JP5157455B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプの半導体装置、その半導体装置を実装するプリント配線基板、及びそれらの接続構造に関するものである。
電子機器の軽薄短小化及び高速・高機能・多機能化への進展に伴い、半導体装置の高密度実装の要求が強くなっている。半導体装置の形態としては、外部電極端子としてペリフェラル状に設けられるリードタイプの半導体装置から、下面に格子状にはんだボールが配置されるＢＧＡタイプの半導体装置の採用が増加している。さらに、ＢＧＡタイプの半導体装置の小型・薄型化に伴い、シリコンチップとほぼ同じサイズの半導体装置であるＣＳＰ（Chip Scale Package/Chip Size Package）の採用が進んでいる。また、より高密度実装を実現するために、複数のシリコンチップを搭載する半導体装置であるマルチチップのパッケージやモジュール等も実用化されている。今後も、電子機器のさらなる発展と共に、半導体装置の小型化や高機能化が要求されることが考えられる。
半導体装置の小型化や高機能化は、その外部電極端子の狭ピッチ化や多ピン化を伴う。外部電極端子の狭ピッチ化は、外部電極端子のサイズを小さくすると共に外部電極端子間のピッチを狭くすることで対応しており、現在、ＳＭＴ実装が可能な最小のピッチは０．４ｍｍであり、さらなる狭ピッチ化の技術開発が進められている。一方、外部電極端子の多ピン化については、外部電極端子を半導体装置の下面に配置するとき、半導体装置のシリコンチップを載せているインターポーザのサイズを調整して決められるが、電極端子数が多い場合には、インターポーザのサイズを広げて、つまり半導体装置の大型化により対応している。
図１は、従来のＢＧＡタイプの半導体装置を示す断面図である。この半導体装置１００においては、シリコンチップ１０１がインターポーザ１０２に搭載されており、また、はんだ１０４付けした外部電極端子１０３がインターポーザ１０２に形成されている。外部電極端子１０３の狭ピッチ化は、電極端子自体を小さくし、電極端子間の距離を小さくすることにより行われているが、電極端子数が多い場合には、インターポーザ１０２のサイズを大きくして電極端子を収容しているのが実情である。
特開２０００−２６１１２１号公報には、半導体装置のサイズや実装するプリント配線板の面積を大型化することなく外部電極端子数を増やす方法が提案されている。図２は、特開２０００−２６１１２１号公報で提案された半導体装置及びその実装方法を示している。これは、ＰＧＡ（Pin Grid Array）タイプの半導体装置に関するものであり、その半導体装置１１１は、ピン状電極１１２の根元に筒状絶縁体１１４を介して同軸電極１１５が形成されてなるものである。このＰＧＡ型半導体装置のプリント配線板への実装方法は、以下の方法で実現されている。先ず、プリント配線板１１８のスルーホール１１９の周囲にペースト状はんだ１１７を塗布し、次にＰＧＡ型半導体装置１１１のピン状電極１１２をプリント配線板１１８のスルーホール１１９に挿貫する。次に、ペースト状はんだ１１７を溶融接合するためのリフロー加熱を行い、次いでピン状電極１１２をスルーホール１１９にはんだ接合するためのフロー加熱を行なう。
しかしながら、上述した従来技術には以下のような幾つかの課題がある。
図１に示した従来のＢＧＡタイプの半導体装置１００において、はんだ１０４付けされた外部電極端子１０３の狭ピッチ化は、現在のＳＭＴ実装技術を用いて実装できる最小のピッチとして約０．４ｍｍが限界であり、これ以下の狭ピッチ化は技術開発が進められている段階である。また、配置できる外部電極端子数は、外部電極端子のピッチと半導体装置の面積との両方で決まることになり、半導体装置の下面に約０．４ｍｍピッチで正方格子状に配置した場合が最も多い数となるが、さらに、半導体装置のインターポーザ１０２のサイズを大きくすることにより、多くの外部電極端子を配置することが可能となる。
しかしながら、インターポーザ１０２のサイズを大きくすることは、半導体装置１００が大きくなることになり、小型化と逆行してしまう。さらに、半導体装置のサイズが大きくなると、半導体装置とプリント配線板とを接続するはんだに生じる歪みが大きくなり、信頼性が低下する要因となる。
また、上記の特開２０００−２６１１２１号公報には、半導体装置１１１のサイズを大きくすることなく多ピン化する方法が提案されている。しかし、これは、ＰＧＡ型半導体装置１１１とスルーホール１１９を有するプリント配線板１１８とを対象にしたものである。このＰＧＡ型半導体装置１１１はプリント配線板のスルーホール１１９に挿入して実装されるタイプの部品であるため、部品挿入用のスルーホール１１９を持たない表面実装用基板には用いることができない。一方、挿入実装用部品と表面実装用部品とが混在する場合には、上記ＰＧＡ型半導体装置を用いることができるが、搭載プロセスにおいて、リフローはんだ付けとフローはんだ付けとを組み合わせた複雑なプロセスが必要となるという問題がある。
