半導体装置
【課題】熱収縮による応力を低減することが可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】多層基板２と、多層基板２に配置された半導体チップ１と、多層基板２と半導体チップ１を接続する複数の金属バンプ４と、半導体チップ１及び多層基板２の間に設けられ、封止樹脂３によって形成された封止樹脂層１０とを備え、封止樹脂層１０には、複数の柱状の空洞５が形成され、複数の空洞５の体積は、封止樹脂層１０の体積の半分以上である、半導体装置である。
【解決手段】多層基板２と、多層基板２に配置された半導体チップ１と、多層基板２と半導体チップ１を接続する複数の金属バンプ４と、半導体チップ１及び多層基板２の間に設けられ、封止樹脂３によって形成された封止樹脂層１０とを備え、封止樹脂層１０には、複数の柱状の空洞５が形成され、複数の空洞５の体積は、封止樹脂層１０の体積の半分以上である、半導体装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やデジタルビデオカメラ等の分野では、小型、軽量、及び高性能化を実現するための要素技術として、高密度実装が有用となっている。このような高密度装を実現するため，シングルチップのCPS(Chip Scale Package)では不十分な場合があり、MCP(Multi Chip Package)やSiP(System in Package)といったパッケージ採用が広く用いられている。
【０００３】
これらのMCPやSiPといった半導体チップ複合型のパッケージで使われるインターポーザ、マザーボードなどの回路基板では，回路基板上で半導体チップ間の接続が必要となる。この回路基板としては、配線密度が高いビルドアップ基板が採用されている。そして、これらの回路基板への半導体チップの実装方法としては，フリップチップ実装が主流となりつつある。
【０００４】
上記のような構造をもつ半導体パッケージにおいては，フリップチップ接合部である金属バンプの信頼性を確保するため，通常半導体素子および回路基板の隙間に樹脂組成物(封止樹脂)が充填される。封止樹脂には一般的に熱硬化性の樹脂が用いられる。
【０００５】
液体状あるいは半固体の樹脂を、半導体チップと回路基板の間に挿入し、150〜250℃まで加熱させて硬化させた後、冷却させる製造方法が主流となっている。
【０００６】
ところが、封止樹脂は、シリコン等によって形成される半導体チップよりも線膨張係数の大きな物質であるため、封止樹脂の硬化温度から常温まで冷却する段階で、半導体チップよりも大きな熱収縮が封止樹脂に発生する。この封止樹脂の熱収縮は半導体チップに発生する応力の原因となる。
【０００７】
このような応力を緩和するため、封止樹脂を封入する際に、適切な物性を持つ材料を選択することで温度変化による熱応力を緩和する方法が考案されている。たとえば特許文献１には、封止樹脂のガラス転移温度を適切に設計することで、バンプや回路層に発生する応力を緩和する半導体装置が開示されている。
【０００８】
尚、半導体チップの底面付近には、一般的に、多数の半導体素子が敷き詰められており、上記応力が発生する場合には、その応力の影響で半導体素子の電気特性が封止樹脂挿入前にくらべて変化するという問題も発生していた。この電気特性の変化とは、より具体的には、半導体素子にある一定電圧を加えたときの電流の大きさが変化することをさす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2008−534303号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１の従来技術では、バンプや回路層における応力緩和が試みられているが、半導体チップに発生する応力緩和は不十分であり、半導体チップの機能の信頼性に影響を及ぼす可能性がある。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を考慮し、封止樹脂層に空洞を設けることで、その体積を減少させることにより収縮力を低減させ、熱収縮によって半導体チップに発生する応力を低減することが可能な半導体装置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】
【００１２】
上記目的を達成するために、第１の本発明は、
回路基板と、
前記回路基板に配置された半導体チップと、
前記回路基板と前記半導体チップを接続する複数の金属バンプと、
前記半導体チップ及び前記回路基板の間に設けられ、封止樹脂によって形成された封止樹脂層とを備え、
前記封止樹脂層には、複数の柱状の空洞が形成されており、
前記複数の空洞の体積は、前記封止樹脂層の体積の半分以上である、半導体装置である。
【００１３】
第２の本発明は、
前記封止樹脂は、少なくとも前記金属バンプの周囲に形成されており、
隣り合う前記金属バンプの周囲に形成されている前記封止樹脂は繋がっている、第１の本発明の半導体装置である。
【００１４】
第３の本発明は、
前記空洞は円柱形状であり、
複数の前記金属バンプは、各前記空洞の軸を中心として４角形状に配置されている、第１の本発明の半導体装置である。
【００１５】
第４の本発明は、
前記複数の金属バンプは、前記空洞を４つの前記金属バンプで囲むように配置されており、
前記空洞の断面形状は、前記４つの金属バンプのそれぞれの外周に沿う４つの円弧と、前記４つの円弧を繋ぐ４つの線分で囲まれた形状である、第１の本発明の半導体装置である。
【００１６】
第５の本発明は、
前記複数の柱状の空洞は、大きさの異なる２種類の円柱形状の空洞を有し、
複数の前記金属バンプは、４角形状に配置されており、
一方の種類の前記空洞は、その軸が前記４角形状の中心になるように配置されており、
他方の種類の前記空洞は、その軸が隣り合う前記金属バンプの中心を結ぶ線上に配置されるように形成されている、第１の本発明の半導体装置である。
【００１７】
第６の本発明は、
前記金属バンプと前記空洞の間には、少なくとも前記金属バンプの半径の半分以上の幅の前記封止樹脂が形成されている、第１〜５のいずれかの本発明の半導体装置である。
【００１８】
第７の本発明は、
隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、前記空洞の半径ｒ、及び前記金属バンプの半径ｂが、以下の（数１）の関係を満たす、第３の本発明の半導体装置である。
【００１９】
（数１） ０．４ａ≦ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ
第８の本発明は、
前記円弧の中心は、前記金属バンプの中心と一致し、
前記金属バンプの半径ｂ、及び前記円弧の半径Ｒが、以下の（数２）の関係を満たし、
前記空洞の断面形状の向かい合う線分は互いに平行であって、その距離Ｌと、隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、及び前記金属バンプの半径ｂが、以下の（数３）の関係を満たす、第４の本発明の半導体装置である。
【００２０】
（数２） Ｒ≧１．５ｂ
（数３）０．７ａ≦Ｌ≦ａ―ｂ
第９の本発明は、
前記一方の種類の円柱形状の空洞の半径ｒ、隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、及び前記金属バンプの半径ｂは、以下の（数４）の関係を満たし、
前記他方の種類の円柱形状の空洞の半径ｓは、以下の（数５）の関係を満たしている、第５の本発明の半導体装置である。
【００２１】
（数４） ０．３ａ≦ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ
（数５） ０．１ａ≦ｓ≦０．５ａ―０．５ｂ―ｒ
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、熱収縮による応力を低減することが可能な半導体装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明にかかる実施の形態１における半導体装置の側断面構成図
【図２】本発明にかかる実施の形態１における半導体装置の実装方法を説明するための図
【図３】図１のＡＡ´間における封止樹脂層の断面構成図
【図４】本発明の実施の形態１における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図５】図４のＢＢ´間の断面構成図
【図６】本発明にかかる実施の形態１における半導体装置においてｂ＝０．１５ａである場合の封止樹脂層の要部を拡大した平断面構成図
【図７】本発明にかかる実施の形態２における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図８】図７のＣＣ´間断面構成図
【図９】本発明にかかる実施の形態３における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図１０】図９のＤＤ´間断面構成図
【図１１】本発明にかかる実施例１における半導体チップの底面を表す図
