專利名稱：半導體裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體裝置及其制造方法。
背景技術：
近年來，諸如計算機、移動電話和PDA(個人數(shù)字助理)的電子裝置的小型化、高性能化和高速化取得了進步。因此，用于這些電子裝置的諸如IC(集成電路)和LSI(大規(guī)模集成電路)的半導體裝置需要小型化、高速化和高密度化。半導體裝置的小型化、高速化和高密度化往往會導致功耗上的增加，并且增加單位體積上產(chǎn)生的熱量。過去，作為半導體芯片的安裝結構，采用了這樣的結構，其中在形成半導體芯片電極的表面向下的狀態(tài)下，采用焊料突起部將半導體芯片以倒裝芯片的方式安裝在基板上。在執(zhí)行倒裝芯片安裝的半導體裝置中，因為半導體芯片和基板之間熱膨脹系數(shù)上的差別，所以存在由于產(chǎn)生的熱量而在焊料突起部的連接部分上產(chǎn)生應力的問題，并且降低了連接可靠性。類似地，當以倒裝芯片的方式安裝半導體芯片的半導體裝置的彎曲量很大時，存在將半導體裝置安裝在安裝基板上時二次安裝可靠性降低的問題。為了解決這樣的問題，提出了這樣的半導體裝置，其中半導體芯片和基板之間的間隙填充有底層填料且硬化，并且基板的一部分覆蓋有樹脂層(例如，見日本未審查專利申請公開 No. 2007-335740)。也就是，例如，基板101和其上設置的半導體芯片102之間的間隙填充有底層填料105，如圖7A和圖7B所示，圖7A示出了半導體裝置的透視圖，圖7B示出了沿著圖7A的 VIIB-VIIB線剖取的截面圖?；?01和半導體芯片102通過基板101的表面(圖中的上表面)上的電極焊盤 103和半導體芯片102的下表面上的焊料突起部104彼此電連接。底層填料105填充在除了電極焊盤103和焊料突起部104彼此連接的部分之外的部分中。半導體裝置100通過以樹脂層110覆蓋半導體芯片102周圍的基板101而形成。另外，焊料球106形成在基板101的后側(圖中的下表面)。對于這樣的構造，因為施加給焊料突起部的應力被底層填料和基板上的樹脂層釋放，所以改善了連接的可靠性。另外，能夠抑制基板由于外部力引起的變形。

發(fā)明內(nèi)容
然而，可能存在這樣的情況，當?shù)讓犹盍锨秩氚雽w芯片和基板之間時，由于基板表面的狀態(tài)或者施加的底層填料量等變化而帶入空氣，從而產(chǎn)生空隙。當空隙存在于底層填料內(nèi)時，可認為在將半導體裝置安裝在安裝基板上時焊料突起部電短路。特別是，對于基板的電極焊盤和半導體芯片的焊料突起部的連接部分，其數(shù)量增加或者其間隔變窄，從而在底層填料內(nèi)易于產(chǎn)生空隙。
另外，還認為取決于底層填料和密封樹脂層的材料的選擇，焊料突起部的應力增力口，并且焊料突起部的連接可靠性降低或半導體裝置的彎曲量增加，從而使半導體裝置在安裝基板上的二次安裝可靠性降低。需要提供一種半導體裝置及其制造方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)焊料突起部的足夠的連接可靠性和半導體裝置在安裝基板上的二次安裝可靠性，而在底層填料內(nèi)不產(chǎn)生空隙。根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種半導體裝置，其包括基板，包括表面上的電極焊盤；半導體芯片，設置在基板上以電連接到電極焊盤；以及第一樹脂層，形成在基板上，并且還填充在基板和半導體芯片之間。此外，提供一種半導體裝置，其包括層疊在第一樹脂層上的第二樹脂層，第二樹脂層的彈性模量大于第一樹脂層的彈性模量。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供一種制造半導體裝置的方法，其包括將半導體芯片設置在基板上，以電連接到基板的表面上形成的電極焊盤；以及通過轉(zhuǎn)移模制法在基板上以及在基板和半導體芯片之間形成第一樹脂層。