JP2010118469A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カーボンナノチューブに接着剤が付着して硬化すると弾性を利用した接触が損われるため、半導体チップとスペーサの間の隙間を通過しにくくし、付着を防ぐ接着剤を提供する。
【解決手段】半導体チップ５０が、実装基板１０に間隙を隔てて対向し、実装基板の電極と接続部材５５が電気的に接続する。実装基板と半導体チップとの間にスペーサ２１が配置され、間隙を確保し、平面視において実装基板及び半導体チップの電極が分布する領域を取り囲む。スペーサ、実装基板、及び半導体チップで囲まれた空洞の外側に接着剤３５が配置される。接着剤は、半導体チップの表面の第１の領域と実装基板の表面の第２の領域とに密着して半導体チップを実装基板に固定する。スペーサに対する接着剤の親和性が、半導体チップの第１の領域に対する親和性及び実装基板の第２の領域に対する親和性のいずれよりも低い。
【選択図】図２

Description

本発明は、実装基板に半導体チップを実装し、接着剤で固定した半導体装置及びその製造方法に関する。

従来、半導体チップを実装基板に実装する場合、半田等の金属からなる金属バンプにより、実装基板上の電極と半導体チップ上の電極とを、機械的及び電気的に接続していた。

半導体チップの集積度が向上し、電極の微細化が進むと、金属バンプを流れる電流密度が増大する。このため、エレクトロマイグレーションにより、金属バンプを構成している金属原子が移動し易くなる。金属原子の移動は、バンプの断線を引き起こす。

さらに、半田溶融接合の際に、半導体チップと実装基板が高温になる。実装後、半導体チップ及び実装基板が室温まで低下すると、両者の熱膨張係数の相違によって応力が発生する。通常、実装基板の熱膨張係数は、半導体チップの熱膨張係数の１０倍以上である。このとき、半導体チップ及び実装基板が室温まで低下すると、実装基板がより大きく収縮する。これにより、半導体チップに、面内方向の圧縮応力が印加される。応力が発生すると、機械的に最も弱い部分に破壊が生ずる。例えば、金属バンプ、半導体チップの低誘電率絶縁材料等が破壊されてしまう。なお、実装後の動作時における温度変化によっても、同様の応力が発生する。

カーボンナノチューブを用いて、実装基板の接点と半導体チップの接点とを電気的に接続する技術が知られている（特許文献１）。カーボンナノチューブを用いると、金属を用いた場合に比べて、エレクトロマイグレーションによる断線が生じにくい。カーボンナノチューブの弾性により、応力の集中を抑制し、機械的破壊を防止することができる。

特開２００７−３１１７００号公報

半導体チップを実装基板に実装した後、両者間の隙間にアンダーフィルと呼ばれる封止剤を、キャピラリフロー（毛細管流動）を利用して流し込み、半導体チップを実装基板に固定する方法が一般的である。カーボンナノチューブ等の弾性を有する接続部材が封止剤に濡れた状態で封止剤が硬化すると、接続部材に期待されている弾性が損なわれる。

上記課題を解決するための半導体装置は、
実装面に複数の電極が形成されている実装基板と、
前記実装基板に間隙を隔てて対向し、該実装基板上の電極に対応する位置に電極が形成されている半導体チップと、
前記実装基板の電極と、前記半導体チップの対応する電極とを電気的に接続する接続部材と、
前記実装基板と前記半導体チップとの間に配置され、該実装基板と該半導体チップとの間に間隙を確保し、平面視において、前記実装基板及び前記半導体チップの電極が分布する領域を取り囲むスペーサと、
前記スペーサ、前記実装基板、及び前記半導体チップで囲まれた空洞の外側に配置され、前記半導体チップの表面の第１の領域と前記実装基板の表面の第２の領域とに密着して該半導体チップを該実装基板に固定し、前記スペーサに対する親和性が、前記半導体チップの前記第１の領域に対する親和性及び前記実装基板の前記第２の領域に対する親和性のいずれよりも低い接着剤と
を有する。

上記課題を解決するための半導体装置の製造方法は、
実装面に複数の電極が形成されている実装基板の該実装面に、該電極が分布する領域を取り囲む平面形状を持つスペーサを配置する工程と、
前記スペーサを介して、前記実装基板の上に半導体チップを配置し、該半導体チップの表面に形成されている複数の電極を、それぞれ前記実装基板の実装面に形成されている複数の電極に電気的に接続する工程と、
前記スペーサ、前記実装基板、及び前記半導体チップで囲まれた空洞の外側において、前記半導体チップの表面の第１の領域から前記実装基板の表面の第２の領域まで連続するように、前記スペーサに対する親和性が、前記半導体チップの前記第１の領域に対する親和性及び前記実装基板の前記第２の領域に対する親和性のいずれよりも低い接着剤を塗布する工程と、
塗布された前記接着剤を硬化させる工程と
を有する。

