(57)【要約】【課題】はんだボールと半導体パッケージおよび回路配線基板側との接合部に応力集中が生じないようにする。【解決手段】同一平面上にはんだボール１５を配列した半導体パッケージを回路配線基板１７に載置してリフロー加熱により両者をはんだ接合し、半導体パッケージと回路配線基板１７との間に熱膨張性を有するアンダーフィル材１９を充填する。アンダーフィル材１９を硬化するときの加熱温度をはんだボール１５の溶融温度よりも高くすることで、はんだボール１５を溶融しながらアンダーフィル材１９を膨張させる。これにより、半導体パッケージが持ち上げられ、はんだボール１５は、引き延ばされて円柱状の形状に変形される。この変形により、はんだボール１５との接合部に応力が集中することのない形状になり、耐クラック性が向上し、接合部の信頼性を向上させることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一平面上にはんだバンプを配列した半導体チップを回路配線基板に載置してリフロー加熱により両者を接合し、前記半導体チップと前記回路配線基板との間にアンダーフィル材を充填し、加熱により前記アンダーフィル材を硬化してなる半導体装置の製造方法において、
前記アンダーフィル材は、加熱時に体積が膨張する熱膨張性を有するものであり、前記アンダーフィル材を硬化させる温度は、前記はんだバンプのはんだ溶融温度よりも高くしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記アンダーフィル材は、熱硬化性のエポキシ樹脂に膨張性球体を添加したもので構成したことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記アンダーフィル材は、前記膨張性球体の添加量、粒径および粒度分布を変えることにより最適の膨張率に調整されていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記アンダーフィル材は、加熱により硬化されるまでの間、前記はんだバンプが円柱状またはつづみ状の形状に変形されるだけの膨張率を有していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
同一平面上にはんだバンプを配列した半導体チップを回路配線基板に載置してリフロー加熱により両者を接合し、前記半導体チップと前記回路配線基板との間にアンダーフィル材を充填してなる半導体装置において、
前記アンダーフィル材は、加熱時に体積が膨張する添加剤を含んでいることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記はんだバンプは、円柱状またはつづみ状の形状を有していることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特に半導体チップの同一平面上に配列した接続用電極と回路配線基板上の接続用電極とを接続するはんだバンプの信頼性を向上させる半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯端末機などで小型・軽量化を実現させている要素技術の一つとして表面実装技術がある。この表面実装技術は、接続用の電極パッドが同一平面上に配列されていてそこにそれぞれはんだボールが取り付けられている半導体チップを回路配線基板上の接続用電極に対向配置し、はんだを溶融させることで電気的接続を行うフリップチップ実装技術である。この表面実装技術によれば、半導体チップは、電極パッドが同一平面上に配列されていて、周囲に電極のリードが張り出していない構成であるので、回路配線基板への実装面積を縮小することができ、高密度実装を可能にしている。
【０００３】
このような表面実装に用いられる半導体パッケージとして、ＣＳＰ（Chip Scale Package, Chip Size Package）またはＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージが開発されている。ＣＳＰは、半導体チップとほぼ変わらない大きさのパッケージであり、ＢＧＡパッケージは、半導体チップを搭載したインターポーザの裏面にボールバンプを格子状に並べたパッケージである。
【０００４】
図９はＣＳＰを示す図であって、（Ａ）はＣＳＰの断面構造を示す図（Ｂ）はＣＳＰの底面図、図１０はＢＧＡパッケージを示す図であって、（Ａ）はＢＧＡパッケージの断面構造を示す図、（Ｂ）はＢＧＡパッケージの底面図である。
【０００５】
ＣＳＰは、図９に示したように、半導体チップ１０１のアルミ電極１０２を除く部分に応力緩和層１０３を形成し、その応力緩和層１０３の表面にアルミ電極１０２と接続される金属再配線１０４を形成して電極パッドを形成し、そこにはんだボール１０５を取り付けて構成される。金属再配線１０４が形成された応力緩和層１０３は、有機保護膜１０６によって表面処理される。
