JP2011103398A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 端子間が狭ピッチの半導体装置をプリント配線板にはんだによって実装する時、半導体装置に熱反りが生じても、ブリッジや未はんだを防止し、プロセス上問題無く実装できる構造を提案することを目的とする。
【解決手段】 プリント配線板の複数のランドの配置は、コーナ部が前記第1のランド、中心部又は最内周部が前記第3のランド、前記第1のランドと前記第3のランドの間が、前記第2のランドで有る。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、グリッド上に電極端子を有する半導体装置を、はんだによってプリント配線板に接合させる実装構造に関する。
近年、半導体製品の多電極化とともに一層高密度な実装が求められるようになってきている。そこで、プリント配線板(インターポーザ)の一面側に半導体素子を搭載し、その裏面側に円形のランドと呼ばれる電極を、マトリックス状に端子配列したLGA(Land Grid Array)と呼ばれるタイプの半導体装置が実用化されている。また、これら電極にはんだボールを形成し、プリント配線板との接続用ランドとした半導体装置をBGA(Ball Grid Array)と呼はれている。
半導体装置は、半導体素子、パッケージモールド、インターポーザ等、複数の部材で構成される。これらの構成部品の線膨張係数はそれぞれ異なっているため、半導体装置をプリント配線板上にはんだによって接合する際、リフロー工程等による熱の影響により、半導体装置に反りが発生してしまう。半導体装置に反りが生じた状態で、平面状態に有るプリント配線板に接合させようとすると、一部のはんだ電極がプリント配線板上のランドとの間に隙間が出来て接触せず、未はんだとなる虞がある。また、プリント配線板に接触した一部のはんだ電極が、半導体装置の自重により潰れ、隣接のはんだ電極とブリッジを起こす虞がある。
このような半導体装置の反りによるはんだ電極の接続不良を防止するために、例えば特許文献1に記載されたような方法が知られている。特許文献1では、プリント配線板上に配置された複数のランドの径を徐々に変えることにより、はんだ電極の高さを変化させることによって、半導体装置の熱による反りによって出来る隙間の変化の影響を少なくする方法である。
特開2004−289002
しかしながり、半導体装置の大きさの小型化により、半導体装置自体の厚みは薄くなり、各ランドのピッチはより小さくなっている。そのため、半導体装置の熱による反りの問題は、ますます大きくなっている。
特許文献1に記載のランドの径を異ならせる方式の場合、径の大きさが小さくなればなるほど、はんだの接合信頼性は低下してしまう。また、製造コストを考慮すると、各ランドで使用するはんだの量は等しいことが好ましい。しかしながら、大きい径のランドでは、はんだの量が不足し接合不良をおこしたいり、小さい径のランドでは、はんだ量が過剰になりブリッジを起こす可能性が高くなる。
そこで本発明の目的は、半導体装置に熱による反りが生じても、ブリッジや未はんだを防止し、プロセス上の問題無く実装できる半導体装置を提案することである。
前記課題を解決するために本発明では、プリント配線板にもうけられた複数のランドに、外周から3列以上のマトリックス状の端子配列を有する半導体装置実装した実装構造において、前記プリント配線板上に形成された複数のランドは、ランド周囲が絶縁膜に覆われ、大きさの異なる少なくとも2種類のランド径を有する第1、第2のランド群と、ランド全体が露出し、大きさの異なる少なくとも2種類のランド径を有する、第3、第4のランド群との、少なくとも3種類以上のランド群で形成されていることを特徴としている。
本発明の構成により、端子間が狭ピッチの半導体装置をプリント配線板にはんだによって実装する時、半導体装置に熱反りが生じても、ブリッジや未はんだを防止し、プロセス上問題無く実装できる。
第1の実施形態に係る半導体装置の断面模式図、および平面模式図 本発明のランド形状とはんだ電極の関係を示した断面模式図 第2の実施形態に係る半導体装置の断面模式図、および平面模式図 第3の実施形態に係る半導体装置の断面模式図、および平面模式図 第4の実施形態に係る半導体装置の断面模式図、および平面模式図 第5の実施形態に係る半導体装置の断面模式図、および平面模式図 半導体装置の熱反りを示した断面模式図