此外，提供一種制造半導體裝置的方法，其包括通過轉(zhuǎn)移模制法形成第二樹脂層， 其層疊在第一樹脂層上，第二樹脂層的彈性模量大于第一樹脂層的彈性模量。根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體裝置的上述構造，基板上形成的第一樹脂層還通過轉(zhuǎn)移模制法填充在基板和半導體芯片之間。因此，因為在基板和半導體芯片之間不使用底層填料，所以不存在這樣的情況，當?shù)讓犹盍锨秩氚雽w芯片和基板之間時，由于基板表面的狀態(tài)或者施加的底層填料量上的變化而帶入空氣，從而產(chǎn)生空隙。另外，在第一樹脂層上層疊彈性模量大于第一樹脂層的第二樹脂層。因此，能夠通過具有較小彈性模量的第一樹脂層來減少基板和半導體芯片之間的連接部分中產(chǎn)生的應力，并且通過具有較大彈性模量的第二樹脂層來減少半導體裝置的彎曲量。根據(jù)本發(fā)明實施例的制造半導體裝置的上述方法，第一樹脂層形成在基板上以及基板和半導體芯片之間，并且形成層疊在第一樹脂層上的第二樹脂層，第二樹脂層的彈性模量大于第一樹脂層的彈性模量。因此，如上所述，能夠減少基板和半導體芯片之間的連接部分中產(chǎn)生的應力，而不在基板和半導體芯片之間產(chǎn)生空隙，并且制造能夠減少半導體裝置彎曲量的半導體裝置。根據(jù)本發(fā)明的上述實施例，能夠減少基板和半導體芯片之間的連接部分中產(chǎn)生的應力，而不在基板和半導體芯片之間產(chǎn)生空隙，并且減少半導體裝置的彎曲量。因此，根據(jù)本發(fā)明的實施例，能夠改善半導體芯片和基板之間的連接部分的連接可靠性和基板上的二次安裝可靠性。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導體裝置的示意性構造圖(截面圖)。圖2是示出制造圖1的半導體裝置的方法的制造工藝圖。圖3是示出制造圖1的半導體裝置的方法的制造工藝圖。圖4是示出制造圖1的半導體裝置的方法的制造工藝圖。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導體裝置的示意性構造圖(截面圖)。圖6是示出模擬結果的示意圖。
圖7A和7B是示出現(xiàn)有技術中提出的半導體裝置的示意性構造圖。
具體實施例方式在下文，將描述實施本發(fā)明的最佳方式(在下文，稱為實施例)。同時，將以下面的順序進行描述。1.第一實施例2.第二實施例3.修改示例4.模擬<1.第一實施例>圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的半導體裝置的示意性構造圖(截面圖)。在半導體裝置10中，在基板11上提供半導體芯片12。在基板11的上表面上形成電極焊盤(未示出)，并且半導體芯片12的下表面上形成的焊料突起部13連接到電極焊盤，從而基板11的電極焊盤和半導體芯片12彼此電連接。另外，在基板11的下表面上提供焊料球14。在本實施例的半導體裝置10中，特別是，基板11上形成的樹脂層具有這樣的構造，其中層疊第一樹脂層(下層)21和第二樹脂層(上層)22。此外，通過轉(zhuǎn)移模制法，第一樹脂層21填充在基板11和半導體芯片12之間的間隙中。因此，因為基板11和半導體芯片12之間不采用底層填料，所以不存在這樣的情況，當?shù)讓犹盍锨秩氚雽w芯片和基板之間時，由于基板表面的狀態(tài)或施加的底層填料量上的變化等而帶入空氣，從而產(chǎn)生空隙。第二樹脂層(上層)22構造為其彈性模量大于第一樹脂層(下層)21的彈性模量。因此，通過具有較小彈性模量的第一樹脂層21能夠減少在焊料突起部13中產(chǎn)生的應力。另外，通過具有較大彈性模量的第二樹脂層22能夠減少半導體裝置10的彎曲量。第一樹脂層21的厚度為大于從基板11的表面到半導體芯片12的下表面的高度， 并且僅第一樹脂層21填充在基板11和半導體芯片12之間的間隙中。在半導體芯片12的外側形成第二樹脂層22。