JP5386863B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体チップの表面に配置されたパッドの表面に導電性の配線部材が接続されてなる半導体装置およびその製造方法に関する。

従来、この種の半導体装置として、パッドの直下に層間絶縁膜などの緩衝構造を形成し、パッドにワイヤボンディングを行うときのパッドに作用する応力を上記の緩衝構造によって緩和するものが知られている（例えば、特許文献１）。

特開平８−２３６７０６号公報（第３２段落、図２）。

しかし、前述した従来の技術では、パッドの直下に層間絶縁膜などの緩衝構造を形成しなければならないため、製造工程が増加するので、製造効率が悪くなるという問題がある。

そこでこの発明は、係る問題を解決するためになされたものであり、パッドの直下に層間絶縁膜などの緩衝構造を形成しなくても、パッドの表面に導電性の配線部材を接続するときの応力を緩和することのできる半導体装置およびその製造方法を実現することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、表面にパッド（３）が配置された半導体チップ（２）と、導電性の配線部材（５，５ｂ，５ｊ）と、前記配線部材の先端部が前記パッドの表面と対向するように前記配線部材を保持する保持部材（４）と、前記配線部材と前記保持部材との間に設けられており、前記パッドの表面を押圧したときに前記パッドに作用する応力を、前記押圧したときに弾性変形することによって緩和する弾性部材（９）と、前記保持部材によって保持された前記配線部材の先端部が前記パッドの表面に接続された状態が維持されるように前記保持部材が固定された固定部材（６）と、が備えられたという技術的手段を用いる。

配線部材（５，５ｂ，５ｊ）と保持部材（４）との間に設けられた弾性部材（９）は、半導体チップ（２）の表面に配置されたパッド（３）の表面を押圧したときに弾性変形するため、パッドの表面を押圧したときにパッドに作用する応力を緩和することができる。
したがって、層間絶縁膜などの緩衝構造をパッドの直下に形成する必要がない。

また、請求項１に記載の発明では、前記配線部材（５，５ｂ，５ｊ）は、前記パッド（３）の表面を押圧したときに前記パッドに作用する応力を、前記押圧したときに変形することによって緩和する緩和部（５ｅ）を有するという技術的手段を用いる。

半導体チップ（２）の表面に配置されたパッド（３）の表面を押圧したときにパッドに作用する応力を、弾性部材（９）が弾性変形することによって緩和することに加え、配線部材（５，５ｂ，５ｊ）の緩和部（５ｂ）が変形することによっても緩和することができる。
したがって、パッドから受ける応力をより一層大きく緩和することができる。

また、請求項１に記載の発明では、前記配線部材（５，５ｂ，５ｊ）の緩和部（５ｂ，５ｅ）は、弾性変形する材料により形成されてなるという技術的手段を用いる。

配線部材（５，５ｂ，５ｊ）の緩和部（５ｂ，５ｅ）は、弾性変形する材料により形成されてなるため、配線部材によってパッド（３）の表面を押圧したときに緩和部が弾性変形することにより、押圧時の応力を緩和することができる。

また、請求項１に記載の発明では、前記配線部材（５，５ｂ，５ｊ）は、バネ性を有するという技術的手段を用いる。

配線部材（５，５ｂ，５ｊ）は、バネ性を有するため、配線部材によってパッド（３）の表面を押圧したときの応力を配線部材自身によって緩和することができる。

また、請求項１に記載の発明では、前記半導体チップ（２）の表面には複数の前記パッド（３）が配置されており、前記保持部材（４）には、接続すべきパッドの表面に前記先端部（５ｂ，５ｃ）を対向させた複数の前記配線部材（５，５ｂ，５ｊ）が保持されており、前記固定部材（６）は、前記保持部材により保持された各配線部材の各先端部が、接続されたパッドの表面に押圧された状態が維持されるように前記保持部材を固定してなり、前記複数の配線部材は、前記保持部材のうち前記固定部材に固定される側と反対側の表面に配置される配線に対して前記保持部材の内部に形成されたビアを介してそれぞれ電気的に接続されるという技術的手段を用いる。

複数のパッド（３）のそれぞれに配線部材（５，５ｂ，５ｊ）を接続する構成であっても、請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の技術的手段を用いれば、各パッドに作用する応力を緩和することができる。
したがって、層間絶縁膜などの緩衝構造を各パッドの直下に形成する必要がない。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の半導体装置（１）において、前記パッド（３）は前記半導体チップ（２）の表面全面に２次元配列されてなるという技術的手段を用いる。

