JP2007335741A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。より具体的には、本発明は、半導体チップが配線基板にフリップチップ実装された構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device having a structure in which a semiconductor chip is flip-chip mounted on a wiring board, and a manufacturing method thereof.
近年、コンピュータ、携帯電話、PDA(Personal Digital Assistance)などの電子機器の小型化、高機能化・高速化に伴い、こうした電子機器向けのIC(集積回路)、LSI(大規模集積回路)などの半導体チップを搭載した半導体装置のさらなる小型化、高速化および高密度が要求されている。 In recent years, as electronic devices such as computers, mobile phones, and PDAs (Personal Digital Assistance) have become smaller, more advanced, and faster, such ICs (integrated circuits) and LSIs (Large Scale Integrated Circuits) for such electronic devices have been developed. There is a demand for further miniaturization, higher speed and higher density of a semiconductor device on which a semiconductor chip is mounted.
半導体装置を小型化するための半導体チップの実装手段として、突起電極が形成された電極表面をフェイスダウンした状態で半導体チップを配線基板にフリップチップ実装する技術が知られている。フリップチップ実装構造において、半導体チップと配線基板との隙間にアンダーフィルを充填することにより、半導体チップに設けられた突起電極と配線基板に設けられた電極パッドとの接続信頼性の向上を図る技術が知られている(たとえば、特許文献1参照)。 As a semiconductor chip mounting means for reducing the size of a semiconductor device, a technique is known in which a semiconductor chip is flip-chip mounted on a wiring board in a state where the electrode surface on which the protruding electrode is formed is face-down. Technology for improving the connection reliability between the protruding electrodes provided on the semiconductor chip and the electrode pads provided on the wiring board by filling the gap between the semiconductor chip and the wiring board with an underfill in the flip chip mounting structure Is known (see, for example, Patent Document 1).
また、半導体チップの微細化にともない、配線間隔が減少することにより配線間の容量が増大し、信号の伝播速度が低下する問題が生じる。この問題を解決するために、半導体チップの層間膜に比誘電率が低い(Low-k)絶縁材が用いられている。
従来のアンダーフィルは、半導体チップに設けられた突起電極と配線基板に設けられた電極パッドとの接続信頼性の向上を主な目的としていたため、弾性率が半導体チップに使用されているLow-k膜などの部材の保護には適していなかった。このため、半導体チップに設けられた突起電極と配線基板に設けられた電極パッドとの間の接合部の保護と半導体チップのLow-k膜などの部材の保護とを同時に達成することが困難であった。 The conventional underfill has mainly been aimed at improving the connection reliability between the protruding electrode provided on the semiconductor chip and the electrode pad provided on the wiring board. It was not suitable for protecting members such as k-films. For this reason, it is difficult to simultaneously achieve the protection of the joint between the protruding electrode provided on the semiconductor chip and the electrode pad provided on the wiring board and the protection of the member such as the low-k film of the semiconductor chip. there were.
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フリップチップ実装構造を有する半導体装置において、半導体チップに設けられた突起電極と配線基板に設けられた電極パッドとの間の接合部の保護と半導体チップを構成するLow-k膜などの部材の保護を両立することができる技術の提供にある。 The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to join a protruding electrode provided on a semiconductor chip and an electrode pad provided on a wiring board in a semiconductor device having a flip chip mounting structure. The present invention provides a technique capable of achieving both protection of a portion and protection of a member such as a low-k film constituting a semiconductor chip.
本発明のある態様は半導体装置である。当該半導体装置は、基板電極が形成された配線基板と、配線基板に上に電極表面をフェイスダウンした状態で搭載され、はんだを介して基板電極と電気的に接続される突起電極を電極表面上に有する半導体チップと、半導体チップと配線基板との間に充填され、絶縁樹脂および無機フィラーを含むアンダーフィルと、を備え、突起電極の底部に対して上方に位置する領域のアンダーフィルの弾性率が、突起電極の底部に対して下方に位置する領域のアンダーフィルの弾性率より低いことを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a semiconductor device. The semiconductor device includes a wiring board on which a substrate electrode is formed, and a protruding electrode that is mounted on the wiring board with the electrode surface facing down and electrically connected to the substrate electrode via solder. And an underfill containing an insulating resin and an inorganic filler, which is filled between the semiconductor chip and the wiring substrate, and has an elastic modulus of the underfill in the region located above the bottom of the protruding electrode Is lower than the elastic modulus of the underfill in the region located below the bottom of the protruding electrode.
