(57)【要約】【課題】本発明は、基板の反りが生じても、基板とリッドとの間の電気的接続を維持することができる半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】有機基板２と、該有機基板２上にフリップチップ方式によって搭載された半導体チップ１と、熱界面材料７を介して半導体チップ１に固着されると共に、接着剤を介して前記有機基板２に固着されたリッド６と、有機基板２とリッド６との間に配置され、有機基板の反り挙動に追従して、有機基板２とリッド６との間の電気的な導通を確保する、導電性材料からなる弾性部材２１と、を含む半導体装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機基板と、
前記有機基板上にフリップチップ方式によって搭載された半導体チップと、
熱界面材料を介して前記半導体チップに接着されると共に、接着剤を介して前記有機基板に接着されたリッドと、
前記有機基板と前記リッドとの間に配置され、前記有機基板の反り挙動に追従して、前記有機基板と前記リッドとの間の電気的な導通を確保する、導電性材料からなる弾性部材と
を含む半導体装置。
【請求項２】
前記弾性部材の一方の端部は前記有機基板に導電性接着剤または半田で固着され、他方の端部はリッドに当接している請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記弾性部材の一方の端部は前記有機基板に当接し、他方の端部はリッドに導電性接着剤または半田で固着されている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記弾性部材の一方の端部は前記有機基板に導電性接着剤または半田で固定され、他方の端部はリッドに導電性接着剤または半田で固着されている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記弾性部材が金属板バネ、スプリング又は導電性ゴムからなる弾性体である請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記リッドが、リッドの中央部に形成された凹部において熱界面材料を介して半導体チップに固着され、リッドの周縁部において接着剤を介して前記有機基板に固着されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記リッドが平板状であり、熱界面材料を介して半導体チップに固着されて支持されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記リッドが平板状であり、半導体チップの周囲にはスティフナーが配置され、該スティフナーは接着剤を介して有機基板及びリッドに固着されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体チップの集積度が高くなり、半導体装置の小型化及び接続端子の狭ピッチ化が進んでいる。
半導体チップをフリップチップ接続によって基板に搭載する方法はワイヤボンディングによって接続する方法と比べると実装面積を小さくでき、また配線が短いために電気的特性が良いという特徴を有している。このため、小型、薄型に対する要求の強い携帯機器の回路や電気的特性が重視される高周波回路などに適用でき、フリップチップ実装技術用いた半導体装置の開発が盛んに行われている。
また、半導体デバイスの高速化やＩ／Ｏ数の増大に伴い、半導体チップからの発熱量も増大している。
【０００３】
更に、ビルドアップ基板などの有機基板において、高速デバイスに対応できるものが開発されており、ガラスセラミック基板よりも安価であることから、高速デバイスのパッケージ基板として採用される機会が増えている。
しかしながら、有機基板にフリップチップ型の半導体チップを搭載したＢＧＡ（ボール・グリッド・アレー）モジュ−ルにおいては、有機基板と半導体チップとの熱膨張係数が異なるため、温度の低下又は上昇によりモジュ−ル全体が変形することがある。その結果、アセンブリされたモジュ−ルにおけるＢＧＡジョイント部が剥離するなどにより、接続不良が生ずるなど信頼性に悪影響を及ぼしていた。このため、温度変化の影響を受けても、モジュ−ルが変形することがないようにすることが望まれている。
【０００４】
特許文献１には基板と半導体チップとの熱膨張係数の差に起因する半導体装置の温度による反り、変形を軽減して装置内の接合不良の発生を防止した半導体装置についての記載がある。
特許文献１に記載の半導体装置の構成を図９に示す。
半導体装置１０は、基板１２に半導体チップ１４がバンプ１６を介して実装されており、更にこの半導体チップ１４が実装されている側に、半導体チップ１４を含む基板１２を覆う凹部２６を有しているリッド（放熱板）１８が接着剤２０により接合されて構成されている。基板１２と半導体チップ１４との間にはアンダーフィル樹脂２２が充填されており、基板１２の外表面にはスルーホールにより電気的に接続されたボールバンプ２４が形成されている。リッド１８は基板１２の熱膨張係数と同じか又は近い値を有する金属又はその合金等の材質で形成されていて、半導体チップ１４から発生する熱をリッド１８の外部へ放出するようにしている。
