JP5187148B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、実装基板に半導体チップを実装し、接着剤で固定した半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on a mounting substrate and fixed with an adhesive, and a manufacturing method thereof.
従来、半導体チップを実装基板に実装する場合、半田等の金属からなる金属バンプにより、実装基板上の電極と半導体チップ上の電極とを、機械的及び電気的に接続していた。 Conventionally, when a semiconductor chip is mounted on a mounting substrate, electrodes on the mounting substrate and electrodes on the semiconductor chip are mechanically and electrically connected by metal bumps made of metal such as solder.
半導体チップの集積度が向上し、電極の微細化が進むと、金属バンプを流れる電流密度が増大する。このため、エレクトロマイグレーションにより、金属バンプを構成している金属原子が移動し易くなる。金属原子の移動は、バンプの断線を引き起こす。 As the degree of integration of the semiconductor chip improves and the electrodes become finer, the current density flowing through the metal bumps increases. For this reason, the metal atoms constituting the metal bump are easily moved by electromigration. The movement of metal atoms causes the disconnection of the bump.
さらに、半田溶融接合の際に、半導体チップと実装基板が高温になる。実装後、半導体チップ及び実装基板が室温まで低下すると、両者の熱膨張係数の相違によって応力が発生する。通常、実装基板の熱膨張係数は、半導体チップの熱膨張係数の10倍以上である。このとき、半導体チップ及び実装基板が室温まで低下すると、実装基板がより大きく収縮する。これにより、半導体チップに、面内方向の圧縮応力が印加される。応力が発生すると、機械的に最も弱い部分に破壊が生ずる。例えば、金属バンプ、半導体チップの低誘電率絶縁材料等が破壊されてしまう。なお、実装後の動作時における温度変化によっても、同様の応力が発生する。 Furthermore, the temperature of the semiconductor chip and the mounting substrate becomes high during the solder fusion bonding. When the semiconductor chip and the mounting substrate are lowered to room temperature after mounting, stress is generated due to the difference in thermal expansion coefficient between them. Usually, the thermal expansion coefficient of the mounting substrate is 10 times or more that of the semiconductor chip. At this time, when the semiconductor chip and the mounting substrate are lowered to room temperature, the mounting substrate is further contracted. Thereby, a compressive stress in the in-plane direction is applied to the semiconductor chip. When stress is generated, fracture occurs in the mechanically weakest part. For example, metal bumps, low dielectric constant insulating materials of semiconductor chips, etc. are destroyed. A similar stress is also generated by a temperature change during operation after mounting.
カーボンナノチューブを用いて、実装基板の接点と半導体チップの接点とを電気的に接続する技術が知られている(特許文献1)。カーボンナノチューブを用いると、金属を用いた場合に比べて、エレクトロマイグレーションによる断線が生じにくい。カーボンナノチューブの弾性により、応力の集中を抑制し、機械的破壊を防止することができる。 A technique for electrically connecting a contact of a mounting substrate and a contact of a semiconductor chip using carbon nanotubes is known (Patent Document 1). When carbon nanotubes are used, disconnection due to electromigration is less likely to occur than when metals are used. Due to the elasticity of the carbon nanotube, concentration of stress can be suppressed and mechanical destruction can be prevented.
半導体チップを実装基板に実装した後、両者間の隙間にアンダーフィルと呼ばれる封止剤を、キャピラリフロー(毛細管流動)を利用して流し込み、半導体チップを実装基板に固定する方法が一般的である。カーボンナノチューブ等の弾性を有する接続部材が封止剤に濡れた状態で封止剤が硬化すると、接続部材に期待されている弾性が損なわれる。 Generally, after mounting a semiconductor chip on a mounting substrate, a sealing agent called underfill is poured into a gap between the two using a capillary flow (capillary flow) to fix the semiconductor chip to the mounting substrate. . If the sealing agent is cured while the connecting member having elasticity such as a carbon nanotube is wet with the sealing agent, the elasticity expected for the connecting member is impaired.
上記課題を解決するための半導体装置は、
実装面に複数の電極が形成されている実装基板と、
前記実装基板に間隙を隔てて対向し、該実装基板上の電極に対応する位置に電極が形成されている半導体チップと、
前記実装基板の電極と、前記半導体チップの対応する電極とを電気的に接続し、弾性を有する接続部材と、
前記実装基板と前記半導体チップとの間に配置され、該実装基板と該半導体チップとの間に間隙を確保し、平面視において、前記実装基板及び前記半導体チップの電極が分布する領域を取り囲むスペーサと、
前記スペーサ、前記実装基板、及び前記半導体チップで囲まれた空洞の外側に配置され、前記半導体チップの表面の第1の領域と前記実装基板の表面の第2の領域とに密着して該半導体チップを該実装基板に固定し、前記スペーサに対する親和性が、前記半導体チップの前記第1の領域に対する親和性及び前記実装基板の前記第2の領域に対する親和性のいずれよりも低い接着剤と
を有する。
A semiconductor device for solving the above problems is as follows.
