JP3130287B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
路部を保護し、かつ外部装置と半導体素子の電気的接続
を安定に確保し、さらにもっとも高密度な実装を可能と
した半導体装置に関するものである。本発明の半導体装
置により、情報通信機器、事務用電子機器、家庭用電子
機器、測定装置、組み立てロボット等の産業用電子機
器、医療用電子機器、電子玩具等の小型化を容易にする
ものである。
参照しながら説明する。図11はクワッドフラットパッ
ク(QFP)と呼ばれる従来の半導体装置を示す断面図
である。図11を参照しながら従来の半導体装置の構成
について説明する。従来の半導体装置としては、外部電
極端子が半導体パッケージの側面に設けられている半導
体装置を例として説明する。
子1が、セラミックなどを絶縁基体とした半導体パッケ
ージ2のくぼみ部3に搭載されている。半導体パッケー
ジ2の半導体素子1が搭載されているくぼみ部3の周辺
には、ワイヤボンドエリア4が形成されており、ワイヤ
ボンドエリア4には電極5が半導体素子1に形成されて
いる電極と対応して形成されている。そして、ワイヤボ
ンドエリア4の電極5と半導体素子1上に形成された電
極とがAuなどの細線6で接合されている。また、ワイ
ヤボンドエリア4の電極5と外部との導通のために、半
導体パッケージ2の側面には外部電極端子7が形成され
ている。そして、蓋体8が半導体素子1、ワイヤボンド
エリア4の電極5と半導体素子1上に形成された電極と
接合しているAuなどの細線6を保護する目的で取り付
けられている。
図面を参照しながら説明する。図12〜図14は従来の
半導体装置の製造方法を示す断面図である。
ンド工程と、ワイヤボンド工程と、封止工程とよりなる
ものである。
について説明する。半導体素子1を、セラミックなどを
絶縁基体とした半導体パッケージ2のくぼみ部3に、導
電性接着剤により接着し搭載する。この工程はダイスボ
ンダーと呼ばれる装置で行なわれる。
について説明する。半導体パッケージ2に搭載した半導
体素子1の電極と、半導体パッケージ2に設けられてい
るワイヤボンドエリア4の電極5とを電気的接続を行な
うために、AuまたはAlの細線6で接続する。この工
程はワイヤボンダーと呼ばれる装置で行なわれる。
て説明する。AuまたはAlの細線6で電極同士を接続
した後、細線6や半導体素子1の保護のために、蓋体8
により半導体パッケージ2のくぼみ部3を覆う形で封止
する。蓋体8は半導体パッケージ2に対して接着剤で取
り付け、封止する。
の種類は大きく二つに分けることができる。第1にセラ
ミックパッケージがある。セラミックパッケージはさら
に積層タイプのセラミックパッケージとガラス封止セラ
ミックパッケージとに大別される。積層タイプのセラミ
ックパッケージは、グリーンシートに、配線上必要な位
置に対して機械的な加工により微細な孔を設け、その孔
に導電性ペーストを充填し、さらに回路を印刷形成した
後積層を行ない、還元性雰囲気中において焼成すること
によりパッケージ本体を作る。ガラス封止タイプセラミ
ックパッケージはパッケージ本体の上面に低融点ガラス
を塗布し、リードフレームを取り付けた後、加熱炉内で
低融点ガラスを融解させることにより、パッケージ本体
とリードフレームとを接合し、さらに半導体素子が搭載
される中心部にはAuペースト等を塗布する。もっとも
一般的に用いられているのはプラスチックパッケージで
ある。このタイプのパッケージは、リードフレーム上に
半導体素子が搭載され、ワイヤーボンディング法にて電
気的接続がなされた後、金型の中空部分に保持し、エポ
キシ樹脂等の熱硬化性樹脂を主体とした樹脂を流入させ
た後に硬化させるものである。セラミックパッケージ、
プラスチックパッケージともに、半導体素子とパッケー
ジとの電気的接続にAuもしくはAlの微細線を用いる
ワイヤーボンディング法が主流である。このワイヤーボ
ンディング方法を用いた実装工法の場合、半導体素子が
取り付けられた周辺部にワイヤーを結線するための配線
