JP2000252376A - 集積回路チップ搭載基板ユニットフレーム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、集積回路チップ搭載基板に求めら
れる特性として重要な充分な剛性と平坦性を備え、且つ
リフローの際に生じる金属基板間の膨れ、剥がれ、及び
位置ずれを防止することのできる長期信頼性の高い集積
回路チップ搭載基板ユニットフレームの構造体を提供す
ることを目的とする。 【解決手段】 集積回路チップ搭載基板ユニットフレー
ム１８は、超音波接合法を用いて、薄板帯状材からプレ
ス加工、又はエッチング加工により形成された金属部材
個片１９と中央部に集積回路チップ２０を収納する開口
部２１を有するスティフナー機能を有する金属部材連接
ユニットフレーム２３とを拡散接合して一体構造とした
積層金属部材を複数連接した積層金属部材ユニットフレ
ーム１１を構成部材とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、ＢＧＡ型半導体装
置に用いる集積回路チップ搭載基板ユニットフレームに
係る、特に、超音波加工により、金属部材と金属部材と
の接合面に原子間拡散を起こさせて金属部材間を拡散接
合した積層金属部材連接ユニットフレームを構成部材と
する集積回路チップ搭載基板ユニットフレームに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最近の半導体装置は、小型化、高密度化
が進んでいる。それに伴い、実装技術及び放熱技術もよ
り高度な対応が要求されている。

【０００３】これらを支える技術として、ＴＡＢフィル
ムやフレキシブルプリント基板等のサブストレートを用
い、このＴＡＢフィルムやサブストレート上に形成され
た数十本〜数百本の導体リードから成る導体回路パター
ンが形成されたインターポーザの内部接続端子部と前記
集積回路チップの電極端子部（電極パッド）とを電気的
に接続するワイヤボンディング型、フリップチップボン
デング型、又はインナーリードボンディング型の高密度
実装技術が実用化されている。

【０００４】しかしながら、前記インターポーザには剛
性が無く、反りなどが発生するために補強部材を必要
し、スティフナーと呼称される中央に半導体集積回路チ
ップを収納する窓枠（開口部）を形成した金属部材を使
用した半導体装置が開示されている（特開平１０−１２
５７２１号）。

【０００５】さらに、前記集積回路チップは、高密度化
に伴って発熱量が増加することから前記集積回路チップ
の放熱のためにヒートスプレッダーと呼称される金属部
材が併用されている。このヒートスプレッダーとして
は、金属素材からなり、剛性を有するとともに、後述す
る配線基板などとの熱膨張係数がマッチングし、しか
も、ヒートスプレッダとして必要な熱伝導率が良好な銅
合金、ステンレス鋼、或いはアルミニュウムが採用され
る。

【０００６】上記、集積回路チップ搭載基板を用いた半
導体装置の構成の一例として、図２に示すように、前記
ヒートスプレッダの機能を有する金属部材と中央に集積
回路チップを収納する開口部を有するスティフナーの機
能を有する金属部材とをポリイミド系樹脂接着剤、又は
ポリイミド系樹脂接着剤テープを介して接合した一体型
の集積回路チップ搭載基板と、該集積回路チップ搭載基
板の集積回路チップ搭載領域に搭載され、主面に電極パ
ッドを備えた集積回路チップと、前記集積回路チップ搭
載基板に接着テープを介して接合され、前記電極パッド
に接続（ワイヤボンデング、インナーリードボンディン
グ等）して電気的導通回路を形成する導体回路パターン
が形成されたインターポーザと、前記導体回路パターン
に接続し、外部配線基板側に突出した外部接続端子と、
前記半導体集積回路チップを封止する樹脂封止体とで構
成された半導体装置が提案されている（特開平７−３２
１２５０号、特開平８ー８８２４５号）。

