(57)【要約】【課題】小型化・高密度化を実現し、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を提供すること。【解決手段】少なくとも１つの電子部品が搭載された半導体装置が複数のハンダバンプにより配線基板に接続されてなる半導体装置の実装構造体において、前記ハンダバンプの材質が鉛を含まない合金であり、前記半導体装置と前記配線基板との間の空隙部分に樹脂を介在させており、前記樹脂は加熱硬化した後も、ハンダ融点以上に再加熱することにより再剥離可能であることを特徴とする半導体装置の実装構造体であって、エポキシを主剤とし、フィラーを４０〜６０ｗｔ％含有していることを特徴とする半導体装置の実装構造体。【選択図】　図４
2004071672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電子部品が搭載された半導体装置が複数のハンダバンプで配線基板に接続されてなる半導体装置の実装構造体において、
前記ハンダバンプの材質が、鉛を含まない合金であり、
前記半導体装置と前記配線基板との間の空隙部分に、樹脂を介在させており、該樹脂は、エポキシを主剤とし、フィラーを４０〜６０ｗｔ％含有していることを特徴とする半導体装置の実装構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の実装構造体において、半導体装置下面がハンダもしくは樹脂によりすべて埋められていることを特徴とする半導体装置の実装構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、特に小型化および高密度化されたパッケージ形態を有する半導体装置の実装構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体装置においては著しい小型化・高密度化が達成されており、実装形態も変化してきている。
【０００３】
従来、半導体装置の実装形態としては、ＤＩＰ（Ｄｕａｌ　Ｉｎｌｉｎｅ　Ｐａｃｋａｇｅ）などの配線基板に設けたスルーホールにリードを挿入する挿入型や、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｐａｃｋａｇｅ）などのリードを基板の表面にハンダ付けし、実装する手法が採用されてきた。一方で、半導体装置の小型化・高密度化に対する要求はさらに高まりつつあり、上記のＱＦＰなどのパッケージ形態では対応できなくなってきている。このため、出力端子をエリア化し、ハンダボールにより電気的、機械的の接続をしたＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ　Ｓｉｚｅ　Ｐａｃｋａｇｅ）に代表される実装形態に変化してきている。
【０００４】
しかしながら、このようなＣＳＰ型半導体装置の実装構造体においては、配線基板と半導体装置間の熱膨張係数の違いに起因して発生する熱応力や、落下衝撃等における基板の変形による応力を、接続部分のハンダのみで受けることになる。従って、温度サイクル信頼性や機械的強度が悪いという欠点がある。この防止策として、半導体装置と配線基板の間の間隙部分に樹脂を介在させる構造が多く採用されている。
【０００５】
特開平８−８３００号公報に開示の技術によると、半導体チップと該半導体チップが搭載される基板との間の空隙部を樹脂によって充填する半導体装置の実装構造体において、該樹脂の縦弾性係数が５〜１０００ｋｇｆ／ｍｍ２で、かつ線膨張係数が１８〜４０ｐｐｍ／Ｋであることを特徴とすることによって、高い信頼性を得ることができるとしている。
【０００６】
他方、環境保護の観点から、無鉛ハンダを用いて半導体装置を外部電極に接続する方法が、近年では検討されている。ここでは、接続のために供給されるハンダペーストに加え、接続のためのハンダバンプについても同様に無鉛ハンダを用いる方法も採用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成においては、電極材料としてＳｎ，Ａｇ，Ｃｕ等からなる、鉛を含まない合金である場合には、新たな課題を有する。前述の従来例においては、電極材料として、Ｐｂ５Ｓｎハンダ等、鉛を含むハンダを用いた場合を想定しているため、本課題は明らかではなかった。
