(57)【要約】【課題】  リペア可能で衝撃信頼性の高い半導体装置の実装構造体を得る。【解決手段】  はんだ接続した半導体装置1と実装用配線基板４の間に、実装用配線基板に接着し硬化した剥離、除去が可能な第一接着剤樹脂層２と半導体装置に接着し硬化した第一接着剤樹脂層２より、機械強度が高く、熱膨張係数が小さい第二接着剤樹脂層３で充填させた。【選択図】  図１
2006100457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置と、
該半導体装置がはんだで接続された実装用配線基板と、
前記半導体装置と前記実装用配線基板との間を充填する材料の異なる第一の樹脂層と第二の樹脂層を有し
前記第一の樹脂層が剥離可能な樹脂で構成され、
前記第二の樹脂層が第一接着剤樹脂層より機械強度が高い樹脂で構成されていることを特徴とする電子装置。
【請求項２】
半導体装置と、
該半導体装置がはんだで接続された実装用配線基板と、
前記半導体装置と前記実装用配線基板との間を充填する材料の異なる第一の樹脂層と第二の樹脂層を有し
前記第一の樹脂層が剥離可能な樹脂で構成され、
前記第二の樹脂層が第一樹脂層より熱膨張係数が小さい樹脂で構成されていることを特徴とする電子装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記第一の樹脂層は前記実装用配線基板側に配置され、
前記第二の樹脂層は前記半導体装置側に配置されていることを特徴とする電子装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３において、
前記第一の樹脂層が、高温で軟化、流動し、室温付近の温度では硬化する熱可塑性を有する樹脂で構成されていることを特徴とする電子装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかにおいて、
前記はんだの融点以上の温度に加熱された場合、前記半導体装置が前記実装用配線基板から取り外し可能な状態になることを特徴とする電子装置。
【請求項６】
請求項１、２又は３において、
前記第一の樹脂層が、特定の溶剤に溶解可能な樹脂で構成されていることを特徴とする電子装置。
【請求項７】
実装用配線基板に第一接着剤樹脂層を形成する工程と、
半導体装置と前記実装用配線基板とをはんだ接続する工程と、
前記半導体装置と前記第一接着剤樹脂層の間に第二接着剤樹脂を充填する工程と、
前記第二接着剤樹脂を加熱し、硬化させる工程とを備えたことを特徴とする電子装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記第一の樹脂層を、フィルム状に形成した接着剤樹脂を前記実装用配線基板に熱圧着して形成することを特徴とする電子装置の製造方法。
【請求項９】
請求項７において、
樹脂を前記実装用配線基板に印刷する工程と、
乾燥、もしくは硬化、もしくは乾燥と硬化させて形成する工程により前記第一の樹脂層を形成することを特徴とする電子装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は小型パソコンや、携帯電話機、ビデオカメラ等、電子機器に使用される半導体装置の実装構造体及び実装方法に関し、特にリペア、リワークが可能な半導体装置の実装技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機に代表されるモバイル機器は、多機能化が著しい一方で、小型、軽量化への要求も非常に高い。そのため、実装される半導体装置には、従来のＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）に代表される、リード接続型の半導体装置に替わり、ＢＧＡ(Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ)、ＣＳＰ(Ｃｈｉｐ  Ｓｃａｌｅ  Ｐａｃｋａｇｅ)といった、はんだバンプ接続型の半導体装置が数多く使用されている。
