(57)【要約】【課題】信頼性の高い薄型の樹脂封止型半導体装置を提供する。【解決手段】基板、前記基板上に０．０５５ｍｍ以下の距離を隔ててフリップチップ接続された０．２５ｍｍ以下の厚さを有する第１の半導体チップ、前記基板と前記半導体チップとを電気的に接続する導電性接続部材、及び、前記基板の上に配置され、前記第１の半導体チップを覆い、７５〜９２ｗｔ％の無機充填材と０．５〜１．５ｗｔ％のカーボンブラックとを含有する樹脂組成物を硬化させてなるモールド樹脂層を具備する半導体装置である。前記基板に対向する側に存在する前記モールド樹脂層の厚みは０．１５ｍｍ以下であり、前記無機充填材は、９９ｗｔ％以上が最長径３５μｍ以下、最長径の平均値は１５μｍ以下であり、最長径１０μｍ以下の微細フィラーの含有量は無機充填材全体の３０〜５０ｗｔ％であることを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、
前記基板上に０．０５５ｍｍ以下の距離を隔ててフリップチップ接続された０．２５ｍｍ以下の厚さを有する第１の半導体チップ、
前記基板と前記半導体チップとを電気的に接続する導電性接続部材、および
前記基板の上に配置されて前記第１の半導体チップを覆い、７５〜９２ｗｔ％の無機充填材と０．５〜１．５ｗｔ％のカーボンブラックとを含有する樹脂組成物を硬化させてなるモールド樹脂層を具備し
前記基板に対向する側に存在する前記モールド樹脂層の厚みは０．１５ｍｍ以下であり、前記無機充填材は、９９ｗｔ％以上が最長径３５μｍ以下、最長径の平均値は１５μｍ以下であり、最長径１０μｍ以下の微細フィラーの含有量は無機充填材全体の３０〜５０ｗｔ％であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記基板と前記第１の半導体チップとの間に、７５〜９２ｗｔ％の無機充填材と０．５〜１．５ｗｔ％のカーボンブラックとを含有する樹脂組成物を硬化させてなるモールド樹脂層をさらに具備し、前記無機充填材は、９９ｗｔ％以上が最長径３５μｍ以下、最長径の平均値は１５μｍ以下であり、最長径１０μｍ以下の微細フィラーの含有量は無機充填材全体の３０〜５０ｗｔ％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】
基板、
前記基板上に配置された第１の半導体チップ、
前記基板と前記第１の半導体チップとを電気的に接続する直径２８μｍ以下の金からなる第１のワイヤ、および
前記基板の上に配置され、前記第１の半導体チップを覆い、７５〜９２ｗｔ％の無機充填材と０．５〜１．５ｗｔ％のカーボンブラックとを含有する樹脂組成物を硬化させてなるモールド樹脂層を具備し、
前記基板に対向する側に存在する前記モールド樹脂層の厚みは０．２ｍｍ以下であり、前記無機充填材は、９９ｗｔ％以上が最長径３５μｍ以下、最長径の平均値は１５μｍ以下であり、最長径１０μｍ以下の微細フィラーの含有量は無機充填材全体の３０〜５０ｗｔ％であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記基板と前記第１の半導体チップとの間に接着剤層をさらに具備する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の半導体チップの上方に配置された前記モールド樹脂層の厚さは、前記基板と前記第１の半導体チップとの距離の３倍以下であることを特徴とする請求項１、２または４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記導電性接続部材はスズ銀ハンダを含むことを特徴とする請求項１、２、４または５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記導電性接続部材は金を含む請求項１、２、４または５項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記導電性接続部材はスズ鉛ハンダを含む請求項１、２、４、または５に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記導電性接続部材は、スズ、スズ銀銅ハンダ、スズ亜鉛ハンダ、スズビスマスハンダ、またはニッケルを含む請求項１、２、４、または５に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１の半導体チップの上に配置された第２の半導体チップをさらに具備し、前記第２の半導体チップは、前記基板に電気的に接続され、前記第１の半導体チップとともに前記モールド樹脂で覆われることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記第２の半導体チップは、バンプにより前記基板に