JP2001185643A - エリアアレイ実装用パッケージ基板およびこれを用いた半導体装置 - Google Patents

エリアアレイ実装用パッケージ基板およびこれを用いた半導体装置

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    • H01L2924/15311Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a ball array, e.g. BGA

Landscapes

  • Production Of Multi-Layered Print Wiring Board (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ハンダボールの大径化、実装工程の増
加、半導体チップとパッケージ基板との接続信頼性の低
化という問題を発生させることなく、パッケージ基板と
マザー基板との熱膨張係数差に起因する応力を低減する
ことを可能とするエリアアレイ実装用パッケージ基板と
これを用いた半導体装置の提供を課題とする。 【解決手段】 熱膨張係数が2〜4ppmのセラミック
ス基板と、熱膨張係数が10〜16ppmのセラミック
ス基板とで、熱膨張係数が5〜50ppm、ヤング率が
10〜2000kgf/mm2高温耐熱性フィルムを挟
持し、半導体素子搭載用電極とマザー基板接合用電極と
をパッケージ基板内で導通可能に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はBGA,CSPなど
のエリアアレイ実装用パッケージ基板に関し、特にマザ
ー基板との接合に際し、両者の熱膨張係数差に起因する
応力を低減可能なエリアアレイ実装用パッケージ基板に
関する。
【0002】
【従来の技術】近年の電子機器は、ますます小型化・軽
量化・薄型化の傾向が進み、これに用いられる部品の高
集積化が厳しく要求されている。このような背景から、
半導体パッケージの形態も、QFPなどのリードフレー
ムを用いた周辺実装タイプから、BGA・CSPなどの
ハンダボールを用いたエリアアレイ実装タイプが主流と
なりつつある。
【0003】図1は、エリアアレイ実装用パッケージ基
板例として従来のアルミナセラミック多層基板(熱膨張
係数:7ppm)を用いた実装図の断面を示すものであ
る。この図では、パッケージ多層基板1は、例えばマザ
ー基板2に実装されて使用されるが、この際に、まずバ
ンプ付き半導体素子3をパッケージ基板1にバンプ接合
等し、樹脂封止4をした後、ハンダボール5を電極パッ
ド6に搭載し、リフローしてハンダ電極を形成し、さら
にマザー基板2に再度リフローしてハンダ接合してい
る。なお、半導体素子3のバンプとマザー基板2の電極
とはビア7で導通が確保されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マザー
基板2に実装した後に温度サイクル信頼性試験を行う
と、マザー基板2とパッケージ基板1との熱膨張係数差
に起因する応力のためハンダ接合部5にクラックが生
じ、数100サイクルで断線してしまうという問題があ
る。
【0005】これを解消すべくハンダボールを大きく
し、マザー基板とパッケージ基板との隙間を大きくする
と応力が緩和されるものの薄型化という要望に応えられ
ない。加えて、隣接する電極とのショートの危険性もあ
り、実装が難しくなる。
【0006】また、マザー基板にパッケージ基板を実装
した後にマザー基板とパッケージ基板との間隙に樹脂を
流し込み封止することにより耐応力性を高める方法もあ
るが、実装のための工程が増え、製造コストも高くな
る。
【0007】また、応力の発生を小さくすべく、パッケ
ージ基板の熱膨張係数をマザー基板のそれと同等もしく
は近いものにする方法があるが、半導体チップ4とパッ
ケージ基板2との熱膨張係数差が大きくなり、半導体チ
ップとパッケージ基板との接続信頼性が低下する。
【0008】本発明は、上記の問題に鑑みなされたもの
であり、ハンダボールの大径化、実装工程の増加、半導
体チップとパッケージ基板との接続信頼性の低化という
問題を発生させることなく、パッケージ基板とマザー基
板との熱膨張係数差に起因する応力を低減することを可
能とするエリアアレイ実装用パッケージ基板とこれを用
いた半導体装置の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明のエリアアレイ実装用パッケージ基板は、熱膨張係数
が相異なる二枚のセラミック基板と、該二枚のセラミッ
ク基板の間に挟持された高温耐熱性フイルムからなり、
半導体素子を搭載する側のセラミックス基板の熱膨張係
数が2〜4ppmであり、マザー基板と接合する側のセ
ラミックス基板の熱膨張係数が10〜16ppmであ
り、挟持される高温耐熱性フィルムの熱膨張係数が5〜
50ppm、ヤング率が10〜2000kgf/mm2
であり、かつ半導体素子を搭載する側のセラミックス基
板表面には半導体素子の電極と対応した位置に搭載用電
