JPH09298253A - 半導体装置およびその実装構造体 - Google Patents

半導体装置およびその実装構造体

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JPH09298253A
JPH09298253A JP13574396A JP13574396A JPH09298253A JP H09298253 A JPH09298253 A JP H09298253A JP 13574396 A JP13574396 A JP 13574396A JP 13574396 A JP13574396 A JP 13574396A JP H09298253 A JPH09298253 A JP H09298253A
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semiconductor device
solder
height
bga
mounting
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Hiroshi Ozaki
弘 尾▲崎▼
Hiroshi Oguma
広志 小熊
Shoji Matsugami
昌二 松上
Toshihiro Tsuboi
敏宏 坪井
Masayuki Shirai
優之 白井
Toshihiro Matsunaga
俊博 松永
Yasuki Tsutsumi
安己 堤
Akihiro Hida
昭博 飛田
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Hitachi ULSI Engineering Corp
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi ULSI Engineering Corp
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 接続端子の高さが低くなるのを防止する。 【解決手段】 BGA・IC25の封止体10の実装面
側主面の四隅には半田バンプ16群の溶融で形成される
接続端子群の高さを規定するストッパ18が突設されて
いる。BGA・IC25の実装基板30への実装は、各
半田バンプ16が実装基板30の各ランド32に半田ペ
ースト33を介し貼着された後に加熱されてリフロー半
田付け処理されることで実行される。加熱溶融した半田
バンプ16はBGA・ICの重量で押し潰されるが、ス
トッパ18が実装基板30の上面に押接するため、半田
バンプ16はストッパの規定寸法以下に押し潰されな
い。 【効果】 実装構造体の環境試験時や稼働時の熱ストレ
スに伴い接続端子群に作用する機械的ストレスを高さの
充分な接続端子の塑性変形で確実に吸収できるため、接
続端子自体が機械的ストレスで損傷されるのを防止でき
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
その実装構造体、特に、ボール・グリッド・アレーパッ
ケージを備えている半導体集積回路装置(以下、BGA
・ICという。)の実装に利用して有効な技術に関す
る。
【0002】
【従来の技術】多ピン化が進む今日、クワッド・フラッ
ト・パッケージ(QFP)ICやテープ・キャリア・パ
ッケージ(TCP)ICのような周辺部からピン(外部
端子)を取り出すパッケージでは、ピッチが狭くなるた
め、パッケージの製造限界およびボード・アセンブリの
限界に近づいている。そこで、パッケージの主面全体に
外部端子を配置することによってパッケージのサイズを
大きくせずに多ピンを実現する表面実装形ICとして、
BGA・ICが提案されている。
【0003】すなわち、このBGA・ICは内部端子群
と外部端子群とが表側主面と裏側主面とにそれぞれ形成
されているとともに、各内部端子と各外部端子とが互い
に電気的に接続されている配線基板(封止体のベース)
を備えており、配線基板の内部端子を形成された側の主
面には半導体ペレットがボンディングされているととも
に、内部端子群にボンディングワイヤによって電気的に
接続されており、配線基板の反対側主面で露出されてい
る各外部端子には半田バンプがそれぞれ突設されてい
る。
【0004】そして、このBGA・ICの実装基板への
実装は、各半田バンプが実装基板の各ランドに半田ペー
ストを介して貼着された後に加熱されてリフロー半田付
け処理されることにより実行される。すなわち、加熱に
よって溶融した半田バンプおよび半田ペーストの半田材
料が外部端子とランドとの間で硬化することによって接
続端子が形成されるため、BGA・ICは実装基板に接
続端子群によって機械的かつ電気的に接続された状態に
なる。
【0005】なお、BGA・ICを述べてある例として
は、株式会社日経BP社発行「VLSIパッケージング
技術(下)」1993年5月31日発行 P173〜P
178、がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のBGA
・ICにおいては、大型大重量になると、実装基板にリ
フロー半田付け処理の際に溶融した半田バンプが自重に
よって押し潰されるため、BGA・ICが実装基板に実
装された実装構造体において、半田バンプによって形成