【０００７】ところで、放熱機能を有し、集積回路チッ
プ搭載領域を備えた放熱金属板と中央部に集積回路チッ
プ収納よう開口部を有するスティフナー機能を備えた支
持金属板とを構成部材とする集積回路チッブ搭載基板を
用いた半導体装置は、前記支持金属板と放熱金属板との
接合にポリイミド系樹脂接着剤、又はポリイミド系樹脂
接着剤テープを用いているので、半田ボール搭載工程等
におけるリフロー時の高温により接着剤の接着強度が低
下したり、前記ポリイミド系樹脂テープが吸湿して前記
放熱金属板と支持金属板とが剥離したり、金属板間に位
置ずれが生じ留問題があった。そして、これを用いた半
導体装置の長期信頼性を低下させるという不安定要素を
抱えていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、金属板間に
介在してこれを接合する熱可塑型、熱硬化型、又は感圧
型の接着剤、又はこれを塗布したテープには以下の問題
点を有している。 １．熱可塑型接着剤は短時間の圧着が可能で、硬化が不
要である。さらに、化学反応を伴わない保存性に優れて
いるが、しかし、耐熱性と加工性のバランスに問題があ
り、加工温度、耐リフロー性の面でバランスの取れた特
性は実現されていない。 ２．感圧型粘着剤は熱可塑型と類似の特性を有し、同様
に硬化不要で保存性にも優れ、常温に近い条件で貼り合
せが可能であるが、しかし、耐リフロー性が劣る点も同
様である。 ３．熱硬化型接着剤は硬化前の加工温度が低く、硬化後
の耐熱温度が高いため、加工性、耐リフロー性を両立さ
せることができるが、熱硬化工程が必要であり、熱硬化
条件と保存条件のバランスをとることに問題がある。 ４．接着剤には、接着の際に腐食性ガスを放出するとい
う欠点があった。 ５．さらに、ポリイミドフィルムは常温でも柔軟性をも
っているが、使用時の温度変化による内部応力などによ
る剥がれが起り易く、接着後の平行度の確保及び維持が
困難という問題があった。 ６．また、ポリイミドテープは吸湿し易いのでリーク電
流が発生し易いという欠点がある。 ７．さらに、ポリイミド系はコストの面で問題がある。 従って、従来の集積回路チップ搭載基板では上記の様に
ポリイミド系樹脂接着剤、又はポリイミド系樹脂接着剤
テープを用いた接合手段には一長一短を有しているた
め、前記の問題点を解消することができなかった。そこ
で、本発明は、集積回路チップ搭載基板に求められる特
性として重要な充分な剛性と平坦性を備え、且つリフロ
ーの際に生じる金属板間の膨れ、剥がれ、及び位置ずれ
を防止することのできる長期信頼性の高い集積回路チッ
プ搭載基板ユニットフレームの構造体を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の集積回路チップ
搭載基板を図１に基づき説明する。請求項１記載の集積
回路チップ搭載基板ユニットフレーム１８は、超音波接
合法を用いて、薄板帯状材からプレス加工、又はエッチ
ング加工により形成され、集積回路チップ搭載領域１０
を有し、放熱機能を備えた平坦形状の金属部材個片１９
と、中央部に前記集積回路チップ搭載領域１０に整合
し、集積回路チップ２０を収納する開口部２１を有する
スティフナーの機能、及び接地機能を備えた金属部材２
２を複数連結した金属部材連接ユニットフレーム２３と
を拡散接合（拡散接合部Ｂ）して一体構造とした積層金
属部材連接ユニットフレーム１１を構成部材としたこと
を特徴とする。

【００１０】また、請求項２記載の集積回路チップ搭載
基板は、請求項１記載の集積回路チップ搭載基板ユニッ
トフレームにあって、前記金属部材個片１９と前記金属
部材連接ユニットフレーム２３との表面に、０．０５〜
０．１０ｍｍのフェノール樹脂系プライマー処理を施し
たことを特徴とする。