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第２の半導体チップは、ワイヤにより前記基板に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記ワイヤは金からなることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記ワイヤは直径２８μｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体装置にかかり、特に封止用樹脂により半導体チップが封止された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の分野における高集積化、高信頼性化の技術開発と同時に、半導体装置の小型化、薄型化が推進されている。このため、高機能な封止樹脂が求められている。
【０００３】
従来のフリップチップ型のＱＯＮ（Ｑｕａｄ　Ｏｕｔｌｉｎｅ　Ｎｏｎｌｅａｄｅｄ　Ｐａｃｋａｇｅ）においては、図８に示すように半導体チップ４は、導電性接続部材２を介して基板１上に接続される。基板１は、樹脂製またはセラミック製であり、表面には配線回路（図示せず）が形成され、裏面には外部接続用端子６を有する。導電性接続部材２は、基板１の配線回路端子のバンプ２ａと半導体チップのバンプ２ｂとから構成され、例えば金、ハンダといった材料を含む。
【０００４】
半導体チップ４の上面および側面、基板１と半導体チップ４との隙間には、モールド樹脂層５が配置される。モールド樹脂層５は、半導体チップ４が実装された基板１を、モールド樹脂組成物で一括封止することにより形成される（例えば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３参照）。
【０００５】
基板１と半導体チップ４との隙間は、モールドとチップ４との距離に比べて小さいので、モールド樹脂組成物で一括封止する際、隙間部分にボイド（気泡）が発生しやすい。近年では半導体装置の薄型化がさらに進んで、モールド樹脂層５の厚さが薄くなっている。したがって、モールド樹脂組成物で封止する工程において、半導体チップ４の上面、または隙間部分にモールド樹脂組成物が完全に充填されず、より一層ボイドが発生しやすくなっている。
【０００６】
特に、基板１と半導体チップ４との隙間にボイドが存在すると、モールド樹脂組成物を充填する際の圧力が半導体チップ４に加わる。その結果、半導体チップ４の中央部が下方に押されてチップクラックが発生することがある。ボイド部分から樹脂剥離が発生してクラックが生じると、半導体装置の長期信頼性が低下するおそれがある。
【０００７】
モールド樹脂組成物を充填する際の圧力や温度を高くすれば、ボイドの発生を抑制することは可能である。しかしながら、充填時の圧力により半導体チップが流れたり、高温によりバンプ等が溶融するおそれがある。
【０００８】
以上のような問題が、半導体装置の信頼性を著しく低下させる原因となっている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−２８１８７８号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２００１−１９８３３号公報
【００１１】
【特許文献３】
米国特許第６０８３７７４号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、信頼性の高い薄型の樹脂封止型半導体装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様にかかる半導体装置は、
基板、
前記基板上に０．０５５ｍｍ以下の距離を隔ててフリップチップ接続された０．２５ｍｍ以下の厚さを有する第１の半導体チップ、
前記基板と前記半導体チップとを電気的に接続する導電性接続部材、および
前記基板の上に配置され、前記第１の半導体チップを覆い、７５〜９２ｗｔ％の無機充填材と０．５〜１．５ｗｔ％のカーボンブラックとを含有する樹脂組成物を硬化させてなるモールド樹脂層を具備し、
前記基板に対向する側に存在する前記モールド樹脂層の厚みは０．１５ｍｍ以下であり、前記無機充填材は、９９ｗｔ％以上が最長径３５μｍ以下、最長径の平均値は１５μｍ以下であり、最長径１０μｍ以下の微細フィラーの含有量は無機充填材全体の３０〜５０ｗｔ％であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の実施形態にかかる半導体装置は、
基板、
前記基板上に配置された第１の半導体チップ、
前記基板と前記第１の半導体チップとを電気的に接続する直径２８μｍ以下の金からなる第１のワイヤ、および
前記基板の上に配置され、前記第１の半導体チップを覆い、７５〜９２ｗｔ％の無機充填材と０．５〜１．５ｗｔ％のカーボンブラックとを含有する樹脂組成物を硬化させてなるモールド樹脂層を具備し、
