JP3555828B2 - 半導体実装用回路基板を備えた半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip Scale Package)等のパッケージにおける基板、及びMCM(Multi Chip Modules)などの基板に好適に用いられ、半導体チップとプリント配線基板との間に介在される半導体実装用回路基板を備えた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図8は、従来の半導体実装用回路基板、半導体チップ、およびプリント配線基板(以下、PCBと称する)の位置関係を概略的に示す斜視図である。ウェハをダイシング(切断)して半導体チップ101を生成すると、その半導体チップ101は半導体実装用回路基板102の半導体実装面106の所定位置に載置される。半導体チップ101の電極パッドには半田バンプがそれぞれ形成されており、そのバンプを前記半導体実装面106上に形成されるリード配線にボンディングすることで、半導体チップ101は前記リード配線に電気的に接続される。ボンディング後、半導体チップ101が載置された半導体実装面106を覆うように樹脂封止などによりパッケージ(図示しない)を行なう。
【0003】
また前記半導体実装用回路基板102は、前記半導体実装面106とは反対側にPCB対向面105を備える。このPCB対向面105は、接続用パッドを備える。この接続用パッドは、スルーホールを介して前記リード配線に接続されている。そして、前記接続用パッドをPCB103上に形成された配線パターンにバンプ接続することで、PCB103上の配線パターンと半導体チップ101とが電気的に接続される。
【0004】
上述のPCB対向面105とPCB103との間において、従来から上述のように実装されたPCB103は、接続時のPCB103への加熱および冷却による温度変化によって固有の曲げやねじれを発生する。このPCB103固有の曲げ等によって、接続用パッドと配線パターンとの間の半田バンプに亀裂が生じ、断線するという問題が生じている。
【0005】
前述の問題について、特開昭58−53837号公報に示される従来技術は、半田バンプを亀裂させる力が大きく作用する半導体実装用回路基板の4隅に電気的に通電がなされない補強用パッドを形成し、PCB上のパッドとバンプ接続することで、断線を防止している。また特開昭61−224444号公報に示される従来技術は、半導体実装用回路基板の接続用パッドから0.5mm程突出する電極リードを形成し、この電極リードをPCBに設けた半田溜めの孔に挿入して半田で接続している。これによって、前記半田バンプを亀裂させるような力が生じても、電極リードが変形するので、前記力が緩和され、断線が防止されている。なお米国特許5381307に示される従来技術は、半導体実装用回路基板の接続パッドとPCB上の配線パターンとのずれを半田バンプの表面張力によって補正する目的で半導体実装用回路基板の4隅に他の接続用パッドよりも接触面積の大きい接続用パッドを設けているが、結果的に4隅の接続強度が増加して断線を防止している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭58−53837号公報および米国特許5381307に開示される従来技術は、半田バンプを亀裂させる力が大きく作用する半導体実装用回路基板の4隅の補強しているけれども、電気的にバンプ接続されている接続パッドと配線パターンとの間は、前述の半田バンプを亀裂させる力に十分耐えうるものではない。また、特開昭61−224444号公報に示される従来技術は、半導体実装用回路基板の電極パッドに電極リードを設ける必要があり、さらにPCBには前記電極パッドに対応する半田溜めを作成する必要があるので、別の製造工程が必要であり、コストアップの原因になっている。
【0007】
