JPH1174417A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
ンプの断線や半導体チップのはがれのない信頼性の高い
BGA構造の半導体装置を提供する。 【解決手段】 積層された複数の絶縁層、該複数の絶縁
層それぞれの上面に設けられた複数の配線、および異な
る絶縁層上面に設けられた複数の配線を電気的に接続す
るために絶縁層に設けられた複数のビアホールからなる
BGA基板と、前記複数の配線にそれぞれ接続される複
数の電極を有する半導体チップとを含んでなる半導体装
置であって、前記複数の絶縁層の材料が、半導体装置が
実装される実装基板の熱膨張特性にあわせられた有機系
材料からなる半導体装置。
Description
ケージ構造に関する。さらに詳しくは、半導体装置を製
品に実装するときのはんだ付に用いられるはんだボール
がマトリクス状に基板の裏面に配置されたBGA(Ball
Grid Array)構造を有する半導体装置のパッケージ構
造に関する。
4号公報に開示されるように、半導体素子のパッケージ
ングにはプラスチックパッケージ、メタルパッケージ、
セラミックスパッケージが使われている。これらのう
ち、セラミックスパッケージは絶縁性、放熱性、耐湿性
を有することからCMOSゲートアレイやECLゲート
アレイなどのパッケージングに使用されている。
ラスチックパッケージのうち、BGAパッケージが表面
実装形パッケージの一種として使用されつつあること
が、開示されている。BGAパッケージは、半導体チッ
プを配置する基板の半導体チップ側の面にはんだバンプ
をアレイ状に配置し、半導体チップと反対側の面に球形
のはんだボールをアレイ状に配置し、基板の表面に半導
体チップを配置し、モールド樹脂あるいはポッティング
で封止することによって製造し、とくに200ピンを超
える多ピンパッケージとして用いられるものである。こ
こで、基板の裏面に外部電極となるはんだボールをマト
リクス状に配置した構造をBGA構造という。また、半
導体装置をこのBGA構造によってパッケージングする
ことをBGAパッケージといい、BGA構造となるよう
に絶縁層を積層した基板をBGA基板という。
のばあい、基板の材料としては有機系材料が用いられる
ことがあるが、このBGAパッケージの半導体装置を実
装基板に表面実装するばあい、半導体チップとBGA基
板と実装基板とのあいだでの熱膨張量の差が問題とな
る。
ップと反対側の面に設けられる外部電極であるはんだボ
ール、および半導体チップ側の面に設けられるはんだバ
ンプのうち、最外周側ほどBGA基板の熱膨張量が大き
いため、熱膨張によって生じるストレスが最も大きく、
半導体チップとの接合のためのはんだバンプの断線や半
導体チップそのもののはがれが生じるという問題があ
る。
ばあいは、一体焼結法により層間の接続配線に関して微
細な配線設計が可能であり、基板内の信号線の配線は任
意にできたが、有機系材料のばあいは、絶縁層をまず一
層形成し、この一層に対して信号線を配線し、層間の接
続をとるビアホールを形成し、その上層につぎの一層を
形成し、信号線およびビアホールを設ける(ビルドアッ
プ法)製法であるため、配線設計の制約が多く、前述の
熱膨張の問題を解決しうるBGA構造の材料および信号
線の配線形態はえられていない。
てもはんだバンプの断線や半導体チップのはがれのない
信頼性の高いBGA構造の半導体装置を提供することを
目的とする。
半導体装置は、積層された複数の絶縁層、該複数の絶縁
層それぞれの上面に設けられた複数の配線、および異な
る絶縁層上面に設けられた複数の配線を電気的に接続す
るために絶縁層に設けられた複数のビアホールからなる
BGA基板と、前記複数の配線にそれぞれ接続される複
数の電極を有する半導体チップとを含んでなる半導体装
置であって、前記複数の絶縁層の材料が、半導体装置が
実装される実装基板の熱膨張特性にあわせられた有機系
