JP3587043B2 - Bga型半導体装置及び該装置に用いるスティフナー - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田ボールにより基板実装を行なうBGA(Ball Grid Array )型半導体装置及び該装置に用いるスティフナーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化、高機能化が進展し、これを支えるためLSIの高機能化に伴うパッケージの高密度化、多ピン化が進んでいる。これに対応して、実装基板とパッケージとの接続リードとしてボールバンプを用いるべく、パッケージ裏面に格子状に半田ボールを配置したBGA型半導体装置の実用化が盛んに進められている。
【0003】
このBGA型半導体装置の特徴は、パッケージの平面全面で基板との電気的接続が可能となるため、QFP(Quad Flat Package )等パッケージの各辺で接続するものと比較して、リード間ピッチを狭くすることなく多ピン化を図ることができる点である。また、この利点を生かしパッケ−ジの小型化が可能となることである。
【0004】
一方、このBGA型半導体装置では、半導体チップの高集積化に伴って半導体チップの発熱量が増えてきていることから、放熱性のよい構造であることが要求される。また、BGA型半導体装置の特徴は、パッケージの平面全体に半田ボールを付けたことにより、これを電気的外部接続端子として、比較的広いピッチのまま多ピン化が可能となることにあるが、従来技術では、半導体チップの電極と半田ボールとを接続するために、ガラスエポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等を基材とした多層配線基板を用いなければならい。この多層配線基板として、ポリイミド樹脂等、剛性の弱い材料を基材としたフレキシブル配線基板を用いる場合には、パッケージの組立及び実装でパッケージにおける半田ボール面での平坦性が問題となる。そこで、パッケージの半田ボール面での平坦性を確保するため及び放熱性を良くするために、パッケージ本体の頂面にスティフナーを貼るのが普通である。
【0005】
スティフナーを設けた従来のBGA型半導体装置の構造を図3に示す。図中、(a)はそのBGA型半導体装置の上面図、そして(b)は断面図である。
【0006】
所定の高い熱伝導率の金属板から成るスティフナー1の下面中央部に段差をもって半導体チップ搭載用の凹部が形成され、該凹部の底面中央部にAgペースト10を介して半導体チップ7が直接固定されている。また、この凹部周囲において、スティフナー1の下面には、絶縁性及び高熱伝導性の接着剤4を介してフレキシブル配線基板であるTAB(Tape Automated Bonding)テープ5が固着されている。
【0007】
TABテープ5には図示してない複数のスルーホールが設けられ、その両面及びスルーホール内に銅箔などの配線パターンが形成され、このスルーホールを覆うように半田ボール6が設けられている。半導体チップ7上の端子とTABテープ5上の回路パターン(端子)とは、Auワイヤ8でボンディングされ、また、半導体チップ7を含むスティフナー1の凹部は、封止樹脂9で覆われている。
【0008】
上記のように構成された半導体装置では、半導体チップ7が発生する熱はスティフナー1に伝わり、ここから放熱される。また、外部接続用バンプとしてTABテープ5に設けた半田ボール6により実装基板との電気的接続がなされる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記スティフナーには、通常、パッケージの平坦性(剛性)の確保及び放熱性の確保を目的として、銅またはステンレスなどの熱伝導率の高い金属板が用いられる。
【0010】
しかしながら、これら銅またはステンレスなどの金属板は、実装基板との熱膨張が合わず、かつ半田ボールの部分はQFP等リードフレームを使用したパッケージのリードに比べてバネ性(弾性)が小さい。このため、基板実装時及び実使用時には、スティフナーと実装基板の熱膨張の差によって半田ボールに相当な応力がかかることになり、半田ボールと実装基板との間、または半田ボールとBGAパッケージ本体との間で、剥がれが生じる可能性があり問題である。
【0011】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、基板実装時及び実使用時に半田ボールにかかる応力を小さくし、半田ボールと実装基板との間、または半田ボールとBGAパッケージ本体との間に剥がれが生じないBGA型半導体装置の構造及び該装置に用いるスティフナーを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、半田ボールの直上に位置するスティフナー部分を除去して、その半田ボールの直径より大きなディンプルを形成することにあり、これによって、半田ボールとBGAパッケージの本体との間にフレキシブル配線基板を介して弾性を持たせ、基板実装時及び実使用時において、BGAパッケージ本体と実装基板の間の熱膨張による応力緩和を図るものである。
