JP2008166363A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】配線パターンとの交差部における封止樹脂の流れ出しを抑制する。
【解決手段】半導体チップ１１２と、半導体チップを搭載するとともに、半導体チップに接続される配線パターン１０３及びソルダーレジスト１０９が形成された基板と、半導体チップを封止する封止樹脂１１４とを有し、ソルダーレジストパターン１０９は、半導体チップの搭載領域と、半導体チップと配線パターンとの接続部とが配置されるように開口されるとともに、外周端部が前記封止樹脂の流れ止めとなるように搭載領域と接続部との外周を包囲し、配線パターンはソルダーレジストパターンと交差してなる半導体モジュールにおいて、ソルダーレジストパターンの外周側に、ソルダーレジストパターンの外周に沿って配線パターンから延びた配線パターン延在部が設けられており、ソルダーレジストパターンの外周端部及び配線パターン延在部の外周端部まで封止樹脂が充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に装着された半導体チップを封止樹脂により封止するようにした半導体モジュールに関する。より詳しくは、封止樹脂で封止する際に、基板の所定領域から流れ出してしまう現象を防止する為の防止構造を有する半導体モジュールに関する。

近年、電子機器の薄型化、小型化に伴い、それを構成する半導体モジュールにおいても、軽量化、薄型化へのニーズが非常に高まっている。これらの要求を実現する為の半導体モジュール実装方法の一つとしては、ＣＯＢ(Chip On Board)実装が挙げられ、既に多分野で実用化されているのは承知の通りである。

一般に、ＣＯＢ型の半導体モジュールは、配線パターンが形成された基板上に半導体チップを搭載固定した後に、半導体チップと配線パターンとを接続した後、半導体チップと金ワイヤー及びボンディング接続部を完全に覆うように封止樹脂で封止保護した構造をとる。半導体チップと配線パターンとの接続は例えば、金ワイヤー等によるワイヤーボンディングにより行われる。

封止樹脂としては、細部までを完全に封止する目的に加えて、ディスペンサー方式や印刷方式のような量産性の高い生産方法をとる目的から、一般的にはエポキシ樹脂等の流動性のある封止樹脂が使用されている。

しかしながら、エポキシ樹脂のような流動性のある封止樹脂を使用した場合には、封止樹脂が意図しない領域まで流れ出てしまい、一定領域内に樹脂範囲を形成できないといったデメリットも持ち合わせている。その結果、更なる小型化を阻害する要因となっていた。

上記問題点を解決する手段としては、過去に数々の提案がなされている。例えば、チップ周囲にシルクダムを形成して堤防を設ける方法や、型枠を設けて樹脂を流し込んだ後に樹脂を硬化して型枠を除去する方法や、基板表面にコートされているソルダーレジストで土手形状のパターンを形成して堰き止め構造とする方法などが周知である。

中でも、ソルダーレジストによる方法は、新たに追加されるコスト要素が無く、基板製造工程で簡易に形成できることから非常に有効な手段であり、例えば、特許文献１にその構造が開示されている。

図７に、特許文献１で開示されている樹脂堰き止め構造を有する半導体モジュールの模式的概略図を示しており、図７（ａ）に平面図、図７（ｂ）にＡ−Ａ´断面図を示している。

半導体モジュールは、基板６０１と、基板の所定位置に搭載された半導体チップ６０７と、半導体チップと基板上の配線パターン６０３とを接続するボンディングワイヤー６０８と、半導体チップ及びボンディングワイヤーを封止する封止樹脂６０９から構成される。

ここで基板６０１は、絶縁基板６０２とその上の配線パターン６０３とからなり、配線パターンの上面にはソルダーレジスト６０４が形成されている。さらにソルダーレジスト６０４においては、半導体チップ及び半導体チップと配線パターン６０３との接続部を取り囲むように設けられたソルダーレジスト環状部６０５と、その内側及び外側領域にソルダーレジスト除去部６０６が設けられている。すなわち、ソルダーレジスト除去部を設けていることによって、ソルダーレジスト環状部の外周端部に段差が形成され、その段差部に生じる表面張力によって、封止樹脂の流れ出しを防止する構造となっている。

