专利名称：半导体装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置及其制造方法。
背景技术：
近年来，诸如计算机、移动电话和PDA(个人数字助理)的电子装置的小型化、高性能化和高速化取得了进步。因此，用于这些电子装置的诸如IC(集成电路)和LSI(大规模集成电路)的半导体装置需要小型化、高速化和高密度化。半导体装置的小型化、高速化和高密度化往往会导致功耗上的增加，并且增加单位体积上产生的热量。过去，作为半导体芯片的安装结构，采用了这样的结构，其中在形成半导体芯片电极的表面向下的状态下，采用焊料突起部将半导体芯片以倒装芯片的方式安装在基板上。在执行倒装芯片安装的半导体装置中，因为半导体芯片和基板之间热膨胀系数上的差别，所以存在由于产生的热量而在焊料突起部的连接部分上产生应力的问题，并且降低了连接可靠性。类似地，当以倒装芯片的方式安装半导体芯片的半导体装置的弯曲量很大时，存在将半导体装置安装在安装基板上时二次安装可靠性降低的问题。为了解决这样的问题，提出了这样的半导体装置，其中半导体芯片和基板之间的间隙填充有底层填料且硬化，并且基板的一部分覆盖有树脂层(例如，见日本未审查专利申请公开 No. 2007-335740)。也就是，例如，基板101和其上设置的半导体芯片102之间的间隙填充有底层填料105，如图7A和图7B所示，图7A示出了半导体装置的透视图，图7B示出了沿着图7A的 VIIB-VIIB线剖取的截面图。基板101和半导体芯片102通过基板101的表面(图中的上表面)上的电极焊盘 103和半导体芯片102的下表面上的焊料突起部104彼此电连接。底层填料105填充在除了电极焊盘103和焊料突起部104彼此连接的部分之外的部分中。半导体装置100通过以树脂层110覆盖半导体芯片102周围的基板101而形成。另外，焊料球106形成在基板101的后侧(图中的下表面)。对于这样的构造，因为施加给焊料突起部的应力被底层填料和基板上的树脂层释放，所以改善了连接的可靠性。另外，能够抑制基板由于外部力引起的变形。
发明内容
然而，可能存在这样的情况，当底层填料侵入半导体芯片和基板之间时，由于基板表面的状态或者施加的底层填料量等变化而带入空气，从而产生空隙。当空隙存在于底层填料内时，可认为在将半导体装置安装在安装基板上时焊料突起部电短路。特别是，对于基板的电极焊盘和半导体芯片的焊料突起部的连接部分，其数量增加或者其间隔变窄，从而在底层填料内易于产生空隙。
另外，还认为取决于底层填料和密封树脂层的材料的选择，焊料突起部的应力增力口，并且焊料突起部的连接可靠性降低或半导体装置的弯曲量增加，从而使半导体装置在安装基板上的二次安装可靠性降低。需要提供一种半导体装置及其制造方法，其能够实现焊料突起部的足够的连接可靠性和半导体装置在安装基板上的二次安装可靠性，而在底层填料内不产生空隙。根据本发明的实施例，提供一种半导体装置，其包括基板，包括表面上的电极焊盘；半导体芯片，设置在基板上以电连接到电极焊盘；以及第一树脂层，形成在基板上，并且还填充在基板和半导体芯片之间。此外，提供一种半导体装置，其包括层叠在第一树脂层上的第二树脂层，第二树脂层的弹性模量大于第一树脂层的弹性模量。根据本发明的另一个实施例，提供一种制造半导体装置的方法，其包括将半导体芯片设置在基板上，以电连接到基板的表面上形成的电极焊盘；以及通过转移模制法在基板上以及在基板和半导体芯片之间形成第一树脂层。此外，提供一种制造半导体装置的方法，其包括通过转移模制法形成第二树脂层， 其层叠在第一树脂层上，第二树脂层的弹性模量大于第一树脂层的弹性模量。根据本发明实施例的半导体装置的上述构造，基板上形成的第一树脂层还通过转移模制法填充在基板和半导体芯片之间。因此，因为在基板和半导体芯片之间不使用底层填料，所以不存在这样的情况，当底层填料侵入半导体芯片和基板之间时，由于基板表面的状态或者施加的底层填料量上的变化而带入空气，从而产生空隙。另外，在第一树脂层上层叠弹性模量大于第一树脂层的第二树脂层。因此，能够通过具有较小弹性模量的第一树脂层来减少基板和半导体芯片之间的连接部分中产生的应力，并且通过具有较大弹性模量的第二树脂层来减少半导体装置的弯曲量。根据本发明实施例的制造半导体装置的上述方法，第一树脂层形成在基板上以及基板和半导体芯片之间，并且形成层叠在第一树脂层上的第二树脂层，第二树脂层的弹性模量大于第一树脂层的弹性模量。因此，如上所述，能够减少基板和半导体芯片之间的连接部分中产生的应力，而不在基板和半导体芯片之间产生空隙，并且制造能够减少半导体装置弯曲量的半导体装置。根据本发明的上述实施例，能够减少基板和半导体芯片之间的连接部分中产生的应力，而不在基板和半导体芯片之间产生空隙，并且减少半导体装置的弯曲量。因此，根据本发明的实施例，能够改善半导体芯片和基板之间的连接部分的连接可靠性和基板上的二次安装可靠性。
