JP2011124340A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子周囲の端面に形成されたアンダーフィル高さの均一性を簡易な方法で向上させて半導体装置の品質・信頼性を向上させる手段を提供する。
【解決手段】表面に金属からなる複数の表面電極を、及び裏面に金属からなり格子状に配列した外部接続端子４を有する回路基板２と、回路基板の表面電極にフリップチップ接続されており矩形板状である半導体素子１と、回路基板と半導体素子との間および半導体素子の矩形の四辺に接して存するアンダーフィル樹脂３とを備え、回路基板の表面には半導体素子を囲繞するダム部材８が形成されており、ダム部材と半導体素子との距離は、半導体素子の辺の中央部よりも角部の方が小さい半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関するものである。

従来、半導体素子をフリップチップ接続したＢＧＡ型半導体装置としては、種々の形態のものが提案されている。例えば、回路基板はガラスエポキシ樹脂等からなる有機基板により形成されていて、回路基板表面には銅（Ｃｕ）等の金属により複数の電極が形成されており、回路基板裏面には銅（Ｃｕ）等の金属により格子状に配列した外部接続用の電極端子が形成され、回路基板内部で銅（Ｃｕ）等の金属配線パターンにより、回路基板表面の電極と裏面の電極端子が接続するよう形成されている。

半導体素子の表面電極上には、はんだ等からなる接続端子が形成されており、半導体素子の電極上の接続端子と回路基板表面上の電極がフリップチップ接続工法により、半導体素子が電気的に接続されており、上記半導体素子表面及び接続端子を外部から保護するためにエポキシ樹脂からなるアンダーフィル樹脂が半導体素子と回路基板の隙間に注入されている。

回路基板裏面には半導体装置を外部回路基板上への実装を行うために、はんだ等によって外部接続端子が形成されている。

一方、拡散プロセスの進化に伴い、半導体素子にはLow-Kなどの脆弱な絶縁層を用いるようになり、半導体素子周囲の端面に這い上がるアンダーフィル樹脂の高さについて、上記脆弱な層への応力低減のため、半導体素子表面が露出しないよう、アンダーフィル樹脂の高さを制御することが必要となっている。

特開２００７−５９５９６号公報

しかしながら、最近の品質・信頼性面での向上に対する要望が強くなるに従い、従来のアンダーフィル樹脂の高さ制御では、半導体素子中央のアンダーフィル量が多くなり、熱ストレスが半導体装置に加わった場合、上記アンダーフィルの収縮応力により、半導体素子へ大きなダメージが加わり、品質・信頼性が低減するおそれがある。

上記課題を防止するため、アンダーフィル樹脂の量を低減させると、半導体素子の角部のアンダーフィル高さが低くなり、Low-Kなどの脆弱な絶縁層を用いた半導体素子の場合、半導体素子表面が露出し、半導体装置に対し、重大な品質・信頼性課題を及ぼすおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するもので、半導体素子周囲の端面に形成されたアンダーフィル高さの均一性を簡易な方法で向上させて半導体装置の品質・信頼性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の半導体装置は、表面に金属からなる複数の表面電極を、及び裏面に金属からなり格子状に配列した外部接続端子を有する回路基板と、前記回路基板の前記表面電極にフリップチップ接続されており矩形板状である半導体素子と、前記回路基板と前記半導体素子との間および前記半導体素子の矩形の四辺に接して存するアンダーフィル樹脂とを備え、前記回路基板の前記表面には前記半導体素子を囲繞するダム部材が形成されており、前記ダム部材と前記半導体素子との距離は、該半導体素子の辺の中央部よりも角部の方が小さい構成とした。

また、本発明の第２の半導体装置は、表面に金属からなる複数の表面電極を、及び裏面に金属からなり格子状に配列した外部接続端子を有する回路基板と、前記回路基板の前記表面電極にフリップチップ接続されており矩形板状である半導体素子と、前記回路基板と前記半導体素子との間および前記半導体素子の矩形の四辺に接して存するアンダーフィル樹脂とを備え、前記回路基板の前記表面には前記半導体素子の矩形の角部の周辺である４箇所にダム部材が形成されている構成とした。

