JP4122560B2 - 半導体装置及び半導体装置の実装構造 - 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、特にBGA(Ball Grid Array)と呼ばれる小型の半導体装置に関する。
近年、半導体装置の高集積化に伴い、半導体装置の寸法に比して多くの端子が配設されるようになっている。このように高集積化された半導体装置において半導体装置周縁部に端子を配設した場合、端子間のピッチが狭少化されることとなり、隣接する端子がショートする恐れがある。
【0002】
そこで、印刷配線板の上面に半導体チップをオーバーモールドし、底面に半導体チップと導通する複数の半田ボールを十分なピッチで多数配設し、この半田ボールにより他の外部印刷配線板と導通を図るように構成したボールグリッドアレイ(以下BGA)が使用されるようになってきた。
このような高集積の半導体装置は、更に複数をマザー基板上に実装することで処理能力や容量を増大させているが、BGA型の半導体装置において、端子ピッチを変えることなく実装密度を高めることが求められている。
【0003】
【従来の技術】
図9は、従来技術に係るBGA型の半導体装置及びその実装構造を示す図であり、図9(a)は実装状態断面図、図9(b)は半導体装置を底面側から見た平面図である。
図9(a)に示すように、半導体装置71は、配線板72上に半導体チップ75を搭載して、半導体チップ75と配線板72の接続パッドをワイヤー76によって接続し、樹脂パッケージ77により封止した構成である。配線板72下面には、スルーホールを介して表面の接続パッドと接続される実装用の導電性ボール78が設けられている。
【0004】
導電性ボール78は、図9(b)の平面図から明らかなように、配線板72の周辺部を除く中央領域に複数個が整列されて配設されている。
このような半導体装置71は、図9(a)に示すとおり、マザー基板79に複数が隣接するように実装される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置71における導電性ボール78は、前述したように配線板72の周辺部には形成されていない。これは、配線板72の反りによる高さのばらつきを抑えると共に、導電性ボール78を一定のエリア内に集中的に設けて信号経路を短くすることにより処理速度を速くするためである。
【0006】
このような構造の半導体装置においては、図9(a)の如く複数をマザー基板79に実装するような場合、導電性ボール78が形成される領域に対して外形が大きくなるため、実装効率が悪くなる。導電性ボール78のピッチを短くして更に中央部に集中させ、その分配線板72を小さくするようなことも考えられるが、そのピッチにも限界があると共に、国内外の規格によりピッチが規定されてきており、変更のできない場合もある。
【0007】
本発明は、上記課題を解決して、ピッチを変更することなく実装効率を高めて同面積における実装密度を向上させることを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、表面に配線パターンを有するマザー基板上に、複数の導電性ボールを有するボールグリッドアレイ型の半導体装置を複数実装する半導体装置の実装構造において、補助基板を備える第1の半導体装置と、該第1の半導体装置に対して高さの低い第2の半導体装置とを交互に配置して、隣接する前記第1、第2の半導体装置のパッケージの一部が重複するように実装してなり、前記第1の半導体装置の導電性ボールは、該導電性ボールが存在する平面領域のみに対応する大きさであり、且つ、個々の導電性ボール毎に厚み方向に対する直線的な導通をとるための導通手段を有する補助基板に接続されている半導体装置の実装構造が提供される。
【0009】
本発明の別の観点によれば、表面に配線パターンを有するマザー基板上に、複数の導電性ボールを有するボールグリッドアレイ型の半導体装置を複数実装する半導体装置の実装構造において、前記マザー基板は、前記半導体装置のパッケージ外形に対して小さい領域毎に凹部及び凸部を交互に有しており、該凹部及び凸部に、補助基板を有する半導体装置を配置して、隣接する半導体装置のパッケージの一部が重複するように実装してなり、前記導電性ボールは、該導電性ボールが存在する平面領域のみに対応する大きさであり、且つ、個々の導電性ボール毎に厚み方向に対する直線的な導通をとるための導通手段を有する補助基板に接続されている半導体装置の実装構造が提供される。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。
図1〜図3は本発明の第1の実施形態を説明するための図であり、図1は第1実施形態に係る半導体装置断面図、図2は第1実施形態に係る補助基板の平面図及び断面図、図3は第1実施形態に係る実装状態を示す断面図である。
【0011】
