JPH10107082A - 半導体装置の実装方法およびその実装構造 - Google Patents

半導体装置の実装方法およびその実装構造

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JPH10107082A
JPH10107082A JP8262139A JP26213996A JPH10107082A JP H10107082 A JPH10107082 A JP H10107082A JP 8262139 A JP8262139 A JP 8262139A JP 26213996 A JP26213996 A JP 26213996A JP H10107082 A JPH10107082 A JP H10107082A
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resin
filler
base resin
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 接続部に対する熱応力を緩和するとともに封
止樹脂と半導体チップとの密着力を強化する。 【解決手段】 半導体チップ１上のチップ電極２にはＡ
ｕバンプ３が形成されており、一方、配線基板４上の基
板電極５にははんだバンプが形成されている。Ａｕバン
プ３とはんだバンプ６は互いに接合されている。半導体
チップ１と配線基板４との間隙には、封止樹脂７が充填
されている。半導体チップ１と配線基板４との間隙に封
止樹脂７が充填され硬化された状態において、半導体チ
ップ１側には封止樹脂７のベース樹脂のみからなるベー
ス樹脂層９を形成し、一方、配線基板４側にはベース樹
脂とフィラーとの混在層１０を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置を配線
基板に実装する実装方法およびその実装構造に関し、特
に、フリップチップ方式による半導体装置を基板に実装
する実装方法およびその実装構造に関する。
【０００１】
【従来の技術】近年、電子機器の小型化、低価格化に伴
い、半導体素子を基板に高密度で実装するための構造が
簡略化されてきている。このような簡略化された構造を
有する半導体素子の高密度実装構造としてフリップチッ
プ方式が提案されている。
【０００２】この従来のフリップチップ方式による半導
体装置の実装構造が、Ｍａｔｅ’９６「リードレスベア
チップ実装技術とＭＣＭ−Ｌへの適用」（ｐ１９３〜１
９６）や日経マイクロデバイス１９９６年３月号「実装
・一般電子部品」（ｐ１４６〜１４７）に開示されてい
る。
【０００３】この従来の半導体装置の実装構造は、図１
０に示されるように、半導体チップ１が配線基板４上に
フリップチップ実装されており、チップ電極２上のＡｕ
バンプ３と基板電極５上のはんだバンプ６が互いに接続
されている。さらに、半導体チップ１と配線基板４との
間隙には絶縁性樹脂１５が充填されており、この絶縁性
樹脂中には球状シリカ（ＳｉＯ2）等のフィラーが均一
に分散されて含まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この従来の半導体装置
の実装構造において、配線基板としてガラスエポキシを
基材とするプリント基板を適用する場合、半導体チップ
およびプリント基板の熱膨張係数は、それぞれ約３×１
０-6／℃、約１４×１０-6／℃と大きく異なり、両者の
接続部に応力が加わる。そこで、接続部に加わる応力を
緩和するために、硬化後の絶縁性樹脂の熱膨張係数を低
くする必要がある。
【０００５】絶縁性樹脂の熱膨張係数を低く抑えるため
には、熱膨張係数の低い材料である球状シリカ等のフィ
ラーの樹脂への混入比率を高くする必要がある。
【０００６】しかしながら、フィラーの混入比率を高く
すると以下のごとき問題点が生じる。
【０００７】すなわち、絶縁性樹脂のフィラー混入比率
を高くすると樹脂全体の粘度が高くなる。一般的に、半