また、上記の特開２０００−２６１１２１号公報において、ＰＧＡ型半導体装置１１１の外部電極端子が有する同軸電極１１５部分を残し、且つピン状電極１１２を切断して表面実装に用いようとすると、プリント配線板１１８に形成されている電極パッドと、半導体装置１１１が備えるピン状電極１１２の切断面部分及び同軸電極１１５部分とをそれぞれ接続するためのはんだを供給する必要がある。このとき、供給するはんだ量はメタルマスク条件により制御することになる。しかし、プリント配線板側の電極パッドには、ピン状電極１１２の切断面部分を受けるパッドと同軸電極１１５部分を受けるパッドとの間を絶縁するものがないため、半導体装置１１１を搭載したときブリッジ等が発生し易いと考えられる。さらに、ＰＧＡ型半導体装置１１１の外部電極端子のピッチは通常２．５４ｍｍであり、ピン状電極１１２を切断して表面実装に用いても、ＢＧＡタイプの半導体装置と比較すると高密度実装にすることは難しい。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、半導体装置の外部電極端子の狭ピッチ化や半導体装置のサイズの大型化をすることなく実装可能な、多ピンの外部電極端子を有するＢＧＡタイプの半導体装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そうした半導体装置を実装するプリント配線基板を提供することにある。
また、本発明の更に他の目的は、多ピンの外部電極端子を有するＢＧＡタイプの半導体装置と、その半導体装置を実装するプリント配線基板そうした半導体装置との接続構造を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の半導体装置は、プリント配線板に搭載される側の面に外部電極端子が形成されたＢＧＡタイプの半導体装置であって、前記外部電極端子は、柱状電極と、当該柱状電極の周囲に設けられた絶縁層と、当該絶縁層の周囲に設けられた輪状電極とを有し、前記外部電極端子の表面には、前記柱状電極の表面と前記輪状電極の表面とを繋ぐバンプ状のはんだ層が形成されている。
この発明によれば、柱状電極の周りに絶縁層を介して輪状電極が形成されてなる外部電極端子を有するので、従来のＢＧＡタイプの半導体装置では１つの電気接続部分であった電極端子を、柱状電極と輪状電極とからなる２つの電気接続を可能とする電極端子にすることができる。その結果、電極端子の単位数当たりの面積を約半分にすることができ、電極端子の狭ピッチ化や半導体装置の大型化をすることなく、多ピンの外部電極端子を有するＢＧＡタイプの半導体装置を提供することができる。また、この発明によれば、柱状電極の表面と輪状電極の表面とを繋ぐバンプ状のはんだ層が形成されているが、このバンプ状のはんだ層は、プリント配線板に搭載した後のリフロー時に溶解し、その際のはんだの表面張力により、はんだは絶縁層の両側の柱状電極と輪状電極とに分かれる。その結果、柱状電極と輪状電極は、それぞれに対応するプリント配線板の電極にそれぞれはんだ付けされる。
本発明の半導体装置においては、前記絶縁層の高さが、前記柱状電極の高さとほぼ同じであってもよい。この発明によれば、絶縁層の高さが柱状電極の高さとほぼ同じであるので、柱状電極の周りに形成された絶縁層がプリント配線板の絶縁基板に当たった後にその柱状電極とプリント配線板に形成された電極とをはんだ付けすることができる。その結果、柱状電極のはんだと、輪状電極のはんだとが電気接続することなく、半導体装置をプリント配線板に実装できる。
また、本発明の半導体装置においては、前記絶縁層の高さが、前記輪状電極の高さとほぼ同じであってもよい。この発明によれば、絶縁層の高さが輪状電極の高さとほぼ同じであるので、外部電極端子を埋め込むための穴（ビア）の大きさを小さくすることができるという利点がある。
従来のＢＧＡタイプの半導体装置を示す断面図である。 従来の半導体装置及びその実装方法を示す図である。 本発明の半導体装置の一例を示す模式断面図である。 本発明の半導体装置の他の一例を示す模式断面図である。 本発明の半導体装置の更に他の一例を示す模式断面図である。 図３に示す半導体装置を構成するシリコンチップ搭載基板の製造方法の一例を示す工程図である。 図３に示す半導体装置を構成するシリコンチップ搭載基板の製造方法の他の一例を示す工程図である。 半導体装置を構成するシリコンチップ搭載基板が多層基板である場合の製造方法の一例を示す工程図である。 本発明の第１の実施の形態に用いられるプリント配線板の製法を示す工程図である。 本発明のプリント配線板の一例を示す模式断面図である。 図９に示すプリント配線板の製造方法の一例を示す工程図である。
