JP5115270B2 - 半導体装置搭載基板及び半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、接合用電極での接合信頼性を向上させることができる半導体装置搭載基板、その製造方法及び半導体モジュールに関する。

近年の技術の発展に伴い、ＢＧＡ／ＬＧＡのような接合構造を有する半導体装置が実用化されている。また、近年の携帯機器の発達に伴い、半導体装置には実装面積をより小さくすることが要求されており、ＢＧＡよりも狭い電極ピッチ（一般に０．８ｍｍピッチ以下）を持ったＣＳＰと呼ばれる半導体パッケージも実用化されてきている。

一般に、ＢＧＡ／ＬＧＡタイプの半導体装置は、その半導体装置を搭載するプリント配線板と向かい合う面に格子状に配置された電極を持っている。そして、その半導体装置はプリント配線板上にはんだ接合により固定される。そのため、そうした半導体装置をプリント配線板に接合するためのＢＧＡ／ＬＧＡタイプの半導体パッケージは、周囲からリードを引き出したペリフェラルタイプの半導体パッケージに比較して面で強固に固定されているため、プリント配線板の変形の影響を大きく受ける。

このため、プリント配線板に固定されたＢＧＡ／ＬＧＡタイプの半導体装置は、動作中の発熱時や動作停止後の冷却時に、線膨張率の差に起因した温度変化に伴うストレスを繰り返し受ける。このストレスは、半導体装置とプリント配線板とを接続するはんだ接合部に疲労破壊を引き起こすおそれがある。また、携帯機器のハンドリングを想定すると、半導体装置を搭載するプリント配線板は、「キー押し」や「落下」といった外力によって変形が生じやすい。こうしたプリント配線板の変形により、ＢＧＡ／ＬＧＡタイプの半導体装置はコーナー部にあたる接合部に特に大きな荷重が加わり、接合部の破断などの発生が生じやすい。

こうした問題に対し、例えば特許文献１には、ＢＧＡ／ＬＧＡタイプの半導体装置をプリント配線板に接合信頼性よく接合できる構造が提案されている。この構造は、接合部の形状を渦巻き形状にしたものであり、ＬＳＩチップとそのＬＳＩチップの実装基板との間の線膨張率による水平方向の寸法変化に対して追従可能としたものである。

なお、上記問題を解決しようとするものではないが、実装構造についての技術として、例えば特許文献２には、半導体チップをプリント配線板に圧接接続法により交換容易に表面実装できる実装構造が提案されている。この実装構造は、半導体チップ上に可とう性部材からなる複数の突起を所定のピッチで格子状に形成し、その突起の内側には、その突起を没入させる空隙を形成した構造である。この実装構造によれば、接続部に高低差があってもその突起のもつ弾性力を用いて圧接接続することができるとされている。

同様に、上記問題を解決しようとするものではないが、実装構造についての技術として、例えば特許文献３には、半導体チップをプリント配線板に安定して実装するためのエラストマーからなる弾性構造体を、バンプ電極の下層に設けた構造が提案されている。
特開平０２−０７７１３８号公報（第２図） 特開平１０−３０３３４５号公報（図１３） 特開平１１−８７４０９号公報（図５）

携帯機器等、最近の半導体実装基板が搭載される機器の広がりにより、半導体装置とプリント配線板との接合部には、温度変化で生じる微小変形を要因とする繰り返し荷重が加わるため、その繰り返し荷重に対する応力緩和手段が求められている。また、携帯機器のハンドリング時に起こるような基板曲げ力等の外力に対し、そうした外力に対する剛性確保手段が求められている。

特に、半田ボールを介する半導体装置とプリント配線板との接続においては、その接続時に、対向する両部材の対向方向（垂直方向ともいう。）に応力が発生し、その応力が半導体装置に加わるが、現状ではそうした応力を十分に緩和乃至吸収できないという問題がある。また、同様の接続時には、対向する両部材の対向方向に直交する方向（水平方向ともいう。）にも応力が発生するが、そうした応力に対しても十分に緩和乃至吸収できないという問題がある。

