JPH0483362A - 半導体集積回路装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路装置およびその製造方法に関
し、特に、半導体チップをＣＣＢ　（Ｃｏｎｔｒｏｌｌ
ｅｄＣｏｌｌａｐｓｅ　Ｂｏｎｄｉｎｇ）フイツグを介
して基板番こ実装する半導体集積回路装置に適用して有
効な技術に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体集積回路装置の実装方式の一つとして、ＣＣＢバ
ンブを介してパッケージ基板に実装された半導体チップ
をキャップによって気密封止したチップキャリヤ（Ｃｈ
ｉｐ　Ｃａｒｒｉｅｒ）方式がある。チップキャリヤ方
式については、例えば特開昭６２２４９４２９号、特開
昭６３−３１０１３９号報に記載されている。

第８図は、上北文献に記載されたチップキャリヤの断面
構造を示している。

チップキャリヤ２０は、ムライト等のセラミック材料か
らなるパッケージ基板２１のチップ実装面（主面）に形
成された電極２２上にＣＣＢバンプ２３を介して接続さ
れた半導体チップ２４をキャップ２５によって気密封止
した構造となっているわ キャップ２５は、例えば窒化アルミニウム（ＡＩＮ）か
らなり、封止用半田２Ｇを介してパッケージ基板２１の
主面に接合されている。

キャップ２５の内壁面と半導体チップ２４の裏面とは、
伝熱用半田２７を介して接合されており、例えば回路動
作中に半導体チップ２４から発生した熱が伝熱用半田２
７を経てキャップ２５から外部に放散される構造となっ
ている。

また、パッケージ基板２１の裏面に形成された電極２２
には、ＣＣＢバンプ２８が接合されている。チップキャ
リヤ２０は、このＣＣＢバンプ２８を介してモジュール
基板（図示せず）に実装される。

パッケージ基板２１の内部には、例えばタングステン（
Ｗ）からなる内部配線２９が形成されており、この内部
配線２９を通じてパッケージ基板２１の主面および裏面
の電極２２．２２間が電気的に接続されている。

上記チップキャリヤを組み立てるには、まずチップマウ
ント装置を用いて半導体チップをパッケージ基板の主面
に正確に位置決めする。すなわち、半導体チップのＣＣ
Ｂバンブをパッケージ基板の電極上に正確に位置決めす
る。続いて、リフロー装置内でＣＣＢバンブを加熱、溶
融してＣＣＢバンプを電極□に固着する。次に、パッケ
ージ基板の主面にキャップを被せ、封止用半田を用いて
このキャップをパッケージ基板の主面に固着するととも
に、伝熱用半田を用いて半導体チップの裏面をキャップ
に固着する。その後、温度サイクル試験（−５５〜１５
０℃程度）や熱シヨツク試験（１０００℃程度）等の試
験を行い不良品を除外した後、パッケージ基板の裏面側
にＣＣＢバンブを形成する。

ところで、従来は、例えば気密封止処理時、回路動作時
、温度サイクル試験時あるいは熱シヨツク試験時に、パ
ッケージ内部のＣＣ’Ｂバンブおよび半導体チップの裏
面とキャップとの接続部で生じる熱歪を封止部で吸収さ
せるため、封止部分の熱膨張、収縮量（Δβ）と、パッ
ケージ内部の接続部分の熱膨張、収縮量（Δ１）とを同
一にする必要があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記従来の技術においては、封止部分の熱膨
張、収縮量（Δｌ）と、パッケージ内部の接続部分の熱
膨張、収縮量（Δβ）とを同一にする必要性から封止部
の材料や厚さ等が限定されるため、封止部の条件を気密
性の上で最適となる条件に設定することができず、例え
ば温度サイクル試験や熱シヨツク試験の際に、封止部に
微小な貫通孔が形成され、パッケージの気密性が損なわ
れてしまう問題があることを本発明者は見い出した。

本発明は上記課題に着目してなされたものであり、その
目的は、半導体集積回路装置の信頼性および歩留りを向
上させることのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、明
細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

