JP4078033B2 - 半導体モジュールの実装方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ベアチップまたはパッケージングされた半導体チップを配線基板に搭載し、半導体チップの上面に放熱板を設け、配線基板と放熱板とによって挟まれた半導体チップの周囲に樹脂を充填してなる半導体モジュール及びその実装方法に関する。本発明は特に、一枚の配線基板上に複数個の半導体チップを搭載したマルチ・チップモジュール及びその実装方法に関する。
背景技術
半導体モジュールは、パーソナルコンピュータ，サーバー，大型コンピュータなどの電子機器における高速あるいは高集積メモリーとして使用されている。これらの電子機器は、小型化，薄型化，高速化及び高集積化される傾向にある。これらに伴い、半導体モジュールにおいても、高密度実装，狭ピッチ・多ピン接続，低ノイズ化及び低熱抵抗化が求められている。
このような背景から、複数のベアチップまたはチップとほぼ同等のサイズを有するチップサイズ（またはチップスケール）パッケージ（以下ＣＳＰという）を配線基板へ実装して、実装密度を高めることが行われている。また、複数のベアチップまたはＣＳＰを基板に実装した後、チップの背面に放熱板を接着して、低熱抵抗化をはかることが行われている。
一例として米国特許第５，７２４，７２９号明細書には、一枚の配線基板上に複数個の半導体チップを搭載し、半導体チップの背面に放熱キャップを設けて、半導体チップと放熱キャップとを熱伝導性接着剤によって接着した構造のマルチ・チップモジュールが示されている。
また特開昭６３−２９５６３号公報には、フリップチップをバンプ電極を介してムライト基板にフェースダウンボンディングし、フリップチップ上面に熱伝導性の優れたシリコンカーバイド基板をろう材を用いて接着し、ムライト基板とシリコンカーバイド基板との間にエポキシ樹脂を充填した構造の半導体装置が示されている。また、上記半導体装置の複数個を一枚の基板上に搭載し、複数個の該半導体装置の上部を覆うようにヒートシンクを設けて、ヒートシンクと各半導体装置とを櫛歯状の伝熱部材を用いて接続した構造のマルチ・チップモジュールが示されている。
しかし、我々の検討によれば、上記従来技術には、以下に述べるようにいくつかの問題点がある。
まず、米国特許第５，７２４，７２９号明細書に記載されたマルチ・チップモジュールにおいては、チップとチップとの間が空隙になっているので、チップに加わる応力が分散されない。このため、どれかのチップに応力が加わったときに、応力が加わったチップと放熱キャップとの接合端面にクラックが入りやすい。また、チップを配線基板に接続しているバンプ電極の周囲にアンダーフィル樹脂が充填されていないので、バンプ電極が酸化されやすく、しかもチップに発生する熱が配線基板側へ伝達されにくい。
特開昭６３−２９５６３号公報に記載されたマルチ・チップモジュールにおいては、複数個の半導体装置が伝熱部材を介してヒートシンクへ機械的に固着されているので、半導体装置の大きさにばらつきがあった場合に、ヒートシンクが傾いてしまい固着しにくい。特開昭６３−２９５６３号公報に記載の発明では、伝熱部材を櫛歯状にしているので、半導体装置の大きさに多少のばらつきがあっても、ヒートシンクが傾きにくいが、櫛歯状にすることで構造が複雑になっている。また、該公報に記載の発明では、各半導体装置の側面に樹脂がモールドされているものの、樹脂と樹脂との間に空隙があるので、その空隙に水分が浸入したり或いは水分の結露が生じやすく、樹脂の材質劣化及び絶縁劣化が生じやすい。
マルチ・チップモジュールにおいて、半導体チップと配線基板との間にアンダーフィル樹脂を充填することは、特開平７−８６４９２号公報に記載されているように周知である。しかし、特開平７−８６４９２号公報には放熱板を設けることまでは記載されておらず、上述の問題点を解決するヒントにならない。
本発明の目的は、ベアチップ又はパッケージングされた半導体チップの複数個を一枚の配線基板上に搭載し、複数個の該半導体チップを一枚の放熱板で覆って、各半導体チップと該放熱板とを熱伝導可能に接合した構造を有する半導体モジュール及びその実装方法において、個々の半導体チップに加わる応力が分散され、チップと放熱板とが伝熱部材を用いることなく接合されるようにした半導体モジュール及びその実装方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、複数個の半導体チップが金属バンプを用いて一枚の配線基板に接続され、該半導体チップの背面に一枚の放熱板を配置された構造を有する半導体モジュール及びその実装方法において、半導体チップと配線基板との間隙がアンダーフィル樹脂で満たされ、半導体チップと放熱板とが伝熱部材を用いることなく接合され、個々のチップに加わる応力が分散されるようにした半導体モジュール及びその実装方法を提供することにある。
発明の開示
本発明の第一の実施態様は、ベアチップ又はパッケージングされた半導体チップの複数個が一枚の配線基板上に搭載され、複数個の該半導体チップ上に一枚の放熱板が配置された構造を有する半導体モジュールにおいて、前記配線基板と前記放熱板とによって挟まれた複数個の該半導体チップの周囲が樹脂で満たされ、該半導体チップと該半導体チップとが該樹脂を介して繋がっていることを特徴とする半導体モジュールにある。