本発明の第１の半導体装置の製造方法は、金属からなる複数の表面電極を表面の中央領域に有する回路基板において、前記表面に前記表面電極を囲繞するようにダム部材を形成する工程と、前記回路基板の前記表面電極に矩形板状である半導体素子をフリップチップ接続する工程と、前記回路基板と前記半導体素子との間に、アンダーフィル樹脂を注入し、該半導体素子の矩形周囲にアンダーフィル樹脂を塗布する工程と、前記回路基板の裏面に金属からなり格子状に配列した外部接続端子を形成する工程とを備え、前記ダム部材と前記半導体素子との距離は、該半導体素子の辺の中央部よりも角部の方が小さい構成とした。

本発明の第２の半導体装置の製造方法は、金属からなる複数の表面電極を表面の中央領域に有する回路基板において、前記表面に前記表面電極の存する領域の外側に４つのダム部材を形成する工程と、前記回路基板の前記表面電極に矩形板状である半導体素子をフリップチップ接続する工程と、前記回路基板と前記半導体素子との間に、アンダーフィル樹脂を注入し、該半導体素子の矩形周囲にアンダーフィル樹脂を塗布する工程と、前記回路基板の裏面に金属からなり格子状に配列した外部接続端子を形成する工程とを備え、前記ダム部材は前記半導体素子の矩形の角部の周辺である４箇所にそれぞれ形成されている構成とした。

本発明の半導体装置は、半導体素子周囲の端面に形成されたアンダーフィル高さに関して、半導体素子の角部と中央部において高さを均一になるよう制御することが可能となって、半導体装置の品質・信頼性を向上することが可能となる。

（ａ）は実施の形態１における半導体装置の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）は実施の形態２における半導体装置の平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ線断面図、（ｃ）はＤ−Ｄ線断面図である。 （ａ）は実施の形態３における半導体装置の平面図、（ｂ）はＥ−Ｅ線断面図、（ｃ）はＦ−Ｆ線断面図である。 （ａ）は実施の形態４における半導体装置の平面図、（ｂ）はＧ−Ｇ線断面図、（ｃ）はＨ−Ｈ線断面図である。 （ａ）は実施の形態５における回路基板の平面図、（ｂ）は半導体装置の平面図、（ｃ）はＩ−Ｉ線断面図である。 （ａ）は実施の形態６における半導体装置の平面図、（ｂ）はＪ−Ｊ線断面図、（ｃ）はＫ−Ｋ線断面図である。 は実施形態３における半導体装置の製造工程の概略断面説明図である。 （ａ）は比較形態の半導体装置の平面図、（ｂ）はＬ−Ｌ線断面図、（ｃ）はＭ−Ｍ線断面図である。

まず本発明に対する比較として、図８に示す形態のＢＧＡ型半導体装置について説明する。

図８は比較の形態における半導体装置の平面図、および断面図である。図８（ａ）（ｂ）（ｃ）において、回路基板２はＢＧＡ型半導体装置を構成するための半導体素子搭載基板を示し、ガラスエポキシ樹脂等からなる有機基板により形成されている。

回路基板２表面には銅（Ｃｕ）等の金属により複数の電極が形成されており、回路基板２裏面には銅（Ｃｕ）等の金属により格子状に配列した外部接続用の電極端子６が形成され、回路基板２内で銅（Ｃｕ）等の金属配線５パターンにより、回路基板２表面の電極と裏面の電極端子６とが接続するよう形成されている。裏面の電極端子６には外部との接続用に、はんだボールなどの外部接続端子４が格子状に配置（Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）されている。

回路基板２の表面には矩形板状の半導体素子１が搭載されて、回路基板２表面の電極と半導体素子１の接続端子７とが接続されてフリップチップ接続されている。そして回路基板２と半導体素子１との間にエポキシ樹脂などからなるアンダーフィル樹脂３が注入され、半導体装置の信頼性向上のため半導体素子１の四辺周囲にもアンダーフィル樹脂３が設けられている。

