JP5699610B2 - 実装構造体及びその製造方法、並びに、電子装置 - Google Patents
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Description
また、コンピュータの心臓部である半導体チップや半導体パッケージなどの半導体装置は、その性能向上を図るべく、回路密度が高くなり、さらなる大容量化のために大型化が進んでいる。
例えば、図14(A)に示すように、配線基板100の電極101上に塗布されたはんだペースト102上に、半導体装置103の電極104上に設けられたはんだバンプ105を載せる。そして、図14(B)に示すように、はんだペースト102及びはんだバンプ105を溶融させて、半導体装置103の電極104を配線基板100の電極101にはんだ接合することで、半導体装置103を配線基板100上に実装する。この場合、半導体装置103を配線基板100上に実装した実装構造体106は、半導体装置103の電極104と配線基板100の電極101とがはんだ107によって接合されたものとなる。
半導体装置103の動作時に半導体装置103が発熱して熱膨張すると、配線基板100との間に熱膨張差が生じ、この熱膨張差に起因して、半導体装置103の電極104と配線基板100の電極101とを接合するはんだ接合部に応力が加わることになる。
また、上述のように、はんだ107が太鼓形状になっていると、図14(C)に示すように、はんだ107と電極101、104とが接する箇所に応力が集中しやすくなる。なお、図14(C)は、図14(B)の中の符号Xで示す箇所を拡大して示したものである。
このため、熱膨張差による大きな応力が加わる外周部のはんだ接合部に、応力が集中する箇所があるのは好ましくない。
[第1実施形態]
まず、第1実施形態にかかる実装構造体、インターポーザ及びこれらの製造方法について、図1〜図12を参照しながら説明する。
本実装構造体は、図1に示すように、回路基板1と、半導体パッケージ2と、回路基板1と半導体パッケージ2との間に設けられたインターポーザ3とを備える。そして、半導体パッケージ2は、フリップチップボンディングによって、インターポーザ3を間に挟んで、回路基板1上に実装されている。
半導体パッケージ2は、パッケージ基板と、パッケージ基板上に搭載された半導体チップと、パッケージ基板のチップ搭載面の反対側の面の全面に格子状に配列された複数の電極5(例えば図6参照)と、各電極5上に設けられたはんだボール6とを備えるBGA(Ball Grid Array)パッケージである。このBGAパッケージ2は、例えば大型で高性能の半導体チップを回路基板1上に実装するのに有効である。ここでは、半導体チップはベアチップである。なお、半導体パッケージ1を半導体装置ともいう。また、はんだボール6をはんだバンプともいう。
特に、本実施形態では、回路基板1のパッケージ実装領域の内周部の電極4B上に設けられたはんだ10と、半導体パッケージ2の内周部の電極5B上に設けられたはんだ6との間に、インターポーザ3の導電性パッド7を介在させている。このように、導電性パッド7を上下のはんだ6、10の間に介在させることで、上下のはんだ6、10が一体化しないようにしながら、上下に設けられる半導体パッケージ2と回路基板1との間で電気信号が導通しうるようにしている。
つまり、動作時に半導体チップを含む半導体パッケージが発熱して熱膨張すると、回路基板との間に熱膨張差が生じ、半導体パッケージと回路基板とを接合するはんだ接合部に応力が加わることになる。
この熱膨張差によって半導体パッケージと回路基板とを接合するはんだ接合部に加わる応力は、半導体パッケージの外周に近くなるほど大きくなり、中央に近くなるほど小さくなる。
