(57)【要約】【課題】樹脂の注入塗布工程を別個に設けることなく、機械的応力や熱的応力に対して信頼性を向上させることができる半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置パッケージ１に整列配置した複数のはんだボール３を介して、半導体装置パッケージ１が基板２に実装された半導体装置であって、はんだボール３のうち角部に配置されたはんだボール３と、半導体装置パッケージ１の角部との間に、半導体装置パッケージ１と基板２とを接合する樹脂材４が付着しており、樹脂材４は、リフロープロセスにおいて半導体装置パッケージ１と基板２との間で軟化流動した後、固形化したものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置パッケージに整列配置した複数のはんだボールを介して、前記半導体装置パッケージが基板に実装された半導体装置であって、
前記はんだボールのうち角部に配置されたはんだボールと、前記半導体装置パッケージの角部との間に、前記半導体装置パッケージと前記基板とを接合する樹脂材が予め付着しており、
前記樹脂材は、リフロープロセスにおいて前記半導体装置パッケージと前記基板との間で軟化流動した後、固形化したものであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記樹脂材は、熱可塑性樹脂であり、軟化温度が前記リフロープロセスのリフローの最高温度以下であり、発火温度が前記最高温度より高い請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記樹脂材は、熱硬化性樹脂であり、硬化温度が前記リフロープロセスのリフローの最高温度以下である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記樹脂材は、前記角部に配置されたはんだボールに付着している請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記樹脂材は、前記リフロープロセスの前において、前記整列配置されたはんだボールのうち、対角位置にあるはんだボールの中心を結ぶ対角線と、前記対角位置にあるはんだボールの中心と前記樹脂材の中心とを結ぶ線とのなす角度θが、時計回転方向を正とすると、−４５度≦θ≦４５度の範囲内で、かつ、前記樹脂材が前記対角位置にあるはんだボールよりも外側になるように、前記半導体装置パッケージに配置されたものである請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記角度θは、−１５度≦θ≦１５度の範囲内である請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体装置パッケージに整列配置した複数のはんだボールを介して、前記半導体装置パッケージを基板に実装する半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置パッケージを前記基板にマウントする前に、前記はんだボールのうち角部に配置されたはんだボールと、前記半導体装置パッケージの角部との間に、予め樹脂材を付着しておき、
前記半導体装置パッケージを前記基板にマウントした状態で、リフロープロセスにおいて前記樹脂材を軟化流動させた後、固形化し、前記樹脂材を介して、前記半導体装置パッケージと前記基板とを接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【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、特に接続用はんだの補強手段を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１から図１３に従来の半導体装置のはんだ接合部補強構造の一例を示している。図１１は、従来の半導体装置の一例の断面図である。本図に示した半導体装置は、ＢＧＡタイプの半導体装置であり、はんだ３のボール列を介して、半導体装置パッケージ１と基板２とが接続されている。
【０００３】
