(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一主面に複数の電極が形成された半導体装置と、
一主面に配線パターンが形成されたプリント基板に対して、電気的に接続するための複数のはんだバンプと、を備えた半導体装置の実装構造体において、
前記複数のはんだバンプは前記半導体装置の外縁部に最も近い側及びその内周側に形成され、前記外縁部に最も近い最外周のはんだバンプの前記半導体装置との界面にボイドが存在し、前記ボイドは、その直径が前記界面の直径の１／１０以下であり、且つボイド寸法の２倍のばらつき以内のボイドからなることを特徴とする半導体装置の実装構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の実装構造体において、
前記半導体装置の一辺の長さが３０ｍｍ以上であることを特徴とする半導体装置の実装構造体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置の実装構造体において、
前記半導体装置の電極の数が４４１以上であることを特徴とする半導体装置の実装構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本装置は、はんだバンプを外部端子とした半導体装置の実装構造に係り、特にはんだバンプの接続信頼性に優れた半導体装置の実装構造およびその検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化が進む中で、外部端子の数（ピン数）を増やした半導体装置の開発が進められている。これには２通りの方法があり、一つは外部端子にリードを用いた従来構造のクアッドフラットパッケージ（以下ＱＦＰと記す）の端子ピッチを細かくし、ピン数を増やす方法である。この方法では端子ピッチが０．３ｍｍのＱＦＰまで開発されているが、端子の配置が１次元であるため、実装できる半導体装置の寸法の関係から４００ピンが限度であるといわれている。もう一つの方法は半導体装置の裏面にはんだバンプを２次元状に配置し、これを外部端子とする方法であり、この構造の半導体装置は一般にボールグリッドアレイ（以下ＢＧＡと記す）と呼ばれている。ＢＧＡの詳細な構造については、たとえば米国特許５，２１６，２７８号公報あるいは日経エレクトロニクスＮｏ．６０１、５９ページに記載されている。
さらに最近では半導体装置を素子の寸法程度まで小さくしたＢＧＡ型半導体装置が開発されている。これはチップサイズパッケージ（以下ＣＳＰ）と呼ばれている。ＣＳＰの構造の詳細については日経エレクトロニクスＮｏ．６６８、１３９ページに記載されている。また、特表平６-５０４４０８号公報において、半導体素子の回路形成面に柔軟材（エラストマ樹脂）を介して外部端子付きのテープを設け、外部端子と半導体素子の電極を電気的に接続した構造のＣＳＰが記載されている。特開平６-２２４２５９号公報では、スルーホールを設けたセラミック基板に半導体素子を搭載し、セラミック基板の反対面に電極を設け、プリント基板に実装する構造が記載されている。特開平６-３０２６０４号公報では、半導体素子の回路形成面に金属配線パターンを形成し、これに外部端子を設けた構造のＣＳＰが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
はんだバンプを外部端子とした構造のＢＧＡ型半導体装置で最も問題となるのは、はんだバンプの接続信頼性である。半導体装置の線膨張係数と実装基板の線膨張係数が異なると、温度変化に対しはんだ接合部にひずみが生じ、これが繰り返されると熱疲労破壊することがある。従来のリードを外部端子としたＱＦＰなどの半導体装置では、リードがこの熱変形を吸収することによりはんだに生じるひずみを低減し、熱疲労破壊を防止することができたが、ＢＧＡ型半導体装置でははんだバンプに直接熱変形が加わる。
【０００４】
