(57)【要約】【課題】半導体装置に関し、格子状に配置されたはんだバンプの領域における絶縁材料の流速をできるだけ均一化して微小なボイドの発生を低減することが可能な構造を提供し、且つ、その構造を採り入れることで信頼性を向上した半導体装置を提供しようとする。【解決手段】格子状に並ぶはんだバンプを介して実装した半導体素子と回路基板との間に生成される空間に絶縁材料が充填されてなる半導体装置に於いて、格子状に並ぶはんだバンプの各列の間に在って、且つ、はんだバンプを介して対向した半導体素子及び回路基板の少なくとも何れか一方の面にはんだバンプと重ならない位置に形成された突起の列を備える。【選択図】        図１
2008072023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子状に並ぶはんだバンプを介して実装した半導体素子と回路基板との間に生成される空間に絶縁材料が充填されてなる半導体装置に於いて、
格子状に並ぶはんだバンプの各列の間に在って、且つ、はんだバンプを介して対向した半導体素子及び回路基板の少なくとも何れか一方の面にはんだバンプと重ならない位置に形成された突起の列
を備えてなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体素子が実装される回路基板が前記半導体素子と別の半導体素子に代替されてなること
を特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
突起の高さが絶縁材料に含まれる無機充填材料の粒径よりも大きく、且つ、はんだバンプの高さに比較して低いこと
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
突起が感光性樹脂からなるものであること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記載の半導体装置。
【請求項５】
対向する半導体素子及び回路基板の両面に形成された突起
を備えてなることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１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、半導体素子を格子状に配列したはんだバンプを用いて回路基板に実装した半導体装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体素子を回路基板に実装した半導体装置に於いては、半導体素子表面と回路基板とをはんだバンプに依って電気的に接続した後、はんだバンプ間の絶縁を確保する為、半導体素子と回路基板との間には、樹脂に無機充填材を分散した絶縁材料を充填している。
【０００３】
この絶縁材料は、はんだバンプ間の絶縁を確保することの他に半導体素子と回路基板との熱膨張率差に起因する熱応力、或いは、振動によるストレス等によってバンプ部分が破断すること等を防止する役割を果たしている。
【０００４】
近年、半導体素子の高密度化により、一つの半導体素子に於けるピン数、及び、その密度が増加し、はんだバンプ間の距離と、半導体素子と、該半導体素子が実装される半導体素子、或いは、回路基板との間の距離は全て小さくなっている。尚、半導体素子を半導体素子に実装した半導体装置は、システムインパッケージ（ＳｉＰ）の一種であるチップオンチップ（ＣＯＣ）として知られている。
【０００５】
このため、上記の無機充填材を分散させた絶縁材料を欠陥なく充填することが困難になりつつある旨の問題がある。
【０００６】
この絶縁材料を充填するには、現在、毛細管現象を利用する方法が実施されていて（例えば、特許文献１を参照。）、この方法では、絶縁材料の充填が進行すると共に実装された半導体素子と回路基板などとの間から空気を外方に押し出すようにしている。
【０００７】
絶縁材料の充填を行なう場合、あらゆる方向から注入すると空気の逃げ道がなくなり、ボイドと呼ばれる欠陥になって絶縁材料中に残ってしまい、その後の熱履歴や使用環境に依って、はんだバンプ間の絶縁不良障害が起きやすくなる。
【０００８】
このようなボイドの発生を低減させるため、絶縁材料を半導体素子に於ける所要の一辺から注入器を用いて注入したり、絶縁材料と回路基板、半導体素子、はんだバンプなどとの濡れ性を向上させたり、絶縁材料の粘度やチクソ性を低減させて流動性を向上させたりする等の方法が採られ、これらの方法に依って、充填された絶縁材料内部で発生する大面積のボイドを低減させる努力がなされてきた。
【０００９】
