JP4067529B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体素子を基板に実装してなる半導体装置に関する。

半導体素子を基板に実装してなる半導体装置は公知である。半導体素子を基板へ取り付ける際に、ワイヤチップボンディングやフリップチップボンディングが行われる。電極間のピッチが小さくなるとともに、フリップチップボンディングが多用されるようになっている。フリップチップボンディングを行うためには、半導体素子の電極にはんだボールを設けておき、半導体素子及び基板を加熱しながら、はんだボールを基板の電極に接合させる。このようにして、半導体素子は基板に電気的及び機械的に結合される。
最近、基板は薄くなる傾向にある。基板が薄くなるにつれて、基板は熱負荷を受けて変形しやすくなり、基板の反りやうねりが発生する。そこで、基板の表面に半導体素子を包囲するように環状のスティフナを設け、スティフナの剛性により基板の変形を防止することが知られている。環状のスティフナを設けた半導体装置は、例えば、特開平９−２６０５２７号公報に開示されている。
この従来技術では、環状のスティフナは、環状のスティフナの熱膨張係数が基板の熱膨張係数より大きい材料で形成されている。基板が高温の状態にもたらされるときには、環状のスティフナは基板よりも大きく膨張し、環状のスティフナが基板を外向きに引っ張るようになり、基板は平坦に保たれる。
しかし、通常は、基板は高温の状態から常温の状態に戻される。すると、環状のスティフナは基板よりも大きく収縮し、基板を収縮させる。このため、基板は完全に平坦な状態にはならず、ＢＧＡボール接合等の後工程に悪影響を及ぼすことがある。

本発明の目的は基板を平坦な状態に維持することができるようにしたダブルスティフナ構造をもった半導体装置を提供することである。
本発明による半導体装置は、基板と、基板に取り付けられた半導体素子と、半導体素子の外側で基板に設けられた内方の環状のスティフナと、内方の環状のスティフナの外側で基板に設けられた外方の環状のスティフナとを備え、前記内方の環状のスティフナと前記外方の環状のスティフナは熱膨張係数の異なる材料で作られることを特徴とするものである。
この構成によれば、内方及び外方の環状のスティフナは基板に剛性を付与し、基板を平坦な状態に維持する。内方及び外方の環状のスティフナは、熱膨張係数の異なる材料で作られており、それらの材料の熱膨張係数を平均した合成熱膨張係数が基板の熱膨張係数に近づくような組み合わせとして選択される。従って、内方及び外方の環状のスティフナは加熱及び冷却の間に基板を平坦な姿勢で保持するように熱膨張、熱収縮する。
好ましくは、内方の環状のスティフナと外方の環状のスティフナは金属材料で作られる。内方の環状のスティフナと外方の環状のスティフナの厚さは基板の厚さよりも大きい。内方の環状のスティフナの熱膨張係数は外方の環状のスティフナの熱膨張係数よりも小さい。
好ましくは、内方の環状のスティフナと外方の環状のスティフナは半導体素子と同じ側で基板に設けられる。半導体素子ははんだボールにより基板に接合され、内方の環状のスティフナと外方の環状のスティフナは接着剤により基板に接合される。基板の半導体素子とは半体側に配線基板への接続用のはんだボールが設けられる。

図１は本発明の実施例による半導体装置を示す平面図である。
図２は図１の半導体装置の図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
図３Ａから図３Ｃは図１の半導体装置の実装プロセスを示す図である。
図４は本発明の半導体装置の基板の反り量及び比較例の半導体装置の反り量を示す図である。
図５は基板の熱膨張係数と内方及び外方の環状のスティフナの合成熱膨張係数との差と基板の反り量との関係を示す図である。

