JP2005064467A - インターポーザ及びこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱歪による半導体素子の内部の層間絶縁膜や配線層等の損傷を抑制し、半導体装置の信頼性の向上に寄与することができる「インターポーザ及びこれを用いた半導体装置」を提供すること。
【解決手段】 インターポーザ５５は、弾性を有する板状絶縁体５６と、その厚さ方向に貫通して埋め込まれた複数の導体５７と、板状絶縁体５６の、半導体素子５１を搭載する側の面に設けられたシート状部材７０とを有している。このシート状部材７０は、搭載する半導体素子５１と同程度の熱膨張係数を有している。さらに、板状絶縁体５６の、半導体素子５１を搭載する側と反対側の面に、インターポーザ５５が実装される半導体パッケージ６０と同程度の熱膨張係数を有するシート状部材を設けてもよい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体素子（チップ）とこれを搭載するパッケージ（以下、便宜上、「半導体パッケージ」という。）との間を電気的に接続するインターポーザ及びこれを用いた半導体装置に関する。

情報社会の発達に伴い、半導体装置には処理速度の高速化が要求されている。このような要求に応ずるために、半導体装置内の配線の長さが短く済み、インダクタンス成分が小さくなるフリップチップ型の半導体装置が開発されている。

フリップチップ型の半導体装置は、図１にその一例を示すように、半導体素子１と、配線基板の形態をした半導体パッケージ１０と、半導体パッケージ１０の半導体素子が搭載された面の対応するパッドに、半導体素子１の電極を電気的に接続するはんだ等の金属バンプ２（以下、便宜上「内部接続端子」ともいう。）と、半導体素子１と半導体パッケージ１０との間の空隙を充填するアンダーフィル樹脂８と、半導体パッケージ１０の半導体素子１が搭載された側と反対側の面に設けられて、本装置３０をマザーボード等の実装基板に電気的に接続するはんだバンプ等の外部接続端子１１とを備えている。

図１に示すような半導体装置３０では、その内部に温度変化が生じた場合に、半導体素子１と半導体パッケージ１０との熱膨張係数が異なることにより、半導体素子１及び半導体パッケージ１０はそれぞれ面内方向に異なる度合いで膨張又は収縮し、半導体素子１と半導体パッケージ１０との間に熱歪が生じ、半導体素子１の電極及び半導体パッケージ１０のパッドの位置が相対的に変わる。この際、これらの両方に固着されている内部接続端子２に変形が生じたり、また場合によっては亀裂が生じ、そのために半導体装置３０の信頼性が低下するといった問題があった。

かかる問題に対処するために、他の従来例として図２（ａ）に示すような半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

この半導体装置４０では、弾性シート６の半導体素子１の電極に対応する位置に、導体柱７が貫通して埋め込まれたインターポーザ５を、半導体素子１と半導体パッケージ１０との間に介在させて、導体柱７の両端に接続された内部接続端子２及び３を介して半導体素子１の電極を半導体パッケージ１０のパッドに電気的に接続している。

図２（ａ）に示すような半導体装置４０では、温度変化が生じると、図１に示した半導体装置と同様に、半導体素子１と半導体パッケージ１０との間に熱歪が生じるが、この熱歪による変位をインターポーザ５が伸縮することにより吸収するので、内部接続端子２に変形や亀裂が生じにくくなる。しかしながら、この場合には、内部接続端子２は変形せずに導体柱７と一体化し、内部接続端子２が固着されている半導体素子１の電極と内部接続端子２との接合部近傍（以下、便宜上「内部接続端子２の基部」という。）を支点として動くために、内部接続端子２と導体柱７とのモーメントが大きくなる。この際、図２（ａ）中のＡ部を拡大した図２（ｂ）に示すように、内部接続端子２の基部の近傍に位置する半導体素子１の内部の層間絶縁膜２１や配線層２２にモーメントによる応力が加わり、これらを損傷してしまう。

層間絶縁膜２１は一般に酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）等からなるが、今後更なる処理速度の高速化を図るためには、層間絶縁膜２１をいわゆるＬｏｗ−ｋ材料（低誘電率材料）に置き換えることが十分に予想される。しかしながら、一般に、Ｌｏｗ−ｋ材料は酸化シリコンと比べて強度的に低い（弱い）材料であるために、上述の熱歪による損傷といった問題が一層顕著に表れる。
ＷＯ９６／０９６４５号公報 特開平１０−２２３５１号公報