接着剤とスペーサとの親和性が低いため、実装基板、半導体チップ、及びスペーサで囲まれた空洞内に侵入し難くなる。

実施例を説明する前に、半導体チップを接着剤で実装基板に固定する方法の一例について説明する。

図４Ａに示すように、実装基板１０と半導体チップ５０とが、相互に対向して配置されている。両者の間に、半導体チップ５０の外周線に沿う枠状のスペーサ２０が配置されている。スペーサ２０は、実装基板１０に接着剤で固定されている。半導体チップ５０は、接着剤３０によりスペーサ２０に固定されている。接着剤３０は、半導体チップ５０の外周近傍の表面をスペーサ２０の上面に接触させた状態で、半導体チップ５０の外周に沿って塗布される。半導体チップ５０の電極と実装基板１０の電極とは、カーボンナノチューブ５５により相互に電気的に接続される。

図４Ｂに示すように、カーボンナノチューブ５５の長さのばらつき等により、半導体チップ５０の外周の一部分において、半導体チップ５０とスペーサ２０との間に隙間５６が発生する場合がある。隙間５６が発生していると、接着剤３０を塗布した時点で、毛細管現象により、接着剤３０が実装基板１０と半導体チップ５０との間の空間に侵入してしまう。この空間に侵入した接着剤３０ａは、カーボンナノチューブ５５に接触した状態で硬化し、カーボンナノチューブ５５の弾性を損なう。

図１Ａ〜図１Ｅを参照して、実施例１による半導体装置の製造方法について説明する。

図１Ａに示すように、実装基板１０と半導体チップ５０とを、実装基板１０の実装面と半導体チップ５０の素子形成面とを相互に対向させて配置する。実装基板１０の実装面に、複数の電極２２が形成されている。実装基板１０は、例えば複数の配線層が形成されたプリント配線板である。実装基板１０の実装面のうち電極２２が形成されていない領域は、例えばソルダーレジスト２３で覆われている。実装基板１０の実装面に、スペーサ２１が配置されている。スペーサ２１は、半導体チップ５０の外周線に沿う平面形状及び寸法を有する。スペーサ２１には、無極性の樹脂、例えばパラフィンが用いられる。パラフィンとして、接着剤を硬化させる後の工程における加熱温度よりも高い融点を持つものを用いる必要がある。例えば、融点１９８℃のテトラクロロナフタレンや、融点１９４℃のヘキサクロロナフタレン等を用いることができる。また、パラフィン以外に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を用いることも可能である。

半導体チップ５０の素子形成面に、複数の電極５１が形成されている。複数の電極５１は、それぞれ実装基板１０の実装面に形成されている電極２２に対応する位置に配置されている。半導体チップ５０の素子形成面のうち、電極５１が形成されていない領域は、絶縁性の保護膜５２で覆われている。保護膜５２には、酸化シリコン、窒化シリコン等が用いられる。

電極５１の各々から、複数のカーボンナノチューブ５５が延びている。カーボンナノチューブ５５の形成方法は、例えば特開２００７−３１１７００号公報に説明されている。以下、カーボンナノチューブ５５の形成方法について説明する。

シリコンからなる成長用基板に、厚さ５ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）膜と、厚さ２ｎｍの鉄（Ｆｅ）膜とを順番に形成する。この成長用基板に、化学気相成長（ＣＶＤ）により、カーボンナノチューブを成長させる。プロセスガスとしてアセチレンガスを用い、キャリアガスとしてアルゴンガスまたは水素ガスを用いる。成長圧力は１００Ｐａとし、成長温度は６００℃とする。カーボンナノチューブの長さは成長時間により制御可能である。本実施例１では、カーボンナノチューブの長さを１００μｍとする。

半導体チップ５０の電極５１の表面に、導電性微粒子を含む接着剤、例えば銀（Ａｇ）ペーストを塗布しておく。成長用基板に成長したカーボンナノチューブの先端を、半導体チップ５０の電極５１の表面に押し当てる。この状態で、導電性微粒子を含む接着剤を硬化させることにより、カーボンナノチューブを電極５１に固定する。その後、成長用基板を半導体チップ５０から引き離す。電極５１に固定されたカーボンナノチューブが半導体チップ５０側に残り、その他のカーボンナノチューブは、成長用基板と共に、半導体チップ５０から引き離される。

