JPS6124253A - 半導体パツケ−ジ構造 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体チップの電極端子をはんだによシ多層
プリント基板上の電極端子に接合した後、樹脂によシ被
覆した半導体チップのパッケージ構造に関する。

〔発明の背景〕

従来、Ｓｉチップの端子を基板の端子にはんだ付する手
法としてＣＣＢ　（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ＣＣｏ１１
ａｐｓｅＢｏｎｄｉｎ　）法が知られでいる。ＣＣＢチ
ップを塔載したパッケージ構造として、第６図（２）に
示すように、Ａ　Ｉ　２０ｓ基板２上の端子へのはんだ
付４が一般的であり、チップ１の周囲をＡ／＝のキャッ
プ３及び樹脂５で封止するＡｘｉ３１ｐｉｎ　　タイプ
６のパッケージが知られている。第６図（ト）に示すよ
うに、温度サイクル条件が同一ならばＳｉチップの熱膨
張係数（α＝２ゴＸＩＯ’／Ｃ）とＡ’２０３　の熱膨
張係数（α＝６．８Ｘ１０−’／Ｆ）との差、及び距離
（ｄ）が、はんだバンプを破壊することによシこの実装
における熱疲労寿命を決定する。プロセス等のばらつき
を考慮すると、最外周のけんだバンプ間距離ｄとして６
ｔｔａｎφ（チップ寸法は約４．５〜５、　Ｏｔｓｍ　
Ｏ）で、厳しい条件下で十五年の寿命が限界であること
を確認している。しかし、ＳＩチップ寸法の大型化、多
端子化の要求が強く、例えば、８〜１０闘０チツプに対
しても、千五年の寿命を保証するには、さらに高信頼性
のパッケージが要求されている。

しかし、第７図に示すように、耐湿性を向上させ石目的
でチップ周辺にシリコンゲル７を被穆した構造の熱疲労
寿命は、裸チップの構造に比べ、約２０チ低下すること
が温度サイクル試験で確認された。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、浸水経路を長く、複雑にすることによ
シ、浸水を防ぎ、耐湿性を向上させた半導体パッケージ
構造を提供するにある。

〔発明の概要〕

発明者らは、Ｓｉチップ周囲を樹脂で被覆することによ
シ、裸チップよυも数倍の熱疲労寿命に耐えるパッケー
ジを可能にすることを見出した。

この構造はＤ　Ｉ　Ｐ　（Ｄｕａｌ　Ｉｎ１ｉｎｅ　Ｐ
ａｃｋａｇｅ）と異なシ、耐浸水性にも優れているが、
さらに、耐浸水性を向上させるため、従来、浸水経路と
されている界面（樹脂と基板）を長く複雑にすることに
よシ、進入を阻止させるものである。

さらに、アルミキャップをかぶせ、外部を新たな樹脂で
封止することによ＃）、８ｊチツプに対しては二重の樹
脂封止であることから、本発明のノくツケージは、従来
パッケージ以上の耐湿性構造を可能にする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

まず、本発明の被覆樹脂材料について説明する。

エポキシ樹脂の熱膨張係数αは約１００ＸＩＯ−’／Ｃ
であシ、半導体チップ、例えば、Ｓｉチップの熱膨張係
数αｓｉ　＝　３　Ｘ　Ｉ　ＣＶ’／Ｃや、有機多層板
、例えば、ガラスエポキシ基板の熱膨張係数αＰａ”１
２．５　Ｘ　１０−’／ｌ：’　　に比べて大きい。一
般に、耐熱疲労性を向上させるには、熱膨張係数が半導
体チップや基板のそれに近い被覆樹脂を適用することが
望ましい。

