JP2008211126A - 半導体モジュールおよびカード型情報装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を高密度に実装するとともに、信頼性に優れた半導体モジュールおよびカード型情報装置を提供すること。
【解決手段】接続端子１０６が設けられた複数の半導体素子１０４ａ〜１０４ｄと、接続端子１０６に接続され半導体素子１０４ａ〜１０４ｄの信号を取り出す取り出し電極１０８が設けられた基板１０２とを備え、それぞれの半導体素子１０４ａ〜１０４ｄが基板１０２に積層された半導体モジュール１００であって、接続端子１０６は半導体素子１０４ａ〜１０４ｄの一端のみに設けられた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を高密度に実装する半導体モジュールおよびカード型情報装置に関する。

電子機器の小型化に伴い、半導体素子を高密度に実装して一つのパッケージである基板に収納する半導体モジュールが必要とされてきている。またカード型情報装置は、その平面的な大きさや厚みが規格により決まっている場合が多く、高機能な情報装置とするためには決められた空間内により多くの半導体素子を実装する必要がある。

ここで半導体素子を高密度に実装する方法として、基板の厚み方向に半導体素子を積層する方が、一平面内に多数の半導体素子を実装する場合に比べ、実装面積をそれほど大きくすることなく高密度な実装が可能となる。

図１１は、このような基板の厚み方向に半導体素子を積層した従来例である特許文献１のパッケージの断面図である。図１１に示すように、パッケージ本体２０はキャビティ２２が階段状に形成されている。そして、キャビティ２２の各段部に設けられた接続電極２４ｂと半導体チップ１０とがフリップチップ接合されている。

このようなフリップチップ接合により、キャビティ２２の底部側から開口部側に向けて大型となる半導体チップ１０が搭載され、高集積化された半導体装置になることが示されている。
特開２００４−２２８１１７号公報

このように特許文献１では、それぞれの半導体チップ１０のバンプ１０ｂとキャビティ２２の各段部に設けられた接続電極２４ｂとがフリップチップ接合されている。そのため半導体チップ１０が、例えば方形であれば、少なくとも両端の２辺が接合、固定されていることになる。

一方、このような半導体チップ１０などの半導体素子を実装した半導体モジュールは、カード型情報装置などの情報機器に内蔵される場合も多い。カード型情報装置は、デジタルカメラやビデオカメラなどに挿入して使用されるが、この挿入時や取り出し時に指で過大に押圧されたり、落下による衝撃を受けることも多い。

特許文献１のような少なくとも両端が固定された半導体チップ１０が、上述の押圧による荷重や衝撃を受けて、ねじりや曲げモーメントが加わると、半導体チップ１０とパッケージ本体２０との接続部にひびや破断を起こして損傷しやすいという課題があった。

本発明は上記の課題を解決するもので、半導体素子を高密度に実装するとともに、信頼性に優れた半導体モジュールおよびカード型情報装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明は、接続端子が設けられた複数の半導体素子と、接続端子に接続され半導体素子の信号を取り出す取り出し電極が設けられた基板とを備え、それぞれの半導体素子が基板に積層された半導体モジュールであって、接続端子は半導体素子の一端のみに設けられた構成とする。

このような構成の半導体モジュールは半導体素子を高密度に実装できるとともに、半導体素子の一端のみが基板と接続されているため、半導体素子が押圧されてねじりや曲げモーメントが加わっても、半導体素子の他端の自由端により、ねじりや曲げモーメントが緩和される。そのため、半導体素子と基板とが接続された接続部に加わる応力も小さくなり、接続部の損傷を起こしにくい信頼性の高い半導体モジュールを提供できる。

また本発明の半導体モジュールの基板は平板形状であり、それぞれの半導体素子は基板と基板からの高さを異ならせるボールバンプ接続をしてもよい。

このような半導体モジュールは、平板形状の基板と半導体素子とをボールバンプ接続するためシンプルな構成で、容易に半導体素子を高密度に実装できる構成となる。また半導体素子が積層される高さは、ボールバンプの大きさにより簡単に変えることができる。

また本発明の半導体モジュールの基板は、半導体素子を積層するための段部が設けられた形状としてもよい。

このような形状の基板とすると、半導体素子とバンプ接続もできるし、異方性導電フィルムなどを用いた圧接接合もでき、接続方法の選択が拡がる。また段部により、基板と半導体素子との接続間距離が小さくなるので、接続間距離のバラツキも小さくなり接続箇所の信頼性を高めることができる。

