JP3125137B2 - 半導体装置 - Google Patents
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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、半導体チップの電
極端子をＣＣＢ法(Controlled Collapse Bonding法)に
より基板上の電極端子に接合した後、樹脂により被覆し
てなる構造の半導体装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】このような構造の半導体装置の具体的な
一例として、図１に示す要部断面構造図のように、液晶
表示素子の形成されたガラス基板上に、その液晶表示素
子を駆動する半導体チップを載置して一体形成したもの
が知られている。即ち、ガラス基板１の上面に形成され
た電極端子２と、シリコン半導体からなる半導体チップ
（以下、Ｓｉチップと称する）３の下面に形成された電
極端子４とを対向配置し、これらの電極端子２，４間を
ＣＣＢ法により形成されるはんだバンプ５によって接合
し、次にシリコンゲル等の如き柔軟性を有する樹脂６
を、ガラス基板１とＳｉチップ３の空隙部に充填し、さ
らに、Ｓｉチップ３の上及び側面を炭酸カルシウムを混
入したビスフェニ−ル型の低膨張エポキシ系樹脂７によ
り被覆した構造となっている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ところが、上述構造の
半導体装置について、−４０℃←→１００℃の温度条件
で温度サイクル試験を行ったところ、被覆のないもの
（以下、裸チップと称する）よりも耐熱疲労性がかなり
劣るという結果が得られた。そこで、その原因を実験等
により検討した結果、次に述べるような欠点があること
が判った。 【０００４】即ち、炭酸カルシウム粉をエポキシ樹脂に
混入すると、膨張係数が大きく下がるが、Ｓｉチップや
ガラス基板に比較するとまだ大である。 【０００５】しかも、炭酸カルシウムの混入率を増すと
樹脂の流動性と柔軟性が低下し、必ずしも耐熱疲労性は
向上しない。 【０００６】また、半導体チップの放熱を改善するのも
耐熱疲労性を向上させる点で重要である。 【０００７】本発明の目的は、対向する電極端子間を接
続する導電体を介して半導体チップが基板上に載置さ
れ、チップと基板の空隙部に樹脂が充填されてなる構造
の半導体装置の耐熱疲労性を向上させることにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、半導体チップ
と、この半導体チップが間隙を介して載置される基板
と、この基板と前記半導体チップとの対向する電極端子
間を接続してなる導電体と、前記導電体周囲の前記半導
体チップと前記基板との間隙に充填されたシリコンゲル
とを備え、更にその周囲を熱硬化性樹脂とこの樹脂より
も小さい熱膨張係数を有する無機材料からなる第１の粉
粒体及びゴム状弾性材料からなる第２の粉粒体とを含
み、第１の粉粒体の混入率を３０乃至５５体積％とし、
第２の粉粒体の混入率を１乃至２０重量部としてなる樹
脂組成物により、前記半導体チップの反基板側表面と前
記半導体チップの外周部と前記半導体チップに対向する
前記基板の表面とを包囲してなることによって、耐熱疲
労性を向上させようとするものである。ここで、本発明
は、表面側の電極端子と裏面側の電極端子とをスルーホ
ールを介して導通させた基板と、該基板に載置する半導
体チップと、前記基板の表面側の電極端子と前記半導体
チップとの対向する電極端子との間を接続する導電体と
を有するスルーホールピン型の半導体装置にも適用でき
る。 【０００９】つまり、無機材料からなる第１の粉粒体
を、好ましくは３０乃至５５体積％、混入することによ
って、樹脂組成物の熱膨張係数が十分低減され、またゴ
ム状弾性体からなる第２の粉粒体を、好ましくは１乃至
２０重量部、混入することによって、樹脂組成物の流動
性と柔軟性が増加する。当然に、第１と第２の粉粒体の
粒径を十分小さな粒径にすることにより、基板と半導体
チップとの間隙に浸入する流動性を満たすことができ
る。流動性が増加すると、樹脂組成物の充填工程におい
て半導体チップと基板との空隙部に樹脂組成物が浸入し
やすくなり、導電体、チップ、基板との密着性が向上し
て耐熱疲労性が向上するとともに、作業性を良くする。
また、樹脂組成物の柔軟性の増加は、導電体とチップ及
び基板の接合部の応力集中を緩和し、耐熱疲労性を向上
させる。さらに、チップ上面の放熱面を除いて樹脂によ
り被覆するようにしたことから、樹脂被覆による断熱作
用が軽減され、耐熱疲労の影響因子の１つである半導体
チップの温度上昇が抑制される。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
いて説明する。まず、本発明の一実施の形態の被覆樹脂
材料について説明する。エポキシ樹脂の熱膨張係数αR0
は約100×10~ 6／℃であり、半導体チップ、例えばＳｉ
チップの熱膨張係数αSi；3×10~ 6／℃や、基板、例え
ばガラス基板のソ−ダガラスの熱膨張係数αG；9.33×1
0~ 6／℃に比べて大きい。一般に、耐熱疲労性を向上さ
せるには、熱膨張係数が半導体チップや基板のそれに近
い被覆樹脂を適用することが望ましい。 【００１１】そこで、エポキシ樹脂に炭酸カルシウムや
石英粉等の如き、熱膨張係数の小さな無機材料（以下、
低膨張化材と称する）を混入して低膨張化するようにし
ている。例えば、体積にして５０％の石英粉を混入する
と、熱膨張係数αRは約２５×１０~ 6／℃に低下する。
しかし、混入率を高くするにしたがって樹脂の粘度が高
くなり、流動性が低下する。流動性が低下すると、被覆
工程においては、はんだバンプ周囲の空隙部に樹脂が侵
入しにくくなって、空隙部が残ったり、基板との密着性
が低したり、被覆の作業性が低下するという問題が生ず
る。この結果、逆に耐熱疲労性及び耐湿性が低下してし
まうことがある。また、混入率を高くすると樹脂の柔軟
性が低下して、基板との接着部に応力が集中するため、
この応力によりガラス等の基板が破損されてしまうこと
がある。 【００１２】したがって、単に低膨張化材を混入して低
膨張化するだけでは、耐熱疲労性の向上に一定の限度が
あるため、さらにその流動性及び柔軟性を改善する必要
がある。 【００１３】そこで、本発明は低膨張化材に加えて粒状
の弾性材料、例えばポリブタジエンやシリコン等のゴム
粒子を分散混入し、これによって柔軟性及び流動性を向
上させようとするものである。つまり、被覆樹脂内のゴ
ム粒子は応力緩衝材とし作用するので柔軟性が向上して
応力集中や歪が緩和されることから、これによって耐熱
疲労性を向上させようとするものである。また、粒状の
ゴム粒子の作用によって流動性を向上させようとするも
のである。しかし、後述するように、ゴム粒子の混入率
にも最適な範囲がある。例えば、粒径１μｍレベルのポ
リブタジエン（ＣＴＢＮ １３００×９）からなるゴム
粒子を混入した場合、エポキシ樹脂に対するゴム粒子の
重量比を１００対２０以上（以下、重量部または単に部
と称し、例えば２０部以上と表現する）にすると、ゴム
粒子の分散が不均一になってしまうとともに、ポリブタ
ジエンの熱膨張係数αPBは約８０×１０~ 6／℃と大き
いので、混入後の被覆樹脂の熱膨張係数αRが大となっ
てしまい、耐熱疲労性を低下させる原因となるのであ
る。また、流動性向上の効果にあっても、飽和現象があ
るので大幅向上は期待できない。 【００１４】これらのことを、樹脂材料の実施例を用い
て行った実験結果に基づいて説明する。表１に、エポキ
シ樹脂（ＥＰ−８２８）を主材料とし、粒径約１μｍの