本発明の目的は、低コストかつ容易に接続信頼性を向上することができる半導体実装用回路基板を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体実装用回路基板を備えた半導体装置は、上記の課題を解決するために、基板の一主面には半導体チップが載置されると共に、基板の他面にはプリント配線基板の配線パターンと電気的に接続される接続パッドが形成された半導体実装用回路基板を備え、前記プリント配線基板の配線パターンと前記半導体実装用回路基板の接続パッドが半田バンプを用いて接続された半導体実装用回路基板を備えた半導体装置において、前記半導体実装用回路基板に前記接続パッドの厚さよりも厚い厚さを有する補強用パッドが前記他面に形成され、前記プリント配線基板と前記半導体実装用回路基板の前記補強用パッドとがバンプ接続されると共に、前記プリント配線基板の配線パターンと前記半導体実装用回路基板の接続パッドとの間に生じる隙間によって中央部分が凹んだ鼓状の半田バンプが形成されてなることを特徴とする。
【0009】
また前記他面の形状は矩形であり、前記補強用パッドは、前記他面の少なくとも対角の2隅に配置してもよい。
【0010】
また前記プリント配線基板と接触する前記補強用パッドの面積は、前記配線パターンと接触する前記接続パッドの面積よりも大きくしてもよい。
【0011】
上述の構成によれば、半導体実装用回路基板をプリント配線基板に載置し、補強用パッドとプリント配線基板とをバンプ接続している。このとき、前記補強用パッドの厚さは前記接続パッドの厚さよりも大きいので、接続パッドと配線パターンとの間にはある程度大きい隙間が生じる。バンプ接続を行うと、この隙間によって中央部分の凹んだ鼓状の半田バンプが形成される。この鼓状の半田バンプは、隙間が狭小な時に形成される中央部分が凸状の半田バンプよりも接続強度が大きい。これによって、半導体実装用回路基板の前記裏面と、プリント配線基板との間の接続強度を増加させることができる。なお補強用パッドを、半田バンプを亀裂させる力が大きく作用する半導体実装用回路基板の4隅に設けることで、さらに接続強度を増加することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いつつ本発明の半導体実装用回路基板を備えた半導体装置について説明する。
【0013】
本発明に用いられる半導体実装用回路基板は、矩形の平らな基板で構成されており、主面である半導体実装面には半導体チップが載置される。また半導体実装用回路基板は、前記半導体実装面の反対側の裏面であるプリント配線基板対向面(以下、PCB対向面と称する)が配線パターンが形成されたプリント配線基板(以下、PCBと略称する)に対向するように載置される。以下に、第1にPCB対向面について説明を行い、第2に半導体実装面について説明を行い、第3に半導体実装回路基板の基板内について説明を行う。
【0014】
(PCB対向面に関する説明)
図1は、半導体実装用回路基板2のPCB対向面5を示す平面図であり、図2は図1に示される半導体実装用回路基板2の側面図である。
【0015】
半導体実装用回路基板2は、PCB対向面5に、複数の電極パッド12および4つの補強用パッド13a〜13dを備える。各電極パッド12は、直径0.5mm、厚さ30〜40μmの半田バンプで構成され、載置される半導体チップの電極数に対応して形成される。補強用パッド13a〜13dは、直径0.6〜1.0mmであり、前記電極パッド12の厚さよりは所定の厚さ(例えば、10μm)だけ大きい厚さ40〜50μmの半田バンプで構成される。
【0016】
電極パッド12および補強用パッド13a〜13dは、たとえば図1に示されるように縦6列、横6列に配列され、4隅の部分が補強用パッド13a〜13dに相当する。補強用パッド13a,13bは、図面上の右端の縦1列の両端に、その間に配列される4つの電極パッド12の図面上の共通接線である点線16に接するように配置される。補強用パッド13a,13dは、図面上の上端の横1列の両端に、その間に4つの電極パッド12の図面上の下側の共通接線である点線16に接するように配置される。このようにして、補強用パッド13aは、その中心が基板外側よりに設けられるように配置されている。なお他の補強用パッド13b〜13dについても同様に配置されるので、説明を省略する。
【0017】
