JP3395164B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
より詳しくはボール・グリッド・アレー・モジュ−ルな
どの半導体装置の反りを是正する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、図７に示すように、有機基板１に
フリップチップ型の半導体チップ２を搭載したＢＧＡ
（ボール・グリッド・アレー）モジュ−ル３において
は、半導体チップ２と有機基板１との間に高弾性係数を
有する素材であるアンダーフィル４が充填されている。
一方、半導体チップ１と有機基板２との熱膨張係数が同
じではないため、半導体チップ１と有機基板２がアンダ
ーフィル４を挟んで温度環境の変化によりそれぞれ個別
に熱膨張・収縮することになる。
【０００３】半導体チップ１と有機基板２の熱膨張係数
によって挙動は異なるが、たとえば温度の低下又は上昇
により、図８に示すように、モジュ−ル３全体が変形し
てしまう。その結果、アセンブリされたモジュ−ル３に
おけるＢＧＡジョイント部が剥離するなどにより、接続
不良が生ずるなどの信頼性に悪影響を及ぼしていた。こ
のため、温度変化の影響を受けても、モジュ−ル３が変
形することがないようにすることが望まれていた。
【０００４】ところで、本出願人が出願前に先行特許の
調査をしたところ、特開昭６２−２４９４２９号公報を
見出した。この発明は基板にボンディングされた半導体
ペレットを金属又はセラミックスからなるキャップで覆
った構造の半導体装置を開示するものである。この半導
体装置は、半導体ペレットに発生した熱の放熱性を向上
させるために、半導体ペレットの上面とキャップの裏面
とを接触させるか、間隙充填用金属を介在させて、半導
体ペレットからキャップへ伝熱性を高めている。しかし
ながら、この先行発明は基板と半導体チップとの熱膨張
係数の差に起因する基板の反りや変形に基づく基板と半
導体チップとの接合不良については言及していない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】さて、本発明の目的
は、基板に半導体チップが実装された半導体装置の温度
による反り、変形を軽減し、装置内の接合不良の発生を
防止することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者はこの
目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、本発明に
係る半導体装置を想到するに至ったのである。すなわ
ち、本発明は、半導体チップ及び基板の背面に有機基板
の熱膨張係数と同じかあるいはそれに近い値を有する構
造物を取り付けることにより、半導体チップの上下に存
在する構造物と基板の熱収縮性・熱膨張性を均等化し、
温度環境の変化の際に生じる半導体装置全体の反りなど
の機械的挙動を効果的に抑制することとした。有機基板
の熱膨張係数に近い値として、±７％の範囲が好ましい
が、この値に限定されるものではない。また、半導体チ
ップで発生した熱を外部に放出するために、構造物を金
属又は合金で構成する。
【０００７】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係る半導体装置の
実施の形態を、図面に基づいて詳しく説明する。
【０００８】図１に示すように、本実施形態に係る半導
体装置１０は、基板１２に半導体チップ１４がバンプ１
６を介して実装されており、更にこの半導体チップ１４
が実装されている側の基板１２の表面に半導体チップ１
４を含む基板１２を覆う構造物１８が接着剤２０により
接合されて、構成されている。そして更に、基板１２と
半導体チップ１４との間にアンダーフィル２２が充填さ
れていて、基板１２の外表面には図示を省略したスルー
ホールにより電気的に接続されたボールバンプ２４が形
成されている。
【０００９】ここで、基板１２は電気特性上、有機基板
であることが好ましく、いわゆるガラスエポキシ基板な
どの剛性を有する基板がよく用いられる。基板１２の一
方の表面には半導体チップ１４のバンプ１６に電気的に
接続される図示しない配線が形成されており、その基板
