JP4573657B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。

実装技術の分野においては、電子機器の小型化・高機能化に伴い、高密度な実装が要求されている。その中で、半導体素子に突起電極を設け、回路基板のランドにフリップチップ実装して成る半導体装置が開発されている。

従来のこの種の半導体装置の製造方法について、図６を参照して説明する。まず、図６（ａ）に示すように、周知の技術である成膜工程、リソグラフィ工程、エッチング工程を経て任意の回路が形成されている半導体素子２１の電極２２上に、この半導体素子２１を実装する回路基板との電気的な接続を図るための突起電極２５が形成される。突起電極２５は、キャピラリー２３の貫通孔を通して突出させた金、アルミニウムなどの金属線２４の先端部に放電電流を流して金属ボールを形成した状態で、キャピラリー２３にて金属ボールを半導体素子２１の電極２２に接触させ、加圧力及び超音波振動を加えることにより、電極２２と金属ボールを接合させた後、キャピラリー２３を上昇させて金属線２４を破断することで形成される。

一方、図６（ｂ）に示すように、回路基板２６の半導体素子２１を実装する面上に封止用の樹脂シート２７を配置し、貼付ツール２８を用いて加熱、加圧を行って、半導体素子２１が実装される領域に樹脂シート２７を貼り付ける。次に、図６（ｃ）に示すように、回路基板２６のランド２９と半導体素子２１の突起電極２５とが対向するように、回路基板２６上に半導体素子２１を位置合わせし、半導体素子２１を搭載する。

次に、図６（ｄ）に示すように、熱圧着ツール３０により加圧、加熱を行う。これにより、突起電極２５がレベリングされながらランド２９に電気的及び機械的に接合され、同時に樹脂シート２７の溶融・硬化反応が行われ、半導体素子２１と回路基板２６とが封止される。

このとき、突起電極２５の形成時の位置精度、半導体素子２１の装着時の位置合わせ精度、ランド２９の形状、熱圧着ツール３０の平行度等の誤差の複合によって、図６（ｅ）に示すように、半導体素子２１の突起電極２５がランド２９の上を滑って対応するランド２９に対して位置ずれし、半導体素子２１の回路基板２６に対する電気的な接続の信頼性が大幅に低下するという問題があった。

このような問題を解決する半導体装置も既に提案されている（例えば、特許文献１参照。）。次に、この特許文献１に開示された半導体装置を図７を参照して説明する。

図７において、半導体装置３１は、半導体素子３２と回路基板３５を電気的及び機械的に接続し、半導体素子３２と回路基板３５との間を封止樹脂３８にて封止して構成されている。半導体素子３２の電極３３上には、例えば金から成る突起電極３４が形成され、この突起電極３４を回路基板３５の対応する各ランド３６に形成された凹孔３７にて受けた状態で、突起電極３４とランド３６を機械的及び電気的に接合することにより、半導体素子３２と回路基板３５が機械的及び電気的に接続されている。また、封止樹脂３８にて、突起電極３４とランド３６の接続部が保護されている。このように、回路基板３５のランド３６に凹孔３７を形成し、その凹孔３７にて突起電極３４を受けることで、突起電極３４がランド３６上を滑って位置ずれすることを防止する構成とされている。
特開平１０−１８９６５５号公報

しかしながら、図７に示すような構成では、ランド３６に形成した凹孔３７内まで封止樹脂３８が均一に充填されず、未充填部分が発生することがある。ランドと突起電極の接合部に封止樹脂の未充填部分が存在すると、一般的に行われる吸湿リフロー試験等で、この未充填部分に浸入した水分が水蒸気爆発を起こし、接続不良を発生する恐れがあり、回路基板３５に対する半導体素子３２の電気的な接続の信頼性が大幅に低下するという問題がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、突起電極とランドの位置ずれを生じずかつその接続部に封止樹脂が空房を生じることなく充填されて電気的接続に高い信頼性を確保できる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、半導体素子を回路基板上にフリップチップ実装し、半導体素子と回路基板との間に封止樹脂を充填して成る半導体装置であって、半導体素子の各電極にそれぞれ突起電極を設け、各突起電極を接合する回路基板のランドの内の少なくとも複数のランドに、前記突起電極の先端部が挿入される凹孔と、前記凹孔内空間を側方に開放し、前記複数のランド間において開口方向が異なる開放溝とを有する断続環状突部から成る位置規制突部を設けたものである。

