JP3070544B2 - ボール・グリッド・アレイ型半導体装置 - Google Patents

ボール・グリッド・アレイ型半導体装置

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JP3070544B2
JP3070544B2 JP9282211A JP28221197A JP3070544B2 JP 3070544 B2 JP3070544 B2 JP 3070544B2 JP 9282211 A JP9282211 A JP 9282211A JP 28221197 A JP28221197 A JP 28221197A JP 3070544 B2 JP3070544 B2 JP 3070544B2
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solder
semiconductor device
mounting
type semiconductor
grid array
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/11Manufacturing methods

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置、特に
ボール・グリッド・アレイ(BGA)型半導体装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体装置の小型軽量化は著し
く、特に携帯電話に代表される携帯型電子機器に用いら
れる半導体装置として、特開平7−321157号公報
に開示されているような装置がある。この装置は、図7
のように配線パターン2を有する電気絶縁基板3の片面
に外部端子7を有し、反対面を半導体素子1の電極端子
8を有する面に張合わせ、半導体素子1の電極端子8と
電気絶縁基板3の配線パターン2とを電気的に接続した
構造を有している。4はソルダーレジストである。以下
この装置をファインピッチBGAという。このようなフ
ァインピッチBGAの外部端子は、電気絶縁基板上の電
極パッドに球状またはペレット状の金属ロー材を仮付け
したり、あるいは、金属ロー材を粉末状にし、フラック
スと混ぜペースト状にし、電極パッドにスクリーン印刷
し、その後金属ロー材の融点以上の温度でリフローする
ことで接着し、かつ形状を整えたものである。金属ロー
材には、共晶半田が多く用いられているが、球状の高融
点半田を共晶半田でコーティングしたものや球状の高融
点半田を共晶半田のペーストで接着するものもある。
【0003】従来、外部端子に球状の共晶半田を用いた
半導体装置には、ファインピッチBGA以外には、プラ
スチック・ボール・グリッド・アレイ(以下、P・BG
Aという)といわれるものがある。P・BGAの場合、
外部端子は、ピッチが1mmまたは1.27mmと比較
的に広く、外部端子である球状の共晶半田も直径0.7
mm〜0.9mmと大きく、しかも共晶半田であるた
め、リフロー時に外部端子部分が完全に溶融し、半田の
表面張力に基づくセルフアライメントが働くため、基板
に実装する場合の位置合わせ精度はさほど必要なく、ま
た、実装後、はんだ接合部に加わるP・BGAと基板と
の熱膨張率の差から生じる熱ストレスは基板とP・BG
A基体とのギャップが大きいほど小さくなるが、P・B
GAの場合、このギャップが十分あり、基板とP・BG
A基体との熱膨張率の差から生じる熱ストレスを外部端
子であるはんだボールに十分に吸収でき、この結果、高
い信頼性が得られるという特徴があった。
【0004】これに対し、ファインピッチBGAの外部
端子のピッチは、0.4mm〜0.8mm、外部端子の
大きさが0.1mm〜0.4mmであり、基板に実装す
る場合の位置精度に高いレベルに要求されていた。ま
た、実装後基板とファインピッチBGA基体とのギャッ
プが狭くなり、かつファインピッチBGAの場合外形サ
イズが半導体素子の外形サイズに近いため、全体の熱膨
張率が半導体素子の基材であるシリコンの影響を強く受
け、P・BGAと比べ小さくなり、基板との熱膨張率の
差が大きくなり、実装信頼性が低下するという問題があ
る。
【0005】このため、特開平8−236654号公報
に開示されているように実装前に、はんだボールの周辺
部を樹脂で覆う方法や、実装後基板とファインピッチB
GAの基体間に樹脂を充填する方法(以下アンダーフィ
ルという)を用いて実装の信頼性を確保していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記方法に
よるときに生ずる第1の問題点は、特開平8−2366
54号公報に開示されているように実装前に、はんだボ
ールの周辺部を樹脂で覆う方法では、ファインピッチB
GAのはんだボール周辺部を樹脂覆うことが極めて困難
であるということである。
【0007】その理由は、ファインピッチBGAの外部
端子ピッチは、0.4mm〜0.8mmであり、外部端
子であるはんだボールの大きさが0.1mm〜0.4m
mと小さいため、ポッティングや印刷では十分な精度が
得られず、本来樹脂が付着してはならない部分、例えば
はんだボールを搭載する電極パッド等にも樹脂が付着し
てしまうためである。
【0008】第2の問題点は、アンダーフィルを施した
場合は、実装後半導体装置に不具合が見つかった場合、
リペアーが困難であるということである。
【0009】その理由は、樹脂が実装基板とファインピ
ッチBGA基体に接着されているため、リペアーする場
合、まず樹脂を除去しなければならないが、実装基板に
ダメージを与えず除去する方法がないからである。
【0010】本発明の目的は、ファインピッチBGAの
実装後、基板とファインピッチBGA基体との熱膨張率
の差から生じる熱ストレスによる影響から外部端子であ
るはんだボールの破壊を防ぎ、高い信頼性が得られるよ
うにしたボール・グリッド・アレイ型半導体装置を提供
することにある。
【0011】
【課題を解決するための課題】前記目的を達成するた
め、本発明に係るボール・グリッド・アレイ型半導体装
置は、配線パターンを有する電気絶縁基板の搭載パッド
に、はんだボールを接続して外部端子とする構造のボー
ル・グリッド・アレイ型半導体装置において、はんだボ
ール搭載部に貫通孔を有する電気絶縁シートを前記電気
絶縁基板に塗布されたソルダーレジストに貼付け前記
貫通孔は前記ソルダーレジストの開口部が形成する電極
パッドよりも大きく、かつソルダーレジストの開口部と
重なった位置にあり半田ボールから成る外部端子は前
記貫通孔内で電極パッドよりも大きな径を有することを
特徴とするボール・グリッド・アレイ型半導体装置。
【0012】また、電気絶縁シートの厚さは、50μm
以上である。
【0013】また、ボール・グリッド・アレイ型半導体
装置は基板に実装され、外部端子のはんだボールは、電
気絶縁シートの貫通孔の形状と、実装基板にできる球状
のはんだとを合わせた形状となって実装高さを増大させ
るものである。
【0014】また前記電気絶縁シートは前記貫通孔以外
に、空気抜き用貫通孔を有するものである
【0015】外部端子搭載面に貼り付けたはんだボール
搭載部に貫通孔を有した電気絶縁シートにより、ファイ
