半導体装置の製造方法
【課題】半田バンプのオープン不良を防止することができる半導体装置の製造方法を得る。
【解決手段】配線基板上に配線を形成し、配線基板上をソルダレジストで覆い、配線を露出させるようにソルダレジストに開口を形成する。配線基板の配線と半導体チップの電極とを半田バンプを介して接続させることで、配線基板上に半導体チップをフリップチップ接続させる。半田バンプの半田の量を、ソルダレジストの開口の角と電極に内接する球の体積よりも小さくする。
【解決手段】配線基板上に配線を形成し、配線基板上をソルダレジストで覆い、配線を露出させるようにソルダレジストに開口を形成する。配線基板の配線と半導体チップの電極とを半田バンプを介して接続させることで、配線基板上に半導体チップをフリップチップ接続させる。半田バンプの半田の量を、ソルダレジストの開口の角と電極に内接する球の体積よりも小さくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線基板上に半導体チップをフリップチップ接続させた半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
配線基板上に半導体チップをフリップチップ接続させた半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このフリップチップ接続の際に、半導体チップにスクラブをかけることで、フラックスレスでフリップチップ接合させる技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
また、配線基板上には配線が形成され、配線上はソルダレジストで覆われている（例えば、特許文献３参照）。しかし、半導体チップと配線基板は線膨張係数に差があるため、内部応力によって配線基板上の配線の断線が発生するという問題があった。これを解消するために様々な方法が提案されている（例えば、特許文献４〜６参照）。
【０００４】
図２３は、従来の半導体装置を示す平面図である。配線基板１１上に半導体チップ１２がフリップチップ接続されている。配線基板１１と半導体チップ１２との隙間にアンダーフィル樹脂１３が充填されている。配線基板１１上であって半導体チップ１２の外周に半導体チップ１２とは離間して補強リング１４が設けられている。この半導体チップ１２及び補強リング１４上に、半導体チップ１２において発生した熱を外部に放散させるためのヒートスプレッダー（不図示）が接着されている。
【０００５】
図２４は、図２３の点線で囲った部分Ｄを拡大した平面図である。配線基板１１上に配線３１と配線層ビアランド３２が設けられている。配線３１は配線層ビアランド３２と半導体チップ１２とを接続している。配線層ビアランド３２は、半導体チップ１２と補強リング１４との間であって、半導体チップ１２の対角線の延長線から１ｍｍ以内の領域に設けられている。
【０００６】
図２５は、従来の配線層ビアランド及び配線を示す断面図である。配線基板１１上に電源パターン３３及び配線層下面ビアランド３４が設けられ、両者はクリアランス領域３５により互いに離間されている。また、電源パターン３３及び配線層下面ビアランド３４は絶縁膜３６により覆われている。配線層ビアランド３２は絶縁膜３６上に設けられている。配線層下面ビアランド３４と配線層ビアランド３２とは、絶縁膜３６を貫通するビア３７により接続されている。配線層ビアランド３２から引き出された配線３１はクリアランス領域３５の上方を通っている。また、従来の半導体装置において、配線３１は配線層ビアランド３２から半導体チップ１２の対角線の延長線方向とほぼ同様の方向に引き出されていた。
【０００７】
また、図２６は、従来の方法により配線基板へ半導体チップをフリップチップ接続させた状態を示す断面図である。配線基板１１上に配線３１が形成され、配線基板１１上はソルダレジスト４１で覆われ、配線３１を露出させるようにソルダレジスト４１に開口４２が形成されている。配線基板１１の配線３１と半導体チップ１２の電極４３は半田バンプ２４により接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１２８７１２号公報
【特許文献２】特開２０００−３４９１２３号公報
【特許文献３】特開平７−３０７３６３号公報
【特許文献４】特開平１１−１６３２０１号公報
【特許文献５】特開２０００−１８３４６９号公報
【特許文献６】特開２００１−６０６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の半導体装置において、配線層ビアランド３２から引き出された配線３１が、クリアランス領域３５の上方において断線するという問題があった。この問題の要因としては以下のものが考えられる。
１．半導体チップ１２と配線基板１１との線膨張係数の差などによる内部応力は、半導体チップ１２の対角線の延長線から１ｍｍ以内の領域に集中する。
２．半導体チップ１２と補強リング１４との間では、配線基板１１上に補強材が無いため、当該内部応力による配線基板１１の変形が大きくなる。
３． 当該内部応力は、半導体チップ１２の対角線の延長線の方向において最も強くなる。
４．配線３１と配線層ビアランド３２の境界近傍では、配線の太さが急に変わるため当該内部応力が集中する。
５．電源パターン３３と配線層下面ビアランド３４を離間するクリアランス領域３５の上方において当該内部応力が集中する。
【００１０】
また、従来の方法によりフリップチップ接続を行った半導体装置において、図２６の右側に示すように半田バンプ２４のオープン不良が発生するという問題があった。これは、表面張力によって球状になろうとする半田バンプ２４がソルダレジスト４１の開口４２の角から応力を受けたためと考えられる。特に、フリップチップ接続させる工程において半導体チップにスクラブをかける場合は半田バンプのオープン不良が生じ易い。
