JP4420908B2 - 電子素子搭載構造 - Google Patents

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Description

本発明は、電子素子搭載構造に関し、より詳しくは、電子素子の搭載と固着に用いられる搭載構造に関するものである。
1960年代初期に、IBMがフリップチップ(Flip Chip Package)技術を導入して以来、このフリップチップ技術では、ワイヤボンディング(Wire bonding)技術に比べ、その半導体チップと回路板との電気的接続が一般の金属ワイヤではなく半田バンプによって行われることが特徴である。このようなフリップチップ技術では、パッケージ密度が向上し、パッケージ構成のサイズを小型化できるという利点があるとともに、金属ワイヤの使用を必要としないので、電気的性能が向上し、高密度、高速度の半導体装置の需要を満たしている。
従来のフリップチップ技術では、半導体集積回路(IC)チップの作用面(active surface)には電極パッド(electrode pads)が配置され、チップ搭載用の回路板にも対応する電気接続パッドが配置されており、チップと回路板との間には、当該チップがその作用面をフェースダウンで当該回路板に電気的接続されるように半田バンプまたはその他の導電接着材料を適切に設けることができ、この半田バンプまたは導電接着材料により、チップと回路板との間の電気的接続および機械的接続が可能となっていた。
特許文献1には、図1に示すように、一つのフリップチップボールグリッドアレイ(FCBGA)パッケージ構造が開示され、そこでは、作用面に信号の入力と出力用の電極パッド101をもつ半導体チップ10が提示され、当該電極パッド101に金属バンプ11と回路板12に電気的接続された電気接続パッド121とが形成され、当該回路板12に複数の回路層122と絶縁層123とが形成され、2層の回路層122の間が導電構造125で接続され、前記チップの回路板12の最上層の回路層122に、回路層122を保護し前記電気接続パッド121を露出するためのソルダーレジスト層13が形成され、前記チップの回路板12の最上層の回路層122に複数の電気接続パッド121が形成され、前記電気接続パッド121の上に半田ボール14のような導電構造が形成され、それによってフリップチップボールグリッドアレイ(Flip Chip Ball Grid
Array;FCBGA)パッケージを完成させている。
しかしながら、このようなフリップチップボールグリッドアレイパッケージの製造工程では、前記回路板12の作成、および半導体チップ10を回路板12に電気的に接続しパッケージを行う製造工程は分離型の生産方法である。すなわち、回路板12は独立した製造工程であり、半導体チップ10を回路板12にパッケージすることはまた別の独立した製造工程である。この2つの分離独立した製造工程では、歩留まりや品質が均一ではなく、生産サイクルが長くなり、しかもその電気的性能がある一定のレベルに留まってより一層のレベルの向上が効果的に図れない問題がある。
また、フリップチップボールグリッドアレイ(FCBGA)構造は、ピン数が多く周波数が高い製品に使用することが可能であるが、パッケージング全体のコストが高く、しかも技術的には多くの制限があり、とりわけ電気的接続の部分においては環境保護に対する要求がなされているため、電気接続材料例えば半田材料である鉛(plumbum、Pb)等の使用が禁止され、その他の代替材料が使用されることで、電気的、機械的、および物的品質の不安定が生じている。
また、フリップチップ式の半導体装置の製造工程では、ウエハ(wafer)集積回路の製造工程が終了した後、当該ウエハ内におけるチップの電極パッドに、金属バンプの搭載のためにバンプ下地金属(Under−Bump Metallization ;UBM)が形成され、さらに前記ウエハを、ダイシング作業により複数のチップにスライスし、その後当該半導体チップを回路板に搭載し電気的接続する必要がある。前記UBM構造層と金属バンプは、その製造工程が複雑であり、しかも設備のコストが高価である。
従って、フリップチップ式の半導体装置としては、半導体チップとそれに対応して搭載された回路板のそれぞれに、対応する電気接続ユニット(例えば金属バンプおよびプリ半田バンプ)が形成される必要があるので、製造工程の手順やコストが増加するのみならず、信頼性のリスクもそれに伴って増大している。
