JP2007012645A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】両面実装構造の半導体装置における電気接続部の信頼性を向上させる。
【解決手段】回路基板１００の両面に半導体素子１０ａ、１０ｂが互いにずれた状態で実装された両面実装構造において、パッケージ１１ａ、１１ｂと回路基板１００間の熱膨張の差に起因する熱歪によって電極部１６ａ、１６ｂの端部でボール電極のはんだ接合部に応力が発生するのを防ぐためのパッケージ補強部材１２ａ、１２ｂを設ける。各パッケージ補強部材１２ａ、１２ｂは、回路基板１００を挟んで反対側の半導体素子１０ｂ、１０ａの電極部１６ｂ、１６ａの一部に対向するように配設され、パッケージ１１ｂ、１１ａの反りを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板の両面に半導体素子を実装した両面実装構造を有する半導体装置に関するものである。

従来、複数のボール電極がアレイ状に配置されたパッケージを有する半導体素子と回路基板との間のはんだ接合部の応力を低減させて、接合信頼性を向上させるための様々な工夫がなされてきた。

これは、半導体素子のパッケージやボール電極と回路基板間で線膨張係数が異なるため、熱が加わると、膨張率の差によって大きな応力が発生し、はんだ接合部の寿命が短くなるからである。

従来からボール電極に加わる熱応力を低減する方法として、例えば、特許文献１に開示されたように、半導体素子と回路基板との間を樹脂部材（アンダーフィル剤）によって封止するものが知られており、特許文献２では、半導体素子の周囲のみを樹脂封止するものが開示されている。

また、半導体素子を回路基板の両面に実装した両面実装構造では、はんだ接合部の熱応力を低減する方法として、例えば、特許文献３に開示されたように、回路基板表裏に実装された半導体素子のはんだ接合部と、回路基板の間を樹脂封止したもの、などが知られている。
特開昭６１−１７７７３８号公報 特開２００４−１０４０８７号公報 特開２００３−２８２８１１号公報

近年では、実装の高密度化に伴い、半導体素子を回路基板両面に実装する形態が増加している。半導体素子を両面実装された場合は、相手側の半導体素子によって変形が拘束され、回路基板が自由に曲がらなくなるため、半導体素子を回路基板の片面のみに実装した場合よりもはんだ接合部の応力が増大し、接合信頼性が大幅に低下するおそれがある。

そこで、回路基板に半導体素子を片面に実装した場合と同様に、半導体素子と回路基板の間、もしくは、半導体素子の周囲に封止樹脂を充填するやり方を、両面実装構造にも適用して、はんだ接合部の応力緩和を行っているが、特許文献１および特許文献３に開示された、半導体素子と回路基板の間に樹脂を封止する方法は、回路基板上に密に半導体素子が実装された状態で封止を行うことは、比較的難しい。特に、回路基板を介して実装された表裏の半導体素子が相互にずれて実装された場合は、相手側半導体素子の反りにより、封止樹脂があってもはんだ接合部の接合信頼性が低下するおそれがある。

また、特許文献２に開示された半導体素子の周囲を樹脂封止する形態では、回路基板の表裏の半導体素子が、相互にずれて実装された場合、相手側半導体素子が自由に熱変形するのを阻害して、パッケージ外縁部のボール電極に加わる応力を増大させる傾向がある。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、両面実装構造において、ボール電極のはんだ接合による電気接続部の接合信頼性を大幅に向上できる半導体装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、両面実装型の回路基板と、前記回路基板の両面にそれぞれ電気接続部を介して実装された少なくとも一対の半導体素子と、各半導体素子のパッケージの外縁に一体的に配設されたパッケージ補強部材と、を有し、前記パッケージ補強部材が、前記回路基板を挟んで反対側に実装された半導体素子の前記電気接続部に対向するように配設されていることを特徴とする。

