JP2008244213A - 電子回路装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体チップの内部配線等に影響を与えることなく、しかも熱応力が繰り返し加わった場合や外部から衝撃等が加わった場合でも、基板と半導体チップとの間の電気的導通に支障が生じない電子回路装置を提供する。
【解決手段】配線基板11のうち、半導体チップ21が載置される位置の周囲で、かつ半導体チップ21に設けられ複数の電極パッド22に対応する位置にランド12を形成する。このランド12上に金属ワイヤーが突き出した形状のバンプ13を形成する。半導体チップ21の各電極パッド22とランド12上に形成された各バンプ13の金属ワイヤー13bに導電性ペースト14を塗布した後、この導電性ペースト14を加熱硬化して電気的な接続を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、プリント基板等の配線基板上に、表面に電子回路が形成された半導体チップを実装した電子回路装置に関する。
近年、電子機器の小型化が進み、この電子機器に実装される電子回路装置も急速に小型化が進んでいる。このため、配線基板上に半導体チップが実装された電子回路装置では、半導体チップのパッケージに代えてベアチップが実装され、実装面積の大幅縮小化が実現されている。
半導体チップを実装する場合、一般的には、配線基板上に半導体チップを実装した後、基板の配線パターンと半導体チップの電極間をワイヤーでボンディングする構造が採られている。しかし、ワイヤーボンディング方式を採用した場合、基板の配線パターンおよび半導体チップの電極の最小ピッチに物理的な限界があることから、実装面積を縮小するという点で限界があった。
また、伝送される信号の周波数が高くなる傾向にあるが、ワイヤーボンディング方式を採用した場合、基板の配線パターンと半導体チップの電極間の配線距離が長くなることから抵抗値が高くなる。結果として、伝送周波数の高周波化に十分対応できないという問題があった。
更に、ワイヤーボンディング方式を採用した場合、キャピラリの先端に保持された金属ボールを半導体チップの電極面に押し付け、熱と超音波振動を与えることによって電極と結合させている。しかし、半導体チップの高集積化に伴い、荷重や振動によって半導体チップが受ける影響を無視できなくなってきた。具体的には、荷重や振動によって絶縁膜の亀裂や界面剥離などのダメージが生じ、半導体チップの内部に形成された配線や回路に悪影響を及ぼすようになってきた。
このようなワイヤーボンディング方式の問題を解決するため、ワイヤーを用いない半導体チップの実装方法が提案されている。
図9に特許文献1の実施の形態1に記載された電子回路装置の断面を示す。電子回路装置71は、配線パターン72が形成された配線基板(以下、単に基板という)73の表面に、電子回路(図示せず)および電極パッド部74が形成された半導体チップ75が、電極面が上になるように載置されている。なお、電極パッド部74は、半導体チップ75の端縁面に露出するように形成されている。
半導体チップ75は、電子回路が形成されたウエハをダイシングして得られた非常に薄い(150μm程度)チップである。半導体チップ75の両側縁部に電極パッド部74が形成されている。基板73の両側に形成された導体パターン72と半導体チップ75の両側縁部に形成された電極パッド部74は、塊状の金製バンプ76により電気的に接続されている。
特開2006−173214号公報
図9に示した従来の電子回路装置71は、半導体チップ75の電極パッド部74と基板73の導体パターン72をバンプ76で接続することによって、電極間の距離の短縮化を図っている。この従来の電子回路装置71は、ワイヤーボンディング方式を採用した電子回路装置に比べ、実装面積の縮小化および高周波特性の両面で優れている。
しかし、バンプ76によって半導体チップ75の電極パッド部74と基板73の導体パターン2を接続する際に、バンプ75に熱および超音波を加えて拡散接合を行っており、荷重および振動が半導体チップ75の内部に与える影響を無視できない。
特許文献1の実施の形態2には、ワイヤーを用いない他の方法として、バンプ76の代わりに導電性ペーストを用いて、基板11のランド12と半導体チップ21の電極パッド22の間の電気的な接続を行う技術が開示されている。この技術によれば、製造工程において半導体チップに荷重や振動が加わらないため、半導体チップ内部に形成された配線等が断線したり、電子回路に悪影響を及ぼす恐れはない。