された接続端子の高さが低くなり、温度サイクル試験や
稼働時における熱ストレスに対する疲労寿命が短縮され
るという問題点があることが、本発明者によって明らか
にされた。
【0007】本発明の目的は、接続端子の高さが低くな
るのを防止することができる半導体装置およびその実装
構造体を提供することにある。
【0008】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。
【0009】
【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説明すれば、次の通り
である。
【0010】すなわち、ボール・グリッド・アレーパッ
ケージを備えた半導体装置は、封止体の実装面側一主面
に半田バンプ群の溶融によって形成される接続端子群の
高さを規定するストッパが少なくとも3個、互いに離れ
た位置に突設されている。
【0011】前記半導体装置の実装基板への実装は、各
半田バンプが実装基板の各ランドに半田ペーストを介し
て貼着された後に加熱されてリフロー半田付け処理され
ることにより実行される。加熱によって溶融した半田バ
ンプは半導体装置の重量によって押し潰されるが、スト
ッパが実装基板の上面に押接することによりBGAパッ
ケージの高さ位置を規定するため、ストッパが規定する
寸法以下に半田バンプが押し潰されることはない。した
がって、各半田バンプによる接続端子の高さが過度に低
くなることは防止されることになる。
【0012】
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施形態である
BGA・ICの実装構造体を示しており、(a)は実装
途中の縦断面図、(b)は実装後の一部切断正面図であ
る。図2(a)はそのBGA・ICの底面図、(b)は
その実装基板の一部省略平面図である。図3は作用を説
明するための説明図である。
【0013】本実施形態において、本発明に係る半導体
装置は、パッケージ・サイズを小さく抑制しながら狭ピ
ッチ化を回避可能でしかも表面実装形の半導体集積回路
装置であるBGA・IC25として構成されている。こ
のBGA・IC25は図1および図2に示されているよ
うに構成されている。
【0014】すなわち、BGA・IC25はベースおよ
びキャップを有する気密封止体(以下、封止体とい
う。)10を備えている。ベース11は絶縁性を有する
セラミック材料としてのアルミナが使用されて略正方形
の平盤形状に成形されており、ベース11の一主面(以
下、下面とする。)の中央部にはキャビティー12が同
心的に没設されている。キャビティー12は大小の略正
方形の穴が同心的に重ね合わされた二段穴形状に形成さ
れており、その段部には多数の内部端子13が正方形の
各辺に互いに平行に並んで整列されている。各内部端子
13はベース11の下面におけるキャビティー12の外
側にマトリックス状に配列された多数個の外部端子15
のそれぞれに、各電気配線14によって電気的に接続さ
れている。各外部端子15の下面には略半球形状の半田
バンプ16が垂直方向下向きに突設されており、この半
田バンプ16は通常のリフロー半田付け実装作業に使用
される半田材料が使用されて形成されている。
【0015】ちなみに、内部端子13、外部端子15お
よび電気配線14は銅やタングステンおよびそれらの合
金等の導電性を有する材料が使用されて、ベース11の
表面および内部に多層配線構造に敷設されており、半田
バンプ16が形成される外部端子15の表面や、後記す
るワイヤボンディングが実施される内部端子13の表面
にはソルダビリティーやボンダビリティーを高めるため
にメッキ処理等の表面処理が適宜実施されている。
【0016】本実施形態において、ベース11の下面に
は半田バンプ16群の溶融によって形成される接続端子
群の高さを規定するストッパ18が4個、正方形の四隅
にそれぞれ配置されて形成されたパッド17の表面に垂
直方向下向きにそれぞれ突設されており、各ストッパ1
8のベース11の下面からの高さは半田バンプ16の高
さよりも若干高めに設定されている。ストッパ18は半
田バンプ16の半田材料の融点よりも高い融点を有する
半田材料が使用されてパッド17の表面に突設されてい
る。ストッパ18の高さ制御は、例えば、パッド17に
高融点半田材料を所定の体積だけ塗布した後に溶融硬化
させて、表面張力を利用して所定の高さの半球形状に形
成することにより、実行することができる。ちなみに、
4個のパッド17は外部端子15群と一緒に形成するこ
とができる。
【0017】ベース11のキャビティー12の穴底面
(図1では天井面になる。)には半導体ペレット(以
下、ペレットという。)21がフエイスアップ(アクテ
ィブエリア側の主面が穴底面と反対側を向けられた状
態)に配置されて、ボンディング層20によって固着
(ボンディング)されている。ペレット21のボンディ
ング面と反対側の主面には電極パッド22が複数個、外
周辺部に環状に配置されてそれぞれ形成されており、各
電極パッド22にはベース11の各内部端子13との間
にワイヤ23がそれぞれ橋絡されている。ちなみに、ボ
ンディング層20は銀ペーストや金−シリコン共晶層お
よび高融点半田材料によって、形成することが好まし
い。
【0018】そして、ベース11の下面にはキャップ1