１２には、その他方の表面に形成されたボールバンプ２
４に電気的に接続されるスルーホールが形成されてい
る。
【００１０】また、半導体チップ１４としては、フリッ
プチップ型などのバンプ１６を介して基板１２に平面的
に実装する形式のものが、本発明には好ましい。したが
って、構成された半導体装置１０としては、ＢＧＡ（ボ
ール・グリッド・アレー）タイプのモジュールであるの
が好ましいが、いずれにおいても、それらに限定される
ものではない。また、基板１２に実装された半導体チッ
プ１４とその基板１２との間に充填されるアンダーフィ
ル２２はバンプ１６が温度環境の変化に耐え得るように
するためのもので、その材質としてたとえば、シリカ
（ＳｉＯ２）を配合したエポキシ材などが用いられる。
【００１１】一方、構造物１８には半導体チップ１４を
覆って収納するための凹陥部２６が形成されていて、半
導体チップ１４はその凹陥部２６の中に適度な隙間２８
を有して収納される。構造物１８は基板１２の熱膨張係
数と同じか又は近い値を有する材質で形成されていて、
基板１２の材質すなわち熱膨張係数に対応させて選定さ
れる。たとえば、基板１２としてＦＲ４（熱膨張係数１
５×１０-6（１／℃））を用いる場合、構造物１８とし
ては、たとえば低線膨張率アルミ合金（熱膨張係数１６
×１０-6（１／℃））や、銅合金（熱膨張係数１５×１
０-6（１／℃））などを用いることができる。構造物１
８は接着剤２０によって基板１２に強固に接合されてい
て、半導体チップ１４と基板１２との熱膨張係数の相違
に基づく反りを、構造物１８によって抑制し得るように
されている。
【００１２】構造物１８の材質は基板１２の熱膨張係数
とほぼ同じか近い値であれば、特に限定されるものでは
ないが、金属又はその合金を用いて構成するのが好まし
く、また基板１２に対して剛性を有するのが好ましい。
構造物１８は半導体チップ１４を覆って基板１２に取り
付けられるため、半導体チップ１４から発生する熱を構
造物１８の外部へ放出する必要がある。そこで、構造物
１８は熱伝導性に優れた材質であることが好ましく、金
属又はその合金を用いるのが好ましい。
【００１３】以上、本実施形態に係る半導体装置１０を
説明したところから明らかなように、構造物１８の熱膨
張係数と基板１２の熱膨張係数とを同じ又は近い値とす
ることにより、半導体装置１０が外気からの温度変化の
影響を受けたり、あるいはその内部の半導体チップ１４
が発生する熱の影響を受けたとしても、基板１２と構造
物１８はほぼ同じように熱膨張又は熱収縮するため、半
導体装置１０は全体として反ることはほとんどない。し
たがって、半導体装置１０を実装したとき、ボールバン
プ２４における接続が外れることはなく、接続部の信頼
性が飛躍的に向上することになる。
【００１４】以上、本発明に係る半導体装置の１実施形
態を説明したが、本発明は上述の形態に限定されるもの
ではない。なお、同一の構成に係る部分は、同一の符号
を付して説明を省略する。
【００１５】たとえば図２に示すように、構造物３０を
基板１２と材質を含めて同一の構造によって構成するこ
とも可能である。本例においては、構造物３０を基板１
２と同一形状の平坦部材３０ａと、半導体チップ１４を
収納する空間を確保するスペーサー部材３０ｂとから構
成し、これら平坦部材３０ａとスペーサー部材３０ｂと
を接着剤２０によって基板１２に接合するのである。こ
のように構成すれば、基板１２と構造物３０の熱膨張係
数は同じになり、半導体装置３２全体として、反りがほ
とんど生じない。
【００１６】また、基板１２に実装された半導体チップ
１４を覆う構造物１８は単一の部材によって構成される
だけでなく、たとえば図３に示すように、構造物３４を
金属又はその合金から成るフィルム、シート、メッシュ
又は線条部材などの層３６と、合成樹脂３８との複合材
で構成することも可能である。基板１２の熱膨張係数と
同じか又は近い値を有する構造物の素材として適切なも
のがない場合、構造物３４を複数の素材を組み合わせて
構成し、構造物３４全体の熱膨張係数が基板１２の熱膨
張係数と近い値になるようにするのである。
【００１７】構造物３４は、金属又はその合金から成る
フィルム、シート又はメッシュの層３６と合成樹脂３８
の層を１層乃至複数層積層して構成される。あるいは、
