JP3552422B2

JP3552422B2 - ボールグリッドアレイ半導体装置及びその実装方法

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Publication number: JP3552422B2
Application number: JP26471596A
Authority: JP
Inventors: 務後藤; 嘉治原田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2016-10-04
Also published as: JPH10112478A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実装性に優れたボールグリッドアレイ（以下、ＢＧＡという）半導体装置及びその実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、面付実装型のＢＧＡパッケージがある。このＢＧＡパッケージとは、回路配線を有する配線基板に半導体チップを搭載し、回路配線と半導体チップをＡｕワイヤー等で電気的に接続したのち、封止樹脂で半導体チップ及びＡｕワイヤーを封止したものを示し、また、配線基板の裏面には半導体チップと電気的に接続された複数の電極が設けられており、この電極上にはんだバンプを形成して外部電極としている。
【０００３】
そして、このＢＧＡパッケージを前記電極に対向する電極を有する実装基板上に位置決めして搭載し、ＢＧＡパッケージ及び実装基板を加熱することによりはんだバンプをリフローして配線基板裏面の電極と実装基板上の電極とを接続するという半導体装置の実装方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、はんだバンプをリフローする際の加熱により配線基板や封止樹脂が熱膨張する。しかしながら、配線基板と封止樹脂の熱膨張率が異なるため、ＢＧＡパッケージに反りが発生してしまう。この反りのために、はんだバンプが実装基板の電極から離れて電気的接続不良が発生したり、又は、はんだバンプが押しつぶされ他のはんだバンプと接触してしまい、ショートするなどの不都合が発生するという問題がある。
【０００５】
本発明は上記問題に鑑みて、ＢＧＡパッケージに発生する反りを抑制し、電気的接続が良好なＢＧＡ半導体装置の実装方法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】
上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。請求項１乃至４に記載の発明においては、裏面にはんだバンプ（１０）を有するボールグリッドアレイパッケージ（１）を、実装基板（２）に実装するＢＧＡ半導体装置の実装方法であって、ＢＧＡパッケージ（１）と実装基板（２）とを接合する接着剤（１１）を形成して、この接着剤（１１）によりＢＧＡパッケージ（１）を固定して加熱処理を施し、はんだバンプ（１０）をリフローすることを特徴とする。具体的には、例えば、請求項３に示すように接着剤（１１）は、ＢＧＡパッケージ（１）の外周部と実装基板（２）とを接合するように形成したり、又は請求項４に示すようにＢＧＡパッケージ（１）の少なくとも４角と実装基板（２）とを接合するように形成したりできる。
【０００７】
ＢＧＡパッケージ（１）を実装基板（２）に実装するに際して、これらを加熱処理してはんだバンプ（１０）をリフローする。このときの加熱処理において、封止樹脂（７）及び配線基板（３）の熱膨張係数が相違するため、ＢＧＡパッケージ（１）に反りが発生しようとする。しかし、接合部材によりＢＧＡパッケージ（１）と実装基板（２）を固定しているため、ＢＧＡパッケージ（１）に反りが発生しようとすると、それを抑制して発生しないようにできる。従って、大きな反りの発生に伴って発生するショートや電気的接続不良を解消することができる。
【０００８】
