(57)【要約】【課題】半導体素子と回路基板の熱膨張量の差があっても、従来よりも電気特性の高信頼性を期待できる半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】突起電極１０３を有する半導体素子１０１が、突起電極１０６を有する回路基板１０４の上に配置され、半導体素子１０１と回路基板１０４がスペーサ１０９を介してと当接して間隔が決定され、互いに向き合う突起電極１０３，１０６の間に隙間が形成され、この隙間に導電性弾性体１０８が介装されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板に半導体素子をフリップチップ実装した半導体装置であって、
前記半導体素子に前記回路基板に向かって突出した第１の突起電極を設け、
前記回路基板に前記半導体素子に向かって突出した第２の突起電極を設け、
第１の突起電極と第２の突起電極の間に導電性弾性体を介装するとともに、
前記半導体素子と前記回路基板の間で第１の突起電極と第２の突起電極が設けられていない場所に、前記半導体素子と前記回路基板の間隔を規定するスペーサを設けた
半導体装置。
【請求項２】
前記導電性弾性体の弾性率が、前記第１，第２の突起電極の弾性率より低いことを特徴とする
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記導電性弾性体が熱可塑性樹脂を含む導電性接着剤である
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体素子と前記回路基板の間の隙間に、アンダーフィル樹脂が充填されており、前記導電性弾性体の軟化温度が前記アンダーフィル樹脂の硬化温度より高い
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記突起電極の先端部に凹凸形状を有することを特徴とする
請求項１〜請求項４の何れかに記載の半導体装置。
【請求項６】
回路基板に半導体素子をフリップチップ実装した半導体装置であって、
前記半導体素子と前記回路基板の少なくとも一方に他方に向かって突出した突起電極を設け、
前記突起電極の先端と前記半導体素子の電極または前記回路基板の電極の間に導電性弾性体を介装するとともに、
前記半導体素子と前記回路基板の間で突起電極が設けられていない場所に、前記半導体素子と前記回路基板の間隔を規定するスペーサを設けた
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にフリップチップ実装技術を用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、特に、携帯電話装置などの携帯通信機器などの情報通信の分野においては、通信情報量の増大により、電子機器の処理速度の高速化と共に上記電子機器の高周波動作が要求されている。
【０００３】
そのため、これらの機器に用いられる半導体素子そのものを、安定して高速動作および高周波動作させる必要がある。この一つの解法として、半導体素子の電極面を回路基板側にフェースダウンさせ、金属突起を介して半導体素子と回路基板とを電気的に接続させるフリップチップ実装技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図５（ａ）（ｂ）はフリップチップ実装技術を用いた従来の半導体装置を示す。
半導体素子１０１の素子形成面上に、電極１０２ａが形成され、この電極１０２ａの上に突起電極１０３が形成されている。一方、回路基板１０４の主面上には、配線パターン（図示せず）および電極１０５ａが形成され、この電極１０５ａの上に突起電極１０６が形成されている。
【０００５】
半導体素子１０１の素子形成面をフェースダウンさせて、超音波熱圧着接合機などを用いてフリップチップ実装を行い、突起電極１０３と突起電極１０６とを金属接合させることによって、半導体素子１０１と回路基板１０４とが電気的に接続されている。半導体素子１０１と回路基板１０４との隙間にはアンダーフィル樹脂１０７が充填されている。
【０００６】
この従来の半導体装置は、次のようにして製造できる。
まず、通常の半導体プロセスにおいて、所望の素子、配線および絶縁膜等を形成した半導体素子１０１を多数個形成した半導体ウエハを作製する。
【０００７】
次に、この半導体ウエハにおいて、半導体素子１０１の素子形成面上のアルミ電極端子にプローブを接触させ、電気的特性の検査を行い、半導体素子１０１の良否を判定した上で、各半導体素子１０１のアルミの電極１０２ａの上に突起電極１０３を形成し、この半導体ウエハを切断して、個々の半導体素子１０１に加工する。
【０００８】
一方、予め、絶縁物からなる回路基板１０４の主面上に、所望の配線パターンや電極端子１０５等を導電性金属材料を用いて形成した上で、電極１０５の上に突起電極１０６を形成しておく。
