JP4436748B2 - 半導体装置およびその実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般電気製品に使用される半導体素子を実装した高品質実装構造を有する半導体装置とその実装方法に関する。

近年、電気製品の小型、薄型化から電子回路基板も小型化が強く望まれている。そして、携帯電話端末をはじめとするモバイル機器は機能の増加が著しく、回路基板のＩＣチップを樹脂モールドされたパッケージでなく裸のまま搭載するフリップチップ実装が強く求められている。

このため、様々な半導体素子の実装方法が提案、実用化されており、たとえば液晶モジュールにおけるフレキシブル基板に対するドライバ半導体素子の実装などでは、一般に導電性の粒子を分散させた異方性導電フィルムを半導体素子の実装における封止材として使用する半導体素子の実装方法が多く実用化されてきた。しかしながら、この実装方法では、半導体素子の狭ピッチ進化に対して、接合隣接の絶縁性などの限界が近づきつつあり、また耐湿信頼性の品質の面でも厳しくなってきている。このような問題点に対し、導電粒子を含まない樹脂のフィルムを半導体素子実装における封止材に用いた実装方法が特許文献１に開示されている。

この電子機器の回路基板へＩＣチップを接合する方法について、以下に説明する。図６（ａ１）（ａ２）に示すように、ウエハをダイシング装置により分割して半導体素子３１を個片化し、この半導体素子３１の電極パッド上に、Ａｕ線を用いたスタッドバンプ３２をそれぞれ形成する。これらスタッドバンプ３２の高さは通常７０〜８０μｍである。

次に図６（ｂ）に示すように、回路基板３３上の半導体素子実装領域に、導電粒子を含まない樹脂シート（封止樹脂）３５を置き、圧着ツールを用いて加熱、加圧を行って前記樹脂シート３５を回路基板３３上に貼り付ける。この時、加熱は樹脂シート３５が硬化反応を起こさないで、樹脂シート３５の軟化を起こさせ、回路基板３３への貼り付けを容易にする温度にすることが必要であり、この時の樹脂シート３５の加熱温度は通常６０〜１００℃で行う。

樹脂シート３５上面に貼り付けられたセパレーターと呼ばれるフィルム３５ａをはがし、図６（ｃ）に示すように、回路基板３３上の基板電極３４とスタッドバンプ３２が接するように半導体素子３１を位置合わせして、回路基板３３上にマウントする。

図６（ｄ）に示すように、加熱可能な圧着ツール３７により、半導体素子３１を回路基板３３上に加熱、加圧して樹脂シート３５の硬化反応を起こさせて圧着する。このときの圧着条件は通常１８０〜２４０℃、８〜３０秒で行う。

上記工程により、半導体素子３１の実装を容易に短時間に行え、かつ信頼性の高いＣＳＰ（チップサイズパッケージ）と呼ばれる半導体パッケージなどが提供されていた。
特許第３１５０３４７号公報

しかしながら、上記従来の半導体素子の実装方法は、以下のような問題点を有する。
一般に、半導体パッケージにおいては、半導体素子３１を実装した半導体装置を回路基板３３にはんだ付けリフローを行う必要がある。しかしながら、半導体装置の封止の機能を有す樹脂シート３５が吸湿している場合では、はんだ付けリフローの急激な温度上昇によって半導体装置内の吸湿水分が急激に体積膨張を起こし、半導体装置の実装部が破壊されたり、また半導体装置の接合部の品質が低下するという問題が生じる。

そのため、従来の対策として、はんだ付け前に、半導体装置の乾燥工程を行うか、または半導体装置の保管時に高精度で湿度管理を行っており、これら乾燥工程および湿度管理が高コスト化の一因となっていた。

本発明は、上記問題点を解決する半導体装置およびその実装方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、半導体素子と回路基板とを、前記半導体素子の電極上に形成したバンプと、前記回路基板上に設けた配線とを介して電気的に接合し、前記半導体素子と回路基板の間に封止樹脂を介在させた半導体装置において、前記封止樹脂に含まれる吸湿成分により発生する応力を減少可能な構造が、矩形状の半導体素子の四隅の少なくとも１箇所に設けた貫通穴により構成され、前記貫通穴の位置が、半導体素子の隅部の隣接する２辺から０．６ｍｍ以内に形成されたものである。

