JP2914345B2 - フリップチップ型半導体装置 - Google Patents

フリップチップ型半導体装置

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    • HELECTRICITY
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    • H10W72/541Dispositions of bond wires
    • H10W72/5445Dispositions of bond wires being orthogonal to a side surface of the chip, e.g. parallel arrangements

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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、フリップチップ実
装型の半導体装置に関し、特に半導体チップの小型化、
及び高周波動作の安定性の点で好適とされるフリップチ
ップ型半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のフリップチップ型半導体装置とし
て、例えば特開昭61−53748号公報には、整合回
路の小型化、貫通孔の廃止によるチップ小型化、及びウ
ェハ割れを生ずることなく容易にウェハ状態で高周波特
性測定を可能とする、ことを目的として、図6に示すよ
うな、超高周波用半導体装置が提案されている。図6
(a)はマイクロ波モノリシック集積回路装置の平面
図、図6(b)は、図6(a)のマイクロストリップラ
インにより形成される整合回路部分A−A′線の断面図
である。
【0003】図6(b)を参照して、半絶縁性ヒ化ガリ
ウム基板101の一主面に形成された第1層金属化層1
03と、その上に形成された誘電体層102と、さらに
その上に形成された第2層金属化層105と、を有する
半導体チップが、フリップチップ型に実装され、第1層
金属化層103が、半導体実装面の容器接地導体108
に、接地面接続用電極104により接続されている。こ
の構成により、第2層金属化層105を中心導体、第1
層金属化層103を接地導体とするマイクロストリップ
型伝送線路を形成している。
【0004】またフリップチップ型半導体装置の別の従
来技術として、例えば特開平2−122640号公報に
は、回路基板に半導体チップをフェースダウンに実装す
る構造において、放熱性に優れ、且つ高周波特性が良好
な半導体チップの実装構造を提供することを目的とし
て、図8に示すような構成が提案されている。
【0005】図8を参照して、半導体チップ201の一
主面に形成された信号用パッド221と、それをとり囲
むように形成されたアース用パッド222と、を有し、
半導体チップがフリップチップ型に実装される回路基板
205は、アース層210を有し、アース層バンプ23
2により、半導体チップのアース用パッド222と接続
されている。この構成により、半導体チップの放熱の改
善と各信号線間の信号の漏れ防止を行なっている。
【0006】また例えば特開平7−183708号公報
には、設計自由度を増し、分布結合線路の結合度の調整
を容易とし低損失な高周波半導体装置を提供することを
目的として、図9に示すような構成が提案されている。
【0007】図9を参照して、第1の中心導体303と
第1の誘電体302と第1の接地導体301とからなる
マイクロストリップ型伝送線路が、第2の中心導体30
4と第1の誘電体膜306と第2の接地導体305から
なる別のマイクロストリップ型伝送線路と、互いに中心
導体が向い合う方向で、バンプ307により固定されて
おり、互いのマイクロストリップ型伝送線路の位置関係
により線路間の結合度を調整できる構成とされている。
【0008】また特開昭62−171201号公報に
は、低特性インピーダンスの電源供給用線路を形成する
ことによって高周波域でも安定した電源電圧を供給でき
るパッケージを提供することを目的として、図10に示
すような構成が提案されている。図10(a)、図10
(b)は概略図、図10(c)は平面図、図10
(d)、図10(e)は側面図である。
【0009】図10を参照して、このパッケージは、平
衡型ストリップ線路または遮へい型コプレナー線路を用
