(57)【要約】【課題】配線基板に載置した半導体装置をリフロー炉内に投入して加熱し、その加熱中に半導体装置に反り発生しても両者の半田が正しく接合できる半導体装置及びその製造方法を得ること。【解決手段】本発明の第１実施形態の半導体装置１０Ａは、ＢＧＡ型半導体装置において、その半導体装置１０Ａを配線基板Ｐに実装し、リフロー炉で加熱した時に反り上がる傾向のある前記半導体装置１０Ａのコーナー部分に低融点の半田ボールＢａが、その他の部分に高融点の半田ボールＢｂがグリッド状に配列、配設されている構造のものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップが基板の一面に搭載されて封止されており、前記基板の他面に複数個の半田ボールが外部接続端子として配列、形成されている半導体装置において、
前記複数個の半田ボールが比較的高融点の半田ボールと、
該高融点より低い低融点の半田ボールと
から構成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置を配線基板に搭載し、両者をリフロー炉で加熱した時に反り上がる傾向のある前記基板部分に前記低融点の半田ボールが、前記基板のその他の部分に前記高融点の半田ボールが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記低融点の半田ボールが前記基板の外周部に、前記高融点の半田ボールが前記基板の内方に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半田ボールがグリッド状に配列されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記複数個の半田ボールの内、前記低融点の半田ボールが前記グリッド状配列の外周列に形成されており、前記高融点の半田ボールが前記グリッド状配列の他の部分に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記複数個の半田ボールの内、前記低融点の半田ボールが前記グリッド状配列のコーナー部分に形成されており、前記高融点の半田ボールが前記グリッド状配列の他の部分に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体チップが基板の一面に搭載されて封止されており、前記基板の他面に比較的高融点の半田ボールと該高融点より低い低融点の半田ボールとからなる複数個の半田ボールが外部接続端子として配列、形成されている半導体装置の製造方法において、
先ず、前記複数個の半田ボールの内、多数個を占める融点の半田ボールを形成し、
その後、残る少数個の半田ボールを形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記多数個の半田ボールが比較的高融点の半田ボールであり、前記少数個の半田ボールが低融点の半田ボールである
ことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記多数個の半田ボールを前記基板の他面の所定位置に一括形成し、その後、前記所定の位置の残る位置に前記少数個の半田ボールを一個ずつ形成する
ことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田ボールを外部接続端子とした半導体装置に関し、特に融点の異なる２種類の半田ボールが形成されている半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、従来技術の半導体装置の構造を説明する。
【０００３】
図５は従来技術の第１形態の半導体装置を示していて、同図Ａはその半田ボール側から見た平面図、同図Ｂはその側面図、同図Ｃは同図ＡにおけるＡ−Ａ線上における拡大断面図、図６は従来技術の第２形態の半導体装置を示していて、同図Ａはその半導体チップ搭載側から見た平面図、同図Ｂは同図ＡにおけるＡ−Ａ線上における拡大断面図、図７は従来技術の第３形態の半導体装置の拡大断面図、図８は従来技術の第４形態の半導体装置を示していて、同図Ａはその半導体チップ搭載側及び半田ボール側から見た平面図、同図Ｂは同図ＡにおけるＡ−Ａ線上における拡大断面図、図９は従来技術の半導体装置を加熱した場合に生じる反りを説明するための説明図であって、同図Ａは図５に示した第１形態の半導体装置の反りの拡大断面図、同図Ｂは図６に示した第２形態の半導体装置の反りの拡大断面図、同図Ｃは図８に示した第４形態の半導体装置の反りの拡大断面図、
