(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体装置の実装構造に関し、回路配線基板上の電極のレイアウト等に簡単な改変を加えることで、鉛フリーはんだを用いた場合に発生し易いパッケージ外周部に於ける回路オープン不良を抑止して、信頼性が高い半導体装置の実装構造を提供する。【解決手段】パッケージ型半導体装置１４に於ける電極１５と回路配線基板１１に於ける電極１２との間に鉛フリーはんだバンプ１６を介在して両者を接続した半導体装置の実装構造に於いて、半導体装置１４の実装エリア内の何れかの箇所好ましくは中心付近の少なくとも１箇所以上に設けられた位置決めバンプ１７と、半導体装置１４の各電極１５と対応して接続される回路配線基板１１の電極１２ははんだリフロー接続する為に加熱されてはんだ凝固点に達した際に各電極１２の中心座標が半導体装置１４の各電極１５の中心座標と略一致するように予め電極配設パターンを選択して形成される。【選択図】図１
2008072024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子或いは半導体パッケージに於ける電極と回路配線基板に於ける電極との間に鉛フリーはんだバンプを介在して両者を接続してなる半導体装置の実装構造に於いて、
半導体素子或いは半導体パッケージの実装エリア内の何れかの箇所好ましくは中心付近の少なくとも１箇所以上に設けられた位置決めバンプと、
半導体素子或いは半導体パッケージの各電極と対応して接続される回路配線基板の電極ははんだリフロー接続する為に加熱されてはんだ凝固点に達した際に各電極の中心座標が半導体素子或いは半導体パッケージの各電極の中心座標と略一致するように予め電極配設パターンを選択して形成されたものであること
を特徴とする半導体装置の実装構造。
【請求項２】
位置決めバンプは半導体素子或いは半導体パッケージの中心座標と回路配線基板の中心座標とを室温並びにはんだリフロー接続の温度上昇時に於いて一致状態を維持するものであること
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】
位置決めバンプは半導体素子或いは半導体パッケージと回路配線基板とをはんだバンプで接続する為にリフロー加熱した際のはんだバンプ溶融時においても溶融しない材料で形成されてなること
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４】
はんだバンプはＳｎを主成分としＢｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕから選択された少なくとも一種以上の金属からなる添加成分を含んでなること
を特徴とする請求項１記載の半導体装置の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、或いは、エリアアレイ型と呼ばれるＢＧＡ（ｂａｌｌ  ｇｒｉｄ  ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（ｃｈｉｐ  ｓｉｚｅ  ｐａｃｋａｇｅ）等のパッケージ型半導体装置を回路配線基板に接続した半導体装置の実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電子機器などの小型化、高密度化、高性能化に伴い、半導体装置の小型化及び高密度実装化が要求され、その要求に応える為、ＢＧＡやＣＳＰといったエリアアレイ型と呼ばれるプラスチックパッケージ型半導体装置の需要が大幅に増加してきている。
【０００３】
そのようなプラスチックパッケージ型半導体装置に於いては、はんだバンプを介して半導体装置をプリント基板等の回路配線基板に接続して実装する構造を採用しているが、従来の構造では、パッケージの下面に一定のピッチではんだバンプを形成し、そのはんだバンプと回路配線基板側の所望の電極とを位置合わせした後リフローはんだ接合している。
【０００４】
図６乃至図８は従来例を説明する為の回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置とからなる実装構造を表す要部切断側面図であり、図６は回路配線基板と半導体装置とを位置合わせした状態を、図７はリフロー加熱を行って回路配線基板及びＢＧＡパッケージが共に膨張する状態を、図８は図７の状態から冷却されて回路配線基板及びＢＧＡパッケージが収縮する状態をそれぞれ示している。
【０００５】
図に於いて、１１は回路配線基板、１２は回路配線基板に於ける電極（ランド）、１２Ａは中心電極、１２Ｂは最外周電極、１３はソルダーレジスト、１４はＢＧＡパッケージ型半導体装置、１５はＢＧＡパッケージ型半導体装置に於ける電極、１５Ａは中心電極、１５Ｂは最外周電極、１６はＳｎ−Ｐｂはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（例えばＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）はんだなどからなるはんだバンプ、１６Ｂは最外周のはんだバンプをそれぞれ示している。