ベアチップ又はパッケージングされた半導体チップを配線基板に搭載する方法には、半導体チップの回路が形成された面を下側にし、該回路形成面を配線基板に対向させて搭載する方法と、回路形成面を上側にし回路非形成面を配線基板と対向させて搭載する方法とがある。半導体チップの回路形成面を下向きにして配線基板に接続する方式即ちフェースダウンボンディング方式の半導体モジュールでは、半導体チップの回路形成面に設けられたパッドと配線基板のパッドとが金属バンプを介して接続される。一方、半導体チップの回路形成面を上側にして配線基板に搭載する方式即ちフェースアップボンディング方式の半導体モジュールでは、半導体チップの回路非形成面が配線基板に接着剤を用いて接合され、半導体チップの回路形成面に設けられたパッドと配線基板のパッドとが金属ワイヤボンディングされる。ここで、パッドとは入出力端子のことであり、電極，電極端子或いは単に端子と称されることもある。
従って、本発明の第二の実施態様は、ベアチップとパッケージングされた半導体チップから選ばれた一方の半導体チップの複数個が回路形成面を下に向けて金属バンプにより一枚の配線基板に電気的に接続され、該半導体チップの回路非形成面の上部に一枚の放熱板が配置された構造を有する半導体モジュールにおいて、該配線基板と該半導体チップとの隙間、該半導体チップと該放熱板との間及び該半導体チップと該半導体チップとの間に樹脂が充填され、該半導体チップと該放熱板とが該樹脂によって接合され、該半導体チップと該半導体チップとが該樹脂によって繋がっていることを特徴とする半導体モジュールにある。
本発明の第三の実施態様は、複数個のベアチップ又はパッケージングされた複数個の半導体チップの回路非形成面が一枚の配線基板に接着され、該半導体チップの回路形成面側に一枚の放熱板が配置され、該回路形成面に設けられたパッドと該配線基板のパッドとが金属ワイヤボンディングされている半導体モジュールにおいて、該半導体チップと該放熱板との間及び複数個の該半導体チップの間に樹脂が充填され、該樹脂によって該半導体チップと該放熱板とが接合され、該半導体チップと該半導体チップとが繋がっていることを特徴とする半導体モジュールにある。
本発明による半導体モジュールの製造にあたっては、半導体チップと放熱板とを熱伝導性を有する接着剤を用いて接着してもよい。また、半導体チップの回路形成面を上側にして、配線基板と金属ワイヤボンディングする方式の半導体モジュールにおいては、金属ワイヤが放熱板によって押しつぶされないようにするために、放熱板と半導体チップとの間或いは放熱板と配線基板との間にスペーサを設けてもよい。
従って、本発明の他の実施態様は、ベアチップ又はパッケージングされた半導体チップの複数個が一枚の配線基板に搭載され、複数個の該半導体チップの上面に一枚の放熱板が配置された構造を有する半導体モジュールにおいて、前記半導体チップと前記放熱板との間に接着剤層を有し、前記配線基板と前記放熱板とによって挟まれた前記半導体チップの周囲に樹脂が充填され、該樹脂によって該半導体チップと該半導体チップとが繋がっていることを特徴とする半導体モジュールにある。
更に他の実施態様は、ベアチップ又はパッケージングされた半導体チップの複数個が回路形成面を上側に向けて配線基板に搭載され、該半導体チップと該配線基板とが金属ワイヤボンディングされ、複数個の該半導体チップの回路形成面の上に一枚の放熱板が配置された構造を有する半導体モジュールにおいて、複数個の該半導体チップと該放熱板との間に金属ワイヤ保護用スペーサを有し、該放熱板と該配線基板とによって挟まれた半導体チップの周囲に樹脂が充填され、該半導体チップと該半導体チップとが該樹脂によって繋がっていることを特徴とする半導体モジュールにある。
更に他の実施態様は、ベアチップ又はパッケージングされた半導体チップの複数個が回路形成面を上側にして配線基板に搭載され、該半導体チップと該配線基板とが金属ワイヤボンディングされ、複数個の該半導体チップの回路形成面の上に一枚の放熱板が配置された半導体モジュールにおいて、前記配線基板と前記放熱板との間に金属ワイヤ保護用スペーサを有し、該放熱板と該配線基板とによって挟まれた半導体チップの周囲が樹脂によって満たされ、該半導体チップと該半導体チップとが該樹脂によって繋がっていることを特徴とする半導体モジュールにある。
本発明の半導体モジュールは、複数個の該半導体チップを配線基板に搭載した後、放熱板を配置し、該配線基板と該放熱板との間に樹脂を注入することによって実装される。樹脂を注入する方法としては、たとえば半導体チップの上面に樹脂の固まりを置き、その上に放熱板を被せ、配線基板と放熱板の外側にプレス板を配置して加熱加圧成形し、樹脂を溶融或いは軟化流動させて半導体チップの周囲に充填する方法を適用できる。また、配線基板と放熱板と半導体チップとを金型内に入れ、トランスファプレス成形によって樹脂を金型内に注入する方法を適用できる。また、配線基板に搭載された半導体チップと放熱板との間に樹脂の固まりを配置してオートクレーブ中に入れ、加熱して樹脂を溶融或いは軟化流動させ、半導体チップの周囲に充填する方法を適用できる。
本発明の他の実施態様は、後述する実施例の説明により、更に明瞭になるであろう。
本発明では、半導体チップはベアチップ又はパッケージングされた半導体チップから選ばれる。ベアチップは、一方の面に回路が形成されており、またパッド，端子，電極或いは電極端子等と称される入出力端子を有する。入出力端子は回路形成面側に設けられることが多い。
