JP2008277631A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｐｂフリー半田の保護を強化し、信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置は、Ｐｂフリー半田でバンプ接続したフリップチップ型半導体装置であって、半導体チップの直下に形成したアンダーフィルは、２５℃での弾性率が６ＧＰａ〜８ＧＰaで、ガラス転移温度以下での線膨張係数が３５ｐｐｍ/Ｋ以下であり、チップの外周またはチップのコーナーに形成したアンダーフィルは、２５℃での弾性率が６ＧＰa以下で、ガラス転移温度以下での線膨張係数が５０ｐｐｍ／Ｋ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップの低誘電率層と、基板の配線層とを、Ｐｂフリー半田によりバンプ接続し、チップと基板の間にアンダーフィルを形成した環境配慮型のフリップチップ型半導体装置に関する。特に、本発明は、チップと基板との間に形成するアンダーフィルを改良した半導体装置に関する。

半導体装置における、半導体チップと基板との接続には、ワイヤボンド型とフリップチップ型とがある。ワイヤーボンド型は、半導体チップをフェイスアップの状態で基板に取り付けた後、ワイヤを半導体チップに接合し、つづいてワイヤの他端を基板に接合する。ワイヤーボンド型は、多数のワイヤにより信号を伝達するため、伝達の遅れとクロストークによるノイズが生じやすい、一方、フリップチップ型は、半導体チップの表面にバンプを形成した後、半導体チップを反転し、フェイスダウンの状態で基板に接続する。後者のフリップチップ型のうち、半田ボールによりバンプ接続するものをＦＣ−ＢＧＡ(Flip Chip Ball grid Array)といい、小型化と高密度化が可能である。

ＦＣ−ＰＧＡにおけるアンダーフィルは、チップの配線層とプリント基板の配線層とをバンプ接続した後に、液状の接着剤（以下、「アンダーフィル樹脂」ともいう。）を注入し、硬化させて形成する。アンダーフィル樹脂は、硬化すると、チップと基板との間の熱膨張係数の差により発生する半田接合部の応力を吸収するため、半導体パッケージの寿命を向上させる。アンダーフィルによる応力緩和は、アンダーフィルの物性値に起因して変化し、従来、アンダーフィル樹脂としては、たとえば、２５℃における弾性率が０．５〜５００ＭＰａであるビフェニル型エポキシ樹脂（特許文献１参照）、または、シリコーン型エポキシ樹脂を含み、２５℃での弾性率が５ＧＰａ以下の組成物（特許文献２参照）などがある。
特開平１１−１７０７５号公報 特開２００２−１２１２５９号公報

近年、半導体装置は、信号伝送の高速化が要求され、信号の伝送速度は、配線材料の比誘電率の平方根に反比例するため、半導体チップにおける配線材料の誘電率の低減による信号の高速化が検討されている。半導体チップの配線層の低誘電率化としては、ポーラス処理などが検討され、低誘電率層は、従来の誘電体層よりも強度が低く、長期信頼性が低い。したがって、低誘電率層を形成した半導体チップに、従来のアンダーフィル樹脂を充填してＦＣ−ＢＧＡを製造すると、冷熱ヒートサイクル試験などのストレス試験によって、低誘電率層が破壊されるという問題が生じるため、アンダーフィルによる半導体チップのさらなる応力緩和が必要である。

また、半導体装置においては、地球環境を配慮して、半田材料のＰｂフリー化が進められているが、Ｐｂフリー半田は、共晶半田より硬くて脆いという特性を有するため、従来のアンダーフィル樹脂をＰｂフリーのＦＣ−ＢＧＡに適用すると、冷熱ヒートサイクル試験などのストレス試験によって、Ｐｂフリー半田に容易にクラックが発生し、導通不良を起こしやすい。そのため、アンダーフィル樹脂でＰｂフリー半田を強固に保護する必要がある。