9がキャビティー12を閉塞するように被せ着けられて
おり、この状態により、ペレット21、内部端子13群
およびワイヤ23群が気密封止された状態になってい
る。また、ベース11の上面にはヒートシンク24が固
着されており、このヒートシンク24によってBGA・
IC25の放熱性能が高められるようになっている。
【0019】なお、詳細な説明は省略するが、このBG
A・IC25に使用されるペレット21は半導体装置の
製造工程における所謂前工程において、ウエハ状態にて
所望の半導体素子群を含む集積回路を適宜作り込まれ
る。また、アクティブエリア側の主面における周辺部に
は導電性金属を用いて形成された電極パッド22が複数
個、ワイヤ23の一端部をボンディングし得るように配
されて形成される。そして、集積回路(図示せず)およ
び電極パッド22群が作り込まれたペレット21は、B
GA・ICの封止体10におけるキャビティー12の中
央部に収納され得る略正方形の小片にダイシングされ
る。
【0020】他方、BGA・IC25が実装される実装
基板30はガラス・エポキシ樹脂基板等の絶縁性を有す
る絶縁基板が使用されて形成された基板本体31を備え
ており、基板本体31の一主面(以下、上面とする。)
にはランド32が多数個、BGA・IC25の半田バン
プ16群に対応するように略正方形の枠形状に配されて
形成されている。各ランド32は銅等の導電性材料が使
用されて外部端子15と実質的に等しい大きさに形成さ
れており、その表面にはソルダビリティーを高めるため
の表面処理が施されている。図示しないが、各ランド3
2には電気配線が接続されており、各ランド32は各電
気配線によって実装基板30のコネクタや、実装基板3
0に実装された他の電子部品や電子機器等に電気的に接
続されている。
【0021】次に、前記構成に係るBGA・IC25の
同じく実装基板30への実装方法を説明する。この説明
により、本発明の一実施形態であるBGA・ICの実装
構造体の構成が共に明らかにされる。
【0022】BGA・IC25が実装基板30に実装さ
れるに際して、実装基板30の各ランド32には半田ペ
ースト33がスクリーン印刷法等の塗布方法によって塗
布される。続いて、BGA・IC25が実装基板30
に、各半田バンプ16が各ランド32に整合されて搭載
される。各半田バンプ16は各ランド32に当接される
と、半田ペースト33によって粘着された状態になるた
め、BGA・IC25は実装基板30に保持された状態
になる。
【0023】この保持状態で、BGA・IC25と実装
基板30との組立体が加熱炉等によって加熱されると、
半田バンプ16および半田ペースト33は溶融する。そ
の後、溶融した半田が冷却によって硬化すると、半田バ
ンプ16および半田ペースト33によって各外部端子1
5と各ランド32との間に接続端子34が形成される。
各接続端子34によって各外部端子15と各ランド32
との間が溶着された状態になるため、BGA・IC25
は実装基板30に機械的かつ電気的に接続された状態に
なり、BGA・ICの実装構造体35が製造されたこと
になる。
【0024】ところで、図3(a)に示されているよう
に、半田バンプおよび半田ペーストの半田材料が溶融し
た接続端子の形成のための半田(以下、溶融半田とい
う。)36は、軟化した状態になっているため、BGA
・IC25の重量が大きいと、押し潰され、その結果、
図3(b)に示されているように、高さhが低く中央部
が膨らんだビア樽形状の接続端子37が形成されてしま
う。
【0025】しかし、本実施形態においては、BGA・
IC25に半田バンプ16とは別にストッパ18が突設
されているため、接続端子34はストッパ18によって
規定された高さ以上の高さHを維持することができる。
すなわち、図3(c)に示されているように、半田バン
プおよび半田ペーストの半田材料が溶融した接続端子形
成のための溶融半田36は軟化することにより、BGA
・IC25の自重により押し潰されようとする。他方、
高融点半田材料によって形成されたストッパ18は溶融
しないため、初期の高さを維持している。したがって、
万一、BGA・IC25によって溶融半田36が押し潰
されたとしても、図3(d)に示されているように、ス
トッパ18の下端が実装基板30の上面に当接するた
め、ストッパ18の高さ以下に溶融半田36は押し潰さ
れることはなく、ストッパ18が規定する高さ以上の高
さHを維持することができる。つまり、BGA・IC2
5は実装基板30の上面に対して予め設定された高さ以
上を維持することになる。
【0026】次に作用を説明する。以上のようにして製
造された前記構成に係るBGA・ICの実装構造体35
は出荷前に最終検査を実施される。最終検査としては温
度サイクル試験や熱衝撃試験を含む環境試験が実施され
る。また、BGA・IC25はその稼動時に温度上昇お
よび冷却を繰り返す。このように環境試験および稼動に
伴って熱ストレスがBGA・ICの実装構造体35に加
わると、BGA・IC25と実装基板30との熱膨張係
数差による膨張収縮によって接続端子34群に機械的ス
トレスが加わる。
【0027】ここで、各接続端子34は塑性変形し易い
半田材料によって形成されているため、半田材料の塑性
変形性によって機械的ストレスを吸収することができ
る。ところが、図3(b)に示されているように、高さ
