(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を応力緩衝部材としてのエラストマを介して配線基板に搭載した半導体装置において、
該エラストマが、コア層の両面に該コア層よりも軟質の外層を設けた層構造をなし、
一方の該外層に該半導体素子が接合され、他方の該外層に該配線基板が接着剤で接合された構成をなすことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記エラストマの前記コア層は、前記外層に比べて耐熱性が高い材料からなることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記エラストマの前記コア層の材料をフッソ系樹脂，ポリイミドフィルム，ＰＴＦＥ層のいずれかとし、前記コア層の両側に積層される層の材料を軟質のエポキシ系樹脂とすることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩチップなどの半導体素子を配線基板に搭載した半導体装置に係り、特に、半導体パッケージのサイズを半導体素子のサイズ程度に小型化した半導体装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、ＬＳＩチップなどの半導体素子の電極と外部端子（リード）との接続方法としては、Ａｕワイヤを用いる方法や、ＬＳＩチップの電極にハンダや導電性樹脂からなるバンプを形成し、このバンプをリードと熱圧着で接続する方法が採られている。
【０００３】
図３はかかる従来の半導体装置のパッケージの一例を示す断面図であって、１はＬＳＩチップ、２は配線基板、３はリード（ボンディングワイヤ）、４は封止樹脂、５はハンダボール、６は緩衝材である。
【０００４】
同図において、配線基板２の表面には、緩衝材６を介してＬＳＩチップ１が搭載されるており、ＬＳＩチップ１と緩衝材６との間や配線基板２と緩衝材６との間が接着剤によって接着されている。また、ＬＳＩチップ１の端子は配線基板２の表面の回路端子とＡｕのリード３によって接続されている。また、配線基板２の裏面の設けられた回路端子には、図示しない主回路基板（マザーボード）の回路端子と接続するためのハンダボール５が設けられている。
【０００５】
かかる構成の半導体装置では、ＬＳＩチップ１を配線基板２に固定する必要があるが、リード３がＬＳＩチップ１からはみ出しているために、ＬＳＩチップ１やリード３を封止するレジンが必要となり、このため、図示するように、配線基板２を含めてＬＳＩチップ１やリード３を封止樹脂４でもって封止している。従って、半導体パッケージのサイズがＬＳＩチップ１に比べて著しく大きくなり、主回路基板への高密度実装を阻害する欠点がある。
【０００６】
このような観点から、近年、半導体パッケージのサイズをほぼＬＳＩチップのサイズにするＣＳＰ（Chip Scale(Size) Package）が注目されており、その製造方法や構造は各社で多種の形態がある。
【０００７】
図４はかかる半導体パッケージの一例を示す断面図であって、７はアンダーフィル樹脂、８はハンダであり、図３に対応する部分には同一符号をつけている。
【０００８】
同図において、ＬＳＩチップ１は、その端子がハンダ８によって配線基板２の回路端子に接続されることにより、この配線基板２に搭載されている。そして、ＬＳＩチップ１と配線基板２との間にアンダーフィル樹脂７が充填され、このアンダーフィル樹脂７によってＬＳＩチップ１と配線基板２とが接着固定されている。そして、この配線基板２の裏面には、図示しない主回路基板の回路端子と接続するためのハンダボール５がＢＧＡ(Ball Grid Array）状に配列されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図４に示す構成の従来の半導体パッケージは、封止樹脂４を必要としないことから、図３に示した構成の半導体パッケージに比べ、大幅に小型化される。しかしながら、図４に示す構成の従来の半導体パッケージを製造するに当たっては、ＬＳＩチップ１をハンダ８でもって配線基板２の回路端子に接続した後、これらＬＳＩチップ１と配線基板２との間の隙間にアンダーフィル樹脂７を注入する必要があり、隙間なく注入してＬＳＩチップ１と配線基板２との間の固定を完全にするために、注射器のような器具を用いて手作業で行なわれるのが現状である。このため、この作業には、手間と時間を要することになり、製造コストを上昇させる要因となっている。
【００１０】
