(57)【要約】【課題】  半導体基板下にマトリクス状に配置された複数の半田ボールを有する半導体装置を回路基板上に実装する半導体装置の実装方法において、温度サイクル試験を行なっても、半導体基板下の４隅に配置された半田ボールにクラックが発生しにくいようにする。【解決手段】  まず、半導体基板下２にマトリクス状に配置された複数の半田ボール１２を有する半導体装置１を、接続パッド１４を有する回路基板１３上に、各半田ボール１２をそれぞれ対応する各接続パッド１４に接合させて、フェースダウン実装する。次に、半導体装置１と回路基板１３との間に液状のエポキシ樹脂からなる液状のアンダーフィル材１５を充填する。次に、液状のアンダーフィル材１５をそのガラス転位温度（９７℃）以上の加熱温度（例えば１２０℃）で硬化させると、温度サイクル試験を行なっても、半導体基板２下の４隅に配置された半田ボール１２にクラックが発生しにくいようにすることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板下にマトリクス状に配置された複数の半田ボールを有する半導体装置を、マトリクス状に配置された複数の接続パッドを有する回路基板上に、前記各半田ボールをそれぞれ対応する前記各接続パッドに接合させて、フェースダウン実装し、前記半導体装置と前記回路基板との間に液状のアンダーフィル材を充填し、前記液状のアンダーフィル材をそのガラス転位温度以上の加熱温度で硬化させることを特徴とする半導体装置の実装方法。
【請求項２】
請求項１に記載の発明において、前記液状のアンダーフィル材は液状のエポキシ樹脂であることを特徴とする半導体装置の実装方法。
【請求項３】
請求項２に記載の発明において、前記液状のエポキシ樹脂のガラス転位温度は９７℃であることを特徴とする半導体装置の実装方法。
【請求項４】
請求項３に記載の発明において、前記加熱温度は１２０℃であることを特徴とする半導体装置の実装方法。
【請求項５】
請求項１に記載の発明において、前記半導体装置は、前記半導体基板下に複数の柱状電極がマトリクス状に設けられ、前記柱状電極の周囲における前記半導体基板下に封止膜が設けられ、前記柱状電極下に前記半田ボールが設けられた構造であることを特徴とする半導体装置の実装方法。
【請求項６】
請求項５に記載の発明において、前記半導体装置の周囲の４方向から前記液状のアンダーフィル材を供給し、この供給された液状のアンダーフィル材の一部を前記半導体装置と前記回路基板との間の周辺部に充填するとともに、前記半導体装置と前記回路基板との間のほぼ中央部を空洞とし、且つ、残りの液状のアンダーフィル材で前記半導体装置の周囲における前記回路基板上および前記半導体装置の前記半導体基板の周側面下部以下を覆うことを特徴とする半導体装置の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半田ボールを有する半導体装置の実装方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置には、半導体基板下に複数の柱状電極が設けられ、柱状電極の周囲における半導体基板下に封止膜が設けられ、封止膜で覆われずに露出された柱状電極下に半田ボールが設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。この場合、複数の半田ボールはマトリクス状に配置されている。そして、この半導体装置を回路基板上に実装する場合、半田ボールを回路基板の上面に設けられた接続パッドに接合させて、フェースダウン実装している。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２９４５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来の半導体装置の実装構造では、温度サイクル試験を行なうと、半導体基板と回路基板との間の熱膨張係数差に起因して発生する応力が、半導体基板下にマトリクス状に配置された複数の半田ボールのうち、特に、半導体基板下の４隅に配置された半田ボールに集中し、当該半田ボールにクラックが発生しやすいという問題があった。
【０００５】
