JP3634048B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に係り、特に、BGA(ball grid array)型の半導体装置に関する。
近年、半導体チップ内の素子の高集積度化に伴い、動作時の半導体チップの発熱量が増えてきている。よって、BGA型の半導体装置においては、内部に封止されている半導体チップの熱を外部に効率良く放熱することが重要な特性として求められてきている。
【0002】
また、高密度実装のために、BGA型の半導体装置のサイズを小さくすることも求められている。
【0003】
【従来の技術】
図8は、従来の1例のBGA型の半導体装置10を示す。
半導体装置10は、図9に併せて示すように、基板11と、基板11上に実装してある半導体チップ12と、半導体チップ12の周囲を囲んで半導体チップ12を保護する合成樹脂部13と、半導体チップ12の上面に接着してある放熱板14と、基板11の下面に並んでいるバンプ15とよりなる。半導体装置10は、a×aのサイズを有する。半導体チップ12は、b×bのサイズを有する。
【0004】
半導体チップ12は、図4(B)に示すように、下面に、マトリックス状に並んでいる信号用パッド16S、電源用パッド16P、及びグランド用パッド16Gを有する。各パッド16S,16P,16Gのサイズは、共にc×cであり、ピッチは、共にpである。
【0005】
半導体チップ12は、下面の複数のパッド16S,16P,16Gを、基板11上の対応するパッド17と接続されて基板11上に実装してある。
半導体装置10は、図9に示すように、バンプ15をプリント板20上のパッド21に接続されて、プリント板20上に実装されて使用される。
【0006】
なお、バンプ15は、図5(B)に示すように、信号用バンプ15Sと、電源用バンプ15Pと、グランド用バンプ15Gとが、混在して並んだ構成である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
発生した半導体チップ12の熱は、放熱板14に逃がされるとともに、プリント板20に逃がされ、最終的には大気中に逃がされる。放熱板14に対しては、半導体チップ12の熱は、矢印Aで示すように、直接に伝わる。しかし、プリント板20に対しては、半導体チップ12の熱は、矢印Bで示すように、基板11を面方向に伝わった後に、バンプ15を通って、始めてプリント板20に到る。基板11の面方向の部分は熱抵抗が高い。よって、プリント板20への放熱性が良くなかった。
【0008】
また、半導体装置10は、バンプ15が専らプリント板20の周囲に並んだ構成であるため、半導体装置10のサイズを小さくするとが困難であった。
なお、バンプ15は、図5(B)に示すように、信号用バンプ15Sと、電源用バンプ15Pと、グランド用バンプ15Gとが、混在して並んだ構成である。そこで、本発明は、上記課題を解決した半導体装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、開口を有し、下面に複数の第1の外部接続端子を有する基板と、
下面に複数のパッドを有し、該複数のパッドのうち周囲部のパッドを該基板と電気的に接続させて該基板上に実装してあり、該下面が上記開口に臨んでいる半導体チップと、
該半導体チップのパッドのうち該開口内に位置しているパッドに直接接続してあり、該開口より突き出ている複数の第2の外部接続端子とを有し、
上記半導体チップの周囲部のパッドと上記第1の外部接続端子とが該基板を介して電気的に接続してある構成としたたものである。
【0011】
請求項2の発明は、上記半導体チップは、下面の複数のパッドの配置が、周囲部に信号用パッドを有し、内側部に、電源用パッドとグランド用パッドとを有する配置であり、
上記複数の第2の外部接続端子は、上記電源用パッド及びグランド用パッドと直接接続してある構成としたものである。
【0012】
請求項3の発明は、上記半導体チップは、下面の複数のパッドの配置が、周囲部に信号用パッドを有し、内側部に、電源用パッドとグランド用パッドとを有し、且つ、該電源用パッドとグランド用パッドは、信号用パッドのピッチより大きいピッチで並んでいる配置であり、
上記複数の第2の外部接続端子は、上記電源用パッド及びグランド用パッドと直接接続してある構成としたものである。
【0013】
請求項4の発明は、上記複数の第2の外部接続端子を露出させた状態で、上記基板の上記開口内を占めている下面覆いを更に有する構成としたものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1、図2及び図3は本発明の一実施例になるBGA型の半導体装置30を示す。
