半導体装置とその製造方法
【課題】半導体装置とその製造方法において、回路基板の反りを矯正すること。
【解決手段】一方の主面１ａに第１の電極２を備えた回路基板１と、主面１ａに対向して設けられ、第１の端子５を介して第１の電極２に接続された半導体素子６と、主面１ａと半導体素子６との間に充填され、半導体素子６の外周側面６ａを覆う封止樹脂２３とを有し、封止樹脂２３の外周側面２３ｘが、回路基板１の主面１ａに対して垂直である半導体装置による。
【解決手段】一方の主面１ａに第１の電極２を備えた回路基板１と、主面１ａに対向して設けられ、第１の端子５を介して第１の電極２に接続された半導体素子６と、主面１ａと半導体素子６との間に充填され、半導体素子６の外周側面６ａを覆う封止樹脂２３とを有し、封止樹脂２３の外周側面２３ｘが、回路基板１の主面１ａに対して垂直である半導体装置による。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーバーやパーソナルコンピュータ等の電子機器には、CPU(Central Processing Unit)モジュール等の様々な半導体装置が搭載される。その半導体装置は回路基板上に半導体素子を実装してなり、回路基板としてはビルドアップ基板やセラミック基板等が使用される。
【０００３】
ここで、回路基板に半導体素子を実装するときに回路基板に反りが発生していると、その反りが原因で回路基板と半導体素子との位置合わせ精度が低下してしまう。また、反りによって実装後の半導体素子や電子部品に応力が加わり、これらと回路基板との接続信頼性が低下する。
【０００４】
そのため、半導体装置を製造するときには、回路基板の反りを矯正し、回路基板の平坦性を維持しておくのが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２００８５１号公報
【特許文献２】特開平９−１９９６３１号公報
【特許文献３】特開平１１−３０７５９２号公報
【特許文献４】国際公開第２００６／０５４６３７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体装置とその製造方法において、回路基板の反りを矯正することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下の開示の一観点によれば、一方の主面に第１の電極を備えた回路基板と、前記主面に対向して設けられ、第１の端子を介して前記第１の電極に接続された半導体素子と、前記主面と前記半導体素子との間に充填され、前記半導体素子の外周側面を覆う封止樹脂とを有し、前記封止樹脂の外周側面が、前記回路基板の前記主面に対して垂直である半導体装置が提供される。
【０００８】
また、その開示の他の観点によれば、支持体の上に、開口を備えたプレートを接着する工程と、前記開口内に半導体素子を入れ、該開口内に露出する前記支持体に前記半導体素子の第１の端子を接着する工程と、前記第１の端子を接着した後、前記開口内に封止樹脂を充填する工程と、前記封止樹脂を充填した後、前記プレートと前記第１の端子から前記支持体を剥離することにより、前記第１の端子を露出させる工程と、回路基板の第１の電極に、前記半導体素子の前記露出した第１の端子を接続する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
以下の開示によれば、プレートによって回路基板の反りが矯正されるので、半導体素子の第１の端子と回路基板の第１の電極との位置ずれが抑制され、半導体素子と回路基板の接続信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、予備的事項に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図２】図２は、予備的事項に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図３】図３（ａ）は第１実施形態で使用するプレートの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その５）である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図１１】図１１は、第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態の説明に先立ち、基礎となる予備的事項について説明する。
【００１２】
図１及び図２は、予備的事項に係る半導体装置の製造途中の断面図である。
【００１３】
本例では、半導体装置としてサーバーやパーソナルコンピュータに使用されるFCBGA(Flip Chip Ball Grid Array)を以下のようにして製造する。
【００１４】
まず、図１（ａ）に示すように、回路基板１として複数の配線層を備えたビルドアップ基板を用意する。その回路基板１の一方の主面１ａには、半導体素子の端子に対応する複数の第１の電極２と、後述の電子部品の端子に対応する複数の第２の電極３とが形成される。
【００１５】
また、回路基板１の他方の主面１ｂには、後で外部接続端子が接合される複数の第３の電極４が設けられる。
【００１６】
各電極２〜４は、例えば、銅めっき膜等の導電膜をパターニングすることにより形成される。
【００１７】
そして、その回路基板１の上に半導体素子６としてCPU(Central Processing Unit)を載せ、その半導体素子６が備えるはんだバンプ等の第１の端子５を加熱して溶融することにより、端子５を介して半導体素子６と回路基板１とを機械的かつ電気的に接続する。このような接続態様はフリップチップ接続とも呼ばれる。
【００１８】
端子５は、このように半導体素子６と回路基板１とを接続する役割を担うが、半導体素子６と回路基板１の各々の熱膨張率が異なるため、半導体装置の製造時の温度変動によって端子５に大きな応力が印加されるおそれがある。
【００１９】
そこで、次の工程では、図１（ｂ）に示すように、半導体素子６と回路基板１との間の隙間にアンダーフィル樹脂７として熱硬化性の樹脂を充填した後、そのアンダーフィル樹脂７を熱硬化する。これにより、回路基板１と半導体素子６との接続強度が補強されると共に、温度変動に伴って端子５に加わる応力を軽減することができる。
【００２０】
また、そのアンダーフィル樹脂７は、接続強度の補強だけでなく、回路基板１と半導体素子６との隙間に外部雰囲気やダストが入り込むのを防止する役割も担う。
【００２１】
次に、図１（ｃ）に示す工程について説明する。
【００２２】
上記のように、回路基板１と半導体素子６の各々の熱膨張率は大きく異なる。例えば、シリコンを主にしてなる半導体素子６の熱膨張率は約３．５ppm/℃程度であるのに対し、樹脂を主体にしてなる回路基板１の熱膨張率はこれよりも大きな約１７ppm/℃程度である。
【００２３】
このような熱膨張率の差が原因で、半導体基板１と半導体素子６に熱履歴が加わると、図１（ｃ）の点線に示すように半導体基板１が反ることがある。特に、半導体装置の低コスト化を図るために、回路基板１としてセラミック基板や樹脂を主体としたビルドアップ基板を用いる場合、回路基板１と半導体素子６との熱膨張率の差が大きくなり、このような反りが顕著に現れる。
【００２４】
本工程では、回路基板１の第２の電極３に、はんだ付けによりコンデンサ等の電子部品９の第２の端子９ａを接続するのであるが、このような基板の反りによって電子部品９と第２の電極３との間に位置ずれが生じる可能性がある。
【００２５】
この後は、図２に示すように、回路基板１の第３の電極４に、外部接続端子１１としてはんだバンプを接合し、本例に係る半導体装置の基本構造を完成させる。
【００２６】
以上説明した半導体装置の製造方法では、図１（ｃ）を参照して説明したように、回路基板１の反りが原因で、当該基板１に電子部品９を高精度に搭載するのが困難である。
【００２７】
このような問題は、半導体素子６と電子部品９の搭載順序を上記とは逆にしても起こりうる。
【００２８】
例えば、半導体素子６よりも先に電子部品９を回路基板１に実装すると、回路基板１に電子部品９を実装するときのはんだ付けの熱によって回路基板１に熱履歴が加わる。回路基板１は、熱膨張率の異なる絶縁層や配線層を積層してなるため、このように熱履歴が加わると上記と同様に反りが発生する。よって、回路基板１に半導体素子６を実装するとき、基板１の反りによって端子５と第１の電極２との位置合わせが困難となる。