図１２は、従来の半導体装置の別の例の断面図であり、図１３は、図１２に示した半導体装置の平面図である。図１２、１３に示した半導体装置は、ＱＦＰタイプの半導体装置であり、半導体装置パッケージ１から引き出されたリード５の端部で、基板２上の銅ランド（図示せず）とはんだ３とが接合している。
【０００４】
従来、機械的外力や熱応力がはんだ３に加わった場合に、はんだ３と基板２との間での剥離発生を防止するために、補強用樹脂が用いられていた。図１１の例では、リフローによりはんだ３と基板２とを接合させた後に、補強用の樹脂材４を半導体装置パッケージ１と基板２との間に注入している。
【０００５】
図１２の例では、リフローによりはんだ３と基板２とを接合させた後に、はんだ３の接合部周辺に補強用の樹脂材４を塗布している。
【０００６】
また、例えば特許文献１−３には、樹脂補強した実装構造が開示されている。また、樹脂の注入塗布方法として一般的な方法は、マイクロディスペンサによる供給方法であり、例えば、特許文献４に開示されている。
【特許文献１】特開平９−１９９５４１号公報
【特許文献２】特開平１０−１１６８５６号公報
【特許文献３】特開平１１−１６３０４９号公報
【特許文献４】特開平１０―２４２１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の補強プロセスでは、リフロー後に樹脂注入塗布プロセスを必要とし、ディスペンサ等の設備が必要であった。また、補強用の樹脂材４としては、一般的に熱硬化性のエポキシ系樹脂が用いられている。この場合、樹脂材４は加温し液状にして注入又は塗布後、さらに高温で数分から数１０分加熱保持することにより硬化させるようにしている。このため、樹脂工程は生産性が阻害される要因になっていた。
【０００８】
本発明の半導体装置は、前記のような従来の問題を解決するものであり、樹脂の注入塗布工程を別個に設けることなく、機械的応力や熱的応力に対して信頼性を向上させることができる半導体装置及びその製造方法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】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体装置パッケージに整列配置した複数のはんだボールを介して、前記半導体装置パッケージが基板に実装された半導体装置であって、前記はんだボールのうち角部に配置されたはんだボールと、前記半導体装置パッケージの角部との間に、前記半導体装置パッケージと前記基板とを接合する樹脂材が予め付着しており、前記樹脂材は、リフロープロセスにおいて前記半導体装置パッケージと前記基板との間で軟化流動した後、固形化したものであることを特徴とする。
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体装置パッケージに整列配置した複数のはんだボールを介して、前記半導体装置パッケージを基板に実装する半導体装置の製造方法であって、前記半導体装置パッケージを前記基板にマウントする前に、前記はんだボールのうち角部に配置されたはんだボールと、前記半導体装置パッケージの角部との間に、予め樹脂材を付着しておき、前記半導体装置パッケージを前記基板にマウントした状態で、リフロープロセスにおいて前記樹脂材を軟化流動させた後、固形化し、前記樹脂材を介して、前記半導体装置パッケージと前記基板とを接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、樹脂の注入塗布工程を別個に設けることなく、機械的応力や熱的応力に対して信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明によれば、リフロープロセスで、はんだと同時に樹脂材も溶融させ、半導体と基板を固着させることが可能となる。このため、樹脂材注入塗布工程を省くことができ、工数削減効果が得られる。
【００１３】
あわせて、最も歪みが発生しやすく剥離しやすい半導体装置パッケージの角部のはんだの応力低下効果が得られる。すなわち、機械的外力又は熱膨張収縮による熱応力で最も大きな歪みを受け、最初に剥離する角部のはんだの応力が低下するので、半導体装置全体としての信頼性を向上させることができる。したがって、半導体装置パッケージの下部全体に樹脂材を注入する必要がなく、樹脂材の使用量の低減が図れ、コスト削減にもなる。
【００１４】