そこで、この発明は、半導体基板下にマトリクス状に配置された複数の半田ボールのうち、半導体基板下の４隅に配置された半田ボールにクラックが発生しにくいようにすることができる半導体装置の実装方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、上記目的を達成するため、半導体基板下にマトリクス状に配置された複数の半田ボールを有する半導体装置を、マトリクス状に配置された複数の接続パッドを有する回路基板上に、前記各半田ボールをそれぞれ対応する前記各接続パッドに接合させて、フェースダウン実装し、前記半導体装置と前記回路基板との間に液状のアンダーフィル材を充填し、前記液状のアンダーフィル材をそのガラス転位温度以上の加熱温度で硬化させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、半導体装置と回路基板との間に充填させた液状のアンダーフィル材をそのガラス転位温度以上の加熱温度で硬化させることにより、半導体基板下にマトリクス状に配置された複数の半田ボールのうち、半導体基板下の４隅に配置された半田ボールにクラックが発生しにくいようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１実施形態）
図１はこの発明の第１実施形態としての実装方法により半導体装置を回路基板上に実装した状態の一例の平面図を示し、図２は図１のII−II線に沿う断面図を示す。半導体装置１は、一般的にＣＳＰ(chip size package)と呼ばれるもので、シリコンなどからなる半導体基板２を備えている。
【０００９】
半導体基板２の下面には所定の機能の集積回路（図示せず）が設けられ、下面周辺部にはアルミニウム系金属などからなる複数の接続パッド３が集積回路に接続されて設けられている。接続パッド３の中央部を除く半導体基板２の下面には酸化シリコンなどからなる絶縁膜４が設けられ、接続パッド３の中央部は絶縁膜４に設けられた開口部５を介して露出されている。
【００１０】
絶縁膜４の下面にはエポキシ樹脂やポリイミド樹脂などからなる保護膜６が設けられている。この場合、絶縁膜４の開口部５に対応する部分における保護膜６には開口部７が設けられている。保護膜６の下面には銅などからなる下地金属層８が設けられている。下地金属層８の下面全体には銅からなる配線９が設けられている。下地金属層８を含む配線９の一端部は、両開口部５、７を介して接続パッド３に接続されている。
【００１１】
配線９の接続パッド部下面には銅からなる円柱形状の柱状電極１０が設けられている。配線９を含む保護膜６の下面にはエポキシ樹脂やポリイミド樹脂などからなる封止膜１１がその下面が柱状電極１０の下面と面一となるように設けられている。柱状電極１０の下面には半田ボール１２が設けられている。複数の半田ボール１２は、図３の底面図に示すように、半導体基板２下の全面にマトリクス状に配置されている。この場合、図示の都合上、図１と図３とでは、半導体基板２の平面形状および半田ボール１２の数は一致していない。
【００１２】
なお、図４の底面図に示すように、複数の半田ボール１２は、半導体基板２下の周辺部のみに例えば５行でマトリクス状に配置されていてもよい。また、図５の底面図に示すように、複数の半田ボール１２は、半導体基板２下の周辺部のみに例えば５行でマトリクス状に配置され、且つ、その内側に６行目として合計４つ配置されていてもよい。換言すれば、半導体基板２下に複数の半田ボール１２をマトリクス状に配置するとは、半導体基板２下の全面にマトリクス状に配置するほかに、例えば、図４あるいは図５に示すように配置することも含むものである。
【００１３】
一方、回路基板１３の上面には平面円形状の複数の接続パッド１４がマトリクス状に設けられている。この場合、接続パッド１４の直径は半田ボール１２の直径とほぼ同じとなっている。そして、半導体装置１は、各半田ボール１２がそれぞれ対応する各接続パッド１４に接合されていることにより、回路基板１３上にフェースダウン実装されている。半導体装置１と回路基板１３との間にはエポキシ樹脂からなるアンダーフィル材１５が充填されている。この場合、アンダーフィル材１５は、半導体装置１の周囲における回路基板１３の上面および半導体装置１の半導体基板２の周側面下部以下を覆うように設けられている。
【００１４】
