JP2012080145A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置に関し、特に基板上に半導体チップと電子部品とが混載されてパッケージされた半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device in which a semiconductor chip and an electronic component are mixed and packaged on a substrate.
従来より、基板上に半導体チップと、その半導体チップ内に形成することが困難な特性を有する電子部品(コンデンサ、抵抗、コイル等)とが混載されて全体として一つのチップ状にパッケージされた半導体装置が知られている。このような半導体装置について、図面を参照しながら説明する。 Conventionally, a semiconductor in which a semiconductor chip and electronic components (capacitors, resistors, coils, etc.) having characteristics that are difficult to form in the semiconductor chip are mixedly mounted on a substrate and packaged in a single chip as a whole. The device is known. Such a semiconductor device will be described with reference to the drawings.
図3に示す従来の半導体装置100では、シリコン(Si)やセラミックや樹脂等から成るベース基板(以下、単に基板と称する)101上に半導体チップ102が配置されている。半導体チップ102の表面上には、その外周に沿って当該半導体チップ102内に形成された機能素子と配線層を介して電気的に接続された複数のパッド電極103が形成されている。
In the
基板101の表面上には、その外周に沿って複数のパッド電極104が形成されている。パッド電極104と半導体チップ102との間の基板101の表面上には、パッド電極104と電気的に接続された導体板105が形成されている。導体板105は、銅等の導電材料から成る。導体板105上には、チップコンデンサ106が半導体チップ102に隣接して配置されている。チップコンデンサ106は、電源ノイズによって電源電圧レベルが変動する影響を低減し、半導体チップ102に安定した電力を供給する観点から設けられている。
On the surface of the
パッド電極103とパッド電極104とは、チップコンデンサ106を跨ぐようにして形成されたボンディングワイヤ107によって電気的に接続されている。
The
基板101の裏面上には、外部端子としてハンダ等から成るバンプ電極108が形成されている。パッド電極104は、基板101に形成された配線(例えば、基板101を貫通する貫通電極)を介してバンプ電極108と電気的に接続されている。
On the back surface of the
基板101の表面上の全面にはモールド樹脂109が形成され、半導体チップ102、チップコンデンサ106、及びボンディングワイヤ107等は当該モールド樹脂109で封止されている。
A
このような半導体装置100は、バンプ電極108を介してプリント基板等に実装される。
Such a
本発明に関連した技術は、例えば以下の特許文献に記載されている。 Techniques related to the present invention are described in, for example, the following patent documents.
上述したような半導体装置100の場合、ボンディングワイヤ107がチップコンデン
サ106と電気的に接触することを回避する必要がある。そのため、半導体チップ102及びチップコンデンサ106のサイズを考慮して、パッド電極103とチップコンデンサ106の間の長さ、及びチップコンデンサ106とパッド電極104の間の長さをそれぞれ十分に確保する方法がある。
In the case of the
しかしながら、チップコンデンサ106の最上面の位置が図3に示すように半導体チップ102の最上面の位置よりも高い場合がある。例えば、チップコンデンサ106の高さH1が0.5mmであり、半導体チップ102の高さH2が0.2mmである。このような場合に上記方法を適用すると、ボンディングワイヤの頂部の長さが長くなり、その分パッド電極104の位置をより外側に設けないとボンディングができない不具合が発生する。これはボンディングワイヤが延在される軌跡、つまり曲率がある値で定められているからである。よってパッド電極103とパッド電極104の間の長さを長くする必要から基板2の幅Lが大きくなってしまうという問題があった。つまり上記方法では、半導体装置100のサイズの縮小を図る事が困難であるという問題があった。
However, the position of the uppermost surface of the
そこで本発明は、基板上に半導体チップと電子部品とが混載されてパッケージされた半導体装置の微細化・高集積化に好適な半導体装置を提供することを主たる目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is a primary object of the present invention to provide a semiconductor device suitable for miniaturization and high integration of a semiconductor device in which a semiconductor chip and an electronic component are mixedly packaged on a substrate.
