JP5098902B2 - 電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品に関し、さらには、半導体チップが実装されたパッケージ基板と、このパッケージ基板を搭載するための配線基板とが、接続部を介して電気的な接続がなされている電子部品に関する。

電子機器の小型化、軽量化への要求に対応して開発された、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ または Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）などの半導体パッケージは、これを搭載して多層プリント配線などの配線基板と電気的に接続を行うための接続部として、従来より、はんだバンプを用いている。はんだバンプをアレイ状に配置して実装面積の縮小や高密度実装の実現に寄与している。

上記のような半導体パッケージは、半導体チップを、例えばプリント基板・ビルドアップ基板などのパッケージ基板上に実装されるが、半導体チップの高性能化、大型化などによる消費電力の増大から発熱量が大幅に増加するようになってきた。半導体チップはパッケージ基板に比して大きな弾性率を有していることから、パッケージ基板には熱応力による反りが発生するといった問題が生じている。

さらに、この半導体パッケージを、多層プリント配線などの配線基板に、はんだバンプを介して実装すると、実装時、あるいはこの半導体装置の動作時に、半導体パッケージおよび配線基板の構成部品材料の線膨張係数が互いに異なることから生じる歪や応力が、接続部のはんだバンプに繰り返し集中する。その結果、はんだバンプでクラックが発生し、電気的および機械的なチップと基板での接続が破壊するなどの問題が惹起する。

このような、はんだバンプにおける疲労破壊を防ぐために、例えば、配線基板における対処として、プリント基板の中心部にガラスクロスで補強されたコア部を設けた弾性率の大きい樹脂から構成される多層配線基板が提案されている。一方、はんだバンプ自体における対処として、例えば、配線基板の電極パッドとはんだバンプとの接続各が鈍角となるような、接続されたはんだバンプの形状を鼓型（つづみの様に中心部がくびれた）形状とすることで、はんだ接続部に印加される応力や歪を分散させるようにする方法などが考えられている。
特開平１１−２７４６８２号公報 特開２００４−８７８５６号公報

しかし、上述のこれまでの提案でも十分な対処方法とは言えない。コア部を有する多層配線基板は、そのために剛性は比較的高い。しかし、各配線層の配線密度の差や、各配線層および各ビルドアップ絶縁層と半導体パッケージとの熱膨張率の差により発生する熱応力に起因する、多層配線基板やパッケージ基板の反りや歪みを完全に抑制することは非常に困難である。すると、やはり電気的接続部のはんだバンプに応力が印加され、電極バンプの疲労破壊の発生による信頼性の低下は避け得ない。さらにコア部を厚くして剛性を高める方法は、配線基板の厚さの増加を伴い、これは搭載する電子機器の小型化を妨げ望ましくない。

図８、９は、接続はんだバンプの形状の差（いわゆる太鼓型と鼓型との差）によって生
じる、歪発生による変形について検討するための図である。図８は、太鼓型はんだバンプが形成された電子部品１００の断面模式図であり、図８（１）は形成時、図８（２）は歪によるはんだバンプ変形時の様子を示す。図８（１）において、配線基板１０１の接続用の表面（接続面）に電極１０２が形成され、一方、半導体チップ１０３−１がパッケージ基板１０３−２上に実装された半導体パッケージ１０３の接続用の表面（接続面）に電極１０４が形成されている。対向する電極間を太鼓型はんだバンプ１０５が形成されており、図示するように、はんだバンプ１０５と電極１０３との接触角度Ｒ１は鋭角となっており、通常、はんだリフローなどで接続形成された後のはんだバンプ形状はこの形となる。

これにおいて、歪によって図８（２）に示すようにバンプが変形する。はんだバンプ１０５と電極１０２との接触角度Ｒ１は、変形（横方向の寸法ずれＬ１）によって更に鋭角化し、電極１０２とはんだバンプ１０５の境界で破壊する場合は、亀裂（クラック）の発生する起点となりやすい。

