JPH02294056A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH02294056A
JPH02294056A JP11476289A JP11476289A JPH02294056A JP H02294056 A JPH02294056 A JP H02294056A JP 11476289 A JP11476289 A JP 11476289A JP 11476289 A JP11476289 A JP 11476289A JP H02294056 A JPH02294056 A JP H02294056A
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wiring board
semiconductor integrated
integrated circuit
piston
module
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Toshitada Nezu
根津 利忠
Yutaka Watanabe
裕 渡辺
Takatsugu Takenaka
竹中 隆次
Ryohei Sato
了平 佐藤
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Hitachi Ltd
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  • Structures For Mounting Electric Components On Printed Circuit Boards (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置、特にフリップチップ法による面付
実装型の半導体装置における接続部の信頼性維持に適用
して有効な技術に関する。
〔従来の技術〕
電子計算機等の情報処理装置の小形化の要請に対応して
半導体集積回路にも高密度実装・高集積化が促進され、
半導体チップあるいは半導体モジュール等を基板に対し
て高密度に実装する実装形態としてフリップチップ法が
一般的に知られている。このようなフリップチップ法に
よる実装技術について記載されている例として特公昭5
6−7457号公報がある。
このようなフリップチップ法による実装形態においては
、半導体チップまたは半導体モジュールで発生した熱を
どのように外部に放出させるかが大きな課題となってい
る。この点に関して上記公報では、熱伝導性を有するピ
ストンをバネの弾性押圧力によって半導体集積回路の上
面に密着させ、このピストンを介して放熱させる構造を
開示している。
このような従来技術について、さらに第3図を用いて説
明する。
同図において、半導体集積回路31は配線基板32に対
してバンプ電極33を介して固定されており、上記半導
体集積回路31の上面はアルミナ.モリブデンあるいは
シリコンカーバイド等からなるピストン34が配置され
ている。該ピストン34は、外囲筐体36の収容孔37
によって位置決めされており、該収容孔37の閉塞端(
同図では上方)にはバネ38が装着され、該バネ38の
下方への弾性押圧力によって上記ピストン34を半導体
集積回路31に対して付勢し、ピストン面と半導体集積
回路上面とを密着状態に維持するようにしている。
上記バンプ電極33は、鉛(pb)と錫(Sn)との合
金、すなわち半田によって形成されており、半導体集積
回路31内の回路素子(図示せず)と配線基板32上の
配線(図示せず)とを導通させるとともに、半導体集積
回路31を配線基板32上の所定位置に固定する機能を
有している。
ところで上記で用いられる半田は、融点が300℃近傍
の伸び特性の優れたP b IJッチ系のものが主流と
なっていた。
しかし近年、配線基板上の配線材料および座全部材等の
材料特性によってバンプ電極を形成する実装部分の構造
が複雑化してきており、半田材としても融点が180℃
前後の低融点のものが用いられるようになってきている
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが上記技術のように低融点の半田材を用いた場合
には、たとえば上記ピストン34と半導体集積回路面と
の間に異物が混入した場合等に、半導体集積回路31か
らの放熱が適切に行われずに、半導体集積回路31の温
度上昇によって上記半田材の融点を超えてしまい、上方
からのピストン34の加圧力によってバンプ電極33が
溶融変形(押し潰された形状)してしまい、バンプ電極
