JP2843658B2 - フリップチップ型半導体装置 - Google Patents

フリップチップ型半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、基板上にフリップチップ型半導体素子を実
装してなる半導体装置に関し、特に信頼性に優れたフリ
ップチップ型半導体装置に関する。
［従来の技術］ 半導体素子を基板上に実装する方法として、フェース
アップ方式であるワイヤーボンディング法、フェースダ
ウン方式であるハンダバンプ法と導電性エポキシ樹脂接
着剤や導電性ポリイミド樹脂接着剤による方法、および
テープオートメーティッドボンディング法（TAB法）が
採用されている。近年のLSIの高集積化、高機能化に伴
い、半導体素子の電極パッドは、現在は100μｍ角であ
り、将来は数十μｍ角となり、その電極数も増加する傾
向にあり、更にパッド間のピッチも狭小化する傾向にあ
る。これらの高密度実装、多ピン化に対応するパッケー
ジ技術として、TAB法、ピングリッドアレー（PGA）パッ
ケージ、クゥオードフラットパッケージ（QFP）等があ
る。しかし、TAB法でも、低接続抵抗確保の為接合面積
が大きくなり、コストが高いなどの問題点がある。ま
た、PGA、QFP等のICパッケージでは、高密度実装、コス
トの点で限界があり、フリップチップ実装が急激に増加
しつつある。
［発明が解決しようとする問題点］ フリップチップ実装のうち、ハンダバンプ法では、電
極の微細化に限界がある。また、、ヒートサイクルテス
トやヒートショックテストなどの信頼性試験において、
半導体素子の大型化に伴い、実装基板と半導体素子の熱
膨張係数の違いによる熱的ストレスによって、バンプク
ラックの発生やバンプのルーズコンタクト、接続抵抗の
増加（導通不良）が起こるという問題がある。ところ
が、半導体素子表面の電極と基板上の電極の接続（バン
プ接続）に導電性のエポキシ樹脂接着剤やポリイミド樹
脂接着剤を使用すると、半導体素子と基板との熱膨張係
数の違いにより、例えば実装基板がガラスの場合はガラ
スにクラックを生じたり、導電性エポキシ樹脂接着剤等
にクラックを生じるという問題がある。さらに、ハンダ
バンプ法では、ハンダクラックのみならず、不良が発生
した半導体素子の修理ができないなどの問題点がある。
また、半導体素子の耐湿性等の信頼性向上の為に通
常、半導体素子表面を封止樹脂で保護しているが、例え
ば、ハンダや導電性エポキシ樹脂接着剤等でバンプ接続
した半導体素子表面を、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、
ポリイミド樹脂等の硬質樹脂で保護した場合、特に前記
のバンプクラック発生やバンプのルーズコンタクトが一
層顕著であるという問題がある。
本発明者は、上記問題点を解決するために鋭意研究し
た結果、導電性シリコーンエラストマーを電極の接合部
に使用し、半導体素子表面の封止材としてエラストマー
封止材を使用することにより上記問題点を解決すること
を見いだし、本発明に到達した。
［問題点を解決するための手段およびその作用］ 本発明は、フリップチップ型半導体素子を基板上に実
装してなる半導体装置において、該半導体素子表面と該
基板上の電極を導電性シリコーンエラストマーにより接
続し、更に該半導体素子の少なくとも能動部表面をエラ
ストマー封止材により保護してなることを特徴とする、
フリップチップ型半導体装置に関する。
本発明の半導体装置を詳細に説明する。
本発明の半導体装置は、動作原理の点からバイポー
ラ、MOS、HEMTなどのいずれでもよく、機能の点からロ
ジックIC、メモリICなどのいずれでもよく、集積度の点
から集積回路（IC）、混成IC、個別半導体（例えば、ト
ランジスター、サイリスター）などのいずれでもよい。
本発明の半導体装置を構成する半導体素子は、シリコ
ン、ガリウム砒素、硫化カドミウムなどいずれの材料で
できていてもよい。
本発明の半導体装置を構成する実装基板は、ガラス基
板、セラミック基板、金属複合基板、プラスチック基板
などのいずれでもよい。半導体素子表面の電極部分は、
アルミボンディングパッド、金バンプが予め付属したも
のなどのいずれでもよい。
半導体素子表面の電極と基板上の電極は、導電性シリ
コーンエラストマーにより接続されている。この導電性
シリコーンエラストマーは、25℃における引張ヤング率
が通常100Kgf/cm2以下であり、導電性エポキシ樹脂接着