すなわち、請求項１記載の発明は、ＣＣＢバンプを介し
てパッケージ基板の主面に実装された半導体チップをキ
ャップによって気密封止した半導体集積回路装置であっ
て、前記半導体チップの裏面とキャップとを接続する接
続部を少なくとも気密封止処理時または回路動作時の温
度で液化する材料によって構成した半導体集積回路装置
構造とするものである。

〔作用〕

上記した請求項１記載の発明によれば、例えば気密封止
処理時、回路動作時、温度サイクル試験時あるいは熱シ
ヨツク試験時に、ＣＣＢバンブ等で発生した熱膨張、収
縮による応力が、液化した接続部で吸収されるので、そ
の応力が封止部や半導体チップ等に影響を及ぼさない。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例である半導体集積回路装置の
断面図、第２図右よび第３図は半導体集積回路装置の設
定状態に応じて変化する接続部の状態を説明する断面図
、第４図は第１図に示した半導体集積回路装置の製造方
法を説明する半導体チップの断面図、第５図は第１図に
示した半導体集積回路装置の製造方法を説明するパッケ
ージ基板の断面図、第６図（ａ）〜（６）は第１図に示
した半導体集積回路装置゛の製造方法を説明する断面図
である。

第１図に示す本実施例の半導体集積回路装置１は、パッ
ケージ基板２に実装された半導体チップ３をキャップ４
によって気密封止したチップキャリヤである。

パッケージ基板２は、ムライト等のセラミック材料によ
って構成されている。パッケージ基板２の内部には、Ｗ
等の高融点金属からなる内部配線５が形成されている。

パッケージ基板２の主面、裏面には、各々電極６ａ、６
ｂが形成されている。

電極６ａ、６ｂは、例えばパッケージ基板２側かうＮｕ
　ｌ：　タングステン（Ｗ）　、ニッケル（Ｎ］）、金
（Ａｕ）が積層され構成されている。電極６ａ。

６ｂは、内部配線５によって電気的に接続されている。

パッケージ基板２の裏面に形成された電極６ｂには、Ｃ
ＣＢバンブ７が接合されている。ＣＣＢバンプ７は、例
えば５８〜６２重量％のスズ（Ｓｎ）を含有するＰｂ／
Ｓｎ合金からなり、融点は１８０〜２００℃程度である
。半導体集積回路装置１は、このＣＣＢバンプ７を介し
テモジュール基板（図示せず）に実装されるようになっ
ている。パッケージ基板２の主面に形成された電極６ａ
には、ＣＣＢバンプ８が接合されている。ＣＣＢバンプ
８は、例えば１．５〜５．０重量％のＳｎを含有するＰ
　ｂ　／　Ｓ　ｎ合金からなり、融点は３２０〜３３０
℃程度である。ＣＣＢバンプ８は、半導体チップ３の主
面に形成された電極９に接合されている。電極９は、半
導体チップ３の主面側から順にクロム（Ｃｒ）　、Ｃｒ
／銅（Ｃｕ）　、ＣｕおよびＡｕが積層され構成されて
いる。

半導体チップ３は、シリコン（Ｓｉ）単［＆から構成さ
れている。半導体チップ３には、バイポーラトランジス
タ等により集積回路が形成されている。

キャップ４は、ムライト等のセラミック材料によって構
成されている。これは、キャップ４の熱膨張係数とパッ
ケージ基板２の熱膨張係数とを近似させ、両部材の熱膨
張差に起因する熱歪を緩和するためである。キャップ４
は、封止用半田１０を介してパッケージ基板２の主面に
固着されている。封止用半田１０は、例えば１０重量％
程度のＳｎを含有するＰ　ｂ　／　Ｓ　ｎ合金からなり
、その融点は、例えば２９０〜３１５℃程度である。封
止用半田１０とパッケージ基板２、封止用半田１０とキ
ャップ４との間には、半田の濡れ性を良好にする観点か
ら下地金属部１１が形成されている。

