(57)【要約】【課題】半田端子により回路基板に実装した半導体装置の接続信頼性を向上する。【解決手段】表面に外部接続用の半田端子が設けられた柱状電極を有する半導体装置の実装構造である。半導体装置を実装する回路基板は、配線の端部に設けられた接続パッドと、配線を被覆する保護絶縁層とを備える。保護絶縁層には接続パッドを露出させる開口部が設けられ、開口部の直径Ｒは、柱状電極の直径Ｄに対し、０．９Ｄ≦Ｒ≦０．９８Ｄである。【選択図】図２
2011066040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径Ｄの柱状電極と、前記柱状電極に接続された半田端子とを有する半導体装置と、
前記半田端子に接続された接続パッドと、前記接続パッドを開口する開口部が形成され、前記接続パッドが前記半田端子に接続された状態における前記開口部の直径Ｒが０．９Ｄ≦Ｒ≦０．９８Ｄを満たす保護絶縁層と、を有する被接続媒体と、
を備えることを特徴とする半導体装置の実装構造。
【請求項２】
前記柱状電極は前記半田端子よりヤング率が高いことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装構造。
【請求項３】
前記接続パッドは前記半田端子よりヤング率が高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置には、一般的にＣＳＰ（chip size package）と呼ばれるものがある。ＣＳＰでは、半導体基板の接続パッドが設けられた面に絶縁膜が設けられ、絶縁膜には接続パッドの中央部に対応する部分に開口部が設けられている。絶縁膜の表面には再配線が形成され、再配線は絶縁膜の開口部を介して接続パッドに接続される。再配線の端部に柱状の電極が設けられ、再配線及び絶縁膜が封止膜により封止される。柱状電極は封止層から露出し、柱状電極の表面に半田端子が設けられる。半田端子を介して半導体装置は回路基板に接続される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
半導体装置が接続される回路基板には、端部に接続パッドを有する配線が設けられている。また、配線を覆うソルダーレジスト層が設けられ、ソルダーレジスト層には接続パッドを露出させる開口が設けられている。この開口の位置に半田端子を配置した状態でリフロー方式により半田付けがされることで、半導体装置が回路基板に実装される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８７０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、半導体装置を半田端子により回路基板に実装した場合には、半田端子の部位での損傷が発生し、接続不良となる場合がある。
【０００６】
本発明の課題は、半田端子により回路基板に実装する半導体装置の接続信頼性を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、直径Ｄの柱状電極と、前記柱状電極に接続された半田端子とを有する半導体装置と、前記半田端子に接続された接続パッドと、前記接続パッドを開口する開口部が形成され、前記接続パッドが前記半田端子に接続された状態における前記開口部の直径Ｒが０．９Ｄ≦Ｒ≦０．９８Ｄを満たす保護絶縁層と、を有する被接続媒体と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
前記柱状電極は前記半田端子よりヤング率が高いことが好ましい。また前記接続パッドは前記半田端子よりヤング率が高いことが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、半田端子により回路基板に実装した半導体装置の接続信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置１の断面図である。
【図２】半導体装置１と回路基板１３との接続部を示す断面図である。
【図３】半導体装置１と回路基板１３との接続部を示す断面図である。
【図４】半導体装置１と回路基板１３との接続部を示す断面図である。
【図５】半導体装置１と回路基板１３との接続部を示す断面図である。
【図６】実施例１における開口部の開口径のバラツキ分布を示すヒストグラムである。
【図７】比較例２のソルダーレジスト層における開口部の開口径のバラツキ分布を示すヒストグラムである。
【図８】比較例３のソルダーレジスト層における開口部の開口径のバラツキ分布を示すヒストグラムである。
【図９】サイクル数と故障率とをプロットしたワイブル・プロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は本発明の実施形態に係る半導体装置１の断面図である。半導体装置１は、一般的にＣＳＰと呼ばれるもので、シリコン等からなる半導体基板２を備えている。半導体基板２は略四辺形状である。
【００１２】
