JPWO2017006391A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

配線基板2と、配線基板2上に固定された半導体チップ1と、半導体チップ1を封止する封止体4と、配線基板2の下面側に設けられた複数の半田ボール5と、を有するBGA9である。BGA9の配線基板2の第1配線層2iの上面2iaの平坦度は、下面2ibの平坦度よりも低く、第2配線層2jに設けられた第1パターン2jcは、第1配線層2iに設けられた第1パターン2icと重なる位置に設けられている。また、平面視において、第1配線層2iに設けられた第1パターン2icの面積は、第2配線層2jに設けられた複数(例えば、2つ)の第2パターン2jdの面積よりも大きく、第2配線層2jに設けられた第1パターン2jcには、第2絶縁層2hの一部を露出する第1開口部2jmが形成されている。

Description

本発明は、半導体装置に関し、例えば、半導体チップが多層配線基板に搭載された半導体装置に適用して有効な技術に関する。
多層配線基板を有する半導体装置では、電気特性の向上や放熱経路を確保するために、多層配線基板の最下層の配線層に面積が大きな放熱用または電源・GND用のパターンを設けている。そして、例えばBGA(Ball Grid Array)の放熱用のパターンにおいては、放熱用の複数の半田ボールが設けられているものもあり、これらの半田ボールを介して実装基板(マザーボード)へ熱伝導が行われている。
なお、2層の配線層を有するプラスチック配線基板について、その構造が、例えば、特開平10−303334号公報(特許文献1)に開示されている。また、4層の配線層をを有する多層配線基板の構造が、例えば、特開2006−147676号公報(特許文献2)および特開2014−123783号公報(特許文献3)に開示されている。さらに、配線基板において、NSMD(Non-Solder Mask Defined)構造の半田ボール用のランドが、例えば、特開2014−103152号公報(特許文献4)に開示されている。
特開平10−303334号公報 特開2006−147676号公報 特開2014−123783号公報 特開2014−103152号公報
多層配線基板を有する半導体装置においてその熱伝導を考慮すると、多層配線基板の最下層の配線層には大きな面積の導電性パターン(例えば、放熱パターン)を形成しておくことが有効であるが、近年、チップの高性能化に伴い、より発熱量の多い半導体チップが搭載されることが多くなり、放熱性を上げるために、より大きな放熱パターンを形成する必要性が生じている。
また、半導体装置をマザーボード(実装基板)に搭載する際には、例えば約250℃〜260℃でリフローを行うが、リフローによって多層配線基板が高温に加熱されると、多層配線基板内の絶縁層等からガス(アウトガス)が発生する。このような現象は、半導体装置組立て後の後工程のテストの際の加熱時等、及び半導体装置が塔載されたマザーボードが、高温の環境下で使用される場合等においても、発生するだろう。そして、半導体装置の多層配線基板において、その最下層の配線層に大きな放熱パターンが設けられている場合には、多層配線基板内の絶縁層の樹脂等から発生するガスが多層配線基板の下層側から外へ逃げ難い状態となっている。
その結果、多層配線基板の樹脂等から発生するガスが、大きな放熱パターンによって半導体装置の外へ抜け難い状態となっているため、局所的に多層配線基板の内部の圧力が高くなり、接着性が低い下層側の配線層とその直下の絶縁層との間で配線層の剥離が起こることを、本願発明者は見出した。
そして、上述の剥離が発生すると、多層配線基板の下層側でフクレが引き起こされ、その結果、半導体装置をマザーボードに実装した際に実装不良が発生し、半導体装置の信頼性が低下する。
その他の課題と新規な特徴は、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。
一実施の形態による半導体装置は、第1絶縁層、上記第1絶縁層の第1面側を覆う第1保護膜、上記第1絶縁層の第2面に接合された第1配線層、上記第1配線層の第1面に接合された第2絶縁層、上記第2絶縁層の第1面に接合された第2配線層、および上記第2配線層の第1面を覆う第2保護膜、を有する配線基板と、上記第1保護膜の第1面に固定された半導体チップと、を含む。さらに、上記第1配線層の第2面の平坦度は、上記第1配線層の上記第1面の平坦度よりも低く、上記第1配線層は、第1パターンを有し、上記第2配線層は、第1パターンと、複数の第2パターンと、を有し、上記第2配線層に設けられた上記第1パターンは、上記第1配線層に設けられた上記第1パターンと重なる位置に設けられている。さらに、平面視において、上記第2配線層に設けられた上記第1パターンの面積は、上記第2配線層に設けられた上記複数の第2パターンの総面積よりも大きく、上記第2配線層に設けられた上記第1パターンには、上記第2絶縁層の一部を露出する開口部が形成されている。
また、一実施の形態による他の半導体装置は、第1絶縁層、上記第1絶縁層の第1面側に位置する第1保護膜、上記第1絶縁層の第2面に貼り付けられた第1配線層、上記第1配線層の第1面に貼り付けられた第2絶縁層、上記第2絶縁層の第1面に貼り付けられた第2配線層、および上記第2配線層の上記第1面を覆う第2保護膜、を有する配線基板を含む。さらに、上記第1保護膜の第1面に搭載された半導体チップと、上記半導体チップおよび上記配線基板の上記第1保護膜の上記第1面を封止する封止体と、を含み、上記第1配線層の第2面の平坦度は、上記第1配線層の上記第1面の平坦度よりも低く、上記第1配線層は、第1パターンを有し、上記第2配線層は、第1パターンと複数の第2パターンと、を有している。さらに、上記第2配線層に設けられた上記第1パターンは、上記第1配線層に設けられた上記第1パターンと重なる位置に設けられ、上記第2配線層に設けられた上記第1パターンの総面積は、上記第2配線層に設けられた上記複数の第2パターンの総面積よりも大きく、上記第2配線層に設けられた上記第1パターンには、上記第2絶縁層の表面を露出する開口部が形成されている。
上記一実施の形態によれば、半導体装置の信頼性を高めることができる。
実施の形態の半導体装置の構造の一例を示す平面図である。 図1に示す半導体装置の構造の一例を示す側面図である。 図1に示す半導体装置の構造の一例を示す裏面図である。 図3に示すA−A線に沿って切断した構造の一例を示す断面図である。 図1に示す半導体装置の封止体を取り除いた構造の一例を示す平面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板における最上層の配線層(L1)の配線パターンを示す平面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板における上から2番目の配線層(L2)の配線パターンを示す平面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板における上から3番目の配線層(L3)の配線パターンを示す平面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板における最下層の配線層(L4)の配線パターンを示す平面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板の裏面(下面)の構造の一例を示す裏面図である。 検討例の半導体装置の実装構造における熱伝導状態を示す断面図である。 検討例の半導体装置の実装前と実装時の構造を示す断面図である。 検討例の半導体装置の実装構造を示す断面図および部分拡大断面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板における最下層の配線層(L4)の配線パターンの部分平面図である。 図14のA−A線に沿って切断した構造の一例を示す断面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板における最下層の配線層(L4)の配線パターンの部分平面図である。 図16のB−B線に沿って切断した構造の一例を示す断面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板の組立て手順の一例を示すフロー図および断面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板の組立て手順の一例を示すフロー図および断面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板の組立て手順の一例を示すフロー図および断面図である。 図1の半導体装置の組立て手順を示すフロー図、斜視図および断面図である。 図1の半導体装置の組立て手順を示すフロー図および断面図である。 図1の半導体装置の組立て手順を示すフロー図および斜視図である。 図1の半導体装置の組立て手順を示すフロー図および斜視図である。 図1に示す半導体装置の実装構造の一例を示す断面図である。 図1の半導体装置の配線基板における最下層の配線層の配線パターンと半導体チップの位置関係の第1変形例を示す部分平面図である。 図1の半導体装置の配線基板における最下層の配線層の配線パターンと半導体チップの位置関係の第1変形例を示す部分平面図である。 図1の半導体装置の配線基板における最下層の配線層の配線パターンの第1変形例を示す部分平面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板における上から2番目の配線層(L2)の配線パターンの第2変形例を示す平面図である。 図1に示す半導体装置の配線基板における上から3番目の配線層(L3)の配線パターンの第2変形例を示す平面図である。 実施の形態の第3変形例の半導体装置の構造を示す断面図である。 図1の半導体装置の配線基板における最上層の配線層の配線パターンの第4変形例を示す平面図である。 図32のA−A線に沿って切断した半導体装置の構造の第4変形例を示す断面図である。 実施の形態の第5変形例の配線基板の組立て手順を示すフロー図および断面図である。 比較検討例の半導体装置の配線基板におけるSMD構造を示す部分断面図である。 図35に示すSMD構造を示す部分平面図である。 比較検討例の半導体装置の配線基板におけるNSMD構造を示す部分断面図である。 図37に示すNSMD構造を示す部分平面図である。
