WO1999056313A1

WO1999056313A1 - Semiconductor device and process for manufacturing the same

Info

Publication number: WO1999056313A1
Application number: PCT/JP1998/001920
Authority: WO
Inventors: Noriyuki Takahashi; Seiichi Ichihara; Chuichi Miyazaki
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi ULSI Systems Co Ltd; Hitachi Yonezawa Electronics Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Renesas Semiconductor Package and Test Solutions Co Ltd; Hitachi Solutions Technology Ltd
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2000-10-24
Also published as: KR20010042682A; JP4038021B2; TW426870B

Description

明細書半導体装置およびその製造方法技術分野

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、半導体チップを搭載したパッケージ基板を半田バンプを介してプリント配線基板に実装するボールグリッドアレイ（Ball Grid Array； B G A)型の半導体装置に適用して有効な技術に関する。

背景技術

半導体チップを搭載したパッケ一ジ基板の一面に半田バンプを取り付け、この半田バンプを介してパッケージ基板をプリント配線基板に実装する B G Aは、パッケージの側面からリードを引き出した Q F P (Quad Flat Package)や S O P (Sma 11 Outline Package)などに比べて多ピン化が容易で、かつ実装面積も小さくできるという利点がある。

上記 B G Aには各種の構造が提案されているが、特に携帯情報機器、ディジタルカメラ、ノートパソコンといった小型軽量電子機器への実装に好適な B G Aとして、パッケージ基板を絶縁テープで構成した T C P (Tape Carrier Package)方式の B G A (テープ B G A) が公知である。この種のテープ B G Aについては、例えば特開平 7— 3 2 1 2 4 8号公報、特開平 8— 8 8 2 4 3号公報、特開平 8 - 1 1 1 4 3 3号公報などに記載がある。

また、本発明者は、以下のような構造の B G A (特に、バンプのピッチを狭小ィ匕したファインピッチ B G A) を開発している。この B G Aは、片面に C u (銅）箔からなる複数のリードを形成した榭脂製の配線基板の中央部にデバイスホールを形成してそこに半導体チップを配置し、この半導体チップとリードの一端部とを A uのバンプ電極を介して電気的に接続すると共に、半導体チップの主面をポッティング樹脂で封止する。また、リードの他端部を配線基板の周辺部まで延在してランド部を形成し、そこに B G Aの外部接続端子となる半田バンプを接続する。さらに、上記 B G Aを組立てる工程で半田バンプをランド部に確実に位置決めできるようにするための補強材として、配線基板の周辺部の半田バンプ接合面と反対側の面に四角枠状の金属枠を接着剤で貼り付け、この金属枠で配線基板の周辺部の反りを防いでいる。

しかし、上記の B G Aで使用する金属枠は、 C u (銅）などの薄い金属板をプレスで打ち抜いて片面に接着剤を塗布し、さらにその表面に接着剤保護用のカバ一テープを貼り付けたものであるために材料が高価であり、 B G Aの製造コストを引き上げる要因となる。また、配線基板に金属枠を貼り付ける作業が必要となるために、 B G Aの製造工程が増える。この金属枠を貼り付ける作業は、接着剤を保護する薄いカバーテープを剥がす作業がロボットハンドでは上手く処理出来ないために、自動化によってコスト削減を図ることも難しい。

本発明の目的は、 B G A (テープ B G A、ファインピッチ B G Aなど）の製造コストを低減することのできる技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、 B G A (テープ B G A、ファインピッチ B G Aなど）の信頼性を向上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。発明の開示

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、以下の通りである。

本発明の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップを囲むように設けられた配線基板と、前記配線基板に形成され、一端部が前記半導体チップと電気的に接続された複数のリードと、前記半導体チップを被覆する封止樹脂と、前記配線基板の周辺部に沿って設けられた補強枠と、前記配線基板の周辺部に沿って配置され、前記リードの他端部と電気的に接続された複数個のバンプとを有し、前記補強枠は、樹脂からなる。