そこで、エポキシ樹脂もしくはポリイミド樹脂に石英粉
のような、熱膨張係数の小さな無機材料を混入して低膨
張化する。例えば、体積にして５０係の石英粉を混入す
ると、熱膨張係数αは約２５ｘｔｏ−’／ｃに低下する
。しかし、混入率を高くするに従って樹脂の粘度が高く
なシ、流動性が低下すると、被覆工程で、はんだバンプ
周囲の空隙部に樹脂が侵入しにくくなって、空隙部が残
ったシ、基板との密着性が低下したシ、被覆の作業性が
低下する問題が生じる。この結果、逆に、耐熱疲労性及
び耐湿性が低下してしまうことがある。また、混入率を
高くすると樹脂の柔軟性が低下して、基板及びＳｉチッ
プとの接着部に応力が集中するため、この応力によシ基
板及びＳｉチップが破損されてしまうことがある。

従って、単に低膨張化材を混入して低膨張化するだけで
は、耐熱疲労性の向上に限度があるためさらに、その流
動性及び柔軟性を改善する必要がある。

そこで、本発明は低膨張化材に加えて球形である粒状の
弾性材料、例えば、ポリブタジェン、ポリイソプレン、
シリコーン等のゴム粒子を分散混入し、これによって柔
軟性及び流動性を向上させようとするものである。つま
シ、被覆樹脂内のゴム粒子は応力緩衝材として作用する
ので柔軟性が向上して応力集中や歪が緩和される、これ
によりて耐熱疲労性を向上させる。寸だ、粒状のゴム粒
子の作用によって流動性を向上させる。

しかし、ゴム粒子の混入率にも最適な範囲がある。例工
ば、粒径１μｍレベルのポリブタジェンからなるゴム粒
子を混入した場合、エポキシ樹脂に対するゴム粒子の重
量比を１００対２０以上（以下、型理部又は部と称し、
例えば２０部以上′と表現する）にすると、ゴム粒子の
分散が不均一になってしまい、ポリブタジェンの熱膨張
係数αけ約８０　Ｘ　１０＝／Ｃと大きいので、混入後
の被樟樹脂の熱膨張係数αが犬となってしまい、耐熱疲
労性を低下させる原因となる。また、流動性向上の効果
も、飽和現象があるので大幅向上は期待できない。

これらのことを、実施例を用いて行なった実験結果に基
づいて説明する。第１表に、エポキシ樹　　　　　−脂
を主材料とし、粒径的１μｍの石英粉を低膨張化材とし
て、粒径的１μｍのポリブタジェンの均一なゴム粒子を
緩衝材と゛し、それらの混入率の異なる種々の樹脂によ
シ被覆した半導体装置を試料として、前述と同一の温度
サイクル試験を行なった判定結果を示す。なお、基板、
Ｓｉチップ及びはんだバングは第６図の図示において、
Ｓｉチップを一個としたものと同一構成のものとし、樹
脂の厚さ、樹脂の面積は同一とし、判定は樹脂被覆を施
こさない裸チップのものと比較して、早いサイクルで故
障に至った試料を不合格としてＸ印で示し、合格したも
のについては故障率を基準に、優れている順に○、Δ印
で示した。なお、試験条件は一５５〜１５０ｃ、１〜／
ｈの温度サイクルである。

また、被覆樹脂には硬化温度を低くするための添加材、
例えば、硬化促進剤としてイミダシルを５重量％、硬化
剤としてジシアンアミドを１部重ｉ獣シランカップリン
グ剤を２重量％等を混入し、硬化温度１ａＯｔ、硬化時
間を一時間とした。

第１表に示す判定結果から、低膨張化材と緩衝材の混入
効果について考察する。まず、ポリブタジェンの混入率
が０部、即ち、石英粉のみを混入した試料は、全て裸チ
ップのものよシ悪い判定結第１表 果となっているが、樹脂被覆された試料相互間で定量的
に比較すると、石英粉の混入率を高めるにつれて熱疲労
寿命が増大することを実験で確認している。但し、石英
粉の混入によシ流動性が低下して、Ｓｉチップ下とはん
だバンプの周囲への浸透が悪くなるので、この点からみ
て、石英粉の混入率は６５体積チが限界である。