また特許文献２には配線パターンで封止樹脂の堰き止めを行う構成が開示されている。
特許第３３９１６７６号公報 特開２００４−３２７８５１号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている構成及び製造方法においては、配線パターンとソルダーレジスト環状部が交差している部分およびその近傍においては、交差部分から封止樹脂が流れ出しやすいという問題を生じていた。

本発明者は上記課題を解決するために鋭意研究開発を重ねた結果、以下のような封止樹脂流れ防止構造を有する半導体モジュールを見出した。

すなわち、本発明の半導体モジュールは、少なくとも、半導体チップと、該半導体チップを搭載するとともに、前記半導体チップに接続される配線パターン及びソルダーレジストが形成された基板と、前記半導体チップを封止する封止樹脂とを有し、
前記ソルダーレジストパターンは、前記半導体チップの搭載領域と、前記半導体チップと前記配線パターンとの接続部とが配置されるように開口されるとともに、外周端部が前記封止樹脂の流れ止めとなるように前記搭載領域と前記接続部との外周を包囲し、
前記配線パターンは前記ソルダーレジストパターンと交差してなる半導体モジュールにおいて、
前記ソルダーレジストパターンの外周側に、前記ソルダーレジストパターンの外周に沿って前記配線パターンから延びた配線パターン延在部を設け、
前記ソルダーレジストパターンの外周端部及び前記配線パターン延在部の外周端部まで前記封止樹脂を充填したことを特徴とする。

なお、本願において「配線パターン延在部」とは、配線パターンから延ばした線状部分をいい、線状部分に切れ目が入っているものも含む。

本発明の半導体モジュールによれば、封止樹脂の流れ出しを確実に防止することができ、製造安定性に優れ、低コストでかつ高歩留りの半導体モジュールを提供することが可能となる。

本発明の実施形態の説明に先立って、本発明に至る経緯について説明する。

図７の構成において、配線パターンとソルダーレジストパターンが交差している部分およびその近傍において封止樹脂が流れ出しやすい原因は必ずしも明らかではないが次のように考えることができる。

ここで、図８に配線パターンとソルダーレジストパターンが交差している部分およびその近傍を示す。また図９（ａ）〜図９（ｃ）はそれぞれ図８のＸ１−Ｘ１線の断面図、図８のＸ２−Ｘ２線の断面図、図８のＸ３−Ｘ３線の断面図を示す。

ソルダーレジスト皮膜は通常２０μm〜５０μm程度の厚みで形成される。その為、図９（ａ）に示すように、ソルダーレジストパターンとソルダーレジスト除去部に形成される段差は、当然のことながら２０μm〜５０μm程度の段差を有しており、封止樹脂の流れを防止するのに必要な表面張力を働かせる段差としては充分なものと考えられる。

しかしながら、図７中Ｂ部及び図８で示すような、配線パターンとソルダーレジストパターンが交差している部分においては、配線パターン自体が通常２０〜５０μｍ程度の厚みを有している。その為に、図９（ｃ）に示すように、ソルダーレジストのレベリング性により、配線パターン上にはソルダーレジストが薄い膜厚でしか形成されないという現象が生じる。また、通常の場合、ワイヤーのボンディング性を良好なものとする為に、形成したソルダーレジストをマスクとして配線パターン上に金メッキ皮膜を形成する工程があり、その場合、配線パターン上ではソルダーレジストの段差がさらにできにくい状況が発生する。このように配線パターン上でソルダーレジストによる段差ができにくい場合に、表面張力が働きにくいことに起因して、交差部分から封止樹脂が流れ出してしまうものと考えられる。

