(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続用電極部が設けられた配線回路基板面に、上記接続用電極部に対応する、突起状凸部を有する接続用電極部が設けられた半導体素子が、上記配線回路基板面に設けられた接続用電極部と半導体素子面に設けられた接続用電極部とが直接当接状態で搭載され、上記配線回路基板と半導体素子との間の空隙が、上記両電極部の直接当接時には加熱溶融状または液状である下記の（Ｘ）からなる封止樹脂層によって封止され、上記両電極部の当接状態が保持されてなる半導体装置であって、上記封止樹脂層が、下記の硬化物特性（Ｙ）および（Ｚ）を備えているとともに、上記半導体素子と配線回路基板との当接状態における距離が５０μｍ以下に設定されていることを特徴とする半導体装置。
（Ｘ）エポキシ樹脂のベースポリマーおよび硬化剤を必須成分とし、無機質充填剤を１９．９〜８７．９重量％含有する熱硬化性樹脂組成物。
（Ｙ）４０〜８０℃の間における平均熱膨張係数が１００ｐｐｍ／℃以下である。
（Ｚ）２５℃における引張弾性率が６００〜１５０００ＭＰａである。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子をフェースダウン構造でマザーボード、あるいはドーターボード等の配線回路基板上に実装した方式による半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の半導体デバイスの性能向上に伴う要求として、半導体素子をフェースダウン構造で、配線回路が形成されたマザーボード、あるいはドーターボード等の配線回路基板に実装される方法（フリップチップ方式、ダイレクトチップアタッチ方式等）が注目されている。これは、従来から用いられている方式、例えば、半導体素子から金ワイヤーでリードフレーム上にコンタクトをとりパッケージングされた形態でマザーボード、あるいはドーターボード等の配線回路基板に実装する方法では、配線による情報伝達の遅れ、クロストークによる情報伝達エラー等が生ずるという問題が発生していることに起因する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、上記フリップチップ方式等においては、互いの線膨脹係数が異なる半導体素子と上記配線回路基板をダイレクトに電気接続を行うことから、接続部分の信頼性が問題となっている。この対策としては、半導体素子と上記配線回路基板との空隙にアンダーフィル材と呼ばれる液状樹脂材料を充填し硬化させて樹脂硬化体を形成し、電気接続部に集中する応力を上記樹脂硬化体にも分散させることにより接続信頼性を向上させる方法が採られている。しかしながら、上記フリップチップ方式の配線回路基板に設けられた電極と、半導体素子に設けられた電極との電気的接続は、通常、両者の金属溶融によって行われるため、電気接続部に集中する応力を上記アンダーフィル材によって緩和するという効果は充分とはいえず、例えば、冷熱サイクル等のストレス試験において、上記電極に亀裂が発生する等の問題が生じるのが現状である。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、上記半導体素子と配線回路基板および接続用電極部に生ずる応力の緩和効果に優れ、半導体素子と配線回路基板との電気的接続信頼性に優れた半導体装置の提供をその目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、接続用電極部が設けられた配線回路基板面に、上記接続用電極部に対応する、突起状凸部を有する接続用電極部が設けられた半導体素子が、上記配線回路基板面に設けられた接続用電極部と半導体素子面に設けられた接続用電極部とが直接当接状態で搭載され、上記配線回路基板と半導体素子との間の空隙が、上記両電極部の直接当接時には加熱溶融状または液状である下記の（Ｘ）からなる封止樹脂層によって封止され、上記両電極部の当接状態が保持されてなる半導体装置であって、上記封止樹脂層が、下記の硬化物特性（Ｙ）および（Ｚ）を備えているとともに、上記半導体素子と配線回路基板との当接状態における距離が５０μｍ以下に設定されているという構成をとる。
（Ｘ）エポキシ樹脂のベースポリマーおよび硬化剤を必須成分とし、無機質充填剤を１９．９〜８７．９重量％含有する熱硬化性樹脂組成物。
（Ｙ）４０〜８０℃の間における平均熱膨張係数が１００ｐｐｍ／℃以下である。
（Ｚ）２５℃における引張弾性率が６００〜１５０００ＭＰａである。
【０００６】
すなわち、本発明の半導体装置では、配線回路基板に設けられた接続用電極部と半導体素子に設けられた接続用電極部との電気的接続を従来のような金属溶融によって行わず、単に直接当接させるという物理的接触によって行う。このため、配線回路基板と半導体素子の線膨張係数の差異等にもとづく電極への応力を抑制するという効果を奏する。また、本発明は、各接続用電極部を介在して接続された、配線回路基板と半導体素子との間の空隙にエポキシ樹脂のベースポリマーおよび硬化剤を必須成分とし、無機質充填剤を１９．９〜８７．９重量％含有する、熱硬化性樹脂組成物からなり、上記両電極部の直接当接時には加熱溶融状または液状である封止樹脂層を形成し、かつその封止樹脂層自身の有する硬化物特性として、４０〜８０℃の温度範囲での平均熱膨張係数および２５℃における引張弾性率を特定の範囲に設定するとともに、半導体素子と配線回路基板との距離を特定範囲に設定している。これにより、封止樹脂層となる熱硬化性樹脂組成物中に上記のような多量の無機質充填剤が含まれていても、それが障害となることなく両電極部を適正に当接させることができ、かつ例えば、冷熱サイクル条件下において封止樹脂層と電極部との縦方向の熱膨張係数の差によって生じる応力が低減され、安定した電気的接続を行うことが可能となり電気的接続信頼性が向上する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【０００８】
