特開 2022-25974 半導体装置及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022025974

(43)【公開日】2022-02-10

(54)【発明の名称】半導体装置及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/02 20060101AFI20220203BHJP

【ＦＩ】

H01L23/02 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020129209

(22)【出願日】2020-07-30

(71)【出願人】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】篠崎 孝一

(57)【要約】

【課題】実装が容易で、製造コストを抑制することができる、微細バネ端子を有する半導体装置及び製造方法を提供する。
【解決手段】この半導体装置は、半導体チップ１４を載置するよう構成されセラミックからなるセラミック基板１３を備える。セラミック基板１３の上方において半導体チップ１４を載置され、セラミックからなる封止材１６により封止される。セラミック基板１３の裏面には、格子状に配列される微細バネ端子１２を備える。微細バネ端子１２は、直径と高さの比が略１：１～１．３とされている。セラミック基板１３の裏面の接続パッドには、微細バネ端子１２が接続される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体チップを載置するよう構成されセラミックからなる第１基材と、
前記第１基材の上方において前記半導体チップを封止するよう構成される、セラミックからなる第２基材と、
前記第１基材の裏面に格子状に配列される接続パッドと、
前記接続パッドに接続される微細バネ端子と
を備え、
前記微細バネ端子は、直径と高さの比が略１：１～１：１．３とされている
ことを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記微細バネ端子は、巻線ピッチが高さ方向において略均一である密着巻きのバネである、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記微細バネ端子は、第１の直径を有する線材を螺旋状に巻いて構成され、
螺旋状に形成された前記線材の間のギャップが、前記第１の直径よりも小さくされている、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記微細バネ端子は、第１の直径を有する線材を螺旋状に巻いて構成され、
螺旋状に形成された前記線材の間のギャップが、一部において前記第１の直径よりも小さくされ、他の部分において前記第１の直径よりも大きくされている、請求項２に記載の半導体装置。

【請求項5】

セラミックからなり内部に多層配線を有する第１基材に接続パッドを形成するステップと、
前記接続パッドと一致する振込孔を有する振込治具を前記第１基材の上方に設置するステップと、
前記振込治具の上方に、直径と高さの比が略１：１～１：１．３とされた微細バネ端子を載置し、前記振込孔に適宜落下させるステップと、
前記微細バネ端子を前記接続パッドに半田を用いて溶接するステップと
を備える、半導体装置の製造方法。

【請求項6】

前記微細バネ端子は、巻線ピッチが高さ方向において略均一である密着コイルバネである、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項7】

前記微細バネ端子は、第１の直径を有する線材を螺旋状に巻いて構成され、
螺旋状に形成された前記線材の間のギャップが、前記第１の直径よりも小さくされている、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。

【請求項8】

前記第１基材の上方に半導体チップを載置し、更に前記半導体チップとの間に空洞を介して、セラミックからなる第２基材を形成する、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は半導体装置及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置の小型化のため、パッケージ技術においても小型化、軽量化が進められている。その中で、エリアアレイパッケージは、端子数が４００以上のような半導体装置においても、パッケージを小型・軽量化することが出来るという特徴を有している。エリアアレイパッケージにおいては、パッケージの底面に格子状に端子が配置される。当該端子には、半田が使用される。

【0003】

パッケージ底面に格子状に配置された端子群は、端子形状によって、ボール状であればＢＧＡ（Ball Grid Array）、柱状であればＣＧＡ（Column Grid Array）と呼ばれる。また、ＣＧＡよりも細く非半田材で弾性のある金属ピンを用いるアレイとして、ＰＧＡ（Pin Grid Array）も知られている。ＢＧＡやＣＧＡがリフローにより基板に表面実装されるのに対し、ＰＧＡでは、基板に形成されたスルーホールにピンが挿入されて実装がされる。

【0004】

ＣＧＡを代替する技術として、ピンの代わりに微細バネ端子を挿入して実装を行うパッケージも知られている（例えば非特許文献１参照）。

【0005】

エリアアレイパッケージの各端子の大きさは、端子と端子の間の間隔によって異なるが、ＢＧＡの場合、端子間隔が１ｍｍであれば、端子（半田ボール）の直径は０．５～０．６ｍｍが標準的である。パッケージの使用中において温度変化が生じると、パッケージ本体及びプリント基板が熱により膨張する。パッケージ本体とプリント基板との間の熱膨張係数の差が大きいと、変形等の応力が端子に集中し、これにより端子の破損が生じる虞がある。パッケージがセラミックであり、プリント基板が通常のＦＲ４やＦＲ５である場合には、熱膨張係数の差が更に大きくなり、破損の可能性が更に高まる。