そこで米国特許５，２１６，２７８号公報で開示されているようなプリント基板を用いたＢＧＡ型半導体装置では、半導体装置のプリント基板と実装するプリント基板の線膨張係数を合わせ、熱変形を防止する方法がとられる。しかしたとえ両方のプリント基板に同じ材料を用いたとしても、材料の線膨張係数のばらつきなどにより、一般には両者の線膨張係数は２×１０~6／℃ほどの差が生じる。上記従来技術のうち、はんだの疲労破壊に対してもっとも考慮され、信頼性が高いと考えられるのは、特表平６-５０４４０８号公報に記載の半導体装置である。この半導体装置では、半導体素子にエラストマ樹脂を介して外部端子付きのテープを設け、外部端子と半導体素子の電極を電気的に接続し、はんだバンプを外部端子に接合したので、半導体素子と実装基板の線膨張係数の差に起因する熱変形をエラストマで吸収でき、はんだバンプの熱疲労破壊を防止することができる。しかしこの半導体装置は半導体装置寸法が半導体素子の寸法に一致しているので、ピン数に限界がある。
さらに、はんだ接合部には接合時の濡れ不良やガスの巻き込みによるボイドが存在する。このようなボイドははんだ接合部の疲労寿命を低下させる要因になっていることが発明者らの研究で明らかになっており、その内容が材料学会発行のCurrent Japanese Material Research, No.2 (1987), pp.235 に示されている。この問題に対しては、接合断面積に対するボイドの総面積の割合（通常、ボイド率と呼ばれる）を低減することがプロセス設計の目標とされている。すなわち、ボイドのト−タル面積を低減する努力がなされている。
【０００５】
以上述べたように、従来構造のＢＧＡ型半導体装置は、どのような構造であってもはんだバンプの接続信頼性に問題が残っている。特に、はんだバンプ接合部に存在するボイドの影響による熱疲労寿命の低下に対する配慮がなされていなかった。本発明は、このような従来のＢＧＡ型半導体装置の欠点を克服し、はんだバンプの接続信頼性の高いのＢＧＡ型半導体装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ＢＧＡ型半導体装置のはんだバンプ接合部に存在するボイドの寸法を規定することにより達成される。
本発明の半導体装置は、一主面に複数の電極が形成された半導体装置と、一主面に配線パターンが形成されたプリント基板と、前記複数の電極と前記配線パターンとの間に介在して前記半導体装置と前記プリント基板とを電気的に接続する複数のはんだバンプとを備えた半導体装置の実装構造において、次の構成を備えたことを特徴とする。
【０００７】
（１）：前記複数のはんだバンプのうち前記半導体装置の外縁部に最も近い全てのはんだバンプの前記半導体装置との界面には大きさがほぼ均一の細かいボイドのみが存在すること。
はんだバンプに発生するせん断ひずみは、半導体装置の中心から遠ざかる程大きくなるため、半導体装置の外縁部に最も近いはんだバンプが最も厳しい条件となる。従って、この最も厳しい条件下にあるはんだバンプの界面に存在するボイドが大きさがほぼ均一の細かいボイド（均一ボイド）のみであれば、ひずみ集中が起こらずはんだバンプ接合部の信頼性を高めることができる。
なお、大きさがほぼ均一の細かいボイド（均一ボイド）とは寸法が一定であることを示すのではなく、ボイド寸法のばらつきを許容するものである。通常の大気中で行うはんだ接合では、およそ２倍のボイド寸法のばらつきを許容する。
【０００８】
（２）：前記複数のはんだバンプのうち前記半導体装置の外縁部に最も近い全てのはんだバンプの前記半導体装置との界面に存在するボイドの直径が、前記界面の直径の１／１０以下であること。
最も厳しい条件下にあるはんだバンプの界面に存在するボイドの直径が、前記界面の直径の１／１０以下であれば、ボイドでのひずみ集中が起こらずはんだバンプ接合部の信頼性を高めることができる。
なお、界面およびボイドはほぼ円形であるが、厳密には相当直径〔界面の相当直径＝√（４×界面の断面積／π），ボイドの相当直径＝√（４×ボイドの断面積／π）〕を界面の直径およびボイドの直径とすれば本発明を適用できる。
【０００９】
（３）：（１）または（２）に記載の半導体装置の実装構造において、前記半導体装置の一辺の長さが３０ｍｍ以上であること。