また、本発明の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップを囲むように設けられた配線基板と、前記配線基板に形成され、一端部が前記半導体チップと電気的に接続された複数のリードと、前記半導体チップを被覆する封止樹脂と、前記配線基板の一主面の周辺部に沿って設けられた補強枠と、前記配線基板の他の主面の周辺部に沿って配置され、前記リードの他端部と電気的に接続された複数個のバンプとを有し、前記補強枠は榭脂からなり、前記補強枠および前記配線基板には、それらの上下面を貫通して前記リードに達する貫通孔が設けられ、前記貫通孔の内部には、導電材が埋め込まれている。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、以下の工程を含んでいる。

( a ) 一端部がデバイスホールの内側に延在し、他の一部にバンプを接続するためのランド部が形成された複数のリードを有するテープ基材の前記デバイスホールに半導体チップを配置し、前記半導体チップと前記リードの一端部とを電気的に接続する工程、

( b ) 前記半導体チップを封止する封止樹脂と、前記封止樹脂の周囲を囲む補強枠とをトランスファ ·モールド法によって成形する工程、

( c ) 前記リードのランド部にバンプを接続する工程、

( d ) 前記テープ基材の不要箇所を除去する工程。

上記した本発明によれば、配線基板に高価な金属枠を設ける工程が不要となるので、材料原価および製造工程数を低減することができ、低コストの B G Aを提供することができる。また、半導体チップをトランスファ .モールド法で樹脂封止することにより、信頼性の向上した B G Aを提供することができる。図面の簡単な説明

図 1、図 2は、本発明の実施形態 1である半導体装置の斜視図である。

図 3は、本発明の実施形態 1である半導体装置の断面図である。

図 4は、本発明の実施形態 1である半導体装置の製造方法を示すテープ基材の平面図である。

図 5は、本発明の実施形態 1である半導体装置の製造方法を示す斜視図である。図 6は、本発明の実施形態 1である半導体装置の製造方法を示す平面図である。図 7、図 8は、本発明の実施形態 1である半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。図 9、図 1 0は、本発明の実施形態 1である半導体装置の製造方法を示す平面図である。

図 1 1は、本発明の実施形態 1である半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。

図 1 2は、本発明の実施形態 1である半導体装置を実装したプリント配線基板の平面図である。

図 1 3は、本発明の実施形態 2である半導体装置の斜視図である- 図 1 4、図 1 5は、本発明の実施形態 2である半導体装置の断面図である。図 1 6は、本発明の実施形態 3である半導体装置の斜視図である。

図 1 7は、本発明の実施形態 3である半導体装置の断面図である- 図 1 8は、本発明の実施形態 3である半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。

図 1 9は、本発明の実施形態 3である半導体装置を用いたマルチチップモジュールの断面図である。

図 2 0は、本発明の実施形態 4である半導体装置の断面図である。

図 2 1、図 2 2は、本発明の実施形態 4である半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。

図 2 3は、本発明の他の実施形態である半導体装置の斜視図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

実施形態 1

図 1は、本実施形態のテープ B G A (ファインピッチ B G A) を示す斜視図、図 2は、このテープ B G Aの実装面（半田バンプ取り付け面）を示す斜視図、図 3は、このテープ B G Aの断面図である。

本実施形態のテープ B G Aは、片面に銅箔配線からなる複数のリード 1を形成したポリイミド系榭脂からなる配線基板 2、この配線基板 2のデバイスホールに配置された半導体チップ 3、この半導体チップ 3を被覆する封止樹脂 4、配線基板 2の周辺部に沿って設けられた四角枠状の補強枠 5、および配線基板 2の周辺部に沿って取り付けられた複数個の半田バンプ 6により構成されている。

