(57)【要約】【課題】格子状に配設された接続パッドの外周部においては、接続端子に大きなせん断歪みが発生し、この外周部の接続端子に熱疲労破壊が生じ、配線基板の外部回路基板への実装の信頼性が大きく損なわれてしまう。【解決手段】絶縁基体１の下面を格子状に配設された接続パッド３の配列の外周部と中央部との間で段差を設けた段状とし、外部回路基板６の上面を対向する接続パッド３および端子パッド８間の距離がほぼ等距離となるように段差を設けた段状とした半導体装置の実装構造である。外周部の接続パッド３の接続端子５ａ領域と、中央部の接続パッド３の接続端子５ｂ領域とで、配線基板４と外部回路基板６との熱膨張差に起因する応力によって発生する接続端子５のせん断歪みを分散させて各々の最外周の接続端子５に加わるせん断歪みを小さなものとして緩和することができるので、実装の長期信頼性に優れた実装構造となる。【選択図】  図１
2004179606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に多数の配線導体を有する絶縁基体の下面に前記配線導体とそれぞれ電気的に接続された接続パッドを格子状に配設して成る配線基板の上面に、半導体素子を搭載してその電極を前記配線導体に電気的に接続して成る半導体装置を、絶縁基板の上面に前記接続パッドとそれぞれ対向するようにして端子パッドが配設された外部回路基板に載置し、対向する前記接続パッドおよび前記端子パッドを半田を介して接続して成る半導体装置の実装構造において、前記絶縁基体の前記下面は、格子状に配設された前記接続パッドの配列の外周部と中央部との間で段差を設けた段状とされており、かつ前記外部回路基板の前記上面は、対向する前記接続パッドおよび前記端子パッド間の距離がほぼ等距離となるように前記外周部に対向する部位と中央部に対向する部位との間で段差を設けた段状とされていることを特徴とする半導体装置の実装構造。
【請求項２】
格子状に配設された配列の外周部および中央部の各々の最外周に位置する前記接続パッドならびにこれに対向する前記端子パッドの径が、それぞれ他の部位に位置するものの径よりも大きい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】
前記絶縁基体がガラスセラミックスから成り、前記接続パッドが銅を主成分とし、ガラス成分を含有するとともに前記ガラス成分の含有量が０．１乃至４．０質量％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４】
前記絶縁基体がガラスセラミックスから成り、前記接続パッドが銅を主成分とし、ガラス成分を含有するとともにその露出した側面の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１乃至３μｍ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多数の接続パッドが絶縁基体の表面に格子状に配設されて成る配線基板に半導体素子を搭載した半導体装置を、この半導体装置の接続パッドと対向するようにして絶縁基板の上面に端子パッドが配設されて成る外部回路基板の上面に、接続パッドと端子パッドとを半田を介して接合することにより実装して成る半導体装置の実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子、特にＬＳＩ等の半導体素子を搭載するための配線基板は、一般にアルミナセラミックス等のセラミックスから成る絶縁基体の一方の表面に半導体素子の搭載部を有し、この搭載部の周辺から他方の表面にかけてタングステン・モリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個の配線導体が設けられた構造である。その配線導体はそれぞれ絶縁基体の他方の表面に形成された複数個の接続パッドと電気的に接続されている。
【０００３】
そして、搭載部に半導体素子を搭載するとともに半導体素子の電極を各配線導体に半田等の接続部材を介して接続することにより半導体装置となる。この半導体装置の接続パッドにリード端子等の外部接続用の接続端子を取り付け、接続端子をマザーボード等の外部回路基板の配線層に接続して実装することにより、半導体素子が外部回路基板の配線層と電気的に接続される。
【０００４】
最近では、半導体素子の高集積化・小型化に伴い、半導体素子の電極数が増大しており、これに伴い、配線基板における配線や接続パッド・接続端子の高密度化が求められている。
【０００５】
そのような要求に対して、絶縁基体の表面に多数の接続パッドを格子状に配設して成るとともに、各接続パッドに接続端子として半田ボールをロウ付けして用いられる、いわゆるボールグリッドアレイ（以下、ＢＧＡという）型の配線基板が多用されるようになってきている。
【０００６】
このようなＢＧＡ型の配線基板に半導体素子を搭載して成る半導体装置は、マザーボード等の外部回路基板に実装されて使用される。この場合の半導体装置の実装構造は、半導体装置のほぼ平坦な絶縁基体の表面に格子状に配列された接続パッドにロウ付けされた半田ボールから成る接続端子を、各接続パッドとほぼ等距離で対向するようにして配列形成されたマザーボード等の外部回路基板の端子パッドに接合させた構造である。すなわち、接続パッドが形成された半導体装置のほぼ平坦な絶縁基体の表面（通常は下面）と、端子パッドが形成されたほぼ平坦な外部回路基板の表面（通常は上面）とがほぼ等距離で対面し、接続パッドと端子パッドとが半田ボールから成る接続端子を介して接合されている。
