JP2006165088A

JP2006165088A - ボールグリッドアレイ

Info

Publication number: JP2006165088A
Application number: JP2004350917A
Authority: JP
Inventors: Motonori Shoda; 元紀庄田; Toshifumi Morita; 敏文森田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】配線板の熱膨張率の差によって発生する半田ボールへの応力を緩和して、接続不良の発生しにくい信頼性の高いＢＧＡパッケージを提供する。
【解決手段】絶縁基板２の表面にマザーボードに対して接合するための半田ボール１７，１８をＢＧＡ状に有するＢＧＡパッケージにおいて、絶縁基板２に配置される半田ボールは、少なくとも最外周の半田ボール１７をコア部材の外周を半田材料で覆われた導電性樹脂ボールで形成し、半田ボールが配置される絶縁基板２を接続するマザーボードは、ＢＧＡ状に配置されるランド部と、該マザー基板の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホールとを有し、マザーボードにＢＧＡ状に配置される最外周のランド部を内側のランド部より大きくすることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ボールグリッドアレイ（以下ＢＧＡという。）に関し、特に接続信頼性に優れたＢＧＡに関するものである。

従来のＢＧＡは、図８、図９に示すように、接続端子を多数持つＢＧＡ型部品を搭載した基板２をマザーボードとなるプリント配線板３に実装するために、グリッド状に並べた半田ボール４にて接続が行われている。この半田ボール４に対応したプリント配線板３のランド部５とプリント配線板内部及び表裏の間を電気的に接続するためにビアホール６が設けられている。ＢＧＡ型部品を搭載した基板２とプリント配線板３との間の熱膨張率の差による応力が半田ボール４や半田ボール４の付け根部分に発生し、この応力はBGAの最外周、特に四隅の半田ボールにおいて最大となる。応力のかかる四隅付近の半田ボールに対応するプリント配線板のランド部５をビアホール６の中心からずらすことで、半田ボール４とランド部５の接続強度を増加し、半田ボール４の付け根部分のクラックを防いでいる。（例えば、特許文献１）
また、周辺部側の面実装用パッド面を中央側の面実装用パッド面よりも大きく設定する実装用配線基板が開示されている（特許文献２）。また、コア材が少なくとも室温で半田よりも弾性率の小さい、柔軟性を備えた樹脂ボールからなり、表面に導電材料層を有する樹脂導電ボールを用いて半導体チップを配線基板に、そして配線基板をマザーボードに接合することにより信頼性を向上させることが開示されている（特許文献３）。
特開平１０−２２３８０３号公報特開平１０−１２６０２９号公報特開平１０−１７３００６号公報

しかしながら、従来の構成では、プリント配線板に実装されたＢＧＡパッケージにおいて、温度変化による熱膨張及び熱収縮の際、基板に反りが発生する。ＢＧＡ型部品を搭載した基板とプリント配線板との間の熱膨張率の差による基板の反りの応力により半田ボールにクラックが発生し、接続不良が生じている。温度変化による基板の反りは基板の中心から外側にいくほど大きくなり、応力はBGAの最外周、特に四隅の半田ボールにおいて最大となり、四隅の半田ボールにクラックが発生する。従来の技術では四隅付近の半田ボールとプリント配線板のランド部の接続強度を増加し、半田ボール付け根部分のクラックを防いでいるが、半田ボール内部に発生する応力を緩和することはできず、半田ボールにクラックが発生するという課題を有していた。

本発明は従来の課題を解決するもので、配線板の熱膨張率の差によって発生する半田ボールへの応力を緩和して、接続不良の発生しにくい信頼性の高いＢＧＡパッケージを提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、本発明のＢＧＡパッケージは、絶縁基板の表面にマザーボードに対して接合するための半田ボールをＢＧＡ状に有するＢＧＡパッケージにおいて、
前記絶縁基板に配置される半田ボールは、少なくとも最外周の半田ボールをコア部材の外周を半田材料で覆われた導電性樹脂ボールで形成し、前記半田ボールが配置される絶縁基板を接続するマザーボードは、ＢＧＡ状に配置されるランド部と、該マザー基板の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホールとを有し、前記マザーボードにＢＧＡ状に配置される最外周のランド部を内側のランド部より大きくすることを特徴としたものである。

