(57)【要約】【課題】半導体チップを有機配線基板にフリップチップ実装した場合に発生する反りを矯正する。【解決手段】第一主面と第二主面を備える有機配線基板と、第一主面と第二主面を備える支持板と、半導体チップとを備え、前記有機配線基板の第一主面と前記支持板の第二主面は接着され、前記有機配線基板は第二主面に第一の外部接続端子と第二の外部接続端子を備え、前記半導体チップは前記第一の外部接続端子に接続され、前記半導体チップと前記有機配線基板をアンダーフィル樹脂層で接着し、前記支持板の第一主面にリブ骨格構造を備えた半導体装置を製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一主面と第二主面を備える有機配線基板と、第一主面と第二主面を備える支持板と、半導体チップとを備え、前記有機配線基板の第一主面と前記支持板の第二主面は接着され、前記有機配線基板は第二主面に第一の外部接続端子と第二の外部接続端子を備え、前記半導体チップは前記第一の外部接続端子に接続され、前記半導体チップと前記有機配線基板をアンダーフィル樹脂層で接着し、前記支持板の第一主面にリブ骨格構造を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記支持板が金属板であり、前記支持板と前記半導体チップの熱膨張係数はいずれも前記有機配線基板の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記支持板は第一主面に前記支持板の外周を囲む枠状の前記リブ骨格構造を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記支持板と前記有機配線基板は接着剤層を介して接着され、当該接着剤層の熱膨張係数は前記支持板よりも大きく前記有機配線基板よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記有機配線基板は厚さが０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記支持板の大きさは前記有機配線基板の大きさの８０％以上１２０％以下であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の半導体装置。
【請求項７】
前記支持板の厚みをＴ、前記支持板の備える前記リブ骨格構造の高さをｔとすると、０．６６７Ｔ＞ｔ＞０．３３３Ｔであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップを上面搭載した有機配線基板の下面に金属板が設けられた半導体装置に関する。また、その金属板により放熱性と剛性を向上するのに適した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３により、従来の半導体装置で、半導体チップ１を有機配線基板２の上面に搭載し有機配線基板２の下面に金属板３を設置した半導体装置を説明する。図３は、金属板３を有する半導体装置であって有機配線基板２に半導体チップ１をフリップチップ実装した半導体装置を示す側面断面図である。図３に示すように、半導体チップ１の機能面に例えば半田からなるバンプ５が設置され、とそれが有機配線基板２のランドに電気的に接続されている。この接続は、例えば半導体チップ１の側のパットの上にバンプ５を設置し、また、有機配線基板２の上面にこのバンプ５に位置を合わせてランドを設ける。そして、そのランドに例えばボンディング技術を適用してバンプ５接続し、その半導体チップ１と有機配線基板２の間に樹脂を注入して、アンダーフィル樹脂層６を形成し、それにより両者を接着するものである。バンプ５に接続された有機配線基板２上のランドは、配線パターンやビア等によりボールランドと電気的に接続されている。有機配線基板２は、例えば、ポリイミドのようなフレキシブルな材質、ガラスエポキシ樹脂のようなリジッドな材質いずれも用いられている。また、ボールランドには、図示するように、半田ボール７が形成され、これを溶融することによりさらに別の基板に実装され得られるものである。さらに、半導体チップ１と有機配線基板２との空間には、半導体チップ１の機能面を大気や湿り気から遮断し化学的変質を防止し信頼性を確保するように、充填樹脂が充填されている。また、有機配線基板２の裏面には例えば銅を主とする金属板が、接着樹脂を介して接続されている。金属板を設けて得られる機能には、半導体チップ１の放熱、有機配線基板２および半導体チップ１の反り矯正などがある。
【０００３】
上記のような半導体実装における金属板の機能について、有機配線基板２および半導体チップ１の反り矯正、半導体チップ１の応力緩和を目的として、特許文献１では、前記半導体チップ１と熱膨張係数が近い金属板を用いて半導体チップ１による反りを矯正している。また、半導体チップ１の放熱のため良好な熱伝導率を有する金属板を用いている。特許文献２では、裏面に電子部品と金属板を用いている。
【０００４】
以下に公知文献を記す。
【特許文献１】特開２００１−１５６２４６号公報
