JP3795544B2 - 半導体パッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体パッケージに係り、たとえばカード型の外部記憶媒体などに適する小型で薄形の半導体パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば各種のメモリカードの構成においては、カードの大きさや厚さなどに制約があるため、メモリ機能などに寄与する半導体パッケージの薄形化が要求されると同時に、また半導体チップ大に近い、可及的なコンパクト化が望まれる。このような薄形実装の要求、たとえば厚み方向に対して 1mm以下のスペースに実装する必要性に対しては、たとえばフリップチップ実装、ＣＯＢ（Chip on Board)法などが知られている。また、薄形パッケージとしては、たとえば図４に要部構成を断面的に示すごとく、所要の半導体チップ１などを一主面に搭載・実装する回路基板２と、スルホール３を介して回路基板２の他主面側に導出された外部接続用端子４と、前記半導体チップ１などの実装領域面を封止・被覆するモールド樹脂層５とを具備した構成を採ったモジュールが知られている。そして、この種の薄形パッケージの構成においては、搭載・実装する半導体チップ１の外形寸法が、たとえば15× 5×0.25mmのとき、外形寸法が、20×10× 0.2mmの回路基板２が選択されている。ここで、回路基板２としては、たとえばアルミナ，窒化アルミニウム，ガラス・エポキシ樹脂系などを絶縁体としたものが使用されている。なお、図４において、６は半導体チップ１の電極端子が接続された配線部である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記フリップチップ実装およびＣＯＢ法の場合は、ＫＧＮ (Known Good Die) をいかに確保するかが問題である。チップ状態でのバーンインの開発が難しく、使用する半導体チップについて、通常、予めバーンインを行い得ないので、信頼性上の問題がある。つまり、この種の半導体チップ（ＩＣチップ）は、チップ自体として近い将来発現するであろう欠陥を検知するところの、いわゆるバーンインを行うことができない。したがって、実装・モジュール化後の実用初期段階で、トラブルを起こす可能性を秘めていることになり、信頼性の点で問題があるといえる。この信頼性の問題に対しては、実装した半導体チップなどの着脱・交換手段、すなわちリペアもしくはリワークによって対応することも可能である。しかし、結果的にアッセンブリコストのさらなる増大を招来するとともに、技術的に実施の困難なことも多い。特に、端子数が増大した半導体チップをＣＯＢ法で実装する場合は、アッセンブリに多くの時間を要するので、コストアップを増長することになる。
【０００４】
さらに、コンパクト化の点についてみると、ＣＯＢ法の場合は、フリップチップ実装の場合に較べて、広い実装面積を要するのでコンパクト化が阻害される。また、前記片面側モールドによるパッケージ化モジュールにおいて、フェースアップに実装してワイヤボンディングで接続した構成場合は、一般的な（通常の）トランスファーモールド工程において、ボンディングワイヤの流れ発生や接続部の離脱発生などが起こり易く、信頼性および歩留まりの点で問題がある。加えて、ボンディングワイヤの高さも、現状では 0.1mm以下に制御することが困難で、薄型パッケージを形成する上で障害になるし、さらにボンディングワイヤを外部接続用端子側と結線する際、半導体チップ外に余分なスペースを必要とし、コンパクト化を阻害している。また、前記図４に図示した構成の場合も、少なくとも半導体チップ１を被覆するモールド樹脂層５の厚さ（一般的に半導体パッケージ厚の 1/8〜1/14程度を占める）薄形化が損なわれことになる。
【０００５】
