JP4424020B2 - 半導体装置の実装構造および実装方法 - Google Patents

Description

この発明は半導体装置の実装構造および実装方法に関する。

半導体装置には、一般的にＣＳＰ(chip size package)と呼ばれるもので、複数の接続パッドを有する半導体基板の下面に絶縁膜が設けられ、接続パッドの中央部に対応する部分における絶縁膜に開口部が設けられ、絶縁膜の下面に再配線が絶縁膜の開口部を介して接続パッドに接続されて設けられ、再配線の接続パッド部下面に柱状電極が設けられ、再配線を含む絶縁膜の下面に封止膜がその下面が柱状電極の下面と面一となるように設けられ、柱状電極の下面に半田ボールが設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２３１８５４号公報

上記のような半導体装置を回路基板上に実装する場合、半田ボールを回路基板の上面に設けられた接続パッドにリフローにより接合している。ところで、図１１に示すように、柱状電極１０の下面に設けられた半田ボール１２を回路基板１３の上面に設けられた接続パッド１４にリフローにより接合したところ、半田ボール１２の外形がだれ、柱状電極１０との接合面付近の半田ボール１２の断面の直径が柱状電極１０の直径よりもやや小さくなり、温度サイクル試験による寿命が短く、接合信頼性が低いということが分かった。なお、図１１において、符号１１は封止膜である。

そこで、この発明は、温度サイクル試験による寿命が長く、接合信頼性を高めることができる半導体装置の実装構造および実装方法を提供することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、外部接続用電極を有する半導体装置を、接続パッドを有する回路基板上に、前記外部接続用電極の表面に設けられた半田ボールを前記接続パッドに接合して、フェースダウン実装した半導体装置の実装構造において、前記回路基板上に、前記接続パッドの側縁から離間した位置に縁部を有する、前記接続パッドより大きな開口部が形成された絶縁膜が設けられ、前記絶縁膜の開口部内が前記半田ボールによって充填されており、前記半田ボールは、その断面の直径が、前記外部接続用電極の表面付近において、前記外部接続用電極の表面から離れるにしたがって漸次大きくなっていることを特徴とするものである。

この発明によれば、回路基板上の接続パッドに接合された半田ボールは、その断面の直径が、外部接続用電極の表面付近において、外部接続用電極の表面から離れるにしたがって漸次大きくなっているので、温度サイクル試験による寿命が長く、接合信頼性を高めることができる。

（第１実施形態）
図１はこの発明の第１実施形態としての半導体装置を回路基板上に実装した状態の断面図を示し、図２は図１に示す回路基板の一部の平面図を示し、図３は図２のIII−IIIに沿う部分に相当する断面図を示す。半導体装置１は、一般的にＣＳＰと呼ばれるもので、シリコン等からなる半導体基板２を備えている。

半導体基板２の下面には所定の機能の集積回路（図示せず）が設けられ、下面周辺部にはアルミニウム系金属等からなる複数の接続パッド３が集積回路に接続されて設けられている。接続パッド３の中央部を除く半導体基板２の下面には酸化シリコン等からなる絶縁膜４が設けられ、接続パッド３の中央部は絶縁膜４に設けられた開口部５を介して露出されている。

絶縁膜４の下面にはエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂等からなる保護膜６が設けられている。この場合、絶縁膜４の開口部５に対応する部分における保護膜６には開口部７が設けられている。保護膜６の下面には銅等からなる下地金属層８が設けられている。下地金属層８の下面全体には銅からなる再配線９が設けられている。下地金属層８を含む再配線９の一端部は、両開口部５、７を介して接続パッド３に接続されている。

再配線９の接続パッド部下面には銅からなる円柱形状（平面円形状）の柱状電極（外部接続用電極）１０が設けられている。再配線９を含む保護膜６の下面にはエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂等からなる封止膜１１がその下面が柱状電極１０の下面と面一となるように設けられている。柱状電極１０の下面（表面）には半田ボール１２が設けられている。

一方、回路基板１３の上面には、図２にも示すように、平面円形状の接続パッド１４を有する配線１５が設けられている。この場合、接続パッド１４の直径は柱状電極１０の直径よりもある程度小さくなっている。回路基板１３の上面には、接続パッド１４の側縁から離間した位置に縁部を有する平面円形状の開口部１７が形成されたソルダーレジスト層（絶縁膜）１６が設けられている。

この場合、開口部１７の断面形状は、ウェットエッチングにより形成される関係から、ほぼ逆台形形状となっている。そして、開口部１７の底面の直径は接続パッド１４の直径よりもある程度大きくなっている。したがって、接続パッド１４に接続された配線１５の接続パッド１４の近傍における部分（以下、接続パッド近傍部１５ａという）は、開口部１７を介して露出されている。ソルダーレジスト層１６の厚さは、配線１５を覆って保護する関係から、接続パッド１４を含む配線１５の厚さよりもある程度厚くなっている。

