JP2018129449A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の実装面に形成されたグランドパターンと、当該グランドパターン上に接着された半導体チップの回路面に形成されたグランドパッドとのボンディングワイヤによる接続を容易とすること。
【解決手段】実装面に金属材料によってグランドパターン１４ｂが形成された基板１０と、接着面と、前記接着面の反対側に位置する回路面と、を有し、前記接着面が前記グランドパターンに接着剤１６を用いて接合され、前記回路面にグランドパッド２２ｂが形成された、半導体チップ２０と、前記グランドパターンと前記グランドパッドとを接続する第１のボンディングワイヤ２４ｂと、前記グランドパターン上に形成され、前記グランドパターン上の前記半導体チップが接着された領域を含む第１の領域５６と、前記グランドパターン上の前記第１のボンディングワイヤが接続された領域を含む第２の領域５４と、を隔てる樹脂層３０と、を具備する半導体装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関し、例えば基板上に接合された半導体チップを有する半導体装置に関する。

半導体チップが接着される基板の上面に形成された凹部に接着剤で接着され、凹部に連通する貫通穴を設けることが知られている（例えば特許文献１）。凹部に連通する貫通穴を設けることで、チップの側面で生じる電気的不良現象を防止することができる。

特開２００６−１１４６３５号公報

各種の電子部品等を実装面に実装して回路を構成する基板には、電圧の基準となる安定したグランド電位を回路に提供するために、比較的広い面積を有する金属パターン（グランドパターン）が設けられる。例えば、基板の実装面に、半導体チップのサイズよりも面積の大きいグランドパターンが設けられており、半導体チップの下面がグランドパターン上に接着され、半導体チップの上面に設けられたグランドパッドと実装面のグランドパターンとを同電位にするためボンディングワイヤで接続することがある。このような場合、半導体チップをグランドパターンに接着する接着剤がグランドパターン上に濡れ広がり、半導体チップの近くのグランドパターンにボンディングワイヤを接続することが難しくなることがある。

本半導体装置は、基板の実装面に形成されたグランドパターンと、当該グランドパターン上に接着された半導体チップの回路面に形成されたグランドパッドとのボンディングワイヤによる接続を容易とすることを目的とする。

本発明の一実施形態は、実装面に金属材料によってグランドパターンが形成された基板と、接着面と、前記接着面の反対側に位置する回路面と、を有し、前記接着面が前記グランドパターンに接着剤を用いて接合され、前記回路面にグランドパッドが形成された、半導体チップと、前記グランドパターンと前記グランドパッドとを接続する第１のボンディングワイヤと、前記グランドパターン上に形成され、前記グランドパターン上の前記半導体チップが接着された領域を含む第１の領域と、前記グランドパターン上の前記第１のボンディングワイヤが接続された領域を含む第２の領域と、を隔てる樹脂層と、を具備する半導体装置である。

本半導体装置によれば、基板の実装面に形成されたグランドパターンと、当該グランドパターン上に接着された半導体チップの回路面に形成されたグランドパッドとのボンディングワイヤによる接続を容易とすることができる。

図１（ａ）は、比較例１における半導体装置の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図２（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体装置の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図３（ａ）は、本発明の実施例２に係る半導体装置の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本願発明の一実施例は、実装面に金属材料によってグランドパターンが形成された基板と、接着面と、前記接着面の反対側に位置する回路面と、を有し、前記接着面が前記グランドパターンに接着剤を用いて接合され、前記回路面にグランドパッドが形成された、半導体チップと、前記グランドパターンと前記グランドパッドとを接続する第１のボンディングワイヤと、前記グランドパターン上に形成され、前記グランドパターン上の前記半導体チップが接着された領域を含む第１の領域と、前記グランドパターン上の前記第１のボンディングワイヤが接続された領域を含む第２の領域と、を隔てる樹脂層と、を具備する半導体装置である。
これにより、樹脂層により接着剤がグランドパターン内の第２の領域に濡れ広がることを抑制できる。よって、基板の実装面に形成されたグランドパターンと半導体チップの回路面に形成されたグランドパッドとの第１のボンディングワイヤの接続を容易に行うことができる。
（２）前記実装面の前記グランドパターンが形成された領域と異なる領域において、信号を伝送する信号パターンがさらに形成され、前記半導体チップの前記回路面にさらに信号パッドが形成され、前記信号パターンと前記信号パッドとを接続する第２のボンディングワイヤを具備することが好ましい。樹脂層を設けることで、第１および第２のボンディングワイヤを短くでき、高周波特性を向上できる。
（３）前記第２のボンディングワイヤの長さは前記第１のボンディングワイヤの長さより長いことが好ましい。これにより、高周波特性を向上できる。
（４）前記第２のボンディングワイヤと前記第１のボンディングワイヤとが、前記グランドパッドの位置と前記信号パッドの位置との間の距離にほぼ等しい間隔で、互いにほぼ平行に配置されていることが好ましい。これにより、高周波特性を向上できる。
（５）前記基板は、前記実装面において凹部をさらに有し、前記凹部に前記接着剤の一部が埋め込まれていることが好ましい。これにより、接着剤が樹脂層を越え第２の領域に濡れ広がることをより抑制できる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態にかかる半導体装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１（ａ）は、比較例１における半導体装置の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、半導体装置１１０では、基板１０上に半導体チップ２０が搭載されている。基板１０の上面は、実装面である。実装面には各種の表面実装部品を実装することができる。半導体チップ２０の下面は接着面であり、上面は回路が形成されている回路面である。基板１０の下面および上面に金属層１２および１４が設けられている。基板１０の上面に設けられた金属層１４は、信号パターン１４ａとグランドパターン１４ｂを含む。グランドパターン１４ｂは、金属材料によって形成される。金属材料は、回路を形成するための配線材料（例えば、銅や金等）を用いてもよい。グランドパターン１４ｂ上には接着剤１６を用い半導体チップ２０が実装（接着）されている。半導体チップ２０上にはパッド２２（ボンディングパッド）が設けられている。パッド２２は、信号パッド２２ａおよびグランドパッド２２ｂを含む。ボンディングワイヤ２４ａは信号パターン１４ａと信号パッド２２ａとを接続し、ボンディングワイヤ２４ｂはグランドパターン１４ｂとグランドパッド２２ｂとを接続する。ボンディングワイヤ２４ａおよび２４ｂは例えばボール２６によりパターンおよびパッドに接続される。