材料からなるものである。
記実装基板の熱膨張特性が線膨張係数で示され、前記実
装基板の線膨張係数が1×10-5〜2×10-5/℃のば
あい、前記絶縁層の線膨張係数が1×10-5〜6×10
-5/℃である。
記有機系材料がエポキシ系樹脂およびテトラフルオロエ
チレン系樹脂のうちの少なくとも1つを含むものであ
る。
層された複数の絶縁層、該複数の絶縁層それぞれの上面
に設けられた複数の配線、および異なる絶縁層上面に設
けられた複数の配線を電気的に接続するために絶縁層に
設けられた複数のビアホールからなるBGA基板と、前
記複数の配線にそれぞれ接続される複数の電極を有する
半導体チップとを含んでなる半導体装置であって、前記
複数の電極が前記半導体チップのリング状の領域に設け
られ、最外周および最内周の列上の電極に電源および接
地が接続されるものである。
層された複数の絶縁層、該複数の絶縁層それぞれの上面
に設けられた複数の配線、および異なる絶縁層上面に設
けられた複数の配線を電気的に接続するために絶縁層に
設けられた複数のビアホールからなるBGA基板と、前
記複数の配線にそれぞれ接続される複数の電極を有する
半導体チップと、該半導体チップをBGA基板に密着さ
せる封止樹脂からなる封止部材と、前記半導体チップに
おいて発生した熱を外部に放散するヒートスプレッダー
と、前記プラスチック基板およびヒートスプレッダー間
に所定の間隔を設けかつ両者を接合するためのリングと
を含んでなる半導体装置であって、前記複数の絶縁層の
材料が、該半導体装置が実装される実装基板の熱膨張特
性にあわせられた有機系材料からなるものである。
造の実施の形態について説明する。
の半導体装置の一実施の形態について説明する。
BGA基板上に配置される半導体チップと、該半導体チ
ップにおいて発生した熱を外部に放散するヒートスプレ
ッダーと、前記BGA基板およびヒートスプレッダー間
に所定の間隔を設けかつ両者を接合するためのリングと
からなる。BGA基板は複数の絶縁層が重ねられた多層
構造であり、各絶縁層には複数の配線およびビアホール
が設けられる。前記BGA基板は、複数の絶縁層を重ね
るときにビアホールを介して所定の配線を互いに接続さ
せたものであり、複数の配線を絶縁層を介して立体的に
交差させることができ、半導体装置の小型化を実現する
ことができる。
一部切欠斜視説明図であり、図2は図1中のA−A線断
面による断面構造説明図である。図1において、1はB
GA基板、2は半導体チップ、3はヒートスプレッダ
ー、4はリング、6ははんだボール、8は封止部材を示
す。また、図2において、図1と同一の箇所は同じ符号
を用いて示したほか、5ははんだバンプ、5cは最外周
の列上のはんだバンプ(以下、単に「最外周はんだバン
プ」という)、5dは最内周の列上のはんだバンプ(以
下、単に「最内周はんだバンプ」という)、7aは第1
の接着層、7bは第2の接着層、9は配線、12はビア
ホールであり、13は絶縁層である。第1の接着層7a
は、BGA基板1およびリング4、ならびにヒートスプ
レッダー3およびリング4をそれぞれ接着している。第
2の接着層7bは、半導体チップ2およびヒートスプレ
ッダー3を接着している。
ず)は半導体装置の外部電極(図示せず)に電気的に接
続されている。はんだボール6は、はんだ材からなり、
半導体装置の外部電極に電気的に接続される。半導体チ
ップ2の複数の電極(図示せず)はそれぞれBGA基板
1の所定の配線に電気的に接続される。当該接続は、た
とえば、半導体チップ2の各電極表面およびBGA基板
1の各配線に接続された電極表面にはんだバンプをあら
かじめ設け、該はんだバンプを用いてはんだ付けするこ
とにより実現される。封止部材8は、封止樹脂からな
り、半導体チップ2をBGA基板1に密着させるために
設けられる。
口部が設けられたものである。前記開口部の形状は半導
体チップ2の形状に応じて定める。ヒートスプレッダー
3の形状はBGA基板1の形状と同様の薄板状である。
