(57)【要約】【課題】接続信頼性および耐久性が向上した半導体装置を歩留まりよく得られる構造を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置は、実装基板（プリント配線基板１２）と、はんだバンプを介して所定距離離間させて前記実装基板上に搭載された回路基板１６と、回路基板１６の下面と、プリント配線基板１２の実装パッド１４が形成されていない上面領域との間に設けられた第１はんだバンプ２０と、所定距離離間された回路基板１６とプリント配線基板１２との間において、回路基板１６の下面に形成された電極パッド１８とプリント配線基板１２の上面に形成された実装パッド１４とを接合する第２はんだバンプ２２とを備え、プリント配線基板１２の上面に対し直交する方向における第２はんだバンプ２２の断面形状は、プリント配線基板１２または回路基板１６と接合する端部の幅よりも中央部の幅が狭い。【選択図】図１
2008124363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装基板と、
はんだバンプを介して所定距離離間させて前記実装基板上に搭載された回路基板と、
前記回路基板の下面と、前記実装基板の実装パッドが形成されていない上面領域との間に設けられた第１はんだバンプと、
所定距離離間された前記回路基板と前記実装基板との間において、該回路基板の下面に形成された電極パッドと前記実装基板の上面に形成された実装パッドとを接合する第２はんだバンプとを備え、
前記実装基板の上面に対し直交する方向における前記第２はんだバンプの断面形状は、前記実装基板または前記回路基板と接合する端部の幅よりも中央部の幅が狭いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１はんだバンプは、前記回路基板の下面に対し直交する方向における断面形状が下方向に湾曲した略半円状であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体装置において、
前記第１はんだバンプは、前記回路基板の下面に形成された電極パッドと接合していることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置において、
前記実装基板の上面には、複数の前記実装パッド間を埋設するソルダーレジスト膜を備え、
前記第１はんだバンプの下端部は、前記上面領域において前記ソルダーレジスト膜上面と接触していることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置において、
前記第１はんだバンプが接合している前記電極パッドの面積と、前記第２はんだバンプが接合している前記電極パッドの面積とが略等しいことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項４に記載の半導体装置において、
前記上面領域において、前記ソルダーレジスト膜は銅パターン上に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実装基板上にはんだバンプを介して接続された回路基板を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の高機能化に伴い、電子部品の多くはプリント配線基板の表面に直接はんだ付けする表面実装技術によって実装されている。特に高密度に実装された半導体装置では、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）と呼ばれるボール状の外部接続端子をパッケージの下側に配置したタイプの回路基板が用いられている。
【０００３】
図５は、従来技術を用いて、プリント配線基板１１２に回路基板１１６を実装した半導体装置１００の断面図である。従来の実装構造ではプリント配線基板１１２の実装パッド１１４にメタルマスクを用いた印刷法などによってはんだペーストを供給し、回路基板１１６を所定の位置に合わせて搭載した後、リフロー加熱する。溶融したはんだボールは実装パッド１１４に濡れ広がり接合する。このとき濡れ広がる溶融はんだの表面張力によって、回路基板１１６はプリント配線基板１１２に引き寄せられ接合間隔は狭いものとなり、プリント配線基板１１２表面に直交する方向におけるはんだバンプ１２０の断面形状は、両接合端部の幅よりも中央部の幅が広くなる。
【０００４】
