JP2008124248A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体チップを上面搭載した有機配線基板の下面に金属板が設けられた半導体装置に関する。また、その金属板により放熱性と剛性を向上するのに適した半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a metal plate is provided on the lower surface of an organic wiring board on which a semiconductor chip is mounted. The present invention also relates to a semiconductor device suitable for improving heat dissipation and rigidity by the metal plate.
図3により、従来の半導体装置で、半導体チップ1を有機配線基板2の上面に搭載し有機配線基板2の下面に金属板3を設置した半導体装置を説明する。図3は、金属板3を有する半導体装置であって有機配線基板2に半導体チップ1をフリップチップ実装した半導体装置を示す側面断面図である。図3に示すように、半導体チップ1の機能面に例えば半田からなるバンプ5が設置され、とそれが有機配線基板2のランドに電気的に接続されている。この接続は、例えば半導体チップ1の側のパットの上にバンプ5を設置し、また、有機配線基板2の上面にこのバンプ5に位置を合わせてランドを設ける。そして、そのランドに例えばボンディング技術を適用してバンプ5接続し、その半導体チップ1と有機配線基板2の間に樹脂を注入して、アンダーフィル樹脂層6を形成し、それにより両者を接着するものである。バンプ5に接続された有機配線基板2上のランドは、配線パターンやビア等によりボールランドと電気的に接続されている。有機配線基板2は、例えば、ポリイミドのようなフレキシブルな材質、ガラスエポキシ樹脂のようなリジッドな材質いずれも用いられている。また、ボールランドには、図示するように、半田ボール7が形成され、これを溶融することによりさらに別の基板に実装され得られるものである。さらに、半導体チップ1と有機配線基板2との空間には、半導体チップ1の機能面を大気や湿り気から遮断し化学的変質を防止し信頼性を確保するように、充填樹脂が充填されている。また、有機配線基板2の裏面には例えば銅を主とする金属板が、接着樹脂を介して接続されている。金属板を設けて得られる機能には、半導体チップ1の放熱、有機配線基板2および半導体チップ1の反り矯正などがある。
A semiconductor device in which a semiconductor chip 1 is mounted on the upper surface of an
上記のような半導体実装における金属板の機能について、有機配線基板2および半導体チップ1の反り矯正、半導体チップ1の応力緩和を目的として、特許文献1では、前記半導体チップ1と熱膨張係数が近い金属板を用いて半導体チップ1による反りを矯正している。また、半導体チップ1の放熱のため良好な熱伝導率を有する金属板を用いている。特許文献2では、裏面に電子部品と金属板を用いている。
Regarding the function of the metal plate in the semiconductor mounting as described above, in Patent Document 1, the thermal expansion coefficient is close to that of the semiconductor chip 1 for the purpose of correcting the warp of the
以下に公知文献を記す。
しかし、特許文献1のように半導体チップ1と同じ大きさの金属板3を有機配線基板2に設置するのみでは、有機配線基板2上に半導体チップ1をフリップチップ実装した場合に生じる反り矯正が不十分である問題があり、また、金属板の表面が平らで放熱性が不十分である問題があった。また、特許文献2では、2つの部品を貼り付ける必要があり工数がかかり不便である問題があった。本発明は、このような従来の技術が有する課題を解決するために提案されたものであり、半導体チップ1を有機配線基板2にフリップチップ実装した場合に発生する反りを矯正し、また、半導体チップ1からの発熱を低減することができる半導体装置を得ることを課題とする。
However, if only the
本発明は、この課題を解決するために、第一主面と第二主面を備える有機配線基板と、第一主面と第二主面を備える支持板と、半導体チップとを備え、前記有機配線基板の第一主面と前記支持板の第二主面は接着され、前記有機配線基板は第二主面に第一の外部接続端子と第二の外部接続端子を備え、前記半導体チップは前記第一の外部接続端子に接続され、前記半導体チップと前記有機配線基板をアンダーフィル樹脂層で接着し、前記支持板の第一主面にリブ骨格構造を備えたことを特徴とする半導体装置である。 In order to solve this problem, the present invention includes an organic wiring board having a first main surface and a second main surface, a support plate having a first main surface and a second main surface, and a semiconductor chip, The first main surface of the organic wiring board and the second main surface of the support plate are bonded, and the organic wiring board includes a first external connection terminal and a second external connection terminal on the second main surface, and the semiconductor chip Is connected to the first external connection terminal, the semiconductor chip and the organic wiring board are bonded with an underfill resin layer, and the first main surface of the support plate has a rib skeleton structure. Device.
また、本発明は、上記支持板が金属板であり、上記支持板と上記半導体チップの熱膨張係数はいずれも上記有機配線基板の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする上記の半導体装置である。 Further, the present invention provides the above semiconductor device, wherein the support plate is a metal plate, and the thermal expansion coefficient of the support plate and the semiconductor chip is smaller than the thermal expansion coefficient of the organic wiring substrate. is there.
