(57)【要約】【課題】歩留まり及び信頼性が高い、半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板を提供すること。【解決手段】本発明の配線基板１１は、半導体素子２１と補強材３１と基板４１とからなる。半導体素子２１は、素子第１主面２３、素子第２主面２４及び素子第２主面２４側に形成されたフリップチップ用接続端子２２を有する。半導体素子２１の熱膨張係数は５．０ｐｐｍ／℃未満である。補強材３１は、素子第１主面２３に対して面接触状態で接合固定される。補強材３１は、半導体素子２１よりも剛性の高い材料からなる。樹脂基板４１は基板主面４２を有する。基板主面４２上には半導体素子２１がフリップチップ接続される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子第１主面、素子第２主面及び前記素子第２主面側に形成されたフリップチップ用接続端子を有し、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃未満である半導体素子と、
前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定され、前記半導体素子よりも剛性の高い材料からなる補強材と
を備えることを特徴とする補強材付き半導体素子。
【請求項２】
前記補強材の熱膨張係数は３．０ｐｐｍ／℃以上５．０ｐｐｍ／℃未満であることを特徴とする請求項１に記載の補強材付き半導体素子。
【請求項３】
前記補強材の外形寸法及び厚さは、前記半導体素子の外形寸法及び厚さと同等またはそれよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の補強材付き半導体素子。
【請求項４】
前記補強材はセラミック板であり、前記セラミック板は前記素子第１主面に対してロウ材で接合固定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の補強材付き半導体素子。
【請求項５】
前記半導体素子の比誘電率が４．０未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の補強材付き半導体素子。
【請求項６】
素子第１主面、素子第２主面及び前記素子第２主面側に形成されたフリップチップ用接続端子を有し、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃未満である半導体素子と、
前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定され、前記半導体素子よりも剛性の高い材料からなる補強材と、
基板主面を有し、前記基板主面上に前記半導体素子がフリップチップ接続される樹脂基板と
を備えることを特徴とする、半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板。
【請求項７】
前記補強材の熱膨張係数は３．０ｐｐｍ／℃以上５．０ｐｐｍ／℃未満であることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板。
【請求項８】
前記補強材の外形寸法及び厚さは、前記半導体素子の外形寸法及び厚さと同等またはそれよりも大きいことを特徴とする請求項６または７に記載の半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板。
【請求項９】
前記補強材はセラミック板であり、前記セラミック板は前記素子第１主面に対してロウ材で接合固定されていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板。
【請求項１０】
前記補強材の外形寸法及び厚さは、前記半導体素子の外形寸法及び厚さよりも大きく、前記補強材は前記基板主面に対しても面接触状態で接合固定されていることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板。
【請求項１１】
前記半導体素子の比誘電率が４．０未満であることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板。
【請求項１２】
素子第１主面、素子第２主面及び前記素子第２主面側に形成されたフリップチップ用接続端子を有し、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃未満である半導体素子と、前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定され、前記半導体素子よりも剛性の高いセラミック板からなる補強材と、基板主面を有し、前記基板主面上に前記半導体素子がフリップチップ接続される樹脂基板とを備える配線基板の製造方法において、
前記半導体素子の前記素子第１主面に対して前記セラミック板をロウ材で接合固定するロウ付け工程と、
前記セラミック板がロウ付けされた前記半導体素子を、前記樹脂基板の前記基板主面上にフリップチップ接続する半導体素子搭載工程と
を含むことを特徴とする、半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、補強材付き半導体素子、半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パソコンや携帯電話のようなエレクトロニクス機器の普及は、ＩＴ革命として社会構造に大きな変革をもたらしつつある。この技術の核となるのが大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）技術であり、かかるＬＳＩの動作周波数は演算速度の向上を達成するために益々上がる傾向にある。しかし、ＬＳＩの高周波数化を実現しようとする場合、金属配線間を層間にて絶縁している材料の誘電率が高いと、信号の遅延を来たしてしまう。このため、次世代のＬＳＩの開発においては、低誘電率絶縁膜の開発が重要課題の１つとされている。また、このような低誘電率絶縁膜を実現するための具体的手法として、現段階では、絶縁膜中にサブナノメートルからナノメートル領域の微小空隙を形成し、絶縁膜を多孔質組織化することが提唱されている。
