JPH09129788A - 半導体装置およびそれを用いた電子装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パッケージのベース基板と実装基板との熱膨
脹率が異なっていても、ボール状電極のクラックを防止
することが可能な技術を提供する。 【解決手段】 パッケージ１０のベース基板２を、ボル
ト１７とナット１８とからなる係合手段を介して実装基
板１３に係合することにより、ベース基板２の底面に配
置した複数のボール状電極１１を実装基板１３の表面の
複数の柔軟性を有する導電体１４に圧着する。これによ
って、ＬＳＩの動作中に温度変化の繰り返しによって、
ベース基板２と実装基板１３間の熱膨張率の差に基づい
て歪みが生じても、この歪みは圧着部分によって吸収さ
れるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置および
それを用いた電子装置に関し、特に、パッケージの底面
に複数のボール状電極が配置され、これら複数のボール
状電極が実装基板に接続されることにより面実装される
タイプの半導体装置に適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩで代表される半導体装置は、高集
積化、高機能化が進むにつれて、パッケージから取り出
されるリードの数は益々増加する傾向にある。このよう
な多リード化に適応した代表的なパッケージとして、Ｑ
ＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）が知られ
ている。

【０００３】ここで、ＱＦＰは複数のリードをパッケー
ジの周囲から取り出しているので、ＬＳＩを実装基板に
面実装する場合は、パッケージ周囲におけるリードの広
がり分だけ面積を占有してしまうため、実装上の制約を
受けるようになる。

【０００４】このため、リードに代えてピンを用いて、
これらピンを底面から取り出すようにしたパッケージと
してＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）構造が提
供されるようになってきた。このＰＧＡを有するＬＳＩ
によれば、複数のピンはパッケージの周囲からではな
く、全面から取り出されるので、ピンを実装基板に挿入
して実装することにより、ＱＦＰのように余分な面積を
占有することがなくなる。

【０００５】しかしながら、このＰＧＡは実装基板に面
実装する場合に、複数のピンを実装基板に挿入する必要
があるので、実装基板の片面しか部品実装に利用できな
いため、実装基板の利用率が悪いという欠点がある。

【０００６】このため、さらにピンに代えてバンプ電極
のようなボール状電極を用いるようにした、ＢＧＡ（Ｂ
ａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）構造が提供されるよう
になってきた。このようなＢＧＡは実装基板に面実装す
る場合に、複数のボール状電極を実装基板に挿入する必
要がないので、実装基板の両面を部品実装に利用できる
ようになるため、実装基板の利用率が向上するようにな
り、高密度実装に適するようになる。ボール状電極とし
ては、一般に半田バンプ電極が用いられて、複数のボー
ル状電極は実装基板の対応した導電層に半田付けされる
ようになっている。

【０００７】このようなＢＧＡに関する技術は、例えば
日経ＢＰ社発行、「日経エレクトロニクス」、１９９４
年、２−１４号、Ｐ５９〜Ｐ７３、あるいは同誌、１９
９４年、２−２８号、Ｐ１１１〜Ｐ１１７などに、詳細
に記載されている。

【０００８】このようなＢＧＡを有するＬＳＩにおい
て、パッケージは、ガラスエポキシ、ＢＴ樹脂、セラミ
ックスなどからなるベース基板に半導体チップがフェー
スアップボンディングあるいはフェースダウンボンディ
ングされて、全体がエポキシ樹脂あるいはキャップなど
によって封止されている。一方、ＬＳＩが面実装される
実装基板の材料としては、ガラスエポキシ、紙エポキ
シ、ベークライトなどが用いられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記のようなＢＧＡを
有するＬＳＩを実装基板に面実装した場合、パッケージ
のベース基板の材料と実装基板の材料との熱膨張率の相
違により、時間の経過につれて、パッケージの底面に配
置されているボール状電極がクラックするという問題が
ある。

【００１０】すなわち、ＬＳＩの動作中に熱が発生した
り、あるいは周囲温度が上昇したりすると、これらの温
度変化の繰り返しによって、ベース基板と実装基板間の
熱膨張率の差に基づいて生ずる歪が、ボール状電極の半
田接続部に集中するようになるため、この半田接続部が
疲労破断するようになる。これは、より高密度実装を図
るためにパッケージのサイズを大きくするほど著しくな
り、実装信頼性を低下させることになる。

