JP2000031327A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＢＧＡパッケージの実装信頼性の向上を図
る。 【解決手段】 本発明は、絶縁基板の一方の面に二次元
的に複数の導体バンプを備えたいわゆるＢＧＡ型の半導
体装置において、上記絶縁基板３に半導体チップ２を固
定するための接着層８を含む。本発明において、上記接
着層８は、その外周縁が上記半導体チップ２の外周縁の
外側に延びている。本発明に係る半導体装置を外部基板
に実装した場合、半導体チップ２と外部基板との線膨張
係数差に起因して半導体チップの外縁からその直下に位
置する導体バンプの接合部に伝播する応力波は、上記半
導体チップ２よりも外側に延びた接着層８によって緩和
され、該接合部におけるせん断力が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆるＢＧＡタ
イプの半導体装置に関し、特に実装信頼性を改善するに
適した半導体装置のパッケージ構造に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】ＢＧＡ(Ball Grid Array)は、パッケー
ジの一面側に、外部接続端子としての半田バンプと呼ば
れる複数の球状の半田を二次元的に配置してなる表面実
装型のパッケージ構造を有する半導体装置である。接続
端子を二次元的に配置できることから高密度実装に適し
たパッケージとして知られている。特に、近年注目を浴
びているＣＳＰ(Chip Size Package)、すなわちパッケ
ージサイズをチップサイズと同等あるいは僅かに大きい
程度に高密度化した半導体装置を実現する上で、ＢＧＡ
は極めて重要な位置付けを有している。
【０００３】ＢＧＡの中には、パッケージの基板として
ポリイミド樹脂等からなる可撓性絶縁基板を用い、この
一面側に半田バンプを二次元的に配置して構成されるも
のがある。この種の半導体装置において、半導体チップ
は、非導電性エポキシ樹脂等のダイアタッチ材と呼ばれ
る接着剤を介して、可撓性絶縁基板上に固定される。製
造の工程においては、可撓性絶縁基板上にダイアタッチ
材を適量滴下し、その上から半導体チップを基板に対し
て圧接して、チップ下面にダイアタッチ材を行き渡らせ
る。加熱してダイアタッチ材をキュアさせた後、必要な
配線を施して半導体チップは樹脂封止される。このよう
なＢＧＡタイプの半導体装置は、マウンタにより外部基
板(プリント配線基板)上に搭載後、一括リフローにより
半田バンプを溶融して実装される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】半導体装置の実装にお
いては、実装信頼性を高めることが極めて重要である。
特に、ＢＧＡパッケージは、従来のＱＦＰ(Quad Flat P
ackage)に比べ、一般に、以下に述べるような実装時の
信頼性が低いことが指摘されている。上記ＢＧＡ型の半
導体装置に対する温度サイクル試験において、可撓性絶
縁基板と半田バンプの接合部、特にチップ外縁の直下に
位置する半田バンプの接合部にクラックが発生し、オー
プン不良となることがある。主たる原因は、半導体チッ
プの線膨張係数と外部基板のそれとの差からせん断応力
が発生し、上記接合部に集中するためである。すなわ
ち、チップと外部基板との間にあるダイアタッチ材及び
可撓性絶縁基板の弾性率は、チップと外部基板のそれに
比して極めて低く、その結果、上記線膨張係数の差に起
因するせん断応力は、半田接合部に集中する。熱による
半導体チップの収縮の影響はその外縁部で最大となるの
で、この直下に位置する半田バンプの接合部におけるせ
ん断応力が最大となり、該部分の応力低下がパッケージ
の実装信頼性に大きく影響する。
【０００５】従って本発明の目的は、可撓性絶縁基板
と、半導体チップ外縁の直下に位置する半田バンプとの
接合部における応力集中を緩和し、接合部のクラック等
によって起こるオープン(断線)不良を回避して、ＢＧＡ
パッケージの実装信頼性を向上することにある。
【０００６】また本発明の別の目的は、上記パッケージ
の基本的な形態に変更を加えること無く、また製造工程
を著しく変更したり、製造コストを引き上げること無
く、パッケージの実装信頼性を改善することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
