JP2004363187A - Semiconductor package - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体パッケージに係り、特に放熱性の向上及び半導体チップの熱応力の低減化を図ったものに関する。
【0002】
【従来の技術】
電子機器の小型軽量化の要請から、半導体チップの小型化、高集積化が図られている。半導体チップは通常樹脂により封止されてパッケージにされ、プリント配線基板などに実装される。しかしながら、最近のように、半導体チップが小型高密度化されてくると、半導体チップの発熱量が増大し、半導体パッケージからの自然放熱では対処しきれず、半導体チップの故障の原因になる。
【0003】
そこで、従来、半導体パッケージの放熱性を改善するために、半導体チップの表面に熱伝導性に優れた金属板を接着して放熱する構造が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2)。この構造のものは、半導体チップの表面から金属板を介して直接的に放熱できるので熱対策としては効果的である。しかし、半導体チップと金属板との熱膨張率の差によって、半導体チップの表面に熱応力が作用し、誤動作したりする恐れがある。これは、半導体チップの表面に作用する熱応力の影響を受けて、例えばピエゾ抵抗効果によって特定の回路素子の抵抗値などの電気的特性が変化することにより起因して生ずる。
【0004】
更に、最近、半導体パッケージの薄型化の要請により主流になりつつあるボールグリッドアレイ(以下、BGAと略す。)型の半導体パッケージに上記金属板による放熱構造を当てはめてみると、BGA型半導体パッケージがハーフモールド構造、つまり基板の一面に半導体チップを搭載し、その一面をモールド樹脂層によって半導体チップと共に封止する構造であることにより、パッケージ全体の応力バランスがとれず、反りなどを生じたりして実用に耐えられなくなるという問題を生ずる。
【0005】
BGA型半導体パッケージの反りに対しては、図4に示すように、基板1上の半導体チップ2から離してモールド樹脂層3の表面部に、熱膨張率が基板1と近似する金属板4を設けたり(例えば、特許文献3)、図5に示すように、基板5上の半導体チップ6上に、熱膨張係数がモールド樹脂層7よりも小さい金属板8を貼り付けたりする構造が提案されている(例えば、特許文献4)。
【0006】
【特許文献1】
特開平5−82672号公報
【0007】
【特許文献2】
特開平7−107921号公報
【0008】
【特許文献3】
特開平10−116936号公報
【0009】
【特許文献4】
特開2000−31343号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4の構造では、反り低減には一定の効果を発揮しても、半導体チップ2と金属板4との間にモールド樹脂3が入り込んでいるため、放熱効果はそれ程期待できず、半導体チップ2の許容消費電力に制約が生ずる。また、図5の構造では、半導体チップ6の表面に熱膨張率の異なる金属板8が貼り付けられているため、半導体チップ6に熱応力が作用して誤動作の原因となる恐れがある。
【0011】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体チップの表面に作用する熱応力を低減し、半導体チップの回路素子の誤動作を防止できるボールグリッドアレイ型の半導体パッケージを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板の一面に搭載された半導体チップに重ねて、熱膨張率が当該半導体チップと近似するダミー層を設け、このダミー層に重ねて、熱膨張率が基板と近似する金属層を設け、そして、モールド樹脂層により基板の一面を半導体チップ及びダミー層と共にモールド樹脂層により封止し且つ金属層をその一面が外部に露出するようにモールド樹脂層に埋め込んだことを特徴とする。
この場合、ダミー層としては、半導体ウエハから構成することができる。
【0013】
この構成の本発明によれば、半導体チップに重ねられたダミー層の熱膨張率が半導体チップと近似しているので、半導体チップの表面に作用する熱応力を軽減でき、誤作動を防止することができる。また、基板とは反対側にある金属層の熱膨張率が基板に近似しているので、半導体パッケージ全体として応力バランスがとれ、反り、変形などのない低応力構造とすることができる。更に、半導体チップに対してダミー層及び金属層が順に重ねられ、そして金属層の少なくとも一面が外部に露出しているので、放熱性に優れた構造となり、半導体チップの許容消費電力を大きくすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をボールグリッドアレイ型の半導体パッケージに適用した第1実施例につき図1に基づいて説明する。
図1はボールグリッドアレイ型の半導体パッケージの断面図であり、同図において、基板11は、例えば板厚0.5〜0.7mmのガラスエポキシ樹脂基板やポリイミド樹脂基板などのプリント配線基板からなり、その一面である表面には、多数の接続端子、これら接続端子間を結ぶ配線パターン(いずれも図示せず)などがプリント手段によって形成されている。また、基板11の他面である裏面には、表面に形成された接続端子のうちの所要の接続端子と例えばスルーホール(図示せず)によって電気的に接続されたボールグリッドアレイ型の端子、即ち半田からなる多数のボール12が格子状に配列されている。
【0015】
この基板11の表面には、半導体チップ13が接着剤或は接着シート14により固定されている。そして、この半導体チップ13はボンディングワイヤ15によって基板1の接続端子に接続されている。このボンディングワイヤ15はAu、Al、Cuなどの細線からなる。
【0016】
半導体チップ13の表面の回路素子が形成された領域であってワイヤボンドパッドを除いた領域には、ダミー層としてのダミーチップ16が接着シート17によって固定されている。ダミーチップ16は、その熱膨張率が半導体チップ13のそれと近似しており、この実施例では半導体チップ13と同一基材、即ち半導体チップ13がSiウエハであれば、それと同じ材料であるSiウエハから形成されている。ダミーチップ16は、ウエハを所定の厚さ(0.1〜0.4mm)に加工しただけのものであり、その表面に回路素子は形成されていない。
【0017】
このダミーチップ16の固定は、一般に行われているスタック方式で行われる。即ち、ダミーチップ16の一面全体に、エポキシ或はポリイミドなどの熱硬化性樹脂をベース樹脂とした接着シート17を貼り付け、半導体チップ13よりも小さいサイズ(例えば5mm角の半導体チップの場合、4mm角)にダイシング加工を行い、ダイマウントでピックアップして半導体チップ13の表面中央部に実装する。