例えば、応力シミュレーションを行なうと、回路基板と半導体パッケージとの間に格子状に配列されたはんだ接合部のうち、最外周の角の部分に配置されたはんだ接合部に加わる応力が最も大きくなる。これに対して、最外周に配列された一列のはんだ接合部に対して一列内側の角の部分に配置されたはんだ接合部に加わる応力は、約30〜約40%程度小さくなる。この場合、最外周に配列された一列のはんだ接合部は、熱膨張差による応力の影響が大きいのに対し、最外周の一列に対して一列内側に配置されたはんだ接合部は、熱膨張差による応力の影響が小さいと言える。さらに、それよりもさらに内側に配置されたはんだ接合部は、熱膨張差による応力の影響がより小さいと言える。
ところで、同じはんだ量でも、半導体パッケージと回路基板とを接合するはんだが太鼓形状になっていると、即ち、はんだと電極との接合面の延長線に対するはんだの側面(電極に接していないはんだの表面)の角度が小さいほど、はんだと電極とが接する箇所に熱膨張差による応力が集中しやすい[図14(C)参照]。つまり、半導体パッケージと回路基板とを接合するはんだの高さ、ひいては、このはんだを含むはんだ接合部の高さ(接合高さ)が低いと、はんだと電極とが接する箇所に、熱膨張差による応力が集中しやすい。
しかしながら、回路基板1のパッケージ実装領域の内周部の電極4B上に設けられたはんだ10と、半導体パッケージ2の内周部の電極5B上に設けられたはんだ6とは一体化しない。このため、それぞれのはんだ6、10の体積は小さく、体積に対する表面張力の影響が大きくなるため、つぶれにくくなる。この結果、これらのはんだ6、10の表面張力によって半導体パッケージ2の自重による沈み込みが小さくなる。
これは、はんだ接合の際に、加熱によって溶融され、液体となるはんだの表面張力と半径(体積)との関係を利用している。つまり、液体となったはんだは、自身の持つ表面張力によって、表面積を最小にしようとして球になろうとする。この表面張力は、球の表面積/球の体積から、3/r(rは半径)となるため、半径が小さいほど表面張力の影響が大きくなる。つまり、半径(体積)が小さいほど丸くなろうとする効果が大きく、半径(体積)が大きいほど丸くなりにくい性質がある。このような関係を利用すべく、回路基板1のパッケージ実装領域の内周部の電極4B上に設けられたはんだ10と、半導体パッケージ2の内周部の電極5B上に設けられたはんだ6とを一体化させないで体積が小さいままの状態とし、回路基板1のパッケージ実装領域の外周部の電極4A上に設けられたはんだ10と、半導体パッケージ2の外周部の電極5A上に設けられたはんだ6とは一体化させて体積を大きくしている。
次に、上述のように構成されるインターポーザ3の製造方法について説明する。
最初に、第1の方法について、図3を参照しながら説明する。
まず、図3(A)、図3(B)に示すように、例えばフォトリソグラフィ技術を用いて、Cu箔11を貼ったポリイミドフィルム12のCu箔11上に、パッド形成領域のCu箔11が残るようなパターンを有するレジスト膜13を形成する。
次に、図3(D)に示すように、ポリイミドフィルム12及び複数のCuパッド7を覆うカバーフィルム14を、図示しない接着材を用いて貼り付ける。ここでは、カバーフィルム14はポリイミドフィルムである。
次に、第2の方法について、図4を参照しながら説明する。
まず、上述の第1の方法と同様の工程を経て、図4(A)、図4(B)に示すように、ポリイミドフィルム12上に格子状に配列された複数のCuパッド7を形成する。
次に、図4(C)、図4(D)に示すように、各Cuパッド7の上方にCuパッド7の面積よりも小さい面積を有する開口部を備えるマスク18を位置合わせし、例えば紫外線を用いて露光し、現像を行なうことで、各Cuパッド7の表面を露出させる。つまり、ソルダーレジスト膜17に、複数のCuパッド7のそれぞれの表面に達し、Cuパッド7の面積よりも小さい面積を有する開口部17Aを形成する。
次に、本実施形態にかかる実装構造体の製造方法について、図5を参照しながら説明する。
ここでは、回路基板1に設けられた複数の電極4上のそれぞれに、はんだペースト10を塗布する。
また、半導体パッケージ2に設けられた複数の電極5上に、はんだ6を供給する。