【図１２】本発明にかかる実施例１及び比較例１における半導体チップ底面の応力変化のグラフを示す図
【図１３】本発明にかかる実施の形態１の変形例における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図１４】本発明にかかる実施の形態２の変形例における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図１５】本発明にかかる実施の形態３の変形例における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図１６】本発明にかかる実施の形態１の変形例における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図１７】本発明にかかる実施の形態２の変形例における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２５】
（実施の形態１）
以下に、本発明にかかる実施の形態１における半導体装置について説明する。
【００２６】
図１は、本実施の形態１の半導体装置の断面構成図である。
【００２７】
本実施の形態１の半導体装置では、トランジスタなどの半導体素子をもつ半導体チップ１が、本発明の回路基板の一例である多層基板２上にフリップチップ接合方式により接続されている。また半導体チップ１と多層基板２の間には樹脂組成物である封止樹脂３が封入されており、半導体チップ１と多層基板２の間に封止樹脂層１０が形成されている。
【００２８】
ここで本実施の形態１における半導体装置では、多層基板２上に半導体チップ１を実装する際にフリップチップ実装を行っているため、半導体チップ１の表面と多層基板２との電気的な接続は、ワイヤボンディングのようなワイヤではなく、アレイ状に並んだ突起状の端子である金属バンプ４によって行われている。
【００２９】
また、フリップチップ実装は、ワイヤボンディングにくらべて実装面積を小さくできるため、高密度実装が可能になる利点があり、配線が短いために電気的特性がよいという特徴もある。よって、本実施の形態の半導体パッケージは小型、薄型に対する要求の強い携帯機器の回路や、電気特性が重視される高周波回路などに向いている。
【００３０】
尚、本実施の形態１では、半導体チップは、厚み０．５〜１（ｍｍ）程度、縦もしくは横の長さが５〜１０（ｍｍ）程度のサイズのものが扱われる。半導体チップ１の材質はシリコンであり、その底面付近にはトランジスタなどの半導体素子が２０〜１００（ｎｍ）ピッチで敷き詰められている。
【００３１】
又、多層基板２としては、コア層となる板状の材料の両面に配線が１〜３層程度積層されたビルドアップ基板が用いられる。コア層の材料としてはガラスエポキシ樹脂が用いられる。コア層の材料の厚みは２００〜８００（μｍ）程度とし、多層基板２の全体の厚さは３００〜１２００（μm）程度とする。また多層基板２は、縦もしくは横の長さが１５〜４０（ｍｍ）程度のサイズのものが使用される。
【００３２】
上記金属バンプ４としては、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕを６：１：２の割合で含む合金の半田材料が用いられる。
【００３３】
次に、本実施の形態１の半導体装置における封止樹脂３について説明する。
【００３４】
封止樹脂３は、フリップチップ接合部が外力よって破壊されたり腐食したりすることを防ぐために用いられる。封止樹脂３にはＮＣＦ（NonConductive Film）とよばれる熱硬化性の樹脂が適用される。ＮＣＦとは、半導体チップ１と多層基板２とを金属接合する前に多層基板２上に塗布される非導電性のフィルム状の封止材である。
【００３５】
図２は、本実施の形態１の半導体装置の製造方法を説明するための図である。図２に示すように、封止樹脂３としてシート状のＮＣＦが多層基板２の表面上に配置される。そして、ＮＣＦの粘度が小さくなる温度において金属バンプ４が装着された半導体チップ１がＮＣＦの層に突き刺され、金属バンプ４が多層基板２の電極部に接着され、リフロー工程において熱を加えることでフリップチップ実装と封止樹脂層１０の硬化が同時に行われる。
【００３６】
図３は、図１の上方から視たＡＡ´間における封止樹脂層１０の断面構成図であり、封止樹脂層１０の空洞構造を示す。図３に示すように、本実施の形態における封止樹脂層１０では、複数の金属バンプ４が正方格子状に配置されている。そして、正方形の頂点に配置された４つの金属バンプ４間のそれぞれの中央に、柱状の空洞５が設けられている。この空洞５は、熱膨張によって半導体チップ１全体に発生する応力を低下させること目的としている。
【００３７】
図４は、図３の部分拡大図であり、１つの空洞５とその周囲に配置されている４つの金属バンプ４の構成を示す図である。又、図５は、図４のＢＢ´間の断面構成図である。
【００３８】
図４、５に示すように、空洞５は円柱形状であり、空洞５の円柱の中心軸５ａ（円の中心）は、４つの金属バンプ４によって形成される正方形状の対角線の交点に位置する。又、封止樹脂３の体積をできるだけ小さくするため、円柱状の空洞５は図５に示すように封止樹脂層１０の上面から下面まで貫通するものが望ましい。
【００３９】
尚、このような空洞５は、次のように形成することが出来る。予め、シート状のＮＣＦ（封止樹脂３）にパンチを用いた型抜きによって空洞が形成される。空洞が形成されたＮＣＦが、多層基板２上に配置される。その後、フリップチップ実装と封止樹脂３の硬化が行われ、空洞５が形成された封止樹脂層１０を形成することが出来る。
【００４０】
また、隣り合う金属バンプ４の中心間の距離a、金属バンプ４の半径ｂ、及び円柱の円の半径ｒは、次の（数１）を満たしていることが望ましい。
【００４１】
０．４ａ≦ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ・・・（数１）
上式について説明する。封止樹脂３の熱収縮によって半導体チップ１の底面全体に発生する応力は、封止樹脂の体積に応じて発生すると考えられる。すなわち、封止樹脂の熱収縮により発生する応力は、その体積に比例すると考えられる。ここで、半導体チップ１の底面近傍に設けられている半導体素子の電気的特性変動を半減するためには、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積が、空洞なしの場合に対して半分以下にすることが望ましい。
【００４２】
よって、半導体素子の電気特性変動を半減させるとした場合、円柱状の空洞５の半径は、封止樹脂の体積を半減させる円柱の半径ｒ´（＝０．３９８９４ａ）に近い値をとって
０．４ａ≦ｒ
とすることが望ましい。このｒ´の値は次のように導かれる。図４の４つの金属バンプ４の中心点４ａで囲まれた正方形領域の面積はａ２である。金属バンプ４の体積を無視すると、円柱状の空洞５の円の面積がこの半分の値になるときに封止樹脂３の体積は半減すると考えられる。
【００４３】
よって、πｒ´２＝（ａ２）／２ となるのでｒ´＝０．３９８９４ａとなる。
【００４４】
また、金属バンプ４の信頼性を十分に確保するため、金属バンプ４を覆う封止樹脂３の幅δは金属バンプ４の半径の半分である０．５b程度確保することが望ましい。ここで、空洞５の中心（軸５ａ）から金属バンプ４の中心までの距離はおよそ０．７ａであるから、円柱状の空洞５の半径ｒは金属バンプ４を覆う封止樹脂３の幅が０．５ｂ以上となるように
ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ
とすることが望ましい。
【００４５】
これら０．４ａ≦ｒと、ｒ≦０．７ａ―１．５ｂとから上記（数１）が導かれる。
【００４６】
このように、本実施の形態の半導体装置では、封止樹脂層１０に空洞５をもつ構造となるため、封止樹脂３の体積は空洞なしの場合に比べて減少する。封止樹脂３の体積を減少させると、その収縮力は低下するので，半導体チップ１に発生する圧縮応力が低減される。そのため、半導体チップ１の底面付近に半導体素子が敷き詰められているような半導体装置等であっても、その電気特性の変動を緩和することができる。尚、電気特性の変化とは、より具体的には、半導体素子にある一定電圧を加えたときに電流の大きさが変化することをさす。
【００４７】
又、上記（数１）を満たすような空洞５を形成することによって、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積を半分以上減少させ、半導体チップ１にかかる応力を半減させることが可能となる。
【００４８】
なお、本実施の形態及び以下の実施の形態では、空洞を円柱として円の半径ｒを定義しているが、本発明の柱状の一例として空洞が富士山のような形状（円錐台形状）や太鼓形状であってもよい。その場合、これら円錐台や太鼓形状の半径ｒは、同体積の円柱に置き換え、その円柱の半径として定義される。
【００４９】
（実施の形態２）
次に、本発明にかかる実施の形態２における半導体装置について説明する。
【００５０】
