JP2006108460A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体素子と配線基板をフリップチップ接続した後及び樹脂封止した後に発生する膨張率差を伴った応力による配線基板の反りを十分抑制できる半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体素子１は、絶縁性コア基板２とこのコア基板の表裏両面に形成され配線パターンを有する絶縁層からなるビルドアップ層３とから構成された配線基板にフリップチップ接続されている。半導体素子１が搭載されている領域の周辺に、半導体素子１を囲むようにしてコア基板２に帯状の弾性体５が埋め込まれている。半導体素子をフリップチップ接続した後及びアンダーフィル樹脂などの樹脂封止体９を樹脂封止した後に発生する熱膨張率差に伴う応力による配線基板の反りが弾性体５により抑制される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フリップチップ接続用配線基板の構造及びこれを製造する半導体装置の製造方法に関するものである。

従来、フリップチップタイプの半導体装置は、配線基板に金属バンプ電極などの内部接続端子を備えた半導体素子をフリップチップ接続により搭載することにより構成されている。配線基板は、その両面に配線パターンが形成されており、両者は配線基板に形成されたビア（貫通孔）などを介して電気的に接続されている。配線パターンの一方には半導体素子の内部接続端子が接続され、他方には半田ボールなどの外部接続端子が接続されている。半導体素子と配線基板の間であって半導体素子の内部接続端子が配線パターンに接続されている領域には、エポキシ樹脂などからなる熱硬化性樹脂が充填されて内部接続端子を保護している。

半導体素子の接続用金属電極バンプを配線基板の配線パターンに当接するように搭載し、この状態で半導体素子と配線基板全体を加温することにより、半導体素子の金属バンプ電極を溶融して配線基板に接続する。この後、半導体素子と配線基板との金属バンプ電極による接続部を封止樹脂で樹脂封止を行う。このとき、半導体素子とアンダーフィル樹脂、配線基板の膨張率差によって応力が生じて、配線基板が半導体素子側に反り（変形）が発生する。この場合において、配線基板の外周形状サイズに比例して、配線基板の反り量は増大する傾向にある。この反りを改善し是正するために金属プレート板の剛性を利用した配線基板の反り戻しを行っている。しかし、応力が配線基板に残ることや、その為に金属プレート板と半導体素子との間の接着剤に裂傷が生じる。また、温度サイクル試験や温度衝撃試験等の温度環境試験においては、著しく発生頻度が高まる。

熱膨張差による応力の影響を少なくする従来の技術に特許文献１がある。これは、多層プリント配線基板に関するものであり、配線基板の上面と下面で異なる熱膨脹係数により生ずる剪断歪みによる反りや層間剥離を防ぐために層間に剪断歪みの吸収層を設けるものである。吸収層は、低弾性体からなり、シリコーンゴム系が好適である。また、特許文献２には、多層配線基板のコア基材の上下両面に各２層の絶縁層を積層したビルドアップ層を形成する。上下両面側及び絶縁層間に導体パターンを設け、そのうち実装面にはランドを設ける。実装面側の絶縁層を反対側の絶縁層より弾性率の大きい又は熱膨張係数の小さい樹脂材料とする。また、特許文献３は、配線回路を有するシート状配線回路基板に半導体チップがバンプ接続により内部接続され、下面に外部接続部を有する半導体装置において、回路基板内、回路基板と半導体チップ間及び回路基板と外部接続部間の少なくともいずれかにフレキシブル層を備える。フレキシブル層は低誘電率であり、例えば、シリコーンゴムシートが用いられる。
特開平７−２９７５６０号公報（図５参照） 特開２００１−２１７５１４号公報（図１参照） 特開平２００２−２８９７３５号公報（図１参照）

本発明は、このような事情によりなされたものであり、半導体素子と配線基板をフリップチップ接続した後及び樹脂封止した後に発生する膨張率差を伴った応力よる配線基板の反りが応力緩和されて配線基板の反りを著しく抑制できる半導体装置を提供する。

本発明の半導体装置の形態は、半導体素子と、前記半導体素子がフリップチップ接続により搭載され、絶縁性コア基板及びこのコア基板の表裏両面に形成され配線パターンを有する絶縁層から構成された配線基板とを具備し、前記半導体素子が搭載されている領域の周辺に、前記半導体素子を囲むようにして前記コア基板に帯状の弾性体が埋め込まれていることを特徴としている。
本発明の半導体装置の製造方法の形態は、絶縁性コア基板を所定の形状に打ち抜いて、打ち抜かれた部分に帯状の弾性体を埋め込む工程と、前記コア基板の表裏両面に配線パターンを有する絶縁層を貼り付けて配線基板を形成する工程と、半導体素子を前記配線基板の前記埋め込まれた帯状の弾性体に囲まれた領域内にフリップチップ接続により搭載する工程とを具備したことを特徴としている。

