(57)【要約】【課題】低誘電率膜の破壊と鉛フリー半田からなるバンプの破壊を両方とも防ぐことができる半導体装置を得る。【解決手段】低誘電率膜を含む半導体チップと、鉛フリー半田からなるバンプとを有する半導体パッケージと、半導体パッケージがバンプを介してフリップチップ接合された配線基板と、半導体パッケージと配線基板の間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備え、アンダーフィル樹脂は、ガラス転移温度が１２５℃以上であり、かつ１２５℃での熱膨張係数が４０ｐｐｍ／℃未満であり、かつ２５℃での弾性率が９ＧＰａ未満である。【選択図】図２０
2008042077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低誘電率膜を含む半導体チップと、鉛フリー半田からなるバンプとを有する半導体パッケージと、
前記半導体パッケージが前記バンプを介してフリップチップ接合された配線基板と、
前記半導体パッケージと前記配線基板の間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備え、
前記アンダーフィル樹脂は、ガラス転移温度が１２５℃以上であり、かつ１２５℃での熱膨張係数が４０ｐｐｍ／℃未満であり、かつ２５℃での弾性率が９ＧＰａ未満であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記アンダーフィル樹脂は、１２５℃での弾性率が０．１ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体チップと、前記半導体チップが取り付けられ、パッケージ側面から露出した多孔質エラストマとを有する半導体パッケージと、
前記半導体パッケージが半田ボールを介して接合された配線基板と、
前記半導体パッケージと前記配線基板の間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備え、
前記アンダーフィル樹脂は、前記多孔質エラストマの露出部を少なくとも一部は残すように充填されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置を製造する方法であって、
前記アンダーフィル樹脂を注入するためのノズルを前記多孔質エラストマの露出部よりも下げて、前記アンダーフィル樹脂を前記半導体パッケージと前記配線基板の間に注入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体チップを有し、モールド樹脂がボール面側に露出した半導体パッケージと、
前記半導体パッケージが半田ボールを介して接合された配線基板と、
前記半導体パッケージと前記配線基板の間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備え、
前記アンダーフィル樹脂は、前記ボール面側に露出した前記モールド樹脂に接しないことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項３又は５に記載の半導体装置を製造する方法であって、
前記配線基板上にアンダーフィル樹脂を塗布する工程と、
前記配線基板上に塗布された前記アンダーフィル樹脂を介して、前記配線基板上に前記半導体パッケージをフリップチップ接合する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項３又は５に記載の半導体装置を製造する方法であって、
前記半導体パッケージの外周の１点又は数点のみから、前記アンダーフィル樹脂を前記半導体パッケージと前記配線基板の間に注入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
配線基板と、
前記配線基板上に搭載された第１の半導体素子と、
前記配線基板上に搭載され、前記第１の半導体素子よりも高さが低い第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子上に、上面が前記第１の半導体素子の上面と同じ高さになるように設けられた金属板と、
前記第１の半導体素子の上面及び前記金属板の上面に接着された筐体とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
低誘電率膜を含む半導体チップと、鉛フリー半田からなるバンプとを有する半導体パッケージと、
前記半導体パッケージが前記バンプを介してフリップチップ接合された配線基板と、
前記半導体パッケージと前記配線基板の間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備え、
前記アンダーフィル樹脂は、１２５℃での弾性率が０．１ＧＰａ以上であり、かつ２５℃での弾性率が９ＧＰａ未満であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