は、半導体チップと、第１の面と第２の面とを有し、少
なくとも該何れかの面に導体パターンを備えた可撓性絶
縁基板と、上記可撓性絶縁基板の第１の面に二次元的に
配置され、上記導体パターンを外部基板へ電気的に接続
する複数の導体バンプと、上記可撓性絶縁基板の第２の
面に上記半導体チップを固定するために、上記可撓性絶
縁基板と上記半導体チップとの間に設けられる接着層を
含む。本発明において、上記接着層は、その外周縁が上
記半導体チップの外周縁の外側に延びている。本発明に
係る半導体装置を外部基板に実装した場合、半導体チッ
プと外部基板との線膨張係数差に起因して半導体チップ
の外縁からその直下に位置する導体バンプの接合部に伝
播する応力波は、上記半導体チップよりも外側に延びた
接着層によって緩和され、該接合部におけるせん断力が
低減される。
【０００８】本発明はまた、上記応力波による半導体チ
ップの外縁の外側に位置する全ての導体バンプへの影響
を緩和するために、上記接着層が上記可撓性絶縁基板に
おける上記導体バンプの配置された範囲を超えて延びて
いる構成とすることが好ましい。
【０００９】また、本発明において上記接着層の厚さは
100μm以上であることが好ましい。
【００１０】また、本発明において上記接着層は、上記
半導体装置が実装される外部基板の線膨張係数と略等し
い線膨張係数を有するものであることが好ましい。
【００１１】この場合に、上記接着層は、上記半導体装
置が実装される外部基板の線膨張係数と略等しい線膨張
係数を有する中間部材の両面に、接着剤を備えてなるも
のであることが好ましい。
【００１２】また、本発明において上記接着層の弾性率
は、10kg/mm2以上であることが好ましい。
【００１３】更に、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、半導体チップを形成する工程と、第１の面と第２の
面とを有し、少なくとも該何れかの面に導体パターンを
備えると共に、該第１の面に導体バンプを固定するよう
にされた可撓性絶縁基板を形成する工程と、上記可撓性
絶縁基板の第２の面に、上記半導体チップの平面的サイ
ズよりも大きい平面的サイズを有する両面に接着剤を塗
布した樹脂製フィルム材を貼り付ける工程と、上記樹脂
製フィルム材上に上記半導体チップを載置し、上記樹脂
製フィルム材と上記半導体チップとを接着する工程と、
上記半導体チップを、上記可撓性絶縁基板上の導体パタ
ーンに電気的に接続する工程と、上記半導体チップを封
止する工程と、上記導体バンプを、上記可撓性絶縁基板
の第１の面に、上記導体パターンとの電気的接続が達成
されるように固定する工程とを含んで構成されている。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
沿って説明する。図１及び図２に、本発明を適用したＣ
ＳＰ型パッケージの半導体装置を示す。図１は、半導体
装置１の一部を切り欠いて示す外観斜視図であり、図２
はその断面図である。これら図において半導体装置１
は、以下における説明のためデフォルメして示されてお
り、実際の寸法、形状とは異なることに留意すべきであ
る。
【００１５】半導体装置１は、半導体チップ２よりも平
面的に一回り大きい絶縁基板３を有する。一つの実施例
において絶縁基板３は、12mm角、厚さ75μmの直鎖非熱
可塑性ポリイミド製のフィルム片である。絶縁基板３の
表面には、半導体チップ２と外部接続端子である半田バ
ンプ７とを電気的に接続するための多数の銅パターン４
が形成されている。銅パターン４は、絶縁基板３の表面
に接着層によって銅箔を貼り付け、不要部分をエッチン
グにより除去することによって形成したものである。も
っとも、スパッタリングにより、絶縁基板３上に銅パタ
ーン４を形成してもよい。各銅パターン４の一端は、絶
縁基板３に形成されたビアホール３ａ上に位置し、該ビ
アホール３ａを介して半田バンプ７と接続される。本明
細書では、以下、この領域を、バンプ接続ランド４ａと
呼ぶ。各銅パターンのバンプ接続ランド４ａは、上記ビ
アホール３ａの位置に対応して、絶縁基板３に２次元的
に配列されている。
【００１６】銅パターン４の他端は、上記絶縁基板３の
外側に向かって伸びており、その端部まで至っている。
銅パターン４の該端部から内側に、パターンの線幅より
も幅広の領域４ｂが形成されている。半導体チップ２の
回路形成面側に形成した電極パッド２ａから伸びる導体