このような従来の半導体装置においては、パッケージ接合されているはんだボールの大きさ、プリント配線基板側の接合パッドに供給するはんだペーストの量は一つのパッケージ内では同じであるため、いずれのはんだ接合部もはんだの表面張力とパッケージの自重によって、図５に記載のような断面形状となる。このような断面形状を有するはんだバンプ１２０は容易に変形しないため、熱膨張係数の違いによって生じた応力は、プリント配線基板１１２の実装パッド１１４とはんだバンプ１２０との接合界面、もしくは回路基板１１６の電極パッド１１８とはんだバンプ１２０との接合界面に集中する。これにより、接合界面において熱疲労破壊に至り接続信頼性が低下することがあった。このため、はんだ接合界面に応力が集中しない実装構造が望まれていた。
【０００５】
特許文献１には、実装基板と回路基板との間隔を所定距離離間させるための実装構造が記載されている。図６に示すように、特許文献１には、回路基板１１６の下面に面積の異なる電極パッド１２６、１２８と、同様にプリント配線基板１１２の上面に面積の異なる実装パッド１２２，１２４とを設け、これらを各々はんだバンプ１３０，１３２で接合した半導体装置が記載されている。はんだバンプ１３０は、形成時において電極パッドおよび実装パッドとの接触面積が小さいため、溶融はんだは基板と直交する方向に高くなろうとする。つまり、プリント配線基板１１２と回路基板１１６とを離間させる方向に力が加わり、はんだバンプ１３２を形成する際、溶融はんだは各々の基板方向に引っ張られる。そのため、はんだバンプ１３２のプリント配線基板１１２と直交する方向における断面形状は、両端部の幅よりも中央部の幅が狭い形状になると記載されている。
【０００６】
さらに、このようなはんだバンプ１３２を備える半導体装置１１０によれば、はんだバンプ１３２と実装パッド１２４や電極パッド１２８との接合界面への応力集中を抑制することができるため、熱疲労破壊を抑制し接続信頼性の向上を図ることができると記載されている。
【０００７】
また、特許文献２または３には、回路基板と実装基板との間に、スペーサーとして、はんだボールよりも融点の高い金属ボールを用いる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４-１２８２５８号公報
【特許文献２】特開平１１-２４３１５６号公報
【特許文献３】特開２０００-２９９４０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
【０００９】
第一に、パッドの面積やはんだボールの大きさ（容積）を変更して、両端部の幅よりも中央部の幅が広い断面形状のはんだバンプ１３０を形成することにより、両端部の幅よりも中央部の幅が狭い断面形状のはんだバンプ１３２を形成する必要があった。また、はんだバンプ１３０，１３２の断面形状の差は、回路基板の重量に影響されるため、重量の異なる回路基板を考慮して供給するはんだボールの大きさ（容積）を変更する必要があった。
【００１０】
上記のように、はんだの濡れ性に影響を与える因子に変更を加えることは、はんだバンプ１３０の高さに大きな影響を及ぼすため、はんだバンプ１３２を前記のような断面形状に形成することができないことがある。つまり、はんだバンプ１３０によりプリント配線基板１１２と回路基板１１６との離間距離を制御することにより、所望の断面形状を有するはんだバンプ１３２を制御性よく得るのは困難であった。
【００１１】
このように、特許文献１に記載の半導体装置においては、プリント配線基板１１２と回路基板１１６との離間距離を制御するのは困難であり、所望の断面形状を有するはんだバンプ１３２を制御性よく形成しうる構造であるといえるものではなかった。そのため、依然として、熱疲労破壊に対する接続信頼性に改良すべき点があった。
【００１２】
また、特許文献２，３に記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。
【００１３】
当該公報に記載の半導体装置は、回路基板と実装基板とを所定距離離間させるために、はんだ溶融温度で溶融しない金属ボールなどのスペーサーを、これらの基板間に介在させている。しかしながら、このような半導体装置においては、当初から回路基板と実装基板との間において、はんだの接合不良が発生することがあった。つまり、回路基板と実装基板とは、スペーサーにより常に所定の距離離間しているため、回路基板に設けられたはんだボールが溶融する際においてはんだバンプと実装パッドとが接合しない場合があり、回路基板と実装基板との接続不良が生じることがあった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、実装基板と、はんだバンプを介して所定距離離間させて前記実装基板上に搭載された回路基板と、前記回路基板の下面と前記実装基板の前記実装パッドが形成されていない上面領域との間に設けられた第１はんだバンプと、所定距離離間された前記回路基板と前記実装基板との間において、該回路基板の下面に形成された電極パッドと前記実装基板の上面に形成された実装パッドとを接合する第２はんだバンプとを備え、前記実装基板の上面に対し直交する方向における前記第２はんだバンプの断面形状は、前記実装基板または前記回路基板と接合する端部の幅よりも中央部の幅が狭い半導体装置が提供される。