A mounting substrate having a plurality of electrodes formed on the mounting surface;
A semiconductor chip that is opposed to the mounting substrate with a gap, and an electrode is formed at a position corresponding to the electrode on the mounting substrate;
Electrically connecting the electrodes of the mounting substrate and the corresponding electrodes of the semiconductor chip , and a connecting member having elasticity ;
A spacer that is disposed between the mounting substrate and the semiconductor chip, secures a gap between the mounting substrate and the semiconductor chip, and surrounds an area in which the electrodes of the mounting substrate and the semiconductor chip are distributed in plan view. When,
The semiconductor is disposed outside a cavity surrounded by the spacer, the mounting substrate, and the semiconductor chip, and is in close contact with the first region on the surface of the semiconductor chip and the second region on the surface of the mounting substrate. A chip is fixed to the mounting substrate, and an adhesive having an affinity for the spacer is lower than both the affinity for the first region of the semiconductor chip and the affinity for the second region of the mounting substrate. Have.
上記課題を解決するための半導体装置の製造方法は、
実装面に複数の電極が形成されている実装基板の該実装面に、該電極が分布する領域を取り囲む平面形状を持つスペーサを配置する工程と、
前記スペーサを介して、前記実装基板の上に半導体チップを配置し、該半導体チップの表面に形成されている複数の電極を、それぞれ前記実装基板の実装面に形成されている複数の電極に、弾性を有する接続部材により、電気的に接続する工程と、
前記スペーサ、前記実装基板、及び前記半導体チップで囲まれた空洞の外側において、前記半導体チップの表面の第1の領域から前記実装基板の表面の第2の領域まで連続するように、前記スペーサに対する親和性が、前記半導体チップの前記第1の領域に対する親和性及び前記実装基板の前記第2の領域に対する親和性のいずれよりも低い接着剤を塗布する工程と、
塗布された前記接着剤を硬化させる工程と
を有する。
A method of manufacturing a semiconductor device for solving the above problems is as follows.
Disposing a spacer having a planar shape surrounding a region where the electrodes are distributed on the mounting surface of the mounting substrate on which a plurality of electrodes are formed on the mounting surface;
A semiconductor chip is disposed on the mounting substrate via the spacer, and a plurality of electrodes formed on the surface of the semiconductor chip are respectively formed on a plurality of electrodes formed on the mounting surface of the mounting substrate . Electrically connecting the elastic connecting member ;
Outside the cavity surrounded by the spacer, the mounting substrate, and the semiconductor chip, the spacer is continuous with the spacer from the first region on the surface of the semiconductor chip to the second region on the surface of the mounting substrate. Applying an adhesive whose affinity is lower than both the affinity of the semiconductor chip for the first region and the affinity of the mounting substrate for the second region;
Curing the applied adhesive.
接着剤とスペーサとの親和性が低いため、実装基板、半導体チップ、及びスペーサで囲まれた空洞内に侵入し難くなる。 Since the affinity between the adhesive and the spacer is low, it is difficult to enter the cavity surrounded by the mounting substrate, the semiconductor chip, and the spacer.
実施例を説明する前に、半導体チップを接着剤で実装基板に固定する方法の一例について説明する。 Before describing the embodiments, an example of a method for fixing a semiconductor chip to a mounting substrate with an adhesive will be described.
図4Aに示すように、実装基板10と半導体チップ50とが、相互に対向して配置されている。両者の間に、半導体チップ50の外周線に沿う枠状のスペーサ20が配置されている。スペーサ20は、実装基板10に接着剤で固定されている。半導体チップ50は、接着剤30によりスペーサ20に固定されている。接着剤30は、半導体チップ50の外周近傍の表面をスペーサ20の上面に接触させた状態で、半導体チップ50の外周に沿って塗布される。半導体チップ50の電極と実装基板10の電極とは、カーボンナノチューブ55により相互に電気的に接続される。
As shown in FIG. 4A, the
図4Bに示すように、カーボンナノチューブ55の長さのばらつき等により、半導体チップ50の外周の一部分において、半導体チップ50とスペーサ20との間に隙間56が発生する場合がある。隙間56が発生していると、接着剤30を塗布した時点で、毛細管現象により、接着剤30が実装基板10と半導体チップ50との間の空間に侵入してしまう。この空間に侵入した接着剤30aは、カーボンナノチューブ55に接触した状態で硬化し、カーボンナノチューブ55の弾性を損なう。
As illustrated in FIG. 4B, a
図1A〜図1Eを参照して、実施例1による半導体装置の製造方法について説明する。 With reference to FIGS. 1A to 1E, a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment will be described.
