JP5343315B2 - 実装構造及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は実装構造及び半導体装置に関する。

ネットワーク機器の高速化、大容量化にともない、半導体素子間の配線距離を短縮し、マザーボード上の実装密度を向上させることが要求されている。
半導体素子のマザーボードへの実装は、半導体素子よりも一般に幅が大きい、回路基板（パッケージ用基板）に半導体素子を実装し、さらに、機器全体のマザーボードに回路基板を実装することにより行う。

そして、回路基板上に搭載された半導体素子は、一般に、無機充填材を含有した樹脂によって封止される（例えば、特許文献１参照）。これにより、実装後の半導体装置は、半導体素子、半導体素子と回路基板との接合部が樹脂によって外部環境から遮断され、半導体装置としての信頼性が確保される。

そして、上述したように、半導体素子を搭載した回路基板はマザーボード上に半田接合される。
特開平８−１６２５７３号公報

しかしながら、融点が例えば１５０℃以上である半田を回路基板とマザーボードとの半田接合材料として用いた場合、半導体素子が搭載された回路基板をマザーボード上に実装するときの温度（以下、リフロー温度）は、この融点よりも高温になる。

そして、封止材のガラス転移点がリフロー温度より低い場合には、封止材のガラス転移点以上の温度で、実装が行われることになる。
このような温度で実装を行うと、封止材がガラス転移点以上の高温状態になり、封止材の熱膨張率が増加する。一方、回路基板の面内方向の熱膨張率については、その内部に補強材が備えられているために、封止材のガラス転移点以上の温度でも低い熱膨張率を示す。

その結果、実装中に回路基板が凸状に変形し、マザーボードと回路基板との間の距離が回路基板の中央部と端部で異なり、距離を隔てた中央部において充分な半田接合ができないという不具合が生じている。

或いは、回路基板が凸状態のまま半田接合を行ったとしても、回路基板が常温になり、平坦性を回復したときには、応力によって一部の半田接合が剥離するという不具合が生じている。

このように、半導体素子が搭載された回路基板をマザーボード上に半田接合すると、実装後のマザーボードと回路基板との電気的導通性の信頼性が低下するという問題があった。

本発明の一観点によれば、回路基板上に搭載された半導体素子が第１の封止層で封止され、前記第１の封止層の表面に、前記第１の封止層を被覆する第２の封止層が設けられ、前記回路基板は、第１のガラスクロスと前記第１のガラスクロスに設けられた第１の樹脂とを有し、前記第２の封止層は、第２のガラスクロスと前記第２のガラスクロスに設けられた第２の樹脂とを有し、前記第１の封止層のガラス転移点以上での前記回路基板の前記第１のガラスクロスに沿った面内方向の熱膨張率、及び、前記第１の封止層のガラス転移点以上での前記第２の封止層の前記第２のガラスクロスに沿った面内方向の熱膨張率が、前記第１の封止層の熱膨張率よりも低い実装構造が提供される。

また、本発明の一観点によれば、回路基板と、前記回路基板上に搭載された半導体素子と、前記半導体素子を封止する第１の封止層と、前記第１の封止層の表面に設けられ、前記第１の封止層を被覆する第２の封止層とを含み、前記回路基板は、第１のガラスクロスと前記第１のガラスクロスに設けられた第１の樹脂とを有し、前記第２の封止層は、第２のガラスクロスと前記第２のガラスクロスに設けられた第２の樹脂とを有し、前記第１の封止層のガラス転移点以上での前記回路基板の前記第１のガラスクロスに沿った面内方向の熱膨張率、及び、前記第１の封止層のガラス転移点以上での前記第２の封止層の前記第２のガラスクロスに沿った面内方向の熱膨張率が、前記第１の封止層の熱膨張率よりも低い半導体装置が提供される。

このような実装構造及び半導体装置によれば、第１の封止層の上に、さらに第２の封止層が形成されているため、実装時の回路基板の反りが第２の封止層の面内方向の熱膨張率によって抑制される。

開示の技術により、半導体装置をマザーボードに実装をする際、回路基板の反りが第２の封止層の面内方向の熱膨張率によって抑制され、回路基板の変形が抑制される。その結果、回路基板とマザーボードとの電気的導通性に関し、高い信頼性が得られる実装構造及び半導体装置の実現が可能になる。