半導体装置30は、大略、矩形状の開口31aを有する基板31と、基板31上に実装してあり、下面32aが開口31aに露出している半導体チップ32と、半導体チップ32の周囲を囲んで半導体チップ32を保護するエポキシ系樹脂製の囲い33と、半導体チップ32の上面に接着してある放熱板34と、基板11の下面に並んでいる信号用バンプ35Sと、半導体チップ32に直接固定されて並んでいる半田ボール36と、半導体チップ32の下面32aのうち上記開口31aに露出している部分を覆って保護するエポキシ系樹脂製の下面覆い37と、ダム枠38とよりなる。
【0015】
半田ボール36が半導体チップ32に直接固定されており、この半田ボール36がBGA型半導体装置30の下面に突き出ている構成が本発明の要部をなす。
半導体装置30は、d×dのサイズを有し、図8の半導体装置10より小さい。また、半導体装置30は、厚さt10を有し、図8の半導体装置10の厚さt1より薄い。
【0016】
信号用バンプ35Sが、特許請求の範囲の欄記載の「第1の外部接続端子」を構成する。半田ボール36(後述する電源用半田ボール36P及びグランド用半田ボール36G)が、特許請求の範囲の欄記載の「外部接続端子」及び「第2の外部接続端子」を構成する。
【0017】
次に、半導体装置30を構成する各構成部分について説明する。
先ず、半導体チップ32について説明する。
半導体チップ32は、図8に示す従来のBGA型半導体装置10の半導体チップ12のサイズと同じサイズであり、b×bである。
【0018】
半導体チップ32は、半田ボール36が半導体チップ32に直接固定される構成を実現する等のため、図1及び図4(A)に示す構成を有する。
ここで、説明の便宜上、半導体チップ32の下面32aを、帯状に周囲に沿う枠状の領域32a−1と、領域32a−1により囲まれた半導体チップ32の中央寄りの矩形状の領域32a−2とに分ける。枠状領域32a−1には、専ら信号用のパッド40Sが、半導体チップ32の周囲に沿って並んでいる。矩形状領域32a−2は、e×eのサイズであり、この矩形状領域32a−2には、電源用のパッド40Pとグランド用のパッド40Gとがマトリックス状に並んでいる。よって、半導体チップ32が動作するとき、半導体チップ32のうちでも上記の矩形状領域32a−2の部分が特に発熱し易い。
【0019】
信号用パッド40Sのサイズは通常であり、c×cであり、ピッチも通常であり、pである。電源用パッド40Pとグランド用パッド40Gのサイズは信号用パッド40Sのサイズの約2倍であり、2c×2cであり、ピッチは信号用パッド40Sのピッチの約2倍であり、2pである。
【0020】
電源用パッド40Pとグランド用パッド40Gとを矩形状領域32a−2に集めたのは、電源用パッド40Pとグランド用パッド40Gとが基板31の矩形状の開口31a内に露出して、半田ボール36が電源用パッド40P及びグランド用パッド40Gへの直接固定を可能にするためである。電源用パッド40Pとグランド用パッド40Gのサイズ及びピッチを信号用パッド40Sのそれよりも大きくしたのは、外部接続端子として半田ボール36を使用可能とするため、及び、半田ボール36の電源用パッド40P及びグランド用パッド40Gへの直接固定が、短絡等を起こさずに支障なくなされるようにするためである。
【0021】
次に、基板31について説明する。
基板31は、d×dのサイズを有し、配線層(図示せず)を有し、開口31aを有する。開口31aは、半田ボール36を電源用パッド40P及びグランド用パッド40Gへの直接固定を可能とするために設けてある。このため、開口31aは、基板31の中央部に位置してあり、形状は矩形であり、サイズは半導体チップ32のサイズb×bより一周り小さく、矩形状領域32a−2と同じサイズe×eを有する。
【0022】
基板31は、下面31bのうち周囲に沿って、複数の信号用バンプ35Sを有する。
基板31は、電源用バンプ及びグランド用バンプを有しない。電源用バンプ及びグランド用バンプを有しない分、基板31の内部の内層の数が従来に比べて少なく、よって、基板31の厚さt11は、図8の従来の半導体装置10の基板11の厚さt2より薄い。基板31の厚さt11が薄いことにより、半導体装置30の厚さt10が薄くなり、且つ、半田ボール36の径Dは小さくて足りる。
【0023】
また、基板31は、上面31cのうち周囲に沿って、複数のパッド41を有する。パッド41は、半導体チップ32の信号用パッド40Sと対応して並んでいる。
半導体チップ32は、下面の信号用パッド40Sを、基板31上の対応するパッド41と接続されて基板31上に実装してある。半導体チップ32は、開口31aを塞いでおり、開口31a内に、電源用パッド40P及びグランド用パッド40Gが露出している。
【0024】
なお、基板31は、フレキシブル基板、セラミック板、プリント板、又は、TABテープである。
次に、半田ボール36について説明する。
半田ボール36の径Dは、基板31の厚さt11より少し大きい。
