JP2009170553A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】配線基板上に半導体チップとチップ部品とを搭載している半導体装置において、より多くのチップ部品を高密度に実装し、装置のさらなる小型化を実現する。
【解決手段】本発明の半導体装置10は、配線基板3上に、トランジスタやIC(集積回路)などを含んで構成される能動素子としての半導体チップ1、および、抵抗、コンデンサ、インダクタ等の受動素子22を含んで構成されているチップ部品2を備え、各半導体チップおよび各チップ部品が、配線基板3上の配線12aと電気的に接続された構造を有している。この半導体装置10においては、配線基板3と半導体チップ1との間に、チップ部品2が配置されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、混成集積回路装置(ハイブリッドIC)等の半導体装置に関するものである。
近年、携帯電話等の携帯情報機器の小型化、軽量化の進展にはめざましいものがある。それに伴い、これらの機器に搭載される半導体装置をはじめ、あらゆる部品の小型化、軽量化が求められている。そのような中、半導体装置においては、半導体チップの実装構造の小型化、回路基板への高密度実装が求められている。
そこで、このような要求に応えるべく、近年、半導体装置に搭載される抵抗、コンデンサ、インダクタ等の受動素子(受動部品)を配線基板の内部の電気絶縁層内に埋め込み、各部品をインナービア接続した多層配線基板が提案されている(例えば、特許文献1参照)。このような構成により、LSI間や、実装部品間の電気配線を、最短距離で接続できるため、回路基板の高密度実装化が可能となる。
また、回路基板の高密度実装化を実現するための他の手法として、チップ部品(ディスクリート部品)とLSI(半導体チップ)とを基板表面に搭載した混成集積回路装置(ハイブリッドIC)が提案されている。混成集積回路装置の構成の一例を、図8に示す。図8に示す半導体装置(集積回路装置)100には、トランジスタやIC(集積回路)を形成した半導体チップ101が1個または複数個搭載されているとともに、抵抗、コンデンサ、インダクタ等の受動素子(受動部品)を形成する複数個のチップ部品102が搭載されている。そして、図8に示されるように、配線基板103上に、半導体チップ101と、チップ部品102とが並んで配置されている。
特開2003−197849号公報(2003年7月11日公開) 特開2005−302928号公報(2005年10月27日公開)
ところで、上記のような混成集積回路装置において、基板のさらなる縮小化や部品点数の増加が要求されている昨今では、基板表面にだけ受動部品を搭載するだけでは必要な部品を全て搭載することが困難な場合がある。
そこで、特許文献2には、混成集積回路装置においては、チップ部品と他のチップ部品とを積層することによってチップ部品の搭載面積を縮小化する技術が開示されている。
確かに、特許文献2の構成では、チップ部品同士を積層させる構造を提案することで、チップ部品の搭載面積をある程度縮小化することは可能であるが、さらなる装置の縮小化には不充分である。つまり、特許文献2の構成では、基板上に半導体チップのみを配置するための領域を依然として確保する必要がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、配線基板上に半導体チップとチップ部品とを搭載している半導体装置において、より多くのチップ部品を高密度に実装し、装置のさらなる小型化を実現することを目的とする。
本発明にかかる半導体装置は、上記の課題を解決するために、配線基板上に、半導体チップおよびチップ部品を備え、各半導体チップおよび各チップ部品が、上記配線基板上の配線と電気的に接続されている半導体装置であって、上記配線基板と上記半導体チップとの間に、上記チップ部品が配置されていることを特徴としている。
本発明の半導体装置は、配線基板上に、トランジスタやIC(集積回路)などを含んで構成される能動素子としての半導体チップ、および、抵抗、コンデンサ、インダクタ等の受動素子を含んで構成されているチップ部品を備えている。そして、配線基板と半導体チップとの間に、上記チップ部品が配置されている。
