JP2010109318A - スティフナー付きプリント配線板および放熱板付き半導体パッケージの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スティフナーとプリント配線板および放熱板と半導体パッケージを一体化した後の反りが、一体化する前よりも少なくなるようにしたスティフナー付きプリント配線板および放熱板付き半導体パッケージの製造方法を提供する。
【解決手段】スティフナー１とプリント配線板４を一体化する前に、事前に、スティフナー１に、スティフナー１とプリント配線板４との熱膨張率の差によって生じる反りと反対の方向に、反りを与えておく。また、放熱板と半導体パッケージを一体化する前に、事前に、放熱板に、半導体チップとプリント配線板との熱膨張率の差によって生じる反りと反対の方向に、反りを与えておく。
【選択図】図３

Description

本発明は、スティフナー付きプリント配線板および放熱板付き半導体パッケージの製造方法に関する。

プリント配線板の適用分野の一つである半導体パッケージ用基板やメモリーモジュール用の基板などにおいては、その剛性の向上のために、スティフナーと呼ばれる材料をプリント配線板に貼り合わせて一体化したり、プリント配線板に半導体チップを搭載して成る半導体パッケージに放熱性の向上のために放熱板を貼り合せて用いる場合がある。

前記スティフナーは、材料として、銅合金や、アルミ合金などの金属材料を用いられることが多い。

また、前記スティフナーは、剛性の向上という点では、プリント配線板のなかでも、特に、いわゆるテープ系のプリント配線板において、ニーズが高い。

テープ系のプリント配線板の材料としては、ポリイミド系などが用いられることが多いが、厚さが薄いため、通常、プリント配線板用として用いられるガラスエポキシ基板などに比べて、柔軟性が高く、曲げやすいという特性をもつ。このため、フレキシブル基板とよばれることもある。

また、この半導体パッケージのマザーボードに対する実装方法に関連して、このテープ系のプリント配線板を用いた半導体パッケージ用基板は、Ｔ−ＢＧＡ（Ｔａｐｅ Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）用基板やＴ−ＬＧＡ（Ｔａｐｅ Ｌａｎｄ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）用基板などと呼ばれることもある。

なお、プリント配線板は、前記半導体パッケージ用基板や、マザーボード、モジュール基板などを総称する用語として用いられる。

半導体パッケージ用基板の重要な役割の一つは、半導体チップと半導体パッケージが実装されるマザーボードとの熱膨張率の相違の橋渡しを行い、システムとしての実装の接続信頼性向上を計ることである。このような役割から、半導体パッケージ用基板は、インターポーザもしくは、インターポーザ基板などと呼ばれることもある。

半導体チップが実装された半導体パッケージはマザーボードに実装され、実際に動作するが、近年、高速化対応の半導体パッケージの多ピン化が進むにつれ、大きな問題になってきたのが、半導体チップ駆動時の発熱問題であり、それに対応するために放熱板が採用されるようになっている。

スティフナーは、前記半導体チップ実装の接続信頼性向上のための役割を果たし、放熱板は放熱性の向上、および半導体パッケージの反りを矯正し、マザーボードへの実装性向上の役割を果たす。

前記接続不良の問題を解決するため、スティフナーを用いずに、たとえば、プリント配線板の四辺を折り曲げ、外部応力に対応する方法が提案されている（特許文献１）。しかしながら、この方法では、折り曲げ部から異物が発生したり、多層プリント配線板の場合、層間剥離が起きやすくなったりする問題がある。

このため、プリント配線板に剛性をもたすことで、反り量を低減させるために、スティフナーを貼り付け、一体化することがある。しかしながら、該プリント配線板の熱膨張率と該スティフナーの熱膨張率が、通常異なるため、スティフナーとプリント配線板を一体化する際の熱工程を経た後に反りが生じ、そのため、半導体チップ実装において、接続信頼性の点で、従来のスティフナーをプリント配線板と一体化した際に、その平坦性が、必ずしも十分なレベルではない状況となることがあった。

また、該プリント配線板の熱膨張率と該半導体チップの熱膨張率が、通常異なるため、半導体チップの実装の際に反りが生じ、そのため、マザーボードへの実装において、接続信頼性の点で、その平坦性が、必ずしも十分なレベルではない状況となることがあった。

