特許 5934171 インターボーザの厚さ決定方法、コンピュータプログラム、インターボーザおよびチップ実装構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5934171

(24)【登録日】2016年5月13日

(45)【発行日】2016年6月15日

(54)【発明の名称】インターボーザの厚さ決定方法、コンピュータプログラム、インターボーザおよびチップ実装構造体

(51)【国際特許分類】

   G06F 17/50 20060101AFI20160602BHJP

   H01L 23/32 20060101ALI20160602BHJP

【ＦＩ】

   G06F17/50 612G

   G06F17/50 658Z

   G06F17/50 666S

   H01L23/32 D

【請求項の数】17

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-247309(P2013-247309)

(22)【出願日】2013年11月29日

(65)【公開番号】特開2015-106241(P2015-106241A)

(43)【公開日】2015年6月8日

【審査請求日】2015年11月27日

【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２０年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 「立体構造新機能集積回路（ドリームチップ）技術開発」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

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100108501

【弁理士】

【氏名又は名称】上野 剛史

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(72)【発明者】

【氏名】羽田 さゆり

(72)【発明者】

【氏名】堀部 晃啓

(72)【発明者】

【氏名】松本 圭司

【審査官】 松浦 功

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２７８８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９１９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５３２２８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｆ １７／５０

Ｈ０１Ｌ ２３／３２

Ｈ０１Ｌ ２５／０６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持基板に接合層を介して接続されるインターボーザの厚さを決定する方法であって、
前記インターボーザの厚さを初期値に設定するステップと、
前記設定した厚さでの、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザそれぞれの熱膨張率の差により発生する前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップと、
前記求めた軸力と曲率半径を用いて、前記インターボーザの軸力による応力と反りによる応力とから前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定するステップと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内でないときには、前記インターボーザの厚さを所定値だけ変化させて設定し、前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップと、前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップと、前記求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定するステップとを繰り返すステップと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内であるときには、そのときの設定した厚さをインターボーザの厚さとして確定するステップと、
を含む、方法。

【請求項2】

前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップは、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザそれぞれについてのヤング率および熱膨張率と、前記支持基板および前記接合層の所望の厚さと、前記インターボーザの設定した厚さとを用いて、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザについて、界面でのひずみの連続性、軸力の釣り合いおよび曲げモーメントの釣り合いからそれぞれ導出される連立方程式を生成するステップと、前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径について連立方程式を解いて軸力と反りの曲率半径を算出するステップとを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記接合層のヤング率および熱膨張率は、金属接合部とアンダーフィル樹脂部との複合体の材料特性から算出されるヤング率および熱膨張率である、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップは、前記インターボーザの軸力をインターボーザの所望の幅および前記設定した厚さで除算することで前記インターボーザの軸力による応力を算出するステップと、前記インターボーザのヤング率と前記設定した厚さの半分を乗算して前記インターボーザの反りの曲率半径で除算することで前記インターボーザの反りによる応力を算出するステップと、前記算出したインターボーザの軸力による応力と反りによる応力との合計を算出するステップとを含む、請求項１、２又は３に記載の方法。

【請求項5】

支持基板に接合層を介して接続されるインターボーザの厚さを決定するためのコンピュータプログラムであって、コンピュータに、
前記インターボーザの厚さを初期値に設定するステップと、
前記設定した厚さでの、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザそれぞれの熱膨張率の差により発生する前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップと、
前記求めた軸力と曲率半径を用いて、前記インターボーザの軸力による応力と反りによる応力とから前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定するステップと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内でないときには、前記インターボーザの厚さを所定値だけ変化させて設定し、前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップと、前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップと、前記求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定するステップとを繰り返すステップと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内であるときには、そのときの設定した厚さをインターボーザの厚さとして確定するステップと、
を実行させる、コンピュータプログラム。

【請求項6】

前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップは、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザそれぞれについてのヤング率および熱膨張率と、前記支持基板および前記接合層の所望の厚さと、前記インターボーザの設定した厚さとを用いて、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザについて、界面でのひずみの連続性、軸力の釣り合いおよび曲げモーメントの釣り合いからそれぞれ導出される連立方程式を生成するステップと、前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径について連立方程式を解いて軸力と反りの曲率半径を算出するステップとを含む、請求項５に記載のコンピュータプログラム。

【請求項7】

前記接合層のヤング率および熱膨張率は、金属接合部とアンダーフィル樹脂部との複合体の材料特性から算出されるヤング率および熱膨張率である、請求項６に記載のコンピュータプログラム。

【請求項8】

前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップは、前記インターボーザの軸力をインターボーザの所望の幅および前記設定した厚さで除算することで前記インターボーザの軸力による応力を算出するステップと、前記インターボーザのヤング率と前記設定した厚さの半分を乗算して前記インターボーザの反りの曲率半径で除算することで前記インターボーザの反りによる応力を算出するステップと、前記算出したインターボーザの軸力による応力と反りによる応力との合計を算出するステップとを含む、請求項５、６又は７に記載のコンピュータプログラム。

