(57)【要約】【目的】半導体装置が発する熱を内部に閉じ込めることなく十分外部へ逃がし、且つ、半導体装置の垂直方向への衝撃に対する良好な耐久性を付与した半導体装置を提供すること。【構成】外部接続端子としてはんだバンプを具備する半導体パッケージをプリント配線基板に実装した半導体装置において、前記半導体パッケージは前記半導体パッケージの対角方向に沿った×字型の押付板でプリント配線基板方向に何らかの圧力付加手段で押し付けられて固定されていることを特徴とする。ここで、前記押付板は、高強度を有する材料で構成されている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部接続端子としてはんだバンプを具備する半導体パッケージをプリント配線基板に実装した半導体装置において、
前記半導体パッケージは前記半導体パッケージの対角方向に沿った×字型の押付板でプリント配線基板方向に何らかの圧力付加手段で押し付けられて固定されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記押付板は、高強度を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記押付板の厚みは１０μｍ以上、半導体パッケージの高さ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に係り、特に、外部接続端子としてはんだバンプを具備する半導体パッケージをプリント配線基板に電気的且つ機械的に接続した半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、外部接続端子にはんだバンプを用いた半導体パッケージとしてＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ　Ｓｉｚｅ　Ｐａｃｋａｇｅ又は　Ｃｈｉｐ　Ｓｃａｌｅ　Ｐａｃｋａｇｅ）が知られている。これらの半導体パッケージは電子機器の小型化、軽量化、高機能化に対応して開発されたもので、はんだバンプをエリアアレイ状に配置することによって実装面積の縮小化及び高密度化を狙い、半導体パッケージの軽薄短小化を実現している。
【０００３】
図１は当該半導体パッケージをプリント配線基板に実装したもの、所謂半導体装置の概略的な構造を示している。簡単に説明すると、半導体素子１は絶縁性部材２の一方表面の中央部にダイボンド材４によって搭載され、その絶縁性部材２の表面には半導体素子１と電気的に接続するための配線パターン３が形成されている。ボンディングワイヤー７により半導体素子の一方表面の周辺に沿って設けられたボンディングパッド６と配線パターン３とが電気的に接続され、半導体素子１周辺はモールド樹脂８により封止される。
【０００４】
そして、絶縁性部材２の他方表面にははんだボール９がエリアアレイ状に配置される。このはんだボール９の配置に対応してプリント配線基板を構成する絶縁性基板１０の一方面に配線電極１１がエリアアレイ状に配置され、その配線電極１１上にリフロー工程を経てはんだボールの少なくともその一部を溶融し配線電極１１とはんだボール９とを接合させて完成する。この半導体装置の構造上、電子機器の稼動中における大きな温度変化や電源の発停時において、半導体パッケージとプリント配線基板との線膨張係数の相違に起因して発生する応力やひずみがはんだバンプ全体に繰り返し集中すると、はんだバンプにクラックが発生して破断に至り半導体装置としての機能が停止してしまうことが従来から懸念されている。
【０００５】
従って、はんだ接合部における耐疲労強度の向上対策を講じることにより、半導体装置の疲労寿命の向上を図る必要がある。又、近年、当該半導体装置を内蔵した電子機器は小型化及び携帯性へのニーズが非常に高く、それに伴い落下や振動に対する信頼性が懸念されている。即ち、はんだ接合部におけるせん断に加えて、半導体装置の垂直方向への衝撃に対するはんだ接合部における耐久性が要求されつつある。
【０００６】
そこで、例えば特開平１１−２７４６８２号において、図２及び図３に示されるように半導体パッケージ全体を覆った押付板、半導体パッケージとプリント配線基板との間に所定の圧力を印加するための弾性体を用いることで接合強度を高めている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法は、半導体パッケージ全体を押付板で覆った状態で押し付けているため、半導体装置が発生する熱を十分に外部へ逃がすことができない。そのような状態では半導体装置全体の温度が瞬く間に上昇して故障に繋がる可能性がある。
【０００８】
近年、半導体パッケージの集積度は飛躍的に向上しており、それはトランジスタの数の増加を意味し、それに伴い消費電力や発熱量は指数的に増大している。そのため、半導体装置が発する熱を内部に閉じ込めることなく十分外部へ逃がし、且つ、半導体装置の垂直方向への衝撃に対する耐久性を向上させる必要がある。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、半導体装置が発する熱を内部に閉じ込めることなく十分外部へ逃がし、且つ、半導体装置の垂直方向への衝撃に対する良好な耐久性を付与した半導体装置を提供することで、はんだ接合部の耐疲労強度を向上させ、当該半導体装置の寿命を改善することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、外部接続端子としてはんだバンプを具備する半導体パッケージをプリント配線基板に実装した半導体装置において、前記半導体パッケージは前記半導体パッケージの対角方向に沿った×字型の押付板でプリント配線基板方向に何らかの圧力付加手段で押し付けられて固定されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記押付板は、高強度を有する材料で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記押付板の厚みは１０μｍ以上、半導体パッケージの高さ以下であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
