(57)【要約】      （修正有）【課題】熱膨張によるミスマッチを解決しうる円柱型回転結合体及びそれを備える半導体素子を提供する。【解決手段】一側面にソルダーボール形状の軸受継手が装着されるボール支持部のある円柱型柱と、円柱型柱の一側面に装着されて半導体素子１００の内部の印刷回路基板３００や半導体チップ２００に接着されるソルダーボール形状の軸受継手と、を備えることを特徴とする円柱型回転結合体１１０である。【選択図】図３
2008172207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側面にソルダーボール形状の軸受継手が装着されるボール支持部のある円柱型柱と、
前記円柱型柱の一側面に装着されて半導体素子の内部の印刷回路基板や半導体チップに接着されるソルダーボール形状の軸受継手と、を備えることを特徴とする円柱型回転結合体。
【請求項２】
前記円柱型柱は、
前記一側面と逆方向に他のボール支持部が設けられており、前記他のボール支持部は、半導体素子の内部の印刷回路基板や半導体チップに接着されるソルダーボール形状の他の軸受継手をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の円柱型回転結合体。
【請求項３】
前記軸受継手は、
前記円柱型柱内で回転自在な構造であることを特徴とする請求項１に記載の円柱型回転結合体。
【請求項４】
前記他の軸受継手は、
前記円柱型柱内で回転自在な構造であることを特徴とする請求項２に記載の円柱型回転結合体。
【請求項５】
前記軸受継手は、
前記円柱型柱のボール支持部内で一定のギャップを有するように装着されることを特徴とする請求項１に記載の円柱型回転結合体。
【請求項６】
前記円柱型柱のボール支持部は、
フレキシブルなワイヤーを通じて前記軸受継手と電気的に相互連結されたことを特徴とする請求項１に記載の円柱型回転結合体。
【請求項７】
前記ワイヤーは、
前記円柱型柱と平行方向に連結されたことを特徴とする請求項６に記載の円柱型回転結合体。
【請求項８】
前記ワイヤーは、
前記円柱型柱と垂直方向に連結されたことを特徴とする請求項６に記載の円柱型回転結合体。
【請求項９】
前記円柱型柱は、
伝導性材質であることを特徴とする請求項１に記載の円柱型回転結合体。
【請求項１０】
前記軸受継手は、
伝導性材質であることを特徴とする請求項１に記載の円柱型回転結合体。
【請求項１１】
半導体素子の内部の第１部品と、
前記第１部品と電気的接続を必要とする半導体素子の内部の第２部品と、
前記第１部品と前記第２部品とを電気的に連結する円柱型回転結合体と、を備えることを特徴とする半導体素子。
【請求項１２】
前記円柱型回転結合体は、
一側面にソルダーボール形状の軸受継手が装着されるボール支持部のある円柱型柱と、
前記円柱型柱の一側面に装着されて半導体素子の内部の印刷回路基板や半導体チップに接着されるソルダーボール形状の軸受継手と、を備えることを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記円柱型柱は、
前記一側面と逆方向に他のボール支持部が設けられており、前記他のボール支持部は、半導体パッケージの内部の印刷回路基板や半導体チップに接着されるソルダーボール形状の他の軸受継手をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項１４】
前記軸受継手は、
前記円柱型柱内で回転自在な構造であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項１５】
前記軸受継手は、
前記円柱型柱のボール支持部内で一定のギャップを有するように装着されることを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項１６】
前記第１部品は、半導体チップであり、前記第２部品は、印刷回路基板であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子。
【請求項１７】
前記円柱型回転結合体が接合する第２部品は、
その表面に伝導性潤滑素材をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子。
【請求項１８】
前記第１部品は、印刷回路基板であり、前記第２部品は、他の印刷回路基板であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子。
【請求項１９】
前記円柱型回転結合体が接合する第１部品及び第２部品は、
その表面に伝導性潤滑素材をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の半導体パッケージ。
【請求項２０】
