(57)【要約】【課題】充填剤の充填不良を回避しつつ、短時間での半導体素子と基板との隙間への充填剤の充填が可能である半導体装置を提供する。【解決手段】半導体チップ１０と基板２０との間に配置したはんだボール１１・１１・・・により半導体チップ１０と基板２０とを接合するとともに、前記はんだボール１１・１１・・・により接合された半導体チップ１０と基板２０との間に形成される隙間にアンダーフィル剤３１を充填して半導体チップ１０と基板２０との接合を補強する半導体装置１であって、半導体チップ１０は、基板２０と対向する面（下面）を、アンダーフィル剤３１の充填側と反対側の隙間が該充填側の隙間より大きくなるように傾斜した面として構成され、半導体チップ１０における充填口２２側からの距離に応じてはんだボール１１・１１・・・の断面積を設定し、はんだボール１１・１１・・・を、充填口２２を中心として放射状に配置した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と基板との間に配置したバンプにより前記半導体素子と前記基板とを接合するとともに、前記バンプにより接合された半導体素子と基板との間に形成される隙間に充填剤を充填して前記半導体素子と前記基板との接合を補強する半導体装置であって、
前記充填剤は、前記半導体素子の一側から前記隙間に充填され、
前記半導体素子は、前記基板と対向する面が、前記充填剤の充填側と反対側の隙間が該充填側の隙間より大きくなるように傾斜した面として構成され、
前記基板は、前記半導体素子に対応した形状に形成され、かつ、該半導体素子が実装される掘り込み部と、前記掘り込み部に連接され前記充填剤を充填する充填口と、を具備するとともに、
前記バンプは、前記半導体素子における前記充填口側からの距離に応じて断面積の大きさが設定され、かつ、前記充填口を中心として放射状に配置する、ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体素子は、該半導体素子と前記基板との隙間内であって、前記充填口側端部に前記充填剤の流入方向を規制する壁状バンプを具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記掘り込み部は、前記充填口が配置される側と反対側の一部が、前記半導体素子よりも大きく構成される、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、より詳細には、半導体装置に具備される半導体素子と基板との接合技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＣチップ等の半導体素子を樹脂等で被覆するパッケージ方法として、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）が広く知られている。このＢＧＡは、平板状の直方体のパッケージの下面に外部入力／出力用の端子となる、略球形のはんだ等からなるバンプをアレイ状に配列する方法である。
このＢＧＡ型のパッケージを基板に実装して構成される半導体装置では、該パッケージと基板との隙間に熱硬化性樹脂等からなる充填剤（アンダーフィル剤）を充填し、所定の温度で所定の時間保持して、該充填剤を硬化させることによって、半導体素子と基板との接合部分を補強して、熱膨張による接合部分の破断等の劣化を防止している。
【０００３】
近年、以上のような半導体装置における半導体素子と基板との接合部分の補強は、図７に示すように、（１）基板１００の上面にＢＧＡパッケージ１１０を載置し、（２）ＢＧＡパッケージ１１０の下面に配置されるバンプであるはんだボール１２０・１２０・・・により基板１００とＢＧＡパッケージ１１０とを接合し、（３）ＢＧＡパッケージ１１０の側方より、ノズル１３０によってＢＧＡパッケージ１１０と基板１００との隙間にアンダーフィル剤１４０を塗布し、（４）アンダーフィル剤１４０を硬化してアンダーフィル層１５０を形成することによって行う方法が広く知られている。
【０００４】
しかし、ノズル１３０によって塗布されたアンダーフィル剤１４０は、ノズル１３０の吐出口より四方に広がるため、ＢＧＡパッケージ１１０と基板１２０との間にアンダーフィル剤１４０のデッドスペースができ易く、アンダーフィル層１５０の密度が低くなってしまい、ＢＧＡパッケージ１１０と基板１００との接合部分の補強が十分ではないという問題があった。
さらには、アンダーフィル剤１４０の充填不足、又はアンダーフィル剤１４０の毛細管現象による広がりに際する気泡（ボイド）の発生若しくは異物の混入などの充填不良により、硬化後のアンダーフィル層１５０における強度が不均一となり、ＢＧＡパッケージ１１０と基板１００との接合部分の補強が十分ではないという問題が起こる。
