JPH0831872A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0831872A
JPH0831872A JP6160934A JP16093494A JPH0831872A JP H0831872 A JPH0831872 A JP H0831872A JP 6160934 A JP6160934 A JP 6160934A JP 16093494 A JP16093494 A JP 16093494A JP H0831872 A JPH0831872 A JP H0831872A
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JP
Japan
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semiconductor element
thermal expansion
expansion coefficient
substrate
control plate
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JP6160934A
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English (en)
Inventor
Yuji Fujita
祐治 藤田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Publication of JPH0831872A publication Critical patent/JPH0831872A/ja
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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
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73201Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73203Bump and layer connectors
    • H01L2224/73204Bump and layer connectors the bump connector being embedded into the layer 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】半導体素子と熱膨張係数が大きく異なる基板に
対して、高信頼なフリップチップ接続を実現する。 【構成】半導体素子1におけるバンプ4の形成面と反対
側の表面に熱膨張係数制御板3を張り合わせることによ
り半導体素子1と搭載基板5との熱膨張係数の差を低減
する半導体装置において、半導体素子1の厚さが前記熱
膨張係数制御板3の厚さの10分の1以下の値を持つ。 【効果】ガラスエポキシ基板など低コストな基板に対し
て高信頼なフリップチップ接続が容易になるので、半導
体装置の低コスト化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体素子と基板を接続
する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体素子(チップ)の回路面に
突起電極(バンプ)を形成し、バンプを基板上の電極端
子と接続するフリップチップ方式があった。この方式
は、接続に要する面積が最小でかつ多数の端子を接続で
きるので、最高性能を必要とするスーパコンピュータや
大型コンピュータ等のチップ接続に用いられてきた。
【0003】近年、LSIチップの高性能化,低コスト
化に伴い、ワークステーション等の小型コンピュータに
フリップチップ方式を用いる例が増加している。小型コ
ンピュータでは低コストなガラスエポキシ基板を用いる
が、ガラスエポキシ基板の熱膨張係数(11×10-6
-1)とSiチップの熱膨張係数(3×10-6-1)との
差により発生する熱歪がバンプに加わり、ある温度サイ
クルが経過するとバンプが破断するという問題が生じ
る。
【0004】この熱歪を低減する方法には次に示すもの
が知られている。例えば、特開昭63−316447号公報で
は、図2に示すように、バンプ4によって接続された半
導体素子1と基板5の間全体に、バンプ4に等しい熱膨
張係数を有する樹脂6を充填してバンプ4を補強する。
また特開昭63−4635号公報では、図3に示すように、半
導体素子1のバンプ4と反対側の表面に熱膨張係数制御
板3を接合層2を介して張り合わせ、半導体素子1の熱
膨張収縮量を基板5に近付けてバンプ4を高信頼化する
方法が示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】特開昭63−316447号公
報では、図2における樹脂6と半導体素子1の熱膨張係
数が異なっており、また樹脂6と基板5の熱膨張係数も
異なっているので、特に大型の半導体素子では外周部分
のバンプ4に大きな熱歪が生じる。このため使用できる
チップ寸法に制限があった。
【0006】一方、特開昭63−4635号公報では、図4に
示すように、半導体素子1と熱膨張係数制御板3の熱膨
張係数に大きな差があると、熱膨張係数制御板3の膨張
収縮に伴い半導体素子1の反り量が増大し、半導体素子
1と基板5の間のバンプ4の接合界面に大きな引張り応
