JP2011119381A - 半導体装置の実装構造及び実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した信頼性を確保することができる半導体装置の実装構造及び実装方法を提供すること。
【解決手段】本発明にかかる半導体装置の実装構造は、半導体チップ１と、半導体チップ１と対向配置され、半導体チップ１がはんだボール４を介して接続されている実装基板２と、半導体チップ１と実装基板２との間に充填されたアンダーフィル材５と、アンダーフィル材５が半導体チップ１と実装基板２との間からはみ出して半導体チップ１の側面に掛かるよう形成されたフィレット部と、フィレット部に設けられ、アンダーフィル材５が分断されている切り込み部５ａと、を備えるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の実装構造及び実装方法に関し、特に詳しくはアンダーフィル材を用いた半導体装置の実装構造及び実装方法に関する。

電子機器の急速な発達に伴い、ＬＳＩなど半導体チップにはこれまで以上に高機能化が求められるようになってきている。半導体チップの多機能化に伴い半導体チップの入出力端子数は増加し、また半導体チップを高速動作させるための配線長は短縮化が求められている。こうした要求を実現するために開発された接続工法として、バンプを介して半導体チップを実装基板に接続するフリップチップ接続がある。

フリップチップ接続は半導体チップの配線面にエリア状に接続パッドを設けることができるため多ピン化に適している。また、ワイヤボンディングやテープオートメイティッドボンディングの様な他の半導体チップ接続工法と比較し、引き出し線を必要としないため配線長の短縮化が可能である。こうしたことから、電子機器に用いられる半導体チップの実装にはフリップチップ接続を使用したものが増加している。

フリップチップ接続に使用される一般的なバンプ電極の材料としては、Ａｕやはんだ等が用いられている。フリップチップ接続では、実装基板と半導体チップ間の熱膨張差に起因する応力が小さなバンプに集中し、クラック等によって電気的な接続が損なわれる虞がある。そこで、半導体チップと実装基板との間の電気的な接続の信頼性を確保するため、一般に、半導体チップと実装基板との隙間を樹脂封止している（例えば、特許文献１）。

図６は、従来の半導体装置の実装構造を示す断面図である。図６に示すように、ＬＳＩなどの半導体チップ１と配線基板などの実装基板２とが、はんだボール４にて実装されている。半導体チップ１は、はんだボール４により、実装基板２の電極パッド３とボンディングされている。そして、このように実装された実装基板２と半導体チップ１との間に、樹脂などからなるアンダーフィル材５が形成されている。

このアンダーフィル材５は、半導体チップ１を実装基板２にはんだボール４を用いてはんだ付けした後に、実装基板２と半導体チップ１との間に注入される。そして、半導体チップ１と実装基板２の間に充填されたアンダーフィル材５を硬化させる。これにより、熱膨張差によってはんだボール４部分に発生する応力を抑えることができる。すなわち、半導体チップ１と実装基板２の間の熱変形をアンダーフィル材５で拘束することで、バンプ等に発生する熱応力を低減し、半導体チップ１と実装基板２の間の接続不良を防止している。

アンダーフィル材５の充填状態は、半導体チップ１と実装基板２の間に充填されるアンダーフィル材５の充填量に応じて変化する。ここで、アンダーフィル材５の充填量と充填状態との関係について、図７〜図９を用いて説明する。

図７は、アンダーフィル材５の充填量が適量の場合の状態を示す拡大断面図である。図７に示す充填状態は、半導体チップ１と実装基板２との間の空間からはみ出したアンダーフィル材５が、半導体チップ１の側面の中央付近まで覆う状態となっている。このように、半導体チップ１の厚さｔに対して、ほぼ半分のｔ／２まで覆うようにアンダーフィル材５がはみ出している状態が、応力的に望ましく、最も信頼性を向上することが可能である。

