(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板と、
前記回路基板に機械的固定手段と接着手段によって固定され、前記回路基板より剛性が大きく且つ半導体素子の実装エリアに対応する個所に開口部を有する補強部材と
を有し、
前記機械的固定手段は、前記回路基板の４隅において前記補強部材を固定し、
前記接着手段は、その中心位置が前記４隅の機械的固定手段を結ぶ辺より内側で且つ前記回路基板の中心に対し点対称の４個所の位置において前記回路基板に前記補強部材を接着することを特徴とする実装基板。
【請求項２】
回路基板と、
前記回路基板に機械的固定手段と接着手段によって固定され、前記回路基板より剛性が大きく且つ半導体素子の実装エリアに対応する個所に開口部を有する一体の枠状の補強部材と
を有し、
前記開口部の辺は前記回路基板の辺に対して４５度傾斜し、
前記機械的固定手段は、前記回路基板の４隅において前記補強部材を固定し、
前記接着手段は、前記補強部材を前記補強部材の４辺に沿って枠状に前記回路基板に接着することを特徴とする実装基板。
【請求項３】
前記補強部材は、前記接着手段による接着箇所の外側の位置に接着剤流れ止め用溝を備えていることを特徴とする請求項２に記載の実装基板。
【請求項４】
前記機械的固定手段が、前記補強部材に設けた挿入孔と、
前記挿入孔に挿入され、前記回路基板の下面に当接する突起部を有する挿入ピンと
からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の実装基板。
【請求項５】
前記補強部材の熱膨張率が前記回路基板の熱膨張率よりも大きいことを特徴とする特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の実装基板。
【請求項６】
前記突起部が、前記実装基板をマザーボードへ搭載する時におけるはんだ接合のスタンドオフの機能を有することを特徴とする請求項４項に記載の実装基板。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の実装基板の前記開口部において露出する前記回路基板の実装エリアに半導体素子を実装したことを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置を、マザーボードに搭載したことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実装基板、半導体装置及び電子機器に関し、例えば、回路基板のねじれや反りを低減した実装基板、半導体装置及び電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
配線ならびにパッドピッチの異なる大規模半導体集積回路チップとマザーボード間のインターポーザとして、はんだボールを入出力端子として用いる有機ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）実装基板が広く用いられている。このよう実装基板は、銅や樹脂等複数の材料で形成されているため基板反りが存在する。
【０００３】
近年、大規模半導体集積回路サイズの増大やはんだボール間の狭ピッチ化によって大規模半導体集積回路を実装するパッケージ基板の反り量に関する許容マージンが小さくなってきている。したがって、実装信頼性を確保するためには、より基板反り量の小さい或いはより平坦性の高い実装を実現する必要がある。
【０００４】
このような課題に対し、基板反りを低減し、大規模半導体集積回路実装信頼性を向上させる方法として、スティフナと呼ばれる金属枠を用いた方法が提案されているので、図１０及び図１１を参照して従来の実装構造を説明する。
【０００５】
図１０は、従来の実装基板の説明図であり、図１０（ａ）は分解断面図であり、図１０（ｂ）は分解斜視図である。図に示すように、実装基板は、はんだボール７２を設けたＢＧＡパッケージ基板７１、接着剤７３および開口部７５を有するスティフナ７４からなり、スティフナ７４はその全面において接着剤７３によりＢＧＡパッケージ基板７１に貼り付けられる。なお、スティフナ７４はステンレス等のＢＧＡパッケージ基板７１より剛性の高い金属で形成されている。
【０００６】
図１１は、ＬＳＩチップを実装した状態における実装基板の説明図であり、図１１（ａ）は概略的断面図であり、図１１（ｂ）は概略的斜視図である。図に示すように、ＬＳＩチップ７６ははんだボール７７を介してＢＧＡパッケージ基板７１の露出表面に溶融接合される。
【０００７】