一辺が３０ｍｍ以上の半導体装置では、通常の信頼性水準の疲労強度に対して余裕がなく、（１）または（２）に記載の半導体装置の実装構造を必然的に適用する必要がある。
【００１０】
（４）：（１）乃至（３）のいづれか１項に記載の半導体装置の実装構造において、前記半導体装置の電極の数が４４１以上であること。
電極の数が４４１以上ある半導体装置では、通常の信頼性水準の疲労強度に対して余裕がなく、（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の半導体装置の実装構造を必然的に適用する必要がある。
【００１１】
また本発明の半導体装置のはんだバンプ接続信頼性の検査方法は、一主面に複数の電極が形成された半導体装置と、一主面に配線パターンが形成されたプリント基板と前記複数の電極と前記配線パターンとの間に介在して前記半導体装置と前記プリント基板とを電気的に接続する複数のはんだバンプとを備えた半導体装置の実装構造のはんだバンプ接続信頼性の検査方法において、次の構成を備えたことを特徴とする。
（５）：前記複数のはんだバンプの前記半導体装置との界面に存在するボイドの直径の最大値が、あらかじめ設定された値を超えた場合に不合格とすること。
（６）：（５）において、前記あらかじめ設定された値が、前記界面の直径の１／１０以下であること。
はんだに発生するひずみはボイドの面積の割合よりも集中ボイドの寸法で決まるので、はんだバンプと半導体装置との界面における最大のボイドを調べればよい。具体的には、抜き取り検査で破壊試験を行うか、あるいはＸ線透視検査を行って、ボイドの最大値があらかじめ設定した値を超えた場合に不合格とする検査を行えばよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に示した実施例により詳細に説明する。
まず、はんだバンプ接続部のボイド発生メカニズムについて発明者らが行った解析と実験を基に述べる。
図３に従来のはんだバンプ１のＢＧＡ型半導体装置（図示せず）との界面７の様子を示す。この図ははんだバンプに力を加えた後、ＢＧＡ型半導体装置を引き剥がした面を示している。界面７には必ずボイドが存在するが、これらは均一の大多数のボイド８（以下均一ボイドと呼ぶ）と寸法が大きく単一のボイド（以下集中ボイドと呼ぶ）に分類される。発明者らの研究により、これらのボイドの発生メカニズムが次の様に明らかになった。
【００１３】
まず集中ボイド９の発生メカニズムを図４を用いて説明する。図４はリフローソルダリング法によりＢＧＡ型半導体装置を実装するときの様子を示すものである。（ａ）は実装基板に半導体装置を載置した図であり、実装基板３の配線パターン１１にはんだペースト１２が印刷されており、この上にＢＧＡ基板２のＢＧＡ電極１０に接合されたはんだバンプ１が乗せられている。はんだペースト１２は細かい粒状のはんだをフラックスで練ったものであり、フラックスの役割ははんだ接合する金属（この場合は実装基板の配線パターン１１）の表面の酸化膜を化学的に溶解し、金属面を露出させることにある。（ｂ）はこれをはんだの融点以上の温度に加熱した状態を示す。溶融したはんだバンプ１は配線パターン１１に濡れ、はんだペースト１２中のフラックス１４は脇に流出する。この時、フラックスの一部は気化し、大気中に放出されるが、さらにその一部は溶融したはんだバンプ１の中に気泡１３となって残る。この気泡は浮力によりＢＧＡ基板２の方に移動する。（Ｃ）は冷却後の様子を示す。気泡１３ははんだバンプ１のＢＧＡ基板２との接合界面において集中ボイド９となって残る。
【００１４】
次に均一ボイドについてであるが、これは主にはんだバンプ１とＢＧＡ電極１０との濡れ不良に起因する接合欠陥によるものである。このような細かいボイドを完全に取り去るのは、大気中で行う通常のはんだ接合法では困難である。
さて、これらのボイドがはんだバンプの接合信頼性にどのような影響を与えるのであろうか。発明者らは有限要素法解析により研究を行った。解析モデルを２種類作成した。一つは集中ボイドに対応するもので、はんだバンプに単一のボイドを設け、ＢＧＡ型半導体装置と実装基板の線膨張係数の差に起因する相対変位を与え、はんだバンプに発生するひずみを解析した。集中ボイドの大きさを変えて解析を行い、ボイド寸法と発生ひずみの関係を求めた。
