JP3848723B2 - 半導体装置の実装構造体及びその検査方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本装置は、はんだバンプを外部端子とした半導体装置の実装構造に係り、特にはんだバンプの接続信頼性に優れた半導体装置の実装構造およびその検査方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化が進む中で、外部端子の数(ピン数)を増やした半導体装置の開発が進められている。これには2通りの方法があり、一つは外部端子にリードを用いた従来構造のクアッドフラットパッケージ(以下QFPと記す)の端子ピッチを細かくし、ピン数を増やす方法である。この方法では端子ピッチが0.3mmのQFPまで開発されているが、端子の配置が1次元であるため、実装できる半導体装置の寸法の関係から400ピンが限度であるといわれている。もう一つの方法は半導体装置の裏面にはんだバンプを2次元状に配置し、これを外部端子とする方法であり、この構造の半導体装置は一般にボールグリッドアレイ(以下BGAと記す)と呼ばれている。BGAの詳細な構造については、たとえば米国特許5,216,278号公報あるいは日経エレクトロニクスNo.601、59ページに記載されている。
さらに最近では半導体装置を素子の寸法程度まで小さくしたBGA型半導体装置が開発されている。これはチップサイズパッケージ(以下CSP)と呼ばれている。CSPの構造の詳細については日経エレクトロニクスNo.668、139ページに記載されている。また、特表平6-504408号公報において、半導体素子の回路形成面に柔軟材(エラストマ樹脂)を介して外部端子付きのテープを設け、外部端子と半導体素子の電極を電気的に接続した構造のCSPが記載されている。特開平6-224259号公報では、スルーホールを設けたセラミック基板に半導体素子を搭載し、セラミック基板の反対面に電極を設け、プリント基板に実装する構造が記載されている。特開平6-302604号公報では、半導体素子の回路形成面に金属配線パターンを形成し、これに外部端子を設けた構造のCSPが記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
はんだバンプを外部端子とした構造のBGA型半導体装置で最も問題となるのは、はんだバンプの接続信頼性である。半導体装置の線膨張係数と実装基板の線膨張係数が異なると、温度変化に対しはんだ接合部にひずみが生じ、これが繰り返されると熱疲労破壊することがある。従来のリードを外部端子としたQFPなどの半導体装置では、リードがこの熱変形を吸収することによりはんだに生じるひずみを低減し、熱疲労破壊を防止することができたが、BGA型半導体装置でははんだバンプに直接熱変形が加わる。
【0004】
そこで米国特許5,216,278号公報で開示されているようなプリント基板を用いたBGA型半導体装置では、半導体装置のプリント基板と実装するプリント基板の線膨張係数を合わせ、熱変形を防止する方法がとられる。しかしたとえ両方のプリント基板に同じ材料を用いたとしても、材料の線膨張係数のばらつきなどにより、一般には両者の線膨張係数は2×10~6/℃ほどの差が生じる。上記従来技術のうち、はんだの疲労破壊に対してもっとも考慮され、信頼性が高いと考えられるのは、特表平6-504408号公報に記載の半導体装置である。この半導体装置では、半導体素子にエラストマ樹脂を介して外部端子付きのテープを設け、外部端子と半導体素子の電極を電気的に接続し、はんだバンプを外部端子に接合したので、半導体素子と実装基板の線膨張係数の差に起因する熱変形をエラストマで吸収でき、はんだバンプの熱疲労破壊を防止することができる。しかしこの半導体装置は半導体装置寸法が半導体素子の寸法に一致しているので、ピン数に限界がある。