そして、半導体装置１は、半田ボール１２が接続パッド１４にリフローにより接合されていることにより、回路基板１３上にフェースダウン方式により実装されている。この場合、ソルダーレジスト層１６の開口部１７内は半田ボール１２によって完全に埋められている（充填されている）。したがって、開口部１７内に設けられた、接続パッド１４および配線１５の接続パッド近傍部１５ａは半田ボール１２によって完全に覆われている。

ここで、上記実装構造の寸法の一例を示すと、柱状電極１０と接続パッド１４との間隔（スタンドオフ）は１００〜３００μｍ、接続パッド１４の側縁とソルダーレジスト層１６の開口部１７の縁部の距離は１０〜８０μｍ、柱状電極１０の大きさは、半田ボール１４との接合面において１００〜３６０μｍ(スタンドオフと同一〜２０％増し）、半田ボール１４の大きさは、高さ方向のほぼ中央位置における断面の直径が１３０〜４５０μｍ(スタンドオフの３０〜５０％増し）である。

そして、図１および図３に示すように、半導体装置１の柱状電極１０の表面に設けられた半田ボール１２を回路基板１３の接続パッド１４上に搭載して、リフローにより接合したところ、半田ボール１２の流動がソルダーレジスト層１６の開口部１７の内壁面によって阻止されるため、半田ボール１２の外形がだれず、柱状電極１０の表面付近における半田ボール１２の断面の直径が柱状電極１２の直径よりもやや大きくなり、温度サイクル試験による寿命が長くなり、接合信頼性を高めることができる。

次に、温度サイクル試験結果について説明する。本発明品１として、半田ボール１２をＳｎＰｂにより形成し、封止膜１１を印刷法により形成したものを用意し、本発明品２として、半田ボール１２をＳｎＰｂにより形成し、封止膜１１をモールド法により形成したものを用意し、本発明品３として、半田ボール１２をＳｎＡｇＣｕにより形成し、封止膜１１をモールド法により形成したものを用意し、比較品として、半田ボール１２をＳｎＰｂにより形成し、封止膜１１を印刷法により形成したものを用意した。リフロー条件は、半田ボール１２をＳｎＰｂにより形成したものの場合、温度２００℃、時間３０秒とし、半田ボール１２をＳｎＡｇＣｕにより形成したものの場合、温度２４０℃、時間３０秒とした。

ここで、図３に示す場合と図１１に示す場合とを比較すると、図１１に示す場合には、柱状電極１０の表面付近において、半田ボール１２の断面の直径が柱状電極１０の直径よりもやや小さくなっている、換言すれば、柱状電極１０直下において半田ボールの外形にだれが生じているのに対し、図３に示す場合には、半田ボール１２は、その断面の直径が、柱状電極１０の表面付近において、柱状電極１０の表面から離れるにしたがって漸次大きくなっており、その外形にだれが生じていない構造であることが確認できる。

図４は、半田ボール１２の形状を定量的に確認するための、半田ボール高さ（μｍ）とふくらみ幅の平均値(μｍ）の関係を示す図である。同図において、ふくらみ幅の平均値Ｘ(μｍ）は、図３に図示された状態で、柱状電極１０の表面からの距離Ｈ＝１０μｍの高さ位置における半田ボール１２の断面の直径の平均値Ｄｘ(μｍ）と、柱状電極１０の表面位置における半田ボール１２の断面の直径の平均値Ｄｏ(μｍ）との差の１／２の値である。すなわち、Ｘ＝（ＤｏーＤｘ）／２である。

ここで、図３では、実装状態における半田ボール１２の外形は周囲方向に一様に膨らんでいるように図示しているが、実際には、柱状電極１０と接続パッド１４との間にやや位置ずれが生じる場合があり、実装状態における半田ボール１２の外形は、周囲方向に一様に膨らんでいるわけではなく、方向によってふくらむ量が異なっており、半田ボール１２の断面の直径ＤｏおよびＤｘは、それぞれ、最大値と最小値の平均値である。

図４において、黒丸は本発明品１の場合であり、黒三角は本発明品２の場合であり、黒四角は本発明品３の場合である。図４から明らかなように、ふくらみ幅の平均値Ｘは、いずれの場合も、５μｍ以上であり、且つ、半田ボール高さが大きくなるほど、つまり、半田ボール１２の直径が大きくなるほど、大きくなっている。

次に、本発明品１、２、３および比較品について、温度サイクル試験を行ない、ふくらみ幅の平均値Ｘと温度サイクル数との関係について調べたところ、図５に示す結果が得られた。図５において、黒丸は本発明品１の場合であり、黒三角は本発明品２の場合であり、黒四角は本発明品３の場合であり、白丸は比較品の場合である。この場合、白丸で示す比較品のふくらみ幅の平均値Ｘはほぼ０であった。