前記基板に対向する側に存在する前記モールド樹脂層の厚みは０．２ｍｍ以下であり、前記無機充填材は、９９ｗｔ％以上が最長径３５μｍ以下、最長径の平均値は１５μｍ以下であり、最長径１０μｍ以下の微細フィラーの含有量は無機充填材全体の３０〜５０ｗｔ％であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態にかかる半導体装置の断面図である。
【００１７】
図示する半導体装置においては、基板１上には、導電性接続部材２を介して半導体チップ４が実装されている。基板１は、例えばポリイミドテープ、あるいはセラミック製とすることができ、裏面に外部接続用端子６を有する。
【００１８】
図面には示していないが、導電性接続部材２は、半導体チップ４のバンプと基板１の配線回路端子のバンプとから構成される。これらのバンプは、例えば、スズ銀ハンダ、金、スズ鉛ハンダ、スズ、スズ銀銅ハンダ、スズ亜鉛ハンダ、スズビスマスハンダ、またはニッケルを含むことができる。外部接続用端子６には、例えばスズ銀はんだ、スズ鉛ハンダ、スズなどを用いることができる。
【００１９】
半導体チップ４の上面および側面、基板１の上面、および基板１と半導体チップ４との隙間には、モールド樹脂層５が配置される。
【００２０】
図１に示した半導体装置においては、基板１と半導体チップ４との隙間の距離は０．０５５ｍｍ以下であり、半導体チップ４の厚さは０．２５ｍｍ以下である。さらに、半導体チップ４の上方におけるモールド樹脂層５の厚さは、０．１５ｍｍ以下である。半導体装置全体の厚さを低減するため、これらの寸法に規定される。
【００２１】
半導体装置の全高（外部接続端子６からモールド樹脂層５の上面までの距離）は、０．５００ｍｍ以下であることが好ましい。また、半導体チップ４上におけるモールド樹脂層５の厚さは、隙間の距離の３倍以下であることが好ましい。
【００２２】
０．０５５ｍｍ以下という極めて狭い隙間に、ボイドを発生させずにモールド樹脂層を形成するためには、流動性および成形性に優れたモールド樹脂組成物を用いなければならない。まず、最適なモールド樹脂組成物を得るべく、検討を行なった。
【００２３】
モールド樹脂組成物は、無機充填材、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤、およびカーボンブラックを含有する。
【００２４】
エポキシ樹脂は、特に限定されず、１分子中に２個以上のエポキシ基を有するものを用いることができる。エポキシ樹脂としては、例えば、オルソクレゾールノボラック型、ジシクロペンタジエン変性エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、およびエピビス系エポキシ樹脂等が挙げられる。これらは、単独または混合して使用することができる。
【００２５】
フェノール樹脂は、エポキシ樹脂のエポキシ基と反応し得るフェノール性水酸基を２個以上有するものであれば、特に制限するものではない。具体的には、例えば、フェノールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ナフトールアラルキル樹脂、およびジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂等が挙げられる。これらは、単独でまたは混合して使用することができる。
【００２６】
硬化促進剤としては、例えばリン系硬化促進剤、イミダゾール系硬化促進剤、およびＤＢＵ系硬化促進剤その他の硬化促進剤等を広く使用することができる。これらは単独または２種以上併用することができる。硬化促進剤の配合割合は、全体の樹脂組成物全体に対して０．０１〜５ｗｔ％であることが望ましい。０．０１ｗｔ％未満の場合には、樹脂組成物のゲルタイムが長く、硬化特性も悪くなるおそれがある。一方、５ｗｔ％を越えると極端に流動性が低下して成形性に劣り、電気特性も悪くなって耐湿性が低下するおそれがある。
【００２７】
カーボンブラックは、光透過による半導体チップの誤動作を防ぐために配合され、封止材料に一般的に用いられているものを用いることができる。
【００２８】
モールド樹脂組成物の流動性は、含有される無機充填材に依存する。そこで、条件の異なる溶融シリカを無機充填材として用いて、下記表１に示すような８種類のモールド樹脂組成物を準備した。
【００２９】
各モールド樹脂組成物を用いて、図１に示した半導体装置の製造を試みた。このとき、基板１と半導体チップ４との隙間への充填性を調べ、隙間にボイドが生じていない場合を○とし、ボイドが生じている場合を×として評価した。
【００３０】