図９（１）は鼓型はんだバンプが形成された電子部品１００の断面模式図であり、図９（１）は形成時、図９（２）は歪発生によるはんだバンプ変形時の様子を示す。電極１０２と電極１０４の間には、鼓型はんだバンプ１０６が形成されている。図示するように、はんだバンプ１０６と電極１０２との接触角度Ｒ２は鋭角となっている。これにおいて、歪によって図９（２）に示すようにバンプが変形する。はんだバンプ１０６と電極１０２との接触角度Ｒ２は鈍角であり、変形（横方向の寸法ずれＬ２）によって更に鈍角化する。はんだバンプ１０６が破壊する場合に関し、亀裂（クラック）の主とした発生起点であるバンプと電極の境界は比較的強度が高く、バンプの耐破壊強度は太鼓型はんだバンプより大きいものと考えられる。

しかし、この鼓型はんだバンプを形成しての、半導体パッケージと配線基板との接続には製造上の課題がある。前述のように、一般のリフロー炉によるはんだ実装でははんだ形状が太鼓型になるため、はんだバンプを鼓型にするには、スタンドオフ（高さ制御板など）を用い、はんだ量とバンプ高さを正確に調整して製造する必要がある。さらにこのために、はんだ（バンプ）実装の大きな利点であるセルフアライメント効果が妨げられるといった製造上の短所もある。高さ調整に関して、鼓のくびれに相当する個所の厚さ調整によっては、そのくびれ部分から亀裂が発生し易くなるといった問題もあり、信頼性の点での課題を残す。

そこで、本発明の課題は、半導体パッケージと配線基板の互いに対応する接続面の電極間を電気的に接続する接続部の接続信頼性を高めた電子部品を提供することにある。

本発明によれば、半導体チップが実装されたパッケージ基板と、
前記パッケージ基板と接続部を介して電気的に接続された配線基板と、を有し、
前記接続部は、前記パッケージ基板の接続主面または前記配線基板の接続主面と垂直の方向に、β系チタン（Ｔｉ）合金を含む塑性体材料層と金属材料層とを交互に積層する積層構造を含む応力緩和部と、前記応力緩和部を貫通する、複数または単体の素線、束線、柱状線のいずれか１つを含む導体を含むことを特徴とする電子部品を提供する。

本電子部品では、従来のはんだバンプを用いた接続部による半導体パッケージと配線基板の接続による半導体装置に比べ、熱ストレス印加後における接続部での発生応力を格段に低下させることが可能となる。これは、半導体パッケージと実装基板の接合部において、熱ストレスによるパッケージ基板と実装基板の線膨張係数のミスマッチによる変形に対して本発明の接合部が追従し、そのため、その接合部に加わる応力が小さくなることによる。

図１（１）は、従来の、配線基板１０１（電極１０２を有す）と半導体パッケージ１０３（電極１０４を有す）とをはんだバンプ（太鼓型はんだバンプ）１０５接続したときの電子部品１００の断面模式図である。このときの半田バンプ１０５の高さをＡとする。温度変化が生じ、半導体パッケージ１０３と配線基板１０１との熱膨張係数の差によって変形（寸法ずれ）が生じる。このときの様子を図１（２）に示す。変形は、水平方向Ｈへの寸法ずれとともに、鉛直方向Ｖ（はんだバンプ高さがＢ（Ａ＞Ｂ））への大きな寸法ずれが生じ、はんだバンプ１０５には図示するように剪断歪の荷重Ｓがかかる。この剪断歪によって最も脆い個所が破壊の起点となって、バンプと電極の接点などにおいて、破壊に至るようになる。

ところで、このはんだバンプに生じる剪断歪量は、電子部品１００を形成上、半田バンプ１０５の位置と半導体パッケージ１０３の中心位置との距離が増加するとともに増大するようになる。このため、はんだバンプの許容しうる剪断歪の量から、はんだバンプを形成できる領域が制限されることにもなり、多端子化ならびに大面積化への適用が困難であるといった問題を基本的に含んでいる。

