JP5125349B2 - 半導体装置の実装構造および実装方法 - Google Patents

Description

この発明は半導体装置の実装構造および実装方法に関する。

従来の半導体装置には、両面配線構造で上面に設けられた上層配線と下面に設けられた下層配線とを接続する上下導通部を有するインターポーザを備え、インターポーザの上層配線上に半導体チップをフェースダウン方式により搭載し、インターポーザの下層配線下に複数の半田ボールを設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−３６１７２号公報

上記従来の半導体装置を回路基板上に実装する場合には、一般的に、半導体装置の半田ボールを回路基板上に設けられた接続パッド部に接合している。しかしながら、従来のこのような半導体装置の実装構造では、半導体装置のインターポーザと回路基板との間に半田ボールが介在されるため、その分、全体の厚さが厚くなってしまうという問題があった。

そこで、この発明は、半導体装置を回路基板上に半田ボールを用いることなく実装することにより、全体の厚さを薄くすることができる半導体装置の実装構造および実装方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る半導体装置の実装構造は、上下方向に貫通する筒状端子部を有する半導体装置を、接続パッド部上に突起電極が設けられた回路基板上に実装した半導体装置の実装構造であって、前記半導体装置の筒状端子部内に前記回路基板の錐体形状の前記突起電極が挿入され、且つ、前記半導体装置の筒状端子部内において前記回路基板の前記突起電極の周囲に導電性ペーストからなる導電性接合材が充填されており、前記半導体装置は、絶縁基板と、前記絶縁基板上に搭載され、半導体基板および前記半導体基板の下面側に設けられた外部接続用電極を有する半導体構成体と、前記絶縁基板上に設けられ、前記半導体構成体の前記外部接続用電極と接続される配線と、前記半導体構成体を搭載する領域の周囲における前記絶縁基板に設けられた貫通孔と、前記貫通孔内に前記配線に接続されて設けられた前記筒状端子部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明に係る半導体装置の実装構造は、請求項１に記載の発明において、前記筒状端子部内にその一方側に突出されて設けられた導電性パイプと、前記半導体構成体を含む前記絶縁基板の一面側において前記導電性パイプの周囲に設けられた封止膜と、を有し、前記回路基板の前記突起電極は前記半導体構成体の前記導電性パイプ内に挿入され、前記導電性接合材は前記半導体構成体の前記導電性パイプ内において前記回路基板の前記突起電極の周囲に充填されていることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明に係る半導体装置の実装方法は、上下方向に貫通する筒状端子部を有する半導体装置を、接続パッド部上に突起電極が設けられた回路基板上に実装した半導体装置の実装方法であって、絶縁基板に貫通孔を形成し、前記絶縁基板上に配線を形成し、前記貫通孔内に前記配線に接続された前記筒状端子部を形成し、半導体基板および前記半導体基板の下面側に形成された外部接続用電極を有する半導体構成体を、前記外部接続用電極と前記配線とが接続されるようにして前記絶縁基板上に搭載することにより、前記半導体装置を形成する工程と、前記半導体装置の前記筒状端子部内に前記回路基板の錐体形状の前記突起電極を挿入する工程と、前記半導体装置の前記筒状端子部内において前記回路基板の前記突起電極の周囲に導電性ペーストからなる導電性接合材を充填する工程と、を含むことを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明に係る半導体装置の実装方法は、請求項３に記載の発明において、前記筒状端子部内にその一方側に突出されて導電性パイプを形成する工程と、前記半導体構成体を含む前記絶縁基板の一面側において前記導電性パイプの周囲に封止膜を形成する工程と、を含み、前記回路基板の前記突起電極は前記半導体構成体の前記導電性パイプ内に挿入され、前記導電性接合材は前記半導体構成体の前記導電性パイプ内において前記回路基板の前記突起電極の周囲に充填されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、半導体装置の筒状端子部内に回路基板の突起電極を挿入し、且つ、半導体装置の筒状端子部内において回路基板の突起電極の周囲に導電性接合材を充填することにより、半導体装置を回路基板上に半田ボールを用いることなく実装することができ、ひいては全体の厚さを薄くすることができる。

（第１実施形態）
図１はこの発明の第１実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図を示す。この半導体装置の実装構造では、半導体装置１が回路基板２１上に実装されている。このうち、半導体装置１は、ガラス布基材エポキシ樹脂等からなる平面方形状の絶縁基板２および平面方形状の半導体構成体１１等を備えている。