【０００６】
ＢＧＡパッケージは、図１０に示したように、半導体チップ１１１が中間基板であるインターポーザ１１２の上面に接着剤によって固定され、半導体チップ１１１の電極とインターポーザ１１２の上面の配線とを金属ワイヤ１１３によって接続し、インターポーザ１１２の下面にはんだボール１１４を取り付けて構成される。インターポーザ１１２のはんだボール１１４が取り付けられる領域を除いた表面は、ソルダーレジスト１１５によって被覆される。インターポーザ１１２の金属ワイヤ１１３のある側は、モールド樹脂１１６によって封止されている。ＢＧＡパッケージは、はんだボール１１４に代えてはんだペーストでバンプを形成することもある。
【０００７】
ＣＳＰおよびＢＧＡパッケージは、何れも、同一平面上にはんだバンプを格子状に配列した構成を有している。回路配線基板へ実装するとき、半導体チップは、はんだバンプのある面を回路配線基板へ対向させた状態で回路配線基板の所定位置に搭載され、その後、リフロー加熱によりはんだボール１０５，１１４を溶融して、回路配線基板上に接合される。
【０００８】
このようにして回路配線基板にＣＳＰまたはＢＧＡパッケージが実装される。しかし、実装後に衝撃、折り曲げなどの応力が加わったときに、ＣＳＰまたはＢＧＡパッケージと回路配線基板との接続信頼性が保持できない場合がある。このような場合の対策として、ＣＳＰまたはＢＧＡパッケージと回路配線基板との間にアンダーフィル材と呼ばれる封止樹脂を充填し、加熱硬化させることが行われている。
【０００９】
図１１はＣＳＰを実装した回路配線基板のヒートサイクル試験結果を示す図である。
この図１１では、ＣＳＰタイプの半導体チップがはんだ接合により実装された回路配線基板についてヒートサイクル試験を行った後に、バンプ接合部を観察した結果を示している。すなわち、図１１の上部には、半導体チップ側の金属再配線１０４がはんだボール１０５を介して回路配線基板１０７側の配線のランド１０８に接合されている部分を示し、下部には、金属再配線１０４とはんだボール１０５とのバンプ接合部に発生したクラック１０９を拡大して示している。
【００１０】
このようなクラック１０９は、金属再配線１０４とランド１０８とを接続するはんだバンプの形状に起因することが知られている（たとえば、特許文献１，２参照）。はんだボール１０５は、リフロー工程時に、溶融して回路配線基板１０７側の配線のランド１０８と接合される。そのとき、はんだボール１０５は、半導体パッケージの重さによる沈み込みや反り変形の影響により潰れて、楕円状（太鼓状）に変形してしまい、その後、バンプ高さが低くなった太鼓状の変形状態で硬化される。
【００１１】
はんだボール１０５が太鼓状になると、その両端における金属再配線１０４およびランド１０８との接合部が中央部に比べて細くなることから、その細い接合部分に応力集中が生じることになる。その結果、図示の例では、はんだボール１０５と金属再配線１０４との接合部にクラック１０９が入り、温度サイクル寿命を低下させることになる。
【００１２】
このような接合部におけるクラック発生の原因は、半導体パッケージの沈み込みによるはんだボール１０５の変形にある。このことから、特許文献１では、半導体パッケージと回路配線基板との間にスペーサとして形状記憶合金製の支持柱を設け、はんだボールが溶融している高温雰囲気で、支持柱が半導体パッケージを持ち上げるようにしている。これにより、半導体パッケージの沈み込みが緩和されている。また、特許文献２では、半導体パッケージを機械的に昇降する手段を備え、リフロー時にはんだボールの中央部がくびれた形状になるまで半導体パッケージを引き上げている。これにより、はんだボールは、半導体パッケージおよび回路配線基板側との接合部に応力が集中することはなくなるので、接合部にクラック１０９が発生することがなく、接合の信頼性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−１５０７０９号公報
【特許文献２】特開２００１−２３７２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、半導体パッケージを持ち上げるための形状記憶合金または半導体パッケージ昇降手段は高価であるため、半導体パッケージの実装コストが高くなるという問題点があった。