パッド（３）が半導体チップ（２）の表面全面に２次元配列されてなるため、１次元配列されたものよりもパッドの数を増やすことができる。

なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

〈第１実施形態〉
この発明に係る第１実施形態について図を参照して説明する。図１は、この実施形態に係る半導体装置の縦断面図である。図２（ａ）は、図１に示す半導体装置に備えられた半導体チップの平面図であり、（ｂ）はソケットの平面図であり、（ｃ）は固定部材の平面図である。

［半導体装置の構造］
図１に示すように、半導体装置１は、回路基板７と、この回路基板７の表面に接着層８によって接着された半導体チップ２と、この半導体チップ２の表面に配置された複数のパッド（電極パッド）３と、各パッド３の表面と電気的に接続された複数の接続端子５と、各接続端子５の各先端部がパッド３の表面と対向するように各接続端子５を保持するソケット４と、このソケット４によって保持された各接続端子５の各先端部がそれぞれ接続すべき各パッド３の表面に接続された状態が維持されるようにソケット４を回路基板７に固定する固定部材６とを備える。

この実施形態では、半導体チップ２は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのＩＣチップである。たとえば、半導体チップ２がＭＯＳＦＥＴである場合は、各パッド３は、半導体チップ２を構成する複数のセルの各ソースと電気的接続されたソース電極パッドと、各ゲートと電気的に接続されたゲート電極パッドと、各ドレインと電気的に接続されたドレイン電極パッドとを含む。

各接続端子５は、ソケット４の内部に形成されたビア５ｊを介して配線５ｉと電気的に接続されている。各配線５ｉは、回路基板７に形成された回路（図示せず）と電気的に接続される。図２（ａ）に示すように、半導体チップ２の表面全面には、接続端子５と電気的に接続される複数のパッド３が２次元配列されている。この実施形態では、各パッド３は、マトリクス状に配置されている。

図２（ｂ）に示すように、この実施形態では、ソケット４は板状に形成されており、ソケット４の各接続端子５に対応する部位には、ビア５ｊを形成するためのビアホール４ａが貫通形成されている。図２（ｃ）に示すように、この実施形態では、固定部材６は、平面視矩形の枠状に形成されている。また、固定部材６の表面は、ソケット４の裏面と一体形成されており、固定部材６の裏面は、接着剤または半田などの固定材料によって回路基板７の表面に固定されている。ソケット４が固定部材６によって回路基板７に固定されることで、各接続端子５が接続すべき各パッド３に電気的に接続された状態が保持されている。

図３（ａ）は、接続端子５を拡大して示す断面図である。接続端子５は外殻５ｃおよび内殻５ｄの二重構造に形成されている。外殻５ｃは合成樹脂などの非導電性材料によって形成されており、内殻５ｄは導電性材料によって形成されている。内殻５ｄの先端（下端）には、内殻５ｄと一体形成された緩和部５ｂが突出している。パッド３の表面には、導電性材料により形成された緩衝パッド５ａが配置されている。緩衝パッド５ａは、緩和部５ｂがパッド３の表面を押圧するときにパッド３の変形を防止するためのものである。内殻５ｄはビア５ｊと電気的に接続されている。

緩和部５ｂは、ソケット４が半導体チップ２に向けて下降し、パッド３を押圧したときにパッド３から受ける応力を受けて変形し、その応力を緩和する性質を有する。また、固定部材６は、固定部材６を回路基板７に固定したときに、ソケット４に保持されている各接続端子５の緩和部５ｂがパッド３からの応力を受けて変形することのできる高さに形成されている。

この実施形態では、緩和部５ｂは、塑性変形または弾性変形可能な材料により、ピン形状に形成されている。また、緩和部５ｂは、パッド３から受ける応力によって塑性変形または弾性変形することのできる径に形成されている。内殻５ｄおよび緩和部５ｂを形成する材料として、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｕ、あるいは、それらのうち２つ以上の化合物を用いることができる。

ソケット４および固定部材６は、合成樹脂などの非導電性材料により形成されている。各パッド３は、Ａｌ、Ａｕなどの導電性材料により形成されており、半導体チップ２を構成する半導体素子や回路と電気的に接続されている。また、各パッド３の直下には、半導体素子の他、保護回路やバッファ回路などが配置されている。

