JP2002190547A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体パッケージ基板と実装基板の間の応力を
緩和することができ、かつパッケージ基板の小型化を図
ることができる半導体装置を提供する。 【解決手段】半導体パッケージ基板２と、半導体パッケ
ージ基板２上に配置された少なくとも１個以上の半導体
素子３と、半導体パッケージ基板２の半導体素子３が実
装された面とは反対側の面にアレイ状に配置された複数
のボール電極５とを備え、複数のボール電極５によって
実装基板６に接合される半導体装置１において、半導体
パッケージ基板２は、第１の板厚ｔ２の部分と、第１の
板厚とは異なる第２の板厚ｔ３の部分とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関し、
特に複数のボール電極がアレイ状に配置された半導体パ
ッケージ基板を有する半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、複数のボール電極がアレイ状に配
置された半導体素子のパッケージ基板とこの半導体素子
が実装される基板とをはんだ接合する場合、そのはんだ
接合部の信頼性を向上させるために、はんだ接合部の応
力を低減させる方法がとられてきた。

【０００３】これは、半導体素子・半導体パッケージ基
板・ボール電極・半導体素子が実装される実装基板が、
それぞれ線膨張係数が異なるため、熱が加わるとそれぞ
れ膨張率が異なり、接合部であるボール電極に大きな応
力が加わって接合部の寿命が短くなる虞があるからであ
る。

【０００４】そのため、ボール電極に加わる応力を低減
させる方法として、例えば、特開平１１−２６６３７号
に開示されているように、最も応力が加わる部分のボー
ル電極の径を大きくする方法や、特開平１１−１７６９
８０号公報に開示されているように、応力が高くなる部
分には、ボール電極を設けない方法が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例のうち特開平１１ー２６６３７号公報に記載の、最
も応力が高くなる部分のボール電極を大きくするもの
は、パッケージ基板の小型化に支障があり、はんだの使
用量が増えてしまう。

【０００６】また、特開平１１−１７６９８０号公報に
記載の、応力が高くなる部分にボール電極を設けないも
のも、パッケージ基板の小型化に対して問題がある。

【０００７】したがって、本発明は上述した課題に鑑み
てなされたものであり、その目的は、半導体パッケージ
基板と実装基板の間の応力を緩和することができ、かつ
パッケージ基板の小型化を図ることができる半導体装置
を提供することである。

【０００８】

【課題を解決する手段】上述した課題を解決し、目的を
達成するために、本発明に係わる半導体装置は、半導体
パッケージ基板と、該半導体パッケージ基板上に配置さ
れた少なくとも１個以上の半導体素子と、前記半導体パ
ッケージ基板の前記半導体素子が実装された面とは反対
側の面にアレイ状に配置された複数のボール電極とを備
え、前記複数のボール電極によって実装基板に接合され
る半導体装置において、前記半導体パッケージ基板は、
第１の板厚の部分と、該第１の板厚とは異なる第２の板
厚の部分とを有することを特徴としている。

【０００９】また、この発明に係わる半導体装置におい
て、前記半導体パッケージ基板は、前記半導体素子の下
面に位置する部分と、前記半導体素子の周辺に位置する
部分とで、板厚が異なることを特徴としている。

【００１０】また、この発明に係わる半導体装置におい
て、前記半導体パッケージ基板は、前記半導体素子の下
面に位置する部分の板厚が前記半導体装置が実装される
前記実装基板の板厚よりも厚く、前記半導体素子の周辺
部に位置する部分の板厚が前記半導体装置が実装される
前記実装基板の板厚よりも薄いことを特徴としている。

【００１１】また、この発明に係わる半導体装置におい
て、前記半導体装置は、マルチチップモジュールである
ことを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な一実施形態
について、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００１３】図１は、本発明の一実施形態の構成を示
す、複数のボール電極がアレイ状に配置された半導体装
置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、
（ｃ）は半導体装置を裏面から見た平面図である。

【００１４】図２は、半導体パッケージ基板が熱で変形
する様子を示した図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）はそれぞれ半導体パッケージ基板厚の差による変
形の違いを示している。

【００１５】図３は、従来の構成を示す複数のボール電
極がアレイ状に配置された半導体装置を示す図であり、
（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は複数のボー
ル電極がアレイ状に配置された半導体素子を裏面から見
た図である。

