JP6467797B2 - 配線基板、配線基板を用いた半導体装置およびこれらの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フリップチップ実装用の配線基板、配線基板を用いた半導体装置及びこれらの製造方法に関し、特に、実装状態において半導体チップとの間に樹脂が充填される構造の配線基板、配線基板を用いた半導体装置及びこれらの製造方法に関する。

近年、半導体装置は種々の電子機器に組み込まれており、よって半導体装置に要求される信頼性は益々増大する傾向にある。

一般に、半導体装置は半導体チップを基板に実装した構造を有している。また半導体チップの小型化及び高密度化に伴い、実装方法としては半導体チップに突起電極を形成し、これを基板に表面実装するフリップチップ実装方法が用いられるようになってきている。

よって、半導体装置の信頼性を向上させるには、このフリップチップ実装を高い信頼性をもって行なう必要がある。

図１は、従来のフリップチップ実装用基板であって、実装パッドがペリフェラルに配置されている実装用基板１００Ａを示す断面図（ａ）および上面図（ｂ）であり、図２は、半導体チップ１０２をフリップチップ実装用基板１００Ａに搭載した状態を示す断面図である。以下では、実装用基板１００Ａ上に実装する実装部品として、半導体チップ１０２を例に挙げて説明する。

先ず、図１、図２を用いて、実装用基板１００Ａについて説明する。実装用基板１００Ａは、大略すると基板本体１０６とソルダーレジスト１１０とにより構成されている。基板本体１０６は例えば多層プリント配線基板であり、その下面には外部接続用バンプ１１４が形成されている。また、基板本体１０６の上面には、所定の配線パターンで配線層１０８が形成されている。この配線層１０８と外部接続用バンプ１１４は、基板本体１０６の内部に形成された層間配線（図示せず）により接続されている。

絶縁膜となるソルダーレジスト１１０は絶縁性樹脂により構成されており、その所定位置には開口部１１２Ａが形成されている。この開口部１１２Ａの形成位置は、半導体チップ１０２に形成されたバンプ１０４の形成位置と対応する。

尚、ソルダーレジスト１１０に形成された開口部１１２Ａは、ソルダーレジスト１１０の機能上、個々の配線層１０８毎に開口形成することが望ましいが、半導体チップ１０２の多ピン化に伴いバンプ１０４のピッチが２００μｍ以下と狭ピッチになると、これに対応してソルダーレジスト１１０に微細な開口部を形成することが困難となる。そこで、個々の実装パッド１０８毎に開口部を形成するのではなく、半導体チップ１０２の１辺に沿って形成された一列のバンプ１０４に対応した配線層１０８を一括的に１個の開口部１１２Ａで露出させる構成としている。

また、開口部１１２Ａが形成されることにより、開口部１１２Ａと重なる配線層１０８の一部が外部に露出された状態となる。この配線層１０８の開口部１１２Ａから露出した部位は、半導体チップ１０２のバンプ１０４と接続される部位であり、以下この部位を実装パッド１０９という。

このように、ソルダーレジスト１１０に開口部１１２Ａを形成することにより、実装用基板１００Ａにバンプ１０４との接続部位となる実装パッド１０９を設け、バンプ１０４と実装パッド１０９とを電気的に接続することができる。

図２に示されるように、半導体チップ１０２が実装用基板１００Ａに実装された状態において、半導体チップ１０２に設けられたバンプ１０４は、はんだ１１６を介して実装パッド１０９に接合される。また、半導体チップ１０２と実装用基板１００Ａとの間には、アンダーフィルレジン１１８が充填される。

このアンダーフィルレジン１１８は、半導体チップ１０２と実装用基板１００Ａとの熱膨張率の差に起因して発生する応力を緩和させると共に、バンプ１０４と実装パッド１０９との接合部位を保護するために設けられている。

