(57)【要約】【課題】クリープ特性を有する導電性端子を介して半導体パッケージと回路基板とを接続するＬＧＡソケットの電気的接続の信頼性を評価する。【解決手段】クリープ特性を有する複数の導電性端子１１と、導電性端子１１の上下端を上下に突出させて支持する支持板１２と、支持板１２の周辺部を支持する枠体１３と、枠体１３に印加される上下方向の荷重を測定するための荷重測定素子とを備える。導電性端子１１のクリープにより、枠体１３に分散されるようになった荷重を測定することで、導電性端子１１にかかる荷重変化を知り、この荷重変化に基づき信頼性を評価する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板の上面に配置された第１電極と半導体パッケージの下面に前記第１電極に対向して配置された第２電極との間に介在し、前記回路基板及び前記半導体パッケージにより上下方向に押圧されて前記第１及び第２電極を電気的に接続する導電性端子を備えたソケットにおいて、
クリープ特性を有する複数の前記導電性端子と、
前記導電性端子の上下端を上下に突出させて前記導電性端子を支持する支持板と、
前記支持板の周辺部を支持する枠体と、
前記枠体に印加される上下方向の荷重を測定するための荷重測定素子とを備えたことを特徴とするソケット。
【請求項２】
前記荷重測定素子が、前記枠体の側壁面に貼付された歪みゲージであることを特徴とする請求項１記載のソケット。
【請求項３】
前記回路基板の上面に前記半導体パッケージを請求項１又は２記載のソケットを介して搭載した半導体装置において、
前記荷重測定素子の出力を監視し、前記荷重測定素子により検出される荷重に基づき前記第１及び第２電極間の接続の劣化を評価する監視回路を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記監視装置は、前記荷重測定素子により検出される荷重が、予め設定された荷重を超えたとき警報信号を出力することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
上面に第１電極が配置された回路基板と、下面に第２電極が配置された半導体パッケージとを準備する工程と、
クリープ特性を有する複数の導電性端子を前記導電性端子の上下端を上下に突出させて支持する支持板と、前記支持板の周辺部を支持する枠体と、前記枠体に印加される上下方向の荷重を測定するための荷重測定素子とを備えたソケットを準備する工程と、
対向する前記第１及び第２電極間が前記導電性端子により接続されるように、前記回路基板上に前記半導体パッケージを前記ソケットを介して押圧して搭載する工程と、
前記荷重測定素子の出力を監視して、前記回路基板及び前記半導体パッケージにより押圧されて前記枠体に印加される前記荷重に基づき前記第１及び第２電極間の接続の信頼性を評価するソケットの信頼性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板上面の第１電極と半導体パッケージ下面の第２電極とをクリープ特性を有する導電性端子を介し押圧して接続するために用いられるソケット、そのソケットを用いた半導体装置及びソケットの信頼性評価方法に関し、とくに、経時劣化による電気的接続の信頼性低下を評価することができるソケット、そのソケットを用いた半導体装置及びソケットの信頼性評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模集積回路を収納する半導体パッケージを回路基板上に搭載するために、ＬＧＡソケット（ランドグリッドアレイソケット）が広く使用されている。ＬＧＡソケットは、回路基板上面に形成された第１電極と半導体パッケージ下面に形成された第２電極の間に挟まれ、両電極間を接続する弾性を有する導電性端子を備える。半導体パッケージは導電性端子を介して回路基板上へ押圧されて搭載され、これにより導電性端子を介して第１及び第２電極間の電気的接続がなされる。従って、押圧を除去することで、回路基板上に搭載された半導体パッケージを容易に離脱することができる。このように、ＬＧＡソケットを用いることで半導体パッケージを着脱自在に搭載することができる。
【０００３】
ＬＧＡソケットの導電性端子として、導電性樹脂からなる端子、例えば樹脂中に金属フィラーを分散して導電性を付与した樹脂製の端子が広く用いられている。かかる樹脂製の導電性端子は、接触面積が広く塵埃の介在による接触不良の発生が少ないので、信頼性の高い接続を実現することがてきる。また、単純な柱状又は紡錘形の形状とすることができるので、金属製端子のように弾性付与のための複雑な形状を必要としない。
【０００４】
しかし、導電性樹脂製の導電性端子は、金属製端子に比べてクリープ特性が大きい。このため、動作期間が長期に及ぶと、押圧されている導電性端子がクリープを起こして導電性端子の高さが減少するように変形する（圧縮されて上下端間の距離が減少する）。さらに変形が進むと、導電性端子がつぶれて隣接する導電性端子との間の絶縁不良を生ずるおそれがある。