こうした問題に対し、例えば上記特許文献１で提案された構造はリードが渦巻き形状であるため、線膨張率による水平方向の寸法変化に対しては追従可能ではあるが、基板曲がり等に伴う板厚方向（垂直方向）への変形に対しては十分な剛性は見込めない。

なお、特許文献２，３の例は、半田ボールを介して半導体装置とプリント配線板とを接続する際において、各部の寸法差を緩衝して安定した接続を行う技術であってその接続時の接続歩留まりを向上させる構造を提供したものである。したがって、上記のように、半田ボールを介する半導体装置とプリント配線板との接続時に生じる「垂直方向」の応力緩和や「水平方向」の応力緩和を、十分な剛性を保持した状態で行うというものではない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、半導体装置とプリント配線板との接続部に発生する応力を緩和でき且つ剛性も備えて接合信頼性を向上させることができる、半導体装置搭載基板、その製造方法及び半導体モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するため本発明の半導体装置搭載基板は、中央部に接合用電極を有する平板状の弾性パッドと、該弾性パッドの周縁を支持するとともに、該弾性パッドの裏面側に該弾性パッドの弾性変形領域を有する配線基材と、を少なくとも備えることを特徴とする。

本発明の半導体装置搭載基板の好ましい態様は、前記弾性パッドが、同心円状の凹凸又はジャバラ構造を有するように構成する。その弾性パッドは、一体の円形円板からなることが好ましい。

また、本発明の半導体装置搭載基板の好ましい態様は、前記弾性変形領域が、空隙部又は弾性材料充填部であるように構成する。

上記課題を解決するため本発明の半導体モジュールは、上記本発明に係る半導体装置搭載基板に、半導体装置が搭載されていることを特徴とする。

上記課題を解決するための本発明の半導体装置搭載基板の製造方法は、金属層が設けられた配線基材の該金属層の表面に、同心円状の凹凸又はジャバラ構造からなるパッド部が形成されたものを準備する工程と、前記パッド部の裏面側を後に得られる弾性パッド１の面積よりも小さい面積で前記金属層に到達するまでくり抜いて空隙部を形成する工程と、前記空隙部側の表面に導電層を形成する工程と、前記空隙部内に穴埋め材料を充填した後に前記金属層と前記導電層をエッチングして所定のパターンを形成する工程と、所定領域にソルダーレジストを形成する工程と、穴埋め材料を除去し又は代わりに弾性材料を充填する工程と、を少なくとも備えることを特徴とする。

本発明の半導体装置搭載基板によれば、中央部に接合用電極を有する平板状の弾性パッドと、その弾性パッドの周縁を支持するとともに弾性パッドの裏面側に弾性パッドの弾性変形領域を有する配線基材とを少なくとも備えるので、その平板状の弾性パッドによる剛性の確保と、その弾性変形領域による垂直方向（半導体搭載装置とプリント配線板とが対向する方向）の応力緩和とを可能とする。その結果、半導体装置を搭載した後の半導体装置搭載基板（半導体モジュール）をプリント配線板にはんだ接合等する際に発生する応力や、実装後の基板曲げ変形や、実装後の温度サイクル時の繰り返し応力に対し、剛性を保持した状態で応力を緩和することができ、半導体装置を搭載した後の半導体装置搭載基板（半導体モジュール）のプリント配線板に対する接続信頼性を向上させることができる。

さらに、本発明の半導体装置搭載基板によれば、弾性パッドを同心円状の凹凸又はジャバラ構造を有するようにすることにより、水平方向（半導体搭載装置とプリント配線板とが対向する方向の直交方向）の応力緩和を可能とすることができる。

本発明の半導体装置搭載基板の製造方法によれば、上記本発明に係る半導体装置搭載基板を効率的に且つ歩留まりよく製造できる。

本発明の半導体モジュールによれば、上記効果を奏する半導体装置搭載基板に半導体装置を搭載して構成されるので、プリント配線板に対する接続信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の半導体装置搭載基板、その製造方法及び半導体モジュールについて図面を参照しつつ詳しく説明する。なお、本発明は以下の各実施形態に限定解釈されるものではない。