いた電源供給用線路を有し、電源供給用線路404と接
地電位導体402により、平衡型ストリップ線路又は遮
へい型コプレナー線路を形成して、低インピーダンスで
かつ周辺線路からのカップリングの影響を防止してい
る。図10において、401はパッケージ基板、403
は誘電体層、405は半導体素子、406は入力信号
線、407は出力信号線、408はボンディングワイヤ
である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た各従来技術はそれぞれ以下のような各種問題点を有し
ている。
【0011】(1)前述した特開昭61−53748号
公報に記載の半導体装置においては、図7(a)に示す
ように、平面基板半導体チップを実装する実装面上に、
比較的低インピーダンスの別の配線パターン(図中、実
装基板配線層111で示す)が存在した場合、第2層金
属化層105と実装基板配線層111との位置関係によ
り、第2層金属化層105と誘電体層102と第1層金
属化相103とで構成されるマイクロストリップ線路型
伝送線路のインピーダンスに、バラツキ又は変動を生じ
るという不都合が生じる。
【0012】その理由は、第2層金属化層105と実装
基板配線層111との間に容量が形成されるため、その
分、上記伝送線路のインピーダンスが低くなるからであ
る。図7(c)は、上記伝送線路のインピーダンスが低
くなることを模式的に示した図である。
【0013】(2)次に、前述した特開平2−1226
40号公報に記載の半導体チップの実装構造において
は、半導体チップのチップ面積が必要以上に大きくな
る、という問題点を有している。
【0014】その理由は、図8に示すように、半導体チ
ップは、表面に所定のピッチで格子を想定し、その交点
行列より所望の交点を選択して信号用パッド221を配
列し、それぞれの信号パッド221を取り囲むように、
同一平面上、前後左右の格子の交点にアース用パッド2
22を配設している、ためである。
【0015】(3)次に、前述した特開平7−1837
08号公報の問題点は、記載の半導体装置を例えば量産
した場合、互いに対向する2つのマイクロストリップ型
伝送線路の結合度の再現性を確保することが容易ではな
い、ことである。
【0016】その理由は、第2の中心導体304と第1
の誘電体膜306と第2の接地導体305からなるマイ
クロストリップ型伝送線路をフリップチップ方式で後か
ら実装するためミクロンオーダの位置精度の確保が難し
いためである。
【0017】(4)そして、前述した特開昭62−17
1201号公報には、パッケージの構成が開示されてお
り、接地電位導体層402'及び402''の接地電位を
確保するために、通常、例えば図11(a)、図11
(b)のように、スルーホールを用いて実際に外部との
接地電位を確保する層(図11(a)及び図11(b)
では、最上層の接地電位導体402)に電気的導通をと
るか、もしくは図11(c)、図11(d)のようにパ
ッケージの周辺部にて、側面メタライズされる。
【0018】このパッケージを半導体チップに用いる
と、図11(a)、図11(b)の接続の場合、最上層
の接地電位導体402へ接続するためのスルーホール4
09のため、半導体チップの面積が大きくなるという不
都合を生じる。
【0019】また、図11(c)、図11(d)の接続
の場合、最上層の接地電位導体402は少なくとも一部
を半導体チップの周辺まで伸ばしていく必要があり、チ
ップ面積の増加及び配線上の制約を受けるという不都合
を生じる。
【0020】したがって、本発明は、上記問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、半導体チップ上
に形成された伝送線路のインピーダンスが、該半導体チ
ップをフリップチップ方式で実装する場合の実装面の導
体配線のパターン位置によらず、所望の値を確保可能と
したフリップチップ型半導体装置を提供することにあ
る。
【0021】本発明の他の目的は、上記半導体チップの
チップ面積を低減するフリップチップ型半導体装置を提
供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明のフリップチップ型半導体装置は、半導体チ
ップのオモテ面(表面)に形成した第1の導体層と、前
記第1の導体層を含む前記半導体チップのオモテ面に形
成した誘電体層と、前記誘電体層上に形成した第2の導