第二樹脂層22的上表面位于半導體芯片12的上表面之下，并且暴露半導體芯片 12的上表面。在這樣的構造中，相比于半導體芯片12的上表面覆蓋有第二樹脂層22的構造，熱量更容易從半導體芯片12的上表面散發(fā)?，F(xiàn)有技術中的用作密封樹脂的樹脂可用在第一樹脂層21和第二樹脂層22中。例如，該樹脂包括熱硬化性樹脂，例如，環(huán)氧樹脂。為了改變環(huán)氧樹脂的彈性模量，例如，可改變基本環(huán)氧樹脂的化學結構或分子量或者可改變樹脂中包含的填料(碳或硅石等)的粒子直徑或含量。第一樹脂層21和第二樹脂層22優(yōu)選具有大于現(xiàn)有技術中采用的底層填料的彈性模量。第一樹脂層21和第二樹脂層22優(yōu)選通過轉(zhuǎn)移模制法形成。
5
因此，在基板11和半導體芯片12之間的間隙中填充的第一樹脂層21中，因為可抑制空隙的產(chǎn)生，所以在將半導體裝置10安裝在安裝基板上時焊料突起部不會電短路。在本實施例中，半導體芯片12的構造沒有特別限定，并且可采用各種類型的半導體芯片。例如，可采用諸如CPU(中央處理單元)、MPU(微處理單元)和ASIC(專用集成電路)的半導體芯片。在本實施例中，基板11的構造沒有特別限定。特別是，在不包含芯材(core material)的無芯基板的情況下，因為基板11是柔軟的且易于彎曲，所以通過在基板11上形成第一樹脂層21和第二樹脂層22，可有效加強基板11且抑制其彎曲。本實施例的半導體裝置10例如可通過如下所述的方式制造。首先，如圖2所示，半導體芯片12的下表面上設置的焊料突起部13連接到基板11 的表面上設置的電極焊盤，并且將半導體芯片12安裝在基板11上。接下來，如圖3所示，通過轉(zhuǎn)移模制法在基板11上形成第一樹脂層21，并且將第一樹脂層21填充在基板11和半導體芯片12之間。此時，第一樹脂層21的厚度設定為從基板11到半導體芯片12的下表面的高度或更大。隨后，如圖4所示，通過轉(zhuǎn)移模制法在半導體芯片12周圍的第一樹脂層21上形成第二樹脂層22。此時，優(yōu)選使第二樹脂層22的上表面位于半導體芯片12的上表面之下，以由此暴露半導體芯片12的上表面。其后，在基板11的后側上形成焊料球14。這樣，能夠制造如圖1所示的半導體裝置10。根據(jù)上述實施例的半導體裝置10的構造，第一樹脂層(下層)21和第二樹脂層 (上層)22層疊在基板11上，并且第一樹脂層21填充在基板11和半導體芯片12之間的間隙中。第二樹脂層(上層)22構造為其彈性模量大于第一樹脂層(下層)21的彈性模量。因此，因為在基板11和半導體芯片12之間沒有使用底層填料，所以不存在這樣的情況，當?shù)讓犹盍锨秩氚雽w芯片和基板之間時，由于基板表面的粗糙狀態(tài)或施加的底層填料量上的變化等而帶入空氣，從而產(chǎn)生空隙。另外，通過具有較小彈性模量的第一樹脂層21，能夠減少焊料突起部13中產(chǎn)生的應力，并且通過具有較大彈性模量的第二樹脂層22，能夠減少半導體裝置10的彎曲量。這樣，能夠減少焊料突起部13中產(chǎn)生的應力而不在底層填料內(nèi)產(chǎn)生空隙，并且減少半導體裝置10的彎曲量。因此，能夠改善焊料突起部13的連接可靠性和基板11上的二次安裝可靠性。<2.第二實施例>圖5是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的半導體裝置的示意性構造圖(截面圖)。在半導體裝置20中，在連接到基板11的半導體芯片12上提供用于冷卻半導體芯片12的冷卻構件17。冷卻構件17和半導體芯片12周圍的第二樹脂層22通過粘合劑15彼此連接。另外，冷卻構件17和半導體芯片12的上表面通過熱界面材料層16彼此連接。