この構成によれば、半導体素子の複数の突起電極が位置規制突部で位置規制されることで、半導体素子の各突起電極と回路基板の各ランドを確実に位置決めすることができ、半導体素子を位置ずれを生じることなく回路基板に搭載でき、かつ半導体素子と回路基板の間に封止樹脂を充填する際に封止樹脂は位置規制突部以外の部分からランド上に円滑かつ確実に流入し、また余分な封止樹脂が円滑に流出するため、空房を噛み込まず、各突起電極の周囲に封止樹脂を均一に充填できるため、信頼性の高い電気的接続を確保することができる。

また、この構成によれば、半導体素子の突起電極を凹孔に挿入することで、突起電極とランドを確実に位置決めでき、また封止樹脂の充填時にも封止樹脂が開放溝を通して凹孔内に確実に流入し、また余分な封止樹脂が円滑に流出するため、空房を噛み込まず、各突起電極の周囲に封止樹脂を均一に充填できる。

また、この構成によれば、各凹孔内に挿入した各突起電極が開放溝の開放方向に一様に移動し、開放溝を通して凹孔内から抜け出すというような事態によって位置ずれを生じるのを防止することができる。

また、一部又は全部のランドにおいて、その凹孔から複数の方向に開放溝を形成すると、凹孔内に封止樹脂が均一に充填され易く、未充填部の発生を抑制することができる。

また、凹孔内が金メッキ処理されていると、半導体素子の突起電極との接合を安定して行うことができる。

また、凹孔が上方に向けて広がるテーパ状に形成されていると、突起電極がテーパ状の側壁部を滑って円滑に凹孔内に挿入され、確実に凹孔内に位置決めすることができる。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子を回路基板上にフリップチップ実装し、半導体素子と回路基板との間に封止樹脂を充填して成る半導体装置の製造方法であって、半導体素子の回路面上に形成された各電極にそれぞれ突起電極を形成する突起電極形成工程と、回路基板に、電子部品の各突起電極をそれぞれ接合するランドを形成するとともに、少なくとも複数のランドに、前記突起電極の先端部が挿入される凹孔と、前記凹孔内空間を側方に開放し、前記複数のランド間において開口方向が異なる開放溝とを有する断続環状突部から成る位置規制突部を形成するランド形成工程と、回路基板上の半導体素子実装領域に封止樹脂を配置する封止樹脂配置工程と、半導体素子の突起電極とランドを位置決めした状態で半導体素子を回路基板に搭載する半導体素子搭載工程と、搭載した半導体素子を所定の圧着温度及び圧着圧力で所定の圧着時間回路基板に熱圧着する圧着工程とを備えたものである。

この構成によると、半導体素子の複数の突起電極を回路基板の対応するランドに形成された位置規制突部にて位置決めして半導体素子を回路基板に搭載した後、半導体素子を回路基板に対して熱圧着して半導体素子の電極を回路基板の対応するランドに接合することにより、熱圧着時に半導体素子の突起電極が位置規制突部で位置規制されていることで半導体素子の突起電極がランド上を滑って対応するランドに対して位置ずれするのを抑制することができ、またランド上を円滑に封止樹脂が流動できるので封止樹脂に空房を噛み込まず、封止樹脂が均一に充填され、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。

本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、半導体素子の複数の突起電極を回路基板の対応するランドに形成された位置規制突部で位置規制することで、半導体素子を位置ずれを生じることなく回路基板に搭載できる。また、半導体素子と回路基板の間に封止樹脂を充填する際にランド上を封止樹脂が円滑に流動するため、封止樹脂に空房を噛み込まず、突起電極の周囲に封止樹脂を均一に充填できる。かくして、信頼性の高い電気的接続を確保した半導体装置を得ることができる。

