JP2009117862A - 改善された半田ボールランドの構造を有する半導体パッケージ - Google Patents

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Abstract

【課題】SMD型とNSMD型とを混合した半田ボールランド構造を採用にすることによって、半田ボールの脱落、パターンクラック(patterncrack)、並びに半田ボールランドの分離等の現象を防止することができ、且つ、基板に対する半田ボールの高い融着力のある信頼性を高いBGA半導体パッケージを提供する。
【解決手段】半導体パッケージは、平面を有する基板と、前記基板の平面に形成される複数の半田ボールランド30と、複数の半田ボールランド30に形成される半田ボールと、前記半田ボールランド30を露出させる、前記半田ボールランド30の半径より小さい半径を有する複数の開口領域37を限定し、前記基板の平面を塗布するマスク層とを備える。
【選択図】図3

Description

本発明は、電子パッケージング技術に関するものであって、詳細には特に改善された半田ボールランド構造を有する半導体パッケージに関する。
半導体チップにおける高集積化技術により、同じ大きさの半導体チップに多数の回路配置が可能となったため、半導体チップを備えるパッケージ又はマザーボード(mother board)といった外部の回路基板と疎通できる多くの入出力端子が必要となった。
こうしたニーズに応じて開発されたBGA半導体パッケージは、従来のリードフレームパッケージとは違って入出力端子を半導体パッケージの一面に融着する半田ボールにしたことで、従来に比べ入出力数をさらに多く受容することができ、その大きさも半導体チップの大きさに近い点で次世代のパッケージとして脚光を浴びている。
斯かるBGA半導体パッケージは、一般に、半田ボールを底面に備えた基板、該基板の上面に取り付けられた半導体チップ、該基板と該半導体チップとを電気的に接続するワイヤー、該基板の上面と半導体チップとワイヤーとを封止する封止材から構成される。ここで、基板に半田ボールが形成される基板の底面を半田ボール実装面と称し、該半田ボールの実装面に半田ボールが融着される領域を半田ボールランドと称する。
図1Aは、従来のBGA半導体パッケージのSMD型半田ボールランドを示す平面図である。ここで、SMD型半田ボールランドは、半田マスク限定型(Solder Mask Defined Type)の半田ボールランドである。
図1Aに示すように、半田ボールランド10及びこれと連結されるパターン連結部14が基板(図示せず)の半田ボール実装面に形成される。半田ボールランド10は、一般に円形の形状を有する銅材である。また、半田ボールランド10は、半田ボール(図示せず)が半田ボールランド10の表面に容易に融着されるようにニッケルと金とでメッキされることが好ましい。半田ボール実装面を加え、パターン連結部14と半田ボールランド10の周縁部とが半田マスク16により被覆されており、半田ボールランド10の中心部10bがマスク開口領域16aにより露出される。
図1Bは、従来のBGA半導体パッケージのNSMD型半田ボールランドを示す平面図である。ここで、NSMD型半田ボールランドは、非半田マスク限定型(Non−Solder Mask Defined Type)半田ボールランドである。
図1Bに示すように、半田ボールランド20及びこれと連結されたパターン連結部24が基板の半田ボール実装面1に形成される。
半田ボール実装面1及びパターン連結部24の一部分24aが半田マスク26により被覆されており、パターン連結部24の残余部分24b、半田ボールランド20、並びに半田ボールランド20の周囲の半田ボール実装面1の一部がマスク開口領域26aにより露出されている。
しかし、従来のBGA半導体パッケージの半田ボールランドは、次のような問題点がある。
SMD型半田ボールランドの場合、BGA半導体パッケージがマザーボードに実装された後、半田ボールの結合力に対する半田ボールジョイント信頼性(Solder ball Joint Reliability)テストのとき、半田ボールランドから半田ボールが脱落する半田ボール分離・離脱といった問題がある。NSMD型半田ボールランドの場合、BGA半導体パッケージがマザーボードに実装された後、半田ボールランドと連結されるパターン連結部が断線するパターンクラック(pattern crack)が発生したり、半田ボールランドが基板から分離するといった半田ボールランドの分離現象が起こる問題点がある。
斯かる問題は、ウェハーレベルパッケージやフリップチップパッケージ等のような半田ボール接続を使用するパッケージに頻繁に発生する。
