JP2007134356A - 半導体実装装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップの基板に反りが発生した場合であっても、信頼性の向上を期待できる半導体実装装置を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体チップ１のプリント配線基板３との対向面の中央部５に形成されたバンプ２ａだけで半導体チップ１とプリント配線基板３とを電気接続している。
【選択図】図１

Description

本発明はプリント配線基板の上に半導体チップをフリップチップにて実装した半導体実装装置に関するものである。

プリント配線基板と半導体チップとを電気接続する実装工法として、ワイヤーボンディング実装、フリップチップ実装などがある。フリップチップ実装では、図６（ｂ）に示すように、半導体チップ１の片面に形成されたパッドにバンプ２を形成し、このパンプ２が設けられた側を、図６（ａ）に示すように、プリント配線基板３の側に向けてバンプ２をプリント配線基板３のパッドに当接させた状態で、加熱すると共に超音波振動を加えて半導体チップ１とプリント配線基板３とをパンプ２を介して連結して電気接続し、さらに、半導体チップ１とプリント配線基板３との間に封止樹脂４を充填して、この封止樹脂４を硬化させてバンプ２による電気接続部分に水分などが侵入しないように処理されている。

なお、バンプ２は、図６（ｂ）に示すように半導体チップ１の片面の中央部５を除いてほぼ全面に形成されたものの他に、図７に示すように中央部５とこの中央部５を取り囲むように外周部６にもバンプ２を形成したものがある。何れの場合にも、半導体チップ１とプリント配線基板３との対向面の全体に封止樹脂４が充填されている。
特開平９−２８９２２１号公報 松下電工技報（２００４年２月号）第９頁〜第１６頁「半導体封止材料の技術動向」

しかし、従来の半導体実装装置では、半導体チップ１の基板１ａに図６（ａ）に仮想線で示した方向に反りが発生した場合には、半導体チップ１の特に最外周のバンプ２に大きな応力が作用し、半導体チップ１とプリント配線基板３との電気接続を維持できなくなる問題がある。特に、半導体チップ１が薄い場合に反りによる応力の発生が著しい。

本発明は半導体チップ１の基板１ａに反りが発生した場合であっても、従来に比べて、長期の電気接続の信頼性の向上を期待できる半導体実装装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の半導体実装装置は、半導体チップをプリント配線基板に実装した半導体実装装置であって、前記半導体チップの前記プリント配線基板との対向面の中央部に形成されたバンプだけで前記半導体チップと前記基板とを電気接続したことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の半導体実装装置は、請求項１において、前記半導体チップの前記プリント配線基板との対向面の中央部と前記プリント配線基板との間を封止樹脂で封止し、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部と前記基板との間を封止樹脂で封止していないことを特徴とする。

本発明の請求項３記載の半導体実装装置は、請求項１において、前記半導体チップの前記プリント配線基板との対向面の中央部と前記プリント配線基板との間を封止樹脂で封止し、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部と前記基板との間を前記封止樹脂よりも低いヤング率の封止樹脂で封止したことを特徴とする。

本発明の請求項４記載の半導体実装装置は、半導体チップを基板に実装した半導体実装装置であって、前記半導体チップの前記基板との対向面に形成されたバンプで前記半導体チップと前記基板とを電気接続するとともに、前記半導体チップの前記基板との対向面の中央部に形成されたバンプよりも、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部に形成されたバンプが低いヤング率に形成したことを特徴とする。

本発明の請求項５記載の半導体実装装置は、請求項４において、前記半導体チップの前記プリント配線基板との対向面の中央部に形成されたバンプと、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部に形成されたバンプとが同一材料で形成され、半導体チップの前記中央部に形成されたバンプの径に比べて半導体チップの前記外周部に形成されたバンプの径を小さくしたことを特徴とする。

本発明の請求項６記載の半導体実装装置は、請求項４において、半導体チップの前記中央部と前記プリント配線基板との間を封止樹脂で封止し、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部と前記プリント配線基板との間を封止樹脂で封止していないことを特徴とする。

本発明の請求項７記載の半導体実装装置は、請求項４において、半導体チップの前記中央部と前記プリント配線基板との間を封止樹脂で封止し、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部と前記プリント配線基板との間を前記封止樹脂よりも低いヤング率の封止樹脂で封止したことを特徴とする。

