JP2007214346A - 半導体装置、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置、及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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    • H01L2224/83855—Hardening the adhesive by curing, i.e. thermosetting
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Abstract

【課題】
半田電極を使用したフリップチップ実装方式において、半導体チップと半田電極接合部分や、回路基板と半田電極の接合部分などに生ずるクラックや剥離を防止する封止構造を提供する。
【解決手段】
半導体チップ１は半田電極３を介して回路基板６上のパッド部５に電気的に接続されている。半導体チップ１と半田電極３の接合部分は第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２によって固定されている。第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２は、半導体チップ１の半田電極３側の表面に層状に設けられている。また、半田電極３と回路基板６上のパッド部５との接合部分は第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４によって固定されている。第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４は、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２とは異なる樹脂材料により作製されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、及び半導体装置の製造方法に関する。
半導体パッケージの軽薄短小化の技術革新は目覚しいものがあり、様々なパッケージ構造が提唱され、製品化されている。近年では、従来のリードフレーム接合に代わり、半導体チップと回路基板とを、半導体チップの回路面に直接形成された突起電極を介して接合するエリア実装方式が主流になりつつある。
このエリア実装方式の代表的なものとして、フリップチップ実装がある。フリップチップ実装においては、接合部分の補強や信頼性向上等を目的として、半導体チップと回路基板の間隙を樹脂組成物で封止することが一般的である。その樹脂封止方法の代表的なものとして以下の方法が知られている。
第一に、アンダーフィル方式の樹脂封止方法が挙げられる。この方法は、チップの一辺または複数面に液状封止樹脂組成物を塗布し毛細管現象を利用して樹脂組成物を回路基板とチップの間隙に流れ込ませることによって行う（特許文献１）。
第二に、回路基板に直接樹脂組成物を塗布し、その上から半田電極を持った半導体チップを搭載する方法も考案されている（特許文献２）。
第三に、特に近年における封止方法として、半導体チップにあらかじめ樹脂組成物を塗布しておき、これを回路基板に搭載し、接合することでアンダーフィル工程を省略させたプリアプライド型ノンフローアンダーフィル封止方法が検討されている（特許文献３、４）。
ここで、半導体装置の信頼性を低下させる原因として、半導体チップと半田電極の接合部分や、回路基板と半田電極の接合部分など異種材料を接合する界面に生じるクラックや剥離などが知られている。
特許第３３５１９７４号 米国特許５，１２８，７４６号公報 特開２００３−２１２９６４号公報 米国特許５，１２８，７４６号公報
しかしながら、上記文献記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
近年は半導体装置に、より高度の信頼性が求められつつあるが、上記のフリップチップ実装方式では、樹脂組成物を種々工夫しても接合部分の信頼性が向上しないという課題があった。
半導体チップと半田電極の接合部分や、回路基板と半田電極の接合部分などを固定する樹脂材料にクラック等が発生しやすいのは、材質の異なる複数の部材が接合されているため、これらの部材の線膨張係数、弾性率の差などに起因する応力が発生することが原因であると考えられている。従って、半導体装置の各接合部分は、構成部材の種類ごとに異なる適切な樹脂材料で固定されることが本来的には好ましい。
ところが従来のフリップチップ実装方式では、上述した（１）アンダーフィル方式、（２）ノンフローアンダーフィル方式、（３）プリアプライド型ノンフローアンダーフィル方式が採用されており、これらによれば、半導体チップと回路基板との間は、単一の樹脂材料で封止されている。これはいずれの方法によっても、その封止のプロセス上、各接合部分を別々に封止することができないからである。
本発明者は、上述のクラックや剥離などの信頼性を低下させる現象の原因が、半導体装置に幾つかある接合部分がまとめて一つの樹脂材料で封止されており、各接合部分ごとに適切な樹脂材料が選択されていない点にあることを見出した。そして鋭意検討の結果、特殊な半導体装置の構成を採ることによって、各接合部分ごとに異なった樹脂材料を選択することが可能となり、樹脂材料の選択の自由度が増し、半導体装置の信頼性を向上できることを見出した。