【０００６】
図に見られるような実装構造を製造する場合、電極１２が形成されている回路配線基板１１に於ける反りの有無や該回路配線基板１１の熱膨張特性の如何に拘わらず、そのまま半導体装置１４と接続実装している。そして、はんだ材料は、延びが大きく、且つ、はんだ接続部の疲労寿命特性が優れているＳｎ−Ｐｂ共晶はんだをベースとしたものが多用されている。
【０００７】
この場合の実装対象であるＢＧＡパッケージ型半導体装置１４は、はんだバンプ１６を介して回路配線基板１１に電気接続される為、リードを介して回路配線基板１１と接続するものと比較し、導電接続長が短くなる為、高速動作特性に優れ、そして、はんだバンプ１６はＢＧＡパッケージ下面の全面にわたり形成することが可能であるから、多ピン構造とするのには好適である。
【０００８】
また、この実装構造では、はんだバンプ１６の径が小さいほどバンプピッチは微細となり、現在では、径が６００〜７５０μｍφに対してピッチを１〜１．５ｍｍ程度にしたサイズのものが主流になっている。
【０００９】
さて、図６に見られるように位置合わせされた回路配線基板１１及びＢＧＡパッケージ型半導体装置１４に於いて、はんだバンプ１６の材料にＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを用い、例えば５０ｍｍ□のＢＧＡパッケージ型半導体装置１４と回路配線基板１１とをはんだ接続する為、常温からはんだ凝固点まで加熱した場合、最外周部のはんだバンプ１６Ｂにおいては、融点から室温に冷却した場合の温度差ΔＴ、ＢＧＡパッケージ及び基板の材料に於ける熱膨張係数、パッケージサイズの関係で、図７に見られるように、パッケージ中心から周辺方向、例えば対角線方向に約１００μｍ程度の変形が発生する。尚、前記温度差ΔＴは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだの場合、２２１℃→２５℃、として約１９２℃になる。
【００１０】
即ち、図６に見られるように、室温に於いて、回路配線基板１１に於ける電極１２とＢＧＡパッケージ型半導体装置１４に於ける電極１５の各中心座標を一致させたレイアウトで間にはんだバンプ１６を介在させ、図７に見られるように、リフロー接続を行う。
【００１１】
ここで、例えば、回路配線基板１１に於ける最外周電極１２ＢとＢＧＡパッケージ型半導体装置１４に於ける最外周電極１５Ｂを採り上げて検討すると、回路配線基板１１並びにＢＧＡパッケージ型半導体装置１４は共に矢印で指示してあるように膨張するのであるが、回路配線基板１１の延びに比較してＢＧＡパッケージ型半導体装置１４の延びは少ないので、図７に見られるように、はんだバンプ１６Ｂは変形してしまう。
【００１２】
リフロー接続が終わって、回路配線基板１１及びＢＧＡパッケージ型半導体装置１４が室温に戻る場合、図８に矢印で示してあるように、冷却が進行するにつれて収縮するのであるが、その際の応力は、矢印Ｓで指示してあるように、はんだバンプ１６Ｂに於ける横断面の断面積が最小である部分に集中し、そこで破断が発生することとなる。
【００１３】
図９は回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置との最外周部に於ける位置ずれ量及びはんだバンプ形状を表す要部切断側面説明図であり、図６乃至図８に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。尚、Ｒ及びｒははんだバンプの横断面積を示すものとする。
【００１４】
図９（Ａ）は、図８に示されている状態の要部を拡大して表した図であり、図に見られるＬは最外周部のはんだバンプ１６Ｂのはんだ溶融時に於ける回路配線基板１１に於ける最外周電極１２Ｂの中心とＢＧＡパッケージ型半導体装置１４に於ける最外周電極１５Ｂの中心との位置ずれ量を表し、その位置ずれ量Ｌは約１００μｍにも達する。そして、はんだ接続後、室温に冷却する際には、はんだ凝固点からはんだ融点まで加熱した際と同量の変形がはんだバンプ１６Ｂの接続部にそれぞれ付加されることになる。
【００１５】
図示されているように、はんだバンプ１６Ｂの縦断面形状は平行四辺形状に延びた形状となって、当初、球体形状であって、Ｒ＜ｒであったものが、局部的に小さく、即ち、Ｒ≒ｒ、或いは、Ｒ＞ｒとなってしまう。そして、図９（Ｂ）ははんだバンプに生じる応力が集中する箇所を説明する図であり、図９（Ｂ）に矢印Ｓで指示してある箇所の冷却変形後の応力は大きくなり、局部的な応力集中が起こるので、破断し易い状態となる。シミュレーションした結果では、その最大応力は、ＳｎＡｇＣｕの場合に６３ＭＰａに達した。