しかし、その反面、導電性ペーストの有する脆弱性から、基板、半導体チップおよび導電性ペーストの熱膨張率の違いにより熱応力が繰り返し加わった場合に、電極との結合面で剥離や亀裂が生じやすい。同様に、外部から衝撃や曲げ応力が加わった場合にも、電極との結合面で剥離や亀裂が生じやすい。
このように基板の導体パターンと半導体チップの電極パッド間を導電性ペーストを用いて直接接続した場合、熱応力や外部からの衝撃等によって電極との結合面で剥離や亀裂が生じやすくなり、最悪の場合、断線して電気的な導通が得られなくなる。
本発明はこのような従来の問題点を解決し、半導体チップの内部配線等に影響を与えることなく、しかも熱応力や外部から衝撃等が加わった場合でも、基板と半導体チップ間の電気的導通に支障を生じない電子回路装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る電子回路装置は、
一方の面の端部に複数の電極パッドが形成された半導体チップと、
少なくとも一方の面に前記半導体チップが載置され、かつ前記半導体チップが載置される位置の周囲で、前記複数の電極パッドに対応する位置に複数の電極が形成された配線基板と、
可撓性を有し、前記配線基板の複数の電極および前記半導体チップの複数の電極パッド間を電気的に接続する少なくとも1つの導電性構造体とを備え、
前記導電性構造体が前記配線基板の複数の電極に対応する位置に配置されると共に、少なくとも前記導電性構造体と前記電極パッドが導電性材料で接続されてなるものである。
ここで、前記導電性構造体は、前記配線基板の各電極上に形成された、金属のワイヤが突き出したバンプで構成されていることが好ましい。また前記半導体チップの電極パッドと前記バンプのワイヤとの間が前記導電性材料で接続され、かつ前記導電性材料は前記バンプが形成された前記配線基板の電極との間に空間を隔てて保持されていることが好ましい。
前記導電性構造体は、前記配線基板の電極上に配置された導電性のボールで構成されていてもよい。また前記導電性構造体は、一定の方向にのみ電気的な導通が可能なシートで構成され、かつ前記配線基板には前記シートを通す穴が形成されているものであってもよい。更に前記シートは、一定の方向に複数の配線が形成された配線基板の表面に異方性の導電性材料の層が形成されたもので構成されていてもよい。
前記導電性材料は導電性ペーストもしくははんだであることが好ましい。また前記半導体チップは、前記配線基板に接着材を用いて固定されていることが好ましい。更に前記接着剤として導電性シート、導電性ペーストおよび絶縁性樹脂のいずれかを用いることが好ましい。
なお、前記半導体チップおよび前記導電性構造体は絶縁性樹脂で封止されていてもよい。また前記配線基板には少なくとも1層以上の配線が形成されていてもよく、部品を内蔵していてもよい。
前記配線基板は、基材がエポキシ樹脂、アラミド樹脂およびポリイミドから選ばれた1種類の樹脂によって構成されていることが好ましい。また前記配線基板の電極は、Niメッキ処理もしくは、Ni+Auメッキ処理されたパッドを有することが好ましい。
本発明に係る電子回路装置は、製造工程において半導体チップ21に荷重や振動が加わらないため、半導体チップ内部に形成された配線が断線したり、回路に悪影響を及ぼす恐れがない。さらに、熱応力が繰り返し加わったり、外部から衝撃や曲げ応力が加わった場合でも、基板と半導体チップ間の電気的導通を確保できる。
(実施の形態1)
図1(A)および(B)に、本発明の実施の形態1に係る電子回路装置の斜視図およびA−A‘線の断面図を示す。
本実施の形態に係る電子回路装置10Aは、導体パターン(図示せず)が形成された基板11の上に、半導体チップ21が載置されている。一般に基板11の材料として、エポキシ樹脂、アラミド樹脂およびポリイミドのいずれかが用いられる。また、基板11は、通常、内部に多層の配線が形成されており、また電子部品が内蔵されているものもある。
半導体チップ21はダイボンディングシートや導電性ペースト、絶縁性接着剤を用いて基板11に固定されている。ダイボンディングシートや導電性ペーストを用いた場合、絶縁性接着剤を用いた場合に比べて熱伝導性が良く、半導体チップ21で発生する熱の放散に優れている。
