JP2006005208A - 半導体装置およびその実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体装置の突起電極面に設けられている樹脂を最適量にして、半導体装置をプリント基板に簡易な方法で実装することができる。
【解決手段】 複数の配線が設けられた基板１と、基板１上に搭載され配線パッドを有する半導体素子２と、基板１の複数の配線と半導体素子２の配線パッドとを電気的に接続した接続手段３と、基板１の半導体素子２とは反対側に設けられた複数の突起電極４と、複数の突起電極４間の基板面に設けられた樹脂５とを備えた半導体装置であって、樹脂５が設けられた下面の面積が基板面の面積と同等以上である。これにより、最適な樹脂量を提供することが可能であり、プリント基板実装後の樹脂形状は大きなフィレットを形成するため信頼性向上に大きく貢献することが可能である。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体装置のプリント基板への実装工程を容易にし、かつ実装後の信頼性向上を目的として半導体装置とプリント基板の間隙に樹脂を塗布する半導体装置およびその実装方法に関するものである。

半導体装置が軽薄短小化していくにつれ、その半導体装置の接続電極も狭ピッチ化され、電極自身は小体積化、小面積化の方向へと推移している。半導体装置を用いてのプリント基板実装においても同様であり、半導体装置とプリント基板を接続する電極は小体積化、小面積化することにより、基板実装信頼性の低下が危ぶまれている。この基板実装信頼性を向上させる手段として、プリント基板実装メーカーにおいては半導体装置とプリント基板の間隙に熱硬化性樹脂を注入、加熱硬化する方法が一般的に行なわれている。また最近では硬化樹脂をあらかじめ半導体装置側に準備しておく工法なども考えられている。

以下、従来の熱硬化性樹脂の塗布方法について、図面を参照しながら説明する。

図１１および図１２は従来の半導体装置を用いた実装方法のフロー図である。まずプリント基板１０４上にある電極パッド（図示せず）にはんだペースト１０３を塗布するはんだ印刷工程があり、半導体装置１０１を準備しプリント基板１０４に載置する半導体装置製品搭載工程があり、プリント基板１０４や半導体装置１０１を含む全体を加熱してはんだペースト１０３を溶融させるリフロー工程がある。通常はこの工程まででプリント基板が完成するが、さらなる信頼性向上のためにプリント基板の電気的検査を行なったのち半導体装置１０１とプリント基板１０４の間隙に固定樹脂所謂アンダーフィル１０２を注入する工程があり、再度加熱することによりアンダーフィルを熱的硬化させる工程があり、これらの工程を経ることで半導体装置１０１とプリント基板１０４はより強固に固定される。この従来工法の場合、アンダーフィル１０２の注入および硬化工程が通常工程よりも余分であるため設備費用の面、時間的な面、マンパワーなど様々な負担が大きいといわれている。さらに近年の狭ピッチ化に伴い接続ランドの面積も狭小化の傾向にあるため、前述のはんだ印刷工程においてはんだペーストが印刷マスク穴から抜けない所謂はんだのマスク残り現象が発生してしまう。またリフロー後にははんだペースト中に含まれるフラックス剤がはんだボール周りに固形化し付着するため、のちのアンダーフィル注入工程においてアンダーフィルの進入を妨げられてしまい半導体製品とプリント基板の間隙の最深部まで注入できなくなってしまう。またアンダーフィルを注入するためのスペースを確保する必要があるため、隣り合う半導体製品の部品間距離を広げなければならず、高密度設計ができなくなってしまう。そこで図１２に示すようにアンダーフィル樹脂剤１０５をあらかじめ半導体装置１０１に塗布し、リフロー実装と同時にプリント基板に固定される工法がいくつかの文献で述べられてきている。

例えば、特許文献１では、半導体装置の突起電極と突起電極の間に熱可塑性樹脂が設けられている構造となっている。
特開平１１−２９７７５０号公報

しかしながら上記従来の方法には、熱可塑性樹脂の量が不足する恐れがあり、プリント基板へリフロー加熱実装した後の実装信頼性が懸念される。

したがって、この発明の目的は、半導体装置の突起電極面に設けられている樹脂を最適量にして、半導体装置をプリント基板に簡易な方法で実装することができる半導体装置およびその実装方法を提供することである。

