(57)【要約】      （修正有）【課題】ベース基板の配線パターンによらず、接合強度のばらつきなくフレキシブル基板とベース基板の超音波接合を実現するための配線パターンを提供する。【解決手段】超音波接合時に、ベース基板12上の配線11の変形を調整し、配線ごとの相対的な剛性をそろえることによって、電極毎の接合性のばらつきがなくなり、接続信頼性の高い半導体積層パッケージが実現可能となる。超音波振動方向が、配線の延びる方向と平行な場合、電極下部から延びる配線が接合部の変形を抑え、超音波エネルギのロスを抑制する。長い配線は線幅を細く、短い配線は線幅を太くすることによって、接合部の相対的な剛性の差が小さくなる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、前記半導体素子が電気的に接続されて搭載されたフレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板と接続する配線が配置されたベース基板と、を有し、
前記配線の幅が、前記配線の長さに応じて異なっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記配線を複数有し、その一つの幅をｗ１、他の一つの幅をｗ２とし、
前記ｗ１に対応する配線の長さをｌ１、ｗ２に対応する配線の長さをｌ２とした時、
ｌ１＞ｌ２ならば、ｗ１＜ｗ２となるように配線幅が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記フレキシブル基板は、その一主表面に設けられた第１の配線と、
前記一主表面に対向する他の主表面に設けられた第２の配線とを有し、
前記第１の配線と前記第２の配線を電気的に接続するビアが、前記フレキシブル基板を貫通して設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記フレキシブル基板と前記ベース基板とが、超音波により接合されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体素子と、前記半導体素子が電気的に接続されて搭載されたフレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板と接続する配線が配置されたベース基板と、を有し、
前記ベース基板上に、前記半導体素子と前記フレキシブル基板とを一組として複数組が積層され、
前記配線の幅が、前記配線の長さに応じて異なっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記配線の幅は、前記配線の長さが長いほど小さく設定されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記フレキシブル基板は、その一主表面に設けられた第１の配線と、
前記一主表面に対向する他の主表面に設けられた第２の配線とを有し、
前記第１の配線と前記第２の配線を電気的に接続するビアが、前記フレキシブル基板を貫通して設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記フレキシブル基板と前記ベース基板とが、超音波により接合されることを特徴とする請求項５または６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もので、特に、高速信号伝送が可能な実装系を構成する接続信頼性の高い多段積層パッケージの組立て構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高性能化、高速大容量化に伴い、複数の半導体素子を限られた面積に搭載するため、複数の半導体素子をベース基板に多段積層する技術が開発されている。
【０００３】
従来から、一つの半導体装置の中に複数の半導体素子を積層する場合、半導体素子をベース基板に接着し、ワイヤボンディングにより電気的接続をとり、さらにその上に半導体素子を接着し、ワイヤボンディングするなどの方法で積層半導体装置を製造している。
この他に積層半導体装置の構造として、インターポーザとしてフレキシブル基板を用いて複数の半導体素子を積層する方法も開示されている。
【０００４】
複数の半導体素子を積層する半導体装置において、半導体素子間に挿入したフレキシブルな中間接続層を介してベース基板と電気的な接続をとる。半導体素子、ベース基板等の熱膨張係数差による応力をフレキシブルな中間接続層が緩和することにより、接続部へのクラックの発生を抑制することができる（特許文献１を参照）。
【０００５】
フレキシブル基板に半導体素子を固定したパッケージを複数積層する半導体積層パッケージにおいて、フレキシブル基板からなる配線部が当該半導体素子の片側からのみ延びてベース基板と接続する構造とすることで、高信頼性を確保しつつ高密度実装を可能とする（特許文献２を参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１１０９７８号公報