この現象は配線パターンとソルダーレジストパターンが交差している部分の近傍でも同様であり、交差部の影響を受けて交差部に近づくほど図８（ｂ）に示すように段差が良好にできにくい。

結果的に図８に示すように、配線パターンとソルダーレジスト環状部が交差している部分およびその近傍において段差が生じにくい領域があり、この領域では表面張力が働きにくいものと考えられる。このように、交差部分に加えて、交差部分の近傍も段差ができにくく、表面張力が働きにくいために封止樹脂が流れ出してしまうものと考えられる。

本発明者らは、配線パターンから延長した配線パターン延在部を設けることで、ソルダーレジストよりも外側で封止樹脂が堰き止められ、流れ出しを抑制できることを見出した。これは、ソルダーレジストよりも外周側の配線パターン延在部の外周端部で段差が形成されるので、この段差で表面張力が働き、封止樹脂の流れ出しを抑制できるからである。

以下、本発明の一実施形態による半導体モジュールの構成について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１〜図４を用いて、本発明の第１の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態を示す半導体モジュールの平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ´断面図を示している。

基板１０１は、例えばガラスエポキシ樹脂等に代表される絶縁基板１０２と、その上に形成された配線パターン１０３から構成されるものである。

配線パターン１０３は、後述する環状のソルダーレジストパターンの内側に形成された内部端子１０４と、環状のソルダーレジストパターンの外側に形成された外部端子１０５とを電気的に接続する配線である。内部端子１０４は、より具体的には、ワイヤーボンディング部１１０やダイパッド部１１１である。本実施形態では、外部端子１０５は、断面図で示されるように基板の裏面側に形成されており、スルーホール１０６を介して内部端子１０４と接続されている。

内部端子１０４、外部端子１０５、配線パターン１０３は、例えば銅部材の上にニッケルメッキを施し、さらに金メッキを施したものが好適であるが、特に材料はこれに限定されるものでは無い。また、内部端子１０４、外部端子１０５、配線パターン１０３の厚みは、２０〜１００μｍ程度の厚みのものが好適に用いられる。

配線パターン１０３の上には、配線パターンを外的要因から保護する為のソルダーレジスト１０７が設けられている。ソルダーレジスト１０７は、一旦基板全面に形成した後にフォトマスクを使用してパターニングする方法や、所望パターンを有する印刷マスクを用いて直接基板に印刷パターニングをする方法などにより、所望パターンのソルダーレジスト層を形成可能である。

図中１０８で示される領域はソルダーレジストが形成されていない領域であり、図中１０９の部分は環状のソルダーレジストパターンである。ソルダーレジストパターン１０９は上記方法によりソルダーレジスト１０７と同時に形成される。

ここで環状とは円形状の他に、円形に近い形状や、四角形以上の多角形状も含まれる。また、完全に閉じた構造であることが好ましいが、完全に閉じた構造でなくても、後述の封止樹脂の流れ出しに問題の無い範囲で細い開口部（切り目）があっても何等問題の無いものである。しかしながら、樹脂の表面張力が最も安定的に働くことによって封止樹脂の流れ出し防止に効果的な形状としては、閉じた円形状がソルダーレジストパターンとして、より好ましい。

ソルダーレジストパターンは必ずしも環状である必要はない。すなわち、半導体チップの搭載領域と、半導体チップと配線パターンとの接続部とが配置されるように開口されるとともに、外周端部が封止樹脂の流れ止めとなるように、搭載領域と接続部との外周を包囲していれば、その形状は問わない。

また環状には、内周の形状と外周の形状が一致しないものも含まれ、例えば、内周が四角形状や楕円形状で、外周が円形であってもよい。この場合外周の形状は円形状が好ましいが、必ずしも円形状でなくてもよい。また、環状とは一般的には内周と外周とが同心な形状が考えられるが、本願においては内周と外周とが同心でない形状も含まれる。

