JP2015053390A - プリント配線板および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半田の接触面にクラックが生じることの抑制を図る。
【解決手段】半導体パッケージ２０が表面実装されるプリント配線板１０は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１の表面に設けられ半導体パッケージ２０と半田で接続される電気接続部１４と、を備える。電気接続部１４は、半田との接触面の中央に位置する中央部１４１と、中央部１４１から両側に延出する一対の延出部１４２とを有する。延出部１４２の延出方向Ｌａは、半導体パッケージ２０が熱収縮する方向Ｌｂに対して交差する方向である。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体パッケージが表面実装されるプリント配線板、およびそのプリント配線板を備えた半導体装置に関する。

従来より、半導体チップを絶縁材で封止して構成された半導体パッケージを、プリント配線板に表面実装する構造が知られている。そして一般的には、プリント配線板に設けられた電極パッド（つまり電気接続部）に、半導体パッケージが半田で電気接続されている（特許文献１参照）。

特開２００１−２３０５１３号公報

ここで、半導体パッケージとプリント配線板とでは、熱による膨張収縮率が大きく異なる。そのため、半導体チップの発熱等により温度変化が生じると、プリント配線板の電気接続部と半田との接触面に応力が発生し、該接触面にクラックが生じることが懸念される。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、半田の接触面にクラックが生じることの抑制を図ったプリント配線板および半導体装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示された発明のひとつは、半導体チップ（２２）を絶縁材（２３）で封止して構成された半導体パッケージ（２０）が表面実装されるプリント配線板（１０）において、絶縁基板（１１）と、絶縁基板の表面に設けられ、半導体パッケージと半田（２１）で接続される電気接続部（１４、１４０）と、を備え、電気接続部は、半田との接触面の中央に位置する中央部（１４１）と、中央部から両側に延出する一対の延出部（１４２）とを有し、延出部の延出方向は、半導体パッケージが熱収縮する方向に対して交差する方向であることを特徴とする。

これによれば、中央部から延出部が延出しているので、半導体パッケージの熱収縮に伴い電気接続部が半田から受ける力を、中央部と延出部の両方で受けるようになる。そのため、電気接続部と半田との接触面における応力集中を緩和でき、その接触面にクラックが生じることを抑制できる。

ここで、上記発明に反して中央部の片側だけに延出部が設けられている場合には、図６中の矢印Ｍに例示するように、中央部の周りに回転しようとする回転モーメントが生じる。そのため、上記接触面にてクラックが生じ易くなる。これに対し上記発明では、中央部の両側に延出部が設けられているので、中央部に回転モーメントＭが生じることを抑制できる。よって、電気接続部と半田との接触面におけるクラック抑制を促進できる。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置を示す平面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。 第１実施形態において、プリント配線板上での半田ボールの配置、および電気接続部の配線レイアウトを示す平面図。 第１実施形態において、図３に示す電気接続部の配置を模式的に表した平面図。 第１実施形態において、プリント配線板にマスク処理が施された状態を示す平面図。 第１実施形態において、電気接続部と半田との接触面を示す平面図。 第１実施形態に対する比較例としての半導体装置を示す平面図。 本発明の第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図。 本発明の第３実施形態において、プリント配線板上での電気接続部の配置を模式的に表した平面図。

以下に、図面を参照しながら発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
図１に示すように、半導体装置は、プリント配線板１０、半導体パッケージ２０および図示しない各種電子部品を備える。これら各種電子部品および半導体パッケージ２０は、プリント配線板１０に実装されている。プリント配線板１０は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１上に所定のパターンで配置された配線１２と、を有する。本実施形態に係るプリント配線板１０は、配線１２が複数層に形成された多層基板である。異なる層の配線同士は、スルーホール１３の内壁に設けられた図示しない導体により電気接続されている。

プリント配線板１０に実装された半導体パッケージ２０は、配線１２により上記各種電子部品と電気接続されている。半導体パッケージ２０は、複数の半田ボール２１を備えたＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）である。プリント配線板１０の所定箇所に半田ボール２１を設置してリフローさせることで、半導体パッケージ２０はプリント配線板１０に半田付けされている。つまり、プリント配線板１０はリードを備えることなくプリント配線板１０に表面実装される。

図１中の８本の矢印は、半導体パッケージ２０が熱収縮する方向を示す。つまり、半導体パッケージ２０は平面視において正方形であり、温度上昇すると、正方形の中心から同心円状に均等に膨張する。なお、半導体パッケージ２０の熱膨張率は、プリント配線板１０の熱膨張率よりも大きい。よって、半導体パッケージ２０が通電により作動して発熱すると、プリント配線板１０に対して相対的に矢印の方向に膨張しようとする。そのため、半導体パッケージ２０とプリント配線板１０との半田付け部分には、上記熱膨張による応力がかかる。