比較例１のように、グランドパターン１４ｂ上に半導体チップ２０を実装（接着）し、半導体チップ２０の上面（接着面の反対側に位置する回路面）に設けられたグランドパッド２２ｂと基板１０の実装面のグランドパターン１４ｂとをボンディングワイヤ２４ｂで接続することがある。この場合、ボンディングワイヤ２４ｂが接続されたグランドパターン１４ｂの領域５０と半導体チップ２０が接着されたグランドパターン１４ｂの領域５２は同一平面となる。このため、半導体チップ２０をグランドパターン１４ｂ上に接着するときの加熱による温度上昇等によって、接着剤１６ａが領域５０に濡れ広がることがある。これにより、ボンディングワイヤ２４ｂをグランドパターン１４ｂに接続できなくなる。接着剤１６ａの濡れ広がりを想定して領域５０を領域５２から離すと、ボンディングワイヤ２４ｂの長さが長くなりボンディングワイヤ２４ｂに寄生するインダクタンス成分が大きくなる。これにより、グランドパターン１４ｂの電気的特性が劣化する。特に、信号パッド２２ａと信号パターン１４ａとの間にボンディングワイヤ２４ａを介して数Ｇｂｐｓ以上の高速の信号を伝送する場合に、グランドパターン１４ｂの電気的特性の劣化による高速信号の信号波形への影響が大きくなる。

このように、比較例１では、信号波形の特性劣化を抑制しようとすると、接着剤１６の濡れ広がりに起因したボンディングワイヤ２４ｂのグランドパターン１４ｂへの接続が難しくなる。

図２（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体装置の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、半導体装置１００においては、グランドパターン１４ｂの上面に樹脂層３０が設けられている。樹脂層３０はグランドパターン１４ｂ上の領域５４と５６とを隔てている。領域５６（第１の領域）は、グランドパターン１４ｂ上の半導体チップ２０の接着面が接着された領域５２を含んでいる。領域５４（第２の領域）は、グランドパターン１４ｂ上のボンディングワイヤ２４ｂが接続された領域５０を含んでいる。このとき、領域５４と領域５６とは、樹脂層３０の下で互いにつながった状態にある。すなわち、樹脂層３０は、グランドパターン１４ｂの表面上に設けられており、グランドパターン１４ｂを領域５４と領域５６とに電気的に分離していない。接着剤１６は樹脂層３０の上を乗り越えて領域５４に濡れ広がっていない。樹脂層３０は、例えばポリイミド樹脂またはエポキシ樹脂等の非導電性樹脂である。その他の構成は比較例１と同じであり説明を省略する。

基板１０は、例えばプリント基板であり、ガラスエポキシ等の絶縁層が複数積層された基板である。基板１０内には内部配線および貫通電極（不図示）等が設けられている。金属層１２および１４は、例えば銅層または金層である。接着剤１６は、例えばＡｇペースト等の導電性樹脂である。特に、接着面がメタライズされた半導体チップ２０を金属材料によって形成されたグランドパターン１４ｂ上にＡｇペースト等によって接着することを接合と呼ぶことがある。半導体チップ２０は、例えば光送信用の変調器を駆動するドライバ（駆動回路）が搭載されたチップであり、例えば高周波信号を入力およびまたは出力する。半導体チップ２０は、ＧａＡｓ基板またはＳｉ基板等の半導体基板を有している。パッド２２は、例えば金層またはアルミニウム層等の金属層であり、ボンディングワイヤ２４ａおよび２４ｂは例えば金線またはアルミニウム線である。