【０００５】
上記のような問題を解消する技術として、以下に示す特許文献１のような技術が開示されている。
特許文献１に開示された技術は、樹脂封止パッケージのボイドの発生を防止する技術であり、高低差を設けたキャビティの低位置側に樹脂充填口を設け、同じく高位置側に空気を排出する排出口を設ける構成である。これは、キャビティ内の空気が充填剤である樹脂よりも軽いことを利用して、充填される樹脂により空気を低位置側から高位置側の排出口へ押し出すことによって、充填剤が空気を巻き込むことを防止し、ボイドの発生を防止する技術である。
しかしながら、以上のような構成では、低位置側より重力に逆らうように樹脂を充填するため、樹脂封止までにかかる時間が増大し、短時間での充填が困難であるという点で不利がある。
【０００６】
また、上記のような問題を解消する技術として、以下に示す特許文献２のような技術が開示されている。
特許文献２に開示された技術は、基板に設けられる掘り込み部に突起部を設けて、該突起部に向けて充填剤を滴下する構成であり、ノズルの位置合わせ制御を容易なものとして充填剤による封止にかかる作業性を向上させる技術である。
しかしながら、半導体素子と基板との隙間は狭く、さらに、半導体素子と基板との隙間への充填は充填剤の毛細管現象による自然流入を活用しているため、短時間での充填が困難であるという点で不利がある。
【特許文献１】特開平７−１４９６号公報
【特許文献２】特開２００３−１０９９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上のような状況を鑑みてなされたものであり、充填剤の充填不良を回避しつつ、短時間での半導体素子と基板との隙間への充填剤の充填が可能であり、かつ、充填完了状態を容易に確認可能である半導体装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００９】
即ち、請求項１においては、半導体素子と基板との間に配置したバンプにより前記半導体素子と前記基板とを接合するとともに、前記バンプにより接合された半導体素子と基板との間に形成される隙間に充填剤を充填して前記半導体素子と前記基板との接合を補強する半導体装置であって、前記充填剤は、前記半導体素子の一側から前記隙間に充填され、前記半導体素子は、前記基板と対向する面が、前記充填剤の充填側と反対側の隙間が該充填側の隙間より大きくなるように傾斜した面として構成され、前記基板は、前記半導体素子に対応した形状に形成され、かつ、該半導体素子が実装される掘り込み部と、前記掘り込み部に連接され前記充填剤を充填する充填口と、を具備するとともに、前記バンプは、前記半導体素子における前記充填口側からの距離に応じて断面積の大きさが設定され、かつ、前記充填口を中心として放射状に配置するものである。
【００１０】
請求項２においては、前記半導体素子は、該半導体素子と前記基板との隙間内であって、前記充填口側端部に前記充填剤の流入方向を規制する壁状バンプを具備するものである。
【００１１】
請求項３においては、前記掘り込み部は、前記充填口が配置される側と反対側の一部が、前記半導体素子よりも大きく構成されるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１３】
請求項１の如く構成したので、充填剤を充填するに際し、半導体素子の下方から空気が抜け易くなるので、半導体素子下方におけるボイドの発生を防止できる。また、半導体素子下方において充填剤が拡散し易くなるので、短時間で充填できる。
【００１４】
請求項２の如く構成したので、半導体素子下方において、さらに充填剤が拡散し易くなるので、短時間で充填できる。また、半導体素子下方のデッドスペースが少なくなるので、半導体素子と基板との接合部分の補強を十分にできる。
【００１５】
請求項３の如く構成したので、充填剤の半導体素子からのはみ出しの有無を確認できるので、充填剤の充填完了を確認できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下では、図１〜図６を参照して、本発明に係る半導体装置の実施の一形態である半導体装置１について説明する。
なお、以下において、図１の矢印Ａの指す方向を前方向として前後方向を規定し、係る前後方向と水平方向に直交する方向を左右方向と規定し、係る前後方向と垂直方向に直交する方向を上下方向と規定する。
【００１７】
図１に示すように、半導体装置１は、半導体チップ１０、基板２０、アンダーフィル層３０等を具備し、半導体チップ１０を基板２０に実装して構成されている。