【０００５】
かかる半導体パッケージと回路基板間の間隔の短縮を回避するため、半導体パッケージと回路基板との間に間隔を保持するためのストッパ（スタンドオフ）を挿入し、その間隔が所定間隔以下になることを防止するものがある。例えば、導電性端子を支持する支持板の周辺に設けられた支持板を保持するための枠体又はその一部が、ストッパとして用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０２７７５３号公報
【特許文献２】特開２００８−０７７９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、クリープ特性を有する導電性端子を用いた従来のソケットでは、互いに押圧される半導体パッケージと回路基板との間隔を、その間に挟まれる所定高さのストッパー（スタンドオフ）を用いて所定距離以下にならないように保持している。
【０００８】
しかし、半導体パッケージと回路基板との間隔、即ち第１電極と第２電極との間隔がストッパにより固定されると、導電性端子のクリープの進行とともに、半導体パッケージを回路基板上に押圧する荷重が、第１及び第２電極間を接続する導電性端子のみならず、ストッパにも印加されるようになる。このため、荷重がストッパにも分散され、導電性端子に印加される荷重が減少してしまう。このように導電性端子に印加される荷重が減少すると、第１電極と第２電極間を電気的に接続する導電性端子の接続不良を招来し、ソケットの電気的接続の信頼性が低下する。
【０００９】
かかるクリープに起因するソケットの電気的接続の信頼性の劣化は、従来のソケットでは直接観測することはできなかった。このため、実際に接続不良が発生した時点、あるいは一定の使用期間が経過した時点でソケットを交換していた。これでは、ソケットの信頼性の劣化を正確に把握することができない。ソケットの電気的接続の劣化を迅速かつ確実に把握することは、半導体装置の開発及び使用において適切な処置を施すために重要である。このため、ソケットの経時劣化による電気的接続の信頼性劣化を評価する技術が希求されている。
【００１０】
本発明は、半導体パッケージを回路基板上にソケットを介して押圧して搭載する半導体装置に関し、半導体装置に用いられたソケットの電気的接続の信頼性を評価することができるソケット、そのソケットを用いた半導体装置及びソケットの信頼性評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明の第１の構成は、回路基板の上面に配置された第１電極と半導体パッケージの下面に前記第１電極に対向して配置された第２電極との間に介在し、前記回路基板及び前記半導体パッケージにより上下方向に押圧されて前記第１及び第２電極を電気的に接続する導電性端子を備えたソケットにおいて、
クリープ特性を有する複数の前記導電性端子と、前記導電性端子の上下端を上下に突出させて前記導電性端子を支持する支持板と、前記支持板の周辺部を支持する枠体と、
前記枠体に印加される上下方向の荷重を測定するための荷重測定素子とを備えたことを特徴とするソケットとして構成し、及び、
本発明の第２の構成は、上面に第１電極が配置された回路基板と、下面に第２電極が配置された半導体パッケージとを準備する工程と、クリープ特性を有する複数の導電性端子を前記導電性端子の上下端を上下に突出させて支持する支持板と、前記支持板の周辺部を支持する枠体と、前記枠体に印加される上下方向の荷重を測定するための荷重測定素子とを備えたソケットを準備する工程と、対向する前記第１及び第２電極間が前記導電性端子により接続されるように、前記回路基板上に前記半導体パッケージを前記ソケットを介して押圧して搭載する工程と、前記荷重測定素子の出力を監視して、前記回路基板及び前記半導体パッケージにより押圧されて前記枠体に印加される前記荷重に基づき前記第１及び第２電極間の接続の信頼性を評価するソケットの信頼性評価方法として構成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ソケットの枠体に分散される荷重を測定することで導電性端子に印加する荷重の減少を推定する。ソケットの電気的接続の信頼性は導電性端子に印加される荷重に関係するので、この推定された導電性端子に印加される荷重の減少量から、半導体装置に装着されているソケットの電気的接続の信頼性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態の半導体装置組立図
【図２】本発明の第１実施形態のソケット斜視図
【図３】本発明の第１実施形態のソケット断面図
【図４】本発明の第１実施形態の回路基板斜視図
【図５】本発明の第１実施形態の半導体装置断面図
【図６】本発明の第１実施形態の半導体装置の経時変化を説明するための断面図