本発明の主な特徴は以下のとおりである。
すなわち、ディスクリートデバイスである半導体チップの配置領域に設けられた銅から成るアイランドと、前記アイランドの外周に設けられた複数の第1の電極と、前記第1の電極と前記アイランドとの間に設けられた回路素子用の第2の電極が表面に形成された樹脂材料から成る基板と、
前記アイランドに固着された銅から成るスペーサーと、
前記スペーサーに設けられ、表面には複数のパッド電極が設けられた半導体チップと、
前記第2の電極に配置された電子部品と、
前記第1の電極と前記パッド電極とを電気的に接続し、前記回路素子を跨いで設けられたボンディングワイヤとを備え、
前記アイランドの下の前記基板にはサーマルビアが設けられ、前記スペーサーは、前記回路素子よりも高く設けられ、ヒートシンクの機能を有するとともに、前記半導体チップの最上面を底上げすることで解決するものである。
The main features of the present invention are as follows.
That is, an island made of copper provided in an arrangement region of a semiconductor chip that is a discrete device, a plurality of first electrodes provided on an outer periphery of the island, and provided between the first electrode and the island A substrate made of a resin material having a second electrode for a circuit element formed thereon formed on the surface;
A spacer made of copper affixed to the island;
A semiconductor chip provided on the spacer and provided with a plurality of pad electrodes on the surface;
An electronic component disposed on the second electrode;
Electrically connecting the first electrode and the pad electrode, and a bonding wire provided across the circuit element,
The substrate under the island is provided with a thermal via, the spacer is provided higher than the circuit element, has a function of a heat sink, and is solved by raising the uppermost surface of the semiconductor chip. is there.
本発明の半導体装置は、基板と半導体チップとの間にスペーサー層が形成されている。そのため、半導体チップに形成されたパッド電極の基板表面からの位置を、従来構造に比して高い位置に設けることができる。そのため、ボンディングワイヤと電子部品との接触を低減し半導体装置の信頼性及び歩留まりを向上させるとともに、半導体装置のサイズを従来構造に比して小型にすることができる。 In the semiconductor device of the present invention, a spacer layer is formed between the substrate and the semiconductor chip. Therefore, the position of the pad electrode formed on the semiconductor chip from the substrate surface can be provided higher than the conventional structure. Therefore, the contact between the bonding wire and the electronic component can be reduced, the reliability and yield of the semiconductor device can be improved, and the size of the semiconductor device can be reduced as compared with the conventional structure.
また、スペーサー層の外周の少なくとも一部を半導体チップの外周よりも内側に配置した場合には、電子部品の一部を半導体チップとを更に近接させるか、あるいは重畳させることができる。そのため、基板の面積を有効活用することができ、半導体装置のサイズをさらに小さくすることができる。また、ボンディングワイヤと電子部品との接触をさらに回避することができる。 Further, when at least a part of the outer periphery of the spacer layer is disposed inside the outer periphery of the semiconductor chip, a part of the electronic component can be brought closer to or overlapped with the semiconductor chip. Therefore, the area of the substrate can be effectively used, and the size of the semiconductor device can be further reduced. Further, contact between the bonding wire and the electronic component can be further avoided.