ワイヤ５の一端が、この幅広の領域に接続される。以
下、この領域をワイヤ接続ランド４ｂという。実施例に
おいて、銅パターン４の線幅は約0.035mmであり、バン
プ接続ランド４ａの幅は約0.47mm、ワイヤ接続ランド４
ｂの幅は約0.1mmである。また、隣り合うバンプ接続ラ
ンド４ａ間のピッチは、約0.8mmである。
【００１７】図２に示すように、上記銅パターン４を形
成した絶縁基板３の表面には、その全域に渡って、エポ
キシ系樹脂からなる半田レジスト６が塗布される。導体
ワイヤ５のボンディングのために、銅パターンのワイヤ
接続ランド４ｂ上の半田レジストが除去される。
【００１８】半導体チップ２は、半田レジスト６上に配
置される接着層、すなわちダイアタッチテープ８によっ
て、絶縁基板３上に接着される。そして、導体ワイヤ５
のボンディングの後の工程で行われる、モールド樹脂９
のトランスファーモールド法による成形によって封止さ
れている。ダイアタッチテープ８は、あらかじめテープ
状で供給されるエポキシ系、ポリイミド系あるいはポリ
アミドイミド系等の樹脂からなるダイアタッチシートを
金型で打ち抜いたものを使用することができる。また、
熱可塑性ポリイミド樹脂を用いても良い。ここで、ダイ
アタッチテープ８は、上記バンプ接続ランド４ａが配置
された絶縁基板３上の領域を覆う大きさを有している。
すなわち、ダイアタッチテープ８の周縁は、半導体チッ
プ２の周縁を超えて延びている。
【００１９】この半導体チップ２の外側に延びたダイア
タッチテープ８の領域は、半導体装置１を例えば、ガラ
ス布エポキシ樹脂基板であるＦＲ−４等の外部基板に実
装した場合の熱応力に対する実装信頼性を向上させるた
めに機能する。すなわち、外部基板と半導体チップ１と
の間の線膨張係数差により、半導体チップ１から外部基
板に向けて応力波が発生する。熱応力による収縮の影響
を最も受けるのは半導体チップ１の外周縁であり、この
部分からの応力波が最大のものとなる。上記半導体チッ
プ１の外側に延びたダイアタッチテープ８の領域は、外
側２列の半田バンプ７ａ、７ｂと最大の応力波の発生源
となる半導体チップ１の周縁間に位置し、上記線膨張係
数差により生じる半田バンプ７ａ、７ｂへの上記応力波
エネルギの一部を吸収する。その結果、半田バンプ７
ａ、７ｂ側に伝達される応力波によるせん断エネルギが
低減される。
【００２０】ダイアタッチテープ８は、また、半導体チ
ップ２を固定するために通常必要な厚さ(15〜30μm)を
超える十分な厚さを有している。一つの実施例ではダイ
アタッチテープ８の厚さは125μmである。十分な厚みの
ダイアタッチテープ８は、上記半田バンプ７ａ、７ｂに
対する応力波の影響を更に低減する働きがある。
【００２１】ここで、上記ダイアタッチテープ８とし
て、外部基板の線膨張係数と略等しい線膨張係数を有す
る中間部材の両面に接着剤を備えてなる３層構造のもの
を用いても良い。この中間部材として、金、銅、銀、ア
ルミニウム、鉄、ニッケル等の金属及びそれらの合金や
それらを貼り合わせたものを採用することができる。ま
た、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹
脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリスルホ
ン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリフェニレンス
ルフィド樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂などの有
機系樹脂を主体とする絶縁基材を採用することができ
る。中間部材を金属とした場合、ダイアタッチテープ８
の線膨張係数は約3〜30ppm/℃となり、弾性率は1000〜2
0000kg/mm2となる。中間部材を有機材料とした場合、線
膨張係数は約10〜100ppm/℃となり、弾性率は200〜2000
kg/mm2となる。また、上記接着剤としては、Ｂステージ
のエポキシ系樹脂、熱可塑性ポリイミド等を用いること
ができる。
【００２２】なお、ダイアタッチテープ８は、その線膨
張係数が外部基板のそれと略等しいことに加え、さらに
10kg/mm2以上の高弾性のものであることが好ましい。ダ
イアタッチテープの弾性率が高いと、温度サイクル試験
において発生する歪み応力は半導体チップ裏面とダイア
タッチテープの界面に分散し、半田バンプの接合部に対