力が加わる。
【0007】図5、および図6を用いてバンプ4の接合
界面の様子を説明する。図5に示すように、半導体素子
1はデバイス等が形成されるシリコン層101と、層間
絶縁層102,配線層104,表面絶縁層103,電極
端子105からなる。一方、基板5は、ガラスポリイミ
ド層501,配線層503,表面絶縁層502,電極端
子504からなる。図6の矢印で示すように、半導体素
子1と基板5に対して垂直方向に引張り応力が加わる
と、接合強度の最も弱い界面、例えば、配線層104と
電極端子105との接合界面に亀裂106が形成され
る。コンピュータの運転開始や停止に伴う温度サイクル
は、繰り返し応力となって接合界面に加わるため、初期
に形成された微小な亀裂106はやがて成長し、遂には
電極端子105全面を剥離させる。このように、熱膨張
係数が半導体素子1と大きく異なる基板5を用いると、
バンプ4の接続信頼性が低下する。
【0008】本発明の目的は、半導体素子と熱膨張係数
が大きく異なる低コストな基板に対して、高信頼なフリ
ップチップ接続を実現することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体素子
におけるバンプ形成面と反対側の表面に熱膨張係数制御
板を張り合わせることにより前記半導体素子と搭載基板
との熱膨張係数の差を低減する半導体装置において、前
記半導体素子の厚さが前記熱膨張係数制御板の厚さの1
0分の1以下の値を持つことにより達成される。
【0010】
【作用】上記手段によれば、熱膨張係数制御板の外力に
対する抵抗すなわち剛性は、半導体素子に比べて圧倒的
に大きくなるため、熱膨張係数制御板の反り量は大幅に
低減される。半導体素子は熱膨張係数制御板に追従して
膨張収縮するので、半導体素子の反り量も同様に減少す
る。半導体素子と搭載基板の間の距離は一定に保持され
るので、バンプの接合界面に加わる引張り応力が減少
し、高信頼なフリップチップ接続を実現できる。
【0011】
【実施例】図1は本発明による半導体装置の一実施例を
示す断面図である。半導体素子1と基板5の対抗面上に
は、半導体素子1および基板5に形成された回路と電気
的に接続されたバンプ4が設けられている。半導体素子
1の回路面と反対側表面には、接合層2を介して熱膨張
係数制御板3が接合されている。本実施例では、半導体
素子1には厚さ0.1mm ,10mm角のSiを用い、バン
プ4には、高さ120μm,ピッチ250μmの37Pb
−63wt%Sn半田を用いた。接合層2には、蒸着に
より形成した金を用い、熱膨張係数制御板3には厚さ1
mm,10mm角の銅板,配線基板5にはガラスエポキシ基
板を用いた。
【0012】本実施例における効果を図7ないし図10
を用いて説明する。図7は、図1に示した半導体装置お
いて、半導体素子1の反り量を算出するためにバンプ4
および基板5を除いて単純化した断面図である。図8
は、温度上昇時に半導体素子1と熱膨張係数制御板3の
熱膨張係数の差により反りが生じる様子を示した図であ
る。ここで、熱膨張係数制御板3の厚さを1mm一定と
し、半導体素子1の厚さtを1mmから0.001mm まで
薄くした際の、全体の反り量dを算出した(参考文献:
奥村敦吏:材料力学:コロナ社、p282(昭34−1
2))。他の材料および寸法は図1に示した実施例と同
一とし、温度上昇は50℃と仮定した。
【0013】図9にその計算結果を示す。半導体素子1
の厚さtを0.1mm 以下の薄さにするとチップの反り量
dは約10μmを下回り、tをさらに小さくすればdを
約1μm以下にすることも可能となる。すなわち、半導
体素子1の厚さを熱膨張係数制御板3の厚さの約10分
の1以下に薄くすれば、半導体素子1の反り量を充分に
小さくでき、したがって高信頼なフリップチップ接続を
実現できることが予想される。
【0014】次に本実施例の有効性を実証するために、
図1に示した実施例、図2および図3に示した従来例の
温度サイクル加速試験を実施し、各方式のバンプの接続
信頼性を比較した。その結果を図10に示す。ここで横
軸は、加速条件である−55℃〜150℃、1サイクル
1時間の温度サイクルを加えた回数を示し、縦軸は各方
式において断線が生じたバンプ接合部の個数を累積不良
率として示している。
【0015】図2の従来例では、温度サイクル約100
0回で全てのバンプに断線が生じた。図3の従来例も、
温度サイクル約1000回でほとんどのバンプに断線が
生じた。これに対して本発明(図1)では、全てのバン
プの断線に要する温度サイクル数は約2倍の2000回
に達した。この値は、実使用条件での接続寿命約30年
に相当し、実用上充分な接続信頼性を示すものである。
図3の従来例は、本発明(図1)と同じ材料で構成され
ており、半導体素子1の厚さが0.5mm である点が異な
る。すなわち、図6において予測したように半導体素子
1の厚さを薄くすることでチップの反り量が減少し、バ
ンプに加わる応力が低減されて、バンプの接続寿命が向
上したことを示すものである。図10の結果、少なくと
も半導体素子1の厚さを、熱膨張係数制御板3の厚さ1
mmの10分の1とすることで、ガラスエポキシ基板に対
する高信頼なフリップチップ接続を実現できることが明
らかになった。
【0016】以上、実施例に基づいて具体的に説明した
が、本発明は実施例に限定されるものでなく、本発明の
要旨の範囲内で以下に示すような実施例も可能である。
【0017】図1に示した実施例は、半導体素子の背面
からの放熱が容易となるように熱膨張係数制御板を銅製