極が設けられ、マザー基板と接合する側のセラミックス
基板表面にはマザー基板の電極部と対応した位置に接合
用電極が設けられ、該搭載用電極と該接合用電極とがパ
ッケージ基板内で導通可能に構成されたものである。
【0010】そして、好ましくは上記高温耐熱性フィル
ムが、所望の位置に導通用開口部が設けられ、該開口部
内に導電性樹脂ぺ一ストが充填されて導通可能とされて
いるものである。
【0011】また、本発明の半導体装置は上記本発明の
エリアアレイ実装用パッケージ基板を用いたものであ
る。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明のような構造とすることに
より半導体チップとパッケージ基板との熱膨張係数差、
およびパッケージ基板とマザー基板間の熱膨張係数差は
小さくなり、熱膨張係数差に起因する応力の低減が図
れ、かつ熱膨張係数の異なるセラミック間には応力を緩
和するフィルム層が介在するため、接続信頼性が向上す
る。
【0013】本発明を図に基づいて説明する。図2は本
発明のパッケージ基板を製造する工程を例示した図であ
り、図3は図2のパッケージ基板を用いて実装した図を
示したものである。
【0014】まず、熱膨張係数が5〜50ppmであ
り、ヤング率が10〜2000kgf/mm2である高
温耐熱性フィルム8に、レーザーもしくは金型を用いて
貫通孔9を形成する(図2(a))。
【0015】この高温耐熱性フィルム8は被半導体素子
実装時やハンダリフロー時の高温に耐えるようにするた
めに、熱可塑性ポリイミドフィルムなどを用いる。フイ
ルム8の熱膨張係数が5PPm未満または50PPmを
越えると、フイルム8の両面に貼り合わせる2種類のセ
ラミック基板との熱膨張係数差が大きくなり、温度サイ
クル信頼性試験時にセラミック基板とフィルムとの界面
で剥離してしまう。
【0016】また、ヤング率が2000kgf/mm2
を越えると、温度サイクル試験時に熱膨張係数の異なる
2種類のセラミック基板間に発生する応力をフィルムの
変形によって緩和することができずにフィルムとセラミ
ック基板との界面で剥離してしまう。ヤング率が10k
gf/mm2未満であると、温度サイクル試験時に2種
類のセラミック基板間に発生する応力によって過大な変
形がフィルム内に生じ、フィルム内で破断が生じてしま
う。
【0017】上記貫通孔9にAu,Ag,Cu,Pd,
Ptなどの1種または2種以上の金属粉、もしくは合金
粉と、エポキシやポリエステル、アクリル、塩化ビニ
ル、ポリイミドなどとをべ一スとした熱硬化性導電性樹
脂ぺ一スト10を充填する(図2(b))。
【0018】次に、シリコンに近い3〜5ppmの熱膨
張係数をもつセラミック基板11と、マザー基板に近い
10〜16ppmの熱膨張係数をもつセラミック基板1
2とを熱可塑性フィルム8の両面に位置合わせをしたの
ち熱圧着して貼り合わせる(図3(c))。
【0019】最後に、加熱処理して導電性樹脂を硬化さ
せ、本発明のパッケージ基板13を得る(図2
(d))。
【0020】半導体素子を実装する面に用いるセラミッ
ク基板11の熱膨張係数が2ppm未満もしくは4pp
mを越えると、温度サイクル試験時に半導体素子14と
セラミック基板11との熱膨張係数差によって生じる応
力によって半導体素子14とセラミック基板11との接
続部15の信頼性が低下する(図3)。
【0021】また、マザー基板に実装する面に用いるセ
ラミック基板12の熱膨張係数が10PPm未満もしく
は14PPmを越えると、温度サイクル試験時にセラミ
ック基板12とマザー基板17との熱膨張係数差に起因
する応力によってハンダ16内にクラックを生じ断線の
原因となる(図3)。
【0022】
【実施例】次に実施例を用いて本発明をさらに説明す
る。 (実施例1)熱膨張係数が48ppm/℃、ヤング率が
425kgf/mm2の熱可塑性ポリイミドフィルムに
金型を用いて、200μmφの孔を開孔し、パターンを
形成した。その後、この孔にAg/Pd比が8:2の金
属粉80重量部とエポキシ樹脂と硬化剤が20重量部で
ある導電性樹脂10を充填した。
【0023】半導体素子実装面のセラミック基板は、表
1に示す組成のガラス粉末とアルミナ粉末を70:30
の比率で混合したガラスセラミック粉末をグリーンシー
トに成形し、内部にAg100%からなるビア導体1
8、表面にAg/Pd比が90:10の表面導体(図2
(c)の19参照)を形成した後に積層し、875℃の
空気中で20分間焼成を行って得た。該基板の熱膨張係
数は4.2ppmであった。
【0024】 表1 成分 PbO SiO2 A12O3 B2O3 CaO 重量% 30.7 51.7 8.4 7.3 1.9
【0025】マザー基板実装面のセラミック基板は、表
2に示す組成のガラス粉末とアルミナ粉末を50:50
の比率で混合したガラスセラミック粉末をグリーンシー
トに成形し、内部にAg100%からなるビア導体2
0、表面にAg/Pd比が95:5の表面導体21を形
成したのち積層し、900℃の空気中で20分間焼成を