本実施形態に係る半導体装置1は、図1に示すように、表面に所定形状の配線パターン2aを有し、その表面側と裏面側とをスルーホール3を介して電気的に接続するポリイミド等の絶縁材料からなる配線板2と、配線板2上に銀ペースト等の接着材を介して搭載される半導体チップ5と、半導体チップ5を封止保護する樹脂パッケージ7及び実装高さを調整する補助基板9とから構成される。
【0012】
半導体チップ5上には、内部回路における電極の導出部となる接続パッド5aが形成され、配線板2の配線パターン2aとの間をワイヤー6によって接続されている。更に、配線パターン2aはスルーホール3を介して配線板2裏面の導電性ボール8に電気的に接続されている。
補助基板9は、この導電性ボール8に接続されるものであり、複数の導電性ボール8に対応するように内壁に導電材10aが被着されたスルーホール10と、実装部となる導電性ボール11とを備えている。尚、図示していないが、補助基板9と配線板2との間の導電性ボール8を覆う領域には、接続部の保護及び機械的接続強度を高めるための樹脂材が塗布されている。
【0013】
図2は、この補助基板9を単体で示す平面図及び断面図である。図2(a)に示すように、スルーホール10は補助基板9の全面に一定の間隔で配設されている。補助基板9は、ガラスエポキシ樹脂等の絶縁材からなるものであり、スルーホール10の内壁には導通をとるための銅等の導電材10aをメッキや蒸着、スパッタリング等の薄膜形成法により被着している。
【0014】
上記ガラスエポキシ樹脂は、比較的安価であり所望の厚みを得ることができるため、本発明に係る補助基板9には好適である。また、同様な材料としてはセラミック等が考えられる。
また、図2(b)に示すように、スルーホール10の上端部にはテーパ10bが設けられており、配線板2底面の導電性ボール8との接触面積を広くして確実な接続を可能にしている。図2(a)でスルーホール10の周辺に見えている導電材10aはこのテーパ10bの部分である。
【0015】
一方、スルーホール10の下端部には半田による導電性ボール11がスルーホール10内の導電材10aに接触するように形成されている。この導電性ボール11も予め形成されるテーパ(符号なし)に接触するように接続されている。
補助基板9の配線板2底面への接続は、スルーホール10のテーパ10bに導電性ボール8を接触させた状態で導電性ボール8の溶解温度まで加熱することで行なう。導電性ボール8は半田等であり、容易に接続することができる。
【0016】
尚、図1から明らかなように、補助基板9は導電性ボール8の形成領域のみを覆う大きさとしており、樹脂パッケージ7及び配線板2の外形に対しては、その周辺部を除く領域に納まる大きさとなっている。
以上説明した補助基板9を備える半導体装置1は、補助基板のない従来の半導体装置と併せてマザー基板上へ実装することによって、その実装密度を高めることが可能となる。
【0017】
このような実装状態を図3の断面図に示している。本実施形態においては、図3に示すように、マザー基板12上に、補助基板9を有する半導体装置1と補助基板のない通常の半導体装置1Aとを交互に実装している。
マザー基板12上には、所定の間隔で複数の接続用パッドが設けられており、この接続用パッドに各々導電性ボールが接触するように半導体装置1,1Aが実装されている。交互に実装される半導体装置1,1Aは、補助基板9の有無により高さが異なるが、導電性ボールのピッチは同一である。
【0018】
以上のように、補助基板9を有する半導体装置1をマザー基板12上に実装すると補助基板9の分高くなり、配線板2や樹脂パッケージ7の外形に対して表面積の小さい補助基板9の周辺部には空間ができる。従って、これに隣接して補助基板のない通常の半導体装置1Aを実装すると、補助基板9の周辺部にできた空間に半導体装置1Aの一部が納まることになる。
【0019】
このことによって、隣接する半導体装置1,1Aには、図3に示すように両者が重なる領域aができ、その分実装密度を高めることが可能となる。
図4は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置断面図であり、図1〜図3と同一構成部には同一符号を付している。
本実施形態に係る半導体装置21は、配線板2の底面にスルーホール23を有する絶縁フィルム22a,22bからなる補助基板25を備えている。この補助基板25のスルーホール23内には、下部に設ける導電性ボール24の一部が溶融することで充填されており、これによって配線板2の導電性ボール8との電気的な接続を行なっている。
【0020】
本実施形態の補助基板25における絶縁フィルム22a,22bは、ポリイミドシート表面に配線パターンが形成されたTAB (Tape Autmated Bonding)テープであり、所定の厚みを得るために2枚を重ね合わせた状態にしている。
TABテープは、配線パターンを形成した長尺状態でリールに巻くことができるため、製造時においてリール送りによって連続的に供給することができる。従って、補助基板25を効率良く製造することが可能となる。
【0021】
図4では2枚の絶縁フィルム22a,22bを重ねて補助フィルム25を構成しているが、使用する絶縁フィルムの枚数は必要な厚さに応じて適宜変更すれば良く、また絶縁フィルム1枚の厚さも変更することができる。