以下、図面を参照して詳細に説明する。
図１は半導体装置の要部断面模式図である。この半導体装置１０は、回路基板２０の片面に半導体素子３０を実装し、半導体素子３０は、第１の封止層４０及び第２の封止層４１によって封止され、各封止層の熱膨張率に差が設けられた構造をしている。

回路基板２０は、所謂パッケージ用基板であり、内部に板状の樹脂２０ａと、樹脂２０ａの間に補強材としてのガラスクロス２０ｂを備えている。樹脂２０ａの材質は、例えば、エポキシ系の樹脂である。樹脂２０ａについては、そのガラス転移点がリフロー温度よりも低い材料を用いている。具体的には、樹脂２０ａのガラス転移点は、１５０℃〜１８０℃である。

また、ガラスクロス２０ｂの材質はガラス繊維である。ガラス繊維については、その融点及びガラス転移点がリフロー温度よりも充分に高い材料のガラス繊維を用いている。
従って、リフロー温度では、ガラスクロス２０ｂの熱膨張率は、低いままであり、回路基板２０の面内方向の熱膨張率は、ガラスクロス２０ｂを面内方向に備えていることから、リフロー温度においても低熱膨張率になる。

その結果、樹脂２０ａのガラス転移点以上において、実装を施すとしても、回路基板２０の熱膨張率は、その温度領域において厚さ方向よりも面内方向の熱膨張率が低くなり、厚さ方向と面内方向の熱膨張率に異方性が生じる。そして、回路基板２０の下側には、アレイ状に配列した半田ボール２１が電極パッド２２を介して形成されている。

半導体素子３０は、パケージ基板２０の上面に形成された配線（不図示）に、半田バンプ３１を介して電気的に接続されている。そして、半導体素子３０、半田バンプ３１及び上記の配線は、第１の封止層４０によって封止されている。

第１の封止層４０は、例えば、熱硬化によって硬化させたエポキシ系の樹脂で構成され、所定の容量の無機充填剤（不図示）を含有している。第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点は、リフロー温度よりも低く、例えば、樹脂のガラス転移点は、１５０℃〜１８０℃である。また、第１の封止層４０の熱膨張率は、無機充填剤がランダムに配合されているため厚さ方向及び面内方向に等方性を示す。即ち、第１の封止層４０は、温度変化によって等方的に伸縮する。特に、第１の封止層４０の温度がその樹脂のガラス転移点を超えると、第１の封止層４０の熱膨張率はより高くなる。

そして、第１の封止層４０の上面には、さらに第２の封止層４１が形成されている。
第２の封止層４１は、例えば、ガラス繊維で構成されたシート状のガラスクロス４１ａにエポキシ系の樹脂４１ｂを含浸させた層である。その層の厚さは、例えば、１００μｍである。そして、樹脂４１ｂについては、そのガラス転移点がリフロー温度よりも低い材料を用いている。具体的には、樹脂４１ｂのガラス転移点は、１５０℃〜１８０℃である。

ここで、ガラスクロス４１ａの構造について詳細に説明する。図２は第２の封止層のガラスクロスの要部断面模式図である。この図に示すように、ガラスクロス４１ａは、複数のガラス繊維４２を捻じったガラス繊維束４３を交互に交差させたシート状の織物によって構成されている。また、ガラス繊維４２については、その融点及びガラス転移点がリフロー温度よりも充分に高い材料のガラス繊維を用いている。従って、リフロー温度では、ガラスクロス４１ａの熱膨張率は、低いままであり、第２の封止層４１の面内方向の熱膨張率は、ガラスクロス４１ａを面内方向に備えていることから、リフロー温度においても低熱膨張率になる。

その結果、樹脂４１ｂのガラス転移点以上において、実装を施すとしても、第２の封止層４１の熱膨張率は、その温度領域において厚さ方向よりも面内方向の熱膨張率が低くなり、厚さ方向と面内方向の熱膨張率に異方性が生じる。

このように、半導体装置１０では、封止構造を多層構造とし、各層において熱膨張率の方向性が制御された封止層が複数層形成されている。そして、第１の封止層４０を構成する樹脂は、エポキシ系の樹脂であり、回路基板２０及び第２の封止層４１の面内方向には、夫々ガラスクロス２０ｂ，４１ａが備えられているために、第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点以上では、回路基板２０及び第２の封止層４１の面内方向の熱膨張率が第１の封止層４０の熱膨張率よりも低いことを特徴としている。