しかし、実際に絶縁材料が充填される場合、絶縁材料は、図１に示すように、格子状に配置されたはんだバンプ間における絶縁材料の充填速度は均一ではなく、はんだバンプの底辺部からはんだバンプを覆う形で高さ方向に充填され、その後、連続的にはんだバンプ間の空間が一気に充填される。
【００１０】
図２は従来の技術に依って絶縁材料の注入を行なった場合の流動性について説明する為の半導体装置を表す説明図であり、（Ａ）は半導体素子の表面、（Ｂ）は半導体装置の要部切断側面をそれぞれ示している。
【００１１】
図に於いて、１１は半導体素子を実装した回路基板、１２は実装された半導体素子（半導体チップ）、１３ははんだバンプ、１４はアンダーフィル樹脂である絶縁材料をそれぞれ示している。
【００１２】
回路基板１１の表面とフリップチップされた半導体素子１２の表面との間、即ち、接合ギャップに絶縁材料１４を充填する場合、図示されている格子状に配置されたはんだバンプ１３間に於ける絶縁材料１４の充填速度は均一ではなく、はんだバンプ１３の回路基板１１側、即ち、底辺部からはんだバンプ１３を覆う形で高さ方向に充填され、その後、連続的にはんだバンプ１３間の空間が一気に充填されることになる。そして、この際、はんだバンプ１３間では絶縁材料１４の充填速度が速くなり、場合によって微小なボイドが発生する。尚、図２の（Ｂ）に於ける矢印はアンダーフィル樹脂である絶縁材料１４がはんだバンプ１３間のみを一気に進行することを表している。
【００１３】
通常、絶縁材料充填時のボイド発生を低減するためには、絶縁材料の充填領域における負荷を均一にすることが望ましい。このため、格子状に配置されたはんだバンプが存在する領域、及び、はんだバンプが存在しない領域が混在する場合に於けるボイド低減対策として、例えば、はんだバンプが設けられていない領域に突起部を設けることに依って、絶縁材料充填領域における注入負荷をできるだけ均一化し、ボイドの発生を低減しようとする試みがある（例えば、特許文献１、特許文献２を参照。）。
【００１４】
特許文献１に開示された発明では、はんだバンプ部へ絶縁性樹脂を充填する際、気泡と充填ムラを防ぐため、バンプと回路基板のランドが配設されていない箇所にバンプ相当のダミーの突出部等を配設している。
【００１５】
この公知発明に於いては、基板内に必ずランド未実装領域が設けられ、ダミー突出部はその中に位置するとされていて、しかも、そのランド未実装領域は基板中心部に集中的に配置されているため、アンダーフィルである絶縁材料が充填される場合、毛細管現象によるランド未実装領域、即ち、突起が形成されている領域とランド実装領域との流速の差は大きく、この流速の差により、領域の境界付近では、却ってボイドが形成され易くなる。
【００１６】
また、特許文献２に開示された発明では、発明が解決しようとする課題とされているところに依れば、突起電極どうしの間隔が一定でないことに起因し、封止樹脂が半導体チップの各辺に均一に流動しない現象を凸状パターンの形成により、突起電極を均一に配置して、封止樹脂を均一に流動させようとしている。
【００１７】
この発明では、請求項に記載されたところに依れば、凸状パターンは、配線電極とほぼ同じ高さであるとのことであり、実施例に関する記載に依れば、導電性を持ち、突起電極に接続してもよいとされることから、凸状パターンは、間隔が一定でないはんだバンプ間に存在するダミーの配線電極と同様な作用を持ち、突起電極と接続することにより、事実上、この発明は、はんだバンプの間隔を一定にした構造であると捉えることができる。
【００１８】
この公知発明に於いては、はんだバンプの間隔を一定にすることによって、ボイド発生の抑制に効果があるとされているが、実際には、均一にはんだバンプが並んでいても、はんだバンプ周辺に、微小ながら半導体チップと回路基板を貫通するような、絶縁信頼性にかかわるボイドの発生が確認されているので、その問題の解決しなければならない。
【特許文献１】特開２００１−１５５５４号公報
【特許文献２】特開２００３−１５８１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明では、格子状に配置されたはんだバンプの領域における絶縁材料の流速をできるだけ均一化して微小なボイドの発生を低減することが可能な構造を提供し、且つ、その構造を採り入れることで信頼性を向上した半導体装置を提供しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に依る半導体装置に於いては、格子状に並ぶはんだバンプを介して実装した半導体素子と回路基板との間に生成される空間に絶縁材料が充填されてなる半導体装置に於いて、格子状に並ぶはんだバンプの各列の間に在って、且つ、はんだバンプを介して対向した半導体素子及び回路基板の少なくとも何れか一方の面にはんだバンプと重ならない位置に形成された突起の列を備えてなることが基本になっている。