導体チップと配線基板との間隙に樹脂を充填する際は毛
細血管現象を利用しているため、樹脂の粘度が高くなる
と樹脂を充填するために費やされる時間が長くなり、生
産性が悪化する。さらには、パッドピッチが１２０μｍ
以下の微細ピッチの構造では、樹脂の粘度が高い場合、
樹脂の充填が不可能となることもある。
【０００８】さらに、絶縁性樹脂のフィラー混入比率を
高くすると、フィラーが半導体チップとの回路面に数多
く存在することになり、絶縁性樹脂のベース樹脂が半導
体チップの回路面に接着する面積が小さくなる。したが
って、半導体チップへの密着力が、本来のベース樹脂の
密着力よりも弱くなってしまい、接続部不良やチップパ
ッドのアルミ腐食が発生し易くなるという問題点もあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の半導体装置の実装構造は、半導体装置を
配線基板上にフリップチップ接続し、前記半導体装置と
前記配線基板との間隙に封止樹脂を充填した半導体装置
の実装構造であって、前記封止樹脂が、該封止樹脂を構
成するベース樹脂のみが存在する第１の部分と、該ベー
ス樹脂とフィラーが混在する第２の部分とを含むもので
ある。
【００１０】また、本発明の半導体装置の実装方法は、
半導体装置を配線基板上にフリップチップ接続し、前記
半導体装置と前記配線基板との間隙に封止樹脂を充填し
た半導体装置の実装方法であって、前記封止樹脂を、該
封止樹脂を構成するベース樹脂のみが存在する第１の部
分と、該ベース樹脂とフィラーが混在する第２の部分と
に分離する工程を含むものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】次に、本発明の半導体装置の実装
構造の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説
明する。
【００１２】本実施形態の半導体装置の実装構造は、半
導体チップと配線基板との間隙に封止樹脂が充填された
実装構造において、封止樹脂が、半導体チップと配線基
板との間隙に封止樹脂のベース樹脂とフィラーが混在す
る部分と、フィラーが存在せずベース樹脂のみが存在す
る部分とを含むものであり、特に、これらの部分が互い
に重なる層を形成するものである。
【００１３】図１は、本実施形態の半導体装置の実装構
造を示す断面図であり、図２は、パッド配列部分を拡大
した断面図である。
【００１４】図１を参照すると、半導体チップ１上のチ
ップ電極２には金（Ａｕ）バンプ３が形成されており、
一方、ガラスエポキシを基材とする配線基板４上の基板
電極５にははんだバンプが形成されている。Ａｕバンプ
３とはんだバンプ６は互いに接合されている。
【００１５】半導体チップ１と配線基板４との間隙に
は、封止樹脂７が充填されている。封止樹脂７には、球
形シリカのフィラー８が混入されている。半導体チップ
１と配線基板４との間隙に封止樹脂７が充填され硬化さ
れた状態において、半導体チップ１側には封止樹脂７の
ベース樹脂からなるベース樹脂層９が形成され、一方、
配線基板４側にはベース樹脂とフィラーとの混在層１０
が形成されている。このように、充填され硬化された封
止樹脂７は、ベース樹脂層９と混在層１０の２層に分離
されている。
【００１６】なお、ベース樹脂層９と混在層１０との厚
さの比率は、封止樹脂７へのフィラー８の混入比率によ
り調整可能であるが、１：１〜１：１０の範囲が好まし
い。例えば、フィラー８の混入比率が４６〜４７ｖｏｌ
％の場合、各層の厚さ比率は１：２〜１：３となる。
【００１７】本実施形態の実装構造においては、ベース
樹脂層９を形成することによって、封止樹脂７へのフィ
ラー８の混入比率を低くすることができる。したがっ
て、封止樹脂７全体の粘度を適度に下げることができる
ために、封止樹脂７を充填する時間を短縮し、生産性の
向上を図ることができる。電極ピッチ１２０μｍの場
合、Ａｕバンプ３の径は８０〜９５μｍであり、その間
