(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子を搭載する基板と、
前記半導体素子を前記基板に接着する接着剤と、
前記基板に設けられた、円柱形であって半導体素子搭載面側にテーパを有するスルーホールの前記半導体素子搭載面側に、その一部が圧接嵌合された導電性のマイクロボールと、
前記半導体素子と前記マイクロボールとを電気的に接続するボンディングワイヤと、
前記半導体素子、前記接着剤、前記マイクロボールのうち前記スルーホールにはめ込まれていない部分、および前記ボンディングワイヤを、前記基板の前記半導体素子搭載面側のみにおいて封止樹脂で封止する封止体と、
を備え、
前記マイクロボールの底面の少なくとも一部が、前記封止体の底面となる前記基板に設けられたスルーホールを通して外部接続用端子として露出する露出部を有することを特徴とするＢＧＡ半導体パッケージ。
【請求項２】
前記基板の厚さが、前記マイクロボールの直径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のＢＧＡ半導体パッケージ。
【請求項３】
前記マイクロボールが挿入される前記基板に設けられたスルーホールが、前記半導体素子の両側に配置されるか、もしくは前記半導体素子を取り囲む４辺に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のＢＧＡ半導体パッケージ。
【請求項４】
前記マイクロボールの材質が、はんだ、金、銀、銅、アルミ、鋼もしくは、ニッケルから選ばれた単一金属材料あるいは、はんだ、金、銀、銅、アルミ、鋼および、ニッケルから選ばれた複数の金属を用いた多層金属材料からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のＢＧＡ半導体パッケージ。
【請求項５】
前記マイクロボールの中心部（コア）が弾力性のある樹脂材で構成され、前記弾力性のある樹脂材の外周部をはんだ、金、銀、銅、アルミ、鋼もしくは、ニッケルから選ばれた単一金属材料で被覆された複合マイクロボールであること、あるいは前記弾力性のある樹脂材の外周部をはんだ、金、銀、銅、アルミ、鋼および、ニッケルから選ばれた複数の金属を用いた多層金属材料で被覆された複合マイクロボールであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のＢＧＡ半導体パッケージ。
【請求項６】
前記マイクロボールの上面高さは、前記ダイパッドに固定された前記半導体素子の上面より高いことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のＢＧＡ半導体パッケージ。
【請求項７】
前記マイクロボールの上面高さは、前記ダイパッドに固定された前記半導体素子の上面より低いことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のＢＧＡ半導体パッケージ。
【請求項８】
基板に円柱形であって半導体素子搭載面側にテーパを有する複数のスルーホールを形成する工程と、
複数の前記スルーホールが形成された前記基板にマイクロボールを圧接嵌合により搭載し、前記マイクロボールの底面の少なくとも一部が、前記封止体の底面となる前記基板に設けられたスルーホールを通して外部接続用端子として露出する工程と、
前記スルーホールを除く前記マイクロボール搭載側の領域に設けたダイパッド部上に半導体素子をボンディングする工程と、
前記半導体素子と前記マイクロボールとをボンディングワイヤにより電気接続する工程と、
前記半導体素子，前記ダイパッド、前記ボンディングワイヤ、および前記マイクロボールの一部のそれぞれを一体に封止樹脂で封止し、封止体を形成する工程と、
前記封止体を個々のＢＧＡ半導体パッケージに個片化する工程と、
を有するＢＧＡ半導体パッケージの製造方法。
【請求項９】
前記基板に複数のスルーホールを形成する工程は、ドリル加工、レーザー加工、パターンエッチング加工、もしくは、金型を用いたプレス加工のいずれかによって行うことを特徴とする請求項８に記載のＢＧＡ半導体パッケージの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＢＧＡ半導体パッケージの構造およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の小型軽量化及び高機能化のニーズにともない、電子機器に搭載する半導体部品を高密度に実装することが要求され、近年、より小型かつ薄型、高集積化できる半導体パッケージが求められている。
【０００３】