图1是示出根据本发明第一实施例的半导体装置的示意性构造图(截面图)。图2是示出制造图1的半导体装置的方法的制造工艺图。图3是示出制造图1的半导体装置的方法的制造工艺图。图4是示出制造图1的半导体装置的方法的制造工艺图。图5是示出根据本发明第二实施例的半导体装置的示意性构造图(截面图)。图6是示出模拟结果的示意图。
图7A和7B是示出现有技术中提出的半导体装置的示意性构造图。
具体实施例方式在下文，将描述实施本发明的最佳方式(在下文，称为实施例)。同时，将以下面的顺序进行描述。1.第一实施例2.第二实施例3.修改示例4.模拟<1.第一实施例>图1是示出根据本发明第一实施例的半导体装置的示意性构造图(截面图)。在半导体装置10中，在基板11上提供半导体芯片12。在基板11的上表面上形成电极焊盘(未示出)，并且半导体芯片12的下表面上形成的焊料突起部13连接到电极焊盘，从而基板11的电极焊盘和半导体芯片12彼此电连接。另外，在基板11的下表面上提供焊料球14。在本实施例的半导体装置10中，特别是，基板11上形成的树脂层具有这样的构造，其中层叠第一树脂层(下层)21和第二树脂层(上层)22。此外，通过转移模制法，第一树脂层21填充在基板11和半导体芯片12之间的间隙中。因此，因为基板11和半导体芯片12之间不采用底层填料，所以不存在这样的情况，当底层填料侵入半导体芯片和基板之间时，由于基板表面的状态或施加的底层填料量上的变化等而带入空气，从而产生空隙。第二树脂层(上层)22构造为其弹性模量大于第一树脂层(下层)21的弹性模量。因此，通过具有较小弹性模量的第一树脂层21能够减少在焊料突起部13中产生的应力。另外，通过具有较大弹性模量的第二树脂层22能够减少半导体装置10的弯曲量。第一树脂层21的厚度为大于从基板11的表面到半导体芯片12的下表面的高度， 并且仅第一树脂层21填充在基板11和半导体芯片12之间的间隙中。在半导体芯片12的外侧形成第二树脂层22。第二树脂层22的上表面位于半导体芯片12的上表面之下，并且暴露半导体芯片 12的上表面。在这样的构造中，相比于半导体芯片12的上表面覆盖有第二树脂层22的构造，热量更容易从半导体芯片12的上表面散发。现有技术中的用作密封树脂的树脂可用在第一树脂层21和第二树脂层22中。例如，该树脂包括热硬化性树脂，例如，环氧树脂。为了改变环氧树脂的弹性模量，例如，可改变基本环氧树脂的化学结构或分子量或者可改变树脂中包含的填料(碳或硅石等)的粒子直径或含量。第一树脂层21和第二树脂层22优选具有大于现有技术中采用的底层填料的弹性模量。第一树脂层21和第二树脂层22优选通过转移模制法形成。
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因此，在基板11和半导体芯片12之间的间隙中填充的第一树脂层21中，因为可抑制空隙的产生，所以在将半导体装置10安装在安装基板上时焊料突起部不会电短路。在本实施例中，半导体芯片12的构造没有特别限定，并且可采用各种类型的半导体芯片。例如，可采用诸如CPU(中央处理单元)、MPU(微处理单元)和ASIC(专用集成电路)的半导体芯片。在本实施例中，基板11的构造没有特别限定。特别是，在不包含芯材(core material)的无芯基板的情况下，因为基板11是柔软的且易于弯曲，所以通过在基板11上形成第一树脂层21和第二树脂层22，可有效加强基板11且抑制其弯曲。本实施例的半导体装置10例如可通过如下所述的方式制造。首先，如图2所示，半导体芯片12的下表面上设置的焊料突起部13连接到基板11 的表面上设置的电极焊盘，并且将半导体芯片12安装在基板11上。接下来，如图3所示，通过转移模制法在基板11上形成第一树脂层21，并且将第一树脂层21填充在基板11和半导体芯片12之间。此时，第一树脂层21的厚度设定为从基板11到半导体芯片12的下表面的高度或更大。