なお、請求項１、２に記載の発明においては、接着剤（１１）の高さを管理するスペーサー（１３）を接着剤（１１）の中に混入していることを特徴とする。ＢＧＡパッケージ（１）を実装基板（２）に実装するに際して、例えばＢＧＡパッケージ（１）を上方から加圧し実装基板（２）との間隔を少なくするとき等においては接着剤（１１）の高さに変化を及ぼす場合がある。このように、接着剤（１１）にスペーサー（１３）を混入することにより接着剤（１１）の高さを容易に管理することができる。
【０００９】
さらに、請求項５に記載の発明においては、ＢＧＡパッケージ（１）を、実装基板（２）に実装するＢＧＡ半導体装置の実装方法であって、ＢＧＡパッケージ（１）を実装基板（２）上に位置決め配置したのち、ＢＧＡパッケージ（１）の上方から接着剤（１１）を塗布することを特徴とする。
【００１０】
請求項６に記載の発明においては、接着剤（１１）を硬化させる工程は、はんだバンプ（１０）をリフローする工程と同一工程にて行うことを特徴とする。このように、はんだバンプ（１０）をリフローする際の加熱処理と同一工程において接着剤（１１）を硬化させるため、工程数を少なくすることができる。

【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
（第１実施形態）
本発明の一実施形態におけるＢＧＡパッケージ１を実装基板２に搭載して、ＢＧＡ半導体装置を完成させたときの断面図を図１に示す。このＢＧＡパッケージ１は公知の方法により形成され、図１に示すように、ＢＧＡパッケージ１には複数の回路配線を有する配線基板３上に複数の電極を有する半導体チップ４が搭載されており、この半導体チップ４の電極と回路配線とがそれぞれＡｕワイヤー５及びワイヤーボンディングパッド６を介して電気的に接続されている。
【００１２】
そして、半導体チップ４、Ａｕワイヤー５及びワイヤーボンディングパッド６が封止樹脂７で封止されている。配線基板３のうち、半導体チップ４が搭載された面と反対の面には半導体チップ４と電気的に接続された複数の電極８が形成されている。
実装基板２には配線基板３に設けられた複数の電極８と対応するように配置された複数の電極９が設けられている。そして、これらの電極８、９を対向させた状態でＢＧＡパッケージ１は実装基板２の上に搭載されており、ＢＧＡパッケージ１と実装基板２の間にはこれらの電極８、９を電気的に接続するはんだバンプ１０が配設されている。そして、このはんだバンプ１０より外側にあるのは硬化した接着剤１１であり、ＢＧＡパッケージ１と実装基板２に付着している。
【００１３】
また、図２は図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。図２に示すように、ＢＧＡパッケージ１の内側には、はんだバンプ１０がアレイ状に複数配設されている。そして、ＢＧＡパッケージ１の４角には接着剤（接合部材）１１が塗布されている。このＢＧＡパッケージ１は、外形が３０×３０ｍｍの正方形である。
なお、配線基板３はガラスエポキシにて形成されており、このガラスエポキシは例えば熱膨張係数αが１７×１０^−６／°Ｃのものを用いる。また、封止樹脂７はレジンにて形成されており、このレジンは例えば熱膨張係数αが１０×１０^−６〜１４×１０^−６／°Ｃのものを用いる。
【００１４】
次に、本実施形態におけるＢＧＡ半導体装置の実装方法について説明する。図３（ａ）〜（ｄ）に、この実装方法を表す手順図を示す。まず、図３（ａ）に示すように、実装基板２に形成された電極の上に印刷手法により約１５０μｍの高さのクリーム状のはんだペースト１２を印刷する。
次に、図３（ｂ）に示すように、実装基板２のうち、ＢＧＡパッケージ１の４角に対応する位置に接着剤塗布部２ａを印しておき、この接着剤塗布部２ａにディスペンス手法により熱硬化性のアクリル系接着剤１１を塗布する。このとき、接着剤１１は上方から見て接着剤塗布部２ａからはみ出しがないようにし、実装基板２上のＢＧＡパッケージ１のすぐ近くに他の部品を配置する場合等の妨げにならないようにする。
【００１５】
