(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体パッケージ及びプリント配線基板のはんだ接合部の耐疲労強度を向上させ、半導体パッケージ、並びに、それをプリント配線基板に実装した半導体装置の寿命を改善する。【解決手段】半導体装置のはんだ接合部における開口部１３を逆テーパ形状に形成することで、はんだバンプ９の接合角を鈍角とし、はんだバンプ９を概ね鼓型形状に形成する。半導体装置は、稼動中においてはんだバンプ９に発生する応力やひずみが分散される構造になるため、はんだ接合部における耐疲労強度が向上し半導体装置の疲労寿命や信頼性の向上に繋がる。【選択図】図１
2006086161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性部材と、前記絶縁性部材の一方表面に搭載された半導体素子と、前記絶縁性部材の一方表面に搭載され、且つ、前記半導体素子とを電気的に接続する配線パターンと、前記絶縁性部材に設けられた半導体素子側開口部を通じて前記配線パターンに接合された外部接続端子と、前記半導体素子周辺をコーディングするモールド樹脂材とを有する半導体パッケージを、絶縁性基板と、前記絶縁性基板の一方表面に搭載され、且つ、前記半導体パッケージに装着された前記外部接続端子を電気的に接続する配線電極と、前記絶縁性基板の一方表面をコーディングする絶縁性保護層と、前記配線電極の位置に対応して前記絶縁保護層に設けられたプリント配線基板側開口部とを有するプリント配線基板に実装した半導体装置において、
前記半導体素子側開口部と前記プリント配線基板側開口部はその断面が前記はんだバンプ中心部に近い方の辺の長さをもう一方側の辺の長さ以下に短くした四辺形であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁性部材と前記絶縁性保護層との距離Ａと前記はんだバンプの高さＢとの比Ａ／Ｂを０〜０．８としたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パッケージ、並びに、該半導体パッケージをプリント配線基板に実装した半導体装置に係り、特に、外部接続端子として、はんだバンプを具備する半導体パッケージをプリント配線基板に電気的、且つ、機械的に接続した半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来において、外部接続端子にはんだバンプを用いた半導体パッケージとしてBGA（Ball Grid Array）やCSP（Chip Size Package 又は Chip Scale Package）が知られている。これらの半導体パッケージは電子機器の小型化、軽量化、高機能化に対応して開発されたもので、はんだバンプをエリアアレイ状に配置することによって、実装面積の縮小化及び高密度化を狙い、半導体パッケージの軽薄短小化を実現している。
【０００３】
図３は当該半導体パッケージをプリント配線基板に実装したもの、いわゆる半導体装置の概略的な構造を示している。簡単に説明すると、半導体素子１は絶縁性部材２の一方表面の中央部にダイボンド材４によって搭載され、その絶縁性部材２の表面には半導体素子１と電気的に接続するための配線パターン３が形成されている。ボンディングワイヤー７により半導体素子１の一方表面の周辺に沿って設けられたボンディングパッド６と配線パターン３とが電気的に接続され、半導体素子１周辺は封止樹脂材８により封止される。
【０００４】
そして、絶縁性部材２の他方表面には、はんだバンプ９が半導体素子側開口部１３を介して配線パターン３と接続された状態で配置される。このはんだバンプ９の配置に対応してプリント配線基板６０を構成する絶縁性基板１０に設けられたプリント配線基板側開口部１５の位置に配線電極１１がエリアアレイ状に配置され、その配線電極１１上にリフロー工程を経て、はんだバンプ９の、少なくとも、その一部を溶融し配線電極１１とはんだバンプ９とを接合させて完成する。
【０００５】
この半導体装置の構造上、電子機器の稼動中における大きな温度変化や電源の発停時において、半導体パッケージ及びプリント配線基板の構成部材の線膨張係数の相違に起因して発生する応力やひずみがはんだバンプ全体に繰り返し集中すると、はんだバンプにクラックが発生して破断に至り、半導体装置としての機能が停止してしまうことが従来から懸念されている。従って、はんだ接合部における耐疲労強度の向上対策を講じることにより、半導体パッケージ並びにそれをプリント配線基板に実装した半導体装置の疲労寿命の向上を図る必要がある。
【０００６】