【０００３】
なお、このような低誘電率ＬＳＩチップについても、通常と同様に、ＬＳＩ搭載用基板上にフリップチップ接続してなる配線基板（いわゆる半導体パッケージ）の状態で使用される（例えば、特許文献１参照）。なお、ＬＳＩチップは、一般に熱膨張係数が２．０ｐｐｍ／℃〜５．０ｐｐｍ／℃程度の半導体材料（例えばシリコン等）を用いて形成される。一方、ＬＳＩ搭載用基板については、それよりも熱膨張係数がかなり大きい樹脂材料等を用いて形成されることが多い。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２６５００号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、低誘電率化を図るためにＬＳＩチップ表層の絶縁膜を多孔質組織化した場合、ＬＳＩチップの剛性の低下が避けられず、特に絶縁膜部分が脆くなる。しかし、はんだを用いてフリップチップ接続をする場合において、はんだが溶融温度から常温に冷却する際には、チップ材料と基板材料との熱膨張係数差に起因して、パッケージ全体をチップ搭載面側に反らそうとする熱応力が発生する。よって、かかる熱応力が作用して反りが生じる結果、脆い絶縁膜部分が破壊しやすくなる。また、絶縁膜部分の破壊に到らないような場合であっても、チップ接合部分にクラックが起こり、オープン不良などが生じるおそれもある。つまり、上記のような低誘電率のＬＳＩチップを用いて半導体パッケージを構成した場合、高い歩留まりや高い信頼性を実現できないという問題が生じる。
【０００６】
また最近では、少ない半導体材料を用いてより多くの演算回路を形成すべく、ＬＳＩチップを大型化（例えばチップ一辺の大きさが１０．０ｍｍ以上）かつ薄肉化（チップ厚みが１．０ｍｍ未満）する動向がある。この場合には、剛性が低下するにもかかわらず熱応力の影響を受けやすいチップ構造となるため、上記の問題がいっそう顕著になる。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、歩留まり及び信頼性が高い、半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の別の目的は、上記の優れた配線基板を実現するうえで好適な補強材付き半導体素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
そして上記課題を解決する手段としては、素子第１主面、素子第２主面及び前記素子第２主面側に形成されたフリップチップ用接続端子を有し、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃未満である半導体素子と、前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定され、前記半導体素子よりも剛性の高い材料からなる補強材と、基板主面を有し、前記基板主面上に前記半導体素子がフリップチップ接続される樹脂基板とを備えることを特徴とする、半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板がある。
【０００９】
また、半導体素子と補強材と基板とからなる上記の配線基板を実現するうえで好適なものとしては、素子第１主面、素子第２主面及び前記素子第２主面側に形成されたフリップチップ用接続端子を有し、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃未満である半導体素子と、前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定され、前記半導体素子よりも剛性の高い材料からなる補強材とを備えることを特徴とする補強材付き半導体素子がある。
【００１０】
従って、これらの発明によれば、半導体素子に対して補強材を接合固定することにより、全体の厚さが増して半導体素子の剛性が向上する。その結果、樹脂基板との熱膨張係数差に起因する熱応力に半導体素子が十分に耐えられるようになり、半導体素子等が反りにくくなる。それゆえ、反りに起因する絶縁膜部分の破壊が防止されるとともに、接合部分におけるクラックの発生も防止される。以上の結果、例えば低誘電率の半導体素子を用いた場合であっても、高歩留まり及び高信頼性の配線基板を実現することが可能となる。
【００１１】
しかも、補強材は半導体素子に対して面接触状態で強固に接合固定されていて、いわば両者は一体化した状態となっている。ゆえに、補強材と半導体素子との界面にある程度大きな熱応力が集中したとしても、その界面には剥離が起こりにくい。従って、半導体素子に対して補強材に相当する部材を単に面接触させただけで接合固定していないものや、半導体素子に対して補強材に相当する部材を接合固定しているが面接触状態ではないもの（実質的に点接触状態または線接触状態にすぎないもの）等は、除かれる。
【００１２】
上記配線基板、補強材付き基板を構成する半導体素子としては、素子第１主面、素子第２主面及び前記素子第２主面側に形成されたフリップチップ用接続端子を有し、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃未満のものが使用される。フリップチップ用接続端子とは、面接続によって電気的な接続を図るための端子を指す。かかるフリップチップ用接続端子は、例えば線状や格子状（千鳥状も含む）に形成される。面接続とは、被接続物の平面上に線状や格子状（千鳥状も含む）にパッドあるいは端子を形成し、それら同士を接続する場合を指す。
【００１３】