パッケージングされた半導体チップには、たとえばＣＳＰがある。ＣＳＰの一例は特開平９−３２１０８４号公報に記載されている。該公報には、チップの回路形成面側に応力緩衝層を介して配線テープを配置し、配線テープとチップのパッドとを電気的に接続して、この接続部を樹脂で封止し、配線テープに金属バンプを設けたものが示されている。この構造のＣＳＰは、本発明で用いるのに適している。パッケージングされた半導体チップには、ＣＳＰのほかにＳＯＪ（スモールアウトラインＪ−リードパッケージ），ＴＳＯＰ（スインスモールアウトラインパッケージ），ＴＣＰ（テープキャリアパッケージ）等があり、いずれも使用できる。
なお、本発明では、特に断らない限り、ベアチップ及びパッケージングされた半導体チップの両方を含めて半導体チップと称する。又、本発明において、実装（ｍｏｕｎｔｉｎｇ）とは、狭義には配線基板上に半導体チップを搭載して電気的に接続する技術を意味し、広義にはその後で更に放熱板を接合する技術或いは樹脂を注入する技術を意味する。なお、本発明で称している金属バンプと従来技術に記載されたバンプ電極とは同じものである。
本発明の半導体モジュールは、半導体チップと半導体チップとが樹脂で繋がっているので、どれかのチップに応力が加わっても、その応力が樹脂を介して四方に分散される。従って、チップや放熱板にクラックが入るというようなおそれは少ない。また、半導体チップと放熱板との接着が樹脂によってなされているので、伝熱部材を配置したときのようにヒートシンク即ち放熱板が傾くことは少ない。更に、チップと配線基板との間に金属バンプがある構造の半導体モジュールでは、半導体チップと配線基板との間に樹脂が充填されるので、チップから配線基板への熱伝導性がよくなり、しかも金属バンプが酸化されにくという効果がある。樹脂は、チップの保護及びモジュールの曲がり防止の役目もする。
なお、半導体チップを基板と放熱板との間に挟み、チップの周囲に樹脂をモールドした構造の半導体装置が、特開平７−１１２７８号公報及び特開平９−１７８２７号公報に記載されているが、マルチ・チップモジュールを組み立てることまでは記載されていない。
配線基板と放熱板とによって挟まれた半導体チップの周囲に充填される樹脂は、狭い空間に充填されるので、流動性が良いことはもちろんであるが、そのほかに半導体チップの熱を配線基板及び放熱板へ逃がす役目もするので、熱伝導性が優れていることが望ましい。具体的には、樹脂の熱伝導率は０．５〜３．５Ｗ／ｍ・℃の範囲にあるのが好ましい。樹脂の熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・℃未満では、放熱効果が乏しく、逆に熱伝導率が３．５Ｗ／ｍ・℃を超えると、熱伝導性フィラを配合して熱伝導性を付与するタイプの樹脂の場合に、フィラの量が多くなりすぎて、樹脂の流動性が低下し、ボイドや充填不良が生じやすい。
熱硬化性樹脂は、好適な樹脂の一つである。熱硬化性樹脂を用いれば、成形加熱時に樹脂粘度が大幅に低下することから、ボイドレスで充填でき、また樹脂の剥離も生じにくくなる。熱可塑性樹脂は、充填時の低粘度化と冷却後の樹脂組成物の耐熱性とが両立しないので、熱可塑性樹脂を使用する場合には、熱硬化樹脂成分を混ぜて用いることが望ましい。熱可塑性樹脂中に熱硬化性樹脂を含有することにより、成形後の加熱硬化により熟可塑性樹脂中に３次元網目構造が導入され、いわゆる網目相互侵入構造（ｉｎｔｅｒｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ 構造）を有する樹脂になる。この網目相互侵入構造の樹脂は、熱可塑性樹脂が有する短時間成形の利点を生かしながら、耐熱性を向上する効果がある。
熱硬化性樹脂には、酸無水物硬化型，フェノール硬化型，イミダゾール触媒硬化型またはアミン硬化型などのエポキシ樹脂を用いることができる。また、多官能性アクリレート樹脂やメタクリレート樹脂，シアネートエステル樹脂，付加型のマレイミド樹脂またはビスマレイミド樹脂などを用いることもできる。
熱可塑性樹脂には、ポリイミド樹脂或いはポリアミドイミド樹脂などを用いることができる。
熱可塑性樹脂中に含有する熱硬化樹脂は、該熱硬化性樹脂の加熱硬化物の特性として、線膨張係数が１０ｐｐｍ／℃〜６０ｐｐｍ／℃、ガラス転移温度が８０℃以上、室温における弾性率が５００ＭＰａ〜２５ＧＰａの範囲にあるものが望ましい。熱硬化性樹脂の線膨張係数が１０ｐｐｍ／℃未満、ガラス転移温度が８０℃未満、または室温における弾性率が５００ＭＰａ未満であると、樹脂の収縮力により、配線基板及び放熱板との接着部が剥離しやすくなる。また、熱硬化性樹脂の線膨張係数が６０ｐｐｍ／℃を超え、室温の弾性率が２５Ｇｐａを超えると、半導体チップと樹脂、または配線基板と樹脂との熱膨張係数の違いから生じる応力が大きくなり、チップ，金属バンプ及び配線基板のそれぞれの界面に亀裂や剥離が発生しやすくなる。
熟可塑性のポリイミド樹脂に熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂，マレイミド樹脂或いはビスマレイミド樹脂などを含有したものは、接着性と吸湿性とがバランス良く取れているので、本発明で用いるのに適している。