［半導体装置の製造方法］
次に、半導体装置１の製造方法について説明する。
接着層６によって半導体チップ２が表面に固定された回路基板７と、裏面に固定部材６が一体形成されたソケット４とを用意する。なお、ソケット４の各接続端子５の先端からは、緩和部５ｂがそれぞれ突出している。

まず、ソケット４と一体形成された固定部材６の裏面に接着剤を配置する。接着剤は、ゲル状の接着剤でも良いし、シート状の接着剤でも良い。また、回路基板７の表面に接着剤を配置しても良い。次に、各接続端子５の緩和部５ｂが接続すべき各パッド３の表面と対向する位置になるようにソケット４を半導体チップ３の上方に配置する。なお、ソケット４を配置してから接着剤を配置しても良い。

次に、ソケット４を半導体チップ２に向けて真っ直ぐに下降させ、固定部材６の裏面を回路基板７の表面に固定する。このとき、ソケット４によって保持されている各接続端子５の各緩和部５ｂは、対応するパッド３の表面に接触し、パッド３から受ける応力によって塑性変形または弾性変形した状態になる。これにより、各接続端子５が対応する各パッド３に電気的に接続された半導体装置１が完成する。なお、ソケット４の配置から下降までの工程は、公知のチップマウンタを用いて行うことができる。

［第１実施形態の効果］
（１）以上のように、上述した第１実施形態の半導体装置１を実施すれば、半導体チップ２の表面に配置された各パッド３の表面を押圧したときに各パッド３に作用する応力を、各接続端子５の各緩和部５ｂが塑性変形または弾性変形することによって緩和することができる。つまり、各接続端子５自身によって応力を緩和することができる。
したがって、層間絶縁膜などの緩衝構造を各パッド３の直下に形成する必要がない。

（２）しかも、半導体チップ２の上方に配置されたソケット４を下降させ、固定部材６によってソケット４を回路基板７に固定することにより、各接続端子５を接続すべき各パッド３に同時に接続することができる。
したがって、ボンディングワイヤを１本ずつパッド３に接続するワイヤボンディングよりも、半導体チップ２の配線時間を短縮することができる。

（３）さらに、パッド３が半導体チップ２の表面全面に２次元配列されてなる場合であっても、各パッド３それぞれに接続端子５を接続することができる。
したがって、２次元配列されたパッド３に接続端子５を接続することが困難なワイヤボンディングよりも、半導体チップ２の表面に配置するパッド３の数を増やすことができる。

［第１変更例］
図３（ｂ）は、第１実施形態の第１変更例を示す断面図である。パッド３が変形するおそれのない場合は、同図に示すように、図３（ａ）に示した緩衝パッド５ａを配置しないで緩和部５ｂを直接パッド３と接続する構成でも良い。つまり、緩衝パッド５ａを配置するか否かの選択は、緩和部５ｂの材質または径など、緩和部５ｂの塑性または弾性の程度に応じて決定する。

［第２変更例］
図４（ａ）は、第２変更例を示す緩和部５ｂの断面図である。接続端子５の内部には、ピン形状の緩和部５ｂが挿通固定されている。緩和部５ｂの先端部Ｌ１を基部Ｌ２よりも塑性変形または弾性変形の度合いが大きい材料により形成されている。たとえば、先端部Ｌ１は、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｕ、あるいは、それらのうち２つ以上の化合物により形成し、基部Ｌ２は、Ｔｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ、あるいは、それらのうち２つ以上の化合物により形成する。先端部Ｌ１および基部Ｌ２は、溶接によって接合しても良いし、金属間化合物を介在させて接合しても良い。なお、第１実施形態において接続端子５の内殻５ｄを緩和部５ｂよりも塑性変形または弾性変形の度合いが大きい材料により形成することもできる。

［第３変更例］
図４（ｂ）は、第３変更例を示す緩和部５ｂの断面図である。接続端子５の内部には、ピン形状の緩和部５ｂが挿通固定されている。緩和部５ｂの先端部Ｌ１は基部Ｌ２よりも細い径に形成されており、先端部Ｌ１が塑性変形または弾性変形し易いようになっている。細径化する手法としては、サンドペーパなどの研磨シート、あるいは、研磨剤微粒子を包含した研磨材料によって周面を研磨する手法、希硫酸やナトリウム水溶液などに浸漬して溶解する手法、電解研磨などを用いることができる。

［第４変更例］
さらに、接続端子５の緩和部５ｂをバネ形状に形成することもできる。この構成によっても、パッド３から受ける応力を接続端子５の緩和部５ｂが弾性変形することによって緩和することができる。しかも、先端部５ｂの弾性力によって接触部５ａがパッド３を常に押圧した状態にすることができるため、接続端子５とパッド３との電気的接続状態を確実に保持することができる。