hが低くなった接続端子37においては、機械的ストレ
スに追従した塑性変形が不能になるため、接続端子37
自体がこの機械的ストレスによって損傷されてしまう事
態が発生する。その結果、熱ストレスに対する疲労寿命
が短縮されてしまう。
【0028】これに対して、本実施形態においては、接
続端子34はいずれもストッパ18によって規定された
高さ以上の高さHを維持していることにより、機械的ス
トレスに追従して充分に塑性変形することができるた
め、接続端子34自体が機械的ストレスによって損傷さ
れてしまうことはない。したがって、熱ストレスに対す
る疲労寿命を延ばすことができる。
【0029】ちなみに、BGA・IC25に突設された
ストッパ18は実装基板30の表面に接触しているだけ
であり、しかも、ストッパ18は半球形状に形成されて
いるため、接続端子34の塑性変形に伴うBGA・IC
25と実装基板30との相対的な平行移動はストッパ1
8によって妨げられることはない。つまり、ストッパ1
8は各接続端子34の機械的ストレスの吸収作用の障害
にならない。
【0030】前記実施形態によれば次の効果が得られ
る。 (1) BGA・IC25に半田バンプ16とは別にス
トッパ18を突設することにより、BGA・IC25の
実装基板30へのリフロー半田付け処理に際して接続端
子34にストッパ18によって規定された高さ以上の高
さを維持させることができるため、BGA・IC25は
実装基板30の上面に対して予め設定された高さを維持
することができる。
【0031】(2) BGA・IC25が実装基板30
に実装された実装構造体35において、接続端子34に
ストッパ18によって規定された高さ以上の高さを維持
させることにより、実装構造体35の環境試験時や稼働
時の熱ストレスに伴って接続端子34群に作用する機械
的ストレスを半田の塑性変形によって確実に吸収するこ
とができるため、接続端子34自体がこの機械的ストレ
スによって損傷されてしまう事態を防止することができ
る。
【0032】(3) 前記(2)により、BGA・IC
25が実装基板30に実装された実装構造体35の品質
および信頼性を高めることができるとももに、寿命を延
ばすことができる。
【0033】図4(a)、(b)はストッパの他の実施
形態をそれぞれ示す各拡大部分断面図である。
【0034】図4(a)に示されている実施形態に係る
ストッパ18Aは、金属製または樹脂製のボール18A
aが半田材料または接着材から形成された接着材層18
Abによって接着されることにより構成されている。
【0035】図4(b)に示されている実施形態に係る
ストッパ18Bは、金属製または樹脂製のピン18Ba
がベース11に開設された保持穴18Bbに植え込まれ
ることにより構成されている。
【0036】図5は本発明の他の実施形態であるBGA
・ICの実装構造体を示しており、(a)は実装途中の
縦断面図、(b)は実装後の一部切断正面図である。
【0037】本実施形態2が前記実施形態1と異なる点
は、ストッパ18が実装基板30側に配設されている点
にある。本実施形態2によれば、前記実施形態1と同様
の作用および効果が奏される。
【0038】以上本発明者によってなされた発明を実施
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
囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0039】例えば、ストッパは封止体の実装側主面に
おける四隅にそれぞれ配置するに限らず、他の場所に分
散配置してもよい。また、ストッパの数は4個に限ら
ず、一平面を構成する最小の数である3個以上であれば
よい。
【0040】ベースとペレットとの電気的接続は、ワイ
ヤボンディング法を使用するに限らず、フリップ・チッ
プ法やテープ・オートメイテッド・ボンディング(TA
B)法等の一括ボンディング(ギャングボンディング)
法を使用してもよい。
【0041】ペレットや内部端子およびワイヤ等を封止
する封止体は、気密封止体に限らず樹脂封止体であって
もよい。
【0042】ペレットや封止体および実装基板の形状
は、正方形に限らず、長方形等に形成してもよい。
【0043】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
・ICおよびその実装構造体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く、半田バンプ
によって形成される接続端子群によって実装される半導
体装置およびその実装構造体全般に適用することができ
る。特に、本発明はパッケージのサイズを大きくせずに
多ピンを実現する表面実装形パッケージを備えている半
導体装置に利用して優れた効果が得られる。
【0044】
【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、次
の通りである。
【0045】半導体装置の封止体または実装基板に半田
バンプとは別にストッパを突設することにより、半導体
装置の実装基板へのリフロー半田付け処理に際して接続
端子にストッパによって規定された高さ以上の高さを維
持させることができるため、実装構造体の環境試験時や
稼働時の熱ストレスに伴って接続端子群に作用する機械
