(57)【要約】  反りを抑制することができる薄型の半導体装置を提供する。半導体素子（３）は、半導体素子（３）の電極（８）と回路基板（２）の電極（７）とを電気的に接続するように、回路基板（２）にフリップ実装されている。半導体素子（３）の回路基板（２）とは反対側の面には、少なくとも半導体素子（３）が反ることを抑制する反り抑制層（５）と、半導体素子（３）と反り抑制層（５）との間に発生する応力を緩和する応力緩和層（４）とが形成されている。応力緩和層（４）は、半導体素子（３）と反り抑制層（５）との間の所定の間隔を確保するスペーサを有する。応力緩和層（４）のヤング率は、反り抑制層（５）のヤング率よりも低く、応力緩和層４及び反り抑制層（５）の線膨張係数は、半導体素子（３）の線膨張係数よりも大きい。これにより、回路基板（２）と半導体素子（３）との伸縮差による半導体装置（１）の反りを抑制することができる。
2008120705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に第１電極を有する半導体素子と、
実装面に第２電極を有する回路基板と、
少なくとも前記半導体素子が反ることを抑制する反り抑制層と、
前記半導体素子と前記反り抑制層との間に発生する応力を緩和する応力緩和層と、を備え、
前記半導体素子は、前記回路基板の前記第２電極と前記第１電極とが電気的に接続されると共に、前記一方の面と前記回路基板の前記実装面とが対向するように前記回路基板に実装されており、
前記応力緩和層は、前記半導体素子の前記一方の面とは反対側の他方の面に形成されており、
前記反り抑制層は、前記応力緩和層を介して前記半導体素子に積層されており、
前記応力緩和層は、前記半導体素子と前記反り抑制層の所定の間隔を確保するスペーサを有し、
前記応力緩和層のヤング率は、前記反り抑制層のヤング率よりも低く、
前記応力緩和層及び前記反り抑制層の線膨張係数は、前記半導体素子の線膨張係数よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
一方の面に第１電極を有する半導体素子と、
前記半導体素子と対向する一方の面とは反対側の他方の面に第２電極を有すると共に、前記第２電極に電気的に接続され、前記他方の面から前記一方の面へと横断する導体を有する回路基板と、
少なくとも前記半導体素子が反ることを抑制する反り抑制層と、
前記半導体素子と前記反り抑制層との間に発生する応力を緩和する応力緩和層と、を備え、
前記半導体素子は、前記導体を介して前記回路基板の前記第２電極と前記第１電極とが電気的に接続されると共に、前記一方の面と前記回路基板の前記一方の面とが接するように前記回路基板に積層されており、
前記応力緩和層は、前記半導体素子の前記一方の面とは反対側の他方の面に形成されており、
前記反り抑制層は、前記応力緩和層を介して前記半導体素子に積層されており、
前記応力緩和層は、前記半導体素子と前記反り抑制層の所定の間隔を確保するスペーサを有し、
前記応力緩和層のヤング率は、前記反り抑制層のヤング率よりも低く、
前記応力緩和層及び前記反り抑制層の線膨張係数は、前記半導体素子の線膨張係数よりも大きいことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記反り抑制層の線膨張係数が、前記回路基板の線膨張係数以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記応力緩和層の厚さが２０μｍ以上６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記応力緩和層のヤング率が１０ＧＰａ以上４０ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記スペーサの少なくとも１つの材料が、ガラス、セラミックス、金属又は樹脂であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記スペーサの形状は、シート状、粒状又は柱状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記応力緩和層は、前記スペーサを有すると共に、前記半導体素子と前記反り抑制層とを接合する樹脂を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記応力緩和層と前記反り抑制層の積層体のヤング率が前記回路基板のヤング率以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記回路基板が樹脂を含み、
前記応力緩和層が樹脂を含み、
前記回路基板の樹脂のガラス転移点と前記応力緩和層の樹脂のガラス転移点の差は、±２０℃であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記反り抑制層は導体からなり、
前記回路基板はグランド電極を有し、
前記反り抑制層と前記グランド電極とは電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記反り抑制層の少なくとも一部は、前記半導体素子から突出しており、
