JP2008171927A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】上面電極と金属ワイヤとの接合が剥離するのを防ぐことができる半導体装置を得る。
【解決手段】本発明に係る半導体装置は、配線基板と、配線基板上に搭載された半導体チップと、配線基板上に形成された上面電極と、一端が上面電極に接合され、他端が半導体チップに接合された金属ワイヤと、半導体チップ等を樹脂封止するトランスファモールド樹脂と、配線基板の下面であって、金属ワイヤが上面電極に接合された位置の真下に形成された下面電極と、配線基板の下面及び下面電極を覆うソルダーレジストとを有する。そして、配線基板の厚みは80μm以下であり、ソルダーレジストの表面段差の最大値は8μm以下である。
【選択図】図7

Description

本発明は、BGA(Ball Grid Array)構造の半導体装置に関し、特に上面電極と金属ワイヤとの接合が剥離するのを防ぐことができる半導体装置に関するものである。
BGA(Ball Grid Array)構造の半導体装置は、パッケージの実装面全体に端子を配置しているので、パッケージサイズを大きくせずに多ピン化を実現することができる。そのため、実装面積の縮小が要求される用途において急速に普及してきた。
このようなBGA構造の従来の半導体装置の製造工程について図面を用いて説明する。まず、一般的な手法により、図9に示す構造を製造する。この構造において、表面にソルダーレジスト2が形成された配線基板1上に、ダイボンド材3を介して半導体チップ4が搭載されている。そして、半導体チップ4上にダイボンド材5を介して半導体チップ6が積層されている。また、配線基板1の上面に上面電極7が形成されている。そして、上面電極7の表面に金メッキ8が形成されている。また、金属ワイヤ9の一端は上面電極7にステッチボンドされ、金属ワイヤ9の他端は半導体チップ4にボールボンドされている。一方、金属ワイヤ10の一端は上面電極7にボールボンドされ、金属ワイヤ10の他端は半導体チップ6にステッチボンドされている。そして、配線基板1の下面に下面電極12が形成され、この下面電極12上に半田ボール13が実装されている。また、配線基板1の下面であって、下面電極12が形成されていない領域に、ダミーパターンとして下面電極14が形成されている。そして、配線基板1の下面及び下面電極14は、保護膜としてソルダーレジスト15により覆われている。
次に、図10に示すように、モールド金型21の上金型と下金型の間に、配線基板を挟み込んだ状態で、その間に形成されるキャビティ22内に、半導体チップ4,6を実装した配線基板1を配置した状態でトランスファモールド樹脂11により樹脂封止を行う。その後、図11に示すように、下面電極12上に半田ボール13を実装する。
ここで、樹脂封止の際に、トランスファモールド樹脂11の射出圧が配線基板1及び半導体チップ4,6に上方から作用する。これに対し、ダミーパターンとして下面電極14を設けたことにより配線基板1が射出圧によって曲がるのを防いで、半導体チップ4,6が割れるのを防ぐことができる(例えば、特許文献1参照)。
また、配線基板1の上面に凹凸があると、半導体チップ4をダイボンドする際に均一に力がかからないため、チップが割れたり、局所的にフィルムの接着強度が低下したり空気層ができたりする。そして、接着強度が低下した箇所や空気層ができた箇所を起点に、実装時の熱ストレスで膨れ、クラックが進展しやすい。また、ワイヤボンディング時に、配線基板1の裏面が凹んでいると、中空でボンディングすることになるので接合性が低下する。これに対し、ダミーパターンとして下面電極14を設けることにより配線基板1が平坦化されるため、これらの問題を防ぐことができる。
特開2002−314003号公報
図9に示すように、下面電極14が突出しているため、ソルダーレジスト15の表面に段差が存在する。このため、図10に示すように、樹脂封止の際に、樹脂の注入圧力がかかることで配線基板全体が沈み込むため、下面電極14の真上にある配線基板1及び上面電極7が相対的に押上げられる。そして、金属ワイヤ10が上面電極7にボールボンドされた位置の真下に下面電極14が形成されている場合は、金属ワイヤ10のボール部分も押上げられる。
樹脂封止の後に押し上げる力が解放されると、配線基板1は下に戻ろうとするが、金属ワイヤ10のボール部分はトランスファモールド樹脂11に固定されため、金属ワイヤ10と上面電極7との接合を引き離そうとする力が加わる。そして、パッケージの薄型化の要求により配線基板1のコア材の総厚を80μm以下にした場合、ソルダーレジスト15の表面段差による押上げ効果が大きくなるため、図11に示すように、金属ワイヤ10と上面電極7との接合が剥離する場合があるという問題があった。また、配線基板1をモールド金型21から解放した段階では剥離が発生していない場合でも、その後の温度サイクル又は実装時の熱ストレスにより剥離が発生するという問題があった。
また、下面電極14はトランスファモールド樹脂11の射出圧によって配線基板1が曲がるのを防ぐことなどに用いられるダミーパターンであるため、下面電極14の形成位置の自由度は少ない。従って、上記のような剥離を防ぐために、金属ワイヤ10が上面電極7に接合された位置の真下に下面電極14が存在しないように調整することには限界があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は上面電極と金属ワイヤとの接合が剥離するのを防ぐことができる半導体装置を得るものである。
