JP2006060260A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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晃 高島
Fumihiko Ando
史彦 安藤
Mitsuru Sato
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Takashi Suzuki
孝 鈴木
Kinichi Kumagai
欣一 熊谷
Kazunari Kosakai
一成 小酒井
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    • H01L2924/15311Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a ball array, e.g. BGA

Abstract

【課題】本発明は基板に形成された小径の開口部に外部接続端子が配設される半導体装置において、端子間ピッチが小さくなり、これに伴い基板に形成された開口部の径寸法が小さくなっても、確実に外部接続端子を基板に搭載することを課題とする。
【解決手段】テープ状の基板22と、基板22の表面に搭載される半導体チップ23と、基板22の表面に形成されると共に半導体チップ23と電気的に接続された電極膜25と、基板22の裏面に配設されると共に基板22に形成された開口部27を介して電極膜25に接続されたメッキバンプ41とを具備する半導体装置において、開口部27の直径寸法をAとし、基板22の厚さ寸法をBとした時、これらの比(B/A)が、0.3以下((B/A)≦0.3)となるよう構成する。
【選択図】図15

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に係り、特に基板に形成された小径の開口部に半田ボール等の外部接続端子が配設される半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、半導体装置の小型化・高密度化に伴い、これに対応しうるファインピッチBGA(Ball Grid Array) が多用されるようになってきている。
このファインピッチBGAは、基板の表面側に半導体チップ及びこれをオーバーモールドする樹脂パッケージが形成されており、また背面側には外部接続端子となる半田ボールが配設されている。
よって、更なる半導体装置の小型化・高密度化を図るためには、半田ボールのボールピッチをより狭める必要がある。また、半導体装置には高い信頼性が要求されており、このように半田ボールの狭ピッチ化を図っても、所定の信頼性を維持させる必要がある。
図1及び図2は、一般的なFBGA(Fine-pitch Ball Grid Array)構造を有した半導体装置1A,1Bを示している。図1に示す半導体装置1Aは、いわゆるオーバーモールドタイプのBGAである。この半導体装置1Aは、大略すると基板2,半導体チップ3,樹脂パッケージ8,及び半田ボール10等により構成されている。
基板2は樹脂フィルムよりなり、その上部に接着材4を介して半導体チップ3が搭載されている。また、基板2の所定位置には開口部7が形成されており、この開口部7の半導体チップ3が搭載される側の開口縁には、例えば銅(Cu)或いは金(Au)をメッキすることにより形成され電極として機能する電極膜5が形成されている。従って、開口部7の一方の開口縁は電極膜5により塞がれた構成となっている。
また、開口部7の内部には半田よりなるビア部9が形成されており、このビア部9には半田ボール10が一体的に接合されている。よって、半田ボール10は、ビア部9を介して電極膜5と電気的に接続している。この半田ボール10は外部接続端子として機能するものであり、基板2に対し突出するよう形成されている。
また、図1に示すオーバーモールドタイプの半導体装置1Aでは、半導体チップ3と電極膜5はワイヤ6により接続されている。樹脂パッケージ8は例えばトランスファーモールド法を用いて形成されるものであり、上記した半導体チップ3,電極膜5,及びワイヤ6を保護する機能を奏するものである。
一方、図2に示す半導体装置1Bは、いわゆるフリップチップタイプのFBGAであり、半導体チップ3に形成されたスタッドバンプ11(半田バンプを用いたものもある)を電極膜5にフリップチップボンディングした構成となっている。尚、図2において、図1と同一構成部品については同一符号を付している。
上記したFBGA構造を有する半導体装置1A,1Bは、外部接続端子として半田ボール10を用いている。よって、この半導体装置1A,1Bの製造工程には、半田ボール10を基板2に搭載するボール搭載工程を有している。図3乃至図5は、従来実施されていた半田ボール10を基板2に搭載する方法(ボール搭載方法)を示している。尚、図3乃至図5は、図1に示した半導体装置1Aの製造方法を例にあげている。
図3に示すボール搭載方法では、予め半田ボール10にフラックス12(或いは、半田ペースト)を塗布しておき、この半田ボール10を基板2の開口部7に挿入する。図4は、半田ボール10を開口部7に挿入した状態を示している。
従来では、隣接する半田ボール間のピッチ(ボール間ピッチ)は0.8mm 程度と比較的大きく取れたため、開口部7の径寸法L1も大きく取ることができた(例えば、0.30mm〜0.40mm) 。また、使用する半田ボール10の直径Rは、0.40mm〜0.50mmのものが一般的である。このため、半田ボール10を開口部7に挿入した際、図4に示すように半田ボール10の全体が開口部7内に挿入されるか、或いは半田ボール10の多くの部分が開口部7内に挿入される。
上記のように半田ボール10が開口部7に挿入された後、リフロー処理(加熱処理)が行なわれ半田ボール10は溶融されるが、前記のように従来では半田ボール10の全体或いはその大なる部分が開口部7内に挿入されていたため、溶融した半田ボール10は確実に開口部7を埋めて電極膜5と接合する。また、余剰の半田は基板2上に表面張力により半田ボール10を形成する。これにより、図1に示す半導体装置1Aが形成される。
一方、図5に示すボール搭載方法では、先ず基板2に印刷法(スクリーン印刷法)を用いて開口部7内に半田ペースト13を配設する。前記のように、従来では開口部7の直径L1が大きかったため、スクリーン印刷を行なうことにより、半田ペースト13を容易に開口部7の内部まで充填させることができた。尚、半田ペースト13は有機材よりなるフラックスに半田粉を混入した構成のものである。
続いて、半田ペースト13が充填された開口部7に半田ボール10を装着し、リフロー処理が行なわれる。これにより、半田ペースト13に含まれていた有機成分は飛散し、また半田粉は溶融して開口部7を埋める。また、半田ボール10も溶融して開口部7内の半田と接合し、これにより図1に示す半導体装置1Aが形成される。
ところで、近年では半導体チップ3の高密度が進み、端子数が増大する傾向にある。また、半導体装置が配設される電子機器の小型化に伴い、半導体装置には更なる小型化の要求がある。
これにより、近年では半導体装置に要求されるボール間ピッチは、0.5mm 程度と小さくなってきている。このように、ボール間ピッチを0.5mm 程度とするためには、開口部の径寸法L1は0.20mm〜0.25mm程度と小さくする必要があり、また半田ボールの径寸法は0.3mm 程度にする必要がある。
このように高密度化に図られた半導体装置のボール搭載方法として、図3及び図4を用いて説明したボール搭載方法を適用した場合、半田ボール10を開口部7に挿入した際に半田ボール径に対して開口部径が小さいため半田ボール10を十分に開口部7内に挿入することができず、半田ボール10と電極膜5との間が大きく離間してしまう。よって、リフロー処理を行なっても、半田ボール10と電極膜5とを電気的に接続することができなくなるという問題点が生じる。
また、図6は開口部14の径寸法L2を0.20mmとした基板2に対し、図5を用いて説明したボール搭載方法を適用した例を示している。図6(A)に示すように、開口部14の径寸法L2が0.20mm〜0.25mmと小さいと、スクリーン印刷法を用いて開口部14内に半田ペースト13を配設しようとても、半田ペースト13を開口部14内に十分に充填できなくなる。即ち、図示されるように、半田ペースト13は開口部14の開口縁近傍の所定範囲にのみ充填された状態となる。
この充填状態において半田ボール10を開口部14に装着しリフロー処理を行なうと、図6(B)に示すように、溶融した半田ボール10に半田ペースト13の半田が吸収されてしまい、開口部14内には半田が存在しない状態となる。よって、径寸法L2が小さい開口部14を有する基板2には、図5に示したボール搭載方法を適用しても、半田ボール10を適正に搭載することができないという問題点があった。尚、このように半田ボール10(外部接続端子)と電極膜5との間に間隙が形成され、電気的な接続が行なわれない状態を、以下オープン不良というものとする。
また、図7に示されるように、開口部7の直径L3が小径化することにより、相対的に半導体装置1Aを実装する実装基板15に形成された電極パッド16(図中、直径をL4で示す)は開口部7に対し大きくなる(L3<L4)。また、電極パッド16には、半田ボール10との接合性を向上させる点から半田メッキ17が施されている。