【0013】
具体的に説明すると、上記目的を達成するため、請求項1のBGA型半導体装置は、フレキシブル配線基板上にスティフナーを配設したパッケージの下面に、外部接続端子となる半田ボールを格子状に配列し、該半田ボールを使用して基板実装を行なうBGA型半導体装置において、前記スティフナーのフレキシブル配線基板側の面に関し、その少なくとも半田ボールの直上に位置するスティフナー部分を除去して半田ボールの直径より大きな開口部を有するディンプルを形成し、これによって半田ボールとスティフナーとの間にフレキシブル配線基板を介して弾性を持たせたものである。
【0014】
また、請求項2のBGA型半導体装置は、前記ディンプルが、半田ボールの配列ピッチと同一の配列ピッチで設けられ、かつそのディンプル内に高弾性樹脂が充填されているものである。
【0015】
請求項3のBGA型半導体装置は、前記スティフナーが、その前記フレキシブル配線基板側の面に、半導体チップ搭載用の凹部を有し、その凹部の周囲における前記フレキシブル配線基板側の面に前記ディンプルが配設されている構成のものである。
【0016】
上記BGA型半導体装置において、スティフナーは、半導体チップ回避用の穴の開いたスティフナーであっても良いし、半導体チップ回避用の穴の開いていないスティフナーであっても良い。後者には、スティフナーの配線基板側の面に半導体チップ搭載用の凹部を有し、その凹部の周囲における前記配線基板側の面に前記ディンプル又は貫通孔が配設された形態が含まれる。
【0017】
次に、請求項4に記載のスティフナーは、フレキシブル配線基板上に配設されるスティフナーであって、フレキシブル配線基板下面に格子状に配列された半田ボールにより基板実装を行うBGA型半導体装置用のスティフナーにおいて、スティフナーの前記フレキシブル配線基板側の面に、そのフレキシブル配線基板を挟んで前記半田ボールと1対1で対向するように前記半田ボール側に、半田ボールの直径より大きな開口部を持つディンプルを設けたものである。
【0018】
また、請求項5に記載のスティフナ―は、前記ディンプルが、半田ボールの配列ピッチと同一の配列ピッチで設けられ、かつそのディンプル内に高弾性樹脂が充填されている構成である。
【0019】
更に、請求項6に記載のスティフナーは、その前記フレキシブル配線基板側の面に、半導体チップ搭載用の凹部を有し、その凹部の周囲における前記フレキシブル配線基板側の面に前記ディンプルが配設されている構成としたものである。
【0020】
このスティフナーも、半導体チップ回避用の穴の開いたスティフナーであってもよいし、又は、半導体チップ回避用の穴の開いていないスティフナーであってもよい。後者には、スティフナーの配線基板側の面に半導体チップ搭載用の凹部を有し、その凹部の周囲における前記配線基板側の面に前記ディンプル又は貫通孔が配設された形態が含まれる。
【0021】
本発明のBGA型半導体装置及び該装置に用いるスティフナーは、その半田ボールの接合部位と対向する部分つまり半田ボールの直上に位置するスティフナー部分を除去して、ディンプル、貫通孔といった空間部を形成し、これによって半田ボールとスティフナーとの間に弾性を持たせ、半田ボールを半固定化した構成であるので、半田ボールは空間部側に変位して半田ボールにかかる応力を逃がすことができる。従って、基板実装時及び実使用時においてスティフナーと実装基板の熱膨張の差によって発生する半田ボールへの応力が緩和され、先の従来技術で問題となっていた半田ボールと実装基板の間または半田ボールとBGAパッケージ本体との間での剥がれが防止され、実装(接合)の高い信頼性を確保することが可能となる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【0023】
図1は本発明の一実施形態に係るBGA型半導体装置の上面及び断面を示したものである。
【0024】
同図において、半導体装置は所定の高い熱伝導率の材質から成るスティフナー1を有する。スティフナー1には、その片側の面つまり下面の中央部に、半導体チップ7を搭載するための凹部が設けられ、更にこの半導体チップ搭載用の凹部の周囲におけるスティフナー下面には、半田ボール6の接合部位に対向する位置に、従ってその面の拡がり方向に見た半田ボール6の配置位置に相当する位置に、空間部としてのディンプル(窪み)2が形成されている。このディンプル2は、それぞれスティフナー1の配線基板側となる面に開口部を有する半円球状断面に形成され、半田ボール6の配列ピッチと同一の配列ピッチで設けられている。
