説明

フリップチップ実装構造およびその製造方法

【課題】低コストな手段で放熱性の高い、小型・薄型のフリップチップ実装構造およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体素子と配線基板とがバンプを介して接合されたフリップチップ実装構造において、前記配線基板の前記半導体素子と対向する面にランドが設けられ、前記ランド上には金属部材が設けられ、前記金属部材は前記半導体素子の表面の一部と接触している。またその製造方法において、前記配線基板を前記金属部材の融点以上まで加熱し、前記ランド上に設けられた前記金属部材が溶融した状態で前記半導体素子と前記配線基板とを前記バンプを介して接合する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子の実装形態であるフリップチップ実装構造およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、デジタルカメラや携帯電話に代表される電子機器の小型化・高性能化が進んでいる。この小型化・高性能化に対応するため、機器内に搭載される半導体パッケージの実装形態として、フリップチップ実装型のパッケージ構造が多く採用されている。
【0003】
フリップチップ実装では、図6(a)に示すように、半導体素子1と配線基板6とをバンプ4を介して直接電気的に接合する。そのためワイヤーボンディングが不要となることで高周波特性に優れ、高速伝送特性が向上し、電子機器の高性能化に寄与している。
【0004】
ワイヤーボンディングがなくなる分、配線基板側の接続パッド5を半導体素子1の下側に設置するので、半導体パッケージの小型化が可能となり、そのため実装面積も低減できる。
【0005】
半導体素子の樹脂による保護も、半導体素子全体をモールドする方法と異なり、フリップチップ実装では半導体素子と配線基板の間を封止樹脂7で封止する構造であるため、薄型化を可能にしている。
【0006】
このフリップチップ実装型パッケージの特性を活かした高密度実装構造は、図6(b)に示すPoP(Package on Package)に採用されている。
【0007】
PoPは、PoP上側パッケージ10とPoP下側パッケージ12という二つの半導体パッケージを、ポップ接続用ハンダボール11を用いて積層する実装構造であるため、下側パッケージ12には半導体素子1の実装後の高さが低いこと、実装面積が小さいことが求められるが、この要求に対しフリップチップ実装構造は有利である。
【0008】
一方、近年の半導体素子の高集積化と消費電力の増大に伴い、その発熱量の増加が問題となっている。その対策には、フリップチップ実装を含め、一般的な半導体パッケージの放熱手段として、ヒートシンクのような放熱部材を設置して、半導体素子を冷却する方法がある。
【0009】
しかし、デジタルカメラや携帯電話のように、その筐体サイズに制限がある機器内にヒートシンクを設置することは望ましくない。
【0010】
また、ヒートシンクの部材費や設置プロセスが増加し、コストアップに繋がる。
【0011】
フリップチップ実装で用いられる代表的なバンプとして、はんだバンプとAuバンプが知られている。はんだバンプは、バンプを半導体素子の回路上にエリアアレイ状に配置することが可能であり、回路で発生した熱がそのままバンプを経由して配線基板に伝熱されるため、比較的放熱効果が高い。
【0012】
しかし、はんだバンプは回路上にバンプを設けるため、回路上に再配線層を形成するプロセスが必要となる。さらにはんだバンプは、はんだとアルミパッドとの接合信頼性を確保するために、アルミパッド上にバンプ下地層(UBM:Under Barrier Metal)を形成するプロセスも必要となる。また、エリアアレイ状に配置されたはんだバンプから配線を引き出すには、半導体素子を搭載する配線基板の多層化が必須である。
【0013】
上述のように、はんだバンプを用いたフリップチップ実装では半導体製造プロセスが複雑化することと、配線基板が多層化することによる高コスト化という課題がある。はんだバンプは接合時に表面張力を利用して半導体素子と配線基板の間隔を確保する役割と、接合時の半導体素子の反りによって発生する高さバラツキを、はんだが溶融し変形することによって吸収するという役割がある。この役割のため、はんだバンプには一定量の体積が必要となるので、はんだバンプの溶融時にバンプが変形した際のブリッジを防止するため隣接するバンプとの間隔が必要になり、狭ピッチ化が困難である。