半導体素子の熱膨張係数は、特に２．０ｐｐｍ／℃以上５．０ｐｐｍ／℃未満であることがよく、その例としては、熱膨張係数が２．６ｐｐｍ／℃程度のシリコンからなる半導体集積回路チップ（ＬＳＩチップ）などを挙げることができる。前記半導体素子の大きさ及び形状は特に限定されないが、少なくとも一辺が１０．０ｍｍ以上であることがよい。このような大型の半導体素子になると、発熱量が増大しやすく熱応力の影響も受けやすいため、本願発明の課題が発生しやすくなるからである。また、前記半導体素子の厚さは１．０ｍｍ未満、さらには０．５ｍｍ未満であることがよい。このような薄肉の半導体素子になると、剛性が弱くなって熱応力の影響を受けやすくなるため、本願発明の課題が発生しやすくなるからである。ここで「熱膨張係数」とは、厚み方向（Ｚ方向）に対して垂直な方向（ＸＹ方向）の熱膨張係数のことを意味し、０℃〜１００℃の間のＴＭＡ（熱機械分析装置）にて測定した値のことをいう。「ＴＭＡ」とは、熱機械的分析をいい、例えばＪＰＣＡ−ＢＵ０１に規定されるものをいう。
【００１４】
前記半導体素子は配線間を絶縁するための絶縁膜を少なくとも表層部に備えるとともに、その絶縁膜は例えば多孔質組織により構成されていてもよい。この場合、半導体素子の比誘電率、正確にいうと半導体素子表層の絶縁膜の比誘電率は、少なくとも酸化シリコンの比誘電率よりも低い値、具体的には４．０未満であることがよく、さらには１．１以上３．０未満であることがよりよく、特には１．１以上２．０未満であることが最もよい。その理由は、上記の構造を有する半導体素子の場合、多孔質組織化に伴って絶縁膜部分が脆弱化するため、本願発明の課題が発生しやすくなるからである。
【００１５】
上記配線基板、補強材付き半導体素子を構成する補強材は、前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定される。仮にフリップチップ用接続端子のある素子第２主面に対して接合される補強材であると、表裏を貫通する何らかの導通構造を設ける必要が生じ、補強材の構造が複雑になるからである。また、かかる導通構造を設けようとした場合、補強材の製造が面倒になるおそれがあるからである。つまり、前記補強材はその内部に導通構造を有していないことが好ましい。また、前記補強材は単層構造であっても複数層構造であってもよいが、どちらかと言えば単層構造であることが好ましい。その理由は、単層構造であれば構造が比較的簡単となり製造も容易になるので、低コスト化を達成しやすくなるからである。また、単層構造であれば、内部に界面が存在しないため、たとえ大きな熱応力が作用したときでも、クラックの発生に至らないからである。
【００１６】
補強材の形状等は特に限定されず任意であるが、少なくとも、素子第１主面に対して面接触状態で接合固定されうる面（平面）を有していることがよい。従って、例えば、表面及び裏面を有する略板形状の補強材を用いることが、一般的には好ましい。このような板状の補強材の外形寸法及び厚さは、特に限定されないが、強いて言えば前記半導体素子の外形寸法及び厚さと同等またはそれよりも大きいことがよい。従って、例えば１０ｍｍ角かつ厚さ１．０ｍｍ未満の半導体素子を用いた場合には、補強材の外形寸法は１０ｍｍ角以上であることがよく、厚さは１．０ｍｍ以上であることがよい、ということになる。
【００１７】
その理由は、補強材の厚さが半導体素子に比べてあまりに薄すぎると、半導体素子全体の厚さを十分に増すことができず、半導体素子の剛性の向上が達成されにくくなるからである。また、補強材の外形寸法が半導体素子に比べてあまりに小さすぎると、たとえ十分な厚さの補強材を用いたとしても、やはり半導体素子の剛性の向上が達成されにくくなるからである。なお、補強材は半導体素子と必ずしも同一または相似の外形形状を有していなくてもよい。
【００１８】
前記補強材は少なくとも半導体素子よりも剛性の高い材料からなることが好ましく、例えば半導体素子よりもヤング率が高い材料からなることが好ましい。具体的には、補強材のヤング率は２００ＧＰａ以上、特には３００ＧＰａ以上であることが好適である。その理由は、補強材自体に高い剛性が付与されていれば、それを接合固定することで半導体素子に高い剛性を付与することができ、熱応力に対していっそう強くなるからである。また、高い剛性を有する補強材であれば、補強材の厚さを薄くしても半導体素子に十分高い剛性を付与することができるため、配線基板全体の薄肉化を阻害しないからである。なお、半導体素子よりもヤング率が高いという条件を満たすものであれば、補強材はセラミック製であっても金属製であってもよい。
【００１９】
また前記補強材は、高い剛性を有することに加えて、低い熱膨張係数を有することが好ましい。補強材の熱膨張係数は、少なくとも樹脂基板の熱膨張係数よりも低いことがよく、具体的には５．０ｐｐｍ／℃未満であること、特には３．０ｐｐｍ／℃以上５．０ｐｐｍ／℃未満であることがよい。つまり、半導体素子と熱膨張係数が近いものであることがよい。その理由は、補強材と半導体素子とを強固に接合固定する構造を採用していることから、両者の熱膨張係数が整合している構造のほうが好都合だからである。従って、例えば熱膨張係数が２．６ｐｐｍ／℃程度のシリコン製ＬＳＩチップを選択した場合には、熱膨張係数が３．０ｐｐｍ／℃以上５．０ｐｐｍ／℃未満の補強材を用いることが好適であると言える。なお、上記の熱膨張係数の条件を満たしているものであれば、補強材はセラミック製であっても金属製であってもよい。
【００２０】
さらに前記補強材は、高い剛性及び低い熱膨張係数を有するばかりでなく、高い放熱性を有することがより好ましい。ここで「高い放熱性」とは、少なくとも放熱性（例えば熱伝導率）が樹脂基板よりも高いことを意味する。その理由は、放熱性の高い補強材を用いれば、半導体素子が発生した熱を速やかに放散することができるため、熱応力の緩和を図ることができるからである。従って、大きな熱応力が作用しなくなり、反り等が確実に回避されるからである。勿論、上記の放熱性の条件を満たしているものであれば、補強材はセラミック製であっても金属製であってもよい。
【００２１】
