JP2009170617A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板の両面上に複数の半導体チップを配置して接合する両面実装構造の半導体装置において、半導体チップと封止樹脂への負荷を低減し、剥離させることなしに所望の構造を実現することを目的としている。
【解決手段】回路基板の上面に搭載される半導体チップ３１と下面に搭載される半導体チップ３２が重なり合う領域には、回路基板の表面に凹部２１（または凸部２２）を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は回路基板の両面に複数の半導体チップを配置して接合する半導体チップの両面実装構造に関するものである。

ＩＣチップはプラスチックなどのパッケージに封入し、これを回路基板に実装する実装方法が一般的である。最近では、このような半導体パッケージの実装に比較して実装面積を大幅に縮小できるベアチップ実装が利用されている。

ＩＣチップの状態のまま回路基板に実装するベアチップ実装には、次の３種類がある。
（１）チップ上の電極と回路基板の電極をワイヤボンディング
（２）チップ上の電極と回路基板の電極をリード線を備えたフィルムで接続
（３）ＩＣチップをフェイスダウンして回路基板に直接に接続
３番目のフリップチップでは、回路基板の回路形成面に半導体チップの回路形成面を対向させ、金などの金属で形成されるバンプを介して重ね合わせることで導通をとるフェイスダウン実装であって、１番目のワイヤボンディングの場合のように、回路基板の回路形成面と半導体チップの回路形成面の反対側の面を対向させ、ワイヤボンディングによって金属細線を引き出しているフェイスアップ実装と比較して、小型化が可能であり、幅広く利用されている。

近年、高機能化を図るために、回路基板の両面に半導体チップを実装する両面実装構造が採用される場合においても、小型化の実現のためフェイスダウン実装によりベアチップと回路基板を接続する方法がとられている。
特開２００４−２３０４５号公報

半導体の両面実装構造においては、複数の機能を持たせるため、回路基板の両面に実装される半導体チップは必ずしも同一ではなく、チップの厚み、サイズなどが異なる場合が多い。また、その他、受動部品と一緒に実装しワンモジュール化する場合、受動部品との配置関係より、図１０に示すようにそれぞれの半導体チップ３１，３２が回路基板２に対し対称的ではなく、ずれて配置されている場合がある。５１，５２はバンプ、４１は封止接着樹脂である。

一般に、半導体チップ３１，３２の熱膨張係数は、回路基板２への接合に用いる封止接着樹脂４１や回路基板２そのものの熱膨張係数と比べ極端に小さく、サイズの異なる半導体チップがずれて配置されている場合には、反り傾向が、回路基板２の上下で異なるため、実装時の加熱、冷却処理によって生じる各構成部材の膨張、収縮差によって図１１に示すように、回路基板２の全体が大きく反る。そのずれに起因して回路基板２の全体がうねった形状になる。その際、一方の半導体チップ３２の反りによって、特に半導体チップの外周部分に対向する他方の半導体チップ３１の封止接着樹脂４１が引っ張られ、半導体チップの回路形成面との間で剥離が発生し、電気的な性能に悪影響を及ぼすことが考えられる。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたもので、回路基板の両面上に複数の半導体チップを配置して接合する半導体チップの両面実装構造において、チップと封止樹脂への負荷を低減し、半導体チップの配置制約なしに、所望の構造を実現することを目的としている。

本発明の請求項１記載の半導体装置は、回路基板の上下面に半導体チップを搭載した両面実装構造の半導体装置であって、上面に搭載される半導体チップと下面に搭載される半導体チップが重なり合う領域には、前記回路基板の少なくとも一方の表面に凹部が形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２記載の半導体装置は、請求項１において、前記回路基板の表面に形成された凹部は、反対側に搭載されている半導体チップの外周に対応する位置に沿って鍵型の形状に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項３記載の半導体装置は、回路基板の上下面に半導体チップを搭載した両面実装構造の半導体装置であって、上面に搭載される半導体チップと下面に搭載される半導体チップが重なり合う領域には、回路基板の少なくとも一方の表面に凸部が形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項４記載の半導体装置は、請求項３において、前記回路基板の表面に形成された凸部は、反対側に搭載されている半導体チップの外周に対応する位置に沿って鍵型の形状に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項５記載の半導体装置は、回路基板の上下面に半導体チップを搭載した両面実装構造の半導体装置であって、上面に搭載される半導体チップと下面に搭載される半導体チップが重なり合わない領域には、回路基板の表面に弾性体が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、サイズの異なる半導体チップがずれていることによって生じる局所的なうねり、およびそれに起因する封止接着樹脂の引張り力を低減することができ、半導体チップと封止接着樹脂の間に生じる剥離現象を回避できる。