【００１５】
本発明の半導体装置は、回路基板の下面と実装基板の実装パッドが形成されていない上面領域との間に設けられた第１はんだバンプを備える。
【００１６】
この第１はんだバンプは、実装基板等のはんだ濡れ性の因子の影響によらずに形成されており、形状安定性に優れる。これにより、所望の形状を有する導通第２はんだバンプを制御性よく形成しうる構造とすることができ、第２はんだバンプと実装パッドや電極パッドとの接合界面への応力集中を抑制することができる。そのため、本発明の半導体装置によれば、熱疲労破壊を抑制し接続信頼性が向上した半導体装置を制御性よく形成しうる構造とすることができる。
【００１７】
なお、本発明において、下方向に湾曲した略半円状の第１はんだバンプは、その先端部において湾曲した形状を有していればよく、さらに実装基板表面に面で接触している。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、所望の断面形状を有する導通はんだバンプを制御性よく形成しうる構造を有しているため、導通はんだバンプの形状安定性が向上する。そのため、導通形状を安定させることができ、接続信頼性が向上した半導体装置を歩留まりよく得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２０】
図１は第１実施形態の半導体装置の断面図であり、はんだバンプの接合状態を表す。図２は、図１に示す半導体装置の平面図であり、はんだ接合部と実装パッドとの関係を表す。なお、以下の半導体装置の平面図においては、回路基板のはんだバンプのみ図示し、その外周縁を点線で表す。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１０は、実装基板（プリント配線基板１２）と、プリント配線基板１２上に搭載された回路基板１６とを備える。回路基板１６はその下面に複数の電極パッド１８を備える。電極パッド１８の面積は、略同一とすることができる。
【００２２】
プリント配線基板１２はその上面に複数の実装パッド１４を備え、実装パッド１４間のプリント配線基板１２上には、実装パッド１４の間を埋設するようにソルダーレジスト膜２１が形成されている。実装パッド１４の面積は、各々略同一とすることができる。
【００２３】
さらに、本実施形態の半導体装置１０は、回路基板１６の下面とプリント配線基板１２の実装パッド１４が形成されていない上面領域との間に第１はんだバンプ２０を備える。さらに、所定距離離間された回路基板１６とプリント配線基板１２との間において、回路基板１６の下面に形成された電極パッド１８とプリント配線基板１２の上面に形成された実装パッド１４とを接合する第２はんだバンプ２２とを備える。このように、第１はんだバンプ２０はプリント配線基板１２と回路基板１６とを電気的に導通させるものではなく、第２はんだバンプ２２はこれらを電気的に導通させる。
【００２４】
第１はんだバンプ２０において、回路基板１６の下面に対し直交する方向の断面形状は、下方向において湾曲する略半円形状とすることができる。また、第２はんだバンプ２２において、プリント配線基板１２の上面に対し直交する方向の断面形状は、プリント配線基板１２または回路基板１６と接合する端部の幅よりも中央部の幅が狭くなる形状である。本実施形態において、第２はんだバンプ２２は、前記断面形状のものだけではなく、プリント配線基板１２または回路基板１６と接合する端部の幅と中央部の幅とが等しい断面形状のはんだバンプや、プリント配線基板１２または回路基板１６と接合する端部の幅よりも中央部の幅が広いはんだバンプを含んでいてもよい。
第１はんだバンプ２０および第２はんだバンプ２２は、例えば鉛フリーはんだを含むことができる。
【００２５】
このような構造を有する半導体装置は、例えば以下のように形成することができる。
【００２６】
まず、プリント配線基板１２の実装パッド１４上にメタルマスクを用いた印刷法などによって、はんだペーストを供給する。
【００２７】