また、本発明のＢＧＡパッケージは、絶縁基板の表面にマザーボードに対して接合するための半田ボールをＢＧＡ状に有するＢＧＡパッケージにおいて、前記絶縁基板に配置される半田ボールは、少なくとも最外周の四隅に配置する半田ボールをコア部材の外周を半田材料で覆われた導電性樹脂ボールで形成し、前記半田ボールが配置される絶縁基板を接続するマザーボードは、ＢＧＡ状に配置されるランド部と、該マザー基板の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホールとを有し、前記マザーボードにＢＧＡ状に配置される最外周のランド部を内側のランド部より大きくすることを特徴としたものである。

また、本発明のＢＧＡパッケージは、絶縁基板の表面にマザーボードに対して接合するための半田ボールをＢＧＡ状に有するＢＧＡパッケージにおいて、前記絶縁基板に配置される半田ボールは、少なくとも最外周の四隅に配置する半田ボールと該最外周の四隅に配置される半田ボールに隣接する最外周の半田ボールをコア部材の外周を半田材料で覆われた導電性樹脂ボールで形成し、前記半田ボールが配置される絶縁基板を接続するマザーボードは、ＢＧＡ状に配置されるランド部と、該マザー基板の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホールとを有し、前記マザーボードにＢＧＡ状に配置される最外周のランド部を内側のランド部より大きくすることを特徴としたものである。

本発明のＢＧＡパッケージにおいて、温度変化によるＢＧＡ型部品を搭載した基板とプリント配線板との間の熱膨張率の差による半田ボールへの応力を緩和することができる。温度変化による応力が大きくなるBGAの最外周、特に四隅においてクラックの発生を防ぐことができる。さらに、半田ボールとプリント配線板のランド部の接続強度を増加することで、半田ボール付け根部分の応力を緩和し、半田ボールとプリント配線板のランド部の間での剥がれを防ぐことができる。

以下に、本発明のＢＧＡパッケージの実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明のＢＧＡ型部品を搭載した基板及びマザーボードとなるプリント配線板の側面図であり、図２はBGAパッケージの平面図である。また、図３は本発明の実施例１におけるプリント配線板の隅の平面拡大図である。図１、図２、図３に示すように、セラミックを主基材とする基板２の表面に半導体チップ１がフリップチップ実装され、基板２の裏面にマザーボードとなる絶縁性のプリント配線板３に電気的に接続するためのＢＧＡに対応した導体回路であるランド部がグリッド状に配置されている。ランド間のピッチは０．８ｍｍ程度である。この最外周のランド部１１を内側のランド部１２より大きくしている。

プリント配線板３は、ガラスエポキシやフェノール樹脂等の絶縁材料で形成されており、表面にＢＧＡに対応した導体回路のランド部や配線パターンが配列されており、プリント配線板３の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホール１３が形成されている。配列された最外周のランド部１４は、内側のランド部１５よりその面積を大きくすると共にビアホール１３の中心からずれた位置に配置され、導体パターン１６はビアホール１３を介してプリント配線板３の裏面の導体回路１９と電気的に接続されている。そして、ＢＧＡの最外周に配置される半田ボールを導電性樹脂ボール１７とする。

即ち、マザーボードであるプリント配線板３に形成されるランドは、ＢＧＡに対応してグリッド状に配置され最外周のランド部１４を内側のランド部１５より大きくし、プリント配線板３の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホール１３を有する。そして、ＢＧＡの最外周に配置される半田ボールは、図１に示すようにＢＧＡパッケージを搭載する基板２を接続するプリント配線基板３に形成されるビアホール１３の中心からずれたオフセット位置に配置される。

