JP5625578B2 - 回路モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、回路モジュールに関し、特に配線基板とベアチップICとの間に樹脂が充填された回路モジュールに関する。
従来の回路モジュールは、例えば特許文献1に記載の構造が知られている。以下に、図5を参照しながら、特許文献1に記載の回路モジュールについて説明する。図5は回路モジュールを示す断面図である。
ベアチップIC101は機能面に端子電極102を備えるとともに、機能面が保護膜108で覆われている。端子電極102は半田バンプ103によって、基板104の上に形成された配線パターン105と接続している。配線パターン105には半田の流出を防止するソルダーレジスト106が形成されている。前記ベアチップIC101と基板104の間には、アンダーフィル樹脂107が充填されている。
特開2001−68584号公報
このようなベアチップICの機能面には保護膜層が形成されている。この保護膜層と配線基板との熱膨張係数が大きく異なっている場合、間に配置される充填樹脂との熱膨張係数差により、保護膜と充填樹脂間、充填樹脂と配線基板間で剥離が生じることがあった。充填樹脂の熱膨張係数を調整することは可能だが、保護膜と配線基板との熱膨張係数が大きく異なっている場合は不十分な調整となっていた。
本発明は、これらの状況を鑑み、ベアチップICと配線基板の間の充填樹脂の熱膨張係数をベアチップIC保護膜近傍と配線基板近傍とで異なる状態とすることで充填樹脂の剥離不良を削減し、その結果、ベアチップICと配線基板の接続信頼性の高い回路モジュールを提供しようとするものである。
本発明に係る回路モジュールは、配線基板と、機能面を保護する保護膜を備え、配線基板の上に配置されたベアチップICと、前記配線基板と前記ベアチップICとを接続するバンプと、前記配線基板と前記ベアチップICの間に充填された樹脂とを有する回路モジュールにおいて、前記樹脂の熱膨張係数は、前記配線基板近傍では配線基板の熱膨張係数に近い状態となっており、前記ベアチップIC保護膜近傍では前記配線基板近傍の樹脂の熱膨張係数と異なり、かつベアチップIC保護膜の熱膨張係数に近い状態となっていることを特徴としている。
樹脂の熱膨張係数を変化させることで、剥離が生じやすい異種接合間である、保護膜と樹脂間、樹脂と配線基板間の熱膨張係数差による熱応力を緩和でき、剥離不良を削減することができる。その結果、ベアチップICと配線基板の接続信頼性の向上が実現できる。
また、本発明に係る回路モジュールは、前記樹脂の前記配線基板近傍の熱膨張係数と、前記樹脂の前記ベアチップIC保護膜近傍の熱膨張係数の差は、樹脂内のフィラー分布の変化によるものであることを特徴としている。
この場合には、フィラーの分布状態が変化することで、保護膜と樹脂間、樹脂と配線基板間の熱膨張係数差による熱応力を緩和でき、剥離不良を削減することができる。その結果、ベアチップICと配線基板の接続信頼性の向上が実現できる。
また、本発明に係る回路モジュールは、前記樹脂内のフィラー分布は、前記配線基板近傍のフィラー密度がベアチップIC保護膜近傍のフィラーの密度より高くなっていることを特徴としている。
この場合には、フィラーの分布状態が変化することで、保護膜と樹脂間、樹脂と配線基板間の熱膨張係数差による熱応力を緩和でき、剥離不良を削減することができる。その結果、ベアチップICと配線基板の接続信頼性の向上が実現できる。
また、本発明に係る回路モジュールは、前記樹脂は、熱膨張係数の異なる第1の樹脂層と第2の樹脂層を含むことを特徴としている。
この場合には、保護膜と樹脂間、樹脂と配線基板間の熱膨張係数差による熱応力を緩和でき、剥離不良を削減することができる。その結果、ベアチップICと配線基板の接続信頼性の向上が実現できる。
