JPH10209213A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接続部の破壊を防止することができ、製造が
容易な半導体装置およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 セラミックス製ＢＧＡ基板１０の少なく
とも２以上の角部に貫通穴１００が形成され、プリント
基板２０の貫通穴１００に相対する箇所に固定棒８０が
設けられているので、プリント基板２０に搭載されたセ
ラミックス製ＢＧＡ基板１０は、温度変化で膨張収縮す
るプリント基板２０の変形を固定棒８０を介して抑える
ことができる。したがって、プリント基板２０とセラミ
ックス製ＢＧＡ基板１０との接続部の破壊を防止するこ
とができる。また、高温ハンダボール７０とメタライズ
パッド６０および共晶ハンダ５０との位置合わせは、固
定棒８０を貫通穴１００に挿入するだけでよく、正確且
つ容易になる。また、セラミックス製ＢＧＡ基板１０の
プリント基板２０への搭載は、人の手により容易に行う
ことができるため、設備コストを低く抑えることができ
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、半導体パッケージ
とそのパッケージを搭載するプリント基板とを備えた半
導体装置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高性能でかつ高集積なＬＳＩ
を搭載するパッケージには、配線密度が高いこと、放熱
性がよいこと、高速の信号を扱うことができること、さ
らにパッケージの入出力端子の個数を多くすること（以
下、「多端子化」という）が可能であること、入出力端
子のピッチを狭くすること（以下、「狭ピッチ化」とい
う）が可能であることが求められている。

【０００３】上述のパッケージの入出力端子の多端子化
および狭ピッチ化に伴い、パッケージとプリント基板等
のボードとの接合部の多端子化および狭ピッチ化が必要
になってきている。また、ＬＳＩが高速の信号を扱うこ
とによりパッケージには、電気特性についての考慮が必
要となる。ピンやリードを使用したＱＦＰ（Ｑｕａｄ
Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）やＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉ
ｄ Ａｒｒａｙ）等のパッケージは、さらに入出力端子
の多端子化および狭ピッチ化が困難であり、また、ＱＦ
ＰやＰＧＡ等のパッケージにおいて高速信号を扱おうと
すると、ピンやリード部分におけるインダクタンスが大
きくなって信号が遅延し、高周波特性が悪化する。この
ようなピンやリードに起因する高速信号の遅延の問題を
改善することを可能にしたものがＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇ
ｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージである。

【０００４】このＢＧＡパッケージは、スーパーコンピ
ュータや大型コンピュータからパーソナルコンピュータ
や携帯機器等の民生品へ使用用途が広がっている。ＢＧ
Ａパッケージは、プリント基板との接合部にハンダバン
プを用いたパッケージであり、接合部の多端子化および
狭ピッチ化が容易となる。さらに、ＢＧＡパッケージに
おける接合部の多端子化および狭ピッチ化は、パッケー
ジサイズを縮小化し、プリント基板への搭載密度の向上
や配線の容量、インダクタンスおよび抵抗の低減による
電気特性の向上による高周波特性の改善が期待できる。
また、ＢＧＡパッケージのプリント基板への搭載はＰＧ
ＡやＱＦＰと比較して容易である。

【０００５】ＢＧＡパッケージは、例えば図９に示すよ
うにパッケージ１上に入出力端子としてのメタライズパ
ッド３が形成される。このメタライズパッド３は、接合
部としての共晶ハンダ４とハンダボール７とを介してメ
タライズパッド６と共晶ハンダ５とが形成されたプリン
ト基板２に接続され、導通が図られている。このパッケ
ージ１とプリント基板２との接続は、共晶ハンダ４とハ
ンダボール７とが形成されたパッケージ１を、ハンダボ
ール７が共晶ハンダ５の上になるよう位置合わせし、リ
フロー処理により共晶ハンダ５を溶融させる工程を含ん
でいる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＢＧＡ
パッケージには以下の問題があった。 プリント基板との接続部が破壊され易い。パッケージ
１とプリント基板２とは、メタライズパッド３および６
と共晶ハンダ４および５とハンダボール７とを介して接
合されている。この半導体装置が高温や低温の環境にさ
らされた場合、パッケージ１とプリント基板２との熱膨
張率の差に起因してパッケージ１およびプリント基板２
に変位差が生じる。半導体装置を構成する各部材間に
は、この変位差により歪やそれに起因する応力が生じる
が、特に、パッケージ１とプリント基板２とを結合して
いる共晶ハンダ４および５にせん断応力が生じる。その
結果、共晶ハンダ４および５が塑性変形を起こし、破壊
が起きる場合がある。このとき、図１１に示すようにパ
ッケージ１の中心から最も離れた角部１ａに位置する結
合部の共晶ハンダ４および５に亀裂破壊８および９が起
こり易い。しかし、図１２に示すように予め角部１ａの
メタライズパッド３を排除し、角部１ａを電気的に無意
味にさせる方法では、破壊に対する効果を上げるまでに
は至らなかった。

