JP2008227020A - 電子部品の実装構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の突起状電極が実装面全体に分布するように配置された電子部品チップが、突起状電極を介して基板に実装される電子部品の実装構造において、電子部品動作中の温度上昇により突起状電極に発生する応力を緩和させることにより、電子部品の信頼性を向上させる。
【解決手段】集積回路の実装構造１０は、はんだバンプ１（１Ａ〜１Ｄ）が実装面の中心部から外側に向かって、隣接するもの同士の間隔が小さくなるように配置され、例えば、中心部のはんだバンプ１Ａとこの外側のはんだバンプ１ＢとはピッチＰ１の間隔で、はんだバンプ１Ｂとこの外側のはんだバンプ１ＣとはピッチＰ２の間隔で、はんだバンプ１Ｃとこの外側のはんだバンプ１ＤとはピッチＰ３（ここで、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３）の間隔でそれぞれ配置される。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子部品の実装構造に係り、複数の突起状電極が実装面全体に分布するように配置された電子部品チップが、突起状電極を介して基板に実装される電子部品の実装構造に関する。
各種電子機器に組み込まれている電子部品の代表である集積回路は、電子機器の高性能化及び小型化等の要求を実現するために、半導体チップを配線基板（以下、単に基板とも称する）に実装する際に、半導体チップの小さな面積の実装面により多くの電極端子を集約させて、基板に電気的に及び機械的に接続することが望ましい。このような要望を実現するために、電極端子としてはんだバンプ等から成る突起状電極を半導体チップの実装面の外周部のみの配置から、実装面全体に分布させるように配置して、半導体チップを基板に実装するようにしたフリップチップ方式による集積回路の実装構造が提供されている。
図５（ａ）、（ｂ）は、フリップチップ方式を利用した従来の電子部品の実装構造を示し、（ａ）は半導体チップの裏面の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。この電子部品の実装構造１００は、同図に示すように、複数のはんだバンプ（突起状電極）１０１が実装面全体に分布するようにＸ、Ｙ方向の二次元方向にピッチＰで等間隔に配置された半導体チップ１０２が、はんだバンプ１０１を介して基板１０３に電気的及び機械的に接続されるように実装されている。
ところで、このような電子部品の実装構造１００では、この電子部品が組み込まれた電子機器の動作時に半導体チップ１０２が発熱して、この熱が半導体チップ１０２からはんだバンプ１０１を介して基板１０３に伝導するので、電子部品の実装構造１００の全体が温度上昇する。このように温度上昇が生ずると半導体チップ１０２と基板１０３との熱膨張係数の差によって、両者１０２、１０３間に挟まれたはんだバンプ１０１がせん断方向の荷重を受けるため、はんだバンプ１０１に熱応力（以下、単に応力とも称する）が発生する。そして、上述のようにはんだバンプ１０１が半導体チップ１０２の実装面に等間隔で配置されていると、半導体チップ１０２の中心部から外側に配置されているはんだバンプ１０１ほど、発生する応力が大きくなるため、応力が最も大きい最外側に配置されているはんだバンプ１０１から順に熱疲労破壊が起きるようになる。この結果、電子部品の信頼性を低下させるようになる。
このような観点から、半導体チップに配置するはんだバンプの分布を工夫して、はんだバンプに発生する応力を緩和するようにした構成の電子部品の実装構造が提供されている（特許文献１）。この電子部品の実装構造２００は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体チップ２０２の四隅のコーナ部分に配置するはんだバンプ２０１Ａの相互間隔をピッチＰ１２に設定して、半導体チップ２０２の中央部分に配置するはんだバンプ２０１ＢとのピッチＰ１１よりも小さく（Ｐ１１＞Ｐ１２）設定している。このような構成により、半導体チップ２０２の四隅コーナ部分では応力が１箇所のはんだバンプ２０１に集中することなくなるので、応力を分散、緩和することができるとされている。