領域を設ける必要があり、パッケージの小型化の阻害要
因となっていた。
るフリップチップ実装工法を用いたパッケージの検討が
なされている。フリップチップ実装工法を用いたパッケ
ージは、特開昭62−118549号公報にも示された
ように、セラミックをそのパッケージの基板材料とした
場合、および特開昭63−65656号公報に示された
ように樹脂基材を基板材料とした場合とが検討されてい
る。従来検討されているフリップチップ実装タイプパッ
ケージの形状的特徴として、従来のワイヤーボンディン
グ方式のセラミックパッケージと同様、半導体素子が取
り付けられる部分が空洞になっているために、半導体素
子が取り付けられた後に半導体素子を保護する目的で、
金属もしくはセラミック等で作られた蓋体が、はんだ、
低融点ガラス、またはAu−Sn合金を接合材料として
用いるか、もしくは抵抗圧接等の方法を用いるかして取
り付けられる。前記半導体パッケージは電子機器の小型
化高性能化に伴い、外部電極の増大、半導体パッケージ
本体の小型化、薄型化が要求されている。また、半導体
素子より発生する熱のため、ヒートシンクを取り付けて
実装している。
の半導体装置では、半導体パッケージ2本体の配線層の
微細化、多層化ならびに外部電極端子7の取り付け部分
の多方向化、外部電極端子7の間隔の微細化に対応した
構造であるが、半導体素子1と半導体パッケージ2との
電気的接続方法として、一般的にワイヤーボンディング
法が用いられている。そのため、半導体素子1の周辺部
に細線6を配線するための電極5である内部電極端子を
形成する領域として、半導体素子1の周囲2.0mm以
上が、さらに蓋体8を取り付ける領域として、ワイヤボ
ンドエリア4の周囲2.0mm以上がそれぞれ必要とさ
れる。このため、半導体パッケージ2の面積を半導体素
子1の寸法と同等程度にすることは不可能であり、半導
体パッケージ本体の小型化、薄型化の要求を満たすこと
ができない。また、高密度に装置の回路基板に半導体素
子を搭載する目的で、半導体素子を半導体パッケージに
収納することなく直接回路基板に実装する方法において
は、半導体素子より発生する熱のためヒートシンクを取
り付けて実装しなければならないので、薄型化は実現で
きない。
体素子の実装に必要な面積の小型化、薄型化ならびに半
導体パッケージの外部電極端子間隔の微細化を抑え、機
械的強度に問題のない外部電極形態を有し、ヒートシン
クなしでも正常動作を確保できる半導体装置を提供する
ことを目的としている。
本発明における半導体装置は、以下のような構成を有し
ている。すなわち、突起電極(Auバンプ)を有する半
導体素子が、前記突起電極を介して導電性接着剤で絶縁
性基板からなる半導体キャリア表面の電極にフェースダ
ウン実装され、前記半導体素子と前記半導体キャリアと
の間隔および前記半導体素子の周辺端部が熱硬化性樹脂
で充填被覆されている半導体装置において、前記半導体
素子より前記半導体キャリアが大きい条件で前記半導体
素子と前記半導体キャリアとが概ね同じ大きさを有し、
前記半導体素子と前記半導体キャリアとがバイメタル効
果を得る薄さであり、かつ、前記半導体素子と前記半導
体キャリアとの熱膨張率が異なり、前記熱硬化性樹脂が
エポキシ樹脂からなり、前記熱硬化性樹脂が前記半導体
素子と半導体キャリアとの間隔から半導体キャリア上に
はみ出して前記半導体キャリアと前記熱硬化性樹脂との
接触角度が60度以下の角度で設けられている半導体装
置である。
置は、半導体素子を接続するためにこれまで必要不可欠
であったワイヤーボンディングエリアが不必要となり、
かつ半導体キャリアと半導体素子との間に熱硬化性樹脂
を浸透させ、熱硬化させることにより半導体素子の保護
ができ、蓋体を取り付ける必要性がないことより、蓋体
取り付け領域が削除できる。そして前記熱硬化性樹脂に
エポキシ系の樹脂に高熱伝導セラミックを添加した樹脂
を用いているので、熱膨張率が低減し、熱伝導率の向上
により、ヒートシンクなしで半導体装置の正常動作を確
保することができる。
キャリア底面全体を利用し、かつ格子状電極の狭ピッチ