さらに、チップサイズは、適用する製品によって変わるが、データ処理量が多いときは、バンプ数は数千程度まで要望される。しかし、バンプ数が多くなると、チップサイズが大きくなり、発生する応力も増大するから、数千個のバンプを有するＦＣ−ＢＧＡでは、増大する応力により、冷熱ヒートサイクル試験などのストレス試験により不具合が発生しやすくなる。

本発明の課題は、低誘電率層を形成した半導体チップとＰｂフリー半田を組み合わせたＦＣ−ＢＧＡであって、数百から数千個のバンプを有する半導体装置において、アンダーフィルにより半導体チップへの応力を緩和し、Ｐｂフリー半田の保護を強化し、信頼性の高い半導体装置を提供することにある。

本発明のある実施の形態によれば、半導体チップの低誘電率配線層と基板の配線層とをＰｂフリー半田でバンプ接続した後、チップと基板との間にアンダーフィルを形成したフリップチップ型半導体装置であって、チップの直下に形成したアンダーフィルは、２５℃での弾性率が６ＧＰａ〜８ＧＰaで、ガラス転移温度以下での線膨張係数が３５ｐｐｍ/Ｋ以下であり、チップの外周またはチップのコーナーに形成したアンダーフィルは、２５℃での弾性率が６ＧＰa以下で、ガラス転移温度以下での線膨張係数が５０ｐｐｍ／Ｋ以下である半導体装置が提供される。

この実施の形態によれば、冷熱ヒートサイクル試験において、半導体チップの低誘電率配線層の破壊がなく、Ｐｂフリー半田の導通不良が発生しない信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

本発明の半導体装置は、半導体チップの低誘電率配線層をＰｂフリー半田でバンプ接続したフリップチップ型半導体装置であって、チップの直下に形成したアンダーフィルは、２５℃での弾性率が６〜８ＧＰaで、ガラス転移温度以下での線膨張係数が３５ｐｐｍ/Ｋ以下であり、チップの外周またはチップのコーナーに形成したアンダーフィルは、２５℃での弾性率が６ＧＰa以下で、ガラス転移温度以下での線膨張係数が５０ｐｐｍ／Ｋ以下である。

半導体装置は、長期使用時の信頼性が要求され、信頼性試験の中でも冷熱ヒートサイクル試験において、線膨張係数の異なる材料を組み合わせたＦＣ−ＢＧＡで最も厳しい結果が表れることが知られている。本発明の半導体装置では、アンダーフィルにより、半導体チップの低誘電率配線層の応力を緩和し、Ｐｂフリー半田の保護を強化する。このため、冷熱ヒートサイクル試験において、半導体チップにおける低誘電率配線層の破壊がなく、Ｐｂフリー半田の導通不良が発生しない信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

また、本発明の半導体装置では、半導体チップの配線層における誘電体層の比誘電率が、３．０以下であっても、さらに２．８以下であっても、冷熱ヒートサイクル試験において２０００回以上の優れた信頼性が得られ、数千個のバンプを形成した場合でも、同様の信頼性が得られる。また、冷熱ヒートサイクル試験では、低温側ではより低温での特性、高温側ではより高温での特性が要求されるようになり、たとえば、低温側ではマイナス５５℃、高温側では１５０℃での信頼性が要求される。本発明の半導体装置は、マイナス５５℃と１５０℃の冷熱ヒートサイクル試験において、２０００サイクル以上の信頼性が得られる。

本発明の半導体装置の断面図を図１に例示する。半導体チップ１における配線層の誘電体層には低誘電率層が用いられる。半導体チップ１の配線層の最外層に、プリント基板２との接続のために、Ｐｂフリー半田３を形成する。プリント基板２には、Ｐｂフリー半田による回路パターンを形成した配線層が設けられている。プリント基板２は、汎用のＦＲ４、ＦＲ５または高周波対応基板などを用途に応じて使い分けることができる。プリント基板の積層数およびサイズも、用途に応じて、任意に選択することができる。低誘電率層を有する半導体チップ１とプリント基板２は、フリップチップ接続され、両者の回路パターンが接続される。半導体チップ１とプリント基板２とのギャップは、１０〜３００μｍが一般的である。