また、半導体チップ2およびヒートスプレッダー3、B
GA基板1およびリング4、ならびにヒートスプレッダ
ー3およびリング4は接着剤を用いて接着される。半導
体チップ2およびヒートスプレッダー3を接着する接着
剤は、耐熱性がよく、コスト的にメリットのあるエポキ
シ系接着剤である。一方、BGA基板1およびリング
4、ならびにヒートスプレッダーおよびリング4を接着
する接着剤は、半導体チップ2へのストレスを和らげる
ヤング率(E)の小さいシリコーン系接着剤である。
央部を除くリング状の領域にマトリクス状または千鳥状
に設けられている。またはんだバンプ5は、半導体チッ
プ2の外部電極およびBGA基板1の表面側の電極を接
合し、はんだボール6は、BGA基板1の裏面側の外部
電極と実装基板とを接合し、半導体チップと実装基板と
のあいだで、配線9およびビアホール12を介して電源
の入力や信号の入出力がおこなわれる構造とする。
述した熱膨張の問題を解決するため、実装基板の熱膨張
特性にあわせた有機系材料によって形成されている。熱
膨張特性は、ここでは線膨張係数で示されるものとす
る。また、BGA基板は複数の絶縁層からなるが、BG
A基板全体としての線膨張係数として示す。熱膨張の点
に関して、実装基板の材料はたとえば、FR4(AST
M D−1867規格によるガラス布基材エポキシ樹
脂)またはBTレジン(商品名。三菱ガス化学(株)製
樹脂)などが用いられており、その線膨張係数は1×1
0-5〜2×10-5/℃の範囲であるので、BGA基板の
材料は、その線膨張係数を実装信頼性の点から実装基板
の線膨張係数に対して1×10-5〜6×10-5/℃の範
囲となるようにあわせる。前記BGA基板は図2に示す
ように実装基板で用いられるFR4やBTレジンからな
るコア材1aの両側には線膨張係数1×10-5〜6×1
0-5/℃のビルドアップ絶縁層1bが積層されている。
BGA基板全体としての線膨張係数は1×10-5〜2×
10-5/℃であり、また、BGA基板内部での信頼性保
持(各コア材1の間の剥がれ防止)のために、ビルドア
ップ絶縁層1bの線膨張係数を1×10-5〜6×10-5
/℃とする。
A基板自身の信頼性が向上する。
び(または)テトラフルオロエチレン系樹脂を用いる。
エポキシ系樹脂とはエポキシ系樹脂にガラス繊維または
アクリル樹脂などを混入させたものをいう。また、テト
ラフルオロエチレン系樹脂とはテトラフルオロエチレン
樹脂にアクリル樹脂などを混入させたものをいう。
るメリットは、実装信頼性が向上し、低コスト化が
実現でき、さらに比誘電率εが3〜5以下の絶縁層が
形成でき高速対応が可能な半導体装置がえられることで
ある。
る。図3および図4は、本発明の半導体装置の製法の一
例を示す工程断面説明図である。図3および図4におい
て、図1および図2と同一の箇所は同じ符号を用いて示
した。なお、5aは、半導体チップ2に含まれる外部電
極(図示せず)に電気的に接続された第1のはんだバン
プ、5bは、BGA基板1に設けられた複数の配線の外
部電極(図示せず)に電気的に接続された第2のはんだ
バンプを示す。
第1のはんだバンプ5aを設け、同様に、BGA基板1
の複数の配線の一端部上に第2のはんだバンプ5bを設
ける(図3(a)参照)。ついで、BGA基板1表面の
うち第2のはんだバンプ5bが形成された領域にフラッ
クス材を塗布する。BGA基板1上に半導体チップ2を
載置し、第1のはんだバンプ5aおよび第2のはんだバ
ンプ5bを接触させた状態で、BGA基板1および半導
体チップ2を熱処理炉(いわゆるリフロー炉)内に投入
する。その結果、第1のはんだバンプ5aおよび第2の
はんだバンプ5bが溶け、互いに接触していた第1のは
んだバンプ5aおよび第2のはんだバンプ5bが一体と
なる。図3では、第1のはんだバンプおよび第2のはん
だバンプが一体になったものをはんだバンプ5として示
している。前記はんだバンプ5により、半導体チップ2