【０００７】プリント基板への搭載が困難である。接
合面であるハンダボール７の形成面がＢＧＡパッケージ
で隠れるために、目視することができず、人の手により
容易に行うことができない。したがって、パッケージ１
のプリント基板２への搭載には専用の搭載機器が必要と
なり、設備コストが高くなるという問題があった。

【０００８】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、接続部の破壊を防止することが
できる半導体装置を提供することを目的とする。本発明
の他の目的は、製造が容易な半導体装置を提供すること
にある。本発明のさらに他の目的は、接続部の破壊を防
止することができ、製造が容易な半導体装置の製造方法
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
半導体装置によると、半導体パッケージの少なくとも２
以上の角部に穴部が形成され、プリント基板の穴部に相
対する箇所に固定部材が設けられているので、プリント
基板に搭載された半導体パッケージは、温度変化で膨張
収縮するプリント基板の変形を搭載専用ピンを介して抑
えることができる。したがって、プリント基板と半導体
パッケージとの接続部の破壊を防止することができる。
また、半導体パッケージとプリント基板との位置合わせ
は、固定部材を穴部に挿入するだけでよいので、正確且
つ容易になる。このため、従来のように半導体パッケー
ジとプリント基板との接合部がずれて接続されることが
なくなり、大きな熱サイクル負荷が作用しても半導体パ
ッケージとプリント基板との接続部に不良が発生するこ
とはなくなる。また、半導体パッケージのプリント基板
への搭載は、人の手により容易に行うことができるた
め、設備コストを低く抑えることができる。

【００１０】本発明の請求項２記載の半導体装置による
と、穴部は貫通穴であり、穴部の穴径は固定部材の径よ
りも大きいので、半導体パッケージとプリント基板との
位置合わせは、固定部材を穴部に挿入するだけでよく、
正確且つ容易になる。したがって、製造が容易になる。
本発明の請求項３記載の半導体装置の製造方法による
と、半導体パッケージの少なくとも２以上の角部に穴部
を形成する工程と、プリント基板の穴部に相対する箇所
に固定部材を設ける工程と、穴部に固定部材を挿入する
工程と、半導体パッケージとプリント基板とをリフロー
するする工程と、固定部材を半導体パッケージに接合す
る工程とを含む。したがって、半導体装置の製造が容易
になり、半導体パッケージとプリント基板との接続部の
破壊を防止することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示す
実施例を図面に基づいて説明する。本発明の半導体装置
およびその製造方法の一実施例を図１〜図８に示す。ま
ず、本発明の半導体装置をアルミナ、窒化アルミニウム
等のセラミックス製ＢＧＡ基板１０と樹脂製プリント基
板２０に適用した一実施例を以下に示す。

【００１２】図１に示すようにセラミックス製ＢＧＡ基
板１０において、図示しない半導体素子が搭載される面
の反対面がプリント基板２０と接合される接合面１１で
あり、この接合面１１に形成され、図示しない内部配線
を介して半導体素子に接続されるメタライズパッド３０
に共晶ハンダ４０が形成され、共晶ハンダ４０のプリン
ト基板２０側に高温ハンダボール７０が形成されてい
る。この高温ハンダボール７０は、外部接続用入出力端
子として機能するものであり、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂ
ｉ、ＩｎおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種を含む
金属からなる。高温ハンダボール７０のプリント基板２
０側に共晶ハンダ５０が形成され、プリント基板２０に
形成されたメタライズパッド６０に接続されている。共
晶ハンダ４０および５０は、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、
ＩｎおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種を含む金属
からなり、高温ハンダボール７０よりも低い温度で溶融
する。また、メタライズパッド３０は、Ｗ、Ｍｏあるい
はそれらの複合材からなる金属にＮｉ、Ａｕあるいはそ
の両方がメッキ等により形成されており、メタライズパ
ッド６０は、通常、銅張基板をエッチング等で所望のメ
タライズパッド形状を得て、Ｎｉ、Ａｕあるいはその両
方のメッキ等により形成されている。

【００１３】セラミックス製ＢＧＡ基板１０の４つの角
部１２の少なくとも２つ以上に後述の固定部材としての
固定棒８０の径よりも大きな穴径を有する穴部としての
貫通穴１００が形成され、固定棒８０が貫通穴１００に
挿入された状態で樹脂製接着剤等の接合材１１０により
セラミックス製ＢＧＡ基板１０に接合されている。プリ
ント基板２０の貫通穴１００に相対する箇所に凹部２１
が形成され、凹部２１にアルミナ等のセラミックス製あ
るいは金属製の固定棒８０が設けられている。固定棒８
０は、共晶ハンダ４０および５０の溶融温度で劣化もし
くは溶融しない耐熱性接着剤等の接合材９０で凹部２１
に接合されている。

