JP2013165148A - 配線基板及びそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配線基板と封止樹脂中から水分およびアウトガスを効率的に排出させる表面構造を備え、封止樹脂中にボイドが存在しない配線基板と半導体装置を提供することを課題とした。
【解決手段】裏面にアレイ状の接続用パッドを備え、表面にフリップチップ接続用パッド３を備え、且つ表面がソルダーレジスト２に被覆された配線線基板１において、フリップチップ接続用パッド３が敷設された領域と前記領域から配線基板１外周に向って伸在する細帯状領域に、ソルダーレジスト層の開口領域５を有することを特徴とする配線基板である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを搭載するための配線基板に係り、特には、配線基板を構成する部材からの脱ガス性を向上させるためのソルダーレジストのパターンに関する。

近年、半導体チップを内蔵する半導体装置は、小型化・高密度化が要求されており、これに伴い、配線基板に半導体チップを、はんだボールを用いてフリップチップ実装することが広く行われている。これは、ワイヤボンディングにて半導体チップと配線基板との電気的接続を採る方式に代わるものである。

フリップチップ方式を用いることにより、端子数が多くても実装面積を小さくし、半導体装置の高さを低くすることが可能である。さらに半導体チップと配線基板のはんだ接続を一括で一挙に形成できるため、作業の効率化を図ることができる。

配線基板は、半導体チップと接続するピッチの短いアレイ様の接続用パッドを一方の表面に備え、他方の表面にはプリント基板と接続できる広いピッチを有するアレイ状の接続用パッドを備えた基板であって、ピッチを拡張するための配線を表面や内部に備えたものである。

配線基板の表面（半導体チップが実装される最外面）は、回路パターンを保護する絶縁膜となるインキからなるソルダーレジストにより被覆される。ソルダーレジストの主目的は、配線基板への部品の実装時に、はんだ（＝ソルダー）が不必要な部分へ付着してショートするのを防止することにあり、同時に、永久保護膜として、ほこりや熱，湿気などから回路パターンを保護し、絶縁性を維持する役割を持つ。

フリップチップ方式では、半導体チップ端子と配線基板のパッド間にはんだ接続を形成した後、はんだ接続を安定化するために、チップ下面腹部と配線基板の間に生じる隙間に絶縁性の樹脂（封止樹脂またはアンダーフィル樹脂）を充填する。充填方法として、半導体チップを配線基板に搭載した後に封止樹脂を充填する後入れ工法と、半導体チップを搭載する前に配線基板上に封止樹脂を載置する先入れ工法の二種類が挙げられる。

先入れ工法は、図３に示すように半導体チップ２０の突起電極２２と配線基板１０側の接続パッド３とのはんだ接続と樹脂封止とを同時に行うことができるため作業効率のよい工法である。まず配線基板上に封止樹脂２１を供給載置し（ａ）、次に半導体チップ２０の下面腹部に突出する電極２２と基板側の接続用パッド３との位置合わせを行う（ｂ）。その後、専用ツール３０により加熱・加圧することによってはんだ接続と、封止樹脂２１の硬化とを同時に行って半導体チップを配線基板に搭載する（ｃ）。

先入れ工法に限らず、フリップチップ方式での実装工程では、封止樹脂２１や配線基板１０を構成する樹脂材料が１５０℃付近またはそれ以上まで上昇するような加熱工程を含むため、配線基板１０の内部に水分が含まれていたり、封止樹脂中に、加熱工程での温度で揮発する成分が存在すると、配線基板１０および封止樹脂２１から水蒸気や揮発成分によるアウトガスが発生すると、充填された封止樹脂２１内にボイド２３が生じる。封止樹脂２１内にボイド２３が存在すると、半導体装置の電気的接続上の信頼性が損なわれる。

このため、配線基板内部の水分を除去する方法として、半導体チップ２０搭載前に配線基板１０を乾燥させる技術が開示されている（特許文献１）。また、水蒸気を結晶水とし
て取り込む性質を有する分子性吸着剤を封止樹脂２１中に分散する技術も開示されている（特許文献２）。

特開２００２−３１３８４１号公報 特開２００５−１１８８１号公報

しかしながら、基板を乾燥した場合でも、封止樹脂内に水蒸気他を含むボイドが残存することがある。また、乾燥後に配線基板を加熱炉から出して放置すると、短時間で再び水分が吸収されてしまうという問題がある。吸着剤を分散させる技術では、非水溶性の脱ガスについては効果が薄く、またコストアップになるという問題がある。

上記の事情に鑑み、本発明は、配線基板と封止樹脂中から水分およびアウトガスを効率的に排出させる表面構造を備え、封止樹脂中にボイドが存在しない配線基板と半導体装置を提供することを課題とした。