次に、図5(B)に示すように、回路基板1上に、シート8に支持され、表面及び裏面が露出している導電性パッド7を有するインターポーザ3を載せる。
ここでは、インターポーザ3の導電性パッド7の裏面が、回路基板1のパッケージ実装領域の内周部に設けられた電極4B上に塗布されたはんだペースト10に接するように、回路基板1上にインターポーザ3を載せる。
ここでは、回路基板1のパッケージ実装領域の外周部に設けられた電極4A上に塗布されたはんだペースト10と、半導体パッケージ2の外周部に設けられた電極5A上に形成されたはんだバンプ6とが対向し、かつ、インターポーザ3の導電性パッド7の表面が、半導体パッケージ2の内周部に設けられた電極5B上に形成されたはんだバンプ6に接するように、インターポーザ3を載せた回路基板1上に半導体パッケージ2を載せる。
ここでは、回路基板1のパッケージ実装領域の外周部に設けられた電極4A上に塗布されたはんだペースト10と、半導体パッケージ2の外周部に設けられた電極5A上に形成されたはんだバンプ6とを、溶融させて、回路基板1の電極4Aと半導体パッケージ2の電極5Aとをはんだ接合する。つまり、はんだペースト10とはんだバンプ6を溶融し、一体化させてはんだ9とし、はんだ9によって、回路基板1のパッケージ実装領域の外周部に設けられた電極4Aと、半導体パッケージ2の外周部に設けられた電極5Aとを接合する。また、回路基板1のパッケージ実装領域の内周部に設けられた電極4B上に塗布されたはんだペースト10を、溶融させて、回路基板1の電極4Bとインターポーザ3の導電性パッド7の裏面とをはんだ接合する。また、半導体パッケージ2の内周部に設けられた電極5B上に形成されたはんだバンプ6を、溶融させて、半導体パッケージ2の電極5Bとインターポーザ3の導電性パッド7の表面とをはんだ接合する。
なお、ここでは、回路基板1に設けられた複数の電極4上にはんだペースト10を塗布し、半導体パッケージ2に設けられた複数の電極5上にはんだボール6を供給しているが、はんだの供給方法は、上述の実施形態のものに限られるものではない。はんだの供給方法として、例えば、はんだペーストを印刷する方法、はんだメッキ法、はんだ蒸着法、はんだ蒸着転写法などの他の方法を用いても良い。
この具体例では、実装構造体を構成する半導体パッケージ、回路基板、インターポーザは、以下のような構成を有する。
まず、半導体パッケージは、図6に示すように、約25mm×約25mmのガラスセラミック製のパッケージ基板21の裏面に、約1mmピッチで縦22個×横22個格子状に配列された直径φ約0.6mmのCu電極5を有する。
そして、上述の半導体パッケージ2の場合と同様に、各Cu電極4上にはんだバンプ10が形成されている。
まず、図9(A)、図9(B)に示すように、はんだバンプ10が形成されている回路基板1のパッケージ実装領域の内周部(中央部を含む)に、インターポーザ3を配置する。ここで、図9(A)は、Cuパッド7が縦10個×横10個格子状に配列されたインターポーザ3を載せた状態を示しており、図9(B)は、Cuパッド7が縦16個×横16個格子状に配列されたインターポーザ3を載せた状態を示している。なお、図9(A)、図9(B)では、主に回路基板1とインターポーザ3との配置を示しており、例えばはんだバンプ10等は省略している。
そして、例えば窒素雰囲気の加熱炉で、はんだバンプ6、10又はこれらの近傍の温度が約240℃程度になるように加熱し、回路基板1、インターポーザ3、半導体パッケージ2の相互間をはんだ接合して、実装構造体20を作製した。なお、実装構造体20を接合体ともいう。
そして、回路基板1の外周部に設けられた電極4Aと半導体パッケージ2の外周部に設けられた電極5Aとを接合するはんだ9を含むはんだ接合部の高さ(接合高さ)hを測定したところ、図11に示すような結果になった。