【図７】クリープ試験試料の斜視図
【図８】クリープ試験方法を表す断面図
【図９】クリープ試験の結果を表す図
【図１０】接触抵抗の端子当たりの荷重依存性を表す図
【図１１】本発明の第１実施形態の枠体にかかる荷重とゲージ抵抗の関係を表す図
【図１２】本発明の第１実施形態の電気的接続の信頼性評価方法を説明する図
【図１３】本発明の第２実施形態のソケット組立図
【図１４】本発明の第２実施形態の半導体装置断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の第１実施形態は、回路基板上に本発明に係るＬＧＡソケットを介して半導体パッケージが搭載された半導体装置に関する。
【００１５】
図１は本発明の第１実施形態の半導体装置組立図であり、電気的接続の劣化監視回路を備えた半導体装置を表している。
【００１６】
図１を参照して、本第１実施形態の半導体装置は、回路基板２０上面にＬＧＡソケット１０を介して半導体パッケージ３０が搭載される。半導体パッケージ３０は、下面に多数の例えば１０００本〜２０００本程度の第１電極（図５参照）が設けられたＬＧＡパッケージ３０からなり、例えばＣＰＵを含む集積回路を収容する。回路基板２０は、上面に第２電極３２に対向するように配置された第１電極２２（図５参照）を有する例えば多層配線基板からなり、後述する監視回路とその他の必要な集積回路及び電子部品を搭載している。
【００１７】
上述の回路基板２０、ソケット１０及び半導体パッケージ３０を重ねた構造体は、固定部品４０を用いて上下から締めつけられて固定される。
【００１８】
固定部品４０は、４隅に円柱状の柱状部４１ａが植設された矩形平板状の基台４１と、柱状部４１ａが嵌挿する貫通孔４２ａが開設された下面が平坦面をなすブロック状の上板４２とを備える。この上板４２の上面には、上板４２と一体に形成された放熱フィン４２ｄが設けられている。
【００１９】
回路基板２０には柱状部４１ａが緩嵌する貫通孔２０ａが開設されており、回路基板２０は柱状部４１ａを貫通孔２０ａに貫通させて基台４１上に載置される。なお、回路基板２０上面には、ソケット１０及び半導体パッケージ３０が重ねられる。
【００２０】
さらに、上板４２を、その４隅に設けられた貫通孔４２ａが柱状部４１ａに嵌挿され、下面が半導体パッケージ３０の上面に密着するように載置する。次いで、つるまきばね４２ｃが巻回された固定ねじ４２ｂを、上板４２上面から柱状部４１ａの頂面に形成されたねじ孔へ螺合する。これにより、上板４２は、つるまきばね４２ｃにより上方から押圧され、半導体パッケージ３０の上面を下方に押圧する。従って、半導体パッケージ３０と回路基板２０は、つるまきばね４２ｃのばね定数で定まる荷重により、基台４１と上板４２とによって上下から締めつけられて固定される。
【００２１】
図２は本発明の第１実施形態のソケット斜視図であり、荷重測定素子を備えたソケットを表している。図３は本発明の第１実施形態のソケット断面図であり、図２中のＡＢ断面を表している。また、図２中の楕円内の図（ａ）及び図（ｂ）は、枠体に貼付された荷重測定素子として機能する歪みゲージ１４を表している。
【００２２】
図２及び図３を参照して、ソケット１０は、正方形又は矩形の平板状の絶縁体からなる支持板１２と、支持板１２の周囲を保持する枠体１３とを備える。支持板１２は例えば厚さ１．２ｍｍ、外形が辺長約４ｃｍの正方形又は矩形の平面形状をなし、その上面に突出する上部端子１１ａ及び下面に突出する下部端子１１ｂが、ＬＧＡ半導体パッケージ３０の下面に設けられた第１電極に対応する位置にマトリックス状に配置されている。これらの上部及び下部端子１１ａ、１１ｂは、例えば高さ０．６ｍｍ、最小径が４００μｍの円錐台形をなし、その材料は、例えば金属フィラーを分散して導電性が付与された樹脂が用いられる。かかる導電性樹脂は、金属ばね材料に比べて大きなクリープ特性を有する。この上部端子１１ａとその直下の下部端子１１ｂは、支持板１２を貫通するビア１１ｃによりに電気的に接続されて１個の導電性接続端子１１を構成している。このビア１１ｃは、上部端子１１ａ及び１１ｂと同じ導電性樹脂により一体として形成することができる。
【００２３】
枠体１３は、支持板１２の周辺部を固定して、支持板１２を平坦に保持するためのもので、支持板１２と一体として作製することができる。また、枠体の高さは、導電性端子１１の高さ例えば２．４ｍｍより低い高さ例えば２．１ｍｍとする。後述するように、この枠体１３はストッパーとして機能し、枠体１３の高さが半導体パッケージ３０と回路基板２０の間の最小間隔となる。
【００２４】
枠体１３の側壁面、例えば外側壁面に、歪みゲージ１４が貼付されている。この歪みゲージ１４は、図２（ａ）及び（ｂ）を参照して、歪みを最も鋭敏に検知する歪み検知方向１４ａが、枠体１３の上下方向に一致するように貼付される。従って、歪みゲージ１４は、枠体１３が上下面から押圧されて生ずる荷重による枠体の変形（例えば圧縮）を鋭敏に検知する。このような歪みゲージ１４の枠体に印加される荷重と歪み量との関係を予め調べておくことで、この歪みゲージ１４を、枠体に上下方向に印加された荷重を測定するための荷重測定素子として機能させることができる。