【００２９】
特に、FCBGA用の端子５の直径は約２０μmと微細なので、端子と第１の電極２との位置合わせの困難性が増す。
【００３０】
一方、上記した図１（ｂ）の工程では、アンダーフィル樹脂７が半導体素子６の下面からはみ出して半導体素子６の外周側面の一部にも形成される。このようにアンダーフィル樹脂７を広範な領域に形成することで、半導体素子６とアンダーフィル樹脂７との接触面積が増大し、半導体素子６と回路基板１との接続信頼性が向上する。
【００３１】
しかしながら、このように半導体素子６からアンダーフィル樹脂７がはみ出すと、図１（ｃ）に示されるように、はみ出したアンダーフィル樹脂７が邪魔で半導体素子６と電子部品９との間隔Dを縮めることができない。その間隔Dは、典型的には、２mm〜５mm程度の大きな値となる。
【００３２】
特に、電子部品９がデカップリング用のコンデンサである場合には、このように間隔Dが広まると、電子部品９と半導体素子６との配線の引き回し距離が長くなり、半導体素子６内の電源電圧のふらつきをコンデンサで吸収し難くなってしまう。
【００３３】
更に、上記のように間隔Dの縮小が困難だと、回路基板１上において半導体素子６と電子部品９の実装密度が低下し、半導体装置の小型化の要求にこたえることができない。
【００３４】
本願発明者は、このような知見に鑑み、以下に説明するような本実施形態に想到した。
【００３５】
（第１実施形態）
図３（ａ）は本実施形態で使用するプレートの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【００３６】
また、図４〜図８は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、これらの図において、予備的事項で説明したのと同じ要素には予備的事項におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００３７】
本実施形態では、以下のようにして半導体装置としてFCBGA型の半導体パッケージを製造する。
【００３８】
まず、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、開口２０ａを備えた銅製のプレート２０を用意する。
【００３９】
プレート２０の材料は銅に限定されない。銅に代えて、アルミニウムとシリコンとの合金や、銅とシリコンとの合金を使用し得る。また、プラスチック等の樹脂もプレート２０の材料として採用され得る。
【００４０】
更に、プレート２０のサイズも特に限定されないが、本実施形態ではプレート２０の平面サイズを一辺の長さが約５０mmの正方形とし、プレート２０の厚さを約２mmとする。
【００４１】
また、開口２０ａの側面はプレート２０の一方の主面２０ｘに対して垂直に形成され、開口２０ａの平面サイズは一辺の長さが約３０mmの正方形である。
【００４２】
次いで、図４（ａ）に示すように、支持体として供される接着シート２１を用意し、その接着シート２１の接着層２１ａに上記のプレート２０を接着する。
【００４３】
その接着シート２１は後でプレート２０から剥離するので、その剥離が容易に行えるように、接着層２１ａの材料としては紫外線硬化性の接着剤や、熱発泡性の接着剤を用いるのが好ましい。
【００４４】
本実施形態では、接着シート２１として、接着層２１ａに紫外線硬化型の接着剤を使用した日東電工社製のNBD-5000を使用する。本工程が終了した時点では、その接着層２１ａは硬化しておらず、接着層２１ａの接着力は維持されている。
【００４５】
次に、図４（ｂ）に示す工程について説明する。
【００４６】
まず、チップマウント装置が備えるステージ２２上に、上記の接着シート２１とプレート２０とを載置する。
【００４７】
そのステージ２２の表面には位置合わせマークMとして複数の凹部が形成されており、その位置合わせマークMを利用してステージ２２とプレート２０との位置合わせが行われる。
【００４８】
次いで、不図示のハンドラを用いて半導体素子６を把持し、ステージ２２の上方に半導体素子６を配する。そして、この状態で、カメラＣにより位置合わせマークMと半導体素子６の外観とを観察して、これらのマークMと半導体素子６との位置合わせを行う。
【００４９】
ここで、接着シート２１が十分に薄い場合には、接着シート２１を通してマークMが可視光で透けて見えるが、接着シート２１が厚い場合にはカメラCでマークMを認識するのが困難である。その場合は、カメラCとして赤外線カメラを利用するのが好ましい。赤外線は、シート２１を透過するので、カメラCによりマークMを認識することができる。
【００５０】
また、半導体素子６は、第１の端子５として供されるはんだバンプを備える。その第１の端子５の個数と材料は特に限定されないが、本実施形態ではSn-3.0Agはんだを含む第１の端子５を、半導体素子６の回路形成面に２２００個設ける。
【００５１】
更に、半導体素子６のサイズは、一辺の長さが約２０mmの正方形であり、厚さは約０．６５mmである。
【００５２】
その後、図５（ａ）に示すように、不図示のハンドラを用いて開口２０ａ内に半導体素子６を入れ、開口２０ａ内に露出する接着シート２１上に半導体素子６を載置することにより、半導体素子６の第１の端子５を接着層２１ａに接着する。
【００５３】
続いて、図５（ｂ）に示すように、不図示のハンドラを用い、開口内２０ａ内に電子部品９としてデカップリング用のコンデンサを入れ、その電子部品９の第２の端子９ａを接着層２１ａに接着する。
【００５４】
そのコンデンサのサイズは特に限定されないが、本実施形態では長辺の長さが１０mmで短辺の長さが５mmの矩形状の平面形状を有するコンデンサを使用する。
【００５５】
この段階では、半導体素子６の回路形成面にアンダーフィル樹脂がないので、アンダーフィル樹脂のはみ出しによって電子部品９と半導体素子６との間隔Dが制限されない。
【００５６】
よって、本実施形態では、その間隔Dを可能な限り縮めることが可能となり、例えば間隔Dを０．５mm程度の微細な値にすることができる。
【００５７】
なお、上記では、先に接着シート２１に半導体素子６を接着した後に電子部品９を接着したが、接着順序はこれに限定されず、先に電子部品９を接着し、次いで半導体素子６を接着してもよい。
【００５８】
次いで、図６（ａ）に示すように、約３０℃程度の温度に加熱されているホットプレート２９上に接着シート２１とプレート２０とを移動させる。
【００５９】
そして、シリンジ３１を利用して開口２０ａ内に封止樹脂２３を充填する。封止樹脂２３の充填順序は特に限定されない。例えば、半導体素子６の一辺の中央付近にシリンジ３１を配し、当該箇所から半導体素子６と接着シート２１との間の隙間に封止樹脂２３を充填した後、開口９ａ内の全域に封止樹脂２３を充填するのが好ましい。
【００６０】
このとき、半導体素子６と電子部品９は接着シート２１に接着されているので、封止樹脂２３から加わる力が原因で半導体素子６と電子部品９とが位置ずれを起こすのを抑制できる。
【００６１】
このように封止樹脂２３を充填することにより、半導体素子６の外周側面６ａと上面６ｂが封止樹脂２３で覆われる。また、これと共に、半導体素子６と電子部品９とが封止樹脂２３によって共通に覆われ、半導体素子６と電子部品９とを外部雰囲気から隔離することができる。
【００６２】
また、封止樹脂２３は、ナミックス社製のG8345-6等の熱硬化性の樹脂であり、ホットプレート２９の熱により熱硬化する。
【００６３】
そして、封止樹脂２３が十分に熱硬化した後、ホットプレート２９からプレート２０と接着シート２１とを下ろす。
【００６４】
次いで、図６（ｂ）に示すように、接着シート２１に紫外線を照射することにより接着層２１ａを硬化してその接着力を弱め、プレート２０と各端子５、９ａから接着シート２１を剥離する。
【００６５】
なお、接着層２１ａの材料として熱発泡性の接着剤を使用する場合には、接着層２１ａを加熱してその接着力を弱めればよい。
【００６６】
このように接着シート２１を剥離すると、封止樹脂２３の表面に各端子５、９ａの表面が露出する。但し、球形の第１の端子５はその頂点部分が封止樹脂２３から僅かに露出しているだけで、封止樹脂２３の全表面において第１の端子５が露出している部分は極僅かである。