本発明は、基板と半田ボールとの結合を安定させるともに、半田ボールランドの強化された構造を有する半導体パッケージを提供することに目的がある。
本発明による半導体パッケージは、平面の基板と、基板の平面に形成される複数の半田ボールと、基板の平面に塗布され半田ボールランドが開口するために複数の開口領域を有するマスク層と、半田ボールランドに形成される複数の接続ボールとを備える。
第1延長線は、半田ボールランドのランドセンターから基板の平面の中心側に向かって延長し、第2延長線は、ランドセンターからその第1延長線とは反対側に延長する。第1延長線は、第1接点で半田ボールランドのランド端と接し、第2接点で開口領域の開口端と接する。第2延長線は、第3接点でランド端と接し、第4接点で開口領域の開口端と接する。第1接点とランドセンターとの第1距離は、第2接点とランドセンターとの第2距離よりも長く、第3接点とランドセンタとの第3距離は、第4接点とランドセンサーとの第4距離よりも短い。
本発明の望ましい実施形態によると、前記半田ボールランドは第1半径を有する。開口領域の第1開口端は、第1半径より大きい第2半径を有し、開口領域の第2開口端は第1半径より小さい第3半径を有する。
第1開口端をなす第1角度は、前記第2延長線を中心線にして60°〜180°間であり、前記第2開口端をなす第2角度は、前記第1延長線を中心線にして180°〜300°間である。望ましくは約150°である。
本発明による他の実施形態によると、開口領域は第4半径を有する。半田ボールランドの第1ランド端は第4半径より小さい第5半径を有し、半田ボールランドの第2ランド端は第4半径より大きい第6半径を有する。第1ランド端をなす第3角度は第2延長線を中心線にして60°〜180°間であり、第2ランド端をなす第4角度は第1延長線を中心線にして180°〜300°間である。望ましくは150°である。
本発明による他の半導体パッケージは、平面の基板と、基板の平面に形成され第7半径を有する複数の半田ボールランドと、基板の平面に塗布され半田ボールランドが開口される領域として第7半径よりも小さい第8半径を有する複数の開口領域を有するマスク層と、半田ボールランドに形成された複数の接続ボールとを備える。
上記半田ボールランドは円弧状の溝と複数の直線状の溝とを有する。円弧状の溝は、第8半径より小さい第9半径を有し、直線状の溝は、円弧状の溝の外縁に沿って放射状に配置され円弧状の溝に通じる。また、直線状の溝は各々開口領域の開口端と半田ボールランドのランド端との間の領域にまで延びる。
本発明の更に他の実施形態によると、円弧状の溝をなす第5角度は基板の平面の中心から半田ボールランドのランドセンター側に向かって延びる第3延長線を中心にして60〜180°間である。望ましくは150゜である。
本発明の他の実施例による半導体素子は、中心のある平面の基板と、基板の平面に形成され第1周縁部及び第2周縁部を有する少なくとも一つの端子ランドと、基板の平面を被覆し、端子ランドが露出するように形成される少なくとも一つの開口領域を含むマスク層と、端子ランドに形成される少なくとも一つの接続端子とを含む。端子ランドの第1周縁部はマスク層により塗布され、第2周縁部はマスク層の開口領域を通して露出される。
本発明の他の実施例によると、第1周縁部は基板の平面の中心側に向かい、第2周縁部はその中心の反対側に向かう。接続端子は半田ボールであり、基板は印刷回路基板、シリコン基板、並びにフレキシブル回路テープとを備えることが好ましい。
従来のBGA半導体パッケージのSMD型半田ボールランドを示す平面図である。 従来のBGA半導体パッケージのNSMD型半田ボールランドを示す平面図である。 本発明の一実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボールランドを示す平面図である。 本発明の一実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボールランドを示す平面図である。 本発明の他の実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボール実装面を示す底面図である。 本発明の他の実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボールランドを示す平面図である。 本発明の他の実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボールランドを示す平面図である。 本発明のさらに他の実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボールランドを示す平面図である。
