JP4646642B2 - Package for semiconductor devices - Google Patents
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Description
本発明は、樹脂製配線基板表面に半導体素子を載置してなる半導体素子用パッケージに関するものである。 The present invention relates to a package for a semiconductor element in which a semiconductor element is placed on the surface of a resin wiring board.
図3は従来構造の半導体素子用パッケージを示している。この半導体素子用パッケージはいわゆるBGA(Ball Grid Array)タイプの半導体素子用パッケージであり、配線基板92と、配線基板92上にはんだバンプ94を介してフリップチップ接続される半導体素子91と、この半導体素子91を覆うようにして配線基板92表面に取り付けられ且つその一部を半導体素子91の上面と接着してなる高熱伝導性蓋体93とを具備している。
FIG. 3 shows a semiconductor device package having a conventional structure. The semiconductor element package is a so-called BGA (Ball Grid Array) type semiconductor element package. The
具体的には、半導体素子91の底面には複数のはんだバンプ94が形成されており、このはんだバンプ94を溶融して配線基板92の表面に形成されたメタライズ配線層に半導体素子91をフリップチップ接続することにより、半導体素子は配線基板92に搭載されている。
Specifically, a plurality of
高熱伝導性蓋体93は、例えば銅やアルミニウムなどの熱伝導性の高い金属材料からなる平板形状のもので、配線基板92全体を覆うように配置され、半導体素子91との間では高熱伝導性の樹脂製接着材により接着されている。この高熱伝導性蓋体93は半導体素子91で発生する熱を放熱する放熱板としての機能を有する。
The high
尚、はんだバンプ94の周囲には、はんだバンプ94に加わる熱応力の緩和のために、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂からなる充填樹脂(アンダーフィル)95が設けられている。また、配線基板92の裏面には、外部回路基板(図示しない)との接続端子となるはんだボール96が設けられており、配線基板92の表面及び内部に形成されたメタライズ配線層により半導体素子91と電気的に接続されている(例えば特許文献1参照)。
ここで、シリコンを主とする半導体素子の熱膨張係数が約3×10−6/℃であるのに対し、配線基板の熱膨張係数が8〜20×10−6/℃であり、これらの熱膨張係数の差は大きい。 Here, the thermal expansion coefficient of the semiconductor element mainly composed of silicon is about 3 × 10 −6 / ° C., whereas the thermal expansion coefficient of the wiring substrate is 8 to 20 × 10 −6 / ° C. The difference in thermal expansion coefficient is large.
したがって、例えば温度サイクル試験時に−55℃から125℃の温度変化を与えると、半導体素子と配線基板は反り変形を生じようとする。しかし、リッドに半導体素子が接着固定されているため、半導体素子搭載部は反り変形をすることができず、半導体素子搭載部以外の領域が大きく反ることになる。この際、配線基板92の半導体素子91角部付近に非常に高い応力が生じるため、配線基板92に亀裂が発生し、内部配線を断線してしまうおそれがある。
Therefore, for example, when a temperature change of −55 ° C. to 125 ° C. is given during a temperature cycle test, the semiconductor element and the wiring board tend to be warped. However, since the semiconductor element is bonded and fixed to the lid, the semiconductor element mounting portion cannot be warped and a region other than the semiconductor element mounting portion is greatly warped. At this time, a very high stress is generated in the vicinity of the corner portion of the
半導体素子の動作周波数の向上にともない、配線基板を薄型化して配線基板内の配線長さを短くする傾向があるとともに、製品コスト低減のために配線基板をガラス繊維入りエポキシ樹脂等からなる熱膨張係数の高い樹脂製のものにする傾向があり、これにより配線基板の亀裂の問題は顕著になってきている。 As the operating frequency of semiconductor devices increases, the wiring board tends to be thinner and the wiring length in the wiring board tends to be shortened, and the wiring board is made of glass fiber epoxy resin to reduce product costs. There is a tendency to use a resin having a high coefficient, and as a result, the problem of cracks in the wiring board has become prominent.
したがって、本発明は樹脂製配線基板に亀裂が生じることのない、応力の緩和された半導体素子用パッケージを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a package for a semiconductor element, in which a crack is not generated in a resin wiring board and the stress is relaxed.