マイコン、 AS I Cなどの L S Iが形成された半導体チップ 3は、その主面の周辺部に設けられた A uのバンプ電極 7を介してリード 1の一端部（インナーリード部 1 A) と電気的に接続されている。リード 1の他端部は、配線基板 2の周辺部に設けられた補強枠 5の下部まで延在し、この領域で半田バンプ 6と電気的に接続されている。半田バンプ 6が接合されたリード 1の他端部（ランド部 1 B) を除く配線基板 2の片面は、リード 1を保護するためのソルダーレジスト（図示せず）で被覆されている。

配線基板 2の周辺部、すなわち半田バンプ 6が取り付けられた領域に設けられた補強枠 5は、配線基板 2の周辺部の平坦性を確保し、後述する半田バンプ 6の取り付け工程で半田バンプ 6がランド部 1 Bに確実に接合されるように機能する。この補強枠 5は、トランスファ .モールド法によって成形された合成樹脂で構成されている。

半導体チップ 3を外部環境から保護する封止樹脂 4は、上記補強枠 5と同じくトランスファ 'モールド法によって成形された合成樹脂で構成され、半導体チップ 3の全面を覆っている。図 1に示すように、封止榭脂 4は、その四隅において補強枠 5と連結され、この補強枠 5と一体に成形されている。

上記したテープ BG Aの各部の材料、寸法の一例を示すと、半導体チップ 3は単結晶シリコンからなり、その寸法は 7. 6腿 X 7. 6腿、厚さ 0. 4隱である。ポリイミド系樹脂からなる配線基板 2の寸法は 1 5腿 X I 5 mm、厚さ 0. 07 5 mmである。リード 1は、この配線基板 2の片面に貼り付けた厚さ 0. 0 1 8腿の電解銅箔（または圧延銅箔）をエッチングして形成した銅箔配線からなり、その両端部 (インナーリード部 1 Aおよびランド部 1 B) の表面には、 Au/N iのメツキが施されている。

半導体チップ 3を封止する封止樹脂 4およびこれと一体に成形された補強枠 5 は、シリカなどのフィラーが充填されたエポキシ系樹脂からなる。封止樹脂 4の寸法は 1 4. 6mmX 1 4. 6腿、厚さ 0. 6 5 5删である。補強枠 5は、配線基板 2 の片面のみに形成され、その厚さは 0 . 3 5 5腿である。リード 1のランド部 1 B に接合された半田バンプ 7は S n ( 6 3 %) Z P b ( 3 7 %) 合金からなり、その直径は 0 . 3 mm、ピッチは 0 · 5 mmである。

次に、上記のように構成された本実施形態のテープ B G Aの製造方法を図 4〜図 1 1を用いて説明する。

テープ B G Aを製造するには、まず図 4に示すような、片面に銅箔配線からなるリード 1を形成すると共に貫通孔を形成したテープ基材 2 Aと、図 5に示すような、素子形成面の周辺部に A uのバンプ電極 7を形成した半導体チップ 3とを用意する。

上記テープ基材 2 Aは、一端がリールに巻き取られた幅 3 5讓の長尺テープであるが、図 4には B G A—個分の領域のみが示されている。このテープ基材 2 A の B G A—個分の領域の中央部には、半導体チップ 3が配置される略正方形のデバイスホール 8が形成され、リード 1のそれぞれの一端部（インナーリード部 1 A) 、このデバイスホール 8の内側に延在している。また、リード 1の中途部には、後の工程で半田バンプ 6が接続されるランド部 1 Bが形成されている。これらのランド部 1 Bは、デバイスホール 8の各辺に沿って 2列に配置されている。ランド部 1 Bのさらに外側のテープ基材 2 Aには、長方形の開孔 9がランド部 1 Bを囲むように形成されている。これらの開孔 9は、テープ基材 2 Aを打ち抜く作業を容易にするためのもので、それらの内側のテープ基材 2 Aが B G Aの配線基板 2を構成するようになっている。

