JP4449608B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、多層回路配線基板（インターポーザ）に半導体素子を搭載して形成される半導体装置の構造に関する。

近年、ＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体素子の動作速度が向上し、動作の基準となるクロック周波数で１ＧＨｚを超えるものが製品化されている。この高速動作する半導体素子は、回路規模が大きく、トランジスタ素子等の集積度の高いＣＰＵ等であり、データ及び制御信号の入出力端子数が多く、この数が１０００を超える種類もある。

このような多端子数の半導体素子は、入出力端子のピッチが小さいため、回路素子を搭載するプリント基板に直接に実装することができず、インターポーザと呼ばれる多層回路配線基板を介して実装されている。
すなわち、上記インターポーザは、半導体素子の入出力端子と、プリント基板上の配線との電気的な接続機能を担っている。
そのため、インターポーザは、半導体素子の高密度に配置された入出力端子に対応するため、プリント基板よりも非常に薄い層構造と、微細なライン・アンド・スペースで形成された配線パターンとを有している。現在広く実用化されているインターポーザとしては、例えばＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Size Package）等がある。

上記したインターポーザには、半導体素子が半田バンプなどを介して、フェイスダウンの状態にて電気的に接続される。
そして、上述したように、半導体素子を半田バンプでインターポーザに電気的に接続した後、この電気的接続及び半導体素子の信頼性を確保するため、対向している領域をアンダーフィル樹脂により封止している。ここで、従来から用いられているビルドアップ型のインターポーザは、ガラスクロスのコアを内層に含むため、熱膨張係数（ここでは、線膨張係数）が小さい値（≒１５ｐｐｍ／℃程度）である。
また、ガラスクロスのコアを用いた従来型のインターポーザは、例えば、１０層の配線層を有する場合、その厚みは１〜２ｍｍとなり、剛性を有するものであった。
そのため、上記アンダーフィル樹脂は、できるだけ印加される熱に対して安定であり、熱の変化による線膨張係数及び収縮係数の小さな材料が用いられている。（特許文献１参照）
特開２０００−３１３４５号公報

しかしながら、半導体装置にあっては、更なる高密度実装への対応、また、動作周波数の高速化への要望に応えるため、コアを設けずに樹脂などに配線パターンを形成した積層体をインターポーザとして用いることで、インターポーザ全体の厚さを薄くし、層間持続長を短くして、高い周波数に対応させたものが開発されている。
そのため、従来型のインターポーザと同程度の配線密度を６層で達成することができ、しかも高周波対応とすることができ、その厚みは３００μｍ以下である。
しかしながら、このコアを有さないインターポーザは、線形膨脹係数が低く厚みのあるガラスクロスが設けられていないため、従来に比較して線膨張係数が高く（１６ｐｐｍ／℃以上）、剛性が低いため変形しやすいものであった。
このため、アンダーフィル樹脂として従来の材料を用いた場合、このアンダーフィル樹脂が熱に対して安定した状態となっているため、熱によるインターポーザの膨張及び収縮によるストレスにより、アンダーフィル樹脂自体及び半田バンプの破壊を起こしてしまう問題があった。

また、従来のアンダーフィル樹脂を用いた場合には、上記インターポーザを、コアを有するプリント基板に実装する際、半導体素子，インターポーザ及びプリント基板各々の膨張係数が異なるため、それぞれの接続部分における破断が生じるという欠点があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、半導体素子と、コアを有さないインターポーザと、プリント基板各々が異なる膨張係数であっても、周囲の温度変化のストレスによる破壊及び破断を、従来例に比較して低減させられる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、半導体素子と、該半導体素子を実装する線膨張係数が１６ｐｐｍ／℃以上のインターポーザとを半田バンプ（実施例におけるパッド２ｂと半田ボール３とにより形成された半導体素子の半田バンプ）により接続し、前記半導体素子及びインターポーザの間と、半田バンプの間隙とに充填樹脂（実施例におけるアンダーフィル樹脂５）を充填して硬化させた半導体装置であって、前記充填樹脂のガラス転移点の温度が１００℃〜１２０℃であり、１２５℃における弾性率が０.１ＧＰａ以上であり、かつガラス転移点以下における線膨張係数α1が３０ｐｐｍ／℃以下としたものである。