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置について図1A及び図1Bを参照しながら説明する。図1Aは、第1の実施形態に係る半導体装置1を示す概略平面図であり、図1Bは図1AのX方向から見た正面図に相当する。
A semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. 1A is a schematic plan view showing the
図1A及び図1Bに示す第1の実施形態に係る半導体装置1では、基板2の中央領域に不図示の接着層を介してスペーサー層3及び半導体チップ4がこの順に積層して配置されている。基板2は、シリコン(Si)、ポリイミドやエポキシ等の樹脂材料から成る基板、通常プリント基板やフレキシブルシートと呼ばれる基板、更にはセラミック等から成る。
In the
半導体チップ4の表面上には、その外周に沿って半導体チップ4内に形成された機能素子(例えばMOSトランジスタやバイポーラトランジスタやインバータ等の多数の半導体素子から成る集積回路)と電気的に接続された複数のパッド電極5が形成されている。パッド電極5は、例えば銅やアルミニウム等の金属材料から成り、後述するパッド電極6及びバンプ電極11からボンディングワイヤ10を介して上記機能素子に電源電圧、接地電圧、または信号を供給するための電極である。また、パッド電極5の表面は、例えばニッケル層と金層から成る積層膜が形成され、ボンディングワイヤ10が良好に接続されるようになっていても良い。
On the surface of the
基板2の表面上には、半導体チップ4の配置領域の外周に沿って銅やアルミニウム等の金属材料から成る複数のパッド電極6が例えば1μmの膜厚で形成されている。パッド電極6の表面は、パッド電極5と同様に例えばニッケル層と金層から成る積層膜が形成され、ボンディングワイヤ10が良好に接続されるようになっていても良い。
On the surface of the
また、パッド電極6とスペーサー層3及び半導体チップ4との間の基板2の表面上には、図1A及び図1Bに示すように、銅やアルミニウム等の導電材料から成る複数の導体板7が例えば1μmの膜厚で形成されている。導体板7は、後述するチップコンデンサ8の各端子9a,9bに接続される電極パッドであり、図面には省略したが、導体板7と一体の配線を介して半導体チップ4と電気的に接続されている。
On the surface of the
導体板7上には、不図示の接着層(例えば、銀ペーストや半田材)を介してチップコンデンサ8が形成されている。チップコンデンサは、セラミックや有機系材料等から成る絶縁体を2つの端子で挟んだ構成をしており、本実施形態におけるチップコンデンサ8は、その載置面に端子9a,9bが形成されている。一方の端子9aは配線(不図示)を介して複数のパッド電極6のうち電源電圧を供給するパッド電極と接続され、他方の端子9bは配線(不図示)を介して複数のパッド電極6のうち接地電圧を供給するパッド電極と接続されている。このようにチップコンデンサ8は、半導体チップ4へ供給される電圧がノイズによって変動することを抑えるために、電源電圧と接地電圧間に挿入されている。なお、チップコンデンサ8は、電源電圧と接地電圧間に挿入されるだけでなく、信号ラインとして半導体チップ4と接続される場合もある。
A
パッド電極5とパッド電極6とは、チップコンデンサ8を跨ぐようにして形成された、金またはAl等から成るボンディングワイヤ10によって電気的に接続されている。
The
基板2の裏面上には、ハンダや金等から成る複数の外部端子(バンプ電極11)が形成されている。パッド電極6は不図示の配線(例えば、基板2を貫通する貫通電極)を介し
てバンプ電極11と電気的に接続されている。従って、半導体チップ4及びチップコンデンサ8は、バンプ電極11と電気的に接続されている。当然であるが、バンプ電極11やパッド電極5、6を含め、基板2の表面上または裏面上に形成される導電パターンの総数は限定されない。
On the back surface of the
基板2の表面上の全面にはソルダーレジスト等から成るモールド樹脂12が形成され、スペーサー層3、半導体チップ4、チップコンデンサ8、及びボンディングワイヤ10等は当該モールド樹脂12で封止されている。
A
