JP2000031344A - ボールグリッドアレイ型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐半田性、低反り性、放熱性にも優れたボー
ルグリッドアレイ型半導体装置を提供すること。 【解決手段】 半導体素子をエポキシ樹脂組成物で封止
したボールグリッドアレイ型半導体装置であって、該半
導体装置の上面の表面積の２５％以上の面積を有する水
分遮蔽部を該半導体装置の上面に有するボールグリッド
アレイ型半導体装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐半田性に優れる
ボールグリッドアレイ型半導体装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体を機械的、化学的作用から保護す
るために、従来からエポキシ樹脂組成物が開発、生産さ
れてきた。このエポキシ樹脂組成物に要求される項目
は、半導体の種類、封止される半導体装置の種類、使用
される環境等によって変化しつつある。近年、基板の上
面に半導体素子を接続し、半導体素子を封止樹脂で封止
した形態で基板の下面に、マザーボードとの接続用に半
田ボールを用いたボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）と呼
ばれる半導体装置が増加してきた。特に、チップスケー
ルパッケージ（ＣＳＰ）に関してもボールグリッドアレ
イの形態で利用されることが多い。（以降、これらを総
称してＢＧＡ型半導体装置と称する）これらの半導体装
置は、表面実装用である。即ち、この半導体装置自体は
半田処理の温度で加熱される工程があり、吸水した状態
の半導体装置では容易にポップコーンクラックを生じる
ことが分かっている。この問題の解決のためには、低吸
水率のエポキシ樹脂組成物が要求されており、この手法
はＱＦＰのような従来の半導体装置では非常に大きな効
果を上げてきた。しかし、この手法をＢＧＡ型半導体装
置に適用しても限界があることが判明してきた。それ
は、封止樹脂と基板が接着されているため、その接着界
面が非常に弱く、破壊しやすいことによるものであっ
た。

【０００３】ＢＧＡ型半導体装置には耐半田性が必要な
ため、その改善のためいろいろな工夫が行われてきた。
例えば、基板に貫通孔を開けることにより耐半田性が非
常に向上することが知られており、この手法は非常に効
果があると考えられていたが、半導体素子と基板を接着
しているダイアタッチペーストが貫通孔から漏れるなど
の問題が発生し耐半田性向上には不十分であった。ま
た、ＢＧＡ型半導体装置に搭載される半導体素子はしば
しば高速で作動することが要求されているため、発熱量
が増加し、熱放散性の向上が必要である。更に、ＢＧＡ
型半導体装置は反りやすいので、反りの改善に関しても
未だ問題点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐半田性良
好で、更に低反り性、放熱性、硬化性にも優れるＢＧＡ
型半導体装置を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記の課題に
関して鋭意検討し、以下の極めて性能が優れたＢＧＡ型
半導体装置を得るに至ったものである。即ち本発明は、
半導体素子をエポキシ樹脂組成物で封止したＢＧＡ型半
導体装置であって、該半導体装置の上面の表面積の２５
％以上の面積を有する水分遮蔽部を該半導体装置の上部
に有することを特徴とするＢＧＡ型半導体装置であり、
好ましくは水分遮蔽部の厚みが０．０１〜２０ｍｍの金
属板または厚みが０．１〜５０μｍの金属のコーティン
グ皮膜であるＢＧＡ型半導体装置である。又本発明に適
した封止樹脂は、（Ａ）トリフェノールメタン型エポキ
シ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂又はスチルベン型エ
ポキシ樹脂からなるエポキシ樹脂、（Ｂ）ノボラック型
フェノール樹脂、トリフェノールメタン型フェノール樹
脂又はフェノールアラルキル樹脂からなるフェノール樹
脂、（Ｃ）無機充填材、及び（Ｄ）硬化促進剤を必須成
分とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物である。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明は、図１に示されるよう
に、ガラスクロス基材エポキシ樹脂製回路基板等からな
る基板１の上にダイアタッチペースト２を介してほぼ中
央に半導体素子３を設け、封止樹脂４により封止硬化さ
せると共に、該半導体装置の上面の表面積の２５％以上
の面積を有する水分遮蔽部５を半導体装置の上面に設
け、更に半田ボール６を基板１の下に設けたＢＧＡ型半
導体装置である。