そのための対策の１つに、はんだバンプとその接合対象との接合角度が鈍角となるように形成せしめることではんだ接合部の対疲労強度を向上させることが知られている。図６に示すように従来の太鼓型形状のはんだバンプの場合、半導体パッケージの配線パターン３やプリント配線基板の配線電極１１とはんだバンプとの接合角が鋭角となり、はんだ接合部に応力やひずみが集中し易いために、はんだバンプが破壊し易いという問題があった。
【０００７】
そこで、半導体パッケージの配線パターンやプリント配線基板の配線電極と、はんだバンプとの接合角が鈍角になるような形状、即ち、鼓型形状に形成せしめることにより、はんだ接合部に掛かる応力やひずみを分散させ破壊しにくくすることが可能となる。
【０００８】
例えば、（特許文献１において、図４及び図５に示すように、半導体パッケージとプリント配線基板との間に弾性体を介在させて、前記弾性体の圧縮変形を利用してはんだバンプを鼓型形状に形成する方法が開示されている。即ち、図４に示すように、半導体パッケージ５０をプリント配線基板６０に実装する際に、半導体パッケージ５０とプリント配線基板６０との間にはんだバンプ９とは他に弾性体１５を介在させ、配線パターン３の位置がプリント配線基板６０の配線電極１１上に対応するように、吸着器具１６で保持して半導体パッケージ５０を位置決めしてプリント配線基板６０に搭載した後に、吸着器具１６によって半導体パッケージ５０を加圧し、弾性体１５を圧縮変形させる第１工程と、図５に示すように、この状態ではんだバンプ９を加熱溶融している最中に、吸着器具１６を解除させて弾性体１５の圧縮変形を解除させることにより、はんだバンプ９の形状を鼓型形状に形成する第２工程で構成されている。
【特許文献１】特開平１１−２７４６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の方法は、半導体パッケージとプリント配線基板との間にはんだバンプとは他に弾性体を介在させた状態で、半導体パッケージをプリント配線基板に実装しているため、半導体パッケージとプリント配線基板との電気的接続に直接関与しない弾性体を設置するためのスペースが必要となり、そのスペース分だけ半導体パッケージが大型化し、電子機器の小型化を妨げることになる。弾性体を設置しない場合と同一の半導体パッケージ面積で実現させるにしても、同じ数だけのはんだバンプを配列させるには、例えば、バンプピッチを更に密にしなければならず、電気的接続の面から信頼性が高いとはいえない。
【００１０】
又、半導体パッケージを加圧・保持・解除することにより弾性体の変形をコントロールして、はんだバンプを鼓型形状に形成せしめるための大規模で複雑な吸着器具が必要となり、コストも増加する。
【００１１】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、半導体パッケージ及びそれをプリント配線基板に実装した半導体装置にこれらの構成部材以外の部材を付与することなく、且つ、簡単な方法で半導体パッケージの配線パターンやプリント配線基板の配線電極とはんだバンプとの接合角を鋭角にし、概ね、鼓型形状に形成せしめることで、はんだ接合部の耐疲労強度を向上させ、半導体パッケージ、並びに、それをプリント配線基板に実装した半導体装置の寿命を改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記本発明の目的を達成する本発明の構成は、絶縁性部材と、前記絶縁性部材の一方表面に搭載された半導体素子と、前記絶縁性部材の一方表面に搭載され、且つ、前記半導体素子とを電気的に接続する配線パターンと、前記絶縁性部材に設けられた半導体素子側開口部を通じて前記配線パターンに接合された外部接続端子と、前記半導体素子周辺をコーディングするモールド樹脂材とを有する半導体パッケージを、絶縁性基板と、前記絶縁性基板の一方表面に搭載され、且つ、前記半導体パッケージに装着された前記外部接続端子を電気的に接続する配線電極と、前記絶縁性基板の一方表面をコーディングする絶縁性保護層と、前記配線電極の位置に対応して前記絶縁保護層に設けられたプリント配線基板側開口部とを有するプリント配線基板に実装した半導体装置において、前記半導体素子側開口部と前記プリント配線基板側開口部はその断面が前記はんだバンプ中心部に近い方の辺の長さをもう一方側の辺の長さ以下に短くした四辺形であることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、半導体パッケージとプリント配線基板とを接続するはんだバンプが、半導体素子側開口部やプリント配線基板側開口部の形状に追従して、半導体パッケージの配線パターンやプリント配線基板の配線電極とはんだバンプとの接合角が鈍角になり、はんだバンプは概ね鼓型形状を形成する。上記構成の半導体装置は、半導体パッケージ及びプリント配線基板の構成部材の線膨張係数の相違に起因して発生する応力やひずみが分散される構造となり、クラックの発生を阻害することができ、はんだ接合部における信頼性および耐疲労強度が向上し、半導体装置の寿命が改善される。又、新たに別の材料を付与したり、吸着器具のようなコストの掛かる大規模で複雑な装置を用いることなく、既存の構成部材の形状を変化させるだけで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能である。