前記アンダーフィル樹脂は、ガラス転移温度が１２５℃以上であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低誘電率膜を含む半導体チップと、鉛フリー半田からなるバンプとを有する半導体パッケージと、半導体パッケージがバンプを介してフリップチップ接合された配線基板と、半導体パッケージと配線基板の間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備えた半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バンプを介して半導体チップを配線基板にフリップチップ接続した半導体装置が用いられている。この半導体装置において、バンプを保護するために、半導体チップと配線基板の間隙にアンダーフィル樹脂が充填される。また、近年、半導体チップは層間絶縁膜として低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）を含むようになり、バンプは鉛フリー半田から構成されるようになってきた。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−９２３５２号公報
【特許文献２】特開２００４−３０７６４７号公報
【特許文献３】特開２００５−２００４４４号公報
【特許文献４】特開平１１−８７４１４号公報
【特許文献５】特開平１１−１６３２０３号公報
【特許文献６】特開２００２−３５３３６１号公報
【特許文献７】特開２００３−５１５７３号公報
【特許文献８】特開２００５−２５１７８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アンダーフィル樹脂として、一般的な動作保証温度範囲（−５５℃〜１２５℃）の下限−５５℃での弾性率が１１ＧＰａ以上と高く、かつガラス転移温度Ｔｇが動作保証温度範囲の上限１２５℃よりも高く、例えば１３０℃〜１４０℃のものが用いられていた（例えば、特許文献１〜３参照）。ここで、アンダーフィル樹脂はＴｇ以下になると硬くなり、冷却するに従って内部応力が大きくなる。従って、上記のような低温側で弾性率が高いアンダーフィル樹脂を用いると、低温時に半導体チップ角部などへ内部応力が集中し、耐久性の低い低誘電率膜において剥離が発生するという問題があった。
【０００５】
これに対し、低温側で弾性率が低いアンダーフィル樹脂を用いれば、このような問題は生じない。このようなアンダーフィル樹脂として、低温域において弾性率が９ＧＰａ以下と低く、かつＴｇが動作保証温度範囲の上限１２５℃よりも低い特性を有するものの評価を行った。ここで、エポキシ系樹脂やビスマレイドトリアジン系樹脂を基材とするアンダーフィル樹脂の場合、Ｔｇ以下での熱膨張係数は２０〜４０ｐｐｍ／℃程度であるが、Ｔｇを超えると熱膨張係数は９０ｐｐｍ／℃程度と非常に大きくなる。従って、上記のような低温側で弾性率が低い従来のアンダーフィル樹脂を用いると、高温時の体積膨張が大きいため、クリープ限界の低い鉛フリー半田からなるバンプは応力の緩和ができず、破壊されるという問題が生じた。
【０００６】
このように、Ｔｇが高く、高温域での熱膨張率が小さい樹脂においては、低温域において弾性率が高く、大きな応力集中による低誘電率膜の剥離を生じる問題がある。また、低温域において弾性率が低い樹脂においては、Ｔｇが動作保証温度範囲の上限よりも低く、Ｔｇを超える温度範囲において熱膨張率が極端に大きくなるために、鉛フリー半田バンプの破壊を招く問題がある。低温域において弾性率が低く、かつ高温域での体積膨張が小さいアンダーフィル樹脂は用いられていなかったため、低誘電率膜の破壊と鉛フリー半田からなるバンプの破壊を両方とも防ぐことはできなかった。
【０００７】
また、半導体チップを多孔質エラストマに取り付け、その多孔質エラストマをパッケージ側面から露出させた半導体パッケージが提案されている（例えば、特許文献４〜６参照）。これにより、吸湿した状態の半導体パッケージをリフローしても、リフロー時にパッケージ内部で発生した蒸気を多孔質エラストマを通して外部に発散することができる。しかし、従来の半導体装置では、アンダーフィル樹脂がパッケージ側面を覆っていたため、パッケージ側面から露出された多孔質エラストマがアンダーフィル樹脂により覆われていた。このため、多孔質エラストマを通して蒸気を外部に発散することができないという問題があった。
【０００８】
また、モールド樹脂は離型剤が含まれているため、アンダーフィル樹脂との密着性が悪い。従って、モールド樹脂がボール面側に露出した半導体パッケージを用いた場合、モールド樹脂とアンダーフィル樹脂との界面に剥離が発生し、この剥離が伝搬して内部配線の破壊や、半田ボール同士の短絡が発生するという問題があった。
【０００９】
また、配線基板上に搭載された半導体素子の上面は、放熱のためにカーナビやパソコン等の筐体に密着、もしくは熱伝導材を介して固定される。そして、配線基板上にマイコンとＤＲＡＭなどの高さの異なる半導体素子を搭載した場合、従来は、各半導体素子上に熱伝導性の絶縁部材を設けて同じ高さにして、平坦な筐体に接着していた（例えば、特許文献７，８参照）。しかし、絶縁部材は熱伝導性が金属に比べて低いため、放熱性が低下するという問題があった。
【００１０】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の第１の目的は、低誘電率膜の破壊と鉛フリー半田からなるバンプの破壊を両方とも防ぐことができる半導体装置を得るものである。
【００１１】
