JPH10209212A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造が容易で、且つ接続部の破壊を防止する
ことができる半導体装置およびその製造方法を提供す
る。 【解決手段】 接合面１１の少なくとも２以上の角部に
装着専用のピン８０が設けられ、プリント基板２０のピ
ン８０に相対する箇所に穴部２１が形成されているの
で、プリント基板２０とセラミックス製ＢＧＡ基板１０
との接続部の破壊を防止することができる。また、セラ
ミックス製ＢＧＡ基板１０の外形公差に応じてピン８０
の径よりも大きい穴径で穴部２１を形成し、穴部２１に
接合材９０を設けているので、高温ハンダボール７０と
メタライズパッド６０および共晶ハンダ５０との位置合
わせは、ピン８０を穴部２１に挿入するだけでよく、正
確且つ容易になる。さらに、高温ハンダボール７０と共
晶ハンダ５０との接合と位置決めとを同時にリフロー処
理により行うことができるので、製造が容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体パッケージ
とそのパッケージを搭載するプリント基板とを備えた半
導体装置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高性能でかつ高集積なＬＳＩ
を搭載するパッケージには、配線密度が高いこと、放熱
性がよいこと、高速の信号を扱うことができること、さ
らにパッケージの入出力端子の個数を多くすること（以
下、「多端子化」という）が可能であること、入出力端
子のピッチを狭くすること（以下、「狭ピッチ化」とい
う）が可能であることが求められている。

【０００３】上述のパッケージの入出力端子の多端子化
および狭ピッチ化に伴い、パッケージとプリント基板等
のボードとの接合部の多端子化および狭ピッチ化が必要
になってきている。また、ＬＳＩが高速の信号を扱うこ
とによりパッケージには、電気特性についての考慮が必
要となる。ピンやリードを使用したＱＦＰ（Ｑｕａｄ
Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）やＰＧＡ（Ｐｉｎ Ｇｒｉ
ｄ Ａｒｒａｙ）等のパッケージは、さらに入出力端子
の多端子化および狭ピッチ化が困難であり、また、ＱＦ
ＰやＰＧＡ等のパッケージにおいて高速信号を扱おうと
すると、ピンやリード部分におけるインダクタンスが大
きくなって信号が遅延し、高周波特性が悪化する。この
ようなピンやリードに起因する高速信号の遅延の問題を
改善することを可能にしたものがＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇ
ｒｉｄ Ａｒｒａｙ）パッケージである。

【０００４】このＢＧＡパッケージは、スーパーコンピ
ュータや大型コンピュータからパーソナルコンピュータ
や携帯機器等の民生品へ使用用途が広がっている。ＢＧ
Ａパッケージは、プリント基板との接合部にハンダバン
プを用いたパッケージであり、接合部の多端子化および
狭ピッチ化が容易となる。さらに、ＢＧＡパッケージに
おける接合部の多端子化および狭ピッチ化は、パッケー
ジサイズを縮小化し、プリント基板への装着密度の向上
や配線の容量、インダクタンスおよび抵抗の低減による
電気特性の向上による高周波特性の改善が期待できる。
また、ＢＧＡパッケージのプリント基板への装着はＰＧ
ＡやＱＦＰと比較して容易である。

【０００５】ＢＧＡパッケージは、例えば図７に示すよ
うにパッケージ１上に入出力端子としてのメタライズパ
ッド３が形成される。このメタライズパッド３は、接合
部としての共晶ハンダ４とハンダボール７とを介してメ
タライズパッド６と共晶ハンダ５とが形成されたプリン
ト基板２に接続され、導通が図られている。このパッケ
ージ１とプリント基板２との接続は、共晶ハンダ４とハ
ンダボール７とが形成されたパッケージ１を、ハンダボ
ール７が共晶ハンダ５の上になるよう位置合わせし、リ
フロー処理により共晶ハンダ５を溶融させる工程を含ん
でいる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＢＧＡ
パッケージには以下の問題があった。 装着が困難である。接合面であるハンダボール７の形
成面がＢＧＡパッケージで隠れるために、目視すること
ができず、人の手により容易に行うことができない。し
たがって、パッケージ１のプリント基板２への装着には
専用の装着機器が必要となり、設備コストが高くなると
いう問題があった。

