JP5104149B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、広くは半導体の技術分野に関し、特に、半導体素子（チップ）と回路基板との間の接合性を向上するための技術に関する。

近年、携帯機器、特に携帯電話やノート型パソコン等の小型化、薄型化、高性能化に伴って、搭載される半導体装置にも、さらなる小型化、薄型化が要求されている。このような小型化、薄型化への要請に応じて、回路基板と、これにフリップチップ接合される半導体素子（チップ）との間のギャップも小さくなり、接合後に封止趣旨を後入れ方式で注入するのが困難になってきている。

この問題に対処するため、あらかじめ半導体チップ側、又は回路基板側に半硬化の封止樹脂層を形成しておき、電極と封止樹脂を一括してフリップチップ接合する方式（「先アンダーフィル方式」と称する）が多用されてきている。

図１（ａ）は、一般的な先アンダーフィル方式のチップ接合を説明するための概略図である。この例では、接合に先立って、突起電極１０４が形成された半導体チップ１０３側に、半硬化状態の封止樹脂層１０５が形成されている。回路基板１０１上へ実装する際には、半導体チップ１０３を逆さにして、突起電極１０４が回路基板１０１上のパッド電極１０８上に位置するように、フリップチップ接合する。

しかし、この方法では以下の問題がある。すなわち、あらかじめ半導体チップ１０３側に半硬化封止樹脂層１０５を設けておくと、ウェーハの輸送やダイシングプロセスなどを経るため、半硬化封止樹脂層１０５の硬化が進行し、フリップチップ接合時に流動性が低下する。この結果、図１（Ａ）で破線のサークルＣで示すように、樹脂層１０５が横方向に膨らんではみ出してしまい、フィレットと呼ばれる樹脂だまりの形成が、十分になされない。

フィレットは、半導体素子１０３と回路基板１０１との密着性を確保し、接続信頼性を向上させるために有効な構造である。図１（Ｂ）に理想的なフィレット１０６の形状を示す。理想的なフィレット１０６は、サークルＡで示すように、半導体チップ１０３の端面を確実に覆い、滑らかに裾を引くように回路基板１０１側に拡がる形状を有する。このような形状だと、熱膨張係数の相違等に起因して半導体チップ１０３や回路基板１０１に反りが生じる場合でも、両者の接合を安定して保持することができるからである。

半導体チップの外周端面にも濡れ拡がる良好なフィレットを形成するために、あらかじめ回路基板側の半導体搭載位置の内部領域に半硬化樹脂を形成しておくと同時に、半導体チップの端面にも樹脂を形成しておき、フリップチップ接合時に、チップ端面の樹脂と、回路基板上の半硬化樹脂とを融合させてフィレットを形成する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

しかし、この方法では、半導体チップの端面をカバーすることはできるが、回路基板上での末広がりの裾の部分の形成については考慮されていない。言い換えると、半導体チップの端面部分に関しては、あらかじめ樹脂を配置しておくことで、制御されたフィレットが形成されるが、裾部分のフィレット、すなわち、回路基板近傍のフィレットの形状を制御することは難しい。

また、一般に、フリップチップ接合時のツールとステージの傾きなどにより、フィレットが均一に形成されないことが多く、裾部分でのフィレットの形状を制御するのは、いっそう困難である。フィレットの裾が十分に形成されない場合は、半導体チップと回路基板の接合が不十分になり、接合信頼性を満足することができない。
特開２００６−３２６２５号公報

そこで、本発明は上記の問題点に鑑みて、必要な範囲に必要な量のフィレットを良好な形状で形成する方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、第１の側面では、半導体装置の製造方法を提供する。この方法は、
（ａ）半導体素子を実装する回路基板の、前記半導体素子の実装位置の外周にあらかじめ第１の接着層を形成し、
（ｂ）前記半導体素子の実装面に、あらかじめ第２の接着層を形成し、
（ｃ）前記半導体素子を前記回路基板上に配置し、前記第１の接着層と前記第２の接着層とを溶融・一体化してフィレットを形成する、
工程を含む。

好ましい実施例では、前記第１接着層は、前記半導体素子の実装位置から所定の間隔、たとえば、１０〜２０μｍの間隔をあけて形成される。

また別の良好な実施例では、前記第１の接着層は、前記半導体素子の実装位置のコーナー近傍での樹脂量が、その他の部分よりも多くなるように形成される。

いずれの場合も、前記第１の接着層と前記第２の接着層は、互いに相溶性があることが望ましい。

第２の側面では、半導体素子を回路基板上に実装した半導体装置を提供する。この半導体装置において、前記半導体素子と前記回路基板の間に位置する接着層を有し、前記接着層は、前記半導体素子の外周端面を覆い、かつ前記回路基板に向かって裾が拡がる形状を有し、前記接着層に含まれる充填剤の濃度分布が、前記裾拡がりの部分の端部に向かうほど低くなっていることを特徴とする。

