(57)【要約】【課題】ハンダボール働く熱応力の影響を小さくしてハンダボールが摩耗することを防止することができる半導体装置及び回路基板を提供すること。【解決手段】本発明にかかる半導体装置は、電極パッド４〜６を格子状に二次元配列して表面に配置する回路基板３と、回路基板３上の電極パッド４〜６に接合されたハンダボール２を介してハンダ接続される半導体チップ１と、を備え、格子状に二次元配列された前記電極パッド４〜６は、回路基板３の中心から距離が離れるにつれて面積が小さくなるように配置されるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極パッドを格子状に二次元配列して表面に配置する回路基板と、
前記回路基板上の前記電極パッドに接合されたハンダボールを介してハンダ接続される半導体チップと、を備え、
前記格子状に二次元配列された前記電極パッドは、前記回路基板の中心から距離が離れるにつれて面積が小さくなるように配置される、半導体装置。
【請求項２】
前記回路基板の熱膨張係数は、前記半導体チップの熱膨張係数よりも大きい、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記回路基板は、
熱が加えられた際に、中心から距離が離れるにつれて前記半導体チップよりも形状の変化が大きくなる、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記回路基板の中心から距離が離れるにつれて前記電極パッドと接続されているハンダボールのたわみが大きくなる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記格子状に二次元配列された前記電極パッドに接合されるハンダボールの大きさは、実質的に同じである、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ハンダボールの大きさは、前記回路基板の中心に配置された前記電極パッドと接続された際に当該電極パッドからはみ出さない大きさとなるように決定される、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体チップとハンダボールを介してハンダ接続される電極パッドを格子状に二次元配列して表面に配置し、前記格子状に二次元配列された前記電極パッドは、中心から距離が離れるにつれて面積が小さくなるように配置される、回路基板。
【請求項８】
前記回路基板の熱膨張係数は、前記半導体チップの熱膨張係数よりも大きい、請求項７に記載の回路基板。
【請求項９】
前記格子状に二次元配列された前記電極パッドに接合されるハンダボールの大きさは、実質的に同じである、請求項７又は８に記載の回路基板。
【請求項１０】
前記ハンダボールの大きさは、前記回路基板の中心に配置された前記電極パッドと接続された際に当該電極パッドからはみ出さない大きさとなるように決定される、請求項９に記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置及び回路基板に関し、特に電極パッドを搭載する回路基板及びその回路基板を含む半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の小型化及び高速化に対応するために、様々な半導体チップの実装形態が存在する。例えば、ウェハ段階でパッケージングを行い、ハンダボールによって回路基板に表面実装することができるＷＬ−ＣＳＰ（Wafer Level-Chip Size Package）がある。
【０００３】
ＷＬ−ＣＳＰにおいては、半導体チップにハンダボールが印刷されている。半導体チップは、回路基板に設けられた電極パッドとリフロー方式を用いて接続される。接続する際にリフロー方式を用いることにより、半導体チップと回路基板とが僅かにずれても、溶融したハンダボールと電極パッドとの間に表面張力が働き、僅かなずれを補正することができる。これにより、半導体チップは、回路基板上の所望の位置に実装することができる。
【０００４】
しかし、回路基板は、リフロー時に熱が加えられた場合に反り返ることがある。回路基板が反り返ることにより、回路基板と半導体チップとの接着面の高さが一定とならず、接触不良が発生するという問題がある。