これに対して、図８は、アンダーフィル材５の充填量が少ない場合の状態を示す拡大断面図である。図８に示す充填状態は、アンダーフィル材５の充填量が少なすぎて、アンダーフィル材５が半導体チップ１の側面に達していない状態となっている。すなわち、半導体チップ１と実装基板２との間の空間にアンダーフィル材５が充填されない未充填部が形成された状態となっている。ここまでアンダーフィル材５の充填量が少ないと、はんだボール４部分に発生する応力を十分に抑えることができない。

一方、図９は、アンダーフィル材５の充填量が多い場合の状態を示す拡大断面図である。図９に示す充填状態は、アンダーフィル材５の充填量が多すぎて、半導体チップ１と実装基板２との間の空間からはみ出したアンダーフィル材５が半導体チップ１の側面を完全に覆う状態となっている。ここまでアンダーフィル材５の充填量が多いと、半導体チップ１に応力が発生し、半導体チップ１内に剥離等の問題を発生させる虞がある。

このように、半導体チップ１と実装基板２との間からはみ出すアンダーフィル材５のフィレット高さは、アンダーフィル材５の充填量に応じて変化する。そこで、図７に示す充填状態のようにフィレット高さが半導体チップ１の厚さのほぼ半分の高さとなるアンダーフィル材５の所定量を予測し、この予測した所定量のアンダーフィル材５の注入を行っている。

特開２００７−１９４４０３号公報

しかしながら、実際の製造工程では、アンダーフィル材５を充填隙間へ充填するために予測した所定量のアンダーフィル材５をディスペンサから吐出したとしても、アンダーフィル材５の充填状態にばらつきが生じてしまう。

充填状態にばらつきが生じる主な原因として、次のものを挙げることができる。
（１）ディスペンサから実際に吐出されるアンダーフィル材５の吐出量にばらつきがあり、予測した所定量に対して過不足が生じる。
（２）はんだボール４ではんだ付けした際の半導体チップ１や実装基板２の傾きなどにより充填隙間にばらつきが生じ、この充填隙間において実際に適量となるアンダーフィル材５の量が、予測した所定量と異なる。

このような原因から、実際の製造工程では充填状態にばらつきが生じるので、フィレット高さを安定してコントロールすることが難しい。そのため、アンダーフィル材５のフィレット高さを半導体チップ１の側面中央付近に安定してコントロールすることが難しく、半導体チップ１と実装基板２との間の電気的な接続について安定した信頼性を確保することができないという問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、安定した信頼性を確保することができる半導体装置の実装構造及び実装方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる半導体装置の実装構造は、半導体装置と、前記半導体装置と対向配置され、前記半導体装置がバンプを介して接続されている実装基板と、前記半導体装置と前記実装基板との間に充填されたアンダーフィル材と、前記アンダーフィル材が前記半導体装置と前記実装基板との間からはみ出して前記半導体装置の側面に掛かるよう形成されたフィレット部と、前記フィレット部に設けられ、前記アンダーフィル材が分断されている切り込み部と、を備えるものである。

本発明の第２の態様にかかる半導体装置の実装構造は、半導体装置と、前記半導体装置と対向配置され、前記半導体装置がバンプを介して接続されている実装基板と、前記半導体装置と前記実装基板との間に充填されたアンダーフィル材と、前記アンダーフィル材が前記半導体装置と前記実装基板との間からはみ出して前記半導体装置の側面に掛かるよう形成されたフィレット部と、前記フィレット部に設けられ、前記アンダーフィル材が除去されている除去部と、を備えるものである。

また、本発明の第３の態様にかかる半導体装置の実装方法は、半導体装置を実装基板にバンプを介して接続し、前記半導体装置と前記実装基板との間にアンダーフィル材を充填し、前記アンダーフィル材が前記半導体装置と前記実装基板との間からはみ出して前記半導体装置の側面に掛かるよう形成されたフィレット部に、切り込み部又は除去部を形成するものである。

