JP2005327771A - ボールグリッド型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な放熱性を担保しつつ簡易な構成で、基板の大きさ如何に関わらず基板の反りを低減できるＢＧＡ型半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体チップ１と、主面にバンプ電極２により半導体チップ１がフリップチップ実装されると共に裏面にボール電極用のパッドが配置された回路配線基板３と、半導体チップ１から発生する熱を放熱させるための天板部５と、回路配線基板３及び天板部５の周囲に、これらと当接するように形成された枠体７とを備えたボールグリッド型半導体装置であって、半導体チップ１におけるコーナー部近傍と枠体の内壁面７ｃとの対向距離が、半導体チップ１における側壁面中央部近傍と枠体７の内壁面との対向距離よりも短くなるように枠体７を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、主面に半導体チップがフリップ実装され、裏面にボール電極用のパッドが配置されている回路配線基板を備えるボールグリッドアレイ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ、以下（ＢＧＡ）と略記する）型半導体装置に関する。

基幹系の通信機器やハイエンド・コンピュータなどに利用される半導体デバイスでは、年々、高速化、高性能化への要求が高まっている。こうしたニーズに応えるには、半導体デバイスの多ピン化や優れた電気特性を実現する必要がある。その解決策となるのがＢＧＡ型半導体装置である。

従来、半導体チップとパッケージ基板を電気的に接続する方法として、チップの回路面を上にして、金の細線を使って端子と配線するワイヤ・ボンディング方式が用いられていた。これに対し、ＢＧＡ型半導体装置では、半導体チップの回路面を下にして半田や金の端子（バンプ）を使いチップをパッケージ基板に接続することで電気的な接続を行うフリップチップ方式を採用している。
この方式は、ワイヤ・ボンディング方式に比して、配線の長さが短いため電気特性に優れ、高速化や高密度化に対応できるというメリットを有する。また、半導体チップの真下にもピンを二次元的に配置できるため数千ピンという多ピン化が容易、といった特長を備えている。さらに、構造上、半導体チップ背面から熱を逃がすことが可能なため、放熱性にも優れている。

図９から図１２は、従来のＢＧＡ型半導体装置を説明するための図である。図９は、従来の第１のＢＧＡ型半導体装置を示す概略断面図である。
図９に示すように、回路配線基板４３の主面４３ａには、半田ボール４２を介して矩形形状の半導体チップ４１がフリップチップ実装されている。また、半導体チップ４１の回路配線基板４３と当接する当接面４１ｂとは逆側の面（以下、半導体チップ背面という）４１ａには、半導体チップ４１から発生した熱を放熱させるための天板部４５が設けられている。天板部４５は、放熱効果をより高くするために、通常は回路配線基板４３と略同一の大きさのものが用いられる。そして、半導体チップ４１の周辺部において、回路配線基板４３の主面４３ａと天板部４５とに当接するように枠体４７が設けられている。
半導体チップ４１の各側面４１ｃと枠体４７の内壁面４７ｃとは、それぞれ略等間隔で対向するように配置され、その間隙の回路配線基板４３上には不図示のセラミックチップコンデンサ等が載置されている。枠体４７と天板部４５とは、図９に示すように一体的に形成されているもの（特許文献１、特許文献２）と、図１０に示すように別体として形成されているもの（特許文献３）が知られている。一体型の構造の場合、図１１に示すように半導体チップが予め載置された回路配線基板４３に、枠体４７及び天板部４５からなる一体成形された凹形状の蓋体が接着剤Dを介して接合せしめられる。
別体型の構造の場合、図１２に示すように、枠体５７及び半導体チップ５１が予め回路配線基板５３上に接着剤Dを介して接合せしめられ、その後に天板部５５が接着剤を介して接合せしめられている。
特開２００２−２０３８６６号公報 特開２００１−３３８９９９号公報 特開２００２−１９０５６０号公報

