JP2020150172A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体パッケージのランド部と金属バンプとの接続強度を高めることができる半導体装置を提供する。【解決手段】本実施形態による半導体装置は、実装基板と、実装基板上に設けられた半導体パッケージとを備える。半導体パッケージは、半導体チップを含む。第1接続部は、半導体パッケージの底面に設けられ、半導体チップに電気的に接続されている。金属バンプは、第1接続部に接続され、かつ、実装基板の第2接続部と電気的に接続された。第1接続部は、金属バンプとの接触面において凹部を有する。【選択図】図3
Description
本実施形態は、半導体装置に関する。
BGA(Ball Grid Array)のような半導体パッケージは、半導体パッケージのランド部にはんだボールを接続した形態を有する。このような半導体パッケージは、実装基板に搭載され、はんだボールが実装基板の配線に接続される。
半導体パッケージは熱膨張率の比較的小さな半導体チップを内部に含む。一方、実装基板の多くの部分は、熱膨張率の比較的大きな樹脂からなる。よって、温度による実装基板の伸張および収縮は比較的大きいものの、半導体パッケージの伸張および収縮は半導体チップの伸張および収縮に大きく影響され比較的小さくなる。従って、半導体パッケージを搭載した実装基板が温度によって伸張/収縮すると、半導体パッケージと実装基板との伸張差/収縮差によって、はんだボールに大きな応力がかかる。はんだボールに応力がかかると、はんだボールが半導体パッケージのランド部から破断したり剥がれるおそれがある。
半導体パッケージのランド部と金属バンプとの接続強度を高めることができる半導体装置を提供する。
本実施形態による半導体装置は、実装基板と、実装基板上に設けられた半導体パッケージとを備える。半導体パッケージは、半導体チップを含む。第1接続部は、半導体パッケージの底面に設けられ、半導体チップに電気的に接続されている。金属バンプは、第1接続部に接続され、かつ、実装基板の第2接続部と電気的に接続された。第1接続部は、金属バンプとの接触面において凹部を有する。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
スマートフォン等の携帯端末の高性能化が進んでいる中、半導体パッケージに対して、小型化および高速動作の要求が高まっている。高速動作を実現するために、半導体パッケージには、電源強化のために多数の端子が必要になる一方、パッケージの小型化も必要となっている。このため、必然的に半導体パッケージの端部まではんだバンプが配置されることが多い。
半導体パッケージの端部まではんだバンプを形成すると、実装TCT(温度サイクル試験)においてはんだバンプの剥がれや破断が生じやすくなる。これは、温度変化による実装基板と半導体パッケージとの伸縮差が、半導体パッケージの端部に行くほど大きくなり、半導体パッケージの端部のはんだバンプに掛かる応力も大きくなるからである。本実施形態は、このような応力によって半導体パッケージのランド部と金属バンプとの間の剥がれや破断を抑制する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態による半導体装置の構成例を示す断面図である。半導体装置1は、実装基板10と、半導体パッケージ20とを備えている。尚、図1では、図2および図3に示す凹部27の図示は省略されている。
図1は、第1実施形態による半導体装置の構成例を示す断面図である。半導体装置1は、実装基板10と、半導体パッケージ20とを備えている。尚、図1では、図2および図3に示す凹部27の図示は省略されている。
実装基板10は、樹脂11と、配線12と、ランド部13とを備えている。樹脂11は、例えば、ガラスエポキシ樹脂等の絶縁材料であり、配線12を被覆する。配線12は、例えば、銅等の導電性金属からなり、樹脂11内に多層配線として構成されている。配線12は、ランド部13と電気的に接続されている。第2接続部としてのランド部13は、配線12に電気的に接続されており、さらに、半導体パッケージ20のはんだバンプ25にも接続されている。ランド部13は、配線12とはんだバンプ25との間を電気的に接続する。これにより、実装基板10は、はんだバンプ25を介して半導体パッケージ20に電気的に接続される。