この態様によれば、半導体チップを相対的に弾性率が小さい、すなわち剛性がより高いアンダーフィルの部分で保護するとともに、配線基板および配線基板と半導体チップとの接合部分を相対的に弾性率が大きい、すなわち柔軟性がより高いアンダーフィルの部分で保護することができる。この結果、半導体チップに設けられた突起電極と配線基板に設けられた電極との間の接合部の保護と半導体チップを構成するLow-k膜などの部材の保護を両立させることができる。 According to this aspect, the semiconductor chip is protected by the underfill portion having a relatively low elastic modulus, i.e., the rigidity is higher, and the elastic modulus is relatively higher at the wiring substrate and the joint portion between the wiring substrate and the semiconductor chip. It can be protected with a portion of the underfill that is larger, ie, more flexible. As a result, it is possible to achieve both the protection of the junction between the protruding electrode provided on the semiconductor chip and the electrode provided on the wiring board and the protection of the member such as the low-k film constituting the semiconductor chip.
上記態様において、突起電極の底部に対して下方に位置する領域におけるアンダーフィルの無機フィラー含有率が、突起電極の底部に対して上方に位置する領域におけるアンダーフィルの無機フィラー含有率よりも大きくてもよい。 In the above aspect, the inorganic filler content of the underfill in the region positioned below the bottom of the protruding electrode is greater than the inorganic filler content of the underfill in the region positioned above the bottom of the protruding electrode. Also good.
本発明の他の態様は半導体装置の製造方法である。当該半導体装置の製造方法は、配線基板に半導体チップをフリップチップ実装された半導体装置の製造方法であって、配線基板上に電極表面をフェイスダウンした状態で半導体チップを搭載し、配線基板に設けられた配線電極と半導体チップに設けられた突起電極とをはんだにより接合する接合工程と、半導体チップと配線基板との間に、絶縁樹脂および無機フィラーを含むアンダーフィルを充填するアンダーフィル充填工程と、アンダーフィル中の無機フィラーを沈降させるフィラー沈降工程と、アンダーフィルを硬化させるアンダーフィル硬化工程と、を備えることを特徴とする。 Another embodiment of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device. The manufacturing method of the semiconductor device is a manufacturing method of a semiconductor device in which a semiconductor chip is flip-chip mounted on a wiring board, and the semiconductor chip is mounted on the wiring board in a state where the electrode surface is face down. A joining step of joining the formed wiring electrode and the protruding electrode provided on the semiconductor chip by solder, and an underfill filling step of filling an underfill containing an insulating resin and an inorganic filler between the semiconductor chip and the wiring substrate, And a filler sedimentation step for sedimenting the inorganic filler in the underfill, and an underfill curing step for curing the underfill.
この態様によれば、半導体チップが相対的に弾性率が小さい、すなわち剛性がより高いアンダーフィルの部分で保護されているとともに、配線基板および配線基板と半導体チップとの接合部分が相対的に弾性率が大きい、すなわち柔軟性がより高いアンダーフィルの部分で保護されている半導体装置を製造することができる。 According to this aspect, the semiconductor chip is protected by the underfill portion having a relatively low elastic modulus, that is, higher rigidity, and the wiring substrate and the joint portion between the wiring substrate and the semiconductor chip are relatively elastic. A semiconductor device protected by an underfill portion having a high rate, that is, a higher flexibility can be manufactured.