本発明の半導体装置の一例を図１に基づいて説明する。１は配線回路基板であり、この配線回路基板１の片面には接続用電極部２が複数個設けられている。そして、上記接続用電極部２上に、これと対応して半導体素子５面に設けられた、突起状の凸部を有する接続用電極部３を当接させた状態で半導体素子５が搭載されたフェイスダウン構造をとる半導体装置である。さらに、上記配線回路基板１と半導体素子３との間には封止樹脂層４が形成されている。
【０００９】
上記配線回路基板１面に設けられた接続用電極部２と、半導体素子５面に設けられた接続用電極部３との電気的接続は、両者を単に直接当接した状態（物理的接触）により電気的接続を行っているのであって、従来のように両者を加熱して溶融させることにより溶融接続したものではない。
【００１０】
本発明において、上記接続用電極部とは、その形状として特に限定するものではなく、周知の電極のみでもよいが、電極とジョイントボール，ジョイントバンプ等の電極に配備される導電体を含む概念である。したがって、一般的に配線回路基板の接続用電極部と半導体素子の接続用電極部とは、両者とも電極のみで連絡されていてもよいが、図１に示すように、通常、少なくとも一方が電極とジョイントバンプ（あるいはジョイントボール）からなる電極部であるようにして両者の電極部が連絡される。
【００１１】
したがって、通常の形態では上記配線回路基板１と半導体素子５とを電気的に接続する上記複数の接続用電極部では、予め配線回路基板１面にジョイントバンプ等が配設されていてもよいし、半導体素子５面にジョイントバンプ等が配設されていてもよい。さらには、予め配線回路基板１面および半導体素子５面の双方にそれぞれジョイントバンプ等が配設されていてもよく、また、両者の電極部は電極のみであってもよい。
【００１２】
上記複数の接続用電極部２および接続用電極部３の材質としては、特に限定するものではないが、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、錫、鉛、インジウム、ビスマス、亜鉛およびこれら２種以上の合金、さらには２層以上の複層構造のものがあげられる。また、上記接続用電極部の形状としては、特に限定するものではないが、配線回路基板１および半導体素子５の双方の接続用電極部２，３間の封止樹脂を押し出す効果の高いものが好ましく、電極部表面に凹部の少ないものが好ましい。
【００１３】
また、上記配線回路基板１の材質としては、特に限定するものではないが、大別してセラミック基板、プラスチック基板があり、上記プラスチック基板としては、例えば、エポキシガラス基板、ポリイミド基板、ビスマレイミドトリアジン基板、ポリフェニレンエーテル基板等があげられる。
【００１４】
つぎに、本発明の半導体装置の配線回路基板１と半導体素子５との空隙に形成される上記封止樹脂層４について説明する。
【００１５】
本発明において、上記封止樹脂層４形成材料としては、エポキシ樹脂のベースポリマーおよび硬化剤を必須成分とし、無機質充填剤を１９．９〜８７．９重量％含有する熱硬化性樹脂組成物が用いられ、液状、シート状等の固形状等で用いられる。
【００１６】
上記熱硬化性樹脂組成物としては、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂等があげられ、例えば、エポキシ樹脂をベースポリマーとするエポキシ樹脂組成物が好適に用いられる。なお、上記ポリイミド樹脂とは、イミド閉環したものもしくは閉環しうるものをいう。
【００１７】
上記エポキシ樹脂としては、特に限定するものではなく、各種エポキシ樹脂があげられる。例えば、常温で固体を示すエポキシ樹脂として、ビフェニル型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等があげられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。特に好ましくは、濡れ性が良くなるという観点から、具体的に下記の一般式（１）で表される構造のビフェニル型エポキシ樹脂があげられる。このビフェニル型エポキシ樹脂は、グリシジル基を有するフェニル環に、下記のＲ1 〜Ｒ4 で表される炭素数１〜４のアルキル基が付加されたものである。そのため、このビフェニル型エポキシ樹脂を含有するエポキシ樹脂組成物によって形成された封止樹脂層は、撥水性および低吸湿性を発揮することができる。
【００１８】
【化１】
0003976395.tif 000002
【００１９】
上記一般式（１）中のＲ1 〜Ｒ4 で表される炭素数１〜４のアルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基等の直鎖状または分岐状の低級アルキル基があげられ、特にメチル基が好ましく、上記Ｒ1 〜Ｒ4 は互いに同一であっても異なっていてもよい。なかでも、上記Ｒ1 〜Ｒ4 が全てメチル基である下記の式（２）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂を用いることが特に好適である。
