半導体装置及びその製造方法
【課題】回路基板上に半導体素子を搭載した半導体装置及びその製造方法に関し、回路基板やヒートスプレッダから半導体素子へ加わる応力を効果的に緩和する半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
回路基板３０と、一方の面上に突起状端子２２を有し、回路基板３０に、突起状端子２２を介して電気的に接続された半導体素子１０と、半導体素子１０の他方の面上に接合層２４を介して形成され、回路基板３０に固定された封止用蓋体３６とを有し、突起状端子２２及び前記接合層２４の少なくとも一方が、弾性体により構成されている。
【解決手段】
回路基板３０と、一方の面上に突起状端子２２を有し、回路基板３０に、突起状端子２２を介して電気的に接続された半導体素子１０と、半導体素子１０の他方の面上に接合層２４を介して形成され、回路基板３０に固定された封止用蓋体３６とを有し、突起状端子２２及び前記接合層２４の少なくとも一方が、弾性体により構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板上に半導体素子を搭載した半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品実装の高密度化への要求が年々強くなっている現在、ベアチップ実装方式が注目されている。このベアチップ実装における接続構造は、ワイヤボンディング法によるフェイスアップ実装から、半導体素子の電極上に形成したはんだバンプ、Ａｕスタッドバンプ、カーボンナノチューブなど突起状電極を用いて回路基板とを直接接続するフェイスダウン実装へと変化してきている。このフェイスダウン実装は、ワイヤボンディングに比べて接続端子間の距離を短くすることが可能となることから、多端子での接続を実現し、大容量の信号を高速で伝達できるなど電気的な特徴に優れた接続方式である。
【０００３】
フェイスダウン実装の場合、突起電極を用いて回路基板に接続した後、半導体素子と基板との間にアンダーフィル接着材を充填し、突起電極に加わる応力を分散させる方法が一般的に採用されている。素子を接続した後は、半導体素子からの熱を分散させ素子発熱による信頼性の低下を抑えるため、熱伝導性を有する樹脂、例えばシリカフィラー、金属フィラーを含むエポキシ系の接着剤、或いはＳｎＰｂやＩｎＡｇなどのような金属材料を介してヒートスプレッダが半導体素子の背面に固定される。このヒートスプレッダは、その端部で回路基板に固定されることになる。
【０００４】
上述したように、従来の半導体装置における半導体素子は、回路基板とヒートスプレッダの間に介在し、両者に何らかの方法で強固に接続されているサンドイッチ構造となっている。それ故に、半導体素子は回路基板、ヒートスプレッダの熱膨張による歪み、反りなどの影響を大きく受けることになる。
【０００５】
また最近では、カーボンナノチューブを用いて半導体素子と回路基板との間の接点接続を行う方法も開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００７−３１１７００号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１６３３号公報
【特許文献３】特開２００６−２９０７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記いずれの場合にも、半導体素子と半導体素子を搭載する回路基板とは何らかの樹脂で接合されており、前述と同様に熱膨張差による応力が発生することになる。
【０００７】
前述したように、半導体素子は回路基板とヒートスプレッダの両者の間に介在する構造となっており、回路基板、ヒートスプレッダの熱膨張による歪み、反りなどの影響を大きく受ける。特に近年では、高機能化、高密度化、低コスト化の流れの中で、回路基板内の銅配線密度が高まっている。銅の熱膨張係数は１７ｐｐｍ／℃と高い故に、回路基板の熱膨張係数も、半導体素子の４ｐｐｍ／℃に比べて拡大する傾向にある。一方、ヒートスプレッダとして用いられる高放熱板は、やはり低コスト化の要求からＣｕ、Ａｌ（熱膨張２３．５ｐｐｍ／℃）等が使用されるようになり、回路基板と同様に半導体素子との熱膨張係数のミスマッチは拡大している。このような構成体に囲まれた半導体素子は、実稼働環境において多大なストレスを受けることとなり、半導体素子の割れ、接合部の破壊などの劣化を招くという課題があり、信頼性を十分に満足させることが不可能であった。
【０００８】
本発明の目的は、回路基板やヒートスプレッダから半導体素子へ加わる応力を効果的に緩和することができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、回路基板と、一方の面上に突起状端子を有し、前記回路基板に、突起状端子を介して電気的に接続された半導体素子と、前記半導体素子の他方の面上に接合層を介して形成され、前記回路基板に固定された封止用蓋体とを有し、前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方が、弾性体により構成されている半導体装置が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の観点によれば、半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、前記半導体素子の他方の面上に、接合層を介して封止用蓋体を接着する工程と、前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記封止用蓋体を前記回路基板に固定する工程とを有し、前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方を、弾性体により形成する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
また、本発明の更に他の観点によれば、半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記半導体素子を前記回路基板に搭載する工程と、前記半導体素子の他方の面上に、ゲル状の弾力性組成物よりなる接合層を形成する工程と、前記半導体素子が搭載された前記回路基板に、前記接合層を介して前記半導体素子と接合されるように、封止用蓋体を固定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】
【００１２】
本発明によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間及び半導体素子と回路基板との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、応力緩和層及び突起状端子により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子に加わる応力を低減することができ、半導体素子の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００１３】
また、ヒートスプレッダに半導体素子をダイボンドした後に回路基板に位置合わせし、ヒートスプレッダを固定する工程とすることには、半導体素子と回路基板とが相互に拘束されにくい構造を位置ずれすることなく実現できるというメリットがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による半導体装置及びその製造方法について図１乃至図３を用いて説明する。
【００１５】
図１は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図２及び図３は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００１６】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図１を用いて説明する。
【００１７】
回路基板３０上には、パッド電極３２が形成されている。回路基板３０上には、枠体３４及び蓋体２６とからなるヒートスプレッダ３６が形成されている。蓋体２６の内側には、応力緩和層２４によって半導体素子１０が接着されている。半導体素子１０とパッド電極３２とは、半導体素子１０の表面に垂直な方向に配向したカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２によって電気的に接続されている。
【００１８】
このように、本実施形態による半導体装置は、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に接合層である応力緩和層２４が形成されており、半導体素子１０と回路基板３０と電気的接続がカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２により行われている。応力緩和層２４及びカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２は、弾性的な性質を有している。このため、半導体素子１０は、ヒートスプレッダ３６及び回路基板３０のいずれにも拘束されていない。
【００１９】
このようにして半導体装置を構成することにより、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間及び半導体素子１０と回路基板３０との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、応力緩和層２４及び突起状端子２２により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子１０に加わる応力を低減することができ、半導体素子１０の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００２０】
応力緩和層２４を構成する弾力性組成物としては、例えばシリコーン系の樹脂やウレタンゴム系樹脂などのゲル状体を用いることができる。特にシリコーン系の樹脂は、硬化後も適度な弾性力を有し、硬化条件によってゲル状とすることが可能である。ある一定の保持力を有し、なおかつ、大きな荷重が加わった場合には弾性体自身の変形作用によって応力を緩和させることが可能である。