一方、半導体チップ 3へのバンプ電極 7の取り付けは、ワイヤボンディング装置を用いたボールボンディング方式で行う。

次に、図 6に示すように、上記テープ基材 2 Aのデバイスホール 8に半導体チップ 3を位置決めし、バンプ電極 7と対応するリード 1とを電気的に接続する。バンプ電極 7とリード 1とを接続するには、図 7に示すように、ボンディングステージ 1 0の上に水平に載置した半導体チップ 3のバンプ電極 7にリード 1のィンナーリード部 1 Aを重ね合わせ、上方から 5 0 0 °C程度に加熱したボンディングツール 1 1を 1秒程度圧着して、すべてのバンプ電極 7と対応するインナーリ —ド部 1 Aとを同時に一括して接続する。次に、上記テープ基材 2 Aを図 8に示すようなモールド金型に装着し、半導体チップ 3が位置決めされたキヤビティ 1 2の内部に樹脂を注入する。図示のように、このモールド金型は、上型 1 3 Aと下型 1 3 Bとで構成されている。上型 1 3 Aの一部には突起部 1 4が設けられており、キヤビティ 1 2に注入された樹脂は、この突起部 1 4の内側の部分が半導体チップ 3を封止する封止樹脂 4となり、外側の部分が補強枠 5となる。また、上型 1 3 Aの一部に突起部 1 4を設けたことにより、半導体チップ 3に近接した領域のテープ基材 2 Aが突起部 1 4と下型 1 3 Bとに挟まれて確実に固定される。これにより、キヤビティ 1 2の内部に樹脂を注入した際に半導体チップ 3が揺動し難くなるので、半導体チップ 3の位置ずれに起因する成形不良率を低減することができる。

また、上記モールド金型は、上型 1 3 Aと下型 1 3 Bのそれぞれに樹脂の注入口であるゲート 1 5が設けられている。これにより、半導体チップ 3の主面側と裏面側とに榭脂が均一に流入されるので、樹脂の流入ばらつきに起因する成形不良率を低減することができる。

図 9は、上記モ一ルド金型を使ったトランスファ .モールド法によって樹脂 4 と補強枠 5とを成形したテープ基材 2 A (上面側）を示す平面図、図 1 0は、同じくテープ基材 2 A (実装面側）を示す平面図である。

次に、上記テープ基材 2 Aのランド部 1 Bに半田バンプ 6を接続する。半田バンプ 6をランド部 1 Bに接続するには、あらかじめボール状に成形しておいた半田バンプ 6を図 1 1に示すようなボールマウンタ 1 6を使って真空吸引し、この状態でフラックス槽（図示せず）に半田バンプ 6を浸漬してその表面にフラックスを塗布した後、フラックスの粘着力を利用して半田バンプ 6を対応するランド部 1 Bに仮付けする。本実施形態では、ランド部 1 Bが形成された領域のテープ基材 2 Aに補強枠 5が設けられているので、この領域のテープ基材 2 Aの反りや変形が防止されて平坦度が向上する。従って、多数の半田バンプ 6を対応するランド部 1 Bに同時に押し付けた場合でも、すべての半田バンプ 6がランド部 1 B に確実に密着する。

その後、半田バンプ 6を加熱リフローしてランド部 1 Bに固着した後、テープ基材 2 Aの表面に残ったフラックス残渣を中性洗剤などを使って除去し、最後にテープ基材 2 Aをチップ単位で打ち抜くことにより、前記図 1〜図 3に示すテープ B G Aが完成する。このようにして得られたテープ B G Aは、バーンイン/テスタによる検査に付されて良品と不良品とに選別された後、梱包、出荷される。図 1 2は、上記テープ B G Aと他の表面実装型パッケージ（例えば Q F Pなど）とが実装されたプリント配線基板 1 8の平面図である。テープ B G Aと Q F Pは、テープ B G Aの半田バンプ 6および Q F Pのリード表面に塗布した半田ペースト (または半田メツキ）を加熱炉内でリフローすることにより、同時に一括して実装する。