以下、本発明の半導体装置及びその製造方法の一実施形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。

図１（ａ）において、１は、周知の技術である成膜工程、リソグラフィ工程、エッチング工程を経て任意の回路が形成された半導体素子であり、回路基板２との電気的な接続を図るための電極３上に、ワイヤボンディング法やメッキ法により突起電極４が形成されている。

回路基板２は、周知の技術であるリソグラフィ工程、エッチング工程を経て任意の回路が形成されており、突起電極４に対応するランド５には２段エッチング法、ハーフエッチング法、メッキ法等により、位置規制突部６が形成されている。本実施形態では、位置規制突部６は、図１（ｂ）に示すように、中央部に凹孔８を形成するとともに凹孔８の内部空間を側方に開放する開放溝９を形成する断続環状突部にて構成されている。その凹孔８内に突起電極４を挿入した後加圧力と熱を加えることで、突起電極４がレベリングされた状態で突起電極４とランド５が熱圧着され、半導体素子１と回路基板２が電気的に接続されている。

このようにランド５に形成した位置規制突部６にて突起電極４を位置規制しているため、半導体素子１を回路基板２上に搭載する際に半導体素子１が回路基板２に対して傾斜している場合や、半導体素子１を回路基板２に加圧する際に半導体素子１の突起電極４に対する圧力のかけ方が均一でない場合でも、半導体素子１がランド５上を滑って位置ずれすることを抑制することができる。

半導体素子１と回路基板２との間には、封止樹脂７が充填されている。封止樹脂７は、熱硬化性樹脂を用いており、硬化温度以下で加熱することで溶融し、同時に加圧することで半導体素子１と回路基板２との間を周囲に向けて流動する。さらに加熱し、硬化温度以上となると硬化し、半導体素子１と回路基板２とを強固に接着させる。

本実施形態では、ランド５に、凹孔８とその内部空間を側方に開放する開放溝９が形成されているため、封止樹脂７の溶融時に開放溝９を通して溶融樹脂が凹孔８内に流入し、また余分な溶融樹脂が流出するため、凹孔８内に封止樹脂７の未充填部が発生しない。

なお、図２（ａ）に示すように、ランド５に形成された凹孔８の開放溝９による開放方向を全て同一方向とするのではなく、図２（ｂ）に示すように、ランド５の配置領域の中心から略放射状に向いた方向にするなど、多様な方向とするのが好ましい。なぜなら、図２（ａ）に示すように開放方向が同一方向である場合は、半導体素子１の実装時に開放溝９より突起電極４がずれ落ちる恐れがあるが、開放溝９による凹孔８の開放方向を多様にすることで、半導体素子１が位置ずれすることを抑制することができる。

また、ランド５における凹孔８の開放溝９を、図３に示すように複数設けるのが好ましい。なぜなら、開放溝９が複数設けられることで、封止樹脂７が溶融した際に凹孔８内に流入、流出し易いため、封止樹脂７の未充填部の発生を大幅に抑制することができるからである。図示例では、開放溝９を３方向に形成しているが、２方向でも、４方向以上でも良い。封止樹脂７の充填され易さからは、開放溝９が多い程よいが、多過ぎると突起電極４が抜け出す確率が高くなるため好ましくなく、突起電極４の形状・大きさによって適切に設計される。また、開放溝９による凹孔８の開放方向が多くても、その開放方向をランド５間で適当に異ならせることで突起電極４を抜け出しを防止することは可能である。

なお、凹孔８内には、金メッキ処理が施されているのが好ましい。なぜなら、ランド５と突起電極４との安定した電気的接触を得ることができるからである。また、凹孔８はテーパ状に形成されることが好ましい。なぜなら、半導体素子１の実装時に、突起電極４がテーパ状の側壁部を滑って凹孔８内に案内され、突起電極４を確実に凹孔８内に位置決めできるからである。