【0014】
一方、Auバンプは微細なサイズのバンプ形成が可能で、かつ接合時に溶融しないことから狭ピッチ化に有利という特徴がある。この狭ピッチ化に有利という特徴を活かし、Auバンプでは回路上を避けてペリフェラル状にバンプ配置してもピン数が確保できるので、回路上に再配線層を形成する必要がない。さらにAuバンプはアルミパッド上に直接形成するため、バンプ下地層を形成するプロセスも不要となるので、はんだバンプと比較し低コストであることが知られている。
【0015】
しかし、Auバンプを配線基板と接合するプロセスでは、バンプが溶融しないため、バンプの高さのバラツキを吸収するために半導体素子の背面から圧力を与え、バンプの高さをそろえて全てのバンプを対応する接合パッドと接触させる必要がある。そのため、Auバンプを用いた半導体素子では、放熱性を向上させるために回路上にバンプを設けると、接合時にバンプを介して回路に圧力が加わり、半導体素子の特性が変化するため、回路上に放熱用のバンプを設置することができない。そのため、Auバンプは、回路で発生した熱はペリフェラル状に配置されたバンプを介して配線基板に伝熱されるため放熱特性に劣る、という課題がある。
【0016】
このような課題に対し、特許文献1では、図7に示すように、半導体素子1の回路面と配線基板6との間に、銅などの弾性体を熱伝導部材201として設置し、半導体素子1の熱を配線基板6へ伝達する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0017】
【特許文献1】特開平6−5748号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0018】
しかし、上記特許文献1に記載の方法では、はんだバンプを使用した場合、狭ピッチ化に不利なはんだバンプをペリフェラル状に配置する必要があるため、接続ピン数を確保しようとすると、半導体素子のサイズが大型化するという問題がある。また、半導体素子のサイズの大型化による半導体素子のコストアップという課題がある。さらに、半導体素子のサイズ大型化は電子機器の小型化に対して不利となるという課題がある。
【0019】
一方、特許文献1において、はんだバンプの替わりにAuバンプを用いて狭ピッチ化し、半導体素子のサイズを小型化する手段が考えられる。しかし、特許文献1の方法においてAuバンプを用いると、上述のようにAuバンプでの接合は、接合時に圧力を加えるため、熱伝導部材201が半導体素子1の回路にダメージを与え、半導体素子の特性が変化するという課題が発生する。
【0020】
本発明は上記の課題を解決するもので、低コストな手段で放熱性の高い、小型・薄型のフリップチップ実装構造およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0021】
本発明のフリップチップ実装構造は上記課題解決のため、半導体素子と配線基板とがバンプを介して接合されたフリップチップ実装構造において、前記配線基板の前記半導体素子と対向する面にランドが設けられ、前記ランド上には金属部材が設けられ、前記金属部材は、前記半導体素子の表面の一部と接触していることを特徴とする。
【0022】
また本発明のフリップチップ実装構造の製造方法は、バンプを有する半導体素子と、一方の面にランド、さらに前記ランド上に金属部材を有する配線基板とを用意する工程、前記配線基板を前記金属部材の融点以上に加熱する工程、前記半導体素子の前記バンプを有する面と、前記配線基板の前記金属部材を有する面とを対向させる工程、および、前記ランド上の前記金属部材が溶融している状態で、前記金属部材が前記半導体素子の表面の一部と接触するように、前記半導体素子と前記配線基板とを前記バンプを介して接合する工程を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0023】