回路基板の両面に実装された半導体素子のボール電極のはんだ接合による電気接続部に発生する応力を、回路基板を挟んで反対側の半導体素子に設けられたパッケージ補強部材によって効果的に低減することで、接合信頼性を向上させる。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１および図２に示すように、回路基板１００の両面に実装された一対の半導体素子１０ａ、１０ｂを有する両面実装構造の半導体装置において、各半導体素子１０ａ、１０ｂのパッケージ１１ａ、１１ｂの側縁に、棒状のパッケージ補強部材１２ａ、１２ｂが配設される。各半導体素子１０ａ、１０ｂのＩＣチップ１３ａ、１３ｂの接続部１４ａ、１４ｂは、はんだ接合による電気接続部を形成する電極部１６ａ、１６ｂのボール電極を介して回路基板１００の端子に接続される。図示表面側の半導体素子１０ａのパッケージ補強部材１２ａは、回路基板１００を挟んで、裏面側の半導体素子１０ｂの電極部１６ｂの外縁より内側に位置し、電極部１６ｂの一部に対向するように配設され、図示裏面側の半導体素子１０ｂのパッケージ補強部材１２ｂも、表面側の半導体素子１０ａの電極部１６ａの外縁より内側に位置し、電極部１６ａの一部に対向するように配設される。

図１および図２に示すように、本実施例の半導体素子１０ａ、１０ｂは、ＩＣチップ１３ａ、１３ｂ、パッケージ１１ａ、１１ｂ、パッケージ補強部材１２ａ、１２ｂ、接続部１４ａ、１４ｂ、複数のボール電極からなる電極部１６ａ、１６ｂ等を有する。各半導体素子１０ａ、１０ｂの接続部１４ａ、１４ｂは、インターポーザと電極パッドから構成され、インターポーザの材質は、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂である。

各半導体素子１０ａ、１０ｂのＩＣチップ１３ａ、１３ｂの材質はシリコンであり、その裏面に設けられた複数の電極を通じて、接続部１４ａ、１４ｂに接続されている。

ＩＣチップ１３ａ、１３ｂは、パッケージ１１ａ、１１ｂによって、保護するようにパッケージングされ、パッケージ１１ａ、１１ｂの材質は、例えばエポキシ樹脂である。各パッケージ１１ａ、１１ｂの一側縁には、概略直方体のパッケージ補強部材１２ａ、１２ｂが設けられており、その材質は、例えばパッケージ材料と同じエポキシ樹脂である。

パッケージ補強部材１２ａ、１２ｂは、パッケージ１１ａ、１１ｂと同一樹脂で一体成形されるか、剛性の高い別部材で構成される。一体成形の場合は、パッケージ補強部材１２ａ、１２ｂが形成された半導体素子１０ａ、１０ｂを回路基板１００に実装した後、接着剤などにより、パッケージ補強部材１２ａ、１２ｂを回路基板１００に接着する。別部材の場合は、半導体素子１０ａ、１０ｂを回路基板１００に実装した後、パッケージ１１ａ、１１ｂの側面と回路基板１００との間に、ディスペンサ等によりパッケージ補強部材１２ａ、１２ｂを塗布することによって形成するか、別工程で形成されたパッケージ補強部材１２ａ、１２ｂを接着剤などによりパッケージ１１ａ、１１ｂの側面と回路基板１００に接着する。

電極部１６ａ、１６ｂの複数のボール電極は、パッケージ１１ａ、１１ｂの裏面に、概略アレイ状に配置されている。複数のボール電極の材質は、例えば鉛フリーはんだである。半導体素子１０ａ、１０ｂが実装される回路基板１００の両面には、パッケージ１１ａ、１１ｂの複数のボール電極に対応した位置にアレイ状に図示しない端子を設け、パッケージ１１ａ、１１ｂとは、前記複数のボール電極のはんだで接合される。

回路基板１００の表裏に実装された半導体素子１０ａ、１０ｂは相互に水平方向にずれた状態で実装される。裏面側のパッケージ補強部材１２ｂは、回路基板１００の表面側に実装された半導体素子１０ａの電極部１６ｂの最外部ボール電極位置よりも内側に位置し、半導体素子１０ｂのパッケージ１１ｂの側面と回路基板１００と結合された概略直方体形状の部材である。表面側のパッケージ補強部材１２ａは、回路基板１００の裏面側に実装された半導体素子１０ｂの電極部１６ａの最外部ボール電極位置よりも内側に位置し、半導体素子１０ａのパッケージ１１ａの側面と回路基板１００とに結合された概略直方体形状の部材である。次に、パッケージ補強部材１２ａ、１２ｂの作用を説明する。