上記のように、電極パッド16が開口部7に対して大きくなると、実装時に印加される熱により半田ボール10及び半田メッキ17が溶融すると、溶融した半田ボール10が電極パッド16に吸収されてしまう。このため、図8に示すように、開口部7内には半田が存在しない間隙部が発生し、よってオープン不良となるという問題点もあった。
更に、従来構成の半導体装置1Aでは、これを実装基板15に実装する際、図9に示すように、ビア部9にクラック19が多発するという問題点もあった。このクラックは、半導体チップ3と実装基板15の熱膨張差に起因して発生するものと思われる。
また、フレキシブルプリント回路基板(FPC)あるいはTABテープ基板を用いた半導体装置においては、半導体チップを接着剤によりFPCあるいはTABテープ基板に固定することが一般的である。半導体チップの回路形成面が基板に対向するようなフリップチップタイプの半導体装置では、絶縁性の接着剤が使用される。すなわち、銅(Cu)パターンが形成されたテープ基板に絶縁性の接着剤を塗布し、半導体チップを搭載した後、加熱することにより接着剤を硬化させて半導体チップを基板に固定する。この場合、接着剤の塗布量を精度良く管理することにより、容易且つ確実に半導体チップの固定を行うことができる。
半導体チップは、接着剤で固定された後、封止樹脂により封止される。テープ基板、配線パターン、接着剤、半導体チップ及び封止樹脂は、異なる材料で形成されているため、これら部材の線膨張率は互いに異なっている。上述の半導体装置の構成では、これら部材は互いに密着しており、各部材間に線膨張率の相違に起因する応力が発生する。これらの部材中、配線パターンが構造的に最も弱く、温度変化の繰り返しにより応力が繰り返し作用すると、配線パターン部分が断線したり外部端子が破断したりする故障が発生する。
例えば、線膨張率が10〜16[ppm/℃](ppm/℃は10×10−6/℃を意味する)の接着剤と、線膨張率が6〜10[ppm/℃]の封止樹脂を用いた場合を考える。このような材料は、一般的にガラス転移温度(Tg)も低く、接着剤のガラス転移温度は135℃〜145℃であり、封止樹脂のガラス転移温度は130℃である。ガラス転移温度の低い材料は、一般的にパターン断線に関しては不利な材料である。しかし、それぞれの線膨張率及びガラス転移温度が近似しているため、これら部材間での熱応力をある程度緩和することができる。ここで、一般的な材料では、ガラス転移温度(Tg)を超えるとその線膨張率は約3倍以上増加することが知られている。このため、半導体装置の評価試験における温度サイクルの高温側をガラス転移温度以上とすると、各部材の熱応力が非常に大きくなってしまい、断線等の故障の発生時期が極端に短縮されることとなる。しかし、夫々の部材の線膨張率及びガラス転移温度が近似しているため、これら部材の界面で発生する応力は小さい。
これに対し、例えば、線膨張率が30〜40[ppm/℃]の接着剤と、線膨張率が12〜16[ppm/℃]の封止樹脂を用いた場合では、封止樹脂のガラス転移温度は210℃とかなり高くなる。封止樹脂のガラス転移温度が高いと、半導体装置の反りを減少することができ、実装信頼性を向上する効果がある。しかし、接着剤と封止樹脂の線膨張率が大きく異なり、また、ガラス転移温度もかなり離れてしまうので、接着剤と封止樹脂との界面で発生する応力が大きくなり、その結果、配線パターンの断線故障及び外部端子の破断故障の可能性が増大してしまう。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、外部接続端子の端子間ピッチが小さくなり、これに伴い基板に形成された開口部の径寸法が小さくなっても、確実に外部接続端子を基板に搭載することを可能とした半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、接着剤の線膨張率と構成部品の線膨張率の相違に起因する配線パターンの断線故障、及び外部端子の破断故障の発生を抑制し、高い信頼性を有する半導体装置を提供することを目的とする。
上記の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。
請求項1記載の発明は、
テープ状基板と、
前記テープ状基板の表面に搭載される半導体チップと、
前記テープ状基板の表面に形成されると共に、前記半導体チップと電気的に接続された電極膜と、
前記テープ状基板の裏面に配設されると共に、前記テープ状基板に形成された開口部を介して前記電極膜に接続された外部接続電極とを具備する半導体装置において、
前記開口部の直径寸法をAとし、前記テープ状基板の厚さ寸法をBとした時、前記開口部の直径寸法Aと前記テープ状基板の厚さ寸法Bとの比(B/A)が、0.3以下((B/A)≦0.3)となるよう構成したことを特徴とするものである。
また、請求項2記載の発明は、
請求項1記載の半導体装置において、
前記開口部の内壁に前記外部接続電極との接合性の良好な材質よりなる薄膜を形成してなることを特徴とするものである。
また、請求項3記載の発明は、
請求項2記載の半導体装置において、
前記薄膜はメッキにより形成されており、
かつ、その材質としてニッケル,銅,及び金の内、少なくとも何れか一つを用いたことを特徴とするものである。
また、請求項4記載の発明は、
半導体チップが搭載されるテープ状基板に形成された開口部と共に一方の開口縁に導電性膜が覆設された開口部を有する樹脂基板に対し半田ペーストを印刷し、該半田ペーストを前記開口部内に装填する半田ペースト印刷工程と、
該半田ペースト印刷工程の終了後、外部接続端子となる半田ボールを前記開口部に配設し加熱することにより前記半田ボールを前記電極膜に接合するボール搭載工程とを有する半導体装置の製造方法において、
前記半田ペースト印刷工程で、前記半田ペーストが前記電極膜と接触する位置まで深く挿入されるよう印刷処理を行なうことを特徴とするものである。
上記した各手段は、次のように作用する。
請求項1記載の発明によれば、
テープ状基板に形成された開口部の直径寸法をAとし、テープ状基板の厚さ寸法をBとした時、開口部の直径寸法Aとテープ状基板の厚さ寸法Bとの比(B/A)が(B/A)≦0.3となるよう構成したことにより、外部接続端子と電極膜との間でオープン不良(外部接続端子と電極膜との間に間隙が形成されて電気的に接続されない状態をいう)が発生することの防止、半導体チップの高密度化への対応、テープ状基板自体の強度維持、及び外部接続端子の強度向上を図ることができる。
即ち、開口部の直径寸法Aを大きくする程、開口部内における外部接続電極の強度は向上し、またテープ状基板の厚さ寸法Bを小さくする程、開口部内における外部接続電極の強度は向上する。しかるに、上記の直径寸法A及び厚さ寸法Bを夫々独立させて、開口部の直径寸法Aを大きくし、またテープ状基板の厚さ寸法Bを小さくすると、半導体チップの高密度に対応できなくなる(これは、直径寸法Aに関係する)と共に、テープ状基板自体の強度が低下する(これは、厚さ寸法Bに起因する)。
しかるに、開口部の直径寸法Aとテープ状基板の厚さ寸法Bに相関関係を持たせ、上記のように(B/A)≦0.3となるよう開口部の直径寸法A及びテープ状基板の厚さ寸法Bを設定することにより、外部接続端子の破断によるオーブン不良の発生を抑制でき、半導体チップの高密度化に対応でき、テープ状基板自体の強度を維持し、更に外部接続端子の強度向上を図ることができる。
また、請求項2記載の発明によれば、
テープ状基板に形成された開口部の内壁に外部接続電極との接合性の良好な材質よりなる薄膜を形成したことにより、開口部内において外部接続端子にくびれ(開口部内壁と外部接続端子との間に間隙が生じることにより発生する)が発生することを防止できる。よって、このくびれに起因して外部接続端子にクラック等の損傷が発生することを防止でき、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
即ち、内壁に外部接続電極に対して接合性の良好な材質よりなる薄膜を形成した開口部に外部接続電極を形成すると、開口部内において外部接続端子は薄膜(即ち、内壁)と接合した状態となる。よって、外部接続端子と開口部との間に間隙が発生することはなくなり、外部接続端子は開口部の内壁に強固に接合した状態となるため、開口部内において外部接続端子にクラック等の損傷が発生することを防止できる。
また、請求項3に記載のように、薄膜はメッキにより形成することができ、またその材質としては、ニッケル,銅,及び金の内、少なくとも何れか一つを用いることができる。
また、請求項4記載の発明によれば、
テープ状基板に形成された開口部に対し半田ペーストを印刷し充填する半田ペースト印刷工程で、半田ペーストが電極膜と接触する位置まで深く挿入されるよう印刷処理を行なうことにより、ボール搭載工程において加熱処理を行い半田ペースト内の半田と半田ボールを接合する際、両者の間に間隙が形成されることはなくなり、よってオープン不良の発生を抑制することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