次に上述の構成の半導体実装用回路基板2が、PCBに接続された状態について説明を行う。半導体実装用回路基板2は、PCB対向面5が配線パターンおよびパッドが形成されるPCB上の所定位置に対向するように載置される。
【0018】
図3は、半導体実装用回路基板2がPCB3上の所定位置に載置されたときの概略的な断面図を示す。半導体実装用回路基板2の補強用パッド13aはPCB3に構成されるパッド24にバンプ接続される。各電極パッド12はPCB3上に形成された配線パターン25にバンプ接続される。なお他の補強用パッド13b〜13dについても同様であり、以下説明を省略する。
【0019】
補強用パッド13a〜13dの厚さは、各電極パッド12の厚さよりも大きい。またPCB3上に形成されるパッド24の厚さと配線パターン25の厚さは、ほぼ同一である。したがって、補強用パッド13aとパッド24とを接続すると、電極パッド12と配線パターン25との間にはある程度大きい隙間(例えば、10μm)が形成される。
【0020】
このある程度大きな隙間において、バンプ接続を行うと、中央部分33が凹んだ鼓状の半田バンプ27が形成される。この鼓状の半田バンプ27は、電極パッド12と配線パターン25との間が狭小なときに形成される中央部分が凸状の半田バンプよりも、半田バンプ部にかかる歪等の力を軽減しやすい。即ち、電極パッド12と配線パターン25との間のバンプ接続の信頼性は、ある程度大きい隙間に形成された半田バンプ27の方が狭小な隙間に形成された中央部分が凸状の半田バンプよりも大きい。上述の内容は、「COB,TAB実装を中心とするベアチップ実装」P43〜44,P144〜146に記載されている。
【0021】
上述のように、電極パッド12と配線パターン25との間にある程度の隙間を形成し、その隙間に鼓状の半田バンプ27を形成することで、実装後の温度変化によるPCB3固有の曲げによって半田バンプに亀裂を生じさせる力が作用しても、電極パッド12と配線パターン25との間の断線を防止することができる。
【0022】
また補強用パッド13a〜13dと4つパッド24との接触面は、前記電極パッド12と配線パターン25との接触面よりも大きいので、半導体実装用回路基板2をPCB3に載置するときに、電極パッド12と配線パターン25との位置関係がずれても、補強用パッド13a〜13dと4つのパッド24とは重なり合うこととなる。この補強用パッド13a〜13dと4つのパッド24とを接続するときの半田バンプ26の液体状になった半田の表面張力によって、半導体実装用回路基板2は正常な位置に設置されるように移動し、電極パッド12と配線パターン25とが重なり合うようになる。さらに、この移動が不十分であっても重なり合うようになった電極パッド12と配線パターン25とを接続する半田バンプ27の液体状になった半田の表面張力によって、半導体実装用回路基板2は正常な位置に設置されるように移動する。これによって、半導体実装用回路基板2をPCB3に載置するときに多少のずれが生じても、半導体実装用回路基板2自体が自動的に移動して正確な位置に載置される。
【0023】
また接触面の大きい補強用パッド13a〜13dを前記半田バンプに亀裂を生じさせる力の作用の受けやすい半導体実装用回路基板2の4隅に設けられるので、前記半田バンプに亀裂を生じさせる力を受けても半導体実装用回路基板2とPCB3との間の接続状態を保つことができ、より接続信頼性を向上することができる。なお、半導体実装用回路基板2とPCB3との間の接続強度が十分な強さになるのであれば、半導体実装用回基板2の対角の2隅以上に設ける構成にしてもよい。
【0024】
(半導体実装面についての説明)
図4は、半導体実装用回路基板2の半導体チップが実装される半導体実装面6を示す平面図である。
【0025】
半導体実装用回路基板2の半導体実装面6は、載置される半導体チップよりも大きい面積を有する。そして半導体実装面6は、4隅に配線パターンの形成されないパッケージ禁止領域51a〜51dを備え、中央部に半導体チップが実装されるチップ実装領域50を備える。
【0026】