導電性樹脂ボール１７は、コア部材が室温で半田より弾性率の小さく柔軟性を備えた樹脂ボールとし、その外周をＣｕ等の金属を無電解めっきし、さらにその外周を半田材料で覆われたものとする。この導電性樹脂ボール１７は、最外周にのみ配置し、これ以外のＢＧＡを６３Ｓｎ／３７Ｐｂの組成の半田ボール１８とする。導電性樹脂ボール１７及び半田ボール１８の径は０．５ｍｍ程度とする。

まず、セラミックを主とする基板２のランド部に６３Ｓｎ／３７Ｐｂの組成の半田をあらかじめ塗布しておき、導電性樹脂ボール１７及び半田ボール１８を仮固定する。ＢＧＡパッケージをピーク温度が２２０℃となるようにしたリフロー装置に投入し、半田を溶融しセラミック基板２に導電性樹脂ボール１７及び半田ボール１８を実装する。

プリント基板配線板３の導体回路のランド部に６３Ｓｎ／３７Ｐｂの組成の半田をあらかじめ塗布しておき、ＢＧＡパッケージに実装された導電性樹脂ボール１７及び半田ボール１８と、これに対応したプリント配線板３のランド部を位置合わせする。ピーク温度が２２０℃となるようにしたリフロー装置に投入し、半田を溶融しプリント配線板にＢＧＡ型部品を搭載した基板を実装する。

以上のように本実施例１においてはプリント配線板３に、半導体チップ１が実装された基板２を実装するために半田ボールを有するＢＧＡパッケージにおいて、ＢＧＡパッケージの少なくとも最外周の半田ボールをコア部材の外周を半田材料で覆われた導電性樹脂ボール１７とし、半田ボールに発生する応力をコア部の樹脂の柔軟性で緩和することができる。

半田ボールは、半導体チップが実装された基板であるＢＧＡ型部品が搭載された基板２とプリント配線基板の熱膨張の差により熱ストレスを受ける。セラミックを主基材とするＢＧＡ型部品が搭載された基板２よりもプリント配線基板のほうが熱による膨張・収縮量が大きく、この膨張・収縮量の差によりBGAパッケージとプリント配線基板を接続している半田ボールに応力が加わる。BGAパッケージの縦横方向の中心より外側にいくほど、中心側の膨張・収縮量の影響を受け、膨張・収縮量の差は大きくなる。このため中心からの距離が離れるほど半田ボールに加わる応力は増加する。また、ボールが溶融後固まるが、この半田が溶融状態から固体へ変化する固層化は、熱の印加がなくなると急激に起こり、全方向に熱ストレスが加わる。隣接する半田ボールから熱ストレスの影響を受けるが、4隅の半田ボールに隣接する半田ボールは３個で４隅以外の外周部の半田ボールは５個、内周部は、８個の半田ボールから受けることになり、４隅の半田ボールが最も偏った方向からの熱ストレスを受けることになり、半田クラックが生じる場合が起こる。

導電性樹脂ボール１７に対応するプリント配線板のランド部１４をビアホール１３の中心からずらすことでプリント配線板のランド部とＢＧＡの接触面積の増大により接続強度を高めることができる。さらに導電性樹脂ボール１７に対応するセラミック基板のランド部１１とプリント配線板のランド部１４を大きくすることでＢＧＡとの接触面積の増大により、セラミック基板のランド部とＢＧＡ、プリント配線板のランド部とＢＧＡそれぞれの接続強度を増加することができる。セラミック基板のランド部とＢＧＡ、プリント配線板のランド部とＢＧＡそれぞれの接続強度を増加して、温度変化によって発生する応力によるＢＧＡのランド部からの剥がれを防止することができる。温度変化によるＢＧＡ型部品が搭載された基板２とプリント配線板３との間の熱膨張率の差によるＢＧＡへの応力を樹脂ボールの柔軟性により吸収することができ、温度変化による応力が大きくなるＢＧＡの最外周のクラックの発生を防ぐことができる。