【００１１】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の第１の目的は、配線層ビアランドから引き出された配線の断線を防止することができる半導体装置を得るものである。
【００１２】
本発明の第２の目的は、半田バンプのオープン不良を防止することができる半導体装置の製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法は、前記配線基板上に配線を形成し、前記配線基板上をソルダレジストで覆い、前記配線を露出させるように前記ソルダレジストに開口を形成する工程と、前記配線基板の配線と半導体チップの電極とを半田バンプを介して接続させることで、前記配線基板上に前記半導体チップをフリップチップ接続させる工程とを有し、前記半田バンプの半田の量を、前記ソルダレジストの開口の角と前記電極に内接する球の体積よりも小さくすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この実施例によれば、半田バンプのオープン不良を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す一部切欠斜視図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線断面による断面構造説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の例を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の更に他の例を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す平面図である。
【図１３】図１２の点線で囲った部分Ｂを拡大した平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１に係る配線層ビアランドから引き出された配線を示す拡大平面図である。
【図１５】図１４のＣ−Ｃ´における断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る配線層ビアランド及び配線の一例を示す拡大平面図である。
【図１７】本発明の実施の形態２に係る配線層ビアランド及び配線の他の例を示す拡大平面図である。
【図１８】本発明の実施の形態３に係る配線層ビアランド及び配線の一例を示す拡大平面図である。
【図１９】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２２】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２３】従来の半導体装置を示す平面図である。
【図２４】図２３の点線で囲った部分Ｄを拡大した平面図である。
【図２５】従来の配線層ビアランド及び配線を示す断面図である。
【図２６】従来の方法により配線基板へ半導体チップをフリップチップ接続させた状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す一部切欠斜視図である。配線基板１１上に半導体チップ１２がフリップチップ接続されている。配線基板１１と半導体チップ１２との隙間にアンダーフィル樹脂１３が充填されている。配線基板１１上であって半導体チップ１２の外周に半導体チップ１２とは離間して補強リング１４が設けられている。この補強リング１４は、板状の部材の中央に開口部が設けられたものである。開口部の形状は半導体チップ１２の形状に応じて定められている。
【００１７】
半導体チップ１２及び補強リング１４上にヒートスプレッダー１５が接着されている。ヒートスプレッダー１５の形状は配線基板１１の外形とほぼ同じ大きさの薄板状である。このヒートスプレッダー１５により、半導体チップ１２において発生した熱が外部に放散される。
【００１８】
また、配線基板１１の裏面には半田ボール１６が設けられている。この半田ボール１６により、配線基板１１の裏面側の外部電極と実装基板（不図示）とが接合される。そして、配線基板１１及び半田ボール１６を介して、半導体チップ１２と実装基板との間で電源の入力や信号の入出力が行われる。
【００１９】
図２は、図１中のＡ−Ａ線断面による断面構造説明図である。配線基板１１は複数の絶縁層２１が重ねられた多層構造である。各絶縁層２１には複数の配線２３及びビアホール２２が設けられている。異なる絶縁層２１の配線２３がビアホール２２を介して互いに接続されるため、半導体装置の小型化を実現することができる。特に本実施の形態においては、配線基板１１の基材となる厚いコア絶縁層の両面に、薄いビルドアップ絶縁層を３層ずつ積層した構造を有している。コア絶縁層は、ガラスクロスにエポキシ系樹脂を含浸させたプリプレグを用いており、ビルドアップ絶縁層は、エポキシ系樹脂にシリカフィラーが混合された物を用いている。ビルドアップ絶縁層に、ガラスクロスを有する物を用いることもできる。それぞれの絶縁層２１には、上下の配線２３を電気的に接続するためのビアホール２２が形成されている。本実施の形態においては、厚いコア絶縁層については、直径の大きなビアホールが形成され、薄いビルドアップ絶縁層には、直径の小さいビアホールが形成される。
【００２０】