上記態様の半導体装置の製造方法において、絶縁樹脂が熱硬化型の樹脂であって、フィラー沈降工程において、アンダーフィルを絶縁樹脂の熱硬化温度より低い温度に所定時間維持し、アンダーフィル硬化工程において、アンダーフィルを絶縁樹脂の熱硬化温度に加熱してよい。 In the semiconductor device manufacturing method of the above aspect, the insulating resin is a thermosetting resin, and in the filler sedimentation step, the underfill is maintained at a temperature lower than the heat curing temperature of the insulating resin for a predetermined time. The underfill may be heated to the thermosetting temperature of the insulating resin.
本発明によれば、フリップチップ実装構造を有する半導体装置において、半導体チップに設けられた突起電極と配線基板に設けられた電極パッドとの間の接合部の保護と半導体チップを構成するLow-k膜などの部材の保護を両立することができる。 According to the present invention, in a semiconductor device having a flip-chip mounting structure, protection of a junction between a protruding electrode provided on a semiconductor chip and an electrode pad provided on a wiring board and low-k constituting the semiconductor chip It is possible to achieve both protection of a member such as a membrane.
図1は、実施の形態に係る半導体装置10の構造を示す概略図である。半導体装置10は、配線基板20、半導体チップ30およびアンダーフィル70を備える。本実施形態の半導体装置10は、配線基板20の裏面に複数のはんだボール50がアレイ状に配設されたBGA(Ball Grid Array)型の半導体パッケージ構造を有する。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a structure of a
配線基板20は、層間絶縁膜と配線層とが交互に積層された多層配線構造を有する。図2は、配線基板20の構造をより詳細に示す断面図である。複数の配線層22が層間絶縁膜24を介して積層されている。配線層22には、たとえば銅が用いられる。層が異なる配線層22間は、層間絶縁膜24に設けられたビアプラグ26により電気的に接続されている。配線基板20の裏面の配線層22aの周囲には、耐熱性に優れた樹脂材料からなるソルダーレジスト膜28が形成され、配線基板20にはんだ付けを行う際に、必要な箇所以外にはんだが付着しないように最下層の層間絶縁膜24aがコーティングされる。また、配線基板20の裏面には、はんだボール50が接合されるボールランド部29がアレイ状に複数配設されている。ボールランド部29の表面には、有機表面保護コーティング材(OSP)21が被覆されている。一方、半導体チップが実装される側にあたる配線基板20の表面には、電解メッキにより形成されたニッケル、鉛、金またはこれらの合金からなる電極パッド25がアレイ状に複数配設され、各電極パッド25の上に、錫、鉛またはこれらの合金からなるC4(Controlled Collapse Chip Connection)バンプ27が設けられている。
The
このように、本実施形態の配線基板20は、コアレスとすることにより、たとえば、6層構造で300μm程度まで薄型化が可能である。配線基板20を薄くすることにより、配線抵抗が低減するため、半導体装置10の動作速度の高速化が図られる。
Thus, the
図1に戻り、配線基板20の表面には、LSIなどの半導体チップ30がフェイスダウンした状態で、フリップチップ実装されている。より具体的には、半導体チップ30の突起電極32と、配線基板20のC4バンプ27とがはんだ80によって接合されている。半導体チップ30は、低誘電体層間絶縁膜(low-k膜)を有する。low-k膜により、半導体チップ30内の微細化された配線間の静電容量を低減させることができる。
Returning to FIG. 1, flip-chip mounting is performed on the surface of the
図3は、配線基板20と半導体チップ30との接続構造を示す要部拡大図である。図3に示すように、アンダーフィル70は、半導体チップ30と配線基板20との間に充填されている。アンダーフィル70は、絶縁樹脂72および無機フィラー74を含む。
FIG. 3 is an enlarged view of a main part showing a connection structure between the
絶縁樹脂72としては、エポキシを主剤とした樹脂などが挙げられる。絶縁樹脂72の弾性率(ヤング率)は、1〜4GPa程度が好ましい。無機フィラー74としては、SiO2(シリカ)などが挙げられる。無機フィラー74の弾性率(ヤング率)は、50Gpa以上が好ましい。
Examples of the
突起電極32の底部33に対して上方に位置する領域(図3の領域U)のアンダーフィル70の弾性率が、突起電極32の底部33に対して下方に位置する領域(図3の領域L)のアンダーフィル70の弾性率より低くなっている。
