JP2008270257A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を基板上にフリップチップ実装し、両者の間に樹脂部材を充填してなる半導体装置において、フィラーを少なくして樹脂部材の注入性を上げたとしても、接続信頼性を良好に維持できるようにする。
【解決手段】半導体素子１０と基板２０とを、バンプ３０を介して電気的に接合し、半導体素子１０と基板２０との隙間に樹脂よりなる樹脂部材４０を充填してなる半導体装置において、樹脂部材４０の内部に、樹脂部材４０の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数の値を持つ固体材料よりなる部材５０を配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を基板上にフリップチップ実装してなる半導体装置およびその製造方法に関する。

従来より、この種の半導体装置としては、半導体素子と基板とを、バンプを介して電気的に接合し、続いて、半導体素子と基板との隙間に樹脂よりなる樹脂部材、いわゆるアンダーフィルを充填してなるものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開平１１−２７４２３５号公報

ここで、樹脂部材は、バンプによる接続部の信頼性向上のために半導体素子と電子回路基板との間に充填される。通常の樹脂部材は、バンプ接続部に発生する応力を低減させるため、材料の熱膨張係数を低くする目的で、樹脂材料に一般的にはシリカなどの無機材料よりなるフィラーを混ぜている。

しかしながら、このフィラーを入れすぎると粘度が増加し、樹脂部材の注入性が低下するため、樹脂部材中にボイドや未充填の部分が発生する。逆に、樹脂部材中のフィラーを少なくして注入性を上げた場合、今度は樹脂部材の熱膨張係数が高くなり、接続信頼性が低下する。すなわち、注入性と接続信頼性との両面から考えると、樹脂部材に求められる特性は相反するということである。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、半導体素子を基板上にフリップチップ実装し、両者の間に樹脂部材を充填してなる半導体装置において、フィラーを少なくして樹脂部材の注入性を上げたとしても、接続信頼性を良好に維持できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体素子（１０）と基板（２０）とを、バンプ（３０）を介して電気的に接合し、半導体素子（１０）と基板（２０）との隙間に樹脂よりなる樹脂部材（４０）を充填してなる半導体装置において、樹脂部材（４０）の内部に、樹脂部材（４０）の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数の値を持つ固体材料よりなる部材（５０）を配置したことを特徴とする。

それによれば、樹脂部材（４０）の一部が、当該樹脂部材（４０）の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数の値を持つ固体材料により置き換えられた形となり、樹脂部材（４０）中のフィラーを少なくして樹脂部材（４０）の注入性を上げたとしても、半導体素子（１０）と基板（２０）との隙間全体では、低い熱膨張係数を維持することができ、接続信頼性を良好に維持できる。

ここで、上記部材（５０）を構成する固体材料の熱膨張係数を、半導体素子（１０）の熱膨張係数と基板（２０）の熱膨張係数との間の範囲の値とすることが好ましく、それによれば、半導体素子（１０）と基板（２０）との間の熱膨張係数差による応力を、固体材料よりなる部材（５０）を介して緩和しやすい。

また、樹脂部材（４０）を構成する樹脂中には、無機材料よりなるフィラーが含まれていないものであってもよい。このように、含まれていないものでも、上記した効果が発揮される。

また、半導体素子（１０）と基板（２０）とを、バンプ（３０）を介して電気的に接合し、半導体素子（１０）と基板（２０）との隙間に樹脂よりなる樹脂部材（４０）を充填し、樹脂部材（４０）の内部に、上記固体材料よりなる部材（５０）を配置してなる半導体装置の製造方法において、固体材料よりなる部材（５０）を、半導体素子（１０）および基板（２０）のどちらか一方に配置した後、半導体素子（１０）のバンプ（３０）を介した実装、および、樹脂部材（４０）の充填を行うようにすればよい。

それによれば、上記特徴を有する半導体装置を適切に製造可能な製造方法を提供することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るフリップチップ実装構造体としての半導体装置１００の概略断面構成を示す図である。

この半導体装置１００は、大きくは、半導体素子１０と基板２０とがバンプ３０を介して電気的に接合され、半導体素子１０と基板２０との隙間に樹脂よりなる樹脂部材としてのアンダーフィル材４０が充填されてなる。

