JP2004259798A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、CSP構造などの半導体装置に係り、特に、パッケージに搭載された半導体チップを支持するチップ支持基板の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路などが形成された半導体チップを有する半導体装置において、外部端子として半田などからなるバンプ電極が設けられ、半導体チップを支持するチップ支持基板を有する半導体装置の一例として、CSP(Chip Size Package)などが知られている。
【0003】
図2に、従来の半導体装置を示す。セラミック基板からなるチップ支持基板401上にダイボンド材402を介して半導体チップ403が載置されている。半導体チップ403上には、半導体集積回路などが形成されている。半導体チップ403上に形成された接続電極(図示しない)は、ワイヤ404を介して、チップ支持基板401上に形成された第1の配線層405に接続されている。ワイヤ404は、第1の配線層405から半導体チップ403へ電源電位またはグランド電位を供給している。
【0004】
チップ支持基板401上に形成された第1の配線層405は、チップ支持基板401に形成されたコンタクト406を介して、チップ支持基板401の下に形成された第2の配線層407に接続されている。第2の配線層407には、外部端子としてバンプ電極408が形成されている。また、半導体チップ403は、樹脂などの封止体409によって封止されており、バンプ電極408を介して、チップ支持基板401と実装基板410が接続されている。この種の半導体装置に関連した技術としては、特許文献1や特許文献2などが知られている。
【0005】
なお、特許文献1には、半導体チップよりも熱膨張係数が実装基板に近い応力緩和部(モールド樹脂)を半導体チップの下に配置することによってバンプ電極に応力が集中するのを回避する方法が記載されている。
【0006】
また、特許文献2では、セラミック絶縁基板の裏面に封止部材よりも熱膨張係数が大きい熱硬化性樹脂からなる被覆層を形成することによって、絶縁基板の裏面にも圧縮応力を生じさせて、パッケージの封止部材と絶縁基板との熱膨張係数の違いによる絶縁基板の変形を防ぎ、安定した接続状態を維持できる方法が記載されている。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−217261号公報(図3)
【特許文献2】
特開2000−340707号公報(図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このように形成された半導体装置では、半導体チップ、チップ支持基板、実装基板で熱膨張係数に差が生じている。一般的に、半導体チップの熱膨張係数は、2.6〜3.6ppm/℃程度,実装基板の熱膨張係数は、20〜25ppm/℃程度である。半導体チップと実装基板の熱膨張係数の差が大きいため、チップ支持基板の熱膨張係数は、半導体チップの熱膨張係数と実装基板の熱膨張係数の間の値になるよう、7〜15ppm/℃程度で形成される。
【0009】
図2に示すように、半導体チップとチップ支持基板の熱膨張係数の差がより小さくなるようにチップ支持基板の熱膨張係数が7ppm/℃で形成すると、チップ支持基板と実装基板の熱膨張係数の差が大きくなり、温度サイクル試験において、チップ支持基板と実装基板の接続部であるバンプ電極に大きな熱応力がかかり、そりやクラックが発生し、接続不良を引き起こすという問題があった。チップ支持基板と実装基板を接続するバンプ電極にかかる熱応力は、特に、チップ支持基板の外周部に形成されたバンプ電極に大きくかかる。
【0010】
また、図3に示すように、チップ支持基板と実装基板の熱膨張係数の差が小さくなるようにチップ支持基板の熱膨張係数が15ppm/℃で形成すると、半導体チップとチップ支持基板の熱膨張係数の差が大きくなり、温度サイクル試験において、半導体チップとチップ支持基板の間に大きな熱応力がかかり、そりやクラックが発生し、接続不良を引き起こすという問題があった。
【0011】
本発明は、上記した問題点を解決すべくなされたもので、基板のそりや外部端子のクラックを低減することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するための本発明の半導体装置の一形態は、半導体チップと、
前記半導体チップを支持する第1のチップ支持基板と、
表面に第1の領域及び第2の領域を有し、前記第1の領域上に前記第1のチップ支持基板が形成された第2のチップ支持基板と、
前記第2のチップ支持基板の前記第2の領域上に形成された第1の配線層と、