【００１６】図１において、半導体装置１は、一枚のパ
ッケージ基板の上に少なくとも１個以上の半導体素子が
搭載された電子部品である。半導体装置１は、半導体パ
ッケージ基板２と、少なくとも１個以上の半導体素子３
と、半導体素子接続部４と、複数のボール電極５とを備
えて構成されている。

【００１７】パッケージ基板２には、複数の半導体素子
３と複数のボール電極５とを、適宜接続する配線が形成
されている（図示せず）。パッケージ基板２の材質とし
ては、例えばガラスエポキシ樹脂が使われる。

【００１８】少なくとも１個以上の半導体素子３は、個
々に役割を持った半導体素子から成り、本実施形態で
は、２個の半導体素子を実装した例を示している。少な
くとも１個以上の半導体素子３は、半導体素子裏面に設
けられた複数の電極（図示せず）を通じて、半導体パッ
ケージ基板２に接続されている。半導体素子３の材質は
シリコンである。

【００１９】複数のボール電極５は、図１（ｃ）に示す
ように、パッケージ基板２の裏面にアレイ状に配置され
ている。ボール電極５の材質は、例えば鉛共晶はんだで
ある。

【００２０】半導体素子３が実装される実装基板６に
は、パッケージ基板２の複数のボール電極に対応した位
置にアレイ状に端子を設け（図示せず）、パッケージ基
板２とは、はんだである複数のボール電極５で接合され
る。実装基板６の材質は、例えばガラスエポキシ樹脂で
ある。

【００２１】図２は、パッケージ基板が熱で変形する様
子を示した図である。

【００２２】半導体パッケージ基板２を、半導体装置が
実装される実装基板６に実装した状態での熱による変形
について述べる。

【００２３】半導体素子３と、半導体パッケージ基板２
もしくは半導体装置が実装される実装基板６の線膨張係
数を比較すると、半導体素子３の材質をシリコン、半導
体パッケージ基板２と半導体素子が実装される実装基板
６の材質をガラスエポキシ樹脂とすると、シリコンの線
膨張係数は約１桁小さい。このため、半導体素子３等の
発熱により、半導体パッケージ基板２の温度が上昇する
と、図２（ａ）、（ｂ）に示したように、半導体パッケ
ージ基板２の半導体素子３とは反対側の伸びが顕著にな
り、半導体素子３を上面とすると、下に凸となる形態で
変形が起こる。これは、いわゆる「バイメタル効果」と
同等の現象である。

【００２４】複数のボール電極５がアレイ状に配置され
た半導体パッケージ基板２の厚さの違いにより、反り量
が異なる要因を説明する。

【００２５】図２（ａ）のように複数のボール電極５が
アレイ状に配置された半導体パッケージ基板２が薄くな
ると、半導体素子３の熱膨張の影響を受けやすく、水平
面内での半導体パッケージ基板２の熱変形が起こりにく
くなる。逆に、図２（ｂ）のように半導体パッケージ基
板２が厚くなると、半導体素子３の熱膨張の影響が小さ
くなり、半導体パッケージ基板２の裏面側で熱変形が起
こりやすくなる。

【００２６】その結果、半導体パッケージ基板２が薄い
と反り量は小さく、半導体パッケージ基板２が厚くなる
と反り量は大きくなる。

【００２７】図２（ｃ）、（ｄ）のように半導体素子３
との境界部分では、半導体パッケージ基板２が薄いと曲
げ角度が大きく、半導体パッケージ基板２が厚いと曲げ
角度が小さくなる。これは、半導体素子３が実装された
反対側の半導体パッケージ基板２は、熱による膨張量が
同一になるが（周辺部なので半導体素子の影響は無
い）、厚さの分、曲げ角度が異なるからである。

【００２８】上記２通りの現象から、はんだ接続部に加
わる応力について説明する。 （１）水平方向の応力 半導体パッケージ基板２が薄いと、半導体素子３の熱膨
張の影響を受けやすく、水平面内の半導体パッケージ基
板２の熱膨張が起こりにくくなるため、実装基板６側の
熱膨張と差が大きくなり、はんだ接合部全体に剪断応力
が作用するようになると考えられる。

【００２９】逆に、半導体パッケージ基板２が厚くなる
と、半導体素子３の影響を受けにくく、実装基板６と同
様の熱変形を起こすようになるため、はんだ接合部の剪
断応力が低下してくると考えられる。 （２）垂直方向の応力 図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、半導体素子３の周辺
部で反りが生じるようになる。半導体パッケージ基板２
が、実装される実装基板６より薄い場合は、実装基板６
の剛性が勝り（半導体パッケージ基板２の単体では反り
が大きかった）、半導体パッケージ基板２が反りにく
く、半導体素子３より外側に位置する基板２の周辺部の
はんだ接合部に加わる引っ張り応力は、比較的小さくな
ると考えられる。