［半導体装置搭載基板及び半導体モジュール］
図１は、本発明の半導体装置搭載基板の一実施形態を示す模式的な断面図である。図１には、半導体装置搭載基板１０と、それに実装された半導体装置２０とからなる半導体モジュール３０を表している。この半導体モジュール３０を構成する本発明に係る半導体装置搭載基板１０は、図１に示すように、中央部に接合用電極２を有する平板状の弾性パッド１と、その弾性パッド１の周縁を支持するとともに、弾性パッド１の裏面側に弾性パッド１の弾性変形領域５を有する配線基材４とを少なくとも備えている。

なお、図１の例では、半導体装置搭載基板１の裏面（なお、弾性パッド１側は表面と呼ぶ。）に接着層２２を介して半導体チップ２１が接合されている。半導体チップ２１と半導体装置搭載基板１０とは、ボンディングワイヤー２３で接続され、それらは封止材２４で覆われている。図１に示す半導体モジュール３０は、その弾性パッド１の接合用電極２が半田ボール等を介してプリント配線板の接合用電極に接続し、プリント配線板に実装される。

図１に示す半導体装置搭載基板１０をさらに詳しく説明する。図１に示す半導体装置搭載基板１０は、本願ではプリント配線板に接合する側を「表面」とし、半導体装置２０を搭載する側を「裏面」とするが、その表面側には、中央部に接合用電極２を有する平板状の弾性パッド１が配線基材４上に複数設けられ、その弾性パッド以外の部位にはソルダーレジスト８が設けられている。弾性パッド１の裏面側には配線基材４を貫通する態様で弾性変形領域５が設けられている。弾性変形領域５内には、半導体チップ２１と弾性パッド１とを接続する導線層６が設けられている。なお、符号３は、接合用電極２の周りに設けられる凹凸又はジャバラ構造を表している。以下、本発明の半導体装置搭載基板１０の構成を順次説明する。

（弾性パッド）
弾性パッド１は、図１に示すように、配線基材４の一方の面である半導体装置搭載基板１０の表面側に設けられており、その弾性パッド１が半田ボール等を介してプリント配線板に接合される。弾性パッド１は、中央部に円形の接合用電極２を有する平板状の金属パッドであり、通常、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ等又はそれらの合金で形成される。この弾性パッド１は、平板状の金属パッドで形成されていることから、その大きさと厚さ等を選択することにより、容易に剛性を有するパッド部材として機能させることができる。

弾性パッド１の形状は特に限定されないが、一体の円形円板からなるものが好ましい。こうした弾性パッド１の大きさは、その弾性パッド１が円形パッドである場合であって例えば０．４ｍｍ〜０．１２５ｍｍピッチのＢＧＡを想定した場合についての一例を示せば、接合用電極２の直径が通常０．１８ｍｍ以上０．６５ｍｍであることを考慮すれば、直径０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下程度とすることができる。こうした大きさからなる弾性パッド１が所望の剛性を有するためには、その厚さは、例えば銅からなる弾性パッドの場合には０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下程度とすることができるが、そうした弾性パッドは、銅以外の材料で構成することも可能であるので、それぞれの構成材料に応じた厚さを採用して弾性パッドに剛性を持たせることができる。なお、直径が小さいほど厚さは薄くてもよく、一方、直径が大きければ厚さは厚い方が好ましい。

弾性パッド１は弾性体として機能する。その理由は、図１に示すように、弾性パッド１の裏面側に弾性変形領域５が形成されているためである。この弾性変形領域５は、接合用電極２が半田ボール等を介してプリント配線板に接合されるとき又は接合された後において、その半田ボール等の側から加わる荷重に対して弾性パッド１が弾性変形できる逃げ場となるように作用する。なお、このときの弾性変形は、弾性パッド１が垂直方向（半導体装置搭載基板１０とプリント配線板とが対向する方向）の変形である。したがって、この弾性パッド１は、垂直方向から加わる応力に対する弾性体として機能する。

なお、隣接する弾性パッド１，１間は、通常、例えば５０μｍ以上１２５μｍ以下程度の隙間を開けて設けられるがこの範囲には限定されない。また、弾性パッドが有する接合用電極２，２間のピッチは、通常０．８ｍｍ前後で形成されるがこの値には限定されない。