【０００７】
なお、この半導体装置の外部回路基板に対する実装は、端子パッドに接続パッドを球状の半田ボールから成る接続端子を介して載置当接させ、しかる後、接続端子を約150〜250℃の温度で加熱溶融して端子パッドに接合させることによって行なわれ、同時に半導体装置の配線基板に搭載された半導体素子は、配線導体・接続パッドおよび接続端子を介して外部回路基板の端子パッドおよびこの端子パッドと導通された配線層と電気的に接続される。
【０００８】
〔特許文献１〕
特開平11−220055号公報
〔特許文献２〕
特開2000−91463号公報
〔特許文献３〕
特開2000−100986号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の半導体装置の実装構造においては、ＢＧＡ型の配線基板のセラミックスから成る絶縁基体の０〜500℃の熱膨張係数が6.5×10−６／℃以上であるのに対して、半導体素子（シリコン）の熱膨張係数は３〜５×10−６／℃であり、両者は大きく異なる。
【００１０】
このため、上記のような従来の半導体装置の実装構造においては、半導体素子の作動時に発する熱が半導体装置の絶縁基体と外部回路基板との両方に印加されると、半導体素子と絶縁基体との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する応力が発生する。この応力によって、配線基板は、絶縁基体の外周端部が搭載した半導体素子の側に引っ張り上げられるような応力を受けるため、半導体素子を搭載した側が凹となるように反るように変形する。
【００１１】
また、半導体装置の絶縁基体の０〜500℃の熱膨張係数が6.5×10−６／℃以上であるのに対して、ガラス−エポキシ樹脂等から成る外部回路基板の熱膨張係数が約15×10−６／℃以上と大きいことから、絶縁基体の変形に伴い、外部回路基板も通常、同様な方向に、つまり半導体装置を実装した側に凹となるように変形する。これに伴い、半導体装置の配線基板と外部回路基板とを接続しているＢＧＡ型の配線基板における接続端子には、配線基板と外部回路基板との熱膨張差によるせん断変形が生じることとなる。
【００１２】
このようなせん断変形は、上述のように熱応力による配線基板の反りに起因することから、特に格子状に配設された接続パッドの外周部において、それに接続される接続端子について中央部の接続パッドに接続される接続端子に比較して大きなものとなるため、この外周部の接続パッドにロウ付けされた接続端子に熱疲労破壊が生じ、配線基板（半導体装置）の外部回路基板への実装の信頼性が大きく損なわれてしまうという問題があった。
【００１３】
本発明はこのような従来の技術における問題を解決すべく案出されたものであり、その目的は、半導体装置の配線基板と外部回路基板との熱膨張差に起因する応力によって発生する接続端子のせん断歪みを外周部の接続端子に対して相対的に小さなものとして緩和することができ、実装の長期信頼性に優れた半導体装置の実装構造を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の実装構造は、内部に多数の配線導体を有する絶縁基体の下面に前記配線導体とそれぞれ電気的に接続された接続パッドを格子状に配設して成る配線基板の上面に、半導体素子を搭載してその電極を前記配線導体に電気的に接続して成る半導体装置を、絶縁基板の上面に前記接続パッドとそれぞれ対向するようにして端子パッドが配設された外部回路基板に載置し、対向する前記接続パッドおよび前記端子パッドを半田を介して接続して成る半導体装置の実装構造において、前記絶縁基体の前記下面は、格子状に配設された前記接続パッドの配列の外周部と中央部との間で段差を設けた段状とされており、かつ前記外部回路基板の前記上面は、対向する前記接続パッドおよび前記端子パッド間の距離がほぼ等距離となるように前記外周部に対向する部位と中央部に対向する部位との間で段差を設けた段状とされていることを特徴とするものである。
【００１５】
また本発明の半導体装置の実装構造は、上記構成において、格子状に配設された配列の外周部および中央部の各々の最外周に位置する前記接続パッドならびにこれに対向する前記端子パッドの径が、それぞれ他の部位に位置するものの径よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の半導体装置の実装構造は、上記構成において、前記絶縁基体がガラスセラミックスから成り、前記接続パッドが銅を主成分とし、ガラス成分を含有するとともに前記ガラス成分の含有量が0.1乃至4.0質量％であることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の半導体装置の実装構造は、上記構成において、前記絶縁基体がガラスセラミックスから成り、前記接続パッドが銅を主成分とし、ガラス成分を含有するとともにその露出した側面の