また、図４に示す構成の半導体パッケードでは、アンダーフィル樹脂７として、ＬＳＩチップ１や配線基板２との接着性の良好な材料（例えば、軟質のエポキシ系樹脂）が使用される。しかし、かかる材料のアンダーフィル樹脂７は、耐熱性が低く、ＬＳＩチップ１や配線基板２の発熱によって変形，伸張し易い。これに対し、ＬＳＩチップ１や配線基板２は耐熱性が高く、それらが発生する熱に対してもほとんど影響されず、変形したり、延びたりすることがない。このために、ＬＳＩチップ１や配線基板２が発熱すると、アンダーフィル樹脂７が延びようとするのに対し、ＬＳＩチップ１や配線基板２が延びようとせず、ＬＳＩチップ１とアンダーフィル樹脂７との界面や配線基板２とアンダーフィル樹脂７との界面に応力が発生する。そして、ＬＳＩチップ１や配線基板２で発熱が繰り返すと、この応力により、ＬＳＩチップ１とアンダーフィル樹脂７との間や配線基板２とアンダーフィル樹脂７との間ではがれが生ずるし、このはがれが生じない場合には、半導体パッケージに反りなどの変形が生ずることになる。
【００１１】
また、アンダーフィル樹脂７は、ＬＳＩチップ１と配線基板２との間に注入されると、熱的に降下され、これによってＬＳＩチップ１と配線基板２との間が固定される。このため、機械的な負荷に対して充分な信頼性が得られるものではない。
【００１２】
特に、かかる半導体パッケージを製品として出荷するときには、環境温度を−５５゜〜＋１５０゜と１０００Ｈｚで繰り返し変化させる耐熱試験が行なわれるが、このような厳しい環境試験では、ＬＳＩチップ１とアンダーフィル樹脂７との界面や配線基板２とアンダーフィル樹脂７との界面に非常に大きな応力が発生し、上記のようなはがれや変形が生じやすく、熱的・機械的負荷に対する信頼性がかならずしも充分とは言い難いのが実状であった。
【００１３】
本発明はかかる現状に鑑みてなされたものであって、その目的は、製造コストを低減でき、熱的・機械的負荷に対する信頼性を高めることができるようにしたパッケージサイズがチップサイズの半導体装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体素子と配線基板との間に複数層の積層構造の応力緩衝用のエラストマを設け、該エラストマを介して該半導体素子を該配線基板に固定する構成とする。ここで、このエラストマは、
（１）コア層とそれを挟む外層との積層構造とする。
【００１５】
（２）外層は、半導体素子や配線基板との接着性が良好な材料からなり、この材料としては、例えば、軟質のエポキシ系樹脂を用いる。
【００１６】
（３）コア層は、外層よりもガラス転移温度が高くて耐熱性に優れた材料とし、例えば、フッソ系樹脂またはポリイミド系樹脂またはＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）樹脂を用いる。
【００１７】
エラストマの外層は半導体素子や配線基板と良好に接合するため、機械的付加に対して信頼性が高まり、また、半導体素子や基板の発熱に対して、エラストマの外層は伸びようとするが、コア層がこの伸びを抑制し、外層と半導体素子，配線基板との界面に生ずる熱応力を外層とコア層との界面に分散する。これにより、熱的負荷に対する信頼性が向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
図１は本発明による半導体装置の一実施形態のパッケージ構造を示す断面図であって、９はエラストマ、１０はフィルム状の配線基板、１１は接着剤、１２はＣｕ（銅）リード、１３は封止樹脂であり、前出図面に対応する部分には同一符号をつけている。
【００１９】
同図において、ＬＳｉチップ１に軟質のエラストマ９が接合され、このエラストマ９に、例えば、ポリイミドフィルムからなる配線基板１０を接着剤１１で接合するとともに、この配線基板１０上に配線されたＣｕリード１２がＬＳＩチップ１に接続され、この配線基板１０にＢＧＡのハンダボール５が装填され、また、Ｃｕリード１２が露出した部分は樹脂１３で封止されている。
【００２０】
かかる構成のこの実施形態では、熱的、機械的負荷に対する信頼性を高めるために、エラストマ９を複数の層の積層構造としている。図２は三層構造とした場合のこのエラストマ９の一具体例を示す断面図であって、１４はコア層、１５，１６は外層である。
【００２１】
同図において、外層１５，１６はＬＳＩチップ１や配線基板２との接着性が良好な材料からなり、その材料としては、例えば、軟質のエポキシ系樹脂などである。また、コア層１４はエポキシ系樹脂などの外層１５，１６に対して耐熱性が高い（即ち、ガラス転移温度が高い）材料からなり、その材料としては、フッソ系樹脂，ポリイミド系樹脂，ＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）系樹脂などが用いられる。かかる構成のエラストマ９はフィルム状をなし、図１において、ＬＳＩチップ１に熱圧着される。
【００２２】
また、配線基板１０は回路が配線されてＣｕリード１２が設けられたポリイミドフィルムであって、さらに、その表面に接着剤１１が設けられており、このように構成されたフィルムがＴＡＢ（タブ：テーブ・オートメーティド・ボンディング）フィルムと呼ばれているこの実施形態では、ＬＳＩチップ１に熱圧着されたエラストマ９にかかるＴＡＢテープを熱圧着し、Ｃｕリード１２をＬＳＩチップ１の端子に接続するとともに、配線基板１０の回路端子にハンダボール５を設ける。これらハンダボール５は配線基板１０にＴＧＡ上に配列される。このようにして、この実施形態のＣＰＳ（チップ・サイズ・パッケージ）が形成されることになる。