前記半導体素子は、パッケージオンパッケージ、フリップチップパッケージ、ウェーハレベルパッケージ及びメモリモジュールのうち選択された一つであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の連結に使われる部品及びそれを備える半導体素子に係り、さらに詳細には、円柱型回転結合体及びそれを備えるパッケージオンパッケージ（ＰＯＰ：Ｐａｃｋａｇｅ Ｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ）、フリップチップパッケージ、ウェーハレベルパッケージ（ＷＬＰ：Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｐａｃｋａｇｅ）及びメモリモジュールのような半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体素子の動作する環境は、常温で作動されることが最も望ましい。しかし、宇宙船及び軍事装備のように、過酷な温度環境で使われる半導体素子は、急激な温度変化によって、半導体素子の内部機能において、問題が発生する恐れがある。
【０００３】
一方、半導体パッケージやメモリモジュールのような半導体素子は、内部で使われる半導体チップ、ソルダーボールあるいはバンプ及び印刷回路基板（ＰＣＢ：Ｐｒｉｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）の間の熱膨張係数（ＣＴＥ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）差によって問題が発生することがある。このような問題のうち代表的なものは、急激な温度変化が頻繁に発生する場合に、半導体素子の内部のソルダー接合信頼度（ＳＪＲ：Ｓｏｌｄｅｒ Ｊｏｉｎｔ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ）が低下することである。ＳＪＲのような信頼性問題は、信頼度検査のうち温度適応検査を通じて容易に確認できる。前記温度適応検査は、半導体素子を−５５℃及び１２５℃の過酷な温度環境でそれぞれ５分あるいは１０分ずつ放置する過程を数十あるいは数百回反復しつつ、温度変化による半導体素子の内部の状態及び機能を点検する検査である。
【０００４】
図１は、ソルダーボールあるいはバンプを利用した半導体素子の断面図である。
図１を参照すれば、一般的に、フリップチップやメモリモジュールのように、半導体チップをＰＣＢに直接的に付着させる半導体素子２０は、バンプ１０を利用して半導体チップ４０とＰＣＢ３０とを電気的に相互接続する。ここで、前記バンプ１０は、ソルダーボールに代替しうる。しかし、半導体素子２０を構成する半導体チップ４０、バンプ１０及びＰＣＢ３０は、温度変化に対するＣＴＥが異なる。このため、半導体素子２０に急激な温度変化が頻繁に発生すれば、半導体素子２０における半導体チップ４０に図面の矢印方向にストレスが集中する。特に、このようなストレスは、半導体素子２０が動作する環境の温度変化が激しければ激しいほど、さらに悪化する。
【０００５】
図２は、前記図１で熱膨張によるミスマッチによって発生したソルダーボール欠陥を説明するための断面図である。
図２を参照すれば、半導体チップ４０とＰＣＢ３０とを相互連結するバンプ１０’は、ＣＴＥ差によるストレスが反復的に加えられれば、機械的耐久性が低下して図面のように水平方向にクラック１２,１４欠陥を誘発させる。図面で、符号４６は、半導体チップ４０の表面に形成されたボンドパッドを表し、符号３３は、ＰＣＢの表面に形成されたソルダーボールパッドを表す。
【０００６】
したがって、前述したバンプを利用する半導体素子２０は、ソルダーボールやバンプ１０’内にクラック１２,１４のような欠陥を発生させて半導体素子の信頼性を低下させ、このようなクラックの欠陥は、漏れ電流の原因となるため、これに対する改善が必要な実情である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した問題点を解決するためのものであって、新たな概念で半導体素子の内部にある部品を相互連結させつつ、ＣＴＥ差によるミスマッチを解決しうる円柱型回転結合体を提供することである。
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、前記円柱型回転結合体を備える半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を達成するための本発明による円柱型回転結合体は、一側面にソルダーボール形状の軸受継手が装着されるボール支持部のある円柱型柱と、前記円柱型柱の一側面に装着されて半導体素子の内部のＰＣＢや半導体チップに接着されるソルダーボール形状の軸受継手と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の望ましい実施例によれば、前記円柱型柱は、前記一側面と逆方向に他のボール支持部が設けられており、前記他のボール支持部は、半導体パッケージの内部のＰＣＢや半導体チップに接着されるソルダーボール形状の他の軸受継手をさらに備えうる。
【００１０】
このとき、前記軸受継手と他の軸受継手とは、前記円柱型柱内で回転自在な構造であることが望ましい。
また、本発明の望ましい実施例によれば、前記軸受継手は、前記円柱型柱のボール支持部内で一定のギャップを有するように装着されることが望ましく、前記円柱型柱のボール支持部は、フレキシブルなワイヤーを通じて前記軸受継手と電気的に相互連結されたことが望ましい。ここで、前記フレキシブルなワイヤーは、前記円柱型柱に平行、あるいは垂直方向に連結される。