そして、低熱膨張性、高剛性及び高放熱性を備える好適な金属材料としては、例えば、アンバー（Ｆｅ−Ｎｉ系合金、３６％Ｎｉ）、いわゆる４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金、４２％Ｎｉ）、いわゆる５０アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金、５０％Ｎｉ）等といったＦｅ−Ｎｉ系合金、タングステン、モリブデンなどを挙げることができる。一方、低熱膨張性、高剛性及び高放熱性を備える好適なセラミック材料としては、例えば、窒化物系のエンジニアリングセラミック材料を挙げることができる。窒化物系のエンジニアリングセラミック材料の中でも、特に、窒化アルミニウム、窒化珪素、または、窒化アルミニウム及び窒化珪素の混合セラミック材料が好ましい。ちなみに、窒化アルミニウムの熱膨張係数は約４．４ｐｐｍ／℃、ヤング率は約３５０ＧＰａである。窒化珪素の熱膨張係数は約３．０ｐｐｍ／℃、ヤング率は約３００ＧＰａである。
【００２２】
前記補強材は素子第１主面に対して面接触状態で接合固定されるが、接合固定の手法は特に限定されることはなく、補強材を形成している材料の性質、形状等に合った周知の手法を採用することができる。例えば、補強材が金属板であるような場合には、ポリマを主成分とする接着剤等のような有機系接合材、はんだやロウ材等のように金属からなる無機系接合材を使用してそれを半導体素子に接合固定することができる。補強材がセラミック板であるような場合においても、ポリマを主成分とする接着剤等のような有機系接合材、はんだやロウ材等のように金属からなる無機系接合材を使用してそれを半導体素子に接合固定することができる。ただし、補強材がセラミック板である場合については、特にロウ材を用いて接合固定することが好ましい。その理由は、接着剤やはんだ等に比べてロウ材は融点が高い（最低でも３００℃以上である）ため、半導体素子を接合固定した後にプロセス上１００℃から２００℃程度の熱を加えたとしても、半導体素子の接合固定状態に何ら悪影響しないからである。
【００２３】
なお、ロウ材の種類としては、銀ロウ、金ロウ、銅ロウ、黄銅ロウ、ニッケルロウ、アルミニウムロウなどがある。例えば、シリコン製ＬＳＩチップとセラミック板とを接合固定したい場合には、組成中にシリコンを含むロウ材（例えばＡｕ−Ｓｉ系合金など）を使用することが好ましく、これによれば高い接合強度を得やすくなる。
【００２４】
ここで前記補強材は、素子第１主面のみに対して面接触状態で接合固定されていてもよいほか、前記基板主面に対しても面接触状態で接合固定されていてもよい。即ち、素子第１主面及び基板主面の両方に対して面接触状態で接合固定された構成であると、半導体素子ばかりでなく樹脂基板の剛性も向上する結果、より確実に反りを防止することができる。勿論、基板主面に対して補強材を接合固定の手法は特に限定されることはなく、補強材を形成している材料の性質、形状等に合った周知の手法を採用することができる。ただし、素子第１主面に対して補強材を接合固定する手法と同じ手法を用いて基板主面に対して補強材を接合固定すれば、工数の増加を回避することができ、生産性の低下を防ぐことができる。
【００２５】
上記配線基板を構成する樹脂基板としては、基板主面上に半導体素子がフリップチップ接続されるものが使用される。なお、樹脂基板の熱膨張係数は、５．０ｐｐｍ／℃以上２０．０ｐｐｍ／℃未満程度である。
【００２６】
前記樹脂基板とは、樹脂を主材料として用いて絶縁層部分が構成されている樹脂基板のことを指し、コスト性、加工性、絶縁性、機械的強度などを考慮して適宜選択することができる。
【００２７】
樹脂基板を構成する樹脂の具体例としては、ＥＰ樹脂（エポキシ樹脂）、ＰＩ樹脂（ポリイミド樹脂）、ＢＴ樹脂（ビスマレイミド−トリアジン樹脂）、ＰＰＥ樹脂（ポリフェニレンエーテル樹脂）などがある。そのほか、これらの樹脂とガラス繊維（ガラス織布やガラス不織布）やポリアミド繊維等の有機繊維との複合材料からなる基板を、樹脂基板として使用してもよい。あるいは、連続多孔質ＰＴＦＥ等の三次元網目状フッ素系樹脂基材にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させた樹脂−樹脂複合材料からなる基板等を、樹脂基板として使用してもよい。また、樹脂基板における内層には、コアとして金属板（メタルコア）が設けられていてもよい。かかる金属板を構成する金属の例としては、銅や銅合金、銅以外の金属単体や合金などがある。銅合金としては、アルミニウム青銅（Ｃｕ−Ａｌ系）、りん青銅（Ｃｕ−Ｐ系）、黄銅（Ｃｕ−Ｚｎ系）、キュプロニッケル（Ｃｕ−Ｎｉ系）などがある。銅以外の金属単体としては、アルミニウム、鉄、クロム、ニッケル、モリブテンなどがある。銅以外の合金としては、ステンレス（Ｆｅ−Ｃｒ系、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系などの鉄合金）、アンバー（Ｆｅ−Ｎｉ系合金、３６％Ｎｉ）、いわゆる４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金、４２％Ｎｉ）、いわゆる５０アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金、５０％Ｎｉ）、ニッケル合金（Ｎｉ−Ｐ系、Ｎｉ−Ｂ系、Ｎｉ−Ｃｕ−Ｐ系）、コバルト合金（Ｃｏ−Ｐ系、Ｃｏ−Ｂ系、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｐ系）、スズ合金（Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｐｄ系）などがある。また、樹脂基板は、特開２００２−２６５００号公報（図１）のように、コア基板（樹脂製）上に、絶縁層と配線層とを交互に形成した形態としてもよい。
【００２８】