上記の構成によれば、配線基板と半導体チップとの間にチップ部品を配置させることによって、半導体装置の中でより大きな面積を占めている半導体チップの下部にチップ部品を積層させることができる。このように、半導体チップの下部をチップ部品の配置場所として利用することで、配線基板からチップ部品のみを配置するための領域をなくしたり、小さくしたりすることができる。したがって、本発明によれば、半導体装置のさらなる小型化および高密度実装化を実現することができる。
本発明の半導体装置において、上記半導体チップと上記配線基板との間の上記チップ部品が配置されている領域は、絶縁樹脂によって封止されていることが好ましい。
上記の構成によれば、絶縁樹脂によって隙間が充填されているため、実使用環境において、各配線同士、各電極同士、あるいは配線と電極との間で発生するマイグレーションによる絶縁劣化を防止することができる。
本発明の半導体装置において、上記チップ部品は、上記配線と半田を介して接続されているとともに、上記配線基板上には、各チップ部品間におけるリークを防止するためのソルダーレジスト層が形成されており、上記ソルダーレジスト層と上記チップ部品とは、互いに積層されないように配置されていることが好ましい。
上記の構成によれば、チップ部品が配置された領域の高さを抑えることができるため、半導体チップとチップ部品とを積層した構造を有する半導体装置の厚さが大きくなることを抑えることができる。
本発明の半導体装置において、上記半導体チップと上記チップ部品との間には、ポリイミド層がさらに形成されていることが好ましい。
上記の構成によれば、半導体チップとチップ部品との間でのリークをより確実に防止することができる。
本発明の半導体装置において、上記半導体チップは、上記基板との対向面に設けられた突起部を介して接続されており、上記突起部は、上記半導体チップの上記基板との対向面の外周部に配置されていることが好ましい。
上記の構成によれば、突起部が、半導体チップにおける基板との対向面の外周部に配置されていることで、対向面の中央部分には、基板と半導体チップとの間に十分な空間が形成される。これにより、チップ部品と接続する各配線を配置するための領域を確保することができる。
本発明にかかる半導体装置は、以上のように、配線基板上に、半導体チップおよびチップ部品を備え、各半導体チップおよび各チップ部品が、上記配線基板上の配線と電気的に接続されている半導体装置であって、上記配線基板と上記半導体チップとの間に、上記チップ部品が配置されている構成である。
したがって、本発明によれば、半導体装置のさらなる小型化および高密度実装化を実現することができる。
本発明の一実施形態について図1〜図6に基づいて説明すると以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。本実施の形態では、LSI(半導体チップ)とチップ部品とを基板表面に搭載する混成集積回路装置(ハイブリッドIC)について説明する。
図1には、本実施の形態にかかる半導体装置の一部分の断面構成を示す。半導体装置10は、図1に示すように、主な構成部品として半導体チップ1、複数個のチップ部品2、および配線基板3を備えている。図1では、半導体チップ1はただ1つ図示されているのみであるが、本発明はこのような構成には限定されず、複数個の半導体チップを有している構成であってもよい。
半導体チップ1は、トランジスタやIC(集積回路)などを含んで構成される能動素子である。チップ部品2は、抵抗、コンデンサ、インダクタ等の受動素子22を含んで構成されている。配線基板3は、半導体チップ1およびチップ部品2などの素子を配置するための土台となる基板であり、各素子を電気的に接続するために金属薄膜で構成された配線12(12a・12b)を基板表面に備えている。
半導体チップ1には、その裏面(配線基板3に面している側の面、つまり基板との対向面)にボンディング用のバンプ11(突起部)が設けられており、このバンプ11を介して配線基板3上の配線12aと電気的に接続されている。なお、本実施の形態では、バンプ11は、半導体チップ1の裏面の外周部に配置されている。このようなバンプの配置の仕方は、一般にペリフェラル配置と呼ばれる。このように、半導体チップ1の裏面の外周部にバンプを配置することで、裏面の中央部分には、配線基板3と半導体チップ1との間に十分な空間が形成される。そして、この空間部分にチップ部品や配線を配置させることができる。
