JP2006173183A

JP2006173183A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2006173183A
Application number: JP2004359897A
Authority: JP
Inventors: Satoru Higuchi; 哲樋口
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】ＢＧＡ方式の半導体パッケージとプリント基板とのはんだ接合部の信頼性の向上を図る。
【解決手段】複数の電極部を有する電子部品と前記電極部に対応した位置に電極部を有するプリント基板とがはんだバンプによって接合された半導体装置において、前記電子部品と前記プリント基板の間に絶縁材からなる部品を介在させることよって、はんだバンプの形状を鼓型にすることを特徴とする半導体装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面実装型の電子部品の実装技術に関し、特にＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）などの接続構造を有する半導体装置などの半導体装置及び実装構造体に関する。

近年、携帯電話やデジタルカメラの普及に伴い、電子機器の高機能化、小型化が急速に進んでいる。電子機器に搭載されるＬＳＩチップの高密度化、高集積化が進み、多ピン化、狭ピッチ化を実現するためにＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）、ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｉｚｅＰａｃｋａｇｅ）といったランド５（電極）にボール状のはんだを有した電子部品が多用されるようになってきた。

このようなＢＧＡパッケージの実装方法について図８を参照して説明する。ランドが形成されたプリント基板上に、スクリーン印刷あるいはディスペンサーを用いて、はんだペーストを塗布する。塗布されたはんだペースト上にＢＧＡパッケージを搭載し、リフロー工程によってはんだを溶融し、電気的に接合する（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−１９９５４０号公報特開平１１−３９１５号公報

実装された半導体装置は、使用環境や装置自身の発熱により熱疲労が生じる。即ち、半導体パッケージとプリント基板という線膨張係数の異なる物質を「はんだ」を用いて接続しているため、熱サイクル環境下においては、はんだ接合部に線膨張係数の差に起因する熱応力がかかる。

ＢＧＡパッケージで実装された場合に、はんだバンプは、図６に示すようにＢＧＡパッケージの重さによって押しつぶされて、太鼓状に形成される。このような形状では、半導体装置と基板との線膨張係数の差に起因する熱応力が発生した場合に、その応力が接合部近傍に集中することが知られており、はんだ接合信頼性が損なわれるという問題がある。

それに対し図５（ｃ）のように、はんだ接合部を鼓状にすることで、接合部近傍への応力集中を緩和させ、接合寿命を向上させることができるということが知られている。

例えば、特許文献１には、ボール状の複数の小型はんだバンプと、そのはんだバンプよりも大きく、かつ配線板の少なくとも３点支持する位置に設けられた大型のはんだバンプとが下面に配置されたＢＧＡパッケージをプリント基板上に搭載してリフローすると、大型バンプに支持されて、小型バンプは鼓状に形成される実装方法が開示されている。

また、図７に示すように、特許文献２には、ＢＧＡパッケージの複数のはんだボールをまとめて１つの大きなはんだバンプとし、ＢＧＡパッケージとプリント基板との間を広げることで、残りのはんだバンプを鼓状に形成する実装方法が記載されている。

しかしながら、特許文献１の方法では、大きさの異なるはんだバンプをＢＧＡパッケージに付着させなければならず、さらに大型バンプの融点を小型バンプの融点より高くしなければならないという制約がある。特許文献２の方法では、専用のＢＧＡパッケージが必要であり、パッケージの小型化には不向きであるといった問題がある。

本発明は、以上の点に着目して成されたもので、接合寿命が長くなるとともに、接合信頼性を向上させ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。

本発明は、上記問題を解決するために以下の手段を採用する。

ＢＧＡパッケージ１とプリント基板３との間に、ランド５の位置に対応した貫通穴を有するシート２を介在させてリフロー工程により接合させる。ここで、シート２は絶縁材からなり、その絶縁材料には、樹脂、セラミック、シリコン、ガラスなどを用いる。シートの厚さは、５０〜１００μｍで均一なものが望ましい。また、貫通穴の径は、ランド径よりも小さいことを特徴とする。これにより、本来、溶融したはんだは、図６のように表面張力によって球状になるが、絶縁材であるシート２がそれを妨げ、はんだバンプの形状を球状から鼓状に変化させることが可能となる。はんだバンプ形状を鼓状にすることで、線膨張係数の差に起因して発生する熱応力の接合部への集中を回避させ、接合部の信頼性が向上する。

本発明では、従来のＢＧＡパッケージ１、プリント基板３をそのまま使用することができる。また、従来の設備のままではんだ形状調整シート２を搭載することができるため新たな設備を導入する必要がない。ただし、図５（ｂ）に示すように、ＢＧＡパッケージ搭載時に、はんだボール６とはんだペースト７が接触するように、はんだペーストの量、シートの穴径を最適にする必要がある。

なお、さらに説明すれば、本発明の第一の発明について下記のように示す。

（１）複数の電極部を有する電子部品と前記電極部に対応した位置に電極部を有するプリント基板とがはんだバンプによって接合された半導体装置において、前記電子部品と前記プリント基板の間に絶縁材からなる部品を介在させることよって、はんだバンプの形状を鼓型にすることを特徴とする半導体装置。

本発明の実装基板では、はんだバンプ形状を鼓状にすることにより、最も応力が集中するプリント配線板とはんだバンプの界面付近への負荷を軽減することができる。よって、疲労破壊強度が向上するので、接合寿命が長くなるとともに、接合信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。

本発明の半導体装置は、図１に示すように半導体素子を封止したモールド樹脂部と、それを搭載する素子搭載基板からなる半導体パッケージ１が、はんだバンプを介してプリント基板３と電気的に接続されており、半導体パッケージ１とプリント基板３との間には、はんだ形状調整シート２ａが挿入された構造をもっている。はんだバンプは、はんだ形状調整シート２ａによって鼓状に形成されている。