【０００５】
特許文献２には、リッドを設けたフリップチップ接続タイプの半導体装置において、電磁的ノイズ放射の低減、外部からの電磁的ノイズによる誤動作を防止するために、基板にチップコンデンサを搭載することが記載されている。
この半導体装置１０は図１０に示すように、基板２の上に半導体チップ１がバンプ５を介して実装されている。この半導体チップ１が実装されている側の基板２の表面に半導体チップ１を含む基板２を覆うリッド４が半導体チップ１の外側で基板２のグランドと電気的に接続されている。半導体チップ１の裏面は導電性材料６を介してリッド４と接合されている。また、チップコンデンサ３は一方の端面を基板２の電極と接続し、他の端面は導電性材料６を介してリッド４と接合している。
【０００６】
また、特許文献３には、リッドを有機基板のグランドに接続しグランドを安定させることによって高速デバイスを低ノイズ化した半導体装置が記載されている。
この装置は図１１に示すように、有機基板１０の上に半導体チップ３０がフリップチップ方式によって搭載され、有機基板１０と半導体チップ３０との間の隙間部にはアンダーフィル樹脂４５が充填されている。リッド２０は接着剤４１によって有機基板１０に固着されている。また、リッド２０と半導体チップ３０との間には熱界面材料（ＴＩＭ：Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）４７が充填されている。有機基板１０には、有機基板１０のグランドと電気的に接続された電極が配置されており、この電極とリッド２０の突起部２２とは導電性接着剤４３によって電気的に接続されている。
また、図１１に示したものの変形例として、図１２に示すように、有機基板２に設けられた電極３とリッド６とを導電性接着剤９によって電気的に接続することも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１５０６９５号公報
【特許文献２】特開２００１−２１０７７８号公報
【特許文献３】特開２０１６−１４６４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１２に示したような有機基板２を用いたフリップチップ接続タイプの半導体装置においては、半導体チップを構成するシリコンの熱膨張係数は約３．４ｐｐｍであり、有機基板の熱膨張係数は約１５ｐｐｍであって、有機基板の熱膨張係数の方が大きい。このため、温度サイクル試験の低温時（−５５℃）においては熱膨張係数のミスマッチより、図１３に示すように、半導体装置は凸反りＷが生じ、反り挙動が大きく、グランド電位の安定化が保持できない課題がある。
【０００９】
また、基板の大型化や薄基板化を行う場合に、半導体装置を実装する際のリフロー工程において高温加熱すると図１４に示すように、基板２に反りＷが生じ、基板２とリッド６とを接続している導電性接着剤９が基板の伸びに耐えられず剥離Ｒを起こして導通不良となり、フリップチップ接続タイプの半導体装置で高速動作する場合に問題となる動作時の電源ノイズ、高周波雑音を低減することができなくなる。
【００１０】
本発明は、リフロー工程における加熱時の基板の反りが生じても、基板とリッドとの電気的接続を確保することができる半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明は以下に記載する通りのものである。
（１）有機基板と、
前記有機基板上にフリップチップ方式によって搭載された半導体チップと、
熱界面材料を介して半導体チップに接着されると共に、接着剤を介して前記有機基板に接着されたリッドと、
前記有機基板と前記リッドとの間に配置され、前記有機基板の反り挙動に追従して、前記有機基板と前記リッドとの間の電気的な導通を確保する、導電性材料からなる弾性部材と
を含む半導体装置。
（２）前記弾性部材の一方の端部は前記有機基板に導電性接着剤または半田で固着され、他方の端部はリッドに当接している上記（１）に記載の半導体装置。
（３）前記弾性部材の一方の端部は前記有機基板に当接し、他方の端部はリッドに導電性接着剤または半田で固着されている、上記（１）に記載の半導体装置。
（４）前記弾性部材の一方の端部は前記有機基板に導電性接着剤または半田で固定され、他方の端部はリッドに導電性接着剤または半田で固着されている、上記（１）に記載の半導体装置。
（５）前記弾性部材が金属板バネ、スプリング又は導電性ゴムからなる弾性体である上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の半導体装置。
（６）前記リッドがリッドの中央部に形成された凹部において熱界面材料を介して半導体チップに固着され、リッドの周縁部において接着剤を介して前記有機基板に固着されている上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の半導体装置。
（７）前記リッドが平板状であり、熱界面材料を介して半導体チップに固着されて支持されている上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の半導体装置。
