JP2005093780A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップとインターポーザの間とを半田ボールを介して半田接合した後に、該隙間にアンダーフィル樹脂を充填した半導体装置において、高価なアンダーフィル樹脂を使用することなく、半田接続部にかかる熱や衝撃による剪断応力を低減し、信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】隣り合う半田ボール２の間に仕切り壁５を形成し、該仕切り壁が、半導体チップ１及びインターポーザ４の半田接合面の二方向から形成され、前記インターポーザの仕切り壁が、インターポーザの基板面と水平方向で、且つ基板の中央部方向に一個分の仕切り壁の幅以上ずれた位置に配置されていることにより半田ボールに掛かる剪断応力を緩和する半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明はＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）、ＣＳＰ（チップサイズパッケージ）用基板を用いた半導体装置の構造に関する。

フリップチップ接続法を用いた半導体装置は、半田接合部に熱応力や落下衝撃が加わり、半田バンプ中および接合界面にクラックが発生する。従来、半導体チップとインターポーザの間にアンダーフィル樹脂を充填し、半田接合強度を強化してきた。

図４（ａ）は、従来のアンダーフィル樹脂を充填した半導体装置であり、（ｂ）は、プリント配線板を用いた半導体装置である。

図４（ａ）では、図面上側に半導体チップ１の端子１１と下側のインターポーザ４のパッド１４を半田ボールを介して接合させた後、前記半導体チップとインターポーザの隙間にアンダーフィル樹脂を充填して半導体装置２０が完成する。一般には、半導体チップ１の熱膨張率は低く、インターポーザ４の熱膨張率は高い問題がある。

図４（ｂ）では、図面上側に半導体チップ１を装備したインターポーザ４の裏面端子２４と下側のプリント配線板３０のパッド３４を半田ボールを介して接合して半導体装置２０が完成する。一般には、インターポーザ４の熱膨張率よりプリント配線板３０の熱膨張率は更に高い問題がある。

また、アンダーフィル樹脂のみで応力緩和するのではなく、前記隙間の距離を均一化により実装高さを確保することで半田接合部の応力を低減する等の方法が行われている（例えば、特許文献１参照。）。

下記に公知文献を記す。
特開平１１−２３８７６０号公報

フリップチップ接続法を用いた半導体装置は、半導体チップとインターポーザの熱膨張率の相異のため、接続部の半田には、大きな熱応力が発生する。特にこの熱応力は半田接続パッド部に集中し、接続部界面剥がれや半田クラックを引き起こす問題がある。

この応力の低減策として、接合面全体にアンダーフィル樹脂を充填する方法がとられている。しかしながら、アンダーフィル樹脂を接合面全体に充填するためには、時間がかかり、また樹脂自体も高価であるため高コストである。

本発明はこのような問題に着目してなされたもので、その課題とするところは高価なアンダーフィル樹脂を使用することなく、半田接続部にかかる熱や衝撃による剪断応力を低減し、信頼性の高い半導体装置を提供することにある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、本発明の請求項１に係る発明は、半導体チップとインターポーザの間とを半田ボールを介して半田接合した半導体装置に
おいて、隣り合う半田ボールの間に仕切り壁を形成し、半田ボールに掛かる剪断応力を緩和することを特徴とする半導体装置である。

本発明の請求項２に係る発明は、前記仕切り壁が、半導体チップ及びインターポーザの半田接合面の二方向から形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
である。

半田ボール間の仕切り壁が半導体チップおよびインターポーザの二方向から成り、組み合うことにより、熱によるインターポーザの膨張、または衝撃による剪断力を吸収することを特徴とする半導体装置である。

本発明の請求項３に係る発明は、前記インターポーザの仕切り壁が、インターポーザの基板面と水平方向で、且つ基板の中央部方向に一個分の仕切り壁の幅以上ずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置である。

半導体チップおよびインターポーザの仕切り壁が基板面と水平に一個分の仕切り壁の幅以上ずれており、せん断応力が働いた時に二つの仕切り壁が接触することで応力を吸収することを特徴とする半導体装置である。

本発明の請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体装置のインターポーザとプリント配線板の間とを半田ボールを介して半田接合した半導体装置において、隣り合う半田ボールの間に仕切り壁を形成し、半田ボールに掛かる剪断応力を緩和することを特徴とする半導体装置である。

本発明の請求項５に係る発明は、前記仕切り壁が、インターポーザおよびプリント配線板の半田接合面の二方向から形成されたことを特徴とする請求項４記載の半導体装置である。

半田ボール間の仕切り壁がインターポーザおよびプリント配線板の二方向から成り、組み合うことにより、衝撃による剪断力を吸収することを特徴とする半導体装置である。

本発明の請求項６に係る発明は、前記プリント配線板の仕切り壁が、プリント配線板の基板面と水平方向で、且つ基板の中央部方向に一個分の仕切り壁の幅以上ずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置である。

インターポーザおよびプリント配線板の仕切り壁が基板面と水平に一個分の仕切り壁の幅以上ずれており、せん断応力が働いた時に二つの仕切り壁が接触することで応力を吸収することを特徴とする半導体装置である。

