(57)【要約】      （修正有）【課題】導体層を有する複数の絶縁フィルムが接着層を介して積層してなる多層回路配線板において，半導体チップとスティフナーの間の領域における変形を小さく保つ実装構造を提供する。【解決手段】導体配線層を有する複数の絶縁フィルムを積層してなる正方形の多層回路配線板と、  多層回路配線板の一方の面の中心に搭載される正方形の半導体チップと、  多層回路配線板の半導体チップが搭載された面に接着され、多層回路配線板と外形が同じで幅がＬswの額縁形状のスティフナーとを備え、  半導体チップの一辺とスティフナーの内側の辺との間の距離ｄを、半導体チップの一辺の長さＬcと熱膨張係数αc、及びスティフナーの熱膨張係数αs、導体層を構成する材質の降伏歪εyield、温度の変化量ΔＴによって定まるｄminよりも大きくしたＢＧＡ型半導体装置。【選択図】図３
2008130794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体配線層を有する複数の絶縁フィルムが接着層を介して積層してなる正方形の多層回路配線板と、
前記多層回路配線板の一方の面の中心に搭載される正方形の半導体チップと、
前記多層回路配線板の前記半導体チップが搭載されたのと同じ面または別の面に接着され、前記多層回路配線板と外形が同じで幅がＬswの額縁形状のスティフナーとを備え、
前記半導体チップの一辺と前記スティフナーの内側の辺との間の距離ｄが、半導体チップの一辺の長さＬcと熱膨張係数αc、及びスティフナーの熱膨張係数αs、導体層を構成する材質の降伏歪εyield、温度の変化量ΔＴによって定まる下式数１により決まるｄminよりも大きいことを特徴とする、ＢＧＡ型半導体装置。
【数１】
2008130794.tif 000013
【請求項２】
請求項１のＢＧＡ型半導体装置において、前記半導体チップの一辺と前記スティフナーの内側の辺との間の距離ｄが、半導体チップの一辺の長さＬc、スティフナーの外形の一辺の長さＬsとしたときに、下式数２（単位ｍｍ）により決まるｄMaxよりも小さいことを特徴とする、ＢＧＡ型半導体装置。
【数２】
2008130794.tif 000014
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップが搭載される多層回路配線板を有する半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体大規模集積回路（ＬＳＩ）等の半導体素子には、近年、動作速度がクロック周波数で１ＧＨｚに達するものが出現している。この様な高速半導体素子では、トランジスターの集積度が高く、入出力端子数が数千を越えることもある。
【０００３】
このような多端子数の半導体素子をプリント配線基板に実装するために、半導体素子とプリント配線基板の間には多層回路配線板が配置され、両者の電気的接合の橋渡しを担っている。多層回路配線板は、高密集した半導体素子の端子との接合に対応するため、プリント配線基板よりも非常に薄い層構造と、微細なライン・アンド・スペースを有する配線パターンを持つ。現在広く実用化されている多層回路配線板としては、例えばＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）等が挙げられる。
【０００４】
最近では、さらなる高密度実装への対応、また、高動作周波数化への要望に答えるため、ポリイミド樹脂フィルムなどに配線パターンを形成したものを積層して、多層回路配線板全体の厚さを薄くするとともに、層間接続長を短くすることにより高周波数に対応させたフレキシブル多層回路配線板が開発されてきている。
【０００５】
このようなフレキシブル多層回路配線板は、全体の厚さが薄く、たわみやすい性質であるため単体では取り扱いが難しい。そこで、スティフナーと呼ばれる補助板を、フレキシブル多層回路配線板に貼り付けてから実装工程に入ることが多い。
【０００６】
スティフナーの材質は、半導体チップ動作時の発熱に対する放熱性を考慮して、金属が使用されることが多い。
【０００７】
図１にフレキシブル多層回路配線板１の実装時の構成例を示す。フレキシブル多層回路配線板１の上面に、スティフナー４が接着剤層５を介して貼り付けられ、また半導体チップ２が実装されている。一方、下面には多数の半田ボール３がアレイ状に接続され、最終的にはこの半田ボールを介してプリント配線基板（不図示）に実装される。
【０００８】