さらに、はんだ接合部には接合時の濡れ不良やガスの巻き込みによるボイドが存在する。このようなボイドははんだ接合部の疲労寿命を低下させる要因になっていることが発明者らの研究で明らかになっており、その内容が材料学会発行のCurrent Japanese Material Research, No.2 (1987), pp.235 に示されている。この問題に対しては、接合断面積に対するボイドの総面積の割合(通常、ボイド率と呼ばれる)を低減することがプロセス設計の目標とされている。すなわち、ボイドのト−タル面積を低減する努力がなされている。
【0005】
以上述べたように、従来構造のBGA型半導体装置は、どのような構造であってもはんだバンプの接続信頼性に問題が残っている。特に、はんだバンプ接合部に存在するボイドの影響による熱疲労寿命の低下に対する配慮がなされていなかった。本発明は、このような従来のBGA型半導体装置の欠点を克服し、はんだバンプの接続信頼性の高いのBGA型半導体装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、BGA型半導体装置のはんだバンプ接合部に存在するボイドの寸法を規定することにより達成される。
本発明の半導体装置は、一主面に複数の電極が形成された半導体装置と、一主面に配線パターンが形成されたプリント基板と、前記複数の電極と前記配線パターンとの間に介在して前記半導体装置と前記プリント基板とを電気的に接続する複数のはんだバンプとを備えた半導体装置の実装構造において、次の構成を備えたことを特徴とする。
【0007】
(1):前記複数のはんだバンプのうち前記半導体装置の外縁部に最も近い全てのはんだバンプの前記半導体装置との界面には大きさがほぼ均一の細かいボイドのみが存在すること。
はんだバンプに発生するせん断ひずみは、半導体装置の中心から遠ざかる程大きくなるため、半導体装置の外縁部に最も近いはんだバンプが最も厳しい条件となる。従って、この最も厳しい条件下にあるはんだバンプの界面に存在するボイドが大きさがほぼ均一の細かいボイド(均一ボイド)のみであれば、ひずみ集中が起こらずはんだバンプ接合部の信頼性を高めることができる。
なお、大きさがほぼ均一の細かいボイド(均一ボイド)とは寸法が一定であることを示すのではなく、ボイド寸法のばらつきを許容するものである。通常の大気中で行うはんだ接合では、およそ2倍のボイド寸法のばらつきを許容する。
【0008】
(2):前記複数のはんだバンプのうち前記半導体装置の外縁部に最も近い全てのはんだバンプの前記半導体装置との界面に存在するボイドの直径が、前記界面の直径の1/10以下であること。
最も厳しい条件下にあるはんだバンプの界面に存在するボイドの直径が、前記界面の直径の1/10以下であれば、ボイドでのひずみ集中が起こらずはんだバンプ接合部の信頼性を高めることができる。
なお、界面およびボイドはほぼ円形であるが、厳密には相当直径〔界面の相当直径=√(4×界面の断面積/π),ボイドの相当直径=√(4×ボイドの断面積/π)〕を界面の直径およびボイドの直径とすれば本発明を適用できる。
【0009】
(3):(1)または(2)に記載の半導体装置の実装構造において、前記半導体装置の一辺の長さが30mm以上であること。
一辺が30mm以上の半導体装置では、通常の信頼性水準の疲労強度に対して余裕がなく、(1)または(2)に記載の半導体装置の実装構造を必然的に適用する必要がある。
【0010】
(4):(1)乃至(3)のいづれか1項に記載の半導体装置の実装構造において、前記半導体装置の電極の数が441以上であること。
電極の数が441以上ある半導体装置では、通常の信頼性水準の疲労強度に対して余裕がなく、(1)乃至(3)のいずれか1項に記載の半導体装置の実装構造を必然的に適用する必要がある。
【0011】
また本発明の半導体装置のはんだバンプ接続信頼性の検査方法は、一主面に複数の電極が形成された半導体装置と、一主面に配線パターンが形成されたプリント基板と前記複数の電極と前記配線パターンとの間に介在して前記半導体装置と前記プリント基板とを電気的に接続する複数のはんだバンプとを備えた半導体装置の実装構造のはんだバンプ接続信頼性の検査方法において、次の構成を備えたことを特徴とする。