このようなトレンドを背景に、半導体パッケージは、ガルウイング、ノンリード、ＢＧＡ、ウエハレベルパッケージなど種々のアプリケーションに対応して様々な形態のものが提案されている。更に、商品の低価格化が求められる昨今の環境化において、これら半導体パッケージは、小型、高集積化の機能とあわせ、より一層、廉価で提供できるものが求められている。
【０００４】
本発明に関わるＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）タイプに属する半導体パッケージは、図７に示すように、半導体素子１と基板２に設けられたダイパッド２３上へ半導体素子１を搭載する接着剤と、半導体素子１と、基板２上に設けられた複数の配線２０を接続するボンディングワイヤ６と、半導体素子１、接着剤、ボンディングワイヤ６および複数の配線２０を封止する封止樹脂１０で構成され、もう一方の基板２の面には外部接続部２１上に半田ボール２２が外部端子として形成される構造を有している。基板２は、ＢＴレジン（ビスマレイミド樹脂）を代表とする耐熱基板が用いられ、片面に半導体素子１を搭載するダイパッド２３と複数の配線２０が形成され、もう一方の面には、外部接続部２１が形成されており、基板２に設けられた導電層が被覆されたスルーホール４を介して各々の面が接続する構成になる。外部接続部２１には、半導体封止体と実装基板を電気的、物理的に接続させる半田ボール２２が格子状あるいは千鳥状に配列搭載される。（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１９３１６２号公報
【特許文献２】米国特許第５２４１１３３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように従来型のＢＧＡ半導体パッケージは、金属のリードフレームを用いる半導体パッケージと異なり、耐熱樹脂の基材を用いた両面基板あるいは多層配線基板が使用されるため、基板製造工程が複雑になる。例えば、基板を作製する際には、半導体素子を搭載する搭載面側の配線と、もう一方側の外部接続端子を形成するための回路形成用のマスク作製が必要になる。加えて基板製造時にはレジストコーティング、露光・現像、レジストパターニング、配線および外部接続端子間を導通させるための貫通孔形成およびメッキ形成、レジスト剥離処理、基板の貼り合わせが必要になる。そのため、一枚当りの基板単価が金属リードフレームよりも高くなってしまい、トータルのパッケージコストが高くなってしまう課題があった。
【０００７】
また、従来のＢＧＡ半導体パッケージは、実装基板間を接続するための外部接続端子として半田ボールを基板に搭載形成する。その形成方法は、基板の外部接続エリアに微量の半田ペースト、または、フラックスを塗布し、半田ボールを粘着接続する方式をとる。前記方式においては、半田ペーストまたはフラックスの塗布量にバラツキが生じると、半田ボールと外部接続エリアとの接触面積にバラツキが生じ、接触面積が小さくなるケースでは、半田ボールの接続強度が低下し、外的な振動や衝撃によって半田ボールの位置ズレ、形成不良、脱落などの不良が発生する問題があった。
【０００８】
また、上述のとおり、従来のＢＧＡ半導体パッケージは、外部接続端子に半田ボールを搭載形成するので、半導体パッケージの全体の厚さが、半田ボールの高さ分だけ厚くなり、薄型化を阻害してしまう欠点があった。
【０００９】
本発明は、以上３点の課題を解決することを目的にするもので、第一に、従来のＢＧＡ半導体パッケージで用いられる両面もしくは多層基板を使用しない簡略基板を用いるので、安価なパッケージを生産することができる。第二に、本発明のＢＧＡ半導体パッケージは、外部接続用の端子の一部を封止体内に埋め込む構造をとるため、封止体と外部接続用の端子が強固に接続され、外部接続端子の接続強度を高くすることができる。第三に、外部接続用の端子の一部をパッケージの封止体内に埋め込む構造をとることにより、外部接続用の端子がパッケージの封止体内に埋め込まれた分だけ、パッケージを薄型化することができる。
【００１０】
以上のように、本発明は従来のＢＧＡ半導体パッケージが有する上述の課題を解決するための半導体パッケージおよびその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の課題を解決するための手段は以下の通りである。
本発明のＢＧＡ半導体パッケージは、半導体素子と、前記半導体素子を搭載する基板と前記半導体素子と前記基板を接着する接着剤と前記基板に設けられたスルーホールにはめ込まれた導電性のマイクロボールと、前記半導体素子と前記マイクロボールとを電気的に接続するボンディングワイヤと、前記半導体素子、前記接着剤、前記マイクロボールの一部、および前記ボンディングワイヤを前記基板の半導体素子の搭載面側のみを封止樹脂で封止する封止体とを備えたＢＧＡ半導体パッケージにおいて、前記マイクロボールの底面の少なくとも一部が前記封止体の底面から前記基板に設けられたスルーホールを通して外部接続用端子として露出する露出部を有することを特徴とする。