図1Aに示すように、実装基板10と半導体チップ50とを、実装基板10の実装面と半導体チップ50の素子形成面とを相互に対向させて配置する。実装基板10の実装面に、複数の電極22が形成されている。実装基板10は、例えば複数の配線層が形成されたプリント配線板である。実装基板10の実装面のうち電極22が形成されていない領域は、例えばソルダーレジスト23で覆われている。実装基板10の実装面に、スペーサ21が配置されている。スペーサ21は、半導体チップ50の外周線に沿う平面形状及び寸法を有する。スペーサ21には、無極性の樹脂、例えばパラフィンが用いられる。パラフィンとして、接着剤を硬化させる後の工程における加熱温度よりも高い融点を持つものを用いる必要がある。例えば、融点198℃のテトラクロロナフタレンや、融点194℃のヘキサクロロナフタレン等を用いることができる。また、パラフィン以外に、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を用いることも可能である。
As shown in FIG. 1A, the
半導体チップ50の素子形成面に、複数の電極51が形成されている。複数の電極51は、それぞれ実装基板10の実装面に形成されている電極22に対応する位置に配置されている。半導体チップ50の素子形成面のうち、電極51が形成されていない領域は、絶縁性の保護膜52で覆われている。保護膜52には、酸化シリコン、窒化シリコン等が用いられる。
A plurality of
電極51の各々から、複数のカーボンナノチューブ55が延びている。カーボンナノチューブ55の形成方法は、例えば特開2007−311700号公報に説明されている。以下、カーボンナノチューブ55の形成方法について説明する。
A plurality of
シリコンからなる成長用基板に、厚さ5nmのアルミニウム(Al)膜と、厚さ2nmの鉄(Fe)膜とを順番に形成する。この成長用基板に、化学気相成長(CVD)により、カーボンナノチューブを成長させる。プロセスガスとしてアセチレンガスを用い、キャリアガスとしてアルゴンガスまたは水素ガスを用いる。成長圧力は100Paとし、成長温度は600℃とする。カーボンナノチューブの長さは成長時間により制御可能である。本実施例1では、カーボンナノチューブの長さを100μmとする。 An aluminum (Al) film having a thickness of 5 nm and an iron (Fe) film having a thickness of 2 nm are sequentially formed on a growth substrate made of silicon. Carbon nanotubes are grown on this growth substrate by chemical vapor deposition (CVD). Acetylene gas is used as the process gas, and argon gas or hydrogen gas is used as the carrier gas. The growth pressure is 100 Pa and the growth temperature is 600 ° C. The length of the carbon nanotube can be controlled by the growth time. In Example 1, the length of the carbon nanotube is 100 μm.
半導体チップ50の電極51の表面に、導電性微粒子を含む接着剤、例えば銀(Ag)ペーストを塗布しておく。成長用基板に成長したカーボンナノチューブの先端を、半導体チップ50の電極51の表面に押し当てる。この状態で、導電性微粒子を含む接着剤を硬化させることにより、カーボンナノチューブを電極51に固定する。その後、成長用基板を半導体チップ50から引き離す。電極51に固定されたカーボンナノチューブが半導体チップ50側に残り、その他のカーボンナノチューブは、成長用基板と共に、半導体チップ50から引き離される。
An adhesive containing conductive fine particles, for example, silver (Ag) paste is applied to the surface of the
図1Bに、実装基板10及びスペーサ21の平面図を示す。図1Bの一点鎖線1A−1Aにおける断面図が図1Aに相当する。スペーサ21は、幅0.5mmの枠状の平面形状を有し、電極22が分布する領域を取り囲むように位置決めされる。半導体チップ50の平面形状が正方形である場合には、スペーサ21は、正方形の外周線に沿う形状を有する。また、スペーサ21は、接着剤により実装基板10に接着され、固定されている。
FIG. 1B shows a plan view of the mounting
図1Cに示すように、半導体チップ50の電極51を、実装基板10の対応する電極22に位置合わせし、カーボンナノチューブ55の先端を電極22に接触させる。半導体チップ50に荷重を加えて、その素子形成面の外周部近傍の領域をスペーサ21に接触させる。このとき、カーボンナノチューブ55が弾性変形の範囲内で湾曲するように、スペーサ21の高さが選択されている。半導体チップ50、実装基板10、及びスペーサ21で囲まれた空洞60が画定される。空洞60内に、カーボンナノチューブ55が収容される。
As shown in FIG. 1C, the
図1Dに示すように、半導体チップ50がスペーサ21に接触した状態で、接着剤35を塗布する。接着剤35は、半導体チップ50の外周線に接する背面(素子形成面とは反対側の表面)の第1の領域50Aと、実装基板10の実装面のうちスペーサ21の外側の第2の領域10Aとに密着し、第1の領域50Aから第2の領域10Aまで連続する。接着剤35には、スペーサ21に対する親和性が、半導体チップ50の第1の領域50Aに対する親和性、及び実装基板10の第2の領域10Aに対する親和性のいずれよりも低いものが用いられる。例えば、接着剤35として、エポキシ系樹脂、フェノキシ系樹脂、シアネートエステル系樹脂を用いることができる。
As shown in FIG. 1D, the adhesive 35 is applied in a state where the