そして、ＢＧＡパッケージ１に形成された複数の電極それぞれに、高さ約５００μｍのはんだバンプ１０を配設しておき、図３（ｃ）に示すように、ＢＧＡパッケージ１を実装基板２上に、これらそれぞれに形成された電極の位置が合うように位置決めして搭載する。
このとき、ＢＧＡパッケージ１を上方から加圧するため、図４に示すように、沈み込み高さＳにおけるはんだバンプ１０がはんだペースト１２に沈み込んだ状態になる。なお、このときの加圧を強めにすると、沈み込み高さＳは略はんだペースト１２の厚さとなり、ＢＧＡパッケージ１と実装基板２の間隔のバラツキが軽減でき、また、初期的な反りを加圧により抑制することができる。
【００１６】
また、接着剤１１を塗布するにあたって、ＢＧＡパッケージ１に接着剤１１を十分に付着させる必要があるため、接着剤１１の粘度を調整するなどして接着剤１１の高さを、はんだバンプ１０とはんだペースト１２を合わせた高さよりも若干高くしている。例えば、実装前におけるはんだバンプ１０の高さが約５００μｍ、はんだペースト１２の高さが約１５０μｍであれば、接着剤１１の高さは６５０μｍ以上の高さにしている。
【００１７】
次に、ＢＧＡパッケージ１及び実装基板２を硬化炉にて約１５０度の温度で加熱処理を施し、接着剤１１を硬化させる。これにより、ＢＧＡパッケージ１と実装基板２とが所定の間隔で接着固定される。なお、この接着剤１１は常温硬化するものを用いて加熱処理を省いても良い。
その後、リフロー炉にてさらに加熱処理を施し、はんだバンプ１０のリフロー温度（１８３度）に達するとはんだバンプ１０が溶け出す。そして、はんだバンプ１０は、はんだペースト１２と混ざり合って一体となり、図３（ｄ）に示すようにＢＧＡパッケージ１及び実装基板２に形成された電極８、９が電気的に接続され、ＢＧＡ半導体装置が完成する。
【００１８】
このときの加熱処理において、封止樹脂７及び配線基板３が熱膨張する。そして、これらの熱膨張係数αが相違するため、温度上昇と共にＢＧＡパッケージ１に反りが発生する。例えば、本実施形態におけるＢＧＡパッケージ１のみをはんだバンプ１０のリフロー温度以上に加熱した場合、熱膨張係数αの関係から下に凸になるような形で約２５０〜５００μｍの反りが発生する。
【００１９】
しかし、このように接着剤１１を硬化させＢＧＡパッケージ１と実装基板２を固定すると、接着剤１１が固定された以後はＢＧＡパッケージ１に反りが発生しようとすると、それを抑制して発生させないようにできる。
ところで、このとき反りが発生すると、発生した反りによってＢＧＡパッケージ１の中央部のはんだバンプ１０が押しつぶされてはんだバンプ１０同士が接触し、ＢＧＡパッケージ１がショートしてしまう。あるいは、発生した反りによってＢＧＡパッケージ１の外周部近傍（例えば、ＢＧＡパッケージ１の４角）のはんだバンプ１０がはんだペースト１２から離れてしまい、実装基板２の電極から離れて接続不良を起こす。
【００２０】
しかし、このように接着剤１１を硬化させてＢＧＡパッケージ１と実装基板２を固定させることにより上記不具合を解消することができる。
また、接着剤１１は、この反りの影響が発生して上記した不具合が生じる以前に硬化させる必要がある。具体的には、本実施形態においてはＢＧＡパッケージ１は、下に凸になるよう反りが発生しようとするため、ＢＧＡパッケージ１の中央部のはんだバンプ１０が押しつぶされてはんだバンプ１０同士が接触せず、ＢＧＡパッケージ１の外周部近傍のはんだバンプ１０がはんだペースト１２から離れない程度、に反りを抑えることができるように接着剤１１を硬化させる必要がある。
【００２１】
具体的には、本実施形態におけるＢＧＡパッケージ１の大きさの場合、反りが３００μｍ以上発生するとはんだバンプ１０が潰れてしまい、また、はんだバンプがはんだペースト１２に沈み込んだ沈み込み高さＳよりも大きい場合にははんだバンプ１０がはんだペースト１２から離れてしまう。つまり、はんだバンプ１０がはんだペースト１２に沈み込んだ、沈み込み高さＳ以下の反りであれば十分に上記不具合は発生しない。
【００２２】