石英粉を低膨張化材とし、粒径約１μｍのポリブタジエ
ンの均一なゴム粒子を緩衝材とし、それらの混入率の異
なる種々の樹脂により被覆した半導体装置を試料とし
て、前述と同一の温度サイクル試験を行った判定結果を
示す。なお、基板、半導体チップ及びはんだバンプは図
１と同一構成のものとし、判定は、樹脂被覆を施さない
裸チップのものに比較して、早いサイクルにて故障に至
った試料を不合格として×印で示し、合格したものにつ
いては故障率を基準に、優れている順に○、△印で示し
た。故障率の一例として、図２（Ａ）に石英粉の混入率
を３５体積％に固定し、ポリブタジエンゴム粒子の混入
率を変化させた場合を、図２（Ｂ）にポリブタジエンゴ
ム粒子の混入率を１０部に固定し、石英粉の混入率を変
化させた場合を、それぞれ示す。 【００１５】 【表１】 【００１６】なお、図２（Ａ），（Ｂ）図中実線で示し
たものは、１サイクル／１時間の温度サイクル試験を９
００サイクル行った例であり、図中点線で示したものは
同様に５００サイクルの例である。また、被覆樹脂には
硬化温度を低くするための添加剤、例えば硬化促進剤と
してイミダゾル（２Ｐ４ＭＨＺ）を５重量％、硬化剤と
してジシアンジアミドを１０重量％、シランカップリン
グ剤（Ａ−１８７）を２重量％等を混入し、硬化温度１
３０℃、硬化温度１時間として基板の熱的影響を避ける
ようにした。 【００１７】表１に示す判定結果から、低膨張化剤と緩
衝剤の混入効果について考察する。まず、ボリブタジエ
ンの混入率が０部、即ち石英粉のみを混入した試料は、
全て裸チップのものより悪い判定結果となっているが、
樹脂被覆された試料相互間で定量的に比較すると、石英
粉の混入率を高めるにしたがい熱疲労寿命が増大される
ということを実験で確認している。但し、石英粉の混入
により流動性が低下して、Ｓｉチップ３下側とはんだバ
ンプ５の周囲への浸透が悪くなるので、この点からみ
て、石英粉の混入率は６０体積％が限界である。 【００１８】一方、ポリブタジエンは若干混入するだけ
で、図２（Ａ）に示すように、急激に故障率が低下され
ており、緩衝材及び流動化材としての効果が顕著に表
れ、耐熱疲労性において裸チップよりも優れた特性が得
られた。但し、ポリブタジエン混入率を高くすると、前
述したように、その分散が不均一となり、耐熱疲労性が
低下する。 【００１９】これらのこと及び表１から、石英粉の混入
率は３０〜５５体積％、ポリブタジエンゴム粒子の混入
率は１〜２０部の範囲に選定することにより、裸チップ
よりも優れた耐熱疲労性のものとすることができる。例
えば、石英粉５０体積％、ポリブタジエン５部を混入し
たものの耐熱疲労性（寿命）は、裸チップの３倍以上で
あり、信頼性が大幅に向上された。 【００２０】なお、低膨張化材としては石英の他、炭酸
カルシウム、炭化シリコン、窒化シリコン、または酸化
ベリリウム混入の炭化シリコン等の如き、いわゆる熱膨
張係数の小さな無機材料が適用可能であり、同一の効果
が得られる。この低膨張化材の粒径にあっても、上記実
施例の１μｍに限られるものではない。 【００２１】また、弾性材としてはポリブタジエンゴム
粒子の他、シリコンゴム粒子等の如き、いわゆる弾性の
大きなゴム粒子が適用可能であり、その粒径にあって
も、１μｍに限られるものではない。 【００２２】次に、樹脂被覆の形状について説明する。
前述したように、石英粉等の低膨張化材を混入しても、
エポキシ樹脂の熱膨張係数αRはソ−ダガラスや半導体
チップに比べてまだ大きな値である。そして、それらの
部材間の熱膨張量の差により生ずる応力によって半導体
チップ、はんだバンプ、ガラス基板、又はそれら部材の
接続部が破損されるのである。実験によると、はんだバ
ンプと半導体チップとの接続部が、繰返し応力に対して
最も弱いことが判った。そこで、その接続部に発生する
応力を低減することができる樹脂被覆の形状、即ち、半
導体チップ上面の被覆厚みと、半導体チップ周辺部の被
覆幅について、有限要素法により求めた。 【００２３】即ち、半導体チップ上面の被覆厚みｔmmと
したとき、はんだバンプと半導体チップの接続部にかか
る最大応力（破損に関係する引張応力）を求め、図３
（Ａ）に裸チップにおける最大引張応力に対する比率と
して示した。なお、図３（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、
ガラス基板１、半導体チップ３は６mm角のＳｉチップ、
はんだチップ５は球欠体形状のものとし、樹脂被覆７は
全体幅Ｌを１５mm角一定としたものをモデルとし、図示
矢印９の方向の最大応力を求めたものである。矢印９の
位置における応力は、温度が室温（２０℃）から１００
℃に変化したときは引張応力となり、室温（２０℃）か
ら−４０℃に変化したときは圧縮応力になる。また、樹
脂はエポキシ樹脂に石英粉のみを混入した流動性の劣る
ものとし、基板１とチップ３のとの間に空隙８が生じた
ものをモデルとした。 【００２４】図３（Ａ）から明らかなように、被覆厚み
ｔが増すにつれて、半導体チップ３とはんだバンプ５の
接続部にかかる最大引張応力が大きくなることから、被
覆厚みｔは薄いほどよいということになる。また、放熱
の面でも薄いほうがよいされているが、機械的保護及び
耐湿性保持から許容最小厚みが制限されることがあり、
ｔは１±０．５mmの範囲で選定することが望ましい。し
かし、機械的保護及び耐湿性について考慮しなくてよい
場合は、半導体チップ３の上面を全体に渡って被覆する
必要はないのは明らかである。 【００２５】一方、図４（Ａ）に半導体チップの周辺に
形成される樹脂被覆の幅と、前記接続部にかかる最大応
力との関係を示す。なお、モデルは図４（Ｂ),(Ｃ）に
示すように図３（Ｂ),(Ｃ）と同様のものであり、被覆
厚みｔを１．５mm一定、半導体チップ３の幅を２ａ、半
導体チップ端縁から被覆外縁までの寸法、即ち半導体チ
ップ周辺領域に形成される被覆の幅をＬ’とした。 【００２６】図４（Ａ）に示すように、Ｌ’／ａが増す
につれて最大引張応力が現象する傾向にある。このこと
は、周辺域の被覆幅Ｌ’が広くなると、被覆幅Ｌ’の中
心（図示Ｂ，Ｂ')より内側の被覆が温度上昇時に内側方
向に伸び、これによって半導体チップ３に対して圧縮方
向に応力が作用すると考えられる。なお、このことは計
算によって確認している。 【００２７】したがって、Ｌ’／ａを大にすれば最大引
張応力を減少することができる。即ち、被覆樹脂の熱膨
張係数が大であっても、被覆形状を適切なものとするこ
とにより、裸チップのものより耐熱疲労性を向上させる
ことができる。しかし、Ｌ’／ａ≧３.０以上にして
も、最大引張応力の低減効果が小さくなる反面、ガラス
基板１と樹脂被覆７との接合部のガラス破損が起こりや
すくなること、及び樹脂被覆１４全体の面積的制限を考
慮すると、Ｌ’／ａは２〜３が望ましい範囲である。因
に、最適な形状の一例を示せば、半導体チップ上面の被
覆厚みｔは０．５mm、Ｌ’／ａは２となる。 【００２８】次に、はんだバンプの形状について説明す
る。上述した被覆樹脂材料及び被覆形状についての実施
例では、はんだバンプの形状が球欠体の場合として説明
したが、樹脂の変形に追従できるはんだバンプ形状、又
ははんだバンプにかかる応力を低減できる形状にすれ
ば、耐熱疲労性は飛躍的に向上される筈である。 【００２９】そこで、はんだバンプの形状を図５（Ａ）
〜（Ｄ）に示す形状に形成し、熱疲労寿命と機械的強度
とを実験的に求めた。なお、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す
はんだバンプは全て同一体積とし、ＣＣＢ法において半
導体チップと基板との間隙寸法を変えることによって、
