JP2010003823A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体部品と回路基板を接続するはんだボールのつぶれを抑制することができる半導体装置を提供する。
【解決手段】回路基板６と半導体部品３とを導電性の複数の金属バンプを介して接続してなる半導体装置であって、上記金属バンプとしてＣｕコアボール４とはんだボール５とを混在させて配列し、この配列の少なくとも中央部７に配置された金属バンプをＣｕコアボール４、少なくとも最外周列のコーナーＣ１−Ｃ４にそれぞれ配置された４つの金属バンプをはんだボール５としたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、回路基板と半導体部品とを導電性の複数の金属バンプを介して接続してなる半導体装置に関する。

半導体パッケージや半導体チップ等の半導体部品を、バンプと呼ばれる導電性の突起を微小なコネクタとして半導体部品を回路基板に接続する構造がある。例えばＢＧＡ（Ball Grid Array）もその構造の一つである（例えば、特許文献１参照）。このＢＧＡでは一般にはんだボールがバンプとして用いられ、はんだボールは格子状に並べられることが多い。

特開平１１−３０７６７９号公報

しかしながら、半導体チップや半導体パッケージ等の半導体部品をはんだボールを介して回路基板に接続する構造では、回路基板に半導体部品と接続する際の荷重によりはんだボールがつぶれてしまい、コネクタとしての金属バンプの高さ（接続高さ）のコントロールが困難である。また、はんだボールのつぶれの程度によっては、隣り合うはんだボール同士の接触等によって接続信頼性の低下も懸念される。

そこで本発明は、半導体部品と回路基板を接続するはんだボールのつぶれを抑制することができる半導体装置を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、回路基板と半導体部品とを導電性の複数の金属バンプを介して接続してなる半導体装置であって、前記金属バンプとしてＣｕコアボールとはんだボールとを混在させて配列し、この配列の少なくとも中央部に配置された金属バンプをＣｕコアボール、少なくとも最外周列の各コーナーにそれぞれ配置された４つの金属バンプをはんだボールとしたことを特徴とする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記複数の金属バンプが、前記金属バンプの配列の中央部に配置された複数のＣｕコアボールと、これらＣｕコアボールを取り囲むように配置された複数のはんだボールとからなることを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記Ｃｕコアボールが、Ｃｕを主成分とする芯ボールと、この芯ボールを被覆するＳｎ系の皮膜とからなることを特徴とする。

（４）上記（１）〜（３）のいずれかにおいて、好ましくは、前記半導体部品が半導体チップを内蔵した半導体パッケージであることを特徴とする。

（５）上記（１）〜（３）のいずれかにおいて、好ましくは、前記半導体部品が半導体チップであることを特徴とする。

本発明によれば、半導体部品と回路基板の接続領域の中央部にＣｕコアボールを配置することにより、半導体部品を回路基板に接続する際の荷重によるはんだボールのつぶれを抑制することができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の全体構成を表す斜視図、図２は半導体装置の金属バンプの配列の一構成例を表す図、図３は半導体装置の金属バンプの配列の他の構成例を表す図、図４は図２の矢視Ｘ−Ｘによる半導体装置の断面図である。図２及び図３は、半導体部品と金属バンプで接続される回路基板上の領域（接続相手である半導体部品との間の金属バンプの全てを包括する領域）を抽出して表した平面図を表している。以下の説明では、図２及び図３に示した領域を「接続領域」と適宜記載する。

第１の実施の形態は、半導体チップを内蔵した半導体パッケージ（半導体部品）３と回路基板６とを、接続領域１０において導電性の複数の金属バンプを介して接続した例である。本実施の形態の半導体装置は、自動車等に設置される電子制御装置を含め、様々な電子制御装置に設置される。

半導体パッケージ３は、インターポーザ基板２とこのインターポーザ基板２をモールドするモールド樹脂１を備えており、金属バンプ（詳細は後述）を介して回路基板６に接続されている。インターポーザ基板２及び回路基板６には共通の材質の樹脂を用いることが好ましく、例えばともに樹脂基板を用いることができる。この場合、金属バンプを挟むインターポーザ基板２及び回路基板６の両基板の線膨張係数が同等となることから、線膨張係数の違いによる反り変形が軽減される。