【０００９】
次に、フェースダウンにより電気的接続が行えるように、半導体素子１０１を回路基板１０４上に配置する。
この状態で超音波振動あるいは熱圧着などのエネルギを印加することによって、突起電極１０３と突起電極１０６とを金属接合させる。そして、半導体素子１０１と回路基板１０４との隙間に、アンダーフィル樹脂１０７を半導体素子１０１の端辺から毛細管現象を利用して注入し、このアンダーフィル樹脂１０７を加熱処理によって硬化させる。
【特許文献１】特開２００５−３１１０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このような従来の半導体装置では、回路基板１０４が加熱冷却による反りやうねり、ねじれを有する場合に、半導体素子１０１と回路基板１０４との接続に問題が生じる。特に、半導体素子と回路基板との間隙距離が狭くなると電気的性能が低下する半導体素子を用いた半導体装置の場合は、前記半導体素子と回路基板との間隙距離を広くする必要があるため、前記問題が顕著に発生し得るという問題を有している。
【００１１】
図６は、反りを有する回路基板１０４に半導体素子１０１を接続した半導体装置を示す。
このように回路基板１０４が半導体素子１０１を実装する面に凸状に反りを有している場合、製造後の室温冷却時における半導体素子１０１の端部と回路基板１０４との距離Ｌ２は、その中央部の距離Ｌ１に比べ回路基板１０４との距離が離れている。
【００１２】
この距離の差（Ｌ１−Ｌ２）は、半導体素子１０１と回路基板１０４との熱膨張量の差に依存しているため、熱膨張の差が大きいほど距離の差（Ｌ１−Ｌ２）は広くなる。
したがって、半導体装置の製造工程における加熱プロセス温度が高いほど、半導体素子１０１の端部に形成された電極端子１０２と突起電極１０３、および回路基板１０４の端部に形成された電極端子１０５と突起電極１０６との接続部に作用する応力は増大し、製造プロセス中あるいは接続信頼性の評価中において、前記接続部に界面剥離やクラックが発生しやすくなる。
【００１３】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、半導体素子１０１と回路基板１０４の熱膨張量の差があっても、従来よりも電気特性の高信頼性を期待できる半導体装置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】
【００１４】
本発明の請求項１記載の半導体装置は、回路基板に半導体素子をフリップチップ実装した半導体装置であって、前記半導体素子に前記回路基板に向かって突出した第１の突起電極を設け、前記回路基板に前記半導体素子に向かって突出した第２の突起電極を設け、第１の突起電極と第２の突起電極の間に導電性弾性体を介装するとともに、前記半導体素子と前記回路基板の間で第１の突起電極と第２の突起電極が設けられていない場所に、前記半導体素子と前記回路基板の間隔を規定するスペーサを設けたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項２記載の半導体装置は、請求項１において、前記導電性弾性体の弾性率が、前記第１，第２の突起電極の弾性率より低いことを特徴とする。
本発明の請求項３記載の半導体装置は、請求項１または請求項２において、前記導電性弾性体が熱可塑性樹脂を含む導電性接着剤であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項４記載の半導体装置は、請求項１または請求項２において、前記半導体素子と前記回路基板の間の隙間に、アンダーフィル樹脂が充填されており、前記導電性弾性体の軟化温度が前記アンダーフィル樹脂の硬化温度より高いことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項５記載の半導体装置は、請求項１〜請求項４の何れかにおいて、前記突起電極の先端部に凹凸形状を有することを特徴とする。
本発明の請求項６記載の半導体装置は、回路基板に半導体素子をフリップチップ実装した半導体装置であって、前記半導体素子と前記回路基板の少なくとも一方に他方に向かって突出した突起電極を設け、前記突起電極の先端と前記半導体素子の電極または前記回路基板の電極の間に導電性弾性体を介装するとともに、前記半導体素子と前記回路基板の間で突起電極が設けられていない場所に、前記半導体素子と前記回路基板の間隔を規定するスペーサを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