図１Ｂに、実装基板１０及びスペーサ２１の平面図を示す。図１Ｂの一点鎖線１Ａ−１Ａにおける断面図が図１Ａに相当する。スペーサ２１は、幅０．５ｍｍの枠状の平面形状を有し、電極２２が分布する領域を取り囲むように位置決めされる。半導体チップ５０の平面形状が正方形である場合には、スペーサ２１は、正方形の外周線に沿う形状を有する。また、スペーサ２１は、接着剤により実装基板１０に接着され、固定されている。

図１Ｃに示すように、半導体チップ５０の電極５１を、実装基板１０の対応する電極２２に位置合わせし、カーボンナノチューブ５５の先端を電極２２に接触させる。半導体チップ５０に荷重を加えて、その素子形成面の外周部近傍の領域をスペーサ２１に接触させる。このとき、カーボンナノチューブ５５が弾性変形の範囲内で湾曲するように、スペーサ２１の高さが選択されている。半導体チップ５０、実装基板１０、及びスペーサ２１で囲まれた空洞６０が画定される。空洞６０内に、カーボンナノチューブ５５が収容される。

図１Ｄに示すように、半導体チップ５０がスペーサ２１に接触した状態で、接着剤３５を塗布する。接着剤３５は、半導体チップ５０の外周線に接する背面（素子形成面とは反対側の表面）の第１の領域５０Ａと、実装基板１０の実装面のうちスペーサ２１の外側の第２の領域１０Ａとに密着し、第１の領域５０Ａから第２の領域１０Ａまで連続する。接着剤３５には、スペーサ２１に対する親和性が、半導体チップ５０の第１の領域５０Ａに対する親和性、及び実装基板１０の第２の領域１０Ａに対する親和性のいずれよりも低いものが用いられる。例えば、接着剤３５として、エポキシ系樹脂、フェノキシ系樹脂、シアネートエステル系樹脂を用いることができる。

接着剤３５を、１５０℃で３０分間加熱することにより、硬化させる。これにより、半導体チップ５０が実装基板１０に固定される。接着剤３５は、空洞６０の外側に配置され、空洞６０内には侵入しない。

図１Ｅに示すように、接着剤３５が硬化した後に、荷重を解放する。この半導体装置の信頼性評価のために、−２５℃の１２５℃との間で、５００サイクルの温度サイクル試験を行った。その結果、半導体チップ５０の電極５１と、実装基板１０の電極２２との間の抵抗上昇率は１０％以下であった。また、温度１２１℃、湿度８５％の環境下に１０００時間放置したところ、抵抗上昇率は１０％以下であった。

図２に、半導体チップ５０とスペーサ２１との間に、部分的に隙間５６が形成されている場合の半導体装置の断面図を示す。カーボンナノチューブ５５の長さのばらつき等により、半導体チップ５０とスペーサ２１との間に隙間が発生する場合がある。スペーサ２１に対する接着剤３５の親和性が低いため、接着剤３５は、隙間５６を通って空洞６０内に侵入することはない。

接着剤３５が空洞６０内に侵入しないため、半導体チップ５０を実装基板１０に固定した後も、カーボンナノチューブ５５の弾性を維持することができる。

実施例１においては、スペーサ２１が接着剤で実装基板１０に接着されている。半導体チップ５０を実装基板１０に対向させて荷重を加えるときに、スペーサ２１の位置が固定されているため、半導体チップ５０の位置決めを容易にすることができる。ただし、半導体チップ５０は、接着剤３５により、実装基板１０に接着されるため、必ずしもスペーサ２１を実装基板１０に接着しておく必要はない。スペーサ２１は、半導体チップ５０を実装基板１０に固着させる機能を持つのではなく、半導体チップ５０と実装基板１０との間に、空洞６０を確保する機能を持つ。

上記実施例１では、スペーサ２１に無極性の樹脂を用い、接着剤３５に、スペーサとの親和性が低いものを用いた。無極性のスペーサ２１との親和性が低い接着剤３５として、極性を有する樹脂を用いることができる。スペーサ２１に無極性の樹脂を用い、接着剤３５に極性のある樹脂を用いたのは、半導体チップ５０の第１の領域５０Ａ及び実装基板１０の第２の領域１０Ａと、接着剤３５との親和性を高めるためである。

逆に、半導体チップ５０の第１の領域５０Ａ及び実装基板１０の第２の領域１０Ａに対して、無極性の接着剤の親和性が高い場合には、接着剤３５に無極性の樹脂を用い、スペーサ２１に極性を有する樹脂を用いればよい。