請求項1記載の発明によれば、
テープ状基板に形成された開口部の直径寸法をAとし、テープ状基板の厚さ寸法をBとした時、開口部の直径寸法Aとテープ状基板の厚さ寸法Bとの比(B/A)が(B/A)≦0.3となるよう構成したことにより、外部接続端子と電極膜との間でオープン不良(外部接続端子と電極膜との間に間隙が形成されて電気的に接続されない状態をいう)が発生することの防止、半導体チップの高密度化への対応、テープ状基板自体の強度維持、及び外部接続端子の強度向上を図ることができる。
また、請求項2記載の発明によれば、
テープ状基板に形成された開口部の内壁に外部接続電極との接合性の良好な材質よりなる薄膜を形成したことにより、開口部内において外部接続端子にくびれ(開口部内壁と外部接続端子との間に間隙が生じることにより発生する)が発生することを防止できる。よって、このくびれに起因して外部接続端子にクラック等の損傷が発生することを防止でき、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
即ち、内壁に外部接続電極に対して接合性の良好な材質よりなる薄膜を形成した開口部に外部接続電極を形成すると、開口部内において外部接続端子は薄膜(即ち、内壁)と接合した状態となる。よって、外部接続端子と開口部との間に間隙が発生することはなくなり、外部接続端子は開口部の内壁に強固に接合した状態となるため、開口部内において外部接続端子にクラック等の損傷が発生することを防止できる。
また、請求項3に記載のように、薄膜はメッキにより形成することができ、またその材質としては、ニッケル,銅,及び金の内、少なくとも何れか一つを用いることができる。
即ち、開口部の直径寸法Aを大きくする程、開口部内における外部接続電極の強度は向上し、またテープ状基板の厚さ寸法Bを小さくする程、開口部内における外部接続電極の強度は向上する。しかるに、上記の直径寸法A及び厚さ寸法Bを夫々独立させて、開口部の直径寸法Aを大きくし、またテープ状基板の厚さ寸法Bを小さくすると、半導体チップの高密度に対応できなくなる(これは、直径寸法Aに関係する)と共に、テープ状基板自体の強度が低下する(これは、厚さ寸法Bに起因する)。
しかるに、開口部の直径寸法Aとテープ状基板の厚さ寸法Bに相関関係を持たせ、上記のように(B/A)≦0.3となるよう開口部の直径寸法A及びテープ状基板の厚さ寸法Bを設定することにより、外部接続端子の破断によるオーブン不良の発生を抑制でき、半導体チップの高密度化に対応でき、テープ状基板自体の強度を維持し、更に外部接続端子の強度向上を図ることができる。
また、請求項4記載の発明によれば、
テープ状基板に形成された開口部に対し半田ペーストを印刷し充填する半田ペースト印刷工程で、半田ペーストが電極膜と接触する位置まで深く挿入されるよう印刷処理を行なうことにより、ボール搭載工程において加熱処理を行い半田ペースト内の半田と半田ボールを接合する際、両者の間に間隙が形成されることはなくなり、よってオープン不良の発生を抑制することができる。これにより、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図10は、本発明の第1実施例である半導体装置20Aの要部を拡大して示す断面図である。同図に示されるように、本実施例に係る半導体装置20AはFBGAタイプのパッケージ構造を有しており、よってファインピッチ化が図られている。この半導体装置20Aは、大略するとテープ状基板22(以下、単に基板22という),半導体チップ23,ワイヤ26,樹脂パッケージ28,及びメッキバンプ41(外部接続端子)等により構成されている。
基板22は、樹脂テープ48と電極膜25とにより構成されている。樹脂テープ48は、例えばポリイミド等の樹脂テープであり、その表面22Aには半導体チップ23が接着剤24Aを介して搭載されている。
また、基板22の所定位置には開口部27が形成されており、この開口部27の半導体チップ23が搭載される側の開口縁には、例えば銅(Cu)或いは金(Au)をメッキすることにより形成され電極として機能する電極膜25が形成されている。従って、開口部27の表面22A側の開口縁は電極膜25により塞がれた構成となっている。尚、開口部27を形成するには、例えば基板22に対しレーザ加工を行なうことにより容易に形成することができる。
半導体チップ23を搭載面22Aに搭載する際、本実施例では半導体チップ23がフェイスアップとなるよう搭載される。よって、半導体チップ23の回路形成面は図中上側に位置することとなり、ワイヤ26がボンディングされるパッドも半導体チップ23の上側に位置した構成となる。
ワイヤ26の一端部はこの半導体チップ23の上側に形成されたパッドにボンディングされ、また他端部は電極膜25にボンディングされている。また、樹脂パッケージ28は、例えばトランスファーモールド法を用いて形成されており、上記した半導体チップ23,電極膜25,及びワイヤ26等を保護する機能を奏するものである。
メッキバンプ41は外部接続端子として機能するものであり、本実施例ではニッケル,銅,及び金の内、少なくとも何れか一つの金属をメッキ法を用いて電極膜25に成長させた構成とされている。この時に用いられるメッキ法は、電解メッキ法、或いは無電解メッキ法のいずれを用いることも可能である。
図11(A)は、電極膜25に対し所定時間メッキ処理を行い、開口部27内の所定高さ位置までメッキバンプ41Aが形成された状態を示している。同図に示されるように、メッキバンプ41Aは開口部27内を埋めるように成長していく。
図11(B)は、メッキ処理が終了した状態のメッキバンプ41を拡大して示している。同図に示すように、メッキ処理が終了した時点で、メッキバンプ41は開口部27から外部に所定量だけ突出した構成となっている。また、本実施例では、形成されるメッキバンプ41の基板22から突出した部位における直径寸法S1は、開口部27の直径寸法S2に対し小さくなる(S1≦S2)よう構成している。
このメッキバンプ41の基板22から突出した部位における直径寸法S1は、メッキバンプ41をメッキ処理する際のメッキ速度及びメッキ時間等を制御することにより実現できる。具体的には、例えばメッキ時間を図11(B)に示されたメッキバンプ41の形成時間よりも長く設定した場合には、図11(B)に示されたメッキバンプ41の外周部分に更にメッキが連続的に行なわれ、図12に示すようなメッキバンプ41Bが形成される。このメッキバンプ41Bの基板2から突出した部位における直径寸法は図中矢印S3で示す大きさとなり、開口部27の直径寸法S2に対して大きくなる(S3>S2)。
しかるに、メッキバンプ41Bの基板2から突出した部位の直径寸法S3が大きくなると、隣接する各メッキバンプ41Bの離間距離(ピッチ)が必然的に大きくなってしまう。これに対して本実施例では、メッキバンプ41の基板2から突出した部位における直径寸法S1が開口部27の直径寸法S2に対し小さく(等しい場合も含む)なるよう構成されている。このため、隣接する各メッキバンプ41A間のピッチを小さくすることができ、よって半導体チップ23が高密度化しメッキバンプ41Aの数が増大しても、これに十分対応することが可能となる。
また本実施例では、外部接続端子としてメッキ法により形成されるメッキバンプ41を用いたことにより、半田ボールを用いた場合に必要となる半田ペーストの配設処理,半田ボールの搬送,位置決め処理等を不要とすることができる。よって、メッキバンプ41の形成処理を容易化することができると共に、低コスト化を図ることができる。
続いて、本発明の第2実施例について説明する。
図13及び図14は、第2実施例である半導体装置20Bを説明するための図である。図13は半導体装置20Bの要部を拡大して示す断面図であり、また図14は半田ボール30の接合方法を説明するための図である。
尚、図13及び図14において、図10乃至図12を用いて説明した第1実施例に係る半導体装置20Bと同一構成については、同一符号を付してその説明を省略する。また、図15乃至図24を用いて説明する各実施例についても同様とする。
本実施例では、外部接続端子を半田ボール30(第2の電極部)と下地電極部42(第1の電極部)とにより構成したことを特徴とするものである。
前記したように、半導体装置が高密度化され、これに伴い開口部径が小さくなると、半田ボールを十分に開口部内に挿入することができず、オープン不良が発生してしまう。このオープン不良は、半田ボールを開口部に装着した際、半田ボールと電極膜との離間距離が大きいことに起因している。
そこで本実施例では、半田ボール30を配設する前において、予め電極膜25に下地電極部42を直接形成することとした。この下地電極部42は、半田ボール30との接合性の高いニッケル,銅,及び金の内、少なくとも何れか一つを用いることができる。
また、メッキ法は形成処理に要する時間が長くなるため、スループットの向上の面からは下地電極部42の高さはなるべく小さくする方が望ましい。また、半田ボール30を確実に電極膜25と接合させる面からは、下地電極部42の高さはなるべく高い方が望ましい。そこで、本実施例では、下地電極部42の電極膜25からの高さ(図14(A)に矢印B1で示す)を、開口部27の深さ(図14(A)に矢印Bで示す)よりも小さく、かつ開口部27の中央位置(図14(A)に矢印B2で示す)よりも大きく設定している(B2<B1<B)。