本発明によれば、樹脂の熱膨張係数を変化させることで、剥離が生じやすい異種接合間である、保護膜と樹脂間、樹脂と配線基板間の熱膨張係数差による熱応力を緩和でき、剥離不良を削減することができる。その結果、ベアチップICと配線基板の接続信頼性の向上が実現できる。
本発明の回路モジュールの第1の実施形態を示す断面図である。 本発明の回路モジュールの第2の実施形態を示す断面図である。 本発明の回路モジュールの第2の実施形態の変形例を示す断面図である。 本発明の回路モジュールの第3の実施形態を示す断面図である。 従来のフリップチップ実装構造を示す断面図である。
以下に、本発明の第1〜第3の実施形態に係る回路モジュールについて、図1〜図4を参照して説明する。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態の回路モジュールは、図1に示すように、電極2を備えた配線基板1と、バンプ4を備えるとともに機能面を保護膜8で覆われ、配線基板1の上に配置されたベアチップIC3と、配線基板1とベアチップIC3の間に充填された樹脂5を備えている。
次に、第1の実施形態の回路モジュールの製造方法について説明する。まず、配線基板1を用意する。この配線基板1は低温焼成セラミック等からなるセラミック基板(熱膨張係数=7〜15ppm/℃)やガラス・エポキシ等からなるプリント基板(熱膨張係数=15〜50ppm/℃)で構成される。この配線基板1の上に金属箔を用いてまたは印刷等でCuやAg等からなる膜状電極2を形成する。
次に、バンプ4を備えたWLCSP等のベアチップIC3を用意する。このベアチップIC3の機能面は保護膜8で覆われている。この保護膜8はポリイミド樹脂膜等の有機膜やSiN等の無機膜で構成されている。この保護膜8の熱膨張係数は10〜64ppm/℃である。
なお、配線基板1と保護膜8は、一般的に選定される材料については、熱膨張係数は基板の方が小さくなっている。本実施形態はこの前提に基づき、以下説明する。
次に、ベアチップIC3を前記配線基板1の上に形成された電極2の上に配置し、加熱圧着等で接合する。
次に、フラックス残渣を除去するため、ベアチップIC3を実装した配線基板1を準水系洗浄剤で洗浄する。その後、洗浄剤を除去するため、ベーキング処理を行う。
次に、前記配線基板1とベアチップIC3の間に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる樹脂5を充填する。樹脂5を構成するエポキシ樹脂の樹脂成分単体での熱膨張係数は60ppm/℃である。この樹脂5にはSiO2からなるフィラーが、フィラーを含む樹脂5の重量に対して65重量%含有されている。このフィラーの熱膨張係数は0.5ppm/℃である。その後、ベアチップIC3が実装され樹脂5が充填された配線基板1を熱処理炉に投入し、樹脂5を熱硬化する。硬化条件は、温度が70℃〜150℃、時間が2時間〜8時間である。
このような硬化条件で硬化すると、樹脂5に含有されているフィラーの移動により、前記配線基板1近傍の樹脂5は、前記ベアチップIC3の保護膜8近傍の樹脂5に比べてフィラーの密度が高くなる。フィラーの熱膨張係数は配線基板1の熱膨張係数と近いため、配線基板1近傍の樹脂5の熱膨張係数は、熱硬化する前に比べて配線基板1の熱膨張係数に近くなる。
一方、ベアチップIC3の保護膜8近傍の樹脂5は、配線基板1近傍の樹脂5に比べてフィラーの密度が低くなる。つまり、樹脂成分であるエポキシ樹脂の割合が配線基板1近傍の樹脂5に比べて高くなる。樹脂5の主成分であるエポキシ樹脂の熱膨張係数はベアチップIC3の保護膜8の熱膨張係数と近いため、ベアチップIC3の保護膜8近傍の樹脂5の熱膨張係数は、熱硬化前に比べてベアチップIC3の保護膜8の熱膨張係数に近くなる。