そして、本実施形態に示すアクリル系接着剤１１は約１５０度で硬化するため、ＢＧＡパッケージ１の反りを上述した程度の反りに抑えることができる。また、はんだバンプ１０のリフロー温度は約１８３度であり、これを超える温度まで加熱するが、接着剤１１が硬化してからそれ以上の温度に至るまで、ＢＧＡパッケージ１の反りを抑制することができる。
（第２実施形態）
本実施形態におけるＢＧＡ半導体装置を図５に示す。なお、これらの基本的構成は、図１において示される第１実施形態と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
【００２３】
本実施形態において第１実施形態と異なる点は、配線基板３の材質が封止樹脂７の材質より熱膨張係数αが小さいことと、接着剤１１にスペーサー１３を混入していることである。
つまり、配線基板３は、ガラスエポキシにて形成されており、このガラスエポキシは例えば熱膨張係数αが１３〜１５×１０^−６／℃のものを用いる。また、封止樹脂７はレジンにて形成されており、このレジンは例えば熱膨張係数αが２０×１０^−６／℃のものを用いる。
【００２４】
そして、図５に示すように、ＢＧＡパッケージ１の４角に塗布された接着剤には銅製で径が４００μｍの球形上をしたスペーサー１３が混入されている。なお、ＢＧＡパッケージ１の外形は一辺が３０ｍｍ、はんだバンプ１０の高さは５００μｍ、はんだペースト１２の高さは１５０μｍであり、第１実施形態と同様である。
【００２５】
本実施形態におけるＢＧＡ半導体装置の実装手順は第１実施形態同様であるが、この実装手順において、ＢＧＡパッケージ１を実装基板２に搭載後にＢＧＡパッケージ１の上方から加圧してはんだバンプ１０をはんだペースト１２に所定高さＳ沈み込ませている。この際に、接着剤１１の高さが変化するが、スペーサー１３を接着剤１１に混入することによりこの高さを一定にするという高さ管理が容易になる。
【００２６】
次に、実装における作用について第１実施形態と異なる点を説明する。前述したように、配線基板２及び封止樹脂７の熱膨張係数αの関係からＢＧＡパッケージ１が、上に凸になるような反りが発生しようとする。そして、この反りが発生しようとするのを硬化させた接着剤にて抑制している。しかしながら、接着剤が硬化する以前において、実装に不具合が発生する程の反りではないが、少量の反りが発生する。
【００２７】
つまり、ＢＧＡパッケージ１が上に凸になるような反りが発生しようとするため、ＢＧＡパッケージ１の４角は、実装基板２方向に反ろうとする。しかし、本実施形態においては接着剤１１にスペーサー１３を混入しているため、このスペーサー１３がＢＧＡパッケージ１の４角を支えており、ＢＧＡパッケージ１と実装基板２の間隔をスペーサー１３の大きさ分は確保でき、反りの影響が緩和できる。従って、ＢＧＡパッケージ１を実装基板２に実装するに際して、はんだバンプ１０が潰れることによるショート等をさらに防止することができる。
（第３実施形態）
本実施形態におけるＢＧＡ半導体装置の基本的構成は、図１において示される第１実施形態と同様であるため省略する。図６に本実施形態におけるＢＧＡパッケージ１の実装手順を示す。
【００２８】
図６（ａ）〜（ｄ）に、この実装方法を示す手順図を示す。まず、図６（ａ）に示すように、実装基板２に形成された電極の上に印刷手法によりクリーム状のはんだペースト１２を印刷する。
次に、ＢＧＡパッケージ１に形成された複数の電極それぞれにはんだバンプ１０を配設し、図６（ｂ）に示すように、ＢＧＡパッケージ１を実装基板２上に、これらそれぞれに形成されたはんだペースト１２の位置が合うように位置決めして搭載する。このとき、はんだバンプ１０及びはんだペースト１２の厚さによりＢＧＡパッケージ１及び実装基板２の間には所定の間隙が存在する。
【００２９】
次に、図６（ｃ）に示すように、ＢＧＡパッケージ１の４角に、ＢＧＡパッケージ１の上方からアクリル系接着剤１１を垂らす。この接着剤１１は、上記間隙に入り込み図６（ｄ）に示すような状態となる。