構造物３４は、金属又はその合金から成る線条部材を縦
横に配置した層３６と合成樹脂３８の層を１層乃至複数
層積層して構成されてもよい。さらに、図示を省略する
が、構造物３４を、金属又はその合金から成る粉粒体を
合成樹脂に混練させたものを成形して、構成することも
可能である。また、用いる合成樹脂も、１種類だけでな
く、複数種類混ぜ合わせることも可能であり、何ら限定
されない。いずれの構成を採用するにしても、構造物３
４の熱膨張係数を基板１２の熱膨張係数に近づけること
が好ましい。
【００１８】次に、図４に示すように、半導体装置４０
の構造物４２は、少なくとも半導体チップ１４に隣接す
る箇所に複数の開口部４４を設けることも好ましい。基
板１２の熱膨張係数とほぼ同じかあるいは近い値を有す
る構造物４２を配設することにより、半導体装置４０に
反りをほとんど生じさせないようにすることができると
共に、開口部４４を通して半導体チップ１４から発生し
た熱を外部に放出することができる。本例においては、
構造物４２を熱伝導率の高い金属又は合金によって構成
する必要は必ずしもなく、有機基板１２を構成する樹脂
と同じ樹脂であってもよい。この構造物４２は図１など
に示す構造物１８，３０，３４に孔すなわち開口部４４
が開けられて、形成される。
【００１９】また、図５に示すように、構造物４６の開
口部４４を、パンチングメタルなどの孔開き部材４８を
利用して構成することも可能である。すなわち、孔開き
部材４８に形成された孔は、半導体チップ１４と隣接す
る箇所の孔を除いて、合成樹脂５０によって埋められ
る。この孔開き部材４８はその熱膨張係数が基板１２の
熱膨張係数とほぼ同じか近い値のものが選定される。本
実施形態においても、上述の形態と同様の効果が得られ
る。
【００２０】上述の開口部４４の形状は円形に限定され
ず、矩形や多角形あるいは長孔形状などであってもよ
く、特に限定されない。また、開口部４４の配置は、格
子状だけでなく、千鳥状であってもよく、何ら限定され
ない。
【００２１】また、図６に示すように、構造物５８は基
板１２の全面に設ける必要はなく、少なくとも半導体チ
ップ１４を含む周縁の基板１２に構造物５８を接合すれ
ば足りる。半導体チップ１４と基板１２の熱膨張係数の
違いによる半導体装置の反りは、半導体チップ１４の接
合部分で生じ、半導体チップ１４から離れた箇所では影
響を受けないため、少なくともその接合部分を含む周縁
のみを構造物５８で抑制してやればよい。
【００２２】以上、本発明に係る半導体装置の実施形態
を種々説明したが、本発明は言うまでもなく図示した例
示に限定されるものではない。
【００２３】たとえば、基板が可撓性を有するものであ
る場合、基板を構造物に接合するとき、半導体チップと
その接合部に影響を与えない範囲内で、基板に残留引張
応力が生ずるようにすることも可能である。このように
すれば、基板と構造物の熱膨張係数に若干の違いがあっ
たとしても、残留引張応力によって生ずる伸びの範囲内
で吸収され、半導体装置に反りが生ずることはない。
【００２４】その他、上述の実施形態に係る半導体装置
はボールバンプ形式のものを示したが、ピン形式のもの
であってもよいなど、本発明はその趣旨を逸脱しない範
囲内で、当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変
形を加えた態様で実施し得るものである。
【００２５】
【発明の効果】本発明に係る半導体装置は、半導体チッ
プが実装された基板の背面に、その基板の熱膨張係数と
ほぼ同じ又は近い値を有する構造物を取り付けることに
より、半導体チップの上下に存在する基板と構造物の熱
収縮性・熱膨張性を均等化することができる。その結
果、半導体装置が使用される温度環境の変化によって生
じる半導体装置全体の反りなどの機械的挙動を効果的に
抑制することができる。これにより、ＢＧＡジョイント
など、半導体装置におけるジョイント部の信頼性を向上
することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体装置の１実施形態を示す断
面説明図である。
【図２】本発明に係る半導体装置の他の実施形態を示す
断面説明図である。
【図３】本発明に係る半導体装置の更に他の実施形態を
