JPH10209209A - 半導体装置製造方法およびｂｇａ用配線基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＢＧＡパッケージの製造歩留まりを向上させ、
信頼性の高いＢＧＡパッケージを製造すること。 【解決手段】配線基板２の下面には半田ボール５が取り
付けられ溶解されて配線基板２の配線パターン１０に電
気的に接続されている。基板２の上面には、半導体素子
を搭載するためのダイパッド１４が搭載されており、こ
のダイパッド１４の上面には接着剤層が形成されてお
り、半田ボール５の取り付け後この接着剤層に半導体素
子を搭載する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置製造方
法およびＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）用
配線基板に関し、特にＢＧＡパッケージの製造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、プラスチック製配線基板（たとえ
ば、銅張りガラス繊維補強エポキシ積層板）に半導体素
子を搭載することが行われている。

【０００３】図３は、従来のＰ−ＢＧＡ（Ｐｌａｓｔｉ
ｃ ＢＧＡ）の説明図である。従来、半導体用のＢＧＡ
（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージは、半
導体素子１を配線基板２に搭載して、ボンディングワイ
ヤ４によって、基板の銅配線と半導体素子を接続し、そ
の後封止樹脂３によって半導体素子を保護するためのパ
ッケージングを行い、最終的に端子となるボールを基板
の裏面に取り付けて完成品としていた。通常、良好なワ
イヤボンディング性を得るために、銅配線にニッケルめ
っき下地（０．５〜１．０μｍの厚さ）の上に金のメッ
キを（０．５〜１．０μｍの厚さ）施している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】

（１）しかしながら、上述の従来の方法では、端子とし
てのボールを半導体素子組み込み後に取り付けるので、
このボール取り付けの加工歩留まりが悪い場合、加工後
のボール取り付けの補修を行うことが難しいために、パ
ッケージングが完了した半導体装置全体を不良品として
処分するしかなかった。

【０００５】一般にＳｎ−Ｐｂ系の半田ボールを取り付
ける場合、ボール取り付けの歩留まりは、９８％程度で
あるが、半導体素子が高価であるために、これによる歩
留まり損が非常に大きい。

【０００６】（２）また、半田ボール形成では、２５０
℃×５分程度のリフロー炉で行われるために（ボールを
形成する場所に、半田ボールを搭載してから、ボールを
配線基板のパッドに半田付けするためにリフロー炉を通
す。）半導体パッケージに熱的損傷を与える。パッケー
ジングは、一般的にエポキシ系のレジンで行われるが、
このエポキシ樹脂とガラスエポキシ樹脂製の配線基板間
で剥離が発生する。この原因は、パッケージ内部および
ガラスエポキシ樹脂中に包含されている吸収水分とされ
ており、このパッケージクラック（エポキシ樹脂とガラ
スエポキシ樹脂配線基板間での界面剥離から、一部エポ
キシ樹脂自体のクラックに進展する。）を防止するため
に、除湿乾燥してから（相対湿度１０％以下の雰囲気に
２４時間以上保管する。）半田ボールを形成するなどの
対策が採られている。

【０００７】しかしながら、ガラスエポキシは、ガラス
繊維を補強材に使用しているため、樹脂と繊維間のすき
間が多く、大量（最大３％程度）の水分を吸収してお
り、また、吸収量は、ロットによって異なるため除湿管
理が非常に難しい。

【０００８】（３）次に、フリップチップＢＧＡの場合
の別の例の問題点を説明する。フリップチップＢＧＡと
は、図４に示すように、半導体素子を逆さまにして（Ｆ
ａｃｅ Ｄｏｗｎと呼ぶ。）配線基板に搭載するもので
あり、配線基板の配線とは半導体素子１に取り付けられ
たバンプ２２と導電性接着剤２３とで接続が行われる。

