JP5375186B2

JP5375186B2 - 配線基板、配線基板の製造方法及び半導体装置実装構造

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Publication number: JP5375186B2
Application number: JP2009044304A
Authority: JP
Inventors: 朝夫村上
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010199406A

Description

本発明は、例えば、フリップチップ接続等を適用することにより、半導体装置を実装させる配線基板、配線基板の製造方法及び半導体装置実装構造に関する。

現在、電子機器の高性能化や多機能化を支えるＬＳＩ（Large Scale Integration）は、多ピン化が進行している。また、このＬＳＩをパッケージ化するために用いられる接続技術も、多ピン化、高速信号に対応するようにワイヤボンディング技術からフリップチップ接続技術へと移行している。フリップチップ接続は、半導体装置の配線面のエリア上に接続パッドを設けることができるため、多ピン化に適している。また、フリップチップ接続は、ワイヤボンディングやテープオートメイティッドボンディングの様な他の半導体素子接続工法と比較し、引き出し線を必要としないため、配線長の短縮化が可能である。

フリップチップ接続プロセスとしては、ＬＳＩ電極上に形成されたバンプと配線基板上に形成された実装用パッドとを強固にはんだで接続する工法が広く用いられている。現在、フリップチップ接続に使用される一般的なバンプ電極の材質は、Ａｕやはんだ等であり、はんだとしては、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだを挙げることができる。

しかし、バンプとしてはんだバンプを使用した場合、はんだバンプは弾性率が高いため、半導体装置−配線基板間の熱膨張差により高い応力が発生してしまい、バンプ自身あるいはバンプ下のＬＳＩ回路を破壊してしまうという問題があった。特に、ハイエンド向け大型ＡＳＩＣ（Application Specified IC）では、ＬＳＩ絶縁層のＬｏｗ−ｋ化によるＬＳＩ回路部の脆弱化が進行しており、上述した問題が顕著となる。

そこで、上述した問題を解決するために、バンプにかかる応力を緩和する目的とし、半導体装置と配線基板の隙間をアンダーフィル樹脂で封止して接続信頼性を向上させる技術が開示されている。しかし、はんだバンプの弾性率は、アンダーフィル樹脂の弾性率よりもはるかに高い。例えば、Ｓｎ−３ＡＧ−０．５Ｃｕはんだの弾性率は約４０ＧＰａであるのに対し、アンダーフィル樹脂の弾性率は充填剤を混入して高弾性率化した場合でも１０ＧＰａ程度である。このため、弾性率の高いはんだ部分に依然として応力が集中して、繰返しの温度変化等により、はんだバンプ自身あるいはバンプ下のＬＳＩ回路にクラックが発生するという問題があった。

上記問題を解決するために、図９に示すように、バンプとして導電性樹脂バンプ１４を使用し、バンプの弾性率を下げる実装構造の技術が開示されている（例えば、特許文献１）。この場合、導電性樹脂を使用することにより、はんだバンプに比較し、バンプの低弾性化を図ることが可能となる。ただし、上記特許文献１記載の方法では、導電性樹脂に重量比で８０ｗｔ％（重量％）の多量の金属粒子を添加して、導電性を確保している。そのため、多量の金属粒子の影響でバンプ自体の弾性率が上昇し、バンプ材質の低弾性化効果が小さくなってしまう。例えば、エポキシ樹脂自身の弾性率は２ＧＰａ程度であっても、特許文献１のように金属フィラーを多量に混入することにより、導電性樹脂としての弾性率は、１０ＧＰａ程度まで上昇してしまうという問題があった。

また、バンプの低弾性化に替わる接続部の低応力化については、図１０に示すように、配線基板５の実装パッド部１に樹脂部１５を形成し、その樹脂部１５を覆うようにはんだにより半導体装置と配線基板の接続を行う技術が開示されている（例えば、特許文献２）。さらに、半導体装置−配線基板間の熱膨張差による応力を緩和するために、バンプと配線基板とを接続する導体の周囲に低弾性率層を設ける技術も開示されている（例えば、特許文献３、特許文献４）。