本発明の一実施例に係る半導体装置は、配線基板と、配線基板上に搭載された半導体チップと、配線基板上に形成された上面電極と、一端が上面電極に接合され、他端が半導体チップに接合された金属ワイヤと、半導体チップ、上面電極及び金属ワイヤを樹脂封止するトランスファモールド樹脂と、配線基板の下面であって、金属ワイヤが上面電極に接合された位置の真下に形成された下面電極と、配線基板の下面及び下面電極を覆うソルダーレジストとを有する。そして、配線基板のコア材の厚みは80μm以下であり、ソルダーレジストの表面段差の最大値は8μm以下である。
この実施例によれば、上面電極と金属ワイヤとの接合が剥離するのを防ぐことができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。表面にソルダーレジスト2が形成された配線基板1上に、ダイボンド材3を介して半導体チップ4が搭載されている。そして、半導体チップ4上にダイボンド材5を介して半導体チップ6が積層されている。
配線基板1の上面にCuからなる上面電極7が形成されている。そして、上面電極7の表面に金メッキ8が形成されている。また、金属ワイヤ9の一端は上面電極7にステッチボンドされ、金属ワイヤ9の他端は半導体チップ4にボールボンドされている。一方、金属ワイヤ10の一端は上面電極7にボールボンドされ、金属ワイヤ10の他端は半導体チップ6にステッチボンドされている。そして、トランスファモールド樹脂11により、半導体チップ4,6、上面電極7及び金属ワイヤ9,10は樹脂封止されている。
配線基板1の下面にCuからなる下面電極12が形成され、この下面電極12上に半田ボール13が実装されている。また、配線基板1の下面であって、金属ワイヤ10が上面電極7に接合された位置の真下に、Cuからなる下面電極14が形成されている。そして、配線基板1の下面及び下面電極14は、保護膜としてソルダーレジスト15により覆われている。
図2は、本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す上面図であり、図3は図2の半導体装置について上側から下面電極を透過した状態を示す上面図である。図3のA部分において、金属ワイヤ10が上面電極7に接合された位置と下面電極14の位置が重なっている。
図4は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の要部を拡大した上面図である。ソルダーレジスト2の開口部16において、配線基板1及び上面電極7が露出している。また、上面電極7と接続された配線基板表面配線17と、配線基板1の表面と裏面を繋ぐビア18が形成され、これらはソルダーレジスト2で覆われている。
図5は、図4の領域を透過して下部電極を見た図である。下面電極12,14が密な箇所では、塗布したソルダーレジスト2が硬化するまでの間に段差が生じ難い。一方、下面電極12,14が疎な箇所では、塗布したソルダーレジスト2が硬化するまでの間に引けて、段差が生じ易い。特に、MAPタイプの場合はパッケージ同士がくっついているので、隣り合うパッケージの下面電極12,14が疎な箇所が隣接すると、一段とソルダーレジスト2の引けは大きく、段差が生じ易い。下面電極14は、最も近接する他の下面電極までの最短距離が1mm以上開いている。このように、近接する配線パターンまでの距離が1mm以上離れている孤立配線パターンが、上面電極7のボールボンドする位置の真下にある場合に、前述のソルダーレジスト15の段差が特に生じやすい。このような場合、ボール剥離に対する対策は、最も重要になる。
図6は、図4と図5を重ね合わせた図である。図6のA部分では、金属ワイヤ9が上面電極7にステッチボンドされている。ステッチボンドは圧着により金属ワイヤ9が変形するような強い結合であるため、A部分では金属ワイヤ9と上面電極7との接合が剥離し難い。
図6のB部分では、金属ワイヤ10が上面電極7にボールボンドされ、その真下に下面電極14が形成されている。この金属ワイヤ10のボール部分はトランスファモールド樹脂11に強く拘束される。そして、ステッチボンドに比べて、ボールボンドの方が上面電極7との接合が弱い。また、B部分において下面電極14は、1つのワイヤボンディングの真下にあり、隣接するワイヤボンディングの真下には無いような小島状のパターンである。特に、本実施の形態においては、下面電極14は、最も近接する下面電極までの距離が1mmである孤立パターンである。従って、下面電極14による段差の影響が大きいため、金属ワイヤ10と上面電極7との接合が剥離し易い。
図6のC部分では、金属ワイヤ10が上面電極7にボールボンドされているが、その真下に下面電極14が形成されていない。従って、C部分では剥離は発生し難い。また、図6のD部分では、金属ワイヤ10が上面電極7にボールボンドされ、その真下に下面電極12が形成されている。しかし、D部分において下面電極12は複数の隣接するワイヤボンディングの真下に延在している。従って、下面電極12による段差が生じ難いため、D部分では剥離は発生し難い。