なお、下地金属部１１は、例えば封止用半田１０側から
順にＡｕ５Ｎ１およびＷが積層され構成されている。

半導体チップ３とキャップ４との間において、キャップ
４の内壁面のコーナには、シリコーンゴム等からなる枠
取り部１２が設けられている。枠取り部１２は、半導体
チップ３の裏面とそれに対向するキャップ４の内壁面と
の間隔を設定するとともに、半導体チップ３を半固定状
態に設定する部材である。

本実施例においては、半導体チップ３の裏面、キャップ
４の内壁面および枠取り部１２に囲まれた空間に、半導
体チップ３の裏面とキャップ４とを接続する接続部１３
が設けられている。接続部１３は、例えば融点３９℃、
沸点７００℃、熱伝導率＝インジウム（Ｉｎ＞の熱伝導
率の特性を有するルビジウム（Ｒｂ）から構成されてい
る。すなわち、接続部１３は、例えば気密封止処理時、
回路動作時、温度サイクル試験時および熱シヨツク試験
時に液化する材料によって構成されている。

ただし、接続部１３は、Ｒｂに限定されるものではなく
、例えば融点が３０℃程度のＲｂ合金（Ｒｂ−Ｉｎ−Ｐ
ｂ−３ｎ）によって構成しても良い。

半導体チップ３の裏面、キャップ４の内壁面および枠取
り部１２に囲まれた空間には、接続部１３が液化した際
に空隙１４が形成されるようになっている。これは、接
続部１３が固体から液体に変化した際、接続部１３の体
積が膨張しても半導体チップ３や封止部１０等に応力を
与えないようにするためである。このように本実施例の
半導体集積回路袋！！！１においては、例えば気密封止
処理時、回路動作時、温度サイクル試験時あるいは熱シ
ヨツク試験時に、半導体チップ３の主面側のＣＣＢバン
プ８で生じた熱膨張、収縮による応力を半導体チップ３
の裏面側に設けられた液状の接続部１３によって吸収で
きる構造となっている。すなわち、ＣＣＢバンプ８や接
続部１３で生じた熱歪が、封止部ｌＯに影響を及ぼさな
い構造となっている。

半導体チップ３の裏面およびキャップ４の内壁面には、
凸部１５が設けられている。これは、半導体集積回路装
置１が、第１図に示すような状態で設定されても、また
、第２図に示すような状態で設定されても、凸部１５が
接続部１３に接触することにより、半導体チップ３とキ
ャップ４との接続状態を維持するためである。したがっ
て、最初から半導体集積回路装置１の設定状態が決まっ
ている場合には、凸部１５はキャップ４の内壁面あるい
は半導体チップ３の裏面のどちらか一方に形成すれば良
い。また、第３図に示すような状態で半導体集積回路装
置１を設定する場合には、凸部１５を必要としない。こ
のように本実施例の半導体集積回路装置１は、例えば回
路動作時に半導体チップ３から発生する熱が接続部１３
を経てキャップ４の表面から外部に放散される構造とな
っている。

半導体チップ３の端面とキャップ４の内壁面との間には
、シリコーンゴム等からなる接着部１６が注入されてお
り、液化した接続部１３の流出が防止される構造になっ
ている。

次に、本実施例の半導体集積回路装置１の製造方法を第
４図、第５図および第６図（ａ）〜（社）により説明す
る。

まず、第４図に示すように、エツチング処理等により、
半導体チップ３の裏面に凸部１５を形成した後、リフト
オフ技術等により、各電極９上に１．５〜５重量％程度
のＳｎを含有したＰ　ｂ　／　Ｓ　ｎ合金からなるＣＣ
Ｂバンプ８ａを形成する。

次いで、第５図に示すように、パッケージ基板２の電極
６ａ上に、例えば微細な孔の形成されたマスクをガイド
として５〜１０重量％程度のＳｎを含有したＰ　ｂ　／
　Ｓ　ｎ合金を付着し、これを水素（Ｈ２）雰囲気中で
溶解してＣＣＢバンプ８ｂを形成する。