本発明の第２の実施の形態を図１、図４、図５を用いて説明する。図４はBGAパッケージの平面図である。また、図５は本発明の実施例２におけるプリント配線板の隅の平面拡大図である。図１、図４、図５に示すように、セラミックを主基材とする基板２の表面に半導体チップ１がフリップチップ実装され、裏面にマザーボードとなる絶縁性のプリント配線板３に電気的に接続するためのＢＧＡに対応した導体回路であるランド部がグリッド状に配置されている。ランド間のピッチは０．８ｍｍ程度である。この最外周の四隅のランド部１１を内側のランド部１２より大きくしている。

プリント配線板３は、ガラスエポキシやフェノール樹脂等の絶縁材料で形成されており、表面にＢＧＡに対応した導体回路のランド部や配線パターンが配列されており、プリント配線板３の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホール１３が形成されている。配列された最外周の四隅のランド部１４は、内側のランド部１５よりその面積を大きくすると共にビアホール１３の中心からずれた位置に配置され、導体パターン１６はビアホール１３を介してプリント配線板３の裏面の導体回路１９と電気的に接続されている。そして、ＢＧＡの最外周の四隅に配置される半田ボールを導電性樹脂ボール１７とする。

導電性樹脂ボール１７は、コア部材が室温で半田より弾性率の小さく柔軟性を備えた樹脂ボールとし、その外周をＣｕ等の金属を無電解めっきし、さらにその外周を半田材料で覆われたものとする。この導電性樹脂ボール１７は、最外周の四隅にのみ配置し、これ以外のＢＧＡを６３Ｓｎ／３７Ｐｂの組成の半田ボール１８とする。導電性樹脂ボール１７及び半田ボール１８の径は０．５ｍｍ程度とする。

以上のように本実施例２においてはプリント配線板３に、半導体チップ１が実装された基板２を実装するために半田ボールを有するＢＧＡパッケージにおいて、ＢＧＡパッケージの少なくとも最外周の四隅の半田ボールをコア部材の外周を半田材料で覆われた導電性樹脂ボール１７とし、半田ボールに発生する応力をコア部の樹脂の柔軟性で緩和することができる。

導電性樹脂ボール１７に対応するプリント配線板のランド部１４をビアホール１３の中心からずらすことでプリント配線板のランド部とＢＧＡの接触面積の増大により接続強度を高めることができる。さらに導電性樹脂ボール１７に対応するセラミック基板のランド部１１とプリント配線板のランド部１４を大きくすることでＢＧＡとの接触面積の増大により、セラミック基板のランド部とＢＧＡ、プリント配線板のランド部とＢＧＡそれぞれの接続強度を増加することができる。セラミック基板のランド部とＢＧＡ、プリント配線板のランド部とＢＧＡそれぞれの接続強度を増加して、温度変化によって発生する応力によるＢＧＡのランド部からの剥がれを防止することができる。温度変化によるＢＧＡパッケージの基板２とプリント配線板３との間の熱膨張率の差によるＢＧＡへの応力を樹脂ボールの柔軟性により吸収することができ、温度変化による応力が大きくなるBGAの最外周のクラックの発生を防ぐことができる。

本発明の第３の実施の形態を図１、図６、図７を用いて説明する。図６はBGAパッケージの平面図である。また、図７は本発明の実施例３におけるプリント配線板の隅の平面拡大図である。図１、図６、図７に示すように、セラミックを主基材とする基板２の表面に半導体チップ１がフリップチップ実装され、裏面にマザーボードとなる絶縁性のプリント配線板３に電気的に接続するためのＢＧＡに対応した導体回路であるランド部がグリッド状に配置されている。ランド間のピッチは０．８ｍｍ程度である。この最外周の四隅と、最外周の四隅に隣接する最外周のランド部１１を内側のランド部１２より大きくしている。