前記パッケージ禁止領域51a〜51cは、例えば一辺が1.0mmの正方形の領域である。パッケージ禁止領域51aには円形(直径0.2〜0.3mm)の基板認識用パターン41が形成される。半導体実装面の対角に形成されるパッケージ禁止領域51cには、前記基板認識用パターン41よりも大きい円形(直径0.4〜0.5mm)の基板認識用パターン42が形成される。またパッケージ禁止領域51bには、例えば基板認識用パターン42と同一の形状の基板認識用パターン43が形成される。なお、基板認識用パターン41〜43は円形に限定されない。
【0027】
パッケージ禁止領域51dは、上述のパッケージ禁止領域51a〜51cの形状とは相違するような領域、例えば図4に示されるような5角形の領域に形成される。なお図4に示さないが、この領域に基板認識用パターンを形成してもよい。
【0028】
図5(a)はチップ実装領域50の4隅の縁に沿って形成された精度算出パターン55を示し、図5(b)は連続の十字状に形成された精度算出パターン56を示し、図5(c)は中央部分が取り除かれた十字状に形成された精度算出パターン57を示す。半導体実装面6のチップ実装領域50の4隅の外側には、図5(a)〜(c)に示されるような精度算出パターン55〜57が形成され、このチップ実装領域50に載置された半導体チップの位置精度の測定が行われる。
【0029】
図6は、半導体チップの電極用パッドがバンプ接続される半導体実装面6の配線パターンを示す図である。半導体実装用回路基板2のチップ実装領域50近傍には、前述の精度算出パターン55〜57以外にリード配線61が半導体チップの電極用パッド数と同じ数だけ形成される。各リード配線61は、幅0.1mm、長手方向0.5mmの導体で構成されおり、各リード配線61の長手方向一端部にはPCB対向面に形成される電極パッド12に接続するためのスルーホール62が形成されている。また前記各リード配線61は、長手方向が半導体実装用回路基板2の外縁の辺と垂直、かつ長手方向他端部が、チップ実装領域50に正確に半導体チップが配置されたときの半導体チップの電極用パッドに形成された半田バンプ(直径0.1mm)の位置を示す仮想電極位置53よりも内側および外側に0.2〜0.3mm程長くなるように配置される。
【0030】
次に上述の半導体実装面6に半導体チップを載置するときおよび半導体実装用回路基板2をPCBに載置するときについて説明を行う。
【0031】
半導体実装用回路基板2のチップ実装領域50に半導体チップが載置される前に、半導体実装面6の基板認識用パターン41および基板認識用パターン42を認識することによって、半導体実装用回路基板2の位置角度を検出する。
【0032】
半導体実装用回路基板2の位置角度が検出されると、その位置角度に基づいて規定の方向に合わせられた半導体チップがチップ実装領域50に載置される。半導体チップがチップ実装領域50に載置されると、載置された半導体チップの4隅と4つの精度算出パターンとの距離を測定することによって、半導体チップの位置精度が正確測定される。正確な位置に載置されていない場合はこの測定された位置精度に基づいて、半導体チップの載置位置が調整される。そして、半導体チップの電極用パッドに形成された半田バンプは前記リード配線61に接続される。
【0033】
なお、調整が行われてもまだ誤差などによって、半導体チップの載置位置がずれることによって電極用パッドに形成された半田バンプが前記仮想電極用パッド位置53からずれたとしても、リード配線61の長手方向は仮想電極用パッド位置53よりもチップは実装領域50の内側または外側に0.2〜0.3mm程長くなるように配置されているので、前記半田バンプを所望のリード配線61に接続することができる。半導体チップの電極用パッドがリード配線61にバンプ接続されると、半導体実装面6のパッケージ禁止領域51a〜51d以外の領域に樹脂封止などによりパッケージがなされる。
【0034】
パッケージが成された半導体実装用回路基板2をPCB上に載置するときに、他のパッケージ禁止領域51a〜51cとは形状の異なるパッケージ禁止領域51dの位置を確認することで、半導体実装用回路基板2の向きを検出する。そして、規定方向に合わせて半導体実装用回路基板2をPCB上に載置する。
