JP2581592B2 - フレキシブルピンキャリア及びそれを使用した半導体装置 - Google Patents

フレキシブルピンキャリア及びそれを使用した半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、高密度接続パッドを有する半導体装置に係
り、特に半導体素子と多層プリント基板の間のはんだバ
ンプに負荷される熱応力並びに冷却装置から該素子への
負荷外力を緩和するのに好適なフレキシブルピンキャリ
アに関する。
[従来の技術] 従来のチップキャリアの実装方法は、特開昭59−2187
95に記載のように、チップキャリアの外面に形成された
バンプ等の接続手段を、プリント基板等のチップキャリ
ア搭載面上に形成されたパッド等の接続手段にはんだ付
け接続する際に、前記チップキャリアの接続手段と前記
基板の搭載面上の接続手段の間に、金属等の弾性導電体
を材料とする中間接続子を植設した接続板より構成され
た中間接続板を介在させて互いに対応する前記両接続手
段同志をそれぞれ電気的に接続していた。
すなわち、第12図(a)に示すように、プリント基板
41とチップ基板34との間にそれぞれのパッド39、バンプ
40間を接続する中間接続子36をその中間部にて位置保持
する接続板37を介在させたものである。また、第12図
(b)に示すように、前記中間接続子36は、バンプ40等
に対応させず、比較的致密に配設させたものも知られて
いる。
[発明が解決しようとする課題] 上記従来技術では、第12図(a)に示すように接続板
37上下に突出した弾性導電体からなる中間接続子36を介
してチップキャリアとプリント基板を接続していたが、
その方法では一度接続してから外した場合に中間接続子
36にはんだが付着し中間接続子36の弾性を低下させる恐
れがある。また第12図(b)に示すように中間接続子36
のピッチを小さくした場合、はんだ溶融時に毛細管現象
により中間接続子36間にはんだを吸い上げてしまう点に
ついて配慮がされておらず、弾性導電体の弾性を低下さ
せるという問題があった。
更に接続板37の上下に中間接続子36を突出させる構造
であるため、実装高さに制限がある場合中間接続子36の
接続板37からの突出量が小さくなり、中間接続子36のフ
レキシビリティが低下する事も考えられる。
本発明の目的は、このような事情に基づいてなされた
ものであり、弾性導体にはんだが付着することがなくな
り、これにより前記弾性導体における弾性の劣化を防止
して、基板とこれに搭載される半導体素子等の熱膨張係
数の相違による熱応力並びに該素子等にかかる応力を緩
和できるようにしたフレキシブルピンキャリアを提供す
るものである。
[問題点を解決するための手段] このような目的を達成するために、本発明は、多数の
導電性弾性体細線の両端のうち片方は半導体素子もしく
は半導体素子実装部と同等の熱膨張係数を持つ基板に固
着し、もう片方は多層プリント基板と同等の熱膨張係数
を持つ基板に固着することにより両基板間の熱膨張の差
を緩和し、外力に対する変形能を向上させることを特徴
とするものである。
また、多数の導電性弾性体細線の一端を、多層プリン
ト基板と同等の熱膨張係数を持つ単一基板に開けた多数
のスルーホールに挿入固着してなることを特徴とするも
のである。
なお、後者の場合は、半導体素子もしくは半導体素子
実装部を下側にして、前記導電性弾性体細線の他端をは
んだ付けするようにするものである。
[作用] 上記構成の実装構造で、半導体素子もしくは半導体素
子実装部側に配置した基板は該素子もしくは該素子実装
部の熱膨張係数に近い材料を用いているため、稼動時に
生ずる熱による熱膨張差を小さくでき、そのため両者を
接続するはんだバンプに負荷される熱応力を小さくでき
る。同様に多層プリント基板側に配置した基板も該多層
基本の熱膨張係数に近い材料を使用しているため、両者
を接続するはんだバンプに負荷される熱応力を小さくで
きる。更に、基本的に熱膨張係数が大きく異なる該素子
もしくは該素子実装部側基板と該多層基板側基板との間
に生じる熱膨張差による横方向の変位は、2枚の基板間