本発明によれば、安定した信頼性を確保することができる半導体装置の実装構造及び実装方法を提供することができる。

実施の形態１に係る半導体装置の実装構造を示す断面図である。 実施の形態１に係るアンダーフィル材のフィレット部を拡大した拡大断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の実装方法を説明するための断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の実装構造を示す断面図である。 実施の形態２に係るアンダーフィル材のフィレット部を拡大した拡大断面図である。 従来の半導体装置の実装構造を示す断面図である。 アンダーフィル材の充填量が適量の場合の状態を示す拡大断面図である。 アンダーフィル材の充填量が少ない場合の状態を示す拡大断面図である。 アンダーフィル材の充填量が多い場合の状態を示す拡大断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。また、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略されている。尚、各図において同一の符号を付されたものは同様の要素を示しており、適宜、説明が省略されている。

実施の形態１．
本実施の形態に係る半導体装置の実装構造について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置の実装構造を示す断面図である。

本実施の形態に係る半導体装置の実装構造は、図１に示すように、ＬＳＩなどの半導体チップ１と配線基板などの実装基板２とが、バンプであるはんだボール４にて実装されている。実装基板２は、半導体チップ１と対向配置されている。実装基板２には、半導体チップ１がはんだボール４を介して接続されている。半導体チップ１は、はんだボール４により、実装基板２の電極パッド３とボンディングされている。このボンディングは、機械的な接続とともに、半導体チップ１と実装基板２間の電気的接続の機能も果たしている。

そして、このように実装された実装基板２と半導体チップ１との間に、樹脂などからなるアンダーフィル材５が形成されている。アンダーフィル材５は、半導体チップ１と実装基板２との間の隙間からはみ出すよう充填されている。以下では、アンダーフィル材５が半導体チップ１と実装基板２との間からはみ出して形成されている部分をフィレット部とする。ここで、本実施の形態のアンダーフィル材５のフィレット形状について、図２を参照しながら詳細に説明する。図２は、実施の形態１に係るアンダーフィル材のフィレット部を拡大した拡大断面図である。

図２に示すように、アンダーフィル材５のフィレット部は、半導体チップ１と実装基板２との間の隙間からはみ出し、半導体チップ１の側面に掛かるよう充填されている。フィレット部は、半導体チップ１の側面のうち、少なくとも実装基板２側の半分を覆っている。フィレット部は、半導体チップ１の側面の厚さ方向の中央部から半導体チップ１の上面までの範囲内のフィレット高さを有している。

そして、アンダーフィル材５のフィレット部には、切り込みが入れられている切り込み部５ａが形成されている。すなわち、フィレット部には、アンダーフィル材５が分断されている切り込み部５ａが設けられている。この切り込み部５ａは、半導体チップ１の側面にて、半導体チップ１の厚さｔに対して、略ｔ／２となる位置に設けられている。切り込み部５ａは、半導体チップ１の側面近傍に達するまでの深さで形成されている。また、切り込み部５ａは、半導体チップ１の全周に亘って設けられている。すなわち、切り込み部５ａは、半導体チップ１の全側面にわたって連続的に形成されている。この切り込み部５ａにより、フィレット部のアンダーフィル材５が、半導体チップ１の厚さ方向の中央部付近を境として上の部分と下の部分とに、ほぼ分離されることとなる。

アンダーフィル材５にこのような切り込み部５ａを設けることで、半導体チップ１に応力が発生するのを防止することができるとともに、はんだボール４部分に発生する応力を十分に抑えることができる。すなわち、本実施の形態の実装構造は、図７に示したアンダーフィル材５の充填量が適量の場合の充填状態と同様の効果を得ることができ、信頼性を向上することが可能である。

このような切り込み部５ａを有するアンダーフィル材５によって、半導体チップ１と実装基板２とを機械的に結合して応力を緩和し、熱的負荷や機械的負荷を制限することができる。また、湿度等の外部ストレスから半導体チップ１と実装基板２との接合部を保護し、はんだボール４等のバンプを圧縮状態にしてバンプのクリープを抑制することができる。

続いて、本実施の形態に係る半導体装置の実装方法について、図３を用いて説明する。図３は、実施の形態１に係る半導体装置の実装方法を説明するための断面図である。まず、半導体チップ１を実装基板２の電極パッド３にはんだボール４を用いてはんだ付けする。これにより、図３（ａ）に示すように、半導体チップ１が実装基板２に実装される。