本発明の実施の形態を説明する前に、半導体装置が熱によって反った現象を図7を参照して説明する。半導体装置5は、半導体チップ7、半導体チップが配置されているインターポーザ8、導体チップ7を覆うパッケージモールド6、インターポーザ8の半導体チップ7とは逆の面に配置された複数のはんだ電極30からなっている。電極30は、プリント配線板に設けられた複数のランドに、外周から3列以上のマトリックス状に端子配列され、外部との端子である。半導体チップ7はシリコンから成っており、インターポーザ8はガラスクロスとエポキシ樹脂からなる複合材からなっている。パッケージモールド6はエポキシ樹脂から成っている。インターポーザ8の上面には銅からなる配線パターン(不図示)が形成されている。
半導体装置を、プリント配線板に接合させるため、はんだの接合温度まで昇温させると、半導体装置を構成する各部材の線膨張係数差により、熱反りが発生する。また、半導体装置の製造方法は、インターポーザに半導体素子を実装したのち、半導体素子の周囲をパッケージモールドによって封止する等の複数の行程で作られている。そのため、各行程での熱プロセスによる線膨張係数差や、樹脂の効果収縮等により、常温においても半導体装置単体の状態で初期反りが発生するものも有る。そのため、半導体装置のはんだ接合時の反りは、初期状態の反りとはんだ接合時の反りを合成した形態となる。すなわち、図7(a)のように、半導体装置の中央部が、半導体装置のはんだ電極側に凸になる形状で反りが発生したり、図7(b)のように、半導体装置の中央部が、半導体装置のはんだ電極側に凹になる形状で反りが発生したりする。図7(a)と図7(b)の状態は、半導体装置5の大きさ、半導体チップ7の大きさ、はんだ電極30の配置や大きさ、フローはんだ等における熱の加え方やタイミングによって各半導体装置毎に異なるものである。また、上記半導体装置の初期反りの方向は、半導体装置を構成する材料物性や製造プロセスによって個々に異なる。
次に、ランド径の異なる場合、ランド構造がランド周囲が絶縁膜に覆われたランド(SMD)と、ランド周囲に絶縁膜が無く全体が露出したランド(NSMD)の場合の、接合されたはんだ電極の高さについて図2を参照して説明する。なお、SMDとは、Solder Mask Definedであり、NSMDとはNon Solder Mask Definedである。
図2は、ランド形状とはんだ電極の関係を示した概略断面図である。図2(a1)、(a2)は、ランド周囲が絶縁膜に覆われたランド(SMD)の場合である、図2(a1)のランド310のランド径はDs1であり、はんだ電極330の高さはHs1である。図2(a2)のランド311のランド径はDs2であり、はんだ電極331の高さはHs2である。Ds2はDs1よりも大きい値であり、ランド径が大きくなるとランド高さは低くなることが分る。
図2(b1)、(b2)は、ランド周囲に絶縁膜が無く全体が露出したランド(NSMD)の場合である、図2(b1)のランド320のランド径はDn1であり、はんだ電極332の高さはHn1である。図2(b2)のランド321のランド径はDn2であり、はんだ電極333の高さはHn2である。Dn2はDn1よりも大きい値であり、NSMDの場合もランド径が大きくなるとランド高さは低くなることが分る。
図2(c1)はランド周囲が絶縁膜に覆われたランド(SMD)であり、図2(c2)はランド312のランド周囲に絶縁膜が無く全体が露出したランド(NSMD)の場合である。図2(c1)のランド322のランド径はDso1であり、はんだ電極335のランド高さはHso1である。図2(c2)のランド径はDs2であり、はんだ電極336高さはHs2である。Dso1とDso1と等しい値であり、SMDとNSMDでランド径が等しい場合は、SMDの方がランド高さは高くなることが分る。ランド周囲に絶縁膜が無く全体が露出したランド(NSMD)は、ランド周囲の側面にはんだが回り込むためである。
このように、はんだ電極の体積を変えることなく高さを変える方法としては、ランド径を異ならせる方法、ランド構造を異ならせる方法が考えられる。またそれらを組み合わせることにより、はんだ電極の高さを制御することが可能となる。
なお、はんだ電極の高さを高くするには、ランド径のできるだけ小さいSMDのランドを使用すれば良い。また、はんだ電極の高さを低くするには、ランド径のできるだけ大きいNSMDのランドを使用すれば良い。また、ランド径の大きいSMDとランド径の小さいNSMDの場合、ランド高さをほぼ等しくすることも可能である。
