(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを搭載したパッケージ基板と、
前記パッケージ基板の外形よりも大きな貫通穴を有する第１の配線基板と、
前記第１の配線基板より可撓性の高い第２の配線基板と
を有し、
前記第１の配線基板と前記第２の配線基板は接続導体により結合されるとともに、
前記パッケージ基板は、前記第１の配線基板に設けた貫通穴に挿入して前記第２の配線基板上に実装されるとともに、前記第２の配線基板の前記第１の配線基板との結合面と反対側の面に前記パッケージ基板に電源を供給する電源供給ユニットが配置され、
前記電源供給ユニットは、
実装基板と
前記実装基板に設けられた柱状電源電極とを有し、
前記柱状電源電極は、前記第２の配線基板に設けられた貫通穴に挿入して前記パッケージ基板の中央部に設けられた接続導体と直接電気的に接続されていることを特徴とする半導体実装装置。
【請求項２】
前記第２の配線基板の絶縁層が、面方向で均一な誘電特性を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体実装装置。
【請求項３】
前記柱状電源電極の高さが、前記第１の配線基板の厚さより小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体実装装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体実装装置に関し、例えば、半導体パッケージ基板を実装基板上に実装した半導体実装装置に関する。
【０００２】
近年、半導体パッケージの小型化、大電流化、低抵抗化に対する要請が高まっている。この要請に応えるため、半導体パッケージ基板の周囲から電源供給を行うため配線に対して太線化や複数本化が検討されている。
【０００３】
図６は、従来の半導体装置の実装構造の説明図である。電源供給配線７２を設けた配線基板７１に電源供給する貫通電源線７３を複数本設け、この配線基板７１上に半導体ベアチップ６２を搭載したパッケージ基板６１をＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）バンプ６３を介して接続している。なお、半導体ベアチップ６２は、実際にはパッケージ基板６１との間にはアンダーフィル樹脂が充填され、また、表面側はモールド樹脂でモールドされている。
【０００４】
ところが、一般にこのような貫通電源線７３は、パッケージ基板のサイズによって許容されるスペースに限界があるため、太線化や複数本化によって大電流化や低抵抗化を実現しようとした場合、半導体パッケージの小型化との両立が困難となる。
【０００５】
そこでこの問題に対処するため、半導体ベアチップの直下の領域にＣｕ電極を形成し、半導体ベアチップの直下から直接電源供給を行う構造とすることが提案されている。図７は従来の半導体装置の改良型実装構造の説明図である。図に示すように、配線基板７１の中央部に太いＣｕ電源供給電極７４を設け、半導体ベアチップ６２の直下においてＢＧＡバンプ６３とこのＣｕ電源供給電極７４とを接続する。また、このＣｕ電源供給電極７４は実装基板８１上に直流電源変圧器８３を搭載した電源供給ユニット８０に設けたＢＧＡバンプ８２と接続される。
【０００６】
電流は、外部電源配線８４及び直流電源変圧器８３を介してＣｕ電源供給電極７４によって、半導体ベアチップ６２の直下から直接電源供給を行う。したがって、電源供給電極の太線化および最短距離化による大電流化・低抵抗化と、半導体パッケージの小型化の両立を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０４５０１３号公報
【特許文献２】特開２００９−１７０４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、図７の構造では、半導体パッケージの温度が変動すること半導体パッケージ基板に反りが発生した場合、半導体ベアチップ直下でＣｕ電源供給電極と接続するＢＧＡバンプに引っ張り応力が発生し、接触不良を引き起こすという問題がある。
【０００９】
図８は、従来の半導体装置の改良型実装構造の問題点の説明図である。温度が変動すると、パッケージ基板６１に用いられる各材料における熱膨張係数の差異や、パッケージ基板６１と配線基板７１との間の熱膨張係数の差異等に起因して、パッケージ基板６１に反りが発生する。反りが発生すると、図において破線の楕円で示すように、半導体ベアチップ６２の直下でＣｕ電源供給電極７４と接続するＢＧＡバンプ６３に引っ張り応力が発生し、パッケージ基板６１−Ｃｕ電源供給電極７４間で接触不良が発生する。
【００１０】