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（半導体装置）
図３は、本発明の半導体装置の一例を示す模式断面図である。図３に示す半導体装置１は、ＢＧＡタイプの半導体装置であって、シリコンチップ搭載基板１４（以下、単に「基板１４」という。）と、基板１４の一方の面に搭載されたシリコンチップ１０と、基板１４を貫通するように形成されてその先端が他方の面に現れる外部電極端子９とを有している。外部接続端子９は、シリコンチップ１０から引き出されたワイヤ１１に接続されたものであり、柱状電極１７と、その柱状電極１７の周囲に設けられた絶縁層１６と、その絶縁層１６の周囲に設けられた輪状電極１５とで構成されている。この半導体装置１は、絶縁層１６を挟んだ柱状電極１７と輪状電極１５とが電極端子として作用し、プリント配線板（図１１を参照）の電極にはんだ接続されて実装される。
基板１４は、シリコンチップ１０を搭載すると共に、そのシリコンチップ１０から引き出した配線を外部電極端子９に配線できるものであればその形態は特に限定されない。例えば図３に示すような絶縁基板１４ａの両面に銅配線パターン１４ｂ，１４ｃが形成された形態からなるものであってもよいし、後述の図５に示すような多層基板３４からなるものであってもよい。基板１４としては、例えばポリイミドやエポキシ等の樹脂基板や、その樹脂基板にガラス等の繊維を含む基板等を挙げることができる。基板１４の厚さは、通常５０〜１００μｍ程度であるが、これに限定されない。
外部電極端子９は、図３に示すように、柱状電極１７と、その柱状電極１７の周囲に設けられた絶縁層１６と、その絶縁層１６の周囲に設けられた輪状電極１５とで構成されている。この外部電極端子９は、絶縁層１６を挟んだ柱状電極１７と輪状電極１５とが電極端子としてそのまま露出したものであってもよいし、図３に示すように柱状電極１７と輪状電極１５とを覆うボール状のはんだ１８を予め形成したものであってもよい。
柱状電極１７は、図３に示すように、シリコンチップ１０が搭載された基板面に形成された配線パターン１４ｂと接続し、輪状電極１５は、シリコンチップ１０が搭載された基板面の反対面に形成された配線パターン１４ｃと接続している。柱状電極１７としては、銅、ニッケル等の良導電性の金属からなることが好ましく、その寸法としては、例えば直径５０〜１００μｍ程度で、輪状電極１５よりも約５０μｍ突出した形態を例示できるが、この寸法に限定されない。
一方、輪状電極１５も、銅、ニッケル等の良導電性の金属からなることが好ましい。また、輪状電極１５の外径としては、図１に示した従来の半導体装置１００の電極パッド１０３の外径と同じにすることもできるし、異なる寸法にすることもできる。また、輪状電極４９の他の寸法も電極ピッチや基板の仕様等によって任意に変えることができる。例えば、輪状電極４９のピッチが約０．５ｍｍの場合は輪状電極４９の外径は約２５０μｍとなり、輪状電極４９のピッチが約０．８ｍｍの場合は輪状電極４９の外径は約４５０μｍとなる。また、輪状電極４９の輪の幅が例えば５０〜１５０μｍ程度となるように、輪状電極４９の内側が開口される。
絶縁層１６は、柱状電極１７と輪状電極１５とに挟まれるように設けられている。柱状電極１７と輪状電極１５とで挟まれる方向の厚さは、通常２０〜１００μｍ程度であることが好ましい。絶縁層１６の前記方向の厚さが２０μｍ未満では、プリント配線板にリフローされて実装した後における柱状電極１７と輪状電極１５との間ではんだが繋がってしまうことがある。一方、絶縁層１６の前記方向の厚さが１００μｍを超えると、その絶縁層１６の周りに形成される輪状電極１５が大きくなるので、外部電極端子９の狭ピッチ化を実現しにくいという難点がある。
絶縁層１６の高さ、すなわち図３の上下方向での絶縁層１６の高さは、柱状電極１７の高さ以下であって輪状電極１５の高さ以上であれば特に限定されない。この範囲の高さで絶縁層１６を形成することにより、その外部電極端子９に設けたはんだペーストがリフロー加熱により溶融はんだになると、その溶融はんだは各電極に濡れ広がるが、溶融はんだ自身の表面張力と、この絶縁層１６の存在とにより、溶融はんだが分離され、それぞれの電極毎のはんだ接続が可能となる。
なお、絶縁層１６の高さは、輪状電極１５柱状電極１７の高さとほぼ同じであってもよいし、輪状電極１５の高さとほぼ同じであってもよい。ここでの「ほぼ同じ」とは、本願においては、およそ±２０μｍ以下の差である場合をいう。絶縁層１６の高さを柱状電極１７の高さとほぼ同じにした場合には、柱状電極１７の周りに形成された絶縁層１６がプリント配線板の絶縁基板に当たった後にその柱状電極１７とプリント配線板に形成された電極とをはんだ付けすることができる。その結果、柱状電極１７のはんだと、輪状電極１５のはんだとが電気接続することなく、半導体装置をプリント配線板に実装できる。また、絶縁層１６の高さを輪状電極１５の高さとほぼ同じにした場合には、外部電極端子９を埋め込むための穴（ビア）の大きさを小さくすることができるという利点がある。