このように、半導体チップ 3を保護する封止樹脂 4と、配線基板 2の周辺部の平坦性を確保するための補強枠 5とをトランスファ ·モールド法によって同時に一括成形する本実施形態によれば、樹脂基板の周辺部に金属枠を接着した後、半導体チップをポッティング樹脂で封止する場合に比べて製造工程を低減することができ、かつ金属枠よりも安価なモールド榭脂で補強枠を形成することにより材料原価を低減することができるので、テープ B G Aを安価に製造することができる。

また、ポッティング樹脂よりも耐湿性に優れたモールド樹脂で半導体チップを全面封止する本実施形態によれば、テープ B G Aの信頼性を向上させることがでさる。

実施形態 2

図 1 3は、本実施形態のテープ B G Aを示す斜視図、図 1 4は、このテープ B G Aの断面図である。

図示のように、本実施形態のテープ B G Aは、半導体チップ 3の裏面を封止榭脂 4から露出させた構造になっている。このような構造は、特に消費電力の大きい半導体チップ 3を搭載したテープ B G Aの熱抵抗を低減するのに有効である。また、図 1 5に示すように、半導体チップ 3の露出面に接着剤 1 7などを使って金属製の放熱フィン 1 9を接合することにより、テープ B G Aの熱抵抗をさらに低減することができる。

半導体チップ 3の裏面を封止榭脂 4から露出させた上記テープ B G Aを製造するには、まず前記実施の形態 1の図 8に示したモールド金型に比べて深さの浅いキヤビティを備えたモールド金型を用意し、このモールド金型の上型に半導体チップ 3の裏面が接触するようにテープ基材 2 Aを装着した状態でキヤビティに樹脂を注入し、封止樹脂 4を成形すればよい。

実施形態 3

図 1 6は、本実施形態のテープ B G Aを示す斜視図、図 1 7は、このテープ B G Aの断面図である。

図示のように、このテープ B G Aの補強枠 5およびその下部の配線基板 2には、それらの上下面を貫通してリード 1のランド部 1 Bに達する多数の貫通孔 2 0が設けられ、それぞれの貫通孔 2 0の内部には、導電材 2 1が埋め込まれている。導電材 2 1は、ランド部 1 Bに接続された半田バンプ 6よりも高融点の半田や導電性ペーストなどで構成され、スクリーン印刷あるいは多点ノズルを備えたディスペンサによって貫通孔 2 0の内部に充填される。補強枠 5に貫通孔 2 0を形成するには、図 1 8に示すように、上型 1 3 Aの一部に多数のピン 2 2を設けたモールド金型を使つて補強枠 5を成形する。

テープ B G Aを上記のような構造とすることにより、図 1 9に示すように、複数のテープ B G Aを基板実装面に対して垂直な方向に重ね合わせ、半田バンプ 6 と導電材 2 1とを介して共通のピン同士を電気的に接続したマルチチップ ·モジユールを容易に実現することができる。この場合、半導体チップ 3は、 D R AM などのメモリ L S Iを形成したものが使用される。

実施形態 4

図 2 0は、本実施形態のテープ B G Aを示す断面図である。図示のように、このテープ B G Aは、配線基板 2の下面側に補強枠 5を設け、この補強枠 5に形成された凹溝 2 3の内部に半田バンプ 6を配置した構造になっている。補強枠 5に凹溝 2 3を形成するには、図 2 1に示すように、下型 1 3 Bの一部に多数の突起部 2 4を設けたモールド金型を使って補強枠 5を成形する。

テープ B G Aを上記のような構造とすることにより、図 2 2に示すように、ボールマウンタ 1 6を使って半田バンプ 6をランド部 1 Bに仮付けする際、凹溝 2 3が半田バンプ 6の位置決めガイドとして機能するので、半田バンプ 6の仮付けを容易、かつ迅速に行うことができる。この場合も、補強枠 5は、ランド部 1 B が形成された領域のテープ基材 2 Aの反りや変形を防止するように機能する。以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施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。