本実施の形態２の半導体装置は、実施の形態１の半導体装置と空洞の構成が異なっている。そのため、本相違点を中心に説明する。
【００５１】
図６はｂ＝０．２ａとなる場合に、実施の形態１と同様に、４つの金属バンプ４の中央に円柱状の空洞５を設けた封止樹脂層１０の状態を示す平面構成図である。このように、ｂ＝０．２ａとなる場合には、金属バンプ４の半径ｂが、隣り合う金属バンプ４の中心間の距離ａに対して大きくなるため、金属バンプ４を覆う封止樹脂３の幅δを０．５ｂ以上とるためには
０．４ａ≧ｒ
のように、空洞の半径rを小さくしなければならない。
【００５２】
このように、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積を半減するような空洞の半径を確保することできないため、半導体チップ１に発生する応力を半分にまで減少させる場合には、対応出来ない可能性がある。
【００５３】
そこで、bが比較的大きい場合に封止樹脂の体積を減少させるための工夫として、本実施の形態２の構成が用いられる。
【００５４】
図７は、本実施の形態２の半導体装置の封止樹脂層の平断面の要部拡大構成図である。図８は、図７のＣＣ´間の断面構成図である。尚、図７は、図１を用いて説明すると、上方から視た封止樹脂層のＡＡ´間の断面構成図に相当する。
【００５５】
図７、８に示すように、本実施の形態２の空洞６は、正方形状に配置された４つの金属バンプ４の間に配置されており、４つの金属バンプ４の外周に沿うような円弧６１と、線分６２で囲まれた形状を断面形状とする柱状に形成されている。この各線分６２は、対向する線分６２が互いに平行であり、それぞれの線分６２は、隣り合う金属バンプ４の中心を結んだ線分と平行に設けられている。
【００５６】
円弧６１の中心は、それぞれの金属バンプ４の中心４ａに一致している。又、金属バンプ４を覆う封止樹脂３に、金属バンプ４の半径の半分である０．５b以上の幅を持たせるために、円弧６１の半径Ｒは
Ｒ≧１．５ｂ・・・（数２）
とすることが望ましい。
【００５７】
そして二つの金属バンプ４のそれぞれの周囲に形成されている封止樹脂３の間を繋ぐ領域Ｖにおける封止樹脂３の幅tは、封止樹脂層１０全体の強度を保つために
ｔ≧ ｂ
となることが望ましく、それを実現するためには向かい合う線分間の距離Lを
Ｌ ≦ a− b
とすることが必要である。
【００５８】
また、封止樹脂３の体積を半減させる距離L’(＝０．７０７１ａ)に近い値をとって
L ≧ ０．７ａ
とすることが望ましい。
【００５９】
すなわち、０．７ａ ≦ Ｌ ≦ ａ−ｂ・・・（数３）となることが望ましい。
【００６０】
以上のように、本実施の形態２の半導体装置では、バンプを封止樹脂で覆いつつ、効率的に封止樹脂の体積を減少させることができる。
【００６１】
又、上記（数２）及び（数３）を満たすことによって、実施の形態１と比較して、bが０．２ａ以上の場合であっても、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積を半減させ、半導体チップ１にかかる応力を半減させることが可能となる。
【００６２】
尚、本実施の形態２では、対向する線分６２は平行に配置されているが、平行に配置されていなくても良い。
【００６３】
（実施の形態３）
次に、本発明にかかる実施の形態３における半導体装置について説明する。
【００６４】
本実施の形態３の半導体装置は、実施の形態２と空洞の形状が異なっている。そのため、本相違点を中心に説明する。
【００６５】
図９は、本実施の形態３の半導体装置の封止樹脂層の平断面の要部拡大構成図である。図１０は、図９のＤＤ´間の断面構成図である。尚、図９は、図１を用いて説明すると、上方から視た封止樹脂層のＡＡ´間の断面構成図に相当する。図９に示すように、本実施の形態３では、大きさの異なる２種類の空洞が設けられており、１方の種類の空洞７は、円柱状であり、4つの金属バンプ４の中央に設けられている。この空洞７の円の中心軸７ａは、４つの金属バンプ４の中心によって形成される正方形状の対角線の交点に位置する。また、他方の種類の空洞８は、円柱状であり、その中心軸８ａが、隣り合う金属バンプ４の中心間を結ぶ線分上に設けられている。
【００６６】
上記空洞７の円の半径ｒは、
r ≧ ０．３ａ
とすることが望ましい。ｒは０．４ａ以上で封止樹脂を半減させるが、別の空洞があるため、本実施の形態では０．３ａ以上でよい。
【００６７】
又、金属バンプ４を覆う封止樹脂３の幅δを０．５b以上とることを考え、
r ≦ ０．７ａ−１．５ｂとすることが望ましい。
【００６８】
すなわち、
０．３ａ≦ r ≦０．７ａ−１．５ｂ・・・（数４）
を満たすことが望ましい。
【００６９】
更に、隣り合う金属バンプ４の中心間の線分上の中央に中心軸８ａを持つ円柱状の空洞８の半径ｓは、封止樹脂の体積を少なくするために、
s ≧ ０．１ａ
とすることが望ましい。ｓ≧０．１ａとなる空洞８を１個設けることで封止樹脂の体積を１．５％以上減少させることができる。
【００７０】
また中央の空洞７と線分上の空洞８は、封止樹脂層１０全体の強度を保つためにある程度の距離を保つことが望ましい。中央の空洞７と線分上の空洞８の間の封止樹脂の幅αが０．５b以上となるようにするために
s ≦ ０．５ａ−０．５ｂ−ｒ
となることが望ましい。
【００７１】
すなわち、
０．１ａ≦ s≦ ０．５ａ−０．５ｂ−ｒ・・・（数５）
を満たすことが望ましい。
【００７２】
又、金属バンプ４の外周から空洞８までの封止樹脂３の幅δ´については、０．５ｂ以上である方が望ましい。
【００７３】
本実施の形態３では、中央の空洞７以外にも円柱状の空洞８を複数設けることによって封止樹脂３の体積を減少させることができる。
【００７４】
また、上述した実施の形態２においては、封止樹脂材料やリフローの温度条件などによっては、空洞６の構造をフリップチップ実装後も維持できない可能性も考えられる。すなわち、封止樹脂３の材料であるシートを加熱する際に、封止樹脂３の粘度が低下し、表面張力の作用によって実施の形態２の形状が変形してしまう場合が考えられる。
【００７５】
しかしながら、本実施の形態３では、空洞７、８が角をもたない円柱の形状であるため、リフロー時の表面張力による変形を抑制できる。
【００７６】
又、上記（数４）及び（数５）を満たすことによって、実施の形態１と比較して、bが０．２ａ以上の場合であっても、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積を半減させ、半導体チップ１にかかる応力を半減させることが可能となる。
【００７７】
尚、本実施の形態３では、空洞８は、隣り合う金属バンプ４の間に１つ設けられているが、複数個設けられていても良い。
【００７８】
（実施例）
本実施例では、上記実施の形態２の構成における効果を検証した。
【００７９】
封止樹脂３を挿入することによって発生する応力の変化を、封止樹脂層１０に空洞６を設けない場合（比較例１）と、実施の形態２のように空洞６を設けた場合（実施例１）について、数値シミュレーションにより比較を行った。
【００８０】
尚、数値計算においては有限要素法を用いた熱応力解析を実施しており、製造工程におけるリフロー温度２２０(℃)から常温２５(℃)までの冷却過程における熱収縮力をシミュレートしている。又、金属バンプ４のピッチ距離はａ＝１８０(μｍ) 金属バンプ４の半径はb＝４５(μｍ) 、空洞６における円弧の半径はＲ＝７０(μｍ)、 空洞６における向かい合う辺の距離をＬ＝１２６(μｍ)としている。また、半導体チップの厚みは７８５(μｍ)、多層基板の厚みは１０９２ (μｍ)、半導体チップと多層基板の間隔は６５(μｍ)としている。
【００８１】
図１１は、半導体チップ１の底面を描いた図である。半導体チップ１の対角線の交点Ｏを原点とし、その交点Ｏから半導体チップの対角方向に向かってＸ軸をとった。図１２は、このＸ軸上における半導体チップ１の面内方向の応力変化をグラフ化したものである。
【００８２】
グラフ１のｘ＝０付近の応力変化は、比較例１で−２８(ＭＰａ)なのに対して、実施例１では−１４ (ＭＰａ)となっているので、実施例１の圧縮応力の変化は比較例１と比較して緩和されていることがわかる。また、実施例１における、対角線上の全体的な応力変化も、比較例１と比べると緩和されている。
【００８３】
これらのことから、実施の形態２において空洞６を設けることにより、半導体チップ１の底面に発生する応力変化を緩和することができると考えられる。半導体チップ１の底面付近に配置されている半導体素子の電気特性変動がチップ底面の応力変化に比例すると考えられるため、空洞を設けることによって、その電気特性変動が緩和される。
【００８４】
尚、上記実施の形態１〜３では、複数の金属バンプ４は、本発明の四角形状の一例として正方形の頂点に配置されているが、正方形に限られるものではなく、例えば、直方体形、平行四辺形、菱形、台形等でも良い。
【００８５】
複数の金属バンプ４が平行四辺形の各頂点に配置されている場合に、上記実施の形態１〜３と同様に空洞を形成した時の封止樹脂層の構成について図１３〜図１５を用いて説明する。