図６の（ａ）は一従来例による片面実装構造を示すもので、回路基板１００の片面に実装された半導体素子７０は、ＩＣチップ７３、パッケージ７１、接続部７４、複数のボール電極からなる電極部７６等を有する。接続部７４は、インターポーザと電極パッドから構成される。

半導体素子７０のパッケージ７１と回路基板１００の線膨張係数を比較すると、例えば、半導体素子７０の物性をシリコン、パッケージ７１をエポキシ樹脂、半導体素子７０が実装される回路基板１００の物性をガラスエポキシ樹脂とすると、シリコンの線膨張係数は、エポキシ樹脂やガラスエポキシ樹脂の線膨張係数に比べて、約１桁小さい。また、エポキシ樹脂とガラスエポキシ樹脂の線膨張係数も必ずしも同じではない。

このため、半導体素子７０等の発熱により、パッケージ７１の温度が上昇すると、線膨張係数の小さいＩＣチップ７３を含むパッケージ７１の伸びに対して、回路基板１００の伸びの方が大きくなり、図示上向きの反りを生じる。電源が切られ、半導体素子７０等の発熱が無くなると、反りは無くなるため、パッケージ７１と回路基板１００を接続している電極部７６に繰り返し剪断応力が加わり、ボール電極にひずみが蓄積し、やがて破断に至る。このとき、電極部７６の複数のボール電極のうちで、パッケージ７１の四隅に配置されたボール電極や、ＩＣチップ７３とパッケージ７１の境界部に配置されたボール電極に加わる応力が大きく、従って寿命も短くなる傾向がある。

パッケージ７１の四隅に配置されたボール電極の応力が高いのは、熱膨張は長さに比例して大きくなるためで、パッケージ７１の対角線上の線膨張差が一番大きい。さらに、パッケージ７１の外周部に配置されたボール電極は、パッケージ７１の外周部で回路基板１００と接合する部材が無いため、パッケージ７１と回路基板１００の間が開き、パッケージ７１の四隅に配置されたボール電極に加わる応力が、より高くなる。

また、ＩＣチップ７３とパッケージ７１の境界部に配置されたボール電極の応力が高いのは、パッケージ７１が、ＩＣチップ７３の近くで、熱膨張率の小さいＩＣチップ７３に拘束され、回路基板１００との熱膨張差が大きくなるためである。

図６の（ｂ）は、回路基板１００の両面に、ＩＣチップ７３ａ、７３ｂ、パッケージ７１ａ、７１ｂ、電極部７６ａ、７６ｂ等を有する半導体素子７０ａ、７０ｂを実装した両面実装構造における熱変形を説明するものである。同一形状の半導体素子７０ａ、７０ｂが、回路基板１００の両面に１００％重なった状態で実装された場合、半導体素子７０ａ、７０ｂの相互干渉によって、回路基板１００の片側のみに実装されたときのように、自由に反ることができないため、ボール電極に加わる熱応力が緩和できず、片側のみに実装されたときよりも、さらに寿命が短くなる。

なお、半導体素子の回路基板への片面実装であっても、当然ボール電極部には、線膨張係数差による応力が発生するのであるが、反りが生じることにより、ある程度応力を緩和できる。

図５は、回路基板１００の両面に半導体素子７０ａ、７０ｂをずらして実装した両面実装構造を示すもので、これは、表裏の半導体素子７０ａ、７０ｂが、水平方向に概略２５％ずれた状態で重なったケースであり、前述のように１００％重なったときとは異なり、複雑な熱変形を起こしている。回路基板１００を挟んで、相手側の半導体素子が存在している部分では、相互干渉により反りが生じ難い。ところが、相手側の半導体素子が存在しない部分では、干渉がないため反りが生じる。