以上、説明したように本発明によれば、半田ボール間に仕切り壁をパターンニングすることにより、アンダーフィル樹脂を充填することなく、半田にかかる剪断力を低減し、半田接合破断を抑制できる。本発明の方法により、半導体装置の実装する時間が大幅に削減され、製造コストも削減できる効果がある。

また、半田ボール間に仕切り壁を形成することにより、実装高さが確保でき、半田接合信頼性を向上させることができる。

また、半田ボール間に仕切り壁を形成することにより、短絡不良を無くすことができる。

以下、本発明の一実施形態による半導体装置について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態による半導体装置の概略図である。

インターポーザ４は熱がかかった時に熱膨張率により膨張し、特に長手方向に大きく伸びる。この伸び量に対して、半導体チップ１は熱膨張率が小さいために伸び量は少なく、結果として、インターポーザ４と半導体チップ１の伸び量の差は歪みとなり、半田ボール２に剪断力として掛かる。この剪断力は半導体チップ１およびインターポーザ４にパターンニングした仕切り壁５が接触することにより分散する。図１に示すように、インターポーザ４面に形成した仕切り壁と、半導体チップ１の仕切り壁４が配置されている。その配置の関係は熱膨張率の大きい基板上の仕切り壁４を基板中央部方向に所定の距離シフトされている。上記の構造では、加熱により、内側に配置した仕切り壁、例えばインターポーザ４の仕切り壁５は基板外側方向に伸び、外側の半導体チップ１の仕切り壁５と押し合い安定する。

ここで用いる仕切り壁は、例えばエポキシ系の樹脂であり、ディスペンサーでパターンニングする。この材料は、熱膨張率の差から発生する剪断力で破壊しない。仕切り壁に使用される材質、およびパターンニング方法、寸法等は任意で選択でき、本発明はこれらに制約されない。本発明の仕切り壁はインターポーザとプリント配線板の間にも適用でき、半導体チップとインターポーザの間にのみ制約されるものではない。

図２は、インターポーザの熱膨張により生じる力の模式図である。インターポーザ４上に仕切り壁５が形成され、インターポーザの基板の長さはｌ、伸びようとする方向と逆の方向から外力をＰ、インターポーザが伸びようとする方向の伸び量をλ、伸びようとする方向の逆の方向から外力Ｐによる縮み量をλ'等の変動が発生する。前記外力Ｐ、伸び量λ、縮み量λ'等の変化を具体的に記述する。

インターポーザ４に熱がかかるとインターポーザ４は伸びる。その時の伸び量λは、
λ＝α（Ｔ₁−Ｔ₀）×ｌ ―――式１
ここでαはインターポーザ４の線膨張係数、
Ｔ₁は変化後の温度、
Ｔ₀は変化前の温度、
ｌはインターポーザの長さである。
歪みは、
ε＝α（Ｔ₁−Ｔ₀） ―――式２
一方、インターポーザ４が伸びないようにすることが本発明の目的である。このことを模式的に考えると伸びようとする方向と逆の方向から外力Ｐをかけ、λ'だけ縮ませればよいことになる。ここで、
λ＝λ' ―――式３
ここでλは伸び量
λ'は縮み量である。

式１と、式２と、式３よりλ'＝ε×ｌとなる。更に、フックの法則σ＝Ｅ×εにより、
λ'＝σ×ｌ／Ｅとなる。σは応力であり、Ｅはインターポーザ４のヤング率である。ここでＡをインターポーザ４の断面積として、σ＝Ｐ／Ａであるため、λ'＝ε×ｌ＝σ×ｌ／Ｅ＝Ｐｌ／ＥＡとなり、これより、Ｐ＝ＡＥεとなる。前記式に式２を代入し、
Ｐ＝ＡＥα（Ｔ₁−Ｔ₀） ―――式１０
よって、半導体チップ１が熱により膨張せず、仕切り壁５がインターポーザ４の端にあると仮定すると仕切り壁５には、外力Ｐ＝ＡＥα（Ｔ₁−Ｔ₀）がかかる。

今、実際の半導体装置で想定できる寸法、使用条件をこの式１０に代入する。

Ｔ₁＝１００℃、Ｔ₀＝０℃、Ａ＝０．０３６ｍｍ²（ｔ＝０．６ｍｍ）、Ｅ＝３１００ＭＰａ、α＝９．６×１０^-6とすると、式１０により、
Ｐ＝０．０３６（ｍｍ²）×３１００（Ｎ／ｍｍ²）×９．６×１０^-6（ ／℃）×１００（℃）＝１．０７１３６×１０^-1Ｎ
仕切り壁５の先端部に外力Ｐがかかることにより仕切り壁５には曲げモーメントが発生する。この曲げモーメントＭは仕切り壁５の根元部で最大になり、その大きさはＭ＝Ｐ×ｈとなる。ここで、ｈは仕切り壁５の高さであり、０．００５ｍｍとすると、
Ｍ＝１．０７１３６×１０^-1（Ｎ）×０．００５（ｍｍ）
＝５．３５６８×１０^-4 Ｎ・ｍｍ ―――――計算値４
応力σは、
σ＝Ｍ／Ｚ
Ｚ＝ａｂ²／６ ―――式５
ここでＺは断面係数
ａは仕切り壁５の断面の横方向の長さ
ｂは仕切り壁５の断面の縦方向の長さである。