接着剤35を、150℃で30分間加熱することにより、硬化させる。これにより、半導体チップ50が実装基板10に固定される。接着剤35は、空洞60の外側に配置され、空洞60内には侵入しない。
The adhesive 35 is cured by heating at 150 ° C. for 30 minutes. Thereby, the
図1Eに示すように、接着剤35が硬化した後に、荷重を解放する。この半導体装置の信頼性評価のために、−25℃の125℃との間で、500サイクルの温度サイクル試験を行った。その結果、半導体チップ50の電極51と、実装基板10の電極22との間の抵抗上昇率は10%以下であった。また、温度121℃、湿度85%の環境下に1000時間放置したところ、抵抗上昇率は10%以下であった。
As shown in FIG. 1E, after the adhesive 35 is cured, the load is released. In order to evaluate the reliability of the semiconductor device, a temperature cycle test of 500 cycles was performed between -25 ° C and 125 ° C. As a result, the rate of increase in resistance between the
図2に、半導体チップ50とスペーサ21との間に、部分的に隙間56が形成されている場合の半導体装置の断面図を示す。カーボンナノチューブ55の長さのばらつき等により、半導体チップ50とスペーサ21との間に隙間が発生する場合がある。スペーサ21に対する接着剤35の親和性が低いため、接着剤35は、隙間56を通って空洞60内に侵入することはない。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device when a
接着剤35が空洞60内に侵入しないため、半導体チップ50を実装基板10に固定した後も、カーボンナノチューブ55の弾性を維持することができる。
Since the adhesive 35 does not enter the
実施例1においては、スペーサ21が接着剤で実装基板10に接着されている。半導体チップ50を実装基板10に対向させて荷重を加えるときに、スペーサ21の位置が固定されているため、半導体チップ50の位置決めを容易にすることができる。ただし、半導体チップ50は、接着剤35により、実装基板10に接着されるため、必ずしもスペーサ21を実装基板10に接着しておく必要はない。スペーサ21は、半導体チップ50を実装基板10に固着させる機能を持つのではなく、半導体チップ50と実装基板10との間に、空洞60を確保する機能を持つ。
In the first embodiment, the
上記実施例1では、スペーサ21に無極性の樹脂を用い、接着剤35に、スペーサとの親和性が低いものを用いた。無極性のスペーサ21との親和性が低い接着剤35として、極性を有する樹脂を用いることができる。スペーサ21に無極性の樹脂を用い、接着剤35に極性のある樹脂を用いたのは、半導体チップ50の第1の領域50A及び実装基板10の第2の領域10Aと、接着剤35との親和性を高めるためである。
In Example 1 described above, a nonpolar resin was used for the
逆に、半導体チップ50の第1の領域50A及び実装基板10の第2の領域10Aに対して、無極性の接着剤の親和性が高い場合には、接着剤35に無極性の樹脂を用い、スペーサ21に極性を有する樹脂を用いればよい。
On the contrary, when the affinity of the nonpolar adhesive is high for the
上記実施例1では、カーボンナノチューブ55により半導体チップ50の電極51と、実装基板10の電極22とを電気的に接続したが、他の接続部材を用いて接続してもよい。なお、応力による断線を防止するために、接続部材として、弾性を有するものを用いることが好ましい。
In the first embodiment, the
図3に、実施例2による実装基板10及びスペーサ21の平面図を示す。実施例1では、図1Bに示したように、スペーサ21が平面視において閉じた枠状であったが、実施例2においては、スペーサ21が、正方形の相互に対向する一対の辺の中央に相当する位置で、2つの部分に分離されている。スペーサ21を構成する2つの部分を実装基板10の実装面に配置するときに、2つの部分の両端同士を接触させてもよいし、両端の端面同士が間隙21Aを介して対向するようにしてもよい。この間隙21Aを、接着剤35が侵入しない程度まで狭くすれば、実施例1の図1Dに示した工程において、接着剤35を塗布したときに、接着剤35が空洞60内に侵入することを防止できる。
FIG. 3 is a plan view of the mounting
パラフィン等の板を抜き打ちすることによりスペーサ21を形成する場合、実施例1のように、スペーサ21が閉じた枠状であれば、スペーサ21の内側の正方形または長方形の部分が無駄になる。実施例2のように、スペーサ21を2つの部分に分割すると、無駄な部分が発生しなくなり、パラフィン等の板を有効利用することができる。
When the
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
10 実装基板
10A 第2の領域
20、21 スペーサ
21A 間隙
22 電極
23 ソルダーレジスト
30、35 接着剤
50 半導体チップ
50A 第1の領域
51 電極
52 保護膜
55 カーボンナノチューブ(接続部材)
56 隙間
60 空洞
DESCRIPTION OF
56
Claims (5)
前記実装基板に間隙を隔てて対向し、該実装基板上の電極に対応する位置に電極が形成されている半導体チップと、
前記実装基板の電極と、前記半導体チップの対応する電極とを電気的に接続し、弾性を有する接続部材と、
前記実装基板と前記半導体チップとの間に配置され、該実装基板と該半導体チップとの間に間隙を確保し、平面視において、前記実装基板及び前記半導体チップの電極が分布する領域を取り囲むスペーサと、
