JP2005311182A - Board and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板及び半導体装置に係り、特に熱膨張係数の異なる半導体素子と実装基板とを電気的に接続する基板及び半導体装置に関する。 The present invention relates to a substrate and a semiconductor device, and more particularly to a substrate and a semiconductor device that electrically connect semiconductor elements having different thermal expansion coefficients and a mounting substrate.
従来、熱膨張係数の異なる半導体素子と実装基板との間を電気的に接続するために、半導体素子の熱膨張係数と実装基板の熱膨張係数との略中間の熱膨張係数を有した基板が用いられている。このような基板には、基材が樹脂の基板や、板状の金属基材の両面に樹脂を設けた基板がある。 Conventionally, in order to electrically connect between a semiconductor element having a different thermal expansion coefficient and a mounting board, a board having a thermal expansion coefficient substantially in the middle of the thermal expansion coefficient of the semiconductor element and the mounting board has been provided. It is used. Such a substrate includes a substrate whose base material is a resin and a substrate in which a resin is provided on both surfaces of a plate-like metal base material.
図1は、半導体素子と実装基板とを接続した従来の金属基材を備えた基板の断面図である。図1に示すように、半導体素子14は、基板10に対してはんだバンプ15によりフリップチップ実装されており、半導体素子14と基板10との間には、アンダーフィル樹脂16が設けられている。実装基板18は、基板10に対してはんだボール17を介して接続されている。また、半導体素子14は、複数の配線及び絶縁層を有した多層配線構造とされている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a substrate provided with a conventional metal base material in which a semiconductor element and a mounting substrate are connected. As shown in FIG. 1, the
基板10は、金属基材11と、樹脂部材12,13と、図示していないビアとを有した構成とされている。金属基材11は、平板状の金属板であり、その両面には樹脂部材12,13が設けられている。また、金属基板11には、半導体素子14と実装基板18との間を電気的に接続するためのビアが形成されている(例えば、特許文献1参照。)。
The substrate 10 is configured to include a
このように、基板10に金属基材11を設け、金属基板11の材料や厚さ等を適宜選択することで、基板10全体の熱膨張係数を所望の値に変えることができる。また、このような基板10は、大きな板状のパネルに複数の基板10を形成した後に個々の基板10を切り出すことで製造される。
近年の半導体素子14の高速動作化の要求に伴い、半導体素子14の絶縁層として誘電率の低いSiOF等のウルトラロウK材料が適用されている。しかし、このようなウルトラロウK材料により形成された絶縁層は、強度が弱くもろいため、従来のように基板10の熱膨張係数を半導体素子14と実装基板18との熱膨張係数の略中間の値に設定した場合には、半導体素子14と基板10との間の熱膨張係数の差により、半導体素子14に設けられた絶縁層が剥がれて、半導体素子14が破損するという問題があった。
With the recent demand for high-speed operation of the
また、基板10の熱膨張係数を半導体素子14の熱膨張係数に近づけて、ウルトラロウK材料により形成された絶縁層の剥がれを抑制した場合には、基板10と実装基板18との間の熱膨張係数の差が大きくなってしまい、実装基板18が破損してしまうという問題があった。
Further, when the thermal expansion coefficient of the substrate 10 is brought close to the thermal expansion coefficient of the
さらに、基板10に設けられた金属基材11は、平板状の金属板であるため、曲げ剛性が弱いため、基板10の製造工程において、パネルに反りが発生してしまい、基板10を精度良く加工できないというという問題や、パネルの反りが大きい場合には、加工装置で搬送できないという問題があった。また、金属基材11が平板状の金属板であるため、基板10の重量が重くなり、加工装置で吸着等により搬送する際、吸着部からパネルが落ちてしまうという問題があった。
Furthermore, since the
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、基板と半導体素子との間の熱膨張係数の差、及び基板と実装基板との間の熱膨張係数の差を小さくして、半導体素子及び実装基板が破損することを防止すると共に、基板を精度良く加工することのできる基板及び半導体装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and reduces the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the semiconductor element and the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the mounting substrate. An object of the present invention is to provide a substrate and a semiconductor device capable of preventing the semiconductor element and the mounting substrate from being damaged and processing the substrate with high accuracy.
上記課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is characterized by the following measures.