【００１１】このようにボール状電極の半田接続部がク
ラックする現象は、実装基板に実装された半導体装置に
対して温度サイクル試験を施すことにより、容易に確認
することができる。

【００１２】そのような不都合を解決するには、ボール
状電極の半田接続部の面積を制限することによって受け
る歪を軽減させることが考えられるが、これはボール状
電極の数を制限することになるので、実装密度の低下に
結びつくため好ましくない。

【００１３】本発明の目的は、パッケージのベース基板
と実装基板との熱膨脹率が異なっていても、ボール状電
極のクラックを防止することが可能な技術を提供するこ
とにある。

【００１４】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかにな
るであろう。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下
記の通りである。

【００１６】（１）本発明の半導体装置は、半導体チッ
プを封止しているパッケージの底面に複数のボール状電
極が配置され、これら複数のボール状電極が実装基板に
接続されることにより面実装される半導体装置であっ
て、前記ボール状電極が接続される前記実装基板の位置
には柔軟性を有する導電体が設けられて、この導電体に
ボール状電極が圧着されている。

【００１７】（２）本発明の電子装置は、半導体チップ
を封止しているパッケージの底面に複数のボール状電極
が配置された半導体装置が、予め柔軟性を有する複数の
導電体を設けた実装基板に前記ボール状電極を前記導電
体に圧着することにより面実装され、この半導体装置を
面実装した実装基板が複数枚モジュール基板に搭載され
ている。

【００１８】上述した（１）の手段によれば、本発明の
半導体装置は、半導体チップを封止しているパッケージ
の底面に複数のボール状電極が配置され、これら複数の
ボール状電極が実装基板に接続されることにより面実装
される半導体装置であって、前記ボール状電極が接続さ
れる前記実装基板の位置には柔軟性を有する導電体が設
けられて、この導電体にボール状電極が圧着されている
ので、パッケージのベース基板と実装基板との熱膨脹率
が異なっていても、ボール状電極のクラックを防止する
ことが可能となる。

【００１９】上述した（２）の手段によれば、本発明の
電子装置は、半導体チップを封止しているパッケージの
底面に複数のボール状電極が配置された半導体装置が、
予め柔軟性を有する複数の導電体を設けた実装基板に前
記ボール状電極を前記導電体に圧着することにより面実
装され、この半導体装置を面実装した実装基板が複数枚
モジュール基板に搭載されているので、パッケージのベ
ース基板と実装基板との熱膨脹率が異なっていても、ボ
ール状電極のクラックを防止することが可能となる。

【００２０】以下、本発明について、図面を参照して実
施形態とともに詳細に説明する。

【００２１】なお、実施形態を説明するための全図にお
いて、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰
り返しの説明は省略する。

【００２２】

【発明の実施の形態】

（実施形態１）図１は本発明の実施形態１による半導体
装置を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図で、ＬＳ
Ｉに適用した例で示している。本実施形態の半導体装置
１は、例えばガラスエポキシ、ＢＴ樹脂、セラミックス
などからなるベース基板２の表面に半導体チップ３がシ
リコーン樹脂などの接着剤８を介してフェースアップボ
ンディングされるとともに、半導体チップ３の周囲には
ベース基板２と同様な材料からなる内側が階段状に形成
された枠体４が同様な接着剤８を介して取り付けられて
いる。半導体チップ３の表面には複数のパッド電極５が
設けられ、半導体チップ３の各パッド電極５と各導電層
６との間には、例えばＡｕからなるワイヤ７がボンディ
ングされている。

【００２３】枠体４の上面には例えばＡｌなどからなる
板状のキャップ９が、シリコーン樹脂のような接着剤８
を介して取り付けられている。これによって、ベース基
板２、枠体４およびキャップ９はパッケージ１０を構成
して、半導体チップ３を封止している。

【００２４】パッケージ１０のベース基板２の底面には
複数の半田バンプ電極からなるボール状電極１１が配置
されている。各ボール状電極１１は、予めベース基板２
の裏面の所望位置にＡｕなどからなる導電層１２を形成
しておいて、これに半田バンプ電極をソルダリングする
ことにより形成される。ベース基板２にはスルーホール
（図示せず）が設けられており、表面側の各導電層６と
底面側の各導電層１２とはスルーホール配線を介して導
通している。

