(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一主面に半導体素子を搭載し、他方主面に他の回路基板の表面に実装するための接続用の端子電極を設けた半導体素子搭載用の配線基板であって、前記端子電極は、前記配線基板の中心側が浅くなるように構成した凹部内の底面に形成されており、前記凹部内の底面と前記配線基板の他方主面とのなす角が３°〜４５°であることを特徴とする半導体素子搭載用の配線基板。
【請求項２】
前記配線基板がセラミックスからなり、配線基板の熱膨張係数が他の回路基板の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体素子搭載用の配線基板。
【請求項３】
請求項１または２記載の配線基板の端子電極と他の回路基板の配線導体とを、突起状の接続端子を介して接合したことを特徴とする半導体素子搭載用の配線基板の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス，ガラスセラミックスあるいは合成（有機）樹脂等から成るマザーボード等の回路基板の表面に、接続用端子電極等を具備する半導体素子収納用パッケージ等の配線基板をロウ付けした、半導体素子搭載用の配線基板およびその実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックス配線基板は、絶縁基板の表面および／または内部にメタライズ配線層が配設された構造からなる。その代表例として、半導体素子、特にＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体集積回路素子を収容するための半導体素子収納用パッケージ（以下、半導体パッケージという）があり、一般に半導体パッケージは、アルミナセラミックスから成る絶縁基板の表面に半導体素子を収容するための凹部が形成され、またその絶縁基板の表面および内部には、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属から成る複数のメタライズ配線層が配設され、凹部内に収納される半導体素子と電気的に接続される。また、絶縁基板の下面または側面には、外部の回路基板と電気的に接続するための接続用端子電極（以下、端子電極と略す）が備えられ、この端子電極はメタライズ配線層と電気的に接続される。
【０００３】
そして、かかる半導体パッケージは、絶縁基板下面または側面に設けられた端子電極と外部の回路基板表面に形成された配線導体とを、半田等によりロウ付けして電気的に接続することにより実装される。
【０００４】
一般に、半導体素子の集積度が高まるほど、それに形成される電極数も増大するが、これに伴い、これを収納する半導体パッケージにおいて、外部の回路基板と接続される端子電極数も増大する。ところが、端子電極数を増大させると半導体パッケージの大型化を招くため、半導体パッケージの小型化への要求と相まって、半導体パッケージの端子電極の形成密度を高くする必要がある。
【０００５】
そして、これまでの半導体パッケージにおける端子電極の構造としては、パッケージの下面にコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）などの金属ピンを接続したピングリッドアレイ（ＰＧＡ）が一般的であり製品化されているが、最近、パッケージの４つの側面に導出されたメタライズ配線層にガルウイング状（Ｌ字状）の金属ピンが接続されたタイプのクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、パッケージの４つの側面に電極パッドを備え、リードピンがないリードレスチップキャリア（ＬＣＣ）、Ｓｉチップをフリップチツプ実装したチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）、さらに絶縁基板の下面に半田からなる球状端子を多数配置したボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等があり、これらの中でもＢＧＡが最も高密度化が可能である。
【０００６】
このボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）の端子電極は、その端子電極に半田などのロウ材からなる球状端子をロウ付けすることにより構成される。この球状端子を外部の回路基板の配線導体上に載置当接させ、しかる後、前記端子電極を約２００〜２５０℃で加熱溶融し、球状端子を配線導体に接合させることによって回路基板上に実装することが行われている。このような実装構造により、半導体パッケージの内部に収容されている半導体素子は、その各電極がメタライズ配線層および端子電極を介して外部の回路基板に電気的に接続される。
【０００７】