【0025】
スティフナー1の材質には、パッケージの平坦性を確保するための剛性と良好な熱伝導性とを考慮し、銅を用いた。しかし、スティフナー1は所定の高い熱伝導率を有する材質のものであれば良く、例えば、スティフナー1はアルミニウム等の高熱伝導性金属で構成することができる。金属以外にも、アルミナ、AlN、SiC、SiWなどのセラミックを用いてスティフナー1を構成してもよい。
【0026】
ディンプル2の大きさは半田ボール6の直径よりも大きいものとし、深さは半田ボール6の半径と同一とした。これは、スティフナー1のフレキシブル配線基板側の面に関し、その少なくとも半田ボール6の直上に位置するスティフナー部分を除去して空間部を形成し、これによって半田ボール6とスティフナー1との間に弾性を持たせ半固定化した構成とするためである。
【0027】
上記の如く構成されたスティフナー1には、フレキシブル配線基板であるTABテープ5が、絶縁性及び高熱伝導性の接着剤4によって接着されている。ディンプル2の中にはシリコン樹脂等の高弾性樹脂2aが充填されている。TABテープ5には図示してない複数のスルーホールが設けられ、その両面及びスルーホール内に銅箔などの配線パターンが形成され、このスルーホールを覆うように半田ボール6が設けられている。
【0028】
スティフナー1の下面中央部に段差をもって形成された凹部の底面中央部には、lCチップ等の半導体チップ7が直接固定されている。半導体チップ7はAgペースト10等でスティフナー1に接合されており、半導体チップ7上の端子とTABテープ5上の図示してない配線パターン(端子)とは、Auワイヤ8によってボンディングされ、電気的に接続されている。
【0029】
また、半導体チップ7を含むスティフナー1の凹部において、半導体チップ7の回路面側、並びに、半導体チップ7とTABテープ5との空隙部分は、封止樹脂9によって覆われて保護されている。
【0030】
上記構成の半導体装置は、半田ボール面を実装面として、図示してない実装基板に接合され実装される。その際、スティフナー1を備えているため所望の剛性を有し、半田ボール面側の平坦性が確保される。このため、図3で説明した従来技術の如くスティフナー1の下面側が平坦のままである場合、つまり半導体ボール6の接合配置位置に対応するスティフナー部分が平坦のままでありディンプル2のような空間部がない場合には、スティフナー1と実装基板との熱膨張の差によって、半田ボール6に相当な応力がかかると予想される。
【0031】
しかし、この実施形態では、スティフナー1の下面において半田ボールの接合部位に対向する位置にディンプル2を設けたので、半田ボール6は、ディンプル2の空間、正確には高弾性樹脂2a内に変位して、半田ボール6にかかる応力を逃がすことができる。この意味で、半田ボール6とスティフナー1との間には弾性が与えられ、半田ボール6は半固定化されている。従って、この実施形態によれば、基板実装時及び実使用時においてスティフナーと実装基板の熱膨張の差によって発生する半田ボール6への応力が緩和され、先の従来技術で問題となっていた半田ボール6と実装基板との間において、または半田ボール6とBGAパッケージ本体との間において、剥がれの発生を防止し、高い実装(接合)の信頼性を確保することができる。
【0032】
図2は、本発明の参考例である半導体装置の上面及び断面を示したものである。
【0033】
この参考例は、図1のディンプル2を貫通孔3に代えたものである。即ち、スティフナー1の下面にディンプル2を設ける代わりに、各半田ボール6の接合部位に対向する位置に、スティフナー1を上下方向に貫く貫通孔3を設けたものである。この貫通孔3の配列ピッチは半田ボール6の配列ピッチと同じである。
【0034】
従って、この参考例のスティフナー1においては、その下面の半導体チップ搭載用の凹部の周辺には、半田ボールの接合部位に対向する貫通孔3が、半田ボール6と同じ配列ピッチで網目状に配列されている。その他の構成は図1の実施形態と同じである。
【0035】
この参考例の場合、貫通孔3は断面が長方形をした同一断面形状のものから成り、図2(a)の上面図から見て、それらの長方形が規則正しい網目状(メッシュ形状)に配列されている。しかし、貫通孔3の断面形状や配置の仕方には制約がなく、半田ボール6の配置や大きさに対応して設ければ足りる。また、これらの貫通孔3の大きさは半田ボール6の直径よりも大きめに定める。
【0036】
図2の参考例も図1の実施形態の場合と同様に、半田ボール6の直上に当たるスティフナー1部分には剛体部分が存在せず、半田ボール6が応力に応じて変位し得るようにするための空間部が貫通孔3により形成されている。このため、基板実装時及び実使用時のスティフナー1と実装基板の熱膨張の差によって発生する半田ボールへの応力の緩和が可能である。