【００２５】
図４は本発明の第１実施形態の回路基板斜視図であり、ソケット１０及び監視回路２１を搭載した回路基板２０を表している。
【００２６】
図４を参照して、ソケット１０は回路基板２０上面に設置される。このとき、ソケット１０の下面に配置された下部端子１１ｂの下端面と回路基板２０上面に形成された第１電極２２（図５参照）とが接触するように位置合わせされる。さらに、回路基板２０上面に監視回路２１が搭載されている。この監視回路２１には、枠体１３の側壁面に貼付された歪みゲージ１４の出力がリード線２１ａを介して入力され、監視回路２１は歪みゲージ１４の出力を常時又は所定時間間隔で測定する。そして、歪みゲージの出力、例えば抵抗値の変化量が予め定めた値に到達又はその値を超えたとき、ソケットの電気的接続の信頼性が、所望される水準を下回ったことを報知するための警報信号を作成する。この警報信号は、ソケットの交換時期の決定、あるいは電気的接続の信頼性劣化に伴うその他の必要な処理のために用いられる。
【００２７】
図５は本発明の第１実施形態の半導体装置断面図であり、組立直後のソケットの断面構造を表している。
【００２８】
図５を参照して、本第１実施形態の半導体装置１００では、半導体パッケージ３０及び回路基板２０が、ソケット１０を上下から挟むように配置される。さらに、回路基板２０下面及び半導体パッケージ３０上面にそれぞれ固定部品４０の基板４１及び固定部品４０の上板４２が配置され、この基板４１及び上板４２により、半導体パッケージ３０及び回路基板２０は上下から締めつけられる。この締めつける力は、固定ねじ４２ｂを柱状部４１ａに螺合し固定することで発生し、固定ねじ４２ｂに巻回されたつるまきばね４２ｃにより生成される一定の荷重５０である。従って、半導体パッケージ３０は、常時、回路基板２０へ所与の一定荷重５０で押圧されている。
【００２９】
この半導体パッケージ３０が回路基板２０上に搭載された直後では、導電性端子１１の下端面（下部端子１１ｂ）の下端面）は回路基板２０上面に設けられた第１電極２２に当接して押圧され、導電性端子１１の上端面（上部端子１１ａの上端面）は半導体パッケージ３０下面に設けられた第２電極３２に当接して押圧されている。
【００３０】
他方、ソケット１０の枠体１３は半導体パッケージ３０と回路基板２０との間に介在し上下から挟まれているにも拘わらず、枠体１３には荷重は実質的には印加されない。即ち、導電性端子１１の当初の高さ（上下方向の長さ）は枠体１１の高さより大きく形成されている。そして、半導体パッケージ３０に所与の一定荷重５０が印加されたとき、全荷重５０が導電性端子１１のみで支持されるように荷重５０の大きさ及び導電性端子１１の数と強度が設計されている。このため、枠体１１は、半導体パッケージ３０及び回路基板２０とは接触せず、従って枠体には荷重５０は印加されない。
【００３１】
なお、一定荷重５０が印加されたとき、回路基板２０と半導体パッケージ３０との間隔を一定にするために、回路基板２０と半導体パッケージ３０とがそれぞれ枠体１３の上下面に接触するように導電性端子１１の弾性を選択することもできる。この場合、接触したとしても枠体１３へ分散される荷重５０は荷重５０全体に比べて小さく、導電性端子１１の電気的接触の信頼性に関して無視し得る大きさとする。このようにすることで、導電性端子１１当たりの荷重を、電気的接触の信頼性を保持するに十分な大きさとすることができる。
【００３２】
以下、上述した本発明の第１実施形態に係る半導体装置の動作を説明する。まず、半導体装置の構造とクリープとの関連を説明する。なお、クリープとは、ある温度の下で材料に荷重をかけたまま放置したとき、時間とともに材料の変形が進行する現象ををいい、クリープ特性とはクリープを生ずる材料の力学的特性をいう。
【００３３】
図６は本発明の第１実施形態の半導体装置の経時変化を説明するための断面図であり、搭載から長時間経過した後のクリープに基づき変形した導電性端子１１を表している。
【００３４】
図６を参照して、半導体パッケージ３０を回路基板２０上に搭載して長時間使用すると、導電性樹脂からなる導電性端子１１は、上下端から一定荷重５０が印加される環境下でクリープを発生し、時間経過とともに導電性端子１１の高さが低くなっていく。その結果、半導体パッケージ３０下面と回路基板２０上面との距離が短縮する。この距離の短縮は、半導体パッケージ３０下面と回路基板２０上面とが枠体１１に当接するまで進行する。そして、この枠体１１への当接後は、枠体１１がストッパとして機能するため、言い換えれば枠体１１に荷重５０の一部が分散するため、その後の半導体パッケージ３０と回路基板２０との間の距離は一定に維持される。従って、導電性端子１１の高さもその後は一定に維持される。