例えば図 2 3に示すように、封止樹脂 4と補強枠 5とを分離して成形してもよい。この場合は、封止榭脂 4を成形するモールド金型のキヤビティ（1 2 ) と補強枠 5を成形する上型（1 3 A) の一部とに樹脂を直接供給ためのゲートをそれぞれ複数設ける必要がある。産業上の利用可能性

半導体チップを封止する封止樹脂と配線基板の反りや変形を防ぐ補強枠とをトランスファ 'モールド法で同時に樹脂成形する本発明のテープ B G Aは、製造コストが安価で信頼性も高いことから、携帯情報機器、ディジタルカメラ、ノートコンといった小型軽量電子機器への実装に広く適用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 半導体チップと、前記半導体チップを囲むように設けられた配線基板と、前記配線基板に形成され、一端部が前記半導体チップと電気的に接続された複数のリードと、前記半導体チップを被覆する封止樹脂と、前記配線基板の周辺部に沿つて設けられた捕強枠と、前記配線基板の周辺部に沿って配置され、前記リードの他端部と電気的に接続された複数個のバンプとを有する半導体装置であって、前記補強枠は樹脂からなることを特徴とする半導体装置。

2 . 請求項 1記載の半導体装置であって、前記補強枠は、トランスファ 'モールド法によつて成形された合成樹脂からなることを特徴とする半導体装置。

3 . 請求項 1記載の半導体装置であって、前記補強枠は、前記配線基板の一面に設けられ、前記複数個のバンプは、前記配線基板の他面に接続されていることを特徴とする半導体装置。

4 . 請求項 1記載の半導体装置であって、前記補強枠は、前記配線基板の一面に設けられ、前記複数個のバンプは、前記補強枠に形成された複数の凹溝の内部に配置されていることを特徴とする半導体装置。

5 . 請求項 1記載の半導体装置であって、前記封止樹脂に被覆された前記半導体チップは、その裏面が前記封止樹脂から露出していることを特徴とする半導体装置。

6 . 請求項 5記載の半導体装置であって、前記半導体チップの裏面に放熱フィンが接合されていることを特徴とする半導体装置。

7 . 請求項 1記載の半導体装置であって、前記封止樹脂と前記補強枠とは、それらの一部が互レ、に連結されていることを特徴とする半導体装置。

8 . 請求項 1記載の半導体装置であって、前記複数個のバンプは、前記配線基板の周辺部に沿って複数列に配置されていることを特徴とする半導体装置。

9 . 半導体チップと、前記半導体チップを囲むように設けられた配線基板と、前記配線基板に形成され、一端部が前記半導体チップと電気的に接続された複数のリードと、前記半導体チップを被覆する封止樹脂と、前記配線基板の一主面の周辺部に沿って設けられた補強枠と、前記配線基板の他の主面の周辺部に沿って配置され、前記リードの他端部と電気的に接続された複数個のバンプとを有する半導体装置であって、前記補強枠は樹脂からなり、前記補強枠および前記配線基板には、それらの上下面を貫通して前記リードに達する貫通孔が設けられ、前記貫通孔の内部には、導電材が埋め込まれていることを特徴とする半導体装置。

1 0 . 請求項 9記載の半導体装置を複数個積層し、前記バンプおよび前記導電材を介して前記複数個の半導体装置の共通する端子間を電気的に接続したことを特徴とするマルチチップモジュール構造の半導体装置。

1 1 . 以下の工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法；

( a ) 一端部がデバイスホールの内側に延在し、他の一部にバンプを接続するためのランド部が形成された複数のリ一ドを有するテープ基材の前記デバイスホールに半導体チップを配置し、前記半導体チップと前記リードの一端部とを電気的に接続する工程、

( b ) 前記半導体チップを封止する封止樹脂と、前記封止樹脂の周囲を囲む補強枠とをトランスファ ♦モールド法によって成形する工程、

( c ) 前記リードのランド部にバンプを接続する工程、

( d ) 前記テープ基材の不要箇所を除去する工程。