一方、ポリブタジェンは若干混入するだけで、急激に故
障率が低下し、緩衝材及び流動化材としての効果が顕著
に表われ、耐熱疲労性で裸チップよシも優れた特性が得
られた。但し、ポリブタジェン混入率を高くすると、前
述のように、その分散が不均一となシ、耐熱疲労性が低
下する。

これらのこと及び第１表から、石英粉の混入率は３０〜
６０体積チ、ポリブタジェンゴム粒子の混入率＃′ｉ１
〜２０部の範囲に選定することによシ、裸チ゛ツブよシ
も優れた耐熱疲労性のものとすることができる。例えば
、石英粉５０体積チ、ポリブタジェン５部を混入したも
のの耐熱疲労性（寿命）は、裸チップの二倍以上であシ
、信頼性が大幅に向上した。

なお、低膨張化材としては石英の他、炭酸カルシウム、
炭化シリコン、窒化シリコン、又は、酸化ベリリウム混
入の炭化シリコン等のように、いわゆる熱膨張係数の小
さな無機材料が適用可能であり、同一の効果が得られる
。この低膨張化材の粒径も、上述の実施例の１μｍに限
られるものではない。

また、弾性材としてはポリブタジェンゴム粒子の他、シ
リコンゴム粒子等のように、いわゆる弾性の大きなゴム
粒子が適用可能であシ、その粒径にも、１μｍＶＣ限ら
れるものではない。

また、樹脂の中にカーボンブラックを約０．２チ入れる
ことによシ、信頼性に影響を与えないで黒色に着色させ
ることができる。樹脂は長時間使用すると表面が劣化し
て変色する。このため、特性は変らなくとも不安感をい
だかせることになる。

そこで黒色、もしくは、赤色（ベンガラ混入）に着色さ
せることによシ、劣化による変色が目立たず、安心して
使用することができる利点がある。

次に、樹脂被覆の形状について説明する。

前述したように、石英粉等の低膨張化材を混入して本、
エポキシ樹脂つ熱膨張係数αは基板やＳｉチップに比べ
てまだ大きな値である。そして、それらの部材間の熱膨
張量の差によシ生じる応力によってＳｉチップ、はんだ
バンプ、基板、又は、それらの部材の接続部が破損され
る。実験によると、はんだバンプとＳｉチップとの接続
部が、繰返し応力に対して最も弱いことが分かった。

そこで、その接続部に発生する応力を低減することがで
きる樹脂被覆の形状、即ち、Ｓｉチップ上面の被覆厚み
と、Ｓｉチップ周辺部の被覆幅について、有限要素法に
よシ求めた。

即ち、Ｓｉチップ上面の被覆厚みｔｍ＋としたとき、は
んだバンプとＳｉチップの接続部にかかる最大応力（破
損に関係する引張応力）を求め、第８医員に裸チップに
おける最大引張応力に対する比率として示した。なお、
第８図囚、（ＯＫ示すように、基板、Ｓｉチップは６鴫
角、はんだバンプは球欠体形状のものとし、樹脂被覆は
全体幅を１５篇角一定としたものをモデルとし、図示矢
印の方向の最大応力を求めたものである。矢印の位置に
おける応力は、温度が室温から１００１：’に変化した
ときは引張応力となシ、室温から−４０１：に変化した
ときは圧縮応力になる。

第８図に）から明らかなように、樹脂８の被覆厚みｔが
増すにつれて、Ｓｉチップ１とはんだバンプ４の接続部
にかかる最大引張応力が大きくなシ、被覆厚みｔけ薄い
ほどよいが、機械的保護及ｑ耐湿性保護から許容最小厚
みが制限され、ｔは０．１〜１．ＯｗＩＲの範囲で選定
することが望ましい。

一方、第９医員にＳｉチップの周辺に形成される樹脂被
覆の幅ｔ、／ａと、接続部にかかる最大応力との関係を
示す。なお、モデルは第９図■、　（Ｃ）に示すように
第８図■、（Ｑと同様のものであシ、被覆厚さｔを１．
５．ｗ一定、８ｉチツプの幅を２ａ。