半導体素子を配線基板にフリップチップ接続した後及び熱硬化性樹脂などを樹脂封止した後に発生する熱膨張率差に伴う応力よる配線基板の反りが、配線基板のコア層内に配置された弾性体により応力緩和されて配線基板の反りの低減及び配線基板の反りを著しく抑制できる。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

まず、図１乃至図６を参照して実施例１を説明する。
図１は、この実施例を説明する半導体装置の断面図、図２は、図１の半導体装置の工程を説明するコア基板の平面図、図３は、図１の半導体装置の工程を説明する配線基板断面図、図４は、図１の半導体装置の工程を説明する工程平面図及び断面図（平面図のＡ−Ａ′線に沿う部分の断面図である）、図５は、図１の半導体装置の工程を説明する工程平面図及び断面図（平面図のＡ−Ａ′線に沿う部分の断面図である）、図６は、この工程を説明するフローチャートである。

図１に示すように、半導体装置は、半導体素子、配線基板、樹脂封止体及び外部接続端子を備えている。半導体素子１は、シリコン半導体基板などから形成され、下面に内部接続用金属バンプ電極６を有している。配線基板は、絶縁板からなるコア基板２とコア基板２の両面に形成されたビルドアップ層３（３ａ、３ｂ）から構成されている。ビルドアップ層３は、コア基板上に形成された絶縁層とその上の配線パターン（図示しない）から構成されている。半導体素子１は、金属バンプ電極６を配線基板の上側ビルドアップ層３ａの配線パターンに当接させてフリップチップ接続されている。そして、配線基板下側に形成されたビルドアップ層３ｂの配線パターンには半田ボールなどの外部接続端子４が接続されている。配線基板のビルドアップ層３ａと半導体素子１との間には金属バンプ電極６を被覆保護するエポキシ樹脂などの樹脂封止体９が形成されている。樹脂封止体９が配線基板のビルドアップ層３ａと接している領域は、半導体素子１が配線基板と対向している領域より広くなっている。

配線基板のビルドアップ層３ａの半導体素子１が搭載されている領域（半導体素子１が配線基板と対向している領域）の周辺には、半導体素子１を囲むようにしてコア基板２の内部に帯状の弾性体５が埋め込まれている。弾性体５は、半導体素子１が搭載されている領域を囲む領域を取り囲むように帯状に形成されている。コア基板２の帯状の弾性体５が埋め込まれている部分には、つり部７が複数（この実施例では４個）形成されている。つり部７は、半導体素子１が搭載されている領域を囲む領域と、帯状の弾性体５が埋め込まれている部分を囲む外側の領域とを接合して、半導体素子１が搭載されている領域を囲む領域がコア基板２から分離するのを防止している。つり部７の存在により帯状の弾性体５は、連続的につながっておらず、間欠的に分離している（図２参照）。この実施例では、帯状の弾性体５が埋め込まれている部分は、コア基板２を貫通しているが、これを貫通させずに、コア基板２に溝を形成し、この溝に埋め込む様にすることができる。弾性体には、例えば、シリコーン樹脂が用いられる。その他にゴムなどの弾性体を用いることが可能である。半導体素子１が搭載されている領域を囲む領域は、樹脂封止体９が配線基板と接している領域と一致している。

熱硬化性樹脂の樹脂封止体９が半導体素子１と配線基板との間に形成されると、両者の接続時に熱膨張差によって応力が生じる。しかし、この実施例のように、配線基板の半導体素子が搭載されている領域（即ち、半導体素子が配線基板と対向している領域）の周辺に半導体素子を囲むようにしてコア基板内部に帯状の弾性体５が埋め込まれているので、このような応力が発生してもこれをシリコーン樹脂などの弾性体で吸収し、半導体装置として許容応力に緩和することができる。

次に、図２乃至図６を参照してこの実施例に係る半導体装置を製造する工程を説明する。（１） まず、例えば、ガラス不織布にエポキシ樹脂などの樹脂を含浸させて形成した絶縁性コア基板２を用意する。（２） コア基板２は、半導体素子搭載領域を囲むように、打ち抜き加工を施して弾性体を埋め込む打ち抜き部８をコア基板２に形成する。半導体素子搭載領域を含む領域とその外側の領域は、打ち抜き部８に設けられたつり部７により繋がっている。打ち抜き部８にシリコーン樹脂などの弾性体５を埋め込む（図２）。その後、コア基板２の両面に配線パターンを形成し、コア基板２に貫通孔（ビア）をドリルなどで開け、このビアに形成したメッキ層を接続配線として両面の配線パターンを接続する。コア基板２上に直接形成された配線を第１の配線パターンという。