【0025】
半田ボール36は、電源用パッド40P及びグランド用パッド40Gに直接固定してある。電源用パッド40Pに直接固定された半田ボール36は、電源用半田ボール36Pを構成し、グランド用パッド40Gに直接固定された半田ボール36は、グランド用半田ボール36Gを構成する。
【0026】
電源用半田ボール36P及びグランド用半田ボール36Gは、開口31aより突き出ており、電源用半田ボール36P及びグランド用半田ボール36Gの下端は、信号用バンプ35Sの下端と同じ高さH0に位置している。即ち、電源用半田ボール36Pの下端、、グランド用半田ボール36Gの下端、及び信号用バンプ35Sの下端は、同一平面内に位置している。
【0027】
なお、半田ボール36の電源用パッド40P及びグランド用パッド40Gへの固定は、半導体チップ32を基板31上に実装した後に行われる。
次に、ダム枠38について説明する。
ダム枠38は上記の基板31と同じ大きさを有し、半導体チップ32取り囲んで、基板31上に接着して固定してある。ダム枠38は、ポッティングされたエポキシ樹脂が外に流れ出すことを防止する役割を有する。基板31上に接着された状態で、ダム枠38の上面は、基板31上に実装してある半導体チップ32の上面と同じ高さに位置している。
【0028】
次に、放熱板34について説明する。
放熱板34は、銅板であり、上記の基板31と同じ大きさを有し、半導体チップ32の上面に接着してある。放熱板34の周囲の部分は、ダム枠38の上面に接着してある。
【0029】
次に、囲い33について説明する。
囲い33は、エポキシ系樹脂製であり、半導体チップ32を囲んでおり、半導体チップ32の周囲を保護している。
次に、下面覆い37について説明する。
【0030】
下面覆い37は、エポキシ系樹脂製であり、電源用半田ボール36Pの下端及びグランド用半田ボール36Gの下端を露出させて、基板31の開口31a内を占めている。よって、下面覆い37は、半導体チップ32の下面32aのうち上記開口31aに露出している部分を覆っており、半導体チップ32の下面32aを保護している。
【0031】
下面覆い37は、厚さt12を有する。厚さt12は、基板31の下面31bにまではみ出ない厚さである。下面覆い37は、電源用半田ボール36P及びグランド用半田ボール36Gの高さの約半分を包み込んでおり、電源用半田ボール36P及びグランド用半田ボール36Gを固定する機能も有している。
【0032】
上記の下面覆い37及び囲い33は、基板31上に半導体チップ32を実装し、ダム枠38を接着固定し、放熱板34を接着した後に、放熱板34が下側となる向きとし、開口31a内にエポキシ系樹脂をポッティングすることにより形成される。
【0033】
次に、上記構成の半導体装置30の製造方法について、図6(A)乃至(F)を参照して説明する。
図6(B)乃至(F)は、理解し易いように概略的に示す。
半導体装置30は、以下の工程を経て製造される。
【0034】
▲1▼ 半導体チップ接合工程50
フリップチップボンディングの手法により、半導体チップ32を基板31上に接合する。半導体チップ32の下面の信号用パッド40Sは、基板31上の対応するパッド41と接続される。これにより、図6(B)に示す第1段階の組立体61をうる。電源用パッド40Pとグランド用パッド40Gが、開口31aより露出している。
【0035】
▲2▼ 半田ボール接合工程51
第1段階の組立体61の電源用パッド40Pとグランド用パッド40G上に、半田ボール36を置き、続いてリフローを行う。これにより、半田ボール36が電源用パッド40Pとグランド用パッド40Gに直接接合されて、図6(C)に示す第2段階の組立体62をうる。
【0036】
▲3▼ ダム付け工程53
第2段階の組立体62の基板31の上面に、ダム枠38を接着固定する。これにより、図6(D)に示す第3段階の組立体63をうる。
▲4▼ 放熱板付け工程54
第3段階の組立体63の半導体チップ32の上面に、放熱板34を接着固定する。これにより、図6(E)に示す第4段階の組立体64をうる。
【0037】
▲5▼ エポキシ系樹脂をポッティング工程55
図6(F)に示すように、第4段階の組立体64を上下反転させた姿勢とし、ポッティング治具70を使用してエポキシ系樹脂を開口31a内にポッティングする。開口31a内にポッティングされたエポキシ系樹脂は、半導体チップ32と基板31との間の隙間を通って、半導体チップ32とダム枠38との間の空間内に到り、この空間及び隙間内に充填されて、且つ、開口31a内を埋める。これにより、図6(F)に示す第5段階の組立体65をうる。
【0038】
なお、ポッティング時、基板31の開口31aの内周面は、ダムとして機能する。
▲6▼ キュア工程56
充填されたエポキシ系樹脂が硬化され、上記の下面覆い37及び囲い33が形成され、図1に示す半導体装置30が完成する。