半導体素子１０は、フリップチップ実装を行えるものであるならば特に限定するものではないが、具体的には、一般的なシリコン半導体チップにトランジスタ素子などを形成してなるＩＣチップなどである。

この半導体素子１０の一面（図１中の下面）には、半導体素子１０の電極１１が設けられている。この電極１１はアルミニウムなどよりなり、この電極１１にはバンプ３０が接続されている。

このバンプ３０は、フリップチップに適用される一般的なものであり、たとえばＡｕやＣｕなどよりなる。また、バンプ３０の形成についても、一般的な方法により行える。ここでは、電極１１およびバンプ３０は、一般的なものと同じく、半導体素子１０の一面における周辺部に環状に複数個配置されている。

基板２０としては、同じくフリップチップ実装が可能なものであるならば、各種の電子回路基板を適用できる。たとえば、基板２０としては、プリント基板などの有機基板、アルミナ配線基板などのセラミック基板が挙げられ、さらには、シリコン基板などであってもよい。

この基板２０の一面（図１中の上面）には、ランド２１が設けられている。このランド２１は、この種の半導体装置において一般的に用いられるＣｕや厚膜導体など、各種の配線材料よりなる。

そして、半導体素子１０の上記一面と基板２０の上記一面とが対向して、これら半導体素子１０および基板２０が配置されており、バンプ３０を介して、両者１０、２０が電気的・機械的に接合されている。ここで、バンプ３０の接続は、たとえば熱圧着やはんだ付けなどにより行える。

そして、アンダーフィル材４０は、この種の半導体装置に用いられるアンダーフィル材料よりなり、たとえばエポキシ樹脂などよりなる。ここでは、アンダーフィル材４０には、通常のものと同じくシリカなどの無機材料よりなるフィラーが含まれていてもよいが、全く含まれなくてもよい。

このようなフリップチップ実装構造体としての半導体装置１００において、本実施形態では、さらに、半導体素子１０と基板２０との間、すなわち、アンダーフィル材４０の内部に、アンダーフィル材４０の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数の値を持つ固体材料よりなる部材５０が配置されている。この部材５０を以下、固体部材５０という。

この固体部材５０は、具体的には、半導体素子１０の一面におけるバンプ３０の内周側の部位に対して、エポキシ樹脂やシリコン樹脂などの接着剤により接着されたシリコンの板材である。

なお、固体部材５０を構成する固体材料としては、アンダーフィル材４０の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数の値を持つものであればよく、シリコン以外にも、ガラス板、セラミック板、金属板、あるいは、無機物と有機物との複合材料などであってもよい。

本実施形態によれば、アンダーフィル材４０の一部が、当該アンダーフィル材４０の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数の値を持つ固体材料により置き換えられた形となる。本実施形態では、図１に示されるように、バンプ３０がない部分に固体部材５０を配置し、使用するアンダーフィル材４０を極力少なくして、実質的にバンプ接続部だけを覆うようにしている。

そのため、アンダーフィル材４０中の無機フィラーを少なく、もしくは、全く含まないものとして、アンダーフィル材４０の注入性を上げたとしても、半導体素子１０と基板２０との隙間全体では、平均して低い熱膨張係数を維持することができ、接続信頼性を良好に維持することができる。

たとえば、無機フィラーが入っていないアンダーフィル材４０の熱膨張係数（α）は５０〜１００ｐｐｍ／℃程度であるが、本実施形態のように、バンプ３０がない部分に、α＝３ｐｐｍ／℃であるシリコンよりなる固体部材５０を配置すると、半導体素子１０と基板２０の隙間の充填材料すなわちアンダーフィル材４０と固体部材５０を含めた材料の平均のαは、１０〜３０ｐｐｍ／℃程度にまで低くすることができる。

こうして、上記図１のような構成にすることにより、無機フィラーがあまり入っていない、もしくは全く含まない注入性の良好なアンダーフィル材料を使用しても、バンプ接続部に発生する応力を低減できると同時に、無機フィラーがあまり入っていないため、アンダーフィル材４０に関してボイドや未充填は発生しにくい。

さらに、本実施形態では、好ましい形態として、固体材料の熱膨張係数は、半導体素子１０の熱膨張係数と基板２０の熱膨張係数との間の範囲の値であることが望ましい。これは、半導体素子１０と基板２０との間の熱膨張係数差による応力が、固体部材５０を介して緩和されやすくなるためである。