【００３０】逆に、半導体パッケージ基板２が厚くなる
と、半導体パッケージ基板２の剛性が勝り、反り易くな
る。そのため、半導体素子３より外側に位置する基板２
の周辺部のはんだ接合部の引っ張り応力が高くなると考
えられる。

【００３１】上記応力を緩和させるには、半導体パッケ
ージ基板２の厚さを実装基板６の厚さに比べ、半導体素
子３の下面は厚く、半導体素子３の周辺部は薄くするこ
とで解決できる。

【００３２】図１（ｂ）において、実装基板６の厚さを
ｔ１、半導体パッケージ基板２のうち、半導体素子３の
下面の部分の厚さをｔ２、半導体素子３の周辺部の厚さ
をｔ３とすると、 ｔ２＞ｔ１＞ｔ３ なる関係にすることで、はんだ接合部に加わる応力を緩
和し、最適化できる。

【００３３】図３は、従来の構成を示す複数のボール電
極がアレイ状に配置された半導体装置１ａを示す図であ
り、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体
素子を裏面から見た平面図である。

【００３４】図３において、半導体パッケージ基板２ａ
の厚みは一様である。

【００３５】さらに、半導体素子３の周辺部で半導体パ
ッケージ基板２の厚さを薄くすることで、半導体パッケ
ージ基板２が反って半導体素子３のエッジ部と接触をお
こし、応力集中することも防ぐことができる。

【００３６】なお、本発明は、その主旨を免脱しない範
囲で、上記実施形態を修正または変形したものに適用可
能である。

【００３７】例えば、ＭＣＭ（マルチチップモジュー
ル）、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）、ＣＳＰと言っ
た半導体装置にも使用可能である。

【００３８】以上説明したように、上記の実施形態によ
れば、ボール電極の応力緩和を半導体パッケージ基板の
板厚形状の設定の仕方で行うことができるので、ボール
電極の小型化、高密度化に対応でき、より小型で信頼性
の高い半導体装置を供給できる。

【００３９】また、ボール電極の応力緩和をＭＣＭパッ
ケージ基板の板厚形状の設定のしかたで行うことができ
るので、ボール電極の小型化、高密度化に対応でき、よ
り小型で信頼性の高いＭＣＭ半導体装置を供給できる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体パッケージ基板と実装基板の間の応力を緩和する
ことができ、かつパッケージ基板の小型化を図ることが
できる半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の構成を示す、複数のボー
ル電極がアレイ状に配置された半導体装置を示す図であ
り、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体
装置を裏面から見た平面図である。

【図２】半導体パッケージ基板が熱で変形する様子を示
した図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれ
ぞれ半導体パッケージ基板厚の差による変形の違いを示
した図である。

【図３】従来の構成を示す複数のボール電極がアレイ状
に配置された半導体装置を示す図であり、（ａ）は平面
図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は複数のボール電極がアレ
イ状に配置された半導体素子を裏面から見た図である。

【符号の説明】

１ 半導体装置 ２ 半導体パッケージ基板 ３ 半導体素子 ４ 半導体素子接続部 ５ ボール電極（はんだ） ６ 実装基板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体パッケージ基板と、該半導体パッ
   ケージ基板上に配置された少なくとも１個以上の半導体
   素子と、前記半導体パッケージ基板の前記半導体素子が
   実装された面とは反対側の面にアレイ状に配置された複
   数のボール電極とを備え、前記複数のボール電極によっ
   て実装基板に接合される半導体装置において、 前記半導体パッケージ基板は、第１の板厚の部分と、該
   第１の板厚とは異なる第２の板厚の部分とを有すること
   を特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 前記半導体パッケージ基板は、前記半導
   体素子の下面に位置する部分と、前記半導体素子の周辺
   に位置する部分とで、板厚が異なることを特徴とする請
   求項１に記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 前記半導体パッケージ基板は、前記半導
   体素子の下面に位置する部分の板厚が前記半導体装置が
   実装される前記実装基板の板厚よりも厚く、前記半導体
   素子の周辺部に位置する部分の板厚が前記半導体装置が
   実装される前記実装基板の板厚よりも薄いことを特徴と
   する請求項２に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記半導体装置は、マルチチップモジュ
   ールであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装
   置。