特開２０００−３３２０５３号公報特開２００４−１１１７５３号公報再特ＷＯ２００５／０７４３４０号公報実公平０７−０２７６４６号公報

しかし、上記特許文献２の技術では、樹脂部が存在することによりバンプにかかる応力は緩和されるが、実装パッド自体は高弾性な基板上に固定されているため、信頼性確保には限界があるという問題があった。

また、上記特許文献３及び特許文献４の技術では、確かに半導体装置−配線基板間の熱膨張差による応力を緩和することは可能であるが十分ではなく、実装パッドが応力を緩衝する際の物理的な動きに追従することが容易にできないという問題があった。

本発明はこのような実情を鑑みてなされたものであり、上記問題を解決し、配線基板や半導体装置の破損を抑制する配線基板、配線基板の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の配線基板は、少なくとも１以上の層を含有する基板と、実装する半導体装置に設けられたバンプを介して半導体装置と電気的に接続するための実装パッドと、を有し、実装パッドは、基板上であって実装する半導体装置に設けられたバンプと対向する領域に設けられ、バンプとの接続部分である接続部と、基板との接面に形成される配線パターンを含む配線部と、接続部と配線部とを電気的に接続する導電ポスト部と、接続部と配線部との間であって導電ポスト部の周囲に形成された樹脂部と、を含有し、樹脂部は、接続部よりも弾性率が低い樹脂により形成され、接続部は、樹脂部を介して、導電ポスト部に沿って配線部に向かい合うように設けられるとともに、樹脂部の接続部側の面の外周部内側に形成され、接続部の形状は、円状であることを特徴とする。

本発明の配線装置の製造方法は、少なくとも１以上の層を含有する基板上に、配線パターンを含有する配線部を形成する配線部形成ステップと、配線部上に接続部よりも弾性率が低い樹脂からなる樹脂部を形成する樹脂部形成ステップと、配線部上であって、樹脂部が形成された以外の領域に導電ポスト部を形成する導電ポスト形成ステップと、樹脂部及び導電ポスト部上に半導体装置を実装するための接続部を形成する接続部形成ステップと、を有し、樹脂部形成ステップは、接続部と配線部との間であって導電ポスト部の周囲に樹脂部を形成し、接続部形成ステップは、樹脂部を介して、導電ポスト部に沿って配線部に向かい合うように、樹脂部の接続部側の面の外周部内側に、接続部を円状に形成することを特徴とする。

本発明の半導体装置実装構造は、半導体装置と配線基板とを接続した半導体装置実装構造であって、半導体装置は、電極と、バンプと、を有し、バンプは、電極上に設けられ、電極と配線基板とを電気的に接続し、配線基板は、少なくとも１以上の層を含有する基板と、実装パッドと、を有し、実装パッドは、バンプとの接続部分である接続部と、基板との接面に形成される配線パターンを含む配線部と、接続部と配線部とを電気的に接続する導電ポスト部と、接続部と配線部との間であって導電ポスト部の周囲に形成された樹脂部と、を含有し、樹脂部は接続部よりも弾性率が低い樹脂により形成され、接続部は、樹脂部を介して、導電ポスト部に沿って配線部に向かい合うように設けられるとともに、樹脂部の接続部側の面の外周部内側に形成され、接続部の形状は、円状であり、電極と接続部が、バンプを介して対向して接続されることを特徴とする。

本発明によれば、配線基板や半導体装置の破損を効率的に抑制することが可能となる。

本実施形態に係る配線基板の実装パッドの例を示す斜視図である。本実施形態に係る配線基板の概略構成例を示す断面図である。本実施形態に係る配線基板の概略構成例を示す上面図である。本実施形態に係る半導体装置実装構造の概略構造例を示す断面図である。本実施形態に係る配線基板の製造方法の概略例を示す模式図である。本実施形態に係る配線基板の実装パッド構成例を示す上面図である。本実施形態に係る配線基板の実装パッド構成例を示す上面図である。本実施形態に係る配線基板の実装パッド構成例を示す上面図である。特許文献１に係る半導体実装構造を示す断面図である。特許文献２に係る半導体実装構造を示す断面図である。

