JP2008135794A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップがフェイスダウン実装された半導体装置において、半導体チップやバンプ周辺部分の損傷を抑制する。
【解決手段】半導体装置１００は、ＢＧＡ基板１１０、半導体チップ１０１、バンプ１０６およびバンプ１０６の周囲に充填されたアンダーフィル１０８とを備えている。半導体チップ１０１の層間絶縁膜１０４は低誘電率膜により構成されている。バンプ１０６は鉛フリーはんだからなる。アンダーフィル１０８は、弾性率が１５０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の樹脂材料により構成され、ＢＧＡ基板１１０の基板面内方向の線膨張率は１４ｐｐｍ／℃未満となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に半導体素子が実装された構成の半導体装置に関する。

基板上に半導体チップをフェイスダウン実装する場合、基板とチップとの間に空隙部が生じるため、その空隙にアンダーフィルと呼ばれる絶縁材料を充填することが必要となる。アンダーフィルの材料としては、従来、エポキシ樹脂をはじめとする熱硬化性樹脂が広く用いられてきた（特許文献１）。
特開平１１−２３３５７１号公報

ここで、半導体チップがフェイスダウン実装された半導体装置は、以下のような課題を有していた。

基板と半導体チップは、一般に線膨張率が異なる。基板は有機樹脂を含む材料により構成されており、半導体チップよりも大きな線膨張率を有する。このため、基板上に半導体チップを実装した構造の半導体装置が熱履歴を受けると両者の線膨張率の相違に起因して基板の反りが生じる。従来の半導体装置では、この反りの発生により、半導体チップや、半導体チップとバンプの界面、バンプと基板との界面等に、クラック等の損傷が発生することがあった。
これに加え、基板上に半導体チップが実装されたパッケージが反ると、前述したような損傷の発生のみならず、パッケージを基板に実装することが困難となる。従って、パッケージの反りを抑制することが求められている。

一方、近年では、半導体チップの構成材料や、チップと基板を接続するバンプの材料として従来と異なるものが利用されるようになり、アンダーフィルについても、これらに適合するよう新たに設計することが求められるようになってきた。たとえば、半導体チップについては、配線層を構成する絶縁膜材料として、ｌｏｗ−ｋとよばれる低誘電率膜が用いられるようになってきた。このような膜を用いることにより、配線間のクロストークが抑制され、高い信頼性で高速動作する半導体装置を実現することができる。また、バンプの構成材料としては、環境調和の観点から鉛を含まない材料が主流となりつつある。

上述したクラック等の損傷の発生は、ｌｏｗ−ｋ膜や鉛フリーはんだを用いた場合、より顕著となる。ｌｏｗ−ｋ膜は一般的に機械的強度が充分でない。このため、パッケージが反る等して、チップに応力が発生すると、その程度が極端でなくともｌｏｗ−ｋ膜中にクラックが発生することがあった。また、鉛フリーはんだは靱性が充分でないため、バンプと、チップや基板との界面において、クラックが発生しやすい。

半導体チップの損傷およびバンプ周辺部分の損傷の両方を抑制するためには、アンダーフィルを従来と異なる視点で最適に設計するとともに、それにあわせて基板の構成も最適化することが重要となる。本発明は、こうした観点からなされたものである。

本発明によれば、
基板と、
該基板上に実装された半導体素子と、
前記基板と前記半導体素子との間に設けられた、前記基板と前記半導体素子とを接続するバンプ、および、前記バンプの周囲に充填されたアンダーフィルと、
を備え、
前記バンプは鉛フリーはんだからなり、
前記アンダーフィルは、弾性率が１５０ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下の樹脂材料からなり、
前記アンダーフィルの線膨張率が４０ｐｐｍ／℃以下であり、
前記基板の基板面内方向の線膨張率が１４ｐｐｍ／℃未満であり、
前記基板の基板厚み方向の線膨張率が３０ｐｐｍ／℃未満であることを特徴とする半導体装置、が提供される。
ここで、アンダーフィルの弾性率は、１２５℃雰囲気下にて測定したものである。具体的には、テンシロン試験機で速度１ｍｍ／分にて、１２５℃雰囲気下にて測定し得られた応力―ひずみ曲線の初期勾配より算出されたものである。

本発明によれば、アンダーフィルが高い弾性率の樹脂材料により構成されているため、バンプの周囲が強固に固定され、バンプ周辺におけるクラックの発生が抑制される。くわえて、基板の基板面内方向の線膨張率が１４ｐｐｍ／℃未満であり、また、基板の基板厚み方向の線膨張率が３０ｐｐｍ／℃未満であるため、基板の反りが低減される結果、半導体素子の損傷が効果的に抑制される。さらに、基板の反りが低減される結果、半導体装置の基板への実装が困難となることを防止できる。

本発明は、半導体素子を基板上に実装してなるものである。基板としては、ＢＧＡのような素子搭載基板(プリント配線基板に搭載される基板であって、その上部に半導体素子が搭載される支持基板）、またはプリント配線基板を用いることができる。
図１は本発明に係る半導体装置１００の一例を示す概略構成を示す図である。図２は他の例を示す概略構成を示す図である。図３は、図１の拡大図である。以下、図１の例について説明する。