また、図７の構造の場合には、Ｃｕ電源供給電極７４は配線基板７１の厚さと同程度の長さを有するため、このＣｕ電源供給電極７４の長さに相当する電源供給経路距離が依然として存在している。流れる電流量によっては、この長さのＣｕ電源供給電極７４の抵抗でさえも、電源供給を妨げる要因となり得る。
【００１１】
したがって、半導体実装装置において、パッケージに反りが発生した場合にも電源供給電極との接続を良好に保つことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
開示する一観点からは、半導体チップを搭載したパッケージ基板と、前記パッケージ基板の外形よりも大きな貫通穴を有する第１の配線基板と、前記第１の配線基板より可撓性の高い第２の配線基板とを有し、前記第１の配線基板と前記第２の配線基板は接続電極により結合されるとともに、前記パッケージ基板は、前記第１の配線基板に設けた貫通穴に挿入して前記第２の配線基板上に実装されるとともに、前記第２の配線基板の前記第１の配線基板との結合面と反対側の面に前記パッケージ基板に電源を供給する電源供給ユニットが配置され、前記電源供給ユニットは、実装基板と前記実装基板に設けられた柱状電源電極とを有し、前記柱状電源電極は、前記第２の配線基板に設けられた貫通穴に挿入して前記パッケージ基板の中央部に設けられた接続導体と直接電気的に接続されていることを特徴とする半導体実装装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
開示の半導体実装装置によれば、パッケージに反りが発生した場合にも電源供給電極との接続を良好に保つことが可能になる。また、それとともに、大電流に耐え得る電源供給構造を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態の半導体実装装置の概略的断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の半導体実装装置の作用効果の説明図である。
【図３】本発明の実施例１の半導体実装装置の概略的断面図である。
【図４】本発明の実施例１の半導体実装装置の製造工程の途中までの説明図である。
【図５】本発明の実施例１の半導体実装装置の製造工程の図４以降の説明図である。
【図６】従来の半導体装置の実装構造の説明図である。
【図７】従来の半導体装置の改良型実装構造の説明図である。
【図８】従来の半導体装置の改良型実装構造の問題点の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の半導体実装装置を説明する。図１は本発明の実施の形態の半導体実装装置の概略的断面図であり、半導体チップ７を搭載したパッケージ基板６と、パッケージ基板６の外形よりも大きな貫通穴２を有する第１の配線基板１と、第１の配線基板１より可撓性の高い第２の配線基板３とを備えている。第１の配線基板１は接続導体５により第２の配線基板３と結合している。また、パッケージ基板６は、第１の配線基板１に設けた貫通穴２を貫通して第２の配線基板３に実装されている。なお、第１の配線基板は、典型的にはＦＲ−４を用いた多層プリント配線基板である。
【００１６】
第２の配線基板３は、第１の配線基板１の厚さより薄い薄膜状基板、典型的には、フレキシブル基板であることが望ましい。この可撓性によりパッケージ基板６が温度変化により反った場合に、フレキシブル基板も変形して、接続導体８、典型的にはＢＧＡバンプに加わる応力を大幅に低減することができる。
【００１７】
このような第２の配線基板３に用いられる絶縁層としては、ＦＲ−４のような内部にガラスクロスを含んだ不均質構造ではなく、面方向で均一な誘電特性を有している絶縁層、例えば、ポリイミド樹脂或いは液晶ポリマー等が望ましい。このように、面方向で均一な誘電特性を有している絶縁層を用いることにより、第２の配線基板３上の配線パターンを伝送路とすることで、高速信号の品質を劣化させることなく、伝送することができる。
【００１８】
また、大電流化・低抵抗化のためには、第２の配線基板３の第１の配線基板１との結合面と反対側の面にパッケージ基板６に電源を供給する電源供給ユニット１０を配置することが望ましい。この電源供給ユニット１０は、柱状電源電極１３を設けた実装基板１１を有し、第２の配線基板３に設けられた貫通穴４を貫通して柱状電源電極１３とパッケージ基板６の中央部に設けられた接続導体８とを直接電気的に接合する。
【００１９】
なお、柱状電源電極１３は、実装基板１１に設けられた貫通孔に嵌め込まれており、典型的には、Ｃｕ柱状電極或いはＣｕを主成分とするＣｕ系柱状電極である。特に、柱状電源電極１３の高さは、第１の配線基板１の厚さより小さくすることが望ましく、それにより、電源供給経路距離を従来に比べてより短縮することができる。また、実装基板１１には、通常は直流電源変圧器１２を搭載しておくことが望ましい。
【００２０】