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１乃至３μｍであることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の半導体装置の実装構造によれば、半導体装置を構成する配線基板の絶縁基体の下面は、格子状に配設された接続パッドの配列の外周部と中央部との間で段差を設けた段状とされており、かつこの半導体装置が実装される外部回路基板の上面は、対向する接続パッドおよび端子パッド間の距離がほぼ等距離となるように外周部に対向する部位と中央部に対向する部位との間で段差を設けた段状とされていることから、この中央部の対向する面の段差を設けた周縁部が補助的な絶縁基体の外周部のように機能して熱応力およびこの熱応力に伴うせん断歪みを吸収・緩和し、従来の半導体装置のような平坦な下面の絶縁基体と比較して、絶縁基体の下面の最外周の接続端子に生じるせん断歪みを小さなものとして緩和することができるので、接続端子および接続パッドの破壊や剥離が発生しなくなり、実装の長期信頼性に優れた半導体装置を提供することができる。
【００１９】
また本発明の半導体装置の実装構造によれば、格子状に配設された配列の外周部および中央部の各々の最外周に位置する接続パッドならびにこれに対向する端子パッドの径を、それぞれ他の部位に位置するものの径よりも大きくすることにより、絶縁基体の下面の最外周の接続端子に生じるせん断歪みをさらに小さなものとして緩和することができるとともに、この最外周に位置する接続パッドと端子パッドとの各接続面積を他の部位に位置する接続パッドと端子パッドとの各接続面積に比べて大きくして接続をより強固なものとすることができるので、接続端子および接続パッドの破壊や剥離がより一層効果的に防止され、より一層確実に長期信頼性に優れた半導体装置の実装構造を提供することができる。
【００２０】
また、本発明の半導体装置の実装構造において、絶縁基体をガラスセラミックスから成るものとし、接続パッドを、銅を主成分とし、ガラス成分を含有するとともにガラス成分の含有量が0.1乃至4.0質量％であるものとした場合には、接続パッドのガラス成分の含有量が適度に少ないものとなることから、接続パッド中の銅成分間の接触がガラス成分で遮られることを効果的に防止することができるとともに、ガラス成分により接続パッドの絶縁基体に対する焼成時の接合を確保することができ、絶縁基体の比誘電率および接続パッドの接触電気抵抗等の電気抵抗を低くすることができるので、低損失かつ高信頼性の半導体装置の実装構造を得ることができる。
【００２１】
さらに、接続パッドに含有するガラス成分が少ないことで接続パッドの表面に析出するガラス成分も少なくなるため、接続パッドの表面へのガラスの析出や配線導体の膨れ・発泡等をより確実に防止することができ、外観や実装の長期信頼性により一層優れた半導体装置の実装構造を得ることができる。
【００２２】
また、本発明の半導体装置の実装構造において、絶縁基体をガラスセラミックスから成るものとし、接続パッドを、銅を主成分とし、ガラス成分を含有するとともにその露出した側面の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１乃至３μｍであるものとした場合には、その接続パッドの露出した側面にニッケル・金等のめっき層を欠陥等を生じさせることなく、かつ密着性を良好として被着させることができるため、この接続パッドに半田をより一層強固に接続させることができ、半導体装置の接続パッドと外部回路基板の端子パッドとの半田を介しての接続の信頼性をより一層優れたものとした、長期信頼性により一層優れた半導体装置の実装構造を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の半導体装置の実装構造の実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１は絶縁基体、２は絶縁基体１の内部に形成された配線導体、３は絶縁基体１の下面に格子状に配設された接続パッドである。これら絶縁基体１・配線導体２および接続パッド３により半導体素子（図示せず）を搭載する配線基板４が形成される。
【００２５】
絶縁基体１は、上面に半導体素子の搭載部を有し、例えば、酸化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・炭化珪素質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・窒化珪素質焼結体・ガラスセラミックス焼結体等の周知の電気絶縁性セラミック材料から成る。
【００２６】
このような絶縁基体１は、ガラスセラミックス、特に低比誘電率のガラスセラミックスにより形成することが好ましい。
【００２７】
絶縁基体１をいわゆる低温焼成が可能で低比誘電率のガラスセラミックスで形成することにより、接続パッド３を、後述するように、銅や銀等の低抵抗材料で形成することができ、接続パッド３の接触電気抵抗等の電気抵抗を低いものとすることができる。また、絶縁基体１の比誘電率が低いことにより、ＭＨｚ帯やＧＨｚ帯の高周波の電気信号が配線導体２や接続パッド３を通って伝送されるような場合でも、高周波信号の損失を低く抑えることができる。