樹脂中には、接着力の向上と低応力化の観点から、シリコーンゴム，アクリルゴム，ニトリルブタジェンゴムなどの可とう化剤を混合することができる。また、線膨張係数を調整したり、熱伝導性を高めるために無機質の充填剤を混入することができる。無機質の充填剤としては、最大粒径が５０μｍ以下、平均粒径が０．５〜１０μｍの範囲にある球形のフィラを用いるのが望ましい。無機質充填剤の最大粒径が５０μｍを超えると、狭い間隙への樹脂の充填性が低下し、ボイドが発生しやすくなる。無機質充填剤の平均粒径が０．５μｍ未満であると、樹脂組成物の粘度が急激に上昇するため樹脂の未充填が起こりやすい。さらに、非常に細かい充填剤は凝集しやすく、分散性が悪くなる。平均粒怪が１０μｍを超えても樹脂の未充填が起こりやすい。樹脂の低熱膨張率化を達成するためには、無機質充填剤として、溶融シリカ，合成シリカ，タルク、または炭酸カルシウムなどを含有することが望ましい。これらのなかでは、純度，粒形の均一性，低熱膨張性等の点から溶融シリカまたは合成シリカが特に望ましい。また、樹脂の熱伝導性を高めるためには、充填剤として、結晶性シリカ，窒化アルミニウム，シリコンナイトライド，窒化ボロン，アルミナなどを用いることが望ましい。以上述べた無機質の充填剤は、球形またはフィラの角を削った球形に近い形状にして用いることが、樹脂の粘度，チップへのダメージを少なくする点から望ましい。
配線基板と放熱板との間隙を熱硬化性樹脂のみで満たす場合には、熱硬化性樹脂の物性として線膨張係数が６０ｐｐｍ／℃以下、特に４０ｐｐｍ／℃以下のものを用いることが望ましい。
放熱板の材料には、銅，アルミニウム，ステンレス，鉄，コバールなどの金属，窒化アルミニウム，シリコンナイトライド，窒化ボロン，アルミナなどのセラミックスを用いることができる。また、窒化アルミニウム，シリコンナイトライド，窒化ボロン，アルミナなどのように熱伝導性の優れたフィラを含有した樹脂板、或いは金属をコアにした樹脂板などを用いることができる。銅板にニッケルめっき等を施して使用することもできる。
放熱板は、半導体モジュールの反りを少なくする観点から、線膨張係数が配線基板の線膨張係数に近いことが望ましい。配線基板と放熱板との線膨張係数の差は１０ｐｐｍ／℃以下、好ましくは５ｐｐｍ／℃であることが望ましい。両者の線膨張係数の差が１０ｐｐｍ／℃を超えると、温度サイクルの信頼性を評価する試験において、モジュールに反りが生じ易く、また樹脂の亀裂が生じやすい。また、−５５℃から１５０℃の温度サイクル条件では、両者の線膨張係数の差が５ｐｐｍ／℃以下でないと１０００サイクルを満足することができない。
放熱板の板厚は、１０μｍから２ｍｍの範囲が望ましい。１０μｍ未満の板厚であると、薄すぎて取扱いづらい。板厚が２ｍｍを超えると、切断しにくいうえ、バリが生じ易い。また、半導体モジュール自体の厚さも厚くなるので、薄型モジュールの用途には適さない。放熱板は、一枚の平坦な板状でもよく、また板の端部を折り曲げてキャップ状にしたものでもよい。
放熱板と半導体チップとの接合は、主に樹脂によってなされ、この樹脂を介してチップの熱が放熱板へ伝達されることから、チップと放熱板との間隙は、できるだけ狭い方がよい。ただし、狭すぎると、ボイドが生じやすく、また樹脂の剥離が生じ易い。このことから、両者の間隙は１０〜２００μｍの範囲が望ましい。
配線基板の材料には、ガラス繊維や有機繊維からなる織布，不織布を含む有機系プリント基板，ポリイミドなどの配線テープ、またはセラミック基板などを用途に応じて用いることができる。有機系プリント基板は、低コスト半導体モジュールに適する。フレキシブルなポリイミド配線テープは、微細ピッチ形成が必要な半導体モジュールに適する。また、セラミック基板は自動車や産業用電子機器などの耐熱性，高信頼性が要求される半導体モジュールに適する。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の半導体モジュール及びその実装方法について、図面を参照しながら説明する。但し、本発明は、以下に述べる実施例に限定されるわけではない。
実施例１
第１図（ａ）（ｂ）は６個の半導体チップ１を配線基板３の片面に金属バンプ２を用いて実装し、半導体チップの上面を放熱板４で覆い、配線基板と放熱板との間に樹脂組成物５を充填した半導体モジュールの断面図を示しており、（ｃ）は放熱板を除いた状態の上面図を示している。
第１図（ａ）に示すモジュールは、放熱板４の両端が折り曲ってキャップ状になっており、キャップの端面が配線基板に接合されている。一方、第１図（ｂ）に示すモジュールは、放熱板が平坦な板状になっている。両者を比較した場合には、放熱特性の点で、第１図（ａ）の方が優れる。半導体チップ１は、ベアチップでも良く、またＣＳＰのごとく半導体パッケージでも良い。なお、第１図では図示を省略しているが、金属バンプ２の一端はベアチップのパッドに電気的に接続されている。金属バンプ２の他端は配線基板３のパッド２０に電気的に接続されている。
第１図（ｂ）に示す構造の半導体モジュールの実装方法を第５図に従って説明する。
まず、第５図（ａ）に示すように、金属バンプ２を接続した半導体チップ１と配線基板３を準備する。配線基板３のパッド２０には、半田フラックスを塗付し、半田を形成しておく。
次に第５図（ｂ）に示すように、半導体チップ１の金属バンプ２が設けられた面を下側にして配線基板上に搭載し、配線基板のパッドと金属バンプ２とを接続する。第５図（ｂ）以降では、パッド２０の図示が省略されている。次に第５図（ｃ）に示すように、タブレット化した樹脂組成物５を半導体チップの上に乗せる。次いで、第５図（ｄ）に示すように、樹脂組成物５の上に放熱板４を置き、放熱板４と配線基板３の外側から２枚のプレス板９によってはさみ込む。配線基板側のプレス板にはスペーサ１０を設けて、樹脂組成物５がプレス板の外側へ流れ出ないようにした。この状態で、圧縮成形プレスを行い、第５図（ｅ）に示す状態にする。この状態で、しばらく放置してから、圧力を開放してモジュールを取り出し、第５図（ｆ）に示す構造のマルチ・チップモジュールを得る。
