JP2010118416A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだ付け実装での熱ストレスにより、配線基板の配線パターンと封止樹脂との界面で剥離が発生し、ワイヤーが切断することに対する耐性を向上せしめた半導体装置を提供する。
【解決手段】配線基板1と半導体チップ2とワイヤー3と封止樹脂4とよりなる半導体装置において、配線基板1は複数の絶縁層12,13からなり、ワイヤー3と接続した配線パターン11は、絶縁層12,13間に配置され当該配線パターン11よりもチップ搭載面側の絶縁層12に設けられた開口部12ａから露出して封止樹脂4と接する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップを配線基板に搭載し樹脂封止した半導体装置に関し、特に配線基板に形成された配線パターンと封止樹脂との界面剥離を抑制する技術に関するものである。

従来、半導体チップを配線基板に搭載しワイヤーにて電気的に接続し樹脂封止した半導体装置がある。かかる半導体装置は、実装基板にはんだ付け実装する際の熱ストレスにより配線基板と封止樹脂との界面で剥離が発生し、ワイヤーが切断されて、故障に至ることがある。こうした界面剥離を防止するために、配線基板上に設けるソルダーレジストの表面に凹凸を形成して封止樹脂との接合強度を向上させることが提案されている（たとえば特許文献１）。
特開平１０−９２９６４号公報

しかし上記の特許文献１に開示された方法では、封止樹脂とソルダーレジストとの間の接合強度を向上させることは可能であるものの、熱ストレス印加時のワイヤーの切断を完全に防止することはできない。ワイヤーは配線基板に形成された配線パターンに接続されるのに、配線パターンと封止樹脂との間の接合強度の向上は考慮されていないからである。

配線パターンの素材は金属であり、有機材料である封止樹脂との接合は水素結合に拠る。水素結合は共有結合や配位結合よりはるかに弱い結合であり、特に応力がかかっている場合には結合が切断されやすい。一方、はんだ実装時の熱ストレスは、配線基板と封止樹脂との界面に両者の熱膨張差に起因する応力を生じさせ、当然に、配線基板上の配線パターンと封止樹脂との界面にも応力を生じさせる。そのため、配線パターンと封止樹脂との界面で接合が破壊されやすい。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、配線基板において、熱ストレスにより配線パターンと封止樹脂との界面に生じる応力を低下させて界面剥離を防止し、ワイヤー切断に対する耐性を向上せしめた半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、配線基板と、前記配線基板に搭載された半導体チップと、前記配線基板に形成された配線パターンと前記半導体チップとを電気的に接続したワイヤーと、前記半導体チップとワイヤーと配線基板のチップ搭載面とを覆った封止樹脂とを有しており、前記配線基板は複数の絶縁層より構成されていて、前記ワイヤーと接続した前記配線パターンは、前記絶縁層間に配置され当該配線パターンよりもチップ搭載面側の絶縁層に設けられた開口部から露出して前記封止樹脂と接していることを特徴とする。このような構成により、半導体装置のボードへのはんだ実装時において配線パターンと封止樹脂との界面に働く応力を低下させ、界面剥離を防止することができる。

配線基板は少なくとも３層の絶縁層より構成されており、ワイヤーと接続した配線パターンは、互いに上下に位置する２層を一組とした少なくとも二組の絶縁層間に配置されていることを特徴とする。このような構成により、配線基板の限られた面積のなかで配線パターンに接続可能なワイヤーの本数を増やし、より集積度の高い半導体装置を得ることができる。

ワイヤーと接続した配線パターンは、その一部のみが絶縁層の開口部より露出しており、残部は前記絶縁層によって覆われていることを特徴とする。このような構成により、応力が集中しやすく剥離の基点となりやすい配線パターンの端部が封止樹脂との接触から保護されることになり、界面剥離の防止に有用である。

絶縁層の開口部は、配線パターンの表面箇所で開口面積が最も大きい形状に形成されていることを特徴とする。このような構成により、封止樹脂が配線基板の開口部に嵌合している状態となり、そのアンカー効果により配線基板と封止樹脂との界面剥離を防止する効果をより高める。

