(57)【要約】【課題】  半田接合の熱疲労における長寿命化をはかる。【解決手段】  円形ランドを異形にすることによって、一点に最大歪みが発生するのを、線状に最大歪みが発生するようにし、歪み分布を緩やかな変化にして、最大歪みを小さくする。このことによって、疲労寿命を長くすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を収納し、一面にプリント基板の配線電極と接合するはんだバンプの配列を有するパッケージと該パッケージを実装するプリント基板とにおいて、最外部及びその近傍に配列されたはんだバンプの少なくとも一個以上のバンプに関し、該バンプで接続されるパッケージとプリント基板のランドの少なくとも片方は、該ランドの中心とパッケージ中心を結ぶ直線に対して、該ランドのパッケージ中心に対して外側になるランドとランドを形成する基材の境界線が、パッケージ中心から等距離となる部分を有し、且つ、他のバンプ接合ランド面積より大きな面積を有し、且つ、ランドを形成する閉曲線が角部を持たないことを特徴とするランドを有するパッケージ或いはプリント基板によって実装される実装基板。
【請求項２】
請求項１において、該ランドを形成する閉曲線は外側に凸の曲線と内側に凸の曲線を組み合わせてあり、且つ、他ランドとの最小間隔を保持してあることが特徴であるランドを有するパッケージ或いはプリント基板によって実装される実装基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子機器に内蔵されるプリント基板搭載の電子部品、及びそれを用いる電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、プリント基板に搭載される半導体を収容したはんだバンプの面配列を有するパッケージ及びパッケージを実装した実装基板は図１４，１５に示す構造を有している。図１４において９０はパッケージ本体、９１はパッケージ本体で保護される半導体チップ、９２は半導体チップとプリント基板を電気的に結ぶためのインターポーザー、９３はプリント基板、９４はインターポーザーとプリント基板の夫々の電極を接合するインターポーザーに設けられたはんだバンプによって形成された接合部、９５は接合部の基板近くで基板と平行な断面を示す矢印である。次に図１５は９５で示された面を見た時に見えるランドを示している。このような構成のパッケージ及びプリント基板では、はんだバンプ接合部の熱疲労寿命において、最外部及びその近辺の接合（特に９７で示されるランドにおける接合及びその対称位置の接合及びその対称位置の接合、及び９８，９９，１００で示されるランドにおける接合及びその対称位置の接合及びその近くに配された接合部）は環境温度変動及び機器の動作による温度変動において実装を構成する材料の温度特性の相違から膨張収縮に差を生じ、それによりはんだ接合部に歪みが発生し、信頼性上の問題として捕えられた。それに対し、さまざまな提案がなされてきた。その中で、本発明に係わるものとして、特開2001-127202、特開2002-100648がある。特開2001-127202では熱膨脹による歪みによって生じるランドとはんだボールの接合部の亀裂による接続不良を防止するとして、インターポーザーの四隅に近接しているランドを正方形に形成するという提案がなされている。ここで、正方形に形成することの意味は正方形の辺全体で応力を分担し、応力の集中は緩和されるとしている。次に特開2002-100648では端子電極を円に突起がついた形にしているので、はんだリフロー工程で半導体装置の端子電極の突起にはんだが引き寄せられバンプ中央部のはんだ量が減り、この結果はんだバンプ形状は鼓形となるように引き寄せられて接合するので、半導体装置の電極とはんだバンプの接合強度を高くすることができるとしている。
【特許文献１】特開２００２−１００６４８号公報