半導体基板２の表面には金属等からなる複数の接続パッド３が半導体基板２の周縁に沿って設けられている。半導体基板２の表面には酸化シリコン等からなる絶縁膜４が設けられている。絶縁膜４の表面には、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂等からなる保護膜６が設けられている。
【００１３】
絶縁膜４及び保護膜６には、接続パッド３の中央部を露出させる開口部５、７がそれぞれ設けられている。開口部５、７は、ウェットエッチングやレーザーエッチング等により形成することができる。
保護膜６の表面には銅等からなる下地金属層８が設けられている。下地金属層８は金属の単層であってもよく、互いに異なる金属を積層した複数の層であってもよい。下地金属層８は、２００ｎｍ〜２０００ｎｍの厚さが好ましい。下地金属層８の表面には銅からなる再配線９が設けられている。再配線９は１μｍ〜１０μｍの厚さが好ましい。下地金属層８及び再配線９の各一端部は、開口部５、７を介して接続パッド３にそれぞれ接続されている。
【００１４】
下地金属層８及び再配線９の各他端部には銅（ヤング率１１０ＧＰａ、熱膨張係数１．６２×１０−５／Ｋ）からなる円柱形状の柱状電極１０がそれぞれ設けられている。各柱状電極１０は、略四辺形状の半導体基板２において、接続パッド３で囲まれた中央領域に、格子状に配列されている。各下地金属層８及び再配線９の積層体は、それぞれに対応する互いに異なる接続パッド３と互いに異なる柱状電極１０とを接続し、且つそれぞれ他の下地金属層８及び再配線９の積層体と電気的に絶縁されるように配列されている。再配線９及び保護膜６の表面には、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂等からなる封止膜１１が、その表面が柱状電極１０の表面と略面一となることで柱状電極１０の上面が露出されるように設けられている。封止膜１１は、柱状電極１０をその側面から保護し、下地金属層８及び再配線９をそれら上面から保護する。各柱状電極１０の表面には回路基板１３の接続パッド１４と接続するための略球形状の半田端子１２（ヤング率２０〜３０ＧＰａ、熱膨張係数２〜３×１０−５／Ｋ）がそれぞれ設けられている。半田端子１２は、柱状電極１０の円形の上面に接することによって相互に電気的に接続している。回路基板１３は、ＰＣＢ（printed circuit board）基板であり、６００μｍ〜１０００μｍの厚さのレジストであるベース基板１５上に複数の回路や配線が設けられている。
【００１５】
図２は半導体装置１と回路基板１３との接続部を示す断面図である。半導体装置１は、半導体基板２等の図示を省略している。回路基板１３の上面には、図示しない複数の配線が設けられ、各配線の端部に銅（ヤング率１１０ＧＰａ、熱膨張係数１．６２×１０−５／Ｋ）を有する接続パッド１４が設けられている。また、回路基板１３の配線及び接続パッド１４が設けられた面には、光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等を硬化してなるソルダーレジスト等の保護絶縁層１６が設けられている。保護絶縁層１６の厚さは３０〜５０μｍである。保護絶縁層１６には、接続パッド１４を露出させる開口部１７が設けられている。開口部１７の形状は平面視円形である。開口部１７は、ウェットエッチングやレーザーエッチング等により形成することができる。開口部１７は、球形状の半田端子１２の形状に合わせて保護絶縁層１６の上面１６Ａ側（上側）の径Ｒが接続パッド１４側（下側）の径より長くなっている。柱状電極１０及び接続パッド１４は、ともに半田端子１２よりヤング率（剛性率）が高く、且つ半田端子１２との熱膨張率の差が十分あれば銅でなくてもよい。
【００１６】
半導体装置１は、図示しないボンディング装置によって半田端子１２が接続パッド１４に接合されることによって、回路基板１３と電気的に接続されている。以上により、半導体装置１の接続パッド３と回路基板１３の接続パッド１４とが、下地金属層８、再配線９、柱状電極１０、半田端子１２を介して導通している。
【００１７】
半導体装置１の回路基板１３への実装は、フェイスダウン方式及びリフロー方式により行う。すなわち、まず、図示しないステージに回路基板１３を載置する。半導体装置１が、その半田端子１２が形成された面を下に向けた状態で回路基板１３の上方に移動する。次に、平面視して各半田端子１２が、それぞれ対応する各接続パッド１４に位置合わせするようアライメント調整をする。そして、半田端子１２と接続パッド１４とを接触させるように押圧し、この状態で接続パッド１４に接している半田端子１２の少なくとも一部を溶融するように加熱して半田端子１２が接続パッド１４に十分な面積で接触させる。その後、冷却して半田端子１２を完全に固化することで接続パッド１４への半田付けが終了する。
【００１８】
ここで、本発明においては、柱状電極１０の直径をＤ、保護絶縁層１６の開口部１７における保護絶縁層１６の上面１６Ａ側での直径をＲとすると、Ｒは、０．９Ｄ≦Ｒ≦０．９８Ｄの範囲とすることが好ましく、Ｒ＝０．９４０Ｄ（※０．９４０＝２３５／２５０）±０．０１２Ｄとすることがより好ましい。例えば、柱状電極１０の直径を２５０μｍとすると、Ｒは、２２５μｍ＜Ｒ＜２４５μｍとすることが好ましく、Ｒ＝２３５±３μｍとすることがより好ましい。