このことは、固体材料の熱膨張係数が、半導体素子１０と同じ値、基板２０と同じ値も含みつつ、これら両者１０、２０の熱膨張係数の値の間の範囲にあれば好ましいということである。

たとえば、本実施形態の半導体装置１００において、この種の一般的な半導体装置と同じく、熱膨張係数が、半導体素子１０の方が基板２０よりも低い場合には、この好ましい形態は、固体材料の熱膨張係数が、半導体素子１０の値以上であって基板２０の値以下であることを意味する。

逆に、本実施形態の半導体装置１００において、熱膨張係数が、基板２０の方が半導体素子１０よりも低い場合には、固体材料の熱膨張係数が、基板２０の値以上であって半導体素子１０の値以下であることを意味する。さらに、半導体素子１０と基板２０とで熱膨張係数が同じ場合には、固定材料の熱膨張係数もこれら半導体素子１０および基板２０の熱膨張係数と同じ値であることを意味する。

ただし、この種の半導体装置では、基板の熱膨張係数が半導体素子の熱膨張係数よりも小さいことは、まず、あり得ないのが現状である。そこで、この現状に照らせば、上記固体材料の熱膨張係数は、半導体素子１０の値以上であって基板２０の値以下であるといってもよい。

次に、本実施形態の半導体装置１００の製造方法について、図２を参照して述べる。図２は、本製造方法の工程図であり、各工程におけるワークを断面的に示したものである。

まず、図２（ａ）に示されるように、バンプ３０を有する半導体素子１０を用意し、この半導体素子１０の一面におけるバンプ３０の内周側の部位に、固体部材５０を接着して取り付ける。

次に、図２（ｂ）に示されるように、固定部材５０が付いた半導体素子１０の一面と基板２０の一面とを対向させる。そして、図２（ｃ）に示されるように、固体部材５０を介して、半導体素子１０を基板２０の一面上に搭載し、上記した熱圧着やはんだなどによってバンプ３０を介した接合を行う。

その後は、図２（ｄ）に示されるように、半導体素子１０の端部から、半導体素子１０と基板２０との隙間へアンダーフィル材４０を注入して硬化させれば、本実施形態の半導体装置１００ができあがる。なお、図２（ｄ）および上記図１に示されるように、固体部材５０と基板２０との隙間は、注入性に優れたアンダーフィル材４０により隙間なく充填される。

このように、本実施形態の製造方法によれば、半導体素子１０と基板２０とを、バンプ３０を介して電気的に接合し、半導体素子１０と基板２０との隙間にアンダーフィル材４０を充填してなり、アンダーフィル材４０の内部に固体部材５０を配置してなる半導体装置１００の製造方法において、固体部材５０を半導体素子１０に配置し、その後、固体部材５０を介して、半導体素子１０と基板２０とを対向させてバンプ３０による接合を行い、続いて、半導体素子１０と基板２０との隙間にアンダーフィル材４０を充填する製造方法が提供される。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置１０１の製造方法を示す工程図であり、各工程におけるワークを断面的に示したものである。上記図２に示される製造方法では、固体部材５０を半導体素子１０側に先に取り付けたが、本実施形態では、基板２０側に先に固体部材５０を取り付ける方法を示す。

まず、図３（ａ）に示されるように、基板２０の一面におけるバンプ３０の内周側となる部位に、固体部材５０を接着して取り付ける。次に、図３（ｂ）に示されるように、固定部材５０が付いた基板２０の一面と半導体素子１０の一面とを対向させる。

そして、図３（ｃ）、（ｄ）に示されるように、上記第１実施形態と同様に、固体部材５０を介して、半導体素子１０を基板２０の一面上に搭載してバンプ３０を介した接合を行い、その後、半導体素子１０と基板２０との隙間へアンダーフィル材４０を充填する。こうして、本実施形態の半導体装置１０１ができあがる。

このように、本実施形態の製造方法によれば、半導体素子１０と基板２０とを、バンプ３０を介して電気的に接合し、半導体素子１０と基板２０との隙間にアンダーフィル材４０を充填してなり、アンダーフィル材４０の内部に固体部材５０を配置してなる半導体装置１０１の製造方法において、固体部材５０を基板２０に配置し、その後、固体部材５０を介して、半導体素子１０と基板２０とを対向させてバンプ３０による接合を行い、続いて、半導体素子１０と基板２０との隙間にアンダーフィル材４０を充填する製造方法が提供される。