続いて、第６図（ａ）に示すように、キャップ４の封止
部分に下地金属部１１を形成した後、キャップ４内にシ
リコーンゴム等からなる枠取り部１２を設置し、さらに
その枠内において、キャップ４の内壁面に形成された凸
部１５上に、例えば融点３９℃、沸点７００℃、熱伝導
率＝Ｉｎの熱伝導率の特性を有する固体状のＲｂのプリ
ホーム１３ａを設置する。

その後、第６図（ｂ）に示すように、キャップ４内のプ
リホーム１３ａ上に半導体チップ３をその裏面を下方に
した状態で設置する。そして、半導体チップ３の端面と
キャップ４の内壁面との間に、シリコーンゴム等を注入
し、低圧の雰囲気中で熱処理を行い接着部１６を形成し
、単導体チップ３とキャップ４とを接着する。この際、
プリホーム１３ａは液化するが、シリコーンゴム等の接
着部１６により、その流出は防止される。

次いで、キャップ４内に設置された半導体チップ３の気
密封止を行う。半導体チップ３を気密封止するには、ま
ず、第６図（Ｃ）に示すように、キャップ４とパッケー
ジ基板２との間に封止用の半田プリホーム１０ａを挟み
、かつ半導体チップ３のＣＣＢバンブ８ａとパッケージ
基板２のＣＣＢバンブ８ｂとを位置合わせした状態で、
第６１！ｌ（社）に示すように、キャップ４にパッケー
ジ基板２を被せる。この段階においては、プリホーム１
３ａは固体状である。

続いて、パッケージ基板２上に所定の荷重を乗せ、例え
ば水素（Ｈｌ）雰囲気中でＣＣＢバンブ８ａＳＣＣＢバ
ンブ８ｂおよび半田プリホーム１０ａを加熱、溶融して
第１図に示すＣＣＢバンプ８畜よび封止部１０を形成す
る。この際においても、Ｒｈが再度液化し、例えばＣＣ
Ｂバンプ８で生じた熱膨張、収縮による応力を吸収する
。すなわち、ＣＣＢバンブ８で生じた熱膨張、収縮によ
る応力が封止部１０や半導体チップ３に加わらない。ま
た、Ｒｂの液化に際して、半導体チップ３の裏面、キャ
ップ４の内壁面および枠取り部１２に囲まれた空間に空
隙１４が形成される。この空隙１４により、Ｒｂが固・
体から液体に変化した際のＲｈの体積膨張による応力が
、半導体チップ３や封止部１０等に加わらない。その後
、パッケージ基板２の電極６ａ上にＣＣＢバンプ７を形
成し、半導体集積回路装置１を製造する。

このように本実施例によれば、以下の効果を得ることが
可能となる。

（ｌ〕０例えば気密封止処理時、回路動作時、温度サイ
クル試験時あるいは熱シヨツク試験時に、ＣＣＢバンプ
８等で発生した熱膨張、収縮による応力が、液化した接
続部１３に吸収されるので、その応力が封止部１０や半
導体チップ３に影響を及ぼさない。

Ｃ２）、上＆！　（１）により、キャップ４の内部のＣ
ＣＢバンプ８や接続部１３の熱膨張、収縮量に合わせて
封止部１０の材料や厚さ等を設定する必要がないので、
封止部１０の材料や厚さ等を気密性が良好となる条件で
設定することが可能となる。

（３）、上記（２）により、例えば温度サイクル試験や
熱シヨツク試験の際に、封止部１０の気密性が阻害され
ることがなく、封止部１０の気密信頼性を向上させるこ
とが可能となる。

（４）、上記（１）〜（３）により、半導体集積回路装
置１の歩留りを向上させることが可能となる。

（５）１例えば回路動作時に半導体チップ３から発生す
る熱が、接続部１３を経てキャップ４の表面から外部に
放散されるため、熱の放散効率の大幅な低下もない。

（６）、上記（１）、　（２）、　（３）、　（５）に
より、半導体集積回路装置１の信頼性を向上させること
が可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施例においては、半導体チップとキャッ
プとを接続する接続部をＲｂあるいはＲｂ合金によって
構成した場合について説明したが、これらに限定される
ものではなく種々変更可能であり、例えば水銀やビスマ
ス（Ｂｉ）　−ｐｂ−３ｎ−Ｉｎ−カドミウム（Ｃｄ）
合金（融点＝４６〜４８℃）、シリコーンオイル等のオ
イルあるいは純水等でも良い。