【0006】

非特許文献１に記載されているような微細バネ端子を端子とする場合、このような熱膨張係数の差をバネ端子の弾性によって吸収することができるため、熱応力耐性はＢＧＡやＰＧＡに比べ高くなる。しかし、非特許文献１に開示の微細バネ端子は、アスペクト比（高さ／バネ径）が約２．５と大きく、微細バネ端子のパッケージへの取り付けの際、個々の微細バネ端子が転倒しやすい。また、バネ端子の整列やその状態の保持が難しいという問題がある。また、微細バネ端子は、ＣＧＡパッケージと同様に、実装工程や製品の保管・移動も容易ではなく、製造コストが高くなるという問題もある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】https://spinoff.nasa.gov/Spinoff2019/it_6.html

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、実装が容易で、二次実装の接続信頼性を向上し、かつ製造コストを抑制することができる、微細バネ端子を有する半導体装置、及びその製造方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するため、本発明に係る半導体装置は、半導体チップを載置するよう構成されセラミックからなる第１基材と、前記第１基材の上方において前記半導体チップを封止するよう構成される、セラミックからなる第２基材と、前記第１基材の裏面に格子状に配列される接続パッドと、前記接続パッドに接続される微細バネ端子とを備える。前記微細バネ端子は、直径と高さの比が略１：１～１：１．３とされている。

【0010】

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、セラミックからなり内部に多層配線を有する第１基材に接続パッドを形成するステップと、前記接続パッドと一致する振込孔を有する振込治具を前記第１基材の上方に設置するステップと、前記振込治具の上方に、直径と高さの比が略１：１～１：１．３とされた微細バネ端子を載置し、前記振込孔に適宜落下させるステップと、前記微細バネ端子を前記接続パッドに半田を用いて溶接するステップとを備える。

【発明の効果】

【0011】

本発明の半導体装置によれば、実装が容易で二次実装の接続信頼性を向上し、かつ製造コストを抑制することができる、微細バネ端子を有する半導体装置、及びその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施の形態の半導体装置の概略構成を示す断面図である。

【図2】セラミック基板１３をその裏面側から見た斜視図である。

【図3】セラミック基板１３中の一部の微細バネ端子１２の拡大図である。

【図4】個々の微細バネ端子１２の構成の詳細を説明する斜視図である。

【図5】本実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

【0014】

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

【0015】

図１～図３を参照して、本実施の形態に係る半導体装置を説明する。図１は、第１の実施の形態の半導体装置の概略構成を示す断面図であり、図２は、セラミック基板１３をその裏面側から見た斜視図である。また、図３は、セラミック基板１３中の一部の微細バネ端子１２の拡大図である。

【0016】

図１に示すように、本実施の形態の半導体装置１は、プリント基板１１と、微細バネ端子１２と、セラミック基板１３と、半導体チップ１４と、ボンディングワイヤ１５と、封止材１６とを備える。

【0017】

プリント基板１１は、内部に多層配線（図示せず）を含み、エポキシ樹脂などを材料として形成される。プリント基板１１の表面には、図示は省略する配線パターンが形成されている。この配線パターンは、微細バネ端子１２の下端と接続され、微細バネ端子１２を介してセラミック基板１３と電気的に接続される。

【0018】

セラミック基板１３は、内部に多層配線（図示せず）を含み、図２に示す如く、裏面側に微細バネ端子１２を挿入するための挿入孔Ｈを備える。図示は省略するが、挿入孔Ｈの底面には、微細バネ端子１２と多層配線とを接続する接続端子（接続パッド）が形成されている。挿入孔Ｈの深さは特定の数値には限定されないが、一例として、微細バネ端子１２の長さの４０％～６０％程度に設定され得る。微細バネ端子１２のアスペクト比が小さい場合は挿入孔Ｈは不要である。微細バネ端子１２のアスペクト比が大きい場合は、整列後に自立安定させるため挿入孔Ｈを設けることが可能である。

【0019】

図３に示すように、挿入孔Ｈへの挿入後の状態において、微細バネ端子１２は、その一部が挿入孔Ｈから突出する状態となる。挿入孔Ｈの配列、大きさは、特定の形状に限定されないが、一例として、縦方向、横方向ともに１ｍｍピッチ、穴径（直径）を、０．６～０．７ｍｍ程度とすることができる。