以下に本発明の実施形態の例について、図面を用いて詳細に説明する。以下の実施形態では、半導体装置と配線基板とをフリップチップ接続方法を用いて接続する場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではない。また、半導体装置としてはＣＳＰ（Chip Size Package）、ＢＧＡ（ball grid array）、ベアチップ等を適用することができるが、特に限定はしない。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る配線基板の実装パッドの例を示す。図２は、本実施形態に係る配線基板の概略構成例を示す。図３は、本実施形態に係る配線基板と実装パッドの概略構成例を示す。図４は、本実施形態に係る半導体装置実装構造の概略構造例を示す。以下、本実施形態に係る配線基板について、上記図１〜図４を用いて説明する。

図１に示すように、配線基板５には実装パッド１が形成されている。この実装パッド１は、接続部２、樹脂部３、配線部４、導電ポスト部１３、を備えている。接続部２は、後述する半導体装置６に設けられたバンプ７と実装パッド１とを接続する。樹脂部３は、低弾性の物性を持つ樹脂からなる層である。配線部４は、配線基板５上に形成された配線パターンである。導電ポスト部１３は、配線部４と半導体装置６の電極を電気的に接続する。

半導体装置６のバンプ７を、配線基板５の実装パッド１に接続する構成とすることにより、接続部２は導電ポスト１３を軸に、配線基板５から低弾性の樹脂部３上に浮いた構成となる。これにより、半導体装置６と配線基板５との間の線膨張係数差に起因する応力を緩和することが可能となる。ここで、樹脂部３を構成する低弾性の樹脂としては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂に熱可塑性分を加えたコンポジット樹脂、低ＴＧのエポキシ樹脂で装置使用温度領域において弾性率が低く保たれるもの等を使用することができるが、これに限定されるものではない。

図５は、本実施形態に係る配線基板５の製造方法の工程例を示す。次に、本実施形態に係る配線基板５の製造方法について、図５を用いて説明する。尚、本実施形態では、配線基板５の例として、プリント配線基板を例に挙げてその製造方法を示す。しかし、本実施形態に係る配線基板の製造方法はプリント配線基板の製造方法に限定されるものではなく、例えば、セラミック基板等他の配線基板への適用も可能である。

図５の（ａ）に示すように、公知のプリント配線基板形成方法により所望層数の基板を形成する。尚、基板の層数は１でも複数でもよく、特に限定することはしない。このとき、配線基板５の最外層上において、半導体装置６のバンプ電極が実装される位置に、実装パッド１の配線部４を形成する。また、この配線部４は、所望の回路と接続している。

次に、図５の（ｂ）に示すように、配線基板５の最外層全面に感光性樹脂を塗布する。感光性樹脂は、例えばシリコーン樹脂等であり、後に樹脂部３となる。図５の（ｂ）で形成された配線基板５において、図５の（ｃ）に示すように所望の形状にレジスト９を形成し、図５の（ｄ）に示すように露光及び現像により所望の形状の樹脂部３を形成する。本実施形態では、写真技術による樹脂部形成方法を示しているが、これに限定されるものではなく、感光性樹脂を塗布した後にレーザを使用して不要な部分を除去する方法等、所望の樹脂形状が得られれば良い。

さらに、図５の（ｅ）に示すように、図５の（ｃ）で形成したレジスト９を除去し、図５の（ｆ）に示すように、図５の（ｅ）までの工程で得られた樹脂部３を含む配線基板５の最外層上に感光性めっきレジスト１０を塗布する。そして、図５の（ｇ）に示すように、本実施形態に係る実装パッド１の接続部２と導電ポッド部１３とをめっきにて形成するための形状にレジスト９を形成する。そして、図５の（ｈ）に示すように、公知の写真技術により、レジスト９が形成された箇所以外のめっきレジスト１０を除去する。

次に、図５の（ｉ）に示すように、図５の（ｈ）でめっきレジスト１０を除去した箇所にめっきを施すことにより、接続部２及び導電ポスト部１３を形成する。最後に、図５の（ｊ）に示すように、公知の方法によりめっきレジスト１０を剥離することにより本実施形態に係る実装パッド１を設けた配線基板５を得る。尚、本実施形態では、配線基板５の上面に実装パッド１を形成する例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、下面にも実装パッド１を形成し、半導体装置６を実装できるようにしてもよい。また、本実施形態では「上」や「下」と表現することがあるが、これは相対的な位置関係を便宜的に表現したものに過ぎず、例えば、上下を入れ替えたり上下を左右に置き換えたりしてもよい。

