JP3801397B2 - 半導体装置の実装基板及び半導体装置実装体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、下面に複数のボール状の接続端子が接続された半導体装置の接続端子と金属配線が接続されて半導体装置が面実装される半導体装置の実装基板及びその実装基板を用いた半導体装置実装体に関するものである。より具体的には、BGA(Ball Grid Array,米国特許第5148265号参照)実装された半導体装置の接続や、フリップチップ接続に用いる実装基板及びその実装基板を用いた半導体装置実装体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、半導体チップを封止したパッケージの下面に半田ボール等の接続端子を有する半導体装置として、BGAやμBGA(端子ピッチが0.8mm以下のBGAであり、CSP(Chip Scale Package)ともいう)などが存在する。BGAやμBGAを用いた実装構造(以下、BGA実装構造という)は、複数のリードをパッケージ周辺から取り出したQFP(Quad Flat Package)を実装した場合に比べて、搭載面積を小さくできるので高密度搭載に適するという利点がある。
【0003】
図1は、(A)は従来の実装基板を示す断面図、(B)はその実装基板を用いたBGA実装構造を示す断面図である。
半導体チップを封止したBGAパッケージ1は、その下面1aに複数の金属電極3が設けられ、各金属電極3には、接続端子としての半田ボール5がそれぞれ接続されている。
実装基板7のBGAパッケージ1に対向する実装面7aの、BGAパッケージ1の各半田ボール5に対応する位置に金属配線9が設けられている。金属配線9の厚さは例えばJIS規格の材料厚さとして用いられている18μmや50μm等であり、その厚さはいずれも半田ボール5のボール径よりも小さい。各金属配線9には、対応する半田ボール5がそれぞれ接続される。
【0004】
また、高密度搭載を実現する実装構造として、半導体チップの能動素子面を、半田ボール等の接続端子を介して、実装基板に直接接続するフリップチップ接続構造がある。フリップチップ接続構造も、BGA実装構造と同様に、搭載面積を小さくできるので高密度搭載に適する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、BGA実装構造では、パッケージをガラスエポキシなどの実装基板に実装すると、パッケージと実装基板との熱膨張係数の違いによって応力が生じ、その応力が金属配線と接続端子の接合部分付近に集中して接続端子にクラックが生じて接合不良を起こすことが一般的に知られている。フリップチップ接続構造でも、半導体チップと実装基板との熱膨張係数の違いによって応力が生じ、接続端子にクラックが生じて接合不良を起こすことが一般的に知られている。
【0006】
このような不具合を回避するため、特開平09−129789号公報、特開平09−199540号公報、特開平10−173006号公報等で接続後の信頼性を向上させる発明が公開されているが、接続端子(半田ボール等)の構造や大きさ・形状に特徴を持たせるか、あるいは接続端子(半田ボール等)の接続部分を凹型にするなどといったものであり、何れもパッケージに特徴を持たせることで問題を解決しており、実装基板にのみ特徴を持たせることによって効果を得るものではない。
【0007】
そこで本発明は、BGA実装構造又はフリップチップ接続構造において、実装基板の配線構造に特徴を持たせることにより、パッケージ又は半導体チップを実装基板に実装した後の熱膨張係数の差による応力を分散させ、実装後の信頼性の向上させることを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下面に複数のボール状の接続端子が接続された半導体装置の接続端子と金属配線が接続されて半導体装置が面実装される半導体装置の実装基板であって、その金属配線は、少なくとも接続端子が接続される位置では、厚さが接続前の上記接続端子の高さ以上になっており、少なくとも一部の前記金属配線の周囲に、上記金属配線の厚さよりも大きい寸法で上記半導体装置側に突出し、その先端部分には上記接続端子側に向かって高さが低くなるように傾斜した案内面が形成された案内部材をさらに備え、上記金属配線と上記案内部材との間に空間が形成されているものである。