【００６７】
そこで、図６（ｂ）の点線円内に示すように、接着シート２１を剥離した側の封止樹脂２３の表層部分を研削して除去することにより、封止樹脂２３の表面２３ｘから露出する部分の第１の端子５の面積を増やすのが好ましい。このように研削すると、電子部品９の第２の端子９ａの表面９ｘも研削され、当該表面９ｘに付着している接着層２１ａの材料等の不純物を除去できる。
【００６８】
その研削量は特に限定されないが、本実施形態では封止樹脂２３の表面２３ｘから約５μmの深さまで研削する。
【００６９】
続いて、図７（ａ）に示すような回路基板１を用意する。
【００７０】
回路基板１は、複数の配線を積層してなるビルドアップ基板であって、一辺が約５０mmの正方形の平面形状を有し、その厚さは約１．５mmである。
【００７１】
その回路基板１の一方の主面１ａには、端子５、９ａの各々に対応する位置に第１の電極２と第２の電極３が設けられる。
【００７２】
各電極２、３は、例えば銅膜をパターニングしてなり、点線円内に示すようにソルダレジスト層２８から露出する。そして、各電極２、３の上には、印刷法により予備はんだ２７としてSn-3.5Ag-0.7Cuはんだペーストが塗布される。
【００７３】
更に、その予備はんだ２７とソルダレジスト層２８の上には、熱硬化性樹脂を含む樹脂塗膜３０が塗布される。樹脂塗膜３０は、回路基板１の上側全面に形成され、予備はんだ２７や第１の端子５の各々の酸化皮膜を除去するためのフラックス成分を含有させておくのが好ましい。
【００７４】
一方、回路基板１の他方の主面１ｂには、銅膜等をパターニングしてなる第３の電極４が設けられる。
【００７５】
そして、この回路基板１とプレート２０とを位置合わせすることにより、第１の電極２の上方に第１の端子５が位置し、第２の電極３の上方に第２の端子９ａが位置するようにする。
【００７６】
次いで、図７（ｂ）に示すように、回路基板１の一方の主面１ａに導体プレート２を載せると共に、第１の端子５と予備はんだ２７とを加熱して溶融する。加熱条件は特に限定されない。本実施形態では、リフロー炉を用いて、２２０℃以上の加熱時間を５分間維持し、最高温度を２４５℃とする温度プロファイルによりこの加熱を行う。
【００７７】
そして、溶融した第１の端子５と予備はんだ２７とが冷えて固化すると、これらによって半導体素子６と回路基板１とが電気的かつ機械的に接続される。また、電子部品９は、固化した予備はんだ２７によって回路基板１に電気的かつ機械的に接続される。
【００７８】
更に、上記のように第１の端子５と予備はんだ２７とを加熱したことで、熱硬化性樹脂を含む樹脂塗膜３０が熱硬化する。その結果、プレート２０や封止樹脂２３が樹脂塗膜２３によって回路基板１に固着され、半導体素子６と回路基板１との接続強度を補強することができる。
【００７９】
また、図６（ｂ）の工程で封止樹脂２３の表層部分を除去して各端子５、９ａの表面を露出させたので、これらの端子５、９ａと各電極２、３との間に封止樹脂２３が介在する危険性が少なくなり、回路基板１と半導体素子６との導通が確保される。
【００８０】
しかも、上記のように加熱によって軟らかくなった回路基板１がプレート２０の自重で押さえつけられることで、回路基板１の反りが矯正され、回路基板１の平坦性が良好となる。その結果、回路基板１の反りが原因で第１の端子５と第１の電極２とが位置ずれしたり、第２の端子９ａと第２の電極３とが位置ずれしたりするのを抑制できる。これにより、半導体素子６と回路基板１との間の接続不良や、電子部品９と回路基板１との間の接続不良を防止できる。
【００８１】
特に、導体プレート２０の材料として銅等の金属を使用すると、導体プレート２０が重くなり、回路基板１の反りの矯正が容易になる。
【００８２】
その後、図８に示すように、第３の電極４の上に外部接続端子１１として直径が約０．８５mmのはんだバンプを接合させ、本実施形態に係るFCBGA型の半導体装置の基本構造を完成させる。
【００８３】
その半導体装置においては、プレート２０の開口２０ａ内に封止樹脂２３を充填したことにより、封止樹脂２３の外周側面２３ｘが開口２０ａの側面に一致するようになり、当該外周側面２３ｘが回路基板１の主面１ａに対して垂直になる。
【００８４】
なお、本実施形態はこれに限定されず、外部接続端子１１を設けずに第３の電極４を外部接続端子として使用することにより、LGA(Land Grid Array)型の半導体装置を作製してもよい。
【００８５】
また、導体プレート２０については、本工程の後に除去してもよいし、それを残したまま製品として出荷してもよい。前者の場合、導体プレート２０に接する部分の回路基板１の表面に樹脂塗膜３０（図７（ａ）参照）を塗布しないことで、導体プレート２０の除去が容易となる。
【００８６】
一方、後者のように製品中に導体プレート２０を残す場合は、導体プレート２０との熱膨張率差が原因の回路基板１の反りを抑制するために、樹脂を主にしてなる回路基板１に合わせ、導体プレート２０の材料として樹脂を選択するのが好ましい。
【００８７】
以上説明した本実施形態では、図７（ｂ）を参照して説明したように、導体プレート２０の自重により回路基板１の反りが矯正され、各端子５、９ａと各電極２、３との位置ずれが防止される。
【００８８】
また、図５（ｂ）を参照して説明したように、接着シート２１上に電子部品９を接着する際には、半導体素子６の下面にアンダーフィル樹脂が充填されていない。その結果、半導体素子６の外周側面からのアンダーフィル樹脂のはみ出しが原因で半導体素子６と電子部品９との間隔Dが広まるのを抑制でき、半導体素子６と電子部品９とを高密度に実装できる。
【００８９】
特に、電子部品９としてデカップリング用のコンデンサを使用する場合は、間隔Dを縮めることで電子部品９と半導体素子６との配線の引き回し距離を短縮できるので、半導体素子６内の電源電圧のふらつきを電子部品９で効率的に吸収できるようになる。
【００９０】
また、半導体素子６がその全方向から封止樹脂２３で包み込まれるので、回路基板１からの応力や外部からの機械的な衝撃が半導体素子６に直接作用し難くなり、半導体素子６の機械的強度を補強することができる。
【００９１】
次に、本願発明者が行った調査結果について説明する。
【００９２】
その調査では、完成した半導体装置において、２２００個の第１の端子５と第１の電極２との間の導通確認と、各電子部品９と第２の電極３との間の導通確認をした。そして、これらの導通が確保されていることを確認した後、−５５℃と１２５℃の間で加熱と冷却とを繰り返す温度サイクル試験を１０００サイクル行った。その結果、第１の端子５と第１の電極２との間や、電子部品９と第２の電極３との間に接続不良が発生していないことが確認できた。
【００９３】
更に、上記のように電子部品９と半導体素子６との間隔Dを０．５mm程度に縮めても、電子部品９や半導体素子６に接続不良は発生しなかった。
【００９４】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態の封止樹脂２３として感光性樹脂を使用する。
【００９５】
図９〜図１１は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、これらの図において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００９６】
まず、第１実施形態で説明した図４（ａ）〜図６（ａ）の工程を行うことにより、図９（ａ）に示す断面構造を得る。但し、本実施形態では、封止樹脂２３として熱硬化性のポジ型の感光性樹脂を使用する。そのような感光性樹脂としては、例えば、スリーボンド社製のTB3036がある。
【００９７】
次に、図９（ｂ）に示すように、接着シート２１を通して封止樹脂２３に紫外線Lを照射することにより、封止樹脂２３内に半導体素子６と電子部品９の影Sを作る。これにより、影Sが作られた部分の封止樹脂２３は未露光の状態となるが、影Sがない部分の封止樹脂２３には感光部２３ａが形成される。そして、これら未露光の部分と感光部２３ａからなる潜像が封止樹脂２３内に影Sに対応して形成される。
【００９８】
次に、図１０（ａ）に示すように、封止樹脂２３を現像することにより、影Sが生じていた部分の封止樹脂２３を除去し、半導体素子６と電子部品９の各々の上面を露出させる。