【０００９】最近このような構造が、ワイヤボンディン
グなどの工程を必要としないため、注目されている。こ
の場合も、配線基板のガラスエポキシ基板を用いる場合
には上述と同様な問題が発生している。すなわち、配線
基板２と導電性接着剤２３との間は、半田などのボール
５をリフロー炉で形成するときに剥離が発生する問題が
ある。アンダーフィル材２４は、補強の役目を果たして
いるが、リフロー時の加熱による熱ストレスを十分に吸
収することはできない。この問題から現在の配線基板に
は吸水の少ないセラミック基板が多く用いられている
が、高価なことが問題とされている。

【００１０】また、一方、配線基板に半導体素子１を搭
載する接着剤層には、エポキシ樹脂系やポリイミド樹脂
が主体に用いられているが、これらは半導体素子１を搭
載する前に、たとえば、ダイボンダーと呼ばれる接着剤
の塗布と半導体素子の搭載を連続して行う装置によって
塗布が行われている。この接着剤の塗布工程は、半導体
パッケージの組立工程では、非常に厄介な工程とされて
いる。すなわち、配線基板等が長期保管で水分が包含さ
れている場合に、接着界面に水分が集まって接着不良な
どの問題が発生するためである。

【００１１】このようなことから、ＢＧＡパッケージの
製造歩留まりを向上させ、信頼性の高いＢＧＡパッケー
ジを製造することができる半導体装置製造方法、ＢＧＡ
用配線基板の実現が要請されている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の半導体
装置製造方法は、配線基板に半導体素子とボール端子を
取り付けて、樹脂で封止して半導体装置を製造する半導
体装置製造方法において、配線基板に半導体素子を取り
付ける前にボール端子を取り付けるようにしたものであ
る。

【００１３】このような半導体装置の製造方法によっ
て、配線基板へボール端子を取り付けるときの、たとえ
ば熱加工処理などにおける高温度を半導体素子に与える
ことがなくなるので、従来のような半導体素子の熱的損
傷が起きなくなり、ボール端子取り付けによるパッケー
ジクラックや界面剥離も起きなくなる。しかも、ボール
端子を取り付けるときに半導体素子が取り付けられてい
ないので、ボール端子の取り付け作業が容易になる。

【００１４】また、本発明のＢＧＡ用配線基板は、半導
体素子を取り付ける前の基板にボール端子が取り付けら
れているものである。これによって、次の工程であるパ
ッケージ形成のための半導体素子の搭載の工程へ容易に
入ることができる。また、ボール端子が取り付けられた
ＢＧＡ用配線基板をたとえば、販売製品として長期保管
しておいても、次の工程に入る上で何ら問題はない。

【００１５】さらに、本発明のＢＧＡ用配線基板は、ボ
ール端子の他、半導体素子も搭載されている。これによ
って、パッケージの完成のための次の工程である固定用
樹脂による封止工程にすぐに入ることができる。また、
ボール端子が取り付けられ半導体素子が搭載されたＢＧ
Ａ用配線基板をたとえば、販売製品として長期保管して
おいても、次の工程に入る上で何ら問題はない。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に本発明の好適な実施の形態を
図面を用いて説明する。本実施の形態においては、半田
などによるボール端子および半導体素子搭載用の接着剤
層を、配線基板への半導体素子搭載前に、配線基板側に
形成しておく。このようにすることで、一切のパッケー
ジ封止樹脂のクラック発生の問題と、封止樹脂と配線基
板間の界面剥離の問題を解消させる。

【００１７】また、接着剤層を予め設けておくことによ
って、半導体素子のバンプと配線基板の配線パターン間
での剥離の問題が解消される。このような構成は、後続
の組立工程で半田ボールが汚染されることや、ワイヤボ
ンディング時の半田ボールの溶解や、半田ボールの事前
形成時のリフロー加熱によるワイヤボンディング性の低
下および予め形成された接着剤層の経時変化などが懸念
されていた。しかしながら、半導体素子の組立条件を最
適化することによって、上述のパッケージ封止樹脂のク
ラック発生の問題と、封止樹脂と配線基板間の界面剥離
の問題が解消され、半導体素子のバンプと配線基板の配
線パターン間での剥離の問題が解消される。

【００１８】なぜなら、図２に示すようなリードフレー
ムは、金型などのパンチング抜き加工で、前もってイン
ナリード１３とアウタリード１２とが形成されており、
アウタリード１２はＢＧＡのボールに相当し、インナリ
ード１３はＢＧＡの配線基板に相当するからである。