また、半導体装置１０のマザーボードへの実装は、樹脂２０ａ、樹脂４１ｂ及び第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点より高い温度で行われる。
尚、図１に示す第２の封止層４１は、一例として単層構造を示したが、第２の封止層４１については、単層に限らず、複数層形成してもよい。即ち、半導体装置１０は、第１の封止層４０の表面に、少なくとも１層の封止層を備える。

次に、第１の封止層４０の上に、第２の封止層４１を形成させた回路基板２０の反りの効果について説明する。ここでは、半導体装置の一例として、回路基板２０をマザーボードに実装するときのリフロー温度が２００℃以上を要する半導体装置の反りについて説明する。より具体的には、リフロー温度が２３５℃である半導体装置を例に、反りの効果について説明する。

また、樹脂２０ａ、樹脂４１ｂ及び第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点は、例えば、１５０℃〜１８０℃であり、より具体的には、ガラス転移点が１５０℃である樹脂を用いて反りの効果を説明する。

尚、上記で示した数値については、特に、これらの値に限定されるものではなく、これ以外の温度条件においても、本実施の形態の半導体装置を用いることができる。
反り量の測定は、回路基板２０の下面の中心部の高さ方向の変位量（μｍ）を公知のモアレ法で計測し、半導体装置１０を室温から２３５℃まで上昇させ、２３５℃から室温に下降させた過程での最大変位量を比較することにより反りの効果を確かめた。また、評価に用いた回路基板２０のサイズは、１０ｍｍ×１０ｍｍである。

図３は反りの比較を説明する表図である。
比較例１は、図１に示す第２の封止層４１を設けず、第１の封止層４０の表面が露出した半導体装置の反りの結果である。図３に示すように、比較例１の２３５℃での最大変形量は５０μｍであった。これに対し、比較例２は、図１に示す封止構造を備えた半導体装置の反りの結果である。図３に示すように、比較例２の２３５℃での最大変形量は１５μｍであった。このように、第２の封止層４１を設けた場合は、最大変形量が減少することが分かった。

上述したように、半導体装置を加熱したときの変形は、回路基板、封止層の熱膨張率差に起因するものである。特に、夫々の材料の面内方向、厚さ方向の熱膨張率がある温度によって異なることが変形の要因となっている。

ここで、比較例１のように、大きな変形が生じる要因を図を用いて模式的に説明する。
図４は比較例１で用いた半導体装置の温度が樹脂のガラス転移点以下にある状態の概念図である。

図４に示すように、半導体装置１１の温度が樹脂２０ａ及び第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点以下にある状態では、第１の封止層４０の厚さ方向の熱膨張率は、例えば１０（ｐｐｍ／Ｋ）、面内方向の熱膨張率は、例えば１０（ｐｐｍ／Ｋ）である。また、回路基板２０の厚さ方向の熱膨張率は、例えば１５（ｐｐｍ／Ｋ）、面内方向の熱膨張率は、例えば１２（ｐｐｍ／Ｋ）である。尚、図中に示した矢印は、回路基板２０及び第１の封止層４０の熱膨張率の大きさを直感的に理解するために、その大きさと方向を矢印の大きさと方向で表したものである。即ち、縦方向の矢印は、厚さ方向の熱膨張率の大きさを表し、横方向の矢印は、面内方向の熱膨張率の大きさを表している。

この図から、半導体装置１１の温度が樹脂２０ａ及び第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点以下にある状態では、夫々の熱膨張率に大きな差はなく、半導体装置１１の回路基板２０が大きく変形しないことが分かる。

これに対し、図５は比較例１で用いた半導体装置の温度が樹脂のガラス転移点以上にある状態の概念図である。
図５に示すように、リフロー温度が樹脂２０ａ及び第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点を超え、半導体装置１１の温度がこれらの樹脂のガラス転移点以上になると、樹脂の熱膨張率はより増加する。

そして、第１の封止層４０の厚さ方向の熱膨張率は、例えば３０（ｐｐｍ／Ｋ）、面内方向の熱膨張率は、例えば３０（ｐｐｍ／Ｋ）になる。第１の封止層４０の厚さ方向の熱膨張率と面内方向の熱膨張率が等しくなるのは、上述したように無機充填材を含有する第１の封止層４０の熱膨張が等方性を示すからである。

回路基板２０については、その内部において面内方向にガラスクロス２０ｂが補強され、ガラスクロス２０ｂの上下に樹脂２０ａが形成されている。従って、回路基板２０の面内方向は、ガラスクロス２０ｂの熱膨張率によって支配される。