上述したような方法で製造した配線基板５と接続する半導体装置６について説明する。本実施形態において、半導体装置６は電極上にバンプ７を備えている。本実施形態では、配線基板５側の実装パッド１にて応力を緩和する構造を有しているため、バンプ７の材料としては特に限定されることはない。例えば、はんだバンプ等を使用することが可能であり、はんだバンプとしては、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだを使用することができる。しかし、はんだバンプは、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだに限定されず、例えばＳｎ−Ｐｂ（共晶を除く）、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉ及びこれらの材料に特定の添加元素をさらに加えた材料等も適用することができる。

次に、本実施形態に係る半導体装置実装構造について説明する。上述した方法で製造した配線基板５の実装パッド１上に、フリップチップ接続方法等を用いて、半導体装置６を実装する。ここで、半導体装置６の電極は、バンプ７と半導体装置６とに接するように設けられている。この半導体装置６の電極と配線基板５とが平行して対向するように、実装パッド１とバンプ７を接続することで、図４に示すような、半導体装置実装構造を得る。

以上のように、本実施形態に係る半導体実装構造では、半導体装置６のバンプ７に接する接続部２を、低弾性の樹脂からなる樹脂部３及び導電ポスト１３を介して配線基板５上に形成された配線部４と接続している。

本実施形態により、フリップチップやＣＳＰのように、半導体装置と配線基板の電極を向かい合って接続する場合に、半導体装置と配線基板との熱膨張係数の差がある場合でも、配線基板の半導体装置実装パッド内に低弾性樹脂で構成される樹脂部を形成し、その樹脂上に接続部を形成し、接続部自体が導電ポッドを軸に低弾性の樹脂の上に浮いている状態を作ることが可能となる。そのため、半導体装置電極上に形成するバンプの材質が高弾性のはんだであったとしても、半導体実装構造体において、半導体装置と配線基板の熱膨張差により生じる応力を緩和することが可能となる。これにより、バンプ破壊の防止のみでなく、半導体装置や配線基板のクラックを防止することも可能となる。また、コストを低減し、実装工程を削減することも可能となる。

（実施形態２）
図６〜８は、本実施形態に係る配線基板５の構成例を示す。図６〜８に示す配線基板５が上記実施形態１と異なるところは、実装パッド１の構成である。本実施形態では、上記実施形態１に示した配線基板の他の構成例について、図６〜８を用いて説明する。

上記実施形態１では、実装パッド１における接続部２の面積と、配線部の４面積と、樹脂部３及び導電ポスト部１３の面積の和と、は全て等しい例を挙げて説明した。つまり、接続部２は、樹脂部３が形成された部分を全て覆うような形状となっている。他方、本実施形態では、上記実施形態１とは接続部２の形状が異なっている。例えば、本実施形態では、樹脂部３の全領域ではなく、一部を覆うように接続部２を形成する。

図６では、上記実施形態１と同様に円状ではあるが、接続部２の形状を樹脂部３の全領域よりも小さい面積にして形成している。図７では、図６に示す接続部２の形状よりもさらに小さい円から風車の形状のように引き出す形状としている。また、図８では、接続部２の形状を、図６に示す接続部２の形状よりもさらに小さい円から一部を直線で引き出す形状としている。尚、上記では形状の一部を線と表現したが、線の太さは適宜変更可能である。

尚、図６〜８を用いて接続部２の形状について説明したが、接続部の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、円、円と直線、円と曲線、円と斜線、又はこれらの組み合わせ等、様々な形状とすることが可能である。つまり、本実施形態に係る配線基板の接続部の形状は適宜自由に組み合わせることが可能である。

本実施形態により、実装パッドの全面に接続部を設けるのではなく、実装パッドの一部に設けられた小さい円から一部を直線で複数引き出す形状としたことにより、実装パッドが応力を緩衝する際の物理的な動きに容易に追従することが可能となる。

