JP2008311584A - 半導体パッケージの実装構造 - Google Patents

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printed wiring
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semiconductor chip
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Masaru Sasaki
大 佐々木
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Elpida Memory Inc
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Abstract

【課題】半導体チップからプリント配線板の実装面と反対面の配線パターンへの配線長を短縮するとともに、半導体チップとプリント配線板との線膨張係数の違いにより生じる応力を緩和して、接続部が破断することのない接続信頼性の高い半導体パッケージの実装構造を提供することを目的とする。
【解決手段】実装面3aとその反対側の面3bとを貫通するビア7を有するプリント配線板3と、ビア7の反対側面3bの開口部を閉塞するように反対側の面3bに形成されてビア7と導通するビアランド7aと、バンプ2を有する半導体チップ1と、半導体チップ1とプリント配線板3の実装面3aとのあいだに充填される熱硬化性接着剤9とを具備してなり、
ビア7に異方性導電材料8が充填されるとともに、ビア7にバンプ2が挿入され、導電性粒子8aによってバンプ2とビア7とが導通されていることを特徴とする半導体パッケージの実装構造11を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体パッケージの実装構造に関するものである。
近年、半導体素子の集積度が年々向上し、それに伴って高密度化,高性能化,高速化、配線の微細化、多層化などが進んでいる。一方、実装の高密度化のためには、パッケージサイズの小型化及び薄型化が必要となっている。
例えば、BGA(Ball Grid Array)やCSP(Chip Size Package)などは、ビアを備えたプリント配線板上に半導体素子を実装し、この半導体素子とプリント配線板との間をワイヤーボンディングやバンプによって接続した後に、プリント配線板の実装面側を封止樹脂により封止した構造を有している。この場合、プリント配線板の実装面の反対側の面にビアを介して接続端子を設けることが可能なため、多ピン化に対応可能なパッケージとなっている。
図9は、従来のフリップチップ実装構造を示す断面図である。図9に示すように、従来のフリップチップ実装構造10は、半導体チップ1にバンプ2と呼ばれる突起電極を形成し、半導体チップ1をフェースダウンし、プリント配線板3の接続ランド4とバンプ2を接続させ、半導体チップ1とプリント配線板3とのあいだを熱硬化性接着剤9にて固着する構造である。
プリント配線板3には、接続ランド4と、このランド4から引き出される配線パターン6aと、プリント配線板3の半導体チップ1の実装面3aとは反対側の面3bに形成された別の配線パターン6bと、6bに形成されたボール端子5と、配線パターン6aと配線パターン6bとを接続するビア7とが備えられている。
従来のフリップチップ実装構造10では、プリント配線板3の実装面3aの配線パターン6aが接続ランド4から引き出され、ビア7を介して、反対側の面3bでボール端子5まで配線パターン6bが引き回されるため、配線パターンの短縮化が図れないという問題がある。
ここで、特許文献1や特許文献2では、バンプとビアの間に導電性材料を介在させる実装構造が開示されており、プリント配線板の配線長を短くする要求に応えている。
しかしながら、従来の半導体パッケージでは、半導体チップの線膨張係数とプリント配線板の線膨張係数の違いにより生じる応力により接続部が破断する問題が解決されておらず、半導体パッケージの接続信頼性を満足する実装構造となっていないのが現状である。