形成を可能とするはんだバンプ構造を用いることによ
り、半導体装置をきわめて小さくすることが容易とな
る。また、回路基板の取り付け電極をパッケージ本体領
域下に設ける構造であるため、有効的な面積の利用が可
能となる。
角度を60度以下の角度で形成しているので、半導体素
子の裏面より半導体キャリアの電極に電気的接続の膜形
成が効果的に行なえることより、パワーICトランジス
タ等のように裏面を電極として用いる場合や、ランダム
アクセスメモリーやマイクロコンピューターのように半
導体素子内で負電圧を作り基板電極等に接続する、いわ
ゆるバックバイアスを取ることが可能となり、半導体素
子をフェースダウン実装する場合において、半導体素子
の種類を考慮する必要がなくなる。また、半導体素子と
半導体キャリアとが概ね同じ大きさを有し、バイメタル
の原理によりバンプ部に印加されるせん断応力を解消で
きるとともに、導電性接着剤がバンプ部のまわりにのみ
形成されているので、接合の信頼性を得ることができ
る。
図面を参照しながら説明する。
は本実施例にかかる半導体装置の平面図である。図2は
本実施例にかかる半導体装置の底面図である。図3は本
実施例にかかる半導体装置の断面図であり、図1のA−
A1線部分の断面を示している。
にかかる半導体装置の構成について説明する。
の形成された半導体素子10が、その表面側を下にして
セラミックを絶縁基体とした多層回路基板である半導体
キャリア11に接合されている。半導体キャリア11の
上面には半導体素子10との導通のための複数の電極1
2が形成されており、この電極12と半導体素子10上
に形成されたAuバンプ9とが導電性接着剤13で接合
されている。導電性接着剤13はAuバンプ9にあらか
じめ供給されている。そして、接合された半導体素子1
0と半導体キャリア11との間の隙間と、半導体素子1
0の端部とはエポキシ系の封止樹脂14により充填被覆
されている。封止樹脂14はエポキシ系樹脂にフィラー
として高熱伝導セラミックである窒化アルミニウム(A
lN)、もしくは炭化珪素(SiC)を添加した樹脂を
用いる。多層回路基板である半導体キャリア11の底面
には、メタライズ金属層としてAg−Pdよりなる外部
電極端子15が一定の間隔で格子状に形成されている。
Ag−Pd以外にもCu,Auをメタライズ金属層とし
て用いてもよい。さらに電極材料の表面酸化防止を目的
としてAuめっき、半導体素子10のAuバンプ9と半
導体キャリア11との接合に用いる導電性接着剤13に
はんだを用いる場合には、メタライズのはんだ食われを
防止する目的でNiめっきを行なう。メタライズ金属層
よりなる格子状に形成された外部電極端子15の間隔は
0.8mm程度である。それを1.0mmよりも大きく
すると小型化が実現できず、また0.6mm以下であれ
ば、配線基板にキャリアを搭載する際に高い精度が必要
になる。さらにバンプ高さを十分確保することが困難に
なることより、配線基板表面反り等の問題より安定した
接続を得ることが困難になる。
る目的の第1は、半導体素子10と半導体キャリア11
との熱応力差に起因する熱応力を、Auバンプ9および
導電性接着剤13に集中させないようにするためであ
る。硬化後、弾性係数の大きいエポキシ系樹脂にて半導
体素子10と半導体キャリア11とを強固に固定するこ
とにより、温度変化による半導体キャリア11および半
導体素子10の変形量の違いにもとづく応力を、バイメ
タルの原理による曲げ変形に変換することにより、バン
プに印加されるせん断応力を解消するためである。第2
には、エポキシ系の樹脂はノボラック系などの他の樹脂
よりも水分の透過が少ないためである。第3には、エポ
キシ系の樹脂に対してフィラーとし一般的に用いられて
いるシリカ(SiO2)ではなく、窒化アルミニウム
(AlN)、高熱伝導性セラミックとして、炭化珪素
(SiC)を添加することにより、熱膨張率、熱伝導率
のコントロールが可能となり、半導体装置の動作にとも
なう熱発生による温度上昇の防止と半導体装置に発生す
る応力を緩和することができるためである。
ながら説明する。図4は第2の実施例に係る半導体装置