【０００３】
しかし、携帯電話機やＰＤＡ等、人が持ち運ぶ事を前提としたモバイル機器は、使用者の不注意による落下等の衝撃に対して高い信頼性が要求されるという、従来の据え置き型の電子機器に無い特徴を持つ。
【０００４】
一般にＢＧＡ、ＣＳＰ等のはんだバンプ接続型の半導体装置は、衝撃がダイレクトにはんだ接続部に伝わるため、リードによる応力緩和機能を持つリード接続型半導体装置と比較し、信頼性に劣る。そのため、信頼性を向上させるために様々な補強が行われている。中でも、バンプ接続型の半導体装置と実装用配線基板の間に、熱硬化性接着剤を注入して補強する、いわゆるアンダーフィルが使われるケースが非常に多い。
【０００５】
バンプ接続型半導体装置は、高機能化、多機能化のための端子数増加や小型化、軽量化が進み、それに応じて、はんだバンプピッチやはんだボールの微細化が進んでいる。
【０００６】
また、これを受ける実装用配線基板のランドも小径化している。その結果、接続面積が減少してしまい、接続部の強度が低下し、信頼性が低下する。したがって、アンダーフィルによる補強の重要性は、益々高くなっている。
【０００７】
上記の様に、アンダーフィルは衝撃信頼性を向上するために非常に有効な技術であるが、一方で、２つの大きな欠点が有る。
【０００８】
１つは、熱疲労信頼性の低下である。一般にアンダーフィルとして用いられる樹脂は、はんだに比べて、熱膨張係数が大きい。稼動時の発熱で温度が上昇すると、樹脂がはんだよりも大きく膨張するため、はんだ接続部に歪が発生する。
【０００９】
この歪により、はんだ接続部にクラックが発生、進展し、最終的に断線に至るのである。したがって、アンダーフィルとして、用いられる樹脂は熱膨張係数がはんだに近い事が望ましい。
【００１０】
もう１つは、リペア、リワークの障害となることである。アンダーフィル材料としては主にエポキシ系の樹脂が使われている。エポキシ系の樹脂は熱的、化学的に非常に安定な物質で機械強度が高い。これらの性質は補強材料として理想的な反面、一度硬化させると除去は困難であるため、アンダーフィルとして使用した場合、不良が発生した半導体装置の交換や、はんだ接続部に破断が発生した場合の再接続を行う、リペア、リワークを困難もしくは、不可能とする欠点を持つ。その結果、製造工程内不良、市場不良を問わず、不良の原因が、バンプ接続型半導体装置及び、実装用配線基板とのはんだ接続部に有る場合、リペア、リワークが出来なくなり、基板を廃棄せざるを得ないため経済的な損失が大きい。
【００１１】
この問題を解決するために、リペア、リワークが可能なアンダーフィル材料、及び技術として、１５０℃で軟化するエポキシ系樹脂をアンダーフィル材とした半導体装置（例えば、特許文献１）、加熱しながら半導体装置を実装基板から引き剥がす工程が可能な樹脂組成物を用いた半導体装置の実装構造（例えば、特許文献２）、エポキシ樹脂の化学構造にフッ素を導入する事で、分子のパッキング性を低下させ、樹脂の膨潤性を高めたことで、溶剤への浸漬による取り外しを可能としたリペアラブル・アンダーフィル（例えば、非特許文献１）等の技術が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−２２０４２８号
【特許文献２】特開平１０−２０９３４２号
【非特許文献１】9th Symposium on Microjoining and Assembly Technology in Electoronics(135〜138)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前記の通り、アンダーフィルには、耐衝撃信頼性を向上させるために充分な強度等の機械特性を有し、熱膨張係数がはんだに近く、リペア、リワークが可能である事が理想である。しかしながら、市場で入手可能な樹脂材料で、上記の性質を全て満足する物は存在しない。
【００１４】
