JP4326385B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関し、特に半導体チップと基板を接着剤を介さないで固定し、樹脂封止する半導体装置に関する。
近年、半導体装置には、モジュール化実装に対応するために、マザーボードに実装される期間の延長（半導体装置の大気環境における保管期間の延長）と、実装回数の増加に対応するために、高い耐リフロー性（耐湿性）を保持していることが要求される。また、電子機器の高機能化に対応するために、半導体チップ単体としてだけでなく、半導体チップを含む半導体装置として高い電気的特性と低熱抵抗を保持していることが求められる。
従来、半導体チップを（インターポーザの）基板にダイス付け剤と呼ばれる接着剤を用いて接着固定し、ワイヤボンディングにより半導体チップと基板との電気的接続を行い、樹脂により封止して半導体装置（半導体パッケージ）を形成している（例えば、特許文献１参照）。
半導体装置はその後で例えばマザーボードに実装される。半導体装置は、大気環境で保管され、マザーボードに実装される前に、空気に触れて吸湿している。半導体装置の実装時には、加熱を伴なうプロセスにおいて、水分を吸った封止樹脂や、半導体チップと基板の間の接着剤が急に加熱され、吸収されていた水分が蒸気化しその蒸気圧応力によりパッケージにクラックを発生させることがある。パッケージにクラックを発生させる原因は、ほとんどの場合半導体チップを基板に固定している接着剤層の蒸気圧応力によるものである。これは、半導体チップの基板への固定に接着剤を使用していて、この接着剤が吸湿するためによるものである。半導体チップと基板との間に接着剤層がある構造では、クラックが発生しやすいと言える。
また、半導体チップとインターポーザの基板は接着剤によって接着されているだけであり、形成された半導体装置の電気的特性や低熱抵抗化は、半導体チップ自体の特性と、基板自体の特性によって決まってしまっている。
このように、従来のパッケージングではダイス付け部に接着剤を使用していたため、接着剤が吸湿した水分がその後の加熱工程で水蒸気となり、この蒸気圧により、パッケージにクラックが発生する場合があった。つまり、半導体装置の耐リフロー性（耐湿性）に問題があった。
また、半導体チップと、（インターポーザの）基板を含む半導体装置においては、耐湿性の向上や、パッケージとしての電気特性の向上や、パッケージとしての低熱抵抗化の向上などが求められている。
特開平９−８１６８号公報（第３−４頁、第１図）
本発明の目的は、耐湿性の向上を実現できるようにし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、半導体チップと、半導体チップを基板に固定するための固定板と、半導体チップを封止する封止樹脂とを備え、該半導体チップは側面に段付き部をもち、該固定板は半導体チップの側面の前記段付き部を前記基板側に対して押さえるように構成されていることを特徴とするものである。
この構成によれば、半導体チップは半導体チップを固定する固定板によって基板に固定されるので、半導体チップと基板との固定に接着剤を用いることによる、接着剤の加熱による水蒸気は発生しないので、耐湿性向上が図れる。
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例による半導体装置を示す断面図である。
半導体装置（半導体パッケージ）１０は、インターポーザを構成する基板１２と、半導体チップ１４と、半導体チップ１４を基板１２に固定するために半導体チップ１４を押さえる手段としてのチップ固定板１６と、半導体チップ１４を封止する封止樹脂１８とを備える。半導体チップ１４はボンディングワイヤ２０によって基板１２に電気的に接続される。封止樹脂１８は半導体チップ１４と、チップ固定板１６と、ボンディングワイヤ２０を含む基板１２の表面を覆う。さらに、基板１２の裏面には外部端子としてのはんだボール２２が設けられる。