以下、添付の図面を参照して本発明によるBGA半導体パッケージを詳細に説明する。
(第1実施例)
図2A及び図2Bは、各々、本発明の一実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボールランドを示す平面図である。図2A及び図2Bに示すように、BGA半導体パッケージ用(図示せず)基板の半田ボール実装面2の上に、半田ボールランド30が形成される。半田ボール実装面2の上に半田マスク36が塗布され、半田マスク36の塗布されていない領域には半田ボールランド30を露出させるマスク開口領域37が設けられる。
第1延長線L1は、半田ボールランド30のランドセンター30cから半田ボール実装面2の中心2Cに向かって延長する。こうした第1延長線L1は、第1接点C1で半田ボールランド30のランド端30aと接する。第1接点C1とランドセンター30cとの間の距離を第1距離W1とする。そして、第1延長線L1は、第2接点C2で開口領域37の第2開口領域37bと接する。斯かる第2接点C2とランドセンター30cとの間の距離を第2距離W2とする。すると、図2Bで示すように、第1距離W1は第2距離W2より長いため、図2Aからのように、半田マスク36が半田ボールランド30の第1周縁部A1を被覆する構造となる。ここで、被覆された部分を第1周縁部A1とする。
また、第2延長線L2は、ランドセンター30cから第1延長線L1と反対側に延長する。第2延長線L2は第3接点C3でランド端30bと接する。第3接点C3とランドセンター30cとの間の距離を第3距離W3とする。そして、第2延長線L2は、第4接点C4で開口領域37の第1開口端37aと接する。第4接点C4とランドセンター30cとの間の距離を第4距離W4とする。すると、図2Bに示すように、第3距離W3は第4距離W4よりも短いため、図2Aでのように、半田ボールランドの周縁部の他側を被覆しない。こうした被覆されず露出された部分を第2周縁部A2とする。
つまり、半田ボール実装面2の中心側2Cに向かう第1周縁部A1は半田マスク36により塗布され、反対側に向かう第2周縁部A2は開口領域により露出される。第2周縁部と隣接する半田ボール実装面2は開口領域37により部分的に露出され、図2Aにおいて符号2aとして示される。従って、第1周縁部A1は、SMD型(solder mask defined type)半田ボールランド構造となり、第2周縁部A2は、NSMD型(non−solder mask defined type)半田ボールランド構造となる。
斯かる半田ボールランド39の構造は、下記のような効果がある。従来には、半田ボールを用いてBGAパッケージをマザーボードに実装すると、パッケージとマザーボードとの間の熱膨張係数ずれにより半田ボールランド及び半田ボールが機械的なストレスを受けた。このとき、機械的なストレスは、中心側2Cから反対側に放射状外側方向(図2Aの「F」方向)として作用する。こうした機械的なストレスによりSMD型ランドの場合、半田ボール分離又は離脱が発生し、また、NSMD型ランドの場合、パターンクラック(pattern crack)現象が起きる原因となった。
上述したSMD型半ボールランドにおける問題点が、主に第2周縁部A2で発生し、NSMD型半田ボールランドにおける問題点が、主に第1周縁部A1で発生することが明らかになった。従って、本発明による半田ボールランド30の構造により上記のような問題を解決することができる。また、本発明の半田ボールランド30の構造によりウェハーレベルパッケージやフリップチップパッケージなどのような他の形態のパッケージにも適用することができ、半田ボールランドの形成される基板は印刷回路基板、シリコン基板、並びにフレキシブル回路テープなどを含む。
半田ボールランド30は、第1半径R1を有する円形状であり、パターン連結部34により電気的に接続する。マスク開口領域37は、第1開口端37a及び第2開口端37bを有する。望ましくは、第1開口端37a及び第2開口端37bは円弧形状であり、開口領域37の中心とランドセンタ30cとが一致する。第1開口端37aは第1半径R1より大きい第2半径R2を有し、第2開口端37bは、第1半径R1より小さい第3半径R3を有する。第1開口端37a及び第2開口端37bは第3開口端37cによって連結する。好ましくは、第3開口端37cの形状は直線である。
第1開口端37aをなす第1角度D1は、第2延長線L2を中心線にして60°〜180°間であり、第2開口端37bをなす第2角度D2は、第1延長線L1を中心線にして180°〜300°間である。好ましくは、第1角度D1及び第1角度D2を各々略150°にする。