前記反り抑制層の突出部分と前記グランド電極との間に導電性樹脂が配されていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２００７−０８８６５７号（２００７年３月２９日出願）及び特願２００８−００３１８１号（２００８年１月１０日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は半導体装置に関し、特に、半導体素子が回路基板に実装された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器・電気機器の薄型化に伴い、それらに搭載する半導体装置は薄型化することが要求されている。そこで、半導体素子を回路基板上に実装する方法として、フリップチップ実装パッケージやウェハレベルチップサイズパッケージ（ＷＬＣＳＰ；Wafer Level Chip Size Package）などが実施されている。【０００３】
図９に、半導体素子がフリップチップ実装された背景技術に係る半導体装置の概略斜視図を示す。半導体装置４１において、半導体素子４３は、半導体素子４３の電極４８と回路基板４２の電極４７とをバンプ４９を介して電気的に接続するように、回路基板４２に実装されている。半導体素子４３と回路基板４２との間には、アンダーフィル樹脂４６が充填されている。【０００４】
この半導体装置４１の製造工程においては、半導体素子４３の電極４８と回路基板４２の電極４７とをバンプ４９を介して電気的に接続させるリフロー半田付け工程や、アンダーフィル樹脂４６を半導体素子４３と回路基板４２との間に充填し硬化させる工程において半導体装置４１は加熱される。【０００５】
一般的に、半導体素子４３の線膨張係数は２．６ｐｐｍ／℃であるのに対し、回路基板４２の線膨張係数は１０ｐｐｍ／℃〜４０ｐｐｍ／℃と半導体素子４３よりも高くなっている。このとき、上述のように製造工程において半導体装置が加熱及び冷却されると、半導体素子４３と回路基板４２との伸縮差により半導体装置４１には反りが発生する。例えば、半導体装置４１の加熱後の冷却時には、半導体素子４３よりも回路基板４２のほうがより大きく収縮するので、図９に示すように半導体装置４１を湾曲させるような力が発生する。【０００６】
このような半導体装置４１の反りは、回路基板４２と半導体素子４３とを電気的に接続するバンプ４９に接続不良をまねく。また、半導体装置４１がメイン基板へ実装された場合、温度変化により変形し、メイン基板との接続部が疲労により断線する可能性が高くなる。【０００７】
半導体素子の電極が配置される面に対面させる基板を再配線層によって実現しているＷＬＣＳＰにおいても、再配線層をポリイミドなどで形成する場合、液状ポリイミドを硬化させる際に高温に加熱する必要があり、また硬化による収縮も伴う。このため、フリップチップ実装パッケージと同様にして、伸縮差が異なる再配線層と半導体素子とが接続されていることにより、半導体装置を湾曲させようとする力が発生する。【０００８】
半導体素子と回路基板との熱膨張係数差による半導体装置の反りは、半導体装置自体の剛性によって抑制することができる。しかしながら、薄型化が進行している半導体装置においては剛性が低下し、より反りやすくなっている。そこで、例えば特許文献１及び特許文献２に半導体装置の反りを矯正する技術が開示されている。【０００９】
特許文献１に記載の半導体装置は、基板と、基板に実装された半導体チップと、基板と半導体チップとを接合させる樹脂部材と、樹脂部材が接合された半導体チップ面とは反対側の面に貼り付けられた矯正部材とを備える。矯正部材は、半導体チップとは異なる線膨張率を有する樹脂部材の膨張或いは収縮により半導体チップに生じる反りを矯正する。【００１０】
特許文献２に記載の半導体装置は、半導体チップと実装基板とを固着する固着手段と、半導体チップの撓みを調節する調節手段とを備える。固着手段は、実装基板の伸縮に合わせて半導体チップが撓むようにし、実装基板の伸縮に伴って発生する応力を導電性電極だけでなく半導体チップへ分散させている。また、半導体チップの変形により割れが発生するおそれがあるので、調節手段により半導体チップの撓みを矯正もしくは緩和させている。【００１１】
【特許文献１】特開２００４−９６０１５号公報
【特許文献２】特開平６−２３２２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上の特許文献１〜２の開示事項は、本書に引用をもって繰り込み記載されているものとする。以下に本発明による関連技術の分析を与える。
線膨張係数差による加熱及び冷却時の半導体装置の反りは、半導体素子や回路基板の厚さを増大させ、半導体装置自体の剛性を高めることにより抑制することができる。しかしながら、モバイル機器に使用されるような半導体装置に要求される薄型化からは逸脱してしまう。【００１３】
特許文献１及び特許文献２においては、矯正部材（調節手段）は、接着剤層（接着層）により半導体チップに接合されている。しかしながら、矯正部材を半導体チップへ貼り付ける際に、単に接着剤層を介して押し付けるだけでは接着剤層に厚みむらが生じる可能性があり、極端な場合には矯正部材と半導体チップが密着されていない部分が生じる可能性もある。この場合、接着剤層が薄くなった部分に応力が集中し、クラックなどが生じやすくなる。【００１４】