【請求項9】

表面にチップが接続され裏面に支持基板が接合層を介して接続されるインターボーザであって、当該インターボーザの厚さが、
前記インターボーザの厚さを初期値に設定することと、
前記設定した厚さでの、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザそれぞれの熱膨張率の差により発生する前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることと、
前記求めた軸力と曲率半径を用いて、前記インターボーザの軸力による応力と反りによる応力とから前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定することと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内でないときには、前記インターボーザの厚さを所定値だけ変化させて設定し、前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることと、前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることと、前記求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定することとを繰り返すことと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内であるときには、そのときの設定した厚さをインターボーザの厚さとして確定することと、
により決定された、インターボーザ。

【請求項10】

前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることは、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザそれぞれについてのヤング率および熱膨張率と、前記支持基板および前記接合層の所望の厚さと、前記インターボーザの設定した厚さとを用いて、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザについて、界面でのひずみの連続性、軸力の釣り合いおよび曲げモーメントの釣り合いからそれぞれ導出される連立方程式を生成することと、前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径について連立方程式を解いて軸力と反りの曲率半径を算出することを含む、請求項９に記載のインターボーザ。

【請求項11】

前記接合層のヤング率および熱膨張率は、金属接合部とアンダーフィル樹脂部との複合体の材料特性から算出されるヤング率および熱膨張率である、請求項１０に記載のインターボーザ。

【請求項12】

前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることは、前記インターボーザの軸力をインターボーザの所望の幅および前記設定した厚さで除算することで前記インターボーザの軸力による応力を算出することと、前記インターボーザのヤング率と前記設定した厚さの半分を乗算して前記インターボーザの反りの曲率半径で除算することで前記インターボーザの反りによる応力を算出することと、前記算出したインターボーザの軸力による応力と反りによる応力との合計を算出することとを含む、請求項９、１０又は１１に記載のインターボーザ。

【請求項13】

フリップチップと、
表面に前記フリップチップが接続されるインターボーザと、
前記インターボーザの裏面に接続される支持基板と、
前記インターボーザと前記支持基板との間に設けられる接合層とを含み、
前記インターボーザの厚さが、
前記インターボーザの厚さを初期値に設定することと、
前記設定した厚さでの、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザそれぞれの熱膨張率の差により発生する前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることと、
前記求めた軸力と曲率半径を用いて、前記インターボーザの軸力による応力と反りによる応力とから前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定することと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内でないときには、前記インターボーザの厚さを所定値だけ変化させて設定し、前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることと、前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることと、前記求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定することとを繰り返すことと、
前記求めた応力の絶対値が許容値内であるときには、そのときの設定した厚さをインターボーザの厚さとして確定することと、
により決定された、
チップ実装構造体。

【請求項14】

前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることは、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザそれぞれについてのヤング率および熱膨張率と、前記支持基板および前記接合層の所望の厚さと、前記インターボーザの設定した厚さとを用いて、前記支持基板、前記接合層および前記インターボーザについて、界面でのひずみの連続性、軸力の釣り合いおよび曲げモーメントの釣り合いからそれぞれ導出される連立方程式を生成することと、前記インターボーザの軸力と反りの曲率半径について連立方程式を解いて軸力と反りの曲率半径を算出することを含む、請求項１３に記載のチップ実装構造体。

【請求項15】

前記接合層のヤング率および熱膨張率は、金属接合部とアンダーフィル樹脂部との複合体の材料特性から算出されるヤング率および熱膨張率である、請求項１４に記載のチップ実装構造体。

【請求項16】

前記インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることは、前記インターボーザの軸力をインターボーザの所望の幅および前記設定した厚さで除算することで前記インターボーザの軸力による応力を算出することと、前記インターボーザのヤング率と前記設定した厚さの半分を乗算して前記インターボーザの反りの曲率半径で除算することで前記インターボーザの反りによる応力を算出することと、前記算出したインターボーザの軸力による応力と反りによる応力との合計を算出することとを含む、請求項１３、１４又は１５に記載のチップ実装構造体。

【請求項17】

前記インターボーザはシリコンインターボーザであり、前記支持基板は有機基板である、請求項１３、１４、１５又は１６に記載のチップ実装構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）チップ（以下、単に「チップ」と云う。）の実装技術に関し、特に、チップを搭載するインターボーザの厚さを決定する方法、厚さを決定するためのコンピュータプログラム、厚さが決定されたインターボーザおよびインターボーザにフリップチップを搭載したチップ実装構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、チップを３次元に積層してフェースダウンボンディングで実装するような発熱密度の高いチップ実装において、フリップチップを搭載する支持基板としてセラミックスのような無機基板に代わって低コストの有機基板が利用されるようになってきている。

【0003】

しかしながら、有機基板の利用には、例えばシリコンのようなフリップチップと有機基板とではそれらの熱膨張率は大きく異なるので、熱膨張率の大きな差によって発生する熱応力がそれらの間の半田接合部を破壊する可能性がある。

【0004】

図１に実装構造１００を示す。実装構造１００では、例えば有機基板のような支持基板１０５の上に例えばシリコンのようなインターポーザ１１０を設けて、インターポーザ１１０の上に例えばシリコンのような積層チップ１１５およびトップチップ１２０を搭載している。トップチップ１２０は、積層チップ１１５内に設けられた貫通ビア１２５を介してインターポーザ１１０の表面で電気的に接続される。インターポーザ１１０はその裏面で電極１３５により支持基板１０５に接続され、支持基板１０５とインターポーザ１１０の間にはアンダーフィル１４０が設けられる。特に、インターポーザ１１０と積層チップ１１５の間の接合部１３０は、支持基板１０５に最も近く、複数のチップを個別に積層するときなどには熱応力を受ける回数が最も多いため、他の接合部に比べて破壊する可能性が高い。

