JPH07176563A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH07176563A
JPH07176563A JP4288074A JP28807492A JPH07176563A JP H07176563 A JPH07176563 A JP H07176563A JP 4288074 A JP4288074 A JP 4288074A JP 28807492 A JP28807492 A JP 28807492A JP H07176563 A JPH07176563 A JP H07176563A
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JP
Japan
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substrate
thermal expansion
chip
coefficient
bumps
Prior art date
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Pending
Application number
JP4288074A
Other languages
English (en)
Inventor
Yoshio Watanabe
芳夫 渡邊
Yoshihiro Miyamoto
義博 宮本
Soichiro Hikita
聡一郎 匹田
Tamotsu Yamamoto
保 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
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Publication of JPH07176563A publication Critical patent/JPH07176563A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/80Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L2224/81Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/30Technical effects
    • H01L2924/35Mechanical effects
    • H01L2924/351Thermal stress
    • H01L2924/3511Warping

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フリップチップを搭載する半導体装置に関
し,低サイクル熱疲労耐性に優れた半導体装置の提供を
目的とする。 【構成】 基板1の表面に該基板1と熱膨張率が異なる
フリップチップ2をバンプ3を用いて搭載した半導体装
置において,該基板1の裏面に該基板1と熱膨張率が異
なる補償板4が密着して設けられ,該チップ2の熱膨張
率をβch,該基板1の熱膨張率をβsub 及び該補償板4
の熱膨張率をβcmとするとき,βch>βsu b >βcm又は
βch<βsub <βcmであることを特徴として構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はフリップチップを搭載す
る半導体装置に関し,特に低サイクル熱疲労耐性に優れ
た半導体装置に関する。
【0002】基板上に基板と熱膨張率の異なるフリップ
チップを搭載した半導体装置を,低温又は高温の環境で
使用する用途においては,室温で点検,補修をして再び
環境に戻す間に受ける数十〜数百回の低サイクルの熱履
歴による疲労が障害発生の原因となる。とくに,チップ
と基板とをバンプにより直接接続するフリップチップで
は,バンプの熱疲労による破断が接続不良の重要な要因
となる。
【0003】例えば,2次元の赤外線CCDカメラで
は,受光特性に優れるHgCdTe結晶にフォトダイオ
ードアレイを形成したチップを,CCDを形成したSi
基板にセル毎にバンプを形成して接続し,各個のフォト
ダイオードとそれに対応するCCDセルとを直結する。
しかし,この赤外線CCDカメラは窒素温度で動作する
ため,点検毎に熱サイクルを受け低サイクル疲労による
バンプの破断又は接触不良を招く。
【0004】このため,フリップチップを搭載し,かつ
低サイクル熱疲労に対して耐性がある半導体装置が要求
されている。
【0005】
【従来の技術】従来,フリップチップは,基板上へバン
プを用いて直接接続されていた。かかる場合に生ずる問
題を以下の実施例を参照して説明する。
【0006】図3は従来の実施例断面図であり,赤外線
CCDカメラの受光部とCCDとの接続の構造を表して
いる。受光部は,図3(a)を参照して,2次元に配列
したフォトダイオードアレイが形成されたHgCdTe
結晶のチップ2からなり,そのチップ2表面に,ダイオ
ードアレイの各ダイオード毎にこれらと電気的に接続す
るコンタクト層4及び各コンタクト層4毎にこれらの上
にバンプ3aが形成される。
【0007】CCD部はSi基板1表面に形成され,そ
のセルは受光部のダイオード毎に対応して形成される。
CCD部の各ダイオートとそれに対応する受光部の各セ
ルとの接続は,チップ2上のバンプ3aと,これに対応
して基板1上に形成されたバンプ3bによりなされる。