なお、このとき確認したサンプル数は少なくとも３０個以上とし、ボイドの定義は、長径部分が０．０２０ｍｍ以上とした。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
最長径は、無機充填材粒子の最長部の長さであり、平均径は、最長径の平均である。
【００３３】
表１に示されるように、充填性が良好なモールド樹脂は、樹脂Ｎｏ．６〜８である。したがって、無機充填材は、最長径３５ｍｍ以下、平均径は１５ｍｍ以下と規定した。なお、本発明の実施形態においては、無機充填材の９９ｗｔ％以上が、前述の最長径の条件を満たしていることが要求される。最長径の条件を満たす無機充填材は、好ましくは９９．９ｗｔ％以上であり、より好ましくは９９．９９ｗｔ％以上である。
【００３４】
これらの樹脂Ｎｏ．６〜８の溶融シリカにおいては、最長径１０μｍ以下の微細フィラーの割合は、無機充填材全体の３０〜５０ｗｔ％であった。
【００３５】
また、無機充填材の含有量が７５ｗｔ％未満の場合には、半導体装置の耐リフロー性や実装信頼性などが低下した。一方、含有量の上限は、モールド樹脂製造上の問題から９２ｗｔ％に制限される。
【００３６】
こうした考察に基づいて、本発明の実施形態で用いられるモールド樹脂組成物に含有される無機充填材を次にように規定した。
【００３７】
（１）最長径３５μｍ以下
（２）平均径１５μｍ以下
（３）最長径１０μｍ以下の微細フィラーが無機充填材全体の３０〜５０ｗｔ％
（４）含有量７５〜９２ｗｔ％
なお、無機充填材としては、溶融シリカを用いたが、以上の条件を満足すれば、破砕シリカ等を用いることもできる。
【００３８】
上述したように無機充填材が規定されたモールド樹脂組成物は、流動性・成形性に優れている。したがって、樹脂封止の一括形成時に隙間部分への流れ込みがよく、ボイドの発生を抑えることができる。また、ボイドの発生が無いので、モールド樹脂組成物を充填する際の圧力によってチップクラックは発生せず、半導体装置の信頼性を向上することができる。また、薄型の半導体装置を形成することができる。樹脂層の剥がれは生じることはなく、半導体装置の長期信頼性が向上する。
【００３９】
しかも、こうしたモールド樹脂組成物は流動性が優れていることから、樹脂充填時の圧力を高める必要はない。このため、圧力によって半導体チップが流出されるおそれは著しく低減された。
【００４０】
さらに本発明の実施形態においては、モールド樹脂組成物に含有されるカーボンブラックの含有量は、０．５〜１．５ｗｔ％に規定される。
【００４１】
これは、次のように決定された。まず、カーボンブラック含有量が異なる数種のモールド樹脂を準備した。各モールド樹脂を用いて半導体装置を製造し、それぞれの光透過率を測定した。ここで、半導体装置の全高は０．４５０ｍｍとし、波長１０００〜２０００ｎｍとした。
【００４２】
その結果、カーボンブラック含有量が０．５０ｗｔ％以上のモールド樹脂で封止された半導体装置の光透過率は０．２０％以下であった。光透過率０．２０％以下であれば、半導体チップの誤動作が起こりにくいことが確認されている。しかも、モールド樹脂組成物の堆積抵抗率を常温で１０８Ω・ｃｍ以上に保つことができる。
【００４３】
一方、カーボンブラックの含有量が１．５ｗｔ％を越えると体積抵抗率が低下して、半導体装置の誤動作を引き起こす要因となる。したがって、カーボンブラックの含有量の上限は１．５ｗｔ％に制限される。
【００４４】
樹脂封止が薄い場合でも光の透過を抑制し、半導体チップの誤動作を防ぐために、カーボンブラックの含有量は０．５０〜１．５ｗｔ％に規定した。
【００４５】
上述したように規定された無機充填材およびカーボンブラックが含有されるので、図１に示した本発明の一実施形態にかかる半導体装置は、高い信頼性を有し、光に対する誤動作も防止される。
【００４６】
すなわち、本発明の実施形態の半導体装置におけるモールド樹脂層は、７５〜９２ｗｔ％の無機充填材と０．５〜１．５ｗｔ％のカーボンブラックとを含有するモールド樹脂組成物を硬化させることによって形成される。特に、モールド樹脂組成物中における無機充填材は、９９ｗｔ％以上が最長径３５μｍ以下、最長径の平均値は１５μｍ以下であり、最長径１０μｍ以下の微細フィラーの含有量は無機充填材全体の３０〜５０ｗｔ％でなければならない。
【００４７】
図１に示した半導体装置は、種々の変更が可能である。
【００４８】
例えば、図２に示すように、基板１と半導体チップ４との隙間に接着剤層７を配置してもよい。基板１と半導体チップ４との隙間に配置された接着剤層７は、内部応力を緩和するように働く。このため、半導体装置の大きさが例えば７ｍｍ角以上、半導体チップ４の大きさが例えば６ｍｍ角以上と大きい場合に、特に有効である。
【００４９】
また、図３に示すように、第１の半導体チップ４ａの上に第２の半導体チップ４ｂを積層することもできる。第２の半導体チップ４ｂは、第１の半導体チップ４ａを貫通して形成された貫通導電部９を介し、導電性接続部材２によって基板１に接続されている。