【００９９】
次いで、図１０（ｂ）に示すように、第１実施形態の図８と同様にして回路基板１の第３の電極４に外部接続端子１１としてはんだバンプを接合する。
【０１００】
そして、図１１に示すように、露出した半導体素子６の上面に合う凸部３６ａを備えた金属製の放熱板３６を用意し、その凸部３６ａが半導体素子６の上面に接続されるように、接着剤によりプレート２０に放熱板３６を接着する。このとき、プレート２０だけでなく、半導体素子６の上面にも接着剤を塗布してもよい。
【０１０１】
以上により、本実施形態に係る半導体装置の基本構造が完成した。
【０１０２】
上記した本実施形態では、図１０（ａ）を参照して説明したように、感光性の封止樹脂２３を露光、現像することにより、半導体素子６の上面から封止樹脂２３を除去できる。これにより、図１１のように半導体素子６の上面に放熱板３６を密着させることができるようになり、実使用下において半導体素子６で発生した熱を放熱板３６を通じて外部に速やかに放熱することができる。
【０１０３】
なお、このように放熱板３６を設けた状態で第１実施形態と同じ温度サイクル試験を行っても、半導体素子６と回路基板１との間に接続不良は発生しなかった。
【０１０４】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１０５】
（付記１） 一方の主面に第１の電極を備えた回路基板と、
前記主面に対向して設けられ、第１の端子を介して前記第１の電極に接続された半導体素子と、
前記主面と前記半導体素子との間に充填され、前記半導体素子の外周側面を覆う封止樹脂とを有し、
前記封止樹脂の外周側面が、前記回路基板の前記主面に対して垂直であることを特徴とする半導体装置。
【０１０６】
（付記２） 前記回路基板の前記主面に固着され、前記半導体素子を収容する開口を備えたプレートを更に有し、
前記封止樹脂が、前記開口内に充填されたことを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【０１０７】
（付記３） 前記回路基板の前記主面に設けられた第２の電極と、
第２の端子を備えた電子部品とを更に有し、
前記第２の端子が前記第２の電極に接続され、前記封止樹脂が前記半導体素子と前記電子部品とを共通に覆うことを特徴とする付記１又は付記２に記載の半導体装置。（３、図８）
（付記４） 前記半導体素子の上面において前記封止樹脂が除去され、前記半導体素子の前記上面に放熱板が接続されたことを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【０１０８】
（付記５） 支持体の上に、開口を備えたプレートを接着する工程と、
前記開口内に半導体素子を入れ、該開口内に露出する前記支持体に前記半導体素子の第１の端子を接着する工程と、
前記第１の端子を接着した後、前記開口内に封止樹脂を充填する工程と、
前記封止樹脂を充填した後、前記プレートと前記第１の端子から前記支持体を剥離することにより、前記第１の端子を露出させる工程と、
回路基板の第１の電極に、前記半導体素子の前記露出した第１の端子を接続する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１０９】
（付記６） 前記開口内に電子部品を入れ、該開口内に露出する前記支持体に前記電子部品の第２の端子を接着する工程を更に有し、
前記回路基板の前記第１の電極に前記第１の端子を接続する工程において、前記回路基板の第２の電極に前記第２の端子を接続することを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。
【０１１０】
（付記７） 前記第１の端子としてはんだバンプを使用し、
前記回路基板の前記第１の電極に前記第１の端子を接続する工程において、前記はんだバンプを加熱して溶融することにより、該はんだバンプを前記第１の電極に接続することを特徴とする付記５又は付記６に記載の半導体装置の製造方法。
【０１１１】
（付記８） 前記はんだバンプを加熱する前に、前記第１の電極上とその周囲の前記回路基板の表面に、熱硬化性樹脂を含む樹脂塗膜を形成する工程を更に有することを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。
【０１１２】
（付記９） 前記回路基板の前記第１の電極に前記第１の端子を接続する工程の前に、前記第１の端子が露出している前記封止樹脂の表層部分を除去する工程を更に有することを特徴とする付記５〜８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【０１１３】
（付記１０） 前記封止樹脂として感光性樹脂を使用し、
前記支持体を通して前記封止樹脂に光を照射することにより、前記封止樹脂内に前記半導体素子の影を作り、該影に対応した潜像を前記封止樹脂に形成する工程と、
前記潜像を形成した後、前記封止樹脂を現像することにより、前記影が生じていた部分の前記封止樹脂を除去して、前記半導体素子の上面を露出させる工程と、
前記露出した上面に放熱板を接続する工程とを更に有することを特徴とする付記５〜９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【０１１４】
１…回路基板、２〜４…第１〜第３の電極、５…第１の端子、５ｘ…表面、６…半導体素子、６ａ…側面、６ｂ…上面、７…アンダーフィル樹脂、９…電子部品、９ｘ…表面、９ａ…第２の端子、１１…外部接続端子、２０…プレート、２０ａ…開口、２０ｘ…一方の主面、２１…接着シート、２１ａ…接着層、２２…ステージ、２３…封止樹脂、２３ａ…感光部、２３ｘ…表面、２７…予備はんだ、２８…ソルダレジスト層、２９…ホットプレート、３０…樹脂塗膜、３１…シリンジ、３６…放熱板、３６ａ…凸部、C…カメラ、M…マーク。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーバーやパーソナルコンピュータ等の電子機器には、CPU(Central Processing Unit)モジュール等の様々な半導体装置が搭載される。その半導体装置は回路基板上に半導体素子を実装してなり、回路基板としてはビルドアップ基板やセラミック基板等が使用される。
【０００３】
ここで、回路基板に半導体素子を実装するときに回路基板に反りが発生していると、その反りが原因で回路基板と半導体素子との位置合わせ精度が低下してしまう。また、反りによって実装後の半導体素子や電子部品に応力が加わり、これらと回路基板との接続信頼性が低下する。
【０００４】
そのため、半導体装置を製造するときには、回路基板の反りを矯正し、回路基板の平坦性を維持しておくのが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２００８５１号公報
【特許文献２】特開平９−１９９６３１号公報
【特許文献３】特開平１１−３０７５９２号公報
【特許文献４】国際公開第２００６／０５４６３７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体装置とその製造方法において、回路基板の反りを矯正することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下の開示の一観点によれば、一方の主面に第１の電極を備えた回路基板と、前記主面に対向して設けられ、第１の端子を介して前記第１の電極に接続された半導体素子と、前記主面と前記半導体素子との間に充填され、前記半導体素子の外周側面を覆う封止樹脂とを有し、前記封止樹脂の外周側面が、前記回路基板の前記主面に対して垂直である半導体装置が提供される。
【０００８】
また、その開示の他の観点によれば、支持体の上に、開口を備えたプレートを接着する工程と、前記開口内に半導体素子を入れ、該開口内に露出する前記支持体に前記半導体素子の第１の端子を接着する工程と、前記第１の端子を接着した後、前記開口内に封止樹脂を充填する工程と、前記封止樹脂を充填した後、前記プレートと前記第１の端子から前記支持体を剥離することにより、前記第１の端子を露出させる工程と、回路基板の第１の電極に、前記半導体素子の前記露出した第１の端子を接続する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
