JP4030220B2 - 半導体チップの実装構造 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線基板上の配線パターンに半導体チップをフリップチップ接続により搭載した半導体チップの実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の小型化・高集積化による高密度実装の進行に伴い、ＢＧＡ（Ball Grid Array)タイプの半導体装置に代表されるように、配線基板上の配線パターンに半導体チップをフリップチップ接続により搭載した半導体チップの実装構造が用いられている。一般に、配線基板の一方の面に形成された配線パターンに半導体チップがフリップチップ接続により搭載されており、基板の他方の面に、上記配線パターンに電気的に接続された外部接続端子が形成されている。
【０００３】
図１に、従来のＢＧＡタイプの半導体装置の実装構造を示す。
半導体装置１１は、半導体チップ１２、半導体チップの電極端子としてのはんだバンプ１３、配線基板１４、アンダーフィル１９、および配線基板１４の外部接続端子としてのはんだボール１７で基本的に構成されている。この半導体装置１１のはんだボール７を実装基板１８に接合して半導体装置１１を実装することにより実装構造が完成する。
【０００４】
半導体チップ１２は配線基板１４の一方の面１４ａに搭載されている。半導体チップ１２の面１２ａ上に電極端子として形成されたはんだバンプ１３は、配線基板１４の面１４ａ上の配線パターン１４ｃに電気的に接続されている。はんだバンプ１３は、例えば、半導体チップ１２の面１２ａにマスクを形成した後にはんだめっきすることにより形成される。これにより、面１２ａ上に、はんだバンプから成る電極端子１３が多数配設される。
【０００５】
半導体チップ１２を配線基板１４の面１４ａ上に載置して、はんだバンプ１３を配線パターン１４ｃに接続した状態では、この接続部以外では半導体チップ１２の面１２ａと配線基板１４の面１４ａとの間には空隙が残っている。アンダーフィル１９は、この空隙に例えばエポキシ系の絶縁性樹脂をディスペンサーにより充填することにより形成されている。
【０００６】
配線基板１４の他方の面１４ｂ上に形成されているパッド（図示せず）が、配線基板を貫通するスルーホールめっき部（図示せず）を介して、反対側の面１４ａ上の配線パターン１４ｃと電気的に接続している。パッド上には外部接続端子としてのはんだボール１７が接合されている。
上記半導体装置１１のはんだボール１７を実装基板１８上のランド１８ａに当接させた状態で加熱することにより、半導体装置１１が実装基板１８に実装され、図１の実装構造が完成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に配線基板１４と実装基板１８は同種または類似の有機材料（樹脂）で作られているので、両者の熱膨張係数は同等である。半導体チップ１２を直接搭載する配線基板１４としては、フレキシブル基板や両面銅張積層基板等の有機材料系基板が好適であり、多くの場合に用いられる。このような有機材料系基板は一般に剛性が比較的低い。
【０００８】
これら有機材料系基板に対して、配線基板１４上にアンダーフィルで固定されて搭載されている半導体チップ１２は剛性が極めて大きく、一方、熱膨張係数は小さい。
そのため、半導体装置１１を実装基板１８へ実装するために上記加熱を行うと、圧倒的に剛性の大きい半導体チップ１２により自由な変位を拘束されている配線基板１４の熱膨張は半導体チップ１２と同等に小さく、有機材料本来の比較的大きな熱膨張をする実装基板１８との間に見掛け上の熱膨張差が生じる。これにより発生した応力がはんだボール１７の接合部に集中し、配線基板１４上のはんだボール１７と実装基板１８上のパッド１８ａとの接合の信頼性が低下する。配線基板１４と半導体チップ１２との間に充填されて硬化した絶縁性樹脂から成るアンダーフィル１９は、上記熱応力を緩和できない。
