JP2982729B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
し、他の電子回路を配置したプリント基板と接続される
外部接続端子を有する半導体装置に関し、特に内部の半
導体チップと接続された多数の外部接続端子を有する大
規模集積回路(LSI)PKG(パッケージ)の半導体
装置に関する。
型パーソナルコンピュータに代表されるように携帯型の
商品が続々と市場に登場している。これらの商品の小型
化、軽量化、薄型化の要求は年々厳しさを増してきてい
る。
め、これらの商品の小型化、軽量化、薄型化の要求に応
えるべく、製造プロセスの微細化技術を駆使した大規模
な半導体チップが間断なく開発されている。しかし、半
導体チップ内部の回路の規模が大きくなるにつれて半導
体チップの外部接続端子の数は増加し、従って、半導体
チップが大型化し、これに伴い半導体装置が大型化する
という問題点が発生した。
は、数多くの工夫や発明がなされてきている。QFP
(Quad Flat Package )、TSOP(Thin Small Outli
ne Package)等の半導体PKGは樹脂パッケージ内に半
導体チップを封止し、外部接続端子はパッケージ外部に
リードフレームを放射状又はパッケージの両側面に突出
させたものである。さらに、半導体装置の大型化を阻止
するためにこのリードフレームのピッチを狭小化する技
術が開発されてきた。
のみ(以下、ベアチップとも言う。)を直接回路基板上
に装着し、半導体チップの電極と回路基板電極とをワイ
ヤにより接続する方法(チップオンボード)や、さらに
ワイヤの面積削減のため、半導体チップの電極にバンプ
(金属の突起物)を形成し、回路面を下向きにして回路
基板に搭載して接続する方法(フリップチップ)が実用
化されている。
導体装置の小型化は、特性が保証されている半導体チッ
プ(Known Good Die)の入手が当面困難であること、さ
らに、特性が保証されている半導体チップを入手したと
しても、ベアチップで組立てた後に特性が変動してしま
う、という問題点があった。
に特性の安定した半導体チップのみを選定する必要があ
る。このため、装置に使用する全ての半導体PKGをベ
アチップにできず、小型化の大きな障害になっており、
KGD(Known Good Die)済みのベアチップ供給が世間
一般の装置メーカから半導体メーカへ要求されてきてい
る。
積がほぼチップサイズであり(フリップチップとほぼ同
等)、半導体パッケージとして組み立てられ、その特性
が保証された半導体装置であるCSP(チップサイズパ
ッケージ)を開発した。
り、外部接続端子のピッチが0.5mm〜1.0mmと
拡大できるため、従来のSMDと一緒に搭載、リフロー
が可能である。CSPとこれを搭載するプリント基板と
の間の接続は、CSPに形成された半田バンプにより行
う。
ついて説明する。図9に従来の半導体装置の実装面から
見た斜視図を示す。半導体チップ1は接続電極9を有す
る回路面を中継基板であるポリイミド基板2と接着剤3
により固定されている。ポリイミド基板2の半導体チッ
プ1と接する面の裏面には銅箔4および半田ボールによ
る半田バンプ7が形成され、銅箔4は外部接続端子であ
る半田バンプ7に接続されている。また、銅箔4上には
レジスト6が塗布されている。銅箔4は半導体チップ1
の接続電極9直上まで配線されており、半導体チップ1
の接続電極9と銅箔4は銅スルーホール5で接続されて
いる。この接続方法は、TAB技術の手法であるギャン
グ(一括)ボンディングやシングルポイントボンディン
グにより行われる(これをInner Bump Bondingと呼
ぶ。)。これにより、半田バンプ7と半導体チップ1の
接続電極9が一対一対応で接続される。さらに、半導体
チップ1は外周を封入樹脂8で覆われており外部からの
影響が遮断されている。
す。本図は図9と上下を逆に(実装面を下側に)示した
図である。図9、図10は、少ピン系の半導体チップ1
を用いた半導体装置でそのサイズは、ほぼ半導体チップ
1と同じサイズになる。多ピン系の半導体チップ1’を
用いた場合は、図11に示すように、半田バンプ7が銅
スルーホール5の外側にも配置され、若干半導体チップ
1’よりもサイズ的に大きくなる。これら従来の半導体
装置は、例えば特開平8−204062号公報に開示さ
れている。
ージ)の外部接続端子はポリイミド基板2の実装面に配
置され、通常は多数の外部接続端子を配置するために実