を接続する導電性弾性体細線の弾性より吸収できる。ま
た該素子もしくは該素子実装部にかかる負荷外力も全導
電性弾性体細線が横方向に弾性変形することにより吸収
できる。
そして、前記はんだは、その溶融等ではんだ固着部分
以外に付着するようなことがあっても基板によって導電
性弾性体細線に沿っての付着は防止できるから該細線の
弾線が劣化するようなことはなくなる。
そして、前記基板は必ずしも半導体素子等側に設けず
してプリントを基板側にのみ設けるようにしてもよい
が、この場合、半導体素子等を下側にして細線とのはん
だ付けをするようにすればはんだの細線に沿って流れる
ことはなくなり、該細線の弾性劣化を惹き越こすことは
なくなる。
[実施例] 以下図面を参照しながら本発明を詳述する。
第1図はフレキシブルピンキャリアの代表実施例を示
す縦断面図である。
本発明によるフレキシブルピンキャリアは、材質の異
なる2種類の基板(A)1、(B)2を持ち、また導電
性弾性体細線3を持つ。2枚の基板(A)1、(B)2
は多数の該細線3を挿入固着することにより連結され
る。更に両基板(A)1、(B)2の外側には前記細線
3と接続された接続パッド5を設ける構造とする。
ここで基板(A)1は半導体素子もしくは半導体素子
実装部側に配置され、それを構成する材料と同等の熱膨
張係数を持つ材料例えばセラミックスを使用する。また
基板(B)2は多層プリント基板側とし、それと同等の
熱膨張係数を持つ材料例えばセラミックスもしくは樹脂
を使用する。このことは、プリント基板として誘電率の
低いものを特定せざるを得ない場合、半導体素子実装部
との間で熱膨張係数に大きな差異が生ずるからである。
更に該細線3は、基板(A)1及び基板(B)2間の熱
膨張差を吸収できるだけの弾性が有り、抵抗が出来るだ
け小さいことが必要なので金属細線例えばコバール、銅
及び銅系合金またはそれらの複合材を用いる。該細線を
基板(A)1及び基板(B)2に固着するための樹脂4
は熱硬化性樹脂を用いる。また接続パッド5には銅を用
い、基板(A)1と基板(B)2を連結させ、両基板表
面を研磨した後に形成するものとする。
第2図(a)及び(b)はフレキシブルピンキャリア
を用いて半導体素子実装部16及び半導体素子21を多層プ
リント基板14上に実装した構造の縦断面図である。また
第3図(a)及び(b)はフレキシブルピンキャリアの
作用を説明する断面図である。なお本発明では被実装物
として半導体素子21及び半導体素子実装部16の両方を考
えてたものであるが説明を判り易くするため以後半体素
子実装部16についてのみ説明する。
この構造とすることにより、第3図(a)に示すよう
に該素子実装部16とフレキシブルピンキャリアの間を接
続するはんだバンプ(A)11、及び該多層基板14とフレ
キシブルピンキャリアの間を接続するはんだバンプ
(B)12にかかる熱膨張の差による応力は緩和され、ま
た最も熱膨張差の大きい基板(A)1と基板(B)2の
間の熱応力は該細線3の弾性変形によって吸収される。
更に第3図(b)に示すように冷却構造体19から該素
子実装部16が受ける負荷外力20も該細線3の弾性変形に
より吸収されるため、より信頼性の高い実装構造とする
ことができる。
第4図(a)は他の1実施例を示す縦断面図である。
このキャリアは単一基板2a及び該細線3を持ち、単一基
板2aに多数の該細線3の一端を樹脂4を用いて挿入固着
した構造である。
第4図(b)にこの場合の実装構造の断面図を示す。
この構造においては該細線3の単一基板2aに固着されて
いない側に該素子実装部16を接続し、単一基板2a側を該
多層基板15に接続するものとする。
この場合において、素子実装部16と細線3を接続する
場合、前記素子実装部16を下側に位置づけて行なうこと
により、はんだが前記細線3に沿って溶け落ちるのを防
止することができる。単一基板2aは上記第一の実施例に
おける基板(B)2と同様に該多層基板15と同等の熱膨
張係数を持つ材料例えばセラミックスもしくは樹脂が使
用される。また樹脂4としては熱硬化性樹脂を用いる。
これにより該多層基板15と単一基板2aを接続しているは
んだバンプ(B)12にかかる熱応力を緩和することがで
