JP3437369B2 - チップキャリアおよびこれを用いた半導体装置 - Google Patents

チップキャリアおよびこれを用いた半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に関す
るものであって、詳しくは、半導体チップ(以下、「L
SIチップ」ともいう)を実装するために用いられるキ
ャリア基板ならびにこれに半導体チップを搭載した半導
体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、多ピン半導体パッケージの主流
は、パッケージの四つの側面から入出力リード線を引き
出すプラスチックQFP(クワッドフラットパッケー
ジ)である。このプラスチックQFPは、各分野におけ
る電子機器の多機能化、高性能化に応じたLSIの大規
模化の進行に伴い、その入出力端子数が増加して、QF
Pのパッケージ形状も大きくなっている。そこで、この
パッケージ形状の大型化を防止するために、半導体チッ
プのデザインルールの超微細化を進めると共に、そのリ
ードピッチを狭くすることによって、多種類に亘る電子
機器の小型化に対応している。
【0003】しかし、400ピンを超える規模のLSI
になると、半田付けの量産性等の問題から、狭ピッチ化
にも限界があり、小型化等に充分に対応しきれなくな
る。また、半導体パッケージをマザープリント配線基板
に実装する際の問題として、両者が有する熱膨張係数の
相違がある。この異なる熱膨張係数を持つ半導体パッケ
ージの多数の入出力リードと、プリント配線基板上の多
数の電極端子とを信頼性良く接続することは、極めて困
難である。この困難さは、周囲温度の変化によって生じ
る歪を吸収して緩和するために必要とされるリードピン
の一定長さと、微細なピッチを構成するために細く形成
されたリード端子の温度変化等による変形に起因するも
のである。
【0004】さらに、多数ピン化した半導体パッケージ
は、プラスチックQFPの形状の拡大と長いリードピン
のために、信号の伝送が遅れ高速信号処理ができなくな
る。このようなプラスチックQFPが抱える多くの問題
を解決するために、最近、QFPに代わって、半導体パ
ッケージの裏面に球状の接続端子を2次元のアレイ状に
配置したBGA(Ball Grid Array)
や、半導体パッケージの裏面に多数の平らな電極パッド
を配置したLGA(Land Grid Array)
と呼ばれる、いずれもQFPのようなリードピンを持た
ない表面実装型LSIパッケージが注目を集めている。
【0005】上記BGAは、キャリア基板の材質によっ
てCBGA(セラミックボールグリッドアレイ)、PB
GA(プラスチックボールグリッドアレイ)あるいはT
BGA(テープボールグリッドアレイ)と呼ばれてお
り、LGAにもTLGA(テープランドグリッドアレ
イ)と呼ばれるものがある。PBGAは、キャリア基板
として、ガラス繊維を補強材とする樹脂基板(例えばガ
ラスエポキシ基板)を用いるもので、他のものに比較し
て安価であり広く普及し始めている。TBGAあるいは
TLGAは、スルーホールをもつ両面フレキシブルキャ
リア基板の一方の面の周辺に、フレキシブル基板を支え
る周辺部材を固着し、この周辺部材により囲まれた凹部
に半導体チップを登載し、モールドしたものである。T
BGAは、キャリア基板の他の面に半田ボール等が設け
られており、TLGAには、半田ボールは設けられてい
ない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、CBG
Aは、キャリア基板として用いるセラミックが高価であ
り、且つその熱膨張係数がマザー基板であるガラスエポ
キシの熱膨脹係数よりも大変小さいために、熱膨脹係数
の相違に起因する断線等により接続の信頼性が悪化す
る。
【0007】またPBGAは、基板中にガラス繊維が入
っているために反りや歪みが強く、そのため製造時なら
びにマザー基板への実装時に歩留まりが低下する。さら
に、TBGA、TLGAと呼ばれるパッケージは、キャ
リア基板としてコストの高い両面フレキシブル基板を使
用するが、フレキシブルであるがために平面を保ちにく
く歩留まりのよい製造が困難である。
【0008】以上のことから、従来のBGAおよびLG
Aは、コストが高く、また、フレキシブル基板の熱膨張
