JPH0483343A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

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、半導体集積回路装置に関し、特にフリップチ
ップ（Ｆｌｉｐ　Ｃｈｉρ）方式により実装される半導
体集積回路装置に適用して有効な技術に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

近年、ゲートアレイやマイクロコンピュータなどの論理
ＬＳＩは、その多機能化、高密度化に伴って外部端子（
人出力ピン）の数が急速に増大している。そのため、半
導体チップのボンディングバットにワイヤをボンディン
グして外部との接続を行うワイヤボンディング方式が限
界に達し、これに代わって、チップ上に半田などで構成
したバンプ電極を形成し、このバンプ電極を介してチッ
プを基板にフェイスダウンボンディングするフリップチ
ップ方式が注目されている。このフリップチップ方式に
ついては、例えば電気学会研究会資料（１９８９年３月
１７日版）Ｐ４６などに記載されている。

上記フリップチップ方式は、チップの周辺部のみならず
中央部にも端子を設けることができるので、チップの多
ビン化を促進することができ、かつチップ内部の配線長
を短くすることができるので、論理ＬＳＩの高速化を促
進することができるという利点がある。また、フリップ
チップ方式はチップを基板に実装する場合のみならず、
例えばパッケージ基板とキャップとから構成されるキャ
ビティ内にチップを気密封止したチップキャリヤ（Ｃｈ
ｉｐ　Ｃａｒｒｉｅｒ）などを基板に実装する場合の外
部端子としても用いられる。

第２図は、特開昭６２−２４９４２９号公報、特開昭６
３−３１０１３９号公報などに記載されたチップキャリ
ヤの断面構造を示している。このチップキャリヤｌは、
セラミックからなるパッケージ基板２の主面の電極３上
に半田バンプ４を介して実装したチップ５をキャップ６
で気密封止したパッケージ構造を有している。上記キャ
ップ６は、高熱伝導性セラミックからなり、封止用半田
７によってパッケージ基板２の主面に接合されている。

キャップ６内に封止されたチップ５の背面（上面）は、
伝熱用半田８によってキャップ６の下面に接合されてい
る。これは、チップ５から発生する熱を伝熱用半田８を
通じてキャップ６に伝達するためである。パッケージ基
板２の内層には内部配線９が形成され、この内部配線９
を通じてパッケージ基板２の主面側の電極３と下面側の
電極３とが電気的に接続されている。パッケージ基板２
の下面側の電極３には、チップキャリヤ１をモジュール
基板などに実装する際の外部端子となる半田バンプ１０
が接合される。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで現在、１チツプに設けられる半田バンプの数は
多いもので５００〜５００個程度であるが、ＬＳＩの多
機能化、高密度化がさらに進むと１チツプあたり１００
０個以上の半田バンプが必要となってくる。ところが、
このような高・密度の半田バンプを有するチップにふい
ては、集積回路の消費電力増大に伴う熱的応力や、パッ
ケージ構造に起因する機械的応力などの歪により、半田
バンプの内部や、半田バンプとチップ（または基板）と
の接合部にクラックが生じて電気抵抗が増大するなど、
半田バンプの接続寿命の低下が深刻な問題となってくる
。そうなると、半導体集積回路装置の信頼性は、チップ
内部の素子特性や配線特性よりも、上記半田バンプの接
続寿命に依存するようになるため、半田バンプの接続寿
命を予知する技術が半導体集積回路装置の故障を未然に
防止する観点から不可欠となる。

本発明は、上記した課題に着目してなされたものであり
、その目的は、半田バンプの接続寿命を予知することの
できる技術を提供することにある。

本発明の前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、次のとおりである。

本願の一発明は、実装基板の主面に半田バンプを介して
チップをフェイスダウンボンディングした半導体集積回
路装置であって、上記半田バンプの接続特性の経時的変
動を診断するための検査用バンプを少なくとも一対備え
ているものである。

本願の他の発明は、上記一対の検査用バンプをチップの
周辺部に設けるものである。

〔作用〕

上記した手段によれば、検査用バンプの接続特性の経時
的な変動を診断することによって、通常の半田バンプの
接続寿命を予知することが可能となる。この場合、熱的
応力や機械的応力などの歪が集中し易いために半田バン
プの接続寿命が最も短くなると予想されるチップ周辺部
に上記検査用バンプを配置することにより、半田バンプ
の接続不良に起因する半導体集積回路装置の故障をより
確実に防止することができる。