以下の実施の形態では特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。
また、以下の実施の形態において、要素の数など(個数、数値、量、範囲などを含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。
また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
また、以下の実施の形態において、構成要素等について、「Aから成る」、「Aより成る」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
<半導体装置>
図1〜図4に示す本実施の形態の半導体装置は、配線基板2の上面2a上に半導体チップ1が搭載され、この半導体チップ1が樹脂製の封止体4によって封止された樹脂封止タイプの半導体パッケージである。そして、半導体チップ1は、配線基板2のボンディングリード(電極)2cとワイヤ(導電性部材)7を介して電気的に接続されており、本実施の形態では、前記半導体装置の一例として、配線基板2の下面2bに複数の外部端子である半田ボール5が設けられたBGA9について説明する。ただし、前記半導体装置の構造として、BGAに限らずLGA(Land Grid Array)であってもよい。
本実施の形態のBGA9の詳細構成について説明すると、4層の配線層を有する配線基板(多層配線基板)2と、配線基板2のソルダレジスト膜(第1保護膜)2dの上面2aにダイボンド材6を介して搭載された半導体チップ1と、配線基板2の下面2b側に設けられた複数の半田ボール5(外部端子)と、を有している。
半導体チップ1は、主面1aと、主面1aとは反対側の裏面1bとを有しており、複数の電極パッド1cが主面1aの周縁に沿って形成されている。そして、裏面1bが配線基板2と対向するように、ダイボンド材(樹脂等からなる接着剤)6を介して配線基板2の上面2a(ソルダレジスト膜2dの上面2da)に搭載(固定)されている。
また、BGA9は、半導体チップ1の主面1aに形成された複数の電極パッド1cと、配線基板2の第2配線層(第1導電層L1)2mに形成された複数のボンディングリード2cとをそれぞれ電気的に接続する複数のワイヤ7と、半導体チップ1および配線基板2のソルダレジスト膜2dの上面2aを封止する封止体4と、を有している。
なお、図5に示すように、配線基板2の上面2a側においてソルダレジスト膜2dには、半導体チップ1の4つの辺のそれぞれに沿って4つの細長いレジスト開口2dbが形成されており、これらのレジスト開口2dbのそれぞれに複数のボンディングリード2cが配置されている。そして、レジスト開口2dbに露出した複数のボンディングリード2cのそれぞれと、半導体チップ1の主面1aの周縁に形成された複数の電極パッド1cのそれぞれとが、ワイヤ7によって電気的に接続されている。
また、BGA9では、図3に示すように複数の半田ボール5がペリフェラル配置で設けられている。ただし、複数の半田ボール5の配置は、ペリフェラル配置に限らずマトリクス配置等であってもよい。
ここで、半導体チップ1は、例えば、シリコンによって形成され、さらにワイヤ7は、例えば、金線または銅線である。また、封止体4を形成する封止用樹脂は、例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂である。
また、配線基板2には、図4に示すように、コア層である第1絶縁層(第2層間絶縁層IL2)2fと、第1絶縁層2fの上面(第1面)2faに接合された(貼り付けられた)第1配線層(第2導電層L2)2kと、第1配線層2kの上面(第1面)2kaに接合された(貼り付けられた)第2絶縁層2gと、第2絶縁層2gの上面(第1面)2gaに接合された(貼り付けられた)第2配線層2m(L1)と、が設けられている。
さらに、配線基板2には、第1絶縁層2fの上面2fa側を覆うソルダレジスト膜(第1保護膜)2dと、第1絶縁層2fの上面2faとは反対側の下面(第2面)2fbに接合された(貼り付けられた)第1配線層(第3導電層L3)2iと、第1配線層2iの下面(第1面)2ibに接合された(貼り付けられた)第2絶縁層2hと、が設けられている。
また、配線基板2には、第2絶縁層2hの下面(第1面)2hbに接合された(貼り付けられた)第2配線層(第4導電層L4)2jと、第2配線層2jの下面(第1面)2jb及び第2絶縁層(第3層間絶縁層IL3)2hの下面2hbを覆うソルダレジスト膜(第2保護膜)2eと、が設けられている。
そして、配線基板2では、第1配線層2i(L3)の下面2ibとは反対側の上面(第2面)2iaの平坦度は、第1配線層2i(L3)の下面2ibの平坦度よりも低い。すなわち、第1配線層2i(L3)の上面2iaは、下面2ibより粗くなっている。これは、後述する銅箔の表面が凸凹に形成される銅箔形成工程によるものである。
したがって、配線基板2において、第1配線層2i(L3)は、その上層の第1絶縁層(コア層)2fとの密着度が、下層の第2絶縁層2hとの密着度より高くなっている。
同様に、第1配線層2k(L2)の上面2kaとは反対側の下面2kbの平坦度は、上面2kaの平坦度よりも低い。すなわち、第1配線層2k(L2)の下面2kbは、上面2kaより粗くなっている。これも、後述する銅箔の表面が凸凹に形成される銅箔形成工程によるものである。
したがって、配線基板2において、第1配線層2k(L2)は、その下層の第1絶縁層(コア層)2fとの密着度が、上層の第2絶縁層(第1層間絶縁層IL1)2gとの密着度より高くなっている。
なお、配線基板2における各絶縁層(コア層である第1絶縁層2f、第2絶縁層2g,2h)は、例えば、樹脂系の絶縁材からなり、一方、各配線層(第2配線層2m(L1)、第1配線層2k(L2)、第1配線層2i(L3)、第2配線層2j(L4))は、例えば、銅合金からなる。
次に、配線基板(多層配線基板)2における各配線層の配線パターンの形状について説明する。
図6に示す配線層は、配線基板2における最上層の配線層である第2配線層2m(L1)の配線パターン(導電性パターン)である。第2配線層2mの略中央部には、第1パターン2mc(第1プレーン、第1導電性パターン、第1導電性プレーン)が形成されている。第1パターン2mcは、平面視で略四角形に形成され、例えば、第1放熱パターン(第1放熱プレーン)、第1電源パターン(第1電源プレーン)、第1GNDパターン(第1GNDプレーン)等として使用される(呼ばれる)ことも可能である。また、第1パターン2mcの周囲には、複数のボンディングリード(ボンディングパッド)2cが略四角形を形成するように並んで配置されている。さらに、各ボンディングリード2cは、信号用、GND用または電源用があり、それぞれに配線2mdが接続され、さらにスルーホール(ビア)2meを介して他の配線層と電気的に接続されている。
また、第1パターン2mcには複数のスルーホール2mfが散在して設けられている。これらのスルーホール2mfは、最下層の配線層である図9に示す第2配線層2j(L4)と電気的に接続されている。さらに、第1パターン2mcの略四角形の周縁部の4つの角部付近それぞれには、第2絶縁層2gの上面(第1面)2gaの一部を露出するための複数の開口部2mgが形成されている。更に、開口部2mg内には、ソルダレジスト膜2dの一部が形成されているため、第1パターン2mcとソルダレジスト膜2dとの密着性を向上させている。開口部2mgは、スリットまたは窪み部等とも呼ばれる。図6に示す開口部2mgの平面形状は、円形であるが、円形に限らず、四角形等であってもよい。
図7に示す配線層は、配線基板2における上から2番目の配線層である第1配線層2k(L2)の配線パターンである。第1配線層2kは、3つの領域に分割されている。中央部付近に配置され、かつ最も面積が大きなブロックが、第1パターン2kc(第1プレーン、第1導電性パターン、第1導電性プレーン、第1分割プレーン)であり、例えば、第1放熱パターン(第1放熱プレーン)、第1電源パターン(第1電源プレーン)、第1GNDパターン(第1GNDプレーン)等として使用される(呼ばれる)ことも可能である。