【００２０】
【化２】
0003976395.tif 000003
【００２１】
上記一般式（１）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂としては、エポキシ当量が１７７〜２４０ｇ／ｅｑで、軟化点が８０〜１３０℃のものを用いることが好ましく、なかでも、エポキシ当量が１７７〜２２０ｇ／ｅｑで、軟化点が８０〜１２０℃のものを用いることが特に好ましい。
【００２２】
上記ビフェニル型エポキシ樹脂とともに、他のエポキシ樹脂を併用する場合には、上記ビフェニル型エポキシ樹脂の含有量を、エポキシ樹脂成分全体の３０重量％以上となるよう設定することが好ましく、なかでも、５０重量％以上となるよう設定することが好ましい。
【００２３】
また、上記エポキシ樹脂組成物には、必要によりエポキシ樹脂の硬化剤を配合することができる。このような硬化剤としては、特に限定するものではなく通常用いられている各種硬化剤、例えば、フェノール樹脂、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸等の酸無水物、アミン化合物等があげられる。なかでも、フェノール樹脂を用いることが好ましい。そして、より一層良好な接着力、耐湿性等の点から、特に下記の一般式（３）で表されるフェノール樹脂を用いることが好適である。
【００２４】
【化３】
0003976395.tif 000004
【００２５】
上記一般式（３）中の繰り返し数ｍは、０または正の整数を示すが、特にｍは０〜１０の整数であることが好ましく、なかでもｍは０〜８の整数であることがより好適である。
【００２６】
上記一般式（３）で表されるフェノール樹脂は、例えば、アラルキルエーテルとフェノールとを、フリーデルクラフツ触媒で反応させることにより得られる。
【００２７】
上記フェノール樹脂としては、特に、水酸基当量が１４７〜２５０ｇ／ｅｑ、軟化点が６０〜１２０℃のものが好ましく、なかでも、水酸基当量が１４７〜２２０ｇ／ｅｑ、軟化点が６０〜１１０℃のものが好適である。
【００２８】
上記フェノール樹脂のエポキシ樹脂に対する配合割合は、エポキシ樹脂中のエポキシ基１当量当たり、上記フェノール樹脂中の水酸基が０．７〜１．３当量となるように配合することが好適であり、なかでも０．９〜１．１当量となるように配合することがより好適である。
【００２９】
上記エポキシ樹脂と硬化剤との組み合わせにおいては、例えば、前記式（２）で表されるビフェニル型エポキシ樹脂と一般式（３）で表されるフェノール樹脂を組み合わせて用いることが、半導体素子と配線回路基板に対する接着性という点から好ましい。また、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂とメチルテトラヒドロ無水フタル酸を組み合わせて用いることが、上記と同様、半導体素子と配線回路基板に対する接着性という点から好ましい。
【００３０】
さらに、上記エポキシ樹脂および硬化剤とともにアクリロニトリル−ブタジエン系共重合体を用いることができる。上記アクリロニトリル−ブタジエン系共重合体としては、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体（ＮＢＲ）の含有量が１００重量％である場合のみならず、このＮＢＲに他の共重合成分が含まれている場合をも含む広い意味での共重合体をいう。他の共重合成分としては、例えば、水添アクリロニトリル−ブタジエンゴム、アクリル酸、アクリル酸エステル、スチレン、メタクリル酸等があげられ、なかでも、金属、プラスチックとの接着力に優れる等の点で、アクリル酸、メタクリル酸が好適である。すなわち、アクリロニトリル−ブタジエン−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−アクリル酸共重合体が好適に用いられる。また、上記ＮＢＲにおけるアクリロニトリルの結合量は、特に、１０〜５０重量％が好ましく、なかでも、１５〜４０重量％のものが特に好適である。
【００３１】
本発明において、エポキシ樹脂組成物の全有機成分中における上記アクリロニトリル−ブタジエン系共重合体の配合割合は、特に２〜６０重量％の範囲が好ましく、なかでも３〜５０重量％の範囲が好適である。すなわち、上記アクリロニトリル−ブタジエン系共重合体の配合割合が２重量％未満であれば、半導体素子の封止用途において、冷熱サイクル下、高温高湿下の各ストレス試験において、優れた耐久性を発揮することが困難であり、逆に、６０重量％を超えると高温下での固着力が低下する傾向がみられるからである。
【００３２】
本発明では、上記エポキシ樹脂組成物には、上記エポキシ樹脂、硬化剤、アクリロニトリル−ブタジエン系共重合体とともに、必要に応じて他の添加剤を適宜配合することもできる。
【００３３】
上記他の添加剤としては、例えば、硬化促進剤があげられる。このような硬化促進剤としては、従来からエポキシ樹脂の硬化促進剤として知られている種々の硬化促進剤が使用可能であり、例えば、アミン系、リン系、ホウ素系、リン−ホウ素系等の硬化促進剤があげられる。なかでも、トリフェニルホスフィン、２−エチル−４−メチルイミダゾール、ジアザビシクロウンデセン等が好適である。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。
【００３４】
さらに、シランカップリング剤、チタンカップリング剤、表面調整剤、酸化防止剤等の有機材料を用いることができる。