【0008】かかる熱膨張率の異なるチップ2と基板1
とをバンプ3を用いて直接に接続する半導体装置では,
室温から動作温度である窒素温度(77K)に降温した
とき,図3(b)を参照して,チップ2と基板1との熱
膨張率の相違からパイメタルの原理に従い湾曲する。こ
のため,接続部分のバンプ3に大きな応力がかかりバン
プ3の塑性変形を生ずるため,バンプ3の低サイクル疲
労を招来し,その結果,接続不良さらには破断に至るの
である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述したように,従来
のフリップチップ搭載の半導体装置では,基板とチップ
との熱膨張率が相違するためバンプの低サイクル熱疲労
を招来し,バンプの接続不良又は破断を生ずるという問
題があった。
【0010】本発明は,動作温度における基板とチップ
との熱膨張又は熱収縮の差を動作温度において基板が湾
曲することで吸収し,バンプに生ずる熱応力を減少する
ことにより,低サイクル熱疲労が小さい半導体装置を提
供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】図2は本発明の実施例断
面図であり,基板上にフリップチップを搭載した半導体
装置を表している。
【0012】上記課題を解決するために,図2を参照し
て,本発明の第一の構成は,基板1の表面に該基板1と
熱膨張率が異なるフリップチップ2をバンプ3を用いて
搭載した半導体装置において,該基板1の裏面に該基板
1と熱膨張率が異なる補償板4が密着して設けられ,該
チップ2の熱膨張率をβch,該基板1の熱膨張率をβ
sub 及び該補償板4の熱膨張率をβcmとするとき,βch
>βsub >βcm又はβch<βsub <βcmであることを特
徴として構成し,及び,第二の構成は,第一の構成の半
導体装置において,該チップ2は,CdTe結晶板上に
堆積したCdHgTe結晶表面に赤外線用フォトダイオ
ードアレイが形成されてなり,該基板1は,表面にCC
D(電荷結合素子)が形成されたSi板からなり,該チ
ップ2と該基板1とは,Inの該バンプ3により接合さ
れ,該補償板4は,β窒化シリコン(βSi3 4 )か
らなることを特徴として構成する。
【0013】
【作用】図1は本発明の原理説明であり,装置使用時の
温度におけるチップ及び基板のそれぞれ単体の変形を断
面により表している。ここで,図1(a)は従来の半導
体装置での変形を,図1(b)は本発明に係る半導体装
置での変形を表している。
【0014】従来の半導体装置は,図1(a)を参照し
て,チップ2及び基板1は単体の単結晶板又はセラミッ
クス板からなり,通常は室温において位置が一致するよ
うにバンプが形成されている。従って,動作温度,例え
ば窒素温度では,熱膨張率の小さい方,例えばHgCd
Teのチップ2とSi基板1ではチップの方が,熱膨張
率の大きなSi基板1よりも小さくなる。このため,チ
ップ2のバンプ3aと基板1のバンプ3bとの位置がず
れ,これらが接合されている場合には,バンプ3に大き
な応力を生じて塑性変形を引き起こす。
【0015】本発明の構成では,図1(b)を参照し
て,基板1の裏面に熱膨張率βcmの補償板4を例えば貼
付することにより密着して設ける。この補償板4は,チ
ップ2の熱膨張率βch及び基板1の熱膨張率βsub と,
βch>βsub >βcm又はβch<βsub <βcmの関係にな
るような材料が選択される かかる構成では,例えば図1(b)の如くβch>βsub
>βcmの関係にあり,使用温度でチップ2よりも基板1
が大きくなる場合には,基板1と補償板4とで形成され
るバイメタルの効果により基板1はバンプ形成面が凹面
になるように反る。
【0016】このため,基板1上に形成されたバンプ3
bは中央に傾き,バンプ3bの上面が互いに接近する結
果,基板1上のバンプ3b上面のピッチは,より小さな
チップ2上のバンプ3aのピッチに近くなる。
【0017】従って,チップ上のバンプと基板上のバン
プが接合されていても,その接合部分に大きな応力は生
じない。このため,バンプの熱疲労は小さくなり,本発
明を適用することで低サイクル熱疲労に対する耐性が高
い半導体装置となる。
【0018】上記の説明はβch>βsub >βcmの場合で
あるが,βch<βsub <βcmの関係がある場合は,基板
1が凸に反り,基板1上のバンプ3bが外側に傾きバン
プ3b上面のピッチが広がる。このため,チップ2上の
より広いピッチのバンプ3a位置に近ずくから,接合部
分の応力は小さくなる。
【0019】即ち,熱膨張率が何れの関係にある場合に
も,補償板4の貼付は,接合部分であるバンプ3の熱応
力を緩和し,熱疲労の荷重を小さくして,半導体装置の
熱疲労耐性を向上する。
【0020】
【実施例】本発明を2次元赤外線CCDカメラに適用し
た実施例を参照して説明する。本実施例のCCDカメラ
は,2次元ダイオードアレーからなる赤外線受光部とダ
イオードの受光信号を転送するCCD部とを有してな
る。
【0021】受光部は,図2を参照して,厚さ800μ
m,一辺5mmの矩形のCdTe基板上に厚さ20μmに
堆積したHgCdTeの表面に,Bをイオン注入して2
次元ダイオートアレイを形成したチップ2からなり,そ
の表面に,ダイオードのイオン注入領域をコンタクト領
域5とするInバンプ3aが形成される。
【0022】CCD部は,厚さ300μm,受光部と同