【００１１】なほ、前記金属部材個片１９、及び金属部
材連接ユニットフレーム２３は、その表面をＮｉ等の金
属めっきで被覆したものを用いることもできる。さら
に、前記金属部材個片１９と金属部材連接ユニットフレ
ーム２３の金属部材２２の接合面にシムを介在させてシ
ム接合した構成とすることもできる。またさらに、前記
第２の金属部材の開口部に沿ってワイヤボンデング領域
を形成し、接地回路の共通端子を形成したものであって
もよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。ここで、図１は本発明の実施の形態に係る
集積回路チッブ搭載基板フレームを示す平面図、図２は
本発明の実施の形態に係る集積回路チッブ搭載基板フレ
ームの断面図、図３は本発明の実施の形態に係る集積回
路チッブ搭載基板ユニットフレームに用いた積層金属部
材連接ユニットフレームを示す断面図、図４は本発明の
実施の形態に係る集積回路チッブ搭載基板フレームに用
いた金属部材個片と金属部材連接ユニットフレームの接
合状態を示す断面図、図５は本発明の実施の形態に係る
集積回路チッブ搭載基板フレームを用いて形成されたワ
イヤボンディングタイプのＢＧＡ型半導体装置を示す断
面図である。

【００１３】図１、図２、図３に基づき本発明の一実施
の形態の構成について説明する。

【００１４】図によれば、本発明に係る集積回路チップ
搭載基板ユニットフレーム１８は、熱伝導性の良好な金
属部材の一例である銅系帯状材料から、プレス加工、又
はエッチング加工により形成され、中央部に、集積回路
チップ２０（図５参照）を搭載する集積回路チップ搭載
領域１０を有し、且つ放熱機能を有する平坦形状の金属
部材個片１９を、熱伝導性の良好な基材の一例である銅
系帯状材料を用い、プレス加工、又はエッチング加工に
より形成され、中央部に、前記集積回路チップ搭載領域
１０に対応し、集積回路チップ２０を収納する開口部２
１を備え、スティフナー機能と接地機能を有する金属部
材２２を複数（本実施例では、４個連接）連接した金属
部材連接ユニットフレーム２３の各金属部材２２に、超
音波接合加工法を用いて、前記両部材１９、２２の接合
面に原子間拡散を起こし、これらを拡散接合（拡散接合
部Ｂ）して一体的構成とされた、図１に示す、積層金属
部材連接ユニットフレーム１１と、前記積層金属部材連
接ユニットフレーム１１の集積回路チップ搭載面側Ａに
ポリイミド系樹脂接着剤１２を介して貼着された導体回
路パターン１６を備えたインターポーザ１７とからな
る、図１、及び図２に示す、構成とされている。

【００１５】また、本発明の他の実施の形態に係る集積
回路チップ搭載基板ユニットフレーム１８は、図示して
いない、前記金属部材個片１９、及び金属部材連接ユニ
ットフレーム２３に、図示していない、０．０５〜０．
１０ｍｍのフェノール樹脂系プライマーを塗布し、超音
波加工により、原子間拡散を起こし拡散接合した積層金
属部材連接ユニットフレームを形成し、その集積回路チ
ップ搭載面側にポリイミド系樹脂接着剤を介して貼着さ
れた導体回路パターンを備えたインターポーザとからな
る構成とされている（図１、図２参照）。

【００１６】ここで、前記インターポーザ１７は、膜厚
５０μｍのポリイミド系樹脂テープに、前記集積回路チ
ップ搭載領域１０に対応する開口部２４を形成すると共
に、厚さ１８μｍの銅箔を貼着し、この銅箔をフォトリ
ソグラフィーによりパターニングした後、膜厚０．５μ
ｍの金めっき層で被覆した導体回路パターン１６と外部
接続端子ランド、内部接続端子パッドが露出する開口部
を備えたカバーレジスト層とが形成された構成とされて
いる（図１、図２参照）。