隔は２５〜４０μｍである。さらに、電極ピッチ６０μ
ｍの場合、Ａｕバンプ３の径は４５〜５５μｍでその間
隔が５〜１５μｍである。このような微細ピッチの場合
であっても、封止樹脂７の粘度が適度に下げられている
ため、短時間で良好な封止樹脂の充填が可能である。
【００１８】さらに、半導体チップ１の回路面には、封
止樹脂７のベース樹脂層９が密着しており、その密着面
にフィラーが存在しないためベース樹脂本来の密着強度
を得ることができる。したがって、封止樹脂７と半導体
チップ１の回路面との密着力の劣化により発生するチッ
プ電極２のアルミ腐食を抑えることができる。
【００１９】ここで、本実施形態の半導体装置の実装構
造と従来の実装構造とのそれぞれに対するＰＣＴ（プレ
ッシャー・クッカー・テスト）の結果を図３に示す。従
来の実装構造では、ＰＣＴ経過時間が２００Ｈを越える
と不良が多発しているが、本実施形態の実装構造では、
３００Ｈまで不良は発生しておらず、信頼性が向上して
いることがわかる。なお、ＰＣＴにおける不良モードは
全てオープン不良でチップ電極２のアルミパッド腐食で
ある。
【００２０】また、本実施形態の実装構造では、配線基
板４にはベース樹脂とフィラー８の混在層１０が密着し
ているが、この混在層１０はフィラー８が集まっている
ために熱膨張係数が低くなっている。例えば、フィラー
８の混入比率が４６〜４７％の場合、封止樹脂７を通常
硬化させると熱膨張係数は２５〜２６×１０-6／℃であ
るが、混在層１０の熱膨張係数は２０〜２２×１０-6／
℃まで低くなり、はんだバンプ６の主成分として主に用
いられるＳｎの熱膨張係数である２２×１０-6／℃に近
づく。
【００２１】したがって、配線基板４の大きな熱膨張、
熱収縮によって発生するチップ電極２と基板電極５との
接続部のはんだバンプ６に加わる応力は緩和され、熱サ
イクルによる接続部の破壊も防止される。
【００２２】次に、本発明の半導体装置の実装構造の第
２の実施形態について図４および図５を参照して説明す
る。
【００２３】図４は、本実施形態の実装構造におけるチ
ップ中央部分近傍の構成を示す断面図であり、図５は本
実施形態の実装構造を示す平面図である。
【００２４】図４及び図５を参照すると、半導体チップ
１上のチップ電極２にはＡｕバンプ３が形成されてお
り、一方、ガラスエポキシを基材とする配線基板４上の
基板電極５にははんだバンプが形成されている。Ａｕバ
ンプ３とはんだバンプ６は互いに接合されている。
【００２５】半導体チップ１と配線基板４との間隙に
は、封止樹脂７が充填されている。封止樹脂７には、球
形シリカのフィラー８が混入されている。半導体チップ
１と配線基板４との間隙に封止樹脂７が充填され硬化さ
れた状態において、半導体チップ１の中心近傍にはベー
ス樹脂のみが存在するベース樹脂部１１が形成され、一
方、ベース樹脂とフィラー８が混在した混在部１２がＡ
ｕバンプ３とはんだバンプ６の接続部近傍に形成されて
いる。
【００２６】本実施形態の実装構造では、Ａｕバンプ３
とはんだバンプ６との接続部周辺は混在部１２により保
持されているが、混在部１２はフィラー８が凝集してい
るため熱膨張係数が低くなっている。したがって、Ａｕ
バンプ３とはんだバンプ６とに加わる熱応力が緩和さ
れ、熱サイクルによる接続部の破壊が防止される。
【００２７】また、Ａｕバンプ３とはんだバンプ６との
接続部が存在しない領域（本実施形態では、半導体チッ
プ１の中心近傍）では、フィラー８が混入されていない
ベース樹脂部１１が半導体チップ１の回路面と密着して
いるため、十分な密着力を維持することができる。
【００２８】また、封止樹脂７へのフィラー８の混入比
率を低くすることができるため、前述の第１の実施形態
で説明したのと同様の効果も得られる。
【００２９】以上説明した第１および第２の実施形態で
は、Ａｕバンプ３とはんだバンプ６によるフリップチッ
プ接続について説明したが、本発明はフリップチップ接