半導体チップにはベアチップを用いた。配線基板には銅パッドを設け、銅パッド上に鉛と錫の共晶半田を形成した。銅パッドと金バンプ２との接合は、２４０℃の赤外線リフローによって行った。金属バンプ２の直径は０．３８ｍｍであり、金属バンプ間のピッチは０．８ｍｍ、チップと配線基板とのスタンドオフ高さは、約１００μｍである。樹脂組成物５には、ビフェニル型エポキシ樹脂（１００重量部），フェノールノボラック樹脂硬化剤（５４部），トリフェニルホスフィン硬化促進剤（４部），エポキシシランカップリング剤（３部），カーボン着色剤（１部）からなるエポキシ樹脂配合物２０重量％と、球状溶融シリカ（最大粒径：４５μｍ，平均粒径：７μｍ）８０重量％を混練ロールにて６０〜１２０℃の条件で混練したものを用いた。この樹脂組成物の加熱硬化後の線膨張係数は１６ｐｐｍ／℃であり、室温における弾性率は１５ＧＰａである。また硬化後のガラス転移温度は１２０℃である。放熱板４には、ニッケルめっきした厚さ５００μｍの銅板を用いた。また、圧縮成形は、１００℃で１０分予熱した後、１５０℃に昇温させ、その温度で２０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力をかけることにより行った。
また、圧縮成形後、１５０℃で１〜２時間保持し、後硬化を行った。
この結果、配線基板として通常使用されているＡＮＳＩ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）規格のＦＲ４プリント基板（線膨張係数：１４ｐｐｍ／℃）を用いた場合のモジュールの反りは、２０μｍと小さいものであった。これは放熱板として、線膨張係数１７ｐｐｍ／℃の銅を用いて、樹脂の線膨張係数に近づけたことによる。
本実施例によれば、樹脂組成物５が、半導体チップと配線基板との間が樹脂で満たされるので、半導体チップの熱が配線基板側へ良好に放散される。また、金属バンプ２の周囲が樹脂で囲まれているので、金属バンプが酸化されにくい。また、チップとチップとが樹脂で繋がっているので、どれかのチップに応力が加わっても、応力が分散される。また、放熱板とチップとの接合が樹脂によってなされているので、半導体チップの大きさにばらつきがあっても放熱板を容易に取り付けることができる。また、配線基板と放熱板との間隙に同一の樹脂が一度の工程によって充填されるので、樹脂内に界面ができたりせず、界面剥離のおそれもない。本実施例によれば、このほかに、すべての半導体チップを一度の工程で放熱板へ接着することができるという効果もある。
実施例２
第２図（ａ）は、６個の半導体チップ１を金属ワイヤボンディングにより配線基板３の片面に実装した半導体モジュールの断面図であり、（ｂ）は放熱板を除いた状態の上面図である。６個の半導体チップ１は金属ワイヤ６とともに樹脂組成物５により封止されている。この半導体モジュールの実装方法を第６図に従って説明する。
まず半導体チップ１を絶縁性の接着剤を用いて配線基板３上に搭載し、第６図（ａ）の状態にする。接着剤には、室温における弾性率が１Ｇｐａ以下の低弾性率のエポキシ樹脂系接着剤を用いるとよい。次に半導体チップ１の回路形成面側に設けられたパッド２１と配線基板３のパッド２０とを金ワイヤの如き金属ワイヤ６を用いて接続し、第６図（ｂ）の状態にする。次に、第６図（ｃ）に示すように樹脂組成物５を半導体チップ上に乗せる。その後、第６図（ｄ）に示すように、樹脂組成物５の上に放熱板４を乗せ、配線基板と放熱板の両側からプレス板９で加圧して、圧縮成形プレスによる成形を行う。圧縮成形時に金属ワイヤ６が押しつぶされないようにするために、放熱板４に補強ピン１８を設けておくか、或いは上下のプレス板の間にスペーサ１０を配置しておくとよい。第２図（ｂ）では、放熱板４に１２個の円筒形状をした補強ピン１８が取り付けられ、更にスペーサ１０が設けられた状態が示されている。圧縮成形プレスによる成形によって第６図（ｅ）に示す状態になる。その後、プレス板を取り外して、第６図（ｆ）に示すモジュールを得る。
放熱板４にニッケルめっきした銅板からなる線膨張係数が１７ｐｐｍ／℃の材料を用い、樹脂組成物５に実施例１で使用したのと同じ材料を用い、配線基板にＡＮＳＩ規格のＦＲ４プリント基板（線膨張係数：１４ｐｐｍ／℃）を用い、半導体チップにベアチップを用いたところ、半導体モジュールはボイドレスであり、モジュール全体の反りは５０μｍと小さいものであった。
本実施例においても、半導体チップと放熱板とを伝熱部材を用いることなく接合できる。また、チップとチップとの間が樹脂組成物５によって繋がっているので、半導体チップに加わる応力が分散される。
実施例３
第３図は、複数の半導体チップ１を配線基板３の片面に金属バンプ２を用いて実装し、半導体チップ１と放熱板４とを接着剤７を用いて接着し、複数の半導体チップの周囲に樹脂組成物５を充填した半導体モジュールを示している。この構造の半導体モジュールの実装方法を第７図に従って説明する。
