JP3851797B2 - ボールグリッドアレーパッケージとそれに用いられる回路基板 - Google Patents

ボールグリッドアレーパッケージとそれに用いられる回路基板 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体組立技術に関し、より詳しくは、ボールグリッドアレー（ＢＧＡ：Ball Grid Array、以下「ボールグリッドアレー」を「ＢＧＡ」と称する）パッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高性能、高信頼性、小型及び軽量のＩＣ素子が要求されるのに応じて、半導体組立産業においては入出力ピン数の多い小型のパッケージが要求されている。ＱＦＰ（Quad Flat Package)及びＢＧＡ（Ball Grid Array)パッケージは、多数の入出力ピンを提供できることから、最近のＩＣ技術にふさわしい。更に入出力ピン数を収容するためには、ＱＦＰ技術では極めて微細のリードピッチを必要とし、これにより薄くなりすぎ、割れやすいという欠点がある。従って、パッケージ素子全体のサイズを減少させ、接触部を自由に配列でき、多数の入出力ピンが必要な場合に有効であるＢＧＡパッケージが注目されている。ＢＧＡパッケージは、パッケージサイズを、リードフレームを用いたプラスチックパッケージの３０％以上減少させ、ボールピッチを１．０ｍｍ以下とすることにより、チップスケール又はチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）が得られるという利点がある。
【０００３】
ＢＧＡパッケージにおいて、信頼性は重要であるが、特に、ソルダ結合部、例えばソルダボールとボールランド間の結合部の信頼性は非常に重要である。ソルダ結合部が断線すると、電気的経路が断線し、結果的に素子の不良を招く。また、ソルダ結合部にクラックが発生すると、結合部での電気抵抗が増加し、素子の電気的特性を確保できない。結合部での抵抗の増加は、信号経路にＤＣ電圧ドラップを生じ、ＲＣ回路の充電遅延を引き起こす可能性があり、システムレベルで雑音が発生する原因となる。
【０００４】
ソルダボールとボールランド間の結合部の結合力を強化させるためのいろいろな方案が講じられている。１つの方案は、米国特許第５７９６１６３号に開示されたように、非導電材のプラグで充填されたビアホールを使用し、ビアホール周りの金属をランドとしてソルダボール結合部を形成する方案である。このような技術は、米国特許第５８７５１０２号、米国特許第５９３６８４８号及び米国特許第５７０６１７８号にも開示されている。
【０００５】
米国特許第５８７５１０２号に開示された発明では、各ビアホールは、基板のルーティング空間を増やすため、ソルダパッド内に位置する部分と、ビアホールからガスが排出され得るようにソルダパッド外側に位置する部分とを含む。米国特許第５９３６８４８号には、プラグビアホールを用いた技術が開示され、米国特許第５７０６１７８号には、ソルダボールランド内に形成されたビアホール構造が開示されている。また、米国特許第５８７２３９９号に開示された発明では、ソルダボールランドに窪みが形成され、米国特許第６０２８３６６号に開示された発明では、ボールランドに溝が形成されている。この２つの方法の目的は、ソルダボールとボールランド間の結合力を高めることにある。
しかしながら、これらの従来の方法は、最近の集積回路技術が必要とするパッケージ信頼性の水準には至っていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、パッケージの信頼性、例えばソルダボールとボールランド間の信頼性を向上させるボールグリッドアレーパッケージとそれに用いられる回路基板を提供することにある。
本発明の他の目的は、ソルダボールとボールランド間の結合部におけるクラックの発生を防止するボールグリッドアレーパッケージとそれに用いられる回路基板を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明者らは、ＢＧＡパッケージの信頼性がパッケージパッドの設計に大いに左右されるという事実に着目した。結合部でのクラック発生の原因を検討、分析した結果、ストレスが印加される方向に沿って結合部にクラックが発生することを見出した。本発明者らは、クラックが最も発生しやすい部分は、図２の矢印方向でストレスが結合部に印加される時、結合部のサークルＡで示した部分、つまり結合部のうち初めにストレスを受ける部分であることを見出した。ストレスは、例えばパッケージの信頼性テスト時の熱サイクリングの間に、基板１２と半導体チップ間の熱膨張係数の差異に起因して発生する。信頼性テストの際、パッケージは加熱された後、室温に冷却される。