半導体パッケージ20は、樹脂基板21と、半導体チップ22と、ランド部23と、モールド樹脂24と、はんだバンプ25とを備えている。樹脂基板21は、例えば、ガラスエポキシ樹脂等の絶縁材料を含み、配線26を被覆する。配線26は、例えば、銅等の導電性金属からなり、樹脂内に多層配線として構成されている。配線26は、ランド部23と電気的に接続されている。半導体チップ22は、樹脂基板21の第1面上に設けられており、モールド樹脂24で被覆されている。半導体チップ22上には、トランジスタ、ダイオード、抵抗、キャパシタ等の半導体素子(図示せず)が形成されている。半導体チップ22は、配線26に接続されたパッドにボンディングワイヤ(図示せず)で電気的に接続されている。第1接続部としてのランド部23は、第1面とは反対側の樹脂基板21の第2面に設けられており、はんだバンプ25に接続されている。はんだバンプ25は、ランド部23とランド部13との間に接続されており、両者間を電気的に接続する。
図2は、第1実施形態による半導体パッケージの底面(第2面)を示す平面図である。半導体パッケージ20の底面は、実装基板10の搭載面に対する対向面であり、ランド部23およびはんだバンプ25が設けられた面である。また、図2において、はんだバンプ25は仮想線で示されており、その下のランド部23および凹部27が表示されている。
半導体パッケージ20は、その底面にマトリクス状に二次元配置されたランド部23を備える。はんだバンプ25は、ランド部23に接触するように設けられている。ランド部23の接触面の略中心部には、凹部27(座繰り)が設けられている。凹部27は、半導体パッケージ20の底面から見たときに、ランド部23と略相似形を有し、ランド部23の内側に位置する。凹部27は、例えば、ランド部23と同様に、略円形を有する。半導体パッケージ20の底面から見たときのランド部23および凹部27の形面は、例えば、略楕円形、略多角形、略半円形であってもよい。
図3は、図2の3−3線に沿った半導体パッケージの断面の一部を示す図である。樹脂基板21の樹脂材料28は、半導体パッケージ20の底面のうちランド部23以外の領域を被覆している。樹脂材料28は、例えば、ソルダレジストである。ランド部23には、樹脂材料28が設けられておらず、はんだバンプ25が接触している。ランド部23には、凹部27が設けられており、凹部27はランド部23とはんだバンプ25との接触面の一部となっている。ランド部23とはんだバンプ25との接触面は、凹部27およびその周辺部29で構成されている。凹部27は、周辺部29に対して樹脂基板21側に窪んでおり、それらの間に段差部STを有する。ランド部23は、凹部27および周辺部29においてはんだバンプ25と接触する。はんだバンプ25は、周辺部29の表面、凹部27の内側面および底面に接触する。即ち、はんだバンプ25は、段差部STにも接触している。
これにより、本実施形態によるランド部23とはんだバンプ25との接触面積は、全面平坦なランド部23とはんだバンプ25との接触面積よりも増大する。また、段差部STの屈曲箇所がはんだバンプ25に対するアンカーの役目を果たす。これにより、はんだバンプ25とランド部23との間の接続強度を高めることができ、はんだバンプ25に応力が印加されても、はんだバンプ25がランド部23から剥がれたり、破断したりすることを抑制することができる。
図4(A)〜図5(B)は、温度による実装基板10および半導体パッケージ20の伸縮を示す概念図である。図4(A)および図4(B)は、温度を上昇させた場合の実装基板10および半導体パッケージ20の様子を示す。
半導体装置1の温度を、例えば、+125℃まで上昇させると、図4(A)の矢印および破線で示すように、実装基板10および半導体パッケージ20は膨張する。このとき、半導体チップ(例えば、シリコンチップ)22を内蔵する半導体パッケージ20は、実装基板10よりも膨張の度合いが小さい。従って、図4(B)に示すように、はんだバンプ25に、応力が掛かる。しかし、本実施形態によれば、ランド部23に凹部27が設けられているので、はんだバンプ25がランド部23から剥がれたり、破断したりすることを抑制することができる。
一方、図5(A)および図5(B)は、温度を低下させた場合の実装基板10および半導体パッケージ20の様子を示す。
半導体装置1の温度を、例えば、−25℃まで低下させると、図5(A)の矢印および破線で示すように、実装基板10および半導体パッケージ20は収縮する。このとき、半導体チップ(例えば、シリコンチップ)22を内蔵する半導体パッケージ20は、実装基板10よりも収縮の度合いが小さい。従って、図5(B)に示すように、はんだバンプ25に、応力が掛かる。しかし、本実施形態によれば、ランド部23に凹部27が設けられているので、はんだバンプ25がランド部23から剥がれたり、破断したりすることを抑制することができる。
尚、本実施形態において、凹部27は全てのランド部23に設けてもよいが、ランド部23の一部に設けられていてもよい。例えば、凹部27は、比較的大きな応力のかかる半導体パッケージ20の底面の外周部にあるランド部23のみに設けてもよい。あるいは、凹部27は、比較的大きな応力のかかる半導体パッケージ20の底面の四隅にあるランド部23のみに設けてもよい。この場合、半導体パッケージ20の底面の中心部にあるランド部23には、凹部27は設けられていない。
