JP2011077108A

JP2011077108A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2011077108A
Application number: JP2009224322A
Authority: JP
Inventors: Hidehiro Takeshima; 英宏竹嶋; Susumu Inagawa; 晋稲川
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-04-14
Also published as: US20110074037A1

Abstract

【課題】配線基板に搭載される半導体チップの上面側と下面側との物性値を等しくする。
【解決手段】半導体装置は、半導体チップと、半導体チップを搭載する半導体チップ搭載領域を有する配線基板と、半導体チップ搭載領域上に半導体チップを封止する封止樹脂と、を有している。封止樹脂の厚みが、半導体チップの上面側に位置する部分と半導体チップの下面側に位置する部分とで互いに等しくなるように、配線基板の半導体チップ搭載領域に一つ以上の凸部が設けられ、この凸部の上に半導体チップが配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体チップが配線基板上に搭載され樹脂封止される半導体装置に関する。

ＣＳＰ（Chip Size Package）等の半導体装置は、半導体チップが配線基板に搭載されて樹脂封止されている。この種の半導体装置では、半導体チップと配線基板との間の熱膨張係数の違いにより、反りが発生するなどの問題を生じることがある。

このような問題に対処するため、従来の半導体装置は、半導体チップと配線基板との間の接着面積を半導体チップの面積よりも小さくすることで、半導体チップと配線基板との間に、接着剤が設けられた第１の領域と、それを囲むように封止樹脂が設けられた第２の領域とを形成するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

また、信頼性向上と小型化を目的として、上記と同様の構成を採用した半導体装置も存在する（例えば、特許文献２参照）。

さらに、半導体チップを配線基板にフリップチップ接続する構成の半導体装置においても、類似した構成を採用するものが存在する（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−１４２４５２号公報特開２００６−１２８４５５号公報特開平１１−１６８１２２号公報

半導体装置の小型薄型化が進むにしたがい、パッケージの設計余裕が小さくなっている。このため、半導体装置を構成する半導体チップ、配線基板及び封止樹脂の相互間における熱膨張係数等の物性値の相違の影響が大きくなっている。例えば、半導体チップの一面側と他面側の物性値が異なることにより、反り（ストレス）が生じ、チップが破損したり、破損に至らないまでも特性が劣化したりして、信頼性が低下したり、またパッケージ全体の反りによって外部実装性が悪化する等の問題が増加している。

特許文献１に記載の半導体装置は、モールド前、具体的には、半導体チップを基板に搭載する際、の基板の反りを低減することができるが、モールド後に発生する半導体チップやパッケージ全体の反りについては考慮されていない。このため、この半導体装置には、依然として、信頼性低下や外部実装性の悪化の問題がある。

特許文献２に記載の半導体装置は、接着剤の接合面積を縮小することにより、封止樹脂と半導体チップとの密着性を改善するとともに、電極配置の変更を可能にして小型化を実現することができる。しかしながら、この半導体装置では、半導体チップやパッケージ全体の反りについては全く考慮されていない。

特許文献３に記載の半導体装置は、半導体チップと配線基板との間に絶縁性接着剤を設けることにより、フリップチップ接続される半導体チップと配線基板との間の接続強度を高めることができる。しかしながら、この半導体装置でも、半導体チップやパッケージ全体の反りについては全く考慮されていない。

本発明の一側面による半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップを搭載する半導体チップ搭載領域を有する配線基板と、前記半導体チップ搭載領域上に前記半導体チップを封止する封止樹脂と、を有し、前記半導体チップ搭載領域には一つ以上の凸部が設けられ、前記半導体チップは当該凸部の上に配置され、前記封止樹脂は前記半導体チップを覆うとともに前記半導体チップと前記配線基板との間にも充填されていることを特徴とする。