じく一辺5mmの矩形のSi基板1の表面に,受光部のダ
イオードアレイと同一ピッチのCCD及びInバンプ3
bが形成され,ダイオードアレイとCCD素子とはチッ
プ1及び基板1に形成されたバンプ3a,3bの接合を
通して電気的に一対一で接続される。
【0023】このSi基板1の裏面に,厚さ1mmのβ窒
化シリコンからなる補償板4を薄く希釈した接着材,例
えばエポキシ系接着材により貼付した。本例では,チッ
プの熱膨張率βchはCdTeの熱膨張率,4.9×10
-6-1に略等しく,Si基板1及びβ窒化シリコンから
なる補償板4の熱膨張率βsub,βsub は,それぞれ
2.6×10-6-1及び1.4×10-6-1であり,β
ch>βsub >βcmの関係にある。
【0024】本実施例に係る2次元CCDカメラを,室
温と窒素温度(77K)との間で100回の熱サイクル
を負荷した後,バンプの接続不良及び剥離を調べた結
果,接続不良及び剥離は1%以下であった。
【0025】これは,従来のCCDカメラの同一負荷試
験の場合の不良率5%と比較して,1/5に改善されて
いる。なお,補償板の貼付手段は接着材に限らず,密着
する方法であればよいのは当然である。
【0026】本発明は,熱膨張率の所定の関係をみたす
他の材料に適用することができる。例えば,チップをC
dTe,基板をSiC又はAlN,補償板を基板側がS
iで更にSiO2 又は窒化Siで裏打ちしたものとする
ことができる。また,チップをGaAs,基板をSi,
補償板をSiO2 又は窒化Siとし,又は,チップをG
aAs,基板をCdTe,補償板をSiとすることもで
きる。
【0027】なお,チップ,基板,補償板として多用さ
れる材料の熱膨張係数は,GaAsが5.9×10-6
-1,アルミナが6.5×10-6-1,αAlO2 が5.
4×10-6-1,SiCが3.3×10-6-1,AlN
が2.5×10-6-1,αSi3 4 が1.9×10-6
-1であり,これらを熱膨張率が所定の関係を満たすよ
うに組み合わせて用いることができる。
【0028】
【発明の効果】本発明によれば,基板とフリップチップ
との熱膨張率が異なっていても,基板が湾曲することで
バンプ位置が接近するからバンプに生ずる熱応力が緩和
され,低サイクル熱疲労が小さい半導体装置を実現する
ことができ,半導体装置の信頼性向上に寄与するところ
が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理説明図
【図2】 本発明の実施例断面図
【図3】 従来の実施例断面図
【符号の説明】 1 基板 2 チップ 3,3a,3b バンプ 4 補償板 5 コンタクト領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 保 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板(1)の表面に該基板(1)と熱膨
    張率が異なるフリップチップ(2)をバンプ(3)を用
    いて搭載した半導体装置において,該基板(1)の裏面
    に該基板(1)と熱膨張率が異なる補償板(4)が密着
    して設けられ,該チップ(2)の熱膨張率をβch,該基
    板(1)の熱膨張率をβsub 及び該補償板(4)の熱膨
    張率をβcmとするとき,βch>βsub >βcm又はβch
    βsub<βcmであることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体装置において,該
    チップ(2)は,CdTe結晶板上に堆積したCdHg
    Te結晶表面に赤外線用フォトダイオードアレイが形成
    されてなり,該基板(1)は,表面にCCD(電荷結合
    素子)が形成されたSi板からなり,該チップ(2)と
    該基板(1)とは,Inの該バンプ(3)により接合さ
    れ,該補償板(4)は,β窒化シリコン(βSi
    3 4 )からなることを特徴とする半導体装置。
JP4288074A 1992-10-27 1992-10-27 半導体装置 Pending JPH07176563A (ja)

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JP (1) JPH07176563A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001150399A (ja) * 1999-10-08 2001-06-05 Agilent Technol Inc 熱張係数の異なる材料間の低応力界面及びその製造方法
US11890694B2 (en) 2014-03-14 2024-02-06 Nippon Steel Corporation Resistance spot welding apparatus and method for manufacturing a welded structure

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001150399A (ja) * 1999-10-08 2001-06-05 Agilent Technol Inc 熱張係数の異なる材料間の低応力界面及びその製造方法
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