ＦＣ−ＢＧＡは、チップと基板間にアンダーフィル樹脂を注入して、加熱硬化して形成する。アンダーフィル樹脂は、チップの外方まで及び、フィレット（チップの外周部）を形成する。本発明では、２種類のアンダーフィルを組み合わせて、ＦＣ−ＢＧＡを作製する。図１に示すように、アンダーフィル４のうち、アンダーフィル４ａ（以下、「アンダーフィルＡ」ともいう。）は、半導体チップ１の直下に形成する。また、アンダーフィル４ｂ（以下、「アンダーフィルＢ」ともいう。）は、半導体チップ１の外周またはコーナーに形成する。

図２と図３は、本発明の半導体装置の平面図である。図２に示す半導体装置におけるアンダーフィル２４のうち、アンダーフィル２４ａは、半導体チップ２１と基板２２の間に注入したアンダーフィルがフィレットにまで及び、加熱により形成したものである。また、半導体チップ２１のコーナーには、アンダーフィル２４ｂが形成されている。一方、図３に示す半導体装置では、半導体チップ３１の外周にアンダーフィル３４ｂが形成されている。半導体チップ直下に形成したアンダーフィルＡは、低誘電率層の応力緩和とＰｂフリー半田の保護強化の役割を担っている。Ｐｂフリー半田のバンプ数は製品によって異なるが、全てのＰｂフリー半田をアンダーフィルＡで覆う態様が好ましい。Ｐｂフリー半田は、半導体チップの少し内側に配置され、チップの外周には存在しないが、低誘電率層は、通常、半導体チップの全面に設けられる。したがって、チップの外周は、低誘電率層のみが存在する領域になるため、アンダーフィルＢは、チップの外周またはコーナーにおける低誘電率層の応力緩和を主目的として形成される。

従来のＦＣ−ＢＧＡでは、冷熱ヒートサイクル試験を行なうと、低誘電率層のうち、チップのコーナから破壊が始まり、冷熱ヒートサイクル試験のサイクル数の増加に伴って、チップ中央部分まで破壊が広がっていくことが実験的に確認できた。シミュレーションによる応力解析からも、低誘電率層の応力は、チップのコーナが、他の領域よりも極めて高いことがわかった。そのため、チップの破壊を抑える上では、チップのコーナにおける低誘電率層の応力緩和が重要である。

高弾性なアンダーフィル樹脂と低弾性なアンダーフィル樹脂のうちいずれかを用いて、従来構造のＦＣ−ＢＧＡを作製し、冷熱ヒートサイクル試験を行なうと、低誘電率層の応力緩和とＰｂフリー半田の保護強化は、アンダーフィル樹脂に関して、競合し、両立できない関係にあることがわかる。たとえば、低誘電率層の応力緩和には、アンダーフィルの弾性率を下げる方が望ましいが、Ｐｂフリー半田の保護強化には、アンダーフィルの弾性率を上げる方が望ましい。

そのため、本発明においては、機能に応じた最適なアンダーフィルを形成するために、２種類のアンダーフィル樹脂を使い分ける。半導体チップの直下に形成するアンダーフィルＡは、Ｐｂフリー半田の保護を強化する点で、２５℃での弾性率を６ＧＰａ以上とし、６．５ＧＰａ以上が好ましい。また、アンダーフィルＡについても、低誘電率層の応力緩和機能を維持する点で、２５℃での弾性率を８ＧＰa以下とし、７．５ＧＰａ以下とするのが好ましい。一方、半導体チップの外周またはコーナーに形成するアンダーフィルＢは、Ｐｂフリー半田が存在せず、低誘電率層の応力緩和を主目的とするため、２５℃での弾性率を６ＧＰａ以下とし、５ＧＰａ以下が好ましい。アンダーフィルＡの弾性率を高く設定し、Ｐｂフリー半田の保護強化を図りながら、アンダーフィル樹脂Ｂの弾性率を低く設定し、低弾性率層の応力緩和を効果的に行なうことができる。本明細書における弾性率は、ＪＩＳ規格Ｋ６９１１に定める方法により測定する。