半導体装置１００は、ＢＧＡ基板１１０と、その上に実装された半導体チップ１０１と、これらの間に設けられた、ＢＧＡ基板１１０および半導体チップ１０１を接続するバンプ１０６と、バンプ１０６の周囲に充填されたアンダーフィル１０８とを備えている。

半導体チップ１０１は、シリコン基板１０２の主面に、銅配線１０５を含む層間絶縁膜１０４、保護膜１０７が順次積層された構造を有する。保護膜１０７の開口部にはバンプ１０６が設けられ、これを介して半導体チップ１０１とＢＧＡ基板１１０との接続がとられている。層間絶縁膜１０４は、多層膜であり、比誘電率３．３以下の低誘電率膜を含んでいる。バンプ１０６は鉛フリーはんだからなる。アンダーフィル１０８は、弾性率が１５０ＭＰａ以上、３０００ＭＰａ以下、好ましくは１５０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の樹脂材料により構成されている。ＢＧＡ基板１１０の基板面内方向の線膨張率は１４ｐｐｍ／℃未満であり、アンダーフィル１０８の線膨張率とＢＧＡ基板１１０の基板面内方向の線膨張率との差は、２０ｐｐｍ／℃以下となっている。
さらに、アンダーフィル１０８の線膨張率は、４０ｐｐｍ／℃以下であり、ＢＧＡ基板１１０の基板厚み方向の線膨張率が３０ｐｐｍ／℃未満である。

図１に示すように、半導体装置１００は、はんだボール１１４を介してプリント配線基板１１６に実装される。
以下、この半導体装置１００の作用効果について説明する。

ｌｏｗ−ｋ膜からなる配線層１０４の損傷は、半導体チップ１０１とＢＧＡ基板１１０の線膨張率の相違に起因する熱応力によって生じる。この損傷を抑制するためには、半導体チップ１０１とＢＧＡ基板１１０の間に生じる熱応力を低減することが有効である。この観点からは、アンダーフィル１０８は、低い弾性率を有することが好ましい。

一方、バンプ１０６と半導体チップ１０１との界面におけるクラックは、半導体チップ１０１とＢＧＡ基板１１０の線膨張率の相違に起因する熱歪みによってバンプ１０６の変形が起こり、これによってバンプ１０６と半導体チップ１０１との界面に大きな応力が発生することによって生じる。このクラックを抑制するためには、バンプ１０６の変形を抑えることが有効である。この観点からは、アンダーフィル１０８は、高い弾性率を有することが好ましい。

これらの課題をアンダーフィル１０８の設計のみで解決しようとすると、アンダーフィル１０８について相反する性能が求められることとなる。そこで本実施形態では、上記のようにアンダーフィル１０８として高弾性率のものを用いるとともに、ＢＧＡ基板１１０の基板面内方向の線膨張率を低く抑えることで配線層１０４の損傷を抑制している。
このような特性を有するアンダーフィル１０８およびＢＧＡ基板１１０は、種々の方法により実現することができるが、本実施形態では、アンダーフィル１０８にシリカを高充填する等の方法で高弾性率化を図るとともに、ＢＧＡ基板１１０としてシアネート樹脂を用いる等の方法で低線膨張率化を図っている。

本実施形態に係る半導体装置１００によれば、熱履歴を受けた際の、(i)ｌｏｗ−ｋ膜からなる配線層１０４の損傷、および、(ii)バンプ１０６と半導体チップ１０１との界面におけるクラックの発生を、効果的に抑制できる。本実施形態に係る半導体装置１００は、アンダーフィル１０８として、高い弾性率範囲１５０ＭＰａ以上、３０００ＭＰａ以下、好ましくは１５０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下にある樹脂材料を用いている。これにより、バンプ１０６の周囲を強固に固定して変形を抑え、バンプ１０６と半導体チップ１０１との界面におけるクラックの発生が抑制される。さらに、ＢＧＡ基板１１０の基板面内方向の線膨張率を１４ｐｐｍ／℃未満とすることでｌｏｗ−ｋ膜からなる配線層１０４の損傷が抑制される。特に本実施形態では、半導体チップ１０１の線膨張係数とＢＧＡ基板１１０の基板面内方向の線膨張率との差を２０ｐｐｍ以下としており、配線層１０４の損傷を確実に抑制している。