図２に示すように、半導体パッケージ２０は、絶縁材２３で封止された半導体チップ２２と、以下に説明するインタポーザ２４および半田ボール２１と、を備える。インタポーザは、特許請求の範囲に記載の内部基板に相当する。インタポーザ２４の上面（つまりプリント配線板１０の反対側の面）には半導体チップ２２が取り付けられている。半導体チップ２２とインタポーザ２４はボンディングワイヤ２５により電気接続されている。インタポーザ２４の下面（つまりプリント配線板１０側の面）には、複数の半田ボール２１が取り付けられている。

図３に示すように、複数の半田ボール２１は格子状に配置されている。具体的には、３１行３１列の等ピッチ格子上の所定箇所に、８４１個の半田ボール２１が配置されている。また、図示されるＢＧＡは、インタポーザ２４の下面の全領域に半田ボール２１が配置されたフルグリッド式である。このように、実際には数百個ある半田ボール２１は、図１、図４および図５では１６個に模式化して表されている。

図４および図３に示すように、絶縁基板１１の表面のうち半田ボール２１に対応する位置には、半田ボール２１が接続される電気接続部１４が設けられている。電気接続部１４は、半田ボール２１との接触面の中央に位置する中央部１４１と、中央部１４１から両側に延出する一対の延出部１４２とを有する。中央部１４１は円形であり、中央部１４１の直径は半田ボール２１の直径よりも小さい。中央部１４１の一方から延出する延出部１４２の延出方向Ｌａと、他方から延出する延出部１４２の延出方向Ｌａとは一致する。この延出方向Ｌａは、図１中の矢印を用いて先に説明した半導体パッケージ２０の熱収縮方向Ｌｂに対して交差する方向である。

図４および図３の例では、インタポーザ２４の下面のうち半田ボール２１が設けられる領域を、以下に説明する４つに区分けし、各々の領域毎に延出方向Ｌａが設定されている。すなわち、上記領域は、その中心ｏから縦方向に延びる仮想線Ｌ１と、上記中心ｏから横方向に延びる仮想線Ｌ２とにより４つに区分けされている。換言すれば、半導体パッケージ２０の各辺の中央ｍを結ぶ２本の仮想線Ｌ１、Ｌ２により、上記領域は４つに区分けされている。各領域における延出部１４２の延出方向Ｌａは、該当する領域内の角部ｃと中心ｏとを結ぶ方向Ｌｂ（つまり半導体パッケージ２０の対角線方向）に対して垂直な方向に設定されている。

上記４つの領域のうち図３の右下に位置する領域に例示された延出部１４２は、絶縁基板１１上に設けられた配線１６により、他の延出部１４２と接続されている。上記４つの領域のうち図３の右上に位置する領域に例示された延出部１４２は、絶縁基板１１上に設けられた配線１７と接続されている。この配線１７は、グランドまたは電源と接続されて所定以上の面積に形成されたベタ配線である。

上記４つの領域のうち図３の左上に位置する領域に例示された延出部１４２は、いずれの配線とも接続されていない。つまり、この延出部１４２を備える電気接続部１４は、先述した各種電子部品と半導体パッケージ２０との間で電気信号を送受信する経路として機能するものではなく、後述する熱膨張力Ｆを受ける支持部材として機能するものである。

図５中のドットは、以下に説明するレジスト層１５を示す。図４ではレジスト層１５の記載を省略しているが、実際には、プリント配線板１０の表面のうち所定箇所を除く領域に、レジスト層１５が塗布されている。上記所定箇所は、延出部１４２のうち中央部１４１に隣接する一部分、および中央部１４１の全体に設定されており、延出部１４２の先端部分は、レジスト層１５と絶縁基板１１の間に挟まれている。換言すると、レジスト層１５のうち上記所定箇所に相当する部分には開口部１５ａが形成されている。

ここで、プリント配線板１０に半導体パッケージ２０を実装する手順について説明する。先ず、電気接続部１４のうち開口部１５ａに相当する部分に半田ペーストを塗布する。つまり、レジスト層１５は、絶縁基板１１のうち半田が設けられる領域を制限するように機能する。次に、電気接続部１４に対応する位置に半田ボール２１を合わせて、半導体パッケージ２０をプリント配線板１０の上に載せる。これにより、電気接続部１４と半田ボール２１の間に半田ペーストが介在した状態になる。

