JP4859541B2

JP4859541B2 - 接着部材および半導体装置

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Publication number: JP4859541B2
Application number: JP2006155231A
Authority: JP
Inventors: 英俊草野; 和明矢澤
Original assignee: Sony Interactive Entertainment Inc; Sony Corp; Sony Computer Entertainment Inc
Current assignee: Sony Interactive Entertainment Inc; Sony Corp
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-06-02
Also published as: JP2007324483A

Description

本発明は、ヒートシンク、ヒートスプレッダなどの放熱部材を備えた半導体パッケージに関する。より具体的には、本発明はヒートシンク、ヒートスプレッダなどの放熱部材と半導体パッケージとを接着する技術に関する。

近年、コンピュータ、携帯電話、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）などの電子機器の小型化、高機能化・高速化に伴い、こうした電子機器向けのＩＣ（集積回路）、ＬＳＩ（大規模集積回路）などの半導体チップを搭載した半導体装置のさらなる小型化、高速化および高密度が要求されている。半導体装置の小型化、高速化および高密度は、消費電力の増加を招き、単位体積当たりの発熱量も増加する傾向にある。このため、半導体装置の動作安定性を確保するために、半導体装置の放熱性を向上させる技術が不可欠となっている。

従来、半導体チップの実装構造として、半導体チップの電極が形成された面をフェイスダウンにした状態で、ハンダバンプを用いてフリップチップ実装する構造が知られている。フリップチップ実装された半導体装置の放熱を図る技術としては、たとえば、特許文献１のように、半導体パッケージの周縁領域にシリコーン系の接着剤を用いてヒートスプレッダを固定し、ヒートスプレッダの中央部分と半導体チップとを熱的に接続することにより、半導体チップの放熱を図る技術が知られている。
特開平１１−０７４４１７号公報

シリコーン系の接着剤はヤング率が小さいため、半導体チップとヒートスプレッダとを接着する際に、半導体パッケージの反りやうねりに応じて変形してしまう。このため、ヒートスプレッダと半導体パッケージとの距離が不均一になる。この結果、ヒートスプレッダによる放熱特性が場所によってばらつき、半導体チップの動作安定性が低下することがあった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱部材が接着された半導体パッケージの放熱特性を向上させることができる技術の提供にある。

本発明のある態様は、半導体パッケージと放熱部材とを接着する接着部材であって、半導体パッケージとの接着面を有する第１の接着層と、第１の接着層に積層され、放熱部材との接着面を有する第２の接着層と、を備え、第２の接着層の流動性が第１の接着層の流動性より小さいことを特徴とする。

この態様の接着部材を用いて、半導体パッケージと放熱部材とを接着することにより、流動性が相対的に高い第１の接着層により、半導体パッケージの表面凹凸が吸収され、半導体パッケージの凹凸によって放熱部材が傾くことが抑制される。また、第２の接着層により、半導体パッケージの反りやうねりを抑制することができる。この結果、放熱部材と半導体パッケージとの距離が均一になり、放熱部材による放熱特性の場所によるばらつきが抑制され、ひいては、半導体チップの動作安定性が向上する。

上記態様において、第１の接着層の層厚が第２の接着層の層厚より小さくてもよい。これによれば、第１の接着層による半導体パッケージの凹凸を吸収効果と、第２の接着層による半導体パッケージの反りやうねりの抑制効果とを両立させることができる。

上記態様において、温度１５０℃、圧力７．５×１０^−３ＭＰａで熱圧着したときの第２の接着層の流動性が１４５％以下であってもよい。

本発明の他の態様は半導体装置である。当該半導体装置は、配線基板に実装された半導体チップを含む半導体パッケージと、上述したいずれかの態様の接着部材により半導体パッケージの所定位置に接着され、半導体チップと熱的に接続されている放熱部材とを備える。