半導体チップのプリント配線基板との対向面の中央部に形成されたバンプだけでプリント配線基板と電気接続したことによって、半導体チップの外周部にはプリント配線基板との電気接続のためのバンプが設けられていないので、半導体チップの基板が反っても半導体チップとプリント配線基板との電気接続が損なわれない。

また、半導体チップのプリント配線基板との対向面に形成されたバンプで半導体チップとプリント配線基板とを電気接続するとともに、半導体チップのプリント配線基板との対向面の中央部に形成されたバンプよりも、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部に形成されたバンプを低いヤング率に形成したことによって、半導体チップの基板が反っても半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部に形成されたバンプが、前記反りの応力で伸びることによって電気接続の破損に至る事態の発生を食い止めることができ、半導体チップとプリント配線基板との電気接続が損なわれない。

以下、本発明の各実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）は本発明の（実施の形態１）を示す。

半導体実装装置は、半導体チップ１とプリント配線基板３とを電気接続して構成されている。
半導体チップ１は、裏面の中央部５に限定してバンプ２ａが形成されており、この中央部５の周りの外周部６にはバンプ２ａが形成されていない。この半導体チップ１をプリント配線基板３の面上の配線パターンのパッドに当接させた状態で、加熱すると共に超音波振動を加えてパンプ２ａを介して半導体チップ１とプリント配線基板３とを連結して電気接続し、さらに、半導体チップ１の中央部５においてプリント配線基板３との間に封止樹脂４ａを充填して、この封止樹脂４ａを硬化させてバンプ２ａによる電気接続部分に水分などが侵入しないように処理されている。

封止樹脂４ａとしては、プリント配線基板３と半導体チップ１のゆがみ、反りを吸収できるように、半導体チップ１とプリント配線基板３よりヤング率の高い柔軟な樹脂である必要がある。

好適な封止樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フタル酸ジアリル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂等を挙げることが出来る。これらの内でも、ビスフェノール系エポキシ樹脂、フェノールノボラック系エポキシ樹脂、クレゾールノボラック系エポキシ樹脂、ブロム化エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂が特に好ましい。

本発明において、特に好ましい硬化性樹脂の具体例として、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂を挙げることができる。
半導体チップ１の基板１ａは、図６（ａ）に仮想線で示したように半導体チップ１の基板１ａに反りが発生するが、中央部を樹脂で封止し、無理に反りを防止しておらず、応力が残らないので、長期間安定な接続が確保できる。また、半導体チップ１の中央部５の基板１ａの反り量は、この外周部６の反り量に比べて小さいため、半導体チップ１の中央部５にだけパンプ２ａを設けたこの半導体実装装置では、基板１ａの反りに伴ってバンプ２ａに作用する応力は小さく、電気接続の信頼性が従来例に比べて高い。

なお、図１の説明図ではパンプ２ａの数が、図６の場合のバンプ２の総数に比べて少ないが、バンプ２ａの形成位置を基板１ａの中央部５に限定した場合であっても、バンプ２ａのピッチを小さくすることで必要数を中央部５に形成できる。

また、半導体チップ１の中央部５とは、全体の１／２から１／４の範囲をいう。この領域が小さい方が、接続部分が小さくなり、ひずみによる応力を緩和しやすいが、接続領域が小さくなると、端子間の導通や、端子自身の接続強度が落ち、接続安定性に欠ける。半導体チップの製造プロセスにおいて、内部配線形成することにより、電極部であり、接合部であるバンプ形成部分を中央に集めた。

半導体チップは、薄型のもの、縦横２ｃｍ角で、厚みが０．５ｍｍのものを用いたが、さらに、薄くなると反りが大きくなり、従来のように全体を樹脂モールドすると、応力が残り、安定しない。薄型チップになればなるほど、本発明の効果が顕著である。特に、半導体メモリを用いた薄型のメモリ商品に用いることができる。

また、本発明では、中央部のみを封止するので、封止領域が狭く、封止領域で発生する不良が低減できる。
別の変形例として、ヤング率の高いシリコン系樹脂で、半導体チップの下面全体を覆ってもよい。このことにより、半導体チップの反りを無理に抑えないので、応力ひずみが発生せず、長期の安定性が得られる。ヤング率としては、５００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上程度である。従来のようにヤング率の低い樹脂で全体を封止する場合、半導体チップが変形できず応力が残留した状態で固定されるので、長期の安定な接続性に欠如していたが、本発明では、中央部以外を反らせて、応力を残さないか、または、全体を反らせるので応力を緩和でき、長期の接続安定性が確保できる。