図１０は図５に示した半導体装置を、半田ペーストが塗布されている配線基板上の電極ランドに載置した状態でリフロー炉に投入して加熱した場合に生じる反りによる半田付け不良を説明するためのプロセス図、そして図１１は図５に示した半導体装置を、半田ペーストが塗布されている配線基板上の電極ランドに載置した状態でリフロー炉に投入して加熱した場合に生じる反りによる半田付け信頼性劣化を説明するためのプロセス図である。
【０００４】
図５において、符号１０Ｄは従来技術のボールグリッド（ＢＧＡ）型半導体装置（以下、単に「半導体装置」と記す）を指す。この半導体装置１０Ｄは表面にダイパッド１２と電極である複数個の電極ランド１３が形成されているインターポーザ１１の前記ダイパッド１２には、図５Ｃに示したように、シリコンの半導体チップＳがダイボンドされ、電極ランド１３に半導体チップＳの電極（パッド）が金ワイヤ１４でワイヤボンディングされている。インターポーザ１１の裏面には外部接続端子として複数個の半田ボールＢがグリッド状に配列、形成されている。半導体チップＳは全体が封止樹脂１５でモールドされている。
【０００５】
この構造の半導体装置１０Ｄの熱膨張に注目すると、半導体チップＳは矢印Ｙｓで示したように熱膨張の小さいシリコンでできており、一方、インターポーザ１１及び封止樹脂１５の部分の熱膨張は矢印Ｙｌで示したように半導体チップＳ部分より比較的大きい。
【０００６】
図５に示した構造の半導体装置１０Ｄは大きさも厚みも様々なものがあり、例えば、図６に示した第２形態の半導体装置１０Ｅのように、１枚の大判のインターポーザ１１Ａ上に複数個の半導体装置１０Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃが搭載され、それらを封止樹脂１５で封止し、裏面に半田ボールＢ（図６Ｂ）を形成した、いわゆるシステム・イン・パッケージ（ＳＩＰ）と称されているモジュール型のものもある。
【０００７】
また、図７に示したように、半導体装置１０Ｄの構造の半導体装置１０Ｄａ、１０Ｄｂ、１０Ｄｃ・・・をインターポーザ１１Ａ上に複数個積層したＳＩＰ型半導体装置Ｆもある。
【０００８】
更に、図８に示したように、インターポーザ１１Ａの裏面に枠体１６を固定し、形成されたキャビティ１７内に半導体チップＳを収容、固定して封止樹脂１５で封止し、枠体１６の表面に半田ボールＢを配列、形成し、一方、インターポーザ１１Ａの上面にヒートシンク１８を固定した構造の第４形態の半導体装置１０Ｇなどもある。なお、キャビティ１７内には半導体チップＳのみならず、関連する電子部品も封止される構造のものもある。
【０００９】
これらの半導体装置、例えば、半導体装置１０Ｄをリフロー炉に投入し、そのリフロー炉で加熱した時、図９Ａに示したように、インターポーザ１１の表面（上面）側には、前記のように熱膨張の小さいシリコンの半導体チップＳが固定されているため、膨張が抑制され、一方、熱膨張の比較的大きいインターポーザ１１及び封止樹脂１５の周辺部が、矢印Ｚで示したように、上方に曲がる反りが生じる。上方に反った半導体装置１０Ｄがリフロー炉から取り出されて冷却される段階になると、その反りは徐々に元の平面状態に戻って行く。
【００１０】
また、図９Ｂは図６に示したように、半導体チップＳが薄く、封止樹脂１５が厚く、熱膨張率が異なるような部分が多々存在するようなモジュール型の第２形態の半導体装置１０Ｅをリフロー炉に投入して加熱した場合に、点線図示のように中央部分でも上方に反り返り、更にまた、図８に示した半導体装置１０Ｇの場合は、図９Ｃに示したように、キャビティ１７部分が点線図示のように上方に反り返る傾向にある。
【００１１】
更にまた、図７に示したような構造の半導体装置１０Ｆは更に図６に示した半導体装置１０Ｅに搭載される場合があるが、そのような半導体装置においては、一層局部的に熱膨張の相違が生じて部分的に反りが発生する。
【００１２】
このような上方に反り返る部分が有る半導体装置は、リフロー炉で加熱中、半田ボールＢの温度が半田融点に到達した時の半導体装置の反りが許容範囲であれば、その半田ボールＢは、配線基板Ｐ（後記）上に形成されている電極ランド上に塗布されている半田ペースト（不図示）と接して溶融し、一体化させることができる。その後、リフローの加熱により、ピークまで半導体装置１０Ｄの反りが増大しても、半田ボールＢが変形して追従し、リフロー炉から取り出されると、冷却により反りが戻り、半田ボールＢは適正なボール形状に戻り、正しく接合させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記のような半導体装置が多ピン化、大型化、薄型化、そしてモジュール化するにつれ、リフロー炉での加熱により半導体装置の前記のような反りは増大する傾向にある。更に、半田ボール及び半田ペーストの鉛フリー化でリフロー炉のピーク温度が従来より２０〜３０℃高くなり、これも半導体装置の反りを助長する。ちなみに有鉛半田でのリフローピーク温度は２１０〜２４０℃である。