次に、半導体装置１を回路基板１３上に実装する場合の一例について説明する。まず、半導体装置１を、その各半田ボール１２をそれぞれ対応する各接続パッド１４にリフローにより接合させることにより、回路基板１３上にフェースダウン実装する。次に、ポッティング法やディスペンサ法などにより、半導体装置１の周囲における回路基板１３上に液状のエポキシ樹脂からなる液状のアンダーフィル材１５を供給し、この供給された液状のアンダーフィル材１５の一部を毛細管現象により半導体装置１と回路基板１３との間に入り込ませ、且つ、残りの液状のアンダーフィル材１５で半導体装置１の周囲における回路基板１３の上面および半導体装置１の半導体基板２の周側面下部以下を覆う。次に、液状のアンダーフィル材１５をそのガラス転位温度以上の加熱温度で硬化させる。
【００１５】
次に、このようにして得られた半導体装置の実装構造の温度サイクル試験について説明する。まず、アンダーフィル材１５の材料として、ガラス転位温度Ｔｇ＝９７℃の液状のエポキシ樹脂を用い、半田ボール１２の材料として、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを用いた。そして、図２に示すように、半導体装置１と回路基板１３との間に液状のアンダーフィル材１５を充填させ、且つ、半導体装置１の周囲における回路基板１３の上面および半導体装置１の半導体基板２の周側面下部以下を液状のアンダーフィル材１５で覆い、ガラス転位温度Ｔｇ＝９７℃以上の１２０℃の加熱温度で液状のアンダーフィル材１５を硬化させたもの（以下、本発明品という）と、ガラス転位温度Ｔｇ＝９７℃以下の８５℃の加熱温度で液状のアンダーフィル材１５を硬化させたもの（以下、比較品という）とを用意した。
【００１６】
そして、温度サイクル試験（＋１２５℃→−４０℃→＋１２５℃→＋２５℃）を行ない、半導体基板２下の４隅に配置された半田ボール１２の柱状電極１０側の付け根のひずみを調べたところ、本発明品の場合には図６に示す結果が得られ、比較品の場合には図７に示す結果が得られた。図６から明らかなように、本発明品の場合には、ひずみ振幅が１箇所に現れ、その値（Ａ）は０．０１２３である。これに対し、図７から明らかなように、比較品の場合には、ひずみ振幅が３箇所に現れ、その合計値（Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３）は０．０１４０である。
【００１７】
したがって、本発明品の半導体基板２下の４隅に配置された半田ボール１２の柱状電極１０側の付け根のひずみ振幅は、比較品の同様なひずみ振幅（の合計値）と比較して、０．０１２３÷０．０１４０×１００＝約８８％で１００−約８８＝約１２％改善されている。また、本発明品の半導体基板２下の４隅に配置された半田ボール１２の疲労寿命は、比較品の同様な疲労寿命と比較して、１÷（１−０．１２）2＝約１．３０で約３０％改善されている。したがって、本発明品の場合には、比較品と比較して、半導体基板１下にマトリクス状に配置された複数の半田ボール１２のうち、半導体基板２下の４隅に配置された半田ボール１２にクラックが発生しにくいようにすることができる。
【００１８】
このことを考察するに、本発明品の場合には、液状のアンダーフィル材１５を硬化させるための加熱温度が１２０℃でガラス転位温度Ｔｇ＝９７℃以上であるので、このときの液状のアンダーフィル材１５の熱膨張係数が１８７ｐｐｍ／℃であり、これに対し、比較品の場合には、液状のアンダーフィル材１５を硬化させるための加熱温度が８５℃でガラス転位温度Ｔｇ＝９７℃以下であるので、このときの液状のアンダーフィル材１５の熱膨張係数が７３ｐｐｍ／℃である、ことに起因すると思われる。したがって、液状のアンダーフィル材１５を硬化させるための加熱温度はガラス転位温度Ｔｇ＝９７℃以上であることが望ましい。
【００１９】
（第２実施形態）
図８はこの発明の第２実施形態としての実装方法により半導体装置を回路基板上に実装した状態の一例の図２同様の断面図を示す。この実装構造において、図２に示す場合と大きく異なる点は、半導体装置１と回路基板１３との間の周辺部にアンダーフィル材１５を充填し、半導体装置１と回路基板１３との間のほぼ中央部を空洞２１とした点である。ただし、この場合も、アンダーフィル材１５は、半導体装置１の周囲におけるアンダーフィル材１５の上面および半導体装置１の半導体基板２の周側面下部以下を覆うように設けられている。
【００２０】
次に、この第２実施形態において、半導体装置１を回路基板１３上に実装する場合の一例について説明する。半導体装置１を回路基板１３上にフェースダウン実装した後に、ポッティング法やディスペンサ法などにより、半導体装置１の周囲における回路基板１３上に４方向から液状のエポキシ樹脂からなる液状のアンダーフィル材１５を供給する。すると、この供給された液状のアンダーフィル材１５の一部は毛細管現象により半導体装置１と回路基板１３との間にその周囲の４方向から入り込む。