を示す断面図である。
実施例と同様であるが、半導体素子10裏面にAuのよ
うな導電性被膜16が形成されている点と、封止樹脂1
4上に部分的に導電性膜17が形成されている点が異な
る。この構成により、半導体素子10の裏面に形成され
た導電性被膜16と半導体キャリア11上の電極18と
が導電性膜17により接続され、半導体素子10内で負
電圧を作り、基板電極等に接続するいわゆるバックバイ
アスを取ることができる。
造方法について図面を参照しながら説明する。図5は、
Auバンプ形成工程を示す図である。図6〜図8は本実
施例にかかる半導体装置の製造方法を工程別に示した部
分断面図である。
ィング法(ボールボンディング法)を用いて、半導体素
子10の電極19上にAuバンプ9(Au二段突起)を
形成する。この方法は、Auワイヤー先端に形成したボ
ールをアルミニウム電極に熱圧接することにより、二段
突起の下段部を形成し、さらにキャピラリ20を移動さ
せることにより形成したAuワイヤーループをもって、
二段突起の上段部を形成する。前記状態においては、A
u二段突起の高さは均一でなく、また頭頂部の平坦性に
も欠けているために、Au二段突起を加圧することによ
り高さの均一化ならびに頭頂部の平坦化、いわゆるレベ
リングを行なう。
を用いて適当な厚みにAg−Pdを導電物質として含有
する導電性接着剤13を塗布する。この際、導電性接着
剤13はつねに新鮮な表面を維持するためにスキージに
て円盤上で攪拌される。導電性接着剤13にAuバンプ
9を設けた半導体素子10を押し当てた後に引き上げる
方法、いわゆる転写法によって、図6に示すように、A
uバンプ9に導電性接着剤13を供給する。導電性接着
剤13としては、信頼性、熱応力などを考慮してたとえ
ばバインダーとしてエポキシレジン、導体フィラーとし
てAg−Pd合金によりなる接着剤を用いている。
表面を下にして実装する方法であるフリップチップ方式
によって、半導体素子10上の導電性接着剤13が供給
されたAuバンプ9と、底面に外部電極端子15が一定
の間隔で格子状に形成されている半導体キャリア11上
の電極12とを位置精度よく合わせて接合した後、一定
の温度にて熱硬化させる。導電性接着剤13として、た
とえばバインダーとしてエポキシレジン、導体フィラー
としてAg−Pd合金よりなる導電性接着剤を用いた場
合、100℃の温度で1時間、さらに120℃の温度で
2時間加熱することにより接合を完了する。
シ系の封止樹脂14を半導体素子10の周辺端部と、半
導体素子10と半導体キャリア11との間に形成された
隙間に注入し、一定の温度にて硬化させて樹脂モールド
する。この樹脂モールドの方法としては、封止樹脂14
を注入ノズルを用いて一方向から半導体素子10と半導
体キャリア11との間に形成された隙間に注入し、隙間
を埋めてから半導体素子10の周辺端部を封止する。封
止樹脂14としてエポキシ系樹脂に高熱伝導セラミック
である窒化アルミニウム(AlN)もしくは炭化珪素
(SiC)等をフィラーとして添加したものを用いる。
半導体素子10の周辺端部に供給する際に樹脂が十分半
導体素子10の背面に到達し、さらに半導体キャリア1
1と樹脂14との接触角度が60°以下の小さな角度と
なるようにする。封止樹脂14の供給後、オーブン中で
加熱をすることにより封止樹脂14を硬化させる。
られた工法の問題点であった、狭隙間に樹脂を注入する
際に発生するボイド、ならびに注入時間の長時間化を改
善する目的で、樹脂注入時に半導体キャリア11を固定
するテーブルに超音波振動子を取り付け、樹脂注入中は
超音波を印加するという封止樹脂注入方法を用いてい
る。超音波印加により、樹脂硬化したときにボイドとな
る樹脂中の気泡を除去することができる。
がら説明する。図9は本実施例に係る半導体装置の製造
方法の工程を示す断面図である。
するまでの工程は、図5〜図8に示すものと同様である
が、本実施例では、あらかじめ半導体素子10の裏面に
導電性被膜16を形成し、そして樹脂封止の工程の次
に、導電性膜17の形成工程を有している。図9に示す