絶縁基板２の上面には複数の配線３が設けられている。配線３は、絶縁基板２の上面に設けられた銅等からなる下地金属層４と、下地金属層４の上面に設けられた銅からなる上部金属層５との２層構造となっている。配線３の一端部からなる接続パッド部３ａは、絶縁基板２の上面中央部の方形領域の周辺部に配置され、その上面には錫メッキからなる表面処理層６が設けられている。配線３の他端部は、絶縁基板２の上面周辺部に配置され、円孔３ｃを有するリング形状の接続パッド部３ｂとなっている。

絶縁基板２の周辺部において配線３の接続パッド部３ｂの円孔３ｃに対応する部分には円形状の貫通孔７が設けられている。貫通孔７の内壁面には円筒形状の筒状端子部８が設けられている。筒状端子部８は、貫通孔７の内壁面に設けられた銅等からなる下地金属層９と、下地金属層９の内面に設けられた銅からなる上部金属層１０との２層構造となっている。そして、筒状端子部８の下地金属層９および上部金属層１０の上部は、配線３の接続パッド部３ｂにおける下地金属層４および上部金属層５に接続されている。

半導体構成体１１は平面方形状のシリコン基板（半導体基板）１２を備えている。シリコン基板１２の下面には所定の機能の集積回路（図示せず）が設けられ、下面周辺部にはアルミニウム系金属等からなる複数の接続パッド１３が集積回路に接続されて設けられている。

接続パッド１３の中央部を除くシリコン基板１２の下面には酸化シリコン等からなる絶縁膜１４が設けられ、接続パッド１３の中央部は絶縁膜１４に設けられた開口部１５を介して露出されている。絶縁膜１４の開口部１５を介して露出された接続パッド１３の下面およびその周囲における絶縁膜１４の下面には銅等からなる下地金属層１６が設けられている。下地金属層１６の下面全体には金からなる柱状電極（外部接続用電極）１７が設けられている。

そして、半導体構成体１１は、その柱状電極１７が配線３の接続パッド部３ａ上に表面処理層６を介して金−錫共晶接合されていることにより、絶縁基板２の中央部上方において配線３の接続パッド部３ａ上にフェースダウン方式により搭載されている。半導体構成体１１と配線３を含む絶縁基板２との間およびその周囲にはエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂からなるアンダーフィル材１８が設けられている。

以上のように、半導体装置１は、絶縁基板２の上面中央部に半導体構成体１１がフェースダウン方式により搭載され、半導体構成体１１と絶縁基板２との間およびその周囲にアンダーフィル材１８が設けられ、絶縁基板２の周辺部に上下方向に貫通する筒状端子部８が設けられた構造となっている。ここで、筒状端子部８の下面は絶縁基板２の下面と面一となっている。

一方、半導体装置１の筒状端子部８に対応する部分における回路基板２１の上面には銅箔からなる複数の平面円形状の接続パッド部２２が設けられている。接続パッド部２２の直径は半導体装置１の絶縁基板２の貫通孔７の直径よりも大きくなっている。接続パッド部２２は、回路基板２１の上面に設けられた配線（図示せず）の一端部に接続されている。接続パッド部２２の上面中央部には電解銅メッキからなる円柱形状の突起電極２３が設けられている。突起電極２３の直径は半導体装置１の筒状端子部８の内径よりも小さくなっている。

そして、半導体装置１は、筒状端子部８内に回路基板２１の突起電極２３が相対的に挿入され、且つ、筒状端子部８の下面およびその周囲における絶縁基板２の下面が回路基板２１の接続パッド部２２の上面に配置された状態において、筒状端子部８内において回路基板２１の突起電極２３の周囲に銀ペースト等の導電性ペーストからなる導電性接合材２４が充填されていることにより、回路基板２１上に実装されている。

以上のように、この半導体装置の実装構造では、半導体装置１の筒状端子部８内に回路基板２１の突起電極２３を相対的に挿入し、且つ、半導体装置１の筒状端子部８内において回路基板２１の突起電極２３の周囲に導電性接合材２４を充填することにより、半導体装置１を回路基板２１上に半田ボールを用いることなく実装することができ、ひいては全体の厚さを薄くすることができる。