【０００９】
更に、半導体チップ１２と配線基板１４との熱膨張差により、半導体チップ１２の電極端子としてのはんだバンプ１３と配線基板１４上の配線パターン１４ｃとの接合の信頼性も低下する。
これらの現象は、半導体チップ１２の高集積化に伴って配線基板１４が大型化するほど顕著になる。
【００１０】
また、半導体チップ１２の電極端子配設面１２ａにはんだバンプ１４を形成するには、面１２ａにＵＢＭ（Under Bump Metal）を形成したりめっきを施したりする煩雑な製造工程を必要とするため、製造コストが高くならざるを得ない。
本発明は、配線基板に加わる熱応力を緩和して、半導体チップと配線基板との接続および配線基板と実装基板との接続の信頼性を高め、かつ安価に製造できる半導体チップの実装構造を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は下記（１）〜（１０）の半導体チップの実装構造を提供する。
（１）配線基板上の配線パターンに半導体チップをフリップチップ接続により搭載した半導体チップの実装構造において、
前記半導体チップの電極端子配設面上に多数の電極端子が配設されており、
該多数の電極端子のうち、第１の電極端子群はエポキシ樹脂から成る接着剤層により前記配線パターンに機械的に係合され且つ電気的に接続され、第２の電極端子群は室温での弾性率が１００ＭＰａ以下のエラストマー層により前記配線パターンに機械的に係合され且つ電気的に接続されていることを特徴とする半導体チップの実装構造。
【００１２】
（２）前記半導体チップの電極端子配設面は、周囲領域と、該周囲領域に囲まれた芯部領域とから成り、該周囲領域には前記第１の電極端子群が配設され、該芯部領域には前記第２の電極端子群が配設されていることを特徴とする上記（１）記載の半導体チップの実装構造。
（３）前記半導体チップの電極端子配設面は、周囲領域と、該周囲領域に囲まれた芯部領域とから成り、該周囲領域には前記第２の電極端子群が配設され、該芯部領域には前記第１の電極端子群が配設されていることを特徴とする上記（１）記載の半導体チップの実装構造。
【００１３】
（４）前記半導体チップの電極端子配設面は、対向する一対の側部帯域と、該一対の側部領域に挟まれた中央帯域とから成り、該側部帯域には前記第１の電極端子群が配設され、該中央帯域には前記第２の電極端子群が配設されていることを特徴とする上記（１）記載の半導体チップの実装構造。
（５）前記半導体チップの電極端子配設面は、対向する一対の側部帯域と、該一対の側部領域に挟まれた中央帯域とから成り、該側部帯域には前記第２の電極端子群が配設され、該中央帯域には前記第１の電極端子群が配設されていることを特徴とする上記（１）記載の半導体チップの実装構造。
【００１４】
（６）前記接着剤層は、異方導電性接着剤の塗布または異方導電性樹脂シートの貼着により形成されていることを特徴とする上記（１）記載の半導体チップの実装構造。
（７）前記接着剤層は、絶縁性樹脂から成ることを特徴とする上記（１）記載の半導体チップの実装構造。
【００１５】
（８）前記エラストマー層は、接着性を有する絶縁性樹脂から成ることを特徴とする上記（１）記載の半導体チップの実装構造。
（９）前記エラストマー層は、接着性を有する異方導電性樹脂の塗布または異方導電性樹脂シートの貼着により形成されていることを特徴とする上記（１）記載の半導体チップの実装構造。
【００１６】
（１０）前記配線基板の一方の面に形成された前記配線パターンに前記半導体チップがフリップチップ接続により搭載されており、前記基板の他方の面に、前記配線パターンに電気的に接続された外部接続端子が形成されていることを特徴とする上記（１）から（９）までのいずれかに記載の半導体チップの実装構造。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照し、本発明の望ましい実施態様を説明する。