この構成によると、半導体素子の電極上に形成された突起電極と、回路基板の電極上に形成された突起電極との間に応力緩和可能な導電性弾性体が介在していることから、従来よりも、半導体素子と回路基板との電気的接続の信頼性に優れており、半導体素子の電気的性能との両立を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図３は本発明の実施の形態１を示す。
【００２０】
図１（ａ）（ｂ）に示すように導電性弾性体としての導電性接着剤１０８が設けられている点と、半導体素子１０１と回路基板１０４の間隔を規定するスペーサとしての突起物１０９と電極１０２ｂ，１０５ｂが設けられている点が、従来例を示す図５（ａ）（ｂ）とは異なっている。
【００２１】
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）はその製造工程を示している。図２（ｃ）は図１（ｂ）と同じである。
図２（ａ）に示すように、半導体素子１０１の素子形成面上の電極１０２には、回路基板１０４に向かって突起電極１０３が形成されている。回路基板１０４の主面上の電極１０５には半導体素子１０１に向かって突起電極１０６が形成されている。
【００２２】
また、半導体素子１０１の電極１０２は、図１（ａ）に示すように環状に複数が形成されており、その内側には電極１０２ｂが形成されている。回路基板１０４の電極１０５も同様に環状に複数が形成されており、その内側には電極１０５ｂが形成されている。
【００２３】
半導体素子１０１は、通常の半導体プロセスにおいて、所望の素子、配線、絶縁膜等を形成した半導体素子を多数個形成した半導体ウエハ（図示せず）を、個々の半導体素子１０１に切断して加工される。
【００２４】
回路基板１０４としては、通常、樹脂、セラミックス、ガラスなどの絶縁物が使用できる。この回路基板１０４の上に、所望の配線パターンおよび電極端子１０５ａなどを形成する。
【００２５】
電極１０２ａ，１０２ｂ，１０５ａ，１０５ｂとしては、通常、Ａｕ、Ｃｕ等の導電性金属材料が使用でき、その形成方法としては、例えば、前記導電性金属箔のエッチング、めっき、導体厚膜印刷などの方法が採用できる。
【００２６】
電極１０２ａの上に形成された突起電極１０３ならびに電極１０５ａの上に形成された突起電極１０６としては、例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｇＰｄ、ＡｇＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉ等の導電性金属材料等が使用でき、その形成方法としては、例えば、ワイヤーボンディング法、めっき法、光造形法による形成方法などが採用できる。前記ワイヤーボンディング法を採用する場合、前記導電性金属材料の種類は、ボールボンドできる金属ワイヤーであれば、特に制限されないが、例えば、金属表面が酸化されにくい材料が好ましく、特に好ましくは、Ａｕである。また、前記めっき法による形成方法の場合も同様である。
【００２７】
また、突起電極１０３，１０６の先端には、それぞれ突部１２０が加圧によって形成されている。突部１２０とその周辺の表面に凹凸を形成して粗面化することによって、導電性接着剤１０８が付着し易く、また、付着した導電性接着剤１０８の流れ、広がりを防止できて良い。
【００２８】
さらに、回路基板４の電極１０５ａの上には、半導体素子１０１に向かって突起物１０９が形成されている。突起物１０９の構成材料としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｇＰｄ、ＡｇＰｔ、Ｐｄ、Ｎｉ等の導電性金属材料等が使用できる他に、絶縁樹脂材料も使用でき、例えば、ラジカル系、カチオン系、アニオン系、フェノール系または酸無水物系のエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、アクリル樹脂、フェノキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂およびポリイミド樹脂などが使用できる。その形成方法としては、突起電極１０３，１０６の場合と同じように、導電性金属材料の場合、例えば、ワイヤーボンディング法、めっき法、光造形法による形成方法などが採用でき、絶縁樹脂材料の場合は、ディスペンス法などによって行うことができる。
【００２９】
突起物１０９を形成する更に具体的な例は、回路基板１０４の電極１０５ａ，１０５ｂの上に突起電極１０６を形成し、これらの突起電極１０６を加圧によって所望の形状にレべリング加工した後、電極１０５ｂの上の突起電極１０６だけにさらにもう１段突起電極を形成する。
【００３０】
図３は突起電極１０３，１０６と突起物１０９の寸法関係を示している。
半導体素子１０１に形成された電極１０２ａと突起電極１０３の高さをＨ１，回路基板１０４に形成された電極１０５ａと突起電極１０６の高さをＨ２とし、半導体素子１０１に形成された電極１０２ｂと回路基板１０４に形成された電極１０５ｂと突起物１０９の高さをＨ３とした場合、