ンピッチBGAを基板に実装した場合、はんだ接合部の
形状は、単純な球状にはならず、電気絶縁シートの貫通
孔の径より横に広がらないため、貫通孔の形状と貫通孔
の下(実装基板側)にできる球状のはんだと合わせた形
状、たとえばだるまのような形状になり、結果的に高さ
方向に大きくなるため、基板とファインピッチBGA間
の距離が大きくなり、ファインピッチBGAの実装後、
接合部に生じる基板とファインピッチBGA基体との熱
膨張率の差から生じる熱ストレスを緩和できる。
【0016】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図1を参照して詳細に説明する。図1において、ファイ
ンピッチBGAは、配線パターンを有する電気絶縁基板
3の一面に外部端子7を有し、反対面が半導体素子1の
電極8を有する面に張合わされている。半導体素子1の
電極8と電気絶縁基板3の配線パターン2とは、電気的
に接続されている。本発明は、外部端子7は、搭載パッ
ドに、はんだボールを接続し、はんだボール搭載部に貫
通孔を有する電気絶縁シート6を接着剤5で搭載パッド
の周辺のソルダーレジスト4上に貼り付けたものであ
る。
【0017】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。
【0018】図1は、本発明の実施例を示す概略断面図
である。
【0019】図1において、ポリイミド樹脂製の電気絶
縁基板3の一面には、図示を省略しているがポリイミド
系熱可塑性樹脂の接着剤が貼付けてある。電気絶縁基板
3は厚さが20〜30μm、接着剤の層の厚さは、5〜
10μmであり、その厚さは、接着すべき半導体素子1
とほぼ同じ厚さにしてある。
【0020】半導体素子1の電極8と、電気絶縁基板3
の配線パターン2とに熱と荷重と超音波とを加えて両者
を接続し、その後、300℃前後の熱と1Kg/cm2
の荷重を加えて半導体素子1と電気絶縁基板3とを接着
する。配線パータンは圧延銅箔をエッチングし、電解銅
めっきを施すことにより形成している。なお、配線パタ
ーン2の外部端子7側に外部端子7を搭載する部分(以
下、電極パッドという)を除いてソルダーレジスト4と
して厚さ10〜15μmのポリイミド樹脂を塗布してい
る。
【0021】ソルダーレジスト4の上には、電極パッド
部に電極パッド部より大きい開口部を有するポリイミド
樹脂製の絶縁シート6を熱硬化性ポリイミド樹脂性の接
着剤5を用いて接着している。絶縁シート6の厚さは5
0μm以上、特に95〜105μmであり、電極パッド
の大きさは直径175〜185μm、絶縁シート6の電
極パッド部の開口径は、直径290〜310μm、接着
剤5の厚さは、10〜20μmである。なお、絶縁シー
ト6を接着するとき、電極パッド部に接着剤5が流れ込
まないように接着剤5の量(厚さ)、電極パッドの大き
さに対する絶縁シート6の電極パッド部の開口径を決定
する。
【0022】その後、外部端子7としてボール状のSn
とPbの共晶はんだを電極パッド部に載せてこれをリフ
ローすることにより接続している。
【0023】本実施例のサンプルと従来例のサンプルを
基板に実装し、温度サイクル試験を行った結果を表1に
示す。表1の結果から分るように本実施例を適用するこ
とで大幅に寿命が伸び、実装信頼性が向上することが分
る。
【0024】
【表1】
【0025】なお、実装基板はFR−4といわれるガラ
ス布・エポキシ樹脂製で、厚さ0.8mmの両面基板で
ある。電極パッドサイズは、直径0.3mm、ピッチが
0.5mm、予備はんだとして実装基板側の電極パッド
に一定量(直径0.2mmの球相当)のはんだを供給し
ている。温度サイクルは−20℃〜125℃の条件で行
っている。なお図2に示すようにソルダーレジスト4と
絶縁シート6との間に隙間(フクレ等)が生じないよう
に、空気抜き用に電極パッドに対応する開口部以外にも
直径0.05〜0.1mmの空気抜き用貫通孔12を設
けることができる。
【0026】本発明によれば、ファインピッチBGAを
実装後、実装基板との実装高を高く出来る。
【0027】本実施例のファインピッチBGAを実装し
た場合の概略断面図を図3に示し、比較のため、従来の
ファインピッチBGAを実装した場合の概略断面図を図
4に示す。
【0028】本発明によれば、図3に示すとおり、外部
端子7の搭載面に貼り付けたはんだボール搭載部に貫通
孔を有する電気絶縁シート6を用いてファインピッチB
GAを基板に実装した場合に、はんだボールの形状は、
単純な球状にはならず、電気絶縁シート6の貫通孔の径
より横に広がらないため、貫通孔の形状と貫通孔の下
(実装基板側)にできる球状のはんだと合わせてだるま
のような形状になり、結果的に高さ方向に大きくなるた
め、図4の従来例に比して実装基板9とファインピッチ
BGA間の距離が大きくなる。図3のh1が本実施例の
実装高、図4のh2が従来の実装高である。本実施例の
実装高h1が0.17mmに対し、従来例の実装高h2
が0.09mmである。
【0029】また、本発明によれば、ファインピッチB
GAを実装後、はんだ接合部の熱ストレスを分散でき
る。
【0030】本実施例のファインピッチBGAを実装し
た場合の概略部分断面図を図5に示し、比較のため、従
来のファインピッチBGAを実装した場合の概略部分断
面図を図6に示す。
【0031】通常、ファインピッチBGAの電極パッド
サイズは、実装基板の電極サイズより小さく、実装後熱
ストレスで破損する場合はファインピッチBGA側の電
極パッド部aである。
【0032】しかし、本実施例によるときには、外部端
子のはんだボールの途中を絶縁シート6が押えているた
め、この部分bでも熱ストレスが発生し、ファインピッ
チBGA側の電極パッド部aに加わる熱ストレスを減少
できるためである。従来例では、はんだ接合部の途中が
押えられないため、電極パッド部aには大きな熱ストレ
スが加えられる。
【0033】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ファイン
ピッチBGAを実装基板に実装後、接合部の信頼性が向
上し、ファインピッチBGAと実装基板の間にアンダー
フィルを施さなくとも十分な信頼性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す概略断面図である。
【図2】本発明の他の実施例を示す部分拡大図である。
【図3】本発明の実施例の効果を説明するための概略断
面図である。
【図4】比較のために示した従来例の概略断面図であ
る。
【図5】本発明の実施例の効果を説明するための部分拡
大断面図である。
【図6】比較のために示した従来例の部分拡大断面図で
ある。
【図7】本発明の従来例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 半導体素子 2 配線パターン 3 電気絶縁基板 4 ソルダーレジスト 5 接着剤 6 絶縁シート 7 外部端子 8 電極 9 実装基板 10 配線パータン 11 ソルダーレジスト 12 空気抜き用貫通孔 h1,h2 実装高を示す記号 a,b 接合部の場所を示す記号 d1,d2,d3 接合部の直径を示す記号