【００３５】
また、半導体封止材料としては、各種無機質充填剤を配合することができる。上記無機質充填剤としては、アルミナ、シリカ、窒化珪素等があげられる。なかでも、球状溶融シリカ、破砕状結晶性シリカ、摩砕処理済み結晶性シリカが好適に用いられる。上記無機質充填剤の配合割合は、全配合物（エポキシ樹脂組成物全体）中の１９．９〜８７．９重量％に設定され、好ましくは１９．９〜８５重量％に設定することであり、より好ましくは１９．９〜８０重量％である。すなわち、無機質充填剤を上記配合割合を超えて多量に配合すると、半導体素子の電極と配線回路基板の電極との電気的接合が良好に行われなくなり不都合が生じ易くなるからである。
【００３６】
さらに、銅、銀、アルミニウム、ニッケル、半田等の金属粒子の無機材料、その他、顔料、染料等を用いることができる。
【００３７】
本発明の半導体装置の封止樹脂層形成材料の製造方法について述べる。例えば、シート状封止材料は、つぎのようにして製造することができる。まず、エポキシ樹脂をはじめ、前述の各成分を所定量配合したエポキシ樹脂組成物を調製する。そして、このエポキシ樹脂組成物を、トルエン、メチルエチルケトン、酢酸エチル等の溶剤に混合溶解し、この混合溶液を離型処理したポリエステルフィルム等の基材フィルム上に塗布する。つぎに、この塗布した基材フィルムを５０〜１６０℃で乾燥させ、トルエン等の溶剤を除去することにより、上記基材フィルム上に目的とするシート状の封止材料を製造することができる。また、他の方法として、トルエン等の溶剤を用いることなく加熱溶融して押し出すことによっても、目的とするシート状の封止材料を製造することができる。
【００３８】
このようにして得られたシート状封止材料としては、つぎのような特性を有していることが好ましい。すなわち、１７５℃におけるゲルタイムが５〜３００秒であることが好ましい。上記ゲルタイムは、１７５±１℃に設定された熱板上に、ピンセットで測定試料を載置すると同時に測定を開始し、針先で線を入れていき、その線が広がり乱れた点を終点とし、その間の時間を読み取ることにより測定した。
【００３９】
また、液状の場合は、エポキシ樹脂をはじめ、前述の各成分を所定量配合し混合することにより液状のエポキシ樹脂組成物が得られる。
【００４０】
このようにして得られた液状のエポキシ樹脂組成物としては、粘性を有しており、２５℃における粘度が１〜５０００ｐｏｉｓｅ（Ｅ型粘度計、回転数：１ｒｐｍ）のものが好ましい。また、上記シート状封止材料と同様、１７５℃におけるゲルタイムが５〜３００秒であることが好ましい。
【００４１】
このようにして得られるシート状封止材料もしくは液状封止材料を硬化してなる硬化物は、例えば、つぎのようにして製造することができる。すなわち、上記方法により得られたシート状封止材料を１００〜２２５℃、好ましくは１２０〜２００℃で、３〜３００分間、好ましくは５〜１８０分間加熱硬化することにより、目的とする硬化物を製造することができる。なお、上記硬化条件は、後述の半導体装置の製法における封止樹脂層の形成時の加熱硬化条件と同様である。
【００４２】
そして、得られた硬化物は、つぎのような硬化物特性（Ｙ）を備えていなければならない。
（Ｙ）４０〜８０℃の間における平均熱膨張係数が１００ｐｐｍ／℃以下である。
【００４３】
より好ましくは４０〜８０℃の間における平均熱膨張係数が９０ｐｐｍ／℃以下であり、なかでも、３〜８０ｐｐｍ／℃が好適である。このような範囲に設定することにより、冷熱サイクル下において、半導体素子、配線回路基板、接続用電極部にかかる応力をバランスよく緩和することができ、安定した電気接続が得られるようになる。すなわち、平均熱膨張係数が１００ｐｐｍ／℃を超えると、高温下における安定した電気接続が得られなくなる。
【００４４】
なお、上記４０〜８０℃の間における平均熱膨張係数は、つぎのようにして測定される。すなわち、上記４０〜８０℃の温度設定は、本発明の半導体装置に用いられる封止材料のガラス転移温度（Ｔｇ）以下の領域となっており、測定対象となる硬化物（大きさ：厚み８０μｍ×横４ｍｍ×縦３０ｍｍ）の両端を所定距離間隔（１５ｍｍ）をあけてチャッキングし、引っ張り方向に一定荷重（２ｇ）を加えたまま、５℃／ｍｉｎの速さで昇温させた際の長さの変化を熱機械分析装置（ＴＭＡ／ＳＳ１１０、セイコー社製）を用いて測定される。そして、上記４０〜８０℃における平均熱膨張係数とは、〔８０℃におけるチャッキング距離間隔（ｍｍ）−４０℃におけるチャッキング距離間隔（ｍｍ）〕を、〔初期チャッキング距離間隔（１５ｍｍ）×（８０℃−４０℃）〕で除した値である。
【００４５】
本発明の半導体装置は、先に述べたように、配線回路基板上に、配線回路基板に設けられた接続用電極部、および、半導体素子に設けられた接続用電極部を介して半導体素子が搭載され、上記配線回路基板と半導体素子との間の空隙が封止樹脂層によって封止されたフェイスダウン構造を有するものであって、このような半導体装置の製法の一例を以下に説明するが、これに限定するものではない。
【００４６】
まず、封止樹脂層形成材料としてシート状封止材料を用いた場合について述べる。すなわち、図２に示すように、複数の接続用電極部２が設けられた配線回路基板１上に、上記接続用電極部２を介して固形のシート状封止材料１０を配置し、さらに、図３に示すように、上記シート状封止材料１０上の所定位置に、突起状の凸部を有する接続用電極部３が設けられた半導体素子５を配置し、加熱および加圧することによって上記両接続用電極部２，３間に存在するシート状封止材料１０を加熱溶融し押し出して、両接続用電極部２，３を当接し両者の物理的接触による電気的接続を行うとともに、溶融したシート状封止材料１０の硬化を行って封止樹脂層４を形成することにより、配線回路基板１と半導体素子５の電気的接続および固着を完了する。このようにして、図１に示す半導体装置を製造する。