【００２１】
応力緩和層２４として適度な弾性力は、１０〜８００ＭＰａ、より好ましくは１００〜４００ＭＰａであり、通常のエポキシ系接着剤の約半分の弾性率である。
【００２２】
応力緩和層２４には、種々の添加物を添加してもよい。例えば、高い熱伝導性を付与するために、セラミックフィラー、金属フィラー、カーボンフィラーなどの熱伝導体を添加することができる。応力緩和層２４に添加するフィラーの添加量は、１０〜７０ｗｔ％とすることが望ましい。１０ｗｔ％未満の添加量ではフィラーの添加の効果が十分に得られず、７０ｗｔ％を超えるフィラーを添加すると弾性率が高くなりすぎて応力緩和層２４による応力緩和効果が十分に得られないからである。
【００２３】
カーボンナノチューブを用いる利点としては、１本１本がナノサイズのワイヤーであり、はんだバンプや金バンプなどと比較して高い弾性力を有することが挙げられる。これにより、突起状端子２２に、弾性体としての性質を付与することができる。
【００２４】
但し、突起状端子２２としては、カーボンナノチューブの代わりに、はんだバンプや金バンプなどの他の突起状構造体を用いてもよい。この場合、カーボンナノチューブを用いる場合と比較すると応力を吸収する効果は小さくなるが、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に形成されている応力緩和層２４によって、半導体素子１０と回路基板３０との間に加わる応力を間接的に低減することができる。
【００２５】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図２及び図３を用いて説明する。
【００２６】
半導体素子１０は、例えば図２（ａ）に示すように、表面に多数のトランジスタその他の素子や多層配線層が形成された基板１２と、その最上層に形成されたパッド電極１４と、基板１４及びパッド電極１４の上に形成されたパッシベーション膜１６とを含む。パッシベーション膜１６には、パッド電極１４の一部の領域を露出する開口部が形成されている。
【００２７】
この半導体素子１０のパッド電極１４上に、例えばリフトオフ法により、例えば膜厚５ｎｍのＡｌ（アルミニウム）膜１８と、例えば膜厚２ｎｍのＦｅ（鉄）膜２０とを選択的に形成する（図２（ｂ））。Ａｌ膜１８及びＦｅ膜２０は、例えばスパッタ法により堆積することができる。
【００２８】
次いで、Ｆｅ膜２０を触媒として、Ｆｅ膜２０上に、例えばＣＶＤ法により、カーボンナノチューブを成長し、カーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２を形成する（図２（ｃ））。カーボンナノチューブの成長は、例えば、原料ガスとしてアセチレン、メタン等の炭化水素系ガス、エタノール、メタノール等のアルコール系原料を用い、例えば１００Ｐａの圧力において、３００〜７００℃、例えば６００℃の成長温度で成長することができる。カーボンナノチューブの長さは、成長時間によって制御することができ、ここでは、例えば１００μｍとする。
【００２９】
或いは、半導体素子１０のパッド電極１４上にはんだ或いは導電性微粒子を含む接着剤をあらかじめ形成しておき、別の基板（例えばシリコン基板）上に成長したカーボンナノチューブを半導体素子１０のパッド電極１４上に押し当て、前記はんだ或いは接着剤でパッド電極１４上に固定し、基板を取り外すことにより、カーボンナノチューブの束をパッド電極１４上に転写するようにしてもよい。
【００３０】
なお、上記の例では、カーボンナノチューブの成長に用いる触媒金属としてＦｅ膜２０を用いたが、他の材料を触媒として用いてもよい。例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）等の遷移金属を含んだ触媒からなる膜を用いてもよい。また、これらの触媒は、薄膜状にしてもよいし、微粒子状にしてもよい。また、ゼオライト等の担持材料中に触媒を含ませてもよいし、触媒となる金属元素を含んだフェリチン等のタンパク質の自己組織的配列を活用してもよい。
【００３１】
こうして、半導体素子１０のパッド電極１４上に、カーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２を形成する。
【００３２】
なお、ここでは突起状端子２２としてカーボンナノチューブを用いる例を示したが、突起状端子２２としては、はんだバンプや金バンプなどの他の突起状構造体を用いてもよい。カーボンナノチューブを用いる利点としては、１本１本がナノサイズのワイヤーであり、はんだバンプや金バンプの場合と比較して高い弾性力を有することが挙げられる。
【００３３】
次いで、例えばスクリーン印刷により、蓋体２６上に、応力緩和層２４を形成する（図３（ａ））。蓋体２６は、半導体素子１０から発せられる熱を放散させるヒートスプレッダとして機能するものであり、高い熱伝導性を有する材料、例えばＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）により構成することができる。応力緩和層２４を構成する弾性材料としては、例えばシリコーン系の樹脂やウレタンゴム系樹脂などのゲル状体を用いることができる。特にシリコーン系の樹脂は、硬化後も適度な弾性力を有し、硬化条件によってゲル状とすることが可能である。ある一定の保持力を有し、なおかつ、大きな荷重が加わった場合には弾性体自身の変形作用によって応力を緩和させることが可能である。
【００３４】
応力緩和層２４には、種々の添加物を添加してもよい。例えば、高い熱伝導性を付与するために、セラミックフィラー、金属フィラー、カーボンフィラーなどの熱伝導体を添加することができる。応力緩和層２４に添加するフィラーの添加量は、１０〜７０ｗｔ％とすることが望ましい。１０ｗｔ％未満の添加量ではフィラーの添加の効果が十分に得られず、７０ｗｔ％を超えるフィラーを添加すると弾性率が高くなりすぎて応力緩和層２４による応力緩和効果が十分に得られないからである。
【００３５】
次いで、応力緩和層２４を形成した蓋体２６上に、半導体素子１０の裏面が応力緩和層２４に接するように接着する。これにより、半導体素子１０は、応力緩和層２４を介して蓋体に接着される（図３（ｂ））。
【００３６】
次いで、所定の熱処理を行い、応力緩和層２４を硬化させる。例えば、応力緩和層２４としてシリコーン系の樹脂を用いる場合、硬化剤の添加量で応力緩和層２４の弾性力を制御することができる。
【００３７】
例えば、応力緩和層２４としてシリコーン樹脂を用いる場合、シリコーン樹脂１００ｇに対して、２ｇの硬化剤を添加することにより５０ＭＰａの弾性力を得ることができ、５ｇの硬化剤を添加することにより１２０ＭＰａの弾性力を得ることができ、１０ｇの硬化剤を添加することにより２８０ＭＰａの弾性力を得ることができる。
【００３８】
或いは、応力緩和層２４としてウレタン系樹脂を用いる場合、ウレタン系樹脂１００ｇに対して、２０ｇの硬化剤を添加することにより１５０ＭＰａの弾性力を得ることができ、４０ｇの硬化剤を添加することにより３１０ＭＰａの弾性力を得ることができ、７０ｇの硬化剤を添加することにより５００ＭＰａの弾性力を得ることができる。
【００３９】
一方、半導体素子１０を搭載するための回路基板３０には、半導体素子１０の突起状端子２２を接続するためのパッド電極３２と、蓋体２６を固定するための枠体３４とが形成されている。枠体３４は、蓋体２６とともに半導体素子１０から発せられる熱を放散させるヒートスプレッダとして機能するものであり、高い熱伝導性を有する材料、例えばＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）により構成することができる。
【００４０】
この回路基板３０上に、半導体素子１０の突起状端子２２と回路基板３０のパッド電極３２とが向き合うように半導体素子１０を位置合わせし、回路基板３０の枠体３４と蓋体２６とを加圧接合する。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される（図３（ｃ）〜図３（ｄ））。蓋体２６と枠体３４との接合には、接着材を用いてもよいし、ねじ止めをしてもよい。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される。なお、本願明細書では、蓋体２６を単独で、或いは蓋体２６及び枠体３４を一括して、封止用蓋体と呼ぶこともある。
【００４１】
この際、半導体素子１０と蓋体２６との間には、弾性体よりなる応力緩和層２４が形成されている。また、突起状端子２２は弾性力を有するカーボンナノチューブにより構成されている。これにより、突起状端子２２及び応力緩和層２４により、蓋体２６と枠体３４とを接合する際に半導体素子１０に加わる応力を緩和することができる。
【００４２】
また、カーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２は、蓋体２６の接合の際の圧力によって撓む。これにより、突起状端子２２から半導体素子１０方向及びパッド電極３２方向にカーボンナノチューブによる弾性力が作用し、半導体素子１０と回路基板３０との間の電気的接続を確実にすることができる。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間にゲル状の弾力性組成物よりなる応力緩和層を設け、半導体素子と回路基板との接続にカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子を用いるので、半導体素子とヒートスプレッダとの間及び半導体素子と回路基板との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、応力緩和層及び突起状端子により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子に加わる応力を低減することができ、半導体素子の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００４４】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による半導体装置及びその製造方法について図４及び図５を用いて説明する。なお、図１乃至図３に示す第１実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【００４５】