ように、ディスペンサーもしくはオフセット印刷法を用
いて、導電性紫外線硬化インクを半導体素子10の背面
から封止樹脂14表面を経て半導体キャリア11上の封
止樹脂14で被覆されていない電極18に至るまで塗布
し、硬化させて、導電性膜17を形成する。導電性紫外
線硬化インクをオフセット印刷法により塗布して、導電
性膜17を形成するには、半導体キャリア11と封止樹
脂14との接触角度を60°以下の角度に保持して、樹
脂封止する必要がある。接触角度を60°以下と設定し
ているのは、60°よりも大きな角度では、導電性紫外
線硬化インクを塗布し、導電性膜17を形成できないた
めである。
セラミック粉末をガラス粉末と溶剤とともに混合ミルに
投入して、回転混合粉砕を行なう。さらに有機バインダ
ーを添加し、さらに混合する。このセラミック粉末は、
通常、アルミナを主体とするが、特に熱伝導性を向上さ
せるために窒化アルミニウム(AlN)、炭化珪素(S
iC)等の粉末も添加する。十分混合を行なった後、得
られる泥しょう、いわゆるスラリーは、グリーンシート
成型のために搬送シート上に任意の厚みで塗布される。
厚みの調整にはドクターブレード法等を用いる。搬送シ
ート上のスラリーは赤外線および熱風を用いて溶剤を乾
燥することにより、弾力性に富み、導電ペースト印刷時
のペースト溶剤の浸透性に優れたグリーンシートが得ら
れる。このグリーンシートに対して、位置合わせ手法と
して配線ルール200μm以上の場合には、直接にガイ
ド穴を設け、200μm未満の場合には、ガイド穴を有
した保持枠に張り付ける。次に、グリーンシートの表裏
の電気的導通が必要な部分に機械的加工法にて穴を設け
る。この穴に印刷法にてCu粉末を主成分とした導電性
ペーストを充填する。次に、グリーンシート表面に必要
な回路を印刷した後乾燥させ、印刷された回路を適当な
荷重にてグリーンシート中に埋没させる。この目的は回
路が印刷されたグリーンシート表面を平坦にすることに
より、次の工程である積層工程における積層不良、いわ
ゆるデラミネーションを防止するためである。積層工程
においては、グリーンシートに設けられたガイド穴もし
くは保持枠のガイド穴によって精度よく積層されたグリ
ーンシートを加圧することで強固に接着する。
面に形成された格子状電極に、Sn−Pbの共晶はんだ
クリームを塗布する。そして、整列治具を用いて高融点
はんだボールが、塗布されたはんだクリームに供給した
後、リフロー炉等を用いて加熱溶融させることによりは
んだ突起バンプを形成し、半導体キャリア11を形成す
る。
脂にフィラーとしてシリカ(SiO 2)を添加した場合
と、高熱伝導性セラミックである窒化アルミニウム(A
lN)を添加した場合と炭化珪素(SiC)を添加した
場合の封止樹脂を用いて封止した半導体装置に対して、
1W(5V×0.2A)の電力を印加して駆動させ、発
熱させた場合の半導体素子の温度上昇の比較を示した図
である。フィラーとして添加したシリカ、窒化アルミニ
ウムまたは炭化珪素は、それぞれ粒径5μm、添加量4
0wt%である。温度測定は半導体装置を駆動させ、温
度上昇が起こり、温度が一定になった時点で行ない、室
温は25℃、無風状態である。
珪素をフィラーとして添加すると、80℃程度までは上
昇するが、半導体装置が誤動作、故障および周辺装置へ
の熱による悪影響を及ぼす可能性のある100℃以上に
は達しないことがわかる。もし、フィラーとして窒化ア
ルミニウムを添加しなければ、シリカを添加した場合の
ように約130℃まで温度が上昇してしまい、ヒートシ
ンクなしでは誤動作、故障を起こしてしまう。添加する
フィラーとしては、窒化アルミニウム以外にも、他の高
熱伝導セラミックである炭化珪素などを用いても同様の
効果がある。
m、量を70wt%とした場合には、熱伝導率がさらに
向上するが、封止の際に流動性が悪くなってしまうの
で、粒径5μm、量40wt%程度が望ましい。
ディングに必要な半導体素子周辺の電極面積ならびにパ
ッケージの蓋体の取り付けに必要な領域が不必要とな
り、さらに狭い面積のパッケージの底面全体を有効に利