はんだバンプの高さ及び中央部の径ｂを変えた。 【００３０】図６は上述のように形成されたはんだバン
プを有する裸チップに対し、縦横の強制歪を与えたと
き、熱疲労寿命及び機械的強度がどのようになるかを示
した線図である。同図において、横軸にはんだバンプの
中央の径ｂと端子径ｃの比ｂ／ｃをとり、縦軸に図５
（Ｄ）に示す球欠体型の熱疲労寿命を１とし、これに対
する各形状の熱疲労寿命を比で示すとともに、同様に圧
縮強度又は引張強度からなる機械的強度の比で示した。 【００３１】図６の図示曲線（Ｉ）に示すように、熱疲
労寿命特性は、ｂ／ｃが大になるほど、即ち球欠体形状
になるほど急激に悪くなることが判る。このことは、は
んだバンプ内の応力分布がその形状によて大きく異なっ
ているためである。即ち、図５（Ａ），（Ｂ）に示した
ｂ／ｃ＜１のいわゆるつづみ型のはんだバンプにかかる
応力を有限要素法により求めたところ、図７（Ａ）に示
す分布となることが判った。同図において、矢印は各区
画領域における応力の方向とその大きさを表しており、
応力はほぼ一様に分布していることが判る。これに対
し、図５（Ｄ）に示したｂ／ｃ＞１の球欠体型のはんだ
バンプの場合は、図７（Ｂ）に示す応力分布となり、両
端の接合界面部に応力が集中し、この部分から熱疲労破
断が発生する。 【００３２】また、はんだバンプの高さが大になるつづ
み型ものにあっては、一定量の変形に対して歪は相対的
に小さくなることから、熱疲労寿命が向上されるのであ
る。しかし、ｂ／ｃをさらに小さくした極端なつづみ型
にすると、応力が中央部に集中するようになるのと、図
６の図中曲線（II）で示す機械的強度が低下するので、
はんだバンプが破断してしまうことから、熱疲労寿命の
増大がおさえられてしまう。 【００３３】従って、はんだパンプの形状は少なくとも
ｂ／ｃ＝１の円柱型とし、好ましくは０．５≦ｂ／ｃ＜
１の範囲のつづみ型とするのがよい。 【００３４】ところで、上述は裸チップのものである
が、樹脂被覆を施したものの場合は、樹脂の熱膨張係数
が大であることから、はんだバンプの形状としては大き
な変形量に対して追従できるものが望ましい。この点に
ついても、つづみ型は高さが大きいことから、前述した
ように、一定変形量に対し相対的に歪が小さくなるので
望ましいことになる。例えば、図８（Ａ）に示すよう
に、はんだバンプ１０はつづみ型のものとし、低膨張化
エポキシ樹脂からなる樹脂被覆１１を施した場合、はん
だバンプ１０に作用する変形応力は、同図（Ｂ）の矢印
１２，１３に示す縦・横方向に作用する。 【００３５】図８（Ａ），（Ｂ）図示のものにおいて、
ガラス基板１の熱膨張係数をαg，Ｓｉチップ３の熱膨
張係数をαSi、樹脂被覆１１の熱膨張係数をαR、横方
向最大変形量をΔＬx、縦方向最大変形量をΔＬy、Ｓｉ
チップ３の１辺を２ａ、はんだバンプ１０の高さをｈ、
せん断歪をγ、軸方向歪をε、温度変化量をΔＴ、定数
をｋ1，ｋ2，Ａ、合計歪をＥ、熱疲労寿命をＮfとする
と、次式(1)〜(5)が成立する。 【００３６】 ΔＬx＝ａ（αg−αSi）ΔＴ …(1) ΔＬy＝ｈαRΔＴ …(2) γ ＝ｋ1（ΔＬx／ｈ） …(3) ε ＝ｋ2（ΔＬy／ｈ） …(4) Ｎf ＝Ａ／Ｅ2＝Ａ／（γ2＋ε2）） …(5) これらの式から、はんだバンプの高さｈが大であれば、
樹脂被覆の熱膨張によって生ずるΔＬx，ΔＬyに対し、
歪γ，εは小さくなる。 【００３７】したがって、つづみ型のはんだバンプとす
ることにより、はんだバンプ高さｈが大であることから
歪が小さくなり、しかも応力集中が緩和されることか
ら、はんだバンプと半導体チップとの接合部の破損が低
減されて、耐熱疲労性が著るしく向上するという効果が
ある。 【００３８】なお、はんだの熱膨張係数は約２５×１０
~ 6／℃程度であり、低膨張化エポキシ樹脂と同等であ
ることから、はんだバンプ自体が樹脂被覆によって拘束
されることは少ない。 【００３９】以上、本発明の被覆樹脂材料及びはんだバ
ンプ形状をそれぞれ個別に適用した基本構成例について
説明したが、それらを組み合わせることによって、一層
耐熱疲労特性に優れたものとすることができることは言
うまでもない。 【００４０】なお、半導体チップの半導体素子が形成さ
れている面は、はんだバンプが接合されている面である
が、一般にこの面にはＳｉＯ2又はポリイミドなどの薄
膜により保護されている。しかし、はんだバンプが接合
される部分はそれらの薄膜が形成されていないため、耐
湿性の問題について考察す る。一般に知られているＤ
ＩＰ（Dual Inline Package）型の樹脂モールド半導体
装置にあっては、リードフレームのタブ上にＳｉチップ
が接続され、素子側の端子はアルミニウム（Ａｌ）線を
超音波ボンディング法により接続し、その全体を樹脂モ
ールドした構造となっている。ところが、リード線と樹
脂の界面を伝わって水分が侵入し、さらにＡｌ線にまで
伝わってＡｌ線を腐食したり、Ａｌ線と素子の接合界面
を腐食させて断線等の故障が発生していた。 【００４１】しかし、本発明に係るＣＣＢ法により形成
された構造の樹脂被覆されたものによれば、樹脂被覆部
分に上記ＤＩＰのリードの如き引出し線が無いこと、半
導体チップ周囲の被覆幅が大きいのでガラス基板と樹脂
の界面から水分は侵入しにくいこと、及びはんだ（Ｐｂ
−５％Ｓｎ，Ｐｂ−６０％Ｓｎ）はＡｌ線に比べて耐食
性に優れていることなどから、総じて耐湿性に優れてい
ると言うことができる。 【００４２】さらに、厳しく耐湿性を要求される場合に
は、図９に示すように、柔軟なシリコンゲル１４を半導
体チップ３の下に充填する２液被覆法が有効である。シ
リコンゲル１４は柔軟なことからはんだバンプ５表面、
ガラス基板１表面及び半導体チップ３表面との馴じみが
良く、水分の侵入を阻止することができる。しかし、シ
リコンゲル１４の熱膨張係数は約１００×１０~ 6／℃
と大きいので、はんだバンプ５の表面を薄く被覆する程
度が望ましい。また、樹脂被覆１１とガラス基板１との
界面に防湿効果を有するアクリル樹脂膜１５を予め薄く
コーティングしておくと、ガラス割れを防止することが
できる。 【００４３】次に、図１０に示した一実施例装置によ
り、はんだバンプ形状を所望のつづみ型に形成する方法
について説明する。 【００４４】図１０に示す装置は、ガラス基板１に半導
体チップ３をＣＣＢ法により接合する装置である。ま
た、ガラス基板１は液晶表示装置の表示素子１６の基板
を兼ねているものの例である。 【００４５】本製法は、ソーダガラス等のガラス基板１
は急激に加熱すると割れる恐れがあり、また液晶の表示
素子１６等に対する熱影響を軽減するため、半導体チッ
プ３を予熱した後、ガラス基板１を透過させて赤外線を
はんだバンプ５に一定時間照射して溶融させ、そして半
導体チップ３とガラス基板１の間隔を引き伸して、はん
だバンプ５の形状を所望形状に形成しようとすることに
ある。 【００４６】図１０に示すように、予め蒸着法等により
電極端子面にはんだが盛られた半導体チップ３を、その
電極端子面を上側にして予熱板２１上に載置する。その
半導体チップ３の上にガラス基板１を対向する電極端子
の位置を合わせて載置する。液晶の許容温度は最大１３
０℃であることから、予熱板２１とは熱的に遮へいする
ようにしている。はんだの組成は耐熱疲労性に優れたＰ
ｂ−５％Ｓｎ（融点約３１０℃）とし、電極端子上のは
んだに予めロジン系フラックスを塗布した。 【００４７】接合工程を図１１に示したはんだバンプ５
の実測温度の時間変化曲線を参照しながら説明する。ま
ず、予熱ヒータ２２により半導体チップ３側から接合部
全体を１００℃程度に予熱する。しかる後、赤外線ラン
プ２３によりはんだバンプ５部に赤外線を照射する。次
に、はんだが溶融すると同時にチップ吸引装置２４を駆