本発明の一態様によれば、配線基板のランド上に設けられた金属部材が半導体素子と接しているため、半導体素子で発生した熱が、金属部材を熱伝導部材として配線基板に伝熱する。その結果、ヒートシンクなどの放熱部材を設けることなく、半導体素子の放熱特性を向上することができるため、コストダウンが可能になると同時に、フリップチップ実装構造の薄型化を図ることができる。
【0024】
さらに、半導体素子と金属部材は接合する必要がないので、半導体素子に接合用のパッドを設ける工程が不要となり、低コスト化が可能となる。またランドは、配線基板の製造時に他の配線と同時に形成することが可能であり、低コストに形成可能である。
【0025】
本発明の一態様の製造方法によれば、配線基板を加熱し、ランド上に設けられた金属部材が溶融した状態で半導体素子と配線基板とを接合するため、半導体素子が金属部材に接触しても、半導体素子に形成された回路にダメージを与えることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本発明の実施形態におけるフリップチップ実装構造の断面図である。
【図2】本発明の実施形態におけるフリップチップ実装構造の製造方法において、超音波接合方式により製造する工程を示す断面図である。
【図3】本発明の実施形態におけるフリップチップ実装構造の製造方法において、樹脂圧着方式により製造する工程を示す断面図である。
【図4】本発明の実施形態におけるフリップチップ実装構造の製造方法において、Au−はんだ接合方式により製造する工程を示す断面図である。
【図5】本発明のフリップチップ実装構造を用いたPoPの断面図である。
【図6】(a)は従来のフリップチップ実装構造の断面図であり、(b)は従来のPoPの断面図である。
【図7】従来の放熱構造を用いたフリップチップ実装構造の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
本発明のフリップチップ実装構造の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0028】
図1は本発明の実施形態を示すフリップチップ実装構造の断面図である。半導体素子1と配線基板6は、バンプ4と接続パッド5を介して電気的に接続され、半導体素子1と配線基板6との間に形成される空間、およびバンプ4と接続パッド5の周囲は封止樹脂7により封止・保護されている。
【0029】
バンプ4は、AuバンプまたはCuバンプであることが好ましい。Auバンプを用いることで、はんだバンプよりも低コスト化が可能になる。また、狭ピッチ化に有利なAuバンプを用いれば、ペリフェラル状にバンプを配置しても接続ピン数を確保できるので、半導体素子を大型化する必要がなく、フリップチップ実装構造の小型化と低コスト化に寄与できる。さらに、Auバンプの替わりにCuバンプを用いることで、バンプの材料コストをさらに低減できるからである。
【0030】
配線基板6の半導体素子1と対抗する面にはランド3が設けられ、このランド3上には熱伝導部材として金属部材2が設けられている。このとき、熱伝導部材である金属部材2と、半導体素子1の表面は少なくとも一部で接触しているため、半導体素子1が動作し発熱すると、その熱は金属部材2を介し配線基板6へと伝熱される。さらに配線基板6へと伝わった熱は、はんだボール8を介してメイン基板へと伝熱される。その結果、半導体素子1は動作時の熱を効率良く放熱できるため、発熱による誤動作などを防止することができる。
なお、配線基板6に形成されたランド3は、配線基板の製造プロセス時に他の接続用パッドや配線パターンの形成プロセス時にエッチングで形成される。具体的には、銅張積層板に接続用パッドや配線パターンが形成される部分に印刷や露光によりエッチングレジストを形成する。このとき、ランドが形成される部分にもエッジングレジストを形成しておく。その後、銅張積層板をエッチングすることで、接続用パッドや配線パターンと同様に、エッチングレジストで保護された銅がランドとして形成される。従って、配線基板の製造プロセスに別途ランドを設けるプロセスを加える必要はなく、ランドを形成する為のコストがアップすることが無い。
【0031】
金属部材2は、融点が150℃以下であることが好ましい。150℃〜200℃の低温フリップチップ実装プロセスである超音波接合や樹脂圧着において、安定して接合できる最低温度である150℃でも金属部材が溶融する。その結果、接合プロセスで接合時に半導体素子背面から圧力を与え、その際に半導体素子と金属部材が接しても、半導体素子の回路にダメージを与えることなく接合することが可能だからである。