尚、図4は構造を明確に示すものであり、各部の厚み等の寸法関係は実際のものとは異なっている。つまり、配線板2を含む樹脂パッケージ7の厚さは1mm程度であり、数十μmの絶縁フィルム22a,22b底面に1mm前後の導電性ボール24を設ける補助基板25を形成し、これを配線板2の導電性ボール8に接続することで、所望の高さを得ることができる。
【0022】
図5は本発明の第3の実施形態に係る半導体装置断面図であり、図1〜図3と同一構成部には同一符号を付している。
本実施形態に係る半導体装置31は、導電性微粒子32aを含有する異方性導電膜32からなる補助基板を配線板2の底面に備えている。異方性導電膜32の下部には、配線板2の導電性ボール8に対向する位置に複数の導電性ボール33が備えられている。
【0023】
異方性導電膜32は、所定以上の圧力が加わった部分のみ複数の導電性微粒子32aが接続されることで上下方向に導通されるものである。本実施形態では、異方性導電膜32を挟むように備えられている一対の導電性ボール8,33により、異方性導電膜32が部分的に押圧され、その部分のみで導通がとられる。
本実施形態の如く異方性導電膜32を高さを調整するための補助基板とすることにより、特にスルーホールや導電膜を形成することなく既製の材料の使用により、簡単に補助基板を構成することができる。
【0024】
図6は本発明の第4の実施形態に係る補助基板の斜視図及び断面図である。
本実施形態の補助基板40は、第1〜第3の実施形態における補助基板に共通的に適用することのできる複数の構成、即ち図6(a)(b)に示すように、放熱用金属枠41、位置決めピン42、切欠き部43及びガス抜き用穴44を備えるものである。
【0025】
放熱用金属枠41は、補助基板40の外側面に沿って張り付けられており、スルーホール46内を伝達される電気信号によって補助基板40に蓄えられる熱を逃がすものである。その材料は放熱性の良い銅等が望ましい。尚、図6(a)ではスルーホール46を省略している。
位置決めピン42は、補助基板40の底面に導電性ボール45よりも下方に突出した状態で形成されるものであり、マザー基板に実装する際の位置合わせを容易にしている。この場合、マザー基板側においても位置決めピン42に対応する位置決め穴を設けておく必要がある。逆に補助基板40に位置決め穴を、マザー基板に位置決めピンを設けても同様な効果を得られる。
【0026】
切欠き部43は、方向を確認するために補助基板40の偏った位置に形成されるものである。半導体装置から導出される電極等が個々に異なる機能を有していて、導電性ボール45の接続位置が個々に規定されるような場合、マザー基板上に実装する際に、簡単にその方向確認を可能にすることで誤実装を防止するものである。
【0027】
ガス抜き用穴44は、補助基板40の中心付近を上下に貫通する穴であり、半導体チップ5を配線板2(図1参照)に搭載する際に用いる接着材、或いは補助基板40と半導体装置本体とを接合する際に用いる樹脂材から発生するガスを外部へ排出するものである。このようなガスが内部に閉じ込められた場合、そのストレスによって樹脂パッケージ7(図1参照)にクラックが発生することがあるが、本実施形態の補助基板40によりこれを防止することができる。
【0028】
尚、半導体チップ1と配線板2との間の接着材から発生するガスを排出する場合には、配線板2にも貫通するガス抜き用穴を設けておく必要がある。
以上説明した本実施形態の補助基板40における各構成は、それぞれ単独で存在しても有効となる。
図7(a)(b)は、本発明の第5、第6の実施形態に係る実装状態を示す断面図である。
【0029】
図7(a)に示す第5の実施形態は、異なる半導体装置を交互に実装する第1の実施形態とは異なり、補助基板52を有する同一の半導体装置51を複数実装するものであり、マザー基板53の構造によって実装密度を高めている。
つまり、本実施形態におけるマザー基板53は、凹部53aと凸部53bとが所定間隔で交互に形成される凹凸形状になっており、凹部53a内底面及び凸部54b表面には接続パッド54が形成されている。これら凹部53aと凸部53bとの段差は補助基板52の高さに対応するように設けられている。
【0030】
このような凹凸形状のマザー基板53へ複数の半導体装置51を実装することによって、隣接する半導体装置51間に重なる領域ができるため、第1の実施形態と同様、実装密度を高めることが可能となる。
図7(a)においては、一対の凹部53aと凸部53bにそれぞれ半導体装置51が実装され、矢印のように別の凹部53aに半導体装置51を実装しようとしている状態を示しているが、これはマザー基板53の構造と半導体装置51同士の重なる領域を明確にするための便宜的なもので、実際には全ての凹部53a内に実装した後、凸部53bに実装する。
【0031】