【００１４】次に、本実施例のセラミックス製ＢＧＡ基
板１０と樹脂製プリント基板２０の製造方法を以下に示
す。 図２および図３に示すように、予めアルミナ等のセラ
ミックス製ＢＧＡ基板１０の４つの角部１２の少なくと
も２つ以上のメタライズパッド３０を排除し、固定棒８
０の径よりも大きな穴径を有する貫通穴１００を形成す
る。次に、メタライズパッド３０の上に共晶ハンダ４０
をスクリーン方式等により印刷する。次に、高温ハンダ
ボール７０を印刷した共晶ハンダ４０の上に乗せ、リフ
ロー処理により共晶ハンダ４０を溶融させ、高温ハンダ
ボール７０を共晶ハンダ４０を介してメタライズパッド
３０の上に接合させる。

【００１５】図４に示すように、プリント基板２０に
セラミックス製ＢＧＡ基板１０を搭載した際、プリント
基板２０の貫通穴１００に相対する箇所に凹部２１を形
成する。また、プリント基板２０の高温ハンダボール７
０に相対する箇所には、Ｃｕ箔上にＮｉあるいはＡｕメ
ッキ等によりメタライズパッド６０を形成する。 図５に示すように、プリント基板２０に高温ハンダボ
ール７０を接合させるため、メタライズパッド６０の上
に共晶ハンダ５０をスクリーン方式等により印刷する。

【００１６】図６に示すように、凹部２１にアルミナ
等のセラミックス製あるいは金属製の固定棒８０を共晶
ハンダ４０および５０の溶融温度で劣化もしくは溶融し
ない耐熱性接着剤等の接合材９０で凹部２１に接合す
る。 図７に示すように、セラミックス製ＢＧＡ基板１０を
プリント基板２０に搭載する。このとき、固定棒８０は
貫通穴１００に挿入された状態になる。固定棒８０より
貫通穴１００の穴径が大きいので、セラミックス製ＢＧ
Ａ基板１０の寸法ばらつきが吸収され、容易に挿入され
る。

【００１７】セラミックス製ＢＧＡ基板１０を搭載し
たプリント基板２０をリフロー処理する。このとき、共
晶ハンダ５０の中央部から僅かにずれていた高温ハンダ
ボール７０がさらに中央部に移動し、また、貫通穴１０
０も固定棒８０の回りで移動する。この結果、高温ハン
ダボール７０のメタライズパッド６０および共晶ハンダ
５０からのずれは最低限に抑えられる。

【００１８】固定棒８０と貫通穴１００の間に樹脂製
接着剤等の接合材１１０を流し込み、固定棒８０をセラ
ミックス製ＢＧＡ基板１０に接合する。次に、上記の製
造方法で作製したセラミックス製ＢＧＡ基板１０とプリ
ント基板２０を用いて、共晶ハンダ４０および５０に生
じる歪みを−４５〜１２５℃の温度サイクルによる応力
シミュレーションにより測定した。また、比較のために
従来のセラミックス製ＢＧＡ基板とプリント基板の構造
についても測定した。

【００１９】測定に用いたセラミックス製ＢＧＡ基板１
０の材質はアルミナであり、アルミナの−４５〜１２５
℃の熱膨張係数は５．５ｐｐｍ／℃である。また、セラ
ミックス製ＢＧＡ基板１０のサイズは２１ｍｍ□×１ｍ
ｍｔであり、メタライズパッド３０の径は０．８６ｍｍ
である。接合面１１の４つの角部１２のメタライズパッ
ド３０を予め排除し、その内側のメタライズパッド３０
の３つをさらに排除した。そして、メタライズパッド３
０を排除した箇所に径０．９０ｍｍの貫通穴１００を形
成した。

【００２０】測定に用いたプリント基板２０の材質はＦ
Ｒ４であり、ＦＲ４の−４５〜１２５℃の熱膨張係数は
１４ｐｐｍ／℃である。また、プリント基板２０のサイ
ズは１００ｍｍ□×１．５７ｍｍｔであり、メタライズ
パッド６０の径は０．８０ｍｍである。固定棒８０を接
合する４つの凹部２１のサイズは、穴径が０．９０ｍｍ
で、深さが０．８０ｍｍである。

【００２１】固定棒８０の材質はコバール製の金属ピン
であり、固定棒８０のサイズは、径が０．８６ｍｍであ
り、長さが３．５ｍｍである。測定結果を以下に示す。
本実施例の−４５〜１２５℃の共晶ハンダ４０および５
０に生じる歪みは２％であった。また、同条件における
従来のセラミックス製ＢＧＡ基板とプリント基板の構造
については３．８％の歪みであった。したがって本実施
例では、従来技術に比べて約４７％歪みが低いことが判
った。よって、本実施例においては、接続部の破壊を防
止する効果が高いことが判定された。