従って、このような電子部品の実装に際し、その接続部に対する上記のような、多端子化や高面積化といった課題に対しては、従来のはんだバンプの構成では対処が非常に困難であることが、明らかとなった。そこで、変形が水平方向にも鉛直方向にも生じ得る可能性もあり、強い剪断歪量が生じても対応できる、新たな発想による接続部の構成が必須となっている。われわれは、上記のような検討を踏まえ、以下に詳述する接続部を有する電子部品の発明に至った。

図２は、本発明になる半導体装置の一例の断面模式図である。配線基板１上に形成された電極２と、半導体チップ３−１が実装されたパッケージ基板３−２からなる半導体パッケージ３の電極４は、互いに対応する電極同士を接続部５で電気的に接続されている。接続部５（形成時の高さA）のほぼ中心部は導体６によって電極２と電極４が電気的に接続されている。導体６の円周は、応力緩和部７で覆われ、逆に言えば、応力緩和部７中を導体６が貫通して電極２と電極４とを接続する。

応力緩和部７は、塑性体材料層８と、非塑性体材料、より具体的には金属材料層９とがそれぞれ適切な厚さを有して、配線基板１の接続主面（接続用の電極２形成面）、または／およびパッケージ基板３−２の接続主面（接続用の電極４形成面）に平行に、交互に積層して、導体線６の周囲を覆うように形成される。言い方を変えるなら、応力緩和部７は、塑性体材料層８と金属材料層９とがそれぞれ適切な厚さを有して、配線基板１の接続主面（接続用の電極２形成面）、または／およびパッケージ基板３−２の接続主面（接続用の電極４形成面）に平行に、交互に積層されており、その中を導体線６が電極２と電極４とを電気的に接続するように配置される。

例えば、この接続部５の応力緩和部７をすべて塑性材料によって構成した場合は、水平・垂直方向に柔軟な特性を有するようになるのに対して、上記のように接続部５の応力緩和部７を構成することによって、水平方向には主として塑性体材料層８の効果による柔軟特性を持ち、鉛直方向には金属材料層９の挿入によって剛直な特性を有するようになる。

図３は、電子部品内の熱膨張係数の違いによる歪が生じ、配線基板１に変形（反り）が生じたときの電子部品の断面模式図である。この図において、水平方向Ｈの寸法ずれ量Ｌは塑性体材料層８の存在によって塑性変形範囲内で変形可能となり、他方鉛直方向の変位は、剛直な特性を有して変位前の値Ａと変位後の値Ｂはほぼ等しく、変形は僅かのものとなる。こうして、半導体パッケージ３と配線基板１との相対変位差による変形に伴って、
塑性体材料層８の部分は塑性変形して接続部５にかかる歪エネルギーを吸収し、半導体パッケージ３と配線基板１の熱膨張差に起因する応力歪を緩和し、繰り返し歪に安定な電気的接続を維持できることとなる。

以下に、本発明の実施の形態を、添付図を参照しつつ説明する。

（実施例）
図４〜図７は、本発明の実施例の工程模式図である。図４（１）において、先ず接続部の形成するために、塑性体材料シート１０と金属板１１とを交互に所望の高さに積層する。例えば、金属板１１にはプリント配線板の回路配線形成に一般に用いられる厚さ１０〜３５μｍの銅箔、塑性体材料シート１０には、基本合金組成、Ｔｉ−（Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ）−（Ｚｒ、Ｈｆ）−Ｏである厚さ２５μｍのβチタン合金を用いた。そして、接続部のほぼ中心に入る導体線を形成するため、金属と塑性体材料の積層体に打ち抜き加工やレーザ加工やドリル加工などにより中心に入る導体線径に相当する貫通穴１２を半導体パッケージの電極パッドに対応する位置に設ける。

次いで、図４（２）に示すように、この穴に対して導体１３の束線や銅棒やはんだ棒を圧入し、図４（３）に示すように、積層物の端面と面一となるよう導体１３を切断し、これらの繰り返しにより、図５（４）に示すように、接続部となる形状の集合体を作製する。