本発明の第２の目的は、エラストマを通した蒸気の発散がアンダーフィル樹脂により阻害されるのを防ぐことができる半導体装置を得るものである。
【００１２】
本発明の第３の目的は、半導体パッケージのボール面側に露出したモールド樹脂とアンダーフィル樹脂との界面の剥離が伝搬して内部配線の破壊や、半田ボール同士の短絡が発生するのを防ぐことができる半導体装置を得るものである。
【００１３】
本発明の第４の目的は、配線基板上に高さの異なる半導体素子を搭載した場合でも、それぞれの半導体素子から筐体への放熱性を確保することができる半導体装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の請求項１に係る半導体装置は、低誘電率膜を含む半導体チップと、鉛フリー半田からなるバンプとを有する半導体パッケージと、半導体パッケージがバンプを介してフリップチップ接合された配線基板と、半導体パッケージと配線基板の間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備え、アンダーフィル樹脂は、ガラス転移温度が１２５℃以上であり、かつ１２５℃での熱膨張係数が４０ｐｐｍ／℃未満であり、かつ２５℃での弾性率が９ＧＰａ未満である。
【００１５】
本発明の請求項３に係る半導体装置は、半導体チップと、半導体チップが取り付けられ、パッケージ側面から露出した多孔質エラストマとを有する半導体パッケージと、半導体パッケージが半田ボールを介して接合された配線基板と、半導体パッケージと配線基板の間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備え、アンダーフィル樹脂は、多孔質エラストマの露出部を少なくとも一部は残すように充填されている。
【００１６】
本発明の請求項５に係る半導体装置は、半導体チップを有し、モールド樹脂がボール面側に露出した半導体パッケージと、半導体パッケージが半田ボールを介して接合された配線基板と、半導体パッケージと配線基板の間に充填されたアンダーフィル樹脂とを備え、アンダーフィル樹脂は、ボール面側に露出したモールド樹脂に接しない。
【００１７】
本発明の請求項８に係る半導体装置は、配線基板と、配線基板上に搭載された第１の半導体素子と、配線基板上に搭載され、第１の半導体素子よりも高さが低い第２の半導体素子と、第２の半導体素子上に、上面が第１の半導体素子の上面と同じ高さになるように設けられた金属板と、第１の半導体素子の上面及び金属板の上面に接着された筐体とを有する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１に係る半導体装置により、低誘電率膜の破壊と鉛フリー半田からなるバンプの破壊を両方とも防ぐことができる。
【００１９】
本発明の請求項３に係る半導体装置により、エラストマを通した蒸気の発散がアンダーフィル樹脂により阻害されるのを防ぐことができる。
【００２０】
本発明の請求項５に係る半導体装置により、半導体パッケージのボール面側に露出したモールド樹脂とアンダーフィル樹脂との界面の剥離が伝搬して内部配線の破壊や、半田ボール同士の短絡が発生するのを防ぐことができる。
【００２１】
本発明の請求項８に係る半導体装置により、配線基板上に高さの異なる半導体素子を搭載した場合でも、それぞれの半導体素子から筐体への放熱性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法について図１のフローチャートを参照しながら説明する。
【００２３】
まず、半導体パッケージ１を作成する（ステップＳ１）。具体的には、図２に示すように、基板２上に多孔質エラストマ３を介して半導体チップ４を搭載する。そして、基板２中央の開口を通して、半導体チップ４のセンターパッド５と基板２の電極６とをワイヤ７により接続する。さらに、基板２を金型８に装着して、半導体チップ４、ワイヤ７、多孔質エラストマ３をモールド樹脂９で一括封止する。ただし、半導体チップ４が取り付けられた多孔質エラストマ３は、パッケージ側面から露出させる。
【００２４】
図３は、後述するフリップチップ接続用半導体チップ１３の一部を示す拡大断面図である。半導体チップ１３は、シリコン基板１００と、シリコン基板１００上に形成されたＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子１０１と、ＳｉＯ２絶縁膜１０２、ＳｉＣＮエッチングストッパ膜１０３、低誘電率膜であるポーラスＳｉＯＣ膜１０４及びＳｉＯＦ密着膜１０５の積層構造からなる層間絶縁膜と、この層間絶縁膜に埋め込まれたタングステンプラグやＣｕ配線などからなる半導体チップ内配線層１０６と、層間絶縁膜上に形成されたアルミパッド層１０７と、アルミパッド１０７を露出するように開口が形成されたＳｉＯ２／ＳｉＮ積層膜からなる無機パシベーション膜１０８及びポリイミド膜（ＰｉＱ膜）からなる有機パシベーション膜１０９の積層膜と、アルミパッド１０７上に形成された例えばＴｉ／Ｃｕ／Ｎｉ積層膜からなるバリアメタル１１０と、前記バリアメタル上に形成された半田バンプ１５とを備えている。半導体チップ１３内の層間絶縁膜として、ＳｉＯ２膜の誘電率Ｋ＝４．３よりも低い誘電率の膜を使用する場合、層間絶縁膜の強度低下が問題となる。