次に、この状態で加熱処理して、半田ペーストおよび半田ボール２１を溶融させる。これにより、半導体パッケージ２０は電気接続部１４に半田付けされる。したがって、厳密には、半田ペーストおよび半田ボール２１が特許請求の範囲に記載の半田に相当する。以上の手順により、半導体パッケージ２０と電気接続部１４とは、リードを介することなく半田で接続され、半導体パッケージ２０はプリント配線板１０に表面実装される。

図６は、上述した半田付けの処理が為された後における、電気接続部１４および半田ボール２１を、インタポーザ２４の側から見た平面図である。図中の点線は、電気接続部１４のうちレジスト層１５の開口部１５ａに位置する部分であって、電気接続部１４のうち半田ボール２１で覆われた部分を示す。

図示されるように、電気接続部１４のうち半導体パッケージ２０に対向する対向面１４１ｂ、１４２ｂに半田ボール２１が接続されている。また、電気接続部１４のうち対向面の周囲に隣接する側面１４１ａ、１４２ａ（図２および図６参照）にも半田ボール２１が接続されている。したがって、先述した加熱処理を実施する前の半田ボール２１は球体形状であるのに対し、加熱処理後の半田ボール２１は次のように球体が変形した形状になっている。

すなわち、半田ボール２１のうち電気接続部１４と接続する部分の形状は、図６に示すように円形の中央部１４１と四角形の延出部１４２を合わせた形状である。これに対し、半田ボール２１のうち半導体パッケージ２０と接続する部分の形状は円形である。

さて、図４を用いて先述した熱収縮方向Ｌｂに半導体パッケージ２０が熱膨張すると、図６中の矢印Ｆに示す向きに、半田ボール２１は半導体パッケージ２０から熱膨張力を受ける。この熱膨張力Ｆは、半田ボール２１と電気接続部１４との接触面にかかる。この接触面とは、先述した対向面１４１ｂ、１４２ｂおよび側面１４１ａ、１４２ａである。

以上に説明した本実施形態のプリント配線板および半導体装置は、要するに、以下に列挙する特徴を備える。そして、それらの各特徴により以下に説明する作用効果が発揮される。

＜特徴１＞
電気接続部１４は、半田ボール２１との接触面の中央に位置する中央部１４１と、中央部１４１から両側に延出する一対の延出部１４２とを有する。そして、延出部１４２の延出方向は、半導体パッケージ２０が熱収縮する方向（つまり図４中の一点鎖線Ｌｂに示す方向）に対して交差する方向（つまり図４中の一点鎖線Ｌａに示す方向）である。

これによれば、電気接続部１４の側面１４１ａ、１４２ａから延びる図６中の矢印に示すように、側面１４１ａ、１４２ａにかかる熱膨張力Ｆは、中央部１４１の側面１４１ａと延出部１４２の側面１４２ａとに分散される。また、電気接続部１４の対向面１４１ｂ、１４２ｂにかかる熱膨張力Ｆは、中央部１４１の対向面１４１ｂと延出部１４２の対向面１４２ｂとに分散される。

ここで、図７に示す比較例の如く本実施形態に係る延出部１４２が電気接続部１４ｘに形成されていない場合には、半田ボール２１ｘのうち電気接続部１４ｘと接続する部分の形状は、図中の実線に示す円形となる。したがって、電気接続部１４ｘの側面１４１ａｘにかかる熱膨張力Ｆは十分に分散されず、符号Ｐに示す箇所に集中する。そのため、電気接続部１４ｘと半田ボール２１ｘとの接触面のうち符号Ｐの箇所からクラックが生じ、電気接続部１４ｘから半田ボール２１ｘが剥がれて接続不良になる虞が生じる。

これに対し、本実施形態によれば、上述の如く熱膨張力Ｆは延出部１４２に分散されるので、熱膨張力Ｆにより半田ボール２１が電気接続部１４から剥がれることを抑制でき、接続不良が生じる虞を低減できる。

さらに本実施形態によれば、中央部１４１の両側に延出部１４２が設けられているので、中央部１４１に回転モーメントが生じることを抑制できる。以下、その理由について説明する。なお、以下の説明では、中央部１４１上に位置する半田を半田中央部、延出部１４２上に位置する半田を半田延出部と呼ぶ。

