JP2010205887A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、配線基板、半導体パッケージあるいは機能モジュール等の半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device such as a wiring board, a semiconductor package, or a functional module.
近年、絶縁層に樹脂フィルムを用いた配線基板が多く用いられるようになった。絶縁フィルムを用いた配線基板は、基板全体の厚みを抑えることが出来る点で大変優れている。しかし、薄い基板は反りが生じやすく、また反りによって半導体チップの実装時に不具合が発生する恐れがある。 In recent years, many wiring boards using a resin film as an insulating layer have come to be used. A wiring board using an insulating film is very excellent in that the thickness of the entire board can be suppressed. However, a thin substrate is likely to warp, and the warpage may cause a problem when the semiconductor chip is mounted.
薄型の配線基板の補強として、スティフナを貼り付ける方法が知られている(特許文献1)。スティフナを貼り付けることにより、基板全体の反りを低下させることができる。このスティフナ付き配線基板には、半導体チップとスティフナの間に薄型の配線基板のみの部分が存在する。薄型の配線基板のみの部分は半導体チップ、スティフナ等の剛性の高い材料に保持されていないため、これらの部分と比較して強度が低い。温度サイクル等の負荷をかけた際に、応力が薄型の配線基板のみの部分に集中する恐れがある。 As a reinforcement of a thin wiring board, a method of attaching a stiffener is known (Patent Document 1). By attaching the stiffener, the warpage of the entire substrate can be reduced. In this wiring board with a stiffener, only a thin wiring board exists between the semiconductor chip and the stiffener. Since only the thin wiring board is not held by a highly rigid material such as a semiconductor chip or a stiffener, the strength is lower than these parts. When a load such as a temperature cycle is applied, the stress may concentrate on only the thin wiring board.
スティフナと薄型の配線基板の間の強度を高める方法として、補強樹脂を充填する方法(特許文献2)、第二のスティフナを配置する方法が報告されている(特許文献3)。補強樹脂および第二のスティフナを固定する樹脂にはエポキシ樹脂が用いられている。 As a method for increasing the strength between the stiffener and the thin wiring board, a method of filling a reinforcing resin (Patent Document 2) and a method of arranging a second stiffener have been reported (Patent Document 3). An epoxy resin is used as the resin for fixing the reinforcing resin and the second stiffener.
薄型の配線基板の半導体チップとスティフナの間を埋めるためには、エポキシ樹脂等の熱硬化樹脂は、弾性率が高く変形しにくいために適さない。弾性率が高い樹脂で補強すると、温度サイクル等による熱膨張などに耐え切れず、クラック等が発生する恐れがあるからである。そこで本発明では、弾性率が低く変形しやすい樹脂を用いて半導体チップとスティフナの間を埋め、柔軟性を有しながら配線基板を保護することが可能となる、信頼性の優れた半導体装置を提供することを目的とする。 In order to fill the gap between the semiconductor chip and the stiffener on the thin wiring board, a thermosetting resin such as an epoxy resin is not suitable because it has a high elastic modulus and is not easily deformed. This is because if the resin is reinforced with a resin having a high elastic modulus, it cannot withstand thermal expansion due to a temperature cycle or the like, and there is a possibility that cracks or the like may occur. Therefore, in the present invention, a highly reliable semiconductor device that can fill a gap between a semiconductor chip and a stiffener using a resin having low elasticity and easily deforms, and can protect a wiring board while having flexibility. The purpose is to provide.
上記の課題を解決するために、本発明は、半導体チップの搭載された導電パターンを有する配線基板において、該配線基板はスティフナを具備しており、かつ、前記配線基板の上の半導体チップとスティフナの間の領域に弾性率が0.5MPa以上10MPa以下の保護樹脂を充填したことを特徴とする半導体装置である。 In order to solve the above problems, the present invention provides a wiring board having a conductive pattern on which a semiconductor chip is mounted, the wiring board including a stiffener, and the semiconductor chip and the stiffener on the wiring board. A semiconductor device characterized in that a protective resin having an elastic modulus of 0.5 MPa or more and 10 MPa or less is filled in a region between the layers.