但し、本発明は、必ずしもこのような構成に限定はされず、半導体チップ1の裏面の全体に格子状にバンプ11が点在して配置されている、いわゆるエリアアレイ配置であってもよい。
また、半導体チップ1の裏面の一部であって、チップ部品2と対向している領域には、ポリイミド被膜(ポリイミド層)15が設けられている。このように、半導体チップ1とチップ部品2との間に、ポリイミド被膜15が設けられていることによって、半導体チップとチップ部品との間でリーク(漏電)が発生することをより確実に防止することができる。
また、各チップ部品2は、図1に示すように、両端に電極21・21が設けられており、その間に受動素子22が配置されている。受動素子22は、半導体装置の受動素子として一般的に用いられるものであれば特に限定はされない。具体的な受動素子22の例としては、抵抗、コンデンサ、インダクタ等が挙げられる。このような構造を有するチップ部品2は、半田23を介して各配線12aに電気的に接続されている。
配線基板3は、絶縁材料で形成されたベースフィルム31を基材として有している。このベースフィルム31の表側の表面(以下、表面と呼ぶ)に、表側の配線12aが特定のパターンで形成されているとともに、裏側の表面(以下、裏面と呼ぶ)に、裏側の配線12bが特定のパターンで形成されている。表側の配線12aと裏側の配線12bとは、ベースフィルム31を貫通して配置された接続ビア32によって、互いに電気的に接続されている。配線基板3の表面および裏面には、各配線12a・12bの上層にソルダーレジスト(ソルダーレジスト層)13a・13bがそれぞれ積層されている。
ソルダーレジスト13a・13bは、半田付けの際に、半田が流れないように配線の表面を覆う合成樹脂膜(例えば、感光性と絶縁性のあるエポキシ系の樹脂膜)である。また、ソルダーレジスト13a・13bは、クリーム半田などによる自動実装のときの半田への隔壁としての役割も果たす。本実施の形態の半導体装置10では、配線12a上に特定のパターンで形成されたソルダーレジスト13aとソルダーレジスト13aとの間に、各チップ部品2が配置されている。
なお、ソルダーレジストは液状レジスト、フィルム状レジストのどちらを使用してもよいが、フィルム状レジストのほうが好ましい。これは、液状レジストを使用して、例えば、後述する図7(a)に示すような構造の半導体装置を製造した場合、チップ部品の下に位置するソルダーレジストの高さのバラツキが大きくなる可能性があるからである。一方、フィルム状レジストの場合は、ソルダーレジストの高さを安定させることができる。
上記のような構造を有する半導体チップ1、チップ部品2、および配線基板3は、図1に示すように、配線基板3と半導体チップ1との間にチップ部品2が配置されるという構成を有している。そして、配線基板3と半導体チップ1との間のチップ部品2が配置されている領域は、アンダーフィル、NCPなどの封止樹脂14(絶縁樹脂)によって充填されている。
上記の構成によれば、封止樹脂によって隙間が充填されているため、実使用環境において、各配線同士、各電極同士、あるいは配線と電極との間で発生するマイグレーションによる絶縁劣化を防止することができる。
ここで、本発明の半導体装置と従来の半導体装置との構造の相違点について説明する。相違点を説明するにあたって、まず、従来の半導体装置の構造について説明する。
図8には、従来の半導体装置100の部分断面の構成を示す。この半導体装置100は、混成集積回路装置である。図8に示すように、半導体装置100は、主な構成部品として半導体チップ101、複数個のチップ部品102、および配線基板103を備えている。
図8に示すように、従来の半導体装置100においては、配線基板103上に、半導体チップ101およびチップ部品102が並んで配置されている。具体的には、半導体チップ101は、配線基板103に形成された配線112にボンディング用のバンプ111を介して電気的に接続されている。また、チップ部品102は、両端に電極121・121を有し、その間に受動素子122が配置された構成となっており、各電極121・121が半田123を介して配線基板103に形成された配線112と電気的に接続されている。
なお、半導体チップ101またはチップ部品102との接続部分以外の配線112の表面には、ソルダーレジスト113が積層されており、各電極間および各配線間などのリークを防止している。