前記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載の半導体装置は、複数の配線が設けられた基板と、前記基板上に搭載され配線パッドを有する半導体素子と、前記基板の複数の配線と前記半導体素子の配線パッドとを電気的に接続した接続手段と、前記基板の前記半導体素子とは反対側に設けられた複数の電極と、前記複数の電極間の基板面に設けられた樹脂とを備えた半導体装置であって、前記樹脂が設けられた下面の面積が前記基板面の面積と同等以上である。

請求項２記載の半導体装置は、半導体素子と、前記半導体素子に設けられた複数の電極と、前記複数の電極間の半導体素子面に設けられた樹脂とを備えた半導体装置であって、前記樹脂が設けられた下面の面積が前記半導体素子面の面積と同等以上である。

請求項３記載の半導体装置は、請求項１または２記載の半導体装置において、前記樹脂は熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂のいずれか一方である。

請求項４記載の半導体装置は、請求項１，２または３記載の半導体装置において、前記基板は、有機基板もしくはポリイミド系樹脂からなる薄いフィルム材から構成されるプラスチックＢＧＡ、４２アロイもしくは銅の金属フレームからなるリードフレームタイプＢＧＡまたは、セラミック材から構成されるセラミック型ＢＧＡである。

請求項５記載の半導体装置は、請求項１，２，３または４記載の半導体装置において、前記半導体装置の電極は、前記樹脂が設けられた下面に対して同一面もしくは埋没させて凹み形状にした。

請求項６記載の半導体装置の実装方法は、請求項１，２，３，４または５記載の半導体装置をプリント基板へ加熱実装する工程において、前記樹脂は酸化物除去効果を持つ成分を含み、前記樹脂が溶融すると同時に前記プリント基板の電極上の酸化物を除去し、前記半導体装置の電極と前記プリント基板の電極を接続する。

請求項７記載の半導体装置の実装方法は、請求項１，２，３，４または５記載の半導体装置と、酸化物除去効果を持つ溶剤とを準備し、前記半導体装置をプリント基板へ加熱実装する工程において、前記溶剤を前記プリント基板の電極上に塗布した後、前記半導体装置の電極と前記プリント基板の電極を接続する。

この発明の請求項１記載の半導体装置によれば、複数の配線が設けられた基板と、基板上に搭載され配線パッドを有する半導体素子と、基板の複数の配線と半導体素子の配線パッドとを電気的に接続した接続手段と、基板の半導体素子とは反対側に設けられた複数の電極と、複数の電極間の基板面に設けられた樹脂とを備え、樹脂が設けられた下面の面積が基板面の面積と同等以上であるので、最適な樹脂量を提供することが可能である。これにより、プリント基板実装後の樹脂形状は大きなフィレットを形成するため信頼性向上に大きく貢献することが可能である。また、樹脂の塗布量を多くしても電極が樹脂に埋もれることが無く、電極に検査ピンを接触させる電気特性検査や、電極の位置ずれ検査などの外観検査も容易にできる。

この発明の請求項２記載の半導体装置によれば、半導体素子と、半導体素子に設けられた複数の電極と、複数の電極間の半導体素子面に設けられた樹脂とを備え、樹脂が設けられた下面の面積が半導体素子面の面積と同等以上であるので、半導体素子からのみ成る半導体装置、所謂ウエハレベルパッケージまたはフリップチップパッケージにおいて請求項１と同様の効果が得られる。

請求項３では、請求項１または２記載の半導体装置において、樹脂は熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂のいずれか一方であることが望ましい。なお、プリント基板実装後の不良半導体装置の取り外し工程所謂リペア工程において容易に取り外しが可能であることを目的とするなら熱可塑性樹脂であることが望ましい。

請求項４では、請求項１，２または３記載の半導体装置において、基板は、有機基板もしくはポリイミド系樹脂からなる薄いフィルム材から構成されるプラスチックＢＧＡ、４２アロイもしくは銅の金属フレームからなるリードフレームタイプＢＧＡまたは、セラミック材から構成されるセラミック型ＢＧＡであることが望ましい。

請求項５では、請求項１，２，３または４記載の半導体装置において、半導体装置の電極は、樹脂が設けられた下面に対して同一面もしくは埋没させて凹み形状にすることが望ましい。