【０００８】
本発明によると、回路基板は、配線パターンが設けられたチップ実装面と、前記配線パターンに電気的に連結される複数のソルダボールが実装されているソルダボール実装面とを有する。回路基板は、前記複数のソルダボールと各々直接接続される複数のボールランドと、ソルダボール実装面上に全体的に塗布されたソルダマスクにより定義されソルダマスクからボールランドを露出させるボールランド開放領域と、前記ボールランドに各々連結される複数のパターン連結部と、前記パターン連結部と連設し前記ソルダボールと電気的に接続される導電性配線パターンとを含む。複数のパターン連結部は、ソルダボール実装面の中心点に向かって配列されている。
【０００９】
本発明によると、ボールグリッドアレーパッケージは、中心指向性のソルダボールランドタイプを有する回路基板を含む。ＢＧＡパッケージは、ボールランドのサイズがボールランド開口領域より小さいという点からＮＳＭＤ（non-solder mask defined)構造である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の好ましい一実施例によるＢＧＡパッケージと、そのＢＧＡパッケージが実装される回路基板とを示す図である。
図１に示すパッケージは、オーバモルディング及びワイヤボンデンィグ技術を用いたプラスチックパッケージである。しかしながら、本発明は、プラチックパッケージに限定されるものではない。当業者であれば、セラミックパッケージだけでなく、ポリイミドテープとＳｎ−Ｐｂ合金（例えば錫：鉛＝１０：９０）を用いたＴＡＢパッケージ、及びメタルリッドパッケージにも本発明を適用可能であることがわかる。
【００１１】
ＢＧＡパッケージ素子１０は、基板１２、半導体チップ２０及びソルダボール２０を含む。基板１２は、例えばＢＴ（Bismaleimide-Triazine)樹脂又はエポキシガラス（ＦＲ−４ともいう）からなる。基板１２のチップ実装面には、ダイパッド１４ならびに金属の配線パターン１６等のような導電性配線と、ソルダマスク１９とが配置され、図３に示すように基板１２の裏面又はソルダボール実装面５０には、ボールランド１８及びソルダマスク１９が設けられている。ダイパッド１４及び配線パターン１６は、フォトリソグラフィ技術により形成される導電性パターンで、例えば銅パターンである。要求される入出力ピン数が比較的小さい場合は、金属の配線パターン）１６を基板１２の両面に形成する。多数の入出力ピンが必要な場合は、基板の両面だけでなく、基板の内部にも配線パターン１６を形成してもよい。ダイパッド１４には、例えば銀エポキシ又は銀ガラス接着剤等のような導電性接着剤２２を用いて半導体２０を取り付ける。半導体チップ１４と配線パターン１６とは、導電性ワイヤ、例えば金属ワイヤ２４により互いに電気的に接続される。チップ実装面上の配線パターン１６は、ビアホール２８を介して裏面に延長する。チップ２０から発生する熱は、熱ビアホール１７を介して放出される。ボールランド１８は、ソルダマスク１９により取り囲まれている。ボールランド１８上にソルダボール２５を載置し、リフローソルダリングを行うことにより、ソルダボール２５がランド１８に半田付けされる。この際、ソルダボール２５とボールランド１８との間に、例えば金属間結合によりソルダボール結合部２７が形成される。半導体チップ２０及び配線パターン１６は、プラスチック樹脂２６等の封止材により封止され、パッケージ胴体を形成する。
【００１２】
ＢＧＡパッケージ１０は、ソルダボール２５が導電性パッド３２に半田付けされることにより、回路基板３０（例えば、メモリモジュールを構成するモジュール基板）上に実装される。ソルダボール結合部２７の信頼性は、導電性パッド３２の設計に影響される。しかしながら、導電性パッドの設計の影響は、半導体パッケージの観点からソルダボールランドタイプ（即ちボールランド及び導電性配線の設計）の影響より著しくない。
【００１３】
図３は、本実施例によるＢＧＡパッケージのソルダボール実装面を示す底面図である。ソルダボール実装面は、基板１２のチップ実装面の反対面である。ソルダボール実装面５０は、ボールランド開口領域６０を除いてソルダマスクで覆われている。ボールランド６２は、ボールランド開口領域６０内に設けられている。このような構造は、いわゆるＮＳＭＤ（Non-Solder Mask Defined)と言われる。ボールランド６２は、パターン連結部６５に連結される。
【００１４】