（３） 次に、第１の配線パターンが形成されたコア基板２の両面に樹脂フィルムなどの絶縁層を形成し、これらの絶縁層上に配線パターンをパターニングする。この絶縁層上に直接形成された配線を第２の配線パターンという。このようにコア基板上に形成された絶縁層及びこの絶縁層上に形成された配線パターンは、ビルドアップ層を構成する。したがって、このコア基板２の両面には１対のビルドアップ層３（３ａ、３ｂ）が設けられている。第１の配線パターンは、絶縁層にレーザなどにより形成されたビアを介して、第２の配線パターンに接続されている。ビルドアップ層は、この実施例では第１層により構成されているが、第２層、第３層など複数を積層して構成することもできる（図３）。（４） 次に、半導体素子１の接続用金属バンプ電極６をコア層２上のビルドアップ層３ａ上に形成された第２の配線パターン（図示しない）に搭載し加熱してこれをフリップチップ接続する（図４）。（５） 次に、エポキシ樹脂などの樹脂を配線基板のビルドアップ層３ａの間に充填し加熱硬化して金属バンプ電極６を被覆する樹脂封止体９を形成する（図５）。（６） 次に、配線基板の裏面に形成されたビルドアップ層３ｂの配線パターンに半田ボールなどの外部接続端子４を形成する。

このようにして形成された半導体装置は、封止樹脂体形成による応力が働いても影響を受けない。また、配線基板に応力による反りが残っても応力は弾性体により吸収されて十分緩和されるから半導体装置の特性や外部接続端子の機械的強度に影響を与えることは著しく減少する。

まず、図７及び図８を参照して実施例１を説明する。
図７は、この実施例を説明する半導体装置の断面図、図８は、図７の半導体装置の工程を説明する製造工程断面図である。図７の半導体装置は、半導体素子、配線基板、樹脂封止体及び外部接続端子を備えており、これは図１と同様である。この実施例ではさらに配線基板の反り返し及び放熱を行う金属プレートが付加されていることに特徴がある。半導体素子２１は、シリコン半導体基板などから形成され下面に内部接続用金属バンプ電極２６を有している。配線基板は、絶縁板からなるコア基板２２とコア基板２２の両面に形成されたビルドアップ層２３（２３ａ、２３ｂ）から構成されている。ビルドアップ層２３は、コア基板２２上に形成された絶縁層とその上の配線パターン（図示しない）から構成されている。半導体素子２１は、金属バンプ電極２６を配線基板の上側ビルドアップ層２３ａの配線パターンにフリップチップ接続されている。そして、配線基板下側に形成されたビルドアップ層２３ｂの配線パターンには外部接続端子２４が接続されている。配線基板のビルドアップ層２３ａと半導体素子２１との間にはエポキシ樹脂などの樹脂封止体２９が充填されている。樹脂封止体２９が配線基板のビルドアップ層２３ａと接している領域は、半導体素子２１が配線基板のビルドアップ層２３ａと対向している領域より広くなっている。

配線基板のビルドアップ層２３ａの半導体素子２１が搭載されている領域（半導体素子２１が配線基板と対向している領域）の周辺には、半導体素子２１を囲むようにしてコア基板２２の内部に帯状の弾性体２５が埋め込まれている。弾性体２５は、半導体素子２１が搭載されている領域を囲む領域を取り囲むように帯状に形成されている。コア基板２２の帯状の弾性体２５が埋め込まれている部分には、つり部２７が複数（この実施例では４個）形成されている。つり部２７は、半導体素子２１が搭載されている領域を囲む領域と、帯状の弾性体２５が埋め込まれている部分を囲む外側の領域とを接合して、半導体素子２１が搭載されている領域を囲む領域がコア基板２２から分離するのを防いでいる。つり部２７の存在により帯状の弾性体２５は、連続的につながっておらず、間欠的に分離している（図８参照）。この実施例では、帯状の弾性体２５が埋め込まれている部分は、コア基板２２を貫通しているが、これを貫通させずに、コア基板２２に溝を形成し、この溝に埋め込む様にすることができる。弾性体には、例えば、シリコーン樹脂が用いられる。その他にゴムなどの弾性体を用いることが可能である。半導体素子２１が搭載されている領域を囲む領域は、樹脂封止体２９が配線基板と接している領域と一致している。