動して、基板１と半導体チップ３の間隔を所定間隔２５
に引伸ばす。これと同時に、赤外線ランプ２３、予熱ヒ
ータ２２を切り、冷却管２６に冷却水を通して冷却し、
はんだバンプを凝固させるようにする。なお、はんだの
溶融時間は約１５秒であり、その間にチップ吸引装置２
４が作動して初期間隔２７から所定間隔２５に引伸ばさ
れる。この引伸ばしに要する時間は約１秒程度である。
また、はんだバンプ５の形状は、予熱板２１の突起高さ
２８を調整することにより変えることができる。 【００４８】なお、はんだ組成は、上記のものに代え
て、Ｐｂ−６０％Ｓｎ（融点１９１℃）を用いてもよ
く、その場合低融点でＣＣＢ接合可能であることから、
熱影響を避けたい基板等の場合には好適である。 【００４９】また、アルミナ基板等のように赤外線を透
過しないものには適用することはできず、周知の方法
（特開昭５０−１３１６４７号公報）の如く、半導体チ
ップ側から加熱溶融させるようにしなければならない。 【００５０】上述の製法は、上面に電極膜の形成された
ガラス基板に、半導体チップをＣＣＢ接合してなる構造
のものに適用した実施例であるが、以下に述べる構造を
有する半導体装置にも適用可能であり、同様の効果を得
ることができる。 【００５１】図１２に本発明にかかる基本構成例の構造
図を示す。本図は、スルーホールピン型の低膨張多層プ
リント基板３１にかかるものであり、同図（Ａ）は断面
構造図、（Ｂ）は半導体チップ３の下面図、（Ｃ）は多
層プリント基板３１の下面図である。図に示すように、
電極端子数の多い半導体チップ（例えば超ＬＳＩにあっ
ては端子数が２００個以上にも達する）の場合、ワイヤ
ボンディング方式で基板の端子と接続することは困難で
ある。したがって、ＣＣＢ法による接合構造が好適であ
り、上記製法を適用することによって、耐熱疲労性に優
れた信頼性の高いものとすることができる。 【００５２】なお、多層プリント基板３１としては、ガ
ラスもしくはセラミック材料からなる単一基板、又はガ
ラス繊維含有エポキシ、ガラス繊維含有ポリイミドもし
くは高弾性率高強力繊維を含有するエポキシ又はポリイ
ミド多層基板等が知られている。なお、高弾性率高張力
繊維の具体例としては、ケプラー（米国デュポン社製）
が知られている。また、多層セラミック基板等にも適用
可能なことは言うまでもない。 【００５３】図１３は本発明の好適な一実施例を示す断
面構造図である。本実施例は、図１２の図示例のものに
放熱フィン３３をはんだ３４により取付けたものであ
る。本実施例のようなスルーホール型の場合、半導体チ
ップの発熱量が大きく、しかも基板側からの放熱が効果
的でない場合に、半導体チップ上面からの放熱を良くす
る効果がある。つまり、半導体チップ３の上面にＣｒ−
Ｃｕ−Ａｕをメタライズし、はんだ３４ははんだバンプ
５よりも一段低融点のはんだを用いる。例えば、はんだ
バンプ５がＰｂ−５％Ｓｎであれば、はんだ３４はＰｂ
−６０％Ｓｎ，Ｓｎ−３．５％Ａｇ（融点約２２０
℃）、Ａｕ−２０％Ｓｎ（融点２８０℃）等を用いる。
また、半導体チップ３から要求される放熱特性が緩やか
な場合には、図１４に示すように、放熱フィン３３を樹
脂接着とすれば、被覆樹脂により一度で接合させること
ができ、製作工程が簡単化される。 【００５４】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
対向する電極端子間を接続する導電体を介して半導体チ
ップが基板上に載置され、チップと基板の空隙部に樹脂
が充填されてなる耐衝撃、耐振動等に優れた半導体装置
の耐熱疲労性を向上させることができるという効果があ
る。
極端子をＣＣＢ法(Controlled Collapse Bonding法)に
より基板上の電極端子に接合した後、樹脂により被覆し
てなる構造の半導体装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】このような構造の半導体装置の具体的な
一例として、図１に示す要部断面構造図のように、液晶
表示素子の形成されたガラス基板上に、その液晶表示素
子を駆動する半導体チップを載置して一体形成したもの
が知られている。即ち、ガラス基板１の上面に形成され
た電極端子２と、シリコン半導体からなる半導体チップ
（以下、Ｓｉチップと称する）３の下面に形成された電
極端子４とを対向配置し、これらの電極端子２，４間を
ＣＣＢ法により形成されるはんだバンプ５によって接合
し、次にシリコンゲル等の如き柔軟性を有する樹脂６
を、ガラス基板１とＳｉチップ３の空隙部に充填し、さ
らに、Ｓｉチップ３の上及び側面を炭酸カルシウムを混
入したビスフェニ−ル型の低膨張エポキシ系樹脂７によ
り被覆した構造となっている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】ところが、上述構造の
半導体装置について、−４０℃←→１００℃の温度条件
で温度サイクル試験を行ったところ、被覆のないもの
（以下、裸チップと称する）よりも耐熱疲労性がかなり
劣るという結果が得られた。そこで、その原因を実験等
により検討した結果、次に述べるような欠点があること
が判った。 【０００４】即ち、炭酸カルシウム粉をエポキシ樹脂に
混入すると、膨張係数が大きく下がるが、Ｓｉチップや
ガラス基板に比較するとまだ大である。 【０００５】しかも、炭酸カルシウムの混入率を増すと
樹脂の流動性と柔軟性が低下し、必ずしも耐熱疲労性は
向上しない。 【０００６】また、半導体チップの放熱を改善するのも
耐熱疲労性を向上させる点で重要である。 【０００７】本発明の目的は、対向する電極端子間を接
続する導電体を介して半導体チップが基板上に載置さ
れ、チップと基板の空隙部に樹脂が充填されてなる構造
の半導体装置の耐熱疲労性を向上させることにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明は、半導体チップ
と、この半導体チップが間隙を介して載置される基板
と、この基板と前記半導体チップとの対向する電極端子
間を接続してなる導電体と、前記導電体周囲の前記半導
体チップと前記基板との間隙に充填されたシリコンゲル
とを備え、更にその周囲を熱硬化性樹脂とこの樹脂より
も小さい熱膨張係数を有する無機材料からなる第１の粉
粒体及びゴム状弾性材料からなる第２の粉粒体とを含
み、第１の粉粒体の混入率を３０乃至５５体積％とし、
第２の粉粒体の混入率を１乃至２０重量部としてなる樹
脂組成物により、前記半導体チップの反基板側表面と前
記半導体チップの外周部と前記半導体チップに対向する
前記基板の表面とを包囲してなることによって、耐熱疲
労性を向上させようとするものである。ここで、本発明
は、表面側の電極端子と裏面側の電極端子とをスルーホ
ールを介して導通させた基板と、該基板に載置する半導
体チップと、前記基板の表面側の電極端子と前記半導体
チップとの対向する電極端子との間を接続する導電体と
を有するスルーホールピン型の半導体装置にも適用でき
る。 【０００９】つまり、無機材料からなる第１の粉粒体
を、好ましくは３０乃至５５体積％、混入することによ
って、樹脂組成物の熱膨張係数が十分低減され、またゴ
ム状弾性体からなる第２の粉粒体を、好ましくは１乃至
２０重量部、混入することによって、樹脂組成物の流動
性と柔軟性が増加する。当然に、第１と第２の粉粒体の
粒径を十分小さな粒径にすることにより、基板と半導体
チップとの間隙に浸入する流動性を満たすことができ
る。流動性が増加すると、樹脂組成物の充填工程におい
て半導体チップと基板との空隙部に樹脂組成物が浸入し
やすくなり、導電体、チップ、基板との密着性が向上し
て耐熱疲労性が向上するとともに、作業性を良くする。
また、樹脂組成物の柔軟性の増加は、導電体とチップ及