【０００７】接続部が破壊され易い。パッケージ１と
プリント基板２とは、メタライズパッド３および６と共
晶ハンダ４および５とハンダボール７とを介して接合さ
れている。この半導体装置が高温や低温の環境にさらさ
れた場合、パッケージ１とプリント基板２との熱膨張率
の差に起因してパッケージ１およびプリント基板２に変
位差が生じる。半導体装置を構成する各部材間には、こ
の変位差により歪やそれに起因する応力が生じるが、特
に、パッケージ１とプリント基板２とを結合している共
晶ハンダ４および５にせん断応力が生じる。その結果、
共晶ハンダ４および５が塑性変形を起こし、破壊が起き
る場合がある。このとき、図９に示すようにパッケージ
１の中心から最も離れた角部１ａに位置する結合部の共
晶ハンダ４および５に亀裂破壊８および９が起こり易
い。しかし、図１０に示すように予め角部１ａのメタラ
イズパッド３を排除し、角部１ａを電気的に無意味にさ
せる方法では、破壊に対する効果を上げるまでには至ら
なかった。

【０００８】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、製造が容易な半導体装置を提供
することを目的とする。本発明の他の目的は、接続部の
破壊を防止することができる半導体装置を提供すること
にある。本発明のさらに他の目的は、製造が容易で、接
続部の破壊を防止することができる半導体装置の製造方
法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
半導体装置によると、半導体パッケージの接合部を形成
した面の少なくとも２以上の角部に装着専用ピンが設け
られ、プリント基板の装着専用ピンに相対する箇所に穴
部が形成されているので、プリント基板に装着された半
導体パッケージは、温度変化で膨張収縮するプリント基
板の変形を装着専用ピンを介して抑えることができる。
したがって、プリント基板と半導体パッケージとの接続
部の破壊を防止することができる。また、プリント基板
の穴部を半導体パッケージの外形公差に応じて装着専用
ピンの径よりも大きい穴径で形成しているので、半導体
パッケージとプリント基板との位置合わせは、装着専用
ピンを穴部に挿入するだけでよく、正確且つ容易にな
る。このため、従来のように半導体パッケージとプリン
ト基板との接合部がずれて接続されることがなくなり、
大きな熱サイクル負荷が作用しても半導体パッケージと
プリント基板との接続部に不良が発生することはなくな
る。また、半導体パッケージのプリント基板への装着
は、人の手により容易に行うことができるため、設備コ
ストを低く抑えることができる。また、プリント基板の
穴部にリフロー温度と同じ接合材を設けているので、半
導体パッケージとプリント基板との接合と位置決めとを
同時にリフロー処理により行うことができる。したがっ
て、半導体装置の製造が容易になる。

【００１０】本発明の請求項２記載の半導体装置の製造
方法によると、半導体パッケージの接合部を形成した面
の少なくとも２以上の角部に装着専用ピンを接合する工
程と、プリント基板の装着専用ピンに相対する箇所に半
導体パッケージの外形公差に応じて装着専用ピンの径よ
りも大きい穴径で穴部を形成する工程と、穴部に接合材
を設ける工程と、穴部に装着専用ピンを挿入する工程
と、半導体パッケージとプリント基板とをリフローする
工程とを含む。したがって、半導体装置の製造が容易に
なり、半導体パッケージとプリント基板との接続部の破
壊を防止することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示す
実施例を図面に基づいて説明する。本発明の半導体装置
およびその製造方法の一実施例を図１〜図６に示す。ま
ず、本発明の半導体装置をアルミナ、窒化アルミニウム
等のセラミックス製ＢＧＡ基板１０と樹脂製プリント基
板２０に適用した一実施例を以下に示す。