【特許文献２】特開平６−２０４６５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のように半導体チップ１と同じ大きさの金属板３を有機配線基板２に設置するのみでは、有機配線基板２上に半導体チップ１をフリップチップ実装した場合に生じる反り矯正が不十分である問題があり、また、金属板の表面が平らで放熱性が不十分である問題があった。また、特許文献２では、２つの部品を貼り付ける必要があり工数がかかり不便である問題があった。本発明は、このような従来の技術が有する課題を解決するために提案されたものであり、半導体チップ１を有機配線基板２にフリップチップ実装した場合に発生する反りを矯正し、また、半導体チップ１からの発熱を低減することができる半導体装置を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、この課題を解決するために、第一主面と第二主面を備える有機配線基板と、第一主面と第二主面を備える支持板と、半導体チップとを備え、前記有機配線基板の第一主面と前記支持板の第二主面は接着され、前記有機配線基板は第二主面に第一の外部接続端子と第二の外部接続端子を備え、前記半導体チップは前記第一の外部接続端子に接続され、前記半導体チップと前記有機配線基板をアンダーフィル樹脂層で接着し、前記支持板の第一主面にリブ骨格構造を備えたことを特徴とする半導体装置である。
【０００７】
また、本発明は、上記支持板が金属板であり、上記支持板と上記半導体チップの熱膨張係数はいずれも上記有機配線基板の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする上記の半導体装置である。
【０００８】
また、本発明は、上記支持板は第一主面に前記支持板の外周を囲む枠状の上記リブ骨格構造を備えることを特徴とする上記の半導体装置である。
【０００９】
また、本発明は、上記支持板と上記有機配線基板は接着剤層を介して接着され、当該接着剤層の熱膨張係数は前記支持板よりも大きく前記有機配線基板よりも小さいことを特徴とする上記の半導体装置である。
【００１０】
また、本発明は、上記有機配線基板は厚さが０．３ｍｍ以下であることを特徴とする上記の半導体装置である。
【００１１】
また、本発明は、上記支持板の大きさは上記有機配線基板の大きさの８０％以上１２０％以下であることを特徴とする上記の半導体装置である。
【００１２】
また、本発明は、上記支持板の厚みをＴ、前記支持板の備える上記リブ骨格構造の高さをｔとすると、０．６６７Ｔ＞ｔ＞０．３３３Ｔであることを特徴とする上記の半導体装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、半導体チップと熱膨張係数が近い金属板を用いるので、半導体チップにかかる垂直方向の応力を減らすことができ、有機配線基板の変形を抑制し、有機配線基板および半導体チップの反りを矯正し、半導体チップの応力緩和をする効果がある。また、良好な熱伝導率を有する金属板を用いるので、半導体チップの放熱性が良い効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明による半導体装置の実施形態を図面にもとづいて詳細に説明する。図１は本実施形態の半導体装置の側面断面図を示し、図２は平面図を示す。図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は裏面図である。図１は図２のＡ−Ａ’線断面図を示す。本実施形態は、図１のように、半導体チップ１の大きさの数倍の大きさの四角形の絶縁樹脂の上面に配線パターンを形成した有機配線基板２を用いる。絶縁樹脂の上面に接着剤層４を介して金属箔を積層し、この金属箔の不要部分をエッチングにより除去することによって任意の配線パターンと、それに接続する第１の外部接続端子であるランドと第２の外部接続端子であるボールランドを形成する。有機配線基板２の絶縁樹脂は、厚さが０．０４ｍｍから０．３ｍｍで可とう性を有するガラスエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂を用い、特に、ガラス繊維を含浸した有機樹脂を用いることが望ましい。有機配線基板２上のランドは半導体チップ１に設置したバンプ５と相対する位置に形成する。
【００１５】
半導体チップ１のバンプ５をこの有機樹脂配線基板２のランドにはんだ接続し易くするために、あらかじめはんだをランド上に設置しておく。一般的には、スクリーン印刷機に
よりはんだペーストを供給したり、電解はんだメッキを行なうことにより供給する。
【００１６】
次に、有機配線基板２の下面に、有機配線基板２の大きさと略同じ大きさの、シリコン製の半導体チップ１の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する銅や銅タングステンやCUB、あるいは、アルミナや窒化アルミニウムなどの金属材料から成る金属板３を厚さが５０μｍの接着剤層４で貼り付け、有機配線基板２と金属板３の複合基板を形成する。こうして金属板３を貼り付けた複合基板にすることにより有機配線基板２が補強される。なお、この金属板３の替わりに、シリコン基板あるいはセラミックス基板による支持板を用いることもできる。