図１２は、マザーボードへの搭載工程の一例の説明図であり、まず、図１２（ａ）に示すように、銅製スティフナ８４を接着剤８３によりＢＧＡパッケージ基板８１に貼り付ける。次いで、図１２（ｂ）に示すように、銅製スティフナ８４に設けた開口部８５から露出するＢＧＡパッケージ基板８１にはんだボール８７によりＬＳＩチップ８６を接合させる。
【０００８】
次いで、図１２（ｃ）に示すように、銅製スティフナ８４の上側に２５μｍ厚のボンディングシート８８、例えば、ＴＦＡ−８６０（京セラケミカル製商品名）を設ける。一方、ＬＳＩチップ８６上にＩｎ−Ａｇからなる金属接合用シートをおいて銅製リッド８９を被せたあと、２００℃の熱を印加し、銅製リッド８９をＢＧＡパッケージ基板８１に固定する。この時、金属接合用シートは溶融して金属接合部材９０となる。
【０００９】
最後に、図１２（ｄ）に示すように、銅製リッド８９を固定したＢＧＡパッケージ基板８１をはんだボール８２によって溶融接合してマザーボード９１に実装することによって電子機器が完成する。なお、この時、マザーボード９１に設けたスタンドオフ９２がはんだボール８２の高さを調整する。
【００１０】
このようにして作製した電子機器に対して、実装信頼性評価として熱サイクル試験−１０℃→１００℃の熱サイクルを３００サイクル行ったところ、金属接合部に剥離が見られた。
【００１１】
そこで、スティフナ搭載時におけるパッケージ基板の平坦性を向上させるために各種の提案がなされている。例えば、スティフナとして、パッケージ基板に対する接着面と反対側の面に反り防止調整層を備えた複合スティフナを用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合の複合スティフナの金属基材の厚さをパッケージ基板の厚さより厚くしている。
【００１２】
或いは、スティフナをパッケージ基板に接着する接着剤の熱膨張率をパッケージ基板の熱膨張率及びスティフナの熱膨張率よりも小さく、かつ、接着剤の縦弾性係数を１０ＧＰａ以上とすることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この場合、逆に、接着剤の熱膨張率をパッケージ基板の熱膨張率及びスティフナの熱膨張率よりも大きく、かつ、接着剤の縦弾性係数を１０ＧＰａ以下としても良い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−３４０５９６号公報
【特許文献２】特開２００６−０６６６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述の特許文献１或いは特許文献２の方法により、スティフナ搭載時におけるパッケージ基板の平坦性は向上させることができるが、パッケージ基板にねじれや反りが発生するという問題があるので、その事情について図１３を参照して説明する。
【００１５】
図１３は、ねじれや反りの問題点の説明図であり、図１３（ａ）に示すように、スティフナ搭載には平坦性を維持している。しかし、リフロー加熱時には、スティフナ接着温度からリフロー加熱温度までの温度範囲における熱膨張量の関係は、
スティフナの熱膨張量＞パッケージの熱膨張量
である。
【００１６】
さらに、銅製スティフナ８４とＢＧＡパッケージ基板８１とを接着剤８３を介して全面に貼り合わせているため、図１３（ｂ）に示すように、両者のバイメタル構造によりＢＧＡパッケージ基板８１にねじれ及び反りが発生する。その結果、はんだボール８７の一部に剥離が発生するため、スティフナの平坦性をさらに有効に活用した基板の平坦性確保手法が求められている。
【００１７】
したがって、本発明は、実装基板の実装エリアの平坦度を確保して実装信頼性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
開示する一観点からは、回路基板と、前記回路基板に機械的固定手段と接着手段によって固定され、前記回路基板より剛性が大きく且つ半導体素子の実装エリアに対応する個所に開口部を有する補強部材とを有し、前記機械的固定手段は、前記回路基板の４隅において前記補強部材を固定し、前記接着手段は、その中心位置が前記４隅の機械的固定手段を結ぶ辺より内側で且つ前記回路基板の中心に対し点対称の４個所の位置において前記回路基板に前記補強部材を接着することを特徴とする実装基板が提供される。
【００１９】