続を行った後に封止樹脂を充填硬化する手順を行う全て
の形態のフリップチップ接続に適用することができる。
【００３０】例えば、Ａｕバンプと導電性樹脂により接
続した実装構造や、Ｓｎ／Ｐｂはんだ、Ｓｎ系はんだ、
Ｉｎ系はんだ、Ｐｂ系はんだにより接続した実装構造、
Ａｕバンプと基板配線上のＡｕメッキとを接続した実装
構造にも適用することができる。
【００３１】同様に、配線基板４はガラスエポキシを基
材とするプリント基板に限られるものではなく、アルミ
ナ基板、ガラスセラミック基板、フレキシブル基板、ガ
ラス基板等も使用可能でありる。また、封止樹脂のベー
ス樹脂にはエポキシ樹脂を使用し、球形シリカフィラー
は平均粒径１〜５μｍ、最大粒径は電極ピッチ１２０μ
ｍの場合で２０μｍ以下、電極ピッチ８０μｍの場合で
５μｍ以下であることが好ましい。
【００３２】次に、本発明の半導体装置の実装方法の一
実施形態について図１および図６を説明する。
【００３３】本実施形態の実装方法は、前述の第１の実
施形態で説明した半導体装置の実装構造を形成するため
の実装方法である。
【００３４】まず、半導体チップ１を配線基板４上にフ
リップチップ形態にてマウント（接続）する（Ｓ１０
１）。この接続方法は、本発明を実施するうえで特に弊
害がない範囲内で、前述の全てのフリップチップ接続に
おける公知技術が適用可能である。
【００３５】半導体チップ１を配線基板４上にマウント
した後、半導体チップ１と配線基板４との間隙に封止樹
脂７を充填する（Ｓ１０２）。すなわち、半導体チップ
１の近傍に封止樹脂を滴下し、毛細血管現象により封止
樹脂７が充填される。
【００３６】充填された封止樹脂７を、ベース樹脂層９
と、ベース樹脂とフィラー８の混在層１０に分離する
（Ｓ１０３）。
【００３７】具体的には、半導体チップ１、配線基板
４、封止樹脂７全体を配線基板４が下側になるように保
持し、７０℃で３０分間加熱する。加熱することによっ
て、封止樹脂７の粘度は、図７に示されるように、７０
℃では２Ｐａ・ｓまで低くなるため、封止樹脂７中のフ
ィラー８は重力により配線基板４側に移動し、封止樹脂
７は、ベース樹脂層９と、ベース樹脂とフィラー８の混
在層１０とに分離される。なお、７０℃で加熱する場合
は約３０分間でフィラー８の移動は完了する。
【００３８】加熱温度と加熱時間を調整することによっ
て、ベース樹脂層９と、混在層１０の厚さの比率を変化
させることができる。例えば、加熱温度を高くし、加熱
時間を長くすることによって、ベース樹脂層９が増し、
混在層１０の厚さが薄くなる。加熱温度は、封止樹脂７
の粘度が５Ｐａ・ｓ以下になる４０℃以上、封止樹脂７
の硬化温度の１００℃よりも低く８０℃以下が好まし
い。
【００３９】このように、充填された封止樹脂７の分離
工程が終了した後、封止樹脂７を加熱硬化する（Ｓ１０
４）。封止樹脂７を硬化させるための加熱温度および加
熱時間は、樹脂の種類や実装構造等に応じて最適な値に
設定される。
【００４０】次に、本発明の半導体装置の実装方法の他
の実施形態について図８を参照して説明する。
【００４１】本実施形態の実装方法も、前述の第１の実
施形態で説明した半導体装置の実装構造を形成するため
の実装方法であり、図６に示された実装方法の手順のう
ちＳ１０３のベース樹脂層と混在層との分離工程以外
は、前述の実施形態による実装方法と同様である。そこ
で、重複部分の説明は省略し、特に、分離工程について
説明する。
【００４２】図８は、本実施形態の半導体装置の実装方
法を説明するための原理図であり、半導体チップ１を配
線基板４上にマウントした後、封止樹脂７が半導体チッ
プ１と配線基板４との間隙に充填された状態で、半導体
チップ１の裏面方向にある回転軸１３を中心として矢印
Ａ方向に回転を加える。この回転による遠心力により、
封止樹脂７中のフィラー８は配線基板４側に集まり、半
導体チップ１側にベース樹脂層９、配線基板４側に混在
層１０が形成されるように、封止樹脂７が分離される。
ここで、半導体チップ１および配線基板４全体を４０〜