第1の実施形態では、スペーサー層3を設けた点が特徴である。スペーサー層3は、主として基板2の表面から半導体チップ4の最上面の位置を底上げし、パッド電極5の位置を従来構造のパッド電極103(図3参照)の位置よりも上方に設けるための層である。従って、スペーサー層3の高さに限定はないが、パッド電極5の位置がチップコンデンサ8(チップコンデンサ8よりも高い電子部品が当該位置に配置されている場合には当該電子部品)の最上面の位置よりも高く配置されるように半導体チップ4を底上げする高さであることが好ましい。かかる構成によれば、ボンディングワイヤ10を形成する際に、高い位置からボンディングワイヤ10を打ち下ろす形になり、その分パッド電極6を半導体チップ1側に近づけてもボンディングが可能となる。また、スペーサー層3の高さがチップコンデンサ8よりも高いことが好ましく、スペーサー層3と半導体チップ4の合算した高さがチップコンデンサ8よりも高いことが好ましい。例えば、スペーサー層3の高さが約0.65mmであり、半導体チップの高さが約0.2mmであり、チップコンデンサ8の高さが約0.5mmである。なお、スペーサー層3の幅は半導体チップ4とほぼ同一サイズ(例えば約2.4mm)である。
The first embodiment is characterized in that the
スペーサー層3は、ガラス等の絶縁材料やシリコン等の半導体材料から成るものでもよいが、銅や銀等の熱伝導率の高い金属材料から成ることが好ましい。かかる構成によれば、スペーサー層3がヒートシンクまたは放熱体を兼ねるからである。そのため、半導体装置1の実際の使用時に半導体チップ4から生じる熱をスペーサー層3内に過渡的に熱を溜め、最終的にその熱をスペーサー層3を介して基板2側に逃がすことができる。そして、半導体チップ4の特性を十分に発揮させることが出来る。なお、スペーサー層3は、樹脂やセラミックス、あるいは複数の性質の異なる材料(例えば、樹脂とアルミナ)を組み合わせた材料から成るいわゆるコンポジット材から成るものでもよい。
The
また、半導体チップ4と同様に機能素子が形成された半導体チップをスペーサー層3として用いることも可能である。この場合、スペーサー層として形成される半導体チップはフェイスダウンで形成され、この裏面に半導体チップ4が設けられることに成る。この場合、半導体チップ4とスペーサー層3は、以下のように接続される。
Further, a semiconductor chip in which a functional element is formed in the same manner as the
つまりフェイスダウン型であるため、基板2上にはスペーサー層3の電極と対応したパッド電極があり、このパッド電極は配線(不図示)を介してパッド電極6と電気的に接続される。なお、スペーサー層3が半導体チップから成る場合、当該半導体チップはLGA(Land Grid Array)型でもよく、あるいはBGA(Ball Grid
Array)型でもよい。
That is, since it is a face-down type, there is a pad electrode corresponding to the electrode of the
Array) type.
以上説明したような半導体装置1は、バンプ電極11を介してプリント基板等に実装される。第1の実施形態に係る半導体装置1では、基板2と半導体チップ4との間にスペーサー層3を備える。そのため、チップコンデンサ8を従来構造(図3参照)に比して半導体チップ4と近接させても、チップコンデンサ8とボンディングワイヤ10の接触を従来構造に比して回避することができる。そして、基板2の長さL1を従来構造の長さLに比して短くすることが出来、半導体装置1の小型化を図る事ができる。
The
また、従来構造(図3参照)に比べてボンディングワイヤの長さを短くできるため、ボンディングワイヤの断線等の不良を低減させ、半導体装置の信頼性及び歩留まりを向上させることができる。 Further, since the length of the bonding wire can be shortened as compared with the conventional structure (see FIG. 3), defects such as disconnection of the bonding wire can be reduced, and the reliability and yield of the semiconductor device can be improved.