この態様によれば、流動性が相対的に高い第１の接着層により、半導体パッケージの表面凹凸が吸収され、半導体パッケージの凹凸によって放熱部材が傾くことが抑制される。また、第２の接着層により、半導体パッケージの反りやうねりを抑制することができる。この結果、放熱部材と半導体パッケージとの距離が均一になり、放熱部材による放熱特性の場所によるばらつきが抑制され、ひいては、半導体チップの動作安定性が向上する。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、ヒートシンク、ヒートスプレッダなどの放熱部材が接着された半導体パッケージの放熱特性を向上させることができる。

（実施形態１）
図１（Ａ）は、実施形態１に係る半導体装置１０の概略構成を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面構造を示す断面図である。半導体装置１０は、基板２０と、表面をフェイスダウンした状態で基板２０にフリップチップ実装された半導体チップ３０と、半導体チップ３０の周囲を封止する封止樹脂層４０とを備える半導体パッケージを有する。半導体装置１０が有する半導体パッケージは、基板２０の裏面に複数のハンダボール５０がアレイ状に配設されたＢＧＡ(Ball Grid Array）型の半導体パッケージである。さらに、半導体装置１０は、接着部材８０によって封止樹脂層４０に接着されたヒートスプレッダ９０を備える。

本実施形態の基板２０は、層間絶縁膜と配線層とが交互に積層された多層配線構造を有する。図２は、基板２０の構造をより詳細に示す断面図である。複数の配線層２２が層間絶縁膜２４を介して積層されている。配線層２２には、たとえば銅が用いられる。層が異なる配線層２２間は、層間絶縁膜２４に設けられたビアプラグ２６により電気的に接続されている。基板２０の裏面の配線層２２ａの周囲には、耐熱性に優れた樹脂材料からなるソルダーレジスト膜２８が形成され、基板２０にハンダ付けを行う際に、必要な箇所以外にハンダが付着しないように最下層の層間絶縁膜２４ａがコーティングされる。また、基板２０の裏面には、ハンダボール５０が接合されるボールランド部２９がアレイ状に複数配設されている。ボールランド部２９の表面には、有機表面保護コーティング材（ＯＳＰ）２１が被覆されている。また、キャパシタ６０を実装する電極部分には、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）またはこれらの合金からなる電極パッド２３が形成されている。一方、半導体チップが実装される側にあたる基板２０の表面には、電解メッキにより形成されたニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｄ）、金（Ａｕ）またはこれらの合金からなる電極パッド２５がアレイ状に複数配設され、各電極パッド２５の上に、錫、鉛またはこれらの合金からなるＣ４（Controlled Collapse Chip Connection）バンプ２７が設けられている。

このように、本実施形態の基板２０は、コアレスとすることにより、たとえば、６層構造で３００μｍ程度まで薄型化が可能である。基板２０を薄くすることにより、配線抵抗が低減するため、半導体装置１０の動作速度の高速化が図られる。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）に戻り、基板２０の裏面に設けられた各ボールランド部２９には、それぞれ、はんハンダボール５０が接合されている。また、基板２０の裏面に設けられた電極パッド２３には、キャパシタ６０が実装されている。

基板２０の表面には、ＬＳＩなどの半導体チップ３０がフェイスダウンした状態で、フリップチップ実装されている。より具体的には、半導体チップ３０の外部電極となるハンダバンプ３２と、基板２０のＣ４バンプ２７とがハンダ付けされている。半導体チップ３０と基板２０との間の隙間は、アンダーフィル７０により充填されている。半導体チップ３０と基板２０との間にアンダーフィル７０を設けることにより、温度サイクル時の熱膨張による基板２０と半導体チップ３０との間のギャップ変動によってＣ４バンプ２７が受けるストレスを抑制することができる。

半導体チップ３０の周囲には、半導体チップ３０を封止する封止樹脂層４０が形成されている。本実施形態では、半導体チップ３０の裏面が露出し、かつ封止樹脂層４０の上面に対して凸部になっている。なお、本実施形態では、半導体チップ３０の側面が全て封止樹脂層４０で封止され、半導体チップ３０と隣接する領域の封止樹脂層４０の上面の高さが半導体チップ３０の裏面の高さと等しくなっている。これにより、半導体チップ３０の側面の封止状態が向上するため、半導体チップ３０がより確実に保護される。ただし、半導体チップ３０の側面上端部が封止樹脂層４０で封止されている必要がない場合には、半導体チップ３０の側面上端部が露出していてもよい。