【００１５】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、特別な部材または装置を付加することなく、既存設備を利用して、はんだボールと半導体チップおよび回路配線基板との接合部に応力集中が生じないようにした半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明では上記の課題を解決するために、同一平面上にはんだバンプを配列した半導体チップを回路配線基板に載置してリフロー加熱により両者を接合し、前記半導体チップと前記回路配線基板との間にアンダーフィル材を充填し、加熱により前記アンダーフィル材を硬化してなる半導体装置の製造方法において、前記アンダーフィル材は、加熱時に体積が膨張する熱膨張性を有するものであり、前記アンダーフィル材を硬化させる温度は、前記はんだバンプのはんだ溶融温度よりも高くしたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１７】
また、本発明では、同一平面上にはんだバンプを配列した半導体チップを回路配線基板に載置してリフロー加熱により両者を接合し、前記半導体チップと前記回路配線基板との間にアンダーフィル材を充填してなる半導体装置において、前記アンダーフィル材は、加熱時に体積が膨張する添加剤を含んでいることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１８】
このような半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、アンダーフィル材を加熱して硬化させる際に、アンダーフィル材の体積が膨張する。このアンダーフィル材の膨張により、半導体チップと回路配線基板との間隔が広げられ、それに伴って、加熱により溶融されたはんだバンプが伸長されて、はんだ接合部に応力集中が生じない形状に変形され、その状態で、アンダーフィル材およびはんだバンプが硬化される。
【発明の効果】
【００１９】
上記構成の半導体装置の製造方法は、アンダーフィル材を熱膨張性を有するものに変更し、アンダーフィル材の硬化温度を変更するだけなので、特別な部材または装置を何ら付加することなく、既存設備を利用して容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】はんだボールを搭載したＣＳＰタイプの半導体パッケージを示す断面図である。
【図２】半導体パッケージを回路配線基板に実装した状態を示す断面図である。
【図３】半導体パッケージと回路配線基板との間にアンダーフィル材を充填した状態を示す断面図である。
【図４】アンダーフィル材の膨張によりはんだボールを変形した状態を示す断面図である。
【図５】アンダーフィル材の膨張によりはんだボールをさらに変形した状態を示す断面図である。
【図６】アンダーフィル材を構成する膨張性球体の説明図である。
【図７】球体が樹脂中に最密充填状態にあるときの説明図である。
【図８】銅ピラーはんだバンプを搭載した半導体パッケージの実装に適用した例を示す断面図である。
【図９】ＣＳＰを示す図であって、（Ａ）はＣＳＰの断面構造を示す図（Ｂ）はＣＳＰの底面図である。
【図１０】ＢＧＡパッケージを示す図であって、（Ａ）はＢＧＡパッケージの断面構造を示す図、（Ｂ）はＢＧＡパッケージの底面図である。
【図１１】ＣＳＰを実装した回路配線基板のヒートサイクル試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、ＣＳＰタイプの半導体パッケージからなる半導体チップを回路配線基板に実装する場合を例に図面を参照して詳細に説明する。
図１ははんだボールを搭載したＣＳＰタイプの半導体パッケージを示す断面図、図２は半導体パッケージを回路配線基板に実装した状態を示す断面図、図３は半導体パッケージと回路配線基板との間にアンダーフィル材を充填した状態を示す断面図、図４はアンダーフィル材の膨張によりはんだボールを変形した状態を示す断面図、図５はアンダーフィル材の膨張によりはんだボールをさらに変形した状態を示す断面図である。
【００２２】
ＣＳＰタイプの半導体パッケージは、図１に示したように、半導体チップ１１のアルミ電極１２が形成されている面に応力緩和層１３、銅の金属再配線１４を積層形成して構成される。金属再配線１４には、はんだボール１５が接合され、有機保護膜１６によって表面が保護されている。
【００２３】
ここで、たとえば、はんだボール１５は、４００マイクロメートル（μｍ）の直径を有し、金属再配線１４のはんだボール１５が接合されるランドの径は、４００マイクロメートルであるとする（以下において、各部の寸法は一例である）。直径４００マイクロメートルのはんだボール１５は、ランド径４００マイクロメートルの金属再配線１４に接合された場合、金属再配線からの高さは、３００マイクロメートルになる。
【００２４】
このような半導体パッケージは、図２に示したように、はんだボール１５を接合した面を回路配線基板１７と対向させてその接続用電極１８が形成された所定位置に載置され、リフロー加熱によって、はんだボール１５は溶融され、回路配線基板１７の接続用電極１８に接合される。このリフロー工程のとき、溶融されるはんだボール１５は、半導体パッケージの重さのために潰されて太鼓状に変形し、たとえば、その高さが２００マイクロメートルまで低くなる。