また本発明の半導体モジュールの基板は、半導体素子を囲む枠体を備えてもよい。

このような枠体を備えることで、半導体モジュールに加えられるねじりや曲げモーメントに対する変形や衝撃に対する信頼性を高めることができる。

また本発明の半導体モジュールの積層する半導体素子間に緩衝シートが配置されたまたは封止樹脂が充填されてもよい。

このような緩衝シートまたは封止樹脂により、半導体モジュールに加えられる衝撃やねじり、曲げモーメントを緩和して半導体モジュールとしての信頼性を高めることができる。

また本発明の半導体モジュールの半導体素子は、メモリチップとしてもよい。

さらに本発明のカード型情報装置は、上述の半導体モジュールに外部端子に接続する外部接続端子を設けたメモリモジュール基板と、半導体素子を制御する回路制御素子と、メモリモジュール基板および回路制御素子を内包する筐体とを備えた構成とする。

このような構成のカード型情報装置は、半導体素子の一端のみが接続され、他端は自由端となっている。そのため半導体素子に外部から荷重が加わっても、自由端により荷重によるねじりや曲げモーメントが緩和され、半導体素子と基板との接続部の損傷を起こしにくい信頼性の高いカード型情報装置を提供することができる。

本発明によれば、半導体素子を高密度に実装でき、外部から荷重が加わっても半導体素子と基板との接続部に加わるねじりや曲げモーメントが緩和され、信頼性が高い半導体モジュールおよびカード型情報装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態による半導体モジュールおよびカード型情報装置について図面を用いて説明する。また本発明の実施の形態では、半導体モジュールとしてメモリチップを搭載したメモリモジュール基板を例に説明する。

（第１の実施の形態）
図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態のメモリモジュール基板の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ_１−Ａ_２−Ａ_３−Ａ_４−Ａ_５−Ａ_６線断面図である。メモリモジュール基板１００は、例えばガラスエポキシ積層板の基板１０２と、４個の半導体素子のメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄとで構成されている。

そしてそれぞれのメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄの一端には、接続端子１０６が設けられている。また基板１０２には、取り出し電極１０８が設けられて接続端子１０６と接続され、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄの信号を取り出している。

ここで接続端子１０６と取り出し電極１０８とは、ボールバンプ接続されている。例えば、メモリチップ１０４ａは径の大きい銅（Ｃｕ）ボール１１０ａを、メモリチップ１０４ｄは径の小さい銅（Ｃｕ）ボール１１０ｄを介してクリームはんだ１１２ａ、１１２ｄにより接続端子１０６と取り出し電極１０８とが接続されている。すなわち図１（ｂ）に示すように、基板１０２からメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄの高さを異ならせるように、銅（Ｃｕ）ボール１１０ａ〜１１０ｄの大きさを変えている。

なお図１では、それぞれのメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄの接続端子１０６を２個ずつ描いてあるだけで、実際の個数より少ない。これは、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄの数ｍｍの平面寸法と、数十μｍの厚みおよび間隔とを縮尺を変えて同一紙面で示すため、銅（Ｃｕ）ボール１１０ａ〜１１０ｄの径を実際より大きく描いているからである。以降の図面においても、接続端子を２個しか描いていないのは同様の理由による。

このようなメモリモジュール基板１００は、平板形状の基板１０２とメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄとをボールバンプ接続するためシンプルな構成で、容易にメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄを高密度に実装できる構成となる。またメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄが積層される高さは、ボールバンプ、すなわち銅（Ｃｕ）ボール１１０ａ〜１１０ｄの大きさにより簡単に変えることができる。

次に、このような構成のメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄがねじりや曲げのモーメントに対して強い理由を説明する。図２（ａ）は図１のメモリモジュール基板に荷重が加わりメモリチップにねじりモーメントが発生したときの説明図、図２（ｂ）は同メモリモジュール基板に荷重が加わり基板に曲げモーメントが発生したときの説明図である。

図２（ａ）に示すように、メモリチップ１０４ａに上下から荷重が加わるとメモリチップ１０４ａをねじようとするねじりモーメントが働く。また図２（ｂ）に示すように、メモリチップ１０４ａに下方から荷重が加わるとメモリチップ１０４ａを上方に曲げようとする曲げモーメントが働く。

メモリチップ１０４ａは、その一端の接続部１１４により基板１０２と接続されている。ここで接続部１１４とは、メモリチップ１０４ａの接続端子１０６と基板１０２の取り出し電極１０８とが銅（Ｃｕ）ボール１１０ａなどを介して接続されている部分である。