〔実施例〕 第１図は、本実施例の半導体集積回路装置であるチップ
キャリヤ１をモジュール基板１１に実装した状態を示す
断面図である。

チップキャリヤ１は、ムライトなどのセラミック材料か
らなるパッケージ基板２の主面の電極３上に半田バンプ
４を介して半導体チップ５をフェイスダウンボンディン
グし、このチップ５をキャップ６で気密封止したパッケ
ージ構造を備えている。上記キャップ６の寸法は、縦Ｘ
横が約１０〜１４ｍ＋ｎＸ１０〜１４は程度である。キ
ャップ６は、例えば窒化アルミニウム（Ａ　Ｉ　Ｎ）な
どの高熱伝導性セラミックからなり、封止用半田７によ
ってパッケージ基板２の主面に接合されでいる。パッケ
ージ基板２の主面の周縁部およびキャップ６の脚部の下
面のそれぞれには、封止用半田７の濡れ性を向上させる
ための半田接合用メタライズ１２が設けられている。上
記半田接合用メタライズ１２は、例えばＴｉ　／　Ｎ　
ｉ　／　Ａ　ｕの複合金属膜からなる。上記キャップ６
内に封止されたチップ５の背面（上面）は、伝熱用半田
８によってキャップ６の下面に接合され、チップ５から
発生する熱が上記伝熱用半田８を通じてキャップ６に伝
達されるようになっている。上δ己伝熱用半田８の濡れ
性を向上させるため、キャップ６の下面（またはチップ
５の背面）には、半田接合用メタライズ１２が設けられ
ている。キャップ６の上面には、必要に応じてヒートン
ンク（図示せず）などが搭載されるようになっている。

パッケージ基板２の内層には、例えばＷ（タングステン
）からなる内部配線９が形成され、この内部配線９を通
じてパッケージ基板２の主面側の電極３と下面側の電極
３とが電気的に接続されている。チップキャリヤ１は、
パッケージ基板２の下面側の電極３に接続された半田バ
ンプ１０を介してモジュール基板１１の主面の電極１３
と電気的に接続されている。

上記チップキャリヤ１を組立てるには、まずチップ５の
主面の電極パッド１４上に半田バンプ４を形成した後、
チップ５の主面を下方に向け、半田バンプ４をパッケー
ジ基板２の主面の電極３上に正確に位置決めする。この
位置決ｔは、チップマウント装置などの機械を用いて行
う。次に、チップ５が位置決めされた上記パッケージ基
板２を不活性ガス雰囲気のりフロー炉に移送し、この中
で半田バンプ４を加熱、再溶融することによってチップ
５をパッケージ基板２の主面にフェイスダウンボンディ
ングする。次に、封止用半田７を用いて上記パッケージ
基板２の主面にキャップ６を接合するとともに、伝熱用
半田８を用いてチップ５の背面をキャップ６の下面に接
合する。パッケージ基板２の主面にキャップ６を半田付
けするには、あらかじめパッケージ基板２の主面および
キャップ６の脚部に封止用半田７を設けておき、次いで
パッケージ基板２の主面にキャップ６を被せた後、リフ
ロー炉にて封止用半田７を加熱、再溶融する。このとき
、封止用半田７の濡れ広がり性を向上させるため、キャ
ップ６の上に錘りなどを載せて適度の荷重を印加する。

キャップ６をパッケージ基板２の主面に半田付けする作
業と、チップ５の背面をキャップ６の下面に半田付けす
る作業とは同一工程で行われる。従って、封止用半田７
と伝熱用半田８とは、溶融温度がほぼ等しい半田材料で
構成される。また、封止用半田７右よび伝熱用半田８は
、半田バンプ４を構成する半田よりも溶融温度の低い半
田で構成される。さもないと、リフロー炉内で封止用半
田７および伝熱用半田８を加熱、溶融する際に半田バン
プ４が再溶融し、キャップ６にかかる荷重によって半田
バンプ４が潰れてしまうために、隣り合った半田バンプ
４同士が短絡してしまうからである。このような理由か
ら、半田バンプ４は、例えば３〜４重量％程度のＳｎを
含有するＰ　ｂ　／　Ｓ　ｎ合金（溶融温度３２０〜３
３０℃程度）などの半田で構成され、封止用半田７およ
び伝熱用半田８は、例えばＩＯ重量％程度のＳｎを含有
するＰ　ｂ　／　Ｓ　ｎ合金（溶融温度−２９０〜３１
０℃程度）などの半田で構成される。