インターポーザ基板２と回路基板６を接続する金属バンプとしては、Ｃｕコアボール４とはんだボール５が混用され、これらＣｕコアボール４とはんだボール５が混在して配列される。Ｃｕコアボール４は、Ｃｕを主成分とする芯ボール４ａと、この芯ボール４を被覆するＳｎ系の皮膜４ｂとからなる導電性のボールである。

本実施の形態では、Ｃｕコアボール４とはんだボール５を接続領域１０に配列するにあたり、配列の少なくとも中央部（中央領域）７に配置された金属バンプはＣｕコアボール４とし、少なくとも最外周列の各コーナー（接続領域１０の四隅）Ｃ１−Ｃ４にそれぞれ配置された４つの金属バンプははんだボール５とする。中央部７の領域の大きさ（言い換えれば中央部７に含まれる金属バンプの数）の設定は接続領域１０内の全金属バンプの数や配置によって異なるが、中央部７に含まれる金属バンプは、１つの場合もあるし複数の場合もある。コーナーＣ１−Ｃ４及び中央部７以外の金属バンプは、全てをＣｕコアボール４とすることもできるし、全てをはんだボール５とすることもできる。若しくは、Ｃｕコアボール４とはんだボール５を任意に混在させることもできる。

図２では、接続領域１０において金属バンプが５行×７列の格子状に配列された場合が例示されている。図２の配置例では、接続領域１０内の金属バンプのうち、中央部７に配置された３行×３列の金属バンプをＣｕコアボール４とし、これらＣｕコアボール４を取り囲むように配置された残りの金属バンプをはんだボール５としている。但し、中央部７以外の金属バンプにおいては、少なくともコーナーＣ１−Ｃ４の４つがはんだボール５であれば良く、それ以外（コーナーＣ１−Ｃ４及び中央部７以外）の金属バンプは必ずしもはんだボール５である必要はない。

図３では、接続領域１０において、中央部７の３行×３列の金属バンプ、及び中央部７の外側に位置するようにインターポーザ基板２の四隅に配置された各２行×２列の金属バンプが設けられている場合が例示されている。図３の配置例では、接続領域１０内の金属バンプのうち、中央部７に配置された３行×３列の金属バンプをＣｕコアボール４とし、残り（四隅に配置された各２行×２列）の金属バンプをはんだボール５としている。但し、図２の例と同じく、中央部７以外の金属バンプにおいては、少なくとも全体の配列の最外周のコーナーＣ１−Ｃ４の４つがはんだボール５であれば良く、それ以外（コーナーＣ１−Ｃ４及び中央部７以外）の金属バンプは必ずしもはんだボール５である必要はない。

上記のように、本実施の形態においては、接続領域１０の中央部７内の金属バンプをＣｕコアボール４とし、接続領域１０内のそれ以外の金属バンプは、少なくともコーナーＣ１−Ｃ４の４つの金属バンプをはんだボール５とした。仮に接続領域１０内の金属バンプを全てはんだボールとした場合、半導体パッケージ３を回路基板６に接続する際の荷重によってはんだボール５がつぶれると接続信頼性の低下が懸念されるが、本実施の形態では、接続領域１０の中央部７のＣｕコアボール４が支えとなるので、周囲のはんだボール５がつぶれることを抑制することができる。さらに、Ｃｕコアボール４を混用することにより、接続高さ（半導体部品３と回路基板６の対向面間距離）のコントロールが容易となる。また、はんだボールのみを金属バンプとして用いた接続構造よりも接続高さを高く確保することができ、はんだ接続部を長寿命化することができる。