このように、フレキシブル多層回路配線板は一般的に、一方の面は半導体チップおよび金属製のスティフナーが接続され、他方の面は樹脂製のプリント配線基板に接続される。つまりフレキシブル多層回路配線板の両面には、熱膨張係数の異なる部品が接続されていることになる。
【０００９】
また半導体チップは動作時には発熱して膨張するため、動作時と停止時とでは形状が異なる。したがってフレキシブル多層回路配線板１は、半導体チップの温度変化に応じて圧縮、引張等の変形を受ける。
【００１０】
図２に示したようにフレキシブル多層回路配線板１は、スティフナーに接着している領域７、半導体チップに接合している領域８、その他の領域６の三つの領域に分けることが出来る。
【００１１】
温度が変化する時の変形は、領域７および８では、高弾性率の半導体チップや金属製スティフナーに束縛される為に、面内等方的な拡大縮小変形であるが、領域６には剪断変形が加わってくる。
【００１２】
剪断変形がある領域では、配線の屈曲部や、ヴィアを介した異なる方向の配線の連結部などの箇所に応力が集中しやすく、温度変化が繰り返された場合に、そのような箇所が破壊する可能性がある。これは回路接続の信頼性上は問題であるが、この問題についての考慮が従来は不十分であった。
【００１３】
温度変化が繰り返されたときの破壊発生を防ぐ方法として、半導体チップとスティフナー間の領域に樹脂を塗布し硬化させる方法（特許文献１）が示されている。
【００１４】
一般の搭載用基板は絶縁層が厚く、その絶縁層に使われる樹脂の量の基板全体に対する割合が大きい。そのため、半導体チップとスティフナー間の領域を覆う硬化樹脂と、熱膨張係数に大きな違いがなく、温度変化に伴う伸縮が同程度とみなせるため、温度変化が繰り返されたときの破壊発生を防ぐ効果が得られる。
【００１５】
一方、フレキシブル多層回路配線板は、一般の搭載用基板に比して絶縁層である樹脂の厚さを薄くすることで全体の厚さを薄くしている。このことによりフレキシブル多層回路配線板では、絶縁層として使われる樹脂の量の基板全体に対する割合が、一般の搭載用基板に比べると小さくなる。
【００１６】
このためフレキシブル多層回路配線板では、配線層に使われる金属の寄与が相対的に大きくなり、その熱膨張係数は樹脂および一般の搭載用基板に比して小さくなる。従ってフレキシブル多層回路配線板では、半導体チップとスティフナー間の領域を硬化樹脂で覆うと、硬化樹脂自体が温度変化に伴う伸縮を増幅させるので、温度変化が繰り返されたときの破壊発生を防ぐ効果は得られない。
【００１７】
【特許文献１】特開２００４−２６０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
以上、説明したように、半導体チップとスティフナーの間の領域６にある配線構造には、応力が集中しやすい。実使用に耐える寿命を持つフレキシブル多層回路配線板とする為には、製作上の最適化に加え、この領域６で発生する応力を軽減する実装構造が求められる。
【００１９】
本発明は、以上の事情に鑑みて考えられたものであり、その目的とするところは、半導体チップを搭載するための、導体層を有する複数の絶縁フィルムが接着層を介して積層してなる多層回路配線板において，半導体チップとスティフナーの間の領域における変形を小さく保つ実装構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を実現するために、本発明では、以下のような手段を講じる。
請求項１に記載の発明は、導体配線層を有する複数の絶縁フィルムが接着層を介して積層してなる正方形の多層回路配線板と、
前記多層回路配線板の一方の面の中心に搭載される正方形の半導体チップと、
前記多層回路配線板の前記半導体チップが搭載されたのと同じ面または別の面に接着され、前記多層回路配線板と外形が同じで幅がＬswの額縁形状のスティフナーとを備え、
前記半導体チップの一辺と前記スティフナーの内側の辺との間の距離ｄが、半導体チップの一辺の長さＬcと熱膨張係数αc、及びスティフナーの熱膨張係数αs、導体層を構成する材質の降伏歪εyield、温度の変化量ΔＴによって定まる下式数１により決まるｄminよりも大きいことを特徴とする、ＢＧＡ型半導体装置としたものである。
【００２１】
【数１】
2008130794.tif 000003
【００２２】
また請求項２に記載の発明は、請求項１のＢＧＡ型半導体装置において、前記半導体チップの一辺と前記スティフナーの内側の辺との間の距離ｄが、半導体チップの一辺の長さＬc、スティフナーの外形の一辺の長さＬsとしたときに、下式数２（単位ｍｍ）により決まるｄMaxよりも小さいことを特徴とする、ＢＧＡ型半導体装置としたものである。
【００２３】
【数２】