特開２０１１−６９９３８号公報 特開２０１１−７７１９１号公報

このようなペリフェラル実装基板は、近年の小型化、高機能化要求に伴い、実装パッドの狭ピッチ化が進んでおり、今後も狭ピッチ化への対応が求められている。ペリフェラル実装基板の実装パッドを狭ピッチ化するにあたり、いくつかの克服すべき課題がある。その課題の１つとして、実装パッドの寸法を小さくしたときに、実装パッドと基板樹脂層との密着性を確保する事が難しく、実装時に受ける外部からの負荷により、実装パッドが基板樹脂層から剥がれて折れ曲がる現象（パッド倒れ）が挙げられる。実装時に実装パッドが剥がれて折れ曲がると、折れ曲がった実装パッドが周りの実装パッドに接触するなどして、ショートの原因となることや、良好な接合部が得られず、オープンの原因となることがある。

これらの現象への対策として、特許文献１や特許文献２に記載の開口部多段ソルダーレジストを形成する方法が提案されている。しかしながら、これらの方法では複数回フォトリソプロセスを実施する必要があり、加工プロセスが複雑で、製造に時間を要する。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、実装パッドの密着力不足を解消し、実装パッドが剥がれて折れ曲がることを抑制できる配線基板、配線基板を用いた半導体装置およびこれらの製造方法を提供することである。

本発明は、コア基板上に、配線層と、配線層の一部を露出させるリング状開口部を有するように形成され、配線層を覆う外部絶縁性樹脂層とを備える配線基板の製造方法に関するものであって、リング状開口部内のうち、リング状開口部の外側の外周縁近傍の領域のみに液状の絶縁樹脂を塗布し、塗布した液状の絶縁樹脂を開口部から露出する配線層の一部の周囲に毛細管現象により流動させ、塗布した絶縁樹脂を硬化させ、絶縁樹脂を塗布していないリング状開口部内の配線層の表面を、半導体チップと接続するための実装パッド接合部として露出させる。

この場合、開口部から露出する配線層の一部の周囲に流動させる絶縁樹脂を表面実装素子の実装時に用いるアンダーフィル材と同一としても良い。

また、本発明に係る配線基板は、コア基板と、コア基板上に形成された配線層と、配線層の一部を露出させるためのリング状開口部を有するように形成され、配線層を覆う外部絶縁性樹脂と、リング状開口部内において、リング状開口部から露出する前記配線層の前記一部の周囲に充填されると共に、リング状開口部内の配線層の表面のうち、リング状開口部の外側の外周縁近傍の部分のみを覆い、リング状開口部内の配線層の表面の他の部分を半導体チップと接続するための実装パッド接合部として露出させ、配線層の一部の表面のうちの、半導体チップに接続される実装パッド接合部を除く部分からコア基板の表面にかけて設けられた内部絶縁性樹脂と、外部接続用バンプとを備える。

本発明に係る半導体装置の製造方法では、コア基板上に、配線層と、配線層の一部を露出させる開口部を有するように形成され、配線層を覆う外部絶縁性樹脂層とを備える配線基板を用意し、開口部内の一部の領域に液状の絶縁樹脂を塗布し、塗布した液状の絶縁樹脂を開口部から露出する配線層の一部の周囲に毛細管現象により流動させ、塗布した絶縁樹脂を硬化させ、開口部から露出する配線層の一部の上に半導体チップを実装し、実装した半導体チップと配線基板との間に、アンダーフィル材を充填する。

この場合、開口部から露出する配線層の一部の周囲に流動させる絶縁樹脂をアンダーフィル材と同一としても良い。

本発明に係る半導体装置は、上記の配線基板と、開口部から露出する配線層の一部の上に実装される半導体チップと、半導体チップと配線基板の間に充填されるアンダーフィル材とを備える。

本発明によれば、実装パッドの密着力不足を解消し、実装パッドが剥がれて折れ曲がることを抑制できる配線基板、配線基板を用いた半導体装置およびこれらの製造方法を実現できる。