(第2実施例)
図3は、本発明の一実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボール実装面を示す平面図である。
図3に示すように、BGA半導体パッケージの半田ボール実装面2上には複数の開口領域37を除く全体に半田マスク36が塗布されている。複数の半田ボールランド30が半田ボール実装面2に形成され、開口領域37を通して部分的に露出される。
複数の半田ボールランド30において、SMD型構造である第1周縁部A1は、半田ボール実装面2の中心側2Cに向かって配置され、NSMD型構造である第2周縁部A2は、半田ボール実装面2の中心2Cの反対側に配置される。これにより、BGA半導体パッケージの半田ボール実装面である半田ボール実装面2の反り(warpage)現象が発生しても、半田ボール実装面2と半田ボール(図示せず)との間の融着力がさらに堅固となる。
(第3実施例)
図4は、本発明の一実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボールランドを示す平面図である。
図4に示すように、電気的に接続される半田ボールランド40とパターン連結部44とは、半田ボール実装面2の上に形成される。また、半田実装面2の上に開口領域37を除く半田マスク36が塗布されている。半田ボールランド40は、第1ランドセンター40aと第2ランド端40bとを有する。第1ランド端40a及び第2ランド端40bは円弧形状が好ましく、開口領域47の中心とランドセンター40cとが一致する。半田ボールランド40において、第1ランド端40aは第4半径R4より小さい第5半径R5を有し、第2ランド端40bは、第4半径R4より大きい第6半径R6を有する。第1ランド端40a及び第2ランド端40bが直線ランド端40dによって連結される。
第1ランド端40aをなす第3角度D3は、第2延長線L2を中心線にして60°〜180°間であり、第2ランド端40bをなす第4角度D4は、第1延長線L1を中心線にして180°〜300°間である。第3角度D3及び第4角度D4は各々略150°にしたほうが好ましい。
(第4実施例)
図5は、本発明の一実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボールランドを示す平面図である。
図5に示すように、電気的に連結される半田ボールランド50とパターン連結部54とが半田ボール実装面2の上に形成される。また、半田ボール実装面2の上に開口領域57を除く半田マスク36が塗布されている。半田ボールランド50は、第7半径R7を有する円形の形状であり、開口領域57は、第7半径R7より小さい第8半径R8を有する円形の形状である。望ましくは、ランドセンター50cと開口領域57の中心とが一致すると良い。
半田ボールランド50には、円弧状の溝58と複数の直線状の溝59とが形成される。円弧状の溝58が開口領域57内に位置するよう、その中心線が第8半径R8より小さい第9半径R9を有する。直線状の溝59は、円弧状の溝58の外縁に沿って放射状に配置され円弧状の溝57に通じている。これにより、半田ボールランド50に半田ボール(図示せず)を融着する際、生成される空隙(void)が半田ボール内にトラップされることなく直線状の溝59の開口溝の各々を経由して吐き出される。従って、半田ボール実装面2に対する半田ボールの融着力が一層強化される。
(第5実施例)
図6は、本発明の一実施形態によるBGA半導体パッケージの半田ボールランドを示す平面図である。
図6に示すように、半田ボールランド60は、円弧状の溝68と複数の直線状の溝69とを有する。円弧状の溝68をなす第5角度D5は、第3延長線L3を60°〜180°間である。第3延長線L3は、判断ボールの実装基板2の中心2Cと半田ボールランド60のランドセンター60cとを連結する。好ましくは、第5角度D5が150°になるようにする。第4実施例と同様に、円弧状の溝68は、開口領域内側に位置する。また、直線状の溝69は、円弧状の溝68の外縁に沿って放射状に配置して円弧状の溝68に通じる
以上、本発明の原理を例示するために好ましい実施形態を説明したが、これにより本発明を限定するものではない。むしろ、特許請求範囲の技術的思想及び範疇から逸脱することなく、多様な変更及び修正が可能であることを当業者は理解するだろう。従って、そうした全ての変更や修正も本発明の範囲に属するものと看做すべきであろう。
[発明の効果]