このような一端のみが接続部１１４で接続、固定されているメモリチップ１０４ａに、上述のねじりや曲げのモーメントが働いても、他端１１６が自由端であるため、この自由端によりねじりや曲げのモーメントが緩和される。従来のように他端１１６も接続、固定されている場合、メモリチップにねじりや曲げのモーメントが働くと、両端の接続、固定されている部分に大きな力が働く。しかし、他端１１６が自由端であると、この自由端でねじりや曲げのモーメントが部分的に開放されるため、接続部１１４に働く力が緩和され、接続部１１４が破断などの損傷を起こすことは少なくなる。

次に図３は、本発明の第１の実施の形態の変形例のメモリモジュール基板の断面図である。図３のメモリモジュール基板１２０は、図１のメモリモジュール基板１００のメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄ間に、例えばポリイミド樹脂やポリエチレン樹脂などの緩衝シート１２２が配置されている。すなわちメモリモジュール基板１２０は、緩衝シート１２２がメモリチップ１０４ａとメモリチップ１０４ｂとの間、メモリチップ１０４ｂとメモリチップ１０４ｃとの間、およびメモリチップ１０４ｃとメモリチップ１０４ｄとの間に配置されている。

このような緩衝シート１２２が、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄ間に配置されることにより、メモリモジュール基板１２０に衝撃やねじり、曲げモーメントが加えられても、緩和されてメモリモジュール基板１２０としての信頼性を高めることができる。

また緩衝シート１２２に代えて、例えばエポキシ樹脂などの封止樹脂をメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄ間に充填しても緩衝シート１２２と同様の効果が得られる。

（第２の実施の形態）
図４（ａ）は本発明の第２の実施の形態のメモリモジュール基板の平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ_１−Ｂ_２−Ｂ_３−Ｂ_４−Ｂ_５−Ｂ_６線断面図である。図４のメモリモジュール基板１３０が、図１のメモリモジュール基板１００と異なる点は基板の形状であるのでこの点を中心に説明し、図１と同じ構成要素には同一の符号を付与する。

メモリモジュール基板１３０の基板１３２は、例えばエポキシ樹脂製であり、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄを積層するための段部１３４ａ〜１３４ｄが設けられた形状である。また、それぞれのメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄの接続端子１０６と、基板１３２の取り出し電極１０８とは、ＮＣＰ（Ｎｏｎ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐａｓｔｅ）やＡＣＦ（Ａｎｉｓｏｔｏｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｃｖｅ Ｆｉｌｍ）を介して圧接接合されている。

図４（ｂ）の円内に示した拡大断面図は、接続端子１０６と取り出し電極１０８とを圧接接合する前の状態である。すなわち、取り出し電極１０８には金（Ａｕ）バンプ１０９の突起が設けられ、接続端子１０６との間にＡＣＦ１０７が挟まれている。そして上下から加熱、加圧することにより金（Ａｕ）バンプ１０９は押しつぶされるとともに、ＡＣＦ１０７の導電粒子により接続端子１０６と取り出し電極１０８とは導通される。

ここで、接続端子１０６と取り出し電極１０８との接続は、圧接接合以外にはんだバンプ接合を行ってもよい。このように基板１３２とメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄとの接続は、バンプ接合もできるし、異方性導電フィルムなどを用いた圧接接合もでき、接続方法の選択が拡がる。また段部１３４ａ〜１３４ｄを設けることにより、基板１３２とメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄとの接続間距離が小さくなるので、径の大きな銅（Ｃｕ）ボールを用いたときのようなバラツキも小さくなるので、接続箇所の信頼性を高めることができる。

（第３の実施の形態）
図５（ａ）は本発明の第３の実施の形態のメモリモジュール基板の平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図５のメモリモジュール基板１４０も、例えばエポキシ樹脂の基板１４２と、４個の半導体素子のメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄとで構成されている。

ここで基板１４２は、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄを囲む枠体１４３を備えている。また基板１４２は、その厚み方向の中央に中央軸１４６を備え、中央軸１４６の上下にメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄを実装する構成である。すなわち図５（ｂ）に示すように、中央軸１４６に段部１４４ａ、１４４ｄを設け、段部１４４ａにはメモリチップ１０４ａが、段部１４４ｄにはメモリチップ１０４ｄが、中央軸１４６にメモリチップ１０４ｂ、１０４ｃが実装されている。そして、それぞれのメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄは一端に設けた接続端子１０６と、基板１４２に設けた取り出し電極１０８とがＡＣＦ１０７などを用いた圧接接合により接続されている。

なお、図５の接続端子１０６と取り出し電極１０８との接続も、圧接接合でなくはんだバンプ接合でもよい。また中央軸１４６に段部１４４ａ、１４４ｄを設けず、ボールバンプ接続をしてもよい。

