(57)【要約】【課題】  半導体装置の反り量が大きくなり、平坦なマザーボードに実装する際に、電気的に接続しない電極が発生することを防止する。【解決手段】  半導体素子１が搭載される半導体基板２の一面と反対側の面に外部回路と接続するための外部電極５を有する半導体装置であって、半導体素子１と半導体基板２の一面を対向させ、金属突起７を介して電気的に接続し、半導体素子１と半導体基板２の間にアンダーフィル樹脂４を配置し、半導体基板２の反対側の面に樹脂層６を設けた。これにより、温度変化による熱応力が働いた際に、アンダーフィル樹脂４によって発生する反りと、半導体基板２の外部電極５を有する面に配置した樹脂層６によって発生する反りが、それぞれ反対方向に発生するために、半導体装置の反り量を低減することができる。【選択図】  図１
2005317737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子が搭載される半導体基板の一面と反対側の面に外部回路と接続するための外部電極を有する半導体装置であって、前記半導体素子と前記半導体基板の一面を対向させ、金属突起を介して電気的に接続し、前記半導体素子と前記半導体基板の間にアンダーフィル樹脂を配置し、前記半導体基板の反対側の面に樹脂層を設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記樹脂層が前記半導体基板の反対側の面の前記外部電極以外の部分に形成された請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記外部電極が前記半導体基板周辺部分に形成され、前記樹脂層が前記半導体基板の反対側の面の前記外部電極の内側のみに形成された請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記アンダーフィル樹脂の面積と前記半導体基板の反対側の面に形成された樹脂層の面積が同じであり、前記アンダーフィル樹脂と前記樹脂層の樹脂の線膨張係数が同じである請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体素子が搭載される一面と反対側の面が外部回路と接続可能な半導体基板を用意する工程と、前記半導体素子の一面に突起電極を形成する工程と、前記半導体素子と前記半導体基板の一面を対向させ、前記突起電極を介して電気的に接続する工程と、前記半導体素子と前記半導体基板の間にアンダーフィル樹脂を配置する工程と、前記アンダーフィル樹脂を硬化する工程と、前記半導体基板の反対側の面に前記外部回路と接続される部分を除いて樹脂層を形成する工程と、前記半導体基板の外部回路と接続される部分に外部電極を配置する工程とを含む半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アンダーフィル樹脂を注入する構造のフリップチップ工法を用いて半導体素子を搭載するフリップチップＢＧＡ（ＦＣＢＧＡ）、ＰＢＧＡ、ＰＧＡ、ＣＳＰ等の反りや歪を低減できる半導体装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置の高集積化、高機能化に伴って、半導体装置が多ピン化、大型化してきている。フリップチップ接合構造の半導体装置も例外ではない。
【０００３】
以下従来例としてボールグリッドアレイタイプの半導体装置であるＦＣＢＧＡを例に、図６によって説明する。
【０００４】
図６は半導体装置の断面図である。概略でいうと、この半導体装置は半導体素子１、半導体基板２、半田バンプ３、アンダーフィル樹脂４、外部電極５を有している。
【０００５】
次にこの製造工程を図７によって説明する。概略でいうと、まず図７（ａ）のように半導体素子１の１主面に複数の半田バンプ３を形成する。次に図７（ｂ）のようにこの半田バンプ３を半導体基板２の上面に形成された接続パターン（図示せず）に溶融接続することにより、半導体素子１は半導体基板２上に搭載する。引き続き図７（ｃ）のように半導体素子１と半導体基板２の間にアンダーフィル樹脂４を封止する。更に図７（ｄ）のように外部電極５を半導体基板２の下面に形成された接続パターン（図示せず）に搭載する。