【発明の効果】
【００２１】
前記手段を採ることに依り、はんだバンプ間における絶縁材料充填速度の不均一を細分化し、微細なボイドの発生を低減することができ、これによって、はんだバンプと半導体素子や回路基板等の電気的接続における絶縁信頼性を確保できる他、充填された絶縁材料中に欠陥がなくなることから、その後の熱履歴や使用環境によって発生する応力、振動による応力等に対する耐性を向上することができ、延いては、電子機器全体としての信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明に於ける実施の形態を説明する為の半導体装置を表す要部説明図であり、（Ａ）は半導体素子の表面、（Ｂ）は同じく要部切断側面をそれぞれ示し、図に於いて、１は半導体素子を実装する回路基板、２は半導体素子（半導体チップ）、３ははんだバンプ、４はアンダーフィル樹脂である絶縁材料、５は絶縁材料の流速をコントロールする為の突起をそれぞれ示している。
【００２３】
図示の半導体装置では、半導体素子２を格子状に配列されたはんだバンプ３を用いて実装し、半導体素子２とそれが実装される回路基板１或いは半導体素子（ＣＯＣの場合）の間に存る空間、即ち、接合ギャップには、格子状に並んだはんだバンプ３それぞれの列の間に於いて、はんだバンプ３を介して向かい合う面の少なくとも一方の面にはんだバンプ３の行に対して行が重ならないように突起５を列状に配置してある。ここで配置した突起５の材料としては、例えば、感光性をもつ熱硬化性樹脂、具体的には、例えば、感光性ポリイミド樹脂を用いることができる。
【００２４】
この構成によって、絶縁材料４は、はんだバンプ３の底部側、即ち、回路基板１側からはんだバンプ３を覆う形で高さ方向に充填され、その後、従来であれば、連続的にはんだバンプ３間の空間が一気に充填される旨の絶縁材料４の流速不均一は細分化され、微細なボイドの発生を低減することができる。尚、図１の（Ｂ）に見られる矢印は、アンダーフィル樹脂である絶縁材料４が突起５に濡れることで、はんだバンプ３間を均一な流速で進むことを表示している。
【００２５】
ところで、突起５は絶縁材料４が充填される過程で、はんだバンプ３間に於ける流速不均一を低減する為のものであるから、はんだバンプ３と同様、絶縁材料４が突起５を均一に覆うことを可能にするための高さにになっている必要があり、そして、絶縁材料４が充填空間に入ることで抵抗が増加し、充填が困難になるなどの問題が発生しないことが求められる。
【００２６】
その為、突起５の高さは、絶縁材料４に含まれる無機充填材の粒径よりも大きく、そして、はんだバンプ３の高さに比較して低い、例えば、１／２よりも低くすることが好ましい。
【００２７】
ここで、本発明について、更に、具体的且つ詳細に説明すると、半導体素子２と回路基板１との間隙に充填されるアンダーフィル樹脂である絶縁材料４は、毛細管現象を利用して充填される。このとき、絶縁材料４は、回路基板１の表面を下向きに、そして、半導体素子２の表面を上向きにした状態で、重力の作用で、回路基板１の表面から濡れ広がることになる。
【００２８】
一般的に、絶縁材料４を充填する際の障害物となるはんだバンプ３の表面を含めた濡れ性は、半導体素子２の表面＞はんだバンプ３＞回路基板１の表面、の順であり、絶縁材料４は、上記の順を経て最も濡れ性が悪い回路基板１の表面に濡れ広がることとなるのであるが、一般に、絶縁材料４の充填速度は均一ではない。
【００２９】
図３は絶縁材料（アンダーフィル樹脂）の充填速度が均一でないことを説明する為の要部平面図であり、図１及び図２に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。
【００３０】
図３に於いて、（Ａ）に見られるように、絶縁材料４が充填され、はんだバンプ３に接触した場合、（Ｂ）に見られるように、絶縁材料４は、はんだバンプ３の周辺を取り囲むように流れ、（Ｃ）に見られるように、はんだバンプ３を中心に濡れ広がり、（Ｄ）に見られるように、はんだバンプ３の間は、隣接するはんだバンプ３から濡れ広がる絶縁材料４で充填される。このようなことから、はんだバンプ３に依る濡れ広がりに起因して、絶縁材料４の充填速度は変化してしまい、ボイドが発生する可能性が高い。
【００３１】
図４は本発明に於いては絶縁材料（アンダーフィル樹脂）の充填速度が均一になることを説明する為の要部平面図であり、図１及び図２に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。
【００３２】