＜実施の形態１＞
図４は本発明の実施の形態１に係る半導体装置の模式的な断面図であり、図５は図４を半導体パッケージ上から見たときの図である。
【００１５】
図４及び図５に示すように、本発明の実施の形態１に係る半導体パッケージは、フィルム２の一方表面の中央部にダイボンド材４により半導体素子１を搭載し、この半導体素子周辺をモールド樹脂８により封止した構造をしている。
【００１６】
半導体素子１の一方表面にはその周辺に沿って複数のボンディングパッド６が設けられ、これらのボンディングパッド６とフィルム２の一方表面に設けられた複数の配線パターン３がそれぞれボンディングワイヤー７で電気的に接続される。そして、フィルム２に設けられたスルーホール１３を通じて配線パターン３とハンダボール９が電気的に接合されている。
【００１７】
フィルム２は具体的には絶縁性のエラストマーであるポリイミド樹脂である。前記フィルム２の材料は、電気的絶縁性を有する材料であれば何でも良い。例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）樹脂、アラミド樹脂等があり、その厚みは１０〜１００μｍが好ましい。ハンダボール９の一部はアニール時の融解によってスルーホール１３内に進入し、電極部と電気的に接合し凝固して埋設される。
【００１８】
配線パターン３は低抵抗導電材料である銅（Ｃｕ）で構成されている。又、ボンディングワイヤー７も低抵抗導電材料である金（Ａｕ）或はアルミニウム（Ａｌ）で構成されている。このようにフィルムの一方表面に設けられる配線パターン或はボンディングワイヤーの材料としては、ハンダと濡れが良く、電気的に低抵抗な導電体が好ましく用いられる。
【００１９】
又、配線パターンの厚みは１０〜２０μｍが好ましく、半導体素子と配線とをワイヤーボンディングにより接続する場合にはＣｕ上の一部又は全面に例えばメッキ処理等によりＮｉ膜を２〜１０μｍ程度の膜厚で形成し、その上にＡｕ膜を０．１〜１μｍ程度形成しても良い。
【００２０】
又、半導体素子１が搭載されているフィルム２の他方表面側の開口端部において配線パターン３の一部である電極部がスルーホール１３内で露出している。フィルムのスルーホールの開け方としては、幾つかの開け方があり、例えば、
１）フィルム上にレジスト材を塗布、露光、現像した後、エッチング液によるウエットエッチング或はＯ２プラズマによるドライエッチングによりスルーホールを形成した後、レジストを剥離する方法や或は、
２）金型によりフィルムを打ち抜きスルーホールを開ける方法や、
３）ドリルによりフィルムにスルーホールを開ける方法や、
４）レーザー光を照射してフィルム材料を溶融、分解させ、スルーホールを開ける方法等がある。
【００２１】
スルーホールの直径としては、大きければ大きいほどハンダボールの接合強度が大きくなり、接合信頼性が高くなるが、電極ピッチとの関係とフィルム厚みに対するスルーホールの径のアスペクト比から、通常電極ピッチの３０％〜６０％程度の径が好ましい。
【００２２】
以下、本発明の実施の形態１におけるプリント配線基板及び上記半導体パッケージを前記プリント配線基板に実装した半導体装置について説明する。
【００２３】
本実施の形態におけるプリント配線基板は、絶縁性基板１０の一方表面に半導体パッケージのはんだボール９の配置に対応した配線電極１１が設けられ、絶縁性基板１０の一方表面はソルダーレジスト１２でコーディングされている。
【００２４】
絶縁性基板１０は具体的には絶縁性材料であるガラスエポキシである。又、配線電極は低抵抗導電材料である銅（Ｃｕ）で構成されている。ソルダーレジストは絶縁性材料であるポリイミドで構成されている。
【００２５】
前記絶縁性基板の材料は、電気的絶縁性を有する材料であれば何でも良く、例えば紙フェノール樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＢＴ（ビスマレイド・トリアジン）樹脂等がある。
【００２６】
絶縁性基板の一方表面に設けられる前記配線電極の材料としては、はんだと濡れが良く、電気的に低抵抗な導電体が好ましく用いられる。具体的には銅（Ｃｕ）が好ましい。又、配線電極の厚みは１０〜２０μｍが好ましい。
【００２７】
前記ソルダーレジスト１２の材料は、電気的絶縁性を有する材料であれば何でも良く、半導体パッケージを構成するフィルム２と同じ材質であっても良い。
【００２８】
以下、本実施の形態における押付板及びそれを装着した半導体装置について説明する。
【００２９】
本実施の形態における押付板１６は、×字型の形状をしており、それぞれの端に貫通穴２０を有している。この押付板１６は、図５に示すように、その中心が半導体パッケージの中心に位置するように揃え、半導体パッケージの対角線方向に沿うように、モールド樹脂材８の上面に配置され、それぞれの端に設けられている貫通穴２０を介してピン１７が設けられている。
【００３０】
