(57)【要約】【課題】半導体装置の配線基板の薄型化が進み配線基板の機械的剛性が低くなると、熱応力により配線基板が容易に変形し、半導体チップの側面と封止樹脂との界面およびアンダーフィル材の側面と封止樹脂との界面に曲げ応力がかかり剥離する問題がある。【解決手段】有機材料を絶縁層とする配線基板と、前記配線基板にフリップチップ実装により搭載されている半導体チップと、前記配線基板と前記半導体チップとの間の隙間に充填されているアンダーフィル材と、前記配線基板と前記半導体チップを覆う封止樹脂と、からなる半導体装置において、前記アンダーフィル材は、前記半導体チップの側面全体に濡れ上がっており、その端部が前記配線基板外周に向かって裾をひくフィレット形状であって、前記半導体チップ側面から前記フィレット端部までの距離が、前記配線基板と半導体チップの離間距離の25倍以上の長さであることを特徴とする半導体装置。【選択図】図３
2010114243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機材料を絶縁層とする配線基板と、
前記配線基板にフリップチップ実装により搭載されている半導体チップと、
前記配線基板と前記半導体チップとの間の隙間に充填されているアンダーフィル材と、
前記配線基板と前記半導体チップを覆う封止樹脂と、からなる半導体装置において、
前記アンダーフィル材は、
前記半導体チップの側面全体に濡れ上がっており、
その端部が前記配線基板外周に向かって裾をひくフィレット形状であって、
前記半導体チップ側面から前記フィレット端部までの距離が、前記配線基板と半導体チップの離間距離の25倍以上の長さであることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を配線基板上に搭載した半導体装置に係わり、特には、半導体素子を配線基板に固定する固着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体チップの入出力用端子数の増加や実装面積の狭小化に対応するために、半導体チップの端子を配線基板と対向させて実装するフリップチップ実装が広く普及している。半導体チップの発熱により半導体チップおよび配線基板が熱膨張するとき、従来のワイヤーボンディング実装では接続配線であるワイヤーが十分に長く、弧を描く形状で接続されているため、半導体チップと配線基板の熱膨張率の差異で発生する応力による配線基板の変形に対応できていたが、フリップチップ実装では、基板と半導体がはんだを介して直接に接合しているため、はんだ自体と上下の接合部分は応力の影響を受けやすく、当該部位の破断や剥離により接続信頼性が低下する問題がある。
【０００３】
前記の問題に対しては、半導体チップと配線基板の間の隙間にアンダーフィル材を充填し硬化させることで接続端子部の応力を緩和する手法が広く採用されている。更には、半導体装置全体を保護し熱による変形を抑制するために封止樹脂で被覆することも一般に行われている。また、放熱のために半導体チップの上面を露出させることや、更に半導体チップ上に放熱板を取り付けることで温度上昇を抑制することも広く行われている。
【０００４】
図１に半導体チップと配線基板がフリップチップ実装されている半導体装置の構造を模式的に示す。半導体チップ１０１は、はんだバンプ１０３を介して配線基板１０２と接合している。半導体チップと配線基板では熱膨張率が異なり、熱がかかったときに接合せしめているはんだバンプ１０３に応力がかかるため、応力緩和を目的として、アンダーフィル材１０４が、半導体チップ１０１と配線基板１０２の間の隙間に充填される。更に半導体装置全体を保護し熱による変形を抑制するために封止樹脂１０５で被覆される。
【０００５】
図１（ａ）は半導体チップ１０１の上面まで封止樹脂１０５で被覆したものである。図２（ｂ）は、半導体チップ１０１の上面が露出するように半導体チップ１０１の周辺のみを封止樹脂１０５で被覆したものである。図１（ｂ）の構造は、半導体チップ１０１の上面を露出させることによって（ａ）よりも熱抵抗を下げて、半導体チップ１０１からの発熱を効率よく放熱させることを目的としており、放熱板（図示せず）を半導体チップ１０１の上面に貼付する場合もある。
【０００６】
前記のごとく、半導体チップの発熱によって応力が発生した際に、配線基板１０２が十分に厚く機械的剛性が高いときには、熱応力による配線基板の変形が小さい。
【０００７】
一方、電気特性の向上などを目的として半導体チップが実装される配線基板の薄型化が進んでいる。薄型の配線基板は、機械的剛性が低く外部からの応力により容易に変形してしまうので、半導体チップやアンダーフィル材、封止樹脂などと配線基板との熱膨張率の差異により応力がかかった場合に、発熱前の形状を保つことが難しく、やはり上記材料間の界面で剥離を誘発する可能性がある。そこで、薄型化した場合の変形の特徴を以下に述べることとする。