半導体チップ１２の複数の電極（図示せず）は、半田バンプ２４を介してそれぞれ配線基板１１の所定の配線に電気的に接続される。また、半導体チップ１２とヒートスプレッダー１５を接着する接着材２５は、半導体チップ１２へのストレスを和らげるヤング率（Ｅ）の小さいシリコーン系接着材である。一方、配線基板１１と補強リング１４、及びヒートスプレッダー１５と補強リング１４を接着する接着材２６は、耐熱性がよく、コスト的にメリットのあるエポキシ系接着材である。
【００２１】
なお、配線基板１１の材料には、エポキシ系樹脂及び（又は）テトラフルオロエチレン系樹脂を用いる。ここで、エポキシ系樹脂とは、エポキシ系樹脂にガラス繊維またはアクリル樹脂などを混入させたものをいう。テトラフルオロエチレン系樹脂とは、テトラフルオロエチレン樹脂にアクリル樹脂などを混入させたものをいう。
【００２２】
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製法について説明する。まず、図３に示すように、半導体チップ１２の電極上にチップ側半田バンプ２４ａを設け、配線基板１１の配線上に基板側半田バンプ２４ｂを設ける。
【００２３】
次に、図４に示すように、配線基板１１上に半導体チップ１２を載置し、チップ側半田バンプ２４ａと基板側半田バンプ２４ｂを接触させた状態でスクラブをかけながら加熱する。その結果、チップ側半田バンプ２４ａ及び基板側半田バンプ２４ｂが溶け、両者は半田バンプ２４として一体となる。半田バンプ２４により、半導体チップ１２に含まれる電極と配線基板１１の複数の配線とが電気的に接続される。半田バンプ２４の材料は、例えばＰｂの含有量が０．１ｗｔ％以下と、非常に少ないＰｂフリー半田が用いられ、本実施の形態においては、Ｓｎ−１ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕ組成の半田が用いられる。ただし、半田バンプ２４の組成については、前述の物に限らない。特に、Ｐｂフリー半田においては、半田の弾性率が高くなる傾向にあるため、配線基板に生じる内部応力が大きくなる傾向がある。従って、後述の配線基板の断線対策が重要となる。
【００２４】
次に、図５に示すように、配線基板１１と半導体チップ１２との隙間にアンダーフィル樹脂１３を充填して固め、半導体チップ１２を配線基板１１に密着させた状態で固定する。そして、図６に示すように、接着材２６により配線基板１１に補強リング１４を接着する。
【００２５】
次に、図７に示すように、半導体チップ１２上に接着材２５を塗布する。そして、図８に示すように、補強リング１４上にフィルム状の接着材２６を貼り付けて、半導体チップ１２及び補強リング１４上にヒートスプレッダー１５を接着させる。補強リング１４について、あらかじめ両面に接着材２６が貼り付けられている物を、配線基板１１上に搭載するようにしても良い。
【００２６】
最後に、図９に示すように、配線基板１１の裏面に形成された外部電極上に半田ボール１６を設ける。以上の工程により、図１，２に示す半導体装置が製造される。半田ボール１６の組成は、これに限る物ではないが、Ｐｂフリー半田で構成される。本実施の形態においては、その組成はＳｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕとなっている。
【００２７】
また、図１０に示すように、補強リング１４とヒートスプレッダー１５が接着材２６を介さずに金属板で一体に成型されたものを用いても良い。図１１に示すように、補強リング１４、および接着材２６を用いない構成にすることも可能である。補強リング１４を有する構成において、補強リング１４と半導体チップ１２との間の領域で、配線基板１１にかかる内部応力が大きくなる傾向にある。すなわち、配線基板１１に比較して、熱膨張係数の小さい半導体チップ１２が、アンダーフィル樹脂１３で配線基板１１上に固定されており、かつ、半導体チップ１２の周囲で、補強リング１４が配線基板１１上に固定されており、かつ、半導体チップ１２と、補強リング１４との間で、配線基板１１表面に対する固定が弱くなる領域が生じる場合に、この部分に応力が集中する傾向にある。また、こうした応力は、半導体チップ１２の対角線の延長線とその近傍の領域で大きくなる傾向にある。このような場合に、この領域での配線の断線対策が特に重要となる。
【００２８】
図１２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す平面図であり、図１３は、図１２の点線で囲った部分Ｂを拡大した平面図である。配線基板１１上に配線３１と配線層ビアランド３２が設けられている。配線３１は配線層ビアランド３２と半導体チップ１２とを接続している。配線層ビアランド３２は、半導体チップ１２と補強リング１４との間であって、半導体チップ１２の対角線の延長線から１ｍｍ以内の領域に設けられているものがある。
【００２９】
図１４は、本発明の実施の形態１に係る配線層ビアランドから引き出された配線を示す拡大平面図であり、図１５は図１４のＣ−Ｃ´における断面図である。配線基板１１上に電源パターン３３及び配線層下面ビアランド３４が設けられ、両者はクリアランス領域３５により互いに離間されている。また、電源パターン３３及び配線層下面ビアランド３４は絶縁膜３６により覆われている。配線層ビアランド３２は絶縁膜３６上に設けられている。配線層下面ビアランド３４と配線層ビアランド３２とは、絶縁膜３６を貫通するビア３７により接続されている。配線層ビアランド３２から引き出された配線３１はクリアランス領域３５の上方を通っている。
【００３０】
ここで、半導体チップ１２と配線基板１１との線膨張係数の差などによる内部応力は、半導体チップ１２の対角線の延長線の方向において最も強くなる。そこで、本実施の形態１では、配線層ビアランド３２からの配線３１の引き出し方向と半導体チップ１２の対角線の延長線との角度θを２０°以上、好ましくは３０°以上とする。これにより、配線層ビアランド３２の近傍、特にクリアランス領域３５の上方において配線３１にかかる内部応力を緩和することができるため、配線層ビアランド３２から引き出された配線３１の断線を防止することができる。