【００１１】
望ましくは、前記円柱型柱及び前記軸受継手は、伝導性材質であることが望ましい。
前記他の課題を達成するために、本発明は、半導体素子の内部の第１部品と、前記第１部品と電気的接続を必要とする半導体素子の内部の第２部品と、前記第１部品と前記第２部品とを電気的に連結する円柱型回転結合体と、を備えることを特徴とする熱膨張によるミスマッチを解決しうる半導体素子を提供する。
【００１２】
本発明の望ましい実施例によれば、前記第１部品は、半導体チップであり、前記第２部品は、ＰＣＢでありうる。このとき、前記円柱型回転結合体の接合する第２部品は、その表面に伝導性潤滑素材をさらに備えうる。
【００１３】
また、本発明の望ましい実施例によれば、前記第１部品は、ＰＣＢであり、前記第２部品は、他のＰＣＢであり、前記円柱型回転結合体の接合する第１部品及び第２部品は、その表面にそれぞれ伝導性潤滑素材をさらに備えうる。
望ましくは、前記半導体素子は、ＰＯＰ、フリップチップパッケージ、ＷＬＰ及びメモリモジュールのうち選択された一つであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＰＯＰ、フリップチップパッケージ、ＷＬＰ及びメモリモジュールのような半導体素子で、半導体チップ、バンプ及びＰＣＢの間のＣＴＥ差によるストレスが発生しても、円柱型回転結合体の軸受継手の回転によってそれを吸収しうるため、熱膨張によるミスマッチを解決して、クラックのような不良の発生を抑制しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。しかし、下記の詳細な説明で開示される実施例は、本発明を限定しようとする意味ではなく、当業者に、本発明の開示が実施可能な形態に完全になるように発明の範囲を知らせるために提供される。
【００１６】
図３は、本発明の望ましい実施例による円柱型回転結合体を利用した半導体素子の断面図であり、図４は、図３で円柱型回転結合体を拡大した斜視図である。
【００１７】
図３及び図４を参照すれば、本発明による半導体素子１００に使われる円柱型回転結合体１１０は、既存に使われるソルダーボールあるいはバンプの機能を代替する連結手段であって、両端部の軸受継手１１４,１１６は、半導体チップ２００や、ＰＣＢ３００のパッドに接合され、軸受継手１１４,１１６の接合されていない側は、円柱型柱１１２内で回転しつつ、動ける構造になっている。このような構造の円柱型回転結合体１１０は、フリップチップパッケージあるいはメモリモジュールあるいはＷＬＰに適用される構造である。
【００１８】
図４を参照して本発明の望ましい実施例による円柱型回転結合体１１０の構造を説明すれば、本発明の望ましい実施例による円柱型回転結合体１１０は、一側面にソルダーボール形状の軸受継手１１４が装着されるボール支持部（図９の１１８を参照）のある円柱型柱１１２と、前記円柱型柱１１２の一側面に装着されて半導体パッケージの内部のＰＣＢ ３００や半導体チップ２００に接着されるソルダーボール形状の軸受継手１１４、及び前記一側面と逆方向にボール支持部に追加装着された他の軸受継手１１６で形成される。
【００１９】
前記円柱型回転結合体１１０の動作原理は、我々が日常で頻繁に見られるボールペンの端部で、ボールが自由に回転するように内部に含まれている球形の軸受継手１１４,１１６が回転できるように設計されている。これにより、半導体チップ２００、円柱型回転継手１１０及びＰＣＢ ３００の材質の有するＣＴＥの差によって反復的なストレスが発生しても、円柱型回転結合体１１０の内部にある軸受継手１１４,１１６の回転によってストレスを吸収するため、従来の技術のように半導体チップ２００とＰＣＢ３００との連結部分でクラックが発生する問題点を基本的に解決しうる。
【００２０】
前記軸受継手１１４,１１６の回転時に表面摩擦が発生するため、前記円柱型柱１１２及び軸受継手１１４,１１６は、耐摩耗性の特性に優れ、かつ十分な強度を有する伝導性材質を使用して製作することが望ましい。
【００２１】
図５は、前記図４で軸受継手が回転できる半径を示す斜視図である。
図５を参照すれば、軸受継手１１６の端部は、半導体チップやＰＣＢと接着されて固定されるが、接着されていない方向の軸受継手１１６は、図面のようにθの角度で回転できるようになっている。このような回転角度θは、１０°未満であれば、十分にＣＴＥ差によるミスマッチの問題を吸収しうる。また、図面に示したように、どの方向にも回転可能であるため、半導体素子の内部に使われた材質のＣＴＥ差によって、ストレスがいかなる方向に発生するとしても、これを吸収してクラックのような欠陥を防止しうる構造である。
【００２２】
図６は、図３の変形例であって、ＰＣＢの表面に伝導性潤滑素材を適用した断面図であり、図７は、図６の伝導性潤滑素材がＰＣＢの表面に形成される形を示す平面図である。
図６及び図７を参照すれば、前記円柱型回転結合体１１０の内部で回転する軸受継手は、回転時に摩擦を発生させるので、図６のように、半導体チップ２００やＰＣＢ ３００の接着面に伝導性潤滑素材１２０を塗布すれば、さらに効果的に摩擦による摩耗を減らせる。このような伝導性潤滑素材１２０は、ソルダーペーストあるいはソルダークリームのような素材を使用でき、図７のように、ＰＣＢ３００の内部で円柱型回転結合体１１０が接着されるソルダーボールパッド３０２の内部にのみ形成されて、隣接する端子同士のショートを防止することが望ましい。