従来のフリップチップ実装用基板の断面図及び上面図 図１に示す従来のフリップチップ実装用基板に半導体チップを搭載した状態を示す断面図 実施形態に係る実装用基板を示す断面図及び上面図 実施形態に係る半導体装置の製造時に行う絶縁樹脂塗布工程を説明する図 実施形態に係る半導体装置を示す断面図

以下、図３〜５を参照しながら、本発明の実施形態に係る実装用基板及びこれを備える半導体装置の製造方法を説明する。

図３は、実施形態に係る実装用基板を示す断面図（ａ）及び上面図（ｂ）である。

まず、図３に示す実装用基板１００Ａを準備する。実装用基板１００Ａは、配線基板とも言う。ペリフェラル構造を有する実装用基板１００Ａは、大略すると基板本体１０６とソルダーレジスト１１０とにより構成されている。基板本体１０６は、コア基板と配線層１０８とを備える。コア基板は、例えば多層プリント配線基板であり、その下面には外部接続用バンプ１１４が形成されている。また、配線層１０８は、基板本体１０６の上面の最外層に、所定の配線パターンで形成されている。この配線層１０８と外部接続用バンプ１１４は、基板本体１０６の内部に形成された層間配線層（図示せず）により接続されている。層間配線層は絶縁性樹脂層を介して積層されている。

絶縁膜となるソルダーレジスト１１０は絶縁性樹脂により構成されており、その所定位置には開口部１１２Ａが形成されている。以下、ソルダーレジスト１１０を外部絶縁樹脂と言う場合もある。この開口部１１２Ａの形成位置は、半導体チップ１０２に形成されたバンプ１０４の形成位置と対応する。

尚、ソルダーレジスト１１０に形成された開口部１１２Ａは、半導体チップ１０２の１辺に沿って形成された一列のバンプ１０４に対応した実装パッド１０８を一括的に１個の開口部１１２Ａで露出させる構成としている。

また、開口部１１２Ａが形成されることにより、開口部１１２Ａと重なる配線層１０８の一部が外部に露出された状態となる。この配線層１０８の開口部１１２Ａから露出した部位は、半導体チップ１０２のバンプ１０４と接続される部位であり、以下、この部位を実装パッド１０９という。実装パッド１０９は全面がバンプ１０４と接触・接合するのではなく、その一部が接合部となる。この接合される箇所を実装パッド接合部１０９Ｂとする。

図４は、実施形態に係る半導体装置の製造時に行う絶縁樹脂塗布工程を説明する図である。より詳細には、図４（ａ）は、絶縁樹脂２００の塗布直後の状態を示し、図４（ｂ）は、絶縁樹脂２００が流動した後の状態を示す。また、図４（ｃ）は、図４（ｂ）のＸ−Ｘ’ラインに沿う断面図である。

次に、図４に示すように、ソルダーレジスト１１０の開口部１１２Ａから露出した基板本体１０６の表面のうち、実装パッド接合部１０９Ｂとなる領域以外の部分に絶縁樹脂２００を塗布する。絶縁樹脂２００は、毛細管現象により基板本体１０６上の実装パッド１０９間に浸透する。また、絶縁性樹脂２００は、実装パッド１０９とソルダーレジスト１１０との間にも浸透する。塗布には正確に塗布量・位置を制御できる装置、例えばジェットディスペンサーを用いる。絶縁樹脂２００は熱硬化タイプの樹脂とし、塗布時は液状となる。絶縁樹脂２００の塗布箇所は、開口部１１２Ａ内であり、実装パッド接合部１０９Ｂ以外であれば特に限定されない。絶縁樹脂２００の塗布箇所は、開口部１１２Ａ内の実装パッド接合部１０９Ｂとなる領域を除いた領域の一部であってもよいし、全部であってもよい。毛細管現象によるパッド間の流動性をよくするため、粘度の最も低くなる温度に加熱して絶縁樹脂２００を塗布するのが望ましい。