【００１４】
又、図７に示すように、絶縁性部材と絶縁性保護層離との距離Ａとはんだバンプの高さＢとの比Ａ／Ｂを０〜０．８としたことを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、絶縁性部材と絶縁性保護層との距離とはんだバンプの高さとの比を０〜０．８の適切な値に設定することにより、はんだバンプ高さやはんだバンプの形状などを最適な状態に形成することが可能となる。
【００１６】
以上から、本発明によれば、はんだ接合部の耐疲労強度を高めることができ、結果として半導体パッケージ、並びに、それをプリント配線基板に実装した半導体装置の寿命を飛躍的に延長することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、半導体パッケージとプリント配線基板とを接続するはんだバンプが、半導体素子側開口部やプリント配線基板側開口部の形状に追従して、半導体パッケージの配線パターンやプリント配線基板の配線電極とはんだバンプとの接合角が鈍角になり、はんだバンプは概ね鼓型形状を形成するため、半導体パッケージ及びプリント配線基板の構成部材の線膨張係数の相違に起因して発生する応力やひずみが分散される構造となり、クラックの発生を阻害することができ、はんだ接合部における信頼性及び耐疲労強度が向上し半導体装置の寿命が改善される。
【００１８】
又、絶縁性部材と絶縁性保護層との距離とはんだバンプの高さとの比を０〜０．８の適切な値に設定することにより、はんだバンプ高さやはんだバンプの形状などを最適な状態に形成することが可能となる。
【００１９】
又、新たに別の材料を付与したり吸着器具のようなコストの掛かる大規模で複雑な装置を用いることなく、既存の構成部材の形状を変化させるだけで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能である。
【００２０】
以上から、本発明によれば、はんだ接合部の耐疲労強度を高めることができ、結果として半導体パッケージ、並びに、それをプリント配線基板に実装した半導体装置の寿命を飛躍的に延長することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一の記号を付与している。
＜実施の形態１＞
【００２２】
図１は本発明の実施の形態１に係る半導体装置の模式的な断面図である。又、図８は本発明の実施の形態１に係る半導体装置における、はんだ接合部の拡大図である。図１及び図８に示すように、本発明の実施の形態１に係る半導体パッケージは、絶縁性部材２の一方表面の中央部にダイボンド材４により半導体素子１を搭載し、この半導体素子１周辺を封止樹脂材８により封止した構造をしている。半導体素子１の一方表面にはその周辺に沿って複数のボンディングパッド６が設けられ、これらのボンディングパッド６と絶縁性部材２の一方表面に設けられた複数の配線パターン３が、それぞれボンディングワイヤー７で電気的に接続される。そして、絶縁性部材２に設けられた半導体素子側開口部１３を通じて配線パターン３とはんだバンプ９が電気的に接合される。
【００２３】
絶縁性部材２は、具体的には絶縁性のエラストマーであるポリイミド樹脂である。ポリイミド樹脂以外でも電気的絶縁性を有する材料であれば何でも良い。例えば、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）樹脂、アラミド樹脂等がある。はんだバンプ９の一部はアニール時の融解によって半導体素子側開口部１３内に進入し、配線パターン３の一部である電極部と電気的に接合し凝固して埋設される。
【００２４】
配線パターン３は低抵抗導電材料である銅から成っている。又、ボンディングワイヤー７も低抵抗導電材料である金或はアルミニウムから成っている。このように、配線パターン３、或は、ボンディングワイヤー７の材料としては、ハンダと濡れが良く電気的に低抵抗な導電体が好ましく用いられる。
【００２５】
封止樹脂材８は具体的にはエポキシ樹脂である。エポキシ樹脂以外でも電気的絶縁性を有する材料であれば何でも良い。例えば、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂等があり、前記絶縁性部材２と同一材料であっても良い。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態１における半導体素子側開口部について説明する。
【００２７】
