JP2007281276A - 半導体装置 - Google Patents

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solder
semiconductor device
passive circuit
wiring board
circuit component
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Daisuke Ejima
大介 江島
Takeshi Kida
剛 木田
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NEC Electronics Corp
Original Assignee
NEC Electronics Corp
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Abstract

【課題】従来の半導体装置においては、受動回路部品の実装に用いられる半田が毛細管現象により浸透し、受動回路部品と配線基板との接合部でショートを引き起こすことがある。
【解決手段】半導体装置１は、配線基板１０と、第１の半田材料によって構成された半田２２を介して配線基板１０の面Ｓ１（第１面）に接続された受動回路部品２０と、配線基板１０の面Ｓ１と反対側の面である面Ｓ２（第２面）上に設けられ、第２の半田材料によって構成された半田バンプ３０と、を備えている。第１の半田材料は、第２の半田材料よりも融点が高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関する。
半導体装置は、シリコン基板等の基板上に多数の回路素子が形成された半導体チップを配線基板等に実装し、要求される回路動作や機能を果たすように各回路素子間を結線して構成される。
図３および図４は、従来の半導体装置を示す断面図である。これらの半導体装置においては、配線基板１０１上に、半導体チップ１０２および半導体チップ１０３が順に積層されている。これらの半導体チップ１０２および半導体チップ１０３は、チップマウント接着材１０４を介して互いに接合されている。両半導体チップ１０２，１０３は、モールド樹脂１０６によって封止されている。また、配線基板１０１の半導体チップ１０２，１０３と反対側の面上には、半田バンプ１１１が設けられている。
ここで、図３においては、配線基板１０１と各半導体チップ１０２，１０３とが、ワイヤボンディング法により接続されている。すなわち、配線基板１０１と各半導体チップ１０２，１０３とが、ボンディングワイヤ（金属細線）１０５を介して接続されている。
図４においては、配線基板１０１と半導体チップ１０３とがワイヤボンディング法により接続されている一方で、配線基板１０１と半導体チップ１０２とがフリップチップ法により接続されている。すなわち、配線基板１０１と半導体チップ１０２とは、半導体チップ１０２の回路面が配線基板１０１に向いた状態で、金バンプまたは半田バンプ等のバンプ１０７を介して接続されている。配線基板１０１と半導体チップ１０２との間の間隙には、アンダーフィル樹脂１０８が充填されている。
ところで、最近では、実装ボードに実装するチップコンデンサまたはチップ抵抗等の受動回路部品をも、半導体チップと共に配線基板に実装し、ワンパッケージ化する傾向がある。受動回路部品と配線基板との接続部には、半田を用いるのが一般的である。金を用いた接続方式もあるが、コストや汎用性を考えると、半田を用いるのが好ましい。
図５は、半導体チップと共に受動回路部品が実装された従来の半導体装置を示す平面図である。また、図６および図７は、同半導体装置を示す断面図である。図６および図７は、それぞれ図３および図４の半導体装置に受動回路部品１０９を追加したものに相当する。これらの半導体装置においては、配線基板１０１上の半導体チップ１０２，１０３が設けられていない領域に、受動回路部品１０９が設けられている。受動回路部品１０９は、半田１１０を介して配線基板１０１に接続されている。
かかる構成の半導体装置の製造方法の一例を説明する。まず、受動回路部品１０９が実装される、配線基板１０１のランド上に、半田ペーストをスクリーン印刷機でメタルマスクを用いて印刷する。次に、実装機で受動回路部品１０９を実装した後、リフロー装置で加熱キュアし、半田ペーストのフラックス成分から発生するフラックス残渣を洗浄する。その後は、ボンダ装置を用いたワイヤボンディング法や、フリップチップ法により、各半導体チップ１０２，１０３と配線基板１０１との間の結線を行う。その後、封入機を用いてモールド樹脂１０６で封止する。
当該半導体装置の外部電極端子として機能する半田バンプ１１１を構成する半田材料としては、受動回路部品１０９の実装に用いた半田ペースト（半田１１０）中の半田粉と同じ組成のものが用いられる。半田バンプ１１１用のランド上にフラックス等を介して半田バンプ１１１を搭載した後、リフロー装置で加熱キュアする。また、フラックス成分から発生するフラックス残渣を洗浄した後、切断し、個片に分離する。
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１が挙げられる。同文献には、互いに積層された２つの半導体パッケージを備え、下層のパッケージの電極よりも上層のパッケージの電極の方が融点が高い半導体装置が記載されている。
特開２００４−２５９８８６号公報
上述のとおり、図５〜図７に示した半導体装置においては、受動回路部品１０９の実装に用いられる半田１１０の組成と、外部電極端子として用いられる半田バンプ１１１の組成とが同じである。そのため、配線基板１０１に半田バンプ１１１を接合する際、またはパッケージを実装ボードに実装する際の加熱により、半田１１０も溶融してしまう。
