(57)【要約】【課題】半導体素子及び回路基板からなる半導体装置に関し、半導体素子と回路基板の接合ギャップにアンダーフィル樹脂を充填するに際し、従来の技術を応用することで、極めて簡単且つ確実に空気巻き込みボイドの発生を抑止し、接合部の信頼性が高い半導体装置を実現しようとする。【解決手段】回路基板１１と回路基板１１に実装された半導体素子との対向表面に於ける何れか一方或いは両方に選択的に形成されたアンダーフィル樹脂のぬれ性を異にする２種以上の領域１２Ａ、１２Ｂと、前記対向表面で生成された接合ギャップに充填されたアンダーフィル樹脂１３とを備える。【選択図】        図２
2008004674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板と該回路基板に実装された半導体素子との対向表面に於ける何れか一方或いは両方に選択的に形成されたアンダーフィル樹脂のぬれ性を異にする２種以上の領域と、
前記対向表面で生成された接合ギャップに充填されたアンダーフィル樹脂と
を備えてなることを特徴とする半導体素子と回路基板からなる半導体装置。
【請求項２】
アンダーフィル樹脂とのぬれ性を異にする領域のうち、ぬれ性が高い領域は半導体素子の一辺からその対辺に向かって次第に拡大されていること
を特徴とする請求項１記載の半導体素子と回路基板からなる半導体装置。
【請求項３】
アンダーフィル樹脂とのぬれ性を異にする領域がＡｒプラズマ或いはＯ2 プラズマの何れか、或いは、両方で処理された領域であること
を特徴とする請求項１記載の半導体素子と回路基板からなる半導体装置。
【請求項４】
アンダーフィル樹脂とのぬれ性を異にする領域がそれぞれ材料を異にして形成されたものであること
を特徴とする請求項１記載の半導体素子と回路基板からなる半導体装置。
【請求項５】
アンダーフィル樹脂とのぬれ性を異にする領域が界面活性剤を塗布して形成されたものであること
を特徴とする請求項１記載の半導体素子と回路基板からなる半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を回路基板にフリップチップ実装し、素子及び基板間にアンダーフィル樹脂を充填した構造をもつ半導体装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＦＣ−ＢＧＡ（ｆｌｉｐ  ｃｈｉｐ  ｂａｌｌ  ｇｒｉｄ  ａｒｒａｙ）に於ける半導体素子と回路基板間をアンダーフィル樹脂で充填した半導体装置に於いては、半導体素子と回路基板とのはんだ接合部の信頼性を確保するために必須となっている。
【０００３】
図４は標準的なこの種の半導体装置を作製する工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を簡略化して表す要部切断側面図である。（Ａ）では、回路基板１に半導体素子であるＬＳＩチップ２をアップサイドダウンにして対向させ、はんだバンプ３を介し適正な接合ギャップＧを維持して接続する。（Ｂ）では、充填機４を用いて接合ギャップＧにアンダーフィル樹脂５を充填する。（Ｃ）では、充填されたアンダーフィル樹脂５を硬化させている。
【０００４】
さて、近年、半導体装置に於ける配線密度を高めることで高集積化が進められ、その結果、チップサイズは大きくなり、接続端子のサイズ、従って、はんだバンプのサイズは微細化される傾向にあり、その為、アンダーフィル樹脂の充填面積は大きくなり、しかも、チップと回路基板間のギャップは狭くなっているのであるが、そのように大面積、且つ、狭ギャップになっている領域に従来通り毛細管現象を利用してアンダーフィル樹脂の充填を行う、いわゆる、キャピラリーフローに依ってアンダーフィル樹脂を充填している。
【０００５】
このようなアンダーフィル樹脂の充填は、半導体素子と回路基板とのギャップが狭くなることに起因して困難になりつつあり、更にまた、チップ端縁近傍とチップ中央とでは流入（充填）速度に差を生じ、チップ端縁近傍が先に充填され、そして、中央が遅れる傾向がある為、充填の際にアンダーフィル樹脂が空気を巻き込んでしまい、それがボイドとなって回路基板と半導体素子との接合部に於ける信頼性を低下させている。
【０００６】
この空気を巻き込んで発生するボイドを解消する為には、アンダーフィル樹脂が充填される領域の面全体をプラズマ処理で清浄化し、アンダーフィル樹脂とのぬれ性を改善する方法が知られている。
【０００７】
図５は、例えば、回路基板にプラズマ処理を施すことを説明する為の回路基板の上面図であり、図４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。