図２は、本実施の形態のはんだ形状調整シート２ａを示している。はんだ形状調整シート２ａは絶縁材料からなり、その絶縁材料には、樹脂を用いる。シートの厚さは、５０〜１００μｍで均一なものが望ましい。このシートには、プリント基板上のランド５の位置に対応した穴が空けられており、穴径は、ランド径より小さいものとする。また、シートの穴とプリント基板上のランド５の間隔を一定に保つためにシート外周部が穴部分よりも厚くなっている。

半導体パッケージ１は、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのシリコン基板を本体とするものである。また、モールド樹脂部はトランスファー金型により樹脂成形されたものである。はんだバンプは、半径５００μｍの球状に形成されたものである。はんだバンプの間隔は、０．８ｍｍピッチである。

プリント基板３は、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１．０ｍｍで、ガラスエポキシ樹脂材料で構成されており、ビルドアップ法、インナーバイアホール方式による多層基板である。

本発明の実装構造を達成させるための実装方法について説明する。

通常のリフロー方式による実装工程を図８に示す。リフロー方式は、まず、図８（ａ）に示すように、プリント基板１のランド上にはんだペーストを塗布する。続いて図８（ｂ）、（ｃ）に示すように半導体パッケージをプリント基板１のランド上に搭載を行う。

その後、図８（ｄ）リフロー工程によって加熱を行い、はんだを溶融させ半導体パッケージ１とプリント基板３の接合を行うものである。本発明では、搭載工程において、図５のように、はんだ形状調整シート２を搭載し、次に半導体パッケージ１を搭載する。この構成にすることで、リフロー工程において溶融したはんだが球状を形成するのを絶縁材料のシートが防ぎ、鼓状のはんだバンプを形成する。これにより、熱応力による接合部近傍への応力集中を緩和させ、接合寿命を向上させることができる。

以上の図１に示す本発明の半導体装置と一般的な太鼓状のはんだ接合部を有する半導体装置に対して、同時に熱サイクル疲労試験（−２５℃⇔＋１２５℃）を行った。その結果、一般的な太鼓状のはんだ接合部を有する半導体装置では５００サイクルで破断が生じたのに対して、本発明の半導体装置では約４倍の２０００サイクルの接合寿命を得ることできた。

図３に示すように半導体素子を封止したモールド樹脂部と、それを搭載する素子搭載基板からなる半導体パッケージ１が、はんだバンプを介してプリント基板３と電気的に接続されており、半導体パッケージ１とプリント基板３との間には、はんだ形状調整部品２ｂが挿入された構造をもっている。はんだ形状調整部品２ｂは、図３に示すように線膨張係数の差に起因して発生する熱応力の影響が大きな箇所に対して使用することで、接合寿命を向上させることができる。

図４は、本実施の形態のはんだ形状調整部品２ｂを示している。はんだ形状調整部品２ｂは、はんだ形状調整シート２ａと同様に絶縁材料からなり、その絶縁材料には、樹脂を用いる。そして、プリント基板上のランドよりも小さな穴が空けられていることを特徴とする。

本発明の実装構造を達成させるための実装方法について説明する。通常のリフロー方式による実装工程を図８に示す。リフロー方式は、まず、図８（ａ）に示すように、プリント基板１のランド上にはんだペーストを塗布する。続いて図８（ｂ）、（ｃ）に示すように半導体パッケージをプリント基板１のランド上に搭載を行う。その後、図８（ｄ）リフロー工程によって加熱を行い、はんだを溶融させ半導体パッケージ１とプリント基板３の接合を行うものである。

本発明では、搭載工程において、図５のように、はんだ形状調整シート２を搭載し、次に半導体パッケージ１を搭載する。この構成にすることで、リフロー工程において溶融したはんだが球状を形成するのを絶縁材料のシートが防ぎ、鼓状のはんだバンプを形成する。

これにより、熱応力による接合部近傍への応力集中を緩和させ、接合寿命を向上させることができる。

以上の図１に示す本発明の半導体装置と一般的な太鼓状のはんだ接合部を有する半導体装置に対して、同時に熱サイクル疲労試験（−２５℃⇔＋１２５℃）を行った。その結果、一般的な太鼓状のはんだ接合部を有する半導体装置では５００サイクルで破断が生じたのに対して、本発明の半導体装置では約３倍の１５００サイクルの接合寿命を得ることできた。

本発明による第１の実施の形態の構造を示す部分断面図である。第１の実施の形態のシートを説明するための図である。本発明による第２の実施の形態の構造を示す部分断面図である。第２の実施の形態のシートを説明するための図である。本発明の実施の形態に係る実装工程を示す模式図である。従来のはんだバンプの形状を示す部分断面図である。従来例による半導体装置の構造を示した部分断面図である。従来の半導体装置の実装工程を示した模式図である。

符号の説明

１半導体パッケージ（ＢＧＡ，ＣＳＰ）
２ａはんだ形状調整シート
２ｂはんだ形状調整部品
３プリント基板
４はんだ接合部
５ランド
６はんだボール
７はんだペースト

Claims

複数の電極部を有する電子部品と前記電極部に対応した位置に電極部を有するプリント基板とがはんだバンプによって接合された半導体装置において、前記電子部品と前記プリント基板の間に絶縁材からなる部品を介在させることよって、はんだバンプの形状を鼓型にすることを特徴とする半導体装置。
前記絶縁材からなる部品が、複数の電極部に対応する位置に貫通穴を有するシート状や貫通穴を有する挿入部品であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記絶縁材からなる部品の貫通穴の径が、電極部の径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。