これにより、封止樹脂層４０の成型時に溶融した封止樹脂が半導体チップ３０の裏面に流れ込むことが抑制されるため、半導体チップ３０の裏面の平滑性が保たれる。この結果、半導体チップ３０の裏面に熱インターフェース材を介してヒートシンク、ヒートスプレッダなどを接合する場合に、半導体チップ３０の裏面とヒートシンク等との距離を面内で一定に保つことができる。これにより、半導体チップ３０からヒートシンク等への熱移動が均等に生じるため、半導体チップ３０の裏面の温度が局所的に高くなることが抑制され、ひいては半導体チップ３０の動作安定性が向上する。

なお、封止樹脂層４０は、アレイ状の配設された複数のハンダボール５０のうち、最外位置にあるハンダボール５０よりも外側まで基板２０を被覆していることが望ましい。これによれば、封止樹脂層４０によって基板２０の強度が向上するため、基板２０の反りが抑制される。このように、封止樹脂層４０は基板２０の補強材としての機能も果たすため、基板２０がより一層薄型化しても、半導体装置１０全体の強度を確保することができる。

キャパシタ６０は、半導体チップ３０の直下の基板２０の裏面に接続されている。これにより、半導体チップ３０からキャパシタ６０までの配線経路を短縮することができ、配線抵抗の低減が図られる。なお、キャパシタ６０の設置場所は、半導体チップ３０の直下の基板２０の裏面に限られない。たとえば、配線経路が十分短くできる範囲内であれば、半導体チップ３０の直下から外れた基板２０の裏面に設置してもよい。あるいは、配線経路が十分短くできる範囲内で、キャパシタ６０を基板２０の表面に設置し、封止樹脂層４０によりキャパシタ６０を封止してもよい。

図３は、封止樹脂層４０とヒートスプレッダ９０とを接着する接着部材８０の詳細を示す部分断面図である。接着部材８０は、第１の接着層８２と第２の接着層８４とを有する。第１の接着層８２は、半導体パッケージの封止樹脂層４０との接着面を有する。第２の接着層８４は、第１の接着層に積層され、ヒートスプレッダ９０との接着面を有する。第２の接着層８４の流動性は第１の接着層８２の流動性より小さい。ここで、「流動性」とは、所定圧力（たとえば、７．５×１０^−３）で熱圧着したときの面積の広がり度合いによって評価されうる特性である。流動性の評価方法については後述する。

第１の接着層８２および第２の接着層８４は、エポキシ樹脂と硬化剤、変性剤などの添加剤とを組み合わせることにより、所望の弾性率などの特性が付与された樹脂により形成されている。第１の接着層８２および第２の接着層８４に要求される特性としては、引張弾性率、電気絶縁性、耐熱性、耐水性、熱伝導性などが挙げられる。これらの特性に望まれる数値を下記に挙げる。

引張弾性率：０．０２ＧＰａ以上（ＪＩＳＫ７１１３に準拠）
電気絶縁性：８．４×１０^１４Ω・ｃｍ（ＪＩＳＣ６４８１（常態）に準拠）
耐熱性：吸湿処理（ＪＥＤＥＣＬｅｖｅｌ２：「温度８５℃、相対湿度６０％ＲＨ、１６８時間」、「２６０℃、１０秒間」を６回繰り返し）後、浮きおよび剥がれなし
耐水性：０．１％以下（ＪＩＳＣ６４８１（常態）に準拠）
熱伝導性：０．３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上（レーザフラッシュ法）
ヒートスプレッダ９０と封止樹脂層４０とは、周縁領域同士が接着部材８０で接着され、ヒートスプレッダ９０の中央部分と、半導体チップ３０の裏面とが熱インターフェース材１００により熱的に接続されている。これにより、半導体パッケージで発生した熱は、熱インターフェース材１００を経由してヒートスプレッダ９０に伝導し、ヒートスプレッダ９０において放熱される。