【００１９】
Ｒが０．９Ｄ≦Ｒ≦０．９８Ｄの範囲である場合には、温度サイクル試験において長寿命となり、接合の信頼性を高めることができる。半田端子１２が破断するときには、図３に示すように、半田端子１２と柱状電極１０との接合部の外周部から亀裂１２ａが入るとともに、半田端子１２と保護絶縁層１６との界面の外周部から亀裂１２ｂが入る。このように、温度変化によって膨張、収縮する半田端子１２の上下部分に亀裂１２ａ、１２ｂの伸展が分散するため、より長寿命となり、寿命のばらつきも小さくすることができる。このように、半田端子１２は、柱状電極１０及び接続パッド１４との熱膨張係数の違いにより熱応力が生じ、且つ剛性度が低いので亀裂が生じやすい。
【００２０】
一方、Ｒ＜０．９Ｄである場合には、図４に示すように、半田端子１２と柱状電極１０との接合部の外周部から先に亀裂１２ａが入る。また、Ｒ＞０．９８Ｄである場合には、図５に示すように、半田端子１２と保護絶縁層１６との界面の外周部から先に亀裂１２ｂが入る。このため、いずれも亀裂の伸展が半田端子１２の一部に集中するため、寿命が短くなり、寿命のばらつきも大きくなる。なお、接続パッドと接続パッドの周囲に保護絶縁層が形成された配線構造であれば回路基板でなくてもよい。また、柱状電極１０の直径を２５０μｍとしたが、ＲとＤの関係が０．９Ｄ≦Ｒ≦０．９８Ｄを満たしていれば０．１％故障サイクル数を抑えることが可能となる。
以下、実施例を挙げて説明する。
【００２１】
直径２５０μｍの柱状電極に直径３４０μｍの半田端子を設けた半導体装置を、回路基板に対してフェイスダウン方式及びリフロー方式により実装した。保護絶縁層１６の厚さは４０μｍである。
〔比較例１〕
回路基板の保護絶縁層の開口部は、表面側の直径を平均約２１５μｍとした。
〔実施例１〕
回路基板の保護絶縁層の開口部は、表面側の直径を平均約２２５μｍとした。開口部の開口径のバラツキ分布を図７のヒストグラムに示す。
〔実施例２〕
回路基板の保護絶縁層の開口部は、表面側の直径を平均約２３５μｍとした。開口部の開口径のバラツキ分布を図６のヒストグラムに示す。なお、実施例２全体の約８５％の割合がＲ＝２３５±３μｍの範囲内の開口部１７の半導体装置１である。
〔実施例３〕
回路基板の保護絶縁層の開口部は、表面側の直径を平均約２４５μｍとした。開口部の開口径のバラツキ分布を図８のヒストグラムに示す。
【００２２】
〔温度サイクル試験条件〕
実装した半導体装置及び回路基板を、１分間で−２５℃から１２５℃まで加熱し、１２５℃で９分間維持した。その後、１２５℃から−２５℃まで１分間で冷却し、−２５℃で９分間維持した。これを１サイクルとし、サイクル数に対する故障率を求めた。発明者要確認。具体的には、所定サイクルを経た後に半導体装置及び回路基板を切り出し、樹脂に包埋後、断面を切り出して観察した。半田端子に破断が生じたものを故障とみなした。
【００２３】
図９は、サイクル数と故障率とをプロットしたワイブル・プロットである。なお、下の横軸はサイクル数（ｔ）であり、上の横軸はｔの自然対数（ｌｎｔ）である。また、左の縦軸は累積故障率（Ｆ（ｔ））であり、右の縦軸はｌｎ｛ｌｎ１／（１−Ｆ（ｔ）｝である。ｌｎｔに対してｌｎ｛ｌｎ１／（１−Ｆ（ｔ）｝をプロットした近似直線の傾きｍがワイブル係数であり、ワイブル係数ｍが小さいほど寿命のバラツキが小さいことがわかる。また、ｌｎｔに対してｌｎ｛ｌｎ１／（１−Ｆ（ｔ）｝をプロットした近似直線と、Ｆ（ｔ）＝０．１との交点のｔの値から、累積故障率０．１％以下の寿命を比較することができる。表１にソルダーレジストの開口径とワイブル係数ｍ、平均故障サイクル数、０．１％故障サイクル数を示す。表１より０．１％故障サイクル数が２５０以上である範囲、つまり、０．９Ｄ≦Ｒ≦０．９８Ｄの範囲（柱状電極１０の直径Ｄ＝２５０μm換算で２２５μｍ≦Ｒ≦２４５μｍ）が好ましく、０．１％故障サイクル数が５００以上である範囲、つまり、０．９２８Ｄ≦Ｒ≦０．９５２Ｄの範囲（柱状電極１０の直径Ｄ＝２５０μm換算で２３２μｍ≦Ｒ≦２３８μｍ）がより好ましい。
【００２４】
【表１】
2011066040.tif 000003
【符号の説明】
【００２５】
１  半導体装置
２  半導体基板
３、１４  接続パッド
４  絶縁膜
５、７、１７  開口部
６  保護膜
８  下地金属層
９  再配線
１０  柱状電極
１１  封止膜
１２  半田端子
１３  回路基板
１６  保護絶縁層
【図１】
2011066040.tif 000004
【図２】
2011066040.tif 000005
【図３】
2011066040.tif 000006
【図４】
2011066040.tif 000007
【図５】
2011066040.tif 000008
【図６】
2011066040.tif 000009
【図７】
2011066040.tif 000010
【図８】
2011066040.tif 000011
【図９】
2011066040.tif 000012