【００２２】本実施例においては、セラミックス製ＢＧ
Ａ基板１０の少なくとも２以上の角部１２に貫通穴１０
０が形成され、プリント基板２０の貫通穴１００に相対
する箇所に固定棒８０が設けられているので、プリント
基板２０に搭載されたセラミックス製ＢＧＡ基板１０
は、温度変化で膨張収縮するプリント基板２０の変形を
固定棒８０を介して抑えることができる。したがって、
プリント基板２０とセラミックス製ＢＧＡ基板１０との
接続部の破壊を防止することができる。

【００２３】また、セラミックス製ＢＧＡ基板１０に固
定棒８０を挿入可能な貫通穴１００が形成されているの
で、高温ハンダボール７０とメタライズパッド６０およ
び共晶ハンダ５０との位置合わせは、固定棒８０を貫通
穴１００に挿入するだけでよく、正確且つ容易になる。
このため、高温ハンダボール７０とメタライズパッド６
０および共晶ハンダ５０とがずれて接続されることがな
くなり、大きな熱サイクル負荷が作用しても共晶ハンダ
４０および５０に不良が発生することはなくなる。ま
た、セラミックス製ＢＧＡ基板１０のプリント基板２０
への搭載は、人の手により容易に行うことができるた
め、設備コストを低く抑えることができる。

【００２４】本発明においては、固定部材は、共晶ハン
ダの溶融温度で劣化もしくは溶融しない材料であれば何
であってもよいし、固定部材のプリント基板への接合は
どのような方法であってもよい。また本実施例では、半
導体パッケージをセラミックス製ＢＧＡ基板１０とした
が、本発明においては、半導体パッケージはセラミック
ス製に限定されるものではなく、他の材質を用いても本
発明の効果を有効に得ることができる。また、ＢＧＡ基
板に限らず他の形態の半導体パッケージに本発明を適用
することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の半導体装置を模式的に示す
縦断面図である。

【図２】本発明の一実施例のセラミックス製ＢＧＡ基板
を模式的に示す底面図である。

【図３】本発明の一実施例のセラミックス製ＢＧＡ基板
を模式的に示す縦断面図である。

【図４】本発明の一実施例のプリント基板を模式的に示
す縦断面図である。

【図５】本発明の一実施例のプリント基板を模式的に示
す縦断面図である。

【図６】本発明の一実施例のプリント基板を模式的に示
す縦断面図である。

【図７】本発明の一実施例の半導体装置を模式的に示す
縦断面図である。

【図８】本発明の一実施例の半導体装置を模式的に示す
縦断面図である。

【図９】従来技術の半導体装置を模式的に示す縦断面図
である。

【図１０】従来技術の半導体装置を模式的に示す縦断面
図である。

【図１１】従来技術のセラミックス製ＢＧＡ基板を模式
的に示す底面図である。

【符号の説明】

１ パッケージ １ａ 角部 ２ プリント基板 ３ メタライズパッド ４、５ 共晶ハンダ ６ メタライズパッド ７ ハンダボール ８、９ 亀裂破壊 １０ セラミックス製ＢＧＡ基板（半導体パッケー
ジ） １１ 接合面 １２ 角部 ２０ プリント基板 ２１ 凹部 ３０ メタライズパッド ４０、５０ 共晶ハンダ ６０ メタライズパッド ７０ 高温ハンダボール ８０ 固定棒（固定部材） ９０ 接合材 １００ 貫通穴（穴部） １１０ 接合材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体パッケージと、前記半導体パッケ
   ージを搭載するプリント基板とを備え、 前記半導体パッケージは、少なくとも２以上の角部に穴
   部が形成され、 前記プリント基板は、前記穴部に相対する箇所に固定部
   材が設けられ、 前記固定部材は、前記穴部に挿入されたことを特徴とす
   る半導体装置。
2. 【請求項２】 前記穴部は、貫通穴であり、前記穴部の
   穴径は、前記固定部材の径よりも大きいことを特徴とす
   る請求項１記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 半導体パッケージと、前記半導体パッケ
   ージを搭載するプリント基板とを備えた半導体装置にお
   いて、 前記半導体パッケージの少なくとも２以上の角部に穴部
   を形成する工程と、 前記プリント基板の前記穴部に相対する箇所に固定部材
   を設ける工程と、 前記穴部に前記固定部材を挿入する工程と、 前記半導体パッケージと前記プリント基板とをリフロー
   する工程と、 前記固定部材を前記半導体パッケージに接合する工程と
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。