この発明の請求項６記載の半導体装置の実装方法によれば、請求項１，２，３，４または５記載の半導体装置をプリント基板へ加熱実装する工程において、樹脂は酸化物除去効果を持つ成分を含み、樹脂が溶融すると同時にプリント基板の電極上の酸化物を除去し、半導体装置の電極とプリント基板の電極を接続するので、プリント基板へのリフロー加熱実装した後の実装信頼性をより向上でき、かつプリント基板への実装工程を容易にできる。この場合、樹脂が溶融すると同時にプリント基板の電極上の酸化物を除去する所謂フラックス効果を発揮することで、半導体装置とプリント基板を容易に接続することができる。

この発明の請求項７記載の半導体装置の実装方法によれば、請求項１，２，３，４または５記載の半導体装置と、酸化物除去効果を持つ溶剤とを準備し、半導体装置をプリント基板へ加熱実装する工程において、溶剤をプリント基板の電極上に塗布した後、半導体装置の電極とプリント基板の電極を接続するので、酸化物除去効果を持つ溶剤所謂フラックス剤を用いても、プリント基板へのリフロー加熱実装した後の実装信頼性をより向上でき、かつプリント基板への実装工程を容易にできる。

以下、本発明の半導体装置およびその実装方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

この発明の第１の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態の半導体装置の側面図、図２は同半導体装置の突起電極面側から見た平面図、図３は図１のＡ部拡大図である。

図１〜図３に示すように、複数の配線が設けられた基板１と、基板１上に搭載され配線パッドを有する半導体素子２と、基板１の複数の配線と半導体素子２の配線パッドとを電気的に接続した接続手段３（図１ではスタッドバンプボンディング方式を図示）と、基板１上の半導体素子２とは反対側に設けられた複数の突起電極４と、複数の突起電極４間の基板面に熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂のいずれか一方の樹脂５が設けられている半導体装置６があり、樹脂５が設けられている下面の面積が基板面の面積と同等もしくはそれ以上となっている。この構成によりプリント基板実装後の樹脂形状は大きなフィレットを形成するため信頼性向上に大きく貢献することが可能である。

図４は図１のＡ部に相当する拡大図であり、図３とは別の事例を示している。図４に示すように、プリント基板実装後の大きなフィレットを確保するため、半導体装置６に具備された樹脂５は基板１の側面まではみ出す構成となっている。この構成により樹脂５の塗布量を多くしても突起電極４が樹脂５に埋もれることが無く、故に突起電極４に検査ピンを接触させる電気特性検査や、突起電極４の位置ずれ検査などの外観検査も容易にできる。

本実施形態において半導体装置６に用いられる基板１は幾層かの金属層からなる有機系基板、金属層が貼り付けられたポリイミド系フィルム、４２アロイや銅などの金属板からなるリードフレーム、タングステンやモリブデンに代表される金属層が貼り付けられたセラミックなどが挙げられ、半導体装置の目的に応じて構成される所謂パッケージ形状により基材材質が選択される。詳しいパッケージ形状については図面を用いて後述する（第４の実施形態）。

本実施形態において突起電極は、直径０．２ｍｍ前後から直径０．８ｍｍ前後の金属ボールであることが多く、金属組成はスズ鉛共晶はんだのほか近年の環境問題に即して鉛を用いない所謂鉛フリーはんだなどが挙げられる。またバンプと呼ばれる、より小径の突起電極などが使われる場合もある。なお、突起電極は、樹脂が設けられた下面に対して同一面もしくは埋没させて凹み形状にしてもよい。

本実施形態において樹脂５は熱可塑性もしくは熱硬化性のいずれか一方であることが望ましいが、プリント基板実装後の不良半導体装置の取り外し工程所謂リペア工程において容易に取り外しが可能であることを目的とするなら熱可塑性樹脂であることが望ましい。また近年ではリペアが可能な熱硬化性樹脂の開発も進んできている。