図５から明らかなように、白丸で示す比較品の場合には、温度サイクル数は１０００弱である。これに対し、黒丸、黒三角、黒四角で示す本発明品１、２、３の場合には、いずれの場合も、ふくらみ幅の平均値Ｘが５μｍ以上、換言すれば、柱状電極１０の表面からの距離Ｈ＝１０μｍの高さ位置における半田ボール１２の断面の直径Ｄｘ(μｍ）と柱状電極１０の表面における半田ボール１２の断面の直径Ｄｏ(μｍ）との差が１０μｍ以上であれば、温度サイクル数は２０００弱以上で、白丸で示す比較品の約２倍以上であり、且つ、ふくらみ幅の平均値Ｘが大きくなるほど温度サイクル数も大きくなっている。したがって、本発明品１、２、３の場合には、比較品と比較して、温度サイクル試験による寿命が長くなり、接合信頼性を高めることができる。

ここで、本発明品について見ると、温度サイクル数は、黒四角で示す本発明品３の方が黒丸、黒三角で示す本発明品１、２よりも大きくなっている。黒四角で示す本発明品３は半田ボール１２をＳｎＡｇＣｕによって形成したものであり、黒丸、黒三角で示す本発明品１、２は半田ボール１２をＳｎＰｂによって形成したものであるので、半田ボール１２はＳｎＰｂによって形成するよりもＳｎＡｇＣｕによって形成した方が好ましい。

次に、模式化した図６を参照して、半田ボール１２の半径Ａ、接続パッド１４の厚さＢおよび半径Ｃ、ソルダーレジスト層１６の厚さＤ、開口部１７の半径Ｅの相関関係について説明する。まず、ソルダーレジスト層１６は接続パッド１４を含む配線を覆うように形成されるため、Ｄ＞Ｂである。また、開口部１７の大きさは接続パッド１４の大きさよりもある程度大きいため、Ｅ＞Ｃである。そして、完全な球形状と仮定した半田ボール１２が接続パッド１４の上面中心点およびソルダーレジスト層１６の開口部１７の内壁面上端に接触する条件を満足するように開口部１７の半径Ｅを設定すると、開口部１７内は半田ボール１２によって確実に埋められる。

ところで、図７は、図２のVII−VII線に沿う部分に相当する断面図を示す。まず、図２に示すように、配線１５の接続パッド近傍部１５ａは開口部１７を介して露出されているため、図３に示すように、接続パッド近傍部１５ａは半田ボール１２によって完全に覆われ、且つ、図７に示すように、接続パッド近傍部１５ａの配線幅方向の両側における接続パッド１４の縁部も半田ボール１２によって完全に覆われている。

この結果、図７において、接続パッド１４の左側の側縁とその左側における開口部１７の縁部との間に介在される半田ボール１２の一部（以下、介在半田層１２ａという）の水平方向の厚さが非常に薄くなってしまう。一例として、介在半田層１２ａの水平方向の厚さは１０μｍ以下である。

一方、半田ボール１２と配線１５との間にバイアス電圧が印加されて電流が流れる場合、半田ボール１２の各部の電流密度（単位面積当たりの電流）は半田ボール１２の断面積に応じて変化し、且つ、電流は抵抗が小さい箇所、つまり、最短距離に流れやすい。この結果、半田ボール１２の各部の電流密度は均一ではなく、特に、水平方向の厚さが非常に薄くなった部分である介在半田層１２ａでの電流密度が増大してしまう。

一例として、半田ボール１２と配線１５との間に５Ｖのバイアス電圧が印加されると、介在半田層１２ａでの電流密度が５×ｅ³Ａ／ｃｍ²程度となり、半田の電流密度の許容値３×ｅ³Ａ／ｃｍ²程度を大きく越えてしまい、ひいては、エレクトロマイグレーションが発生し、断線等の接続不良の発生の要因の一つとなってしまう。そこで、次に、エレクトロマイグレーションの発生を抑制することができるこの発明の第２実施形態について説明する。

（第２実施形態）
図８はこの発明の第２実施形態における回路基板の一部の平面図を示し、図９は図８のIX−IX線に沿う部分に相当する断面図を示し、図１０は図８のＸ−Ｘ線に沿う部分に相当する断面図を示す。この第２実施形態において、上記第１実施形態の場合と異なる点は、回路基板１３の上面に、接続パッド１４の側縁および配線１５の接続パッド近傍部１５ａの配線幅方向の両側縁から離間した位置に縁部を有する開口部１７が形成されたソルダーレジスト層１６を設けた点である。この場合も、ソルダーレジスト層１６の開口部１７内は半田ボール１２によって完全に埋められている。