【００１４】
また、半導体装置の半田ボールの狭ピッチ化に伴い、半田ボールは小径化するが、この半田ボールの小径化に伴い半導体装置の反りの許容量も狭くなる。
【００１５】
従って、図１０に示したように、表面に所定の電極ランドＰａが形成され、その表面に半田ペースト（不図示）が塗布されている配線基板Ｐの所定の位置に半導体装置１０Ｄを載置し（図１０Ａ）、その状態で、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示したように、リフロー炉で加熱して行くと、その加熱で半田ボールＢの温度が半田の融点に到達した時に、図１０Ｃに示したように、全ての半田ボールＢは溶融して溶融半田ボールＢｍとなる。同時に、半導体装置１０Ｄの反りが許容量を越え、半導体装置１０Ｄの周辺部の溶融半田ボールＢｍが配線基板Ｐ上の半田ペースト（不図示）との距離が離れてしまうという不都合な現象が生じる場合がある。
【００１６】
配線基板Ｐに対する半導体装置１０Ｄの反りの状態が前記のような状態の場合、図ＡＤ及び図１０Ｅに示したように、両者が冷却された場合、半導体装置１０Ｄの反りが減少して半田ボールが前記電極ランドＰａ上の半田と接したとしても、既に半導体装置１０Ｄの全半田ボールＢは凝固しており（図ＡＥ）、それらをリフローアウトしても、両者の周辺部では正常な接合が得られていない場合がある（図ＡＦ）。
【００１７】
また、図１１に示したように、リフロー炉内の加熱で半導体装置１０Ｄが反っても（図１１Ｂ、図１１Ｃ）、その反りに追従して半導体装置１０Ｄの周辺部に配列されている半田ボールＢが縦長に変形した状態で接合が確保されたとしても（図１１Ｃ）、冷却ゾーンで前記反りが充分減少する前に溶融半田ボールＢｍが凝固してリフローアウトされるケースも発生する（図１１Ｅ）。この場合、半導体装置１０Ｄの周辺部に配列されている半田ボールＢの接合形状が異形であるため、その接合が不安定な状態にあり、商品の使用環境下での温度サイクルにより前記接合の一部に応力が集中し易いこと、更に、半導体装置１０Ｄが反った状態で接合部に応力が発生する可能性もあり、何れも前記接合の信頼性を劣化させる要因となる。
【００１８】
同様な現象は半導体装置１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇのような構造のモジュール型にも起こり得る。
【００１９】
本発明はこのような課題を解決しようとするものであって、配線基板に載置した半導体装置をリフロー炉内に投入して加熱し、その加熱中に半導体装置に反り発生しても両者の半田が正しく接合できる半導体装置及びその製造方法を得ることを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
それ故、前記課題を解決するために、本発明の半導体装置では、半導体チップが基板の一面に搭載されて封止されており、前記基板の他面に複数個の半田ボールが外部接続端子として配列、形成されている半導体装置において、前記複数個の半田ボールが比較的高融点の半田ボールと前記高融点より低い低融点の半田ボールとから構成されていることを特徴とする。
【００２１】
その半導体装置は配線基板に搭載してリフロー炉で加熱した時に反り上がる傾向のある前記基板部分に前記低融点の半田ボールを、前記基板のその他の部分に前記高融点の半田ボールを配設することが好ましい。
【００２２】
そしてその半導体装置の前記低融点の半田ボールを前記基板の外周部に、前記高融点の半田ボールを前記基板の内方に配設することが望ましい。
【００２３】
また、本発明の半導体装置は前記半田ボールがグリッド状に配列されているものに適用して好適である。
【００２４】
そのような半導体装置の場合は、前記複数個の半田ボールの内、前記低融点の半田ボールを前記グリッド状配列の外周列に形成し、前記高融点の半田ボールを前記グリッド状配列の他の部分に形成することが好ましい。
【００２５】
更に、前記のような半導体装置の場合は、前記複数個の半田ボールの内、前記低融点の半田ボールを前記グリッド状配列のコーナー部分に形成し、前記高融点の半田ボールを前記グリッド状配列の他の部分に形成することが好ましい。
【００２６】
更にまた、本発明の半導体装置の製造方法では、半導体チップが基板の一面に搭載されて封止されており、前記基板の他面に比較的高融点の半田ボールと該高融点より低い低融点の半田ボールとからなる複数個の半田ボールが外部接続端子として配列、形成されている半導体装置の製造方法において、先ず、前記複数個の半田ボールの内、多数個を占める融点の半田ボールを形成し、その後、残る少数個の半田ボールを形成する方法を採っている。
【００２７】