【００２８】
このようなガラスセラミックスから成る絶縁基体１は、例えば、次のように作製される。
【００２９】
まず、ガラスおよびフィラー等の原料粉末と、適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤を添加混合してスラリーとするとともに、そのスラリーをドクターブレード法やカレンダロール法を採用することによって、絶縁基体１を構成する各絶縁層となるグリーンシートを成形する。
【００３０】
ガラス成分としては、例えばＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）・ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は同一または異なってＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は前記と同じである）・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す）・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３は前記と同じである）・Ｐｂ系ガラス・Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。
【００３１】
また、フィラーとしては、例えばＡｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＺｒＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物・ＴｉＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物・Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル，ムライト，コージェライト）等が挙げられる。
【００３２】
これらガラスとフィラーとの混合割合は、重量比で40：60〜99：１であるのが好ましい。
【００３３】
この原料粉末に添加混合される有機バインダとしては、従来からセラミックグリーンシートに使用されているものが使用可能であり、例えばアクリル系（アクリル酸・メタクリル酸またはそれらのエステルの単独重合体または共重合体、具体的にはアクリル酸エステル共重合体・メタクリル酸エステル共重合体・アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等）・ポリビニルブチラール系・ポリビニルアルコール系・アクリル−スチレン系・ポリプロピレンカーボネート系・セルロース系等の単独重合体または共重合体が挙げられる。
【００３４】
この絶縁基体１には、その内部に半導体素子が搭載される上面の搭載部から下面にかけてビアホール導体等の貫通導体を含む配線導体２が被着形成されている。さらに絶縁基体１の下面には多数の接続パッド３が格子状に配設されており、配線導体２とそれぞれ電気的に接続されている。
【００３５】
そして、絶縁基体１の搭載部に半導体素子を搭載するとともに、その電極を配線導体２のうち搭載部に露出している部位に半田やボンディングワイヤ等を介して接続することにより、半導体素子が配線基板４に実装され、半導体装置となる。
【００３６】
配線導体２および接続パッド３は、タングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属や、銅・銀・アルミニウム等の低抵抗金属等によって形成されている。これらを絶縁基体１との同時焼成により形成する場合は、絶縁基体１に用いるセラミックス材料に応じて焼成温度がマッチングする金属材料が適宜選択され、選択された金属粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・溶剤を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるグリーンシートの焼成前に、グリーンシートに貫通孔を形成してこの貫通孔内に金属ペーストを充填したり、グリーンシートにスクリーン印刷法等により所定パターンに金属ペーストを印刷塗布したりした後、絶縁基体１と同時焼成することにより、絶縁基体１の所定位置に被着形成される。
【００３７】
この接続パッド３は、銅を主成分とし、ガラス成分を含有するとともにガラス成分の含有量が0.1乃至4.0質量％であるものとすることが好ましい。
【００３８】
接続パッド３を、銅を主成分として形成することにより、接続パッド３の接触電気抵抗等の電気抵抗を非常に低いものとすることができる。
【００３９】
また、接続パッド３を、ガラス成分を含有するとともに、そのガラス成分の含有量が0.1乃至4.0質量％であるものとすることにより、そのガラス成分により接続パッド３の絶縁基体１に対する焼成時の接合を確保することができるため、銅を主成分とする接続パッド３をガラスセラミックスから成る絶縁基体１に強固に接合させることができる。
【００４０】