なお、材料、硬化温度、硬化時間等を制御することにより、バンプ4の周囲で樹脂5に含有されるフィラーの密度を高めることが可能になる。この場合、樹脂5の熱膨張係数とバンプ4の熱膨張係数が近づくことになるため、樹脂5とバンプ4の剥離が抑制できる。その結果、バンプ4近傍の配線基板1と樹脂5のより確実な密着が可能となる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態の回路モジュールは、図2に示すように、電極12を備えた配線基板11と、バンプ14を備えるとともに機能面を保護膜18で覆われ、配線基板11の上に配置されたベアチップIC13と、配線基板11とベアチップIC13の間に第1の樹脂層15と第2の樹脂層16を備えている。
次に、第2の実施形態の回路モジュールの製造方法について説明する。まず、配線基板11を用意する。この配線基板11は低温焼成セラミック等からなるセラミック基板(熱膨張係数=7〜15ppm/℃)やガラス・エポキシ等からなるプリント基板(熱膨張係数=15〜50ppm/℃)で構成される。この配線基板11の上に金属箔を用いてまたは印刷等でCuやAg等からなる膜状電極12を形成する。
次に、電極12が形成された配線基板11の上に、エポキシ樹脂からなる厚さ25〜75μmの非導電性フィルム15aを貼り付ける。この非導電性フィルム15aの熱膨張係数はエポキシ樹脂を用いているので一般的に10〜40ppm/℃である。次に、この非導電性フィルム15aの上に、エポキシ樹脂からなる厚さ25〜75μmの非導電性フィルム16aを貼り付ける。この非導電性フィルム16aの熱膨張係数はエポキシ樹脂を用いているので一般的に10〜40ppm/℃である。非導電性フィルム16aは、非導電性フィルム15aの熱膨張係数に比べて、ベアチップIC13の保護膜18の熱膨張係数に近い値となるようなエポキシ樹脂が選定されている。一方、非導電性フィルム15aは、非導電性フィルム16aの熱膨張係数に比べて、配線基板11の熱膨張係数の熱膨張係数に近い値となるようなエポキシ樹脂が選定されている。なお、非導電性フィルムは3枚以上配置することも可能である。
次に、バンプ14を備えたWLCSP等のベアチップIC13を用意する。このベアチップIC13の機能面は、保護膜18で覆われている。この保護膜18はポリイミド樹脂膜等の有機膜やSiN等の無機膜で構成されている。この保護膜18の熱膨張係数は10〜64ppm/℃である。このベアチップIC13を前記配線基板11の上に貼りつけられた非導電性フィルム15a及び非導電性フィルム16aの上に配置する。配置する位置は、配線基板11の上に形成された電極12の位置である。その後、加熱圧着にてバンプ14を電極12と接合させるとともに、非導電性フィルム15aおよび非導電性フィルム16aを硬化させることで、第1の樹脂層15と第2の樹脂層16を形成する。なお、バンプ14と電極12の間の非導電性フィルム15aおよび非導電性フィルム16aは、加熱圧着することで溶融するため、バンプ14と電極12の接続が可能となる。
(第2の実施形態の変形例1)
第2の実施形態の回路モジュールの変形例1について、第2の実施形態との相違点についてのみ説明する。配線基板11の上に貼り付けられたエポキシ樹脂からなる非導電性フィルム15aの上に、バンプ14を備えたWLCSP等のベアチップIC13を配置し、加熱圧着する。加熱することで非導電性フィルム15aが硬化し、第1の樹脂層15となる。この第1の樹脂層15と前記ベアチップIC13との間に、前記非導電性フィルム16aの代わりにエポキシ樹脂からなる液状樹脂16bを充填する。この液状樹脂16bの熱膨張係数はエポキシ樹脂を用いているので一般的に10〜40ppm/℃である。液状樹脂16bおよび非導電性フィムル15aは、第2の実施形態と同様に、それぞれ所望の熱膨張係数となるようなエポキシ樹脂が選定されている。