また、接着剤層が矯正部材と接着剤層とを接合するためには、接合時に接着剤層は十分に変形して両者間の密着性を確保する必要がある。すなわち、接合時には接着剤層はゲル状ないし液状になると好ましい。しかしながら、接合時の接着剤層が軟らかいと接合時の荷重により接着剤層の厚みをコントロールすることができない。例えば、接着剤層として熱硬化樹脂を使用する場合、半導体チップへの貼り付け時に加熱及び加圧する必要があるが、熱硬化樹脂の加熱開始時の粘性は極端に低いので、加圧すると接着剤層が流れ出て、十分な厚みを確保することができない。接着剤層が薄いと、矯正部材と半導体チップの伸縮差による応力を吸収することができず、接着剤層が破壊され、矯正部材と半導体チップとが剥離してしまう。一方で、加圧しないと半導体チップと矯正部材とが平坦（平行）にならずに接着剤層が硬化してしまうことになる。【００１５】
さらに、接着剤層に硬い材料を使用すると、接着剤層が薄い場合と同様にして、矯正部材と半導体チップの伸縮差による応力を吸収することができず、接着剤層が破壊されて、矯正部材と半導体チップが剥離してしまう。【００１６】
本発明の目的は、低温の使用環境から高温の実装環境までの広範な温度環境において、反りを抑制することができる薄型の半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１視点によれば、一方の面に第１電極を有する半導体素子と、実装面に第２電極を有する回路基板と、少なくとも半導体素子が反ることを抑制する反り抑制層と、半導体素子と反り抑制層との間に発生する応力を緩和する応力緩和層と、を備え、半導体素子は、回路基板の第２電極と第１電極とが電気的に接続されると共に、一方の面と回路基板の実装面とが対向するように回路基板に実装されており、応力緩和層は、半導体素子の一方の面とは反対側の他方の面に形成されており、反り抑制層は、応力緩和層を介して半導体素子に積層されており、応力緩和層は、半導体素子と反り抑制層の所定の間隔を確保するスペーサを有し、応力緩和層のヤング率は、反り抑制層のヤング率よりも低く、応力緩和層及び反り抑制層の線膨張係数は、半導体素子の線膨張係数よりも大きい半導体装置を提供する。【００１８】
本発明の第２視点によれば、一方の面に第１電極を有する半導体素子と、半導体素子と対向する一方の面とは反対側の他方の面に第２電極を有すると共に、第２電極に電気的に接続され、他方の面から一方の面へと横断する導体を有する回路基板と、少なくとも半導体素子が反ることを抑制する反り抑制層と、半導体素子と反り抑制層との間に発生する応力を緩和する応力緩和層と、を備え、半導体素子は、導体を介して回路基板の第２電極と第１電極とが電気的に接続されると共に、一方の面と回路基板の一方の面とが接するように回路基板に積層されており、応力緩和層は、半導体素子の一方の面とは反対側の他方の面に形成されており、反り抑制層は、応力緩和層を介して半導体素子に積層されており、応力緩和層は、半導体素子と反り抑制層の所定の間隔を確保するスペーサを有し、応力緩和層のヤング率は、反り抑制層のヤング率よりも低く、応力緩和層及び反り抑制層の線膨張係数は、半導体素子の線膨張係数よりも大きい半導体装置を提供する。【００１９】
なお、本発明においては、反り抑制層及び半導体素子のヤング率は、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して測定し、応力緩和層及び回路基板のヤング率は、ＪＩＳＫ７１２７に準拠して測定するものとする。また、反り抑制層及び半導体素子の線膨張係数は、ＪＩＳＺ２２８５に準拠して測定し、応力緩和層及び回路基板の線膨張係数は、ＪＩＳＺ２２８５に準拠して測定するものとする。ヤング率及び線膨張係数ともに、応力緩和層及び回路基板のガラス転移点以下の温度範囲において測定することとする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の半導体装置においては、半導体素子に反り抑制層と応力緩和層を配している。これにより、温度変化による半導体装置の反りを抑制することができる。また、反りを抑制することにより、半導体素子と回路基板との接続信頼性を向上させることができると共に、半導体装置の二次実装における歩留まりを改善することができる。【００２１】
本発明の半導体装置においては、反り抑制層と半導体素子との間に、スペーサを有する応力緩和層を配している。これにより、反り抑制層と半導体素子との伸縮差による反り抑制層と半導体素子との剥離を防止することができる。また、応力緩和層によってもヤング率を高めることができるので、反り抑制層を薄くすることができる。これにより、半導体装置全体を薄く構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面図。
【図２】図１に示す反り抑制層及び応力緩和層部分の概略拡大図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略断面図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る半導体装置における応力緩和層部分の概略拡大図。
【図５】本発明の第４実施形態に係る半導体装置における応力緩和層部分の概略拡大図。
【図６】本発明の半導体装置の概略斜視図。
【図７】本発明の半導体装置をメイン基板へ二次実装した状態の概略部分断面図。
【図８】本発明の第５実施形態に係る半導体装置の概略断面図。
【図９】背景技術に係る半導体装置の概略斜視図。
【符号の説明】
【００２３】
１          半導体装置
２          回路基板
３          半導体素子
４          応力緩和層
４ａ        樹脂
４ｂ，４ｃ，４ｄ        スペーサ
５          反り抑制層
６          アンダーフィル樹脂