ソルダーレジストの厚みとしては、１０〜１２０μｍ程度が好適に用いられる。

上述のような方法でソルダーレジストが形成された基板上では、ダイパッド部１１１の上に半導体チップ１１２が接続され、さらにはボンディングワイヤー１１３よって半導体チップ１１２と内部端子１０４とが接続される。その後、封止樹脂１１４によって、半導体チップ１１２及びボンディングワイヤー１１３、内部端子のボンディングワイヤー接続部を覆うように樹脂封止が行われる。

封止樹脂１１４の材料としては、例えばエポキシ樹脂等の流動性に優れた樹脂が好適に使用されるが限定されるものでは無い。また封止の方法としては、例えば、ディスペンサー法や、印刷法が好適に用いられる。

ディスペンサー法の場合には、例えば半導体チップ１１２の直上から、ニードル針を用いて所定量の樹脂を滴下する方法が用いられる。この時に、樹脂は滴下直後から外側方向に向かって拡がっていくが、環状のソルダーレジストパターン１０９の外側エッジがほぼ直角段差に形成されている為に、封止樹脂の表面張力により、封止樹脂の流れ出しを防止することが可能である。

印刷法の場合には、例えば環状のソルダーレジストパターン１０９よりも幾分狭い面積の開口部を有する印刷マスクを利用して印刷する方法が用いられる。その場合もディスペンサー法と同様に樹脂が広がっていくが、同様の原理によって、環状のソルダーレジストパターン１０９の部分で封止樹脂の流れ出しを防止することが可能である。

次に、環状のソルダーレジストパターンと配線パターンの交差部及びその近傍での樹脂の流れ出し防止性について詳述する。本実施形態は、環状のソルダーレジストパターンと配線パターンの交差部近傍に、環状のソルダーレジストパターンの外周に沿って、配線パターン延在部を設けており、図１中では、Ｘ部、Ｙ部、Ｚ部が該当する領域である。

図２は図１のＸ部の拡大図、図３（ａ）は図２中Ｌ−Ｌ´部の断面図、図３（ｂ）は図２中Ｍ−Ｍ´断面図を示している。

図２中、２０１は配線パターン延在部であり、環状のソルダーレジストパターン２０２の外周側で、ソルダーレジストパターン２０２の外周に沿って設けられている羽根のような線分部分を指している。

配線パターン延在部２０１は環状のソルダーレジストパターンと重なりながら外周に沿っており、すなわち、線分の一部領域は環状のソルダーレジストパターンの下に潜り込み、残りの線分の一部は潜り込んでいない形状をとる。配線パターン延在部２０１の長さや幅に対しては特に限定は無い。ただし、ソルダーレジストパターン外周側に設けられた配線パターン延在部の外周端部の長さ、言い換えれば、ソルダーレジストパターンと重ならない、配線パターン延在部の外周端部の長さ（Ｗ１）は配線パターンの幅（Ｗ）以上（Ｗ１≧Ｗ）が望ましい。図７に示す交差部近傍で段差が生じにくい領域（図８（ｂ）の断面を有する領域）は封止樹脂の材料にもよるが、配線パターンの幅（Ｗ）程度であると考えられる。よって、Ｗ１≧Ｗとなるように、配線パターン延在部のソルダーレジストパターンと重ならない部分の長さ（Ｗ１）を設定すれば、交差部およびその近傍の段差が生じにくい領域から封止樹脂が流出しても、流出した封止樹脂を堰き止めることができる。

また、封止樹脂の表面張力が保持できる範囲内で、配線パターン延在部２０１たる線分が分断されていても（切れ目が入っていても）特に問題は無いものである。しかしながら、封止樹脂の流れ止め防止性を良くする為には、延在部は表面張力の関係から円弧状の線分からなることが好ましい。また、その線分の先端は環状のソルダーレジストパターンの下に潜り込む形状が好適である。また、さらには、配線パターン延在部が円弧状の線分からなる場合には、環状のソルダーレジストパターンよりも曲率半径は小さくて、かつ、環状のソルダーレジストパターンの曲率半径に近い形状に形成してあることが好適である。