すなわち、本発明によれば、
半導体チップと、
回路基板と、
前記半導体チップと前記回路基板とを電気的に接続する半田電極と、
前記半導体チップと前記半田電極との接合部分の周囲において、前記半導体チップと前記半田電極の両方に接する第一の樹脂材料よりなる第一の固定部と、
前記半田電極と前記回路基板との接合部分の周囲において、前記半田電極と前記回路基板の両方に接する、前記第一の樹脂材料とは異なる第二の樹脂材料よりなる第二の固定部と、
を備える半導体装置が提供される。
本発明の半導体装置は、第一の固定部と第二の固定部に異なる樹脂材料を用いているために、各接合部分に応じた材料を用いることが可能となり、より樹脂選択の自由度が増す。これにより、より信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
本発明において、前記半導体チップと前記回路基板との間隙が、前記第一の樹脂材料と前記第二の樹脂材料によって１０％以上９０％以下充填された構造とすることができる。
このような構成とした場合、半導体チップと回路基板との間隙を完全に充填しないことにより、比較的高信頼性を確保しつつ、かつ、半導体装置の周辺に樹脂組成物がはみ出ることを抑制することができる。樹脂組成物のはみ出しが抑制されれば、半導体装置を近接して設計でき、半導体装置の高密度設計が可能となる利点がある。
本発明によれば、
前述の半導体装置の製造方法であって、
片側の表面に半田電極が設けられたウエハーを準備する工程と、
ウエハーの前記半田電極が設けられている側の表面に、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部の領域を形成する工程と、
前記ウエハーをダイシングにより個片化して半導体チップを作製する工程と、
回路基板のパッド部周辺に樹脂組成物を付着させる工程と、
前記半導体チップに設けられている前記半田電極を前記回路基板の前記樹脂組成物を付着させた箇所に接触させ、次に前記樹脂組成物を硬化させて第二の樹脂材料よりなる第二の固定部を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。
この製法によれば、接合部分の信頼性に優れた半導体装置を安定的に製造することができる。
また、本発明によれば、
半導体装置の製造方法であって、
片側の表面に半田電極が設けられたウエハーを準備する工程と、
ウエハーの前記半田電極が設けられている側の表面に、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部の領域を形成する工程と、
前記ウエハーをダイシングにより個片化して半導体チップを作成する工程と、
前記半導体チップの片側の表面に設けられた前記第一の固定部から突出している前記半田電極の先端周辺に樹脂組成物を付着させる工程と、
前記樹脂組成物が付着された前記半田電極を前記回路基板のパッド部に接触させ、次に前記樹脂組成物を硬化させて第二の樹脂材料よりなる第二の固定部を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。
この製法によれば、接合部分の信頼性に優れた半導体装置を安定的に製造することができる。
以上より本発明にかかる半導体装置によれば、各接合部分に異なる樹脂材料を用いているために、各接合部分に応じた材料を用いることが可能となり、半導体装置の接合部分のクラック・剥離等が比較的少なく、信頼性のより高い半導体装置が提供される。
[実施形態]
本実施形態に係る発明を図１、２を参照して説明する。
本実施形態によれば、
半導体チップと、
回路基板と、
前記半導体チップと前記回路基板とを電気的に接続する半田電極と、
前記半導体チップと前記半田電極との接合部分の周囲において、前記半導体チップと前記半田電極の両方に接する第一の樹脂材料よりなる第一の固定部と、
前記半田電極と前記回路基板との接合部分の周囲において、前記半田電極と前記回路基板の両方に接する、前記第一の樹脂材料とは異なる第二の樹脂材料よりなる第二の固定部と、
を備える半導体装置が提供される。
図１、２は本発明の半導体装置の構成の一つを示す断面図であり、半導体チップを回路基板にフリップチップ実装して作製される半導体装置の要部断面図を表している。
図１において、半導体チップ１は半田電極３を介して回路基板６上のパッド部５に電気的に接続されている。半導体チップ１と半田電極３の接合部分は第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２によって固定されている。第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２は、半導体チップ１の半田電極３側の表面に層状に設けられている。また、半田電極３と回路基板６上のパッド部５との接合部分は第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４によって固定されている。第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４は、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２とは異なる樹脂材料により作製されている。