同士の接触による電気的短絡にともない、配線基板32
上に実装されている他の半導体集積回路をも電気的に破
壊し、さらには加熱により配線基板2全体にわたる発火
事故の原因ともなりかねない。
本発明の目的は、このような点から半導体集積回路の温
度が急激に上昇した場合にもバンプ電極を構成する半田
材が隣接する接続端子間で短絡することを防止し、配線
基板上で生じた障害を最小限の範囲に抑止することので
きる技術を提供することにある。
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
〔課題を解決するための手段〕
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば、概ね次のとおりである。
すなわち、フリップチップ法によって接続されている半
導体装置構造において、半導体集積回路面と配線基板面
との間に、バンプ電極が溶融した際に半導体集積回路と
配線基板との接近を一定に制御するストッパを配置した
半導体装置構造とするものである。
〔作用〕
上記した手段によれば、障害物としてのストッパを半導
体集積回路面と配線基板面との間に介在させることによ
って、半導体集積回路が加熱し、バンプ電極が溶融して
ピストンの押圧力に屈した場合にも半導体集積回路面と
配線基板面との間の隙間は一定に維持されるため、半田
材の面方向への広がりを防止でき、半田材が隣接する接
続端子間で短絡することを防止できる。
このため、当該半導体集積回路での加熱障害によって同
一配線基板上の他の半導体集積回路の損傷に波及するこ
とを防止でき、配線基板上で生じた障害を最小限の範囲
に抑止することができる。
〔実施例〕
第1図は本発明の一実施例を示す断面図、第2図はその
変形例である。
本実施例の半導体装置1は、メインフレームコンピュー
ターのロジックボードあるいはメモリボード等として用
いられるものであり、セラミックからなる配線基板2上
に複数のモジュール3(半導体集積回路)が配置された
構造を有している。
各モジュール3は、第1図に示すようにセラミックから
なるモジュール基体4とキャップ5とを高融点半田等の
ろう材6を用いて気密封止した構造となっている。
モジュール基体4はそれ自体が多層基板構造を有し゛C
いる。これは、たとえば所定形状に加工したグリーンシ
一ト板にパンチプレス加工によってスルーホール配線7
を開口させた後、タングステン(W)ペーストを所定形
状に印刷して配線11を形成し、これらのグリーンシ一
ト板を必要枚数だけ積層し1500℃程度の還元雰囲気
中で同時焼結することによって得られるものである。上
記モジニール基体4の上面中央部分はキャビティ8を構
成しており、該キャビティ底面8aにはシリコン(Si
)からなる半導体チップlOが高融点半田等のろう材6
によって接着されている。
上記半導体チップlロとキャビティ底面8aに形成され
た配線11とは、金(Au),銅(Cu》またはアルミ
ニウム(Al)からなる導電性のワイヤ12によって結
線されている。この結線に際しては公知のワイヤボンデ
ィング法を用いることが可能である。なお、ワイヤ12
としては上記に記載されたものの他、導電性の金属線の
周囲に絶縁被覆を施した、いわゆる被覆ワイヤを用いる
ことも可能である。モジュール基体4のキャピティ底面
8aにおける配線llは、モジュール基体4内を貫通さ
れたスルーホール配線7によって該モジュール基体4の
一側面に導出され、バンプ電極13と接続されている。
キャップ5の上方にはピストン14が配置されており、
キャップ面5aに対して所定の押圧力が加わるようにさ
れている。該ピストン14はたとえばアルミナイトライ
ド(A I N) ,モリブデン(MO)もしくはシリ
コンカーバイド(SiC)等の熱伝導性の高い材質で構
成されてふり、その自重とともに上方に配置された螺旋
バネ(第1図では図示せず)によってキャップ面5aを
押圧するよう作用している。
このように、ピストンl4によってキャップ面5aを押
圧するのはピストン14の端面とキャップ面5aとの密
着性を高めるためであり、高密着性によって高い放熱効
果を得るためである。したがって、キャップ面5aとピ
ストンl4端面との間には密着性を高めるための油剤等
を塗布してもよい。
ここで、半導体チップlOからの発熱は、モジュール基
体4→キャップ5→ピストンl4の経路で該ピストンl
4の周面より図示しない外囲筐体に放熱される構造とな
っている。なお、放熱効果を高めるために外囲筐体は放
熱フィン、あるいは水冷手段等の強制冷却手段を備えた
構造としてもよい。
モジ二−ル基体4の裏面に設けられたバンプ電極l3は