行って得た。該基板の熱膨張係数は12ppmであっ
た。
【0026】 表2 成分 PbO SiO2 Al2O3 B2O3 CaO Na2O BaO 重量% 20.3 46.6 8.4 7.3 1.1 10.5 5.8
【0027】これら2種類のセラミック基板を上記熱可
塑性フィルムのパターンに位置合わせし、70℃で5分
間熱圧着した。その後、150℃で15分間加熱し、導
電性樹脂を硬化させパッケージ基板を得た。
【0028】このパッケージ基板にまず半導体素子を実
装した後、マザー基板(熱膨張係数14ppm)に共晶
ハンダボールを用いて実装した。その後、−55℃で3
0分間保持と125℃で30分間保持とを繰り返す温度
サイクル試験にて信頼性を評価した。信頼性の判断は、
導通検査にて行った。
【0029】この結果、本実施例では、1000サイク
ルまで断線は発生しなかった。
【0030】(従来例)図1に示したような従来のパッ
ケージ基板(熱膨張係数は7ppm)にまず半導体素子
を実装した後、マザー基板(熱膨張係数14ppm)に
共晶ハンダポールを用いて実装した。その後、実施例と
同様にして信頼性試験を行った。
【0031】この結果、100サイクルでハンダにクラ
ックが生じて断線が発生した。
【0032】
【発明の効果】本発明のパッケージ基板は、半導体素子
実装面はシリコンに近い熱膨張係数をもち、マザー基板
実装面はマザー基板に近い熱膨張係数を有しているため
半導体素子とパッケージ基板、パッケージ基板とマザー
基板との間の熱膨張係数差に起因する応力の発生が低減
でき、かつ熱膨張係数の異なるセラミック間には応力を
緩和する高温耐熱性フィルム層が介在するため、温度サ
イクルの信頼性が非常に高く、疲労寿命を著しくのばす
ことができる。よって、エリアアレイ実装用パッケージ
基板として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来用いられているセラミック多層基板の断面
を示した図である。
【図2】本発明のセラミック多層基板の製造工程を示し
た図である。
【図3】本発明の半導体装置例の断面を示した図であ
る。
【符号の説明】
1―――パッケージ多層基板 2―――マザー基板 3―――半導体素子 4―――樹脂封止 5―――ハンダボール 6―――電極パッド 7―――ビア 8―――高温耐熱性フィルム 9―――貫通孔 10―――熱硬化性導電性樹脂ぺ一スト 11―――セラミック基板 12―――セラミック基板 13―――パッケージ基板 14―――半導体素子 15―――接続部 16―――ハンダ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】熱膨張係数が相異なる二枚のセラミック基
    板と、該二枚のセラミック基板の間に挟持された高温耐
    熱性フイルムからなり、半導体素子を搭載する側のセラ
    ミックス基板の熱膨張係数が2〜4ppmであり、マザ
    ー基板と接合する側のセラミックス基板の熱膨張係数が
    10〜16ppmであり、挟持される高温耐熱性フィル
    ムの熱膨張係数が5〜50ppm、ヤング率が10〜2
    000kgf/mm2であり、かつ半導体素子を搭載す
    る側のセラミックス基板表面には半導体素子の電極と対
    応した位置に搭載用電極が設けられ、マザー基板と接合
    する側のセラミックス基板表面にはマザー基板の電極部
    と対応した位置に接合用電極が設けられ、該搭載用電極
    と該接合用電極とがパッケージ基板内で導通可能に構成
    されたことを特徴とするエリアアレイ実装用パッケージ
    基板。
  2. 【請求項2】高温耐熱性フィルムが、所望の位置に導通
    用開口部が設けられ、該開口部内に導電性樹脂ぺ一スト
    が充填されて導通可能とされているものであることを特
    徴とする請求項1記載のエリアアレイ実装用パッケージ
    基板。
  3. 【請求項3】請求項1または2記載のエリアアレイ実装
    用パッケージ基板を用いたことを特徴とする半導体装
    置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005050881A (ja) * 2003-07-29 2005-02-24 Kyocera Corp 積層型配線基板およびその製造方法、電気装置、並びにその実装構造
JP2005072326A (ja) * 2003-08-26 2005-03-17 Kyocera Corp 積層型配線基板およびその製造方法、並びに電気装置とその実装構造
US8648459B2 (en) 2011-09-06 2014-02-11 Samsung Electronics Co., Ltd. Nitride based semiconductor package and method of manufacturing the same and bonding substrate

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