半導体チップ21の上面の4つの側縁部には電極パッド22が等間隔に形成されている。また電極パッド22の端面は、半導体チップ21の端縁面に露出するように形成されている。
基板11に形成された配線パターンのうち半導体チップ21の電極パッド22に対向する位置には電極となるランド12が形成され、各ランド12にはバンプ13が設けられている。ランド13は後述するようにワイヤーボンダーを用いて造られるが、通常、塊状の金属の上部にワイヤーが突き出した形状をしている。
半導体チップ21の電極パッド22と、これに対向する基板11上のバンプ13は、導電性ペースト14で接続されている。半導体チップ21は基板11上に載置されているため、電極パッド22とランド12の間には段差が生じるが、導電性ペースト14を電極パッド22とバンプのワイヤーの両方につながるように塗布することで、簡単に電気的な接続ができる。
次に、図2および図3を参照して本実施の形態に係る電子回路装置の製造工程について説明する。なお、図中、図1に記載された構成部品と同一の機能を有する部品には同一の符号を付して説明を省略する。以後の図面においても同様とする。
最初に、図2に基づいて半導体チップ21の製造工程について説明する。図2(A)に示す、一方の面に電極パッドが形成されたベアチップ20を用意する。次に、このチップ20の周辺部のうち、一点鎖線で示す電極パッド22を含む部分をダイサーでカットし、図2(B)の平面図および図2(C)の側面図に示す形状の半導体チップ21を作成する。図2(B)から分かるように、半導体チップ21の4辺のそれぞれの側縁部に電極パッド22が形成されている。
ベアチップ20として、ワイヤーボンディング方式によって基板との接続を行う汎用のベアチップを用意し、その周辺部をダイサーで切断すれば、本実施の形態で用いる半導体チップ21を製造することができる。このように汎用のベアチップを使用することによって、電子回路装置を製造する際のコスト上昇を抑えることができる。
次に、図3を参照して電子回路装置の製造工程について説明する。図3(A)に示すように、最初に、バンプ用のランド12を含む配線パターン(図示せず)が上面に形成された基板11の上に、ダイボンディングシート16を敷く。そしてダイボンディングシート16の上に、図2に示した半導体チップ21を、電極パッド22が上向きとなる状態で載置し、固定する。この際、半導体チップ21の各電極パッド22が基板上に形成されたランド12と対向するように配置する。
次に、図3(B)に示すように、キャピラリ31を用いて各ランド12上に接続用の構造体であるバンプを形成する。具体的には、まず筒状のキャピラリ31より金属ワイヤー32を引き出し、キャピラリ31の上部に取り付けられた図示しないクランパ機構によって金属ワイヤー32を保持した状態で、図示しない放電トーチ手段を用いて金属ワイヤーの先端を加熱し、金属ボール32aを形成する。
次に、図3(C)に示すように、キャピラリ31によって金属ボール32aを基板11上のバンプ用ランド12に押し付け、超音波振動を与えることによって、金属ボール32aを変形させながらランド12に結合させる。金属ワイヤー32を保持しながらキャピラリ31を引き上げ、金属ワイヤー32がキャピラリ31から若干引き出された状態において、放電トーチ手段等によって金属ワイヤー13を加熱すると共に、図示しないクランパ機構によって金属ワイヤー32を保持した状態で引き上げて、金属ワイヤー32を引きちぎる。その結果、ランド上には、金属球がつぶれたベース13aから金属ワイヤー13bが突き出た形状のバンプ13が形成される。
次に、図3(D)に示すように、図示しないディスペンサを用いて半導体チップ21の電極パッド22とバンプ13の金属ワイヤー13bの間に導電性ペースト14を塗布する。全ての電極パッド22と金属ワイヤー13bの間に導電性ペースト14が塗布された後、加熱炉等によって導電性ペースト14を加熱硬化させる。このようにして半導体チップ21と基板との間の電気的な接続が行われる。
導電性ペースト14としては、一般的に使用される銀ペースト等を用いることができるが、粘度が低いと、加熱した際にランド12上にたれて電極パッド22との間の電気的な接続がうまく行われないため、加熱時にたれない程度の粘度に調整する必要がある。なお図示はしないが、導電性ペースト14を加熱硬化させた後、基板11上の半導体チップ21とバンプ14を絶縁性樹脂で封止しても良い。絶縁性樹脂で封止することによって耐湿性を向上させることができる。