【００１２】
前記基板は、樹脂、ガラスエポキシ、セラミックもしくはガラスからなる絶縁体からなり、前記基板には円柱上のスルーホールを形成することを特徴とする。
【００１３】
前記基板に設けられたスルーホールの直径は、前記マイクロボールの直径よりも小さくなることを特徴とし、前記基板の厚さは、前記マイクロボールの直径よりも小さくなることを特徴とする。
【００１４】
前記マイクロボールが挿入される前記基板に設けられたスルーホールは、前記封止体の底面にペリフェラル配置、もしくはアレイ（エリア）配置で形成することを特徴とする。
【００１５】
前記基板に設けられたスルーホールの端面が面取りもしくはテーパ加工されていることを特徴とする。
【００１６】
前記マイクロボールの材質が、はんだ、金、銀、銅、アルミ、パラジウムもしくは、ニッケルの単一金属材料あるいは、はんだ、金、銀、銅、アルミ、パラジウムもしくは、ニッケルの各々何れかの多層金属材料からなることを特徴とする。
【００１７】
前記マイクロボールの中心部（コア）が弾力性のある樹脂材で構成され、前記弾力性のある樹脂材の外周部をはんだ、金、銀、銅、アルミ、パラジウムもしくは、ニッケルなどの単一金属材料で被覆された複合マイクロボールであること、あるいは前記弾力性のある樹脂材の外周部をはんだ、金、銀、銅、アルミ、パラジウムもしくは、ニッケルなどの各々何れかの多層金属材料で被覆された複合マイクロボールであることを特徴とする。
【００１８】
前記マイクロボールの上面高さは、前記ダイパッドに固定された前記半導体素子の上面より高いことを特徴とする。
前記マイクロボールの上面高さは、前記ダイパッドに固定された前記半導体素子の上面より低いことを特徴とする。
【００１９】
前記ボンディングワイヤが、金線、銅線、アルミ線などの金属線から成ることを特徴とする。
前記マイクロボールの直径が、５μｍから５００μｍであることを特徴とする。
【００２０】
前記基板に複数のスルーホールを形成する工程と、複数の前記スルーホールが形成された前記基板に前記マイクロボールを搭載する工程と、前記スルーホールを除く前記マイクロボール搭載側の領域に設けた前記ダイパッド部上に半導体素子をボンディングする工程と、前記半導体素子と前記マイクロボールとを前記ボンディングワイヤにより電気接続する工程と、前記半導体素子，前記ダイパッド、前記ボンディングワイヤ、および前記マイクロボールの一部を封止樹脂で封止する工程と、前記封止体を個々のＢＧＡ半導体パッケージに個片化する工程を有することを特徴とする。
【００２１】
前記基板に設けられた前記スルーホールの穴あけが、ドリル加工、レーザー加工、パターンエッチング加工、もしくは、金型を用いたプレス加工によって形成することを特徴とする。
【００２２】
前記マイクロボールが前記基板のスルーホールに搭載される工程において、前記マイクロボールがマウンティング法、吸引法、もしくは基板振動法により搭載することを特徴とする。
【００２３】
前記半導体素子と前記マイクロボールとを前記ボンディングワイヤを用いて電気的に接続する工程において前記マイクロボールが前記基板のスルーホールに吸引固定、押付け固定、接着材による固定、金属の溶融接続、超音波接続、もしくは超音波、熱圧着接続により固定された状態で、ワイヤボンディング法を用いて電気接続することを特徴とする。
【００２４】
前記ワイヤボンディング後の構造体の基板上面側のみを樹脂封止する工程において、トランスファーモールド法もしくはポッティング法を用いることを特徴とする。
【００２５】
前記樹脂封止後の樹脂封止体を個片化する工程において、ダイシング法を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
以上記述した手段により、従来のＢＧＡ半導体パッケージで使用される両面基板もしくは多層基板を用いなくて済むので、基板製造工程が簡略化され、基板一枚当りの単価が低減され、安価なパッケージを生産することができる。
【００２７】
更に本発明のＢＧＡ半導体パッケージは、封止体内に外部接続用のボールの一部が埋め込まれることを特徴とするもので、パッケージの封止体が外部接続用のマイクロボールの主要体積部分を保持するので、封止体と外部接続用の、マイクロボールの接続が強固になる。
【００２８】
更に封止体内に外部接続用のボールの一部を埋め込むことで、埋め込んだ分だけの厚みが薄くなり、パッケージ全体の薄型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第一実施例のＢＧＡ半導体パッケージの構造を説明する図である。