び基板の接合部の応力集中を緩和し、耐熱疲労性を向上
させる。さらに、チップ上面の放熱面を除いて樹脂によ
り被覆するようにしたことから、樹脂被覆による断熱作
用が軽減され、耐熱疲労の影響因子の１つである半導体
チップの温度上昇が抑制される。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
いて説明する。まず、本発明の一実施の形態の被覆樹脂
材料について説明する。エポキシ樹脂の熱膨張係数αR0
は約100×10~ 6／℃であり、半導体チップ、例えばＳｉ
チップの熱膨張係数αSi；3×10~ 6／℃や、基板、例え
ばガラス基板のソ−ダガラスの熱膨張係数αG；9.33×1
0~ 6／℃に比べて大きい。一般に、耐熱疲労性を向上さ
せるには、熱膨張係数が半導体チップや基板のそれに近
い被覆樹脂を適用することが望ましい。 【００１１】そこで、エポキシ樹脂に炭酸カルシウムや
石英粉等の如き、熱膨張係数の小さな無機材料（以下、
低膨張化材と称する）を混入して低膨張化するようにし
ている。例えば、体積にして５０％の石英粉を混入する
と、熱膨張係数αRは約２５×１０~ 6／℃に低下する。
しかし、混入率を高くするにしたがって樹脂の粘度が高
くなり、流動性が低下する。流動性が低下すると、被覆
工程においては、はんだバンプ周囲の空隙部に樹脂が侵
入しにくくなって、空隙部が残ったり、基板との密着性
が低したり、被覆の作業性が低下するという問題が生ず
る。この結果、逆に耐熱疲労性及び耐湿性が低下してし
まうことがある。また、混入率を高くすると樹脂の柔軟
性が低下して、基板との接着部に応力が集中するため、
この応力によりガラス等の基板が破損されてしまうこと
がある。 【００１２】したがって、単に低膨張化材を混入して低
膨張化するだけでは、耐熱疲労性の向上に一定の限度が
あるため、さらにその流動性及び柔軟性を改善する必要
がある。 【００１３】そこで、本発明は低膨張化材に加えて粒状
の弾性材料、例えばポリブタジエンやシリコン等のゴム
粒子を分散混入し、これによって柔軟性及び流動性を向
上させようとするものである。つまり、被覆樹脂内のゴ
ム粒子は応力緩衝材とし作用するので柔軟性が向上して
応力集中や歪が緩和されることから、これによって耐熱
疲労性を向上させようとするものである。また、粒状の
ゴム粒子の作用によって流動性を向上させようとするも
のである。しかし、後述するように、ゴム粒子の混入率
にも最適な範囲がある。例えば、粒径１μｍレベルのポ
リブタジエン（ＣＴＢＮ １３００×９）からなるゴム
粒子を混入した場合、エポキシ樹脂に対するゴム粒子の
重量比を１００対２０以上（以下、重量部または単に部
と称し、例えば２０部以上と表現する）にすると、ゴム
粒子の分散が不均一になってしまうとともに、ポリブタ
ジエンの熱膨張係数αPBは約８０×１０~ 6／℃と大き
いので、混入後の被覆樹脂の熱膨張係数αRが大となっ
てしまい、耐熱疲労性を低下させる原因となるのであ
る。また、流動性向上の効果にあっても、飽和現象があ
るので大幅向上は期待できない。 【００１４】これらのことを、樹脂材料の実施例を用い
て行った実験結果に基づいて説明する。表１に、エポキ
シ樹脂（ＥＰ−８２８）を主材料とし、粒径約１μｍの
石英粉を低膨張化材とし、粒径約１μｍのポリブタジエ
ンの均一なゴム粒子を緩衝材とし、それらの混入率の異
なる種々の樹脂により被覆した半導体装置を試料とし
て、前述と同一の温度サイクル試験を行った判定結果を
示す。なお、基板、半導体チップ及びはんだバンプは図
１と同一構成のものとし、判定は、樹脂被覆を施さない
裸チップのものに比較して、早いサイクルにて故障に至
った試料を不合格として×印で示し、合格したものにつ
いては故障率を基準に、優れている順に○、△印で示し
た。故障率の一例として、図２（Ａ）に石英粉の混入率
を３５体積％に固定し、ポリブタジエンゴム粒子の混入
率を変化させた場合を、図２（Ｂ）にポリブタジエンゴ
ム粒子の混入率を１０部に固定し、石英粉の混入率を変
化させた場合を、それぞれ示す。 【００１５】 【表１】 【００１６】なお、図２（Ａ），（Ｂ）図中実線で示し
たものは、１サイクル／１時間の温度サイクル試験を９
００サイクル行った例であり、図中点線で示したものは
同様に５００サイクルの例である。また、被覆樹脂には
硬化温度を低くするための添加剤、例えば硬化促進剤と
してイミダゾル（２Ｐ４ＭＨＺ）を５重量％、硬化剤と
してジシアンジアミドを１０重量％、シランカップリン
グ剤（Ａ−１８７）を２重量％等を混入し、硬化温度１
３０℃、硬化温度１時間として基板の熱的影響を避ける
ようにした。 【００１７】表１に示す判定結果から、低膨張化剤と緩
衝剤の混入効果について考察する。まず、ボリブタジエ
ンの混入率が０部、即ち石英粉のみを混入した試料は、
全て裸チップのものより悪い判定結果となっているが、
樹脂被覆された試料相互間で定量的に比較すると、石英
粉の混入率を高めるにしたがい熱疲労寿命が増大される
ということを実験で確認している。但し、石英粉の混入
により流動性が低下して、Ｓｉチップ３下側とはんだバ
ンプ５の周囲への浸透が悪くなるので、この点からみ
て、石英粉の混入率は６０体積％が限界である。 【００１８】一方、ポリブタジエンは若干混入するだけ
で、図２（Ａ）に示すように、急激に故障率が低下され
ており、緩衝材及び流動化材としての効果が顕著に表
れ、耐熱疲労性において裸チップよりも優れた特性が得
られた。但し、ポリブタジエン混入率を高くすると、前
述したように、その分散が不均一となり、耐熱疲労性が
低下する。 【００１９】これらのこと及び表１から、石英粉の混入
率は３０〜５５体積％、ポリブタジエンゴム粒子の混入
率は１〜２０部の範囲に選定することにより、裸チップ
よりも優れた耐熱疲労性のものとすることができる。例
えば、石英粉５０体積％、ポリブタジエン５部を混入し
たものの耐熱疲労性（寿命）は、裸チップの３倍以上で
あり、信頼性が大幅に向上された。 【００２０】なお、低膨張化材としては石英の他、炭酸
カルシウム、炭化シリコン、窒化シリコン、または酸化
ベリリウム混入の炭化シリコン等の如き、いわゆる熱膨
張係数の小さな無機材料が適用可能であり、同一の効果
が得られる。この低膨張化材の粒径にあっても、上記実
施例の１μｍに限られるものではない。 【００２１】また、弾性材としてはポリブタジエンゴム
粒子の他、シリコンゴム粒子等の如き、いわゆる弾性の
大きなゴム粒子が適用可能であり、その粒径にあって
も、１μｍに限られるものではない。 【００２２】次に、樹脂被覆の形状について説明する。
前述したように、石英粉等の低膨張化材を混入しても、
エポキシ樹脂の熱膨張係数αRはソ−ダガラスや半導体
チップに比べてまだ大きな値である。そして、それらの
部材間の熱膨張量の差により生ずる応力によって半導体
チップ、はんだバンプ、ガラス基板、又はそれら部材の
接続部が破損されるのである。実験によると、はんだバ
ンプと半導体チップとの接続部が、繰返し応力に対して
最も弱いことが判った。そこで、その接続部に発生する
応力を低減することができる樹脂被覆の形状、即ち、半
導体チップ上面の被覆厚みと、半導体チップ周辺部の被
覆幅について、有限要素法により求めた。 【００２３】即ち、半導体チップ上面の被覆厚みｔmmと
したとき、はんだバンプと半導体チップの接続部にかか
る最大応力（破損に関係する引張応力）を求め、図３
（Ａ）に裸チップにおける最大引張応力に対する比率と
して示した。なお、図３（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、
ガラス基板１、半導体チップ３は６mm角のＳｉチップ、
はんだチップ５は球欠体形状のものとし、樹脂被覆７は