図２は、弾性パッドの詳細図である。図２（Ａ）は同心円状の凹凸構造を有した弾性パッドを示し、図２（Ｂ）は同心円状のジャバラ構造を有した弾性パッドを示している。また、図３は、弾性パッドの斜視図である。本発明において、弾性パッド１の中央部には接合用電極２が設けられているが、その周囲には同心円状の凹凸又ジャバラ構造が設けられていることが好ましい。

この凹凸又ジャバラ構造は、半田ボール等を介してプリント配線板に接合された後の弾性パッド１に加わる水平方向（半導体装置搭載基板１０とプリント配線板とが対向する方向に直交する方向）の応力に対し、その凹凸又ジャバラ構造自体が変形する応力緩衝構造として作用する。すなわち、プリント配線板に対する水平方向の外力が半田ボールに加わった場合、その外力は弾性パッド１に伝播し、弾性パッド１にも水平方向の応力が加わることがある。そうした場合に、この凹凸又ジャバラ構造はその水平方向の応力を緩和乃至吸収できる。そうした応力としては、線膨張係数差により半導体装置搭載基板１０の平面方向に働く力や、携帯電話等における落下／キー押しといった基板変形を伴う水平方向に働く力等が挙げられる。しかも、本発明では、凹凸又ジャバラ構造が同心円状に形成されているので、加わる応力の方向に関係なく応力緩和することができる。

こうした凹凸又ジャバラ構造は、プレス、エッチング等の加工手段により、接合用電極２の周囲に同心円状に形成することができる。凹凸又ジャバラ構造の加工寸法は、その凹凸又ジャバラ構造部分の強度や剛性を考慮して設定する。なお、図２に示した他にも、接合用電極２の周囲に同心円状に設けられた類似の構造であれば、水平方向における同様の応力緩和機能を発揮する。

また、接合用電極２を中央に有する弾性パッド１は、その接合用電極２の周囲に形成した同心円状の凹凸又ジャバラ構造により、ソルダーレジストを形成しなくても接合用電極２に設ける半田の濡れ広がりを制限することができる。その結果、弾性パッド１の全面に半田が濡れ広がって、凹凸又ジャバラ構造が機能しなくなることは無く、応力の緩和乃至吸収を半田接合した後であっても実現できる。

（配線基材）
配線基材４は、絶縁材料で構成され、半導体装置搭載基板１０の基材として作用する。そして、上記弾性パッド１の周縁を支持部１８（図２及び図３を参照）によって支持するとともに、弾性パッド１の裏面側には、その弾性パッド１の弾性変形領域５を有するように構成されている。

支持部１８は、図２及び図３に示すように、弾性パッド１の形状に応じた形状で設けられる。例えば弾性パッド１が円形である場合には、その支持部１８は、弾性パッド１の面積よりも小さい面積からなる円形で構成される。なお、この支持部１８は、配線基材４をくり抜いて設けられる弾性変形領域５の周縁部がその役割を担っている。

弾性変形領域５は、空隙部又は弾性材料充填部であるように構成される。図１に示す弾性変形領域５は空隙部５Ａを表しており、図４に示す弾性変形領域５は弾性材料充填部５Ｂを表している。この弾性材料充填部５Ｂは、図１に示した空隙部５Ａにエラストマーを充填することにより形成される。エラストマーとしては、ポリイミド等が挙げられる。空隙部５Ａにエラストマーを充填して弾性材料充填部５Ｂを形成することにより、弾性パッド１の補強が可能となるとともに、半導体装置２０を接着層２２を介して積層する際の接着剤の流入や、他の配線基材１１（図４参照）を積層する際の接着剤の流入等を防ぐことができる。こうした弾性変形領域５Ａ，５Ｂは、既述のように、主に弾性パッド１の垂直方向の弾性変形の逃げ場となるように作用する。

図４に示した他の態様の半導体モジュール３１は、配線基材４，１１が積層された半導体装置搭載基板１０’を有した態様であり、符号１２，１４は、銅、アルニウム等からなる配線パターンを表し、符号１３はビアを表している。また、この図に示すように、ソルダーレジスト８が弾性パッド１の周縁を覆うように設けられていてもよい。