係数が半導体チップの熱膨脹係数よりも非常に大きいた
めに、半導体チップとキャリア基板との接続、ならびに
ガラスエポキシマザー基板への実装時の接続の信頼性も
悪化する。
【0009】本発明はこれらの課題を解決するためにな
されたもので、製造が容易で各種電子機器に使用される
半導体装置において、LSIチップとチップキャリア、
チップキャリアとマザー基板との熱膨張係数の相違に起
因する破壊や断線等が発生しない、接続信頼性に優れた
チップキャリアおよびそれを用いた半導体装置を提供す
ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係るチップキャリアは、アラミド繊維を補強
材とするフレキシブル絶縁基板の両面に形成された第1
の接続パッドと第2の接続パッドとが前記絶縁基板に穿
孔されているバイアホールを介して電気的に接続された
構造を有するキャリア基板の外周部に、熱膨張係数が前
記キャリア基板のそれよりも大きい材料よりなる環状部
材を設けたことを特徴とする。
【0011】こうすることにより、前記チップキャリア
は実装時もしくは試験時等において高温状態下に置かれ
たとしても、前記環状部材が前記キャリア基板に張力を
与え変形が発生せず、キャリア基板が平面に保持され
る。したがって、実装時には歩留まりが向上する。また
試験時には、キャリア基板がアラミド繊維を補強材にし
ているので、従来のポリイミドフィルムを用いたフレキ
シブル基板とシリコン半導体チップ程に熱膨張係数がか
け離れていない構成となり、熱サイクル等による破壊は
ほとんどない。さらに、このキャリア基板はガラスエポ
キシのマザー基板の熱膨張係数より小さくかつフレキシ
ブルであるために半田付け接続の信頼性がよい。
【0012】また、前記環状部材は上記条件を満たす金
属により形成されることが好ましい。こうすることによ
り、チップキャリアに半導体チップを搭載して電子機器
に実装して動作させたとき、半導体チップより発生する
熱を効果的に放散することができる。
【0013】さらに、前記環状部材がジグザク状である
ことが好ましく、前記環状部材の周囲形状を波型形状と
することや、前記環状部材の周囲にフィンを備えた構造
とすることも好ましい。こうすることにより、半導体チ
ップより発生する熱をより効果的に放散することができ
る。
【0014】また、前記キャリア基板として、前記キャ
リア基板として、前記バイアホールが前記絶縁基板の表
面に開口端を露出していないインナバイア樹脂多層基板
を用いることも好ましい。こうすることにより、スルー
ホールを用いたフレキシブル基板に比べ接続パッド配列
の設計の自由度が向上する。
【0015】さらに、前記第1の接続パッドと第2の接
続パッドとがそれぞれ異なるパターンで形成されること
も好ましい。こうすることにより、マザープリント基板
上の配線パターンに対応して第2の接続パッドの位置を
自由に設定することができ、高密度配線を行う場合に効
果がある。前記第2の接続パッド上にボールを設けるこ
とも好ましい。ここで、ボールとは、半田ボール等の電
気的接続を行うためのものをいう。
【0016】また、本発明に係る半導体装置は、前記チ
ップキャリアの前記キャリア基板と前記環状部材とによ
り形成された凹部に、半導体チップを搭載したことを特
徴とする。さらに、前記半導体チップがエリアアレイ型
端子電極を有することが好ましく、このエリアアレイ型
端子電極を有する半導体チップが、フリップチップ実装
されていることが好ましい。
【0017】このような構造にすることにより、前記半
導体装置をマザー基板に実装する際の高温時において
も、前記環状部材の熱膨脹係数が前記キャリア基板の熱
膨脹係数よりも大きいため、キャリア基板には引っ張り
応力が働き平面に保持されるので、チップキャリアに反
りが発生することがなくなる。したがって、熱膨脹係数
の差異に起因する半導体装置の破壊や接続不良等を、効
果的に防止することができる。
【0018】さらに、前記半導体チップの上面に放熱板
を備えた構造が好ましく、前記半導体チップの上面およ
び前記チップキャリアの周縁部を覆うように放熱板を備
えた構造も好ましい。こうすることにより、半導体装置
の動作時の発熱をより効果的に放散させて、半導体装置