このような枠体１４３は、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄを囲む構成であるので、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄを保護する役割を果たす。そのため、メモリモジュール基板１４０にねじりや曲げモーメントおよび衝撃が加えられても、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄに直接加わる力が緩和され、接続などの信頼性をさらに高めることができる。

次に図６（ａ）は本発明の第３の実施の形態の変形例１のメモリモジュール基板の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。図６のメモリモジュール基板１５０が、図５のメモリモジュール基板１４０と異なる点は、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄの実装される向きである。

すなわち図５のメモリモジュール基板１４０では、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄが互い違いに実装されていたが、図６のメモリモジュール基板１５０では同じ向きに実装されている。このようにメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄの実装する向きで、メモリモジュール基板１４０、１５０の外形寸法が異なるため、メモリモジュール基板１４０、１５０を内蔵する空間に合わせて、適切な外形寸法のメモリモジュール基板１４０、１５０を選択すればよい。

次に図７（ａ）は本発明の第３の実施の形態の変形例２のメモリモジュール基板の平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。図７のメモリモジュール基板１６０は、基板１６２に階段状のキャビティ１６３を設け、その段部１６４ａ〜１６４ｄにメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄの一端が接続された構成である。

このようなメモリモジュール基板１６０は、基板１６２内に上面を除いてメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄが収納されるので、外部から加えられる力に対してより信頼性を高めることができる。

次に図８（ａ）は本発明の第３の実施の形態の変形例３のメモリモジュール基板の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。図８のメモリモジュール基板１７０は、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｈを８個実装し、記憶容量を大きくする場合である。

図８に示すように、８個のメモリチップ１０４ａ〜１０４ｈは互い違いの向きにそれぞれ一端が基板１７２に接続されている。そして上下、平面方向に隣接するメモリチップは、それぞれ９０°向きを変えて実装されている。例えば上下方向に隣接するメモリチップ１０４ａとメモリチップ１０４ｂ、平面方向に隣接するメモリチップ１０４ａとメモリチップ１０４ｅである。

このように互い違いにメモリチップ１０４ａ〜１０４ｈを配置することで、限られた空間に高密度にメモリチップ１０４ａ〜１０４ｈを実装することができる。

以上、本発明の実施の形態では９０°向きを変えてメモリチップを配置する例のみを示したが、メモリモジュール基板を内蔵する空間の形状に合わせて、メモリチップを配置する角度を決めればよく、９０°に限定されるものではない。

（第４の実施の形態）
次に、カード型情報装置としてメモリモジュール基板を内蔵したメモリカードについて説明する。図９（ａ）は本発明の第４の実施の形態のメモリカードの斜視図、図９（ｂ）は図９（ａ）のメモリカードを平面Ｇで切断したときの断面図である。

図９（ａ）に示すようにメモリカード２００は、長方形状の大きさおよび厚みが規格化されたサイズとなっている。例えばＳＤメモリカード（登録商標）は長さ３２ｍｍ、幅２４ｍｍ、厚みが２．１ｍｍである。このような限られた空間内へメモリチップを高密度に実装したメモリモジュール基板を内蔵させることにより、メモリカード２００の記憶容量を増大させることができる。例えば１個のメモリチップが５１２ＭＢの場合、図８のメモリモジュール基板１７０は８個のメモリチップ１０４ａ〜１０４ｈを備えているので、約４ＧＢの記憶容量にできる。

また図９（ｂ）に示すようにメモリカード２００は、例えば図１のメモリモジュール基板１００と、メモリチップ１０４ａ〜１０４ｄを制御する回路制御素子２０２とを内包したポリカーボネート／ＡＢＳアロイなどからなる筐体２０４で構成されている。

ここで回路制御素子２０２は、メモリモジュール基板１００の基板１０２の下面にはんだ接続されている。また基板１０２には、外部端子に接続するための外部接続端子２０６およびバイパス用のチップコンデンサ２０８が取り付けられている。

このようなメモリカード２００は、高密度に実装されたメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄを備えたメモリモジュール基板１００を内蔵しているため、記憶容量の大きなカード型情報装置とできる。またメモリチップ１０４ａ〜１０４ｄの一端のみが接続され、他端１１６は自由端となっているためメモリカード２００に外部から荷重が加わっても、自由端で荷重によるモーメントが緩和される。そのため、接続部１１４の損傷を起こしにくい信頼性の高いカード型情報装置を提供することができる。