本発明の半導体装置においては、前記樹脂材は、熱可塑性樹脂であり、軟化温度が前記リフロープロセスのリフローの最高温度以下であり、発火温度が前記最高温度より高いことが好ましい。この構成によれば、リフロープロセスにおいて、樹脂材の発火を防ぎつつ、樹脂材を軟化流動させることができる。
【００１５】
また、前記樹脂材は、熱硬化性樹脂であり、硬化温度が前記リフロープロセスのリフローの最高温度以下であることが好ましい。この構成によれば、リフロープロセスにおいて、樹脂材を確実に硬化させることができる。
【００１６】
また、前記樹脂材は、前記角部に配置されたはんだボールに付着していることが好ましい。この構成によれば、角部のはんだの応力低下効果をより高めることができる。
【００１７】
また、前記樹脂材は、前記リフロープロセスの前において、前記整列配置されたはんだボールのうち、対角位置にあるはんだボールの中心を結ぶ対角線と、前記対角位置にあるはんだボールの中心と前記樹脂材の中心とを結ぶ線とのなす角度θが、時計回転方向を正とすると、−４５度≦θ≦４５度の範囲内で、かつ、前記樹脂材が前記対角位置にあるはんだボールよりも外側になるように、前記半導体装置パッケージに配置されたものであることが好ましい。この構成においても、角部のはんだの応力低下効果をより高めることができる。
【００１８】
また、前記角度θは、−１５度≦θ≦１５度の範囲内であることが好ましい。この構成によれば、角部のはんだの応力低下効果をさらに高めることができる。
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造工程における側面図である。図２は、図１において、半導体装置パッケージ（以下、単に「パッケージ」という。）１を下面から見た図を示している。図１は、パッケージ１を基板２にマウントする前の状態を示している。本図の例は、パッケージ１の下面にはんだ３のボール列を有するＢＧＡタイプの例である。
【００２０】
図１、２に示したように、パッケージ１の下面には、はんだ３のボール列が整列配置されており、このうち符号３ａは、角部はんだを示している。はんだ３のボール列に加えて、パッケージ１の角部の下面に、熱可塑性樹脂材のボール状の樹脂材４が付着されている。
【００２１】
図１では、樹脂材４はボール状の例で示しているが、樹脂材４は後に説明するように軟化流動すればよく、ボール状の形状に限るものではなく、例えば円筒状の形状でもよい。また、樹脂材４の高さは、はんだ３のボールの高さ以下としている。これは、図３に示したように、パッケージ１を基板２上にマウントした際に、はんだ３が確実に基板２上の銅ランド（図示せず）に接触させるためである。
【００２２】
図３は、パッケージ１をマウントした後、リフロー前の状態を示す側面図である。図４は、リフロー後の側面図である。リフロープロセスにおいて、はんだ３が溶融し基板２上の銅ランド（図示せず）で接合される。この間、樹脂ボール４は、軟化温度以上にまで加熱され軟化流動する。軟化流動した樹脂４は、重力により基板２上に広がると共に、図４に示したように、角部はんだ３ａと接触する。
【００２３】
この後、冷却され、樹脂材４は硬化する。このことにより、はんだ３及び銅ランドを介したパッケージ１と基板２との固着が強化されることになる。その結果、はんだ３と銅ランドとの間、銅ランドと基板２との間の歪みが抑制され、機械的応力や熱的応力に対して信頼性が向上することになる。あわせて、樹脂の注入塗布工程を別個に設ける必要がなくなることになる。
【００２４】
本実施の形態では、樹脂材４による固着は角部はんだ３ａの近傍のみとしている。これは、機械的応力、熱的応力に対して最も大きな歪みが発生し、最も剥離しやすい部位が角部のはんだであることは、実験及び有限要素法による解析において知られているためである。
【００２５】
また、樹脂材４による固着は角部はんだ３ａの近傍であることに加えて、図４に示したように、樹脂材４は、角部はんだ３ａと接触していることが好ましい。これは、詳細は後に説明するように、角部はんだ３ａの外側に樹脂材４があり、かつ樹脂材４が角部はんだ３ａに付着しているときに、樹脂材４による角部はんだ３ａの応力低下効果が最も大きいからである。
【００２６】