請求項1記載の発明では、板状の金属基材と、半導体素子が接続される第1の接続領域と、実装基板が接続される第2の接続領域とを備え、前記半導体素子及び実装基板が接続される基板であって、前記第1の接続領域に対応する前記金属基材に設けられた第1の貫通穴と、前記第2の接続領域に対応する前記金属基材に、前記第1の貫通穴と穴径及び/又は穴の配設ピッチの異なる第2の貫通穴を設けたことを特徴とする基板により、解決できる。 The invention according to claim 1 includes a plate-shaped metal base, a first connection region to which a semiconductor element is connected, and a second connection region to which a mounting substrate is connected, the semiconductor element and the mounting substrate. Connected to the metal base corresponding to the first connection region, and the metal base corresponding to the second connection region, the first through-hole provided in the metal base corresponding to the first connection region This can be solved by a substrate characterized in that a second through hole having a different through hole and hole diameter and / or hole arrangement pitch is provided.
上記発明によれば、半導体素子が接続される第1の接続領域に対応する金属基材に第1の貫通穴を設け、実装基板が接続される第2の接続領域に対応する金属基材に第1の貫通穴と穴径及び/又は穴の配設ピッチの異なる第2の貫通穴を設けることにより、第1の接続領域の熱膨張係数と第2の接続領域の熱膨張係数とを異ならせて、第1の接続領域と半導体素子との熱膨張係数の差、及び第2の接続領域と実装基板との熱膨張係数の差を小さくして、半導体素子及び実装基板の破損を防止することができる。また、基板に第1及び第2の貫通穴を設けたことにより、基板の反りを抑制することができる。 According to the above invention, the first through hole is provided in the metal base corresponding to the first connection region to which the semiconductor element is connected, and the metal base corresponding to the second connection region to which the mounting substrate is connected is provided. By providing a second through hole having a hole diameter and / or hole arrangement pitch different from that of the first through hole, the thermal expansion coefficient of the first connection region is different from the thermal expansion coefficient of the second connection region. Accordingly, the difference in the thermal expansion coefficient between the first connection region and the semiconductor element and the difference in the thermal expansion coefficient between the second connection region and the mounting substrate are reduced to prevent the semiconductor element and the mounting substrate from being damaged. be able to. Moreover, the board | substrate curvature can be suppressed by providing the 1st and 2nd through-hole in a board | substrate.
請求項2記載の発明では、前記第1及び第2の貫通穴には、樹脂を埋め込むことを特徴とする請求項1に記載の基板により、解決できる。 The invention according to claim 2 can be solved by the substrate according to claim 1, wherein resin is embedded in the first and second through holes.
上記発明によれば、第1及び第2の貫通穴に樹脂を埋め込むことで、金属基材を構成する金属と樹脂との熱膨張係数の違いにより、第1の接続領域の熱膨張係数と第2の接続領域の熱膨張係数とを異ならせることができる。 According to the invention, by embedding the resin in the first and second through holes, the thermal expansion coefficient of the first connection region and the first The thermal expansion coefficient of the two connection regions can be made different.
請求項3記載の発明では、請求項1または2に記載の基板と、前記基板に接続される半導体素子とを備えたことを特徴とする半導体装置により、解決できる。 The invention according to claim 3 can be solved by a semiconductor device comprising the substrate according to claim 1 or 2 and a semiconductor element connected to the substrate.
上記発明によれば、請求項1または2に記載の基板と、基板に接続される半導体素子とを備えたことにより、基板と半導体素子との間の熱膨張係数の差を小さくして、半導体素子が破損することを防止できる。 According to the above invention, since the substrate according to claim 1 or 2 and the semiconductor element connected to the substrate are provided, the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the semiconductor element is reduced, and the semiconductor It is possible to prevent the element from being damaged.
本発明は、基板と半導体素子との間の熱膨張係数の差、及び基板と実装基板との間の熱膨張係数の差を小さくして、半導体素子及び実装基板が破損することを防止すると共に、基板を精度良く加工することのできる基板及び半導体装置を提供することができる。 The present invention reduces the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the semiconductor element and the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the mounting board, and prevents the semiconductor element and the mounting board from being damaged. A substrate and a semiconductor device capable of processing the substrate with high accuracy can be provided.