ここで、本実施形態では、アンダーフィル１０８の線膨張率を、ＢＧＡ基板１１０の基板面内方向の線膨張率よりも大きく、バンプ１０６の線膨張率よりも小さく設定している。また、アンダーフィル１０８とバンプ１０６の線膨張率差を１０ｐｐｍ以下とし、半導体装置１００のさらなる信頼性向上を図っている。従来技術の項で述べたように、鉛フリーはんだとｌｏｗ−ｋ膜使用の半導体チップを組み合わせた場合、ｌｏｗ−ｋ膜の損傷が起こりやすい。この原因は必ずしも明らかではないが、鉛フリーはんだが鉛含有はんだに比べ、弾性率が高く、硬くて脆い性質を有することが、原因の一つとなっていると推察される。そこで本発明においては、アンダーフィル１０８の材料を好適に設計することにより、バンプ１０６と、その周囲にあるアンダーフィル１０８との線膨張率差を低減し、これらの界面に生じる熱応力・熱歪みを低減し、ｌｏｗ−ｋ膜の損傷を抑制している。

以下、半導体装置１００の各部の構成について詳述する。

［基板］
ＢＧＡ基板１１０は、半導体チップ１０１を支持する基板である。ＢＧＡ基板１１０の基板面内方向の線膨張率は、１４ｐｐｍ／℃未満であることが好ましく、１２ｐｐｍ／℃以下であることがより好ましい。また、ＢＧＡ基板１１０の基板厚み方向の線膨張率は、３０ｐｐｍ／℃未満であることがより好ましい。さらには、ＢＧＡ基板１１０の基板厚み方向の線膨張率は、２０ｐｐｍ／℃以下であることがより好ましい。ＢＧＡ基板１１０の線膨張率を上記範囲内とすることにより、ｌｏｗ−ｋ膜の損傷の抑制と、バンプ周辺部分の損傷の抑制を同時に図ることができる。
また、ＢＧＡ基板１１０は、高いガラス転位温度を有することが好ましい。具体的には、２２０℃以上とすることが好ましく、２３０℃以上とすることがより好ましい。こうすることにより、耐熱性、信頼性に優れる半導体装置が得られる。

ＢＧＡ基板１１０は、ガラスクロス等の基材に熱硬化性樹脂を含浸させて得られたものである。

基材としては、例えばガラス織布、ガラス不織布、ガラスペーパー等のガラス繊維基材、紙（パルプ）、アラミド、ポリエステル、フッ素樹脂等の有機繊維からなる織布や不織布、金属繊維、カーボン繊維、鉱物繊維等からなる織布、不織布、マット類等が挙げられる。これらの基材は単独又は混合して使用してもよい。

基材に含浸させる熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ＢＴレジン、シアネート樹脂等を用いることもでき、これらを単独で、または複数種類組み合わせて用いることができる。本実施形態では、ノボラック型シアネート樹脂を用いる。ノボラック型シアネート樹脂としては、例えば式（Ｉ）で示されるものを使用することができる。式中、ｎは正数を示す。

これにより、基板の線膨張率を効果的に低減し、基板の反りを抑えることができる。ノボラック型シアネート樹脂は、分子量の大きいものと小さいものを複数種類、併用してもよい。

基材に含浸させる熱硬化性樹脂としては、上記シアネート樹脂にくわえ、ビッフェニルアルキレン骨格を有するエポキシ樹脂やノボラック樹脂を用いてもよい。このようにすれば、低線膨張率、高弾性率の特性を維持しつつ難燃性や耐湿性を向上させることができる。

ＢＧＡ基板１１０を構成する樹脂は、硬化触媒を含んでいてもよい。硬化触媒としては、例えば、ナフテン酸亜鉛、ナフテン酸コバルト、オクチル酸スズ、オクチル酸コバルト等の有機金属塩、トリエチルアミン、トリブチルアミン、ジアザビシクロ[２，２，２]オクタン等の３級アミン類、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール等のイミダゾール類、フェノール、ビスフェノールＡ、ノニルフェノール等のフェノール化合物、フェノール樹脂および有機酸等が挙げられる。これらを単独またはこれらの混合物として用いることができる。これらの中でもフェノール樹脂（特に、フェノールノボラック樹脂）を用いることができる。

ＢＧＡ基板１１０を構成する樹脂組成物は、充填剤を含む。充填剤としては、例えばタルク、クレー、マイカ、ガラス等のケイ酸塩、アルミナ、シリカ等の酸化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の水酸化物等を挙げることができる。これらの中でもシリカが好ましい。こうすることにより、ＢＧＡ基板１１０の線膨張率を低くするとともに弾性率を高くすることができる。シリカの含有率は、ＢＧＡ基板１１０の樹脂組成物全体を基準として、好ましくは６０質量％以上、より好ましくは６５質量％以上とする。これにより、線膨張率を一層低くするとともに弾性率を一層高くすることができる。

充填剤は、特に限定されないが、粉末状のものが好ましく、特に粉末状の無機充填剤を用いることができる。これにより、樹脂組成物の流動性をより制御できる。また、プリプレグをより低熱膨張化することができる。

シリカとしては、溶融シリカが好ましく用いられる。その形状は球状が好ましい。シリカ含有量を増大させると樹脂の流動性が低下するため、基板の製造安定性が損なわれる。そこで、樹脂の流動性が良好に維持される範囲内でシリカ含有量を増大させることが重要となるが、上記の形状とすることによりシリカ含有量を向上させることが可能となり、ＢＧＡ基板１１０の線膨張率を低減できる。

