JP3064998B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置、特に多
端子、狭ピッチのＩＣ、ＬＳＩ等のパッケージング構造
を工夫した半導体装置とその製造方法の技術に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】従来、封止後の半導体素子の複数の突起
電極を基板上の配線に接続する一方法として、熱硬化型
樹脂の収縮力を利用する技術がある。この方法を説明す
る。
【０００３】まず、図５（ａ）の様にセラミック、ガラ
ス、ガラスエポキシ等よりなる配線基板１の基材２の導
体配線（導体パッド）３を有する面に、接着用絶縁性樹
脂４を塗布する。導体配線３はＣｒ−Ａｕ、Ａｌ、Ｃ
ｕ、ＩＴＯ等でありスパッタリング法、蒸着法により基
板配線用金属を形成した後、フォトレジスト法によりレ
ジストを導体配線を形成する部分に残して導体配線用金
属をエッチングするか、又は印刷法を用い形成する。絶
縁性樹脂４は熱硬化型のエポキシ、シリコーン、アクリ
ル等の樹脂である。
【０００４】次に、図５（ｂ）、（ｃ）の様に半導体素
子５の突起電極６を導体配線３と位置あわせして一致さ
せ、半導体素子５を冶具Ｇにて加圧し、配線基板１の基
材２に押し当てる。このときの突起電極６近傍の状態は
図５（ｄ）の様に、半導体素子５のアルミ電極７上に電
気メッキ法等により形成したＡｕ、Ａｇ、Ｃｕよりなる
突起電極６が、配線基板１に押し当てられると突起電極
６と導体配線３の間の熱硬化型の接着用絶縁性樹脂４が
押し出されてフィレットを形成し、突起電極６と導体配
線３とは電気的な接続を得る。
【０００５】次に、半導体素子５を加圧して突起電極６
を導体配線３に押し当てた状態で接着用絶縁性樹脂４に
熱を加えて硬化させ、その後加圧を解除し半導体素子５
を配線基板１に固着する。この時、半導体素子５の突起
電極６と配線基板１は熱硬化型の接着用絶縁性樹脂４の
収縮力により、電気的に接触した状態を保持することが
できるというものである。
【０００６】上述の熱硬化型絶縁性樹脂４により半導体
素子５と配線基板１とを接着し、しかもその収縮力によ
り突起電極６を導体配線３に接続する方法では、特公平
６−１０５７２７号公報に記載のように絶縁性樹脂の硬
化収縮力が、所望の温度での前記絶縁性樹脂の熱応力よ
りも大きくしてなる構造にしている。図６（ａ）にこう
した従来構造の半導体装置の常温時の状態を示し、図６
（ｂ）に加熱時の状態を示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の接続方法では、
半導体素子と配線基板を固定している絶縁性樹脂の収縮
力は半導体素子と配線基板の領域にほぼ均等に発生し、
その発生分布は図７に示すように、常温時はＳ領域、高
温時はＳ’領域となる。その差ｓは当該半導体装置使用
に伴う熱の発生消滅に従って樹脂に繰り返し発生し、樹
脂を疲労させ、その劣化を早め収縮力を低下させる。そ
の結果、樹脂の膨張量が収縮量を上回るようになって半
導体素子の突起電極と配線基板の導体配線との隙間に発
生させ導通不良を発生させるという不具合があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明の要
旨は、配線基板の導体配線と半導体素子の突起電極とを
合致させ、それら配線基盤と半導体素子との間を硬化に
よって収縮する接着用絶縁性樹脂で固着する構造の半導
体装置において、前記接着用絶縁性樹脂の硬化の際に発
生する残留応力の領域が前記突起電極付近で最大となる
構成とし、前記配線基板部分のうち、その配線基板上の
半導体素子の突起電極と相対して配置された導体配線よ
り内側の領域部分を外側の領域部分よりも薄く形成した
ことを特徴とする半導体装置に存する。請求項２記載の
発明の要旨は、前記接着用絶縁性樹脂の硬化の際に発生
する残留応力が、その最大応力の発生する領域を前記突
起電極付近とし、さらに半導体素子中央付近を最小また
はゼロとし、前記突起電極付近の残留応力による引っ張
り力により接続を保つ構成としたことを特徴とする、請
求項１記載の半導体装置に存する。請求項３記載の発明
の要旨は、前記配線基板部分のうち、その配線基板上の
半導体素子の突起電極と相対して配置された導体配線よ
