は、前記第1層の半導体装置が水平状態となる温度であることを特徴とする請求項5に記載の積層型半導体装置の製造方法。
  8. 熱硬化性樹脂の硬化温度は150℃以上180℃以下であり、加熱時間は30秒以上90秒以下であることを特徴とする請求項5記載の積層型半導体装置の製造方法。
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