一実施例では、前記半導体素子は、前記回路基板にフリップチップ接合されている。

半導体素子（チップ）と回路基板の間の接合信頼性を確保することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。図２は、本発明の一実施形態にかかる半導体装置の製造工程図であり、図３は、半導体チップ実装前と実装後の平面図である。まず、図２（Ａ）に示すように、回路基板としてのビルトアップ基板１１のフィレットが形成されるべき箇所に、基板側接着層としての半硬化封止樹脂層１２を形成する。ここでは、エポキシ樹脂を主成分とする半硬化樹脂を用いた。その他の樹脂材料として、シアネートエステル樹脂、フェノキシ樹脂、ウレタン系樹脂、あるいはこれらを主成分とする樹脂を用いることができる。

ビルトアップ基板１１上に形成される半硬化封止樹脂層１２の粘度は、接合時に１００〜５００Ｐａ・ｓとなって、半導体チップ側の接合面に形成される樹脂層１５（図２（Ｂ）参照）と融合しやすくなるように調整される。一般に樹脂の粘度は、温度によって大きく変化するので、接合温度を制御することで半硬化封止樹脂層１２の粘度を調整することができる。その他の粘度調整方法として、ビルトアップ基板１１側に形成する半硬化封止樹脂層１２のシリカ含有量を低く、たとえば０〜４０ｗｔ％に設定しておくことで流動性を確保することもできる。

ビルトアップ基板１１上への封止樹脂層１２の形成には、武蔵エンジニアリング製のディスペンサー装置（ＦＡＤ３２０ｓ）を用いた。ディスペンサー装置では、塗布圧、塗布速度、塗布時間を調整することで、樹脂量を精度よく制御することができる。

図３（Ａ）は、ビルトアップ基板１１上への半硬化封止樹脂１２の塗布例１を示す図である。この例では、点線で示す半導体チップ実装位置の外側に均一な幅で半硬化封止樹脂層１２を形成する。このとき、フリップチップ接合時にビルトアップ基板１１側の半硬化封止樹脂１２と、半導体チップ１３との干渉を避けるため、チップ実装位置と半硬化封止樹脂層１２との間に、ギャップ（間隙）Ｇを設定しておく。フリップチップボンダの搭載精度を考慮すると、１０〜２０μｍのギャップＧを設けておくのが望ましい。

図２（Ｂ）に戻って、あらかじめ半硬化封止樹脂層１２が形成された基板１１上に、同じくあらかじめ半硬化封止樹脂層１５が形成された半導体チップ１３を、フリップチップ接合する。チップ１３側の半硬化封止樹脂層１５は、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、ウレタン系樹脂、あるいはこれらを主成分とする樹脂を用いることができるが、ビルトアップ基板１１側の半硬化封止樹脂１２と互いに相溶性のある材料を選択する。接合に先立って、半導体チップ１３の突起電極１４が、ビルトアップ基板１１上に形成されたパッド電極１８上に位置するように半導体チップ１３を位置決めする。

接合条件は、用いる電極材料の組み合わせや超音波の印加の有無などによって任意に設定することができる。たとえば、基板１１側のパッド電極１８にＮｉ／Ａｕ電極、半導体チップ１３側の突起電極１４に、台座径３０μｍのＡｕスタッドバンプ又はワイヤバンプを用い、熱圧着によって接合させる場合、２２０℃、２０ｓｅｃ、バンプ当たりの圧力が１５ｇｆの条件で、上段の半導体チップ１３がビルトアップ基板１１に接合される。熱圧着以外にも、溶融接続、超音波接続などの接合方法を用いてもよい。

このとき、接合時の圧力によって、半導体チップ１３側の半硬化封止樹脂層１５が矢印で示すように外側に向かって押し出され、同時に、接合温度によって、半導体チップ１３側の封止樹脂層１５と基板１１側の封止樹脂層１２が溶融し、一体化する。その結果、図２（Ｃ）に示すように、半導体チップ１３の端部をカバーし、かつサークルＢで示すように、十分な裾を持ったフィレット１６が形成される。すなわち、図３（Ｂ）の平面図で示すように、半導体チップ１３のエッジから外側に向けて、隙間なく均一に拡がるフィレット１６が形成される。これにより、接合の信頼性が確保される。

図２および図３の例では、半導体チップ１３はフリップチップ接合されるので、電極間の接続と同時に、半導体チップ１３をビルトアップ基板１１に接着するフィレット１６を形成することができる。