本実施形態に係る半導体パッケージ２０は、半田中央部とは接触するが半田延出部とは接触していない。そのため、半導体パッケージ２０からの熱膨張力Ｆは、半田中央部にはかかるが半田延出部には直接はかからない。その一方で、半田延出部には延出部１４２からの反力が直接かかる。したがって、半田中央部にかかる熱膨張力Ｆを、中央部１４１とその両側に位置する延出部１４２の両方で受けていると言える。よって、本実施形態に反して延出部１４２が中央部１４１の片側にしか設けられていない場合には、回転モーメントＭによる捻り力が半田にかかる。以上により、中央部１４１の両側に延出部１４２が設けられている本実施形態によれば、上記捻り力の発生を抑制でき、電気接続部１４と半田ボール２１との接触面におけるクラック抑制を促進できる。

＜特徴２＞
ここで、後述する第２実施形態（図８参照）の如く電気接続部１４の側面では半田ボール２１を接触させない構造の場合には、熱膨張力Ｆは、延出部１４２の対向面１４０ｂに分散されるものの、延出部１４２の側面１４２ａに分散されることはない。

これに対し本実施形態では、電気接続部１４のうち半導体パッケージ２０に対向する対向面１４１ｂ、１４２ｂ、および電気接続部１４のうち対向面１４１ｂ、１４２ｂに隣接する側面１４１ａ、１４２ａの両方に、半田（つまり加熱処理後の半田ボール２１）が接触している。そのため、熱膨張力Ｆが分散される範囲が広くなるので、上述したクラック抑制を促進できる。

＜特徴３＞
絶縁基板１１には、半田（つまり加熱処理後の半田ボール２１）が設けられる領域を制限するレジスト層１５が設けられており、延出部１４２の先端部分は、レジスト層１５と絶縁基板１１の間に挟まれている。

これによれば、延出部１４２は、レジスト層１５の開口部１５ａからレジスト層１５が設けられている位置まで十分に長く延出していると言える。このように、本実施形態によれば延出部１４２の延出長さが十分に長いので、熱膨張力Ｆを延出部１４２で分散させることを促進でき、上述したクラック抑制を促進できる。

＜特徴４＞
半導体パッケージ２０と電気接続部１４とは、リードを介することなく半田（つまり加熱処理後の半田ボール２１）で接続されている。具体的には、半導体パッケージ２０にＢＧＡを採用している。これに対し、絶縁材２３から延出する複数本のリードを備えたＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）等の半導体パッケージを採用した場合には、リードの撓みで熱膨張力Ｆが吸収されるので、上述したクラック発生の懸念が小さい。したがって、クラック発生の懸念が大きいタイプの半導体パッケージ２０を採用した本実施形態では、上記各特徴によるクラック抑制の効果が顕著に発揮される。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、電気接続部１４の側面１４１ａ、１４２ａがレジスト層１５の開口部１５ａから露出している。そのため、電気接続部１４の対向面１４１ｂ、１４２ｂに加え、側面１４１ａ、１４２ａにも半田が接続されている。これに対し、実施形態に係る電気接続部１４０は、図８に示すように、対向面１４０ｂだけが開口部１５ａから露出しており、電気接続部１４０の側面は露出していない。そのため、対向面１４０ｂだけが半田と接続されている。

但し、本実施形態に係る電気接続部１４０は、図６に示す電気接続部１４と同様にして、半田ボール２１との接触面の中央に位置する中央部１４１と、中央部１４１から両側に延出する一対の延出部１４２とを有する。この点では、本実施形態に係る電気接続部１４０は、第１実施形態に係る電気接続部１４と同じ構成である。

以上により、本実施形態によれば、電気接続部１４０の対向面１４０ｂにかかる熱膨張力Ｆは、中央部１４１の対向面１４０ｂと延出部１４２の対向面１４０ｂとに分散される。よって、熱膨張力Ｆにより半田ボール２１が電気接続部１４０から剥がれてクラックが生じることを抑制できる。また、中央部１４１の両側に延出部１４２が設けられているので、中央部１４１に回転モーメントが生じることを抑制できる。

（第３実施形態）
上記第１実施形態では、プリント配線板１０のうち電気接続部１４が設けられる領域が４つに区分けされ、各々の領域毎に、一対の延出部１４２の延出方向Ｌａは同一方向に設定されている。これに対し本実施形態では、図９に示すように、９つに区分けされている。具体的には、電気接続部１４が設けられる領域の中央近傍の領域、角部ｃ近傍の領域、隣り合う角部ｃ近傍領域と中央近傍領域に挟まれた中間領域に区分けされている。