【００２３】
かかる構成の実施形態において、エラストマ９は、ＬＳＩチップ１や配線基板１０と熱圧着されているので、これらとの接着性が優れ、機械的な負荷が掛っても、エラストマ９がＬＳＩチップ１や配線基板１０からはがれることがなく、機械的な負荷に対する信頼性が優れたものとなる。
【００２４】
また、ＬＳＩチップ１や配線基板１０が発熱すると、軟質のエポキシ系樹脂などからなるエラストマ９の外層１５，１６が延びようとするが、コア層１４が耐熱性に優れ、熱変形が小さいので、外層１５，１６の延びや変形を抑える作用をなす。このため、外層１５，１６とＬＳＩチップ１や配線基板１０との界面に生ずる熱応力のコア層１４と外層１５，１６との界面に分散し、外層１５，１６とＬＳＩチップ１や配線基板１０との界面に生ずる熱応力が緩衝されることになる。このために、この実施形態では、熱的負荷に対しても信頼性が向上する。
【００２５】
ここで、第１の実施例として、エラストマ９の外層１５，１６としてエポキシ系樹脂を用い、コア層１４としてフッソ系樹脂を用いた場合、このエポキシ系樹脂としては、弾性係数が−５５℃〜＋１５０℃の温度範囲で４．５〜０．０１ＧＰａを有するエポキシ系樹脂を用い、また、フッソ系樹脂としては、弾性係数が−５５℃〜＋１５０℃の温度範囲で０．９〜０．１５ＧＰａと極めて弾性係数が小さいフッソ系樹脂を用いた。
【００２６】
また、エラストマ９の厚さ構成としては、熱的，機械的負荷に対してエラストマ９が緩衝作用を充分に発揮するためには、コア層１４の厚さを少なくとも外層１５，１６の厚さ以上とする必要がある。この第１の実施例では、ＬＳＩチップ１側の外層１５をなす軟質エポキシ系樹脂の厚さを約１０μｍ、配線基板１０側の外層１６をなす軟質エポキシ系樹脂の厚さを約４０μｍとし、コア層１４をなすフッソ系樹脂の厚さを約１００μｍとし、エラストマ９全体の厚さがおよそ１５０μｍ程度とした。
【００２７】
このような構成のエラストマ９を用いた図１に示す構成の半導体装置について−５５℃〜＋１５０℃の温度範囲での上記の環境試験を行なったところ、熱的負荷に対して良好な信頼性が得られた。機械的負荷に対しても同様の試験結果が得られた。
【００２８】
また、以上のような構成の第１の実施例の場合、エラストマ９の厚さは約１５０μｍであり、ＴＡＢフィルムの厚さはほぼ６２μｍ（ポリイミドフィルムの配線基板１０の厚さがほぼ１２μｍ、接着剤１１の厚さがほぼ５０μｍ）であり、ＬＳＩチップ１の厚さを３００μｍとすると、この第１の実施例の場合、パッケージの厚さはほぼ５００μｍとなる。
【００２９】
これに対し、図４で示した従来のＣＰＳでは、アンダーフィル樹脂層７の厚さがほぼ７００μｍ、配線基板２の厚さが７００μｍであり、ＬＳＩチップ１の厚さを３００μｍとすると、パッケージの厚さはほぼ１７００μｍとなる。従って、上記の第１の実施例では、図４に示す従来の半導体装置よりもさらに薄型化が達成されたことになる。
【００３０】
第２の実施例として、エラストマ９のコア層１４にポリイミド系樹脂を用いることもできる。この場合、このポリイミド系樹脂の厚さは２５〜７５μｍであって、外層１５，１６の軟質エポキシ系樹脂の厚さは１０〜８０μｍが望ましい。
【００３１】
また、上記実施形態では、エラストマ９を１つのコア層１４を外層１５，１６で挾んだサンドイッチ状の三層構造としたが、コア層１４を異なる材料からなる２層以上の積層構造としてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、パッケージをチップサイズと小型化できる上に、応力緩衝機能が大きく、パッケージとしての耐温度サイクル性や耐熱衝撃性，機械的負荷などに対する信頼性が大幅に向上し、また、製造コストの低減を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体装置の一実施形態の構造を示す断面図である。
【図２】図１におけるエラストマの一具体例の構造を示す断面図である。
【図３】従来の半導体装置の一例の構造を示す断面図である。
【図４】従来の半導体装置の他の例の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１  ＬＳＩチップ
５  ハンダボール
９  エラストマ
１０  配線基板
１１  接着剤
１２  Ｃｕリード
１３  封止樹脂
１４  コア層
１５，１６  外層
【図１】
0003909181.tif 000002
【図２】
0003909181.tif 000003
【図３】
0003909181.tif 000004
【図４】
0003909181.tif 000005