前記樹脂基板は導体層を１層または複数層有する配線基板であることがよい。前記導体層は主として銅からなり、サブトラクティブ法、セミアディティブ法、フルアディティブ法などといった公知の手法によって形成される。具体的にいうと、例えば、銅箔のエッチング、無電解銅めっきあるいは電解銅めっきなどの手法が適用される。なお、スパッタやＣＶＤ等の手法により薄膜を形成した後にエッチングを行うことで導体層を形成したり、導電性ペースト等の印刷により導体層を形成したりすることも可能である。
【００２９】
前記樹脂基板における基板主面上には、半導体素子のフリップチップ接続を可能とするために、複数の面接続パッドが設けられていてもよく、さらにそれらの面接続パッド上には、はんだ等からなるバンプが形成されていてもよい。面接続パッドとは、電気的接続のための端子用パッドであって、面接続によって接続を行うものを指す。かかる面接続パッドは例えば線状や格子状（千鳥状も含む）に形成される。面接続パッドについても同様に、サブトラクティブ法、セミアディティブ法、フルアディティブ法などといった公知の手法によって形成される。また、前記面接続パッドは基板主面上における任意の位置に配置可能であるが、通常は基板主面上におけるほぼ中央部に配置される。なお、半導体素子は基板主面上に１つのみ搭載されてもよいほか２つ以上搭載されてもよく、それに併せて面接続パッドも１群または２群以上配置される。
【００３０】
樹脂基板における基板主面上には、上記半導体素子のほかに電子部品が実装されていてもよい。前記電子部品としては、例えば、裏面または側面に複数の端子を有するチップ部品（例えばチップトランジスタ、チップダイオード、チップ抵抗、チップコンデンサ、チップコイルなど）などがある。前記電子部品は能動部品であっても受動部品であってもよい。
【００３１】
また、上記課題を解決するための別の手段としては、素子第１主面、素子第２主面及び前記素子第２主面側に形成されたフリップチップ用接続端子を有し、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃未満である半導体素子と、前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定され、前記半導体素子よりも剛性の高いセラミック板からなる補強材と、基板主面を有し、前記基板主面上に前記半導体素子がフリップチップ接続される樹脂基板とを備える配線基板の製造方法において、前記半導体素子の前記素子第１主面に対して前記セラミック板をロウ材で接合固定するロウ付け工程と、前記セラミック板がロウ付けされた前記半導体素子を、前記樹脂基板の前記基板主面上にフリップチップ接続する半導体素子搭載工程とを含むことを特徴とする、半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板の製造方法がある。
【００３２】
即ち、半導体素子をフリップチップ接続により基板に搭載する場合において加熱・冷却を行うと、半導体素子と樹脂基板との熱膨張係数差に起因して、反りの原因となる熱応力が発生する。よって、上記のように半導体素子搭載工程前にロウ付け工程を行って補強材で半導体素子をあらかじめ補強しておけば、半導体素子搭載工程の際に熱応力が作用したとしても、半導体素子等が反りにくくなる。よって、反りに起因する絶縁膜部分の破壊が防止され、歩留まりが確実に向上する。また、ロウ材ははんだ等に比べて高融点であるにもかかわらず、樹脂基板の耐熱温度はせいぜい３００℃前後である。従って、仮に半導体素子搭載工程後にロウ付け工程を行おうとしても、半導体素子接合用のはんだや樹脂基板がロウ付け時の熱に耐えられず、軟化したり溶融したりするおそれがある。その点、半導体素子搭載工程前にロウ付け工程を行っておけば、はんだや樹脂基板が高温に晒されるようなことがなく、信頼性に優れた配線基板を得ることができる。つまり、このような製造方法によれば、上記の優れた配線基板を比較的容易にかつ確実に製造することができる。
【００３３】
以下、上記の製造方法について説明する。補強材であるセラミック板は周知の手法により作製されることができ、具体的にはプレス成形法やシート成形法により作製されたグリーンシートを脱脂しかつ高温で焼成すること等により作製されることができる。半導体素子についても周知の手法により作製されることができる。特に、低誘電率絶縁膜を有する半導体素子については、例えば、絶縁膜中にサブナノメートルからナノメートル領域の微小空隙を形成し、絶縁膜を多孔質組織化すること等により作製されることができる。具体的な手法の一例を挙げると、プラズマＣＶＤ法を用いて多孔質絶縁膜を形成する方法などがある。
【００３４】
そして、ロウ付け工程では、前記半導体素子の前記素子第１主面及びセラミック板の片面のうちの少なくともいずれかにロウ材を配置または塗布しておき、半導体素子とセラミック板とを重ね合わせる。そして、ロウ材が溶融する所定温度に加熱後に冷却することにより、半導体素子及びセラミック板をロウ材で接合固定する。
【００３５】
続く半導体素子搭載工程では、前記セラミック板がロウ付けされた前記半導体素子を、前記樹脂基板の前記基板主面上にはんだ等を用いてフリップチップ接続する。なおこの工程に先立って、樹脂基板の基板主面上にバンプを形成しておいてもよく、半導体素子の素子第２主面側のフリップチップ用接続端子上にバンプを形成してもよく、あるいは両方にバンプを形成しておいてもよい。そして、前記バンプが溶融する温度に加熱し、その溶融したバンプを介して半導体素子と樹脂基板とを接合する。なお、このようなバンプに依らない接合方法を採用することも許容される。
【００３６】
この後、半導体素子と樹脂基板との隙間を埋めるアンダーフィル材の充填形成を行い、かつ、必要に応じて樹脂基板の基板裏面へのピン取り付けまたはボール取り付け等を行うことにより、所望の配線基板を完成させることができる。なお、ピン取り付けまたはボール取り付けは、アンダーフィル材形成工程前に実施されてもよく、半導体素子搭載工程前に実施されてもよい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