ところが、上記のようなＢＧＡ型半導体装置においては、回路配線基板上に半導体チップを搭載すること等に起因して回路配線基板に反りが発生するという問題がある。回路配線基板の反りが発生すると、基板の実装が不可能となる恐れが生じ得る。また、半導体チップにクラックや剥離が発生してしまう恐れが生じ得る。
基板の反りを低減する方法として、基板の厚みを大きくする方法が考えられる。しかしながら、基板の厚みを大きくすると、厚み方向に配線を形成することが困難となる。また、配線が切れやすいという新たな問題が生じてしまう。
近年、回路配線基板の大きさが大型化する傾向に有る。基板が大きくなるにつれて、基板の反り量が大きくなり、上記問題がより深刻となってしまった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＢＧＡ型半導体装置において、十分な放熱性を担保しつつ簡易な構成で、基板の大きさ如何に関わらず基板の反りを低減できるＢＧＡ型半導体装置を提供することである。

本発明に係るＢＧＡ型半導体装置は、半導体チップ（例えば、本実施形態１に係る半導体チップ１）と、主面にバンプ電極により該半導体チップがフリップチップ実装されると共に裏面にボール電極用のパッドが配置された回路配線基板（例えば、本実施形態に係る回路配線基板３）と、該半導体チップから発生する熱を放熱させるための天板部（例えば、本実施形態に係る天板部５）と、該半導体チップの周囲において、該回路配線基板及び該天板部と当接するように形成された枠体（例えば、本実施形態１に係る枠体７）とを備えたＢＧＡ型半導体装置であって、該半導体チップにおけるコーナー部近傍と該枠体の内壁面との対向距離が、該半導体チップにおける側壁面中央部近傍と該枠体の内壁面との対向距離よりも短くなるように該枠体を形成したものである。

上記のように回路配線基板に搭載された半導体チップにおいては、半導体チップのコーナー部に応力が集中する。上記態様のＢＧＡ型半導体装置によれば、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体との対向距離よりも半導体チップのコーナー部近傍と枠体との対向距離を短くしているので、従来に比して半導体チップの応力集中部であるコーナー部を枠体及び天板部とにより強固に固定することができる。
その結果、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体との対向距離を従来と同程度にした場合、従来よりも基板の反り量を低減することができる。また、基板の大きさを従来よりも大きくした場合においても、基板のそり量を同様にして低減することができる。
なお、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体との対向距離を従来に比して短くすれば、基板の反りの抑制により効果的であるが、上述したとおり当該間隙にはセラミックコンデンサ等を載置するので、ある程度の対向距離を確保する必要がある。また、半導体チップのコーナー部と枠体とを当接させると、材質の違いによる熱膨張係数の違いなどから不具合が発生する恐れがあるので、半導体チップのコーナー部と枠体とはある程度の離間距離を確保する必要がある。

本発明においては、枠体の内壁面の開口形状を円形とし、当該円形の中心と半導体チップの外接円の中心とを略一致させるよう構成することができる。
ここで、枠体の内壁面の開口形状を正方形形状、半導体チップの回路配線基板との当接面も正方形形状のものとし、その中心を略一致させ、図１１に示すように両者の４つのコーナー部をそれぞれ同一直線上に配置せしめた場合を考える。この場合、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体との対向距離を１とした場合、半導体チップのコーナー部と枠体との対向距離は、その距離よりも約１．４倍離れることになる。
本発明に係るＢＧＡ型半導体装置においては、枠体の内壁面の開口形状を円形とし、この円形の中心と、半導体チップの外接円の中心とを略一致させているので、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体の内壁面との対向距離よりも、半導体チップのコーナー部近傍と枠体の内側面との対向距離を短くすることができる。その結果、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体との対向距離を従来と同程度に保った場合においても、従来より基板のそり量を低減することができる。また、基板の大きさを従来よりも大きくした場合においても同様の効果が得られる。

本発明に係るＢＧＡ型半導体装置においては、枠体の内側の開口形状を（４ｎ＋１）の頂点を有する略正多角形（ただし、ｎは１以上の整数）とし、略正多角形の外接円の中心と、半導体チップの外接円の中心とを一致させるように構成することができる。この場合において、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体の内側面との対向距離よりも、半導体チップのコーナー部近傍と枠体の内側面との対向距離を短くなるように配置する。その結果、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体との対向距離を従来と同程度に保った場合において、従来よりも基板のそり量を低減することができる。また、基板の大きさを従来よりも大きくした場合においても同様の効果が得られる。