このような、銅を主成分とし、ガラス成分を含有するとともに、そのガラス成分の含有量が0.1乃至4.0質量％である接続パッド３は、例えば、銅または銅を主成分とする合金から成る金属粉末とガラス粉末とに適当な有機バインダ・溶剤を添加混合した金属ペーストを、絶縁基体１となるグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等で所定パターンに印刷しておくことにより形成される。
【００４１】
また接続パッド３は、ガラス成分を0.1乃至4.0質量％と少量含有することにより、接続パッド３を絶縁基体１に強固に接合させることができるとともに、接続パッド３の表面へのガラス析出を抑えることができる。ガラス成分の含有量が0.1質量％未満の場合には、800〜1000℃での焼成に必要なガラスが不足するため、絶縁基体１との強固な接合状態が得られにくい傾向がある。他方、ガラスの含有量が4.0質量％を超えると、接続パッド３の表面へのガラス析出が増加しやすく、後述するように接続パッド３と半田との強固な接続が困難となる傾向にある。
【００４２】
また、接続パッド３には、Ｓｎ−Ｐｂ・Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ等の半田から成る球状の接続端子５がロウ付けされている。この接続パッド３は、絶縁基体１に接続端子５を強固に取着するための下地金属層として機能する。
【００４３】
この接続端子５を外部回路基板６の上面に形成されその絶縁基板の内部に形成された配線層７に接続された端子パッド８と接続することにより、半導体装置が外部回路基板６に実装される。
【００４４】
また、絶縁基体１の表面に位置する絶縁層に形成された接続パッド３の露出した側面の表面粗さが、算術平均粗さ（Ｒａ）で１乃至３μｍであることが好ましい。この接続パッド３の露出した側面の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ未満であると、接続パッド３の表面に被着させるニッケル・金等のめっき層との密着強度が、接続パッド３の側面が平滑であるために側面において十分なアンカー効果を得ることが難しくなるため、低下する傾向がある。また、３μｍを超えると、接続パッド３の側面が粗くなりすぎてしまい、これに被着させるニッケル・金等のめっき層が接続パッド３を一様に覆うことが難しくなり、めっき層にピンホール等の欠陥が生じてしまうことがあるため実装性が低下する傾向がある。
【００４５】
なお、接続パッド２の側面へは、通常はガラス成分が多量に析出することがないため、ガラス成分によりめっき層の正常な被着形成が妨げられることはない
なお、この接続端子５は、接続パッド３にＳｎ−Ｐｂ・Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ等の半田を塗布し、しかる後、これを約150〜250℃の温度で加熱溶融することによって半田を表面張力によって球状化させるか、または接続パッド２にＳｎ−Ｐｂ共晶半田等の低融点半田によってＰｂ−Ｓｎ系等の高融点半田から成る半田ボールを取り付けることによって、形成・配設することができる。
【００４６】
このような本発明の半導体装置の実装構造においては、配線基板４は、絶縁基体１の接続パッド３が格子状に配設された下面を、格子状に配設された接続パッド３の配列が、外周部と中央部との間で段差を設けた段状とし、さらに外部回路基板６の上面を、対向する接続パッド３と端子パッド８と間の距離がほぼ等距離となるように、絶縁基体１の外周部に対向する部位と絶縁基体１の中央部に対向する部位との間で段差を設けた段状とすることが重要である。
【００４７】
このような構成とすることにより、絶縁基体１の下面の格子状に配設された接続パッド３のうち配列の外周部のものにロウ付けされる接続端子５ａ領域と、配列の中央部のものにロウ付けされる接続端子５ｂ領域とで、この配線基板４に半導体素子を実装して成る半導体装置を外部回路基板６に接続端子５を介して接続・実装したとき、外周部の接続端子５ａと中央部の接続端子５ｂとに各々加わるせん断歪みをそれぞれで分散させることができるため、各々の領域の最外周に位置する接続端子５に加わるせん断歪みを相対的に小さなものとして緩和することができる。その結果、配線基板４の絶縁基体１と外部回路基板６との熱膨張差に起因する応力によって発生する接続端子５のせん断歪みを効果的に緩和することができ、接続端子５の耐熱疲労性を改善して、熱疲労破壊の発生を防止することができる。
【００４８】
また本発明の半導体装置の実装構造において、絶縁基体１の下面は、格子状に配設された接続パッド３およびこれに対向する端子パッド８間の距離がほぼ等距離となるようにしておくことが必要である。対向する接続パッド３と端子パッド８との間の距離にばらつきがあると、その距離が小さな部位では、接続端子５が接続パッド３と端子パッド８とに他の部位に比べてより強く拘束されており、十分に変形することが特に難しいものとなるため、その接続パッド３および端子パッド８間の接続端子５に生じるせん断歪みが大きくなり、この部位の接続端子５に破断が生じて半導体装置の実装構造が短期間で壊れてしまい実装の信頼性が非常に低いものとなってしまう。なお、この場合、各接続パッド３と端子パッド８との間の距離のバラツキが１％を超えるようになると、その距離の小さな部位の接続端子５に生じるせん断ひずみが大きくなってこの接続端子５に破断が生じやすくなる傾向がある。従って、各接続パッド３と端子パッド８との間の距離のバラツキは１％以内であることが好ましい。