以下、本発明を各実施の形態を示す図１〜図９に基づいて説明する。
なお、同様の作用を成すものには同一の符号を付けて説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態１を示す。

回路基板２の上面に半導体チップ３１がフェイスダウンでフリップフロップ実装され、回路基板２の下面に半導体チップ３２がフェイスダウンでフリップフロップ実装されている。

詳しくは、回路基板２の上面に封止接着樹脂４１が形成され、その上に半導体チップ３１が搭載されている。半導体チップ３１の外形は、システムＬＳＩにおける寸法の一例であるが、ここでは縦３ｍｍ×横３ｍｍ、厚みは２００μｍとする。

回路基板２の外形は縦６ｍｍ×６ｍｍ、厚みは３００μｍであり、６層構成の両面回路基板である。詳細に図示はしていないが、回路基板２の表面の電極と、半導体チップ３１の表面のパッドはバンプ５１を介して電気的に接合されている。バンプ５１の高さは約２０μｍであり、その直径は約５０μｍである。回路基板２の表面の電極の高さは約２０μｍであるため、回路基板２と半導体チップ３１の間に介在する封止接着樹脂４１の総高さは約４０μｍである。

封止接着樹脂４１には、金属フィラーが混入された導電性の接着樹脂や、絶縁性の接着樹脂などが用いられ、半導体チップ３１の周辺部においてフィレットを形成している。
バンプ５１は、半田および金などの金属または導電性の樹脂ボールおよびそれらの組合せなどで形成されている。バンプ５１の中心は、半導体チップ３１のエッジから約１５０μｍ程度内側にくるように形成されている。

これら構造は、先にシート状態の封止接着樹脂４１を回路基板２の上に貼り付けて半導体チップ３１を搭載し、半導体チップ３１の上面から加熱・加圧することにより形成する場合や、先に半導体チップ３１をバンプ５１のみで接合した後にペースト状の封止接着樹脂４１を注入して接着することにより形成する場合などがある。

回路基板２のもう下面には同様に封止接着樹脂４２が形成され、その上に半導体チップ３２が搭載されており、バンプ５２を介して電気的接合がなされている。半導体チップ３２の外形サイズは上記半導体チップ３１と同様、その接合方法、バンプ形状等も全て上記半導体チップ３１側と同様である。

図１（ｂ）に示すように、半導体チップ３１と半導体チップ３２は上面から見た場合に、対称的に配置されているのではなく、半導体チップ３１の重心Ｇ１に対し、半導体チップ３２の重心Ｇ２は、縦方向に１ｍｍ、そして横方向に１ｍｍずれて配置されている。

回路基板２の半導体チップ３１が搭載される上面には、図１（ａ）（ｂ）に示すように、半導体チップ３２と半導体チップ３１が重なりあう領域に凹部２１が形成されている。その凹部２１の深さは約３０μｍであり、封止接着樹脂４１は凹部２１の中にも充填され、封止接着樹脂４１の高さ、すなわち半導体チップ３１から回路基板２までの距離は、凹部２１において、７０μｍと最も高く形成されている。この回路基板２に設けられた凹部２１は、回路基板２の製造時に、表面よりエッチング等の加工処理を施すことによって形成されたものである。

凹部２１を形成する領域の詳細な寸法事例を以下に示す。
半導体チップ３２と半導体チップ３１が重なりあう全領域としているが、半導体チップ３１に形成されるバンプ５１の配置制約に応じてその領域は制限される。