体層と、前記第2の導体層上に形成した少なくとも一つ
のバンプ導体と、を有する半導体チップが、実装基板上
に、フリップチップ型に実装され、前記バンプ導体が前
記実装基板上に形成された接地導体と電気的接続手段に
より接続されている、ことを特徴とする。
【0023】また本発明においては、前記第1の導体層
を中心導体とし、前記第2の導体層を接地導体とし、所
望の特性インピーダンスをもつマイクロストリップ型伝
送線路を形成している、ことを特徴とする。
【0024】また、本発明においては、前記第1の導体
層が、スパイラル型又はミヤンダ型のインダクタンス回
路であり、前記インダクタンス回路のもつインダクタン
ス成分(L)と、前記インダクタンス回路が、前記第2
の導体層との間に形成する静電容量のキャパシタンス成
分(C)との間で共振回路を構成したことを特徴とす
る。
【0025】[発明の概要]本発明の原理・作用につい
て以下に説明する。本発明においては、半導体チップ上
に形成された第1の導体層(図1の2)と、第1の導体
層上に形成された誘電体層(図1の3)と、その誘電体
層の上に形成された第2の導体層(図1の4)を有し、
第1の導体層を中心導体、第2の導体層を接地導体とす
るマイクロストリップ型伝送線路を形成する(図1
(c)参照)。
【0026】また、第2の導体層は、誘電体層上の他の
接地用導体層に接続されるか、もしくはバンプを通して
直接実装基板上の接地電位導体層に接続される。すなわ
ち、第2の導体層は独立に半導体チップの下層の電極と
スルーホールで接続する必要がないという特徴を有す
る。
【0027】本発明におけるフリップチップ型半導体装
置は、第1の導体層とその上に形成された誘電体層とそ
の上に形成された第2の導体層とにより、第2の導体層
を接地導体、第1の導体層を中心導体とするマイクロス
トリップ型伝送線路を形成しており、かつ第2の導体層
のシールド効果により、半導体チップ実装面の他の配線
パターンの影響による伝送線路のインピーダンスの変
動、バラツキを防止できる。
【0028】本発明のフリップチップ型半導体装置にお
ける第2の導体層はバンプを通じて直接実装基板上の接
地電位導体層に接続することにより、マイクロストリッ
プ型伝送線路の接地導体として働くため、第2の導体層
とその下層(半導体チップにおいての下層)とをスルー
ホール等の電気的接続手段をとらなくともよいので、ス
ルーホール形成に関わるチップ面積の増加を低減でき
る。
【0029】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。
【0030】図1は、本発明の実施の形態の構成を示す
図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1
(a)のA−A′線断面図、図1(c)は実装基板への
実装時の断面を示す図である。
【0031】図1を参照すると、この実施の形態は、半
導体チップ1の表(オモテ)面に第1の導体層2による
配線パターンが形成されている。その配線パターンを含
む半導体チップ1の表(オモテ)面上に、誘電体層3が
形成されている。第1の導体層2上の誘電体層3上の所
望の箇所に、第2の導体層4が形成されている。第2の
導体層4の上には、導体による接地用バンプ5が形成さ
れている。
【0032】この実施の形態では、第2の導体層4は、
より下層(半導体チップ側)の配線層とスルーホール等
で電気的接続はされていない。
【0033】以上の構成を有する半導体チップをフリッ
プチップ方式で実装基板6あるいはパッケージ等に銀ペ
ースト8等で実装する(図1(c)参照)。
【0034】接地用バンプ5は、実装基板6上の接地パ
ターン7に接続されると、第1の導体層2と誘電層3と
第2の導体層4は、第1の導体層2を中心導体、第2の
導体層4を接地導体とするマイクロストリップ伝送線路
を形成する。
【0035】第1の導体層2の幅Wに対して、第2の導
体層4の幅W'を十分広く(通常Wの3倍程度)してお
けば、マイクロストリップ型地伝送線路の特性インピー
ダンスZoは、第1の導体層2の幅Wと誘電体層3の厚
さ(第1の導体層と第2の導体層の間隔)H、及び比誘
電体率εrにより決まる。
【0036】
【数1】
【0037】ここで、
【数2】
【0038】ここで、εeffは「実効誘電率」という。
【0039】この実施の形態においては、これらの関係
式を用いて、半導体チップの所望の箇所に所望の特性イ