また、絶縁樹脂２００には、アンダーフィルレジン１１８として用いるものと同じ樹脂材料を用いることが好ましい。絶縁樹脂２００として、アンダーフィルレジン（アンダーフィル材）１１８を用いることにより、実装時に用いるアンダーフィル材との親和性が高くなり、半導体チップ１０２を実装した半導体装置１にボイドが発生することを抑制できる。

次に、塗布した絶縁樹脂２００を加熱等により硬化させる。このようにして、開口部１１２Ａ内において、複数の実装パッド１０９の周囲、つまり、隣接する実装パッド１０９の間と、実装パッド１０９と外部絶縁性樹脂（ソルダーレジスト１１０）との間に充填された内部絶縁性樹脂を形成する。

図５は、実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

次に、半導体チップ１０２を実装する。実装方法は、特に限定されるものではなく、一般的な実装方法、例えば、ＴＣＢ（サーマルコンプッレッションボンディング）を行う。

その後、実装した半導体チップ１０２と実装用基板１００Ａとの間に、アンダーフィルレジン１１８を充填し、図５に示す半導体装置１を得ることができる。

本実施形態に係る実装用基板１００Ａにおいては、ソルダーレジスト１１０の開口部１１２Ａ内において、実装パッド１０９の実装パッド接合部１０９Ｂを除く部分から基板本体１０６の表面にかけて絶縁樹脂２００が塗布されて硬化している。また、絶縁樹脂２００は、塗布時に毛細管現象により実装パッド１０９間にも浸透し、その後硬化する。絶縁樹脂２００を実装パッド１０９間に充填することにより、実装パッド１０９の基板本体１０６への密着性を向上させることができ、実装パッド１０９の剥がれて折れ曲がることを抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、実装パッドの密着力不足を解消し、実装パッドが剥がれて折れ曲がることを抑制できる配線基板１００Ａを実現できる。また、本実施形態に係る配線基板１００Ａを用いることによって、配線のショートや、半導体チップ１０２のバンプ１０４と実装パッド１０９との接合不良を低減した半導体装置１及びその製造方法を実現できる。

本発明の実施例を以下に示す。

まず、図３に示す実装用基板１００Ａを準備した。ペリフェラル構造を有する実装用基板１００Ａは、大略すると基板本体１０６とソルダーレジスト１１０とにより構成されている。ソルダーレジストの開口部の縦横の寸法は２５０μｍとし、実装パッド接合部１０９Ｂの外周（実装パッド接合部１０９Ｂの外方端部を繋いだ線）の外側に１００μｍ大きく開口する設計とした。実装パッド１０９のピッチは４０μｍとし、Ｌ／Ｓ（線幅・間隙幅）を２０μｍ／２０μｍ、パッド高さは１２μｍとした。

次に、ジェットディスペンサーを用い、絶縁樹脂２００を塗布した。絶縁樹脂２００は、半導体チップ１０２の実装時にアンダーフィルレジン１１８として用いるものと同じ樹脂材料を使用した。塗布位置は実装パッド接合部１０９Ｂの外周の位置とし、塗布量は１０，０００μｍ^３／ｓｅｃとし、４０μｍ／ｓｅｃの速度で３周塗布した。塗布を複数回に分けることで、絶縁樹脂２００の毛細管現象による流動を促進し、塗布位置に残る絶縁樹脂２００の量を軽減することができる。塗布時は実装用基板１００Ａを１２０度に加熱した。温度は絶縁樹脂２００の温度と粘度の関係性を示すデータから決定した。塗布後、５分程度１２０度の状態で保持し、その後１８０℃で絶縁樹脂を完全硬化させ、図４に示す構造を得た。

次に、半導体チップ１０２を実装した。実装方法はＴＣＢとし、半導体チップ１０２のバンプ１０４を、はんだ１１６を介して、実装用基板１００Ａの実装パッド接合部１０９Ｂに接合した。その後、半導体チップ１０２と実装用基板１００Ａとの間に、アンダーフィルレジン１１８を充填し、図５に示す半導体装置１を得た。