【０００７】水分遮蔽部は、水分を通さない材質、例え
ばアルミニウム、ステンレス、鉄、銅等の金属もしくは
それらの金属の表面を必要に応じて塗装、プライマー処
理、粗化処理等々の表面処理を行ったものからなってお
り、該半導体装置の上面の樹脂組成物部の表面積におけ
る２５％以上の面積を有している。この水分遮蔽部は、
耐半田性を大幅に向上させることを目的として設けたも
のであり、金属の材質等に関しては特に限定せず、水分
をほぼ完全に遮断できる材質のものならば良い。また、
水分遮蔽部の厚みに関しては、０．０１ｍｍ厚さ程度の
薄板でも、あるいは数μｍの金属の蒸着膜でも何でも良
い。好ましくは、金属板に関しては０．０１〜２０ｍｍ
である。また金属皮膜については好ましくは０．１〜５
０μｍである。但し、この水分遮蔽部は半導体素子と接
触してはいけない。必要不可欠なのは半導体装置の上面
の表面積の２５％以上の面積を有してほぼ中央に有する
ことが重要である。また、水分遮蔽部は必ずしも半導体
装置の表面に露出している必要はなく、半導体装置の内
部に潜り込んだ構造をとっていても効果は同じである。

【０００８】本発明の構造とすることにより、ＢＧＡ型
半導体装置の耐半田性が向上する。向上する理由として
は、半導体装置の上面からの吸水がないために、ＢＧＡ
型半導体装置の全体における吸水量がほぼ半減すること
による。無論、基板側からの吸水もあり、基板側からの
吸水は非常に早く、ダイアタッチペーストにより素早く
飽和吸水する。ダイアタッチペースト中に含まれている
水分が、半田処理において水蒸気爆発することが半田ク
ラックの機構であることは判明している。しかし、封止
樹脂成形品の内部が乾燥しておれば、半田処理時にダイ
アタッチペースト中に含まれる水分は封止樹脂成形品の
乾燥部分に移行し、水蒸気爆発が起こらない。従って、
封止樹脂部の吸水率を低減する手法は、ＢＧＡの耐半田
性を向上させるのに非常に有効な手法となり得る。

【０００９】また、金属板等の水分遮蔽部を半導体装置
の上部に導入することによって、特に耐半田性が向上
し、更に反りや熱放散性も向上するため、ＢＧＡ型半導
体装置の特性が優れたものとなる。水分遮蔽部に用いる
金属板、金属のコーティング皮膜の内では比較的厚い金
属板の方が反りや熱放散性が向上する。

【００１０】水分遮蔽部の形状に関しては特に限定しな
い。形状としては加工の容易さから四角形が好適に用い
られるが、星形、円形、楕円形、角を丸めた四角形、あ
るいはそれ以外の形状でも構わない。また、水分遮蔽部
の一部に貫通孔が空いていても構わない。水分遮蔽部を
有するＢＧＡ型半導体装置を組み立てる方法としては特
に限定しない。しかし好適に行われる方法としては、金
属板を使用する場合、樹脂組成物注入前のフェイスダウ
ンタイプの金型内部に予め金属板を入れておき、その後
樹脂組成物を注入して水分遮蔽部を有するＢＧＡ型半導
体装置を一体成形する方法が有効である。この方法の場
合、金属板との接着力が高いことが特徴である。そのほ
かには、金属板や金属箔を接着剤でＢＧＡ型半導体装置
表面に張り付ける方法があるが、接着剤としては吸水性
が低く耐水性に優れたものを使用する必要があるとか、
ＢＧＡ上面の封止樹脂成形品の表面改質が必要な場合が
あるなど、技術的な課題があると推定される。また、金
属コーティング皮膜を使用する場合は、金属の蒸着によ
りＢＧＡの上面を全面もしくは部分的に被覆すれば良
い。