もう一つのモデルは均一ボイドに対応するものである。本解析では、実際のはんだバンプ接合部の均一ボイドの寸法を測定しその平均値からボイドの寸法を接合界面におけるはんだバンプの直径の１／３０として、ボイドの数と発生ひずみの関係を求めた。
【００１５】
解析結果を図５に示す。横軸はボイドの面積の割合を示しており、接合界面の面積に対するボイド面積の総和の割合を表す。縦軸ははんだバンプに発生するひずみを表し、ボイドがない場合に発生するひずみを１とした相対値を無次元化して示した。この図から集中ボイドは大きければ大きいほど発生ひずみは大きくなることがわかる。これは大きなボイドがひずみ集中を招くからであると考えられる。これに対して、均一ボイドはその総面積すなわち細かいボイドの数が増えても発生ひずみの増加はごくわずかであることがわかる。これは細かいボイドはいくら存在してもひずみ集中は起こらないからである。
以上のことから、ＢＧＡ型半導体装置のはんだ接合部の接続信頼性を向上させるためには、冒頭に述べたように、はんだバンプ接合部に存在するボイドの寸法を規定することが有効な手段であることがわかる。
【００１６】
次に、本発明の一実施例について説明する。
図１は本発明の実施例を示すＢＧＡ型半導体装置の実装構造である。ＢＧＡ型半導体装置の内部構造とはんだ接合部の状態を示すため、半導体装置の一部を切り取って図示した。半導体素子４がＢＧＡ基板２に接合されており、両者はワイヤ５により電気的に接続されている。これらは封止樹脂６により封止されている。このＢＧＡ型半導体装置の裏面にははんだバンプ１が外部端子として接合されており、実装基板３に実装されている。
【００１７】
図１に示したＢＧＡ型半導体装置のはんだバンプ１の接合界面の状態を図２に拡大して示す。はんだバンプ１の接合界面７には、均一の細かいボイド８のみが存在し、寸法の大きな集中ボイドは存在しない。このため、熱変形時にはんだバンプに発生するひずみがはんだバンプの一部分に集中することがないので、高い接続信頼性を確保することができる。
均一のボイドとは厳密に寸法が一定であることを示すのではなく、ボイド寸法のばらつきを許容するものである。通常の大気中で行うはんだ接合では、およそ２倍のボイド寸法のばらつきは避けられない。重要なのは「課題を解決するための手段」の項で説明した様に寸法の大きな集中ボイドを排除することである。また、均一ボイドの寸法は接合界面におけるはんだバンプの直径の１／３０以下であることが望ましい。
【００１８】
発明者らは、ＢＧＡ型半導体装置を従来の方法でプリント基板に実装し、温度サイクル試験を行った。その結果、特に最外周のはんだバンプが疲労破壊する場合があった。
そこで、疲労破壊したはんだバンプの破壊面を観察したところ、最小で界面の直径の１２％の直径のボイド、平均で１０％、最大で２０％の直径のボイドが存在していたことがわかった。
このことから、集中ボイドは界面の直径の１０％以下であれば、十分な信頼性が得られることが判明した。
【００１９】
このようにはんだ接合界面に存在する集中ボイドを排除するためには、２つの方法がある。一つはリフローソルダリングの加熱速度を小さくする方法である。ゆっくり加熱を行うと、フラックスの気化成分がはんだが融解する前に大気中に放出されるので、溶融はんだ内に巻き込まれることがなくなる。もう一つの方法ははんだペーストの量を必要最小限にとどめることである。発明者らは、リフローソルダリングの加熱速度を従来の１／２にし、はんだペーストの量を従来の２／３に少なくすることにより、集中ボイドの排除に成功し、界面の直径の１０％を超えるボイドは皆無であった。
【００２０】
ところで、ボイドのないはんだバンプに発生するせん断ひずみΔγは次式で表される。
Δγ＝Δα×ΔＴ×Ｌ／ｈ  ………………………………………（１）