【0005】

それ故に、支持基板として熱膨張率の大きな有機基板を利用するにしても、信頼性の高いチップ実装を実現するには、インターポーザとチップの接合部の応力を低減することが求められる。従来、その接合部の応力を低減するために、最上層のチップを調整するなどしているが、この手法は、設計者の経験に頼るものであり、設計者の経験に頼っているので、設計者以外でも行えるように自動化することは難しい。

【0006】

一方、支持基板、インターポーザおよびチップで構成の積層構造におけるインターポーザとチップの接合部の応力そのものを直接求めることにより、その積層構造を最適化することが行われている。例えば、ＦＥＭ（Finite Element Method：有限要素法）によりパラメータ解析してその接合部の応力を求めている。この方法では、モデル作成と計算に時間がかかる上に、高度な専門技術が必要であり、基本的に一度の計算でその作成したモデルに対する１つの解しか得られず、種々のモデルに対応するように自動化するのは困難である。

【0007】

非特許文献１には、材料力学的手法を応用することにより、熱的負荷を受ける多層ばりに生じる応力、ひずみおよびたわみを簡便に評価する多層ばり理論が提案されている。この多層ばり理論では、積層構造の各層は「はり」にモデル化されるのであるが、各層の曲率半径は各層の厚さよりも大きいために全て等しいと近似され、全ての層は反ったときに追従することが前提になっている。このため、積層構造の各層が互いに追従しないことによる層間の接合部の応力の増大は、多層ばり理論により求められる面内平均応力には反映されないことになり、接合部の応力を直接求めることはできない。

【0008】

特許文献１には、プリント基板と半田接合する電子部品の少なくとも形状データと配置データとを取り込んで各データに材料特性値を加え、プリント基板のモデルデータを生成し、生成したモデルデータに基づいて、プリント基板の反り方向を算出すると共に、プリント基板の反り量と半田接合された箇所の応力とを算出し、算出した反り方向におけるプリント基板の反り量と半田接合された箇所の応力とのバランスが最適となり得る設計条件を算出するようにした、反りと応力とのバランスを最適にするプリント基板モデルの設計が示されている。多層ばり理論を用いることにより、反りと応力とのバランスが最適となり得る設計条件は算出されるものの、このプリント基板モデルの設計でも、積層構造の各層が互いに追従しないことによる層間の接合部の応力は、多層ばり理論により求められる面内平均応力には反映されないので、直接求めることはできない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０１１−１５９８７０号公報

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】尾田十八、阿部新吾、「多層ばり理論によるプリント基板の応力・変形の評価」、日本機械学会論文集（Ａ編）、社団法人日本機械学会、１９９３年７月、５９巻、５６３号、ｐ．２０３−２０８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は、インターポーザとチップの接合部の応力を最小にすることができるインターポーザの厚さを決定し、その厚さのインターポーザの使用により接合部の応力を低減して、信頼性の高いチップ実装を実現することを目的とする。本発明の目的には、インターボーザの厚さを決定する方法、厚さを決定するためのコンピュータプログラム、厚さが決定されたインターボーザおよびインターボーザにフリップチップを搭載したチップ実装構造体を提供することが含まれる。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明により提供される１実施態様の方法、即ち、支持基板に接合層を介して接続されるインターボーザの厚さを決定する方法は、インターボーザの厚さを初期値に設定するステップと、設定した厚さでの、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれの熱膨張率の差により発生するインターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップと、求めた軸力と曲率半径を用いて、インターボーザの軸力による応力と反りによる応力とからインターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップと、求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定するステップと、求めた応力の絶対値が許容値内でないときには、インターボーザの厚さを所定値だけ変化させて設定し、インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップと、インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップと、求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定するステップとを繰り返すステップと、求めた応力の絶対値が許容値内であるときには、そのときの設定した厚さをインターボーザの厚さとして確定するステップとを含む。

【0013】

その方法において、好ましくは、インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップは、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれについてのヤング率および熱膨張率と、支持基板および接合層の所望の厚さと、インターボーザの設定した厚さとを用いて、支持基板、接合層およびインターボーザについて、界面でのひずみの連続性、軸力の釣り合いおよび曲げモーメントの釣り合いからそれぞれ導出される連立方程式を生成するステップと、インターボーザの軸力と反りの曲率半径について連立方程式を解いて軸力と反りの曲率半径を算出するステップとを含むと良い。

【0014】

その方法において、好ましくは、接合層のヤング率および熱膨張率は、金属接合部とアンダーフィル樹脂部との複合体の材料特性から算出されるヤング率および熱膨張率であると良い。

【0015】

その方法において、好ましくは、インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップは、インターボーザの軸力をインターボーザの所望の幅および設定した厚さで除算することでインターボーザの軸力による応力を算出するステップと、インターボーザのヤング率と設定した厚さの半分を乗算してインターボーザの反りの曲率半径で除算することでインターボーザの反りによる応力を算出するステップと、算出したインターボーザの軸力による応力と反りによる応力との合計を算出するステップとを含むと良い。

