(57)【要約】【課題】  配列が高密度化され、接続強度が相対的に大きい半田ボールを有する半導体装置を提供する。【解決手段】  表面及び前記表面に対向する裏面に形成され、互いに接続された表面配線１３及び裏面配線１５を有するパッケージ基板１１、表面に電極を有し、パッケージ基板１１の表面に固着された半導体チップ２１、半導体チップ２１の電極とパッケージ基板の表面配線１３を電気的に接続するボンディングワイヤ３２、少なくとも電極及びボンディングワイヤ３２を封止する封止樹脂２７、パッケージ基板１１の裏面配線１５上に接続され、長軸の延長が互いに実質９０度で交わり、パッケージ基板１１の側面に対して長軸の延長が実質４５度で交わる第１及び第２の方向を向いた楕円形を有するボールパッド３２、及び、ボールパッド３２に接続された半田ボール３１を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極を有する半導体チップと、
少なくとも前記電極を封止する封止樹脂と、
前記電極に接続され、長軸の延長が互いに実質９０度で交わり、前記半導体チップの側面の延長面に対して前記長軸の延長が実質４５度で交わる第１及び第２の方向を向いた楕円形を有する導電性材料露出部と、
前記導電性材料露出部に接続された外部接続端子と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
表面及び前記表面に対向する裏面に形成され、互いに接続された配線を有するパッケージ基板と、
表面に電極を有し、前記パッケージ基板の表面に固着された半導体チップと、
前記電極と前記パッケージ基板の表面の配線を電気的に接続する接続手段と、
少なくとも前記電極及び前記接続手段を封止する封止樹脂と、
前記パッケージ基板の裏面の配線に接続され、長軸の延長が互いに実質９０度で交わり、前記パッケージ基板の側面に対して前記長軸の延長が実質４５度で交わる第１及び第２の方向を向いた楕円形を有する導電性材料露出部と、
前記導電性材料露出部に接続された外部接続端子と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記第１の方向を向いた前記導電性材料露出部、及び、第２の方向を向いた前記導電性材料露出部は、互いに鏡面対称にあることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記導電性材料露出部の中心は、碁盤の目状に配列されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記導電性材料露出部は、前記導電性材料露出部の分布の中心を対称中心として配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等のボール状端子を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化、薄型化の要求に伴い、使用部品である半導体装置の小型化、薄型化が進んでいる。小型化、薄型化は、電子機器のモバイル化とも歩調を合わせている。このような小型化、薄型化を実現するために、ＢＧＡ型半導体装置では、半田ボール間の間隔であるボールピッチが０．８０ｍｍ、０．６５ｍｍ、更に、０．５ｍｍへと小さくなり、ボール径、すなわち、半田ボールの接続面積が小さくなっている。
【０００３】
ボールピッチが小さくなると、半田ボール及びそれを実装するための実装ランド形状も小さくなる。ＢＧＡ型等のボール状端子を有する半導体装置の半田ボール配列は、実装基板の高密度パターンに１対１で対応する関係にあり、ＢＧＡ型半導体装置の高密度な半田ボール配列の達成は、実装基板の高密度パターンの達成でもある。
【０００４】
半田ボール等のボール状端子を有する半導体装置を実装する実装基板の高密度パターン配線及び接続強度確保の提案がなされている。例えば、実装基板の配線パターンにおいて、同一平面上にできるだけ多くの配線パターンを通すために、従来の円形の実装ランドに比較して、配線パターンの引き出し方向に円半径を伸ばした長軸を設け、直交する短軸を円半径より縮小した楕円形の実装ランドとする提案が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。楕円形の実装ランドは、従来の円形の実装ランドと同じ面積とされ、接続信頼性を確保している。また、実装ランド間隔に余裕がある場合は、短軸を円半径と同じにして、長軸を円半径より伸ばして接続面積の拡大を図る例が示されている。
【０００５】