ここでは、回路基板1のパッケージ実装領域(又は半導体パッケージ2)の一辺の長さ、即ち、はんだバンプ6、10が形成されている領域の一辺の長さをAとし、インターポーザ3の一辺の長さ、即ち、Cuパッド7が設けられている領域の一辺の長さをBとする。そして、回路基板1のパッケージ実装領域の面積A2に対する、インターポーザ3の面積B2の割合(%)を、電極使用率とする(電極使用率=B2/A2)。このため、インターポーザ3を用いない場合は電極使用率0%、Cuパッド7が縦10個×横10個配列されたインターポーザ3を用いた場合は電極使用率約20%[図9(B)参照]、Cuパッド7が縦16個×横16個配列されたインターポーザ3を用いた場合は電極使用率約52%[図9(A)参照]となる。
例えば、Cuパッド7が縦16個×横16個配列されたインターポーザ3を用いた場合[図9(A)参照]、インターポーザ3を用いない場合に対して、接合高さhを約30%高くすることができる。
図12に示すように、接合高さhが約100μmから約130μmまで約30%高くなると、はんだ接合部に加わる応力集中箇所のミーゼスの相当応力が約10%緩和される。
なお、上述の実施形態では、導電性パッド7を、半導体パッケージ2の電極5及び回路基板1の電極4の面積よりも大きい面積を有するものとしているが、これに限られるものではない。
また、例えば、導電性パッドを、半導体パッケージ(半導体装置)の電極及び回路基板(配線基板)の電極の面積よりも小さい面積を有するものとしても良い。これにより、半導体パッケージの外周部のはんだの高さ、ひいては、このはんだを含むはんだ接合部の高さを、より高くすることが可能である。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態にかかる電子装置について、図13を参照しながら説明する。
本電子装置は、例えばサーバやパソコンなどの電子装置である。本電子装置は、図13に示すように、上述の第1実施形態の実装構造体20を備え、さらに、回路基板1上に、電源部品30、コネクタ部品31、コントローラ部品32、メモリ部品33などの他の部品が実装され、冷却ファン34を備えるラック35に収納されている。そして、回路基板1上に実装された各部品2、30〜33は、回路基板1に電気的に接続されている。また、ラック35に備えられる冷却ファン34によって、ラック35にセットされた回路基板1上に実装されている半導体パッケージ2に備えられる冷却フィン36に風を当てることができるようになっている。
[その他]
なお、本発明は、上述した各実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
(付記1)
複数の第1電極を有する配線基板と、
前記配線基板上に実装され、複数の第2電極を有する半導体装置と、
前記配線基板と前記半導体装置との間に設けられ、表面及び裏面が露出している導電性パッドと、前記導電性パッドを支持するシートとを有するインターポーザとを備え、
前記配線基板の半導体装置実装領域の外周部に設けられた前記第1電極と前記半導体装置の外周部に設けられた前記第2電極とがはんだ接合されており、
前記配線基板の半導体装置実装領域の内周部に設けられた前記第1電極と前記インターポーザの前記導電性パッドの裏面とがはんだ接合されており、
前記半導体装置の内周部に設けられた前記第2電極と前記インターポーザの前記導電性パッドの表面とがはんだ接合されていることを特徴とする実装構造体。
前記シートは、絶縁性シートであることを特徴とする、付記1に記載の実装構造体。
(付記3)
前記シートは、樹脂シート又はセラミックシートであることを特徴とする、付記1又は2に記載の実装構造体。
前記導電性パッドは、金属パッドであることを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の実装構造体。
(付記5)
前記導電性パッドは、前記第1電極及び前記第2電極の面積よりも小さい面積を有することを特徴とする、付記1〜4のいずれか1項に記載の実装構造体。
前記半導体装置は、半導体パッケージであることを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の実装構造体。
(付記7)