り外側の領域部分を多層基板とし、内側の領域部分を外
側より層数を減らしてフレキシブル性のある配線基板と
することを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体
装置に存する。請求項４記載の発明の要旨は、前記配線
基板が有機配線基板であることを特徴とする、請求項１
〜３の何れかに記載の半導体装置に存する。請求項５記
載の発明の要旨は、前記接着用絶縁性樹脂が熱硬化型樹
脂であることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記
載の半導体装置に存する。請求項６記載の発明の要旨
は、複数の導体配線を有する配線基板上の所望の位置に
一定量の熱硬化性樹脂を塗布する第１の工程と、複数の
突起電極を有する８０℃以上に加熱した半導体素子を、
５０℃以上に加熱した前記配線基板に位置合わせして接
触させる第２の工程と、前記半導体素子を前記配線基板
に対して加圧して前記突起電極を前記導体配線に押し付
けて前記突起電極を変形させつつ前記導体配線を基板表
面の位置より沈み込ませる第３の工程と、この状態で加
熱を続けることにより前記熱硬化性樹脂を熱硬化させ、
硬化による体積収縮で前記半導体素子の下の前記配線基
板を半導体素子側に引き上げる第４の工程とを含むこと
を特徴とする、半導体装置の製造方法に存する。請求項
７記載の発明の要旨は、前記熱硬化性樹脂の硬化による
体積収縮に伴って発生する残留応力が、その最大応力の
発生する領域を前記突起電極付近とし、さらに半導体素
子中央付近を最小またはゼロとし、前記突起電極付近の
残留応力による引っ張り力により接続を保つようにする
ことを特徴とする、請求項６記載の半導体装置の製造方
法に存する。請求項８記載の発明の要旨は、前記配線基
板部分のうち、その配線基板上の半導体素子の突起電極
と相対して配置された導体配線より内側の領域部分を外
側の領域部分よりも薄く形成しておくことを特徴とす
る、請求項６又は７記載の半導体装置の製造方法に存す
る。請求項９記載の発明の要旨は、前記配線基板部分の
うち、その配線基板上の半導体素子の突起電極と相対し
て配置された導体配線より外側の領域部分を多層基板と
し、内側の領域部分を外側より層数を減らしてフレキシ
ブル性のある配線基板としておくことを特徴とする、請
求項６〜８の何れかに記載の半導体装置の製造方法に存
する。
【０００９】（作用）本発明は、熱硬化型絶縁性樹脂に
より半導体素子と配線基板とを接着し、しかもその収縮
力により突起電極を導体配線に接続する方法において、
絶縁性樹脂の収縮力の緩和による接続不良という本質的
な問題を解決するものである。本発明では、接着用絶縁
性樹脂の残留応力を半導体素子の突起電極付近に最大と
なるように発生させる。半導体素子の中央付近は最小か
またはほとんど溜まらないようにする。
【００１０】半導体素子を約２００℃に加熱し、樹脂を
介して配線基板と接着させ、硬化後常温に戻すと、樹脂
の硬化収縮と熱収縮により半導体素子と配線基板は互い
に引き寄せられる。半導体素子の突起電極は金あるいは
はんだでできており、その熱収縮量は樹脂に比べ非常に
少ないため、突起電極付近ではその突起電極に阻止され
て半導体素子と配線基板間の樹脂は十分に収縮できな
い。その結果、突起電極付近の樹脂には引っ張り応力
が、突起電極と配線基板の導体配線間には圧縮応力が、
残留応力として発生する。この圧縮応力の存在により、
半導体素子の突起電極と配線基板の導体配線との電気的
接続を保持する事ができる。
【００１１】一方、半導体素子中央付近では樹脂の収縮
が十分生じ、残留応力の発生が最小となるようにする。
その結果、残留応力の発生分布は図２に示すように常温
時がＲ領域となるのに対し、高温時はＲ’領域となる。
その差ｒの残留応力が当該半導体装置使用に伴う熱の発
生消滅に従って、樹脂に繰り返し発生する事となる。従
来の構造では図７に示すようにｓの残留応力が半導体装
置使用に伴う熱の発生消滅により樹脂に発生しており、
本発明による場合その発生量は従来構造より少なく、樹
脂を疲労させて収縮力を緩和させる時間を長くすること
ができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照して説明する。図１は、本実施の
形態に係る半導体装置の構造を示すもので、図１（ａ）