【０００５】
特許文献１は、このような問題に対応するために、回路基板の反り量に応じて、回路基板上に面積の異なる電極パッド（ランド）を形成することを開示している。例えば、図５に示すように、回路基板の反りが小さい箇所の電極パッド１００の面積を大きくし、回路基板の反りが大きい箇所の電極パッド１１０の面積を小さくするようにしている。回路基板の反りの大小とは、回路基板と半導体チップとを対向して接続する際に、回路基板と半導体チップとの距離が小さい箇所を反りが小さい箇所とし、回路基板と半導体チップとの距離が大きい箇所を反りが大きい箇所とする。ここで、面積は、ハンダボールと接合される電極パッドの接合面の表面積を示している。異なる面積の電極パッドにハンダボールを接合する場合、ハンダボールの高さが異なる。図６に示すように、電極パッドの面積が小さい場合、ハンダボールの高さが高くなり、電極パッドの面積が大きい場合、ハンダボールの高さが低くなる。これにより、回路基板の反り返りにより、半導体チップとの距離が大きくひらく回路基板の外側に配置される電極パッドの面積を小さくすることにより、接触不良の発生を防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２４３８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１には、リフロー時に生じる回路基板の反り返りによる接触不良に着目している。そのため、特許文献１に開示されている方法により回路基板上の電極パッドを二次元配列した場合、図７に示すように、中心から回路基板の左右方向に向かうにつれて電極パッドの面積が小さくなる。また、中心から上下方向については、回路基板の反り返りがないとすると、電極パッドの面積は変わらない。
【０００８】
しかし、リフロー時に回路基板に熱が加えられた場合、回路基板は反り返るだけではなく、熱膨張によって回路基板の中心から上下方向（図６の矢印方向）に引っ張られる力も働く。このような場合、半導体チップと半導体チップに接続される回路基板との間にずれが発生し、図７の電極パッド１２０及び１３０に接合されているハンダボールに強い熱応力が働く。これにより、電極パッド１２０及び１３０並びにその周辺の電極パッドに接合されているハンダボールが摩耗して破断するという問題が発生する。
【０００９】
本発明はこのような問題を解決するために、ハンダボール働く熱応力の影響を小さくしてハンダボールが摩耗することを防止することができる半導体装置及び回路基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様にかかる半導体装置は、電極パッドを格子状に二次元配列して表面に配置する回路基板と、前記回路基板上の前記電極パッドに接合されたハンダボールを介してハンダ接続される半導体チップと、を備え、前記格子状に二次元配列された前記電極パッドは、前記回路基板の中心から距離が離れるにつれて面積が小さくなるように配置されるものである。
【００１１】
本発明の第２の態様にかかる回路基板は、半導体チップとハンダボールを介してハンダ接続される電極パッドを格子状に二次元配列して表面に配置し、前記格子状に二次元配列された前記電極パッドは、中心から距離が離れるにつれて面積が小さくなるように配置されるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、ハンダボール働く熱応力の影響を小さくしてハンダボールが摩耗することを防止することができる半導体装置及び回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１にかかる半導体装置の構成図である。
【図２】実施の形態１にかかるハンダ接続されたハンダボールの形状を示す図である。
【図３】実施の形態１にかかるハンダボールに熱応力がかかった場合のハンダボール２形状を示す図である。
【図４】実施の形態２にかかる電極パッドの配置構成図である。
【図５】一般的な回路基板の反り返りを示す図である。
【図６】一般的な電極パッドの大きさに応じたハンダボールの高さを示す図である。