また、第1パターン2kcと分割された(電気的に分離された)パターンの一方が、第2パターン2kd(第2プレーン、第2導電性パターン、第2導電性プレーン、第2分割プレーン)であり、第1パターン2kcに比べて遥かに面積が小さい。例えば、第2放熱パターン(第2放熱プレーン)、第2電源パターン(第2電源プレーン)、第2GNDパターン(第2GNDプレーン)等として使用される(呼ばれる)ことも可能である。また、第1パターン2kcと分割された(電気的に分離された)パターンの他方が、第2パターン2ke(または第3パターン、第3プレーン、第3導電性パターン、第3導電性プレーン、第3分割プレーン)であり、第2パターン2kdとも分割された(電気的に分離された)パターンである。例えば、第2パターン2keは、上述の第2パターン2kdの別表現以外として、第3放熱パターン(第3放熱プレーン)、第3電源パターン(第3電源プレーン)、第3GNDパターン(第3GNDプレーン)等として使用される(呼ばれる)ことも可能である。
なお、上述のパターンの分割に関して、電源/GND系については個々の機能部から出るノイズの影響を避けるため、幾つかの機能ブロックごとに分けることが多く、結果として配線パターンが複数に分割される(同電位の電源であっても供給先によっては分割される場合がある)。いわゆる、第1パターン2kc、第2パターン2kd及び、第2パターン2keは、全て異なる電位でも良い。更に、例えば、第1パターン2kcはコア用GND/電源用途であり、第2パターン2kdはアナログ用GND/電源用途であり、第2パターン2keはIO用GND/電源用途として、用途別にパターンを分離しても良い。
また、第1配線層2k(L2)に形成された複数のスルーホールのうち、例えば、スルーホール2kfは、1層目の第2配線層2m(L1)のボンディングリード2cと接続されたスルーホール2meと接続されている。いわゆる、スルーホール2kfを介して、ボンディングリード2cと第1配線層2kの第1パターン2kcとが電気的に接続されている。また、スルーホール2kgは、1層目の第2配線層2m(L1)のボンディングリード2cと接続されたスルーホール2meと接続されているが、第1配線層2kの第1パターン2kcとは接続されていない。いわゆる、スルーホール2kgを介して、ボンディングリード2cと第1配線層2kの第1パターン2kcとが電気的に接続されていない。また、スルーホール2khは、1層目の第1パターン2mcと接続されたスルーホール2mfと接続されているが、第1配線層2kの第1パターン2kcとは接続されていない。いわゆる、スルーホール2khを介して、1層目の第1パターン2mcと第1配線層2kの第1パターン2kcとが電気的に接続されていない。
図8に示す配線層は、配線基板2における上から3番目の配線層である第1配線層2i(L3)の配線パターンである。第1配線層2iは、2つの領域に分割されている。中央部付近に配置された領域が、第1パターン2ic(第1プレーン、第1導電性パターン、第1導電性プレーン、第1分割プレーン)であり、例えば、第1放熱パターン(第1放熱プレーン)、第1電源パターン(第1電源プレーン)、第1GNDパターン(第1GNDプレーン)等として使用される(呼ばれる)ことも可能である。また、第1パターン2icと分割された領域が、第1パターン2icの周囲に設けられた第2パターン2idである。第2パターン2id(第2プレーン、第2導電性パターン、第2導電性プレーン、第2分割プレーン)は、例えば、第2放熱パターン(第2放熱プレーン)、第2電源パターン(第2電源プレーン)、第2GNDパターン(第2GNDプレーン)等として使用される(呼ばれる)ことも可能である。なお、第1配線層2i(L3)の上述のパターンの分割の理由に関しては、上述に記載した第1配線層2k(L2)と同様の理由である。
また、第1配線層2i(L3)に形成された複数のスルーホールのうち、例えば、第1パターン2icに形成されたスルーホール2ieは、1層目の第2配線層2m(L1)のボンディングリード2cと接続されたスルーホール2meと接続されている。いわゆる、スルーホール2ieを介して、ボンディングリード2cと第1配線層2iの第1パターン2icとが電気的に接続されている。また、スルーホール2igは、1層目の第2配線層2m(L1)のボンディングリード2cと接続されたスルーホール2meと接続されているが、第1配線層2iの第2パターン2idとは接続されていない。いわゆる、スルーホール2igを介して、ボンディングリード2cと第1配線層2iの第2パターン2idとが電気的に接続されていない。また、スルーホール2ihは、1層目の第1パターン2mcと接続されたスルーホール2mfと接続されているが、第1配線層2iの第1パターン2icとは接続されていない。いわゆる、スルーホール2ihを介して、1層目の第1パターン2mcと第1配線層2iの第1パターン2icとが電気的に接続されていない。また、第1配線層2iの第2パターン2idに形成されたスルーホール2ifは、1層目の第2配線層2m(L1)のスルーホール2mhと接続されている。
なお、第1配線層2iの第1パターン2icは、断面視(図4)または平面視(図8)において半導体チップ1と重なる位置に設けられている。
図9に示す配線層は、配線基板2における最下層の配線層である第2配線層2j(L4)の配線パターンである。
第2配線層2j(L4)は、断面視(図4)または平面視(後述する図14)において、半導体チップ1と重なる位置に設けられた第1パターン2jc(第1プレーン、第1導電性パターン、第1導電性プレーン)と、第1パターン2jcの周囲に設けられた複数の第2パターン2jd(第2導電性パターン)とを有している。
なお、第1パターン2jcは、例えば、第1放熱パターン(第1放熱プレーン)、第1電源パターン(第1電源プレーン)、第1GNDパターン(第1GNDプレーン)等として使用される(呼ばれる)ことも可能である。また、第2パターン2jdは、例えば、信号パターン、信号配線、電源配線、GND配線等とも呼ばれる。さらに、図4の断面図に示すように、透過平面視において、第2配線層2jの第1パターン2jcは、第1配線層2i(L3)に設けられた第1パターン2icと重なる位置に設けられている。
また、平面視(図9)において、第2配線層2j(L4)に設けられた第1パターン2jcの外径は、第2配線層2j(L4)に設けられた複数(例えば、2つ)の第2パターン2jdの外径よりも大きい。
さらに述べると、平面視において、第2配線層2j(L4)に設けられた第1パターン2jcの面積(または、総面積)は、第2配線層2j(L4)に設けられた複数(例えば、2つ)の第2パターン2jdの面積(または、総面積)よりも大きい。
なお、複数の第2パターン2jdのそれぞれは、第2配線層2jの周縁部に2列で形成され、かつそれぞれに図2に示す半田ボール5が接続される複数のランド2jgを有している。ランド2jgは、例えば、ボールランド、電極パッド、外部電極パッドとも呼ばれる。
また、第2配線層2j(L4)に形成された複数のスルーホールのうち、例えば、第1パターン2jcに形成されたスルーホール2jjは、1層目の第2配線層2m(L1)の第1パターン2mcと接続されたスルーホール2mfと接続されている。いわゆるスルーホール2jjを介して第2配線層2mの第1パターン2mcと第2配線層2jの第1パターン2jcとが電気的に接続されている。また、スルーホール2jjは、第1配線層2kの第1パターン2kcや第1配線層2iの第1パターン2icとは電気的に接続されていない。
また、第2配線層2j(L4)の第2パターン2jdに接続されたスルーホール2jkは、スルーホール2jkを介して他の配線層(例えば、第2配線層2m(L1)、第1配線層2k(L2)、第1配線層2i(L3))に電気的に接続されている。
そして、第2配線層2j(L4)に設けられた第1パターン2jcには、図4に示す第2絶縁層2hの下面2hbの一部(表面)を露出する複数の第1開口部(開口部)2jmが形成されている。第1開口部2jmは、例えば、第1ガス抜き穴、第1スリット部、第1窪み部等とも呼ばれ、その平面形状は、円形であるが、円形に限らず、四角形やスリット状等であってもよい。
また、第2配線層2j(L4)の第1パターン2jcの複数の第1開口部2jmが設けられた領域の外側には、第2絶縁層2hの下面2hbの一部(表面)を露出する複数の第2開口部2jnが設けられている。第2開口部2jnは、第1開口部2jmと同様に、例えば、第2ガス抜き穴、第2スリット部、第2窪み部等とも呼ばれ、その平面形状は、円形であるが、円形に限らず、四角形やスリット状等であってもよい。図9に示す例では、第2開口部2jnは、第1パターン2jcの略四角形の周縁部の4つの角部付近それぞれに3つずつ設けられている。ただし、第2開口部2jnの数は、前述の数に限定されるものではない。
また、透過平面視において、第2配線層2j(L4)に設けられた第1パターン2jcは、第1配線層2i(L3)の第1パターン2icと重なって配置されている。更に第2配線層2j(L4)に設けられた第1パターン2jcは、第1配線層2i(L3)の第1パターン2icの内側に配置されている。