また、前記実施例においては、枠取り部によってキャッ
プとパッケージ基板との間隔を設定した場合について説
明したが、例えば第７図に示すように、半導体チップ３
の裏面とキャップ４の内壁面との間に、Ｃｕ等からなる
スペーサ１７を介在させてその間隔を設定するようにし
ても良い。この場合、スペーサ１７が半導体チップ３の
裏面とキャップ４の内壁面とに接続されているため、こ
のスペーサ１７により熱の放散が良好となる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとありで
ある。

すなわち、ＣＣＢバンブを介してパッケージ基板の主面
に実装された半導体チップをキャップによって気密封止
した半導体集積回路装置であって、前記半導体チップの
裏面とキャップとを接続する接続部を少なくとも気密封
止処理時または回路動作時の温度で液化する材料によっ
て構成した請求項１記載の発明によれば、例えば気密封
止処理時、回路動作時、温度サイクル試験時あるいは熱
シヨツク試験時に、ＣＣＢバンブ等で発生した熱膨張、
収縮による応力が、液化した接続部に吸収されるので、
その応力が封止部や半導体チップに影響しない。この結
果、封止部の材料や厚さ等を気密性が良好となるような
条件で設定できるので、封止部の気密信頼性を向上させ
ることができ、半導体集積回路装置の信頼性および歩留
りを向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である半導体集積回路装置の
断面図、 第２図および第３図は半導体集積回路装置の設定状態に
応じて変化する接続部の状態を説明する半導体集積回路
装置の断面図、 第４図はこの半導体集積回路装置の製造方法を説明する
半導体チップの断面図、 第５図はこの半導体集積回路装置の製造方法を説明する
パッケージ基板の断面図、 第６図（ａ）〜（ｄ）はこの半導体集積回路装置の製造
方法を説明する断面図、 第７図は本発明の他の実施例である半導体集積回路装置
の断面図、 第８図は従来のチップキャリヤの断面図である。 １・・・半導体集積回路装置、２・・・パッケージ基板
、３・・・半導体チップ、４・・・キャップ、５・・・
内部配線、５ａ、６ｂ・７．８，８ａ、８ｂ・＝ＣＣＢ
バンブ、・電極、１０・・・封止部、１０ａ・・リホー
ム、１１・・・下地金属部、１２取り部、１３・・・接
続部、１３ａ・・−ム、１４・・・空隙、１５・・・凸
部、・・接着部、１７・・・スペーサ、２０・ツブキャ
リヤ、２１・・・パッケージ基板、・・・電極、２３・
・・ＣＣＢバンブ、２４・半導体チップ、２５・・・キ
ャップ、２６・封止用半田、２７・・・伝熱用半田、２
８・ＣＣＢバンブ、２９・・・内部配線。 ・・電極、 ９・・ ・半田プ ・・・枠 ・プリホ エ６・ ・・チ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＣＣＢバンプを介してパッケージ基板の主面に実装
   された半導体チップをキャップによって気密封止した半
   導体集積回路装置であって、前記半導体チップの裏面と
   キャップとを接続する接続部を少なくとも気密封止処理
   時または回路動作時の温度で液化する材料によって構成
   したことを特徴とする半導体集積回路装置。 ２、前記接続部がルビジウムまたはルビジウム合金から
   なることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路装
   置。 ３、前記接続部が水銀からなることを特徴とする請求項
   １記載の半導体集積回路装置。 ４、ＣＣＢバンプを介してパッケージ基板の主面に実装
   された半導体チップをキャップによって気密封止する際
   、前記半導体チップとキャップとを接続する材料が液化
   するようにしたことを特徴とする半導体集積回路装置の
   製造方法。