本発明によると、ソルダボールランドタイプは、パターン連結部６５がパッケージのほぼ中心５５に向かって配列されるように設計される。より詳しくは、ソルダボールランドタイプは、パターン連結部６５が図４に示すように中心指向領域Ｂ内に存在するように設計される。中心指向領域Ｂは、底辺と２つの斜辺とを有する二等辺三角形の形状を有する。底辺は、ボールランド６２の中心を通る径Ｒで、ソルダボール実装面５０の中心５５とボールランド６２のほぼ中心とを連結する線にほぼ垂直である。斜辺は、底辺の両端と中心５５とを各々連結する２つの直線Ｃ１、Ｃ２である。パターン連結部６５は、ボールランド６２及びビアホール６８を互いに電気的に連結する金属配線パターン６６と一体に形成することが好ましい。パターン連結部６５の幅Ｗは、ボールランド６２の径Ｒより小さいことが好ましい。
【００１５】
図３及び図４に示したようにソルダボールを設計することにより、矢印Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４の方向に印加されるストレスに対する抵抗が大幅に増加し、ソルダボール結合部の信頼性が顕著に増加する。
図５から図１２は、各種ソルダボール結合部の信頼性を評価するための４つのソルダボールランドタイプを示す。
【００１６】
タイプ１は、図５に示したパターンを有する。このタイプのソルダボールランド７０は、パッケージの中心に対する指向性を有することなく、ランダム形態に配列される。図６に示すように、ボールランド開口領域７６の径は約３８０μｍで、ボールランド７８の径（約４５０μｍ）より小さい。このような構造は、いわゆるＳＭＤ（Solder Mask Defined)と言われる。ビアホール７２に連結されたパターン連結部７４の幅は、２５０μｍである。
【００１７】
タイプ２は、図７及び図８に示した無指向性のソルダボールランドタイプ８０を有するＮＳＭＤ構造である。ボールランド８８のサイズは２７０μｍで、ボールランド開口領域８６のサイズは４００μｍで、ビアホール８２に連結されたパターン連結部８４の幅は７５μｍである。
【００１８】
タイプ３は、図９及び図１０に示した無指向性のソルダボールランドタイプ９０を有するＮＳＭＤ構造である。ボールランド９６のサイズは２７０μｍで、ボールランド開口領域９８のサイズは４００μｍで、パターン連結部９４の幅は２５０μｍである。
タイプ４は、図１１及び図１２に示したソルダボールランドタイプ１００を有するＮＳＭＤ構造である。ボールランド６２のサイズは２７０μｍで、ボールランド開口領域６０のサイズは４００μｍで、パターン連結部６５の幅は７５μｍである。
【００１９】
上述した４つのタイプのＢＧＡパッケージに対して−２５〜１２５℃で熱サイクリングを実施した結果、ソルダボール結合部でのクラックの発生は、下記の表１に示す結果となった。熱サイクリングは、３０分の周期で行い、ＢＧＡパッケージは、同期形ＤＲＡＭ素子及びＮＯＲタイプフラッシュメモリが単一のチップに集積されたマルチチップパッケージである。
なお、下記の各表において「ＴＣ」とは、「Temperature Cycle」を意味し、温度を変化させながら行う温度循環試験であって、−６５℃、２５℃および１５０℃の温度間を連続的に循環させる試験を意味する。
【００２０】
【表１】
Figure 0003851797
【００２１】
タイプ１、３及び４の結果を比較すると、ＳＭＤ構造のソルダボール結合部の信頼性がＮＳＭＤ構造より劣ることが分かる。また、タイプ１及び２の結果から、パターン連結部の幅がソルダボール結合部の信頼性に大きく影響することが分かる。
【００２２】
ＳＭＤ構造では、ソルダボールがソルダボールランドの平坦な面に取り付けられており、所定のストレスが印加されると、ソルダボールとソルダボールランドとの間の界面でクラックが発生する。クラックは、初期発生後、発生速度が急速に速くなる。一方、ＮＳＭＤ構造では、ソルダボールがボールランドを取り囲む形状で結合が形成されるので、ストレスがソルダボールランドの両側面および上面に同時に印加され、ストレスに対する抵抗性がＳＭＤ構造に比べて大きい。
【００２３】
タイプ３は、全体的にＮＳＭＤ構造であるが、パターン連結部の幅が２５０μｍで、ボールランドのサイズ（２７０μｍ）とあまり差異がないので、ソルダボール結合部に最大ストレスが印加される方向から見ると、ＳＭＤ構造と同様である。従って、タイプ１及び３を比較することで、パターン連結部の幅が小さい場合、ソルダボール結合部の信頼性が優れることが分かる。
タイプ２では、下記の表２に示すように、ＴＣ７００の完了時にすべての試料においてクラックが発生したため、ソルダボール結合部の信頼性を評価できなかった。
【００２４】