次いで、所定の位置に合わせにより、電極パッド１８上のはんだボールを実装パッド１４上に載置する。なお、未導通の第１はんだバンプ２０となるはんだボールは、ソルダーレジスト膜２１上に直接載置される。このように、回路基板１６をプリント配線基板１２上に搭載した後、リフロー加熱を行う。
【００２８】
なお、本実施形態において、第１はんだバンプ２０となるはんだボールおよび第２はんだバンプ２２となるはんだボールは、同一のはんだボールを用いることができる。
【００２９】
実装パッド１４上に載置されたはんだボールは、リフロー加熱により溶融し、実装パッド１４表面および電極パッド１８表面に濡れ広がり接合する。このとき濡れ広がる溶融はんだの表面張力によって、回路基板１６はプリント配線基板１２に引き寄せられ接合間隔は狭くなろうとする。
【００３０】
一方、ソルダーレジスト膜２１上に直接載置されたはんだボールは、リフロー加熱により溶融し、電極パッド１８表面に濡れ広がり接合する。一方、プリント配線基板１２側においては、ソルダーレジスト膜２１表面を濡れ広がることなく半球状を保とうとして、回路基板１６を上方に持ち上げる力が生じる。
【００３１】
その結果、プリント配線基板１２と回路基板１６との離間距離（接合間隔）は、第１はんだバンプ２０の下方に実装パッド１４を設けた場合より高くなるため、第２はんだバンプ２２の断面形状は、実装パッド１４および回路基板１６と接合する端部の幅よりも中央部の幅が狭くなる形状となる。
【００３２】
この後、所定の工程を行うことにより、本実施形態の半導体装置を製造することができる。
【００３３】
本実施形態に係る半導体装置の効果を以下に説明する。
本実施形態の半導体装置１０は、回路基板１６の下面とプリント配線基板１２の実装パッド１４が形成されていない上面領域との間に設けられた第１はんだバンプ２０を備える。
【００３４】
第１はんだバンプ２０は、実装パッド１４が形成されていない上面領域上に形成されているので、実装基板等のはんだ濡れ性の因子の影響を受けることがなく、所望の断面形状を安定的に有する。このような断面形状によりこれらの基板を確実に所定距離離間させることができるので、所定形状の第２はんだバンプ２２を制御性よく形成しうる構造とすることができる。そのため、はんだバンプと実装パッドや電極パッドとの接合界面への応力集中を抑制して、熱疲労破壊を抑制し接続信頼性が向上した半導体装置を制御性よく形成しうる構造とすることができる。
【００３５】
一方、特許文献１に記載のように、はんだの濡れ性の因子である実装パッドの面積等により第１はんだバンプの形状を制御するのは困難であり、所望の断面形状を有する第２はんだバンプを制御性よく得るのは困難である。
【００３６】
これに対し、本実施形態の半導体装置は、所望の断面形状を有する第２はんだバンプ２２を制御性よく形成しうる構造を有しているため、第２はんだバンプ２２の形状安定性が向上する。つまり、本実施形態の半導体装置は、第２はんだバンプ２２の製造安定性に優れる構造を有しているので、導通形状を安定させることができ、接続信頼性が向上した半導体装置を歩留まりよく得ることができる。
【００３７】
また、前記したように、第１はんだバンプ２０は実装パッド１４の濡れ性等に影響を受けることがない。そのため、第１はんだバンプ２０は回路基板１６とプリント配線基板１２とを確実に所定距離離間させることができ、第２はんだバンプ２２を構成するはんだボールと同じはんだボールを用いて構成することができる。つまり、本実施形態の半導体装置１０は、製造コストの増加を抑制可能な構造を有する。さらに、同一のはんだボールを用いることができるため、従来と同様に全てのはんだボールを回路基板に供給すればよく、特許文献１に記載のようなはんだボールを実装基板に供給する工程が必要でなく、さらにそのための設備を設ける必要もない。
【００３８】
本発明における第１はんだバンプ２０の断面形状は、回路基板１６の下面に対し直交する方向において下方向に湾曲した略半円状とすることができる。このような形状を有する第１はんだバンプ２０は、基板面に直交する方向の応力に対する強度に優れている。そのため、半導体装置の耐久性に優れる。
【００３９】
つまり、特許文献１に記載された半導体装置において、はんだバンプ１３０は、その形成過程において、プリント配線基板１１２と回路基板１１６とを離間させるように形成される。一方、はんだバンプ１３２は、その形成過程において、溶融はんだが各々の基板方向に引っ張られながら形成される。つまり、基板面に直交する方向に応力が加わった場合、応力の大部分が、はんだバンプ１３０に集中することがある。そのため、通常用いられるはんだバンプと同様な断面形状を有するはんだバンプ１３０では、強度が不足することがあった。
【００４０】