【００１８】
半導体チップ１０は、本発明に係る半導体素子の実施の一形態であり、板状の半導体素子を樹脂で被覆し、その下面に外部入力／出力用端子となる複数のパッドを配置する。
図２及び図３に示すように、本実施形態における半導体チップ１０は、ＢＧＡパッケージによって構成されており、前記各パッドにははんだ等にて構成されるはんだボール１１・１１・・・及び壁状はんだ１２・１２がバンプとして付設されている。また、半導体チップ１０は、平面視矩形状を有する。
【００１９】
基板２０は、本発明に係る基板の実施の一形態であり、ガラスエポキシ樹脂からなる板状の部材である。基板２０の表面（本実施形態において、厳密には掘り込み部２１の底面）には、実装する半導体チップ１０と通電可能な端子（ランド）を備えたプリント回路が形成される。
【００２０】
アンダーフィル層３０は、アンダーフィル剤３１を半導体チップ１０と基板２０との隙間（本実施形態において、厳密には半導体チップ１０と基板２０との隙間であって、はんだボール１１・１１・・・及び壁状はんだ１２・１２が配置された部分以外の部分に形成される空間）に充填し、アンダーフィル剤３１を硬化させることにより形成され、はんだボール１１・１１・・・及び壁状はんだ１２・１２による半導体チップ１０と基板２０との接合強度を補強するものである。
【００２１】
アンダーフィル剤３１は、本発明に係る充填剤の実施の一形態である。アンダーフィル剤３１は、主成分として、例えば、エポキシ樹脂等の、所定の温度に加熱すると硬化する熱硬化性樹脂を含む。硬化前のアンダーフィル剤３１は、一般的に液体状またはペースト状で流動性を有し、ディスペンサによりノズル等から吐出することにより所望の位置に充填すること、又は、ハケ、スキージ等を用いて所望の面に塗布することが可能であり、充填または塗布した後に加熱することで硬化させることができる。
【００２２】
以下では、図２及び図３を参照して、本実施形態に係る半導体チップ１０について詳細に説明する。
図２及び図３に示すように、半導体チップ１０は、はんだボール１１・１１・・・、壁状はんだ１２・１２等を具備する。本実施形態において、半導体チップ１０は、平面視矩形状を有するとともに、側面視台形状を有する。
より詳細には、図２に示すように、はんだボール１１・１１・・・にて接合される半導体チップ１０と基板２０との間には隙間が形成されており、半導体チップ１０の一側（前側）には、半導体チップ１０と基板２０との前記隙間にアンダーフィル剤３１を充填するための充填口２２が配置されている。
半導体チップ１０は、前記充填口２２側（前側）の上下方向の厚みが、充填口２２と反対側（後側）の上下方向の厚みより厚く構成された側面視台形状に形成されている。つまり、半導体チップ１０は、基板２０と対向する面（下面）を、充填口２２側と反対側の隙間が該充填口２２側の隙間より大きくなるように傾斜した面として構成している。このような形状の半導体チップ１０は、具体的には、例えば平板状の半導体チップの前側の電極の厚みを後ろ側の電極の厚みよりも厚く形成するなど、半導体チップ１０の上下方向の厚みを前部（アンダーフィル剤３１供給側）と後部（反アンダーフィル剤３１供給側）とで変更すること等によって得られる。
【００２３】
はんだボール１１・１１・・・は、本発明に係るバンプの実施の一形態であり、略球形状に形成されるはんだである。はんだボール１１・１１・・・は、半導体チップ１０の下面であって、半導体チップ１０と基板２０との隙間に配置される。
はんだボール１１・１１・・・は、半導体チップ１０の下面に配置される前記複数のパッドにそれぞれ溶着したバンプとして構成されており、はんだボール１１・１１・・・の形成面を基板２０に対向させた姿勢の半導体チップ１０を基板２０に載置し、半導体チップ１０を載置した基板２０を加熱してはんだボール１１・１１・・・を溶融させて、はんだボール１１・１１・・・を基板２０のプリント回路における端子に溶着することにより、半導体チップ１０を基板２０に接合する。
このように、はんだボール１１・１１・・・は、それぞれ半導体チップ１０と基板２０とを機械的に接合する機能に加えて、両者間の電気的な導通経路としての機能を有する。そのため、はんだボール１１・１１・・・は隣り合うはんだボール１１・１１・・・との間で短絡が起きることがないように互いに所定の間隔を置いて配置される。
より詳細には、図３に示すように、はんだボール１１・１１・・・は、半導体チップ１０と基板２０との隙間にアンダーフィル剤３１を充填する充填口２２の中心部を中心として、放射状に配置されている。また、前述のように、半導体チップ１０の下面には傾斜が設けられ、半導体チップ１０と基板２０との間隔は充填口２２側からの距離が遠くなるに従って大きくなっている。
