JP2010267743A - 半導体装置と配線基板の接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】接続信頼性の高いＢＧＡ接続構造の提供。
【解決手段】半導体装置１と配線基板（実装基板１０）とをはんだによりＢＧＡ接続する半導体装置と配線基板の接続構造において、はんだバンプよりも軸線方向に長く形成し、且つ、断面積が中央部分よりも半導体装置側に接合される一端と配線基板側に接合される他端の方で広くなる形状に形成したスタッドピン８と、半導体装置側と実装基板側に各々配設してスタッドピンの両端を各々接合する当該スタッドピンの両端よりも大きい基板パッド（第１金属製パッド７、第２金属製パッド１１）と、はんだによるスタッドピンと半導体装置及び実装基板との間のフィレット形状接合部と、を備えること。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに異なる線膨張係数を有する半導体装置と配線基板とをはんだによりＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ：ボール グリッド アレイ）接続する半導体装置と配線基板の接続構造に関する。

従来、半導体装置と配線基板の接続構造としてＢＧＡ接続構造が知られている。このＢＧＡ接続構造においては、半導体パッケージなどの半導体装置の裏面にはんだボールなどの球状の接続端子を２次元のアレイ状に配置し、外部接続電極をパッケージ裏面に格子状若しくはランダムに配置している。これが為、このＢＧＡ接続構造は、パッケージを小型化でき、多くの電子部品類を高密度実装することができるので、電子機器の小型化に大いに寄与している。また、このＢＧＡ接続構造は、リードレスであるので、半導体素子と配線基板との接続距離を短くすることができ、信号処理速度を向上させることもできる。

ここで、例えば、セラミック材を導電性配線材と共に積層・焼成して多層化したセラミック基板からなるＢＧＡ型セラミック回路モジュールが知られている。このＢＧＡ型セラミック回路モジュールでは、配線基板に実装した状態において、ＢＧＡ接続パッドの外周部に熱応力が集中して、パッド周囲のセラミック基板にクラックが発生する場合があった。下記の特許文献１には、そのクラックの発生を防ぐ技術について開示されている。この特許文献１に記載の技術は、パッドの外周部をガラス保護膜で覆ったクラックを生じさせることがない端子構造である。また、この特許文献１には、その端子構造を少ない工程数で得ることを可能にするセラミック回路モジュールの製造方法についても開示されている。

また、下記の特許文献２には、線膨張係数の異なる二種類の基板を接続するＢＧＡ接続構造について記載されている。一般に、この種のＢＧＡ接続構造においては、熱履歴が加わった時に、接続金属であるはんだの一部に熱応力が集中し、これにより、はんだと基板の電極パッドとの接合面付近ではんだ又は基材にクラックが生じて、接続を破断させてしまうという問題がある。その特許文献２には、かかる問題の解決策が記載されている。この特許文献２には、その解決策として、接続するどちらか一方の基板にスタッドピンを立て、そのスタッドピンを覆うように球状のはんだバンプを形成するという技術が開示されており、これにより、実装基板に実装した半導体装置の取り付け高さを片寄りのない一定の高さに保持することができるので、その半導体装置の放熱特性が向上し、半導体装置と実装基板との接続部分に掛かる熱応力を軽減できるということが示されている。

また、ＢＧＡ接続用はんだボールのパッド接合部付近に発生するクラックやパッド周囲の基材へのクラックの発生を防止するための技術として、セラミック基板と配線基板との間にアンダーフィル材を充填し、パッド部全体又はその一部を補強するという方法が下記の特許文献３に開示されている。

特開２００７−２５０５６４号公報 特許第２６９９９３２号公報 特許第３６４４３４０号公報

しかしながら、上記従来のＢＧＡ接続構造においては、下記の不都合を有している。

先ず、上記特許文献１に記載のＢＧＡ接続構造（具体的には端子構造）は、パッド周囲にクラックを生じさせにくい構造ではあるが、接続部分のはんだボールがつぶれてその中央部が膨らむので、パッド接合面付近がくびれた形状になってしまう。従って、この端子構造においては、パッド周囲のクラックの発生を抑えるが、そのパッド接合面付近におけるはんだボールのくびれ部に応力を集中させてしまう。

ここで、半導体装置に要求される耐久温度範囲が広がると、配線基板との熱膨張差によりパッド接合部への熱応力が増大する。例えば、その熱応力を緩和させるためには、パッドの導体厚さを厚くすればよい。しかしながら、その導体厚さを厚くするということは、導体の使用量を増加させるので、結果としてコスト増加を招いてしまう。また、通常、導体膜は導体ペーストのスクリーン印刷によって形成されるが、厚い導体の形成は、印刷工程におけるスクリーンマスクへの充填、マスクの抜け性を悪化させる。これが為、厚い導体の形成は、困難である。更に、その際には、使用する導体としてセラミック材などの基材との密着強度が十分にある材料しか選択できないという問題を有している。

このように、この特許文献１に記載のＢＧＡ接続構造（はんだボールがつぶれて接続部分の中央部が膨らみ、パッド接合面付近がくびれた接続形状）では、力学的にパッド接合部付近に最も大きく熱応力が作用することになるので、上記のような基板の補強だけでは耐久温度範囲の拡大又は基板サイズの拡大という要求を満足できない。