また、近年、半導体パッケージにおける絶縁基板として、絶縁基板材料の低誘電率化および低温焼成化により高電気伝導性の銅配線が可能なことから、ガラスセラミックス焼結体を用いた構成も提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記半導体パッケージにおける絶縁基板として、従来より使用されているアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ），ムライト（３Ａｌ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）などのセラミックスは、２００ＭＰａ（メガパスカル）以上の高強度を有し、しかもメタライズ配線層などとの多層化技術として信頼牲の高い点で多用されている。このような絶縁基板が、ガラス−エポキシ樹脂複合材料、ガラス−ポリイミド樹脂複合材料などの有機樹脂を含むプリント基板等の外部の回路基板に表面実装される場合、半導体素子の作動時に発する熱が、絶縁基板と回路基板の両方に繰り返し伝熱されると、前記回路基板と絶縁基板との熱膨張係数差が１０×１０-6／℃以上と大きいために、それらの接続部分に応力が発生するという問題がある。
【０００９】
また、半導体パッケージの外辺サイズが２５×２５ｍｍ未満と比較的小さい場合には発生する応力も小さいが、外辺サイズが２５×２５ｍｍ以上となるような大型の半導体パッケージでは発生する応力も増大する傾向にあり、半導体素子の作動／停止によりこれが半導体パッケージの回路基板の実装部に繰り返し付加されると、半導体パッケージの端子電極の外周部、及び回路基板の配線導体と端子電極との接合界面に応力が集中し、半導体パッケージの端子電極が絶縁基板から剥離したり、端子電極が回路基板の配線導体から剥離するといった事態が生じていた。その結果、半導体パッケージの端子電極を回路基板の配線導体に、長期にわたり安定に電気的接続させることができないという致命的な問題点を有していた。
【００１０】
この端子電極への応力は、半導体パッケージのプリント基板への実装時、または実装後の半導体素子の繰り返し作動時において、半導体パッケージとプリント基板の熱膨張係数差により発生する。また、この応力は端子電極の降温時、つまり高温から低温に変化する時が最も大きく、従って端子電極の外側部分を起点にクラックなどの欠陥が生じる。そのため、この応力を低くするには、端子電極の高さを高くすることにより、端子電極全体の歪みを抑えることが従来より有効であると報告されている。しかし、そのためには、有害な鉛量を増やしたり、高価なＡｇを添加した高融点の半田ボールを使用するか、図５，図６に示すように、半導体パッケージに凹部を形成し、その凹部に金属バンプをロウ材で接合させた接続端子を用いる必要があった（従来例１：特開平８−１０７２６１号公報参照）。
【００１１】
尚、図５，図６において、２０は半導体装置２２等を収容したセラミックスパッケージ、２１はセラミックスパッケージ２０の本体部分である基板、２３は半導体装置２２とセラミックスパッケージ２０表面に形成された配線パターンとの接続を行うボンディングワイヤ、２４はセラミックスパッケージ２０を実装するセラミックスボード、２５は相互接続構造、３０は金属バンプ、３１はＣｕボール、３２は半田層、３３は電極端子である。
【００１２】
しかし、従来例１のように凹部に端子を形成した場合、実装時に半田中に含まれた水分や空気が端子の外に排出されず、ボイドとして端子電極中に残り、クラックの起点やクラックの進展を助長させる等の問題が起こっていた。
【００１３】
従って、本発明は上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は、半導体パッケージ用の配線基板を、有機樹脂等を主体とする外部の回路基板にロウ付けによって表面実装する際に、安全かつ安価な方法で、強固および長期にわたり安定した接続状態を維持できる、高信頼性の配線基板およびその実装構造を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子搭載用の配線基板は、一主面に半導体素子を搭載し、他方主面に他の回路基板表面に実装するための接続用の端子電極を設けた半導体素子搭載用の配線基板であって、前記端子電極は、前記配線基板の中心側が浅くなるように構成した凹部内の底面に形成されており、前記凹部内の底面と配線基板の他方主面とのなす角が３°〜４５°であることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、上記構成により、例えばセラミックス等の熱膨張係数の小さい材料から成る配線基板を、有機樹脂を主成分とし熱膨張係数が大きいプリント基板等の回路基板上に接続端子を介して実装した場合に、両者の熱膨張係数差によって接続端子に発生する応力を低減し、配線基板と外部の回路基板とを長期にわたり正確かつ強固に接続させ、かつ、接続端子に発生する応力を均一化するという作用効果を有する。
【００１７】
