JP3551114B2 - 半導体装置の実装構造およびその方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の実装構造およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体チップの一面に高密度に半田ボールを配置し、これら半田ボールを介して配線基板に実装する方法があった。このような従来の半導体装置の実装構造では、半導体チップと配線基板との間隙に、さらにアンダーフィルと呼ばれる樹脂を充填している。例えば、特開平１０−２８４６３５号公報には、半導体チップと基板との間隙に、半田ボールを覆うように充填用樹脂を埋め込んだ半導体装置が記載されている。
【０００３】
図６を参照すると、このような従来の半導体装置においては、まず、半導体チップ２１と配線基板２５とは、半導体チップ２１の半田ボール２６の溶着によって接続されている。さらに、この半導体チップ２１と配線基板２５と間隙には、半導体ボール２６を覆うように樹脂２９が注入された構造となっている。
【０００４】
この樹脂２９は、半導体チップ２１と配線基板２５との熱膨張率の違いにより発生する熱応力を緩和するために注入されるものである。
【０００５】
すなわち、半導体チップ２１と配線基板２５とは、装置の稼働（オン／オフ動作）による熱によって膨張収縮を繰り返すが、半導体チップ２１の熱膨張係数は約３．５ｐｐｍであるのに対し、配線基板２５のそれは、プリント板の場合で約１６ｐｐｍ、アルミナ基板の場合で約８ｐｐｍである。このため、半導体チップ２１と配線基板２５との熱膨張差により半田ボール２６が圧縮と引っ張りの応力を交互に受けることになる。その結果、半田ボール２６は熱疲労によって早期に破壊されしまい、電気的な接続が切断されて半導体チップへの信号伝達あるいは電源供給が断絶してしまう。
【０００６】
そこで、半導体チップ２１と配線基板２５の間隙に半田ボール２６を覆うように樹脂２９を充填することにより、半田ボール２６へかかる応力を緩和させる。これにより、半田ボール２６の劣化が抑制され、半導体チップ２１と配線基板２５との接続の信頼性が向上することになる。なお、樹脂２９としては主にエポキシ系の樹脂が使用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来技術では、半導体チップ２１と配線基板２５とが樹脂２６によって機械的に強固に接着されてしまっていた。このため、半導体チップ２１を配線基板２５に一度取り付けてしまうと、半導体チップ２１を容易に配線基板２５から取り外すことができなかった。したがって、半導体チップ２１の交換が容易に行うことがでず、保守性が低下してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、半導体チップを配線基板から取り外すことができかつ信頼性の高い装置を提供する半導体装置の実装構造を提供することにある。
【０００９】
本発明における半導体装置の実装構造によれば、半導体チップを配線基板に搭載した際に、半導体チップと配線基板との間の熱膨張率の差による半田ボールへの応力を緩和することができ、かつ、接続信頼性の優れた半導体装置の実装構造を提供することができる。
【００１０】
また、半導体チップを配線基板に搭載した後、半導体チップを配線基板から容易に取り外すことが可能である保守性の優れた半導体装置の実装構造を提供することできる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の半導体装置の実装構造は、複数の半田ボールが設けられた半導体チップを、内部に電気配線を有し表面に複数の接続パッドを有する配線基板に搭載する半導体装置の実装構造において、前記半導体チップと前記配線基板との間に、複数のリードを有する絶縁シートを取り付け、前記複数の半田ボールはそれぞれ前記リードを介して対応する前記接続パッドと電気的
に接続されている。
【００１２】
また、前記絶縁シートは、前記複数の接続パッドに応じた位置に前記絶縁シートを貫通する穴を有する。
【００１３】
さらに、前記複数のリードは、その一端が前記絶縁シートの第１の面上に固定され、他端が前記穴に浮く形状をなしている。
【００１４】
また、前記複数のリードの前記他端は、前記穴を介して第２の面より突出している。
【００１５】
さらに、前記複数の半田ボールは、それぞれ対応する前記リードの固定された一端と電気的に接続されており、前記複数の接続パッドは、それぞれ対応する前記リードの前記穴より突出した他端と電気的に接続されている。
【００１６】