半導体素子１の素材には主にシリコンが用いられる。半導体基板２はガラスエポキシ製のものなどが用いられる。半田バンプ３の材料としては低弾性である共晶半田が用いられることが多い。アンダーフィル樹脂４としてはたとえばエポキシ樹脂などが用いられ、半田バンプ３を溶融して接続された後の半導体素子１と半導体基板２の間隙に注入され、加熱硬化されている。このアンダーフィル樹脂４により半導体素子１の下面は封止され、アンダーフィル樹脂による接合部分全体で、半導体素子１および半導体基板２の接合時等に加わる応力を受けることが可能になり、半田バンプ３に加わる応力の緩和が可能になる。
【０００６】
外部電極５としては半田バンプなどの形態が取られ、半田バンプの材料としては低弾性である共晶半田が用いられることが多い。
【０００７】
半導体装置の大型化が進むと、温度変化による半導体装置の反り量が大きくなり、平坦なマザーボードに実装する際に、接続する半導体装置とマザーボードの電極間の距離が位置によって大きく異なってしまい、実装できずに電気的に接続しない電極が発生するという問題が起きる。
【０００８】
更に、半導体素子と半導体基板を接続する金属突起にかかる応力値が大きくなり、この間の接続信頼性が低下するという問題も起きる。
【０００９】
従来技術としては半導体素子の厚さと半導体基板の厚さの比率を最適値に調整するというものがあった（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２３６０４２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記従来例の問題について、以下、図８を用いて説明する。図８（ａ）はアンダーフィル樹脂を封止した直後の高温での半導体装置の形状を示している。図８（ｂ）はアンダーフィル樹脂を封止後に半導体装置が冷却されて常温に達した際の半導体装置の形状を示している。
【００１１】
フリップチップ接合構造の半導体装置では、図８（ａ）のように半導体素子１と半導体基板２の間を接続する半田バンプ３を保護するためアンダーフィル樹脂４を封止する技術が提案されている。
【００１２】
しかしながら、アンダーフィル樹脂４は半導体基板２と線膨張係数が異なり、一般的にはアンダーフィル樹脂４は半導体基板２よりも大きな線膨張係数をもっている。このため半導体装置は、アンダーフィル樹脂を高温で封止した後に、冷却されて常温に達した際には、図８（ｂ）のように凹型に反り、更に半田バンプ３に応力がかかることになる。
【００１３】
したがって、この発明の目的は、前記に鑑み、半導体装置の大型化が進むと、温度変化による半導体装置の反り量が大きくなることを低減することで、平坦なマザーボードに実装する際に、電気的に接続しない電極が発生するという問題が起きることを防止し、更に半導体素子と半導体基板を接続する金属突起の接続信頼性を向上させることができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するため、この発明の請求項１記載の半導体装置は、半導体素子が搭載される半導体基板の一面と反対側の面に外部回路と接続するための外部電極を有する半導体装置であって、前記半導体素子と前記半導体基板の一面を対向させ、金属突起を介して電気的に接続し、前記半導体素子と前記半導体基板の間にアンダーフィル樹脂を配置し、前記半導体基板の反対側の面に樹脂層を設けた。
【００１５】
請求項２記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記樹脂層が前記半導体基板の反対側の面の前記外部電極以外の部分に形成された。
【００１６】
請求項３記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記外部電極が前記半導体基板周辺部分に形成され、前記樹脂層が前記半導体基板の反対側の面の前記外部電極の内側のみに形成された。
【００１７】
請求項４記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記アンダーフィル樹脂の面積と前記半導体基板の反対側の面に形成された樹脂層の面積が同じであり、前記アンダーフィル樹脂と前記樹脂層の樹脂の線膨張係数が同じである。
【００１８】