７          電極
８          電極
９          バンプ
１１        半導体装置
１２        回路基板
１３        絶縁層
１４        再配線
１５        外部接続電極
１６        外部接続電極
２１        メイン基板
２２        外部接続電極
２３        バンプ
２４        電子素子
２５        バンプ
３１        半導体装置
３２        回路基板
３３        グランド電極
３４        導電性樹脂
４１        半導体装置
４２        回路基板
４３        半導体素子
４６        アンダーフィル樹脂
４７        電極
４８        電極
４９        バンプ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
上記第１視点及び第２視点の好ましい形態によれば、反り抑制層の線膨張係数が、回路基板の線膨張係数以上である。【００２５】
上記第１視点及び第２視点の好ましい形態によれば、応力緩和層の厚さが２０μｍ以上６０μｍ以下である。【００２６】
上記第１視点及び第２視点の好ましい形態によれば、応力緩和層のヤング率が１０ＧＰａ以上４０ＧＰａ以下である。【００２７】
上記第１視点及び第２視点の好ましい形態によれば、スペーサの少なくとも１つの材料が、ガラス、セラミックス、金属又は樹脂である。【００２８】
上記第１視点及び第２視点の好ましい形態によれば、スペーサの形状は、シート状、粒状又は柱状である。【００２９】
上記第１視点及び第２視点の好ましい形態によれば、応力緩和層は、スペーサを有すると共に、半導体素子と反り抑制層とを接合する樹脂を有する。【００３０】
上記第１視点及び第２視点の好ましい形態によれば、応力緩和層と反り抑制層の積層体のヤング率が回路基板のヤング率以上である。【００３１】
上記第１視点及び第２視点の好ましい形態によれば、回路基板が樹脂を含み、応力緩和層が樹脂を含み、回路基板の樹脂のガラス転移点と応力緩和層の樹脂のガラス転移点の差は、±２０℃である。【００３２】
上記第１視点及び第２視点の好ましい形態によれば、反り抑制層は導体からなり、回路基板はグランド電極を有し、反り抑制層とグランド電極とは電気的に接続されている。さらに好ましい形態によれば、反り抑制層の少なくとも一部は、半導体素子から突出しており、反り抑制層の突出部分とグランド電極との間に導電性樹脂が配されている。【００３３】
本発明の第１実施形態に係る半導体装置について説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面図を示す。半導体装置１は、基板電極７を有する回路基板２と、回路基板２にフリップチップ実装された半導体素子３と、を備える。半導体素子３の電極８が形成された面と、回路基板２の基板電極７が形成された面とは対向しており、電極８と基板電極７とは、金や半田などの金属又は導電性樹脂を材料とするバンプ９を介して電気的に接続されている。半導体素子３と回路基板２との間には両者間のギャップを埋めるようにアンダーフィル樹脂６が充填されている。【００３４】
回路基板２に対向している半導体素子３の面とは反対側の面には、応力緩和層４が形成され、さらに応力緩和層４を介して反り抑制層５が形成されている。図２に、図１に示す応力緩和層４及び反り抑制層５部分の概略拡大図を示す。【００３５】
応力緩和層４は、半導体素子３と反り抑制層５との間で伸縮差により生ずる応力を緩和ないし吸収するための層である。応力緩和層４は、所定の厚さ、すなわち半導体素子３と反り抑制層５の所定の間隔、を確保するためのスペーサ４ｂを有する。図２に示す形態においては、樹脂４ａに包含された（ないし樹脂４ａを含浸した）シート状のスペーサ４ｂを図示している。応力緩和層４には、半導体素子３と反り抑制層５間の応力を緩和する機能のほかに、半導体素子３と反り抑制層５とを接着させる機能も有する。そのため、両者との密着性を得るために、半導体素子３と反り抑制層５との接着時には応力緩和層４の樹脂４ａは十分に変形可能（例えばゲル状ないし液状）であると好ましい。このとき、応力緩和層４がスペーサを有していない場合、応力緩和層４と半導体素子３及び反り抑制層５とを密着させるために荷重をかけると、接着時の変形性のために樹脂４ａが流れ出て、応力緩和層４の厚みを確保することが困難となる。応力緩和層４に十分な厚さが得られないと、以下に説明するように、半導体素子３と反り抑制層５との間の伸縮差によって生じる応力を緩和することができずに応力緩和層４自体が破壊されてしまう。【００３６】
さらに、スペーサ４ｂには応力緩和層４自体のヤング率を高める機能も有する。本発明の半導体装置１においては、反りを抑制するのは主として反り抑制層５であるが、応力緩和層４のヤング率も高めれば、その分だけ半導体装置１の反りを抑制するために必要な反り抑制層５及び応力緩和層４の厚さを抑えることができる。そこで、応力緩和層４にスペーサ４ｂを配することにより、例えば樹脂のみからなる応力緩和層よりもヤング率を高めることができ、半導体装置１の薄型化に寄与することができる。【００３７】
応力緩和層４の線膨張係数は、回路基板２と半導体素子３との伸縮差による反りを抑制するために、半導体素子３の線膨張係数より大きく設定されている。【００３８】