【0020】

セラミック基板１３の上面には、半導体チップ１４が配置され、その端子は、ボンディングワイヤ１５よりセラミック基板１３の上面の端子に接続される。セラミック基板１３の上面には、この半導体チップ１４及びボンディングワイヤ１５を空洞を空けて封止する封止材が配置される。封止材１６は、セラミック基板と同様、セラミックにより構成することができる。

【0021】

図４に示すように、個々の微細バネ端子１２は、例えば直径Ｄｗが０．１ｍｍ程度の直径の小さい線材（ワイヤ）を螺旋状に巻いて構成される。微細バネ端子１２の線材の材料は、特定のものには限定されないが、高温(例えば、１５０℃程度)までバネ弾性を保持できるステンレス（ＳＵＳ）を芯材とし、はんだ付け性と耐腐食性を考慮して、芯材にＮｉ－Ａｕメッキを施したものが好ましい。

【0022】

挿入孔Ｈが上記の形状である場合、微細バネ端子１２の螺旋部分の直径Ｄは、一例として０．５５ｍｍ程度とし、バネ長Ｈは、直径Ｄの１．０倍以上で１．３倍以下の値（Ｄ≦Ｈ≦１．３Ｄ、０．５５ｍｍ≦Ｈ≦０．７２ｍｍ）とすることができる。すなわち、本実施の形態の微細バネ端子１２のアスペクト比（Ｈ／Ｄ）は、１以上１．３以下に設定される。アスペクト比を１．０倍以上１．３以下とすることにより、微細バネ端子１２をパッド上に整列させた後の安定性も向上させることができる（倒れにくくすることができる）。後述する製造工程が採用されることで、微細バネ端子１２のパッド上への整列は容易にされている。

【0023】

上記のような太さの線材を、直径Ｄ＝０．５５ｍｍで、巻き数を例えば４．５巻き程度とし、螺旋に適切なギャップＧを設定することで、バネ長Ｈ＝０．５５ｍｍ～０．７２ｍｍ（Ｄ≦Ｌ＜１．３Ｄ）程度のバネを形成することができる。本実施の形態の微細バネ端子１２は、線材の直径Ｄｗよりも小さいギャップＧ（Ｇ＜Ｄｗ）を空けて線材が螺旋状に略均一の巻線ピッチで巻かれる構造（以下、「密着巻き」）を採用する。例えば、線材の直径Ｄｗが０．１ｍｍの場合、螺旋状に巻かれた配線間のギャップＧは、０．１ｍｍよりも小さく、例えば直径Ｄｗよりも１０％～２０％程度狭い間隔（０．０８～０．０９ｍｍ）で巻かれる。微細バネ端子１２の自由長は、１ｍｍ未満の極短いバネであっても巻き数を制御することによって適宜変更することが可能である。

【0024】

また、このような密着巻き構造が採用されることにより、後述する製造工程において、複数の微細バネ端子１２同士が絡まってしまうことが防止される。ギャップＧが、線材の直径Ｄｗよりも小さくされることで、線材がギャップの間に入り込むことは防止される。なお、複数の微細バネ端子１２の製造工程における絡まりが防止できる範囲において、一部の線材のギャップを、他の部分に比べ広く、線材の直径Ｄｗよりも大きくすることも可能である。そのようにギャップを一部において広げることで、複数の微細バネ端子１２の間の絡まりを防止しつつも、微細バネ端子１２の弾性（バネ定数）を増加させることが可能になる。一例として、微細バネ端子１２の中央付近のギャップＧを、他の部分のギャップＧに比較して大きく、線材の直径Ｄｗよりも大きくすることが可能である。微細バネ端子１２の中央付近では、端部に比べてバネ同士の絡まりが生じにくく、ギャップを若干大きくしたとしても問題は生じない。

【0025】

また、一部の線材のギャップＧを、他の部分に比べ大きくすることにより、微細バネ端子１２をリフロー実装する場合において、溶解した半田がバネを這い上がり、実装後に微細バネ端子の弾性が低下することが抑制され得る。すなわち、ギャップＧが一部で大きくなっていることにより、半田が溶解しバネ構造に沿って這い上がったとしても、ギャップＧが大きくされた部分で半田の這い上がりは止まり、それ以上の這い上がりは抑止される。従って、微細バネ端子１２の弾性の低下も抑制され得る。

【0026】

次に、この第１の実施の形態の半導体装置の製造方法のうち、セラミック基板１３への微細バネ端子１２の取り付け方法に関し、図５を参照して説明する。以下では、孔Ｈがセラミック基板１３に形成される場合を説明するが、孔Ｈが形成されない場合でも、略同一の製造方法を採用することが可能である。