上記のような方法で組立てたチップキャリヤ１をモジニ
ール基板１１に実装するには、パッケージ基板２の下面
の電極３に半田バンプ１０を接続し、この半田バンプ１
０をモジュール基板１１の主面の電極１３上に正確に位
置決めする。次に、チップキャリヤ１が位置決めされた
上記モジュール基板１１を不活性ガス雰囲気のりフロー
炉に移送し、この中で上記半田バンプ１０を加熱、再溶
融する。このとき、前記封止用半田７や伝熱用半田８の
再溶融を防止するため、上記半田パンプ１０は、封止用
半田７や伝熱用半田８よりもさらに低融点の半田、例え
ば３．５重量％程度のＡｇを含有するＳ　ｎ　／　Ａ　
ｇ合金（溶融温度＝２２０〜２５０℃程度）などにより
構成される。図示はしないが、上記モジュール基板１１
の主面には、上記のような方法で実装されたチップキャ
リヤｌが複数搭載され、所定のシステムが構成されてい
る。

本実施例のチップキャリヤ１は、キャップ６内に封止さ
れたチップ５の主面に一対の検査用半田バンプ４ａ、４
ｂを備えている。上記一対の検査用半田バンプ４ａ、４
ｂは、その他の半田バンプ４と同一組成、同一寸法の半
田で構成され、半田パンプ４をチップ５の電極パッド１
４上に形成する工程で同時に形成される。検査用半田バ
ンプ４ａ、４ｂが接続されている電極パッド１４ａ、１
４ｂは、その他の半田バンプ４が接続される電極パッド
１４とは異なり、チップ５の集積回路素子間を接続する
配線（図示せず）とは絶縁されている。すなわち、検査
用半田バンプ４ａ、４ｂは、チップ５の集積回路に信号
や電源を供給する外部端子としての機能を有していない
。上記電極パッド１４ａ、１４ｂは、チップ５の主面の
空領域に形成されている。

上記チップキャリヤ１のパッケージ基板２の主面には、
上記検査用半田バンプ４ａ、４ｂが接続される専用の電
極３ａ、３ｂが設けられている。

また、パッケージ基板２の下面にも、専用の電極３ａ、
３ｂが設けられている。パッケージ基板２の主面側の電
極３ａ、３ｂと下面側の電極３ａ。

３ｂとは、パッケージ基板２の内層に設けられた専用の
内部配線９ａ、９ｂを通じて電気的に接続されている。

パッケージ基板２の下面側の電極３ａ、３ｂは、半田バ
ンプ１０，１０を介してモジュール基板１１の電極１３
ａ、１３ｂと電気的に接続されている。

特に制限はされないが、上記検査用半田バンプ４ａ、４
ｂが接続される電極パッド１４ａ、１４ｂ間は、チップ
５内の専用の配！［１５を通じて電気的に接続されてい
る。上記配線１５は、チップ５の集積回路素子間を接続
する他の配線とは絶縁されており、集積回路に信号や電
源を供給する配線としての機能を有していない。上記配
線１５は、他の配線と同一の導電材料（例えばＡｆ１合
金）で構成され、同一配線層の他の配線を形成する工程
で同時に形成される。この場合、配線１５は、検査用半
田バンプ４ａ、４ｂよりも長い寿命を確保するため、そ
の断面積を他の配線の断面積よりも大きくする。また、
配線１５の寿命を検査用半田バンプ４ａ、４ｂの寿命よ
りも長くするためには、配置１１５をＣｕのような信頼
度の高い材料で構成してもよい。

また、特に制限はされないが、上記検査用半田バンプ４
ａ、４ｂは、熱的応力や機械的応力などの歪が特に集中
し易いチップ５０周辺部に配置されている。

チップ５の主面に上記一対の検査用半田バンプ４ａ、４
ｂを設けた本実施例のチップキャリヤ１によれば、下記
のような作用、効果を得ることができる。

（１）、上言己チップキャリヤ１（こおいては、チップ
５の発熱に伴う熱的応力や、パッケージ構造に起因する
機械的応力などの歪により、半田パンプ４の内部や、半
田パンプ４と電極パッド１４との接合部（または半田パ
ンプ４と電極３との接合部）にクラックが生じて電気抵
抗が増大するなど、半田パンプ４の接続信頼性が経時的
に劣化してくる。

