JP4961572B2 - 半導体実装用基板 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を実装する、半導体実装用基板に関するもので、特に、多数の突起状端子をもつ集積度の高い半導体素子を直接基板上の電極に接続するための、半導体実装用基板に係る。

従来、半導体素子を回路基板などの実装基板に搭載するには、チップから導出した複数のリード先端を実装基板上の配線パターンに電気的に接続するリードフレーム法、あるいは、半導体素子を直接実装基板に搭載し、金線を用いてワイヤボンディングにより電気的に接続する方法等がとられていた。

しかしながら、近年、半導体素子の集積度向上に伴い、高密度実装化が進むと、実装作業が困難な従来のリードフレームやワイヤボンディング法から、再配線用樹脂基板を用いた実装方法に変わってきた。

上記の基板に、半導体素子を実装するには、図７に示すように、半導体素子１の端子部に設けられた突起状電極２と、基板３側に設けられた接合用基板電極端子４とを突き合わせて接合する方法がとられている。

このような、半導体素子に形成した突起状電極を直接実装基板の配線パターンに接続する方法は、フリップチップ実装方法と呼ばれ、例えば下記の特許文献に開示されている。
特開平７−３３５６９４号公報

近年、実装する半導体素子の小型化および高集積化に伴って、実装基板上に施される配線パターンの間隔は、どんどん微細化されている。

一方、上記の実装方法では、実装しようとする半導体素子の突起状電極に対応して、基板上に接合用基板電極端子４を配置する必要があり、そのため、前記接合用基板電極端子４の配列（レイアウト）が不規則、不均一にならざるをえない。

ところで、上記突起状電極２を実装基板３上の接合用電極端子４に接続するための接合材料として、軟質ハンダ合金が使用されるようになった。ここで、軟質ハンダ 合金とは、例えば、Zn、Sn，Cd、Biなどの低融点金属を主成分として、これに機械的強度を高める目的でCu、Al、Sbなどの金属を少量添加したものをいう。

さて、上記の不規則、不均一な接合用基板電極端子のパターン配置は、接合材料としてのハンダ合金を前記接合用基板電極端子に供給する際、次のような問題を生じる。

すなわち、ソルダーレジスト開口部全面にハンダを供給した場合、不均一な接合用基板電極端子４の配置パターン領域では、ハンダ量が過多の状態となり、その結果、余分なハンダが当該接合用電極端子に取り込まれ、その分、ほかの接合用電極端子がハンダ不足になるという問題があった。

図９の写真は、この様子を示すもので、接合用電極端子４A、４Bの間に接合用電極端子４が均一に配置されていないため、両端子４A、4Bに余分なハンダが取り込まれ、その垂直方向の高さが、それぞれ７１．３μｍ、６８．２μｍと、ほかの接合用電極端子４の２倍以上に盛り上がっている。なお、均一に電極端子が配置されている場合は、後述するが、図５に示すように平均高さが２９．４μｍであった。

また、所謂、一文字印刷法により、ハンダペーストを基板上の電極端子に供給し、リフローで加熱溶融して前記電極端子にハンダをプリコートする場合には、ソルダーレジストを過剰に開口された部分（例えば図１０のコーナー部７）にハンダ組成物が流出し、ハンダ組成物が流出した近傍の電極端子がハンダ不足になる、という問題があった。つまり、上記の過剰にレジストが開口されている部分は、結果的に不均一な基板電極端子の配置パターンとなっており、このような電極端子密度の低いソルダーレジスト開口部へ、ハンダ組成物が流出するからである。
さらに、ソルダーレジスト開口部前面にハンダペースト材料を供給した場合、図９に示す例と同様に、端部の電極にハンダ量が偏るという現象が起きていた。

つまり、ハンダ量の定量供給ができない、前記電極端子間をハンダがショートさせてしまう、等の問題があった。この状況を図１０により説明する。

図１０Ａは基板３にハンダペースト材料を基板上の接合用電極端子４に供給する前の状態を示す写真であり、コーナー部７が不均一な基板電極端子の配置パターンとなっている。図１０Ｂは、ハンダペースト材料１３を印刷（供給）した状態を示す写真である。

この状態から、次にリフローで加熱溶融して前記電極端子にハンダをプリコートするのであるが、本例のようにコーナー部７に不均一な基板電極端子の配置パターンがあると、電極端子密度の低いソルダダーレジスト開口部のコーナー７方向へ、ハンダ組成物が流出し、その結果図１０Ｃの写真のように、ハンダ組成物が流出した近傍の電極端子（囲み線部）がハンダ不足となる。