本発明は、上記の従来技術における課題に鑑み創作されたもので、熱歪による半導体素子の内部の層間絶縁膜や配線層等の損傷を抑制し、ひいては半導体装置の信頼性の向上に寄与することができるインターポーザ及びこれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。

上記の従来技術の課題を解決するため、本発明の一形態によれば、弾性を有する板状絶縁体と、前記板状絶縁体の厚さ方向に貫通して埋め込まれた複数の導体と、前記板状絶縁体の、半導体素子を搭載する側の面に設けられ、該半導体素子と同程度の熱膨張係数を有する第１のシート状部材とを有することを特徴とするインターポーザが提供される。

また、このインターポーザにおいて、前記板状絶縁体の、半導体素子を搭載する側と反対側の面に設けられ、当該インターポーザが実装される半導体パッケージと同程度の熱膨張係数を有する第２のシート状部材をさらに有してもよい。

また、本発明の他の形態によれば、上記の形態に係るインターポーザと、前記インターポーザの一方の面に、前記導体の一端に接続されて搭載された半導体素子と、前記インターポーザの他方の面に、前記導体の他端に接続されて設けられた半導体パッケージとを有することを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明の一形態に係るインターポーザの構成によれば、板状絶縁体の半導体素子を搭載する側の面に、半導体素子と同程度の熱膨張係数を有する第１のシート状部材を有している。従って、本発明のインターポーザの一方の面に半導体素子を搭載し、このインターポーザ（他方の面）を半導体パッケージに実装して半導体装置を構成した場合、温度変化が生じると、第１のシート状部材と半導体パッケージには熱膨張係数の差があるため、これらの間では熱歪が生じるが、半導体素子と第１のシート状部材との熱膨張係数は差がほとんどないため、半導体素子と第１のシート状部材は、対向するそれぞれの面に平行な方向に一様に膨張又は収縮するために、これらの間に熱歪がほとんど生じない。そのため、板状絶縁体の厚さ方向に貫通して埋め込まれた各導体は、各々の一端が接続される側の半導体素子の面を支点として動くことはなく、半導体素子の面に大きなモーメントやせん断力が発生しにくくなり、第１のシート状部材より板状絶縁体側の部分の導体が第１のシート状部材と板状絶縁体との界面を支点として動くことになる。これにより、半導体素子に加わる応力が緩和され、半導体素子の内部の層間絶縁膜や配線層は損傷しにくくなるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。

また、上記の形態に係るインターポーザの、半導体素子を搭載する側と反対側の面に、当該インターポーザが実装される半導体パッケージと同程度の熱膨張係数を有する第２のシート状部材を設けた場合には、この第２のシート状部材と半導体パッケージは、対向するそれぞれの面に平行な方向に一様に膨張又は収縮するために、これらの間も熱歪がほとんど生じない。そのため、板状絶縁体の厚さ方向に貫通して埋め込まれた各導体は、各々の他端が接続される側の半導体パッケージの面を支点として動くことはなく、第２のシート状部材より板状絶縁体側の部分の導体が、第２のシート状部材と板状絶縁体との界面を支点として動くことになる。これにより、半導体パッケージに加わる応力も同時に緩和され、半導体パッケージの内部の多層構造も損傷しにくくなるので、さらに半導体装置の信頼性を向上させることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を断面図の形態で示したものである。

本実施形態に係る半導体装置５０は、例えば図２（ｂ）に示したような多層構造を有する半導体素子５１と、配線基板の形態をした半導体パッケージ６０と、半導体素子５１と半導体パッケージ６０との間に介在されたインターポーザ５５と、半導体素子５１とインターポーザ５５との間、及びインターポーザ５５と半導体パッケージ６０との間をそれぞれ電気的に接続するはんだバンプ等の内部接続端子５２及び５３と、半導体素子５１とインターポーザ５５との間及びインターポーザ５５と半導体パッケージ６０との間をそれぞれ充填するアンダーフィル樹脂５８及び５９と、半導体パッケージ６０の半導体素子５１が搭載された側と反対側の面に設けられて、本装置５０をマザーボード等の実装基板に電気的に接続するはんだボール等の外部接続端子６１とを備えている。