なお、半導体チップ１３側の半硬化封止樹脂層１５と、ビルトアップ基板１１側の半硬化封止樹脂層１２のいずれか一方または双方がシリカフィラーを含有する場合は、これらの樹脂層の溶融・一体化の結果、シリカフィラーの含有量が、フィレット１６の端に向かうほど少なくなるグラデーション構造となる。これはシリカフィラーよりも、それ以外の樹脂成分の流動性の方が高いので、フィレット１６の裾の端部に向かうほど、シリカフィラーの含有量が少なくなるからである。

最後に、接合された半導体チップ１３とビルトアップ基板１１をオーブンでベークして（たとえば１７０℃、１．５時間の条件で）、封止樹脂（フィレット）が硬化され、半導体装置１０が完成する。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、ビルトアップ基板１１上への半硬化封止樹脂層２２の塗布例２を示す図である。図４の例では、破線で示すチップ実装位置のコーナー間の中央部分に対応する領域で、半硬化封止樹脂層２２の幅が狭く、コーナー付近で幅が広くなるように、半硬化封止樹脂層２２が形成されている。この場合も、半硬化封止樹脂層２２と半導体チップ実装位置との間に、ギャップＧを設定しておく。

図４（Ａ）の半硬化封止樹脂層２２の塗布形状は、半硬化封止樹脂層２２の塗布圧を３０〜１００ｋＰａの範囲で一定にし、かつ、各コーナー部で保持する時間を０．５ｓ〜１．０ｓｅｃ程度設けることによって、実現することができる。また、フリップチップ接合時の半硬化封止樹脂層２２と半導体チップ１３との干渉を防止するためのギャップＧは、フリップチップボンダの搭載精度を考慮して、１０〜２０μｍとする。この場合のギャップＧは、半硬化封止樹脂層２２の中央のくびれ部分が、半導体チップ実装位置から１０〜２０μｍ離れるように設定される。

半硬化封止樹脂層２２をこのような形状とするのは、半導体チップ１３を接合する際の圧力の印加によって、半導体チップ１３のコーナー部分よりも、各エッジの中央部分からの封止樹脂の流出量が多くなる場合が多いからである。

半硬化封止樹脂２２の平面塗布形状は、図４（Ａ）の例に限定されず、樹脂量がコーナー部分で多くなるのであれば、任意の塗布形状を選択できる。たとえば、半硬化封止樹脂層２２の内側（チップ１３に対向する側）では、中央部がくびれるように湾曲し、一方、半硬化封止樹脂層２２の外側（基板１１の端部に対向する側）では、直線状に延びるように形成してもよい。

半硬化封止樹脂層２２の材料としては、上述したように、エポキシ樹脂、シアネートエステル樹脂、フェノキシ樹脂、ウレタン系樹脂、あるいはこれらを主成分とする樹脂である。また、シリカ含有量は、チップ接合時の流動性を確保するために、０〜４０ｗｔ％としておく。

このような半硬化封止樹脂層２２を有するビルトアップ基板１１に半導体チップ１３を接合する場合は、図２（Ｂ）で説明したのと同様に、熱圧着、溶融、超音波接合などの方法を採用することができる。基板１１側の半硬化封止樹脂層２２が、半導体チップ１３のコーナー近傍で厚くなるように形成されているので、半導体チップ１３の各エッジの中央部分からの封止樹脂の流出が多い場合でも、半導体チップ１３側の封止樹脂層１５と基板１１側の封止樹脂層２２とが溶融、一体化する際に、フィレット１６の形成がより均一になる。その結果、図２（Ｃ）に示すように、半導体チップ１３の端部を確実にカバーし、かつ裾が滑らかに拡がったフィレット１６の断面形状が得られるとともに、図４（Ｂ）に示すように、半導体チップ１３のエッジから外側に向けて均一に隙間なく拡がる平面形状となる。

半導体チップ１３側の半硬化封止樹脂層１５と、ビルトアップ基板１１側の半硬化封止樹脂層２２のいずれか一方、又は双方にシリカフィラー等の充填材が含有されている場合は、図２（Ｃ）に示したように、充填剤の含有プロファイルは、フィレット２２の裾部分の端部に向かうほど少なくなる。

最後に、接合された半導体チップ１３とビルトアップ基板１１を１７０℃で１．５時間ベークして、封止樹脂を硬化して半導体装置を完成する。

図５は、図２の方法で作製した半導体装置のフィレット１６の形状を示す写真である。半導体チップ１３の端部を覆い、基板表面に向かって裾が十分かつ均一に拡がるフィレット１６が形成されている。