本発明の半導体装置搭載基板１０は、弾性パッド１に形成された応力緩和・吸収構造である凹凸又ジャバラ構造を有するので、例えばプリント配線板に接合させて実装基板とした後においては、プリント配線板で発生した水平方向の応力（圧縮応力、引張応力）を緩和乃至吸収することができる。また、そうした実装基板の落下、基板曲げに伴う衝撃、変形等に対しても、はんだ接合部の信頼性を維持できる。また、弾性パッド１が有する凹凸又ジャバラ構造は、はんだの濡れ広がりを制限できるので、接合用電極として使用する表面部位と、そうでない表面部位とを区別するためのソルダーレジストの形成等を省略することができるという効果もある。

以上説明したように、本発明の半導体装置搭載基板によれば、平板状の弾性パッドによる剛性の確保と、その弾性変形領域による垂直方向（半導体装置搭載装置とプリント配線板とが対向する方向）の応力緩和とを可能とする。その結果、半導体装置を搭載した後の半導体装置搭載基板（半導体モジュール）をプリント配線板にはんだ接合等する際に発生する応力や、実装後の落下／キー押しといった基板曲げ変形や、実装後の温度サイクル時の繰り返し応力に対し、剛性を保持した状態で応力を緩和することができ、半導体装置を搭載した後の半導体装置搭載基板（半導体モジュール）のプリント配線板に対する接続信頼性を向上させることができる。さらに、弾性パッドを同心円状の凹凸又はジャバラ構造を有するようにすることにより、水平方向（半導体装置搭載装置とプリント配線板とが対向する方向の直交方向）の応力緩和を可能とすることができる。

［半導体装置搭載基板の製造方法］
図５は、本発明の半導体装置搭載基板の製造方法の工程フローの一例である。本発明の半導体装置搭載基板の製造方法は、図５に示すように、金属層１’が設けられた配線基材４のその金属層１’の表面に、同心円状の凹凸又はジャバラ構造からなるパッド部３’が形成されたものを準備する工程と、パッド部３’の裏面側を後に得られる弾性パッド１の面積よりも小さい面積で金属層１’に到達するまでくり抜いて空隙部５Ａを形成する工程と、空隙部５Ａ側の表面に導電層６を形成する工程と、空隙部５Ａ内に穴埋め材料１９を充填した後に金属層１’と導電層６をエッチングして所定のパターンを形成する工程と、所定領域にソルダーレジスト８を形成する工程と、穴埋め材料を除去し又は代わりに弾性材料を充填する工程と、を少なくとも備えている。以下、各工程について順に説明する。

先ず、図５（ａ）に示すように、金属層１’が設けられた配線基材４のその金属層１’の表面に、同心円状の凹凸又はジャバラ構造からなるパッド部３’が形成されたものを準備する。パッド部３’は金属箔の片面に予めプレスやエッチング等の加工手段で形成されたものを用い、配線基材４に貼り合わせて形成してもよいし、金属箔を配線基材４に貼り合わせた後にエッチング等によりパッド部３’を形成してもよい。

次に、図５（ｂ）に示すように、パッド部３’の裏面側を後に得られる弾性パッド１の面積よりも小さい面積で金属層１’に到達するまでくり抜いて空隙部５Ａを形成する。このとき、穴明けは、金属層１’に一部到達するまで半貫通態様で行われる。くり抜き手段は、レーザー等を用いて行うことができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、空隙部５Ａ側の表面に導電層６を形成する。導電層６は、はんだ等との接合材料に対する濡れが良い銅などの電極材料を片面から又は両面からメッキする。空隙部５Ａ側に形成した導電層６は、金属層１’（後に弾性パッド１となる）の引き出し線として機能させるとともに、半導体装置２０の配線として機能させることができる。一方、表側の導電層（図示しない）は、金属層１’上にさらに形成されて、接合用電極２の表面を構成する。