用することが可能となることより、半導体パッケージ本
体の小型化、薄型化を実現して高密度実装ができる。ま
た、エポキシ系の樹脂にフィラーとして高熱伝導セラミ
ックである窒化アルミニウムを添加した封止樹脂で封止
したので、熱膨張率も低減できるので、半導体装置に発
生する応力を緩和でき、熱伝導率の向上により半導体装
置を駆動させ、熱が発生してもヒートシンクなしで正常
動作を確保することができる。また、半導体素子裏面と
半導体キャリア上の電極とを接続する導電性膜を設けて
いるので、バックバイアスを取ることができる。
法を示す断面図
法を示す断面図
法を示す断面図
法を示す断面図
法を示す断面図
時の温度上昇を示す図
Claims (1)
- 【請求項1】 突起電極(Auバンプ)を有する半導体
素子が、前記突起電極を介して導電性接着剤で絶縁性基
板からなる半導体キャリア表面の電極にフェースダウン
実装され、前記半導体素子と前記半導体キャリアとの間
隔および前記半導体素子の周辺端部が熱硬化性樹脂で充
填被覆されている半導体装置において、前記半導体素子
より前記半導体キャリアが大きい条件で前記半導体素子
と前記半導体キャリアとが概ね同じ大きさを有し、前記
半導体素子と前記半導体キャリアとがバイメタル効果を
得る薄さであり、かつ、前記半導体素子と前記半導体キ
ャリアとの熱膨張率が異なり、前記熱硬化性樹脂がエポ
キシ樹脂からなり、前記熱硬化性樹脂が前記半導体素子
と半導体キャリアとの間隔から半導体キャリア上にはみ
出して前記半導体キャリアと前記熱硬化性樹脂との接触
角度が60度以下の角度で設けられていることを特徴と
する半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13797398A JP3130287B2 (ja) | 1998-05-20 | 1998-05-20 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP13797398A JP3130287B2 (ja) | 1998-05-20 | 1998-05-20 | 半導体装置 |
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---|---|---|---|
JP5268718A Division JP2826049B2 (ja) | 1992-11-18 | 1993-10-27 | 半導体装置およびその製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10321765A JPH10321765A (ja) | 1998-12-04 |
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ID=15211077
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JP13797398A Expired - Fee Related JP3130287B2 (ja) | 1998-05-20 | 1998-05-20 | 半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3130287B2 (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102079614B1 (ko) * | 2014-07-31 | 2020-02-20 | 후아웨이 테크놀러지 컴퍼니 리미티드 | 쓰리인투 카드 홀더 및 카드 홀더를 포함하는 이동 단말기 |
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-
1998
- 1998-05-20 JP JP13797398A patent/JP3130287B2/ja not_active Expired - Fee Related
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