以下の開示によれば、プレートによって回路基板の反りが矯正されるので、半導体素子の第１の端子と回路基板の第１の電極との位置ずれが抑制され、半導体素子と回路基板の接続信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、予備的事項に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図２】図２は、予備的事項に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図３】図３（ａ）は第１実施形態で使用するプレートの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その５）である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図１１】図１１は、第２実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態の説明に先立ち、基礎となる予備的事項について説明する。
【００１２】
図１及び図２は、予備的事項に係る半導体装置の製造途中の断面図である。
【００１３】
本例では、半導体装置としてサーバーやパーソナルコンピュータに使用されるFCBGA(Flip Chip Ball Grid Array)を以下のようにして製造する。
【００１４】
まず、図１（ａ）に示すように、回路基板１として複数の配線層を備えたビルドアップ基板を用意する。その回路基板１の一方の主面１ａには、半導体素子の端子に対応する複数の第１の電極２と、後述の電子部品の端子に対応する複数の第２の電極３とが形成される。
【００１５】
また、回路基板１の他方の主面１ｂには、後で外部接続端子が接合される複数の第３の電極４が設けられる。
【００１６】
各電極２〜４は、例えば、銅めっき膜等の導電膜をパターニングすることにより形成される。
【００１７】
そして、その回路基板１の上に半導体素子６としてCPU(Central Processing Unit)を載せ、その半導体素子６が備えるはんだバンプ等の第１の端子５を加熱して溶融することにより、端子５を介して半導体素子６と回路基板１とを機械的かつ電気的に接続する。このような接続態様はフリップチップ接続とも呼ばれる。
【００１８】
端子５は、このように半導体素子６と回路基板１とを接続する役割を担うが、半導体素子６と回路基板１の各々の熱膨張率が異なるため、半導体装置の製造時の温度変動によって端子５に大きな応力が印加されるおそれがある。
【００１９】
そこで、次の工程では、図１（ｂ）に示すように、半導体素子６と回路基板１との間の隙間にアンダーフィル樹脂７として熱硬化性の樹脂を充填した後、そのアンダーフィル樹脂７を熱硬化する。これにより、回路基板１と半導体素子６との接続強度が補強されると共に、温度変動に伴って端子５に加わる応力を軽減することができる。
【００２０】
また、そのアンダーフィル樹脂７は、接続強度の補強だけでなく、回路基板１と半導体素子６との隙間に外部雰囲気やダストが入り込むのを防止する役割も担う。
【００２１】
次に、図１（ｃ）に示す工程について説明する。
【００２２】
上記のように、回路基板１と半導体素子６の各々の熱膨張率は大きく異なる。例えば、シリコンを主にしてなる半導体素子６の熱膨張率は約３．５ppm/℃程度であるのに対し、樹脂を主体にしてなる回路基板１の熱膨張率はこれよりも大きな約１７ppm/℃程度である。
【００２３】
このような熱膨張率の差が原因で、半導体基板１と半導体素子６に熱履歴が加わると、図１（ｃ）の点線に示すように半導体基板１が反ることがある。特に、半導体装置の低コスト化を図るために、回路基板１としてセラミック基板や樹脂を主体としたビルドアップ基板を用いる場合、回路基板１と半導体素子６との熱膨張率の差が大きくなり、このような反りが顕著に現れる。
【００２４】
本工程では、回路基板１の第２の電極３に、はんだ付けによりコンデンサ等の電子部品９の第２の端子９ａを接続するのであるが、このような基板の反りによって電子部品９と第２の電極３との間に位置ずれが生じる可能性がある。
【００２５】
この後は、図２に示すように、回路基板１の第３の電極４に、外部接続端子１１としてはんだバンプを接合し、本例に係る半導体装置の基本構造を完成させる。
【００２６】
以上説明した半導体装置の製造方法では、図１（ｃ）を参照して説明したように、回路基板１の反りが原因で、当該基板１に電子部品９を高精度に搭載するのが困難である。
【００２７】
このような問題は、半導体素子６と電子部品９の搭載順序を上記とは逆にしても起こりうる。
【００２８】
例えば、半導体素子６よりも先に電子部品９を回路基板１に実装すると、回路基板１に電子部品９を実装するときのはんだ付けの熱によって回路基板１に熱履歴が加わる。回路基板１は、熱膨張率の異なる絶縁層や配線層を積層してなるため、このように熱履歴が加わると上記と同様に反りが発生する。よって、回路基板１に半導体素子６を実装するとき、基板１の反りによって端子５と第１の電極２との位置合わせが困難となる。
【００２９】
特に、FCBGA用の端子５の直径は約２０μmと微細なので、端子と第１の電極２との位置合わせの困難性が増す。
【００３０】
一方、上記した図１（ｂ）の工程では、アンダーフィル樹脂７が半導体素子６の下面からはみ出して半導体素子６の外周側面の一部にも形成される。このようにアンダーフィル樹脂７を広範な領域に形成することで、半導体素子６とアンダーフィル樹脂７との接触面積が増大し、半導体素子６と回路基板１との接続信頼性が向上する。
【００３１】
しかしながら、このように半導体素子６からアンダーフィル樹脂７がはみ出すと、図１（ｃ）に示されるように、はみ出したアンダーフィル樹脂７が邪魔で半導体素子６と電子部品９との間隔Dを縮めることができない。その間隔Dは、典型的には、２mm〜５mm程度の大きな値となる。
【００３２】
特に、電子部品９がデカップリング用のコンデンサである場合には、このように間隔Dが広まると、電子部品９と半導体素子６との配線の引き回し距離が長くなり、半導体素子６内の電源電圧のふらつきをコンデンサで吸収し難くなってしまう。
【００３３】
更に、上記のように間隔Dの縮小が困難だと、回路基板１上において半導体素子６と電子部品９の実装密度が低下し、半導体装置の小型化の要求にこたえることができない。
【００３４】
本願発明者は、このような知見に鑑み、以下に説明するような本実施形態に想到した。
【００３５】
（第１実施形態）
図３（ａ）は本実施形態で使用するプレートの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【００３６】
また、図４〜図８は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、これらの図において、予備的事項で説明したのと同じ要素には予備的事項におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００３７】
本実施形態では、以下のようにして半導体装置としてFCBGA型の半導体パッケージを製造する。
【００３８】
まず、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、開口２０ａを備えた銅製のプレート２０を用意する。
【００３９】
プレート２０の材料は銅に限定されない。銅に代えて、アルミニウムとシリコンとの合金や、銅とシリコンとの合金を使用し得る。また、プラスチック等の樹脂もプレート２０の材料として採用され得る。
【００４０】
更に、プレート２０のサイズも特に限定されないが、本実施形態ではプレート２０の平面サイズを一辺の長さが約５０mmの正方形とし、プレート２０の厚さを約２mmとする。
【００４１】
また、開口２０ａの側面はプレート２０の一方の主面２０ｘに対して垂直に形成され、開口２０ａの平面サイズは一辺の長さが約３０mmの正方形である。
【００４２】
次いで、図４（ａ）に示すように、支持体として供される接着シート２１を用意し、その接着シート２１の接着層２１ａに上記のプレート２０を接着する。
【００４３】
その接着シート２１は後でプレート２０から剥離するので、その剥離が容易に行えるように、接着層２１ａの材料としては紫外線硬化性の接着剤や、熱発泡性の接着剤を用いるのが好ましい。