特に、一般的なＳｉＯ２膜であるＴＥＯＳ膜などに比較して、膜の密度を低下させることで誘電率を低減するポーラス低誘電率膜においてはその問題は顕著であり、半導体チップにかかる応力を低減する技術は、半導体装置の信頼性を向上する上で非常に重要となる。本実施の形態においては、低誘電率膜としてポーラスＳｉＯＣ膜を採用する。このポーラスＳｉＯＣ膜は、主にＳｉ−ＣＨ３基を多く含むメチル含有ポリシロキサンであり、ＣＨ３の存在により分子構造内に間隙を生じるために多孔質となり、誘電率が低下している。また、半導体チップ１３を構成する材料としては、上記に具体例を示したが、これらに限る物ではなく、例えば、低誘電率膜として、ＳｉＯＣＨベースのポーラス低誘電率膜や、Nano Clustering Silica膜などのポーラスシリカ系材料、ポーラスＨＳＱと呼ばれるＨ含有ポリシロキサン、有機ポリマー膜、有機ポリマーのポーラス膜などが適宜使用可能である。
【００２５】
図２に示す樹脂封止工程の後に、図４に示すように、基板２の下面に、鉛フリー半田からなるバンプ１０を付ける。これにより、モールド樹脂９がボール面側に露出した半導体パッケージ１が作成される。ここで、鉛フリー半田とは、鉛が含まれていないか、又は環境負荷が少ない程度（０．１ｗｔ％未満）の鉛しか含まれていない半田である。ここでは、鉛フリー半田として、ＳｎにＣｕが１〜４％含有したものを用いる。ただし、鉛フリー半田として、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ系、もしくは純Ｓｎのものなどを用いてもよい。
【００２６】
このようにモールド樹脂９を金型８で成形する場合は、離型剤が含まれたモールド樹脂９を用いる。離型剤としては、例えば、パラフィンワックス、ライスワックス、カルナバワックス、キャンデリラワックスなどの天然ワックス、ポリエチレンワックス、酸化ポリエチレンワックスなどの石油系ワックス、高級脂肪族ケトン、高級脂肪族エステル、高級脂肪酸、高級脂肪族アルコールなどのワックス又は脂肪酸が挙げられる。また、モールド樹脂９には、半導体パッケージ１の反りを低減するために、大量のフィラーが添加されている。すなわち、半導体チップ４の主要な構成となる単結晶シリコン基板など、半導体基板は熱膨張係数が小さい。従って、半導体チップ４全体としての熱膨張係数も３ｐｐｍ／℃程度と、非常に小さくなる。また、単結晶シリコン基板に限らず、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板もやはり、エポキシ系樹脂などと比べると一般的に熱膨張係数が小さい。そこで、モールド樹脂９には、エポキシ系樹脂に対して、熱膨張係数の小さいシリカなどからなるフィラーを大量に添加し、半導体チップ４との熱膨張係数差をなるべく小さくした物が用いられる。本実施の形態においては、エポキシ系樹脂に対して、少なくとも８０ｗｔ％以上、より好ましくは９０ｗｔ％程度のシリカを添加した物をモールド樹脂９として用いる。このような場合、シリカなどからなるフィラーは、例えばモールド樹脂９を構成するエポキシ系樹脂と比較して弾性率が高いため、モールド樹脂９内部に封止される半導体チップ４に対して生じる内部応力がかなり高くなる。そこで、モールド樹脂９には、低応力剤として、微量の可撓剤が添加されることがある。可撓剤としては、各種シリコーンオイル、シリコーンゴム、アクリルニトリルブタジエンゴム等が用いられることがある。特に、エポキシ変性シリコーンオイルなど、各種シリコーンオイルが化学的安定性などの面から有効である。しかし、シリコーンオイルが添加されたモールド樹脂９を使用する場合、アンダーフィル樹脂２０との接着力の確保が難しくなる。シリコーンオイルは、離型剤に使用されることもあるほど、他の有機物などとの粘着力、接着力を確保するのが難しいという性質がある。少なくとも８０ｗｔ％以上のシリカフィラーを含有するようなモールド樹脂９において、低応力化を達成し、半導体チップ４のクラックを防止するためには、０．３ｗｔ％以上のシリコーンオイルを添加するのが好ましいが、シリコーンオイルの含有量が０．１ｗｔ％を超えると、他の有機樹脂との接着力を確保するのが難しくなる。
【００２７】
また、成形直後は、図５に示すように、離型剤１１はモールド樹脂９中に分散している。しかし、時間が経過すると、図６に示すように、離型剤１１はモールド樹脂９中で集まり始める。そして、最終的には、図７に示すように、金型８との界面付近に離型剤１１の層が形成される。この離型剤１１の層が、モールド樹脂９とアンダーフィル樹脂（後述）との接着性を劣化させる原因となる。
【００２８】