図４では、押付板側の貫通穴２０よりも広い面積の頭を有するピン１７の首を押付板側の貫通穴２０に貫通させることでピン１７を押付板に嵌着させているが、ピン１７と濡れの良い接着剤によりピン１７を押付板１６に固定させても良い。そして、このピン１７がプリント配線基板に設けられた貫通穴２１を貫通している。
【００３１】
プリント配線基板側の貫通穴２１から突き出たピンの頭に図４に示すようにバネ１８を挿入し、続いてナット１９をピンの頭に装着している。このように、貫通穴２０及び２１を介して押付板１６、ピン１７、バネ１８、ナット１９を用いて半導体パッケージ５０をプリント配線基板６０方向へ押し付けて固定させることで、半導体装置の垂直方向への圧力を付加させる構造となっている。
【００３２】
前記押付板１６は具体的には、セラミックで形成されている。セラミック以外でも高強度を有する材料であればなんでも良く、例えば銅を用いても良い。
【００３３】
本実施の形態によれば、半導体装置の垂直方向への衝撃の緩和、はんだ接合部におけるクラックの発生の阻害、クラックの進展の遅延が可能となり、且つ、半導体装置が発する熱を内部に閉じ込めることなく十分外部へ逃がすことができるため、はんだ接合部における接合信頼性及び耐疲労強度が向上し、半導体装置の寿命が改善される。
【００３４】
又、本発明の×字型形状の押付板及び弾性体を用いることにより、半導体パッケージの対角線上方向の反りに対して適切に追従させて抑制させることが可能となる。
【００３５】
又、半導体装置全体を押付板で覆った状態と比較して、押付板の熱変形が半導体装置のはんだ接合部に及ぼすせん断の影響を低減させることができる。
【００３６】
更に、高強度を有する材料で構成される押付板で押し付けて固定しているため、半導体装置の垂直方向への衝撃に対する緩和作用に加えて、はんだ接合部においてクラックの発生の阻害及びクラックの進展の遅延が更に促進されるため、半導体装置の寿命の改善がより期待できる。
【００３７】
＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２に係る半導体装置は図６に示すような形態である。同図は、半導体パッケージをプリント配線基板方向へ押し付けて固定する×字型の押付板の厚みを１００μｍとしたことを特徴とした半導体装置である。その他については実施の形態１と同じである。
【００３８】
本実施の形態によれば、半導体パッケージをプリント配線基板方向へ押し付けて固定する×字型の押付板の厚みを１０μｍ以上、半導体パッケージの高さ以下に設定することにより、半導体パッケージをプリント配線基板の両面に実装した、所謂両面実装の場合においても、当該半導体装置を内蔵した電子機器の軽薄短小化及び携帯性への促進をそれほど妨げることにはならないので、半導体装置の更なる軽薄短小化が促進されても接続信頼性の高い半導体装置を提供することがきる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体装置の垂直方向への衝撃の緩和、はんだ接合部におけるクラックの発生の阻害、クラックの進展の遅延が可能となり、且つ、半導体装置が発する熱を内部に閉じ込めることなく十分外部へ逃がすことができるため、はんだ接合部における接合信頼性及び耐疲労強度が向上し、半導体装置の寿命が改善される。
【００４０】
又、×字型形状の押付板及び弾性体を用いることにより、半導体パッケージの対角線上方向の反りに対して適切に追従させて抑制させることが可能となる。
【００４１】
又、半導体装置全体を押付板で覆った状態と比較して、押付板の熱変形が半導体装置のはんだ接合部に及ぼすせん断の影響を低減させることができる。
【００４２】
又、本発明によれば、高強度を有する材料で構成される押付板で押し付けて固定しているため、半導体装置の垂直方向への衝撃に対する緩和作用に加えて、はんだ接合部においてクラックの発生の阻害及びクラックの進展の遅延が更に促進されるため、半導体装置の寿命の改善がより期待できる。
【００４３】
更に、本発明によれば、当該半導体装置を内蔵した電子機器の軽薄短小化及び携帯性への促進をそれほど妨げることにはならないので、半導体装置の更なる軽薄短小化が促進されても接続信頼性の高い半導体装置を提供することがきる。
【００４４】
以上から、本発明によれば、半導体装置のはんだ接合部の耐疲労強度を高めることができ、結果として半導体装置の寿命を飛躍的に延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体装置を示す模式的断面図である。
【図２】従来の半導体装置を示す模式的断面図である。
【図３】従来の半導体装置を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す模式的断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１　　　半導体素子
２　　　絶縁性部材
３　　　配線パターン
４　　　ダイボンド材
５　　　絶縁性保護層
６　　　ボンディングパッド
７　　　ボンディングワイヤー
８　　　モールド樹脂材
９　　　外部接続端子
１０　　絶縁性基板
１１　　配線電極
１２　　ソルダーレジスト
１３　　スルーホール
１６　　押付板
１７　　ピン
１８　　バネ
１９　　ナット
２０　　貫通穴（押付板側）
２１　　貫通穴（プリント配線板側）
５０　　半導体パッケージ
６０　　プリント配線基板
【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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