上記４つのタイプのパッケージに、径０．４ｍｍのソルダボールを取り付け、−２５〜１２５℃で熱サイクリングを実施した場合、パターンクラックが次の表２のように発生した。
【００２５】
【表２】
Figure 0003851797
【００２６】
ここで、本発明の実施例によるタイプ４のパターンクラックは、図１１のサークル１００Ａで示したソルダボールランドタイプのみで発生した。ランドパターン１００Ａは、残りのパターン１００と異なり、パターン連結部６５がパッケージのほぼ中心に向かって放射状に配列されていない。
【００２７】
タイプ１及び４は、上記マルチチップパッケージ以外の他のパッケージに適用した場合、ソルダボール結合部のクラックが次の表３のように発生した。
【００２８】
【表３】
Figure 0003851797
【００２９】
ソルダボールの材質とソルダボール結合部の信頼性との関係を次の表４に示す。ここで、材質１は、錫及び鉛が各々６３％及び３７％である共晶ソルダボールである。材質２は、材質１に銅が添加されたものである。
【００３０】
【表４】
Figure 0003851797
【００３１】
表４から明らかなように、銅が添加された場合、ソルダボール結合部の信頼性は一層優れる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、ソルダボール結合部の結合力が強化され、信頼性が増加する。
本発明は、本発明の技術的思想から逸脱することなく、他の種々の形態で実施することができる。前述の実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例のみに限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と特許請求の範囲内で、各種変更して実施することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるＢＧＡパッケージとＢＧＡパッケージを実装する回路基板とを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例によるＢＧＡパッケージにおいてソルダボール結合部に発生する不良とストレス印加方向との関係を示す部分拡大図である。
【図３】本発明の一実施例によるＢＧＡパッケージのソルダボールランドパターンを示す底面図である。
【図４】本発明の一実施例によるＢＧＡパッケージのソルダボールランドパターンを示す部分拡大図である。
【図５】ソルダボール結合部の信頼性を評価するための従来のＢＧＡパッケージのランドパターンを示す底面図である。
【図６】ソルダボール結合部の信頼性を評価するための従来のＢＧＡパッケージのランドパターンを示す部分拡大図である。
【図７】ソルダボール結合部の信頼性を評価するための従来の他のＢＧＡパッケージのランドパターンを示す底面図である。
【図８】ソルダボール結合部の信頼性を評価するための従来の他のＢＧＡパッケージのランドパターンを示す部分拡大図である。
【図９】ソルダボール結合部の信頼性を評価するための従来のさらに他のＢＧＡパッケージのランドパターンを示す底面図である。
【図１０】ソルダボール結合部の信頼性を評価するための従来のさらに他のＢＧＡパッケージのランドパターンを示す部分拡大図である。
【図１１】ソルダボール結合部の信頼性を評価するための本発明の実施例によるＢＧＡパッケージのランドパターンを示す底面図である。
【図１２】ソルダボール結合部の信頼性を評価するための本発明の実施例によるＢＧＡパッケージのランドパターンを示す底面図である。
【符号の説明】
１０ ＢＧＡパッケージ
１２ 基板
１４ ダイパッド
１６ 配線パターン
１７ ビアホール
１８ ボールランド
１９ ソルダマスク
２０ 半導体チップ
２２ 接着剤
２４ 金属ワイヤ
２５ ソルダボール
２６ プラスチック樹脂
２７ ソルダボール結合部
３０ 回路基板
３２ 導電性パッド
５０ ソルダボール実装面
５５ 中心
６０ ボールランド開口領域
６５ パターン連結部
６６ 金属配線パターン

Claims (16)

  1. 半導体チップが実装され配線パターンが設けられているチップ実装面と、前記配線パターンに電気的に連結される複数のソルダボールが実装されているソルダボール実装面とを有する回路基板を備えるボールグリッドアレーパッケージであって、
    前記回路基板は、前記複数のソルダボールと各々接続される複数のボールランドと、前記ソルダボール実装面の上に形成されたソルダマスクにより定義され前記ボールランドを前記ソルダマスクから露出させるボールランド開放領域と、前記ボールランドに各々連結される複数のパターン連結部と、前記パターン連結部と連設し前記ソルダボールと電気的に連結される導電性配線パターンとを有し、