そして、これら樹脂モールド型構成の場合は、次のような問題が提起される。すなわち、前記半導体チップのモジュール化に当たっては、通常 0.2mm程度の薄い方形（長方形を含む）のセラミック基板が支持基板として使用されるが、前記のように比較的薄く機械的強度が劣っており、特に各角部では欠損や亀裂が発生し易いという問題がある。ここで、不所望な角部に欠損など発生すると、この種の半導体パッケージ（もしくは半導体モジュール）が、たとえば回路基板に装着するときの位置決め（もしくは方向決め）のため、一般的に一定の角部を意識的に切り欠いた位置決め用の切欠部との区別を困難化することになり、取扱いエラーの原因となる。
【０００６】
本発明は上記事情に対処してなされたもので、低コスト化およびコンパクト化が可能で、かつ高信頼性を保証し得る半導体パッケージの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の半導体パッケージは、アルミナ系基板，窒化アルミニウム系基板，ガラス・エポキシ樹脂系基板，およびＢＴレジン系基板から選ばれた、一主面に被接続部を含む配線回路を備えた厚さ０．２５ｍｍ以下の基板と、前記基板の一主面にフェースダウン型に実装された半導体チップと、前記半導体チップの下面および基板の上面間に溶融した封止用樹脂を浸透させて形成された樹脂層と、前記半導体チップに電気的に接続し、かつ基板の他主面側に導出・露出された平面型の外部接続用端子とを具備して成る半導体パッケージであって、前記基板の外周端部が実装された半導体チップの外周端部より 0.5〜 2mm突出した構成を採っていることを特徴とする。また、本発明に係る第２の半導体パッケージは、アルミナ系基板，窒化アルミニウム系基板，ガラス・エポキシ樹脂系基板，およびＢＴレジン系基板から選ばれた、一主面に被接続部を含む配線回路を備えた方形で厚さ０．２５ｍｍ以下の基板と、前記基板の一主面にフェースダウン型に実装された半導体チップと、前記半導体チップの下面および基板の上面間に溶融した封止用樹脂を浸透させて形成された樹脂層と、前記半導体チップに電気的に接続し、かつ基板の他主面側に導出・露出された平面型の外部接続用端子とを具備して成る半導体パッケージであって、前記方形基板の外周端部が実装された半導体チップの外周端部より 0.5〜 2mm突出した構成を採るとともに、各角部に面取り加工が施されていることを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明に係る第３，第４の半導体パッケージは、前記各構成の半導体パッケージにおいて、他主面側に導出・露出された平面型の外部接続用端子を定ピッチの格子状に配設するか、前記導出・露出された平面型の外部接続用端子のうち一部がダミー接続用端子を成していることを特徴とする。
【０００９】
本発明は、搭載・実装する半導体チップ（ＩＣチップ）の外形よりやや大きめの外形を採る樹脂系基板もしくはセラミック系基板の一主面（片面）に、半導体チップを実装した構成で、かつ前記実装部品上面側のモールド封止樹脂層を省略して、薄形・コンパクト化および低コスト化を図って実現したことを骨子とする。つまり、基板の外形寸法を、実装される半導体チップの外形寸法よりも 1〜 4mm大きめに（外周部は全周に亘って 0.5〜 2mm突出した形態を採る）設定する一方、上面側のモールド封止樹脂層を省略し、その分、半導体パッケージのコンパクト化、薄型化および機械的な強度アップを図った半導体パッケージの提供にある。 本発明において、半導体チップの外形寸法と、この半導体チップを搭載・実装する基板の外形寸法とを、前記のように、半導体チップの外形よりも基板の外形を、全周に亘って 0.5〜 2mm大きく選択・設定するのは、 0.5mm未満では搭載した半導体チップ−基板面間に、緻密な封止用樹脂の充填を成し得ないからであり、また 2mmを超えると外的な機械的作用などにより、破損を起こし易いばかりでなく、コンパクト化も損なわれるからである。
【００１０】