【００１６】
また、近年、はんだに含まれる鉛が環境に与える影響について配慮が求められ、その使用が規制されていることから、鉛を含まない、即ち、鉛フリーはんだとして、Ｓｎを主成分とするはんだ材料、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等から成るはんだ材料の使用が進められてきている。
【００１７】
このようなはんだ材料は、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの融点である１８３℃よりも４０℃程度も高い２１７℃の融点を有する材料であり、パッケージを回路配線基板に実装接続する場合、以下に挙げるような問題を生じている。
（１）  従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだよりも融点と室温の温度差が約２００℃となって、      ４０℃以上も高くなり、回路配線基板とパッケージの熱膨張差に起因して変形を生      じ、特にパッケージ外周部に於いては変形の影響が大きく、３０ｍｍ□を超えるよ      うな大型パッケージにおいては回路オープン不良を生じる。
（２）  材料の持つ機械的性質例えば弾性率（ヤング率）や引張強さ等もこれまでのＳｎ      −Ｐｂ共晶はんだと比較して大きくなる反面、疲労寿命特性に影響する延び特性は      低下して、はんだ接合部界面にかかる応力は大きくなる。その結果、前記（１）と      同様、パッケージ外周部において回路オープン不良を生じる。
【００１８】
ところで、半導体装置を回路配線基板に実装する際、半導体装置と回路配線基板との位置合わせを正確に行う為、位置決め用バンプなど実装の為の補助部材を設け、それを利用して両者を正確に接続することについて幾つかの特許文献が開示されて公知である（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３などを参照。）。
【００１９】
然しながら、これ等の特許文献に開示された発明では、半導体装置を回路配線基板に実装する際、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだに依る接合を前提とし、且つ、両者間の位置ずれを如何にして発生させずに接続するかの究明をテーマとし、位置決め用補助部材をパッケージ外周に配置するなど、それに関する対策を種々と施すものであり、上記（１）、（２）に説明したような鉛フリーはんだを用いた場合の回路オープン不良を解消する為の技術について何ら触れるところはない。
【特許文献１】特開平１０−７４７９２号公報
【特許文献２】特開２０００５−３２８８５号公報
【特許文献３】特開昭５３−４８４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明では、はんだバンプの作製方法、及び、回路配線基板上の電極のレイアウト等に簡単な改変を加えることで、鉛フリーはんだを用いた場合に発生し易いパッケージ外周部に於ける回路オープン不良を抑止して、信頼性が高い半導体装置の実装構造を実現しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に依る半導体装置の実装構造に於いては、半導体素子或いは半導体パッケージに於ける電極と回路配線基板に於ける電極との間に鉛フリーはんだバンプを介在して両者を接続してなる半導体装置の実装構造に於いて、半導体素子或いは半導体パッケージの実装エリア内の何れかの箇所好ましくは中心付近の少なくとも１箇所以上に設けられた位置決めバンプと、半導体素子或いは半導体パッケージの各電極と対応して接続される回路配線基板の電極ははんだリフロー接続する為に加熱されてはんだ凝固点に達した際に各電極の中心座標が半導体素子或いは半導体パッケージの各電極の中心座標と略一致するように予め電極配設パターンを選択して形成されたものであることを基本とする。
【発明の効果】
【００２２】
前記手段を採ることに依り、リフロー加熱、はんだ凝固、そして室温冷却後において、パッケージ面内全バンプの形状に大きな差異を生じないことから、応力集中や基板等の反りによる変形量を小さくすることができ、従って、パッケージ型半導体装置と回路配線基板との熱膨張差によるストレスを緩和できる。また、有限要素法によるシミュレーションを行った結果、はんだ接続部に生じる応力は、従来の技術に依った場合、６３ＭＰａであるのに対し、本発明に依った場合、４０ＭＰa の値を示し、最大応力値を２／３程度まで低減できることが確認された。
【００２３】