本発明における実装構造は、SMDで大きさの異なる2種類のランド径(第1、第2のランド群)と、NSMDで大きさの異なる2種類のランド径(第3、第4のランド群)との中の、少なくとも3種類以上のランド群で形成されている。
以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の図であり、図1(a)は半導体装置の断面模式図、図1(b)は、プリント配線板のはんだ電極接合面の平面模式図である。
プリント配線板1は、ガラスエポキシ層2、絶縁層(レジスト層)3と、ガラスエポキシ層2の表面に形成された、複数のランド10、20で構成される。半導体装置5は、インターポーザ8上に半導体素子7、半導体素子7の周囲をパッケージモールド6によって覆われている。プリント配線板1と、半導体装置5とは、複数のはんだ電極30と、プリント配線板1表面上に配置された複数のランド10、20と、半導体装置5のインターポーザ8裏面に配置された複数のランド(図示せず)によって、それぞれ接合される。
プリント配線板1を構成するガラスエポキシ層2は、ガラスクロスとエポキシ樹脂からなる複合材、絶縁層3はエポキシ樹脂、複数のランド10、20は銅である。プリント配線板1は8層からなる多層プリント配線板であり、全体の板厚は0.8mmであり、の銅箔層の厚さは、18μmである。つまり、複数のランド10、20の厚さは、18μmである。プリント配線板1に配置される複数のランド10、20は、ランド径が0.24から0.3mmであり、およそ500個のランドが、0.4から0.5mmピッチでマトリックス状に端子配列されている。
半導体装置5を構成する材質は、半導体素子7は、シリコン、インターポーザ8は、ガラスクロスとエポキシ樹脂からなる複合材と、銅からなる配線パターン(詳細は図示せず)、パッケージモールド6は、エポキシ樹脂である。半導体装置5は、外形が10mm角で厚さは0.8mmである、半導体素子7は、外形が5mm角で厚さ0.1mmであり、インターポーザは8、厚さ0.1mmである。複数のはんだ電極30の材質は、例えばSn−3.0Ag−0.5Cuの鉛フリーはんだである。複数のはんだ電極30は、はんだ径0.24mmで、それぞれランドに接合されている。
はんだ接合プロセス時の半導体装置の熱反りは、上述した原理で半導体装置の中央部が、半導体装置のはんだ電極側に凸になる形状で反りが発生する形態である。半導体装置5の構造が上記寸法の時、およそ70μmの反りが発生する。
そこで、プリント配線板1表面上に配置された複数のランド群は、ランド周囲が絶縁膜に覆われたランド10と、ランド全体が露出したランド20から構成した。ランド周囲が絶縁膜に覆われたランド10は、第4のランド13、ランド径が第4のランド13より大きい第3のランド12、第2のランドよりランド径が更に大きい第2のランド12により形成されている。ランド全体が露出したランド20は、少なくとも1個以上の第1のランド21により形成されている。第4のランド13は、プリント配線板1表面上の複数のランド群のコーナ部や最外周部に配置され、ランド群の内側に向かって順番に複数の第3のランド12、複数の第2のランド11と配し、最も中心の部分が第1のランド21となっている。
第4のランドのランド径は0.25mm、第3のランドのランド径は0.28mmであり、シミュレーション結果から、第3のランドの高さは、はんだ電極のサイズを一定とすれば第4のランドの高さよりも30μm低くなる。第2のランドのランド径は0.30mmであり、シミュレーション結果から、第3のランドの高さは、第1のランドの高さよりも50μm低くなる。また第1のランドのランド径は0.3mmである。はんだ電極のサイズを一定とすれば、はんだの高さはランド厚さである18μm低くなる。従って、第1のランドから第4のランドにかけ、はんだ電極の高さを68μm低くすることができ、はんだ接合時に半導体装置5に、70μm程度の反りが発生しても問題なく接合が可能である。
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の図であり、図3(a)は半導体装置の断面模式図、図3(b)は、プリント配線板のはんだ電極接合面の平面模式図である。