前記スペーサ、前記実装基板、及び前記半導体チップで囲まれた空洞の外側に配置され、前記半導体チップの表面の第1の領域と前記実装基板の表面の第2の領域とに密着して該半導体チップを該実装基板に固定し、前記スペーサに対する親和性が、前記半導体チップの前記第1の領域に対する親和性及び前記実装基板の前記第2の領域に対する親和性のいずれよりも低い接着剤と
を有する半導体装置。 A mounting substrate having a plurality of electrodes formed on the mounting surface;
A semiconductor chip that is opposed to the mounting substrate with a gap, and an electrode is formed at a position corresponding to the electrode on the mounting substrate;
Electrically connecting the electrodes of the mounting substrate and the corresponding electrodes of the semiconductor chip , and a connecting member having elasticity ;
A spacer that is disposed between the mounting substrate and the semiconductor chip, secures a gap between the mounting substrate and the semiconductor chip, and surrounds an area in which the electrodes of the mounting substrate and the semiconductor chip are distributed in plan view. When,
The semiconductor is disposed outside a cavity surrounded by the spacer, the mounting substrate, and the semiconductor chip, and is in close contact with the first region on the surface of the semiconductor chip and the second region on the surface of the mounting substrate. A chip is fixed to the mounting substrate, and an adhesive having an affinity for the spacer is lower than both the affinity for the first region of the semiconductor chip and the affinity for the second region of the mounting substrate. A semiconductor device having the same.
前記スペーサを介して、前記実装基板の上に半導体チップを配置し、該半導体チップの表面に形成されている複数の電極を、それぞれ前記実装基板の実装面に形成されている複数の電極に、弾性を有する接続部材により、電気的に接続する工程と、
前記スペーサ、前記実装基板、及び前記半導体チップで囲まれた空洞の外側において、前記半導体チップの表面の第1の領域から前記実装基板の表面の第2の領域まで連続するように、前記スペーサに対する親和性が、前記半導体チップの前記第1の領域に対する親和性及び前記実装基板の前記第2の領域に対する親和性のいずれよりも低い接着剤を塗布する工程と、
塗布された前記接着剤を硬化させる工程と
を有する半導体装置の製造方法。 Disposing a spacer having a planar shape surrounding a region where the electrodes are distributed on the mounting surface of the mounting substrate on which a plurality of electrodes are formed on the mounting surface;
A semiconductor chip is disposed on the mounting substrate via the spacer, and a plurality of electrodes formed on the surface of the semiconductor chip are respectively formed on a plurality of electrodes formed on the mounting surface of the mounting substrate . Electrically connecting the elastic connecting member ;
Outside the cavity surrounded by the spacer, the mounting substrate, and the semiconductor chip, the spacer is continuous with the spacer from the first region on the surface of the semiconductor chip to the second region on the surface of the mounting substrate. Applying an adhesive whose affinity is lower than both the affinity of the semiconductor chip for the first region and the affinity of the mounting substrate for the second region;
And a step of curing the applied adhesive.
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