信号パターン１４ａ、ボンディングワイヤ２４ａおよび信号パッド２２ａは、例えば２５Ｇｂｐｓ以上の高周波信号が伝送する。金属層１２を基準電位（例えば、グランド電位）の供給される基準層とすることで、信号パターン１４ａと金属層１２とでマイクロストリップ線路を形成することができる。基準層は、基板１０内部に設けられていてもよい。また、信号パターン１４ａとグランドパターン１４ｂとでコプレーナ線路を形成してもよい。このように、基板１０に設けられた伝送線路は高周波信号を伝送する。あるいは、信号パターン１４ａ、ボンディングワイヤ２４ａおよび信号パッド２２ａは、金属層１２またはグランドパターン１４ｂと共にマイクロストリップ線路やコプレーナ線路の変形によって高周波信号の伝送に適した伝送線路を形成してもよい。

高周波信号が差動信号の場合、信号パターン１４ａ、ボンディングワイヤ２４ａおよび信号パッド２２ａはそれぞれ２本ごとに、グランドパターン１４ｂ、ボンディングワイヤ２４ｂおよびグランドパッド２２ｂに挟まれる。

実施例１によれば、半導体チップ２０の下面が基板１０のグランドパターン１４ｂに接着剤１６を用いて接続され、上面にグランドパッド２２ｂが設けられている。ボンディングワイヤ２４ｂ（第１のボンディングワイヤ）は、グランドパターン１４ｂとグランドパッド２２ｂとを接続する。このような構成において、樹脂層３０は、グランドパターン１４ｂ上に設けられ、グランドパターン１４ｂの上面を半導体チップ２０が接合された領域５２とボンディングワイヤ２４ｂが接合された領域５０とを仕切る。

樹脂層３０が、ある値以上の高さを持つことによって、接着剤１６の堤防（あるいは土手）として機能するため、接着剤１６が領域５０に濡れ広がることを抑制できる。これにより、ボンディングワイヤ２４ｂをグランドパターン１４ｂの表面に半導体チップ２０の近くに容易に接続することができる。それによって、ボンディングワイヤ２４ｂの長さを短くできるため、ボンディングワイヤ２４ｂに寄生するインダクタ成分に起因するグランド特性の劣化を抑制できる。また、特許文献１のように、凹部および貫通穴を設けなくてもよい。樹脂層３０は、例えば、基板１０がプリント基板の場合、基板１０上に設けられるソルダーレジストを用いることができる。これにより、基板１０等の製造工数を削減できる。

また、基板１０の実装面のグランドパターン１４ｂが形成された領域と異なる領域に信号パターン１４ａが形成されている。ボンディングワイヤ２４ａ（第２のボンディングワイヤ）は高周波信号を伝送する信号パターン１４ａと信号パッド２２ａとを接続する。比較例１においては、接着剤１６が濡れ広がるために信号パターン１４ａを半導体チップ２０から離す必要があるが、本発明の実施例１においては、樹脂層３０が接着剤１６の濡れ広がりを阻止するために信号パターン１４ａを比較例１よりも半導体チップ２０に近づけて配置することができる。このように、高周波信号を取り扱う半導体チップ２０では、ボンディングワイヤ２４ａおよび２４ｂを短くすることで高周波特性を向上できる。実施例１では、樹脂層３０を設けることで、ボンディングワイヤ２４ａおよび２４ｂを短くでき、高周波特性を向上できる。

さらに、高周波信号が伝送するボンディングワイヤ２４ａは複数のボンディングワイヤ２４ｂに挟まれている。また、ボンディングワイヤ２４ａと２４ｂとが、グランドパッド２２ｂの位置と信号パッド２２ａの位置との間の距離にほぼ等しい間隔で、互いにほぼ平行に配置されている。これにより、高周波信号の伝送に好適な伝送線路を形成して高周波特性を向上できる。

さらに、ボンディングワイヤ２４ａはボンディングワイヤ２４ｂより長い。このような場合、高周波信号が伝送するボンディングワイヤ２４ａを短くするため、ボンディングワイヤ２４ｂを短くすることが求められる。よって、樹脂層３０を設けることで、ボンディングワイヤ２４ａおよび２４ｂを短くでき、高周波特性を向上できる。