や電子機器の信頼性を高めることができる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面および実施例に基づいて説明する。図1(a)
および(b)は、本発明の実施形態に係るチップキャリ
アの断面図および斜視図を示している。図1において、
キャリア基板108は、アラミド繊維を補強材とするフ
レキシブル絶縁基板101と、このフレキシブル絶縁基
板101の一方の面に設けられた第1の接続パッド10
2と、他方の面に設けられた第2の接続パッド105
と、導電体104を埋め込んだバイアホール103とに
より構成されており、第1の接続パッド102と第2の
接続パッド105とは、バイアホール103を介して電
気的に接続されている。
【0020】アラミド繊維を補強材とするフレキシブル
絶縁基板101は、例えば、アラミド繊維の織布あるい
は不織布にエポキシ樹脂を含浸させたものである。第1
の接続パッドならびに第2の接続パッドは、例えば銅箔
で形成されている。第1の接続パッド102と第2の接
続パッド105とはバイアホール103内に埋め込まれ
た導電体104により電気的に接続されている。導電体
104は、エポキシ樹脂に銅の紛体を混合したものが用
いられる。
【0021】このようなキャリア基板108は、インナ
バイア樹脂多層基板〔たとえば ALIVH(登録商標:AL
IVH 松下電器産業(株)製造 参考文献;「電子材
料」1995、10月号P50〜58)〕として知られ
ている。
【0022】また、キャリア基板108の周縁部には、
ロの字形状を有するガラスエポキシ(ガラス繊維を補強
材にしエポキシ樹脂を含浸した複合体)等で形成された
環状部材106が接着剤107によりキャリア基板1に
取り付けられている。接着剤107によるキャリア基板
108と環状部材106との接着状態は、固着させるよ
りも少しゆるい接合が好ましい。そのための接着剤とし
ては、市販の両面接着テープ、シリコン系やエポキシ系
の可撓性の接着剤等がある。
【0023】第1の接続パッドの配列は、このキャリア
基板に搭載される半導体チップの端子電極配列とその接
続方法とに対応している。半導体チップの端子電極の配
置が周辺型の場合で以下に述べるフリップチップチップ
実装の場合は、第1の接続パッドの配列は半導体チップ
の端子電極の裏返しの配置になる。また、半導体チップ
の端子電極がチップ表面全体に分布している場合(エリ
アパッドあるいはエリアアレイ型と呼ばれる)には、や
はり裏返しのアレイ状になる。ワイアボンドで半導体チ
ップとキャリア基板とを接合する場合は、第1の接続パ
ッドの配列は半導体チップの外周を取り囲むような配列
となる。
【0024】本実施形態において、環状部材106はガ
ラスエポキシで形成されており、その熱膨張係数は15
ppm/℃である。銅箔とアラミド繊維と樹脂からなる
複合体であるキャリア基板の熱膨張係数は、銅箔の残銅
率に依存し、この場合6〜10ppm/℃である。すな
わち、環状部材106の熱膨張係数がキャリア基板10
8の熱膨張係数よりも大きくなるように設計する。
【0025】このように設計したことにより、本実施形
態においては、半導体チップを搭載して高温で樹脂を用
いて接着する際にキャリア基板108に引っ張り応力が
働くこととなり、キャリア基板108は常に平面に保持
され、変形を生じることがない。そのために製造歩留ま
りが向上する。
【0026】また、以上のように構成した半導体装置
は、環状部材106により平面に保持されるので、この
半導体装置をマザー基板に実装する際においても平面性
を保つので、実装しやすくまた実装時の接続信頼性も向
上する。さらに、ガラスエポキシマザー基板にハンダ付
け実装した後でも接合の信頼性は高い。ハンダ付け時の
高温(〜200℃)で接合されたキャリア基板とマザー
基板とは、冷却時に共に収縮してゆくがキャリア基板の
熱膨張係数が小さいために弛む結果となり、キャリア基
板はフレキシブルであるためにストレスがたまらない。
常温より更に低い温度になってもこの関係は保たれる。
【0027】一方、ポリイミドテープを基材とするキャ
リア基板を用いた場合には、熱膨張係数がガラスエポキ
シよりも遥に高い(30〜40ppm/℃)ためにハン
ダ付け後の冷却時に強い張力が働く。低温では更に強い
ストレスが働き、冷熱サイクルで接合部が破壊する。
【0028】環状部材の材質はかなり広い範囲から選択