【0009】
金属配線は、少なくとも接続端子が接続される位置では、厚さが接続前の接続端子の高さ以上になっていることより、金属配線が変形して、パッケージ又は半導体チップと実装基板との熱膨張係数の違いによって生じる応力を吸収する。その結果、接続端子と金属配線の接合部分付近に応力が集中することを防止することができ、接続端子の疲労破壊を抑制することができる。
【0011】
さらに、本発明では、少なくとも一部の金属配線の周囲に、金属配線の厚さよりも大きい寸法で半導体装置側に突出し、その先端部分には接続端子側に向かって高さが低くなるように傾斜した案内面が形成された案内部材をさらに備えているようにしたので、実装時のアライメント精度を緩和して実装性を向上させることができる。
【0012】
【実施例】
図2は、参考例をBGA実装構造に適用した例を示す断面図であり、(A)は実装基板、(B)はBGA実装構造を示す。
半導体チップを封止したBGAパッケージ1の下面1aに複数の金属電極3が設けられ、各金属電極3には、接続端子としての半田ボール5がそれぞれ接続されている。半田ボール5の直径寸法Dは例えば500μmである。半田ボール5は、例えば予め金属電極3に供給した状態で、リフロー炉を通過させることによって半田ボール5が溶融して金属電極3に接続される。
【0013】
実装基板11は、そのBGAパッケージ1に対向する実装面11aの、BGAパッケージ1の各半田ボール5に対応する位置に金属配線13がBGAパッケージ1側に突出して設けられている。金属配線13は、材料はCuやAu、Ni、Alなどが用いられ、形状は例えば直方状であり、高さ(厚さ)H1は700μmであり、幅W1は250μmである。実装基板11の実装面11aには、金属配線13に接続されている配線パターン(図示は省略)が形成されている。
【0014】
各金属配線13には、(B)に示すように、対応する半田ボール5がそれぞれ接続される。半田ボール5は、例えば予め実装基板11の対応する金属配線13に位置決めされた状態で、リフロー炉を通過させることによって半田ボール5が溶融して金属配線13に接続される。
【0015】
このような構造にすることにより、実装時又は実装後にBGAパッケージ1と実装基板11の熱膨張係数の違いによって応力が生じても、金属配線13が変形して応力を吸収し、半田ボール5と金属電極3、金属配線13の接合部分にのみ応力が集中することを防止して、応力に起因する半田ボール5のクラックの発生を防止することができ、実装信頼性を向上させることができる。
【0016】
図3は、他の参考例をBGA実装構造に適用した例を示す断面図であり、(A)は実装基板、(B)はBGA実装構造を示す。
実装基板15は、そのBGAパッケージ1に対向する実装面15aの、BGAパッケージ1の各半田ボール5に対応する位置に図2と同様の金属配線17がBGAパッケージ1側に突出して設けられている。金属配線17の高さH2は300μmであり、幅W2は300μmである。
【0017】
実装基板15の実装面15aには、実装時にBGAパッケージ1を実装基板15との間に間隔を保持して支持し、BGAパッケージ1の実装基板15側への接近自由度を抑制する複数の支持部材19がBGAパッケージ1側に突出して設けられている。支持部材19は、材料は実装基板15と同じ材料やレジスト材料などの絶縁材料が用いられ、例えば直方状であり、高さH3は600μmであり、幅W3は200μmである。
【0018】
各金属配線17には、(B)に示すように、対応する半田ボール5がそれぞれ接続される。半田ボール5は、BGAパッケージ1の下面1aが支持部材19の上端面に支持されて、実装基板11の対応する金属配線17に位置決めされた状態で、リフロー炉を通過させることによって半田ボール5が溶融して金属配線17に接続される。金属配線17の高さH2は、図2の金属配線13の高さH1に比較して低いが、高さH3の支持部材19によって実装基板15に対して所定の間隔を保持してBGAパッケージ1の下面1aを支持することにより、金属配線17と金属電極3との間に厚さの一定した半田ボール5を介在させることができる。
【0019】