また、本発明は、上記配線基板の厚さが0.05mm以上0.6mm以下であることを特徴とする上記の半導体装置である。 The present invention is the above semiconductor device, wherein the wiring board has a thickness of 0.05 mm to 0.6 mm.
また、本発明は、上記保護樹脂が、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂から選択された材料であることを特徴とする上記の半導体装置である。 The present invention is the above semiconductor device, wherein the protective resin is a material selected from a silicone resin and a urethane resin.
また、本発明は、上記保護樹脂の厚さが60μm以上であることを特徴とする上記の半導体装置である。 The present invention is the above semiconductor device, wherein the protective resin has a thickness of 60 μm or more.
また、本発明は、上記半導体チップと上記配線基板が、フリップチップ接続されていることを特徴とする上記の半導体装置である。 The present invention is the above semiconductor device, wherein the semiconductor chip and the wiring board are flip-chip connected.
半導体チップとスティフナの間を弾性率の低い樹脂で満たすことによって、柔軟性を有しながら配線基板を保護することが可能となり、信頼性が高い配線基板、半導体パッケージ、あるいは機能モジュール等となる。 By filling the space between the semiconductor chip and the stiffener with a resin having a low elastic modulus, the wiring board can be protected while having flexibility, and a highly reliable wiring board, semiconductor package, or functional module is obtained.
本発明の半導体装置101は、図1(a)に示されるように、半導体チップ104が配線基板102に搭載され、基板の外周部にスティフナ106を貼り付け、配線基板102上の、半導体チップ104とスティフナ106の間の領域に保護樹脂108を充填したことを特徴とする半導体装置101である。
In the
本発明の半導体装置101では、配線基板102上の、半導体チップ104とスティフナ106の間の領域に保護樹脂108を充填することにより、温度サイクル等の負荷がかかった際の半導体装置構成材料の伸縮が緩和され、信頼性を向上させることができる。この効果は特に配線基板102が薄い場合に有効である。具体的には、配線基板102の厚さが0.05mm以上0.6mm以下のときに特に有効である。0.05mm以下であると、配線基板102が薄すぎるために保護樹脂108による効果が弱く、0.6mm以上であると、保護樹脂108を用いる必要がなくなる。配線基板102を薄くすることにより、高密度化、軽量化が期待できる。
In the
配線基板102は、ポリイミド等の絶縁樹脂層と銅などの導体層からなる。絶縁樹脂層には、エポキシ系樹脂等を用いることも可能である。導電パターンを一層のみ有する片面配線基板、導電パターンを二層有する両面配線基板、多層の導電パターンを持つ多層配線基板のいずれも使用可能である。配線基板102は、図3のように第二の配線基板110とはんだボール111等を介して接続するための外部接続端子(パッド)を有している。
The
スティフナ106には銅、銅の合金、ステンレス、アルミニウム、42アロイ等の金属あるいは、樹脂、セラミック等を用いることができる。スティフナ接着剤107にはエポキシ系樹脂の接着剤などの公知の接着剤を用いればよい。
The
保護樹脂108には、弾性率が0.5MPa以上10MPa以下の範囲の樹脂を用いることが好ましい。これにより、温度サイクル等における半導体装置構成材料の伸縮を緩和しながら、さらに配線基板102を保護することが可能となる。弾性率が0.5MPa以下だと、容易に変形できるために、保護樹脂108としての効力が十分でない。また、弾性率が10MPa以上であると、温度サイクル等の負荷をかけた際、半導体装置構成材料の伸縮を緩和できない恐れがある。保護樹脂108として、具体的にはシリコーン樹脂を用いることができる。シリコーン樹脂は弾性率が低く、変形しやすいことを特徴とする。これにより、柔軟性を有しながら保護することが可能となる。
As the