【００１２】図１に示すようにセラミックス製ＢＧＡ基
板１０において、図示しない半導体素子が搭載される面
の反対面がプリント基板２０と接合される接合面１１で
あり、この接合面１１に形成され、図示しない内部配線
を介して半導体素子に接続されるメタライズパッド３０
に共晶ハンダ４０が形成され、共晶ハンダ４０のプリン
ト基板２０側に接合部としての高温ハンダボール７０が
形成されている。この高温ハンダボール７０は、外部接
続用入出力端子として機能するものであり、Ｐｂ、Ｓ
ｎ、Ａｇ、Ｂｉ、ＩｎおよびＡｕから選ばれる少なくと
も１種を含む金属からなる。高温ハンダボール７０のプ
リント基板２０側に共晶ハンダ５０が形成され、プリン
ト基板２０に形成されたメタライズパッド６０に接続さ
れている。共晶ハンダ４０および５０は、Ｐｂ、Ｓｎ、
Ａｇ、Ｂｉ、ＩｎおよびＡｕから選ばれる少なくとも１
種を含む金属からなり、高温ハンダボール７０よりも低
い温度で溶融する。また、メタライズパッド３０は、
Ｗ、Ｍｏあるいはそれらの複合材からなる金属にＮｉ、
Ａｕあるいはその両方がメッキ等により形成されてお
り、メタライズパッド６０は、通常、銅張基板をエッチ
ング等で所望のメタライズパッド形状を得て、Ｎｉ、Ａ
ｕあるいはその両方のメッキ等により形成されている。

【００１３】上記接合面１１の４つの角部１２の少なく
とも２つ以上にコバール、４２アロイ等の金属製の装着
専用ピンとしてのピン８０が設けられている。ピン８０
は、電気的導通のないメタライズパッド３１〜３４にＡ
ｇろう等共晶ハンダ４０および５０の溶融温度で劣化も
しくは溶融しない接合ろう材１００で接合面１１にろう
付け接合されている。

【００１４】プリント基板２０のピン８０に相対する箇
所には、セラミックス製ＢＧＡ基板１０の外形公差に対
応出来る様にピン８０の径よりも大きな穴径を有する穴
部２１が形成されている。穴部２１の中に樹脂系の接合
材９０が形成され、接合材９０は穴部２１の穴底２２と
ピン８０の先端部８１との間を埋めている。次に、本実
施例のセラミックス製ＢＧＡ基板１０と樹脂製プリント
基板２０の製造方法を以下に示す。

【００１５】図２および図３に示すように、予めアル
ミナ等のセラミックス製ＢＧＡ基板１０の接合面１１の
４つの角部１２のメタライズパッド３０を排除した箇所
に電気的導通をなくしたメタライズパッド３１〜３４に
Ａｇろう等の接合ろう材１００でコバール等のピン８０
を接合する。次に、３１〜３４以外のメタライズパッド
３０の上に共晶ハンダ４０をスクリーン方式等により印
刷する。次に、高温ハンダボール７０を印刷した共晶ハ
ンダ４０の上に乗せ、リフロー処理により共晶ハンダ４
０を溶融させ、高温ハンダボール７０を共晶ハンダ４０
を介してメタライズパッド３０の上に接合させる。

【００１６】図４に示すように、プリント基板２０に
セラミックス製ＢＧＡ基板１０を搭載した際、プリント
基板２０のピン８０に相対する箇所に穴部２１を形成す
る。このとき、穴部２１の穴径をセラミックス製ＢＧＡ
基板の外形公差に応じてピン８０の径よりも大きくす
る。例えば、ピン８０の径が１ｍｍのとき、穴径を１．
４ｍｍとする。また、ピン８０の長さと高温ハンダボー
ル７０の径と共晶ハンダ４０の厚みに応じて、穴部２１
の深さを決定する。また、プリント基板２０の高温ハン
ダボール７０に相対する箇所には、Ｃｕ箔上にＮｉある
いはＡｕメッキ等によりメタライズパッド６０を形成す
る。