そして、このような基本構成において、前記半導体チップの外形より全周に亘って外形が 0.5〜 2mm突出している基板の各角部（各コーナー部）について、面取り加工した構成を採ることにより、基板の欠損などの効果的な回避、さらには全体的な強度アップなども図られる。また、裏面側に導出・露出させた平面型の外部接続用端子を定ピッチの格子状とすることにより、この種半導体パッケージを標準化することが可能になる。さらに、前記外部接続用端子の一部、たとえば外部接続用端子の配設が偏っている場合など、コーナー部にダミー接続用端子を設置しておくことにより、半導体パッケージの平面的な装着など行い易くなる。
【００１１】
【作用】
本発明に係る第１の半導体パッケージは、半導体チップの外形（大きさ）に対して、この半導体チップを搭載・実装する基板の外形（大きさ）を一定の範囲に選択・設定したことに伴い、基板面に対する半導体チップの緻密な封装が容易に確保され、保護・安定化とともに、薄形化，コンパクト化も容易に達成されることになる。また、前記外形，寸法の選択・設定によって、外的な作用による基板の破損，損傷なども大幅に抑制，防止されるので、信頼性なども向上される。
【００１２】
本発明に係る第２の半導体パッケージの場合は、前記外形，寸法の選択・設定に加えて、方形基板の各コーナー部を、特に面取り加工してあるので、前記外的な作用による基板の破損，損傷などの抑制，防止が助長されるので、信頼性などもさらに向上される。
【００１３】
さらに、外部接続用端子を定ピッチの格子状に配設した場合は、半導体ソケットや実装用回路板の被接続を標準化し得るので、生産性の向上やコストダウンも図り得るし、またダミー接続用端子を設置した場合は、回路基板面に半導体パッケージを装着・接続する際、容易に平面的な位置だし・装着し得るだけでなく、電気的な接続も確実になされることになる。
【００１４】
【実施例】
以下図１ (a)， (b)、図２、図３ (a)， (b)を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１５】
実施例１
図１ (a)は、本発明に係る半導体パッケージの要部構成例を断面的的に、また図１ (b)は本発明に係る半導体パッケージの要部構成例の上面側を平面的にそれぞれ示したものである。ここで、７は一主面に被接続部を含む配線回路を備えた長さ17mm，幅 7mm，厚さ 0.2mmの回路基板、８は前記回路基板７の一主面に搭載・実装された長さ15mm，幅 5mm，厚さ0.25mmの半導体チップ（ＩＣチップなど）である。つまり、回路基板７の外形は、搭載・実装した半導体チップ８の外形よりも 2mm大きいものが選ばれ、周辺部が全周に亘って 1mm幅の余裕を採った構成を成している。なお、前記回路基板７としては、たとえばアルミナ系基板，窒化アルミニウム系基板，ガラス・エポキシ樹脂系，ＢＴレジン系などが、一般的に使用される。また、９は前記回路基板７のスルホール10を介して、回路基板７の他主面側に、たとえば、一定ピッチ（1 mm）の格子状配列に導出された平面型の直径 0.5mmの外部接続用端子である。そして、前記回路基板７面と搭載・実装された半導体チップ８下面との間隙部には、樹脂層11が充填・形成されて接合一体化など補強されている。
【００１６】
次に、上記構成の半導体パッケージの製造例を説明する。
【００１７】
先ず、片面に（一主面に）フリップチップ実装用の被接続部を含む配線を有し、かつ前記接続パッドの配線からスルホール10を介して裏面（他主面）に平面型の外部接続用端子９を、一定ピッチの格子状配列に導出した構成のアルミナ系回路基板７を用意する。このアルミナ系回路基板７は、長さ17mm，幅 7mm，厚さ 0.2mmで、長さ15mm，幅 5mm，厚さ0.25mmの半導体チップ８をフェースダウン型に搭載・実装するものである。
【００１８】
