JP2011044755A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型の半導体チップを配線基板に接合した構造の半導体装置の反りを防止する。
【解決手段】この半導体装置は、第１の半導体チップ１１と、この第１の半導体チップの一方表面側に接合された配線基板２と、上記第１の半導体チップの他方表面側に接合された配線基板２１と、この配線基板２１の上記第１の半導体チップ１１とは反対側に接合された第２の半導体チップ１２と、配線基板２，２１間に介装された層間接続部材５１と、第２の半導体チップ１２の配線基板２１とは反対側に接合され配線基板２２とを含む。配線基板２１，２２は、それぞれ、第１および第２の反り防止基板としての働きを有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、半導体チップをたとえばフィルム状の配線基板上に接合した構成の半導体装置に関する。

半導体装置の実装面積を減少させるために、半導体チップ自身とほぼ同等の大きさのＩＣパッケージであるチップサイズパッケージについての開発が従来から行われている。チップサイズパッケージ型の半導体装置の一つの形態に、表面実装型のパッケージがある。この表面実装型のパッケージでは、薄型の半導体チップが、フィルム状の配線基板上に接合され、このフィルム状の配線基板が、電子機器内の実装基板上に実装される。半導体チップと接合される配線基板は、半導体チップの周縁部に配列された複数のパッドを再配線して配線基板の下面に二次元配列された半田ボールと接続する内部配線を有している。
特開平６−２１６１９４号公報 特開平７−１０６５０９号公報

ところが上述のような構成では、極めて薄型の半導体チップを、これとは熱膨張係数の異なる配線基板に接合した構造であるので、環境温度の変化に伴って、パッケージに反りが生じるという問題がある。
そこで、この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、薄型の半導体チップを配線基板に接合した構造でありながら反りが生じることを防止できる半導体装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、第１の半導体チップと、この第１の半導体チップの一方表面側に接合され、上記第１の半導体チップと電気接続された第１配線基板と、上記第１の半導体チップの他方表面側に接合され、上記第１配線基板と同じ材料からなり、かつ、当該第１配線基板と等しい厚さに形成された第２配線基板からなる第１の反り防止基板と、上記第１の反り防止基板の上記第１の半導体チップとは反対側に接合され、当該第１の反り防止基板に電気接続された第２の半導体チップと、上記第１配線基板と上記第１の反り防止基板との間に介装され、これらの第１配線基板および第１の反り防止基板を電気接続するための配線材と、上記第２の半導体チップの上記第１の反り防止基板とは反対側に接合され、上記第１配線基板と同じ材料からなり、かつ、当該第１配線基板と等しい厚さに形成された第２反り防止基板とを含むことを特徴とする半導体装置である。
この発明によれば、第１の半導体チップは、同一材料からなり、しかも厚さも等しい第１配線基板および第１の反り防止基板（たとえば、絶縁材料からなる。）で挟持されるので、たとえ当該半導体チップが、厚さ１００μｍ程度の薄型のものであっても、環境温度の変化によりパッケージに反りが生じるおそれがない。すなわち、環境温度が変化した時には、当該半導体チップの両面において、熱膨張または熱収縮が等しく生じるので、パッケージに反りが生じることを防止できる。

第１の配線基板の第１の半導体チップとは反対側の表面に、表面実装用の外部接続部材（半田ボールやランドなど）を設けておけば（請求項２）、この半導体装置を電子機器内の実装基板に表面実装することができる。

さらに、この発明では、上記第１の反り防止基板は別の配線基板（第２配線基板）であって、この第１の反り防止基板の上記第１の半導体チップとは反対側に、当該第１の反り防止基板に電気接続された別の半導体チップ（第２の半導体チップ）が接合されている。この構成により、当該第１の反り防止基板を挟んでさらに別の半導体チップを積層することができるので、半導体チップのいわゆる三次元実装が可能になる。これにより、半導体チップの高密度実装が可能になるから、結果として、半導体装置の実質的な集積度を向上することができる。

さらにまた、第１配線基板と第１の反り防止基板（第２配線基板）との間に電気接続用の配線材（接続部材）が配置されるので、第２配線基板としての第１の反り防止基板に接合された第２の半導体チップを、第１配線基板に電気接続することができる。