【００２５】例えばガラスエポキシ、紙エポキシ、ベー
クライトなどからなる実装基板１３の表面の、前記複数
のボール状電極１１に対向した位置には例えばエポキシ
樹脂、ポリイミド樹脂などの樹脂材料に、例えばＡｇ、
Ａｌなどの導電材料が含有されて形成された柔軟性を有
する導電体１４が設けられている。この導電体１４は、
パッケージ１０の実装時ボール状電極１１が圧着された
とき、容易に変形する程度の柔軟性を有するものが用い
られる。

【００２６】パッケージ１０のベース基板２の周辺部の
例えば４箇所には、およびこれに対応した実装基板の４
箇所には、各々孔１５、１６が開口されており、各孔１
５、１６にはボルト１７が挿通されてその先端がナット
１８で固定されている。これにより、ベース基板２は実
装基板１３に係合されるようになって、パッケージ１０
は実装基板１３に面実装されて、複数のボール状電極１
１と複数の柔軟性を有する導電体１４との対応したもの
同志が圧着されている。

【００２７】図３に図２のＡ部分の拡大構造を示すよう
に、各柔軟性を有する導電体１４は、圧着時の各ボール
状電極１１による圧力によって押圧されてほぼ中央部が
凹むように変形する。これにより各ボール状電極１１と
各柔軟性を有する導電体１４との導通がとられる。しか
しながら、本実施形態においては、従来例に比較して、
各ボール状電極１１と各柔軟性を有する導電体１４とは
単に圧着されているだけであり、従来のように半田溶融
による接続ではない点が異なっている。

【００２８】次に、本実施形態の半導体装置の製造方法
を、図４乃至図９を参照して工程順に説明する。

【００２９】まず、図４に示すように、例えばガラスエ
ポキシ、ＢＴ樹脂、セラミックスなどからなるベース基
板２を用いて、この表面に半導体チップ３をシリコーン
樹脂などの接着剤８を介してフェースアップボンディン
グする。ベース基板２の表面および底面の所望位置には
予めＡｕなどからなる導電層６、１２が形成されてい
て、各導電層６、１２の対応したもの同志はスルーホー
ル配線を介して導通しているものとする。また、ベース
基板２の周辺部の４箇所には孔１５が開口されているも
のとする。

【００３０】次に、図５に示すように、ベース基板２と
同様な材料からなる内側が階段状に形成された枠体４を
用いて、ベース基板２の表面の半導体チップ３の周囲に
シリコーン樹脂などの接着剤８を介して取り付ける。枠
体４の内側の所望位置には予めＡｕなどからなる導電層
６が形成されているものとする。続いて、半導体チップ
３の表面に形成されている複数のパッド電極５と、ベー
ス基板２あるいは枠体４に形成されている導電層６との
間の対応するもの同士を、Ａｕのようなワイヤ７によっ
てボンディングする。

【００３１】次に、図６に示すように、例えばＡｌなど
からなる板状のキャップ９を用いて、枠体４の上面にシ
リコーン樹脂などの接着剤８を介して取り付けて、ベー
ス基板２、枠体４およびキャップ３からなるパッケージ
１０を構成して半導体チップ３を封止する。

【００３２】続いて、図７に示すように、パッケージ１
０のベース基板２の底面に形成されている導電層１２に
半田バンプ電極からなるボール状電極１１を供給して、
パッケージ１０をソルダー炉を通過させることにより、
ボール状電極１１をソルダリングにより形成する。ボー
ル状電極１１の供給は、予めボール状電極１１（一例と
して直径７００〜８００μｍの半田バンプ電極）を用意
して、このボール状電極１１あるいは導電層１２のいず
れか一方側にフラックスを塗布しておくことにより、ボ
ール状電極１１はこのフラックスにより保持された状態
でソルダー炉に送られる。