(5):前記複数のはんだバンプの前記半導体装置との界面に存在するボイドの直径の最大値が、あらかじめ設定された値を超えた場合に不合格とすること。
(6):(5)において、前記あらかじめ設定された値が、前記界面の直径の1/10以下であること。
はんだに発生するひずみはボイドの面積の割合よりも集中ボイドの寸法で決まるので、はんだバンプと半導体装置との界面における最大のボイドを調べればよい。具体的には、抜き取り検査で破壊試験を行うか、あるいはX線透視検査を行って、ボイドの最大値があらかじめ設定した値を超えた場合に不合格とする検査を行えばよい。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に示した実施例により詳細に説明する。
まず、はんだバンプ接続部のボイド発生メカニズムについて発明者らが行った解析と実験を基に述べる。
図3に従来のはんだバンプ1のBGA型半導体装置(図示せず)との界面7の様子を示す。この図ははんだバンプに力を加えた後、BGA型半導体装置を引き剥がした面を示している。界面7には必ずボイドが存在するが、これらは均一の大多数のボイド8(以下均一ボイドと呼ぶ)と寸法が大きく単一のボイド(以下集中ボイドと呼ぶ)に分類される。発明者らの研究により、これらのボイドの発生メカニズムが次の様に明らかになった。
【0013】
まず集中ボイド9の発生メカニズムを図4を用いて説明する。図4はリフローソルダリング法によりBGA型半導体装置を実装するときの様子を示すものである。(a)は実装基板に半導体装置を載置した図であり、実装基板3の配線パターン11にはんだペースト12が印刷されており、この上にBGA基板2のBGA電極10に接合されたはんだバンプ1が乗せられている。はんだペースト12は細かい粒状のはんだをフラックスで練ったものであり、フラックスの役割ははんだ接合する金属(この場合は実装基板の配線パターン11)の表面の酸化膜を化学的に溶解し、金属面を露出させることにある。(b)はこれをはんだの融点以上の温度に加熱した状態を示す。溶融したはんだバンプ1は配線パターン11に濡れ、はんだペースト12中のフラックス14は脇に流出する。この時、フラックスの一部は気化し、大気中に放出されるが、さらにその一部は溶融したはんだバンプ1の中に気泡13となって残る。この気泡は浮力によりBGA基板2の方に移動する。(C)は冷却後の様子を示す。気泡13ははんだバンプ1のBGA基板2との接合界面において集中ボイド9となって残る。
【0014】
次に均一ボイドについてであるが、これは主にはんだバンプ1とBGA電極10との濡れ不良に起因する接合欠陥によるものである。このような細かいボイドを完全に取り去るのは、大気中で行う通常のはんだ接合法では困難である。
さて、これらのボイドがはんだバンプの接合信頼性にどのような影響を与えるのであろうか。発明者らは有限要素法解析により研究を行った。解析モデルを2種類作成した。一つは集中ボイドに対応するもので、はんだバンプに単一のボイドを設け、BGA型半導体装置と実装基板の線膨張係数の差に起因する相対変位を与え、はんだバンプに発生するひずみを解析した。集中ボイドの大きさを変えて解析を行い、ボイド寸法と発生ひずみの関係を求めた。
もう一つのモデルは均一ボイドに対応するものである。本解析では、実際のはんだバンプ接合部の均一ボイドの寸法を測定しその平均値からボイドの寸法を接合界面におけるはんだバンプの直径の1/30として、ボイドの数と発生ひずみの関係を求めた。
【0015】
解析結果を図5に示す。横軸はボイドの面積の割合を示しており、接合界面の面積に対するボイド面積の総和の割合を表す。縦軸ははんだバンプに発生するひずみを表し、ボイドがない場合に発生するひずみを1とした相対値を無次元化して示した。この図から集中ボイドは大きければ大きいほど発生ひずみは大きくなることがわかる。これは大きなボイドがひずみ集中を招くからであると考えられる。これに対して、均一ボイドはその総面積すなわち細かいボイドの数が増えても発生ひずみの増加はごくわずかであることがわかる。これは細かいボイドはいくら存在してもひずみ集中は起こらないからである。