【００１７】図５に示すように、プリント基板２０に
高温ハンダボール７０を接合させるため、メタライズパ
ッド６０の上に共晶ハンダ５０をスクリーン方式等によ
り印刷する。穴部２１の穴底２２には、接合材９０をデ
ィスペンサ方式等により流し込みにより形成する。接合
材９０は、穴底２２にハンダ濡れ性のためのメタライズ
が不用な接合材が望ましく、例えば山栄化学製ＪＵ−４
１Ｌのように硬化温度が共晶ハンダリフロー温度に近い
ものがよい。

【００１８】図６に示すように、セラミックス製ＢＧ
Ａ基板１０をプリント基板２０に装着するため、穴部２
１にピン８０を挿入する。このとき、により穴部２１
の穴径および深さを所望の値にしているので、高温ハン
ダボール７０が共晶ハンダ５０の略中央部に乗ると共に
ピン８０の先端部８１が接合材９０に接する。 セラミックス製ＢＧＡ基板１０を装着したプリント基
板２０をリフロー処理する。このとき、共晶ハンダ５０
の中央部から僅かにずれていた高温ハンダボール７０が
さらに中央部に移動し、また、ピン８０も穴部２１の中
で移動する。この結果、高温ハンダボール７０のメタラ
イズパッド６０および共晶ハンダ５０からのずれは最低
限に抑えられる。

【００１９】次に、上記の製造方法で作製したセラミッ
クス製ＢＧＡ基板１０とプリント基板２０を用いて、共
晶ハンダ４０および５０に生じる歪みを−４５〜１２５
℃の温度サイクルによる応力シミュレーションにより測
定した。また、比較のために従来の半導体装置について
も測定した。測定に用いたセラミックス製ＢＧＡ基板１
０の材質はアルミナであり、アルミナの−４５〜１２５
℃の熱膨張係数は５．５ｐｐｍ／℃である。また、セラ
ミックス製ＢＧＡ基板１０のサイズは２１ｍｍ□×１ｍ
ｍｔであり、メタライズパッド３０の径は０．８６ｍｍ
である。接合面１１の４つの角部１２のメタライズパッ
ド３０の３つ分を予め排除し、そこにピン接続用のφ
１．５ｍｍのメタライズパッド３１〜３４を設け、長さ
１．８ｍｍ、径１ｍｍのコバール製ピン８０をＡｇろう
の接合ろう材１００で接合した。

【００２０】測定に用いたプリント基板２０の材質はＦ
Ｒ４であり、ＦＲ４の−４５〜１２５℃の熱膨張係数は
１４ｐｐｍ／℃である。また、プリント基板２０のサイ
ズは１００ｍｍ□×１．５７ｍｍｔであり、メタライズ
パッド６０の径は０．８ｍｍである。ピン８０をセッテ
ィングする４つの穴部２１のサイズは、穴径が１．４ｍ
ｍで、深さが０．８ｍｍである。

【００２１】測定結果を以下に示す。本実施例の−４５
〜１２５℃の共晶ハンダ４０および５０に生じる歪みは
２％であった。また、同条件における従来のＢＧＡ基板
とプリント基板の構造については３．８％の歪みであっ
た。したがって本実施例では、従来技術に比べて約４７
％歪みが低いことが判った。よって、本実施例において
は、接続部の破壊を防止する効果が高いことが判定され
た。

【００２２】本実施例においては、接合面１１の少なく
とも２以上の角部１２に装着専用のピン８０が設けら
れ、プリント基板２０のピン８０に相対する箇所に穴部
２１が形成されているので、プリント基板２０に装着さ
れたセラミックス製ＢＧＡ基板１０は、温度変化で膨張
収縮するプリント基板２０の変形をピン８０を介して抑
えることができる。したがって、プリント基板２０とセ
ラミックス製ＢＧＡ基板１０との接続部の破壊を防止す
ることができる。