【００２３】
図８は、図３の実施例で反り欠陥が発生した断面図であり、図９は、前記図８で円柱型回転結合体が動作するということを説明する断面図である。
図８及び図９を参照すれば、半導体素子１００の内部で発生するＣＴＥ差による変形は、Ｘ、Ｙ軸である水平方向にも発生するが、Ｚ軸のように、垂直方向にも発生するため、図８に示した半導体素子１００の反りのような不良を発生させる。
【００２４】
このとき、本発明による円柱型回転結合体１１０Ａ,１１０Ｂは、軸受継手１１６と円柱型柱１１２との結合構造がボール支持部１１８の形態によってギャップＧを発生させる構造であるため、垂直方向の変形も吸収できるようになっている。したがって、半導体チップ２００のエッジに形成された円柱型結合体１１０Ｂは、軸受継手と円柱型柱との間にギャップを図面のように発生させることにより、ＣＴＥ差による垂直方向の変形を吸収する。このために、前記円柱型柱１１２の材質を銅あるいはアルミニウムのような材質を使用しうる。前記ギャップＧの範囲は、円柱型回転結合体１１０が作られる高さによって、その範囲を調節することが望ましい。
【００２５】
図１０及び図１１は、円柱型柱と軸受継手とが反れる材質のワイヤーで連結されたところを説明するための断面図である。
図１０及び図１１を参照すれば、本発明による円柱型回転結合体１１０は、前記円柱型柱１１２と軸受継手１１４,１１６との電気的接続を確実にするために、ボール支持部１１８にフレキシブルな材質の軟性ワイヤー１３０,１３２を使用しうる。図１０は、円柱型柱１１２と垂直方向に軟性ワイヤー１３０を連結した場合であり、図１１は、円柱型柱１１２と平行方向に軟性ワイヤー１３２を連結した場合である。前記軟性ワイヤー１３０,１３２の材質は、銅、スズの合金を使用しうる。
【００２６】
図１２は、本発明による円柱型回転結合体を他の種類の半導体素子に適用した断面図である。
図１２を参照すれば、図３では、円柱型回転結合体１１０が半導体チップとＰＣＢとの電気的接続のために使われた。しかし、このような円柱型回転結合体１１０を半導体パッケージ４００と他の半導体パッケージ５００とを連結する機能として使用することもある。図面では、ＰＯＰ１０１で上部半導体パッケージ４００のＰＣＢ４０２と下部半導体パッケージ５００のＰＣＢ５０２とを連結する用途として円柱型回転結合体１１０Ｃが使われた例を示す。
本発明は、前記実施例に限定されず、本発明の属する技術的思想内で、当業者によって多くの変形が可能であるということが明白である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、半導体素子関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ソルダーボールあるいはバンプを利用した半導体素子の断面図である。
【図２】前記図１で熱膨張によるミスマッチによって発生したソルダーボールの欠陥を説明するための断面図である。
【図３】本発明の望ましい実施例による円柱型回転結合体を利用した半導体素子の断面図である。
【図４】図３で円柱型回転結合体を拡大した斜視図である。
【図５】前記図４で軸受継手が回転できる半径を示す斜視図である。
【図６】図３の変形例であって、ＰＣＢの表面に伝導性潤滑素材を適用した断面図である。
【図７】図６の伝導性潤滑素材がＰＣＢの表面に形成される形状を示す平面図である。
【図８】図３の実施例で反り欠陥が発生した断面図である。
【図９】前記図８で円柱型回転結合体が動作するところを説明する断面図である。
【図１０】円柱型柱と軸受継手とがフレキシブルな材質のワイヤーで連結されたところを説明するための断面図である。
【図１１】円柱型柱と軸受継手とがフレキシブルな材質のワイヤーで連結されたところを説明するための断面図である。
【図１２】本発明による円柱型回転結合体を他の種類の半導体素子に適用した断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１００    半導体素子
１１０    円柱型回転継手
１１２    円柱型柱
１１４,１１６    軸受継手
１１８    ボール支持部
１３０,１３２    軟性ワイヤー
２００    半導体チップ
３００    印刷回路基板
【図１】
2008172207.tif 000003
【図２】
2008172207.tif 000004
【図３】
2008172207.tif 000005
【図４】
2008172207.tif 000006
【図５】
2008172207.tif 000007
【図６】
2008172207.tif 000008
【図７】
2008172207.tif 000009
【図８】
2008172207.tif 000010
【図９】
2008172207.tif 000011
【図１０】
2008172207.tif 000012
【図１１】
2008172207.tif 000013
【図１２】
2008172207.tif 000014