応力緩和層４の樹脂４ａ及び回路基板２の樹脂のガラス転移点は、半導体装置１の使用温度範囲より高いと好ましい。応力緩和層４の樹脂４ａ及び回路基板２の樹脂のガラス転移点が、半導体装置１の使用温度範囲以下の場合には、両者に同一材料を用いるなどして、両者のガラス転移点をできるだけ一致させると好ましい。また、両者のガラス転移点が異なる場合には、応力緩和層４の樹脂４ａのガラス転移点は、回路基板２の樹脂のガラス転移点の±２０℃に設定すると好ましい。回路基板２のヤング率は、樹脂のガラス転移点前後で大きく変化する。このため、このガラス転移点前後で、回路基板２と半導体素子３との間で発生する、半導体装置１を湾曲させようとする力も変化する。例えば、半導体装置の環境温度が回路基板のガラス転移点未満からガラス転移点以上へ上昇した場合、回路基板のヤング率は低下し、半導体装置を湾曲させようとする力は弱まる。このとき、応力緩和層４のヤング率が回路基板２のヤング率と同期して低下しなければ、逆に応力緩和層４及び反り抑制層５が半導体装置１を湾曲させてしまうことになりかねない。そのため、半導体素子３の回路基板２側の力と反り抑制層５側の力を均衡させると共に、温度変化による力の強弱の変化も一致させると好ましい。そこで、応力緩和層４の樹脂４ａのガラス転移点を回路基板２の樹脂のガラス転移点に対して所定の範囲内におさまるように設定することにより、温度変化による回路基板２のヤング率変化に対応することができる。なお、ガラス転移点前後における応力緩和層４のヤング率は、回路基板２に対して高くても低くてもよい。【００３９】
応力緩和層４のヤング率（引張弾性率）は、反り抑制層５のヤング率より低く設定されている。応力緩和層４が反り抑制層５より硬いと、反り抑制層５と半導体素子３との伸縮差による応力が掛かったときに応力緩和層４自体が破壊されてしまうからである。また、応力緩和層４のヤング率は、１０ＧＰａ〜４０ＧＰａであると好ましい。半導体素子３のヤング率は約２００ＧＰａであり、反り抑制層５として例えば金属を使用した場合には反り抑制層５のヤング率も約２００ＧＰａとなる。半導体素子３と反り抑制層５との十分な密着性を得るためにも応力緩和層４は半導体素子３や反り抑制層５より柔らかい必要があるからである。このことは、一般的なヤング率約３０ＧＰａの基板が、金属と良好な密着性が得られていることからも確認することができる。また、上記で説明したように、半導体装置１の薄型化のためにも応力緩和層４は、自身が破壊されずに応力緩和の機能を果たすことができる程度のヤング率の高さを有している必要がある。さらに、半導体装置１の薄型化のためには、応力緩和層４も反り抑制効果を有していると好ましい。実際に、応力緩和層４のヤング率が１０ＧＰａ〜４０ＧＰａの場合には、反り低減の効果を確認できたが、応力緩和層４のヤング率が５ＧＰａ程度である場合には、厚み方向の変形により応力緩和層４による反り低減効果が得られなかった。【００４０】
応力緩和層４の厚さは、２０μｍ以上であると好ましい。応力緩和層４の厚さが１０μｍである場合には、応力緩和層４が約１０ＧＰａと柔らかい状態であっても信頼性試験において反り抑制層５と半導体素子３との線膨張係数差による応力集中により応力緩和層４が剥離破壊されることがあった。そのため、応力緩和層４の厚さは２０μｍ以上あると好ましい。また、応力緩和層４の厚さは、厚すぎると薄さを要求される装置に実装することができないので６０μｍ以下であると好ましい。この他にも、応力緩和層４を６５μｍまで厚くすると、樹脂の移動容易性により厚み方向の変形が容易になり、反りを抑制する効果が薄れる現象が見られた。【００４１】
したがって、本発明における応力緩和層４は、半導体素子３と反り抑制層５とを接着する機能、伸縮差によって生じる半導体素子３と反り抑制層５間の応力を緩和する機能、及び半導体装置１（特に半導体素子３及び回路基板２）の反りを抑制する機能を有する。応力緩和層４としては、例えば、スペーサとなるガラスクロス４ｂ（織布、不織布いずれでも可）に樹脂４ａを含浸させた樹脂シートを使用することができる。スペーサとしてはこのほかに、金属、セラミックス、樹脂などを使用することができる。樹脂４ａとしては、例えば、エポキシ樹脂又はポリイミド樹脂を使用することができる。【００４２】
反り抑制層５は、回路基板２の伸張（膨張）や収縮により少なくとも半導体素子３が反ることを抑制する層である。そのため、反り抑制層５の線膨張係数は、半導体素子３の線膨張係数より大きく設定されている。反り抑制層５としては、高弾性であり、高線膨張係数を有し、かつ半導体素子３への積層時の加熱及び荷重の条件下で塑性変形しにくい金属が好ましく、好ましい金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、鉄等が挙げられる。このとき、反り抑制層５の線膨張係数は、１５ｐｐｍ／℃〜５０ｐｐｍ／℃に設定すると好ましい。また、反り抑制層５のヤング率は、６０ＧＰａ〜２００ＧＰａに設定すると好ましい。一般的に使用される回路基板２の線膨張係数は１５ｐｐｍ／℃程度、ヤング率は４０ＧＰａであるので、反り抑制層５の線膨張係数及びヤング率を回路基板２よりも大きく（高く）設定することにより、反り抑制層５を回路基板２より薄くすることができ、半導体装置１全体の薄型化に寄与する。【００４３】
半導体装置１の反りを抑制するため、応力緩和層４と反り抑制層５の積層体のヤング率は、回路基板２のヤング率以上であると好ましい。【００４４】