【００８６】
図１３は、複数の金属バンプ４が平行四辺形の各頂点に配置されている場合に、実施の形態１の空洞５に対応する空洞５´を形成した封止樹脂層１０の平断面の構成を示す図である。金属バンプ４の中心４ａを結ぶ平行四辺形の領域２０において、この平行四辺形の対角線の交点に、中心軸５´ａが配置されるように、円柱形状の空洞５´が形成されている。この空洞５の半径ｒは、空洞５´の断面形状である円の面積が、平行四辺形の領域２０の面積の２分の１以上になるように形成されている。又、金属バンプ４の外形から空洞５までの封止樹脂３の幅δは、金属バンプ４の半径の半分である０．５ｂ以上になるように形成されている。
【００８７】
図１４は、複数の金属バンプ４が平行四辺形状の各頂点に配置されている場合に、実施の形態２の空洞６に対応する空洞６´を封止樹脂層１０に設けた状態を示す平断面構成図である。実施の形態２と同様に、空洞６´は金属バンプ４の外周に沿う円弧６１´と線分６２´に囲まれた断面形状を有する柱形状であり、空洞６´の断面積は、平行四辺形の領域２０の面積の２分の１以上になり、ｔはｂ以上になり、Ｒは１．５ｂ以上になるよう形成されている。
【００８８】
図１５は、複数の金属バンプ４が平行四辺形状の各頂点に配置されている場合に、実施の形態３の空洞７、８に対応する空洞７´、８´を封止樹脂層１０に設けた状態を示す平断面構成図である。金属バンプ４の中心４ａを結ぶ平行四辺形の領域２０において、この平行四辺形の対角線の交点に、中心軸７´ａが配置されるように、円柱形状の空洞７´が形成されている。又、隣り合う金属バンプ４の間には円柱形状の空洞８´が形成されており、その空洞８´の中心軸８´ａは、隣り合う金属バンプ４の中心４ａを結ぶ線分上に配置されている。ここで、領域２０で囲まれた中に存在する空洞７´及び４つの空洞８´の各部分の合計の面積が、領域２０の面積の２分の１以上になり、金属バンプ４から空洞７´までの間に形成されている封止樹脂３の幅δは０．５ｂ以上になり、空洞７´と空洞８´の間αが０．５ｂ以上になるように空洞７´、８´が形成されている。
【００８９】
又、金属バンプ４が、四角形の頂点に配置されているとみなさず、三角形の頂点に配置されているとみなして、空洞を形成してもよい。図１６は、正三角形の各頂点に金属バンプ４が配置されている状態の封止樹脂層に円柱形状の空洞１１を形成した状態を示す平断面構成図である。図１６に示す空洞１１は、その中心軸１１ａが、正三角形の外心と一致するように形成されている。そして、空洞１１の半径ｒは、空洞１１の断面積が正三角形状の領域２１の面積の２分の１以上になるように設定されている。また、隣り合う空洞１１の間に設けられている封止樹脂３の幅βは、金属バンプ４の半径の半分である０．５ｂ以上になっている。尚、正三角形に限らなくてもよい。
【００９０】
尚、上述したように、実施の形態１〜３及び図１３〜１６の空洞は、半導体チップ１にかかる応力を半減するために、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積が半分以下になるように形成されていたが、封止樹脂３の体積が封止樹脂層１０の半分以下でなくてもよい。この場合、応力を半分以下に減少させることは出来ないものの、空洞がない場合と比較すると、応力を減少させることが出来る。例えば、実施の形態１において、空洞５の半径ｒが０．４ａよりも小さくても良い。また、実施の形態２において線分６２の長さが０であってもよい。図１７は、線分６２が０の時の空洞９の形状を示す構成図である。図１７に示すように、空洞９は、４つの金属バンプ４の外周に沿った円弧９１によって囲まれた断面を有し、柱状に形成されている。また、実施の形態３において、線分上の空洞８のみが設けられていて、中央の空洞７が設けられていなくても良い。
【００９１】
また、上記実施の形態１〜３では、金属バンプ４の外形から空洞５、６、７までの封止樹脂３の幅δは、金属バンプ４の半径の半分である０．５ｂ以上となるように構成されているが、０．５ｂよりも小さくてもよく、少なくとも金属バンプ４の周囲が、封止樹脂３によって覆われてさえいればよい。この場合、少なくともフリップチップ接合部を腐食等から保護でき、熱収縮による応力も低減出来る。例えば、実施の形態１において、空洞５の半径ｒを０．７ａ―１．５ｂよりも大きくしても良い。また、実施の形態２において、円弧６１の半径Ｒを１．５ｂよりも小さくしてもよい。更に、実施の形態３において、空洞７の半径ｒを０．７ａ―１．５ｂよりも大きくしても良い。
【００９２】
これらのように、少なくとも金属バンプ４の周囲を封止樹脂３によって覆うように構成すれば、フリップチップ接合部を腐食等から保護出来るが、封止樹脂層１０の強度の観点からは、少なくとも隣り合う金属バンプ４の周囲に形成されている封止樹脂３同士が繋がっている方が好ましい。この繋がっている部分は、例えば、図７では、隣り合う空洞６の線分６２によって挟まれている部分のことであり（図７中、Ｖ参照）、図８では、空洞７と空洞８の間の部分のことである（図９中、Ｗ参照）。
【００９３】
又、本発明の回路基板の一例は、上記実施の形態では多層基板２に相当するが、多層基板でなくてもよい。
【００９４】
上述したような構造をもつ半導体パッケージは、半導体チップへかかる応力が少なく、電気特性も優れているため、小型化が求められる携帯電話やデジタルビデオカメラにおける集積回路への適用に最適である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の半導体装置は、熱収縮による応力を低減することが出来るという効果を有し、携帯電話やデジタルビデオカメラにおける集積回路等として有用である。
【符号の説明】
【００９６】
１ 半導体チップ
２ 多層基板
３ 封止樹脂
４ 金属バンプ
５ 空洞
６ 空洞
７ 空洞
８ 空洞
９ 空洞
１０ 封止樹脂層
６１ 円弧
６２ 線分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やデジタルビデオカメラ等の分野では、小型、軽量、及び高性能化を実現するための要素技術として、高密度実装が有用となっている。このような高密度装を実現するため，シングルチップのCPS(Chip Scale Package)では不十分な場合があり、MCP(Multi Chip Package)やSiP(System in Package)といったパッケージ採用が広く用いられている。
【０００３】
これらのMCPやSiPといった半導体チップ複合型のパッケージで使われるインターポーザ、マザーボードなどの回路基板では，回路基板上で半導体チップ間の接続が必要となる。この回路基板としては、配線密度が高いビルドアップ基板が採用されている。そして、これらの回路基板への半導体チップの実装方法としては，フリップチップ実装が主流となりつつある。
【０００４】
上記のような構造をもつ半導体パッケージにおいては，フリップチップ接合部である金属バンプの信頼性を確保するため，通常半導体素子および回路基板の隙間に樹脂組成物(封止樹脂)が充填される。封止樹脂には一般的に熱硬化性の樹脂が用いられる。
【０００５】
液体状あるいは半固体の樹脂を、半導体チップと回路基板の間に挿入し、150〜250℃まで加熱させて硬化させた後、冷却させる製造方法が主流となっている。
【０００６】
ところが、封止樹脂は、シリコン等によって形成される半導体チップよりも線膨張係数の大きな物質であるため、封止樹脂の硬化温度から常温まで冷却する段階で、半導体チップよりも大きな熱収縮が封止樹脂に発生する。この封止樹脂の熱収縮は半導体チップに発生する応力の原因となる。
【０００７】
このような応力を緩和するため、封止樹脂を封入する際に、適切な物性を持つ材料を選択することで温度変化による熱応力を緩和する方法が考案されている。たとえば特許文献１には、封止樹脂のガラス転移温度を適切に設計することで、バンプや回路層に発生する応力を緩和する半導体装置が開示されている。
【０００８】
尚、半導体チップの底面付近には、一般的に、多数の半導体素子が敷き詰められており、上記応力が発生する場合には、その応力の影響で半導体素子の電気特性が封止樹脂挿入前にくらべて変化するという問題も発生していた。この電気特性の変化とは、より具体的には、半導体素子にある一定電圧を加えたときの電流の大きさが変化することをさす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2008−534303号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１の従来技術では、バンプや回路層における応力緩和が試みられているが、半導体チップに発生する応力緩和は不十分であり、半導体チップの機能の信頼性に影響を及ぼす可能性がある。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を考慮し、封止樹脂層に空洞を設けることで、その体積を減少させることにより収縮力を低減させ、熱収縮によって半導体チップに発生する応力を低減することが可能な半導体装置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】