請求項５記載の半導体装置の製造方法は、半導体素子が搭載される一面と反対側の面が外部回路と接続可能な半導体基板を用意する工程と、前記半導体素子の一面に突起電極を形成する工程と、前記半導体素子と前記半導体基板の一面を対向させ、前記突起電極を介して電気的に接続する工程と、前記半導体素子と前記半導体基板の間にアンダーフィル樹脂を配置する工程と、前記アンダーフィル樹脂を硬化する工程と、前記半導体基板の反対側の面に前記外部回路と接続される部分を除いて樹脂層を形成する工程と、前記半導体基板の外部回路と接続される部分に外部電極を配置する工程とを含む。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の請求項１記載の半導体装置によれば、半導体素子と半導体基板の一面を対向させ、金属突起を介して電気的に接続し、半導体素子と半導体基板の間にアンダーフィル樹脂を配置し、半導体基板の反対側の面に樹脂層を設けたので、温度変化による熱応力が働いた際に、アンダーフィル樹脂によって発生する反りと、半導体基板の外部電極を有する面に配置した樹脂層によって発生する反りが、それぞれ反対方向に発生するために、半導体装置の反り量を低減することができる。その結果、フリップチップ接続構造の半導体装置に発生する反り量の低減、半導体素子と半導体基板を接続する金属突起の接続信頼性を向上させることができる。
【００２０】
請求項２では、樹脂層が半導体基板の反対側の面の外部電極以外の部分に形成されたので、半導体基板がアンダーフィル樹脂の収縮によって半導体基板の上面が引っ張られて変形しても、樹脂層の収縮によって半導体基板の下面も引っ張られることによって変形が低減される。また、樹脂層は外部電極の接続に支障がないように形成される。
【００２１】
請求項３では、外部電極が半導体基板周辺部分に形成され、樹脂層が前記半導体基板の反対側の面の外部電極の内側のみに形成されたので、半導体基板がアンダーフィル樹脂の収縮によって半導体基板の上面が引っ張られて変形しても、樹脂層の収縮によって半導体基板の下面も引っ張られることによって変形が低減される。また、樹脂層は外部電極の接続に支障がないように形成される。
【００２２】
請求項４では、アンダーフィル樹脂の面積と前記半導体基板の反対側の面に形成された樹脂層の面積が同じであり、アンダーフィル樹脂と樹脂層の樹脂の線膨張係数が同じであるので、半導体基板の上下の面で、アンダーフィル樹脂の収縮によって上面が引っ張られる力と、樹脂層の収縮によって下面が引っ張られる力とが釣り合うことなり、半導体装置の反り量が最小化される。
【００２３】
この発明の請求項５記載の半導体装置の製造方法によれば、半導体素子と半導体基板の一面を対向させ、突起電極を介して電気的に接続する工程と、半導体素子と半導体基板の間にアンダーフィル樹脂を配置する工程と、アンダーフィル樹脂を硬化する工程と、半導体基板の反対側の面に外部回路と接続される部分を除いて樹脂層を形成する工程と、半導体基板の外部回路と接続される部分に外部電極を配置する工程とを含むので、温度変化による熱応力が働いた際に、アンダーフィル樹脂によって発生する反りと、半導体基板の外部電極を有する面に配置した樹脂層によって発生する反りが、それぞれ反対方向に発生するために、半導体装置の反り量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
この発明の第１の実施の形態の半導体装置を図１に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施形態の半導体装置の断面図、（ｂ）はその半導体装置の底面図である。
【００２５】
図１に示すように、この半導体装置は、半導体素子１と半導体基板２とを備えている。半導体基板２は、半導体素子１を一面に搭載し、反対側の面に外部回路と接続するための外部電極５を有する。また、半導体素子１と半導体基板２の一面を対向させ、金属突起（突起電極）７を介して電気的に接続し、半導体素子１と半導体基板２の間にアンダーフィル樹脂４を配置し、半導体基板２の反対側の面に樹脂層６を設けている。
【００２６】
すなわち、図１（ａ）に示すように、従来の構造に加えて樹脂層６が半導体基板２の外部電極５を有する面に配置される。更に図１（ｂ）に示すように、樹脂層６が半導体基板２の反対側の面の外部電極５以外の部分に形成されている。この場合、樹脂層６は外部電極５を避けるために穴の開いた構造になっている。
【００２７】