これは、最下層(L4)の中央部の第1パターン2jcの上層には、第1配線層2i(L3)の第1パターン2icが配置されているが、図8のT部に示すように、第1配線層2i(L3)の第1パターン2icには、第2配線層2m(L1)のボンディングリード2cと接続するためのスルーホール2ieを配置する迫り出した領域が4箇所設けられている。これにより、第2配線層2j(L4)の第1パターン2jcが、第1配線層2i(L3)の第1パターン2icの内側に配置された状態となっている。
また、第2配線層2j(L4)の第1パターン2jcは、図4に示すソルダレジスト膜(第2保護膜)2eから露出する複数の第1ランド2jhおよび第2ランド2jiを有しており、これら複数の各々の第1ランド2jhおよび第2ランド2ji上には、図4に示す複数の半田ボール5が搭載される。第2配線層2j(L4)の第1パターン2jcは、半導体チップ1と電気的に接続されていないため、第1ランド2jhおよび第2ランド2ji上に搭載された複数の半田ボール5は、半導体チップ1と電気的に接続されていない放熱用の半田ボールである。
一方、第2配線層2jにおける複数の各々の第2パターン2jdは、上記ソルダレジスト膜2eから露出する複数のランド2jgを有しており、複数の各々のランド2jg上には、外部端子として複数の上記半田ボール5が搭載されている。
図10は、配線基板2の裏面(下面2b)側のランド2jgの配列の一例を示すものである。
配線基板2の下面2bには、その中央部に放熱用の半田ボール5(サーマルボールとも呼ぶ)が接続される第1ランド2jhと第2ランド2jiとが露出している。また、下面2bの周縁部に沿って2列に並んで外部端子となる半田ボール5が接続される複数のランド2jgが露出している。
なお、複数のランド2jg、複数の第1ランド2jhおよび複数の第2ランド2jiのそれぞれは、ソルダレジスト膜(第2保護膜)2eによって、各ランドの周縁部が覆われており、それぞれSMD(Solder Mask Defined)構造となっている。
次に、本願発明者が検討した検討例を用いて本願発明の課題の詳細について説明する。図11は、検討例の半導体装置の実装構造における熱伝導状態を示す断面図、図12は検討例の半導体装置の実装前と実装時の構造を示す断面図、図13は検討例の半導体装置の実装構造を示す断面図および部分拡大断面図である。
図11に示すように、配線基板(多層配線基板)2を有するBGA30においては、その熱伝導を考慮すると、配線基板2の最下層の配線層には大きな面積の放熱パターン31を形成しておくことが有効である。しかしながら、半導体チップ1の高機能化のため、より発熱量の多い半導体チップ1が搭載されることが多くなっており、放熱性を上げるために、より大きな放熱パターン31を形成する必要性が生じている。
なお、放熱パターン31には放熱目的で複数のサーマルボール(半田ボール5)が設けられているため、これらのボール間には放熱経路を絶つような開口を形成することは好ましくないとされていた(放熱パターン31においてなるべく均等に放熱を行うことが好ましいとされていた)。加えて、電気特性の観点から最下層(最外層)の大きな配線パターンは、シールド効果を高める狙いもあるため、電気特性を向上させるためには、大きな配線パターンに複数の開口を設けることは好ましくないとされていた。
しかしながら、上述のように半導体チップ1の高機能化のため、より発熱量の多い半導体チップ1が搭載されることが多くなって来ており、放熱性および電気特性をさらに向上させるために、大きな放熱パターン31を形成する必要性が生じている。
ここで、図12に示すように、例えば、4層の配線層(L1、L2、L3、L4)を有する配線基板2を備えたBGA30で説明すると、BGA30は、マザーボード(実装基板)11への実装時にリフロー等で加熱されると、配線基板2も高温に加熱される。配線基板(多層配線基板)2が高温に加熱されると、基板内のR部で内圧が高くなり、そして絶縁層等からガスGが発生する(図12に示すガスGは、基材から高温時に発生するアウトガスであり、矢印Gは、ガスの脱湿経路も示している)。そして、BGA30の配線基板2において、その最下層の配線層の中央部に放熱パターン(放熱プレーン)31が設けられ、この放熱パターン31に放熱用の複数の半田ボール5が設けられている場合には、基板から発生するガスが下層側から外に逃げ難い状態となる。
すなわち、上述のようなBGA30では、基板の上側にはその中央部に半導体チップ1が搭載され、かつ半導体チップ1を覆うようにその周囲にモールド樹脂32が配置されている。したがって、基板内部で上方向に内圧がかかったとしても、半導体チップ1とモールド樹脂32とが配置されているため、配線基板2の強度が高く、上層側は配線基板2が変形し難い。言い換えると、4つの配線層のうち、L3とL4の配線層は、L1とL2の配線層に比べて変形がし易い。
さらに、最上層の配線層は、他の配線層に比べて開口が多いため、ガスGが上方に抜け易い。一方、最下層の配線層は、上述の放熱性の向上やシールド効果などの電気特性の向上を目的として、その放熱パターン31の面積も大きくなる傾向にあるため、ガスGは下層側からは、より抜け難い状態となっている。
そこで、本願発明者が、加熱された配線基板(多層配線基板)2の状態を検討したところ、加熱された基板および樹脂等から発生する上記ガスGが基板の中央部からは抜け難いため、局所的に基板内部の圧力が高くなる。その結果、図13の拡大断面図に示すように、下層側の配線層L3とその直下の絶縁層33との間で配線層L3の剥離(クラック)34が起こることを、本願発明者は見出した。
そして、上述の剥離34が発生すると、配線基板2の下層側の中央部でフクレが引き起こされ、その結果、BGA(半導体装置)30をマザーボード11に実装した際に実装不良が発生し、BGA30の信頼性が低下する。
なお、上述のような課題は、半導体装置(BGA30)組立て後の後工程のテストの際の加熱時等においても発生する。
また、後述する多層配線基板(配線基板2)の形成方法として、まず、コア層等の絶縁層の表裏両面に銅箔を接合するが、その際、銅箔の粗度が大きい表面が絶縁層と接合される。これは、銅箔と絶縁層との密着性を向上させるために、銅箔の面が凸凹となっている表面を絶縁層と接合する。詳細には、銅箔を絶縁層に接合する際には、銅箔を絶縁層に貼り付けてから両者に圧力を掛けている。例えば、L3の配線層をその上の絶縁層(例えば、コア) に接合する場合、銅箔の一方(貼り付ける側)の面は、電解反応による銅の結晶成長によって形成された凸凹の表面となっている。銅箔の凸凹の表面と絶縁層は、密着性は高いが、その反対側の銅箔の表面は、平坦度が高く、樹脂層との密着性が低い。その結果、4層の配線層を有する配線基板2のL3の配線層において、その直下の絶縁層(コア側と反対側の絶縁層)33との間で剥離34が発生し易いことを、本願発明者は見出した。
なお、2層の配線層を有する多層配線基板(配線基板)では、絶縁層の両側には、銅箔の粗度が大きい表面が絶縁層と接合される。したがって、銅箔(配線層)と絶縁層との密着度が高いため、配線層と絶縁層との剥離は起り難い。
次に、本実施の形態の配線基板2における上記課題への対策について説明する。
図14は、本実施の形態のBGA9の配線基板(多層配線基板)2の最下層の第2配線層2j(L4)における中央部の第1パターン2jcを示す平面図であり、図15は、図14のA−A断面を示している。
図14に示すように、平面視において、第2配線層2jに設けられた第1パターン2jcの面積は、図4に示す半導体チップ1の面積よりも大きい。言い換えると、第1パターン2jcの面積は、チップ搭載領域(チップ領域、第3領域)2jpの面積よりも大きい。
また、透過平面視において、上記半導体チップ1は、第2配線層2jに設けられた第1パターン2jcの内側に位置している。
そして、この第1パターン2jcにおいて、複数の第1開口部2jmが形成されている。第1パターン2jcには、複数の放熱用ランドであり、かつ互いに隣り合うように配置された第1ランド2jhと第2ランド2jiが形成されており、これらの第1ランド2jhと第2ランド2jiのそれぞれに図4に示す半田ボール5が接続され、この半田ボール5を介して放熱を行う。
また、複数の第1開口部2jmは、第1ランド2jhと第2ランド2jiとが設けられる第1領域(ランド領域、サーマルボール領域)2je内に設けられている。
さらに、第1領域2jeの外側に位置する第2領域(ランド領域の外側の領域、ランド外側領域)2jfには、複数の第2開口部2jnが形成されている。
なお、第1開口部2jmは、図14および図15に示すように、第1ランド2jhと第2ランド2jiとの間に形成されている。
また、図15に示すように、第2配線層2m(L1)の下面2mb、第1配線層2k(L2)の下面2kb、第1配線層2i(L3)の上面2iaおよび第2配線層2j(L4)の上面2jaには凹凸2nが形成されており、平坦度が低くなっている。これは、後述する銅箔形成工程に起因しており、その結果、凹凸2nが形成された各配線層の面は、これらの面に接触する各絶縁層との密着度が高くなっている。
すなわち、各配線層において、凹凸2nが形成されている面(平坦度が低い面)とその反対側の面(平坦度が高い面)とでは、凹凸2nが形成されている面の方が絶縁層との密着度が高い。例えば、第1配線層2i(L3)において、その上面2iaには凹凸2nが形成されており、一方、下面2ibには凹凸2nが略形成されていないため、上面2iaの方が下面2ibに比べて絶縁層に対して密着度が高い。すなわち、第1配線層2i(L3)では、上面2iaと下面2ibにおいて、下面2ibの方が絶縁層と剥離し易い状態となっている。