【0018】
ダミーチップ16の表面には、金属層としての金属板18が接着シート19によって固定されている。この金属板18の固定も上記のダミーチップ16と同様のスタック方式によって行われる。金属板18は、熱膨張の均衡をとるために、その熱膨張率が基板11のそれと近似する例えばNi合金、Fe合金、Au合金などから形成されている。
【0019】
金属板18の厚さは基板11と同程度とし、大きさはパッケージとして完成されたときの当該パッケージの表面(上面)のほぼ全体を占める程度の大きさとする。例えば、表面の大きさが10mm角のパッケージのとき、金属板18は9mm角の大きさとする。
なお、接着シート14、17、19の厚さは20μm程度が好ましい。
【0020】
以上の基板11の表面は、半導体チップ13及びダミーチップ16と共にモールド樹脂層20によって封止されている。モールド樹脂層20には、更に金属板18がその一面である上面を外部に露出させるようにして埋め込まれている。このモールド樹脂層20は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂をベースとしたもので、基板11に半導体チップ13、ダミーチップ16、金属板18を順に重ねて固定した後、モールド金型(図示せず)によるインサート成形によって成形されたものである。
【0021】
上記構成の半導体パッケージによれば、半導体チップ13の回路素子が形成された表面にダミーチップ16を固定し、このダミーチップ16の熱膨張率を半導体パッケージ13と近似、この実施例では半導体チップ13と同じSiウエハから形成して熱膨張率が半導体チップ13と概ね同じとなるようにしたので、半導体リップ13の表面に作用する熱応力を軽減することができる。このため半導体チップ13の表面に形成された回路素子への影響、例えば抵抗値の変動などを防止することができる。
【0022】
また、ダミーチップ16の材料であるSiウエハは、モールド樹脂層23の材料であるエポキシよりも熱伝導率が100倍以上高いので、半導体チップ13の表面の熱を直接ダミーチップ16へ効率よく逃がすことができる。更に、ダミーチップ16上には金属板18が固定され、その金属板18の上面は外部に露出しているので、半導体チップ13からダミーチップ16に伝えられた熱を金属板18から外部である大気中に効率良く放散することができる。このように本実施例では、半導体チップ13の熱を外部に放散するための伝熱性に優れた放熱経路を確保することができる、放熱性に優れた半導体パッケージとすることができる。
【0023】
また、本実施例では、金属板18を半導体チップ13ではなく、回路素子の形成されないダミーチップ16に固定するので、金属板18をダミーチップ16よりも大きくすることができる。しかも、ダミーチップ16は、回路素子の全くない単なるSi板であるから、ダミーチップ16に熱応力が作用しても何等問題はない。
更に、金属板18の熱膨張率を基板11と近似させてあるので、半導体パッケージ全体として応力バランスが取れ、半導体パッケージの反り、変形などを軽減することができる。
【0024】
図2及び図3は本発明の第2及び第3の各実施例を示す。図2の第2実施例が上記第1実施例と異なるところは、半導体チップを複数、例えば2個の半導体チップ21及び22を基板11に上下に重ねて搭載し、上段の半導体チップ22の表面にダミーチップ16を固定したところにある。
図3の第3実施例が上記第1実施例と異なるところは、半導体チップ23をフェイスダウンボンディングしたところにある。
【0025】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、以下のような拡張或は変更が可能である。
ダミーチップは熱膨張率が半導体チップと近似しておれば、ウエハから形成するものに限られない。
ボールグリッドアレイ型の半導体パッケージに限られず、基板の裏面に外部に接続するための端子を有するものに広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す半導体パッケージの断面図
【図2】本発明の第2実施例を示す図1相当図
【図3】本発明の第3実施例を示す図1相当図
【図4】従来の一例を示す図1相当図
【図5】従来の他の例を示す図1相当図
【符号の説明】
図中、11は基板、12はボール(ボールグリッドアレイ型の端子)、13は半導体チップ、16はダミーチップ(ダミー層)、18は金属板(金属層)、20はモールド樹脂層、21〜23は半導体チップである。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor package, and more particularly, to a semiconductor package in which heat dissipation is improved and thermal stress of a semiconductor chip is reduced.
[0002]
[Prior art]
In response to demands for smaller and lighter electronic devices, miniaturization and higher integration of semiconductor chips have been attempted. A semiconductor chip is usually sealed with a resin to form a package, and mounted on a printed wiring board or the like. However, as the size of the semiconductor chip has been reduced in size and density as in recent years, the amount of heat generated by the semiconductor chip increases, and natural heat radiation from the semiconductor package cannot cope with the problem, causing a failure of the semiconductor chip.
[0003]