【特許文献２】特開２００１−１２７２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したことから既に明らかなように、実装を構成する材料の熱膨張差によって発生する歪み（或いは応力）が問題である。即ち、熱膨張率が材料毎に異なるため、構成部材の変形量が異なる。このとき、パッケージと基板を繋ぐはんだは以下のように問題となる。はんだは非常に非線形性の強い材料であり、特に高温において非常に柔らかい材料である。このような特性のため、各部材の変形量の差ははんだが変形することで各部材が自由に変形できそれにより各部材の歪みを防ぎ、各部材を損傷から守っている。ここで、はんだ自体は歪むわけであるから、劣化を起こしている。問題は劣化の結果として、機能が満足できなくなる限度を超えるかどうか、ということにある。その一つの端的な例がＢＧＡ，ＣＳＰといったようなものである。これらのものでは、パッケージと基板を繋ぐものがはんだのみで構成され、はんだの劣化に対し、大きな負荷が掛かるようになった。又、上述ＢＧＡ，ＣＳＰといったものはプロセスの構成上同一サイズの接合部、ランド、電極から構成されることが多い。しかし、パッケージ中心から遠い接合ほど各部材の変形量は大きく、従って、歪みも大きくなる。従って、パッケージの接合配列の最外部及びその近くにおいて劣化の大きいものが多く見られる。勿論、歪みは材料の熱膨張差に依存するから、その差の大きい部分も劣化が大きくなる。即ち半導体チップはシリコンで構成され、シリコンの熱膨張は小さく、従ってはんだに負荷をかける一方の部材が基板であり、これが樹脂であるため、熱膨張が大きいということより、シリコンチップの近くも劣化が大きい可能性がある。これらの劣化をいかに防ぐかということが、大きな課題である。
【０００４】
又、上記の例、特開2001-127202はランドを正方形に形成するためにランドを大きくする場合、隣接接合とブリッジする可能性があるし、正方形であるため、角部が存在し、この部分に応力が集中し、応力を緩和するという考え方の完全な解決とならない。又、正方形の辺はパッケージの中心から見ると、等長ではなく、従って、部材の変形量は同じではない。つまり、正方形の辺上に発生する負荷は同じでなくなり、正方形の辺上で且つパッケージの中心とランド中心を結ぶ対角線上から離れるに従って、変形量は大きく即ち負荷が大きくなり、劣化は激しくなる可能性がある。こうしたことは該提案の課題となると考えられる。次に、特開2002-100648では突起を設けるため、再び応力の集中が起きる。勿論、鼓形にする効果はあるだが、応力の緩和をはかるためには、完全な対策とは言いがたい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記の問題を解決するため、以下の手段を提案する。
【０００６】
第一の発明では、該ランドのパッケージ中心に対して外側になるランドとランドを形成する基材の境界線が、パッケージ中心から等距離となる部分を有し、且つ、他のバンプ接合ランド面積より大きな面積を有し、且つ、ランドを形成する閉曲線が角部を持たないという構成である。このような構成で、ランド境界線がパッケージ中心から等距離であることより、従来のランドより境界線をなす曲率半径が大きくなり、応力集中の度合いが低減する。現実的にランド半径とパッケージ中心から最外ランドまでの距離とは大きな違いがあるので、応力集中の度合いを大きく減らすことができる。次に、ランド面積を他の通常のランド面積より大きくすることによって、外側に向かって凸になる形状の通常の接合部に対して、外側に向かって凹になる形状の接合部とすることができ、界面端部に歪みが集中してしまう通常の接合部に対し、広い領域に渡って、歪みが分布する理想的接合とすることができる。更に、ランド形状はランドを囲む閉曲線が角部を持たない形状としているので、応力（或いは歪み）の集中はあまり生じず、課題の応力の緩和をはかることが可能となる。
【０００７】
次に第二の発明では、該ランドを形成する閉曲線は外側に凸の曲線と内側に凸の曲線を組み合わせてあり、且つ、他ランドとの最小間隔を保持してある構成である。