請求項２記載の発明は、半導体素子と回路基板とを、前記半導体素子の電極上に形成したバンプと、前記回路基板上に設けた配線とを介して電気的に接合し、前記半導体素子と回路基板の間に封止樹脂を介在させた半導体装置において、前記封止樹脂に含まれる吸湿成分により発生する応力を減少可能な構造が、矩形状の半導体素子の四隅の少なくとも１箇所に設けた貫通穴により構成され、前記貫通穴が、半導体素子のアクティブ領域以外の領域に形成されたものである。

請求項３記載の発明は、回路基板上に設けた配線上に、封止樹脂を介して半導体素子電極上のバンプを電気的に接合するに際し、半導体素子の隣接する２辺から０．６ｍｍ以内の隅部に、貫通穴を形成し、前記半導体素子、回路基板、封止樹脂のいずれかを加熱して封止樹脂に含まれる吸湿水を前記貫通穴から脱湿しつつ、前記半導体素子と回路基板とを加圧し封止樹脂を硬化させて半導体素子のバンプと回路基板の配線とを接合するものである。

請求項４記載の発明は、回路基板上に設けた配線上に、封止樹脂を介して半導体素子電極上のバンプを電気的に接合するに際し、半導体素子の隅部のアクティブ領域以外の領域に、貫通穴を形成し、前記半導体素子、回路基板、封止樹脂のいずれかを加熱して封止樹脂に含まれる吸湿水を前記貫通穴から脱湿しつつ、前記半導体素子と回路基板とを加圧し封止樹脂を硬化させて半導体素子のバンプと回路基板の配線とを接合するものである。

本発明によれば、半導体素子に脱湿構造を設けることにより、加熱、加圧接合時に、封止樹脂の吸湿水分が効果的に脱湿されるので、吸湿水分の急激な体積膨張による実装部の破壊や、半導体装置の接合部への負荷を下げ品質を低下させることがない。

また本発明によれば、はんだ付けリフロー時に、吸湿水分の急激な膨張により破壊されやすい半導体素子の隅部に、貫通穴を形成することにより、封止樹脂からの脱湿を効果的に行うことができ、回路基板の実装部が破壊されるのを未然に防止することができる。

以下、本発明に係る半導体装置およびその実装方法の実施の形態を図１〜図４を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
まず、半導体装置およびその実装方法の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。この第１の実施の形態では、はんだ付け時の温度上昇に起因して樹脂シート５に含まれる吸湿成分により発生する応力を減少可能な構造が、半導体素子１に形成された貫通穴１１により構成されたものである。

図１（ａ）〜（ｅ）は回路基板への半導体素子の実装方法と構造体を示している。
図１（ａ１）〜（ａ３）に示すように、半導体素子１は、たとえば厚みが０．４ｍｍ、サイズが１２ｍｍ×１２ｍｍに形成され、４つの隅部にそれぞれ貫通穴１１が形成されている。これら貫通穴１１は、隣接する２辺から距離ｘ１＝０．６ｍｍ以内，ｙ１＝０．６ｍｍ以内の隅部に中心を有し、内径ｄ１がたとえば０．３ｍｍに形成されている。

またこの半導体素子１の電極上に形成されたバンプ２の最小ピッチは１２０μｍで、バンプ２はスタッドバンプ形成方式で金バンプを形成し、このバンプ２の台座サイズは８０μｍとした。

ここで前記貫通穴１１は、４つの隅部のうち少なくとも１箇所以上に形成されればよい。もちろん、四隅以外に貫通穴１１を形成してもよいが、半導体素子１の四隅以外に貫通穴１１を形成可能な領域がないためである。また貫通穴１１の位置が、隣接する２辺から距離ｘ１＝０．６ｍｍ以内，ｙ１＝０．６ｍｍ以内であるのは、距離ｘ１，ｙ１を越えると、ＩＣアクティブ領域に入るためである。さらに貫通穴１１の内径ｄ１は、０．１〜０．５ｍｍの範囲が有効である。これは、貫通穴１１は内径ｄ１が０．１ｍｍ未満では穿孔できないためであり、また内径ｄ１が０．５ｍｍを越えると後述する樹脂シート５の樹脂漏れが発生するからである。なお、貫通穴１１は１つの隅部に複数個を形成してもよい。