に含まれる電極とBGA基板1の複数の配線とが電気的
に接続される(図3(b)参照)。さらに、フラックス
材の洗浄を行ったのち、第1の接着層7aによりBGA
基板1にリング4を接着する(図3(c)参照)。つぎ
に、BGA基板1および半導体チップ2間の間隙部に封
止樹脂を注入し固め封止部材8を形成し、半導体チップ
2をBGA基板1に密着させた状態で固定する。つい
で、半導体チップ2上表面に接着剤を塗布して第2の接
着層7bを設け(図4(a)参照)、リング4上表面に
接着剤を塗布して第1の接着層7aを設けたのち、半導
体チップ2およびリング4上にヒートスプレッダー3を
載せ、半導体チップ2およびリング4にヒートスプレッ
ダー3を接着する(図4(b)参照)。最後に、BGA
基板1の複数の配線の他の端部に接続された半導体装置
の外部電極上にはんだボール6を設け、半導体装置をう
る(図4(c)参照)。
チック基板の材料が、実装基板の熱膨張特性にあわせら
れた有機系材料で形成されるので、熱ストレスに対する
信頼性の向上した半導体装置がえられる。
は、半導体チップ表面の周縁部であるリング状の領域に
設けられている。図5は、半導体チップ表面にリング状
に設けられたはんだバンプを示す平面説明図である。図
1および図2と同一の箇所は同じ符号を用いて示した。
最外周はんだバンプ5cはリング状の領域の最外周の列
上に位置させているので、半導体チップの熱膨張および
BGA基板の熱膨張がそれぞれ生じた際に、その差が最
も大きくなり、はんだバンプの断線が生じやすい。ま
た、最内周はんだバンプ5dはリング状の領域の最内周
の列上に位置させているので、封止部材の熱収縮による
ストレスが大きく、はんだバンプの断線が生じやすい。
内周はんだバンプは熱膨張や熱収縮によるストレスが大
きいので断線が生じやすいという問題がある。本実施の
形態は、かかる問題を考慮して、半導体チップへの電源
入力のための配線および接地の配線を前記最外周はんだ
バンプ5cおよび最外周から2列目のはんだバンプなら
びに最内周はんだバンプ5dに接続できるように絶縁層
上の配線および絶縁層間のビアホールの位置関係をあわ
せたものである。電源入力のための配線および接地の配
線は、それぞれ予備配線をともなっているので、半導体
チップの熱膨張およびBGA基板の熱膨張によりはんだ
バンプの接合に問題が生じても半導体チップの動作機能
に影響を与えることが全くない。さらに最外周はんだバ
ンプに関し、半導体チップの4箇所の角部は熱ストレス
が最も大きいため、はんだバンプによる接続を設けない
ことが望ましい。本実施の形態により熱ストレスに対す
る信頼性の向上した半導体装置がえられる。
形態2では半導体装置の一例としてヒートスプレッダー
およびリングを含んでなる半導体装置を説明したが、半
導体装置がヒートスプレッダーおよびリングを含まない
半導体装置であっても同様の効果がえられる。
積層された複数の絶縁層、該複数の絶縁層それぞれの上
面に設けられた複数の配線、および異なる絶縁層上面に
設けられた複数の配線を電気的に接続するために絶縁層
に設けられた複数のビアホールからなるBGA基板と、
前記複数の配線にそれぞれ接続される複数の電極を有す
る半導体チップとを含んでなる半導体装置であって、前
記複数の絶縁層の材料が、半導体装置が実装される実装
基板の熱膨張特性にあわせられた有機系材料からなるも
のであるので、熱ストレスに対する信頼性の向上した半
導体装置をうる。
記実装基板の熱膨張特性が線膨張係数で示され、前記実
装基板の線膨張係数が1×10-5〜2×10-5/℃のば
あい、前記絶縁層の線膨張係数が1×10-5〜6×10
-5/℃であるので、実装信頼性を向上できる。
記有機系材料がエポキシ系樹脂およびテトラフルオロエ
チレン系樹脂のうちの少なくとも1つであることが好ま
しい。
層された複数の絶縁層、該複数の絶縁層それぞれの上面
に設けられた複数の配線、および異なる絶縁層上面に設