図４に於いて、各はんだバンプ３間には突起５が存在する為、この領域に於いては、突起５を中心に絶縁材料４が濡れ広がることになり、結果的に絶縁材料４の充填速度は均一化され、ボイドの発生は抑制される。
【実施例１】
【００３３】
実施の形態を説明するのに用いた図１に見られる半導体装置について、具体的な実施例を説明する。
【００３４】
直径８０μｍのＳｎ／Ｐｂはんだバンプ３を２０ｍｍ×２０ｍｍの領域に２００μｍ間隔で格子状に配置した半導体素子２を用意し、同間隔で格子状に配置されたＮｉ／Ａｕめっきパッドが形成された回路基板１上に実装する半導体装置を対象とした。
【００３５】
格子状にＮｉ／Ａｕめっきパッドが形成された回路基板１の表面に厚さ２０μｍ程度のソルダレジスト膜を形成し、Ｎｉ／Ａｕめっきパッドの列と列との間に一辺が２０μｍのひし形状の突起５が格子状を成して配列されるようにパターニングした。実施例１では、感光性ポリイミド（ＰＷ−１０００  東レ（株）製）をスピンコート法を適用して塗布した後、フォトリソグラフィ技術の適用、アルカリに依る現像を行い、次いで、約３００℃の熱硬化を行って突起５を作製した。
【００３６】
回路基板１にＳｎ／Ｐｂはんだバンプ３を介して実装した半導体素子２に於ける任意の一辺から、注入器を用いて接合ギャップに絶縁材料４を充填し、１６０℃の温度で１時間の熱硬化処理を行なった後、超音波探傷によって絶縁材料４中のボイド（空間）を調査して、前記のようにして作製した試料、及び、突起５をもたない試料の各１０個を比較したところ、突起５をもたない従来技術に依る試料では２０ｍｍ×２０ｍｍの領域あたりボイドが５〜６個発生していたが、本発明に依る上記試料でボイドの発生は皆無であった。
【００３７】
本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができるので、以下、それを付記として例示する。                                          
【００３８】
（付記１）
格子状に並ぶはんだバンプを介して実装した半導体素子と回路基板との間に生成される空間に絶縁材料が充填されてなる半導体装置に於いて、
格子状に並ぶはんだバンプの各列の間に在って、且つ、はんだバンプを介して対向した半導体素子及び回路基板の少なくとも何れか一方の面にはんだバンプと重ならない位置に形成された突起の列
を備えてなることを特徴とする半導体装置。
【００３９】
（付記２）
半導体素子が実装される回路基板が前記半導体素子と別の半導体素子に代替されてなること
を特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【００４０】
（付記３）
絶縁材料が粒子状の無機充填材料を含有する樹脂であること
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載の半導体装置。
【００４１】
（付記４）
突起の高さが絶縁材料に含まれる無機充填材料の粒径よりも大きく、且つ、はんだバンプの高さに比較して低いこと
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１記載の半導体装置。
【００４２】
（付記５）
突起が感光性樹脂からなるものであること
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１記載の半導体装置。
【００４３】
（付記６）
対向する半導体素子及び回路基板の両面に形成された突起
を備えてなることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１記載の半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に依る半導体装置を表す説明図である。
【図２】従来の技術に依る半導体装置を表す説明図である。
【図３】絶縁材料（アンダーフィル樹脂）の充填速度が均一でないことを説明する為の要部平面図である。
【図４】絶縁材料（アンダーフィル樹脂）の充填速度が均一になることを説明する為の要部平面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  半導体素子を実装する回路基板
２  半導体素子（半導体チップ）
３  はんだバンプ
４  アンダーフィル樹脂である絶縁材料
５  絶縁材料の流速をコントロールする為の突起
【図１】
2008072023.tif 000003
【図２】
2008072023.tif 000004
【図３】
2008072023.tif 000005
【図４】
2008072023.tif 000006