（  Ｈ１  ＋  Ｈ２  ）  ＜    Ｈ３
に設定されている。
【００３１】
このように形成された半導体素子１０１と回路基板１０４のうちの、半導体素子１０１の側の突起電極１０３に熱可塑性樹脂を含む導電性接着剤１０８を塗布する。導電性接着剤１０８の塗布方法としては、例えば、予め均一な膜厚を形成した液状の導電性接着剤１０８に、突起電極１０３の先端部を浸した後、突起電極１０３を引き上げることにより塗布する転写方法などが採用できる。塗布した導電性接着剤１０８の突起電極１０３の先端部からの厚みは、突起電極形状により異なるが、通常、３〜１５μｍである。
【００３２】
この導電性接着剤１０８としては、導電性および熱硬化性を有し、かつ、硬化した状態における弾性率が、突起電極１０３，１０６の弾性率より低ければ特に制限されないが、通常、導電性金属材料の粒子を含有する樹脂などが使用できる。前記導電性金属材料としては、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、ＡｇＰｔ、Ｐｄ等が使用でき、前記樹脂としては、ラジカル系、カチオン系、アニオン系、フェノール系または酸無水物系のエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、アクリル樹脂、フェノキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂およびポリイミド樹脂などが使用できる。
【００３３】
なお、前記各種樹脂は、いずれか１種類とは限らず、２種類以上を併用してもよい。また、これらの樹脂からなる粒子の表面を前記導電性金属材料で被覆したものを、前記導電性金属材料の粒子として使用することもできる。
【００３４】
次に、図２（ｂ）に示すように、半導体素子１０１をフェースダウンにより回路基板１０４上に配置する。これによって、回路基板１０４の側の突起物１０９の先端が半導体素子１０１の電極１０２ｂに当接して、回路基板１０４と半導体素子１０１の隙間が、前記の高さＨ３となって、突起電極１０３と突起電極１０６とが、導電性接着剤１０８を介して当接し電気的接続が行える。このように、前記フェースダウン後の、導電性接着剤１０８の層厚みを突起物１０９の高さによって所望の設計値の通りに形成することができるため、信頼性の高い電気的接続が可能となる。Ｈ３は、通常、５〜２００μｍの範囲であり、より好ましくは、５０〜１３０μｍの範囲である。
【００３５】
次に、導電性接着剤１０８を硬化させ、半導体素子１０１と回路基板１０４との接続を固定する。前記硬化の方法としては、例えば、半導体素子１０１の素子形成面の裏から加圧加熱ヘッドにより圧力を加え、同時に前記加圧加熱ヘッドにより加熱する方法がある。
【００３６】
この処理条件は、導電性接着剤１０８の種類やバンプ形状などにより適宜決定されるが、通常、圧力：１〜１００ｇ／Ｂｕｍｐ、温度：５０〜３００℃、時間：１〜６００秒である。なお、前記加熱加圧ヘッドを用いた方法の他にも、例えば、半導体素子１０１を回路基板１０４の上に配置した後、乾燥機、リフロー炉等を用いて加熱硬化する方法等も採用できる。
【００３７】
最後に、回路基板１０４と半導体素子１０１との間隙部に、例えば、ディスペンス法などによって、図２（ｃ）に示すように未硬化のアンダーフィル樹脂１０７を注入し、熱硬化させる。
【００３８】
アンダーフィル樹脂１０７の硬化収縮により、半導体素子１０１と回路基板１０４とが強力にひきつけられ、全体が接着固定される。このため、半導体素子１０１と回路基板１０４との接続の機械的強度が向上する。
【００３９】
アンダーフィル樹脂１０７としては、例えば、ラジカル系、カチオン系、アニオン系、フェノール系または酸無水物系のエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、アクリル樹脂、フェノキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂およびポリイミド樹脂などが使用できる。なお、前記各種樹脂は、いずれか１種類とは限らず、２種類以上を併用してもよい。
【００４０】
前記注入の方法としては、通常、アンダーフィル樹脂１０７を、ディスペンス法などにより半導体素子１０１と回路基板１０４との間に塗布し、これを毛細管現象によって前記間隙部に充填させる方法が挙げられる。
【００４１】
また、前記硬化処理は、例えば、オーブン、リフロー炉、ホットプレート等を用いて熱処理する方法が挙げられ、その処理条件は、アンダーフィル樹脂１０７および導電性接着剤１０８の種類などにより適宜決定されるが、通常、温度５０〜３００℃、時間１〜３００分である。導電性接着剤１０８の軟化温度がアンダーフィル樹脂１０７の硬化温度より高い。