【００５０】
第２の半導体チップ４ｂは、図４に示すようにワイヤにより基板１に接続してもよい。図４に示す半導体装置においては、第２の半導体チップ４ｂは、接着剤層７を介して第１の半導体チップ４ａ上に配置され、第２のワイヤ８ｂにより基板１に接続されている。第２のワイヤ８ｂとしては、例えば、金を用いることができ、その直径は２８μｍ程度とすることができる。
【００５１】
図５は、本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の断面図である。
【００５２】
図示する半導体装置においては、基板１上には接着剤層７を介して半導体チップ４が実装されている。半導体チップ４は、直径２８μｍ以下の金ワイヤ８によって、基板の配線回路端子（図示せず）に電気的に接続される。基板１としては、すでに説明したようなものが用いられる。
【００５３】
半導体チップ４の上面および側面、基板１の上面モールド樹脂層５が配置される。モールド樹脂層５は、すでに説明したような無機充填材およびカーボンブラックの条件を満たしたモールド樹脂組成物を硬化させることによって形成される。
【００５４】
図５に示した半導体装置においては、半導体装置全体の厚さを低減するため、半導体チップ４の上方におけるモールド樹脂層５の厚さは、０．２ｍｍ以下に規定される。
【００５５】
半導体チップがワイヤ接続された従来の半導体装置においては、モールド樹脂組成物の剪断力によって、封止中にワイヤが変形することがあった。この場合には、ワイヤ同士が接触してしまい、半導体装置の電気的な誤動作を誘発するおそれがある。
【００５６】
これに対して、図５に示した半導体装置では、流動性・成形性に優れたモールド樹脂組成物により封止されるので、ワイヤの変形は抑制される。
【００５７】
図５に示した半導体装置は、図３，４に示したように２層の積層構成とすることができる。この例を、図６，７に示す。
【００５８】
図６に示す半導体装置は、第１の半導体チップ４ａがワイヤ８ａにより基板１に接続されている以外は、図３の半導体装置と同様である。図７に示す半導体装置もまた、第１の半導体チップ４ａがワイヤ８ａにより基板１に接続されている以外は、図４の半導体装置と同様である。図４，７に示されるように、第２の半導体チップ４ｂを基板１に接続する第２のワイヤ８ｂは、第１のワイヤ８ａより長い。本発明の実施形態においては、流動性の高いモールド樹脂組成物が用いられるので、こうした長いワイヤも変形が抑制される。
【００５９】
なお、第２の半導体チップ４ｂ上にさらに第３の半導体チップを積層して、３段積層構造とすることもできる。
【００６０】
その他、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更が可能である。
【００６１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、信頼性の高い薄型の樹脂封止型半導体装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる半導体装置の断面図。
【図２】本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の断面図。
【図３】本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の断面図。
【図４】本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の断面図。
【図５】本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の断面図。
【図６】本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の断面図。
【図７】本発明の他の実施形態にかかる半導体装置の断面図。
【図８】従来の半導体装置の断面図。
【符号の説明】
１…基板，２…導電性接続部材，２ａ…配線回路端子のバンプ，２ｂ…半導体チップのバンプ，４ａ…第１の半導体チップ，４ｂ…第２の半導体チップ，５…モールド樹脂層，６…外部接続用端子，７…接着剤層，８…ワイヤ，８ａ…第１のワイヤ，８ｂ…第２のワイヤ，９…貫通導電部。
【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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【図７】
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【図８】
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