【０００８】
図５に於いて、記号１Ａで指示した部分は半導体素子を実装する予定領域、即ち、アンダーフィル樹脂が充填される予定領域であって、その予定領域１Ａの全面がプラズマ処理で清浄化される（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１などを参照。）。
【０００９】
このように、プラズマ処理で清浄化された領域に於いては、アンダーフィル樹脂のぬれ性が向上し、充填速度が上昇し、ぬれ不足に依るボイドの発生は抑止できるとされている。然しながら、本発明者の知見に依れば、前記従来の技術では、確かにアンダーフィル樹脂のぬれ性が向上し、充填速度は速くなり、充填率を向上させることはできるのであるが、空気巻き込みボイドの発生は阻止できないことが判っている。
【００１０】
即ち、空気巻き込みボイドが発生する理由は、アンダーフィル樹脂が流れ込む速度の如何に依存するのではなく、アンダーフィル樹脂が当初は何処から流れ込んで、何処に向かって広がって行くのか、その充填されるアンダーフィル樹脂が進行するパターンに依存するところが大きいことに在る。
【００１１】
図６は図５に見られる回路基板と半導体素子との接合ギャップにアンダーフィル樹脂を充填する場合を経時的に説明する為の回路基板を表す上面図であり、図５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。
【００１２】
ここで、実際は回路基板１には半導体素子（ＬＳＩチップ）が実装された状態なのであるが、アンダーフィル樹脂５の動きを明らかにする為、半導体素子は取り除いてある。
【００１３】
（Ａ）
アンダーフィル樹脂５をチップの一辺側から注入開始した場合、当初は中央部分が速く進行する。
（Ｂ）
充填が進行した場合、次第にチップ両端に沿う部分が速くぬれるようになり、中央部分で遅くなり始め、そして、ここでは、その傾向が顕著になってくる。
（Ｃ）
充填が更に進行した場合、チップ両端に沿う部分で更に速くぬれることとなり、中央部分の空間を両側から巻き込むような傾向が現れる。
（Ｄ）
樹脂５が残された中央部分の空間に向かって進行し、その空間を囲むような傾向が現れ始めている。
（Ｅ）
空間は樹脂５で完全に巻き込まれ、ボイド５Ａが発生してしまう。
【特許文献１】特許第３２５４４４３号公報
【特許文献２】特許第３４３７４５１号公報
【非特許文献１】相馬  誠、他５名、“大気圧プラズマ処理による接着性の向上”松下電工技報  ２００２年１１月  ｐ６１〜６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明では、半導体素子と回路基板の接合ギャップにアンダーフィル樹脂を充填するに際し、従来の技術を応用することで、極めて簡単且つ確実に空気巻き込みボイドの発生を抑止し、接合部の信頼性が高い半導体装置を実現しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に依る半導体素子及び回路基板からなる半導体装置に於いては、回路基板と該回路基板に実装された半導体素子との対向表面に於ける何れか一方或いは両方に選択的に形成されたアンダーフィル樹脂のぬれ性を異にする２種以上の領域と、前記対向表面で生成された接合ギャップに充填されたアンダーフィル樹脂とを備えてなることが基本になっている。
【発明の効果】
【００１６】
前記手段を採ることに依り、回路基板や半導体素子、或いは、その両方の表面状態が適切にコントロールすることができ、アンダーフィル樹脂の物性（粘度チキソ性）の如何に拘わらず、充填速度、充填方向がコントロールされ、狭ギャップ化されたフリップチップ接合部に空気巻き込みボイドがないアンダーフィル樹脂充填が可能である。更に付言すると、接合ギャップにアンダーフィル樹脂を充填した場合、その領域に存在した空気は、充填されつつあるアンダーフィル樹脂に依って内側から外側開放空間に向かって排除される状態となるから、樹脂の中に取り込まれてボイドになるおそれは皆無であり、従って、半導体素子と回路基板との接合部の信頼性を向上する。また、それを実現する為のアンダーフィル樹脂に対するぬれ性を選択的に変える手段としては、従来から種々な分野で多用されてきた技術を応用することができ、従って、容易且つ確実に実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に於いては、回路基板と半導体素子との接合ギャップに於けるアンダーフィル樹脂を充填する領域において、回路基板側及び半導体素子（ＬＳＩチップ）側の少なくとも何れか一方の表面にアンダーフィル樹脂とのぬれ性が異なる領域、即ち、ぬれ性が高い領域、及び、それに比較して低い領域を２種以上設ける。