【0016】

本発明により提供される１実施態様のコンピュータプログラム、即ち、支持基板に接合層を介して接続されるインターボーザの厚さを決定するためのコンピュータプログラムは、コンピュータに、インターボーザの厚さを初期値に設定するステップと、設定した厚さでの、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれの熱膨張率の差により発生するインターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップと、求めた軸力と曲率半径を用いて、インターボーザの軸力による応力と反りによる応力とからインターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップと、求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定するステップと、求めた応力の絶対値が許容値内でないときには、インターボーザの厚さを所定値だけ変化させて設定し、インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップと、インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップと、求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定するステップとを繰り返すステップと、求めた応力の絶対値が許容値内であるときには、そのときの設定した厚さをインターボーザの厚さとして確定するステップとを実行させる。

【0017】

そのコンピュータプログラムにおいて、好ましくは、インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めるステップは、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれについてのヤング率および熱膨張率と、支持基板および接合層の所望の厚さと、インターボーザの設定した厚さとを用いて、支持基板、接合層およびインターボーザについて、界面でのひずみの連続性、軸力の釣り合いおよび曲げモーメントの釣り合いからそれぞれ導出される連立方程式を生成するステップと、インターボーザの軸力と反りの曲率半径について連立方程式を解いて軸力と反りの曲率半径を算出するステップとを含むと良い。

【0018】

そのコンピュータプログラムにおいて、好ましくは、接合層のヤング率および熱膨張率は、金属接合部とアンダーフィル樹脂部との複合体の材料特性から算出されるヤング率および熱膨張率であると良い。

【0019】

そのコンピュータプログラムにおいて、好ましくは、インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めるステップは、インターボーザの軸力をインターボーザの所望の幅および設定した厚さで除算することでインターボーザの軸力による応力を算出するステップと、インターボーザのヤング率と設定した厚さの半分を乗算してインターボーザの反りの曲率半径で除算することでインターボーザの反りによる応力を算出するステップと、算出したインターボーザの軸力による応力と反りによる応力との合計を算出するステップとを含むと良い。

【0020】

本発明により提供される１実施態様のインターボーザ、即ち、表面にチップが接続され裏面に支持基板が接合層を介して接続されるインターボーザは、その厚さが、インターボーザの厚さを初期値に設定することと、設定した厚さでの、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれの熱膨張率の差により発生するインターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることと、求めた軸力と曲率半径を用いて、インターボーザの軸力による応力と反りによる応力とからインターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることと、求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定することと、求めた応力の絶対値が許容値内でないときには、インターボーザの厚さを所定値だけ変化させて設定し、インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることと、インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることと、求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定することとを繰り返すことと、求めた応力の絶対値が許容値内であるときには、そのときの設定した厚さをインターボーザの厚さとして確定することとにより決定されている。

【0021】

そのインターボーザにおいて、好ましくは、インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることは、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれについてのヤング率および熱膨張率と、支持基板および接合層の所望の厚さと、インターボーザの設定した厚さとを用いて、支持基板、接合層およびインターボーザについて、界面でのひずみの連続性、軸力の釣り合いおよび曲げモーメントの釣り合いからそれぞれ導出される連立方程式を生成することと、インターボーザの軸力と反りの曲率半径について連立方程式を解いて軸力と反りの曲率半径を算出することを含むと良い。

【0022】

そのインターボーザにおいて、好ましくは、接合層のヤング率および熱膨張率は、金属接合部とアンダーフィル樹脂部との複合体の材料特性から算出されるヤング率および熱膨張率であると良い。

【0023】

そのインターボーザにおいて、好ましくは、インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることは、インターボーザの軸力をインターボーザの所望の幅および設定した厚さで除算することでインターボーザの軸力による応力を算出することと、インターボーザのヤング率と設定した厚さの半分を乗算してインターボーザの反りの曲率半径で除算することでインターボーザの反りによる応力を算出することと、算出したインターボーザの軸力による応力と反りによる応力との合計を算出することとを含むと良い。

【0024】

本発明により提供される１実施態様のチップ実装構造体は、フリップチップと、表面にフリップチップが接続されるインターボーザと、インターボーザの裏面に接続される支持基板と、インターボーザと支持基板との間に設けられる接合層とを含み、インターボーザの厚さが、インターボーザの厚さを初期値に設定することと、設定した厚さでの、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれの熱膨張率の差により発生するインターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることと、求めた軸力と曲率半径を用いて、インターボーザの軸力による応力と反りによる応力とからインターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることと、求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定することと、求めた応力の絶対値が許容値内でないときには、インターボーザの厚さを所定値だけ変化させて設定し、インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることと、インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることと、求めた応力の絶対値が許容値内であるかを判定することとを繰り返すことと、求めた応力の絶対値が許容値内であるときには、そのときの設定した厚さをインターボーザの厚さとして確定することとにより決定されている。

【0025】

そのチップ実装構造体において、好ましくは、インターボーザの軸力と反りの曲率半径を求めることは、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれについてのヤング率および熱膨張率と、支持基板および接合層の所望の厚さと、インターボーザの設定した厚さとを用いて、支持基板、接合層およびインターボーザについて、界面でのひずみの連続性、軸力の釣り合いおよび曲げモーメントの釣り合いからそれぞれ導出される連立方程式を生成することと、インターボーザの軸力と反りの曲率半径について連立方程式を解いて軸力と反りの曲率半径を算出することを含むと良い。