また、前記充填剤の平均粒径は、特に限定されないが、２μｍ以下が好ましく、特に０．２〜１μｍが好ましい。充填剤の平均粒径が上記範囲内であると、充填率を高くすることが可能となる。
シリカとしては、シランカップリング剤による表面処理がなされたものを用いても良い。シランカップリング剤としては、エポキシシラン、アミノシラン、ビニルシラン等、種々のものを用いることができる。このような表面処理シリカを用いることで、シリカ含有量を一層向上させることが可能となる。

［半導体チップ］
半導体チップ１０１は、層間絶縁膜として、いわゆるｌｏｗ−ｋ膜を備えている。ｌｏｗ−ｋ膜とは比誘電率が３．３以下の膜をいう。ｌｏｗ−ｋ膜としては、たとえば、ＳｉＯＣ、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）、ベンゾシクロブテン等の有機膜や、ＨＳＱ（ヒドロキシシルセスキオキサン）等の無機膜が挙げられ、これらを多孔質化した膜も好ましく用いられる。

半導体チップ１０１は、シリコン基板上に上記ｌｏｗ−ｋ膜からなる配線層を備えるものである。その機能は特に限定されず、ロジックデバイス、メモリデバイスあるいはこれらの混載等が挙げられる。

［バンプ］
バンプ１０６は、鉛フリーはんだからなる。本実施形態では、錫−銀系はんだを用いている。バンプ１０６の構成材料は、これに限られず、たとえば、錫−ビスマス系、錫−亜鉛系等を用いることができる。バンプ１０６は、たとえば、線膨張率が１０ｐｐｍ／℃以上２５ｐｐｍ／℃以下のものと用いることができる。

［アンダーフィル］
アンダーフィル１０８の構成材料としては、液状の熱硬化性樹脂やフィルム状の熱硬化性樹脂を用いることができる。このうち、液状の熱硬化性樹脂が好ましい。基板とチップ間の間隙を効率良く埋めることができるからである。本実施形態では、アンダーフィル１０８を高弾性率材料により構成している。具体的には、弾性率範囲が、１５０ＭＰａ以上、さらに好ましくは２００ＭＰａ以上のものを用いる。弾性率の上限は特に制限がないが、たとえば３０００ＭＰａ以下、好ましくは８００ＭＰａ以下とする。このような弾性率範囲にある樹脂材料を用いることによって、バンプ１０６周囲のクラックを、一層効果的に抑制することができる。
ここで、アンダーフィル１０８の弾性率は、１２５℃雰囲気下にて測定したものである。具体的には、テンシロン試験機で速度１ｍｍ／分にて、１２５℃雰囲気下にて測定し得られた応力―ひずみ曲線の初期勾配より算出されたものである。

アンダーフィル１０８は、ＢＧＡ基板１１０および半導体チップ１０１の間隙部に配置される。アンダーフィル１０８の形成方法としては、液状の接着材を間隙部に導入した後、硬化させる方法や、シート接着材を間隙部に配置し硬化させる方法が挙げられる。

アンダーフィル１０８に用いられる樹脂材料としては、種々のものを用いることができる。たとえば、エポキシ樹脂、ＢＴレジン、シアネート樹脂等を用いることもできる。シアネート樹脂としては、基板材料の項で述べたノボラック型シアネート樹脂が好ましく用いられる。

アンダーフィル１０８を構成する樹脂材料は、多官能エポキシ樹脂を含むことが好ましい。これにより、樹脂硬化体の架橋密度が向上し、高い弾性率を実現することができる。

アンダーフィル１０８は、シリカ粒子等、無機フィラーを含有していてもよい。こうすることにより、線膨張率を低減し、半導体チップ１０１や、半導体チップ１０１とＢＧＡ基板１１０との間の損傷をより効果的に低減することができる。

アンダーフィル１０８は、カップリング剤を含むものとしてもよい。こうすることにより、バンプ１０６や無機フィラーとアンダーフィル１０８との密着性を向上させ、こうすることにより、線膨張率を低減し、半導体チップ１０１や、半導体チップ１０１とＢＧＡ基板１１０との間の損傷をより効果的に低減することができる。カップリング剤としては、エポキシシラン、アミノシラン等のシランカップリング剤や、チタネート系カップリング剤等を用いることができる。これらを複数種類用いてもよい。カップリング剤は、アンダーフィル１０８のバインダー部分に分散する形態であってもよいし、シリカ粒子等の無機フィラーの表面に付着した形態であってもよい。あるいは、これらの形態が混在していてもよい。たとえばシリカ粒子を配合する場合は、シリカ表面をあらかじめカップリング剤により処理してもよい。

アンダーフィル１０８の線膨張率は、４０ｐｐｍ／℃以下であることが好ましく、３０ｐｐｍ／℃以下であることがより好ましい。ＢＧＡ基板１１０の線膨張率を上記範囲内とすることにより、ｌｏｗ−ｋ膜の損傷の抑制と、バンプ周辺部分の損傷の抑制をより効果的に図ることができる。
なお、本実施形態では、半導体装置にかかる基板として、ＢＧＡ基板１１０を使用したが、基板として、図２に示すように、プリント配線基板１１６を使用してもよい。
（実施例１）