【００１８】
また、ぬれ性が異なる領域については、チップの一辺を基準にして、その対辺に向かって領域が次第に変化、即ち、拡大すること、若しくは、チップコーナーの一点を基準にして、その対角に向かって領域が次第に変化、即ち、拡大することが必要である。
【００１９】
図１は本発明を説明する為の回路基板（或いはチップ）を表す要部平面図であり、図に於いて、１１は回路基板、１２は半導体素子を実装する予定領域（アンダーフィル樹脂が充填される予定領域）、１２Ａはアンダーフィル樹脂のぬれ性向上領域、１２Ｂはアンダーフィル樹脂のぬれ性が領域１２Ａに比較して低い通常領域をそれぞれ示し、また、矢印はアンダーフィル樹脂の注入点Ｐを指示し、図の（Ａ）では半導体素子実装予定領域に於ける一辺の略中央であり、図の（Ｂ）では半導体素子実装予定領域のチップコーナーになっている。
【００２０】
図の（Ａ）から明らかであるが、ぬれ性向上領域１２Ａはアンダーフィル樹脂の注入点Ｐから対辺に向かって次第に広がるパターンを成し、また、図の（Ｂ）から明らかであるが、ぬれ性が高い領域１２Ａはチップコーナーの一点Ｐからその対角に向かって次第に広がるパターンを成していることが看取されよう。
【００２１】
回路基板（或いは半導体素子）の表面にアンダーフィル樹脂のぬれ性が異なる領域を形成するには、種々な方法を適用することができる。
（１）Ａｒプラズマで、物理的に表面粗さを変えて、ぬれ性の違う表面領域を形成する。
（２）Ｏ2 プラズマで、表面改質、及び、粗さを変えて、ぬれ性の違う表面領域を形成する。
（３）表面の材料を変えてぬれ性を変える。
（４）界面活性剤、改質材等を塗布して、ぬれ性を変える。
などの方法が挙げられる。
【００２２】
上記（１）及び（２）のプラズマ処理では、回路基板或いは半導体素子の表面にぬれ性を変える予定領域に開口をもつメタルマスクなどを載置してプラズマ処理することで所要のぬれ性の違う領域を形成する。
【００２３】
上記（３）については、あらかじめ違う種類の材料でぬれ性の違う領域を形成する。回路基板が樹脂であれば、ソルダーレジストの種類を変えて形成することができる。
【００２４】
上記（４）については、メタルマスクを介して、印刷、或いは、スプレーなどで塗布することに依って形成することができる。界面活性剤については、各種知られているが、糖エステル型ソルビタン脂肪酸エステル（Ｃ１２〜１８）、ＰＯＥソルビタン脂肪酸エステル（Ｃ１２〜１８）、ショ糖脂肪酸エステルなど、脂肪酸エステル型ＰＯＥ脂肪酸エステル（Ｃ１２〜１８）、ＰＯＥ脂肪酸エステル、ＰＯＥ脂肪酸ジエステル（Ｃ１２〜１８）など、アルコール型ＰＯＥアルキルエーテル（Ｃ１２〜１８）、アルキルフェノール型ＰＯＥアルキル（Ｃ８〜１２）フェニルエーテル、ＰＯＥジアルキル（Ｃ８〜１２）フェニルエーテル、ＰＯＥアルキル（Ｃ８〜１２）フェニルエーテルホルマリン縮合物など、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンブロックポリマー型ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンブロックポリマー、アルキル（Ｃ１２〜１８）ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンブロックポリマーエーテルなどがあげられる。また、アニオン性、カチオン系界面活性剤なども可能である。
【００２５】
図２は図１（Ａ）に見られる回路基板と半導体素子（図示せず）との接合ギャップにアンダーフィル樹脂を充填する場合を経時的に説明する為の回路基板を表す上面図であり、図１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。
【００２６】
ここで、実際は回路基板１１には半導体素子（ＬＳＩチップ）が実装された状態なのであるが、充填されるアンダーフィル樹脂１３の動きを明らかにする為、半導体素子は取り除いてある。
【００２７】
（Ａ）
アンダーフィル樹脂１３をチップの一辺に於ける略中央に位置する注入点Ｐから注入開始した場合、チップの両端に沿う部分に比較して中央部分が先に充填され始める。
（Ｂ）
充填が進行する場合、当初の充填パターン、即ち、アンダーフィル樹脂１３がチップの両端に沿う部分に比較して中央部分が先にぬれるパターンはそのまま維持される。
（Ｃ）
充填が更に進行した場合、中央部分で若干突出しているが略平均して空間が少なくなってくる。
（Ｄ）
樹脂１３は中央部分から充填完了状態となり、そこからチップ両端側へ進行して空気を外方空間に押し出すことになる。
