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JP3849277B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、特に、小型化および高密度化されたパッケージ形態を有する半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のＶＬＳＩなどの半導体装置においては、３年で７割の縮小化を実現し、高集積化及び高性能化を達成してきた。これに伴い、半導体装置のパッケージ形態も小型化、高密度化が達成されてきた。
【０００３】
従来、半導体装置のパッケージ形態としては、ＤＩＰ（Dual Inline Package ）あるいはＰＧＡ（Pin Grid Array）などのプリント基板に設けたスルーホールにリード線を挿入して実装するリード挿入型（ＴＨＤ：Through Hall Mount Device ）や、ＱＦＰ（Quad Flat (L-Leaded) Package）あるいはＴＣＰ（Tape Carrier Package）などのリード線を基板の表面にハンダ付けして実装する表面実装型（ＳＭＤ：Surface Mount Device）が用いられてきた。さらに、出力端子をエリア化したＢＧＡ（Ball Grid Array ）パッケージに代表されるパッケージ形態に移行してきている。
【０００４】
一方で、半導体装置の小型化、高密度化に対する要求はさらに高まりつつあり、上記のＱＦＰなどのパッケージ形態では対応できなくなってきている。このため、半導体チップにパッケージサイズを限りなく近づけてさらなる小型化、高密度化を実現するチップサイズパッケージ（ＣＳＰ：Chip Size Package ）と呼ばれるパッケージ形態が注目を集めており、現在活発に研究がなされ、多くの提案が示されている。
【０００５】
上記のＣＳＰとしては、例えば図５の断面図に示すように、半導体チップ１がバンプ４においてインターポーザー２と機械的、電気的に接続されており、半導体チップ１とインターポーザー２の間は封止樹脂３が充填されている。インターポーザー２に設けられた貫通スルホール７を通じて、インターポーザー２の裏面側にアレイ状に設けられたターミナル５とバンプ４とが電気的に接続されている。ターミナル５は出力ターミナル端子として、例えばガラスエポキシ系材料からなる図示しない実装基板（マザーボード）にはんだ付けされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＣＳＰにおいて、製造工程において様々な熱処理を経たＣＳＰにソリが生じることがある。例えば、１０ｍｍ□サイズの半導体チップをパッケージ化した場合、コプラナリティ（平面上にパッケージを載置したときの平面からのターミナルの距離の最大値）が３０μｍに達することがある。
【０００７】
上記のソリを抑制するために、インターポーザーとしてセラミック製のものを用いる方法があるが、セラミックは高価であるので製造コストを上昇させる要因となる他、耐久性、信頼性に問題がある。例えば、−２５〜１２５℃の温度変化を一日あたり７２サイクル与える温度サイクル試験において、１００サイクル程度ではんだ接合部分でクラック（接合破壊）が発生してしまい、寿命が短く実用化は困難となっている。
【０００８】
本発明は上記の問題を鑑みなされたものであり、従って本発明の目的は、小型化、高密度化を実現し、高耐久性、高信頼性を有するチップサイズパッケージ形態の半導体装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、ガラスエポキシ系材料からなる実装基板にはんだ付けにより接続されるパッケージ化された半導体装置であって、パッド部分にはんだからなるバンプが形成された半導体チップと、前記バンプを機械的に支持し、前記バンプと電気的に接続する導電体が形成された貫通孔を有するインターポーザーと、前記半導体チップと前記インターポーザーの間に埋め込まれた封止樹脂とを有し、前記インターポーザーが４００ＭＰａ（４０８０ｋｇ／ｃｍ２）以上の曲げ強度を有する有機材料により形成されている。
【００１５】
上記の本発明の半導体装置によれば、小型化、高密度化を実現するチップサイズパッケージにおいて、半導体チップとインターポーザーとがはんだからなるバンプにより接続され、インターポーザーが４００ＭＰａ以上の曲げ強度を有する材料により形成されていることにより、半導体装置として使用されるときの装置の発熱などによる実装基板と半導体チップの膨張および収縮の差に起因して発生する応力を干渉して接合破壊を生じにくくすることができ、耐久性、信頼性を向上させることが可能である。
【００１６】
また、本発明の半導体装置は、インターポーザーが４００ＭＰａ以上の曲げ強度を有する材料により形成されていることに加えて、インターポーザーが封止樹脂の硬化温度よりも高いガラス転移温度を有する有機材料により形成されている、あるいは、インターポーザーの線膨張係数が実装基板と半導体チップの線膨張係数のほぼ中間の値を有する、という特徴を適宜組み合わせることにより、耐久性、信頼性をより向上させることができる。
インターポーザーが封止樹脂の硬化温度よりも高いガラス転移温度を有する有機材料により形成されていると、製造工程において封止樹脂の硬化のための熱処理をインターポーザー材料のガラス転移温度よりも低い温度で行うことが可能であり、インターポーザー材料をガラス転移させずに、即ちインターポーザーを変形させずに半導体装置のパッケージ化を行うことが可能であり、耐久性、信頼性を向上させることが可能である。