【００４７】
上記シート状封止材料１０の大きさとしては、上記搭載される半導体素子５の大きさ（面積）により適宜に設定され、通常、半導体素子５の大きさ（面積）とほぼ同じに設定することが好ましい。
【００４８】
また、上記シート状封止材料１０の厚みは、特に限定されるものではないが、半導体素子５と配線回路基板１との空隙を充填し、かつ、接続用電極部２，３間の電気的接続を妨げないように適宜に設定することができ、通常、３〜２００μｍ、好ましくは５〜１８０μｍに設定される。
【００４９】
一方、封止樹脂層形成材料として液状封止材料を用いた場合について述べる。すなわち、図４に示すように、複数の接続用電極部２が設けられた配線回路基板１上に、液状封止材料１１を設け、さらに、図５に示すように、上記液状封止材料１１上の所定位置に、突起状の凸部を有する接続用電極部３が設けられた半導体素子５を配置し、加圧することによって上記両接続用電極部２，３間に存在する液状封止材料１１を押し出し、両接続用電極部２，３を当接し両者の物理的接触による電気的接続を行うとともに、上記液状封止材料１１の硬化を行って封止樹脂層４を形成することにより、配線回路基板１と半導体素子５の電気的接続および固着を完了する。このようにして、図１に示す半導体装置を製造する。
【００５０】
上記封止材料（シート状および液状とも）を上記半導体素子５と上記配線回路基板１との間の空隙内に充填するとともに両接続用電極部２，３を当接する際には、上記のように加圧することが好ましく、その加圧条件としては、接続用電極部２，３の材質および個数等や、温度によって適宜に設定されるが、具体的には０．０１〜１．０ｋｇｆ／個の範囲に設定され、好ましくは０．０２〜０．８ｋｇｆ／個の範囲に設定される。
【００５１】
上記半導体装置の製法では、配線回路基板１を下方にして、その上方に半導体素子５を搭載するという位置関係に基づいて説明したが、これに限定するものではなく、反対の位置関係、すなわち、半導体素子５を下方にして、その上方に配線回路基板１を搭載するという位置関係であってもよい。
【００５２】
そして、上記半導体装置の製法においては、配線回路基板１に設けられた接続用電極部２、および、半導体素子５に設けられた接続用電極部３の、各接続用電極部２，３が溶融する温度未満に設定して行われる。このような温度設定によって、両接続用電極部２，３が溶融せずに物理的接触の当接状態となり電気的接続が行われる。そして、加熱方法としては、赤外線リフロー炉、乾燥機、温風機、熱板等があげられる。
【００５３】
すなわち、本発明の半導体装置の特徴の一つは、半導体素子５と配線回路基板１との電気的接続が、上記のように、両接続用電極部２，３の直接当接によってなされている点にある。通常のフリップチップ方式の半導体装置においては、予め配線回路基板１と半導体素子５との電気的接続を行い、その後、アンダーフィルと呼ばれる樹脂封止を行う工程順序をとる。このため、配線回路基板１と半導体素子５との電気的接続は、両接続用電極部２，３の溶融による金属接合によることが不可欠となる。これに対して、本発明の半導体装置は、配線回路基板１と半導体素子５との電気的接続（両接続用電極部２，３の直接当接）と、配線回路基板１と半導体素子５との固着とを同一工程にて行うため、両接続用電極部２，３を溶融接合する必要がない。したがって、本発明の半導体装置は、配線回路基板１の線膨張係数と半導体素子５の線膨張係数の差異等によって生じる両電極部２，３に加わる応力を抑制するという優れた効果を備えている。
【００５４】
また、本発明の半導体装置のもう一つの特徴は、先に述べたように、上記形成された樹脂封止層４（樹脂硬化物）の４０〜８０℃における平均熱膨張係数、および、半導体素子５と配線回路基板１との距離をそれぞれ特定範囲に設定することにより、冷熱サイクル下における安定した電気的接続が得られるようになるものである。
【００５５】
つまり、上記半導体装置の製法において、配線回路基板１と半導体素子５との固着完了後の、半導体素子５と配線回路基板１の距離を５０μｍ以下に設定する必要がある。より好ましくは４５μｍ以下であり、特に好ましくは１〜４０μｍである。すなわち、半導体素子５と配線回路基板１との距離が５０μｍを超えて大きくなると、形成された封止樹脂層４と電極層（直接当接状態の両接続用電極部２，３）の縦方向の熱膨張係数の差が大きくなり、安定した電気接続が得られなくなるからである。なお、上記半導体素子５と配線回路基板１の距離とは、図１に示すような、配線回路基板１面上にソルダーレジスト等の保護層が形成されていない場合の半導体装置においては、接続用電極部２が設けられた配線回路基板１面から、接続用電極部３が設けられた半導体素子５面までの距離（Ｌ）をいう。また、配線回路基板１面上にソルダーレジスト等の保護層が形成された場合の半導体装置においては、図６に示すように、接続用電極部２が設けられた配線回路基板１面に形成されたソルダーレジスト等の保護層７表面から、半導体素子５の接続用電極部３が設けられた素子面までの距離（Ｌ′）をいう。さらに、上記半導体素子面において、素子表面にも通常、ポリイミド等の保護層が形成されているが、その場合の素子表面とは保護層表面をいう。