本発明に係るＢＧＡ型半導体装置においては、枠体と天板部とを一体的に成形してもよい。かかる構成によれば、天板部と枠体とを一括加工できるので製造プロセスを簡易化できる。

本発明に係るＢＧＡ型半導体装置においては、枠体の内壁面の高さ方向にテーパーを形成させてもよい。このように構成することにより、枠体が回路配線基板へ与えるストレスを、テーパーを設けない場合に比して低減させることができる。ドリル等による一括加工が容易となるなどの加工容易性の観点から、テーパー形状は、枠体の厚みが天板部から回路配線基板に向かうにつれて薄くなるように構成することがより好ましい。

本発明によれば、ＢＧＡ型半導体装置において、十分な放熱性を担保しつつ簡易な構成で、基板の大きさ如何に関わらず基板の反りを低減できる半導体装置を提供することができる。

［実施形態１］
以下、本発明を適用した半導体装置の実施形態の一例について説明する。
図１は、本実施形態１に係るＢＧＡ型半導体装置１００の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、回路配線基板３の主面３ａには、半田ボール２を介して矩形形状の半導体チップ１がフリップチップ実装されている。また、半導体チップ１の回路配線基板３と当接する面１ｂとは逆側の面（以下、「半導体チップ背面」という）１ａには、半導体チップ１から発生した熱を放熱させるための天板部５がＡｇペースト９を介して接着せしめられている。天板部５は、半導体チップ１から発生した熱を逃す役割を担っている。そして、回路配線基板３の主面３ａの周辺部と天板部５の周辺部とには、図１に示すように枠体７ｂが設けられている。
半導体チップ１の側面１ｃと枠体７の内壁面７ｃとは、間隙を持って対向するように配置され、その間隙の回路配線基板３上には不図示のセラミックチップコンデンサ等が載置されている。本実施形態１においては、天板部５と枠体７とは一体的に形成されている。以下、一体的に形成された天板部５と枠体７とを併せて一体型Ｌｉｄ６という。
なお、回路配線基板３の主面３ａとは反対側の裏面３ｂは、半田ボール４を通して外部と接続されるように構成されている。

図２は、本実施形態１に係る一体型Ｌｉｄタイプの構造を示す説明図である。本実施形態１においては、一体型Ｌｉｄを構成する天板部５は、回路配線基板と略同一の大きさのものを用いた。十分な放熱性を発揮させるためである。また、一体型Ｌｉｄ６の内壁の開口形状を円形とした。この円形の大きさは、半導体チップ１の一体型Ｌｉｄ６と当接する面１ｂの外接円よりも大きくなるように形成されている。また、一体型Ｌｉｄの枠体７の高さｈは、半導体チップの取付高さと、接着剤の厚みを考慮して決定される。
一体型Ｌｉｄ６は、放熱性と十分な機械的強度を有する材料で構成する。例えば、Ｃｕ、Ａｌ、及びこれらの合金、ＳｉＣ、ＡｌＮを用いることができる。
なお、一体型Ｌｉｄ６の開口内部の空間をザグリ部８という。

本実施形態においては、一体型Ｌｉｄ６のザグリ部８は、大型ドリルによって一括形成されている。このようにすることにより、搭載される半導体チップの取付高さに応じて、ザグリ部８の深さを適宜変更することが容易となる。また、一括加工によれば、エッチング加工に比して安価に成形加工することができる。さらに、半導体チップ１とＡｇペースト９を介して当接される天板部５の表面の平坦度がエッチングに比べて良好である。従って、放熱性をエッチング方式に比して向上させることができる。