全体幅Ｌを１５mm角一定としたものをモデルとし、図示
矢印９の方向の最大応力を求めたものである。矢印９の
位置における応力は、温度が室温（２０℃）から１００
℃に変化したときは引張応力となり、室温（２０℃）か
ら−４０℃に変化したときは圧縮応力になる。また、樹
脂はエポキシ樹脂に石英粉のみを混入した流動性の劣る
ものとし、基板１とチップ３のとの間に空隙８が生じた
ものをモデルとした。 【００２４】図３（Ａ）から明らかなように、被覆厚み
ｔが増すにつれて、半導体チップ３とはんだバンプ５の
接続部にかかる最大引張応力が大きくなることから、被
覆厚みｔは薄いほどよいということになる。また、放熱
の面でも薄いほうがよいされているが、機械的保護及び
耐湿性保持から許容最小厚みが制限されることがあり、
ｔは１±０．５mmの範囲で選定することが望ましい。し
かし、機械的保護及び耐湿性について考慮しなくてよい
場合は、半導体チップ３の上面を全体に渡って被覆する
必要はないのは明らかである。 【００２５】一方、図４（Ａ）に半導体チップの周辺に
形成される樹脂被覆の幅と、前記接続部にかかる最大応
力との関係を示す。なお、モデルは図４（Ｂ),(Ｃ）に
示すように図３（Ｂ),(Ｃ）と同様のものであり、被覆
厚みｔを１．５mm一定、半導体チップ３の幅を２ａ、半
導体チップ端縁から被覆外縁までの寸法、即ち半導体チ
ップ周辺領域に形成される被覆の幅をＬ’とした。 【００２６】図４（Ａ）に示すように、Ｌ’／ａが増す
につれて最大引張応力が現象する傾向にある。このこと
は、周辺域の被覆幅Ｌ’が広くなると、被覆幅Ｌ’の中
心（図示Ｂ，Ｂ')より内側の被覆が温度上昇時に内側方
向に伸び、これによって半導体チップ３に対して圧縮方
向に応力が作用すると考えられる。なお、このことは計
算によって確認している。 【００２７】したがって、Ｌ’／ａを大にすれば最大引
張応力を減少することができる。即ち、被覆樹脂の熱膨
張係数が大であっても、被覆形状を適切なものとするこ
とにより、裸チップのものより耐熱疲労性を向上させる
ことができる。しかし、Ｌ’／ａ≧３.０以上にして
も、最大引張応力の低減効果が小さくなる反面、ガラス
基板１と樹脂被覆７との接合部のガラス破損が起こりや
すくなること、及び樹脂被覆１４全体の面積的制限を考
慮すると、Ｌ’／ａは２〜３が望ましい範囲である。因
に、最適な形状の一例を示せば、半導体チップ上面の被
覆厚みｔは０．５mm、Ｌ’／ａは２となる。 【００２８】次に、はんだバンプの形状について説明す
る。上述した被覆樹脂材料及び被覆形状についての実施
例では、はんだバンプの形状が球欠体の場合として説明
したが、樹脂の変形に追従できるはんだバンプ形状、又
ははんだバンプにかかる応力を低減できる形状にすれ
ば、耐熱疲労性は飛躍的に向上される筈である。 【００２９】そこで、はんだバンプの形状を図５（Ａ）
〜（Ｄ）に示す形状に形成し、熱疲労寿命と機械的強度
とを実験的に求めた。なお、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す
はんだバンプは全て同一体積とし、ＣＣＢ法において半
導体チップと基板との間隙寸法を変えることによって、
はんだバンプの高さ及び中央部の径ｂを変えた。 【００３０】図６は上述のように形成されたはんだバン
プを有する裸チップに対し、縦横の強制歪を与えたと
き、熱疲労寿命及び機械的強度がどのようになるかを示
した線図である。同図において、横軸にはんだバンプの
中央の径ｂと端子径ｃの比ｂ／ｃをとり、縦軸に図５
（Ｄ）に示す球欠体型の熱疲労寿命を１とし、これに対
する各形状の熱疲労寿命を比で示すとともに、同様に圧
縮強度又は引張強度からなる機械的強度の比で示した。 【００３１】図６の図示曲線（Ｉ）に示すように、熱疲
労寿命特性は、ｂ／ｃが大になるほど、即ち球欠体形状
になるほど急激に悪くなることが判る。このことは、は
んだバンプ内の応力分布がその形状によて大きく異なっ
ているためである。即ち、図５（Ａ），（Ｂ）に示した
ｂ／ｃ＜１のいわゆるつづみ型のはんだバンプにかかる
応力を有限要素法により求めたところ、図７（Ａ）に示
す分布となることが判った。同図において、矢印は各区
画領域における応力の方向とその大きさを表しており、
応力はほぼ一様に分布していることが判る。これに対
し、図５（Ｄ）に示したｂ／ｃ＞１の球欠体型のはんだ
バンプの場合は、図７（Ｂ）に示す応力分布となり、両
端の接合界面部に応力が集中し、この部分から熱疲労破
断が発生する。 【００３２】また、はんだバンプの高さが大になるつづ
み型ものにあっては、一定量の変形に対して歪は相対的
に小さくなることから、熱疲労寿命が向上されるのであ
る。しかし、ｂ／ｃをさらに小さくした極端なつづみ型
にすると、応力が中央部に集中するようになるのと、図
６の図中曲線（II）で示す機械的強度が低下するので、
はんだバンプが破断してしまうことから、熱疲労寿命の
増大がおさえられてしまう。 【００３３】従って、はんだパンプの形状は少なくとも
ｂ／ｃ＝１の円柱型とし、好ましくは０．５≦ｂ／ｃ＜
１の範囲のつづみ型とするのがよい。 【００３４】ところで、上述は裸チップのものである
が、樹脂被覆を施したものの場合は、樹脂の熱膨張係数
が大であることから、はんだバンプの形状としては大き
な変形量に対して追従できるものが望ましい。この点に
ついても、つづみ型は高さが大きいことから、前述した
ように、一定変形量に対し相対的に歪が小さくなるので
望ましいことになる。例えば、図８（Ａ）に示すよう
に、はんだバンプ１０はつづみ型のものとし、低膨張化
エポキシ樹脂からなる樹脂被覆１１を施した場合、はん
だバンプ１０に作用する変形応力は、同図（Ｂ）の矢印
１２，１３に示す縦・横方向に作用する。 【００３５】図８（Ａ），（Ｂ）図示のものにおいて、
ガラス基板１の熱膨張係数をαg，Ｓｉチップ３の熱膨
張係数をαSi、樹脂被覆１１の熱膨張係数をαR、横方
向最大変形量をΔＬx、縦方向最大変形量をΔＬy、Ｓｉ
チップ３の１辺を２ａ、はんだバンプ１０の高さをｈ、
せん断歪をγ、軸方向歪をε、温度変化量をΔＴ、定数
をｋ1，ｋ2，Ａ、合計歪をＥ、熱疲労寿命をＮfとする
と、次式(1)〜(5)が成立する。 【００３６】 ΔＬx＝ａ（αg−αSi）ΔＴ …(1) ΔＬy＝ｈαRΔＴ …(2) γ ＝ｋ1（ΔＬx／ｈ） …(3) ε ＝ｋ2（ΔＬy／ｈ） …(4) Ｎf ＝Ａ／Ｅ2＝Ａ／（γ2＋ε2）） …(5) これらの式から、はんだバンプの高さｈが大であれば、
樹脂被覆の熱膨張によって生ずるΔＬx，ΔＬyに対し、
歪γ，εは小さくなる。 【００３７】したがって、つづみ型のはんだバンプとす
ることにより、はんだバンプ高さｈが大であることから
歪が小さくなり、しかも応力集中が緩和されることか
ら、はんだバンプと半導体チップとの接合部の破損が低
減されて、耐熱疲労性が著るしく向上するという効果が
ある。 【００３８】なお、はんだの熱膨張係数は約２５×１０
~ 6／℃程度であり、低膨張化エポキシ樹脂と同等であ
ることから、はんだバンプ自体が樹脂被覆によって拘束
されることは少ない。 【００３９】以上、本発明の被覆樹脂材料及びはんだバ
ンプ形状をそれぞれ個別に適用した基本構成例について
説明したが、それらを組み合わせることによって、一層
耐熱疲労特性に優れたものとすることができることは言
うまでもない。 【００４０】なお、半導体チップの半導体素子が形成さ
れている面は、はんだバンプが接合されている面である
が、一般にこの面にはＳｉＯ2又はポリイミドなどの薄
膜により保護されている。しかし、はんだバンプが接合
される部分はそれらの薄膜が形成されていないため、耐
湿性の問題について考察す る。一般に知られているＤ