図４は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図５は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００４６】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図４を用いて説明する。
【００４７】
本実施形態による半導体装置は、応力緩和層２４の代わりにエポキシ樹脂などよりなる一般的な接着剤層２８を用いている他は、第１実施形態による半導体装置と同様である。
【００４８】
第１実施形態では、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に応力緩和層２４を設けることにより、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に加わる応力を緩和し、突起状端子２２としてカーボンナノチューブの束を用いることにより、半導体素子１０と回路基板３０との間に応力を緩和した。しかしながら、応力を緩和する構造体を、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間及び半導体素子１０と回路基板３０との間の少なくとも一方に設けることにより、半導体素子１０へ加わる応力を緩和することができる。
【００４９】
すなわち、本実施形態による半導体装置のように、半導体素子１０と回路基板３０との電気的接続をカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２により行えば、接合層として応力緩和層２４の代わりに弾性率の小さい接着材料を用いた場合にも、半導体素子１０へ加わる応力を緩和することができる。
【００５０】
このようにして半導体装置を構成することにより、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間及び半導体素子１０と回路基板３０との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、突起状端子２２により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子１０に加わる応力を低減することができ、半導体素子１０の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００５１】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図５を用いて説明する。
【００５２】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、半導体素子１０のパッド電極１４上にカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２を形成する。
【００５３】
次いで、例えばスクリーン印刷により、蓋体２６上に、例えばエポキシ系の樹脂などよりなる接着剤層２８を形成する（図５（ａ））。
【００５４】
次いで、接着剤層２８を形成した蓋体２６上に、半導体素子１０の裏面が接着剤層２８に接するように接着する。これにより、半導体素子１０は、接着剤層２８を介して蓋体に接着される（図５（ｂ））。
【００５５】
次いで、所定の熱処理を行い、接着剤層２８を硬化させる。
【００５６】
次いで、回路基板３０上に、半導体素子１０の突起状端子２２と回路基板３０のパッド電極３２とが向き合うように半導体素子１０を位置合わせし、回路基板３０の枠体３４と蓋体２６とを加圧接合する。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される（図５（ｃ）〜図５（ｄ））。蓋体２６と枠体３４との接合には、接着材を用いてもよいし、ねじ止めをしてもよい。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される。
【００５７】
この際、突起状端子２２は、弾性力を有するカーボンナノチューブにより構成されている。これにより、突起状端子２２により、蓋体２６と枠体３４とを接合する際に半導体素子１０に加わる応力を緩和することができる。
【００５８】
また、カーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２は、蓋体２６の接合の際の圧力によって撓む。これにより、突起状端子２２から半導体素子１０方向及びパッド電極３２方向にカーボンナノチューブによる弾性力が作用し、半導体素子１０と回路基板３０との間の電気的接続を確実にすることができる。
【００５９】
このように、本実施形態によれば、半導体素子と回路基板との接続にカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子を用いるので、半導体素子と回路基板との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、応力緩和層及び突起状端子により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子に加わる応力を低減することができ、半導体素子の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００６０】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による半導体装置及びその製造方法について図６乃至図８を用いて説明する。なお、図１乃至図５に示す第１及び第２実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【００６１】
図６は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図７及び図８は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００６２】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図６を用いて説明する。
【００６３】
回路基板３０上には、パッド電極３２が形成されている。回路基板３０上には、枠体３４及び蓋体２６とからなるヒートスプレッダ３６が形成されている。蓋体２６の内側には、応力緩和層２４によって半導体素子１０が接着されている。半導体素子１０とパッド電極３２とは、はんだバンプよりなる突起状端子２２によって電気的に接続されている。半導体素子１０と回路基板３０との間には、アンダーフィル接着剤層３８が形成されている。
【００６４】
このように、本実施形態による半導体装置は、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に応力緩和層２４が形成されている。応力緩和層２４は、弾性的な性質を有している。このため、半導体素子１０は、ヒートスプレッダ３６に拘束されていない。
【００６５】
このようにして半導体装置を構成することにより、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、応力緩和層２４により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子１０に加わる応力を低減することができ、半導体素子１０の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００６６】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図７及び図８を用いて説明する。
【００６７】
まず、半導体素子１０のパッド電極（図示せず）上に、はんだバンプよりなる突起状端子２２を形成する。
【００６８】
次いで、回路基板３０上に、半導体素子１０の突起状端子２２と回路基板３０のパッド電極３２とが向き合うように半導体素子１０を位置合わせし、回路基板３０上に半導体素子１０を搭載する（図７（ａ）〜図７（ｂ））。
【００６９】
次いで、半導体素子１０と回路基板３０との間に接着剤を流し込み、アンダーフィル接着剤層３８を形成する（図７（ｃ））。
【００７０】
次いで、半導体素子１０の裏面に、例えばスクリーン印刷により、応力緩和層２４を形成する（図８（ａ））。
【００７１】
次いで、回路基板３０に形成された枠体３４に位置合わせして、枠体３４と蓋体２６とを加圧接合する。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される（図８（ａ）〜図８（ｂ））。蓋体２６と枠体３４との接合には、接着材を用いてもよいし、ねじ止めをしてもよい。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される。
【００７２】
次いで、所定の熱処理を行い応力緩和層２４を硬化させ、１０〜８００ＭＰａ程度の弾性力を有する応力緩和層２４を形成する。
【００７３】
こうして、本実施形態による半導体装置を製造する。
【００７４】
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間にゲル状の弾力性組成物よりなる応力緩和層を設けるので、半導体素子とヒートスプレッダとの間に加わる熱的ストレスを、応力緩和層により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子に加わる応力を低減することができ、半導体素子の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００７５】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００７６】
例えば、上記第１及び第２実施形態では、半導体素子１０と回路基板との接続をカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２により接続したが、半導体素子１０と回路基板との接続をより強固にするために、半導体素子１０と回路基板との間に、応力緩和層２４と同様の弾性体を充填するようにしてもよい。この層は、アンダーフィル接着剤層と同様の手法により形成することができる。