、直接的にはモジ;−ル基体4上に設けられた座金18
と接続されており、該座金18は、タングステン(W)
,ニッケル(Ni)および金(Au)の三層構造で形成
されている。上記座金18をこのように三層構造とする
のは各金属の親和性を考慮したためである。なお、上記
モジュール3に対応した配線基板2の表面にも上記構造
と同様の座金18が形成されており、両座金18間を接
続するようにバンプ電極13が配置されている。このバ
ンプ電極13は、鉛(pb)とi(Sn)とからなる半
田合金によって構成された直径φ=100〜150μm
程度の球形状を有している。このようなバンプ電極l3
の形成方法とじては、座金18上への半田材13aの蒸
着、メッキ処理、あるいは予め形成された半田ボールを
座金18上に載置した後に加熱処理する等の方法が可能
である。またこのようなパンプ電極13は、前もって配
線基板20座金18とモジニール3の座金18との双方
に半田材13aで小径の予備パンプを予め形成しておき
、配線基板2とモジ二−ル3を位置決めした状態でリフ
ローすることによって予備バンプ同士を融合させて、同
図に示す大径のバンプ電極13を形成してもよい。この
とき、予備パンプ同士の融合の際に配線基板2とモジュ
ール3との間に多少の位置ずれが生じている場合にも、
半田材13aは両座金18上での高い濡れ性と表面張力
とで所定位置に保持されているため、結果的に該位置ず
れは補正される。
配線基板2の一部には上記バンプ電極13の位冒を避け
るようにしてストッパ20が突出形成されている。該ス
トッパ20は、たとえばセラミックからなる配線基板2
上にタングステン(W)の配線11および座金18の下
地を形成する際に、所定部分のみに該タングステンを厚
塗りすることによって形成可能である。このようなスト
ッパ20の高さhは、本実施例では配線基板面2aから
対向モジ二−ル面3aまでの幅lの約80%程度の高さ
としている。すなわち、第3図において1120〜15
0μmである場合、h−96〜120μmとなる。本発
明者による実験の結果、上記80%の高さhよりも極端
にhの小さい高さのストッパ構造とした場合、モジュー
ル3が加熱した際にバンプ電極l3の半田材13aが溶
融し、ピストン14の押圧力によって幅lが狭くなり、
その結果、隣接するバンプ電極13同士の短絡を来して
しまう可能性が高くなる。
一方、80%の高さhよりもさらに高いストッパ構造と
した場合、バンプ電極13を構成する半田材13aの量
のばらつきを吸収することができずにバンプ電極13の
浮きを生じ、接続不良となる可能性が高くなる。
上記の説明ではストツバ20の形成をタングステンを厚
塗りすることにより形成した場合で説明したが、第2図
に示すように別部材を用いて形成してもよい。
すなわち、第2図では銅(Cu)等の高融点材料を球状
に形成したストツバボール21をまず用意する。このス
トッパボール21の直径は上記配線基板面2aと対向す
るモジュール面3aとの間の幅lの約80%とする。こ
のストッパボール21の周面に半田材13aをコーティ
ングした後、配線基板2またはモジュール3のいずれか
一方の座金18上に配置する。
この状態で上記モジュール3と配線基板2とを位置決め
してリフローすることによって、ストッパボール210
周面にコーティングされた半田材13aが溶融して一方
の座金18と接合されることによって、ストッパ20と
して固定される。なお、第2図では該ストッパボール2
1を配線基板2上に固定した場合で説明したが、モジュ
ール3側に固定した構造であってもよい。
上記半導体装置構造において、前述したピストン14面
とキャップ面5aとの間に異物等が介在し、ピストン1
4面の浮きを生じた場合、半導体チップ10からの発熱
がピストン14側に伝達されずに、七ジ二−ル基体4が
加熱する可能性がある。この加熱状態が上記バンプ電極
l3を構成する半田材13aの融点温度である180℃
を超えると、上記バンプ電極13が溶融を開始して、モ
ジュール3はピストン14の押圧力によって半導体基板
に接近し始めることになる。
このとき、本実施例によれば配線基坂2上に突出された
ストツバ20によって幅1が所定値以下、たとえば前述
のように96〜120μm以下となることが防止される
。このため、半田材13aが完全に溶融した状態となっ
ても当該半田材13aは押し潰されることはなく、隣接
するバンプ電極13を構成する半田材13a同士の接触
は防止される。したがって、本実施例によれば溶融半田
材133同士の接触が防止される結果、接続端子間の短
絡が防止され、同一の配線基板2上における他のモジュ
ール3の電気的破壊を防止できる。