【００１２】
上記目的を達成するために、第１の本発明は、
回路基板と、
前記回路基板に配置された半導体チップと、
前記回路基板と前記半導体チップを接続する複数の金属バンプと、
前記半導体チップ及び前記回路基板の間に設けられ、封止樹脂によって形成された封止樹脂層とを備え、
前記封止樹脂層には、複数の柱状の空洞が形成されており、
前記複数の空洞の体積は、前記封止樹脂層の体積の半分以上である、半導体装置である。
【００１３】
第２の本発明は、
前記封止樹脂は、少なくとも前記金属バンプの周囲に形成されており、
隣り合う前記金属バンプの周囲に形成されている前記封止樹脂は繋がっている、第１の本発明の半導体装置である。
【００１４】
第３の本発明は、
前記空洞は円柱形状であり、
複数の前記金属バンプは、各前記空洞の軸を中心として４角形状に配置されている、第１の本発明の半導体装置である。
【００１５】
第４の本発明は、
前記複数の金属バンプは、前記空洞を４つの前記金属バンプで囲むように配置されており、
前記空洞の断面形状は、前記４つの金属バンプのそれぞれの外周に沿う４つの円弧と、前記４つの円弧を繋ぐ４つの線分で囲まれた形状である、第１の本発明の半導体装置である。
【００１６】
第５の本発明は、
前記複数の柱状の空洞は、大きさの異なる２種類の円柱形状の空洞を有し、
複数の前記金属バンプは、４角形状に配置されており、
一方の種類の前記空洞は、その軸が前記４角形状の中心になるように配置されており、
他方の種類の前記空洞は、その軸が隣り合う前記金属バンプの中心を結ぶ線上に配置されるように形成されている、第１の本発明の半導体装置である。
【００１７】
第６の本発明は、
前記金属バンプと前記空洞の間には、少なくとも前記金属バンプの半径の半分以上の幅の前記封止樹脂が形成されている、第１〜５のいずれかの本発明の半導体装置である。
【００１８】
第７の本発明は、
隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、前記空洞の半径ｒ、及び前記金属バンプの半径ｂが、以下の（数１）の関係を満たす、第３の本発明の半導体装置である。
【００１９】
（数１） ０．４ａ≦ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ
第８の本発明は、
前記円弧の中心は、前記金属バンプの中心と一致し、
前記金属バンプの半径ｂ、及び前記円弧の半径Ｒが、以下の（数２）の関係を満たし、
前記空洞の断面形状の向かい合う線分は互いに平行であって、その距離Ｌと、隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、及び前記金属バンプの半径ｂが、以下の（数３）の関係を満たす、第４の本発明の半導体装置である。
【００２０】
（数２） Ｒ≧１．５ｂ
（数３）０．７ａ≦Ｌ≦ａ―ｂ
第９の本発明は、
前記一方の種類の円柱形状の空洞の半径ｒ、隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、及び前記金属バンプの半径ｂは、以下の（数４）の関係を満たし、
前記他方の種類の円柱形状の空洞の半径ｓは、以下の（数５）の関係を満たしている、第５の本発明の半導体装置である。
【００２１】
（数４） ０．３ａ≦ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ
（数５） ０．１ａ≦ｓ≦０．５ａ―０．５ｂ―ｒ
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、熱収縮による応力を低減することが可能な半導体装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明にかかる実施の形態１における半導体装置の側断面構成図
【図２】本発明にかかる実施の形態１における半導体装置の実装方法を説明するための図
【図３】図１のＡＡ´間における封止樹脂層の断面構成図
【図４】本発明の実施の形態１における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図５】図４のＢＢ´間の断面構成図
【図６】本発明にかかる実施の形態１における半導体装置においてｂ＝０．１５ａである場合の封止樹脂層の要部を拡大した平断面構成図
【図７】本発明にかかる実施の形態２における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図８】図７のＣＣ´間断面構成図
【図９】本発明にかかる実施の形態３における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図１０】図９のＤＤ´間断面構成図
【図１１】本発明にかかる実施例１における半導体チップの底面を表す図
【図１２】本発明にかかる実施例１及び比較例１における半導体チップ底面の応力変化のグラフを示す図
【図１３】本発明にかかる実施の形態１の変形例における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図１４】本発明にかかる実施の形態２の変形例における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図１５】本発明にかかる実施の形態３の変形例における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図１６】本発明にかかる実施の形態１の変形例における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【図１７】本発明にかかる実施の形態２の変形例における封止樹脂層の平断面の構成を示す要部拡大図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２５】
（実施の形態１）
以下に、本発明にかかる実施の形態１における半導体装置について説明する。
【００２６】
図１は、本実施の形態１の半導体装置の断面構成図である。
【００２７】
本実施の形態１の半導体装置では、トランジスタなどの半導体素子をもつ半導体チップ１が、本発明の回路基板の一例である多層基板２上にフリップチップ接合方式により接続されている。また半導体チップ１と多層基板２の間には樹脂組成物である封止樹脂３が封入されており、半導体チップ１と多層基板２の間に封止樹脂層１０が形成されている。
【００２８】
ここで本実施の形態１における半導体装置では、多層基板２上に半導体チップ１を実装する際にフリップチップ実装を行っているため、半導体チップ１の表面と多層基板２との電気的な接続は、ワイヤボンディングのようなワイヤではなく、アレイ状に並んだ突起状の端子である金属バンプ４によって行われている。
【００２９】
また、フリップチップ実装は、ワイヤボンディングにくらべて実装面積を小さくできるため、高密度実装が可能になる利点があり、配線が短いために電気的特性がよいという特徴もある。よって、本実施の形態の半導体パッケージは小型、薄型に対する要求の強い携帯機器の回路や、電気特性が重視される高周波回路などに向いている。
【００３０】
尚、本実施の形態１では、半導体チップは、厚み０．５〜１（ｍｍ）程度、縦もしくは横の長さが５〜１０（ｍｍ）程度のサイズのものが扱われる。半導体チップ１の材質はシリコンであり、その底面付近にはトランジスタなどの半導体素子が２０〜１００（ｎｍ）ピッチで敷き詰められている。
【００３１】
又、多層基板２としては、コア層となる板状の材料の両面に配線が１〜３層程度積層されたビルドアップ基板が用いられる。コア層の材料としてはガラスエポキシ樹脂が用いられる。コア層の材料の厚みは２００〜８００（μｍ）程度とし、多層基板２の全体の厚さは３００〜１２００（μm）程度とする。また多層基板２は、縦もしくは横の長さが１５〜４０（ｍｍ）程度のサイズのものが使用される。
【００３２】
上記金属バンプ４としては、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕを６：１：２の割合で含む合金の半田材料が用いられる。
【００３３】
次に、本実施の形態１の半導体装置における封止樹脂３について説明する。
【００３４】
封止樹脂３は、フリップチップ接合部が外力よって破壊されたり腐食したりすることを防ぐために用いられる。封止樹脂３にはＮＣＦ（NonConductive Film）とよばれる熱硬化性の樹脂が適用される。ＮＣＦとは、半導体チップ１と多層基板２とを金属接合する前に多層基板２上に塗布される非導電性のフィルム状の封止材である。
【００３５】
図２は、本実施の形態１の半導体装置の製造方法を説明するための図である。図２に示すように、封止樹脂３としてシート状のＮＣＦが多層基板２の表面上に配置される。そして、ＮＣＦの粘度が小さくなる温度において金属バンプ４が装着された半導体チップ１がＮＣＦの層に突き刺され、金属バンプ４が多層基板２の電極部に接着され、リフロー工程において熱を加えることでフリップチップ実装と封止樹脂層１０の硬化が同時に行われる。