このような構造にすることにより、実装時にBGAパッケージ1と実装基板15の熱膨張係数の違いによって応力が生じても、金属配線17と半田ボール5が変形して応力を吸収し、半田ボール5と金属電極3、金属配線17の接合部分にのみ応力が集中することを防止して、応力に起因する半田ボール5のクラックの発生を防止することができ、実装信頼性を向上させることができる。
この参考例では、支持部材としての支持部材19が金属配線17,17間にそれぞれ設けられているが、支持部材の形状、配置及び数はこれに限定されるものではなく、実装基板との間に所定の間隔を保持してパッケージの下面を支持できる構成であれば、どのような形状、配置及び数であってもよい。
【0020】
図4は、本発明の実施例をBGA実装構造に適用した例を示す断面図であり、(A)は実装基板、(B)はBGAパッケージ実装前の実装基板及びBGAパッケージを示す。
実装基板21は、そのBGAパッケージ1に対向する実装面21aの、BGAパッケージ1の各半田ボール5に対応する位置に図2と同様の金属配線23がBGAパッケージ1側に突出して設けられている。金属配線23の高さH4は700μmであり、幅W4は250μmである。
【0021】
実装基板21の実装面21aには、金属配線23に接近して、実装時に半田ボール5を対応する金属配線23の先端に案内する複数の案内部材25がBGAパッケージ1側に突出して設けられている。案内部材25は、材料は実装基板21と同じ材料やレジスト材料などの絶縁材料が用いられ、形状は先端面から金属配線23に対向する側面に向かって面取りされて案内面25aが形成された直方状であり、高さH5は金属配線23の高さH4よりも大きく、幅W5は500μmである。
【0022】
BGAパッケージ1の実装時において、半田ボール5が実装基板21の対応する金属配線23に位置決めされた状態で、リフロー炉を通過させることによって半田ボール5が溶融して金属配線23に接続される。その位置決めの際に、半田ボール5の位置が金属配線23に対してずれていても、半田ボール5は案内部材25の案内面25aによって対応する金属配線23に位置決めされるので、アライメント精度を緩和して実装性を向上させることができる。このとき、金属配線23と案内部材25が互いに接触しないように、予め金属配線23と案内部材25との間に100μm程度の空間を設けておくことが好ましい。これにより、実装後の熱膨張係数の違いによる応力の吸収が円滑に行なわれる。
この実施例では、案内部材25が金属配線23,23間にそれぞれ設けられているが、案内部材25の形状、配置及び数はこれに限定されるものではなく、接続端子を実装基板の対応する金属配線に案内できる構成であれば、どのような形状、配置及び数であってもよい。
【0023】
図5は、さらに他の参考例をBGA実装構造に適用した例を示す断面図であり、(A)は実装基板、(B)はBGA実装構造を示す。実装基板27は、そのBGAパッケージ1に対向する実装面27aの、BGAパッケージ1の各半田ボール5に対応する位置に図2R>2と同様の金属配線29がBGAパッケージ1側に突出して設けられている。金属配線29の高さH6は300μmであり、幅W6は300μmである。実装基板27の実装面27aには、金属配線29に接続されている配線パターン(図示は省略)が形成されている。
【0024】
実装基板27の実装面27aには、実装時にBGAパッケージ1を実装基板27との間に間隔を保持して支持し、BGAパッケージ1の実装基板27側への接近自由度を抑制するとともに、半田ボール5を対応する金属配線29の先端に案内する複数の支持・案内部材31がBGAパッケージ1側に突出して設けられている。支持・案内部材31は、材料は実装基板27と同じ材料やレジスト材料などの絶縁材料が用いられ、例えば形状は端面から金属配線29に対向する側面に向かって面取りされて案内面31aが形成された直方状であり、高さH7は600μmであり、幅W7は500μmである。
【0025】
各金属配線29には、対応する半田ボール5がそれぞれ接続される。半田ボール5は、BGAパッケージ1の下面1aが支持・案内部材31の上端面に支持されて、実装基板27の対応する金属配線29に位置決めされた状態で、リフロー炉を通過させることによって半田ボール5が溶融して金属配線29に接続される。その位置決めの際に、半田ボール5の位置が金属配線29に対してずれていても、半田ボール5は支持・案内部材31の案内面31aによって対応する金属配線29に位置決めされるので、アライメント精度を緩和して実装性を向上させることができる。