以上の半導体装置の構成によれば、回路基板２のランド５に形成した凹孔８で半導体素子１の電極３に形成した突起電極４を受けるため、半導体素子１を回路基板２に搭載する際に、半導体素子１が回路基板２に対して傾斜している場合や、半導体素子１の加圧時に突起電極４に対する圧力のかけ方が均一でない場合でも、半導体素子１がランド５上を滑って対応するランド５に対して位置ずれすることを抑制することができ、さらに凹孔８内の空間を側方に開放する開放溝９を形成しているので、凹孔８内に封止樹脂７を未充填部を発生させることなく充填することができ、信頼性を向上し得る半導体装置を得ることができる。

次に、以上の構成の半導体装置の製造工程を図４を参照して説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、半導体素子１は、周知の技術である成膜工程、リソグラフィ工程、エッチング工程を経て任意の回路が形成されており、回路基板２との電気的な接続を図るための突起電極４を電極３上に形成する。

本実施形態では、ワイヤボンディング法にて突起電極４を形成するため、キャピラリー１１の貫通孔を通して突出させた金、アルミニウムなどの金属線１２の先端部に放電電流を流して溶融させ、金ボールを形成した状態で、キャピラリー１１にて金ボールを電極３に接触させ、加圧力及び超音波振動を加えることにより、電極３と金ボールとを接合し、その後キャピラリー１１を上昇させ、金属線１２を金ボールとの境界部近傍で破断することで、突起電極４が電極３上に形成される。具体例を示すと、金属線１２として直径０．０２５ｍｍの金線を用いることで、台座径が０．０８ｍｍ、台座高さが０．０２ｍｍ、頭頂高さが０．０８ｍｍの突起電極４を形成することができる。

一方、回路基板２には、図４（ｂ）に示すように、周知の技術であるリソグラフィ工程、エッチング工程を経て任意の回路が形成されており、半導体素子１の突起電極４に対応するランド５には、２段エッチング法やハーフエッチング法、メッキ法等により、断続環状突部から成る位置規制突部６が形成され、この断続環状突部にて開放溝９を有する凹孔８が構成されている。次に、この回路基板２の半導体素子１が実装される面上に樹脂シート１３を配置し、貼付けツール１４を用いて加熱、加圧を行って、図４（ｃ）に示すように半導体素子１が実装される領域に貼り付けられたシート状の封止樹脂７を設ける。

具体例を示すと、ランド５は、厚みが０．０１２ｍｍ、直径が０．０８ｍｍとし、凹孔８はリソグラフィ法により直径０．０５ｍｍ、開放溝９の幅を０．０２ｍｍのものを形成した。また、シート状の封止樹脂１３として、厚みが０．０４ｍｍのエポキシ系の熱硬化性樹脂シートを使用し、８０℃、３ｓｅｃ、４４ｋＰａの条件で貼り付けを行い、封止樹脂７を形成した。

次に、図４（ｃ）に示すように、ランド５と突起電極４が対向するように、封止樹脂７を貼付けた回路基板２上に突起電極４を有する半導体素子１を位置合わせし、半導体素子１を回路基板２に搭載する。その際に、本実施形態では、ランド５における凹孔８の開放溝９の幅を、突起電極４の頭頂部径である金属線１２の直径０．０２５ｍｍよりも小さい０．０２ｍｍとしていることで、開放溝９を通して突起電極４がずれ落ちるのを抑制することができる。

次に、図４（ｄ）に示すように、熱圧着ツール１５にて加圧、加熱を行うことにより、突起電極４が潰されてレベリングされながら、ランド５に電気的及び機械的に接合され、同時に封止樹脂７が溶融、硬化する。熱圧着条件は、２１０℃、２０ｓｅｃ、２２０ｋＰａとした。

本実施形態によれば、回路基板２のランド５に形成した位置規制突部６にて構成された凹孔８で突起電極４を受けるため、突起電極４の形成時の位置精度、半導体素子１の実装時の位置合わせ精度、ランド５の形状、熱圧着ツール１５の平行度等が多少ずれていても、位置ずれすることなく、確実に突起電極４とランド５とを接合することができる。