【図７】一般的な電極パッドの配置構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１を用いて本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の構成例について説明する。半導体装置は、半導体チップ１及び回路基板３を有している。
【００１５】
回路基板３は、複数の電極パッドを有している。複数の電極パッドには、図１のＩＩＩ及びＩVに示すように、例えば面積が大きい電極パッド４、面積が小さい電極パッド６及び電極パッド６よりも面積が大きく電極パッド４よりも面積が小さい電極パッド５が含まれる。電極パッドの面積とは、ハンダボール２と接合される接合面の表面積である。また、回路基板３の表面に配置される複数の電極パッドは、格子状に二次元配列されている。図１においては、電極パッドのハンダボール２との接合面を円形として説明しているが、円形に限定されず、例えば正方形もしくは長方形等の他の形状であってもよい。また、図１においては、電極パッドは、６行及び６列に等間隔に配置されているが、回路基板３の配線等により、隣接する電極パッドとの位置が等間隔とはならない場合もある。
【００１６】
さらに、電極パッドは、図１のＩVに示されるように、回路基板３の中心付近に配置された電極パッド４の面積が一番大きく、中心から距離が離れるにつれて、電極パッド５及び電極パッド６のように面積が小さくなる。図１のＩＩＩにおいても、回路基板３の中心から距離が離れるにつれて電極パッドの面積が小さくなることを示している。つまり、回路基板３の端部付近に配置された電極パッドの面積は小さく形成され、回路基板３の端部から回路基板３の中心に向かうにつれて電極パッドの面積は大きく形成される。
【００１７】
図１のＩVは、回路基板３の表面を上方から見た図を示している。さらに、図１のＩＩＩは、回路基板３における断面ＣＤを横方向から見た図を示している。図１のＩＩＩにおける点線ＣＤは、図１のＩVにおける点線ＣＤと対応している。
【００１８】
半導体チップ１は、回路基板３に配置された複数の電極パッドとハンダボール２とを接合することによりハンダ接続される。半導体チップ１には、電極パッドとの接合に用いられるハンダボール２が印刷されている。ハンダボール２は、半導体チップ１が回路基板３と対向してハンダ接続される際に、回路基板３の電極パッドと対向する位置に印刷される。つまり、ハンダボール２の印刷位置は、回路基板３の電極パッドの配置に応じて定まり、回路基板３の電極パッドの配置に応じて変更されてもよい。
【００１９】
また、ハンダボール２は、図１のＩＩに示されるように所定の高さを有するように球形に形成される。図１のＩは、半導体チップ１の表面をハンダボールが印刷されている下方から見た図を示している。図１のＩＩは、半導体チップ１における断面ＡＢを横方向から見た図を示している。
【００２０】
ＷＬ−ＣＳＰによってパッケージングされた半導体チップ１を回路基板３に実装する際、半導体チップ１に印刷されているハンダボールは、リフローによって高温で溶融される。溶融されたハンダボールは、回路基板３の電極パッドに接合される。ハンダボール２が高温で溶融されることにより、回路基板３には熱が加えられ、回路基板３の形状が変化する。また、半導体チップ及び回路基板３の設置環境又は回路動作等においても回路基板３に加えられる熱が変化する。形状の変化は、回路基板３の中心付近を中心とした反り返り及び熱膨張により回路基板３の中心から端部の方向に力が加わり、回路基板３が伸長すること等を含む。ハンダボール２が高温で溶融されることにより、半導体チップ１にも熱が加えられるため、半導体チップ１も伸長する。
【００２１】
半導体チップ１及び回路基板３の熱膨張係数は異なる。そのため、半導体チップ１及び回路基板３の熱膨張係数の差によって、半導体チップ１及び回路基板３は、異なる形状に変化する。半導体チップ１及び回路基板３が異なる形状に変化することにより、半導体チップ１及び回路基板３を接合しているハンダボール２に熱応力がかかる。
【００２２】
例えば、半導体チップ１の熱膨張係数よりも回路基板３の熱膨張係数が大きい場合について説明する。この場合、回路基板３は、半導体チップ１よりも大きく反り返り、さらに半導体チップ１よりも伸長させる力が大きく働く。そのため、ハンダボール２には、回路基板３の形状変化によって引っ張られる力が加わる。さらに、回路基板３の中心から離れるほど、つまり、回路基板３の中心から外側に向かうほど、ハンダボール２にかかる熱応力は大きくなる。これは、回路基板３の中心から外側に向かうほど、半導体チップ１に対する回路基板３の形状の変化が大きくなるからである。