図２は本発明の実施の形態の半導体実装装置の作用効果の説明図である。本発明の実施の形態においては、パッケージ基板６をフレキシブルな第２の配線基板３に実装しているので、パッケージ基板６に反りが生じても、図において破線の楕円で囲って示したように第２の配線基板３がパッケージ３の反りに追随して変形する。したがって、パッケージ基板６と柱状電源電極１３を接続する接続導体８（ＢＧＡバンプ）に掛かる応力を緩和することができる。
【００２１】
また、第２の配線基板３の厚さを第１の配線基板１の厚さより薄くしているので、柱状電源電極１３の高さを低くすることができ、パッケージ基板６と電源供給源との間の距離を短縮することができる。
【００２２】
その結果、半導体チップ７を搭載したパッケージ基板６に反りが発生しても第２の配線基板３と接続導体６との接続を良好に保ち、かつ、大電流に耐え得る電源供給構造を実現することができる。
【実施例１】
【００２３】
次に、図３乃至図５を参照して、本発明の実施例１の半導体実装装置を説明する。図３は、本発明の実施例１の半導体実装装置の概略的断面図である。半導体ベアチップ４２を搭載したパッケージ基板４１の外形よりも大きな貫通穴２２を有する配線基板２１と、配線基板２１より可撓性が高く貫通穴３２を設けたフレキシブル基板３１をＢＧＡバンプ３３で接合する。なお、配線基板２１は、ＦＲ−４を用いた多層プリント配線基板とする。
【００２４】
半導体ベアチップ４２を搭載したパッケージ基板４１は貫通穴２２内に挿入されて、ＢＧＡバンプ４３を用いてフレキシブル基板３１に接続されている。パッケージ基板４１を実装したフレキシブル基板３１は電源供給ユニット５０に接続される。
【００２５】
電源供給ユニット５０は、太いＣｕ柱状電極５２を設けた実装基板５１を有し、フレキシブル基板３１に設けられた貫通穴３２を貫通してＣｕ柱状電極５２とパッケージ基板４１の中央部に設けられたＢＧＡバンプ４４とが直接電気的に接合されている。
【００２６】
なお、Ｃｕ柱状電極５２は、実装基板５１に設けられ側壁にＣｕメッキ層が設けられた貫通孔に打ち込みにより嵌め込まれている。このＣｕ柱状電極５２の高さは、フレキシブル基板３１の厚さを薄くすることにより、配線基板２１の厚さより小さくしている。また、実装基板５１の裏面には、直流電源変圧器５４を搭載しておく。
【００２７】
次に、図４及び図５を参照して、本発明の実施例１の半導体実装装置の製造工程を説明する。まず、図４（ａ）に示すように、厚さｈ１が３ｍｍのＦＲ−４を絶縁材料とした配線基板２１にドリル加工によって径ｗ１が６０ｍｍ程度の貫通穴２２を形成する。一方、図４（ｂ）に示すように、厚さｈ２が０．５ｍｍのポリイミドを絶縁材料としたフレキシブル基板３１にもドリル加工によって径ｗ２が３０ｍｍの貫通穴３２を形成するとともに、基板の周辺部にＢＧＡバンプ３３を設ける。なお、ポリイミドを絶縁材料としたフレキシブル基板３１は、ＦＲ−４のような内部にガラスクロスを含んだ不均質構造ではなく、面方向で均一な誘電特性を有している。また、ＢＧＡバンプ３３の直径は０．６ｍｍとする。
【００２８】
次いで、図４（ｃ）に示すように、ＢＧＡバンプ３３によって、配線基板２１とフレキシブル基板３１とを、貫通穴２２の中心と貫通穴３２の中心が一致するように位置合わせして接続する。なお、配線基板２１及びフレキシブル基板３１には所定の配線パターンが形成されておりフレキシブル基板３１は配線基板２１の下面に設けた配線パターンの所定の領域でＢＧＡバンプ３３により接続される。
【００２９】
次いで、図５（ｄ）に示すように、半導体ベアチップ４２を搭載したパッケージ基板４１を貫通穴２２に挿入して、パッケージ基板４１に設けたＢＧＡバンプ４３を利用してフレキシブル基板３１の上面に設けた配線パターンの所定の領域で接続される。なお、図示は省略しているが、半導体ベアチップ４２とパッケージ基板４１との間にはアンダーフィル樹脂が充填されており、また、半導体ベアチップ４２はモールド樹脂でモールドされている。
【００３０】
次いで、図５（ｅ）に示すように、パッケージ基板４１を実装したフレキシブル基板３１を直径が５ｍｍのＣｕ柱状電極５２を設けた電源供給ユニット５０に接続する。この電源供給ユニット５０は、Ｃｕ柱状電極５２を設けた厚さが２．５ｍｍの実装基板５１を有し、実装基板５１は周辺部にＢＧＡバンプ５３を有するとともに、裏面に直流電源変圧器５４を搭載している。この直流電源電圧５４は外部電源配線５５を介して外部電源に接続される。
【００３１】
パッケージ基板４１は半導体ベアチップ４２が搭載されている中央部の直下においてパッケージ基板４１に設けたＢＧＡバンプ４４によりＣｕ柱状電極５２と接続される。また、フレキシブル基板３１とは、実装基板５１の周辺部においてＢＧＡバンプ５３によりフレキシブル基板３１の下面に設けた配線パターンの所定領域と接続される。外部電源からの電流は、直流電源変圧器５４を通してＣｕ柱状電極５２に至り、このＣｕ柱状電極５２からパッケージ基板４１へと送られる。