しかしながら、上記提案は、同一平面上にできるだけ多くの配線パターンを通すことを目的とした実装ランドの配列であるため、これに対応させて、半導体装置の半田ボールを配列させても、半田ボールの近接限界まで接近させた配列になるとは限らないし、まして、最近接且つ接続強度の相対的な向上になる可能性は小さい。つまり、小型化要求の半導体装置の半田ボールの最近接配列及び接続強度の相対的な向上を図ることは困難であるという問題があった。
【特許文献１】特開２００１−２３０５３３号公報  （第６頁、図４、５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、配列が高密度化され、接続強度が相対的に大きい半田ボールを有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様の半導体装置は、表面に電極を有する半導体チップと、少なくとも前記電極を封止する封止樹脂と、前記電極に接続され、長軸の延長が互いに実質９０度で交わり、前記半導体チップの側面の延長面に対して前記長軸の延長が実質４５度で交わる第１及び第２の方向を向いた楕円形を有する導電性材料露出部と、前記導電性材料露出部に接続された外部接続端子とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の別態様の半導体装置は、表面及び前記表面に対向する裏面に形成され、互いに接続された配線を有するパッケージ基板と、表面に電極を有し、前記パッケージ基板の表面に固着された半導体チップと、前記電極と前記パッケージ基板の表面の配線を電気的に接続する接続手段と、少なくとも前記電極及び前記接続手段を封止する封止樹脂と、前記パッケージ基板の裏面の配線に接続され、長軸の延長が互いに実質９０度で交わり、前記パッケージ基板の側面に対して前記長軸の延長が実質４５度で交わる第１及び第２の方向を向いた楕円形を有する導電性材料露出部と、前記導電性材料露出部に接続された外部接続端子とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、配列が高密度化され、接続強度が相対的に大きい半田ボールを有する半導体装置を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。各図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１に係るＢＧＡ型の半導体装置について、図１乃至図３を参照しながら説明する。図１は半導体装置の概略を示すもので、図１（ａ）は半導体装置の一部を切り欠いて示す正面方向から見た模式図、図１（ｂ）は底面側から見た平面図ある。なお、破線で示されるべき境界線の一部は省略され、裏面配線（１５）のボールパッド（３２）及びその周辺部のみを表示している。図２は図１（ｂ）の一部を拡大した図で、半導体装置の底面の半田ボールの向きが同じ場合の配置及び形状を模式的に示す図である。図３は半導体装置の底面の半田ボールの向きが互いに異なる場合の配置及び形状を模式的に示す図である。
【００１２】
図１に示すように、半導体装置１は、パッケージ基板１１、半導体チップ２１、接続手段であるボンディングワイヤ２５、封止樹脂２７、導電性材料露出部である楕円形のボールパッド３２、及び、外部接続端子である半田ボール３１を有している。
【００１３】
詳しくは、インターポーザとも呼ばれるパッケージ基板１１の表面に、ほぼ直方体状をなし、それぞれの側面が互いに平行に位置するように配置された半導体チップ２１の裏面が、接着材２３で固着されている。半導体チップ２１の表面側の電極（図示略）とパッケージ基板１１の表面配線１３とがボンディングワイヤ２５で電気的に接続されている。なお、半導体チップ２１は、その表面側の電極パッドにバンプを形成して、フェイスダウンでパッケージ基板１１の表面に接続されても差し支えない。
【００１４】
また、パッケージ基板１１の表面、表面上部にある半導体チップ２１及びボンディングワイヤ２５等は、封止樹脂２７で封止されている。碁盤の目状に配列された異なる方向を向いた複数の楕円形のボールパッド３２が、パッケージ基板１１の裏面配線１５上に形成されたソルダレジスト１７に開口して形成され、ボールパッド３２に半田ボール３１が接続されている。なお、半田ボール３１に代えて、銀ペースト等の導電性接着材であっても差し支えない。
【００１５】