そして更にまた、半導体装置の製造方法において、前記多数個の半田ボールを前記基板の他面の所定位置に一括形成し、その後、前記所定の位置の残る位置に前記少数個の半田ボールを一個ずつ形成することが望ましい。
【００２８】
従って、本発明の半導体装置によれば、融点の異なる２種類の半田ボールを混載、配置することで半導体装置を配線基板に実装する際の半田付け状態の品質と接合状態の信頼性の向上を図ることができる。
【００２９】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、融点の異なる２種類の半田ボールを比較的効率よく形成することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて、本発明の実施形態の半導体装置の構造を説明する。
【００３１】
図１は本発明の第１実施形態の外部接続端子として半田ボールが形成されている半導体装置を示していて、同図Ａはその半田ボール側から見た平面図、同図Ｂはその側面図、図２は本発明の第２実施形態の半導体装置の半田ボール側から見た平面図、そして図３は本発明の第３実施形態の半導体装置の半田ボール側から見た平面図、そして図４は図１に示した半導体装置を、半田ペーストが塗布されている配線基板上の電極ランドに載置した状態でリフロー炉に投入して加熱した場合に基板が反っても良好に半田付けできる状態を説明するためのプロセス図である。
【００３２】
先ず、図１を用いて本発明の第１実施形態の半導体装置の構造を説明する。なお、本発明の半導体装置は半田ボールの種類及び配列を除いて他の本体部分の構成は、従来技術の半導体装置１０Ｄと同一であるので、それらの構成部分には同一の符号を付して、それらの説明は省略する。
【００３３】
図１において、符号１０Ａは本発明の第１実施形態の半導体装置を指す。この半導体装置１０ＡもＢＧＡ型のもので、インターポーザ１１の裏面に外部接続端子として複数個の半田ボールがグリッド状に配列、形成されていて、それら複数個の半田ボールの内、外周部に複数個の低融点の半田ボールＢａを、そしてそれらの内方部には通常の高融点の半田ボールＢｂを配列、形成した実施形態の例である。
【００３４】
低融点、高融点の半田組成の例としては、環境対策用の鉛フリー半田組成の場合、下記のような半田を挙げることができる。即ち、
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なお、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系半田は、通常、低融点半田として分類されるが、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｉｎ系半田との組み合わせにおいては、高融点半田として扱うこともできる。
【００３５】
図２に示した本発明の第２実施形態の半導体装置１０Ｂはグリッドアレイのコーナー部の１点の外部接続部に低融点の半田ボールＢａを１個ずつ配置し、他の外部接続部分に複数個の高融点半田ボールＢｂを配列した実施形態の例である。
【００３６】
また、図３に示した本発明の第３実施形態の半導体装置１０Ｃはグリッドのコーナーの外部接続部に低融点半田ボールＢａを３個ずつ配置し、他の外部接続部に高融点半田ボールＢｂを複数個配列した実施形態の例である。
【００３７】
次に、図４を用いて、これら本発明の半導体装置１０Ａ、１０Ｂ、或いは１０Ｃを、配線基板Ｐに形成された複数の電極電極ランドＰａに塗布された半田ペーストを介して、それらの上に載置した状態で、リフロー炉に投入し、加熱により半田付けする場合の現象を説明する。なお、この説明に用いる本発明の半導体装置として第１実施形態の半導体装置１０Ａを採り上げる。
【００３８】
先ず、図４Ａに示したように、前記のように半導体装置１０Ａを、それらの半田ボールＢａ、Ｂｂが配線基板Ｐ上の所定位置の各電極ランドＰａ上に一致するように載置し、次に、その両者が合体された状態でリフロー炉内に投入してリフロー加熱する。
【００３９】
加熱が進むにつれ、図４Ｂに示したように、外周部の低融点の半田ボールＢａは溶融して溶融半田ボールＢａｍとなり、また、半導体装置１０Ａが反り始める。しかし、この程度の反りは許容範囲内であるので、配線基板Ｐ上の電極ランドＰａ上の半田ペーストと接合する。
【００４０】
更に、図４Ｃに示したように、リフロー加熱を続行し、ピークに達すると、中央部の高融点の半田ボールＢｂも溶融して溶融半田ボールＢｂｍとなり、電極ランドＰａに接合する。一方、半導体装置１０Ａは一層反り上がり、既に溶融している低融点の半田ボールＢａｍは、その反りに追従して縦長に変形し、接合を保持する。
【００４１】