次に、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施例)
始めに、図2を参照して、本発明の実施例による半導体装置30について説明する。図2は、実装基板に実装された本発明の実施例による半導体装置の断面図である。なお、図2において、Aは半導体素子31がはんだバンプ32を介して基板35に接続される領域(以下、接続領域A)、Bは実装基板41がはんだボール39を介して基板35に接続される領域(以下、接続領域B)をそれぞれ示している。接続領域Aは、第1の接続領域であり、接続領域Bは、第2の接続領域である。
(Example)
First, a
半導体装置30は、半導体素子31と、基板35とを有した構成とされている。半導体素子31は、複数の配線及び絶縁層から構成されており、絶縁層には、半導体素子31の高速動作を可能とするための低誘電率のウルトラロウK材料が適用されている。ウルトラロウK材料には、例えば、SiO2に数%程度のフッ素をドーピングしたSiOF膜がある。
The
このような構成とされた半導体素子31は、基板35の接続領域Aにおいて、はんだバンプ32を介して基板35にフリップチップ実装されている。また、半導体素子31と基板35との間には、アンダーフィル樹脂33が設けられている。
The
実装基板41は、複数の基板35を取り付ける大きさがあり、基板35と接続できる接続端子を有したプリント配線板であり、より具体的には、例えば、マザーボード等である。実装基板41は、基板35の接続領域Bにおいて、はんだボール39を介して基板35に接続されている。
The
基板35は、多層配線構造を有したプリント回路板であり、大略すると金属基材42と、樹脂38と、ビア(図示せず)とを有した構成とされている。基板35は、異なる熱膨張係数を有した半導体素子31と実装基板41とを電気的に接続するためのものである。半導体素子31と実装基板41との間は、金属基材42を貫通するビアにより電気的に接続される。
The
図3は、金属基材の平面図である。図2及び図3に示すように、金属基材42は、平板状の金属板であり、金属基材42には、例えば、Fe−Ni合金(混合比1:1)を用いることができる。金属基材42の両面には、樹脂38が設けられている。金属基材42の接続領域Aに対応する部分には、第1の貫通穴である貫通穴37が複数形成されており、この貫通穴37には樹脂38が充填されている。貫通穴37は、従来のエッチング法により形成することができる。樹脂38には、例えば、エポキシ系樹脂を用いることができる。
FIG. 3 is a plan view of the metal substrate. As shown in FIGS. 2 and 3, the
このように、半導体素子31がはんだバンプ32を介して基板35に接続される接続領域Aに対応する金属基材42に複数の貫通穴37を形成し、これら複数の貫通穴37に樹脂38を充填することで、接続領域Aに対応した金属基材42の熱膨張係数を貫通穴が設けられていない金属部材42部分の熱膨張係数と異ならせることができる。
In this way, a plurality of through
このように、接続領域Aに対応した金属基材42に複数の貫通穴37を形成し、これら複数の貫通穴37に樹脂38を充填することで、接続領域Aに対応した金属基材42の熱膨張係数と半導体素子31の熱膨張係数との差が小さくなるように、接続領域Aに対応した金属基材42の熱膨張係数を設定して、熱膨張係数の差により半導体素子31の絶縁層が損傷し、半導体装置31が破損することを防止できる。また、貫通穴37の穴径、形状、配設ピッチ等を適宜選択することで、接続領域Aに対応した金属基材42の熱膨張係数を所望の値に変えることができる。
Thus, by forming a plurality of through
金属基材42の接続領域Bに対応する部分には、第2の貫通穴である貫通穴36が複数形成されており、この貫通穴36には樹脂38が充填されている。一般的に、実装基板41の熱膨張係数は、半導体素子31の熱膨張係数よりも大きいので、貫通穴37の穴径は、貫通穴36よりも小さく形成すると良い。貫通穴36は、従来のエッチング法により形成することができる。
A plurality of through
このように、実装基板41がはんだボール39を介して基板35に接続される接続領域Bに対応した金属基材42に貫通穴37よりも大きい複数の貫通穴36を形成し、これら複数の貫通穴36に樹脂38を充填することで、接続領域Bに対応した金属基材42の熱膨張係数を、接続領域Aに対応した金属基材42の熱膨張係数と異なる値とすることができる。
In this way, a plurality of through
これにより、接続領域Bに対応した金属基材42の熱膨張係数と実装基板41の熱膨張係数との差が小さくなるように、接続領域Bに対応した金属基材42の熱膨張係数を設定して、熱膨張係数の差により実装基板41が破損することを防止できる。また、貫通穴36の穴径、形状、配設ピッチ等を適宜選択することで、接続領域Bに対応した金属基材42の熱膨張係数を所望の値に変えることができる。
Thereby, the thermal expansion coefficient of the
上記説明したように、金属基材42の半導体素子31が接続される接続領域Aに貫通穴37を形成し、金属基材42の実装基板41が接続される接続領域Bに貫通穴37よりも穴径の大きな貫通穴36を形成して、貫通穴36,37に樹脂38を充填することで、半導体素子31と基板35との間の熱膨張係数の差と、実装基板41と基板35との間の熱膨張係数の差とを小さくして、半導体素子31及び実装基板41が破損することを防止することができる。また、接続領域Aに対応する金属基材42には、例えば、穴径が0.30mmの円筒状の貫通穴36を配設ピッチ1.0で設け、接続領域Bに対応する金属基材42には、穴径が0.75mmの円筒状の貫通穴37を配設ピッチ1.0で設けることができる。