応力緩和層４及び反り抑制層５の面寸法（面積）は、応力緩和層４及び反り抑制層５を形成する半導体素子３面の寸法（面積）と少なくとも同等にする（半導体素子３の全面に形成する）と好ましい。面寸法はより大きいほうが半導体装置１の反りを抑制するための大きな力を得やすいと共に、その分薄くすることができるからである。また、半導体装置１の製造工程においても、ウェハレベルで加工することができるので生産性を向上させることができると共に、二次実装面積を縮小させることもできる。しかしながら、半導体素子３と回路基板２との伸縮差による半導体装置１の反りを抑制できるのであれば、応力緩和層４及び反り抑制層５は、半導体素子３の全面に形成する必要はなく、適宜、半導体装置１の反りを抑制可能な面寸法に設定するようにする。【００４５】
ここで、図１及び図２に示す第１実施形態に係る半導体装置における各要素の寸法例について説明する。例えば、厚さ０．４ｍｍの回路基板２（線膨張係数１５ｐｐｍ／℃以下、ヤング率４０ＧＰａ以下）、厚さ０．１ｍｍの半導体素子３（線膨張係数約２．６ｐｐｍ／℃）及び厚さ０．０５ｍｍのアンダーフィル樹脂６に対して、ガラスクロスに樹脂を含浸させた応力緩和層４を厚さ０．０６ｍｍ（線膨張係数１５ｐｐｍ／℃〜３０ｐｐｍ／℃、ヤング率１５ＧＰａ）及び反り抑制層５を厚さ０．０４ｍｍ（線膨張係数１５ｐｐｍ／℃〜５０ｐｐｍ／℃、ヤング率１９３ＧＰａ）に形成することができる。【００４６】
次に、本発明の半導体装置１における半導体素子３の反りを抑制するメカニズムについて説明する。応力緩和層４及び反り抑制層５が存在しない場合、例えばリフロー半田付け工程における加熱時及び該工程後の冷却時には、背景技術において説明したように、回路基板２と半導体素子３の線膨張係数差により伸縮差が生じ、図９に示すように回路基板４２及び半導体素子４３により半導体装置４１を反らせようとする力が発生する。しかしながら、本発明においては、半導体素子３よりも線膨張係数が大きい反り抑制層５と応力緩和層４が、半導体素子３の、回路基板２とは反対側の面に形成されている。すなわち、反り抑制層５、応力緩和層４及び半導体素子３により半導体装置１を反らせようとする力が、回路基板２と半導体素子３による力とは逆向きに発生する。これにより、反り抑制層５側の力と回路基板側の力が相殺することにより、半導体装置１全体としての反りを抑制することができる。なお、アンダーフィル樹脂６も回路基板２と同様に半導体装置１を反らせる方向の力を発生させるが、アンダーフィル樹脂６は回路基板２に対し薄く剛性が低いので、反りに対する影響は小さい。そのため、本発明においてはアンダーフィル樹脂６による影響は考慮していない。【００４７】
このように、本発明の半導体装置１においては、反り抑制層５と半導体素子３との線膨張係数の差を利用している。しかしながら、両者の線膨張係数の差が大きければ、それだけ反り抑制層５と半導体素子３との間に応力がかかることになる。すなわち、反り抑制層５と半導体素子３とが剥離してしまうことになる。そこで、本発明においては、反り抑制層５と半導体素子３との間に、所定の厚みを有すると共に反り抑制層５よりヤング率の高い応力緩和層４を介在させている。これにより、半導体素子３と反り抑制層５の伸縮差による応力は、応力緩和層４が面方向（応力緩和層の延在方向（例えば図１における左右方向））に変形することにより緩和される。特に、応力緩和層４は、スペーサ４ｂにより所定の厚さが維持されているので、上下（半導体素子３側と反り抑制層５側）で伸縮の差が生じても破壊されることなく応力を吸収することができる。また、スペーサ４ｂは、応力緩和層４自体のヤング率を高めることにも寄与する。【００４８】
したがって、本発明の半導体装置１においては、温度変化による伸縮が生じても、半導体装置１の反りを欠陥を発生させることなく抑制することができる。【００４９】
次に、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。まず、回路基板２へ液状のアンダーフィル樹脂６を塗布し、これを加熱しながら半導体素子３に荷重を加えて接続してフリップチップ実装パッケージを作製する。次に、半導体素子３上に応力緩和層４（例えばガラスクロスに熱硬化樹脂を含浸させた樹脂シート）を仮接続する。次に、反り抑制層５（例えば金属箔）を応力緩和層４に対して加熱及び加圧しながら接合して、半導体装置１を製造する。【００５０】
反り抑制層５による反り抑制強度は、反り抑制層５の実装時の反り抑制層５の温度及び回路基板２の温度を調整することで、コントロールすることが可能である。このとき、反り抑制層５の温度は実装時に反り抑制層５に荷重をかけるツールの温度に依存し、回路基板２の温度はステージ温度に依存することになる。反り抑制層５の反りを抑制しようとする作用は、反り抑制層５の実装時の温度が回路基板２の温度より高く、その温度差が大きくなるほど強力になる。温度差が大きくなる（反り抑制層５の温度がより高くなる）ほど、反り抑制層５表面が凹状に湾曲する方向に作用することになる。【００５１】
次に、別の製造方法について説明する。まず、個片化前のウェハ状態の半導体素子３に、応力緩和層４を仮接続し、これに反り抑制層５を加熱及び加圧しながら接合する。次に、応力緩和層４及び反り抑制層５を積層した半導体素子３を個片化する。次に、回路基板２にアンダーフィル樹脂６を塗布し、これに個片化した半導体素子３を加熱しながら荷重をかけて接続して、半導体装置１を製造する。【００５２】