前記半導体チップを封止する封止体とを具備した半導体装置であって、
前記第1のチップ支持基板の熱膨張係数は、前記半導体チップの熱膨張係数と前記第2のチップ支持基板の熱膨張係数の間の大きさであることを特徴としている。
【0013】
本発明の一形態によれば、基板のそりや外部端子のクラックを低減することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1に本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置を示す。図1に、CSP(Chip Size Package)構造の半導体装置の要部断面図を示す。アルミナ系セラミック基板からなる第1のチップ支持基板101上にダイボンド材102を介して半導体チップ103が載置されている。ダイボンド材102は、導電性樹脂、絶縁性樹脂などであり、例えばAgペーストである。半導体チップ103上には、半導体集積回路などが形成されている。
【0015】
第1のチップ支持基板101下には、ガラス系セラミック基板からなる第2のチップ支持基板104が燒結されている。第2のチップ支持基板104は、表面に第1の領域及び第2の領域を有しており、第1のチップ支持基板101は、第1の領域上に形成されている。第2の領域は、第1の領域の外周部に形成されている。ここで、アルミナ系セラミックスとは、アルミナ、窒化アルミニウム等を主成分とするセラミックスであり、ガラス系セラミックスとは、ホウ珪酸ガラス、リチウム珪酸ガラス等を主成分とするセラミックスである。
【0016】
半導体チップ103上に形成された接続電極(図示しない)は、ワイヤ105を介して、第2のチップ支持基板104の第2の領域上に形成された第1の配線層106に接続されている。ワイヤ105は、第1の配線層106から半導体チップ103へ電源電位またはグランド電位を供給している。第2のチップ支持基板104上に形成された第1の配線層106は、第2のチップ支持基板104に形成されたコンタクト107を介して、第2のチップ支持基板104の下に形成された第2の配線層108に接続されている。第2の配線層108には、外部端子として半田ボールによって構成されるバンプ電極109が形成されている。半導体チップ103は、樹脂などの封止体110によって封止されている。樹脂としては、例えば熱硬化性エポキシ系樹脂などがある。
【0017】
また、第2のチップ支持基板104は、バンプ電極109を介して、実装基板111に接続されている。実装基板111は、通常、熱膨張係数の大きいガラス入りエポキシ樹脂などの加工しやすい材料で構成されている。
【0018】
半導体チップ103の熱膨張係数は、2.6〜3.6ppm/℃程度、アルミナ系セラミックスからなる第1のチップ支持基板101の熱膨張係数は、5〜7ppm/℃程度、ガラス系セラミックスからなる第2のチップ支持基板104の熱膨張係数は、8〜18ppm/℃程度、実装基板111の熱膨張係数は、20〜25ppm/℃程度である。すなわち、上から半導体チップ103<第1のチップ支持基板101<第2のチップ支持基板104<実装基板111の順に熱膨張係数が大きくなるように形成されている。すなわち、第1及び第2のチップ支持基板101,104の熱膨張係数が、半導体チップ103の熱膨張係数と実装基板111の熱膨張係数の間の大きさになるよう形成されている。また、実装基板を実装する前の段階では、第1のチップ支持基板101の熱膨張係数が、半導体チップ103の熱膨張係数と第2のチップ支持基板104の熱膨張係数の間の大きさになるよう形成されている。
【0019】
また、半導体チップ103と第1のチップ支持基板101を接続しているダイボンド材102の熱膨張係数は、半導体チップ103よりもやや大きい程度であり、熱膨張係数の差による熱応力の観点からは特に問題にならない。
【0020】
第1のチップ支持基板101は、半導体チップの熱膨張係数により近い材料で構成され、第2のチップ支持基板104は、実装基板の熱膨張係数により近い材料で構成されているため、半導体チップ、チップ支持基板、実装基板との熱膨張係数の差をさらに緩衝し、熱膨張係数の差に起因して発生する基板やバンプ電極のそりやクラックを低減することができる。第1及び第2のチップ支持基板101,104の熱膨張係数の差は、内部応力として蓄えられるが、熱膨張係数の大きい第2のチップ支持基板104を、熱膨張係数の小さい第1のチップ支持基板101よりも厚くなるように形成することによって、たわみにくいチップ支持基板を形成することができる。
【0021】
