JP2005216878A - 半導体パッケージ及びその実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張差による熱応力が低減され、長期にわたって信頼性が向上した半導体パッケージを提供する。
【解決手段】矩形板状の配線基板と、該配線基板の一方の表面に固定された枠体と、該無端状枠体の上面に固定された蓋体と、該配線基板の一方の面の略中央部に搭載され且つ該枠体と蓋体とで形成された空間内に収容された半導体素子とからなる半導体パッケージにおいて、 前記配線基板の一辺の長さをａ、前記配線基板の一辺に対応する前記半導体素子の一辺の長さをｄとしたときに、ｄ／ａ≦０．４の関係を満足していることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体パッケージ及びその実装構造に関するものであり、特に、半導体素子がフリップチップ接続された半導体パッケージ及びその実装構造に関する。

近年、電子機器においては、半導体装置としてボールグリッドアレイ型（以下ＢＧＡ型と称する）やピングリッドアレイ型（以下ＰＧＡ型と称する）の半導体パッケージが広く用いられている。

例えば、この種のＢＧＡ型半導体パッケージは、矩形板状の配線基板と、該配線基板の一方の面に実装された半導体素子とを備えており、該配線基板の他方の面（底面）に形成された電極には、多数の半田ボールがはんだ付けされている。そして半導体パッケージの平坦性を維持するために、配線基板の前記一方の面には、半導体素子を取り囲むように金属製の枠体が固定され、更にこの枠体上には、蓋体が接着固定されている。即ち、配線基板表面に実装されている半導体素子は、金属性枠体及び蓋体により形成されている空間内に収容されている。

このように構成されたＢＧＡ型半導体パッケージは、半田ボールをプリント基板等の外部回路基板上のパッドにはんだ付けすることによって実装される。このようなＢＧＡ型半導体パッケージを備えた半導体装置は、電極として機能する半田ボールを半導体パッケージの配線基板の底面全体に亙って配置することができ、樹脂パッケージの側縁から導出した多数のリード端子を有するＰＧＡ型等の半導体パッケージに比較して、電極間隔を広く設定できるとともに、実装密度の向上を図れるなどの利点を有している（例えば特許文献１，２参照）。
特開平１０−５０８７７号公報 特開２００１−１１０９２６号公報

しかしながら、上述した半導体パッケージは、異種材料からなる部材（配線基板、半導体素子、枠体及び蓋）を積層して構成されているため、各部材の熱膨張係数が互いに異なり、このような熱膨張係数差に起因する問題を有している。特に、ＢＧＡ型の半導体パッケージは、さらに熱膨張係数の異なる異種材料からなる外部回路基板上に実装されるため、熱膨張係数差に起因する問題が一層顕著となる。

例えば、電源のオン、オフ等に伴い半導体素子に温度変化が生じると、半導体素子、テープキャリア、枠体、蓋体、配線基板での熱膨張差が発生し、更に、半導体パッケージの配線基板と外部回路基板との間においても熱膨張差が生じる。その結果、半導体パッケージの配線基板に熱応力が発生し、半田ボールの接合部に負荷が作用する。そしてこの負荷により、半田ボールの接合部が剥離したり、或いは、半田ボールにクラックが発生することがある。従って、ＢＧＡ型半導体パッケージは、長期的な使用において信頼性が低下する等の問題がある。

従って本発明の目的は、熱膨張差による熱応力が低減され、長期にわたって信頼性が向上した半導体パッケージ及びその実装構造を提供することにある。

本発明によれば、矩形板状の配線基板と、該配線基板の一方の表面に固定された枠体と、該無端状枠体の上面に固定された蓋体と、該配線基板の一方の面の略中央部に搭載され且つ該枠体と蓋体とで形成された空間内に収容された半導体素子とからなる半導体パッケージにおいて、
前記配線基板の一辺の長さをａ、前記配線基板の一辺に対応する前記半導体素子の一辺の長さをｄとしたときに、ｄ／ａ≦０．４の関係を満足していることを特徴とする半導体パッケージが提供される。

また、本発明によれば、上記の半導体パッケージにおける配線基板の他方の面を半田ボールを用いて外部回路基板に実装してなる実装構造が提供される。

本発明においては、
（１）前記配線基板の厚みをｅ、前記蓋体の厚みと枠体の高さとの和をｆとしたとき、ｅ／ｆ≧０．４の関係を満足すること、
（２）前記枠体は、前記配線基板の周縁に沿って配置されているとともに、前記枠体の一辺において、その外側長さをｂ、その内側長さをｃとしたときに、ｃ／ｂ＝０．７〜０．８５の関係を満足していること、
が好ましい。