する応力集中が緩和される。又、ダイアタッチテープの
弾性率が10kg/mm2以下になるとワイヤボンドを行うのが
困難になる。
【００２３】図３は、絶縁基板３の平面図である。本図
により、半導体チップ２及び絶縁基板３に対する上記ダ
イアタッチテープ８の平面的サイズが明瞭に示されてい
る。銅パターン４のバンプ接続ランド４ａは、２次元的
に配列され、ダイアタッチテープ８は、この全てのバン
プ接続ランド４ａを覆うように配置されている。図中、
斜線領域Ａは、半導体チップ２の実装位置を示してい
る。半導体チップ２の周縁が、外側から２列目のバンプ
接続ランド４ａの途中までであるのに対して、ダイアタ
ッチテープ８の周縁は、これを超えて更に外側に延びて
いる点に留意すべきである。
【００２４】
【実施例】図４(Ａ)に示す本発明の一実施例に係る半導
体装置(以下、実施例)と、同図(Ｂ)に示す従来構造の半
導体装置(以下、従来例)の温度サイクル試験における不
良率を測定した。測定条件を以下に示す。
【００２５】温度サイクル条件：-40〜125℃(1サイクル
20分／温度保持9分、昇温・冷却1分) パッケージサイズ：12×12mm チップサイズ：8.5×8.5mm 半田バンプ：63/37共晶半田(0.5mm径)を0.8mmピッチで1
44個配置 ダイアタッチテープ：外形10×10mm 外部基板材料：ガラス布エポキシ樹脂(ＦＲ−４)、厚さ
0.8mm
【００２６】上記条件において、不良率が１％及び５％
に至るまでの温度サイクル数をシミュレーションした。
測定は、半田バンプから半導体チップ裏面までの距離、
すなわちダイアタッチテープと絶縁基板の合計厚さ(表
中では、チップ−バンプ間距離)の異なるもの２種につ
いて行った。その結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】結果より、異なるチップ−バンプ間距離の
何れの場合も、実施例の方が不良率に至るまでの温度サ
イクル数が高い、すなわちパッケージの実装信頼性が高
いという結論が得られた。
【００２９】以上、本発明の実施形態を図面に沿って説
明した。本発明の適用範囲が、上記実施形態において示
した事項に限定されないことは明らかである。従来、ダ
イアタッチ材は、単に絶縁基板に対し半導体チップを固
定するものとしか考えられていなかった。本発明は、ダ
イアタッチ材をその本来の目的からは不必要とされる領
域、すなわち半導体チップの外周縁の外側まで延ばすこ
とによって、半田バンプの接合部における応力集中を緩
和する点に特徴を有する。したがって本発明は、上記実
施形態において示したパッケージの形状、導体リードの
パターン、半田バンプの数や配列、これらに使用される
材料などによって限定されることはない。
【００３０】上述したようにＢＧＡパッケージにおいて
は、熱応力により半導体チップの直下に配置された半田
バンプが、最もオープン不良となる可能性が高い。従っ
て、ダイアタッチテープは、該直下に配置された半田バ
ンプの領域を超えて配置されるものであっても良く、実
施形態で示したように全ての半田バンプの領域を覆うも
のでなくても良い。また、上記実施形態においては銅パ
ターンを絶縁基板のチップ搭載面側に形成したものを示
したが、その反対面側、すなわち図における絶縁基板の
下面側に銅パターンを備えた半導体装置においても本発
明を適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】本発明によって、温度サイクル試験にお
ける半田バンプの接合部、特に最もオープン不良の可能
性の高い半導体チップの外側に位置する半田バンプの接
合部への応力集中が緩和され、実装不良率が低下し、Ｂ
ＧＡパッケージの実装信頼性が向上する。
【００３２】また、本発明によれば、パッケージの基本
的な形態に変更を加えること無く、また製造工程を著し
く変更したり、製造コストを引き上げること無く、パッ
ケージの実装信頼性を改善するができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したＣＳＰ型パッケージの半導体
装置の一部を破断して示す斜視図である。
【図２】図１の半導体装置の断面図である。
【図３】図１の半導体装置に使用される絶縁基板の平面
図である。
【図４】不良率の測定対象となる本発明の一実施例に係
る半導体装置と従来構造の半導体装置の概略断面図であ
る。
【符号の説明】