本発明の目的は、熱疲労信頼性、衝撃信頼性が高く、リペア、リワークが可能な、バンプ接続を行った電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願は、上記目的を達成する技術を複数備えている。
【００１６】
代表的なものとしては、アンダーフィル補強のために、バンプ接続型半導体装置と実装用配線基板の間に充填する接着剤樹脂を、剥離や除去が可能な第一接着剤樹脂層と機械強度に優れ熱膨張係数の小さい第二接着剤樹脂層の二層構造とするものがある。
【００１７】
このように二層構造とすることで、リペア、リワークが可能で、信頼性の高い電子装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、熱疲労信頼性、衝撃信頼性が高く、リペア、リワークが可能な、バンプ接続を行った電子装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。  
【実施例１】
【００２０】
まず、本発明の実施の形態１による半導体装置の実装構造体の構造について説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態１による半導体装置の実装構造体の断面構造を示す断面図である。
【００２２】
図１において、半導体装置の実装体構造は、バンプ接続型の半導体の一例であるＢＧＡ型半導体装置１、熱可塑性接着剤からなる第一接着剤樹脂層２、熱硬化性接着剤樹脂からなる第二接着剤樹脂層３、実装用配線基板４、基板ランド５、はんだバンプ６から構成され、ＢＧＡ型半導体装置１と実装用配線基板の間が、熱可塑性接着樹脂からなる第一接着剤樹脂層２と熱硬化性接着剤樹脂からなる第二接着剤樹脂層３で充填された構造となっている。
【００２３】
熱可塑性接着樹脂及び熱硬化性接着剤樹脂は、エポキシ系樹脂、オキセタン系樹脂、反応性アクリル系樹脂、シアネートエステル系樹脂、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、シアノアクリレート系樹脂、フェノールアルデヒド系樹脂、メラミンアルデヒド系樹脂、尿素アルデヒド系樹脂、レゾルシノールアルデヒド樹脂、キシレンアルデヒド樹脂、およびフラン樹脂からなエポキシ樹脂、ウレタン樹脂等如何なる樹脂を用いても良い。また、樹脂の以外の成分として、無機フィラー、カップリング剤、界面活性剤の中から１種類、もしくは複数を含んでいても良い。
【００２４】
熱可塑性接着樹脂層２は、加熱することで軟化、流動し、冷めると硬化して接着する性質を有するもので、リペア工程で、熱硬化性接着剤樹脂層３と実装用配線基板４を容易に分離出来る必要が有る。
【００２５】
一方、リペア工程における熱処理は、周辺の部品へのダメージや作業性、作業効率を考えた場合、低温である事が好ましい。しかし、リペア、リワークは、一般にはんだを溶融させて行うので、熱可塑性接着剤樹脂層２が軟化、流動を開始する温度は、はんだの融点以下である事が望ましい。
【００２６】
また、ＢＧＡ型半導体装置１等の半導体素子は稼動による発熱で温度が上昇するので、リペア工程以外で、熱可塑性接着剤樹脂からなる第一接着剤層２が軟化、流動した場合、信頼性の低下を引き起こす。したがって、熱可塑性接着剤樹脂からなる第一接着剤樹脂層２は、稼動時のピーク温度以下では、硬化した状態を保つ必要がある。
【００２７】
次に、実施の形態１における、熱可塑性接着剤樹脂からなる第一接着剤樹脂層２及び熱硬化性接着剤樹脂からなる第二接着剤樹脂層３の厚さについて、熱膨張係数αを例として、以下に説明する。
【００２８】
接着剤樹脂をＢＧＡ接続型半導体装置１と実装用配線基板４の間を充填した場合に、熱疲労信頼性が製品の目標仕様を満たす上限の熱膨張係数をα１、熱可塑性接着樹脂層２の熱膨張係数をα２、熱硬化性接着剤樹脂層３の熱膨張係数をα３とする。
【００２９】
また、はんだバンプの接続高さをｔ１、熱可塑性接着樹脂からなる第一接着剤樹脂層２の厚さをｔ２、熱硬化性接着剤樹脂からなる第二接着剤樹脂層３の厚さをｔ３とする。この場合、