【０００８】
次に他ランドとの最小間隔を保持してあるという構成は、プロセスにおいて生産性を考慮するものである。即ち、通常のランドでは最小間隔は隣接ランドでランド中心を結ぶ直線とランド外周の二つの交点の距離によって与えられる。この距離とランド半径をたした長さを半径として隣接ランドの中心から円を描き、その円周上に該ランドの境界を設けることで、該ランドは隣接ランドに対し、最小間隔を保持した上で、必要な大きさを得ることが可能となる。この場合、条件を保持する境界は明らかに外側に凹となる。即ち、第一の発明の構成と合わせると、外側に凸と外側に凹の組み合わせとなる。
【発明の効果】
【０００９】
接合熱疲労寿命に優れていて、しかも、従来の接合に対し、部品構成、生産プロセスを全く変える必要がないので、生産移行上スムースであり、又旧部品との混在も許容できるので柔軟性に富む。
【００１０】
第二の実施例は生産プロセス上の問題に対しても対処している。即ち、プロセス上問題となるはんだブリッジに対し、同等若しくはそれ以上に不良を低減させ得る接合構造とし得る、すぐれた接合である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１，３，４，５，６，７，１０，１１，１２，１３は本発明の基本となる第一の実施例を示すものである。図１において、１はランド又は電極が形成されるプリント基板表面又はパッケージインターポーザーの面、２は接合を形成するプリント基板のランド又はパッケージインターポーザーの電極(以下ランドとして説明)、３は課題を解決する最外（又は不図示のその近くの）バンプ、４は課題を解決した本発明のプリント基板ランド、５はパッケージ中心から最外ランドの外側までの距離、６は距離５の半径に従って形成された最外ランドの外側の境界、７はランド内側の境界、８はランド両端における境界である。図３は図４に示す図のランド又は電極全体における領域を示す。図４は第一の実施例の接合の俯瞰図であり、図３の１８ａで示す領域の接合形状の詳細を示すものである。図４において、１８はプリント基板の通常のランド(以下では下がプリント基板で上がパッケージの時を想定して説明する)、１９はパッケージインターポーザーにおける１８に対応する電極、２０は通常の接合の形状である。次に２１は課題の接合部を通常形状で構成したパッケージインターポーザーの電極、２２は課題の接合部に対し、本発明の形状を適用したプリント基板のランド、２３はパッケージ中心に対しランド外側の境界、２４はパッケージ中心に対しランド内側の境界、２５，２６はランド両端の境界、２７，２８，２９は接合部形状を示す。図５は図６，７に示す図のランド全体における位置関係を示す図であり、図５において、３０ａはＣ視、３０ｂはＤ視で、Ｃ，Ｄ視図は図６であり、３１はＢ視であり、Ｂ視図は図７である。図６に於いて３２，３３はパッケージ中心とランド中心を結ぶ線に対し直交方向から見た接合形状を示す。図７において、３４，３５はパッケージ中心とランド中心を結ぶ線に対し平行な方向から見た接合形状を示す。図１０は図６における断面方向の負荷（この場合、プリント基板面と平行な方向の力による変形を考える）での変形を示す。図１０において４９はプリント基板、５０はパッケージ、５１は通常のバンプ接合部、５２は負荷方向、５３，５４は通常バンプ接合部での接合部における各位置での変形の大きさを示す矢印、５５は通常バンプ接合部での最大歪み発生部近くの歪みの分布、５６は通常バンプ接合部での最大歪み発生部での歪みの大きさを示す模式図、５７は通常バンプ接合部での最大歪み発生部でのせん断高さ、５８は該部分での変形量、５９は本発明における接合部、６０，６１は該部分各位置での変形の大きさを示す矢印、６２は該部分での最大歪み発生部近くの歪みの分布、６３は該部分での最大歪み発生部での歪みの大きさを示す模式図、６４は該部分での最大歪み発生部でのせん断高さ、６５は該部分での最大歪み発生部での変形量である。