また、本発明は、上記支持板は第一主面に前記支持板の外周を囲む枠状の上記リブ骨格構造を備えることを特徴とする上記の半導体装置である。 The present invention is the above-described semiconductor device, wherein the support plate includes a frame-shaped rib skeleton structure surrounding an outer periphery of the support plate on a first main surface.
また、本発明は、上記支持板と上記有機配線基板は接着剤層を介して接着され、当該接着剤層の熱膨張係数は前記支持板よりも大きく前記有機配線基板よりも小さいことを特徴とする上記の半導体装置である。 Further, the present invention is characterized in that the support plate and the organic wiring substrate are bonded via an adhesive layer, and the thermal expansion coefficient of the adhesive layer is larger than the support plate and smaller than the organic wiring substrate. The semiconductor device described above.
また、本発明は、上記有機配線基板は厚さが0.3mm以下であることを特徴とする上記の半導体装置である。 The present invention is the above semiconductor device, wherein the organic wiring board has a thickness of 0.3 mm or less.
また、本発明は、上記支持板の大きさは上記有機配線基板の大きさの80%以上120%以下であることを特徴とする上記の半導体装置である。 The present invention is the above semiconductor device, wherein the size of the support plate is 80% or more and 120% or less of the size of the organic wiring substrate.
また、本発明は、上記支持板の厚みをT、前記支持板の備える上記リブ骨格構造の高さをtとすると、0.667T>t>0.333Tであることを特徴とする上記の半導体装置である。 Further, the present invention is characterized in that 0.667T> t> 0.333T, where T is the thickness of the support plate and t is the height of the rib skeleton structure provided in the support plate. Device.
本発明は、半導体チップと熱膨張係数が近い金属板を用いるので、半導体チップにかかる垂直方向の応力を減らすことができ、有機配線基板の変形を抑制し、有機配線基板および半導体チップの反りを矯正し、半導体チップの応力緩和をする効果がある。また、良好な熱伝導率を有する金属板を用いるので、半導体チップの放熱性が良い効果がある。 Since the present invention uses a metal plate having a thermal expansion coefficient close to that of the semiconductor chip, the stress in the vertical direction applied to the semiconductor chip can be reduced, the deformation of the organic wiring board can be suppressed, and the warpage of the organic wiring board and the semiconductor chip can be reduced. It has the effect of correcting and relaxing the stress of the semiconductor chip. In addition, since a metal plate having good thermal conductivity is used, there is an effect that the heat dissipation of the semiconductor chip is good.
以下、本発明による半導体装置の実施形態を図面にもとづいて詳細に説明する。図1は本実施形態の半導体装置の側面断面図を示し、図2は平面図を示す。図2(a)は上面図であり、図2(b)は裏面図である。図1は図2のA−A’線断面図を示す。本実施形態は、図1のように、半導体チップ1の大きさの数倍の大きさの四角形の絶縁樹脂の上面に配線パターンを形成した有機配線基板2を用いる。絶縁樹脂の上面に接着剤層4を介して金属箔を積層し、この金属箔の不要部分をエッチングにより除去することによって任意の配線パターンと、それに接続する第1の外部接続端子であるランドと第2の外部接続端子であるボールランドを形成する。有機配線基板2の絶縁樹脂は、厚さが0.04mmから0.3mmで可とう性を有するガラスエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂を用い、特に、ガラス繊維を含浸した有機樹脂を用いることが望ましい。有機配線基板2上のランドは半導体チップ1に設置したバンプ5と相対する位置に形成する。
Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a side sectional view of the semiconductor device of this embodiment, and FIG. 2 is a plan view. 2A is a top view, and FIG. 2B is a back view. 1 shows a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 2. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, an
半導体チップ1のバンプ5をこの有機樹脂配線基板2のランドにはんだ接続し易くするために、あらかじめはんだをランド上に設置しておく。一般的には、スクリーン印刷機に
よりはんだペーストを供給したり、電解はんだメッキを行なうことにより供給する。
In order to make it easy to solder-connect the