剤よりもヤング率が低いので、半導体素子のボンディン
グパッドや、回路基板の接続部分およびバンプへの応力
集中を緩和し、かつ低接続抵抗値を維持することができ
る。導電性シリコーンエラストマーとしては、作業性に
優れ、高純度であり、導電性フィラーを配合した自己接
着性の付加反応硬化型シリコーンゴム組成物に半導体素
子表面の電極と基板上の電極に接触した状態で硬化させ
たものが好ましく、シリコーンゴムのみならず、シリコ
ーンゲルであってもよい。基板上に実装された半導体素
子の少なくとも能動部表面はエラストマー封止材により
保護されているので、外的要因から保護され、信頼性試
験においても長期間、低接続抵抗を維持することができ
る。絶縁性エラストマー封止剤としては、シリコーンエ
ラストマー封止材が好ましく、ついで低応力エポキシ樹
脂封止材が好ましい。シリコーンエラストマー封止材と
しては高純度であり、自己接着性の付加反応硬化型シリ
コーンゴム組成物を半導体素子の少なくとも能動部分に
接した状態で硬化させたものが好ましく、シリコーンゴ
ムのみならずシリコーンゲルであってもよい。
［実施例］ 実施例、比較例中の体積固有抵抗率、引張ヤング率お
よび粘度は25℃における値である。
実施例１ 第１図は、本発明のフリップチップ型半導体装置の一
実施例の縦断面概略図である。
サイズ4mm×7mmのLSIチップの１のパッシベーション
膜２面がガラス製基板３に向い合う形でLSIチップ１が
ガラス製基板３に実装されている。
LSIチップ１のガラス製基板３に向い合った面上には
電極パッド４が計120個点在しており、電極パッド４は
パッシベーション膜２と連結している。ガラス製基板３
の電極パッド４に向い合った面上には基板電極５が120
個点在しており、互いに向い合った位置にある各電極パ
ッド４と各基板電極５は導電性シリコーンゴム６により
接続している。すなわち、各電極パッド４と各基板電極
５に導電性シリコーンゴム６が接着して電気的に結合し
ている。
この導電性シリコーンゴム６は、フィラーとして銀粉
末を含有している自己接着性の付加反応硬化型シリコー
ンゴム組成物を電極パッド４と基板電極５とに接触した
状態で加熱して硬化させたものである。
この導電性シリコーンゴム６は、体積固有抵抗率が４
×10-4Ω・cmであり、引張ヤング率が50Kgf/cm2であ
る。
LSIチップ１とガラス製基板３の間には耐寒性の絶縁
性シリコーンゴム７が封入されており、この絶縁性シリ
コーンゴム７は、LSIチップ１のパッシベーション膜２
と電極パッド４とLSIチップ１自体の側面に接着し、さ
らに、ガラス製基板３とその面上の基板電極５に接着し
ている。
この絶縁性シリコーンゴム７は、硬化前の粘度が3000
cpである自己接着性の付加反応硬化型シリコーンゴム組
成物を、LSIチップ１のパッシベーション膜２と電極パ
ッド４とLSIチップ１自体の側面と、ガラス製基板３と
その面上の基板電極５とに接触した状態で加熱硬化させ
たものである。JIS K6301のＡ型硬度計による硬度が15
であり、体積固有抵抗率が1.5×1015Ω・cmであり、結
晶化温度がなく、ガラス転移点が−120℃である。
第１図に示す半導体装置30個を用いて次の信頼性試験
を行い、その結果を第１表に示した。
項目 試験条件 耐ヒートサイクル性：半導体装置を−40℃の空気中に30
分間置き、＋25℃の空気中に５分間置き、＋85℃の空気
中に30分間置き、＋25℃の空気中に５分間置き、ついで
−40℃の空気中に30分間置き、これを１サイクルとして
半導体装置の50％にバンプクラックが発生するまでのサ
イクル数と接続抵抗値の上昇率が初期値の50％以上にな
ったサイクル数の小さい方を寿命とした。
耐ヒートショック性：半導体装置を−40℃の空気中に30
分間置き、ついで直ちに＋85℃の空気中に30分間置き、
これを１サイクルとして、半導体装置の50％にバンプク
ラックが発生するまでのサイクル数と接続抵抗値の上昇
率が初期値の50％以上になったサイクル数の小さい方を
寿命とした。
耐低温放置性 ：半導体装置を−40℃の空気中に放
置し、接続抵抗値の上昇率が初期値の50％以上になった
時点を寿命とした。
耐 湿 性 ：半導体装置を＋85℃、85％RHの空
気中に置き、接続抵抗値が初期値の50％以上になった時
点を寿命とした。
比較例１ 実施例１において、導電性シリコーンゴム６の替りに