The elastic modulus of the
より具体的には、領域Lにおけるアンダーフィル70の無機フィラー含有率が、領域Uにおけるアンダーフィル70の無機フィラー含有率よりも大きい。
More specifically, the inorganic filler content of the
領域Lにおけるアンダーフィル70の無機フィラー含有率は、50〜80wt%が好ましい。領域Lにおけるアンダーフィル70の弾性率(ヤング率)は、10GPa以上が好ましい。一方、領域Uにおけるアンダーフィル70の無機フィラー含有率は、0〜50wt%が好ましい。領域Uにおけるアンダーフィル70の弾性率(ヤング率)は、1〜5GPaが好ましい。
As for the inorganic filler content rate of the
半導体チップ30と配線基板20との間にアンダーフィル70を設けることにより、温度サイクル時の熱膨張による配線基板20と半導体チップ30との間のギャップ変動によってC4バンプ27が受けるストレスを抑制することができる。
By providing the
さらに、本実施の形態のアンダーフィル70を用いて半導体チップ30と配線基板20との間を充填することにより、半導体チップ30を相対的に弾性率が小さい、すなわち剛性がより高いアンダーフィル70の部分で保護することができる。また、配線基板20および配線基板20と半導体チップ30との接合部分を相対的に弾性率が大きい、すなわち柔軟性がより高いアンダーフィル70の部分で保護することができる。この結果、半導体チップ30に設けられた突起電極32と配線基板20に設けられたC4バンプ27との間の接合部の保護と半導体チップ30を構成するLow-k膜などの部材の保護を両立させることができる。
Furthermore, by filling the space between the
(半導体チップの実装方法)
まず、図4(A)に示すように、半導体チップ30の外部電極端子が設けられた表面をフェイスダウンにした状態で、各突起電極32とそれらに対応するC4バンプ27とをはんだ80によって接合することにより、半導体チップ30を配線基板20にフリップチップ実装する。より具体的には、C4バンプ27の上にはんだ80を印刷した後、配線基板20の上に半導体チップ30を搭載し、リフロー処理を行う。
(Semiconductor chip mounting method)
First, as shown in FIG. 4A, with the surface of the
次に、図4(B)に示すように、半導体チップ30と配線基板20との間に、溶融したアンダーフィル70を流し込む。アンダーフィル70は、絶縁樹脂72および無機フィラー74を含む。上述したように、絶縁樹脂72として、エポキシを用いることができる。また、無機フィラー74としてSiO2を用いることができる。アンダーフィル70の全体に対する無機フィラー74の含有率は、30〜60wt%が好ましい。なお、アンダーフィル70に含まれる無機フィラー74は、周知の粉体除去装置などを用いて、微粉が取り除かれていることが望ましい。無機フィラー74から微粉を取り除くことにより、アンダーフィル70の熱硬化時における無機フィラー74の沈降性または流動性を向上させることができる。より具体的には、半導体チップ30と配線基板20との間隔が100μmの場合には、無機フィラーが5〜10μmの粒径分布を持つことが望ましい。
Next, as shown in FIG. 4B, a
次に、アンダーフィル70を熱硬化させるとともに、アンダーフィル70に含まれる無機フィラー74を沈降させる。絶縁樹脂72にエポキシを用いた場合には、加熱温度を絶縁樹脂72の熱硬化温度(150〜165℃)よりも低くした状態(たとえば、80℃)を10〜60分間維持した(フィラー沈降工程)後、上述の熱硬化温度を1〜4時間程度維持する(アンダーフィル硬化工程)。このように、絶縁樹脂72を硬化させる前に粘度が低い状態を保つことにより、無機フィラー74を沈降させ、図3に示したように、領域Lにおけるアンダーフィル70の無機フィラー含有率を、領域Uにおけるアンダーフィル70の無機フィラー含有率よりも大きくすることができる。
Next, the
なお、フィラー沈降工程およびアンダーフィル硬化工程の温度条件等は、半導体チップ30と配線基板20との隙間や、半導体チップ30の大きさなどに合わせて適宜設定することができる。
The temperature conditions for the filler sedimentation step and the underfill curing step can be appropriately set according to the gap between the
なお、上述の製造方法では、アンダーフィルを熱硬化させる際に無機フィラーを沈降させる手法を用いているが、本実施の形態の半導体装置10の製造方法はこれに限られない。たとえば、図3に示す領域Dに無機フィラー含有率が相対的に大きいアンダーフィルを充填、熱硬化させた後、図3に示す領域Uに無機フィラー含有率が相対的に大きいアンダーフィルを充填、熱硬化させる二段階のアンダーフィル形成工程を採用してもよい。
In the above-described manufacturing method, a method of precipitating the inorganic filler when the underfill is thermally cured is used, but the manufacturing method of the
10 半導体装置、20 配線基板、25 電極パッド、27 C4バンプ、30 半導体チップ、32 突起電極、70 アンダーフィル、72 絶縁樹脂、74 無機フィラー。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記配線基板に上に電極表面をフェイスダウンした状態で搭載され、はんだを介して前記基板電極と電気的に接続される突起電極を前記電極表面上に有する半導体チップと、