本発明によるBGA半導体パッケージは、SMD型とNSMD型とを混合した半田ボールランド構造を採用にすることによって、半田ボールの脱落、パターンクラック(pattern crack)、並びに半田ボールランドの分離等の現象を防止することができ、且つ、基板に対する半田ボールの高い融着力によりBGA半導体パッケージの信頼性を高めることができる。
2 半田ボール実装面
A1 第1周縁部
A2 第2周縁部
2C 半田ボール実装面の中心
30 半田ボールランド
30b ランド端
30c ランドセンター
34 パターン連結部
36 半田マスク
37 開口領域
37a 第1開口端
37b 第2開口端
40 半田ボールランド
40a ランド端
40b ランド端
40c ランドセンター
44 パターン連結部
47 開口領域
50 半田ボールランド
50c ランドセンター
54 パターン連結部
57 開口領域
58 円弧状の溝
59 直線状の溝
60 半田ボールランド
60cランドセンター
68 円弧状の溝
69 直線状の溝

Claims (12)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成され第1周縁部及び第2周縁部を有する少なくとも一つの端子ランドと、
    前記端子ランドに形成される少なくとも一つの接続端子と、
    前記基板上に塗布され前記端子ランドを露出させる少なくとも一つの開口領域を限定するマスク層と、を備える半導体デバイスにおいて、
    前記マスク層は前記端子ランドの第1周縁部上に塗布され、前記第2周縁部は前記マスク層の開口領域を通して露出することを特徴とする、半導体デバイス。
  2. 前記第1周縁部は前記基板の中心側に向かい、前記第2周縁部は前記中心の反対側に向かうことを特徴とする、請求項1に記載の半導体デバイス。
  3. 前記接続端子は半田ボールを備えることを特徴とする、請求項1に記載の半導体デバイス。
  4. 前記基板は印刷回路基板、シリコン基板、並びにフレキシブル回路テープを備えることを特徴とする、請求項1に記載の半導体デバイス。
  5. 基板と、
    前記基板上に形成される複数の半田ボールランドと、
    前記基板上に塗布され前記半田ボールランドを露出させる複数の開口領域を限定するマスク層と、
    前記半田ボールランドに形成される複数の接続ボールと、
    前記半田ボールランドの中心を通して前記基板の表面の中心から延長され、第1接点において前記半田ボールランドのランド端と接し、第2接点において前記開口領域の開口端と接する第1延長線と、
    前記半田ボールランドの中心からスタートして前記第1延長線と反対側に延長され、第3接点において前記ランド端と接し、第4接点において前記開口領域の開口端と接する第2延長線と、を有する半導体パッケージにおいて、
    前記第1接点と前記半田ボールランドの中心との間の距離が第1距離で、前記第2接点と半田ボールランドの中心との間の距離が第2距離で、前記第1距離は前記第2距離より長く、
    前記第3接点と前記半田ボールランドの中心との間の距離が第3距離であり、前記第4接点と前記半田ボールランドの中心との間の距離が第4距離で、前記第3距離は前記第4距離より短いことを特徴とする、半導体パッケージ。
  6. 前記複数の半田ボールランドの各々は第1半径を有し、
    前記開口領域の第1開口端は前記第1半径より大きい第2半径を有し、
    前記開口領域の第2開口端は前記第1半径より小さい第3半径を有することを特徴とする、請求項5に記載の半導体パッケージ。
  7. 放射状の形状に配置される一対の第3開口端を更に備える半導体パッケージにおいて、前記第1開口端は前記第2延長線を中心軸にして約160°〜180°間に第1角度を形成し、前記第2開口端は前記第1延長線を中心軸にして180°〜300°間に第2角度を形成することを特徴とする、請求項6に記載の半導体パッケージ。
  8. 前記第1角度は約150°であることを特徴とする、請求項7に記載の半導体パッケージ。
  9. 前記開口領域は第4半径を有し、前記半田ボールランドの第1ランド端は前記第4半径より小さい第5半径を有し、前記半田ボールランドの第2ランド端は前記第4半径より大きい第6半径を有することを特徴とする、請求項7に記載の半導体パッケージ。
  10. 前記第1ランド端は第2延長線を中心軸にして60°〜180°間の円弧を限定することを特徴とする、請求項9に記載の半導体パッケージ。
  11. 前記円弧が約150°であることを特徴とする、請求項10に記載の半導体パッケージ。
  12. 前記基板は印刷回路基板、シリコン基板、並びにフレキシブル回路テープを備えることを特徴とする、請求項7に記載の半導体パッケージ。
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