プリント配線板３は、ガラスエポキシやフェノール樹脂等の絶縁材料で形成されており、表面にＢＧＡに対応した導体回路のランド部や配線パターンが配列されており、プリント配線板３の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホール１３が形成されている。配列された最外周の四隅と、最外周の四隅に隣接する最外周のランド部１４は、内側のランド部１５よりその面積を大きくすると共にビアホール１３の中心からずれた位置に配置され、導体パターン１６はビアホール１３を介してプリント配線板３の裏面の導体回路１９と電気的に接続されている。そして、ＢＧＡの最外周の四隅と、最外周の四隅に隣接する最外周に配置される半田ボールを導電性樹脂ボール１７とする。

導電性樹脂ボール１７は、コア部材が室温で半田より弾性率の小さく柔軟性を備えた樹脂ボールとし、その外周をＣｕ等の金属を無電解めっきし、さらにその外周を半田材料で覆われたものとする。この導電性樹脂ボール１７は、最外周の四隅と、最外周の四隅に隣接する最外周にのみ配置し、これ以外のＢＧＡを６３Ｓｎ／３７Ｐｂの組成の半田ボール１８とする。導電性樹脂ボール１７及び半田ボール１８の径は０．５ｍｍ程度とする。

まず、セラミックを主とする基板２のランド部に６３Ｓｎ／３７Ｐｂの組成の半田をあらかじめ塗布しておき、導電性樹脂ボール１７及び半田ボール１８を仮固定する。ＢＧＡ型部品を搭載した基板をピーク温度が２２０℃となるようにしたリフロー装置に投入し、半田を溶融しセラミック基板２に導電性樹脂ボール１７及び半田ボール１８を実装する。

プリント基板配線板３の導体回路のランド部に６３Ｓｎ／３７Ｐｂの組成の半田をあらかじめ塗布しておき、ＢＧＡパッケージに実装された導電性樹脂ボール１７及び半田ボール１８と、これに対応したプリント配線板３のランド部を位置合わせする。ピーク温度が２２０℃となるようにしたリフロー装置に投入し、半田を溶融しプリント配線板にＢＧＡパッケージを実装する。
以上のように本実施例３においてはプリント配線板３に、半導体チップ１が実装された基板２を実装するために半田ボールを有するＢＧＡパッケージにおいて、ＢＧＡパッケージの少なくとも最外周の四隅と最外周の四隅に隣接する最外周の半田ボールをコア部材の外周を半田材料で覆われた導電性樹脂ボール１７とし、半田ボールに発生する応力をコア部の樹脂の柔軟性で緩和することができる。

導電性樹脂ボール１７に対応するプリント配線板のランド部１４をビアホール１３の中心からずらすことでプリント配線板のランド部とＢＧＡの接触面積の増大により接続強度を高めることができる。さらに導電性樹脂ボール１７に対応するセラミック基板のランド部１１とプリント配線板のランド部１４を大きくすることでＢＧＡとの接触面積の増大により、セラミック基板のランド部とＢＧＡ、プリント配線板のランド部とＢＧＡそれぞれの接続強度を増加することができる。セラミック基板のランド部とＢＧＡ、プリント配線板のランド部とＢＧＡそれぞれの接続強度を増加して、温度変化によって発生する応力によるＢＧＡのランド部からの剥がれを防止することができる。温度変化によるＢＧＡ型部品を搭載した基板２とプリント配線板３との間の熱膨張率の差によるＢＧＡへの応力を樹脂ボールの柔軟性により吸収することができ、温度変化による応力が大きくなるBGAの最外周のクラックの発生を防ぐことができる。