(第2実施形態)
図6は、第2実施形態による半導体パッケージの底面(第2面)を示す平面図である。第2実施形態では、凹部27がランド部23の中心から矢印A1のとは反対の方向に偏った位置に設けられている。矢印A1は、温度を変化させたときにはんだバンプ25が実装基板10から受ける応力方向である。凹部27は、ランド部23において、応力方向A1とは反対側に偏在させる。即ち、凹部27は、ランド部23の中心から、はんだバンプ25の引張応力に対して反対方向に偏った位置に設けられている。これにより、はんだバンプ25とランド部23との間の接続強度をさらに高めることができ、はんだバンプ25の引張応力に対する耐性を高めることができる。
図6は、第2実施形態による半導体パッケージの底面(第2面)を示す平面図である。第2実施形態では、凹部27がランド部23の中心から矢印A1のとは反対の方向に偏った位置に設けられている。矢印A1は、温度を変化させたときにはんだバンプ25が実装基板10から受ける応力方向である。凹部27は、ランド部23において、応力方向A1とは反対側に偏在させる。即ち、凹部27は、ランド部23の中心から、はんだバンプ25の引張応力に対して反対方向に偏った位置に設けられている。これにより、はんだバンプ25とランド部23との間の接続強度をさらに高めることができ、はんだバンプ25の引張応力に対する耐性を高めることができる。
図7は、図6の7−7線に沿った半導体パッケージの断面の一部を示す図である。凹部27は、ランド部23に対して応力方向A1とは反対側に偏って設けられている。これに伴い、ランド部23のうち周辺部29は、凹部27に対して応力方向A1に位置する。これにより、第2実施形態は第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、はんだバンプ25とランド部23との間の接続強度を高めることができる。
(変形例1)
図8は、変形例1による半導体パッケージの底面(第2面)を示す平面図である。本変形例では、凹部27がランド部23の中心から矢印A2のとは反対の方向に偏った位置に設けられている。矢印A2は、温度を低下させたときにはんだバンプ25が実装基板10から受ける応力方向である。凹部27は、ランド部23において、応力方向A2とは反対側に偏在させる。即ち、凹部27は、ランド部23の中心から、はんだバンプ25の収縮応力に対して反対方向に偏った位置に設けられている。これにより、はんだバンプ25とランド部23との間の接続強度をさらに高めることができ、はんだバンプ25の収縮応力に対する耐性を高めることができる。
図8は、変形例1による半導体パッケージの底面(第2面)を示す平面図である。本変形例では、凹部27がランド部23の中心から矢印A2のとは反対の方向に偏った位置に設けられている。矢印A2は、温度を低下させたときにはんだバンプ25が実装基板10から受ける応力方向である。凹部27は、ランド部23において、応力方向A2とは反対側に偏在させる。即ち、凹部27は、ランド部23の中心から、はんだバンプ25の収縮応力に対して反対方向に偏った位置に設けられている。これにより、はんだバンプ25とランド部23との間の接続強度をさらに高めることができ、はんだバンプ25の収縮応力に対する耐性を高めることができる。
図9は、図6の7−7線に沿った半導体パッケージの断面の一部を示す図である。凹部27は、ランド部23に対して応力方向A2とは反対側に偏って設けられている。これに伴い、ランド部23のうち周辺部29は、凹部27に対して応力方向A2に位置する。これにより、変形例は、温度が低い場合でも第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第3実施形態)
図10は、第3実施形態による半導体パッケージの底面(第2面)を示す平面図である。第3実施形態では、凹部27の平面形状が略半円形である点で第2実施形態と異なる。第3実施形態のその他の構成は、第2実施形態の対応する構成と同様でよい。尚、図10の7−7線に沿った断面は、図7に示す断面と同様となる。
図10は、第3実施形態による半導体パッケージの底面(第2面)を示す平面図である。第3実施形態では、凹部27の平面形状が略半円形である点で第2実施形態と異なる。第3実施形態のその他の構成は、第2実施形態の対応する構成と同様でよい。尚、図10の7−7線に沿った断面は、図7に示す断面と同様となる。
このように凹部27が略半円形であっても、半導体パッケージ20は、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
(変形例2)