本発明の半導体装置は、前記充填樹脂がガラス転移点以上における線膨張係数α2が１００ｐｐｍ／℃以下としたものである。

本発明の半導体装置は、前記半導体素子を搭載したインターポーザが実装され、線膨張係数が該インターポーザに比較して小さい値であるプリント基板を有しているものである。

以上説明したように、本発明によれば、規格で設定された温度変化の範囲において、所定の線膨張係数及び弾性率を有するアンダーフィル樹脂（充填樹脂）を用いるため、半導体素子，インターポーザ及びプリント基板の膨張及び収縮に対し、上記アンダーフィル樹脂が各部の接続領域にかかるストレスを緩衝するため、半導体素子，インターポーザ及びプリント基板各々の線膨張係数が異なっていて、しかも、インターポーザの剛性が低いものであっても、半導体素子，インターポーザ及びプリント基板各々の間における破壊および破断を低減できる効果が得られる。

＜本発明の半導体装置の構成＞
本発明は、半導体素子が半田バンプなどを介して、フェイスダウンの状態にて、インターポーザに電気的に接続される形態の実装形式であり、コアを有さず樹脂、例えばポリイミド、またポリアミド，ポリアミドイミド，エポキシ，フェノール，ポリエステルイミドなどの樹脂で形成された多層膜からなるインターポーザを使用する場合に有効である。

しかしながら、コアを有さないインターポーザは、コアを有するものに比較して、線膨張係数が大きく（１６ｐｐｍ／℃以上）、半導体素子（線膨張係数：３ｐｐｍ／℃程度）に対して線膨張係数が大きくなっている。
このため、従来の様にアンダーフィル樹脂の線膨脹係数が、半導体装置の規格における温度範囲にて印加される温度全般にわたり安定であると、半導体素子及びインターポーザのいずれかに対してひずみを与えることとなってしまう。
したがって、アンダーフィル樹脂は、半導体素子及びインターポーザ各々の線膨脹係数に対応した線膨脹係数となる物性を有するものを使用する必要があり、本発明はそれを規定したものである。

以下、本発明の一実施形態による半導体装置を図面を参照して説明する。なお、本発明でいう１次実装とは半導体素子２とインターポーザ１との電気的接続を意味し、２次実装とはインターポーザ１とプリント基板６との電気的接続を意味するものとする。図１は同実施形態の構成例の構造を示す模式構成断面図である。この図において、１次実装として、インターポーザ（多層回路配線板）１の２層目の配線１ａに対して設けられたパッド１ｂに対し、フェイスダウン状態にて搭載される半導体素子２のパッド２ｂが、半田ボール３を介して電気的に接続されている。
半田ボール３各々の間と、半導体素子２とインターポーザ１との間隙と、半導体素子２の側面部とにアンダーフィル樹脂５とが設けられている。

このアンダーフィル樹脂５は、半導体素子２とインターポーザ１との接続強度を強化し、かつ湿気及び不純物の混入を防止し、半導体素子２及び半田ボール３の信頼性を確保するために設けられている。
インターポーザ１において、半導体素子２と対向する側の面（インターポーザ１の表面）上には、この半導体素子２と所定の間隔を有し、スティフナ４が設けられている。このスティフナ４は、コアを有さないインターポーザ１の反りを防止するため、接着剤７にを介して下方の面がインターポーザ１に貼着されている。ここで、接着剤７は、加熱硬化タイプの接着フィルムをラミネートするなどの方法により形成する。

また、インターポーザ１の裏面には、配線１ｃに接続されたパッド１ｄと、プリント基板６表面のパッド６ａとが、２次実装として、半田ボール１０を介して電気的に接続されている。
カバープレート（ふた）９は、半導体素子２の発生する熱を放熱させるための放熱板として、また半導体素子２を機械的な衝撃から保護する保護部材として、スティフナ４の上方の面に放熱性に優れたペースト（接着剤）８により貼着されている。

＜本発明の実施例＞
本発明の実施例を、図１の半導体装置を参照して説明する。
半導体素子２は、例えばチップサイズが１５ｍｍ×１５ｍｍであり、厚さが５００ｕｍであり、Ａｌ（アルミニウム）のパッド２ｂが表面に２５０ｕｍピッチにて外周部に複数列で配置され、このパッド２ｂ各々に半田ボール３が設けられている。半田ボール３はパッド２ｂに電気的に接続されており、この半田ボール３の材質は質量比において、Ｐｂ（鉛）が９５％，Ｓｎ（スズ）が５％である。