でき、例えば、金属、セラミックおよび樹脂等が考えら
れる。図1に説明したキャリア基板は両面の2層基板で
あったが、本発明はこれに限定されるものではなく、キ
ャリア基板として多層基板を用いてもよい。
【0029】図2に、インナバイア樹脂多層基板の断面
拡大図を示す。この図に示すように、第1の接続パッド
102と第2の接続パッド105とは、各層を構成する
絶縁基板101a,101b,101cに開けた穴10
3(このバイアホール103には導電性ペースト等の導
電体104a,104b,104cが充填されている)
を介して層間接続されており、最外層面には、バイアホ
ール103の開口端は露出せず第1の接続パッド102
が設けられている。この際、インナバイア樹脂多層基板
(キャリア基板)の第1の接続パッド102は、その上
面に搭載されるLSIチップの端子電極のパターンに対
応して設けられ、第2の接続パッド105のパターン
は、インナバイア樹脂多層基板の内層部の配線パターン
を介してマザープリント配線基板の配線パターンに対応
してそれぞれ異なった形状として設けることができる。
【0030】なお、キャリア基板として上記のインナバ
イア多層基板を使用する場合、内層配線部にグランド、
電源層を設けることにより、電磁放射やノイズ等の影響
を防止することが可能となる。また、インナバイアホー
ル多層基板を用いるとより細かいピッチの接続ができる
ためにより小型の半導体装置を作ることができる。
【0031】以上の説明においては、キャリア基板とし
て2層基板およびインナバイアホール多層基板を用いた
場合について説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、通常の貫通スルーホール多層基板を用いて
もよい。
【0032】アラミド繊維を補強材とするキャリア基板
を用いることは重要である。熱膨張係数の関係は他の材
料でも保つことはできるが絶対値が半導体チップの(シ
リコンの)熱膨張係数に近い基板材料としてはアラミド
繊維を補強材とするキャリア基板が最適である。前述し
たようにポリイミドフィルムを用いたキャリア基板で
は、上記のような良好な結果を示すことはない。
【0033】本実施形態においては、実装時のキャリア
基板のマザー基板側、すなわち第2の接続パッド上にB
GAやTBGAやPBGAのようにボールを設けること
も可能であり、このような構成にすることにより、半田
付けが容易となる。ボールの材質は半田ボールが一般的
であるが、最近銅製のボールもある。
【0034】次に、本発明の実施形態に係るチップキャ
リアを用いた半導体装置について説明する。図3は、本
発明の実施形態に係るチップキャリアを用いた半導体装
置の第1の実施例を示している。この第1の実施例にお
いては、アラミド不織布−エポキシ樹脂101よりなる
インナバイア両面基板(ALIVH)をキャリア基板1
08として用いている。第1の接続パッド105は銅箔
であり、その表面はAu/Niメッキである。
【0035】本実施例は、図3に示すように、LSIチ
ップ201を図1に示すチップキャリアのロの字形状の
環状部材106の凹部に装填して半導体装置を構成し
た。LSIチップキャリア201の表面には保護膜20
3を形成し、この保護膜203に設けた窓部にアルミニ
ウムの薄膜よりなる端子電極202を形成した。そし
て、端子電極202上にワイアボンド装置で金のバンプ
204を形成した。
【0036】次に、LSIチップを下向きにして端子電
極とキャリア基板の第1の接続パッドの位置を合わせ、
導電性接着剤206を鋏んでキャリア基板上に搭載し
た。120℃で導電性接着剤を硬化させ、キャリア基板
と半導体チップの間に封止材205を流し込んで150
℃で硬化させた。この間キャリア基板は、平面を保ちL
SIチップ搭載時に変形等の不都合が起こることはな
い。この半導体チップの実装方法は、スタッドバンプフ
リップチップ実装と呼ばれる。
【0037】エリアアレイ型端子電極を有する半導体チ
ップを、上記フリップチップ実装によって実装すると、
本発明の電気的特性は著しく向上する。それは、半導体
チップ内の素子からパッケージの接続パッド(第2の接
続パッド)までの距離が最短化され、付属する容量やイ
ンダクタンスが他のものより小さくすることができるか
らである。そのために高速信号を取り扱う半導体チップ