【００３５】
しかし、半導体パッケージ３０と回路基板２０との間の距離が枠体１１の高さで規定され一定に維持されても、荷重５０は導電性端子１１に印加され続けるためクリープはさらに進行する。その結果、導電性端子１１に印加される荷重５０の一部が枠体に分散されるようになる。その結果、導電性端子１１に印加される荷重５０の割合が減少し、導電性端子１１を介してなされる第１電極２２及び第２電極３２間の電気的接続不良が起こりやすくなる。本発明はかかる電気的接続の信頼性を評価することができる技術を提供するためになされた。従って、導電性端子が、半導体装置の稼働期間の間にクリープにより電気的接続不良を生じ得る程度のクリープ特性を有する場合に、本発明を適用して効果的にソケットの絶縁不良を回避することができる。
【００３６】
本発明の第１実施形態の半導体装置１００で用いられたソケット１０の信頼性を評価するために、導電性端子１１のクリープ試験を行った。以下、クリープ試験とその結果について説明する。
【００３７】
図７はクリープ試験試料の斜視図であり、クリープ試験に給した試験試料を表している。図８はクリープ試験方法を表す断面図であり、クリープ試験中のクリープ試験装置及びクリープ試験試料の配置を表している。
【００３８】
図７を参照して、図２及び図３に示すソケット１０から、縦横それぞれ３個のマトリックス状に配置された９個の導電性端子１１を含むように支持板１２を矩形に切り出し、さらに矩形の各辺中央に位置する４個の導電性端子１１を除去してクリープ試験試料とした。即ち、クリープ試験試料６０は、矩形の支持板１２と、その４隅及び中央に配置されたそれぞれ１個、合計５個の導電性端子１１を備える。
【００３９】
図８を参照して、まず、クリープ試験装置のベッド６１ａ上面に回路基板６６を載置した。この回路基板６６は、回路基板２０からソケット１０搭載領域を切り出したもので、上面にマトリックス状に配置された第１電極６７が形成されている。そして、この回路基板６６上に、クリープ試験試料６０を下部端子１１ｂが第１電極６７に当接するように位置合わせして載置した。
【００４０】
次いで、クリープ試験試料６０上に、半導体パッケージ６４の下面に形成された第２電極６５が上部端子１１ｂに当接するように位置合わせして載置した。この半導体パッケージ６４は、その下面にマトリックス状に配置された第２電極６５が配置されていればよく、単に絶縁体からなる平板の下面に第２電極が形成されているものでもよい。
【００４１】
次いで、クリープの加速試験をするために、８５℃の高温雰囲気温度の下でクリープ試験を行った。まず、半導体パッケージ６４の上面にクリープ試験装置のヘッド６１ｂを密着させてヘッド６１ｂを押下し、圧縮荷重５０が所定値に到達した位置で停止した。その後、ヘッド６１ｂはこの停止位置に保持され、この状態のまま放置しクリープ試験を行った。即ち、クリープ試験の間、半導体パッケージ１０と回路基板２０の間隔、及び、第１電極２２と第２電極３２の間隔は一定距離に維持される。なお、圧縮荷重５０は、ベッド６１ａ下面に設けられたロードセル６１ｃにより測定され、これにより、圧縮された状態の導電性端子１１に印加される荷重が測定される。
【００４２】
図９はクリープ試験の結果を表す図であり、１個の導電性端子１１に印加される圧縮荷重５０の経時変化を表している。なお、図９の縦軸は、圧縮荷重５０を導電性端子１１当たりの荷重に変換して表示している。
【００４３】
図９を参照して、導電性端子１１の１個当たりの荷重は、荷重印加直後に７０ｇになるように設定された。その後、導電性端子１１当たりの荷重は急速に減少し、１０時間〜２０時間程度の短期間で約３５ｇまで低下した。この荷重の低下は、導電性端子１１がクリープを起こして短縮したにも拘わらず、第１電極２２と第２電極３２との間隔が荷重印加直後の間隔に停まるため、導電性端子１１に印加される圧縮荷重が減少したことに起因している。即ち、第１及び第２電極２２、３２間の間隔（距離）が一定に保持される状態では、導電性端子１１当たりの荷重は低下し続ける。さらにその後、７００時間を経過しても、導電性端子１１当たりの荷重の緩やかな低下が続いた。
【００４４】
図１０は接触抵抗の端子当たりの荷重依存性を表す図であり、クリープ試験における第１電極２２と第２電極３２間の抵抗値と導電性端子１１当たりの荷重との関係を表している。なお、図１０中の矢印は時間経過に伴う荷重変化の方向を表しており、当初の荷重、約７０ｇから時間経過とともに荷重が減少することを表している。
【００４５】
ここで、第１電極２２と第２電極３２との間の抵抗値は、第１電極２２及び第２電極３２間の電気抵抗を抵抗測定器６２を用いて測定した。また、各時刻における荷重（ロードセル６１ｃの出力）及び抵抗値を、記録計６３を用いて記録した。
【００４６】