この構成とすることにより、半田ボール30を開口部27に配設する際、図14(A)に示すように、半田ボール30と下地電極部42との離間距離は短く、略接触した状態となっている。従って、この後に実施する加熱処理時において、図14(B)に示すように、半田ボール30は確実に下地電極部42に接合するため、半田ボール30と下地電極部42との間に間隙が形成されることはない。よって、半田ボール30を下地電極部42を介して電極膜25に確実に接続させることができ、半導体装置20Bの信頼性を向上させることができる。
続いて、本発明の第3実施例について説明する。
図15及び図17は、第3実施例である半導体装置20Cを説明するための図である。図15は半導体装置20Cの要部を拡大して示す断面図であり、また図16は従来生じていた、くびれ現象を説明するための図であり、図17は半導体装置20Cの内壁薄膜43近傍を拡大して示す図である。
本実施例に係る半導体装置20Cは、基板22に形成された開口部27の内壁に内壁薄膜43を形成したことを第1の特徴とするものである。また、開口部27の直径寸法をAとし、基板22の厚さ寸法をBとした時、開口部27の直径寸法Aと基板22の厚さ寸法Bとの比(B/A)が(B/A)≦0.3となるよう構成したことを第2の特徴とするものである。
尚、この第1の特徴に係る構成と第2の特徴に係る構成は、夫々独立して後述する作用効果を奏するものであり、必ずしも両者を一つの半導体装置に同時に設ける必要はないものである。
先ず、第1の特徴となる内壁薄膜43について説明する。この内壁薄膜43は、半田ボール30の材質である半田との接合性、及び基板22の材質であるPIとの接合性が共に良好な材料により形成されている。具体的には、内壁薄膜43の材質としては、ニッケル,銅,及び金の内、少なくとも何れか一つを用いることができる。
また、内壁薄膜43は、微細な小孔である開口部27の内壁部に形成する必要がある。しかるに、メッキ法を用いることにより、開口部27の内壁部に内壁薄膜43を容易に形成することができる。この内壁薄膜43の膜厚は、例えば0.5μm〜10μm程度とすることが望ましい。
本実施例のように、上記特性を有する内壁薄膜43を開口部27の内壁に形成することにより、開口部27内においてビア部29にくびれ部44が発生することを防止することができる。ここで、くびれ部44について、図16を用いて説明する。
同図に示されるように、くびれ部44は、開口部27内においてビア部29の一部に発生する開口部27の径寸法Aよりも細い部位(図中、矢印L5で示す)をいう。従って、くびれ部44が発生すると、ビア部29(半田ボール30)と開口部27の内壁部との間には間隙49が発生してしまう。
よって、当然の事ながら、ビア部29(半田ボール30)と開口部27との間に間隙49が発生すると、ビア部29(半田ボール30)の強度が低下し、最悪の場合にはくびれ部44にクラックが発生したり、またビア部29と電極膜25との間で剥離が発生したりする。
このくびれ部44が発生する理由は明確ではないが、(1)基板22とビア部29(半田ボール30)との接合性の不良、及び(2)開口部27の直径寸法A(即ち、面積)と基板22の厚さBとの不整合(適正化されていないことをいう)等が影響しているものと推定される。
上記した内壁薄膜43は、特に上記した(1)のくびれ部の発生原因を解消することを目的として設けられている。即ち、開口部27の内壁にビア部29(半田ボール30)に対して接合性の良好な材質よりなる内壁薄膜43を形成すると、開口部27にビア部29及び半田ボール30を形成した際、ビア部29及び半田ボール30は内壁薄膜43(即ち、開口部27の内壁)と確実に接合する。
これにより、ビア部29及び半田ボール30と開口部27との間に間隙(即ち、くびれ部44)が発生することはなくなり、ビア部29及び半田ボール30は開口部27の内壁に強固に接合した状態となる。よって、開口部27内においてビア部29及び半田ボール30にクラックが発生したり、またビア部29と電極膜25との間に剥離が発生したりすることを防止でき、半導体装置20Cの信頼性を向上させることができる。
次に、第2の特徴となる基板22の厚さ寸法Bと開口部27の直径寸法Aとの関係について説明する。本実施例では、開口部27の直径寸法Aと、基板22の厚さ寸法Bとの比(B/A)が(B/A)≦0.3となるよう構成したことを第2の特徴とするものである。
ここで、開口部27の直径寸法Aがビア部29及び半田ボール30を開口部27に接合させるのに寄与する影響と、基板22の厚さ寸法Bがビア部29及び半田ボール30を開口部27に接合させるのに寄与する影響とを別個に考察してみる。
先ず、開口部27の直径寸法Aがビア部29及び半田ボール30を開口部27の内壁に接合させるのに寄与する影響を考察すると、開口部27の直径寸法Aを大きくする程、開口部27内におけるビア部29及び半田ボール30の強度は向上する。これは、開口部27の直径寸法Aが大きくなる程、開口部27内におけるビア部29及び半田ボール30の断面積も大きくなるからである。
また、基板22の厚さ寸法Bがビア部29及び半田ボール30を開口部27に接合させるのに寄与する影響を考察すると、基板22の厚さ寸法Bが小さくなる程、開口部27内におけるビア部29及び半田ボール30の強度は向上する。これは、基板22の厚さ寸法Bが小さくなる程、半田ボール30と電極膜25との距離が短くなるからである。
ここで、上記の直径寸法A及び厚さ寸法Bを夫々独立させて、開口部27の直径寸法Aを大きくし、また基板22の厚さ寸法Bを小さくした場合を想定すると、半導体チップ23の高密度化に対応できなくなる(直径寸法Aに関係する)と共に、基板22自体の強度が低下する(厚さ寸法Bに起因する)。
しかるに、開口部27の直径寸法Aと基板22の厚さ寸法Bに相関関係を持たせ、上記のように(B/A)≦0.3となるよう開口部27の直径寸法A及び基板22の厚さ寸法Bを設定することにより、ビア部29及び半田ボール30の破断によるオーブン不良の発生を抑制しつつ、半導体チップ23の高密度化、基板自22の強度向上を図ることが可能となる。
図25は、本発明者が実施した実験結果を示している。同図では、上記した(B/A)≦0.3の条件を満たす実施例1,2,3を(B/A)≦0.3の条件を満たさない比較例1,2と共に示している。尚、実施例3のみが半田ボールの配設ピッチが0.8mmで、他の各例では半田ボールの配設ピッチは0.5mmとされている。
同図より、(B/A)≦0.3の条件を満たす実施例1,2,3では、不良品の発生(即ち、オープン不良)が極めて少なくなっていることが判る。また、半田ボールの配設ピッチに拘わらず、(B/A)≦0.3の条件を満たすことにより不良品の発生が抑制されていることが判る。よって、開口部27の直径寸法Aと、基板22の厚さ寸法Bとの比(B/A)が(B/A)≦0.3となるよう構成することにより、オープン不良の発生を防止することができることが立証された。
続いて、本発明の第3実施例である半導体装置の製造方法について説明する。図18は、本実施例の製造方法で用いる半導体装置の製造装置を示している。以下、本実施例に係る半導体装置の製造方法について、同図に示される製造装置構成説明と共に説明する。
図18に示す半導体製造装置は、大略するとペースト印刷部31及びボール装着部33等により構成されている。
ペースト印刷部31は、印刷用マスク34,スキージ35,及びヒーター36を有している。このペースト印刷部31に半導体チップ23及び樹脂パッケージ28等が搭載された基板22が装着されると、基板22に印刷用マスク34が装着され、スキージ35により半田ペースト13の印刷処理が行なわれる。
この際、ヒーター36は印刷が行なわれる領域を加熱しており、よって印刷処理は加熱雰囲気下で実施される。この時の加熱温度は、半田ペースト13が軟化しうる程度の温度、換言すれば半田ペースト13が開口部27内に充填され易い軟化度を有する温度に設定されている。
また、印刷用マスク34には、基板22に形成された開口部27と対向する位置にマスク孔が形成されており、よって上記の印刷処理を行なうことにより開口部27内に半田ペースト13が印刷される(半田ペースト印刷工程)。
本実施例では、この半田ペースト印刷工程において、半田ペースト13が開口部27の奥に位置する電極膜25と接触する位置まで深く挿入されるよう印刷処理を行なっている。具体的には、スキージ35の印刷用マスク34に対する押圧力、傾き角度等を最適化することにより、半田ペースト13を開口部27の奥所まで深く挿入するよう構成されている。
また、上記のように印刷処理は半田ペースト13が軟化する加熱雰囲気下で実施されるため、これによっても半田ペースト13を開口部27の奥所まで深く挿入することができる。尚、スキージ35の押圧力、傾き角度等は、基板22の大きさ,半田ペースト13の粘度,ヒーター36による加熱温度等により変化するものである。これらの各パラメータに基づき、スキージ35の押圧力、傾き角度等は適宜設定されている。