【００３８】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４に基づき詳細に説明する。図１は、ＬＳＩチップ（半導体素子）２１と、スティフナ（補強材）３１と、樹脂基板４１とからなる本実施形態の半導体パッケージ１１（配線基板）を示す概略断面図である。図２は、半導体パッケージ１１の製造過程において、接合固定前のスティフナ３１及びＬＳＩチップ２１を示す概略断面図である。図３は、同じく前記製造過程において、スティフナ３１とＬＳＩチップ２１とを接合固定してなる、スティフナ付きＬＳＩチップ５１（補強材付き半導体素子）を示す概略断面図である。図４は、同じく製造過程において、スティフナ付きＬＳＩチップ５１を樹脂基板４１上に搭載する工程を示す概略断面図である。
【００３９】
図１に示されるように、本実施形態の半導体パッケージ１１は、上記のように、ＬＳＩチップ２１と、スティフナ３１と、樹脂基板４１とからなるＰＧＡ（ピングリッドアレイ）である。なお、半導体パッケージ１１の形態は、ＰＧＡのみに限定されず、例えばＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）やＬＧＡ（ランドグリッドアレイ）等であってもよい。なお、かかる半導体パッケージ１１は、有機樹脂材料を主体として構成されるため、オーガニックパッケージとも呼ばれる。ＭＰＵとしての機能を有するＬＳＩチップ２１は、１０ｍｍ角かつ０．８ｍｍ厚の矩形平板状であって、熱膨張係数が２．６ｐｐｍ／℃程度のシリコンからなる。かかるＬＳＩチップ２１の下面２４（素子第２主面）の表層には図示しない回路部が形成されている。前記回路部は微細な銅配線とその銅配線を層間絶縁する絶縁膜とからなり、前記絶縁膜は比誘電率が２．０前後の多孔質組織からなる。なお、ＬＳＩチップ２１の下面２４において前記回路部の周囲には、複数のフリップチップ用接続端子２２が規則的に設けられている。
【００４０】
図１に示されるように、前記樹脂基板４１は、上面４２（基板主面）及び下面４３を有する矩形平板状の部材からなり、複数層の樹脂絶縁層４４と複数層の導体回路４５とを有する、いわゆる多層樹脂配線基板である。本実施形態の場合、具体的にはエポキシ樹脂をガラスクロスに含浸させてなる絶縁基材により樹脂絶縁層４４が形成され、銅箔または銅めっき層により導体回路４５が形成されている。かかる樹脂基板４１の熱膨張係数は、１３．０ｐｐｍ／℃以上１６．０ｐｐｍ／℃未満となっている。樹脂基板４１の上面４２（基板主面）には、ＬＳＩチップ２１側との電気的な接続を図るための複数の面接続パッド４６が格子状に形成されている。樹脂基板４１の下面４３には、図示しないマザーボード側との電気的な接続を図るための複数の面接続パッド４７が格子状に形成されている。なお、隣り合うマザーボード接続用の面接続パッド４７，４７間のピッチは、隣り合うＬＳＩチップ接続用の面接続パッド４６，４６間のピッチよりも広いピッチ（中心間距離）となっている。マザーボード接続用の面接続パッド４７上には、マザーボード側の凹所に嵌挿可能な端子ピン４９が取り付けられている。樹脂絶縁層４４にはビアホール導体４８が設けられていて、これらのビアホール導体４８を介して、異なる層の導体回路４５、面接続パッド４６、面接続パッド４７が相互に電気的に接続されている。また、樹脂基板４１の上面４２（基板主面）には、ＬＳＩチップ２１以外にもその他の電子部品（図示略）が実装されていてもよい。
【００４１】
複数の面接続パッド４６上には、はんだバンプ３５が設けられている。そして、これらのはんだバンプ３５を介して、ＬＳＩチップ２１のフリップチップ用接続端子２２と面接続パッド４６とが互いに接続されている。また、ＬＳＩチップ２１と樹脂基板４１との隙間には、熱硬化性樹脂からなるアンダーフィル材３６が充填形成されている。
【００４２】
図１に示されるように、本実施形態におけるスティフナ３１は窒化アルミニウム板からなる。かかる窒化アルミニウム板は単層構造をなしていて、ビア等の導通構造については特に備えていない。前記スティフナ３１は矩形平板状かつ１０ｍｍ角であって、外形形状及び寸法がＬＳＩチップ２１と等しくなっている。ただし、厚さについてはスティフナ３１のほうがＬＳＩチップ２１よりも厚く、具体的には２ｍｍに設定されている。
【００４３】
窒化アルミニウム板からなるスティフナ３１の熱膨張係数は約４．４ｐｐｍ／℃、ヤング率は約３５０ＧＰａである。従って、このスティフナ３１の熱膨張係数は、樹脂基板４１の熱膨張係数よりも小さく、かつ、ＬＳＩチップ２１の熱膨張係数よりも大きな値となっている。即ち、本実施形態のスティフナ３１は、樹脂基板４１よりも低い熱膨張性を備えており、むしろＬＳＩチップ２１に近い熱膨張性を備えていると言える。また、窒化アルミニウムのヤング率はシリコンよりも高いことから、本実施形態のスティフナ３１はＬＳＩチップ２１よりも高い剛性を備えていることになる。
【００４４】
かかるスティフナ３１はＬＳＩチップ２１の上面２３（素子第１主面）全体に対して面接触した状態で配置され、かつ、Ａｕ−Ｓｉ系合金からなるロウ材２５を用いて前記上面２３に強固に接合固定されている。このロウ材２５を構成するＡｕ−Ｓｉ系合金は共晶組成を有するものであるため、３７０℃という比較的低い融点を有する。
【００４５】
ここで、上記構造の半導体パッケージ１１を製造する手順について説明する。
【００４６】
まず、周知の導体回路形成技術を利用して樹脂基板４１を作製した後、その樹脂基板４１における複数の面接続パッド４６上に略半球状のはんだバンプ３５を形成しておく。はんだバンプ３５を形成する手法としては特に限定されず、印刷法やめっき法などの周知の手法を採用することができる。一方、周知のセラミックグリーンシート形成技術によって窒化アルミニウムグリーンシートを形成し、これを還元雰囲気中で脱脂、焼成することにより、窒化アルミニウム焼結体からなるスティフナ３１を作製しておく。
【００４７】