半導体素子１が搭載されている絶縁性部材２には、配線パターン３とはんだバンプ９とを電気的接合させるために、半導体素子側開口部１３が設けられている。前記半導体素子側開口部１３は逆テーパ形状を形成している。即ち、半導体素子側開口部１３の断面は、はんだバンプ中心部に近い方の辺の長さをもう一方側の辺の長さ以下に短くした四辺形としている。本発明の絶縁性部材２の半導体素子側開口部１３の開け方は、幾つかの方法があり、例えば、絶縁性部材２上にレジスト材を塗布、露光、現像した後、エッチング液によるウエットエッチング或は
Ｏ２ プラズマ によるドライエッチングにより半導体素子側開口部を形成した後、レジストを剥離する方法や、レーザー光を照射して、絶縁性部材を溶融、分解させ半導体素子側開口部をあける方法等がある。
【００２８】
以上の方法により、半導体素子側開口部１３をその断面が長方形か或は台形になるように形成することが可能である。但し、半導体素子側開口部１３の断面が台形になる場合は、半導体素子側の辺の長さが、プリント配線基板側の辺の長さ以上に長くなるように絶縁性部材を設置して、半導体パッケージを形成すれば良い。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態１におけるプリント配線基板について説明する。
【００３０】
本発明の実施の形態１におけるプリント配線基板は、絶縁性基板１０の一方表面に半導体パッケージのはんだバンプ９の配置に対応したプリント配線基板側開口部１４が設けられ、その位置に配線電極１１が配置され、絶縁性基板１０の一方表面は絶縁性保護層１２でコーディングされている。
【００３１】
絶縁性基板１０は、具体的には、絶縁性材料であるガラスエポキシ樹脂である。又、配線電極１１は低抵抗導電材料である銅から成っている。絶縁性基板１０の材料は、電気的絶縁性を有する材料であれば何でも良く、例えば、紙フェノール樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）樹脂などがある。配線電極１１の材料としては、はんだと濡れが良く、電気的に低抵抗な導電体が好ましく用いられる。絶縁性保護層１２の材料は、電気的絶縁性を有する材料であれば何でも良く、半導体パッケージを構成する絶縁性部材２と同一材料であっても良い。
【００３２】
以下、本発明の実施の形態１におけるプリント配線基板側開口部について説明する。
【００３３】
絶縁性基板１０の一方表面にコーディングする絶縁性保護層１２には、リフロー工程における実装において配線電極１１と半導体パッケージのはんだバンプ９とを電気的接合させるために、プリント配線基板側開口部１４が設けられている。前記プリント配線基板側側開口部１４は逆テーパ形状を形成している。即ち、プリント配線基板側開口部１４は、その断面が絶縁性基板側の辺の長さをもう一方側の辺の長さ以上に長くした四辺形としている。本発明の絶縁性保護層１２のプリント配線基板側開口部１４の開け方は、幾つかの方法があり、例えば、絶縁性保護層１２上にレジスト材を塗布、露光、現像した後、エッチング液によるウエットエッチング或はＯ２  プラズマによるドライエッチングによりプリント配線基板側開口部１４を形成した後、レジストを剥離する方法や、レーザー光を照射して、絶縁性保護層を溶融、分解させ、プリント配線基板側開口部を開ける方法等がある。
【００３４】
以上の方法により、プリント配線基板側開口部１４をその断面が長方形か、或は、台形になるように形成することが可能である。但し、プリント配線基板側開口部１４の断面が台形になる場合は、半導体素子側の辺の長さがプリント配線基板側の辺の長さ以下に短くなるように絶縁性保護層１２を設置してプリント配線基板を形成すれば良い。
【００３５】
本発明の実施の形態１によれば、半導体パッケージとプリント配線基板とを接続するはんだバンプが、半導体素子側開口部１３やプリント配線基板側開口部１４の形状に追従して、半導体パッケージの配線パターン３やプリント配線基板１１の配線電極とはんだバンプとの接合角が鈍角になり、図８に示すようにはんだバンプは概ね鼓型形状を形成する。半導体素子側開口部１３の断面が長方形の場合でも、絶縁性部材２ははんだバンプ９に濡れないため、ハンダバンプ９の一部はアニール時の融解によって半導体素子側開口部１３内に進入し、電極パターン３と電気的に接合し凝固して埋設されるときに、配線パターン３とはんだバンプ９との接合角は鈍角となる。
【００３６】
一方、プリント配線基板側開口部１４の断面が長方形の場合でも同様の理由により、リフロー工程において配線電極１１とプリント配線基板側開口部１４との接合角が鈍角となった状態で半導体装置が形成される。上記構成の半導体装置は、半導体パッケージ及びプリント配線基板の構成部材の線膨張係数の相違に起因して発生する応力やひずみが分散される構造となり、クラックの発生を阻害することができ、はんだ接合部における信頼性及び耐疲労強度が向上し半導体装置の寿命が改善される。又、新たに別の材料を付与したり、吸着器具のような、コストの掛かる大規模で複雑な装置を用いることなく、既存の構成部材の形状を変化させるだけで、信頼性の高い半導体装置を提供することが可能である。