プリント配線板105は、ガラスエポキシ層102、絶縁層103と、ガラスエポキシ層102表面に形成された、複数のランド110、120で構成される。半導体装置105は、インターポーザ108上に半導体素子107、半導体素子107の周囲をパッケージモールド106によって覆われている。プリント配線板101と、半導体装置105は、複数のはんだ電極130と、プリント配線板101表面上に配置されたランド110、120と、半導体装置105のインターポーザ108の裏面に配置された複数のランドによって、それぞれ接合される。なお、半導体装置105およびプリント配線板101を構成する材質および大きさは、第1の実施の形態と同様である。
はんだ接合プロセス時の半導体装置の熱反りは、上述した原理で半導体装置の中央部が、半導体装置のはんだ電極側に凹になる形状で反りが発生する形態である。半導体装置105の構造が上記寸法の時、およそ50から80μmの反りが発生する。
そこで、プリント配線板101表面上に配置された複数のランドは、ランド周囲が絶縁膜に覆われた複数のランド110と、ランド全体が露出したランド120から構成した。ランド周囲が絶縁膜に覆われた複数のランド110は、少なくとも1個以上の第1のランド113、ランド径が第1のランド113より大きい複数の第2のランド112、ランド径が第2のランドより更に大きい第3のランド112により形成されている。ランド全体が露出したランド120である第4のランド121は、プリント配線板101表面上のコーナ部や最外周部に配置され、内側に向かって順番に第3のランド111、第2のランド112と配し、最も中心の部分が第1のランド113となっている。
第1のランドのランド径を0.25mm、第2のランドのランド径を0.28mm、第3のランドのランド径を0.30mm、第4のランドのランド径を0.30mmとし、はんだ電極のサイズを一定とした。その結果、第1の実施の形態と同様に、はんだ接合時に半導体装置105に、70μm程度の反りが発生しても問題なく接合できることになる。
(第3の実施形態)
図4は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の図であり、図4(a)は半導体装置の断面模式図、図4(b)は、プリント配線板のはんだ電極接合面の平面模式図である。
プリント配線板55は、ガラスエポキシ層52、絶縁層53と、ガラスエポキシ層52表面に形成された、複数のランド60、70で構成される。半導体装置55は、インターポーザ58上に半導体素子57、半導体素子57の周囲をパッケージモールド56によって覆われている。プリント配線板51と、半導体装置55とは、複数のはんだ電極80と、プリント配線板51表面上に配置された複数のランド60、70と、半導体装置55のインターポーザ58裏面に配置された複数のランド(図示せず)によって、それぞれ接合される。なお、半導体装置55およびプリント配線板51を構成する材質および大きさは、第1の実施の形態と同様である。
はんだ接合プロセス時の半導体装置の熱反りは、上述した原理で半導体装置の中央部が、半導体装置のはんだ電極側に凸になる形状で反りが発生する形態である。半導体装置55の構造が上記寸法の時、およそ70μmの反りが発生する。
そこで、プリント配線板51表面上に配置された複数のランドは、ランド周囲が絶縁膜に覆われた複数のランド60と、ランド全体が露出したランド70から構成した。ランド周囲が絶縁膜に覆われた複数のランド60である第4のランドは、プリント配線板61表面上のコーナ部や最外周部に配置されている。ランド全体が露出したランド70は、最も中心部の少なくとも1個以上の第1のランド71、ランド径が第1のランド73より小さい第2のランド72、ランド径が第2のランドより更に小さい第3のランド73により形成されている。第4のランド60からランド群の内側に向かって順番に複数の第3のランド73、複数の第2のランド72と配し、最も中心の部分が第1のランド71となっている。
第1のランドのランド径を0.30mm、第2のランドのランド径を0.28mm、第3のランドのランド径を0.25mm、第4のランドのランド径を0.30mmとし、はんだ電極のサイズを一定とした。その結果、第1の実施の形態と同様に、はんだ接合時に半導体装置55に、70μm程度の反りが発生しても問題なく接合できることになる。またこれは、第2の実施の形態の様に、半導体装置の中央部が、半導体装置のはんだ電極側に凹になる形状で反りが発生する場合も、同様に対処可能である。