【0027】

まず、内部に多層配線を有するセラミック基板１３に対し、例えば格子状に複数の孔Ｈを形成する（図５（ａ））。この孔Ｈは、内部の多層配線の一部に到達するように形成される。図示は省略するが、この孔Ｈの底面に、例えばダマシン法などを用いて、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｕ）などの金属膜を形成する。この金属膜は、微細バネ端子１２とセラミック基板１３中の多層配線とを電気的に接続する接続端子（接続パッド）として機能する。また、この金属膜の上面に半田ペーストを塗布し、加熱することで予備半田を金属膜の上に形成する。予備半田に代えて、半田ペーストを塗布することも可能である。

【0028】

続いて、図５（ｂ）に示すように、上記のようにして孔Ｈ及び金属膜を形成されたセラミック基板１３の上方に、振込治具Ｊｄを設置する。この振込治具Ｊｄは、上面から下面に向けて貫通するテーパ状の振込孔Ｈｄを、孔Ｈに対応して格子状に配置されている。振込孔Ｈｄの形状は、円筒状（ストレート）でも良いし、図５（ｂ）のように逆テーパ形状（上端の直径が、下端の直径よりも大きい）であってもよい。

【0029】

この振込治具Ｊｄをセラミック基板１３の上面に、振込孔Ｈｄと孔Ｈ（接続端子）とが一致するように配置した後、この振込治具Ｊｄの上面に、前述の微細バネ端子１２を載置する。すると、微細バネ端子１２は、テーパ状の振込孔Ｈｄに落ち込んだ後、孔Ｈに挿入される。

【0030】

更にセラミック基板１３及び振込治具Ｊｄに適宜振動を加えることで、孔Ｈに向けた微細バネ端子１２の落下・挿入が更に進行する。なお、微細バネ端子１２が挿入されなかった孔Ｈがある場合には、適宜ピンセット等を用いて微細バネ端子１２を挿入し、全ての孔Ｈに微細バネ端子１２を挿入する。全ての孔Ｈに微細バネ端子１２が挿入されたら、振込孔Ｈｄの上方からレーザを照射して予備半田を溶解させ、所定時間待って凝固させる。その後、振込治具Ｊｄを取り外す。振込治具Ｊｄの取り外しの前に、微細バネ端子１２とセラミック基板１３との間の接続をテストする電気的試験を実行することも可能である。なお、この図３（ｂ）の工程を実施する前に、半田フラックスを孔Ｈの内部に塗布することができる。なお、前述のレーザは正確に孔Ｈの底部の予備半田に照射する必要があるので、位置決めや照射エネルギーは事前に条件出し/設定して、自動で実施できるようにするため、自動レーザはんだ装置が好適に使用される。

【0031】

この図５（ｂ）の工程において、非特許文献１に開示の微細バネ端子のような、アスペクト比（高さ／バネ径）が約２．５と大きい微細バネ端子を使用した場合、微細バネ端子は振込治具Ｊｄ上で転倒してしまい、振込孔Ｈｄ内に挿入され難い。一方、本実施の形態では、上記微細バネ端子１２のアスペクト比は１：１～１．３に設定されているので、振込孔Ｈｄに一部が入ることより、振込孔Ｈｄ及び孔Ｈの貫通方向に立ち上がることができる。従って、この製造方法によれば、微細バネ端子１２を、振込治具Ｊｄを用いた方法により孔Ｈに挿入することが容易になる。微細バネ端子１２のアスペクトが１：１未満となると、微細バネ端子の弾性力が低下し、熱応力耐性が不十分となる虞がある。一方、アスペクト比が１：１．３を超えると、振込治具Ｊｄを用いた挿入が困難となり、製造コストが増加する。

【0032】

次に、図５（ｃ）に示すように、セラミック基板１３の上面側から孔Ｈの内部に向けてレーザビームＬＢを照射し、これにより孔Ｈの底部の予備半田を溶解させる。溶解した半田により、微細バネ端子１２はセラミック基板１３に対し溶接される。

【0033】

以上説明したように、本実施の形態によれば、微細バネ端子をセラミック基板に容易に実装することができ、製造コストを抑制することができる。すなわち、上記のような微細バネ端子１２を用いることで、エリアアレイパッケージの基板への実装信頼性を大幅に向上させることが出来ると共に、比較的低い製造コストでのパッケージ実装が容易となる。

【0034】

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0035】

１１…プリント基板、 １２…微細バネ端子、 １３…セラミック基板、 １４…半導体チップ、 １５…ボンディングワイヤ、 １６…封止材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】