プリント基板と半導体チップとの接続の例を示したが、各種メモリカードなどの半導体装置一般に用いることができる。基板と半導体チップとの接合に用いることができる。以下の実施形態でも同様に応用できる。

（実施の形態２）
図２（ａ）（ｂ）は本発明の（実施の形態２）を示す。
図１の半導体実装装置では、封止樹脂４ａが半導体チップ１の中央部５だけに充填されて硬化していたが、この（実施の形態２）では半導体チップ１の中央部５に封止樹脂４ａを充填し、中央部５を取り巻く外周部６と前記プリント配線基板３との間には封止樹脂４ｂが充填されている。ここで封止樹脂４ｂの硬化した状態でのヤング率は、封止樹脂４ａの硬化した状態でのヤング率よりも低いものを使用した。

このように半導体チップ１とプリント配線基板３の間にヤング率の異なる封止樹脂４ａ，４ｂを充填したため、（実施の形態１）の図１の場合と同様に基板１ａの反りを抑制でき、応力を緩和する。また、半導体チップ１とプリント配線基板３の間の全部に封止樹脂４ａを充填した場合に比べて、反りを緩やかにすることができる。つまり、実施形態１では、樹脂で覆われた部分とそうでない部分で、半導体チップの局所的な反りが発生するが、この実施形態では、その界面が緩やかになるので、応力の変化が少なくなり、より長期安定化される。

ヤング率の異なる樹脂として、同じ種類の樹脂を用いる場合と、異なる樹脂を用いることがでできる。同じ樹脂のヤング率を制御するためには、樹脂に、石英ガラス、アルミナ、マイカ、ジルコニウムシリケート、リチウムシリケートなどの無機物を前記樹脂１００重量部に対して、５０〜３００重量部を配合して調整される。たくさん混入させると、ヤング率が高くなって柔軟になる。一方、樹脂の種類をかえる場合は、ヤング率の低いエポキシ系樹脂と、高いシリコン系樹脂など組み合わせることができる。

（実施の形態３）
図３（ａ）（ｂ）は本発明の（実施の形態３）を示す。
半導体実装装置は、半導体チップ１と前記プリント配線基板とを電気接続して構成されている。

半導体チップ１は、基板１ａの裏面の中央部５にバンプ２ａが形成されており、この中央部５の周りの外周部６にはバンプ２ｂが形成されている。ここでバンプ２ｂのヤング率は、バンプ２ａのヤング率よりも低いものを使用した。さらに具体的には、例えばバンプ２ａ，２ｂの材質は同じ場合には、バンプ２ｂの径をバンプ２ａの径よりも小さくしている。１割から数割だけ径を小さくできる。

この半導体チップ１をプリント配線基板３の面上の配線パターンのパッドに当接させた状態で、加熱すると共に超音波振動を加えてパンプ２ａ，２ｂを介して半導体チップ１とプリント配線基板３とを連結して電気接続し、さらに、半導体チップ１の中央部５においてプリント配線基板３との間に封止樹脂４ａを充填して、この封止樹脂４ａを硬化させてバンプ２ａによる電気接続部分に水分などが侵入しないように処理されている。

バンプのヤング率を変えるには、（１）金バンプとインジウム系の合金バンプの組み合わせや、（２）金、白金、銀、銅、ニッケル、または、これらの合金のバンプとインジウム、鉛、スズ、ビスマス、または、これらの合金のバンプの組み合わせ、（３）半田材料の組成を変化させたものの組み合わせ、つまり、Ｓｎ−（２〜５ｗｔ％）Ａｇ−（０〜１ｗｔ％）Ｃｕ−（０〜１ｗｔ％）Ｂｉのバンプと、Ｓｎ−（５０〜９０ｗｔ％）Ｂｉのバンプの組み合わせを用いることができる。なお、これらに限られるわけではない。

（実施の形態４）
図４（ａ）（ｂ）は本発明の（実施の形態４）を示す。
図３の半導体実装装置では、封止樹脂４ａが半導体チップ１の中央部５だけに充填されて硬化していたが、この（実施の形態４）では半導体チップ１の中央部５に封止樹脂４ａを充填し、中央部５を取り巻く外周部６と前記プリント配線基板３との間には封止樹脂４ｂが充填されている。ここで封止樹脂４ｂの硬化した状態でのヤング率は、封止樹脂４ａの硬化した状態でのヤング率よりも低いものを使用した。