きる。また該細線3は上記第一の実施例と同じものを用
い、該細線3の弾性により該素子実装部16と該細線3を
接続するはんだバンプ(A)11にかかる応力を緩和する
構造とした。
このキャリアを使用して該素子実装部16を該多層基板
15に実装する場合、該素子実装部16とこのキャリアの接
続は該細線3を直接該素子実装部16の接続パッド13には
んだ付けするため、強度的には上記第1の実施例に多少
劣るが、上側の基板(A)1が無い分だけキャリアの高
さを低くできるので実装構造の高さに制約がある場合に
有効になると言える。
第5図(a)に別の実施例の縦断面図を示す。この特
徴は第4図(a)に示した該細線3の一端を釘型形状と
したことで、この細線を以後釘型細線6とする。第5図
(b)に釘型細線6を使用するキャリアを用いた実装構
造の縦断面図を示す。この構造においては該釘型細線6
の頭部が接続パッドの役をして、はんだが該釘型細線6
の頭部以外に付着するのを防止する。またはんだ接続部
の面積を増加させることができるため、はんだバンプ
(A)11にかかる応力を緩和するのにより適した方法で
ある。更に細線6をこのような形状とすることにより該
素子実装部16とのはんだ付け作業を容易にする作用も持
つ。
なお細線6の一端を釘型にする方法の説明図を第6図
(a)〜(c)に示す。まず第6図(a)に示すように
細線保持部30先端より該細線3を一定長さ突出させ、第
6図(b)に示すように該保持部30先端より一定の距離
にタングステン電極31を配置し、該保持部30との間に電
流を流しアーク32を飛ばして細線先端を溶解させ球状化
させる。その直後、タングステン電極31を取り去り、第
6図(c)に示すように平板33に押しつけ先端を釘型に
した後、細線を一定長さに切断する方法で容易に製造で
きる。
他の1実施例の縦断面図を第7図に示す。2枚の基板
(A)1、(B)2に予め導体(A)7、(B)8例え
ばタングステンを埋め込んでおいてから焼結し、基板表
面に設けた接続パッド5aに該細線3を配列し接合するこ
とによって2枚の基板(A)1、(B)2を接続する構
造が考えられる。
導体(A)7、(B)8としては基板(A)1、
(B)2の両方ともセラミック基板の場合は予めグリー
ンシートに開けたスルーホールに埋め込んでおきそれを
焼結するため、焼結時に温度に耐えられる材料例えばタ
ングステンを用いる。また基板(B)2に樹脂基板を使
用する場合は焼結する必要がないので導電性を上げるた
めに導体(B)8として銅を用いる。
各部の主な作用は上記第1の実施例と同じであるが、
基板(A)1及び基板(B)2の表面にある接続パッド
5aと該細線3の接続部にはより大きな応力がかかる事と
なるため、接続パッド5aに該細線3を接続する際に、は
んだより融点が高く強度も高い銀ろう9を用いる。これ
によりキャリアと該素子実装部16間、及びキャリアと該
多層基板15間をはんだ付けする際、または加熱して着脱
する際にキャリアが分解するのを防止することができ、
さらに熱膨張及び負荷外力により接続パッド5aと該細線
3の接続部にかかる応力を支えることができる。
また他の1実施例としては第8図に示すように2枚の
基板(A)1、(B)2間にそれらの基板に接して熱硬
化性のゴム系樹脂例えばシリコンゴム10を設けることに
より、熱応力並びに外力負荷時に該細線3の基板(A)
1及び基板(B)2との接点に集中する応力をシリコン
ゴム10等の弾性により緩和する構造が考えられる。
この構造とする場合、シリコンゴム10を各基板表面に
薄く均一に塗布する必要がある。その方法としては、ま
ず硬化前の流動状態のシリコンゴム10を片面に塗布する
のに必要な量だけ基板間に流し込み、遠心力を利用して
片面に均一に塗布し硬化させる。そしてキャリアを反転
させ、もう片面の分の該シリコンゴム10を注入し前回同
様遠心力を用いて均一に塗布し硬化させる。この方法に
よると該細線3にも多少のシリコンゴム10が付着する可
能性があるが、表面に薄膜程度に付着するだけであるの
で変形機能に影響はないものである。
またこの場合、第8図(b)に示す断面図のように2