【００２３】
ここで、図２を用いて半導体チップ１及び回路基板３がハンダボール２を介してハンダ接続された場合のハンダボール２の形状について説明する。また、半導体チップ１に印刷されたハンダボール２の量は、全て実質的に同一とする。さらに、半導体チップ１に印刷されたハンダボール２は、全て実質的に同一の形状とする。
【００２４】
ハンダボール２が接合される回路基板３上の電極パッドの表面積は、それぞれ異なる。電極パッド４〜６にハンダボール２が接合された際に、それぞれのハンダボール２の量は実質的に同一であるため、ハンダボール２の形状はそれぞれ異なる。電極パッド４は、電極パッド５及び６と比較してハンダボール２との接合面の表面積が大きい。そのため、電極パッド４とハンダボール２が接触する面積も大きくなる。これより、電極パッド４とハンダボール２とを接合するハンダボールには表面張力が働き、半導体チップ１及び回路基板３に多少位置ずれが発生しても位置ずれが補正されて接合される。
【００２５】
電極パッド６は、電極パッド４及び５と比較してハンダボール２との接合面の表面積が小さい。つまり、電極パッド６とハンダボール２とが接触する面積も小さくなる。そのため、図５においても説明したように、表面積が小さい電極パッド６に接合されたハンダボールは盛り上がった形状となる。つまり、電極パッド６に接合されたハンダボールは、電極パッド６からはみ出すような形状となる。さらに電極パッド６に接合されたハンダボールは、電極パッド４及び電極パッド５と接合されているハンダボールと比較してたわんでいる形状となる。
【００２６】
電極パッド５は、電極パッド６よりもハンダボール２との接合面の表面積が大きく、電極パッド４よりもハンダボール２との接合面の表面積が小さい。そのため、電極パッド５と接合されたハンダボール２の形状は、電極パッド６と接合されたハンダボール２よりもたわみが小さい形状となっている。さらに、電極パッド５と接合されたハンダボール２の形状は、電極パッド４と接合されたハンダボール２よりもたわみが大きい形状となっている。
【００２７】
ここで、図３を用いて、半導体チップ１及び回路基板３の熱膨張係数の違いにより、ハンダボール２に熱応力がかかった場合のハンダボール２の形状について説明する。図３においては、回路基板３の熱膨張係数が、半導体チップ１の熱膨張係数よりも大きい場合について説明する。この場合、回路基板３の中心から外側へ向かう力の方が、半導体チップ１の中心から外側へ向かう力よりも大きいとする。図３の矢印の長さは、半導体チップ１及び回路基板３に加わる力の大きさを示している。図３は、回路基板３の矢印の方が半導体チップ１の矢印よりも長く記載され、回路基板３の中心から外側に向かう力が大きいことを示している。
【００２８】
ここで、回路基板３の外側に向かうほど、半導体チップ１に印刷されたハンダボール２と回路基板３に配置された電極パッドとの位置にずれが生じる。ハンダボール２と電極パッドとの位置ずれとは、半導体チップ１及び回路基板３を対向した位置に配置した場合、電極パッドとハンダボール２とが対向する位置に配置されている状態から、電極パッドがハンダボール２と対向する位置から横にずれた位置に移動することである。回路基板３の外側に向かうほど、位置ずれが大きくなることから、回路基板３の中心から離れるほど、つまり、回路基板３の中心から外側に向かうほど、一般的にはハンダボール２にかかる熱応力は大きくなる。
【００２９】
しかし、図１の構成においては、回路基板３の中心から外側に向かうほど、電極パッドの面積は小さくなっている。そのため、図２において説明したように、回路基板３の外側の電極パッドに接合されるハンダボール２の形状はたわんだ形状となる。
【００３０】
これより、半導体チップ１及び電極パッドの接合剤となっているハンダボール２は、回路基板３の外側に向かうにつれて大きく引っ張られることになるが、ハンダボール２がたわんでいるため、ハンダボール２にかかる熱応力は小さくなる。これにより、回路基板３端部付近に配置された電極パッドと接合されるハンダボール２が、大きく引っ張られた場合においても、ハンダボールにクラックが入ることを防止することが可能となり長期信頼性を向上させることができる。