ペースト印刷部31において半田ペースト13の印刷が終了すると、図示しない搬送装置により、半田ペースト13が印刷された基板22はボール装着部33に搬送される。このボール装着部33は、半田ボール30を搬送処理するボール搬送治具37が設けられている。このボール搬送治具37は、基板22に形成された開口部27と対応する位置に吸引孔を有しており、この吸引孔に半田ボール30を真空吸着しうる構成となっている。
そして、ボール搬送治具37を基板22と位置決めした上で下動させ、半田ボール30を開口部27の上部に配設する(ボール搭載工程)。図19(A)は、半田ボール30を開口部27の上部(半田ペースト13の上部)に配設した状態を示している。
上記したように、本実施例では半田ペースト印刷工程において、基板22に形成された開口部27内に電極膜25と接触する位置まで深く半田ペースト13を挿入している。よって、ボール搭載工程において半田ボール30を開口部27上に配設した際、図19(A)に示されるように、半田ボール30は半田ペースト13と直接接触し、両者の間に間隙が形成されることはない。
続いて、図示しない搬送装置により、再び基板22はペースト印刷部31に戻され、半田ボール30及び半田ペースト13内の半田を溶融する加熱処理が実施される。これにより、図19(B)に示すように、半田ボール30及びビア部29が形成される。尚、半田ボール30及び半田ペースト13に対する溶融処理時には、前記した印刷用マスク34及びスキージ35等はペースト印刷部31から退避するよう構成されている。
上記したように、本実施例では半田ペースト印刷工程において、半田ペースト13は開口部27の電極膜25と接触する位置まで深く挿入されるため、加熱処理を行なうことにより半田ボール30及びビア部29を形成する際、ビア部29と電極膜25との間、及び半田ボール30とビア部29との間でオープン不良が発生することを確実に防止することができる。これにより、製造される半導体装置の信頼性を向上させることができる。
続いて、本発明の第4実施例について説明する。
図20は本発明の第4実施例である半導体装置20Dの要部を拡大して示す断面図である。また、同図は、半導体装置20Dを実装基板50に実装した状態を示している。
本実施例に係る半導体装置20Dは、半導体チップ23を基板22に搭載する際にダイ付け材として用いる接着剤24Bの厚さ(図中、矢印Wで示す)を100μm〜150μmと厚い寸法に設定したことを特徴とするものである。
本実施例では、このように厚い寸法を有する接着剤24Bを形成するのに、チップ搭載工程において次に述べる方法を用いている。即ち、図21(A)に示すように、先ずディスペンサー45を用いて接着剤24Bを基板22上のチップ搭載位置に配設する。
この際、後述するように接着剤24Bは通常用いている接着剤よりも高粘度でかつ高チクソ性を有したものを用いているため、広く拡がることはなく、所定の厚さに配設される。尚、この接着剤24Bを配設する際、基板22上に予めダム51(図中、一点鎖線で示す)を設け、接着剤24Bの広がりを防止する構成としてもよい。
上記のように接着剤24Bの配設処理が終了すると、続いて接着剤24B上に半導体チップ23を搭載する。そして、接着剤24Bを硬化させるため加熱処理を行なうが、本実施例ではこの熱処理を実施する際、図21(B)に示すように、基板22に対し半導体チップ23が下部に位置する向きで加熱処理を行なうことを特徴としている。
また、この際に基板22と平行に治具46を配設して加熱所理を行なう。この基板22と治具46との離間距離Hは、半導体チップ23が治具46に当接した状態において、前記基板22と半導体チップ23との離間距離(図中、矢印Wで示す)が上記した接着剤24Bの所定の厚さ寸法(100μm〜150μm)と等しくなるよう構成されている。
これにより、加熱処理時において半導体チップ23の自重は、半導体チップ23を基板22から離間させるように作用する。これにより、厚さの大なる接着剤24Bを容易かつ確実に形成することができる。また、基板22と治具46は高い平行度を有するよう構成されているため、加熱処理が終了し硬化した接着剤24Bの厚さ寸法Wは、その配設位置全体において均一の厚さとなる。
本実施例のように、接着剤24Bの厚さWを100μm〜150μmと厚い寸法に設定したことにより、半導体装置20Dを実装基板50に実装した後に、半導体チップ23と実装基板50の熱膨張差に起因して半田ボール30が損傷することを防止することができる(通常、半導体チップ23の熱線膨張係数は4ppm程度であり、また実装基板50の熱線膨係数は16ppm程度である)。以下、この理由について説明する。
半導体チップ23と実装基板50の熱膨張率が異なると、半導体装置20Dを実装基板50に実装する時等に実施される加熱処理において、上記した熱膨張差に起因して半田ボール30に多大な応力が印加される。そして、最悪の場合には、この応力に起因して半田ボール30が破損したり、また半田ボール30が基板22或いは実装基板50から剥離したりしてしまう。
しかるに、本実施例のように半導体チップ23と基板22との間に介装される接着剤24Bの厚さを100μm〜150μmと厚い寸法に設定することにより、接着剤24Bを緩衝材として機能させることができる。これにより、半田ボール30に集中する応力を緩和することが可能となり、半導体チップ23と実装基板50の熱膨張差に起因した半田ボール30の損傷を防止することができるため、半導体装置20Dの実装信頼性を向上させることができる。
ここで、接着剤24Bに形成されるフィレット47Aに注目し、以下説明する。フィレット47Aとは、接着剤24Bにより半導体チップ23を基板22に搭載した際、接着剤24Bが半導体チップ23の側面部分に形成する湾曲形状部分をいう(図22参照)。
本実施例では、半導体チップ23の側面23Aの高さをTとし、また接着剤24Bが形成するフィレット47Aの半導体チップ23の側面下端からの高さをt1とした場合、このフィレット47Aの高さt1が、(0.2×T)≦t1<(0.6×T)となるよう構成したことを特徴としている。上記のように、フィレット47Aの高さt1を(0.2×T)≦t1<(0.6×T)の条件を満たすように設定することにより、半導体装置20Dの小型化を図ることができる。以下、この理由について説明する。
接着剤24Bのフィレット47Aの高さtは、基板22上における接着剤24Bの配設面積と関係を有する。即ち、図22に示されるように、フィレット47Aは基板22の表面22A上から半導体チップ23の側面23Aに向け湾曲した形状(袴状)で形成されるため、フィレット47Aの半導体チップ23の側面下端からの高さt1が大きい程この湾曲形状は長く形成され、よって基板22上において半導体チップ23の外周にはみ出す接着剤24Bのはみ出し量(図22に矢印X1で示す量)は大きくなる。
また、基板22上において接着剤24Bが配設された部位には他の構成要素(例えば、電極膜やワイヤ等)を配設することはできない。よって、接着剤24Bのフィレット47Aの高さtが大きくなると、半導体装置24Dが大型化してしまう。
しかるに本実施例では、フィレット47Aの半導体チップ23の側面下端からの高さt1を上記のように、(0.2×T)≦t1<(0.6×T)と小さく設定している。このため、接着剤24Bが半導体チップ23の外周にはみ出すはみ出し量X1は小さくなるため、よって基板22の小型化、延いては半導体装置20Dの小型化を図ることができる。
ここで、本実施例で用いている接着剤24Bの特性について説明する。
本実施例で用いている接着剤24Bは、従来において一般にダイ付け材として用いられている接着剤4に比べて、高粘度でかつ高チクソ性を有した接着剤が選定されている。具体的には、従来の接着剤4では粘度が5000cps〜30000cps、チクソ性が4.0〜6.0であったが、本実施例で用いている接着剤24Bでは、粘度が30000cps〜70000cps、チクソ性が 1.0〜 4.0となるものを用いている。
図23は、従来用いられていた接着剤4を用い、この接着剤4の厚さW1を100μm〜150μmと厚い寸法とした場合のフィレット47Bの形状を示している。同図に示すように、従来の低粘度,低チクソ性を有した接着剤4では、接着剤4の流動性が高く、よってフィレット47Bの半導体チップ23の側面下端からの高さt2は、半導体チップ23の高さTと略等しくなってしまう(t2≒T)。
よって、図23に示すように、従来用いられていた接着剤4をそのまま用いて本実施例のように接着剤の厚さを100μm〜150μmと厚くしようとしても、フィレット47Bの半導体チップ23の側面下端からの高さt2が大きくなってしまう。このため、フィレット47Bの湾曲形状は長くなり、よって基板22上において半導体チップ23の外周にはみ出す接着剤4のはみ出し量(図23に矢印X2で示す量)は広くなり半導体装置の小型化が阻害される。
これに対して本実施例では、上記のように高粘度でかつ高チクソ性を有した接着剤24Bを用いているため、接着剤24Bの厚さWを100μm〜150μmと厚い寸法としても、フィレット47Aの高さt1を小さくすることができ、よって半導体装置20Dの小型化を実現することができた。
尚、図24に示すように、接着剤の厚さW2が薄い場合には、形成されるフィレット47Cはもともと小さいため、半導体チップ23の外周にはみ出す接着剤4のはみ出し量X3も小さい。従って、接着剤の厚さW2が薄い場合には、フィレット47Cが半導体装置の小型化に与える影響は小さい。