〈第２実施形態〉
次に、この発明の第２実施形態について図を参照して説明する。図５は、接続端子５とパッド３との接続部位を拡大して示す断面図である。この実施形態に係る半導体装置は、弾性部材を用いて応力を緩和することを特徴とする。

ソケット４の裏面には弾性部材９が配置されており、その弾性部材９の周面および下面には、接続端子５を構成する導電性膜５ｃが被覆されている。導電性膜５ｃのうち弾性部材９の下面に被覆された部分には、導電性材料により形成された接触部５ｊが突出形成されている。

ソケット４に貫通形成された挿通孔４ｂには、導電性膜５ｃと電気的に接続された導出部５ｄが挿通されている。つまり、接続端子５は、接触部５ｊと、導電性膜５ｃと、導出部５ｄとから構成されている。導出部５ｄは、回路基板７に形成された回路（図示せず）と電気的に接続される。

ソケット４を半導体チップ２に向けて下降させ、接続端子５の接触部５ｊによってパッド３の表面が押圧されると、パッド３から受ける応力によって弾性部材９が弾性変形する。つまり、パッド３から受ける応力は、弾性部材９によって緩和することができる。このとき、弾性部材９の周面に被覆された導電性膜５ｃは、弾性部材９の弾性変形に伴って弾性変形するため、パッド３との電気的接続状態が保持される。

弾性部材９は、弾性を有する絶縁性材料、たとえば、ゴム、合成樹脂などにより形成することができる。また、弾性部材９は、バネでも良い。なお、接触部５ｊの形状は、図示のように下向きの凸状でも良いし、平坦でも良い。また、接触部５ｊを設けないで弾性部材９の下面に被覆された導電性膜５ｃをパッド３に接続する構成でも良い。

〈第３実施形態〉
次に、この発明の第３実施形態について図を参照して説明する。図６は、接続端子５とパッド３との接続部位を拡大して示す断面図である。この実施形態に係る半導体装置は、接続端子がバネ状に形成されていることを特徴とする。

ソケット４の裏面には弾性部材９が配置されており、その弾性部材９の内部に接続端子５の緩和部５ｅが挿通されている。緩和部５ｅはバネ状に形成されており、弾性部材９の下面からは、緩和部５ｅの先端に形成された接触部５ｊが突出している。ソケット４を半導体チップ２に向けて下降させ、接続端子５の接触部５ａによってパッド３の表面が押圧されると、パッド３から受ける応力によって緩和部５ｅが弾性変形する。つまり、パッド３から受ける応力は、接続端子５によって緩和することができる。

また、緩和部５ｅが弾性変形するときに弾性部材９も弾性変形するため、パッド３から受ける応力は、弾性部材９によっても緩和される。つまり、パッド３から受ける応力は、接続端子５および弾性部材９の両者による弾性力の相乗効果によって効果的に緩和することができる。さらに、弾性部材９は、弾性変形したときの復元力によって接触部５ｊをパッド３の表面に押圧するため、接続端子５とパッド３との電気的接続状態を保持することができる。

弾性部材９は、弾性を有する絶縁性材料、たとえば、ゴム、合成樹脂などにより形成することができる。なお、接触部５ｊの形状は、図示のように下向きの凸状でも良いし、平坦でも良い。

〈第４実施形態〉
次に、この発明の第４実施形態について図を参照して説明する。図７は、接続端子５とパッド３との接続部位を拡大して示す断面図である。この実施形態に係る半導体装置は、接続端子の後端がソケットに２箇所で支持されてなることを特徴とする。

接続端子５の後端は、ソケット４に２箇所で支持されてなる。ソケット４に貫通形成された２つの挿通孔４ｂには、接続端子５の後端を構成する導出部５ｄがそれぞれ挿通されている。各導出部５ｄのソケット４の裏面から突出した部分には、ソケット４の裏面と略平行な第１腕部５ｇがそれぞれ形成されている。各第１腕部５ｇは、それぞれ第２腕部５ｆによって接触部５ｊと連結されている。つまり、接続端子５の先端部は、各第１腕部５ｇおよび各第２腕部５ｆにより構成されている。