Ｓｉチップ端縁から被覆外縁までの寸法、即ち、Ｓｉチ
ップ周辺域に形成される被覆の幅をｔとした。

第９図囚に示すようにｔ／ａが増すにつれて最大引張応
力が減少する傾向にある。このことは、周辺域の被覆幅
ｔが広くなると、被覆幅ｔの中心（図示ｏ、ｏ’　）よ
シ内側力被覆が温度上昇時に内側方向に伸び、とれによ
ってＳｉチップに対して圧縮方向に応力が作用すると考
えられる。なお、このことは計算によって゛確認してい
る。

従って　ｔ／　ａを大にすれば最大引張応力を減少する
ことができる。即ち、被覆樹脂の熱膨張係数が大であっ
ても、被覆形状を適切なものとすることによシ、裸チッ
プのものよυも耐熱疲労性を向上させることができる。

しかし、ｔ／ａ≧２．０以上にしても、最大引張応力の
彼減効果が小さくなる反面、基板と樹脂被覆との接着部
が破損しやすくなること、及び高密度実装を考慮すると
、１７ａは０．５〜１．０が望ましい範囲である。−例
を示せば、Ｓｉチップ上面の被覆厚み０．３　ｍｓ。

ｔ／ａは０．８とすれば無理な力がかからない構造にな
る。

以上の実施例を組合わせることによって、一層耐熱疲労
性に優れたものになる。本発明で述べている高信頼性構
造とは、被覆の材料、形状共に適正の域にあることであ
り、一方が欠けると裸チップの寿命以下になるおそれが
でる。

力お、半導体チップの半導体素子が形成されている面は
、はんだバンプが接合されている面であるが、一般にこ
の面には５ｉ０２又はポリイミドなどの薄膜によシ保護
されている。しかし、はんだバンプが接合されている部
分はそれらの薄膜が形成されていないため、耐湿性の問
題について考察する。一般に知られているＤＩＰ型の第
１θ図に示す樹脂モールド半導体装置では、リードフレ
ームのタブ９上にＳｉチップ１の裏面をはんだ付され、
素子１０側の端子はＡｕ線１１を熱圧着法で接続し、そ
の全体を樹脂モールドした構造となっている。ところが
、リード線１１と樹脂１２との界面を伝わって水分が侵
入し、さらにＡｕ線１１を伝わって８ｉチツプ１上のＡ
ｔ配線１３を腐食させて、断線する故障が良く見られる
。

しかし、第１図に示すように、本発明による構造では、
基板上の樹脂被覆部分１４にＤＩＰのリードのような引
出し線が無いこと、基板２と樹脂８も同系統の樹脂材で
おること等から、界面を伝わる水分の浸入がＤ　Ｉ−Ｐ
構造に比べて少ないことが予想される。さらに、はんだ
（ｐｂ　　５ＳＳｎ。

ｐｂ−６０％ａｎ等）４電Ａ４材に比べ耐食性に優れ、
総じて耐湿性−に優れている。さらに厳しい耐湿性を要
求される場合は、第１図に示すように、チップ周囲の基
板の表面に溝１５を設けることによシ、界面を伝わる水
分の浸入を少なくさせることが可能である。凹部はフラ
イス等による機械的加工が一般的であるが、レーザ等を
用いる方法でも可能である。また、凹部は多いほどその
効果がある。溝の形状は四角だけでなく、多角、円でも
良い。