この場合、上記熱的応力や機械的応力などの歪は、外部
端子としての機能を有していない検査用半田バンプ４ａ
、４ｂにも同様に加わるたｔ、検査用半田バンプ４ａ、
４ｂの接続信頼性も経時的に劣化する。そこで、チップ
５内の配線１５を通じて電気的に接続された検査用バン
プ４ａ、４ｂ間の導通の有無や抵抗値の変動などを定期
的に検査し、検査用バンプ４ａ、４ｂの劣化の進行状況
を診断することにより、通常の半田バンプ４の接続寿命
を容易に予知することができる。このことにより、半田
バンプ４の接続不良を防止することができるので、上記
チップキャリヤｌをモジニール基板１１に実装したシス
テムの保守、点検が容易になり、システムの故障を未然
に防止することができる。

（２）、また、熱的応力や機械的応力などの歪が特に集
中し易いたｔに半田パンプの接続寿命が最も短くなると
予想されるチップ５の周辺部に検査用半田バンプ４ａ、
４ｂを配置したことにより、半田バンプ４の接続不良を
確実に防止することができる。

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、前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。

前記実施例では、一対の検査用半田バンプ４ａ４ｂ間を
チップ５内に設けた専用の配線１５を通じて電気的に接
続し、検査用バンプ４ａ、４ｂ間の導通の有無や抵抗値
の変動などを検査する場合について説明したが、前記チ
ップキャリヤ１は、半田パンプ４がキャップ６とパッケ
ージ基板２とに挟まれた構造となっているため、組立て
工程、あるいはチップ５の動作時に半田バンプ４が変形
し、隣りあった半田バンプ４．４同士が短絡する不良が
生じ得る。また、半田のマイグレーションによって、隣
りあった半田バンプ４，４同士が短絡する不良も生じ得
る。このような短絡不良を未然に防止するためには、検
査用半田パンプ４ａ。

４ｂ間を絶縁しておき、その絶縁特性の経時的な変動を
定期的に検査するのが有効である。

前記実施例では、一対の検査用半田バンプ４ａ。

４ｂをチップ５の周辺部に配置した場合について説明し
たが、チップキャリヤ１の使用環境やパッケージ構造に
よっては、チップ５の周辺部以外の箇所の半田パンプ４
に接続不良が多発することもある。例えば動作中のチッ
プ５の温度分布を観察すると、チップ５の中央部が最も
高温となるたｔ１半田バンプ４に加わる熱的応力はチッ
プ５の中央部でかなり大きくなると予想される。そこで
、チップ５の周辺部のみならず、中央部にも別の検査用
半田バンプ４ａ、４ｂを配置することにより、半田パン
プ４の接続寿命をより確実に予知することができる。

以上の説明では、主として本発明者によってなされた発
明をその背景となった利用分野であるチップキャリヤに
適用した場合について脱すしたが、本発明はこれに限定
されるものではなく、少なくとも実装基板の主面に半田
パンプを介してチップをフェイスダウンボンディングし
た半導体集積回路装置に適用することができる。

〔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、下記の通りである
。

実装基板の主面に半田パンプを介してチップをフェイス
ダウンボンディングした半導体集積回路装置であって、
上記チップに上記半田パンプの接続特性の経時的変動を
診断するための検査用バンプを少なくとも一対設けた本
発明の半導体集積回路装置によれば、上記検査用バンプ
の接続特性の経時的な変動を診断することによって、通
常の半田パンプの接続寿命を予知することが可能となる
ので、上言己半田バンプの接続不良に起因する半導体集
積回路装置の故障を未然に防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チップキャリヤ形半
導体集積回路装置の要部断面図、第２図は、従来のチッ
プキャリヤ形半導体集積回路装置の要部破断正面図であ
る。 １・・・チップキャリヤ、２・・・パッケージ基板、３
．３ａ、３ｂ、１３．１３ａ、１３ｂ・・・電極、４．
１０・・・半田パンプ、４ａ、４ｂ・・・検査用半田パ
ンプ、５・・・半導体チップ、６・・・キャップ、７・
・・封止用半田、８・・・伝熱用半田、９．９ａ、９ｂ
・・・内部配線、１１・・・モジ、−ル基板、１２・・
・半田接合用メタライズ、１４．１４ａ、１４ｂ・・・
電極パッド、１５・・・配線。 代理人　弁理士　筒　井　大　和

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、実装基板の主面に半田バンプを介して半導体チップ
   をフェイスダウンボンディングした半導体集積回路装置
   であって、前記半田バンプの接続特性の経時的変動を診
   断するための、少なくとも一対の検査用バンプを備えて
   いることを特徴とする半導体集積回路装置。２、前記一
   対の検査用バンプは、半導体チップの周辺部に設けられ
   ていることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路
   装置。 ３、前記一対の検査用バンプは、半導体チップ内の配線
   を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求
   項１または２記載の半導体集積回路装置。