【００４９】
さらに、本発明の半導体装置の実装構造においては、格子状に配設された配列の外周部および中央部の各々の最外周に位置する接続パッド３ならびにこれに対向する端子パッド８の径を、それぞれ他の部位に位置するものの径よりも大きくすることが好ましい。
【００５０】
このことにより、絶縁基体１の下面の最外周の接続端子５に生じるせん断歪みをさらに小さなものとして緩和することができるとともに、この最外周に位置する接続パッド３と端子パッド８との各接続面積を他の部位に位置する接続パッド３と端子パッド８との各接続面積に比べて大きくして接続をより強固なものとすることができるので、接続端子５および接続パッド３の破壊や剥離がより一層効果的に防止され、より一層確実に長期信頼性に優れた半導体装置の実装構造を提供することができる。
【００５１】
また、この場合の、格子状に配設された配列の外周部および中央部の各々の最外周に位置する接続パッド３ならびにこれに対向する端子パッド８の径は、それぞれの他の部位のものの径の1.2〜1.5倍の大きさであることが好ましい。この格子状に配設された配列の外周部および中央部の各々の最外周に位置する接続パッド３ならびにこれに対向する端子パッド８の径がそれぞれの他の部位のものの径の1.2倍未満であると、絶縁基体１の下面の最外周の接続端子５に生じるせん断歪みを小さなものとしてさらに効果的に緩和することが困難となる。また1.5倍を超えると、絶縁基体１の外形寸法も大きくする必要があり、配線基板４の小型化が困難となる。
【００５２】
このように、絶縁基体１の下面を、格子状に配設された接続パッド３の配列の外周部と中央部との間で段差を設けた段状とするには、絶縁基体１を形成するためにほぼ同寸法のグリーンシートを複数積層した後、この積層体の下面に枠状のグリーンシートを追加して積層することによって外周部と中央部との間で段状にする方法や、絶縁基体１となるグリーンシートの積層体の下面の中央部にグリーンシートを形成するのと同様の泥漿物を段状に盛り上げて塗布することによって外周部と中央部との間を段状にする方法等の方法を用いることができる。
【００５３】
なお、グリーンシートの積層体の外周部に枠状にグリーンシートを追加して積層する場合、この追加するグリーンシートは１層に限られず、順次大きな枠状のグリーンシートが下側となるようにして複数のグリーンシートを積層し、多段状としてもよい。
【００５４】
接続パッド３の格子状の配列のうち、外周部と中心部との境界の段差から絶縁基体１の中心までの距離が、絶縁基体１の最外周の接続パッド３から絶縁基体１の中心までの距離の１／５未満もしくは７／10を超える範囲の大きさであると、配線基板４の絶縁基体１と外部回路基板６との熱膨張差に起因する応力によって発生する接続端子５のせん断歪みを外周部の接続端子５ａにおいて効果的に緩和することができなくなり、接続端子５に熱疲労破壊が発生しやすくなって、配線基板４（半導体装置）の外部回路基板６への実装の信頼性を良好とすることができなくなるおそれがある。
【００５５】
また、絶縁基体１の格子状に配設された接続パッド３の配列の外周部と中央部との間の段差の高低差が75μｍ未満の場合は、例えば接続パッド３の配設された領域の大きさが25ｍｍ×25ｍｍ程度の一般的な配線基板４において、接続パッド３の配列の外周部の接続パッド３にロウ付けされる接続端子５ａ領域と、中央部の接続パッド３に接続される接続端子５ｂ領域とで、接続端子５に発生するせん断歪みをそれぞれ効果的に分散することが困難となり、外周部に配設された接続パッド３への負荷が大きくなってその接続パッド３の剥離や破壊が発生するおそれがある。したがって、絶縁基体１の格子状に配設された接続パッド３の配列の外周部と中央部との間の段差の高低差は75μｍ以上としておくことが好ましい。
【００５６】
外部回路基板６は、通常、配線基板４の絶縁基体１よりも熱膨張係数が大きいものであって、例えば、エポキシ樹脂等の有機樹脂や、有機樹脂とガラス繊維等の無機質フィラーとの複合材料から成り、配線層７および端子パッド８は、銅・銀・アルミニウム等の金属材料の箔やめっき被膜等によって形成される。
【００５７】
このような外部回路基板６の端子パッド８が形成された上面を、配線基板４の絶縁基体１の下面の各接続パッド３とそれに対向する端子パッド８との間の距離がほぼ等距離となるように接続パッド３の配列の外周部に対向する部位と中央部に対向する部位との間で段差を設けた段状とするには、例えば、外部回路基板６がエポキシ樹脂等の有機樹脂から成る場合であれば、段状とする部分にエポキシ樹脂等の有機樹脂から成る絶縁層を積層する等の方法を用いることができる。
【００５８】
この場合、外部回路基板６の端子パッド８が形成された上面は、その上面の端子パッド８とそれに対向する絶縁基体１の下面の接続パッド３との間の距離がほぼ等距離になるように外周部に対向する部位と中心部に対向する部位との間で段状としておけばよく、平面視で、外部回路基板６の上面と絶縁基体１の下面とを正確に同じ範囲で段状とする必要はない。例えば、配線層７の引き回しの都合等に応じて、外部回路基板６の段状の部分の外周縁が、配線基板４の段状の部分の外周縁よりも外側に位置するようにして、段差の位置をずらせておいてもよい。