以下、本発明を実施例および比較例を用いて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

はじめに、本実施例で用いるアンダーフィル材料について述べる。
（実施例１−１）
樹脂組成物の調整：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（エポキシ当量165）を１３．５重量部、N-[2-Methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl]-N-(oxiranylmethyl)oxiranemethanamine（住友化学株式会社製、ＥＬＭ−１００）を１３．５重量部、4,4´-Methylenbis-(2-ethylanilin)（日本化薬株式会社製、カヤハードAA）を１３重量部、γ-グリシジルプロピルトリエトキシシランを１重量部と球状溶融シリカＳＯ−２５Ｒ（株式会社アドマテックス社製）６５重量部を秤量し、三本ロールにて混練し、真空脱泡後液状樹脂組成物を得た。

（実施例１−２）
樹脂組成物の配合を以下のようにした以外は、実施例１−１と同様にした。ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（エポキシ当量165）を１８重量部、N-[2-Methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl]-N-(oxiranylmethyl)oxiranemethanamine（住友化学株式会社製、ＥＬＭ−１００）を６重量部、4,4´-Methylenbis-(2-ethylanilin)（日本化薬株式会社製、カヤハードAA）を１０重量部を用いた。

（比較例１−１）
樹脂組成物の配合を以下のようにした以外は、実施例１−１と同様にした。ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（エポキシ当量165）を３０重量部、N-[2-Methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl]-N-(oxiranylmethyl)oxiranemethanamine（住友化学株式会社製、ＥＬＭ−１００）を用いず、4,4´-Methylenbis-(2-ethylanilin)（日本化薬株式会社製、カヤハードAA）を１０重量部を用いた。

（比較例１−２）
樹脂組成物の配合を以下のようにした以外は、実施例１−１と同様にした。ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（エポキシ当量165）を２０重量部、N-[2-Methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl]-N-(oxiranylmethyl)oxiranemethanamine（住友化学株式会社製、ＥＬＭ−１００）を２０重量部、4,4´-Methylenbis-(2-ethylanilin)（日本化薬株式会社製、カヤハードAA）を１９重量部、γ-グリシジルプロピルトリエトキシシランを１重量部と球状溶融シリカＳＯ−２５Ｒ（株式会社アドマテックス社製）４０重量部を用いた。

上記実施例および比較例で得られた樹脂組成物について、次の評価を行った。評価項目を、評価方法と共に示す。得られた結果を図４に示す。

弾性率：ペーストを幅１０ｍｍ長さ約１５０ｍｍ厚さ４ｍｍに成形し、２００℃オーブン中３０分間硬化した後、テンシロン試験機で速度１ｍｍ／分にて、１２５℃雰囲気下にて測定し得られた応力―ひずみ曲線の初期勾配より弾性率を算出した。

ガラス転移温度・熱膨張率：液状注入封止アンダーフィル材料を１５０℃×１２０分で硬化後、切削により５×５×１０ｍｍの試験片を得た。このものをセイコー製ＴＭＡ／ＳＳ１２０を用いて圧縮荷重５ｇ、−１００℃から３００℃の温度範囲を昇温速度１０℃／分の条件で測定した。同測定により熱膨張係数（線膨張率）も得た。

図４中の樹脂等について、以下に詳細に示す。
ＥＬＭ１００（N-[2-Methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl]-N-(oxiranylmethyl)oxiranemethanamine） ：住友化学株式会社製
カヤハードＡＡ（4,4'-Methylenbis-(2-ethylanilin)）：日本化薬株式会社製
ＫＢＥ４０３（γ-グリシジルプロピルトリエトキシシラン）：信越化学工業株式会社製
ＳＯ−２５Ｒ（球状溶融シリカ、平均粒径０．５μｍ）：株式会社アドマテック製

両面銅張り積層板は以下のようにして作製した。
（実施例２−１）
樹脂ワニスの調製：ノボラック型シアネート樹脂（ロンザジャパン株式会社製、プリマセット ＰＴ−６０）２０重量部、ビフェニルジメチレン型エポキシ樹脂（日本化薬株式会社製、ＮＣ−３０００Ｐ）６重量部、ビフェニルジメチレン型フェノール樹脂（明和化成株式会社製、ＭＥＨ−７８５１−Ｓ）４重量部、およびエポキシシラン型カップリング剤（日本ユニカー株式会社製、Ａ−１８７）０．３重量部をメチルエチルケトンに常温で溶解し、球状溶融シリカＳＯ−２５Ｒ（株式会社アドマテックス社製）６０重量部およびＳＦＰ−１０Ｘ（平均粒径０．３μｍ：電気化学工業株式会社製）１０重量部を添加し、高速攪拌機を用いて１０分攪拌して、樹脂ワニスを得た。