【００５６】
また、本発明の半導体装置において、樹脂封止層４の４０〜８０℃における平均熱膨張係数は、先に述べたように、１００ｐｐｍ／℃以下に設定されなければならない〔硬化物特性（Ｙ）〕。より好ましくは９０ｐｐｍ／℃以下であり、なかでも、１〜８０ｐｐｍ／℃が好適である。すなわち、平均熱膨張係数が１００ｐｐｍ／℃を超えると、高温下における電気接続が安定しないからである。
【００５７】
さらに、上記封止樹脂層４は、２５℃における引張弾性率が６００〜１５０００ＭＰａに設定されなければならない〔硬化物特性（Ｚ）〕。この引張弾性率は、ＪＩＳ  Ｋ  ６９００に準じて測定される値であり、具体的には万能引張試験機（オートグラフ、島津製作所社製）を用いて測定される。
【００５８】
さらに、上記硬化物特性に加えて、上記封止樹脂層４としては、吸水率が１．５重量％以下であることが好ましい。より好ましくは吸水率が１．２重量％以下である。また、上記封止樹脂層４に含まれるイオン性不純分（例えば、Ｎａ+ ，Ｋ+ ，ＮＨ3 + ，Ｃｌ- ，ＳＯ4 2-）が各５０ｐｐｍ以下であることが好ましい。上記吸水率の測定は、その硬化物を８５℃×８５％ＲＨで１６８時間放置した後、微量水分測定器（平沼水分測定装置ＡＱ−５、平沼産業社製）にて行った。また、上記イオン性不純分の測定は、硬化物を粉砕し、１２１℃の純水にて２４時間抽出し、イオンクロマトグラフィーによって測定した。
【００５９】
そして、上記のようにして製造された半導体装置において、半導体素子５の大きさは、通常、幅２〜２０ｍｍ×長さ２〜３０ｍｍ×厚み０．１〜２ｍｍに設定される。また、半導体素子５を搭載する配線回路が形成された配線回路基板１の大きさは、通常、幅２〜３００ｍｍ×長さ２〜３００ｍｍ×厚み０．０５〜３．０ｍｍに設定される。そして、溶融した封止用樹脂が充填される、半導体素子５と配線回路基板１の空隙の両者間の距離は、先に述べたように、５０μｍ以下に設定されなければならない。
【００６０】
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。
【００６１】
まず、実施例に先立って、下記に示す各成分を準備した。
【００６２】
〔エポキシ樹脂ａ１〕
下記の構造式で表されるビフェニル型エポキシ樹脂
【００６３】
【化４】
0003976395.tif 000005
【００６４】
〔エポキシ樹脂ａ２〕
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エポキシ当量：１８５ｇ／ｅｑ）
【００６５】
〔アクリロニトリル−ブタジエン系共重合体〕
アクリロニトリル−ブタジエン−メタクリル酸共重合体〔ムーニー粘度：５０、結合アクリロニトリル含量：３０重量％、結合カルボキシル基量：０．０５ｅｐｈｒ（ゴム１００ｇ当たりのモル数）〕
【００６６】
〔液状アクリロニトリル−ブタジエンゴム〕
液状ＮＢＲ〔粘度：１０００ｐｏｉｓｅ（ａｔ２５℃）〕
【００６７】
〔フェノール樹脂〕
下記の構造式で表されるフェノール樹脂（水酸基当量：１７５ｇ／ｅｑ、軟化点７５℃）
【００６８】
【化５】
0003976395.tif 000006
【００６９】
〔メチルテトラヒドロ無水フタル酸〕
酸無水物当量：１６５
【００７０】
〔硬化促進剤ｄ１〕
トリフェニルホスフィン
【００７１】
〔硬化促進剤ｄ２〕
２−エチル−４−メチルイミダゾール
【００７２】
〔無機質充填剤〕
球状溶融シリカ（平均粒径：３μｍ、最大粒径：１０μｍ）
【００７３】
【実施例１〜６、比較例１〜４】
〔シート状封止材料の作製：実施例１〜５、比較例１〜２〕
下記の表１〜表２に示す各成分を、同表に示す割合で配合しエポキシ樹脂組成物を調製した。このエポキシ樹脂組成物をメチルエチルケトンに混合溶解し、この混合溶液を離型処理したポリエステルフィルム上に塗布した。つぎに、上記混合溶液を塗布したポリエステルフィルムを１２０℃で乾燥させ、メチルエチルケトンを除去することにより、上記ポリエステルフィルム上に目的とする厚み８０μｍのシート状封止材料を作製した。
【００７４】
〔液状封止材料の作製：実施例６、比較例３〜４〕
下記の表１〜表２に示す割合で配合して混合することにより目的とする液状封止材料を作製した。
【００７５】
【表１】
0003976395.tif 000007
【００７６】
【表２】
0003976395.tif 000008
【００７７】
このようにして得られた各実施例および比較例のシート状封止材料、液状封止材料を用い、前述の半導体装置の製法に従って半導体装置を製造した。すなわち、シート状封止材料を用いる場合は、図２に示すように、接続用電極部２（材質：ニッケル（融点１４５５℃）・金（融点１０６３℃）めっきされた銅（融点１０８３℃））６４個が設けられた配線回路基板１（厚み０．６ｍｍのガラスエポキシ基板）上に、上記シート状封止材料１０を載置した後、図３に示すように、上記シート状封止材料１０上の所定の位置に、突起状の凸部を有する接続用電極部３（材質：金、融点：１０６３℃、高さ７０μｍ）６４個を設けた半導体素子５（厚み：６２５μｍ、大きさ：８ｍｍ×８ｍｍ）を載置した。その後、加熱温度２５０℃×荷重（上記表１〜表３参照）×３０秒の条件でシート状封止材料を加熱溶融して、配線回路基板１と半導体素子５との空隙内に溶融状態の樹脂を充填して仮固着するとともに上記双方の接続用電極部２，３を物理的に接触させて直接当接し、その後、熱硬化（条件：１５０℃×３０分）することにより、図１に示すように、上記空隙が封止樹脂層４で樹脂封止された半導体装置を各例６個ずつ作製した。得られた半導体装置の、半導体素子５と配線回路基板１との間の距離（Ｌ）は、後記の表３〜表４に示す。