また、本実施の形態のように、樹脂材４の材料を熱可塑性樹脂とした場合、リフロー後においても、軟化温度以上に加熱すれば樹脂材４は何度も溶融させることができる。このため、樹脂材４の材料を熱可塑性樹脂とした場合は、リペア作業には有利になる。
【００２７】
また、樹脂材４を熱可塑性樹脂とした場合、リフロープロセスにおいて、軟化流動させるので、樹脂材４は、軟化温度をリフローの最高温度以下とし、発火温度をリフロー温度より高くすればよい。樹脂材４は、リフロー中に硬化させてもよい場合は、熱硬化性樹脂でもよい。この場合は、硬化温度をリフロー最高温度以下とすればよい。
【００２８】
また、基板表面を粗化させることで、樹脂と基板との接着性を高め、樹脂が基板から剥れにくくなる。
【００２９】
なお、図１−４は、はんだ３同士の間隔、及び角部はんだ３ａと樹脂材４との間隔は、図示を分り易くするため概略的な図示としている。
【００３０】
本実施の形態の効果を検証するために、解析を行った。図５は、シミュレーションモデルの全体斜視図である。一辺１４ｍｍの正方形のパッケージ１が、一辺４０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの正方形の基板２に、はんだ３のボール列で実装されている状態を示している。また、基板２の一端を固定し、基板２の他端の角部に１Ｎの力Ｆを加え、基板２にねじりを加えている。
【００３１】
図６は、比較例に係るシミュレーションモデルの斜視図である。はんだ３のボール列の配置を示すためにパッケージ１の図示は省略している。各ボールは、高さ０．３ｍｍ、直径１ｍｍとした。
【００３２】
図７は、実施例に係るシミュレーションモデルの斜視図である。図６と同様に、パッケージ１の図示は省略している。角部はんだ３ａとパッケージ１の角部との間に樹脂材４を設けた点が、図６に示した比較例と異なっている。これ以外の構成、及びねじりの印加方法については、図５、６と同様である。
【００３３】
図８は、樹脂材４の中心と角部はんだ３ａの中心との間の間隔（距離）Ｒと、角部はんだ３ａに発生する応力との関係を示している。樹脂材４、角部はんだ３ａはいずれも、直径１ｍｍである。図８中、Ａで示した範囲（Ｒ＜−１ｍｍ）は、樹脂材４が角部はんだ３ａより内側にある範囲、Ｂで示した範囲（−１ｍｍ≦Ｒ≦１ｍｍ）は、樹脂材４が角部はんだ３ａに付着している範囲、Ｃで示した範囲（１ｍｍ＜Ｒ）は、樹脂材４全体が角部はんだ３ａより外側にある範囲である。また、範囲Ｂのうち、０ｍｍ＜Ｒ≦１ｍｍの範囲は、樹脂材４が角部はんだ３ａに付着し、かつ角部はんだ３ａの外側に樹脂材４がある範囲である。
【００３４】
線１０は比較例の解析結果、線１１は実施例の解析結果を示している。線１０に示したように、樹脂材４の無い比較例では、１５８ＭＰａの応力が角部はんだ３ａに加わっている。
【００３５】
これに対して、角部はんだ３ａの応力は、線１１に示したように、間隔Ｒによって変化している。間隔Ｒの設定次第では、角部はんだ３ａの応力は、比較例に比べ、大幅に小さくすることができる。
【００３６】
より具体的には、間隔Ｒが０ｍｍ＜Ｒの範囲、すなわち、樹脂材４の少なくとも一部が角部はんだ３ａより外側にある範囲において、応力低下の効果が大きいことが分かる。このうち、樹脂材４が角部はんだ３ａに付着し、かつ角部はんだ３ａの外側に樹脂材４がある範囲である０ｍｍ＜Ｒ≦１ｍｍの範囲においては、比較例に比べ十分小さな応力であることが分かる。これに対して、角部はんだ３ａの内側に樹脂材４がある範囲Ａでは、樹脂材４による角部はんだ３ａの応力低下効果は小さいことが分る。
【００３７】
以上、まとめてみると、樹脂材４による角部はんだ３ａの応力低下効果は、角部はんだ３ａの外側に樹脂材４の一部又は全体があるときに効果が大きく、このうち樹脂材４が角部はんだ３ａに付着しているときが、最も効果が大きいといえる。
【００３８】
図９は、はんだ径と樹脂材径の比ｒと、角部はんだ３ａに発生する応力との関係を示している。図９は、角部はんだ３ａと樹脂材４の距離を一定とし、樹脂材４の面積を変化させたときの解析結果である。
【００３９】
図９から分かるように、ｒが大きくなるほど、すなわち、樹脂材４の径（樹脂量）が大きくなるほど、角部はんだ３ａの応力が小さくなる結果となった。一方、樹脂材４の量を多くし過ぎても、樹脂材４の量に比例する効果はなく、コストを考慮すれば、はんだ体積の２倍程度（ｒ＝１．４程度）の樹脂材で十分な補強が可能であることが分かる。