次に、この場合の半導体装置１の製造方法の一例について簡単に説明する。まず、絶縁基板２に貫通孔７を形成する。次に、無電解メッキおよび電解メッキにより、配線３および筒状端子部８を形成する。次に、表面処理層６を形成する。次に、絶縁基板２上に半導体構成体１１を搭載する。次に、アンターフィル材１８を形成する。これにより、半導体装置１が得られる。

次に、このようにして得られた半導体装置１の実装方法の一例について簡単に説明する。まず、半導体装置１を回路基板２１上に、筒状端子部８内に突起電極２３を相対的に挿入しながら、配置する。次に、筒状端子部８内に導電性ペーストをディスペンサ等を用いて充填し、硬化させることにより、導電性接合材２４を形成する。これにより、半導体装置１が回路基板２１上に実装される。

（第２実施形態）
図２はこの発明の第２実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図を示す。この半導体装置の実装構造において、図１に示す場合と大きく異なる点は、半導体装置１を、円筒形状の筒状端子部８内に銅等からなる円筒形状の導電性パイプ３１の下部が圧入され、半導体構成体１１、アンダーフィル材１８および配線３を含む絶縁基板２の上面において当該上面側に突出された導電性パイプ３１の周囲にエポキシ系樹脂等からなる封止膜３２が設けられた構造とした点である。

そして、半導体装置１は、導電性パイプ３１内に回路基板２１の突起電極２３が相対的に挿入され、且つ、筒状端子部８の下面、導電性パイプ３１の下面およびその周囲における絶縁基板２の下面が回路基板２１の接続パッド部２２の上面に配置された状態において、導電性パイプ３１内において回路基板２１の突起電極２３の周囲に導電性接合材２４が充填されていることにより、回路基板２１上に実装されている。

（第３実施形態）
図３はこの発明の第３実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図を示す。この半導体装置の実装構造において、図２に示す場合と大きく異なる点は、半導体装置１を、絶縁基板２の上面中央部に半導体構成体１１をフェースアップ方式で搭載した構造とした点である。この場合、半導体構成体１１は、下地金属層１６および柱状電極１７を備えておらず、接続パッド（外部接続用電極）１３の中央部が絶縁膜１４の開口部１５を介して露出された構造となっている。

そして、半導体構成体１１は、シリコン基板１２の下面がエポキシ系樹脂等からなる接着層３３を介して絶縁基板２の上面中央部に接着されていることにより、絶縁基板２の上面中央部にフェースアップ方式により搭載されている。半導体構成体１１の接続パッド１３と配線３の接続パッド部３ａとは金等からなるボンディングワイヤ３４を介して接続されている。半導体構成体１１、配線３およびボンディングワイヤ３４を含む絶縁基板２の上面において導電性パイプ３１の周囲には封止膜３２が設けられている。

（第４実施形態）
図４はこの発明の第４実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図を示す。この半導体装置の実装構造において、図１に示す場合と大きく異なる点は、半導体装置１が絶縁基板２を備えていない点である。この場合、シリコン基板１２の平面サイズは、接続パッド（外部接続用電極）１３が設けられた部分の外側に貫通孔４１を形成することが可能な大きさとなっている。したがって、この場合の半導体装置１は、そのような平面サイズのシリコン基板１２を備えている。

そして、接続パッド１３の中央部を除くシリコン基板１２の上面には酸化シリコン等からなる絶縁膜１４が設けられ、接続パッド１３の中央部は絶縁膜１４に設けられた開口部１５を介して露出されている。絶縁膜１４の上面にはポリイミド系樹脂等からなる保護膜４２が設けられている。絶縁膜１４の開口部１５対応する部分における保護膜４２には開口部４３が設けられている。

保護膜４２の上面には配線４４が設けられている。配線４４は、保護膜４２の上面に設けられた銅等からなる下地金属層４５と、下地金属層４５の上面に設けられた銅からなる上部金属層４６との２層構造となっている。配線４４の一端部は、絶縁膜１４および保護膜４２の開口部１５、４３を介して接続パッド１３に接続されている。配線４４の他端部は、シリコン基板１２の上面周辺部に配置され、円孔４４ｃを有するリング形状の接続パッド部４４ｂとなっている。