特開2003−324126号 特開2002−260444号
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、半導体チップからプリント配線板の実装面と反対側の面の配線パターンへの配線長を短縮するとともに、半導体チップの線膨張係数とプリント配線板の線膨張係数の違いにより生じる応力を緩和して、接続部が破断することのない接続信頼性の高い半導体パッケージの実装構造を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の半導体パッケージの実装構造は、実装面とその反対側の面とを貫通するビアを有するプリント配線板と、ビアの実装面と反対側の面の開口部を閉塞するようにプリント配線板の反対側の面に形成されてビアと導通するビアランドと、実装面に実装されるバンプを有する半導体チップと、半導体チップとプリント配線板の実装面とのあいだに充填される熱硬化性接着剤とを具備してなり、
ビアに導電性粒子と絶縁樹脂からなる異方性導電材料が充填されるとともに、ビアにバンプが挿入され、導電性粒子によってバンプとビアとが導通されていることを特徴とする。
本発明の半導体パッケージの実装構造は、導電性粒子によって、バンプの先端部と、ビアランドとが導通されていることが好ましい。また、導電性粒子によって、バンプの側面部と、ビアの導体部とが導通されていることが好ましい。さらに、バンプの側面部と、ビアの導体部とが接触することで導通されていることが好ましい。
本発明の半導体パッケージの実装構造は、バンプ径R1がビア径R2よりも小さいことが好ましい。また、バンプ高さHがビア深さDよりも大きいことが好ましい。さらに、熱硬化性接着剤の線膨張係数と、異方性導電材料に含まれる絶縁樹脂の線膨張係数とが、半導体チップの線膨張係数と、プリント配線板の線膨張係数との間であることが好ましい。
以上説明したように、本発明の半導体実装構造によれば、半導体チップのバンプとビアとが導通され、ビアはプリント配線板の実装面の反対側にあるビアランドに導通するので、ビアとビアランドを介して半導体チップの配線をプリント配線板の反対側に引き回すことができる。これにより、配線長の短縮が可能となり、高速化の要求に対応可能な半導体パッケージの実装構造の提供が可能となる。
また、半導体チップの線膨張係数とプリント配線板の線膨張係数の違いにより応力が生じるが、バンプとビアとが弾力性のある導電性粒子を介して接続されるため、接続部への応力は、導電性粒子によって緩和される。
さらに、低弾性率であって、半導体チップの線膨張係数とプリント配線板の線膨張係数とのあいだの線膨張係数を有する熱硬化性接着剤により、半導体チップとプリント配線板とが接合されるため、バンプとビアとの接続部への応力は熱硬化性接着剤によっても緩和される。
以上により、バンプとビアとの接続部が破断する問題が発生しない、接続信頼性の高い半導体パッケージの実装構造の提供が可能となる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施形態である半導体パッケージの断面図である。
図1に示すように、本実施形態の半導体パッケージの実装構造11は、半導体チップ1とプリント配線板3とが熱硬化性接着剤9によって固着されて、概略構成されている。
さらに、プリント配線板3に設けられたビア7の内部に、半導体チップ1のバンプ2が挿入され、バンプ2とビアランド7aとによって、ビア7に充填されている異方性導電材料8中の導電性粒子8aが挟まれて潰されている。そして導電性粒子8aを介して、バンプ2とビアランド7aとが導通される構造となっている。
本実施形態のバンプ2は、図1に示すように、半導体チップ1に設けられている。
バンプ2は、金属バンプが好ましく、半田バンプまたは金バンプがより好ましく、金スタッドバンプが特に好ましい。また、本実施形態では図1に示すように、バンプ2を後述するビア7内に挿入することから、バンプの先端を細く、バンプ高さを高く制御する必要があるため、画鋲形状となる金スタッドバンプの適用が好ましい。