図８に示す半導体装置では、アンダーフィル樹脂３の高さが半導体素子１の四辺の角部では低く中央部では高くなっている。これはアンダーフィル樹脂３が流れてしまうことに起因している。このように角部と中央部とでアンダーフィル樹脂３の高さが異なると、既に述べたようにアンダーフィル樹脂３の収縮応力により半導体素子１へ大きなダメージが加わり、品質・信頼性が低減してしまうおそれがある。

アンダーフィル樹脂の流れを規制する技術として、例えば特許文献１では、回路基板上にフリップチップ接続した半導体素子の周囲に外部接続端子（はんだボール）を形成した半導体装置において、アンダーフィル樹脂が半導体装置表面に形成された外部接続端子に被覆することを防止するため、半導体素子周囲に枠状のダムを形成することで、外部接続端子にアンダーフィル樹脂が被覆することを改善している。半導体装置の構造およびアンダーフィル樹脂３の流れ防止の目的は、本発明と特許文献１とでは異なるが、特許文献１に記載された半導体素子周囲に形成された枠状のダムを利用することが考えられる。しかしながら、特許文献１の技術では半導体素子周囲に形成された外部端子の汚染を防止することは可能であるが、半導体素子周囲の端面に形成されたアンダーフィル高さに関して、角部と中央部の高さを均一になるよう制御することは困難であると考えられる。

以上のことを踏まえて本願発明者は種々の検討を重ねた結果、本願発明を想到するに至った。以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施形態１）
図１（ａ）は実施形態１の半導体装置の平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ線断面図である。図１（ａ）（ｂ）（ｃ）において、回路基板２はＢＧＡ型半導体装置を構成するための半導体素子搭載基板を示し、ガラスエポキシ樹脂等からなる有機基板により形成されている。

回路基板２表面には銅（Ｃｕ）等の金属により複数の表面電極が形成されており、回路基板２裏面には銅（Ｃｕ）等の金属により格子状に配列した外部用の電極端子６が形成され、回路基板２内で銅（Ｃｕ）等の金属配線５パターンにより、回路基板２表面の表面電極と裏面の電極端子６とが接続するよう形成されている。

矩形板状の半導体素子１の表面の電極上には、はんだ等からなる接続端子７が形成されており、半導体素子１の接続端子７と回路基板２表面上の表面電極とがフリップチップ接続工法により接続されて、半導体素子１が電気的に回路基板２に接続されており、半導体素子１表面及び接続端子７を外部から保護するためにエポキシ樹脂からなるアンダーフィル樹脂３が半導体素子１と回路基板２との隙間に注入されている。さらにアンダーフィル樹脂３は半導体素子１の四辺に接して且つその周囲にも設けられている。

回路基板２裏面には半導体装置を外部回路基板上への実装を行うために、はんだ等からなる外部接続端子４が電極端子６に対応する位置に形成されており、格子状に配列（Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）している。

実施形態１の特徴は図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、回路基板２の表面の半導体素子１周囲に、半導体素子１の四辺の各辺中央から角部に行くに連れて、半導体素子１とダム部材８との間の距離が小さくなるよう、ソルダーレジストなどからなるダム部材８が湾曲して形成されていることである。即ち、ダム部材８は半導体素子１を囲繞しており、ダム部材８と半導体素子１との距離は、半導体素子１の辺の中央部よりも角部の方が大きくなっている。

これにより、半導体素子１周囲端面に形成されたアンダーフィル樹脂３の高さに関して、角部と中央部の高さを均一になるよう制御することが可能となり、半導体素子にかかるアンダーフィル樹脂３の収縮応力全体を低減するとともに応力がかかる場所により応力の大きさがばらつくことを低減させることで半導体素子へのダメージが低減可能となり、半導体装置の品質・信頼性を向上させることが可能となる。

即ち、半導体素子１周囲の端面に形成されたアンダーフィル樹脂３の高さに関して、半導体素子１の角部と中央部とにおける高さが均一になるよう制御することが可能となり、アンダーフィル樹脂３の収縮応力を低減させることができ、半導体素子１へのダメージを低減させることが可能となり、半導体装置の品質・信頼性を向上させることが可能となる。