【００３１】
ここで、回路基板３端部付近に配置された電極パッドと接合されるハンダボール２にクラックが入ることを防止するために、回路基板３上の全ての電極パッドの面積を小さくした場合と、図１に示すように、回路基板３の中心から離れるにつれて電極パッドの面積を小さくしていく場合との差異について考察する。
【００３２】
回路基板３上の全ての電極パッドの面積を、電極パッド６のように小さくした場合、図２及び図３において説明したように、電極パッド６と接合されるハンダボール２はたわんだ形状となる。そのため、回路基板３上の電極パッドと接続される全てのハンダボール２は、たわんだ形状となる。一般的に、半導体チップ１及び回路基板３をハンダ接続する場合、ハンダボール２及び電極パッドの位置が多少ずれていた場合においても、ハンダボール２及び電極パッドの表面張力によりずれが補正される。しかし、回路基板３上の全ての電極パッドの面積を小さくし、半導体チップ１及び回路基板３を接続した際にハンダボール２をたわんだ形状とした場合、熱応力は伝わりにくいが、表面張力が弱くなる。そのため、半導体チップ１及び回路基板３の間の接合が弱くなり、半導体チップ１及び回路基板３の間において位置ずれが生じてしまう。つまり、半導体チップ１のハンダボール２及び回路基板３上の電極パッドの接合状態が不安定となり、接触不良を引き起こす可能性が高まってしまう。
【００３３】
一方、図１に示すように回路基板３の中心から離れるにつれて電極パッドの面積を小さくした場合、回路基板３の中心付近には、電極パッド４のように面積が大きい電極パッドが配置される。そのため、半導体チップ１及び回路基板３をハンダ接続した際にハンダボールはたわんだ形状とはならず、表面張力が強く働く。これにより、ハンダボール２及び電極パッドの位置が多少ずれていた場合においても、ハンダボール２及び電極パッドの表面張力によりずれが補正される。さらに、半導体チップ１のハンダボール２及び回路基板３条の電極パッドの間の接合を強くすることができる。
【００３４】
また、回路基板３端部付近に配置された電極パッドと接合されるハンダボール２にクラックが入ることを防止するための異なる方法として、電極パッドの大きさはすべて、電極パッド４の大きさとし、半導体チップ１の１つのハンダボール２の量を増加させることによって回路基板３の中心から離れた位置に配置された電極パッドと接合されているハンダボール２にかかる熱応力を弱める場合について考察する。
【００３５】
一般的にＷＬ−ＣＳＰは、通常よりも小型で高密度な実装方法である。そのため、電極パッド間及びハンダボール間の間隔は狭くなっている。そのため、ハンダボールの量を増加させて半導体チップ１のハンダボール２及び回路基板３上の電極パッドをハンダ接続した場合、ハンダボール２が電極パッドから大きくはみ出してしまう可能性がある。このような場合、電極パッド上のハンダボール同士が接触してショートしてしまうこともある。
【００３６】
さらに、電極パッドと接合されたハンダボール２の量が増加されているため、回路基板３の中心付近においてもハンダボール２は、たわんだ形状となり、半導体チップ１及び回路基板３の間の接合が弱くなる。そのため、半導体チップ１のハンダボール２及び回路基板３上の電極パッドの接合状態が不安定となり、接触不良を引き起こす可能性が高まってしまう。
【００３７】
上記の考察より、本願の実施の形態１にかかる半導体チップにおいては、次のようにハンダボールの量を調整してもよい。
【００３８】
本願の実施の形態１にかかる回路基板３においては、中心から外側に向かうにつれて電極パッドのハンダボール２との接合面の表面積が小さくなる。そのため、半導体チップ１のハンダボールの量をすべて同一とした場合、外側の電極パッドと接合されるハンダボール２ほどたわみが大きい形状となる。この時、ハンダボールの量は、回路基板３の中心付近に配置された電極パッド４において、電極パッド４と接合されたハンダボール２が、電極パッド４からはみ出ない程度の量とするようにしてもよい。
【００３９】