バンプ2のバンプ径R1は、特に限定されないが、15〜100μmの範囲が好ましい。バンプ径R1が15μm未満になるとバンプの形成が困難となる。一方、バンプ径R1が100μmを超えるとパッケージの小型化、高密度化が困難となる。したがって、バンプ径R1は、15〜100μmの範囲が好ましく、20〜80μmの範囲がより好ましい。尚、バンプ2のバンプ径R1は、プリント配線板3に設けられたビア7のビア径R2よりも小さくなるように形成することが好ましい。
バンプ2の高さHは、特に限定されないが、50〜100μmの範囲が好ましい。また、バンプ2の高さHは、プリント配線板3に設けられたビア7のビア深さD(プリント配線板3の厚みとほぼ等しい)よりも大きくなるように形成することが好ましく、ビア7の深さDと、接合時のバンプ2のつぶれ量と、接合後の半導体チップ1とプリント配線板3の距離(スタンドオフ)とを考慮して形成することがより好ましい。
例えば、ビア7の深さDが25μmであり、つぶれ量を5μm、スタンドオフ50μmとした場合には、バンプ2の高さHは80μmで形成することを例示することができる。
バンプ2の間隔(バンプピッチ)は、特に限定されないが、狭ピッチ(例えば0.4mm以下)であることが好ましい。0.4mmを超えるバンプピッチでは、従来の実装構造で対応可能となる。したがって、バンプピッチは0.4mm以下が好ましく、0.2mm以下がより好ましい。
本実施形態のプリント配線板3は、特に限定はされないが、多層ビルドアップ基板、フレキシブル基板、リジッドフレックス基板等の適用が可能であり、両面配線構造のフレキシブル基板の適用が好ましい。また、フレキシブル基板に対して、COF(Chip on Film)実装を適用することで、インナーリードの配線ピッチが35μm以下の微細配線対応の半導体パッケージの実装構造11の提供が可能となる。
本実施形態のビア7は、図1に示すように、プリント配線板3に設けられた貫通孔7cと、貫通孔7cの少なくとも内面に形成された導体部7bとから形成されている。また、実装面の反対側の面3bには、ビア7の貫通孔7cを塞ぐようにビアランド7aが形成されている。ビアランド7aは導体部7bと接合されて導通しており、また、ビアランド7a部は実装面の反対側の面3bの配線パターン6bと一体化されている。さらにビア7の導体部7bと実装面3aの配線パターン6aが接続されている。
これによりビア7の導体部7bおよびビアランド7aによって、プリント配線板3の実装面3aの配線パターン6aと、実装面の反対側の面3bの配線パターン6bとが導通されている。
ビア7の導体部7bおよびビアランド7aの材質として、Cu、Al、Au、Cr、Tiの金属が好ましく、Cuがより好ましい。
また、ビア径R2は、前述のバンプ径R1よりも大きいことが好ましく、30〜120μmの範囲であることがより好ましい。
本実施形態の異方性導電材料8は、図1に示すように、プリント配線板3に設けられているビア7に充填される。異方性導電材料8は、特に限定されないが、異方性導電フィルム(ACF:Anisotropic Conductive Film)、または異方性導電ペースト(ACP:Anisotropic Conductive Paste)が好ましく、本実施形態ではビア7内部のみ選択的に充填させることから、異方性導電ペースト(ACP)がより好ましい。
異方性導電材料8は、後述する導電性粒子8aとバインダ樹脂である絶縁樹脂8bから構成されており、絶縁樹脂8bとしては、合成ゴム、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が適用可能である。また、絶縁樹脂8bは、一般には、高Tg(ガラス転移温度)、低給水率、低線膨張係数等の特性が要求される。
さらに、本実施形態では、絶縁樹脂8bの線膨張係数が5〜30ppm/℃の範囲であることが好ましく、後述する熱硬化性接着剤9の線膨張係数と同程度であるとともに、半導体チップ1の線膨張係数とプリント配線板3の線膨張係数との間であることがより好ましい。
導電性粒子8aは、特に限定されないが、ニッケル(Ni)単体および金メッキ処理を施したNiといった金属核そのもの、または、スチレン、アクリル等の樹脂核に金メッキ処理を施したものが好ましく、高い弾力性が要求されることから、樹脂核に金メッキ処理したものがより好ましい。