【００４４】
本実施形態では、接着シート２１として、接着層２１ａに紫外線硬化型の接着剤を使用した日東電工社製のNBD-5000を使用する。本工程が終了した時点では、その接着層２１ａは硬化しておらず、接着層２１ａの接着力は維持されている。
【００４５】
次に、図４（ｂ）に示す工程について説明する。
【００４６】
まず、チップマウント装置が備えるステージ２２上に、上記の接着シート２１とプレート２０とを載置する。
【００４７】
そのステージ２２の表面には位置合わせマークMとして複数の凹部が形成されており、その位置合わせマークMを利用してステージ２２とプレート２０との位置合わせが行われる。
【００４８】
次いで、不図示のハンドラを用いて半導体素子６を把持し、ステージ２２の上方に半導体素子６を配する。そして、この状態で、カメラＣにより位置合わせマークMと半導体素子６の外観とを観察して、これらのマークMと半導体素子６との位置合わせを行う。
【００４９】
ここで、接着シート２１が十分に薄い場合には、接着シート２１を通してマークMが可視光で透けて見えるが、接着シート２１が厚い場合にはカメラCでマークMを認識するのが困難である。その場合は、カメラCとして赤外線カメラを利用するのが好ましい。赤外線は、シート２１を透過するので、カメラCによりマークMを認識することができる。
【００５０】
また、半導体素子６は、第１の端子５として供されるはんだバンプを備える。その第１の端子５の個数と材料は特に限定されないが、本実施形態ではSn-3.0Agはんだを含む第１の端子５を、半導体素子６の回路形成面に２２００個設ける。
【００５１】
更に、半導体素子６のサイズは、一辺の長さが約２０mmの正方形であり、厚さは約０．６５mmである。
【００５２】
その後、図５（ａ）に示すように、不図示のハンドラを用いて開口２０ａ内に半導体素子６を入れ、開口２０ａ内に露出する接着シート２１上に半導体素子６を載置することにより、半導体素子６の第１の端子５を接着層２１ａに接着する。
【００５３】
続いて、図５（ｂ）に示すように、不図示のハンドラを用い、開口内２０ａ内に電子部品９としてデカップリング用のコンデンサを入れ、その電子部品９の第２の端子９ａを接着層２１ａに接着する。
【００５４】
そのコンデンサのサイズは特に限定されないが、本実施形態では長辺の長さが１０mmで短辺の長さが５mmの矩形状の平面形状を有するコンデンサを使用する。
【００５５】
この段階では、半導体素子６の回路形成面にアンダーフィル樹脂がないので、アンダーフィル樹脂のはみ出しによって電子部品９と半導体素子６との間隔Dが制限されない。
【００５６】
よって、本実施形態では、その間隔Dを可能な限り縮めることが可能となり、例えば間隔Dを０．５mm程度の微細な値にすることができる。
【００５７】
なお、上記では、先に接着シート２１に半導体素子６を接着した後に電子部品９を接着したが、接着順序はこれに限定されず、先に電子部品９を接着し、次いで半導体素子６を接着してもよい。
【００５８】
次いで、図６（ａ）に示すように、約３０℃程度の温度に加熱されているホットプレート２９上に接着シート２１とプレート２０とを移動させる。
【００５９】
そして、シリンジ３１を利用して開口２０ａ内に封止樹脂２３を充填する。封止樹脂２３の充填順序は特に限定されない。例えば、半導体素子６の一辺の中央付近にシリンジ３１を配し、当該箇所から半導体素子６と接着シート２１との間の隙間に封止樹脂２３を充填した後、開口９ａ内の全域に封止樹脂２３を充填するのが好ましい。
【００６０】
このとき、半導体素子６と電子部品９は接着シート２１に接着されているので、封止樹脂２３から加わる力が原因で半導体素子６と電子部品９とが位置ずれを起こすのを抑制できる。
【００６１】
このように封止樹脂２３を充填することにより、半導体素子６の外周側面６ａと上面６ｂが封止樹脂２３で覆われる。また、これと共に、半導体素子６と電子部品９とが封止樹脂２３によって共通に覆われ、半導体素子６と電子部品９とを外部雰囲気から隔離することができる。
【００６２】
また、封止樹脂２３は、ナミックス社製のG8345-6等の熱硬化性の樹脂であり、ホットプレート２９の熱により熱硬化する。
【００６３】
そして、封止樹脂２３が十分に熱硬化した後、ホットプレート２９からプレート２０と接着シート２１とを下ろす。
【００６４】
次いで、図６（ｂ）に示すように、接着シート２１に紫外線を照射することにより接着層２１ａを硬化してその接着力を弱め、プレート２０と各端子５、９ａから接着シート２１を剥離する。
【００６５】
なお、接着層２１ａの材料として熱発泡性の接着剤を使用する場合には、接着層２１ａを加熱してその接着力を弱めればよい。
【００６６】
このように接着シート２１を剥離すると、封止樹脂２３の表面に各端子５、９ａの表面が露出する。但し、球形の第１の端子５はその頂点部分が封止樹脂２３から僅かに露出しているだけで、封止樹脂２３の全表面において第１の端子５が露出している部分は極僅かである。
【００６７】
そこで、図６（ｂ）の点線円内に示すように、接着シート２１を剥離した側の封止樹脂２３の表層部分を研削して除去することにより、封止樹脂２３の表面２３ｘから露出する部分の第１の端子５の面積を増やすのが好ましい。このように研削すると、電子部品９の第２の端子９ａの表面９ｘも研削され、当該表面９ｘに付着している接着層２１ａの材料等の不純物を除去できる。
【００６８】
その研削量は特に限定されないが、本実施形態では封止樹脂２３の表面２３ｘから約５μmの深さまで研削する。
【００６９】
続いて、図７（ａ）に示すような回路基板１を用意する。
【００７０】
回路基板１は、複数の配線を積層してなるビルドアップ基板であって、一辺が約５０mmの正方形の平面形状を有し、その厚さは約１．５mmである。
【００７１】
その回路基板１の一方の主面１ａには、端子５、９ａの各々に対応する位置に第１の電極２と第２の電極３が設けられる。
【００７２】
各電極２、３は、例えば銅膜をパターニングしてなり、点線円内に示すようにソルダレジスト層２８から露出する。そして、各電極２、３の上には、印刷法により予備はんだ２７としてSn-3.5Ag-0.7Cuはんだペーストが塗布される。
【００７３】
更に、その予備はんだ２７とソルダレジスト層２８の上には、熱硬化性樹脂を含む樹脂塗膜３０が塗布される。樹脂塗膜３０は、回路基板１の上側全面に形成され、予備はんだ２７や第１の端子５の各々の酸化皮膜を除去するためのフラックス成分を含有させておくのが好ましい。
【００７４】
一方、回路基板１の他方の主面１ｂには、銅膜等をパターニングしてなる第３の電極４が設けられる。
【００７５】
そして、この回路基板１とプレート２０とを位置合わせすることにより、第１の電極２の上方に第１の端子５が位置し、第２の電極３の上方に第２の端子９ａが位置するようにする。
【００７６】
次いで、図７（ｂ）に示すように、回路基板１の一方の主面１ａに導体プレート２を載せると共に、第１の端子５と予備はんだ２７とを加熱して溶融する。加熱条件は特に限定されない。本実施形態では、リフロー炉を用いて、２２０℃以上の加熱時間を５分間維持し、最高温度を２４５℃とする温度プロファイルによりこの加熱を行う。
【００７７】
そして、溶融した第１の端子５と予備はんだ２７とが冷えて固化すると、これらによって半導体素子６と回路基板１とが電気的かつ機械的に接続される。また、電子部品９は、固化した予備はんだ２７によって回路基板１に電気的かつ機械的に接続される。
【００７８】
更に、上記のように第１の端子５と予備はんだ２７とを加熱したことで、熱硬化性樹脂を含む樹脂塗膜３０が熱硬化する。その結果、プレート２０や封止樹脂２３が樹脂塗膜２３によって回路基板１に固着され、半導体素子６と回路基板１との接続強度を補強することができる。
【００７９】
また、図６（ｂ）の工程で封止樹脂２３の表層部分を除去して各端子５、９ａの表面を露出させたので、これらの端子５、９ａと各電極２、３との間に封止樹脂２３が介在する危険性が少なくなり、回路基板１と半導体素子６との導通が確保される。
【００８０】