そして、ＢＧＡパッケージ１及び実装基板２をリフロー炉に通して加熱処理する。この加熱処理において接着剤１１が硬化し、ＢＧＡパッケージ１と実装基板２とを上記間隙と同等の間隔で接着固定する。そして、さらに加熱を進めるとリフロー温度に達してはんだバンプ１０およびはんだペースト１２が溶けて、図３（ｄ）に示すようにＢＧＡパッケージ１及び実装基板２に形成された電極が電気的に接続されＢＧＡ半導体装置が完成する。
【００３０】
このように、接着剤１１でＢＧＡパッケージ１及び実装基板２を固定しているため、ＢＧＡパッケージ１に発生しようとする反りを抑制でき、第１実施形態同様にＢＧＡ半導体装置におけるショート、接続不良を防ぐことができる。
（他の実施形態）
図２に示すように第１実施形態においては接着剤１１をＢＧＡパッケージの４角に塗布しているが、これは４角が最大の反りを発生する部分であるためであり、この他に例えば４辺のそれぞれに１箇所づつ接着剤１１を塗布しても良いし、また、ＢＧＡパッケージ１の外周全てに接着剤１１を塗布しても良い。また、接着剤１１を、例えばＢＧＡパッケージ１の中央部のうち、はんだバンプ１０が形成されていない部分に塗布すればさらにＢＧＡパッケージ１の反りを抑制することができる。
【００３１】
第１、第２実施形態において、リフロー炉における加熱処理のときに接着剤１１を硬化させているため、接着剤１１を硬化させるためのみ必要とする工程を排除することができる。なお、一般的に、リフロー炉において加熱処理を行うのは時間的限界があるため、この場合には接着剤１１は短時間で硬化するものが好ましい。
【００３２】
また、第１〜第３実施形態において、配線基板３や封止樹脂７の材質を挙げたが、これらは単なる例示であり、配線基板３の材質の熱膨張係数αと封止樹脂７の材質の熱膨張係数αについては、いずれが大きくとも良く、さらには同じであっても良い。
また、第２実施形態ではＢＧＡパッケージ１が上に凸になり、このときにおいてスペーサー１３を用いているが、これと同様に第１実施形態のようにＢＧＡパッケージ１が下に凸になる場合において、接着剤１１の高さを容易に管理するために、接着剤１１にスペーサー１３を混入してもよい。
【００３３】
なお、このスペーサー１３は銅製で球形状のものを用いているが同様の働きをする例えば円筒形状のものや直方体形状のものを用いてもよく、材質も銅製に限らずに適用することができる。また、上述のようにＢＧＡパッケージ１の中央部のうち、はんだバンプ１０が形成されていない部分に塗布する場合には、そこにスペーサー１３を混入してもよい。なお、スペーサー１３の形状、材質は第２実施形態に示したものでなくても良い。
【００３４】
第１、第２実施形態における封止樹脂７や回路基板６の材質は例示であり、他の材質を用いてもよい。また、第１、第２実施形態においては接着剤１１の材質を例示したが、封止樹脂７や回路基板の材質によりＢＧＡパッケージ１の反り方等が異なるため、その反り方等に合った温度で硬化する接着剤１１を選択して用いれば上記効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態において、ＢＧＡ半導体装置の断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】第１実施形態における実装手順図である。
【図４】図３において、はんだバンプ１０近傍の部分拡大図である。
【図５】第２実施形態において、ＢＧＡ半導体装置の断面図である。
【図６】第３実施形態における実装手順図である。
【符号の説明】
１…ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）パッケージ、２…実装基板、
３…配線基板、４…半導体チップ、７…封止樹脂、８…配線基板の電極、
９…実装基板の電極、１０…はんだバンプ、１１…接着剤、
１２…はんだペースト

Claims

裏面に複数のはんだバンプ（１０）が設けられたボールグリッドアレイパッケージ（１）を、実装基板（２）上に位置決め搭載して前記実装基板（２）に実装するボールグリッドアレイ半導体装置の実装方法において、
前記ボールグリッドアレイパッケージ（１）と前記実装基板（２）とを接合し、前記はんだバンプ（１０）のリフロー温度よりも低温で硬化する接着剤（１１）を形成する工程と、