導電性エポキシ樹脂接着剤を使用し、シリコーンゴム７
の替りに絶縁性エポキシ樹脂を使用した他はまったく同
一の半導体装置30個について、実施例１と同様の信頼性
試験を行い、その結果を第１表に示した。導電性エポキ
シ樹脂接着剤は、フィラーとして銀粉を含有し、アミン
を硬化剤としており、硬化後の体積固有抵抗率が１×10
-4Ω・cmであり、引張ヤング率が650Kg/cm2である。
絶縁性エポキシ樹脂は、硬化前の粘度が3000cpであ
り、アミンを硬化剤としており、硬化後の体積固有抵抗
率が3.0×1015Ω・cmであり、引張ヤング率が850Kg/cm2
である。
比較例２ 比較例１において、導電性エポキシ樹脂接着剤の替り
にハンダを使用した他はまったく同一の半導体装置30個
について、比較例１と同様に信頼性試験を行い、その結
果を第１表に示した。
［発明の効果］ 本発明のフリップチップ型半導体装置では、半導体素
子表面の電極と基盤上の電極を導電性シリコーンエラス
トマーにより接続し、かつ、半導体素子の少なくとも能
動部表面を絶縁性のエラストマーにより封止しているの
で、耐ヒートサイクル性や耐ヒートショック性に優れて
おり、半導体素子の大型化に伴い半導体素子と実装基板
の熱膨張係数の違いによる熱的ストレスがあってもバン
プクラックやルーズコンタクト、接続抵抗の増加（導通
不良）を生じさせず、耐低温放置性や耐湿性にも優れて
いるという特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、実施例１のフリップチップ型半導体装置の縦
断面概略図である。 １……LSIチップ、２……パッシベーション膜、３……
ガラス製基板、４……電極パッド、５……基板電極、６
……導電性シリコーンゴム、７……絶縁性シリコーンゴ
ム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−33348（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−103944（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−185050（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−6841（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−84747（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−232735（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−22367（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−108940（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/60 311 H01L 23/28

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】フリップチップ型半導体素子を基板上に実
    装してなる半導体装置において、該半導体素子表面の電
    極と該基板上の電極を導電性シリコーンエラストマーに
    より接続し、更に該半導体素子の少なくとも能動部表面
    を絶縁性エラストマー封止材により保護してなることを
    特徴とする、フリップチップ型半導体装置。
  2. 【請求項２】エラストマー封止材がシリコーンエラスト
    マー封止材であることを特徴とする、特許請求の範囲第
    １項記載のフリップチップ型半導体装置。
  3. 【請求項３】導電性シリコーンエラストマーが導電性の
    付加反応硬化型シリコーンエラストマーであり、シリコ
    ーンエラストマー封止剤が付加反応硬化型シリコーンエ
    ラストマー封止材であることを特徴とする、特許請求の
    範囲第２項記載のフリップチップ型半導体装置。
  4. 【請求項４】導電性シリコーンエラストマーの25℃にお
    ける引張ヤング率が、100Kgf/cm2以下であることを特徴
    とする、特許請求の範囲第１項記載のフリップチップ型
    半導体装置。
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