上記現象を概念図で示すと図１１（Ａ〜Ｅ）のようになる。さらに、図１２（Ａ〜Ｄ）は、リフローで加熱溶融過程を示す写真であり、左方向のコーナー部７に向かって、ハンダ粒子が流れて行く様子が観察できる。

ところで、上記に挙げた、従来の問題点は、既に端子電極が形成されている基板にハンダを供給する際に起こる現象であるが、一方、基板に上記電極端子等の配線（導体）パターンを形成する過程でも、同様な問題がある。

すなわち、サブトラクティブ法により、基板上に導体パターンを形成する際、基板に形成された銅箔のエッチング工程で使用する、例えば、塩化第二鉄液などのエッチング液が、配線パターンの基板端部の不均一性（つまり電極端子パターンの不均一性）に起因する、所謂、液回り現象を起こし、前工程の露光によって、感光剤が硬化した（フォトレジスト）部分まで溶かしてしまい、「導体の細り」を発生させ、一部の電極端子が細くなるという問題がある。

上述した従来技術の問題点は、何れも、基板上の電極端子の配置パターンが不均一であることが、共通の原因となっている。

さて、ここで、本明細書及び特許請求の範囲で使用する次のことば、すなわち、「ソルダーレジスト開口部」、「電極端子が均一に配列されている領域」、および「電極端子が不均一に配列されている領域」につき、図8を用いて説明し、それらの言葉（文節）の定義としたい。
図８に示すように、実装基板３に電極端子４がL字状に配列されているとする。実装基板3の１１の部分はソルダーレジストが塗布されている部分、つまり、ソルダーレジストが開口されていない部分である。斜線部は、ソルダーレジストが開口されている部分（もちろんコーナー部分7も含んでいる）であり、そこには電極端子４が配列されている。本願でいう「ソルダーレジスト開口部」とは、このように電極端子４が配列されているソルダーレジスト開口部をいう。図８から解るように、電極端子４が規則的、均一に配列されている領域と、そうでない領域とがある。前者の領域とは、例えば、領域1〜3の部分であり、後者の領域とは、例えば、領域4〜6の部分である。本願では、領域１〜３のように、電極端子が均一に配列されている領域を「電極端子が略均一に配列されている領域」と定義し、それ以外の、例えば、領域４〜６を「電極端子が不均一に配列されている領域」あるいは「電極端子の配列パターンが不均一となっている領域」と定義する。
「電極端子が略均一に配列されている領域」では、互いに隣接する前記ソルダーレジスト開口部５と前記電極端子４との面積比は、そのような領域内で略同一となる。本願発明では、後述するように、上記の「電極端子の配列パターンが不均一となっている領域」にダミー電極端子を付加して、ダミーを含めた電極端子が前記ソルダーレジスト開口部５の全面（図８の斜線部分）に亘って、略均一に配列されるようにしたことにポイントがあるので、上記ことばの定義を明確にした。

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたもので、集積度の高い半導体素子を確実に電気的接合できる半導体実装用基板を提供することを目的とし、さらに、そのような基板の製造方法を提案するものである。

上記課題を解決するための本発明の第１および第５の態様は、
半導体素子の電極端子と、それに対応して基板上に設けられた接合用基板電極端子とをハンダ合金を用いて接合することにより、前記半導体素子を実装する、半導体実装用基板または半導体素子を実装した半導体実装基板であって、
前記接合用基板電極端子が配列されているソルダーレジスト開口部内で、前記接合用基板電極端子の配列ピッチが不均一となっている領域に、
前記接合用基板電極端子と同一形状の半導体素子の電極端子と接合しない端子を付加して、前記開口部の全面に亘って前記接合用基板電極端子および前記半導体素子の電極端子と接合しない端子をもって、配列ピッチを均一になるように配列したことを特徴とする、半導体実装用基板である。

本発明の第２の態様は、前記ソルダーレジスト開口部において、前記接合用基板電極端子または前記半導体素子の電極端子と接合しない端子の面積と、該端子と隣接する該端子を配列しない部分の面積との面積比が、同一になるようにしたことを特徴としている。