【0026】
支持・案内部材31の形状、配置及び数はこの参考例に限定されるものではなく、接続端子を実装基板の対応する金属配線に案内でき、かつ実装基板との間に所定の間隔を保持してパッケージの下面を支持できる構成であれば、どのような形状、配置及び数であってもよい。
【0027】
上記実施例では実装基板の金属配線の半田ボールに対応する部分のみがパッケージ側に突出しているが、金属配線のすべてが突出していてもよいし、半田ボールに対応する部分が突出していればその他の部分が突出していてもよい。また、上記実施例はBGA実装構造に適用しているが、フリップチップ実装構造に適用することもできる。
【0028】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の実装基板は、下面に複数のボール状の接続端子が接続された半導体装置の接続端子と金属配線が接続されて半導体装置が面実装される半導体装置の実装基板であって、その金属配線は、少なくとも接続端子が接続される位置では、厚さが接続前の接続端子の高さ以上になっており、金属配線が変形して、パッケージ又は半導体チップと実装基板との熱膨張係数の違いによって生じる応力を吸収し、パッケージ又は半導体チップを実装基板に実装した後の熱膨張係数の差による応力を分散させて接続端子と金属配線の接合部分付近に応力が集中することを防止するようにしたので、接続端子の疲労破壊を抑制することができ、実装後の信頼性の向上させることができる。
さらに、少なくとも一部の金属配線の周囲に、金属配線の厚さよりも大きい寸法で半導体装置側に突出し、その先端部分には接続端子側に向かって高さが低くなるように傾斜した案内面が形成された案内部材をさらに備えているようにしたので、実装時のアライメント精度を緩和して実装性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (A)は従来の実装基板を示す断面図、(B)はその実装基板を用いたBGA実装構造を示す断面図である。
【図2】 参考例をBGA実装構造に適用した例を示す断面図であり、(A)は実装基板、(B)はBGA実装構造を示す。
【図3】 他の参考例をBGA実装構造に適用した例を示す断面図であり、(A)は実装基板、(B)はBGA実装構造を示す。
【図4】 本発明の実施例をBGA実装構造に適用した例を示す断面図であり、(A)は実装基板、(B)はBGAパッケージ実装前の実装基板及びBGAパッケージを示す。
【図5】 さらに他の参考例をBGA実装構造に適用した例を示す断面図であり、(A)は実装基板、(B)はBGA実装構造を示す。
【符号の説明】
1 BGAパッケージ
1a BGAパッケージの下面
3 金属電極
5 半田ボール
7,11,15,21,27 実装基板
7a,11a,15a,21a,27a 実装面
9,13,17,23,29 金属配線
19 支持部材
25 案内部材
31 支持・案内部材
Claims (2)
- 下面に複数のボール状の接続端子が接続された半導体装置の接続端子と金属配線が接続されて半導体装置が面実装される半導体装置の実装基板において、
前記金属配線は、少なくとも前記接続端子が接続される位置では、厚さが接続前の前記接続端子の高さ以上になっており、
少なくとも一部の前記金属配線の周囲に、前記金属配線の厚さよりも大きい寸法で前記半導体装置側に突出し、その先端部分には前記接続端子側に向かって高さが低くなるように傾斜した案内面が形成された案内部材をさらに備え、
前記金属配線と前記案内部材との間に空間が形成されていることを特徴とする半導体装置の実装基板。 - 下面に複数のボール状の接続端子が接続された半導体装置の接続端子と金属配線が接続されて半導体装置が面実装される半導体装置の実装基板に半導体装置が実装された半導体装置実装体において、
請求項1に記載の実装基板を備えたことを特徴とする半導体装置実装体。
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