【００２３】また、セラミックス製ＢＧＡ基板１０の外
形公差に応じてピン８０の径よりも大きい穴径で穴部２
１を形成しているので、高温ハンダボール７０とメタラ
イズパッド６０および共晶ハンダ５０との位置合わせ
は、ピン８０を穴部２１に挿入するだけでよく、正確且
つ容易になる。このため、高温ハンダボール７０とメタ
ライズパッド６０および共晶ハンダ５０とがずれて接続
されることがなくなり、大きな熱サイクル負荷が作用し
ても共晶ハンダ４０および５０に不良が発生することは
なくなる。また、セラミックス製ＢＧＡ基板１０のプリ
ント基板２０への装着は、人の手により容易に行うこと
ができるため、設備コストを低く抑えることができる。
また、穴部２１にリフロー温度と同じ接合材９０を設け
ているので、高温ハンダボール７０と共晶ハンダ５０と
の接合と位置決めとを同時にリフロー処理により行うこ
とができ、セラミックス製ＢＧＡ基板１０のプリント基
板２０への装着が容易になる。したがって、製造が容易
になる。

【００２４】本実施例では、穴部２１に設けられる接合
材９０を樹脂系で説明したが、本発明においては、穴底
にメタライズを設け、そこに共晶ハンダを形成した形態
であってもよい。また、装着専用のピンおよび接合ろう
材の材質は、共晶ハンダの溶融温度で劣化もしくは溶融
しない材料であれば何であってもよい。また本実施例で
は、半導体パッゲージをセラミックス製ＢＧＡ基板１０
としたが、本発明においては、半導体パッゲージはセラ
ミックス製に限定されるものではなく、他の材質を用い
ても本発明の効果を有効に得ることができる。また、Ｂ
ＧＡ基板に限らず他の形態の半導体パッゲージに本発明
を適用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の半導体装置を模式的に示す
縦断面図である。

【図２】本発明の一実施例のセラミックス製ＢＧＡ基板
を模式的に示す底面図である。

【図３】本発明の一実施例のセラミックス製ＢＧＡ基板
を模式的に示す縦断面図である。

【図４】本発明の一実施例のプリント基板を模式的に示
す縦断面図である。

【図５】本発明の一実施例のプリント基板を模式的に示
す縦断面図である。

【図６】本発明の一実施例の半導体装置を模式的に示す
縦断面図である。

【図７】従来技術の半導体装置を模式的に示す縦断面図
である。

【図８】従来技術の半導体装置を模式的に示す縦断面図
である。

【図９】従来技術のセラミックス製ＢＧＡ基板を模式的
に示す底面図である。

【符号の説明】 １ パッケージ １ａ 角部 ２ プリント基板 ３ メタライズパッド ４、５ 共晶ハンダ ６ メタライズパッド ７ ハンダボール ８、９ 亀裂破壊 １０ セラミックス製ＢＧＡ基板（半導体パッケー
ジ） １１ 接合面 １２ 角部 ２０ プリント基板 ２１ 穴部 ２２ 穴底 ３０ メタライズパッド ４０、５０ 共晶ハンダ ６０ メタライズパッド ７０ 高温ハンダボール（接合部） ８０ ピン（装着専用ピン） ９０ 接合材 １００ 接合ろう材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入出力端子としての接合部を有する半導
   体パッケージと、前記半導体パッケージを搭載するプリ
   ント基板とを備え、 前記半導体パッケージは、前記接合部を形成した面の少
   なくとも２以上の角部に装着専用ピンが設けられ、 前記プリント基板は、前記装着専用ピンに相対する箇所
   に形成される穴部に接合材が設けられ、前記穴部は、前
   記半導体パッケージの外形公差に応じて前記装着専用ピ
   ンの径よりも大きい穴径で形成されたことを特徴とする
   半導体装置。
2. 【請求項２】 入出力端子との接合部を有する半導体パ
   ッケージと、前記半導体パッケージを搭載するプリント
   基板とを備えた半導体装置において、 前記半導体パッケージの前記接合部を形成した面の少な
   くとも２以上の角部に装着専用ピンを接合する工程と、 前記プリント基板の前記装着専用ピンに相対する箇所に
   前記半導体パッケージの外形公差に応じて前記装着専用
   ピンの径よりも大きい穴径で穴部を形成する工程と、 前記穴部に接合材を設ける工程と、 前記穴部に前記装着専用ピンを挿入する工程と、 前記半導体パッケージと前記プリント基板とをリフロー
   する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方
   法。