導電性粒子8aは、一般には電気的導通だけでなく、隣接電極間に接しない形状、適度な分散率および粒径サイズが要求される。本実施形態ではビア7の内部のみに充填され、かつ後述する熱硬化性接着剤9によって被覆されるため、導電性粒子8aのビア7外部への流出により隣接電極が短絡する可能性は低い。
導電性粒子8aの粒子径は、3〜10μmの範囲であることが好ましい。導電性粒子8aの粒子径が大きいと、潰れ量が大きく、接続部への応力の緩和効果が大きいため好ましい。また、バンプ2の挿入により、ビア7内から導電性粒子8aがあふれた場合に隣接電極間で短絡が生じないように、導電性粒子8aの粒子径は、半導体チップ1とプリント配線板3との間の距離よりも小さいことが好ましい。
また、異方性導電材料8中の導電性粒子8aの含有率は、5〜15vol%の範囲であることが好ましい。異方性導電材料8中の導電性粒子8aの含有率が高いと、バンプ2とビア7との間で導電性粒子8aが潰される確率が高くなり、接続信頼性が高くなるため好ましい。
本実施形態の熱硬化性接着剤9は、図1に示すように、アンダーフィル樹脂として、半導体チップ1とプリント配線板3のあいだに充填され、熱硬化する際に半導体チップ1とプリント配線板3を固着する。熱硬化性接着剤9は特に限定されず、液状であっても、フィルム状であっても良い。
また、熱硬化性接着剤9は、低弾性率であることが好ましく、弾性率5GPa以下であることがより好ましい。
さらに、熱硬化性接着剤9の線膨張係数は、5〜30ppm/℃の範囲であることが好ましく、半導体チップ1の線膨張係数と、プリント配線板3の線膨張係数との間であることがより好ましい。
なお、熱硬化性接着剤9の線膨張係数と、異方性導電材料8中の絶縁樹脂8bとの線膨張係数とが同程度であることがより好ましい。熱硬化性接着剤9と異方性導電材料8とが一体となって、半導体チップ1とプリント配線板3の線膨張係数の違いにより生じる応力を緩和することが可能となり、バンプ2とビア7との接続部の信頼性が高い半導体パッケージの実装構造の提供ができる。
本実施形態における、バンプ2とビア7の接続部について、図面を参照して説明する。図2(A)〜(C)は、本実施形態のバンプ2とビア7との接続部分の1ピン分の拡大断面図である。図2(A)に示すように、ビア7を構成する貫通孔7cの中心付近にバンプ2が挿入された場合では、バンプ2の先端部2aとビアランド7aとの間で導電性粒子8aが潰されることで、良好に導通される。
また、図2(B)に示すように、ビア7を構成する貫通孔7cの中心から少しずれた位置にバンプ2が挿入された場合では、バンプ2の先端部2aとビアランド7aとの間で導電性粒子8aが潰されるとともに、バンプ2の側面部2bとビア7の導体部7bとの間においても導電性粒子8aが潰されることで、良好に導通が確保される。
さらに、図2(C)に示すように、ビア7を構成する貫通孔7cの中心から大きくずれた位置にバンプ2が挿入された場合では、バンプ2の先端部2aとビアランド7aとの間で導電性粒子8aが潰されるとともに、バンプ2の肩部2cとビア7の導体部7bとの間において、導電性粒子8aを介さずにバンプ2が変形して接触することで、良好に導通が確保される。
以上のように、本実施形態の半導体パッケージの実装構造では、半導体チップ1の実装時のアライメントずれ、および半導体チップ1のバンプ2とプリント配線板3のビア7とのピッチずれが生じた場合においても良好な導通を確保することが可能である。
本実施形態の製造方法を、図面を参照して説明する。図3〜図8は本実施形態の半導体パッケージの実装構造の製造方法を説明するための図であって、図3はバンプ形成工程を示す断面図であり、図4〜図6は樹脂供給工程を示す断面図であり、図7〜図8はバンプ接続工程を示す断面図である。
尚、各図は、本実施形態の製造方法を説明するために、多数ある電極の内、1ピン部分のみを拡大して示したものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体パッケージの実装構造の寸法関係とは異なる。
本実施形態の半導体パッケージの実装構造の製造方法は、バンプ形成工程と、樹脂供給工程と、バンプ接続工程とから概略構成されている。以下、各工程について順次説明する。