【００１９】ただし、ＢＧＡの場合、リードフレームと
同じ要領で半田ボールを先に付けておくためには、次の
ような配慮が必要である。

【００２０】（１）半田ボール形成のリフロー加熱で配
線基板のワイヤボンディング用の金メッキを汚染させな
い工夫が必要である。これは現在も、半田ボール形成後
に半田ボールの搭載に使用したフラックスの洗浄を行っ
ており、この洗浄工程でフラックスの蒸気で汚染された
メッキは完全にクリーン化できることが判明した。

【００２１】フラックス中に包含されている成分は、ロ
ジン、高級アルコール、ワックス、石油系溶剤、パラフ
ィン系炭化水素、界面活性剤、アミン系キレート活性剤
および微量の塩素化合物である。したがって、発生蒸気
は幾分腐食性であり、また有機揮発成分を含むので、金
メッキ面を汚染させる。これらの洗浄には、使用したフ
ラックスに応じて充分洗浄できる水素或いは溶剤系の洗
浄剤を選定することによって汚染膜は除去される。

【００２２】（２）ワイヤボンディングにおいて、ボン
ディング時の温度では半田ボールが溶融しないようにす
ることが必要である。この課題に対しては、半田ボール
に共晶組成（Ｓｎ−３７重量％Ｐｂ；融点１８０℃）で
はなく３．５重量％Ａｇ−Ｓｎ（融点２２０℃）などの
高温半田ボールを用いることによって解消される。ま
た、共晶半田ボールを用いた場合でも、ワイヤボンディ
ング温度を１８０℃未満とすることによって問題は解消
される。

【００２３】また、銅などの金属ボールを高温半田で接
続することによっても可能である。さらには、Ｐｂ−１
０重量％の高温半田ボールを直接搭載することによって
も達成される。

【００２４】（３）ワイヤボンディング後の樹脂封止に
おける半田ボールの溶融が起きないようにする必要があ
る。この問題は、通常エポキシ系の封止樹脂は１５０℃
で硬化させるため全く問題はない。

【００２５】（４）半導体素子搭載用の接着剤中に包含
される有機溶剤成分による金メッキ面の汚染が起きない
ようにする必要がある。配線基板の配線パターン１０の
先端のワイヤボンディングする部分には、上述のように
ニッケルメッキ下地の上の金メッキがなされている。こ
の金メッキ層は、揮発溶剤成分によって或いはエポキシ
樹脂系の場合に未反応のアミン系、イミダゾール系、ポ
リアミド系或いは酸無水物系硬化剤成分によって汚染さ
れることが懸念された。また、オルソクレゾールノボラ
ック系エポキシの場合には副生する塩素化クレゾールに
よって半導体素子のアルミ電極が腐食される問題があ
る。そこで、本実施の形態においては、比較的に腐食性
の少ないビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂を用いて且
つ硬化剤には潜在硬化剤としてジシアンジアミドを用い
た。

【００２６】以上のようにして、本実施の形態の特徴
は、ＢＧＡの組立前に、配線基板にボール端子を取り付
けておくことであり、また半導体素子搭載接着用の接着
剤も形成させておく。このような構成によって、パッケ
ージの界面剥離とパッケージクラックの問題を解消し、
且つ半導体素子の電極と配線基板の接続の電気的信頼性
を向上させることができる。

【００２７】「第１の実施の形態」：図１は、第１の実
施の形態のボール付の配線基板の外観図である。ボール
の数は４００であり、表側の配線パターン１０から裏面
にスルーホールを通して電気的に連結されている。半田
ボール５は、Ｓｎ−３７重量％Ｐｂの共晶半田ボールで
ある。このボールのピッチは１．２７mmであり、半田ボ
ール５の高さ０．６mmボールの径は０．６５mmである。