随后，如图4所示，通过转移模制法在半导体芯片12周围的第一树脂层21上形成第二树脂层22。此时，优选使第二树脂层22的上表面位于半导体芯片12的上表面之下，以由此暴露半导体芯片12的上表面。其后，在基板11的后侧上形成焊料球14。这样，能够制造如图1所示的半导体装置10。根据上述实施例的半导体装置10的构造，第一树脂层(下层)21和第二树脂层 (上层)22层叠在基板11上，并且第一树脂层21填充在基板11和半导体芯片12之间的间隙中。第二树脂层(上层)22构造为其弹性模量大于第一树脂层(下层)21的弹性模量。因此，因为在基板11和半导体芯片12之间没有使用底层填料，所以不存在这样的情况，当底层填料侵入半导体芯片和基板之间时，由于基板表面的粗糙状态或施加的底层填料量上的变化等而带入空气，从而产生空隙。另外，通过具有较小弹性模量的第一树脂层21，能够减少焊料突起部13中产生的应力，并且通过具有较大弹性模量的第二树脂层22，能够减少半导体装置10的弯曲量。这样，能够减少焊料突起部13中产生的应力而不在底层填料内产生空隙，并且减少半导体装置10的弯曲量。因此，能够改善焊料突起部13的连接可靠性和基板11上的二次安装可靠性。<2.第二实施例>图5是示出根据本发明第二实施例的半导体装置的示意性构造图(截面图)。在半导体装置20中，在连接到基板11的半导体芯片12上提供用于冷却半导体芯片12的冷却构件17。冷却构件17和半导体芯片12周围的第二树脂层22通过粘合剂15彼此连接。另外，冷却构件17和半导体芯片12的上表面通过热界面材料层16彼此连接。
作为冷却构件17，可采用现有技术中使用的各种类型的冷却构件。例如，冷却构件包括金属热沉、水冷却热沉和伯耳帖(Peltier)元件等。热界面材料层16中采用的材料包括环氧树脂、硅树脂、聚酰亚胺树脂、聚烯烃基树脂、氰酸酯基树脂(cyanate ester-based resin)、苯酚树脂和萘基树脂中的任何一种树脂作为主要成分，并且包括在主要成分中包含诸如Ag、Pd、Cu、Al、Au、M0和W元素的材料或者诸如金刚石、氧化铝、A1N、多铝红柱石、BN和SiC的陶瓷材料。其它构造与第一实施例的半导体装置10相同，因此不再重复其描述。根据上述实施例的半导体装置20的构造，类似于第一实施例的半导体装置10，层叠第一树脂层(下层)21和第二树脂层(上层)22，并且第一树脂层21填充在基板11和半导体芯片12之间的间隙中。第二树脂层(上层)22构造为其弹性模量大于第一树脂层 (下层)21的弹性模量。因此，因为在基板11和半导体芯片12之间没有使用底层填料，所以不存在这样的情况，当底层填料侵入半导体芯片和基板之间时，由于基板表面的粗糙状态或施加的底层填料量上的变化等而带入空气，从而产生空隙。另外，通过具有较小弹性模量的第一树脂层21，能够减少焊料突起部13中产生的应力，并且通过具有较大弹性模量的第二树脂层22，能够减少半导体装置10的弯曲量。因此，可改善焊料突起部13的连接可靠性和基板11上的二次安装可靠性。另外，根据本实施例的半导体装置20的构造，半导体芯片12的上表面没有覆盖第二树脂层22，而是通过热界面材料层16连接到冷却构件17。因此，能够采用冷却构件17有效地冷却半导体芯片12的热量。<3.修改示例>在上述实施例的每一个中，仅第一树脂层21和第二树脂层22形成在基板11的位于半导体芯片12外侧的部分上。另一方面，诸如电容器或寄存器的无源元件可进一步提供在基板11的位于半导体芯片12外侧的部分上，并且无源元件可覆盖有第一树脂层21和第二树脂层。根据本发明修改示例的半导体装置，因为可减少半导体装置的弯曲量，所以能够改善这些无源元件的安装可靠性，并且甚至在采用无芯基板时也保证足够的安装可靠性。在如图5所示的第二实施例中，冷却构件17通过热界面材料层16连接到半导体芯片12ο在本发明中，提供冷却构件情况下的构造不限于如图5所示的构造，而是也可具有其它构造。例如，也可具有通过散热体将热沉连接到半导体芯片的构造。因为冷却构件的尺寸优选为使冷却构件可冷却半导体芯片的整个表面，所以优选为大约等于或大于半导体芯片的上表面的尺寸。除了图5所示的板状外，冷却构件的形状可为提供有诸如翅片的凸起部分的形状。在上述实施例的每一个中，基板11和半导体芯片12采用焊料突起部13以倒装芯片方式彼此连接。然而，在本发明中，基板和半导体芯片的连接也可采用其它构造实现。例如，也可采用Au-Au柱状突起部或Au-焊料连接，或者采用不同于倒装芯片连接的连接方法。只要采用在基板和半导体芯片之间至少可填充第一树脂层的构造，本发明就可对其应用。<4.模拟 >采用模拟将根据本发明实施例的半导体装置的构造特性和现有技术中的半导体装置的构造特性相互比较。采用这样的模型进行模拟，其中半导体芯片连接到基板，并且通过将第一树脂 (在现有技术中的构造的情况下为底层填料)应用到基板和半导体芯片之间将诸如电容器的无源元件连接到基板的位于半导体芯片外侧的部分。通过执行模拟分别发现连接到基板的焊料突起部中产生的应力和整个半导体装