実装後、断面観察およびＸ線観察により、実装時に配線が剥がれて折れ曲がっていないことを確認し、また銅通検査を実施し、接合部が電気的に接続されていることを確認した。

これらにより、実装パッドの密着力不足を解消し、実装パッドが剥がれて折れ曲がることなく、配線基板、及び、配線基板を備える半導体装置を容易に製造するプロセスを提供することができた。

本発明は、実装パッドがペリフェラルに配置され、半導体チップ等の電子部品を実装するための実装用基板及びこれを用いた半導体装置の製造に利用できる。

１…半導体装置
１００Ａ…実装用基板
１０２…ペリフェラルタイプの半導体チップ
１０４…バンプ
１０６…基板本体
１０８…配線層
１０９…実装パッド
１０９Ｂ…実装パッド接合部
１１０…ソルダーレジスト
１１２Ａ…開口部
１１４…バンプ
１１６…はんだ
１１８…アンダーフィルレジン
２００…絶縁樹脂

Claims (6)

1. コア基板上に、配線層と、前記配線層の一部を露出させるリング状開口部を有するように形成され、前記配線層を覆う外部絶縁性樹脂層とを備える配線基板の製造方法であって、
   前記リング状開口部内のうち、前記リング状開口部の外側の外周縁近傍の領域のみに液状の絶縁樹脂を塗布し、塗布した液状の前記絶縁樹脂を前記開口部から露出する前記配線層の前記一部の周囲に毛細管現象により流動させ、塗布した前記絶縁樹脂を硬化させ、前記絶縁樹脂を塗布していない前記リング状開口部内の前記配線層の表面を、半導体チップと接続するための実装パッド接合部として露出させることを特徴とする、配線基板の製造方法。
2. 請求項１に記載の配線基板の製造方法において、前記開口部から露出する前記配線層の前記一部の周囲に流動させる前記絶縁樹脂を表面実装素子の実装時に用いるアンダーフィル材と同一とすることを特徴とする、配線基板の製造方法。
3. コア基板と、
   コア基板上に形成された配線層と、
   前記配線層の一部を露出させるためのリング状開口部を有するように形成され、前記配線層を覆う外部絶縁性樹脂と、
   前記リング状開口部内において、前記リング状開口部から露出する前記配線層の前記一部の周囲に充填されると共に、前記リング状開口部内の前記配線層の表面のうち、前記リング状開口部の外側の外周縁近傍の部分のみを覆い、前記リング状開口部内の前記配線層の表面の他の部分を半導体チップと接続するための実装パッド接合部として露出させ、前記配線層の前記一部の表面のうちの、前記実装パッド接合部を除く部分から前記コア基板の表面にかけて設けられた内部絶縁性樹脂と、
   外部接続用バンプとを備える、配線基板。
4. 半導体装置の製造方法であって、
   コア基板上に、配線層と、前記配線層の一部を露出させる開口部を有するように形成され、前記配線層を覆う外部絶縁性樹脂層とを備える配線基板を用意し、
   前記開口部内の一部の領域に液状の絶縁樹脂を塗布し、塗布した液状の前記絶縁樹脂を前記開口部から露出する前記配線層の前記一部の周囲に毛細管現象により流動させ、塗布した前記絶縁樹脂を硬化させ、
   前記開口部から露出する前記配線層の前記一部の上に半導体チップを実装し、
   実装した前記半導体チップと前記配線基板との間に、アンダーフィル材を充填する、半導体装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、前記開口部から露出する前記配線層の前記一部の周囲に流動させる前記絶縁樹脂を前記アンダーフィル材と同一とすることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
6. 請求項３に記載の配線基板と、
   前記開口部から露出する前記配線層の前記一部の上に実装される半導体チップと、
   前記半導体チップと前記配線基板の間に充填されるアンダーフィル材とを備える、半導体装置。

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