【００２８】また、基板２には、０．５mm厚さのガラス
エポキシ基板を用いた。基板２表面の中央部には１．０
mm角の半導体素子を搭載できるダイパッド１４が搭載さ
れている。半田ボール５は、Ｓｎ−３７重量％Ｐｂの共
晶半田ボールを形成するパッドに搭載してから、２３５
℃のリフロー炉に５分間入れて形成した。実際の基板の
温度は２３０℃であり、また、５分間には予熱時間を含
んでいるため実温度２３０℃での加熱時間は３０秒であ
る。この間に半田は溶融して、ボールがパッドと半田付
けされる。このパッドには、予めロジン系のフラックス
が塗布されており、半田ボール５とパッドとは、フラッ
クスの作用で濡れ広がり、接続が達成される。

【００２９】ボール５形成後、基板２を界面活性剤を含
んだ水系洗浄剤で洗浄した。この洗浄によってフラック
スの蒸発などで一部汚染された配線基板のワイヤボンデ
ィング用のパターンは洗浄されて、ワイヤボンディング
性は全く問題ないことが明らかになった。

【００３０】このボール形成後、半導体素子搭載用のダ
イパッドに予め１００μｍの厚さのテープ状に成形した
エポキシ系接着剤（またはポリイミド樹脂接着剤、また
はテフロン樹脂接着剤）を半導体素子の面積形状に金型
でパンチング加工して張り付けた。張り付け温度と時間
は１５０℃で１秒である。この接着剤は、上述のように
腐食性が比較的少ないビスフェノールＡ型のベースポリ
マを用い、且つ潜在硬化剤としてジシアンジアミドを持
つテープであり、硬化開始温度は１７０℃である。この
接着テープは、接着反応維持有効保存期間は６ヶ月であ
るために接着テープの張り付け後この期間中に半導体素
子を接着搭載すればよい。

【００３１】この半田ボール取り付けおよび接着剤テー
プ付き配線基板を用いて、４００ピンの半導体素子を搭
載して半導体パッケージを完成させた。接着剤の硬化開
始温度は、１７０℃であることから、配線基板を１７５
℃のステージに乗せて半導体素子を搭載してから加圧し
て５秒間保持した。これによって、エポキシ樹脂は、硬
化反応を開始しながら、半導体素子を基板に接着した。
この後、エポキシ樹脂を完全に硬化させるために、１７
５℃のオーブンに入れて１時間保持した。

【００３２】次に、１７５℃のステージ温度で２５μｍ
の直径の金ボンディングワイヤで、半導体素子のアルミ
電極と配線基板の金メッキ配線パターンとをボンディン
グした。１７５℃のため融点１８０℃の共晶組成の半田
ボールは、全く溶融しない。ただし、通常の温度（１９
０℃）より３０℃低い温度条件のため、ボンディングツ
ールに付加する超音波出力を従来の１．５倍とした。

【００３３】次に、液状のエポキシ系の封止樹脂を用い
て封止を行った。この封止には、ディスペンサーを用い
た。液状封止樹脂の硬化温度は、１５０℃で２時間であ
ることから、半田の溶融は起こらない。従来ではこの後
で半田ボールを形成するが、本実施の形態においては既
にボールが形成されているため、これでＢＧＡパッケー
ジとして完成する。

【００３４】「第２の実施の形態」：本第２の実施の形
態は、前述の図４の構成と同じような構成で、４００ピ
ンの金マイクロバンプ付きフリップフロップを製作し
て、プラスチック配線基板に搭載した。半導体素子に
は、電気メッキ方式によって２０μｍの高さのバンプを
形成した。これは、半導体素子の表面に形成された、ポ
リイミド樹脂からなる不働体膜から露出しているアルミ
電極に、層間拡散反応制御のためのＵＢＭ（Ｕｎｄｅｒ
Ｂａｒｒｉｅｒ Ｍｅｔａｌ）を介して、メッキ液を
吹き付けながら金の電気めっきして突起を形成する手法
である。