【特許文献１】特開２００７−３３５７４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１（ｂ）に対して配線基板を薄型にした時の模式図を図２（ａ）に示す。シリコンからなる半導体チップ２０１は、はんだバンプ２０３を介して樹脂製の配線基板２０２と接合している。半導体チップと配線基板では熱膨張率が異なり、熱がかかったときに接合せしめているはんだバンプ２０３に応力がかかるため、応力緩和を目的としてアンダーフィル材２０４が半導体チップ２０１と配線基板２０２の間の隙間に充填される。更に上記半導体装置全体を保護するために封止樹脂２０５で被覆される。
【０００９】
図２（ａ）の構造では配線基板２０２が薄型であり機械的剛性が低いため、たとえ相互の熱膨張率を調整したとしても、熱がかかったときに半導体チップ２０１と配線基板２０２との熱膨張率の差異で発生する応力や、封止樹脂２０５と配線基板２０２との熱膨張率の差異で発生する応力により配線基板の変形を生じてしまう。
熱がかかったときの半導体装置の様子を模式的に図２（ｂ）に示す。半導体チップが搭載されている領域２１０では、半導体チップ２０１の方が配線基板２０２よりも熱膨張率が小さいため、熱膨張率の差異により配線基板側に凸の変形となる。一方、封止樹脂２０５と配線基板２０２が接している領域２１１においては、配線基板２０２の方が封止樹脂２０５よりも熱膨張率が小さい組み合わせにせざるを得ないため、領域２１０とは反対に熱膨張率の差異により封止樹脂側に凸の変形となる。領域２１０と領域２１１での変形方向が異なることから、半導体チップ２０１と封止樹脂２０５の界面およびアンダーフィル材２０４と封止樹脂２０５の界面には剥離を促す曲げ応力がかかってしまう。
【００１０】
このように配線基板の薄型化が進み配線基板の機械的剛性が低くなると、上記の応力により配線基板が容易に変形し、半導体チップの側面と封止樹脂との界面およびアンダーフィル材の側面と封止樹脂との界面に曲げ応力がかかり剥離する問題がある。特に半導体チップの上面が露出している場合は、半導体チップの側面と封止樹脂との界面が表面に露出しており、界面が表面に露出している部分が剥離の起点となって剥離が進行しやすいという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、かかる課題を解決するものであり、有機材料を絶縁層とする配線基板と、前記配線基板にフリップチップ実装により搭載されている半導体チップと、前記配線基板と前記半導体チップとの間の隙間に充填されているアンダーフィル材と、前記配線基板と前記半導体チップを覆う封止樹脂と、からなる半導体装置において、前記アンダーフィル材は、前記半導体チップの側面全体に濡れ上がっており、その端部が前記配線基板外周に向かって裾をひくフィレット形状であって、前記半導体チップ側面から前記フィレット端部までの距離が、前記配線基板と半導体チップの離間距離の25倍以上の長さであることを特徴とする半導体装置としたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、アンダーフィル材の外周部が配線基板外周に向かって裾をひくフィレット形状となし、且つフィレット部を十分に長くすることで、熱膨張の差が大きい封止樹脂と配線基板とが接触する面積を小さくするとともに、熱膨張率が段階的に単調に変化することで応力の発生が抑えられると共に、アンダーフィル材のフィレット端部と半導体チップの側面上部とを結ぶ線の方向が配線基板と平行に近くなり、配線基板の変形に起因する曲げ応力が、封止樹脂と半導体チップとの界面の剥離に与える影響を抑制することができる。また、封止樹脂とアンダーフィル材との接触面積が大きいため、封止樹脂とアンダーフィル材との密着も良好となり、封止樹脂とアンダーフィル材の剥離も抑制できる。
【００１３】
更にまた、半導体チップの上面における半導体チップと封止樹脂との界面の露出部分近傍までアンダーフィル材が濡れ上がることで、封止樹脂が、アンダーフィル材と比して密着性に劣る半導体チップと接触することを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、アンダーフィル材の線熱膨張率（30〜40×10-6/℃）が、半導体チップの線熱膨張率（〜10×10-6/℃）や配線基板の線熱膨張率（15〜25×10-6/℃）より大きく、封止樹脂の線熱膨張率（50〜80×10-6/℃）より小さければ、半導体チップと封止樹脂および配線基板と封止樹脂が直接接するよりも、その間にアンダーフィル材が介在すれば当該アンダーフィル材が応力緩和の役割を果たすということに基づいている。
以下に本発明における実施形態の一例を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１５】