上述した実施例の方法では、フィレット樹脂をビルトアップ基板１１上の必要な箇所に必要なだけ供給するので、フィレット形成領域の基板上に凹凸がある場合でも、十分な裾をもったフィレット１６を形成することができる。その結果、接合信頼性が向上する。また、通常の封止樹脂注入プロセスで樹脂の流れが悪い材質の基板に対しても、確実にフィレットを供給、形成することができる。さらに、接合時に溶融・一体化するため、樹脂の不連続性が生じない。すなわち、樹脂内の局所的な残留応力の発生を防止することもでき、接合信頼性をより確実にすることができる。

なお、本発明の半導体装置およびその製造方法は、上述した実施例に限定されず、当業者にとって実施可能な種々の変形例を含む。たとえば、半導体チップ１３に設けられる突起電極１４は、ＡｕスタッドバンプやＡｕワイヤバンプの代わりに、ハンダ、Ａｕメッキバンプ、Ｃｕメッキバンプ、ペースト状バンプ等を用いることができる。この場合も、熱圧着時の温度を、樹脂が自由流動できる温度、例えば２００℃〜２４０℃の範囲で制御することによって、半導体チップ１３側の半硬化封止樹脂層１５と、ビルトアップ基板１１側の半硬化封止樹脂層１２（又は２２）を溶融、一体化して、十分な裾を持ったフィレット１６を形成することができる。

また、上述した実施例の方法は、とくに半導体チップ１３の回路形成面を下側（ビルトアップ基板１１側）に向けてフリップチップ接合に好適であるが、これに限定されず、半導体チップ１３とビルトアップ基板１１との間の電気的な接続をワイヤボンディングで行う場合にも適用できる。その場合は、ビルトアップ基板１１上のボンディングパッドは、あらかじめ半導体素子１３をビルトアップ基板１１に接着する接着層（フィレット）の末広がりの裾部分の外側に位置するように配置しておく。ワイヤボンディングの後にキャップ樹脂を形成する。この適用例でも、半導体チップ１３とビルトアップ基板１１間の良好なフィレットの形状により、接合の信頼性が維持される。

また、ビルトアップ基板１１の裏側にさらにハンダボール等の電極を形成して、さらに別の配線基板（マザーボード）等に搭載可能にしてもよい。

従来の半導体チップの接合方法の問題点を示す概略図である。 本発明の実施形態における半導体装置の製造工程図である。 実施形態における半硬化封止樹脂の塗布例１を示す図である。 実施形態における半硬化封止樹脂の塗布例２を示す図である。 実施形態の方法で作製した半導体装置のフィレット形状を示す写真である。

符号の説明

１０ 半導体装置
１１ ビルトアップ基板（回路基板）
１２、２２ 回路基板側接着層（第２の接着層；半硬化封止樹脂層）
１３ 半導体素子（半導体チップ）
１４ 突起電極
１５ チップ側接着層（第１の接着層；半硬化封止樹脂層）
１６、２６ フィレット
１８ 基板側パッド電極
１９ 充填剤（シリカフィラー）
Ｇ ギャップ

Claims (5)

1. 半導体素子を実装する回路基板の、前記半導体素子の実装位置の外周にあらかじめ第１の接着層を形成し、
   前記半導体素子の実装面に、あらかじめ第２の接着層を形成し、
   前記半導体素子を前記回路基板上に配置し、前記第１の接着層と前記第２の接着層とを溶融・一体化してフィレットを形成し、
   前記第１の接着層は、前記半導体素子の実装位置のコーナー近傍での樹脂量が、その他の部分よりも多くなるように形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 半導体素子を実装する回路基板の、前記半導体素子の実装位置の外周にあらかじめ第１の接着層を形成し、
   前記半導体素子の実装面に、あらかじめ第２の接着層を形成し、
   前記半導体素子を前記回路基板上に配置し、前記第１の接着層と前記第２の接着層とを溶融・一体化してフィレットを形成し、
   前記第１の接着層は、前記半導体素子の実装位置のコーナー近傍での幅よりも、コーナー間の中央部に対応する位置での幅が狭くなるように形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 前記第１接着層は、前記半導体素子の実装位置から所定の間隔をあけて形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 半導体素子を回路基板上に実装した半導体装置において、
   前記半導体素子と前記回路基板の間に位置する接着層を有し、
   前記接着層は、前記半導体素子の外周端面を覆い、かつ前記回路基板に向かって裾が拡がる形状を有し、前記接着層に含まれる充填剤の濃度分布が、前記裾拡がりの部分の端部に向かうほど低くなっていることを特徴とする半導体装置。
5. 前記半導体素子は、前記回路基板にフリップチップ接合されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。