また好ましくは、前記配線基板がセラミックスからなり、配線基板の熱膨張係数が他の回路基板の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする。セラミックスは応力、特に引っ張り応力に対して弱く、また応力集中により脆くなり易いという特性があることから、本発明の上記効果が顕著である。
【００１８】
また、本発明の半導体素子搭載用の配線基板の実装構造は、上記配線基板の端子電極と他の回路基板の配線導体とを、突起状の接続端子を介して接合したことを特徴とする。
【００１９】
本発明は、このような構成により、接続端子に発生する応力が低減され、長期にわたり強固に接続された信頼性の高い実装構造が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体素子搭載用の配線基板について以下に詳細に説明する。図１〜図４は本発明の一実施形態を示す図であり、本発明の配線基板は、例えばセラミックスから成る絶縁基板の表面および／または内部にメタライズ配線層が形成された、所謂セラミックス配線基板を基本構造とする。図１は、本発明の配線基板の一実施形態として、ＢＧＡ型半導体パッケージとその実装構造を示すものであり、ＡはＢＧＡ型半導体パッケージ、Ｂはマザーボード等の他の回路基板である。尚、図１は図２のＢＧＡ型半導体パッケージのＣ−Ｃ線における断面で見たときの断面図であり、図１の両端の端子電極４が図２のＢＧＡ型半導体パッケージの対角線における最外部端子電極４に相当する。
【００２１】
図１において、ＢＧＡ型半導体パッケージＡは、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ），ムライト（３Ａｌ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化珪素（Ｓｉ3 Ｎ4 ）等のセラミックス、バリウム珪酸ガラス，リチウム珪酸ガラス，ホウ珪酸ガラス等のガラス成分、およびシリカ，フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ），クリストバライト，アルミナ等のフィラーから成るガラスセラミックスなどの絶縁性材料から成り本体部分である配線基板１と、配線基板１の一主面の中央部の凹部１ａ内に設置された半導体素子５上を覆う蓋体２と、配線基板１の表面および／または内部に形成されたメタライズ配線層３と、回路基板Ｂ上の配線導体８と接続するための接続端子４、およびＢＧＡ型半導体パッケージＡの内部に収容されるＬＳＩ等の半導体素子５により構成される。これにより、配線基板１および蓋体２は、半導体素子５を内部に気密に収容するための容器６を構成する。
【００２２】
そして、配線基板１の表面および内部にはメタライズ配線層３が被着形成されており、さらに配線基板１の他方主面（下面）には、端子電極３ａに接続端子４が予め接合されている。このＢＧＡ型半導体パッケージＡにおいては、端子電極３ａは配線基板１の下面に形成された多数の凹部１１内の底面１１ａに形成され、Ｓｎ−Ｐｂ合金等から成る半田などの金属ロウ材からなる突起状の接続端子４を端子電極３ａに接合させた構成である。
【００２３】
一方、回路基板Ｂは所謂プリント基板等からなり、ガラス−エポキシ樹脂複合材料，ガラス−ポリイミド樹脂複合材料等の有機樹脂を含む材料から成る絶縁基板７の表面に、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｂ−Ｓｎ等の金属からなる配線導体８が被着形成されたものである。
【００２４】
上記ＢＧＡ型半導体パッケージＡを回路基板Ｂに実装するには、ＢＧＡ型半導体パッケージＡの配線基板１下面の接続端子４を、回路基板Ｂの配線導体８上に載置当接させ、しかる後２００〜２５０℃の温度に加熱することにより、半田等の金属ロウ材からなる接続端子４が溶融し、接続端子４を配線導体８に接合させることによって行う。
【００２５】
本発明において、図３に示すように、端子電極３ａが形成される凹部１１は、配線基板１下面の中心Ｏ１側（同図中矢印）が浅く、中心Ｏ１と反対側が深くなるように構成される。配線基板１下面を平面視した場合、中心Ｏ１から放射状に、各凹部１１は上記構成となる。即ち、中心Ｏ１からの放射線に沿って、各凹部１１の中心Ｏ１側が浅く、中心Ｏ１と反対側が深くなる。
【００２６】
図３の凹部１１は、その中心Ｏ１側が配線基板１下面に連続して形成されているが、図４に示すように、その中心Ｏ１側が段部を形成するように形成しても良い。これにより、中心Ｏ１側も配線基板１下面より深い位置にあり、その結果接続端子４全体の高さが高くなり、発生する応力を緩和させる効果がより向上する。凹部１１の平面形状（図３では垂直下方から見た形状）は、円形，楕円形，四角形以上の多角形状等の対称的でより円形に近い形状が良く、接続端子４を金属ロウ材により形成し易くなる。また、凹部１１の平面形状が円形の場合、その直径は０．１〜０．９ｍｍが良く、０．１ｍｍ未満では、応力緩和のために接続端子４の高さを高くすることが困難となり、０．９ｍｍを超えると、接続端子４同士が接触し易くなる。