【００５９】
【実施例】
以下、本発明の半導体装置の実装構造における上述の好適な各条件について、具体例を挙げて説明する。
【００６０】
表１は、絶縁基体１の表面に位置する絶縁層に形成された接続パッド３のガラス成分の含有量による外観不具合発生率について検査した結果を示すものである。
【００６１】
なお、これらの外観不具合発生率については、好適条件による効果を把握しやすいように、実装構造を形成する前の配線基板の状態での結果を示すようにした。
【００６２】
絶縁基体１は、ホウケイ酸系ガラスを約50質量％、アルミナを約40質量％含有し、残部がマグネシウム等の金属酸化物等の添加材から成るガラスセラミックスを、２ｃｍ×２ｃｍのほぼ正方形状の平板（厚さ１ｍｍ）の下面の中央部に１ｃｍ×１ｃｍの四角形の凹状に段差が形成されるように形成したものを用いた。この絶縁基体１の形成には、上記組成のガラス粉末およびアルミナ粉末を有機溶剤・バインダとともにドクターブレード法で複数のシート状に成形し、一部のシートについて枠状となるように、他のシートは板状となるように、それぞれ機械加工で所定寸法に切断した後、枠状のシートが下層となるようにして積層し、焼成するという方法を用いた。
【００６３】
接続パッド３は、銅にガラス成分を表１に示す含有量となるように添加したものを用いた。また今回の評価においては、各絶縁基板１となるグリーンシートの積層体の下面に、直径２ｍｍの円形状のパッドが格子状に（下面視で、絶縁基体の下面全体で７×７個、うち３×３個が中央の段差部の内側に位置）配置されるように、各組成の銅−ガラスのペーストをスクリーン印刷法で印刷することにより接続パッド３を形成した。なお、接続パッド３の厚みは20μｍに統一した。
【００６４】
ここで、外観不具合発生率のうちクラックについては、倍率10倍の双眼顕微鏡で観察する外観検査において、絶縁基体１と接続パッド３との間におけるクラックによる隙間の発生の有無の確認をし、そのクラックの発生数量から発生率を算出したものである。また、膨れについては、接続パッド３上に被着させためっき層の膨れの発生数量から発生率を算出したものである。なお、隙間・膨れが１箇所でも見られたパッドを不具合１個としてカウントした。
【００６５】
【表１】
2004179606.tif 000003
【００６６】
表１に示した結果より分かるように、本発明の配線基板４によれば、接続パッド３のガラス含有量が0.1質量％未満の場合には、800〜1000℃での焼成に必要なガラスが不足することとなるため、接続パッド３と絶縁基体１との間に隙間が生じ、両者の接続界面に若干（ガラス含有量が0.05質量％のとき発生率が３％）のクラックの発生が見られた。また、このガラスの含有量が4.0質量％を超えると、接続パッド３の表面へのガラス析出が増加したことにより、接続パッド３に膨れが発生し始める（ガラス含有量が５質量％のとき発生率が２％）傾向が見られた。
【００６７】
次に、表２に、絶縁基体１の表面に位置する絶縁層に形成された接続パッド３の側面の表面粗さ（算術平均粗さ（Ｒａ））の各水準における接続パッド３のメタライズ導体に対するめっき層の被着強度（めっき／メタライズ強度）およびメタライズ導体に被着しためっき層上の外観ピンホール発生率について測定・検査した結果を示す。
【００６８】
またこれらの評価サンプルは、表１に結果を示した評価サンプルと同様に、絶縁基体１は、ホウケイ酸系ガラスを約50質量％、アルミナを約40質量％含有し、残部がマグネシウム等の金属酸化物等の添加材から成るガラスセラミックスを、２ｃｍ×２ｃｍのほぼ正方形状の平板（厚さ１ｍｍ）の下面の中央部に１ｃｍ×１ｃｍの四角形の凹状に段差が形成されるように形成したものを用いた。これら評価サンプルの形成には、上記組成のガラス粉末およびアルミナ粉末を有機溶剤・バインダとともにドクターブレード法で複数のシート状に成形し、一部のシートについて枠状となるように、他のシートは板状となるように、それぞれ機械加工で所定寸法に切断した後、枠状のシートが下層となるようにして積層し、焼成するという方法を用いた。
【００６９】
この時の接続パッド３には、銅にガラス成分を表１に示す割合で添加したものを用いた。また今回の評価においては、各絶縁基板１となるグリーンシートの積層体の下面に直径２ｍｍの円形状の接続パッド３が格子状に（下面視で、絶縁基体の下面全体で７×７個、うち３×３個が中央の段差部の内側に位置）配置されるように、各組成の銅−ガラスのペーストをスクリーン印刷法で印刷することにより接続パッドを形成した。なお、接続パッド３の厚みは20μｍに統一した。
【００７０】
ここで、めっき／メタライズ強度（単位：Ｎ）は、接続パッド３のメタライズ導体に被着しためっき層上に半田を介して試験片を接続し、この試験片を真上に引っ張って、試験片の破断やめっき／メタライズ間でのはがれが生じたときの強度を測定する引っ張り試験により測定した強度を示している。
【００７１】
このメッキ／メタライズ強度は、従来のガラスセラミックスの中で、メタライズ導体の被着強度が良好とされているアルミナ−ケイ酸系ガラス系のガラスセラミックスに用いられる、銅を主成分とするメタライズ導体の接合強度が、上記の引っ張り試験にて測定した場合に19.6Ｎの強度を有していることから、この強度を基準として判定した。