（流動性の評価方法）
接着剤の流動性は、試料となる接着剤に所定圧力を加えたときの単位面積当たりの試料の広がりを示す指標である。

具体的には、膜厚１００μｍ、面積１２ｃｍ^２の試料に対して、圧力７．５×１０^−３ＭＰａを６０秒間加えたときの面積Ｓ（ｃｍ^２）を計測し、「流動性（％）＝（Ｓ／１２）×１００」なる式に基づいて流動性を算出することができる。

第１の接着層８２の流動性は、１３５〜１４５％が好ましい。第１の接着層８２の流動性を１３５〜１４５％とすることにより、半導体パッケージの表面凹凸（本実施形態では封止樹脂層４０の表面凹凸）を吸収し、半導体パッケージの凹凸によってヒートスプレッダ９０が傾くことを抑制することができる。

第２の接着層８４の流動性は、１２１〜１３５％が好ましく、１２１〜１３０％がより好ましい。第２の接着層８４の流動性を１２１〜１３５％とすることにより、半導体パッケージの反りやうねりを抑制することができる。この結果、ヒートスプレッダ９０と半導体パッケージとの距離が均一になり、ヒートスプレッダ９０による放熱特性の場所によるばらつきが抑制され、ひいては、半導体チップの動作安定性が向上する。また、熱圧着する前の第２の接着層８４は、タック性を備えることが好ましい。これによれば、ヒートスプレッダ９０を半導体パッケージに接着する際のハンドリングが容易になる。なお、第１の接着層８２の膜厚は、第２の接着層８４の膜厚より小さいことが好ましい。これによれば、第１の接着層８２による半導体パッケージの凹凸を吸収効果と、第２の接着層８４による半導体パッケージの反りやうねりの抑制効果とを両立させることができる。

（半導体装置の製造方法）
図４および図５は、半導体装置１０の製造方法を示す工程図である。まず、図４（Ａ）に示すように、半導体チップ３０の外部電極端子が設けられた表面をフェイスダウンにした状態で、半導体チップ３０に設けられた各ハンダバンプ３２とそれらに対応して基板２０に設けられたＣ４バンプ２７とをハンダ付けすることにより、半導体チップ３０をフリップチップ実装する。

次に、図４（Ｂ）に示すように、半導体チップ３０と基板２０との間にアンダーフィル７０を充填する。これにより、ハンダ接合部分から生じるストレスがアンダーフィル７０により分散された状態で、基板２０に半導体チップ３０がフリップチップ実装される。

次に、図４（Ｃ）に示すように、トランスファーモールド法により、半導体チップ３０の周囲に、半導体チップ３０を封止する封止樹脂層４０を形成する。トランスファーモールド法で用いられる封止樹脂層４０を成型するための上型として、半導体チップ３０の裏面が露出し、かつ半導体チップ３０の裏面が封止樹脂層４０の上面に対して凸部になるような構造を備える型を用いる。

次に、図５（Ａ）に示すように、ラミネート装置を用いて封止樹脂層４０の上面に接着部材８０（図３参照）を形成する。また、半導体チップ３０の裏面に熱インターフェース材１００を塗布する。

次に、図５（Ｂ）に示すように、ヒートスプレッダ９０を半導体パッケージに搭載し、接着部材８０により、ヒートスプレッダ９０と封止樹脂層４０とを接着するとともに、熱インターフェース材１００を介してヒートスプレッダ９０と半導体チップ３０の裏面とを熱的に接続する。続いて、基板２０の裏面にハンダボール５０、キャパシタ６０などを実装することにより図１に示した半導体装置１０が完成する。