次に、実装された実装基板２と半導体チップ１との間に、アンダーフィル材５を注入する。このとき、本実施の形態では、半導体チップ１と実装基板２との間の隙間からアンダーフィル材５がはみ出し、はみ出したアンダーフィル材５が半導体チップ１の全側面の少なくとも下半分を覆うようにアンダーフィル材５を充填する。すなわち、アンダーフィル材５のフィレット高さが、半導体チップ１の全周にわたって、半導体チップ１の厚さの半分以上、かつ半導体チップ１の上面までの範囲内となるように、アンダーフィル材５を充填する。その後、充填したアンダーフィル材５を硬化する。これにより、図３（ｂ）に示す構成となる。

続いて、アンダーフィル材５のフィレット部に、切り込み部５ａを形成する。例えば、刃物状の治具を使用し、半導体チップ１の上面を基準として、半導体チップ１の厚さの略半分となる位置に切り込みを入れ、切り込み部５ａを形成する。なお、アンダーフィル材５に切り込み部５ａを形成する方法は、刃物状の治具を用いる方法に限らず、レーザー等を用いた方法であってもよい。以上の工程を経て、図３（ｃ）に示す半導体装置の実装構造が完成する。

以上のように、本実施の形態では、アンダーフィル材５のフィレット部に、半導体チップ１の厚さのほぼ１／２となる位置で切り込み部５ａを設けている。これにより、アンダーフィル材５の充填量やフィレット高さを厳密にコントロールすることなく、図７に示したアンダーフィル材５が半導体チップ１の側面の中央付近まで覆う充填状態と同様の効果を得ることができる。すなわち、半導体チップ１に応力が発生するのを防止し、かつ、はんだボール４部分に発生する応力を十分に抑えるために理想的な形状のアンダーフィル材５を、安定して得ることができる。従って、半導体チップ１と実装基板２との間の電気的な接続について安定した信頼性を確保することが可能である。

また、本実施の形態では、アンダーフィル材５の充填量やフィレット高さを厳密にコントロールする必要がなく、安定した信頼性を確保するために理想的な形状のアンダーフィル材５を比較的容易に形成することができる。

実施の形態２．
本実施の形態に係る半導体装置の実装構造について、図４を用いて説明する。図４は、実施の形態２に係る半導体装置の実装構造を示す断面図である。本実施の形態に係る半導体装置の実装構造は、アンダーフィル材５のフィレット形状が実施の形態１と異なっていて、それ以外の構成については実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

具体的には、図４に示すように、本実施の形態のアンダーフィル材５には、フィレット部に、実施の形態１の切り込み部５ａに代えて、アンダーフィル材５の除去された除去部５ｂが設けられている。除去部５ｂには、アンダーフィル材５は設けられていない。

図５は、実施の形態２に係るアンダーフィル材のフィレット部を拡大した拡大断面図である。図５に示すように、除去部５ｂは、半導体チップ１の側面にて、半導体チップ１の厚さｔに対して、略ｔ／２となる位置から上にかけての領域に設けられている。すなわち、除去部５ｂは、半導体チップ１の側面のうち、ほぼ半上分に設けられている。また、除去部５ｂは、半導体チップ１の全周に亘って設けられている。すなわち、除去部５ｂは、半導体チップ１の全側面にわたって連続的に形成されている。この除去部５ｂにより、アンダーフィル材５は、半導体チップ１の厚さ方向の中央部付近より実装基板２側のみに設けられることとなる。従って、半導体チップ１の側面は、ほぼ下半分のみがアンダーフィル材５で覆われることとなる。

本実施の形態に係る半導体装置の実装方法は、実施の形態１で説明した実装方法において切り込み部５ａを形成する代わりに、除去部５ｂを形成すればよい。具体的には、アンダーフィル材５を充填し、これを硬化した後、アンダーフィル材５のフィレット部に除去部５ｂを形成する。例えば、半導体チップ１の上面を基準として、半導体チップ１の厚さのほぼ半分より上の部分のアンダーフィル材５を、刃物状の治具やレーザー等を用いて除去することで、除去部５ｂを形成する。