次に、図５（ｄ）（ｅ）に示すように、空隙部５Ａ内に穴埋め材料１９を充填し、その後に金属層１’と導電層６をエッチングして所定のパターンを形成する。このときの穴埋めは、空隙側に形成した導電層６が、金属層１’のエッチングで除去されないようにエッチング液の流入を防ぐ目的で行う。穴埋め材料としては、エッチング後に半導体装置搭載基板１０へのダメージがなく簡易に除去できるよう、有機溶剤、又はアルカリ溶液で溶けるポリイミドのような有機物資などが適当である。穴埋めした後は、金属層１’をエッチングして弾性パッド１とさらに表面側の配線（図示しない）を形成する。

次に、図５（ｆ）に示すように、所定領域にソルダーレジスト８を形成する。ソルダーレジスト８は、弾性パッド１側に、その弾性パッド１の中央部にある接合用電極２を露出した状態で残すように形成する。ソルダーレジスト８が形成されない部分が、接合用電極２となる。

次に、図５（ｇ）に示すように、穴埋め材料を除去し又は代わりに弾性材料を充填する。穴埋め材料を除去した場合には、空隙部５Ａを形成でき、穴埋め材料を除去した後に代わりに弾性材料を充填した場合には、弾性材料充填部５Ｂを形成できる。こうして本発明に係る半導体装置搭載基板１０を製造できる。

最後に、図５（ｈ）に示すように、半導体装置搭載基板１０の、弾性パッド１の反対面、すなわち空隙部５Ａの開口側に、接着層２２（接着シート）を介して半導体チップ２１を実装し、さらにボンディングワイヤー２３で配線し、封止材２２で覆うことによって、半導体モジュール３０を製造できる。

こうした本発明の半導体装置搭載基板の製造方法によれば、上記本発明に係る半導体装置搭載基板を効率的に且つ歩留まりよく製造できる。

本発明の半導体装置搭載基板の一実施形態を示す模式的な断面図である。 弾性パッドの詳細図である。 弾性パッドの斜視図である。 本発明の半導体装置搭載基板の他の実施形態を示す模式的な断面図である。 本発明の半導体装置搭載基板の製造方法の工程フローの一例である。

符号の説明

１ 平板状の弾性パッド
１’ 金属層
２ 接合用電極
３ 凹凸又はジャバラ構造
３’ パッド部
４ 配線基材
５ 弾性変形領域
５Ａ 空隙部
５Ｂ 弾性材料充填部
６ 導電層
８ ソルダーレジスト
１０，１０’ 半導体装置搭載基板
１１ 配線基材
１２ 配線パターン
１３ ビア
１４ 配線パターン
１８ 支持部
１９ 穴埋め材料
２０，２０’ 半導体装置
２１ 半導体チップ
２２ 接着層
２３ ボンディングワイヤー
２４ 封止材
３０，３１ 半導体モジュール

Claims (6)

1. 中央部に接合用電極を有する平板状の弾性パッドと、該弾性パッドの周縁を支持するとともに、該弾性パッドの裏面側に該弾性パッドの弾性変形領域を有する配線基材と、を少なくとも備え、
   前記弾性パッドが、同心円状の凹凸又はジャバラ構造を有することを特徴とする半導体装置搭載基板。
2. 前記弾性パッドが、一体の円形円板からなる、請求項１に記載の半導体装置搭載基板。
3. 前記弾性変形領域が、空隙部又は弾性材料充填部である、請求項１又は２に記載の半導体装置搭載基板。
4. 貫通孔が形成された配線基材と、
   前記配線基材の一面に前記貫通孔と重なる位置に設けられ、中央部に接合用電極を有する平板状の弾性パッドと、
   前記貫通孔の側面に設けられた導電層と、を備え、
   前記弾性パッドが、同心円状の凹凸又はジャバラ構造を有し、
   前記弾性パッドの面積は前記貫通孔の断面積よりも大きく、かつ前記弾性パッドの周縁部が前記配線基材にて支持されており、
   前記導電層は前記接合用電極と電気的に接続されることを特徴とする半導体装置搭載基板。
5. 前記貫通孔に弾性材料が充填されている、請求項４に記載の半導体装置搭載基板。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置搭載基板に、半導体装置が搭載されていることを特徴とする半導体モジュール。
   

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