【００３５】このバンプ２２（図４）の位置に位置対向
する配線基板（Ｓｎ−３７重量％Ｐｂの半田ボールを既
に持つ配線基板）のパターン１０の先端にエポキシ樹脂
系の導電性ペーストを多点ディスペンサーによって塗布
した。エポキシ樹脂は、ビスフェノールＡ型にジシアン
ジアミンを潜在硬化剤として持ち、さらに導電性を持た
せるために５０μｍ径の銀粒子を混在させた導電性エポ
キシ樹脂である。 金バンプを形成した半導体素子１
を、バンプ側を下にして配線基板の導電性ペーストの塗
布部分に搭載した。搭載方法は、バンプの位置と配線基
板の導電性ペースト塗布部分を互いに認識するＣＣＤカ
メラを装備したフリップチップマウンターによった。

【００３６】半導体素子搭載の後、配線基板全体を１７
０℃の恒温層に入れて導電性ペーストを硬化させた。配
線基板には、Ｓｎ−Ｐｂの６３／３７重量％共晶半田の
ボールが搭載されているが、半田ボールの溶融は起こら
なかった。なお、接着剤として、全面に異方導電性接着
テープを張り付けることもよい。

【００３７】「第３の実施の形態」：本第３の実施の形
態は、上述の第１の実施の形態の構成において、半田ボ
ールにＰｂ−１０重量％Ｓｎの高温半田ボールを用い
た。この半田ボールでは、固相線２６８℃の融点を持つ
ために、ワイヤボンディングは１９０℃で行った。その
他のパッケージの組立条件は、上述の第１の実施の形態
の条件と同様である。

【００３８】「第４の実施の形態」：本第４の実施の形
態は、上述の第１の実施の形態の構成において、ボール
端子に銅の金属球を用いた。ボールの接続には、Ｐｂ−
１０重量％のフラックス含有の半田ペーストを配線基板
のボール搭載ランドにメタルマスクを用いて部分印刷し
てから銅金属球を搭載し、これを２６０℃の温度に保持
されたリフロー炉を通した。銅ボールは、フラックスと
半田ペーストの作用で配線基板の銅配線ランドに接続さ
れた。

【００３９】「第５の実施の形態」：本第５の実施の形
態は、上述の第１の実施の形態の構成において、半導体
素子搭載接着用の接着剤にフッ素変性エポキシ樹脂を使
用した。このエポキシ樹脂は、ＶｉｔｏｎＧＦのフッ素
エラストマーをエポキシ樹脂に混合したものであり、樹
脂に強靱性を持たせるために開発されたものであり、接
着剤接合の耐熱耐久性に優れている。

【００４０】「第６の実施の形態」：本第６の実施の形
態は、上述の第１の実施の形態の構成において、接着剤
層に熱可塑性ポリイミドを用いたものであるために、硬
化剤を必要とせず何回も可逆的に接着できる特徴があ
る。熱可塑性ポリイミドには、通常の線状ポリイミドの
Ｔｇをジアミンの組成によって２７０℃まで下げたもの
を使用した。具体的には、三井東圧株式会社製のＴＰＩ
（商品名）などである。配線基板への張り付け温度は２
８０℃であり、したがって、ボールは銅金属球とした。
この場合銅金属球は、Ｐｂ−５重量％Ｓｎの高温半田を
使用した。この半田系では、固相線温度は、３００℃で
あり、充分な耐熱性を持っている。

【００４１】「第７の実施の形態」：本第７の実施の形
態は、上述の第１の実施の形態の構成において、半田ボ
ールにＳｎ−３．５重量％Ａｇの高温半田球を使用し
た。この半田球は、固相線２２５℃の耐熱性を持ってお
り、２００℃でワイヤボンディングを行うことができ
た。

【００４２】「第８の実施の形態」：本第８の実施の形
態は、上述の第２の実施の形態の構成において、フリッ
プチップ型半導体素子搭載用の導電性接着剤に、異方導
電性接着剤を用いた。この接着剤は、エポキシ樹脂系ベ
ースポリマの中にプラスティック球にニッケル／金のメ
ッキをした粒子を混在させて、加圧したときに、導電性
粒子が接触して電気的に接合されるものである。したが
って、半導体素子のバンプは、突出しているために、こ
の部分だけに導電回路が形成されるものである。これに
対して各バンプ間は、粒子が接触しないために電気的な
絶縁が維持されている。