本発明者等は、樹脂製配線基板と外部回路基板の熱膨張差によって発生する熱応力を低減する方法について種々検討を重ねた結果、リッド中央部に所定の面積の凹部を設けることで、半導体素子搭載部の反り変形を阻害せず、熱応力を低減することができ、長期にわたり安定した実装が可能となることを見いだし、本発明に至った。 As a result of various studies on methods for reducing the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion between the resin wiring board and the external circuit board, the present inventors have provided a recess having a predetermined area in the center of the lid. The present inventors have found that thermal deformation can be reduced without hindering warpage deformation of the element mounting portion, and stable mounting can be achieved over a long period of time.
すなわち本発明は、樹脂製配線基板と、該樹脂製配線基板上にはんだバンプを介してフリップチップ接続される半導体素子と、該半導体素子を覆うようにして前記樹脂製配線基板表面に取り付けられ且つその一部を前記半導体素子の上面と接着してなる高熱伝導性蓋体と、前記樹脂製配線基板裏面に設けられ、前記半導体素子と電気的に接続された接続端
子とを具備する半導体素子用パッケージであって、前記高熱伝導性蓋体における前記半導体素子との接着面の略中央部に、該接着面より小さく、且つ接着面積の50%以上の面積の凹部が設けられ、該凹部に高熱伝導性樹脂が充填されたことを特徴とする半導体素子用パッケージである。これにより、樹脂製配線基板の半導体素子搭載部の反り変形を阻害しないため、半導体素子と樹脂製配線基板の熱膨張差が生じた場合であっても、樹脂製配線基板に生じる熱応力を低減することができる。
That is, the present invention includes a resin wiring board, a semiconductor element flip-chip connected to the resin wiring board via a solder bump, and is attached to the surface of the resin wiring board so as to cover the semiconductor element. A semiconductor device comprising: a highly thermally conductive lid part of which is bonded to the upper surface of the semiconductor element; and a connection terminal provided on the back surface of the resin wiring board and electrically connected to the semiconductor element. In the package, a concave portion having an area smaller than the bonding surface and 50% or more of the bonding area is provided at a substantially central portion of the bonding surface with the semiconductor element in the high thermal conductivity lid. A package for a semiconductor element, which is filled with a conductive resin. As a result, the warp deformation of the semiconductor element mounting portion of the resin wiring board is not hindered, so even if there is a difference in thermal expansion between the semiconductor element and the resin wiring board, the thermal stress generated in the resin wiring board is reduced. can do.
ここで、凹部が50〜300μmの深さを有するのが好ましい。これにより、好ましい程度の放熱性を確保することができる。 Here, the recess preferably has a depth of 50 to 300 μm. Thereby, the heat dissipation of a preferable grade is securable.
また、高熱伝導性蓋体が、天面に設けられたリッドと、該リッドの周縁部にスカート状に接合されたスティフナとを含み、前記リッドが前記半導体素子に接する内層と前記半導体素子に接しない外層からなり、前記凹部が前記内層に形成された貫通孔からなるのが好ましい。これにより、削り出し、プレス、鋳造等の方法で凹部を形成するよりも、コスト的に有利であり、作製も容易となる。 The high thermal conductivity lid includes a lid provided on the top surface and a stiffener joined to the peripheral edge of the lid in a skirt shape, and the lid is in contact with the inner layer and the semiconductor element. It is preferable that the concave portion is formed of a through hole formed in the inner layer. This is advantageous in terms of cost and easier to manufacture than forming the recesses by a method such as machining, pressing, or casting.
さらに、高熱伝導性樹脂がポリフェニレンサルファイドを主成分とするのが好ましい。ポリフェニレンサルファイドは他の樹脂に比して極めて熱伝導性がいいので、本発明における放熱性をさらに向上させることができる。 Furthermore, it is preferable that the high thermal conductive resin is mainly composed of polyphenylene sulfide. Since polyphenylene sulfide has extremely good thermal conductivity as compared with other resins, the heat dissipation in the present invention can be further improved.