Therefore, conventionally, in order to improve the heat dissipation of the semiconductor package, a structure in which a metal plate having excellent heat conductivity is bonded to the surface of the semiconductor chip to dissipate heat has been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2). ). This structure is effective as a measure against heat because heat can be directly radiated from the surface of the semiconductor chip via the metal plate. However, due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the semiconductor chip and the metal plate, thermal stress may act on the surface of the semiconductor chip and cause a malfunction. This is caused by a change in electrical characteristics such as a resistance value of a specific circuit element due to, for example, a piezoresistance effect under the influence of thermal stress acting on the surface of the semiconductor chip.
[0004]
Further, when applying a heat dissipation structure using the above-mentioned metal plate to a ball grid array (hereinafter abbreviated as BGA) type semiconductor package which has recently become mainstream due to a demand for a thinner semiconductor package, a BGA type semiconductor package has been developed. The half-mold structure, that is, a structure in which a semiconductor chip is mounted on one surface of a substrate and one surface is sealed together with the semiconductor chip by a mold resin layer, the stress of the entire package cannot be balanced, and warpage may occur. A problem arises in that it cannot be put to practical use.
[0005]
As shown in FIG. 4, a metal plate 4 having a coefficient of thermal expansion similar to that of the substrate 1 is provided on the surface of the
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-82672
[Patent Document 2]
JP-A-7-107921
[Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-116936
[Patent Document 4]
JP 2000-31343 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the structure of FIG. 4, even though a certain effect is exhibited for reducing the warpage, the heat dissipation effect cannot be expected so much because the
[0011]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a ball grid array type semiconductor package capable of reducing thermal stress acting on the surface of a semiconductor chip and preventing malfunction of circuit elements of the semiconductor chip. Is to do.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a dummy layer having a coefficient of thermal expansion close to that of a semiconductor chip mounted on a semiconductor chip mounted on one surface of a substrate, and a metal layer having a coefficient of thermal expansion close to that of the substrate stacked on the dummy layer. The semiconductor device is characterized in that one surface of the substrate is sealed by the mold resin layer together with the semiconductor chip and the dummy layer by the mold resin layer, and the metal layer is embedded in the mold resin layer so that the one surface is exposed to the outside.