示す断面説明図である。
【図４】本発明に係る半導体装置の更に他の実施形態を
示す説明図であり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は
平面図である。
【図５】本発明に係る半導体装置の更に他の実施形態を
示す説明図であり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は
平面図である。
【図６】本発明に係る半導体装置の更に他の実施形態を
示す断面説明図である。
【図７】従来の半導体装置の１例を示す断面説明図であ
る。
【図８】従来の半導体装置の不具合の１例を示す断面説
明図である。
【符号の説明】
１０，３２，４０：半導体装置 １２：基板 １４：半導体チップ １６：バンプ １８，３０，３４，４２，４６，５８：構造物 ２０：接着剤 ２２：アンダーフィル ２４：ボールバンプ ２６：凹陥部 ２８：隙間 ３６：層 ３８，５０：合成樹脂 ４４，５４：開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 俊彦 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲 事業所内 (56)参考文献 特開 平８−167629（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−297325（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−290251（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 23/02 - 23/10 H01L 23/28,21/60

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 有機基板にフリップチップ型の半導体チ
    ップが実装され、且つ該有機基板と半導体チップとの間
    にアンダーフィルが充填された半導体装置において、前
    記有機基板の熱膨張係数に対し±７％の範囲にある熱膨
    張係数を有し、該半導体チップを覆う凹陥部が形成さ
    れ、かつ、該半導体チップを凹陥部の中に隙間を有して
    収納する、金属又はその合金で構成された構造物を半導
    体チップ側の有機基板表面に接合した半導体装置。
  2. 【請求項２】 有機基板にフリップチップ型の半導体チ
    ップが実装され、且つ該有機基板と半導体チップとの間
    にアンダーフィルが充填された半導体装置において、前
    記有機基板の熱膨張係数に対し±７％の範囲にある熱膨
    張係数を有し、該半導体チップを覆う凹陥部が形成さ
    れ、かつ、該半導体チップを凹陥部の中に隙間を有して
    収納する、金属又はその合金から成るフィルム、シー
    ト、メッシュ、線状部材又は粒状体と合成樹脂との複合
    材で構成された構造物を半導体チップ側の有機基板表面
    に接合した半導体装置。
  3. 【請求項３】 前記構造物は、少なくとも半導体チップ
    に隣接する箇所に開口部を有する請求項１または請求項
    ２のいずれかに記載する半導体装置。
  4. 【請求項４】 前記開口部が複数である請求項３に記載
    する半導体装置。
  5. 【請求項５】 複数の前記開口部が格子状または千鳥状
    に配置されている請求項４に記載する半導体装置。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載
    する半導体装置が、ＢＧＡ（ボール・グリッド・アレ
    ー）モジュールである半導体装置。
  7. 【請求項７】 前記有機基板はＦＲ４基板からなる請求
    項１に記載する半導体装置。
  8. 【請求項８】 前記構造物は、アルミ合金または銅合金
    からなる請求項７に記載する半導体装置。
  9. 【請求項９】 前記アンダーフィルはシリカを配合した
    エポキシ材である請求項１又は請求項２のいずれかに記
    載する半導体装置。
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