【００１１】本発明に使用される封止樹脂としてのエポ
キシ樹脂組成物に関しては、特に限定しないが、より望
ましくは、エポキシ樹脂としては、一般式（１）で示さ
れるトリフェノールメタン型エポキシ樹脂、一般式
（２）で示されるビフェニル型エポキシ樹脂、又は一般
式（３）で示されるスチルベン型エポキシ樹脂がより好
適である。これらのエポキシ樹脂はいずれも剛直な分子
構造を有しており、ＢＧＡ型半導体装置の反り性、成形
性、耐半田性の向上に有効であるためである。これらの
エポキシ樹脂同士あるいはその他のエポキシ樹脂との併
用も問題ない。併用するエポキシ樹脂としては、例えば
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、含臭素エポキシ樹
脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ヒドロキノン型
エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、
クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、及びジシクロペ
ンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂等が挙げら
れ、これらは単独でも混合して用いても良い。なお、耐
湿信頼性の向上のためにはイオン性不純物が少ない方が
より望ましい。

【００１２】

【化１】 ［式中、Ｒ₁〜Ｒ₅はそれぞれ独立にメチル基、ターシャ
リーブチル基のいずれかであり、ｎ≧１である。］

【００１３】

【化２】 ［式中、Ｒ₆〜Ｒ₉はそれぞれ独立に水素原子もしくはメ
チル基、ターシャリーブチル基のいずれかである。］

【００１４】

【化３】 ［式中、Ｒ₁₀〜Ｒ₁₇はそれぞれ独立に水素原子もしくは
メチル基、ターシャリーブチル基のいずれかである。］

【００１５】本発明に使用するフェノール樹脂に関して
も特に限定しないが、より望ましくは、一般式（４）で
示されるトリフェノールメタン型フェノール樹脂、一般
式（５）で示されるフェノールアラルキル樹脂がより好
適である。これらの樹脂は剛直な分子構造あるいは低吸
水性を発現できる分子構造を有しており、反りや耐半田
性の向上に有効であるためである。これらの樹脂同士あ
るいはこれ以外のフェノール樹脂、例えばフェノールノ
ボラック樹脂、オルソクレゾールノボラック樹脂、ジシ
クロペンタジエン変性フェノール樹脂、リモネン変性フ
ェノール樹脂等が挙げられ、これらは単独でも併用して
も良い。

【００１６】

【化４】 ［式中、Ｒ₁₈〜Ｒ₂₂はそれぞれ独立にメチル基、ターシ
ャリーブチル基、メトキシ基のいずれかであり、ｎ≧１
である。］

【００１７】

【化５】 ［式中、ｎ≧１である。］

【００１８】本発明に用いられる全エポキシ樹脂のエポ
キシ基と全フェノール樹脂のフェノール性水酸基の当量
比は、好ましくは０．５〜２であり、特に０．７〜１．
５がより好ましい。０．５〜２の範囲を外れると、耐湿
性、硬化性等が低下するので好ましくない。

【００１９】本発明に用いられる硬化促進剤は、エポキ
シ樹脂のエポキシ基とフェノール樹脂のフェノール性水
酸基の反応を促進するものであれば特に限定はしない
が、例えば、１，８−ジアザビシクロ［５，４，０］ウ
ンデセン−７、トリフェニルホスフィン、テトラフェニ
ルホスホニウム・テトラフェニルボレート、テトラフェ
ニルホスホニウム・テトラ安息香酸ボレート、テトラフ
ェニルホスホニウム・テトラナフトイックアシッドボレ
ート、２−メチルイミダゾール等が挙げられ、これらは
単独でも混合して用いても良い。

【００２０】本発明に用いられる無機充填材の種類につ
いては特に制限はなく、一般に封止材料に用いられてい
るものを使用することができる。例えば、溶融破砕シリ
カ粉末、溶融球状シリカ粉末、結晶シリカ粉末、２次凝
集シリカ粉末、アルミナ、チタンホワイト、水酸化アル
ミニウム、タルク、クレー、ガラス繊維等が挙げられ、
特に溶融球状シリカ粉末が好ましい。形状は限りなく真
球状であることが好ましく、又、粒子の大きさの異なる
ものを混合することにより充填材量を多くすることがで
きる。無機充填材の含有量は、全樹脂組成物中に７３重
量％以上が好ましいが特に限定しない。