【０００８】
すなわち、半導体装置と配線基板との間の間隙部に樹脂を充填することにより、配線基板と水平方向のハンダのひずみは和らげられるが、樹脂自体の熱膨張に起因して、配線基板と鉛直方向の引張り・圧縮応力が発生し、ハンダ接続部にのびが生じ、ひずみが発生する。ここで、電極材料が、ＳｎＡｇＣｕハンダ等、鉛を含まない合金では弾性のびの範囲が小さく、温度などの周囲の状況の変化や装置の発熱等により発生する歪がハンダ接続部に負荷した場合に、容易にクラックが発生し、接続不良が発生する。よって、電極材料が鉛を含まない材質である場合には、樹脂を充填しない場合と比較して、温度サイクル信頼性が低下するという課題がある。
【０００９】
半導体装置の実装構造体において熱疲労寿命強度を示す際の指標の１つとして、温度サイクル試験１０００サイクルクリアを挙げることができる。ハンダ材料の熱疲労寿命とひずみの関係によると、温度サイクル加速試験１０００サイクルのときに、ハンダ接続部に発生する非線形ひずみは、ＳｎＰｂ共晶ハンダの場合には、０．０１５程度であるのに対し、Ｓｎ３．５Ａｇ０．７５Ｃｕハンダを用いた場合は、０．００７である。（于強、他３名、日本機械学会　ＲＣ１６２　　エレクトロニクス実装における信頼性評価に関する研究分科会　研究報告書、ｐ．３１３〜３４３）
つまり、ハンダ接続部の材質がＳｎＡｇＣｕである場合には、ＳｎＰｂ共晶ハンダである場合に比べて、ハンダ接続部に生じるひずみの大きさが接続信頼性へ与える影響が大きい。よって、半導体装置の実装構造体の温度サイクル信頼性を確保するためには、ハンダ接続部の材質を、ＳｎＰｂ共晶ハンダの場合と比べて、ＳｎＡｇＣｕハンダの場合の方が、ひずみを少なくする必要がある。
【００１０】
実際に、半導体装置の実装構造体を用いて、温度サイクルの加速試験を行った結果を表１に示す。ここで、採用した樹脂は、フィラーを含有していない。樹脂があるサンプルでは、明らかに、樹脂がないサンプルと比べて、接続信頼性が低下していることがわかる。
【００１１】
【表１】
2004071672.tif 000003
【００１２】
表１の条件下において温度サイクル加速試験を行った後のハンダ接続部断面の状態を図１に示す。配線基板１上の外部接続のためのランド６と半導体装置２上の外部接続のためのパッド７とを電気的、機械的に接続しているハンダバンプ３が破断している。これによって、樹脂の熱膨張による鉛直方向の応力により、破断したことが確認できる。樹脂の線膨張係数と、ハンダの線膨張係数との違いに起因する配線基板と鉛直方向の引張り・圧縮応力によるものであると考える。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体装置を配線基板へ接続した半導体装置の実装構造に関し、上記課題を取り除き、好適な実装構造体、材料、電子機器を提供するものであり、特に構造が簡単で、既存のＣＳＰ型半導体装置の特徴を活かした実装構造体に関するものである。
【００１４】
本発明が対象とする半導体装置の実装構造体は、外部接続のための電極部分にハンダバンプが形成された半導体装置を該ハンダバンプにより電気的・機械的に配線基板上の電極部に接続してある。さらに、前記半導体装置と前記配線基板の間の空隙部には樹脂を介在させている。ここで、該ハンダの材質は、環境保護の観点から、ＳｎＡｇＣｕハンダ等、鉛を含まない合金としている。
【００１５】
本発明による半導体装置の実装構造体においては、半導体装置と配線基板との間に介在させる樹脂は、エポキシを主剤とし、フィラーを４０〜６０ｗｔ％含有していることを特徴とする。ここで、エポキシ系樹脂の線膨張係数は、６０〜８０ｐｐｍ／℃程度であり、フィラーは、例えば、シリカであれば、線膨張係数は０．４ｐｐｍ／℃程度である。シリカ等のフィラーを含有させることにより、樹脂全体としての熱膨張を抑制することができる。