各第１腕部５ｇとソケット４の裏面との間には、弾性部材９がそれぞれ介在されている。この実施形態では、各第１腕部５ｇと各第２腕部５ｆとが成す角度は、それぞれ鈍角になっている。また、接触部５ｊは、下向きの凸状に形成されている。
ソケット４を半導体チップ２に向けて下降させ、接続端子５の接触部５ｊによってパッド３の表面が押圧されると、パッド３から受ける応力によって各第１腕部５ｇがそれぞれ基端部５ｈを支点にして上方に弾性変形する。つまり、パッド３から受ける応力は、接続端子５によって緩和することができる。

また、各第１腕部５ｇが弾性変形すると、各弾性部材９は第１腕部５ｇとソケット４の裏面との間で圧縮されて弾性変形するため、パッド３から受ける応力は、弾性部材９によっても緩和される。つまり、パッド３から受ける応力は、接続端子５および各弾性部材９の両者による弾性力の相乗効果によって効果的に緩和することができる。さらに、各弾性部材９は、弾性変形したときの復元力によって各第１腕部５ｇを変形前の方向へ押し戻すため、接触部５ｊがパッド３の表面に押圧されるので、接続端子５とパッド３との電気的接続状態を保持することができる。

弾性部材９は、弾性を有する絶縁性材料、たとえば、ゴム、合成樹脂などにより形成することができる。なお、接触部５ｊの形状は、図示のように下向きの凸状でも良いし、平坦でも良い。

〈他の実施形態〉
（１）緩和部５ｂを接続端子５の先端以外の箇所、たとえば、接続端子５の内部、または、保持板４の内部に設けることもできる。また、緩和部５ｂは薄板状（リード線状）に形成することもできる。さらに、接続端子５の全体を導電性材料により形成することもできる。

（２）緩衝パッド５ａは、緩和部５ｂと一体形成することもできる。保持板４は、その内部、表面または裏面に回路が形成された回路基板でもよく、その回路と接続端子５とが接続された構造でもよい。

（３）緩和部５ｂおよび接触部５ｂは、固定部材６による押圧力を利用してパッド３と接続する方法の他、超音波溶着によって接続することもできるし、半田などの電気的接合材料によって接続することもできる。

第１実施形態に係る半導体装置の縦断面図である。 （ａ）は、図１に示す半導体装置に備えられた半導体チップの平面図であり、（ｂ）はソケットの平面図であり、（ｃ）は固定部材の平面図である。 （ａ）は、接続端子５を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は、第１実施形態の第１変更例を示す断面図である。 （ａ）は、第２変更例を示す緩和部５ｂの断面図であり、（ｂ）は、第３変更例を示す緩和部５ｂの断面図である。 第２実施形態における接続端子５とパッド３との接続部位を拡大して示す断面図である。 第３実施形態における接続端子５とパッド３との接続部位を拡大して示す断面図である。 第４実施形態における接続端子５とパッド３との接続部位を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１・・半導体装置、２・・半導体チップ、３・・パッド、
４・・ソケット（保持部材）、５・・接続端子（配線部材）、５ｂ・・緩和部、
６・・固定部材、７・・回路基板、９・・弾性部材。

Claims (2)

1. 表面にパッドが配置された半導体チップと、
   導電性の配線部材と、
   前記配線部材の先端部が前記パッドの表面と対向するように前記配線部材を保持する保持部材と、
   前記配線部材と前記保持部材との間に設けられており、前記パッドの表面を押圧したときに前記パッドに作用する応力を、前記押圧したときに弾性変形することによって緩和する弾性部材と、
   前記保持部材によって保持された前記配線部材の先端部が前記パッドの表面に接続された状態が維持されるように前記保持部材が固定された固定部材と、
   が備えられ、
   前記配線部材は、前記パッドの表面を押圧したときに前記パッドに作用する応力を、前記押圧したときに変形することによって緩和する緩和部を有し、
   前記配線部材の緩和部は、弾性変形する材料により形成され、
   前記配線部材は、バネ性を有し、
   前記半導体チップの表面には複数の前記パッドが配置されており、
   前記保持部材には、接続すべきパッドの表面に前記先端部を対向させた複数の前記配線部材が保持されており、
   前記固定部材は、前記保持部材により保持された各配線部材の各先端部が、接続されたパッドの表面に押圧された状態が維持されるように前記保持部材を固定してなり、
   前記複数の配線部材は、前記保持部材のうち前記固定部材に固定される側と反対側の表面に配置される配線に対して前記保持部材の内部に形成されたビアを介してそれぞれ電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
2. 前記パッドは前記半導体チップの表面全面に２次元配列されてな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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