【００７７】
また、弾力性を有する突起状端子としてカーボンナノチューブを用いた例を説明したが、カーボンナノチューブの代わりに炭素元素からなる他の線状構造体を用いることもできる。このような線状構造体としては、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバが挙げられる。これら線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。
【００７８】
また、上記実施形態に記載の構成材料や製造条件は、当該記載に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。
【実施例】
【００７９】
［実施例１］
封止支持体（蓋体）としてのサイズ４２×４２×１ｍｍの銅板に対して、半導体素子を搭載する１５×１５ｍｍのエリアに、カーボン粒子を６０ｗｔ％添加したシリコーン樹脂を印刷塗布し、応力緩和層を形成した。
【００８０】
この応力緩和層上に、１５×１５ｍｍの半導体素子の背面が対向するように位置合わせをし、搭載した。なお、半導体素子表面のパッド電極部には、予めカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子を形成した。
【００８１】
次いで、半導体素子を搭載した後、１５０℃、３０ｍｉｎの熱処理を行い、シリコーン樹脂を硬化させた。
【００８２】
次いで、回路基板上の蓋体を接合する部分に、銅製の枠体を形成した。
【００８３】
次いで、枠体の上面部にエポキシ系接着シートを配置した後、半導体素子の突起状端子と回路基板のパッド電極とが向き合うように蓋体２６を位置合わせし、蓋体と枠体とを加圧接合した。
【００８４】
このとき、電気的な試験を行い、回路的に問題を確認した後に、回路基板に形成した固定用エポキシシートの硬化温度（１５０℃）まで加熱し、蓋体を回路基板上に固定した。
【００８５】
このようにして組立を行った半導体装置に対して、電気的に問題ないことを確認し、以下の接続信頼性評価を行った。
【００８６】
−５５〜１２５℃の繰り返し温度サイクル試験を２０００サイクル行った結果、抵抗上昇は１０％以下と良好であった。また、１２１℃／８５％ＲＨの環境下で１０００時間放置した結果、サイクル試験と同様に、抵抗上昇は１０％以下と良好であった。
【００８７】
［実施例２］
蓋体としてアルミニウム板を用いる他は実施例１と同様にして半導体装置を組み立て、接続信頼性の評価を行った。
【００８８】
その結果、電気的に良好な接続形態が得られていること、また、信頼性も実施例１と同様に良好であることを確認した。
【００８９】
［実施例３］
半導体素子表面のパッド電極部上に形成する突起上端子としてはんだバンプを用いる他は実施例１と同様にして半導体装置を組み立て、接続信頼性の評価を行った。
【００９０】
その結果、電気的に良好な接続形態が得られていること、また、信頼性も実施例１と同様に良好であることを確認した。
【００９１】
［実施例４］
半導体素子表面のパッド電極部上に形成する突起上端子として金バンプを用いる他は実施例１と同様にして半導体装置を組み立て、接続信頼性の評価を行った。
【００９２】
その結果、電気的に良好な接続形態が得られていること、また、信頼性も実施例１と同様に良好であることを確認した。
【００９３】
［実施例５］
応力緩和層としてウレタンゴム系樹脂を用いる他は実施例１と同様にして半導体装置を組み立て、接続信頼性の評価を行った。
【００９４】
その結果、電気的に良好な接続形態が得られていること、また、信頼性も実施例１と同様に良好であることを確認した。
【００９５】
［比較例］
応力緩和層の代わりにエポキシ系樹脂よりなる接着剤層を用いる他は第３実施形態の半導体装置の製造方法と同様にして半導体装置を組み立て、接続信頼性の評価を行った。
【００９６】
その結果、初期導通は得られたものの、−５５〜１２５℃の繰り返し温度サイクル試験を２０００サイクル行った結果、抵抗上昇が２０％であった。また、１２１℃／８５％ＲＨの環境下で１０００時間放置した結果、抵抗上昇は３０％であった。
【００９７】
以上詳述したように、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【００９８】
（付記１） 回路基板と、
一方の面上に突起状端子を有し、前記回路基板に、突起状端子を介して電気的に接続された半導体素子と、
前記半導体素子の他方の面上に接合層を介して形成され、前記回路基板に固定された封止用蓋体とを有し、
前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方が、弾性体により構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【００９９】
（付記２） 付記１記載の半導体装置において、
前記突起状電極は、炭素元素からなる複数の線状構造体の束により構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【０１００】
（付記３） 付記１又は２記載の半導体装置において、
前記接合層は、ゲル状の弾力性組成物よりなる
ことを特徴とする半導体装置。
【０１０１】
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記接合層は、弾性率が１０〜８００ＭＰａの範囲の弾力性組成物よりなる
ことを特徴とする半導体装置。
【０１０２】
（付記５） 付記３又は４記載の半導体装置において、
前記弾力性組成物は、シリコーン系樹脂である
ことを特徴とする半導体装置。
【０１０３】
（付記６） 付記３乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記弾力性組成物中に分散され、前記弾力性組成物よりも熱導電性の高いフィラーを更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【０１０４】
（付記７） 付記６記載の半導体装置において、
前記接合層は、１０〜７０ｗｔ％の割合で前記フィラーを含有する
ことを特徴とする半導体装置。
【０１０５】
（付記８） 半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、
前記半導体素子の他方の面上に、接合層を介して封止用蓋体を接着する工程と、
前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記封止用蓋体を前記回路基板に固定する工程とを有し、
前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方を、弾性体により形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１０６】
（付記９） 半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、
前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記半導体素子を前記回路基板に搭載する工程と、
前記半導体素子の他方の面上に、ゲル状の弾力性組成物よりなる接合層を形成する工程と、
前記半導体素子が搭載された前記回路基板に、前記接合層を介して前記半導体素子と接合されるように、封止用蓋体を固定する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図３】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図４】本発明の第２実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図８】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０…半導体素子
１２…基板
１４，３２…パッド電極
１６…パッシベーション膜
１８…Ａｌ膜
２０…Ｆｅ膜
２２…突起状端子
２４…応力緩和層
２６…蓋体
２８…接着剤層
３０…回路基板
３４…枠体
３６…ヒートスプレッダ
３８…アンダーフィル接着剤層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板上に半導体素子を搭載した半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品実装の高密度化への要求が年々強くなっている現在、ベアチップ実装方式が注目されている。このベアチップ実装における接続構造は、ワイヤボンディング法によるフェイスアップ実装から、半導体素子の電極上に形成したはんだバンプ、Ａｕスタッドバンプ、カーボンナノチューブなど突起状電極を用いて回路基板とを直接接続するフェイスダウン実装へと変化してきている。このフェイスダウン実装は、ワイヤボンディングに比べて接続端子間の距離を短くすることが可能となることから、多端子での接続を実現し、大容量の信号を高速で伝達できるなど電気的な特徴に優れた接続方式である。
【０００３】
フェイスダウン実装の場合、突起電極を用いて回路基板に接続した後、半導体素子と基板との間にアンダーフィル接着材を充填し、突起電極に加わる応力を分散させる方法が一般的に採用されている。素子を接続した後は、半導体素子からの熱を分散させ素子発熱による信頼性の低下を抑えるため、熱伝導性を有する樹脂、例えばシリカフィラー、金属フィラーを含むエポキシ系の接着剤、或いはＳｎＰｂやＩｎＡｇなどのような金属材料を介してヒートスプレッダが半導体素子の背面に固定される。このヒートスプレッダは、その端部で回路基板に固定されることになる。
【０００４】
上述したように、従来の半導体装置における半導体素子は、回路基板とヒートスプレッダの間に介在し、両者に何らかの方法で強固に接続されているサンドイッチ構造となっている。それ故に、半導体素子は回路基板、ヒートスプレッダの熱膨張による歪み、反りなどの影響を大きく受けることになる。
【０００５】