尚、高熱伝導性蓋体としては、Cu、Al、Al−SiC複合材料、Cu−W合金、Cu−Cr合金、Fe−Ni−Co合金のうちの一種からなるものが挙げられる。 In addition, as a highly heat-conductive cover body, what consists of 1 type in Cu, Al, Al-SiC composite material, Cu-W alloy, Cu-Cr alloy, and Fe-Ni-Co alloy is mentioned.
以上詳述したように、本発明の半導体素子用パッケージは、高熱伝導性蓋体の半導体素子と接着する部位に、反り変形を阻害しないための所定の大きさの凹部を設けることで、発生する最大応力を低減し、半導体素子と樹脂製配線基板の熱膨張差が生じた場合であっても、長期間にわたり正確かつ強固に、電気的に接続させることが可能となる。
As described above in detail, semiconductor element package of the present invention, the site of deposition and the semiconductor device contact high thermal conductivity lid, by providing a predetermined size recess for not inhibit warping deformation, occurs Therefore, even when a difference in thermal expansion occurs between the semiconductor element and the resin wiring board, the electrical connection can be made accurately and firmly over a long period of time.
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施形態を示す断面図であり、本発明の半導体素子用パッケージは、樹脂製配線基板2と、樹脂製配線基板2上にはんだバンプ5を介してフリップチップ接続される半導体素子1と、この半導体素子1を覆うようにして樹脂製配線基板2表面に取り付けられ且つその一部を前記半導体素子1の上面と接着してなる高熱伝導性蓋体と、樹脂製配線基板2裏面に設けられ、半導体素子1と電気的に接続された接続端子(はんだボール7)とを具備する半導体素子用パッケージであって、前記高熱伝導性蓋体における前記半導体素子との接着面の略中央部に、接着面積の50%以上の面積の凹部が設けられ、該凹部に高熱伝導性樹脂が充填されたことを特徴とするものである。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention. A semiconductor element package of the present invention is flip-chip connected to a
樹脂製配線基板2は、ガラス−エポキシ樹脂、ガラス−ポリイミド樹脂複合材料などの有機樹脂を含む材料からなる基板の表面及び裏面に接続パターン(図示しない)が形成され、基板の内部にこれらの接続パターンを電気的に接続するビアホールが配設されたもので、この熱膨張係数は12〜18×10−6/℃程度のものである。
The
半導体素子1は、主としてシリコンからなり、熱膨張係数が約3×10−6/℃のものである。半導体素子1の底面には複数の接続用電極(図示しない)が設けられており、はんだバンプ5を介して樹脂製配線基板2の表面に設けられた接続パターンに接続されている。すなわち、はんだバンプ5を溶融させて、樹脂製配線基板2の表面に形成された接続パターンにフリップチップ接続することにより、半導体素子1は樹脂製配線基板2に搭載されている。ここで、はんだバンプ5としては、例えば鉛を90%以上含有する比較的高融点のはんだであるのが好ましく、これにより外部回路基板(図示しない)へ実装する際の加熱による再溶融を防止できる。尚、はんだバンプ5の周りには、熱硬化性樹脂からなるアンダーフィル6が充填されており、はんだバンプ5に加わる応力をより広い面積で受けることにより、応力を緩和させている。
The
樹脂製配線基板2の表面には、高熱伝導性蓋体(リッド3、スティフナ4)が取り付けられている。具体的には、半導体素子1を覆うようにちょうど天面に位置して設けられたリッド3と、リッド3の周縁部にスカート状に接合されたスティフナ4とからなる高熱伝導性蓋体が、樹脂製配線基板2の表面に接着され固定されている。このスティフナ4は、リッド3の機械的安定性を高める役割を有している。そして、リッド3は半導体素子1の上面に高熱伝導性接着材によって接着されている。ここで、高熱伝導性蓋体のうち少なくともリッド3は、Cu、Al、Al−SiC複合材料、Cu−W合金、Cu−Cr合金、Fe−Ni−Co合金等からなる熱伝導性の高い材料により形成されている。また、高熱伝導性接着材は、リッド3と半導体素子1とを熱的にかつ機械的に接続させる機能を有するものであり、金属フィラー(例えば銀)入り樹脂ペースト、非金属フィラー(例えばシリコン)入り樹脂ペースト、又はロウ材(例えばはんだ)等の熱伝導性が良く強い接着力を有する材料が好適に採用できる。尚、スティフナ4は、上記の高熱伝導性接着材あるいはエポキシ系接着剤によりリッド3と接着され、またこれと同様の接着材により樹脂製配線基板2に接着されているが、樹脂製配線基板2またはリッド3と予め一体成形されたものであってもよい。
On the surface of the
また、樹脂製配線基板2の裏面には、外部回路基板(図示しない)との接続端子となるはんだボール7が設けられており、このはんだボール7と半導体素子1とは、樹脂製配線基板2の表面に形成された接続パターン、樹脂製配線基板2の内部に形成されたビアホール及び樹脂製配線基板2の表面に形成された接続パターンを介して電気的に接続されている。ここで、はんだボール7としては、はんだバンプ5より低融点の材料、具体的には錫−鉛はんだ合金を用いるのが好ましい。