そこで、図８に示すように、半導体パッケージ１のボール面をＡｒプラズマによりスパッタする（ステップＳ２）。即ち、電場の中でＡｒプラズマを加速して半導体パッケージ１のボール面に当てる。これにより、モールド樹脂９の表面に形成された離型剤１１の層をプラズマで物理的に除去することができる。また、モールド樹脂９の表面を粗くしてアンダーフィル樹脂（後述）との接触面積を増やすこともできる。また、シリコーンオイルを含有するモールド樹脂９と、アンダーフィル樹脂２０との接着力を確保する上でも、Ａｒプラズマによる表面改質は有効である。樹脂表面を改質し、接着材との接着性を改善する手段としては、Ａｒプラズマや、酸素プラズマクリーニングという手段があった。本実施の形態におけるモールド樹脂９に対しては、酸素プラズマクリーニングでは、接着力の改善の効果が十分に得られず、Ａｒプラズマであると接着力の改善効果が十分に得られるという特徴がある。酸素プラズマクリーニングを例えば配線基板１４表面に対して施すと、酸素ラジカルプラズマにより、有機結合が切断され、酸素を含んだ官能基が表面に形成されるため、きわめて接着性に富んだ活性な表面状態が得られる。しかし、モールド樹脂９に含有されるシリコーンオイル、例えば一部エポキシ変性したシリコーンオイルなどは、熱酸化に対する安定性が非常に優れているため、酸素ラジカルプラズマに長時間晒しても、メチル基の切断の進行が遅く、接着性に富む官能基の生成が十分に進まないという問題がある。Ａｒプラズマによる処理においては、Ａｒプラズマ中のＡｒイオンを、大きな電場によって加速することで、ターゲットとなるモールド樹脂９に衝突させる。高いエネルギーを持つＡｒイオンが衝突することによって、シリコーンオイルのメチル基は効果的に切断される。そして、その後のアンダーフィル樹脂注入工程（後述）において、ポリシロキサンの側錯とアンダーフィル樹脂２０との間で強固な結合が形成されるため、アンダーフィル樹脂２０との接着力の向上が得られる。
【００２９】
ただし、スパッタ工程において、モールド樹脂９の削り量を、モールド樹脂９に含まれるフィラーの直径の平均値以下とするのが好ましい。これにより、モールド樹脂からフィラーが大量に脱落するのを防いで、ボール接続の不良を防ぐことができる
【００３０】
次に、図９に示すように、半導体パッケージ１のボール面にフラックス１２を塗布する（ステップＳ３）。
【００３１】
次に、図１０に示すように、ベアチップ１３及び配線基板１４を作成する（ステップＳ４）。ベアチップ１３には鉛フリー半田からなる半田ボール１５が付けられ、配線基板１４には鉛フリー半田からなる半田ボール１６が付けられている。この半田ボール１５，１６は、それぞれ２００μｍ間隔で複数個並べられている。
【００３２】
次に、図１１に示すように、配線基板１４をステージ１７に載せ、ベアチップ１３をツール１８により保持して、ツール１８及びステージ１７を１８０℃に加熱する。そして、半田ボール１５と半田ボール１６を接触させ、ステージ１７を１８０℃に保ったまま、ツール１８を半田の融点（Ｓｎ１％Ａｇ０．５％Ｃｕの場合は２１０℃）よりも高温である３００℃に加熱して、ベアチップ１３に超音波振動を印加しながら、ベアチップ１３を配線基板１４上にフラックスレスでフリップチップ接合する（ステップＳ５）。ここで、超音波振動の振幅は半田ボール１５，１６の直径１００μｍの１／３程度である±３５μｍ程度とし、印加時間は１秒程度とする。その後、ステージ１７を１８０℃に保ったまま、ツール１８を２００℃まで冷却して、ツール１８を上昇させる。
【００３３】
このように超音波振動を印加することで、フラックスレスで半田ボール１５，１６表面の自然酸化膜を破壊することができ、良好な接合を実現することができる。なお、フラックスを用いると、ベアチップ１３と配線基板１４の間隔は６５μｍ程度と狭いため、両者の間のフラックスを洗い流すことができず、フラックス残渣が発生する。これに対し、フラックスレスで接合することで、フラックス残渣の発生の心配がない。従って、アンダーフィル樹脂内でフラックスが膨張することによるボイドの発生を防ぐことができる。
【００３４】
次に、図１２に示すように、ベアチップ１３に対してＯ２プラズマ処理を行う（ステップＳ６）。Ｏ２プラズマ処理においては、ダイレクトプラズマ方式によって、酸素ラジカルプラズマ中にベアチップ１３が接続された配線基板１４を晒すことによって、前述の通り、配線基板１４表面のソルダレジスト膜や、ベアチップ１３表面のポリイミドパシベーション膜の有機結合が切断され、酸素を含んだ官能基が表面に形成されるため、きわめて接着性に富んだ活性な表面状態が得られる。特に、ダイレクトプラズマ方式においては、Ａｒイオンを電場中で加速して衝突させる方式に比較して、狭い場所のクリーニングもできるため、ベアチップ１３を配線基板１４にフリップチップ接合した後のクリーニングも可能である。
【００３５】
ここで、メッキでは２元系しか成膜できないため、ベアチップ１３の半田ボール１５はＳｎ２．５％Ａｇからなり、配線基板１４の半田ボール１６はＳｎＣｕからなる。そして、フリップチップ接合により両者の半田ボール１５，１６が接合すると、信頼性の高いＳｎ１％Ａｇ０．５％Ｃｕが形成される。しかし、ベアチップ１３のボール面をＡｒプラズマでスパッタすると、ベアチップ１３の半田ボール１５だけが削れて接合により形成される判断の組成比が変化するため、信頼性が損なわれるという問題がある。また、Ａｒプラズマでスパッタすると、チャージアップにより、ベアチップ１３内のゲート絶縁膜へ電荷がトラップされて素子特性が変化してしまうという問題もある。従って、ベアチップ１３はＡｒプラズマによりスパッタしない方が良い。
【００３６】