また、Ｃｕコアボール４は、はんだボール５に比べてつぶれ難いが、反面、亀裂が入った場合には、芯ボール４ａと被膜４ｂの界面や芯ボール４ａと回路基板６及び半導体部品３との接続界面の間にひずみが発生して一気に破壊が進行する恐れがあり、はんだボール５に比べて破壊が進行し易い側面も併せ持っている。そして、接続時の荷重により最も亀裂の入り易いのは外側の金属バンプである。したがって、Ｃｕコアボール４をはんだボール５と混用するにしても、Ｃｕコアボール４を外周側に配置した場合には、Ｃｕコアボール４に亀裂が入るとＣｕコアボール４の破壊が一気に進展してしまう恐れがある。Ｃｕコアボール４を混在させるにしても、Ｃｕコアボール４を中央部７でなく外周部に配置した結果Ｃｕコアボール４の破壊が進行してしまうと、接続領域１０内のはんだボール５のつぶれ抑制の効果も半減してしまう。したがって、本実施の形態のように、最も亀裂の入り易い最外周、特にコーナーＣ１−Ｃ４の金属バンプにははんだボール５を用いることで、当該部分の金属バンプの破壊の進行を抑制し接続信頼性を確保することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、半導体部品と回路基板の接続面の中央部７にＣｕコアボール４を配置し、少なくともコーナーＣ１−Ｃ４にはんだボール５を配置することにより、半導体部品を回路基板に接続する際の荷重によって周囲のはんだボールがつぶれることを抑制することができ、接続信頼性を高めることができる。

図５は本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の全体構成を表す斜視図である。図５において、第１の実施の形態の同様の部分には、既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態は、半導体部品として、半導体パッケージ３に代えて半導体チップ８を回路基板９に接続した例であり、金属バンプに関する技術思想を含め、その他の点については第１の実施の形態と同様である。本実施の形態の半導体装置も、自動車等に設置される電子制御装置を含め、様々な電子制御装置に設置される。

半導体チップ８は、例えばシリコンチップを用いることができる。また、回路基板９は例えばセラミック基板を用いることができる。シリコンチップとセラミック基板の組合せは、例えばシリコンチップと樹脂基板の組合せよりも線膨張係数差が小さいため、それだけシリコンチップと樹脂基板の組合せとした場合に比較して反り変形が軽減される。金属バンプは、先に図２や図３に示たように、接続領域１０の中央部７にはＣｕコアボール４を、それ以外の領域の少なくともコーナーＣ１−Ｃ４にははんだボール５を配置する。

本実施の形態によっても、先に説明した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の全体構成を表す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の金属バンプの配列の一構成例を表す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の金属バンプの配列の他の構成例を表す図である。 図２の矢視Ｘ−Ｘによる本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の全体構成を表す斜視図である。

符号の説明

１ モールド樹脂
２ インターポーザ基板
３ 半導体パッケージ
４ Ｃｕコアボール
４ａ 芯ボール
４ｂ 皮膜
５ はんだボール
６ 回路基板
７ 中央部
８ 半導体チップ
９ 回路基板
１０ 接続領域
Ｃ１−４ コーナー

Claims (5)

1. 回路基板と半導体部品とを導電性の複数の金属バンプを介して接続してなる半導体装置であって、
   前記金属バンプとしてＣｕコアボールとはんだボールとを混在させて配列し、この配列の少なくとも中央部に配置された金属バンプをＣｕコアボール、少なくとも最外周列の各コーナーにそれぞれ配置された４つの金属バンプをはんだボールとした
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１の半導体装置において、前記複数の金属バンプが、前記金属バンプの配列の中央部に配置された複数のＣｕコアボールと、これらＣｕコアボールを取り囲むように配置された複数のはんだボールとからなることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１又は２の半導体装置において、前記Ｃｕコアボールが、Ｃｕを主成分とする芯ボールと、この芯ボールを被覆するＳｎ系の皮膜とからなることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１〜３のいずれかの半導体装置において、前記半導体部品が半導体チップを内蔵した半導体パッケージであることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１〜３のいずれかの半導体装置において、前記半導体部品が半導体チップであることを特徴とする半導体装置。

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