ＩＰ（Dual Inline Package）型の樹脂モールド半導体
装置にあっては、リードフレームのタブ上にＳｉチップ
が接続され、素子側の端子はアルミニウム（Ａｌ）線を
超音波ボンディング法により接続し、その全体を樹脂モ
ールドした構造となっている。ところが、リード線と樹
脂の界面を伝わって水分が侵入し、さらにＡｌ線にまで
伝わってＡｌ線を腐食したり、Ａｌ線と素子の接合界面
を腐食させて断線等の故障が発生していた。 【００４１】しかし、本発明に係るＣＣＢ法により形成
された構造の樹脂被覆されたものによれば、樹脂被覆部
分に上記ＤＩＰのリードの如き引出し線が無いこと、半
導体チップ周囲の被覆幅が大きいのでガラス基板と樹脂
の界面から水分は侵入しにくいこと、及びはんだ（Ｐｂ
−５％Ｓｎ，Ｐｂ−６０％Ｓｎ）はＡｌ線に比べて耐食
性に優れていることなどから、総じて耐湿性に優れてい
ると言うことができる。 【００４２】さらに、厳しく耐湿性を要求される場合に
は、図９に示すように、柔軟なシリコンゲル１４を半導
体チップ３の下に充填する２液被覆法が有効である。シ
リコンゲル１４は柔軟なことからはんだバンプ５表面、
ガラス基板１表面及び半導体チップ３表面との馴じみが
良く、水分の侵入を阻止することができる。しかし、シ
リコンゲル１４の熱膨張係数は約１００×１０~ 6／℃
と大きいので、はんだバンプ５の表面を薄く被覆する程
度が望ましい。また、樹脂被覆１１とガラス基板１との
界面に防湿効果を有するアクリル樹脂膜１５を予め薄く
コーティングしておくと、ガラス割れを防止することが
できる。 【００４３】次に、図１０に示した一実施例装置によ
り、はんだバンプ形状を所望のつづみ型に形成する方法
について説明する。 【００４４】図１０に示す装置は、ガラス基板１に半導
体チップ３をＣＣＢ法により接合する装置である。ま
た、ガラス基板１は液晶表示装置の表示素子１６の基板
を兼ねているものの例である。 【００４５】本製法は、ソーダガラス等のガラス基板１
は急激に加熱すると割れる恐れがあり、また液晶の表示
素子１６等に対する熱影響を軽減するため、半導体チッ
プ３を予熱した後、ガラス基板１を透過させて赤外線を
はんだバンプ５に一定時間照射して溶融させ、そして半
導体チップ３とガラス基板１の間隔を引き伸して、はん
だバンプ５の形状を所望形状に形成しようとすることに
ある。 【００４６】図１０に示すように、予め蒸着法等により
電極端子面にはんだが盛られた半導体チップ３を、その
電極端子面を上側にして予熱板２１上に載置する。その
半導体チップ３の上にガラス基板１を対向する電極端子
の位置を合わせて載置する。液晶の許容温度は最大１３
０℃であることから、予熱板２１とは熱的に遮へいする
ようにしている。はんだの組成は耐熱疲労性に優れたＰ
ｂ−５％Ｓｎ（融点約３１０℃）とし、電極端子上のは
んだに予めロジン系フラックスを塗布した。 【００４７】接合工程を図１１に示したはんだバンプ５
の実測温度の時間変化曲線を参照しながら説明する。ま
ず、予熱ヒータ２２により半導体チップ３側から接合部
全体を１００℃程度に予熱する。しかる後、赤外線ラン
プ２３によりはんだバンプ５部に赤外線を照射する。次
に、はんだが溶融すると同時にチップ吸引装置２４を駆
動して、基板１と半導体チップ３の間隔を所定間隔２５
に引伸ばす。これと同時に、赤外線ランプ２３、予熱ヒ
ータ２２を切り、冷却管２６に冷却水を通して冷却し、
はんだバンプを凝固させるようにする。なお、はんだの
溶融時間は約１５秒であり、その間にチップ吸引装置２
４が作動して初期間隔２７から所定間隔２５に引伸ばさ
れる。この引伸ばしに要する時間は約１秒程度である。
また、はんだバンプ５の形状は、予熱板２１の突起高さ
２８を調整することにより変えることができる。 【００４８】なお、はんだ組成は、上記のものに代え
て、Ｐｂ−６０％Ｓｎ（融点１９１℃）を用いてもよ
く、その場合低融点でＣＣＢ接合可能であることから、
熱影響を避けたい基板等の場合には好適である。 【００４９】また、アルミナ基板等のように赤外線を透
過しないものには適用することはできず、周知の方法
（特開昭５０−１３１６４７号公報）の如く、半導体チ
ップ側から加熱溶融させるようにしなければならない。 【００５０】上述の製法は、上面に電極膜の形成された
ガラス基板に、半導体チップをＣＣＢ接合してなる構造
のものに適用した実施例であるが、以下に述べる構造を
有する半導体装置にも適用可能であり、同様の効果を得
ることができる。 【００５１】図１２に本発明にかかる基本構成例の構造
図を示す。本図は、スルーホールピン型の低膨張多層プ
リント基板３１にかかるものであり、同図（Ａ）は断面
構造図、（Ｂ）は半導体チップ３の下面図、（Ｃ）は多
層プリント基板３１の下面図である。図に示すように、
電極端子数の多い半導体チップ（例えば超ＬＳＩにあっ
ては端子数が２００個以上にも達する）の場合、ワイヤ
ボンディング方式で基板の端子と接続することは困難で
ある。したがって、ＣＣＢ法による接合構造が好適であ
り、上記製法を適用することによって、耐熱疲労性に優
れた信頼性の高いものとすることができる。 【００５２】なお、多層プリント基板３１としては、ガ
ラスもしくはセラミック材料からなる単一基板、又はガ
ラス繊維含有エポキシ、ガラス繊維含有ポリイミドもし
くは高弾性率高強力繊維を含有するエポキシ又はポリイ
ミド多層基板等が知られている。なお、高弾性率高張力
繊維の具体例としては、ケプラー（米国デュポン社製）
が知られている。また、多層セラミック基板等にも適用
可能なことは言うまでもない。 【００５３】図１３は本発明の好適な一実施例を示す断
面構造図である。本実施例は、図１２の図示例のものに
放熱フィン３３をはんだ３４により取付けたものであ
る。本実施例のようなスルーホール型の場合、半導体チ
ップの発熱量が大きく、しかも基板側からの放熱が効果
的でない場合に、半導体チップ上面からの放熱を良くす
る効果がある。つまり、半導体チップ３の上面にＣｒ−
Ｃｕ−Ａｕをメタライズし、はんだ３４ははんだバンプ
５よりも一段低融点のはんだを用いる。例えば、はんだ
バンプ５がＰｂ−５％Ｓｎであれば、はんだ３４はＰｂ
−６０％Ｓｎ，Ｓｎ−３．５％Ａｇ（融点約２２０
℃）、Ａｕ−２０％Ｓｎ（融点２８０℃）等を用いる。
また、半導体チップ３から要求される放熱特性が緩やか
な場合には、図１４に示すように、放熱フィン３３を樹
脂接着とすれば、被覆樹脂により一度で接合させること
ができ、製作工程が簡単化される。 【００５４】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
対向する電極端子間を接続する導電体を介して半導体チ
ップが基板上に載置され、チップと基板の空隙部に樹脂
が充填されてなる耐衝撃、耐振動等に優れた半導体装置
の耐熱疲労性を向上させることができるという効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例の半導体装置の断面構造図である。
【図２】本発明にかかる樹脂材料の一実施の形態による
故障率を示す線図である。 【図３】同図（Ａ）は被覆厚と応力との関係の一例を示
す線図であり、同図（Ｂ），（Ｃ）はその説明図であ
る。 【図４】同図（Ａ）は半導体チップ幅に対する被覆幅と
応力との関係の一例を示す線図であり、同図（Ｂ），
（Ｃ）はその説明図である。 【図５】はんだバンプの形状図である。 【図６】はんだバンプ形状と熱疲労寿命及び機械的強度
との関係を示す線図である。 【図７】はんだバンプの応力分布図である。 【図８】同図（Ａ）は本発明にかかるはんだバンプの一
実施の形態の断面構造図、同図（Ｂ）は説明図である。 【図９】本発明にかかる樹脂被覆の他の実施形態の断面