また最近では、カーボンナノチューブを用いて半導体素子と回路基板との間の接点接続を行う方法も開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００７−３１１７００号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１６３３号公報
【特許文献３】特開２００６−２９０７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記いずれの場合にも、半導体素子と半導体素子を搭載する回路基板とは何らかの樹脂で接合されており、前述と同様に熱膨張差による応力が発生することになる。
【０００７】
前述したように、半導体素子は回路基板とヒートスプレッダの両者の間に介在する構造となっており、回路基板、ヒートスプレッダの熱膨張による歪み、反りなどの影響を大きく受ける。特に近年では、高機能化、高密度化、低コスト化の流れの中で、回路基板内の銅配線密度が高まっている。銅の熱膨張係数は１７ｐｐｍ／℃と高い故に、回路基板の熱膨張係数も、半導体素子の４ｐｐｍ／℃に比べて拡大する傾向にある。一方、ヒートスプレッダとして用いられる高放熱板は、やはり低コスト化の要求からＣｕ、Ａｌ（熱膨張２３．５ｐｐｍ／℃）等が使用されるようになり、回路基板と同様に半導体素子との熱膨張係数のミスマッチは拡大している。このような構成体に囲まれた半導体素子は、実稼働環境において多大なストレスを受けることとなり、半導体素子の割れ、接合部の破壊などの劣化を招くという課題があり、信頼性を十分に満足させることが不可能であった。
【０００８】
本発明の目的は、回路基板やヒートスプレッダから半導体素子へ加わる応力を効果的に緩和することができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、回路基板と、一方の面上に突起状端子を有し、前記回路基板に、突起状端子を介して電気的に接続された半導体素子と、前記半導体素子の他方の面上に接合層を介して形成され、前記回路基板に固定された封止用蓋体とを有し、前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方が、弾性体により構成されている半導体装置が提供される。
【００１０】
また、本発明の他の観点によれば、半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、前記半導体素子の他方の面上に、接合層を介して封止用蓋体を接着する工程と、前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記封止用蓋体を前記回路基板に固定する工程とを有し、前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方を、弾性体により形成する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
また、本発明の更に他の観点によれば、半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記半導体素子を前記回路基板に搭載する工程と、前記半導体素子の他方の面上に、ゲル状の弾力性組成物よりなる接合層を形成する工程と、前記半導体素子が搭載された前記回路基板に、前記接合層を介して前記半導体素子と接合されるように、封止用蓋体を固定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】
【００１２】
本発明によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間及び半導体素子と回路基板との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、応力緩和層及び突起状端子により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子に加わる応力を低減することができ、半導体素子の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００１３】
また、ヒートスプレッダに半導体素子をダイボンドした後に回路基板に位置合わせし、ヒートスプレッダを固定する工程とすることには、半導体素子と回路基板とが相互に拘束されにくい構造を位置ずれすることなく実現できるというメリットがある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による半導体装置及びその製造方法について図１乃至図３を用いて説明する。
【００１５】
図１は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図２及び図３は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００１６】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図１を用いて説明する。
【００１７】
回路基板３０上には、パッド電極３２が形成されている。回路基板３０上には、枠体３４及び蓋体２６とからなるヒートスプレッダ３６が形成されている。蓋体２６の内側には、応力緩和層２４によって半導体素子１０が接着されている。半導体素子１０とパッド電極３２とは、半導体素子１０の表面に垂直な方向に配向したカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２によって電気的に接続されている。
【００１８】
このように、本実施形態による半導体装置は、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に接合層である応力緩和層２４が形成されており、半導体素子１０と回路基板３０と電気的接続がカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２により行われている。応力緩和層２４及びカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２は、弾性的な性質を有している。このため、半導体素子１０は、ヒートスプレッダ３６及び回路基板３０のいずれにも拘束されていない。
【００１９】
このようにして半導体装置を構成することにより、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間及び半導体素子１０と回路基板３０との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、応力緩和層２４及び突起状端子２２により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子１０に加わる応力を低減することができ、半導体素子１０の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００２０】
応力緩和層２４を構成する弾力性組成物としては、例えばシリコーン系の樹脂やウレタンゴム系樹脂などのゲル状体を用いることができる。特にシリコーン系の樹脂は、硬化後も適度な弾性力を有し、硬化条件によってゲル状とすることが可能である。ある一定の保持力を有し、なおかつ、大きな荷重が加わった場合には弾性体自身の変形作用によって応力を緩和させることが可能である。
【００２１】
応力緩和層２４として適度な弾性力は、１０〜８００ＭＰａ、より好ましくは１００〜４００ＭＰａであり、通常のエポキシ系接着剤の約半分の弾性率である。
【００２２】
応力緩和層２４には、種々の添加物を添加してもよい。例えば、高い熱伝導性を付与するために、セラミックフィラー、金属フィラー、カーボンフィラーなどの熱伝導体を添加することができる。応力緩和層２４に添加するフィラーの添加量は、１０〜７０ｗｔ％とすることが望ましい。１０ｗｔ％未満の添加量ではフィラーの添加の効果が十分に得られず、７０ｗｔ％を超えるフィラーを添加すると弾性率が高くなりすぎて応力緩和層２４による応力緩和効果が十分に得られないからである。
【００２３】
カーボンナノチューブを用いる利点としては、１本１本がナノサイズのワイヤーであり、はんだバンプや金バンプなどと比較して高い弾性力を有することが挙げられる。これにより、突起状端子２２に、弾性体としての性質を付与することができる。
【００２４】
但し、突起状端子２２としては、カーボンナノチューブの代わりに、はんだバンプや金バンプなどの他の突起状構造体を用いてもよい。この場合、カーボンナノチューブを用いる場合と比較すると応力を吸収する効果は小さくなるが、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に形成されている応力緩和層２４によって、半導体素子１０と回路基板３０との間に加わる応力を間接的に低減することができる。
【００２５】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図２及び図３を用いて説明する。
【００２６】
半導体素子１０は、例えば図２（ａ）に示すように、表面に多数のトランジスタその他の素子や多層配線層が形成された基板１２と、その最上層に形成されたパッド電極１４と、基板１４及びパッド電極１４の上に形成されたパッシベーション膜１６とを含む。パッシベーション膜１６には、パッド電極１４の一部の領域を露出する開口部が形成されている。
【００２７】
この半導体素子１０のパッド電極１４上に、例えばリフトオフ法により、例えば膜厚５ｎｍのＡｌ（アルミニウム）膜１８と、例えば膜厚２ｎｍのＦｅ（鉄）膜２０とを選択的に形成する（図２（ｂ））。Ａｌ膜１８及びＦｅ膜２０は、例えばスパッタ法により堆積することができる。
【００２８】
次いで、Ｆｅ膜２０を触媒として、Ｆｅ膜２０上に、例えばＣＶＤ法により、カーボンナノチューブを成長し、カーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２を形成する（図２（ｃ））。カーボンナノチューブの成長は、例えば、原料ガスとしてアセチレン、メタン等の炭化水素系ガス、エタノール、メタノール等のアルコール系原料を用い、例えば１００Ｐａの圧力において、３００〜７００℃、例えば６００℃の成長温度で成長することができる。カーボンナノチューブの長さは、成長時間によって制御することができ、ここでは、例えば１００μｍとする。