また、前記半導体パッケージ構造では、半導体チップを回路板の頂面に直接接着し、それをコロイドによってパッケージし、回路板の底面に半田ボールがマウントされているため、このように下から上へと連続的に積層される構造となり、全体の厚みが増加し、小型薄型化の目的を達成することができなくなっている。しかも、半導体チップをコロイドによって固定した後、その他の接続方式例えばチップの積層接続または回路板の積み重ね等ができなくなるので、パッケージ製品の応用の自由度を低下させている。
さらに、現在の電子製品の高機能化および高速度化の趨勢に伴い、半導体パッケージ部材においては、電子製品の電気的機能の向上または安定のために、例えば抵抗器(resistors)、キャパシター(capacitors)およびインダクター(inductors)等のパッシブ素子(passive component)が徐々に統合されている。ただし、従来より、パッシブ素子の多くは、一般的に、回路板の表面に設けられ、当該パッシブ素子による半導体チップと回路板における複数のボンディングパッドとの間の電気的接続への阻害が回避されるように、パッシブ素子を、回路板のコーナー箇所または半導体チップ搭載領域以外の回路板の余分なレイアウト面積に設けている。
このように、パッシブ素子の配置箇所の制限によって、回路板表面の回路レイアウトの自由度が縮小されるとともに、ボンディングパッド位置への配慮が必要となるため、それらのパッシブ素子の配置数が制限されることとなっている。さらに、パッシブ素子の配置数は、半導体パッケージ部材の高性能への要求にしたがって増加しているため、従来の方法では回路板の表面に多数の半導体チップおよび大量のパッシブ素子が同時に収容される必要があり、パッケージの体積の増大を招くため、軽薄短小という半導体パッケージ部材の発展の流れに応じることができなくなっている。
米国特許第6,774,498号明細書
そこで、以上のとおりの事情に鑑み、本発明は、電子素子を効果的に搭載構造に固着するための電子素子搭載構造を提供することを課題とする。
また、本発明は、好ましい電気的性能を得られるように、異なる電子素子を同時に搭載構造に固着する電子素子搭載構造を提供することを課題とする。
上記の課題を解決するために、本発明に係る電子素子搭載構造の1つの態様において、該電子素子搭載構造は、
少なくとも1つの開口が設けられた少なくとも1つの第1、第2の支持板と、
前記第1、第2の支持板の間に形成された少なくとも1つの接着層と、
作用面と非作用面を有し、前記第1、第2の支持板の開口に設けられた少なくとも1つの電子素子と、
を備え、
前記接着層は、前記電子素子が前記第1、第2の支持板の開口に固着されるように、一部が前記第1、第2の支持板の開口と前記電子素子との隙間に充填され、
前記搭載構造および電子素子面に回路層追加層構造が形成され、
前記電子素子の電極パッドに電気的に接続されるように前記回路層追加層構造に複数の導電構造が形成され、
前記回路層追加層構造の表面に接続パッドが形成されている。
本発明の実施態様において、支持板の表面に形成された接着層は、有機薄膜誘電材料、液体有機樹脂材料またはプリプレグ(prepreg)からなる組合せのうちの一つである。上記の材質は、ABF(Ajinomoto Build−up Film)、PPE(Poly (phenylene ether))、PTFE(Poly(tetra−fluoroethylene))、FR4、FR5、BT(Bismaleimide Triazine)、LCP(Liquid Crystal Polymaer)、BCB(Benzocyclo−buthene)、PI(Poly−imide)、芳香族ポリアミド(Aramide)等の感光または非感光の有機樹脂から選択することができる。
この実施態様において、支持板は、セラミックス材料層または金属材であり、当該金属材は、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、またはマグネシウムからなる組合せのうちの一つ或いはその合金材料から選択される。また、前記支持板は、さらに、回路構造を有する回路板であってよく、電子素子は、パッシブ素子、アクティブ素子、光電素子、または半導体チップからなる組合せのうちの一つから選択される。
また、当該電子素子の作用面は、当該搭載構造の頂面に一致しまたは搭載構造の頂面に突出するものから選択され、当該電子素子の非作用面も、当該搭載構造の底面に一致しまたは搭載構造の底面に突出するものから選択される。