（実施形態２）
本発明の実施の形態２における半導体装置について、図２を参照しながら説明する。なお、実施形態１と共通する構造については説明を省略する。

実施形態２の特徴は、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、半導体素子１周囲に形成されたダム部材８ａが半導体素子１角部のみに四箇所形成されていることである。ダム部材８ａは半導体素子１の角部を中心とするその周囲に設けられている。

これにより、実施形態１の効果が得られるとともに、ダム部材８ａを局所的に形成することのみで対応可能となり、回路基板２形成が容易となり、回路基板２の生産性向上を図ることが可能となる。

（実施形態３）
本発明の実施の形態３における半導体装置について、図３を参照しながら説明する。なお、実施形態１と共通する構造については説明を省略する。

実施形態３の特徴は、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、半導体素子１周囲を囲繞して形成されたダム部材８ｂが、半導体素子１の辺中央から角部にかけ、半導体素子１の厚み方向に高くなるように形成されていることである。即ち、ダム部材８ｂの高さは、半導体素子１の四辺の中央部よりも角部の方が大きくなっていて、ダム部材８ｂにおいて辺の中央部が低部１８ｂとなっている。

これにより、アンダーフィル樹脂３の高さに関して、半導体素子１の角部近辺のアンダーフィル樹脂３と中央部近辺のアンダーフィル樹脂３の高さを均一になるよう制御することが実施形態１よりもさらに容易となり、半導体装置の品質・信頼性を向上させることが可能となる。

次に、この半導体装置の製造方法について、図７を参照しながら説明する。

図７（ａ）は、実施形態３における半導体装置において、表面に銅（Ｃｕ）等の金属により形成された複数の表面電極と、裏面に銅（Ｃｕ）等の金属により格子状に配列した外部接続用の電極端子６を有する回路基板２表面上に、表面の電極端子上にはんだ等からなる接続端子７を形成した半導体素子１を、半導体素子１の接続端子７と回路基板２表面上の表面電極が対応するよう、フリップチップ接続する工程の断面説明図、図７（ｂ）は半導体素子１及び接続端子７を外部から保護するためにエポキシ樹脂からなるアンダーフィル樹脂３を半導体素子１と回路基板２間の隙間に注入するとともに半導体素子１の四辺周囲にも塗布する工程の説明図、図７（ｃ）は回路基板２裏面上の電極端子６にはんだ等の外部接続端子４を形成する工程の説明図である。

まず、図７（ａ）に示すように、例えば、表面に銅（Ｃｕ）等の金属により形成された複数の表面電極と裏面に銅（Ｃｕ）等の金属により、格子状に配列した外部接続用の電極端子６を有する回路基板２を形成する。表面電極は回路基板２の表面の中央部領域に配置されていて、その領域に後の工程で半導体素子１が搭載される。そして、ソルダーレジスト或いは、ダミーの金属配線などを用いて、回路基板２表面の表面電極が形成されている中央領域を囲繞するようにダム部材８ｂを形成する。

それから、半導体素子１表面に形成された端子上にはんだ等からなる接続端子７を形成し、半導体素子１の接続端子７と回路基板２表面上の表面電極を対応させて、回路基板２上に半導体素子１をフリップチップ接続する。

次に、図７（ｂ）に示すように、半導体素子１及び、半導体素子１表面の複数の接続端子７を保護するためにエポキシ樹脂等のアンダーフィル樹脂３を半導体素子１と回路基板２間の隙間に注入するとともに半導体素子１の四辺周囲にも塗布する。

次に、図７（ｃ）に示すように、回路基板２裏面の電極端子６上にはんだ等の外部接続端子４を形成する。形成方法としては、例えば電極端子６上にはんだボールの搭載或いは、はんだペーストの印刷を行い、リフロー等の温度を加えることで電極端子６部分と溶着させ、外部接続端子４を形成する。