図３は、一体型Ｌｉｄ６と回路配線基板３とを取り付ける製造工程を示す概略説明図である。同図に示すように回路配線基板３に半田バンプ２で半導体チップ１を搭載した後、回路配線基板周囲に接着剤Ｄを、半導体チップ裏面１ａにはＡｇペースト９を塗布する。そして、ザグリ部８のある側と回路配線基板３及び半導体チップ１とを接合する。このとき、半導体チップ１における回路配線基板３との当接面の外接円中心と、枠体７の内壁面７ｃの円中心とが略一致するように配設する。
そして、図３に示すように、一体型Ｌｉｄ６の枠体７が、回路配線基板３と接着剤Ｄを介して接着せしめられ、ザグリ部８に半導体チップが収容される。
なお、半導体チップ裏面１ａの接着剤として、Ａｇペースト９の例について説明したが、これに限定されるものではなく、放熱性と接着性を併せ持つものであれば用いることができる。また、液状のもののほか、フィルム状のもの等の公知のものを用いることができる。

応力解析ツール（サイバーネット社製、登録商標 ＡＮＳＹＳ）を用いて、一体型Ｌｉｄが搭載された半導体装置の応力、並びに基板の反り量の構造解析を行った。回路配線基板として、５０［ｍｍ］×５０［ｍｍ］、厚みが１［ｍｍ］の有機基板（ＦＲ４）を用いた。また、一体型Ｌｉｄの厚みは、１［ｍｍ］のものを用いた。なお、コンピューター容量の関係で、この値は完全な円形ではなく、多角形で近似したモデルを適用している。
図４は、本実施形態に係るＢＧＡ型半導体装置１００及び従来の一体型ＬｉｄのＢＧＡ型半導体装置における基板の反り量に対してその度数をプロットしたものである。実線は、ザグリ部の開口形状を矩形とした従来例の実測値を示している。点線は、ザグリ部の開口形状を円形とした場合の解析値を示している。

上記実験を行ったところ、一体型Ｌｉｄ６のザグリ部８の開口形状を矩形形状から円形にすることにより、半導体チップのコーナー部の応力の絶対値の値を同等か、僅かに低減できることが明らかとなった。また、基板の反り量は、ザグリ部の開口形状を矩形から円形に変更することによって、図４に示すように低減できることがわかる。より具体的には、基板の反り量を５[％]低減できることが判明した。
表１に、基板の反り量の平均値と標準偏差の値を示す。従来例では、基板の反り量の平均値が１３０［μｍ］であったのに対し、本実施形態１では、基板の反り量が１２３［μｍ］という結果を得た。標準偏差に関しては、両者ともに１０［μｍ］という結果を得た。

本実施形態に係るＢＧＡ型半導体装置においては、枠体の内壁面の開口形状を図５に示すように円形とし、この円の中心と、半導体チップの外接円の中心とを略一致させているので、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体の内側面との対向距離（図５中の矢印Ｂ）よりも、半導体チップのコーナー部近傍と枠体の内側面との対向距離（図５中の矢印Ａ）を短くすることができる。その結果、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体との対向距離を従来と同程度に保った場合においても、応力の集中する半導体チップのコーナー部を強固に固定して、基板のそりを低減することができたと考えている。
なお、４０［ｍｍ］×４０［ｍｍ］の基板（他の条件は、上記と同じ）で同様の実験を行ったところ、基板の反り量を、ザグリ部の開口形状を矩形から円形に変更することによって３[％]低減できることが明らかとなった。

［実施形態２］
次に、上記実施形態１とは異なる他の実施形態について説明する。
図６は、本実施形態２にかかるＢＧＡ型半導体装置を説明するための図である。このＢＧＡ型半導体装置は、上記実施形態１のＢＧＡ型半導体装置と基本的な構成は同様であるが（図１参照）、天板部、及び枠体の構造が異なっている。すなわち、上記実施形態１のＢＧＡ型半導体装置１００においては、天板部５と枠体７とが一体的に構成されていたが、本実施形態２に係るＢＧＡ型半導体装置１１０においては、天板部１５と枠体１７とが別体に構成されている。以下、このような天板部１５と枠体１７とが別体に構成されている構造を２ピースＬｉｄ１６という。