の場合は、この実装方法によるものが最適のパッケージ
形態である。
【0038】この第1の実施例によれば、キャリア基板
108として0.1mm程度の薄い基板を使用できるた
め、半導体装置の全体の厚さを0.6mm以下とするこ
ともできる。また、本実施例による半導体装置の半導体
チップ(LSIチップ)の裏面は裸のままで露出している
ために放熱が容易である。放熱板を直接着けることも可
能である。さらに、LSIチップの裏面を裸のままにし
ておくだけでよいため、モールドの費用もかからず、ま
た余計な歪みがかからない。したがって、信頼性が向上
する。
【0039】また、本発明はフリップチップチップ実装
に限定されるものではなく、LSIチップを表に向けて
キャリア基板に搭載し、LSIチップ上の端子電極とキ
ャリア基板上の第1の接続パッドにワイアボンドで接続
する実装法も可能である。この場合は表面をモールドす
る必要がある。
【0040】図4は、本発明の実施形態に係るチップキ
ャリアを用いた半導体装置の第2の実施例を示してい
る。この第2の実施例は、環状部材106が半導体チッ
プ201の近傍を囲むように構成させ、半導体装置の小
型化を計ったものである。この場合、封止材205は半
導体チップ201と環状部材107の間にも充填する。
【0041】図5は、本発明の実施形態に係るチップキ
ャリアを用いた半導体装置の第3の実施例を示してい
る。この第3の実施例は、上記第2の実施例の半導体装
置における環状部材を熱伝導性の良い金属で作り放熱特
性を向上させたものである。図5(a)に示す第3の実
施例は、図4を用いて説明した第2の実施例と比較し
て、環状部材の材質ならびに形状が異なる。
【0042】本実施例においては、材質は金属であり、
アルミや銅等の熱伝導性が良好な金属が適当である。ま
た、その形状は放熱を促進するような形状が好ましく、
図5(b)に示すように放熱しやすいように表面積を増
やしたジグザグ形状としている。この環状部材の形状と
しては、この他にも例えば、波型形状やフィンを備えた
ような形状等でもよい。この図5(b)に示した金属製
のジグザグ形状の環状部材106は、この環状部材10
6とキャリア基板108との間における熱膨脹による寸
法差を吸収する役割も果たす。
【0043】図6は、本発明の実施形態に係わるチップ
キャリアを用いた半導体装置の第4の実施例を示してい
る。この第4の実施例は、上記第1の実施例から第3の
実施例におけるLSIチップの上面に、アルミニウム等
の熱伝導性に優れた放熱板601を熱伝導性の良い接着
剤602で取付けたものである。
【0044】図6(a)は、第1の実施例に放熱板60
1を取付けた状態を示したものであり、図6(b)は、
第2の実施例および第3の実施例に放熱板を取付けた状
態を示したものである。こうすることにより、発熱量の
多い半導体チップを搭載してもその熱放散を容易に行う
ことができる。また、半導体チップの裏側に直接放熱板
を取り付けるので、特に放熱特性がよい。
【0045】図7は、本発明の実施形態に係るチップキ
ャリアを用いた半導体装置の第5の実施例を示してい
る。この第5の実施例は、上記第4の実施例の半導体装
置における放熱板601を、LSIチップ201の上面
にのみ設けるのではなく、接着剤702を介して、環状
部材106の外周部をも囲み込むように設けたものであ
る。このときの放熱板を、冠状放熱板701という。こ
のようにすることで、更に大きなパワーの半導体チップ
のパッケージとした場合においても、その際に発生する
熱を効率よく放散することができる。
【0046】また、以上の各実施例において、半導体チ
ップとキャリア基板との接続は、スタッドバンプフリッ
プチップ実装方式を用いる場合について主に説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、
半田ボールを使った接続方法(C4方式と呼ばれてい
る)でもよい。
【0047】さらに、以上の各実施例においては、搭載
する半導体チップが1個である場合について説明した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、複数個の
半導体チップを実装してMCMとすることも可能であ
る。
【0048】また、裸の半導体チップばかりでなくパッ