特願平７−２５３６２９号公報

本発明は、以上の事情の下になされ、スティフナーとプリント配線板を一体化した後の反りが少なくなるようなスティフナー付きプリント配線板の製造方法、および放熱板と半導体パッケージを一体化した後の反りが少なくなるような放熱板付き半導体パッケージの製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、係る課題を解決するものであり、上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、スティフナー付きプリント配線板の製造方法であって、プリント配線板と一体化する前のスティフナーが反った形状をしており、該スティフナーの熱膨張係数が、該プリント配線板の熱膨張係数より小さい場合には、該スティフナーの反り方向が山になる面と該プリント配線板とを貼りあわせ、該スティフナーの熱膨張係数が該プリント配線板の熱膨張係数より大きい場合には、該スティフナーの反り方向が谷になる面と該プリント配線板とを貼り合わせて、さらに加熱して一体化することを特徴とするスティフナー付きプリント配線板の製造方法である。

請求項２に記載の発明は、前記プリント配線板と一体化する前の前記スティフナーの形状が、ドーム形状であることを特徴とする請求項１に記載のスティフナー付きプリント配線板の製造方法である。

請求項３に記載の発明は、前記プリント配線板と一体化する前の前記スティフナーの形状が、中空な部分を有し、該中空部分を含む該スティフナーの仮想平面がドーム形状であることを特徴とする請求項１に記載のスティフナー付きプリント配線板の製造方法である。

請求項４に記載の発明は、前記スティフナーと前記プリント配線板とが、加熱によって接着性を発現する材料を介して貼り合わされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスティフナー付きプリント配線板の製造方法である。

請求項５に記載の発明は、前記スティフナーの材質が、金属である事を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスティフナー付きプリント配線板の製造方法である。

請求項６に記載の発明は、前記スティフナー付きプリント配線板が、半導体パッケージ用であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスティフナー付きプリント配線板の製造方法である。

請求項７に記載の発明は、放熱板付き半導体パッケージの製造方法であって、半導体パッケージと一体化する前の放熱板が反った形状をしており、該放熱板の反り方向が山になる面と該半導体パッケージとを貼りあわせることを特徴とする放熱板付き半導体パッケージの製造方法である。

請求項８に記載の発明は、前記半導体パッケージと一体化する前の前記放熱板の形状が、ドーム形状であることを特徴とする請求項７に記載の放熱板付き半導体パッケージの製造方法である。

本発明によると、スティフナー付きプリント配線板の製造方法において、スティフナーとプリント配線板を一体化する前に、事前に、スティフナーに、スティフナーとプリント配線板との熱膨張率の差によって生じる反りと反対の方向に、反りを与えておくことによって、スティフナーとプリント配線板を一体化した後に、一体化の前よりも反りが少なくなるようなスティフナー付きプリント配線板の製造方法を提供することができる。

また、放熱板付き半導体パッケージの製造方法において、放熱板と半導体パッケージを一体化する前に、事前に、放熱板に、半導体パッケージの反りと反対の方向に、反りを与えておくことによって、放熱板と半導体パッケージを一体化した後に、一体化の前よりも反りが少なくなるような放熱板付き半導体パッケージの製造方法を提供することができる。

スティフナーを貼り付けたプリント配線板を上から見たモデル図である。 プリント配線板にフラットなスティフナーを貼り付けた際の反りの挙動を示す図である。（ａ）硬化のための加熱前のスティフナーとプリント配線板を貼り合わせた図である。（ｂ）加熱して硬化後に常温に戻したときのスティフナーとプリント配線板を一体化した後の図である。 本実施例でのプリント配線板へのスティフナーの貼り付け図である。 放熱板を貼り付けた半導体パッケージの概念図である。 スティフナー付きプリント配線板に半導体チップを実装した際の反りの挙動を示す図である。（ａ）スティフナー付きプリント配線板に半導体チップを載せた図である。（ｂ）リフローして実装後に常温に戻したときの図である。 本実施例における放熱板と半導体パッケージを貼り付ける前の図である。

以下に本発明によるスティフナー付きプリント配線板の製造方法を、その実施の一形態に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。

図１はスティフナー１を貼り付けたプリント配線板を上から見た概念図である。スティフナー１はプリント配線板３の中央部のはんだバンプ２の配置されたエリアを表出させるように中心部に抜きのある枠状になっている。

プリント配線板として、絶縁層としてポリイミドを用い、配線層として銅を用いて、配線層を６層形成した多層のプリント配線板を用意した。該プリント配線板の総厚は２２０μｍで、熱膨張係数が２０ｐｐｍであった。また、サイズは４０ｍｍ角である。

前記プリント配線板の表面は、ソルダーレジストにて覆い、該ソルダーレジストには、半導体チップ実装用のはんだバンプを形成する部分に開口部を設けた。ソルダーレジストの該開口部に、はんだ印刷法により、はんだバンプを形成した。このはんだバンプは、半導体のベアチップを実装するためのものである。