このように半導体チップ１とプリント配線基板３の間にヤング率の異なる封止樹脂４ａ，４ｂを充填したため、（実施の形態３）と比べて、封止により接合安定性がある。つまり、外部からの物理的破壊、水分などの環境的影響を受けず、かつ、半導体チップの応力を緩和した状態での接続ができ、長期安定な接続ができる。

（実施の形態５）
図５（ａ）（ｂ）は本発明の（実施の形態５）を示す。
（実施の形態１）を示す図１（ｂ）では、バンプ２ａは千鳥足配置されていたが、図５ではバンプ２ａが、半導体チップ１の真ん中を中心とした同心円状に配置されている点だけが異なっており、（実施の形態１）と比べて、バンプ部分とそれ以外のチップ部分の反りによる応力分布が均質になっている。つまり、四角形の場合、コーナー部分と辺の部分で応力に差があり、応力分布がひずんでいるため、長期の安定した接続ができない。本発明の同心円状の場合、円なので、円周辺の応力分布は均質である。

なお、（実施の形態２）〜（実施の形態４）においても、バンプ２ａ，２ｂを同心円状に配置することによって同様の効果を期待できる。
なお、同心円状に限定されず、対称性があり、応力分布が不均質にならなければよい。楕円であってもよい。同心円状の場合がもっともよい。

半導体チップの反りに伴うプリント配線基板との電気接続の信頼性を高めることができ、この半導体実装装置を搭載した各種電子機器の信頼性の向上を期待できる。

本発明の（実施の形態１）の半導体実装装置の側面図とＡ−Ａ断面図 本発明の（実施の形態２）の半導体実装装置の中央断面図とＢ−Ｂ断面図 本発明の（実施の形態３）の半導体実装装置の中央断面図とＣ−Ｃ断面図 本発明の（実施の形態４）の半導体実装装置の中央断面図とＤ−Ｄ断面図 本発明の（実施の形態５）の半導体実装装置の側面図とＥ−Ｅ断面図 従来例の半導体実装装置の側面図とＦ−Ｆ断面図 別の従来例の半導体実装装置の半導体チップの底面図

符号の説明

１ 半導体チップ
１ａ 半導体チップ１の基板
２ａ，２ｂ バンプ
３ プリント配線基板
４ａ，４ｂ 封止樹脂
５ 半導体チップ１の中央部
６ 半導体チップ１の外周部

Claims (7)

1. 半導体チップをプリント配線基板に実装した半導体実装装置であって、
   前記半導体チップの前記プリント配線基板との対向面の中央部に形成されたバンプだけで前記半導体チップと前記基板とを電気接続した
   半導体実装装置。
2. 前記半導体チップの前記プリント配線基板との対向面の中央部と前記プリント配線基板との間を封止樹脂で封止し、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部と前記基板との間を封止樹脂で封止していない
   請求項１記載の半導体実装装置。
3. 前記半導体チップの前記プリント配線基板との対向面の中央部と前記プリント配線基板との間を封止樹脂で封止し、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部と前記基板との間を前記封止樹脂よりも低いヤング率の封止樹脂で封止した
   請求項１記載の半導体実装装置。
4. 半導体チップを基板に実装した半導体実装装置であって、
   前記半導体チップの前記基板との対向面に形成されたバンプで前記半導体チップと前記基板とを電気接続するとともに、
   前記半導体チップの前記基板との対向面の中央部に形成されたバンプよりも、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部に形成されたバンプが低いヤング率に形成した
   半導体実装装置。
5. 前記半導体チップの前記プリント配線基板との対向面の中央部に形成されたバンプと、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部に形成されたバンプとが同一材料で形成され、半導体チップの前記中央部に形成されたバンプの径に比べて半導体チップの前記外周部に形成されたバンプの径を小さくした
   請求項４記載の半導体実装装置。
6. 半導体チップの前記中央部と前記プリント配線基板との間を封止樹脂で封止し、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部と前記プリント配線基板との間を封止樹脂で封止していない
   請求項４記載の半導体実装装置。
7. 半導体チップの前記中央部と前記プリント配線基板との間を封止樹脂で封止し、半導体チップの前記中央部を取り巻く外周部と前記プリント配線基板との間を前記封止樹脂よりも低いヤング率の封止樹脂で封止した
   請求項４記載の半導体実装装置。

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