【００３６】
図３は、図１の上方から視たＡＡ´間における封止樹脂層１０の断面構成図であり、封止樹脂層１０の空洞構造を示す。図３に示すように、本実施の形態における封止樹脂層１０では、複数の金属バンプ４が正方格子状に配置されている。そして、正方形の頂点に配置された４つの金属バンプ４間のそれぞれの中央に、柱状の空洞５が設けられている。この空洞５は、熱膨張によって半導体チップ１全体に発生する応力を低下させること目的としている。
【００３７】
図４は、図３の部分拡大図であり、１つの空洞５とその周囲に配置されている４つの金属バンプ４の構成を示す図である。又、図５は、図４のＢＢ´間の断面構成図である。
【００３８】
図４、５に示すように、空洞５は円柱形状であり、空洞５の円柱の中心軸５ａ（円の中心）は、４つの金属バンプ４によって形成される正方形状の対角線の交点に位置する。又、封止樹脂３の体積をできるだけ小さくするため、円柱状の空洞５は図５に示すように封止樹脂層１０の上面から下面まで貫通するものが望ましい。
【００３９】
尚、このような空洞５は、次のように形成することが出来る。予め、シート状のＮＣＦ（封止樹脂３）にパンチを用いた型抜きによって空洞が形成される。空洞が形成されたＮＣＦが、多層基板２上に配置される。その後、フリップチップ実装と封止樹脂３の硬化が行われ、空洞５が形成された封止樹脂層１０を形成することが出来る。
【００４０】
また、隣り合う金属バンプ４の中心間の距離a、金属バンプ４の半径ｂ、及び円柱の円の半径ｒは、次の（数１）を満たしていることが望ましい。
【００４１】
０．４ａ≦ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ・・・（数１）
上式について説明する。封止樹脂３の熱収縮によって半導体チップ１の底面全体に発生する応力は、封止樹脂の体積に応じて発生すると考えられる。すなわち、封止樹脂の熱収縮により発生する応力は、その体積に比例すると考えられる。ここで、半導体チップ１の底面近傍に設けられている半導体素子の電気的特性変動を半減するためには、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積が、空洞なしの場合に対して半分以下にすることが望ましい。
【００４２】
よって、半導体素子の電気特性変動を半減させるとした場合、円柱状の空洞５の半径は、封止樹脂の体積を半減させる円柱の半径ｒ´（＝０．３９８９４ａ）に近い値をとって
０．４ａ≦ｒ
とすることが望ましい。このｒ´の値は次のように導かれる。図４の４つの金属バンプ４の中心点４ａで囲まれた正方形領域の面積はａ２である。金属バンプ４の体積を無視すると、円柱状の空洞５の円の面積がこの半分の値になるときに封止樹脂３の体積は半減すると考えられる。
【００４３】
よって、πｒ´２＝（ａ２）／２ となるのでｒ´＝０．３９８９４ａとなる。
【００４４】
また、金属バンプ４の信頼性を十分に確保するため、金属バンプ４を覆う封止樹脂３の幅δは金属バンプ４の半径の半分である０．５b程度確保することが望ましい。ここで、空洞５の中心（軸５ａ）から金属バンプ４の中心までの距離はおよそ０．７ａであるから、円柱状の空洞５の半径ｒは金属バンプ４を覆う封止樹脂３の幅が０．５ｂ以上となるように
ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ
とすることが望ましい。
【００４５】
これら０．４ａ≦ｒと、ｒ≦０．７ａ―１．５ｂとから上記（数１）が導かれる。
【００４６】
このように、本実施の形態の半導体装置では、封止樹脂層１０に空洞５をもつ構造となるため、封止樹脂３の体積は空洞なしの場合に比べて減少する。封止樹脂３の体積を減少させると、その収縮力は低下するので，半導体チップ１に発生する圧縮応力が低減される。そのため、半導体チップ１の底面付近に半導体素子が敷き詰められているような半導体装置等であっても、その電気特性の変動を緩和することができる。尚、電気特性の変化とは、より具体的には、半導体素子にある一定電圧を加えたときに電流の大きさが変化することをさす。
【００４７】
又、上記（数１）を満たすような空洞５を形成することによって、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積を半分以上減少させ、半導体チップ１にかかる応力を半減させることが可能となる。
【００４８】
なお、本実施の形態及び以下の実施の形態では、空洞を円柱として円の半径ｒを定義しているが、本発明の柱状の一例として空洞が富士山のような形状（円錐台形状）や太鼓形状であってもよい。その場合、これら円錐台や太鼓形状の半径ｒは、同体積の円柱に置き換え、その円柱の半径として定義される。
【００４９】
（実施の形態２）
次に、本発明にかかる実施の形態２における半導体装置について説明する。
【００５０】
本実施の形態２の半導体装置は、実施の形態１の半導体装置と空洞の構成が異なっている。そのため、本相違点を中心に説明する。
【００５１】
図６はｂ＝０．２ａとなる場合に、実施の形態１と同様に、４つの金属バンプ４の中央に円柱状の空洞５を設けた封止樹脂層１０の状態を示す平面構成図である。このように、ｂ＝０．２ａとなる場合には、金属バンプ４の半径ｂが、隣り合う金属バンプ４の中心間の距離ａに対して大きくなるため、金属バンプ４を覆う封止樹脂３の幅δを０．５ｂ以上とるためには
０．４ａ≧ｒ
のように、空洞の半径rを小さくしなければならない。
【００５２】
このように、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積を半減するような空洞の半径を確保することできないため、半導体チップ１に発生する応力を半分にまで減少させる場合には、対応出来ない可能性がある。
【００５３】
そこで、bが比較的大きい場合に封止樹脂の体積を減少させるための工夫として、本実施の形態２の構成が用いられる。
【００５４】
図７は、本実施の形態２の半導体装置の封止樹脂層の平断面の要部拡大構成図である。図８は、図７のＣＣ´間の断面構成図である。尚、図７は、図１を用いて説明すると、上方から視た封止樹脂層のＡＡ´間の断面構成図に相当する。
【００５５】
図７、８に示すように、本実施の形態２の空洞６は、正方形状に配置された４つの金属バンプ４の間に配置されており、４つの金属バンプ４の外周に沿うような円弧６１と、線分６２で囲まれた形状を断面形状とする柱状に形成されている。この各線分６２は、対向する線分６２が互いに平行であり、それぞれの線分６２は、隣り合う金属バンプ４の中心を結んだ線分と平行に設けられている。
【００５６】
円弧６１の中心は、それぞれの金属バンプ４の中心４ａに一致している。又、金属バンプ４を覆う封止樹脂３に、金属バンプ４の半径の半分である０．５b以上の幅を持たせるために、円弧６１の半径Ｒは
Ｒ≧１．５ｂ・・・（数２）
とすることが望ましい。
【００５７】
そして二つの金属バンプ４のそれぞれの周囲に形成されている封止樹脂３の間を繋ぐ領域Ｖにおける封止樹脂３の幅tは、封止樹脂層１０全体の強度を保つために
ｔ≧ ｂ
となることが望ましく、それを実現するためには向かい合う線分間の距離Lを
Ｌ ≦ a− b
とすることが必要である。
【００５８】
また、封止樹脂３の体積を半減させる距離L’(＝０．７０７１ａ)に近い値をとって
L ≧ ０．７ａ
とすることが望ましい。
【００５９】
すなわち、０．７ａ ≦ Ｌ ≦ ａ−ｂ・・・（数３）となることが望ましい。
【００６０】
以上のように、本実施の形態２の半導体装置では、バンプを封止樹脂で覆いつつ、効率的に封止樹脂の体積を減少させることができる。
【００６１】
又、上記（数２）及び（数３）を満たすことによって、実施の形態１と比較して、bが０．２ａ以上の場合であっても、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積を半減させ、半導体チップ１にかかる応力を半減させることが可能となる。
【００６２】
尚、本実施の形態２では、対向する線分６２は平行に配置されているが、平行に配置されていなくても良い。
【００６３】
（実施の形態３）
次に、本発明にかかる実施の形態３における半導体装置について説明する。
【００６４】
本実施の形態３の半導体装置は、実施の形態２と空洞の形状が異なっている。そのため、本相違点を中心に説明する。
【００６５】
図９は、本実施の形態３の半導体装置の封止樹脂層の平断面の要部拡大構成図である。図１０は、図９のＤＤ´間の断面構成図である。尚、図９は、図１を用いて説明すると、上方から視た封止樹脂層のＡＡ´間の断面構成図に相当する。図９に示すように、本実施の形態３では、大きさの異なる２種類の空洞が設けられており、１方の種類の空洞７は、円柱状であり、4つの金属バンプ４の中央に設けられている。この空洞７の円の中心軸７ａは、４つの金属バンプ４の中心によって形成される正方形状の対角線の交点に位置する。また、他方の種類の空洞８は、円柱状であり、その中心軸８ａが、隣り合う金属バンプ４の中心間を結ぶ線分上に設けられている。
