JP3591458B2 - 半導体装置の実装構造および半導体装置 - Google Patents

半導体装置の実装構造および半導体装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部接続用の電極が形成された電極形成面を有する半導体素子を備えた半導体装置をワークに実装して成る半導体装置の実装構造および半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子をパッケージングして製造される半導体装置を基板などのワークに実装する実装構造として、半導体装置に形成された半田バンプなどの突出電極をワークの回路電極に接合した構造が知られている。このような実装構造において、実装後の接合信頼性を確保するためには、半田バンプなどの突出電極の接合部に作用する応力を低減することが求められる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の半導体装置の実装構造においては、実装後の環境温度変化によって半導体素子とワークとの熱膨張率の差に起因して発生する応力は主として接合部に集中して作用し、この熱応力が繰り返し作用するヒートサイクルによって接合部の破断を生じやすく、実装後の信頼性が確保されないという問題点があった。
【０００４】
そこで本発明は、実装後の信頼性を確保することができる半導体装置の実装構造および半導体装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の半導体装置の実装構造は、外部接続用の電極が形成された電極形成面を有する半導体素子を備えた半導体装置をワークに実装した半導体装置の実装構造であって、前記半導体素子の電極をワークの回路電極に接合した実装状態において、前記ワークの収縮変位に応じて半導体素子が前記電極間で面外撓み変形を生じることにより前記電極または前記電極と前記回路電極との接合部に作用する応力を緩和する。
【０００６】
請求項２記載の半導体装置の実装構造は、請求項１記載の半導体装置の実装構造であって、前記半導体素子の厚みが、２００μｍ〜１０μｍの範囲である。
【０００７】
請求項３記載の半導体装置の実装構造は、請求項１記載の半導体装置の実装構造であっ
て、前記半導体装置が、前記半導体素子の電極形成面の裏面に接着材により接合されたバンパ部材を備えており、前記接着材が前記半導体素子の前記面外撓み変形を阻害しない低弾性係数の樹脂接着材である。
請求項４記載の半導体装置は、外部接続用の電極が形成された電極形成面を有する半導体素子を備えた半導体装置であって、前記半導体素子の電極をワークの回路電極に接合した実装状態において、前記ワークの収縮変位に応じて半導体素子が前記電極間で面外撓み変形を生じることにより前記電極または前記電極と前記回路電極との接合部に作用する応力を緩和する。
【０００８】
請求項５記載の半導体装置は、請求項４記載の半導体装置であって、前記半導体素子の厚みが、２００μｍ〜１０μｍの範囲である。
請求項６記載の半導体装置は、請求項４記載の半導体装置であって、前記半導体装置が、前記半導体素子の電極形成面の裏面に接着材により接合されたバンパ部材を備えており、前記接着材が前記半導体素子の前記面外撓み変形を阻害しない低弾性係数の樹脂接着材である。
【０００９】
本発明によれば、半導体素子の電極をワークの回路電極に接合した実装状態において、ワークの収縮変位に応じて半導体素子が前記電極間で面外撓み変形を生じ、半導体の電極または半導体の電極とワークの回路電極との接合部に作用する応力を緩和することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の半導体装置の実装構造の斜視図、図２は本発明の実施の形態１の半導体装置の実装構造の側断面図、図３は本発明の実施の形態１の半導体装置の実装構造の部分断面図である。
【００１１】
図１において、ワークである基板１には半導体装置２が実装されている。半導体装置２はシリコンを薄片状に加工した半導体素子２’を備えており、半導体素子２’の下面（回路形成面）２’ａは、外部接続用の電極である金属バンプ３（以下、単に「バンプ」３と略記。）が形成された電極形成面となっている。バンプ３を基板１の回路電極１ａに半田接合することにより、半導体装置２は基板１に実装される。
【００１２】