配線基板の半導体チップ搭載領域に凸部を設け、この凸部上に半導体チップを搭載することにより、半導体チップと配線基板との間に充填される封止樹脂の厚みを凸部の高さにより調節することができる。これにより、半導体チップの下面側と上面側との物性値を略等しくすることができ、半導体チップの反りを防止することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図である。図１の半導体装置の平面透視図である。（ａ）〜（ｅ）は、図１の半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の平面透視図である。本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置の平面透視図である。本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図である。本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置１０の断面構造を示す図であり、また、図２は、その平面透視図である。

図１から明らかなように、この半導体装置１０は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）型半導体装置である。この半導体装置１０は、半導体チップ１１と、半導体チップ１１を搭載する配線基板１２と、半導体チップ１１を配線基板１２上に封止する封止樹脂１３とを有している。

配線基板１２、例えばガラスエポキシ基板であって、半導体チップ１１より一回り大きい外形寸法を有している。配線基板１２の一面（上面）には、例えばＡｕやＣｕからなる複数の接続パッド１２１と、これら接続パッド１２１に接続される所定の配線１２２とが形成されている。また、ソルダレジスト（絶縁膜）１２３が配線１２２を覆うように形成されている。ソルダレジスト１２３は、配線１２２のはがれを防止するとともに、封止樹脂１３の金属に対する密着性の悪さによる影響を回避する役割を果たす。

また、配線基板１２の他面（下面）には、貫通孔等を経由して配線１２２に電気的に接続され複数のランド（図示せず）が形成されている。このランドには、外部実装端子として利用される半田ボール１４が搭載される。

さらに、配線基板１２には、その一面に、上端部が平面である凸部１５が形成されている。この凸部１５は、半導体チップ搭載領域（半導体チップが対向する領域）の一部、ここでは中央部（半導体チップの重心を支持する位置）に設けられる。半導体チップ搭載領域において凸部が占める割合はできるだけ小さいほうがよい。具体的には、凸部１５の上面の面積Ｓ１が半導体チップ１１の下面の面積Ｓ２の２０％以下（Ｓ１≦０．２×Ｓ２）となるようにする。凸部１５の形状は、封止樹脂１３を充填する際の樹脂の流れを考慮して、円柱形あるいは楕円柱形とすることができる。これにより、モールド工程での樹脂の流動性を均一化し、凸部１５周辺でのボイド不良の発生を抑止することができる。また、凸部１５の高さは、封止樹脂１３の厚みに応じて定められる。具体的には、半導体チップ１１の下面と配線基板の上面との距離ｈ１と半導体チップ１１上の封止樹脂１３の厚みｈ２とが等しくなるように決定される。これにより、半導体チップ１１の上側と下側における樹脂量及び加熱冷却に伴う熱応力を同等にし、半導体チップ１１に反りが発生するのを抑制することができる。この凸部１５は、例えば、ソルダレジスト１２３と同一材料により形成することができる。ソルダレジスト１２３と同一の材料を用いることにより、封止樹脂１３との密着性を確保することができる。

半導体チップ１１は、ＤＡＦ（Die Attach Film）等の接着剤１６を用いて、その下面中央部が、凸部１５の上面（平面）に固定される。凸部１５を配線基板１２側に事前に構築しておくことで、チップ搭載作業の作業性の低下はない。また、半導体チップ１１の上面には、複数の電極パッド（図示せず）が形成されており、これら電極パッドは、配線基板１２上の対応する接続パッド１２１に、例えばＡｕやＣｕ等の導電性ボンディングワイヤ１７により接続される。

封止樹脂１３は、例えばエポキシ樹脂であって、配線基板１２上で半導体チップ１１及びボンディングワイヤ１７の周囲全体を覆うように設けられる。即ち、封止樹脂１３は、半導体チップ１１の上面を覆うのみならず、その下面と配線基板１２との間にも充填されている。

次に、図３（ａ）〜（ｅ）を参照して、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。なお、ＢＧＡ型半導体装置の製造では、一枚の大型配線基板を用いて複数の半導体装置を一括して形成するＭＡＰ（Mold Array Package）方式が主流となっているが、以下では、単一の半導体装置を製造する例について説明する。