上記のアンダーフィル樹脂３の塗布の際に、半導体素子１周囲に塗布したアンダーフィル樹脂３が半導体素子１外周の端面を這い上がるが、ダム部材８ｂがない場合はアンダーフィル樹脂３が流れるために、半導体素子１の辺の中央から角部に至るにつれ、アンダーフィル樹脂３高さが低くなる。半導体素子１の辺の中央のアンダーフィル樹脂３高さが角部よりも高くなり、樹脂量が多くなると、熱ストレスが半導体装置に加わった場合、アンダーフィル樹脂３の収縮応力により、半導体素子１へ大きなダメージが加わり、品質・信頼性が低減するおそれがある。けれども本実施形態では、ダム部材８ｂが半導体素子１との間の距離が半導体素子１の辺の中央部よりも角部の方が小さくなるように形成されているため、半導体素子１の周囲のアンダーフィル樹脂３は、その高さが半導体素子１の辺の中央部と角部とでほぼ同じくらいになる。従って、半導体素子１へのダメージが小さく抑えられ、半導体装置の品質・信頼性を高く保つことができる。

一方で、拡散プロセスの進化に伴い、半導体素子１においてLow-Kなどの脆弱な絶縁層を適用するに伴い、半導体素子１の角部のアンダーフィル高さが中央部よりも低くなると、半導体素子１表面が露出し、Low-Kなどの脆弱な絶縁層を用いた半導体素子１の場合、半導体装置において、重大な品質・信頼性課題を及ぼすおそれがある。

本実施形態では、半導体素子１周囲にダム部材８ｂを形成することで、半導体素子１周囲の端面に形成されたアンダーフィル樹脂３高さに関して、半導体素子１の角部と中央部とにおける高さが均一になるよう制御することが可能となり、アンダーフィル樹脂３の収縮応力を低減することで半導体素子１へのダメージの低減及び、半導体素子１表面の露出防止による脆弱な絶縁層を適用した半導体素子１への対応が可能となり、半導体装置の品質・信頼性を向上することが可能となる。

（実施形態４）
本発明の実施の形態４における半導体装置について、図４を参照しながら説明する。なお、実施形態１と共通する構造については説明を省略する。

実施形態４の特徴は、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、半導体素子１周囲に形成されたダム部材８ｃが半導体素子１角部のみに四箇所形成されているとともに、ダム部材８ｃの半導体素子１の角部に最も近い部分の高さが、角部から最も遠い部分の高さよりも大きいことである。つまり、ダム部材８ｃのうち半導体素子１の角部から遠くに位置する部分が低部１８ｃとなる。

これにより、アンダーフィル樹脂３の高さが均一になるよう制御することが実施形態１よりもさらに容易となると共に、ダム部材を局所的に形成することのみで回路基板形成が容易となり、回路基板の生産性向上を図ることが可能となる。

（実施形態５）
本発明の実施の形態５における半導体装置について、図５を参照しながら説明する。なお、実施形態１と共通する構造については説明を省略する。

実施形態５の特徴は図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、実施形態１と同じダム部材８に加えて、半導体素子１の角部分にのみ、ダム部材８形状に沿って、ダム部材８と半導体素子１との間に回路基板２表面が窪んでいる窪み部９を形成していることである。即ち窪み部９は４箇所形成されている。

これにより、窪み部９にアンダーフィル樹脂３が流れ込み、アンダーフィル樹脂３の高さを均一になるよう制御することが実施形態１よりもさらに容易となり、半導体装置の品質・信頼性を向上させることが可能となる。

（実施形態６）
本発明の実施の形態６における半導体装置について、図６を参照しながら説明する。なお、実施形態１と共通する構造については説明を省略する。

実施形態６の特徴は図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、半導体素子１を囲繞するダム部材８ｄの半導体素子１の角部分近辺にのみ、実施形態１のダム部材８形状の上に突起部１０が形成されていることである。

これにより、さらにアンダーフィル樹脂３の高さが均一になるよう制御することが実施形態１よりもさらに容易となり、半導体装置の品質・信頼性を向上させることが可能となる。