2008130794.tif 000004
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、フレキシブル多層回路配線板の半導体チップとスティフナー間領域において温度変化に伴う歪を一定値以下に抑え，その結果，フレキシブル多層回路配線板内部の配線パターンに破壊が生じない信頼性の高い半導体装置を提供する事が出来る。更に実装工程での取り扱い容易さを失わない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下には本発明に係わるＢＧＡ型半導体装置の実施例を、図面を元にさらに詳細に説明する。
【００２６】
半導体チップとスティフナーの間の領域の変形は、各構成物の熱膨張係数の差によってもたらされる。各構成物が以下の材質からなっているものとし、それぞれの変形の大きさを概算し対策を求める。
（１）半導体チップ＝シリコン
（２）スティフナー＝銅
（３）フレキシブル多層回路配線板＝銅、ポリイミド、エポキシ系接着材
【００２７】
フレキシブル多層回路配線板の主構成物である銅とポリイミドの熱膨張係数は近い値であるので、フレキシブル多層回路配線板の熱膨張係数は銅と同じする。
【００２８】
また、フレキシブル多層回路配線板全体の弾性率は、半導体チップ、スティフナーの十分の一程度である。このため、半導体チップとスティフナーの間の領域６は、半導体チップおよびスティフナーの膨張収縮で形状が決定されることになる。
【００２９】
この領域６の歪の大小を、幅の変化率で表す。温度サイクル試験で、高温から低温への降温過程を考える。
【００３０】
フレキシブル多層回路配線板、スティフナー、半導体チップのそれぞれが、図３に示すような形状および大きさである場合を考える。フレキシブル多層回路配線板は一辺の長さがＬsの正方形の平板である。スティフナーは一辺の長さがＬsの正方形の平板に、一辺の長さがＬsinの正方形の孔があけられた額縁形状である。半導体チップは、一辺の長さがＬcの正方形の平板である。また、フレキシブル多層回路配線板、スティフナー、半導体チップは、その中心が重なるように配置されている。
【００３１】
なお、フレキシブル多層回路配線板の一辺の長さが、スティフナーの外形の一辺の長さよりも長い場合もありえる。しかしながら、スティフナーとフレキシブル多層回路配線板が重なっている部分で、お互いに強く固定されていて伸縮の度合いも同じとしているので、フレキシブル多層回路配線板のスティフナー外形よりも外側にある部分は、スティフナーの内側の孔の部分への影響は無視できるものとみなすことが出来る。
【００３２】
図３のような半導体装置において、温度変化がΔＴのときについて考える。
【００３３】
室温での半導体チップとスティフナー間距離をｄ、銅の熱膨張係数をαmとすると、低温での半導体チップとスティフナー間距離ｄlowは、下式数３で表される値に収縮する。
【００３４】
【数３】
2008130794.tif 000005
【００３５】
また、スティフナーの熱膨張係数をαsとすると、スティフナーの内側の辺の長さは、
ＬsinからＬsin（１−αsΔＴ）に収縮する。
【００３６】
また、半導体チップの熱膨張係数をαcとすると、半導体チップの辺の長さは、
ＬcからＬc（１−αcΔＴ）に収縮する。
【００３７】
ここで、スティフナー内側の辺と半導体チップの辺の間の距離ｄ＝（Ｌsin−Ｌc）／２が、Δｄだけ収縮したとする。すると、温度変化がΔＴのときのスティフナー内側の辺と半導体チップの辺の間の距離ｄ−Δｄは、下式数４で表される。
【００３８】
【数４】
2008130794.tif 000006
【００３９】
従って、このときの収縮分Δｄは下式数５で表される。
【００４０】
【数５】
2008130794.tif 000007
【００４１】
ここで低温における半導体チップとスティフナー間距離の歪をεmとすると、εmは下式数６で表される。
【００４２】
【数６】
2008130794.tif 000008
【００４３】
ｄが大きくなれば、εmは小さくなり、配線に生じる歪も小さくなる。従って、εmが銅の降伏歪εyieldに等しいときの幅ｄminが、幅ｄの最小値となる。従って数６より、εyieldとｄminの関係は、下式数７で表すことができる。
【００４４】
【数７】
2008130794.tif 000009
【００４５】
数７をｄminについて解くと、下式数８のようになる。半導体チップとスティフナー間距離ｄを、数８で表されるｄminよりも大きな値にしておけば、温度変化があった場合も、配線に破壊が起こらない。