ここでΔαは半導体装置と実装基板の線膨張係数の差、ΔＴは温度変化、Ｌは半導体装置中心からはんだバンプまでの距離、ｈははんだバンプの高さを表し、通常のＢＧＡ型半導体装置では０．５ｍｍである。一方、一般に半導体装置の実装構造の信頼性としては、２００℃の温度変化に対して１０００回の疲労寿命が要求される場合が多い。発明者らは以前にはんだの疲労強度試験を行い、その結果が日本機械学会論文集５４巻５０５号１７０９ページに記載されている。この試験結果によると、１０００回の疲労寿命に対するせん断ひずみは約１．８％である。さらに「発明が解決しようとする課題」の項で説明した様に、Δαは２×１０~6／℃程度の値である。そこで、Δα＝２×１０~6／℃、ΔＴ＝２００℃、ｈ＝０．５ｍｍ、Δγ＝０．０１８（＝１．８％）を代入し、Ｌについて解くと、Ｌ＝２２．５ｍｍとなる。すなわち欠陥のない場合には半導体装置中心から２２．５ｍｍ離れたバンプの疲労強度は通常の信頼性試験を容易に合格できることになる。しかしながら、本発明では均一ボイドの存在は許容しており、図５よりこの場合には発生ひずみはボイドのない場合に比べて1.25倍になる。そこで許容ひずみを０．０１８／１．２５＝０．０１４４としてＬについて解くと、Ｌ＝１８．０ｍｍとなる。ＢＧＡ型半導体装置が正方形であるとすると、Ｌ＝１８．０ｍｍのはんだバンプはコーナ部に位置するはんだバンプであるから、最外周のはんだバンプの距離は１８．０／√２×２＝２５．４ｍｍとなる。半導体装置寸法はこの距離より大きくなくてはならないから、約３０ｍｍとなる。すなわち、一辺が３０ｍｍ以上の半導体装置では、通常の信頼性水準の疲労強度に対して余裕がなく、本発明を必然的に適用する必要があるといえる。なお、半導体装置の形状が長方形の場合は、長辺が３０ｍｍ以上の場合に本発明を必然的に適用する必要があるといえる。またＢＧＡ型半導体装置のはんだバンプのピッチは規格により１．２７ｍｍ（１／２０インチ）が用いられるから、この条件をピン数に直すと（２５．４ｍｍ／１．２７ｍｍ＋１）×（２５．４ｍｍ／１．２７ｍｍ＋１）＝２１×２１＝４４１ピンとなる。
【００２１】
最後に本発明の半導体装置の実装構造の検査方法について述べる。従来のはんだ接合部の接合信頼性を検査する場合には、接合界面におけるボイドの面積の割合で評価を行っていた。しかし図５で示したようにはんだに発生するひずみはボイドの面積の割合よりも集中ボイドの寸法で決まることが本発明の過程で明らかになった。従って、本発明の半導体装置の実装構造を検査する場合には、はんだバンプと半導体装置との界面における最大のボイドを調べればよい。すなわち、抜き取り検査で破壊試験を行うか、あるいはＸ線透視検査を行って、ボイドの最大値があらかじめ設定した値を超えた場合に不合格とする検査を行えばよい。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によると、ＢＧＡ型半導体装置の実装構造において、外部端子として用いられているはんだバンプの接続信頼性を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るＢＧＡ型半導体装置の実装構造の斜視図。
【図２】本発明の一実施例に係るＢＧＡ型半導体装置の実装構造で用いられるはんだバンプ接合界面の拡大斜視図。
【図３】従来のＢＧＡ型半導体装置の実装構造で用いられるはんだバンプ接合界面の拡大斜視図。
【図４】集中ボイドの発生メカニズムを示す断面図。
【図５】ボイドとはんだバンプに発生するひずみの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１…はんだバンプ、２…ＢＧＡ基板、３…実装基板、４…半導体素子、５…ワイヤ、６…封止樹脂、７…はんだバンプの接合界面、８…均一ボイド、９…集中ボイド、１０…ＢＧＡ電極、１１…配線パターン、１２…はんだペースト、１３…気泡、１４…フラックス。
【図１】
0003848723.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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