【００３３】次に、図８に示すように、前記複数のボー
ル状電極１１に対向した表面の位置に柔軟性を有する導
電体１４が設けられ、パッケージ１０のベース基板２の
周囲部の孔１５に対応した位置に孔１６が開口された、
例えばガラスエポキシ、紙エポキシ、ベークライトなど
からなる実装基板１３を用いて、上方にパッケージ１０
を配置する。次に、ベース基板２および実装基板１３の
各孔１５、１６にボルト１７を挿通し、先端をナット１
８で固定することにより、ベース基板２を実装基板１３
に係合する。これにより、図１および図２にに示したよ
うに、ベース基板２の底面の複数のボール状電極１１
と、実装基板１３の表面の複数の柔軟性を有する導電体
１４との対応したもの同志は圧着されて、パッケージ１
０は実装基板１３に面実装される。

【００３４】柔軟性を有する導電体１４としては、例え
ばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂にＡｇ、Ａｌのような
導電材料が含有されたものを用いることができる。図９
はこのような柔軟性を有する導電体１４の形成方法を説
明するもので、一例としてスクリーン印刷法によって形
成する。

【００３５】まず、図９（ａ）に示すように、所望部の
みに開口２０を有し他部はレジスト２１でマスクされた
スクリーンマスク２２を用いて、実装基板１３の表面を
覆うようにする。次に、図９（ｂ）に示すように、エポ
キシ樹脂のような絶縁材料にＡｇ粉末のような導電材料
を含有させた導電性ペースト２３をスクリーンマスク２
２上に供給した後、スキージ２４により導電性ペースト
２３を押し付けながら矢印方向に移動させて、開口２０
を通じて導電性ペースト２３を実装基板１３の表面の所
望位置に塗布する。続いて、スクリーンマスク２２を除
去した後、実装基板１３の熱処理を行うことにより、図
９（ｃ）に示すように、導電性ペースト２３が乾燥して
柔軟性を有する導電体１４が形成される。この場合、柔
軟性を有する導電体１４の膜厚ｔはほぼスクリーンマス
ク２２の厚さＴによって調整することが可能である。

【００３６】以上のような実施形態１によれば次のよう
な効果が得られる。

【００３７】パッケージ１０のベース基板２を、ボルト
１７とナット１８とからなる係合手段を介して実装基板
１３に係合することにより、ベース基板２の底面に配置
した複数のボール状電極１１を実装基板１３の表面の複
数の柔軟性を有する導電体１４に圧着するようにしたの
で、ＬＳＩの動作中に温度変化の繰り返しによって、ベ
ース基板２と実装基板１３間の熱膨張率の差に基づいて
歪みが生じても、この歪みは圧着部分によって吸収され
るようになる。従って、パッケージ１０のベース基板２
と実装基板１３との熱膨脹率が異なっていても、ボール
状電極１１のクラックを防止することが可能となる。

【００３８】（実施形態２）図１０は本発明の実施形態
２による半導体装置を示す断面図で、パッケージ１０の
ベース基板２を実装基板１３に係合する係合手段とし
て、板バネを用いるようにした例を示すものである。

【００３９】すなわち、本実施形態の半導体装置１は、
パッケージ１０のベース基板２の周囲部の４個所に各
々、先端に屈曲部２５を有する板バネ２６を設けるとと
もに、対応した実装基板１３の所望位置には孔１６を開
口するようにしたものである。

【００４０】パッケージ１０を実装基板１３に面実装す
る場合は、ベース基板の板バネ２６の屈曲部２５を屈曲
した状態で、実装基板１３の対応した孔１６に挿入する
ことにより、挿入後に屈曲部２５がバネ力により広がる
ので、ベース基板２は実装基板１３に係合される。

【００４１】以上のような実施形態２によっても、係合
手段の構成が異なるだけで実施形態１と同様な作用が行
われるので、実施形態１と同様な効果を得ることができ
る。

【００４２】（実施形態３）図１１は本発明の実施形態
３による電子装置を示す断面図で、実施形態１による半
導体装置１を面実装した実装基板１３を複数枚用いて、
共通のモジュール基板２７に搭載して、コンピュータの
ような電子装置に適用した例を示すものである。

【００４３】各実装基板１３の両面には半導体装置１と
ともに、抵抗、キャパシタ、インダクタのような周辺回
路を構成する回路部品２８が実装されて、各実装基板１
３はコネクタ２９を介してモジュール基板２７に搭載さ
れて、電子装置３０が構成される。