その後、加熱して液状樹脂16bを硬化させることで、第2の樹脂層16を形成する。
(第2の実施形態の変形例2)
第2の実施形態の回路モジュールの変形例2の製造方法について図3を用いて説明する。まず、配線基板11を用意する。この配線基板11は低温焼成セラミック等からなるセラミック基板(熱膨張係数=7〜15ppm/℃)やガラス・エポキシ等からなるプリント基板(熱膨張係数=15〜50ppm/℃)で構成される。この配線基板11の上に金属箔を用いてまたは印刷等でCuやAg等からなる膜状電極12を形成する。この電極12の上にハンダペーストを印刷、またはAuメッキする等で、柱状電極17を形成する。
次に、電極(図示せず)を備えたICウエハを用意する。ICウエハの保護膜18の上に、エポキシ樹脂からなる厚さ25〜75μmの非導電性フィルム16aを貼り付ける。この非導電性フィルム16aの熱膨張係数はエポキシ樹脂を用いているので一般的に10〜40ppm/℃である。次に、この非導電性フィルム16aの上に、エポキシ樹脂からなる厚さ25〜75μmの非導電性フィルム15aを貼り付ける。この非導電性フィルム15aの熱膨張係数はエポキシ樹脂を用いているので一般的に10〜40ppmである。非導電性フィルム15aおよび非導電性フィムル16aは、第2の実施形態と同様に、それぞれ所望の熱膨張係数となるようなエポキシ樹脂が選定されている。その後、ICウエハを位置合わせした状態でダイシングし、非導電性フィルム16aおよび非導電性フィルム15aが貼り付けられたベアチップIC13aを形成する。
次に、ベアチップIC13aを反転させ、前記配線基板11に形成された前記柱状電極17の上に配置する。その後、加熱圧着にてベアチップIC13aの電極を柱状電極17と接合させるとともに、非導電性フィルム15aおよび非導電性フィルム16aを硬化させることで、第1の樹脂層15および第2の樹脂層16を形成する。なお、ベアチップIC13aの電極と柱状電極17の間の非導電性フィルム15aおよび非導電性フィルム16aは、加熱圧着することで溶融するため、ベアチップIC13aの電極と柱状電極17の接続が可能となる。
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態の回路モジュールは、図4に示すように、電極22および柱状電極27を備えた配線基板21と、バンプ24を備えるとともに機能面を保護膜28で覆われ、配線基板21の上に配置されたベアチップIC23と、配線基板21とベアチップIC23の間に第1の樹脂層25と第2の樹脂層26を備えている。
次に、第3の実施形態の回路モジュールの製造方法について説明する。まず、配線基板21を用意する。この配線基板21は低温焼成セラミック等からなるセラミック基板(熱膨張係数=7〜15ppm/℃)やガラス・エポキシ等からなるプリント基板(熱膨張係数=15〜50ppm/℃)で構成される。この配線基板21の上に金属箔を用いてまたは印刷等でCuやAg等からなる膜状電極22を形成する。この電極22の上に、ハンダペーストを印刷、またはAuメッキする等で、柱状電極27を形成する。
次に、柱状電極27が形成された配線基板21の上に、エポキシ樹脂からなる非導電性ペースト25aを塗布し、半硬化させる。この非導電性ペースト25aの熱膨張係数はエポキシ樹脂を用いているので一般的に10〜40ppm/℃である。非導電性ペースト25aを塗布する際、配線基板21に形成された柱状電極27に対する濡れ上がりが生じるため、非導電性ペースト25aが柱状電極27の上部にまで配置されることになる。