また、突起状電極を介して半導体チップを基板に押圧するときに突起状電極に加わる応力を均一にするために、突起状電極の総面積を特定の条件を満たすように半導体チップの実装面に配置するように構成した集積回路の実装構造が提供されている（特許文献２）。また、電気性能劣化や信頼性及び製造歩留りの低下、並びに製造コスト増を防止するために、半導体チップの実装面に配置した突起状電極群の密度を、半導体チップの中央部に近い列が最も高く、それよりも外側の列ほど低くなるように設定した集積回路の実装構造が提供されている（特許文献３）。また、半導体チップの実装面に配置した突起状電極間の電位差を考慮して信頼性の向上を図るように構成した集積回路の実装構造が提供されている（特許文献４）。さらに、半導体チップの実装面に配置した突起状電極間のショートの発生を少なくするために、突起状電極密度を規定値以上の所定の値に設定するようにした集積回路の実装構造が提供されている（特許文献５）。
実開平０３−０１６３２７号公報 特開２００２−２４６４０４号公報 特開２００２−２７０７２３号公報 特開２００５−２４３９１３号公報 特開平１０−００４１２５号公報
なお、特許文献２に示されている集積回路の実装構造は、半導体チップを基板へ実装するため押圧するときに突起状電極に加わる応力を問題にしており、本願発明のように集積回路動作中の温度上昇時に突起状電極に発生する応力は問題にしていない。
特許文献３に示されている集積回路の実装構造では、半導体チップの実装面に配置した突起状電極群の密度を、半導体チップの中央部に近い列が最も高く、それよりも外側の列ほど低くなるように設定されているが、このような突起状電極の配置は、半導体チップの実装面の中心部から外側に向かって分布密度が高くなるように突起状電極が配置される本願発明とは逆の関係になっている。
特許文献４に示されている集積回路の実装構造では、信頼性を向上するために突起状電極間の電位差を考慮して突起状電極が配置されているが、電子部品の温度上昇時に突起状電極に発生する応力を均一化するという本願発明の目的については考慮されていない。
特許文献５に示されている集積回路の実装構造では、突起状電極間のショートの発生を少なくするために突起状電極密度を規定値以上の所定の値に設定されているが、上述のように本願発明とは目的、手段を異にしている。
ところで、特許文献１に示されている集積回路の実装構造には、次のような問題がある。
特許文献１では前述したように実装面の外周部のみに突起状電極であるはんだバンプ２０１を配置した半導体チップ２０２を対象にして、そのような配置のはんだバンプ２０１に発生する応力を緩和することを目的としてなされている。このようにはんだバンプを実装面の外周部のみに配置した半導体チップと、突起状電極を実装面全体に分布させるように配置した半導体チップとでは、集積回路動作中の温度上昇時に突起状電極に発生する応力の状況は異なってくる。したがって、特許文献１における問題解決手段をそのまま実装面全体にはんだバンプを分布させるように配置した本願発明に対して適用することはできない。
この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、複数の突起状電極が実装面全体に分布するように配置された電子部品チップが、突起状電極を介して基板に実装される電子部品の実装構造において、電子部品動作中の温度上昇により突起状電極に発生する応力を緩和させることにより、電子部品の信頼性を向上させることができる電子部品の実装構造を提供することを目的とする。
上記問題を解決するために、請求項１記載の発明は、複数の突起状電極が実装面全体に分布するように配置された電子部品チップが、上記突起状電極を介して基板に実装される電子部品の実装構造に係り、上記電子部品チップの上記実装面の中心部から外側に向かって、分布密度が高くなるように上記突起状電極が配置されていることを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の電子部品の実装構造に係り、上記電子部品チップの上記実装面の中心部から外側に向かって、隣接するもの同士の間隔が小さくなるように上記突起状電極が配置されていることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の電子部品の実装構造に係り、上記電子部品チップの上記実装面の外周部に、該実装面の中心部に配置される上記突起状電極間の間隔よりも小さくなるように複数の上記突起状電極が配置されていることを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載の電子部品の実装構造に係り、上記電子部品チップが半導体チップから成ることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の電子部品の実装構造に係り、上記半導体チップは上記突起状電極としてはんだバンプが配置されていることを特徴としている。