上記のように、本発明においては、前記の構成により、少なくとも電子素子の作用面の電極パッドが搭載構造の開口に露出され、それにより回路積層の追加層構造をチップと搭載構造に直接形成することができる。このように、従来のような半導体チップと回路板を電気接続ユニットにより対応接続させることによって生じる煩雑な製造工程や高コストを解決することができるとともに、製造工程の信頼性のリスクを低減することができる。
また、本発明においては、別途に接着層を注入し支持板の開口に充填することなく、搭載構造の接着層により電子素子を接着することができる。このように、従来技術のような半導体チップを回路板頂面の箇所に直接接着しそれをコロイドによってパッケージしているために、薄型化小型化の目的が達しえないという欠点を解決することができるとともに、電子素子を効果的に搭載構造に固着させ、搭載構造に異なる電子素子が同時に固着されることにより、より一層好ましい電気的性能が得られ、パッケージ製品の応用の自由度が向上し、導電ルートが短縮され、半導体パッケージ素子の品質および信頼性が向上している。
以下の実施形態は本発明を例示する目的で示すものであり、本発明は、これらによって何ら限定されるものではない。本発明に係る実質的な技術内容は、特許請求の範囲に定義される。本発明はこの技術分野に精通したものが特許請求の範囲を脱しない範囲で色々な修飾や変更が可能であり、そうした修飾や変更は本発明の請求範囲に入るものである。
[第一の実施形態]
本実施形態の電子素子搭載構造では、少なくとも1つの開口が設けられた少なくとも1つの支持板と、
作用面と非作用面を有し、前記支持板の開口に設けられた少なくとも1つの電子素子と、
前記支持板の表面に形成された少なくとも1つの接着層と、
を備え、
前記接着層は、前記電子素子が前記支持板の開口に固着されるように、一部が前記開口と前記電子素子との隙間に充填されている。
図2−Aおよび図2−Bは、本発明に係る電子素子搭載構造の実施形態を模式的に示している。図に示すように、搭載構造2には支持板25が設けられ、当該支持板25には少なくとも1つの開口251が設けられ、支持板25の表面には接着層27が形成されている。
本実施形態においては、搭載構造2は、例えば支持板25と支持板25の表面に形成された接着層27とを含む2層の構造であってよい。接着層27は、有機薄膜誘電材料、液体有機樹脂材料またはプリプレグ(prepreg)からなる組合せのうちの一つであってよい。上記の材質は、ABF(Ajinomoto Build−up Film)、PPE(Poly (phenylene ether))、PTFE(Poly(tetra−fluoroethylene))、FR4、FR5、BT(Bismaleimide Triazine)、LCP(Liquid Crystal Polymaer)、BCB(Benzocyclo−buthene)、PI(Poly−imide)、芳香族ポリアミド(Aramide)等の感光または非感光の有機樹脂から選択されてよい。
支持板25は、金属材、セラミックス材、回路構造を有する回路板またはその他の誘電材料であってよい。該金属材は、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、またはマグネシウムからなる組合せのうちの一つ或いはその合金材料から選択されるのが好ましい。
支持板25の開口251には少なくとも1つの電子素子23が対応して設けられ、電子素子23の作用面には複数の電極パッド231が形成されている。本発明では、電子素子23を支持板25の開口251に置き入れ、搭載構造2にホットプレスを行うことにより、支持板25の表面における接着層27の一部が開口251と電子素子23との隙間に充填され、電子素子23が支持板25の開口251に固着される。
電子素子23は、パッシブ素子、アクティブ素子、光電素子、半導体チップまたはその他の適切な素子であってよく、しかもたとえば金属パッドのような電極パッド231を有している。
このように、電子素子を効果的に搭載構造に固着することができるとともに、複数の電子素子を埋め込むことも考慮に入れることができ、それによって搭載構造に異なる電子素子を同時に固着させることも可能である。
また、図2−Cに示すように、引き続き回路層の追加製造工程を行うことにより、電子素子23と搭載構造2が収容された上方に回路層追加層構造6が形成され、当該回路層追加層構造6は前記搭載構造2の一側または両側に同時に形成されるようにしてもよい。