最初に、バンプ形成工程では、図3に示すように、半導体チップ1に設けられている電極パッド1a上に、バンプ2を形成する。
バンプ2の形成方法は、特に限定されないが、リソグラフィ手法を利用しためっき工法や、超音波及び加熱方式を用いることが可能である。
例えば、超音波及び加熱方式によれば、金スタッドバンプの形成が可能である。具体的には、金線の先端を電極によってスパークさせて金ボールを形成し、この金ボールを半導体チップ1の電極パッド1aに押し付ける。次に超音波振動を与えると、金ボールと電極パッド1aとの間に金属間化合物が形成される。この後、金線を引きちぎり、先端をレベリングすることで、高さが均一であり、先端が平滑である金スタッドバンプが得られる。
次に、樹脂供給工程では、まず図4に示すようにプリント配線板3を、ビア7の開口部側である実装面3aを上側、ビアランド7a側である実装面の反対側の面3bが下側となるように設置する。次に図5に示すように、異方性導電材料8をプリント配線板3のビア7に充填する。この際、異方性導電材料8はビア7内のみに充填し、異方性導電材料8中の導電性粒子8aが、ビア7外である実装面3a上に残存していないことが好ましい。具体的には、異方性導電材料8としてACPを用いる場合では、ディスペンサー等を用いてビア7内のみに注入する方法や、ACPを印刷によりビア7内に充填した後、プリント配線板3の実装面3aに塗布されているACPを溶剤等により除去する方法を用いることができる。
次に、図6に示すように、熱硬化性接着剤9を、ビア7の開口部を含むプリント配線板3の実装面3aに供給する。熱硬化性接着剤9として、ペースト状の樹脂のみならず、フィルム状の樹脂を用いることが可能である。具体的には、ペースト状の樹脂例としてNCP(Non Conductive Paste)や、フィルム上の樹脂としてNCF(Non Conductive Film)を用いることができる。
最後に、バンプ接続工程では、図7に示すように、半導体チップ1をバンプ2が下向きになるようにフェースダウンし、バンプ2とビア7との位置をアライメントする。次に図8に示すように、バンプ2をビア7にはめ込むように搭載し、半導体チップ1を加圧すると、ビア7に充填されている導電性粒子8aは、バンプ2の底部2aとビアランド7aとに挟まれて潰れた状態となる。この後、加熱処理を行い、異方性導電材料8中の絶縁樹脂8bおよび熱硬化性接着剤9を硬化させて、半導体チップ1とプリント配線板3を固着する。例えば、1N/バンプの加重により、半導体チップ1を加圧し、200℃で加熱するといった実装条件が例示される。
以上のようにして、図1に示すような、半導体パッケージの実装構造11が製造される。
以上説明したように、本実施形態によれば、半導体チップ1のバンプ2とビア7とが導通され、ビア7はプリント配線板3の実装面の反対側の面3bにあるビアランド7aに導通するので、ビア7とビアランド7aを介して半導体チップ1の配線をプリント配線板3の反対側の配線6bに引き回すことができる。これにより、配線長の短縮が可能となり、高速化の要求に対応可能な半導体パッケージの実装構造11の提供が可能となる。
また、半導体チップ1の線膨張係数とプリント配線板3の線膨張係数の違いにより応力が生じるが、バンプ2とビア7とが弾力性のある導電性粒子8aを介して接続されるため、バンプ2とビア7との接続部への応力は、導電性粒子8aによって緩和される。
また、低弾性率であって、半導体チップの線膨張係数とプリント配線板の線膨張係数とのあいだの線膨張係数を有する熱硬化性接着剤9により、半導体チップ1とプリント配線板3とが接合されるため、バンプ2とビア7との接続部への応力は、熱硬化性接着剤9によっても緩和される。
また、バンプ2とビア7の接続は、ビア7内へのバンプ2の挿入位置によらず、確実に導通を確保できる構造となっている。
以上により、バンプ2とビア7との接続部が破断するといった問題が発生しない、接続信頼性の高い半導体パッケージの実装構造11の提供が可能となる。