図１（ｂ）に示すように、回路基板３はアルミナを主成分（９６ｗt％）とするセラミック基板で、厚みが０．４ｍｍに形成されている。前記回路基板３上に形成された電極４の材質はタングステンで、その表面に金メッキが施されている。この回路基板３に、厚みが６０μｍのエポキシ樹脂を主成分とする樹脂シート（封止樹脂）５が半導体素子１の実装領域に貼り付けられる。この樹脂シート５の貼り付け条件は、加熱温度が８０℃で、加圧時間が３秒である。

図１（ｃ）に示すように、回路基板３の電極４と半導体素子１のバンプ２が接するように位置合わせし、次いで実装ヘッドによりマウントされる。マウント時には、回路基板３を保持するステージ温度、実装ヘッド温度は常温とする。

図１（ｄ）に示すように、圧着ツール７により、半導体素子１を上面から温度２６０℃に加熱して２０秒間加圧し、回路基板３の電極４と半導体素子１のバンプ２とを接続し、封止機能を有する樹脂シート５の硬化を同時に行う。この時の接続抵抗値は１０Ω／バンプである。

図１（ｅ１）（ｅ２）は、半導体素子１を実装した半導体装置の構造を示している。
上記第１の実施の形態によれば、半導体素子１の隅部に形成された貫通穴１１により、貫通穴１１を介して樹脂シート５の吸湿成分を良好に逃がすことができ、吸湿成分による体積膨張に起因して発生する応力発生を抑制することができる。また貫通穴１１により残った応力を吸収することができる。したがって、はんだ付けリフローによる実装部の破壊や接合部の品質低下を防止することができ、接続信頼性を向上して、乾燥工程や高精度な湿度管理が不要となり、半導体装置の製造コストを低減できる。

上記実装方法により製造された半導体装置のリフロー試験（一定環境で吸湿させた後リフローにより熱処理する試験：規格としてＪＥＤＥＣレベル１〜３があり、本評価はレベル２）を実施した結果を表１に示す。

ここで評価レベルの条件は、吸湿条件が８５℃、１６５％−１６８時間放置後、リフロー（２４０℃以上、１０秒）である。上記実験によれば、全体に良好な結果を得た。

（第２の実施の形態）
第２の実施形態に係る半導体装置および回路基板への半導体素子の実装方法を図２を用いて説明する。この第２の実施の形態では、はんだ付け時の温度上昇に起因して樹脂シート５に含まれる吸湿成分により発生する応力を減少可能な構造が、回路基板３に形成された貫通穴２１により構成されたものである。なお、第１の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、この半導体装置は、前記貫通穴を有しない半導体素子１を用いて、第１の実施の形態と同一条件で実装されたものである。
すなわち、樹脂シート（封止樹脂）５が取り付けられる回路基板３の半導体素子実装領域３ａの４つの隅部に貫通穴２１がそれぞれ形成されている。これら貫通穴２１は、半導体素子実装領域３ａの隣接する２辺から距離ｘ２＝０．６ｍｍ以内，ｙ２＝０．６ｍｍ以内に中心を有し、内径ｄ２がたとえば０．３ｍｍに形成されている。

ここで前記貫通穴２１は、回路基板３の半導体素子実装領域３ａの４つの隅部のうち少なくとも１箇所以上であればよい。また貫通穴２１の位置は、隣接する２辺から距離ｘ２＝０．６ｍｍ以内，ｙ２＝０．６ｍｍ以内であるのは、その距離ｘ２，ｙ２を越えるとＩＣアクティブ領域に入るためである。さらに貫通穴２１の内径ｄ２は、０．１〜０．５ｍｍの範囲が有効である。これは、貫通穴２１は内径ｄ２が０．１ｍｍ未満では穿孔できないためであり、また内径ｄ２が０．５ｍｍを越えると樹脂シート５の樹脂漏れが発生するからである。なお、貫通穴２１は１つの隅部に複数個を形成してもよい。