しかも、上記のように加熱によって軟らかくなった回路基板１がプレート２０の自重で押さえつけられることで、回路基板１の反りが矯正され、回路基板１の平坦性が良好となる。その結果、回路基板１の反りが原因で第１の端子５と第１の電極２とが位置ずれしたり、第２の端子９ａと第２の電極３とが位置ずれしたりするのを抑制できる。これにより、半導体素子６と回路基板１との間の接続不良や、電子部品９と回路基板１との間の接続不良を防止できる。
【００８１】
特に、導体プレート２０の材料として銅等の金属を使用すると、導体プレート２０が重くなり、回路基板１の反りの矯正が容易になる。
【００８２】
その後、図８に示すように、第３の電極４の上に外部接続端子１１として直径が約０．８５mmのはんだバンプを接合させ、本実施形態に係るFCBGA型の半導体装置の基本構造を完成させる。
【００８３】
その半導体装置においては、プレート２０の開口２０ａ内に封止樹脂２３を充填したことにより、封止樹脂２３の外周側面２３ｘが開口２０ａの側面に一致するようになり、当該外周側面２３ｘが回路基板１の主面１ａに対して垂直になる。
【００８４】
なお、本実施形態はこれに限定されず、外部接続端子１１を設けずに第３の電極４を外部接続端子として使用することにより、LGA(Land Grid Array)型の半導体装置を作製してもよい。
【００８５】
また、導体プレート２０については、本工程の後に除去してもよいし、それを残したまま製品として出荷してもよい。前者の場合、導体プレート２０に接する部分の回路基板１の表面に樹脂塗膜３０（図７（ａ）参照）を塗布しないことで、導体プレート２０の除去が容易となる。
【００８６】
一方、後者のように製品中に導体プレート２０を残す場合は、導体プレート２０との熱膨張率差が原因の回路基板１の反りを抑制するために、樹脂を主にしてなる回路基板１に合わせ、導体プレート２０の材料として樹脂を選択するのが好ましい。
【００８７】
以上説明した本実施形態では、図７（ｂ）を参照して説明したように、導体プレート２０の自重により回路基板１の反りが矯正され、各端子５、９ａと各電極２、３との位置ずれが防止される。
【００８８】
また、図５（ｂ）を参照して説明したように、接着シート２１上に電子部品９を接着する際には、半導体素子６の下面にアンダーフィル樹脂が充填されていない。その結果、半導体素子６の外周側面からのアンダーフィル樹脂のはみ出しが原因で半導体素子６と電子部品９との間隔Dが広まるのを抑制でき、半導体素子６と電子部品９とを高密度に実装できる。
【００８９】
特に、電子部品９としてデカップリング用のコンデンサを使用する場合は、間隔Dを縮めることで電子部品９と半導体素子６との配線の引き回し距離を短縮できるので、半導体素子６内の電源電圧のふらつきを電子部品９で効率的に吸収できるようになる。
【００９０】
また、半導体素子６がその全方向から封止樹脂２３で包み込まれるので、回路基板１からの応力や外部からの機械的な衝撃が半導体素子６に直接作用し難くなり、半導体素子６の機械的強度を補強することができる。
【００９１】
次に、本願発明者が行った調査結果について説明する。
【００９２】
その調査では、完成した半導体装置において、２２００個の第１の端子５と第１の電極２との間の導通確認と、各電子部品９と第２の電極３との間の導通確認をした。そして、これらの導通が確保されていることを確認した後、−５５℃と１２５℃の間で加熱と冷却とを繰り返す温度サイクル試験を１０００サイクル行った。その結果、第１の端子５と第１の電極２との間や、電子部品９と第２の電極３との間に接続不良が発生していないことが確認できた。
【００９３】
更に、上記のように電子部品９と半導体素子６との間隔Dを０．５mm程度に縮めても、電子部品９や半導体素子６に接続不良は発生しなかった。
【００９４】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態の封止樹脂２３として感光性樹脂を使用する。
【００９５】
図９〜図１１は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。なお、これらの図において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００９６】
まず、第１実施形態で説明した図４（ａ）〜図６（ａ）の工程を行うことにより、図９（ａ）に示す断面構造を得る。但し、本実施形態では、封止樹脂２３として熱硬化性のポジ型の感光性樹脂を使用する。そのような感光性樹脂としては、例えば、スリーボンド社製のTB3036がある。
【００９７】
次に、図９（ｂ）に示すように、接着シート２１を通して封止樹脂２３に紫外線Lを照射することにより、封止樹脂２３内に半導体素子６と電子部品９の影Sを作る。これにより、影Sが作られた部分の封止樹脂２３は未露光の状態となるが、影Sがない部分の封止樹脂２３には感光部２３ａが形成される。そして、これら未露光の部分と感光部２３ａからなる潜像が封止樹脂２３内に影Sに対応して形成される。
【００９８】
次に、図１０（ａ）に示すように、封止樹脂２３を現像することにより、影Sが生じていた部分の封止樹脂２３を除去し、半導体素子６と電子部品９の各々の上面を露出させる。
【００９９】
次いで、図１０（ｂ）に示すように、第１実施形態の図８と同様にして回路基板１の第３の電極４に外部接続端子１１としてはんだバンプを接合する。
【０１００】
そして、図１１に示すように、露出した半導体素子６の上面に合う凸部３６ａを備えた金属製の放熱板３６を用意し、その凸部３６ａが半導体素子６の上面に接続されるように、接着剤によりプレート２０に放熱板３６を接着する。このとき、プレート２０だけでなく、半導体素子６の上面にも接着剤を塗布してもよい。
【０１０１】
以上により、本実施形態に係る半導体装置の基本構造が完成した。
【０１０２】
上記した本実施形態では、図１０（ａ）を参照して説明したように、感光性の封止樹脂２３を露光、現像することにより、半導体素子６の上面から封止樹脂２３を除去できる。これにより、図１１のように半導体素子６の上面に放熱板３６を密着させることができるようになり、実使用下において半導体素子６で発生した熱を放熱板３６を通じて外部に速やかに放熱することができる。
【０１０３】
なお、このように放熱板３６を設けた状態で第１実施形態と同じ温度サイクル試験を行っても、半導体素子６と回路基板１との間に接続不良は発生しなかった。
【０１０４】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１０５】
（付記１） 一方の主面に第１の電極を備えた回路基板と、
前記主面に対向して設けられ、第１の端子を介して前記第１の電極に接続された半導体素子と、
前記主面と前記半導体素子との間に充填され、前記半導体素子の外周側面を覆う封止樹脂とを有し、
前記封止樹脂の外周側面が、前記回路基板の前記主面に対して垂直であることを特徴とする半導体装置。
【０１０６】
（付記２） 前記回路基板の前記主面に固着され、前記半導体素子を収容する開口を備えたプレートを更に有し、
前記封止樹脂が、前記開口内に充填されたことを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【０１０７】
（付記３） 前記回路基板の前記主面に設けられた第２の電極と、
第２の端子を備えた電子部品とを更に有し、
前記第２の端子が前記第２の電極に接続され、前記封止樹脂が前記半導体素子と前記電子部品とを共通に覆うことを特徴とする付記１又は付記２に記載の半導体装置。（３、図８）
（付記４） 前記半導体素子の上面において前記封止樹脂が除去され、前記半導体素子の前記上面に放熱板が接続されたことを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【０１０８】
（付記５） 支持体の上に、開口を備えたプレートを接着する工程と、
前記開口内に半導体素子を入れ、該開口内に露出する前記支持体に前記半導体素子の第１の端子を接着する工程と、
前記第１の端子を接着した後、前記開口内に封止樹脂を充填する工程と、
前記封止樹脂を充填した後、前記プレートと前記第１の端子から前記支持体を剥離することにより、前記第１の端子を露出させる工程と、
回路基板の第１の電極に、前記半導体素子の前記露出した第１の端子を接続する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１０９】
（付記６） 前記開口内に電子部品を入れ、該開口内に露出する前記支持体に前記電子部品の第２の端子を接着する工程を更に有し、