【0026】

そのチップ実装構造体において、好ましくは、接合層のヤング率および熱膨張率は、金属接合部とアンダーフィル樹脂部との複合体の材料特性から算出されるヤング率および熱膨張率であると良い。

【0027】

そのチップ実装構造体において、好ましくは、インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値を求めることは、インターボーザの軸力をインターボーザの所望の幅および設定した厚さで除算することでインターボーザの軸力による応力を算出することと、インターボーザのヤング率と設定した厚さの半分を乗算してインターボーザの反りの曲率半径で除算することでインターボーザの反りによる応力を算出することと、算出したインターボーザの軸力による応力と反りによる応力との合計を算出することとを含むと良い。

【0028】

そのチップ実装構造体において、好ましくは、インターボーザはシリコンインターボーザであり、支持基板は有機基板であると良い。

【発明の効果】

【0029】

本発明により、インターポーザとチップの接合部の応力を最小にすることができるインターポーザの厚さが決定され、その厚さのインターポーザを使用して接合部の応力を低減した信頼性の高いチップ実装が実現される。特に、そのようなチップ実装は、本発明により提供される、インターボーザの厚さを決定する方法、厚さを決定するためのコンピュータプログラム、厚さが決定されたインターボーザおよびインターボーザにフリップチップを搭載したチップ実装構造体によって達成される。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】支持基板およびインターポーザの上にチップを積層して搭載したチップ実装構造体を概略的に示す断面図である。

【図2】本発明の１実施形態に係るチップ実装構造体でのインターポーザの使用を概略的に示す側面図である。

【図3】インターポーザについてチップ接続面の応力と厚さとの関係を示すグラフである。

【図4】本発明の１実施形態に係るインターボーザの厚さを決定する方法を概略的に示す処理の流れ図である。

【図5】図４の処理３３０についての例示的な処理の流れ図である。

【図6】接合層の例示的な構成を概略的に示す断面図である。

【図7】図４の処理３４０についての例示的な処理の流れ図である。

【図8】本発明の１実施形態に係るインターポーザの使用を概略的に示す側面図である。

【図9】本発明の１実施形態に係るインターポーザについてチップ接続面の応力と厚さとの関係を示すグラフである。

【図10】ＦＥＭで解析したチップ実装構造を概略的に示す側面図である。

【図11】図１０のＦＥＭで解析したインターポーザについてチップ接続面の応力と厚さとの関係を示すグラフである。

【図12】支持基板の厚さに対して本手法およびＦＥＭによりそれぞれ求められたインターポーザの厚さを示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、記載された実施形態の内容に限定して解釈されるべきではない。なお、実施形態の説明の全体を通じて同じ構成部分乃至構成要素には同じ番号を付している。

【0032】

図２に、本発明の１実施形態に係るチップ実装構造体２００でのインターポーザ１１０の使用を側面図で概略的に示す。チップ１２０はインターポーザ１１０の表面のチップ接続面１１１で接続されている。インターポーザ１１０はその裏面で接合層１４５を介して支持基板１０５に接続されている。本発明者は、例えばＦＥＭを用いてインターポーザ１１０のチップ接続面１１１の応力とインターポーザ１１０の厚さとの関係を調べ、チップ接続面１１１の応力を最小にすることができるインターポーザ１１０の厚さがあることを見出した。

【0033】

図３に、所定の例えば有機基板のような支持基板１０５および接合層１４５に対して、例えばシリコンのようなインターポーザ１１０の厚さを変えたときのチップ接続面１１１の応力をグラフで示す。チップ接続面１１１の応力は、基準となる応力（支持基板１０５の厚さが１２００μｍでインターポーザ１１０の厚さが５０μｍのときの応力）と比較した割合（％）で示してある。（Ａ）のように、インターポーザ１１０の厚さが２００μｍから５０μｍへと薄くなるに連れて、支持基板１０５の影響を強く受けて、チップ接続面１１１の応力は増大する。また、（Ｂ）のように、インターポーザ１１０の厚さが２４０μｍから４００μｍへと厚くなるに連れて、チップ１２０がインターポーザ１１０および支持基板１０５の反りに追従しないことにより、（Ａ）ほどではないが、チップ接続面１１１の応力は増大する。そして、（Ｃ）のように、インターポーザ１１０の厚さが２００μｍから２４０μｍの範囲では、チップ接続面１１１でのインターポーザ１１０内の軸力による応力とインターポーザ１１０の反りによる応力との合計の絶対値が最小となり、チップ接続面１１１の応力は最小となっている。従って、所定の支持基板１０５および接合層に対して、インターポーザ１１０の厚さを２００μｍから２４０μｍの範囲内に設定すれば、チップ接続面１１１の応力を最小にすることができる。本発明者は、この見出した知見に基づいて、チップ接続面１１１の応力を最小にすることができるインターボーザの厚さを決定する方法を考案した。

【0034】

図４に、本発明の１実施形態に係るインターボーザの厚さを決定する方法３００の処理の流れを概略的に示す。処理を開始すると、ステップ３１０で、支持基板、接合層およびインターポーザのデータ、例えば、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれについてのヤング率（Ｅ_Ｓ、Ｅ_Ｃ、Ｅ_Ｉ）および熱膨張率（α_Ｓ、α_Ｃ、α_Ｉ）と、支持基板および接合層の所望の厚さ（ｔ_Ｓ、ｔ_Ｃ）と、インターボーザの厚さの初期値にする最小の厚さ（ｔ_ｍｉｎ）および変化させる厚さ（Δｔ）や、支持基板、接合層およびインターボーザで構成される積層構造のパラメータ、例えば、それぞれの幅（ｂ_Ｓ、ｂ_Ｃ、ｂ_Ｉ）および長さ（Ｌ_Ｓ、Ｌ_Ｃ、Ｌ_Ｉ）や、応力の許容値（σ_ｔｈ）などを準備する。