【図２】本発明の第一実施例のＢＧＡ半導体パッケージの製造方法を説明する図である。
【図３】図２につづく、本発明の第一実施例のＢＧＡ半導体パッケージの製造方法を説明する図である。
【図４】図３につづく、本発明の第一実施例のＢＧＡ半導体パッケージの製造方法を説明する図である。
【図５】図４につづく、本発明の第一実施例のＢＧＡ半導体パッケージの製造方法を説明する図である。
【図６】本発明の第一実施例のＢＧＡ半導体パッケージの断面構造図である。
【図７】従来のＢＧＡ半導体パッケージを説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本実施例のＢＧＡ半導体パッケージを説明する。
図１は、本発明の実施例であるＢＧＡ半導体パッケージの一例を示す図で、（Ａ）は封止体を封止樹脂側から透視した概略構成を示した斜視図であり、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は上面図である。（Ｄ）は封止体を外部端子側から透視した斜視図である。
【００３１】
図１に示すように、本実施例で示すＢＧＡ半導体パッケージは、６個の外部接続用端子を有する６ピンタイプの半導体パッケージである。図１（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、半導体素子１と、半導体素子１を搭載する基板２と、半導体素子１を基板２に接着する接着剤（図示せず）と、基板２に設けたスルーホール４に、はめ込まれた導電性のマイクロボール５と、半導体素子１とマイクロボール５を電気的に接続するボンディングワイヤ６と、半導体素子１、接着剤３、マイクロボール５の一部、およびボンディングワイヤ６を基板２の半導体素子１側のみを封止樹脂７で封止する封止体とを備えている。マイクロボール５の底面の少なくとも一部は、図１（Ｂ）に示すように、封止体の底面から基板２に設けたスルーホール４を通して外部接続用端子として露出する露出部を有している。
【００３２】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、本実施例のＢＧＡ半導体パッケージにおいては、マイクロボール５が、封止体内の半導体素子１との内部接続用配線の役割と、実装基板との接続に用いる外部接続用端子としての役割を兼ね備えている。
【００３３】
次に、本実施例に示したＢＧＡ半導体パッケージを具体的な寸法の例を用いて説明する。例えば、厚さ１５０μｍの半導体素子を、厚さ０．２ｍｍのガラス基板２上に形成した６個の外部接続用端子の中心位置に設けたダイパッドエリアに絶縁性の接着材を用いて固定する。ここで、外部接続用端子の搭載ピッチＬを０．５ｍｍ、スルーホール径を０．２２ｍｍ、マイクロボール５の直径を０．２５ｍｍにする。ここでは、半導体素子１とマイクロボール５を電気的に接続するボンディングワイヤ６を２０μｍ径の金線とする。
【００３４】
本実施例で用いるマイクロボール５は、プラスチック粒子表面にニッケル次いで金メッキを施したボールである（参考  積水化学：ミクロパール）。本実施例では、半導体素子１の上面部の高さが、マイクロボール５の上面部よりも高くなる構成にして、打ち下げのワイヤリングを行っている。ただし、要求される半導体装置内のディメンション、ボンディングワイヤのループ高さの制約条件によっては、半導体素子１の上面部の高さを、マイクロボール５の上面部よりも低い構造として、半導体素子１からマイクロボール５へ打ち上げのワイヤリング形態としても良い。打ち上げのワイヤリング形態にする際には、マイクロボール５の直径の長さと基板２に設けたスルーホール４の直径の長さとの相互のディメンション関係を調整、すなわち、マイクロボール５の直径＞＞スルーホール４の直径とすることで対応できる。また、マイクロボール５の直径と基板２に設けたスルーホール４の直径の相互のディメンションは変えずに、半導体素子１の厚みを薄くして対応しても良い。マイクロボール５に接続するセカンドボンディングの接続点を、マイクロボール５の上面部の頂点にすると、ボンディングの押し付け力が安定し、より一層、接続信頼性を確保することができる。
【００３５】
次に、本発明の実施例であるＢＧＡ半導体パッケージの製造方法を、工程ごとに示した図を用いて説明する。図２（Ａ）および図５（Ｄ）は、上面図、図２（Ｂ）〜図５（Ｃ）および図６は、Ｘ１−Ｘ１断面図である。図２（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ基板２の上面図、断面図である。基板２には、スルーホール４が形成されている。例えば本実施例の場合、縦７０ｍｍ、横２００ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ厚のガラスエポキシ基板にドリル加工を用いて０．２２ｍｍの円柱形のスルーホールを０．５ｍｍピッチで複数個形成する。スルーホールは半導体素子の両側に並ぶように配置される。スルーホール４の上面部には、スルーホール４へのマイクロボール５の搭載を容易にするためにテーパ３が施してある。基板２は、セラミック、ガラスを用いても良い。