【００３１】
実施の形態２．
図１６は、本発明の実施の形態２に係る配線層ビアランド及び配線の一例を示す拡大平面図であり、図１７は他の例を示す拡大平面図である。図示のように、配線３１は、配線層ビアランド３２との境界から０．２ｍｍ以下のところで折り曲げられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３２】
これにより、配線層ビアランド３２の近傍、特にクリアランス領域３５の上方において配線３１にかかる内部応力を緩和することができるため、配線層ビアランド３２から引き出された配線３１の断線を防止することができる。
【００３３】
実施の形態３．
図１８は、本発明の実施の形態３に係る配線層ビアランド及び配線の一例を示す拡大平面図である。図示のように、クリアランス領域３５の上方における配線３１の幅ｂは、配線３１が最も細くなる部分の幅ａより大きい。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３４】
これにより、内部応力が最も大きくなるクリアランス領域３５の上方において配線３１の強度を向上させることができるため、配線層ビアランド３２から引き出された配線３１の断線を防止することができる。
【００３５】
実施の形態４．
実施の形態４に係る半導体装置の製造方法は、配線基板へ半導体チップをフリップチップ接続させる工程に特徴があり、その他の工程は実施の形態１と同様である。以下、実施の形態４におけるフリップチップ接続について説明する。
【００３６】
まず、図１９に示すように、配線基板１１上に配線３１を形成し、配線基板１１上をソルダレジスト４１で覆い、配線３１を露出させるようにソルダレジスト４１に開口４２を形成する。ここで、ソルダレジスト４１の厚みは２６μｍ、開口４２の幅は１００μｍである。配線基板１１の配線３１上に基板側半田バンプ２４ｂを設け、半導体チップ１２の電極４３にチップ側半田バンプ２４ａを設ける。ステージ４４上に配線基板１１を載置し、ボンディングヘッド４５により半導体チップ１２を真空吸着する。この際、ステージ４４及びボンディングヘッド４５を半田融点より低い所定の予熱温度（１５０℃程度）に加熱しておく。
【００３７】
次に、図２０に示すように、ボンディングヘッド４５を水平方向へ移動して、半導体チップ１２を配線基板１１の上方に位置させる。そして、ボンディングヘッド４５を下降させて基板側半田バンプ２４ｂとチップ側半田バンプ２４ａを接触させる。さらに、基板側半田バンプ２４ｂとチップ側半田バンプ２４ａとが接触した状態で、半導体チップ１２を半田融点以上（２６０℃程度）に加熱し、水平方向又は鉛直方向などへ周期的にスクラブさせながら、配線基板１１に圧接する。これにより、半導体チップ１２と配線基板１１をフラックスレスでフリップチップ接合させることができる。この結果、図２１に示すように、基板側半田バンプ２４ｂとチップ側半田バンプ２４ａが接合されて半田バンプ２４となる。その後、ボンディングヘッド４５による半導体チップ１２の吸着を解除し、ボンディングヘッド４５を上昇させてボンディングを終了させる。
【００３８】
本実施の形態４では、ソルダレジスト４１の厚みを２６μｍ以下にすることで、半田バンプ２４の半田の量が、図２２に示すようなソルダレジスト４１の開口４２の角と電極４３に内接する球の体積よりも小さくなるようにする。これにより、表面張力によって球状になろうとする半田バンプがソルダレジストの開口の角から受ける応力を小さくすることができる。従って、半田バンプのオープン不良を防止することができる。特に、フリップチップ接続させる工程において半導体チップにスクラブをかける場合は半田バンプのオープン不良が生じ易いので、本発明は有効である。
【符号の説明】
【００３９】
１１ 配線基板
１２ 半導体チップ
１３ アンダーフィル樹脂
１４ 補強リング
１５ ヒートスプレッダー
２４ 半田バンプ
３１ 配線
３２ 配線層ビアランド
３３ 電源パターン
３４ 配線層下面ビアランド
３５ クリアランス領域
３６ 絶縁膜
３７ ビア
４１ ソルダレジスト
４２ 開口
４３ 電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配線基板上に半導体チップをフリップチップ接続させた半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
配線基板上に半導体チップをフリップチップ接続させた半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このフリップチップ接続の際に、半導体チップにスクラブをかけることで、フラックスレスでフリップチップ接合させる技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
また、配線基板上には配線が形成され、配線上はソルダレジストで覆われている（例えば、特許文献３参照）。しかし、半導体チップと配線基板は線膨張係数に差があるため、内部応力によって配線基板上の配線の断線が発生するという問題があった。これを解消するために様々な方法が提案されている（例えば、特許文献４〜６参照）。
【０００４】
図２３は、従来の半導体装置を示す平面図である。配線基板１１上に半導体チップ１２がフリップチップ接続されている。配線基板１１と半導体チップ１２との隙間にアンダーフィル樹脂１３が充填されている。配線基板１１上であって半導体チップ１２の外周に半導体チップ１２とは離間して補強リング１４が設けられている。この半導体チップ１２及び補強リング１４上に、半導体チップ１２において発生した熱を外部に放散させるためのヒートスプレッダー（不図示）が接着されている。