図7(b)に示す第6の実施形態は、前記第5の実施形態とは異なり、補助基板を備えていない通常の半導体装置56を複数実装するものであり、マザー基板58上に予め補助基板57を交互に設置しておくことで実装密度を高めている。つまり、本実施形態におけるマザー基板58は、所定間隔で接続パッド59を有しており、この接続パッド59上に予め補助基板57を設置しておく。尚、補助基板57は、半導体装置56の実装位置に交互に設ける。
【0032】
このように予め補助基板57が設置されるマザー基板58へ複数の半導体装置56を実装することによって、隣接する半導体装置56間に重なる領域ができるため、第5の実施形態と同様、実装密度を高めることが可能となる。
図7(b)においても、既に実装されている一対の半導体装置56に隣接する補助基板57のないマザー基板58上に矢印の如く半導体装置56実装しようとしている状態を示しているが、実際には補助基板57を設置していない全ての実装位置に実装した後、補助基板57への実装を行なう。
【0033】
図8は、本発明の第7の実施形態に係る実装状態を示す断面図である。図7に示す第7の実施形態は、前述した第5の実施形態の変形例であり、半導体装置61を完全に収容できる凹部63と、半導体装置の実装部分に対応する面積の凸部64とを交互に備えるマザー基板62に半導体装置61を実装するものであり、特に補助基板を用いることなく、実装密度を高めることを可能にしている。
【0034】
以上本発明は、補助基板を半導体装置やマザー基板に適宜設置することによって、また、マザー基板の形状を変更することによって、隣接する半導体装置の実装高さを異ならせるものである。これによって半導体装置同士の一部を立体的に重ね合わせて実装密度を高める。
【0035】
【発明の効果】
本発明の半導体装置及び実装構造によれば、補助基板を有することから実装状態においてパッケージを実装面よりも高くすることができるため、直接実装される隣接の半導体基板の周辺部が重なる状態となるため、補助基板を有する半導体装置と通常の半導体装置とを交互に実装することで実装密度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置断面図である。
【図2】 本発明の第1の実施形態に係る補助基板平面図及び断面図である。
【図3】本発明の第1の実施形態に係る実装状態を示す断面図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置断面図である。
【図5】本発明の第3の実施形態に係る半導体装置断面図である。
【図6】本発明の第4の実施形態に係る補助基板斜視図及び断面図である。
【図7】本発明の第5、第6の実施形態に係る実装状態を示す断面図である。
【図8】本発明の第7の実施形態に係る実装状態を示す断面図である。
【図9】従来技術に係る半導体装置及びその実装構造を示す図である。
【符号の説明】
1,21,31 半導体装置
2 配線板
5 半導体チップ
8 導電性ボール
9,25,40 補助基板
32 異方性導電膜(補助基板)
11,24,33,45 導電性ボール(補助基板側)
12,53,58 マザー基板
Claims (4)
- 表面に配線パターンを有するマザー基板上に、複数の導電性ボールを有するボールグリッドアレイ型の半導体装置を複数実装する半導体装置の実装構造において、
補助基板を備える第1の半導体装置と、該第1の半導体装置に対して高さの低い第2の半導体装置とを交互に配置して、隣接する前記第1、第2の半導体装置のパッケージの一部が重複するように実装してなり、
前記第1の半導体装置の導電性ボールは、該導電性ボールが存在する平面領域のみに対応する大きさであり、且つ、個々の導電性ボール毎に厚み方向に対する直線的な導通をとるための導通手段を有する補助基板に接続されていることを特徴とする半導体装置の実装構造。 - 表面に配線パターンを有するマザー基板上に、複数の導電性ボールを有するボールグリッドアレイ型の半導体装置を複数実装する半導体装置の実装構造において、
前記マザー基板は、前記半導体装置のパッケージ外形に対して小さい領域毎に凹部及び凸部を交互に有しており、該凹部及び凸部に、補助基板を有する半導体装置を配置して、隣接する半導体装置のパッケージの一部が重複するように実装してなり、前記導電性ボールは、該導電性ボールが存在する平面領域のみに対応する大きさであり、且つ、個々の導電性ボール毎に厚み方向に対する直線的な導通をとるための導通手段を有する補助基板に接続されていることを特徴とする半導体装置の実装構造。 - 前記補助基板は、絶縁材料からなり、内部に導電材が連続的に形成されるスルーホールが個々の導電性ボール毎に配設されるものであることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の実装構造。
- 前記補助基板は、導電性微粒子が内部に点在して、一定以上の圧力が印加された部分のみ厚み方向に導通する異方性導電膜であることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の実装構造。
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