図２に、半導体チップを配線基板上に搭載して成る半導体装置を実装基板に実装した、本発明による半導体チップの実装構造を示す。
図２において、本発明によるＢＧＡタイプの半導体装置１は、半導体チップ２、半導体チップ２の電極端子としてのスタッドバンプ３Ａ，３Ｂ、半導体チップ２を搭載する配線基板４、接着剤層５、エラストマー層６、および配線基板４の外部端子としてのはんだボール７で基本的に構成されている。この半導体装置１を実装基板８に接合することにより図２の実装構造が完成する。なお、この例では、チップサイズパッケージのうちＢＧＡタイプの半導体装置の実装構造について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１８】
半導体チップ２の電極端子配設面２ａに、電極端子としての金スタッドバンプ３Ａ，３Ｂが多数配設されている。
図３に電極端子配設面２ａの平面図で示すように（電極端子は図示せず）、半導体チップ２の電極端子配設面２ａは、第１の電極端子群３Ａが配設されている周囲領域Ｐと、この周囲領域Ｐに囲まれ、第２の電極端子群３Ｂが配設されている芯部領域Ｑとから成る。なお、同図には便宜上少数の電極を示したが、実際には各領域Ｐ，Ｑにおいて例えば多数列を成す多数の電極が存在してよい。
【００１９】
図４（ａ）に示すように、周囲領域Ｐにある第１の電極端子群３Ａは接着剤層５により配線パターン４ｃに電気的に接続され（同図中「Ｐ（５）」と表示）、芯部領域Ｑにある第２の電極端子群３Ｂはエラストマー層６により配線パターン４ｃに電気的に接続されている（同図中「Ｑ（６）」と表示）。
半導体チップ２の周囲領域Ｐに対面する、配線基板４の面４ａの領域には、接着剤層５が形成されている。この周囲領域Ｐ内にある第１群の金スタッドバンプ３Ａは、接着剤層５内に進入して配線基板４の配線パターンｃと電気的導通を取って接続されている。接着剤層５は、典型的にはエポキシ樹脂から成り、これは従来からアンダーフィル材として用いられているものでよいし、異方導電性樹脂シートの形で用いてもよい。異方導電性シートは、樹脂系接着剤中に金属粒子等の導電性粒子が混入されており、加熱・加圧されることにより硬化・収縮して金スタッドバンプ３が金属粒子を介して配線パターン４ｃに押し当てられ、金スタッドバンプ３と配線パターン４ｃとの電気的接続をより容易にする。
【００２０】
半導体チップ２の芯部領域Ｑにある第２群の金スタッドバンプ３Ｂも、エラストマー層６内に進入して配線基板４の配線パターン４ｃと電気的導通を取って接続されている。エラストマー層６は、弾性率が１００ＭＰａ以下（室温）のものが好適に用いられ、具体的にはシリコーン樹脂等の弾力性に富みかつ接着性のある絶縁性樹脂あるいはシリコーン樹脂中に金やニッケル等の金属粒子を分散させた異方導電性樹脂で形成されている。
【００２１】
エラストマー層６は、配線基板４の一方の面４ａに印刷または塗布またはシート状エラストマーの接着により形成される。配線基板４の他方の面４ｂには、図示しないパッドが形成されており、その上に外部端子としてのはんだボール７が形成されている。
エラストマー層６を加熱により半硬化させ且つ接着性を有する状態にして、半導体チップを配線基板４上に載置した後、更に加熱しながら半導体チップ２の上面と配線基板４の下面４ｂとから加圧することにより、半導体チップ２の金スタッドバンプ３Ａ，３Ｂをそれぞれ接着剤層５およびエラストマー層６内に進入させ且つ半硬化状態のエラストマー層６を硬化・収縮させ、同時に、接着剤層５を硬化・収縮させる。これにより、半導体チップ２の金スタッドバンプ３Ａ，３Ｂと配線基板４の配線パターン４ｃとが機械的に係合され且つ電気的に接続される。その際、エラストマー層６として例えばシリコーン樹脂中に金属粒子が分散した異方導電性樹脂を用い、かつ／または、接着剤層５として異方導電性樹脂シートを用いると、エラストマー層６および／または接着層５に加圧方向の導電性が付与され、金スタッドバンプ３Ａ，３Ｂと配線パターン４ｃとの電気的接続が促進される。
【００２２】