配線４４の接続パッド部４４ｂの円孔４４ｃに対応する部分における保護膜４２、絶縁膜１４およびシリコン基板１２には円形状の貫通孔４１が設けられている。貫通孔４１の内壁面には円筒形状の筒状端子部４７が設けられている。筒状端子部４７は、貫通孔４１の内壁面に設けられた銅等からなる下地金属層４８と、下地金属層４８の内面に設けられた銅からなる上部金属層４９との２層構造となっている。そして、筒状端子部４７の下地金属層４８および上部金属層４９の上部は、配線４４の接続パッド部４４ｂにおける下地金属層４５および上部金属層４６に接続されている。

そして、半導体装置１は、筒状端子部４７内に回路基板２１の突起電極２３が相対的に挿入され、且つ、筒状端子部４７の下面およびその周囲におけるシリコン基板１２の下面が回路基板２１の接続パッド部２２の上面に配置された状態において、筒状端子部４７内において回路基板２１の突起電極２３の周囲に銀ペースト等の導電性ペーストからなる導電性接合材２４が充填されていることにより、回路基板２１上に実装されている。

以上のように、この半導体装置の実装構造では、半導体装置１の筒状端子部４７内に回路基板２１の突起電極２３を相対的に挿入し、且つ、半導体装置１の筒状端子部４７内において回路基板２１の突起電極２３の周囲に導電性接合材２４を充填することにより、半導体装置１を回路基板２１上に半田ボールを用いることなく実装することができ、ひいては全体の厚さを薄くすることができる。しかも、この場合、半導体装置１は例えば図１に示すような絶縁基板２を備えていないので、全体の厚さをより一層薄くすることができる。

（第５実施形態）
図５はこの発明の第５実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図を示す。この半導体装置の実装構造において、図４に示す場合と大きく異なる点は、半導体装置１を、円筒形状の筒状端子部４７内に銅等からなる円筒形状の導電性パイプ５１の下部が圧入され、配線４４を含む保護膜４２の上面において当該上面側に突出された導電性パイプ５１の周囲にエポキシ系樹脂等からなる封止膜５２が設けられた構造とした点である。

そして、半導体装置１は、導電性パイプ５１内に回路基板２１の突起電極２３が相対的に挿入され、且つ、筒状端子部４７の下面、導電性パイプ５１の下面およびその周囲におけるシリコン基板１２の下面が回路基板２１の接続パッド部２２の上面に配置された状態において、導電性パイプ５１内において回路基板２１の突起電極２３の周囲に導電性接合材２４が充填されていることにより、回路基板２１上に実装されている。

（第６実施形態）
図６はこの発明の第６実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図を示す。この半導体装置の実装構造において、図５に示す場合と大きく異なる点は、導電性パイプ５１が上下方向に貫通しているのを利用し、且つ、図５において導電性パイプ５１の上面を含む封止膜５２の上面が平坦となっているのを利用して、半導体装置１の上下を反転して実装した点である。

したがって、この場合、半導体装置１は、導電性パイプ５１内に回路基板２１の突起電極２３が相対的に挿入され、且つ、導電性パイプ５１の下面およびその周囲における封止膜５２の下面が回路基板２１の接続パッド部２２の上面に配置された状態において、導電性パイプ５１内において回路基板２１の突起電極２３の周囲に導電性接合材２４が充填されていることにより、回路基板２１上に実装されている。なお、図２および図３にそれぞれ示す半導体装置１の場合も、その上下を反転して実装することもできる。

（第７実施形態）
図７はこの発明の第７実施形態としての半導体装置の実装構造の断面図を示す。この半導体装置の実装構造において、図５に示す場合と大きく異なる点は、回路基板２１上に複数（例えば２つ）の半導体装置１を積層して実装した点である。この場合、下側の半導体装置１の導電性パイプ５１の上面には上側の半導体装置１の導電性パイプ５１が配置され、上下に連続する２つの導電性パイプ５１、５１内には回路基板２１の突起電極２３が挿入され、上下に連続する２つの導電性パイプ５１、５１内における回路基板２１の突起電極２３の周囲に導電性接合材２４が連続して充填されている。なお、図２、図３、図４および図６にそれぞれ示す半導体装置の実装構造においても、複数の半導体装置１を積層して実装することもできる。