チップ支持基板と実装基板を接続するバンプ電極109にかかる熱応力は、特に、チップ支持基板の外周部に形成されたバンプ電極に集中して生じる。本実施の形態では、第1及び第2の配線層106,108が、第2のチップ支持基板104の外周部の上下に形成されているが、仮に第1及び第2の配線層106,108が、第1及び第2のチップ支持基板を束ねるよう、第1のチップ支持基板101上及び第2のチップ支持基板104下に設けられている場合には、チップ支持基板と実装基板を接続する際に生じる熱応力が集中する部分に、第1及び第2のチップ支持基板101,104の内部に蓄えられている熱応力がさらに加わることになる。よって、そりやクラックなどの不良が発生することがあるため、好ましくない。したがって、第1及び第2の配線層106,108は、実装基板111との熱膨張係数の差が比較的少ない第2のチップ支持基板104の上下に設けられている方がよい。
【0022】
本実施の形態では、チップ支持基板に形成された外部端子として、チップ支持基板側に半田ボールを形成してバンプ電極を設けたBGA(Ball GridArray)タイプのCSPの例を記載したが、チップ支持基板側に半田ボールを設けないLGA (Land Grid Aray)タイプのCSPでも同様に適用することができる。LGAタイプのCSPでは、実装基板側に半田が形成され、パッケージが実装される。
【0023】
また、BGAタイプでは、実装基板に実装する際、実装基板側及びチップ支持基板側に半田が形成されるため、半田量の多い接合部を形成することができ、熱応力の耐量が比較的高く、信頼性のより高い電極を形成することができるという点で好ましい。
【0024】
また、第1及び第2のチップ支持基板を用いた例を記載したが、第1のチップ支持基板と第2のチップ支持基板の間に、第3のチップ支持基板が形成されていてもかまわない。このとき、第3のチップ支持基板の熱膨張係数は、第1及び第2のチップ支持基板の熱膨張係数の間の大きさである。すなわち、上から半導体チップ<第1のチップ支持基板<第3のチップ支持基板<第2のチップ支持基板<実装基板の順に熱膨張係数が大きくなるように形成する。したがって、第1のチップ支持基板は、半導体チップの熱膨張係数により近い材料で構成し、第2のチップ支持基板は、実装基板の熱膨張係数により近い材料で構成し、第3のチップ支持基板は、第1及び第2のチップ支持基板の熱膨張係数の間の大きさの材料で構成しているため、半導体チップ、チップ支持基板、実装基板との熱膨張係数の差をさらに緩衝し、熱膨張係数の差に起因して発生する基板やバンプ電極のそりやクラックを低減することができる。
【0025】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、基板のそりや外部端子のクラックを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置を示す要部断面図である。
【図2】従来の技術の半導体装置を示す要部断面図である。
【図3】従来の技術の他の半導体装置を示す要部断面図である。
【符号の説明】
101…第1のチップ支持基板
102,402…ダイボンド材
103,403…半導体チップ
104…第2のチップ支持基板
105,404…ワイヤ
106,405…第1の配線層
107,406…コンタクト
108,407…第2の配線層
109,408…バンプ
110,409…封止体
111,410…実装基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device such as a CSP structure, and more particularly to a structure of a chip supporting substrate that supports a semiconductor chip mounted on a package.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor device having a semiconductor chip on which a semiconductor integrated circuit or the like is formed, a bump electrode made of solder or the like is provided as an external terminal, and as an example of a semiconductor device having a chip supporting substrate for supporting the semiconductor chip, a CSP (Chip Size Package) is used. ) Are known.