この発明の第２の実施の形態を図５および図６に基づいて説明する。図５および図６は本発明の第１の実施形態の半導体装置の実装方法の側面図である。

図５に示すように、第１の実施形態の半導体装置６を用いた実装方法であり、ここではボールグリッドアレイ７をプリント基板８へ加熱実装する工程において、プリント基板８に設けられた複数の配線パッド（電極）９は半導体装置６の突起電極４と対向しており、位置合わせを行ないながらプリント基板８上に載置され加熱リフロー実装される。樹脂５には酸化物除去作用を持つ成分所謂フラックス剤が含まれているのが望ましく、よってリフロー実装の予備加熱時に配線パッド９や突起電極４の表面を活性化させることができる。予備加熱は通常炉内温度は１４０℃前後から１８０℃前後で経過時間は数十秒から数分必要で、プリント基板の大きさ、搭載部品の大きさや数、はんだペーストの組成などに応じて適した条件を選ぶ必要がある。リフロー実装の本加熱時には半導体装置６の突起電極４がプリント基板８の配線パッド９に自ら整合する所謂セルフアライメント効果が発揮できるように、樹脂５の粘度は出来る限り低い方が良い。リフロー実装の本加熱を通過すると突起電極４は配線パッド９と金属間結合し、その後樹脂５が固形化され半導体装置６とプリント基板８が固定される。

また、図６に示すように、樹脂５にフラックス剤が含まれていない場合は半導体装置６をプリント基板８へ搭載する前にあらかじめプリント基板８の主に配線パッド９の上にフラックス剤１０を塗布しておく。もしくは半導体装置６をプリント基板８へ搭載する直前に突起電極４へフラックス剤を塗布転写する方法でも良い（図示せず）。プリント基板実装後の信頼性向上を目的とするならば樹脂5は半導体装置６とプリント基板８の間隙だけでなく半導体装置の側面にまで及ぶフィレットを形成する方が望ましいため、樹脂５を多めにしたほうが良い。その構成は図１から図３を用いて前述したとおりである。

この発明の第３の実施の形態を図７に基づいて説明する。図７は本発明の第３の実施形態の半導体装置の製造方法の側面図である。

図７に示すように、第１の実施形態の半導体装置６において、主に樹脂５の成分を主体としたものであるならば液状樹脂１１を用いても構わない。液状樹脂１１のメリットとして半導体装置６（半導体素子など図示せず）の大きさに応じて、また突起電極（図示せず）の大きさに応じて塗布量を自在に制御することが可能であり、塗布場所も自由に選択できる。

この発明の第４の実施の形態を図８〜図１０に基づいて説明する。図８〜図１０は本発明の第４の実施形態の半導体装置で、パッケージ形状が異なる例を示す側面図である。

図８に示す半導体装置１４はプラスチックタイプＢＧＡあるいはＯＭＰＡＣ型ＢＧＡと呼ばれており、幾層かの金属層と樹脂層が順に積層された有機基板１５に半導体素子２が搭載され金属細線１６により有機基板１５の配線パッド（図示せず）と半導体素子２の電極パッド（図示せず）が電気的に接続され主にエポキシ系の封止樹脂２５で保護されており、半導体素子２とは反対側の面にははんだボール４と本発明の第１の実施形態と同様の樹脂５が具備されている。有機基板１５は金属層が貼り付けられたポリイミド系フィルムにすることにより、所謂テープタイプＢＧＡとなる。

図９に示す半導体装置１７はリードフレームタイプＢＧＡと呼ばれており、４２アロイや銅などの金属板からなるリードフレーム１８に半導体素子２が搭載され金属細線１６によりリードフレーム１８と半導体素子２の電極パッド（図示せず）が電気的に接続され主にエポキシ系の封止樹脂２５で保護されており、半導体素子２とは反対側の面のリードフレーム１８にはんだボール４と本発明の第１の実施形態と同様の樹脂５が具備されている。

図１０に示す半導体装置１９はウエハレベルパッケージと呼ばれており、半導体素子２と、半導体素子２に設けられた複数の突起電極２０と、複数の突起電極２０間の半導体素子面に設けられた樹脂５とを備えた半導体装置であって、樹脂５が設けられた下面の面積が半導体素子面の面積と同等以上である。この場合、半導体素子２の電極パッドに突起電極２０が設けられており、突起電極２０と同一面に本発明の第１の実施形態と同様の樹脂５が具備されている。なお、半導体装置はフリップチップパッケージとしてもよい。

これらは代表的な半導体装置を挙げているが、本発明の実施形態はこれらの半導体装置にのみ限定するものではなく、突起電極をもつ半導体装置ばかりか、突起電極が無いランドのみのタイプ所謂ランドグリッドアレイタイプＬＧＡに適用することもできる。この場合プリント基板への実装後の半導体装置とプリント基板の間隙は非常に狭くなるため、その間隙に応じた適量の樹脂を具備する必要がある。場合によっては半導体装置のランド部全体に樹脂を具備するのではなく、ランド部以外の箇所のみの具備でも構わない。