また、前記複数のリードは、弾性を有する電気伝導体であることを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記絶縁シートと前記配線基板との間には樹脂が充填されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の半導体装置の実装方法は、複数の半田ボールが設けられた半導体チップを、内部に電気配線を有し表面に複数の接続パッドを有する配線基板に搭載する半導体装置の実装方法であって、前記複数の接続パッドに応じた位置に貫通する穴とその一端が第１の面上に固定され他端が前記穴を介して第２の面に突出した複数のリードとを有する絶縁シートの前記複数リードの他端を、それぞれ対応する前記複数の接続パッドと電気的に接続し、前記複数の半田ボールを、それぞれ対応する前記複数のリードの固定された一端と電気的に接続することを
特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明の半導体装置の実装方法は、前記複数のリードの他端と前記複数の接続パッドとを接続した後、前記絶縁シートと前記配線基板との間隙に樹脂を充填させることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の絶縁シートは、前記絶縁シートを貫通する複数の穴と、その一端が前記絶縁シートの第１の面上に固定され、他端が前記穴に浮いた形状をなす複数のリードとを有する。
【００２１】
さらに、本発明の絶縁シートの生成方法は、前記絶縁シートの一面に金属膜を設け、前記金属膜にマスクキングおよびエッチングを行って複数のリードを形成し、前記絶縁シートの所定の位置をくり抜いて前記絶縁シートを貫通する複数の穴を設け、前記複数のリードのそれぞれの一端を対応する前記複数の穴の１つに落とし込むことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の絶縁シートの他の生成方法は、前記絶縁シートの所定の位置をくり抜いて前記絶縁シートを貫通する複数の穴を設け、複数のリードのそれぞれの一端を前記絶縁シート上に固着させ、前記複数のリードのそれぞれの他端を前記複数の穴の対応する１つに落とし込むことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に本発明の半導体装置の実装構造の第１の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１および図２を参照すると、本発明の第１の実施の形態は、半導体チップ１、絶縁シート２および配線基板５とを有して構成される。
【００２５】
半導体チップ１の一面には、外部と電気的接続を図るための複数のパッド３が格子状に存在している。また、複数のパッド３の各々には半田ボール６が取り付けられている。半田ボール６の組成は、Ｓｎ／Ｐｂ合金や、Ｓｎ／Ｂｉ／Ａｇ合金、Ｓｎ／Ａｇ合金等が使用される。
【００２６】
また、配線基板５は、その内部にＣｕなどの電気伝導体で形成された内部配線７を有している。さらに、配線基板５は、半導体チップ１が搭載される面に半導体チップ１のパッド３に対応した複数の接続パッド８を有している。これら複数の接続パッド８は、それぞれ内部配線７と接続されており、電源層あるいは他の部品と電気的に接続されている。
【００２７】
絶縁シート２は、ポリイミド樹脂、テフロン樹脂、エポキシ樹脂、アルミナ等の絶縁材料で形成されており、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚さを有している。また、絶縁シート２には、配線基板５の接続パッド８に対応する位置に絶縁シート２を貫通するようにくり抜かれた窓１０を有している。さらに、絶縁シート２は、その一端が絶縁シート２上に固定され、他端が窓１０の位置に浮かんだ状態のリード４を複数有している。リード４の端部１１は、半導体チップ１の半田ボール６とそれぞれ対応する位置に絶縁シート２上に固定されている。また、リード４は湾曲かまたは折曲がるかしており、リード４の固定されていない端部１２は窓１０を介して絶縁シート２の反対面から突出した状態となっている。そして、リード４の固定されていない端部１２はそれぞれ配線基板５の接続パッド８に対応した場所に位置している。
【００２８】
ここで、絶縁シート２の生成方法について説明する。図３を参照すると、まず、絶縁シート１３上にメッキ等により金属膜１４を形成する（図３（ａ））。次に、金属膜１４に対し所望のパターン（本実施の形態においてはリードのパターン）のマスクを行い、エッチングによりリード１５を形成する（図３（ｂ））。その後、絶縁シート１３の一部をくり抜いて窓１６を設ける（図３（ｃ））。リード１５の一端を窓１６内に落とし込む（図３（ｄ））。
【００２９】
また、他の生成方法としては、まず、絶縁シート１３に窓１６を設ける（図３（ｅ））。つぎに、予め用意された複数のリード１５の一端をそれぞれ絶縁シート１３に固着する（図３（ｃ））。その後、複数のリード１５のそれぞれの他端を窓１６の中に落とし込む（図３（ｄ））。