上記第２の実施の形態によれば、回路基板３の半導体素子実装領域３ａの隅部に形成された貫通穴２１により、樹脂シート５の吸湿成分を良好に逃がすことができ、吸湿成分による体積膨張に起因して発生する応力発生を抑制することができる。また貫通穴２１により残った応力を吸収することができる。したがって、はんだ付けリフローによる実装部の破壊や接合部の品質低下を防止することができ、接続信頼性を向上して、乾燥工程や高精度な湿度管理が不要となり、半導体装置の製造コストを低減できる。

上記実装方法により製造された半導体装置のリフロー試験（一定環境で吸湿させた後リフローにより熱処理する試験：規格としてＪＥＤＥＣレベル１〜３があり、本評価はレベル２）を実施した結果を表１に示す。

ここで評価レベルの条件は、吸湿条件が８５℃、１６５％−１６８時間放置後、リフロー（２４０℃以上、１０秒）である。

上記実験によれば、回路基板３に貫通穴２１を設けることにより、吸湿リフロー試験における接続信頼性を向上することができた。このときの１接続当たりの接続抵抗値は１０Ω／バンプであった。

図３は、第２の実施の形態の第１変形例を示し、樹脂シート５の封止樹脂の漏れを防止するために貫通穴２１に閉塞用樹脂２２を充填した構造を示している。これにより、封止樹脂である樹脂シート５に替えて、液状樹脂を使用した場合でも、貫通穴２１からの樹脂漏れを防止することができる。

図４は、第２の実施の形態の第２変形例を示し、封止樹脂の漏れを防止するために、貫通穴２１の実装面の反対面を閉塞用樹脂シート（閉塞用シート状樹脂フィルム）２３で覆う構造を示している。これにより、樹脂シート５に替えて液状樹脂を封止樹脂として使用した場合でも、閉塞用樹脂シート２３により、貫通穴２１からの樹脂漏れを防止することができる。

（第３の実施の形態）
本発明に係る半導体装置および半導体素子の実装方法の第３の実施形態を説明する。この第３の実施の形態では、はんだ付け時の温度上昇に起因して樹脂シート５に含まれる吸湿成分により発生する応力を減少可能な材質が、樹脂シート５の透湿度を選択することにより構成されたものである。なお、第１の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、第１および第２の実施の形態における貫通穴１１，２１を有しない半導体素子１と回路基板３とを、透湿度の異なる樹脂シート５を用いて、図１と同様の条件で半導体素子の実装を行ったものである。この実験では、樹脂シート５の透湿度が、１７〜６５ｇ／ｍ²の範囲内で６種類選択された。

ここで樹脂シート５は、熱硬化性樹脂であり、エポキシ系樹脂が選択されている。たとえばこのエポキシ系樹脂は、ビスフェノールＡ，Ｆを主成分とし、透湿性向上剤としてアクリル変性エポキシまたは熱可塑性樹脂であるブタジエンゴム、アクリロニトリル、アクリルが添加されたものである。

表３にリフロー試験による樹脂シート５の透湿度条件とその結果を示している。樹脂シート５の透湿度を３２〜５８ｇ／ｍ²の範囲内として脱湿構造とすることにより、吸湿リフロー試験における接続信頼性を向上することができた。

上記第３の実施の形態によれば、樹脂シート５の脱湿構造を、透湿度が３２〜５８ｇ／ｍ²の範囲内とすることで、樹脂シート５の吸湿成分を良好に逃がすことができ、吸湿成分により発生する体積膨張に起因して発生する応力発生を抑制することができる。したがって、はんだ付けリフローによる実装部の破壊や接合部の品質低下を防止することができ、接続信頼性を向上して、乾燥工程や高精度な湿度管理が不要となり、半導体装置の製造コストを低減できる。

（第４の実施の形態）
本発明に係る半導体装置および半導体素子の実装方法の第４の実施形態を説明する。はんだ付け時の温度上昇に起因して樹脂シート５に含まれる吸湿成分により発生する応力を減少可能な材質が、樹脂シート５への無機フィラー添加量を選択して吸湿量を調整することにより構成されたものである。なお、第４の実施形態は図５と同様であり、第１の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