【００３２】
本発明の実施例１に記載された発明においては、パッケージ基板４１と接続しているフレキシブル基板３１が十分な可撓性を有している。したがって、温度が変動してパッケージ基板４１に反りが発生した場合でも、図２に示したように、フレキシブル基板３１が中央部が固定された状態のパッケージ基板４１の反りに追随して変形するため、ＢＧＡバンプ４３に掛かる応力を緩和することができる。
【００３３】
また、フレキシブル基板３１の絶縁材料として面方向で均一な誘電特性を有しているポリイミドを用いているので、パッケージ基板４１からの高速信号の伝送路をフレキシブル基板３１に設けることで、高品質に保ったまま信号を伝送することが可能になる。なお、従来のように、ＦＲ−４を絶縁材料として用いた配線基板２１は、内部にガラスクロスを含んだ不均質構造を有していることで、基板内部の誘電率分布が不均一となり、伝送信号の品質劣化の原因となる。
【００３４】
また、電源を直接供給するＣｕ柱状電極５２の実装基板５１の表面からの高さ（０．６ｍｍ＋０．５ｍｍ）を配線基板２１の厚さ（３ｍｍ）より小さくしているので、図７に示したように配線基板にＣｕ電源供給電極を設けた場合に比べて、電流供給経路を短くすることができる。
【００３５】
ここで、実施例１を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）半導体チップを搭載したパッケージ基板と、前記パッケージ基板の外形よりも大きな貫通穴を有する第１の配線基板と、前記第１の配線基板より可撓性の高い第２の配線基板とを有し、前記第１の配線基板と前記第２の配線基板は接続導体により結合されるとともに、前記パッケージ基板は、前記第１の配線基板に設けた貫通穴に挿入して前記第２の配線基板上に実装されるとともに、前記第２の配線基板の前記第１の配線基板との結合面と反対側の面に前記パッケージ基板に電源を供給する電源供給ユニットが配置され、前記電源供給ユニットは、実装基板と前記実装基板に設けられた柱状電源電極とを有し、前記柱状電源電極は、前記第２の配線基板に設けられた貫通穴に挿入して前記パッケージ基板の中央部に設けられた接続導体と直接電気的に接続されていることを特徴とする半導体実装装置。
（付記２）前記第２の配線基板が、前記第１の配線基板の厚さより薄い薄膜状基板であることを特徴とする付記１に記載の半導体実装装置。
（付記３）前記第２の配線基板の絶縁層が、面方向で均一な誘電特性を有していることを特徴とする付記１または付記２に記載の半導体実装装置。
（付記４）前記絶縁層がポリイミド樹脂或いは液晶ポリマーのいずれかであることを特徴とする付記３に記載の半導体実装装置。
（付記５）前記柱状電源電極の高さが、前記第１の配線基板の厚さより小さいことを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の半導体実装装置。
（付記６）前記柱状電源電極は、前記実装基板に設けられた貫通孔に嵌め込まれていることを特徴とする付記５に記載の半導体実装装置。
（付記７）前記柱状電源電極がＣｕ柱状電極或いはＣｕを主成分とするＣｕ系柱状電極であることを特徴とする付記５または付記６に記載の半導体実装装置。
（付記８）前記実装基板に、直流電源変圧器が搭載されていることを特徴とする付記１乃至付記７のいずれか１に記載の半導体実装装置。
【符号の説明】
【００３６】
１  第１の配線基板
２  貫通穴
３  第２の配線基板
４  貫通穴
５  接続導体
６  パッケージ基板
７  半導体チップ
８  接続導体
１０  電源供給ユニット
１１  実装基板
１２  直流電源変圧器
１３  柱状電源電極
１４  接続導体
１５  外部電源配線
２１  配線基板
２２  貫通穴
３１  フレキシブル基板
３２  貫通穴
３３  ＢＧＡバンプ
４１，６１  パッケージ基板
４２，６２  半導体ベアチップ
４３，４４，６３  ＢＧＡバンプ
５０  電源供給ユニット
５１，８１  実装基板
５２  Ｃｕ柱状電極
５３，８２  ＢＧＡバンプ
５４，８３  直流電源変圧器
５５，８４  外部電源線
７１  配線基板
７２  電源供給配線
７３  貫通電源線
７４  Ｃｕ電源供給電極
【図１】
0006390369.tif 000002
【図２】
0006390369.tif 000003
【図３】
0006390369.tif 000004
【図４】
0006390369.tif 000005
【図５】
0006390369.tif 000006
【図６】
0006390369.tif 000007
【図７】
0006390369.tif 000008
【図８】
0006390369.tif 000009