（８）前記リッドが平板状であり、半導体チップの周囲にはスティフナーが配置され、該スティフナーは接着剤を介して有機基板及びリッドに固着されている上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体装置は、基板の反りが生じても、基板とリッドとの電気的接続を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態の半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の半導体装置の加熱時の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態の半導体装置の断面図である。
【図６】本発明の第５の実施形態の半導体装置の断面図である。
【図７】本発明の第６の実施形態の半導体装置の断面図である。
【図８】本発明の第７の実施形態の半導体装置の断面図である。
【図９】従来のフリップチップ型半導体装置の構造を示す図である。
【図１０】従来のフリップチップ型半導体装置の構造を示す図である。
【図１１】従来のフリップチップ型半導体装置の構造を示す図である。
【図１２】図１１に示したフリップチップ型半導体装置の変形例を示す図である。
【図１３】図１２に示したフリップチップ型半導体装置の冷却時の状態を示す図である。
【図１４】図１２に示したフリップチップ型半導体装置の加熱時の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明はこの発明における実施の形態の例を例示するものであって、本発明を限定するものではない。当業者は本発明の範囲内において、下記の実施形態を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正は本発明の範囲に含まれるものである。
また、本願明細書では半導体チップ及び有機基板を覆うように設けられる放熱部材を「リッド」という。
【００１５】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の半導体装置を図１に示す。
半導体チップ１は半田合金からなるバンプ電極４を介して有機基板２の上にフリップチップ方式で搭載されている。半導体チップ１と有機基板２との間にはアンダーフィル樹脂５が充填されており、この樹脂により半導体チップ１の側面も覆われている。有機基板２としてはガラスエポキシ樹脂のような有機系の材料からなる絶縁板を有する配線基板を用いることができる。
【００１６】
リッド６は熱界面材料（熱伝導材料）７を介して半導体チップ１の背面に接着されている。リッド６および熱界面材料７は熱伝導率の高い材料であることが望ましく、アルミニウムや銅などの金属又はその合金を基材として用いることができ、具体的にはＣｕ基材にＮｉめっきを施してなる材料を用いることができる。また、リッド６の厚さは例えば１ｍｍ程度以上とすることができる。リッド６は接着剤８により有機基板２に接着されている。接着剤８としてはフィルム状の熱硬化性樹脂を用いることができる。
【００１７】
リッド６と有機基板２とは導電性材料からなる弾性部材２１によって電気的な導通が確保されている。弾性部材２１としては、金属板バネ、スプリング材又は導電性ゴムを用いることができる。弾性部材２１は有機基板２とリッド６との間に配置されている。図示したものにおいては、弾性部材２１の一方の端部は有機基板２の電極３に導電性接着剤または半田２２によって固着されており、弾性部材２１の他方の端部はリッド６に固着されておらず、弾性部材の反発力によってリッド６に当接されてリッド６に電気的に接続されている。
【００１８】
図１に示した半導体装置の加熱時の状態を図２に示す。
加熱によって有機基板２に反りＷが発生じると、有機基板２とリッド６との間隔が広がる。この時、圧縮状態にあった弾性部材２１は有機基板２とリッド６との間隔の広がりに追随して伸長する。これにより、電極３と弾性部材２１とを接着している導電性接着剤２２には引っ張り応力が発生することがないので、破断が生じることがなく有機基板２とリッド６との間の良好な導通を確保することができる。
【００１９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の半導体装置を図３に示す。
本実施形態は、第１の実施形態の半導体装置において、弾性部材２１の一方の端部を有機基板２の電極３に固着することなく弾性部材の反発力によって当接して電極３と電気的に接続し、弾性部材２１の他方の端部をリッド６に導電性接着剤または半田２２によって固着したものである。
【００２０】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の半導体装置を図４に示す。
本実施形態は、第１の実施形態の半導体装置において、弾性部材２１の一方の端部を有機基板２の電極３に導電性接着剤または半田２２で固着して電極３と電気的に接続し、弾性部材２１の他方の端部をリッド６に導電性接着剤または半田２２によって固着したものである。このように弾性部材２１の両端を導電性接着剤または半田２２で固着することにより、有機基板２とリッド６との間の導通がより確実なものとなる。