ケージした半導体チップ即ちSMTに使われているQF
Pをのせて複合MCMの様なものを作ることも可能であ
り、さらに、同時にコンデンサーや抵抗などの受動部品
を搭載することも可能である。
【0049】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体装置製造時の高温時においてもキャリア基板に反
り等が発生しないチップキャリアを得ることができるの
で、製造歩留まりが高くなる。また、そのチップキャリ
アを用いて半導体装置を構成することにより、LSIチ
ップとキャリア基板との接続信頼性を向上させると同時
にマザー基板へ実装したときにも接続の高い信頼性を得
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るチップキャリアの断面
図および斜視図
【図2】本発明の実施形態に係るチップキャリアのキャ
リア基板として用いられるインナバイア樹脂多層基板の
断面図
【図3】本発明の第1の実施例に係る半導体装置の断面
【図4】本発明の第2の実施例に係る半導体装置の断面
【図5】本発明の第3の実施例に係る半導体装置の断面
図および環状部材の概略図
【図6】本発明の第4の実施例に係る半導体装置の断面
【図7】本発明の第5の実施例に係る半導体装置の断面
【符号の説明】
101 アラミド繊維を補強材とするフレキシブル絶
縁基板 102 第1の接続パッド 103 バイアホール 104 導電体 105 第2の接続パッド 106 環状部材 107 接着剤 108 キャリア基板 201 半導体チップ(LSIチップ) 202 端子電極 203 保護膜 204 バンプ 205 封止材 206 導電性接着剤 601 放熱板 602 接着剤 701 冠状放熱板 702 接着剤

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アラミド繊維を補強材とするフレキシブ
    ル絶縁基板の両面に形成された第1の接続パッドと第2
    の接続パッドとが前記絶縁基板に穿孔されているバイア
    ホールを介して電気的に接続された構造を有するキャリ
    ア基板の外周部に、熱膨張係数が前記キャリア基板のそ
    れよりも大きい材料よりなる環状部材を設けたことを特
    徴とするチップキャリア。
  2. 【請求項2】 前記環状部材が金属である請求項1記載
    のチップキャリア。
  3. 【請求項3】 前記環状部材がジグザク状である請求項
    1または2記載のチップキャリア。
  4. 【請求項4】 前記環状部材の周囲を波型形状とした請
    求項1または2記載のチップキャリア。
  5. 【請求項5】 前記環状部材の周囲にフィンを備えた請
    求項1または2記載のチップキャリア。
  6. 【請求項6】 前記キャリア基板は、前記バイアホール
    が前記絶縁基板の表面に開口端を露出していないインナ
    バイア樹脂多層基板である請求項1から5のいずれか1
    項記載のチップキャリア。
  7. 【請求項7】 前記第1の接続パッドと第2の接続パッ
    ドとがそれぞれ異なるパターンで形成された請求項1か
    ら6のいずれか1項記載のチップキャリア。
  8. 【請求項8】 前記第2の接続パッド上にボールを設け
    た請求項1から7のいずれか1項記載のチップキャリ
    ア。
  9. 【請求項9】 請求項1から8のいずれか1項記載のチ
    ップキャリアの前記キャリア基板と前記環状部材とによ
    り形成された凹部に、半導体チップを搭載したことを特
    徴とする半導体装置。
  10. 【請求項10】 前記半導体チップがフリップチップ実
    装されている請求項9記載の半導体装置。
  11. 【請求項11】 前記半導体チップがエリアアレイ型端
    子電極を有する請求項10記載の半導体装置。
  12. 【請求項12】 前記半導体チップの上面に放熱板を備
    えた請求項9,10または11記載の半導体装置。
  13. 【請求項13】 前記半導体チップの上面および前記チ
    ップキャリアの周縁部を覆うように放熱板を備えた請求
    項9,10または11記載の半導体装置。
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