上記実施例１では、カーボンナノチューブ５５により半導体チップ５０の電極５１と、実装基板１０の電極２２とを電気的に接続したが、他の接続部材を用いて接続してもよい。なお、応力による断線を防止するために、接続部材として、弾性を有するものを用いることが好ましい。

図３に、実施例２による実装基板１０及びスペーサ２１の平面図を示す。実施例１では、図１Ｂに示したように、スペーサ２１が平面視において閉じた枠状であったが、実施例２においては、スペーサ２１が、正方形の相互に対向する一対の辺の中央に相当する位置で、２つの部分に分離されている。スペーサ２１を構成する２つの部分を実装基板１０の実装面に配置するときに、２つの部分の両端同士を接触させてもよいし、両端の端面同士が間隙２１Ａを介して対向するようにしてもよい。この間隙２１Ａを、接着剤３５が侵入しない程度まで狭くすれば、実施例１の図１Ｄに示した工程において、接着剤３５を塗布したときに、接着剤３５が空洞６０内に侵入することを防止できる。

パラフィン等の板を抜き打ちすることによりスペーサ２１を形成する場合、実施例１のように、スペーサ２１が閉じた枠状であれば、スペーサ２１の内側の正方形または長方形の部分が無駄になる。実施例２のように、スペーサ２１を２つの部分に分割すると、無駄な部分が発生しなくなり、パラフィン等の板を有効利用することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

（１Ａ）及び（１Ｂ）は、それぞれ実施例による半導体装置の製造方法の製造途中段階における装置の断面図及び平面図である。 （１Ｃ）及び（１Ｄ）は、実施例１による半導体装置の製造方法の製造途中段階における装置の断面図であり、（１Ｅ）は、実施例１による半導体装置の断面図である。 実施例１の変形例による半導体装置の断面図である。 実施例２による半導体装置の実装基板及びスペーサの平面図である。 （４Ａ）及び（４Ｂ）は、比較例による半導体装置の断面図である。

符号の説明

１０ 実装基板
１０Ａ 第２の領域
２０、２１ スペーサ
２１Ａ 間隙
２２ 電極
２３ ソルダーレジスト
３０、３５ 接着剤
５０ 半導体チップ
５０Ａ 第１の領域
５１ 電極
５２ 保護膜
５５ カーボンナノチューブ（接続部材）
５６ 隙間
６０ 空洞

Claims (5)

1. 実装面に複数の電極が形成されている実装基板と、
   前記実装基板に間隙を隔てて対向し、該実装基板上の電極に対応する位置に電極が形成されている半導体チップと、
   前記実装基板の電極と、前記半導体チップの対応する電極とを電気的に接続する接続部材と、
   前記実装基板と前記半導体チップとの間に配置され、該実装基板と該半導体チップとの間に間隙を確保し、平面視において、前記実装基板及び前記半導体チップの電極が分布する領域を取り囲むスペーサと、
   前記スペーサ、前記実装基板、及び前記半導体チップで囲まれた空洞の外側に配置され、前記半導体チップの表面の第１の領域と前記実装基板の表面の第２の領域とに密着して該半導体チップを該実装基板に固定し、前記スペーサに対する親和性が、前記半導体チップの前記第１の領域に対する親和性及び前記実装基板の前記第２の領域に対する親和性のいずれよりも低い接着剤と
   を有する半導体装置。
2. 前記スペーサは、無極性の樹脂で形成されており、前記接着剤は、極性を有する樹脂を含む請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記接続部材が、カーボンナノチューブであり、該カーボンナノチューブは湾曲しており、前記実装基板と前記半導体チップとの間の間隙を広げる向きの復元力を持つ請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 実装面に複数の電極が形成されている実装基板の該実装面に、該電極が分布する領域を取り囲む平面形状を持つスペーサを配置する工程と、
   前記スペーサを介して、前記実装基板の上に半導体チップを配置し、該半導体チップの表面に形成されている複数の電極を、それぞれ前記実装基板の実装面に形成されている複数の電極に電気的に接続する工程と、
   前記スペーサ、前記実装基板、及び前記半導体チップで囲まれた空洞の外側において、前記半導体チップの表面の第１の領域から前記実装基板の表面の第２の領域まで連続するように、前記スペーサに対する親和性が、前記半導体チップの前記第１の領域に対する親和性及び前記実装基板の前記第２の領域に対する親和性のいずれよりも低い接着剤を塗布する工程と、
   塗布された前記接着剤を硬化させる工程と
   を有する半導体装置の製造方法。
5. 前記半導体チップの電極を、前記実装基板の電極に電気的に接続する工程において、カーボンナノチューブを介して、前記半導体チップの電極を、前記実装基板の電極に電気的に接続する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。

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