(第4の実施の形態)
図5は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の図であり、図5(a)は半導体装置の断面模式図、図5(b)は、プリント配線板のはんだ電極接合面の平面模式図である。
はんだ接合プロセス時の半導体装置の熱反りは、上述した原理で半導体装置の中央部が、半導体装置のはんだ電極側に凸になる形状で反りが発生する形態である。半導体装置205の構造が上記寸法の時、およそ70μmの反りが発生する。
プリント配線板205は、ガラスエポキシ層202、絶縁層203と、ガラスエポキシ層202表面に形成された、複数のランド210、220で構成される。半導体装置205は、インターポーザ208上に半導体素子207、半導体素子207の周囲をパッケージモールド206によって覆われている。プリント配線板51と、半導体装置205とは、複数のはんだ電極230と、プリント配線板201表面上の複数のランド210、220と、半導体装置205のインターポーザ208の裏面の複数のランドによって、それぞれ接合される。なお、半導体装置205およびプリント配線板201を構成する材質および大きさは、第1の実施の形態と同様である。
そこで、プリント配線板51表面上に配置された複数のランドは、ランド周囲が絶縁膜に覆われた複数のランド210と、ランド全体が露出したランド220から構成した。ランド全体が露出したランド220は、最も中心部の少なくとも1個以上の第1のランド222、第1のランド222の周りには、第1のランド222よりランド径が小さい複数の第2のランド221により構成した。ランド周囲が絶縁膜に覆われた複数のランド210は、プリント配線板上のコーナ部や最外周部の第5のランド213、第5のランド213よりもランド径が小さい第4のランド212、第4のランド212よりもランド径が小さい第3のランド211により構成した。ランド群の中心から外側に向かって、第1から第5のランドが配置されている。
第1のランドのランド径を0.30mm、第2のランドのランド径を0.25mmとし、第3のランドのランド径を0.30mm、第4のランドのランド径を0.28mmとし、第5のランドのランド径を0.25mmとし、はんだ電極のサイズを一定とした。その結果、第1の実施の形態と同様に、はんだ接合時に半導体装置205に、70μm程度の反りが発生しても問題なく接合できることになる。またこれは、第2の実施の形態の様に、半導体装置の中央部が、半導体装置のはんだ電極側に凹になる形状で反りが発生する場合も、同様に対処可能である。
なお、本実施の形態における第2から第4のランドの配置は、ランド径を調整することにより、配置の順番を変更することも可能である。
(第5の実施の形態)
図6は、本発明の第5の実施形態に係る積層型半導体装置の図であり、図6(a)は半導体装置の断面模式図、図6(b)は、プリント配線板のはんだ電極接合面の平面模式図である。
積層型半導体装置500は、プリント配線板501、第1の中間プリント配線板511、第2の中間プリント配線板521、第1の半導体装置541、第2の半導体装置542、第3の半導体装置543で構成される。積層型半導体装置500は、上記構成のほか第1の複数のはんだ電極530、第2の複数のはんだ電極531、第3の複数のはんだ電極532、第4の複数のはんだ電極533、第5の複数のはんだ電極534で構成される。プリント配線板501は、第1の複数のはんだ電極530を介して、第1の中間プリント配線板521が接合されている。第1の中間プリント配線板には、第2の複数のはんだ電極531、第3の複数のはんだ電極532を介して、第1の半導体装置541と第2の半導体装置542が接合されている。第1の中間プリント配線板には、第4の複数のはんだ電極533を介して、第2の中間プリント配線板521が接合されている。第2の中間プリント配線板521には、第5の複数のはんだ電極534を介して、第3の半導体装置が接合されている。
第1の中間プリント配線板511には、それぞれの構成要素の線膨張係数差が影響し合い、複雑な熱反りが発生する。そこでプリント配線板501の表面に配置される複数のランド形状は、上記熱反りに合わせた形態とする。