本発明の第３の態様は、前記接合用基板電極端子および前記半導体素子の電極端子と接合しない端子の上に、予め軟質ハンダ合金をプリコートしたことを特徴としている。

本発明の第４の態様は、半導体素子の電極端子と、それに対応して基板上に設けられた接合用基板電極端子とを接合することにより、前記半導体素子を実装する、半導体実装用基板の製造方法であって、
サブトラクティブ法により、基板上に、前記接合用基板電極端子となる、導体パターンを配列形成する際に、
前記導体パターンの配列ピッチが不均一となっている領域に、前記導体パターンと同一形状の半導体素子の電極端子と接合しない端子を付加して、それらの前記接合用基板電極端子および前記半導体素子の電極端子と接合しない端子をもって、配列ピッチを均一になるように配列することを特徴とする、半導体実装用基板の製造方法である。

上記第１の態様の発明によれば、前記接合用基板電極端子の配列パターンが不均一となっている領域に、前記接合用基板電極端子と同一形状のダミー用基板電極端子を付加して、前記領域内に前記接合用およびダミー用電極端子を、略均一に配列し、互いに隣接する前記配置電極端子と前記ソルダーレジスト開口部とが略均一な配列パターンとなるから、上述の問題点を解消できる。

すなわち、ソルダーレジスト開口部の全面にハンダを供給した場合に、各配置電極端子に略定量のハンダが供給されるので、特定の配置電極端子に過多のハンダ量が供給されたり、逆にハンダ不足になることもない。

さらに、従来のように、ハンダの流出時に電極端子間をハンダがショートさせてしまうこともない。つまり、ハンダ量の定量供給ができるから、高品質のハンダプリコートができるのである。

上記のように、本願発明の第１の態様によれば、従来の種々の問題点を解消し、高品質の半導体実装用基板を提供できるという顕著な効果がある。

本願発明の第２の態様によれば、前記基板電極端子間のピッチが略同一であるから、互いに隣接する前記電極端子とソルダーレジスト開口部の配列パターンがより均一、規則的になり、上記本願発明の第１の態様で述べた効果を、さらに精度よく挙げることができる。

本願発明の第３の態様によれば、互いに隣接する前記ソルダーレジスト開口部と前記電極端子との面積比が、略同一になるようにしているから、互いに隣接する前記電極端子とソルダーレジスト開口部の配列パターンがより均一、規則的になり、上記本願発明の第１の態様で述べた効果を、さらに精度よく挙げることができる。

なお上記の面積比の調整は、ハンダ合金材料を各配置電極端子に供給する際、前記各配置電極端子が略定量の供給を受けるため、より精度高く調整する意図であるが、前記配置電極端子が均一に配列されていれば、普通は、それで十分である。

本願発明の第４の態様によれば、前記配置電極端子上に予め軟質ハンダ合金をプリコートしているので、半導体素子を実装することが容易になり、また溶融点が低いので、作業性が良いという利点がある。

本願発明の第５の態様によれば、前記半導体実装用基板の製造方法であって、導体パターンを配列形成する際に、前記導体パターンの配列が不均一となっている領域に、前記導体パターンと同一形状のダミー用導体パターンを付加して、前記領域内にそれらの導体パターン（以下、配置電極端子用導体パターンという）を均一に配列しているから、エッチング工程前に、互いに隣接する、エッチング部分と前記電極端子用導体パターンのフォトレジスト部分とが略均一な配列パターンとなる。

従って、エッチング処理する際に、配置電極端子パターンの不均一性に起因する、所謂、液回り現象を起さず、前工程の露光によって、感光剤が硬化した（フォトレジスト）部分まで溶かしてしまう、「導体の細り」現象を発生させないから、一部の電極端子が細くなるということがなく、高品質の半導体実装用基板を得ることができる。

以下に、本発明の実施例を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の態様を示す第１の実施例であり、配置電極端子の配列が直線状になっている例である。

すなわち、図１３に示すような、接合用基板電極端子４が略直線状に配列されているソルダーレジスト開口部５内で、開口部コーナー７も含めて、前記接合用基板電極端子４の配列パターンが不均一となっている領域８ａ、８ｂに、図１に示すように、接合用基板電極端子４と同一形状のダミー用基板電極端子９を付加して、前記開口部５の全面に亘って前記接合用およびダミー用電極端子４、９を、略均一に配列して、本発明の第１の態様を構成している。