スティフナーは、厚さ７００μｍの銅材を用意し、両面に、電解ニッケルめっき処理にてニッケルをめっきして用いた。サイズは、４０ｍｍ角で、中心部の開口部が２６ｍｍ角である。

該スティフナーとプリント配線板を一体化するために、熱硬化性の接着剤を用いてスティフナーをプリント配線板に貼り付けた。その後、接着剤の硬化のための加熱を１５０℃２時間の条件で行った。

図２はプリント配線板にフラットなスティフナーを貼り付けた際の一体化後の反りの挙動を示す図である。

図２（ａ）はプリント配線板４と平面のスティフナー１を、常温にて接着剤３を介して貼り付けた直後の図であり、この加熱前の状態で反りはなかった。

図２（ｂ）は接着剤３の加熱硬化後の模式図である。プリント配線板４の熱膨張係数は２０ｐｐｍであり、スティフナー１の熱膨張係数１７ｐｐｍより大きい。加熱後、常温にて平面度を測定したところ、最終的に平面度は−５０μｍとなった。

ここで、平面度は、スティフナーとプリント配線板とを一体化した状態で、プリント配線板を下側にして、平面に置き、測定した。プリント配線板側が山側になっている場合は、プリント配線板の４隅の角の頂点の高さをプラス（＋）の平面度として示す。また、プリント配線板側が谷側になっている場合は、プリント配線板の中心、すなわち、４隅の角の対角線の交点での平面からの高さをマイナス（−）の平面度として示す。

測定方法としては、レーザー測長器を用いて、それぞれの場合で、被測定物であるスティフナー付きプリント配線板を平面におき、該スティフナー付きプリント配線板の測定部分に対応する平面の部分に穴を開けておき、下方向から、レーザーを照射して、距離を算出した。

前記のような、加熱後に反る結果を得た原因のメカニズムは次のように考えられる。昇温の際には、接着剤３は、流動性を有するため、スティフナー１とプリント配線板４との熱膨張率の差による各々の膨張の差を緩和させる。従って、ほぼ、最初に形成した平らな状態を保持したままであるが、ある時点で該接着剤３は硬化し、スティフナー１とプリント配線板４とが固定される。次に、降温される。この場合は、該スティフナー１の熱膨張率よりも、該プリント配線板４の熱膨張率が大きいため、該プリント配線板４の縮む割合が高く、該プリント配線板４の側が縮む方向に引っ張る力が働く。そのため、当初の反りが無い状態からプリント配線板側が縮む方向に反り、このような結果を得たものと考えられる。

以下に本発明の一実施例を説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。

プリント配線板として、絶縁層としてポリイミドを用い、配線層として銅を用いて、配線層を６層形成した多層のプリント配線板を用意した。該プリント配線板の総厚は２２０μｍで、熱膨張係数が２０ｐｐｍであった。

前記プリント配線板の表面は、ソルダーレジストにて覆い、該ソルダーレジストには、ベアチップ実装用のはんだバンプを形成する部分に開口部を設けた。ソルダーレジストの該開口部に、はんだ印刷法により、はんだバンプを形成した。このはんだバンプは、半導体のベアチップを実装するためのものである。

スティフナーは、厚さ７００μｍの銅材を用意し、両面に、電解ニッケルめっき処理にてニッケルをめっきして用いた。

該スティフナーを、平面度で５０μｍ、ドーム状に反らせて本実施例の試料とした。

該スティフナーとプリント配線板を一体化するために、熱硬化性の接着剤を用いてスティフナーをプリント配線板に貼り付けた。その後、接着剤の硬化のための加熱を１５０℃２時間の条件で行った。

図３は本実施例におけるスティフナーとプリント配線板を貼り付け、一体化させた図である。プリント配線板４とスティフナー１とを接着剤３を介して貼り付けた図であり、スティフナー１の反り方向の山側を貼り付ける。接着剤３の硬化前はスティフナー１の反り量分だけプリント配線板４も反っている。硬化のための加熱を行い、さらに常温に戻した。

その結果、プリント配線板４とスティフナー１の熱膨張係数の差からプリント配線板４がより収縮し、最終的には反り量は小さくなった。昇温の際には、接着剤３は、流動性を有するため、ほぼ、最初に形成した反った状態を保持したままであるが、ある時点で該接着剤３は硬化し、スティフナー１とプリント配線板４とが固定される。次に、降温の場合は、該スティフナー１の熱膨張率よりも、該プリント配線板４の熱膨張率が大きいため、より縮む割合が高く、反りと反対の方向に引っ張る力が働く。そのため、当初の反りよりも、小さくなったものと考えられる。