ｔ１＝ｔ２＋ｔ３                                                  （式１）
α１＞α２×ｔ２／（ｔ２＋ｔ３）＋α３×ｔ３／（ｔ２＋ｔ３）      （式２）
で計算される厚さにすれば、熱疲労に対する信頼性を確保することが出来る。
【００３０】
他の信頼性項目（例えば耐衝撃信頼性）に関しても、同様の計算を行い、全て項目を満足するための上限の厚さを求めて、第一及び第二接着剤樹脂層の厚さを決めれば良い。
【００３１】
次に、バンプ接続型半導体装置の実装用配線基板への実装方法の例について説明する。
【００３２】
まず初めに、実装用配線基板４に第一接着剤樹脂層２を形成する工程として、１００℃以上の温度になると軟化、流動を開始する接着剤樹脂を、厚さ５０μmのフィルム上に成形し、
次いで、実装用配線基板４のランドに対応する位置を、機械的に打ち抜き、穴を開ける。
【００３３】
次いで、前記接着剤樹脂フィルムと実装用配線基板を位置合わせしてから、温度１５０℃、押圧５０Ｎで１０秒処理し、接着剤樹脂フィルムと実装用配線基板４を接着し、熱可塑性接着樹脂からなる第一接着剤樹脂層２を形成する。
【００３４】
次いで、前記の実装用配線基板にＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだペーストをスクリーン印刷する。次いで、チップマウンタを使用し、ＢＧＡ型半導体装置１を前記実装用配線基板に搭載する。ＢＧＡ型半導体装置は１５ｍｍ角、バンプピッチ０．８ｍｍ、はんだボール径０．５ｍｍ、はんだボール材料がＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだ、１９×１９の４列、２０８ピンのエリアアレイ型を用いた。また、実装用配線基板は、φ０．５ｍｍのＣｕ−Ｎｉ―Ａｕ製ランドを、ＢＧＡ型半導体装置のはんだバンプの対応する位置に形成した実装用配線基板を用いた。
【００３５】
次いで、ピーク温度２５０℃に設定したリフロー炉に通し、実装用配線基板４とＢＧＡ型半導体装置１をはんだ接続する。
【００３６】
次いで、マイクロディスペンサを用い、実装用配線基板４に搭載したＢＧＡ型半導体装置１の直行する２辺に、熱硬化性接着剤樹脂を塗布する。
【００３７】
次いで、１００℃に熱したオーブン中に３０分間入れ、実装用配線基板上の第一樹脂層とＢＧＡ型半導体装置の間に、熱硬化性接着剤樹脂を浸透、硬化させ、第二接着剤樹脂層を形成し、ＢＧＡ型半導体装置の実装体を得る。
【００３８】
上記の様にして得た、ＢＧＡ型半導体装置１の実装構造体に関し、まず、リペア性について示す。
【００３９】
ＢＧＡ型半導体装置の実装構造体を２５０℃に熱したホットプレート上に置き加熱したところ、まず、熱可塑性接着剤からなる第一接着剤樹脂層が軟化、流動を開始した。さらに加熱を続け、はんだバンプを溶融させた後、第一接着剤樹脂層と第二接着剤樹脂層の間に金属製のブレードを差し込んで持ち上げたところ、第一接着剤樹脂層内で、剥離が発生し、ＢＧＡ型半導体装置1と実装用配線基板４を分離する事が出来た。
【００４０】
次いで、スパチュラ等を用い、実装用配線基板上に残った第一接着剤樹脂層の残渣の除去を行った。
【００４１】
次いで、はんだ残渣を、はんだ吸い取り用編組銅線で除去した。
【００４２】
次いで、前記の方法で、第一接着剤樹脂層を再び形成し、前記の方法で、新しいＢＧＡ型半導体装置の搭載、接続と第二接着剤樹脂の充填、硬化を行った。
【００４３】
以上の工程でリペアを行うことにより得た、ＢＧＡ型半導体装置の実装体の衝撃信頼性、熱疲労信頼性を確認したところ、リペア前と比較して、遜色無かった。
【００４４】
次に、図２により、実施の形態１により得られたＢＧＡ型半導体装置１の実装構造体の熱疲労信頼性についての評価結果について説明する。
【００４５】
図２は、はんだ接続した、同じＢＧＡ型半導体装置１と実装用配線基板４の間を接着剤樹脂で充填し、−４０／８０℃（１０分／１０分）の温度サイクル試験を行い、はんだ接続部の破断寿命を調べ、接着剤樹脂の熱膨張係数に対してプロットしたものである。