前記回路基板の前記第１の電極に前記第１の端子を接続する工程において、前記回路基板の第２の電極に前記第２の端子を接続することを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。
【０１１０】
（付記７） 前記第１の端子としてはんだバンプを使用し、
前記回路基板の前記第１の電極に前記第１の端子を接続する工程において、前記はんだバンプを加熱して溶融することにより、該はんだバンプを前記第１の電極に接続することを特徴とする付記５又は付記６に記載の半導体装置の製造方法。
【０１１１】
（付記８） 前記はんだバンプを加熱する前に、前記第１の電極上とその周囲の前記回路基板の表面に、熱硬化性樹脂を含む樹脂塗膜を形成する工程を更に有することを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。
【０１１２】
（付記９） 前記回路基板の前記第１の電極に前記第１の端子を接続する工程の前に、前記第１の端子が露出している前記封止樹脂の表層部分を除去する工程を更に有することを特徴とする付記５〜８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【０１１３】
（付記１０） 前記封止樹脂として感光性樹脂を使用し、
前記支持体を通して前記封止樹脂に光を照射することにより、前記封止樹脂内に前記半導体素子の影を作り、該影に対応した潜像を前記封止樹脂に形成する工程と、
前記潜像を形成した後、前記封止樹脂を現像することにより、前記影が生じていた部分の前記封止樹脂を除去して、前記半導体素子の上面を露出させる工程と、
前記露出した上面に放熱板を接続する工程とを更に有することを特徴とする付記５〜９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【０１１４】
１…回路基板、２〜４…第１〜第３の電極、５…第１の端子、５ｘ…表面、６…半導体素子、６ａ…側面、６ｂ…上面、７…アンダーフィル樹脂、９…電子部品、９ｘ…表面、９ａ…第２の端子、１１…外部接続端子、２０…プレート、２０ａ…開口、２０ｘ…一方の主面、２１…接着シート、２１ａ…接着層、２２…ステージ、２３…封止樹脂、２３ａ…感光部、２３ｘ…表面、２７…予備はんだ、２８…ソルダレジスト層、２９…ホットプレート、３０…樹脂塗膜、３１…シリンジ、３６…放熱板、３６ａ…凸部、C…カメラ、M…マーク。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主面に第１の電極を備えた回路基板と、
前記主面に対向して設けられ、第１の端子を介して前記第１の電極に接続された半導体素子と、
前記主面と前記半導体素子との間に充填され、前記半導体素子の外周側面を覆う封止樹脂とを有し、
前記封止樹脂の外周側面が、前記回路基板の前記主面に対して垂直であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記回路基板の前記主面に固着され、前記半導体素子を収容する開口を備えたプレートを更に有し、
前記封止樹脂が、前記開口内に充填されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記回路基板の前記主面に設けられた第２の電極と、
第２の端子を備えた電子部品とを更に有し、
前記第２の端子が前記第２の電極に接続され、前記封止樹脂が前記半導体素子と前記電子部品とを共通に覆うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
支持体の上に、開口を備えたプレートを接着する工程と、
前記開口内に半導体素子を入れ、該開口内に露出する前記支持体に前記半導体素子の第１の端子を接着する工程と、
前記第１の端子を接着した後、前記開口内に封止樹脂を充填する工程と、
前記封止樹脂を充填した後、前記プレートと前記第１の端子から前記支持体を剥離することにより、前記第１の端子を露出させる工程と、
回路基板の第１の電極に、前記半導体素子の前記露出した第１の端子を接続する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記開口内に電子部品を入れ、該開口内に露出する前記支持体に前記電子部品の第２の端子を接着する工程を更に有し、
前記回路基板の前記第１の電極に前記第１の端子を接続する工程において、前記回路基板の第２の電極に前記第２の端子を接続することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記封止樹脂として感光性樹脂を使用し、
前記支持体を通して前記封止樹脂に光を照射することにより、前記封止樹脂内に前記半導体素子の影を作り、該影に対応した潜像を前記封止樹脂に形成する工程と、
前記潜像を形成した後、前記封止樹脂を現像することにより、前記影が生じていた部分の前記封止樹脂を除去して、前記半導体素子の上面を露出させる工程と、
前記露出した上面に放熱板を接続する工程とを更に有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
一方の主面に第１の電極を備えた回路基板と、
前記主面に対向して設けられ、第１の端子を介して前記第１の電極に接続された半導体素子と、
前記主面と前記半導体素子との間に充填され、前記半導体素子の外周側面を覆う封止樹脂とを有し、
前記封止樹脂の外周側面が、前記回路基板の前記主面に対して垂直であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記回路基板の前記主面に固着され、前記半導体素子を収容する開口を備えたプレートを更に有し、
前記封止樹脂が、前記開口内に充填されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記回路基板の前記主面に設けられた第２の電極と、
第２の端子を備えた電子部品とを更に有し、
前記第２の端子が前記第２の電極に接続され、前記封止樹脂が前記半導体素子と前記電子部品とを共通に覆うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
支持体の上に、開口を備えたプレートを接着する工程と、
前記開口内に半導体素子を入れ、該開口内に露出する前記支持体に前記半導体素子の第１の端子を接着する工程と、
前記第１の端子を接着した後、前記開口内に封止樹脂を充填する工程と、
前記封止樹脂を充填した後、前記プレートと前記第１の端子から前記支持体を剥離することにより、前記第１の端子を露出させる工程と、
回路基板の第１の電極に、前記半導体素子の前記露出した第１の端子を接続する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記開口内に電子部品を入れ、該開口内に露出する前記支持体に前記電子部品の第２の端子を接着する工程を更に有し、
前記回路基板の前記第１の電極に前記第１の端子を接続する工程において、前記回路基板の第２の電極に前記第２の端子を接続することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記封止樹脂として感光性樹脂を使用し、
前記支持体を通して前記封止樹脂に光を照射することにより、前記封止樹脂内に前記半導体素子の影を作り、該影に対応した潜像を前記封止樹脂に形成する工程と、
前記潜像を形成した後、前記封止樹脂を現像することにより、前記影が生じていた部分の前記封止樹脂を除去して、前記半導体素子の上面を露出させる工程と、
前記露出した上面に放熱板を接続する工程とを更に有することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−９４７６（Ｐ２０１２−９４７６Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４１２９４（Ｐ２０１０−１４１２９４）
【出願日】平成２２年６月２２日（２０１０．６．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２２日（２０１０．６．２２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]