また、インターポーザ５５は、絶縁性の弾性シート５６と、半導体素子５１を搭載する側の弾性シート５６の面に設けられた剛性シート７０と、弾性シート５６の半導体素子１の電極に対応する位置に、厚さ方向に貫通して埋め込まれた複数の導体柱５７からなる。弾性シート５６は、エポキシ樹脂，ポリイミド系樹脂等の高分子材料からなる。また、剛性シート７０は半導体素子と同程度の熱膨張係数を有する。例えば、半導体素子５１を構成する主な材料がシリコン（Ｓｉ）である場合には、剛性シート７０は、Ｓｉ、ガラス、セラミックス、３６合金（Ｆｅ（鉄）−３６重量％Ｎｉ（ニッケル））、４２合金（Ｆｅ−４２重量％Ｎｉ）等の材料からなる。このインターポーザ５５は、レーザの照射により剛性シート７０に貫通孔を形成し、めっき法を用いて銅（Ｃｕ）又は錫銅（ＳｎＣｕ）を貫通孔の内周面に沿って、又は貫通孔に埋め込んで導体柱を形成した後に、導体柱５７の配置に対応して導体柱５７と接触しない程度の直径の貫通孔を設けた剛性シート７０を弾性シート５６の一方の面に接着させることにより得ることができる。

図３に示す半導体装置５０は、内部接続端子５２及び５３をはんだバンプとし、外部接続端子６１をはんだボールとした場合は、以下のようにして製造することができる。

まず、内部接続端子５２を設けた半導体素子５１と内部接続端子５３を設けた半導体パッケージ６０との間にインターポーザ５５を挟んでリフロー炉により加熱処理を行い、半導体素子５１、インターポーザ５５及び半導体パッケージ６０を接合する。次に、半導体素子５１とインターポーザ５５の間の空隙、及びインターポーザ５５と半導体パッケージ６０の間の空隙にアンダーフィル樹脂５８及び５９を充填し、恒温炉により加熱処理を行い、アンダーフィル樹脂５８及び５９を硬化させる。最後に、半導体パッケージ６０の、半導体素子が搭載された側と反対側の面の所定の位置に、外部接続端子６１を配置し、再度リフロー炉により加熱処理を行い、半導体パッケージ６０と外部接続端子６１を接合することにより、半導体装置５０を得ることができる。

また、内部接続端子５２は、はんだバンプに限らず、例えば、めっき法によりＣｕを成長させて柱状に形成した突起、ワイヤボンディング法を利用して形成した金（Ａｕ）からなるスタッドバンプに代替可能である。これらの場合、内部接続端子５２及び５３にペースト状のはんだ又は導電性粒子を含む樹脂を塗布することにより、上述の製造方法と同じ製造工程を経て半導体装置５０を得ることができる。

本実施形態に係るインターポーザ５５の構成によれば、インターポーザ５５の半導体素子５１を搭載する側の面に、半導体素子５１と同程度の熱膨張係数を有する剛性シート７０を設けている。このインターポーザ５５を用いた半導体装置５０では、半導体装置５０の内部に温度変化が生じた際に、剛性シート７０と半導体パッケージ６０との熱膨張係数はある程度の差があるため、これらの間では熱歪が生じるが、半導体素子５１と剛性シート７０との熱膨張係数は差がほとんどないため、これらの間では半導体素子５１の面内方向に一様に膨張又は収縮するために熱歪がほとんど生じない。従って、内部接続端子５２と導体柱５７は一体化して内部接続端子５２の基部を支点として動くことはなく、剛性シート７０より下の部分の導体柱５７が剛性シート７０と弾性シート５６との界面を支点として動くことになる。これにより、半導体素子５１に加わる応力が緩和され、半導体素子５１の内部の層間絶縁膜や配線層は損傷しにくくなるので、半導体装置５０の信頼性を向上させることができる。

本発明者は、上述の効果を確認すべく、シミュレーションにより半導体装置の内部に生じる応力の解析を行った。

本シミュレーションではシミュレーションソフトとしてＡＢＡＱＵＳ６．３１を使用した。本実施形態に係る半導体装置５０（図３）と従来例に係る半導体装置４０（図２）との内部応力の違いを比較するために、これら２つの半導体装置の各々について、シミュレーションモデル（以下、単に「モデル」という。）を作成した。各々のモデルにおいて、内部接続端子の材料はＣｕとし、導体柱の材料はＳｎＣｕとし、半導体パッケージのコア部の材料は３６合金とし、弾性シートの材料はエポキシ樹脂とした。また、本実施形態に係る半導体装置５０のモデルにおいて、剛性シートはＳｉとした。これら２つのモデルについて、内部応力が発生しない温度をアンダーフィル樹脂のキュア温度である１８０℃とし、温度を常温である２５℃にした際の内部応力の解析を行った。