外部電極端子９の表面には、はんだ層が形成されていてもいなくてもよいが、図３に示すように、柱状電極１７の表面と輪状電極１５の表面とを繋ぐバンプ状のはんだ層１８が形成されていることが好ましい。バンプ状のはんだ層１８は、例えばペースト状はんだを外部電極端子９上に設ける方法や、ボール状のはんだを搭載する方法によって形成することができる。こうした形態で形成されたはんだ層１８は、半導体装置１をプリント配線板に搭載した後のリフロー時に溶解し、その際の溶融はんだの表面張力により、その溶融はんだは絶縁層１６の両側の柱状電極１７と輪状電極１５とに分かれる。その結果、柱状電極１７と輪状電極１５は、それぞれ別個にはんだ付けされた形態となり、それぞれに対応するプリント配線板の電極（下層電極と上層電極）に対し、そのはんだを介してはんだ付けされる。
本発明の半導体装置１は、こうした柱状電極１７と輪状電極１５とで外部電極端子９が構成されているので、外観上は従来のＢＧＡタイプの半導体装置の構造であっても、１つの電極であった部分を２つの電極にすることができる。
なお、半導体装置１を構成するシリコンチップ１０は特に限定されず、ワイヤボンディング型のものであっても、ボールボンディング型のものであってもよい。また、ワイヤボンディングに用いられるワイヤ１１は、通常の金ワイヤ等を用いることができる。また、図３に示すように、通常、シリコンチップ１０は接着剤１２によって基板１４に接合されるが、接着剤を用いる方法以外の方法で基板１４上に接合してもよい。接着剤１４の種類等は特に限定されず、同様の用途に使用される接着剤を使用することができる。シリコンチップ１０をワイヤボンディング等で基板１４に配線した後、そのシリコンチップ１０は封止樹脂１３で覆われる。封止樹脂１３の種類等は特に限定されず、同様の用途に使用される封止樹脂を使用することができる。
図４は、本発明の半導体装置の他の一例を示す模式断面図である。図４に示す半導体装置３０は、外部電極端子９’に形成されたはんだが、輪状電極１５のみに形成されたはんだバンプ３２と、柱状電極１７のみに形成されたはんだバンプ３３とに分かれていることに特徴を有した半導体装置である。すなわち、絶縁層１６を挟む両電極１５，１７それぞれにはんだバンプが形成されている。なお、この外部電極端子９’以外の構成は図３に示した半導体装置１と同じ構成であるので、図４に示す半導体装置３０においては同じ符号を用いてその説明を省略する。
こうした形態の外部電極端子９’は、その外部電極端子９’にはんだを供給するとき、印刷法により少量のペースト状はんだを供給した後に溶融させることにより、溶解したはんだの表面張力で、柱状電極１７の表面と輪状電極１５の表面とにそれぞれ濡れ広がり、それぞれ別々にはんだバンプ３２，３３が形成される。このような構造の外部電極端子９’をもつ半導体装置３０は、半導体装置３０を製造した後でプリント配線板に搭載する前の段階で検査を行なうことができるという利点がある。
図５は、本発明の半導体装置の更に他の一例を示す模式断面図である。図５に示す半導体装置３１は、シリコンチップ搭載基板が多層基板３４であることに特徴を有した半導体装置である。この半導体装置３１は、マルチチップモジュールやマルチチップパッケージのように複数個のシリコンチップを搭載することができる。多層基板３４としては、複数個のシリコンチップを用いた場合に、多くの配線を引き回すことができるように従来公知の手法で設計された各種ものを使用可能である。例えば、図５の半導体装置３１においては、銅配線パターン及びスルーホール等が形成された３枚の絶縁基板３４ａ，３４ｂ，３４ｃが積層された多層基板３４上に、同種又は異種のシリコンチップ１０ａ，１０ｂが複数搭載されている。そして、外部電極端子９”には、それらのシリコンチップ１０ａ，１０ｂから銅配線パターンやスルーホール等を経由して配線されている。なお、この多層基板３４以外の構成は図３に示した半導体装置１と同じ構成であるので、図５に示す半導体装置３１においては同じ符号を用いてその説明を省略する。
（半導体装置の製造方法）
次に、本発明の半導体装置を製造する方法について、主に基板（シリコンチップ搭載基板）の工程フローを図示して説明する。図６は、図３に示した半導体装置１を構成するシリコンチップ搭載基板１４の製造方法の一例を示す工程図である。