図１１において６６は通常バンプ接合部、６７は本発明における接合部、６８，６９は６６，６７の夫々における最大歪み分布の集中度をしめし、色が濃く、点状の分布は集中が強く、色が薄く、面状の分布は集中が弱く緩やかな分布の歪みであることを示す。図１２，１３は接合径状による歪み発生の仕方の違いを示す図である。図１２は球状形状の接合の場合で接合面が直交方向にそれぞれ曲率を持つ場合であ��。勿論ここでの曲率は単純な円である必要はない。図において１２１は接合界面、１２２，１２３は領域Ｒｅ１，２の中心から接合表面両端を見た角度で１２２と１２３は同一角度、７０は界面に平行な断面での接合面曲率半径、７１は界面に垂直な断面での接合面曲率半径、７２，７３は接合界面からの領域Ｒｅ１，２の高さ、７４，７５は図１０での負荷による変形において場所による負荷の掛かり方を考える場合のそれぞれの領域、７６は高さＬ１での領域Ｒｅ１における界面と平行な断面よって形成される接合境界の曲線，７７，７８，７９はｒ２で形成される曲線、８０は高さＬ２での領域Ｒｅ２における界面と平行な断面よって形成される接合境界の曲線、８１は接合界面と接合部が形成する接触角である。図１３は円筒状接合の場合で接合面が一方向に曲率を持つ場合（本図ではもう一方の曲率半径は非常に大きく殆ど無視でき説明上一方向のみの曲率とした）である。図において、１３１は接合界面、１３２，１３３は領域Ｒｅ３，４の幅でそれぞれ同一幅、８３は界面に垂直な断面での接合面曲率半径、８４，８５は接合界面からの領域Ｒｅ３，４の高さ、８６，８７はそれぞれ高さＬ１，Ｌ２でのそれぞれの領域Ｒｅ３、Ｒｅ４における界面と平行な断面よって形成される接合境界の曲線，８９は接合界面と接合部が形成する接触角である。
【００１２】
以下に図を用いて発生歪みの状態を説明する。
【００１３】
図５，６，７で通常の接合に比べ、本発明の接合の接合表面が接合外向きに曲率が凹凸逆になる。まず、接合表面は表面張力の作用により、表面積が最小となるように形状が変化する。従って、液滴で重力が働かなければ、球形になる。接合の場合は接合界面がどのくらいの大きさかによるが、界面が小さいほど球に近くなることが分かる。次にだんだん接合界面の大きさを大きくした場合どうなるか。この場合体積、高さが一定であることを考慮すれば、界面が大きくなり表面曲率半径が小さくなることは体積が増えることになるので、界面が大きくなる場合は表面曲率半径は大きくならなければならない。つまり、界面が大きくなるにつれ、表面のカーブはだんだんなだらかになり、ついには直線となり、更に界面が大きくなると逆方向のカーブを形成することになる。これがランド面積を大きくして、鼓形の接合を得るメカニズムである。
【００１４】
次に図１０，１１で発生歪みに関し説明する。図１０において通常の接合と本発明に関し接合における変形の仕方の相違が示されている。負荷５２が掛かった場合、通常の接合５１では５５に示すように界面の近くに歪みが集中して発生する。従って変形としては界面近くで53に示すように大きく、中央部では54に示すように小さい変形が生じる。これに比べ、本発明の接合５９のような鼓形では界面近くでの歪みの集中は起きにくく、接合中央で最大歪みが起きしかも歪みの分布はなだらかであることが、一般的に報告されている。つまり、５９では接合５１に比べ、界面近く、接合中央での変形は６０，６１で示すようにあまり変化の大きくないものとなる。このことを５６，６３に示す変形模式により説明すると、５６では高さが低く、６３では高さが高い、変形量は両方とも等しいと考える。すると、ひずみは変形量を高さで割ったものであるから６３は歪みが小さい。つまり、接合５９では中央部は形状変化が少なく、変形量も場所による変化が小さい、言い換えると、負荷を広い範囲の変形で分散しているので、ひずみが小さくなる。
【００１５】