的ストレスを半田の塑性変形によって確実に吸収するこ
とができるため、接続端子自体がこの機械的ストレスに
よって損傷されてしまう事態を防止することができる。
その結果、半導体装置が実装基板に実装された実装構造
体の品質および信頼性を高めることができるとももに、
寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態であるBGA・ICの実装
構造体を示しており、(a)は実装途中の縦断面図、
(b)は実装後の一部切断正面図である。
【図2】(a)はそのBGA・ICの底面図、(b)は
その実装基板の一部省略平面図である。
【図3】(a)、(b)、(c)、(d)は作用を説明
するための各拡大部分断面図である。
【図4】(a)、(b)はストッパの他の実施形態をそ
れぞれ示す各拡大部分断面図である。
【図5】本発明の他の実施形態であるBGA・ICの実
装構造体を示しており、(a)は実装途中の縦断面図、
(b)は実装後の一部切断正面図である。
【符合の説明】
10…気密封止体、11…ベース、12…キャビティ
ー、13…内部端子、14…電気配線、15…外部端
子、16…半田バンプ、17…パッド、18…ストッ
パ、19…キャップ、20…ボンディング層、21…半
導体ペレット、22…電極パッド、23…ワイヤ、24
…ヒートシンク、25…BGA・IC(半導体装置)、
30…実装基板、31…基板本体、32…ランド、33
…半田ペースト、34…接続端子、35…BGA・IC
の実装構造体(半導体装置の実装構造体)、36…溶融
半田、37…低い接続端子、18A…球形状のストッ
パ、18Aa…ボール、18Ab…接着材層、18B…
ピン形状のストッパ、18Ba…ピン、18Bb…保持
穴。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小熊 広志 東京都小平市上水本町5丁目20番1号 日 立超エル・エス・アイ・エンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 松上 昌二 東京都小平市上水本町5丁目20番1号 日 立超エル・エス・アイ・エンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 坪井 敏宏 東京都小平市上水本町5丁目20番1号 日 立超エル・エス・アイ・エンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 白井 優之 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 松永 俊博 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 堤 安己 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 飛田 昭博 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日立 製作所デバイス開発センタ内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体ペレットが封止された四角形平盤
    形状の封止体の一主面に外部端子群が配置されており、
    各外部端子に半田バンプがそれぞれ突設されている半導
    体装置において、 前記封止体の前記一主面に前記半田バンプ群の溶融によ
    って形成される接続端子群の高さを規定するストッパが
    少なくとも3個、互いに離れた位置に突設されているこ
    とを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 半導体ペレットが封止された四角形平盤
    形状の封止体の一主面に外部端子群が配置されており各
    外部端子に半田バンプがそれぞれ突設されている半導体
    装置が実装基板に、各半田バンプを各ランドにそれぞれ
    溶着されて形成された接続端子群によって機械的かつ電
    気的に接続されている半導体装置の実装構造体におい
    て、 前記封止体の前記一主面の互いに離れた位置に突設され
    た少なくとも3個のストッパにより、前記接続端子群の
    高さが規定されていることを特徴とする半導体装置の実
    装構造体。
  3. 【請求項3】 半導体ペレットが封止された四角形平盤
    形状の封止体の一主面に外部端子群が配置されており各
    外部端子に半田バンプがそれぞれ突設されている半導体
    装置が実装基板に、各半田バンプを各ランドにそれぞれ
    溶着されて形成された接続端子群によって機械的かつ電
    気的に接続されている半導体装置の実装構造体におい
    て、 前記実装基板のランド群側主面の互いに離れた位置に突
    設された少なくとも3個のストッパにより、前記接続端
    子群の高さが規定されていることを特徴とする半導体装
    置の実装構造体。
JP13574396A 1996-05-02 1996-05-02 半導体装置およびその実装構造体 Withdrawn JPH09298253A (ja)

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