【００１６】
樹脂自体の熱膨張を抑制することにより、配線基板と垂直方向の引張り・圧縮応力を減少させ、ハンダ部に生じるひずみを抑制することができる。同時に、配線基板と水平方向のひずみについては、従来通り緩和させることができる。よって、熱衝撃に対する高信頼性を得ることができる。
【００１７】
また、フィラー含有量を上記範囲とすることにより、硬化温度の上昇を抑えることができる。さらに、粘度の上昇も抑えることができる。
【００１８】
さらに、本発明による半導体装置の実装構造体においては、半導体装置下面がハンダもしくは樹脂によりすべて埋められていることを特徴とするものである。これにより、樹脂による外部応力に対する機械的強度向上の効果を十分に発揮することができる。
【００１９】
本発明による上記の半導体装置の実装構造体を用いることにより、ハンダバンプとして、鉛を含まない合金を用いた場合に、高信頼性を有し、かつ小型化、軽量化を達成する電子機器を提供することができる。加えて、ハンダバンプとして、鉛を含まない合金を用いることにより、環境問題に貢献することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の半導体装置の実装構造体及びその製造方法の実施例について説明する。
【００２１】
図２は本実施形態にかかる半導体装置の実装構造体の一部のみを取り出した概略斜視図である。図２において、１は配線基板、２は半導体装置、４は樹脂をそれぞれ示す。半導体装置２が配線基板１上に載置されており、樹脂４を介在させている。
【００２２】
図３の（ａ）および（ｂ）は、本実施形態にかかる半導体装置の実装構造体の、接続部分の拡大断面図である。図３において、１は配線基板、２は半導体装置、３はハンダバンプ、４は樹脂、５は半導体チップをそれぞれ示す。本発明は、ＣＳＰ等、ハンダバンプにより、機械的、電気的接続を行う半導体装置の実装構造体を対象とする。半導体装置２のランド部は、その裏面に形成されたハンダバンプ３によって、配線基板１上に形成されたランド部に接続されている。半導体装置と配線基板との間は空隙が確保されており、空隙部の一部もしくはすべてに樹脂４を介在させてある。
【００２３】
ここで、図３（ａ）は、半導体チップ５の接続をワイヤボンド等により行い、その周囲にモールドを施したＣＳＰ型の半導体装置の実装構造体の一例である。また、図３（ｂ）は、半導体チップ５に保護膜を施して形成したウエハプロセスＣＳＰの一例である。本発明においては、図３の（ａ）および（ｂ）のいずれであっても構わない。
【００２４】
本発明を実現するために用いられる樹脂としては未硬化の状態で流動性があり、半導体装置と配線基板との間に介在させることが可能であり、加熱などの手段により硬化して所望の物性を示すものが用いられる。
【００２５】
本実施例においては実験により、フィラー含有率が６０％以下のとき、樹脂の粘度が５０００ｍＰａ・ｓ以下となり、例えば０．５ｍｍピッチのＣＳＰを搭載した実装構造体に対しては、良好な充填性を示した。
【００２６】
また、フィラーとしてシリカフィラーを４０％以上含有した場合、線膨張係数が低下し温度サイクル加速試験において、図４に示すとおり平均寿命が１０００サイクルを超えることが出来た。
【００２７】
ここに、本実施例に用いた樹脂材料は、一例として液状のエポキシを主成分としたアミン系の樹脂である。一般的に線膨張係数は、６０〜８０ｐｐｍ／℃であるため、線膨張係数を低下させるために、シリカフィラーを４０〜６０ｗｔ％混合した組成物とした。
【００２８】
樹脂の形成工程としては、あらかじめ樹脂を供給した上に半導体装置を実装する、いわゆるノーフロー方式でも良いし、実装した後の半導体装置と配線基板との間の空隙に樹脂を流し込むフロー方式でも良い。
【００２９】