回路層追加層構造6は、誘電層61と、当該誘電層61上に積層された回路層62と、誘電層61の中に形成される導電構造63とを備え、当該導電構造63は、電子素子23の電極パッド231に電気的に接続され、前記回路層追加層構造6の表面に接続パッド64が形成され、前記回路層追加層構造6の最外層の表面にソルダーレジスト層65が形成され、当該ソルダーレジスト層65の表面に回路層追加層構造6の接続パッド64を露出
するための複数の開口651が形成されている。
ソルダーレジスト層65の開口651には、接続パッド64に電気的に接続される導電素子66例えば半田ボールが形成されている。該導電素子66は、針状金属またはその他の導電接着材であってよい。
図2−AAおよび図2−BAは、本発明の本実施形態の他の実施態様を示しており、上記の実施態様と異なる点は、支持板25とその表面における接着層27との2層を上下に反転させる点である。支持板25の開口251には、少なくとも1つの電子素子23が対応して設けられ、搭載構造2にホットプレスを行うことにより、支持板25の表面における接着層27の一部が開口251と電子素子23との隙間に充填され、電子素子23が支持板25の開口251に固着される。
[第二の実施形態]
本実施形態の電子素子搭載構造では、少なくとも1つの開口が設けられた少なくとも1つの第1、第2の支持板と、前記第1、第2の支持板の間に形成された少なくとも1つの接着層と、作用面と非作用面を有し、前記第1、第2の支持板の開口に設けられた少なくとも1つの電子素子と、
を備え、
前記接着層は、前記電子素子が前記第1、第2の支持板の開口に固着されるように、一部が前記第1、第2の支持板の開口と前記電子素子との隙間に充填されている。
図3−Aから図3−Cは、本発明に係る電子素子搭載構造の実施形態を模式的に示している。本実施形態が第1の実施形態と最も大きく異なる点は、搭載構造3が少なくとも1つの電子素子と、有機樹脂材である接着層と、少なくとも2層の支持板を有する多層積層構造とを備える点である。
本実施形態(図3−Aに示す)では、搭載構造3は、例えば第1支持板35と、第2の支持板36と、接着層37とを含む3層の構造であってよい。接着層37は、有機樹脂材の接着層であり、第1、第2の支持板35、36は、金属材、セラミックス材、回路構造を有する回路板またはその他の誘電材料であってよい。搭載構造3は、第1支持板35の表面に第2の支持板36が積層され、第1支持板35に接続されていない第2の支持板36の表面に接着層37が形成されている。該第1、第2の支持板35、36には電子素子33が収容されるための開口351、361がそれぞれ設けられている。
本実施形態のもう一つの実施態様(図3−Bに示す)では、搭載構造3において、第1、第2の支持板35、36の間に接着層37が介在され、第1、第2の支持板35、36に電子素子33が収容されるための開口351、361がそれぞれ設けられている。
本実施形態のさらにもう一つの実施態様(図3−Cに示す)では、搭載構造3において、第1支持板35の表面に第2の支持板36が積層され、第2支持板36に接続されていない第1の支持板35の表面に接着層37が形成されている。第1、第2の支持板35、36には、電子素子33が収容されるための開口351、361がそれぞれ設けられている。
前記の3層の実施態様としては、搭載構造3にホットプレスを行うことにより、第1、第2の支持板35、36の表面、または2つの支持板の間における接着層37の一部が開口351、361と電子素子33との隙間に充填され、電子素子33が第1、第2の支持板35、36の開口351、361に固着される。
上記のように、前記の実施形態においては、搭載構造は、有機樹脂接着層を有する多層
積層構造であってよく、例えば金属材料、セラミックス材料、回路構造を有する回路板またはその他の誘電材料などである支持板を介して、接着層である有機樹脂材のホットプレスを行うことにより、別途に接着材の注入は必要とせず、電子素子を効果的に搭載構造に固着することができる。
[第3の実施形態]
図4−Aから図4−Cは、本発明に係る電子素子搭載構造のもう一つ実施形態を模式的に示している。前記実施形態と同一または近似の素子には同一または近似の素子番号を付与し、また、本案の特徴がより明確になるように、詳しい説明を省略し、異なる点のみを説明する。
図4−Aに示すように、電子素子搭載構造は、支持板25と、少なくとも1つの電子素子23と、当該支持板25の表面に形成された接着層27とを備えている。