第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２は、図１、２のように層状に設けられていてもよいし、半導体チップ１と半田電極３の接合部分の周囲に局所的に設けられていてもよい。
第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４は、図１のように半田電極３と回路基板６上のパッド部５との接合部分の周囲に局所的に設けられてもよいし、図２のように回路基板６の半田電極３側に層状に設けられてもよい。
第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２、及び第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４の作製方法を適宜選択することによってその形態を最適なものに設計することが可能である。
また図１、２においては、半導体チップ１と回路基板６との間隙が、第一の樹脂材料と第二の樹脂材料によって完全に充填されておらず、空隙がある状態であるが、完全に充填することも可能である。
本発明において、第一の樹脂材料と第二の樹脂材料とは異なっている樹脂材料である。ここで、「異なっている」とは、樹脂材料を構成する各成分の種類が異なっていることを意味する。樹脂材料を構成する成分としては、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、充填材、カップリング剤などが挙げられ、樹脂材料を構成するこれらの成分が一致しない場合には、「異なる」樹脂材料であるものとする。例えば、樹脂材料を構成する成分が同一で、添加量のみが異なる場合は、「同じ」樹脂材料である。
上記のように、第一の樹脂材料と第二の樹脂材料とが「異なって」いるということは、樹脂材料を構成する各成分の種類が異なっていることなので、樹脂材料としての物性を自由に選択することが可能である。従って、各接合部分に応じた材料を用いることが可能となり、半導体装置の接合部分のクラック・剥離等が比較的少なく、信頼性のより高い半導体装置が提供される。
また本実施形態によれば、図１のように、
前記半導体チップと前記回路基板との間隙が、前記第一の樹脂材料と前記第二の樹脂材料によって１０％以上９０％以下充填されている半導体装置が提供される。
半導体チップと回路基板との間隙の充填は、第一の樹脂材料と第二の樹脂材料の量を増減することによって１０％以上９０％以下に調節することができる。例えば、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２の層の厚みを変えたり、第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４の量を増減することによって調整できる。ただし、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２、または、第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４のどちらか一方の量を極端に少なくした場合には、接合部の固定という機能を充分に発揮することができなくなるので、最低限の量は確保しておく必要がある。
半導体チップと回路基板との間隙の充填が、１０％以上の場合には接合部分の固定が充分に図られ、また、９０％以下の場合には樹脂材料が間隙の外にはみ出していく現象を程度に抑制することが可能となる。半導体チップと回路基板との間隙の充填は好ましくは２０％以上８０％以下であり、更に好ましくは３０％以上７０％以下である。
また本実施形態によれば、図１のように、
前記第一の固定部が、前記半導体チップの前記半田電極側に層状に設けられており、前記層の厚みが前記半導体チップと前記回路基板との隙間幅の５％以上５０％以下である半導体装置が提供される。
第一の樹脂材料よりなる第一の固定部２は、図１、２のように層状に設けられていることが好ましい。後述のように、半導体ウエハーにスピンコートする工程などの簡便な方法で比較的簡易に第一の固定部２を作製することができるからである。
またその層の厚みが、半導体チップ１と回路基板６との隙間幅の５％以上であると、半導体チップ１と半田電極３の接合部分を適切に固定することができ、隙間幅の５０％以下であると樹脂材料が半導体チップ１と回路基板６との隙間からはみ出していく現象がなく、半導体装置の高密度設計が可能となる。層の厚みは、半導体チップ１と回路基板６との隙間幅の１０％以上３０％以下であることが好ましい。
また本発明によれば、
半導体チップと、
回路基板と、
前記半導体チップと前記回路基板とを電気的に接続する半田電極と、
前記半導体チップと前記半田電極との接合部分の周囲において、前記半導体チップと前記半田電極の両方に接する第一の樹脂材料よりなる第一の固定部と、
前記半田電極と前記回路基板との接合部分の周囲において、前記半田電極と前記回路基板の両方に接する、前記第一の樹脂材料とは異なる第二の樹脂材料よりなる第二の固定部と、