[0003]
FIG. 2 shows a conventional semiconductor device. A
[0004]
The
[0005]
Patent Document 1 discloses a method of avoiding concentration of stress on a bump electrode by disposing a stress relaxation portion (mold resin) having a thermal expansion coefficient closer to a mounting substrate than a semiconductor chip under a semiconductor chip. Has been described.
[0006]
Further, in Patent Document 2, by forming a coating layer made of a thermosetting resin having a larger coefficient of thermal expansion than the sealing member on the back surface of the ceramic insulating substrate, a compressive stress is also generated on the back surface of the insulating substrate, It describes a method of preventing deformation of the insulating substrate due to a difference in thermal expansion coefficient between the sealing member of the package and the insulating substrate and maintaining a stable connection state.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-217261 A (FIG. 3)
[Patent Document 2]
JP 2000-340707 A (FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the semiconductor device formed as described above, the semiconductor chip, the chip supporting substrate, and the mounting substrate have different thermal expansion coefficients. Generally, the coefficient of thermal expansion of a semiconductor chip is about 2.6 to 3.6 ppm / ° C., and the coefficient of thermal expansion of a mounting board is about 20 to 25 ppm / ° C. Since the difference between the thermal expansion coefficients of the semiconductor chip and the mounting substrate is large, the thermal expansion coefficient of the chip supporting substrate is 7 to 15 ppm / ° C. so as to be a value between the thermal expansion coefficients of the semiconductor chip and the mounting substrate. Formed in the degree.
[0009]
As shown in FIG. 2, when the thermal expansion coefficient of the chip supporting substrate is formed at 7 ppm / ° C. so that the difference between the thermal expansion coefficients of the semiconductor chip and the chip supporting substrate becomes smaller, the thermal expansion coefficients of the chip supporting substrate and the mounting substrate are reduced. In the temperature cycle test, a large thermal stress is applied to the bump electrode, which is a connection portion between the chip supporting substrate and the mounting substrate, causing warpage and cracks, thereby causing a connection failure. The thermal stress applied to the bump electrodes connecting the chip supporting substrate and the mounting substrate is particularly large on the bump electrodes formed on the outer peripheral portion of the chip supporting substrate.
[0010]
Further, as shown in FIG. 3, when the thermal expansion coefficient of the chip supporting substrate is formed at 15 ppm / ° C. so that the difference between the thermal expansion coefficients of the chip supporting substrate and the mounting substrate is reduced, the thermal expansion of the semiconductor chip and the chip supporting substrate is reduced. The coefficient difference becomes large, and in a temperature cycle test, a large thermal stress is applied between the semiconductor chip and the chip supporting substrate, causing warpage and cracks, thereby causing a problem of poor connection.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide a semiconductor device capable of reducing warpage of a substrate and cracks of external terminals.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
One embodiment of the semiconductor device of the present invention for achieving the above object includes a semiconductor chip,
A first chip support substrate that supports the semiconductor chip;
A second chip support substrate having a first region and a second region on a surface, wherein the first chip support substrate is formed on the first region;
A first wiring layer formed on the second region of the second chip support substrate;
And a sealing body for sealing the semiconductor chip,
The thermal expansion coefficient of the first chip support substrate is a magnitude between the thermal expansion coefficient of the semiconductor chip and the thermal expansion coefficient of the second chip support substrate.