【００６６】
上記空洞７の円の半径ｒは、
r ≧ ０．３ａ
とすることが望ましい。ｒは０．４ａ以上で封止樹脂を半減させるが、別の空洞があるため、本実施の形態では０．３ａ以上でよい。
【００６７】
又、金属バンプ４を覆う封止樹脂３の幅δを０．５b以上とることを考え、
r ≦ ０．７ａ−１．５ｂとすることが望ましい。
【００６８】
すなわち、
０．３ａ≦ r ≦０．７ａ−１．５ｂ・・・（数４）
を満たすことが望ましい。
【００６９】
更に、隣り合う金属バンプ４の中心間の線分上の中央に中心軸８ａを持つ円柱状の空洞８の半径ｓは、封止樹脂の体積を少なくするために、
s ≧ ０．１ａ
とすることが望ましい。ｓ≧０．１ａとなる空洞８を１個設けることで封止樹脂の体積を１．５％以上減少させることができる。
【００７０】
また中央の空洞７と線分上の空洞８は、封止樹脂層１０全体の強度を保つためにある程度の距離を保つことが望ましい。中央の空洞７と線分上の空洞８の間の封止樹脂の幅αが０．５b以上となるようにするために
s ≦ ０．５ａ−０．５ｂ−ｒ
となることが望ましい。
【００７１】
すなわち、
０．１ａ≦ s≦ ０．５ａ−０．５ｂ−ｒ・・・（数５）
を満たすことが望ましい。
【００７２】
又、金属バンプ４の外周から空洞８までの封止樹脂３の幅δ´については、０．５ｂ以上である方が望ましい。
【００７３】
本実施の形態３では、中央の空洞７以外にも円柱状の空洞８を複数設けることによって封止樹脂３の体積を減少させることができる。
【００７４】
また、上述した実施の形態２においては、封止樹脂材料やリフローの温度条件などによっては、空洞６の構造をフリップチップ実装後も維持できない可能性も考えられる。すなわち、封止樹脂３の材料であるシートを加熱する際に、封止樹脂３の粘度が低下し、表面張力の作用によって実施の形態２の形状が変形してしまう場合が考えられる。
【００７５】
しかしながら、本実施の形態３では、空洞７、８が角をもたない円柱の形状であるため、リフロー時の表面張力による変形を抑制できる。
【００７６】
又、上記（数４）及び（数５）を満たすことによって、実施の形態１と比較して、bが０．２ａ以上の場合であっても、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積を半減させ、半導体チップ１にかかる応力を半減させることが可能となる。
【００７７】
尚、本実施の形態３では、空洞８は、隣り合う金属バンプ４の間に１つ設けられているが、複数個設けられていても良い。
【００７８】
（実施例）
本実施例では、上記実施の形態２の構成における効果を検証した。
【００７９】
封止樹脂３を挿入することによって発生する応力の変化を、封止樹脂層１０に空洞６を設けない場合（比較例１）と、実施の形態２のように空洞６を設けた場合（実施例１）について、数値シミュレーションにより比較を行った。
【００８０】
尚、数値計算においては有限要素法を用いた熱応力解析を実施しており、製造工程におけるリフロー温度２２０(℃)から常温２５(℃)までの冷却過程における熱収縮力をシミュレートしている。又、金属バンプ４のピッチ距離はａ＝１８０(μｍ) 金属バンプ４の半径はb＝４５(μｍ) 、空洞６における円弧の半径はＲ＝７０(μｍ)、 空洞６における向かい合う辺の距離をＬ＝１２６(μｍ)としている。また、半導体チップの厚みは７８５(μｍ)、多層基板の厚みは１０９２ (μｍ)、半導体チップと多層基板の間隔は６５(μｍ)としている。
【００８１】
図１１は、半導体チップ１の底面を描いた図である。半導体チップ１の対角線の交点Ｏを原点とし、その交点Ｏから半導体チップの対角方向に向かってＸ軸をとった。図１２は、このＸ軸上における半導体チップ１の面内方向の応力変化をグラフ化したものである。
【００８２】
グラフ１のｘ＝０付近の応力変化は、比較例１で−２８(ＭＰａ)なのに対して、実施例１では−１４ (ＭＰａ)となっているので、実施例１の圧縮応力の変化は比較例１と比較して緩和されていることがわかる。また、実施例１における、対角線上の全体的な応力変化も、比較例１と比べると緩和されている。
【００８３】
これらのことから、実施の形態２において空洞６を設けることにより、半導体チップ１の底面に発生する応力変化を緩和することができると考えられる。半導体チップ１の底面付近に配置されている半導体素子の電気特性変動がチップ底面の応力変化に比例すると考えられるため、空洞を設けることによって、その電気特性変動が緩和される。
【００８４】
尚、上記実施の形態１〜３では、複数の金属バンプ４は、本発明の四角形状の一例として正方形の頂点に配置されているが、正方形に限られるものではなく、例えば、直方体形、平行四辺形、菱形、台形等でも良い。
【００８５】
複数の金属バンプ４が平行四辺形の各頂点に配置されている場合に、上記実施の形態１〜３と同様に空洞を形成した時の封止樹脂層の構成について図１３〜図１５を用いて説明する。
【００８６】
図１３は、複数の金属バンプ４が平行四辺形の各頂点に配置されている場合に、実施の形態１の空洞５に対応する空洞５´を形成した封止樹脂層１０の平断面の構成を示す図である。金属バンプ４の中心４ａを結ぶ平行四辺形の領域２０において、この平行四辺形の対角線の交点に、中心軸５´ａが配置されるように、円柱形状の空洞５´が形成されている。この空洞５の半径ｒは、空洞５´の断面形状である円の面積が、平行四辺形の領域２０の面積の２分の１以上になるように形成されている。又、金属バンプ４の外形から空洞５までの封止樹脂３の幅δは、金属バンプ４の半径の半分である０．５ｂ以上になるように形成されている。
【００８７】
図１４は、複数の金属バンプ４が平行四辺形状の各頂点に配置されている場合に、実施の形態２の空洞６に対応する空洞６´を封止樹脂層１０に設けた状態を示す平断面構成図である。実施の形態２と同様に、空洞６´は金属バンプ４の外周に沿う円弧６１´と線分６２´に囲まれた断面形状を有する柱形状であり、空洞６´の断面積は、平行四辺形の領域２０の面積の２分の１以上になり、ｔはｂ以上になり、Ｒは１．５ｂ以上になるよう形成されている。
【００８８】
図１５は、複数の金属バンプ４が平行四辺形状の各頂点に配置されている場合に、実施の形態３の空洞７、８に対応する空洞７´、８´を封止樹脂層１０に設けた状態を示す平断面構成図である。金属バンプ４の中心４ａを結ぶ平行四辺形の領域２０において、この平行四辺形の対角線の交点に、中心軸７´ａが配置されるように、円柱形状の空洞７´が形成されている。又、隣り合う金属バンプ４の間には円柱形状の空洞８´が形成されており、その空洞８´の中心軸８´ａは、隣り合う金属バンプ４の中心４ａを結ぶ線分上に配置されている。ここで、領域２０で囲まれた中に存在する空洞７´及び４つの空洞８´の各部分の合計の面積が、領域２０の面積の２分の１以上になり、金属バンプ４から空洞７´までの間に形成されている封止樹脂３の幅δは０．５ｂ以上になり、空洞７´と空洞８´の間αが０．５ｂ以上になるように空洞７´、８´が形成されている。
【００８９】
又、金属バンプ４が、四角形の頂点に配置されているとみなさず、三角形の頂点に配置されているとみなして、空洞を形成してもよい。図１６は、正三角形の各頂点に金属バンプ４が配置されている状態の封止樹脂層に円柱形状の空洞１１を形成した状態を示す平断面構成図である。図１６に示す空洞１１は、その中心軸１１ａが、正三角形の外心と一致するように形成されている。そして、空洞１１の半径ｒは、空洞１１の断面積が正三角形状の領域２１の面積の２分の１以上になるように設定されている。また、隣り合う空洞１１の間に設けられている封止樹脂３の幅βは、金属バンプ４の半径の半分である０．５ｂ以上になっている。尚、正三角形に限らなくてもよい。
【００９０】
尚、上述したように、実施の形態１〜３及び図１３〜１６の空洞は、半導体チップ１にかかる応力を半減するために、封止樹脂層１０における封止樹脂３の体積が半分以下になるように形成されていたが、封止樹脂３の体積が封止樹脂層１０の半分以下でなくてもよい。この場合、応力を半分以下に減少させることは出来ないものの、空洞がない場合と比較すると、応力を減少させることが出来る。例えば、実施の形態１において、空洞５の半径ｒが０．４ａよりも小さくても良い。また、実施の形態２において線分６２の長さが０であってもよい。図１７は、線分６２が０の時の空洞９の形状を示す構成図である。図１７に示すように、空洞９は、４つの金属バンプ４の外周に沿った円弧９１によって囲まれた断面を有し、柱状に形成されている。また、実施の形態３において、線分上の空洞８のみが設けられていて、中央の空洞７が設けられていなくても良い。
【００９１】
また、上記実施の形態１〜３では、金属バンプ４の外形から空洞５、６、７までの封止樹脂３の幅δは、金属バンプ４の半径の半分である０．５ｂ以上となるように構成されているが、０．５ｂよりも小さくてもよく、少なくとも金属バンプ４の周囲が、封止樹脂３によって覆われてさえいればよい。この場合、少なくともフリップチップ接合部を腐食等から保護でき、熱収縮による応力も低減出来る。例えば、実施の形態１において、空洞５の半径ｒを０．７ａ―１．５ｂよりも大きくしても良い。また、実施の形態２において、円弧６１の半径Ｒを１．５ｂよりも小さくしてもよい。更に、実施の形態３において、空洞７の半径ｒを０．７ａ―１．５ｂよりも大きくしても良い。