を備える半導体装置であって、
前記第二の固定部が、前記半田電極の周囲に局所的に設けられている半導体装置が提供される。
第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４は、図１のように半田電極３と回路基板６上のパッド部５との接合部分の周囲に局所的に設けられていることが好ましい。局所的に設けられているということは第二の固定部４の中の応力がより緩和されやすく、クラックなどを生じにくいからである。また、回路基板は半導体ウエハーと異なってスピンコートで樹脂材料を形成するという手法が取りにくく、後述のようにスクリーニング印刷、マスク印刷等の方が製造に適しているためである。
この第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４は、半田電極３と回路基板６の両方に接するように設けられており、半田電極３が接続されることのない回路基板６上には第二の固定部４は設けられていない。第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４は、半田電極３と回路基板６の接合部分を部分的に補強する作用を有する。
本発明において用いられる基板は、電気信号伝達のための回路が具備されているもので、フリップチップやその他電子部品において、半田電極により垂直接続されるものを指し、FR4、FR5などの有機基板や、セラミック基板、チップ基板などの無機基板が挙げられる。
本発明において用いられる半田電極の半田組成としては、錫、及び錫、鉛、銀、銅、アンチモン、ビスマス、インジウム、アルミニウムの中から少なくとも二つ以上の組み合わせからなる公知の金属混合物を用いることができる。また、金や銅で構成された電極を半田で覆うように接続させた構造の電極もあるが、本発明の半田電極として、このようなタイプの電極を用いてもよい。
半田電極は直径３０μｍ〜６００μｍの球状であり、その組成に応じて最適の温度範囲にて回路基板と溶融接合される。
本発明において用いられる半導体チップは、電気信号を制御したり情報を記憶したりする電子部品であり、本発明では半導体チップのみならず微小パッケージも適用可能である。搭載される時のサイズも様々で、０．１ｍｍ〜２０ｍｍ程度が主流であり、近年ではよりサイズの大きいものも検討されている。半田電極がつけられる場合、その半田と半導体チップとの線膨張差のミスマッチによる応力を緩和するための緩衝膜が付けられ、ポリイミドなどの有機膜、窒化ケイ素などの無機膜がある。
本発明で用いられる（Ａ１）エポキシ樹脂は、１分子中にエポキシ基が２個以上であるものを使用することができる。常温で固形であるエポキシ樹脂の他、常温で液状のエポキシ樹脂も用いることが可能である。
これらのエポキシ樹脂の具体例としては、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールナフトール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、ナフタレン骨格型エポキシ樹脂、アントラセン骨格型エポキシ樹脂等の常温で固形のエポキシ樹脂、ビスフェノールＡジグリシジルエーテル型エポキシ、ビスフェノールＦジグリシジルエーテル型エポキシ、ビスフェノールＳジグリシジルエーテル型エポキシ、ｏ−アリルビスフェノールＡ型ジグリシジルエーテル、３，３’，５，５’−テトラメチル４，４’−ジヒドロキシビフェニルジグリシジルエーテル型エポキシ、４，４’−ジヒドロキシビフェニルジグリシジルエーテル型エポキシ、１，６−ジヒドロキシビフェニルジグリシジルエーテル型エポキシ、フェノールノボラック型エポキシ、臭素型クレゾールノボラック型エポキシ、ビスフェノールＤジグリシジルエーテル型エポキシ，１，６ナフタレンジオールのグリシジルエーテル、アミノフェノール類のトリグリシジルエーテルなどの常温で液状のエポキシ樹脂が挙げられる。これらは単独で用いても複数組み合わせて用いても良い。また、信頼性の優れた液状封止樹脂組成物を得るために、エポキシ樹脂のＮａ+、Ｃｌ-等のイオン性不純物はできるだけ少ないものが好ましい。
本発明で用いられる（Ｂ１）硬化剤は、ポットライフや液状樹脂材料の粘度に極端に影響しなければ特に限定されないが、活性水素を分子内に有するものが望ましい。また、液状樹脂材料の粘度特性を損なわせないようにするため、液状であることが望ましいが、硬化収縮を低減させるようなものであれば固形であっても差し支えない。その例としてはフェノール類（ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＡＰ、ビスフェノールＳ、ビスフェノールＺ、ジメチルビスフェノールＡ、ジメチルビスフェノールＦ、テトラメチルビスフェノールＡ、テトラメチルビスフェノーＦ、ビフェノール、テトラメチルビフェノール、ジヒドロキシフェニルエーテル、ジヒドロキシベンゾフェノン、o-ヒドロキシフェノール、m-ヒドロキシフェノール、p-ヒドロキシフェノール、フェノールノボラック樹脂やオルソクレゾールノボラック樹脂のポリフェノール類、トリヒドロキシフェニルメタンなどのとリスフェノール類、ナフタレン骨格を有するフェノール類）、１級アミン、芳香族アミン類、イミダゾールなどが挙げられ、単一で用いても２種類以上混合したものを用いても差し支えない。しかし、これら硬化剤も硬化収縮の小さなものが望ましい。その添加量は全エポキシ樹脂当量に対し等価であることが望ましいが、樹脂降下物特性を損なわない範囲で当量を合わせなくても差し支えない。しかし当量をずらしすぎると硬化不足を促したり、製品としての可使時間（ポットライフ）や保管可使時間（シェルフライフ）が損なわれるため望ましくない。