【００２９】
或いは、半導体素子１０のパッド電極１４上にはんだ或いは導電性微粒子を含む接着剤をあらかじめ形成しておき、別の基板（例えばシリコン基板）上に成長したカーボンナノチューブを半導体素子１０のパッド電極１４上に押し当て、前記はんだ或いは接着剤でパッド電極１４上に固定し、基板を取り外すことにより、カーボンナノチューブの束をパッド電極１４上に転写するようにしてもよい。
【００３０】
なお、上記の例では、カーボンナノチューブの成長に用いる触媒金属としてＦｅ膜２０を用いたが、他の材料を触媒として用いてもよい。例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）等の遷移金属を含んだ触媒からなる膜を用いてもよい。また、これらの触媒は、薄膜状にしてもよいし、微粒子状にしてもよい。また、ゼオライト等の担持材料中に触媒を含ませてもよいし、触媒となる金属元素を含んだフェリチン等のタンパク質の自己組織的配列を活用してもよい。
【００３１】
こうして、半導体素子１０のパッド電極１４上に、カーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２を形成する。
【００３２】
なお、ここでは突起状端子２２としてカーボンナノチューブを用いる例を示したが、突起状端子２２としては、はんだバンプや金バンプなどの他の突起状構造体を用いてもよい。カーボンナノチューブを用いる利点としては、１本１本がナノサイズのワイヤーであり、はんだバンプや金バンプの場合と比較して高い弾性力を有することが挙げられる。
【００３３】
次いで、例えばスクリーン印刷により、蓋体２６上に、応力緩和層２４を形成する（図３（ａ））。蓋体２６は、半導体素子１０から発せられる熱を放散させるヒートスプレッダとして機能するものであり、高い熱伝導性を有する材料、例えばＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）により構成することができる。応力緩和層２４を構成する弾性材料としては、例えばシリコーン系の樹脂やウレタンゴム系樹脂などのゲル状体を用いることができる。特にシリコーン系の樹脂は、硬化後も適度な弾性力を有し、硬化条件によってゲル状とすることが可能である。ある一定の保持力を有し、なおかつ、大きな荷重が加わった場合には弾性体自身の変形作用によって応力を緩和させることが可能である。
【００３４】
応力緩和層２４には、種々の添加物を添加してもよい。例えば、高い熱伝導性を付与するために、セラミックフィラー、金属フィラー、カーボンフィラーなどの熱伝導体を添加することができる。応力緩和層２４に添加するフィラーの添加量は、１０〜７０ｗｔ％とすることが望ましい。１０ｗｔ％未満の添加量ではフィラーの添加の効果が十分に得られず、７０ｗｔ％を超えるフィラーを添加すると弾性率が高くなりすぎて応力緩和層２４による応力緩和効果が十分に得られないからである。
【００３５】
次いで、応力緩和層２４を形成した蓋体２６上に、半導体素子１０の裏面が応力緩和層２４に接するように接着する。これにより、半導体素子１０は、応力緩和層２４を介して蓋体に接着される（図３（ｂ））。
【００３６】
次いで、所定の熱処理を行い、応力緩和層２４を硬化させる。例えば、応力緩和層２４としてシリコーン系の樹脂を用いる場合、硬化剤の添加量で応力緩和層２４の弾性力を制御することができる。
【００３７】
例えば、応力緩和層２４としてシリコーン樹脂を用いる場合、シリコーン樹脂１００ｇに対して、２ｇの硬化剤を添加することにより５０ＭＰａの弾性力を得ることができ、５ｇの硬化剤を添加することにより１２０ＭＰａの弾性力を得ることができ、１０ｇの硬化剤を添加することにより２８０ＭＰａの弾性力を得ることができる。
【００３８】
或いは、応力緩和層２４としてウレタン系樹脂を用いる場合、ウレタン系樹脂１００ｇに対して、２０ｇの硬化剤を添加することにより１５０ＭＰａの弾性力を得ることができ、４０ｇの硬化剤を添加することにより３１０ＭＰａの弾性力を得ることができ、７０ｇの硬化剤を添加することにより５００ＭＰａの弾性力を得ることができる。
【００３９】
一方、半導体素子１０を搭載するための回路基板３０には、半導体素子１０の突起状端子２２を接続するためのパッド電極３２と、蓋体２６を固定するための枠体３４とが形成されている。枠体３４は、蓋体２６とともに半導体素子１０から発せられる熱を放散させるヒートスプレッダとして機能するものであり、高い熱伝導性を有する材料、例えばＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）により構成することができる。
【００４０】
この回路基板３０上に、半導体素子１０の突起状端子２２と回路基板３０のパッド電極３２とが向き合うように半導体素子１０を位置合わせし、回路基板３０の枠体３４と蓋体２６とを加圧接合する。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される（図３（ｃ）〜図３（ｄ））。蓋体２６と枠体３４との接合には、接着材を用いてもよいし、ねじ止めをしてもよい。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される。なお、本願明細書では、蓋体２６を単独で、或いは蓋体２６及び枠体３４を一括して、封止用蓋体と呼ぶこともある。
【００４１】
この際、半導体素子１０と蓋体２６との間には、弾性体よりなる応力緩和層２４が形成されている。また、突起状端子２２は弾性力を有するカーボンナノチューブにより構成されている。これにより、突起状端子２２及び応力緩和層２４により、蓋体２６と枠体３４とを接合する際に半導体素子１０に加わる応力を緩和することができる。
【００４２】
また、カーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２は、蓋体２６の接合の際の圧力によって撓む。これにより、突起状端子２２から半導体素子１０方向及びパッド電極３２方向にカーボンナノチューブによる弾性力が作用し、半導体素子１０と回路基板３０との間の電気的接続を確実にすることができる。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間にゲル状の弾力性組成物よりなる応力緩和層を設け、半導体素子と回路基板との接続にカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子を用いるので、半導体素子とヒートスプレッダとの間及び半導体素子と回路基板との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、応力緩和層及び突起状端子により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子に加わる応力を低減することができ、半導体素子の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００４４】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による半導体装置及びその製造方法について図４及び図５を用いて説明する。なお、図１乃至図３に示す第１実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【００４５】
図４は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図５は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００４６】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図４を用いて説明する。
【００４７】
本実施形態による半導体装置は、応力緩和層２４の代わりにエポキシ樹脂などよりなる一般的な接着剤層２８を用いている他は、第１実施形態による半導体装置と同様である。
【００４８】
第１実施形態では、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に応力緩和層２４を設けることにより、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に加わる応力を緩和し、突起状端子２２としてカーボンナノチューブの束を用いることにより、半導体素子１０と回路基板３０との間に応力を緩和した。しかしながら、応力を緩和する構造体を、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間及び半導体素子１０と回路基板３０との間の少なくとも一方に設けることにより、半導体素子１０へ加わる応力を緩和することができる。
【００４９】
すなわち、本実施形態による半導体装置のように、半導体素子１０と回路基板３０との電気的接続をカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２により行えば、接合層として応力緩和層２４の代わりに弾性率の小さい接着材料を用いた場合にも、半導体素子１０へ加わる応力を緩和することができる。
【００５０】
このようにして半導体装置を構成することにより、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間及び半導体素子１０と回路基板３０との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、突起状端子２２により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子１０に加わる応力を低減することができ、半導体素子１０の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００５１】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図５を用いて説明する。
【００５２】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、半導体素子１０のパッド電極１４上にカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２を形成する。