図１及び図２は本発明の実施例による半導体装置を示す図である。半導体装置１０は、基板１２と、基板１２に取り付けられた半導体素子１４とを含む。半導体素子１４はＣＰＵを構成する半導体チップであり、その電極にはんだボール１６を設けてある。基板１２は半導体素子１４のはんだボール１６に対応する電極を有し、かつ、その電極を含む回路パターンを有する。基板１２は有機樹脂材料、例えばＢＴ樹脂で作られる。基板１２は、１層基板又は多層基板として作られ、ベースとなる樹脂材料とともに、電極や回路パターンを作るためのＣｕ等の導体材料を含む。
半導体素子１４及び基板１２は、半導体素子１４及び基板１２を加熱しながら、はんだボール１６を基板１２の電極に接合させることにより、互いに電気的及び機械的に結合される。基板１２の裏面側には、さらなる配線基板への接続のためのはんだボール１８を設けてある。基板１２の表面の電極と裏面のはんだボール１８はバイアや回路パターンで接続される。
さらに、半導体装置１０は、半導体素子１４の外側で基板１２に設けられた内方の環状のスティフナ２０と、内方の環状のスティフナ２０の外側で基板１２に設けられた外方の環状のスティフナ２２とを備える。内方の環状のスティフナ２０及び外方の環状のスティフナ２２は半導体素子１４と同じ側で基板１２に設けられる。半導体素子１４ははんだボール１６により基板１２に接合される。基板１２の半導体素子１４とは半体側に配線基板への接続用のはんだボール１８が設けられる。実施例においては、基板１２及び半導体素子１４はほぼ正方形の形状を有し、内方の環状のスティフナ２０及び外方の環状のスティフナ２２もほぼ正方形の形状を有する。内方の環状のスティフナ２０と外方の環状のスティフナ２２は熱膨張係数の異なる材料で作られる。内方の環状のスティフナ２０と外方の環状のスティフナ２２は接着剤により基板１２に接合される。
内方及び外方の環状のスティフナ２０，２２は基板１２に剛性を付与し、基板１２を平坦な状態に維持する。内方及び外方の環状のスティフナ２０，２２は、熱膨張係数の異なる材料で作られており、それらの材料の熱膨張係数を平均した合成熱膨張係数が基板１２の熱膨張係数に近づくような組み合わせとして選択される。従って、内方及び外方の環状のスティフナ２０，２２は加熱及び冷却の間に基板１２を平坦な姿勢で保持するように基板１２と同じように熱膨張、熱収縮する。
ＣＰＵとして使用される半導体装置１０では、電源とグランド用のインピーダンスを低下させ、かつノイズを低下させるために、基板１２はますます薄くなっている。そこで、薄い基板１２を補強するために、内方及び外方の環状のスティフナ２０，２２が設けられる。半導体素子１４の外側の基板１２の領域はインピーダンス等に影響しないために厚い内方及び外方の環状のスティフナ２０，２２を設けることができる。
図３Ａから図３Ｃは図１の半導体装置１０の実装プロセスを示す図である。最初に、図３Ａに示されるように、内方の環状のスティフナ２０及び外方の環状のスティフナ２２を接着剤により同時に（一括で）基板１２に取り付ける。図３Ｂに示されるように、半導体素子１４をはんだボール１６により基板１２に接合する。図３Ｃに示されるように、基板１２の半導体素子１４とは反対側に配線基板への接続用のはんだボール１８を取り付ける。それから、半導体装置１０をはんだボール１８により配線基板に実装する。
より詳細には、内方の環状のスティフナ２０と外方の環状のスティフナ２２は金属材料で作られる。内方の環状のスティフナ２０と外方の環状のスティフナ２２の厚さは基板１２の厚さよりも大きい。例えば、内方の環状のスティフナ２０と外方の環状のスティフナ２２の厚さは約１ｍｍであり、基板１２の厚さは約０．５ｍｍである。従って、内方の環状のスティフナ２０と外方の環状のスティフナ２２はかなりの強度を有し、よって基板１２が変形するのを防止する。
内方の環状のスティフナ２０の熱膨張係数と外方の環状のスティフナ２２の熱膨張係数とはいずれか一方を他方よりも大きくすることができる。しかし、好ましくは、内方の環状のスティフナ２０の熱膨張係数は外方の環状のスティフナ２２の熱膨張係数よりも小さい。
例えば、ＢＴレジンからなる基板１２の熱膨張係数は２０ｐｐｍである（この場合の基板１２の熱膨張係数は、樹脂を導体の組合せ体の熱膨張係数である）。これに対して、スティフナに適した金属材料は、ＳＵＳ（熱膨張係数は１７．３ｐｐｍ）、Ｃｕ（熱膨張係数は１７．３ｐｐｍ）、Ａｌ（熱膨張係数は２４．３ｐｐｍ）などがある。
本発明の実施例においては、内方の環状のスティフナ２０はＳＵＳ（熱膨張係数は１７．３ｐｐｍ）で作られ、外方の環状のスティフナ２２はＡｌ（熱膨張係数は２４．３ｐｐｍ）で作られる。この場合、それらの材料の熱膨張係数を平均した合成熱膨張係数は２０．８ｐｐｍである。
図４は本発明の半導体装置の基板の反り量及び比較例の半導体装置の反り量を示す図である。横軸の時点Ａはスティフナを取り付けていない基板の状態、時点Ｂはスティフナを取り付けた基板の状態、時点Ｃはスティフナを取り付け且つ半導体素子１４を取り付けた後の基板の状態を示す。
太い実線の曲線Ｄは、内方の環状のスティフナ（ＳＵＳ）２０と外方の環状のスティフナ（Ａｌ）２２とを有する本発明の基板１２の反り量を示す。時点Ａにおける反り量は０．３５６ｍｍ、時点Ｂにおける反り量は０．０６４ｍｍ、時点Ｃにおける反り量は０．１４４ｍｍである。