[0013]
According to one embodiment of the present invention, warpage of a substrate and cracks of external terminals can be reduced.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First Embodiment)
FIG. 1 shows a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a semiconductor device having a CSP (Chip Size Package) structure. A
[0015]
Under the first
[0016]
A connection electrode (not shown) formed on the
[0017]
Further, the second
[0018]
The coefficient of thermal expansion of the
[0019]
Further, the coefficient of thermal expansion of the
[0020]
The first
[0021]
Thermal stress applied to the
[0022]
In the present embodiment, an example of a BGA (Ball Grid Array) type CSP in which solder balls are formed on the chip support substrate side and bump electrodes are provided as external terminals formed on the chip support substrate has been described. An LGA (Land Grid Array) type CSP in which no solder ball is provided on the substrate side can be similarly applied. In the LGA type CSP, solder is formed on the mounting substrate side, and a package is mounted.
[0023]
Further, in the BGA type, when mounting on a mounting board, solder is formed on the mounting board side and the chip supporting board side, so that a joint having a large amount of solder can be formed, and the resistance to thermal stress is relatively high. This is preferable in that an electrode having higher reliability can be formed.
[0024]
Also, the example using the first and second chip supporting substrates has been described, but a third chip supporting substrate may be formed between the first chip supporting substrate and the second chip supporting substrate. Absent. At this time, the coefficient of thermal expansion of the third chip supporting substrate is a magnitude between the coefficients of thermal expansion of the first and second chip supporting substrates. That is, the semiconductor chips are formed such that the thermal expansion coefficient increases in the order of semiconductor chip <first chip support substrate <third chip support substrate <second chip support substrate <mounting substrate from the top. Therefore, the first chip support substrate is made of a material closer to the thermal expansion coefficient of the semiconductor chip, the second chip support substrate is made of a material closer to the thermal expansion coefficient of the mounting substrate, and the third chip support substrate Is made of a material having a magnitude between the coefficients of thermal expansion of the first and second chip supporting substrates, so that the difference in the coefficient of thermal expansion between the semiconductor chip, the chip supporting substrate, and the mounting substrate is further buffered, It is possible to reduce warpage and cracks of the substrate and the bump electrodes caused by the difference in thermal expansion coefficient.
[0025]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to reduce warpage of a substrate and cracks of external terminals.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a fragmentary cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part showing a conventional semiconductor device.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a principal part showing another conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
101: first
Claims (7)
前記半導体チップを支持する第1のチップ支持基板と、
表面に第1の領域及び第2の領域を有し、前記第1の領域上に前記第1のチップ支持基板が形成された第2のチップ支持基板と、
前記第2のチップ支持基板の前記第2の領域上に形成された第1の配線層と、
前記半導体チップを封止する封止体とを具備した半導体装置であって、
前記第1のチップ支持基板の熱膨張係数は、前記半導体チップの熱膨張係数と前記第2のチップ支持基板の熱膨張係数の間の大きさであることを特徴とする半導体装置。A semiconductor chip,
A first chip support substrate that supports the semiconductor chip;
A second chip support substrate having a first region and a second region on a surface, wherein the first chip support substrate is formed on the first region;
A first wiring layer formed on the second region of the second chip support substrate;
And a sealing body for sealing the semiconductor chip,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a thermal expansion coefficient of the first chip support substrate is a magnitude between a thermal expansion coefficient of the semiconductor chip and a thermal expansion coefficient of the second chip support substrate.
前記第2の配線層と接続された外部端子とをさらに具備したことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。A second wiring layer formed below the second chip supporting substrate and connected to the first wiring layer via a contact formed on the second chip supporting substrate;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising an external terminal connected to the second wiring layer.
前記第1及び第2のチップ支持基板の熱膨張係数は、前記半導体チップの熱膨張係数と前記実装基板の熱膨張係数の間の大きさであることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。Further comprising a mounting board connected to the external terminal,
3. The semiconductor according to claim 2, wherein the first and second chip supporting substrates have a coefficient of thermal expansion between a coefficient of thermal expansion of the semiconductor chip and a coefficient of thermal expansion of the mounting substrate. 4. apparatus.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003046802A JP2004259798A (en) | 2003-02-25 | 2003-02-25 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
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