凹部２１の平面的な位置は、図１（ｂ）に示すように、半導体チップ３１に形成されているバンプ５１より、その周辺の封止接着樹脂の充填に必要な領域として、少なくともＤ１＝１００μｍ以上内側に存在するものとする。

また、半導体チップ３２の側の反りによって半導体チップ３１の側の封止接着樹脂４１が受ける引張り力は、半導体チップ３２のエッジよりも外側で最大になる可能性があることから、凹部２１は、半導体チップ３２のエッジよりも外側の領域まで広げて形成する方が好適である。ここではＤ２＝１００μｍ以上はみだして形成されているとする。

このようにして、凹部２１と半導体チップ３１の間の封止接着樹脂４１が高く形成されていることにより、回路基板２のもう一方に搭載されている半導体チップ３２の側が反ることによって、特に半導体チップ３２の外周部分に相当する回路基板２のうねりの影響を、ある一定量の高さを持った凹部２１の封止接着樹脂４１が緩和し、当該部分の半導体チップ３１と封止接着樹脂４１の界面に生じる引張り力を低減できる。

（実施の形態２）
図２，図３は本発明の実施の形態２を示す。
実施の形態１では、回路基板２の上面に形成されている凹部２１の全部を、半導体チップ３１と半導体チップ３２が重なり合う領域に形成するとしているが、回路基板２の電気配線の制約により困難な場合は、図２に示すように、引張り力が最も大きくなる領域である半導体チップ３２の外周に相当する位置に沿って鍵型の領域に限定して形成しても同様の効果が得られる。この時、鍵型の凹部２１の幅は、半導体チップ３２に外側に１００μｍ以上、内側に１００μｍ以上、合計２００μｍ以上の幅を持って形成されているとする。

また、図１に示した方形の凹部２１または図２に示した鍵型の領域に配置された凹部２１は、半導体チップ３１の内で連続的に形成するとしているが、実際には、半導体チップ３１の内には、バンプ５１以外にも、回路基板２の表面上に電極以外の銅パターンが形成されている場合が多いため、必ずしも連続的に形成できるとは限らない。このようなパターンの影響により凹部２１の形成が困難な場合には、例えば図３にその一例を示すように、半導体チップ３１に形成されるバンプ５１のレイアウトやその他の制約に応じて、断続的に形成された凹部２１ａ，２１ｂ，２１ｃで構成していてもかまわない。

また実施の形態１，実施の形態２において、前記凹部２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、説明の簡略化のため回路基板２の半導体チップ３１と対向する表面にのみ形成しているが、各半導体チップが他方に与えるうねりの影響は同様であるため、回路基板２の半導体チップ３２と対向する表面にのみ形成したり、回路基板２の半導体チップ３１と対向する表面ならびに回路基板２の半導体チップ３２と対向する表面に同様に凹部２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃを形成することが考えられる。

（実施の形態３）
図４（ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態３を示す。
この実施の形態３では、図４（ａ）（ｂ）に示すように回路基板２の半導体チップ３１が搭載される面に凸部２２が形成されている。この凸部２２の高さは約３０μｍである。凸部２２を構成する材料は、ガラスクロス入りのエポキシ樹脂など、いずれも封止接着樹脂よりも弾性率の高い材料である。具体的には、封止接着樹脂の弾性率は約５ＧＰａであるのに対し、ガラスクロス入りのエポキシ樹脂は、その弾性率は１０ＧＰａ以上である。

このような硬い材料が回路基板２の上に形成されていることによって、それを含む当該領域の回路基板の厚みを局所的に厚くでき、回路基板２のもう一方に搭載されている半導体チップ３２側が反ることによる影響を半導体チップ３１の側に与えないようにすることができ、半導体チップ３１と封止接着樹脂５１の界面に生じる引張り力を低減できる。