プリント配線板501表面上に配置された複数のランド510、520は、ランド周囲が絶縁膜に覆われた複数のランド510と、ランド全体が露出した複数のランド520を形成した。ランド周囲が絶縁膜に覆われた複数のランド510は、複数の第1のランド512、第1のランドよりランド径が大きい複数の第2のランド511から構成される。ランド全体が露出した複数のランド520は、複数の第3のランド522、第3のランドよりランド径が大きい複数の第4のランド521から構成される。複数の第1のランド512は、プリント配線板501の表面上のコーナ部又は最外周部に配置されている。第1のランド512の内側に向かって順番に複数の第2のランド511、複数の第3のランド522を配し、最も中心の部分が複数の第4のランド521が配置されている。前記ランドの組み合わせは、中間プリント配線511の熱反りに合わせるため、プリント配線板501の中で概略繰り返し配置される。
複数のランド510、520を上述のように配置することにより、複数のはんだ電極530の高さ関係は、図12(a)に示す通りになり、プリント配線板501の最外周部分から中央部分にかけ、複数のはんだ電極の高さを滑らかに変化させることができる。
第5の実施の形態は、実施例1と異なり、より多くのランド形状を使うため、反りが大きい場合や複雑な反りに対応できる。
1、51、101、201 プリント配線板
2、52、102、202 ガラスエポキシ層
3、53、103、203 絶縁層
5、55、105、205 半導体装置
6、56、106、206 パッケージモールド
7、57、107、207 半導体素子
8、58、108。208 インターポーザ
10、60、110、210 ランド(SMD)
20、70、120、220 ランド(NSMD)
30、80、130、230 はんだ電極

Claims (4)

  1. プリント配線板に設けられた複数のランドに、外周から3列以上のマトリックス状の端子配列を有する半導体装置を実装した実装構造において、
    前記プリント配線板の上に形成された複数のランドは、ランド周囲が絶縁膜に覆われ、大きさの異なる少なくとも2種類のランド径を有する第1、第2のランド群と、ランド全体が露出し、大きさの異なる少なくとも2種類のランド径を有する、第3、第4のランド群との、少なくとも3種類以上のランド群で形成されていることを特徴とする実装構造。
  2. 前記半導体装置は、はんだ接合時の反りが、半導体装置の中央部が前記半導体装置のはんだ電極側に凸になる構造で有り、前記3列以上のマトリックス状の端子配列にうち、中心部のランドは、ランド全体が露出した第1のランドであり、前記3列以上のマトリックス状の端子配列にうち、コーナ部もしくは最外周部のランドは、ランド周囲が絶縁膜に覆われた第3のランドであり、第3のランドの内側には、ランド周囲が絶縁膜に覆われ、第3のランドよりもランド径の大きい第2のランドが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の実装構造。
  3. 前記半導体装置は、はんだ接合時の反りが、半導体装置の中央部が前記半導体装置のはんだ電極側に凹になる構造で有り、前記3列以上のマトリックス状の端子配列にうち、コーナ部もしくは最外周部のランドは、ランド全体が露出した第3のランドであり、前記3列以上のマトリックス状の端子配列にうち、中心部のランドは、ランド周囲が絶縁膜に覆われた第1のランドであり、第1のランドの外側には、ランド周囲が絶縁膜に覆われ、第1のランドよりもランド径の大きい第2のランドが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の実装構造。
  4. 前記半導体装置は、はんだ接合時の反りが、半導体装置の中央部が前記半導体装置のはんだ電極側に凸になる構造で有り、前記3列以上のマトリックス状の端子配列にうち、前記3列以上のマトリックス状の端子配列にうち、コーナ部もしくは最外周部のランドは、ランド周囲が絶縁膜に覆われた第3のランドであり、前記3列以上のマトリックス状の端子配列にうち、中心部のランドは、ランド全体が露出した第1のランドであり、第1のランドの外側には、ランド全体が露出した、第1のランドよりもランド径の小さい第2のランドが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の実装構造。
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