次に、図５（５）に示すように、後に半導体パッケージおよび配線基板の、Ａｕ、Ｃｕ等からなるこれらの電極と接続部との接着にはんだペースト等を用いる場合に、半導体パッケージの電極に対応する位置に相当する金属板１１と塑性体材料シート１０の積層体の上面と下面にめっき、スパッタ等を用いてＣｕあるいはＣｕ／Ａｕ層からなる、接合膜１４、１５を形成する。

次に、図５（６）に示すように、この金属板１１と塑性体材料シート１０の積層体に対して、例えば打ち抜き金型（雄）１６を用いて、打ち抜き(パンチング)加工に接続部径に相当する大きさを半導体パッケージの電極に対応する位置に打ち抜き、図６（７）のように、この打ち抜かれた金属板１１と塑性体材料シート１０の導体入りの打ち抜き積層体１９を、予め打ち抜き金型(雌)１７の下に設けたベースフィルム(粘着シート)１８（図５（６）参照）に転写する。

このとき、当然ながら、導体入りの打ち抜き積層体１９の中心部（内部）には、導体１３が縦に入っていて上下の接合膜１４、１５と接続している。また打ち抜き金型（雄）１６の径は、導体１３の径よりも大きいことは言うまでも無い。

そして、図６（８）のように、導体入りの打ち抜き積層体１９に例えばメタルマスク２０等を用いて、はんだペースト２１または導電性接着剤を塗布する。

次に、図６（９）のように、導体線入りの打ち抜き積層体１９を搭載したベースフィルム１８を、半導体パッケージ２２との接続に用意する。

図７（１０）の断面図は、斜視図の図６（９）の断面図である。（ａ）図は半導体パッケージ２２に電極２３が形成され、（ｂ）図はベースフィルム１８上の導体線入りの打ち抜き積層体１９（はんだペースト２１つき）がある様子を示す。

図７（１１）の（ａ）図のように、ベースフィルム１８上の導体入りの打ち抜き積層体１９を半導体パッケージ２２の電極２３上に転写し、キャリアとして用いたベースフィル
ム１８を剥離し除去する。次いで（ｂ）図に示す配線基板２４上の電極２５（同（ｃ）図は（ｂ）図の斜視図を示す）に対して、（ａ）図の半導体パッケージ２２上の導体入りの打ち抜き積層体１９（はんだペースト２１つき）を、図７（１２）のように接続させ、配線基板２４と半導体パッケージ２２を、導体入りの打ち抜き積層体１９からなる接続部２６で接続した、本発明の電子部品を形成することができる。

この様に製作した本発明の電子部品を従来方法のそれと比較した。例えば、電極パッドを２５ｍｍピッチで備える□９ｍｍの樹脂パッケージ基板に対して、従来方法のΦ１ｍｍの鉛フリー（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）はんだボール接続を行ったときの熱ストレス印加後の発生応力と、本発明の約Φ１．５ｍｍの金属と塑性体材料の積層体からなる接合部で接続したときの熱ストレス印加後の発生応力を比較した。

その結果は、両者におよそ１３０℃の熱ストレスを印加した後では、コーナ部におけるはんだバンプの最大応力が約１５０ＭＰａ、一方、本発明の金属と塑性体材料の積層体を用いた接合部における最大応力が約１１０ＭＰａであった。これは、半導体パッケージと配線基板の接合部において、熱ストレスによるパッケージ基板と配線基板の線膨張係数のミスマッチによる変形に対して、本発明の接合部が追従し、そのため、その接合部に加わる応力が小さく、明らかに接続信頼性の向上に寄与できるようになることが解った。

なお、従来の電子部品では、はんだバンプ接続部周辺の空間にアンダーフィル樹脂を充填して、接続部の信頼性向上を図る方法が取られるケースが多い。本発明の電子部品においては、アンダーフィル樹脂材料の特性にもよるが、接続部での塑性体材料の変形を阻害するように働くのであるならば、そのような特性を有するアンダーフィル樹脂材料の適用は好ましくはない。