プリプレグの製造：上述の樹脂ワニスをガラス織布（厚さ２００μｍ、日東紡績製、ＷＥＡ−７６２８）に含浸し、１２０℃の加熱炉で２分乾燥してワニス固形分（プリプレグ中に樹脂とシリカの占める成分）が約５０％のプリプレグを得た。

積層板の製造：上述のプリプレグを所定枚数重ね、両面に１８μｍの銅箔を重ねて、圧力４ＭＰａ、温度２００℃で２時間加熱加圧成形することによって両面銅張積層板を得た。

（実施例２−２）
樹脂ワニスの配合を以下のようにした以外は、実施例２−１と同様にした。ビフェニルジメチレン型エポキシ樹脂（日本化薬株式会社製、ＮＣ−３０００Ｐ）１１重量部、ビフェニルジメチレン型フェノール樹脂（明和化成株式会社製、ＭＥＨ−７８５１−Ｓ）９重量部、球状溶融シリカとしてＳＯ−２５Ｒ（株式会社アドマテックス社製）６０重量部のみを用いた。

（実施例２−３）
樹脂ワニスの配合を以下のようにした以外は、実施例２−１と同様にした。ノボラック型シアネート樹脂として、ロンザジャパン株式会社製、プリマセット ＰＴ−６０ ３０重量部およびプリマセット ＰＴ−３０（重量平均分子量約７００）１０重量部を用いた。エポキシ樹脂として、ビフェニルジメチレン型エポキシ樹脂８重量部を用いた。フェノール樹脂として、ビフェニルジメチレン型フェノールノボラック樹脂５重量部およびフェノールノボラック樹脂（ＰＲ−５１７１４ 水酸基当量１０３ 住友ベークライト株式会社製）２重量部を用いた。無機充填材として、球状溶融シリカＳＯ−２５Ｒ（平均粒径１．５μｍ）４０重量部およびＳＦＰ−１０Ｘ（平均粒径０．３μｍ：電気化学工業株式会社製）５重量部を用いた。

（実施例２−４）
樹脂ワニスの配合を以下のようにした以外は、実施例２−１と同様にした。ビフェニルジメチレン型エポキシ樹脂（日本化薬株式会社製、ＮＣ−３０００Ｐ）１１重量部、ビフェニルジメチレン型フェノールノボラック樹脂（明和化成株式会社製、ＭＥＨ−７８５１−Ｓ）９重量部、球状溶融シリカとしてＳＯ−２５Ｒ（株式会社アドマテックス社製）５０重量部のみを用いた。

（実施例２−５）
樹脂ワニスの配合を以下のようにした以外は、実施例２−１と同様にした。ビフェニルジメチレン型エポキシ樹脂（日本化薬株式会社製、ＮＣ−３０００Ｐ）８重量部、ビフェニルジメチレン型フェノール樹脂（明和化成株式会社製、ＭＥＨ−７８５１−Ｓ）７重量部、球状溶融シリカをＳＯ−２５Ｒ（株式会社アドマテックス社製）４５重量部のみを用いた。

（比較例２−１）
シアネート樹脂を用いずに、樹脂ワニスの配合を以下のようにした以外は、実施例２−１と同様にした。ビフェニルアルキレン型エポキシ樹脂 ＮＣ−３０００Ｐ（エポキシ当量２７５：日本化薬株式会社製）２２．５重量部、ビフェニルジメチレン型フェノール樹脂１７．５重量部、球状溶融シリカとしてＳＯ−２５Ｒ（株式会社アドマテックス社製）６０重量部のみとした以外は、実施例２−１と同様とした。

（比較例２−２）
樹脂ワニスの配合を以下のようにした以外は、実施例２−１と同様にした。ビフェニルジメチレン型エポキシ樹脂（日本化薬株式会社製、ＮＣ−３０００Ｐ）２０重量部、ビフェニルジメチレン型フェノール樹脂（明和化成株式会社製、ＭＥＨ−７８５１−Ｓ）１５重量部、球状溶融シリカとしてＳＯ−２５Ｒ（株式会社アドマテックス社製）２５重量部のみを用いた。

（比較例２−３）
球状溶融シリカを用いず、さらに樹脂ワニスの配合を図５記載のように変更した以外は、実施例２−１と同様にした。ノボラック型シアネート樹脂を５０重量部、ビフェニルジメチレン型エポキシ樹脂を２８重量部、ビフェニルジメチレン型フェノール樹脂２２重量部とした以外は、実施例２−１と同様にした。

実施例および比較例で得られた積層板について、次の評価を行った。評価項目を、評価方法とともに示す。得られた結果を図５に示す。

(i)線膨張係数（図中、「熱膨張係数」と表記）
厚さ１．２ｍｍの両面銅張積層板を全面エッチングし、得られた積層板から２ｍｍ×２ｍｍのテストピースを切り出し、ＴＭＡを用いて面内方向および厚み方向（ＸＹ方向とＺ方向）の線膨張係数を５℃／分で測定した。