このとき、図８に示すように、ランド１１２に接合された半田１１０の周囲が、モールド樹脂１０６で完全に封止されていれば問題ない。しかし、そうでない場合には、溶融した半田１１０が毛細管現象により浸透し、受動回路部品１０９と配線基板１０１との接合部でショートを引き起こすことがある。
この点、モールド樹脂は、一般に、フリップチップ法において接合部の補強に用いられる密着力の強いアンダーフィル樹脂とは違い、密着力が元々弱い。モールド樹脂には、金型から離れ易い性質が求められるからである。それゆえ、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、モールド樹脂１０６が、配線基板１０１や受動回路部品１０９等から剥離する不具合が出る場合がある。図９（ａ）は、受動回路部品１０９の下部で剥離が生じ、その剥離部Ｐ１に半田１１０が浸透した様子を示している。また、図９（ｂ）は、受動回路部品１０９の上部で剥離が生じ、その剥離部Ｐ２に半田１１０が浸透した様子を示している。
さらに、受動回路部品１０９と配線基板１０１との間の間隔が狭過ぎて、モールド樹脂１０６が充分に入り込まず、それにより、図９（ｃ）に示すように、空隙すなわちボイドができることもある。同図は、受動回路部品１０９の下部でボイドが生じ、そのボイド部Ｐ３に半田１１０が浸透した様子を示している。
このように、受動回路部品１０９と配線基板１０１との接合部に剥離やボイドがあると、溶融した半田１１０が毛細管現象により、その剥離部またはボイド部に浸透し、端子間でのショートにつながるおそれがある。
本発明による半導体装置は、配線基板と、第１の半田材料によって構成された半田を介して上記配線基板の第１面に接続された受動回路部品と、上記配線基板の上記第１面と反対側の面である第２面上に設けられ、第２の半田材料によって構成された半田バンプと、を備え、上記第１の半田材料は、上記第２の半田材料よりも融点が高いことを特徴とする。
この半導体装置においては、受動回路部品の実装に用いられる半田として、半田バンプよりも高い融点をもつ組成の半田を用いている。このため、配線基板に半田バンプを接合する際、または当該半導体装置を実装ボードに実装する際の加熱により、上記半田が溶融するのを防ぐことができる。これにより、配線基板と受動回路部品との接合部における剥離やボイドの有無に関わらず、半田によるショート不良の発生を防ぐことができる。
本発明によれば、信頼性の高い半導体装置が実現される。
以下、図面を参照しつつ、本発明による半導体装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による半導体装置の第１実施形態を示す断面図である。半導体装置１は、配線基板１０と、第１の半田材料によって構成された半田２２を介して配線基板１０の面Ｓ１（第１面）に接続された受動回路部品２０と、配線基板１０の面Ｓ１と反対側の面である面Ｓ２（第２面）上に設けられ、第２の半田材料によって構成された半田バンプ３０と、を備えている。
第１の半田材料は、第２の半田材料よりも融点が高い。具体的には、受動回路部品２０の実装に用いる半田ペースト中の半田粉として、半田バンプ３０よりも高融点のものが用いられる。例えば、鉛フリー半田の溶融温度（固相温度）は、例えば、Sn-3.0Ag-0.5Cuの組成では２１７℃、Sn-0.75Cuでは２２７℃、Sn-5.0Sbでは２４０℃である。これらに比して低融点の組成としては、例えば、Sn-8.0Zn-3.0Biが挙げられる。その溶融温度は、１９０℃である。したがって、例えば、第１および第２の半田材料としてそれぞれSn-3.0Ag-0.5CuおよびSn-8.0Zn-3.0Biを用いることにより、第１の半田材料の融点を第２の半田材料のそれよりも高くすることができる。
受動回路部品２０は、チップコンデンサまたはチップ抵抗である。半導体装置１には、チップコンデンサおよびチップ抵抗のうち何れか一方のみが設けられていてもよいし、両方が設けられていてもよい。また、半田バンプ３０は、半導体装置１の外部電極端子として機能する。
半導体装置１は、配線基板１０の面Ｓ１に接続された半導体チップ４２，４４と、受動回路部品２０および半導体チップ４２，４４を覆うモールド樹脂５４（封止樹脂）と、を更に備えている。半導体チップ４２および半導体チップ４４は、配線基板１０上に順に積層されている。これらの半導体チップ４２および半導体チップ４４は、チップマウント接着材４３を介して互いに接合されている。両半導体チップ４２，４４は、モールド樹脂５４によって封止されている。上述の受動回路部品２０は、配線基板１０上の半導体チップ４２，４４が設けられていない領域に実装されている。
本実施形態においては、配線基板１０と各半導体チップ４２，４４とが、ワイヤボンディング法により接続されている。すなわち、配線基板１０と各半導体チップ４２，４４とが、ボンディングワイヤ５２を介して接続されている。
本実施形態の効果を説明する。半導体装置１においては、受動回路部品２０の実装に用いられる半田２２として、半田バンプ３０よりも高い融点をもつ組成の半田を用いている。このため、配線基板１０に半田バンプ３０を接合する際、または半導体装置１を実装ボードに実装する際の加熱により、半田２２が溶融するのを防ぐことができる。これにより、配線基板１０と受動回路部品２０との接合部における剥離やボイドの有無に関わらず、半田２２によるショート不良の発生を防ぐことができる。よって、信頼性の高い半導体装置１が実現されている。