本発明にかかるＢＧＡパッケージは、温度変化によるＢＧＡ型部品を搭載した基板とプリント配線板との間の熱膨張率の差による半田ボールへの応力を緩和することができる。温度変化による応力が大きくなるBGAの最外周、特に四隅においてクラックの発生を防ぐことができる。さらに、半田ボールとプリント配線板のランド部の接続強度を増加することで、半田ボール付け根部分の応力を緩和し、半田ボールとプリント配線板のランド部の間での剥がれを防ぐことができ、半導体装置、特に配線板の熱膨張率の差の大きな半導体装置に適用できる。

本発明の実施例におけるＢＧＡパッケージの断面を模式的に示す図本発明の実施例１におけるＢＧＡパッケージの平面図本発明の実施例１におけるＢＧＡパッケージのプリント配線板の隅の平面拡大図本発明の実施例２におけるＢＧＡパッケージの平面図本発明の実施例２におけるＢＧＡパッケージのプリント配線板の隅の平面拡大図本発明の実施例３におけるＢＧＡパッケージの平面図本発明の実施例３におけるＢＧＡパッケージのプリント配線板の隅の平面拡大図従来の技術におけるＢＧＡパッケージの断面を模式的に示す図従来の技術におけるＢＧＡパッケージのプリント配線板の隅の平面拡大図

符号の説明

１半導体チップ
２セラミックを主とする基板
３プリント配線板
４ＢＧＡ
６ビアホール
５クラック
１１セラミック基板側最外周ランド部
１２セラミック基板側内側ランド部
１３ビアホール
１４プリント配線板側最外周ランド部
１５プリント配線板側内側ランド部
１６導体パターン
１７導電性樹脂ボール
１８半田ボール
１９導体回路

Claims

絶縁基板の表面にマザーボードに対して接合するための半田ボールをＢＧＡ状に有するＢＧＡパッケージにおいて、
前記絶縁基板に配置される半田ボールは、少なくとも最外周の半田ボールをコア部材の外周を半田材料で覆われた導電性樹脂ボールで形成し、
前記半田ボールが配置される絶縁基板を接続するマザーボードは、ＢＧＡ状に配置されるランド部と、該マザー基板の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホールとを有し、
前記マザーボードにＢＧＡ状に配置される最外周のランド部を内側のランド部より大きくすることを特徴とするＢＧＡパッケージ。
絶縁基板の表面にマザーボードに対して接合するための半田ボールをＢＧＡ状に有するＢＧＡパッケージにおいて、
前記絶縁基板に配置される半田ボールは、少なくとも最外周の四隅に配置する半田ボールをコア部材の外周を半田材料で覆われた導電性樹脂ボールで形成し、
前記半田ボールが配置される絶縁基板を接続するマザーボードは、ＢＧＡ状に配置されるランド部と、該マザー基板の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホールとを有し、
前記マザーボードにＢＧＡ状に配置される最外周の四隅のランド部を内側のランド部より大きくすることを特徴とするＢＧＡパッケージ。
絶縁基板の表面にマザーボードに対して接合するための半田ボールをＢＧＡ状に有するＢＧＡパッケージにおいて、
前記絶縁基板に配置される半田ボールは、少なくとも最外周の四隅に配置する半田ボールと該最外周の四隅に配置される半田ボールに隣接する最外周の半田ボールをコア部材の外周を半田材料で覆われた導電性樹脂ボールで形成し、
前記半田ボールが配置される絶縁基板を接続するマザーボードは、ＢＧＡ状に配置されるランド部と、該マザー基板の表面と裏面のパターンを電気的に接続するための導体回路のビアホールとを有し、
前記マザーボードにＢＧＡ状に配置される最外周の四隅と、該最外周の四隅に隣接する最外周のランド部を内側のランド部より大きくすることを特徴とするＢＧＡパッケージ。
前記マザーボードの前記導電性樹脂ボールに対応するランド部を、該マザーボードに形成されるビアホールの中心からずれた位置に配置することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかの一の請求項に記載のＢＧＡパッケージ。