装面に格子状(グリッド状)に配置される。また、ボー
ル状のバンプで形成された外部接続端子を持つものは一
般にボールグリッドアレイと称されている。もちろんバ
ンプを使用しない接続法も存在する。
グリッドアレイ状の外部接続端子は実装された状態では
目視することはできないため、接続に不都合が生じたと
しても、作業者が直接目視して修正作業を加えることは
不可能であるという問題点を有する。
ては別な方法、例えば測定器を使用してLSIの機能チ
ェックにより判定する方法やX線検査装置による方法に
頼ることになる。このチェックにより外部接続端子に不
都合が発生していることが判明した場合には、一度半導
体装置を回路基板から取り外す作業をし、不都合箇所を
点検し、その改善の後再度回路基板に実装し、再度機能
チェック等により良否を判定することになる。この作業
工程は一般に非能率的なものであり、かつ特殊な作業用
ツールを必要とし、熟練した作業者でなければできない
という問題点を有する。
半導体装置と半導体装置を搭載するプリント基板との間
の接続信頼性を向上させ、接続不良率の低減を図ること
のできる半導体装置を提供することを目的としており、
結果としてSMD(サーフェイス マウント デバイ
ス)搭載の製造工程の直行率の向上を図り、製造コスト
の低減に寄与することができる半導体装置を提供するこ
とを目的とする。
複数の接続電極を有する半導体チップと、半導体チップ
の接続電極と配線で接続された外部接続端子を有する、
半導体チップ下に配置された中継基板とで構成され、中
継基板下に配置された外部接続端子を実装基板に接続し
た半導体装置であって、半導体チップの接続電極が、中
継基板上の2以上の外部接続端子に同時に接続され、2
以上の外部接続端子のうちの1の外部接続端子が、他の
外部接続端子より中継基板の外側面から遠い位置に配置
されていることを特徴とする。
有する半導体チップと、半導体チップの接続電極と配線
で接続された外部接続端子を有する、半導体チップ下に
配置された中継基板とで構成され、中継基板下に配置さ
れた外部接続端子を実装基板に接続した半導体装置であ
って、半導体チップの接続電極が、中継基板上の2以上
の外部接続端子に同時に接続され、2以上の外部接続端
子のうちの1の外部接続端子が、他の外部接続端子より
半導体チップの中央領域に近い位置に配置されているこ
とを特徴とする。
記載の発明において、複数の接続電極の90%以上の接
続電極のそれぞれが2以上の外部接続端子と接続されて
いることを特徴とする。
何れかに記載の発明において、外部接続端子が、半導体
装置の実装面に格子状に配置されていることを特徴とす
る。
何れかに記載の発明において、外部接続端子が、金属ボ
ール、金属バンプ、金属ランドの何れかにより構成され
ることを特徴とする。
いずれかに記載の発明において、前記外部接続端子がセ
ラミック基板、プリント基板又は樹脂フィルムのいずれ
かの上に形成されていることを特徴とする。
部の電子回路の1つの接続電極が2以上の外部接続端子
に同時に接続されているため、半導体装置搭載時の接続
信頼性を向上させることができる。
接続電極のうち90%以上の接続電極が、半導体装置の
内部において各々2以上の前記外部接続端子に同時に接
続されているので、半導体装置搭載時の接続信頼性が向
上し、接続不良の手直しに要する工数を削減することが
できる。
一実施形態について図面を参照して説明する。図1は本
発明に係る半導体装置の第1の実施形態の断面図であ
る。ただし、図10に示す従来の半導体装置と同様な部
材には同様な番号を付す。
る半導体チップ1と、ポリイミド基板2と、半導体チッ
プ1とポリイミド基板2とを接着する接着剤3と、銅箔
4と、レジスト6と、半田バンプ7とで構成されてい
る。より具体的には、半導体チップ1は接続電極9を有
する面を中継基板であるポリイミド基板2と接着剤3に
より固定されており、ポリイミド基板2の半導体チップ
1と接する面の裏面には銅箔4および半田ボールによる
半田バンプ7a〜7dが形成され、銅箔4は外部接続端
子である半田バンプ7a〜7dに接続されている。銅箔
4は半導体チップ1の接続電極9a又は9b直上まで配
線されており、半導体チップ1の接続電極9a又は9b
と銅箔4は銅スルーホール5a,5bで接続されてい
る。この接続方法は、TAB技術の手法であるギャング
(一括)ボンディングやシングルポイントボンディング
により行われる。半導体チップ1は外周を封入樹脂8で
覆われており外界の影響から遮断されている。ただし、