上記特許文献２に記載のＢＧＡ接続構造は、何れか一方の基板にスタッドピンをはんだ付けし、そのスタッドピンを覆うように球状のはんだバンプを形成しているので、均一の長さのスタッドピンを複数本設けることによって、半導体装置の取り付け高さを片寄りのない一定の高さに保持することを可能にする。しかしながら、このＢＧＡ接続構造においては、そのスタッドピンを覆うように形成されているはんだバンプの形状が球状であり、実装後のパッド接合面付近がくびれた接続形状になるので、互いに異なる線膨張係数を有する半導体装置とそれを実装する基板の接続の際に、そのくびれ部分に熱応力が集中し、はんだクラックや接続部境界付近における基材のクラック等による接続不良が発生する虞がある。

上記特許文献３に記載のＢＧＡ接続構造は、アンダーフィル材を半導体装置と配線基板の間のＢＧＡ接続部分に充填して補強しているので、ＢＧＡ接続後にアンダーフィル材を充填する工程が増えるという問題がある。また、セラミック基板と配線基板との間にアンダーフィル材が存在すると、誘電率が高くなり、高周波の伝送損失が高くなるので、このアンダーフィル材は、高周波用半導体部品間の接合補強材料として適用さない。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＢＧＡ接続構造における半導体装置と配線基板の線膨張係数の差によってパッド接合部付近へ作用するせん断方向の熱応力を低減し、はんだなどの接続金属のクラックや接続部境界付近におけるパッド周囲の基材のクラック等による接続不良を抑制することができる半導体装置と配線基板の接続構造を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、半導体装置と配線基板とをはんだによりＢＧＡ接続する半導体装置と配線基板の接続構造において、はんだバンプよりも軸線方向に長く形成し、且つ、断面積が中央部分よりも前記半導体装置側に接合される一端と前記実装基板側に接合される他端の方で広くなる形状に形成したスタッドピンと、前記半導体装置側と前記実装基板側に各々配設して前記スタッドピンの両端を各々接合する当該スタッドピンの両端よりも大きい基板パッドと、前記はんだによる前記スタッドピンと前記半導体装置及び前記実装基板との間のフィレット形状接合部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、接合部付近に生じる半導体装置側の基板と配線基板の線膨張係数の差から発生するせん断方向の熱応力を低減することができ、はんだなどの接続金属のクラックや接続部境界付近における基材のクラック等による接続不良を抑えた接続信頼性の高いＢＧＡ接続構造となる。

図１は、本発明にかかる半導体装置と配線基板の接続構造の実施の形態の全体構成を示す図である。 図２は、図１に示す半導体装置と配線基板の接続構造の要部の拡大図である。 図３は、従来の半導体装置と配線基板の接続構造を示す図である。

以下に、本発明にかかる半導体装置と配線基板の接続構造の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
本発明にかかる半導体装置と配線基板の接続構造の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。その図１の符号１は半導体装置を示しており、符号１０は半導体装置１が実装される配線基板たる実装基板１０を示している。この半導体装置と配線基板の接続構造は、スタッドピンをはんだバンプよりも長く形成すると共に、このスタッドピンを断面積が中央部分よりも半導体装置側の一端と実装基板側の他端の方で広くなる形状に形成し、且つ、そのスタッドピンの両端が夫々接合される半導体装置側と実装基板側の基板パッドを当該スタッドピンの両端よりも大きく形成して、ＢＧＡ実装高さを高くし、スタッドピンと半導体装置及び実装基板との接合部をフィレット形状にしたものである。

ここで例示する半導体装置１について説明する。この半導体装置１は、例えば、多層セラミック基板２と、この多層セラミック基板２上に設けた金属パターン３と、同じくその多層セラミック基板２上に設けた複数の半導体素子４と、この半導体素子４同士又はこの半導体素子４と金属パターン３を接続する金属製ワイヤ５と、これら半導体素子４や金属製ワイヤ５を保護するためのキャップ６と、を備えて構成されている。ここでは、その金属パターン３、半導体素子４及び金属製ワイヤ５が配設された面を多層セラミック基板２の表面と定義する。

また、この半導体装置１には、実装基板１０と接続するための基板パッドとしての複数の第１金属製パッド７と、第１金属製パッド７毎の複数のスタッドピン８と、が多層セラミック基板２の裏面に設けられている。そのスタッドピン８は、一端を第１金属製パッド７に配設したものであり、その第１金属製パッド７から他端を実装基板１０に向けて立設させている。その実装基板１０上には、スタッドピン８の他端面が当接する基板パッドとしての第２金属製パッド１１がスタッドピン８毎に設けられている。このスタッドピン８は、はんだ９によって第１及び第２の金属製パッド７，１１に接合される。

具体的に、スタッドピン８は、その断面積が中央部分よりも半導体装置１（具体的には多層セラミック基板２）側の一端部と実装基板１０側の他端部の方で広くなる形状に形成する。ここで例示するスタッドピン８は、図２に示すように、その断面積が中央部分から両端に向けて徐々に広くなっていく形状、例えば鼓形状に形成する。ここで云う断面積とは、スタッドピン８をその軸線方向に対して直交方向に切った際にできる断面の面積のことを指す。