このような形状とすることで、配線パターン上のソルダーレジスト部分から樹脂漏れが生じた場合においても、延在部の円弧パターンの段差で表面張力が働く為、封止樹脂を堰き止めることが可能である。また、曲率半径を小さくすることによっては、前記先端が潜り込む形状を容易に形成することができる。また、曲率半径が環状のソルダーレジストパターンと近いことによって、図中Ｎで示すような配線パターン延在部の外周端部が環状のソルダーレジストパターン外周端部と交わる部分が浅い角度（鋭角形状）となる。このように鋭角形状となることで、樹脂に極端な表面張力がかかることが無くなる為、流れ防止性を向上することが可能である。

図３（ａ）には、図２のＬ−Ｌ´断面において樹脂が堰き止められている様子の模式的概略図を示す。図３（ｂ）には、図２のＭ−Ｍ´断面において樹脂が堰き止められている様子の模式的概略図を示す。また、図３（ｃ）には図２のＰ−Ｐ断面における（交差部の断面）の模式的断面図を示している。

図３（ａ）の場合には、配線パターン延在部による段差がしっかりと形成されており、また、図３（ｂ）の場合には、環状のソルダーレジストパターンによる段差がしっかりと形成されている為、封止樹脂の流れ止めを充分防止することが可能である。そして、ソルダーレジストパターンの外周端部及び配線パターン延在部の外周端部まで封止樹脂を充填することができる。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態においては、環状のソルダーレジストパターンを多重に設けた例として、２重構造としたことが第１の実施の形態とは異なっており、他は第１の実施の形態と同様である。

図４は本発明の第２の実施の形態を示す半導体モジュールの平面図である。

図４中、４０１は一重目の環状のソルダーレジストパターン、４０３は一重目のソルダーレジストパターンの外周に沿って設けられた配線パターン延在部を示しており、形状等は第１の実施の形態と同様のものが適用できる。

また、４０２は二重目の環状のソルダーレジストパターン、４０４は二重目のソルダーレジストパターンの外周に沿って設けられた配線パターン延在部であり、こちらも同様である。
このような二重構造とすることで土手を二重とすることができる為、流れ防止確率をさらに向上させることが可能であり、歩留向上に好適である。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態においては、配線パターン延在部の一部に切れ目（スリット）が入っていることが第１の実施の形態とは異なっており、他は第１の実施の形態と同様である。

図５は本発明の第３の実施の形態を示す配線パターン延在部の概略図である。

図５中、５０１は配線パターン延在部、５０２は環状のソルダーレジストパターン、５０３は配線パターンを示している。また、５０４は配線パターン延在部の切れ目を示している。配線パターン延在部の切れ目としては、封止樹脂の表面張力が保持できる範囲内で、例えば１００〜５００μｍ幅程度の切れ目が入っていても、同様の効果を得ることが可能である。配線パターン延在部５０１の長さや幅に対しては特に限定は無い。ただし、ソルダーレジストパターン外周側に設けられた配線パターン延在部の外周端部の長さ、言い換えれば、ソルダーレジストパターンと重ならない、配線パターン延在部の外周端部の長さ（Ｗ２＋Ｗ３）は配線パターンの幅（Ｗ）以上（（Ｗ２＋Ｗ３）≧Ｗ）が望ましい。図７に示す交差部近傍で段差が生じにくい領域（図８（ｂ）の断面を有する領域）は封止樹脂の材料にもよるが、大きくとも配線パターンの幅（Ｗ）程度であると考えられる。よって、（Ｗ２＋Ｗ３）≧Ｗとなるように、配線パターン延在部のソルダーレジストパターンと重ならない部分の長さ（Ｗ２＋Ｗ３）を設定すれば、交差部およびその近傍の段差が生じにくい領域から封止樹脂が流出しても、その封止樹脂を堰き止めることができる。