また、この発明では、当該第２の半導体チップの上記第１の反り防止基板とは反対側に、第１配線基板と同じ材料からなり、かつ、当該第１配線基板と等しい厚さに形成された第２反り防止基板（たとえば配線基板）が接合されている。これにより、三層以上の三次元積層構造を構成することができる。
この場合に、配線基板と反り防止基板との間および各層の反り防止基板の間に配線材を配置することが好ましい。これにより、各層の半導体チップ間および／または各層の半導体チップと配線基板との間の電気接続を達成することができる。
上記配線材は柱状であってもよい（請求項３）。

参考例に係る半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。 この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。

以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
図１は、参考例に係る半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。この半導体装置は、薄型の半導体チップ１と、この半導体チップ１を挟持するように設けられた配線基板２および反り防止基板としての絶縁板３とを含み、平面視において半導体チップ１自身の大きさとほぼ同程度の大きさに構成されたチップサイズパッケージ型の装置である。

半導体チップ１は、その活性表面を配線基板２に対向させて配置されている。この半導体チップ１の活性面には、半田ボール４が、その周縁に沿って複数個配列されて形成されている。この半田ボール４を介して、半導体チップ１が配線基板２と接合されており、これにより、半導体チップ１の内部回路が配線基板２に電気接続されている。
配線基板２は、たとえばフィルム状の基板であって、半導体チップ１の半田ボール４に接続される内部配線（図示せず）を備えている。この内部配線は、配線基板２の半導体チップ１とは反対側の表面に二次元的に配列されている複数個の半田ボール５（表面実装用外部接続部材）に接続されている。配線基板２の内部配線は、半導体チップ１の周縁に沿って配列された半田ボール４をそれぞれ配線基板２の下面に二次元的に配列された半田ボール５に接続するように形成されている。

一方、半導体チップ１の配線基板２とは反対側の表面には、絶縁板３がたとえば、接着剤によって貼り付けられて接合されている。この絶縁板３は、配線基板２を構成する絶縁材料と同じ絶縁材料を用いて作製されている。そして、この絶縁板３の厚さは、配線基板２の厚さとほぼ等しくされている。
これにより、半導体チップ１の活性面および非活性面には、それぞれ等しい熱膨張係数の板状体である配線基板２および絶縁板３が接合されていることになる。したがって、環境温度が変化した場合に、半導体チップ１の活性面および非活性面において、熱膨張または熱収縮が等しく生じるから、当該半導体装置の使用時または保管時などに、パッケージに反りが生じるおそれがない。

このチップサイズパッケージ型の半導体装置は、配線基板２の下面に設けられた複数個の半田ボール５を電子機器に設けられたより大きな実装基板１０に電気接続させることによって、この電子機器に装着される。
図２は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を説明するための図解的な断面図である。なお、この図２において、上述の図１に示された各部に対応する部分には、図１の場合と同一の参照符号を付して示す。

この半導体装置も、上述の図１に示された構成の場合と同じく、平面視における全体の大きさが半導体チップ自身の大きさにほぼ等しい、いわゆるチップサイズパッケージ型のものである。
この実施形態の半導体装置は、複数個の薄型半導体チップ１１，１２，１３を積層して構成されている。すなわち、配線基板２（第１配線基板）上に第１の半導体チップ１１が実装されており、この半導体チップ１１上に、配線基板２１（第２配線基板、第１の反り防止基板）を介して第２の半導体チップ１２が積層されており、この第２の半導体チップ１２上に、配線基板２２（第３配線基板、第２の反り防止基板）を介して第３の半導体チップ１３が積層されている。

第１の半導体チップ１１は、上述の図１の構成における半導体チップ１の場合と同じく、その活性面に形成された半田ボール４（電極）を配線基板２に接合させることによって、この配線基板２を介して電子機器内のより大きな実装基板に電気接続できるようになっている。
第１の半導体チップ１１と第２の半導体チップ１２との間に介装される配線基板２１は、第１の半導体チップ１１に対しては、その活性面および非活性面の熱膨張の差を補償する反り防止基板として機能する。そして、この配線基板２１は、第２の半導体チップ１２に対しては、外部との電気接続のための配線基板として機能している。すなわち、配線基板２１は、第２の半導体チップ１２の活性面に形成された複数個の半田ボール４１に電気接続される複数の内部配線（図示せず）を有している。この内部配線は、配線基板２１の下面、すなわち第１の半導体チップ１１側の面に設けられた均一径の柱状の層間接続部材５１（配線材。導電性を有する柱状の部材）に接続されている。