【0039】
次に、上記構成の半導体装置30の特長について説明する。
▲1▼ 良好な放熱性を有する。
半導体装置30は、図7に示すように、信号用バンプ35S、電源用半田ボール36P及びグランド用半田ボール36Gを、プリント板20上の対応するパッド21に接続されて、プリント板20上に実装されて使用される。動作により発生した半導体チップ32の熱は、放熱板34に逃がされるとともに、プリント板20に逃がされ、最終的には大気中に逃がされる。放熱板14に対しては、半導体チップ32の熱は、矢印A1で示すように、直接に伝導する。
【0040】
次に、プリント板20への熱の伝導についてみる。半導体チップ32の熱がプリント板20へ伝導する経路は、大きく分けて二つある。
一の熱伝導経路80は、矢印B1で示すように、信号用パッド40S及びパッド41を経て基板31に到り、基板31を面方向に伝わった後に、バンプ35Sを通って、始めてプリント板20に到る経路である。
【0041】
別の熱伝導経路81は、矢印B2で示すように、電源用半田ボール36Pを経てプリント板20に到る経路、及びグランド用半田ボール36Gを経てプリント板20に到る経路である。
熱伝導経路80は、図8に示す従来の半導体装置10も有していた経路である。この熱伝導経路80は、途中に基板31を面方向に伝わる部分を有し、この部分の熱抵抗が高いため、熱抵抗R1が高く、熱伝導経路80により伝導される熱量は多くは期待出来ない。
【0042】
しかし、熱伝導経路81は、図8に示す従来の半導体装置10は有していない新たな経路である。この熱伝導経路81は、途中に基板31を有していず、熱抵抗R2は上記の熱伝導経路80の熱抵抗R1に比べて格段に低い。よって、半導体チップ32内で発生した熱量の大半は、熱伝導経路81を通ってプリント板20に伝導する。
【0043】
よって、半導体チップ32の熱のプリント板20への放熱性は、従来のものに比べて良好である。
従って、半導体装置30は、従来の半導体装置10に比べて良好な放熱性を有し、半導体チップ32が熱的ダメージを受けにくくなり、その分、高い信頼性を有する。
【0044】
ここで、半導体チップ32は、周囲に比べて中央の部分が多く発熱する構成と成っており、且つ、熱伝導経路81は、半導体チップ32の中央の部分の真下より開始している。このことによっても、半導体チップ32内で発生した熱は、効率良く、プリント板20への放熱される。
【0045】
▲2▼ サイズが小さい。
半導体装置30は、信号用バンプ35S、電源用半田ボール36P及びグランド用半田ボール36Gが、下面の全面に配された構成である。即ち、下面の中央の部分も電源用半田ボール36P及びグランド用半田ボール36Gを配置するのに利用している構成である。よって、半導体装置30は、従来の半導体装置10に比べてサイズが小さい。
【0046】
▲3▼ 薄い。
基板31の内層数は従来の基板11の内層数より少ないため、基板31の厚さt11は、従来の基板11の厚さt2より薄い。よって、半導体装置30は、従来の半導体装置10に比べて薄い。
【0047】
▲4▼ 封止性は損なわれていない。
半導体チップ32の下面32aのうち上記開口31aに露出している部分は、エポキシ系樹脂製の下面覆い37により覆われており、更には、半導体チップ32の周囲がエポキシ系樹脂製の囲い33により覆われている。よって、半導体チップ32は十分に封止されており、劣化は防がれている。
【0048】
次に、変形例について説明する。
放熱板34は、銅以外の材質、例えば、銅・タングステン合金、アルミニウム、窒化アルミニウムでもよい。
囲い33及び下面覆い膜37は、エポキシ系樹脂の樹脂、例えば、シリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂でもよい。
【0049】
信号用バンプ35Sに代えて、信号用ピンでもよい。電源用半田ボール36Pに代えて、電源用ピンでもよい。グランド用半田ボール36Gに代えて、グランド用ピンでもよい。
また、本発明の半導体装置は、基板31の下面にバンプを有しない構成、即ち、基板31は半導体チップ32の周囲を機械的に支持するだけの役割を有し、外部接続端子を専ら半導体チップ32の下面に直接接続した構成とすることもできる。
【0050】
【発明の効果】
上述の如く、請求項1の発明によれば、基板がその下面に第1の外部接続端子を有する構成であり、半導体チップが、その下面が基板の開口に臨んで実装してあり、複数の第2の外部接続端子が、半導体チップのパッド直接接続してあり、開口より突き出ている構成であるため、プリント基板に実装されて動作しているときに半導体チップ内で発生した熱を、基板を介さずに、第2の外部接続端子を通してプリント基板に逃がすことが出来、よって、熱を基板を通してプリント基板に逃がしている従来の半導体装置に比べて、格段に良好な放熱性を有する。よって、動作時の発熱量が増えることになる半導体チップ内の素子の高集積度化に十分に対応することが出来る。