なお、図３（ｄ）に示されるように、本実施形態では、固体部材５０と半導体素子１０との隙間は、注入性に優れたアンダーフィル材４０により隙間なく充填される。この本実施形態の半導体装置１０１によっても、上記第１実施形態の半導体装置と同様の作用効果が期待できる。

（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部工程を示す概略断面図であり、固体部材５０の設置工程におけるワークを断面的に示したものである。

上述したように、固体部材５０を構成する固体材料としては、アンダーフィル材４０の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数の値を持つものであれば、無機物と有機物との複合材料であってもよい。

具体的に、この複合材料としては、エポキシ樹脂にシリカやガラスなどよりなるフィラーを含有させたものが挙げられ、その比率は、たとえば、樹脂とフィラーとの合計を１００％としたとき樹脂３０％、フィラー７０％程度である。

そして、この場合、上記各実施形態の製造方法のように、当該複合材料を固体の状態で半導体素子１０または基板２０に接着などにより取り付けてもよいが、それ以外にも、当該取り付けは以下のようなもう一つの方法でもよい。

すなわち、もう一つの方法では、基板２０上に無機フィラーを高充填した樹脂材料を、上記バンプ３０が乗らない部分に、印刷もしくはスタンプなどの工法で塗布し、その後、硬化する。これにより、基板２０への固体部材５０の配置が行われる。その後は、図示しない上記半導体素子１０を基板２０上にフリップチップ実装し、上記アンダーフィル材４０の充填を行えば、本実施形態における半導体装置ができあがる。

本実施形態の半導体装置は、たとえば、上記した図３（ｄ）に示されるものと同様の形状となる。なお、図４では、基板２０に、上記複合材料よりなる固体部材５０を取り付ける例を示したが、半導体素子１０に取り付ける場合も同様である。

このように、本実施形態によれば、固体部材５０を無機フィラーを含有した樹脂材料よりなるものとし、この樹脂材料を、半導体素子１０および基板２０のどちらか一方に印刷工法によって形成することにより、固体部材５０の配置を行う、という製造方法が提供されることになる。

（他の実施形態）
なお、固体部材５０としては、アンダーフィル材４０の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数の値を持つ固体材料よりなる部材であればよく、上記実施形態に示した材料、形状に限定されるものではない。

また、半導体装置としては、半導体素子と基板とがバンプを介して電気的に接合され、半導体素子と基板との隙間にアンダーフィル材が充填されているものであればよい。

そして、このような半導体装置において、当該半導体素子と基板との隙間に充填されるアンダーフィル材の一部を上記固体部材に置き換えることで、上記各実施形態のように、含有されるフィラーを少なく、もしくは０にしてアンダーフィル材の注入性を上げたとしても、接続信頼性を良好に維持できるものである。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面図である。 上記第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を示す概略断面図である。

符号の説明

１０…半導体素子、２０…基板、３０…バンプ、
４０…樹脂部材としてのアンダーフィル材、５０…固体部材。

Claims (4)

1. 半導体素子（１０）と基板（２０）とがバンプ（３０）を介して電気的に接合され、前記半導体素子（１０）と前記基板（２０）との隙間に樹脂よりなる樹脂部材（４０）が充填されている半導体装置において、
   前記樹脂部材（４０）の内部に、前記樹脂部材（４０）の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数の値を持つ固体材料よりなる部材（５０）が配置されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記固体材料の熱膨張係数は、前記半導体素子（１０）の熱膨張係数と前記基板（２０）の熱膨張係数との間の範囲の値であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記樹脂部材（４０）を構成する前記樹脂中には、無機材料よりなるフィラーが含まれていないことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
   前記固体材料よりなる部材（５０）を、前記半導体素子（１０）および前記基板（２０）のどちらか一方に配置し、
   その後、前記固体材料よりなる部材（５０）を介して、前記半導体素子（１０）と前記基板（２０）とを対向させて、前記バンプ（３０）による接合を行い、続いて、前記半導体素子（１０）と前記基板（２０）との隙間に前記樹脂部材（４０）を充填することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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