【００１７】さらに、前記金属部材個片１９及び前記金
属部材連接ユニットフレーム２３の材質としては、上記
以外に銅合金、アルミニウム、ニッケル、クロム、亜鉛
及びこれらの合金などの熱伝導性の良好な金属の使用が
可能である。なお本実施例においては、金属部材個片１
９は金属部材連接ユニットフレーム２３の金属部材２２
とほぼ同じ外形形状寸法に形成されている。

【００１８】続いて、図３、図４に基づき超音波接合法
を用いて金属部材個片と金属部材連接ユニットフレーム
の接合の一例について説明する。

【００１９】まず、図４を参照しつつ、超音波接合法を
用いる金属部材連結ユニットフレーム２３を載置するた
めの受け台２５について説明する。

【００２０】図に示すように、前記受け台２５には、前
記金属部材連接ユニットフレーム２３の載置面Ｃの略中
央に、前記金属部材連接ユニットフレーム２３の金属部
材２２のそれぞれに対応する位置に前記金属部材個片１
９を装着するための複数の凹部２６が穿設されおり、前
記凹部２６の内径形状寸法は前記金属部材個片１９の外
径形状寸法とほぼ等しく、かつ凹部２６の底部２７の前
記金属部材個片１９と当接する面には、多数の小突起２
８が形成されている。さらに、受け台２５の凹部２６の
深さは前記金属部材個片１９の厚みと同等もしくは若干
浅くなるように形成されている。

【００２１】次に、図４を参照しつつ、金属部材個片１
９と金属部材連接ユニットフレーム２３の接合について
説明する。

【００２２】まず、図に示すように、受け台２５のそれ
ぞれの凹部２６に前記金属部材個片１９を装着し、前記
金属部材個片１９に前記金属部材連接ユニットフレーム
２３の前記各金属部材２２を位置合せし、重なり合うよ
うに受け台２５上に前記金属部材連接ユニットフレーム
２３を載置する。なほ、前記金属部材２２の上方には加
圧部Ｄを備えた横振動工具２９が配置されており、この
横振動工具２９は、図に示すように、アダプター（固定
ホーン）３０に接合したコンセントレータ３０ａを介し
てトランスジューサ（超音波振動子）３１に接続されて
いる。そして、前記金属部材連接ユニットフレーム２３
の金属部材２２に当接する横振動工具２９の前記金属部
材２２との当接面には多数の小突起３２が形成されてい
る。

【００２３】次に、図４に示すように、横振動工具２９
を降下させて、その当節面を前記金属部材２２に当接さ
せると共に、加圧して金属部材２２の表面に小突起３２
をくい込ませる。また、このとき受け台２５の凹部２６
に載置されている金属部材個片１９は凹部２６の底面に
形成された小突起２８がくい込む。そして、このように
横振動工具２９を金属部材２２に加圧した状態で、超音
波発信器により超音波の電気信号を発信し、該電機信号
をトランスジューサ（超音波振動子）３１にて機械振動
に変換する。さらに、この機械的振動がアダプター（固
定ホーン）３０に接合したコンセントレータ３０ａを通
じて横振動工具２９に印加される。印可された機械振動
によって、前記金属部材個片１９と前記金属部材２２と
の接触面で、それぞれ表面を覆っている酸化膜が破壊さ
れて、活性した金属面が露出される。さらに、摩擦によ
り境界で局部的に再結晶まで温度上昇される。この温度
上昇によって接合面に原子間拡散が起こり、この結果金
属部材個片１９と金属部材２２とが拡散接合されて一体
構造となる。これを各金属部材２２毎に行い、図３に示
す、積層金属部材連接ユニットフレーム１１が形成され
る。