まず、チップ搭載領域の中央部に、ソルダレジスト１２３と同一の材料からなる円柱状の凸部１５が形成された配線基板１２を用意する。凸部１５の高さは、半導体チップ１１の下面と配線基板１２の上面との距離ｈ１よりも少し（接着剤１６の厚さ分）低く、上面の面積はＳ１（チップ搭載面積Ｓ２の２０％以下）とする。凸部１５の形成は、ソルダレジスト１２３の形成と同時行ってもよい。この場合、エッチングやレーザ加工を利用することができる。また、ソルダレジスト１２３を形成した後、凸部１５を形成してもよい。この場合、２段階塗布法などが利用できる。また、凸部１５を別の場所で形成し、ソルダレジスト１２３上に貼り付けるようにしてもよい。凸部１５の形成は、上記方法に限らず、その他の種々の方法が利用できる。

次に、図３（ａ）に示すように、用意した配線基板１２のチップ搭載面を上に向け、凸部１５の上面に接着剤１６としてＤＡＦを貼り付ける。なお、ＤＡＦは液状接着剤よりも高価であるが、貼り付け面積がチップの下面の面積Ｓ２の２０％以下と小さいため、コストを抑えることができる。また、ＤＡＦの代わりに液状接着剤をポッティング滴下し、それを利用するようにしてもよい。

次に、図示しないチップマウント機器を用いて半導体チップ１１の下面中央部が接着剤１６の真上に位置するように、半導体チップ１１位置合わせを行う。続いて、図３（ｂ）に示すように、半導体チップ１１の中央部を上方から押圧し、半導体チップ１１を接着剤１６により凸部１５上に接着固定する。このとき、半導体チップ１１の下面外周部と配線基板１２の上面との間には、距離ｈ１の隙間が形成される。

次に、図３（ｃ）に示すように、図示しないワイヤボンダにより半導体チップ１１の上面側に形成されている電極パッドとそれに対応するように配線基板１２の上面側に形成されている接続パッドとの間を導電性ボンディングワイヤ１７でそれぞれ接続する。

次に、図示しないモールド装置により封止樹脂１３を半導体チップ１１の上側及び下側に注入した後、図３（ｄ）に示すように、キュア（封止樹脂１３を固着するために例えば１８０℃まで加熱し冷却）する。ここで、半導体チップ１１の上側と下側が同じ封止樹脂１３で囲まれており、かつ上側の樹脂１３の厚さｈ２と下側の樹脂１３の厚さｈ１とが同等である。これにより、本工程では、加熱冷却したときの半導体チップ１１の周辺部におけるで熱応力の発生及び半導体チップ１１へのストレスを低減させることができる。

次に、図３（ｅ）に示すように、配線基板１２を上下反転させ、図示しないボールマウント装置により半田ボール１４を所定の位置に搭載し、リフロー（半田ボールを固着させるために例えば２４５℃まで加熱し冷却）させる。本工程においても、キュア工程のときと同じ理由で、半導体チップ１１周辺での熱応力の発生及び半導体チップ１１へのストレスの発生を低減させることができる。

この後、一般的なＢＧＡ型半導体装置の製造方法と同様に、マーク形成や切断個片化を実施する。こうして、半導体装置１０（製品）が完成する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、配線基板１２に凸部１５を形成することで、半導体チップ１１と配線基板との間の距離（隙間）を容易に調整することができる。これにより、半導体チップ１１の上下に位置する封止樹脂１３の厚みを略等しくすることができ、半導体チップ１１の上下の物性値を略等しくすることができる。その結果、半導体チップ１１周辺での熱応力の発生、半導体チップ１１へのストレスの発生を低減することができ、半導体チップ１１の反りを防止することができる。また、半導体チップ１１の反り等に起因する電気的特性の劣化や不良発生を抑え、製品の信頼性を向上させることができる。

次に、図４を参照して本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置について説明する。

図４は本実施の形態に係る半導体装置を上方から透視した平面図である。図示の半導体装置は、第１の実施の形態に係る半導体装置における凸部１５に代えて、凸部１５ａを有している。凸部１５ａ以外の構成は、第１の実施の形態に係る半導体装置と同様であるため、その説明を省略する。