また、開示する別の観点からは、回路基板と、前記回路基板に機械的固定手段と接着手段によって固定され、前記回路基板より剛性が大きく且つ半導体素子の実装エリアに対応する個所に開口部を有する一体の枠状の補強部材とを有し、前記開口部の辺は前記回路基板の辺に対して４５度傾斜し、前記機械的固定手段は、前記回路基板の４隅において前記補強部材を固定し、前記接着手段は、前記補強部材を前記補強部材の４辺に沿って枠状に前記回路基板に接着することを特徴とする実装基板が提供される。
【００２０】
また、開示するさらに別の観点からは、上述の実装基板の前記開口部において露出する前記回路基板の実装エリアに半導体素子を実装したことを特徴とする半導体装置が提供される。
【００２１】
また、開示するさらに別の観点からは、上述の半導体装置を、マザーボードに搭載したことを特徴とする電子機器が提供される。
【発明の効果】
【００２２】
開示の実装基板、半導体装置及び電子機器によれば、実装基板の実装エリアの平坦度を確保して実装信頼性を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の実装基板の構成説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の実装基板の断面の構成説明図である。
【図３】本発明の実施の形態における接着構造の説明図である。
【図４】本発明の機械的固定手段の他の構成説明図である。
【図５】本発明の作用効果の説明図である。
【図６】本発明の実施例１の電子機器の実装工程の途中までの説明図である。
【図７】本発明の実施例１の電子機器の実装工程の図６以降の途中までの説明図である。
【図８】本発明の実施例１の電子機器の実装工程の図７以降の説明図である。
【図９】本発明の実施例２の実装基板の構成説明図である。
【図１０】従来の実装基板の説明図である。
【図１１】ＬＳＩチップを実装した状態における実装基板の説明図である。
【図１２】マザーボードへの搭載工程の一例の説明図である。
【図１３】ねじれや反りの問題点の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
ここで、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態の実装基板及び半導体装置を説明する。図１は、本発明の実施の形態の実装基板の構成説明図であり、図１（ａ）は回路基板の概略的平面図であり、図１（ｂ）は補強部材の概略的平面図である。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、回路基板１１はその４隅に機械的固定手段の一方の構成１２ａを有するとともに、4隅の機械的固定手段の一方の構成１２を結ぶ辺より内側で且つ回路基板１１の中心に対し点対称の４個所の位置に接着剤１３を設ける。また、回路基板１１の中央は半導体素子１６を実装する実装エリア１４となる。
【００２６】
図１（ｂ）に示すように、補強部材２１は、実装エリア１４に対応する開口部２２を有するとともに、４隅に機械的固定手段の一方の構成１２ａと係合する他方の構成１２ｂを有している。機械的固定手段の一方の構成１２ａが貫通ピン等の凸部であれば、他方の構成１２ｂは貫通孔等の凹部であり、或いは、その逆でも良い。また、凹部及び凸部は貫通している必要はなく、挿入ピン及び挿入孔でも良い。
【００２７】
補強部材２１としては、回路基板１１より剛性の高い材料、例えば、銅等の金属材料或いは金属材料と非金属材料を積層した複合材料を用いるものであり、その熱膨張率は、通常は、回路基板１１の熱膨張率より大きくなる。
【００２８】
図２は、本発明の実施の形態の断面の実装基板の構成説明図であり、図２（ａ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図であり、図２（ｂ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。また、図２（ｃ）は機械的固定手段の一方の構成の一例の説明図であり、図２（ｄ）は機械的固定手段の一方の構成の他の例の説明図である。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、補強部材２１は、回路基板１１の中心に対し点対称の４個所の位置、典型的には各辺の中点において接着剤１３により接着される。また、図２（ｂ）に示すように、補強部材２１は、回路基板１１の対角線方向に４隅において機械的固定手段１２の係合により固定される。なお、図における符号１５ははんだボールである。
【００３０】