作為冷卻構件17，可采用現(xiàn)有技術中使用的各種類型的冷卻構件。例如，冷卻構件包括金屬熱沉、水冷卻熱沉和伯耳帖(Peltier)元件等。熱界面材料層16中采用的材料包括環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚烯烴基樹脂、氰酸酯基樹脂(cyanate ester-based resin)、苯酚樹脂和萘基樹脂中的任何一種樹脂作為主要成分，并且包括在主要成分中包含諸如Ag、Pd、Cu、Al、Au、M0和W元素的材料或者諸如金剛石、氧化鋁、A1N、多鋁紅柱石、BN和SiC的陶瓷材料。其它構造與第一實施例的半導體裝置10相同，因此不再重復其描述。根據(jù)上述實施例的半導體裝置20的構造，類似于第一實施例的半導體裝置10，層疊第一樹脂層(下層)21和第二樹脂層(上層)22，并且第一樹脂層21填充在基板11和半導體芯片12之間的間隙中。第二樹脂層(上層)22構造為其彈性模量大于第一樹脂層 (下層)21的彈性模量。因此，因為在基板11和半導體芯片12之間沒有使用底層填料，所以不存在這樣的情況，當?shù)讓犹盍锨秩氚雽w芯片和基板之間時，由于基板表面的粗糙狀態(tài)或施加的底層填料量上的變化等而帶入空氣，從而產(chǎn)生空隙。另外，通過具有較小彈性模量的第一樹脂層21，能夠減少焊料突起部13中產(chǎn)生的應力，并且通過具有較大彈性模量的第二樹脂層22，能夠減少半導體裝置10的彎曲量。因此，可改善焊料突起部13的連接可靠性和基板11上的二次安裝可靠性。另外，根據(jù)本實施例的半導體裝置20的構造，半導體芯片12的上表面沒有覆蓋第二樹脂層22，而是通過熱界面材料層16連接到冷卻構件17。因此，能夠采用冷卻構件17有效地冷卻半導體芯片12的熱量。<3.修改示例>在上述實施例的每一個中，僅第一樹脂層21和第二樹脂層22形成在基板11的位于半導體芯片12外側的部分上。另一方面，諸如電容器或寄存器的無源元件可進一步提供在基板11的位于半導體芯片12外側的部分上，并且無源元件可覆蓋有第一樹脂層21和第二樹脂層。根據(jù)本發(fā)明修改示例的半導體裝置，因為可減少半導體裝置的彎曲量，所以能夠改善這些無源元件的安裝可靠性，并且甚至在采用無芯基板時也保證足夠的安裝可靠性。在如圖5所示的第二實施例中，冷卻構件17通過熱界面材料層16連接到半導體芯片12ο在本發(fā)明中，提供冷卻構件情況下的構造不限于如圖5所示的構造，而是也可具有其它構造。例如，也可具有通過散熱體將熱沉連接到半導體芯片的構造。因為冷卻構件的尺寸優(yōu)選為使冷卻構件可冷卻半導體芯片的整個表面，所以優(yōu)選為大約等于或大于半導體芯片的上表面的尺寸。除了圖5所示的板狀外，冷卻構件的形狀可為提供有諸如翅片的凸起部分的形狀。在上述實施例的每一個中，基板11和半導體芯片12采用焊料突起部13以倒裝芯片方式彼此連接。然而，在本發(fā)明中，基板和半導體芯片的連接也可采用其它構造實現(xiàn)。例如，也可采用Au-Au柱狀突起部或Au-焊料連接，或者采用不同于倒裝芯片連接的連接方法。只要采用在基板和半導體芯片之間至少可填充第一樹脂層的構造，本發(fā)明就可對其應用。<4.模擬 >采用模擬將根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體裝置的構造特性和現(xiàn)有技術中的半導體裝置的構造特性相互比較。采用這樣的模型進行模擬，其中半導體芯片連接到基板，并且通過將第一樹脂 (在現(xiàn)有技術中的構造的情況下為底層填料)應用到基板和半導體芯片之間將諸如電容器的無源元件連接到基板的位于半導體芯片外側的部分。通過執(zhí)行模擬分別發(fā)現(xiàn)連接到基板的焊料突起部中產(chǎn)生的應力和整個半導體裝
置的彎曲量。第一樹脂、第二樹脂和底層填料的特性設定為如表1所示。針對數(shù)值變化的五個示例，第一樹脂在玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg或更低溫度下的彈性模量設定為如表2所示。表 1
線性膨脹系數(shù)彈性模量__[kgf/mm2]Tg[。C]
α α2<TgTg<
第一樹脂層__12__42 可變__50__130