ここで、ガラス転移温度とは、有機材料がガラス状の硬い状態からゴム状の柔らかい状態に変化する転移点であり、圧力がかけられた状態でガラス転移をすると固さを維持できないでの変形を起こしてしまう。
また、インターポーザーの線膨張係数が実装基板と半導体チップの線膨張係数のほぼ中間の値を有していると、製造工程における熱処理における実装基板と半導体チップの膨張および収縮の差、あるいは半導体装置として使用されるときの装置の発熱などによる実装基板と半導体チップの膨張および収縮の差に起因して発生する応力を干渉することができるので、接合破壊を生じにくくすることができ、耐久性、信頼性を向上させることが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の半導体装置及びその製造方法の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
まず、本発明の半導体装置について説明する。図１は本実施形態にかかる半導体装置の概略斜視図である。半導体チップ１がインターポーザー２上に載置されており、封止樹脂３により封止されている。
【００１９】
図２は本実施形態にかかる半導体装置の断面図である。半導体チップ１がバンプ４においてインターポーザー２と機械的、電気的に接続されており、半導体チップ１とインターポーザー２の間は封止樹脂３が充填されている。インターポーザー２に設けられた貫通スルホール７を通じて、インターポーザー２の裏面側にアレイ状に設けられたターミナル５とバンプ４とが電気的に接続されている。ターミナル５は出力ターミナル端子として、ガラスエポキシ系材料からなる図示しない実装基板（マザーボード）にはんだ付けされる。
【００２０】
上記の半導体装置のインターポーザー２として、封止樹脂３の硬化温度よりも高いガラス転移温度を有する有機材料により形成されている、線膨張係数が実装基板と半導体チップ１の線膨張係数のほぼ中間の値を有するように形成する、および／または、４００ＭＰａ以上の曲げ強度を有する材料により形成されているものとする。例えば、エポキシ系樹脂、ガラスエポキシ系樹脂、エポキシ・ポリフェノール系樹脂あるいはポリフェニルエーテル系樹脂などを用いることができる。
【００２１】
かかる半導体装置は、小型化、高密度化を実現するチップサイズパッケージである。また、インターポーザーを変形させずに半導体装置のパッケージ化されており、あるいは、半導体装置として使用されるときの装置の発熱などによる実装基板と半導体チップの膨張および収縮の差に起因して発生する応力を干渉することで、接合破壊が生じにくくなっているなどの理由により、耐久性、信頼性を向上させることができる半導体装置である。また、４００ＭＰａ以上の曲げ強度を有する材料により形成すると、半導体装置に組み立て後のコプラナリティを抑制することができる。
【００２２】
上記の半導体装置の製造方法について説明する。例えば、基板上にトランジスタなどの種々の半導体素子を集積化して形成した半導体チップ１のパッド部分に、例えばはんだボールからなるバンプ４を形成する。一方、例えばアレイ状に形成された貫通スルホール７に導電体を形成し、さらに必要に応じて貫通スルホール７中の導電体に接続するように回路パターンを印刷してインターポーザー２を形成する。貫通スルホール７中の導電体あるいは回路パターンにフラックス処理を行った後、貫通スルホール７中の導電体とバンプ４とが接続するように位置決めをして両者を接触させ、例えば２２０℃程度の熱処理を施してバンプ４を溶融し、その後冷却することで半導体チップ１とインターポーザー２とを機械的、電気的に接続する。次に、半導体チップ１とインターポーザー２との間隙に、例えば１２０℃〜１５０℃の熱処理で硬化する熱硬化性樹脂からなる封止樹脂３を充填し、キュア（硬化）工程を行い、封止する。このようにしてパッケージ化された半導体装置は、ガラスエポキシ系実装基板にはんだ付けされ、使用される。
【００２３】
この封止樹脂３の固化の時点で、従来ではインターポーザー２が封止樹脂３からの熱などにより変形してソリが生じてしまい、応力が発生してバンプ接合部分の接合破壊の原因となることがあるが、本実施形態においては、インターポーザー２を封止樹脂３の硬化温度よりも高いガラス転移温度を有する有機材料により形成することなどによりソリの発生を抑制することができる。
【００２４】
第１実施例
上記の本実施形態の半導体装置において、ガラス転移温度が１２０℃あるいは１６０℃の有機材料からなるインターポーザーを用いて半導体チップに接続し、１２０℃あるいは１５０℃の溶融温度の封止樹脂により封止して装置を作成した。得られた各半導体装置について、−２５〜１２５℃の温度変化を一日あたり７２サイクル与える温度サイクル試験を行い、クラック（接合破壊）などが生じるまでの平均寿命を調べた。結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
Figure 0003849277
【００２６】
表１に示すように、インターポーザーとして封止樹脂の硬化温度よりも高いガラス転移温度を有する有機材料を用いることにより、温度サイクル試験における平均寿命を伸ばすことができ、半導体装置の耐久性、信頼性を向上させることが可能である。
【００２７】