また、図16は、本実施の形態のBGA9の配線基板(多層配線基板)2の最下層の第2配線層2j(L4)における中央部の第1パターン2jcを示す平面図であり、図17は、図16のB−B断面を示している。
図16に示すように、第2配線層2j(L4)の第1パターン2jcは、複数のランド2jgが形成された第1領域2jeと、第1領域2jeの外側(周囲)に位置する第2領域2jfとを有している。そして、第1パターン2jcにおいて、ガスを抜くことが可能な開口部としては、第1開口部2jmと、第1開口部2jmとは異なる第2開口部2jnとが設けられており、第1開口部2jmは、第1領域2jeに配置され、かつ、第2開口部2jnは、第1領域2jeの外側の第2領域2jfに配置されている。いわゆる、第2絶縁層2hの下面2hbの一部(表面)が、第1開口部2jmと第2開口部2jnによって、露出されることにより、絶縁層の樹脂等から発生するガスが半導体装置の外へ抜け易くなっている。なお、平面視における第1開口部2jmの幅は、第2開口部2jnの幅より狭い。すなわち、平面視(図16)および断面視(図17)において、第1開口部2jmの大きさ(図17のW1)は、第2開口部2jnの大きさ(図17のW2)より小さい(W1<W2)。それは、第1ランド2jhと第2ランド2jiとのピッチの間隔が狭いため、第1開口部2jmの幅は狭くなっている。
第2開口部2jnは、その大きさが第1開口部2jmに比べて大きいため、ソルダレジスト膜2eとの密着度を高くすることができる。なお、第1開口部2jmの大きさ(W1)は、スルーホール2jjの大きさ(W3)とほぼ同じかそれより僅かに小さい。
また、第2配線層2j(L4)の第1パターン2jcの第1領域2jeには、複数のランド2jgが形成されている。これらのランド2jg(第1ランド2jh、第2ランド2ji)はサーマルボール(半田ボール5)搭載用のランドである。なお、第1領域2jeには、上述のように複数のランド2jg(第1ランド2jh、第2ランド2ji)が形成されているため、第1開口部2jmは、ランド間に配置することが好ましい。
具体的には、図16に示すように、第1ランド2jhと第2ランド2jiは、第1領域2jeにおいてマトリクス配置で設けられている。さらに、第1ランド2jhおよび第2ランド2jiの配列に対して斜め方向の間のそれぞれには、スルーホール2jjが設けられている。したがって、第1開口部2jmは、その平面視の大きさを小さくして第1ランド2jhと第2ランド2jiの間(マトリクス配置のボールの縦横間)に設けることが有効であり、これによって、第1領域2jeに複数の第1開口部2jmを配置することができる。
別の表現で述べると、第1パターン2jcの横方向をX方向、縦方向をY方向とすると、複数の第1開口部2jmは、平面視における横方向(X方向)または縦方向(Y方向)に配置されている。
一方、第2開口部2jnは、第1領域2jeの外側(周囲)の領域である第2領域2jfに形成される。その際、第2領域2jfには、ランド2jgは配置されておらず、所定数のスルーホール2jjが形成されているだけであるため、第1開口部2jmより大きい開口面積の第2開口部2jnを複数配置することができる。
このように本実施の形態の配線基板2では、その最下層の第2配線層2j(L4)の中央部の第1パターン2jcの第1領域2jeに、複数の第1開口部2jmが形成されているため、基板内部で発生するガス(アウトガス)を基板の下層側の中央部付近から外部に抜くことができる。また、第1領域2jeの外側の第2領域2jfに複数の第2開口部2jnが形成されているため、第1開口部2jmや第2開口部2jnを介して基板内部で発生するアウトガスをさらに基板の下層側から外部に抜くことができる。
これにより、BGA9のリフロー実装時や組立て後のテスト時等に配線基板2が加熱されて基板内部でアウトガスが発生した際にも、第1開口部2jmや第2開口部2jnを介してアウトガスを基板の下層側から抜くことができる。
したがって、基板内部で局所的に圧力が高くなることを低減することができ、その結果、図13に示す下層側の配線層L3とその直下の絶縁層33との間において、配線層L3の剥離(クラック)34が起こることを防止することができる。
これにより、BGA9の信頼性を向上させることができる。
なお、第1開口部2jmの配置される箇所は、第1ランド2jhと第2ランド2jiの間の位置に限定されることはない。例えば、第1領域2jeにおいて、第1ランド2jhおよび第2ランド2jiの配列に対する斜め方向の間の位置に空きスペースがあれば、上記空きスペースに設けてもよい。
さらに、第1開口部2jmと第2開口部2jnの開口の大きさについても、第1開口部2jmの方が第2開口部2jnより小さいことに限定されるものではない。例えば、第1領域2jeにおいて、第2開口部2jnより大きな開口の第1開口部2jmを設ける空きスペースがある場合には、上記大きな開口の第1開口部2jmを第1領域2jeに設けてもよいことは言うまでもない。また、第1開口部2jmと第2開口部2jnは、同じ大きさの開口部であってもよい。すなわち、第1開口部2jmと第2開口部2jnの大きさの関係は、様々である。
なお、第1開口部2jmや第2開口部2jnは、それらの上層の第2絶縁層2hの表面または内部を露出させるような開口であり、基板内部で発生するアウトガスを上記開口から逃がすことができるが、通常のスルーホールとは構造が異なっている。例えば、図15のQ部に示すスルーホール2jjは、最下層の配線パターンと最上層の配線パターンとを電気的に接続するスルーホール配線であるが、そのため、孔の内壁面に導体パターン2pが形成されており、例えば、第2絶縁層2hの表面または内部を露出させるような開口とはなっていない。すなわち、第2絶縁層2hが導体パターン2pによって囲まれた状態であるため、スルーホール2jjでは、第2絶縁層2h等で発生したアウトガスを基板外部に逃がすことができない。
ただし、通常のスルーホールとは異なり、内壁に導体パターン2pが形成されておらず、絶縁層の表面または内部を露出させることが可能な孔(窪みやスリット等も含む)であれば、本実施の形態の開口部として配置してもよい。
<配線基板の製造方法>
図18〜図20を用いて4層の配線層を有する配線基板2の製造方法について説明する。図18、図19および図20は、図1に示す半導体装置の配線基板の組立て手順の一例を示すフロー図および断面図である。
まず、図18のステップS1に示す銅箔形成を行う。ここでは、例えば、電解銅箔製法を用いて銅箔の形成を行う。すなわち、硫酸銅溶液12を用いてドラム電極(陰極)13に電解銅箔2qを形成する。電解銅箔製法は、硫酸銅溶液12の電解反応によりドラム状の陰極(ドラム電極13)の表面に銅を析出させ、所望の厚さになったら巻き取ることで銅箔を製造するものである。その際、銅箔のドラム側は平滑な表面(平坦度が良い面)になるが、外側(硫酸銅溶液側)は、銅箔の成長に伴って凹凸2nが大きくなり、表面は粗い(平坦度が悪い)状態となる。
上記銅箔形成の後、ステップS2に示す銅張積層板形成を行う。ここでは、粗度の大きな面を絶縁層側にしてコア層となる絶縁層である第1絶縁層2fの上下面に銅箔(電解銅箔2q)を貼る。
上記銅張積層板形成の後、ステップS3に示すレジスト形成(露光/現像)を行う。すなわち、レジスト膜をマスクとして銅箔(電解銅箔2q)に所望のパターンを露光・現像する。
上記レジスト形成後、ステップS4に示すエッチングを行う。すなわち、銅箔(電解銅箔2q)をエッチングし、銅箔(電解銅箔2q)に所望のパターンを形成する。
上記エッチング後、ステップS5に示す積層を行う。すなわち、上下面に配線パターン(第1配線層2k、第1配線層2i)が形成された第1絶縁層2fに対して、さらに上下面に第2絶縁層2gおよび第2絶縁層2hをブロック22で加圧して貼り付ける。この時、第2絶縁層2gの上層には第2配線層2mが貼り付けられており、一方、第2絶縁層2hの下層には第2配線層2jが、それぞれ粗度が大きい面を絶縁層側にして貼り付けられている。
上記積層後、図19のステップS6に示すスルーホール加工を行う。ここでは、例えば、ドリル14を用いて所望の位置に複数の貫通孔2rを形成する。なお、貫通孔2rの形成は、レーザーによって行うことも可能である。
上記スルーホール加工後、ステップS7に示すスルーホールめっき形成を行う。すなわち、各スルーホールの内壁に銅めっき2sを形成し、最上層の第2配線層2mと最下層の第2配線層2jとを銅めっき2sで繋ぐ。
上記スルーホールめっき形成を実施した後、ステップS8に示すレジスト形成・露光現像・エッチングを行う。すなわち、最上層の第2配線層2mおよび最下層の第2配線層2jのそれぞれにレジスト形成・露光現像・エッチングを行って所望の配線パターンを形成する。
上記レジスト形成・露光現像・エッチングを実施した後、図20のステップS9に示すソルダレジスト塗布を行う。すなわち、最上層の第2配線層2mの上層にソルダレジスト膜2dを形成し、一方、最下層の第2配線層2jの下層にソルダレジスト膜2eを形成し、さらにスルーホール2jj内にソルダレジスト2tを形成する。
上記ソルダレジスト塗布後、ステップS10に示す露光・現像を行う。ここでは、上層のソルダレジスト膜2dと下層のソルダレジスト膜2eに対して露光および現像を行って所望の各ソルダレジスト膜に所望のパターンを形成する。