図４はシミュレーション結果を示す断面図であり、図中、（ａ）は本実施形態に係る半導体装置のモデルによるシミュレーション結果、（ｂ）は従来例に係る半導体装置のモデルによるシミュレーション結果をそれぞれ示している。ここでは、図４（ａ），（ｂ） に示す各部位に、図３及び図２に示した各部位と対応する参照番号を付している。

従来例では（図４（ｂ）参照）、内部接続端子２及び導体柱７が、半導体素子１の半導体パッケージ６０と対向する側の面（以下、便宜上「半導体素子１の主面」という。）に対して垂直方向から角度をなして、熱歪による変位に追随している。これに対して、本発明では（図４（ａ）参照）、剛性シート７０より半導体パッケージ７０側の導体柱５７は熱歪による変位に追随しているが、剛性シート７０より半導体素子５１側の部分の導体柱５７及び内部接続端子５２は、半導体素子５１の主面に対して垂直に固着された状態を保持しており、熱歪による変位にほとんど追随していない。これらの結果から、従来例に係る半導体装置では、導体柱７及び内部接続端子２がほぼ一体化して内部接続端子２の基部を支点として動き、本実施形態に係る半導体装置では、導体柱５７及び内部接続端子５２は一体化して動かず、剛体シート７０と弾性シート５６との界面付近を支点として、剛体シート７０より半導体パッケージ７０側の部分の導体柱５７が動くことが確認された。

これら２つのモデルのシミュレーションの結果の違いをより明確にするために、それぞれのモデルについてインターポーザから内部接続端子及び半導体素子に加わる応力をそれぞれ解析した。図５はその解析結果を示したものであり、右側に本実施形態に係る半導体装置のモデルの応力解析の結果を、左側に従来例に係る半導体装置のモデルの応力解析の結果をそれぞれ示している。

これらの応力解析の結果によれば、本実施形態に係る半導体装置のモデルでは、従来例に係る半導体装置のモデルと比較して、パッケージ側から内部接続端子に加わる等価応力は約８７％低減し、また、半導体素子に加わる最大応力は約６３％低減することが確認された。つまり、本インターポーザの介在により、外部から半導体素子に加わる応力の殆どが絶たれることが確認された。

このように、本実施形態に係るインターポーザを用いた半導体装置では、従来例に係るインターポーザを用いた半導体装置よりも内部接続端子及び半導体素子に加わる応力が大幅に軽減されることがシミュレーションにより明らかになった。なお、少なくとも弾性シートより剛性シートの熱膨張係数の方が半導体素子の熱膨張係数に近ければ、従来例の半導体装置よりもある程度の応力の低減を図ることができる。

図６〜図８は、上述した実施形態に係るインターポーザ及び半導体装置（図３）の各種変形例を示したものである。

図６は、上述した実施形態の第１の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を断面図の形態で示したものである。

本変形例の半導体装置５０ａは、図３に示した半導体装置５０と比較して、インターポーザ５５ａが複数の絶縁性の樹脂フィルム５６ａを積層して形成され、各々の樹脂フィルムに５６ａの厚さ方向に貫通して形成された導体柱を積み重ねて１本の導体柱５７ａを構成した点において異なる。このインターポーザ５５ａは、図３に示したインターポーザ５５と同様に、各々の弾性フィルム又はシート５６ａの同じ位置に導体柱を形成し、弾性フィルム５６ａを重ねて熱圧着することにより得ることができる。本変形例の半導体装置５０ａについても、図３に示した半導体装置５０と同様の効果を奏することが理解されるであろう。

図７は、第２の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を断面図の形態で示したものである。

本変形例の半導体装置５０ｂは、第１の変形例の半導体装置５０ａと比較して、インターポーザ５５ｂが複数の絶縁性の弾性フィルム５６ｂを積層して形成されている点において同じであるが、導体柱５７ａではなく、半導体素子５１の電極パッドの配置と半導体パッケージ６０の電極パッドの配置とのずれを調整する配線層５７ｂを設けた点において異なる。このインターポーザ５５ｂは、各々の弾性フィルム５６ｂの所望の位置に、導体柱と、インターポーザ５５ｂに組み込まれた際に導体柱間を電気的に接続する導体パターンとを形成し、弾性フィルム５６ｂを重ねて熱圧着することにより得ることができる。本変形例の半導体装置５０ｂについても、図３に示した半導体装置５０と同様の効果を奏することが理解されるであろう。