図５の（ｃ）に基づいてさらに詳しく説明する。回路基板１００の両面に１００％重なった状態から、回路基板１００の表面側に実装された半導体素子７０ａが図面左側に変位すると、半導体素子７０ａのボール電極が、回路基板１００の半導体素子７０ｂのパッケージ７１ｂの外周部に配置されたボール電極より外側に来たところで、次第にパッケージ７１ａが反り始める。これは、半導体素子７０ａにとって、回路基板１００の反対側に実装された半導体素子７０ｂの干渉が無くなるためである。その結果、回路基板１００の裏面側に実装された半導体素子７０ｂの最外部に当たるボール電極に、半導体素子７０ａの反りの影響から来る開口現象も加わって、大きな剪断応力が生じる。さらに、パッケージ７１ａの反りが生じる部分にＩＣチップ７３ａのエッジ部がある場合は、パッケージ７１ａとの線膨張係数差が大きいため、その影響も加味され反り量がさらに大きくなる傾向にある。図５の（ｃ）における右側部分も上下関係が逆転するだけで同じ現象が発生する。

このように、表裏の半導体素子７０ａ、７０ｂがずれて実装された場合は、パッケージ７１ａ、７１ｂの外周部の応力を低減する対策が必要となる訳である。

次に、本実施例による両面実装構造の熱変形について図３に基づいて説明する。図３の（ａ）は、回路基板１００の両面の半導体素子１０ａ、１０ｂが、水平方向に概略２５％ずれた状態で重なったものである。回路基板１００を挟んで、相手側の半導体素子が存在している部分では、相互干渉により反りが生じ難いが、相手側の半導体素子が存在しない部分では、干渉がないため反りが生じようとする。

ところが、従来例と異なり、図３の（ａ）の左側部分においては、回路基板１００の裏面側に実装された半導体素子１０ｂのパッケージ１１ｂの側縁に、回路基板１００に固定されたパッケージ補強部材１２ｂを設けたことにより、その部分の剛性が高くなり、回路基板１００が反り難くなる。また、パッケージ外周部分ではボール電極による支持が無くなるため、回路基板１００とパッケージ１１ａ間に開口現象が発生し、パッケージ最外部に位置するボール電極の応力を高める原因の１つになっているが、パッケージ補強部材１２ｂにより裏面側のパッケージ１１ｂの最外部が固定されるため、パッケージ１１ａの開口現象も抑制され、パッケージ最外部に位置するボール電極の応力が、さらに低減する。

このように、回路基板１００の裏面側に実装された半導体素子１０ｂの最外部に位置するボール電極には、従来例ほど大きな剪断応力が加わらず、ひずみも小さく寿命が延びる。図３の（ａ）における右側部分も上下関係が逆転するだけで上記と同じ現象が発生する。

なお、パッケージ補強部材１２ａ、１２ｂは、大きければよいものではなく、以下のような外形状の制限がある。図３の（ｂ）に示すように、回路基板１００の裏側に実装された半導体素子８０ｂのパッケージ８１ｂに設けられたパッケージ補強部材８２ｂが、回路基板１００の表側の半導体素子８０ａの電極部８６ａの最外部のボール電極よりも外側に位置するようになると、その部分での回路基板１００の剛性も上がり、回路基板１００が反りにくくなるため、回路基板１００の表側に実装された半導体素子８０ａのパッケージ８１ａの外周部で発生する開口現象が、より顕著に起こるようになる。

このため、回路基板１００の表面側に実装された半導体素子８０ａの最外部に位置するボール電極の応力が高くなる。図３の（ｂ）における右側部分も、上下関係が逆転するだけで同じ現象が発生する。

また、回路基板を介して反対側に半導体素子が存在する場合は、パッケージ補強部材の設置は、反りの影響による応力増加を低減させる効果があるが、回路基板を介して反対側に半導体素子が存在しない場合には、パッケージ補強部材の設置は、反ることによる応力緩和を阻害するため、好ましくない。

図４に示すように、本実施例の半導体素子２０ａ、２０ｂは、ＩＣチップ２３ａ、２３ｂ、パッケージ２１ａ、２１ｂ、Ｌ字形のパッケージ補強部材２２ａ、２２ｂ、接続部２４ａ、２４ｂ、複数のボール電極からなる電極部２６ａ、２６ｂを有する。