第２実施例
上記の本実施形態の半導体装置において、インターポーザーとして、線膨張係数が４ｐｐｍ／℃程度のセラミック系材料（材質Ａ）、１０ｐｐｍ／℃程度のエポキシ系材料（材質Ｂ）、１２ｐｐｍ／℃程度のエポキシ系材料（材質Ｃ）、あるいは１６ｐｐｍ／℃程度のエポキシ系材料（材質Ｄ）を用いて装置を作成した。半導体チップの線膨張係数は３ｐｐｍ／℃程度であり、実装基板（ガラスエポキシ系材料）の線膨張係数は２０ｐｐｍ／℃程度である。得られた各半導体装置について、第１実施例と同様、−２５〜１２５℃の温度変化を一日あたり７２サイクル与える温度サイクル試験を行い、クラック（接合破壊）などが生じるまでの平均寿命を調べた。結果を図３に示す。
【００２８】
図３に示すように、インターポーザーとして線膨張係数が実装基板と半導体チップの線膨張係数のほぼ中間の値を有することにより、温度サイクル試験における平均寿命を伸ばすことができ、半導体装置の耐久性、信頼性を向上させることが可能である。
【００２９】
第３実施例
上記の本実施形態の半導体装置において、インターポーザーとして、曲げ強度が２５０ＭＰａ程度のアルミナセラミック（Ａｌ2 Ｏ3 ）系材料（材質Ａ）、５００ＭＰａ程度のエポキシ・ポリフェノール系樹脂材料（材質Ｂ）、５００ＭＰａ程度のポリフェニルエーテル系材料（材質Ｃ）、あるいは４５０ＭＰａ程度のガラスエポキシ系材料（材質Ｄ）を用いて装置を作成した。得られた各半導体装置について、第１実施例と同様、−２５〜１２５℃の温度変化を一日あたり７２サイクル与える温度サイクル試験を行い、クラック（接合破壊）などが生じるまでの平均寿命を調べた。結果を図４に示す。
【００３０】
図４に示すように、インターポーザーとして４００ＭＰａ以上の曲げ強度を有する材料により形成することにより、温度サイクル試験における平均寿命を伸ばすことができ、半導体装置の耐久性、信頼性を向上させることが可能である。
【００３１】
第４実施例
上記の本実施形態の半導体装置において、パッケージサイズ：１０ｍｍ□、半導体チップサイズ：９．０ｍｍ□、半導体チップ−インターポーザー間隔：０．５ｍｍ、ピン数：２３２ピン、インターポーザー：エポキシ・ポリフェノール系樹脂材料（日立化成製（ＭＣＬ−Ｅ−６７９））、封止樹脂：松下電工製（ＣＶ５１８６Ｓ）、キュア（硬化）工程：１００℃１時間＋１５０℃３時間、として得たパッケージ化半導体装置を、実装基板（ＦＲ−４（４層積層型基板）、０．７ｍｍ厚）に接続し、表２に示す各種の耐久性試験を行った。結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
Figure 0003849277
【００３３】
表２に示すように、本実施例の半導体装置は高耐久性、高信頼性であることが確認された。
【００３４】
本発明は半導体装置としては、ＭＯＳトランジスタ系半導体装置、バイポーラ系半導体装置、ＢｉＭＯＳ系半導体装置、ロジックとメモリを搭載した半導体装置など、半導体装置であれば何にでも適用可能である。
【００３５】
本発明の半導体装置は上記の実施の形態に限定されない。例えば、インターポーザーの材料は上記のような物理特性を有していればよく、例示した材料に限定されない。また、封止樹脂材料についても特に限定はない。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３６】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、小型化、高密度化を実現し、高耐久性、高信頼性を有するチップサイズパッケージ形態の半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本実施形態にかかる半導体装置の斜視図である。
【図２】図２は本実施形態にかかる半導体装置の断面図である。
【図３】図３は第２実施例にかかる温度サイクル試験の結果を示すグラフである。
【図４】図４は第３実施例にかかる温度サイクル試験の結果を示すグラフである。
【図５】図５は従来例にかかる半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１…半導体チップ、２…インターポーザー、３…封止樹脂、４…バンプ、５…ターミナル、７…貫通スルホール。

Claims (3)

  1. ガラスエポキシ系材料からなる実装基板にはんだ付けにより接続されるパッケージ化された半導体装置であって、
    パッド部分にはんだからなるバンプが形成された半導体チップと、
    前記バンプを機械的に支持し、前記バンプと電気的に接続する導電体が形成された貫通孔を有するインターポーザーと、
    前記半導体チップと前記インターポーザーの間に埋め込まれた封止樹脂とを有し、
    前記インターポーザーが４００ＭＰａ（４０８０ｋｇ／ｃｍ２）以上の曲げ強度を有する有機材料により形成されている
    半導体装置。
  2. 前記インターポーザーが前記封止樹脂の硬化温度よりも高いガラス転移温度を有する有機材料により形成されている
    請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記インターポーザーの線膨張係数が前記実装基板と前記半導体チップの線膨張係数のほぼ中間の値を有する
    請求項１記載の半導体装置。
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