次に、図１３に示すように、ベアチップ１３と配線基板１４の間にアンダーフィル樹脂１９を充填する（ステップＳ７）。その後、例えば１６０℃、９０分の熱処理を施すことにより、アンダーフィル樹脂１９を硬化させる。また、半導体装置として完成するまでの間に、例えば、図２１に示す半田ボール２２のリフロー工程や、図２２に示す配線基板１４への実装工程など、更なる熱処理工程が施される場合があるが、これら後の熱処理工程においても、アンダーフィル樹脂１９の硬化反応は適宜進み、所望の特性の樹脂が得られる。このように半導体パッケージ１を搭載する前にベアチップ１３についてアンダーフィル樹脂を行うことで、後の工程においてベアチップ１３と配線基板１４の間に半導体パッケージ１のフラックス１２が入るのを防ぐことができる。
【００３７】
次に、図１４に示すように、半導体パッケージ１を配線基板１４上にフリップチップ接合する（ステップＳ８）。そして、窒素雰囲気中においてリフロー（溶融）を行う（ステップＳ９）。その後、図１５に示すように、洗浄を行ってフラックス１２を除去する（ステップＳ１０）。この際、ロジン系フラックスの場合はアルコールなど有機溶媒系の洗浄剤を使用し、水溶性フラックスの場合は純水などを使用するのが好ましい。
【００３８】
次に、図１６に示すように、アンダーフィル樹脂２０を半導体パッケージ１と配線基板１４の間に注入する（ステップＳ１１）。ただし、図１７に示すように、アンダーフィル樹脂２０を注入するためのノズル２１を多孔質エラストマ３の露出部よりも下げ、半導体パッケージ１の辺に反ってノズル２１を移動させながらアンダーフィル樹脂２０を注入して、多孔質エラストマ３の露出部を少なくとも一部は残すようにする。これにより、後段のリフロー時にパッケージ内部で発生した蒸気が多孔質エラストマ３を通して発散される。
【００３９】
ここで、アンダーフィル樹脂１９は、エポキシ系樹脂やビスマレイドトリアジン系樹脂を基材とする場合、ガラス転移温度Ｔｇを超えると熱膨張係数が９０ｐｐｍ／℃以上と非常に大きくなる。そこで、アンダーフィル樹脂１９として、ガラス転移温度Ｔｇが１２５℃以上の樹脂を用いる。本実施の形態においては、ガラス転移温度Ｔｇは、ＴＭＡ法によって求められる値として定義される。具体的には、アンダーフィル樹脂１９、もしくは同材料の試験片を１０℃／分の割合で昇温させ、熱分析装置にて厚さ方向の熱膨張量を測定し、図１８にあるように、横軸に温度、縦軸に熱膨張係数のグラフを作図し、ガラス転移温度の前後の曲線に折線を引き、この接線の交点から求められる温度として定義される。アンダーフィル樹脂１９に添加する硬化剤の量を増やすことで、アンダーフィル樹脂のガラス転移温度Ｔｇを高くすることができる。硬化剤としては、例えば、アンダーフィル樹脂１９がエポキシ系樹脂を基材とする場合に、イミダゾール化合物などが選択可能である。これにより、動作保証温度範囲（−５５℃〜１２５℃）内でのアンダーフィル樹脂１９の体積変化を抑えることができる。また、アンダーフィル樹脂１９の測定条件としては、ベアチップ１３と配線基板１４の間にアンダーフィル樹脂１９を充填し、硬化させた直後ではなく、半導体装置が実装基板上に実装されるまでの過程で受ける高温での熱処理の履歴を受けた状態での物性が、所望の値になっているのが好ましい。例えば、アンダーフィル注入工程後の熱履歴の例としては、後述の図２１に示す半田ボール２２のリフロー工程や、図２２に示す、実装基板上へ、半田ボール２２を溶融させて搭載する熱処理工程などがある。
【００４０】
また、アンダーフィル樹脂１９としては、半田バンプ電極１５，１６との熱膨張係数の差がなるべく小さい方が好ましい。アンダーフィル樹脂１９は、ガラス転移温度を超えると、熱膨張係数が急に大きくなるため、動作保証温度範囲内での熱膨張係数の極端な変化を防ぐためには、アンダーフィル樹脂１９として、図１８に示すように、ガラス転移温度Ｔｇが１２５℃より高い樹脂を用いるのが好ましい。また、鉛フリー半田により形成される半田バンプ１５，１６の熱膨張係数は、一般的に２０ｐｐｍ／℃程度であるが、半田バンプ１５，１６との熱膨張係数差が２０ｐｐｍ／℃を超えると、半田バンプ１５．１６のクリープ限界を超え、半田バンプ１５，１６内での破断に至る可能性が大きくなり、半導体装置の信頼性の低下が顕著となる。従って、アンダーフィル樹脂１９として、動作保証温度範囲、例えば−５５℃〜１２５℃での熱膨張係数の最大値と、その温度での半田バンプ１５，１６の熱膨張係数との差が、最大でも２０ｐｐｍ／℃未満になるのが好ましい。熱膨張係数の差は、高温になるほど大きくなる場合が多く、また、一般的に鉛フリー半田の熱膨張係数が２０ｐｐｍ／℃であることを考慮すると、１２５℃での熱膨張係数が４０ｐｐｍ／℃未満の樹脂を用いるのが好ましい。これにより、高温時の体積膨張を小さくすることができる。よって、ベアチップ１３と、配線基板１４とを接続する半田バンプ電極１５，１６が、クリープ限界の低い鉛フリー半田からなる場合に、これら半田バンプ電極１５，１６の破壊を防ぐことができる。
【００４１】
また、アンダーフィル樹脂１９として、図１９に示すように、２５℃での弾性率が７．７ＧＰａの樹脂を用いる。このように２５℃での弾性率が９ＧＰａ未満の樹脂を用いることにより、低温時の半導体チップ１３の角部などへの応力集中を緩和し、低誘電率膜の破壊を防ぐことができる。ただし、Ｔｇを高くすると低温での弾性率が高くなる傾向にある。そこで、シリコーン樹脂やシリコーンゴムからなるパウダーなどの可撓剤を十分に添加することにより、Ｔｇを高くしつつ、低温での弾性率を低くすることができる。
【００４２】