【０００５】
図２４は、図２３の点線で囲った部分Ｄを拡大した平面図である。配線基板１１上に配線３１と配線層ビアランド３２が設けられている。配線３１は配線層ビアランド３２と半導体チップ１２とを接続している。配線層ビアランド３２は、半導体チップ１２と補強リング１４との間であって、半導体チップ１２の対角線の延長線から１ｍｍ以内の領域に設けられている。
【０００６】
図２５は、従来の配線層ビアランド及び配線を示す断面図である。配線基板１１上に電源パターン３３及び配線層下面ビアランド３４が設けられ、両者はクリアランス領域３５により互いに離間されている。また、電源パターン３３及び配線層下面ビアランド３４は絶縁膜３６により覆われている。配線層ビアランド３２は絶縁膜３６上に設けられている。配線層下面ビアランド３４と配線層ビアランド３２とは、絶縁膜３６を貫通するビア３７により接続されている。配線層ビアランド３２から引き出された配線３１はクリアランス領域３５の上方を通っている。また、従来の半導体装置において、配線３１は配線層ビアランド３２から半導体チップ１２の対角線の延長線方向とほぼ同様の方向に引き出されていた。
【０００７】
また、図２６は、従来の方法により配線基板へ半導体チップをフリップチップ接続させた状態を示す断面図である。配線基板１１上に配線３１が形成され、配線基板１１上はソルダレジスト４１で覆われ、配線３１を露出させるようにソルダレジスト４１に開口４２が形成されている。配線基板１１の配線３１と半導体チップ１２の電極４３は半田バンプ２４により接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１２８７１２号公報
【特許文献２】特開２０００−３４９１２３号公報
【特許文献３】特開平７−３０７３６３号公報
【特許文献４】特開平１１−１６３２０１号公報
【特許文献５】特開２０００−１８３４６９号公報
【特許文献６】特開２００１−６０６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の半導体装置において、配線層ビアランド３２から引き出された配線３１が、クリアランス領域３５の上方において断線するという問題があった。この問題の要因としては以下のものが考えられる。
１．半導体チップ１２と配線基板１１との線膨張係数の差などによる内部応力は、半導体チップ１２の対角線の延長線から１ｍｍ以内の領域に集中する。
２．半導体チップ１２と補強リング１４との間では、配線基板１１上に補強材が無いため、当該内部応力による配線基板１１の変形が大きくなる。
３． 当該内部応力は、半導体チップ１２の対角線の延長線の方向において最も強くなる。
４．配線３１と配線層ビアランド３２の境界近傍では、配線の太さが急に変わるため当該内部応力が集中する。
５．電源パターン３３と配線層下面ビアランド３４を離間するクリアランス領域３５の上方において当該内部応力が集中する。
【００１０】
また、従来の方法によりフリップチップ接続を行った半導体装置において、図２６の右側に示すように半田バンプ２４のオープン不良が発生するという問題があった。これは、表面張力によって球状になろうとする半田バンプ２４がソルダレジスト４１の開口４２の角から応力を受けたためと考えられる。特に、フリップチップ接続させる工程において半導体チップにスクラブをかける場合は半田バンプのオープン不良が生じ易い。
【００１１】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の第１の目的は、配線層ビアランドから引き出された配線の断線を防止することができる半導体装置を得るものである。
【００１２】
本発明の第２の目的は、半田バンプのオープン不良を防止することができる半導体装置の製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一実施例に係る半導体装置の製造方法は、前記配線基板上に配線を形成し、前記配線基板上をソルダレジストで覆い、前記配線を露出させるように前記ソルダレジストに開口を形成する工程と、前記配線基板の配線と半導体チップの電極とを半田バンプを介して接続させることで、前記配線基板上に前記半導体チップをフリップチップ接続させる工程とを有し、前記半田バンプの半田の量を、前記ソルダレジストの開口の角と前記電極に内接する球の体積よりも小さくすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この実施例によれば、半田バンプのオープン不良を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す一部切欠斜視図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線断面による断面構造説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の他の例を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の更に他の例を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す平面図である。
【図１３】図１２の点線で囲った部分Ｂを拡大した平面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１に係る配線層ビアランドから引き出された配線を示す拡大平面図である。