As described above, the through
次に、図4及び図5を参照して、本実施例の基板35と、比較例である貫通穴を有していない金属基材11を備えた従来の基板10とについて評価した熱膨張係数の差について説明する。なお、評価する際、半導体素子及び実装基板については同一のものを用いた。また、半導体素子の絶縁層には、ウルトラロウK材料を用いた。
Next, referring to FIG. 4 and FIG. 5, the thermal expansion coefficient evaluated for the
図4は、半導体素子、実装基板、比較例の基板、及び本実施例の基板の熱膨張係数を示した図である。図4に示すように、半導体素子の熱膨張係数は3.2、実装基板の熱膨張係数は17.0、比較例の基板10の熱膨張係数は12.0、本実施例の基板35の接続領域Aに対応する部分の熱膨張係数は8.0、本実施例の基板35の接続領域Bに対応する部分の熱膨張係数は14.0であった。また、接続領域Aに対応する金属基材42には、穴径が0.30mmの円筒状の貫通穴36を配設ピッチ1.0で設け、接続領域Bに対応する金属基材42には、穴径が0.75mmの円筒状の貫通穴37を配設ピッチ1.0で設けた。
FIG. 4 is a diagram illustrating thermal expansion coefficients of the semiconductor element, the mounting substrate, the substrate of the comparative example, and the substrate of the present example. As shown in FIG. 4, the thermal expansion coefficient of the semiconductor element is 3.2, the thermal expansion coefficient of the mounting substrate is 17.0, the thermal expansion coefficient of the substrate 10 of the comparative example is 12.0, and the thermal expansion coefficient of the
図5は、熱膨張係数の差を示した図である。図5に示すように、比較例の基板10を用いた場合には、半導体素子と基板10との間の熱膨張係数の差は8.8であり、実装基板と基板10との間の熱膨張係数の差は5.0であった。一方、本実施例の基板35を用いた場合には、半導体素子と基板35との間の熱膨張係数の差は4.8であり、実装基板と基板35との間の熱膨張係数の差は3.0であった。この評価結果から、本実施例の基板35を適用することで、半導体素子と基板35との間の熱膨張係数の差と、実装基板と基板35との間の熱膨張係数の差とを従来よりも小さくできることが確認できた。
FIG. 5 is a diagram showing a difference in thermal expansion coefficient. As shown in FIG. 5, when the substrate 10 of the comparative example is used, the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor element and the substrate 10 is 8.8, and the heat between the mounting substrate and the substrate 10 is The difference in expansion coefficient was 5.0. On the other hand, when the
次に、上記熱膨張係数を有した半導体素子、実装基板、比較例の基板10、及び本実施例の基板35を用いて、高低温サイクル試験を行った。この高低温サイクル試験では、温度サイクル試験装置を用いて、−65℃から125℃までの温度範囲で、温度の上げ下げを繰り返し行い、繰り返し回数が及ぼす影響について評価した。
Next, a high-low temperature cycle test was performed using the semiconductor element having the thermal expansion coefficient, the mounting substrate, the substrate 10 of the comparative example, and the
この高低温サイクル試験による評価結果から、比較例の基板10に接続された半導体素子は、繰り返し回数が200回程度で半導体素子の破損が確認されたが、本実施例の基板35に接続された半導体素子は、繰り返し回数が500回以上でも破損が見られなかった。このことから、本実施例の基板35を適用することにより、半導体素子の破損を防止できることが確認できた。また、実装基板と基板35との間の接続部分のストレス、及び半導体素子と基板35との間の接続部分のストレスは、従来の基板10を用いた場合と比較して1/5程度となることが確認できた。
From the evaluation result by this high and low temperature cycle test, the semiconductor element connected to the substrate 10 of the comparative example was confirmed to be damaged by about 200 repetitions, but was connected to the