図２は、本発明の第１の態様を示す第２の実施例であり、配置電極端子の配列がL次状になっている例である。

すなわち、図１４に示すような、接合用基板電極端子４が、略直L字状に配列されているソルダーレジスト開口部５内で、開口部コーナー７も含めて、前記接合用基板電極端子４の配列パターンが不均一となっている領域８ｃ、８ｄ、８ｅに、図２に示すように、接合用基板電極端子４と同一形状のダミー用基板電極端子９を付加して、前記開口部５の全面に亘って前記接合用およびダミー用電極端子４、９を、略均一に配列して、本発明の第１の態様を構成している。

図3は、本発明の第１の態様を示す第3の実施例であり、配置電極端子の配列が略正方形状になっている例である。

すなわち、図１５に示すような、接合用基板電極端子４が、略正方形状に配列されているソルダーレジスト開口部５の全面に亘って、開口部コーナー７も含めて、前記接合用基板電極端子４の配列パターンが不均一となっている領域８f、８g、８h、8i、8j、8k、8l、8mに、図３に示すように、接合用基板電極端子４と同一形状のダミー用基板電極端子９を付加して、前記開口部５の全面に亘って前記接合用およびダミー用電極端子４、９を、略均一に配列して、本発明の第１の態様を構成している。

図４は、本発明の第１の態様を示す第４の実施例であり、電極端子の配列が略円形状になっている例である。

すなわち、図１６に示すような、接合用基板電極端子４が、略円形状に配列されているソルダーレジスト開口部５内で、前記接合用基板電極端子４の配列パターンが不均一となっている領域８ｏ、８ｐ、８ｑ、8ｒ、8ｓ、8ｔ、8ｕ、8ｖに、図４に示すように、接合用基板電極端子４と同一形状のダミー用基板電極端子９を付加して、前記開口部５の全面に亘って前記接合用およびダミー用電極端子４、９を、略均一に配列して、本発明の第１の態様を構成している。

上記のように、電極端子の配列は多岐に亘るが、本願発明のポイントは、接合用電極端子が配列されているソルダーレジスト開口部内で、その開口部コーナーも含めて、均一な配置電極端子の配列を構成することにあり、配置電極端子の配列形態を限定するものではないことは、勿論である。

図５は、先の従来技術の問題点で用いた図９の写真で示す接合用電極端子４Ａ,４Ｂの間に、ダミー用電極端子９を３個配列し、実際にハンダ合金を供給してプリコートした様子を写真撮影したものである。

プリコートされたハンダ層の高さを測定したところ、同図に記載されているように、平均高さは２９．４μｍ、標準偏差は２．７であった。

もしダミー電極端子９を配列しなければ、図９に示されているように、電極端子４A、4Bには余分なハンダが取り込まれ、その垂直方向の高さが、それぞれ７１．３μｍ、６８．２μｍと、ほかの接合用電極端子４の２倍以上に盛り上がってしまうのである。

これに対し、接合用電極端子４Ａ,４Ｂの間に、ダミー用電極端子９を３個配列して、本願発明を実施した場合は、上記のように全ての配置電極端子に略均一な厚さのハンダ層を形成できるという、顕著な効果が得られることが実証された。

本発明の第２、第３の態様は、何れも、本発明の第１の態様において、互いに隣接する前記配置電極端子間のピッチおよび互いに隣接する前記ソルダーレジスト開口部と前記配置電極端子との面積比を、それぞれ略同一になるように規定したものである。

しかしながら、本発明は、上記規定に限定されるものでなく、ハンダ合金材料を各配置電極端子に供給する際、前記各配置電極端子が略定量の供給を受けるような、所定のピッチまたは面積比になるように調整されていればよい。

本願発明の第４の態様において、予めプリコートされる軟質ハンダ合金は、先に述べたような組成のものを広く使用でき、特に組成を限定するものではないが、鉛フリーであることが望ましい。

図６は、本願発明の第５の態様における実施例であり、サブトラクティブ法により、基板２０の上に金属層３０が形成され、その上に導体パターン層が露光により形成されている。４０は接合用電極端子用導体パターン、９０はダミー用導体パターン（以下、両者は配置電極端子用導体パターンという）である。

前記配置電極端子用導体パターンのエッチング工程前に、互いに隣接する、エッチング部分６０と前記配置電極端子用導体パターンのフォトレジスト部分４０，９０とが略均一な配列パターンとなっている。

このように配置電極端子用導体パターンを略均一な配列パターンにしているから、次工程でエッチング処理する際に、電極端子パターンの不均一性に起因する、所謂、液回り現象を起さず、前工程の露光によって、感光剤が硬化した（フォトレジスト）部分まで溶かしてしまう、「導体の細り」現象を発生させないから、一部の配置電極端子が細くなるということがなく、高品質の半導体実装用基板を得ることができる。