以上のように本発明を用いることにより、最適な樹脂量を提供することが可能であり、プリント基板へリフロー加熱実装した後の実装信頼性もより向上でき、かつプリント基板への実装工程を容易にできる。

本発明にかかる半導体装置およびその実装方法は、最適な樹脂量を提供することが可能であり、プリント基板へリフロー加熱実装した後の実装信頼性もより向上でき、かつプリント基板への実装工程を容易にできる等の効果を有し、半導体装置のプリント基板実装時の信頼性を向上させる手段として有用である。

本発明の第１の実施形態の半導体装置の側面図である。 図１の半導体装置の突起電極面側から見た平面図である。 図１のＡ部拡大図である。 図１のＡ部に相当する別の例の拡大図である。 本発明の第１の実施形態の半導体装置の実装方法の側面図である。 本発明の第１の実施形態の半導体装置の実装方法の別の例の側面図である。 本発明の第３の実施形態の半導体装置の製造方法の側面図である。 本発明の第４の実施形態の半導体装置で、パッケージ形状が異なる例を示す側面図である。 本発明の第４の実施形態の半導体装置で、パッケージ形状が異なる例を示す側面図である。 本発明の第４の実施形態の半導体装置で、パッケージ形状が異なる例を示す側面図である。 従来の半導体装置を用いた実装方法の側面図である。 従来の半導体装置を用いた実装方法の別の例の側面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 半導体素子
３ 接続手段
４ 突起電極
５ 樹脂
６ 半導体装置
７ ボールグリッドアレイタイプパッケージ（ＢＧＡ）
８ プリント基板
９ 配線パッド
１０ フラックス剤
１１ 液状樹脂
１２ 凹み
１３ ダム
１４ 半導体装置
１５ 有機基板
１６ 金属細線
１７ 半導体装置
１８ リードフレーム
１９ 半導体装置
２０ 突起電極
１０１ 半導体装置
１０２ アンダーフィル
１０３ はんだペースト
１０４ プリント基板
１０５ アンダーフィル樹脂剤

Claims (7)

1. 複数の配線が設けられた基板と、前記基板上に搭載され配線パッドを有する半導体素子と、前記基板の複数の配線と前記半導体素子の配線パッドとを電気的に接続した接続手段と、前記基板の前記半導体素子とは反対側に設けられた複数の電極と、前記複数の電極間の基板面に設けられた樹脂とを備えた半導体装置であって、前記樹脂が設けられた下面の面積が前記基板面の面積と同等以上であることを特徴とする半導体装置。
2. 半導体素子と、前記半導体素子に設けられた複数の電極と、前記複数の電極間の半導体素子面に設けられた樹脂とを備えた半導体装置であって、前記樹脂が設けられた下面の面積が前記半導体素子面の面積と同等以上であることを特徴とする半導体装置。
3. 前記樹脂は熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂のいずれか一方である請求項１または２記載の半導体装置。
4. 前記基板は、有機基板もしくはポリイミド系樹脂からなる薄いフィルム材から構成されるプラスチックＢＧＡ、４２アロイもしくは銅の金属フレームからなるリードフレームタイプＢＧＡまたは、セラミック材から構成されるセラミック型ＢＧＡである請求項１，２または３記載の半導体装置。
5. 前記半導体装置の電極は、前記樹脂が設けられた下面に対して同一面もしくは埋没させて凹み形状にした請求項１，２，３または４記載の半導体装置。
6. 請求項１，２，３，４または５記載の半導体装置をプリント基板へ加熱実装する工程において、前記樹脂は酸化物除去効果を持つ成分を含み、前記樹脂が溶融すると同時に前記プリント基板の電極上の酸化物を除去し、前記半導体装置の電極と前記プリント基板の電極を接続することを特徴とする半導体装置の実装方法。
7. 請求項１，２，３，４または５記載の半導体装置と、酸化物除去効果を持つ溶剤とを準備し、前記半導体装置をプリント基板へ加熱実装する工程において、前記溶剤を前記プリント基板の電極上に塗布した後、前記半導体装置の電極と前記プリント基板の電極を接続することを特徴とする半導体装置の実装方法。

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