図３は図１の半導体チップを示す図である。図３（Ａ）は半導体チップの側面図、図３（Ｂ）は半導体チップの平面図である。半導体チップ１４は上面の面積より下面の面積が大きい段付き構造になっている。つまり、半導体チップ１４は側面に段付き部２４を有する形状に形成されている。段付き部２４は半導体チップ１４の側面の下方の部分が横方向に膨出した膨大部である。実施例においては、段付き部２４は半導体チップ１４の４側面に設けられ、段付き部２４の表面は平坦である。
図２は図１のチップ固定板１６を示す平面図である。なお、図２のチップ固定板１６及び図３の半導体チップ１４は図１のものとは異なった縮尺で示されている。チップ固定板１６は基板１２と実質的に等しい形状を有する。チップ固定板１６は、半導体チップ１４の段付き部２４より上の部分が挿入可能な固定用穴２６と、半導体チップ１４と基板１２とのワイヤディングが可能なワイヤボンディング用穴２８とを有する。図２においては、半導体チップ１４の段付き部２４が破線で示されている。半導体チップ１４の段付き部２４は固定用穴２６より大きい。チップ固定板１６は、半導体チップ１４の段付き部２４より上の部分が固定用穴２６に挿入された後、半導体チップ１４の段付き部２４に載り、半導体チップ１４を基板１２に対して押さえる。従って、半導体チップ１４と基板１２との間にダイス付け材と呼ばれる接着剤を用いる必要がない。ワイヤボンディング用穴２８はワイヤボンディングの際にボンディング工具及びボンディングワイヤ２０が通過可能であり、半導体チップ１４と基板１２とのワイヤ接続が可能なようになっている。
半導体装置１０の製造に際しては、基板１２上に半導体チップ１４を搭載し、チップ固定板１６を半導体チップ１４の上から被せる。半導体チップ１４の上方部分を固定用穴２６に挿入し、半導体チップ１４の段付き部２４をチップ固定板１６により押さえて半導体チップ１４を基板１２に固定する。チップ固定板１６ははんだ付けやその他の方法で基板１２に固定される。それから、ワイヤボンディングを行う。このとき、チップ固定板１６のワイヤボンディング用穴２８を使用して半導体チップ１４と基板１２を電気的に接続する。それから、樹脂１８により樹脂封止を行い、パッケージングを完了する。
半導体チップ１４はチップ固定板１６により基板１２に固定され、ワイヤボンディングや組み立て工程の間の搬送等に対応が可能であるが、基板１２と接着されている訳ではない。樹脂封止は、高圧力で樹脂１８が注入され、高圧縮を加えて樹脂１８を硬化するトランスファーモールドで行う。樹脂封止時には、半導体チップ１４と基板１２の間の空間に樹脂注入圧力により樹脂１８の一部が充填されることになり、半導体チップ１４と基板１２は樹脂１８の一部を介して完全に密着する。半導体チップ１４と基板１２の間に樹脂１８の一部が充填されるように後述の手段を設けてもよい。
半導体チップ１４と基板１２との間にはダイス付け材と呼ばれる接着剤はなく、半導体チップ１４を封止した樹脂１８と同じ樹脂があるだけとなる。半導体チップ１４を接着剤等で接着する従来の手法と比較し、半導体チップ１４と基板１２との固定に接着剤を用いなくてすむため、接着剤から発生する水蒸気によるパッケージクラックは発生せず、耐湿性向上が図れる。
図４は半導体チップ１４に段付き部２４を形成する工程を示す図である。図４（Ａ）は半導体ウエハをダイシングする第１工程を示し、図４（Ｂ）は半導体ウエハをダイシングする第２工程を示す。半導体ウエハ３０は複数の半導体チップ１４を含み、ダイシングは半導体ウエハ３０を切断して個々の半導体チップ１４に個片化する工程である。ダイシングの第１工程においては、ダイシングブレード３２を用いて半導体チップ１４を完全に個片化しない程度までダイシングし、その後、ダイシングの第２工程においては、１回目のダイシングを行ったダイシングブレード３２の幅より狭い幅のダイシングブレード３４を用いて、完全に切断することにより、半導体チップ１４の側面に段付き部２４が形成される。この段付き部２４をチップ固定板１６で押さえることで、半導体チップ１４を基板１２に固定することが可能となる。