さらに、異方性導電材料8をビア7内のみに供給し、ビア7の開口部を熱硬化性接着剤9で被覆するため、バンプ2の圧着時に導電性粒子8aはビア7の外への流出することがあっても、被覆した熱硬化性接着剤9によって、導電性粒子8aが隣接端子間との短絡に至るまでの流出を抑制する。以上により、従来のACF接合やACP接合で問題となっていた導電性粒子8aによる隣接端子間の短絡の問題が生じないため、微細配線化にも対応可能な高密度化対応の半導体パッケージの実装構造11の提供が可能となる。
本発明の活用例として、導電性粒子を用いたフリップチップ実装による半導体パッケージ全般に用いることができる。
図1は、本発明の実施形態である半導体パッケージの断面図である。 図2(A)〜(C)は、本発明の実施形態のバンプとビアの接続部分の1ピン分の拡大断面図である。 図3は、本発明の実施形態のバンプ形成工程を示す断面図である。 図4は、本発明の実施形態の樹脂供給工程を示す断面図である。 図5は、本発明の実施形態の樹脂供給工程を示す断面図である。 図6は、本発明の実施形態の樹脂供給工程を示す断面図である。 図7は、本発明の実施形態のバンプ接続工程を示す断面図である。 図8は、本発明の実施形態のバンプ接続工程を示す断面図である。 図9は、従来のフリップチップ実装構造を示す断面図である。
符号の説明
1・・・半導体チップ、2・・・バンプ、2a・・・バンプの先端部、2b・・・バンプの側面部、2c・・・バンプの肩部、3・・・プリント配線板、3a・・・実装面、3b・・・実装面の反対側の面、4・・・接続ランド、5・・・ボール端子、6a、6b・・・配線パターン、7・・・ビア、7a・・・ビアランド、7b・・・ビアの導体部、7c・・・貫通孔、8・・・異方性導電材料、8a・・・導電性粒子、8b・・・絶縁樹脂、9・・・熱硬化性接着剤、10・・・従来のフリップチップ実装構造、11・・・半導体パッケージの実装構造、D・・・ビア深さ、H・・・バンプ高さ、R1・・・バンプ径、R2・・・ビア径

Claims (7)

  1. 実装面とその反対側の面とを貫通するビアを有するプリント配線板と、前記ビアの前記反対側の面の開口部を閉塞するように前記プリント配線板の前記反対側の面に形成されて前記ビアと導通するビアランドと、前記実装面に実装されるバンプを有する半導体チップと、前記半導体チップと前記プリント配線板の前記実装面とのあいだに充填される熱硬化性接着剤とを具備してなり、
    前記ビアに導電性粒子と絶縁樹脂からなる異方性導電材料が充填されるとともに、前記ビアに前記バンプが挿入され、前記導電性粒子によって前記バンプと前記ビアとが導通されていることを特徴とする半導体パッケージの実装構造。
  2. 前記導電性粒子によって、前記バンプの先端部と、前記ビアランドとが導通されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体パッケージの実装構造。
  3. 前記導電性粒子によって、前記バンプの側面部と、前記ビアの導体部とが導通されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体パッケージの実装構造。
  4. 前記バンプの側面部と、前記ビアの導体部とが接触して導通されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体パッケージの実装構造。
  5. 前記バンプ径R1が、前記ビア径R2よりも小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体パッケージの実装構造。
  6. 前記バンプ高さHが、前記ビア深さDよりも大きいことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体パッケージの実装構造。
  7. 前記熱硬化性接着剤の線膨張係数と、前記異方性導電材料に含まれる前記絶縁樹脂の線膨張係数とが、前記半導体チップの線膨張係数と、前記プリント配線板の線膨張係数との間であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体パッケージの実装構造。
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