信号パターン１４ａは、高周波信号として、例えば２５Ｇｂｐｓ以上の伝送レートの信号を伝送する。このような高速信号では、ボンディングワイヤ２４ａおよび２４ｂを短くすることが求められる。よって、樹脂層３０を設けることで、上述したように、ボンディングワイヤ２４ａおよび２４ｂを短くでき、高速信号の伝送特性を向上できる。

樹脂層３０の幅Ｗは、グランドパターン１４ｂとの密着性を確保するため３０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましい。幅Ｗが大きくなると、ボンディングワイヤ２４ｂが長くなる。よって、幅Ｗは１００μｍ以下が好ましく、７５μｍ以下がより好ましい。樹脂層３０の高さＨは、接着剤１６の堤防（あるいは土手）として機能するため３０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましい。樹脂層３０がボンディングワイヤ２４ａおよび２４ｂに近くなると、高周波特性が劣化する。よって、高さＨは１００μｍ以下が好ましく、７５μｍ以下がより好ましい。

比較例１では、接着剤１６ａは半導体チップ２０の縁から１５０μｍから２００μｍ程度濡れ広がることがある。そこで、半導体チップ２０と樹脂層３０との距離Ｌ１は７０μｍ以下が好ましく、５０μｍ以下がより好ましい。例えば幅Ｗおよび距離Ｌ１を各々５０μｍとする。信号が伝送するボンディングワイヤ２４ａを短くするため、樹脂層３０とグランドパターン１４ｂの端との距離Ｌ２は１５０μｍ以下が好ましく、１００μｍ以下が好ましい。樹脂層３０は直線状でもよいが、曲線状でもよい。

半導体チップ２０の大きさは例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ以下であり、例えば４ｍｍ×４ｍｍである。半導体チップ２０の厚さは例えば１５０μｍから１８０μｍである。

図３（ａ）は、本発明の実施例２に係る半導体装置の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、半導体装置１０２においては、基板１０を基板１０の厚さ方向（図３（ｂ）の縦方向）に貫通する貫通孔３２が設けられている。貫通孔３２内に接着剤１６が埋め込まれている。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

実施例２によれば、基板１０の上面に接着剤１６の一部が埋め込まれた貫通孔３２（凹部）が設けられている。これにより、樹脂層３０において濡れ広がりを阻止された余剰の接着剤１６が表面張力等によって貫通孔３２内に逃げる。よって、接着剤１６が樹脂層３０を越えて領域５４に広がることをより抑制できる。貫通孔３２は基板１０を貫通しなくてもよい。基板１０が例えばプリント基板の場合、貫通孔３２は金属層１２と１４とを接続するための貫通電極と同時に形成することができる。これにより、特許文献１のような凹部を設けなくてもよく、製造工数を削減できる。

貫通孔３２は、複数設けることができる。これにより、接着剤１６をより多く埋め込ませることができる。貫通孔３２は、半導体チップ２０の樹脂層３０側に設けることが好ましい。貫通孔３２は、図３（ａ）の平面図において、半導体チップに重ならないように配置されてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 基板
１２、１４ 金属層
１４ａ 信号パターン
１４ｂ グランドパターン
１６、１６ａ 接着剤
２０ 半導体チップ
２２ａ 信号パッド
２２ｂ グランドパッド
２４ａ、２４ｂ ボンディングワイヤ
３０ 樹脂層
３２ 貫通孔
５０、５２ 領域
５４、５６ グランドパターン１４ｂ上の領域
１００、１０２、１１０ 半導体装置

Claims (5)

1. 実装面に金属材料によってグランドパターンが形成された基板と、
   接着面と、前記接着面の反対側に位置する回路面と、を有し、前記接着面が前記グランドパターンに接着剤を用いて接合され、前記回路面にグランドパッドが形成された、半導体チップと、
   前記グランドパターンと前記グランドパッドとを接続する第１のボンディングワイヤと、
   前記グランドパターン上に形成され、前記グランドパターン上の前記半導体チップが接着された領域を含む第１の領域と、前記グランドパターン上の前記第１のボンディングワイヤが接続された領域を含む第２の領域と、を隔てる樹脂層と、
   を具備する半導体装置。
2. 前記実装面の前記グランドパターンが形成された領域と異なる領域において、信号を伝送する信号パターンがさらに形成され、
   前記半導体チップの前記回路面にさらに信号パッドが形成され、
   前記信号パターンと前記信号パッドとを接続する第２のボンディングワイヤを具備する請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２のボンディングワイヤの長さは前記第１のボンディングワイヤの長さより長い請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第２のボンディングワイヤと前記第１のボンディングワイヤとが、前記グランドパッドの位置と前記信号パッドの位置との間の距離にほぼ等しい間隔で、互いにほぼ平行に配置されている、請求項２または３に記載の半導体装置。
5. 前記基板は、前記実装面において凹部をさらに有し、
   前記凹部に前記接着剤の一部が埋め込まれている、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
   

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