【0035】

ステップ３２０で、インターボーザの厚さ（ｔ_Ｉ）を初期値（ｔ_ｍｉｎ）に設定する（ｔ_Ｉ ← ｔ_ｍｉｎ）。ステップ３３０で、設定した厚さ（ｔ_Ｉ）での、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれの熱膨張率（α_Ｓ、α_Ｃ、α_Ｉ）の差により発生するインターボーザの軸力（Ｐ_Ｉ）と反りの曲率半径（Ｒ_Ｉ）を求める。ステップ３４０で、求めた軸力（Ｐ_Ｉ）と曲率半径（Ｒ_Ｉ）を用いて、インターボーザの軸力による応力と反りによる応力とからインターボーザのチップ接続面における応力の絶対値（｜σ_Ｉ｜）を求める。ステップ３５０で、求めた応力の絶対値（｜σ_Ｉ｜）が許容値（σ_ｔｈ）内であるかを判定する（｜σ_Ｉ｜ ＜ σ_ｔｈ）。

【0036】

ステップ３５０で、求めた応力の絶対値（｜σ_Ｉ｜）が許容値（σ_ｔｈ）内でないときには、ステップ３６０で、インターボーザの厚さ（ｔ_Ｉ）を所定値（Δｔ）だけ変化させて設定し（ｔ_Ｉ ← ｔ_Ｉ ＋ Δｔ）、インターボーザの軸力（Ｐ_Ｉ）と反りの曲率半径（Ｒ_Ｉ）を求めるステップ（３３０）と、インターボーザのチップ接続面における応力の絶対値（｜σ_Ｉ｜）を求めるステップ（３４０）と、求めた応力の絶対値（｜σ_Ｉ｜）が許容値（σ_ｔｈ）内であるかを判定するステップ（３５０）とを繰り返す。ステップ３５０で、求めた応力の絶対値（｜σ_Ｉ｜）が許容値（σ_ｔｈ）内であるときには、ステップ３７０で、そのときの設定した厚さ（ｔ_Ｉ）をインターボーザの厚さ（ｔ）として確定する（ｔ ←ｔ_Ｉ）。ステップ３８０で、確定したインターボーザの厚さ（ｔ）を出力して、処理は終了する。

【0037】

図５に、ステップ３３０についての例示的な処理の流れを示す。ステップ３３１では、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれについてのヤング率（Ｅ_Ｓ、Ｅ_Ｃ、Ｅ_Ｉ）および熱膨張率（α_Ｓ、α_Ｃ、α_Ｉ）と、支持基板および接合層の所望の厚さ（ｔ_Ｓ、ｔ_Ｃ）と、インターボーザの設定した厚さ（ｔ_Ｉ）とを用いて、支持基板、接合層およびインターボーザについて、界面でのひずみの連続性、軸力の釣り合いおよび曲げモーメントの釣り合いからそれぞれ導出される連立方程式を生成する。

【0038】

界面でのひずみの連続性については、層１と層２との界面で成り立つ次の式１を用いる。

【数1】

式１における変数Ｔは温度（℃）の変化値であり、それ以外の変数については既に出てきているので説明は省略する。変数の添え字１および２はそれぞれ層１および２に対応している。例えば、支持基板と接合層の界面については、層１が支持基板で層２が接合層であれば、各変数の添え字１はＳとなり添え字２はＣとなる。同様に、接合層とインターボーザの界面については、層１が接合層で層２がインターボーザであれば、各変数の添え字１はＣとなり添え字２はＩとなる。支持基板と接合層の界面および接合層とインターボーザの界面のそれぞれの界面について、式１の関係が成り立つので、式１を用いる。

【0039】

軸力の釣り合いについては、層１、２、３、・・・ｎの間で成り立つ次の式２を用いる。

【数2】

軸力の変数Ｐの添え字１、２、３、・・・ｎはそれぞれ層１、２、３、・・・ｎに対応している。例えば、支持基板、接合層およびインターボーザがそれぞれ層１、２および３であれば、変数Ｐの添え字１、２および３はそれぞれＳ、ＣおよびＩとなる。支持基板、接合層およびインターボーザの間で式２の関係が成り立つので、式２を用いる。

【0040】

曲げモーメントの釣り合いについては、層１、２、３、・・・ｎの間で成り立つ次の式３を用いる。

【数3】

Ｍ_ｉは層ｉに生じる曲げモーメントであり、次の式４で与えられる。

【数4】

Ｅ_ｉおよびＲ_ｉは、それぞれ、層ｉについての既に出てきているヤング率および曲率半径である。Ｉ_ｉは層ｉについての断面２次モーメントである。曲率半径Ｒ_１、Ｒ_２、・・・Ｒ_ｎはほぼ等しいとして次の式５で与えられる。

【数5】

従って、Ｍ_ｉはＥ_ｉＩ_ｉ／Ｒで表される。オバーラインの付いたｙは層ｉの中立面の位置を示す。支持基板、接合層およびインターボーザの間で式３の関係が成り立つので、式３を用いる。