【特許文献２】特開２００６−２７８８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
フレキシブル基板20をインターポーザとする半導体積層パッケージにおいて、フレキシブル基板20とベース基板12とははんだ付けや超音波接合により接続される。超音波接合は室温付近での多段接合が可能であり、実装後の残留応力も小さい。
【０００８】
図１は半導体素子10が搭載されたフレキシブル基板20とベース基板12を超音波接合する図である。
【０００９】
図２はその斜視図である。半導体素子10はバンプを介してフレキシブル基板20にフリップチップ接続される。
【００１０】
フレキシブル基板20には図３の断面図のように、表裏に配線22が形成され、表裏間はフィルドビア24で接続さる。配線22表面には金電極23が形成されており、ベース基板側の配線11の金電極13とを位置合せして接触させる。超音波ツール30から超音波を印加して複数の電極を一括接合する。
【００１１】
半導体素子10から伸びる複数の配線を一括で接合する場合、図４のように、配線11の長さが異なるベース基板12の金電極13にフレキシブル基板20の超音波接合すると、図５のグラフに示すように、超音波振動方向がベース基板の配線方向と平行の場合、フレキシブル基板20とベース基板12との接合強度はベース基板12の配線11の長さに依存し、配線11が長いほど接合強度が大きくなる。一方、超音波振動方向が配線方向と直角の場合は、配線長さに対する依存性は低減し強度ばらつきは小さくなるが、引張り強度は全体的に低下する。
【００１２】
また、図６に示すように、ベース基板側配線11が短く、長さの等しいベース基板サンプルを用い、超音波振動方向を配線方向に平行とした場合、図７のグラフのように、接合位置の違い13a〜13dによる接合強度のばらつきは小さく、接合強度自体も低下する。
【００１３】
エポキシやポリイミドなどの有機基板上の配線にフレキシブル基板を超音波接合する場合、配線長と超音波振動方向による接合強度への影響が大きいといえる。これは、超音波振動時に配線11が下基板とともに変形し剛性が小さくなるため、超音波エネルギがロスし、十分な接合がとれない。ベース基板12としてセラミック等の硬い材料を使用する場合は配線長の影響は小さくなる。
【００１４】
配線長、超音波振動方向が接合強度に影響すると、個々の電極13に対して適正な接合条件が異なり、パッケージ製造におけるプロセスウィンドウが狭くなる。
【００１５】
本発明の目的は、ベース基板12の配線パターンによらず、接合強度のばらつきなくフレキシブル基板20とベース基板12の超音波接合を実現するための配線パターンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、ベース基板上の配線11の長さに起因する接合部の剛性のばらつきを改善するため、長さの異なる配線群ごとにその配線幅を変えることを特徴とする。超音波振動方向が配線の延びる方向に垂直の場合、超音波エネルギが配線の変形に使われる割合が高く、接合強度は小さい。
【００１７】
一方、超音波振動方向が、配線の延びる方向と平行な場合、電極下部から延びる配線が接合部の変形を抑え、超音波エネルギのロスを抑制する。長い配線は線幅を細く、短い配線は線幅を太くすることによって、接合部の相対的な剛性の差が小さくなる。
【発明の効果】
【００１８】
超音波接合時に、ベース基板上の配線の変形を調整し、配線ごとの相対的な剛性をそろえることによって、電極毎の接合性のばらつきがなくなり、接続信頼性の高い半導体積層パッケージが実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施例を、図を用いて詳述する。
【実施例１】
【００２０】
実施の形態１を説明する。図８は半導体素子の対向する２辺から配線が伸びる両側接合タイプのベース基板12である。裏面のはんだパッドの配置によって、表面の配線長さが異なる。金電極13から遠いパッドに伸びる配線群11aの線幅w1より金電極13からの距離が中程度の配線群11bの線幅w2を太くし、さらに金電極13に近いパッドに伸びる配線群11cの線幅w3を太くする。すなわち、w1<w2<w3の関係とすることで、超音波振動時の金電極13の相対的な剛性をほぼ等しくし、超音波接合性のばらつきを小さくすることができる。
超音波接合条件としては、温度、荷重、超音波エネルギ、接合時間などが係わってくるが、接合位置によって、接合性にばらつきがあると、接合プロセスの途中でビアの変形などの不具合が発生する。
【００２１】
ベース基板上の配線11の幅が全て同じ場合、同一の超音波印加条件で接合すると、接合性がよい部分ほど、超音波印加時の早い段階で接合が完了し、残りの超音波印加時間では超音波のエネルギがビアの変形のために作用する。図９はビアが変形し、配線22とビア24の界面にクラック25が生じる模式図である。あるフィルドビア24が変形、切断したとしても電気的接続が保たれるように、フレキシブル基板20には一配線当り複数のフィルドビア24が形成されるような構造とするのが望ましい。