凸部２２を形成する領域の詳細な寸法事例を以下に示す。
半導体チップ３２と半導体チップ３１が重なりあう全領域としているが、半導体チップ３１に形成されるバンプ５１の配置制約に応じてその領域は制限される。例えば図４（ｂ）の場合、凸部２２の平面的な領域の外形は、半導体チップ３１の上に形成されているバンプ５１より、その周辺の封止接着樹脂の充填に必要な領域として、図４（ｂ）中の記号Ｄ３で示すように少なくとも１００μｍ以上内側に存在するものとする。また、半導体チップ３２の側の反りによって半導体チップ３１の側の封止接着樹脂４１が受ける引張り力は、半導体チップ３２のエッジよりも外側で最大になる可能性があることから、凸部２２は、図４（ｂ）中の記号Ｄ４で示すように、半導体チップ３２のエッジよりも外側の領域まで広げて形成する方が好適である。ここではＤ４を半導体チップ３２よりも１００μｍ以上はみだして形成している。

（実施の形態４）
図５，図６は本発明の実施の形態４を示す。
実施の形態３では、回路基板２の上面に形成されている凹部２２の全部を、半導体チップ３１と半導体チップ３２が重なり合う領域に形成するとしているが、この実施の形態４では図５に示すように、引張り力の最も大きくなる領域である半導体チップ３２の外周に相当する位置に沿って鍵型の領域に限定して形成しても同様の効果が得られる。この時の鍵型の凸部２２の幅は、具体的には半導体チップ３２に外側に１００μｍ以上、内側に１００μｍ以上、合計２００μｍ以上の幅を持って形成されている。

また、前に示した方形または鍵型の領域に配置された凸部２２は、半導体チップ３１の内で連続的に形成するとしているが、実際には、半導体チップ３１の内には、バンプ５１以外にも、回路基板２の表面上に電極以外の銅パターンが形成されている場合が多いため、必ずしも連続的に形成できるとは限らない。このようなパターンの影響により凸部２２の形成が困難な場合には、例えば図６にその一例を示すように、半導体チップ３１に形成されるバンプ５１のレイアウトやその他制約に応じて、断続的に凸部２２ａ，２２ｂ，２２ｃを形成してもかまわない。

また実施の形態３とこの実施の形態４における凸部２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、銅などの金属材料を用いて形成することで、上記とは別の効果も得られる。具体的には、一般に、エポキシ系の樹脂は、金属材料とは密着性が低いため、封止接着樹脂４１と凸部２２は、外的な負荷に対し容易に分離される。半導体チップ３２が搭載される側の反りによって、封止接着樹脂４１と凸部２２を先行的に分離させることによって、封止接着樹脂４１と半導体チップ３１との界面の引張り力を生じなくさせることが期待できる。この場合には、凸部２２の最表面にフッ素系、シリコン系などの離型剤を塗布したり、有機薄膜などの離型処理を施すなどを行うことで封止接着樹脂４１との離型性を高める方が効果的である。

また実施の形態３，実施の形態４において、前記凸部２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、説明の簡略化のため回路基板２の半導体チップ３１と対向する表面にのみ形成しているが、各半導体チップが他方に与えるうねりの影響は同様であるため、回路基板２の半導体チップ３２と対向する表面にのみ形成したり、回路基板２の半導体チップ３１と対向する表面ならびに回路基板２の半導体チップ３２と対向する表面に同様に凸部２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃを形成することが考えられる。

（実施の形態５）
図７〜図９は本発明の実施の形態５を示す。
この実施の形態５では、図７（ａ）（ｂ）に示すように、回路基板２に半導体チップ３１が搭載されている領域の内、その裏側の半導体チップ３２と重なり合っていない領域には、当該回路基板２の半導体チップ３２が搭載される側の面に、弾性体２３が形成されている。図８は図７（ｂ）の背面図を示し、弾性体２３が半導体チップ３２の外周に沿って鍵型に形成されていることが分かる。