次に通常の接合形状に比べ、本発明の接合形状が応力集中が少ない理由を図１２，１３にて説明する。図１２，１３でＲｅ１，２，３，４での応力を考える。負荷は図１０のものを考える。応力は掛かる負荷を面積で割ったものであるから、問題はＲｅ１とＲｅ２の面積の比率とＲｅ３とＲｅ４の面積の比率を比較すればよい。図１２の場合、Ｒｅ１，２の面積はｒ１とｒ２に応じて変化する。ｒ２により、接合界面に近いほど接合中心から接合表面までの距離は小さくなる。また、ｒ１より接合界面に近いほど角度１２２，１２３での領域の幅は小さくなる。一方、図１３ではｒによって接合界面に近いほど接合中心からの距離は小さくなるが、それと直交方向のｒが殆どない（ｒ＜＜ｒｒによる）ため接合の幅は一定である。従って、Ｌ１，Ｌ２における領域の面積比率はＦｉｇ１２つまり通常の接合の方が大きく、このことは接合界面に近いところの応力が通常の接合の方が大きくなるということを意味する。
【００１６】
以上の接合形状がパッケージ熱疲労に最適に形成されているのが本発明である。つまり、パッケージ中心から遠いバンプで上記の形状による接合をパッケージ中心からの円状に接合ランド(又は電極)外側の境界を設けるため、外側に掛かる負荷は等しくなり、負荷分散の最適化が図れるものである。
【００１７】
図２，８，９は本発明の第二の実施例である。Ｆｉｇ２において、３は接合を形成するプリント基板のランド又はパッケージインターポーザーの電極で課題を解決する最外（又は不図示のその近くの）ランド又は電極、１０は課題を解決した本発明のプリント基板ランドまたはパッケージインターポーザー電極（以下ランドとして説明）、１１はパッケージ中心から最外ランドの外側までの距離、１３は距離１１の半径に従って形成された最外ランドの外側の境界、１４はランド内側の境界、１５はランド両端における境界である。１６は最外ランドに隣接するランド、１７は隣接ランド１５からランド３までの最短距離とランド半径をたし合わせた半径でランド15の中心から描いた円により形成したランド10の一部、である。
【００１８】
図8はＦｉｇ２を接合を形成した状態で俯瞰した図である。図８において、３６，３７，３８，４１はＦｉｇ２でそれぞれ１３，１４，１７，１５である。３９は該ランドに対向する側の電極、４０はランド境界の角部を滑らかに結ぶ曲線境界、４２は接合界面から等しい高さにある接合表面を結ぶ等高線、４３は接合中心線を含むランドに垂直な面で断面を取った時、接合表面との交線、である。
【００１９】
図９はＦｉｇ２の本発明のランドを説明するための詳細図である。４４，４５，４８はＦｉｇ２でのそれぞれ１０，１６，１７である。４６は該ランドと隣接ランドの隣接ランド中心からの最短距離、４７は４６を半径とする円、である。
【００２０】
以下に上記構成での機能を説明する。半径４７で該ランドの境界を規定することにより、該ランドは隣接ランドからの最短距離は通常のランド配列の場合と等価にすることができる。従って、この点からして、該ランドと隣接ランドのはんだブリッジの発生しやすさは殆ど等しいといえる。しかし、本発明では、接合表面は外側に向かって凹となるよう、ランドサイズを規定している。従って、通常の接合は接合表面が外側に凸であるので、接合界面から離れたところでは本発明の接合は通常の接合よりも常に距離が大きくなっている。上述のこととこのことより、本発明第二の実施例では通常の接合よりブリッジ発生の少ない優れた生産性の接合構造である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第一のランド又は電極全体における領域を示す図。
【図２】第二のランド又は電極全体における領域を示す図。
【図３】第一のランド又は電極全体における領域を示す図。
【図４】第一の実施例の接合の俯瞰図。
【図５】ランド全体における位置関係を示す図。
【図６】図５のＣ，Ｄ視図であり、パッケージ中心とランド中心を結ぶ線に対し直交方向から見た接合形状を示す図。
【図７】図５のＢ視図であり、パッケージ中心とランド中心を結ぶ線に対し平行な方向から見た接合形状を示す図。
【図８】Ｆｉｇ２を接合を形成した状態で俯瞰した図。
【図９】Ｆｉｇ２の本発明のランドを説明するための詳細図。
【図１０】図６における断面方向の負荷での変形を示す図。