このため、図２に示すように、半導体チップ１０の下面と基板２０との接合に支障をきたさないように、はんだボール１１・１１・・・の径が設定されている。つまり、充填口２２側からの距離に応じてはんだボール１１・１１・・・の断面積が設定されている。本実施形態では、充填口２２側からの距離が大きくなる位置に配置されているはんだボール１１・１１・・・の断面積ほど、大きくなるように構成されている。
なお、本実施形態では、図２に示すように、放射状に配置されたはんだボール１１・１１・・・は充填口２２の中心部からの半径方向に対して一直線上に配置されていないが、はんだボール１１・１１・・・を、前記半径方向に対して一直線上に配置しても良い。
【００２４】
壁状はんだ１２・１２は、本発明に係る壁状バンプの実施の一形態であり、半導体チップ１０と基板２０との隙間の充填口２２近傍に上下方向全域に亘って配置され、アンダーフィル剤３１の流入方向を規制する部材である。
図３に示すように、壁状はんだ１２・１２は、平面視直角三角形状を有し、平面視矩形状を有する半導体チップ１０の下面における前端部の二つの角にそれぞれの直角部分が一致し、かつ、前端側の面が充填口２２にかからないように、充填口２２に近づけて配置されているバンプである。このように、壁状はんだ１２・１２を用いて半導体チップ１０の前端角部を塞ぐことによって、充填口２２から半導体チップ１０と基板２０（本実施形態において、厳密には掘り込み部２１）との隙間に充填されるアンダーフィル剤３１の流入方向を規制して充填速度を速めるとともに、アンダーフィル剤３１の充填不足を予め回避している。
また、壁状はんだ１２・１２は、はんだボール１１・１１・・・と同様に半導体チップ１０と基板２０とを機械的に接合する機能を有する。また、壁状はんだ１２・１２は、半導体チップ１０のプリントパターンと基板２０のプリント回路とを電気的に接続するなど、半導体チップ１０内の回路と基板２０内の回路とを電気的に接続する機能を具備させることもできる。
【００２５】
以下では、図２及び図３を参照して、本実施形態に係る基板２０について詳細に説明する。
図２及び図３に示すように、基板２０は、掘り込み部２１、充填口２２等を具備する。
【００２６】
掘り込み部２１は、本発明に係る掘り込み部の実施の一形態である。図３に示すように、掘り込み部２１は、平面視において半導体チップ１０に対応した形状を有する部材であり、その内部に半導体チップ１０を実装する部材である。つまり、本実施形態では、掘り込み部２１は平面視矩形状を有する。
また、図３に示すように、掘り込み部２１は、前後方向における充填口２２と反対側の部分が半導体チップ１０の寸法より大きく形成されている。言い換えれば、平面視において掘り込み部２１が半導体チップ１０よりも後方側に延設されており、掘り込み部２１と半導体チップ１０後部との間に所定の空間が設けられている。
これにより、アンダーフィル剤３１を充填する際に、平面視においてこの空間に十分なアンダーフィル剤３１がはみ出しているか否か、又はアンダーフィル剤３１が掘り込み部２１全域を埋めたか否かを確認することによって、充填完了を確認することが可能となる。
【００２７】
充填口２２は、本発明に係る充填口の実施の一形態であり、掘り込み部２１の一側に連設され、半導体チップ１０と基板２０との隙間にアンダーフィル剤３１を充填する際の充填口となるものである。
図２及び図３に示すように、充填口２２は上方に向けて開口しており、半導体チップ１０と基板２０との隙間にアンダーフィル剤３１を充填するノズル３２の吐出口に対応した形状を有する。本実施形態では、円形状の吐出口を有するノズル３２を使用するため、充填口２２は平面視略円形状に構成されている。
【００２８】
以下では、図４〜図６を参照して、基板２０に半導体チップ１０を実装し、ノズル３２によってアンダーフィル剤３１を充填する際の、アンダーフィル剤３１の広がり及び充填完了の確認について説明する。
【００２９】
半導体チップ１０を基板２０（厳密には掘り込み部２１）に実装し、半導体チップ１０と基板２０とをはんだボール１１・１１・・・及び壁状はんだ１２・１２によって接合する実装工程の後、図４及び図５に示すように、ノズル３２によってアンダーフィル剤３１が充填口２２から充填される充填工程が開始される。
充填されるアンダーフィル剤３１は、左右に配置された壁状はんだ１２・１２に沿って、半導体チップ１０と基板２０との隙間に流入する。このとき、はんだボール１１・１１・・・は、充填口２２の中心部を中心として放射状に配置されているため、アンダーフィル剤３１は大きな抵抗を受けることなく、かつ十分に拡散しながら半導体チップ１０と基板２０との隙間（本実施形態では、厳密には半導体チップ１０と基板２０との隙間であって、はんだボール１１・１１・・・及び壁状はんだ１２・１２が配置された部分以外の部分に形成される空間）に流入していく。