けられた複数の配線を電気的に接続するために絶縁層に
設けられた複数のビアホールからなるBGA基板と、前
記複数の配線にそれぞれ接続される複数の電極を有する
半導体チップとを含んでなる半導体装置であって、前記
複数の電極が前記半導体チップのリング状の領域に設け
られ、最外周および最内周の列上の電極に電源および接
地が接続されるものであるので、熱ストレスに対する信
頼性の向上した半導体装置をうる。
層された複数の絶縁層、該複数の絶縁層それぞれの上面
に設けられた複数の配線、および異なる絶縁層上面に設
けられた複数の配線を電気的に接続するために絶縁層に
設けられた複数のビアホールからなるBGA基板と、前
記複数の配線にそれぞれ接続される複数の電極を有する
半導体チップと、該半導体チップをBGA基板に密着さ
せる封止樹脂からなる封止部材と、前記半導体チップに
おいて発生した熱を外部に放散するヒートスプレッダー
と、前記BGA基板およびヒートスプレッダー間に所定
の間隔を設けかつ両者を接合するためのリングとを含ん
でなる半導体装置であって、前記複数の絶縁層の材料
が、該半導体装置が実装される実装基板の熱膨張特性に
あわせられた有機系材料からなるものであるので、熱ス
トレスに対する信頼性の向上した半導体装置をうる。
切欠斜視説明図である。
説明図である。
断面説明図である。
断面説明図である。
んだバンプを示す平面説明図である。
ッダー、4 リング、5 はんだバンプ、6 はんだボ
ール、8 封止部材、9 配線、12 ビアホール、1
3 絶縁層。
Claims (5)
- 【請求項1】 積層された複数の絶縁層、該複数の絶縁
層それぞれの上面に設けられた複数の配線、および異な
る絶縁層上面に設けられた複数の配線を電気的に接続す
るために絶縁層に設けられた複数のビアホールからなる
BGA基板と、前記複数の配線にそれぞれ接続される複
数の電極を有する半導体チップとを含んでなる半導体装
置であって、前記複数の絶縁層の材料が、半導体装置が
実装される実装基板の熱膨張特性にあわせられた有機系
材料からなる半導体装置。 - 【請求項2】 前記実装基板の熱膨張特性が線膨張係数
で示され、前記実装基板の線膨張係数が1×10-5〜2
×10-5/℃のばあい、前記絶縁層の線膨張係数が1×
10-5〜6×10-5/℃である請求項1記載の半導体装
置。 - 【請求項3】 前記有機系材料がエポキシ系樹脂および
テトラフルオロエチレン系樹脂のうちの少なくとも1つ
である請求項1または2記載の半導体装置。 - 【請求項4】 積層された複数の絶縁層、該複数の絶縁
層それぞれの上面に設けられた複数の配線、および異な
る絶縁層上面に設けられた複数の配線を電気的に接続す
るために絶縁層に設けられた複数のビアホールからなる
BGA基板と、前記複数の配線にそれぞれ接続される複
数の電極を有する半導体チップとを含んでなる半導体装
置であって、前記複数の電極が前記半導体チップのリン
グ状の領域に設けられ、最外周および最内周の列上の電
極に電源および接地が接続される半導体装置。 - 【請求項5】 積層された複数の絶縁層、該複数の絶縁
層それぞれの上面に設けられた複数の配線、および異な
る絶縁層上面に設けられた複数の配線を電気的に接続す
るために絶縁層に設けられた複数のビアホールからなる
BGA基板と、前記複数の配線にそれぞれ接続される複
数の電極を有する半導体チップと、該半導体チップをB
GA基板に密着させる封止樹脂からなる封止部材と、前
記半導体チップにおいて発生した熱を外部に放散するヒ
ートスプレッダーと、前記プラスチック基板およびヒー
トスプレッダー間に所定の間隔を設けかつ両者を接合す
るためのリングとを含んでなる半導体装置であって、前
記複数の絶縁層の材料が、該半導体装置が実装される実
装基板の熱膨張特性にあわせられた有機系材料からなる
半導体装置。
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