【００２２】
このように、有機基板を用いた超音波接合において、フレキシブル基板20の金電極23とベース基板上の金電極13との接合で、超音波振動方向と配線形成方向を直角とすれば、接合強度ばらつきは低減するが、強度自体も低下する。一方、超音波振動方向を配線方向と平行とすると、接合強度は向上するが、配線長の影響が顕著となる。
【００２３】
本発明ではこれら相反する課題を同時に解決する手段として、配線の長さを積極的に利用し、配線幅をそれぞれ変える方法により接続強度とばらつきの低減を実現するものである。
【００２４】
図１０は、こうして実装した基板にはんだボールを形成したパッケージの斜視図である。フレキシブル基板20の配線22表面には金電極23が形成されており、図１１のように、半導体素子が搭載されたフレキシブル基板20を逐次的に超音波接合することで、図１２のような４段積層パッケージとすることができる。
各単層パッケージ間、すなわち、上段のフレキシブル基板と下段の半導体素子上面とは接着剤等で固定する場合と固定しない場合が考えられる。固定する場合でも最下段のフレキシブル基板とベース基板間は固定しないことが望ましい。そのようにすることによって線膨張係数差による応力をフレキシブル基板が緩和するからである。
【００２５】
また、半導体素子搭載済みのフレキシブル基板20をあらかじめ複数段重ねて位置合わせした後、多段を一括で超音波接合することも可能である。この場合、接合プロセスを短縮することができる。また、逐次積層方式では、下段の超音波接合後に超音波ツール30が接触していた金電極面23が汚染する恐れがあるが、一括積層方式では汚染の恐れが低減する。
【実施例２】
【００２６】
実施の形態２を説明する。図１３は半導体素子10の１辺から配線が伸びるタイプのベース基板構造である。ベース基板裏面のはんだパッドに対応して長さが異なる配線群が配置される。例えば、金電極13から遠い配線群11a、中距離まで伸びる配線群11b、金電極13に近い配線群11cがある場合、配線長による金電極13の剛性が等しくなるようにそれぞれの配線群の線幅を変えてやる。
【００２７】
実施の形態１と同様に半導体素子10がフレキシブル基板20にフリップチップ接合され、フレキシブル基板上の配線基板表面に形成された金電極23とベース基板上の金電極13とが超音波接合される。半導体素子の片側からだけ配線を引き出すことにより、電極ピッチや配線幅のバリエーションに制限が加わるが、ベース基板上での搭載面積を低減させることができ、パッケージの小型化を可能にする。
【００２８】
図１４は、１段接合パッケージの斜視図である。また、図１５は、片側接合４段積層パッケージの断面図である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
はんだ溶融温度以下で接合が可能な超音波接合による多段積層パッケージの実現は非常に魅力的であり、本発明を利用した半導体装置の量産化は十分に考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】フレキシブル基板とベース基板の超音波接合の説明図。
【図２】フレキシブル基板とベース基板の超音波接合の説明斜視図。
【図３Ａ】フレキシブル基板の平面図。
【図３Ｂ】フレキシブル基板のＡ−Ａ部の断面図。
【図４】配線長さの異なるベース基板サンプルの上面図。
【図５】超音波振動方向と接合強度の位置依存性を示す図。
【図６】配線が短く、等しい長さのベース基板サンプルの上面図。
【図７】配線が短く、等しい長さのベース基板サンプルに関する接合強度の位置依存性
【図８】両側接合用ベース基板の上面図。
【図９】フィルドビアにクラックが発生したフレキシブル基板断面図。
【図１０】両側接合パッケージの斜視図。
【図１１】両側接合４段積層プロセスの説明図。
【図１２】両側接合４段積層パッケージの断面図。
【図１３】片側接合用ベース基板の上面図。
【図１４】片側接合パッケージの斜視図。
【図１５】片側接合４段積層パッケージの断面図。
【符号の説明】
【００３１】
10…半導体素子、11…ベース基板上の配線、 12…ベース基板の基材、 13…ベース基板側配線上の金電極、13a…接合位置１、13b…接合位置２、13c…接合位置３、13d…接合位置４、14…はんだボール、20…フレキシブル基板、21…フレキシブル基板の基材、22…フレキシブル基板上の配線、23…フレキシブル基板側配線上の金電極、24…フィルドビア、25…クラック、30…超音波ツール、31…基板吸着ステージ。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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】
2009194143.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
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