パッケージ基板１１は、平面図的には図１（ｂ）に示すように長方形をなし、エポキシ系樹脂を主成分とする材料等からなり、半導体チップ２１を塔載する表面側に、ボンディングパッド等を有する、例えば、銅あるいは銅を主成分とする合金等からなる表面配線１３が配設され、表面に対向する裏面側に、裏面配線１５が配設されている。表面配線１３と裏面配線１５とは、パッケージ基板１１に穿孔されたスルーホールに、例えば、銅メッキで形成されたスルーホール配線１４を介して接続されている。パッケージ基板１１は、多層構造であっても差し支えない。
【００１６】
また、図１（ｂ）に示すように、パッケージ基板１１の裏面配線１５は、長軸方向線３７ａ上の長軸がパッケージ基板１１裏面の長方形の辺に、それぞれ、実質４５度で交差する楕円形をなしている。裏面配線１５の一端部は、スルーホール配線１４に接続され、他端部は、ソルダレジスト１７の開口として、長軸方向が同じ楕円形のボールパッド３２が形成され、ボールパッド３２には、球形の半田が配設されて、例えば、溶融させた後は、ほぼ楕円体の一部をなす形状を有している。なお、半田は、最初の配設時に、既に楕円体であっても差し支えない。
【００１７】
パッケージ基板１１は、パッケージ基板１１の裏面の中心を通る長方形の辺に平行なＸ軸（図面の左右線）及びＹ軸（図面の上下線）で４つの領域、すなわち、右上部（第１象限）、左上部（第２象限）、左下部（第３象限）、右下部（第４象限）に分けられ、それぞれの象限内のボールパッド３２は同じ方向を向いている。第１象限乃至第４象限のボールパッド３２の長軸（例えば、長軸方向線３７ａ、３７ｂの一部）は、Ｘ軸に対して、実質４５度をなしているが、第１及び第３象限のボールパッド３２の、例えば、第１の方向を向いている長軸（長軸方向線３７ａの一部）と、第２及び第４象限のボールパッド３２の、例えば、第２の方向を向いている長軸（長軸方向線３７ｂの一部）とは、実質９０度で交わる関係にある。
【００１８】
また、Ｘ軸及びＹ軸を、通常のＸＹ座標系のように仮定すると、交点が原点、右方向及び上方向がそれぞれ正となり、第１象限にあるボールパッド３２の長軸の延長（長軸方向線３７ａ）は、Ｘ軸の正及びＹ軸の正で交わる。第２象限及び第４象限にある裏面配線１５も含めたボールパッド３２の配置は、第１象限にあるボールパッド３２の配置と鏡面対称にあり、第３象限にあるボールパッド３２の配置は、第１象限にあるボールパッド３２の配置と鏡面対称及び中心対称にある。第１象限乃至第４象限にあるボールパッド３２の分布の中心は、Ｘ軸及びＹ軸の交点に一致する。なお、ボールパッド３２の個数は、各象限ごとに全く同じでない場合もあり、その場合は、近似的な対称関係となるが、実質的には差し支えない。
【００１９】
次に、図２を用いて、ボールパッド３２の近接配置及び形状を説明する。ここでは、比較説明するために、図１の半田ボール３１を楕円半田ボール３１ａと称する。図２に示すように、ボールパッド３２に接続される楕円半田ボール３１ａは、ほぼ楕円体の一部をなし、平面図的には楕円形となる。ボールパッド３２の中心を結ぶ正方形４１は、楕円半田ボール３１ａの中心を結ぶ正方形に平面図的には一致し、この正方形４１は碁盤の目状配列の最小単位となり、正方形４１の各辺は、それぞれ、パッケージ基板１１の長方形の辺に平行である。
【００２０】
まず、高密度の配列を求めて、半導体装置が、ほぼ球形の一部をなす半田ボールからなる円半田ボール４５（点線表示）を有すると想定して検討を行った。円半田ボール４５の配列条件は、実装された時のボールパッド３２と実装基板（図示略）との間隔等から算出される所定の半径を維持し、碁盤の目状に配列し、近接限界を越えない範囲で最接近させること、すなわち、近接限界円４３（破線表示）より接近しないこと等である。なお、近接限界は、実装基板への実装が安定して行い得る半田ボール間の距離（ボールピッチ）で、半田の種類、半田の量、実装装置の精度も含めた実装条件等により規定される量である。
【００２１】
次に、接続強度が大きい半田ボールの配列を求めて、パッケージ基板１１と実装基板との間隔、すなわち、半田ボールの実質的な高さは変えずに、近接限界円４３で分離される条件の下で、半田接続強度を最大にするための検討を行い、楕円半田ボール３１ａを形成することを見出した。楕円体の一部である楕円半田ボール３１ａは、図２に示すように、最近接の４つの碁盤の目（正方形４１）の中央に空いている使用可能な領域を有効に利用するのに適している。また、楕円半田ボール３１ａは、実装基板に実装する時に予期せぬ方向へのはみ出し等が少ないと考えられる。
【００２２】