【００１７】
有機配線基板２の厚さが０．３ｍｍの場合には、金属板３には、厚さが0.5mmの薄層部分３ａを形成し、また、金属板３の下面に高さが０．２ｍｍから０．３ｍｍで幅が０．５ｍｍのリブ骨格構造３ｂを形成することで薄層部分３ａを補強する。リブ骨格構造３ｂは、金属板３を縦横に横切り金属板３を反らせようとする応力を支える梁状の骨格構造である。また、金属板３の外周を囲む枠状のリブ骨格構造３ｂも形成することで金属板３を補強する。有機配線基板２の厚さが０．０４ｍｍから０．３ｍｍの間の範囲で厚さが異なる場合は、その厚さに応じて金属板３の薄層部分３ａとリブ骨格構造３ｂの寸法を定める。このとき、金属板３の薄層部分３ａとリブ骨格構造３ｂの断面構造は、断面二次モーメントを大きくし、その金属板３と半導体チップ１がアンダーフィル樹脂層６で有機配線基板２の上面に接着した部分のストレスと釣り合わせ打ち消すようにシュミレーションにより計算し定めた。その結果、この金属板３の厚み、すなわち、薄層部分３ａの厚さとリブ骨格構造３ｂの高さの和ををＴとし、リブ骨格構造の高さをｔとすると、０．６６７Ｔ＞ｔ＞０．３３３Ｔであると良好な断面二次モーメントを持つ構造になる知見を得た。
【００１８】
このようにリブ骨格構造３ｂを設けることにより、金属板３が薄層部分３ａのみの場合にはんだリフローによる応力で有機配線基板２と金属板３の複合基板が反る問題を無くすことができる効果がある。また、リブ骨格構造３ｂと薄層部分３ａで金属板３を構成することにより、金属板３をリブ骨格構造３ｂの厚さの平板で形成した場合よりも金属板３の表面積を大きくし、金属板３の放熱効果を大きくできる効果がある。このリブ骨格構造３ｂと薄層部分３ａの形成は、金属板３から薄層部分３ａをエッチングして形成し、エッチングしなかった部分のパターンでリブ骨格構造３ｂを形成する。金属板３の替わりにシリコン基板を支持板として用いた場合もシリコン基板をエッチングすることでリブ骨格構造３ｂを有する支持板を形成することができる。また、薄層部分３ａの厚さの金属板３の下面にセラミックスのリブ骨格構造を印刷し焼結することでリブ骨格構造３ｂを有する支持板を形成することができる。
【００１９】
次に、以下の様にして、半導体チップ１のフリップチップ実装により、半導体チップ１のバンプ５を有機配線基板２のランドに接続し、半導体チップ１と有機配線基板２をアンダーフィル樹脂層６で接着した構造を形成する。先ず、半導体チップ１のバンプ５を複合基板のランド上のはんだに接触させて設置し、リフロー炉に通してはんだ接続する。このとき、複合基板の下面は、ボンディングツールのバックアップのステージに接触して加熱される。複合基板の下側に金属板３を設置したため、リフロー炉ではんだを溶融したときの内部応力を金属板３が打ち消し、複合基板に反りや撓みを生じないようにできる効果がある。次に、半導体チップ１と有機配線基板２の間の隙間に熱硬化性のエポキシ樹脂を主成分とするアンダーフィル材を注入し充填させ、アンダーフィル材を加熱・硬化させてアンダーフィル樹脂層６を形成する。
【００２０】
この効果を最適に働かせるために、金属板３を有機配線基板２の下面に固定する接着剤層４の条件として、有機配線基板２の下面に接着剤層４で金属板３を貼り付けた構造が、有機配線基板２の上面にアンダーフィル樹脂層６で半導体チップ１が接着されている構造
と同じ挙動（反りに関していえば、反対向きの相殺応力発生）を示すようにさせ、有機配線基板２の上下面のストレスを釣り合わせ、有機配線基板２の反りを矯正する。そのため、接着剤層４の熱膨張係数は金属基板３よりも大きく有機配線基板２よりも小さい熱膨張係数にすることが望ましい。このために、接着剤層４は例えば東京レーヨン製のＴＳＡ等を用いる。また、金属板３の寸法は、有機配線基板２の大きさの８０％から１２０％の寸法にすることが望ましい。金属板３の寸法が有機配線基板２の１２０％よりも大きくなると、半導体装置の大きさが大きくなり過ぎて不都合になり、一方、金属板３の大きさが有機配線基板２の大きさの８０％よりも小さいと、有機配線基板２の反りの矯正が不十分になるからである。
【００２１】
次に、有機配線基板２のボールランド上に半田ボール７を設置し、半田ボール７のボールグリッドアレイを形成した半導体装置を製造する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態の半導体装置の側面断面図である。
【図２】本発明の実施形態の半導体装置の平面図である。
【図３】従来の半導体装置の側面断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１・・・半導体チップ
２・・・有機配線基板
３・・・金属板
３ａ・・・薄層部分
３ｂ・・・リブ骨格構造
４・・・接着剤層
５・・・バンプ
６・・・アンダーフィル樹脂層
７・・・半田ボール
【図１】
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【図２】
2008124248.tif 000004
【図３】
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