以上のことから、BGA型半導体装置のはんだ接合部の接続信頼性を向上させるためには、冒頭に述べたように、はんだバンプ接合部に存在するボイドの寸法を規定することが有効な手段であることがわかる。
【0016】
次に、本発明の一実施例について説明する。
図1は本発明の実施例を示すBGA型半導体装置の実装構造である。BGA型半導体装置の内部構造とはんだ接合部の状態を示すため、半導体装置の一部を切り取って図示した。半導体素子4がBGA基板2に接合されており、両者はワイヤ5により電気的に接続されている。これらは封止樹脂6により封止されている。このBGA型半導体装置の裏面にははんだバンプ1が外部端子として接合されており、実装基板3に実装されている。
【0017】
図1に示したBGA型半導体装置のはんだバンプ1の接合界面の状態を図2に拡大して示す。はんだバンプ1の接合界面7には、均一の細かいボイド8のみが存在し、寸法の大きな集中ボイドは存在しない。このため、熱変形時にはんだバンプに発生するひずみがはんだバンプの一部分に集中することがないので、高い接続信頼性を確保することができる。
均一のボイドとは厳密に寸法が一定であることを示すのではなく、ボイド寸法のばらつきを許容するものである。通常の大気中で行うはんだ接合では、およそ2倍のボイド寸法のばらつきは避けられない。重要なのは「課題を解決するための手段」の項で説明した様に寸法の大きな集中ボイドを排除することである。また、均一ボイドの寸法は接合界面におけるはんだバンプの直径の1/30以下であることが望ましい。
【0018】
発明者らは、BGA型半導体装置を従来の方法でプリント基板に実装し、温度サイクル試験を行った。その結果、特に最外周のはんだバンプが疲労破壊する場合があった。
そこで、疲労破壊したはんだバンプの破壊面を観察したところ、最小で界面の直径の12%の直径のボイド、平均で10%、最大で20%の直径のボイドが存在していたことがわかった。
このことから、集中ボイドは界面の直径の10%以下であれば、十分な信頼性が得られることが判明した。
【0019】
このようにはんだ接合界面に存在する集中ボイドを排除するためには、2つの方法がある。一つはリフローソルダリングの加熱速度を小さくする方法である。ゆっくり加熱を行うと、フラックスの気化成分がはんだが融解する前に大気中に放出されるので、溶融はんだ内に巻き込まれることがなくなる。もう一つの方法ははんだペーストの量を必要最小限にとどめることである。発明者らは、リフローソルダリングの加熱速度を従来の1/2にし、はんだペーストの量を従来の2/3に少なくすることにより、集中ボイドの排除に成功し、界面の直径の10%を超えるボイドは皆無であった。
【0020】
ところで、ボイドのないはんだバンプに発生するせん断ひずみΔγは次式で表される。
Δγ=Δα×ΔT×L/h ………………………………………(1)
ここでΔαは半導体装置と実装基板の線膨張係数の差、ΔTは温度変化、Lは半導体装置中心からはんだバンプまでの距離、hははんだバンプの高さを表し、通常のBGA型半導体装置では0.5mmである。一方、一般に半導体装置の実装構造の信頼性としては、200℃の温度変化に対して1000回の疲労寿命が要求される場合が多い。発明者らは以前にはんだの疲労強度試験を行い、その結果が日本機械学会論文集54巻505号1709ページに記載されている。この試験結果によると、1000回の疲労寿命に対するせん断ひずみは約1.8%である。さらに「発明が解決しようとする課題」の項で説明した様に、Δαは2×10~6/℃程度の値である。そこで、Δα=2×10~6/℃、ΔT=200℃、h=0.5mm、Δγ=0.018(=1.8%)を代入し、Lについて解くと、L=22.5mmとなる。