配線基板として絶縁層にポリイミドを使用した薄型の有機基板（厚さ230μm）を用いて、配線基板に半導体チップをフリップチップ実装した。半導体チップを実装した後、ディスペンサー装置によってアンダーフィル材を半導体チップと配線基板との間の隙間に充填する。充填時間およびディスペンサーヘッドの移動を制御することで、アンダーフィル材のフィレット部の形状を制御する。本発明にあるように、アンダーフィル材が半導体チップの側面に濡れ上がり、半導体チップ側面とアンダーフィル材フィレット端部の距離を長くする時には、半導体チップと配線基板との間の隙間にアンダーフィル材が充填されるまでディスペンサーからアンダーフィル材を吐出した後、半導体チップ外周に沿ってディスペンサーヘッドを移動させながら、アンダーフィル材を塗布すれば良い。半導体チップと配線基板の離間距離は約100μmであるため、アンダーフィル材のフィレット部の長さを3mmとした。また、比較対象としてアンダーフィル材のフィレット部の長さが1mmのものも同時に製作した。
【００１６】
アンダーフィル層を形成した後、トランスファーモールドにより封止樹脂で配線基板およびアンダーフィル層を被覆する。トランスファーモールドに用いる金型を半導体チップ上面に接する形状として、封止樹脂が半導体チップ上面に流れ込まないようにし、半導体チップ上面が露出するようにした。
【００１７】
図３（ａ）は、配線基板３０４の上に半導体チップ３０３をフリップチップ実装した後、半導体チップ３０３と配線基板３０４の間の隙間にアンダーフィル材３０５を充填した構造で、従来のアンダーフィル材３０５のフィレット部が短い構造を、図３（ｂ）は、本発明によるアンダーフィル材３０５のフィレット部が半導体チップ３０３と配線基板３０４の間隙の高さの25倍以上の長さである構造を模式的に示したものである。図３（ｂ）に示すようにアンダーフィル材３０５のフィレット部が長く裾をひくと、封止樹脂３０６と配線基板３０４が直接接する領域３０２が小さくなり、封止樹脂３０６と配線基板３０４の熱膨張率の差異により発生する応力およびこの応力による配線基板３０４の変形を抑制することができる。また、アンダーフィル材３０５のフィレット部が存在する領域３０１においては、封止樹脂３０６と配線基板３０４の間にアンダーフィル材３０５が介在することにより前記応力が緩和されるため、この領域３０１においても配線基板３０４の変形を抑制することができる。
【００１８】
また、封止樹脂３０６と配線基板３０４の熱膨張率の差異により、封止樹脂３０６と配線基板３０４が直接接している領域３０２において、配線基板３０４が変形した際には、この変形による曲げ応力は、アンダーフィル材３０５のフィレット部終端３０７を支点として、半導体チップ３０３の側面から封止樹脂３０６を引き剥がす方向にかかる。図３に示すように、半導体チップ３０３の上面が露出している場合には、半導体チップ３０３の側面上部３０８に大きな曲げ応力がかかり剥離の起点となるが、変形による曲げ応力の支点３０７と剥離の起点３０８を結ぶ線が配線基板に対して平行に近いほど、半導体チップ３０３と封止樹脂３０６の界面にかかる曲げ応力が小さくなり、半導体チップ３０３と封止樹脂３０６の剥離に及ぼす影響が小さくなる。
【００１９】
また、封止樹脂３０６とアンダーフィル材３０５の接触面積を大きくできることから、封止樹脂３０６とアンダーフィル材３０５の密着を高めて界面の剥離を抑制することができる。
【００２０】
製作した半導体装置について温度サイクル試験を実施し、試験後の外観を観察した。試験はJEDEC半導体技術協会の規格であるJESD22-A104Cに規定されているTest Condition Bに則って、-55℃と125℃の繰り返しの条件にて行った。試験後の外観を観察すると、フィレット部の長さが1mmのものは、半導体チップ側面上部において半導体チップと封止樹脂の剥離が観察されたが、フィレット部の長さが3mmのものでは剥離は観察されなかった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の半導体装置の一例を示す模式断面図である。
【図２】薄型配線基板を使用した半導体装置の一例を説明する模式断面図である。
【図３】本発明の半導体装置の一例を説明する模式断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０１、２０１、３０３、４０１・・・半導体チップ
１０２・・・配線基板
１０３、２０３・・・はんだバンプ
１０４、２０４、３０５、４０３・・・アンダーフィル材
１０５、２０５、３０６、４０４・・・封止樹脂
２０２、３０４、４０２・・・薄型配線基板
２１０・・・半導体チップが搭載される領域
２１１、３０２・・・配線基板と封止樹脂が接している領域
３０１・・・アンダーフィル材のフィレット部
３０７・・・アンダーフィル材のフィレット部終端
３０８・・・半導体チップ上面角部
【図１】
2010114243.tif 000003
【図２】
2010114243.tif 000004
【図３】
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