上記露光・現像を行った後、ステップS11に示す表面処理を行う。ここでは、上面側に露出するボンディングリード2cや下面側に露出するランド2jgに表面処理、すなわち、Ni/Auめっき2uを形成する。これにより、4層の配線層を有した配線基板2の完成となる。図20の配線基板2においても、第2配線層2m(L1)の下面2mb(図15参照)、第1配線層2k(L2)の下面2kb(図15参照)、第1配線層2i(L3)の上面2ia(図15参照)および第2配線層2j(L4)の上面2ja(図15参照)のそれぞれには、銅箔形成工程によって凹凸2nが形成されており、絶縁層との密着度が高くなっている。ただし、第1配線層2k(L2)の上面2ka(図15参照)および第1配線層2i(L3)の下面2ib(図15参照)のそれぞれは、平坦度が高いため、粗度が大きい面に比べて絶縁層との密着度が低い状態であり、図13に示すような剥離34が置き易い状態となっている。
<半導体装置の製造方法>
次に、図21〜図24を用いて本実施の形態のBGA9の製造方法について説明する。図21〜図24は、それぞれ図1の半導体装置の組立て手順を示すフロー図および断面図である。
本実施の形態では、複数の半導体装置領域を有する多数個取り基板10を用いて組み立てを行う、所謂、MAP(Mold Array Package)方式でBGA9を組み立てる場合を説明する。
まず、図21に示すステップS21のウエハ準備を行う。
上記ウエハ準備後、ステップS22に示すダイシングを行う。ここでは、ウエハリング16に保持された半導体ウエハ15を、ダイシングブレード17によって個片化して良品の半導体チップ1を取得する。
上記ダイシング後、ステップS23に示すダイボンディングを行う。ここでは、多数個取り基板10のそれぞれのチップ領域に、例えば、多点式のノズル18を用いて、樹脂ペースト材等のダイボンド材6を基板上に塗布し、そしてこのダイボンド材6を介して半導体チップ1を基板上に搭載する。
上記ダイボンディング後、図22のステップS24に示すワイヤボンディングを行う。ここでは、金属製のワイヤ7を用いて半導体チップ1の電極パッド1cと配線基板2(多数個取り基板10)のボンディングリード2cとを電気的に接続する。
上記ワイヤボンディングを行った後、ステップS25の樹脂モールディングを行う。すなわち、多数個取り基板10上において、半導体チップ1と複数のワイヤ7とを封止用樹脂によって封止し、多数個取り基板10上に一括封止体8を形成する。
上記樹脂モールディング終了後、図23のステップS26に示すレーザーマーキングを行う。すなわち、樹脂モールディングによって形成された一括封止体8の表面にレーザーを照射して所望のマーク19を付す。
上記レーザーマーキング終了後、ステップS27に示すバンプ形成を行う。ここでは、多数個取り基板10(配線基板2)の下面側に複数の半田ボール5を搭載する。
上記バンプ形成終了後、図24のステップS28の個片化を行う。すなわち、樹脂モールディングによって形成された図24に示す一括封止体8と多数個取り基板10とを、ダイシングブレード17によって一緒に切断して個片化し、さらに、ステップS29に示すテストを行って図24に示すBGA9の組み立て完了となる。
<半導体装置の実装構造(モジュール)>
図25は図1に示す半導体装置の実装構造の一例を示す断面図である。
組み立てられたBGA9を実装基板であるマザーボード11に実装する。その際、リフローによって半田ボール5を溶融し、外部端子である半田ボール5とマザーボード11の上面11c上に形成されたバンプ用電極11aとを電気的に接続する。一方、BGA9の中央部に配置された放熱用の半田ボール5(サーマルボール)と、マザーボード11の放熱用パターン11bとを電気的に接続する。
本実施の形態のBGA9では、リフロー時に配線基板2が加熱されて基板内部でアウトガスが発生した際にも、配線基板2には、最下層の配線層には第1開口部2jmや第2開口部2jn(図17参照)が設けられているため、この第1開口部2jmや第2開口部2jnを介してアウトガスを基板の下層側から抜くことができる。
したがって、基板内部で局所的に圧力が高くなることを低減することができ、その結果、図13に示すような下層側の配線層L3とその直下の絶縁層33との間において、配線層L3の剥離(クラック)34が起こることを防止することができる。
これにより、モジュールとしての信頼性も向上させることができる。
<第1変形例>
図26は図1の半導体装置の配線基板における最下層の配線層の配線パターンと半導体チップの位置関係の第1変形例を示す部分平面図、図27は図1の半導体装置の配線基板における最下層の配線層の配線パターンと半導体チップの位置関係の第1変形例を示す部分平面図、図28は図1の半導体装置の配線基板における最下層の配線層の裏面側の配線パターンの第1変形例を示す部分平面図である。
図26は、第2配線層2j(L4)の第1パターン2jcにおいて、半導体チップ1の領域が第1領域(サーマルボール領域)2jeより大きい場合を示すものである。また、図27は、半導体チップ1の領域が第1パターン2jcに対してずれて搭載された構造を示すものである。
図26に示す構造や図27に示す構造においても、第1領域2jeに複数の第1開口部2jmが形成され、かつ第1領域2jeの外側の第2領域2jfに複数の第2開口部2jnが形成されているため、基板加熱時に発生した基板内部で発生したアウトガスを、第1開口部2jmや第2開口部2jnを介して基板の下層側から外部に抜くことができる。
その結果、図13に示すような下層側の配線層L3とその直下の絶縁層33との間において、配線層L3の剥離(クラック)34が起こることを防止することができ、BGA9の信頼性を向上させることができる。
図28に示す構造は、第2配線層2j(L4)において、第1パターン2jc以外(チップ領域外)にも、第2パターン2jdとは異なる複数の第3パターン2vが設けられている場合を示している。第3パターン2vは、複数のランド2jgを有しており、例えば、電源パターン、GNDパターン、放熱プレーン、放熱パターン等として使用することも出来る。これらのパターンには、図4に示すようなL1の配線層のボンディングリード2cや、L2の配線層のパターンおよびL3の配線層のパターン等に接続されるスルーホール2jkが設けられており、かつこれらの第3パターン2vの中には、第1開口部2jmを設けたものもある。また、第2開口部2jnを設けた第3パターン2vもある。
このように第3パターン2vに第1開口部2jm及び第2開口部2jnを設けたことで、基板内部で発生したアウトガスを、第1開口部2jm及び第2開口部2jnから外部に抜くことができる。
その結果、BGA9の信頼性を向上させることができる。
<第2変形例>
図29は図1に示す半導体装置の配線基板における上から2番目の配線層(L2)の配線パターンの第2変形例を示す平面図、図30は図1に示す半導体装置の配線基板における上から3番目の配線層(L3)の配線パターンの第2変形例を示す平面図である。
図29に示す構造では、第1配線層2k(L2)が、分割されたパターンではなく、1種類のパターンから成る場合を示しており、同様に、図30に示す構造では、第1配線層2i(L3)が、分割されたパターンではなく、1種類のパターンから成る場合を示している。
この場合、図30の第1配線層2i(L3)の配線パターンの面積が、図9に示す第2配線層2j(L4)の配線パターン(第1パターン2jc)の面積より大きいため、基板内部で発生するアウトガスがさらに抜けにくくなる。
したがって、本実施の形態のBGA9のように配線基板2の第2配線層2j(L4)に第1開口部2jmや第2開口部2jnを設けることで、基板内部で発生したアウトガスを、第1開口部2jmや第2開口部2jnから外部に抜くことができ、その結果、BGA9の信頼性を向上させることができる。
なお、第1配線層2i(L3)が1つのパターンからではなく、仮に2つ以上のパターンからなる場合であっても、その何れかのパターンが第2配線層2j(L4)の第1パターン2jcより大きい場合には、アウトガスが抜けにくい。したがって、この場合にも、上記同様、配線基板2の第2配線層2j(L4)に第1開口部2jmや第2開口部2jnを設けることにより、基板内部で発生したアウトガスを、第1開口部2jmや第2開口部2jnから外部に抜くことができる。
<第3変形例>
図31は実施の形態の第3変形例の半導体装置の構造を示す断面図である。
図31に示すBGA20は、個片モールディングを採用して組み立てられた半導体装置である。すなわち、一括モールドとは異なり、各半導体装置に対応したキャビティによって形成された封止体4を有するものである。したがって、BGA20は、その配線基板2の上面2aの周縁部が露出した構造の半導体装置である。
このようなBGA20においても、配線基板2の第2配線層2j(L4)に第1開口部2jmや第2開口部2jn(図17参照)を設けることで、基板内部で発生したアウトガスを、第1開口部2jmや第2開口部2jnから外部に抜くことができ、その結果、BGA20の信頼性を向上させることができる。
また、半導体チップ1と基板のボンディングリード2cとの電気的な接続が、ワイヤ7ではなく、バンプ電極によって行われるフリップチップ構造の半導体装置においても、配線基板2の第2配線層2j(L4)に第1開口部2jmや第2開口部2jnを設けることで、基板内部で発生したアウトガスを、第1開口部2jmや第2開口部2jnから外部に抜くことができる。