前述したように、半導体チップの薄型化やLow−Kの使用に伴って、低荷重実装の要求が高まっているが、本実施の形態では、接続用のバンプ13を形成する際に半導体チップ21には荷重や振動が加わらない。半導体チップ21と基板11上の配線との間の電気的な接続は、ランド12上に形成されたバンプ13の金属ワイヤー13bと半導体チップ21の電極パッド22との間に塗布された導電性ペースト14によって行われる。従って、半導体チップ21には、製造工程中荷重や振動が加わらないため、半導体チップ内部に形成された配線等が断線する恐れがない。
また本実施の形態の電子回路装置では、ワイヤーボンディング方式に比較しアームがない分実装面積を小さくでき、配線エリアを多く確保できる。更にワイヤーボンディング方式に比較し、基板上のバンプ13と半導体チップ21の金属パッド22との間の距離を短くできるため、伝送信号の周波数が高くなった場合でも、良好な電気特性を維持できる。
また本実施の形態では、バンプ13から突き出したワイヤー13bと電極パッド22との間を導電性ペースト14で接続しており、導電性ペースト14がランド12から空間を隔てて浮いた状態にある。このため、熱応力が繰り返し加わったり、外部から衝撃や曲げ応力が加わった場合でも、ワイヤー13bの可撓性によって熱応力や衝撃等を吸収できる。このため、導電性ペーストを用いて直接、基板上の電極と半導体チップの電極パッドを接続する場合に比べ、電気的導通の信頼性が高い。
更に、半導体チップ21を基板11に固定するのにダイボンディングシート16を用いているため、半導体チップ21で発生した熱を、ダイボンディングシート16を介して基板11に逃がすことができる。
なお本実施の形態では、電極パッド22とバンプ13の間に導電性ペースト14を塗布した後、これを過熱硬化したが、この方法に限定されず、半田等の導電性材料を用いても同様の効果が得られる。またランド12上にNiメッキもしくはNi+Auメッキ処理されたパッドを設ければ、バンプ13との接合強度を増加させることができる。
図4に、このようにして製造された電子回路装置10Aを、他の電子回路と共にマザー基板上に積層して配置した三次元電子回路装置100Aの例を示す。電子回路装置10Aは、半導体チップ11を載置した面が下を向くように配置されている。電子回路装置10Aの基板21の周辺部には複数の半田ボール42が配置され、この半田ボール42を介して電子回路装置10Aはマザー基板41上に一定の間隔を隔てて固定されている。
電子回路装置10Aの基板11の上面に形成された配線上には、市販のパッケージメモリ等の電子回路モジュール43が半田44を介して実装され、またそれ以外の電子部品15も実装されている。図4に示す配置の場合、リフローによって半田ボール42および半田44を溶かした場合、半導体チップ21は加熱硬化した導電性ペースト14によって基板11に固定されているため、半導体チップ21が基板11から外れることはない。
このように本実施の形態の電子回路装置10Aと他の電子回路モジュール43をマザー基板41上に立体的に配置して三次元の電子回路装置100Aを構成することにより、電子回路の実装密度を高めることができる。
なお、電子回路装置10Aをマザー基板41上に固定する際に行われる半田ボールの設置は、公知の製造装置を用いて容易に実現できるため、詳細な説明は省略する。
(実施の形態2)
図5に本発明の実施の形態2に係る電子回路装置10Bの要部断面を示す。以後の説明においては、図1〜図3を用いて説明した実施の形態1に係る電子回路装置10Aと相違する点を中心に説明する。
本実施の形態では、基板11と半導体チップ21との間の電気的接続に用いる構造体として導電性のボール51を用いている。実施の形態1のバンプ13をランド12上に形成する代わりに、キャピラリを用いて導電性ボール51をランド12に載置し、その導電性ボール51を介し、ランド12と半導体チップ21の電極パッド22間の電気的接続を行う。