本発明によれば、枠体の寸法を、半導体素子と、該半導体素子が実装される配線基板の寸法に合わせて一定範囲内に設定することにより、半導体素子と配線基板や蓋体との熱膨張係数の差により生じる応力を適正な値に制御することができ、このような熱膨張差に起因する枠体反りなどの変形を有効に抑制することができる。また、上記配線基板の底面（半導体素子が実装される面とは反対側の面）を外部回路基板に実装するときには、その接合に用いる半田ボールに生じるクリープひずみを軽減し、半田ボールと配線基板との間の接合部や半田ボールと外部回路基板との間の接合部の信頼性を向上することができる。

また、本発明においては、配線基板の厚みをｅとし、枠体の高さと蓋体の厚みとの総和をｆとしたときに、ｅ／ｆ≧０．４の関係を満足させることにより、配線基板に生じる最大主応力や、外部回路基板への実装に用いる半田ボールに生じるクリープ歪を低減させる上で有利である。

また、前記枠体を配線基板の周縁に沿って配置し、該枠体の一辺において、その外側長さをｂ、その内側長さをｃとしたときに、ｃ／ｂ＝０．７〜０．８５の関係を満足させることにより、上述した熱膨張差に起因して配線基板に生じる最大主応力や、外部回路基板への実装に用いる半田ボールに生じるクリープ歪を小さくする上で有利である。

以下、本発明の半導体パッケージを、ＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプの半導体パッケージを例にとって、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、ＢＧＡタイプの構造を有する本発明の半導体パッケージと外部回路基板との実装構造を示す側断面図であり、図２は、図１の実装構造の平面図を示す。

図１において、この半導体パッケージは、半導体素子１、配線基板２、蓋体４及び枠体５からなっており、外部回路基板２０に実装されている。

半導体素子１は、例えばシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体、特にシリコンを用いた回路素子であり、その底面に複数の半田バンプ６が設けられている。この半田バンプ６を、配線基板２の上面に形成された配線パターン（図示せず）に半田溶融しフリップチップ実装することにより、配線基板２の上面に半導体素子１が搭載される。

配線基板２は、通常、ヤング率が２０ＧＰａ以下の樹脂製の絶縁基板の表面及び裏面に所定の配線パターンを形成したものであり、セラミック製絶縁基板を用いたものに比して生産コストが安価であり、半導体装置の製品コストの低減を図っている。また、薄肉化の点でも、セラミック製絶縁基板に比して有利である。このような絶縁基板の構成に用いる樹脂としては、例えば、ガラス繊維入りエポキシ樹脂などが好適に使用されるが、ガラス繊維入りエポキシ樹脂以外の他の樹脂により構成されていてもよく、例えば可撓性の高い樹脂材料により形成したいわゆるフレキシブル・プリント基板であってもよい。この配線基板２は、上記のような樹脂からなる絶縁層を積層させた多層構造を有していてもよく、各絶縁層の層間にも配線パターンを形成することもできる。このような配線基板は、例えば、厚みが１ｍｍ以下の薄肉の基板として使用することができる。

尚、配線パターンは、銅、銀、金などの低抵抗導体を含有するペーストをスクリーン印刷等により所定のパターンで施し、焼付けることにより形成することができる。また、銅箔などを貼り付けてエッチングなどにより所定のパターンに加工することによっても形成することができる。

半導体素子１の底面に設けられる半田バンプ６としては、高融点半田、例えば鉛を９０％以上含有するものを使用することが好ましく、このような高融点半田の使用により、この半導体パッケージをプリント基板等の外部回路基板２０に実装する際の加熱などでの再溶融を防止できる。

上記の半田バンプ６を配線基板２の上面に形成された配線パターンに接続して加熱溶融することにより、半導体素子１が配線基板２の上面に実装されるわけであるが、通常、半導体素子１と配線基板２との接続部には、熱硬化性樹脂からなるアンダーフィル７が充填されており、半田バンプ６がアンダーフィル７内に埋め込まれている。このアンダーフィル７を加熱硬化することにより、半導体素子１は、配線基板２にしっかりと固定されると同時に、その可撓性により、両者の間に生じる応力を緩和し、半田バンプ６の破壊などによる断線等を防止するようになっている。