また、半導体チップの直下に形成するアンダーフィルＡは、半導体チップとパッケージ基板との熱膨張係数の差を小さくすることによって、冷熱ヒートサイクルにより発生する低誘電率層の熱応力とＰｂフリー半田の熱応力の両者を効果的に緩和させる点で、ガラス転移温度以下での線膨張係数を３５ｐｐｍ／Ｋ以下とし、好ましくは３３ｐｐｍ／Ｋ以下とする。一方、半導体チップの外周またはコーナーに形成するアンダーフィルＢは、脆弱なポーラス構造の低誘電率層に発生する熱応力のみを緩和させる点で、ガラス転移温度以下の線膨張係数を５０ｐｐｍ／Ｋ以下とし、好ましくは４５ｐｐｍ／Ｋ以下とする。本明細書における線膨張係数は、熱機械分析装置ＴＭＡ(Thermomechanical Analysis)により測定する。

本発明のアンダーフィル樹脂は、有機成分と無機充填剤を分散させたものが好ましい。有機成分の主成分は、液状エポキシ樹脂であり、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェニルグリシジルエーテル、シリコーン変性エポキシ樹脂などが好ましく、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂が、基板との接着性が良好である点で、より好ましい。また、有機成分には、硬化剤として、芳香族アミン、脂肪族アミン、酸無水物系などを用いるのが好ましく、芳香族系アミン系硬化剤が、耐湿性と接着性が優れている点で、より好ましい。硬化剤の配合比は、主剤のエポキシ当量と合致するように調整する。さらに、有機成分には、添加剤として、パウダーを添加する態様が、応力緩和を促進する点で、好ましい。パウダーとしては、シリコーンゴム、シリコーンオイル、ポリブタジエンゴムまたはメタクリル酸メチル・ブタジエン・スチレン樹脂などが好適であり、応力緩和の観点から、シリコーン系パウダーがより好ましい。

無機充填剤としては、シリカ、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素またはタルクなどを用いることができ、接着性を向上する点で、シランカップリング剤などで表面処理したものを好ましく使用することができ、シリカ粒子が安価であるため、好ましく用いられる。シリカ粒子は、平均粒径が１μｍ前後で、流動性の優れた球状シリカが好ましく用いられる。また、半導体装置の誤動作を防止するため、α線を放射するウランやトリウムなどの不純物濃度が、０．１ｐｐｂ以下のシリカ粒子が好ましい。

有機溶剤は、粘度調整のために、適宜使用することができる。有機溶剤の例としては、ジエチレングリコール、キシレン、シクロヘキサノン、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、２−エトキシエタノール、１，２−エタンジオール、ホルムアミド、カルビトール、ジエチレングリコールブチルエーテルアセテートが挙げられる。また、必要に応じて、カーボンブラックなどの顔料もしくは染料を配合することができ、カーボンブラックは、樹脂劣化による変色を隠す点で、好ましい。以上の樹脂組成は、半導体チップにおける低誘電率層の応力緩和を主目的とし、チップの外周またはコーナーに形成するアンダーフィルＢの樹脂組成として特に重要である。

本発明のアンダーフィル樹脂は、分散処理を施して使用し、混合、攪拌、分散などの装置は、特に限定されるものでないが、ライカイ機、３本ロール、ボールミル、ビーズミルなどが好適であり、これらの装置を適宜組み合わせて使用することができる。また、半導体チップを、ポリイミド膜でコートして用いる態様も好ましく、半導体チップ上のポリイミド膜とアンダーフィル樹脂の接着性を向上させるために、アンダーフィル樹脂を注入する前に、ポリイミド膜をプラズマ処理あるいはベーク処理する態様が好ましい。