図２（ａ）において、半導体素子２’は機械研磨やエッチングなどを用いた薄化工程を経て厚みｔが２００μｍ〜１０μｍの範囲となっている。一般に、半導体素子２’をバンプ３を介して基板１に実装した状態では、半導体素子２’の厚み寸法が小さいほど実装後の接合信頼性が優れている。このため、本実施の形態１に示す実装構造では、上述のように半導体素子２’を薄化して厚みｔを２００μｍ〜１０μｍの範囲に設定するようにしている。
【００１３】
薄化工程は、半導体素子２’の電極形成面の裏側の面２’ｂ（以下、裏面２’ｂとする）を砥石等を用いた機械研磨によって粗加工を行い、ドライエッチングや薬液によるウェットエッチングで仕上げ加工を行う。機械研磨を行うと裏面に多数のマイクロクラックを有するダメージ層が形成される。このダメージ層は、半導体素子２’の抗折強度を低下させる要因となるものであるが、仕上げ加工によりこのダメージ層を除去して半導体素子２’の抗折強度を高めることができる。しかも薄く加工された半導体素子２’からダメージ層を除去することで半導体素子２’の面外の撓み変形可能となる。
【００１４】
図２（ｂ）は、半導体装置２を基板１に実装した実装構造において、実装後のヒートサイクルなどによる外力によって基板１に収縮変形が生じた状態を示している。半導体素子２’は上述のように薄くて撓みやすいため、基板１の収縮変形による外力がバンプ３を介して半導体素子２’に伝達されることによって各バンプ３間で半導体素子２’に発生する圧縮荷重は、半導体素子２’の面外の撓み変形を生じさせる。
【００１５】
すなわち図３に示すように、薄い半導体素子２’はバンプ３の位置で上下方向の変位が拘束された状態で圧縮荷重Ｆを受ける結果、バンプ３間で上下方向の撓み変形による変位ｄ１を生じる。そして基板１の収縮変形による水平方向の変位はこの撓み変形によってそのほとんどが吸収されることから、バンプ３が半導体素子２’の圧縮反力によって拘束されることによってバンプ３やバンプ３と基板１の回路電極１ａとの接合部に作用する応力は、大幅に緩和される。
【００１６】
換言すれば、基板１に収縮変形が生じた場合には、半導体素子２’に形成されたバンプ３は基板１の収縮とともに半導体素子２’の面方向（水平方向）に変位することが許容されており、これによりバンプ３と基板１との接合部に基板１の収縮によって作用する応力は大幅に緩和される。発明者らの実験によれば、半導体素子２’の厚みｔが２００μｍを下回るようになると、上述したような実装状態における、基板１の収縮変形に対する半導体素子２’の追従性が明瞭に認められるようになる。
【００１７】
このように、半導体素子２’を極薄として、圧縮荷重Ｆによる面外の撓み変形を生じやすくすることにより、基板１の収縮による変位を撓み変形によって吸収させることができる。これにより、実装後にアンダーフィル樹脂を充填するなどの補強処理を必要とすることなく半田接合部の応力が緩和され、簡易な形態のパッケージ構造で実装後の信頼性を確保することができる。
【００１８】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２の半導体装置の実装構造の斜視図、図５は本発明の実施の形態２の半導体装置の実装構造の側断面図、図６は本発明の実施の形態２の半導体装置の実装構造の部分断面図である。
【００１９】
図４において、基板１１には半導体装置１２が実装されている。半導体装置１２は実施の形態１に示す半導体素子２’と同様の半導体素子１２’を備えており、半導体素子１２’の下面は、外部接続用の電極であるバンプ１３が形成された電極形成面１２’ａとなっている。バンプ１３を基板１１の回路電極１１ａに半田接合することにより、半導体装置１２は基板１１に実装される。
【００２０】
図５（ａ）に示すように半導体装置１２は、半導体素子１２’の電極形成面１２’ａの裏面１２’ｂに、接着材１５により接合された補強部材としてのバンパ部材１４を備えた構成となっており、バンパ部材１４のサイズＢ２は半導体素子１２’のサイズＢ１よりも大きく、その外周端は、半導体素子１２’の外周端よりも外側に突出している。これにより、半導体装置１２のハンドリング時において、バンパ部材１４によって半導体素子１２’の側面を有効に保護することができる。バンパ部材１４は半導体素子１２’と接着材１５によって接合された構造となっている。ここで、接着材１５は低弾性係数の樹脂接着材であり、エラストマーなど接合状態における弾性係数が小さく、小さな外力で容易に伸縮する材質が用いられる。
【００２１】