仕切り壁５の寸法を実際に使用されると思われる値を想定し、ａ＝０．０６ｍｍ，ｂ＝０．０２５ｍｍとすると、式５より
Ｚ＝０．０６×（０．０２５）²／６＝６．２５×１０^-6ｍｍ³ ―――計算値６
となる。

計算値４及び６を式５に代入すると、
σ＝５．３５６８×１０^-4（Ｎ・ｍｍ）／６．２５×１０^-6 （ｍｍ³）
＝８５．７１Ｎ／ｍｍ²
となる。

すなわち、インターポーザ４の熱応力は仕切り壁５の根元部分に最大値がかかり、その大きさは８５．７１Ｎ／ｍｍ²である。

一方、エポキシ樹脂の曲げ強度は１２８Ｎ／ｍｍ²であるので、仕切り壁５にエポキシ系樹脂を使用した場合、インターポーザ４の熱応力により仕切り壁５は破壊することなく、半田にかかる応力を低減できると言える。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
〈実施例１〉
図３は、本実施例に用いたインターポーザで、（ａ）は平面図で、（ｂ）側断面図ある。

図３（ａ）に示すインターポーザ４には、チップパッド数が５０×５０列の２５００個
で厚さ０．６ｍｍのエポキシ系の樹脂からなる半導体搭載用基板を用い、パッド表面は無電解Ｎｉ／Ａｕめっき処理した。ディスペンサーにてインターポーザのパッド間に図３のように仕切り壁５となるエポキシ系樹脂を塗布し、インターポーザのパッドに半田ボール２を搭載した。ここで、エポキシ系樹脂の塗布は、インターポーザ４の各辺部のみとした。図３（ｂ）では、インターポーザ４のパッド１４の表面には無電解Ｎｉ／Ａｕめっき層７を形成した。該パッド１４とインターポーザ裏面端子２４とを基板を貫通する導体層を介して電気的に接続した。その後、前記インターポーザ４の対応する箇所にディスペンサーにてエポキシ系樹脂の仕切り壁５を塗布し形成した半導体チップ１を超音波フリップチップ接合法にて搭載した。本実施例の半導体装置の断面は図１のようになり、この半導体装置を−６０℃で３０分、１２５℃で３０分のサイクル試験に投入した。その結果では、１０００サイクル経過後でも半田接合部の破断は確認されなかった。
＜実施例２＞
同様の工程で、仕切り壁を形成しなかった半導体装置では−６０℃で３０分、１２５℃で３０分のサイクル試験に投入したところ１０００サイクルで２５００バンプ中１０個の半田接合部の破断が確認された。これらの破断はいずれも基材の辺部であった。

本発明の一実施形態による半導体装置の側断面の概略図。 本発明のインターポーザの熱膨張により生じる力の側断面の模式図。 本発明の実施例１に用いたインターポーザの基材であり、（ａ）は、平面図で、（ｂ）は、側断面図である。 従来のアンダーフィル樹脂を充填した半導体装置で、（ａ）は、インターポーザのみの場合で、（ｂ）はインターポーザ及びプリント配線板を用いる場合である。

符号の説明

１…半導体チップ
２…半田ボール
３…アンダーフィル樹脂
４…インターポーザ
５…仕切り壁
６…固定端
７…無電解Ｎｉ／Ａｕめっき
１１…半導体チップの端子
１４…インターポーザのパッド
２０…半導体装置
２４…インターポーザ裏面端子
３０…プリント配線板
３４…プリント配線板端子
λ…伸び量
λ'…縮み量
ｌ…インターポーザの長さ
Ｐ…外力

Claims (6)

1. 半導体チップとインターポーザの間とを半田ボールを介して半田接合した半導体装置において、隣り合う半田ボールの間に仕切り壁を形成し、半田ボールに掛かる剪断応力を緩和することを特徴とする半導体装置。
2. 前記仕切り壁が、半導体チップ及びインターポーザの半田接合面の二方向から形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記インターポーザの仕切り壁が、インターポーザの基板面と水平方向で、且つ基板の中央部方向に一個分の仕切り壁の幅以上ずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体装置のインターポーザとプリント配線板の間とを半田ボールを介して半田接合した半導体装置において、隣り合う半田ボールの間に仕切り壁を形成し、半田ボールに掛かる剪断応力を緩和することを特徴とする半導体装置。
5. 前記仕切り壁が、インターポーザおよびプリント配線板の半田接合面の二方向から形成されたことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
6. 前記プリント配線板の仕切り壁が、プリント配線板の基板面と水平方向で、且つ基板の中央部方向に一個分の仕切り壁の幅以上ずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。