半導体装置は、貫通穴１１を有しない半導体素子１を第１の実施の形態と同一条件で実装した。封止機能を有する樹脂シート５に、ほとんど吸湿しない無機フィラーを４０〜６０ｗｔ％の割合で添加することにより、シート全体の材料で吸湿する樹脂の量を減少させ、樹脂シート５全体の吸湿量を減らしている。

前記樹脂シート５は熱硬化性樹脂であり、エポキシ系樹脂が選択されている。たとえばこのエポキシ系樹脂は、ビスフェノールＡ，Ｆを主成分とし、透湿性向上剤としてアクリル変性エポキシまたは熱可塑性樹脂であるブタジエンゴム、アクリロニトリル、アクリルが添加されたものが採用された。また無機フィラーとして、シリカSiO₂、またはアルミナAl₂O₃ が採用される。このときの１接続当たりの接続抵抗値は１０Ω／バンプであった。

表４にリフロー試験の条件と結果を示している。樹脂シート５の吸湿量を無機フィラーをより減少させることで、吸湿リフロー試験における接続信頼性を向上することができた。

上記第４の実施の形態によれば、樹脂シート５に添加する無機フィラーを４０〜６０ｗｔ％の割合とすることにより、樹脂シート５の吸湿量を大幅に減少させ、吸湿成分による体積膨張に起因して発生する応力発生を抑制することができる。したがって、はんだ付けリフローによる実装部の破壊や接合部の品質低下を防止することができ、接続信頼性を向上して、乾燥工程や高精度な湿度管理が不要となり、半導体装置の製造コストを低減できる。

（第５の実施の形態）
本発明に係る半導体装置および半導体素子の実装方法の第５の実施形態を説明する。この第５の実施の形態では、はんだ付け時の温度上昇に起因して樹脂シート５に含まれる吸湿成分により発生する応力を減少可能な方法として、半導体素子１と回路基板３との圧着温度条件を選択することにより構成されたものである。なお、第１の実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

この半導体装置は、第１および第２の実施の形態における貫通穴１１，２１を有しない半導体素子１と回路基板３とを、圧着ツール７を用いて、圧着温度条件を２００〜３２０℃の範囲で変化させて、加圧（加熱）時間２０秒で圧着を行って製造したもので、前記表３に示すように、樹脂シート５は、その透湿度を１７から６５ｇ／ｍ²の範囲で異なるものを選択している。この時、セラミック製の回路基板３の電極４と半導体素子１上のバンプ２の接続と封止機能を有する樹脂シート５の硬化が同時に行われている。このときの１接続当たりの接続抵抗値は１０Ω／バンプであった。

前記表３に上記半導体装置のリフロー試験による樹脂シート５の透湿度条件とその結果を示している。
前記表３によれば、圧着温度が２４０〜２８０℃の範囲で吸湿リフロー試験における接続信頼性を向上することができた。ここで、圧着温度が２４０℃未満では、リフロー加熱時の応力が大きく、実装部の破壊や接合部の品質低下が生じるおそれがあるからであり、また圧着温度が２８０℃を越えると、逆方向の応力が大きくなりすぎるためである。

また加圧時間は２０秒としたが、加圧時間は５〜３０秒の範囲が好ましく、５秒未満では、樹脂シート５の硬化が不十分となり、また３０秒を越えると、生産性が低下するからである。

上記第５の実施の形態によれば、樹脂シート５の透湿度を３２〜５８ｇ／ｍ²の範囲とし、かつ半導体素子１と回路基板３との圧着温度条件を２４０〜２８０℃の範囲とすることにより、樹脂シート５の吸湿成分を良好に逃がすことができ、吸湿成分による体積膨張に起因して発生する応力発生を抑制することができる。したがって、はんだ付けリフローによる実装部の破壊や接合部の品質低下を防止することができ、接続信頼性を向上して、乾燥工程や高精度な湿度管理が不要となり、半導体装置の製造コストを低減できる。