本発明の半導体装置は、ワイヤーと接続させる配線パターンの配置を工夫したことにより、つまりワイヤーと接続している配線パターンが配線基板の表面より内層にて封止樹脂と接するようにしたことにより、配線パターンと封止樹脂との界面に働く応力を、配線パターンが配線基板の表面にて封止樹脂と接している従来品と比べて低下させることができ、それにより界面剥離を防止し、ワイヤーの切断を防止し、高信頼性を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成を示す断面図、図２は同半導体装置の平面図である。

図１および図２に示す半導体装置は、配線基板１と、配線基板１上に搭載された半導体チップ２と、配線基板１に形成された配線パターン１１と半導体チップ２の電極パッド２ａとを電気的に接続したワイヤー３と、半導体チップ２とワイヤー３と配線基板１のチップ搭載面とを覆った封止樹脂４とを有している。なお図２では封止樹脂４を透視して示している。

詳細には、配線基板１は、複数の配線パターン１１を第１の絶縁層１２と第２の絶縁層１３との界面に配して形成されている。第１の絶縁層１２には配線パターン１１の一部を露出させる開口部１２ａが形成され、第２の絶縁層１３には配線パターン１１に接続するインナービア１４および外部端子１５が形成されていて、配線パターン１１はインナービア１４を介して外部端子１５に電気的に接続している。

半導体チップ２は、一主面の周縁部分に各端辺に沿う方向に配列された複数の電極パッド２ａを有しており、配線基板１の中央部であって第１の絶縁層１２の上に接着剤（図示せず）により固着されている。

配線基板１においては、複数の配線パターン１１は半導体チップ２搭載領域の周囲にほぼ放射状に延びており、各配線パターン１１の一部を露出させるべく第１の絶縁層１２に形成された開口部１２ａは当該配線パターン１１と同一方向に延びた四角形である。半導体チップ２の複数の電極パッド２ａからのワイヤー３も放射状に延び、各々の電極パッド２ａの近傍の配線パターン１１に対して第１の絶縁層１２の開口部１２ａを通って接続している。

上記の半導体装置を製造する際には、工程の図示を省略するが、配線基板１の領域を複数に設けた短冊状等の配線基板（以下、短冊状配線基板という）を準備し、配線基板１領域ごとに、その第１の絶縁層１２上に接着剤（図示せず）を介して半導体チップ２を搭載し、半導体チップ２の複数の電極パッド２ａの各々をワイヤー３により配線パターン１１に接続する。そして、複数の半導体チップ２とワイヤー３とが設けられた短冊状配線基板の片面を金型を用いて封止樹脂４により樹脂モールドし、封止樹脂４の硬化後に樹脂モールド体を配線基板１領域ごとに分割することで、個片の半導体装置を得る。

この半導体装置を実装するときには外部端子１５で実装基板の端子にはんだ付けするのであるが、上記の構成を有することにより、はんだ付け実装時に配線パターン１１と封止樹脂４との界面に働くせん断応力が低減される。このメカニズムを図３を参照しながら説明する。

図３（ａ）は従来の半導体装置において封止樹脂４が成形される時点での状態を示す断面図、図３（ｂ）は同半導体装置のはんだ付け実装時の状態を示す断面図、図３（ｃ）は本発明の実施の形態１の半導体装置のはんだ付け実装時の状態を示す断面図である。

説明を簡略化するために、半導体装置の中心軸に対して対称となる片側およびワイヤー３の図示を省略している。また従来構成と本発明構成との差異を明確にするために、配線基板１、配線パターン１１、半導体チップ２、封止樹脂４の寸法は同一であるとする。配線基板１については、従来構成では絶縁層１０という単一層からなり、本発明構成では第１の絶縁層１２，第２の絶縁層１３という２層からなるが、トータルの厚みが同一であるとする（ｔ１＝ｔ２＋ｔ３）。

図３（ａ）に示す封止樹脂４が成形される工程では、半導体装置の温度は封止樹脂４が硬化する温度（一般的には１５０℃から１８０℃の範囲内）に保たれ、この温度では配線基板１と封止樹脂４とが接している部分の寸法は一致する。従って、これらの内部の応力はゼロの状態にあるとみなせる。厳密には封止樹脂４の硬化収縮に起因する寸法変化および内部応力が存在するが、これらは半導体装置の全体寸法から考えると極めて微小である。このことは本発明構成でも同様なので、以下の説明では硬化収縮の影響は除外することとする。