第１実施形態に係る半導体装置１として、図１にはバンプ９を使用した形態を示したが、半導体素子３の電極８と回路基板２との接続はいずれの形態であってもよい。例えば、ＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film）を使用した接続であってもよい。【００５３】
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置について説明する。第１実施形態は、フリップチップ実装パッケージの半導体装置であったが、第２実施形態は、ＷＬＣＳＰの半導体装置である。図３に、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の概略断面図を示す。半導体装置１１において、回路基板１２は再配線層として形成されている。半導体素子３は、回路基板１２と絶縁層１３を介して接している。半導体素子３の電極８と、半導体素子３とは反対側に形成された回路基板１２の外部接続電極１５とは再配線１４を介して電気的に接続されている。回路基板１２における樹脂部分は、例えば、第１実施形態における回路基板２と同じ材料、感光性樹脂、又はポリイミドで形成することができる。例えば、厚さ０．１５ｍｍの半導体素子３に厚さ０．２ｍｍ、線膨張係数１０ｐｐｍ／℃〜４０ｐｐｍ／℃の再配線層となる回路基板１２を接続することができる。【００５４】
図３に示す応力緩和層４及び反り抑制層５の形態は、第１実施形態と同様の形態である。【００５５】
半導体装置１１が温度変化にさらされると、半導体素子３と回路基板１２との間の線膨張係数差により半導体装置１１を湾曲させようとする力が発生するが、第１実施形態と同様にして、反り抑制層５と応力緩和層４によりこの力とは逆向きに半導体装置１１を湾曲させようとする力を発生することができる。これにより、半導体装置１１の反りを抑制することができる。【００５６】
次に、第２実施形態に係る半導体装置１１の製造方法について説明する。ウェハ状態の半導体素子３において、電極８と外部接続電極１５とを電気的に接続するように回路基板１２（再配線層）を形成する。次に、電極８が存在する面とは反対側の半導体素子３面に応力緩和層４及び反り抑制層５を形成する。次に、半導体素子３などをダイシングにより個片化して半導体装置１１を製造する。【００５７】
次に、本発明の第３実施形態に係る半導体装置について説明する。図４に、本発明の第３実施形態に係る半導体装置における応力緩和層部分の概略拡大図を示す。第１実施形態及び第２実施形態においては、応力緩和層４はスペーサとしてガラスクロス４ｂを有する形態について説明したが、本実施形態においては応力緩和層４はスペーサとして複数の粒状体４ｃを有し、複数の粒状スペーサ４ｃは、樹脂４ａに包含されている。粒状スペーサ４ｃの材質は、半導体素子３実装時の熱に対し耐熱性を有するものであればいずれのものでもよい。例えば、粒状スペーサ４ｃは、アルミナ、シリカなどのセラミックス、半田、銅、ニッケルなどの金属、又は耐熱性樹脂などで形成することができる。粒状スペーサ４ｃの形状は、いずれの形状でもよく、例えば、球体、楕円回転体、直方体などの形状にすることができる。また、粒状スペーサ４ｃは、表面に凹凸を有していてもよい。【００５８】
第３実施形態における応力緩和層４以外の形態は、第１実施形態又は第２実施形態と同様である。【００５９】
本実施形態によれば、応力緩和層４の厚さは、少なくとも粒状スペーサ４ｃの径になるので、半導体素子３と反り抑制層５との所定の間隔を確保することができる。複数の粒状スペーサ４ｃは、半導体素子３又は反り抑制層５と接触していたとしても、例えば図４に示すような球状スペーサの場合、半導体素子３又は反り抑制層５と点で接触することになる。そのため、応力緩和層４と半導体素子３及び反り抑制層５とは、ほとんどが樹脂４ａ面で接触することになるので、応力緩和層４は半導体素子３及び反り抑制層５から剥離しにくい。【００６０】
次に、本発明の第４実施形態に係る半導体装置について説明する。図５に、本発明の第４実施形態に係る半導体装置における応力緩和層部分の概略拡大図を示す。本実施形態においては、スペーサ４ｄとして樹脂を使用している。例えば、スペーサとして、予め薄化して半硬化ないし完全硬化の硬化状態とした柱状の樹脂スペーサ４ｄを使用することができる。この場合、スペーサ４ｄの樹脂材料は、樹脂４ａと異なる材料でも同じ材料でもよい。【００６１】
第４実施形態に係る半導体装置の製造方法としては、フリップチップ実装パッケージの半導体装置の場合、例えば、フリップチップ実装された半導体素子３上に、スペーサ４ｄを載せ、その上に樹脂４ａとなる樹脂シート及び反り抑制層５を加熱及び加圧しながら積層することにより製造することができる。【００６２】
第４実施形態における応力緩和層４以外の形態は、第１実施形態又は第２実施形態と同様である。【００６３】
第４実施形態によれば、応力緩和層４の厚みを確保しながらも、応力緩和層４の材質を比較的均一化することができる。これにより、応力緩和層４中において応力が集中する部分を少なくすることができ、クラックや剥離などの不良の発生を抑えることができる。【００６４】
次に、本発明の第５実施形態に係る半導体装置について説明する。図８に、本発明の第５実施形態に係る半導体装置の概略断面図を示す。本実施形態においては、導電体からなる反り抑制層５と、半導体素子３が実装された回路基板３２のグランド電極３３とを電気的に接続させている。例えば、図８に示すように、金属よりもヤング率が低い導電性樹脂３４によって反り抑制層５とグランド電極３３とを電気的に接続させている。【００６５】