８０℃に加熱することにより、封止樹脂７の粘度が下が
り、より効果的にフィラー８を配線基板４側に移動させ
ることができる。
【００４３】なお、この分離工程の後に行われる封止樹
脂７を加熱硬化させる工程は、実装構造体の回転を停止
させた後に行っても、回転させながら行ってもかまわな
い。
【００４４】次に、本発明の半導体装置の実装方法のさ
らに他の実施形態について図９を参照して説明する。
【００４５】本実施形態の実装方法は、図４および図５
を参照して説明された第３の実施形態による半導体装置
の実装構造を形成するための方法であり、図６に示され
た実装方法の手順のうちＳ１０３のベース樹脂層と混在
層との分離工程以外は、他の実施形態による実装方法と
同様である。そこで、重複部分の説明は省略し、特に、
分離工程について説明する。
【００４６】図９は、本実施形態の半導体装置の実装方
法を説明するための原理図であり、半導体チップ１を配
線基板４上にマウントした後、封止樹脂７が半導体チッ
プ１と配線基板４との間隙に充填された状態で、半導体
チップ１の中心を通り半導体チップ１と直交する回転軸
１４を中心として矢印Ｂ方向に回転を加える。この回転
による遠心力により、封止樹脂７中のフィラー８は半導
体チップ１の周辺にあるＡｕバンプ３とはんだバンプ６
の接続部近傍に集まる。したがって、封止樹脂７は、半
導体チップ１の中心近傍に形成されるベース樹脂部１１
と、Ａｕバンプ３とはんだバンプ６の接続部近傍に形成
される混在部１２とに分離される。ここで、半導体チッ
プ１および配線基板４全体を４０〜８０℃に加熱するこ
とにより、封止樹脂７の粘度が下がり、より効果的にフ
ィラー８を移動させることができる。
【００４７】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の半導体装
置の実装構造によれば、封止樹脂の充填前の球状フィラ
ーの混入比率を低くでき、封止樹脂全体の粘度を下げる
ことができるため、封止樹脂を充填する時間を短縮する
ことができるとともに、微細ピッチ構造であっても良好
な封止樹脂の充填が可能である。
【００４８】また、半導体チップの回路面と封止樹脂と
の密着力を強くすることができるため、密着力の劣化に
より発生するチップパッドのアルミ腐食を抑えることが
できる。
【００４９】さらに、配線基板にはベース樹脂とフィラ
ー混在層が密着しており、この混在層はフィラーが集ま
っているために熱膨張係数が低くなっている。したがっ
て、配線基板の大きな熱膨張、熱収縮によるチップ電極
と基板電極との接続部のはんだバンプに加わる応力を緩
和し、熱サイクルによる接続部の破壊を防ぐことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の半導体装置の実装構
造を示す断面図である。
【図２】図１におけるパッド配列部分を拡大した断面図
である。
【図３】図１に示された実装構造と従来の実装構造との
ＰＣＴによる比較の結果を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の半導体装置の実装構
造におけるチップ中央部分近傍の構成を示す断面図であ
る。
【図５】本発明の第２の実施形態の半導体装置の実装構
造を示す平面図である。
【図６】本発明の半導体装置の実装方法の一実施形態の
手順を示すフローチャートである。
【図７】封止樹脂の温度と粘度との関係を示す図であ
る。
【図８】本発明の半導体装置の実装方法の他の実施形態
を説明するための原理図である。
【図９】本発明の半導体装置の実装方法のさらに他の実
施形態を説明するための原理図である。
【図１０】従来の半導体装置の実装構造を示す断面図で
ある。
【符号の説明】
１ 半導体チップ ２ チップ電極 ３ Ａｕバンプ ４ 配線基板 ５ 基板電極 ６ はんだバンプ ７ 封止樹脂 ８ フィラー ９ ベース樹脂層 １０ 混在層 １１ ベース樹脂部 １２ 混在部 １３、１４ 回転軸