図１０を参照して、図９で明らかにされたように、導電性端子１１に印加される初期荷重（ほぼ７０ｇ）は時間とともに減少する（図中の矢印を参照）。この導電性端子１１当たりの荷重が７０ｇ〜３０ｇの範囲では、導電性端子１１当たりの荷重の減少とともに、第１電極２２と第２電極３２間の抵抗値は緩やかに増加した。しかし、導電性端子１１当たりの荷重が３０ｇより小さくなると、荷重の減少とともに急速に抵抗値が増加する。この抵抗値の増加は、導電性端子１１に印加される荷重の減少に起因して、第１電極２２及び第２電極３２と導電性端子１１との接触抵抗が増加したことを示している。
【００４７】
図９及び図１０に示す結果は、第１電極２２と第２電極３２との間隔が一定に維持される場合、導電性端子１１がクリープを起こして導電性端子に印加する荷重が減少し、導電性端子１１の接触抵抗が増加すること、とくに荷重が特定の値より小さくなると、例えば３０ｇより小さくなると、急激に接触抵抗が増加することを明らかにしている。
【００４８】
再び図５及び図６を参照して、本第１実施形態では、回路基板２０及び半導体パッケージ３０が枠体１３に当接しない又は当接しても枠体１３に僅かな荷重しか分散しない組立初期の時点では、全荷重５０は各導電性端子１１に分散され、各導電性端子１１には所定の、例えば７０ｇの押圧が印加される。
【００４９】
一方、長時間を経過してクリープにより導電性端子１１が短縮すると、回路基板２０及び半導体パッケージ３０が枠体１３に当接する。当接後は、枠体１３がストッパとなるため、回路基板２０と半導体パッケージ３０との間隔は枠体１３の高さに維持されそれ以上は変化しない。このとき、第１電極２２と第２電極３２との間隔は枠体の高さに維持されるから、図９及び図１０に示すように、導電性端子１１のクリープは進行し、これにともない各導電性端子１１に印加される荷重は減少する。その結果、導電性端子１１の接触抵抗が増加し、電気的接続の信頼性がクリープの進行とともに減少していく。
【００５０】
なお、導電性端子１１に印加される荷重の減少分は、枠体１３に分散され枠体１３により支持される。従って、回路基板２０及び半導体パッケージ３０が枠体１３に当接した後は、枠体１３に上下方向から押圧が印加される。この枠体１３への押圧分は、そのまま導電性端子への全荷重の減少分に等しいから、枠体１３への押圧を測定することで導電性端子１１へ印加される荷重を知ることができる。本第１実施形態では、枠体１３へ印加される荷重を、枠体１３の歪みとして、枠体１３に貼付された歪みゲージ１４を用いて検出する。
【００５１】
図１１は本発明の第１実施形態の枠体にかかる荷重とゲージ抵抗の関係を表す図であり、枠体に印加される荷重と枠体の側壁面に貼付された歪みゲージの抵抗値との関係を表している。
【００５２】
まず、第１実施形態のソケット１０から導電性端子１１を除去し、枠体１３と支持板１とを残して試験試料とした。この枠体１３に、図８に示すクリープ試験装置を用いて上下方向に荷重５０を印加し、枠体１３の外壁面に貼付された歪みゲージ１４の抵抗変化を測定した。その結果を図１１に示した。
【００５３】
図１１を参照して、荷重５０の増加とともにゲージ抵抗（歪みゲージの抵抗値）は一様に減少する。その減少率は、ほぼ−０．４ｍΩ／ｇである。ゲージ抵抗の変化を０．１ｍΩの精度で測定することは可能なので、全荷重５０の０．２５ｇの変化を感知することができる。従って、ソケット１０の導電性端子１１を仮に１０００個とすると、一個の導電性端子に対する０．０００２５ｇの変化を検知することができる。歪みゲージ１４を用いることで、このように高い精度で導電性端子１１に印加される荷重の変化を測定することができる。
【００５４】
図１２は本発明の第１実施形態の電気的接続の信頼性評価方法を説明する図であり、図１２中の曲線９１及び曲線９２はそれぞれ、枠体及び導電性端子に印加される全荷重の経時変化を表している。
【００５５】
図１２中の曲線９１を参照して、半導体装置１００の組立直後の時刻ｔ０では、全荷重Ｌ０が導電性端子１１に印加されている。例えば、１０００個の導電性端子１１を有するソケット１０では、各導電性端子に７０ｇの荷重を加えるために、７０ｋｇの全荷重Ｌ０を印加する。この時刻ｔ０では、回路基板２０及び半導体パッケージ３０は枠体１３に当接しておらず、曲線９２を参照して、枠体１３には荷重はかからない。この状態は、導電性端子１１がクリープを起こし、回路基板２０及び半導体パッケージ３０が枠体１３に当接する時刻ｔ２まで維持される。
【００５６】
時刻ｔ２で回路基板２０及び半導体パッケージ３０が枠体１３に当接すると、全荷重Ｌ０の一部が枠体１３に分散されるようになり、曲線９１を参照して、導電性端子１１に印加される荷重は減少し始める。他方、枠体１３には、曲線９２を参照して、その導電性端子１１の荷重減少分と同量の荷重増加が生ずる。既述のように、枠体１３の荷重増加分と導電性端子１１の全荷重の減少分は等しいので、枠体１３の荷重（曲線９２）を測定することで、導電性端子１１の荷重（曲線９１）を算出することができる。