次に、バンプ24を備えたWLCSP等のベアチップIC23を用意する。このベアチップIC23の機能面は、保護膜28で覆われている。この保護膜28はポリイミド樹脂膜等の有機膜やSiN等の無機膜で構成されている。この保護膜28の熱膨張係数は10〜64ppm/℃である。このベアチップIC23を前記非導電性ペースト25aの上に配置する。配置する位置は、配線基板21上の柱状電極27の位置である。その後、加熱圧着にてバンプ24を柱状電極27と接合させるとともに、非導電性ペースト25aを硬化させることで、第1の樹脂層25を形成する。なお、バンプ24と柱状電極27の間の半硬化状態の非導電性ペースト25aは、加熱圧着することで溶融するため、バンプ24と柱状電極27の接続が可能となる。
次に、前記第1の樹脂層25と前記ベアチップIC23との間に、エポキシ樹脂からなる液状樹脂26aを充填する。この液状樹脂26aの熱膨張係数はエポキシ樹脂を用いているので一般的に10〜40ppm/℃である。液状樹脂26aおよび非導電性ペースト25aは、第2の実施形態と同様に、それぞれ所望の熱膨張係数となるようなエポキシ樹脂が選定されている。
その後、加熱して液状樹脂26aを硬化させることで、第2の樹脂層26を形成する。
前述の通り、非導電性ペースト25aを塗布する際、柱状電極27に対する濡れ上がりが生じる。その結果、柱状電極27の周囲では第1の樹脂層25が厚くなる。一方、柱状電極27の間中央付近では、第2の樹脂層26が厚くなる。
柱状電極27と第1の樹脂層25の熱膨張係数は近いため、第1の樹脂層25が厚くなり柱状電極27との接触面積が増えることで、柱状電極27と第1の樹脂層25の剥離不良が削減できる。
(第3の実施形態の変形例1)
第3の実施形態の回路モジュールの変形例1について、第3の実施形態との相違点についてのみ説明する。配線基板21の上に塗布し、半硬化させたエポキシ樹脂からなる非導電性ペースト25aの上に、前記液状樹脂26aの代わりにエポキシ樹脂からなる非導電性ペースト26bを塗布する。この非導電性ペースト26bの熱膨張係数はエポキシ樹脂を用いているので一般的に10〜40ppm/℃である。非導電性ペースト25aおよび非導電性ペースト26bは、第2の実施形態と同様に、それぞれ所望の熱膨張係数となるようなエポキシ樹脂が選定されている。
次に、バンプ24を備えたWLCSP等のベアチップIC23を非導電性ペースト26bの上に配置する。配置する位置は、柱状電極27の位置である。その後、加熱圧着にてバンプ24を柱状電極27と接合させるとともに、非導電性ペースト25aおよび非導電性ペースト26bを硬化させることで、第1の樹脂層25および第2の樹脂層26を形成する。なお、バンプ24と柱状電極27の間の半硬化状態の非導電性ペースト25aと非導電ペースト26bは、加熱圧着することで溶融するため、バンプ24と柱状電極27の接続が可能となる。
(実験例)
第1の実施形態から第3の実施形態(変形例1)のように、配線基板とベアチップICの間に樹脂充填された製品について、吸湿リフロー試験を行った。各実施形態の条件は次の通りである。
第1の実施形態:配線基板=セラミック基板、配線基板の熱膨張係数=12ppm/℃、エポキシ樹脂=60ppm/℃、ベアチップIC保護膜の熱膨張係数=30ppm/℃
第2の実施形態:配線基板=プリント基板、配線基板の熱膨張係数=25ppm/℃、第1の樹脂層(非導電性フィルム)の厚さ=50μm、第1の樹脂層(非導電性フィルム)の熱膨張係数=25ppm/℃、第2の樹脂層(非導電性フィルム)の厚さ=50μm、第2の樹脂層(非導電性フィルム)の熱膨張係数=30ppm/℃、ベアチップIC保護膜の熱膨張係数=30ppm/℃