電子回路装置10Bの製造工程について説明する。基板11上に載置される半導体チップ21の製造および半導体チップ21の基板11への固定については、実施の形態1で説明した方法と同様の方法で行う。導電性ボール51をランド12上に載置する前に、ディスペンサを用いてランド12上および電極パッド22の上面から側面にかけて導電性ペーストを塗布する。その後、図示しないキャピラリを用いて導電性ボール51を、ランド12上および電極パッド上に塗布された導電性ペーストに接するように載置する。その後、加熱炉等によって導電性ペースト52を加熱硬化すれば、基板11と半導体チップ21間の電気的な接続が実現する。
電子回路装置10Bも、前述した電子回路装置10Aと同様に、半導体チップ21には、製造工程中に荷重や振動が加わらないため、半導体チップ内部に形成された配線等に悪影響を及ぼす恐れがない。またワイヤーボンディング方式に比較し、実装面積を小さくできると共に、電気的特性の向上を図ることができる。
またランド12と導電性ボール51の間、および導電性ボール51と電極パッド22の間を導電性ペーストで接続することにより、ランド12と電極パッド22を直接導電性ペーストで接続する場合に比べ、熱応力や外部からの衝撃に対して強くなり、実施の形態1のバンプと同様の効果が得られる。
なお本実施の形態では、導電性ボール51をランド12上に正確に位置決めして載置する必要があるが、一般的に使用されているキャピラリを用いれば、必要とされる位置決めの精度を確保することは容易である。
図6に、本実施の形態に係る電子回路装置10Bを他の電子回路と共に、マザー基板上に積層して三次元電子回路装置100Bを構成した例を示す。前述した電子回路装置10Aと同様に、電子回路装置10Bは、半導体チップ11を載置した面が下を向くように配置されている。電子回路装置10Bの基板21の周辺部には複数の半田ボール42が配置され、この半田ボール42を介して電子回路装置10Bはマザー基板51上に一定の間隔を隔てて固定されている。
このように本実施の形態の電子回路装置10Bと他の電子回路モジュール43をマザー基板41上に積層して立体的に配置することにより、電子回路の実装密度を高めることができる。
(実施の形態3)
図7(A)および(B)に、本発明の実施の形態3に係る電子回路装置10Cの平面図およびB−B‘線の断面図を示す。本実施の形態では、導電性構造体として図7(C)に示す配線電極61を用いている。配線電極61は、フレキシブル配線基板上に一定方向の細い配線63を等間隔に複数形成し、更に配線が形成された面に異方性の導電材料を塗布したものである。配線電極63は、一定方向(図では上下方向)には電気的な導通があるが、それ以外の方向では電気的な導通がない。
本実施の形態では、基板上のランド63を、基板11の載置された半導体チップ21が載置された面と異なる下面側に形成すると共に、基板11に配線電極61を通す穴64を設けている。図示しないディスペンサを用いて、半導体チップの電極パッド22および基板上のランド63の上面および側面に導電性ペーストを塗布した後、配線電極61を、配線側が電極パッド22およびランド63に接するように置く。その状態で、加熱炉を用いて導電性ペーストを加熱硬化させることにより、配線電極61を基板11および半導体チップ21に固定する。
上述したように配線電極61は一定方向しか電気的な導通がなく、図7(A)、(B)に示した例では、基板11上のランド63と、このランド63に対応する位置にある半導体チップ21上の電極パッド22間においてのみ電気的に接続される。
電子回路装置10Cも、前述した電子回路装置10Aおよび10Bと同様に、半導体チップ21には、製造工程中に荷重や振動が加わらないため、半導体チップ内部に形成された配線等に悪影響を及ぼす恐れはない。また実装面積を小さくできると共に、電気的特性の向上を図ることができる。
またランド63と電極パッド22の間を、フレキシブル配線基板で作られた配線電極61を介して導電性ペースト52で接続している。このため、ランド12と電極パッド22を直接導電性ペーストで接続する場合に比べ、熱応力や外部からの衝撃に対して強くなり、実施の形態1のランドと同様の効果が得られる。
図8に、本実施の形態に係る電子回路装置10Cを、他の電子回路と共に、マザー基板上に積層して三次元の電子回路装置100Cを構成した例を示す。前述した電子回路装置10A、10Bと同様に、電子回路装置10Cと他の電子回路モジュール43をマザー基板41上に積層して立体的に配置することにより、電子回路の実装密度を高めることができる。