図５は本発明による半導体装置の変形例を示す図である。この例の半導体装置１０は図１の半導体装置１０とほぼ同様の構成を有する。この例においては、チップ固定板１６は電気的に導通する金属で作られ、チップ固定板１６をグランドプレーンとして使用する。半導体チップ１４のグランド端子１５とチップ固定板１６をボンディングワイヤ３６により電気的に接続し、さらに、チップ固定板１６と基板１２のグランド端子１３をボンディングワイヤ３８により電気的に接続することにより、チップ固定板１６をグランドプレーンとすることが可能となる。基板１２のグランド端子１３は基板１２内の配線層を介して外部端子２２の何れかに接続され、この外部端子２２は実装基板のグランド層に接続される。
本構造とすることで、チップ固定板１６を半導体チップ１４の固定だけでなく、グランドプレーンとするので、電気的特性が向上する、また、チップ固定板１６は熱伝導の高い金属を使用しているので、半導体チップ１４の発熱がチップ固定板１６を伝い、放熱性が増すため、低熱抵抗化が図れる。
図６は本発明による半導体装置の変形例を示す図である。この例の半導体装置１０は図１の半導体装置１０とほぼ同様の構成を有する。この例においても、チップ固定板１６は電気的に導通する金属で作られ、チップ固定板１６をグランドプレーンとして使用する。半導体チップ１４のグランド端子１５とチップ固定板１６をボンディングワイヤ３６により電気的に接続し、さらに、半導体チップ１４のグランド端子１５と基板１２のグランド端子１３をボンディングワイヤ４０により電気的に接続することにより、チップ固定板１６をグランドプレーンとすることが可能となる。基板１２のグランド端子１３は基板１２内の配線層を介して外部端２２の何れかに接続され、この外部端子２２は実装基板のグランド層に接続される。
さらに、図６においては、チップ固定板１６は折り曲げられた部分４２を有し、その一部４４が樹脂封止時に半導体装置１０の表面に露出するようになっている。つまり、チップ固定板１６の折り曲げられた部分４２の一部４４は、樹脂封止後に半導体装置１０の樹脂１８の表面に露出する。本構造とすることで、半導体チップ１４の発熱がチップ固定板１６を介して、半導体装置１０の表面から逃がすことができる。
図７は本発明による半導体装置の変形例を示す図である。この例の半導体装置１０は図１の半導体装置１０とほぼ同様の構成を有する。この例においては、チップ固定板１６も電気的に導通する金属で作られ、チップ固定板１６をグランドプレーンとして使用する。半導体チップ１４のグランド端子１５とチップ固定板１６をボンディングワイヤ３６により電気的に接続し、さらに、半導体チップ１４のグランド端子１５と基板１２のグランド端子１３をボンディングワイヤ４０により電気的に接続することにより、チップ固定板１６をグランドプレーンとすることが可能となる。基板１２のグランド端子１３は基板１２内の配線層を介して外部端子２２の何れかに接続され、この外部端子２２は実装基板のグランド層に接続される。
さらに、図７においては、チップ固定板１６は折り曲げられた部分４６を有し、その一部４８が基板１２と接続可能になっている。チップ固定板１６の折り曲げられた部分４６の一部４８は、はんだ付けやレーザーによる溶融により基板１２と電気的に接続される。基板１２とチップ固定板１６が電気的に接続されているため、チップ固定板１６は半導体装置の外部端子２２と接続されている。本構造とすることで、グランドプレーン等の容量を増やすことができるので、電気的特性が向上する。また、チップ固定板１６は熱伝導の高い金属を使用しているので、半導体チップ１４の発熱をチップ固定板１６を伝って逃がすことができるため、放熱性が増し、低熱抵抗化が図れる。