【００２４】このような超音波を利用した接合方法によ
れば、 １）接合面の金属組織による強度の低下がなく、強固な
接合ができる。 ２）従来の接続テープに比べて、熱的悪影響やガスによ
る汚染がなくなる。 ３）超音波振動により金属間に活性面を発現させるため
素材の前処理が不要になる。 ４）接合部の変形が少ない。 ５）リフロー時の高温状態でも両基板の密着強度が低下
することがない、 従って、半導体装置の信頼性を向上させることができ
る。 さらに接合材料などが不要なので、製造コストも
低減できる。

【００２５】また、前記前記金属部材個片１９と前記金
属部材連接ユニットフレーム２３との表面に、フェノー
ル樹脂系プライマー処理を施した後、超音波による拡散
接合することもできる。そして、フェノール樹脂系プラ
イマー処理することにより、一般的に金属の熱伝導度は
プラスチックに比較して非常に大きくため、超音波エネ
ルギーによる接合部分の発熱が逃げやすく、また濡れに
くいと言う難点が解消され、超音波エネルギーの発熱温
度を有効に作用させることができる。

【００２６】次に、図１、２を参照しつつ、前記積層金
属部材連接ユニットフレーム１１を用いた集積回路チッ
プ搭載基板ユニットフレーム１８の形成について説明す
る。

【００２７】前記積層金属部材連接ユニットフレーム１
１の集積回路チップ搭載面側Ｃの平坦面に、膜厚５０μ
ｍのポリイミド樹脂からなる絶縁性テープの集積回路チ
ップ搭載部に集積回路チップ装着口を形成すると共に、
厚さ１８μｍの銅箔を貼着し、この銅箔をフォトリソグ
ラフィーによりパターニングした後、膜厚０．５μｍの
金めっき層を形成して導体回路パターン１６と外部接続
端子ランド１４、内部接続端子パッド１３が露出する開
口部２４を備えたカバーレジスト層１５とで構成とされ
たインターポーザ１７を絶縁性接着剤層１２を介して固
着することによって図１、図２に示す、集積回路チップ
搭載基板ユニットフレーム１８が形成される。

【００２８】次に、図５を参照しつつ、前記集積回路チ
ップ搭載基板ユニットフレーム１８を用いたＴ−ＢＧＡ
型の半導体装置について説明する。

【００２９】図に示すように、前記集積回路チップ搭載
基板ユニットフレーム１８のそれぞれの前記集積回路チ
ップ搭載領域１０に導電性接着剤３４の一例であるシル
バーペーストを介して集積回路チップ２０を固着し、こ
の後、開口部２１に隣接して配置された前記導体回路パ
ターン１６の内部接続端子パッド１３と集積回路チップ
２０の電極パッド３３をボンディングワイヤ３３ａを介
して電気的接続を行う。

【００３０】次に、集積回路チップ搭載基板ユニットフ
レーム１８の前記集積回路チップ２０を収納する開口部
２１内に前記集積回路チップ２０を覆うようにポッティ
ング樹脂３５を充填して樹脂封止を行った後、前記イン
ターポーザ１７に露出形成された外部接続端子ランド１
４にＰｂ１０％、Ｓｎ９０％からなる直径０．７ｍｍの
半田ボール３６を供給し、３２０ ℃で１０秒間（ピー
ク温度維持時間）の加熱工程を経て、前記インタポーザ
１７に突出した外部接続端子となる半田ボール３６が接
続され、ついで、集積回路チップ２０が搭載された集積
回路チップ搭載基板ユニットフレーム１８から樹脂封止
パッケージを個々に分離してＢＧＡ型半導体装置３７が
形成される。

【００３１】

【発明の効果】請求項１、２記載の集積回路チップ搭載
基板ユニットフレームは、放熱機能を有する金属部材個
片とステイフナー機能を有する金属部材連接ユニットフ
レームとの接合に超音波による拡散接合を行っているの
で、従来技術で用いた高価なポリイミド系樹脂接着剤テ
ープ、又は接着剤フィルムを用いないため、ポリイミド
系樹脂接着剤テープ、又は接着剤フィルムの吸湿による
半導体装置の劣化が無くなり、強固な接合が得られる。
その結果として、製造コストの削減が可能となると共
に、半導体装置の長期信頼性を向上させることができ
る。