【００４４】以上のような実施形態３によれば、パッケ
ージ１０の底面に配置された複数のボール状電極１１の
クラック防止が図られた半導体装置１が用いられて電子
装置３０が構成されているので、信頼性の高い電子装置
を実現することが可能となる。

【００４５】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、
前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論で
ある。

【００４６】例えば、前記実施形態では、実装基板に設
ける柔軟性を有する導電体の構成は一例を示したもので
あり、これに限らずＡｕ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｐｂ−Ｓｎ系合
金、Ｉｎのように比較的柔らかい金属材料を用いて構成
することも可能である。

【００４７】また、前記実施形態では、ベース基板に対
して半導体チップをフェースアップボンディングする例
で説明したが、これに限らずフェースダウンボンディン
グする場合にも同様に適用することができる。

【００４８】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野であるＢＧＡ
を有する半導体装置に適用した場合について説明した
が、それに限定されるものではない。本発明は、少なく
とも相互に導通をとる両導電体を圧着により接続して歪
みの影響を避けることを条件とするものには適用できる

【００４９】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。

【００５０】半導体チップを封止しているパッケージの
底面に配置された複数のボール状電極が接続される実装
基板の位置に柔軟性を有する導電体を設けるようにし
て、この導電体にボール状電極を圧着するようにしたの
で、パッケージのベース基板と実装基板との熱膨脹率が
異なっていても、ボール状電極のクラックを防止するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１による半導体装置を示す平
面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図２のＡ部分の拡大構造を示す断面図である。

【図４】本発明の実施形態１による半導体装置の製造方
法の一工程を示す断面図である。

【図５】本発明の実施形態１による半導体装置の製造方
法の他の工程を示す断面図である。

【図６】本発明の実施形態１による半導体装置の製造方
法のその他の工程を示す断面図である。

【図７】本発明の実施形態１による半導体装置の製造方
法のその他の工程を示す断面図である。

【図８】本発明の実施形態１による半導体装置の製造方
法のその他の工程を示す断面図である。

【図９】本発明の実施形態１による半導体装置の製造方
法のその他の工程を示すもので、（ａ）乃至（ｃ）は断
面図である。

【図１０】本発明の実施形態２による半導体装置を示す
断面図である。

【図１１】本発明の実施形態３による電子装置を示す断
面図である。

【符号の説明】

１…半導体装置、２…ベース基板、３…半導体チップ、
４…枠体、５…パッド電極、６、１２…導電層、、７…
ボンディングワイヤ、８…接着剤、９…キャップ、１０
…パッケージ、１１…ボール状電極、１３…実装基板、
１４…柔軟性を有する導電体、１５、１６…孔、１７…
ボルト、１８…ナット、２０…開口、２１…レジスト、
２２…スクリーンマスク、２３…導電性ペースト、２４
…スキージ、２５…屈曲部、２６…板バネ、２７…モジ
ュール基板、２８…回路部品、２９…コネクタ、３０…
電子装置。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体チップを封止しているパッケージ
   の底面に複数のボール状電極が配置され、これら複数の
   ボール状電極が実装基板に接続されることにより面実装
   される半導体装置であって、前記ボール状電極が接続さ
   れる前記実装基板の位置には柔軟性を有する導電体が設
   けられて、この導電体にボール状電極が圧着されること
   を特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 前記パッケージおよび実装基板の各々の
   周辺部を係合手段を介して係合させて、前記ボール状電
   極を前記導電体に圧着することを特徴とする請求項１に
   記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 前記係合手段は、ボルトを用いることを
   特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記柔軟性を有する導電体は、導電材料
   を含有する樹脂材料からなることを特徴とする請求項１
   乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 【請求項５】 半導体チップを封止しているパッケージ
   の底面に複数のボール状電極が配置された半導体装置
   が、予め柔軟性を有する複数の導電体を設けた実装基板
   に前記ボール状電極を前記導電体に圧着することにより
   面実装され、この半導体装置を面実装した実装基板が複
   数枚モジュール基板に搭載されることを特徴とする電子
   装置。
6. 【請求項６】 前記パッケージおよび実装基板の各々の
   周辺部を係合手段を介して係合させて、前記ボール状電
   極を前記導電体に圧着することを特徴とする請求項５に
   記載の電子装置。