は常温時の状態を、図１（ｂ）は加熱時の状態を示して
いる。図２は残留応力の溜まり方を概念的に示した説明
図であり、図３は製造工程図である。
【００１３】本実施の形態に係る半導体装置は、図１に
示すように、導体配線１４（導体パッド）を有する有機
配線基板１５のその導体配線１４と、半導体素子１１の
突起電極１２が合致し、半導体素子１１と有機配線基板
１５の間を熱硬化型の接着用絶縁性樹脂１３で固着する
構造を有する半導体装置において、接着用絶縁性樹脂１
３の硬化の際に発生する残留応力が、その最大応力の発
生する領域を突起電極１２付近とし、さらに半導体素子
１１の中央付近を最小またはゼロの領域とし、その突起
電極１２付近の残留応力による引っ張り力により接続を
保つ構成としている。これにより、常温時の厚さｄと加
熱時の厚さｄ’は、ｄ＜ｄ’の関係になる。
【００１４】次に、図３（ａ）〜（ｄ）の工程図参照
し、その製造方法と共により具体的に説明する。同図
は、複数の突起電極を有する半導体素子１１の突起電極
１２を、導体配線１４を有するガラスエポキシやポリイ
ミドよりなる配線基板５の前記導体配線１４に位置合わ
せして接続する工程を示す。
【００１５】まず、予め一液性熱硬化性のエポキシ、シ
リコーン、アクリル等の樹脂１３を供給した配線基板１
５の導体配線１４に半導体素子１１のＡｕ、Ａｇまたは
Ｃｕよりなる突起電極１２を図３（ｂ）に示すように位
置合わせして接触させる。このとき、半導体素子１１は
熱源１７により１５０−２３０℃に加熱されており、配
線基板１５は５０−１００℃に加熱されている。
【００１６】次に、図３（ｃ）に示すように、半導体素
子１１を加熱した状態で加圧し、突起電極１２を導体配
線１４に押しつけて突起電極１２を変形させる。突起電
極１２を押し当てた状態で所定の時間加熱を続ける。こ
の間、加圧を一定に保ち導体配線１４を通常の位置より
沈み込ませ、折り曲げる。
【００１７】この導体配線１４が沈み込むことによって
突起電極１２と導体配線１４の位置より半導体素子内側
の領域部分にある樹脂層の厚みが薄くなり、接着強度が
増す。このため、樹脂１３が加熱により硬化反応を起こ
し、収縮するときに半導体素子の突起電極部１２、導体
配線１４内側の樹脂層ｃの薄くなった部分の配線基板１
５が図３（ｄ）に示すように引き上げられる。１６はソ
ルダレジストを示している。
【００１８】その場合、硬化反応による収縮力が発生す
る樹脂１３のガラス転移点が配線基板１５のガラス転移
点より高いとこの現象は容易に起きる。また、配線基板
１５のガラス転移点が高くても、樹脂１３より強度が低
ければ可能である。
【００１９】以上より、突起電極部１２，導体配線１４
周りの樹脂１３には収縮力による残留応力が溜まるが、
突起電極部１２，導体配線１４より内側の樹脂１３は突
起電極部１２，導体配線１４周りの樹脂１３より十分に
収縮できるので残留応力が少ないかまたは溜まらない。
【００２０】
【実施例１】本発明の実施例１の構成を以下に示す。 （１） 半導体素子・・・Si（シリコン） 配線基板・・・ガラスエポキシ ガラス転移点＝１２０℃ 曲げ弾性率＝４７０Kgf／mm２ エポキシ樹脂・・・酸無水物系 ガラス転移点＝１５０℃ 線膨張係数＝３０ppm／mm／℃ 曲げ弾性率＝６００Kgf／mm２ 以上のような構成とすると加熱冶具１７の温度は１８０
℃、配線基板１１温度は５０℃に設定する。図３（ａ）
の加熱冶具１７による加熱と加圧を解放後、自然冷却に
よって半導体素子と配線基板の間のエポキシ樹脂はガラ
ス転移点から冷却による収縮を始め、該樹脂よりガラス
転移点の低い配線基板１５は該樹脂の収縮力によって樹
脂厚みが減少する方向に引っ張られる。配線基板１５の
ガラス転移点まで温度が下がっても該樹脂の弾性率が配
線基板１５よりも高いためさらに配線基板は変形するた
め、半導体素子１１の中心領域の樹脂は十分に収縮でき
残留応力を発生しない。しかし、突起電極１２と導体配
線１４周りの樹脂は突起電極１２と基板配線１４の両方
との収縮差が大きいために残留応力が発生する。残留応
力分布は図２の通りになる。
【００２１】
【実施例２】本発明の実施例２の構成を以下に示す。 （２） 半導体素子・・・Si 配線基板・・・ポリイミド 曲げ弾性率＝６１０Kgf／mm２ ガラス転移点＝３００℃ エポキシ樹脂・・・酸無水物系 曲げ弾性率＝７６０Kgf／mm２ ガラス転移点＝１５０℃ 線膨張係数＝３０ppm／mm／℃ 以上のような構成とすると加熱冶具１７の温度は２００