なお、図1及び後述する図2では、チップコンデンサ8の高さが半導体チップ4の高さよりも高く描かれているが、本発明はそれらが同等の高さ、あるいはチップコンデンサ8の高さが半導体チップ4の高さよりも低い場合を排除するものではない。
In FIG. 1 and FIG. 2 to be described later, the height of the
尚、スペーサー層3がCu等の金属材料からなる場合、スペーサー層3の配置領域に対応する基板2側にCu等の金属材料からなるアイランドを設け、当該アイランド上にロウ材、導電ペースト等を用いてスペーサー層3を固着しても良い。更に、このアイランドの下の基板2にサーマルビア(貫通スルーホール)を設け、サーマルビアを通して基板2の裏面に熱を逃がしても良い。
When the
次に、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。図2Aは、第2の実施形態に係る半導体装置20を示す概略平面図であり、図2Bは図2AのY方向から見た正面図に相当する。なお、第1の実施形態と同様の構成については同一符号を示してその説明を省略するか簡略する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 2A is a schematic plan view showing the
図2A及び図2Bに示す第2の実施形態に係る半導体装置20では、基板2上の中央領域にスペーサー層21及び半導体チップ4が不図示の接着層を介してこの順に積層して配置されている。
In the
スペーサー層21は、半導体チップ4よりも横幅が狭い。そのため、スペーサー層21の外周の一部は半導体チップ4の外周よりも例えば約0.3mm程度内側に配置されている。また、スペーサー層21の高さは、チップコンデンサ8よりも高い。例えばスペーサー層21の高さが約0.65mmであり、チップコンデンサ8の高さが約0.5mmである。
The
そして、チップコンデンサ8の少なくとも一部が、半導体チップ4の下方に配置されている。なお、チップコンデンサ8の全部が半導体チップ4の下方に配置されてもよい。このような半導体装置20は、バンプ電極11を介してプリント基板等に実装される。
At least a part of the
以上説明したように、第2の実施形態に係る半導体装置20では、スペーサー層の構成が第1の実施形態に係る半導体装置1と異なり、半導体チップ4の幅よりも狭い。そのため、半導体チップ4と基板2とスペーサー層21で囲まれた空間があり、当該の空間を有効利用して、チップコンデンサ8の少なくとも一部を半導体チップ4と重畳させている。つまり、チップコンデンサ8を第1の実施形態に比して基板2の内側に配置することができる。また、パッド電極5がチップコンデンサ8よりも高い位置に配置されている。そのため、パッド電極5とパッド電極6との間を従来構造(図3参照)に比して短くしたとしても、ボンディングワイヤ10とチップコンデンサ8との接触を回避することができる。そして、基板2の長さL2を従来構造及び第1の実施形態に係る半導体装置1に比して短くすることができ、半導体装置の小型化を図る事ができる。
As described above, in the
なお、チップコンデンサ8と半導体チップ4とを重畳させなくても、第2の実施形態に係るスペーサー層21を有する構成によれば、従来構造及び第1の実施形態に係る半導体装置に比して小型化を図る事ができる。この点について説明する。
Even if the
チップコンデンサ8の基板2への搭載の際には、半田材等の接着層の形成ずれやチップ
コンデンサ8の寸法のバラツキによる搭載ズレが少なからず発生する。また、スペーサー層上に半導体チップ4を搭載する際にも少なからず目的位置からの搭載ズレが生じ得る。そのため、第1の実施形態に係る半導体装置1の構成において半導体チップ4とチップコンデンサ8との水平方向の離間距離を非常に短くさせようとすると、半導体チップ4及びチップコンデンサ8のサイズによっては、チップコンデンサ8と半導体チップ4とが直接的に接触するか、あるいは直接接触しなくても近接しすぎて電気的に接触してしまう不具合が生じ得る。また、搭載ずれしたチップコンデンサ8によって半導体チップ4の搭載が出来ない不具合が生じ得る。なお、ここでいう水平方向とは基板2の面と平行する方向である。
When the
これに対して第2の実施形態に係るスペーサー層21を備える構成では、半導体チップ4と基板2とスペーサー層21で囲まれた空間がある。そのため、上述したようなチップコンデンサ8あるいは半導体チップ4の搭載ズレを当該空間で吸収して上記不具合の発生を抑えることができる。従って、スペーサー層21を備える構成によれば、半導体チップ4とチップコンデンサ8の水平方向の離間距離を非常に短くし、0.1mm以下にすることができる。換言すれば、スペーサー層21を備えない構成では、半導体チップ4とチップコンデンサ8の水平方向の離間距離を0.1mm以下にすることは非常に困難である。
In contrast, in the configuration including the
本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能なことは言うまでもない。例えば上記実施形態では、チップコンデンサ8がパッド電極6とスペーサー層3,21との間に配置されていたが、これ以外にコイルやチップ抵抗、チップインダクタンス等が配置されていてもよく、半導体チップ4と別個の電子部品であればその機能や種類に限定はない。また、スペーサー層3,21を放熱体として用いる場合、基板2とスペーサー層3,21との接触面及び基板2の内部から裏面上にかけて熱伝導率の高い部材(例えば、銅からなる金属層)を形成し、スペーサー層3,21からの放熱特性を向上させても良い。本発明は、基板上に半導体チップと電子部品とが混載されてパッケージされた半導体装置の小型化を図るために広く適用できるものである。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed without departing from the gist thereof. For example, in the above embodiment, the