次に、ＬＳＩチップ２１の上面２３（素子第１主面）のほぼ全体にＡｕ−Ｓｉ系合金からなるロウ材２５を配置したうえで、前記上面２３（素子第１主面）にスティフナ３１を載置する（図２参照）。そして、Ａｕ−Ｓｉ系合金からなるロウ材２５の融点である３７０℃以上の温度に加熱して、ロウ材２５を一旦溶融させた後、冷却・固化させる。その結果、スティフナ３１がＬＳＩチップ２１に対して接合固定され、図３に示すスティフナ付きＬＳＩチップ５１（補強材付き半導体素子）が完成する。
【００４８】
次に、図４に示されるように、スティフナ付きＬＳＩチップ５１を樹脂基板４１の上面４２（基板主面）上に載置する。このとき、ＬＳＩチップ２１側のフリップチップ用接続端子２２と、樹脂基板４１側の面接続パッド４６とを位置合わせするようにする。そして、２００℃前後の温度に加熱して各はんだバンプ３５をリフローすることにより、各フリップチップ用接続端子２２と各面接続パッド４６とを接合する。なお、本実施形態の製造方法では、半導体素子搭載工程前にロウ付け工程を行っているため、スティフナ３１によってＬＳＩチップ２１があらかじめ補強されている。よって、半導体素子搭載工程の際に熱応力が発生したとしても、その熱応力によってＬＳＩチップ２１が反るようなことがない。ゆえに、反りに起因する絶縁膜部分の破壊が防止され、歩留まりを確実に向上させることができる。また、本実施形態の製造方法では、半導体素子搭載工程前にロウ付け工程を行っているので、はんだや樹脂基板４１が３７０℃という高温に晒されることもない。ゆえに、はんだや樹脂基板４１がロウ付け時の熱に耐えられず、軟化、溶融する等の不都合も生じない。従って、信頼性の低下を未然に防止することができる。
【００４９】
この後、はんだ付けにより端子ピン４９の取り付けを行った後、ＬＳＩチップ２１と樹脂基板４１との隙間にアンダーフィル材３６である熱硬化性樹脂を充填しかつ熱硬化させる。その結果、図１に示す半導体パッケージ１１を得ることができる。
【００５０】
従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００５１】
（１）ＬＳＩチップ２１に対してスティフナ３１を接合固定しているため、全体の厚さが増してＬＳＩチップ２１の剛性が向上する。その結果、樹脂基板４１との熱膨張係数差に起因する熱応力にＬＳＩチップ２１が十分に耐えられるようになり、ＬＳＩチップ２１等が反りにくくなる。それゆえ、反りに起因する絶縁膜部分の破壊が防止されるとともに、接合部分におけるクラックの発生も防止される。以上の結果、低誘電率のＬＳＩチップ２１を用いた本実施形態の場合であっても、高歩留まり及び高信頼性の半導体パッケージ１１を実現することが可能となる。しかも、スティフナ３１はＬＳＩチップ２１に対して面接触状態で強固に接合固定されていて、いわば両者は一体化した状態となっている。ゆえに、スティフナ３１とＬＳＩチップ２１との界面にある程度大きな熱応力が集中したとしても、その界面には剥離が起こりにくい。
【００５２】
（２）本実施形態の窒化アルミニウムからなるスティフナ３１は、高い剛性を有することに加えて低い熱膨張係数を有しており、ＬＳＩチップ２１との熱膨張係数が整合している。さらに前記スティフナ３１は高い放熱性も有しているため、ＬＳＩチップ２１が発生した熱を速やかに放散でき、熱応力の緩和を図ることができる。また、前記スティフナ３１は層構造を有しない比較的単純なものであるので、製造が容易で低コスト化に向いていることに加え、クラックが発生しにくいという利点がある。
［第２の実施の形態］
【００５３】
以下、本発明を具体化した第２の実施形態を図５に基づき詳細に説明する。図５は、ＬＳＩチップ２１（半導体素子）と、スティフナ６１（補強材）と、樹脂基板４１とからなる本実施形態の半導体パッケージ１１（配線基板）を示す概略断面図である。なお、第１の実施形態と同じ構成については共通の部材番号を付す代わりに、その詳細な説明を省略する。
【００５４】
本実施形態のスティフナ６１は、第１実施形態のスティフナ３１よりも外形寸法が大きく、ＬＳＩチップ２１の側方にかなり張り出している。従って、本実施形態のスティフナ６１は、樹脂基板４１の外形形状及び寸法とほぼ等しくなっている。スティフナ６１において張り出した部分については相対的に厚肉に形成されており、かつ、樹脂基板４１の上面４２（基板主面）に対して面接触状態で接合固定されている。ここでは、スティフナ６１とＬＳＩチップ２１とを接合するための接合材、及び、スティフナ６１と樹脂基板４１とを接合するための接合材として、熱硬化性樹脂からなる接着剤６２が用いられている。
【００５５】
そして、このような構造の半導体パッケージ１１であっても、第１実施形態と同様に、歩留まり及び信頼性に優れたものとすることができる。特にこの場合には、ＬＳＩチップ２１ばかりでなく樹脂基板４１の剛性も向上するため、より確実に反りを防止することができる。
【００５６】
なお、本発明の実施形態は上記実施形態のみに限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において任意に変更することができる。例えば、図６に示す別の実施形態のようにしてもよい。即ち、矩形平板状のスティフナ３１をＬＳＩチップ２１の上面２３（素子第１主面）に接合固定するとともに、抜き穴７２を有する矩形平板状のスティフナ７１を樹脂基板４１の上面４２（基板主面）に接合固定する。このような構造であっても、ＬＳＩチップ２１及び樹脂基板４１双方の剛性を向上させることができる。
【００５７】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００５８】
（１）前記半導体素子はその少なくとも表層に多孔質組織を有するとともに、その多孔質組織の比誘電率が４未満であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の補強材付き半導体素子。
【００５９】
（２）前記半導体素子における少なくとも一辺は１０．０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の補強材付き半導体素子。
【００６０】