In this case, the dummy layer can be composed of a semiconductor wafer.
[0013]
According to the present invention having this configuration, since the coefficient of thermal expansion of the dummy layer superimposed on the semiconductor chip is close to that of the semiconductor chip, thermal stress acting on the surface of the semiconductor chip can be reduced, and malfunction can be prevented. Can be. In addition, since the coefficient of thermal expansion of the metal layer on the side opposite to the substrate is close to that of the substrate, the semiconductor package as a whole can be balanced in stress, and can have a low stress structure without warpage or deformation. Further, since the dummy layer and the metal layer are sequentially stacked on the semiconductor chip, and at least one surface of the metal layer is exposed to the outside, the structure has excellent heat dissipation, and the allowable power consumption of the semiconductor chip is increased. Can be.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment in which the present invention is applied to a ball grid array type semiconductor package will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a ball grid array type semiconductor package. In FIG. 1, a
[0015]
On the surface of the
[0016]
A
[0017]
The fixing of the
[0018]
On the surface of the
[0019]
The thickness of the
The thickness of the
[0020]
The surface of the
[0021]
According to the semiconductor package having the above-described configuration, the
[0022]
Further, the heat conductivity of the Si wafer, which is the material of the
[0023]
Further, in this embodiment, the
Further, since the coefficient of thermal expansion of the
[0024]
FIG. 2 and FIG. 3 show second and third embodiments of the present invention. The second embodiment of FIG. 2 is different from the first embodiment in that a plurality of, for example, two,
The third embodiment of FIG. 3 differs from the first embodiment in that the
[0025]
The present invention is not limited to the embodiment described above and shown in the drawings.
Dummy chips are not limited to those formed from a wafer as long as the coefficient of thermal expansion is similar to that of a semiconductor chip.
The present invention is not limited to a ball grid array type semiconductor package, and can be widely applied to a semiconductor device having a terminal for external connection on the back surface of a substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor package showing a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a diagram corresponding to FIG. 1 showing a second embodiment of the present invention; FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment of the present invention; FIG. 4 is an equivalent view of FIG. 1 showing an example of the related art. FIG. 5 is an equivalent view of FIG. 1 showing another example of the related art.
In the figure, 11 is a substrate, 12 is a ball (ball grid array type terminal), 13 is a semiconductor chip, 16 is a dummy chip (dummy layer), 18 is a metal plate (metal layer), 20 is a mold resin layer, 21 to 21. 23 is a semiconductor chip.
Claims (2)
この基板の前記一面に、前記接続端子に電気的に接続して搭載された半導体チップと、
この半導体チップに重ねて設けられ、熱膨張率が当該半導体チップと近似するダミー層と、
このダミー層に重ねて設けられ、熱膨張率が前記基板と近似する金属層と、
前記基板の前記一面を前記半導体チップ及び前記ダミー層と共に封止し且つ前記金属層をその一面が外部に露出するように埋め込んだモールド樹脂層と、
前記基板の他面に、前記一面の接続端子と電気的に接続して設けられた端子とを具備してなる半導体パッケージ。A substrate provided with connection terminals on one side,
A semiconductor chip mounted on the one surface of the substrate while being electrically connected to the connection terminal;
A dummy layer provided on the semiconductor chip and having a coefficient of thermal expansion similar to that of the semiconductor chip;
A metal layer provided on the dummy layer and having a coefficient of thermal expansion similar to that of the substrate;
A mold resin layer sealing the one surface of the substrate together with the semiconductor chip and the dummy layer and embedding the metal layer so that one surface thereof is exposed to the outside;
A semiconductor package comprising: a terminal provided on the other surface of the substrate so as to be electrically connected to the connection terminal on the one surface.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003156982A JP2004363187A (en) | 2003-06-02 | 2003-06-02 | Semiconductor package |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009117702A (en) * | 2007-11-08 | 2009-05-28 | Nec Electronics Corp | Semiconductor device |
US7701068B2 (en) | 2006-03-06 | 2010-04-20 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Multi-chip package |
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2003
- 2003-06-02 JP JP2003156982A patent/JP2004363187A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7701068B2 (en) | 2006-03-06 | 2010-04-20 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Multi-chip package |
JP2009117702A (en) * | 2007-11-08 | 2009-05-28 | Nec Electronics Corp | Semiconductor device |
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