図８は、第３の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を断面図の形態で示したものである。

本変形例の半導体装置５０ｃは、図３に示した半導体装置５０と比較して、インターポーザ５５ｃの半導体素子５１を搭載する側と反対側の面にも剛性シート７１を設けた点において異なる。この場合、剛性シート７１の材料としては半導体パッケージ６０と同程度の熱膨張係数を有する材料を選択する。例えば、半導体パッケージ６０のコア材が４２合金（Ｆｅ−４２重量％Ｎｉ）である場合、剛性シート７１の材料もコア材と同様に４２合金とすればよい。半導体パッケージのコア材としては、この他に３６合金（Ｆｅ−３６重量％Ｎｉ）が挙げられる。

このようにすれば、半導体素子５１と剛性シート７０との間だけでなく、剛性シート７１と半導体パッケージ６０との間も熱歪がほとんど生じなくなる。つまり、内部接続端子５２，５３及び導体柱５７が一体化して内部接続端子５２の基部と内部接続端子５３の基部（即ち、内部接続端子５３と半導体パッケージ６０との接合部）を支点として動くことはなく、剛性シート７０及び７１との間の部分の導体柱５７が、剛性シート７０と弾性シート５６との界面、及び弾性シート５６と剛体シート７１との界面を支点として動くことになる。これにより、半導体パッケージ６０の半導体素子５１が搭載された側の面に加わる応力も緩和され、半導体パッケージ６０の内部の多層構造も損傷しにくくなるので、半導体装置５０ｃの信頼性をさらに向上させることができる。

従来形の一例としてのフリップチップ型半導体装置の構成を示す断面図である。 従来形の他の例としてのフリップチップ型半導体装置の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を示す断面図である。 図３の実施形態に係る半導体装置のモデルによるシミュレーション結果を、従来例に係る半導体装置の場合と対比させて示した断面図である。 図４のモデルを用いてシミュレーションを行ったときの各部の応力解析の結果を示す図である。 図３の実施形態の第１の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を示す断面図である。 図３の実施形態の第２の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を示す断面図である。 図３の実施形態の第３の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ…半導体装置、
５１…半導体素子（チップ）、
５２，５３…内部接続端子（はんだバンプ）、
５５，５５ａ，５５ｂ，５５ｃ…インターポーザ、
５６…弾性シート（板状絶縁体）、
５６ａ，５６ｂ…樹脂フィルム、
５７，５７ａ…導体柱、
５７ｂ…配線層、
５８，５９…アンダーフィル樹脂、
６０…半導体パッケージ、
６１…外部接続端子、
７０，７１…剛性シート（シート状部材）。

Claims (7)

1. 弾性を有する板状絶縁体と、
   前記板状絶縁体の厚さ方向に貫通して埋め込まれた複数の導体と、
   前記板状絶縁体の、半導体素子を搭載する側の面に設けられ、該半導体素子と同程度の熱膨張係数を有する第１のシート状部材とを有することを特徴とするインターポーザ。
2. 前記板状絶縁体の、半導体素子を搭載する側と反対側の面に設けられ、前記インターポーザが実装される半導体パッケージと同程度の熱膨張係数を有する第２のシート状部材をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のインターポーザ。
3. 前記板状絶縁体は、複数の樹脂フィルムが積層されてなり、前記導体は、前記複数の樹脂フィルムの各々の厚さ方向に貫通して埋め込まれた複数の導体柱からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のインターポーザ。
4. 前記半導体素子を構成する主たる材料はシリコンからなり、前記第１のシート状部材はシリコン、ガラス、セラミックス、３６合金及び４２合金のうちいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のインターポーザ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のインターポーザと、
   前記インターポーザの一方の面に、前記導体の一端に接続されて搭載された半導体素子と、
   前記インターポーザの他方の面に、前記導体の他端に接続されて設けられた半導体パッケージとを有することを特徴とする半導体装置。
6. 前記半導体素子と前記導体とが第１の内部接続端子を介して接続され、前記導体と前記半導体パッケージとが第２の内部接続端子を介して接続され、前記半導体素子と前記インターポーザとの間、及び前記インターポーザと前記半導体パッケージとの間にそれぞれ樹脂が充填されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記半導体パッケージの、前記半導体素子が搭載された側と反対側の面に、複数の外部接続端子が設けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体装置。

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