このとき、反り抑制層５がグランド電極３３と電気的接続しやすくなるように、反り抑制層５は、半導体素子３（の上面乃至側面）から少なくとも一部突出させていると好ましい。例えば、電気的に接続するグランド電極３３に面する反り抑制層５の端部を半導体素子３から突出させて、突出させた部分とグランド電極３３との間に、液状又はペースト状の導電性樹脂３４を充填し、硬化させることによって、反り抑制層５とグランド電極３３とを電気的に接続させることができる。【００６６】
本実施形態によれば、半導体装置３１をメイン基板に実装した場合に、半導体素子３と、半導体装置３１外の回路との間で生じる電磁干渉を抑制することができる。また、柔軟性を有する導電性樹脂３４を使用すれば、反り抑制層５による反り抑制効果への悪影響がほとんどない。【００６７】
次に、本発明の第１実施形態〜第５実施形態に係る半導体装置の使用例について説明する。図６に、本発明の半導体装置の概略斜視図を示し、図７に、本発明の半導体装置をメイン基板へ二次実装した状態の概略部分断面図を示す。なお、図６及び図７においては、第１実施形態に係る半導体装置１を図示してあるが、これは第２実施形態に係る半導体装置１１であってもよいことはいうまでもない。【００６８】
半導体素子３を実装した側の回路基板２面の外縁には、メイン基板２１と電気的に接続するための複数の外部接続電極１６が形成されている。半導体装置１は、回路基板２とメイン基板２１との間に半導体素子３が配されるように、半導体素子３などをメイン基板２１面と対向させて、回路基板２の外部接続電極１６とメイン基板２１の外部接続電極２２とをバンプ２３を介して電気的に接続している。半導体素子３を実装した面とは反対側の回路基板２の裏面には、電子素子２４を実装させることもできる。【００６９】
このように、本発明の半導体装置においては、アンダーフィル樹脂６から反り抑制層５までをバンプ２３の高さよりも薄く構成することができると共に、反り抑制層５及び応力緩和層４により半導体装置１の反りを抑制することができるので、図７に示すような、半導体素子３がメイン基板２１に面する形態の二次実装が可能となる。例えば、アンダーフィル樹脂６の厚さ０．０５ｍｍ、半導体素子３の厚さ０．１ｍｍ、応力緩和層４の厚さ０．０３ｍｍ、及び反り抑制層５の厚さ０．０３ｍｍとすれば、アンダーフィル樹脂６から反り抑制層５までの高さはトータル０．２１ｍｍとなる。これは、０．５ｍｍピッチで配置された径０．２５ｍｍの外部接続電極１６に形成したバンプ（半田ボール）２３の高さより低くなる。【００７０】
次に、図７に示す二次実装した形態に至るまでの組み立て手順例について説明する。まず、半導体装置１のバンプ２３として半田ボールを外部接続電極１６上へクリーム半田を介して仮固定し、その後リフローを通し半田ボールを外部接続電極１６に固定する。次に、電子素子２４のバンプ２５となる半田ボールを、半導体素子３が搭載されている面とは反対側の面にある回路基板２の電極（不図示）へクリーム半田を介し仮固定し、リフローを通し固定する。ここで、このようにして作製した構造体をモジュールと呼ぶこととする。【００７１】
次に、このモジュールをメイン基板２１へ搭載する。ここでも同様にして、クリーム半田を介してメイン基板２１上の外部接続電極２２とモジュールの半田ボール２３とをリフローによって固定する。このとき、モジュールの温度は一時的に２３０℃〜２６０℃まで上昇することになる。モジュールを構成する回路基板２が樹脂基板である場合、基板に用いられている基材のガラス転移点は一般的には２００℃以下であり、リフロー中にはガラス転移点前後でヤング率、線膨張率が大きく変化することになる。しかしながら、半導体装置１の応力緩衝層４及び回路基板２のガラス転移点を上述のような好ましい範囲に設定すれば、該ガラス転移点前後においても反りを抑制することが可能となり、実装時においても半導体装置１の平坦性が確保されることになる。これによりリフロー工程における半田とメイン基板２１との接触を確保することが可能となり、初期接続の接続不良を抑制することができる。【００７２】
また、図７に示す構造がリフローにおける半田融点の温度条件下にあるとき、反り抑制層５の表面が凸状となる方向へ湾曲すると、図７において反り抑制層５がメイン基板２１と接触し、バンプ２３がメイン基板２１の外部接続電極２２へ接触することができなくなり、接続不良が生じるおそれがある。そこで、上述のように、反り抑制層５が凸状とならないように、すなわち反り抑制層５が凹状に湾曲する方向へ実装条件を調整すれば、反り抑制層５とメイン基板２１とが接触しにくくなり、初期接続の不良を抑制することができる。【００７３】
本発明の半導体装置は、このようにしてＬＳＩパッケージやＬＳＩモジュールに使用することができる。【００７４】
本発明の半導体装置について上記実施形態を使用して説明したが、本発明の半導体装置は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において種々の変形、変更及び改良を含むことができることはいうまでもない。また、本発明の請求の範囲の枠内において、種々の開示要素の多様な組み合わせ・置換ないし選択が可能である。【００７５】
本発明のさらなる課題、目的及び展開形態は、請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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