【0035】
したがって、半導体実装用回路基板2をPCB上の規定方向に正確に設置することができる。また載置後の検査時における半導体実装用回路基板2の載置状態も、前記パッケージ禁止領域51dの位置を認識することで容易に検出することができる。なお、パッケージがなされていないパッケージ禁止領域51aの基板認識用パターン41とパッケージ禁止領域51cの基板認識用パターン42とを認識しても、半導体実装用回路基板2の向き等を検出することができる。
【0036】
また、パッケージ禁止領域51a〜51cとパッケージ禁止領域51dとは、基板認識用パターンだけで半導体実装用回路基板2の位置角度が検出できる場合は、同一形状でもよい。さらに、半導体実装用回路基板2の位置方向が検出できる位置に前記パッケージ禁止領域を形成する場合、前記パッケージ禁止領域を形成する数は限定されない。即ち、4隅の中の1つに形成するだけでもよい。
【0037】
(ノイズを除去するための半導体実装用回路基板の構成の説明)
図7(a)(b)は、半導体実装用回路基板2をPCB対向面5から半導体実装面6までの厚み方向の構成を概略的に示す断面図である。半導体実装用回路基板2は、一主面が半導体実装面6となる絶縁層81および一主面がPCB対向面5となる絶縁層85と、その間に形成される第1導体層82、誘電体層83および第2導体層84とで構成される。
【0038】
第1導体層82は、例えば0.1mmのアルミナ基板などから成る絶縁層81の他面に形成される電源電圧(Vdd)が印加される配線パターンである。即ち、前記配線パターンは電源電圧(Vdd)が印加されるリード配線61および電極パッド12の少なくともいずれか一方にスルーホールを介して或いは前記配線パターンを延在させることにより接続されている。また第2導体層84は、上述の絶縁層81と同一の絶縁層85の他面に形成される接地(GND)用の配線パターンである。即ち、前記配線パターンは、接地(GND)用のリード配線61および電極パッド12の少なくともいずれか一方にスルーホールを介して或いは前記配線パターンを延在させることにより接続されている。第1導体層82と第2導体層84とを対向させて、チタン酸バリウム等から成る誘電層83を挟み接合することによって、図7(a)に示すような半導体実装用回路基板2が形成される。
【0039】
これによって、半導体実装用回路基板2は、第1導体層82、第2導体層84および誘電体層83から構成されるコンデンサを備えることとなる。このコンデンサの容量は、第1導体層82および第2導体層84を構成する配線パターンの形状および厚さと、前記誘電体層83の材料および厚さとを選択することで決定される。
【0040】
パッケージされた半導体実装用回路基板2がPCBに載置されて実際に電子部品として使用される場合に、回路構成によって高周波の信号が入力される場合がある。この高周波の信号はノイズが混入しやすく電圧レベルが不安定であるが、前記コンデンサで前記高周波の信号に混入されたノイズを除去することで、安定な電圧レベルの高周波の信号を半導体チップに供給することができる。したがって、従来技術のようにノイズを除去するために半導体実装用回路基板の外部にコンデンサを併設する必要がないので、全体の回路規模を縮小することができる。またコンデンサは半導体実装用回路基板2内部の信号線を用いるので、容易に形成することができる。
【0041】
なお、上述のように第1導体層82および第2導体層84が互いに対向し、その間に誘電体層83が介在する構成であれば、これらが基板内部のどの位置に構成されてもよい。また、第1導体層82を前記配線パターンを用いずに基板内部に別途構成し、前記第2導体層84も前記配線パターンを用いずに基板内部に別途構成してもよい。
【0042】
図7(b)は、このような構成の一例を示している。この図では、前記絶縁層81の下層には電源側の配線パターン87(部分的にGND側の配線パターンが混在することもある)が存在し、更にその下層側には絶縁膜86を介して第1導体層82(配線パターンではなく、例えば、べた塗りの金属膜から成る)が存在している。第1導体層82は例えば絶縁膜86に形成されたコンタクトホール(図示せず)を介して前記配線パターン87(GND側の部分が混在する場合には電源側部分)に接続されている。