保護樹脂108の厚さは60μm以上であることが望ましい。60μm以下であると、保護樹脂108としての効果を十分に発揮することができない。60μm以上であれば、いずれの厚さでも可能であり、半導体チップ104の厚さに応じて厚さを変えることも可能である。半導体チップ104、スティフナ106の上も保護樹脂108で覆い、その上にリッド(蓋体)109を配置することもできる。また、シリコーン樹脂の他には、保護樹脂108としてウレタン樹脂等を用いることもできる。
The thickness of the
本発明に用いる半導体チップ104としては、トランジスタ、ダイオード、ICチップ等、さらには、セラミックコンデンサ、セラミック抵抗等の受動部品も搭載可能である。半導体チップ104をフェイスダウンしてバンプ105で薄型の配線基板102に電気接続させるフリップチップ接続は、半導体装置101の薄型化、高密度化が図れるために特に効果的であるが、ワイヤボンディング等フェイスアップの半導体チップ104を用いることも可能である。
As the
アンダーフィル層103を形成する材料には、公知の絶縁樹脂を用いることが可能である。シリカ等のフィラーを含有したエポキシ樹脂を用いることが一般的である。アンダーフィル層103を形成することにより、フリップチップ接続のバンプ105による接続部を保護するとともに、半導体チップ104と配線基板102の熱膨張等による効力を緩和することができる。
As a material for forming the
また、図1(b)に示すように、半導体チップ104の上部にリッド109を配置しても良い。リッド(蓋体)109としては、金属、セラミックス、ガラス等公知の材料を用いることができる。また、保護樹脂108を半導体チップ104およびスティフナ106の上まで塗布し、その上にリッド109を取り付けることも可能である。リッド109を取り付けることにより、放熱特性を向上させることができる。さらに、剛性を高めることによる信頼性向上の効果も期待できる。また、熱伝導性の高いフィラー等が含まれた保護樹脂108を用いて半導体チップ104の上まで覆った後にリッド109を取り付けることにより、さらに高い放熱効果を発揮させることが可能となる。
Further, as shown in FIG. 1B, a
次に、本発明の半導体装置101の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、導電パターンが形成された配線基板102にスティフナ106を貼り付ける工程、半導体チップ104を実装する工程、保護樹脂108を充填する工程から構成されている。以下に詳細に説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、薄型の配線基板102にスティフナ106を貼り付ける。少なくとも半導体チップ104の搭載部を設けてある導電パターンに、接着剤を介してスティフナ106を貼り付ける(図2(b))。スティフナ接着剤107には公知の材料を使用可能である。具体的には、エポキシ樹脂の接着剤を使用することができる。このとき、半導体チップ104を先に実装することも可能であるが、先にスティフナ106を貼り付けることによって薄型の配線基板102の反りを低下させることができ、半導体チップ104を実装しやすくできる。
First, the
次に、スティフナ106付き配線基板102に半導体チップ104を実装する(図2(c))。前述のように、実装方法としては半導体チップ104をバンプ105で配線基板102の配線に電気接続するフリップチップ接続、あるいは、ワイヤボンディング接続等の公知の接続方法を用いることができる。また、フリップチップ接続を行うとき必要に応じてアンダーフィル層103を形成する(図2(d))。アンダーフィル層103を形成する材料についても、公知の絶縁樹脂を用いることが可能である。具体的には、シリカを充填したエポキシ樹脂を用いることができる。
Next, the
次に、図2(e)に示すように、保護樹脂108を半導体チップ104とスティフナ106の間に充填する。また、図1(c)で示したように、半導体チップ104上にリッド109を取り付けた構造としてもよい。
Next, as shown in FIG. 2E, the
本発明の半導体装置101の製造方法として、配線基板102に半導体チップ104を実装し、アンダーフィル層103を形成した後、スティフナ106を貼り付け、保護樹脂108を充填することも可能である(図2(b')、(c'))。
以上の工程で、本発明の半導体装置101を製造することができる。
As a method for manufacturing the
Through the above steps, the
<実施例1>
本発明に係る半導体装置101の実施例1を図面に基づいて以下に説明する。まず図2(a)に示すような薄型の配線基板102を用意する。薄型の配線基板102は、Cuを主体とした導電パターンを有し、絶縁樹脂層にはポリイミドを用いている。次に図2(b)に示すように、エポキシ系樹脂のスティフナ接着剤107を用いて、配線基板102にスティフナ106を貼り付ける。
<Example 1>
A first embodiment of a