【００２１】
この場合、半導体装置１と回路基板１３との間に存在した空気の逃げ場がないため、液状のアンダーフィル材１５は半導体装置１と回路基板１３との間の周辺部に充填され、半導体装置１と回路基板１３との間のほぼ中央部に空洞２１が形成される。そして、残りの液状のアンダーフィル材１５によって半導体装置１の周囲における回路基板１３の上面および半導体装置１の半導体基板２の周側面下部以下は覆われる。次に、液状のアンダーフィル材１５をそのガラス転位温度Ｔｇ＝９７℃以上の１２０℃の加熱温度で硬化させる。
【００２２】
このようにして得られた半導体装置の実装構造では、半導体装置１と回路基板１３との間の周辺部にアンダーフィル材１５を充填し、半導体装置１と回路基板１３との間のほぼ中央部を空洞２１としているので、温度サイクル試験を行なっても、例えばシリコンからなる半導体基板２と例えばエポキシ樹脂からなる封止膜１１との間の熱膨張係数差に起因して発生する応力が半導体基板２の下面ほぼ中央部近傍に集中するのが緩和され、半導体基板２の下面ほぼ中央部近傍のその部分に存在するマイクロクラックによる割れを抑制することができる。
【００２３】
また、半導体装置１の半導体基板２の周側面下部をアンダーフィル材１５で覆っているので、温度サイクル試験を行なっても、例えばシリコンからなる半導体基板２と例えばエポキシ樹脂からなる封止膜１１との間の熱膨張係数差に起因して発生する応力が半導体基板２の下面周辺部近傍の周側面に集中するのが緩和され、半導体基板２の下面周辺部近傍の周側面のその部分に存在するマイクロクラックによる割れを抑制することができる。
【００２４】
ここで、半導体基板２のサイズが６ｍｍ×６ｍｍ、半導体基板２の厚さが０．６〜１．０ｍｍである場合、半導体基板２の周側面下部のアンダーフィル材１５によって覆われる部分の高さを５０〜７００μｍとし、アンダーフィル材１５のうち、半導体装置１の周囲における回路基板１３の上面を覆う部分の外周縁と半導体装置１と回路基板１３との間に入り込んだ部分の内周縁との間隔を５００〜２０００μｍとすれば、上記のような半導体基板２の割れを効果的に抑制することができる。
【００２５】
（その他の実施形態）
上記各実施形態では、回路基板１３上に設けられた接続パッド１４の表面全体が露出されている場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示すように、接続パッド１４の中央部を除く回路基板１３の上面にソルダーレジスト膜２２を設け、接続パッド１４の中央部をソルダーレジスト膜２２に設けられた開口部２３を介して露出させ、ソルダーレジスト膜２２の開口部２３内を半田ボール１２によって埋めるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の第１実施形態としての実装方法により半導体装置を回路基板上に実装した状態の一例の平面図。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図。
【図３】半田ボールの配置の一例を説明するために示す底面図。
【図４】半田ボールの配置の他の第１の例を説明するために示す底面図。
【図５】半田ボールの配置の他の第２の例を説明するために示す底面図。
【図６】本発明品の半田ボールの温度サイクル試験におけるひずみを示す図。
【図７】比較品の半田ボールの温度サイクル試験におけるひずみを示す図。
【図８】この発明の第２実施形態としての実装方法により半導体装置を回路基板上に実装した状態の一例の図２同様の断面図。
【図９】この発明のその他の実施形態を説明するために示す図２同様の断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１  半導体装置
２  半導体基板
３  接続パッド
９  配線
１０  柱状電極
１１  封止膜
１２  半田ボール
１３  回路基板
１４  接続パッド
１５  アンダーフィル材
【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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【図９】
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