このように、熱膨張差が大きく異なるパッケージ型半導体装置と回路配線基板との接続に於いても熱膨張挙動を考慮した電極、ソルダーレジストのレイアウトの他、はんだバンプの構造を工夫することに依って、反りがない良好なはんだ接続部を形成することができるので、十分な接続信頼性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明では、半導体素子或いはパッケージ型半導体装置に於ける電極と回路配線基板に於ける配線或いは電極との間に鉛フリーはんだバンプを介在して両者を接続してなる半導体装置の実装構造に於いて、はんだバンプはＳｎを主成分としＢｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕから選択された少なくとも一種以上の金属からなる添加成分を含んでなり、半導体素子あるいはパッケージ型半導体装置と回路配線基板との熱膨張差に起因して生じるはんだバンプにかかる応力及びその結果生じる形状変化による影響をできるだけ最小限に留める為、回路配線基板上に形成するソルダーレジストのレイアウトを工夫してある。
【００２５】
図１乃至図３は本発明を説明する為の回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置とからなる実装構造を表す要部切断側面図、また、図４は要部平面図である。そして、図１は回路配線基板と半導体装置とを位置合わせした状態を、図２はリフロー接続を行った状態を、図３はリフロー接続を終わって室温冷却した状態をそれぞれ示し、また、図４は回路配線基板にＢＧＡパッケージ型半導体装置を搭載した状態を示し、図４に於いて、レジスト開口レイアウトは、リフロー温度に於ける基板の膨張変形を考慮した設計になり、室温でピッチサイズが全て同じになる従来のマトリクスパターンと同じにはならない。尚、図６乃至図９に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。
【００２６】
本発明では、図示されているように室温時、即ち、図１の位置合わせ状態に於いては、回路配線基板１１の電極１２とＢＧＡパッケージ型半導体装置１４の電極１５の中心座標は、それぞれの中心に位置する電極１２Ａと１５Ａとの中心座標は一致するものの外周部に向かうにつれて位置ずれする状態になっている。例えば、最外周電極１２Ｂと１５Ｂとに着目すると、最外周電極１５Ｂに予め固着されている最外周はんだバンプ１６Ｂは、最外周電極１２Ｂではなく、ソルダーレジスト１３に対向していることが看取されよう。この点は、図１に円で囲んだ部分を拡大して添え描きしてある図を見ると理解し易いが、その位置ずれ量Ｌは約１００μｍに採ってある。
【００２７】
図１に見られる状態から、図２に見られるリフロー接続を行う為、はんだバンプ１６を室温から凝固点に加熱した際、回路配線基板１１及びパッケージ型半導体装置１４は共に熱膨張して延伸するのであるが、回路配線基板１１の延びはパッケージ型半導体装置１４の延びに比較して大きく、そして、電極１２と電極１５の配置は、該熱膨張に依る変形を予め考慮したレイアウトになっている為、はんだ凝固点（融点）においてはＢＧＡパッケージ型半導体装置１４（或いは半導体素子）に於ける電極１５の中心座標と回路配線基板１１に於ける電極１２の中心座標とは図２に見られるように略一致する状態となる。
【００２８】
図５は図２の状態に於ける回路配線基板の最外周電極とＢＧＡパッケージ型半導体装置の最外周電極との近傍を拡大して表した要部切断側面説明図であり、図１乃至図４に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。
【００２９】
本発明に依った場合、電極１５の中心座標と電極１２の中心座標とは略一致する状態となることから、はんだ凝固点に於いては、図５に見られるように最外周はんだバンプ１６Ｂであっても、図９に見られるような縦断面平行四辺形状のような状態とはならず、略球体に近い安定な形状を維持することが可能であり、Ｒ＜ｒとなって、矢印で指示した箇所に加わる最大応力は、シミュレーション結果に依れば、ＳｎＡｇＣｕの場合に４０ＭＰａであった。
【００３０】
この後、室温に冷却する際には、上記したはんだ凝固点より融点まで加熱した時と同量の変形がはんだバンプ接続部にそれぞれ付加されるのであるが、本発明に依る場合、はんだバンプ１６の形状は、当初から最後まで、球体形状が維持され、横断面積の減少部位が発生することはなく、Ｒ＜ｒのままで応力緩和に適した形状である為、室温に冷却した際には、従来の技術の場合と比較し、発生する応力は小さく接続の信頼性は向上する。
【実施例１】
【００３１】
本発明に依る半導体装置の実装構造及び実装方法に於いては、半導体素子、或いは、パッケージに於けるはんだバンプの材料としてはＳｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕなどが用いられ、それ等から選択された材料で構成されたはんだボール、及び、それ等の材料を金属成分とするはんだペーストを回路配線基板の電極上に形成し、それ等を加熱融合することで、はんだバンプとして半導体装置と回路配線基板とを接続して実装を行っている。