この発明の電子部品の実装構造１０によれば、複数のはんだバンプ１が半導体チップ２の実装面の中心部から外側に向かって、その分布密度が高くなるように配置されている。
このような構成により、複数のはんだバンプ１に発生する応力の分布を全体のはんだバンプ１にわたって均一化させることができるので、電子部品動作中の温度上昇によりはんだバンプ１に発生する応力を緩和することにより、電子部品の信頼性を向上させることができる。
電子部品の実装構造１０は、複数のはんだバンプ１（１Ａ〜１Ｄ）が実装面全体に分布するようにＸ、Ｙの二次元方向に配置された半導体チップ２が、はんだバンプ１を介して基板３に実装される構成において、半導体チップ２の実装面の中心部から外側に向かって、はんだバンプ１が隣接するもの同士の間隔が小さくなるように配置されている。例えば、中心部のはんだバンプ１Ａとこの外側のはんだバンプ１ＢとはピッチＰ１の間隔で配置され、はんだバンプ１Ｂとこの外側のはんだバンプ１ＣとはピッチＰ２の間隔で配置され、はんだバンプ１Ｃとこの外側のはんだバンプ１ＤとはピッチＰ３（ここで、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３）の間隔で配置されている。
図１（ａ）、（ｂ）は、この発明の実施例１である電子部品の実装構造を示し、（ａ）は電子部品チップの裏面の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。ここで、電子部品としては集積回路に適用した例を示し、電子部品チップとして半導体チップ、突起状電極としてはんだバンプを用いる例で説明する。
この例の電子部品の実装構造１０は、同図に示すように、複数のはんだバンプ１（１Ａ〜１Ｄ）が実装面全体に分布するようにＸ、Ｙの二次元方向に配置された半導体チップ２が、はんだバンプ１を介して基板３に実装される構成において、半導体チップ２の実装面の中心部から外側に向かって、はんだバンプ１が隣接するもの同士の間隔が小さくなるように配置されている。
この例では二次元方向にそれぞれ７個のはんだバンプ１が配置された例を示し、例えば、Ｘ方向の一行に例をあげて示すと、中心部のはんだバンプ１Ａとこの外側のはんだバンプ１ＢとはピッチＰ１の間隔で配置され、はんだバンプ１Ｂとこの外側のはんだバンプ１ＣとはピッチＰ２の間隔で配置され、はんだバンプ１Ｃとこの外側のはんだバンプ１ＤとはピッチＰ３（ここで、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３）の間隔で配置されている。すなわち、複数のはんだバンプ１が半導体チップ２の中心部から外側に向かって、その分布密度が高くなるように配置されている。
ここで、複数のはんだバンプ１を上述のような関係に配置するには、各ピッチを等差数列あるいは等比数列を利用して決定することができる。等比数列を利用した場合には、等差数列を利用する場合に比較して、はんだバンプの分布密度の高くなる度合いを大きくとることができる。
上述のように、複数のはんだバンプ１を半導体チップ２の中心部から外側に向かって、その分布密度が高くなるように配置することにより、複数のはんだバンプ１に発生する応力の分布を全体のはんだバンプ１にわたって均一化させることができる。すなわち、半導体チップ２の実装面の外側に向かうほど多くのはんだバンプ１が配置されているので、１個のはんだバンプ１で分担する応力は小さくなるので、複数のはんだバンプ１に発生する応力の分布は全体のはんだバンプ１にわたって均一化されるようになる。したがって、従来のように複数のはんだバンプが一定のピッチで等間隔に配置されている構成では、半導体チップの中心部から外側に配置されているはんだバンプほど、発生する応力が大きくなるのが回避できなかったが、この例では応力の分布が全体のはんだバンプ１にわたって均一化されることで、集積回路動作中の温度上昇によりはんだバンプ１に発生する応力を緩和させることにより、集積回路の信頼性を向上させることができるようになる。