【0041】

ステップ３３２では、インターボーザの軸力（Ｐ_Ｉ）と反りの曲率半径（Ｒ_Ｉ）について、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれに関する各変数により生成された式１、式２および式３の連立方程式を解いて、軸力（Ｐ_Ｉ）と反りの曲率半径（Ｒ_Ｉ）を算出する。

【0042】

接合層のヤング率（Ｅ_Ｃ）および熱膨張率（α_Ｃ）を算出するには、一般的な複合体の式を用いる。そして、複合体の材料特性を求める、例えば、サイバネットシステム株式会社から販売されているＡＮＳＹＳおよびＭｕｌｔｉｓｃａｌｅ．Ｓｉｍ（登録商標）のような市販のソフトウェアを使う。一般的な複合体の式は次のように表される。積層方向に垂直な方向の物性値、即ち、ヤング率（Ｅ_⊥）および熱膨張率（α_⊥）は、次の式６で与えられる。

【数6】

また、積層方向に平行な方向の物性値、即ち、ヤング率（Ｅ_‖）および熱膨張率（α_‖）は、次の式７で与えられる。

【数7】

なお、式６および式７において、Ｖは体積率を表し、添え字のＭは主材料であることを示し、Ｆは副材料であることを示す。従って、接合層の主材料のヤング率（Ｅ_Ｍ）および熱膨張率（α_Ｍ）と、副材料の体積率（Ｖ_Ｆ）、ヤング率（Ｅ_Ｆ）および熱膨張率（α_Ｆ）とを用いて、式６および式７より、積層方向に垂直な方向のヤング率（Ｅ_⊥）および熱膨張率（α_⊥）と積層方向に平行な方向のヤング率（Ｅ_‖）および熱膨張率（α_‖）とが求まる。

【0043】

図６に、接合層の例示的な構成を断面図で概略的に示す。（Ａ）に示されるように、接合層は電極１３５およびアンダーフィル１４０で構成される。また、（Ｂ）に示されるように、電極１３５は、例えば、銅（Ｃｕ）のようなパッド１３６と銅錫（ＣｕＳｎ）のＩＭＣ（Inter Metallic Compound：金属間化合物）のようなバンプ１３７で構成される。電極１３５を構成するそれら主材料および副材料の２つのヤング率、熱膨張率と副材料の体積率とを用いて、式６および式７より、電極１３５の積層方向に垂直な方向（ｙ）のヤング率（Ｅ_⊥）および熱膨張率（α_⊥）と積層方向に平行な方向（ｘ）のヤング率（Ｅ_‖）および熱膨張率（α_‖）とが求まる。電極１３５の積層方向に垂直な方向（ｙ）のヤング率（Ｅ_⊥）および熱膨張率（α_⊥）と積層方向に平行な方向（ｘ）のヤング率（Ｅ_‖）および熱膨張率（α_‖）とが求まると、（Ｃ）に示されるように、電極１３５とアンダーフィル１４０との間で複合体の式６および式７を適用して、電極１３５とアンダーフィル１４０とで構成される接合層１４５の積層方向に垂直な方向（ｙ）のヤング率（Ｅ_⊥）および熱膨張率（α_⊥）と積層方向に平行な方向（ｘ）のヤング率（Ｅ_‖）および熱膨張率（α_‖）とが求まる。

【0044】

図７に、ステップ３４０についての例示的な処理の流れを示す。ステップ３４１では、インターボーザの軸力（Ｐ_Ｉ）をインターボーザの所望の幅（ｂ_Ｉ）および設定した厚さ（ｔ_Ｉ）で除算することでインターボーザの軸力による応力（Ｐ_Ｉ／ｂ_Ｉｔ_Ｉ）を算出する。インターボーザの軸力（Ｐ_Ｉ）は、ステップ３３０で求められた値、特にステップ３３１および３３２で算出された値が使用され、インターボーザの所望の幅（ｂ_Ｉ）および設定した厚さ（ｔ_Ｉ）は、既に得られている値が使用される。ステップ３４２では、インターボーザのヤング率（Ｅ_Ｉ）と設定した厚さの半分（ｔ_Ｉ／２）を乗算してインターボーザの反りの曲率半径（Ｒ_Ｉ）で除算することでインターボーザの反りによる応力（Ｅ_Ｉ（ｔ_Ｉ／２）／Ｒ_Ｉ）を算出する。インターボーザの反りの曲率半径（Ｒ_Ｉ）は、ステップ３３０で求められた値、特にステップ３３１および３３２で算出された値が使用され、インターボーザのヤング率（Ｅ_Ｉ）および設定した厚さ（ｔ_Ｉ）は、既に得られている値が使用される。ステップ３４３では、算出したインターボーザの軸力による応力と反りによる応力との合計を算出する（Ｐ_Ｉ／ｂ_Ｉｔ_Ｉ ＋ Ｅ_Ｉ（ｔ_Ｉ／２）／Ｒ_Ｉ）。インターボーザの軸力による応力（Ｐ_Ｉ／ｂ_Ｉｔ_Ｉ）はステップ３４１で算出された値が使用され、インターボーザの反りによる応力（Ｅ_Ｉ（ｔ_Ｉ／２）／Ｒ_Ｉ）はステップ３４２で算出された値が使用される。