(ii)ガラス転移温度
厚さ０．６ｍｍの両面銅張積層板を全面エッチングし、得られた積層板から１０ｍｍ×６０ｍｍのテストピースを切り出し、ＴＡインスツルメント社製動的粘弾性測定装置ＤＭＡ９８３を用いて３℃／分で昇温し、ｔａｎδのピーク位置をガラス転移温度とした。

図５中の樹脂等について、以下に詳細に示す。
プリマセット ＰＴ−６０（ノボラック型シアネート樹脂、重量平均分子量約２６００）：ロンザジャパン株式会社製
プリマセット ＰＴ−３０（ノボラック型シアネート樹脂、重量平均分子量約７００）：ロンザジャパン株式会社製
ＭＥＨ−７８５１−Ｓ（ビフェニルアルキレン型ノボラック樹脂、水酸基当量２０３）：明和化成株式会社製
ＰＲ−５１７１４（ノボラック樹脂、水酸基当量１０３ 重量平均分子量約１６００）：住友ベークライト株式会社製
ＳＯ−２５Ｒ（球状溶融シリカ、平均粒径０．５μｍ）：株式会社アドマテック製
ＳＦＰ−１０Ｘ（球状溶融シリカ、平均粒径０．３μｍ）：電気化学工業株式会社製
Ａ−１８７（エポキシシラン型カップリング剤）：日本ユニカー株式会社製
以下、本発明を実施例および比較例を用いて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例2-1から2-5、及び、比較例2-1から2-3で作成した両面銅張り積層板を用いて、バンプ電極を予め形成した評価用プリント配線基板を作成した。作成したプリント配線基板に、フリップチップボンダーを用いて、鉛フリーはんだ（組成：Sn-3.5Ag、融点：２２１℃、熱膨張率：２２ｐｐｍ／℃、弾性率４４ＧＰａ）を位置決めして、低誘電率材料（CVDで形成したSiOC膜、比誘電率=2.2）を層間絶縁膜として用いた半導体素子と仮接合した後、リフロー(リフロー条件：最高温度２６０℃、最低温度１８３℃で６０秒のＩＲリフロー)炉に通してはんだバンプを接合させた。

ここで、半導体素子の線膨張率は３ｐｐｍ／℃であるので、
（評価用プリント配線基板のＸ−Ｙ方向線膨張率）−（半導体素子の線膨張率）の値は、実施例２−１，実施例２−２，実施例２−３，実施例２−４，実施例２−５，比較例２−１，比較例２−２，比較例２−３の順に、
６，７，８，９，９，１１，１２，１３ｐｐｍ／℃
となっている。
また、
（評価用プリント配線基板のZ方向線膨張率）−（半導体素子の線膨張率）の値は、実施例２−１，実施例２−２，実施例２−３，実施例２−４，実施例２−５，比較例２−１，比較例２−２，比較例２−３の順に、
９，１１，１３，１５，１７，２７，３２，４７ｐｐｍ／℃となっている。

また、はんだバンプの線膨張率は２２ｐｐｍ／℃であるので、（アンダーフィルの線膨張率）−（はんだバンプの線膨張率）の値は、実施例１−１，実施例１−２，比較例１−１，比較例１−２の順に、
３，４，４，２３ｐｐｍ／℃
となっている。実施例１−１，実施例１−２では、両者の線膨張率差が小さい。

続いて、実施例1-1,1-2,2-1,2-2で作成した樹脂組成物を封入し、評価用フリップチップパッケージを作成した。フリップチップ実装する半導体チップは、シリコン基板上に多層銅配線が形成された構造を有するロジック素子である。多層銅配線を構成する層間絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法で形成したポーラス化ＳｉＯＣ膜（誘電率２．５以下）を含んでいる。

得られた評価用フリップチップパッケージを用いて、冷熱サイクル試験を行う事で鉛フリーはんだバンプの保護性、低誘電率材料の層間絶縁膜の保護性の比較評価を行った。これらの評価パッケージを用い、冷熱サイクル（冷却状態-55℃、加熱状態125℃で1000サイクル）処理後、導通試験を行い、すべてのバンプが導通したものを良品パッケージとしてカウントした。図６に試験サンプル一覧と導通試験結果を示す。導通試験結果は、試料数１０に対して、導通不良が無い合格品数の比率をもって、その指標とする。
図７は、各試験サンプルについて、
（アンダーフィル１０８の線膨張率）−（プリント配線基板の基板面内方向の線膨張率）
の値を示したものである。
図８は、試験サンプル一覧と層間絶縁膜のクラック発生結果を示す図である。冷熱サイクル処理後のパッケージを切断し、半導体素子内の層間絶縁層にクラックが発生しているか否かを観察した。
また、評価用パッケージを用いて、各パッケージ作成工程、及び冷熱サイクル後でのパッケージ反りを測定した。図９に試験サンプル一覧と反りの結果を示す、反りの測定値は３次元形状測定(株式会社キーエンス社製EMS2002AD-3D)で行った。なお、図９の単位はμｍである。