この場合の平面度を測定したところ３０μｍであった。スティフナーの反り方向と熱膨張係数の差による反り方向を逆にすることで最終的な反りを、大幅に改善して、反り量を小さくすることができた。

＜比較例＞
実施例と同様のスティフナーとプリント配線板とを用意した。スティフナー１の平面度は、５０μｍとなるようにした。

実施例とは異なり、スティフナー１の反り方向の谷側とプリント配線板４を、接着剤３を介して貼り合せて一体化した。その後、実施例と同様に処理して平面度を測定したところ平面度は９０μｍであった。

これは、元々のスティフナーの反り方向と熱膨張係数の差による反り方向が同じであるため、反り量が増したと考えられる。

次に、以下に本発明による放熱板付き半導体パッケージの製造方法を、その実施の一形態に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。

図４は半導体チップ５を実装したスティフナー付きプリント配線板に接着剤３を介して放熱板６を貼り付けた概念図である。

プリント配線板として、絶縁層としてポリイミドを用い、配線層として銅を用いて、配線層を６層形成した多層のプリント配線板を用意した。該プリント配線板の総厚は２２０μｍで、熱膨張係数が２０ｐｐｍであった。また、サイズは４０ｍｍ角である。

前記プリント配線板の表面は、ソルダーレジストにて覆い、該ソルダーレジストには、半導体チップ実装用のはんだバンプを形成する部分に開口部を設けた。ソルダーレジストの該開口部に、はんだ印刷法により、はんだバンプを形成した。このはんだバンプは、半導体チップを実装するためのものである。

スティフナーは、厚さ７００μｍの銅材を用意し、両面に、電解ニッケルめっき処理にてニッケルをめっきして用いた。サイズは、４０ｍｍ角で、中心部の開口部が２６ｍｍ角である。

該スティフナーとプリント配線板を一体化するために、熱硬化性の接着剤を用いてスティフナーをプリント配線板に貼り付けた。その後、接着剤の硬化のための加熱を１５０℃２時間の条件で行った。

上記のようにスティフナー付きプリント配線板を製作し、はんだバンプ部にＳｉからなる半導体チップを実装した。該半導体チップのサイズは２０ｍｍ角であり、熱膨張係数が４ｐｐｍであった。実装は、２６０℃３０秒の条件ではんだバンプを溶かすことで行った。

該半導体チップを実装した該スティフナー付きプリント配線板上に熱硬化性の接着剤を用いて放熱板を貼り付けた。その後、接着剤の硬化のための加熱を１５０℃２時間の条件で行った。

図５はスティフナー付きプリント配線板に半導体チップを実装した際の一体化後の反りの挙動を示す図である。

図５（ａ）はスティフナー付きプリント配線板上に半導体チップ５を常温にて載せた直後の図であり、この加熱前の状態で反りはなかった。

図５（ｂ）は半導体チップ５の実装リフロー後の模式図である。プリント配線板４の熱膨張係数は２０ｐｐｍであり、半導体チップ５の熱膨張係数４ｐｐｍより大きい。リフロー後、常温にて平面度を測定したところ、最終的に平面度は−１００μｍとなった。

ここで、平面度は、半導体チップを実装した状態で、プリント配線板を下側にして、平面に置き、測定した。プリント配線板側が山側になっている場合は、プリント配線板の４隅の角の頂点の高さをプラス（＋）の平面度として示す。また、プリント配線板側が谷側になっている場合は、プリント配線板の中心、すなわち、４隅の角の対角線の交点での平面からの高さをマイナス（−）の平面度として示す。

測定方法としては、レーザー測長器を用いて、それぞれの場合で、被測定物であるスティフナー付きプリント配線板を平面におき、該スティフナー付きプリント配線板の測定部分に対応する平面の部分に穴を開けておき、下方向から、レーザーを照射して、距離を算出した。

前記のような、リフロー後に反る結果を得た原因のメカニズムは次のように考えられる。昇温の際には、はんだバンプ２は、溶けていないか、または溶けていて流動性を有するため、半導体チップ５とプリント配線板４との熱膨張率の差による各々の膨張の差を緩和させる。従って、ほぼ、最初に形成した平らな状態を保持したままであるが、降温時、はんだの融点より温度が降下した時点ではんだバンプ２は固体化し、半導体チップ５とプリント配線板４とが固定される。さらに降温される。この場合は、該半導体チップ５の熱膨張率よりも、該プリント配線板４の熱膨張率が大きいため、該プリント配線板４の縮む割合が高く、該プリント配線板４の側が縮む方向に引っ張る力が働く。そのため、当初の反りが無い状態からプリント配線板側が縮む方向に反り、このような結果を得たものと考えられる。