図1および図8に示すように、本実施の形態の半導体装置10では、半導体チップ1と配線基板3との間にチップ部品2が配置されているのに対して、従来の半導体装置100では、半導体チップ101およびチップ部品102は、配線基板103上に並んで配置されている。
図1と図8とを比較すればわかるように、従来の半導体装置100では、半導体チップ101とチップ部品102とが並んで配置されているため、配線基板3の表面に、半導体チップ101用の搭載領域と各チップ部品102用の搭載領域が必要となる。一方、本実施の形態の半導体装置10においては、半導体チップ1とチップ部品2とが、配線基板3上の同じ領域に、重なって配置されている。つまり、バンプ11を介して配線基板3に接続された半導体チップ1において、バンプ11が配置されている部分の半導体チップ1と配線基板3との隙間に、チップ部品2が配置されている。
このように、本実施の形態では、従来は半導体チップのみが搭載されていた基板の領域を利用して、チップ部品も配線基板上に搭載している。そのため、配線基板上に必要とされる各構成部品の搭載面積をより小さくすることができ、半導体装置のさらなる縮小化を実現することができる。
また、本実施の形態の半導体装置10と従来の半導体装置100との間の構造上のその他の相違点として、チップ部品の周辺におけるソルダーレジストの配置の仕方が挙げられる。図8に示す従来の半導体装置100では、ソルダーレジスト113は、配線基板103の露出した表面だけではなく、チップ部品102の下部にも形成されている。
一方、本実施の形態の半導体装置10では、図1に示すように、チップ部品2の下にソルダーレジスト13aが配置されていない。
このように、半導体装置10では、ソルダーレジスト13aとチップ部品2とが、互いに積層されないように配置されている。言い換えれば、ソルダーレジスト13aの層とチップ部品2の層とが、半導体装置内におけるほぼ同一の層(具体的には、配線12aが形成されている層のすぐ上の層)内に配置されている。
上記の構成によれば、チップ部品が配置された領域の高さを抑えることができるため、半導体チップとチップ部品とを積層した構造を有する半導体装置の厚さが増すことを抑えることができる。
但し、本発明では、必ずしも上記のような構成に限定されない。図7(a)には、本発明の他の実施の形態にかかる半導体装置10aのチップ部品周辺の断面構成を示す。また、図7(b)には、比較のために従来の半導体装置のチップ部品周辺の断面構成を示す。
図7(a)に示す半導体装置10aでは、ソルダーレジスト13a上にチップ部品2が積層されているが、チップ部品2下のソルダーレジスト13aを表面配線12aに被せないような構成となっている。一方、図7(b)に示す従来の半導体装置100では、配線112上にソルダーレジスト113が形成され、さらにその上層に半導体チップ102が配置された構成となっている。そのため、チップ部品2が配置されている部分の配線基板103の厚さは、ベースフィルム+レジスト厚+配線厚となり、半導体装置全体としての厚さも増してしまう。
これに対して、図7(a)のように、ソルダーレジスト13aを表面配線12aに被せない構成では、チップ部品2が配置されている部分の配線基板103の厚さは、ベースフィルム+レジスト厚となるため、半導体装置の厚さを抑えることができる。このように、図7(a)に示すような構成とすることで、左右の電極21・21間の半田の流れ出しをソルダーレジストで防ぎつつ、実装高さを抑えることができる。
また、本実施の形態の半導体装置10では、半導体チップ1の下部にチップ部品2を配置しているため、従来の半導体装置100とは、配線12aの配置の仕方についても異なっている。本実施の形態の半導体装置10では、半導体チップ1のバンプ11がペリフェラル配置で形成されているため、チップ部品と接続する各配線を配置するための領域を確保することができる。
なお、図1に示す本実施の形態の半導体装置10では、全てのチップ部品2が半導体チップ1の下に配置されているが、本発明では必ずしもこのような構成に限定はされない。つまり、複数のチップ部品2のうちの一部については、半導体チップ1の下部ではなく、従来の構成と同様に、半導体チップ1と並んで配線基板3上に配置されていてもよい。