本実施形態２は、図６に示すように回路配線基板１３に半田バンプ等で半導体チップ１１を搭載した後、回路配線基板１３周囲に接着剤Ｄを塗布して、枠体たるスティフナ１７を接合する。その後、スティフナ上面１７ａと半導体チップ裏面１１ａとに接着剤を介して天板部１５を接合せしめる。このとき、半導体チップ１１における回路配線基板１３との当接面の外接円中心と、スティフナ開口部の円中心とが略一致するように配設する。
このようにして、回路配線基板１３と２ピースＬｉｄ１６との間に半導体チップ１１が収容されることになる。

上記実施形態１と同様にして、本実施形態２のＢＧＡ型半導体装置１１０の応力、及び基板の反り量の構造解析を行った。実験条件は、上記実施形態１と同様である。
図７は、本実施形態に係るＢＧＡ型半導体装置１１０及び従来の２ピースＬｉｄ型のＢＧＡ型半導体装置における基板の反り量に対して、その度数をプロットしたものである。実線は、ザグリ部の開口形状を矩形とした従来例の実測値を示している。点線は、ザグリ部の開口形状を円形とした場合の解析値を示している。

上記実験を行ったところ、２ピースＬｉｄのザグリ部の開口形状を矩形形状から円形にすることにより、半導体チップのコーナー部の応力の絶対値の値を同等か、僅かに低減できることが明らかとなった。
表２に、基板の反り量の平均値と標準偏差の値を示す。従来例では、基板の反り量の平均値が１５５［μｍ］であったのに対し、本実施形態１では、基板の反り量が１４７［μｍ］という結果を得た。標準偏差に関しては、両者ともに１５［μｍ］という結果を得た。

本実施形態に係るＢＧＡ型半導体装置においては、枠体の内壁面の開口形状を円形とし、この円の中心と、半導体チップの外接円の中心とを略一致させているので、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体の内側面との対向距離よりも、半導体チップのコーナー部近傍と枠体の内側面との対向距離を短くすることができる。その結果、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体との対向距離を従来と同程度に保った場合においても、基板のそりを低減することができたと考えている。

本実施形態によれば、２ピースＬｉｄタイプを適用しているので資材運用の効率化を図ることができる。すなわち、半導体チップの取付高さは、ウエハーの裏面研削厚の違い等により変更する場合がある。本実施形態２のように２ピースＬｉｄ構造を採用することにより、半導体チップの取付高さに応じてスティフナ部を複数作製し、天板部は共通部材を用いることができる。

［変形例１］
次に、上記実施形態１の一体型Ｌｉｄの変形例について説明する。図８は、本変形例１にかかる一体型Ｌｉｄの概略構成を示す断面図である。この一体型Ｌｉｄは、上記実施形態１のＢＧＡ型半導体装置に用いられる一体型Ｌｉｄと基本的な構成は同様であるが（図１、図２参照）、以下の点が異なっている。すなわち、上記実施形態１の一体型Ｌｉｄにおいては、枠体の厚みが高さ方向に一定であったが、本変形例１においては、枠体の厚みが天板部から回路配線基板に向かうにつれて薄くなるように構成されている。このように構成することにより、枠体が回路配線基板へ与えるストレスを、テーパーを設けない場合に比して低減させることができる
本変形例における一体型Ｌｉｄは、図８に示すように、テーパーを予め設けたドリル４０により一括加工している。このようにすることにより、製造工程を簡易化することができる。

［変形例２］
次に、上記実施形態２の２ピースＬｉｄの変形例について説明する。このＢＧＡ型半導体装置は、上記実施形態２の２ピースＬｉｄと基本的な構成は同様であるが、スティフナ部の開口形状が異なっている。上記実施形態２においては、スティフナの開口形状を円形としていたが、本変形例２においては、正八角形としている。そして、正八角形の外接円の中心点と半導体チップの外接円の中心点とが略一致させ、かつ、正八角形を構成する辺と半導体チップのコーナー部とが最近接距離となるようにスティフナが回路配線基板に接着剤を介して接合されている。
このように構成することにより、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体との対向距離を従来と同程度に保った場合においても、基板のそりを低減することができる。また、基板の大きさを従来よりも大きくした場合においても同様の効果が得られる。