枚の基板(A)1,(B)2の間をシリコンゴム10で充填
する構造でも機能的に有効である。すなわち、熱応力並
びに外力負荷時に該細線3の基板(A)1及び基板
(B)2との接点に集中する応力をシリコンゴム10の柔
軟性により緩和する作用のほかに該細線3の耐食性を向
上させ、更に該細線3を保護する作用も持たせることが
できるので高信頼性化が図れる。
第9図(a)〜(f)はフレキシブルピンキャリアの
製法の1例を説明する断面図である。まず第9図(a)
に示すように2枚の基板(A)1、(B)2それぞれに
半導体素子実装部の接続用パッドのピッチ例えば250〜3
00μmに合わせてスルーホール29例えば直径120μmを
あける。そして基板(A)1及び(B)2をスルーホー
ル29の位置合わせして重ね、基板(B)2を基板保持構
造体26に固定する。次に第9図(b)に示すようにそこ
に適当な長さ例えば基板(A)1、(B)2の厚さを0.
7mm、基板(A)1、(B)2の間隔を0.6mmとした場
合、長さ2mmに切断した直径100μmの該細線3を細線挿
入装置23を用いて挿入する。そして第9図(c)に示す
ように、基板(A)1を基板保持用治具22でつかみ、該
細線3が動かないように上部から細線押さえ治具24を当
ててから基板(A)1を引き上げる。引き上げる量は基
板(A)1、(B)2の間隔である0.6mmに調整する。
その後第9図(d)に示すようにスルーホール29に樹脂
4を圧入して固着する。この場合上部は細線押さえ治具
24を取り除いて樹脂注入ノズル25を位置合わせし、下部
は基板保持用治具板26aをスライドさせて樹脂注入ノズ
ル25を位置合わせした後、樹脂を注入固着させ、基板
(A)1、(B)2を接続する。そして基板(A)1、
(B)2の外面を研磨し、第9図(e)に示す構造体を
作製する。最後に第9図(f)に示すように接続パッド
5を形成することで製作できる。
さらに別の製法としては、第10図(a)〜(d)に示
すように、基板(A)1、(B)2にセラミックスを用
い、該細線3に高融点金属例えばタングステンを用いる
場合を考える。まず基板(A)1、(B)2のグリーン
シートに該素子もしくは該素子実装部の接続用パッドの
ピッチに合わせた間隔でスルーホール29を開ける。次に
第10図(a)に示すように、基板(B)2を基板保持構
造体26に固定した後、スルーホール29に該細線3を細線
挿入装置23を用いて圧入する。そして第10図(b)に示
すように基板(A)1を基板保持用治具22で保持し、基
板(B)2に挿入されている該細線3と基板(A)1の
スルーホール29の位置を合わせた後基板(A)1を下げ
て両基板(A)1、(B)2を結合させる。その際に基
板(A)1が曲がらないように基板押さえ治具24aで押
さえる。なお第10図(c)に示すように焼結中に基板間
隔が変化しないように厚さ0.6mmのタングステン製スペ
ーサ42を挿入しておいてから構造体を加熱して焼結し、
スペーサ42を外して外面を研磨した後接続パッドを形成
することにより第10図(d)に示すフレキシブルピンキ
ャリアが容易に製作できる。
第11図(a),(b)は導電性弾性体細線3の形状を
説明する部分断面図である該細線3には金属細線例えば
コバール、銅及び銅系合金またはそれらの複合材あるい
はタングステンを用いる。その線径は弾性機能を最大限
に持たせるため、第11図(a)に示すように、基板
(A)1、(B)2間の間隔寸法より小さくする必要が
ある。しかし細線の強度面を考慮して細線径と基板間隙
寸法の比は例えば1:2から1:12の範囲が望ましい。
また第11図(b)に示すように該細線3の基板(A)
1、(B)2の間に露出している部分をエッチングして
線径を減少させ、該細線3の剛性を減衰させる方法も有
効である。
フレキシブルピンキャリアの実装構造としては、第3
図(a)に示すように、該素子実装部16とそれを搭載す
る該多層基板15間に該ピンキャリアを仲介させ接続する
構造がある。
この実装構造を用いる事により、基板(A)1の熱膨
張係数は該素子実装部16の熱膨張係数と同等であるから
稼働時に生ずる熱のために該素子実装部16と基板(A)
1の間に生ずる熱膨張の差を小さくすることができ、は