【００３０】
次に、本発明の半導体装置の実装構造の実装方法について図面を用いて詳細に説明する。
【００３１】
図４を参照すると、まず、絶縁シート２のリード４の端部１２が突出している面を配線基板５に対して搭載し、リード４の端部１２をそれぞれ対応する配線基板５の接続パッド８の位置に合うように位置合わせを行い接続させる（図４（ａ））。接続パッド８とリード４の端部１２との接続は、圧接あるいは半田付けで行われればよい。これにより、リード４と配線基板５とは、窓１０の下部において端部１２および接続パッド８を介して電気的に接続にされた状態となる。次に、絶縁シート２と配線基板５とが接続された面とは反対の面、すなわち、端部１１が固定されている面に半導体チップ１を搭載し、半田ボール６をそれぞれ対応するリード４の端部１１の位置に合うように位置合わせを行い、半田ボール６を溶着して接続させる（図４（ｂ））。これにより、半導体チップ１は、絶縁シート２上に設けられているリード４を介して配線基板５と電気的に接続され、半導体チップ１と配線基板５との間で電気信号の入出力や電源供給が可能となる。
【００３２】
本発明の第１の実施の形態によれば、リード４の端部１１が絶縁シート２の上に形成されているため、半田ボール６が溶着されて絶縁シート２の端部１１上に搭載されても十分な接続強度を保つことが可能となる。また、接続パッド８は、リード４の固定されていない端部１２が接続されている。このため、配線基板５にひずみが生じて応力が発生したとしても、リード４がその弾性により応力を吸収して緩和することができる。
【００３３】
したがって、半導体チップ１と配線基板５との膨張率の違いから熱応力が発生したとしても、リード４の弾性によって応力が吸収緩和され、半田ボール６に対して加わる応力が緩和される。よって、半田ボール６における接続不良の発生が防止されて接続信頼性を向上する。
【００３４】
また、この結果、半導体チップ１の半田ボール６を樹脂などにより封止する必要がなくなり、半導体チップ１を配線基板５に搭載した後でも半田ボール６を溶かして半導体チップ１と配線基板５とを分離させることが容易となる。このため、半導体チップ１の保守性も向上する。
【００３５】
なお、絶縁シート２に設けられるリードは、弾性を有する電気伝導体であればよく、Ｃｕ、Ａｕなどを用いればよい。
【００３６】
また、半田ボール６が溶着されるリード４の端部１１は、半田ボールの形状に合わせて、丸状や多角形状に適宜加工されることが望ましい。
【００３７】
さらに、絶縁シート１について、図２に示されるような複数の接続パッド８に対して１つの窓１０を設ける構成とするのではなく、個々の接続パッド８毎に窓を設ける構成としてもよい。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００３９】
図５を参照すると、本発明の第２の実施の形態においては、配線基板５の接続パッド８とリード４の端部１２とが接続され、さらにリード４の端部１１と半導体チップ１の半田ボール６とが溶着して接続される構造は第１の実施の形態と同様である。
【００４０】
しかしながら、本発明の第２の実施の形態においては、配線基板５と絶縁シート２とを接続した際に、配線基板５と絶縁シート２との間および絶縁シート２の窓１０の内部に封止用の樹脂９を充填させる点が第１の実施の形態とは異なる。
【００４１】
これにより、リード４の端部１２と接続パッド８との接続を補強することができ、絶縁シート２と配線基板５との接続を確実なものとすることが可能となる。また、リード４の弾性にさらに樹脂９の弾性が加わることとなり、応力が一層緩和されることとなる。
【００４２】
この場合、図４（ａ）に示されるリード４の端部１２と接続パッド８との接続が行われた後、図４（ｃ）に示されるように、絶縁シート２と配線基板５と間および窓１０の内部に樹脂９を充填する。そして、その後、リード４の端部１１と半田ボール６とを接続して半導体チップ１を絶縁シート２上に搭載すればよい（図４（ｄ））。
【００４３】
本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、リード４が半導体チップ１と配線基板５との間に発生する熱応力を吸収緩和するため、半田ボール６への負荷が減少し、接続信頼性が向上する。
【００４４】
また、半導体チップ１を配線基板５に搭載した後でも半田ボール６を溶かすことで半導体チップ１を配線基板５から容易に取り外すことができ、保守性も向上する。
【００４５】
さらに、配線基板５と絶縁シート２との間および絶縁シート２の窓１０の内部に封止用の樹脂９を充填させることで、リード４の弾性を損なうことなくリード４の端部１２と接続パッド８との接続を確実なものとすることが可能となる。