図３（ｂ）および図３（ｃ）に示す実装工程では、半導体装置ははんだ付け実装時の温度環境（一般的には２２０℃から２６０℃の範囲内）に置かれる。この温度は図３（ａ）について述べた封止樹脂の硬化時の温度より高く、配線基板１および封止樹脂４に熱膨張による寸法変化の差異が発生する。封止樹脂４の熱膨張係数（一般的には３０ｐｐｍ／℃から１９０ｐｐｍ／℃）は、配線基板１の熱膨張係数（一般的には平面方向では５ｐｐｍ／℃から３０ｐｐｍ／℃）よりも大きいため、封止樹脂４の方がより大きく寸法変化する。かかる封止樹脂４と配線基板１とが接合しているため、両者の寸法差は半導体装置全体の曲げという形状変化として発現する。なお図中に封止樹脂の変形量として示したベクトルは、理解を容易にするために、実際より大きく図示している。

このときに半導体装置内で封止樹脂４と接している配線パターン１１の表面に働く応力は、図３（ｂ）に示す従来構成よりも図３（ｃ）に示す本発明構成の方が小さくなる。
なぜなら、曲げの寸法変化は封止樹脂４の方が配線基板１よりも大きいため、封止樹脂４と接する配線パターン１１の曲げの寸法変化は、配線パターン１１が配線基板１の表面に位置している従来構成よりも、配線基板１の内層部に位置している本発明構成の方が小さくなり、その結果、配線パターン１１の表面で発生する応力も、従来構成よりも本発明構成の方が小さくなるからである。

配線パターン１１が上述のように曲げの形状をとっている場合には、配線パターン１１の表面で発生する応力は、図示したように、当該配線パターン１１の表面に沿った方向の成分ｆｘと表面に対して垂直方向の成分ｆｙとに分解でき、その垂直方向成分ｆｙが界面剥離を引き起こす方向に一致する。そして上述のとおり、本発明構成によれば、従来構成よりも応力が小さくなることから、垂直方向成分ｆｙも従来構成より小さくなり、界面剥離に対する耐性が向上する。ワイヤーの切断も防止される。

ここで、半導体装置の設計の自由度からいえば、配線パターン１１をその全体が封止樹脂４に対して露出するように配置することは可能である。しかし、実施の形態１の半導体装置のように、配線パターン１１の内でワイヤー３と接続している部分のみ露出させ、他の部分は第１の絶縁層１２で被覆するのが好ましい。その理由は二つある。第一に、従来構成に比べて改善されているとはいえ、基本的に封止樹脂４との接合強度が低い配線パターン１１は、封止樹脂４と接する面積はできる限り小さいことが好ましい。第二に、配線パターン１１の端部が封止樹脂４に対して露出していると、その端部に応力が集中して、当該配線パターン１１と封止樹脂４との界面剥離、もしくは配線パターン１１と第２の絶縁層１３との間の剥離が発生する可能性がある。

なお、実施の形態１では、半導体チップ２を配線基板１の中央部に搭載し、ワイヤー３および配線パターン１１を放射状に配置したが、これらは半導体装置の機能を達成するために自由に配置・配線して構わない。複数の半導体チップ２を積層してもよいし、あるいは平面的に並べて搭載しても構わない。抵抗やキャパシタ等の受動部品を搭載していても構わない。

また半導体チップ２を第１の絶縁層１２上に搭載したが、これに代えて、第１の絶縁層１２上に金属パターンを形成し、その金属パターンの上に半導体チップ２を搭載しても構わない。半導体チップ２を搭載した金属パターンを必要に応じてインナービア１４を通じて外部端子１５と電気的に接続しても構わない。