℃、配線基板１１温度は８０℃に設定する。図３（ａ）
の加熱冶具１７による加熱と加圧を解放後、冷却によっ
て半導体素子１１と配線基板１５の間のエポキシ樹脂は
ガラス転移点から冷却による収縮を始め、該樹脂より弾
性率の低い配線基板１５は該樹脂の収縮力によって樹脂
厚みｃが減少する方向に引っ張られる。半導体素子１１
の中心領域部分の樹脂１３は十分に収縮でき収縮後に残
留応力を発生しない。しかし、突起電極１２と導体配線
１４周りの樹脂１３は突起電極１２と導体配線１４の両
方との収縮差が大きいため、残留応力が発生する。残留
応力分布は図２の通りになる。
【００２２】
【実施例３】本発明の実施例３の構成を以下に示す。 （３） 半導体素子・・・Si 配線基板・・・フレクスボード ＊半導体素子の突起電極と相対する位置に配置された導 体配線より半導体領域の外側は多層、それより内側は 層数を減らした、フレクスボード基板とする エポキシ樹脂・・・酸無水物系 曲げ弾性率＝７６０Kgf／mm２ ガラス転移点＝１５０℃ 線膨張係数＝３０ppm／mm／℃ 以上のような構成では、図４に示すように、加熱冶具２
７の温度は２００℃、配線基板２１温度は８０℃に設定
する。図４（ａ）の加熱冶具２７による加熱と加圧を解
放後、冷却によって半導体素子２１と配線基板２５の間
のエポキシ樹脂２３はガラス転移点から冷却による収縮
を始め、導体配線２４の位置より内側の配線基板の薄肉
部分２５ａは屈曲性があるため樹脂２３の収縮力によっ
て図４（ｃ）、（ｄ）に示すように樹脂２３の厚みｃが
減少する方向に引っ張られる。半導体素子２１の中心領
域の樹脂２３は十分に収縮でき収縮後に残留応力を発生
しない。しかし、突起電極２２と導体配線２４周りの樹
脂２３は突起電極２２と導体配線２４の両方との収縮差
が大きいため残留応力が発生する。残留応力分布は図２
の通りとなる。図４において２６はソルダレジストを示
している。
【００２３】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、半導体
素子の突起電極と配線基板の導体配線との圧接のみの接
続を、半導体素子と配線基板の間に配した絶縁性接着剤
の収縮が半導体素子の突起電極と配線基板の導体配線の
熱収縮より大きいことから、それらを取り囲む十分に収
縮できない樹脂に発生する残留応力で保っている。本発
明では、その残留応力を緩和する原因となる樹脂の総熱
ストレスを減らすことにより緩和時間をのばせるため、
従来の構造よりも接続信頼性に関して長期的に向上させ
ることができる。
【００２４】また、本発明の製造方法によれば、半導体
素子を配線基板に対して加圧して突起電極を導体配線に
押し付けて突起電極を変形させつつ前記導体配線を基板
表面の位置より沈み込ませる工程を行うようにしている
ので、特別に追加の工程を行うことなく、樹脂の残留応
力分布を目的とする状態に容易に設定することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体装置の常温時と加熱時の構
造状態示す側面図である。
【図２】本発明に係る半導体装置における残留応力の溜
まり方を概念的に示した説明図である。
【図３】本発明に係る半導体層の製造方法を示す工程図
である。
【図４】本発明に係る半導体層の他の実施例の製造方法
を示す工程図である。
【図５】従来の半導体層の製造方法を示す工程図であ
る。
【図６】従来の半導体装置の常温時と加熱時の構造状態
を示す側面図である。
【図７】従来の半導体装置における残留応力の溜まり方
を概念的に示した説明図である。
【符号の説明】
１ 配線基板 ２ 基材 ３ 導体配線（導体パッド） ４ 接着用絶縁性樹脂 ５ 半導体素子 ６ 突起電極 ７ アルミ電極 １１ 半導体素子 １２ 突起電極 １３ 接着用絶縁性樹脂 １４ 導体配線（導体パッド） １５ 配線基板 １６ ソルダレジスト １７ 加熱冶具 ２１ 半導体素子 ２２ 突起電極 ２３ 接着用絶縁性樹脂 ２４ 導体配線（導体パッド） ２５ 配線基板 ２５ａ 薄肉部分 ２６ ソルダレジスト ２７ 加熱冶具
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 311