第１の実施形態によると、高温で樹脂を封止した後に冷却されて常温に達した際、従来構造では半導体基板２はアンダーフィル樹脂４の収縮によって半導体基板２の上面が引っ張られて凹型に変形していたが、本構造では樹脂層６の収縮によって半導体基板２の下面も引っ張られることによって前記の変形が低減される。
【００２８】
この発明の第２の実施の形態の半導体装置を図２に基づいて説明する。図２（ａ）は本発明の第２の実施形態の半導体装置の断面図、（ｂ）はその半導体装置の底面図である。
【００２９】
図２に示すように、この半導体装置は、半導体素子１と半導体基板２とを備えている。半導体基板２は、半導体素子１を一面に搭載し、反対側の面に外部回路と接続するための外部電極５を有する。外部電極５は半導体基板周辺部分に形成されている。また、半導体素子１と半導体基板２の一面を対向させ、金属突起（突起電極）７を介して電気的に接続し、半導体素子１と半導体基板２の間にアンダーフィル樹脂４を配置し、半導体基板２の反対側の面に樹脂層６を設けている。
【００３０】
すなわち、図２（ａ）に示すように、従来の構造に加えて樹脂層６が半導体基板２の外部電極５を有する面に配置される。更に図２（ｂ）に示すように、樹脂層６が半導体基板２の反対側の面の外部電極５以外の部分に形成されている。この場合、樹脂層６は半導体基板２の周辺部のみに配置された外部電極５の内側にのみ配置された構造になっている。
【００３１】
第２の実施形態によると、高温で樹脂を封止した後に冷却されて常温に達した際、従来構造では半導体基板２はアンダーフィル樹脂４の収縮によって半導体基板２の上面が引っ張られて凹型に変形していたが、本構造では樹脂層６の収縮によって半導体基板２の下面も引っ張られることによって前記の変形が低減される。
【００３２】
この発明の第３の実施の形態の半導体装置を図３に基づいて説明する。図３は本発明の第３の実施形態の半導体装置の断面図である。
【００３３】
図３に示すように、第１の実施形態と比較して、アンダーフィル樹脂４と、半導体基板２の反対側の面に形成された樹脂層６は同じ面積にされている。更にアンダーフィル樹脂４と樹脂層６は同じ線膨張係数をもっている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００３４】
第３の実施形態によると、高温で樹脂を封止した後に冷却されて常温に達した際、半導体基板２の上下の面で、アンダーフィル樹脂４の収縮によって上面が引っ張られる力と、樹脂層６の収縮によって下面が引っ張られる力が釣り合うことになる。このことによって半導体装置の反り量が最小化される。
【実施例１】
【００３５】
本発明のより具体的な実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００３６】
本発明の実施例１を図４に基づいて説明する。図４は半導体基板の外部回路と接続するための外部電極を有する面に形成された樹脂層を前記外部電極以外の部分に形成する１実施例である。
【００３７】
図４（ａ）はフリップチップ構造で半導体素子１と半導体基板２を金属突起７で接続し、半導体素子１と半導体基板２の間にアンダーフィル樹脂４を封止したものである。すなわち、半導体素子１が搭載される一面と反対側の面が外部回路と接続可能な半導体基板２を用意する工程と、半導体素子１の一面に突起電極７を形成する工程と、半導体素子１と半導体基板２の一面を対向させ、突起電極７を介して電気的に接続する工程と、半導体素子１と半導体基板２の間にアンダーフィル樹脂４を配置する工程と、アンダーフィル樹脂４を硬化する工程とを含む。金属突起７は例えば半田バンプなどの形態が取られ、半導体基板２上の図示しない接続パターンに溶融することによって接続される。アンダーフィル樹脂４は例えば熱硬化性樹脂である。
【００３８】
次に図４（ｂ）に示すように、半導体基板２の反対側の面に外部回路と接続される部分８を除いて樹脂層６を形成する。この場合、半導体基板２の外部電極５を配置する部分８を穴の開いた形状として樹脂を封止するための金型９中に、前記図４（ａ）の状態のものを配置する。次に図４（ｃ）に示すように、金型９を使用して半導体基板２上の外部電極５を配置する部分８を穴の開いた形状として樹脂を封止する。樹脂層６は例えば熱硬化性樹脂である。
【００３９】
次に図４（ｄ）に示すように、半導体基板２上の外部回路と接続される部分８に外部電極５を搭載する（図１参照）。
【００４０】