支持板25には少なくとも1つの開口251が設けられ、搭載構造2は、図面において支持板25と接着層27とを有する2層構造を例に示しているが、これに限定されるものではない。
電子素子23は、作用面と非作用面を有している。本実施形態では、電子素子23の作用面が上表面に設けられ、電子素子23の非作用面が下表面に設けられるようにする。また、電子素子23は、支持板25の開口251に対応して設けられている。電子素子23は、パッシブ素子、アクティブ素子、光電素子、半導体チップまたはその他の適切な素子等であってよい。
本実施形態において、電子素子23の作用面は該搭載構造2の頂面に一致するが、電子素子23の非作用面は該搭載構造2の底面に突出する。
接着層27は、電子素子23が支持板25の開口251に固着されるように、一部が開口251と電子素子23との隙間に充填されている。一部が開口251に充填された接着層27は、支持板25の表面における接着層27がホットプレスされることによって生じたものである。
本実施形態では、第2の実施形態の電子素子33を図3−Aから図3−Cに示す搭載構造3に置き入れることにより、電子素子33の作用面が搭載構造3の頂面に一致し、または非作用面が搭載構造3の底面に一致し、若しくは電子素子33の作用面が搭載構造3の頂面に突出し、または非作用面が搭載構造3の底面に突出する。
前記の構成により、電子素子搭載構造の構造が簡略化され、電子素子が効果的に搭載構造に固着されるとともに、より好ましい電気的性能が得られる。従って、本発明の適用により、従来技術の種種の欠点を解決することができる。
[第4の実施形態]
図5−Aは、本発明に係る電子素子搭載構造のもう一つの実施形態を模式的に示している。電子素子搭載構造3では、第1、第2の支持板35、36の間に接着層37が介在されている3層式構造であり、第1、第2の支持板35、36には、電子素子33が収容されるための開口351、361がそれぞれ設けられている。
前記の3層式構造の実施態様では、搭載構造3にホットプレスを行うことにより、第1、第2の支持板35、36に介在された接着層37は、一部が開口351、361と電子素子33との隙間に充填され、電子素子33が第1、第2の支持板35、36の開口351、361に固着される。
電子素子33の非作用面は、搭載構造3の底面に突出している。また、図5−Bは、本発明に係る電子素子搭載構造のさらにもう一つの実施形態を模式的に示している。電子素
子搭載構造3では、第1、第2の支持板35、36の間に接着層37が介在されている3層式構造であり、第1、第2の支持板35、36には、電子素子33が収容されるための開口351、361がそれぞれ設けられ、電子素子33の作用面が搭載構造3の底面に突出している。
図5−Cに示すように、引き続き回路の追加層製造工程を行うことにより、電子素子33および搭載構造3が収容されている上方に回路層追加層構造6が形成され、当該回路層追加層構造6が該搭載構造3の一側または両側に同時に形成されるようにしてもよい。回路層追加層構造6は、既に前述したので、ここでは詳しい説明を省略している。
上記のように、これらの実施の形態は本発明を例示する目的で示すものであり、本発明は、これらによって何ら限定されるものではない。本発明に係る実質的な技術内容は、特許請求の範囲に定義される。本発明はこの技術分野に精通したものが特許請求の範囲を脱しない範囲で色々な修飾や変更が可能であり、そうした修飾や変更は本発明の請求範囲に入るものである。
従来のフリップチップ半導体パッケージ部材を示した断面図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第1の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第1の実施形態の他の実施態様を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第1の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第1の実施形態の他の実施態様を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第1の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第2の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第2の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