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 配線基板の導体配線と半導体素子の突起
    電極とを合致させ、それら配線基盤と半導体素子との間
    を硬化によって収縮する接着用絶縁性樹脂で固着する構
    造の半導体装置において、前記接着用絶縁性樹脂の硬化
    の際に発生する残留応力の領域が前記突起電極付近で最
    大となる構成とし、前記配線基板部分のうち、その配線基板上の半導体素子
    の突起電極と相対して配置された導体配線より内側の領
    域部分を外側の領域部分よりも薄く形成した ことを特徴
    とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記接着用絶縁性樹脂の硬化の際に発生
    する残留応力が、その最大応力の発生する領域を前記突
    起電極付近とし、さらに半導体素子中央付近を最小また
    はゼロとし、前記突起電極付近の残留応力による引っ張
    り力により接続を保つ構成としたことを特徴とする、請
    求項１記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記配線基板部分のうち、その配線基板
    上の半導体素子の突起電極と相対して配置された導体配
    線より外側の領域部分を多層基板とし、内側の領域部分
    を外側より層数を減らしてフレキシブル性のある配線基
    板とすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半
    導体装置。
  4. 【請求項４】 前記配線基板が有機配線基板であること
    を特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の半導体装
    置。
  5. 【請求項５】 前記接着用絶縁性樹脂が熱硬化型樹脂で
    あることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の
    半導体装置。
  6. 【請求項６】 複数の導体配線を有する配線基板上の所
    望の位置に一定量の熱硬化性樹脂を塗布する第１の工程
    と、複数の突起電極を有する８０℃以上に加熱した半導
    体素子を、５０℃以上に加熱した前記配線基板に位置合
    わせして接触させる第２の工程と、前記半導体素子を前
    記配線基板に対して加圧して前記突起電極を前記導体配
    線に押し付けて前記突起電極を変形させつつ前記導体配
    線を基板表面の位置より沈み込ませる第３の工程と、こ
    の状態で加熱を続けることにより前記熱硬化性樹脂を熱
    硬化させ、硬化による体積収縮で前記半導体素子の下の
    前記配線基板を半導体素子側に引き上げる第４の工程と
    を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記熱硬化性樹脂の硬化による体積収縮
    に伴って発生する残留応力が、その最大応力の発生する
    領域を前記突起電極付近とし、さらに半導体素子中央付
    近を最小またはゼロとし、前記突起電極付近の残留応力
    による引っ張り力により接続を保つようにすることを特
    徴とする、請求項６記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記配線基板部分のうち、その配線基板
    上の半導体素子の突起電極と相対して配置された導体配
    線より内側の領域部分を外側の領域部分よりも薄く形成
    しておくことを特徴とする、請求項６又は７記載の半導
    体装置の製造方法。
  9. 【請求項９】 前記配線基板部分のうち、その配線基板
    上の半導体素子の突起電極と相対して配置された導体配
    線より外側の領域部分を多層基板とし、内側の領域部分
    を外側より層数を減らしてフレキシブル性のある配線基
    板としておくことを特徴とする、請求項６〜８の何れか
    に記載の半導体装置の製造方法。
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