（実施形態２）
実施形態１では、半導体チップ３０の裏面とヒートスプレッダ９０とが熱インターフェーズ材により熱的に接続されているが、半導体チップ３０の裏面とヒートスプレッダ９０との熱的な接続手段はこれに限られない。図６に示す実施形態２の半導体装置１０では、半導体チップ３０の裏面とヒートスプレッダ９０とが離間し、半導体チップ３０とヒートスプレッダ９０との間に密閉空間１１０が形成されている。密閉空間１１０には熱媒体が封入されている。熱媒体としては、たとえば水が用いられる。半導体チップ３０が発熱すると密閉空間１１０に封入された熱媒体が蒸発し、蒸発した熱媒体がヒートスプレッダ９０と接触して冷却される。熱媒体はヒートスプレッダ９０で冷却されることにより凝縮し、半導体チップ３０の熱により再び蒸発する。このサイクルが繰り返されることにより、半導体チップ３０の熱が放熱される。

本実施形態においても、第１の接着層８２により、半導体パッケージの表面凹凸（本実施形態では封止樹脂層４０の表面凹凸）が吸収され、半導体パッケージの凹凸によってヒートスプレッダ９０が傾くことが抑制される。また、第２の接着層８４により、半導体パッケージの反りやうねりを抑制することができる。この結果、ヒートスプレッダ９０と半導体パッケージとの距離が均一になり、熱媒体およびヒートスプレッダ９０による放熱特性の場所によるばらつきが抑制され、ひいては、半導体チップの動作安定性が向上する。

なお、本実施形態では、半導体チップ３０の裏面が封止樹脂層４０の上面より高くなっているが、両者の高さの関係はこれに限られない。たとえば、半導体チップ３０の裏面の高さは、封止樹脂層４０の上面と一致していてもよく、半導体チップ３０の裏面が封止樹脂層４０の上面より低くてもよい。

（実施例１）
実施例１の接着部材は、膜厚１０μｍ、流動性１４０％のエポキシ樹脂からなる第１の接着層と、膜厚９０μｍ、流動性１１３％のエポキシ樹脂からなる第２の接着層とを有する。

（実施例２）
実施例２の接着部材は、膜厚１０μｍ、流動性１４０％のエポキシ樹脂からなる第１の接着層と、膜厚９０μｍ、流動性１１５％のエポキシ樹脂からなる第２の接着層とを有する。

（実施例３）
実施例３の接着部材は、膜厚１０μｍ、流動性１４０％のエポキシ樹脂からなる第１の接着層と、膜厚９０μｍ、流動性１２１％のエポキシ樹脂からなる第２の接着層とを有する。

（実施例４）
実施例４の接着部材は、膜厚１０μｍ、流動性１４０％のエポキシ樹脂からなる第１の接着層と、膜厚９０μｍ、流動性１２６％のエポキシ樹脂からなる第２の接着層とを有する。

（参考例）
実施例５の接着部材は、膜厚１０μｍ、流動性１４０％のエポキシ樹脂からなる第１の接着層と、膜厚９０μｍ、流動性１４５％のエポキシ樹脂からなる第２の接着層とを有する。

（比較例１）
比較例１の接着部材は、膜厚１０μｍ、流動性１４０％のエポキシ樹脂からなる第１の接着層と、膜厚９０μｍ、流動性１６２％のエポキシ樹脂からなる第２の接着層とを有する。

（比較例２）
比較例２の接着部材は、膜厚１０μｍ、流動性１４０％のエポキシ樹脂からなる第１の接着層と、膜厚９０μｍ、流動性１６６％のエポキシ樹脂からなる第２の接着層とを有する。

（比較例３）
比較例２の接着部材は、膜厚１０μｍ、流動性１４０％のエポキシ樹脂からなる第１の接着層と、膜厚９０μｍ、流動性１７２％のエポキシ樹脂からなる第２の接着層とを有する。

表１は実施例１〜５および比較例１〜３の層構成を示す。

なお、市販されている一般的な熱硬化型接着剤の硬化収縮率は約２〜６％である。また、市販されている一般的なＵＶ硬化型接着剤の硬化収縮率は約５〜１０％である。これに対して、実施例１〜５の接着部材の硬化収縮率は１％未満である。このように、実施例１〜５の接着部材は熱硬化による残留応力が極めて小さいため、熱硬化の前後で厚みや幅が変化しにくく、形状が安定する。