としたが、熱膨張係数制御板をガラスエポキシ基板で構
成しても同様に高信頼なフリップチップ接続を実現でき
る。セラミクス系材料、例えばムライト等を搭載基板と
して用いる場合は、熱膨張係数制御板としても同じムラ
イトを用いることが望ましい。発熱量が大きい半導体素
子をセラミクス基板に搭載する場合は、熱膨張係数制御
板としてアルミナナイトライド等の熱伝導率の高いセラ
ミクス系材料を用いればよい。
【0018】半導体素子の大きさは図1の実施例のよう
に約10mm角のチップサイズに限定する必要はない。図
11に示すように約5〜8インチのウェハ7に接合層2
を介して熱膨張係数制御板3を接合し、ウェハ7を一つ
のデバイスとして基板にフリップチップ接続してもよ
い。ウェハ7のサイズが大きいほどウェハ7の反り量は
増大するので、本発明によりウェハ7の反り量を制御す
る方法は有効となる。あるいは、熱膨張係数制御板3に
接合されたウェハ7を個々のチップの大きさに切り出
し、各チップを検査,エージング後に良品チップのみを
基板に複数個搭載してもよい。この場合、複数のチップ
に対して熱膨張係数制御板の接合が一回で済むので、生
産性が向上する。
【0019】図12は、本発明をマルチチップモジュー
ルへ応用した実施例である。基板5にはシリコンチップ
9とガリウム砒素チップ8がバンプ4を介して搭載され
ている。シリコンチップ9の回路面と反対側表面には、
接合層2を介して熱膨張係数制御板3が接合されてい
る。ガリウム砒素チップ8の回路面と反対側表面にも、
接合層2を介して熱膨張係数制御板3が接合されてい
る。従来、一つの基板に異なる材料の半導体素子を搭載
すると、基板と半導体素子の熱膨張係数の差が最も大き
いチップにおいてバンプに加わる熱歪が最も大きくな
る。本実施例では、熱膨張係数制御板3の接合により各
チップのバンプ4に加わる熱歪を同等のレベルに制御で
きるので、チップによる接続寿命のばらつきを小さくで
きる。よってチップの材料に関わらず同じチップサイ
ズ,同じバンププロセスを用いることが可能となり、生
産設備のコスト低減に寄与できる。
【0020】図13は、図1に示した実施例と図2の従
来例を組み合わせた実施例である。半導体素子1の回路
面と反対側表面に、接合層2を介して熱膨張係数制御板
3を接合し、半導体素子1の回路面をバンプ4を介して
基板5へ接続する。その後、半導体素子1と基板5の間
全体に、バンプ4に等しい熱膨張係数を有する樹脂6を
充填してバンプ4を補強する。本実施例で熱膨張係数制
御板3により半導体素子1と基板5の間の熱歪は低減さ
れており、樹脂6でバンプ4を補強することにより、さ
らにバンプ4の接続性は向上する。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、熱膨張係数が半導体素
子と大きく異なる基板に対して、フリップチップ接続を
実現できる。特にガラスエポキシ基板など低コストな基
板に対してフリップチップ接続が可能になるので、半導
体装置の低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す断面図。
【図2】従来例を示す断面図。
【図3】他の従来例を示す断面図。
【図4】図3の従来例において半導体素子の反りに伴い
バンプに引張り応力が加わる様子を示す断面図。
【図5】図3の従来例におけるバンプの接合界面の様子
を示す断面図。
【図6】図5におけるバンプの接合界面が剥離する様子
を示す断面図。
【図7】第1の実施例における半導体素子の反り量を算
出するために単純化した断面図。
【図8】図7のモデルにおいて、温度上昇時に半導体素
子に反りが生じる様子を示した説明図。
【図9】図7のモデルにおいて、半導体素子の厚さを変
えたときの反り量を算出した結果の特性図。
【図10】第1の実施例、および図2と図3に示した従
来例の温度サイクル試験における、各方式のバンプの接
続信頼性を比較した特性図。
【図11】本発明の第2の実施例を示す斜視図。
【図12】本発明の第3の実施例を示す断面図。
【図13】本発明の第4の実施例を示す断面図。
【符号の説明】
1…半導体素子、2…接合層、3…熱膨張係数制御板、
4…バンプ、5…基板。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体素子と、前記半導体素子が搭載され
    る基板と、前記基板と前記半導体素子との対向する電極
    端子の間に形成された突起電極からなり、前記半導体素
    子の前記突起電極が形成された面と反対側の表面に、前
    記半導体素子の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有す
    る熱膨張係数制御板を接合することにより、前記半導体
    素子と前記基板との熱膨張係数の差を低減してなる半導
    体装置において、前記半導体素子の厚さが前記熱膨張係
    数制御板の厚さの10分の1以下の値を持つことを特徴
    とする半導体装置。
JP6160934A 1994-07-13 1994-07-13 半導体装置 Pending JPH0831872A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007318183A (ja) * 2007-09-03 2007-12-06 Fujitsu Ltd 積層型半導体装置
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