（３）前記半導体素子の厚さは１．０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の補強材付き半導体素子。
【００６１】
（４）前記半導体素子はその少なくとも表層に多孔質組織を有するとともに、その多孔質組織の比誘電率が４未満であり、前記半導体素子における少なくとも一辺は１０ｍｍ以上であり、前記半導体素子の厚さは１．０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の補強材付き半導体素子。
【００６２】
（５）前記補強材は、ヤング率が２００ＧＰａ以上のセラミック材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の補強材付き半導体素子。従って、この構成によると、補強材自体の剛性が高いため、半導体素子に高い剛性を付与でき、熱応力に対していっそう強くなる。
【００６３】
（６）前記補強材は、窒化物系のエンジニアリングセラミックからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の補強材付き半導体素子。従って、好適な熱膨張性、剛性及び放熱性を有する材料を用いて補強材を構成していることから、熱応力に対して極めて強く、反りにくい補強材付き半導体素子を提供することができる。
【００６４】
（７）前記補強材は、窒化アルミニウム、窒化珪素、または、窒化アルミニウム及び窒化珪素の混合セラミック材料を用いて形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の補強材付き半導体素子。従って、極めて好適な熱膨張性、剛性及び放熱性を有する材料を用いて補強材を構成していることから、熱応力に対して極めて強く、反りにくい補強材付き半導体素子を提供することができる。
【００６５】
（８）素子第１主面、素子第２主面及び前記素子第２主面側に形成されたフリップチップ用接続端子を有し、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃未満である多孔質組織を有する半導体素子と、前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定され、前記半導体素子よりも剛性の高い材料からなり、内部導体を持たない単体構造の補強材とを備えることを特徴とする補強材付き半導体素子。従って、この構成によれば、補強材を比較的簡単に製造できるため低コスト化を図ることができる。
【００６６】
（９）素子第１主面、素子第２主面及び前記素子第２主面側に形成されたフリップチップ用接続端子を有し、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃未満であり、比誘電率が４未満である多孔質組織を有する半導体素子と、熱膨張係数が３．０ｐｐｍ／℃以上５．０ｐｐｍ／℃未満であり、前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定され、前記半導体素子よりも剛性が高くて、内部導体を持たない単体構造のセラミック板と、前記セラミック板を前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定するロウ材とを備えることを特徴とする補強材付き半導体素子。従って、この構成によれば、補強材を比較的簡単に製造できるため低コスト化を図ることができる。
【００６７】
（１０）素子第１主面、素子第２主面及び前記素子第２主面側に形成されたフリップチップ用接続端子を有し、熱膨張係数が５．０ｐｐｍ／℃未満であり、比誘電率が４未満である多孔質シリコン組織を表層に有する半導体集積回路素子と、熱膨張係数が３．０ｐｐｍ／℃以上５．０ｐｐｍ／℃未満であり、前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定され、前記半導体集積回路素子よりも剛性が高くて、内部導体を持たない単体構造の窒化アルミニウム板と、前記窒化アルミニウム板を前記素子第１主面に対して面接触状態で接合固定する金−シリコン系のロウ材とを備えることを特徴とする補強材付き半導体素子。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化した第１実施形態において、ＬＳＩチップ（半導体素子）と、スティフナ（補強材）と、樹脂基板とからなる半導体パッケージ（配線基板）を示す概略断面図。
【図２】第１実施形態の半導体パッケージ（配線基板）の製造過程において、接合固定前のスティフナ（補強材）及びＬＳＩチップ（半導体素子）を示す概略断面図。
【図３】同じく前記製造過程において、スティフナ（補強材）とＬＳＩチップ（半導体素子）とを接合固定してなる、スティフナ付きＬＳＩチップ（補強材付き半導体素子）を示す概略断面図。
【図４】同じく製造過程において、スティフナ付きＬＳＩチップ（補強材付き半導体素子）を樹脂基板上に搭載する工程を示す概略断面図。
【図５】本発明を具体化した第２実施形態において、ＬＳＩチップ（半導体素子）と、スティフナ（補強材）と、樹脂基板とからなる半導体パッケージ（配線基板）を示す概略断面図。
【図６】別の実施形態において、ＬＳＩチップ（半導体素子）と、スティフナ（補強材）と、樹脂基板とからなる半導体パッケージ（配線基板）を示す概略断面図。
【符号の説明】
１１…半導体素子と補強材と基板とからなる配線基板としての半導体パッケージ
２１…半導体素子としてのＬＳＩチップ
２２…フリップチップ用接続端子
２３…素子第１主面
２４…素子第２主面
２５…ロウ材
３１，６１，７１…補強材としてのスティフナ
４１…樹脂基板
４２…基板主面
５１…補強材付き半導体素子としてのスティフナ付きＬＳＩチップ
【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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