すなわち欠陥のない場合には半導体装置中心から22.5mm離れたバンプの疲労強度は通常の信頼性試験を容易に合格できることになる。しかしながら、本発明では均一ボイドの存在は許容しており、図5よりこの場合には発生ひずみはボイドのない場合に比べて1.25倍になる。そこで許容ひずみを0.018/1.25=0.0144としてLについて解くと、L=18.0mmとなる。BGA型半導体装置が正方形であるとすると、L=18.0mmのはんだバンプはコーナ部に位置するはんだバンプであるから、最外周のはんだバンプの距離は18.0/√2×2=25.4mmとなる。半導体装置寸法はこの距離より大きくなくてはならないから、約30mmとなる。すなわち、一辺が30mm以上の半導体装置では、通常の信頼性水準の疲労強度に対して余裕がなく、本発明を必然的に適用する必要があるといえる。なお、半導体装置の形状が長方形の場合は、長辺が30mm以上の場合に本発明を必然的に適用する必要があるといえる。またBGA型半導体装置のはんだバンプのピッチは規格により1.27mm(1/20インチ)が用いられるから、この条件をピン数に直すと(25.4mm/1.27mm+1)×(25.4mm/1.27mm+1)=21×21=441ピンとなる。
【0021】
最後に本発明の半導体装置の実装構造の検査方法について述べる。従来のはんだ接合部の接合信頼性を検査する場合には、接合界面におけるボイドの面積の割合で評価を行っていた。しかし図5で示したようにはんだに発生するひずみはボイドの面積の割合よりも集中ボイドの寸法で決まることが本発明の過程で明らかになった。従って、本発明の半導体装置の実装構造を検査する場合には、はんだバンプと半導体装置との界面における最大のボイドを調べればよい。すなわち、抜き取り検査で破壊試験を行うか、あるいはX線透視検査を行って、ボイドの最大値があらかじめ設定した値を超えた場合に不合格とする検査を行えばよい。
【0022】
【発明の効果】
本発明によると、BGA型半導体装置の実装構造において、外部端子として用いられているはんだバンプの接続信頼性を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るBGA型半導体装置の実装構造の斜視図。
【図2】本発明の一実施例に係るBGA型半導体装置の実装構造で用いられるはんだバンプ接合界面の拡大斜視図。
【図3】従来のBGA型半導体装置の実装構造で用いられるはんだバンプ接合界面の拡大斜視図。
【図4】集中ボイドの発生メカニズムを示す断面図。
【図5】ボイドとはんだバンプに発生するひずみの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
1…はんだバンプ、2…BGA基板、3…実装基板、4…半導体素子、5…ワイヤ、6…封止樹脂、7…はんだバンプの接合界面、8…均一ボイド、9…集中ボイド、10…BGA電極、11…配線パターン、12…はんだペースト、13…気泡、14…フラックス。
Claims (3)
- 一主面に複数の電極が形成された半導体装置と、
一主面に配線パターンが形成されたプリント基板に対して、電気的に接続するための複数のはんだバンプと、を備えた半導体装置の実装構造体において、
前記複数のはんだバンプは前記半導体装置の外縁部に最も近い側及びその内周側に形成され、前記外縁部に最も近い最外周のはんだバンプの前記半導体装置との界面にボイドが存在し、前記ボイドは、その直径が前記界面の直径の1/10以下であり、且つボイド寸法の2倍のばらつき以内のボイドからなることを特徴とする半導体装置の実装構造体。 - 請求項1に記載の半導体装置の実装構造体において、
前記半導体装置の一辺の長さが30mm以上であることを特徴とする半導体装置の実装構造体。 - 請求項1または請求項2に記載の半導体装置の実装構造体において、
前記半導体装置の電極の数が441以上であることを特徴とする半導体装置の実装構造体。
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