置的弯曲量。第一树脂、第二树脂和底层填料的特性设定为如表1所示。针对数值变化的五个示例，第一树脂在玻璃转变温度Tg或更低温度下的弹性模量设定为如表2所示。表 1
线性膨胀系数弹性模量__[kgf/mm2]Tg[。C]
α α2<TgTg<
第一树脂层__12__42 可变__50__130
第二树脂层__12__42 2500__50__130
底层填料38135 66266120表2
弹性模量[kgf/mm2]
__第一树脂层第二树脂层
示例 1__3500__2500_示例 2__2500__2500_
示例 3__1500__2500_
示例 4__500__2500_
示例 510_ 2500_作为执行模拟的结果，第一树脂的弹性模量与焊料突起部的应力和弯曲量之间的关系如图6所示。关于现有技术中的半导体装置的构造，焊料突起部中产生的应力由白色三角形表示，并且弯曲量由白色圆表示。关于根据本发明实施例的半导体装置的构造，焊料突起部中产生的应力由黑色三角形表示，并且弯曲量由黑色圆表示。
由图6所示的结果可知，根据本发明实施例的半导体装置的焊料突起部中产生的应力和弯曲量小于现有技术中的半导体装置，并且可以看出改善了可靠性。另外，当第一树脂的弹性模量大于第二树脂的弹性模量时，可以看出弯曲量的改善效果降低。此外，在这样的条件下，可以看出当第一树脂的弹性模量设定为500kgf/mm2或更大时，能够充分减小施加给焊料突起部的应力。考虑到弯曲量，可以认为能够充分减小应力和弯曲量二者的第一树脂的弹性模量范围为大约800至1500kgf/mm2。本发明不限于上述实施例，而是可采取其它各种不同类型的构造而不脱离本发明的范围。本申请包含2010年11月11日提交日本专利局的日本优先权专利申请JP 2010-252910中公开的相关主题，其全部内容通过引用结合于此。本领域的技术人员应当理解的是，在所附权利要求或其等同方案的范围内，根据设计需要和其它因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。
权利要求
1.一种半导体装置，包括基板，包括表面上的电极焊盘；半导体芯片，设置在该基板上，以电连接到该电极焊盘；第一树脂层，形成在该基板上，并且还填充在该基板和该半导体芯片之间；以及第二树脂层，层叠在该第一树脂层上，该第二树脂层的弹性模量大于该第一树脂层的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中该第二树脂层的上表面位于该半导体芯片的上表面之下。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括冷却构件和热界面材料层，该冷却构件提供在该半导体芯片上且用于散发该半导体芯片的热量，该热界面材料层与该冷却构件热连接。
4.一种制造半导体装置的方法，包括将半导体芯片设置在基板上，以电连接到该基板的表面上形成的电极焊盘；通过转移模制法，在该基板上以及该基板和该半导体芯片之间形成第一树脂层；以及通过转移模制法，形成层叠在该第一树脂层上的第二树脂层，该第二树脂层的弹性模量大于该第一树脂层的弹性模量。
5.根据权利要求4所述的制造半导体装置的方法，其中该第二树脂层形成为该第二树脂层的上表面位于在该半导体芯片的上表面之下。
全文摘要
本发明提供一种半导体装置及其制造方法。该半导体装置包括基板，包括表面上的电极焊盘；半导体芯片，设置在该基板上，以电连接到该电极焊盘；第一树脂层，形成在该基板上，并且还填充在该基板和该半导体芯片之间；以及第二树脂层，层叠在该第一树脂层上，该第二树脂层的弹性模量大于该第一树脂层的弹性模量。
文档编号H01L23/34GK102468245SQ20111034466
公开日2012年5月23日 申请日期2011年11月4日 优先权日2010年11月11日
发明者安川浩永 申请人:索尼公司