【００２１】
（第４の実施形態）
本実施形態の半導体装置を図５に示す。
本実施形態では、リッド６として、放熱性の良好な金属からなる平板をプレス成形して中央部に、半導体チップ１、基板２及び弾性部材２１を覆うための凹部３１を形成して得られたキャップ状のリッド６を用いる。リッド６はその周縁部において接着剤２５を介して有機基板２に固着されている。
【００２２】
（第５の実施形態）
本実施形態の半導体装置を図６に示す。
本実施形態では、リッド６として、放熱性の良好な金属からなる平板に、エッチングを施して、半導体チップ１を収容する凹部３１と弾性部材２１を収容する凹部３２を形成してなるリッド６を用いる。リッド６は半導体チップ１に熱界面材料７を介して固着され、有機基板２に接着剤２５を介して固着されている。
【００２３】
（第６の実施形態）
本実施形態の半導体装置を図７に示す。
本実施形態では、放熱性の良好な金属からなる平板をリッド６として用いたものである。リッド６は半導体チップ１に熱界面材料７を介して固着され支持されている。
【００２４】
（第７の実施形態）
本実施形態の半導体装置を図８に示す。本実施形態は第６の実施形態の改良型である。
本実施形態では、第６の実施形態と同様に放熱性の良好な金属からなる平板をリッド６として用いるが、リッド６の大きさは有機基板２の大きさとほぼ同じとしている。
有機基板２の半導体チップ１の位置する領域の外側周縁領域には、スティフナー２４が半導体チップ１を取り囲むように設けられ、接着剤２５を介して有機基板２及びリッド６に固着されている。スティフナー２４は半導体チップ１の全周を囲むように設けても良いし、周囲の一部が欠けていてもよい。スティフナー２４は、半導体装置として全体を補強する部材であり、材料としてはアルミニウムや銅などの金属を用いることができ、その厚さは例えば０．５ｍｍ程度とすることができる。
【００２５】
（試験）
図６に示した構造を有し、リッドとしてＣｕ基材にＮｉめっきを施したものを用い、半導体チップとしてシリコンを、パッケージ基板として有機基板を用いて実際の寸法の半導体装置を作製してその信頼性を評価した。弾性部材２１としてはバネを用いた。また、比較のために、図６に示した構造のものにおいて、バネに代えて図１０に示したような導電性接着剤９で有機基板２とリッド６との電気的接続を行った半導体装置を作製してその信頼性を評価した。
基板サイズ及び−５５℃〜１２５℃の温度サイクル数、及び試験結果を表１に示す。
表１中の分数は各温度サイクルの結果に対し、投入数を分母、導通確認のＮＧが発生した数を分子として記載している。
温度サイクルが１Ｋｃを経過した時点で、リッドとグランド（ＧＮＤ）間の導通抵抗が１．０Ω以上の場合をＮＧとした。
なお、表中の「初期」とは組み立て品を完了した状態のものを示し、「前処理」とはプリント板へ搭載する条件と同等の熱処理を行った状態のものを示す。
【００２６】
【表１】
2018060986.tif 000003
【００２７】
□表１に示したように、４７．５（ｍｍ）サイズの有機基板の場合従来の導電性接着剤構造の場合、前処理工程までは導通が良好であったが、熱サイクル回数が７００回の時点で導通不良が発生した。
これに対し、バネを使用したものでは、熱サイクル回数が３０００回の時点においても導通が良好であった。
【００２８】
本発明に係る半導体パッケージの温度サイクル試験において高信頼性が得られる効果について説明する。
試験に供した半導体装置の主な構成要素において、半導体チップであるシリコンの熱膨張係数は約３．４ｐｐｍであり、有機基板の熱膨張係数は約１５ｐｐｍであり、熱膨張係数に差がある。しかしながら、熱膨張係数の差に起因して半導体装置に反りが発生したとしても本発明に係る半導体装置では、弾性部材２１の伸縮動作によって有機基板２の反り挙動に柔軟に追従することができる。
【符号の説明】
【００２９】
（図１〜図８について）
１  半導体チップ
２  有機基板
３  電極
４  バンプ電極
５  アンダーフィル樹脂
６  リッド
７  熱界面材料（熱伝導材料）
８  接着剤
１０  半導体装置
２１  弾性部材
２２  導電性接着剤、半田
２３  
２４  スティフナー
２５  接着剤
３１、３２  凹部
Ｗ  反り
Ｅ  伸び
【００３０】
（図９について）
１０  導体装置
１２  板
１４  導体素子
１６  バンプ
１８  リッド
２０  接着着剤
２２  アダーフィル樹脂
２４  ボールバンプ
２６  凹部
【００３１】
（図１０について）
１  半導体チップ
２  基板
３  チップコンデンサ
４  リッド
５  バンプ
６  導電性材料
７  アンダーフィル樹脂
８  半田ボール
１０  半導体装置
【００３２】
（図１１について）
１０  有機基板
２０  リッド
２２  突起部
３０  半導体チップ
４１  接着剤
４３  導電性接着剤
４５  アンダーフィル樹脂
４７  熱界面材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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