以上のように、本実施の形態では、アンダーフィル材５のフィレット部のうち、半導体チップ１の厚さのほぼ１／２となる位置より上の部分のアンダーフィル材５を除去し、除去部５ｂを形成している。これにより、実施の形態１と同様、アンダーフィル材５の充填量やフィレット高さを厳密にコントロールすることなく、図７に示したアンダーフィル材５が半導体チップ１の側面の中央付近まで覆う充填状態と同様の効果を得ることができる。すなわち、半導体チップ１に応力が発生するのを防止し、かつ、はんだボール４部分に発生する応力を十分に抑えるために理想的な形状のアンダーフィル材５を、安定して得ることができる。従って、半導体チップ１と実装基板２との間の電気的な接続について安定した信頼性を確保することが可能である。

また、本実施の形態では、実施の形態１と同様、アンダーフィル材５の充填量やフィレット高さを厳密にコントロールする必要がなく、安定した信頼性を確保するために理想的な形状のアンダーフィル材５を比較的容易に形成することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態１、２では、ＬＳＩなどの半導体チップ１を配線基板などの実装基板２に実装する実装構造について説明したが、それに限定されるものではない。実装基板２に実装するのは半導体チップ１に限らず、例えば半導体パッケージなどの他の半導体装置であってもよい。また、半導体装置を実装する実装基板２は、別の半導体装置などであってもよい。さらに、バンプの一例としてはんだボール４を用いたが、はんだボール４に限らず、はんだボール以外のバンプを用いて半導体チップ１と実装基板２とをボンディングしてもよい。

１ 半導体チップ、
２ 実装基板、
３ 電極パッド、
４ はんだボール、
５ アンダーフィル材、
５ａ 切り込み部、
５ｂ 除去部

Claims (7)

1. 半導体装置と、
   前記半導体装置と対向配置され、前記半導体装置がバンプを介して接続されている実装基板と、
   前記半導体装置と前記実装基板との間に充填されたアンダーフィル材と、
   前記アンダーフィル材が前記半導体装置と前記実装基板との間からはみ出して前記半導体装置の側面に掛かるよう形成されたフィレット部と、
   前記フィレット部に設けられ、前記アンダーフィル材が分断されている切り込み部と、を備える半導体装置の実装構造。
2. 前記フィレット部は、前記半導体装置の側面のうち、少なくとも前記実装基板側の半分を覆うよう形成され、
   前記切り込み部が、前記半導体装置の厚さのほぼ１／２となる位置に設けられている請求項１に記載の半導体装置の実装構造。
3. 前記切り込み部は、前記半導体装置の全側面にわたって連続的に形成されている請求項１又は２に記載の半導体装置の実装構造。
4. 半導体装置と、
   前記半導体装置と対向配置され、前記半導体装置がバンプを介して接続されている実装基板と、
   前記半導体装置と前記実装基板との間に充填されたアンダーフィル材と、
   前記アンダーフィル材が前記半導体装置と前記実装基板との間からはみ出して前記半導体装置の側面に掛かるよう形成されたフィレット部と、
   前記フィレット部に設けられ、前記アンダーフィル材が除去されている除去部と、を備える半導体装置の実装構造。
5. 前記除去部が、前記半導体装置の厚さのほぼ１／２となる位置より上に設けられている請求項４に記載の半導体装置の実装構造。
6. 前記除去部は、前記半導体装置の全側面にわたって連続的に形成されている請求項４又は５に記載の半導体装置の実装構造。
7. 半導体装置を実装基板にバンプを介して接続し、
   前記半導体装置と前記実装基板との間にアンダーフィル材を充填し、
   前記アンダーフィル材が前記半導体装置と前記実装基板との間からはみ出して前記半導体装置の側面に掛かるよう形成されたフィレット部に、切り込み部又は除去部を形成する半導体装置の実装方法。

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