また、アンダーフィル樹脂１９として、図１９に示すように、１２５℃での弾性率が１．４ＧＰａであり、１２５℃以上での弾性率の最小値が０．１８ＧＰａの樹脂を用いる。このように１２５℃での弾性率が少なくとも０．１ＧＰａ以上、より好ましくは１．０ＧＰａ以上の樹脂を用いることで、高温時に内部応力によってアンダーフィル樹脂が変形し難く、バンプへ応力が集中し難いため、鉛フリー半田からなるバンプの破壊を更に確実に防ぐことができる。
【００４３】
ここで、図２０は、ガラス転移温度Ｔｇ、熱膨張係数、弾性率が異なる４種類のアンダーフィル樹脂Ａ〜Ｄを用いた場合について、低誘電率膜の破壊（Ｌｏｗ−ｋ破壊）と、鉛フリー半田からなるバンプの破壊（バンプクラック）の有無を調べた図である。この図から、上記の条件を満たすアンダーフィル樹脂Ａを用いれば、低誘電率膜の破壊と鉛フリー半田からなるバンプの破壊を両方とも防ぐことができることが分かる。
【００４４】
次に、図２１に示すように、外部接続用に配線基板１４の下面に半田ボール２２を付け、リフローを行う（ステップＳ１２）。半田ボール２２のリフロー工程において、鉛フリー半田によって形成される半田ボール２２の融点以上の熱処理を施すことにより、半田ボール２２を溶融する。例えば、２６０℃、１０秒以上の熱処理を施すことにより、リフロー工程が行われる。このリフローによって熱ストレスが発生するが、上記のようにモールド樹脂９とアンダーフィル樹脂２０との接着性を改善しているため、両者の界面での剥離を防止することができる。
【００４５】
また、配線基板１４上には、半導体パッケージ１（第１の半導体素子）とベアチップ１３（第２の半導体素子）が搭載されているが、ベアチップ１３は、半導体パッケージ１よりも高さが低い。そこで、ベアチップ１３上に、樹脂２３を介して、上面が第１の半導体素子の上面と同じ高さになるように金属板２４を設ける。ただし、金属板２４は、樹脂２３よりも厚くする。
【００４６】
その後、図２２に示すように、配線基板１４を実装基板２５に搭載する。配線基板１４を実装基板２５に搭載する工程において、半田ボール２２を溶融、凝固させ、半田ボール２２を介して配線基板１４と実装基板２５を電気的、および機械的に接合する。実装工程の熱処理温度としては、半田ボール２２の融点より高い温度が使用される。例えば、２６０℃、１０秒以上の熱処理が施される。そして、カーナビ等の筐体２６に、カーボンシート２７を介して、半導体パッケージ１の上面及び金属板２４の上面を接着する（ステップＳ１３）。ここで、バンプを含む半導体パッケージ１の高さは１．０３ｍｍ、ベアチップ１３自体の厚みは０．６ｍｍ、半田ボールを含むベアチップ１３の高さは０．６６ｍｍ、樹脂２３の厚みは０．０６ｍｍ、金属板２４の厚みは０．３ｍｍである。
【００４７】
このように、ベアチップ１３上に、上面が半導体パッケージ１の上面と同じ高さになるように、もしくは、高さの差が十分に小さくなるように、金属板２４を設けることにより、平坦な筐体２６に接着しやすくなる。特に、これらを硬いカーボンシート２７を介して接着する場合に有効である。また、従来のように各半導体素子の上に厚い絶縁部材を設けるのではなく、絶縁部材よりも熱伝導率が高い金属板２４を設けているため、放熱性が向上する。金属板２４の厚みを、樹脂２３よりも厚くすることにより、半導体チップ１３とカーボンシート２７との間の熱抵抗の上昇を防ぐことができる。従って、上記のように配線基板１４上に高さの異なる半導体素子を搭載した場合でも、それぞれの半導体素子から筐体への放熱性を確保することができる。
【００４８】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、アンダーフィル樹脂２０の注入方法が実施の形態１と異なる。まず、図２３に示すように、配線基板１４上にアンダーフィル樹脂２０を塗布する。次に、配線基板１４上に塗布されたアンダーフィル樹脂２０を介して、配線基板１４上に半導体パッケージ１をフリップチップ接合する。この際、アンダーフィル樹脂２０が、ボール面側に露出したモールド樹脂９に接しないようにする。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００４９】
これにより、半導体パッケージ１のボール面側に露出したモールド樹脂９とアンダーフィル樹脂２０との界面の剥離が伝搬して内部配線の破壊や、半田ボール同士の短絡が発生するのを防ぐことができる。なお、この構成は、モールド樹脂９の替わりにポッティング樹脂を用いた場合にも同様に適用することができる。また、アンダーフィル樹脂２０とモールド樹脂９とが接しないようにすることにより、図８などに記載のＡｒプラズマによるスパッタ工程を省略することも可能である。
【００５０】
また、アンダーフィル樹脂２０を注入する際に、多孔質エラストマ３の露出部を少なくとも一部は残すようにする。これにより、後段のリフロー時にパッケージ内部で発生した蒸気が多孔質エラストマ３を通して発散される。
【００５１】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、アンダーフィル樹脂２０の注入方法が実施の形態１と異なる。図２５に示すように、ノズル２１により半導体パッケージ１の外周の１点又は数点のみから、アンダーフィル樹脂２０を半導体パッケージ１と配線基板１４の間に注入する。この際、アンダーフィル樹脂２０が、ボール面側に露出したモールド樹脂９に接しないようにする。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００５２】