配線基板上には、高温でのダメージを受けやすい部品も搭載されていることもあるため、例えば、１００℃程度の低温で硬化することが望ましい。樹脂の線膨張係数を調整するために用いられるシリカフィラーの含有量を４０〜６０ｗｔ％とすることにより、硬化温度の上昇を抑え、実用の範囲内とすることができる。また、半導体装置の小型化に伴い、ハンダ接続部の微細化が進むと、ピッチが狭くなり、半導体装置と配線基板との間の空隙部の高さも低くなるため、粘度の上昇の抑制が必要となる。フィラー含有量を上記範囲内とすることにより、樹脂の充填が容易となり、充填時間の短縮が達成できる。また、半導体装置下面をハンダもしくは樹脂によりすべて充填することが可能となる。これにより、樹脂による外部応力に対する機械的強度向上の効果を十分に発揮することができる。
【００３０】
ＣＳＰを配線基板上に搭載した実装構造体に樹脂を充填した場合の、フィラー含有量の違いによる接続信頼性への影響を調べるために、温度サイクル加速試験を行った。検討結果を図４に示す。ここで、サンプルとしては、ハンダ接続部としてＳｎＡｇＣｕハンダを用いた、４ｍｍ□の０．５ｍｍピッチＣＳＰを採用した。温度サイクルの加速試験は、−４０℃１０分→１２５℃１０分を１ｃｙｃｌｅとして行い、デイジーチェーンにより、抵抗値の増加量を測定した。
【００３１】
図４より、接続のためのハンダ電極の材質がＳｎＡｇＣｕ等、鉛を含まないハンダである場合において、フィラー含有量が多くなるのに伴い、温度サイクル加速試験による平均寿命が長くなることがわかる。
【００３２】
本発明による半導体装置の実装構造体においては、フィラーの含有量を４０〜６０ｗｔ％とすることにより、熱衝撃に対して、良好な接続信頼性を得ることができる。これは、フィラーの含有量を上記範囲とすることにより、樹脂自体の熱膨張を減少させることができるためであると考える。
【００３３】
また、本発明による半導体装置の実装構造体においては、半導体装置下面がハンダもしくは樹脂によりすべて埋められていることを特徴としている。これにより、特に、外部から機械的な応力が負荷した場合に、樹脂により、ハンダ接続部に負荷するひずみを緩和することができる。
【００３４】
上記の半導体装置の実装構造体を用いることにより、ハンダ接続部の良好な機械的強度および温度サイクル信頼性を有し、かつ小型化、軽量化を達成する電子機器を提供することができる。さらに、鉛を含まない合金の使用により、環境問題に貢献する電子機器を提供することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体装置を配線基板へ接続したＣＳＰ型の半導体装置の実装構造において、フィラーの含有率を４０〜６０ｗｔ％にすることにより、樹脂の流動性を良好に保ったまま、線膨張係数を小さく抑えることが出来るため、特に鉛を含まない合金からなるハンダバンプ接合においては、良好な実装信頼性を有する実装構造体、材料、電子機器を提供することができる。
【００３６】
これにより、小型化、高密度化を実現し、高信頼性を有する半導体装置の実装構造体を提供することができ、電子機器の小型化、軽量化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】温度サイクルの加速試験により故障した、半導体装置の実装構造体の断面図である。
【図２】本発明による実施形態にかかる半導体装置の実装構造体の一部のみを取り出した斜視図である。
【図３】図３（ａ）は、半導体チップの接続をワイヤボンド等により行い、その周囲にモールドを施したＣＳＰ型の半導体装置の実装構造体の一例である。図３（ｂ）は、半導体チップに保護膜を施して形成したウエハプロセスＣＳＰの一例である。
【図４】フィラー含有量が異なる樹脂を充填した場合の接続信頼性を調べるために、温度サイクル加速試験を行った実験結果である。
【符号の説明】
１　配線基板
２　半導体装置
３　ハンダバンプ
４　樹脂
５　半導体チップ
６　ランド
７　パッド
【図１】
2004071672.tif 000004
【図２】
2004071672.tif 000005
【図３】
2004071672.tif 000006
【図４】
2004071672.tif 000007