【0045】

図４から図７には、本発明の１実施形態に係るインターボーザの厚さを決定する方法を示したが、この方法の各ステップは、コンピュータがそれらのステップを実行するようにコンピュータプログラムを作成して、コンピュータプログラムでもって実施することができる。その際、コンピュータにおいては、例えばメモリやハードディスクなどの記憶装置に作成したコンピュータプログラムが保持され、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）などの処理装置が、記憶装置に保持されたコンピュータプログラムを読み出してその命令を実行することにより実施される。

【0046】

図８に、本発明の１実施形態に係るインターポーザの使用構成例４００を側面図で概略的に示す。支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれについてのヤング率（Ｅ_Ｓ、Ｅ_Ｃ、Ｅ_Ｉ）および熱膨張率（α_Ｓ、α_Ｃ、α_Ｉ）と、支持基板および接合層の所望の厚さ（ｔ_Ｓ、ｔ_Ｃ）が与えられると、先に示した本発明の１実施形態に係るインターボーザの厚さを決定する方法（本手法）により、チップ接続面１１１の応力を最小にすることができるインターボーザ１１０の厚さ（ｔ_Ｉ）が決定される。そのように厚さが決定されて作成されたインターポーザ１１０は、それ自体で売買される製品となり得る。使用構成例４００では、チップをまだ搭載していないが、厚さが決定されて作成れたインターポーザ１１０の裏面に支持基板１０５が接合層１４５を介して接続され、この状態でも製品となり得る。

【0047】

図９に、本発明の１実施形態に係るインターポーザの使用構成例４００でのチップ接続面の応力と厚さとの関係をグラフで示す。例えば有機基板である支持基板１０５の厚さがそれぞれ６００μｍ、９００μｍおよび１２００μｍであるときに、例えばシリコンのインターポーザ１１０において、チップ接続面１１１の応力（ＭＰａ）は、厚さ（μｍ）の増加に連れて、マイナスの値からゼロを経てプラスの値へと変化する。チップ接続面１１１の応力がゼロとなるときの厚さに近似の厚さは、本発明の１実施形態に係るインターボーザの厚さを決定する方法（本手法）により求められる。応力の許容値（σ_ｔｈ）を限りなく小さくすれば、チップ接続面１１１の応力がゼロとなるときの厚さに限りなく近いインターボーザの厚さ（ｔ_Ｉ）に設定することができる。本手法により求められたシリコンのインターポーザ１１０厚さは、有機基板である支持基板１０５の厚さが６００μｍ、９００μｍおよび１２００μｍに対して、それぞれ、１５５μｍ、２２０μｍおよび２９０μｍであった。

【0048】

図１０に、ＦＥＭで解析したチップ実装構造５００を側面図で概略的に示す。チップ実装構造５００では、図１のチップ実装構造１００と違って、トップチップ１２０が積層チップ１１５を介さずに直接インターポーザ１１０の表面に搭載されている。図８に示されている、本発明の１実施形態に係るインターポーザの使用構成例４００と比較するために、支持基板、接合層およびインターボーザそれぞれについてのヤング率（Ｅ_Ｓ、Ｅ_Ｃ、Ｅ_Ｉ）および熱膨張率（α_Ｓ、α_Ｃ、α_Ｉ）と、支持基板および接合層の所望の厚さ（ｔ_Ｓ、ｔ_Ｃ）は同じにされる。

【0049】

図１１に、ＦＥＭで解析したチップ実装構造５００のインターポーザ１１０についてチップ接続面の応力と厚さとの関係をグラフで示す。ＦＥＭによる解析では、有機基板である支持基板１０５の厚さがそれぞれ６００μｍ、９００μｍおよび１２００μｍであるときに、シリコンのインターポーザ１１０において、チップ接続面の応力（％）は、それぞれ、１４０−１９０μｍ、２００−２４０μｍおよび２７０−３３０μｍで最小になっている。図１１に示されているように、本発明の１実施形態に係るインターボーザの厚さを決定する方法（本手法）により求められた厚さ１５５μｍ、２２０μｍおよび２９０μｍは、それぞれ、ＦＥＭで解析したそれらのチップ接続面の応力が最小になっているインターポーザ１１０の厚さ範囲の中に含まれている。従って、所定の接合層を使用して有機基板である支持基板１０５の厚さがそれぞれ６００μｍ、９００μｍおよび１２００μｍであるときに、本手法によりそれぞれ求められた厚さ１５５μｍ、２２０μｍおよび２９０μｍのシリコンのインターポーザ１１０はチップ接続面の応力を最小になるまで低減できることが確かめられた。

【0050】

図１２に、有機基板である支持基板１０５の厚さがそれぞれ６００μｍ、９００μｍおよび１２００μｍであるときに、それぞれ、本手法により求められたシリコンのインターポーザ１１０の厚さと、ＦＥＭで解析したチップ接続面の応力が最小になっているインターポーザ１１０の厚さ範囲とを、比較のため、表にして示す。

【0051】

以上、実施態様を用いて本発明の説明をしたが、本発明の技術的範囲は実施態様について記載した範囲には限定されない。実施態様に種々の変更又は改良を加えることが可能であり、そのような変更又は改良を加えた態様も当然に本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0052】

１０５ 支持基板
１１０ インターポーザ
１１１ チップ接続面
１２０ チップ
１４５ 接合層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】