図６に示す通り、実施例1-1, 1-2の樹脂組成物を用いて作成したフリップチップパッケージでは、全ての評価用プリント配線基板との組み合わせで、導通不良は発生しなかった。対して、比較例1-1, 1-2の樹脂組成物を用いて作成した評価用フリップチップパッケージでは、全ての評価用プリント配線基板との組み合わせで、導通不良が発生した。導通不良が発生した箇所のはんだバンプ接合部分を切断し、断面を観察すると、全ての導通不良箇所ではんだバンプ接合部分にクラックが観察された。この結果から、冷熱サイクル試験における、鉛フリーはんだ接合部分のクラック防止には、加熱状態での弾性率が高く、かつ、鉛フリーはんだと樹脂組成物の熱膨張率差が小さい事が重要である事がわかる。これは、加熱時の弾性率を高くすることで、半導体素子とプリント配線基板の熱膨張率差によって生じる歪みで起こる鉛フリーはんだバンプの変形をおさえ、かつ、樹脂組成物の熱膨張率を鉛フリーはんだバンプの熱膨張率に近づける事が重要である事を示している。

図８に示す通り、実施例2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 2-5のプリント配線基板を用いて作成したフリップチップパッケージでは、全ての評価用樹脂組成物との組み合わせで、冷熱サイクル処理後に層間絶縁膜のクラックは発生しなかった。対して、比較例2-1, 2-2, 2-3のプリント配線基板を用いて作成した評価用フリップチップパッケージでは、全ての樹脂組成物との組み合わせで、層間絶縁膜のクラックが発生した。この結果から、層間絶縁膜のクラック防止には、XY方向及び、Z方向の熱膨張係数が小さく、ガラス転移温度が高い両面銅張り積層板をプリント配線基板に用いる事が重要である事がわかる。これは、半導体素子とプリント配線基板の熱膨張率差によって、半導体素子に生じる応力を、XY方向及び、Z方向の熱膨張係数を小さく、ガラス転移温度を高くすることでおさえ、低誘電率材料を用いた層間絶縁層のクラックを防ぐ事が出来る事を示している。
図９に示す通り、実施例2-3のプリント配線基板を用いて作成したフリップチップパッケージは、比較例2-2のプリント配線基板に対して、全ての評価用樹脂組成物との組み合わせで、パッケージ反りの低減効果が観察された。この結果から、パッケージ反りの低減にはXY方向及び、Z方向の熱膨張係数が小さく、ガラス転移温度が高い両面銅張り積層板をプリント配線基板に用いる事が重要である事がわかる。

実施の形態に係る半導体装置の構造を示す図である。 実施の形態に係る半導体装置の構造を示す図である。 実施の形態に係る半導体装置の部分構造を示す図である。 実施例で用いたアンダーフィル材料の構成を示す図である。 実施例で用いた基板の構成を示す図である。 実施例の評価結果を示す図である。 実施例で用いた半導体装置の構成を説明するための図である。 実施例の評価結果を示す図である。 実施例の評価結果を示す図である。

符号の説明

１００ 半導体装置
１０１ 半導体チップ
１０２ シリコン基板
１０３ 層間絶縁膜
１０４ 配線層
１０５ 銅配線
１０６ バンプ
１０７ 保護膜
１０８ アンダーフィル
１１０ ＢＧＡ基板
１１４ はんだ
１１６ プリント配線基板

Claims (11)

1. 基板と、
   該基板上に実装された半導体素子と、
   前記基板と前記半導体素子との間に設けられた、前記基板と前記半導体素子とを接続するバンプ、および、前記バンプの周囲に充填されたアンダーフィルと、
   を備え、
   前記バンプは鉛フリーはんだからなり、
   前記アンダーフィルは、弾性率が１５０ＭＰａ以上３０００ＭＰａ以下の樹脂材料からなり、
   前記アンダーフィルの線膨張率が４０ｐｐｍ／℃以下であり、
   前記基板の基板面内方向の線膨張率が１４ｐｐｍ／℃未満であり、
   前記基板の基板厚み方向の線膨張率が３０ｐｐｍ／℃未満であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記アンダーフィルは、弾性率が１５０ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下の樹脂材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記基板のガラス転位温度が２２０℃以上であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体素子は、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられた、比誘電率３．３以下の低誘電率膜を含む層間絶縁膜と、該層間絶縁膜中に設けられた配線と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
5. 前記アンダーフィルの線膨張率は、前記基板の基板面内方向の線膨張率よりも大きく、前記バンプの線膨張率よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
6. 前記アンダーフィルの線膨張率と前記バンプの線膨張率との差が、１０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記基板はシアネート樹脂を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
8. 前記基板の基板面内方向の線膨張率と前記半導体素子の線膨張率との差が２０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
9. 前記鉛フリーはんだは、錫、銀を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
10. 前記低誘電率膜は、Ｓｉ、ＯおよびＣを含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
11. 前記低誘電率膜は、多孔質膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。

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