このように本実施形態によれば、チップコンデンサまたはチップ抵抗等の受動回路部品を内蔵するＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージング技術において、受動回路部品の実装部での不具合要因を解消することが可能である。
さらに、受動回路部品２０の搭載後にワイヤボンディング法やフリップチップ法で半導体チップ４２，４４と配線基板１０とを接合する場合、配線基板１０の加熱温度を高くしても、半田２２が溶融しにくくなるため、受動回路部品２０の搭載位置ズレを起こさずに半導体チップ４２，４４と配線基板１０との間の接続信頼性を向上させることもできる。
また、ワイヤボンディング法によって実装された半導体チップ４２，４４がモールド樹脂５４で封止されている。このように、受動回路部品を内蔵するＢＧＡパッケージの内、半導体チップと配線基板との間の結線方法として金属細線によるワイヤボンディング法を採用するものについては、半導体チップをモールド樹脂で封止することが好ましい。そうすることにより、半導体チップを効果的に保護することができ、半導体装置１の信頼性が一層向上する。
（第２実施形態）
図２は、本発明による半導体装置の第２実施形態を示す断面図である。半導体装置２は、配線基板１０、受動回路部品２０、および半田バンプ３０を備えている。これらの配線基板１０、受動回路部品２０および半田バンプ３０の構成は、半導体装置１について説明したとおりである。
半導体装置２も、半導体装置１と同様に、配線基板１０の面Ｓ１に接続された半導体チップ４２，４４と、受動回路部品２０および半導体チップ４２，４４を覆うモールド樹脂５４と、を更に備えている。半導体チップ４２および半導体チップ４４は、配線基板１０上に順に積層されている。これらの半導体チップ４２および半導体チップ４４は、チップマウント接着材４３を介して互いに接合されている。両半導体チップ４２，４４は、モールド樹脂５４によって封止されている。
本実施形態においては、配線基板１０と半導体チップ４４とがワイヤボンディング法により接続されている一方で、配線基板１０と半導体チップ４２とがフリップチップ法により接続されている。すなわち、配線基板１０と半導体チップ４２とは、半導体チップ４２の回路面が配線基板１０に向いた状態で、金バンプまたは半田バンプ等のバンプ５６を介して接続されている。配線基板１０と半導体チップ４２との間の間隙には、アンダーフィル樹脂５８が充填されている。
本実施形態の効果を説明する。半導体装置２においては、受動回路部品２０の実装に用いられる半田２２として、半田バンプ３０よりも高い融点をもつ組成の半田を用いている。このため、配線基板１０に半田バンプ３０を接合する際、または半導体装置２を実装ボードに実装する際の加熱により、半田２２が溶融するのを防ぐことができる。これにより、配線基板１０と受動回路部品２０との接合部における剥離やボイドの有無に関わらず、半田２２によるショート不良の発生を防ぐことができる。よって、信頼性の高い半導体装置２が実現されている。半導体装置２のその他の効果は、半導体装置１について上述した効果と同様である。
本発明による半導体装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においては配線基板上に２つの半導体チップが積層された例を示したが、３つ以上の半導体チップが積層されていてもよい。あるいは、配線基板上に１つだけ半導体チップが実装されていてもよい。また、半導体チップおよび受動回路部品のうち、受動回路部品のみが実装されていてもよい。
また、上記実施形態においては受動回路部品としてチップコンデンサおよびチップ抵抗を例示したが、受動回路部品はチップコイルであってもよい。
本発明による半導体装置の第１実施形態を示す断面図である。 本発明による半導体装置の第２実施形態を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す平面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体装置の課題を説明するための断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の半導体装置の課題を説明するための断面図である。
符号の説明
１ 半導体装置
２ 半導体装置
１０ 配線基板
２０ 受動回路部品
２２ 半田
３０ 半田バンプ
４２ 半導体チップ
４３ チップマウント接着材
４４ 半導体チップ
５２ ボンディングワイヤ
５４ モールド樹脂
５６ バンプ
５８ アンダーフィル樹脂

Claims (3)

  1. 配線基板と、
    第１の半田材料によって構成された半田を介して前記配線基板の第１面に接続された受動回路部品と、
    前記配線基板の前記第１面と反対側の面である第２面上に設けられ、第２の半田材料によって構成された半田バンプと、を備え、
    前記第１の半田材料は、前記第２の半田材料よりも融点が高いことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    ボンディングワイヤを介して前記配線基板の前記第１面に接続された半導体チップと、
    前記受動回路部品および前記半導体チップを覆う封止樹脂と、を備える半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載の半導体装置において、
    前記受動回路部品は、チップコンデンサまたはチップ抵抗である半導体装置。
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