配線基板４は、従来から用いられているＦＲ−４基板、ＢＴ基板、ポリイミド基板等の絶縁性樹脂基板でよい。ＢＴ基板は、表面に銅箔を張り付けて配線パターンを形成した両面銅張積層基板の形でもよい。ポリイミド基板は、ポリイミドフィルムに銅箔を張り付けて配線パターンを形成したフレキシブル基板の形でもよい。半導体チップ２を搭載する側の、配線基板４の一方の面４ａに形成された配線パターン４ｃと、他方の面４ｂに形成された外部接続端子すなわちはんだボール７とは、配線基板４を板厚方向に貫通するスルーホールの内壁に形成されためっき層により電気的に接続されている。
【００２３】
半導体チップ２の面２ａ上の金スタッドバンプ３Ａ，３Ｂは、後に詳述するように、面２ａに金ワイヤを用いてワイヤボンディングしてから金ワイヤを所定位置で切断することにより形成されている。
上記のように作製した半導体装置１を実装基板８上に載置し、加熱することにより、はんだボール７が実装基板８のランド８ａと接合して、半導体装置１が実装基板８上に実装される。
【００２４】
本発明による半導体チップの実装構造においては、半導体チップ２と配線基板４との間に介在する、弾力性を有するエラストマー層６が、半導体装置１を実装基板８に接合する際に熱膨張差により両者間に発生する熱応力を緩和し、はんだボール７の接合部の応力集中を緩和し、配線基板４のはんだボール７と実装基板８のランド８ａとの接合の信頼性を向上させる。
【００２５】
更に、エラストマー層６は、半導体チップ２と配線基板４との熱膨張差により金スタッドバンプ３Ａ，３Ｂと配線パターン４ｃとの間に発生する熱応力をも緩和し、バンプ／配線パターン間の電気的接続の信頼性も向上させる。
接着剤層５を異方導電性樹脂シートにより形成すれば、テープ状の異方導電性樹脂シートを配線基板４に貼着するだけで接着剤層５を形成できるので、製造効率が極めて高くなる。
【００２６】
次に、図５（ａ）〜図５（ｆ）を参照して、図２の実装構造の製造工程を説明する。
先ず、図５（ａ）に示したように、金ワイヤのワイヤボンディングおよび引張破断により、半導体チップ２の電極端子配設面２ａの周囲領域Ｐおよび芯部領域Ｑ（図３）に金バンプ３Ａ，３Ｂを形成する。
【００２７】
次に、金バンプ３Ａ，３Ｂの破断面ｃをレベラーにより加工して、図５（ｂ）のように平坦でほぼ同等の高さの頂面ｔに調整する。
これとは別に、図５（ｃ）に示したように、配線パターン４ｃが形成されている配線基板４の一方の面４ａの芯部領域（半導体チップ２が搭載されたときに半導体チップ２の芯部領域Ｑと対面する領域）に、エラストマー層６を印刷または貼着して、硬化処理し、エラストマー層６を半硬化状態にしておく。
【００２８】
次に、図５（ｄ）に示したように、配線基板４の面４ａの芯部領域を取り囲む周囲領域（半導体チップ２が搭載されたときに半導体チップ２の周囲領域Ｐと対面する領域）に、テープ状の異方導電性樹脂シートの貼着等により接着剤層５を形成する。
次に、図５（ｅ）に示したように、図５（ｄ）の配線基板４上に図５（ｂ）の半導体チップ２を接合する。すなわち、図５（ｂ）のように金スタッドバンプ３Ａ，３Ｂを形成した半導体チップ２を、その面２ａを配線基板４の面４ａと向き合わせて（図５（ｂ）の姿勢に対して裏返して）、接着剤層５およびエラストマー層６の上に載置する。これにより、半導体チップ２の周囲領域Ｐの電極端子３Ａおよび芯部領域Ｑの電極端子３Ｂは、配線基板４上の接着剤層５およびエラストマー層６内にそれぞれ進入した状態になる。この状態で加熱・加圧することにより、接着剤層５およびエラストマー層６が硬化・収縮し、半導体チップ２の金スタッドバンプ３Ａ，３Ｂと配線基板４の配線パターン４ｃとが機械的に押し付けられて電気的に接続される。
【００２９】
周囲領域の接着剤層５を異方導電性樹脂シートで形成し、かつ／または芯部領域のエラストマー層６を異方導電性樹脂で形成してあれば、上記の加圧により異方導電性樹脂シート内および／または異方導電性樹脂内の金属粒子同士が加圧方向に接続され、周囲領域内および／または芯部領域内にある金スタッドバンプ３Ａおよび／または３Ｂと配線パターン４ｃとの電気的接続の上で更に有利である。