また、混練時の作業性の向上により、予め希釈剤に溶解させても液状エポキシ樹脂に溶解させてもよい。更に使用に耐えるエポキシ樹脂硬化剤はナトリウムイオンや塩化物イオンの含有量ができるだけ少ないものが望ましい。
本発明の第一の樹脂材料の原料である樹脂組成物に、上記（Ａ１）、（Ｂ１）以外にも、粘度調整剤としての溶剤添加、フィラー、密着助剤、低応力材、触媒などを適宜添加してもよい。
本発明で用いられる（Ａ２）エポキシ樹脂についても、前述の（Ａ１）エポキシ樹脂の説明で列挙したエポキシ樹脂から選択することができる。（Ａ２）エポキシ樹脂は常温で液状のエポキシ樹脂であることが好ましい。
本発明で用いられる（Ｂ２）フラックス活性を有する硬化剤とは、半導体チップに設けられたはんだ電極表面の酸化膜を、基板と電気的に接合できる程度に還元する作用を示し、かつ、エポキシ樹脂と反応する官能基を有する化合物である。一般的には、カルボン酸類、ジカルボン酸類、酸無水物が挙げられるが、好ましくは、１分子中に少なくとも２個のフェノール性水酸基と、芳香族に直接結合したカルボキシル基を１分子中に少なくとも１個含む化合物である。
具体例としては、２，３−ジヒドロキシ安息香酸、２，４−ジヒドロキシ安息香酸、２，５−ジヒドロキシ安息香酸、２，６−ジヒドロキシ安息香酸、３，４−ジヒドロキシ安息香酸、没食子酸、１，４−ジヒドロキシ−２−ナフトエ酸、３，５−ジヒドロキシ−２−ナフトエ酸、３，７−ジヒドロキシ−２−ナフトエ酸、フェノールフタリン、ジフェノール酸等が挙げられる。
またここでの（Ｂ）エポキシ樹脂とは、第一の樹脂材料と同様なエポキシ樹脂が同様の使用法で用いることができる。
本発明の第二の樹脂材料の原料である樹脂組成物に、上記（Ａ２）、（Ｂ２）以外にも、粘度調整剤としての溶剤添加、フィラー、密着助剤、低応力材、触媒などを適宜添加してもよい。
次に、本実施形態に係る製造方法の発明を図３を参照して説明する。上記の半導体装置は、次の第一、第二の製造方法によって作製される。
第一の製造方法として、
(i)片側の表面に半田電極が設けられたウエハーを準備する工程と、
(ii)ウエハーの前記半田電極が設けられている側の表面に、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部の領域を形成する工程と、
(iii)前記ウエハーをダイシングにより個片化して半導体チップを作製する工程と、
(iv)回路基板のパッド部周辺に樹脂組成物を付着させる工程と、
(v)前記半導体チップに設けられている前記半田電極を前記回路基板の前記樹脂組成物を付着させた箇所に接触させ、次に前記樹脂組成物を硬化させて第二の樹脂材料よりなる第二の固定部を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。
(i)片側の表面に半田電極が設けられたウエハーを準備する工程
図３（ａ）のように、まず半田電極３が設けられたウエハー８を準備する。
(ii)ウエハーの前記半田電極が設けられている側の表面に、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部の領域を形成する工程
(i)で準備されたウエハー８の半田電極３が設けられてある側の面に、第一の樹脂材料を、スピンコート法、スクリーン印刷法、または、マスク印刷法にて供給させる。
印刷法の場合、その性質上、半田電極３の高さより厚めに第一の樹脂材料を供給する必要がある。従って、第一の樹脂材料として溶剤を含むワニスを用い、加熱途中に溶剤を除去して厚みを目減りさせる方法が用いられる。別の方法としては、第一の樹脂材料を溶剤を含まない状態でウエハー８上に形成し、この第一の樹脂材料を半田電極３ごと切削し第一の樹脂材料の厚みを薄くした後に半田電極３面に再度半田電極を具備させるような方法が用いられる。
第一の樹脂材料の供給後、加熱によりＢステージ状態(タックフリー状態)または硬化状態にする（図３(ｂ)）。
(iii)前記ウエハーをダイシングにより個片化して半導体チップを作製する工程
(ii)で準備されたウエハー８を、湿式もしくはレーザー法によるダイシングブレード７を行って個片化し、半導体チップ１を作成する（図３(ｃ)）。この際、第一の樹脂材料が柔らかすぎても堅すぎても適切にダイシングができないため、第一の樹脂材料の硬化具合を適度に調整する必要がある。
(iv)回路基板のパッド部周辺に樹脂組成物を付着させる工程
続いて、回路基板６のパッド部５周辺に樹脂組成物を付着させる（図３(ｄ)）。回路基板６のパッド部５周辺に樹脂組成物の供給する方法としては、エアー式、機械式、ジェット式などのディスペンス法や、スクリーン印刷、マスク印刷などの印刷法、ピン転写法などの転写法などが挙げられる。半導体チップ１搭載時に供給しても、あらかじめ供給してＢステージ化させておいてもよい。