次に、有機配線基板2の下面に、有機配線基板2の大きさと略同じ大きさの、シリコン製の半導体チップ1の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する銅や銅タングステンやCUB、あるいは、アルミナや窒化アルミニウムなどの金属材料から成る金属板3を厚さが50μmの接着剤層4で貼り付け、有機配線基板2と金属板3の複合基板を形成する。こうして金属板3を貼り付けた複合基板にすることにより有機配線基板2が補強される。なお、この金属板3の替わりに、シリコン基板あるいはセラミックス基板による支持板を用いることもできる。
Next, on the lower surface of the
有機配線基板2の厚さが0.3mmの場合には、金属板3には、厚さが0.5mmの薄層部分3aを形成し、また、金属板3の下面に高さが0.2mmから0.3mmで幅が0.5mmのリブ骨格構造3bを形成することで薄層部分3aを補強する。リブ骨格構造3bは、金属板3を縦横に横切り金属板3を反らせようとする応力を支える梁状の骨格構造である。また、金属板3の外周を囲む枠状のリブ骨格構造3bも形成することで金属板3を補強する。有機配線基板2の厚さが0.04mmから0.3mmの間の範囲で厚さが異なる場合は、その厚さに応じて金属板3の薄層部分3aとリブ骨格構造3bの寸法を定める。このとき、金属板3の薄層部分3aとリブ骨格構造3bの断面構造は、断面二次モーメントを大きくし、その金属板3と半導体チップ1がアンダーフィル樹脂層6で有機配線基板2の上面に接着した部分のストレスと釣り合わせ打ち消すようにシュミレーションにより計算し定めた。その結果、この金属板3の厚み、すなわち、薄層部分3aの厚さとリブ骨格構造3bの高さの和ををTとし、リブ骨格構造の高さをtとすると、0.667T>t>0.333Tであると良好な断面二次モーメントを持つ構造になる知見を得た。
When the thickness of the
このようにリブ骨格構造3bを設けることにより、金属板3が薄層部分3aのみの場合にはんだリフローによる応力で有機配線基板2と金属板3の複合基板が反る問題を無くすことができる効果がある。また、リブ骨格構造3bと薄層部分3aで金属板3を構成することにより、金属板3をリブ骨格構造3bの厚さの平板で形成した場合よりも金属板3の表面積を大きくし、金属板3の放熱効果を大きくできる効果がある。このリブ骨格構造3bと薄層部分3aの形成は、金属板3から薄層部分3aをエッチングして形成し、エッチングしなかった部分のパターンでリブ骨格構造3bを形成する。金属板3の替わりにシリコン基板を支持板として用いた場合もシリコン基板をエッチングすることでリブ骨格構造3bを有する支持板を形成することができる。また、薄層部分3aの厚さの金属板3の下面にセラミックスのリブ骨格構造を印刷し焼結することでリブ骨格構造3bを有する支持板を形成することができる。
By providing the
次に、以下の様にして、半導体チップ1のフリップチップ実装により、半導体チップ1のバンプ5を有機配線基板2のランドに接続し、半導体チップ1と有機配線基板2をアンダーフィル樹脂層6で接着した構造を形成する。先ず、半導体チップ1のバンプ5を複合基板のランド上のはんだに接触させて設置し、リフロー炉に通してはんだ接続する。このとき、複合基板の下面は、ボンディングツールのバックアップのステージに接触して加熱される。複合基板の下側に金属板3を設置したため、リフロー炉ではんだを溶融したときの内部応力を金属板3が打ち消し、複合基板に反りや撓みを生じないようにできる効果がある。次に、半導体チップ1と有機配線基板2の間の隙間に熱硬化性のエポキシ樹脂を主成分とするアンダーフィル材を注入し充填させ、アンダーフィル材を加熱・硬化させてアンダーフィル樹脂層6を形成する。
Next, the
この効果を最適に働かせるために、金属板3を有機配線基板2の下面に固定する接着剤層4の条件として、有機配線基板2の下面に接着剤層4で金属板3を貼り付けた構造が、有機配線基板2の上面にアンダーフィル樹脂層6で半導体チップ1が接着されている構造
と同じ挙動(反りに関していえば、反対向きの相殺応力発生)を示すようにさせ、有機配線基板2の上下面のストレスを釣り合わせ、有機配線基板2の反りを矯正する。そのため、接着剤層4の熱膨張係数は金属基板3よりも大きく有機配線基板2よりも小さい熱膨張係数にすることが望ましい。このために、接着剤層4は例えば東京レーヨン製のTSA等を用いる。また、金属板3の寸法は、有機配線基板2の大きさの80%から120%の寸法にすることが望ましい。金属板3の寸法が有機配線基板2の120%よりも大きくなると、半導体装置の大きさが大きくなり過ぎて不都合になり、一方、金属板3の大きさが有機配線基板2の大きさの80%よりも小さいと、有機配線基板2の反りの矯正が不十分になるからである。
In order to make this effect work optimally, as a condition of the adhesive layer 4 for fixing the
次に、有機配線基板2のボールランド上に半田ボール7を設置し、半田ボール7のボールグリッドアレイを形成した半導体装置を製造する。
Next, a solder ball 7 is placed on the ball land of the
1・・・半導体チップ
2・・・有機配線基板
3・・・金属板
3a・・・薄層部分
3b・・・リブ骨格構造
4・・・接着剤層
5・・・バンプ
6・・・アンダーフィル樹脂層
7・・・半田ボール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (7)
7. The thickness of the support plate is T, and the height of the rib skeleton structure provided in the support plate is t, and 0.667T>t> 0.333T. A semiconductor device according to item.
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Cited By (1)
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US8547705B2 (en) | 2009-08-20 | 2013-10-01 | Nec Corporation | Semiconductor device having power supply-side and ground-side metal reinforcing members insulated from each other |
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2006
- 2006-11-13 JP JP2006306393A patent/JP2008124248A/en active Pending
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US8547705B2 (en) | 2009-08-20 | 2013-10-01 | Nec Corporation | Semiconductor device having power supply-side and ground-side metal reinforcing members insulated from each other |
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