図２は、この例の電子部品の実装構造１０に対して熱応力シミュレーションを行って得られた結果を示す図で、集積回路の動作温度が１５０℃から２５℃に降下した場合のはんだバンプ１に発生する熱応力を等高線図で示している。同図で、〇印ははんだバンプを概略的に示したものである。この熱応力シミュレーションは、できるだけ実際の半導体チップを用いた実装構造に即応した計算結果が得られるように、図１（ａ）、（ｂ）のように少数の限定した数のはんだバンプが配置された半導体チップではなく、数百から数千個のはんだバンプを配置した実際の数に近いはんだバンプを用いた実装構造を対象として解析した。さらに、計算の簡略化を図るため、はんだバンプを１４４個（１２×１２）に削減し、実装構造の対称性を考慮して、半導体チップの１／４の部分をモデル化して行った。
この熱応力シミュレーションにより得られた熱応力の値は約２，０１２ＭＰａ（メガパスカル）となった。一方、比較のため図５に示した従来例の熱応力シミュレーションを行って得られた熱応力の値は、図６に示すように約３，２８５ＭＰａとなった。両者を比較すると、従来例の値を１とした場合、この例の電子部品の実装構造１０の最大値は約０．６１（２,０１２／３,２８５）となり、従来例の約４０％の熱応力を低減できることを示している。さらに、比較のため、図７に示した従来例の熱応力シミュレーションを行って得られた熱応力の値は、図８に示すように約２、５０４ＭＰａとなった。ここで、従来例のように外周部のみにはんだバンプが配置されていると、この例の電子部品の実装構造１０との効果の比較を正しく行うのが困難になるので、従来例のはんだバンプの数を実装面全体に仮想的に分布させるようにして行った。両者を比較すると、同従来例の値を１とした場合、この例の電子部品の実装構造１０の最大値は約０．８０（２,０１２／２,５０４）となり、同従来例の約２０％の熱応力を低減できることを示している。
このように、この例の電子部品の実装構造１０によれば、複数のはんだバンプ１（１Ａ〜１Ｄ）が実装面全体に分布するようにＸ、Ｙの二次元方向に配置された半導体チップ２が、はんだバンプ１を介して基板３に実装される構成において、半導体チップ２の実装面の中心部のはんだバンプ１Ａとこの外側のはんだバンプ１ＢとはピッチＰ１の間隔で配置され、はんだバンプ１Ｂとこの外側のはんだバンプ１ＣとはピッチＰ２の間隔で配置され、はんだバンプ１Ｃとこの外側のはんだバンプ１ＤとはピッチＰ３（ここで、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３）の間隔で配置されている。よって、半導体チップ２の実装面の中心部から外側に向かって、はんだバンプ１が隣接するもの同士の間隔が小さくなるように配置されているので、はんだバンプ１の分布密度が高くなる。
したがって、複数のはんだバンプに発生する応力の分布を全体のはんだバンプにわたって均一化させることができるので、電子部品動作中の温度上昇によりはんだバンプに発生する応力を緩和させることにより、電子部品の信頼性を向上させることができる。
図３は、この発明の実施例２である電子部品の実装構造に用いられる電子部品チップの裏面の概略構成を示す平面図である。この例の電子部品の実装構造の構成が、上述の実施例１のそれと大きく異なるところは、半導体チップの実装面の外周部に狭いピッチで複数のはんだバンプを配置するようにした点である。
この例の電子部品の実装構造２０は、同図に示すように、複数のはんだバンプ１１が実装面全体に分布するようにＸ、Ｙの二次元方向に配置された半導体チップ１２が、はんだバンプ１１を介して基板に実装される構成において、実装面の中心部のはんだバンプ１１Ａとこの外側のはんだバンプ１１ＢとはピッチＰ５の間隔で配置される一方、実装面の外周部のコーナ領域１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃには、ピッチＰ６（ここで、ピッチＰ５＞Ｐ６）の間隔ではんだバンプ１１Ｃが配置されている。
このような実施例２による電子部品の実装構造２０でも、上述のような構成により、複数のはんだバンプ１１が半導体チップ１２の中心部から外側に向かって、その分布密度が高くなるように配置される。
図４は、この例の電子部品の実装構造２０に対して熱応力シミュレーションを行って得られた結果を示す図で、得られた熱応力の値は約２，４１０ＭＰａとなった。図６の従来例の値を１とした場合、この例の電子部品の実装構造２０の最大値は約０．７３（２,４１０／３,２８５）となり、同従来例の約２７％の熱応力を低減できることを示している。また、図８の従来例の値を１とした場合、この例の電子部品の実装構造２０の最大値は約０．９６（２,４１０／２,５０４）となり、同従来例の約４％の熱応力を低減できることを示している。