【００５７】
本第１実施形態の半導体装置１００では、図４を参照して、枠体１３の外壁面に貼付された歪みゲージ１４の抵抗変化を監視回路２１で測定し、その測定値から枠体１３に印加されている荷重を測定する。そして、図１２中の曲線９１を参照して、時刻ｔ３において、導電性端子１１に印加する荷重は電気的接続を保証し得ない荷重Ｌ２まで低下する。同時に、曲線９２を参照して、枠体１３にかかる荷重はＬ１＝Ｌ０−Ｌ２で表される荷重Ｌ１に達する。監視回路２１はこの荷重Ｌ１を検知したとき、電気的接続を保証し得ないまでに信頼性が低下したことを通知する信号を発生する。この信号により、ソケット１０の適切な交換時期を知ることができる。なお、通常の使用環境では、交換時期は数年〜１０年程度であり、交換しなくても多くは１０年以上問題なく機能するのが普通である。
【００５８】
監視回路２１は、電気的接続を保証し得る導電性端子当たりの最小荷重（以下「最小保証荷重」という。）と導電性端子１１の個数との積を、荷重Ｌ２として算出し記憶している。なお、最小保証荷重は、図１０を参照して、荷重減少とともに急激に接触抵抗が増加し始める直前の導電性端子１１当たりの荷重、例えば３０ｇとする。また、ソケット１０の電気的接続の信頼性を保証し得る荷重として、ソケットメーカが指定する値を最小保証荷重として用いることもできる。
【００５９】
さらに、監視回路２１は、観測された枠体１３の荷重を逐次又は要求した時に出力することもできる。これにより、いつでも導電性端子１１に印加される荷重を監視することができるので、動作中の半導体装置１００に用いられているソケット１０の電気的接続の信頼性の程度を、その荷重と最小保証荷重との差として評価することができる。
【００６０】
上述したように、本発明の第１実施形態によれば、導電性端子１１に印加される荷重を枠体１３に貼付された歪みゲージ１４を用いて監視することができるから、ソケット１０の電気的接続の信頼性をその荷重に基づき評価することができる。このため信頼性の高い半導体装置が実現される。
【００６１】
上述の第１実施形態では、導電性端子１１として導電性樹脂からなる端子を用いたが、これに限らず経時変化が問題となる程度のクリープ特性を有する他の導電性端子を用いた場合にも同様に本発明を適用することができる。また、枠体１３に印加される荷重を測定するための荷重測定素子として歪みゲージ１４を用いたが、枠体１３にかかる荷重を測定できるものであればよく、これに制限されない。
【００６２】
本発明の第２実施形態は、支持板と枠体とが分離する構造を有するソケット１０Ａを用いた半導体装置１０１に関する。なお、本第２実施形態の半導体装置１０１は、ソケットが異なる他は、第１実施形態の半導体装置と同様である。
【００６３】
図１３は本発明の第２実施形態のソケット組立図であり、第２実施形態で用いたソケット１０Ａの構造を表している。なお、図１３中のハッチングされた平面図形は、枠体１３の上部を構成する上枠１０Ａの断面形状を表している。図１４は本発明の第２実施形態の半導体装置断面図であり、第２実施形態の半導体装置１０１に用いられたソケット１０Ａの断面構造を表している。
【００６４】
図１３を参照して、本第２実施形態のソケット１０Ａは、第１実施形態のソケット１０とは枠体１３の形状が異なる。その他は第１実施形態と同様である。
【００６５】
図１３を参照して、本第２実施形態のソケット１０Ａの枠体１３は、枠体１３上部を構成する上枠１３Ａと、枠体１３下部を構成する下枠１３Ｂとから構成される。上枠１３Ａは、内側上面に半導体パッケージ３０が嵌合する窪み１３ｄが形成され、内側下面には支持板１２に嵌合する窪み１３ｅが形成されている。そして、上枠１３Ａの上下面の中間位置に、内側に凸字状に突出しする凸部１３ｂが設けられ、この凸部１３ｂにより窪み１３ｄと窪み１ｅとは水平に隔てられている。この外枠１３ａ及び凸部１３ｂは一体として形成することができる。
【００６６】
図１３及び図１４を参照して、上枠１３Ａの下面に形成された窪み１３ｅに、支持板１２が下方から嵌入される。この支持板１２には、導電性樹脂１１が形成されており、さらに、支持板１２の下面周縁部に接着テープを介して下枠１３ｃが貼着されている。
【００６７】
この下枠１３ｃは、外周が支持板１２とほぼ同じ平面形状を有する枠状の板であり、枠体１３の一部をなし、後述するように、凸部１３ｂと共にストッパ（スタンドオフ）として機能する。なお、外枠１３ａ、凸部１３ｂ及び下枠１３Ｂは、同一絶縁材料により作られても又異なる絶縁材料により作られてもよい。
【００６８】
歪みゲージ１４（荷重測定素子）は、枠体１３の凸部１３ｂの突出した部分の先端面（枠体１３の内壁面を構成する面）に貼付される。あるいは、下枠１３ｃの内壁面に貼付される。もちろん゛必要に応じて枠体１３の外枠１３ａの外壁面あるいは下枠１３ｃの外壁面に貼付することもできる。
【００６９】