図6は、複数の基板を設けたパネルの平面図であり、図7は、図6に示したパネルのD1−D2方向の断面図である。図6に示すように、基板35は、板状のパネル45に複数の基板35を形成し、最後に、パネル45から基板35を切り出すことで製造される。パネル45は、基板35が形成される基板形成領域(以下、基板形成領域E)と、基板35が形成されない非形成領域(以下、非形成領域F)とを有している。なお、図6において、基板形成領域Eには、先に説明した貫通穴36,37(図示せず)が形成されている。
FIG. 6 is a plan view of a panel provided with a plurality of substrates, and FIG. 7 is a cross-sectional view in the D1-D2 direction of the panel shown in FIG. As shown in FIG. 6, the
図7に示すように、基板35が形成される基板形成領域Eのみに貫通穴36,37を形成するだけでなく、非形成領域Fにも貫通穴47を形成することで、パネル45全体に貫通穴が形成され、貫通穴を有していない金属基材11を備えた従来の基板10と比較して、パネル45の重量を軽くして、パネル45を加工装置に設けられた吸着部で搬送する際、安定してパネル45を搬送することができる。また、上記貫通穴36,37,47を設けることで、パネル45の曲げ剛性を強くすることができ、基板35を製造する際、パネル45及び基板35の反りを抑制して、基板35を精度良く加工することができる。
As shown in FIG. 7, not only the through
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。なお、金属基材42に設ける貫通穴の穴径、形状、配設ピッチ等については、上記実施例の貫通穴36,37の形状に限定されない。
The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Deformation / change is possible. In addition, about the hole diameter of the through-hole provided in the
本発明は、基板と半導体素子との間及び基板と実装基板との間の熱膨張係数の差を小さくして、半導体素子及び実装基板が破損することを防止すると共に、基板を精度良く加工することのできる基板及び半導体装置に適用できる。 The present invention reduces the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the semiconductor element and between the substrate and the mounting substrate, prevents the semiconductor element and the mounting substrate from being damaged, and processes the substrate with high accuracy. It can be applied to a substrate and a semiconductor device that can be used.
10,35 基板
11,42 金属基材
12,13 樹脂部材
14,31 半導体素子
15,32 はんだバンプ
16,33 アンダーフィル樹脂
17,39 はんだボール
18,41 実装基板
30 半導体装置
36,37,47 貫通穴
38 樹脂
45 パネル
A,B 接続領域
E 基板形成領域
F 非形成領域
10, 35
Claims (3)
半導体素子が接続される第1の接続領域と、
実装基板が接続される第2の接続領域とを備え、
前記半導体素子及び実装基板が接続される基板であって、
前記第1の接続領域に対応する前記金属基材に設けられた第1の貫通穴と、
前記第2の接続領域に対応する前記金属基材に、前記第1の貫通穴と穴径及び/又は穴の配設ピッチの異なる第2の貫通穴を設けたことを特徴とする基板。 A plate-shaped metal substrate;
A first connection region to which a semiconductor element is connected;
A second connection region to which the mounting substrate is connected,
A substrate to which the semiconductor element and the mounting substrate are connected,
A first through hole provided in the metal substrate corresponding to the first connection region;
A substrate, wherein the metal substrate corresponding to the second connection region is provided with a second through hole having a hole diameter and / or a hole arrangement pitch different from that of the first through hole.
前記基板に接続される半導体素子とを備えたことを特徴とする半導体装置。
A substrate according to claim 1 or 2,
A semiconductor device comprising: a semiconductor element connected to the substrate.
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