ンピーダンスを有するマイクロストリップ型の伝送線路
を形成している。
【0040】
【実施例】上記した本発明の実施の形態について更に具
体的に説明するため、本発明の実施例について図面を参
照して説明する。
【0041】[第1の実施例]図2は、本発明の第1の
実施例の構成を示す図であり、GaAs基板22上に2
つのFET部Q1、Q2と、バイアス回路部20と整合
回路部21が形成されており、整合回路部21の一部
は、図2(a)のように、第1の導体層2による配線層
を含んでいる。
【0042】第1の導体層2の幅Wは約55μmでパタ
ーニングされている。第1の導体層2を含む前記GaA
s基板22の表面上に厚さ30μm程度のポリイミド層
23(εr≒4.7)が形成されており、第1導体層2
の所望の箇所のポリイミド層の上には、さらに第2の導
体層4が形成されている。この第2の導体層4には、A
u材による直径約100μmの接地用バンプ5が形成さ
れている。
【0043】図3は、本実施例の半導体チップ(図2
(a)及び図2(b)参照)の製造工程を、工程順に示
した断面図である。
【0044】GaAs基板に既存のイオン注入技術を用
いてFET部32を形成し、その上に既存のCVD法に
よりSiO2等の第1の絶縁膜33を形成する(図3
(a)参照)。
【0045】次に公知のエッチング技術で第1の絶縁膜
33に必要な箇所の窓開けを行ない、公知のスパッタ技
術及び蒸着技術でショットキーメタル34及びオーミッ
クメタル35を形成する(図3(b)参照)。この際、
窓開けしない第1の絶縁膜上にも配線用のショットキー
メタル34'を形成しても良い。
【0046】さらにその上に既存のCVD法により、S
iO2等の第2の絶縁膜36を形成し、既存のドライエ
ッチング技術により、必要箇所に第1のスルーホール3
7を設け、下層にある所望の箇所の前記ショットキーメ
タル34及び34'や、前記オーミックメタル35に第
1のコンタクト配線を行なう。こうして構成した半導体
チップに第1の導体層38と他の導体層(1)39をA
uメッキ技術等の既存の配線技術で形成する(図3
(c)参照)。
【0047】その上に、公知の成膜技術によりポリイミ
ド層40を形成し、所望の箇所にはエッチング技術を用
いて窓明けを行ない、下層にある所望の金メッキ配線層
に第2のスルーホール41を形成する。
【0048】さらに、第2の導体層42と他の導体層
(2)43を、公知のAuメッキ配線技術で形成し、所
望の箇所にAuによる接地用バンプ44と他のバンプ4
5を既存のバンプ形成技術で形成する(図3(d)参
照)。
【0049】最後に半導体チップとして、ダイシングす
ることにより、半導体チップとして切り出す。
【0050】以上のように製造した半導体チップ71に
実装基板に、フリップチップ方式で銀ペースト8を用い
て実装する実装基板には、所望の箇所に接地パターン7
3と他の導体層(3)74が形成されており、この実装
により、第2の導体層4は接地用配線メタルとして電気
的に接地電位に保たれている。実装基板72上に前記半
導体チップ71を実装する際のマウント剤はAgペース
トの代わりに半田等のロー材を用いてもよい。
【0051】以上のように構成されてなる本発明の実施
例の半導体装置の作用効果について説明する。第1の導
体層2と誘電体層(ポリイミド層)23と第2の導体層
4は、第1の導体層2を中心導体、第2の導体層4を接
地導体とするマイクロストリップ型伝送線路を形成して
いる。この実施例では、マイクロストリップ型伝送線路
の特性インピーダンスが約50Ωになるように、第1の
導体層幅及び誘電体材質及び同厚さが設定されている。
第2の導体層4のシールド効果により第1の導体層は実
装基板72上の他の配線パターニングの存在によるイン
ピーダンスのバラツキを生ずることが低減される。
【0052】[第2の実施例]図4は、本発明のフリッ
プチップ型半導体装置の第2の実施例の構成を示す図で
ある。本実施例の基本構造、及び製造方法は、前述の第
1の実施例と同じである。
【0053】本実施例においては、第1の導体層2によ
りスパイラル型インダクタンス素子50を形成してお
り、その上に誘電体層3を形成し、さらに第2の導体層
4を形成し、前述のごとくフリップチップ実装により第
2の導体層4を接地電位にすることにより、スパイラル
型インダクタンス素子50と接地間容量(第1の導体層
と第2の導体層の間の容量)との間で共振させて半導体
