JP3235403B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
フリップチップボンディングを用いたマイクロ波〜ミリ
波帯ICの実装に関するものである。
う周波数帯もマイクロ波帯からミリ波帯へとより高い周
波数への展開が図られている。それに伴ってこれらの通
信機器に用いられるトランジスタの高速化も著しく、最
近ではヘテロ接合化合物半導体トランジスタなどで10
0GHzを越えるカットオフ周波数をもつデバイスが実
現されている。
整合回路などの受動回路も同時に集積したマイクロ波〜
ミリ波帯MMICの研究開発も精力的に行われている。
用技術の分野においては、実装による特性劣化の問題が
ある。例えば通常のトランジスタやICの実装に用いら
れるワイヤボンディングでは、ワイヤによる寄生インダ
クタンスやボンディングパッドによる寄生容量の影響が
周波数に比例して大きくなるので、周波数が高くなれば
なるほどトランジスタの性能はこれら寄生部分の影響に
埋もれて本来の特性を発揮できなくなってしまう。さら
に、ミリ波の領域ではワイヤやパッド等の寸法が波長に
比べて無視できなくなってくるので、これらを集中定数
として取り扱うことができず、問題は複雑である。そこ
で我々は特願平6−67127号に示すデバイスを提案
した。
MICでは、IC内部の配線はある特性インピーダンス
(通常50Ω)のマイクロストリップ型あるいはコプレ
ーナ型の線路でなされており、このMMICを実装する
基板の線路も同じくある特性インピーダンス(通常同じ
50Ω)で設計されているのが普通である。ところが、
実装の際、両者の信号線を接続するワイヤの部分でこの
特性インピーダンスが乱れ、接続部分でインピーダンス
のミスマッチが生じる。そのため、この部分で信号の反
射や損失が生じ、ICの本来の特性を引き出すのが困難
となってしまうのである。
れだけで回路に悪影響をあたえるが、その影響を正確に
把握しかつ再現することも困難であるため、あらかじめ
寄生効果の影響をキャンセルするような工夫も困難であ
る。従って、実装による特性劣化を軽減するためには、
この接続部の寄生効果を如何に小さく抑え、特性インピ
ーダンスを保つかが重要となる。
効果の問題を解決する手段として、フリップチップ実装
と呼ばれる従来技術がある。中でも文献「ナショナルテ
クニカルレポート第35巻第3号第95項から第102
項」等に示されるマイクロバンプボンディング(以後、
MBBと言う)と呼ばれる技術は、チップの表面を基板
側に向けて実装し、マイクロバンプなる非常に小さなバ
ンプを介して基板上の線路とチップ上の線路を接続する
もので、ワイヤボンディングや他のフリップチップボン
ディング実装方式に比べて接続部の寄生効果は大きく低
減される。
ける、チップ上の信号線路とと基板上の信号線路の接続
部分の断面図を示す。1は基板、11は基板上の線路、
21は同線路の一部(端部)に設けられたボンディング
用パッドであり、2がチップ、12がチップ上の線路、
22が同線路の一部(端部)に設けられたボンディング
用パッドである。両パッドはマイクロバンプ30を介し
て電気的に接続されており、チップと基板は光硬化型樹
脂40の収縮力により固定されている。
m程度、高さは数μm程度であるが、実装後は実装時の
加圧で変形して直径が数10μmに広がり、高さは一部
配線パッドにめり込む部分を除いて1−2μm程度にな
る。すなわち、基板上の線路とチップ上の線路はほとん
ど接する程度に近づけることができるため、バンプによ
るインダクタ成分はかなり小さく抑えることができる。
図で、各番号は図4と同じ部分を指している。図から分
かるように、パッドの部分だけ線路の幅が大きくなるた
め、この部分は容量に見えるが、寸法があらかじめ分か
っているので設計の段階でこの部分の影響を考慮するこ
とが可能となる。また、MBBではバンプの径を小さく
することも容易であるので、パッドサイズを小さくし、
線路の幅と同程度にすることも可能である。
技術によっては前述の問題を一応解決できるが、周波数
がミリ波程度に高くなると、その効果については十分に
満足することができない。従来の技術では、ボンディン
グ用パッドの幅を線路の幅とほぼ等しく設定することで
線路の幅の変化に起因するインピーダンスの乱れをなく
すことはできるが、従来例からも明らかなように、接続
部分で信号線の厚さが変化するという問題が残ってい
る。
ーダンスの乱れを生じ、発明者らの実験では線路のサイ