凸部１５ａは、半導体チップ搭載領域の中央部に設けられた円柱形の第１凸部１５−１と、中央部から４つの角部のそれぞれに向かって放射状に配置された４つの直方体形状（断面略長方形）の第２凸部１５−２とを含む。第１凸部１５−１は、第１の実施の形態における凸部１５よりも細い（上面の面積が小さい）。なお、第１凸部１５−１の上面の面積及び第２凸部１５−２の上面の面積の合計は、半導体チップ１１の下面の面積の２０％以下とする。また、第１凸部１５−１を設けることなく、第２凸部１５−２を設けてもよい。

本実施の形態によれば、半導体チップ１１が、その中央部から４つのコーナー部にかけてＸ状に広く固定される。このため、電極パッドがチップ外周部に位置するレイアウト構造を採用する半導体チップ１１を用いても、ワイヤボンディング作業を安定して行うことができ、ボンディング不良やチップ割れ不良を低減することができる。また、配線基板１２と半導体チップ１１の下側との距離が全領域にわたり均一に維持されるので、樹脂１３の流入に伴う半導体チップ１１の振れを抑えることができ、樹脂モールド作業時のチップ割れやワイヤ切断不良の発生を低減することができる。

次に、図５を参照して本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置について説明する。

図５は本実施の形態に係る半導体装置を上方から透視した平面図である。図示の半導体装置は、第１の実施の形態に係る半導体装置における凸部１５に代えて、一対の凸部１５ｂを有している。凸部１５ｂ以外の構成は、第１の実施の形態に係る半導体装置と同様であるため、その説明を省略する。

図５に示すように、一対の凸部１５ｂは、それぞれ直方体形状を有し、半導体チップの平行な二辺に沿って配置されている。

本実施の形態によれば、半導体チップ１１が、平行な二辺に沿って、チップ外周部で安定して固定される。このため、電極パッドが平行な二辺に沿って配置されるレイアウト構造を採用する半導体チップ１１を用いた場合に、ワイヤボンディング作業を安定して行うことができる。また、モールド作業を実施する際に樹脂の流入方向と凸部１５ｂの延在方向とが平行になるように配線基板１２の向きを設定することで、樹脂の流入が安定し、ボイド不良の発生を低減することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置について図６を参照して説明する。

図６の半導体装置は、ＰｏＰ（パッケージオンパッケージ）構造を採用する半導体装置である。この半導体装置は、上部半導体パッケージ６１が下部半導体パッケージ６２の上に積層されている。そして、上部半導体パッケージ６１は、上述した第１の実施の形態に係る半導体装置と同一の構成を採用している。

本実施の形態によれば、このような構成を作用することにより、半導体装置の製造工程中のみならず、製品完成後のパッケージの反りも小さく抑えることができ、外部実装性を向上させることができる。

ＰｏＰ構造の半導体装置において、積層される半導体パッケージは、同種でも異種でもよく、またその積層数は３以上でもよい。それゆえ、ＰｏＰ構造の半導体装置は、製品展開が行いやすく需要が増えている。それに伴い、積層されるパッケージの反りをそれぞれ小さくすることが求められている。ＰｏＰ構造の半導体装置に含まれる半導体パッケージのうち、少なくとも一つを、上述した第１乃至第３の実施の形態に係る半導体装置のいずれかを用いることで、ＰｏＰ構造の半導体装置の製造工程中のみならず、製品完成後のパッケージの反りも小さく抑えることができ、外部実装性を向上させることができる。

次に、本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置について図７を参照して説明する。

図７の半導体装置は、第１の封止樹脂１３ａと第２の封止樹脂１３ｂとを有している点で第１の実施の形態に係る半導体装置と異なっている。

第１の封止樹脂１３ａは、第２の封止樹脂１３ｂに比べて低い弾性率（ヤング率）、例えば０．１ＧＰａ程度、を有している。第１の封止樹脂１３ａとしては、例えば、チップコート用シリコンゴム樹脂（ジャンクションコーティングレジン）を用いることができる。