また金属部材2の融点は、100℃以上であることが好ましい。一般的なLSIの動作温度上限は85℃前後である。そのため、金属部材2がLSIの動作保障温度以下の融点であると、LSIの動作時に金属部材2が溶融する可能性がある。液体は固体より熱伝導特性が劣るため、LSIの動作時は金属部材2が固体である方が熱を効率よく放熱できるためである。よって、金属部材2の融点は100℃以上150℃以下の範囲であることが望ましい。
【0032】
また、金属部材2はSnを含むはんだであることが好ましい。低コストなはんだであるため、低コスト化が可能だからである。このようなはんだ組成として、たとえば融点が139℃のはんだであるSn58Bi、Sn57Bi1Ag等が挙げられる。また、融点が117℃のSn52Inが挙げられる。
【0033】
本発明のフリップチップ実装構造の製造方法を図面に基づいて説明する。フリップチップ接合方式としては、超音波接合、樹脂圧着、Au−はんだ接合などの方式が挙げられる。これらにつき、実施形態1〜3として以下に詳細に説明する。なお、これらの実施形態においては、半導体素子の接合プロセスで半導体素子を背面から加圧して接合するため、半導体素子と溶融した金属部材とを、より接触するようにすることができる。
【0034】
[実施形態1]
図2(a)〜(d)は、フリップチップ接合工法として、超音波接合方式により本発明の実施形態である、フリップチップ実装構造を製造する方法を説明する図である。
【0035】
図2(a)は、バンプ4を備えた半導体素子1が、ボンディングツール101に吸着保持され、配線基板6の一方の面に設けられたランド3上には、金属部材2(Sn58Biはんだ)が設置されている。このとき金属部材2は、ランド3上にあらかじめプレコートしておいてもよいが、金属部材2をペレット状に形成し設置しておいてもよい。また、バンプ4の材質は超音波接合方式で最も使用されているAuを用いれば、狭ピッチにバンプを形成できるので、ペリフェラル上にバンプを配置しても、半導体素子1の大型化を防止できる。
【0036】
図2(b)は、配線基板6が超音波接合工程における接合温度である150℃以上に加熱され、熱伝導部材である金属部材2が溶融した状態を示している。このとき金属部材2と半導体素子1が接触する前に金属部材2を完全に溶融させておく。ここでは、金属部材2は融点139℃のSn58Biはんだであるため、150℃で溶融することが可能である。
【0037】
図2(c)は、ボンディングツール101を介して半導体素子1に超音波と荷重を印加し、バンプ4と接続パッド5とを接合する工程を示す図である。半導体素子1は超音波振幅と同時に、ボンディングツール101を介して矢印方向に1バンプあたり0.1〜0.2Nの荷重が印加され、バンプ4は変形し半導体素子1と配線基板3の間隔は狭くなり、半導体素子1と金属部材2が接触する。このとき、金属部材2は溶融しているため、超音波や荷重のエネルギーが半導体素子1に印加されても、半導体素子1の回路にダメージを与えることなく、半導体素子1の表面と金属部材2が接触することができる。
【0038】
図2(d)は、シリンジ102に充填された封止樹脂7を注入する工程を示す図である。このとき、金属部材2は凝固しているため、半導体素子1と金属部材2との間に封止樹脂7が入り込むことなく、半導体素子1と金属部材2とが接触した状態で封止することができる。
【0039】
[実施形態2]
図3(a)〜(c)は、フリップチップ接合工法として、樹脂圧着方式により本発明の実施形態である、フリップチップ実装構造を製造する方法を説明する図である。
【0040】
図3(a)は、配線基板6に設けられたランド3上に金属部材2(Sn58Biはんだ)が設置されたところに、封止樹脂7を塗布する工程を示す図である。このとき供給する樹脂としてフィルム状の樹脂、例えばNCF(Non Conductive Filme)やACF(Anisotropic Conductive Filme)など、液状のものでなくてもよい。その場合は、フィルム状樹脂が金属部材2と重なる部分には開口を設けるなどして、金属部材2と半導体素子1が接触できる形状にしておくことが望ましい。金属部材2は、ランド上にプレコートしておいてもよいが、金属部材2をペレット状に形成し設置しておいてもよい。