次に、配線基板102の半導体チップ搭載部に半導体チップ104を固着し、半導体チップ104と配線基板102とを電気的に接続する。半導体チップ104は配線基板102にバンプ105で電気接続させフリップチップ接続した。その後、図2(d)に示すように、半導体チップ104と配線基板102との間にアンダーフィル層103を形成する。
Next, the
次に、図2(e)に示すように、半導体チップ104とスティフナ106の間を保護樹脂108にて充填した。保護樹脂108にはシリコーン樹脂を使用した。ここで充填した保護樹脂108の厚さは300μmであった。以上の工程にて、本発明の半導体装置101が製造される。
Next, as shown in FIG. 2E, the space between the
本発明の半導体装置101の信頼性試験を実施するため、本発明の半導体装置101を、図3に示すように第二の配線基板110に実装する。半導体装置101の配線基板102の外部接続用端子(パッド)と、第二の配線基板110の半導体装置搭載部とをはんだボール111で電気的に接続した。
In order to perform the reliability test of the
<比較例1>
比較例1として、保護樹脂108を充填しない半導体装置を製造した。保護樹脂108を充填しない点以外は、同様の工程にて製造した後、半導体装置の配線基板102の外部接続用端子(パッド)と、第二の配線基板110の半導体装置搭載部とをはんだボール111で電気的に接続した。
<比較例2>
比較例2として、半導体チップ104とスティフナ106の間にエポキシ系樹脂を充填した半導体装置の配線基板102の外部接続用端子(パッド)と、第二の配線基板110の半導体装置搭載部とをはんだボール111で電気的に接続した。
<Comparative Example 1>
As Comparative Example 1, a semiconductor device not filled with the
<Comparative example 2>
As Comparative Example 2, the external connection terminals (pads) of the
[温度サイクル試験(TCT)による信頼性評価]
実施例1の半導体装置101および比較例1及び2によって得られた半導体装置について、信頼性評価試験を行った。試験に用いた配線基板102の大きさは45mm角であり、スティフナ106の開口部分の大きさは30mm角である。また、使用した半導体チップ104の大きさは、20mm角である。
[Reliability evaluation by temperature cycle test (TCT)]
A reliability evaluation test was performed on the
温度サイクル試験(TCT)は、気相にて−40℃の温度条件を30分と125℃の温度条件に30分さらすサイクルを3500回繰り返した。各温度の切り替え時間については、装置の能力の許す限り速やかに行った。 In the temperature cycle test (TCT), a cycle in which the temperature condition of −40 ° C. was exposed to the temperature condition of 30 minutes and 125 ° C. for 30 minutes in the gas phase was repeated 3500 times. The switching time of each temperature was performed as quickly as the capacity of the apparatus allowed.
保護樹脂108を充填した実施例1の半導体装置101では、3500サイクル後も、導体抵抗値上昇率は10%以下であった。一方、保護樹脂108を充填しない比較例1の半導体装置では、断線等によりオープンとなり、導体抵抗値は計測不可能であった。断面観察により、半導体チップ104とスティフナ106の間の裏面にあるはんだボール111にクラックが入っていた。また、エポキシ樹脂を充填した比較例2の半導体装置においても、断線等によりオープンとなり、導体抵抗値は計測不可能であった。比較例1の断面観察により、半導体チップ104とスティフナ106の間の裏面にあるはんだボール111および半導体装置の最外周にあるはんだボール111にクラックが入っていた。エポキシ樹脂を充填した比較例2の半導体装置では、アンダーフィル層103と充填したエポキシ樹脂との境目にもクラックが観察された。
In the
本発明は、配線基板、半導体パッケージ、あるいは機能モジュール等の半導体装置101に使用できる。
The present invention can be used for a
101・・・半導体装置
102・・・配線基板
103・・・アンダーフィル層
104・・・半導体チップ
105・・・バンプ
106・・・スティフナ
107・・・スティフナ接着剤
108・・・保護樹脂
109・・・リッド(蓋材)
110・・・第二の配線基板
111・・・はんだボール
DESCRIPTION OF
110 ...
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