前記接着剤（１１）を硬化させる工程と、
前記接着剤（１１）によりボールグリッドアレイパッケージ（１）を固定して加熱処理を施し、前記はんだバンプ（１０）をリフローする工程と、を備え、
前記接着剤（１１）内には、前記接着剤（１１）の高さを管理するスペーサー（１３）が混入されていることを特徴とするボールグリッドアレイ半導体装置の実装方法。
裏面に複数のはんだバンプ（１０）が設けられているボールグリッドアレイパッケージ（１）を、
複数の電極（９）を有し、前記電極（９）のそれぞれにクリーム状のはんだペースト（１２）が形成された実装基板（２）上に位置決め搭載して、前記実装基板（２）方向に加圧し、前記はんだバンプ（１０）を前記はんだペースト（１２）に所定の高さ（Ｓ）沈み込ませ、
前記実装基板（２）に実装するボールグリッドアレイ半導体装置の実装方法において、
前記ボールグリッドアレイパッケージ（１）と前記実装基板（２）とを接合し、前記ボールグリッドアレイパッケージ（１）が前記所定の高さ（Ｓ）と同等量反る以前に硬化する接着剤（１１）を形成する工程と、
前記接着剤（１１）を硬化させる工程と、
前記接着剤（１１）によりボールグリッドアレイパッケージ（１）を固定して加熱処理を施し、前記はんだバンプ（１０）をリフローする工程と、
を備え、
前記接着剤（１１）内には、前記接着剤（１１）の高さを管理するスペーサー（１３）が混入されていることを特徴とするボールグリッドアレイ半導体装置の実装方法。
前記接着剤（１１）は、前記ボールグリッドアレイパッケージ（１）のうち、前記はんだバンプ（１０）よりも外側の外周部と前記実装基板（２）とを接合するように形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のボールグリッドアレイ半導体装置の実装方法。
前記接着剤（１１）は、少なくとも前記ボールグリッドアレイパッケージ（１）の４角と前記実装基板（２）とを接合するように形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のボールグリッドアレイ半導体装置の実装方法。
裏面に複数のはんだバンプ（１０）が設けられているボールグリッドアレイパッケージ（１）を、実装基板（２）に実装するボールグリッドアレイパッケージの実装方法において、
前記ボールグリッドアレイパッケージ（１）を前記実装基板（２）上に位置決めして搭載する工程と、
前記ボールグリッドアレイパッケージ（１）の少なくとも４角と前記実装基板（２）が接合するように、所定温度で硬化する接着剤（１１）を前記ボールグリッドアレイパッケージ（１）の上方から塗布する工程と、
前記接着剤（１１）を硬化する工程と、
前記硬化した接着剤（１１）によりボールグリッドアレイパッケージ（１）を固定して加熱処理を施し、前記はんだバンプ（１０）をリフローする工程と、を備えることを特徴とするボールグリッドアレイ半導体装置の実装方法。
前記接着剤（１１）を硬化させる工程は、前記はんだバンプ（１０）をリフローする工程と同一工程にて行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のボールグリッドアレイ半導体装置の実装方法。
回路配線及び、裏面に前記回路配線と電気的に接続された複数の電極（８）を有する配線基板（３）と、
前記配線基板（３）上に搭載され、前記回路配線と電気的に接続された半導体チップ（４）と、
前記配線基板（３）及び半導体チップ（４）を封止した封止樹脂（７）と、
前記配線基板（３）に設けられた複数の電極（８）に対向する複数の電極（９）を有する実装基板（２）と、
前記配線基板（３）に設けられた複数の電極（８）と前記実装基板（２）に設けられた複数の電極（９）を電気的に接合したはんだバンプ（１０）と、
前記配線基板（３）と前記実装基板（２）とを接合した接着剤（１１）とを備え、
前記接着剤（１１）内には、前記接着剤（１１）の高さを管理するスペーサー（１３）が混入されていることを特徴とするボールグリッドアレイ半導体装置。