半導体素子１の素材には主にシリコンが用いられる。半導体基板２はガラスエポキシ製のものなどが用いられる。金属突起７としては半田バンプなどの形態が取られ、半田バンプの材料としては低弾性である共晶半田が用いられることが多い。アンダーフィル樹脂４としてはたとえばエポキシ樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、尿素系樹脂、イミド系樹脂、アミド系樹脂などが用いられる。外部電極５としては半田バンプなどの形態が取られ、半田バンプの材料としては低弾性である共晶半田が用いられることが多い。樹脂層６としてはたとえばエポキシ樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、尿素系樹脂、イミド系樹脂、アミド系樹脂などを用いる。
【００４１】
本発明の実施例２を図５に基づいて説明する。図５は半導体基板の外部回路と接続するための外部電極を有する面に形成された樹脂層を前記外部電極以外の部分に形成する１実施例である。
【００４２】
図５（ａ）はフリップチップ構造で半導体素子１と半導体基板２を金属突起７で接続し、半導体素子１と半導体基板２の間にアンダーフィル樹脂４を封止したものである。すなわち、半導体素子１が搭載される一面と反対側の面が外部回路と接続可能な半導体基板２を用意する工程と、半導体素子１の一面に突起電極７を形成する工程と、半導体素子１と半導体基板２の一面を対向させ、突起電極７を介して電気的に接続する工程と、半導体素子１と半導体基板２の間にアンダーフィル樹脂４を配置する工程と、アンダーフィル樹脂４を硬化する工程とを含む。金属突起７は例えば半田バンプなどの形態が取られ、半導体基板２上の図示しない接続パターンに溶融することによって接続される。アンダーフィル樹脂４は例えば熱硬化性樹脂である。
【００４３】
次に図５（ｂ）に示すように、半導体基板２の反対側の面に外部回路と接続される部分を除いて樹脂層６を形成する。この場合、半導体基板２上の外部電極５を配置する半導体基板２の周辺部分を避け、その内側部分のみに四角の形状として樹脂を封止するための金型９中に、前記図５（ａ）の状態のものを配置する。次に図５（ｃ）に示すように、金型９を使用して半導体基板２上の外部電極５を配置する半導体基板２の周辺部分を避け、その内側部分のみに四角の形状として樹脂を封止する。樹脂層６は例えば熱硬化性樹脂である。
【００４４】
次に図５（ｄ）は半導体基板２上の外部回路と接続される部分に外部電極５を搭載する（図２参照）。
【００４５】
半導体素子１の素材には主にシリコンが用いられる。半導体基板２はガラスエポキシ製のものなどが用いられる。金属突起７としては半田バンプなどの形態が取られ、半田バンプの材料としては低弾性である共晶半田が用いられることが多い。アンダーフィル樹脂４としてはたとえばエポキシ樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、尿素系樹脂、イミド系樹脂、アミド系樹脂などが用いられる。外部電極５としては半田バンプなどの形態が取られ、半田バンプの材料としては低弾性である共晶半田が用いられることが多い。樹脂層６としてはたとえばエポキシ樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、尿素系樹脂、イミド系樹脂、アミド系樹脂などを用いる。
【００４６】
本発明の実施例３について説明する。本実施例の製造工程は、実施例１と同様のため図４を用いる。
【００４７】
図４（ａ）はフリップチップ構造で半導体素子１と半導体基板２を金属突起７で接続し、半導体素子１と半導体基板２の間にアンダーフィル樹脂４を封止したものである。すなわち、半導体素子１が搭載される一面と反対側の面が外部回路と接続可能な半導体基板２を用意する工程と、半導体素子１の一面に突起電極７を形成する工程と、半導体素子１と半導体基板２の一面を対向させ、突起電極７を介して電気的に接続する工程と、半導体素子１と半導体基板２の間にアンダーフィル樹脂４を配置する工程と、アンダーフィル樹脂４を硬化する工程とを含む。金属突起７は例えば半田バンプなどの形態が取られ、半導体基板２上の図示しない接続パターンに溶融することによって接続される。アンダーフィル樹脂４は例えば熱硬化性樹脂である。
【００４８】