次いで、前記アルミナ系回路基板７を、たとえば真空吸着機構付きのスクリーン印刷機のステージ上に固定し、前記半導体チップ８の電極パッドに対応するアルミナ系基板７上の被接続部に接続パッドを形成する。すなわち、半導体チップ８の電極パッド（たとえば， 100× 100μm)に対応する開口（たとえば， 150× 150μm)を有するメタルマスクを用いて、アルミナ系回路基板７の一主面に銀ペースト（たとえば銀の粒径 1μm ，粘度1000ps）をスクリーン印刷し、接続部面上に直径 150μm ，高さ約80μm の接続用パッドを形成する。一方、電極パッド面上に、電気メッキによって接続用の金バンプ、あるいはボールボンディング法によって金のボールバンプ（たとえば，高さ30μm ， 100× 100μm)を形成した半導体チップ８を用意する。
【００１９】
前記アルミナ系基板７の一主面で、前記半導体チップ８を互いに対応する接続用パッドおよび接続用の金バンプを位置合わせ，配置し、前記アルミナ系基板７および半導体チップ８を対応，位置合わせした被接続部同士を加圧することにより、接続パッドに接続バンプの少なくとも先端部を埋め込む形に圧入して固定接続し、半導体パッケージを組み立てる。この状態で、前記接続パッドを成す銀ペーストを熱硬化させることによって、いわゆるフリップチップボンディングした。 その後、封止樹脂による処理を行う。すなわち、前記アルミナ系基板７の周辺部の 1mm幅の露出領域面の一端側に、封止用樹脂（たとえば粘度の低いエポキシ樹脂）を滴下してから60〜80℃程度に加温し、半導体チップ８下面とアルミナ系基板７上面との間隙部に、その間隙部の一端側から毛細管現象を利用して封止用樹脂を流し込み，充填する。この選択的な樹脂処理においては、前記間隙部に対する十分な樹脂11の充填とともに、半導体チップ８の側面部に一部が回り込む形にすることが好ましい。このようにして、所要の樹脂処理を行った後、前記充填させた樹脂を熱などで硬化（固化）させることにより、前記図１ (a)に断面的に示すごとき構成を採った半導体パッケージが得られる。ここで、半導体パッケージの半導体チップ８は、前記充填した樹脂層11によって、アルミナ系基板７面に対する固定化などが、さらに良好になされるばかりでなく、半導体チップ８の樹脂系基板７面に対する絶縁保護なども図られる。一方、半導体チップ８は、その上面が露出しているが、半導体チップ８の露出面は素材であるシリコンが緻密で堅牢なため、表面保護され、かかる点による信頼性などは問題にならないことも確認された。また、半導体チップ８に対して突出したアルミナ系基板７の周辺部領域も全周に亘っており、この領域面で半導体チップ８周辺部も確実、かつ緻密に樹脂封止されているため、アルミナ系基板７に対して強固な接合も確保され、信頼性の高い半導体パッケージとして機能するものであった。
【００２０】
なお、上記では、回路基板７の外形を、搭載・実装した半導体チップ８の外形よりも 2mm大きく選び、周辺部が全周に亘って 1mm幅の余裕を採った構成例を示したが、回路基板７の外形を半導体チップ８の外形よりも 1mm〜 4mmの範囲内で大きく設定した場合は、回路基板７の材質などに拘りなく、同様の作用・効果が得られる。
【００２１】
実施例２
実施例１の場合の半導体チップ８において、いわゆる選択的なメッキもしくは蒸着（ソルダーマスクを用いて）により、半田（たとえば63Ｓｎ−37Ｐｂ）を電極パッド面（ 100× 100μm ）に高さ 100μm の接続バンプを形成したものを用い、またアルミナ系基板７としては、前記主面の接続パッドを半田ペーストのスクリーン印刷で設けた物を用いた。なお、このアルミナ系基板７については、各角部（四隅）を予め面取り（たとえばＣ＝ 0.5mm）12してある。次いで、フリッブチップボンダーにより、前記アルミナ系基板７の一主面に、半導体チップ８を位置決め・仮固定した後、リフロー炉内を通過させて、前記半田溶融温度(183℃）以上に加熱して固定した。
【００２２】