ワイヤー３の全数を、配線基板１の内層部に設けた配線パターン１１に接続したが、これに代えて、ワイヤー３の一部を内層部の配線パターン１１に接続し、残りのワイヤー３を第１の絶縁層１２の表面に設けた配線パターンに接続するよう設計しても構わない。このようにワイヤー３の一部のみを内層部の配線パターン１１に接続することによっても、界面剥離に対する耐性の向上は明らかである。配線パターン１１を露出させるために第１の絶縁層１２に設ける開口部１２ａの形状も、ワイヤー３を配線パターン１１に接続することが可能であれば四角形でなくても構わない。

図示していないが、配線基板１の表面に必要に応じてソルダーレジストもしくはガラスコート等のコーティングを施しても構わない。また外部端子１５にはんだボールを形成しても構わない。求める半導体装置の機能および信頼性を満たせば工業製品として成立する。
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の平面図である。実施の形態１で説明した封止樹脂４を透視して示している。

この半導体装置が実施の形態１の半導体装置と相違するのは、第１の絶縁層１２の複数の開口部１２ａの一部が、複数の配線パターン１１にわたるように設けられている点、および、一つの配線パターン１１に複数のワイヤー３が接続されている箇所がある点である。その他は実施の形態１と同様である。

第１の絶縁層１２に開口部１２ａを加工するには、その形状の精度や位置ずれ精度、さらに加工コストを考慮する必要がある。この点において、実施の形態１では、一本のワイヤー３に対して一つの開口部１２ａおよび配線パターン１１を振り分けていたのと比較して、実施の形態２では、複数本のワイヤー３をまとめて一つの開口部１２ａに収め、さらには一つの配線パターン１１に接続させるので、配線の高密度化および加工コストの低減を図ることができる。
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の断面図である。

この半導体装置が実施の形態１の半導体装置と相違するのは、配線基板１が第３の絶縁層１６も積層された３層構造となっており、第２の絶縁層１３と第３の絶縁層１６との間に第２の配線パターン１７が形成され、第２の絶縁層１３に開口部１３ａが設けられている点である。半導体チップ２からのワイヤー３は、各開口部１２ａ，１３ａを通して（第１の）配線パターン１１および第２の配線パターン１７と電気的に接続している。その他は実施の形態１と同様であるが、実施の形態２と同様にしてもよい。

こうした実施の形態３の構成をとることにより、より多数のワイヤー３を高密度に配線でき、配線パターン１１，１７と封止樹脂４との界面剥離に対する耐性を高め、高信頼性を得ることができる。

配線基板１において、絶縁層数を４層あるいは５層へとさらに増やしていくことも可能である。その場合、複数のワイヤー３を各層間に配置された配線パターンにそれぞれ振り分けて接続するように自由に配線設計し、またそれに応じて各絶縁層に対する開口部の箇所および形状を自由に設計して構わない。

図６は実施の形態１の半導体装置の変形例を示す一部拡大断面図である。
図６（ａ）(ｂ)はそれぞれ、配線基板１の第１の絶縁層１２に設けた開口部１２ａと、この開口部１２ａから露出した配線パターン１１と、この配線パターン１１に接した封止樹脂４とを示している。図示を簡略化するため、配線パターン１１と接続しているワイヤー３やビア１４は省略している。

図６（ａ）(ｂ)のいずれでも、開口部１２ａは、内周面が傾斜していて、配線パターン１１表面での開口寸法Ａ´よりも、第１の絶縁層１２表面寄り部分での開口寸法Ａが小さい。具体的には、図５（ａ）では第１の絶縁層１２表面部分での開口寸法Ａが最も小さく、図６（ｂ）では第１の絶縁層１２表面の近傍部分での開口寸法Ａが最も小さい。

以上のような開口部１２ａの形状によれば、封止樹脂４が開口部１２ａ内に嵌り込む状態となるので、そのアンカー効果によって、配線パターン１１と封止樹脂４との界面剥離を抑制することができる。配線パターン１１の表面に垂直な方向の応力が発生する際には、その応力を開口寸法Ａの最も小さい部分で第１の絶縁層１２が受け止めることになり、当該応力を実質的に小さくすることができるからである。