また、凹孔８が開放溝９にて側方に開放されているため、開放溝９から溶融した封止樹脂７が流入、流出し易いため、封止樹脂７の未充填部の発生を抑制することができる。

上記実施形態では、図２（ｂ）に示したように、矩形状の半導体素子１の四辺に沿って配設された全てのランド５に、位置規制突部６として断続環状突部を形成することで開放溝９を有する凹孔８を形成し、かつその開放溝９の開放方向を略放射状に配設した例を示したが、複数のランド５、例えば各辺の少なくとも１つのランド５にだけ開放溝９を有する凹孔８を形成し、その開放溝９の開放方向を互いに異ならせた構成としても良い。しかし、全てのランド５に凹孔８を形成することで、すべての突起電極４のそれぞれを挿入して位置決めできるため、より信頼性の高い電気的接続を確保することができる。

更に、位置規制突部６は、開放溝９を有する凹孔８を形成する断続環状突部に限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、矩形状に配列されたランド５の四隅部に位置するランド５の矩形状配列の角部分に、円弧状の位置規制突部６を設けた構成としても良い。

なお、以上の実施形態の説明では、予め回路基板２上にシート状の封止樹脂７を貼付けた後、半導体素子１を実装し、熱圧着を行ったが、半導体素子１を搭載した後に、ペースト状の封止樹脂を回路基板２と半導体素子１との間に流し込んで充填する方法であっても同様の効果を奏することができる。

本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、半導体素子の複数の突起電極を回路基板の対応するランドに形成された位置規制突部で位置規制することで、半導体素子を位置ずれを生じることなく回路基板に搭載でき、かつ半導体素子と回路基板の間に封止樹脂を充填する際にランド上を封止樹脂が円滑に流動するため、封止樹脂に空房を噛み込まず、突起電極の周囲に封止樹脂を均一に充填できるため、信頼性を向上し得る半導体装置を得るのに有用である。

本発明の一実施形態における半導体装置の構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は回路基板のランドの形状を示す斜視図。 同実施形態のランドに形成する位置規制突部の開放溝の方向の説明図。 同実施形態における位置規制突部の開放溝の他の形成例を示す斜視図。 同実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図。 同実施形態における位置規制突部の他の例を示す平面図。 従来例の半導体装置の製造工程を示す断面図。 他の従来例の半導体装置の断面図。

符号の説明

１ 半導体素子
２ 回路基板
３ 電極
４ 突起電極
５ ランド
６ 位置規制突部（断続環状突部）
７ 封止樹脂
８ 凹孔
９ 開放溝

Claims (5)

1. 半導体素子を回路基板上にフリップチップ実装し、半導体素子と回路基板との間に封止樹脂を充填して成る半導体装置であって、
   半導体素子の各電極にそれぞれ突起電極を設け、各突起電極を接合する回路基板のランドの内の少なくとも複数のランドに、
   前記突起電極の先端部が挿入される凹孔と、
   前記凹孔内空間を側方に開放し、前記複数のランド間において開口方向が異なる開放溝とを有する断続環状突部から成る位置規制突部が設けられたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記複数のランドのうち、少なくとも１つのランドは、前記凹孔から複数の方向に開放溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記凹孔内が金メッキ処理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。
4. 前記凹孔は上方に向けて広がるテーパ状に形成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. 半導体素子を回路基板上にフリップチップ実装し、半導体素子と回路基板との間に封止樹脂を充填して成る半導体装置の製造方法であって、
   半導体素子の回路面上に形成された各電極にそれぞれ突起電極を形成する突起電極形成工程と、
   回路基板に、電子部品の各突起電極をそれぞれ接合するランドを形成するとともに、少なくとも複数のランドに、前記突起電極の先端部が挿入される凹孔と、前記凹孔内空間を側方に開放し、前記複数のランド間において開口方向が異なる開放溝とを有する断続環状突部から成る位置規制突部を形成するランド形成工程と、
   回路基板上の半導体素子実装領域に封止樹脂を配置する封止樹脂配置工程と、
   半導体素子の突起電極とランドを位置決めした状態で半導体素子を回路基板に搭載する半導体素子搭載工程と、
   搭載した半導体素子を所定の圧着温度及び圧着圧力で所定の圧着時間回路基板に熱圧着する圧着工程とを備えた
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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