回路に用いるものである。
【0054】図4を参照して、スパイラル型インダクタ
ンス素子(5回巻)の導体幅:Pを10μm、ギャップ
幅:qを10μmとし、第1の導体層と第2の導体層
間:Hを10μm(誘電体層はポリイミド)とすると、
共振周波数foは、次式(4)のようになる。
【0055】
【数3】
【0056】cは光速、εeffは実効誘電体率であり上
式(2)参照。
【0057】[第3の実施例]図5は、本発明のフリッ
プチップ型半導体装置の第3の実施例の構成を示す図で
ある。図5(a)は平面図、図5(b)は図5(a)の
D−D′線断面図、図5(c)は実装状態を示す平面図
である。本実施例の基本構造は、前記第1の実施例と同
じであるが、本実施例では、半導体チップ1上に第1の
導体層2の他に、半導体チップ上に形成された第3の導
体層60と、その上に形成された第2の誘電体層61を
備え、第1の導体層2は第3の導体層60を介して第2
の導体層と対向して容量素子を形成している。
【0058】図5において、第2の誘電体層61はSi
N膜であり、厚さ200nm程度である。また、第3の
導体層60はスルーホール62を通じて、第2の導体層
4と電気的に接続されている。このことは第3の実施例
特有のものである。
【0059】また、第2の導体層4は、図5(a)に示
すように、分割(4、4'、4''、4''')されている。
【0060】本実施例は、第2の導体層4と、第1の導
体層2との間の容量を回路の容量調整に使うことが目的
であり、分割した第2の導体層(4、4'、4''、
4''')をボンディングワイヤ63で所望に接続するこ
とにより(図5(c)参照)、容量回路の容量調整が可
能である。
【0061】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば下
記記載の効果を奏する。
【0062】(1)本発明の第1の効果は、半導体チッ
プに形成した伝送線路のインピーダンスがその半導体チ
ップをフリップチップ方式で実装した場合に、実装基板
上に存在する配線パターンの影響を受けて変化すること
を低減できる、ということである。
【0063】その理由は、本発明においては、伝送線路
を構成する接地導体(第2の導体層)がフリップチップ
実装面に接する面に形成できるので、その接地導体のシ
ールド効果により中心導体からの電界の漏れが低減でき
るからである。
【0064】(2)本発明の第2の効果は、フリップチ
ップ型半導体装置において、半導体チップのチップ面積
を低減し実装面積の低減を図ることができる、というこ
とである。
【0065】その理由は、本発明においては、半導体チ
ップ上に構成する伝送線路の接地導体を、直接、実装基
板に接続しているので、チップ上の余分なスルーホール
形成が不要だからである。
【0066】(3)本発明の第3の効果は、半導体チッ
プ上に形成する伝送線路の結合度(インピーダンス)の
再現性が良い、ということである。
【0067】その理由は、本発明においては、伝送線路
構造を半導体プロセスで作製するため、ミクロン(μ
m)オーダの寸法制御ができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す図であり、(a)は
平面図、(b)は(a)のA−A′線断面図、(c)は
実装時断面図である。
【図2】本発明の第1の実施例を示す図であり、(a)
は平面図、(b)は(a)のB−B′線断面図、(c)
は実装時断面図である。
【図3】本発明の第1の実施例における半導体チップの
製造工程を工程順に示す断面図である。
【図4】本発明の第2の実施例を示す図であり、(a)
は平面図、(b)は実装時断面図、(c)はスパイラル
型インダクタンス素子を示す図である。
【図5】本発明の第3の実施例の構成を示す図であり、
(a)は平面図、(b)は(a)のD−D′線断面図、
(c)は実装状態を示す平面図である。
【図6】従来技術(特開昭61−53748号公報)の
半導体装置を示す図である。
【図7】特開昭61−53748号公報に記載の半導体
装置の問題点を模式的に示す説明図である。
【図8】従来技術(特開平2−122640号公報)の
半導体装置の構成を示す図である。
【図9】別の従来技術(特開平7−183708号公
報)の半導体装置の構成を示す図である。
【図10】さらに別の従来技術(特開昭62−1712
01号公報)のパッケージの構成を示す図である。