【００４６】
温度サイクル試験における目標破断寿命を１０００回とすれば、式２におけるα１は約１００ｐｐｍと読み取れる。実施の形態１に用いた、第一接着剤樹脂層と第二接着剤樹脂層２の熱膨張係数は、それぞれ６２、３０５ｐｐｍで、接続高さは約３００μmである。
【００４７】
これらの値を用い、（式１）（式２）を解くと、第一接着剤樹脂層の厚さｔ２は約５０μm以下にすれば良い事が分かる。
【００４８】
実施の形態１により得られた、ｔ２＝５０μmのＢＧＡ型半導体装置１の実装構造体の温度サイクル試験を行ったところ、破断寿命は約１１００回で計算から導いた値と良く一致した。
【実施例２】
【００４９】
本発明の実施の形態２による半導体装置の実装構造体の構造について説明する。図２は本発明の実施の形態２による半導体装置の実装構造体の断面構造を示す断面図である。
【００５０】
実施の形態２は、実施の形態１において、熱可塑性接着剤からなる第一接着剤樹脂層が、アルコールに可溶な樹脂からなる第一接着剤樹脂層としたことと、第一接着剤樹脂層の形成方法と、リペア、リワーク方法が異なる。
【００５１】
まず、第一接着剤樹脂層の形成方法を説明する。アルコールに可溶な接着剤樹脂もしくは、前記接着剤樹脂を溶剤に溶解したものを、実装配線基板４上のＢＧＡ型半導体装置１の搭載エリアのランド以外の部分にスクリーン印刷する。次いで、熱硬化もしくは、溶剤の乾燥、もしくは熱硬化と溶剤の乾燥の両方を行い、アルコールに可溶な樹脂からなる第一接着剤樹脂層６を形成する。
【００５２】
上記の様にして得た、アルコールに可溶な樹脂からなる第一接着剤樹脂層６を形成した実装用配線基板４に実施例１に示した方法で、ＢＧＡ型半導体装置をはんだ接続し、次いで、熱硬化性樹脂からなる第二接着剤樹脂層３を形成し、ＢＧＡ型半導体装置の実装構造体を得る。
【００５３】
次に上記に示した方法で得た、ＢＧＡ型半導体装置の実装構造体のリペア、リワークについて示す。まず、ＢＧＡ型半導体装置の実装構造体をアルコールに浸漬し、第一接着剤樹脂層６を完全に溶解させる。次いで、２５０℃に熱したホットプレート上に置き加熱し、はんだバンプを溶融させた後、ＢＧＡ型半導体装置をピンセットで持ち上げる事で、ＢＧＡ型半導体装置1と実装用配線基板４を分離する事が出来た。次いで、実施の形態１に記載の方法で、はんだ残渣を除去する。次いで、前記の方法で、第一接着剤樹脂層６を再び形成し、前記の方法で、新しいＢＧＡ型半導体装置の搭載、接続と第二接着剤樹脂の充填、硬化を行った。以上の工程でリペアを行う事により得た、ＢＧＡ型半導体装置の実装体の、衝撃信頼性、熱疲労信頼性を確認したところ、リペア前と比較して、遜色無かった。
【００５４】
ここでは、第一接着剤樹脂層６をアルコールに溶解可能な樹脂とし、アルコールにより、前記第一接着剤樹脂層６を除去する方法を示したが、実装配線基板４及び実装配線基板４上に実装された他の部品に損傷を与えない溶剤であれば、如何なる溶剤に溶解する接着剤樹脂を第一接着剤樹脂層に使用しても良く、また、第一接着剤樹脂層の溶解に使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体装置の実装構造体の構造を示す断面図である。
【図２】従来技術による、温度サイクル試験の評価結果を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２による半導体装置の実装構造体の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…ＢＧＡ型半導体装置、２…熱可塑性接着剤樹脂からなる第一接着剤樹脂層、３…熱硬化性接着剤樹脂からなる第二接着剤樹脂層、４…実装用配線基板、５…基板ランド、６…はんだバンプ、７…アルコール可溶性接着剤からなる第一接着剤樹脂層
【図１】
2006100457.tif 000003
【図２】
2006100457.tif 000004
【図３】
2006100457.tif 000005