【００２１】本発明に使用するエポキシ樹脂組成物は、
（Ａ）〜（Ｄ）成分の他、必要に応じてγ−グリシドキ
シプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルト
リエトキシシラン等のシランカップリング剤、カーボン
ブラック等着色剤、臭素化エポキシ樹脂、酸化アンチモ
ン、リン化合物等の難燃剤、シリコーンオイル、シリコ
ーンゴム等の低応力成分、天然ワックス、合成ワック
ス、ポリエチレンワックス、酸化ポリエチレンワック
ス、高級脂肪酸及びその金属塩類もしくはパラフィン等
の離型剤、酸化防止剤等の各種添加剤を配合することが
できる。特に添加剤のシリコーンオイル、シリコーンゴ
ムは、反りの低減に効果的である。これらのエポキシ樹
脂は、（Ａ）〜（Ｄ）成分、及びその他の添加剤等をミ
キサーを用いて常温混合し、ロール、押出機等の混練機
で混練し、冷却後粉砕して得られる。

【００２２】本発明は上記に示されたエポキシ樹脂組成
物を用いて、図１に示されるような半導体装置を封止
し、ＢＧＡ型半導体装置を製造するには、トランスファ
ーモールド、コンプレッションモールド、インジェクシ
ョンモールド等の従来からの成形方法で硬化成形すれば
よい。次いで水分遮蔽部を上記に示した方法でＢＧＡ型
半導体装置の表面に設け、更に基材の下部に半田ボール
を設ける。

【００２３】

【実施例】以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこ
れらに限定されるものではない。 《基本処方》 ・式（Ｅ−１）のエポキシ樹脂 １０．０重量部 ・式（Ｈ−１）のフェノール樹脂 ５．３重量部 ・１，８−ジアザビシクロ［５，４，０］ウンデセン−７ （以下、ＤＢＵという） ０．２重量部 ・溶融球状シリカ（平均粒径１５μｍ） ８２．０重量部 ・エポキシシランカップリング剤 ０．５重量部 ・カーボンブラック ０．５重量部 ・臭素化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂 ０．５重量部 ・三酸化アンチモン ０．５重量部 ・カルナバワックス ０．３重量部 ・酸化ポリエチレンワックス ０．２重量部 を常温でミキサーを用いて混合した後、１００℃で二軸
ロールを用いて混練し、冷却後粉砕し、エポキシ樹脂組
成物（Ａ）を得た。

【００２４】

【化６】

【００２５】

【化７】

【００２６】《評価方法》 ・ＢＧＡ型半導体装置の反り量：得られたＢＧＡ型半導
体装置を、表面粗さ計［東京精密(株)製、サーフコム］
を用いて、半導体装置の反り量を測定した。ＢＧＡ型半
導体装置の反り量とは、半導体装置の対角線方向を表面
粗さ計を用いて測定を行い、得られた最大反り量の値
（単位はμｍ）を示す。 ・耐半田性：得られたＢＧＡ型半導体装置を、８５℃、
相対湿度６０％で１６８時間の処理を行い、ＩＲリフロ
ー処理（２２０℃、１０秒）を行った。処理済みの半導
体装置を超音波探傷機を用いて観察し、半導体装置内部
の剥離、クラック等の不良を観察する。６個の半導体装
置中の不良半導体装置数を示す。

【００２７】《実施例１〜５、比較例１、２》水分遮蔽
部の大きさ等の種類を変えて、低圧トランスファー成形
機を用い、成形温度１７５℃、圧力７０kg／cm² 、硬化
時間２分で、２５６ｐＢＧＡ（ビスマレイミド・トリア
ジン樹脂／ガラスクロス基板、サイズ２７mm×２７mm、
ＩＣチップサイズ９mm×９mm）をエポキシ樹脂組成物
（Ａ）にて封止成形し、１７５℃、８時間のポストキュ
アを行い、図１〜図７に示すようなＢＧＡ型半導体装置
を作成した。得られたＢＧＡ型半導体装置を評価方法に
従い評価し、その結果を表１に示した。