【００３２】また、請求項２記載の集積回路チップ搭載
基板ユニットフレームは、放熱機能を有する金属部材個
片とステイフナー機能を有する金属部材連接ユニットフ
レームの表面をフェノール樹脂系プライマーによる表面
処理を行っているので、一般的に金属の熱伝導度はプラ
スチックに比較して非常に大きいため、超音波エネルギ
ーによる接合部分の発熱が逃げやすく、また濡れにくい
と言う難点が解消され、超音波エネルギーが有効に作用
し、短時間で接合面の発熱温度を向上させ、より強固な
拡散接合が可能となり、半導体装置の信頼性をより向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る集積回路チッブ搭載
基板フレームを示す平面図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る集積回路チッブ搭載
基板フレームの断面図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る集積回路チッブ搭載
基板ユニットフレームに用いた積層金属基板ユニットフ
レームを示す断面図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る集積回路チッブ搭載
基板フレームに用いた金属部材個片と金属部材連接ユニ
ットフレームの接合状態を示す断面図である。

【図５】本発明の実施の形態に係る集積回路チッブ搭載
基板フレームを用いて形成されたワイヤボンディングタ
イプの半導体装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１０ 集積回路チップ搭載領域 １１ 積層金属部材連接ユニットフレーム １２ 接着剤層 １３ 内部接続端子パッド １４ 外部接続端子ランド １５ カバーレジスト層 １６ 導体回路パターン １７ インターポーザ １８ 集積回路チップ搭載基板ユニットフレーム １９ 平坦状金属部材の個片 ２０ 集積回路チップ ２１ 開口部 ２２ 金属部材 ２３ 金属部材連接ユニットフレーム ２４ 開口部 ２５ 受け台 ２６ 凹部 ２７ 底面部 ２８ 小突起 ２９ 横振動工具 ３０ アダプター ３１ トランスジューサ ３２ 小突起 ３３ 電極パッド ３３ａ ボンディングワイヤ ３４ 導電性接着剤 ３５ ポッティング樹脂 ３６ 半田バンプ ３７ ＢＧＡ型半導体装置 Ａ 集積回路チップ搭載面側 Ｂ 拡散接合部 Ｃ 金属部材連接ユニットフレーム載置面側 Ｄ 加圧部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集積回路チップ搭載領域を備えた積層金
   属部材連接ユニットフレームと、該積層金属部材連接ユ
   ニットフレームの集積回路チップ搭載面側に接着剤層を
   介して貼着され、内部接続端子パッド、及び外部接続端
   子ランドを露出するカバーレジスト層を具備する導体回
   路パターンを備えたインターポーザとを構成部材とする
   集積回路チップ搭載基板ユニットフレームにおいて、前
   記積層金属部材連接ユニットフレームは、超音波接合法
   を用いて、薄板帯状材からプレス加工、又はエッチング
   加工により形成され、集積回路チップ搭載領域を有し、
   放熱機能を備えた平坦状の金属部材個片と中央部に前記
   集積回路チップ搭載領域に対応し、集積回路チップを収
   納する開口部を有するスティフナーの機能、及び接地機
   能を備えた金属部材を連接した金属部材連接ユニットフ
   レームとを拡散接合して一体構造とした積層金属部材連
   接ユニットフレームを構成部材としたことを特徴とする
   集積回路チップ搭載基板ユニットフレーム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の集積回路チップ搭載基板
   ユニットフレームであって、前記金属部材個片、及び金
   属部材連接ユニットフレームの表面に、０．０５〜０．
   １０ｍｍのフェノール樹脂系プライマー処理を施したこ
   とを特徴とする集積回路チップ搭載基板ユニットフレー
   ム。