【００２７】
そして、ＢＧＡ型半導体パッケージＡの回路基板Ｂへの実装時、または実装後の半導体素子５の繰り返し作動時において、ＢＧＡ型半導体パッケージＡと回路基板Ｂとの熱膨張係数差により、接続端子４に応力が発生する。この応力は接続端子４の温度が下降するときが最も大きく、従って接続端子４の外側部分を起点にクラックなどの欠陥が生じる。この応力を低くするには、接続端子４の高さを高くすることにより、接続端子４全体の歪みを抑えることが有効である。
【００２８】
そのために、従来、有害な鉛量を増やしたり高価なＡｇを添加した高融点の半田ボールを使用するか、半導体パッケージに凹部を形成し、その凹部に金属バンプをロウ材で接合させた接続端子を用いる必要があったが、本発明では上記構成とすることにより、配線基板１下面の中心Ｏ１と反対側での接続端子４の高さを高くすることができ、それにより接続端子４の前記反対側（中心Ｏ１より外側部分Ｓ１）で発生する応力を低減できる。また、ＢＧＡ型半導体パッケージＡの回路基板Ｂへの実装時に、半田中に吸収された水分、空気等が原因で発生するボイドを、凹部１１の中心Ｏ１と反対側であって接続端子４が存在しない空間側に排出することができるため、接続端子４の外側部分Ｓ１を起点にするクラックの発生および進行を遅延させることができる。
【００２９】
前記外側部分Ｓ１よりも内側部分Ｓ２において浅い凹部１１の底面１１ａ（図３では凹部１１の上側の面）に端子電極３ａを形成するには、ＢＧＡ型半導体パッケージＡのセラミックス焼結体用の成形体を作製し、その表面にメタライズインクにより端子電極３ａ用のコーティングを印刷塗布した後、円柱を斜めに切断した形状のピンをそのコーティングに押し付け凹部１１を形成し、その後焼成することにより作製する。
【００３０】
本発明において、端子電極３ａの角度、つまり凹部１１の底面１１ａと配線基板１の下面とのなす角度θは、３°〜４５°が好ましく、θが３°未満であると、接続端子４の外側部分Ｓ１に発生する応力が内側部分Ｓ２に発生する応力よりも大きくなり、接続端子４の外側部分Ｓ１で発生する大きな応力を低減するという本発明の効果が得られない。θが４５°を超えると、接続端子４の断面積が小さくなり信頼性が低下する。より好ましくは５°〜４０°、最適には７°〜３０°が望ましい。また、このような構成により、接続端子４の外側部分Ｓ１の高さは内側部分Ｓ２よりも０．０１〜０．７ｍｍ程度高くなる。尚、図３，図４において、１２は配線基板１の下面の延長面である。
【００３１】
本発明のＢＧＡ型半導体パッケージＡにおける凹部１１と端子電極３ａとの大きさについて、凹部１１の底面１１ａの面積に対する端子電極３ａの接合面の面積比は、０．７〜１．０であることが好まし。面積比が０．７より小さい場合、端子電極３ａ間距離が長くなり、配線基板１のサイズが大きくなってしまう。また面積比が１．０より大きい場合、底面１１ａよりも端子電極３ａの接合面の方が大きくなるため、接続端子４の外側部分Ｓ１の高さが、配線基板１下面と回路基板Ｂ表面との距離に相当することとなり、応力緩和のために接続端子４高さを高くするという本発明の構成および効果が得られなくなる。
【００３２】
本発明において、配線基板１の熱膨張係数と回路基板Ｂの熱膨張係数の差がある程度大きい場合に本発明の構成は有効であり、配線基板１の熱膨張係数をα１、回路基板Ｂの熱膨張係数をα２としたとき、｜α１−α２｜≧１×１０-6（／℃）の場合に本発明を適用するのが良い。｜α１−α２｜＜１×１０-6（／℃）では、本発明の上記効果がほとんどなくなる。また、このとき、接続端子４間の距離は０．３ｍｍ以上とするのが良く、０．３ｍｍ未満では接続端子４同士が接触し易くなる。
【００３３】
かくして、本発明は、ＢＧＡ型半導体パッケージ用の配線基板をプリント基板等の回路基板上に接続端子を介して実装した場合に、両者の熱膨張係数差によって接続端子に発生する応力を低減し、配線基板と回路基板とを長期にわたり正確かつ強固に接続させるという作用効果を有する。
【００３４】
尚、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行っても何等差し支えない。
【００３５】
【実施例】
本発明の実施例について以下に説明する。
【００３６】
（実施例）
図１の配線基板およびその実装構造を以下のようにして構成した。まず、表１の試料Ａ１のガラスセラミックス，Ａ２のセラミックス材料を用いて、配線基板１用の３×４×４０ｍｍの形状の焼結体を作製し、各焼結体について４０℃〜４００℃における熱膨張係数およびヤング率を測定した。
【００３７】
【表１】
0003784209.tif 000002
【００３８】
そして、下記工程〔１〕〜〔４〕により作製し、ＢＧＡ型半導体パッケージＡ１を作製した。
【００３９】