（その他の実施形態）
上記の実施形態は本発明の例示であり、本発明はこれらの例示に限定されない。半導体装置の製造方法は実施形態３でのみ説明をしたが、ダム部材の形状を変更すれば同じ工程で他の実施形態にもそのまま適用可能である。回路基板やその表面裏面の電極および接続端子等の材料も特に限定されない。

以上説明したように、本発明に係る半導体装置は、アンダーフィル樹脂の収縮応力に由来する品質や信頼性の低下を押さえることができ、ＢＧＡ型半導体装置等として有用である。

１ 半導体素子
２ 回路基板
３ アンダーフィル樹脂
４ 外部接続端子
５ 金属配線
６ 電極端子
７ 接続端子
８ ダム部材
８ａ ダム部材
８ｂ ダム部材
８ｃ ダム部材
８ｄ ダム部材
９ 窪み部
１０ 突起部

Claims (8)

1. 表面に金属からなる複数の表面電極を、及び裏面に金属からなり格子状に配列した外部接続端子を有する回路基板と、
   前記回路基板の前記表面電極にフリップチップ接続されており矩形板状である半導体素子と、
   前記回路基板と前記半導体素子との間および前記半導体素子の矩形の四辺に接して存するアンダーフィル樹脂と
   を備え、
   前記回路基板の前記表面には前記半導体素子を囲繞するダム部材が形成されており、
   前記ダム部材と前記半導体素子との距離は、該半導体素子の辺の中央部よりも角部の方が小さい、半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、前記ダム部材の高さは、前記半導体素子の辺の中央部よりも角部の方が大きい、半導体装置。
3. 請求項１に記載の半導体装置において、前記半導体素子と前記ダム部材との間であって且つ該半導体素子の角部分の周辺に、前記回路基板の前記表面が窪んでいる窪み部が形成されている、半導体装置。
4. 請求項１に記載の半導体装置において、前記半導体素子の角部の周辺における前記ダム部材の上に突起部が形成されている、半導体装置。
5. 表面に金属からなる複数の表面電極を、及び裏面に金属からなり格子状に配列した外部接続端子を有する回路基板と、
   前記回路基板の前記表面電極にフリップチップ接続されており矩形板状である半導体素子と、
   前記回路基板と前記半導体素子との間および前記半導体素子の矩形の四辺に接して存するアンダーフィル樹脂と
   を備え、
   前記回路基板の前記表面には前記半導体素子の矩形の角部の周辺である４箇所にダム部材が形成されている、半導体装置。
6. 請求項５に記載の半導体装置において、前記ダム部材は、前記半導体素子の角部に最も近い部分の高さが該角部から最も遠い部分の高さよりも大きい、半導体装置。
7. 金属からなる複数の表面電極を表面の中央領域に有する回路基板において、前記表面に前記表面電極を囲繞するようにダム部材を形成する工程と、
   前記回路基板の前記表面電極に矩形板状である半導体素子をフリップチップ接続する工程と、
   前記回路基板と前記半導体素子との間に、アンダーフィル樹脂を注入し、該半導体素子の矩形周囲にアンダーフィル樹脂を塗布する工程と、
   前記回路基板の裏面に金属からなり格子状に配列した外部接続端子を形成する工程と
   を備え、
   前記ダム部材と前記半導体素子との距離は、該半導体素子の辺の中央部よりも角部の方が小さい、半導体装置の製造方法。
8. 金属からなる複数の表面電極を表面の中央領域に有する回路基板において、前記表面に前記表面電極の存する領域の外側に４つのダム部材を形成する工程と、
   前記回路基板の前記表面電極に矩形板状である半導体素子をフリップチップ接続する工程と、
   前記回路基板と前記半導体素子との間に、アンダーフィル樹脂を注入し、該半導体素子の矩形周囲にアンダーフィル樹脂を塗布する工程と、
   前記回路基板の裏面に金属からなり格子状に配列した外部接続端子を形成する工程と
   を備え、
   前記ダム部材は前記半導体素子の矩形の角部の周辺である４箇所にそれぞれ形成されている、半導体装置の製造方法。

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