まず、図６（ａ）に示すように、絶縁基板４２の両面に銅箔４１が貼付された厚さ５０〜１００μｍ程度の基板を準備する。次に、絶縁基板４２両面の銅箔４１，４１上に厚さ５０μｍ程度のレジスト４３，４３を形成した後、露光・現像して不要部分の銅箔を除去し、図６（ｂ）に示すように、シリコンチップが搭載される側の面には所定形状の銅配線パターン４４を形成し、その反対面には、最終的に図６（ｆ）に示す輪状電極４９となる配線パターンを形成する。なお、輪状電極４９になる配線パターンの外径は、図１に示した従来の半導体装置１００の電極パッド１０３の外径と同じにすることもできるし、異なる寸法にすることもできる。また、輪状電極４９になる配線パターンの他の寸法も電極ピッチや基板の仕様等によって任意に変えることができる。例えば、輪状電極４９になる配線パターンのピッチが０．５ｍｍの場合は、その外径は約２５０μｍとなり、輪状電極４９になる配線パターンのピッチが０．８ｍｍの場合は、その外径は約４５０μｍとなる。一方、輪状電極４９になる配線パターンの内側を開口は、輪の部分の幅が例えば５０〜１５０μｍ程度となるように銅箔を除去して形成される。
次に、炭酸レーザー等を用いて絶縁基板４２に直径５０〜１００μｍ程度の穴を形成し、穴の内壁をクリーニングした後、図６（ｃ）に示すように、化学めっきで穴の中を導電物４５で埋める。導電物４５としては、銅、ニッケル等の金属を用いることができる。穴の中を導電化するめっき以外の方法としては、導電性ペーストを用いた印刷法等を挙げることができる。次いで、図６（ｄ）に示すように、輪状電極４９の内側の開口内に絶縁層４６を形成する。絶縁層４６の形成方法としては、印刷法により選択的に供給する方法や、液状の感光性樹脂を全面に塗布した後、露光・現像によって形成してもよい。
次に、再度、炭酸レーザー等で、導電物４５を形成した穴の位置と同じところに同じ径の穴を明け、図６（ｅ）に示すように、再度、めっき又は導電性ペーストを埋める。次いで、レジスト４３を除去し、最後に、必要に応じて、ＳＲ（ソルダーレジスト）４７を形成する。
なお、輪状電極１５への配線は図６では示していないが、例えば、感光性材料の塗布、露光及び現像、次いで銅箔のエッチング、と言う工程により形成される。
以上の工程により、直径５０〜１００μｍ程度で、約５０μｍ飛び出した柱状電極４８と、輪の幅が５０〜１５０μｍ程度の輪状電極４９とを備えた、シリコンチップ搭載基板１４を得ることができる。こうしたシリコンチップ搭載基板１４において、例えば外部電極端子９のピッチが０．５ｍｍの場合、輪状電極４９の外径を約２５０μｍとし、輪の幅を約５０μｍとし、柱状電極４８の直径を約５０μｍとすると、絶縁層４６は約５０μｍの厚さで柱状電極４８の周囲に形成されることになる。また、例えば外部電極端子９のピッチが０．８ｍｍの場合、輪状電極４９の外径を約４５０μｍとし、輪の幅を約１００μｍとし、柱状電極４８の直径を約１００μｍとすると、絶縁層４６は約７５μｍの厚さで柱状電極４８の周囲に形成されることになる。
図３に示した半導体装置１は、こうして得られたシリコンチップ搭載基板１４に接着剤１２を介してシリコンチップ１０を搭載し、ワイヤボンディング１１でシリコンチップ１０の端子と基板１４に形成した配線パターンとを接続した後、その上から樹脂１３で封止し、最後に外部電極端子９上にはんだ１８を供給して製造される。
なお、はんだを供給する方法として、はんだボールを搭載する方法と印刷により供給する方法とを挙げることができる。はんだボールを搭載する方法は、事前にフラックスをはんだ供給面に塗布し、その後、はんだボールを篩等の治工具により、柱状電極を中心にして搭載する。はんだボールは非常に軽いため、フラックスの粘着性により転ぶことなく供給ができる。次いで、リフローにより、はんだボールを溶融することによって、外部電極端子にはんだを付けることができる。一方、印刷により供給する方法は、メタルマスクを用意し、クリームはんだを外部電極端子部に印刷し、次いで、リフローによりクルームはんだを溶融することによって、外部電極端子にはんだを付けることができる。これらの方法により、図３に示した本発明の半導体装置を製造することができる。なお、図３に示した本発明の半導体装置１は、シリコンチップ１０と基板１４との接続はワイヤボンディングで行った例を示しているが、フリップチップ技術やＴＡＢ技術、はんだを溶融して接続する技術を用いてもよい。
次に、本発明の半導体装置を製造する他の方法について、主に基板（シリコンチップ搭載基板）の工程フローを図示して説明する。図７は、図３に示す半導体装置１を構成するシリコンチップ搭載基板１４の製造方法の他の一例を示す工程図であり、図６とは異なる製造方法を示している。
まず、図７（ａ）に示すように、銅箔５１を用意する。次に、図７（ｂ）に示すように、銅箔５１の片側の表面にエポキシ等の樹脂を塗布又は張り合わせて絶縁層５２を形成する。次に、図７（ｃ）に示すように、所定の箇所に炭酸レーザー等を照射して、不要な樹脂を除去する。なお、図７（ｂ）で銅箔５１上に塗布する樹脂として、感光性の絶縁樹脂を用いることができ、その場合には、露光・現像により不要な樹脂を除去することができる。ここで形成する絶縁層５２の厚さは、不要な樹脂を容易に除去することができるように、約５０μｍ以下であることが好ましい。