これに対し、本実施形態の半導体装置において、第１はんだバンプ２０の形状は、回路基板１６の下面に対し直交する方向において下方向に湾曲した略半円状を有するので、基板の厚さ方向の応力に対する強度に優れる。そのため、半導体装置を製造する際や使用する場合において接続信頼性が向上し、製品の長期信頼性が向上する。
【００４１】
本実施形態の半導体装置１０においては、第１はんだバンプ２０が接合している電極パッド１８の面積と、第２はんだバンプ２２が接合している電極パッド１８の面積とが略等しい。
【００４２】
このように、第１はんだバンプ２０が形成される電極パッド１８と、第２はんだバンプ２２が形成される電極パッド１８においてその面積を変更する必要がないので、汎用の回路基板を用いることができ、製造コストの増加を抑制することができる。
【００４３】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００４４】
例えば、はんだペーストは、実装パッド１４上のみではなく、第１はんだバンプ２０の下方に位置する予定のソルダーレジスト膜２１上にもはんだペーストを供給することができる。
【００４５】
これによれば、はんだリフロー加熱工程において、はんだペーストとはんだボールとが一体となり、回路基板１６を上方に持ち上げる力がより大きくなる。これにより、前述したような第２はんだバンプの断面形状をより確実に得ることができる。そのため、熱疲労破壊を抑制し接続信頼性の向上を図ることができる。
【００４６】
また、上記においては、プリント配線基板１２と回路基板１６とを、回路基板１６の四隅に第１はんだバンプ２０を設けた例によって説明したが、図３に示すように、任意の箇所に第１はんだバンプ２０を設けることもできる。
次に、第２実施形態における半導体装置について説明する。
【００４７】
図４は第２実施形態の半導体装置の断面図であり、はんだバンプの接合状態を表す。
【００４８】
第２実施形態においては、第１はんだバンプ２０が接触するソルダーレジスト膜２１の下方位置に銅パターン２４を設けている。銅パターン２４はソルダーレジスト膜２１で覆われており第１はんだバンプ２０と接合することはない。またこの領域のソルダーレジスト膜２１表面は銅パターン２４の厚さ分だけ周辺より高くなっている。
【００４９】
他の構造は、第１実施形態と同じである。
【００５０】
このように、第２実施形態においては、プリント配線基板１２と回路基板１６との距離（パッケージの接合間隔）が、第１実施形態に比べて銅パターン２４の厚さ分だけ長くなる。そのため、第１はんだバンプ２０が回路基板１６を上方に持ち上げる力がより大きくなる。これにより、前述したような第２はんだバンプ２２の断面形状をより確実に得ることができる。そのため、熱疲労破壊を抑制し接続信頼性の向上を図ることができる。
【００５１】
以上、図面を参照して本発明の第２実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外に、第１実施例で説明した他の構成を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１実施形態に係る半導体装置を模式的に示した断面図である。
【図２】第１実施形態に係る半導体装置の概略上面図である。
【図３】第１実施形態の他の態様における半導体装置の概略上面図である。
【図４】第２実施形態に係る半導体装置を模式的に示した断面図である。
【図５】従来の半導体装置を模式的に示した断面図である。
【図６】特許文献１に記載の半導体装置を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０      半導体装置
１２      プリント配線基板
１４      実装パッド
１６      回路基板
１８      電極パッド
２０      第１はんだバンプ
２１      ソルダーレジスト膜
２２      第２はんだバンプ
２４      銅パターン
１００    半導体装置
１１２    プリント配線基板
１１４    実装パッド
１１６    回路基板
１１８    電極パッド
１２０    はんだバンプ
１２１    ソルダーレジスト膜
１２２，１２４    実装パッド
１２６，１２８    電極パッド
１３０，１３２    はんだバンプ
【図１】
2008124363.tif 000003
【図２】
2008124363.tif 000004
【図３】
2008124363.tif 000005
【図４】
2008124363.tif 000006
【図５】
2008124363.tif 000007
【図６】
2008124363.tif 000008