【0041】
図3(b)は、配線基板6を金属部材2の融点以上である150℃以上まで加熱し、その加熱により金属部材2が溶融した状態を示している。ここでは金属部材2は融点139℃のSn58Biはんだであるため、150℃で溶融することが可能である。また、バンプ4の材質はAuバンプやCuバンプを用いれば、ペリフェラル状にバンプを配置しても半導体素子1の大型化を防止できる。
【0042】
図3(c)は、ボンディングツール101により圧力を印加する工程を示す図である。樹脂圧着工程では、圧力を印加すると同時に封止樹脂の硬化温度である200℃前後に温度を上昇させるため、金属部材2が溶融した状態で半導体素子1と接触し、半導体素子1の回路にダメージを与えることなくバンプ4と接続パッド5とを電気的に接続できる。また、このとき半導体素子1と金属部材2の間に介在する封止樹脂7は、溶融した金属部材2の表面張力が大きいため、半導体素子1を背面から加圧したとき、半導体素子1と溶融した金属部材2との間から流出するので、半導体素子1と金属部材2とを接触させることができる。
【0043】
[実施形態3]
図4(a)〜(d)は、フリップチップ接合工法として、Au−はんだ接合方式により本発明の実施形態である、フリップチップ実装構造を製造する方法を説明する図である。
【0044】
図4(a)では、バンプ4を備えた半導体素子1は、ボンディングツール101に吸着保持され、配線基板6に設けられたランド3上には、金属部材2が設置され、さらに接続パッド5には、Auバンプと接合されるバンプ接続用はんだ9がコートされている。このとき金属部材2(Sn58Biはんだ)は、ランド3上にプレコートしておいてもよいが、金属部材2をペレット状に形成し設置しておいてもよい。また、バンプ4にCuバンプを用いることも可能である。
【0045】
図4(b)は、配線基板6がバンプ接続用はんだ9の融点以上まで加熱された状態を示している。接続用はんだ9には、一般的に融点が221℃のSn3.5Agなどが使用されており、接続用はんだ9の融点以上まで配線基板6を加熱すれば、金属部材2を溶融することが可能である。ここでは金属部材2は融点139℃のSn58Biはんだであるため、150℃で溶融することが可能である。
【0046】
図4(c)は、半導体素子1にボンディングツール101を介して荷重を印加し、バンプ4と溶融した接続用パッド9とが接合する工程を示す図である。このとき、半導体素子1はボンディングツール101により矢印方向に荷重が印加され、半導体素子1と配線基板6との間隔は狭くなり、半導体素子1と金属部材2が接触する。さらに、金属部材2は溶融しているため、荷重が半導体素子1に印加されても、半導体素子1の回路にダメージを与えることなく、半導体素子1の表面と金属部材2が接触することができる。
【0047】
図4(d)は、シリンジ102に充填された封止樹脂7を注入する工程を示す図である。このとき、金属部材2は凝固しているため、半導体素子1と金属部材2の間に封止樹脂7が入り込むことなく、半導体素子1と金属部材2とが接触した状態で封止することができる。
【0048】
以上、実施形態1〜4により、本発明のフリップチップ実装構造の製造方法について説明したが、接合時に加熱と荷重が印加される方法であれば上記の接合方法に限るものではない。
【実施例】
【0049】
Auバンプを用いた従来のフリップチップ実装構造のモデルと、本発明のフリップチップ実装構造のモデルとの半導体素子温度を比較した。このときの従来のフリップチップ実装構造のモデルサイズを以下に示す。
【0050】
半導体素子のサイズは、5.0×5.0mmで、厚さは0.1mmである。
【0051】
配線基板と接続されるバンプはAuバンプであり、サイズは0.02×0.02mmで、高さは0.05mmである。
【0052】
バンプの配置は半導体素子の回路上を避け、ペリフェラル状に0.05mmピッチで配置し、バンプ数は376個である。
【0053】
配線基板は10.0×10.0mmで、厚さは0.3mmである。配線基板とメイン基板を接続するはんだボールは、材質はSn3.0Ag0.5Cuであり、直径は0.3mmであり、はんだボール数は321個である。メイン基板のサイズは30.0×30.0mmであり、厚さは0.6mmである。