【００３２】
本実施例に於いては、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（凝固点：２１７℃）を用いて接合を行った。回路配線基板１１のソルダーレジスト１３の開口レイアウトは、室温において、相対するパッケージ型半導体装置１４の電極１５と比較し、図１に見られるように、パッケージコーナー部付近で最大１００μｍ程度外側に位置をずらした状態とする。
【００３３】
パッケージ型半導体装置には、予め実装エリア内部、好ましくは、熱膨張係数差による変形の影響が最も少ない中心部付近に少なくとも１箇所以上の位置決めバンプ１７（図４を参照。）を設けてある。
【００３４】
この位置決めバンプ１７の材料には、凝固点がＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕからなる材料に比較し、更に高い材料、例えば、Ｓｎ系合金、Ｓｎ−Ｓｂ、Ａｕ−Ｓｎ、Ａｕなどを用いる。
【００３５】
回路配線基板１１とパッケージ型半導体装置１４との実装を行なう場合、位置決めバンプ１７を用いて熱圧着仮固定を実施し、次いで、はんだボール組成のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕの融点である２１７℃以上の最高２５０℃、融点以上２分、窒素雰囲気中なる条件でリフロー加熱して接続を行なった。
【００３６】
この実装構造を−４０℃（３０分）←→１２０℃（３０分）の温度サイクル試験を実施した結果、２００サイクル以上の疲労寿命であることを確認した。
【００３７】
以上、説明した本発明の実施の形態に於いては、回路配線基板とリフロー接続する対象物としてＢＧＡパッケージ型半導体装置について説明したが、これは半導体素子、即ち、半導体チップであっても良いことは勿論であり、また、回路配線基板に於けるはんだバンプとの接続対象物として電極を挙げて説明したが、これは回路配線の一部であって良いことも勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置とからなる実装構造を表す要部切断側面図である。
【図２】回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置とからなる実装構造を表す要部切断側面図である。
【図３】回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置とからなる実装構造を表す要部切断側面図である。
【図４】回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置とからなる実装構造を表す要部平面図である。
【図５】回路配線基板の最外周電極とＢＧＡパッケージ型半導体装置の最外周電極との近傍を拡大して表した要部切断側面説明図である。
【図６】従来例を説明する為の回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置とからなる実装構造を表す要部切断側面図である。
【図７】従来例を説明する為の回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置とからなる実装構造を表す要部切断側面図である。
【図８】従来例を説明する為の回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置とからなる実装構造を表す要部切断側面図である。
【図９】回路配線基板とＢＧＡパッケージ型半導体装置との最外周部に於ける位置ずれ量及びはんだバンプ形状を表す要部切断側面説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１  回路配線基板
１２  回路配線基板に於ける電極（ランド）
１２Ａ  中心電極
１２Ｂ  最外周電極
１３  ソルダーレジスト
１４  ＢＧＡパッケージ型半導体装置
１５  ＢＧＡパッケージ型半導体装置に於ける電極
１５Ａ  中心電極
１５Ｂ  最外周電極
１６  はんだバンプ
１６Ｂ  最外周のはんだバンプ
１７  位置決め用バンプ
【図１】
2008072024.tif 000003
【図２】
2008072024.tif 000004
【図３】
2008072024.tif 000005
【図４】
2008072024.tif 000006
【図５】
2008072024.tif 000007
【図６】
2008072024.tif 000008
【図７】
2008072024.tif 000009
【図８】
2008072024.tif 000010
【図９】
2008072024.tif 000011