図11は、変形例2による半導体パッケージの底面(第2面)を示す平面図である。変形例2では、凹部27の平面形状が略半円形である点で上記変形例1と異なる。変形例2のその他の構成は、上記変形例1の対応する構成と同様でよい。尚、図11の9−9線に沿った断面は、図9に示す断面と同様となる。
図11は、変形例2による半導体パッケージの底面(第2面)を示す平面図である。変形例2では、凹部27の平面形状が略半円形である点で上記変形例1と異なる。変形例2のその他の構成は、上記変形例1の対応する構成と同様でよい。尚、図11の9−9線に沿った断面は、図9に示す断面と同様となる。
このように凹部27が略半円形であっても、半導体パッケージ20は、変形例1と同様の効果を得ることができる。
尚、凹部27は、樹脂材料28からランド部23を露出した後、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてランド部23の表面を加工することによって形成され得る。リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いれば、凹部27の形状および大きさを任意に変更することができる。また、ランド部23の一部に凹部27を選択的に形成することもできる。
(第4実施形態)
図12は、第4実施形態による半導体パッケージの部分的断面図である。図12の断面は、図2の3−3線に沿った半導体パッケージの断面に対応する。
図12は、第4実施形態による半導体パッケージの部分的断面図である。図12の断面は、図2の3−3線に沿った半導体パッケージの断面に対応する。
第4実施形態による樹脂基板21は、ランド部23に対応する箇所に貫通ビア30を備えている。貫通接続部としての貫通ビア30は、樹脂基板21をその表面と底面との間を貫通して樹脂基板21の表面側の配線と底面側の配線とを電気的に接続するように設けられている。貫通ビア30は、全てのランド部23の上方に設けられていてもよいが、その一部の上方にのみ設けられていてもよい。
貫通ビア30のビアホールに埋め込まれている金属材料は、ランド部23と同じ材料(例えば、銅)であってよい。金属材料を貫通ビア30のビアホールに埋め込むと、通常、そのビアホールの中心位置において凹む。第4実施形態では、この凹みを凹部27として利用する。即ち、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いること無く、凹部27は、貫通ビア30の表面のうち、はんだバンプ25と貫通ビア30との接触面に形成される。これにより、はんだバンプ25のアンカー効果を得ることができる。
貫通ビア30は、半導体チップ22や実装基板10の配線に接続されたビアであってもよいが、配線に接続されていないダミービアであってもよい。ダミービアは、電気的にフローティング状態あるいは接地状態にある使用されないビアである。貫通ビア30がダミービアである場合、貫通ビア30は、樹脂基板21の底面の外周部や四隅に設けられていることが多い。この場合、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いること無く、周縁や四隅の貫通ビア30に凹部27が形成され得る。
さらに、貫通ビア30とともに非貫通接続部としてランド部23が混在していてもよい。非貫通接続部としてのランド部23は、第1〜第3実施形態のそれと同様に、樹脂基板21を貫通せずにその底面に設けられ、樹脂基板21の配線に接続されている。この場合、貫通ビア30が凹部27を有するため、ランド部23は平坦であってもよい。あるいは、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてランド部23に凹部27を形成してもよい。貫通ビア30以外のランド部23にも凹部27を形成すれば、さらにはんだバンプ25のアンカー効果を高めることができる。
また、ダミービアとしての貫通ビア30が樹脂基板21の底面の外周部や角部に設けられている場合、非貫通接続部としてのランド部23は、樹脂基板21の底面中心部に設けられることになる。従って、少なくとも貫通ビア30が凹部27を有すれば、はんだバンプ25のアンカー効果を充分に機能すると考えられる。従って、凹部27は、ランド部23に形成してもよいが、製造コストを考慮して敢えてランド部23に形成しなくてもよい。
図13(A)〜図14(C)は、第4実施形態による樹脂基板21の形成方法の一例を示す断面図である。尚、図13では、樹脂基板21の表面および裏面に配線が設けられた例を示している。しかし、配線は、樹脂基板21の内部にも設けられていてもよい。
まず、図13(A)に示すように、樹脂材料28の表面および底面に配線26の材料を形成する。樹脂材料28は、例えば、ソルダレジストである。配線26の材料には、例えば、銅等の導電性金属を用いる。