その結果、フリップチップ構造の半導体装置においても、その信頼性を向上させることができる。
<第4変形例>
図32は図1の半導体装置の配線基板における最上層の配線層の配線パターンの第4変形例を示す平面図、図33は図32のA−A線に沿って切断した半導体装置の構造の第4変形例を示す断面図である。
図32に示す配線層は、最上層の第2配線層2m(L1)の第1パターン2mcがGND/電源パターンを示すものである。
図33に示すボンディングリード2cは、ワイヤ7を介して半導体チップ1と電気的に接続されている。
図32のX部に示すように、最上層の第2配線層2m(L1)のパターンにおいて、第1パターン2mcと、ボンディングリード2cと接続されたスルーホール2meとが配線2yを介して電気的に接続されている。言い換えれば、ボンディングリード2cと第1パターン2mcとが電気的に接続されている。
また、図33に示すように、最上層の第2配線層2m(L1)の第1パターン2mcは、最上層の第2配線層2m(L1)のスルーホール2mf及び最下層の第2配線層2j(L4)のスルーホール2jjを介して、最下層の第2配線層2j(L4)の第1パターン2jcと接続されている。言い換えれば、最上層の第2配線層2m(L1)の第1パターン2mcは、最下層の第2配線層2j(L4)の第1パターン2jcと電気的に接続されている。
また、図33に示すように、最上層の第2配線層2m(L1)のボンディングリード2cは、最上層の第2配線層2m(L1)のスルーホール2me及び最下層の第2配線層2j(L4)のスルーホール2jkを介して、図9に示す最下層の第2配線層2j(L4)の第2パターン2jdと接続されている。また、第1変形例の図28の場合には、図33の最上層の第2配線層2m(L1)のボンディングリード2cは、最上層の第2配線層2m(L1)のスルーホール2me及び最下層の第2配線層2j(L4)のスルーホール2jkを介して、図28に示す最下層の第2配線層2j(L4)の第3パターン2vと接続されている。言い換えれば、最上層の第2配線層2m(L1)のボンディングリード2cは、最下層の第2配線層2j(L4)の第2パターン2jd、又は最下層の第2配線層2j(L4)の第3パターン2vと電気的に接続されている。
これにより、ボンディングリード2cが、GNDの場合、最上層の第2配線層2m(L1)の第1パターン2mc、最下層の第2配線層2j(L4)の第1パターン2jc、最下層の第2配線層2j(L4)の第2パターン2jd、がGNDパターンになる。また、第1変形例の図28の場合には、最下層の第2配線層2j(L4)の第3パターン2vもGNDパターンになる。同様に、ボンディングリード2cが、電源の場合、最上層の第2配線層2m(L1)の第1パターン2mc、最下層の第2配線層2j(L4)の第1パターン2jc、最下層の第2配線層2j(L4)の第2パターン2jdが電源パターンになる。また、第1変形例の図28の場合には、最下層の第2配線層2j(L4)の第3パターン2vも電源パターンになる。
そして、このような配線基板2においても、第2配線層2j(L4)に第1開口部2jmや第2開口部2jnを設けることで、基板内部で発生したアウトガスを、第1開口部2jmや第2開口部2jnから外部に抜くことができる。
<第5変形例>
図34は実施の形態の第5変形例の配線基板の組立て手順を示すフロー図および断面図であり、図34では、3層の配線層を有する配線基板21の製造方法を示している。ただし、図34においては、4層の配線層を有する配線基板2と同様の工程については、図示を省略している。
まず、図34のステップS31に示す銅箔形成を行う。ここでは、4層の配線層の場合と同様に、例えば、電解銅箔製法を用いて銅箔の形成を行う。すなわち、図18に示す硫酸銅溶液12を用いてドラム電極(陰極)13に電解銅箔2qを形成する。
上記銅箔形成の後、ステップS32に示す銅張積層板形成を行う。ここでは、図18に示す工程と同様に、粗化処理された面を絶縁層側にしてコア層となる絶縁層である第1絶縁層2fの上下面に銅箔を貼る。
上記銅張積層板形成の後、レジスト形成(露光/現像)とエッチングを図18に示す方法と同様に行う。
上記レジスト形成およびエッチング後、ステップS35に示す積層を行う。すなわち、上下面に上記銅箔による配線パターン(上側第1配線層21a、下側第1配線層21b)が形成された第1絶縁層2fに対して、さらにその下面21bbに第2絶縁層2hをブロック22で加圧して貼り付ける。この時、第2絶縁層2hの下層(下面2hb)には第2配線層2jが、粗度が大きい面を第2配線層2j側にして貼り付けられている。
上記積層後は、4層の配線層の配線基板2と同様の組立てにより、3層の配線基板21を組み立てる。
図34の配線基板21においても、上側第1配線層21a(L1、第1配線層2k)の下面21aa、下側第1配線層21b(L2、第1配線層2i)の上面21ba、第2配線層2j(L3)の上面2jaのそれぞれには、銅箔形成工程によって凹凸2nが形成されており、絶縁層との密着度が高くなっている。しかしながら、下側第1配線層21b(L2)の下面21bbは、平坦度が高いため、粗度が大きい面に比べて絶縁層との密着度が低い状態であり、図13に示すような剥離34が発生し易い状態となっている。
したがって、3層の配線層を有する配線基板21においても、最下層の第2配線層2j(L3)に第1開口部2jmや第2開口部2jnを設けることで、基板内部で発生したアウトガスを、第1開口部2jmや第2開口部2jnから外部に抜くことができる。
<比較検討例>
図35は比較検討例の半導体装置の配線基板におけるSMD構造を示す部分断面図、図36は図35に示すSMD構造を示す部分平面図、図37は比較検討例の半導体装置の配線基板におけるNSMD構造を示す部分断面図、図38は図37に示すNSMD構造を示す部分平面図である。
図35は、本実施の形態のBGA9で採用したランド2jgと半田ボール5の接続構造を示しており、図36は図35のランド2jgの平面構造を示すものである。
図35および図36に示すランド構造は、SMD(Solder Mask Defined)構造である。SMD構造は、複数のランド2jgのそれぞれの周縁部が、ソルダレジスト膜(第2保護膜)2eによって覆われているものであり、したがって、平面視において、ランド2jgの下地絶縁層が見えていない構造である。このような構造のランド2jgに対して、複数の半田ボール5の各々が、複数のランド2jgの各々と、ランド2jgそれぞれの周縁部上のソルダレジスト膜2eとに接合するように設けられている。ランド2jg上には、Ni/Auめっき2uが形成されている。
上述のSMD構造のランド2jgは、ランド2jgの周縁部がソルダレジスト膜2eで覆われているため、基板内部で発生したアウトガスが逃げ難い構造であるが、ランド2jgが剥がれにくく配線基板2の信頼性は高いという特徴を有している。
一方、図37は、本願発明者が比較検討したランド2xと半田ボール5の接続構造を示しており、図38は図37のランド2xの平面構造を示すものである。すなわち、図37および図38に示すランド構造は、NSMD(Non Solder Mask Defined)構造である。NSMD構造は、複数のランド2xのそれぞれが、ソルダレジスト膜(第2保護膜)2eによって覆われておらず、ランド2x全体が露出した構造である。ランド2x上には、Ni/Auめっき2uが形成されている。さらに、平面視において、ランド2xの下地絶縁層(第2絶縁層2h)が見える(露出した)構造である。このような構造のランド2xに対して、複数の半田ボール5の各々が、複数のランド2xの各々と接続するように設けられている。
上述のNSMD構造のランド2xは、上記のようにランド2xの下地絶縁層(第2絶縁層2h)が見える(露出した)構造であるため、基板内部で発生したアウトガスが逃げ易い構造である。さらに、半田ボール5とランド2xの接続面積が増えるため、半田の接続強度を高くすることができ、半田接続部の寿命を長くすることができる。しかしながら、半田の接続強度が高いため、外から半田ボール5に衝撃が加えられた際に、ランド2xが基板から剥離するという問題が起こり易く、基板の信頼性がSMD構造に比べて低いという特徴を有している。
本実施の形態の半導体装置において、ランド構造をNSMD構造とすると、ガス抜けの観点から配線層と絶縁層の剥離に対する効果は得ることができる。ただし、耐衝撃性を考慮すると、SMD構造を採用することが好ましく、その場合には、基板および半導体装置の信頼性を高くすることができる。
<その他の変形例>
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明はこれまで記載した実施の形態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。
上記実施の形態および変形例では、最下層の第1パターンに複数のサーマルボールが設けられている場合を説明したが、上記サーマルボールは、必ずしも設けられていなくてもよい。
また、上記実施の形態および変形例では、配線基板2がコア有り基板の場合を説明したが、配線基板2は、コアレス基板であってもよい。すなわち、コアレス基板においても、絶縁層に銅箔を貼り付けて基板を形成するため、粗化処理された面の密着度は高く、その両側(もしくは片側(3層基板の場合))に貼り付ける絶縁層との密着度は低く、特に、最下層の配線層で剥離が発生し易いためである。