まず、第７図（ａ）に示すように、金属バンプ２を設けた半導体チップと、配線基板３とを準備する。次に、第７図（ｂ）に示すように、金属バンプ２を配線基板３のパッド２０に接続する。なお、第７図（ｂ）以降では、パッド２０の図示を省略した。次に、半導体チップ１の上面に熱伝導性のよい接着剤７を塗布して、第７図（ｃ）に示す状態にする。接着剤７には、シート状のものを用いるのが良い。接着剤の材料は、エポキシ樹脂，シリコーン樹脂，アクリレート，メタクリレート等が適する。次に、第７図（ｄ）に示すように、半導体チップの上に放熱板４を接着する。次いで、第７図（ｅ）に示すように、金型１１内に挿入し、低圧トランスファプレスのプランジャー１２を用いて樹脂成形物５を金型内に注入する。トランスファプレス成形が終了したならば、モジュールを取り出して、後硬化を行い、第７図（ｇ）の状態にする。その後、配線基板の余分な箇所１７を切断して、第７図（ｈ）に示す半導体モジュールを得る。
接着剤７には、熱伝導率が１．５Ｗ／ｍ℃のエポキシ樹脂接着剤を用いた。チップにはベアチップを用い、チップと放熱板との接合は、１５０℃の温度で１時間加熱することにより行った。低圧トランスファプレスは、圧力７０ｋｇ／ｃｍ^２の条件下で、１７５℃の温度に１２０秒保持することにより行った。樹脂組成物５には、ビフェニル型エポキシ樹脂（１００重量部），アラルキルフェノール樹脂硬化剤（８５部），イミダゾール硬化促進剤（２部），エポキシシランカップリング剤（３部），カーボン着色剤（１部），ポリエチレン系とモンタン酸エステル系からなる離型剤２部を配合したエポキシ樹脂配合物２０重量％と、球状溶融シリカ（最大粒径：４５μｍ，平均粒径：７μｍ）４０重量％と、アルミナ（最大粒径：５０μｍ，：平均粒径：７μｍ）４０重量％を、混練ロールにて６０〜１２０℃の条件で混練したものを用いた。この樹脂組成物の加熱硬化後のガラス転移温度は１２５℃、線膨張係数は１５ｐｐｍ／℃、室温における弾性率は１７．５Ｇｐａ、熱伝導率は１．２Ｗ／ｍ℃である。トランスファプレス後のモジュールの後硬化は１７５℃，２時間加熱の条件で行った。このようにして得られた半導体モジュールはボイドレスであり、モジュール全体の反りはＦＲ５に準ずるプリント基板（線膨張係数：１３ｐｐｍ／℃）において、５５μｍと小さいものであった。
本実施例は、半導体チップと放熱板４との間に接着剤７が配置されている点で、先に示した実施例とは異なる。接着剤に樹脂組成物５よりも熱伝導性の良いものを用いることにより、先に示した実施例よりも放熱特性を高めることができる。この実施例においても、チップに加わった応力が樹脂を介して他のチップに伝わるので、チップに加わる応力が分散される。
実施例４
第４図（ａ）は、半導体チップ１を配線基板３の両面に金属バンプ２を用いて実装した半導体モジュールの断面図であり、（ｂ）は放熱板を除いた状態の上面図である。図中の符号８は銅配線を示している。第４図（ａ），（ｂ）に示す構造の半導体モジュールの実装方法を第８図に従って説明する。
まず配線基板３の片面に複数の半導体チップ１を実装し、第８図（ａ）の状態にする。なお、配線基板上にはパッドが設けられているが、図示を省略した。また、第４図では配線基板の片面に８個の半導体チップが搭載されていたが、ここでは簡略化して３個のみ示した。次に、第８図（ｂ）に示すように、配線基板３を裏返しして、該配線基板の裏面にも複数の半導体チップ１を実装する。その後、第８図（ｃ）に示すように、片面に樹脂組成物５の薄膜を形成した放熱板４を、樹脂組成物５が半導体チップ１側になるようにして半導体チップ１の上に乗せる。そして、放熱板の外側からプレス板１０で加圧する。放熱板４上に樹脂組成物５の薄膜を形成する方法は、熱プレスでラミネートする方法、樹脂組成物を溶剤に溶かして放熱板上にスクリーン印刷したのち溶剤を加熱揮散させる方法等によって行うことができる。第８図（ｃ）では、配線基板の両面にスペーサ１０を取り付けて、半導体チップ１と放熱板４との間隙が一定に保たれるようにしている。圧縮成形によって、第８図（ｄ）に示す状態になる。その後、第８図（ｅ）に示すように、プレス板を取り外して、半導体モジュールを取り出す。半導体チップにＣＳＰを用い、第８図に示す方法によって実装されたマルチ・チップモジュールはボイドレスであり、パソコンまたはサーバー用のメモリーモジュールとして使用するのに適していた。
本実施例の実装方法によれば、両面実装を一括できるという効果もある。
実施例５
第９図は、複数の半導体チップを配線基板の両面に実装した半導体モジュールの他の実装方法を示す工程図である。
第９図（ａ）と（ｂ）の工程までは、実施例４のときと同様である。配線基板上のパッドは図示を省略した。次に放熱板と半導体チップとの間に樹脂組成物５の薄い板をはさみ、放熱板をチップへ仮圧着して、第９図（ｃ）に示す状態にする。次いで、第９図（ｄ）に示すように、加熱オートクレーブ１３中に挿入する。その後、加熱ラミネートを行い、第９図（ｅ）の状態にする。ラミネートは、たとえばオートクレーブを真空引きした後、１００℃の温度に昇温し、更に１５０℃の温度まで徐々に昇温し、１５０℃の温度になったならば、窒素ガスを用いて加圧を行い、その温度で６０分放置する方法によって行われる。その後、冷却し、圧力を開放して、半導体モジュールを取り出し、第９図（ｆ）に示す半導体モジュールを得る。
加熱オートクレーブでは、全体を均一に加圧することができるため、基板に実装した半導体チップの高さにばらつきがあっても、チップを破損することなく、容易に放熱板との接合を行うことができる。
実施例６
第１０図は、配線基板３の片面に金属ワイヤボンディングにより半導体チップ１を実装した半導体モジュールの実装方法の別の例を示す工程図である。