【００５３】
次いで、例えばスクリーン印刷により、蓋体２６上に、例えばエポキシ系の樹脂などよりなる接着剤層２８を形成する（図５（ａ））。
【００５４】
次いで、接着剤層２８を形成した蓋体２６上に、半導体素子１０の裏面が接着剤層２８に接するように接着する。これにより、半導体素子１０は、接着剤層２８を介して蓋体に接着される（図５（ｂ））。
【００５５】
次いで、所定の熱処理を行い、接着剤層２８を硬化させる。
【００５６】
次いで、回路基板３０上に、半導体素子１０の突起状端子２２と回路基板３０のパッド電極３２とが向き合うように半導体素子１０を位置合わせし、回路基板３０の枠体３４と蓋体２６とを加圧接合する。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される（図５（ｃ）〜図５（ｄ））。蓋体２６と枠体３４との接合には、接着材を用いてもよいし、ねじ止めをしてもよい。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される。
【００５７】
この際、突起状端子２２は、弾性力を有するカーボンナノチューブにより構成されている。これにより、突起状端子２２により、蓋体２６と枠体３４とを接合する際に半導体素子１０に加わる応力を緩和することができる。
【００５８】
また、カーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２は、蓋体２６の接合の際の圧力によって撓む。これにより、突起状端子２２から半導体素子１０方向及びパッド電極３２方向にカーボンナノチューブによる弾性力が作用し、半導体素子１０と回路基板３０との間の電気的接続を確実にすることができる。
【００５９】
このように、本実施形態によれば、半導体素子と回路基板との接続にカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子を用いるので、半導体素子と回路基板との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、応力緩和層及び突起状端子により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子に加わる応力を低減することができ、半導体素子の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００６０】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による半導体装置及びその製造方法について図６乃至図８を用いて説明する。なお、図１乃至図５に示す第１及び第２実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡潔にする。
【００６１】
図６は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図７及び図８は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００６２】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図６を用いて説明する。
【００６３】
回路基板３０上には、パッド電極３２が形成されている。回路基板３０上には、枠体３４及び蓋体２６とからなるヒートスプレッダ３６が形成されている。蓋体２６の内側には、応力緩和層２４によって半導体素子１０が接着されている。半導体素子１０とパッド電極３２とは、はんだバンプよりなる突起状端子２２によって電気的に接続されている。半導体素子１０と回路基板３０との間には、アンダーフィル接着剤層３８が形成されている。
【００６４】
このように、本実施形態による半導体装置は、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に応力緩和層２４が形成されている。応力緩和層２４は、弾性的な性質を有している。このため、半導体素子１０は、ヒートスプレッダ３６に拘束されていない。
【００６５】
このようにして半導体装置を構成することにより、半導体素子１０とヒートスプレッダ３６との間に加わる組立過程の機械的ストレスや実使用時の熱的ストレスを、応力緩和層２４により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子１０に加わる応力を低減することができ、半導体素子１０の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００６６】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図７及び図８を用いて説明する。
【００６７】
まず、半導体素子１０のパッド電極（図示せず）上に、はんだバンプよりなる突起状端子２２を形成する。
【００６８】
次いで、回路基板３０上に、半導体素子１０の突起状端子２２と回路基板３０のパッド電極３２とが向き合うように半導体素子１０を位置合わせし、回路基板３０上に半導体素子１０を搭載する（図７（ａ）〜図７（ｂ））。
【００６９】
次いで、半導体素子１０と回路基板３０との間に接着剤を流し込み、アンダーフィル接着剤層３８を形成する（図７（ｃ））。
【００７０】
次いで、半導体素子１０の裏面に、例えばスクリーン印刷により、応力緩和層２４を形成する（図８（ａ））。
【００７１】
次いで、回路基板３０に形成された枠体３４に位置合わせして、枠体３４と蓋体２６とを加圧接合する。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される（図８（ａ）〜図８（ｂ））。蓋体２６と枠体３４との接合には、接着材を用いてもよいし、ねじ止めをしてもよい。これにより、蓋体２６及び枠体３４からなるヒートスプレッダ３６が構成される。
【００７２】
次いで、所定の熱処理を行い応力緩和層２４を硬化させ、１０〜８００ＭＰａ程度の弾性力を有する応力緩和層２４を形成する。
【００７３】
こうして、本実施形態による半導体装置を製造する。
【００７４】
このように、本実施形態によれば、半導体素子とヒートスプレッダとの間にゲル状の弾力性組成物よりなる応力緩和層を設けるので、半導体素子とヒートスプレッダとの間に加わる熱的ストレスを、応力緩和層により吸収することができる。これにより、組立過程や実使用状態において半導体素子に加わる応力を低減することができ、半導体素子の長期にわたる動作保証が可能となる。
【００７５】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００７６】
例えば、上記第１及び第２実施形態では、半導体素子１０と回路基板との接続をカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子２２により接続したが、半導体素子１０と回路基板との接続をより強固にするために、半導体素子１０と回路基板との間に、応力緩和層２４と同様の弾性体を充填するようにしてもよい。この層は、アンダーフィル接着剤層と同様の手法により形成することができる。
【００７７】
また、弾力性を有する突起状端子としてカーボンナノチューブを用いた例を説明したが、カーボンナノチューブの代わりに炭素元素からなる他の線状構造体を用いることもできる。このような線状構造体としては、カーボンナノワイヤ、カーボンロッド、カーボンファイバが挙げられる。これら線状構造体は、サイズが異なるほかは、カーボンナノチューブと同様である。
【００７８】
また、上記実施形態に記載の構成材料や製造条件は、当該記載に限定されるものではなく、目的等に応じて適宜変更が可能である。
【実施例】
【００７９】
［実施例１］
封止支持体（蓋体）としてのサイズ４２×４２×１ｍｍの銅板に対して、半導体素子を搭載する１５×１５ｍｍのエリアに、カーボン粒子を６０ｗｔ％添加したシリコーン樹脂を印刷塗布し、応力緩和層を形成した。
【００８０】
この応力緩和層上に、１５×１５ｍｍの半導体素子の背面が対向するように位置合わせをし、搭載した。なお、半導体素子表面のパッド電極部には、予めカーボンナノチューブの束よりなる突起状端子を形成した。
【００８１】
次いで、半導体素子を搭載した後、１５０℃、３０ｍｉｎの熱処理を行い、シリコーン樹脂を硬化させた。
【００８２】
次いで、回路基板上の蓋体を接合する部分に、銅製の枠体を形成した。
【００８３】
次いで、枠体の上面部にエポキシ系接着シートを配置した後、半導体素子の突起状端子と回路基板のパッド電極とが向き合うように蓋体２６を位置合わせし、蓋体と枠体とを加圧接合した。
【００８４】
このとき、電気的な試験を行い、回路的に問題を確認した後に、回路基板に形成した固定用エポキシシートの硬化温度（１５０℃）まで加熱し、蓋体を回路基板上に固定した。
【００８５】
このようにして組立を行った半導体装置に対して、電気的に問題ないことを確認し、以下の接続信頼性評価を行った。
【００８６】
−５５〜１２５℃の繰り返し温度サイクル試験を２０００サイクル行った結果、抵抗上昇は１０％以下と良好であった。また、１２１℃／８５％ＲＨの環境下で１０００時間放置した結果、サイクル試験と同様に、抵抗上昇は１０％以下と良好であった。
【００８７】
［実施例２］
蓋体としてアルミニウム板を用いる他は実施例１と同様にして半導体装置を組み立て、接続信頼性の評価を行った。
【００８８】
その結果、電気的に良好な接続形態が得られていること、また、信頼性も実施例１と同様に良好であることを確認した。
【００８９】
［実施例３］
半導体素子表面のパッド電極部上に形成する突起上端子としてはんだバンプを用いる他は実施例１と同様にして半導体装置を組み立て、接続信頼性の評価を行った。
【００９０】
その結果、電気的に良好な接続形態が得られていること、また、信頼性も実施例１と同様に良好であることを確認した。
【００９１】
［実施例４］
半導体素子表面のパッド電極部上に形成する突起上端子として金バンプを用いる他は実施例１と同様にして半導体装置を組み立て、接続信頼性の評価を行った。
【００９２】
その結果、電気的に良好な接続形態が得られていること、また、信頼性も実施例１と同様に良好であることを確認した。
【００９３】