複数の第1電極を有する配線基板と、
前記配線基板上に実装され、複数の第2電極を有する半導体装置と、
前記配線基板と前記半導体装置との間に設けられ、表面及び裏面が露出している導電性パッドと、前記導電性パッドを支持するシートとを有するインターポーザとを備え、
前記配線基板の半導体装置実装領域の外周部に設けられた前記第1電極と前記半導体装置の外周部に設けられた前記第2電極とがはんだ接合されており、
前記配線基板の半導体装置実装領域の内周部に設けられた前記第1電極と前記インターポーザの前記導電性パッドの裏面とがはんだ接合されており、
前記半導体装置の内周部に設けられた前記第2電極と前記インターポーザの前記導電性パッドの表面とがはんだ接合されていることを特徴とする電子装置。
前記シートは、絶縁性シートであることを特徴とする、付記7に記載の電子装置。
(付記9)
前記シートは、樹脂シート又はセラミックシートであることを特徴とする、付記7又は8に記載の電子装置。
前記導電性パッドは、金属パッドであることを特徴とする、付記7〜9のいずれか1項に記載の電子装置。
(付記11)
前記導電性パッドは、前記第1電極及び前記第2電極の面積よりも小さい面積を有することを特徴とする、付記7〜10のいずれか1項に記載の電子装置。
前記半導体装置は、半導体パッケージであることを特徴とする、付記7〜11のいずれか1項に記載の電子装置。
(付記13)
格子状に配列され、表面及び裏面が露出している導電性パッドと、
前記導電性パッドを支持するシートとを備えることを特徴とするインターポーザ。
前記シートは、絶縁性シートであることを特徴とする、付記13に記載のインターポーザ。
(付記15)
前記シートは、樹脂シート又はセラミックシートであることを特徴とする、付記13又は14に記載のインターポーザ。
前記シートは、樹脂フィルムとソルダーレジスト膜とからなることを特徴とする、付記13又は14に記載のインターポーザ。
(付記17)
前記導電性パッドは、金属パッドであることを特徴とする、付記13〜16のいずれか1項に記載のインターポーザ。
シートに支持され、表面及び裏面が露出している導電性パッドを有するインターポーザの前記導電性パッドの裏面が、複数の第1電極を有する配線基板の半導体装置実装領域の内周部に設けられた前記第1電極上のはんだに接するように、前記配線基板上に前記インターポーザを載せ、
前記配線基板の半導体装置実装領域の外周部に設けられた前記第1電極上のはんだと、複数の第2電極を有する半導体装置の外周部に設けられた前記第2電極上のはんだとが対向し、かつ、前記インターポーザの前記導電性パッドの表面が、前記半導体装置の内周部に設けられた前記第2電極上のはんだに接するように、前記インターポーザを載せた前記配線基板上に前記半導体装置を載せ、
前記はんだを溶融させて、前記第1電極と前記第2電極とをはんだ接合し、前記第1電極と前記導電性パッドの裏面とをはんだ接合し、前記第2電極と前記導電性パッドの表面とをはんだ接合することを特徴とする実装構造体の製造方法。
表面に導電膜を有するフィルムのパッド形成領域以外の領域の導電膜を除去して、前記フィルム上に格子状に配列された複数の導電性パッドを形成し、
前記フィルム及び前記複数の導電性パッドを覆うカバーフィルムを貼り付け、
前記カバーフィルムに、前記複数の導電性パッドのそれぞれの表面に達し、前記導電性パッドの面積よりも小さい面積を有する開口部を形成し、
前記フィルムに、前記複数の導電性パッドのそれぞれの裏面に達し、前記導電性パッドの面積よりも小さい面積を有する開口部を形成して、前記フィルムと前記カバーフィルムとからなるシートに支持され、格子状に配列され、表面及び裏面が露出している導電性パッドを有するインターポーザを製造することを特徴とするインターポーザの製造方法。
表面に導電膜を有するフィルムのパッド形成領域以外の領域の導電膜を除去して、前記フィルム上に格子状に配列された複数の導電性パッドを形成し、
前記フィルム及び前記複数の導電性パッドを覆うソルダーレジストを形成し、