【0037】
上記実施形態では、半導体チップ回避用の穴の開いていないスティフナーを例にして説明したが、スティフナーは半導体チップ回避用の穴の開いたスティフナーであってもよい。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【0039】
(1)請求項1、2又は3に記載のBGA型半導体装置によれば、スティフナーのフレキシブル配線基板側の面に関し、その少なくとも半田ボールの直上に位置するスティフナー部分を除去して、そこに半田ボールの直径より大きなディンプルを形成し、これによって半田ボールとスティフナーとの間に弾性を持たせ、半田ボールを半固定化した構成としたので、基板実装時及び実使用時においてスティフナーと実装基板の熱膨張の差によって発生する半田ボールへの応力を緩和し、従来技術で問題となっていた半田ボールと実装基板の間または半田ボールとBGAパッケージ本体の間での剥がれの発生を防止し、高い実装の信頼性を確保することができる。
【0040】
(2)請求項4、5又は6に記載のスティフナーによれば、そのフレキシブル配線基板側の面に、そのフレキシブル配線基板を挟んで前記半田ボールと1対1で対向するように半田ボール側に、半田ボールの直径より大きな開口部を持つディンプルを有するため、配線基板上に配設してBGA型半導体装置を構成し、基板実装を行った場合、スティフナーと実装基板との熱膨張の差によって、パッケージの下面に格子状に配列された半田ボールに応力が発生したときにも、半田ボールの直上に当たるスティフナー部分には、剛体部分が存在しないため、半田ボールにかかる応力を緩和することができる。またパッケージの下面の剛性は、スティフナー自体により所望の強さに保持されるので、パッケージの剛性を弱めることもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様に係るBGA型半導体装置の構造を示した図であり、(a)はその上面図そして(b)は断面図である。
【図2】本発明の参考例であるBGA型半導体装置の構造を示した図であり、(a)はその上面図そして(b)は断面図である。
【図3】従来技術によるBGA型半導体装置の構造を示した図であり、(a)はその上面図そして(b)は断面図である。
【符号の説明】
1 スティフナー
2 ディンプル(空間部)
2a 高弾性樹脂
3 貫通孔(空間部)
4 接着剤
5 TABテープ(配線基板)
6 半田ボール
7 半導体チップ
8 Auワイヤ
9 封止樹脂
10 Agペースト
Claims (6)
- フレキシブル配線基板上にスティフナーを配設したパッケージの下面に、外部接続端子となる半田ボールを格子状に配列し、該半田ボールを使用して基板実装を行なうBGA型半導体装置において、前記スティフナーの前記フレキシブル配線基板側の面に関し、その少なくとも半田ボールの直上に位置するスティフナー部分を除去して半田ボールの直径より大きな開口部を有するディンプルを形成し、これによって半田ボールとスティフナーとの間に前記フレキシブル配線基板を介して弾性を持たせたことを特徴とするBGA型半導体装置。
- 前記ディンプルが、半田ボールの配列ピッチと同一の配列ピッチで設けられ、かつそのディンプル内に高弾性樹脂が充填されていることを特徴とする請求項1記載のBGA型半導体装置。
- 前記スティフナーは、その前記フレキシブル配線基板側の面に、半導体チップ搭載用の凹部を有し、その凹部の周囲における前記フレキシブル配線基板側の面に前記ディンプルが配設されていることを特徴とする請求項1又は2記載のBGA型半導体装置。
- フレキシブル配線基板上に配設されるスティフナーであって、前記フレキシブル配線基板下面に格子状に配列された半田ボールにより基板実装を行うBGA型半導体装置用のスティフナーにおいて、前記スティフナーの前記フレキシブル配線基板側の面に、そのフレキシブル配線基板を挟んで前記半田ボールと1対1で対向するように前記半田ボール側に、半田ボールの直径より大きな開口部を持つディンプルを設けたことを特徴とするスティフナー。
- 前記ディンプルが、半田ボールの配列ピッチと同一の配列ピッチで設けられ、かつそのディンプル内に高弾性樹脂が充填されていることを特徴とする請求項4記載のスティフナー。
- 前記スティフナーは、その前記フレキシブル配線基板側の面に、半導体チップ搭載用の凹部を有し、その凹部の周囲における前記フレキシブル配線基板側の面に前記ディンプルが配設されていることを特徴とする請求項4又は5記載のスティフナー。
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