なお、枠体の内壁の開口形状として円形のもの、正八角形のものについて説明したが、これに限定されるものではなく、半導体チップのコーナー部近傍と枠体の内壁面との対向距離が、半導体チップの側壁面中央部近傍と枠体の内壁面との対向距離よりも短くなるように枠体を形成するものであれば用いることができる。
また、テーパー形状として、天板部から回路配線基板に向かうにつれて枠体の厚みが薄くなる例について説明したが、これに限定されるものではなく、天板部から回路配線基板に向かうにつれて枠体の厚みが厚くなるようにしてもよい。
ただし、加工容易性（例えば、ドリルをあらかじめテーパー形状としておく等）の観点から、天板部から回路配線基板に向かうにつれて半導体チップとの対向距離が長くなるように構成することがより好ましい。

実施形態１に係る一体型ＬｉｄタイプのＢＧＡ型半導体装置の断面図。 実施形態１に係る一体型Ｌｉｄの構造を示す説明図。 実施形態１に係るＢＧＡ型半導体装置の組み立て工程を示す説明図。 実施形態１と従来例に係る基板の反り量の度数プロット図。 実施形態１に係るＢＧＡ型半導体装置の斜視図。 実施形態２に係る２ピースＬｉｄタイプのＢＧＡ型半導体装置の説明図。 実施形態２と従来例に係る基板の反り量の度数プロット図。 変形例１に係る一体型Ｌｉｄの断面図。 従来例に係る一体型ＬｉｄタイプのＢＧＡ型半導体装置の断面図。 従来例に係る２ピースＬｉｄタイプのＢＧＡ型半導体装置の断面図。 従来例に係る一体型ＬｉｄタイプのＢＧＡ型半導体装置の分解図。 従来例に係る２ピースＬｉｄタイプのＢＧＡ型半導体装置の分解図。

符号の説明

１、１１ 半導体チップ
２、１２ 半田ボール
３、１３ 回路配線基板
５、１５ 天板部
６ 一体型Ｌｉｄ
７ 枠体
８ ザグリ部
１６ ２ピースＬｉｄ
１７ スティフナ
１８ スティフナ開口部空間
１００ 一体型ＬｉｄタイプのＢＧＡ型半導体装置
１１０ ２ピースＬｉｄタイプのＢＧＡ型半導体装置

Claims (6)

1. 半導体チップと、
   主面にバンプ電極により該半導体チップがフリップチップ実装されると共に裏面にボール電極用のパッドが配置された回路配線基板と、
   該半導体チップから発生する熱を放熱させるための天板部と、
   該半導体チップの周囲において、該回路配線基板と該天板部と当接するように形成された枠体とを備えたボールグリッド型半導体装置であって、
   該半導体チップにおけるコーナー部近傍と該枠体の内壁面との対向距離が、該半導体チップにおける側壁面中央部近傍と該枠体の内壁面との対向距離よりも短くなるように該枠体を形成したボールグリッド型半導体装置。
2. 上記枠体の内壁面の開口形状が円形であって、該円形の中心点と上記半導体チップの外接円の中心点とが略一致することを特徴とする請求項１に記載のボールグリッド型半導体装置。
3. 上記枠体の内壁面の開口形状が、４（ｎ＋１）個（但し、ｎは整数）の頂点を持つ略正多角形であって、該略正多角形の外接円の中心と上記半導体チップの外接円の中心点とが略一致することを特徴とする請求項１に記載のボールグリッド型半導体装置。
4. 上記天板部と上記枠体とが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１、２、又は３に記載のボールグリッド型半導体装置。
5. 上記枠体の内壁面は、高さ方向にテーパーが形成されていることを特徴とする請求項１、２、３、又は４に記載のボールグリッド型半導体装置。
6. 請求項５に記載のボールグリッド型半導体装置において、
   上記枠体の内壁面のテーパーは、上記天板部から上記回路配線基板表面に近くなるにつれて枠体の厚みが薄くなるように形成されていることを特徴とするボールグリッド型半導体装置。

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