第１０図（ａ）と（ｂ）までの工程は、実施例２のときと同様である。配線基板及び半導体チップ上のパッドは図示するのを省略した。この後、キャップ状をした放熱板４と半導体チップ１との間に円筒形のピン１９を置き、ピン１９を放熱板とチップとに仮圧着する。また、放熱板４の端部を配線基板３に接着する。このようにして、第１０図（ｃ）に示す状態にする。ピン１９の材料は、金属或いは樹脂のどちらでも良い。ただし、ピン１９には半導体チップに発生した熱を放熱板へ逃がす役目もあるので、熱伝導性の優れた材料を用いるのがよい。ピン１９は、スクリーン印刷またはデイスペンサーによって放熱板へ仮圧着することができる。その後、第１０図（ｄ）−１に示すように、金型１１に挿入して、低圧トランスファプレスを用いて樹脂成形物５を金型１１内に注入する。第１０図（ｄ）−２に示すように金型を配置すれば、４組の半導体モジュールを同時に成形することができる。第１０図（ｄ）−２では、トランスファプレス成形時に、樹脂組成物５は金型ランナー１５を通ってモジュール内の間隙に充填される。また、成形時に発生するガスと余分な樹脂は、エアベント１６へ抜ける。第１０図（ｄ）−１は、第１０図（ｄ）−２に示す４個のキャビティー部分のうちの一つを示している。トランスファプレス成形によって、第１０図（ｅ）に示す状態になり、この状態からモジュールを取り出して、後硬化を行うことによって第１０図（ｆ）の状態になる。最終的に、配線基板の余分な箇所１７を切断して、第１０図（ｇ）に示す構造の半導体モジュールが得られる。
本実施例によれば、複数個のマルチ・チップモジュールに対して、一度に樹脂を注入できるという効果がある。
実施例７
第１１図は、複数の半導体チップ１を配線基板３の両面に金属バンプ２を用いて実装した半導体モジュールの別の実装方法を示す工程図である。
実施例４で述べたのと同様の方法で、配線基板の両面に半導体チップを搭載し、第１１図（ａ）の状態にする。次に、熱伝導性の接着剤を半導体チップの上面に塗付し、第１１図（ｂ）に示すように放熱板４を半導体チップ１の上に乗せて、チップと放熱板とを接着する。その後、第１１図（ｃ）に示すように、金型１１内に挿入して、低圧トランスファプレスのプランジャー１２を用いて樹脂組成物５を金型内に注入する。配線基板３には、貫通穴（スルーホール）３０が数ヵ所設けてあるので、溶融した樹脂組成物はスルーホールを通って、金型内のすべての空間に充填される。スルーホールは配線基板の配線部分を避けて設けるのがよい。スルーホールを設けずに、配線基板の両面に樹脂組成物が流れる流路を形成してもよい。トランスファプレス成形によって、第１１図（ｄ）に示すように金型内を樹脂で満たしてから、モジュールを取り出して後硬化を行い、第１１図（ｅ）に示す構造のものを得る。
樹脂組成物５には、オルソクレゾールノボラックエポキシ樹脂（９０重量部），ブロム化エポキシ樹脂（１０重量部），アルキルフェノールノボラック樹脂硬化剤（８５重量部），イミダゾール硬化促進剤（２重量部），エポキシシランカップリング剤（３重量部），三酸化アンチモン（６重量部），カーボン着色剤（１重量部），モンタン酸エステル系離型剤（１．５重量部）からなるエポキシ樹脂配合物２０重量％と、球状溶融シリカ（最大粒径：４５μｍ，平均粒径：７μｍ）８０重量％とを、混練ロールにて６０〜１２０℃の条件で混練したものを用いた。この樹脂組成物の加熱硬化後のガラス転移温度は１５０℃、線膨張係数は１３ｐｐｍ／℃、室温における弾性率は１６．４ＧＰａである。接着剤７には、エポキシ樹脂を用いた。得られた半導体モジュールはボイドレスであった。また、ベアチップを用いたときのモジュール全体の反りはＦＲ５に準ずるプリント基板（線膨張係数：１３ｐｐｍ／℃）において２０μｍと小さいものであった。
本実施例に示すように、半導体チップを実装する配線基板にスルーホールを設置することにより、両面実装の半導体モジュールをトランスファプレスで容易に製造することができる。
実施例８
第１１図に示す実装方法により、以下に述べる半導体モジュールを製造した。
配線基板には、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板（熱膨張率：３．５ｐｐｍ／℃）を用いた。接着剤７には、熱伝導性（１．５Ｗ／ｍ℃）の優れたエポキシ樹脂接着剤を用いた。放熱板４には、アルミニウム板（熱膨張率：２３ｐｐｍ／℃）を用いた。半導体チップ（ＣＳＰ）と放熱板との接着は、１５０℃の温度で１時間加熱しエポキシ樹脂接着剤を硬化させることにより行った。トランスファプレス成形は、圧力７０ｋｇ／ｃｍ^２の条件下で、樹脂組成物５を１７５℃の温度で１２０秒加熱することにより行った。
得られた半導体モジュールはボイドレスであり、モジュール全体の反りは配線基板と放熱板の熱膨張率差が大きいにもかかわらず、１５μｍと小さいものであった。これは半導体チップが上下二枚の放熱板で挟まれており、上下対象になっているためと考えられる。
トランスファプレス成形は他の成形法に比べて低圧成形が可能で、本実施例のように熱膨張率の異なる材料の組合せにおいても残留歪の少ない半導体モジュールを得ることができる。
実施例９
半導体チップ（ＣＳＰ）を配線基板の両面に実装した半導体モジュールを第９図に示す方法により作った。樹脂組成物５には、熱可塑性ポリイミド樹脂（融点：１５０℃）を用いた。この樹脂組成物５を溶剤に溶解した後、放熱板上に塗付し、１０〜１５０℃の温度で加熱乾燥した。これにより、樹脂組成物５は、放熱板上に薄膜状にラミネートされた。樹脂薄膜の厚さは約１ｍｍである。硬化後の樹脂組成物５の線膨張係数は５０ｐｐｍ／℃、室温における弾性率は６．５Ｇｐａである。