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。
たとえば、実施例では半導体集積回路として、半導体チ
ップlOがセラミックパッケージによって気密封止され
た状態のものを図示して説明したが、半導体チップlO
に直接バンプ電極l3を形成して配線基板2に対して面
付実装した構造のものであってもよい。
また、ストッパ20については実施例では配線基板2側
に設けられた構造のものについて説明したが、モジュー
ル基体4面側に設けられているものであってもよい。
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその利用分野である、いわゆるメインフレームコンピ
ューターのメモリボードに適用した場合について説明し
たが、これに限定されるものではなく、フリップチップ
法による接続形態のものならば他の如何なる実装形式に
も適用できろ、〔発明の効果〕 本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりであ
る。
すなわち、本発明によれば、障害物としてのストッパを
半導体集積回路面と配線基板面との間に介在させること
によって、半導体集積回路が加熱し、バンプ電極が溶融
してピストンの押圧力に屈した場合にも半導体集積回路
面と配線基板面との間の隙間は一定に維持されるため、
半田材の面方向への広がりを防止でき、半田材が隣接す
る接続端子間で短絡することを防止できる。
このため、当該半導体集積回路での加熱障害によって同
一配線基板上の他の半導体集積回路の損傷に波及するこ
とを防止でき、配線基板上で生じた障害を最小限の範囲
に抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例であるモジュール《半導体集
積回路》と配線基板との接続状態を示す説明断面図、 第2図は上記実施例の変形例を示す説明断面図、第3図
は従来技術におけるフリップチップ法による半導体集積
回路と配線基板との接続状態について示す説明断面図で
ある。 l・・・半導体装置、2・・・配線基板、2a・・・配
線基板面、3・・・モジ二−ル、3a・・・モジュール
面、4・・・モジュール基体、5・・・キャップ、5a
・・・キャップ面、6・・・ろう材、7・・・スルーホ
ール配線、8・・・ヰヤビティ、8a・・・キャビティ
底面、10・・・半導体チップ、11・・・配線、12
・・・ワイヤ、13・・・パンプ電極、13a・・・半
田材、l4・・・ピストン、18・・・座金、20・・
・ストッパ、2l・・・ストッパボール、3l・・・半
導体集積回路、32・・・配線基板、33・・・バンプ
電極、34・・・ピストン、36・・・外囲筐体、37
・・・収容孔、38・・・バネ、h・・・高さ、l・・
・幅。 代理人 弁理士 筒 井 大 和

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.半導体集積回路が配線基板に対してバンプ電極を介
    して接続されている半導体装置であって、上記バンプ電
    極によって形成される半導体集積回路面と配線基板面と
    の間に、バンプ電極が溶融した際に半導体集積回路と配
    線基板との接近を一定に制御するストッパが配置されて
    いることを特徴とする半導体装置。
JP11476289A 1989-05-08 1989-05-08 半導体装置 Pending JPH02294056A (ja)

Priority Applications (1)

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JP11476289A JPH02294056A (ja) 1989-05-08 1989-05-08 半導体装置

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JP (1) JPH02294056A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0623247U (ja) * 1992-08-28 1994-03-25 京セラ株式会社 表面実装型電子部品
JP2007035819A (ja) * 2005-07-26 2007-02-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd 放送受信モジュールとこれを用いた放送受信機器

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