第二樹脂層__12__42 2500__50__130
底層填料38135 66266120表2
彈性模量[kgf/mm2]
__第一樹脂層第二樹脂層
示例 1__3500__2500_示例 2__2500__2500_
示例 3__1500__2500_
示例 4__500__2500_
示例 510_ 2500_作為執(zhí)行模擬的結果，第一樹脂的彈性模量與焊料突起部的應力和彎曲量之間的關系如圖6所示。關于現(xiàn)有技術中的半導體裝置的構造，焊料突起部中產(chǎn)生的應力由白色三角形表示，并且彎曲量由白色圓表示。關于根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體裝置的構造，焊料突起部中產(chǎn)生的應力由黑色三角形表示，并且彎曲量由黑色圓表示。
由圖6所示的結果可知，根據(jù)本發(fā)明實施例的半導體裝置的焊料突起部中產(chǎn)生的應力和彎曲量小于現(xiàn)有技術中的半導體裝置，并且可以看出改善了可靠性。另外，當?shù)谝粯渲膹椥阅Ａ看笥诘诙渲膹椥阅Ａ繒r，可以看出彎曲量的改善效果降低。此外，在這樣的條件下，可以看出當?shù)谝粯渲膹椥阅Ａ吭O定為500kgf/mm2或更大時，能夠充分減小施加給焊料突起部的應力。考慮到彎曲量，可以認為能夠充分減小應力和彎曲量二者的第一樹脂的彈性模量范圍為大約800至1500kgf/mm2。本發(fā)明不限于上述實施例，而是可采取其它各種不同類型的構造而不脫離本發(fā)明的范圍。本申請包含2010年11月11日提交日本專利局的日本優(yōu)先權專利申請JP 2010-252910中公開的相關主題，其全部內(nèi)容通過引用結合于此。本領域的技術人員應當理解的是，在所附權利要求或其等同方案的范圍內(nèi)，根據(jù)設計需要和其它因素，可以進行各種修改、結合、部分結合和替換。
權利要求
1.一種半導體裝置，包括基板，包括表面上的電極焊盤；半導體芯片，設置在該基板上，以電連接到該電極焊盤；第一樹脂層，形成在該基板上，并且還填充在該基板和該半導體芯片之間；以及第二樹脂層，層疊在該第一樹脂層上，該第二樹脂層的彈性模量大于該第一樹脂層的彈性模量。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其中該第二樹脂層的上表面位于該半導體芯片的上表面之下。
3.根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，還包括冷卻構件和熱界面材料層，該冷卻構件提供在該半導體芯片上且用于散發(fā)該半導體芯片的熱量，該熱界面材料層與該冷卻構件熱連接。
4.一種制造半導體裝置的方法，包括將半導體芯片設置在基板上，以電連接到該基板的表面上形成的電極焊盤；通過轉(zhuǎn)移模制法，在該基板上以及該基板和該半導體芯片之間形成第一樹脂層；以及通過轉(zhuǎn)移模制法，形成層疊在該第一樹脂層上的第二樹脂層，該第二樹脂層的彈性模量大于該第一樹脂層的彈性模量。
5.根據(jù)權利要求4所述的制造半導體裝置的方法，其中該第二樹脂層形成為該第二樹脂層的上表面位于在該半導體芯片的上表面之下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導體裝置及其制造方法。該半導體裝置包括基板，包括表面上的電極焊盤；半導體芯片，設置在該基板上，以電連接到該電極焊盤；第一樹脂層，形成在該基板上，并且還填充在該基板和該半導體芯片之間；以及第二樹脂層，層疊在該第一樹脂層上，該第二樹脂層的彈性模量大于該第一樹脂層的彈性模量。
文檔編號H01L23/34GK102468245SQ20111034466
公開日2012年5月23日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權日2010年11月11日
發(fā)明者安川浩永 申請人:索尼公司