以下に本発明の一実施例を説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。

プリント配線板として、絶縁層としてポリイミドを用い、配線層として銅を用いて、配線層を６層形成した多層のプリント配線板を用意した。該プリント配線板の総厚は２２０μｍで、熱膨張係数が２０ｐｐｍであった。

前記プリント配線板の表面は、ソルダーレジストにて覆い、該ソルダーレジストには、ベアチップ実装用のはんだバンプを形成する部分に開口部を設けた。ソルダーレジストの該開口部に、はんだ印刷法により、はんだバンプを形成した。このはんだバンプは、半導体チップを実装するためのものである。

スティフナーは、厚さ７００μｍの銅材を用意し、両面に、電解ニッケルめっき処理にてニッケルをめっきして用いた。

該スティフナーとプリント配線板を一体化するために、熱硬化性の接着剤を用いてスティフナーをプリント配線板に貼り付けた。その後、接着剤の硬化のための加熱を１５０℃２時間の条件で行った。

上記のようにスティフナー付きプリント配線板を製作し、はんだバンプ部にＳｉからなる半導体チップを実装した。該半導体チップのサイズは２０ｍｍ角であり、熱膨張係数が４ｐｐｍであった。実装は、２６０℃３０秒の条件ではんだバンプを溶かすことで行った。

該半導体チップを実装した該スティフナー付きプリント配線板上に熱硬化性の接着剤を用いて放熱板を貼り付けた。その後、接着剤の硬化のための加熱を１５０℃２時間の条件で行った。

図６は本実施例における放熱板と半導体パッケージを貼り付ける前の図である。半導体パッケージと放熱板６とを接着剤３を介して貼り付ける前の図であり、放熱板６の反り方向の山側を貼り付ける。

半導体チップ実装後の半導体パッケージは、半導体チップ実装方向に反っており、逆方向に反っている放熱板６を貼り付けることにより最終的には反り量は小さくなった。

この場合の平面度を測定したところ３０μｍであった。放熱板を貼り付ける前の半導体パッケージの反り量が１００μｍであったので、最終的な反りを、大幅に改善して、反り量を小さくすることができた。

１・・・スティフナー
２・・・はんだバンプ
３・・・接着層
４・・・プリント配線板
５・・・半導体チップ
６・・・放熱板

Claims (8)

1. スティフナー付きプリント配線板の製造方法であって、
   プリント配線板と一体化する前のスティフナーが反った形状をしており、
   前記スティフナーの熱膨張係数が、前記プリント配線板の熱膨張係数より小さい場合には、前記スティフナーの反り方向が山になる面と前記プリント配線板とを貼り合わせ、
   前記スティフナーの熱膨張係数が、前記プリント配線板の熱膨張係数より大きい場合には、前記スティフナーの反り方向が谷になる面と前記プリント配線板とを貼り合わせ、
   さらに、貼り合わした前記スティフナーと前記プリント配線板を、加熱して一体化すること
   を特徴とするスティフナー付きプリント配線板の製造方法。
2. 前記プリント配線板と一体化する前の前記スティフナーの形状が、ドーム形状であることを特徴とする請求項１に記載のスティフナー付きプリント配線板の製造方法。
3. 前記プリント配線板と一体化する前の前記スティフナーの形状が、中空な部分を有し、該中空部分を含む該スティフナーの仮想平面がドーム形状であることを特徴とする請求項１に記載のスティフナー付きプリント配線板の製造方法。
4. 前記スティフナーと前記プリント配線板とを、熱硬化性接着材を介して貼り合わすことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスティフナー付きプリント配線板の製造方法。
5. 前記スティフナーの材質が、金属であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスティフナー付きプリント配線板の製造方法。
6. 前記スティフナー付きプリント配線板が、半導体パッケージ用であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスティフナー付きプリント配線板の製造方法。
7. 放熱板付き半導体パッケージの製造方法であって、
   半導体パッケージと一体化する前の放熱板が反った形状をしており、
   前記放熱板の反り方向が山になる面と前記半導体パッケージとを貼り合わせ、
   さらに、貼り合わした前記放熱板と前記半導体パッケージを、加熱して一体化すること
   を特徴とする放熱板付き半導体パッケージの製造方法。
8. 前記半導体パッケージと一体化する前の前記放熱板の形状が、ドーム形状であることを特徴とする請求項７に記載の放熱板付き半導体パッケージの製造方法。

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