図7は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の要部を拡大した断面図である。図示のように、下面電極14の厚みは18〜25μmであり、配線基板1のコア材の厚みは80μm以下である。本実施の形態においては、コア材はガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させた部材で構成される。また、コア材を複数層重ねて使用する場合は、それら複数層のコア材の総厚として、コア材の厚みを定義する。コア材の厚みが80μm以下になると、配線基板の剛性の確保が難しくなる。このような場合、配線基板裏面に大きな凹凸があると、図10に示す樹脂封止時の配線基板の変形を回避することが難しくなる。そして、本実施の形態では、ソルダーレジスト15の表面段差の最大値を8μm以下としている。また、表面段差を8μm以下にするために、ソルダーレジスト15の厚みを25μm以上として、下面電極14よりも厚くしている。これにより、ソルダーレジスト15表面の凹凸を小さくすることができ、上面電極7と金属ワイヤ10との接合が剥離するのを防ぐことができる。これについて以下に説明する。
図8は、ソルダーレジストの厚み及び表面段差を変えて、リフロー後に半導体装置が良品であるか否かを調べた実験結果を示す図である。この実験結果より、ソルダーレジスト15の厚みが25μm以上の場合、ソルダーレジスト15の表面段差は8μm以下となり、この場合に不良品は発生しないことが分かった。
ここで、上面電極7の表面に金メッキ8が形成されているが、金メッキ8はトランスファモールド樹脂11との密着性が悪い。従って、金メッキ8が形成されていると剥離が生じ易くなるため、本発明の重要性が増す。
また、配線基板1のコア材として、前述の通り、ガラスクロスにエポキシエポキシ樹脂を含浸・乾燥させたプリプレグを複数枚積層して一体に成形したガラスエポキシを用いることができる。ただし、配線基板の材質は、ガラスエポキシ以外にも、ポリイミド又はBTレジンでもよい。
本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す上面図である。 図2の半導体装置について上側から下面電極を透過した状態を示す上面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の要部を拡大した上面図である。 図4の領域を透過して下部電極を見た図である。 図4と図5を重ね合わせた図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の要部を拡大した断面図である。 ソルダーレジストの厚み及び表面段差を変えて、リフロー後に半導体装置が良品であるか否かを調べた実験結果を示す図である。 従来の半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。 従来の半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。 従来の半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。
符号の説明
1 配線基板
2 ソルダーレジスト
6 半導体チップ
7 上面電極
8 金メッキ
10 金属ワイヤ
11 トランスファモールド樹脂
14 下面電極
15 ソルダーレジスト

Claims (6)

  1. 配線基板と、
    前記配線基板上に搭載された半導体チップと、
    前記配線基板の上面に形成された上面電極と、
    一端が前記上面電極に接合され、他端が前記半導体チップに接合された金属ワイヤと、
    前記半導体チップ、前記上面電極及び前記金属ワイヤを樹脂封止するトランスファモールド樹脂と、
    前記配線基板の下面であって、前記金属ワイヤが前記上面電極に接合された位置の真下に形成された下面電極と、
    前記配線基板の下面及び前記下面電極を覆うソルダーレジストとを有し、
    前記配線基板のコア材の厚みは80μm以下であり、前記ソルダーレジストの表面段差の最大値は8μm以下であることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ソルダーレジストは、前記下面電極よりも厚いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記ソルダーレジストの厚みは25μm以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. 前記金属ワイヤは、一端が前記上面電極にボールボンドされ、他端が前記半導体チップにステッチボンドされていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置。
  5. 前記上面電極の表面は金メッキが形成されていることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体装置。
  6. 前記配線基板の材質は、ガラスエポキシ、ポリイミド又はBTレジンであることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体装置。
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