また、接着剤24Bを前記のように応力集中を緩和する部材として用いる場合には、接着剤24Bの弾性率及び熱線膨張率も重要な要素となる。
即ち、接着剤24Bを弾性率の高い材料(即ち、変形しにくい硬い材料)とした場合には、半導体チップ23と実装基板50との熱膨張差に起因して発生する応力は、接着剤24Bで吸収することはできず、半田ボール30の破損或いは剥離が発生してしまう。
また、接着剤24Bの熱線膨張率が半導体チップ23の熱線膨張率に対して非常に小さい場合、或いは実装基板50の熱線膨張率に対して非常に大きい場合においては、接着剤24Bと半導体チップ23との間及び接着剤24Bと実装基板50との間に熱膨張差に起因した応力が新たに発生してしまい、やはり半田ボール30の保護を図ることはできない。
そこで、本実施例では、接着剤24Bとして弾性率が200kgf/mm2〜800kgf/mm2であると共に、線膨張率が6×10-6/℃〜15×10-6/℃であるものを用いた。これにより、半田ボール30の破損或いは剥離を防止することができた。
一方、本実施例に係る半導体装置20Dでは、図21(B)を用いて説明したように、接着剤24Bを一定の厚さとなるよう形成している。具体的には、接着剤24Bは、±20μmの誤差範囲内で均一の厚さとなるよう形成されている。このように、接着剤24Bを一定の厚さとすることにより、接着剤24B内に発生する応力の偏りを抑制することができる。
即ち、接着剤24Bの厚さにバラツキが存在すると、厚い部位と薄い部位との間で発生する応力に差が生じる。よって、この厚さバラツキに起因して特に薄い部位に応力集中が発生し、この部位において接着剤24Bが剥離する等の不具合が発生する。従って、半田ボール30に集中する応力の緩和も有効に行なえなくなってしまう。しかるに、本実施例のように接着剤24Bの厚さを均一化することにより、接着剤24B内に発生する応力の偏りを防止でき、よって接着剤24Bの剥離防止を図ることができると共に、半田ボール30の保護を確実に行なうことができる。
上記のように接着剤24Bの厚さを均一化することは重要である。この接着剤24Bの厚さを均一化する方法は、図21(B)を用いて説明した方法に限定されるものではなく、例えば図26に示すように、接着剤24Bに粒径が100μm〜150μmの球状のスペーサ55を添加することによっても実現することができる。この構成とした場合においても、上記と同様に接着剤24Bの厚さは均一化し、よって接着剤24Bの剥離防止及び半田ボール30の保護を図ることができる。
更に、接着剤24Bの厚さバラツキは、基板22の変形によっても発生する。よって、基板22に変形が発生するのを防止することも重要である。基板22に変形が発生するのを防止する方法としては、例えば図27に示すように、電極膜25の形成位置を除いた位置に、基板22の不要な変形発生を防止する変形防止パターン57を形成する構成が考えられる。
この変形防止パターン57は、電極膜25の形成時に一括的に形成してもよく(この場合には、変形防止パターン57は電極膜25と同一材質となる)、また別個に形成する構成とすることも可能である(この場合には、変形防止に適した材質により変形防止パターン57を形成することができる)。このように、変形防止パターン57を設けることにより、基板22の変形は抑制され、よって接着剤22の厚さにバラツキが発生することを防止できる。従って、接着剤24Bの剥離防止を図ることができると共に、半田ボール30の保護を確実に行なうことができる。
続いて、本発明の第5実施例について説明する。
図28は本発明の第5実施例による半導体装置を説明するための図である。本実施例に係わる半導体装置20Eは、半導体チップ23を基板22に固定するための接着剤60の線膨張率を適当な値に設定して基板22上に形成された電極膜25等の配線パターンの断線を防止したものである。
ここで、半導体チップ23を基板22に固定するための接着剤60は添加材62を含んでおり、この添加材62の作用により接着剤60の線膨張率が調整されている。
すなわち、接着剤60は半導体チップ23と基板22との間に設けられてその各々に接合される。このため、接着剤60の線膨張率(αd)が半導体チップ23の線膨張率(αc)と等しければ、熱膨張差に起因した応力は発生しない。同様に、接着剤60の線膨張率(αd)が基板22の線膨張率(αi)と等しければ、熱膨張差に起因した応力は発生しない。
ところが、一般的に、半導体チップ23の線膨張率と基板22の線膨張率異なっており、基板22の線膨張率(αi)のほうが半導体チップ23の線膨張率(αc)よりはるかに大きい値となっている。したがって、接着剤60の線膨張率(αd)を、半導体チップ23の線膨張率(αc)と基板22の線膨張率(αi)との間の値にすることが好ましい(αc<αd<αi)。換言すれば、半導体チップ23の線膨張率(αc)と基板22の線膨張率(αi)との間の値の線膨張率を有する接着剤を選定することが好ましい。
すなわち、線膨張率の差が大きいほど発生する応力は大きくなるため、接着剤60の線膨張率を半導体チップ23の線膨張率と基板22の線膨張率との間にすることにより、接着剤60の線膨張率と半導体チップ23の線膨張率との差、及び接着剤60の線膨張率と基板22の線膨張率との差の両方が、半導体チップ23の線膨張率と基板22の線膨張率との差より小さくなるように構成する。
また、接着剤60は樹脂パッケージ28とも密着するため、接着剤60の線膨張率(αd)は、樹脂パッケージ28を形成する封止樹脂の線膨張率(αm)と等しいか近似していることが好ましい(αd≒αm)。
以上のように構成された本実施例による半導体装置2Eによれば、接着剤60の線膨張率と、接着剤60に密着する構成部品の線膨張率との差を極力小さくしたため、接着剤60と各構成部品との間で作用する、熱膨張差に起因した応力を抑制することができる。したがって、本実施例による半導体装置2Eによれば、構成部品の熱膨張差に起因した配線パターンの断線や外部接続端子の破断を抑制することができ、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
ここで、本実施例では、添加材62を接着剤60に添加することにより、接着剤60の線膨張率を適当な値に調整している。すなわち、添加材62を加えることにより、接着剤の線膨張率を半導体チップの線膨張率と基板の線膨張率との間の値にまで低減し、且つ封止樹脂の線膨張率に近似させている。添加材62の材料としては酸化ケイ素(SiO)の粒子が好適であるが、これに限定されるものではなく、線膨張率を低減できるものであれば他の材料を使用することもできる。また、接着剤60の材料としてはエポキシ樹脂系接着材が好適であるが、これに限定されるものではなく、フェノール樹脂系接着剤等他の接着剤を使用してもよい。
尚、接着剤60の弾性率は、添加材62を添加することにより増加する。しかし、半導体チップ23と基板22との熱膨張差を吸収・緩和するためには、接着剤60の弾性率はなるべく低く維持したまま、線膨張率を減少することが好ましい。すなわち、接着剤の柔軟性を維持したまま線膨張率を減少することが好ましい。
次に、接着剤60と樹脂パッケージ28の封止樹脂のガラス転移温度に関して説明する。
一般的に、ガラス転移温度を越えると、その材料の線膨張率は3倍以上増加する。したがって、半導体装置に対してガラス転移温度以上の温度を加えるような評価試験を行うと、接着剤の熱応力は著しく増大し、故障の発生時期が極端に早くなってしまう。
ガラス転移温度以上の温度を加えるような評価試験として、例えば環境加速試験がある。環境加速試験では、半導体装置に対して、例えば、−65℃で30分間、次に室温で1分間、そして150℃で30分間保持するという温度サイクルを繰り返し印加して、故障の発生の有無を調べる。
したがって、接着剤及び封止樹脂のガラス転移温度は、150℃より高いことが好ましい。また、接着剤のガラス転移温度が150℃より低い場合であっても、ガラス転移温度をなるべく150℃に近づけることが好ましい。本実施例では、添加材62を接着剤60に添加することにより、接着剤60のガラス転移温度を増大させることができるため、故障の発生を抑制することができる。
次に、本実施例による半導体装置2Eの実験結果について説明する。
実験に際して、半導体装置A,B,B−改良を作製した。半導体装置Aは接着剤と封止樹脂との線膨張率が適合した例である。半導体装置Bは、封止樹脂の線膨張率に対して接着剤の線膨張率が高すぎる例である。半導体装置B−改良は、半導体装置Bの接着剤に添加材を加えて線膨張率を低減した例である。
半導体装置A,B,B−改良の各々において、基板22は線膨張率が20[ppm/℃]のポリイミドテープにより形成し、基板20上に搭載される半導体チップ23は線膨張率が3.6[ppm/℃]であるシリコンウェーハにより形成した。したがって、使用する接着剤60の線膨張率は3.6[ppm/℃]と20[ppm/℃]との間の値であることが好ましい。また、電極膜25を含む配線パターンは線膨張率が17.7[ppm/℃]である銅板より形成し、外部接続端子としての半田ボール30は線膨張率が25.4[ppm/℃]である半田により形成した。図29はこれら構成部品の線膨張率及び弾性率を示している。尚、図29における「実装基板」は、半導体装置が実装される基板の平均的な線膨張率及び弾性率を示している。