そして、各々の領域毎に、一対の延出部１４２の延出方向が同一に設定されている。具体的には、角部ｃ近傍領域の延出方向Ｌａは、図４と同様にして、該当する領域内の角部ｃと中心ｏとを結ぶ方向Ｌｂに対して垂直な方向に設定されている。中間近傍領域の延出方向Ｌｃは、図９に示すように、該当する領域内の中央ｍと中心ｏとを結ぶ方向Ｌｄに対して垂直な方向に設定されている。なお、中央近傍領域の電気接続部１４については、延出部１４２が廃止されている。

本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様にして、熱膨張力Ｆは延出部１４２に分散される。よって、熱膨張力Ｆにより半田ボール２１が電気接続部１４から剥がれることを抑制でき、接続不良が生じる虞を低減できる。また、中央部１４１の両側に延出部１４２が設けられているので、回転モーメントＭによる捻り力発生を抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・図２に示す実施形態では、プリント配線板１０と半導体パッケージ２０との間には樹脂が充填されておらず、半田ボール２１の周囲は空間ＣＬになっている。これに対し、プリント配線板１０と半導体パッケージ２０との間に樹脂を充填して、半田ボール２１の周囲を樹脂で満たすように構成してもよい。但し、この構成の場合には半田ボール２１の周囲が樹脂で固定されるので、半田ボール２１が電気接続部１４から剥がれるといったクラック発生の可能性が低い。よって、樹脂で満たされていない図２に示す構成の方が、延出部１４２を設けたことによるクラック抑制の効果が顕著に発揮される。

・上記各実施形態では、プリント配線板１０に多層基板を採用しているが、片面基板や両面基板を採用してもよい。

・図３に示す実施形態では、半導体パッケージ２０として用いられるＢＧＡに、インタポーザ２４の下面の全体に亘って半田ボール２１が配置されたフルグリッドタイプのＢＧＡを採用している。これに対し、インタポーザ２４の下面の中央部分を除く部分に半田ボール２１が配置されたタイプのＢＧＡを採用してもよい。

・上記各実施形態では、半導体パッケージ２０にＢＧＡを適用しているが、プリント配線板１０に表面実装される半導体パッケージであれば、ＢＧＡ以外も適用可能である。例えば、半田ボール２１の代わりに平面電極パッドを格子状に並べたＬＧＡ（Ｌａｎｄ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ）を適用してもよい。

・上記各実施形態では、リードを有していない半導体パッケージ２０が採用されているが、プリント配線板１０に表面実装される半導体パッケージであれば、リードを有する半導体パッケージであっても採用可能である。例えば、絶縁材からガルウイング状に延出するリードを備えるＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）やＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）も採用可能である。また、内側に折り曲げられたリードを備えるＳＯＪ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｊ―ｌｅａｄｅｄ）も採用可能である。

１０…プリント配線板、１１…絶縁基板、１４、１４０…電気接続部、１４１…中央部、１４２…延出部、２０…半導体パッケージ、２１…半田ボール（半田）、２２…半導体チップ、２３…絶縁材。

Claims (5)

1. 半導体チップ（２２）を絶縁材（２３）で封止して構成された半導体パッケージ（２０）が表面実装されるプリント配線板（１０）において、
   絶縁基板（１１）と、
   前記絶縁基板の表面に設けられ、前記半導体パッケージと半田（２１）で接続される電気接続部（１４、１４０）とを備え、
   前記電気接続部は、前記半田との接触面の中央に位置する中央部（１４１）と、前記中央部から両側に延出する一対の延出部（１４２）とを有し、
   前記延出部の延出方向は、前記半導体パッケージが熱収縮する方向に対して交差する方向であることを特徴とするプリント配線板。
2. 前記電気接続部のうち前記半導体パッケージに対向する面である対向面（１４１ｂ、１４２ｂ）、および前記電気接続部のうち前記対向面に隣接する面である側面（１４１ａ、１４２ａ）の両方に、前記半田が接触していることを特徴とする請求項１に記載のプリント配線板。
3. 前記絶縁基板には、前記半田が設けられる領域を制限するレジスト層（１５）が設けられており、
   前記延出部の先端部分は、前記レジスト層と前記絶縁基板の間に挟まれていることを特徴とする請求項１または２に記載のプリント配線板。
4. 前記半導体パッケージと前記電気接続部とは、リードを介することなく前記半田で接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のプリント配線板。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のプリント配線板と、
   前記プリント配線板に表面実装された前記半導体パッケージと、
   を備えることを特徴とする半導体装置。

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