構造図である。 【図１０】本発明にかるＣＣＢ接合法による製造装置の
構成図である。 【図１１】図１０例の動作説明のためのはんだバンプ温
度を示す線図である。 【図１２】本発明に係る半導体装置の好適な実施形態の
構造図である。 【図１３】本発明に係る半導体装置の好適な他の実施形
態の構造図である。 【図１４】本発明に係る半導体装置の好適なさらに他の
実施形態の構造図である。 【符号の説明】 １ ガラス基板 ２ 電極端子 ３ 半導体チップ ５ はんだバンプ ７，１１ 被覆樹脂 １０ はんだバンプ １５ アクリル樹脂膜 ３１ 多層プリント基板
故障率を示す線図である。 【図３】同図（Ａ）は被覆厚と応力との関係の一例を示
す線図であり、同図（Ｂ），（Ｃ）はその説明図であ
る。 【図４】同図（Ａ）は半導体チップ幅に対する被覆幅と
応力との関係の一例を示す線図であり、同図（Ｂ），
（Ｃ）はその説明図である。 【図５】はんだバンプの形状図である。 【図６】はんだバンプ形状と熱疲労寿命及び機械的強度
との関係を示す線図である。 【図７】はんだバンプの応力分布図である。 【図８】同図（Ａ）は本発明にかかるはんだバンプの一
実施の形態の断面構造図、同図（Ｂ）は説明図である。 【図９】本発明にかかる樹脂被覆の他の実施形態の断面
構造図である。 【図１０】本発明にかるＣＣＢ接合法による製造装置の
構成図である。 【図１１】図１０例の動作説明のためのはんだバンプ温
度を示す線図である。 【図１２】本発明に係る半導体装置の好適な実施形態の
構造図である。 【図１３】本発明に係る半導体装置の好適な他の実施形
態の構造図である。 【図１４】本発明に係る半導体装置の好適なさらに他の
実施形態の構造図である。 【符号の説明】 １ ガラス基板 ２ 電極端子 ３ 半導体チップ ５ はんだバンプ ７，１１ 被覆樹脂 １０ はんだバンプ １５ アクリル樹脂膜 ３１ 多層プリント基板
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フロントページの続き
(72)発明者 行武 正剛
茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式
会社 日立製作所 日立研究所内
(72)発明者 中野 文雄
茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式
会社 日立製作所 日立研究所内
(56)参考文献 特開 昭53−21771（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−34824（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−56954（ＪＰ，Ａ)
特開 昭58−122757（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 23/29,23/31
H01L 21/60
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．半導体チップと、この半導体チップが間隙を介して
載置される基板と、この基板と前記半導体チップとの対
向する電極端子間を接続してなる導電体と、前記導電体
周囲の前記半導体チップと前記基板との間隙に充填され
たシリコンゲルとを備え、更にその周囲を熱硬化性樹脂
とこの樹脂よりも小さい熱膨張係数を有する無機材料か
らなる第１の粉粒体及びゴム状弾性材料からなる第２の
粉粒体とを含み、第１の粉粒体の混入率を３０乃至５５
体積％とし、第２の粉粒体の混入率を１乃至２０重量部
としてなる樹脂組成物により、前記半導体チップの反基
板側表面と前記半導体チップの外周部と前記半導体チッ
プに対向する前記基板の表面とを包囲してなることを特
徴とする半導体装置。 ２．表面側の電極端子と裏面側の電極端子とをスルーホ
ールを介して導通させた基板と、該基板に載置する半導
体チップと、前記基板の表面側の電極端子と前記半導体
チップとの対向する電極端子との間を接続する導電体
と、前記導電体周囲の前記半導体チップと前記基板との
間隙に充填されたシリコンゲルとを備え、更にその周囲
を熱硬化性樹脂とこの樹脂よりも小さい熱膨張係数を有
する無機材料からなる第１の粉粒体及びゴム状弾性材料
からなる第２の粉粒体とを含み、第１の粉粒体の混入率
を３０乃至５５体積％とし、第２の粉粒体の混入率を１
乃至２０重量部としてなる樹脂組成物により、前記半導
体チップの反基板側表面と前記半導体チップの外周部と
前記半導体チップに対向する前記基板の表面とを包囲し
てなることを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08306742A JP3125137B2 (ja) | 1996-11-18 | 1996-11-18 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08306742A JP3125137B2 (ja) | 1996-11-18 | 1996-11-18 | 半導体装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2246822A Division JPH03245558A (ja) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09167815A JPH09167815A (ja) | 1997-06-24 |
| JP3125137B2 true JP3125137B2 (ja) | 2001-01-15 |
Family
ID=17960770
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08306742A Expired - Lifetime JP3125137B2 (ja) | 1996-11-18 | 1996-11-18 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3125137B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4720438B2 (ja) * | 2005-11-01 | 2011-07-13 | 日本電気株式会社 | フリップチップ接続方法 |
| JP5114784B2 (ja) * | 2009-08-06 | 2013-01-09 | デクセリアルズ株式会社 | 接続体の製造方法及び接続体 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5321771A (en) * | 1976-08-11 | 1978-02-28 | Sharp Kk | Electronic parts mounting structure |
| JPS6018145B2 (ja) * | 1980-09-22 | 1985-05-09 | 株式会社日立製作所 | 樹脂封止型半導体装置 |
| JPS5834824A (ja) * | 1981-08-26 | 1983-03-01 | Sumitomo Bakelite Co Ltd | エポキシ樹脂組成物及びその製造方法 |
-
1996
- 1996-11-18 JP JP08306742A patent/JP3125137B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09167815A (ja) | 1997-06-24 |
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