A
そして、リッド3における半導体素子1との接着面の略中央部には、半導体素子1との接着面積の50%以上の面積の凹部31が設けられており、樹脂製配線基板2における半導体素子1搭載部の反り変形を阻害しないような構造となっている。ここで、凹部31の面積は、安定した固定及び放熱性の点から、半導体素子1との接着面よりも小さい面積である必要があり、また樹脂製配線基板2における半導体素子1搭載部の反り変形を阻害しないように半導体素子1との接着面積の50%以上である必要がある。また、この凹部31は50〜300μmの深さを有するのが好ましい。このような数値範囲の深さに規定することで、反りによる応力緩和と放熱性を両立させるという効果を奏する。すなわち、後述の高熱伝導性樹脂311と協働して、好ましい程度の放熱性を確保することができるのである。
Then, a substantially central portion of the bonding surface of the
さらに、この凹部31には、高熱伝導性樹脂311が充填されている。ここで、高熱伝導性とは、好ましくは熱伝導率2〜30W/m・K程度のものを意味する。このように凹部31に高熱伝導性樹脂311を充填するにより、凹部31を形成したことによる放熱性が低減するという問題を解消することができる。この高熱伝導性樹脂311としては、エポキシ系樹脂、シリコーン樹脂、ポリアルファオレフィンをベースとしたグリースなどの樹脂にアルミニウム、銅等の金属フィラー、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の無機フィラーを混合させたもの等が挙げられるが、特にポリフェニレンサルファイドを主成分とする樹脂あるいはこれに上記フィラーを混合したものが熱伝導性が非常によく好ましく採用できる。
Further, the
図1に示す凹部31は、削り出し、プレス、鋳造等の方法により形成することが可能である。しかしながら、このような方法でリッド3に凹部31を形成することは、多くの加工時間を要してしまう。そこで、図2に示すように、リッド3を多層構造とする方法も好ましく採用できる。
The
図2に示す半導体素子用パッケージは、リッド3が、半導体素子1に接する内層32と半導体素子1に接しない外層33から構成される。このリッド3(内層32と外層33)は、Cu、Al、Al−SiC複合材料、Cu−W合金、Cu−Cr合金、Fe−Ni−Co合金等からなる熱伝導性の高い材料により形成されている。ここで、内層32における半導体素子1との接着面の略中央部には、接着面積の50%以上の断面積の貫通孔321が形成されている。また、外層33は貫通孔の形成されていない平板状の部材である。このような内層32と外層33を組み合わせた構成により、ちょうど半導体素子1との接着面積の50%以上の面積の凹部が設けられた構造となる。ここで、放熱性を考慮して、内層32の厚みは50〜300μmであるのが好ましく、これにより深さ50〜300μmの凹部が設けられた構造となる。尚、内層32と外層33の材質を異ならせることで、必要な放熱性能と作製コストを調節することも可能である。
In the semiconductor element package shown in FIG. 2, the lid 3 includes an
このような図2に示す構造とすることで、低コストで図1に示す構造と同様の効果を得ることができる。すなわち、リッド3に凹部31を形成するよりも貫通孔321を形成するほうがコストは低く、作製も容易である。
By adopting such a structure shown in FIG. 2, the same effect as the structure shown in FIG. 1 can be obtained at low cost. That is, it is cheaper to form the through
尚、本発明の半導体素子用パッケージには、さらに放熱性を上げるために、図2に示すような放熱フィン8を取り付けた構造としてもよい。
The semiconductor element package of the present invention may have a structure in which heat radiating
このように本発明の半導体素子用パッケージでは、高熱伝導性蓋体における半導体素子の上部に、樹脂製配線基板の半導体素子搭載部の反り変形を阻害しないために、所望の面積の凹部を設けたので、半導体素子と樹脂製配線基板の熱膨張差が生じた場合であっても、樹脂製配線基板に生じる熱応力を低減することができる。 Thus, in the package for a semiconductor element of the present invention, a recess having a desired area is provided on the upper part of the semiconductor element in the high thermal conductivity lid so as not to inhibit the warp deformation of the semiconductor element mounting portion of the resin wiring board. Therefore, even when a difference in thermal expansion occurs between the semiconductor element and the resin wiring board, the thermal stress generated in the resin wiring board can be reduced.