上述の外部接続端子としては、半田ボールに限定される
ことなく、その他の金属ボール、金属バンプ、金属ラン
ド等でも良いことは明らかである。
半導体装置においては従来の半導体装置と異なり、2個
の半田バンプ7a,7bが一個の銅スルーホール5aに
接続され、一個の半導体チップ1の入出力端子である接
続電極9aに接続されている。具体的には、銅スルーホ
ール5aが半田バンプ7a,7bに、銅スルーホール5
bが半田バンプ7c,7dに接続されている。
偶数個の場合の半導体装置の裏面、すなわちプリント基
板に実装される面を示したものである。
1の三角形の部分についてのみ詳述し、他の右、上、左
の三角形の部分は下側の三角形の部分と同一の配置にな
るので省略してある。
接続電極と銅スルーホール5の接続部が外周に配置さ
れ、半導体チップ中央部に外部接続端子である半田バン
プ7が縦横各16個の0.5mmピッチで格子状に合計
256個配置されている。
の配線パターン10の一例を示す。64個の半田バンプ
7と32個の銅スルーホール5とが配置され、64個の
半田バンプ7の内のいずれか2個の半田バンプ7を一個
の銅スルーホール5に接続するように構成されている。
また、この図に示されるように2個の半田バンプ7は、
一個は外側にもう一個はできるだけ内側になるように配
置されている。
ンプ7の収容面積が7.5mm角必要であるため、半導
体チップ1の接続電極9が約8.5mm角以上で配置さ
れないと内側の領域に配置できない。また、半導体チッ
プ1の1個の接続電極9を2個の半田バンプ7に100
%接続するためには、半導体チップ1の接続電極9は、
128個必要になる。8.5mm角上への半導体チップ
1の接続電極数は、ピッチを124ミクロンと仮定する
と、244ピンまで配置可能である。
は、半導体チップ1の接続電極9が244ピンあり、そ
のうち実際に使用するピン数が、128ピンの場合を示
していることになる。244ピン全てを2個の半田バン
プ7に接続する場合には、図4に示すように半導体チッ
プ1の接続電極9より外のエリアにも半田バンプ7b、
7dを配置する必要がある。
続端子が奇数個の場合の半導体装置の裏面、すなわちプ
リント基板に実装される面を示したものである。本図も
図2同様に半田バンプ7は下側の4分の一の三角形の部
分についてのみ詳述し、他の右、上及び左の三角形の部
分は下側の三角形の部分と同一の配置になるので省略し
てある。また、この三角形の部分の半田バンプ7の配置
は左右対称になっている。
接続電極9と銅スルーホール5の接続部が外周に配置さ
れ、半導体チップ中央部に外部接続端子である半田バン
プ7が縦横各17個の0.5mmピッチで格子状に配置
されているが、中央の1個は使用しないため、半田バン
プ7は合計288個配置されていることになる。
の配線パターン10の一例を示す。ただし、図5に示す
半田バンプ7の配置が、三角形の部分の左右が対称であ
るため、右半分についてのみ示す。この図において、3
6個の半田バンプ7と18個の銅スルーホール5とが配
置され、2個の半田バンプ7を1個の銅スルーホール5
に接続するように構成されている。
ンプ7の収容面積が8.0mm角必要であるため、半導
体チップ1の接続電極9が約9.0mm角以上で配置さ
れないと内側の領域に配置できない。また、半導体チッ
プ1の1個の接続電極9を2個の半田バンプ7に100
%接続するには、半導体チップ1の接続電極9は、14
4個必要になる。
電極数は、ピッチを124ミクロンと仮定すると、26
4ピンまで配置可能である。このため、図5、図6の実
施形態は、半導体チップ1の接続電極が264ピンあ
り、そのうち実際に使用するピン数が144ピンの場合
を示していることになる。264ピン全てを2個の半田
バンプ7に接続する場合には、前述した図4と同様に半
導体チップ1の接続電極9より外のエリアにも半田バン
プ7を配置する必要がある。
の半田バンプ7を一個の銅スルーホール5に接続するよ
うに構成されているため、接続不良率が改善され、生産
効率を向上させることができる。
施形態を示す図である。この半導体装置は、ポリイミド
基板2上のインシュレータ11上に複数の接続電極を有
する半導体チップ1が搭載されている。また、ポリイミ
ド基板2の半導体チップが搭載されている面と反対側の
面には、レジスト6及び銅パターン14a、14bが形
成されており、銅パターン14aの上には外部接続端子
として半田バンプ7a、半田バンプ7bの2個の半田バ
ンプが形成され、銅パターン14bの上には外部接続端