(v)前記半導体チップに設けられている前記半田電極を前記回路基板の前記樹脂組成物を付着させた箇所に接触させ、次に前記樹脂組成物を硬化させて第二の樹脂材料よりなる第二の固定部を形成する工程
(iii)で準備された半導体チップ１を、(iv)で準備された回路基板６のパッド部５に搭載して加熱接続し、電気的接続を行う（図３(ｅ)）。この時、半導体チップやＣＳＰなどを回路基板６に接触させるためには、フリップチップボンダーやダイボンダーが用いられる。
次に、樹脂組成物を硬化させて接続部分の固定を行う（図３(ｆ)）。これにより第二の樹脂材料よりなる第二の固定部が形成される。
本実施形態に係る別の製造方法の発明を図４を参照して説明する。
第二の製造方法として、
(i)片側の表面に半田電極が設けられたウエハーを準備する工程と、
(ii)ウエハーの前記半田電極が設けられている側の表面に、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部の領域を形成する工程と、
(iii)前記ウエハーをダイシングにより個片化して半導体チップを作成する工程と、
(vi)前記半導体チップの片側の表面に設けられた前記第一の固定部から突出している前記半田電極の先端周辺に樹脂組成物を付着させる工程と、
(vii)前記樹脂組成物が付着された前記半田電極を前記回路基板のパッド部に接触させ、次に前記樹脂組成物を硬化させて第二の樹脂材料よりなる第二の固定部を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法が提供される。
工程の(i)〜(iii)は、図３の製造方法で説明した内容と同様である。
(vi)前記半導体チップの片側の表面に設けられた前記第一の固定部から突出している前記半田電極の先端周辺に樹脂組成物を付着させる工程
(iii)で準備した個片化された半導体チップ１の半田電極３が設けられている面を下向きにして、半田電極３の先端がちょうど樹脂組成物の表面に接触する様に、半導体チップ１を樹脂組成物が満たされた容器に漬ける。このようにすることで半田電極３の先端周辺にのみ樹脂組成物を付着させることができる（図４(ｄ)）。この樹脂組成物は必要に応じて適度に硬化させ、取扱い性を向上させてもよい。
(vii)前記樹脂組成物が付着された前記半田電極を前記回路基板のパッド部に接触させ、次に前記樹脂組成物を硬化させて第二の樹脂材料よりなる第二の固定部を形成する工程
(vi)で準備された半導体チップ１を、回路基板６のパッド部５に搭載して加熱接続し、電気的接続を行う（図４(ｅ)）。この時、半導体チップ１やＣＳＰなどを回路基板６に接触させるためには、フリップチップボンダーやダイボンダーが用いられる。
次に、樹脂組成物を硬化させて接続部分の固定を行う（図４(ｆ)）。これにより第二の樹脂材料よりなる第二の固定部４が形成される。
フリップチップ実装の従来技術と本発明の実施形態との対比を以下に行う。
（１）アンダーフィル方式の従来技術では、チップ実装の際に、フラックス塗布、洗浄工程、基板乾燥工程、キャピラリー型アンダーフィル材料を注入させやすくするプラズマ工程など多数の工程が必要となり、工程が長いという課題があった。
この点、本発明の実施形態は、第二の樹脂材料にフラックス特性が付与されているので、フラックス塗布工程や洗浄工程が不要である。また、半導体装置が中空状態であるため、ボイドなどの懸念が少なく、基板乾燥やプラズマ工程などを省くことが出来る。
（１）アンダーフィル方式、（２）ノンフローアンダーフィル方式の従来技術では、比較的サイズの大きいチップや、半導体チップと回路基板の間隙が狭い場合などに封止樹脂を注入させると重点不良によるボイド発生、クラック、剥離などの不良が生じやすいという課題があった。
この点、本発明の実施形態は、接合部分ごとに樹脂材料で固定してから半導体装置を組み立てるので、チップのサイズ、間隙や電極間のピッチ等に依存せず比較的高い信頼性で実装することが出来る。また、半導体チップと半田電極の接合部分と、回路基板と半田電極の接合部分とを別々の樹脂材料で固定している為、それぞれの接合部分に最適な樹脂材料を選択することができ、よりクラック・剥離などが生じにくい半導体装置が得られる。
（１）アンダーフィル方式、（２）ノンフローアンダーフィル方式、（３）プリアプライド型ノンフローアンダーフィル方式のいずれの従来技術においても、フィレットと呼ばれるアンダーフィル樹脂材料のチップ周辺へのはみ出しがあった。アンダーフィル樹脂材料は主にディスペンス法で供給されているが、供給時に樹脂材料が充填されたシリンジをチップ近くへ移動させ、シリンジの先につけたニードルを降ろすスペースが必要なため、高密度実装にも限界があるという課題があった。
この点、本発明の実施形態は、チップ周辺に樹脂材料がフィレットを形成せず、樹脂材料がはみ出すことが無いので、チップ周辺部の部品搭載への自由度が増し、加えて、チップ同士を極端に近づけることが可能なため、高密度実装も可能となる。
（１）アンダーフィル方式の従来技術では、アンダーフィル樹脂材料の間隙への注入性を維持させるために、アンダーフィル樹脂材料が低粘度であることが必要とされる。従って低線膨張性を発現させるための無機フィラーの添加量にも限界があった。このような事情から半導体チップや回路基板、半田電極間との線膨張のミスマッチからパッケージの反りが発生しやすいという課題があった。