【００４２】
本実施形態において、導電性接着剤１０８の種類、塗布量、硬化条件などを最適化することにより、半導体素子１０１と回路基板１０４との接着強度を自由に設定でき、アンダーフィル樹脂１０７を充填し、硬化完了するまでに必要な接続強度を保つことができる。
【００４３】
このため、例えば、アンダーフィル樹脂１０７を硬化するための加熱による回路基板１０４の反りやうねり、ねじれ、アンダーフィル樹脂１０７の硬化収縮による突起電極１０３と突起電極１０６との接続部への負担が生じることを防ぐことができる。また、アンダーフィル樹脂１０７を充填する前の電気検査に耐えうる接続強度を確保することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
実施の形態１では、突起電極１０３と突起電極１０６を導電性接着剤１０８を介して電気接続したが、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように半導体素子１０１の側の突起電極１０３を実施の形態１の突起電極１０３よりも長くして、回路基板１０４の側の突起電極１０６を無くし、突起電極１０３と電極１０５ａとを導電性接着剤１０８を介して電気接続している。
【００４５】
また、この実施の形態２では突起電極１０３よりも長くして、回路基板１０４の側の突起電極１０６を無くした場合を図示して説明したが、回路基板１０４の側の突起電極１０６を実施の形態１の突起電極１０６よりも長くして、半導体素子１０１の側の突起電極１０３を無くし、突起電極１０６と電極１０２ａとを導電性接着剤１０８を介して電気接続しても同様に実施することができ、半導体素子１０１と回路基板１０４の少なくとも一方に他方に向かって突出した突起電極１０３または突起電極１０６を設け、突起電極１０３または突起電極１０６の先端と半導体素子１０１の電極１０２ａまたは回路基板１０４の電極１０５ａの間に導電性弾性体１０８を介装することによって実現できると言える。
【００４６】
上記の各実施の形態では、半導体素子１０１の側に導電性接着剤１０８を塗布し、回路基板４の側には導電性接着剤１０８を塗布しなかったが、回路基板４の側に導電性接着剤１０８を塗布し、半導体素子１０１の側には導電性接着剤１０８を塗布しなかったり、回路基板４の側と半導体素子１０１の側の両方に導電性接着剤１０８を塗布して実施することもできる。
【００４７】
上記の各実施の形態において、半導体素子１０１と回路基板１０４の間隔を規定するスペーサを、突起物１０９と電極１０２ｂおよび電極１０５ｂによって構成したが、半導体素子１０１と回路基板１０４の間隔を規定するスペーサは、電極１０２ｂ，１０５ｂが設けられていない場合でも構成できる。
【００４８】
上記の各実施の形態では、半導体素子１０１と回路基板１０４の間隔を規定するスペーサを、環状に形成された電極１０２ａ，１０５ａの内側に設けたが、環状に形成された電極１０２ａ，１０５ａの外側でも良く、スペーサを設ける場所は、半導体素子１０１と回路基板１０４の間で突起電極１０３または突起電極１０６が設けられていない場所であればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、フリップチップ実装分野の中でも、特に高周波動作を行う半導体素子のパッケージング技術分野に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の平面図とＩ−Ｉ線に沿う断面図
【図２】同実施の形態における半導体装置の製造工程図
【図３】同実施の形態における半導体装置の要部の拡大断面図
【図４】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造工程図
【図５】従来の半導体装置の半導体装置の平面図とＩ−Ｉ線に沿う断面図
【図６】同従来例において生じる現象の説明図
【符号の説明】
【００５１】
１０１    半導体素子
１０２ａ，１０２ｂ    半導体素子の電極
１０３    半導体素子の突起電極
１０４    回路基板
１０５ａ，１０５ｂ    回路基板の電極
１０６    回路基板の突起電極
１０７    アンダーフィル樹脂
１０８    導電性接着剤（導電性弾性体）
１０９    突起物
１２０    突部
【図１】
2009130222.tif 000003
【図２】
2009130222.tif 000004
【図３】
2009130222.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009130222.tif 000007
【図６】
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