（Ｅ）
樹脂１３は全面に亙って展延し、ボイドの発生は皆無となっている。
【００２８】
このようにして、空気巻き込みボイドの発生は抑制され、従来は自然まかせであったアンダーフィル樹脂の充填挙動は意図的に制御することが可能になった。
【実施例１】
【００２９】
１５ｍｍ□のＬＳＩチップを搭載する電極が形成された３７．５ｍｍ□のＢＧＡパッケージ基板を用いて評価を行った。尚、ＬＳＩチップのはんだバンプは、直径１００μｍ、ピッチ２００μｍである。
【００３０】
（１）
この基板に対し、図１の（Ａ）に示したパターン（ぬれ性向上領域）の開口をもつメタルマスクを基板上にセットし、Ａｒプラズマを１５０Ｗの電力で２分間照射した。
（２）
この基板に対し、ＬＳＩチップを位置合わせし、窒素リフロー及び加熱を行ってＬＳＩチップの実装を行った。
（３）
その後、８０℃のホットプレート上でアンダーフィル樹脂の充填を行い、１００℃／１ｈ＋１６５℃／１ｈの条件で硬化させた。
【００３１】
実装完了した半導体装置を超音波探傷装置（ＳＡＴ：ＦＳ３００／日立建機ファインテック）で観察を行った結果、空気巻き込みボイドがないことを確認した。
【実施例２】
【００３２】
１５ｍｍ□のＬＳＩチップを搭載する電極が形成された３７．５ｍｍ□のＢＧＡパッケージ基板を用いて評価を行った。尚、ＬＳＩチップのはんだバンプは、直径１００μｍ、ピッチ２００μｍである。
【００３３】
（１）
この基板に対し、図１の（Ａ）に示したパターン（ぬれ性向上領域）の開口をもつメタルマスクを基板上にセットし、Ｏ2 プラズマを２００Ｗの電力で２分間照射した。
（２）
この基板に対し、ＬＳＩチップを位置合わせし、窒素リフロー及び加熱を行ってＬＳＩチップの実装を行った。
（３）
その後、８０℃のホットプレート上でアンダーフィル樹脂の充填を行い、１００℃／１ｈ＋１６５℃／１ｈの条件で硬化させた。
【００３４】
実装完了した半導体装置を超音波探傷装置（ＳＡＴ：ＦＳ３００／日立建機ファインテック）で観察を行った結果、空気巻き込みボイドがないことを確認した。
【実施例３】
【００３５】
１５ｍｍ□のＬＳＩチップを搭載する電極が形成された３７．５ｍｍ□のＢＧＡパッケージ基板を用いて評価を行った。尚、ＬＳＩチップのはんだバンプは、直径１００μｍ、ピッチ２００μｍである。
【００３６】
（１）
この基板に対し、図１の（Ａ）に示したパターン（ぬれ性向上領域）の開口をもつメタルマスクを基板上にセットし、界面活性剤（ポリエチレングリコール）を塗布した。
（２）
この基板に対し、ＬＳＩチップを位置合わせし、窒素リフロー及び加熱を行ってＬＳＩチップの実装を行った。
（３）
その後、８０℃のホットプレート上でアンダーフィル樹脂の充填を行い、１００℃／１ｈ＋１６５℃／１ｈの条件で硬化させた。
【００３７】
実装完了した半導体装置を超音波探傷装置（ＳＡＴ：ＦＳ３００／日立建機ファインテック）で観察を行った結果、空気巻き込みボイドがないことを確認した。
【００３８】
図３は超音波探傷装置で観察を行った結果を纏めた説明図であり、図には３つの実施例と１つの比較例とについて観察結果を挙げてあり、これからすれば、本発明は極めて有効であることが確認されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明を説明する為の回路基板（或いはチップ）を表す要部平面図である。
【図２】接合ギャップにアンダーフィル樹脂を充填する場合を経時的に説明する為の回路基板を表す上面図である。
【図３】超音波探傷装置で観察を行った結果を纏めた説明図である。
【図４】標準的なこの種半導体装置を作製する工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を簡略化して表す要部切断側面図である。
【図５】プラズマ処理を施すことを説明する為の回路基板を表す上面図である。
【図６】接合ギャップにアンダーフィル樹脂を充填する場合を経時的に説明する為の回路基板を表す上面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１  回路基板
１２  半導体素子を実装する予定領域（アンダーフィル樹脂が充填される予定領域）
１２Ａ  アンダーフィル樹脂のぬれ性向上領域
１２Ｂ  アンダーフィル樹脂のぬれ性が領域１２Ａに比較して低い通常領域
１３  アンダーフィル樹脂
Ｐ  アンダーフィル樹脂の注入点
【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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