んだバンプ(A)11にかかる熱応力を減少させることが
できる。同様にして該多層基板15と基板(B)2の間の
はんだバンプ(B)12にかかる熱応力も減少させること
ができる。更に基板(A)1と基板(B)2の間の熱膨
張の差は該細線3の弾性により吸収できる。その上、該
素子実装部16に外部よりかかる力も該細線3の弾性によ
り吸収できるため、より信頼性の高い半導体装置を得る
ことができる。
更に該ピンキャリアと該素子実装部16との間を接続す
るはんだバンプ(A)11、及び該ピンキャリアと該多層
基板15との間を接続するはんだバンプ(B)12に、それ
ぞれ融点の異なるはんだを使用することにより、該素子
実装部16側あるいは該多層基板15側を、加熱する温度に
より選択的に着脱でき、より実用性に富んだ半導体装置
を得ることができる。
尚、該ピンキャリアの使用法の応用例としては、該素
子実装部と冷却構造体の間に該ピンキャリアを設置し、
冷却構造体との間の熱応力及び負荷外力を緩和させると
いう方法も考えられる。
[発明の効果] 以上説明したことから明らかなように、本発明による
フレキシブルピンキャリアによれば、半導体素子等ある
いはプリント基板とはんだ付けされる導電性弾性体細線
の端部には、この部分を保持することを兼ねる基板が設
けられているので、前記はんだはその溶融等ではんだ固
着部分以外に付着するようなことがあっても、前記基板
によって、導電性弾性体細線に沿っての付着は防止でき
ることから、該細線の弾性が劣化することはなくなる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例であるフレキシブルピンキャ
リアの断面構造図、第2図(a),(b)は前記フレキ
シブルピンキャリアを使用した実装構造の断面図、第3
図(a),(b)は前記フレキシブルピンキャリアを使
用した実装構造の変形を表す断面図、第4図(a),
(b)及び第5図(a),(b)は本発明による他の実
施例を示す断面図、第6図(a)ないし(c)は釘型細
線の製作方法を表す断面図、第7図、第8図(a),
(b)はそれぞれ他の実施例を示す断面図、第9図
(a)ないし(f)は第1図に示すフレキシブルピンキ
ャリアの製作方法を表す断面図、第10図(a)ないし
(d)は他の製作方法を表す断面図、第11図(a),
(b)は導電性弾性体細線の形状を説明する断面図、第
12図(a),(b)は従来のフレキシブルピンキャリア
の一例を示す側面図である。 1……基板(A)、2……基板(B)、2a……単一基
板、3……導電性弾性体細線、4……樹脂、5……接続
パッド、5a……内部接続パッド、6……釘型細線、7…
…導体(A)、8……導体(B)、9……銀ろう、10…
…シリコンゴム、11……はんだバンプ(A)、12……は
んだバンプ(B)、13……半導体素子実装部側接続パッ
ド、14……多層プリント基板側接続パッド、15……多層
プリント基板、16……半導体素子実装部、17……基板
(A)の膨張量、18……基板(B)の膨張量、19……冷
却構造体、20……冷却構造体からかかる外力、21……半
導体素子、22……基板保持用治具、23……細線挿入装
置、24……細線押さえ治具、24a……基板押さえ治具、2
5……樹脂注入ノズル、26……基板保持構造体、26a……
基板保持用治具板、27……細線挿入方向、28……基板
(A)引き上げ方向、29……スルーホール、30……細線
保持部、31……タングステン電極、32……アーク、33…
…平板、34……チップ基板、35……ビア、36……中間接
続子、37……接続板、38……中間接続板、39……パッ
ド、40……バンプ、41……プリント基板、42……スペー
サ。
フロントページの続き (72)発明者 山田 一二 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 合田 正広 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 沢畠 守 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 平1−140635(JP,A) 実開 昭62−151742(JP,U)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多数の導電性弾性体細線の両端のうち片方