子として半田バンプ7a、半田バンプ7bの2個の半田
バンプが形成されている。銅パターン14a、14bは
それぞれ、ポリイミド基板2の銅スルーホール5a、5
bを介して半導体チップ1が形成されている面に貫通
し、銅電極15a、15bを形成する。また、ポリイミ
ド基板2、インシュレータ11及び半導体チップ1は全
体としてエポキシ樹脂13で覆われている。
れの接続電極は、それぞれの接続電極に対応する金属ワ
イヤ12a、金属ワイヤ12bによって、図に示すよう
に銅電極15a、15bと接続されている。銅電極上に
はNiめっき(MIN5μm)+Auめっき(厚付また
はフラッシュ)が施されている。銅電極15a、15b
はスルーホール5a、5bを介して、半導体チップ1が
形成されている面の裏面に形成された銅パターン14
a、14bと接続しており、それぞれの銅パターン14
a、14bには、図に示すようにそれぞれ2個の半田バ
ンプが形成されているので、この第2の実施形態によれ
ば、第1の実施形態と同様な効果が得られる。
ついて説明する。図8は、本発明に係る半導体装置の接
続不良率の変化を示すグラフである。このグラフにおい
て、半導体チップの接続電極の数を128とし、一個の
外部接続端子あたりの接続不良率を50ppm(par
t per million)として想定している。グ
ラフの縦軸は1個のLSIのピンあたりの接続不良率が
ppm単位で表されており、横軸は半導体チップの接続
電極のうち何パーセントの接続電極が2個の外部接続端
子に接続されているかをパーセント単位で表してある。
この場合半導体チップの接続電極の数を128としてい
るため、横軸が0%から100%の範囲内で、接続電極
に接続されている外部接続端子(半田バンプ)の数が1
28から256までの間で推移することになる。
率は百万箇所の接続に対して五十箇所の接続不良が発生
することを意味するもので、この発生頻度は極めて低い
数値であり、接続の信頼度は高い。また、良く管理され
た作業工程においてはこの程度の接続不良率を維持する
ことはできる。
を考えてみると、もし1個の接続電極に1個の外部接続
端子を接続したとすると、1個のLSIあたりの接続不
良率は図8に示すように、 128×50ppm=6400ppm となり、プリント基板1枚にこの半導体装置1個を搭載
した場合、プリント基板1万枚あたり最大64個の不良
が発生することになる。これは156枚のプリント基板
に一箇所の接続不良が発生することになり、品質上無視
できないものである。
電極と接続されている銅スルーホールをそれぞれ各々2
個の半田バンプと接続した場合、1個の接続電極に接続
されている2個の半田バンプが同時に接続不良になる確
率は、 50ppm×50ppm=0.0025ppm となり、半導体チップの接続電極と半導体装置の外部接
続端子が一対一対応時の接続不良率と比較すると、飛躍
的に向上する。また、128個の接続電極のすべてを、
各々2個の半田バンプと接続した場合の1個のLSIあ
たりの接続不良率は、 128×0.0025ppm=0.32ppm となり、従来の接続不良率に比べて2万分の1に低減さ
れる。
接続されていないようなオープンモードの接続不良のみ
に適用されるものであり、隣接した半田バンプ同士が半
田ブリッジにより短絡するショートモードには適用され
ない。しかし、よく管理された製造工程の中では圧倒的
にオープンモードの不都合が発生する割合が多い。何故
ならばショートモードが発生する場合としては、電導性
のあるゴミが付着する場合や、半田接続をする際にはそ
の半田量の管理が不適切な場合に発生するものだからで
ある。従って、総合的な接続不良率を試算するのにはオ
ープンモードのみ考慮すれば実用上足りることになる。
程度の割合の端子数を2個の外部接続端子(半田バン
プ)と接続したらよいかを検討する。
外部接続端子と接続されているものの割合(以降この割
合をAと略す。)と1個のLSIあたりの接続不良率は
図8に示すように、Aが小さいときには接続信頼性の向
上への貢献は少ないが、Aが大きければ大きいほど接続
信頼性は向上するので、A=100%、即ち半導体チッ
プの全ての接続電極が各々二個の外部接続端子と接続す
ることが理想であることはこの図からも明らかである。
しかしながら、A=100%としなくても、Aが90%
以上となると接続信頼性は急速に向上し、1桁以上の改
善が期待できるので、コスト、製造効率等とのバランス
を考えるとA=90%以上とするのが好ましい。