【００２５】
アンダーフィル材充填工程では、図３に示したように、半導体パッケージと回路配線基板１７との間の隙間に熱膨張性のアンダーフィル材１９が充填される。その後、再加熱により、アンダーフィル材１９を膨張させて、はんだボール１５との接合部の信頼性（耐クラック性）を向上させる処理が行われる。
【００２６】
まず、はんだボール１５が溶融しない温度範囲で加熱した場合、半導体パッケージおよび回路配線基板１７は、固化したはんだボール１５によって拘束されているため、アンダーフィル材１９は、高さ方向には膨張できない。したがって、膨張したアンダーフィル材１９は、回路配線基板１７の面に平行な方向に広がっていくことになる。
【００２７】
加熱温度を上げていき、加熱温度がはんだボール１５の溶融温度、たとえば２１８℃に達すると、はんだボール１５による高さ方向の拘束が開放される。加熱温度をさらに上昇させることにより、半導体パッケージは、アンダーフィル材１９の膨張によって回路配線基板１７から離れる方向に移動するようになる。この半導体パッケージが上方へ移動するに連れて、太鼓状に変形して固化されていたはんだボール１５は、図４に示したように、引き延ばされて円柱状に変形される。このとき、はんだボール１５の高さｔは、約２４０マイクロメートルになる。
【００２８】
ここで、はんだボール１５が円柱状に達した温度を維持すると、やがてアンダーフィル材１９の硬化が進行していく。これにより、はんだボール１５の形状を維持した状態でアンダーフィル材１９が硬化する。その後、加熱温度をはんだボール１５の融点以下に低下させると、はんだボール１５は、円柱状の形状のまま固化することになる。
【００２９】
このように、はんだボール１５が円柱状に変形されることによって、はんだボール１５と半導体パッケージおよび回路配線基板１７との接合部に応力集中がなくなるので、ヒートサイクルによるクラックの発生を防止することができる。
【００３０】
アンダーフィル材１９が硬化する前に、加熱温度をさらに上げていくと、アンダーフィル材１９は、さらに膨張し、はんだボール１５は、図５に示したように、さらに引き延ばされてつづみ状（砂時計状）に変形される。その後、はんだボール１５のつづみ状（砂時計状）の形状を維持しながらアンダーフィル材１９は硬化し、そして、加熱温度をはんだボール１５の融点以下に低下させることにより、はんだボール１５は、つづみ状（砂時計状）の形状で固化される。これにより、はんだボール１５は、半導体パッケージおよび回路配線基板１７との接合部に応力が集中する形状にはならないので、耐クラック性が向上し、接合部の信頼性が向上した半導体装置にすることができる。
【００３１】
次に、はんだボール１５の形状を円柱状またはつづみ状の形状に変形させるアンダーフィル材１９について説明する。
図６はアンダーフィル材を構成する膨張性球体の説明図、図７は球体が樹脂中に最密充填状態にあるときの説明図である。
【００３２】
アンダーフィル材１９は、たとえば、熱硬化性のエポキシ樹脂に膨張性球体２０を添加したもので構成することができる。膨張性球体２０は、図６に示したように、たとえば、中空部２１に液状ガスを内包した熱可塑性プラスチックの殻２２で形成される微小中空球体であり、平均粒子径が１０マイクロメートル前後の大きさを有している。膨張性球体２０は、膨張温度が８０〜２００℃で、殻２２内部のガス圧が増し、熱可塑性プラスチックの殻２２が軟化することで体積が増え、たとえば粒子径が４０マイクロメートルの中空球状粒子にすることができる。これは、最大体積膨張率が５０倍以上にもなることに相当する。なお、膨張性球体２０は、必要に応じて、中空部２１にガスを含まない低膨張率の微小中空球体を使用することもできる。また、アンダーフィル材１９の添加材である膨張性球体２０は、低弾性のため、加熱で膨張した後は、加熱温度が低下しても、その膨張状態を維持している。
【００３３】
ここで、膨張性球体２０が互いに接触してエポキシ樹脂中に均一に整列していると仮定して、はんだボール１５が円柱状またはつづみ状（砂時計状）の形状に変形される条件について説明する。
【００３４】
半径ｒの膨張性球体２０が、図７に示したようにエポキシ樹脂中に最密充填されている場合、エポキシ樹脂中における膨張性球体２０の占有率は、
４πｒ3／３÷（２ｒ）3≒０．５２
となり、膨張性球体２０は、アンダーフィル材１９の５２％を占めていることになる。
【００３５】
次に、このようなアンダーフィル材１９を充填し、はんだ溶融温度以上の温度で膨張性球体２０が膨張して、はんだボール１５が図３に示すような円柱状となるのに必要な膨張性球体２０の膨張率を計算してみる。
【００３６】