第2の実施形態の変形例1:配線基板=プリント基板、配線基板の熱膨張係数=25ppm/℃、第1の樹脂層(非導電性フィルム)の厚さ=50μm、第1の樹脂層(非導電性フィルム)の熱膨張係数=25ppm/℃、第2の樹脂層(液状樹脂)の熱膨張係数=30ppm/℃、ベアチップIC保護膜の熱膨張係数=30ppm/℃
第2の実施形態の変形例2:配線基板=プリント基板、配線基板の熱膨張係数=25ppm/℃、第1の樹脂層(非導電性フィルム)の厚さ=50μm、第1の樹脂層(非導電性フィルム)の熱膨張係数=25ppm/℃、第2の樹脂層(非導電性フィルム)の厚さ=50μm、第2の樹脂層(非導電性フィルム)の熱膨張係数=30ppm/℃、ベアチップIC保護膜の熱膨張係数=30ppm/℃
第3の実施形態:配線基板=プリント基板、配線基板の熱膨張係数=25ppm/℃、第1の樹脂層(非導電性ペースト)の熱膨張係数=25ppm/℃、第2の樹脂層(液状樹脂)の熱膨張係数=30ppm/℃、ベアチップIC保護膜の熱膨張係数=30ppm/℃
第3の実施形態の変形例1:配線基板=プリント基板、配線基板の熱膨張係数=25ppm/℃、第1の樹脂層(非導電性ペースト)の熱膨張係数=25ppm/℃、第2の樹脂層(非導電性ペースト)の熱膨張係数=30ppm/℃、ベアチップIC保護膜の熱膨張係数=30ppm/℃
試験の内容は次の通りである。125℃で24時間ベーキングした後、温度60℃、湿度60%の状態で120時間維持した。その後、260℃のピークリフローを5回通した。各実施形態の製品について、超音波探傷観察による不良数を調べた結果を表1に示す。
Figure 0005625578
この表1から明らかなように、実施例は不良率が0%となっている。
1、11、21:配線基板
2、12、22:電極
3、13、23:ベアチップIC
4、14、24:バンプ
5:樹脂
8、18、28:保護膜
15、25:第1の樹脂層
16、26:第2の樹脂層
17、27:柱状電極
101:ベアチップIC
102:端子電極
103:半田バンプ
104:基板
105:配線パターン
106:ソルダーレジスト
107:アンダーフィル樹脂
108:保護膜

Claims (3)

  1. 配線基板と
    機能面を保護膜で覆われ、前記配線基板の上に配置されたベアチップICと
    前記配線基板と前記ベアチップICとを接続するバンプと
    前記配線基板と前記ベアチップICの間に充填された樹脂とを備え
    前記樹脂の熱膨張係数は、前記配線基板近傍では前記配線基板の熱膨張係数に近い状態となっており、前記ベアチップICの前記保護膜近傍では前記配線基板近傍の前記樹脂の熱膨張係数と異なり、かつ前記ベアチップICの前記保護膜の熱膨張係数に近い状態となっており、
    前記樹脂は、互いに熱膨張係数が異なる、前記配線基板の近傍に配置された第1の樹脂層と、前記ベアチップICの近傍に配置された第2の樹脂層とを含み、
    前記配線基板は、前記バンプと接合される複数の柱状電極を含み、
    前記柱状電極の周囲では、前記第1の樹脂層の方が前記第2の樹脂層より厚く、
    前記柱状電極同士の間の中央付近では、前記第2の樹脂層の方が前記第1の樹脂層より厚い、回路モジュール。
  2. 記配線基板近傍の前記樹脂の熱膨張係数と、前記ベアチップICの前記保護膜近傍の前記樹脂の熱膨張係数の差は、前記樹脂内のフィラー分布状態の変化によるものである請求項1に記載の回路モジュール。
  3. 前記樹脂内の前記フィラー分布状態において、前記配線基板近傍の前記フィラー密度が前記ベアチップICの前記保護膜近傍の前記フィラーの密度より高くなっている請求項2に記載の回路モジュール。
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