すなわち、楕円半田ボール３１ａの長軸（あるいは短軸）は正方形４１の中央に空いている領域の方向（正方形４１の辺に４５度の方向）とした。更に、楕円の短軸と長軸との比を約０．５として、楕円半田ボール３１ａの半田接続部（ボールパッド３２）面積を円半田ボール４５に比較して約８％増加させた。短軸と長軸との比を約０．５とした理由は、約０．５からはずれてより細長い楕円とした場合、楕円は実装安定性を低下させる可能性があるため、一方、約０．５からはずれてより円に近い楕円とした場合、半田接続部面積の増加が抑制されるためである。
【００２３】
次に、図３に示すように、長軸の方向が異なる楕円が近接配置される場合について検討した。ここで、方向が異なるとは、長軸の方向が互いに９０度で交わる（第１及び第２の方向）場合に相当し、楕円半田ボール３１ａと３１ｂの位置関係に代表される。また、楕円半田ボール３１ａと３１ｃの位置関係も同様となる。近接限界距離４４は、正方形４１の辺上に置かれた近接限界円４３では表わせず、この辺の上部に存在する。楕円半田ボール３１ａと３１ｂの距離増加５１は、同一象限内の楕円半田ボール３１ａの距離（図２参照。正方形４１の１辺の長さ）に比較して約８％となる。
【００２４】
従って、図１には示されていないが、第１乃至第４象限の象限間の境界で近接する半田ボール３１は、互いに約８％だけ余分に離して配置されている。なお、この距離の増加を抑制するために、例えば、境界で近接する半田ボールは楕円ではなく円形とすることは差し支えない。
【００２５】
以上のような本発明の実施例１のＢＧＡ型の半導体装置１は、半田ボール３１のボールパッド３２を、長軸の延長がパッケージ基板１１の裏面をなす長方形の辺に、それぞれ、実質４５度で交差する楕円形にして、第１及び第３象限のボールパッド３２の長軸と、第２及び第４象限のボールパッド３２の長軸とは実質９０度で交わる関係に置かれている。この結果、半田ボール３１は、円半田ボール４５配列密度のままで、半田接続部面積、すなわちボールパッド３２の面積を約８％増加させることができ、半導体装置１の実装強度を増加させることが可能となる。半導体装置１のボールパッド３２に対応した、同形のボールパッドを実装基板に形成して、半導体装置１を実装基板に接続した実装強度は、従来の円形のボールパッドを有する半導体装置１を実装基板に接続した実装強度に比較して、大きくなることが確認できた。
【００２６】
また、ボールパッド３２を、長軸の延長がパッケージ基板１１裏面の長方形の辺に、それぞれ、約４５度で交差する楕円形にしているので、長方形の辺に約４５度の方向に、半田接続部面積の増加が図られている。そのために、パッケージ基板１１裏面内の方向による半田接続強度の分布において、長方形の辺に約４５度の方向の半田接続強度が改善される。長方形の辺に平行な２方向は、ボールパッド３２の碁盤の目の配列方向に一致して分布密度が高く、半田接続強度が高い方向であるが、本発明の実施例１のＢＧＡ型の半導体装置１では、それに加えて、半田接続面積を増加させたことにより、長方形の辺に約４５度の方向の半田接続強度も強化される。この結果、特に、落下等が懸念されるモバイル化された電子機器等において、半導体装置１の接続不良が起こる可能性を抑制することができる。
【実施例２】
【００２７】
本発明の実施例２に係るＢＧＡ型の半導体装置について、図４を参照しながら説明する。図４は半導体装置の底面側から見た模式的な平面図ある。なお、破線で示されるべき境界線の一部は省略され、裏面配線１５のボールパッド３２及びその周辺部のみを表示している。本実施例は、ボールパッド３２の方向、及び、それに伴う半田ボール３１方向が、上記実施例１と異なる。以下では、上記実施例１と同一構成部分には同一の符号を付し、その説明は省略し、異なる構成部分について説明する。
【００２８】
図４に示すように、パッケージ基板６１の底面において、実施例１と同様にＸ軸及びＹ軸で４つの象限に分けると、第１象限の個々の裏面配線１５、内部配線１４、ボールパッド３２、及び半田ボール３１の構成は、図１（ｂ）の第２象限のそれらの構成と同様である。同様に図４と図１（ｂ）とを対比させると、象限間の境界付近を除いて、図４の第２象限の構成は図１（ｂ）の第１象限の構成に、図４の第３象限の構成は図１（ｂ）の第４象限の構成に、図４の第４象限の構成は図１（ｂ）の第３象限の構成に対応する。
【００２９】
パッケージ基板６１のＸ軸及びＹ軸を、通常のＸＹ座標系のように仮定すると、交点が原点、右方向及び上方向がそれぞれ正となり、第１象限にあるボールパッド３２の長軸の延長（長軸延長線３７）は、Ｘ軸の正及びＹ軸の負、または、Ｘ軸の負及びＹ軸の正、または、原点で交わっている。そして、第１象限に対する第２象限乃至第４象限のボールパッド３２の配置の関係は、実施例１と同様である。
【００３０】