１ 半導体装置 ２ 半導体チップ ２ａ 電極パッド ３ 絶縁基板 ３ａ ビアホール ４ 銅パターン ４ａ バンプ接続ランド ４ｂ ワイヤ接続ランド ５ 導体ワイヤ ６ 半田レジスト ７ 半田バンプ ８ ダイアタッチテープ ９ モールド樹脂
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅原 則人 大分県速見郡日出町大字川崎字高尾4260 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 内 (72)発明者 矢島 聖 大分県速見郡日出町大字川崎字高尾4260 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社 内 Ｆターム(参考） 4M105 AA02 AA09 AA10 AA16 GG08 GG18

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体チップと、 第１の面と第２の面とを有し、少なくとも該何れかの面
    に導体パターンを備えた可撓性絶縁基板と、 上記可撓性絶縁基板の第１の面に二次元的に配置され、
    上記導体パターンを外部基板へ電気的に接続する複数の
    導体バンプと、 上記可撓性絶縁基板の第２の面に上記半導体チップを固
    定するために、上記可撓性絶縁基板と上記半導体チップ
    との間に設けられる接着層であって、その外周縁が上記
    半導体チップの外周縁の外側に延びているものと、を備
    えた半導体装置。
  2. 【請求項２】 上記接着層が上記可撓性絶縁基板におけ
    る上記導体バンプの配置された範囲を超えて延びている
    請求項１記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 上記接着層の厚さが100μm以上のもので
    ある請求項１又は２記載の半導体装置。
  4. 【請求項４】 上記接着層は、上記半導体装置が実装さ
    れる外部基板の線膨張係数と略等しい線膨張係数を有す
    るものである請求項１、２又は３記載の半導体装置。
  5. 【請求項５】 上記接着層は、上記半導体装置が実装さ
    れる外部基板の線膨張係数と略等しい線膨張係数を有す
    る中間部材の両面に、接着剤を備えてなるものである請
    求項４記載の半導体装置。
  6. 【請求項６】 上記接着層の弾性率が、10kg/mm2以上で
    ある請求項１、２又は３記載の半導体装置。
  7. 【請求項７】 上記可撓性絶縁基板は、上記第２の面に
    上記導体パターンを備えると共に、上記導体バンプの対
    応位置にビアホールを備え、該ビアホールを介して上記
    導体パターンと上記導体バンプとが接続されるものであ
    る請求項１又は２記載の半導体装置。
  8. 【請求項８】 上記導体パターンの一部は、上記接着層
    の外周縁よりも外側に延びており、導体ワイヤを介して
    上記導体パターンの一部と上記半導体チップとが電気的
    に接続されるものである請求項７記載の半導体装置。
  9. 【請求項９】 上記可撓性絶縁基板の第２の面上に、上
    記半導体チップ、上記接着層、上記導体パターン及び上
    記導体ワイヤを封止する封止材を備えた請求項８記載の
    半導体装置。
  10. 【請求項１０】 半導体チップを形成する工程と、 第１の面と第２の面とを有し、少なくとも該何れかの面
    に導体パターンを備えると共に、該第１の面に導体バン
    プを固定するようにされた可撓性絶縁基板を形成する工
    程と、 上記可撓性絶縁基板の第２の面に、上記半導体チップの
    平面的サイズよりも大きい平面的サイズを有する両面に
    接着剤を塗布した樹脂製フィルム材を貼り付ける工程
    と、 上記樹脂製フィルム材上に上記半導体チップを載置し、
    上記樹脂製フィルム材と上記半導体チップとを接着する
    工程と、 上記半導体チップを、上記可撓性絶縁基板上の導体パタ
    ーンに電気的に接続する工程と、 上記半導体チップを封止する工程と、 上記導体バンプを、上記可撓性絶縁基板の第１の面に、
    上記導体パターンとの電気的接続が達成されるように固
    定する工程と、を含む半導体装置の製造方法。
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