実施例として、図1に示す構造の半導体素子用パッケージを用意した。具体的構造としては、半導体素子1の大きさが17mm角で厚さ0.7mm、配線基板2の大きさが45mm角で厚さ0.7mm、リッド3の大きさが45mm角で厚さ0.5mm、スティフナ4の大きさが外形40mm角、開口部31mm角、厚さ0.7mmである。そして、リッド3の半導体素子1との接着面中央部に、表1に示すような凹部開口径(正方形状の一辺の長さ)、深さ0.2mmの凹部31を設けた。そして、この凹部31に、ポリフェニレンサルファイド樹脂にアルミナフィラーを50vol%混入させた高熱伝導性樹脂を充填した。
As an example, a package for a semiconductor device having the structure shown in FIG. 1 was prepared. Specifically, the
ここで、半導体素子との接着面積に対する凹部の面積が50%以上のものを試料No.2、3とした。 Here, a sample having a recess area of 50% or more with respect to the adhesion area with the semiconductor element was used as a sample No. 2 and 3.
また、比較例として凹部のないものを試料No.1、半導体素子との接着面積に対する凹部の面積が50%未満のものを試料No.4〜7とした。 In addition, as a comparative example, a sample having no recess is sample No. 1. A sample having a recess area of less than 50% with respect to the adhesion area with the semiconductor element is designated as Sample No. 4-7.
これらの試料を大気の雰囲気にて−55℃と125℃の各温度に制御した恒温槽に、25分/25分の保持を1サイクルとして最高3500サイクル繰り返した。そして、100サイクル毎に外部回路基板の配線導体と樹脂製配線基板との電気抵抗を測定し、電気抵抗に変化が現れるまでのサイクル数を測定した。その結果を表1に示す。
表1より明らかなように、本発明の半導体素子用パッケージ(試料No.2、3)は、3000サイクルまで抵抗変化は全く認められず、極めて安定で良好な電気的接続状態を維持できた。しかし、本発明範囲外である凹部のない試料No.1、凹部面積の半導体素子との接着面積に対する面積比が50%未満の試料No.4〜7では、3000サイクル未満の早い段階から抵抗変化が検出され、実装後の信頼性に欠けることがわかった。 As is clear from Table 1, the package for semiconductor elements of the present invention (Sample Nos. 2 and 3) did not show any change in resistance until 3000 cycles, and was able to maintain an extremely stable and good electrical connection state. However, a sample No. having no recess, which is outside the scope of the present invention. 1. Sample No. having an area ratio of less than 50% to the adhesion area of the recess area to the semiconductor element. 4 to 7, it was found that resistance change was detected from an early stage of less than 3000 cycles, and the reliability after mounting was lacking.
1:半導体素子
2:樹脂製配線基板
3:リッド
31:凹部
311:高熱伝導性樹脂
32:内層
321:貫通孔
33外層
4:スティフナ
5:はんだバンプ
6:アンダーフィル(充填樹脂)
7:はんだボール
1: Semiconductor element 2: Resin wiring board 3: Lid 31: Recess 311: High thermal conductive resin 32: Inner layer 321: Through
7: Solder balls
Claims (5)
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JP2005019472A JP4646642B2 (en) | 2005-01-27 | 2005-01-27 | Package for semiconductor devices |
Publications (2)
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