細い実線の曲線Ｅは、Ａｌで作られた単一のスティフナを有する参考例の基板の反り量を示す。時点Ａにおける反り量は０．３７６ｍｍ、時点Ｂにおける反り量は０．０８１ｍｍ、時点Ｃにおける反り量は０．１６０ｍｍである。
点線の曲線Ｆは、Ｃｕで作られた単一のスティフナを有する参考例の基板の反り量を示す。時点Ａにおける反り量は０．３２０ｍｍ、時点Ｂにおける反り量は０．０７６ｍｍ、時点Ｃにおける反り量は０．２０６ｍｍである。
一点鎖線の曲線Ｇは、ＳＵＳで作られた単一のスティフナを有する参考例の基板の反り量を示す。時点Ａにおける反り量は０．３５８ｍｍ、時点Ｂにおける反り量は０．１００ｍｍ、時点Ｃにおける反り量は０．２１７ｍｍである。
各例の時点Ｂにおける反り量は小さくなっており、スティフナを設けることにより基板１２の反り量が小さくなる。各例の時点Ｃにおける反り量は各例の時点Ｂにおける反り量より大きくなる。すなわち、半導体素子１４がはんだボール１６により基板１２に取り付けられる際に、半導体素子１４と基板１２は加熱され、そして冷却されるので、異なった熱応力を受けて変形し、反り量が大きくなる。太い実線で示された本発明の半導体装置１０の場合には、このような熱応力を受けても反り量が最も小さい。
はんだボール１６を基板１２の電極に接合させるリフロー工程において、加熱時の熱膨張の差により、基板１２に反りが発生し、さらに、常温に戻されたときの熱収縮の差により、基板１２に反りが発生する。単一の環状のスティフナが使用されている場合には、高温時及び常温時に十分に対応することができない。細い実線で示されている参考例の場合には、基板が高温の状態にもたらされるときには、環状のスティフナが膨張して基板を外向きに引っ張るので基板はある程度平坦に保たれるが、高温の状態から常温の状態に戻されるときに、環状のスティフナが大きく収縮し、基板を収縮するように引きずるので、基板は完全に平坦な状態にはならない。このような場合には、ＢＧＡボール接合等の後工程に悪影響を及ぼすことがある。
太い実線で示された本発明の場合には、２つの環状のスティフナ２０，２２の一方が基板が高温の状態にもたらされるときに基板を外向きに引っ張り、２つの環状のスティフナ２０，２２の他方が高温の状態から常温の状態に戻されるときに小さく収縮して基板１２をそれ自身の収縮より大きく収縮させず、基板１２をほぼ平坦な状態に維持する。この場合、内方の環状のスティフナ２０の熱膨張係数は外方の環状のスティフナ２２の熱膨張係数よりも小さい方が好ましい。
基本的には、単一の環状のスティフナの場合でも、環状のスティフナの熱膨張係数が基板１２の熱膨張係数と同じであれば、加熱及び冷却の間に基板１２と環状のスティフナとの間に熱膨張及び熱収縮の差がないので、基板１２はスティフナとの間の熱膨張収縮の差により変形しないと考えられる。しかし、現実的には、環状のスティフナの熱膨張係数が基板１２の熱膨張係数とが同じになる適切な材料が得られにくい。そこで、内方及び外方の環状のスティフナ２０，２２を設け、それらの材料の熱膨張係数を平均した合成熱膨張係数が基板１２の熱膨張係数に近づくようにすれば、熱膨張係数が基板１２の熱膨張係数と同じである単一の環状のスティフナとみなすことができる。
図５は基板１２の熱膨張係数と内方及び外方の環状のスティフナ２０，２２の合成熱膨張係数との差と基板の反り量との関係を示す図である。曲線Ｈは内方及び外方の環状のスティフナ２０，２２を基板１２に取り付けた時点での基板１２の反り量を示す。曲線Ｉは半導体素子１４を基板１２に取り付けるリフロー時点（高温時点）での基板１２の反り量を示す。曲線Ｊは半導体素子１４を基板１２に取り付けたリフロー後の時点（常温時点）での基板１２の反り量を示す。曲線Ｊは基板１２の熱膨張係数と内方及び外方の環状のスティフナ２０，２２の合成熱膨張係数との差が小さいほど反り量が小さくなることを示している。
以上説明したように、本発明によれば、高温時と常温時の両方で基板の平坦度を確保することができるため、半導体素子接合の歩留り向上及び接合部の応力低減による信頼性の向上を実現できる。

Claims (6)

1. 基板と、該基板に取り付けられた半導体素子と、該半導体素子の外側で該基板に設けられた内方の環状のスティフナと、該内方の環状のスティフナの外側で該基板に設けられた外方の環状のスティフナとを備え、前記内方の環状のスティフナと前記外方の環状のスティフナは異なる材料で作られることを特徴とする半導体装置。
2. 前記内方の環状のスティフナと前記外方の環状のスティフナは金属材料で作られることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記基板は有機樹脂材料で作られることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記内方の環状のスティフナと前記外方の環状のスティフナは半導体素子と同じ側で基板に設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 基板の半導体素子とは反対側に配線基板への接続用のはんだボールが設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 内方の環状のスティフナの熱膨張係数は外方の環状のスティフナの熱膨張係数より小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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