次に、図７（ｃ）で樹脂を除去した箇所に、電気めっき又は化学めっきにより、図７（ｄ）に示すようなめっき５３を析出させる。めっき金属としては、銅やニッケルが適当である。なお、めっき５３の代わりに、導電性ペーストで埋めてもよい。次に、図７（ｅ）に示すように、エポキシ樹脂等を塗布又は張り合わせによって、絶縁層５４を形成する。次に、図７（ｄ）でめっき５３を形成した箇所のうちの任意の箇所のみに、炭酸レーザー等を照射し、図７（ｆ）に示すように、絶縁層５４を貫通する穴をあける。次に、により、図７（ｆ）で形成された穴に電気めっき又は化学めっきを施し、図７（ｇ）に示すように、めっき５５を析出させる。
さらに、図７（ｈ）に示すように、めっき処理により絶縁層５４の片面にめっき５６の層を形成する。次いで、図７（ｉ）に示すように、めっき５６の上及び裏面の銅箔５１の上にレジスト５７を形成した後、図７（ｊ）に示すように、銅箔５１やめっき５６の不要な部分をエッチングにより除去し、回路６０、輪状電極５８及び柱状電極５９を形成する。なお、図７（ｃ）の工程で不要な樹脂を除去した後に図７（ｄ）の工程でニッケル、金又は錫等のめっき５３を析出させておけば、図７（ｊ）でのエッチング時における輪状電極５８やこの面に形成される回路を保護する効果が期待できる。次に、レジスト５７を剥離した後、ＳＲ（ソルダーレジスト）６１を形成することによって、図７（ｋ）に示すようなシリコンチップ搭載基板が製造される。
図６に示した工程で製造されたシリコンチップ搭載基板の外部電極端子は、輪状電極４９と柱状電極４８との間に設けられた絶縁層４６の高さが、柱状電極４８とほぼ同程度の高さであるが、図７に示した工程で製造されたシリコンチップ搭載基板の外部電極端子は、その絶縁層５２の高さは輪状電極５８とほぼ同程度の高さである。その結果、図７に示した工程で製造されたシリコンチップ搭載基板を用いた半導体装置をプリント配線板に実装すると、柱状電極５９が挿入されるプリント配線板の電極部にあける穴を浅くできるという利点がある。
次に、シリコンチップ搭載基板が多層基板である場合の製造方法について説明する。図８は、半導体装置を構成するシリコンチップ搭載基板が多層基板である場合の製造方法の一例を示す工程図である。
図８（ａ）は通常の配線基板を製造する方法で作製された基板７１である。この基板７１は、両面板でも、多層板でもよい。次に、図８（ｂ）に示すように、基板７１の両面に絶縁層７２を加熱ないし加圧により積層する。次に、得られた基板の片面に、図８（ｃ）に示すように、感光性樹脂層７３を形成する。この感光性樹脂層７３は、液状の樹脂を塗布して形成したものであってもよいし、シート状のものを張り合わせて形成したものであってもよい。次に、図８（ｄ）に示すように、感光性樹脂層７３の不要部分を、露光・現像により除去する。次に、図８（ｅ）に示すように、両面に積層した絶縁層７２，７２に炭酸レーザー等を用いて穴をあける。この穴は、基板７１の両面に設けられている配線部に至る穴である。
次に、図８（ｆ）に示すように、めっき処理により、両面に形成された穴及び基板表面にめっき７４を形成する。次に、図８（ｇ）に示すように、両面のめっき７４表面にレジスト７５を形成し、図８（ｈ）に示すように、両面の不要部分のめっき７４を除去する。これにより、回路７８、輪状電極７６、柱状電極７７を形成する。次に、図８（ｉ）に示すように、レジスト７５を剥離した後、ＳＲ７９を形成して、図８（ｊ）に示す多層基板が得られる。
（プリント配線板）
図９は、本発明のプリント配線板の一例を示す模式断面図である。図９に示す本発明のプリント配線板２は、上記本発明の半導体装置１を実装するための電極パッドである搭載部２６に特徴があり、その搭載部２６以外は通常のビルドアップ基板タイプのプリント配線板と同一構造である。以下においては、主に、搭載部２６について説明する。
本発明のプリント配線板２は、複数の層（図９においては、５つの層２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ）からなる多層配線板であり、半導体装置が搭載される一方の面には、半導体装置からの配線が接続する搭載部２６が形成されており、他方の面には、外部回路に接続する外層回路２２が形成されている。プリント配線板２を構成する各層には内層回路が形成され、また、各層間にはスルーホールや導電部が形成されている。
搭載部２６には、下層部に繋がる穴（以下、ビアという。）２４が形成されており、そのビア２４の底部である下層面には下層電極２８が形成されている。また、ビア２４の周囲の表層には、輪状の上層電極２７が形成されている。こうした構造からなる搭載部２６は、従来では１つの電極であった部分が２つの電極になっている。