以下、ソケット１０Ａを用いた半導体装置の組み立て工程を説明する。
【００７０】
図１４を参照して、まず、固定部品４０の基台４１上に、上面に第１電極を有する回路基板２０を載置する。次いで、回路基板２０上に、導電性端子１１が形成された支持板１２を、、導電性端子１１を回路基板２０上面の第１電極２２に位置合わせして接続し固定する。なお、支持板１２の下面周縁部には、下枠１３Ｂが予め貼着されている。また、この固定部品４０は、第１実施形態と同様の固定部品４０である。
【００７１】
次いで、上枠１３Ａ下面に形成された窪み１３ｅに支持板１２を嵌挿させて、上枠１３Ａを支持板１２上に搭載する。窪み１３ｅと支持板１２とは嵌合するので、上枠１３Ａは支持板１２に対して自動的に位置決めされる。
【００７２】
次いで，半導体パッケージ３０を、上枠１３Ａの上面に形成された窪み１３ｄに嵌挿する。このとき、半導体パッケージ３０は窪み１３ｄに嵌合して上枠１３Ａに対して位置合わせされるので、結局は支持基板１２に対しても位置合わせされ、半導体パッケージ３０下面の第２電極３２は、自動的に支持板１２に形成された導電性端子１１に当接するように位置合わせされる。
【００７３】
次いで、固定部品４０の上板４２を半導体パッケージ３０の上面に載置し、第１実施形態の半導体装置１００と同様に、図１を参照して、固定部品４０の上板４２と下板４１とを固定ねじ４２ｂ及びバネ４２ｃを用いて締めつけ、半導体パッケージ３０を導電性端子１１を介して回路基板２０上に押圧する。上述の工程を経て、半導体パッケージ３０が回路基板２０に固定された半導体装置１０１が製造される。
【００７４】
上述した本第２実施形態の半導体装置１０１では、枠体１３を構成する凸部１３ｂ及び下枠１３Ｂの厚さ（図１４の上下方向の高さ）は、それぞれ上部端子１１ａ及び下部端子１１ｂの高さより薄く形成されている。従って、半導体パッケージ３０と回路基板２０との間隔は、半導体装置１０１の製造初期では、導電性端子１１の高さにより定まり。半導体パッケージ３０に印加する全荷重が導電性端子１１に印加される。従って、半導体装置１０１の動作期間中に導電性端子１１はクリープを起こし、半導体パッケージ３０と回路基板２０との間隔が狭まる。
【００７５】
長時間の動作期間経過後、半導体パッケージ３０と回路基板２０との間隔が狭まり、回路基板２０上面及び半導体パッケージ２３０下面がそれそれ凸部１３ｂ及び下枠１３Ｂに当接すると、凸部１３ｂ及び下枠１３Ｂがストッパとして機能し、半導体パッケージ３０と回路基板２０との間隔はこれ以上狭くならない。
【００７６】
これと同時に、半導体パッケージ３０に印加する荷重の一部は、ストッパとして機能する凸部１３ｂ及び下枠１３Ｂに分散する。このため、導電性端子１１へ印可される荷重が減少し、ソケット１０Ａの電気接続の信頼性の劣化が進行する。
【００７７】
本第２実施形態では、凸部１３ｂ及び下枠１３Ｂに分散した荷重を、凸部１３ｂの歪みとして凸部１３ｂの内壁面に貼付された歪みゲージ１４により検出する。なお、凸部１３ｂに印加される荷重と凸部１３ｂの歪み量との関係が予め実測されていることは第１実施形態と同様である。その後、第１実施形態と同様に、凸部１３ｂに分散された荷重の観測値から導電性端子１１に印加されている荷重を算出し、ソケット１０Ａの信頼性を評価する。
【００７８】
なお、歪みゲージ１４は、下枠１３Ｂに貼付することもできる。この下枠１３Ｂは、側面が束縛されていないので、下枠１３Ｂに印加する荷重を正確に測定することができる。また、下枠１３Ｂの枠の幅を小さくすることで、より鋭敏に荷重を測定することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明をＬＧＡソケットに適用することで、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０、１０Ａ  ソケット
１１  導電性端子
１１ａ  上部端子
１１ｂ  下部端子
１１ｃ  ビア
１２  支持板
１３  枠体
１３Ａ  上枠
１３ａ  外枠
１３ｂ  凸部
１３Ｂ  下枠
１３ｄ、１３ｅ  窪み
１４  歪みゲージ（荷重測定素子）
１４ａ  歪み検知方向
２０、６６  回路基板
２０ａ、４２ａ  貫通孔
２１  監視回路
２１ａ  リード線
２２、６７  第１電極
３０、６４  半導体パッケージ
３２、６５  第２電極
４０  固定部品
４１  基台
４１  柱状部
４２  上板
４２ｂ  固定ねじ
４２ｃ  バネ
４２ｄ  放熱フィン
５０  荷重
６０  クリープ試験試料
６１ａ  ベッド
６１ｂ  ヘッド
６１ｃ  ロードセル
６２  抵抗測定器
６３  記録計
１００、１０１  半導体装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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