【００２８】《水分遮蔽部の形態》 ・ＢＧＡ−１（図１） 厚み100μm、24.1mm×24.1mmの正方形のアルミニウム板
を成形時に埋め込んで取り付ける。 ・ＢＧＡ−２（図２） 厚み500μm、11.3mmφの円形のアルミニウム板を接着に
より取り付ける。 ・ＢＧＡ−３（図３） 厚み２μm、14.8mm×14.8mmの正方形のアルミニウム皮
膜を蒸着によりコーティ ングする。 ・ＢＧＡ−４（図４） 厚み２μm、半導体装置上面及びその他全面に蒸着によ
りアルミニウム皮膜を形 成させる。 ・ＢＧＡ−５（図５） 厚み100μm、25mm×25mmの正方形の大きさのものに３mm
φの貫通穴を６個開けたアルミニウム板を成形時に図５
のように埋め込んで取り付ける。 ・ＢＧＡ−６（図６） 厚み100μm、10.5mm×10.5mmの正方形のアルミニウム板
を成形時に埋め込んで取り付ける。 ・ＢＧＡ−７（図７） 水分遮蔽部なし。

【００２９】

【表１】

【００３０】《実施例６〜１２》エポキシ樹脂及びフェ
ノール樹脂等の種類を変えて、表２に示すような配合処
方を用いて、図１に示すようなＢＧＡ型半導体装置を作
成し、評価を行った。その結果を表２に示す。尚、使用
したエポキシ樹脂及びフェノール樹脂は下記に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】

【化８】

【００３３】

【化９】

【００３４】

【化１０】

【００３５】

【化１１】

【００３６】

【化１２】

【００３７】

【発明の効果】本発明の半導体装置は、耐半田性、更に
は低反り性、放熱性にも優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のＢＧＡ型半導体装置の断面図。

【図２】 本発明の他の例を示すＢＧＡ型半導体装置の
断面図。

【図３】 本発明の他の例を示すＢＧＡ型半導体装置の
断面図。

【図４】 本発明の他の例を示すＢＧＡ型半導体装置の
断面図。

【図５】 本発明の他の例を示すＢＧＡ型半導体装置の
断面図。

【図６】 比較例のＢＧＡ型半導体装置の断面図。

【図７】 水分遮蔽板を用いない通常のＢＧＡ型半導体
装置の断面図。

【符号の説明】

１ 基板 ２ ダイアタッチペースト ３ 半導体素子 ４ 封止樹脂 ５ 水分遮蔽板 ６ 半田ボール

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子をエポキシ樹脂組成物で封止
   したボールグリッドアレイ型半導体装置であって、半導
   体装置の上面の表面積の２５％以上の面積を有する水分
   遮蔽部を該半導体装置の上部に有することを特徴とする
   ボールグリッドアレイ型半導体装置。
2. 【請求項２】 水分遮蔽部が、厚み０．０１〜２０ｍｍ
   の金属板である請求項１記載のボールグリッドアレイ型
   半導体装置。
3. 【請求項３】 水分遮蔽部が、厚み０．１〜５０μｍの
   金属のコーティング皮膜である請求項１記載のボールグ
   リッドアレイ型半導体装置。
4. 【請求項４】 エポキシ樹脂組成物が、（Ａ）トリフェ
   ノールメタン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹
   脂又はスチルベン型エポキシ樹脂からなるエポキシ樹
   脂、（Ｂ）ノボラック型フェノール樹脂、トリフェノー
   ルメタン型フェノール樹脂又はフェノールアラルキル樹
   脂からなるフェノール樹脂、（Ｃ）無機充填材、及び
   （Ｄ）硬化促進剤を必須成分とする半導体封止用エポキ
   シ樹脂組成物である請求項１、２または３記載のボール
   グリッドアレイ型半導体装置。