【００４６】
また、半導体チップ１と配線基板５との間に絶縁シート２が挟み込まれることにより、半導体チップをさまざまな配線基板に搭載することが可能となり、装置の自由度も向上させることが可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によると、絶縁シートのリードの弾性を利用することにより、半導体チップと配線基板との熱膨張差による熱応力を吸収することが可能となる。この結果、半田ボールにかかる応力が緩和され、半導体チップと配線基板との間の接続信頼性が高められる。
【００４８】
また、半田ボールを樹脂により覆う必要性がなくなるため、半導体チップを配線基板に搭載した後に、半田ボールを溶かして配線基板から半導体チップを容易に取り外すことができるようになる。このため、半導体チップの交換が容易になり装置の保守性が高められる。
【００４９】
さらに、配線基板と絶縁シートとの間および絶縁シートの窓の内部に封止用の樹脂を充填させることで、リードの弾性を損なうことなくリードと接続パッドとの接続を確実なものとすることが可能となる。
【００５０】
また、絶縁シートを挟むことによって半導体チップをさまざまな配線基板と接続することが可能となり、装置の自由度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の絶縁シートの生成方法を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における実装方法を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の構成を示す図である。
【図６】従来の実施の形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１、２１ 半導体チップ
２ 絶縁シート
３ パッド
４ リード
５、２５ 配線基板
６、２６ 半田ボール
７ 内部配線
８ 接続パッド
９、２９ 樹脂
１０ 窓
１１、１２ 端部
１３ 絶縁シート
１４ 金属膜
１５ リード
１６ 窓

Claims (7)

  1. 格子状に配置された複数のパッドを有し前記複数のパッドの各々に半田ボールが備え付けられた半導体チップを、内部に電気配線を有し表面に前記半導体チップのバッドに対応する複数の格子状の接続パッドを有する配線基板に搭載する半導体装置の実装構造において、
    前記半導体チップと前記配線基板との間に、複数のリードを有する絶縁シートを設け、前記複数の半田ボールはそれぞれ前記リードを介して対応する前記接続パッドと電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
  2. 前記絶縁シートは、前記複数の接続パッドに応じた位置に前記絶縁シートを貫通する穴を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装構造。
  3. 前記複数のリードは、その一端が前記絶縁シートの第１の面上に固定され、
    前記複数の半田ボールは、それぞれ対応する前記リードの固定された一端と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の実装構造。
  4. 前記リードの他端は、前記穴を介して前記絶縁シートの第２の面より突出し、
    前記複数の接続パッドは、それぞれ対応する前記リードの他端と電気的に接続されていることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の実装構造。
  5. 前記複数のリードは、弾性を有する電気伝導体であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の実装構造。
  6. 複数の半田ボールが設けられた半導体チップを、内部に電気配線を有し表面に複数の接続パッドを有する配線基板に搭載する半導体装置の実装方法であって、
    前記複数の接続パッドに応じた位置に貫通する穴とその一端が第１の面上に固定され他端が前記穴を介して第２の面に突出した複数のリードとを有する絶縁シートの前記複数リードの他端を、それぞれ対応する前記複数の接続パッドと電気的に接続し、
    前記複数の半田ボールを、それぞれ対応する前記複数のリードの固定された一端と電気的に接続することを特徴とする半導体装置の実装方法。
  7. 前記複数のリードの他端と前記複数の接続パッドとを接続した後、前記絶縁シートと前記配線基板との間隙に樹脂を充填させることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の実装方法。
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