なお、上記第１〜第５の実施の形態を任意に選択して組合わせることもできる。

（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体素子および回路基板への実装方法を示し、（ａ１）は半導体素子の側面断面図、（ａ２）は半導体素子の底面図、（ａ３）は半導体素子のコーナ部の拡大底面図、（ｂ）〜（ｄ）（ｅ１）はそれぞれ回路基板の実装方法を示す側面断面図、（ｅ２）は（ｅ１）の部分拡大図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体素子の回路基板への実装方法を示し、（ａ）は半導体素子実装状態の側面断面図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図、（ｃ）は半導体素子実装領域のコーナ部の拡大平面図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の第１の変形例を示す要部の部分拡大断面図である。 第２の実施形態に係る半導体装置の第２の変形例を示す要部の部分拡大断面図である。 （ａ）〜（ｅ２）は第３ないし第５の実施の形態の半導体素子と回路基板への半導体素子の実装方法を示し、（ａ１）は半導体素子の側面断面図、（ａ２）は半導体素子の底面図、（ｂ）〜（ｄ）（ｅ１）はそれぞれ回路基板の実装方法を示す側面断面図、（ｅ２）は（ｅ１）の要部の部分拡大図である。 （ａ）〜（ｅ２）はそれぞれ従来の半導体素子と回路基板への半導体素子の実装方法を示し、（ａ１）は半導体素子の側面断面図、（ａ２）は半導体素子の底面図、（ｂ）〜（ｄ）（ｅ１）はそれぞれ回路基板の実装方法を示す側面断面図、（ｅ２）は（ｅ１）の要部の部分拡大図である。

符号の説明

１ 半導体素子
２ バンプ
３ 回路基板
４ 電極
５ 樹脂シート
７ 圧着ツール
１１ 貫通穴
２１ 貫通穴
２２ 閉塞用樹脂
２３ 閉塞用樹脂シート（閉塞用シート状樹脂フィルム）

Claims (4)

1. 半導体素子と回路基板とを、前記半導体素子の電極上に形成したバンプと、前記回路基板上に設けた配線とを介して電気的に接合し、前記半導体素子と回路基板の間に封止樹脂を介在させた半導体装置において、
   前記封止樹脂に含まれる吸湿成分により発生する応力を減少可能な構造が、矩形状の半導体素子の四隅の少なくとも１箇所に設けた貫通穴により構成され、前記貫通穴の位置が、半導体素子の隅部の隣接する２辺から０．６ｍｍ以内に形成された半導体装置。
2. 半導体素子と回路基板とを、前記半導体素子の電極上に形成したバンプと、前記回路基板上に設けた配線とを介して電気的に接合し、前記半導体素子と回路基板の間に封止樹脂を介在させた半導体装置において、
   前記封止樹脂に含まれる吸湿成分により発生する応力を減少可能な構造が、矩形状の半導体素子の四隅の少なくとも１箇所に設けた貫通穴により構成され、前記貫通穴が、半導体素子のアクティブ領域以外の領域に形成された半導体装置。
3. 回路基板上に設けた配線上に、封止樹脂を介して半導体素子電極上のバンプを電気的に接合するに際し、
   半導体素子の隣接する２辺から０．６ｍｍ以内の隅部に、貫通穴を形成し、
   前記半導体素子、回路基板、封止樹脂のいずれかを加熱して封止樹脂に含まれる吸湿水を前記貫通穴から脱湿しつつ、前記半導体素子と回路基板とを加圧し封止樹脂を硬化させて半導体素子のバンプと回路基板の配線とを接合する
   ことを特徴とする半導体装置の実装方法。
4. 回路基板上に設けた配線上に、封止樹脂を介して半導体素子電極上のバンプを電気的に接合するに際し、
   半導体素子の隅部のアクティブ領域以外の領域に、貫通穴を形成し、
   前記半導体素子、回路基板、封止樹脂のいずれかを加熱して封止樹脂に含まれる吸湿水を前記貫通穴から脱湿しつつ、前記半導体素子と回路基板とを加圧し封止樹脂を硬化させて半導体素子のバンプと回路基板の配線とを接合する
   ことを特徴とする半導体装置の実装方法。

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