図８は基板１２を示す断面図である。基板１２は絶縁層の上に導電回路層を設けてある。基板１２の上面及び下面にはレジスト５０，５２が形成されている。レジスト５０，５２は基板１２に形成された回路のパッド（図示せず）を露出させる開口を有する。半導体チップ１４が実装される位置の下側のレジスト５０には、レジスト５０の厚さに差をつけて段差が形成され、レジスト５０の半導体チップ１４の下に位置する部分は凹部５４を有し、封止樹脂が充填されるようになっている。凹部５４の大きさ、形状は、半導体チップ１４を搭載したとき、半導体チップ１４が凹部５４内に納まらないようになっている。
図９は図８の基板１２に半導体チップ１４を搭載したところを示す図である。半導体チップ１４を基板１２に搭載した際、レジスト５０の凹部５４により、半導体チップ１４と基板１２との間に空間が形成される。樹脂封止時には、この空間があることにより、樹脂の注入がスムーズに行われ、半導体チップ１４の下側に確実に樹脂が充填される。
図１０は図８の基板１２のレジストと半導体チップ１４の関係を示す平面図である。半導体チップ１４は透視した状態で示す。レジスト５０の凹部５４は、樹脂が注入されやすいように、一部分を半導体チップ１４よりも大きくし、且つ半導体チップ１４よりも大きい部分は、半導体チップ１４に対して多方向、多数設けることにより、さらに樹脂注入が確実になる。このようにし、レジスト５０の凹部５４を設けることにより、半導体チップ１４の下側に樹脂の充填を効果的に行うことができる。
図１１は半導体ウエハに搭載されるチップ固定板１６Ａを示す平面図である。チップ固定板１６Ａは複数のチップ固定板１６が組み込まれている。各チップ固定板１６に相当する部分は固定用穴２６と、ワイヤボンディング用穴２８とを有する。
図１２は図１１のチップ固定板１６Ａを用いた半導体装置の製造方法を示す図である。図１２（Ａ）はチップ固定板１６Ａと、半導体チップ１４と、基板１２Ａのセット時の断面図である。チップ固定板１６Ａと同様に、基板１２Ａは複数の基板１２を含む。側面に段付き部２４を有する半導体チップ１４を基板１２Ａに搭載し、チップ固定板１６Ａを位置合わせして、半導体チップ１４の上から被せる。このとき、チップ固定板２６は、半導体チップ１４の大きさとの関係により、半導体チップ１４の段付き部２４で止まり、半導体チップ１４を固定することになる。
図１２（Ｂ）はチップ固定板１６Ａと基板１２Ａの接合とワイヤボンディング後の断面図である。半導体チップ１４をチップ固定板１６Ａにより押さえて固定するためには、チップ固定板１６Ａと基板１２Ａを基板１２の端部の接合部５６で接合しておく。チップ固定板１６Ａと基板１２Ａの接合部５６は、切断後に個々の半導体装置１０となる部分以外の位置に設定されている。チップ固定板１６Ａと基板１２Ａの接合には、接着剤やはんだ付け、レーザーによる溶融接着を用いることができる。
図１２（Ｃ）は半導体チップ１４の固定及びワイヤボンディングがなされた基板１６Ａの樹脂封止後の断面図である。樹脂封止によって、半導体チップ１４およびチップ固定板１６Ａは基板１２Ａと完全に一体化される。
その後、図示の構造は個々の半導体装置１０に個片化される。５８は半導体装置１０を個片化するための切断位置を示す。接合部５６は個々の半導体装置１０に含まれない位置にある。従って、チップ固定板１６Ａと基板１６Ａの接合部５６は個片化時の切断により除去される。図１２（Ｄ）は個片化された半導体装置１０を示す。半導体装置１０はチップ固定板１６Ａと基板１２Ａの接合部５６が残らないような構造になっている。
以上説明した実施例は、下記の特徴を含む。
（付記１） 基板と、半導体チップと、半導体チップを基板に固定するために半導体チップを押さえる手段と、半導体チップを封止する封止樹脂とを備えたことを特徴とする半導体装置。（１）
（付記２） 半導体チップは側面に段付き部をもち、半導体チップを押さえる手段は半導体チップの側面の段付き部を押さえるように構成されていることを特徴とする半導体装置。（２）