この点、本発明の実施形態は、半導体チップと半田電極の接合部分と、回路基板と半田電極の接合部分とは半導体装置を組み立てる前に樹脂材料によって固定されるため、無機フィラーを高充填しても注入性に問題が生じることが少ない。
（１）アンダーフィル方式、（２）ノンフローアンダーフィル方式、（３）プリアプライド型ノンフローアンダーフィル方式のいずれの従来技術でも、半導体チップと回路基板は一つの樹脂組成物でほぼ完全に充填されているために、各接合部分にかかる応力を適切に緩和できず、パッケージ反りが生ずるといった課題があった。
この点、本発明の実施形態は、接合部分が独立して固定されているため、、接合部分にかかる応力が他の部分に影響を及ぼすことがなく、パッケージ反りが緩和され、低ストレス化ができるというメリットがある。
＜実施例１〜７、比較例１〜７＞
表１、２のように各成分を配合し、３本ロールにて分散混練し、真空下脱泡処理をして封止樹脂組成物を得た。この封止樹脂組成物を用いて樹脂組成物の評価実験を行った。その結果を表１、２に示した。
Figure 2007214346
Figure 2007214346
表１、２で用いられている成分の詳細は以下の通りである。
ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂：大日本インキ化学工業（株）製、ＥＸＡ−８３０ＬＶＰ（エポキシ当量１６１）
ビフェニル型エポキシ樹脂：日本化薬社（株）製、ＮＣ３０００（エポキシ当量２７２）
クレゾールナフトール型エポキシ樹脂：日本化薬社製（株）、ＮＣ７３００Ｌ（エポキシ当量２１２）
ゲンチジン酸：みどり化学（株）製、２，５−ジヒドロキシ安息香酸
フェノールノボラック：住友デュレズ社（株）製、ＰＲ−５１４７０
２Ｐ４ＭＺ：四国化成（株）製、２−フェニル−４−メチルイミダゾール
また、下記のように本発明の半導体装置を製造した。
スピンコーターを用い、およそ２０ｇの第一の樹脂材料を６インチウエハーに供給し、薄膜を形成した。この２０μｍ厚前後に第一の樹脂材料が塗布されたものをあらかじめ平行をとっておいた乾燥オーブン内で９０℃９０分にて乾燥させた。
Ｄｉｓｃｏ社製ダイシング装置を使用し、湿式ダイシングを行い、Ａモードにて１０ｍｍ角チップに個片化した。この際、平坦化した樹脂組成物の再溶融と、ダイシング面の形状変化を阻止するため、通常行われるウエハー乾燥は行わなかった。
澁谷工業社製フリップチップボンダーを用い、第二の樹脂材料の原料である樹脂組成物を供給しながらフリップチップ接合を行った。接続後のフリップチップは１５０℃９０分にて後硬化させた。得られた半導体装置は第一実施形態で説明した図１のような半導体装置になっていた。この半導体装置について表３に示すような評価を行った。
本発明において使用したチップの詳細は以下の通りである。なお、基板としてはＢＴ基板（接続パッド：金メッキ表面）を使用した。
はんだ：錫−銀（融点：２２１℃）、バンプ数：４８４バンプ、バンプ高さ：８０μｍ、チップサイズ：１０ｍｍ角、パッシベーション：ポリイミド、チップ厚み：５２５μｍ。
Figure 2007214346
実施例で行った評価実験の詳細を下記に示す。
（１）ガラス転移温度、線膨張係数
１５０℃３時間にて硬化させた液状樹脂組成物の硬化物を４ｍｍＸ４ｍｍＸ１０ｍｍに切り出し、ＳＩＩ社製ＴＭＡ装置を用いて測定した。昇温時間は１０℃／分とし、−１００℃から３００℃までスキャンし、得られた曲線の変曲点をガラス転移温度とし、曲線の傾きから平均線膨張係数(ガラス転移温度以下)を求めた。結果を表１、２にまとめた。
（２）半田バンプ接続性試験
半田溶融、接続を行った半導体装置において、接続率をデイジーチェーンでつながった回路にて確認した。すなわちある半田電極においては一つでも接続不良が出た場合は導通しないため、接続率は導通不良半導体装置数／総半導体装置数でカウントした。結果を表３にまとめた。
（３）耐リフロー試験
接続率１００％のパッケージを選び、３０℃、６０％、７２時間吸湿させたあと最大温度２６０℃の温度プロファイルのリフローに３回通過させ、接続導通を調べた（各水準ｎ＝２０）。接続不良が生じた半導体装置数をカウントした。結果を表３にまとめた。
（４）温度サイクル（Ｔ／Ｃ）試験
耐リフロー試験を行ったパッケージを引き続き−５５℃、３０分／−１２５℃、３０分の条件でＴ／Ｃ試験を行った（各水準ｎ＝２０）。クラック、接続導通を１５０サイクル、２５０サイクル、５００サイクル後に観察した。接続不良が生じた半導体装置数をカウントした。結果を表３にまとめた。
実施例１〜７は、半導体チップと半田電極との接合部分、及び半田電極と回路基板との接合部分が適切に固定され、クラックや剥離が少なく、高信頼性を示した。
比較例１は、半導体チップと半田電極との接合部分、及び半田電極と回路基板との接合部分のどちらの接合部分も樹脂材料で固定されておらず、耐リフロー試験、耐Ｔ／Ｃ試験のいずれにおいても信頼性が悪いという結果であった。
比較例２〜３は、半導体チップと半田電極との接合部分のみを樹脂材料で固定するものであるが、樹脂材料で固定されていない半田電極と回路基板との接合部分で接続不良が生じ、信頼性が悪かった。