【0052】
請求項2の発明によれば、半導体チップは、下面の複数のパッドの配置が、周囲部に信号用パッドを有し、内側部に、電源用パッドとグランド用パッドとを有する配置であり、且つ、複数の第2の外部接続端子は、電源用パッド及びグランド用パッドと直接接続してある構成であるため、半導体チップ内の発熱量の分布を半導体チップ内のうち発熱量の多い部分が中央部となるようにし、この中央部の熱を複数の第2の外部接続端子を通してプリント基板に効率良く逃がすようにすることが出来る。よって、半導体チップ内で発生した熱のプリント基板への放熱の効率化を図ることが出来る。
【0053】
請求項3の発明によれば、内側部の電源用パッドとグランド用パッドは、周囲部の信号用パッドのピッチより大きいピッチで並んでいる配置であり、且つ、複数の第2の外部接続端子が、電源用パッド及びグランド用パッドと直接接続してある構成であるため、第2の外部接続端子が電源用パッド及びグランド用パッドとの直接接続された状態の信頼性の向上を図ることが出来る。
【0054】
請求項4の発明によれば、基板の開口内を占めている下面覆いを更に有する構成であるため、半導体チップは封止され、半導体チップが無用に劣化することから防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の半導体装置を下方からみて示す斜視図である。
【図2】図1の半導体装置の半分を上方からみて示す斜視図である。
【図3】図1の半導体装置の半分を下方からみて示す斜視図である。
【図4】半導体チップの下面を示す図である。
【図5】図1の半導体装置の下面を示す図である。
【図6】図1の半導体装置の製造方法を示す図である。
【図7】半導体チップで発生した熱の放熱を説明する図である。
【図8】従来の1例の半導体装置を示す図である。
【図9】図8の半導体装置が実装されているときの放熱状態を説明する図である。
【符号の説明】
20 プリント板
21 パッド
30 半導体装置
31 基板
31a 矩形状の開口
31b 下面
31c 上面
32 半導体チップ
32a 下面
32a−1 枠状領域
32a−2 矩形状領域
33 囲い
34 放熱板
35S 信号用バンプ
36P 電源用半田ボール
36G グランド用半田ボール
37 エポキシ系樹脂製の下面覆い
38 ダム枠
40S 信号用パッド
40P 電源用パッド
40G グランド用パッド
41 パッド
80,81 熱伝導経路
Claims (4)
- 開口を有し、下面に複数の第1の外部接続端子を有する基板と、
下面に複数のパッドを有し、該複数のパッドのうち周囲部のパッドを該基板と電気的に接続させて該基板上に実装してあり、該下面が上記開口に臨んでいる半導体チップと、
該半導体チップのパッドのうち該開口内に位置しているパッドに直接接続してあり、該開口より突き出ている複数の第2の外部接続端子とを有し、
上記半導体チップの周囲部のパッドと上記第1の外部接続端子とが該基板を介して電気的に接続してある構成としたことを特徴とする半導体装置。 - 上記半導体チップは、下面の複数のパッドの配置が、周囲部に信号用パッドを有し、内側部に、電源用パッドとグランド用パッドとを有する配置であり、
上記複数の第2の外部接続端子は、上記電源用パッド及びグランド用パッドと直接接続してある構成としたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 上記半導体チップは、下面の複数のパッドの配置が、周囲部に信号用パッドを有し、内側部に、電源用パッドとグランド用パッドとを有し、且つ、該電源用パッドとグランド用パッドは、信号用パッドのピッチより大きいピッチで並んでいる配置であり、
上記複数の第2の外部接続端子は、上記電源用パッド及びグランド用パッドと直接接続してある構成としたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 上記複数の第2の外部接続端子を露出させた状態で、上記基板の上記開口内を占めている下面覆いを更に有する構成としたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP4192996A JP3634048B2 (ja) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP4192996A JP3634048B2 (ja) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | 半導体装置 |
Publications (2)
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