【図１５】図１４のＣ−Ｃ´における断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る配線層ビアランド及び配線の一例を示す拡大平面図である。
【図１７】本発明の実施の形態２に係る配線層ビアランド及び配線の他の例を示す拡大平面図である。
【図１８】本発明の実施の形態３に係る配線層ビアランド及び配線の一例を示す拡大平面図である。
【図１９】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２２】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図２３】従来の半導体装置を示す平面図である。
【図２４】図２３の点線で囲った部分Ｄを拡大した平面図である。
【図２５】従来の配線層ビアランド及び配線を示す断面図である。
【図２６】従来の方法により配線基板へ半導体チップをフリップチップ接続させた状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す一部切欠斜視図である。配線基板１１上に半導体チップ１２がフリップチップ接続されている。配線基板１１と半導体チップ１２との隙間にアンダーフィル樹脂１３が充填されている。配線基板１１上であって半導体チップ１２の外周に半導体チップ１２とは離間して補強リング１４が設けられている。この補強リング１４は、板状の部材の中央に開口部が設けられたものである。開口部の形状は半導体チップ１２の形状に応じて定められている。
【００１７】
半導体チップ１２及び補強リング１４上にヒートスプレッダー１５が接着されている。ヒートスプレッダー１５の形状は配線基板１１の外形とほぼ同じ大きさの薄板状である。このヒートスプレッダー１５により、半導体チップ１２において発生した熱が外部に放散される。
【００１８】
また、配線基板１１の裏面には半田ボール１６が設けられている。この半田ボール１６により、配線基板１１の裏面側の外部電極と実装基板（不図示）とが接合される。そして、配線基板１１及び半田ボール１６を介して、半導体チップ１２と実装基板との間で電源の入力や信号の入出力が行われる。
【００１９】
図２は、図１中のＡ−Ａ線断面による断面構造説明図である。配線基板１１は複数の絶縁層２１が重ねられた多層構造である。各絶縁層２１には複数の配線２３及びビアホール２２が設けられている。異なる絶縁層２１の配線２３がビアホール２２を介して互いに接続されるため、半導体装置の小型化を実現することができる。特に本実施の形態においては、配線基板１１の基材となる厚いコア絶縁層の両面に、薄いビルドアップ絶縁層を３層ずつ積層した構造を有している。コア絶縁層は、ガラスクロスにエポキシ系樹脂を含浸させたプリプレグを用いており、ビルドアップ絶縁層は、エポキシ系樹脂にシリカフィラーが混合された物を用いている。ビルドアップ絶縁層に、ガラスクロスを有する物を用いることもできる。それぞれの絶縁層２１には、上下の配線２３を電気的に接続するためのビアホール２２が形成されている。本実施の形態においては、厚いコア絶縁層については、直径の大きなビアホールが形成され、薄いビルドアップ絶縁層には、直径の小さいビアホールが形成される。
【００２０】
半導体チップ１２の複数の電極（図示せず）は、半田バンプ２４を介してそれぞれ配線基板１１の所定の配線に電気的に接続される。また、半導体チップ１２とヒートスプレッダー１５を接着する接着材２５は、半導体チップ１２へのストレスを和らげるヤング率（Ｅ）の小さいシリコーン系接着材である。一方、配線基板１１と補強リング１４、及びヒートスプレッダー１５と補強リング１４を接着する接着材２６は、耐熱性がよく、コスト的にメリットのあるエポキシ系接着材である。
【００２１】
なお、配線基板１１の材料には、エポキシ系樹脂及び（又は）テトラフルオロエチレン系樹脂を用いる。ここで、エポキシ系樹脂とは、エポキシ系樹脂にガラス繊維またはアクリル樹脂などを混入させたものをいう。テトラフルオロエチレン系樹脂とは、テトラフルオロエチレン樹脂にアクリル樹脂などを混入させたものをいう。
【００２２】
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製法について説明する。まず、図３に示すように、半導体チップ１２の電極上にチップ側半田バンプ２４ａを設け、配線基板１１の配線上に基板側半田バンプ２４ｂを設ける。
【００２３】
次に、図４に示すように、配線基板１１上に半導体チップ１２を載置し、チップ側半田バンプ２４ａと基板側半田バンプ２４ｂを接触させた状態でスクラブをかけながら加熱する。その結果、チップ側半田バンプ２４ａ及び基板側半田バンプ２４ｂが溶け、両者は半田バンプ２４として一体となる。半田バンプ２４により、半導体チップ１２に含まれる電極と配線基板１１の複数の配線とが電気的に接続される。半田バンプ２４の材料は、例えばＰｂの含有量が０．１ｗｔ％以下と、非常に少ないＰｂフリー半田が用いられ、本実施の形態においては、Ｓｎ−１ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕ組成の半田が用いられる。ただし、半田バンプ２４の組成については、前述の物に限らない。特に、Ｐｂフリー半田においては、半田の弾性率が高くなる傾向にあるため、配線基板に生じる内部応力が大きくなる傾向がある。従って、後述の配線基板の断線対策が重要となる。
【００２４】
次に、図５に示すように、配線基板１１と半導体チップ１２との隙間にアンダーフィル樹脂１３を充填して固め、半導体チップ１２を配線基板１１に密着させた状態で固定する。そして、図６に示すように、接着材２６により配線基板１１に補強リング１４を接着する。