［実施例５］
応力緩和層としてウレタンゴム系樹脂を用いる他は実施例１と同様にして半導体装置を組み立て、接続信頼性の評価を行った。
【００９４】
その結果、電気的に良好な接続形態が得られていること、また、信頼性も実施例１と同様に良好であることを確認した。
【００９５】
［比較例］
応力緩和層の代わりにエポキシ系樹脂よりなる接着剤層を用いる他は第３実施形態の半導体装置の製造方法と同様にして半導体装置を組み立て、接続信頼性の評価を行った。
【００９６】
その結果、初期導通は得られたものの、−５５〜１２５℃の繰り返し温度サイクル試験を２０００サイクル行った結果、抵抗上昇が２０％であった。また、１２１℃／８５％ＲＨの環境下で１０００時間放置した結果、抵抗上昇は３０％であった。
【００９７】
以上詳述したように、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【００９８】
（付記１） 回路基板と、
一方の面上に突起状端子を有し、前記回路基板に、突起状端子を介して電気的に接続された半導体素子と、
前記半導体素子の他方の面上に接合層を介して形成され、前記回路基板に固定された封止用蓋体とを有し、
前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方が、弾性体により構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【００９９】
（付記２） 付記１記載の半導体装置において、
前記突起状電極は、炭素元素からなる複数の線状構造体の束により構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【０１００】
（付記３） 付記１又は２記載の半導体装置において、
前記接合層は、ゲル状の弾力性組成物よりなる
ことを特徴とする半導体装置。
【０１０１】
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記接合層は、弾性率が１０〜８００ＭＰａの範囲の弾力性組成物よりなる
ことを特徴とする半導体装置。
【０１０２】
（付記５） 付記３又は４記載の半導体装置において、
前記弾力性組成物は、シリコーン系樹脂である
ことを特徴とする半導体装置。
【０１０３】
（付記６） 付記３乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記弾力性組成物中に分散され、前記弾力性組成物よりも熱導電性の高いフィラーを更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【０１０４】
（付記７） 付記６記載の半導体装置において、
前記接合層は、１０〜７０ｗｔ％の割合で前記フィラーを含有する
ことを特徴とする半導体装置。
【０１０５】
（付記８） 半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、
前記半導体素子の他方の面上に、接合層を介して封止用蓋体を接着する工程と、
前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記封止用蓋体を前記回路基板に固定する工程とを有し、
前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方を、弾性体により形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１０６】
（付記９） 半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、
前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記半導体素子を前記回路基板に搭載する工程と、
前記半導体素子の他方の面上に、ゲル状の弾力性組成物よりなる接合層を形成する工程と、
前記半導体素子が搭載された前記回路基板に、前記接合層を介して前記半導体素子と接合されるように、封止用蓋体を固定する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第１実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図３】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図４】本発明の第２実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図８】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０…半導体素子
１２…基板
１４，３２…パッド電極
１６…パッシベーション膜
１８…Ａｌ膜
２０…Ｆｅ膜
２２…突起状端子
２４…応力緩和層
２６…蓋体
２８…接着剤層
３０…回路基板
３４…枠体
３６…ヒートスプレッダ
３８…アンダーフィル接着剤層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板と、
一方の面上に突起状端子を有し、前記回路基板に、突起状端子を介して電気的に接続された半導体素子と、
前記半導体素子の他方の面上に接合層を介して形成され、前記回路基板に固定された封止用蓋体とを有し、
前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方が、弾性体により構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記突起状電極は、炭素元素からなる複数の線状構造体の束により構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体装置において、
前記接合層は、ゲル状の弾力性組成物よりなる
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、
前記半導体素子の他方の面上に、接合層を介して封止用蓋体を接着する工程と、
前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記封止用蓋体を前記回路基板に固定する工程とを有し、
前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方を、弾性体により形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、
前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記半導体素子を前記回路基板に搭載する工程と、
前記半導体素子の他方の面上に、ゲル状の弾力性組成物よりなる接合層を形成する工程と、
前記半導体素子が搭載された前記回路基板に、前記接合層を介して前記半導体素子と接合されるように、封止用蓋体を固定する工程と
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１】
回路基板と、
一方の面上に突起状端子を有し、前記回路基板に、突起状端子を介して電気的に接続された半導体素子と、
前記半導体素子の他方の面上に接合層を介して形成され、前記回路基板に固定された封止用蓋体とを有し、
前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方が、弾性体により構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記突起状電極は、炭素元素からなる複数の線状構造体の束により構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体装置において、
前記接合層は、ゲル状の弾力性組成物よりなる
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、
前記半導体素子の他方の面上に、接合層を介して封止用蓋体を接着する工程と、
前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記封止用蓋体を前記回路基板に固定する工程とを有し、
前記突起状端子及び前記接合層の少なくとも一方を、弾性体により形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体素子の一方の面上に、突起状端子を形成する工程と、
前記半導体素子の突起状端子が、回路基板上の所定の電極に接続されるように、前記半導体素子の前記一方の面と前記回路基板とを対向させ、前記半導体素子を前記回路基板に搭載する工程と、
前記半導体素子の他方の面上に、ゲル状の弾力性組成物よりなる接合層を形成する工程と、
前記半導体素子が搭載された前記回路基板に、前記接合層を介して前記半導体素子と接合されるように、封止用蓋体を固定する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２５３０７３（Ｐ２００９−２５３０７３Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１００１９５（Ｐ２００８−１００１９５）
【出願日】平成２０年４月８日（２００８．４．８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「（ナノテクノロジープログラム・革新的部材産業創出プログラム）／「ナノテク・先端部材実用化研究開発」／「電子デバイスのためのＣＮＴを用いたナノスプリング接点接続の研究開発」」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月８日（２００８．４．８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「（ナノテクノロジープログラム・革新的部材産業創出プログラム）／「ナノテク・先端部材実用化研究開発」／「電子デバイスのためのＣＮＴを用いたナノスプリング接点接続の研究開発」」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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