【００７８】
また、液状封止材料を用いる場合は、図４に示すように、接続用電極部２（材質：ニッケル（融点１４５５℃）・金（融点１０６３℃）めっきされた銅（融点１０８３℃））６４個が設けられた配線回路基板１（厚み０．６ｍｍのガラスエポキシ基板）上に液状封止材料１１を設置した後、図５に示すように、上記液状封止材料１１上の所定位置に、突起状の凸部を有する接続用電極部３（材質：金、融点：１０６３℃、高さ７０μｍ）６４個を設けた半導体素子５（厚み：６２５μｍ、大きさ：８ｍｍ×８ｍｍ）を載置した。その後、加熱温度２５０℃×荷重（上記表１〜表３参照）×３０秒の条件で配線回路基板１と半導体素子５との空隙内に樹脂を充填して上記液状封止材料をゲル化させ仮固着するとともに上記双方の接続用電極部２，３を物理的に接触させて直接当接し、その後、熱硬化（条件：１５０℃×３０分）させることにより、図１に示すように、上記空隙が封止樹脂層４で樹脂封止された半導体装置を各例６個ずつ作製した。得られた半導体装置の、半導体素子５と配線回路基板１との間の距離（Ｌ）は、後記の表３〜表４に示す。
【００７９】
得られた半導体装置全てについて、初期の通電試験を−５５℃、２５℃および１２５℃にて行い、さらに、その後冷熱サイクルテスト〔ＴＣＴテスト（条件：−５５℃×３０分⇔１２５℃×３０分）１０００サイクルを行った後に、再度、上記温度条件下にて通電試験を行った。その結果、通電不良の発生した数をカウントした。また、上記冷熱サイクルテスト後の半導体装置の断面を顕微鏡を用い観察することにより、半導体素子と配線回路基板との距離（当接状態）を測定した。これらの結果を下記の表３〜表４に示した。
【００８０】
一方、上記各実施例および比較例で得られたシート状封止材料および液状封止材料のみを１５０℃×３０分の条件で加熱して硬化物を得た。この各硬化物の４０〜８０℃における平均熱膨張係数を熱機械分析装置（ＴＭＡ／ＳＳ１１０、セイコー社製）を用い、先に述べた方法と同様にして測定した。
【００８１】
また、上記シート状封止材料，液状封止材料およびこれらの硬化物について、ゲルタイム（１７５℃）、ガラス転移温度（Ｔｇ）、吸水率、２５℃における引張弾性率（実施例１〜６のみ）を下記の方法に従って測定した。
【００８２】
〔１７５℃のゲルタイム〕
先に述べた方法に従って測定した。
【００８３】
〔ガラス転移温度（Ｔｇ）〕
動的粘弾性測定装置ＤＭＳ２１０（セイコー社製）にて測定した。そして、ｔａｎδが最大を示す温度をガラス転移温度（Ｔｇ）とした。
【００８４】
〔吸水率〕
硬化物を８５℃×８５％ＲＨで１６８時間放置した後、微量水分測定器（平沼水分測定装置ＡＱ−５、平沼産業社製）にて測定した。
【００８５】
〔２５℃における引張弾性率〕
ＪＩＳ  Ｋ  ６９００に準じ、万能引張試験機（オートグラフ、島津製作所社製）を用いて測定した。
【００８６】
【表３】
0003976395.tif 000009
【００８７】
【表４】
0003976395.tif 000010
【００８８】
上記表３〜表４の結果、実施例品に関しては、各温度の初期通電試験、および、ＴＳＴ試験後の各温度の通電試験の全てにおいて不良が全く発生しなかったことが確認された。これに対して、比較例品は、上記各試験項目の少なくともいずれかにおいて、不良が発生していることが確認された。このことから、実施例品は、比較例品に対して、冷熱サイクル試験に対して安定した通電を確保していることが明らかである。
【００８９】
〔シート状封止材料α、βの作製〕
さらに、下記の表５に示す各成分（先に記載した各材料）を用い、同表に示す割合で配合しエポキシ樹脂組成物を調製した。このエポキシ樹脂組成物をメチルエチルケトンに混合溶解し、この混合溶液を離型処理したポリエステルフィルム上に塗布した。つぎに、上記混合溶液を塗布したポリエステルフィルムを１２０℃で乾燥させ、メチルエチルケトンを除去することにより、上記ポリエステルフィルム上に目的とする厚み７０μｍのシート状封止材料α、βを作製した。
【００９０】
【表５】
0003976395.tif 000011
【００９１】
つぎに、上記得られたシート状封止材料α、βおよびこれらの硬化物における、物性〔１７５℃のゲルタイム、４０〜８０℃における平均熱膨張係数、ガラス転移温度を超えた温度での平均熱膨張係数、ガラス転移温度（Ｔｇ）、５０℃，１００℃，１５０℃，２００℃の各温度での弾性率、吸水率、２５℃における引張弾性率）を、下記の方法に従って測定した。その結果を下記の表６に示す。なお、硬化物特性に関しては、上記シート状封止材料α、βを１５０℃×３０分の条件で加熱して硬化させることにより作製した。
【００９２】
〔１７５℃のゲルタイム〕
先に述べた方法に従って測定した。
【００９３】
〔４０〜８０℃における平均熱膨張係数〕
各硬化物の４０〜８０℃の間における平均熱膨張係数を熱機械分析装置（ＴＭＡ／ＳＳ１１０、セイコー社製）を用い、先に述べた方法と同様にして測定した。
【００９４】
〔Ｔｇを超えた温度での平均熱膨張係数〕
上記４０〜８０℃における平均熱膨張係数と同様の装置を用い、先に述べた方法に従って測定した。
【００９５】
〔ガラス転移温度（Ｔｇ）〕
動的粘弾性測定装置ＤＭＳ２１０（セイコー社製）にて測定した。そして、ｔａｎδが最大を示す温度をガラス転移温度（Ｔｇ）とした。