    前記複数のパターン連結部は、前記ソルダボール実装面のほぼ中心点に向かって内側に放射状に配列されていることを特徴とするボールグリッドアレーパッケージ。
  2. 前記パターン連結部の幅は、前記ボールランドのサイズより小さい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ーパッケージ。
  3. 前記パターン連結部は、底辺と２つの斜辺とを有する二等辺三角形内で前記ボールランドに連結され、前記底辺は前記ボールランドの中心を通り、前記ソルダボール実装面の中心と前記ボールランドの中心とを連結する線にほぼ垂直であ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ーパッケージ。
  4. 前記ソルダボールは、銅を含む錫−鉛合金からな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ーパッケージ。
  5. 前記ボールランド開放領域は、前記ボールランドより大きい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ーパッケージ。
  6. 前記パターン連結部の幅は、前記ボールランドのサイズより小さいことを特徴とする請求項５に記載のボールグリッドアレーパッケージ。
  7. 前記パターン連結部は、底辺と２つの斜辺とを有する二等辺三角形内で前記ボールランドに連結され、前記底辺は前記ボールランドの中心を通り、前記ソルダボール実装面の中心と前記ボールランドの中心とを連結する線にほぼ垂直であることを特徴とする請求項５に記載のボールグリッドアレーパッケージ。
  8. 前記ソルダボールは、銅を含む錫−鉛合金からなることを特徴とする請求項５に記載のボールグリッドアレーパッケージ。
  9. 半導体チップが実装され配線パターンが設けられているチップ実装面と、前記配線パターンに電気的に連結される複数のソルダボールが実装されているソルダボール実装面とを備える回路基板であって、
    前記複数のソルダボールと各々直接接続される複数のボールランドと、
    前記ソルダボール実装面の上に塗布されるソルダマスクにより定義され、前記ボールランドを前記ソルダマスクから露出させるボールランド開放領域と、
    前記ボールランドに各々連結される複数のパターン連結部と、
    前記パターン連結部と連設し、前記ソルダボールと電気的に連結される導電性配線パターンとを備え、
    前記複数のパターン連結部は、前記ソルダボール実装面のほぼ中心点に向かって内側に放射状に配列されていることを特徴とする回路基板。
  10. 前記パターン連結部の幅は、前記ボールランドのサイズより小さいことを特徴とする請求項９に記載の回路基板。
  11. 前記パターン連結部は、底辺と２つの斜辺とを有する二等辺三角形内で前記ボールランドに連結され、前記底辺は前記ボールランドの中心を通り、前記ソルダボール実装面の中心と前記ボールランドの中心とを連結する線にほぼ垂直であることを特徴とする請求項９に記載の回路基板。
  12. 前記ボールランド開放領域は、前記ボールランドより大きいことを特徴とする請求項９に記載の回路基板。
  13. 前記パターン連結部の幅は、前記ボールランドのサイズより小さいことを特徴とする請求項１２に記載の回路基板。
  14. 前記パターン連結部は、底辺と２つの斜辺とを有する二等辺三角形内で前記ボールランドに連結され、前記底辺は前記ボールランドの中心を通り、前記ソルダーボール実装面の中心と前記ボールランドの中心とを連結する線にほぼ垂直であることを特徴とする請求項１２に記載の回路基板。
  15. チップ実装面と、ボール実装面とを備える回路基板であって、
    前記ボール実装面の上に形成される複数のボールランドと、
    前記ボール実装面の上に形成される絶縁材質のマスクであり、ボールランド開口領域を定義し、前記ボールランドを露出させるマスクと、
    前記ボールランドに各々接続される複数のパターン連結部と、
    前記パターン連結部と連結される導電性配線パターンとを備え、
    前記複数のパターン連結部は、前記ボール実装面のほぼ中心点に向かって内側に放射状に配列されていることを特徴とする回路基板。
  16. 前記マスクは、ソルダマスクを有することを特徴とする請求項１５に記載の回路基板。
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