第２の封止樹脂１３ｂは、第１の封止樹脂１３ａに比べて高い弾性率、例えば、１５ＧＰａ程度、を有している。第２の封止樹脂１３ｂとしては、例えば、エポキシ樹脂を用いることができる。

第１の封止樹脂１３ａは、半導体チップ１１の下面側の厚みと半導体チップ１１の上面側の厚みとが略等しくなるように形成される。第２の封止樹脂１３ｂは、第１の封止樹脂１３ａを覆うように形成される。こうして、半導体チップ１１は、上面側及び下面側において第１の封止樹脂１３ａに囲まれ、第１の封止樹脂１３ａは、第２の封止樹脂１３ｂにより封止される。

なお、本実施の形態では、半導体チップ１１の周囲を弾性率の低い第１の封止樹脂１３ａで囲むようにしたので、凸部１５は、第１の実施の形態に比べて、その高さを低く、上面の面積を広くしてある（ただし、Ｓ１≦０．２×Ｓ２）。

半導体チップ１１の下側と上側とが、ともに第１の封止樹脂１３ａにより囲まれているため、第１の実施の形態と同様、半導体チップ１１の周辺で発生する熱応力がチップの上下で同等になり、半導体チップ反りの発生が防止される。また、たとえ半導体チップ１１に反りが発生したとしても、半導体チップ１１を囲む第１の封止樹脂１３ａにより応力が吸収され、配線基板１２や第２の封止樹脂１３ｂによってその変形を阻止されることによって生じるチップ破壊等の不良発生を防止することができる。

以上、本発明についていくつかの実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱することなく、種々の変形、変更が可能である。例えば、凸部の数、形状、配置は、上述した実施の形態に限られることなく変更することが可能である。また、本発明は、ＢＧＡ型のみならず、ＬＧＡ等の他のタイプのＣＳＰにも適用できる。

１０半導体装置
１１半導体チップ
１２配線基板
１３封止樹脂
１３ａ第１の封止樹脂
１３ｂ第２の封止樹脂
１４半田ボール
１５，１５ａ，１５ｂ凸部
１６接着剤
１７導電性ボンディングワイヤ
６１上部半導体パッケージ
６２下部半導体パッケージ
１２１接続パッド
１２２配線
１２３ソルダレジスト
１５−１第１凸部
１５−２第２凸部

Claims

半導体チップと、
前記半導体チップを搭載する半導体チップ搭載領域を有する配線基板と、
前記半導体チップ搭載領域上に前記半導体チップを封止する封止樹脂と、を有し、
前記半導体チップ搭載領域には少なくとも一つの凸部が設けられ、
前記半導体チップは前記凸部の上に配置され、
前記封止樹脂は前記半導体チップを覆うとともに前記半導体チップと前記配線基板との間にも充填されていることを特徴とする半導体装置。
前記半導体チップが前記凸部の上端部に接着剤を用いて固定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記凸部の上端部は平面であり、その面積が前記半導体チップの下面の面積の２０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
前記凸部は円柱形状を有し、前記半導体チップ搭載領域の中央部に一つ設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
前記凸部は直方体形状を有し、前記半導体チップ搭載領域の中央部付近から４つの角部にそれぞれ向かって放射状に４つ設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
前記凸部は直方体形状を有し、前記半導体チップ搭載領域の一対の側辺に沿って２つ設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
前記凸部が、前記配線基板の表面に形成されている絶縁膜と同一の材料からなることを特徴とする請求項１乃至６に記載のいずれか一つに記載の半導体装置。
ＢＧＡ型であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の半導体装置。
前記封止樹脂を、それより高い弾性率を持つ別の封止樹脂で覆ったことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の半導体装置。
請求項１乃至９のいずれか一つに記載の半導体装置を含み、ＰｏＰ型構造を有することを特徴とする半導体装置。