＜実施の形態２＞
【００３７】
図２は本発明の実施の形態２に係る半導体装置の模式的な断面図である。又、図９は本発明の実施の形態２に係る半導体装置におけるはんだ接合部の拡大図である。図２及び図９は絶縁性部材と絶縁性保護層との距離Ａと、前記はんだバンプの高さＢとの比Ａ／Ｂを０.１としたことを特徴とする半導体装置である。
【００３８】
その他の構成については、実施の形態１と同じである。又、半導体素子側開口部１３やプリント配線基板側開口部１４についても実施の形態１と同じである。
【００３９】
本発明の実施の形態によれば、半導体パッケージとプリント配線基板とを接続するはんだバンプが、半導体素子側開口部１３やプリント配線基板側開口部１４の形状に追従して、半導体パッケージの配線パターン３やプリント配線基板の配線電極１１とはんだバンプ９との接合角が鈍角になり、図９に示すようにはんだバンプは、鼓型形状を形成する。上記構成の半導体装置は、半導体パッケージ及びプリント配線基板の構成部材の線膨張係数の相違に起因して発生する応力やひずみが分散される構造となり、クラックの発生を阻害することができ、はんだ接合部における信頼性及び耐疲労強度が向上し、半導体装置の寿命が改善される。又、絶縁性部材２と絶縁性保護層１２との距離と、はんだバンプの高さとの比を０．１に設定することで、図９に示すように、はんだバンプ高さを最適にするとともに、はんだバンプを中央部がくびれた鼓型形状に形成できる等、はんだバンプを最適な状態に形成することが可能となる。又、新たに別の材料を付与したり、吸着器具のようなコストの掛かる大規模で複雑な装置を用いることなく、既存の構成部材の形状を変化させるだけで信頼性の高い半導体装置を提供することが可能である。
【００４０】
本発明者の検討により、図１０に示すように、絶縁性部材２と絶縁性保護層１２との距離Ａと前記はんだバンプの高さＢとの比Ａ／Ｂを０〜０．８としたときに、半導体パッケージの配線パターン３やプリント配線基板の配線電極１１とはんだバンプとの接合角が鈍角になり、はんだバンプが、概ね、鼓型形状を形成し疲労寿命の改善に大きく寄与することが判明した。
【００４１】
以上から、本発明によれば、はんだ接合部の耐疲労強度を高めることができ、結果として半導体パッケージ、並びに、それをプリント配線基板に実装した半導体装置の寿命を飛躍的に延長することができる。
【００４２】
尚、上述の実施の形態は、本発明の好適な実施の一例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す模式的断面図である。
【図３】従来の半導体装置を示す模式的断面図である。
【図４】従来の半導体装置を示す模式的断面図である。
【図５】従来の半導体装置を示す模式的断面図である。
【図６】従来の半導体装置におけるはんだ接合部の拡大図である。
【図７】本発明の半導体装置におけるはんだ接合部の拡大図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る半導体装置におけるはんだ接合部の拡大図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る半導体装置におけるはんだ接合部の拡大図である。
【図１０】絶縁性部材と絶縁性保護層との距離と、はんだバンプの高さとの比と、疲労寿命に影響を及ぼす非弾性ひずみ振幅との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１    半導体素子
２    絶縁性部材
３    配線パターン
４    ダイボンド材
５    絶縁性保護膜
６    ボンディングパッド
７    ボンディングワイヤー
８    封止樹脂材
９    外部接続端子（はんだバンプ）
１０  絶縁性基板
１１  配線電極
１２  絶縁性保護層
１３  半導体素子側開口部
１４  プリント配線基板側開口部
１５  弾性体
１６  吸着器具
５０  半導体パッケージ
６０  プリント配線基板
【図１】
2006086161.tif 000003
【図２】
2006086161.tif 000004
【図３】
2006086161.tif 000005
【図４】
2006086161.tif 000006
【図５】
2006086161.tif 000007
【図６】
2006086161.tif 000008
【図７】
2006086161.tif 000009
【図８】
2006086161.tif 000010
【図９】
2006086161.tif 000011
【図１０】
2006086161.tif 000012