得られた半導体モジュールは樹脂組成物内がボイドレスであり、かつ樹脂の剥離もなかった。チップとチップとの間には、樹脂が十分に行き渡っていた。金属バンプ接続は、ワイヤボンディングに比べてチップ高さを低くでき、薄型の半導体モジュールを得るのに適する。また、高密度実装に適する。
実施例１０
樹脂組成物５に、熱可塑性ポリイミドと熱可塑性ポリアミドイミドの混合物（重量比１：１）を用いて、第１０図に示す方法により半導体モジュールを実装した。なお、半導体チップにはベアチップを用いた。得られたモジュールは、配線基板と放熱板とによって挟まれた半導体チップの周囲が、樹脂でモールドされており、ボイドレスであった。モジュール全体の反りはＦＲ４プリント基板（線膨張係数：１４ｐｐｍ／℃）において、６０μｍと小さいものであった。
実施例１１
第６図に示す実装方法によって、以下に述べる半導体モジュールを作った。
半導体チップ（ＣＳＰ）１と配線基板との接合は、絶縁性の低弾性エポキシ樹脂（室温において８００ＭＰａ）を用いて、１８０℃の温度で１時間加熱することによって行った。２５μｍ径の金ワイヤを用いて、チップと配線基板を２２０℃とを超音波接合した。樹脂組成物５には、熱可塑性ポリイミドにエポキシ樹脂，フェノールノボラック系硬化剤，トリフェニルホスフィン硬化触媒及びエポキシシラン系カップリング剤を混ぜたものを用いた。放熱板４には、ニッケルめっきした銅（線膨張係数：１７ｐｐｍ／℃）を用いた。
得られた半導体モジュールはボイドレスであり、水分の浸入または結露が生じるおそれはなかった。またモジュール全体の反りはＦＲ４プリント基板（線膨張係数：１４ｐｐｍ／℃）において７０μｍと小さいものであった。
産業上の利用可能性
本発明によれば、半導体チップに加わる応力が樹脂を介して四方に分散されるので、一つのチップに応力集中が生じることがない。半導体チップを配線基板に金属バンプを用いて接続する構造のモジュールでは、半導体チップと配線基板との隙間が樹脂で満たされるので、チップから配線基板への熱伝導も良好である。また、チップと放熱板との接合が樹脂によってなされるので、チップの大きさにばらつきがあっても、すべてのチップを容易に放熱板へ接合することができる。
このようなことから、マルチ・チップモジュールとして非常に好適であり、高速，高集積メモリとして使用するのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）及び（ｂ）は、半導体チップを配線基板の片面に金属バンプを用いて実装した半導体モジュールの断面図であり、（ｃ）は上面図である。
第２図（ａ）は半導体チップを金属ワイヤボンディングにより配線基板の片面に実装した半導体モジュールの断面図であり、（ｂ）は上面図である。
第３図は、半導体チップを配線基板の片面に金属バンプを用いて実装した半導体モジュールの他の例を示す断面図である。
第４図（ａ）は半導体チップを配線基板の両面に金属バンプを用いて実装した半導体モジュールの断面図であり、（ｂ）は上面図である。
第５図は、第１図（ｂ）に示す構造の半導体モジュールの実装方法を示す工程図である。
第６図は、第２図に示す構造の半導体モジュールの実装方法を示す工程図である。
第７図は、第３図に示す構造の半導体モジュールの実装方法を示す工程図である。
第８図は、第４図に示す構造の半導体モジュールの実装方法の一例を示す工程図である。
第９図は、第４図に示す構造の半導体モジュールの他の実装方法を示す工程図である。
第１０図は、半導体チップを金属ワイヤボンディングにより配線基板の片面に実装した半導体モジュールの実装方法の別の例を示す工程図である。
第１１図は、半導体チップを金属バンプを用いて配線基板の両面に実装した半導体モジュールの実装方法の別の例を示す工程図である。

Claims (3)

1. ベアチップ又は半導体パッケージから選ばれた半導体チップの複数個を一枚の配線基板上に搭載し、該半導体チップの上方に放熱板を配置して、該配線基板と該放熱板とによって挟まれた空間に樹脂組成物を充填してなる半導体モジュールの実装方法において、前記配線基板上に前記半導体チップを搭載し、前記半導体チップと前記放熱板とを接着剤を用いて予め接着した後、金型内に挿入し、トランスファプレス成形により、該配線基板と該放熱板とによって挟まれた空間のすべてを満たすように前記樹脂組成物を注入することを特徴とする半導体モジュールの実装方法。
2. ベアチップ又は半導体パッケージから選ばれた半導体チップの複数個を一枚の配線基板上に搭載し、該半導体チップの上方に放熱板を配置して、該配線基板と該放熱板とによって挟まれた空間に樹脂組成物を充填してなる半導体モジュールの実装方法において、前記半導体チップを前記配線基板上に搭載した後、該半導体チップ上に前記樹脂組成物を仮付けした前記放熱板を被せ、これらをオートクレーブ中に入れて加熱することで、該配線基板と該放熱板とによって挟まれた空間のすべてを満たすように前記樹脂組成物を注入することを特徴とする半導体モジュールの実装方法。
3. 請求の範囲１または２において、前記半導体チップ上に前記放熱板を配置する際に両者の間に金属ワイヤ保護用スペーサを置き、その後、該放熱板と該配線基板とによって挟まれた空間のすべてに前記樹脂組成物を充填することを特徴とする半導体モジュールの実装方法。

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