インターポーザ１の表面には、上記パッド２ｂがフェイスダウンにて対向したとき、このパッド２ｂに対して位置的に対応してパッド１ｂが設けられている。インターポーザ２は、４０ｍｍ×４０ｍｍのサイズで、厚さ２００ｕｍである。
パッド１ｂ上には、あらかじめ、例えば約２０ｕｍの厚さにて、錫−鉛共晶はんだにより予備はんだ層が形成されている。
そして、半導体素子２は、フェイスダウン状態により、インターポーザ１に対して、対応するパッド同士が対向するように位置合わせ（アライメント）され、半田ボール３を介して配置される。

このとき、半田ボール３表面にはフラックスが添加されており、配置後に所定の温度により、リフローの処理を行うことにより、上記予備はんだが溶融され、半田ボール３とパッド１ｂとが電気的に接続（はんだ接合）される。この結果、パッド１ｂとパッド２ｂとは半田ボール３を介して電気的に接続される（１次実装）。
そして、インターポーザ１と半導体素子２との間隙（半田ボール３の径による所定の距離）に残留しているフラックスを洗浄により除去し、毛細管現象を利用して上記間隙にアンダーフィル樹脂５を封入する。

上記アンダーフィル樹脂５は、例えば、１５０℃の温度における１時間の熱処理が行われ、硬化させられる。その後、スティフナ４と半導体素子２に対して、セラミック、ガラス、金属等を材質とするカバープレート９（ふた）が、ペースト８により貼着される。
半導体素子２が実装されている面を上面とすると、上記インターポーザ１の裏面には１ｍｍピッチのパッド１ｄが設けられている。このパッド１ｄに半田ボール１０が配設され、リフロー処理が行われ、パッド１ｄと半田ボール１０とが電気的に接続され、半田ボール１０の搭載されたインターポーザ１が形成されている。

また、プリント基板６の表面には、パッド１ｄがフェイスダウンにて対向したとき、このパッド１ｄに対して位置的に対応してパッド６ａが設けられている。
このパッド６ａ上には、あらかじめ、はんだペーストが印刷されており、インターポーザ１を、プリント基板６に対して、対応するパッド同士が対向するように位置合わせ（アライメント）され、半田ボール１０を介して配置される。
このとき、はんだペースト中にはフラックスが添加されており、配置後に所定の温度により、リフローの処理を行うことにより、上記はんだペーストが溶融され、半田ボール１０とパッド６ａとが電気的に接続される。この結果、パッド１ｄとパッド６ａとは半田ボール１０を介して電気的に接続される（２次実装）。

上述した構造の半導体装置の１次実装における電気的接続の信頼性の評価を行った結果を図２のテーブルに示す。ここで言う各樹脂はアンダーフィル樹脂５であり、熱硬化樹脂であり、無機フィラーが適時添加されている。
また、熱硬化樹脂はエポキシに限定されるものでなく、以下に述べる物性を有するものであれば、いずれの材質でも使用可能である。

１次実装の電気接続信頼性の評価方法として、周囲温度３０℃、湿度６０％の環境に１９２時間放置し、最高２５０℃の温度にてリフロー処理を３回行った後、−５５℃から１２５℃の温度サイクル試験を１０００回繰り返して行った。
そして、１次実装における電気的接続、すなわちパッド２ｂとパッド１ｂとの間の電気的接続が保たれているか否か（剥離の発生の有無）の検出を行い、信頼性評価結果として、電気的接続が保たれている場合ＯＫ、一方電気的接続が保たれていない場合ＮＯの判定とした（テーブルではＯＫが○印で、ＮＯが×印である）。

上記テーブルにおいて、Ｔｇがガラス転移点の転移温度であり、ＣＴＥが線膨脹係数（単位：ｐｐｍ／℃）であり、Ｅは弾性係数（単位：Ｇｐａ）である。また、Ｔｇにおけるα１は転移温度以下の線膨脹係数であり、α２は転移温度以上の線膨脹係数である。
テーブルをから樹脂３及び樹脂４が電気的接続が保たれていることが判り、これらは転移温度が温度サイクル試験の最大温度以下であり、かつこの最大温度の近傍であることが読み取れる結果である。
信頼性がＯＫと判定された樹脂４と、信頼性がＮＯと判定された樹脂５との、弾性係数と温度との関係を示すグラフを図３に示す。