第2の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第3の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第3の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第3の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第4の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第4の実施形態を模式的に示した図である。 本発明に係る電子素子搭載構造の第4の実施形態を模式的に示した図である。
符号の説明
10 半導体チップ
101 電極パッド
11 金属バンプ
12 回路板
121 電気接続パッド
122、62 回路層
123 絶縁層
125、63 導電構造
13、65 ソルダーレジスト層
14 半田ボール
2、3 搭載構造
21、251、351、361、651 開口
23、33 電子素子
231 電極パッド
25 支持板
27、37 接着層
35 第1の支持板
36 第2の支持板
6 回路層追加層構造
61 誘電層
64 接続パッド
66 導電素子

Claims (13)

  1. 電子素子搭載構造において、
    少なくとも1つの開口が設けられた少なくとも1つの第1、第2の支持板と、
    前記第1、第2の支持板の間に形成された少なくとも1つの接着層と、
    作用面と非作用面を有し、前記第1、第2の支持板の開口に設けられた少なくとも1つの電子素子と、
    を備え、
    前記接着層は、前記電子素子が前記第1、第2の支持板の開口に固着されるように、一部が前記第1、第2の支持板の開口と前記電子素子との隙間に充填され
    前記搭載構造および電子素子面に回路層追加層構造が形成され、
    前記電子素子の電極パッドに電気的に接続されるように前記回路層追加層構造に複数の導電構造が形成され、
    前記回路層追加層構造の表面に接続パッドが形成されていることを特徴とする電子素子搭載構造。
  2. 前記接着層は、有機薄膜誘電材料、液体有機樹脂材料及びプリプレグ(prepreg)からなる組合せのうちの一つであることを特徴とする請求項1に記載の電子素子搭載構造。
  3. 前記第1の支持板は、金属材、セラミックス材、回路構造を有する回路板またはその他の誘電材料のいずれか1つであることを特徴とする請求項1に記載の電子素子搭載構造。
  4. 前記第2の支持板は、金属材、セラミックス材、回路構造を有する回路板またはその他の誘電材料のいずれか1つであることを特徴とする請求項1に記載の電子素子搭載構造。
  5. 前記電子素子は、パッシブ素子、アクティブ素子、光電素子及び半導体チップからなる組合せのうちの一つであることを特徴とする請求項1に記載の電子素子搭載構造。
  6. 前記電子素子の作用面は、前記搭載構造の頂面に一致していることを特徴とする請求項1に記載の電子素子搭載構造。
  7. 前記電子素子の作用面は、前記搭載構造の頂面に突出していることを特徴とする請求項1に記載の電子素子搭載構造。
  8. 前記電子素子の非作用面は、前記搭載構造の底面に一致していることを特徴とする請求項1に記載の電子素子搭載構造。
  9. 前記電子素子の非作用面は、前記搭載構造の底面に突出していることを特徴とする請求項1に記載の電子素子搭載構造。
  10. 前記回路層追加層構造は、誘電層と、前記誘電層上に積層された回路層と、前記誘電層の中に形成されている導電構造とを備えることを特徴とする請求項1に記載の電子素子搭載構造。
  11. 前記回路層追加層構造の表面にソルダーレジスト層が形成され、
    前記ソルダーレジスト層の表面に前記回路層追加層構造の接続パッドを露出するための複数の開口が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電子素子搭載構造。
  12. 前記ソルダーレジスト層の開口には、前記接続パッドに電気的に接続される導電素子が形成されていることを特徴とする請求項11に記載の電子素子搭載構造。
  13. 前記導電素子は、半田ボール、針状金属または導電接着材のいずれか1つであることを特徴とする請求項12に記載の電子素子搭載構造。
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