【００９２】
これらのように、少なくとも金属バンプ４の周囲を封止樹脂３によって覆うように構成すれば、フリップチップ接合部を腐食等から保護出来るが、封止樹脂層１０の強度の観点からは、少なくとも隣り合う金属バンプ４の周囲に形成されている封止樹脂３同士が繋がっている方が好ましい。この繋がっている部分は、例えば、図７では、隣り合う空洞６の線分６２によって挟まれている部分のことであり（図７中、Ｖ参照）、図８では、空洞７と空洞８の間の部分のことである（図９中、Ｗ参照）。
【００９３】
又、本発明の回路基板の一例は、上記実施の形態では多層基板２に相当するが、多層基板でなくてもよい。
【００９４】
上述したような構造をもつ半導体パッケージは、半導体チップへかかる応力が少なく、電気特性も優れているため、小型化が求められる携帯電話やデジタルビデオカメラにおける集積回路への適用に最適である。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の半導体装置は、熱収縮による応力を低減することが出来るという効果を有し、携帯電話やデジタルビデオカメラにおける集積回路等として有用である。
【符号の説明】
【００９６】
１ 半導体チップ
２ 多層基板
３ 封止樹脂
４ 金属バンプ
５ 空洞
６ 空洞
７ 空洞
８ 空洞
９ 空洞
１０ 封止樹脂層
６１ 円弧
６２ 線分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板と、
前記回路基板に配置された半導体チップと、
前記回路基板と前記半導体チップを接続する複数の金属バンプと、
前記半導体チップ及び前記回路基板の間に設けられ、封止樹脂によって形成された封止樹脂層とを備え、
前記封止樹脂層には、複数の柱状の空洞が形成されており、
前記複数の空洞の体積は、前記封止樹脂層の体積の半分以上である、半導体装置。
【請求項２】
前記封止樹脂は、少なくとも前記金属バンプの周囲に形成されており、
隣り合う前記金属バンプの周囲に形成されている前記封止樹脂は繋がっている、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記空洞は円柱形状であり、
複数の前記金属バンプは、各前記空洞の軸を中心として４角形状に配置されている、請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記複数の金属バンプは、前記空洞を４つの前記金属バンプで囲むように配置されており、
前記空洞の断面形状は、前記４つの金属バンプのそれぞれの外周に沿う４つの円弧と、前記４つの円弧を繋ぐ４つの線分で囲まれた形状である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記複数の柱状の空洞は、大きさの異なる２種類の円柱形状の空洞を有し、
複数の前記金属バンプは、４角形状に配置されており、
一方の種類の前記空洞は、その軸が前記４角形状の中心になるように配置されており、
他方の種類の前記空洞は、その軸が隣り合う前記金属バンプの中心を結ぶ線上に配置されている、請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属バンプと前記空洞の間には、少なくとも前記金属バンプの半径の半分以上の幅の前記封止樹脂が形成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、前記空洞の半径ｒ、及び前記金属バンプの半径ｂが、以下の（数１）の関係を満たす、請求項３記載の半導体装置。
（数１） ０．４ａ≦ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ
【請求項８】
前記円弧の中心は、前記金属バンプの中心と一致し、
前記金属バンプの半径ｂ、及び前記円弧の半径Ｒが、以下の（数２）の関係を満たし、
前記空洞の断面形状の向かい合う線分は互いに平行であって、その距離Ｌと、隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、及び前記金属バンプの半径ｂが、以下の（数３）の関係を満たす、請求項４記載の半導体装置。
（数２） Ｒ≧１．５ｂ
（数３）０．７ａ≦Ｌ≦ａ―ｂ
【請求項９】
前記一方の種類の円柱形状の空洞の半径ｒ、隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、及び前記金属バンプの半径ｂは、以下の（数４）の関係を満たし、
前記他方の種類の円柱形状の空洞の半径ｓは、以下の（数５）の関係を満たしている、請求項５記載の半導体装置。
（数４） ０．３ａ≦ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ
（数５） ０．１ａ≦ｓ≦０．５ａ―０．５ｂ―ｒ
【請求項１】
回路基板と、
前記回路基板に配置された半導体チップと、
前記回路基板と前記半導体チップを接続する複数の金属バンプと、
前記半導体チップ及び前記回路基板の間に設けられ、封止樹脂によって形成された封止樹脂層とを備え、
前記封止樹脂層には、複数の柱状の空洞が形成されており、
前記複数の空洞の体積は、前記封止樹脂層の体積の半分以上である、半導体装置。
【請求項２】
前記封止樹脂は、少なくとも前記金属バンプの周囲に形成されており、
隣り合う前記金属バンプの周囲に形成されている前記封止樹脂は繋がっている、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記空洞は円柱形状であり、
複数の前記金属バンプは、各前記空洞の軸を中心として４角形状に配置されている、請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記複数の金属バンプは、前記空洞を４つの前記金属バンプで囲むように配置されており、
前記空洞の断面形状は、前記４つの金属バンプのそれぞれの外周に沿う４つの円弧と、前記４つの円弧を繋ぐ４つの線分で囲まれた形状である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記複数の柱状の空洞は、大きさの異なる２種類の円柱形状の空洞を有し、
複数の前記金属バンプは、４角形状に配置されており、
一方の種類の前記空洞は、その軸が前記４角形状の中心になるように配置されており、
他方の種類の前記空洞は、その軸が隣り合う前記金属バンプの中心を結ぶ線上に配置されている、請求項１記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属バンプと前記空洞の間には、少なくとも前記金属バンプの半径の半分以上の幅の前記封止樹脂が形成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項７】
隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、前記空洞の半径ｒ、及び前記金属バンプの半径ｂが、以下の（数１）の関係を満たす、請求項３記載の半導体装置。
（数１） ０．４ａ≦ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ
【請求項８】
前記円弧の中心は、前記金属バンプの中心と一致し、
前記金属バンプの半径ｂ、及び前記円弧の半径Ｒが、以下の（数２）の関係を満たし、
前記空洞の断面形状の向かい合う線分は互いに平行であって、その距離Ｌと、隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、及び前記金属バンプの半径ｂが、以下の（数３）の関係を満たす、請求項４記載の半導体装置。
（数２） Ｒ≧１．５ｂ
（数３）０．７ａ≦Ｌ≦ａ―ｂ
【請求項９】
前記一方の種類の円柱形状の空洞の半径ｒ、隣り合う前記金属バンプの中心間の距離ａ、及び前記金属バンプの半径ｂは、以下の（数４）の関係を満たし、
前記他方の種類の円柱形状の空洞の半径ｓは、以下の（数５）の関係を満たしている、請求項５記載の半導体装置。
（数４） ０．３ａ≦ｒ≦０．７ａ―１．５ｂ
（数５） ０．１ａ≦ｓ≦０．５ａ―０．５ｂ―ｒ
【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】
【公開番号】特開２０１２−１１４３４９（Ｐ２０１２−１１４３４９Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６３７８６（Ｐ２０１０−２６３７８６）
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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