〔１〕配線基板１用として、表１の試料Ａ１のガラスセラミックス材料を用いてグリーンシートを作製し、種々のサイズおよび形状のグリーンシートを複数積層させて、凹部１ａ，メタライズ配線層３が形成されるように構成した成形体を作製した。
【００４０】
〔２〕この成形体の表面および内部に、半導体素子５と接続される接続パッドを含むメタライズ配線層３，内部配線層，ビアホール導体，ボール状の接続端子４を取り付けるための１２２５個の端子電極３ａを形成するための銅ペーストを印刷塗布あるいは充填した。
【００４１】
〔３〕図２のように凹部１１の配置と同様に、円柱を斜めに切断した形状の多数のピンを配列した押圧板を、前記成形体の下面側に押し当てることにより、配線基板１の中心Ｏ１に遠い部分が中心Ｏ１に近い部分より深く形成された凹部１１を形成した。
【００４２】
〔４〕約９００℃の温度で同時焼成してＢＧＡ型半導体パッケージＡ１用の配線基板を作製した。
【００４３】
また、表１の試料Ａ２のアルミナセラミックス、配線導体８等の各導体材料としてタングステンを用い、上記工程〔１〕〜〔３〕と同様にし、１５５０℃で同時焼成して、上記と全く同じ大きさのＢＧＡ型半導体パッケージＡ２用の配線基板１を作製した。そして、これらの配線基板１の下面の端子電極３ａに、Ｓｎを６３重量％，Ｐｂを３７重量％含む直径が０．８ｍｍの接続端子４用の共晶半田ボールを、Ｓｎを６３重量％，Ｐｂを３７重量％含む共晶半田ペーストにより接合して、ＢＧＡ型半導体パッケージＡ１，Ａ２を作製した。これらのＢＧＡ型半導体パッケージＡ１，Ａ２の寸法は、縦４５ｍｍ×横４５ｍｍ×厚さ２．０ｍｍであった。さらに、半導体素子５を収納したＢＧＡ型半導体パッケージＡ１，Ａ２を、ガラス−エポキシ樹脂から成り、熱膨張係数が１５×１０-6（／℃）の他のプリント基板から成る回路基板Ｂ上に、約２５０℃に加熱して接続端子４を介して各々接合させた。
【００４４】
上記のようにＢＧＡ型半導体パッケージＡ１，Ａ２を回路基板Ｂに実装したものについて、大気中で−４０℃保持３０分〜１２５℃保持３０分を１サイクルとする熱サイクルを、最高２０００サイクル繰り返す熱サイクル試験を行った。そしてこのとき、１００サイクルごとに取り出し電気抵抗値を測定し、接続端子４の剥離、損傷等により電気抵抗値が所定値を超えて実用性が失われたサイクル数を表２に示す。
【００４５】
【表２】
0003784209.tif 000003
【００４６】
表２に示すように、配線基板１下面と凹部１１内の底面１１ａとのなす角θが３°〜４５°である試料ＮＯ．３〜１１，ＮＯ．１６〜２４では、１０００サイクル以上で使用可能であり、優れた耐久性を示した。また、θ＝０°の試料ＮＯ．１，１４およびθが３°〜４５°の範囲外である試料ＮＯ．２，１２，１３，１５，２５，２６では、９００サイクル以下で使用不能となり十分な信頼性が得られなかった。
【００４７】
【発明の効果】
本発明は、端子電極が、配線基板の中心側が浅くなるように構成した凹部内の底面に形成され、前記凹部内の底面と配線基板の前記凹部が形成された主面とのなす角が３°〜４５°であることにより、例えばセラミックス等の熱膨張係数の小さい材料から成る配線基板を、有機樹脂を主成分とし熱膨張係数が大きいプリント基板等の回路基板上に接続端子を介して実装した場合に、両者の熱膨張係数差によって接続端子に発生する応力を低減し、配線基板と外部の回路基板とを長期にわたり正確かつ強固に接続させるという作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＢＧＡ型半導体パッケージＡを構成する配線基板と、他の回路基板Ｂとの実装構造の断面図である。
【図２】ＢＧＡ型半導体パッケージＡの下面側の平面図である。
【図３】本発明の接続端子及び凹部の拡大断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示し、接続端子及び凹部の拡大断面図である。
【図５】従来のＢＧＡ型半導体パッケージと他の回路基板との実装構造の断面図である。
【図６】図５の実装構造の接続部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１：配線基板
１ａ：凹部
２：蓋体
３：メタライズ配線層
３ａ：接続用の端子電極
４：接続端子
５：半導体素子
６：容器
８：配線導体
１１：凹部
１１ａ：凹部内の底面
１２：配線基板の下面の延長面
Ａ：ＢＧＡ型半導体パッケージ
Ｂ：他の回路基板
【図１】
0003784209.tif 000004
【図２】
0003784209.tif 000005
【図３】
0003784209.tif 000006
【図４】
0003784209.tif 000007
【図５】
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【図６】
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