【図11】特開昭62−171201号公報に記載のパ
ッケージの問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
1 半導体チップ 2 第1の導体層 3 誘電体層 4 第2の導体層 5 接地用バンプ 6 実装基板 7 接地パターン 8 銀ペースト 9 他の導体層(2) 10 スルーホール 11 他の導体層(1) 12 他のバンプ 13 他の導体層(3) Q1、Q2 FET部 20 バイアス回路部 21 整合回路部 22 GaAs基板 23 ポリイミド層 31 GaAs基板 32 FET部 33 第1の絶縁膜 34、34' ショットキーメタル 35 オーミックメタル 36 第2の絶縁膜 37 第1のスルーホール 38 第1の導体層 39 他の導体層(1) 40 ポリイミド層 41 第2のスルーホール 42 第2の導体層 43 他の導体層(2) 44 接地用バンプ 45 他のバンプ 50 スパイラル型インダクタンス素子 51 スルーホール 52 下層の配線導体 60 第3の導体層 61 第2の誘電体層 62 スルーホール 63 ボンディングワイヤ 71 半導体チップ 72 実装基板 73 接地パターン 74 他の導体層(3) 101 半絶縁性ヒ化ガリウム基板 102 誘電体層 103 第1層金属化層 104 接地面接続用電極 105 マイクロストリップライン 106、107 スルーホールコンタクト 108 容器接地導体 109 容器入出力伝送線路 110 容器絶縁体基板 111 実装基板配線層 201 半導体チップ 202 パッド 203 バンプ 205 回路基板 206 導体パターン 210 アース層 211 誘電体パターン 212 信号線パターン 221 信号用パッド 222 アース用パッド 231 信号用バンプ 232 アース用バンプ 301 第1の接地導体 302 第1の誘電体 303 第1の中心導体 304 第2の中心導体 305 第2の接地導体 306 第1の誘電体膜 307 バンプ 401 パッケージ基板 402 接地電位導体 403 誘電体層 404 電源供給用導体 405 半導体素子 406 入力信号線 407 出力信号線 408 ボンディングワイヤ 409 スルーホール 410 側面メタライズ

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体チップのオモテ面(表面)に形成し
    た第1の導体層と、 前記第1の導体層を含む前記半導体チップのオモテ面に
    形成した誘電体層と、 前記誘電体層上に形成した第2の導体層と、 前記第2の導体層上に形成した少なくとも一つのバンプ
    導体と、 を有する半導体チップが、実装基板上に、フリップチッ
    プ型に実装され、 前記バンプ導体が前記実装基板上に形成された接地導体
    と電気的接続手段により接続されている、ことを特徴と
    するフリップチップ型半導体装置。
  2. 【請求項2】前記第1の導体層を中心導体とし、前記第
    2の導体層を接地導体とし、所望の特性インピーダンス
    をもつマイクロストリップ型伝送線路を形成している、
    ことを特徴とする請求項1記載のフリップチップ型半導
    体装置。
  3. 【請求項3】前記第1の導体層が、スパイラル型又はミ
    ヤンダ型のインダクタンス回路であり、前記インダクタ
    ンス回路のもつインダクタンス成分(L)と、前記イン
    ダクタンス回路が、前記第2の導体層との間に形成する
    静電容量のキャパシタンス成分(C)との間で共振回路
    を構成したことを特徴とする請求項1記載のフリップチ
    ップ型半導体装置。
  4. 【請求項4】前記第1の導体層が、他の導体層である第
    3の導体層との間で平行平板型のキャパシタンスを形成
    するキャパシタンス回路を構成し、 前記第2の導体層の前記キャパシタンス回路との対向面
    は、少なくとも2つ以上の複数個に分離されており、 前記複数個に分離された第2の導体層のうち、所望の数
    の第2の導体層を電気的に接続することにより、前記キ
    ャパシタンス回路のキャパシタンスを調整することがで
    きることを特徴とする請求項1記載のフリップチップ型
    半導体装置。
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