以上、図面を参照して本発明を実施するための最適な形態について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、当業者であれば容易に到達しうる形態についても本発明の範囲に属することは明らかである。
本発明に係る電子回路装置は、携帯電話機をはじめとして、実装構造のさらなる小型化が要求される各種のモバイル機器に広く利用できる。
本発明の実施の形態1に係る電子回路装置の構成を示す斜視図および断面図 図1の半導体チップの製造工程を説明する図 図1の電子回路装置の製造工程を説明する要部断面図 図1の電子回路装置を含む三次元電子回路装置の概略構成を示す側面図 本発明の実施の形態2に係る電子回路装置の構成を示す要部断面図 図5の電子回路装置を含む三次元電子回路装置の概略構成を示す側面図 本発明の実施の形態3に係る電子回路装置の構成を示す図 図7の電子回路装置を含む三次元電子回路装置の概略構成を示す側面図 従来の電子回路装置の構成を示す図
符号の説明
10A,10B,10C 電子回路装置
11 基板
12、63 ランド
13 バンプ
14、52 導電性ペースト
15 電子部品
16 ダイボンディングシート
21 半導体チップ
22 電極パッド
41 マザー基板
42 半田ボール
43 電子回路モジュール
44 半田
51 導電性ボール
61 配線電極
62 配線
64 穴
100A、100B、100C 三次元電子回路装置

Claims (15)

  1. 一方の面の端部に複数の電極パッドが形成された半導体チップと、
    少なくとも一方の面に前記半導体チップが載置され、かつ前記半導体チップが載置される位置の周囲で、前記複数の電極パッドに対応する位置に複数の電極が形成された配線基板と、
    可撓性を有し、前記配線基板の複数の電極および前記半導体チップの複数の電極パッド間を電気的に接続する少なくとも1つの導電性構造体とを備え、
    前記導電性構造体が前記配線基板の複数の電極に対応する位置に配置されると共に、少なくとも前記導電性構造体と前記電極パッドが導電性材料で接続されてなる電子回路装置。
  2. 前記導電性構造体は、前記配線基板の各電極上に形成された、金属のワイヤが突き出したバンプで構成されている請求項1に記載の電子回路装置。
  3. 前記半導体チップの電極パッドと前記バンプのワイヤとの間が前記導電性材料で接続され、かつ前記導電性材料は前記バンプが形成された前記配線基板の電極との間に空間を隔てて保持されている請求項2に記載の電子回路装置。
  4. 前記導電性構造体は、前記配線基板の電極上に配置された導電性のボールで構成されている請求項1に記載の電子回路装置。
  5. 前記導電性構造体は、一定の方向にのみ電気的な導通が可能なシートで構成され、かつ前記配線基板には前記シートを通す穴が形成されている請求項1に記載の電子回路装置。
  6. 前記シートは、一定の方向に複数の配線が形成された配線基板の表面に異方性の導電性材料の層が形成されたもので構成されている請求項5に記載の電子回路装置。
  7. 前記導電性材料は導電性ペーストである請求項1〜6のいずれかに記載の電子回路装置。
  8. 前記導電性材料ははんだである請求項1〜6のいずれかに記載の電子回路装置。
  9. 前記半導体チップは、前記配線基板に接着材を用いて固定されている請求項1に記載の電子回路装置。
  10. 前記接着剤として導電性シート、導電性ペーストおよび絶縁性樹脂のいずれかを用いる請求項9に記載の電子回路装置。
  11. 前記半導体チップおよび前記導電性構造体は絶縁性樹脂で封止されている請求項1に記載の電子回路装置。
  12. 前記配線基板には少なくとも1層以上の配線が形成されている請求項1に記載の電子回路装置。
  13. 前記配線基板は部品を内蔵している請求項1に記載の電子回路装置。
  14. 前記配線基板は、基材がエポキシ樹脂、アラミド樹脂およびポリイミドから選ばれた1種類の樹脂によって構成されている請求項1に記載の電子回路装置。
  15. 前記配線基板の電極は、Niメッキ処理もしくは、Ni+Auメッキ処理されたパッドを有する請求項1記載の電子回路装置。
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