尚、スペーサー層3,21がCu等の金属材料からなる場合、スペーサー層3,21の配置領域に対応する基板2側にCu等の金属材料からなるアイランドを設け、当該アイランド上にロウ材、導電ペースト等を用いてスペーサー層3,21を固着しても良い。更に、このアイランドの下にサーマルビアを設け、サーマルビアを通して基板2の裏面に熱を逃がしても良い。
When the spacer layers 3 and 21 are made of a metal material such as Cu, an island made of a metal material such as Cu is provided on the
更に図面では省略したが、半導体チップは複数個積層されても良い。いわゆるMCP(Multi Chip package)と呼ばれる構造である。従って、半導体チップ4上にさらに別の半導体チップを積層させても良いし、半導体チップ4上に複数の半導体チップを平面的に配置してもよい。
Further, although omitted in the drawings, a plurality of semiconductor chips may be stacked. This is a so-called MCP (Multi Chip Package) structure. Therefore, another semiconductor chip may be stacked on the
特に半導体チップ4がパワーMOS等のディスクリートデバイス(Discrete Device)であって、その上に配置された別の半導体チップが当該ディスクリートデバイスを制御するICチップであってもよい。あるいは、スペーサー層3,21が半導体チップ4を制御するICチップから成るものでもよい。
In particular, the
1 半導体装置 2 基板 3 スペーサー層
4 半導体チップ 5 パッド電極 6 パッド電極 7 導体板
8 チップコンデンサ 9 ボンディングワイヤ 10 バンプ電極
11 モールド樹脂 20 半導体装置 21 スペーサー層
100 半導体装置 101 基板 102 半導体チップ
103 パッド電極 104 パッド電極 105 バンプ電極
106 チップコンデンサ 107 ボンディングワイヤ
108 モールド樹脂
8 Chip Capacitor 9
DESCRIPTION OF
108 Mold resin
Claims (2)
前記アイランドに固着された銅から成るスペーサーと、
前記スペーサーに設けられ、表面には複数のパッド電極が設けられた半導体チップと、
前記第2の電極に配置された電子部品と、
前記第1の電極と前記パッド電極とを電気的に接続し、前記回路素子を跨いで設けられたボンディングワイヤとを備え、
前記アイランドの下の前記基板にはサーマルビアが設けられ、前記スペーサーは、前記回路素子よりも高く設けられ、ヒートシンクの機能を有するとともに、前記半導体チップの最上面を底上げすることを特徴とする半導体装置。 An island made of copper provided in an arrangement region of a semiconductor chip that is a discrete device, a plurality of first electrodes provided on an outer periphery of the island, and provided between the first electrode and the island A substrate made of a resin material having a second electrode for a circuit element formed on the surface;
A spacer made of copper affixed to the island;
A semiconductor chip provided on the spacer and provided with a plurality of pad electrodes on the surface;
An electronic component disposed on the second electrode;
Electrically connecting the first electrode and the pad electrode, and a bonding wire provided across the circuit element,
The substrate under the island is provided with a thermal via, the spacer is provided higher than the circuit element, has a function of a heat sink, and raises the uppermost surface of the semiconductor chip. apparatus.
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-
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