【００４３】「第９の実施の形態」：本第９の実施の形
態は、上述の第４の実施の形態の構成において、銅の金
属球にニッケルメッキを施した球を用いた。これによっ
て球は腐食に対して耐性を向上させることができた。

【００４４】「第１０の実施の形態」：本第１０の実施
の形態は、上述の第２の実施の形態の構成において、配
線基板にセラミック配線を用いた。セラミックは、プラ
スチック配線基板と比較して耐熱性に優れ、また多層配
線が容易に作られる特徴がある。

【００４５】「第１１の実施の形態」：本第１１の実施
の形態は、上述の第１の実施の形態の構成において、半
田ボールをペーストの印刷リフロー法で形成した。この
方法は、半田のボールを使用することなく、半田ペース
トをボールを形成する配線パターンの円形ランドに厚く
印刷し、その後半田ペーストをリフロー溶融することに
よってボールを作る方法である。半田ペーストは、０．
３mm厚さのメタルマスクを用いて印刷した。リフロー
は、２５０℃で５分行った。

【００４６】（本実施の形態の効果）：以上の実施の形
態の構成によれば、ＢＧＡの組立前に、配線基板にボー
ル端子を取り付けておき、半導体素子が取り付けられて
いない状態で、ボール取り付け加工を行うので、加工作
業が容易であり、生産性が向上する。このため、パッケ
ージの界面剥離とパッケージクラックの問題を解消し、
且つ半導体素子の電極と配線基板の接続の電気的信頼性
を向上させることができる。また、パッケージングが完
了した半導体装置全体を不良品として処分することがな
くなり、歩留まり損失を減少させることができる。

【００４７】（他の実施の形態）：（１）なお、上述の
第１の実施の形態の構成においては、ボール端子を取り
付け、半導体素子を搭載した基板を例にして説明した
が、ボール端子だけを取り付けた状態の配線基板の段階
で、販売製品の対象として長期保管しておくこともでき
る。この場合でも長期保管後に次の工程に入ることは容
易にでき問題は生じない。

【００４８】

【発明の効果】以上述べたように本発明は、配線基板へ
の半導体素子の搭載前に、配線基板へのボール端子の取
り付けを行うことで、ボール端子に取り付け時の熱加工
処理などによって半導体素子や封入樹脂に熱的損傷を与
えることがなく、従来のようなパッケージの界面剥離と
パッケージクラックの問題を解消し、且つ半導体素子の
電極と配線基板の接続の電気的信頼性を向上させること
ができるので、ＢＧＡパッケージの製造歩留まりを向上
させ、信頼性の高いＢＧＡパッケージを製造することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の半導体装置の断面図であ
る。

【図２】本実施の形態の説明のためのリードフレームの
説明図である。

【図３】従来例のＢＧＡの断面図である。

【図４】従来例のフリップチップ型ＢＧＡの断面および
平面図である。

【符号の説明】

１ 半導体素子 ２ 配線基板 ３ 封止樹脂 ４ ボンディングワイヤ ５ 半田ボール ９ リードフレーム １０ 配線 １２ リードフレームアウタリード １３ リードフレームインナリード １４ 接着剤層付ダイパッド ２２ バンプ ２３ 導電性接着剤 ２４ アンダフィル材

フロントページの続き (72)発明者 佐藤 隆 茨城県日立市助川町３丁目１番１号 日立 電線株式会社電線工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】配線基板に半導体素子とボール端子を取り
   付け、樹脂で封止して半導体装置を製造する半導体装置
   製造方法において、上記配線基板に上記半導体素子を取
   り付ける前に上記ボール端子を取り付けるようにしたこ
   とを特徴とする半導体装置製造方法。
2. 【請求項２】半導体素子を取り付ける前のＢＧＡ用配線
   基板にボール端子が取り付けられていることを特徴とす
   るＢＧＡ用配線基板。
3. 【請求項３】請求項２に記載のＢＧＡ用配線基板に、さ
   らに半導体素子が取り付けられているＢＧＡ用配線基
   板。