上記課題の解決にあたり、本発明者は、アウトガスの主たる発生場所はソルダーレジストに被覆されていない内層絶縁層であり、そこから発生するアウトガスを流路に沿って外部へ誘導する構造の採用が、ボイド低減に有効であるということを見いだした。

請求項１に係る発明は、裏面にアレイ状の接続用パッドを備え、表面にフリップチップ接続用パッドを備え、且つ表面がソルダーレジスト層に被覆された配線線基板において、フリップチップ接続用パッドが敷設された領域と前記領域から配線基板外周に向って伸在する細帯状領域に、ソルダーレジスト層の開口領域を有することを特徴とする配線基板としたものである。

また、請求項２に係る発明は、前記細帯状のソルダーレジスト層開口領域は、配線基板の対角線方向に伸在していることを特徴とする請求項１に記載の配線基板したものである。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の配線基板に、半導体チップがフリップチップ方式にて搭載された半導体装置であって、配線基板と半導体チップとの隙間には封止樹脂が充填され、前記細帯状領域に封止樹脂の非被覆領域を有することを特徴とする半導体装置したものである。

請求項１に記載の発明によれば、ソルダーレジスト層で、配線基板表面と封止樹脂の側面を覆うことをやめ、水分およびアウトガスを排出させるための通路をソルダーレジスト層の一部に設けた結果、封止樹脂中にボイドが低減され信頼性の高い半導体装置を提供できる。

請求項２に記載の発明によれば、アウトガス成分排出用の通路は、原則としては、半導体チップ下面腹部から半導体基板外周方向に向って伸びるものであればどこに設けても構わないが、特に対角線方向で４隅に向う通路とするのが、配線パターンに対する影響がなく配線基板のそり等も少なく効果的である。

請求項３に記載の発明は、通路がソルダーレジストで被覆されるとアウトガスが排出されなくなるので、通路には空気に露出する部分がなければならないということである。

本発明の配線基板および半導体装置の一例を示す透視平面図（ａ）及びＡＡ線での断面視の図（ｂ）である。 従来の配線基板および半導体装置の一例を示す透視平面図（ａ）及びＡＡ線での断面視の図（ｂ）である。 先のせ工法による一般的な半導体チップのフリップチップ搭載工程の一例を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１に示すように、本発明に係る配線基板１は、少なくとも片側の最表層に、ソルダーレジスト２が形成されている。しかしながら、ソルダーレジスト２は、半導体チップ２０との接続用パッド３（以下、単にパッドとも記す。）が規則的に敷設された領域（図では白い枠状の部分）を被覆してはおらず、複数のパッド３を内部に含む開口領域５となっている。この開口領域５は、一般には矩形を組み合わせた対称性の高い形状であって、外周の大きさは後工程で搭載される半導体チップ２０の大きさと同程度である。

本発明では、上記のパッドを内部に含むソルダーレジスト２の開口領域５から、幅が５０〜１，０００μｍ程度の細い帯状（スリット）の別の開口部５が配線基板１の外周に向って伸在している。すなわちこの帯状部分もソルダーレジスト２で被覆されていない。帯状部分の位置は、特に指定するものではないが、最も好ましいのは、配線回路が存在しない図１で示すように対角線上にあって隅に向って伸在しているものである。なぜなら半導体チップの角部は応力が集中しやすく電気的接続に好適であるとは言い難い部位であるために接続用電極が配置されないのが通例であり、電極を必要としないこの帯状開口部の配置としては適している。

このようにソルダーレジスト２に開口部５を設けておくと、半導体チップと配線基板との隙間に封止樹脂２１が充填された場合に、開口部５に封止樹脂２１によって封止されない部分６が存在することになる。その結果、半導体チップ搭載工程において、配線基板１および封止樹脂２１が加熱された場合、この開口パターンが通路となって水分・アウトガス等が排出されやすくなり、封止樹脂２１内にボイドが生じることを回避できる。

従来からの配線基板のソルダーレジストパターンは、図２に示したが、帯状の開口部は存在せず、ソルダーレジスト２と封止樹脂２１が重なっており、封止樹脂２１が大気に触れる面積が少ないと考えられる。

念のため付言すると、ソルダーレジスト２の通常の開口領域（図の白枠部分）は、その内部に接続用パッド３を含むもの、含まないものがあって差し支えない。また、パッド間距離がソルダーレジストの解像度より長い場合には、開口部に一つの接続用パッド５しか含まないようにできる。これは、露出部分が少ないため望ましい配置態様である。解像度が低い場合は、図１で示すような複数の接続用パッド３を含まざるを得ない。前者の孤立した開口部が散在する場合にも、本発明は適用可能で、排気用の帯状開口部５を、いずれかの孤立した開口部につなげてもよいし、単に敷設しておくだけでもよい。