この充填と同時に、半導体チップ１０と基板２０との隙間内に存在していた空気は、アンダーフィル剤３１によって充填口２２と反対側へ押し出される。このとき、半導体チップ１０と基板２０との隙間は、充填方向下流側（後方）にいくほど広くなっているため、前記空気は半導体チップ１０と基板２０との隙間から良好に抜けていく。
【００３０】
以上のようにアンダーフィル剤３１の充填が進められる。そして、図６に示すように、半導体チップ１０の後方の辺の全域に亘ってアンダーフィル剤３１が十分にはみ出したこと、又はアンダーフィル剤３１が掘り込み部２１全域を埋めたことを確認すると、充填完了とし、アンダーフィル剤３１の充填工程を終了する。
この後、アンダーフィル剤３１を硬化する硬化工程等に移行する。
【００３１】
以上のように、本発明の半導体装置の実施の一形態に係る半導体装置１は、半導体チップ１０と基板２０との間に配置したはんだボール１１・１１・・・により半導体チップ１０と基板２０とを接合するとともに、前記はんだボール１１・１１・・・により接合された半導体チップ１０と基板２０との間に形成される隙間にアンダーフィル剤３１を充填して半導体チップ１０と基板２０との接合を補強する半導体装置１であって、アンダーフィル剤３１は、半導体チップ１０の一側から前記隙間に充填され、半導体チップ１０は、基板２０と対向する面（下面）を、アンダーフィル剤３１の充填側の隙間が小さく、かつ、該充填側と反対側の隙間が大きくなるように傾斜した面として構成され、この傾斜した面と基板２０との間隔に応じて、つまり半導体チップ１０における充填口２２側からの距離に応じてはんだボール１１・１１・・・の断面積を設定したので、半導体チップ１０と基板２０との隙間にアンダーフィル剤３１を充填するに際し、アンダーフィル剤３１により押し出される空気が半導体チップ１０下方から抜け易くなることによって、半導体チップ１０下方においてアンダーフィル層３０内の気泡（ボイド）の発生を防止できる。さらに、はんだボール１１・１１・・・を、充填口２２を中心として放射状に配置したので、半導体チップ１０下部において充填剤の受ける抵抗が少なくなり、かつ拡散し易くなり、短時間で充填できる。
【００３２】
さらに、本実施形態に係る半導体チップ１０は、半導体チップ１０と基板２０との隙間内であって、充填口２２側に、アンダーフィル剤３１の流入方向を規制する壁状はんだ１２・１２を具備するので、半導体チップ１０下方において、さらに充填剤が拡散し易くなり、短時間で充填できるとともに、半導体チップ１０下方のデッドスペースを予め埋めておくことによって、充填時間を短縮でき、アンダーフィル剤３１の充填不足を回避することができ、半導体チップ１０と基板２０との接合部分の補強を十分にできる。
【００３３】
さらに、本実施形態に係る掘り込み部２１は、平面視において充填口２２が配置される側と反対側（後側）が、半導体チップ１０よりも大きく構成されるので、アンダーフィル剤３１を充填するに際し、平面視において半導体チップ１０の充填口２２と反対側（後側）の辺全域よりアンダーフィル剤３１が十分にはみ出したこと、又はアンダーフィル剤３１が掘り込み部２１全域を埋めたことを確認することによって、充填完了の確認とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る半導体装置の実施の一形態を示す平面図。
【図２】本発明に係る半導体装置の実施の一形態を示す拡大側面断面図。
【図３】本発明に係る半導体装置の実施の一形態を示す図２のＢ−Ｂ’線矢視断面図。
【図４】本発明に係る充填剤の充填工程を示す図２のＢ−Ｂ’線矢視断面図。
【図５】本発明に係る充填剤の充填工程を示す概略平面図。
【図６】本発明に係る充填剤の充填工程の終了を示す概略平面図。
【図７】従来の半導体装置における充填剤の充填工程を示す概略側面図。
【符号の説明】
【００３５】
１      半導体装置
１０    半導体チップ（半導体素子）
１１    はんだボール（バンプ）
１２    壁状はんだ（壁状バンプ）
２０    基板
２１    掘り込み部
２２    充填口
３１    アンダーフィル剤（充填剤）
３２    ノズル
【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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