ズにもよるが、厚さ数μmの線路を用いた場合でも、概
ね30−40GHz以上では無視できない影響を与える
ことがわかってきた。
の乱れが小さく、優れたミリ波帯のチップ実装を実現し
た半導体装置を提供することを目的とする。
め、本発明はバンプ接続する部分(パッド)の線路厚を
あらかじめ薄くするなど調節しておき、これをMBB実
装した半導体装置を提供するものである。
後も基板やチップ側の線路と接続部の線路厚をほぼ等し
くすることが可能となり、ミリ波帯においてもインピー
ダンス変化の小さい良好な接続が可能となる。
実装方法について、図面を参照しながら説明する。
における半導体装置及び実装方法を示す図である。図中
(a)は実装前の断面図であり、(b)は実装後の断面
構造図である。
(ガラス基板であってもよい)、101は100の一主
面上に形成されたGNDプレーンであり、例えばAlS
iCuなどを1μm程度堆積しである。102は誘電体
膜であり、例えばSiO2を20μm程度堆積したもの
である。103、104はシリコン基板100側の線路
であり、材料は例えばAu等を用いるのが望ましい。厚
さは例えば3−5μm程度としている。線路103,1
04は、ボンディング用のパッド部131,132を有
しており、かつ、この部分の厚さを、他の線路部分の半
分程度に薄くしてある。
2とGNDプレーン101とでマイクロストリップ線路
を構成しており、この例では50Ω線路の線幅は約40
μm程度であるので、パッド部131,132の幅を線
路幅と同じにすることは十分可能である。
クロバンプボンディング)実装用のマイクロバンプ15
1,152が形成されている。このバンプは後から転写
パンプ等によって形成しているが、別の手法としては、
パッド部の線路厚を薄くする際、一部を残してバンプと
することもできる。
(高周波用トランジスタチップでもよい)、111〜1
13はチップ110上の線路(配線)であり、111,
112はボンディング用のパッド部141,142を有
し、かつ基板上のパッド同様この部分の厚さを他の部分
の半分程度に薄くしある。
に接続すると、図1(b)に示したように、パッド部分
をあらかじめ薄くしておいたので、実装後はパッド部分
の厚さがちょうどもとの線路の厚さと同じ程度になり、
従来例で問題となっていた線路の厚さの変化によるイン
ピーダンスの乱れを飛躍的に低減することができる。つ
まり、従来では図1(d)のように線路の接続部で線路
の厚さが異なっていたが、本実施例では図1(c)のよ
うに接続部でも線路の厚さがほぼ線路厚と同じになって
いる。
2)は、基板100上の誘電体102とGNDプレーン
101とでマイクロストリップを形成するので、基板の
線路と同じ幅にしておけば、同じ特性インピーダンスが
得られる。パッド部分の幅も線路幅と同じにしておけ
ば、基板からチップ内まで特性インピーダンスの乱れの
ない、理想的な実装が実現できる。
を示していないが、実際にはチップを接続する前に基板
上に同樹脂を塗布し、チップを基板に押し付けた状態で
紫外線を照射して樹脂を硬化させ、チップ固定する。ま
た、この実施例ではバンプを基板側のパッド上に形成し
たが、チップ側に設けても良い。
ド部をそれぞれ線路の半分の厚さに調整したが、実装後
に両パッド厚とバンプ高さの合計がもとの線路の高さに
なるようにするならば、それぞれのパッド部の厚さはど
のように設定してもかまわない。また、本実施例ではマ
イクロストリップ線路を用いた場合について示している
が、コプレーナ線路を用いる場合でもまったく同様であ
る。
における半導体装置及び実装方法を示す図で、実装直前
の様子のみ断面構造図で示している。図2において、2
00はSi基板、201は200の一主面上に形成され
たGNDプレーン、202は誘電体膜、203、204
は基板側の線路でボンディング用のパッド部231、2
32を有し、210はトランジスタ或はMMICチッ
プ、211〜213はチップ上の線路(配線)であり、
211、212はボンディング用のパッド部241、2
42を有している。
1、232、241、242が一様に薄くするのではな
く、厚さを徐々に変化させ、図2に示すような斜めに傾
斜した断面構造をもたせていることである。このような
構造にすることで、第1の実施例同様、実装後にパッド
部の厚さを線路の厚さと同じにする事ができる。
側のパッドがちょうどはまるように斜めに傾斜させてい
るので自然に位置合わせができるため、第1の実施例に