各パッケージ２１ａ、２１ｂの接続部２４ａ、２４ｂには、半導体素子２０ａ、２０ｂと前記複数のボール電極とを、適宜接続する配線が構成されている。ＩＣチップ２３ａ、２３ｂは、ＩＣチップ裏面に設けられた複数の電極を通じて、半導体素子接合部に接続されており、材質は、シリコンである。パッケージ２１ａ、２１ｂは、ＩＣチップ２３ａ、２３ｂを保護するようにパッケージングし、材質は、例えばエポキシ樹脂である。

各パッケージ２１ａ、２１ｂには、その側縁を囲むように概略Ｌ字形のパッケージ補強部材２２ａ、２２ｂが設けられ、材質は、例えばエポキシ樹脂である。各パッケージ補強部材２２ａ、２２ｂは、パッケージ２１ａ、２１ｂと同一樹脂で一体成形されるが、剛性の高い別部材でもよい。パッケージ補強部材２２ａ、２２ｂは、半導体素子２０ａ、２０ｂを回路基板１００に実装した後、ディスペンサ等で塗布するか、予め形成された部材を接着剤などによりパッケージ２１ａ、２１ｂの周囲と回路基板１００に接着する。

半導体素子２０ａ、２０ｂが実装される回路基板１００には、パッケージ２１ａ、２１ｂの複数のボール電極に対応した位置にアレイ状に端子を設け、パッケージ２１ａ、２１ｂとは、前記複数のボール電極のはんだで接合される。回路基板１００の表裏に実装された半導体素子２０ａ、２０ｂは、図４の（ｂ）に示すように、相互に斜め方向にずれた状態で実装されている。例えば、表裏の半導体素子２０ａ、２０ｂが、２方向に概略それぞれ２５％ずれた状態、つまり斜め４５°方向にずれた状態で重なっている。

パッケージ補強部材２２ｂは、回路基板１００の表面側に実装された半導体素子２０ａの最外部ボール電極位置よりも内側に位置するように、半導体素子２０ｂのパッケージ２１ｂの側縁に設けられる。パッケージ補強部材２２ａは、回路基板１００の裏面側に実装された半導体素子２０ｂの最外部ボール電極位置よりも内側に位置するように、半導体素子２０ａのパッケージ２１ａの側縁に設けられる。

熱変形の発生原理と、パッケージ補強部材２２ａ、２２ｂによる反りの抑制と、ボール電極の応力低減については、実施例１と同様であるから説明は省略する。

なお、実施例１、２では、回路基板表裏に実装された２つの半導体素子の形状が、概略同一形状のもので説明したが、異形状であっても構わない。

実施例１による半導体装置を示す斜視図である。 図１の装置の構成を示すもので、（ａ）はその模式平面図、（ｂ）は（ａ）の立面図である。 実施例１における熱変形を説明する図である。 実施例２による半導体装置を示すもので、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は（ａ）の模式平面図、（ｃ）は（ａ）の立面図である。 一従来例を示すもので、（ａ）はその模式平面図、（ｂ）は（ａ）の立面図、（ｃ）は熱変形を説明する図である。 回路基板の片面および両面に半導体素子を実装した一般的な構成における熱変形を説明する図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ 半導体素子
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ パッケージ
１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ パッケージ補強部材
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ ＩＣチップ
１６ａ、１６ｂ、２６ａ、２６ｂ 電極部
１００ 回路基板

Claims (5)

1. 両面実装型の回路基板と、前記回路基板の両面にそれぞれ電気接続部を介して実装された少なくとも一対の半導体素子と、各半導体素子のパッケージの外縁に一体的に配設されたパッケージ補強部材と、を有し、前記パッケージ補強部材が、前記回路基板を挟んで反対側に実装された半導体素子の前記電気接続部に対向するように配設されていることを特徴とする半導体装置。
2. 各半導体素子の前記パッケージ補強部材は、前記パッケージの側面と前記回路基板の表面に結合されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 各半導体素子の前記パッケージ補強部材は、前記パッケージと一体成形されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 各半導体素子の前記パッケージ補強部材は、前記パッケージとは別部材であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
5. 各半導体素子の前記パッケージ補強部材は、前記パッケージの外縁に沿って棒状またはＬ字型に延在することを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の半導体装置。

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