樹脂封止体２９が半導体素子２１と配線基板との間に形成されると、両者の接続時に熱膨張差によって応力が生じる。しかし、この実施例のように、配線基板の半導体素子が搭載されている領域（即ち、半導体素子が配線基板と対向している領域）の周辺に半導体素子を囲むようにしてコア基板内部に帯状の弾性体５が埋め込まれているので、このような応力が発生してもこれをシリコーン樹脂などの弾性体で吸収し、半導体装置として普通に使用できる程度に残存応力を緩和することができる。
以上のように、この実施例では、配線基板に埋め込まれた弾性体により応力吸収が行われるが、さらに配線基板の反り返しを行う。配線基板の上側のビルドアップ層２３ａ上に半導体素子２１及び樹脂封止体２９を囲むように第１の金属プレート２８及び第１の金属プレート２８上に第２の金属プレート２０を形成する。金属プレート２０、２８は、半導体素子２１を保護すると共に、配線基板の反り返しを行い、また、放熱板としても用いられる。したがって、この実施例では、発熱性の高い半導体装置に適用することができる。

次に、図８を参照してこの実施例に係る半導体装置を製造する工程を説明する。実施例１とは樹脂封止体形成工程（５）までは実質的に変りはないので、次の工程から説明する。配線基板の上側のビルドアップ層２３ａ上に半導体素子２１及び樹脂封止体２９を囲むように接着剤３０を塗布し、その上に四角形に加工された帯状の第１の金属プレート２８を接着する。次に、接着剤３０を第１の金属プレート２８及び半導体素子２１の上面に塗布する。そして、第２の金属プレート２８を接着剤３０に貼り付ける。次に、配線基板の下側のビルドアップ層２３ｂに形成された配線パターンのパッド部分に半田ボールなどの外部接続端子２４を取り付ける。この様にしてこの実施例の金属プレートにより半導体素子が保護された半導体装置が形成される。接着剤には放熱性を考慮して必要に応じて銀紛などの高熱電伝導性粉末を加えることができる。

このようにして形成された半導体装置は、封止樹脂体形成による応力が働いても影響を受けない。また、配線基板に応力による反りが残っても応力は弾性体により吸収されて十分緩和されるから半導体装置の特性や外部接続端子の機械的強度に影響を与えることは著しく減少する。また、樹脂封止後のパッケージの反り返しを行う、金属プレートの接着部材についても、パッケージ内の残存応力が少ないので、金属プレート貼り付け後の接着材裂傷の発生頻度が低下する。同様に、熱的試験においても、熱的応力が配線基板のコア層内の弾性体により緩和されるので不良発生を抑制できる。

本発明の一実施例である実施例１を説明する半導体装置の断面図。 図１の半導体装置の工程を説明するコア基板の平面図。 図１の半導体装置の工程を説明する配線基板断面図。 図１の半導体装置の工程を説明する工程平面図及び断面図。 図１の半導体装置の工程を説明する工程平面図及び断面図。 図１の半導体装置の工程を説明するフローチャート。 本発明の一実施例である実施例２を説明する半導体装置の断面図。 図７の半導体装置の工程を説明する工程平面図及び断面図。

符号の説明

１、２１・・・半導体素子 ２、２２・・・コア基板
３、３ａ、３ｂ、２３、２３ａ、２３ｂ・・・ビルドアップ層
４、２４・・・外部接続端子 ５、２５・・・弾性体
６、２６・・・金属バンプ電極 ７、２７・・・つり部
８・・・打ち抜き部 ９、２９・・・樹脂封止体
２０、２８・・・金属プレート ３０・・・接着剤

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子がフリップチップ接続により搭載され、絶縁性コア基板及びこのコア基板の表裏両面に形成され配線パターンを有する絶縁層から構成された配線基板とを具備し、
   前記半導体素子が搭載されている領域の周辺に、前記半導体素子を囲むようにして前記コア基板に帯状の弾性体が埋め込まれていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記弾性体は、前記コア基板の打ち抜かれた部分に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記半導体素子の底面と前記配線基板表面との間であって、前記半導体素子の外部接続端子が配線基板の配線パターンに接続されている領域には前記外部接続端子を被覆するように樹脂が充填されており、この樹脂が充填されている領域は、前記弾性体が囲む前記半導体素子搭載領域とほぼ一致していることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記配線基板に搭載された前記半導体素子の露出している表面には金属プレートが貼り付けられており、前記配線基板と前記金属プレートとの間はスペーサにより支持されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 絶縁性コア基板を所定の形状に打ち抜いて、打ち抜かれた部分に帯状の弾性体を埋め込む工程と、
   前記コア基板の表裏両面に配線パターンを有する絶縁層を貼り付けて配線基板を形成する工程と、
   半導体素子を前記配線基板の前記埋め込まれた帯状の弾性体に囲まれた領域内にフリップチップ接続により搭載する工程とを具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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