本発明の半導体装置の製造方法は、基板上のＰｂフリー半田バンプと、低誘電率配線層を有する半導体チップとを、フリップチップ接合する工程と、アンダーフィル樹脂を充填し、加熱する工程を有する。アンダーフィルＡを先に形成する場合と、アンダーフィルＢを先に形成する場合があるが、その順番は、本発明において、限定されるものではない。たとえば、アンダーフィル樹脂をチップの外周またはコーナーに塗布し、熱処理によりアンダーフィル樹脂を硬化させ、アンダーフィルＢを形成し、その後、アンダーフィル樹脂をチップとプリント基板間に注入して、熱処理によって硬化させ、アンダーフィルＡを形成することができる。

一方、チップとプリント基板間にアンダーフィル樹脂を注入した後、アンダーフィル樹脂をチップの外周またはコーナーに塗布し、同時に硬化して、アンダーフィルＡとアンダーフィルＢを形成することができる。または、チップと基板間にアンダーフィル樹脂を注入して先に硬化させてアンダーフィルＡを形成した後、チップの外周またはコーナーにアンダーフィル樹脂を塗布し、硬化することによりアンダーフィルＢを形成することもできる。このように、アンダーフィル樹脂を塗布する順番と硬化する順番は、任意に選択することができるが、図２に示すようなＦＣ−ＢＧＡを作製する場合には、アンダーフィル樹脂を先にチップとプリント基板間に注入し、その後、チップの外周またはコーナーにアンダーフィル樹脂を塗布し、同時に硬化する方が、生産工程を減らす上で望ましい。

図４は、本発明の他の態様の半導体装置の断面図であり、図１に示す態様の半導体装置の半導体チップ上にヒートスプレッダーを追加した構造を有する。この半導体装置は、図４に示すように、半導体チップ４１とプリント基板４２とをＰｂフリー半田４３でバンプ接続した後、チップと基板との間に、アンダーフィル４４を形成したフリップチップ型半導体装置である。アンダーフィル４４は、半導体チップ４１の直下に形成したアンダーフィル４４ａと、半導体チップ４１の外周またはコーナーに形成したアンダーフィル４４ｂとから構成される。半導体チップ４１上には、放熱樹脂４６が塗布され、放熱樹脂４６上にヒートスプレッダー４７を備える。放熱樹脂４６は、シリコーン系ゴムまたはシリコーン系ゲルなどの樹脂中に、アルミナ、アルミ、Ａｇなどの熱伝導性材料を分散させたものが好ましく用いられる。また、ヒートスプレッダー４７は、Ｎｉメッキなどの酸化防止処理を施したＣｕ板が好適である。

（実施例１）
アンダーフィル樹脂は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１０００ｇ、フェニレンジアミン２３０ｇ、反応性希釈剤としてヘキサンジオールジグリシジルエーテル１５４ｇ、平均粒径１μｍの球状シリカを３本ロールで混合分散して作製した。球状シリカは、表１に示す配合率になるように調製し、接着性向上を目的として、グリシドキシプロピルトリメトキシシラン２３ｇを配合し、応力緩和剤として、シリコーンゴム１５４ｇを配合した。このようにして、硬化後、２５℃での弾性率と、ガラス転移温度以下での線膨張係数が表１に示すようなアンダーフィル樹脂Ａ１，Ａ２，Ｂ〜Ｅを作製した。

半導体チップの配線層における誘電体層の比誘電率が２．８である半導体チップの配線層と、プリント基板の配線層とをＰｂフリー半田でバンプ接続し、角チップの４つのコーナーにアンダーフィル樹脂Ｂを塗布し、加熱硬化した。その後、アンダーフィル樹脂Ａ２をチップと基板の間に注入し、チップの４つのコーナ以外のチップ外周にもアンダーフィル樹脂Ａ２を塗布し、加熱硬化した。チップ上にシリコーン系の放熱樹脂を塗布し、ヒートスプレッダーを取り付けて、半導体装置を作製した。この半導体装置に、マイナス５５℃と１５０℃の冷熱ヒートサイクル試験を２０００サイクル実施した後に、超音波顕微鏡で半導体チップの誘電体層を観察した結果、誘電体層が破壊されていないことが確認できた。アンダーフィルの物性と評価の結果を表２に示す。