その後、前記実施例１の場合と同様の条件で樹脂を選択的に充填処理して、図２に要部構成を平面（上面）的に示すような半導体パッケージを得た。この半導体パッケージは、実施例１の場合と同じく、薄形・コンパクトで特性的な信頼性も高く、かつ歩留まりも良好であった。なお、前記アルミナ系基板７の面取り12によって、本来なら機械的な強度が劣るため、各コーナー部において起こり易い欠損やひび割れなども全面的に解消されることも確認された。
【００２３】
なお、上記では、アルミナ系基板７の各角部（四隅）全てを、面取り加工Ｃ＝ 0.5mmしたが、面取り加工はＲ面取りでもよく、一般的に、Ｃ面取りではＣ 1.5mm以下、またＲ面取りではＲ 2mm以下が好ましく、さらに、位置決めなどの作用を考慮して、たとえばＣ面取りとＲ面取りとの組み合わせ、あるいはＣ面取り内でのＣの程度差付けやＲ面取り内でのＲの程度差付けなども可能である。
【００２４】
実施例３
一主面に、金から成る接続パッドを有するフリップチップ実装用の配線回路を備え、図３ (a)に示すごとく、他主面に平板型の外部接続端子９が、一定ピッチの格子状配列に導出・配置されたアルミナ系基板（もしくは窒化アルミ系基板）７、および電極パッド面に電気めっき法（もしくはボールボンディング法）で金バンプ（高さ30μm ，大きさ 100× 100μm ）を設けた半導体チップ８を用意した。なお、前記アルミナ系基板７は、長さ17mm，幅 7mm，厚さ 0.2mmで、長さ15mm，幅 5mm，厚さ0.25mmの半導体チップ８をフェースダウン型に搭載・実装するものである。
【００２５】
次いで、前記アルミナ系基板７および半導体チップ８を、フリップチップボンダーのステージ面上に位置決め，配置した。つまり、アルミナ系基板７を真空吸着させてから、アルミナ系基板７の金製の接続パッドに、半導体チップ８の電極パッド面に形成したで金バンプを位置合わせして・配置したした後、接続パッドおよび金バンプの被接続部を密着させるため、半導体チップ８の上から荷重（加圧）を加えた。前記加圧を維持しながら、アルミナ系基板７と半導体チップ８との間に、前記実施例１の場合と同様の条件で封止樹脂を選択的に充填処理した。前記樹脂の充填処理においては、温度を適宜上げると毛細管現象が促進されて、より容易に樹脂の充填処理を行い得る。こうして、所要の樹脂充填処理を行った後、たとえば半導体チップ８側に所要の荷重を維持しながら加熱処理して、前記充填樹脂11を硬化させることにより、前記被接続部（接続パッドおよび金バンプ）の位置ずれを回避する一方、密着を確保しつつ、アルミナ系基板７面に半導体チップ８が固定・保持された半導体パッケージを製造した。
【００２６】
なお、上記構成において、基板７裏面側に導出，配置された平板型の外部接続端子は、ランダムであってもよいが、定ピッチの格子状配列が標準化などの点で好ましく、また、図３ (b)に図示したように、外郭側の余裕を比較的大きく採った構成などの場合、各コーナー部にダミーの外部接続用端子９′を配設した構成を採ってもよい。さらに詳述すると、平板型の外部接続端子の格子状配列は、相対的に一定ピッチの格子状配列を採りながら、外部接続端子数によって、その配列形態を任意に選択できる。そして、基板裏面側をほぼ一様な高さに維持（保持）して、全体的に接続の信頼性をさらに上げることを考慮すると、少なくとも各コーナー（角）部を含む、前記平板型の外部接続端子の導出，配置を避けた領域に、ダミーの外部接続用端子９′を含めて外部接続端子９を導出，配置しておくことが好ましい。
【００２７】
また、この構成によれば、基板７の厚さ 0.2〜0.25mm，半導体チップの厚さ0.25〜 0.3mm，基板７面と半導体チップとの間隙0.03mmとすると、全体としての厚さ 0.5〜 0.6mmの半導体パッケージが実現できる。
【００２８】
【発明の効果】