この第２実施形態では、図８および図９に示すように、配線１５の接続パッド近傍部１５ａはソルダーレジスト層１６によって覆われているため、図８および図１０に示すように、接続パッド近傍部１５ａの配線幅方向の両側における接続パッド１４の縁部もソルダーレジスト層１６によって覆われている。この結果、図１０において、接続パッド１４の左側の側縁の左側には半田ボール１２が存在せず、すなわち、図８に示すような介在半田層１２ａが存在せず、電流密度が増大する領域を少なくすることができる。

一例として、配線１５の接続パッド近傍部１５ａの配線幅方向の片側で１００μｍ（両側で２００μｍ）の領域をソルダーレジスト層１６で覆った場合には、半田ボール１２と配線１５との間に５Ｖのバイアス電圧が印加されると、図１０において接続パッド１４の左側の側縁の近傍における半田ボール１２での電流密度が２×ｅ³Ａ／ｃｍ²程度以下となり、半田の電流密度の許容値３×ｅ³Ａ／ｃｍ²程度以下となり、エレクトロマイグレーションの発生が抑制され、断線等の接続不良の発生が抑制され、接続信頼性を向上することができる。

この発明の第１実施形態としての半導体装置を回路基板上に実装した状態の 断面図。 図１に示す回路基板の一部の平面図。 図２のIII−III線に沿う部分に相当する断面図。 半田ボール高さと半田ボールのふくらみ幅の平均値Ｘとの関係を示す図。 半田ボールのふくらみ幅の平均値Ｘと温度サイクル数との関係を示す図。 半田ボールの半径Ａ、接続パッドの厚さＢおよび半径Ｃ、絶縁膜の厚さＤ、 開口部の半径Ｅの相関関係を説明するために示す模式化した図。 図２のVII−VII線に沿う部分に相当する断面図。 この発明の第２実施形態における回路基板の一部の平面図。 図８のIX−IX線に沿う部分に相当する断面図。 図８のＸ−Ｘ線に沿う部分に相当する断面図。 ソルダーレジスト層を有しない場合の半田ボールの接続パッドに対する接 合状態を説明するために示す図３同様の断面図。

符号の説明

１ 半導体装置
２ 半導体基板
３ 接続パッド
９ 再配線
１０ 柱状電極
１１ 封止膜
１２ 半田ボール
１３ 回路基板
１４ 接続パッド
１５ 配線
１６ ソルダーレジスト層
１７ 開口部

Claims (6)

1. 外部接続用電極を有する半導体装置を、接続パッドを有する回路基板上に、前記外部接続用電極の表面に設けられた半田ボールを前記接続パッドに接合して、フェースダウン実装した半導体装置の実装構造において、前記回路基板上に、前記接続パッドの側縁から離間した位置に縁部を有する、前記接続パッドより大きな開口部が形成された絶縁膜が設けられ、前記絶縁膜の開口部内が前記半田ボールによって充填されており、前記半田ボールは、その断面の直径が、前記外部接続用電極の表面付近において、前記外部接続用電極の表面から離れるにしたがって漸次大きくなっていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
2. 請求項１に記載の発明において、前記回路基板上に、前記接続パッドの側縁および前記接続パッドに接続された配線の前記接続パッドの近傍における部分の配線幅方向の両側縁から離間した位置に縁部を有する開口部が形成された絶縁膜が設けられ、前記絶縁膜の開口部内が前記半田ボールによって充填されていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
3. 請求項２に記載の発明において、前記絶縁膜はソルダーレジストからなることを特徴とする半導体装置の実装構造。
4. 請求項２に記載の発明において、前記接続パッドは平面円形状であることを特徴とする半導体装置の実装構造。
5. 外部接続用電極を有する半導体装置を、接続パッドを有する回路基板上に、前記外部接続用電極の表面に設けられた半田ボールを前記接続パッドに接合して、フェースダウン実装した半導体装置の実装方法において、前記回路基板上に、前記接続パッドの側縁から離間した位置に縁部を有する、前記接続パッドより大きな開口部を有するソルダーレジスト層を形成し、前記半導体装置の外部接続用電極の表面に設けられた半田ボールを前記回路基板の接続パッド上に搭載して、リフローにより前記半田ボールを前記接続パッドに接合し、前記半田ボールによって前記ソルダーレジスト層の開口部内を埋めることを特徴とする半導体装置の実装方法。
6. 請求項５に記載の発明において、前記ソルダーレジスト層を、前記回路基板上に、前記接続パッドの側縁および前記接続パッドに接続された配線の前記接続パッドの近傍における部分の配線幅方向の両側縁から離間した位置に縁部を有する開口部を有するように形成することを特徴とする半導体装置の実装方法。

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