配線基板２の裏面には、外部回路基板２０との接続用端子となる半田ボール８が配設されている。図示されていないが、配線基板２の内部には、スルーホールに低抵抗導体を充填することにより形成されたビアホール導体が形成されており、配線基板２の裏面には、このビアホール導体によって上面の配線パターンに電気的に接続された接続パッド（前述した低抵抗導体からなる）が形成されており、この接続パッドに、上記の半田ボール８が接合されている。即ち、この半田ボール８は、配線基板２の上面に搭載された半導体素子１と電気的に接続されたものとなっている。

半田ボール８としては、半田バンプ６よりも低融点の材料、例えば、鉛含量の小さい錫−鉛合金などから形成されているものが好適である。即ち、この半導体パッケージは、この半田ボール８を、外部回路基板２０の配線パターン上に載置して加熱溶融することにより、外部回路基板２０上に実装されるが、半田ボール８として、半田バンプ６よりも低融点の半田を用いることにより、外部回路基板２０への実装に際しての半田バンプ６の溶融を防止することができ、半導体素子１との接続信頼性を確保することができる。

蓋体４は、半導体素子１をシールし、保護すると同時に、後述する枠体５を補強し且つ半導体素子１の動作により発生する熱を放熱するものである。従って、このような蓋体４は、ヤング率が高く（通常、２００ＧＰａ以下）、且つ熱伝導性の高い金属材料、例えば銅やアルミニウムなどから形成されていることが好ましく、広い放熱領域を設けられるように配線基板２の上面全体を覆うように配置される。この蓋体４は、後記の枠体５の上端に接着固定されると同時に、ペースト材９により、半導体素子１の上面に接着されている。

ペースト材９としては、金属フィラー（例えば銀）入り樹脂ペースト、非金属フィラー（例えばシリコン）入り樹脂ペースト、又はロウ材（例えば半田）等の比較的熱伝導性が良く、強い接着力を有する材料が使用され、半導体素子１に発生した熱が蓋体４に速やかに伝熱するようになっている。

配線基板２の上面（即ち、半導体素子１の搭載面）には、枠体５が設けられており、蓋体４は、この枠体５の上端に接着固定されている。このような枠体５を設けることにより、配線基板２の反り等の変形を有効に抑制することができ、その平坦度を高めることができる。

この枠体５は、配線基板２を構成する絶縁基板の反り等の変形を防止するため、ヤング率の高い（通常、２００ＧＰａ以下）金属等の剛性材料で形成され、適当な接着剤によって配線基板２に固定され、さらに、適当な接着剤により、その上端には蓋体４が接着固定される。これらの接着剤としては、半田等のロウ材や熱可塑性樹脂のペーストなどが使用される。

特に図２を参照して、半導体素子１は、矩形形状（一般には正方形）であり、配線基板２は、半導体素子１と相似形状（即ち、矩形状）を有している。尚、図２では、半導体素子１及び配線基板１の形状を正方形として示している。

本発明において、半導体素子１を取り囲むように配置されている枠体５は、通常、配線基板２の周縁に沿って配置される。即ち、この枠体５は半導体素子１と相似形状の矩形形状を有しており、配線基板２の一辺の長さをａとしたとき、枠体５の一辺の外側長さｂとは、実質上、ａ＝ｂの関係にある。即ち、半導体素子１の動作時により該素子１が発熱すると、配線基板２や枠体５も加熱されて熱膨張する。この際、これらの部材は互いに熱膨張係数の異なる材料によって形成されているため、熱膨張差によって、このパッケージには熱応力が発生する。特に半導体素子１の角部直下にあたる配線基板２の下面には大きな熱応力が発生し、半導体素子１のＯＮ／ＯＦＦによる発熱・冷却の繰り返しにより、配線基板２には上に凸の反り変形が生じてしまい、この結果、外部回路基板２０との接合部である半田ボール８にも応力が加わってしまい、半田ボール８のクリープ歪により断線等を生じやすくなり、実装の信頼性が損なわれてしまう。しかるに、上記のように、枠体５を可及的に外側に配置することにより、熱膨張差に起因する配線基板２の反りを最も効果的に抑制できる。また、枠体５を最も外側に配置することは、これに接着固定される蓋体４を大面積とし、広い放熱領域を確保することができるという利点もある