【００２５】
次に、図７に示すように、半導体チップ１２上に接着材２５を塗布する。そして、図８に示すように、補強リング１４上にフィルム状の接着材２６を貼り付けて、半導体チップ１２及び補強リング１４上にヒートスプレッダー１５を接着させる。補強リング１４について、あらかじめ両面に接着材２６が貼り付けられている物を、配線基板１１上に搭載するようにしても良い。
【００２６】
最後に、図９に示すように、配線基板１１の裏面に形成された外部電極上に半田ボール１６を設ける。以上の工程により、図１，２に示す半導体装置が製造される。半田ボール１６の組成は、これに限る物ではないが、Ｐｂフリー半田で構成される。本実施の形態においては、その組成はＳｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕとなっている。
【００２７】
また、図１０に示すように、補強リング１４とヒートスプレッダー１５が接着材２６を介さずに金属板で一体に成型されたものを用いても良い。図１１に示すように、補強リング１４、および接着材２６を用いない構成にすることも可能である。補強リング１４を有する構成において、補強リング１４と半導体チップ１２との間の領域で、配線基板１１にかかる内部応力が大きくなる傾向にある。すなわち、配線基板１１に比較して、熱膨張係数の小さい半導体チップ１２が、アンダーフィル樹脂１３で配線基板１１上に固定されており、かつ、半導体チップ１２の周囲で、補強リング１４が配線基板１１上に固定されており、かつ、半導体チップ１２と、補強リング１４との間で、配線基板１１表面に対する固定が弱くなる領域が生じる場合に、この部分に応力が集中する傾向にある。また、こうした応力は、半導体チップ１２の対角線の延長線とその近傍の領域で大きくなる傾向にある。このような場合に、この領域での配線の断線対策が特に重要となる。
【００２８】
図１２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す平面図であり、図１３は、図１２の点線で囲った部分Ｂを拡大した平面図である。配線基板１１上に配線３１と配線層ビアランド３２が設けられている。配線３１は配線層ビアランド３２と半導体チップ１２とを接続している。配線層ビアランド３２は、半導体チップ１２と補強リング１４との間であって、半導体チップ１２の対角線の延長線から１ｍｍ以内の領域に設けられているものがある。
【００２９】
図１４は、本発明の実施の形態１に係る配線層ビアランドから引き出された配線を示す拡大平面図であり、図１５は図１４のＣ−Ｃ´における断面図である。配線基板１１上に電源パターン３３及び配線層下面ビアランド３４が設けられ、両者はクリアランス領域３５により互いに離間されている。また、電源パターン３３及び配線層下面ビアランド３４は絶縁膜３６により覆われている。配線層ビアランド３２は絶縁膜３６上に設けられている。配線層下面ビアランド３４と配線層ビアランド３２とは、絶縁膜３６を貫通するビア３７により接続されている。配線層ビアランド３２から引き出された配線３１はクリアランス領域３５の上方を通っている。
【００３０】
ここで、半導体チップ１２と配線基板１１との線膨張係数の差などによる内部応力は、半導体チップ１２の対角線の延長線の方向において最も強くなる。そこで、本実施の形態１では、配線層ビアランド３２からの配線３１の引き出し方向と半導体チップ１２の対角線の延長線との角度θを２０°以上、好ましくは３０°以上とする。これにより、配線層ビアランド３２の近傍、特にクリアランス領域３５の上方において配線３１にかかる内部応力を緩和することができるため、配線層ビアランド３２から引き出された配線３１の断線を防止することができる。
【００３１】
実施の形態２．
図１６は、本発明の実施の形態２に係る配線層ビアランド及び配線の一例を示す拡大平面図であり、図１７は他の例を示す拡大平面図である。図示のように、配線３１は、配線層ビアランド３２との境界から０．２ｍｍ以下のところで折り曲げられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３２】
これにより、配線層ビアランド３２の近傍、特にクリアランス領域３５の上方において配線３１にかかる内部応力を緩和することができるため、配線層ビアランド３２から引き出された配線３１の断線を防止することができる。
【００３３】
実施の形態３．
図１８は、本発明の実施の形態３に係る配線層ビアランド及び配線の一例を示す拡大平面図である。図示のように、クリアランス領域３５の上方における配線３１の幅ｂは、配線３１が最も細くなる部分の幅ａより大きい。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００３４】
これにより、内部応力が最も大きくなるクリアランス領域３５の上方において配線３１の強度を向上させることができるため、配線層ビアランド３２から引き出された配線３１の断線を防止することができる。
【００３５】
実施の形態４．
実施の形態４に係る半導体装置の製造方法は、配線基板へ半導体チップをフリップチップ接続させる工程に特徴があり、その他の工程は実施の形態１と同様である。以下、実施の形態４におけるフリップチップ接続について説明する。
【００３６】
まず、図１９に示すように、配線基板１１上に配線３１を形成し、配線基板１１上をソルダレジスト４１で覆い、配線３１を露出させるようにソルダレジスト４１に開口４２を形成する。ここで、ソルダレジスト４１の厚みは２６μｍ、開口４２の幅は１００μｍである。配線基板１１の配線３１上に基板側半田バンプ２４ｂを設け、半導体チップ１２の電極４３にチップ側半田バンプ２４ａを設ける。ステージ４４上に配線基板１１を載置し、ボンディングヘッド４５により半導体チップ１２を真空吸着する。この際、ステージ４４及びボンディングヘッド４５を半田融点より低い所定の予熱温度（１５０℃程度）に加熱しておく。