回路配線基板１７の接続用電極１８のランド径が４２０マイクロメートルなら、ランド面積は、π（０．４２÷２）2≒０．１４ｍｍ2になる。一方、粒径が４００マイクロメートルのはんだボール１５の体積は、４π（０．４÷２）3÷３≒０．０３４ｍｍ3であるから、この体積の円柱の高さｔは、０．０３４÷０．１４≒０．２４０ｍｍ（約２４０マイクロメートル）になる。したがって、アンダーフィル材１９の厚さが円柱の高さｔに等しくなるまで膨張すれば、はんだボール１５によるはんだバンプの形状は、円柱状に変形されることになる。
【００３７】
膨張性球体２０が図７に示したようにエポキシ樹脂中に互いに接触して整列している場合、膨張性球体２０の膨張率とアンダーフィル材１９の厚さの増加率は一致している。アンダーフィル材１９の厚さは、２００マイクロメートルから２４０マイクロメートルに膨張すればよいので、膨張性球体２０が１．２倍に膨張すれば、はんだパンプは円柱状となる。
【００３８】
したがって、アンダーフィル材１９として膨張性球体２０がエポキシ樹脂中に最密充填されたものを使用する場合、たとえば、はんだ溶融温度の２１８℃において、１．２倍に膨張するように熱膨張率が調整された膨張性球体２０を使用すればよいことになる。
【００３９】
しかし、実際のアンダーフィル材１９中の膨張性球体２０の分散状態は、図７のように密に整列していることはなく、膨張性球体２０の間にエポキシ樹脂が存在している。しかも、アンダーフィル材１９の充填性・流動性調整のため、添加量、粒径など調整されるため、体積含有率は、５２％よりも低くなる。このため、エポキシ樹脂内での膨張性球体２０の移動度が増加し、また、膨張時に膨張性球体２０が弾性変形するので、膨張性球体２０の膨張率とアンダーフィル材１９の厚さの膨張率は一致しない。
【００４０】
したがって、実際には、上記の計算よりは大きい膨張率が必要となるが、膨張性球体２０の膨張率は、約５０倍まで任意に調整が可能である。加えて、膨張性球体２０の添加量／粒径／粒度分布／膨張率を最適に調整することによって、アンダーフィル材１９としての適切な流動性、充填性と接合信頼性の高い形状のはんだバンプとなるような膨張特性を得ることができる。
【００４１】
図８は銅ピラーはんだバンプを搭載した半導体パッケージの実装に適用した例を示す断面図である。なお、この図８において、図１〜図５に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４２】
この例は、上述のはんだボールバンプ構造の半導体パッケージよりも信頼性が高く、高集積配線が可能な銅ピラーはんだバンプ構造を有する半導体パッケージの実装の場合を示している。すなわち、この半導体パッケージは、半導体チップ１１の下面の所定位置に銅ピラー２５が形成され、その銅ピラー２５の先端にはんだ１５ａが接合されてバンプを形成している。この銅ピラーはんだバンプは、配線の大部分がリフロー中に形状が変化しない銅であるため、全部はんだでできているバンプよりも、ピッチを小さくでき、バンプ形成に必要なはんだの量を大幅に削減でき、熱伝導性を大幅に高くできるといった特性を有している。
【００４３】
このような半導体チップは、回路配線基板１７に搭載され、リフロー加熱によって銅ピラーはんだバンプを回路配線基板１７の接続用電極１８に接合する。このとき、半導体パッケージの大きさによっては、その自重によってはんだ１５ａの部分が太鼓状の形状になる可能性がある。
【００４４】
次に、半導体チップと回路配線基板１７との間の隙間に、熱硬化性のエポキシ樹脂に膨張性球体２０を添加したアンダーフィル材１９が充填される。その後、はんだ１５ａの溶融温度より高い温度でリフロー加熱することにより、はんだ１５ａが軟化し、アンダーフィル材１９の膨張性球体２０が膨張して半導体パッケージを持ち上げ、その状態でアンダーフィル材１９のエポキシ樹脂が熱硬化する。このとき、アンダーフィル材１９の膨張率を最適化しておくことにより、はんだ１５ａは、確実につづみ状のバンプを形成することができるので、さらなる高信頼性を保証することが可能になる。
【符号の説明】
【００４５】
１１  半導体チップ
１２  アルミ電極
１３  応力緩和層
１４  金属再配線
１５  はんだボール
１５ａ  はんだ
１６  有機保護膜
１７  回路配線基板
１８  接続用電極
１９  アンダーフィル材
２０  膨張性球体
２１  中空部
２２  殻
２５  銅ピラー
【図１】
2011071436.tif 000003
【図２】
2011071436.tif 000004
【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】
2011071436.tif 000010
【図９】
2011071436.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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