また、樹脂３及び樹脂４は、他の樹脂と異なり、転移温度以下と以上とにおける線膨張係数の変化が少ないことが判る。
したがって、線膨脹係数が３ｐｐｍ／℃の半導体素子２に対して、ガラス転移点の転移温度は１００℃から１２０℃の範囲にあり、この転移温度以下の線膨脹係数α１が３０ｐｐｍ／℃以下であり、かつ１２５℃における弾性係数が０．１Ｇｐａ以上の樹脂がアンダーフィル樹脂５として適当であることがわかる。また、アンダーフィル樹脂５の線膨脹係数α２は、ガラス転移点の転移温度以上のとき、１００ｐｐｍ／℃以下であること、すなわち、転移温度以下と以上とにおける線膨張係数の変化が少ないことが必要である。

ガラス転移点の転移温度が１２０℃より高いと、アンダーフィル樹脂５が温度サイクル試験の最大温度まで線膨脹係数が低く、弾性係数が大きい状態となるため、半導体素子２の膨脹に対して対応できず、半導体素子２が応力により破壊されることとなる。
また、ガラスの転移温度が１００℃より低いと、アンダーフィル樹脂５が早い段階にて、線膨脹係数が高く、弾性係数が低い状態となるため、インターポーザ１の膨脹に対応して容易に変形するため、応力が半田ボール１０に集中して、半田ボール１０の電気的接続が損なわれることとなる。
そして、アンダーフィル樹脂５は、１２５℃における弾性係数が０．１未満の低い数値であると、インターポーザ１の膨脹に対応して容易に変形するため、やはり半田ボール１０に応力が集中して、半田ボール１０の電気的接続が損なわれることとなる。

さらに、線膨張係数α１が大きすぎても小さすぎても、半導体素子２とインターポーザ１との接続部分がその応力変化を吸収できずに壊れてしまう。
上述してきたように、半導体素子２，インターポーザ１及びアンダーフィル樹脂５における線膨脹係数の関係と、アンダーフィル樹脂５の弾性係数との相対的な関係（所定の温度範囲内における、相互の膨脹の異なりに基づく応力のバランス）により、半導体装置の使用温度の規格内における電気的接続の信頼性が保たれることが、図２の評価結果のテーブルから判る。

また、１次実装にてＯＫとなった半導体装置に対する２次実装における電気的接続の信頼性の評価について説明する。
−４０℃から１２５℃の温度サイクル試験を、５００回繰り返して行い、第１次実装と同様に、２次実装における電気的接続、すなわちパッド１ｄとパッド６ａとの間の電気的接続が保たれているか否か（剥離の発生の有無）の検出を行い、信頼性評価結果として、電気的接続が保たれている場合ＯＫの判定とし、一方電気的接続が保たれていない場合ＮＯの判定としたところ、全てＯＫであった。
この結果、インターポーザ１の線膨脹係数が、プリント基板６の線膨脹係数に比較して大きい場合であってもＯＫの判定、すなわち温度変化に対して信頼性が高いことが認められた。

また、１次実装及び２次実装の信頼性の評価における線膨脹係数及び弾性係数の測定において、線膨張係数はＴＭＡ法により、弾性係数はＤＭＡ法により、どちらもＥＸＳＴＡＲ６００（セイコーインスツルメンツ株式会社製）によって測定した。

本発明の一実施形態による半導体装置の構造例を示す模式構成断面図である。 図１の半導体装置において、各種アンダーフィル樹脂を使用した１次実装における電気的接続の信頼性評価結果を示すテーブルである。 アンダーフィル樹脂５（図２のテーブルにおける樹脂４及び樹脂５）の弾性係数と温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…インターポーザ １ａ，１ｃ…配線
１ｂ，１ｄ，２ｂ，６ａ…パッド ２…半導体素子
３，１０…半田ボール ４…スティフナ
５…アンダーフィル樹脂 ６…プリント基板
７…接着剤 ８…ペースト
９…カバープレート

Claims (3)

1. 半導体素子と、該半導体素子を実装するコアを有さないインターポーザとを半田バンプにより接続し、前記半導体素子及びインターポーザの間と、半田バンプの間隙とに充填樹脂を充填して硬化させた半導体装置であって、
   前記充填樹脂のガラス転移点の温度が１００℃〜１２０℃であり、１２５℃における弾性率が０.２８ＧＰａ以上２ＧＰａ以下であり、かつガラス転移点以下における線膨張係数α1が２５ｐｐｍ／℃以上３０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする半導体装置。
2. 前記充填樹脂がガラス転移点以上における線膨張係数α2が９０ｐｐｍ／℃以上１００ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体素子を搭載したインターポーザが実装され、線膨張係数が該インターポーザに比較して小さい値であるプリント基板を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

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