以上のような本発明の実施例２のＢＧＡ型の半導体装置（図示略）は、半田ボール３１のボールパッド３２を、長軸の延長がパッケージ基板６１裏面の長方形の辺に、それぞれ、約４５度で交差する楕円形にして、第１及び第３象限のボールパッド３２の長軸と、第２及び第４象限のボールパッド３２の長軸とは９０度で交わる関係に置かれている。この結果、本実施例のＢＧＡ型の半導体装置は、実施例１の半導体装置１と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
また、ボールパッド３２の長軸の方向は、実施例１のパッケージ基板１１に比較して、パッケージ基板６１裏面の中心方向に集中する傾向にある。その結果、加熱及び冷却を繰り返すことによる熱応力に対して、ボールパッド３２に接続した半田はより耐性が高くなる。つまり、実装された半導体装置において、加熱及び冷却を繰り返すことにより発生する熱応力は、パッケージ基板に接続した半田にクラックあるいは剥離等の接続不良を起こすことが知られており、熱応力による変形中心は、パッケージ基板裏面内、特にその中心乃至中心付近に存在することが多く、ボールパッド３２の長軸の方向を変形中心の方向またはそれに平行な方向に向けて、この方向の半田接続面積を増加させたことは、熱応力の影響を抑制することになる。
【００３２】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施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内で種々変形して実施することができる。
【００３３】
例えば、実施例では、パッケージ基板の上に半導体チップを塔載するＢＧＡ型の半導体装置の半田ボールの形状を楕円形とする例を示したが、ウェーハレベルＣＳＰにおいて、表面に電極が配設された半導体チップのその電極の上層に形成されるボールパッドを、長軸が互いに実質９０度で交わり、半導体チップの側面の延長面に対して長軸が実質４５度で交わる第１及び第２の方向を向いた楕円形として、このボールパッドに接続する半田ボールの形状をほぼ楕円体の一部とすることは可能である。
【００３４】
また、実施例では、楕円形の半田ボールが最近接して配置される例を示したが、碁盤の目状配置の縦または横方向の間隔に余裕がある場合は、半田ボールの短軸と長軸との比を約０．５に限定する必要は必ずしもないし、長軸とパッケージ基板１１裏面の長方形の辺との角度を４５度に限定する必要は必ずしもない。
【００３５】
また、実施例では、楕円形の半田ボールを半導体装置の全面、または、４分割した象限間の境界付近を除く領域に配置する例を示したが、パッケージ基板の周辺部または四隅部に楕円形の半田ボールを配置し、他の領域には円形の半田ボールを配置することは差し支えない。
【００３６】
また、実施例では、ボールパッドは裏面配線及び内部配線を介して表面配線に接続されている例を示したが、ボールパッドは、半導体装置を実装基板に接続したときの接続強度あるいは接続バランス等を確保するためのダミーの半田ボール接続用であって、表面配線等に接続されていなくても差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例１に係る半導体装置の概略を示すもので、図１（ａ）は半導体装置の一部を切り欠いて示す正面方向から見た模式図、図１（ｂ）は底面側から見た平面図。
【図２】本発明の実施例１に係る図１（ｂ）の一部を拡大した図で、半導体装置の底面の半田ボールの向きが同じ場合の配置及び形状を模式的に示す図。
【図３】本発明の実施例１に係る半導体装置の底面の半田ボールの向きが互いに異なる場合の配置及び形状を模式的に示す図。
【図４】本発明の実施例２に係る半導体装置の底面側から見た模式的な平面図。
【符号の説明】
【００３８】
１  半導体装置
１１、６１  パッケージ基板
１３  表面配線
１４  内部配線
１５  裏面配線
１７  ソルダレジスト
２１  半導体チップ
２３  接着材
２５  ボンディングワイヤ
２７  封止樹脂
３１  半田ボール
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ  楕円半田ボール
３２  ボールパッド
３７、３７ａ、３７ｂ  長軸方向線
４１  正方形
４３  近接限界円
４４  近接限界
４５  円半田ボール
４７  長軸
４８  短軸
５１  距離増加
【図１】
2007189084.tif 000003
【図２】
2007189084.tif 000004
【図３】
2007189084.tif 000005
【図４】
2007189084.tif 000006