（付記３） 半導体チップを押さえる手段は、半導体チップの段付き部より上の部分が挿入可能な固定用穴と、半導体チップと基板とのワイヤボンディングが可能なワイヤボンディング用穴とを有するチップ固定板からなることを特徴とする付記２に記載の半導体装置。（３）
（付記４） チップ固定板はワイヤボンディングにより半導体チップと電気的に接続され、グランドプレーンとして作用することを特徴とする付記３に記載の半導体装置。
（付記５） チップ固定板はワイヤボンディングにより基板と電気的に接続され、グランドプレーンとして半導体装置の外部端子に接続されることを特徴とする付記３に記載の半導体装置。
（付記６） チップ固定板を樹脂封止時に半導体装置の表面に露出するように折り曲げられた形状を有することを特徴とする付記３に記載の半導体装置。
（付記７） チップ固定板は基板と接続可能なように折り曲げられた形状を有することを特徴とする付記２に記載の半導体装置。
（付記８） 半導体チップの段付き部はダイシングにより形成されることを特徴とする付記３に記載の半導体装置。（４）
（付記９） 基板は表面にレジストを有し、該レジストの半導体チップの下に位置する部分は凹部を有し、封止樹脂が該凹部に充填されていることを特徴とする付記３に記載の半導体装置。（５）
（付記１０） チップ固定板は半導体チップを基板に押しつけた状態で基板に接合され、チップ固定板を基板に接合する接合部は半導体チップの個片化時に除去されていることを特徴とする付記３に記載の半導体装置。
以上説明したように、本発明によれば、耐湿性が向上し、クラックのない半導体装置を得ることができる。
図１は本発明の実施例による半導体装置を示す断面図である。 図２は図１のチップ固定板を示す平面図である。 図３は図１の半導体チップを示す図である。 図４は段付き部を有する半導体チップを形成する例を示す図である。 図５は本発明による半導体装置の変形例を示す図である。 図６は本発明による半導体装置の変形例を示す図である。 図７は本発明による半導体装置の変形例を示す図である。 図８は基板を示す断面図である。 図９は図８の基板に半導体チップを搭載したところを示す図である。 図１０は図８の基板のレジストと半導体チップを示す図である。 図１１は半導体ウエハに搭載されるチップ固定板を示す平面図である。 図１２は図１１のチップ固定板を用いた半導体装置の製造方法を示す図である。
符号の説明
１０…半導体装置
１２…基板
１４…半導体チップ
１６…チップ固定板
１８…樹脂
２０…ボンディングワイヤ
２２…外部端子
２４…段付き部
２６…固定用穴
２８…ワイヤボンディング用穴
３０…半導体ウエハ
３２，３４…ダイシングブレード
３６，３８，４０…ボンディングワイヤ
４２，４６…折り曲げられた部分
５０，５２…レジスト
５４…凹部

Claims (4)

  1. 基板と、半導体チップと、半導体チップを基板に固定するための固定板と、半導体チップを封止する封止樹脂とを備え、該半導体チップは側面に段付き部をもち、該固定板は半導体チップの側面の前記段付き部を前記基板側に対して押さえるように構成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 該固定板には、半導体チップの段付き部より上の部分が挿入可能な固定用穴と、半導体チップと基板とのワイヤボンディングが可能なワイヤボンディング用穴とが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 半導体チップの段付き部はダイシングにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  4. 該基板は該半導体チップの下に位置する部分に凹部が設けられ、該凹部に封止樹脂が充填されている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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