以上好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述した配線基板、配線基板の製造方法及び半導体装置実装構造に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であるということは言うまでもない。

１実装パッド
２接続部
３樹脂部
４配線部
５配線基板
６半導体装置
７バンプ
８感光性樹脂
９レジスト
１０めっきレジスト
１１めっき
１２電極
１３導電ポスト部
１４樹脂バンプ
１５樹脂部

Claims

少なくとも１以上の層を含有する基板と、
実装する半導体装置に設けられたバンプを介して前記半導体装置と電気的に接続するための実装パッドと、を有し、
前記実装パッドは、前記基板上であって前記実装する半導体装置に設けられたバンプと対向する領域に設けられ、前記バンプとの接続部分である接続部と、前記基板との接面に形成される配線パターンを含む配線部と、前記接続部と前記配線部とを電気的に接続する導電ポスト部と、前記接続部と前記配線部との間であって前記導電ポスト部の周囲に形成された樹脂部と、を含有し、
前記樹脂部は、前記接続部よりも弾性率が低い樹脂により形成され、
前記接続部は、前記樹脂部を介して、前記導電ポスト部に沿って前記配線部に向かい合うように設けられるとともに、前記樹脂部の前記接続部側の面の外周部内側に形成され、
前記接続部の形状は、円状であることを特徴とする配線基板。
前記接続部は、前記樹脂部の前記接続部側の面の中央部に設けられた円部と、前記円部から前記樹脂部の前記接続部側の面の外周部に向けて延出するように設けられた線状部とを有することを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
少なくとも１以上の層を含有する基板上に、配線パターンを含有する配線部を形成する配線部形成ステップと、
前記配線部上に前記接続部よりも弾性率が低い樹脂からなる樹脂部を形成する樹脂部形成ステップと、
前記配線部上であって、前記樹脂部が形成された以外の領域に導電ポスト部を形成する導電ポスト形成ステップと、
前記樹脂部及び前記導電ポスト部上に半導体装置を実装するための接続部を形成する接続部形成ステップと、を有し、
前記樹脂部形成ステップは、前記接続部と前記配線部との間であって前記導電ポスト部の周囲に前記樹脂部を形成し、
前記接続部形成ステップは、前記樹脂部を介して、前記導電ポスト部に沿って前記配線部に向かい合うように、前記樹脂部の前記接続部側の面の外周部内側に、前記接続部を円状に形成することを特徴とする配線基板の製造方法。
前記接続部形成ステップでは、前記樹脂部の前記接続部側の面の中央部に設けられた円部と、前記円部から前記樹脂部の前記接続部側の面の外周部に向けて延出するように設けられた線状部とを有するように、前記接続部を形成することを特徴とする請求項３に記載の配線基板の製造方法。
半導体装置と配線基板とを接続した半導体装置実装構造であって、
前記半導体装置は、電極と、バンプと、を有し、
前記バンプは、前記電極上に設けられ、前記電極と前記配線基板とを電気的に接続し、
前記配線基板は、少なくとも１以上の層を含有する基板と、実装パッドと、を有し、
前記実装パッドは、前記バンプとの接続部分である接続部と、前記基板との接面に形成される配線パターンを含む配線部と、前記接続部と前記配線部とを電気的に接続する導電ポスト部と、前記接続部と前記配線部との間であって前記導電ポスト部の周囲に形成された樹脂部と、を含有し、
前記樹脂部は前記接続部よりも弾性率が低い樹脂により形成され、
前記接続部は、前記樹脂部を介して、前記導電ポスト部に沿って前記配線部に向かい合うように設けられるとともに、前記樹脂部の前記接続部側の面の外周部内側に形成され、
前記接続部の形状は、円状であり、
前記電極と前記接続部が、前記バンプを介して対向して接続されることを特徴とする半導体装置実装構造。
前記接続部は、前記樹脂部の前記接続部側の面の中央部に設けられた円部と、前記円部から前記樹脂部の前記接続部側の面の外周部に向けて延出するように設けられた線状部とを有することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置実装構造。
前記バンプは、はんだバンプであり、前記はんだバンプの材質は、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉ及びその組み合わせの何れかであることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体装置実装構造。