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体装置を配線基板上にフリップチッ
    プ接続し、前記半導体装置と前記配線基板との間隙に封
    止樹脂を充填した半導体装置の実装構造であって、 前記封止樹脂が、該封止樹脂を構成するベース樹脂のみ
    が存在する第１の部分と、該ベース樹脂とフィラーが混
    在する第２の部分とを含むことを特徴とする半導体装置
    の実装構造。
  2. 【請求項２】 前記第１の部分と前記第２の部分は、前
    記半導体装置と前記配線基板との間隙において、互いに
    重なる層をなしていることを特徴とする前記請求項１に
    記載の半導体装置の実装構造。
  3. 【請求項３】 前記ベース樹脂により形成される層が、
    前記半導体チップ側に配置され、前記ベース樹脂と前記
    フィラーとが混在した層が前記配線基板側に配置される
    ことを特徴とする前記請求項２に記載の半導体装置の実
    装構造。
  4. 【請求項４】 前記ベース樹脂により形成される層と前
    記ベース樹脂と前記フィラーとが混在した層の厚さの比
    が、１：１〜１：１０の範囲内にあることを特徴とする
    前記請求項２または３に記載の半導体装置の実装構造。
  5. 【請求項５】 前記第１の部分が前記半導体装置の中心
    近傍に配置され、前記第２の部分が前記半導体装置と前
    記配線基板とのフリップチップ接続部近傍に配置される
    ことを特徴とする前記請求項１に記載の半導体装置の実
    装構造。
  6. 【請求項６】 半導体装置と配線基板とが、前記半導体
    装置上に形成された第１のバンプと前記配線基板上に形
    成された第２のバンプとを接合し、前記半導体装置と前
    記配線基板との間隙に封止樹脂を充填した半導体装置の
    実装構造において、 前記封止樹脂は、前記半導体装置の回路面に密着した第
    １の層と、該第１の層を形成する材料よりも熱膨張係数
    が低い材料により形成され前記配線基板上に配置される
    第２の層とを含むことを特徴とする半導体装置の実装構
    造。
  7. 【請求項７】 前記第１の層には、前記封止樹脂を構成
    するベース樹脂のみが存在し、前記第２の層には、前記
    ベース樹脂と熱膨張係数が該ベース樹脂よりも低いフィ
    ラーとが混在していることを特徴とする半導体装置の実
    装構造。
  8. 【請求項８】 半導体装置を配線基板上にフリップチッ
    プ接続し、前記半導体装置と前記配線基板との間隙に封
    止樹脂を充填した半導体装置の実装方法であって、 前記封止樹脂を、該封止樹脂を構成するベース樹脂のみ
    が存在する第１の部分と、該ベース樹脂とフィラーが混
    在する第２の部分とに分離する工程を含むことを特徴と
    する半導体装置の実装方法。
  9. 【請求項９】 前記分離する工程は、 前記半導体装置および前記配線基板を加熱して前記封止
    樹脂の粘度を低下させ、該封止樹脂中に含まれる前記フ
    ィラーを移動させるものであることを特徴とする前記請
    求項８に記載の半導体装置の実装方法。
  10. 【請求項１０】 前記半導体装置および前記配線基板
    を、前記封止樹脂の粘度が５Ｐａ・ｓ以下になる温度に
    加熱することを特徴とする前記請求項９に記載の半導体
    装置の実装方法。
  11. 【請求項１１】 前記分離工程は、 前記封止樹脂を充填した後、前記半導体装置および前記
    配線基板に回転を加え、 該回転により生じる遠心力の作用により前記封止樹脂中
    に含まれる前記フィラーを移動させるものであることを
    特徴とする前記請求項８に記載の半導体装置の実装方
    法。
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