【００４６】
【数８】
2008130794.tif 000010
【００４７】
先に記したように、スティフナーの目的は実装工程でフレキシブル多層回路配線板の取扱いを容易にする事である。このためスティフナー自身の幅Ｌswは、取扱いやすさを考慮して所定値以上であることが望ましい。
【００４８】
フレキシブル多層回路配線板の大きさが一辺数十ｍｍ、スティフナーの厚みを０．５ｍｍとすると、経験的にはスティフナーの幅Ｌswの最小値は５ｍｍ程度である。このときの半導体チップとスティフナー間領域の幅ｄMaxは、下式数９で表される。ただし単位はｍｍである。ここで、Ｍｉｎ（Ｌsw）は、スティフナーの幅Ｌswの最小値のことである。
【００４９】
【数９】
2008130794.tif 000011
【００５０】
以上から、半導体チップとスティフナー間領域の幅ｄは、ｄmin≦ｄ≦ｄMaxの範囲に入ることで内部配線の信頼性が確保される。ただしｄminは数１で表され、ｄMaxは数２で表される。
【実施例】
【００５１】
以下に実施例について説明する。
温度サイクル試験では室温を挟んで高温と低温を往復させる。高温は１２０℃から１３０℃、低温は−７０℃から−５０℃、一往復は数十分かけて実施される。よって、フレキシブル多層回路配線板は室温から±１００℃の温度変化を蒙る。
【００５２】
フレキシブル多層回路配線板を用いた実装部品は、残留応力緩和の為に種々の熱工程を経た後に室温で保管される。よってこのような実装部品は室温からの温度差で熱膨張係数による変形を生じる。即ちΔT＝１００として数１を適用する。
【００５３】
また、αm＝αs＝１７×１０-6、αc＝３．５×１０-6、εyield＝０．００７として、数１を使って計算すると、ｄmin＝０．１２７×Ｌc  となる。
【００５４】
従って、例えば半導体チップの辺の長さＬc＝２０ｍｍのとき、ｄmin＝２．５４ｍｍとなる。
【００５５】
また、半導体チップの辺の長さＬc＝２０ｍｍ、フレキシブル多層回路配線板およびスティフナーの外形サイズＬs＝４０ｍｍとしたとき、数２よりｄMax＝５ｍｍとなる。
【００５６】
各部の寸法が表１のような３種類の実装品について、温度サイクル試験を行った。試験対象品の、半導体チップのサイズＬc、フレキシブル多層回路配線板およびスティフナーの外形サイズＬsは共通であるが、スティフナーの幅Ｌswおよび半導体チップとスティフナー間領域の幅ｄが異なるようにした。
【００５７】
【表１】
2008130794.tif 000012
【００５８】
すなわちＬc＝２０ｍｍ、Ｌs＝４０ｍｍとし、そのときの、ｄminよりも小さい値２ｍｍ、ｄminとｄMaxの間の値４．５ｍｍ、ｄMaxより大きい値７ｍｍを、半導体チップとスティフナー間領域の幅ｄとして設定した。
【００５９】
また、与える温度変化は、低温―５５℃、高温１２５℃、各温度で３０分間保持し、低温から高温、及び高温から低温への温度変化に要する時間は５分間とした。温度昇降のサイクルは１０００回まで行った。
【００６０】
半導体チップとスティフナーとの間の幅ｄが、本発明の最小値以下である場合には配線に断線が生じ、本発明の範囲内では断線が生じないことが確認された。また、本発明の最大値よりも大きい場合には、半導体チップの実装自体を行うことが出来なかった。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】半導体チップを実装した状態のＢＧＡ型半導体装置の構成例を示す断面図
【図２】フレキシブル多層回路配線板、半導体チップ、スティフナーの位置関係を示す模式図で、（ａ）上面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図
【図３】各部の寸法
【符号の説明】
【００６２】
１・・・フレキシブル多層回路配線板
２・・・半導体チップ
３・・・半田ボール
４・・・スティフナー
５・・・接着剤層
６・・・半導体チップとスティフナー間の領域
７・・・スティフナーに接着している領域
８・・・半導体チップに接合している領域
Ｌs・・・スティフナーの外形サイズ
Ｌsin・・スティフナーの内側の孔のサイズ
Ｌc・・・半導体チップのサイズ
Ｌsw・・スティフナーの幅
ｄ・・・半導体チップとスティフナー間領域の幅
【図１】
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【図２】
2008130794.tif 000016
【図３】
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