【0043】
一方、前記絶縁層85の上層にはGND側の配線パターン88(部分的に電源側の配線パターンが混在することもある)が存在し、更にその上層側には絶縁膜86を介して第2導体層84(配線パターンではなく、例えば、べた塗りの金属膜から成る)が存在する。第2の導体層84は例えば絶縁膜86に形成されたコンタクトホール(図示せず)を介して前記配線パターン88(電源側の部分が混在する場合にはGND側部分)に接続されている。そして、第1導体層84と第2導体層84との間に誘電体層83を介在させてある。なお、第1導体層82と第2導体層84の配置関係を逆にしてもよい。この場合には、第1導体層82を配線パターンのうち電源側の部分に接続し、第2導体層84を配線パターンのうちGND側に接続すればよい。
【0044】
【発明の効果】
上述の本発明によれば、接続パッドの厚さよりも大きい厚さを有する補強用パッドによって、接続パッドと前記配線との間にある程度大きい隙間を作成し、その隙間に形成される半田バンプの形状が鼓状になるので、接続パッドと前記配線との間の接続信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いられる半導体実装用回路基板のPCB対向面を示す平面図である。
【図2】図1に示される半導体実装用回路基板における側面図である。
【図3】半導体実装用回路基板がPCB上の所定位置に載置された状態を概略的に示す断面図である。
【図4】本発明に用いられる半導体実装用回路基板の半導体チップが載置される半導体実装面を示す平面図である。
【図5】半導体実装用回路基板の半導体実装面に形成された精度算出パターンの例を示す図である。
【図6】実装される半導体チップの電極に形成された半田バンプに接続される半導体実装用回路基板上の配線パターン示す図である。
【図7】同図(a)は半導体実装用回路基板の半導体実装面からの厚み方向の構成を概略的に示す断面図であり、同図(b)は同変形例を示す断面図である。
【図8】従来からの半導体実装用回路基板、半導体チップおよびプリント配線基板の接続関係を概略的に示した斜視図である。
【符号の説明】
2 半導体実装用回路基板
12 接続パッド
13a〜13d 補強パッド
27 半田バンプ
25 配線パターン
41〜43 基板認識用パターン
50 半導体チップ実装領域
51a〜51d パッケージ禁止領域
53 仮想電極パッド位置
61 リード配線
82 第1導体層
83 誘電体層
84 第2導体層
Claims (3)
- 基板の一主面には半導体チップが載置されると共に、基板の他面にはプリント配線基板の配線パターンと電気的に接続される接続パッドが形成された半導体実装用回路基板を備え、前記プリント配線基板の配線パターンと前記半導体実装用回路基板の接続パッドが半田バンプを用いて接続された半導体実装用回路基板を備えた半導体装置において、
前記半導体実装用回路基板に前記接続パッドの厚さよりも厚い厚さを有する補強用パッドが前記他面に形成され、前記プリント配線基板と前記半導体実装用回路基板の前記補強用パッドとがバンプ接続されると共に、前記プリント配線基板の配線パターンと前記半導体実装用回路基板の接続パッドとの間に生じる隙間によって中央部分が凹んだ鼓状の半田バンプが形成されてなることを特徴とする半導体実装用回路基板を備えた半導体装置。 - 前記他面の形状は矩形であり、前記補強用パッドは、前記他面の少なくとも対角の2隅に配置されることを特徴とする請求項1記載の半導体実装用回路基板を備えた半導体装置。
- 前記プリント配線基板と接触する前記補強用パッドの面積は、前記配線パターンと接触する前記接続パッドの面積よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の半導体実装用回路基板を備えた半導体装置。
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