このように、回路基板３の中心付近において、電極パッド４と接合されたハンダボール２が、電極パッド４からはみ出ないようにハンダボールの量をコントロールすることにより、回路基板３の中心付近においてハンダボール２同士が接触することを防止することができる。
【００４０】
さらに、電極パッドの表面積は、回路基板３の中心から外側に向かうにつれて小さくなる。そのため、電極パッド間の距離は、外側に向かうにつれて大きくなる。これより、回路基板３の端部付近においては、電極パッド間の距離が大きくなっているため、ハンダボール２がたわんだ場合においても、ハンダボール２同士が接触することを防止することができる。このようにして、ハンダボール２の量を、回路基板３の中心付近に配置された電極パッド４の大きさに基づいて定めてもよい。
【００４１】
以上説明したように、本発明の実施の形態１にかかる半導体チップ１及び回路基板３を用いることにより、回路基板３の中心付近においては、電極パッドの表面積を大きくすることにより、半導体チップ１と強い接合を実現することができる。さらに、回路基板３の端部付近においては、電極パッドの表面積を小さくしてハンダボール２をたわんだ形状とすることにより、ハンダボール２にかかる熱応力を小さくすることによりハンダボール２が破断等することを防止することができる。このように、熱膨張係数の差によって生じる半導体チップ１及び回路基板３の変形を考慮しながら、回路基板３の中心付近では強い接合を行い、回路基板３の端部付近では、ハンダボール２にかかる熱応力を小さくすることにより、長期信頼性に耐えうる強い接合をバランスよく実現している。
【００４２】
（実施の形態２）
続いて、図４を用いて本発明の実施の形態２にかかる電極パッドの配置構成例について説明する。図１においては、回路基板３上に配置された電極パッドとして、中心付近から外側に向かうにつれて、一様に電極パッドの表面積を小さくする例について説明した。図４の下図は、回路基板３の表面を上方から見た図であり、図４の上図は、回路基板３を横方向から見た図である。図４においては、図４の下図の左右方向において、ハンダボール２を溶融した際に加えられた熱によって、反り返りが発生していることを示している。また、図４の下図の上下方向においても、熱膨張により伸長する力が働いている。
【００４３】
このような場合に、図１のように中心付近から外側に向かうにつれて、一様に電極パッドの表面積を小さくするのではなく、反り返りが発生している左右方向においては、電極パッド４、電極パッド５、電極パッド６のように電極パッドの表面積を小さくしていき、熱膨張により伸長する力のみが働く上下方向においては、電極パッド４、電極パッド５のように電極パッドの表面積を小さくしていってもよい。つまり、回路基板３の上下方向の端部よりも、反り返りが発生する回路基板３の左右方向の端部における電極パッドの表面積を小さくするようにしてもよい。
【００４４】
このようにして、回路基板３が反り返っている箇所におけるハンダボール２への熱応力の影響よりも、回路基板３が伸長する箇所におけるハンダボール２への熱応力の影響の方が小さいとした場合、回路基板３が伸長する箇所における電極パッドの表面積を、回路基板３が反り返っている箇所における電極パッドの表面積よりも大きくしてもよい。回路基板３が反り返っている箇所におけるハンダボール２への熱応力の影響よりも、回路基板３が伸長する箇所におけるハンダボール２への熱応力の影響の方が大きい場合、電極パッドの表面積の大きさを逆にしてもよい。
【００４５】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記の説明においては、ＷＬ−ＣＳＰを用いて説明したが、ＷＬ−ＣＳＰ以外にも、フリップチップ実装全てにおいて本発明を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  半導体チップ
２  ハンダボール
３  回路基板
４  電極パッド
５  電極パッド
６  電極パッド
１００  電極パッド
１１０  電極パッド
１２０  電極パッド
１３０  電極パッド
【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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