（比較例１）
２種類のアンダーフィル樹脂を使い分けず、アンダーフィル樹脂Ｂをチップ直下およびチップの外周の両方に形成した以外は実施例１と同様にして、半導体装置を作製し、実施例１と同様に評価した結果、チップの誘電体層が破壊されていることがわかった。アンダーフィルの物性と評価の結果を表２に示す。

（比較例２〜４）
比較例１と同様に、同一のアンダーフィル樹脂をチップ直下およびチップの外周の両方に形成して、半導体装置を作製し、比較例１と同様に評価した。比較例２では、アンダーフィルＣを使用し、比較例３では、アンダーフィルＤを使用し、比較例４では、アンダーフィルＥを使用した。しかし、比較例２〜４では、冷熱ヒートサイクル試験を５００サイクル実施しただけで、チップの誘電体層が破壊された。アンダーフィルの物性と評価の結果を表２に示す。

比較例２〜４で使用したアンダーフィル樹脂は、弾性率は小さいが、線膨張係数が大きいため、半導体チップの誘電体層の応力緩和を十分に実現できなかったためと考えられた。したがって、チップの直下に形成するアンダーフィルと、チップの外周またはコーナーに形成するアンダーフィルとでは、アンダーフィルに求められている特性が異なり、両者のアンダーフィル樹脂を最適に組み合わせることにより、低誘電率チップとＰｂフリー半田を組み合わせた半導体装置の信頼性の向上が可能であることがわかった。

（実施例２）
半導体チップの直下にアンダーフィル樹脂Ａ１を注入し、半導体チップの外周にアンダーフィル樹脂Ｂを塗布した以外は実施例１と同様に半導体装置を作製し、実施例１と同様に評価した。その結果、冷熱ヒートサイクル試験を２０００サイクル行なったが、誘電体層は破壊されなかった。つまり、低誘電率層とＰｂフリー半田を組み合わせた半導体装置において、優れた信頼性が得られた。アンダーフィルの物性と評価の結果を表２に示す。

（実施例３）
半導体チップの配線層における誘電体層の比誘電率が２．４である半導体チップを実装した以外は実施例２と同様にして半導体装置を作製し、実施例２と同様に評価した。その結果、冷熱ヒートサイクル試験を２０００サイクル行なったが、誘電体層は破壊されなかった。したがって、脆弱な低誘電体層からなる半導体チップとＰｂフリー半田を組み合わせた半導体装置においても、高い信頼性を有する半導体装置を提供できることがわかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Ｐｂフリー半田の導通不良が発生しない信頼性の高い半導体装置を提供することができる。

本発明の半導体装置の断面図である。 本発明の半導体装置の平面図である。 本発明の半導体装置の平面図である。 本発明の半導体装置の断面図である。

符号の説明

１ 半導体チップ、２ プリント基板、３ Ｐｂフリー半田、４，４ａ，４ｂ アンダーフィル、４６ 放熱樹脂、４７ ヒートスプレッダー。

Claims (3)

1. 半導体チップの低誘電率配線層と基板の配線層とをＰｂフリー半田でバンプ接続した後、チップと基板との間にアンダーフィルを形成したフリップチップ型半導体装置であって、
   チップの直下に形成したアンダーフィルは、２５℃での弾性率が６ＧＰａ〜８ＧＰaで、ガラス転移温度以下での線膨張係数が３５ｐｐｍ/Ｋ以下であり、
   チップの外周またはチップのコーナーに形成したアンダーフィルは、２５℃での弾性率が６ＧＰa以下で、ガラス転移温度以下での線膨張係数が５０ｐｐｍ／Ｋ以下である半導体装置。
2. チップの外周またはチップのコーナーに形成したアンダーフィルは、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂と、芳香族アミン系硬化剤と、シリコーン系応力緩和剤とシリカ粒子を含む材料により形成された請求項１に記載の半導体装置。
3. 半導体チップの配線層における誘電体層は、比誘電率が３．０以下である請求項１または２に記載の半導体装置。

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