比較例４は、半導体チップと半田電極との接合部分、及び半田電極と回路基板との接合部分を同じ樹脂材料で固定したものであるが、半田電極と回路基板との接合部分を固定する第二の樹脂材料のフラックス活性が低く、接続性が充分ではないために信頼性が悪かった。
比較例５は、半導体チップと半田電極との接合部分、及び半田電極と回路基板との接合部分を同じ樹脂材料で固定したものである。半導体チップと半田電極との接合部分を固定する樹脂材料のガラス転移温度が若干低く、半田電極の保護性が劣るためか、耐Ｔ／Ｃ試験にて高信頼性を示せなかった。
比較例６〜７は、半導体チップと半田電極との接合部分が樹脂材料で固定されていないものであるが、耐Ｔ／Ｃ試験の早期において半導体チップと半田電極の接合部分が接続不良を生じ、高信頼性を示せなかった。
本発明の半導体装置の第一の実施形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第二の実施形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造工程を示す図面である。 本発明の半導体装置の製造工程を示す図面である。
符号の説明
１ 半導体チップ
２ 第一の固定部
３ 半田電極
４ 第二の固定部
５ パッド部
６ 回路基板
７ ダイシングブレード
８ ウエハー

Claims (10)

  1. 半導体チップと、
    回路基板と、
    前記半導体チップと前記回路基板とを電気的に接続する半田電極と、
    前記半導体チップと前記半田電極との接合部分の周囲において、前記半導体チップと前記半田電極の両方に接する第一の樹脂材料よりなる第一の固定部と、
    前記半田電極と前記回路基板との接合部分の周囲において、前記半田電極と前記回路基板の両方に接する、前記第一の樹脂材料とは異なる第二の樹脂材料よりなる第二の固定部と、
    を備える半導体装置。
  2. 前記半導体チップと前記回路基板との間隙が、前記第一の樹脂材料と前記第二の樹脂材料によって１０％以上９０％以下充填されている請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記第一の固定部が、前記半導体チップの前記半田電極側に層状に設けられており、前記層の厚みが前記半導体チップと前記回路基板との隙間幅の５％以上５０％以下である請求項１または２記載の半導体装置。
  4. 前記第二の固定部が、前記半田電極の周囲に局所的に設けられている請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第一の樹脂材料が、（Ａ１）エポキシ樹脂、（Ｂ１）硬化剤を含む樹脂組成物を硬化させたものである請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
  6. 前記第二の樹脂材料が、（Ａ２）エポキシ樹脂、（Ｂ２）フラックス活性を有する硬化剤を含む樹脂組成物を硬化させたものである請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、
    片側の表面に半田電極が設けられたウエハーを準備する工程と、
    前記ウエハーの前記半田電極が設けられている側の表面に、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部の領域を形成する工程と、
    前記ウエハーをダイシングにより個片化して半導体チップを作製する工程と、
    回路基板のパッド部周辺に樹脂組成物を付着させる工程と、
    前記半導体チップに設けられている前記半田電極を前記回路基板の前記樹脂組成物を付着させた箇所に接触させ、次に前記樹脂組成物を硬化させて第二の樹脂材料よりなる第二の固定部を形成する工程と、
    を含む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であって、
    片側の表面に半田電極が設けられたウエハーを準備する工程と、
    前記ウエハーの前記半田電極が設けられている側の表面に、第一の樹脂材料よりなる第一の固定部の領域を形成する工程と、
    前記ウエハーをダイシングにより個片化して半導体チップを作成する工程と、
    前記半導体チップの片側の表面に設けられた前記第一の固定部から突出している前記半田電極の先端周辺に樹脂組成物を付着させる工程と、
    前記樹脂組成物が付着された前記半田電極を回路基板のパッド部に接触させ、次に前記樹脂組成物を硬化させて第二の樹脂材料よりなる第二の固定部を形成する工程と、
    を含む半導体装置の製造方法。
  9. 前記第一の樹脂材料が、（Ａ１）エポキシ樹脂、（Ｂ１）硬化剤を含む樹脂組成物を硬化させたものである請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記樹脂組成物が、（Ａ２）エポキシ樹脂、（Ｂ２）フラックス活性を有する硬化剤を含む請求項７乃至９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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