【００３０】
芯部領域のエラストマー層６は、硬化後も弾力性を維持しているので、配線基板４と実装基板８との見掛け上の熱膨張差で生ずる熱応力を緩和できる。また、接着剤層５を異方導電性樹脂シートで形成してあれば、異方導電性樹脂シートの弾力性はエラストマー層６に比べれば低いが、熱応力の緩和に寄与できる。
次に、図５（ｆ）に示したように、配線基板４の他方の面４ｂ上に形成されているパッド（図示せず）上に、外部接続端子としてのはんだボール７を載置して加熱することにより、パッドにはんだボール７を接合すると、半導体装置１が完成する。配線基板４には厚さ方向に貫通するスルーホールの内壁にめっき層が形成してあり、これにより面４ｂ上のはんだボール７と面４ａ上の配線パターン４ｃとが電気的に接続し、更に配線パターン４ｃは金スタッドバンプ３Ａ，３Ｂを介して半導体チップ２と電気的に接続する。
【００３１】
最後に、図５（ｆ）の半導体チップ１を図２のように実装基板８上に載置して加熱することにより、はんだボール７が実装基板８のランド８ａと接合され、半導体チップ２が実装基板８上に実装された実装構造が完成する。
半導体装置１を実装基板８上に実装するときに、配線基板４と実装基板８との見掛け上の熱膨張差により配線基板４に加わる熱応力は、半導体チップ２と配線基板４とを接合しているエラストマー層６の弾力性により緩和するので、はんだボール７の接合部の応力集中を緩和し、配線基板４のはんだボール７と実装基板８のランド８ａとの接合の信頼性が向上する。これは特に、半導体チップ２の高集積化に伴い配線基板４が大型化した場合には有利である。
【００３２】
エラストマー層６の弾力性により、半導体チップ２に作用する熱応力も緩和されるので、金スタッドバンプ３Ａ、３Ｂと配線パターン４ｃとの接続の信頼性も高まる。
スタッドバンプ３Ａ，３Ｂはワイヤボンディングにより形成されるので、特にＵＢＭ工程やめっき工程を必要とするめっきバンプに比べて、製造工程を簡略化でき、製造コスト上有利である。ただし、本発明はスタッドバンプに限定する必要はなく、図６（ａ）のように金めっきやはんだめっき等により柱状に形成しためっきバンプでもよいし、図６（ｂ）のようにはんだボールを接合して形成したボールバンプでもよい。
【００３３】
接着剤層５による接合領域とエラストマー層６による接合領域は、前出の図４（ａ）のように周囲領域Ｐ（５）と芯部領域Ｑ（６）という組み合わせに限定する必要はなく、逆に図４（ｂ）のようにエラストマー６による接合領域が周囲領域Ｐ（６）であり、接着剤層５による接合領域が芯部領域Ｑ（５）であってもよい。あるいは、図４（ｃ）のように接着剤層５による接合領域が対向する一対の側部帯域Ｒ（５）であり、エラストマー層６による接合領域が、側部帯域Ｒ（５）に挟まれた中央帯域Ｓ（６）であってもよい。逆に、図４（ｄ）のようにエラストマー層６による接合領域が対向する一対の側部帯域Ｒ（６）であり、接着剤層５による接合領域が、側部帯域Ｒ（６）に挟まれた中央帯域Ｓ（５）であってもよい。接合領域の組み合わせは、上記以外にも種々の変形が可能であり、半導体チップの種類によって適宜選択することができる。
【００３４】
この実施例では、配線基板４上に接着剤層５およびエラストマー層６を両方形成した後に半導体チップ２を搭載する手順を説明したが、他の手順も可能である。すなわち、内側の領域（例えば芯部領域、中央帯域）に接着剤層５またはエラストマー層６の一方のみを形成し、半導体チップ２を搭載し、その後、外側の領域（例えば周囲領域、側部帯域）の半導体チップ２と配線基板４との間の空隙に他方の層をディスペンサー等により充填して封止してもよい。
【００３５】