【００３６】
次いで、図２（Ｃ）に示すとおり、基板２に形成したスルーホール４内にマイクロボール２をボールマウント法により搭載する。ここで、基板２を振動させてマイクロボール５をスルーホール４内に搭載する振動法を使用してもよい。本実施例で使用するマイクロボール５は、ボールの中心部（コア）が弾力性のある樹脂材で構成され、樹脂材の外周部をはんだ、金、銀、銅、アルミ、パラジウムなどから選ばれた単一金属もしくはこれらの金属からなる多層金属で被覆されている。例えば、樹脂材の粒子表面にニッケル次いで金メッキを施したマイクロボール５（参考：積水化学、ミクロパール）を使用する。ここでは、直径０．２５ｍｍのマイクロボール５を用いる。なお、マイクロボール５のコアに樹脂材を用いないで金、銀、銅、アルミ、パラジウムなどの単一金属で構成されるマイクロボール５もしくはいくつかのの金属を多層形成した多層金属で構成されるマイクロボール５を用いても良い。
【００３７】
次に、各々のマイクロボール５を基板２に設けられたスルーホール４への固定方法を３通り説明する。
【００３８】
まず、図３（Ａ）に示すとおり、マイクロボール５を基板２に搭載した後、マイクロボール５の上面をプレス板２４で押し付けて、スルーホール４内にマイクロボール５の弾性変形もしくは塑性変形を利用して固定する。
【００３９】
また、図３（Ｂ）に示すとおり、マイクロボール５を基板２に搭載した後、基板２の下面側にマイクロボール５を吸引する吸引ジグ７を取り付け、吸引孔８から吸引ジグ７内の空気を吸引して、吸引ジグ７内を陰圧に保ちマイクロボール５をスルーホール４に固定してもよい。吸引ジグ７を用いた製造方法においては、吸引ジグ７は、後に続く、ダイボンド工程、ワイヤボンディング工程および樹脂封止工程が終了するまで吸引ジグ７を基板２に取り付けた状態で流動する。
【００４０】
また、図３（Ｃ）に示すとおり、マイクロボール５を基板２に搭載する前に、あらかじめ基板２の下面側にＵＶテープを接着しておき、マイクロボール５をスルーホール４にテープの接着材によって固定してもよい。
【００４１】
次に、図４に示すとおりに、半導体素子１をマイクロボール５が固定された基板２の上に絶縁性の接着材１２を用いて固定する。
【００４２】
次に図５（Ａ））に示すとおりに、半導体素子１とマイクロボール５を電気的に接続する。接続は金線、銅線もしくはアルミ線を用いたワイヤボンディング法によって行なう。ここでは２０μｍの金線を用い、超音波熱圧着法によって半導体素子１とマイクロボール５を電気的に接続する。
【００４３】
次に図５（Ｂ）に示すとおりに、封止金型９内にワイヤボンディングが完了した基板２を設置して、基板２の上面側のみを封止樹脂１０で封止する。ここでは、トランスファーモールド法により行う。樹脂を封止する際は、ポッティング法を用いても良い。図３−（８）は、樹脂封止後の封止体を示した図である。また、封止樹脂の代わりに、セラミックス、ガラス材の中空ボディーをハメあわせしても良い。
【００４４】
次いで、必要に応じて樹脂のキュア処理を行ない、図５（Ｃ）に示す樹脂封止体上面図のＹ２−Ｙ２部をダイシング法で各々のＢＧＡ半導体パッケージに個片化する。半導体素子１の電気特性検査は、個片化後もしくは封止体の状態で実施する。以上の製造方法により、本発明のＢＧＡ半導体パッケージが完成する。図６が完成したＢＧＡ半導体パッケージの断面構造図である。
【００４５】
なお、本実施例においては、外部接続端子となるマイクロボールは半導体素子の両側のみに配置したが、半導体素子を取り囲んで４辺に配置することもできることは明らかであり、本発明の範囲に入ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４６】
１  半導体素子
２  基板
３  テーパ
４  スルーホール
５  マイクロボール
６  ボンディングワイヤ
７  吸引ジグ
８  吸引孔
９  テープ
１０  封止金型
１１  封止樹脂
１２  接着剤
２０  配線
２１  外部接続部
２２  半田ボール
２３  ダイパッド
２４  プレス板
【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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