このように半導体チップ３２の側面を鍵型に覆うように形成されている弾性体２３は、回路基板３２の基材料よりも線膨張が小さいもしくは弾性率の高い材料でできている。具体的には、弾性体２３として線膨張係数は２０ｐｐｍ／℃、そして弾性率が８ＧＰａであるものを用いた。そのような材料の代表的な例として、一般にフィラー濃度の大きいエポキシ樹脂などが挙げられる。このような弾性体を当該領域に形成することによって、図８に示すような回路基板２の全体のうねりを弾性体２３が抑制し、そのうねりに起因して半導体チップの封止接着樹脂が引張られることを回避することができる。

弾性体２３が配置される領域の具体寸法について以下に示す。
弾性体２３が配置されるのは、その効果を最大にするため、半導体チップ３１と半導体チップ３２が重ならない領域全域としている。半導体チップ３１と半導体チップ３２のズレは、前述した通り、縦方向に１ｍｍ、そして横方向に１ｍｍであることから、半導体チップ３２の側面に形成される弾性体２３は、図７（ｂ）中に記号Ｄ５で示すように、半導体チップ３２のエッジより、１ｍｍ程度の幅を持って形成される。弾性体２３の高さは、封止接着樹脂４２の高さ４０μｍ、そして半導体チップ３２の厚み２００μｍを合計し、２４０μｍ程度であるとする。

上記では、半導体チップ周辺に存在するその他受動部品の配置制約に応じて、断続的に配置されていてもかまわない。またその高さも半導体チップ３２の上面までとしているが、必要量に応じてその高さを低くしてもかまわない。

弾性体２３は、説明の簡略化のため回路基板２の半導体チップ３２の搭載されている面にのみ形成しているが、各半導体チップが他方に与えるうねりの影響は同様であるため、半導体チップ３１が搭載されている面にも同様に形成することも考えられる。

本発明の半導体チップの両面実装構造は、サイズの異なる半導体チップがずれていることによって生じる局所的なうねり、およびそれに起因する封止接着樹脂の引張り力を低減することができ、半導体チップと封止接着樹脂の間に生じる剥離現象を回避することができる。またそれにより、回路基板や半導体チップをさらに薄くすることができ、半導体実装構造の小型・低背化を実現することができる。

本発明の実施の形態１における半導体装置の断面図と平面図 本発明の実施の形態２における半導体装置の平面図 同実施の形態における半導体装置の別の平面図 本発明の実施の形態３における半導体装置の断面図と平面図 発明の実施の形態４における半導体装置の平面図 同実施の形態における半導体装置の別の平面図 本発明の実施の形態５における半導体装置の断面図と平面図 同実施の形態における背面図 同実施の形態の適用効果を示す概要図 半導体チップの一般的な両面実装構造を説明する概要図 半導体チップの両面実装構造における問題点を説明する概要図

符号の説明

２ 回路基板
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 凹部
２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 凸部
２３ 弾性体
３１，３２ 半導体チップ
４１，４２ 封止接着樹脂
５１，５２ バンプ

Claims (5)

1. 回路基板の上下面に半導体チップを搭載した両面実装構造の半導体装置であって、
   上面に搭載される半導体チップと下面に搭載される半導体チップが重なり合う領域には、前記回路基板の少なくとも一方の表面に凹部が形成されている
   半導体装置。
2. 前記回路基板の表面に形成された凹部は、反対側に搭載されている半導体チップの外周に対応する位置に沿って鍵型の形状に形成されている
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 回路基板の上下面に半導体チップを搭載した両面実装構造の半導体装置であって、
   上面に搭載される半導体チップと下面に搭載される半導体チップが重なり合う領域には、回路基板の少なくとも一方の表面に凸部が形成されている
   半導体装置。
4. 前記回路基板の表面に形成された凸部は、反対側に搭載されている半導体チップの外周に対応する位置に沿って鍵型の形状に形成されている
   請求項３に記載の半導体装置。
5. 回路基板の上下面に半導体チップを搭載した両面実装構造の半導体装置であって、
   上面に搭載される半導体チップと下面に搭載される半導体チップが重なり合わない領域には、回路基板の表面に弾性体が形成されている
   半導体装置。

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