図30は、半導体装置A,B,B−改良の各々に使用した接着剤と封止樹脂とに関する線膨張率とガラス転移温度を説明するための図である。
半導体装置Aに関して、接着剤の線膨張率は10〜16[ppm/℃]であり、基板22と半導体チップ23の線膨張率の間の値であった。また、封止樹脂の線膨張率は6〜10[ppm/℃]であり、接着材の線膨張率に近似していた。また、半導体装置Aの接着剤のガラス転移温度は135〜145℃であり、封止樹脂のガラス転移温度130℃とほぼ等しかった。このように、半導体装置Aの接着剤と封止樹脂の組み合わせは、上述の本実施例による半導体装置2Eの条件に適合していた。
半導体装置Bに関して、接着剤の線膨張率は40〜50[ppm/℃]であり、基板22の線膨張率である20[ppm/℃]よりかなり高い値であった。また、封止樹脂の線膨張率は12〜16[ppm/℃]であり、接着材の線膨張率よりかなり低い値であった。また、半導体装置Bの接着剤のガラス転移温度は130〜140℃であり、封止樹脂のガラス転移温度210℃よりかなり低い温度であった。このように、半導体装置Bの接着剤と封止樹脂の組み合わせは、上述の本実施例による半導体装置2Eの条件に適合していなかった。
半導体装置B−改良は半導体装置Bの接着剤に添加材を添加して線膨張率を調整して形成した。すなわち、添加材を添加することにより接着剤の線膨張率を10〜20[ppm/℃]へと低減した。これにより、接着剤の線膨張率は基板と半導体チップとの線膨張率の間の値となり、且つ封止樹脂の線膨張率に近似する値となった。また、添加材の添加により、接着剤のガラス転移温度は135〜145℃と、僅かながら増大し、封止樹脂のガラス転移温度210℃に近づいた。
図31は半導体装置Bの接着剤に添加した添加材の量と線膨張率及び弾性率との関係を説明するための図であり、図32は添加材の量と線膨張率及び弾性率との関係を示すグラフである。添加材の添加量を増大するにつれて接着剤の線膨張率は低減し、添加量が80wt%において10〜20[ppm/℃]となり、基板と半導体チップの線膨張率の間の値となった。このとき、弾性率の上昇は緩やかであった。
上述の半導体装置A,B,B−改良の各々に関して、10mm角及び14mm角の2種類のパッケージサイズの半導体装置を作製して環境加速試験を行った。環境加速試験において、−65℃で30分間、次に室温で1分間、そして150℃で30分間保持するという温度サイクルを繰り返し半導体装置に印加して、100サイクル毎に故障の発生の有無を調べた。
図33は上記環境加速試験の結果を説明するための図である。10mm角のパッケージザイズでは、半導体装置Aの不良発生サイクルは1200回であった。すなわち、温度サイクルを1200回繰り返した時点で配線パターン断線等の不良が検出された。半導体装置Bの不良発生サイクルは700回であり、半導体装置Aの不良発生回数よりかなり低かった。すなわち、半導体装置Bは半導体装置Aに比べて故障の発生時期が約半分であった。一方、半導体装置B−改良の不良発生サイクルは1000回であり、半導体装置Bの不良発生サイクル700回に比べるとかなり改善された。これは、添加材の接着剤への添加により接着剤の線膨張率が低減され、基板と半導体チップとの線膨張率の間の値になったことによる効果と考えられる。
14mm角のパッケージサイズにおいても、同様な試験が行われたが、結果は10mm角のパッケージサイズの場合とほぼ同じであり、添加材による線膨張率の低減の効果が確認された。
以上のように、本実施例による半導体装置2Eでは、接着剤の線膨張率を最適化することにより、基板と半導体チップの間に位置する配線パターンに作用する、熱膨張差による応力を低減することができる。また、接着剤のガラス転移温度を増大することにより、接着剤と封止樹脂との境界面が配線パターンの直上又はその近傍に位置している場合も、熱膨張差に起因して境界面で発生する応力を低減することができる。したがって、配線パターンの断線、破断故障が抑制され、高い実装信頼性を達成することができる。
図34は接着剤層を所定の一様な厚みで形成する方法を説明するための図である。本実施例において使用する添加材60の一部を、半導体チップ23と基板22の間の所定の厚みに等しい粒径を有する添加材62Aとすることにより、容易に接着剤層の厚みを所定の厚みにすることができる。このような構成によれば、接着剤層が一様な厚みで形成されるため、熱応力による半導体装置の変形を防止することができ、配線パターンの断線等の故障も抑制することができる。
図35は接着剤層の厚みの変化を一様にする構成を説明するための図である。外部接続端子(ハンダボール30)が半導体装置の周辺に配列された構造の半導体装置では、電極膜25は半導体チップ23の周辺部に対応した基板22上に形成される。図35では半田ボール30が形成される電極膜25は周辺二列に配列されている。したがって、半導体チップ23の中央部分の下には電極膜25を設ける必要はないが、図35に示す半導体装置では、電極膜25と同じ形状のダミーパターン64が、電極膜25が形成される領域を除く基板22の全面にわたって形成されている(図36参照)。
このような構成によれば、接着剤層の厚みの厚い部分と薄い部分とが交互に規則的に形成されることとなり、接着剤の厚みの偏りを実質的に抑制することとなる。したがって、接着剤の厚みの不均一による半導体装置の変形を防止することができ、配線パターンの断線等の故障の発生を抑制することができる。
尚、変形防止パターンとしてのダミーパターン64は、図36に示した形状及び配列に限定されるものではなく、接着剤層の厚みの偏りを実質的に低減するようなものであれば、どのような形状及び配列でもかまわない。また、ダミーパターン64は電極膜25と同じ材料で同時に形成してもよく、別の工程にて形成することもできる。
本出願人は上記開示事項に加えて更に以下の事項を開示する。
(1) テープ状基板と、
前記テープ状基板の表面に搭載される半導体チップと、
前記半導体チップを前記テープ状基板に固定する接着剤と、
前記テープ状基板に形成されており、前記半導体チップと電気的に接続される電極膜と、
前記テープ状基板に形成された開口部を介して前記電極膜に接続された外部接続電極とを具備する半導体装置において、
前記接着剤の前記テープ状基板からの厚さを100μm〜150μmとしたことを特徴とする半導体装置。
(2) 第(1)項 記載の半導体装置において、
前記半導体チップの側面の高さをTとし、
かつ、前記接着剤の前記半導体チップ外周位置に形成されるフィレットの該半導体チップの側面下端からの高さをtとした場合、
前記フィレットの高さtが(0.2×T)≦t<(0.6×T)となるよう構成されていることを特徴とする半導体装置。
(3) 第(1)又は第(2)項記載の半導体装置において、
前記接着剤としてその粘度が 30000cps 〜 70000cpsで、かつ、チクソ性が 1.0 〜 4.0であるものを用いたことを特徴とする半導体装置。
(4) 第(1)乃至(3)項のいずれかに記載の半導体装置において、
前記接着剤としてその弾性率が200kgf/mm2〜800kgf/mm2であるものを用いたことを特徴とする半導体装置。
(5) 第(1)乃至(4)項のいずれかに記載の半導体装置において、
前記接着剤としてその線膨張率が6×10-6/℃〜15×10-6/℃であるものを用いたことを特徴とする半導体装置。
(6) 第(1)乃至(5)項のいずれかに記載の半導体装置において、
前記電極膜の形成位置を除いた位置に、前記テープ状基板の不要な変形発生を防止する変形防止パターンを形成したことを特徴とする半導体装置。
(7) 配線基板と、
前記配線基板の表面に搭載された半導体素子と、
前記半導体素子を前記配線基板に固定する接着剤と、
前記配線基板に形成されており、前記半導体素子と電気的に接続される電極膜と、
前記半導体素子及び前記電極膜を封止する封止樹脂と
を具備する半導体装置において、
前記接着剤の線膨張率を、前記半導体素子の線膨張率より大きく且つ前記配線基板の線膨張率より小さくすると共に、前記接着剤の線膨張率を前記封止樹脂の線膨張率に近似させたことを特徴とする半導体装置。
(8) 第(7)項記載の半導体装置において、
前記接着剤は添加材を含んでおり、添加材の含有量を変えることにより前記接着剤の線膨張率及びガラス転移温度を調節することを特徴とする半導体装置。
(9) 第(8)項記載の半導体装置において、
前記添加材の添加量は、前記接着剤の線膨張率を増大させるが弾性率は実質的に一定に維持するような範囲の量であることを特徴とする半導体装置。
上記第(1)項記載の発明によれば、
半導体チップをテープ状基板に搭載する際に用いる接着剤の厚さを100μm〜150μmと厚い寸法に設定したことにより、半導体装置を実装基板に実装した後に半導体チップと実装基板の熱膨張差に起因して外部接続端子が損傷することを防止することができる。
即ち、半導体チップと実装基板の熱膨張率が異なる場合、加熱時においてこの熱膨張差に起因して外部接続端子に多大な応力が集中してしまい、最悪の場合には外部接続端子が破断するおそれがある。