そして、回路基板２０の厚さ方向の熱膨張率は、例えば６０（ｐｐｍ／Ｋ）になる。また、面内方向の熱膨張率は、例えば１０（ｐｐｍ／Ｋ）になる。回路基板２０の厚さ方向の熱膨張率と面内方向の熱膨張率が異なるのは、上述したように回路基板２０の熱膨張が異方性を示すからである。即ち、回路基板２０の厚さ方向の熱膨張率は、樹脂２０ａの熱膨張率によって支配されるが、ガラスクロス２０ｂの熱膨張率は、リフロー温度において低熱膨張率のままなので、回路基板２０の面内方向の熱膨張率は、ガラスクロス２０ｂの熱膨張率によって支配される。

このように、比較例１では、リフロー温度が樹脂のガラス転移点以上にある場合、回路基板２０の変形量は、第１の封止層４０の熱膨張の等方性と、回路基板２０の熱膨張の異方性に支配される。そして、半導体装置１１の温度が樹脂２０ａ及び第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点以上にある状態では、第１の封止層４０の等方的な熱膨張率が回路基板２０の面内方向の熱膨張率を上回るために、回路基板２０は凸状に変形する。

これに対し、図６は比較例２で用いた半導体装置の温度が樹脂のガラス転移点以上にある状態の概念図である。
半導体装置１０では、第１の封止層４０の上に、さらに第２の封止層４１が形成されている。従って、変形量は、第１の封止層４０の熱膨張の等方性と、回路基板２０及び第２の封止層４１の異方性に支配される。

そして、第１の封止層４０の厚さ方向の熱膨張率は、例えば３０（ｐｐｍ／Ｋ）、面内方向の熱膨張率は、例えば３０（ｐｐｍ／Ｋ）になる。また、第２の封止層４１の面内方向の熱膨張率は、例えば１０（ｐｐｍ／Ｋ）になる。そして、回路基板２０の厚さ方向の熱膨張率は、例えば６０（ｐｐｍ／Ｋ）であり、面内方向の熱膨張率は、例えば１０（ｐｐｍ／Ｋ）になる。

上述したように、第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点以上では、回路基板２０及び第２の封止層４１の面内方向の熱膨張率は、第１の封止層４０の熱膨張率よりも低く、回路基板２０及び第２の封止層４１は共に、熱膨張率に関し異方性を示す層である。

そして、樹脂２０ａ、樹脂４１ｂ及び第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点以上の温度で半導体装置１０をマザーボード上に実装をする場合、第２の封止層４１が第１の封止層４０の上に形成されていると、第１の封止層４０の熱膨張率が第２の封止層４１の面内方向の低熱膨張率によって抑制される。

その結果、比較例２においては、リフロー温度が樹脂２０ａ、樹脂４１ｂ及び第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点を超え、半導体装置１０の温度が樹脂２０ａ、樹脂４１ｂ及び第１の封止層４０を構成する樹脂のガラス転移点以上にある状態でも、半導体装置１０全体としての熱膨張率の調和がとれ、回路基板２０の変形量が比較例１に比べ小さくなる。

このように、図１に示す半導体装置１０を用いて、マザーボード上に実装を行うと、実装中の加熱による変形は抑制される。これにより、半導体装置１０をマザーボードに実装をする場合に生じる回路基板２０の反りが第２の封止層４１の面内方向の熱膨張率によって抑制され、回路基板２０の変形が防止される。その結果、回路基板２０とマザーボードとの電気的導通性に関し、高い信頼性が得られる実装構造及び半導体装置の実現が可能になる。

（付記１） 回路基板上に搭載された半導体素子を封止する実装構造において、
前記半導体素子が第１の封止層で封止され、前記第１の封止層の上に第２の封止層が少なくとも１層形成され、前記第１の封止層のガラス転移点以上での前記回路基板及び前記第２の封止層の面内方向の熱膨張率が前記第１の封止層の熱膨張率より低いことを特徴とする実装構造。

（付記２） 前記第２の封止層の厚さ方向の熱膨張率と面内方向の熱膨張率に異方性があることを特徴とする付記１記載の実装構造。
（付記３） 前記第２の封止層の内部に補強材が備えられ、前記補強材が前記第２の封止層の面内方向に含有されていることを特徴とする付記１または２記載の実装構造。

（付記４） 前記第２の封止層の内部に備えられた前記補強材の融点及びガラス転移点が前記実装構造を備えた半導体装置を基板に実装する温度よりも高いことを特徴とする付記３記載の実装構造。