第２図はＡ　ｌ　ｔ　Ｏｓ基板に適用した例で、レーザ
で溝加工しても良いが、ここでは印刷で作り上げた凸部
の例を示す。

このように作られたパッケージは既にＤＩＰ以上に耐湿
性に優れた構造であるが、さらに耐湿性の向上を目的と
して、第３図に示すように、基板上の被覆された８ｉチ
ツプを覆うようＫＡｔキャップ３をかぶせ、さらにスル
ーホールを介して入出力ピンをはんだ付けした基板の裏
面、及びＡｔキャップと基板間とのすき間５をうめるよ
うに耐浸水性のエポキシもしくはシリコン系の樹脂を被
覆することによＦ）、Ｓｉチップに対し・て二重被覆と
した。そして、従来の第７図に示した高信頼ＣＣＢパッ
ケージよシも、同等以上の、耐湿性をもつ優れた低コス
トパッケージを可能にすることができる。

樹脂の被覆方法を第４図に示す。まず、チップ１の片側
に一定情の円柱状の樹脂１９を載せ、基板を傾けた状態
で炉２０の中を通す（１３０ＣＸ１０−）と、チップ下
の空洞部２１は完全に樹脂１９で満たされる（第４図＠
）。その後、第５図に示す外枠１８を取シつけ、新たに
同一組成の樹脂８を添加して、加圧し１３０Ｃ，ｌｈの
条件で硬化すると、第４図（Ｏに示すパッケージが出来
る。

なお、熱処理中に真空脱泡すれば、更に耐湿性に優れた
パッケージとなる。

この他、界面での樹脂の密着性を向上させる目的で有機
多層板表面を化学的に荒す処理を行なうことも効果があ
る。

なお、Ｓｉチップのはんだバンプ組成はｐ−、ｂ　−５
％Ｓｎとし、赤外線加熱法でＳｉチップ周囲を遮へい“
して接続した。ビンのはんだ付けはｐｂ−６０’１６８
ｎの共晶系のはんだを用いて、はんだの温度階層性をも
たせた。また、ｐｂ−ｓｎ共晶系はんだ組成をＳｉチッ
プのはんだバンプとすることも可能である。この場合、
ピン付けにｐｂ−１０４８ｎ等の高温はんだを用い、さ
らに、このパッケージをプリント板等にはんだ付けする
場合は、再度、ｐｂ−ｆＪｎ共晶系はんだ、もしくは、
さらに、低融点はんだを使用すればよい。

ビン構造の場合のピッチは、Ｓｉチップのけんだバンプ
ピッチを２５４μｍとすれば、一つおきめ場合、５０８
μｍにつおきの場合、７６２μｍになる。これらは、基
板に整合層を層けることで可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、浸水性を阻止することができるので耐
湿性に優れた効果がちシ、また、有機多層板を使用でき
るので、低コストで高信頼性が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図（４）平面図（Ｂ）
、第２図はＡ　ｌ　ｔ　Ｏｓ基板に適用した場合の断面
図、第３図は複数チップ塔載に応用した場合の断面図（
４）と平面図■、第４図は樹脂被覆プローセスを示す断
面図、第５図は平坦化プロセスの断面図、第６図は従来
例の樹脂被覆なしの断面図、第７図はシリコンゲルを被
覆した従来例の断面図、第８図は樹脂被覆の厚さの効果
を示すための説明図■と断面図（１３，Ｃ）、第９図は
樹脂被覆の幅の効果を第１　口 （Ａ＞ （Ｂ〕 ＄２　図 第３　固 第１Ａ　　固 （ｃ） ＄５　図 第６　凶 （Ａ） ￥７目 茅８　図 （ハ） ＣＢ） 茅３ｚ、９ （Ｂ）　　　　　　　　　（ｃ） □ 茅　ＩＯ目 、３１Ｉ Ｉｔ　　　　　　　　　ゾ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体チップと、この半導体チップの載置される基
   板と、この基板と前記半導体チップとの対向する電極端
   子間に形成されたはんだバンプと、このはんだバンプ周
   囲の空隙部を充填し、且つ、前記半導体チップを包囲し
   て形成された樹脂被覆とからなる半導体装置において、 前記基板の表面上の前記半導体チップ周辺部に凹凸部を
   設けたことを特徴とする半導体パッケージ構造。