層間接続部材５１は、配線基板２および配線基板２１の各内部配線間を接続するように、第１の半導体チップ１１の周囲に複数個配列されて設けられている。配線基板２１の内部配線がこの層間接続部材５１に接続されることによって、第２の半導体チップ１２は、半田ボール４１および配線基板２１の内部配線ならびに層間接続部材５１を介して、配線基板２に電気接続されることになる。層間接続部材５１は、配線基板２の内部配線に接続されているから、第２の半導体チップ１２と第１の半導体チップ１１との間の電気接続が可能であるとともに、第２の半導体チップ１２と当該半導体装置が実装される電子機器内の実装基板との間の電気接続も可能である。

第３の半導体チップ１３に関しても同様の構造がとられている。すなわち、第２の半導体チップ１２と第３の半導体チップ１３との間に介装された配線基板２２は、第２の半導体チップ１２に対して、その活性面および非活性面の間の熱膨張係数の差を補償するための反り防止基板として機能する。
第３の半導体チップ１３の活性面に設けられた複数の半田ボール４２（電極）は、配線基板２２の内部配線（図示せず）に接続されている。この配線基板２２の内部配線は、配線基板２１，２２の間に配置された均一径の柱状の層間接続部材５２（配線材。導電性を有する柱状の部材）にそれぞれ接続されている。層間接続部材５２は、第２の半導体チップ１２の周囲に、複数個配列されて設けられている。この層間接続部材５２は、配線基板２１の内部配線に接続されている。

これにより、第３の半導体チップ１３は、第１または第２の半導体チップ１１，１２に電気接続できるほか、当該半導体装置が実装される電子機器内の実装基板にも電気接続をすることができるようになっている。
第３の半導体チップ１３の上面、すなわち非活性面には、絶縁板３がたとえば接着剤により貼り付けられている。
配線基板２，２１，２２および絶縁板３は、いずれも同じ絶縁材料を用いて構成されており、かつそれらの厚さがほぼ等しく形成されている。したがって、第１、第２および第３の半導体チップ１１，１２，１３については、各活性面および非活性面における熱膨張また熱収縮がそれぞれに等しく生じるので、環境温度の変化によりいずれかの半導体チップに反りが生じることがない。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、他の形態でも実施することができる。すなわち、上述の実施形態においては、最下層に位置する配線基板２の下面に半田ボール５を複数個配列した、いわゆるボールグリッドアレイの形式の半導体装置について説明したけれども、半導体装置と電子機器の内部の実装基板などとの接続は、他の形式の外部端子によっても行うことができる。すなわち、配線基板２の下面に半田ボール５を設けずに、配線基板２の内部配線に接続された平坦な端子部（ランド）を露出させておく、ランドグリッドアレイ形式が採用されてもよい。

また、上述の実施形態では、３つの半導体チップ１１，１２，１３を積層した例について説明したけれども、２層構造の半導体装置や、４層以上に半導体チップを積層した構造も同様にして実現できる。
さらに、上述の実施形態においては、半導体チップの配線基板への接合を半田ボールで行うようにしているが、半導体チップの表面に金などの耐酸化性金属からなるバンプを形成し、これを配線基板の表面に設けた金めっき部などに接合するようにして、半導体チップを配線基板に接合してもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 半導体チップ
２ 配線基板
３ 絶縁板（反り防止基板）
５ 半田ボール
１１ 半導体チップ
１２ 半導体チップ
１３ 半導体チップ
２１ 配線基板（反り防止基板）
２２ 配線基板（反り防止基板）
５１ 層間接続部材
５２ 層間接続部材

Claims (3)

1. 第１の半導体チップと、
   この第１の半導体チップの一方表面側に接合され、上記第１の半導体チップと電気接続された第１配線基板と、
   上記第１の半導体チップの他方表面側に接合され、上記第１配線基板と同じ材料からなり、かつ、当該第１配線基板と等しい厚さに形成された第２配線基板からなる第１の反り防止基板と、
   上記第１の反り防止基板の上記第１の半導体チップとは反対側に接合され、当該第１の反り防止基板に電気接続された第２の半導体チップと、
   上記第１配線基板と上記第１の反り防止基板との間に介装され、これらの第１配線基板および第１の反り防止基板を電気接続するための配線材と、
   上記第２の半導体チップの上記第１の反り防止基板とは反対側に接合され、上記第１配線基板と同じ材料からなり、かつ、当該第１配線基板と等しい厚さに形成された第２反り防止基板とを含むことを特徴とする半導体装置。
2. 上記第１の配線基板の上記半導体チップとは反対側の表面に、表面実装用の外部接続部材が配置されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 上記配線材は柱状であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。

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