（熱硬化による変形特性評価）
図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、ラミネート装置を用いて基板３００の上に実施例１の接着部材２３０を形成した後、接着部材２３０の上にヒートスプレッダを模したＮｉめっき銅板２４０（厚さ２．０ｍｍ）を搭載した。

基板３００は、両面にそれぞれ銅箔２１０が形成されているガラスエポキシ基板（ＦＲ４基板）２００と、一方の銅箔２１０の上に形成されたソルダーレジスト膜（膜厚７０μｍ）２２０とを有する。銅箔２１０およびガラスエポキシ基板２００を合わせた厚みは０．８ｍｍである。

接着部材２３０の上にＮｉめっき銅板２４０を載置した後、ヒートシールテスターを用いて接着部材２３０を介して基板３００とＮｉめっき銅板２４０とをを熱圧着した。このときの熱圧着の条件を下記に示す。

温度：１５０℃
圧力：７．５×１０^−３ＭＰａ
圧着時間：６０秒
熱圧着後に、図７（Ｂ）に示した測定点Ａ〜Ｉにおいて、基板３００、接着部材２３０およびＮｉめっき銅板２４０を合わせた厚さを計測した。

次に、オーブン内で接着部材を熱硬化させた。このときの熱硬化の条件を下記に示す。

温度：１５０℃
圧力：７．５×１０^−３ＭＰａ
熱硬化時間：２時間
熱硬化後に、熱圧着後と同様に、図７（Ｂ）に示した測定点Ａ〜Ｉにおいて、接着部材の厚さを計測した。

実施例２〜５および比較例１〜３についても実施例１と同様な手法により、熱硬化による変形特性を評価した。図８は、実施例１〜５および比較例１〜３の接着部材を用いて、熱圧着後および熱硬化後に接着部材の厚さを計測した値をプロットしたグラフである。図８に示すように、実施例１〜５では、熱硬化前後で接着部材の厚さに大きな差は見られないが、比較例１〜３では、熱硬化前後で接着部材の厚さに明らかな差が認められた。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

図１（Ａ）は、実施形態１に係る半導体装置の概略構成を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面構造を示す断面図である。基板の構造をより詳細に示す断面図である。封止樹脂層とヒートスプレッダとを接着する接着部材の詳細を示す部分断面図である。半導体装置の製造方法を示す工程図である。半導体装置の製造方法を示す工程図である。実施形態２に係る半導体装置の概略構成を示す断面図であ図７（Ａ）は、熱硬化による変形特性評価に用いた積層体を示す断面図である。図７（Ｂ）は、熱硬化による変形特性評価に用いた積層体を示す平面図である。実施例１〜５および比較例１〜３の接着部材を用いて、熱圧着後および熱硬化後に接着部材の厚さを計測した値をプロットしたグラフである。

符号の説明

１０半導体装置、２０基板、３０半導体チップ、４０封止樹脂層、８０接着部材、９０ヒートスプレッダ。

Claims

半導体パッケージと放熱部材とを接着する接着部材であって、
前記半導体パッケージとの接着面を有する第１の接着層と、
前記第１の接着層に積層され、前記放熱部材との接着面を有する第２の接着層と、
を備え、
圧力７．５×１０ ^−３ＭＰａで熱圧着したとき、第１の接着層の流動性が１３５〜１４５％であり、第２の接着層の流動性が１２１〜１３５％であり、かつ、前記第２の接着層の流動性が前記第１の接着層の流動性より小さいことを特徴とする接着部材。
前記第１の接着層の層厚が前記第２の接着層の層厚より小さいことを特徴とする請求項１に記載の接着部材。
配線基板に実装された半導体チップを含む半導体パッケージと、
請求項１または２に記載の接着部材により前記半導体パッケージの所定位置に接着され、前記半導体チップと熱的に接続されている放熱部材と、
を備えることを特徴とする半導体装置。