これにより、半導体パッケージ１のボール面側に露出したモールド樹脂９とアンダーフィル樹脂２０との界面の剥離が伝搬して内部配線の破壊や、半田ボール同士の短絡が発生するのを防ぐことができる。なお、この構成は、モールド樹脂９の替わりにポッティング樹脂を用いた場合にも同様に適用することができる。また、アンダーフィル樹脂２０とモールド樹脂９とが接しないようにすることにより、図８などに記載のＡｒプラズマによるスパッタ工程を省略することも可能である。
【００５３】
また、アンダーフィル樹脂２０を注入する際に、多孔質エラストマ３の露出部を少なくとも一部は残すようにする。これにより、後段のリフロー時にパッケージ内部で発生した蒸気が多孔質エラストマ３を通して発散される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】半導体パッケージの製造工程を示す断面図である。
【図３】半導体チップの一部を示す拡大断面図である。
【図４】半導体パッケージの製造工程を示す側面図である。
【図５】モールド樹脂と金型との界面付近を示す拡大断面図である。
【図６】モールド樹脂と金型との界面付近を示す拡大断面図である。
【図７】モールド樹脂と金型との界面付近を示す拡大断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図１３】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図１５】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図１６】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図１７】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す拡大側面図である。
【図１８】本発明の実施の形態１に係るアンダーフィル樹脂の熱膨張係数の温度特性を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態１に係るアンダーフィル樹脂の弾性率の温度特性を示す図である。
【図２０】４種類のアンダーフィル樹脂を用いた場合について、Ｌｏｗ−ｋ破壊とバンプクラックの有無を調べた図である。
【図２１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図２２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図２３】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図２４】本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造工程を示す側面図である。
【図２５】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の製造工程を示す上面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  半導体パッケージ（第１の半導体素子）
３  多孔質エラストマ
４  半導体チップ
９  モールド樹脂
１０  バンプ
１３  ベアチップ（第２の半導体素子）
１４  配線基板
２０  アンダーフィル樹脂
２１  ノズル
２３  樹脂
２４  金属板
２６  筐体
２７  カーボンシート
【図１】
2008042077.tif 000003
【図２】
2008042077.tif 000004
【図３】
2008042077.tif 000005
【図４】
2008042077.tif 000006
【図５】
2008042077.tif 000007
【図６】
2008042077.tif 000008
【図７】
2008042077.tif 000009
【図８】
2008042077.tif 000010
【図９】
2008042077.tif 000011
【図１０】
2008042077.tif 000012
【図１１】
2008042077.tif 000013
【図１２】
2008042077.tif 000014
【図１３】
2008042077.tif 000015
【図１４】
2008042077.tif 000016
【図１５】
2008042077.tif 000017
【図１６】
2008042077.tif 000018
【図１７】
2008042077.tif 000019
【図１８】
2008042077.tif 000020
【図１９】
2008042077.tif 000021
【図２０】
2008042077.tif 000022
【図２１】
2008042077.tif 000023
【図２２】
2008042077.tif 000024
【図２３】
2008042077.tif 000025
【図２４】
2008042077.tif 000026
【図２５】
2008042077.tif 000027