【００３７】
次に、図２０に示すように、ボンディングヘッド４５を水平方向へ移動して、半導体チップ１２を配線基板１１の上方に位置させる。そして、ボンディングヘッド４５を下降させて基板側半田バンプ２４ｂとチップ側半田バンプ２４ａを接触させる。さらに、基板側半田バンプ２４ｂとチップ側半田バンプ２４ａとが接触した状態で、半導体チップ１２を半田融点以上（２６０℃程度）に加熱し、水平方向又は鉛直方向などへ周期的にスクラブさせながら、配線基板１１に圧接する。これにより、半導体チップ１２と配線基板１１をフラックスレスでフリップチップ接合させることができる。この結果、図２１に示すように、基板側半田バンプ２４ｂとチップ側半田バンプ２４ａが接合されて半田バンプ２４となる。その後、ボンディングヘッド４５による半導体チップ１２の吸着を解除し、ボンディングヘッド４５を上昇させてボンディングを終了させる。
【００３８】
本実施の形態４では、ソルダレジスト４１の厚みを２６μｍ以下にすることで、半田バンプ２４の半田の量が、図２２に示すようなソルダレジスト４１の開口４２の角と電極４３に内接する球の体積よりも小さくなるようにする。これにより、表面張力によって球状になろうとする半田バンプがソルダレジストの開口の角から受ける応力を小さくすることができる。従って、半田バンプのオープン不良を防止することができる。特に、フリップチップ接続させる工程において半導体チップにスクラブをかける場合は半田バンプのオープン不良が生じ易いので、本発明は有効である。
【符号の説明】
【００３９】
１１ 配線基板
１２ 半導体チップ
１３ アンダーフィル樹脂
１４ 補強リング
１５ ヒートスプレッダー
２４ 半田バンプ
３１ 配線
３２ 配線層ビアランド
３３ 電源パターン
３４ 配線層下面ビアランド
３５ クリアランス領域
３６ 絶縁膜
３７ ビア
４１ ソルダレジスト
４２ 開口
４３ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前記配線基板上に配線を形成し、前記配線基板上をソルダレジストで覆い、前記配線を露出させるように前記ソルダレジストに開口を形成する工程と、
前記配線基板の配線と半導体チップの電極とを半田バンプを介して接続させることで、前記配線基板上に前記半導体チップをフリップチップ接続させる工程とを有し、
前記半田バンプの半田の量を、前記ソルダレジストの開口の角と前記電極に内接する球の体積よりも小さくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記配線基板上に前記半導体チップをフリップチップ接続させる工程において、前記半導体チップにスクラブをかけることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記半導体チップの周囲の前記配線基板上に接着された補強リングを有しており、前記配線層ビアランドが、前記半導体チップと前記補強リングとの間の領域に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
前記配線基板上に配線を形成し、前記配線基板上をソルダレジストで覆い、前記配線を露出させるように前記ソルダレジストに開口を形成する工程と、
前記配線基板の配線と半導体チップの電極とを半田バンプを介して接続させることで、前記配線基板上に前記半導体チップをフリップチップ接続させる工程とを有し、
前記半田バンプの半田の量を、前記ソルダレジストの開口の角と前記電極に内接する球の体積よりも小さくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記配線基板上に前記半導体チップをフリップチップ接続させる工程において、前記半導体チップにスクラブをかけることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記半導体チップの周囲の前記配線基板上に接着された補強リングを有しており、前記配線層ビアランドが、前記半導体チップと前記補強リングとの間の領域に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２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１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１１−２１１２４３（Ｐ２０１１−２１１２４３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４１５９（Ｐ２０１１−１６４１５９）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【分割の表示】特願２００７−１０２６２（Ｐ２００７−１０２６２）の分割
【原出願日】平成１９年１月１９日（２００７．１．１９）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【分割の表示】特願２００７−１０２６２（Ｐ２００７−１０２６２）の分割
【原出願日】平成１９年１月１９日（２００７．１．１９）
【出願人】（３０２０６２９３１）ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Ｆターム（参考）】
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