しかるに、半導体チップとテープ状基板との間に介装される接着剤の厚さを100μm〜150μmと厚い寸法に設定することにより、接着剤は緩衝材としての機能し、よって外部接続端子に集中する応力を緩和することができる。これにより、半導体チップと実装基板の熱膨張差に起因した外部接続端子の損傷を防止することができる。
上記第(2)項記載の発明によれば、
半導体チップの側面の高さTと、接着剤の半導体チップ外周位置に形成されるフィレットの半導体チップの側面下端からの高さtが、(0.2×T)≦t<(0.6×T)となるよう構成したことにより、半導体装置の小型化を図ることができる。
即ち、接着剤のフィレットの高さtは、テープ状基板上における接着剤の配設面積と関係を有する。具体的には、フィレットはテープ状基板上から半導体チップ外周位置に向け湾曲した形状(袴状)で形成されるため、フィレットの半導体チップの側面下端からの高さtが大きい程、この湾曲形状は長く形成され、よってテープ状基板と接する面積も広くなる。また、テープ状基板上において接着剤が配設された部位には他の構成要素(例えば、電極膜やワイヤ等)を配設することができず、よって接着剤のフィレットの高さtが高くなると、半導体装置が大型化してしまう。
しかるに、上記のようにフィレットの半導体チップの側面下端からの高さtを(0.2×T)≦t<(0.6×T)と小さく設定することにより、接着剤がテープ状基板と接する面積の小面積化を図ることができ、よって半導体装置の小型化を図ることができる。このフィレットの半導体チップの側面下端からの高さtは、接着剤の粘度,チクソ性,弾性率等を適宜選定することにより制御することが可能である。
また、第(3)項記載の発明のように、
接着剤としてその粘度が30000cps〜70000cpsで、かつ、チクソ性が1.0〜4.0であるものを用いることにより、有効に外部接続端子の損傷防止及び半導体装置の小型化を図ることができる。
また、第(4)項記載の発明のように、
接着剤としてその弾性率が200kgf/mm2 〜800kgf/mm2 であるものを用いることにより、有効に外部接続端子の損傷防止及び半導体装置の小型化を図ることができる。
また、第(5)項記載の発明によれば、
接着剤としてその線膨張率が6×10-6/℃ 〜 15×10-6/℃であるものを用いることにより、有効に外部接続端子の損傷防止及び半導体装置の小型化を図ることができる。
また、第(6)項記載の発明によれば、
電極膜の形成位置を除いた位置に、テープ状基板の不要な変形発生を防止する変形防止パターンを形成したことにより、接着剤の厚さにバラツキが発生することを防止でき、よって接着剤の剥離防止及び外部接続端子の保護を確実に行なうことができる。
また、第(7)項記載の発明によれば、
接着剤の線膨張率を最適化することにより、基板と半導体チップの間に位置する配線パターンに作用する、熱膨張差による応力を低減することができる。したがって、配線パターンの断線、破断故障が抑制され、高い実装信頼性を達成することができる。
また、第(8)項記載の発明によれば、
接着剤に添加材を添加することにより容易に接着剤の線膨張率及びガラス転移温度を好適な値又はそれに近い値に調節することができる。このように、接着剤の線膨張率を最適化することにより、基板と半導体チップの間に位置する配線パターンに作用する、熱膨張差による応力を低減することができる。また、接着剤のガラス転移温度を増大することにより、接着剤と封止樹脂との境界面が配線パターンの直上又はその近傍に位置している場合も、熱膨張差に起因して境界面で発生する応力を低減することができる。したがって、配線パターンの断線、破断故障が抑制され、高い実装信頼性を達成することができる。
また、第(9)項記載の発明によれば、
接着剤の線膨張率は増大するが弾性率は実質的に一定に維持されるため、接着剤の柔軟性を維持しながら線膨張率が低減される。したがって、接着剤の柔軟性による応力緩和の効果を維持したまま熱膨張さによる応力の抑制を達成することができる。
一般的なFBGA構造の半導体装置の一例を示す図である(その1)。 一般的なFBGA構造の半導体装置の一例を示す図である(その2)。 従来の半導体装置の製造方法の一例を説明するための図である(その1)。 従来の半導体装置の製造方法の一例を説明するための図である(その2)。 従来の半導体装置の製造方法の一例を説明するための図である(その3)。 従来の問題点を説明するための図である(その1)。 従来の問題点を説明するための図である(その2)。 従来の問題点を説明するための図である(その3)。 従来の実装時において、半田ボールに発生していたクラックを説明するための図である。 本発明の第1実施例である半導体装置を説明するための図である。 メッキバンプの形成方法を説明するための図である。 必要以上に成長させたメッキバンプを示す図である。 本発明の第2実施例である半導体装置を説明するための図である。 下地電極及び半田ボールの形成方法を説明するための図である。 本発明の第3実施例である半導体装置を説明するための図である。 内壁薄膜を形成しない場合に発生する現象を説明するための図である。 本発明の第3実施例である半導体装置において内壁薄膜近傍を拡大して示す図である。 開口部に半田ペーストを充填する方法を説明するための図である(その1)。 開口部に半田ペーストを充填する方法を説明するための図である(その2)。 本発明の第4実施例である半導体装置を説明するための図である。 第4実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図である。 第4実施例である半導体装置の接着剤近傍を拡大して示す図である。 接着剤として低粘度接着剤を用いた場合におけるフィレットを説明するための図である。 一般的な半導体装置における接着剤近傍を拡大して示す図である。 本発明の効果を示す図である。 接着剤の厚さを均一化する方法を説明するための図である(その1)。 接着剤の厚さを均一化する方法を説明するための図である(その2)。 本発明の第5実施例である半導体装置を説明するための図である。 本発明の第5実施例による半導体装置の構成部品の線膨張率と弾性率を説明するための図である。 本発明の第5実施例による半導体装置の接着剤及び封止樹脂の線膨張率とガラス転移温度を説明するための図である。 接着剤に添加材を加えた場合の線膨張率と弾性率の変化を説明するための図である。 添加材の添加量と線膨張率及び弾性率との関係を示すグラフである。 本発明の第5実施例による半導体装置の試験結果を説明するための図である。 接着材層の厚さを均一化する方法を説明するための図である(その3)。 接着剤層の厚さを均一化する方法を説明するための図である(その4)。 変形防止パターンが形成された基板の平面図である。
符号の説明
20A〜29D 半導体装置
22 基板
23 半導体チップ
25 電極膜(導電性膜)
27 開口部
28 樹脂パッケージ
30 半田ボール
31 ペースト印刷部
32 加熱部
33 ボール装着部
34 印刷用マスク
36 スキージ
41 メッキバンプ
42 下地電極部
43 内壁薄膜
44 くびれ部
45 ディスペンサー
46 治具
47A フィレット
55 スペーサ
57 変形防止パターン
60 接着剤
62,62A 添加材
64 ダミーパターン

Claims (4)

  1. テープ状基板と、
    前記テープ状基板の表面に搭載される半導体チップと、
    前記テープ状基板の表面に形成されると共に、前記半導体チップと電気的に接続された電極膜と、
    前記テープ状基板の裏面に配設されると共に、前記テープ状基板に形成された開口部を介して前記電極膜に接続された外部接続電極とを具備する半導体装置において、
    前記開口部の直径寸法をAとし、前記テープ状基板の厚さ寸法をBとした時、前記開口部の直径寸法Aと前記テープ状基板の厚さ寸法Bとの比(B/A)が、0.3以下((B/A)≦0.3)となるよう構成したことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記開口部の内壁に前記外部接続電極との接合性の良好な材質よりなる薄膜を形成してなることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項2記載の半導体装置において、
    前記薄膜はメッキにより形成されており、
    かつ、その材質としてニッケル,銅,及び金の内、少なくとも何れか一つを用いたことを特徴とする半導体装置。
  4. 半導体チップが搭載されるテープ状基板に形成された開口部と共に一方の開口縁に導電性膜が覆設された開口部を有する樹脂基板に対し半田ペーストを印刷し、該半田ペーストを前記開口部内に装填する半田ペースト印刷工程と、
    該半田ペースト印刷工程の終了後、外部接続端子となる半田ボールを前記開口部に配設し加熱することにより前記半田ボールを前記電極膜に接合するボール搭載工程とを有する半導体装置の製造方法において、
    前記半田ペースト印刷工程で、前記半田ペーストが前記電極膜と接触する位置まで深く挿入されるよう印刷処理を行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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