（付記５） 前記第２の封止層の内部に備えられた前記補強材がシート状のガラスクロスであることを特徴とする付記３または４記載の実装構造。
（付記６） 前記ガラスクロスはガラス繊維を交互に交差させた織物であることを特徴とする付記５記載の実装構造。

（付記７） 半導体素子を回路基板上に搭載した半導体装置において、
前記半導体素子が第１の封止層で封止され、前記第１の封止層の上に第２の封止層が少なくとも１層形成され、前記第１の封止層のガラス転移点以上での前記回路基板及び前記第２の封止層の面内方向の熱膨張率が前記第１の封止層の熱膨張率よりも低いことを特徴とする半導体装置。

（付記８） 前記第２の封止層の厚さ方向の熱膨張率と面内方向の熱膨張率に異方性があることを特徴とする付記７記載の半導体装置。
（付記９） 前記第２の封止層の内部に補強材が備えられ、前記補強材が前記第２の封止層の面内方向に含有されていることを特徴とする付記７または８記載の半導体装置。

（付記１０） 前記第２の封止層の内部に備えられた前記補強材の融点及びガラス転移点が前記半導体装置を基板に実装する温度よりも高いことを特徴とする付記９記載の半導体装置。

（付記１１） 前記第２の封止層の内部に備えられた前記補強材がシート状のガラスクロスであることを特徴とする付記９または１０記載の半導体装置。
（付記１２） 前記ガラスクロスはガラス繊維を交互に交差させた織物であることを特徴とする付記１１記載の半導体装置。

半導体装置の要部断面模式図である。 第２の封止層のガラスクロスの要部断面模式図である。 反りの比較を説明する表図である。 比較例１で用いた半導体装置の温度が樹脂のガラス転移点以下にある状態の概念図である。 比較例１で用いた半導体装置の温度が樹脂のガラス転移点以上にある状態の概念図である。 比較例２で用いた半導体装置の温度が樹脂のガラス転移点以上にある状態の概念図である。

符号の説明

１０，１１ 半導体装置
２０ 回路基板
２０ａ，４１ｂ 樹脂
２０ｂ，４１ａ ガラスクロス
２１ 半田ボール
２２ 電極パッド
３０ 半導体素子
３１ 半田バンプ
４０ 第１の封止層
４１ 第２の封止層
４２ ガラス繊維
４３ ガラス繊維束

Claims (4)

1. 回路基板上に搭載された半導体素子が第１の封止層で封止され、
   前記第１の封止層の表面に、前記第１の封止層を被覆する第２の封止層が設けられ、
   前記回路基板は、第１のガラスクロスと前記第１のガラスクロスに設けられた第１の樹脂とを有し、
   前記第２の封止層は、第２のガラスクロスと前記第２のガラスクロスに設けられた第２の樹脂とを有し、
   前記第１の封止層のガラス転移点以上での前記回路基板の前記第１のガラスクロスに沿った面内方向の熱膨張率、及び、前記第１の封止層のガラス転移点以上での前記第２の封止層の前記第２のガラスクロスに沿った面内方向の熱膨張率が、前記第１の封止層の熱膨張率よりも低いことを特徴とする実装構造。
2. 前記第２の封止層の厚さ方向の熱膨張率と、前記第２の封止層の前記第２のガラスクロスに沿った面内方向の熱膨張率に異方性があることを特徴とする請求項１に記載の実装構造。
3. 前記第２のガラスクロスの融点及びガラス転移点が、前記実装構造を備えた半導体装置を基板に実装する温度よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の実装構造。
4. 回路基板と、
   前記回路基板上に搭載された半導体素子と、
   前記半導体素子を封止する第１の封止層と、
   前記第１の封止層の表面に設けられ、前記第１の封止層を被覆する第２の封止層と
   を含み、
   前記回路基板は、第１のガラスクロスと前記第１のガラスクロスに設けられた第１の樹脂とを有し、
   前記第２の封止層は、第２のガラスクロスと前記第２のガラスクロスに設けられた第２の樹脂とを有し、
   前記第１の封止層のガラス転移点以上での前記回路基板の前記第１のガラスクロスに沿った面内方向の熱膨張率、及び、前記第１の封止層のガラス転移点以上での前記第２の封止層の前記第２のガラスクロスに沿った面内方向の熱膨張率が、前記第１の封止層の熱膨張率よりも低いことを特徴とする半導体装置。

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