【0054】
次に、本発明のモデルサイズを以下に示すが、半導体素子、バンプ、配線基板、はんだボール、メイン基板のサイズおよび材質は全て従来のフリップチップ実装構造と同じである。従来のフリップチップ実装構造と異なる点は、配線基板には、半導体素子と対向する面にランドが設けられている点と、前記ランド上に金属がコートされ、前記金属が前記半導体素子表面と接触している点である。
【0055】
配線基板に設けられたランドはCuで形成され、サイズは3.0×3.0mmであり、厚さは0.02mmである。コートされた金属の材質はSn58Biはんだであり、ランドとの接合面積は9.0mmであり、半導体素子との接触面積は9.0mmある。また、Sn58Biはんだの体積は0.45mmである。
【0056】
周囲温度30℃の条件における、半導体素子の発熱量と定常状態における半導体素子温度のシミュレーション結果を表1に示す。
【0057】
【表1】

【0058】
シミュレーションの結果により、従来のAuバンプを用いたフリップチップ実装構造の半導体素子温度と比較し、本発明のフリップチップ実装構造の半導体素子の温度が低下していることを確認できる。
【0059】
またこのとき、周囲温度30℃における改善効率は、0.3Wでは3.4%、0.5Wでは3.7%、1.0Wでは4.0%であり、半導体素子の発熱量が大きいほど放熱効果が高まることを確認できる。
【0060】
このように、本発明によれば、低コストな手段で放熱性の高い、小型・薄型のフリップチップ実装構造を提供することができる。
【符号の説明】
【0061】
1 半導体素子
2 金属部材
3 ランド
4 バンプ
5 接続パッド
6 配線基板
7 封止樹脂
8 はんだボール
9 バンプ接続用はんだ
10 PoP上側パッケージ
11 PoP接続用はんだボール
12 PoP下側パッケージ
101 ボンディングツール
102 シリンジ
201 熱伝導部材

【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体素子と配線基板とがバンプを介して接合されたフリップチップ実装構造において、前記配線基板の前記半導体素子と対向する面にランドが設けられ、さらに、前記ランド上には金属部材が設けられ、前記金属部材は前記半導体素子の表面の一部と接触していることを特徴とするフリップチップ実装構造。
【請求項2】
前記バンプがAuバンプまたはCuバンプである、請求項1に記載のフリップチップ実装構造。
【請求項3】
前記金属部材の融点が100℃以上150℃以下の範囲である、請求項1または2に記載のフリップチップ実装構造。
【請求項4】
前記金属部材がSnを含むはんだである、請求項1〜3のいずれか1項に記載のフリップチップ実装構造。
【請求項5】
フリップチップ実装構造の製造方法であって、
バンプを有する半導体素子と、一方の面にランド、さらに前記ランド上に金属部材を有する配線基板とを用意する工程、
前記配線基板を前記金属部材の融点以上に加熱する工程、
前記半導体素子の前記バンプを有する面と、前記配線基板の前記金属部材を有する面とを対向させる工程、および
前記ランド上の前記金属部材が溶融している状態で、前記金属部材が前記半導体素子の表面の一部と接触するように、前記半導体素子と前記配線基板とを前記バンプを介して接合する工程、
を有することを特徴とする、フリップチップ実装構造の製造方法。
【請求項6】
前記半導体素子と前記配線基板とを接合する工程は、前記半導体素子の背面から加圧して接合する、請求項5に記載のフリップチップ実装構造の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−134254(P2012−134254A)
【公開日】平成24年7月12日(2012.7.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−283751(P2010−283751)
【出願日】平成22年12月20日(2010.12.20)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】