次に、本実施の形態の半導体装置10の各部分の具体的な寸法および材料の一例を以下に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
配線基板3を構成しているベースフィルム31、表面および裏面の配線12a・12b、ソルダーレジスト13の厚さは、それぞれ15〜30μm(例えば、20μm)、10〜20μm(例えば、15μm)、10〜30μm(例えば、20μm)である。なお、ソルダーレジスト13の厚さとは、図1中のBで示す部分の厚さのことを意味する。
また、ボンディング用のバンプ11の高さ(半導体チップ1との接触面から配線12aとの接触面までの距離A(図1参照))は、100〜500μmである。バンプ11は、半田バンプ、Cuポスト+半田バンプ、Auバンプなどから適宜選択することができる。
ポリイミド被膜15の厚さは、2〜8μmである。また、各チップ部品2の大きさは、例えば、縦0.2〜0.6(mm)×横0.1〜0.3(mm)×高さ0.1〜0.3(mm)である。
封止樹脂14の材料としては、例えば、アンダーフィル、NCPなどを使用することができる。アンダーフィルは、半導体チップ(LSI)を基板上にボンディングした後に硬化する樹脂であり、NCPは、半導体チップ(LSI)のボンディングと同時に硬化させる、速硬化タイプの樹脂である。
続いて、本実施の形態の半導体装置10の製造方法について説明する。
図2〜図6には、半導体装置10の製造方法の具体例を示す。これらの図では、配線基板3上にチップ部品2を搭載する工程から、装置が完成するまでの半導体装置10の実装方法を工程ごとに示している。なお、図2〜図4に示す製造途中の各半導体装置10の断面図では、ポリイミド被膜15および半田23の図示を省略している。
配線基板3上にチップ部品2を搭載する工程については、図2〜図6に示す何れの実装方法においても、クリーム半田のスクリーン印刷法を用いて行われる。但し、本発明では、この方法に限定されることはなく、その他の一般的なチップ部品の実装方法を利用することもできる。
図2に示す実装方法では、クリーム半田印刷法によってチップ部品2を配線基板3上に搭載した後、アンダーフィル(封止樹脂14に相当)を塗布する。そして、アンダーフィルが未硬化の状態で半導体チップ(LSI)1を搭載する。最後に、チップ部品2および半導体チップ1をリフローにより配線12aと電気的に接続し、アンダーフィルを硬化する。
図2に示す実装方法は、バンプ11または配線基板3上の端子(バンプ11との接続部)が、半田やスズ(Sn)などの低融点金属で形成されている場合に、好適に利用することができる。
また、図2に示す実装方法によれば、リフローの前に配線基板上にアンダーフィルを塗布していることで、リフロー時にクリーム半田が溶融したとしても、周囲にアンダーフィルがあるためにショートを効率的に防止することができる。
図3に示す実装方法では、クリーム半田印刷法によってチップ部品2を配線基板3上に搭載した後、半導体チップ(LSI)1を配線基板3上に搭載する。その後、リフローによってチップ部品2および半導体チップ1を配線12aと電気的に接続する。そして、最後にアンダーフィル(封止樹脂14に相当)を流し込み、硬化させる。
図3に示す実装方法は、バンプ11または配線基板3上の端子(バンプ11との接続部)が、半田やスズ(Sn)などの低融点金属で形成されている場合に、好適に利用することができる。
また、図3に示す実装方法によれば、半導体チップ1と配線基板3との間の隙間がアンダーフィルで充填されているため、実使用環境での絶縁劣化(マイグレーション)を防止することができる。
図4に示す実装方法では、クリーム半田印刷法によってチップ部品2を配線基板3上に搭載した後、リフローによってチップ部品2および半導体チップ1を配線12aと電気的に接続する。その後、NCP(封止樹脂14に相当)を塗布する。そして、最後に半導体チップ(LSI)1を熱圧着によって配線基板3上に実装するとともに、NCPを熱硬化させる。
図4に示す実装方法では、バンプ11または配線基板3上の端子(バンプ11との接続部)の材質が特に制限されることなく、各種材料を選択することができる。つまり、図1に示す実装方法で好適に使用される低融点金属以外に、Auバンプ、Ni/Auメッキ端子なども使用することができる。
また、図4に示す実装方法によれば、半導体チップ1と配線基板3との間の隙間がNCPで充填されているため、実使用環境での絶縁劣化(マイグレーション)を防止することができる。