電極に2個の外部接続端子(半田バンプ)を接続した
が、半導体チップの1個の接続電極に3個の外部接続端
子(半田バンプ)を接続しても良い。この場合でも接続
不良率の改善の効果は認められる。しかし、1個の接続
電極を各々2個の外部接続端子と接続する場合と比較し
て、現実的な効果は少ないと考えられる。
続端子と接続する場合の接続不良率を前例と同様な方法
で計算すると、 50ppm×50ppm×50ppm=0.00000
0125ppm となり数値上は良好な効果が得られる。しかし、接続不
良率以外の不良率との関係や、外部接続端子の必要面積
が増大するため、実装効果が低下することを考慮する
と、費用対効果の点であまり得策ではない。
の効果として、半導体チップの1個の接続電極を2個の
外部接続端子と同時に接続するので、半導体装置と電子
回路を有する配線基板との接続信頼度を飛躍的に向上さ
せることができ、特に、目視作業により直接的にかつ容
易に修正作業ができないBGA(ボールグリッドアレ
イ)、TBGA(テープ ボールグリッドアレイ)、C
SP等の半導体装置の実装においてはその作業効率を格
段に向上させることのできる半導体装置を提供すること
ができる。
の数が増加するため、プリント基板と半導体装置との間
の接着強度が増すことになり、接続の信頼性向上に相乗
効果をもたらすことのできる半導体装置を提供すること
ができる。
子回路を有する配線基板との熱膨張係数差による半導体
装置の外部接続端子へのストレスは外側ほど大きく、内
側では小さくなるが、半導体チップの1個の接続電極と
接続される2個の外部接続端子を図2または図6に示す
ように1個は外側にもう1個はできるだけ内側に配置す
ることにより、半導体装置搭載時の接続歩留まりの向上
と長期接続信頼性向上を図ることができる半導体装置を
提供することができる。
示す図である。
示す図である。
パターンの一例を示す図である。
示す図である。
示す図である。
パターンの一例を示す図である。
示す図である。
グラフである。
子) 8 封入樹脂 9、9a、9b 接続電極 10 配線パターン 11 インシュレータ 12a、12b 金属ワイヤ 13 エポキシ樹脂 14a、14b 銅パターン 15a、15b 銅電極
Claims (6)
- 【請求項1】 複数の接続電極を有する半導体チップ
と、該半導体チップの接続電極と配線で接続された外部
接続端子を有する、前記半導体チップ下に配置された中
継基板とで構成され、前記中継基板下に配置された前記
外部接続端子を実装基板に接続した半導体装置であっ
て、 前記半導体チップの接続電極が、前記中継基板上の2以
上の前記外部接続端子に同時に接続され、 2以上の前記外部接続端子のうちの1の外部接続端子
が、他の外部接続端子より前記中継基板の外側面から遠
い位置に配置されていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 複数の接続電極を有する半導体チップ
と、該半導体チップの接続電極と配線で接続された外部
接続端子を有する、前記半導体チップ下に配置された中
継基板とで構成され、前記中継基板下に配置された前記
外部接続端子を実装基板に接続した半導体装置であっ
て、 前記半導体チップの接続電極が、前記中継基板上の2以
上の前記外部接続端子に同時に接続され、 2以上の前記外部接続端子のうちの1の外部接続端子
が、他の外部接続端子より前記半導体チップの中央領域
に近い位置に配置されていることを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項3】 前記複数の接続電極の90%以上の接続
電極のそれぞれが2以上の外部接続端子と接続されてい
ることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装
置。 - 【請求項4】 前記外部接続端子が、半導体装置の実装
面に格子状に配置されていることを特徴とする請求項1
から3の何れかに記載の半導体装置。 - 【請求項5】 前記外部接続端子が、金属ボール、金属
バンプ、金属ランドの何れかにより構成されることを特
徴とする請求項1から4の何れかに記載の半導体装置。 - 【請求項6】 前記外部接続端子が、セラミック基板、
プリント基板又は樹脂フィルムの何れかの上に形成され
ていることを特徴とする請求項1から5の何れかに記載
の半導体装置。
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