    は半導体素子もしくは半導体実装部と同等の熱膨張係数
    を持つ基板に固着し、もう片方はプリント基板と同等の
    熱膨張係数を持つ基板に固着することにより両基板間の
    熱膨張の差を緩和し、外力に対する変形能を向上させる
    ことを特徴とするフレキシブルピンキャリア。
  2. 【請求項2】多数の導電性弾性体細線の一端を、プリン
    ト基板と同等の熱膨張係数を持つ単一基板に開けた多数
    のスルーホールに挿入固着してなることを特徴とするフ
    レキシブルピンキャリア。
  3. 【請求項3】多数の釘型導電性弾性体細線の一端を、プ
    リント基板と同等の熱膨張係数を持つ単一基板に開けた
    多数のスルーホールに挿入固着してなることを特徴とす
    るフレキシブルピンキャリア。
  4. 【請求項4】多数の導電性弾性体細線の一端を、プリン
    ト基板と同等の熱膨張係数を持つ単一基板に開けた多数
    のスルーホールに挿入固着し、半導体素子もしくは半導
    体素子実装部を下側にして、前記各導電性弾性体細線の
    他端を前記半導体素子もしくは半導体素子実装部にはん
    だ付けするフレキシブルピンキャリアの取付方法。
  5. 【請求項5】熱膨張係数の相異なる2枚の基板は、内部
    に表裏を貫通した導体構造を有し、多数の導電性弾性体
    細線は両基板の導体ピッチに合わせて固着配列し、両基
    板に接合されている請求項第1記載のフレキシブルピン
    キャリア。
  6. 【請求項6】2枚の基板間に両基板に接してそれぞれシ
    リコンゴムを配置することにより導電性弾性体細線に集
    中する応力を緩和する構造を有する請求項第1記載のフ
    レキシブルピンキャリア。
  7. 【請求項7】2枚の基板の間をシリコンゴムで充填する
    ことにより導電性弾性体細線の耐食性を向上させ、また
    細線を保護する作用を持たせた請求項第1記載のフレキ
    シブルピンキャリア。
  8. 【請求項8】2枚の基板に、半導体素子もしくは半導体
    素子実装部の接続用パッドのピッチに合わせて多数のス
    ルーホールをあけ、そこに多数の導電性弾性体細線を挿
    入固着して2枚の基板を接続することにより製作される
    請求項第1記載のフレキシブルピンキャリアの製法。
  9. 【請求項9】焼結する前のセラミックス基板のグリーン
    シートにあらかじめ接続部の導体ピッチに導電性弾性体
    細線を植え込んでおき、それを焼結することにより製作
    される請求項第1、第2、第3のうちいずれか1項記載
    のフレキシブルピンキャリアの製法。
  10. 【請求項10】導電性弾性体細線の線径が基板間隙寸法
    より小さいことを特徴とする請求項第1、第2、第3の
    うちいずれか1項記載のフレキシブルピンキャリア。
  11. 【請求項11】各導電性弾性体細線のうち2枚の基板の
    間に露出している導電性弾性体細線の線径を各基板内に
    挿入された細線の線径より減少させ細線の剛性を下げる
    ようにした請求項第1記載のフレキシブルピンキャリ
    ア。
  12. 【請求項12】半導体素子もしくは半導体素子実装部と
    プリント基板との間に請求項第1、第2、第3のうちい
    ずれか1項記載のフレキシブルピンキャリアを仲介させ
    接続することを特徴とする半導体装置。
  13. 【請求項13】フレキシブルピンキャリアと半導体素子
    もしくは半導体素子実装部との間、及びフレキシブルピ
    ンキャリアとプリント基板との間を、融点の異なるはん
    だを用いて接続することを特徴とする請求項第12記載の
    半導体装置。
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