【００９６】
〔弾性率〕
５０℃，１００℃，１５０℃，２００℃の各温度における硬化物の弾性率を動的粘弾性測定装置にて測定した。
【００９７】
〔吸水率〕
吸水率の測定は、その硬化物を８５℃×８５％ＲＨで１６８時間放置した後、微量水分測定器（平沼水分測定装置ＡＱ−５、平沼産業社製）にて測定した。
【００９８】
〔２５℃における引張弾性率〕
ＪＩＳ  Ｋ  ６９００に準じ、万能引張試験機（オートグラフ、島津製作所社製）を用いて測定した。
【００９９】
【表６】
0003976395.tif 000012
【０１００】
【実施例７、８、比較例５〜６】
つぎに、上記シートシート状封止材料α、βを用いて、先に述べた方法に従って半導体装置を作製した。すなわち、図２に示すように、接続用電極部２が設けられた配線回路基板１上に、上記シート状封止材料１０を載置した後、図３に示すように、上記シート状封止材料１０上の所定の位置に、突起状の凸部を有する接続用電極部３を設けた半導体素子５を載置した。その後、加熱温度２５０℃×荷重（下記の表８参照）×３０秒の条件でシート状封止材料を加熱溶融して、配線回路基板１と半導体素子５との空隙内に溶融状態の樹脂を充填して仮固着するとともに上記双方の接続用電極部２，３を物理的に接触させて直接当接し（半導体素子５と配線回路基板１との距離は下記の表８参照）、その後、熱硬化（条件：１５０℃×３０分）することにより、図１に示すように、上記空隙が封止樹脂層４で樹脂封止された半導体装置を作製した。なお、上記配線回路基板１およびそれに設けられた接続用電極部３、半導体素子５およびそれに設けられた突起状の凸部を有する接続用電極部３の各材質およびサイズを下記の表７に示す。
【０１０１】
【表７】
0003976395.tif 000013
【０１０２】
【表８】
0003976395.tif 000014
【０１０３】
このようにして得られた各半導体装置を用い、耐半田信頼性および耐熱衝撃テストについて下記の方法に従って測定し評価した。その結果を上記表８に併せて示す。
【０１０４】
〔耐半田信頼性〕
半導体装置を３０℃／６０％ＲＨの条件下１９２時間放置して吸湿させた後、２１５℃×９０秒間半田リフロー（ＶＰＳ）を３回行った後、各電極の電気導通を確認した。その結果、通電不良の発生した数をカウントした。
【０１０５】
〔耐熱衝撃テスト〕
−４０℃×５分⇔２５℃×１分⇔１２５℃×５分の１０００サイクルで耐熱衝撃テスト（ＴＳＴテスト）を行った。その後、各電極の電気導通を確認した。その結果、通電不良の発生した数をカウントした。
【０１０６】
上記測定の結果、シート状封止材料αを用い、半導体素子と配線回路基板との距離が５０μｍ以下であった実施例７，８品では、耐半田信頼性および耐熱衝撃テスト後においても各電極の電気導通が良好に行われていることが確認されたこれに対して、シート状封止材料βを用い、半導体素子と配線回路基板との距離が５０μｍを超えた比較例５品では、耐半田信頼性評価後においては、各電極の電気導通は良好に行われたが、耐熱衝撃テスト後においては全ての電極に導通不良が発生した。また、シート状封止材料βを用い、半導体素子と配線回路基板との距離が３６μｍの比較例６品では、上記比較例５品と同様、耐半田信頼性評価後においては、各電極の電気導通は良好に行われたが、耐熱衝撃テスト後においては全ての電極に導通不良が発生した。
【０１０７】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、複数の接続用電極部を介在して接続された、配線回路基板と半導体素子との間の空隙に、無機質充填剤を１９．９〜８７．９重量％含有する熱硬化性樹脂組成物からなり、両電極部当接時には、加熱溶融または液状である封止樹脂層を形成し、かつ、封止樹脂層の硬化物特性を特定するとともに、当接状態における半導体素子と配線回路基板との距離を特定している。そのため、両電極部の当接が適正になされるとともに、例えば、冷熱サイクル条件下において封止樹脂層と電極部との縦方向の熱膨張係数の差によって生じる応力が低減され、安定した電気的接続が可能となり電気的接続信頼性が向上する。また、配線回路基板面に設けられた接続用電極部と半導体素子面に設けられた接続用電極部との電気的接続を、従来のように金属溶融によって行わず、単に直接当接させるだけの物理的接触によって行うため、配線回路基板と半導体素子の各線膨張係数の差異等によって生じる電極部に加わる応力を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体装置の一例を示す断面図である。
【図２】  上記半導体装置の製造工程を示す説明断面図である。
【図３】  上記半導体装置の製造工程を示す説明断面図である。
【図４】  上記半導体装置の他の製造工程を示す説明断面図である。
【図５】  上記半導体装置の他の製造工程を示す説明断面図である。
【図６】  本発明の半導体装置の他の例を示す一部断面図である。
【符号の説明】
１  配線回路基板
２  接続用電極部
３  接続用電極部
４  封止樹脂層
５  半導体素子
１０  シート状封止材料
１１  液状封止材料
【図１】
0003976395.tif 000015
【図２】
0003976395.tif 000016
【図３】
0003976395.tif 000017
【図４】
0003976395.tif 000018
【図５】
0003976395.tif 000019
【図６】
0003976395.tif 000020