このスタッドピン８の軸線方向の長さは、通常、配線パッドのピッチなどから選定されるはんだボールの大きさよりも長くしている。つまり、スタッドピン８は、はんだバンプよりも軸線方向に長く形成している。

多層セラミック基板２側の第１金属製パッド７は、スタッドピン８の一端部よりも大きく形成している。また、実装基板１０側の第２金属製パッド１１についても同様に、スタッドピン８の一端部よりも大きく形成している。例えば、その第１金属製パッド７は、スタッドピン８に接合させる側の平面を当該スタッドピン８の一端部の外周形状よりも大きく形成する。これと同様に、第２金属製パッド１１は、スタッドピン８に接合させる側の平面を当該スタッドピン８の一端部の外周形状（具体的は第２金属製パッド１１との当接面の形状）よりも大きく形成する。

本実施の形態においては、第２金属製パッド１１にクリームはんだ（図示略）を印刷などで設け、そのクリームはんだを有する実装基板１０とスタッドピン８を有する半導体装置１とをリフローなどによって接合する。その際、そのクリームはんだは、溶融して第１金属製パッド７とスタッドピン８と第２金属製パッド１１とに伝わった後で固まり、これらを接合する。ここで、本実施の形態においては、スタッドピン８を上述した形状（ここでは鼓形状）に形成し、更に、そのスタッドピン８の両端よりも第１及び第２の金属製パッド７，１１を大きくしている。これが為、その溶融したクリームはんだは、第１金属製パッド７側と第２金属製パッド１１側とで夫々に中央部分よりも断面積が広がった状態となり、その後で固形化される。図１及び図２には、その固形化した後のはんだ９を示している。その固形化後のはんだ９の形状（換言するならばスタッドピン８と多層セラミック基板２及び実装基板１０との接合部の形状）は、中央部分を境にして、夫々に多層セラミック基板２側と実装基板１０側とに向けた末広がり形状（即ちフィレット形状）となり、スタッドピン８と同様の鼓形状になる。つまり、本実施の形態においては、はんだ９によるスタッドピン８と半導体装置１及び実装基板１０との間にフィレット形状接合部１２が形成される。従って、本実施の形態においては、上述したスタッドピン８の軸線方向の長さとはんだボールの大きさとの関係と相俟って、従来のはんだバンプより高く一定の高さで安定した接合が可能になる。

以上示した如く、本実施の形態においては、スタッドピン８の形状を鼓形状とすると共に、この鼓形状のスタッドピン８が接合する多層セラミック基板２の第１金属製パッド７と実装基板１０の第２金属製パッド１１の大きさを当該スタッドピン８の端部の形状より大きくしている。そして、更に、本実施の形態においては、スタッドピン８の長さをはんだバンプよりも長くしている。これが為、本実施の形態においては、ＢＧＡ実装高さが高くなり、多層セラミック基板２側と実装基板１０側のはんだ接合部形状をフィレット形状にすることができるので、図３に示す従来のＢＧＡ接続構造と比して接合部付近に生じる互いの基板（多層セラミック基板２及び実装基板１０）の線膨張係数の差から発生するせん断方向の熱応力を低減することができる。従って、本実施の形態においては、はんだなどの接続金属のクラックや接続部境界付近における基材のクラック等による接続不良を抑えた接続信頼性の高いＢＧＡ接続構造が可能となる。尚、その図３に示す従来の多層セラミック基板１００と実装基板１１０のＢＧＡ接続構造は、本実施の形態とは異なり、はんだバンプ１２０が球状であり、多層セラミック基板１００側と実装基板１１０側の夫々の基板パッド１３０，１４０との接合面付近の接続形状がくびれ形状１５０になっている。この図３の符号１６０は、スタッドピンを示している。

以上のように、本発明にかかる半導体装置と配線基板の接続構造は、接続信頼性の高いＢＧＡ接続構造を得る技術として有用である。

１ 半導体装置、２ 多層セラミック基板、７ 第１金属製パッド（基板パッド）、８ スタッドピン、１０ 実装基板（配線基板）、１１ 第２金属製パッド（基板パッド）、１２ フィレット形状接合部

Claims (2)

1. 半導体装置と配線基板とをはんだによりＢＧＡ接続する半導体装置と配線基板の接続構造において、
   はんだバンプよりも軸線方向に長く形成し、且つ、断面積が中央部分よりも前記半導体装置側に接合される一端と前記実装基板側に接合される他端の方で広くなる形状に形成したスタッドピンと、前記半導体装置側と前記配線基板側に各々配設して前記スタッドピンの両端を各々接合する当該スタッドピンの両端よりも大きい基板パッドと、前記はんだによる前記スタッドピンと前記半導体装置及び前記実装基板との間のフィレット形状接合部と、を備えたことを特徴とする半導体装置と配線基板の接続構造。
2. 前記スタッドピンは鼓形状である請求項１記載の半導体装置と配線基板の接続構造。

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