また図１０は、本発明の第４の実施の形態の変形例のメモリカードの断面図である。メモリカード２１０は、図４のメモリモジュール基板１３０を内蔵し、基板１３２に座繰りを入れ回路制御素子２０２を収納している。

このような構成とすれば従来、回路制御素子２０２を取り付けるために設けていた空間２０３も有効に利用できることになる。例えば、この空間２０３にも破線で示すメモリチップ１０５を実装するようにすれば、さらに記憶容量を増大させたメモリカードを実現できる。

なお本発明の実施の形態では、半導体素子としてメモリチップで説明したが、シングルチップマイコンなどのＡＳＩＣ用ＩＣチップであってもよい。

本発明の半導体モジュールおよびカード型情報装置は、デジタルカメラや携帯音楽プレーヤー、携帯情報端末などの携帯型デジタル機器に使用する情報伝達媒体として有用である。

（ａ）本発明の第１の実施の形態のメモリモジュール基板の平面図（ｂ）図１（ａ）のＡ_１−Ａ_２−Ａ_３−Ａ_４−Ａ_５−Ａ_６線断面図 （ａ）図１のメモリモジュール基板に荷重が加わりメモリチップにねじりモーメントが発生したときの説明図（ｂ）同メモリモジュール基板に荷重が加わり基板に曲げモーメントが発生したときの説明図 同実施の形態の変形例のメモリモジュール基板の断面図 （ａ）本発明の第２の実施の形態のメモリモジュール基板の平面図（ｂ）図４（ａ）のＢ_１−Ｂ_２−Ｂ_３−Ｂ_４−Ｂ_５−Ｂ_６線断面図 （ａ）本発明の第３の実施の形態のメモリモジュール基板の平面図（ｂ）図５（ａ）のＣ−Ｃ線断面図 （ａ）同実施の形態の変形例１のメモリモジュール基板の平面図（ｂ）図６（ａ）のＤ−Ｄ線断面図 （ａ）同実施の形態の変形例２のメモリモジュール基板の平面図（ｂ）図７（ａ）のＥ−Ｅ線断面図 （ａ）同実施の形態の変形例３のメモリモジュール基板の平面図（ｂ）図８（ａ）のＦ−Ｆ線断面図 （ａ）本発明の第４の実施の形態のメモリカードの斜視図（ｂ）図９（ａ）のメモリカードを平面Ｇで切断したときの断面図 同実施の形態の変形例のメモリカードの断面図 従来のパッケージの断面図

符号の説明

１００，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７０ メモリモジュール基板（半導体モジュール）
１０２，１３２，１４２，１６２，１７２ 基板
１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄ，１０４ｅ，１０４ｆ，１０４ｇ，１０４ｈ，１０５ メモリチップ（半導体素子）
１０６ 接続端子
１０７ ＡＣＦ
１０８ 取り出し電極
１０９ 金（Ａｕ）バンプ
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ 銅（Ｃｕ）ボール
１１２ａ，１１２ｄ クリームはんだ
１１４ 接続部
１１６ 他端
１２２ 緩衝シート
１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃ，１３４ｄ，１４４ａ，１４４ｄ，１６４ａ，１６４ｂ，１６４ｃ，１６４ｄ 段部
１４３ 枠体
１４６ 中央軸
１６３ キャビティ
２００，２１０ メモリカード（カード型情報装置）
２０２ 回路制御素子
２０４ 筐体
２０３ 空間
２０６ 外部接続端子
２０８ チップコンデンサ

Claims (7)

1. 接続端子が設けられた複数の半導体素子と、
   前記接続端子に接続され前記半導体素子の信号を取り出す取り出し電極が設けられた基板とを備え、それぞれの前記半導体素子が前記基板に積層された半導体モジュールであって、
   前記接続端子は前記半導体素子の一端のみに設けられたことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記基板は平板形状であり、それぞれの前記半導体素子は前記基板と前記基板からの高さを異ならせるボールバンプ接続することを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
3. 前記基板は前記半導体素子を積層するための段部が設けられた形状であることを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
4. 前記基板は、前記半導体素子を囲む枠体を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載の半導体モジュール。
5. 積層する前記半導体素子間に緩衝シートが配置されたまたは封止樹脂が充填されたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項記載の半導体モジュール。
6. 前記半導体素子は、メモリチップであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載の半導体モジュール。
7. 請求項１に記載の半導体モジュールに外部端子に接続する外部接続端子を設けたメモリモジュール基板と、
   前記半導体素子を制御する回路制御素子と、
   前記メモリモジュール基板および前記回路制御素子を内包する筐体とを備えたことを特徴とするカード型情報装置。

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