配線基板１は、樹脂絶縁体上に図示しない配線導体パターンとそれらの末端である接続用パッド３他を備えている。絶縁部は、エポキシ樹脂、ポリイミド、マレイミド樹脂、ポリエチレンテレフタラート、ポリフェニレンオキシド、液晶ポリマー等の樹脂材料、エポ
キシ樹脂とガラス繊維等を組み合わせた材料、およびガラス、セラミックス等の無機材料を用いることができる。

ソルダーレジスト２には、アクリル変性により感光性を付与したエポキシ系等の絶縁性樹脂が用いられる。ソルダーレジスト層は、半導体チップとの接続に使用される領域に開口パターン（通常は、円形である）を有する。開口パターンからは、半導体チップと接続するための接続用パッドが露出している。ソルダーレジストのパタニングには定法のフォトリソ法を適用する。すなわち、所定の解像度を有する液状レジストもしくはドライフィルムを配線加工が終わった配線基板上に塗布もしくはラミネートしてレジスト層を形成する。フォトマスクを用いてＵＶ露光を行いその後炭酸ナトリウム水溶液などの現像液を用いて現像し、不要部分を溶解除去させてレジストパターンを得る。パターン形成後に補助的にＵＶ照射あるいは熱硬化を行って絶縁性を高める場合もある。

接続用パッドは、主にＣｕを母材とし、さらに表面処理としてＮｉめっき、Ａｕめっき、はんだめっき、Ｓｎめっき、Ｐｄめっき等公知の材料が用いられる。この接続用パッドには、半導体チップの電極と接合しやすいよう、共晶はんだまたはＳｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ等の鉛フリーはんだによってプリソルダー処理が施されたりする。このうち、鉛フリーはんだによるプリソルダー処理は高い信頼性の接続部を形成できるため、特に好ましい。

半導体チップ２０には、トランジスタ、ダイオード、ＩＣ、ＬＳＩ等のいずれを用いることも可能である。フリップチップ方式によって実装される半導体チップは、配線基板等と接合部を形成するために突起電極（バンプ）が設けられる。突起電極には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属およびこれらの合金、ＣｕにＡｕめっき等を施した金属複合体、Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ等のはんだが用いられる。

封止樹脂２１には、エポキシ樹脂、オキセタン樹脂、マレイミド樹脂、シリコーン樹脂およびこれらを２種類以上混合した樹脂に、フィラーとしてシリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛等を加えた材料が用いられることが一般的である。封止樹脂２１を用いることにより、半導体チップ２０と配線基板１の接続部を保護するとともに、半導体チップと配線基板の熱膨脹等による応力を緩和することができる。

このようにして形成された配線基板および半導体装置は、配線基板に水分およびアウトガスを排出させるための特別のソルダーレジスト開口パターンを設けたために、先入れ工法による半導体チップ搭載工程において配線基板および封止樹脂が加熱された場合においても、水およびアウトガスが外部に排出されやすく、封止樹脂内にボイドが存在しない半導体装置を形成することが可能となる。

本発明は、配線基板および配線基板に半導体チップを搭載した半導体装置に関する。本発明によれば、封止樹脂内にボイドがなく、信頼性の高い半導体装置を形成することが可能となる。

１…本発明の配線基板
２…ソルダーレジスト
３…接続用パッド
４…絶縁部
５…本発明のソルダーレジスト開口領域（開口部）
１０…従来の配線基板
１１…従来のソルダーレジスト開口パターン
２０…半導体チップ
２１…封止樹脂（アンダーフィル）
２２…突起電極
２３…ボイド
３０…加熱・加圧ツール

Claims (3)

1. 裏面にアレイ状の接続用パッドを備え、表面にフリップチップ接続用パッドを備え、且つ表面がソルダーレジスト層に被覆された配線線基板において、フリップチップ接続用パッドが敷設された領域と前記領域から配線基板外周に向って伸在する細帯状領域に、ソルダーレジスト層の開口領域を有することを特徴とする配線基板。
2. 前記細帯状のソルダーレジスト層開口領域は、配線基板の対角線方向に伸在していることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
3. 請求項１または請求項２に記載の配線基板に、半導体チップがフリップチップ方式にて搭載された半導体装置であって、配線基板と半導体チップとの隙間には封止樹脂が充填され、前記細帯状領域に封止樹脂の非被覆領域を有することを特徴とする半導体装置。

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