次に、図４Ｄの冷却１、図４Ｅの冷却２で、半導体装置１０Ａの反りは順次減少する。インターポーザ１１の周辺部の反りは未だ大きいが、低融点の半田ボールＢａｍは液体状態にあるので、反りの変動に追従してリフローピーク時の変形から正常な接合形状に戻される。
【００４２】
そして、図４Ｆに示したように、リフローアウトでは、半導体装置１０Ａが配線基板Ｐの全接合ポイントで両半田ボールＢａ、Ｂｂが電極ランドＰａ上の半田（不図示）と正常に接合した状態で得られる。
【００４３】
各半導体装置１０Ａ、１０Ｂ、或いは１０Ｃにおける半田ボールＢａ、Ｂｂの形成に当たっては、先ず、多数を占める高融点の半田ボールＢｂをインターポーザ１１の裏面の所定位置に一括形成し、その後、前記所定の位置の残る位置に少数個の低融点の半田ボールＢａを一個ずつ形成する方法を採ることが望ましい。高融点の半田ボールＢｂを形成する場合の前記一括形成方法としては、低融点の半田ボールＢａの形成位置を除く位置に合致した、半田ボールＢｂの直径よりも小さい直径の孔が開けられている板状トレイ（治具、不図示）を用い、各孔に高融点の半田ボールＢｂを落とし込んで整列させ、インターポーザ１１の裏面の所定位置に形成する方法を採ることが好ましい。その後、少数の低融点の半田ボールＢａを１個ずつ形成する方法を採ることにより、本発明の各半導体装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の半導体装置によれば、半田ボールを外部電極端子とする半導体装置において、リフロー加熱中の半導体装置に反りが発生しても、配線基板上の電極ランドと正しく接合することができるので、リフロー加熱による半田付けの高品質と半田接合の信頼性を確保することができる。
【００４５】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、従来技術のＢＧＡ型半導体装置の半田ボールの形成手法を流用して、異種の半田ボールであっても、それらの半田ボールを効率的に、かつ容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の外部接続端子として半田ボールが形成されている半導体装置を示していて、同図Ａはその半田ボール側から見た平面図、同図Ｂはその側面図である。
【図２】本発明の第２実施形態の半導体装置の半田ボール側から見た平面図である。
【図３】本発明の第３実施形態の半導体装置の半田ボール側から見た平面図である。
【図４】図１に示した半導体装置を、半田ペーストが塗布されている配線基板上の電極ランドに載置した状態でリフロー炉に投入して加熱した場合に基板が反っても良好に半田付けできる状態を説明するためのプロセス図である。
【図５】従来技術の第１形態の半導体装置を示していて、同図Ａはその半田ボール側から見た平面図、同図Ｂはその側面図、同図Ｃは同図ＡにおけるＡ−Ａ線上における拡大断面図である。
【図６】従来技術の第２形態の半導体装置を示していて、同図Ａはその半導体チップ搭載側から見た平面図、同図Ｂは同図ＡにおけるＡ−Ａ線上における拡大断面図である。
【図７】従来技術の第３形態の半導体装置の拡大断面図である。
【図８】従来技術の第４形態の半導体装置を示していて、同図Ａはその半導体チップ搭載側及び半田ボール側から見た平面図、同図Ｂは同図ＡにおけるＡ−Ａ線上における拡大断面図である。
【図９】従来技術の半導体装置を加熱した場合に生じる反りを説明するための説明図であって、同図Ａは図５に示した第１形態の半導体装置の反りの拡大断面図、同図Ｂは図６に示した第２形態の半導体装置の反りの拡大断面図、同図Ｃは図８に示した第４形態の半導体装置の反りの拡大断面図である。
【図１０】図５に示した半導体装置を、半田ペーストが塗布されている配線基板上の電極ランドに載置した状態でリフロー炉に投入して加熱した場合に生じる反りによる半田付け不良を説明するためのプロセス図である。
【図１１】図５に示した半導体装置を、半田ペーストが塗布されている配線基板上の電極ランドに載置した状態でリフロー炉に投入して加熱した場合に生じる反りによる半田付け信頼性劣化を説明するためのプロセス図である。
【符号の説明】
１０Ａ…本発明の第１実施形態の半導体装置、１０Ｂ…本発明の第２実施形態の半導体装置、１０Ｃ…本発明の第３実施形態の半導体装置、１１…インターポーザ、１２…ダイパッド、１３…電極ランド、１４…金ワイヤ、１５…封止樹脂、Ｂａ…低融点の半田ボール、Ｂａｍ…低融点の溶融半田ボール、Ｂｂ…高融点の半田ボール、Ｂｂｍ…高融点の溶融半田ボール、Ｐ…電極ランド、Ｐ…配線基板、Ｓ…半導体チップ
【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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