【図１１】接合部における歪みの分布を示す図。
【図１２】接合径状による歪み発生の仕方の違いを示す図。
【図１３】接合径状による歪み発生の仕方の違いを示す図。
【図１４】実装基板の構造を示す図。
【図１５】実装基板の構造を示す図。
【符号の説明】
【００２２】
１  プリント基板表面又はパッケージインターポーザーの面
２  プリント基板のランド又はパッケージインターポーザーの電極
３  課題を解決する最外（又は不図示のその近くの）バンプ
４  課題を解決した本発明のプリント基板ランド
５  パッケージ中心から最外ランドの外側までの距離
６  最外ランドの外側の境界
７  ランド内側の境界
８  ランド両端における境界
１０  課題を解決した本発明のプリント基板ランドまたはパッケージインターポーザー電極
１１  距離
１３  最外ランドの外側の境界
１４  ランド内側の境界
１５  ランド両端における境界
１６  隣接するランド
１７  ランド15の中心から描いた円により形成したランド10の一部
１８  通常のランド
１９  パッケージインターポーザーの通常の電極
２０  通常の接合の形状
２１  課題の接合部を通常形状で構成したパッケージインターポーザーの電極
２２  課題の接合部に対し、本発明の形状を適用したプリント基板のランド
２３  ランド外側の境界
２４  ランド内側の境界
２５  ランド両端の境界
２６  ランド両端の境界
２７  接合部形状
２８  接合部形状
２９  接合部形状
３０  Ｃ視
３１  Ｂ視
３２  接合形状
３３  接合形状
３４  接合形状
３５  接合形状
３６  最外ランドの外側の境界
３７  ランド内側の境界
３８  ランド15の中心から描いた円により形成したランド10の一部
３９  電極
４０  角部を滑らかに結ぶ曲線境界
４１  ランド両端における境界
４２  等高線
４３  接合中心線を含むランドに垂直な面で断面を取った時、接合表面との交線
４４  課題を解決した本発明のプリント基板ランドまたはパッケージインターポーザー電極
４５  隣接するランド
４６  最短距離
４７  ４６を半径とする円
４８  ランド15の中心から描いた円により形成したランド10の一部
５０  パッケージ
５１  通常のバンプ接合部
５２  負荷方向
５３  変形の大きさを示す矢印
５４  変形の大きさを示す矢印
５５  歪みの分布
５６  歪みの大きさを示す模式図
５７  最大歪み発生部でのせん断高さ
５８  変形量
５９  本発明における接合部
６０  変形の大きさを示す矢印
６１  変形の大きさを示す矢印
６２  歪みの分布
６３  歪みの大きさを示す模式図
６４  せん断高さ
６５  変形量
６６  通常バンプ接合部
６７  本発明における接合部
６８  歪み分布の集中度
６９  歪み分布の集中度
７０  接合面曲率半径
７１  接合面曲率半径
７２  高さ
７３  高さ
７４  領域
７５  領域
７６  接合境界の曲線
７７  曲線
７８  曲線
７９  曲線
８０  接合境界の曲線
８１  接触角
８３  接合面曲率半径
８４  高さ
８５  高さ
８６  高さ
８７  高さ
８９  接触角
９０  パッケージ本体
９１  パッケージ本体で保護される半導体チップ
９２  インターポーザー
９３  プリント基板
９４  インターポーザーに設けられたはんだバンプによって形成された接合部
９５  基板と平行な断面を示す矢印
９７  最外部及びその近辺の接合
９８  最外部及びその近辺の接合
９９  最外部及びその近辺の接合
１００  最外部及びその近辺の接合
【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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【図１５】
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