また、図5および図6に示す実装方法のように、半導体チップ1とチップ部品2とを別々の工程でリフローによって配線12aに接続してもよい。
具体的には、図5に示す実装方法では、クリーム半田印刷法によってチップ部品2を配線基板3上に搭載した後、まず、リフローによってチップ部品2のみを配線12aと電気的に接続する。その後、半導体チップ(LSI)1を搭載した後、リフローによってバンプ11を介して半導体チップ1と配線12aとを電気的に接続する。
また、図6に示す実装方法では、クリーム半田印刷法によってチップ部品2を配線基板3上に搭載した後、まず、リフローによってチップ部品2のみを配線12aと電気的に接続する。その後、アンダーフィル(封止樹脂14に相当)を塗布する。そして、アンダーフィルが未硬化の状態で半導体チップ(LSI)1を搭載する。最後に、リフローにより半導体チップ1を配線12aと電気的に接続し、アンダーフィルを硬化する。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、ここで開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明の半導体装置を用いれば、装置のサイズのさらなる縮小化および高密度実装が可能となる。従って、本発明の半導体装置は、各電子機器(例えば携帯電話、PDA、OA機器、表示装置等)の内部に設けられた半導体装置として利用することができる。
本発明の一実施の形態にかかる半導体装置の部分構成を示す断面図である。 図1に示す半導体装置の製造工程の一例を示す図である。 図1に示す半導体装置の製造工程の他の一例を示す図である。 図1に示す半導体装置の製造工程の他の一例を示す図である。 図1に示す半導体装置の製造工程の他の一例を示す図である。 図1に示す半導体装置の製造工程の他の一例を示す図である。 (a)は、本発明の半導体装置の他の実施形態を示すものであって、チップ部品周辺の構成を示す断面図である。(b)は、従来の半導体装置のチップ部品周辺の構成を示す断面図である。 従来の半導体装置の部分構成を示す断面図である。
符号の説明
1 半導体チップ(LSI)
2 チップ部品
3 配線基板
10 半導体装置
10a 半導体装置
11 バンプ(突起部)
12 配線
12a 表面配線
12b 裏面配線
13 レジスト(13a・13b)
14 封止樹脂(絶縁樹脂)
15 ポリイミド被膜(ポリイミド層)
21 電極
22 受動素子(抵抗、コンデンサ、インダクタなど)
23 半田
31 ベースフィルム
32 接続ビア

Claims (5)

  1. 配線基板上に、半導体チップおよびチップ部品を備え、各半導体チップおよび各チップ部品が、上記配線基板上の配線と電気的に接続されている半導体装置であって、
    上記配線基板と上記半導体チップとの間に、上記チップ部品が配置されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 上記半導体チップと上記配線基板との間の上記チップ部品が配置されている領域は、絶縁樹脂によって封止されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 上記チップ部品は、上記配線と半田を介して接続されているとともに、
    上記配線基板上には、各チップ部品間におけるリークを防止するためのソルダーレジスト層が形成されており、
    上記ソルダーレジスト層と上記チップ部品とは、互いに積層されないように配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 上記半導体チップと上記チップ部品との間には、ポリイミド層がさらに形成されていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の半導体装置。
  5. 上記半導体チップは、上記基板との対向面に設けられた突起部を介して接続されており、上記突起部は、上記半導体チップの上記基板との対向面の外周部に配置されていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の半導体装置。
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