例えば、配線基板４の芯部領域Ｑにエラストマー層６を形成し、その上に半導体チップ２を載置し、半導体チップ２の芯部領域Ｑの電極端子３Ｂを、配線基板４上のエラストマー層６内に進入した状態にする。その後、エラストマー層６の周囲に接着剤層５としてエポキシ系樹脂等を充填して封止する。その後、この樹脂を硬化・収縮させることにより、周囲領域の電極端子３Ａおよび芯部領域の電極端子３Ｂが配線基板４の配線パターン４ｃに押し付けられて電気的に接続される。
【００３６】
半導体装置はこの実施例に記載した構造に限定する必要はなく、例えば配線基板４の配線パターン４ｃに接続された金バンプ３の周囲を、光硬化性樹脂により封止してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、半導体装置を構成する半導体チップと配線基板との間にエラストマー層および接着剤層を介在させて接合したので、半導体装置を実装基板に実装する際に両者間の熱膨張差により発生する熱応力が緩和され、はんだボールの接合部の応力集中が緩和され、半導体装置と実装基板との接合の信頼性が向上する。これは特に、半導体チップの高集積化に伴い配線基板が大型化した場合に有利である。
【００３８】
更に、エラストマー層は、半導体チップと配線基板との熱膨張差により半導体チップの電極端子と配線基板の配線パターンとの間に発生する熱応力をも緩和し、バンプ／配線パターン間の電気的接続の信頼性も向上させる。
接着剤層を異方導電性樹脂シートにより形成すれば、テープ状の異方導電性樹脂シートを配線基板に貼着するだけで接着剤層を形成できるので、製造効率が極めて高くなる。
【００３９】
スタッドバンプはワイヤボンディングにより形成されるので、特にＵＢＭ工程やめっき工程を必要とするめっきバンプに比べて、製造工程を簡略化でき、製造コスト上有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の半導体チップの実装構造を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明による半導体チップの実装構造を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明により半導体チップの電極端子配設面上の多数の電極端子を２つの群に区分した一例を示す平面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｄ）は、本発明により半導体チップの電極端子配設面を接着剤層による接合領域とエラストマー層による接合領域に区分した種々の例を示す平面図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｆ）は、図２の実装構造を製造する工程の一例を示す断面図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、スタッドバンプ以外の電極端子の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…本発明によるＢＧＡタイプの半導体装置
２…半導体チップ
２ａ…電極端子配設面
３Ａ…スタッドバンプ（第１の電極端子群）
３Ｂ…スタッドバンプ（第２の電極端子群）
４…配線基板
４ｃ…配線パターン
５…接着剤層
６…エラストマー層
７…はんだボール
８…実装基板
Ｐ…周囲領域
Ｑ…芯部領域
Ｒ…側部帯域
Ｓ…中央帯域

Claims (1)

  1. 配線基板上の配線パターンに半導体チップをフリップチップ接続により搭載した半導体チップの実装構造において、
    前記半導体チップの電極端子配設面上に多数の電極端子が配設されており、
    該多数の電極端子のうち、第１の電極端子群はエポキシ樹脂から成る接着剤層により前記配線パターンに機械的に係合され且つ電気的に接続され、第２の電極端子群は室温での弾性率が１００ＭＰａ以下のエラストマー層により前記配線パターンに機械的に係合され且つ電気的に接続されていることを特徴とする半導体チップの実装構造。
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