上記説明から分かるように、本発明に係る半導体パッケージは、半導体チップおよびこの半導体チップを搭載・実装する基板の外形・寸法を一定の関係に選択，設定するとともに、いわゆるモールド樹脂層を省略・排除したため、容易にコンパクト化および薄形化されながら、特性ないし機能面も高い信頼性を呈する。ここで、コンパクト化および薄形化が可能なことは、換言すると、外的な作用に対する機械的な強度を効果的に確保し、かつ所要の機能を保持しながら、一方では基板の厚さや，搭載・実装する半導体チップの厚さの選択・設定範囲を拡大し得ることになり、用途に対応した特性ないし機能の調整を可能とするので、用途の拡大にも寄与するといえる。さらに、定ピッチの格子状配列に外部接続用端子が、基板裏面側に導出，露出させた場合、半導体ソケットや実装用回路板の被接続を、定ピッチの格子状配列に設置してある限りは、所要の電気的な接続，実装し得る（標準化される）ことになる。また、この半導体パッケージは、バーンインを実施し得るので、基板などへ実装する場合、いわゆる不良品のリペア技術を用いることなく、信頼性の高い実装回路装置の構成が可能となる。そして、これらのことは、半導体チップの設計概念を大きく変革させることにもなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体パッケージの要部構成例を示すもので、 (a)は断面図、 (b)は底面図。
【図２】本発明に係る半導体パッケージの他の要部構成例を示す平面（上面）図。
【図３】 (a)， (b)は本発明に係る半導体パッケージの平面型の外部接続用端子の互いに異なる配列例をそれぞれ示す平面（底面）図。
【図４】従来の半導体パッケージの要部構成を示す断面図。
【符号の説明】
１，８…半導体チップ ２，７…回路基板 ３，10…スルホール ４，９…平面型の外部接続用端子 ５…モールド樹脂層 ６…配線部 ９′…ダミーの外部接続用端子 11…封止樹脂層 12…面取り

Claims (4)

1. アルミナ系基板，窒化アルミニウム系基板，ガラス・エポキシ樹脂系基板，およびＢＴレジン系基板から選ばれた、一主面に被接続部を含む配線回路を備えた厚さ０．２５ｍｍ以下の基板と、
   前記基板の一主面にフェースダウン型に実装された半導体チップと、
   前記半導体チップの下面および基板の上面間に溶融した封止用樹脂を浸透させて形成された樹脂層と、
   前記半導体チップに電気的に接続し、かつ基板の他主面側に導出・露出された平面型の外部接続用端子とを具備して成る半導体パッケージであって、
   前記基板の外周端部が実装された半導体チップの外周端部より０．５〜２ｍｍ突出した構成を採っていることを特徴とする半導体パッケージ。
2. アルミナ系基板，窒化アルミニウム系基板，ガラス・エポキシ樹脂系基板，およびＢＴレジン系基板から選ばれた、一主面に被接続部を含む配線回路を備えた方形で厚さ０．２５ｍｍ以下の基板と、
   前記基板の一主面にフェースダウン型に実装された半導体チップと、
   前記半導体チップの下面および基板の上面間に溶融した封止用樹脂を浸透させて形成された樹脂層と、
   前記半導体チップに電気的に接続し、かつ基板の他主面側に導出・露出された平面型の外部接続用端子とを具備して成る半導体パッケージであって、
   前記方形基板の外周端部が実装された半導体チップの外周端部より０．５〜２ｍｍ突出した構成を採るとともに、各角部に面取り加工が施されていることを特徴とする半導体パッケージ。
3. 請求項１もしくは請求項２の記載において、基板の他主面側に導出・露出された平面型の外部接続用端子が定ピッチの格子状に配設されていることを特徴とする半導体パッケージ。
4. 請求項１，請求項２もしくは請求項３の記載において、基板の他主面側に導出・露出された平面型の外部接続用端子のうち一部がダミー接続用端子を成していることを特徴とする半導体パッケージ。

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