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 配線パターンを有する電気絶縁基板の搭
    載パッドに、はんだボールを接続して外部端子とする構
    造のボール・グリッド・アレイ型半導体装置において、はんだボール搭載部に貫通孔を有する電気絶縁シートを
    前記電気絶縁基板に塗布されたソルダーレジストに貼付
    前記貫通孔は前記ソルダーレジストの開口部が形成する
    電極パッドよりも大きく、かつソルダーレジストの開口
    部と重なった位置にあり半田ボールから成る外部端子は前記貫通孔内で電極パッ
    ドよりも大きな径を有する ことを特徴とするボール・グ
    リッド・アレイ型半導体装置。
  2. 【請求項2】 電気絶縁シートの厚さは、50μm以上
    であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のボール・グリッド・ア
    レイ型半導体装置は基板に実装され、 外部端子のはんだボールは、電気絶縁シートの貫通孔の
    形状と、実装基板にできる球状のはんだとを合わせた形
    状となって実装高さを増大させるものであることを特徴
    とするボール・グリッド・アレイ型半導体装置。
  4. 【請求項4】 前記電気絶縁シートは前記貫通孔以外
    に、空気抜き用貫通孔を有することを特徴とする請求項
    1に記載のボール・グリッド・アレイ型半導体装置
JP9282211A 1997-10-15 1997-10-15 ボール・グリッド・アレイ型半導体装置 Expired - Lifetime JP3070544B2 (ja)

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JP4152596B2 (ja) * 2001-02-09 2008-09-17 新日鉄マテリアルズ株式会社 ハンダ合金、ハンダボール及びハンダバンプを有する電子部材
JP2007027576A (ja) * 2005-07-20 2007-02-01 Rohm Co Ltd 半導体装置
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