上記のように、基板製造分野へも広く適用できることが本発明のさらなる特徴である。

上述したように、本発明の実装基板は、ソルダーレジスト開口部全面にハンダを供給した場合に、各配置電極端子に略定量のハンダが供給されるので、特定の配置電極端子に過多のハンダ量が供給されたり、逆にハンダ不足になることもない。

また、ハンダをプリコートする場合にも、ハンダ量の定量供給ができるから、高品質のハンダプリコートができる。

このように、本発明は従来の問題点を解消し、高品質の半導体実装用基板を提供できるのみならず、基板自体の製造方法にも適用できる等、その産業上の利用価値は高く、本発明の利用は、今後、飛躍的に増加すると考えられる。

本発明の第１実施例を示す構成図。 本発明の第２実施例を示す構成図。 本発明の第３実施例を示す構成図。 本発明の第４実施例を示す構成図 本発明を実施した場合の電極端子部の測定写真。 本発明の第５実施例を示す構成図。 半導体素子を基板に実装する状態の説明図。 従来の問題点を示す構成図。 従来の問題点を示す写真。 従来の問題点を説明する写真。 従来の問題点を説明する説明図。 従来の問題点を説明する写真。 実施例１〜４で使用する説明図。 実施例１〜４で使用する説明図。 実施例１〜４で使用する説明図。 実施例１〜４で使用する説明図。

符号の説明

１ 半導体素子
２ 突起状電極
３ 実装基板
４ 接合用基板電極端子
５ ソルダーレジスト開口部
７ ソルダーレジスト開口部コーナー
８ 不均一な電極端子配列領域
９ ダミー用電極端子
１３ ハンダペ−スト
２０ サブトラクティブ法でしようする基板
３０ 基板２０の上に形成された金属層
４０ 接合用電極端子用導体パターン
９０ ダミー用導体パターン

Claims (5)

1. 半導体素子の電極端子と、それに対応して基板上に設けられた接合用基板電極端子とをハンダ合金を用いて接合することにより、前記半導体素子を実装する、半導体実装用基板であって、
   前記接合用基板電極端子が配列されているソルダーレジスト開口部内で、前記接合用基板電極端子の配列ピッチが不均一となっている領域に、
   前記接合用基板電極端子と同一形状の半導体素子の電極端子と接合しない端子を付加して、前記開口部の全面に亘って前記接合用基板電極端子および前記半導体素子の電極端子と接合しない端子をもって、配列ピッチを均一になるように配列したことを特徴とする、半導体実装用基板。
2. 前記ソルダーレジスト開口部において、前記接合用基板電極端子または前記半導体素子の電極端子と接合しない端子の面積と、該端子と隣接する該端子を配列しない部分の面積との面積比が、同一になるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の半導体実装用基板。
3. 前記接合用基板電極端子および前記半導体素子の電極端子と接合しない端子の上に、予め軟質ハンダ合金をプリコートしたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の半導体実装用基板。
4. 半導体素子の電極端子と、それに対応して基板上に設けられた接合用基板電極端子とを接合することにより、前記半導体素子を実装する、半導体実装用基板の製造方法であって、
   サブトラクティブ法により、基板上に、前記接合用基板電極端子となる、導体パターンを配列形成する際に、
   前記導体パターンの配列ピッチが不均一となっている領域に、前記導体パターンと同一形状の半導体素子の電極端子と接合しない端子を付加して、それらの前記接合用基板電極端子および前記半導体素子の電極端子と接合しない端子をもって、配列ピッチを均一になるように配列することを特徴とする、半導体実装用基板の製造方法。
5. 半導体素子の電極端子と、それに対応して基板上に設けられた接合用基板電極端子とをハンダ合金を用いて接合することにより、前記半導体素子を実装する、半導体素子を実装した半導体実装用基板であって、
   前記接合用基板電極端子が配列されているソルダーレジスト開口部内で、前記接合用基板電極端子の配列ピッチが不均一となっている領域に、
   前記接合用基板電極端子と同一形状の半導体素子の電極端子と接合しない端子を付加して、前記開口部の全面に亘って前記接合用基板電極端子および前記半導体素子の電極端子と接合しない端子をもって、配列ピッチを均一になるように配列したことを特徴とする、半導体素子を実装した半導体実装用基板。