機械的固定手段１２の一方を構成する凸部１２ｃは、図２（ｃ）に示すように、単純円筒状でも良いし、或いは、図２（ｄ）に示すように先端部がワリピン構造になったものでも良い。また、回路基板１１に設ける機械的固定手段１２を凸部１２ｃにする場合には、回路基板１１を貫通し且つ回路基板１１の裏面に当接する突起部１２ｄを有するように構成し、この突起部１２ｄを実装基板をマザーボードへ搭載する時のスタンドオフとしても良い。
【００３１】
図３は、本発明の実施の形態における接着構造の説明図であり、接着剤１３の大きさは、補強部材２１の枠状部の幅を直径とする円もしくは正方形よりも小さい面積とする。なお、図３（ａ）は接着剤１３を円形にした例であり、図３（ｂ）は接着剤１３を正方形とした例である。
【００３２】
図４は、本発明の機械的固定手段の他の構成説明図であり、ここでは、回路基板１１に設ける機械的固定手段の一方の構成を挿入孔１７とし、補強部材２１に設ける機械的固定手段の他方の構成１２ｂを挿入突起２３にした例を示している。
【００３３】
また、補強部材２１に設ける開口部２２の辺を回路基板１１の辺に対して４５度傾斜させ、補強部材２１を補強部材２１の４辺に沿って枠状に回路基板１１に接着するようにしても良い。この場合、補強部材２１の接着面に、接着剤１３の流れ出しを止める流れ留め溝を形成することが望ましい。
【００３４】
図５は、本発明の作用効果の説明図であり、回路基板１１の４辺に点対称の位置で固定しているので、補強部材２１の平坦性および剛性を利用して回路基板１１の平坦性を確保することができる。さらに、リフロー加熱時には、スティフナ接着温度からリフロー加熱温度までの補強部材２１の熱膨張量と回路基板１１の熱膨張量が、
補強部材の熱膨張量＞回路基板の熱膨張量
である。
【００３５】
この時、回路基板１１の４隅に配置された機械的固定手段１２により回路基板１１を基板対角線の延長方向外側に引っ張ることが可能であり、リフロー時における実装エリア１４の平坦性を確保することができる。また、リフロー後の収縮時には、補強部材２１および回路基板１１の双方が初期位置に戻るだけであるため、新たなストレスは生じることはない。
【００３６】
以上、２種類の固定位置それぞれに異なる役割を持たせることにより、半導体素子の実装全工程における基板平坦性を維持することが可能となり、半導体素子実装信頼性を大幅に向上させることができる。
【実施例１】
【００３７】
次に、図６乃至図８を参照して、本発明の実施例１の電子機器の製造工程を説明する。まず、図６（ａ）及び図６（ａ′）に示すように、Ｉ／Ｏパッド３２を有するＢＧＡパッケージ基板３１の４隅にリベット付きピン３３を設け、銅製のスティフナ４１をリベット付きピン３３で機械的に固定する。また、それと同時に、ＢＧＡパッケージ基板３１の各辺の中点において、接着剤３４によりスティフナ４１を接着する。なお、図６（ａ）は基板の辺に沿った中央寄りの断面図であり、図６（ａ′）は４辺の内の一辺のリベット付きピンを結ぶ線に沿った断面図であり、以下同様である。
【００３８】
なお、ここでは、ＢＧＡパッケージ基板３１のサイズは、４７．５ｍｍ□とし、実装エリア１４のサイズは１５ｍｍ□とし、Ｉ／Ｏパッド３２は１ｍｍ間で４００μｍの直径とする。また、スティフナ４１の外枠外周は４７．５ｍｍであり、内枠外周が２３ｍｍの開口部４２を設け、４隅に５ｍｍφの貫通孔を設けている。また、リベット付きピン３３はＳＵＳ３０４製の４．７ｍｍφのピンを用いる。
【００３９】
また、接着剤３４としては、２５μｍ厚のボンディングシート（例えば、ＴＦＡ−８６０（京セラケミカル製商品名））を５ｍｍφに切り出し、４辺の中点位置に仮貼りし、１７０℃に加熱し、ＢＧＡパッケージ基板３１にスティフナ４１を接着する。
【００４０】
次いで、図６（ｂ）及び図６（ｂ′）に示すように、ＢＧＡパッケージ基板３１の実装エリア１４にＬＳＩチップ５１をはんだボール５２を用いて実装する。
【００４１】
次いで、図７（ｃ）及び図７（ｃ′）に示すように、ＬＳＩチップ５１上に、Ｉｎ−Ａｇ製の金属接合用シートを介して銅製リッド５３を被せ、２００℃で加熱することによって金属接合用シートを溶融させて金属接合部材５４によって固定する。この時、スティフナ４１の上側にＴＦＡ−８６０（京セラケミカル製商品名）からなる２５μｍ厚のボンディングシート５５を設けて、スティフナ４１と銅製リッド５３とを接着する。
【００４２】
次いで、図８（ｄ）及び図８（ｄ′）に示すように、銅製リッド５３を固定したＢＧＡパッケージ基板３１をＩ／Ｏパッド３２を用いてマザーボード５６に実装することによって電子機器の基本構成が完成する。
【００４３】