また、上記実施の形態で説明した技術思想の要旨を逸脱しない範囲内において、変形例同士を組み合わせて適用することができる。
1 半導体チップ
2 配線基板
2c ボンディングリード
2d ソルダレジスト膜(第1保護膜)
2da 上面(第1面)
2e ソルダレジスト膜(第2保護膜)
2f 第1絶縁層
2fa 上面(第1面)
2fb 下面(第2面)
2g 第2絶縁層
2ga 上面(第1面)
2h 第2絶縁層
2hb 下面(第1面)
2i 第1配線層
2ia 上面(第2面)
2ib 下面(第1面)
2ic 第1パターン
2id 第2パターン
2j 第2配線層
2ja 上面
2jb 下面(第1面)
2jc 第1パターン
2jd 第2パターン
2je 第1領域
2jf 第2領域
2jg ランド
2jh 第1ランド
2ji 第2ランド
2jj スルーホール
2jk スルーホール
2jm 第1開口部(開口部)
2jn 第2開口部(開口部)
2k 第1配線層
2ka 上面(第1面)
2kc 第1パターン
2kd 第2パターン
2m 第2配線層
4 封止体
5 半田ボール(外部端子)
7 ワイヤ
9 BGA(半導体装置)

Claims (16)

  1. 第1絶縁層、前記第1絶縁層の第1面側を覆う第1保護膜、前記第1絶縁層の前記第1面とは反対側の第2面に接合された第1配線層、前記第1配線層の第1面に接合された第2絶縁層、前記第2絶縁層の第1面に接合された第2配線層、および前記第2配線層の第1面を覆う第2保護膜、を有する配線基板と、
    接着剤を介して前記第1保護膜の第1面に固定された半導体チップと、
    を含み、
    前記第1配線層の前記第1面とは反対側の第2面の平坦度は、前記第1配線層の前記第1面の平坦度よりも低く、
    前記第1配線層は、第1パターンを有し、
    前記第2配線層は、第1パターンと、複数の第2パターンと、を有し、
    前記第2配線層に設けられた前記第1パターンは、前記第1配線層に設けられた前記第1パターンと重なる位置に設けられており、
    平面視において、前記第2配線層に設けられた前記第1パターンの面積は、前記第2配線層に設けられた前記複数の第2パターンの総面積よりも大きく、
    前記第2配線層に設けられた前記第1パターンには、前記第2絶縁層の一部を露出する開口部が形成されている、半導体装置。
  2. 請求項1に記載の半導体装置において、
    平面視において、前記第2配線層に設けられた前記第1パターンの面積は、前記半導体チップの面積よりも大きい、半導体装置。
  3. 請求項2に記載の半導体装置において、
    透過平面視において、前記半導体チップは、前記第2配線層に設けられた前記第1パターンの内側に位置している、半導体装置。
  4. 請求項3に記載の半導体装置において、
    前記第2配線層の前記第1パターンは、前記第2保護膜から露出する複数のランドを有し、
    前記複数の各々のランド上に形成された複数の半田ボールを有する、半導体装置。
  5. 請求項4に記載の半導体装置において、
    前記第2配線層の前記第1パターンの前記複数のランドは、互いに隣り合うように配置された第1ランドおよび第2ランドを有し、
    前記第1ランドと前記第2ランドとの間には、前記第2絶縁層の一部を露出する第1開口部が形成されている、半導体装置。
  6. 請求項5に記載の半導体装置において、
    前記第2配線層の前記第1パターンは、前記複数のランドが形成された第1領域と、前記第1領域の外側に位置する第2領域と、を有し、
    前記開口部は、前記第1開口部と、前記第1開口部とは異なる第2開口部と、を含み、
    前記第1開口部は、前記第1領域に配置され、かつ、前記第2開口部は、前記第2領域に配置され、
    前記第1開口部の幅は、前記第2開口部の幅より狭い、半導体装置。
  7. 請求項6に記載の半導体装置において、
    透過平面視において、前記第2配線層に設けられた前記第1パターンは、前記第1配線層の前記第1パターンの内側に配置されている、半導体装置。
  8. 請求項7に記載の半導体装置において、
    前記第2配線層の前記複数の各々の第2パターンは、前記第2保護膜から露出する複数のランドを有し、前記複数の各々のランド上に形成された複数の半田ボールを有する、半導体装置。
  9. 請求項8に記載の半導体装置において、
    前記複数の各々のランドの周縁部は、前記第2保護膜によって覆われ、前記複数の半田ボールの各々は、前記複数の各々のランドと、前記複数の各々のランドの周縁部上の前記第2保護膜とに接合するように設けられている、半導体装置。
  10. 第1絶縁層、前記第1絶縁層の第1面側に位置する第1保護膜、前記第1絶縁層の前記第1面とは反対側の第2面に貼り付けられた第1配線層、前記第1配線層の第1面に貼り付けられた第2絶縁層、前記第2絶縁層の第1面に貼り付けられた第2配線層、および前記第2配線層の前記第1面を覆う第2保護膜、を有する配線基板と、
    ダイボンド材を介して前記第1保護膜の第1面に搭載された半導体チップと、
    前記半導体チップおよび前記配線基板の前記第1保護膜の前記第1面を封止する封止体と、
    を含み、
    前記第1配線層の前記第1面とは反対側の第2面の平坦度は、前記第1配線層の前記第1面の平坦度よりも低く、
    前記第1配線層は、第1パターンを有し、
    前記第2配線層は、第1パターンと、複数の第2パターンと、を有し、
    透過平面視において、前記第2配線層に設けられた前記第1パターンは、前記第1配線層に設けられた前記第1パターンと重なる位置に設けられており、
    平面視において、前記第2配線層に設けられた前記第1パターンの総面積は、前記第2配線層に設けられた前記複数の第2パターンの総面積よりも大きく、
    前記第2配線層に設けられた前記第1パターンには、前記第2絶縁層の表面を露出する開口部が形成されている、半導体装置。
  11. 請求項10に記載の半導体装置において、
    前記第2配線層の前記第1パターンは、前記第2保護膜から露出する複数のランドを有し、
    前記第2配線層の前記第1パターンの前記複数のランドは、互いに隣り合うように配置された第1ランドおよび第2ランドを有し、
    前記第1ランドと前記第2ランドとの間には、前記第2絶縁層の一部を露出する第1開口部が形成されている、半導体装置。
  12. 請求項11に記載の半導体装置において、
    前記第2配線層の前記第1パターンは、前記複数のランドが形成された第1領域と、前記第1領域の外側に位置する第2領域と、を有し、
    前記開口部は、前記第1開口部と、前記第1開口部とは異なる第2開口部と、を含み、
    前記第1開口部は、前記第1領域に配置され、かつ、前記第2開口部は、前記第2領域に配置され、
    前記第1開口部の幅は、前記第2開口部の幅より狭い、半導体装置。
  13. 請求項11に記載の半導体装置において、
    前記複数のランドそれぞれの周縁部は、前記第2保護膜によって覆われ、複数の半田ボールのそれぞれが、前記複数の各々のランドと、前記複数の各々のランドの周縁部上の前記第2保護膜とに接合するように設けられている、半導体装置。
  14. 請求項10に記載の半導体装置において、
    平面視において、前記第2配線層に設けられた前記第1パターンの面積は、前記半導体チップの面積よりも大きい、半導体装置。
  15. 請求項10に記載の半導体装置において、
    透過平面視において、前記第2配線層に設けられた前記第1パターンは、前記第1配線層の前記第1パターンの内側に配置されている、半導体装置。
  16. 第1絶縁層、前記第1絶縁層の第1面に貼り付けられた上側第1配線層、前記上側第1配線層の第1面を覆う第1保護膜、前記第1絶縁層の前記第1面とは反対側の第2面に貼り付けられた下側第1配線層、前記下側第1配線層の第1面に貼り付けられた第2絶縁層、前記第2絶縁層の第1面に貼り付けられた第2配線層、および前記第2配線層の前記第1面を覆う第2保護膜、を有する配線基板と、
    ダイボンド材を介して前記第1保護膜の第1面に搭載された半導体チップと、
    前記半導体チップおよび前記配線基板の前記第1保護膜の前記第1面を封止する封止体と、
    を含み、
    前記下側第1配線層の前記第1面とは反対側の第2面の平坦度は、前記下側第1配線層の前記第1面の平坦度よりも低く、
    前記下側第1配線層は、第1パターンを有し、
    前記第2配線層は、第1パターンと、複数の第2パターンと、を有し、
    透過平面視において、前記第2配線層に設けられた前記第1パターンは、前記下側第1配線層に設けられた前記第1パターンと重なる位置に設けられており、
    平面視において、前記第2配線層に設けられた前記第1パターンの総面積は、前記第2配線層に設けられた前記複数の第2パターンの総面積よりも大きく、
    前記第2配線層に設けられた前記第1パターンには、前記第2絶縁層の表面を露出する開口部が形成されている、半導体装置。
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