このように、この例の電子部品の実装構造２０によっても、複数のはんだバンプ１１が半導体チップ１２の中心部から外側に向かって、その分布密度が高くなるように配置されるので、実施例１と略同様な効果を得ることができる。
以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、説明を理解し易くするため、突起状電極としてのはんだバンプは少数の限定した数に例をあげて説明したが、実際の集積回路の半導体チップでは数百から数千個のはんだバンプが配置されることが一般的なので、このような半導体チップに対しても同様に適用することができる。また、はんだバンプに代わり、マイクロピン等の他の電極端子を用いることもできる。また、突起状電極としてははんだバンプを用いる例で説明したが、はんだバンプに限らずにＡｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）等の導電体、あるいは導電性接着剤等を用いても同様に適用することができる。また、電子部品としては集積回路に限らずにコンデンサ、抵抗等の他のものであっても、複数の突起状電極を用いるものであれば他の電子部品にも同様に適用することができる。また、突起状電極を電子部品チップの中心部から外側に向かって、その分布密度が高くなるように配置する場合には、必ずしも等差数列や等比数列等の数列を利用する必要はない。また、突起状電極は規則的に配置されている必要はなく、電子部品チップの中心部から外側に向かってそのび分布密度が高くなるという条件が満たされていれば、半導体チップの動作に必要な位置にランダムに配置されていてもよい。
この発明の実施例１である電子部品の実装構造を示し、（ａ）は電子部品チップの裏面の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。 同電子部品の実装構造に対して熱応力シミュレーションを行って得られた結果を示す図である。 この発明の実施例２である電子部品の実装構造に用いられる電子部品チップの裏面の概略構成を示す平面図である。 同電子部品の実装構造に対して熱応力シミュレーションを行って得られた結果を示す図である。 従来の電子部品の実装構造を示し、（ａ）は半導体チップの裏面の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 同電子部品の実装構造に対して熱応力シミュレーションを行って得られた結果を示す図である。 従来の電子部品の実装構造を示し、（ａ）は半導体チップの裏面の概略構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。 同電子部品の実装構造に対して熱応力シミュレーションを行って得られた結果を示す図である。
符号の説明
１（１Ａ〜１Ｄ）、１１（１１Ａ〜１１Ｃ） はんだバンプ（突起状電極）
２，１２ 半導体チップ（電子部品チップ）
３ 基板（配線基板）
１０、２０ 電子部品の実装構造
１３Ａ〜１３Ｃ 半導体チップの実装面のコーナ領域

Claims (5)

  1. 複数の突起状電極が実装面全体に分布するように配置された電子部品チップが、前記突起状電極を介して基板に実装される電子部品の実装構造であって、
    前記電子部品チップの前記実装面の中心部から外側に向かって、分布密度が高くなるように前記突起状電極が配置されていることを特徴とする電子部品の実装構造。
  2. 前記電子部品チップの前記実装面の中心部から外側に向かって、隣接するもの同士の間隔が小さくなるように前記突起状電極が配置されていることを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装構造。
  3. 前記電子部品チップの前記実装面の外周部に、該実装面の中心部に配置される前記突起状電極間の間隔よりも小さくなるように複数の前記突起状電極が配置されていることを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装構造。
  4. 前記電子部品チップが半導体チップから成ることを特徴とする請求項１、２又は３記載の電子部品の実装構造。
  5. 前記半導体チップは前記突起状電極としてはんだバンプが配置されていることを特徴とする請求項４記載の電子部品の実装構造。
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