図５（ｂ）は、この半導体装置１２を基板１１に実装して成る実装構造において、実装後のヒートサイクルなどによる外力によって基板１１に収縮変形が生じた状態を示している。実施の形態１に示す例と同様に、半導体素子１２’は薄くて撓みやすいため、基板１１の収縮変形による外力がバンプ１３を介して半導体素子１２’に伝達されることによって各バンプ１３間で半導体素子１２’に発生する圧縮荷重は、半導体素子１２’の面外の撓み変形を生じさせる。
【００２２】
すなわち図６に示すように、薄い半導体素子１２’はバンプ１３の位置で上下方向の変位が拘束された状態で圧縮荷重Ｆを受ける結果、バンプ１３間で上下方向の撓み変形による変位ｄ２を生じる。このとき、半導体素子１２’は接着材１５によって拘束されているものの、接着材１５は小さな外力で容易に伸縮することから、半導体素子１２’の撓み変形が大きく阻害されることはなく、実施の形態１に示す例とほぼ同様の応力緩和効果を得ることができる。これにより、本実施の形態２に示す半導体装置の実装構造においても、実施の形態１に示す例と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
なお本発明は、従来必要としていたアンダーフィル樹脂を使用しなくても実装後の信頼性を損なうことがないという効果を有するが、本発明とアンダーフィル樹脂とを組み合わせて実施すれば、より信頼性を高めることができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子の電極をワークの回路電極に接合した実装状態において、ワークの収縮変位に応じて半導体素子が電極間で面外撓み変形を生じるようにしたので、ワークの収縮による変位を半導体素子の撓み変形によって吸収させ、半導体の電極とワークの接合部に作用する応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の半導体装置の実装構造の斜視図
【図２】本発明の実施の形態１の半導体装置の実装構造の側断面図
【図３】本発明の実施の形態１の半導体装置の実装構造の部分断面図
【図４】本発明の実施の形態２の半導体装置の実装構造の斜視図
【図５】本発明の実施の形態２の半導体装置の実装構造の側断面図
【図６】本発明の実施の形態２の半導体装置の実装構造の部分断面図
【符号の説明】
１、１１ 基板
２、１２ 半導体装置
２’、１２’ 半導体素子
３、１３ バンプ
１４ バンパ部材
１５ 接着材

Claims (6)

  1. 外部接続用の電極が形成された電極形成面を有する半導体素子を備えた半導体装置をワークに実装した半導体装置の実装構造であって、前記半導体素子の電極をワークの回路電極に接合した実装状態において、前記ワークの収縮変位に応じて半導体素子が前記電極間で面外撓み変形を生じることにより前記電極または前記電極と前記回路電極との接合部に作用する応力を緩和することを特徴とする半導体装置の実装構造。
  2. 前記半導体素子の厚みが、２００μｍ〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装構造。
  3. 前記半導体装置が、前記半導体素子の電極形成面の裏面に接着材により接合されたバンパ部材を備えており、前記接着材が前記半導体素子の前記面外撓み変形を阻害しない低弾性係数の樹脂接着材であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装構造。
  4. 外部接続用の電極が形成された電極形成面を有する半導体素子を備えた半導体装置であって、前記半導体素子の電極をワークの回路電極に接合した実装状態において、前記ワークの収縮変位に応じて半導体素子が前記電極間で面外撓み変形を生じることにより前記電極または前記電極と前記回路電極との接合部に作用する応力を緩和することを特徴とする半導体装置。
  5. 前記半導体素子の厚みが、２００μｍ〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
  6. 前記半導体装置が、前記半導体素子の電極形成面の裏面に接着材により接合されたバンパ部材を備えており、前記接着材が前記半導体素子の前記面外撓み変形を阻害しない低弾性係数の樹脂接着材であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
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