前記半導体チップと前記配線基板との間に充填され、絶縁樹脂および無機フィラーを含むアンダーフィルと、
を備え、
前記突起電極の底部に対して上方に位置する領域のアンダーフィルの弾性率が、前記突起電極の底部に対して下方に位置する領域のアンダーフィルの弾性率より低いことを特徴とする半導体装置。 A wiring board on which substrate electrodes are formed;
A semiconductor chip mounted on the wiring board in a state where the electrode surface is face-downed and having a protruding electrode on the electrode surface that is electrically connected to the substrate electrode via solder;
An underfill filled between the semiconductor chip and the wiring board, containing an insulating resin and an inorganic filler,
With
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein an elastic modulus of an underfill in a region located above the bottom of the protruding electrode is lower than an elastic modulus of an underfill in a region positioned below the bottom of the protruding electrode.
前記配線基板上に電極表面をフェイスダウンした状態で前記半導体チップを搭載し、前記配線基板に設けられた配線電極と前記半導体チップに設けられた突起電極とをはんだにより接合する接合工程と、
前記半導体チップと前記配線基板との間に、絶縁樹脂および無機フィラーを含むアンダーフィルを充填するアンダーフィル充填工程と、
前記アンダーフィル中の前記無機フィラーを沈降させるフィラー沈降工程と、
前記アンダーフィルを硬化させるアンダーフィル硬化工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor chip is flip-chip mounted on a wiring board,
Mounting the semiconductor chip with the electrode surface face down on the wiring board, and bonding the wiring electrode provided on the wiring board and the protruding electrode provided on the semiconductor chip by solder; and
An underfill filling step of filling an underfill containing an insulating resin and an inorganic filler between the semiconductor chip and the wiring board;
A filler sedimentation step of sedimenting the inorganic filler in the underfill;
An underfill curing step of curing the underfill;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記フィラー沈降工程において、前記アンダーフィルを前記絶縁樹脂の熱硬化温度より低い温度に所定時間維持し、
前記アンダーフィル硬化工程において、前記アンダーフィルを前記絶縁樹脂の熱硬化温度に加熱することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 The insulating resin is a thermosetting resin,
In the filler sedimentation step, the underfill is maintained at a temperature lower than the thermosetting temperature of the insulating resin for a predetermined time,
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein, in the underfill curing step, the underfill is heated to a thermosetting temperature of the insulating resin.
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JP2002118209A (en) * | 2000-08-01 | 2002-04-19 | Nec Corp | Method for mounting semiconductor device and mounting structure |
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