比べて位置合わせが容易であるという特徴を持つ。以上
のように、この実施例では線路の幅、厚さばかりでなく
位置合わせまで簡単にすることのできる半導体装置を提
供することができる。
における半導体装置及び実装方法を示す図で、実装直前
の様子のみ断面構造図で示している。図3において、3
00はSi等の基板、301は300の一主面上に形成
されたGNDプレーン、302は誘電体膜、303、3
04は基板側の線路でボンディング用のパッド部33
1、332を有し、310はトランジスタ或はMMIC
チップ、311〜313はチップ上の線路(配線)であ
り、311、312はボンディング用のパッド部34
1、342を有し、そこにはMBB用のバンプ351、
352が形成されている。
1、342上のバンプ351、352がパッド部33
1、332、341、342に比べて堅い金属で構成さ
れていることである。例えばパッド金属はAu等の柔ら
かいメタルを用い、バンプにはTiやWといった堅いメ
タルを使用する。この状態でチップを基板に押しつけ、
バンプをパッドにめり込ませてゆく。堅いメタルである
バンプの高さを適当に調節しておけば、ちょうどバンプ
部の高さが配線の厚さと同じ程度になったところで止め
ることができる。ただし、この方法は通常のMBB実装
より多くの圧力を加えることになるので、パッド部分の
変形による面積の広がりが大きくなる。したがって、実
装後にパッドの幅がちょうど線路の幅と等しくなる様に
するには、(c)に示すようにあらかじめパッド幅を線
路幅より細くしておく等の工夫が必要である。このよう
にしておけば、実装により線路が広がっても配線幅が同
じところで実装を止めることができる。
部分の厚さを線路の厚さと同じにできるため、接合部分
でのインピーダンスの乱れの小さい良好な実装を実現す
ることができる。これにより、半導体装置の設計時にイ
ンピーダンスの乱れを考慮する必要がないので、設計が
容易になる。さらに、信号の損失が小さくなるので実装
する半導体チップの利得をそのまま活かせるとともに、
信号の反射も減らせるので、他の回路に与える影響も少
なくできる。
実装方法を示す断面構造図
実装方法を示す断面構造図
実装方法を示す断面構造図
プ上の信号線路とと基板上の信号線路の接続部分の断面
図
ィング用パッド 22 チップ上の線路の一部(端部)に設けられたボン
ディング用パッド 30 マイクロバンプ 40 光硬化型樹脂 100、200、300 Si等の基板 101、201、301 GNDプレーン 102、202、302 誘電体膜 103、104、203、204、302、304 基
板側の線路 110、210、310 トランジスタ或はMMICチ
ップ 111〜113、211〜213、311〜313はチ
ップ上の線路(配線) 131、132、231、232、331、332 基
板側のボンディング用パッド部 151、152、351、352 マイクロバンプ 141、142、241、242、341、342 ボ
ンディング用のパッド部
Claims (5)
- 【請求項1】主面上に形成された接地導体と、前記接地
導体上に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成
された金属配線とを含むマイクロストリップ配線基板
と、前記基板上にバンプを介して接続された半導体チッ
プとを備えた、半導体装置であって、 前記基板上の線路の厚さと、前記基板上の線路と前記半
導体チップ上の線路との接続部分の厚さをほぼ等しくし
た半導体装置。 - 【請求項2】基板および半導体チップは、マイクロスト
リップ線路とボンディング用パッド部とを有し、 少なくとも前記基板または前記半導体チップの前記パッ
ド部の一部が、前記基板上の線路の厚さよりも薄い請求
項1に記載の半導体装置。 - 【請求項3】基板または半導体チップ上のパット部は接
続用のバンプを有し、前記バンプを構成する材料が、前
記パッド部を構成する材料より堅い請求項2に記載の半
導体装置。 - 【請求項4】基板への半導体チップの実装が、マイクロ
バンプ実装方式であることを特徴とする請求項1〜3の
いずれかに記載の半導体装置。 - 【請求項5】パッド部の幅が線路部の幅とほぼ等しいこ
とを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体
装置。
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