次に図４（ｂ）に示すように、半導体基板２の反対側の面に外部回路と接続される部分８を除いて樹脂層６を形成する。この場合、半導体基板２の外部電極５を配置する部分８を穴の開いた形状として樹脂を封止するための金型９中に、前記図４（ａ）の状態のものを配置する。この際、実施例１とは異なり、アンダーフィル樹脂４と樹脂層６の面積が同じになるように金型９は製造されている。次に図４（ｃ）に示すように、金型９を使用して半導体基板２上の外部電極５を配置する部分８を穴の開いた形状として樹脂を封止する。上記金型９の形状に伴い、半導体基板２の周辺部は樹脂層６で封止されない。樹脂層６は例えばアンダーフィル樹脂４と同じ線膨張係数を持つ熱硬化性樹脂である。
【００４９】
次に図４（ｄ）に示すように、半導体基板２上の外部回路と接続される部分８に外部電極５を搭載する（図３参照）。
【００５０】
半導体素子１の素材には主にシリコンが用いられる。半導体基板２はガラスエポキシ製のものなどが用いられる。金属突起７としては半田バンプなどの形態が取られ、半田バンプの材料としては低弾性である共晶半田が用いられることが多い。アンダーフィル樹脂４としてはたとえばエポキシ樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、尿素系樹脂、イミド系樹脂、アミド系樹脂などが用いられる。外部電極５としては半田バンプなどの形態が取られ、半田バンプの材料としては低弾性である共晶半田が用いられることが多い。樹脂層６としてはたとえばエポキシ樹脂、アクリル系樹脂、フェノール系樹脂、尿素系樹脂、イミド系樹脂、アミド系樹脂などを用いる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、半導体装置の反り量を低減し、更に半導体素子と半導体基板を接続する金属突起の接続信頼性を向上させることに有用である。
【００５２】
従ってこれらの記述は、アンダーフィル樹脂を注入する構造のフリップチップ工法を用いて半導体素子を搭載するフリップチップＢＧＡ（ＦＣＢＧＡ）、ＰＢＧＡ、ＰＧＡ、ＣＳＰ等を適用するコンピュータやネットワークルータ、ＰＤＰ、デジタルＴＶ、ハイビジョンＴＶ、携帯電話、あるいは、特に非常な負荷の加わる車載用半導体装置などにおいて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態の半導体装置の断面図、（ｂ）はその半導体装置の底面図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２の実施形態の半導体装置の断面図、（ｂ）はその半導体装置の底面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の半導体装置の断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は実施例１に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は実施例２に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す図である。
【図６】従来例の半導体装置の断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は従来例を示す半導体装置の製造方法の各工程を示す図である。
【図８】従来例の半導体装置において、（ａ）はアンダーフィル樹脂封止直後の高温での断面図、（ｂ）はアンダーフィル樹脂封止後冷却されて室温での断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  半導体素子
２  半導体基板
３  半田バンプ
４  アンダーフィル樹脂
５  外部電極
６  樹脂層
７  金属突起
８  樹脂層内の外部電極部分の穴
９  金型
【図１】
2005317737.tif 000003
【図２】
2005317737.tif 000004
【図３】
2005317737.tif 000005
【図４】
2005317737.tif 000006
【図５】
2005317737.tif 000007
【図６】
2005317737.tif 000008
【図７】
2005317737.tif 000009
【図８】
2005317737.tif 000010