電極パッドである搭載部２６は、輪状の上層電極２７と、その中心に下層につながる穴と下層に設けられた下層電極２８からなるが、図９においては、下層電極２８を２層面に形成した例を記載しているが、３層面や４層面に形成してもよい。
プリント配線板２を構成する輪状の上層電極２７の寸法は、その上層電極２７のピッチやプリント配線板２の仕様、またプリント配線板２の製造条件によって変わるが、搭載する半導体装置側の輪状電極の外径とほぼ同一であることが好ましく、また、輪状の上層電極２７の輪の幅が５０〜１５０μｍ程度であることが好ましい。上層電極２７のピッチが０．５ｍｍ程度である場合には、上層電極２７の外径は約２５０μｍであることが好ましく、上層電極２７のピッチが０．８ｍｍ程度である場合には、上層電極２７の外径は約４５０μｍ程度であることが好ましい。
（プリント配線板の作製方法）
次に、本発明のプリント配線板の製造する方法について説明する。図１０は、図９に示すプリント配線板の製造方法の一例を示す工程図である。まず、図１０（ａ）に示すように、通常の製造方法で造られたプリント配線板８１を準備する。プリント配線板８１の表層には、最終的に図１０（ｇ）で示される穴底部の下層電極９０になる配線が形成されている。
次に、プリント配線板８１の両面には、図１０（ｂ）に示すように、絶縁層８２を形成する。絶縁層８２の形成方法は、通常のビルドアップ基板の場合と同様であり、銅付き絶縁材料を積層する等により行うことができる。次いで、図１０（ｃ）に示すように、炭酸レーザー等を用いて両面の所定の箇所に穴８３をあける。次いで、図１０（ｄ）に示すように、両面に形成された絶縁層８２の表面にめっき８４を析出させる。次に、図１０（ｅ）に示すように、両面にレジスト８５を形成した後、露光・現像を行い、さらにエッチングにより不要なめっき部分を除去して、図１０（ｆ）に示すように、回路８６を形成する。このとき、図１０（ｇ）に示す輪状の上層電極８９も同時に形成される。
次いで、図１０（ｇ）に示すように、輪状の上層電極８９の中心に、炭酸レーザーを用いて８０〜１５０μｍ程度の直径をもつ穴をあける。この穴は、１層から２層にかけて、垂直に又はテーパーをつけた形状で形成し、穴の底部の下層電極９０を露出させる。穴の深さは、１層と２層の間の絶縁層８２の厚さであり、通常約７０μｍ以下である。例えば、輪状の上層電極８９のピッチが０．５ｍｍ程度である場合は、輪状の上層電極８９の外径を約２５０μｍとし、輪の幅を５０μｍとし、その中心に直径１００μｍの穴をテーパー形状にあけることが好ましい。一方、輪状の上層電極８９のピッチが０．８ｍｍ程度である場合は、輪状の上層電極８９の外径を約４５０μｍとし、輪の幅を約１００μｍとし、その中心に直径１５０μｍの穴をテーパー形状にあけることが好ましい。実際には、半導体装置の柱状電極が挿入できる設計値にすることが好ましい。このようにして、本発明の半導体装置を搭載するための輪状の上層電極８９及び穴の底部の下層電極９０を形成する。次いで、レジスト８５を剥離した後、最後にＳＲ９１を形成して、図１０（ｇ）に示すプリント配線板２が得られる。
（半導体装置とプリント配線板の接続構造）
図１１は、本発明の接続構造の一例を示す模式断面図であり、上述した本発明の半導体装置とプリント配線板との接続構造を示したものである。
本発明の接続構造は、ＢＧＡタイプの半導体装置とプリント配線板との接続構造である。ＢＧＡタイプの半導体装置１として、例えば図３に示すように、柱状電極１７とこの注状電極１７の周囲に設けられた絶縁層１６とさらにその絶縁層１６の周囲に設けられた輪状電極１５とからなる外部電極端子９を有する半導体装置１が用意される。また、この半導体装置１を実装するプリント配線板２として、例えば図９に示すように、電極パッドが表層に設けられた輪状の上層電極２７と、その中心に下層につながる穴（ビア２４）と、下層に設けられた下層電極２８とからなるプリント配線板２が用意される。この半導体装置１とプリント配線板２との接続構造は、半導体装置１の柱状電極１７がプリント配線板２の搭載部２６の穴に挿入され、その柱状電極１７と穴の底部の下層電極２８とがはんだ２９で接続された構造となっている。また、半導体装置１の輪状電極１５は、プリント配線板２の搭載部２６にある輪状の上層電極２７とはんだ１９を介して接続されている。さらに、半導体装置１の絶縁層１６とプリント配線板２の絶縁層２０とが接触し、上記の２つの電気接続を絶縁している。
従って、本発明の接続構造は、従来においては１つのはんだ接続部であったものを２つのはんだ接続部としたので、電極の配置に必要な面積をおよそ半分にすることができる。よって、従来のＢＧＡタイプの半導体装置に対して、電極数を約２倍にすることができるので、外部電極端子の狭ピッチ化や半導体装置のサイズを大型化することなく、多ピンの半導体装置を実現することができ、容易にプリント配線板に搭載することができる。また、従来のＢＧＡタイプの半導体装置において、外部電極数を増やす必要がない場合でも、本発明の接続構造を採用することにより、電極のピッチを広げることができ、プリント配線板に実装したときの実装品質や信頼性をより向上することができる。