このような開口部１２ａは、配線基板１の製作工程において、積層する前の第１の絶縁層１２をレーザーまたはフォトリソグラフィによるエッチングなどの工法で加工して得ることが可能である。開口部１２ａを形成した第１の絶縁層１２を、配線パターン１１を表面に形成済みの第２の絶縁層１３の上に積層し、加熱し圧縮成形することで配線基板１を得る。この開口部１２ａの形状は、実施の形態２、３の半導体装置にも適用可能である。

最後に、各構成部材の材料について説明する。配線基板１の第１，第２，第３の絶縁層１２，１３，１６に用いられる絶縁材料は、大きく有機物と無機物とに分けられ、有機物としては代表的にはＢＴレジン、エポキシ樹脂、ポリイミド等があり、無機物としてはアルミナセラミック、ベリリアセラミック等がある。ＢＴレジン、エポキシ樹脂等は、基板としての強度を付与するために、ガラス繊維やアラミド繊維による布もしくは不繊布に含侵させて用いられる。これらの布もしくは不繊布は配線基板１の熱膨張係数を下げる作用もある。

配線パターン１１および外部端子１５に用いられる金属は、上記の絶縁材料が有機物である場合はＣｕ、無機物である場合はＴｉ、Ｍｏ等である。これらの表面に、ワイヤー３との接続性、また実装基板に対するはんだ付け性を付与するために、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ等によるめっきが施される。

配線パターン１１および外部端子１５の内、他の部材との接続に使用しない部分は被覆するのが通例である。その目的は、配線パターン１１の腐食等の環境による劣化防止や封止樹脂４との接合性の付与のため、外部端子１５間のはんだショートの防止や耐熱性の付与のためなどである。被覆材料としては、絶縁材料に有機物を用いた配線基板（有機基板）であればエポキシ樹脂、絶縁材料に無機物を用いた配線基板（無機基板）であればガラス等が用いられる。

半導体チップ２はＳｉ、ＧａＡｓ等を素材としたものが用いられる。ワイヤー３の素材としてはＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ等の合金が用いられる。封止樹脂４としては熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂やシリコーン樹脂等が用いられる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

本発明は、半導体チップを配線基板に搭載しワイヤーにて電気的に接続し樹脂封止するタイプの半導体装置にあって、配線基板の配線パターンと封止樹脂との界面剥離を抑制し、ワイヤー断線を防止して、高信頼性を確保できるので、かかる半導体装置をボードにはんだ付け実装する携帯電話や情報処理装置等に代表される各種の電子機器に有用である。

本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成を示す断面図 図１の半導体装置の平面図 図１の半導体装置で配線パターンと封止樹脂との界面に働くせん断応力が低減されるメカニズムを説明する模式的断面図 本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の平面図 本発明の実施の形態３にかかる半導体装置の断面図 図１の半導体装置の変形例を示す一部拡大断面図

符号の説明

１ 配線基板
２ 半導体チップ
２ａ 電極パッド
３ ワイヤー
４ 封止樹脂
１１ （第１の）配線パターン
１２ 第１の絶縁層
１２ａ 開口部
１３ 第２の絶縁層
１３ａ 開口部
１４ インナービア
１５ 外部端子
１６ 第３の絶縁層
１７ 第２の配線パターン

Claims (4)

1. 配線基板と、前記配線基板に搭載された半導体チップと、前記配線基板に形成された配線パターンと前記半導体チップとを電気的に接続したワイヤーと、前記半導体チップとワイヤーと配線基板のチップ搭載面とを覆った封止樹脂とを有しており、
   前記配線基板は複数の絶縁層より構成されていて、前記ワイヤーと接続した前記配線パターンは、前記絶縁層間に配置され当該配線パターンよりもチップ搭載面側の絶縁層に設けられた開口部から露出して前記封止樹脂と接していることを特徴とする半導体装置。
2. 配線基板は少なくとも３層の絶縁層より構成されており、ワイヤーと接続した配線パターンは、互いに上下に位置する２層を一組とした少なくとも二組の絶縁層間に配置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. ワイヤーと接続した配線パターンは、その一部のみが絶縁層の開口部より露出しており、残部は前記絶縁層によって覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
4. 絶縁層の開口部は、配線パターンの表面箇所で開口面積が最も大きい形状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体装置。

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