このようにして作製した電子機器に対して、実装信頼性評価として熱サイクル試験−１０℃→１００℃の熱サイクルを３００サイクル行ったところ、金属接合部の剥離は見られなかった。
【００４４】
このように、本発明の実施例１においては、機械的固定位置と接着剤による固定位置のそれぞれに異なる役割を持たせることにより、ＬＳＩの実装全工程における基板平坦性を維持することが可能となり、ＬＳＩ実装信頼性を大幅に向上させることができる。
【実施例２】
【００４５】
次に、図９を参照して、本発明の実施例２の実装基板を説明する。図９は、本発明の実施例２の実装基板の構成説明図であり、図９（ａ）はＢＧＡパッケージ基板の概略的平面図であり、図９（ｂ）はスティフナの概略的平面図であり、図９（ｃ）は図９（ｂ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。
【００４６】
図９（ａ）に示すように、ＢＧＡパッケージ基板６１の４隅にリベット付きピン６２を設けるとともに、実装エリア６３を実装エリア６３の辺が、ＢＧＡパッケージ基板６１の辺に対して４５度傾斜するように設ける。また、実装エリア６３を囲むように枠状に接着剤６４を設ける。
【００４７】
一方、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、スティフナ６５には、辺がスティフナ６５の辺に対して４５度傾斜した開口部６６を設け、４隅にリベット付きピン６２に対応する貫通孔６７を設ける。また、接着剤６４の外周に対応する位置に接着剤６４の流を防止する流れ止め溝６８を設ける。
【００４８】
この本発明の実施例２においては、最も変形量が大きいとされる対角方向をＢＧＡパッケージ基板６１と実装エリア６３に実装するＬＳＩとでずらすことができるため、上述の実施例１よりも信頼性の高い実装を実現することができる。
【００４９】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、従来のようなスティフナ全面接着ではなく、４辺に点対称に配置されたスティフナ接着箇所により、枠状スティフナの平坦性および剛性を利用して基板の平坦性を確保することができる。
【００５０】
さらに、比較的低温のスティフナ接着温度から比較的高温のリフロー加熱温度の温度範囲においては、『スティフナの熱膨張量＞パッケージの熱膨張量』であるため、４隅のピンによりスティフナがパッケージを対角線延長方向外側に引っ張ることが可能である。このため、リフロープロセス時に、パッケージの反りを矯正し、平坦性を確保したうえで、所定のエリアにＬＳＩ実装することができる。
【００５１】
さらに、はんだ固着後の冷却工程においては、スティフナおよびパッケージともに収縮するが、ピン開口部の対角線内側には余裕を持たせているため、ピンがパッケージの対角線内側方向に接触して、新たなストレスを与えることはない。
【００５２】
以上、２種類の固定位置それぞれに異なる役割を持たせることにより、ＬＳＩ実装全工程における基板平坦性を維持することが可能となり、ＬＳＩ実装信頼性を大幅に向上させることが出来る。
【符号の説明】
【００５３】
１１  回路基板
１２  機械的固定手段
１２ａ  一方の構成
１２ｂ  他方の構成
１２ｃ  凸部
１２ｄ  突起部
１３  接着剤
１４  実装エリア
１５  はんだボール
１６  半導体素子
１７  挿入孔
２１  補強部材
２２  開口部
２３  挿入突起
３２  Ｉ／Ｏパッド
３１  ＢＧＡパッケージ基板
３３  リベット付きピン
３４  接着剤
４１  スティフナ
４２  開口部
５１  ＬＳＩチップ
５２  はんだボール
５３  銅製リッド
５４  金属接合部材
５５  ボンディングシート
５６  マザーボード
６１  ＢＧＡパッケージ基板
６２  リベット付きピン
６３  実装エリア
６４  接着剤
６５  スティフナ
６６  開口部
６７  貫通孔
６８  流れ止め溝
７１  ＢＧＡパッケージ基板
７２  はんだボール
７３  接着剤
７４  スティフナ
７５  開口部
７６  ＬＳＩチップ
７７  はんだボール
８１  ＢＧＡパッケージ基板
８２  はんだボール
８３  接着剤
８４  銅製スティフナ
８５  開口部
８６  ＬＳＩチップ
８７  はんだボール
８８  ボンディングシート
８９  銅製リッド
９０  金属接合部材
９１  マザーボード
９２  スタンドオフ
【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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