具体的には、従来のＢＧＡタイプの半導体装置において、外部電極端子数が最大となるのはフルグリッドに配置したときであり、例えば大きさが１０ｍｍ×１０ｍｍの半導体装置の場合、外部電極端子のピッチが約０．８ｍｍでは外部電極端子数は約１４４個であり、外部電極端子のピッチが約０．５ｍｍでは外部電極端子数は約４００個である。しかしながら、本発明の接続構造では、同じサイズの半導体装置の場合、外部電極端子のピッチが約０．８ｍｍでは外部電極端子数は約２８８個とすることができ、外部電極端子のピッチが約０．５ｍｍでは外部電極端子数は約８００個とすることができる。よって、サイズやピッチを変えることなく、多ピンの外部電極数を有する半導体装置を得ることができる。
また、従来のＢＧＡタイプの半導体装置において、そのまま本発明の接続構造を用いると、外部電極端子の配置に必要な面積を約半分に減らすことが可能となる。上記の例において、半導体装置のサイズと外部電極端子数を変えない場合、外部電極端子のピッチを広げることができる。すなわち、前者の場合は約１．０ｍｍピッチに広げることができ、後者の場合は約０．６５ｍｍピッチに広げることができる。外部電極端子のピッチを広げると１つあたりの電極サイズを大きくすることができるため、実装の品質や接合強度をより向上させることができる。また、上記の例において、外部電極端子のピッチと数を変えない場合には、半導体装置のサイズを小さくすることができ、前者の場合は約６．５ｍｍ×６．５ｍｍに小さくすることができ、後者の場合は約７ｍｍ×７ｍｍに小さくすることができ、その結果、より高密度実装が可能となるため、電子機器の小型化に有利となる。
（半導体装置とプリント配線板の接続方法）
次に、その接続方法について、図１１を参照しつつ説明する。半導体装置１はプリント配線板２上に通常の表面実装技術により搭載される。
先ず、図９に示したプリント配線板２を用意し、メタルマスクを用いて、各種の表面実装部品（図示しない）を搭載する電極部分にクリームはんだを供給する。このとき、プリント配線板２に形成された輪状の上層電極２７及び穴底部の下層電極２８部分に供給するクリームはんだの量は、メタルマスクの開口径や開口形状、ハーフエッチ等の厚さ制御により、出来るだけ少なくすることが好ましい。又は、その輪状の上層電極２７及び穴底部の下層電極２８部分には、クリームはんだの代わりにフラックスのみの供給でもよい。
次いで、各種の表面実装部品を搭載する。このとき、図３に示した半導体装置１も同時に搭載する。その後、リフロー加熱により、はんだ１８と供給したクリームはんだを溶融させる。はんだが溶融すると、溶融はんだの表面張力により、はんだが２箇所の接続部分に分かれ、半導体装置１側の輪状電極１５とプリント配線板２側の輪状の上層電極２７とがはんだ１９によって接合する。さらに、半導体装置１側の柱状電極１７とプリント配線板２側の穴底部の下層電極２８とがはんだ２９により接合する。半導体装置１側の輪状電極１５とプリント配線板２側の輪状の上層電極２７とのはんだ接合により、半導体装置１の搭載位置が調整（セルフアライメント効果）される。こうした位置調整により、半導体装置１側の柱状電極１７とプリント配線板２側の穴底部の下層電極２８とのはんだ接合が、半導体装置１をプリント配線板２側に沈み込ませた形態で行われる。こうした形態でのはんだ接合により、半導体装置１の柱状電極１７と輪状電極１５との間にある絶縁層１６と、プリント配線板２の１層と２層との間の絶縁層２０とが接触し、２つの接続部分は絶縁されることになる。
以上の方法によって、図９に示したプリント配線板２に図３に示した半導体装置１が搭載され、図１１に示す接続構造が得られる。

Claims (3)

  1. プリント配線板に搭載される側の面に外部電極端子が形成されたＢＧＡタイプの半導体装置であって、
    前記外部電極端子は、柱状電極と、当該柱状電極の周囲に設けられた絶縁層と、当該絶縁層の周囲に設けられた輪状電極とを有し、
    前記外部電極端子の表面には、前記柱状電極の表面と前記輪状電極の表面とを繋ぐバンプ状のはんだ層が形成されている、半導体装置。
  2. 前記絶縁層の高さが、前記柱状電極の高さとほぼ同じである、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記絶縁層の高さが、前記輪状電極の高さとほぼ同じである、請求項１に記載の半導体装置。
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