【００４０】
図１０は、はんだ形成領域の対角線と樹脂材との角度θと、応力との関係を示している。角度θは、はんだ形成領域の対角位置にある角部はんだ３ａの中心を結ぶ対角線と、角部はんだ３ａの中心と樹脂材４の中心とを結ぶ線とのなす角度であり、時計回転方向を正としている。
【００４１】
図１０に示すように、対角線上に樹脂材４を配置（角度θ＝０度）するのが、ねじりに対する応力を小さくする効果が最も大きいことが分かる。対角線上から外れる（角度θの絶対値が大きくなる）につれ、はんだ応力が大きくなり、補強効果が低下することが分かる。
【００４２】
特に、角度θの絶対値が約４５度以上になると、補強効果が急激に低下する。これは、角度の変化により、ねじれ軸からの距離が三角関数的に変化することに起因するものと思われる。このため、補強効果を高めるには、角度θが−４５度≦θ≦４５度の範囲内に、樹脂材を配置するのが好ましいことがわかる。
【００４３】
また、図１０から分るように、角度θの絶対値が１５度以内のときは、角部はんだ３ａに発生する応力は、８０ＭＰａ以下になり、これは比較例の応力（１５８ＭＰａ）の約半分以下である。このため、補強効果をより確実にするには、角度θが−１５度≦θ≦１５度の範囲内に、樹脂材を配置するのが好ましいといえる。
【００４４】
以上、本発明について説明したが、パッケージの４隅で基板上の銅電極とパッケージの電極を大きめのはんだで固定して補強するという従来の補強はんだの概念では、電極間は補強されるが、銅電極が基板材料から剥離する現象が発生していた。本発明は、樹脂材４を介して、基板２とパッケージ１とを固着させるので、基板２側の銅電極ランドの基板２からの剥離を防止できるという効果も得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明によれば、樹脂の注入塗布工程を別個に設けることなく、機械的応力や熱的応力に対して信頼性を向上させることができるので、本発明は接続用はんだの補強手段を備えた半導体装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造工程において、パッケージ１を基板２にマウントする前の状態を示す側面図。
【図２】図１において、パッケージ１を下面から見た図。
【図３】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造工程において、パッケージ１をマウントした後、リフロー前の状態を示す側面図。
【図４】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造工程において、リフロー後の側面図。
【図５】本発明の効果を検証するためのシミュレーションモデルの全体図。
【図６】比較例に係るシミュレーションモデルの斜視図。
【図７】本発明の実施例に係るシミュレーションモデルの斜視図。
【図８】シミュレーション結果における樹脂材４の中心と角部はんだ３ａの中心との間の間隔（距離）Ｒと、角部はんだ３ａに発生する応力との関係を示す図。
【図９】シミュレーション結果におけるはんだ径と樹脂材径の比ｒと、角部はんだ３ａに発生する応力との関係を示す図。
【図１０】シミュレーション結果におけるはんだ形成領域の対角線と樹脂材とのなす角度θと、応力との関係を示す図。
【図１１】図１１は、従来の半導体装置の一例の断面図。
【図１２】図１２は、従来の半導体装置の別の一例の断面図。
【図１３】図１３は、図１２に示した半導体装置の平面図。
【符号の説明】
【００４７】
１  半導体装置パッケージ
２  基板
３  はんだ
３ａ  角部はんだ
４  樹脂材
【図１】
2007157775.tif 000003
【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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【図１２】
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【図１３】
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