次に、図13(B)に示すように、貫通ビア30の形成箇所に貫通ビアホール40を形成する。貫通ビアホール40は、例えば、樹脂材料28の表面から底面までドリルで切削して形成すればよい。あるいは、貫通ビアホール40は、リソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて形成してもよい。
次に、図13(C)に示すように、電解メッキ法または無電解メッキ法を用いて、配線26の表面および貫通ビアホール40の内壁面に金属膜50を形成する。これにより、貫通ビアホール40を介して樹脂材料28の表面および底面の配線26が電気的に接続される。
さらに、リソグラフィ技術を用いて、貫通ビアホール40以外の領域をフォトレジストで被覆し、貫通ビアホール40内に金属材料60を埋め込む。金属材料60は、例えば、銅等の導電性金属である。このとき、樹脂材料28の表面および底面から露出している金属材料60の表面および底面には、図12を参照して説明したように、凹部27が形成される。
次に、図14(A)に示すように、リソグラフィ技術を用いて、フォトレジスト70を形成する。フォトレジスト70は、貫通ビア30、ランド部23、ボンディングパッド(図示せず)の形成領域以外の領域を被覆する。
次に、図14(B)に示すように、フォトレジスト70をマスクとして用いて、金属膜50および配線26の材料をエッチング技術で加工する。これにより、貫通ビア30、ランド部23、ボンディングパッドの領域に、金属膜50、配線26、および金属材料60が残置される。
次に、図14(C)に示すように、フォトレジスト70を除去する。これにより、貫通ビア30、ランド部23、ボンディングパッドが形成される。
次に、図15に示すように、貫通ビア30、ランド部23、ボンディングパッド以外の領域を被覆するように、ソルダレジスト80が形成される。これにより、ソルダレジスト80は、貫通ビア30、ランド部23、ボンディングパッドを被覆せず、それ以外の領域を被覆する。さらに、図12に示すように、貫通ビア30およびランド部23のそれぞれの上にはんだバンプ25を形成する。これにより、第4実施形態による樹脂基板21が形成される。
樹脂基板21上に半導体チップ22を搭載し、半導体チップ22とボンディングパッドとの間を金属ワイヤでボンディングする。樹脂基板21上の半導体チップ22および金属ワイヤ(図示せず)をモールド樹脂24で封止する。これにより、半導体パッケージ20が完成する。半導体パッケージ20は、実装基板10上に搭載され、はんだバンプ25は、熱処理により、実装基板10のランド部13に接続される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1 半導体装置、10 実装基板、20 半導体パッケージ、11 樹脂、12 配線、13 ランド部、21 樹脂基板、22 半導体チップ、23 ランド部、24 モールド樹脂、25 はんだバンプ、26 配線、27 凹部、28 樹脂材料、29 周辺部
Claims (6)
- 実装基板と、
前記実装基板上に設けられた半導体パッケージとを備え、
前記半導体パッケージは、
半導体チップと、
前記半導体パッケージの底面に設けられ、前記半導体チップに電気的に接続された第1接続部と、
前記第1接続部に接続され、かつ、前記実装基板の第2接続部と電気的に接続された金属バンプと、を含み、
前記第1接続部は、前記金属バンプとの接触面において凹部を有する、半導体装置。 - 前記半導体パッケージを搭載する前記実装基板の搭載面から見たときに、前記凹部は、前記第1接続部の略中心に設けられ該第1接続部と略相似形を有する、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記半導体パッケージを搭載する前記実装基板の搭載面から見たときに、前記凹部は、前記第1接続部の略中心に設けられ略円形、略楕円形、略多角形、略半円形を有する、請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
- 温度を変化させたときに前記金属バンプが前記実装基板から受ける応力方向とは反対方向を第1方向とすると、前記凹部は、前記第1接続部の中心から前記第1方向に偏った位置に設けられている、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1接続部は、前記半導体パッケージの樹脂基板の底面と表面との間を貫通する貫通接続部を含み、
前記凹部は、前記金属バンプに対する前記貫通接続部の接続面に設けられている、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1接続部は、前記半導体パッケージの樹脂基板を貫通せずに前記底面に設けられた非貫通接続部をさらに含む、請求項4に記載の半導体装置。
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