なお、以上説明した各実施形態では、配線パターン延在部がソルダーレジストパターンの下に潜り込んだ形状について説明した。しかしながら、本発明の技術的思想によれば、ソルダーレジストパターンよりも外周側の配線パターン延在部の外周端部で段差が形成されればよいので、図６に示すように、配線パターン延在部２０１がソルダーレジストパターン２０２の下に潜り込まなくてもよい。

また、各実施形態では、配線パターン延在部は配線パターンの両側に設けた例について説明したが、配線パターン延在部を片側に設けても、その片側において封止樹脂を堰き止める効果を得ることができる。

封止樹脂で封止する際に、基板の所定領域から流れ出してしまう現象を防止する為の防止構造を有する半導体モジュールに用いられる。

本発明を適用できる第１の実施の形態を示す概略図である。 本発明を適用できる配線パターン延在部を示す概略図である。 本発明を適用できる第１の実施の形態の流れ防止を示す断面概略図である。 本発明を適用できる第２の実施の形態を示す概略図である。 本発明を適用できる第３の実施の形態を示す配線パターン延在部の概略図である。 本発明を適用できる他の形態を示す配線パターン延在部の概略図である。 本発明の従来例を示す概略図である。 配線パターンとソルダーレジスト環状部が交差している部分から封止樹脂が流れ出しやすい理由を説明する図である。 配線パターンとソルダーレジスト環状部が交差している部分から封止樹脂が流れ出しやすい理由を説明する断面図である。

符号の説明

１０１、３０１、６０１ 基板
１０２、６０２ 絶縁基板
１０３、２０３、５０３、６０３ 配線パターン
１０４ 内部端子
１０５ 外部端子
１０６ スルーホール
１０７、３０４、６０４ ソルダーレジスト
１０８、６０６ ソルダーレジスト除去部
１０９、２０２、３０３、４０１、４０２、５０２ 環状のソルダーレジストパターン
１１０ ワイヤーボンディング部
１１１ ダイパッド部
１１２、６０７ 半導体チップ
１１３、６０８ ボンディングワイヤー
１１４、３０５、６０９ 封止樹脂
２０１、３０２、４０３、４０４、５０１ 配線パターン延在部
５０４ 配線パターン延在部の切れ目
６０５ ソルダーレジスト環状部

Claims (6)

1. 少なくとも、半導体チップと、該半導体チップを搭載するとともに、前記半導体チップに接続される配線パターン及びソルダーレジストが形成された基板と、前記半導体チップを封止する封止樹脂とを有し、
   前記ソルダーレジストパターンは、前記半導体チップの搭載領域と、前記半導体チップと前記配線パターンとの接続部とが開口内に配置されるように開口されるとともに、外周端部が前記封止樹脂の流れ止めとなるように前記搭載領域と前記接続部との外周を包囲し、
   前記配線パターンは前記ソルダーレジストパターンと交差してなる半導体モジュールにおいて、
   前記ソルダーレジストパターンの外周側に、前記ソルダーレジストパターンの外周に沿って前記配線パターンから延びた配線パターン延在部を設け、
   前記ソルダーレジストパターンの外周端部及び前記配線パターン延在部の外周端部まで前記封止樹脂を充填したことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記ソルダーレジストパターンが、環状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
3. 前記環状のソルダーレジストパターンが、多重に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体モジュール。
4. 前記配線パターン延在部が円弧状に形成されており、前記配線パターン延在部の円弧の曲率半径は、前記環状のソルダーレジストパターンの曲率半径よりも小さく形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体モジュール。
5. ソルダーレジストパターン外周側に設けられた前記配線パターン延在部の外周端部の長さが前記配線パターンの幅以上である請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
6. 前記配線パターン延在部は前記配線パターンの両側に設けられている請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。