上記実施例の塑性体材料として用いられた、基本合金組成が、Ｔｉ−（Ｔａ、Ｎｂ、Ｖ）−（Ｚｒ、Ｈｆ）−Ｏと表示される材料は、β系チタン合金（α−β型合金およびβ型合金のいずれも含む）であって、塑性体金属材料である。製作用の塑性体材料として、例えば、シート状のチタン合金系である、豊通マテリアル製のゴムメタルを使用することができる。

なおβ系チタン合金は、弾性変形域において、荷重時の応力（縦軸）−伸び（歪み）（横軸）線図が直線とならず、上に凸な曲線を呈し、除荷時においても同様に上に凸な曲線を呈する。つまり、高い応力に領域での弾性変形域では、応力が増加すると歪み（伸び）は急激に増加し、除荷を進めると急激に歪み（伸び）が減少する。すなわち、この材料は高弾性変形能を有する材料であり、ヒステリシスの無い非線形的な弾性挙動を示すことが知られる。また約２０ないし６０ＧＰａという極めて小さい縦弾性係数（ヤング率）を有する。塑性体材料としてのβ系チタン合金は、弾性変形能が約２．５％という超弾性的性質を有するとともに、更に、歪が約２．５％以上になると、１５％まで破断伸びを有する塑性的性能を有することが知られている。本実施例では、このような高弾性変形能と高塑性変形能を有するβ系チタンを用いて行っているが、適正な塑性体の性能を有する材料を用いて、本発明の趣旨に沿う実施が可能であることは言うまでもない。

また、この塑性体材料と積層する非塑性体材料、すなわち金属材料層として銅箔を用いたが、これに限られることはない。適した膜厚の金属膜を製作可能な、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）のいずれか、またはそれらの合金などを利用できる。

導体として、銅（Ｃｕ）やはんだを例示したが、それ以外に、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）及び銅（Ｃｕ）またはそれらを含む合金も適用可能
である。

また、本実施例では、導体として、束線や金属棒を圧入するとしているが、勿論このような構成に限らない。金属導体線の素線を含む束線や棒を、何本も金属板と塑性体材料層の積層体に貫通させるようにしても構わないし、また積層体に関しても、条件によっては、塑性体材料のみで形成して本発明の半導体装置も形成することが可能である。

本発明の検討をするための図 本発明の半導体装置を説明するための図 本発明の半導体装置の効果を説明するための図 本発明の実施例を説明する図（その１） 本発明の実施例を説明する図（その２） 本発明の実施例を説明する図（その３） 本発明の実施例を説明する図（その４） 従来の方法を説明する図（その１） 従来の方法を説明する図（その２）

符号の説明

１、２４、１０１ 配線基板
２、４、２３、１０２，１０４ 電極
３、２２，１０３ 半導体パッケージ
５、２５ 接続部
６、１３ 導体
７ 応力緩和部
８ 塑性体材料層
９ 金属材料層
１０ 塑性体材料シート
１１ 金属板
１２ 貫通孔
１４、１５ 接合層
１６ 打ち抜き金型（雄）
１７ 打ち抜き金型（雌）
１８ ベースフィルム
１９ 導体入り打ち抜き積層体
２０ メタルマスク
２１ はんだペースト
１００ 電子部品
１０５ 太鼓型はんだバンプ
１０６ 鼓型はんだバンプ

Claims (2)

1. 半導体チップが実装されたパッケージ基板と、
   前記パッケージ基板と接続部を介して電気的に接続された配線基板と、を有し、
   前記接続部は、前記パッケージ基板の接続主面または前記配線基板の接続主面と垂直の方向に、β系チタン（Ｔｉ）合金を含む塑性体材料層と金属材料層とを交互に積層する積層構造を含む応力緩和部と、前記応力緩和部を貫通する、複数または単体の素線、束線、柱状線のいずれか１つを含む導体を含むことを特徴とする電子部品。
2. 前記導体は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）のいずれか、またはそれらの合金、またはそれらのはんだ材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。