前記ソルダーレジストに、前記複数の導電性パッドのそれぞれの表面に達し、前記導電性パッドの面積よりも小さい面積を有する開口部を形成し、
前記フィルムに、前記複数の導電性パッドのそれぞれの裏面に達し、前記導電性パッドの面積よりも小さい面積を有する開口部を形成して、前記フィルムと前記ソルダーレジストとからなるシートに支持され、格子状に配列され、表面及び裏面が露出している導電性パッドを有するインターポーザを製造することを特徴とするインターポーザの製造方法。
2 半導体パッケージ(半導体装置)
3 インターポーザ
4,4A,4B 電極
5,5A,5B 電極
6 はんだ(はんだ接合部;はんだボール;はんだバンプ)
7 導電性パッド
8 シート(ポリイミドシート)
9 はんだ(はんだ接合部)
10 はんだ(はんだ接合部;はんだペースト)
11 Cu箔(導電膜)
12 ポリイミドフィルム
13 レジスト膜
14 カバーフィルム
14A 開口部
15 マスク
16 マスク
17 ソルダーレジスト膜
18 マスク
19 マスク
20 実装構造体
21 パッケージ基板
30 電源部品
31 コネクタ部品
32 コントローラ部品
33 メモリ部品
34 冷却ファン
35 ラック
36 冷却フィン
Claims (4)
- 複数の第1電極を有する配線基板と、
前記配線基板上に実装され、複数の第2電極を有する半導体装置と、
前記配線基板と前記半導体装置との間に設けられ、表面及び裏面が露出している導電性パッドと、前記導電性パッドを支持するシートとを有するインターポーザとを備え、
前記配線基板の半導体装置実装領域の外周部に設けられた前記第1電極と前記半導体装置の外周部に設けられた前記第2電極とがはんだ接合されており、
前記配線基板の半導体装置実装領域の内周部に設けられた前記第1電極と前記インターポーザの前記導電性パッドの裏面とがはんだ接合されており、
前記半導体装置の内周部に設けられた前記第2電極と前記インターポーザの前記導電性パッドの表面とがはんだ接合されていることを特徴とする実装構造体。 - 前記導電性パッドは、前記第1電極及び前記第2電極の面積よりも小さい面積を有することを特徴とする、請求項1に記載の実装構造体。
- 複数の第1電極を有する配線基板と、
前記配線基板上に実装され、複数の第2電極を有する半導体装置と、
前記配線基板と前記半導体装置との間に設けられ、表面及び裏面が露出している導電性パッドと、前記導電性パッドを支持するシートとを有するインターポーザとを備え、
前記配線基板の半導体装置実装領域の外周部に設けられた前記第1電極と前記半導体装置の外周部に設けられた前記第2電極とがはんだ接合されており、
前記配線基板の半導体装置実装領域の内周部に設けられた前記第1電極と前記インターポーザの前記導電性パッドの裏面とがはんだ接合されており、
前記半導体装置の内周部に設けられた前記第2電極と前記インターポーザの前記導電性パッドの表面とがはんだ接合されていることを特徴とする電子装置。 - シートに支持され、表面及び裏面が露出している導電性パッドを有するインターポーザの前記導電性パッドの裏面が、複数の第1電極を有する配線基板の半導体装置実装領域の内周部に設けられた前記第1電極上のはんだに接するように、前記配線基板上に前記インターポーザを載せ、
前記配線基板の半導体装置実装領域の外周部に設けられた前記第1電極上のはんだと、複数の第2電極を有する半導体装置の外周部に設けられた前記第2電極上のはんだとが対向し、かつ、前記インターポーザの前記導電性パッドの表面が、前記半導体装置の内周部に設けられた前記第2電極上のはんだに接するように、前記インターポーザを載せた前記配線基板上に前記半導体装置を載せ、
前記はんだを溶融させて、前記第1電極と前記第2電極とをはんだ接合し、前記第1電極と前記導電性パッドの裏面とをはんだ接合し、前記第2電極と前記導電性パッドの表面とをはんだ接合することを特徴とする実装構造体の製造方法。
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