（第８実施形態）
図８はこの発明の第８実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図を示す。この半導体装置の実装構造において、図２に示す場合と異なる点は、電解メッキによる円柱形状の突起電極２３の代わりに、スクリーン印刷法等によリ銀ペースト等からなる導電性ペーストを塗布することにより、錐体形状の突起電極２３を形成した点である。すなわち、突起電極２３は錐体形状であってもよい。また、図示していないが、ワイヤボンディング法により、金等からなるワイヤを用いてワイヤ状の突起電極を形成するようにしてもよい。

この発明の第１実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図。 この発明の第２実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図。 この発明の第３実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図。 この発明の第４実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図。 この発明の第５実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図。 この発明の第６実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図。 この発明の第７実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図。 この発明の第８実施形態としての半導体装置の実装構造の要部の断面図。

符号の説明

１ 半導体装置
２ 絶縁基板
３ 配線
６ 表面処理層
７ 貫通孔
８ 筒状端子部
１１ 半導体構成体
１２ シリコン基板
１３ 接続パッド
１４ 絶縁膜
１６ 下地金属層
１７ 柱状電極
１８ アンダーフィル材
２１ 回路基板
２２ 接続パッド部
２３ 突起電極
２４ 導電性接合材
３１ 導電性パイプ
３２ 封止膜
３３ 接着層
３４ ボンディングワイヤ
４１ 貫通孔
４２ 保護膜
４４ 配線
４７ 筒状端子部
５１ 導電性パイプ
５２ 封止膜

Claims (4)

1. 上下方向に貫通する筒状端子部を有する半導体装置を、接続パッド部上に突起電極が設けられた回路基板上に実装した半導体装置の実装構造であって、
   前記半導体装置の筒状端子部内に前記回路基板の錐体形状の前記突起電極が挿入され、且つ、前記半導体装置の筒状端子部内において前記回路基板の前記突起電極の周囲に導電性ペーストからなる導電性接合材が充填されており、
   前記半導体装置は、
   絶縁基板と、
   前記絶縁基板上に搭載され、半導体基板および前記半導体基板の下面側に設けられた外部接続用電極を有する半導体構成体と、
   前記絶縁基板上に設けられ、前記半導体構成体の前記外部接続用電極と接続される配線と、
   前記半導体構成体を搭載する領域の周囲における前記絶縁基板に設けられた貫通孔と、
   前記貫通孔内に前記配線に接続されて設けられた前記筒状端子部と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の実装構造。
2. 請求項１に記載の発明において、前記筒状端子部内にその一方側に突出されて設けられた導電性パイプと、前記半導体構成体を含む前記絶縁基板の一面側において前記導電性パイプの周囲に設けられた封止膜と、を有し、前記回路基板の前記突起電極は前記半導体構成体の前記導電性パイプ内に挿入され、前記導電性接合材は前記半導体構成体の前記導電性パイプ内において前記回路基板の前記突起電極の周囲に充填されていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
3. 上下方向に貫通する筒状端子部を有する半導体装置を、接続パッド部上に突起電極が設けられた回路基板上に実装した半導体装置の実装方法であって、
   絶縁基板に貫通孔を形成し、前記絶縁基板上に配線を形成し、前記貫通孔内に前記配線に接続された前記筒状端子部を形成し、半導体基板および前記半導体基板の下面側に形成された外部接続用電極を有する半導体構成体を、前記外部接続用電極と前記配線とが接続されるようにして前記絶縁基板上に搭載することにより、前記半導体装置を形成する工程と、
   前記半導体装置の前記筒状端子部内に、前記回路基板の錐体形状の前記突起電極を挿入する工程と、
   前記半導体装置の前記筒状端子部内において前記回路基板の前記突起電極の周囲に導電性ペーストからなる導電性接合材を充填する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の実装方法。
4. 請求項３に記載の発明において、前記筒状端子部内にその一方側に突出されて導電性パイプを形成する工程と、前記半導体構成体を含む前記絶縁基板の一面側において前記導電性パイプの周囲に封止膜を形成する工程と、を含み、前記回路基板の前記突起電極は前記半導体構成体の前記導電性パイプ内に挿入され、前記導電性接合材は前記半導体構成体の前記導電性パイプ内において前記回路基板の前記突起電極の周囲に充填されていることを特徴とする半導体装置の実装方法。

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