また、半導体素子１は、枠体５の内部にと同心相似形に配置されていること、即ち、半導体素子１の各辺と、これに対応する配線基板２及び枠体５の対応各辺とは、互いに平行となり、且つこれらの中心が一致するように配置されていることが好ましい。このような配置とすることにより、半導体素子１の周囲で均等な反り変形抑止効果を達成することができ、不自然な変形を防止することができるからである。

また、本発明においては、半導体素子１と枠体５との間隔があまり狭くなってしまうと、半導体素子１の発熱が枠体５に及ぼす影響が大きくなってしまうため、その間隔をある程度大きく設定すべきであり、半導体素子１の一辺の長さをｄとし、該一辺に対応する配線基板２の一辺の長さをａとしたときに、ｄ／ａ≦０．４の関係を満足させることが重要である。これにより、配線基板２に生じる最大主応力や、半田ボール８に生じるクリープひずみを小さくすることができる。

さらに、本発明においては、配線基板２の厚みをｅ、枠体５の高さと蓋体４の厚みの総和をｆとしたとき、ｅ／ｆ≧０．４の関係を満足させることが好ましい。即ち、配線基板２の厚みに対して、枠体５が高すぎたり、蓋体４が厚すぎたりすると、枠体５の反り変形抑止効果が低下してしまうからである。

また、本発明では、枠体５の一辺において、その外側長さをｂ、内側長さをｃとしたとき、ｃ／ｂ＝０．７〜０．８５の条件を満足するように枠体５の厚みを設定するのがよい。このような条件を満足させることにより、枠体５自体の強度を確保し、その反り変形抑止効果を保持しつつ、反り変形による応力集中を緩和することができ（反りの曲率が大きくなる）、配線基板２や半田ボール８に加わる応力をさらに低減することができるからである。例えば、ｃ／ｂの値が上記範囲よりも小さいと、枠体５の厚みが大きく、その反り変形抑止効果は大きいものの、枠体５の開口面積が小さくなり、反り変形の曲率が小さくなるため、反り変形による応力集中を緩和することができず、応力低減効果が低下してしまう。一方、ｃ／ｂの値が上記範囲よりも大きいと、枠体５が薄肉となってしまい、その強度低下により、反り変形抑止効果が低下してしまうおそれがある。

本発明を次の実験例で説明する。

（実験例）
表１に示すような一辺の長さｄを有する正方形状のシリコン系半導体素子（厚み０．６２５ｍｍ）と、表１に示すような厚みｅを有する正方形の配線基板（一辺の長さａ＝４５ｍｍ，ガラスエポキシ樹脂製）と、表１に示すような内側長さｃ及び内側長さと外側長さとの比ｃ／ｂを有する枠体と、銅製蓋体を使用し、図１に示すような半導体パッケージを作製し、このパッケージをエポキシ樹脂製のプリント基板上に半田ボールを用いて実装した。

上記の実装構造について、半導体素子のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、配線基板の最大主応力、半田ボール相当クリープ歪及び枠体反りを測定し、その結果を表１に示した。尚、表１には、前述したｄ／ａ，ｃ／ｂ，ｅ／ｆの値を併せて示してある。

本発明の半導体パッケージを外部回路基板に実装した状態を示す側断面図である。 図１の実装構造の平面図である。

符号の説明

１：半導体素子
２：配線基板
４：蓋体
５：枠体
８：半田ボール
２０：外部回路基板

Claims (4)

1. 矩形板状の配線基板と、該配線基板の一方の表面に固定された枠体と、該無端状枠体の上面に固定された蓋体と、該配線基板の一方の面の略中央部に搭載され且つ該枠体と蓋体とで形成された空間内に収容された半導体素子とからなる半導体パッケージにおいて、
   前記配線基板の一辺の長さをａ、前記配線基板の一辺に対応する前記半導体素子の一辺の長さをｄとしたときに、ｄ／ａ≦０．４の関係を満足していることを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記配線基板の厚みをｅ、前記蓋体の厚みと枠体の高さとの和をｆとしたとき、ｅ／ｆ≧０．４の関係を満足する請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 前記枠体は、前記配線基板の周縁に沿って配置されているとともに、
   前記枠体の一辺において、その外側長さをｂ、その内側長さをｃとしたときに、ｃ／ｂ＝０．７〜０．８５の関係を満足している請求項１または２に記載の半導体パッケージ。
4. 請求項１記載の半導体パッケージにおける配線基板の他方の面を半田ボールを用いて外部回路基板に実装してなる実装構造。

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