【００７２】
また、メタライズ導体に被着しためっき層上の外観ピンホール発生率（％）は、接続パッド３上に被着させためっき層の膨れを倍率10倍の双眼顕微鏡で観察して、その発生数量から発生率を算出したものである。
【００７３】
【表２】
2004179606.tif 000004
【００７４】
表２に示した結果より分かるように、絶縁基体１の表面に位置する絶縁層に形成された接続パッド３の側面の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ未満であると、表面が平滑であるためにその側面において十分なアンカー効果を得ることが難しくなって、めっき／メタライズ強度が19.6Ｎを下回るように低下してしまうこととなる。また、３μｍを超えると、表面が粗くなりすぎてしまい、被着させるニッケル・金等のめっき層が接続パッド３の側面を一様に覆うことが難しくなるため、めっき層に外観で認められるピンホールが発生しやすくなる傾向がある。
【００７５】
なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の実装構造によれば、半導体装置を構成する配線基板の絶縁基体の下面は、格子状に配設された接続パッドの配列の外周部と中央部との間で段差を設けた段状とされており、かつこの半導体装置が実装される外部回路基板の上面は、対向する接続パッドおよび端子パッド間の距離がほぼ等距離となるように外周部に対向する部位と中央部に対向する部位との間で段差を設けた段状とされていることから、この中央部の対向する面の段差を設けた周縁部が補助的な絶縁基体の外周部のように機能して熱応力およびこの熱応力に伴うせん断歪みを吸収・緩和し、従来の半導体装置のような平坦な下面の絶縁基体と比較して、絶縁基体の下面の最外周の接続端子に生じるせん断歪みを小さなものとして緩和することができるので、接続端子および接続パッドの破壊や剥離が発生しなくなり、実装の長期信頼性に優れた半導体装置を提供することができる。
【００７７】
また、本発明の半導体装置の実装構造によれば、格子状に配設された配列の外周部および中央部の各々の最外周に位置する接続パッドならびにこれに対向する端子パッドの径を、それぞれ他の部位に位置するものの径よりも大きくすることにより、絶縁基体の下面の最外周の接続端子に生じるせん断歪みをさらに小さなものとして緩和することができるとともに、この最外周に位置する接続パッドと端子パッドとの各接続面積を他の部位に位置する接続パッドと端子パッドとの各接続面積に比べて大きくして接続をより強固なものとすることができるので、接続端子および接続パッドの破壊や剥離がより一層効果的に防止され、より一層確実に長期信頼性に優れた半導体装置の実装構造を提供することができる。
【００７８】
また、本発明の半導体装置の実装構造において、絶縁基体をガラスセラミックスから成るものとし、接続パッドを、銅を主成分とし、ガラス成分を含有するとともにガラス成分の含有量が0.1乃至4.0質量％であるものとした場合には、接続パッドのガラス成分の含有量が適度に少ないものとなることから、接続パッド中の銅成分間の接触がガラス成分で遮られることを効果的に防止することができるとともに、ガラス成分により接続パッドの絶縁基体に対する焼成時の接合を確保することができ、絶縁基体の比誘電率および接続パッドの接触電気抵抗等の電気抵抗を低くすることができるので、低損失かつ高信頼性の半導体装置の実装構造を得ることができる。
【００７９】
さらに、接続パッドに含有するガラス成分が少ないことで接続パッドの表面に析出するガラス成分も少なくなるため、接続パッドの表面へのガラスの析出や配線導体の膨れ・発泡等をより確実に防止することができ、外観や実装の長期信頼性により一層優れた半導体装置の実装構造を得ることができる。
【００８０】
また、本発明の半導体装置の実装構造において、絶縁基体をガラスセラミックスから成るものとし、接続パッドを、銅を主成分とし、ガラス成分を含有するとともにその露出した側面の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１乃至３μｍであるものとした場合には、その接続パッドの露出した側面にニッケル・金等のめっき層を欠陥等を生じさせることなく、かつ密着性を良好として被着させることができるため、この接続パッドに半田をより一層強固に接続させることができ、半導体装置の接続パッドと外部回路基板の端子パッドとの半田を介しての接続の信頼性をより一層優れたものとした、長期信頼性により一層優れた半導体装置の実装構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の実装構造の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・絶縁基体
２・・・配線導体
３・・・接続パッド
４・・・配線基板
５・・・接続端子
５ａ・・外周部の接続パッド３に接続された接続端子
５ｂ・・中央部の接続パッド３に接続された接続端子
６・・・外部回路基板
７・・・配線層
８・・・端子パッド
【図１】
2004179606.tif 000005