JP2009141054A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クラックの基点となる屈曲部を有しないはんだ接合で実装基板に実装できる半導体装置を提供する
【解決手段】外部端子電極１４０の周縁部の高さが絶縁樹脂層１３０の表面の高さと略等しくなるようにし、外部端子電極１４０の中央部の高さが絶縁樹脂層１３０の表面の高さより低くなるようにすることで、外部端子電極１４０の端面１４１が凹形状に形成されている。これにより、縁樹脂層１３０の表面から端面１４１にかけて段差が形成されず、外部端子電極１４０の端面１４１上に載置したはんだボール１０を溶融させたはんだ１１には、クラックの基点となるような屈曲部は形成されない。
【選択図】図１

Description

本発明は、はんだボールで実装基板に実装される電子部品に係り、特にＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Size Package）、ＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）の半導体装置に関するものである。

半導体パッケージの小型化、軽量化、高機能化等の要求に対応するために、パッケージの大きさがウェハレベルのチップの大きさに近いＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）の半導体装置の開発が進められている（例えば、特許文献１）。

一般にＢＧＡ（Ball Grid Array）と呼ばれる半導体パッケージは、パッケージの下面に設置されている外部端子電極上にはんだボールを配置し、これに実装基板の電極を位置合わせしてはんだ接続させることによって実装基板に実装される。外部端子電極上にはんだボールを配置しやすくするために、外部端子電極を取り囲む絶縁樹脂層が外部端子電極の端部より高くなるように形成されている。すなわち、絶縁樹脂層の表面から段差を形成して窪んだ位置に外部端子電極の端部が設置されており、はんだボールがこの窪みに位置しやすいようにしている。
特開２００７−２１４５６３号公報

しかしながら、はんだボールを溶融して実装基板に実装したとき、絶縁樹脂層の表面と外部端子電極の端部との段差に対応する屈曲部がはんだ接合部に形成される。平面状態からの折れ曲がり角度を屈曲角度としたとき、この屈曲部の屈曲角度は９０°程度の比較的小さな角度となるため、この部分を基点としてクラックが発生しやすくなり、実装した半導体装置の信頼性を低下させるといった問題があった。特に、溶融接続時の温度変化や、使用中の電源のオン／オフに伴う温度変化の繰り返しにより、屈曲部を基点にはんだ接合部にクラックが発生しやすくなるといった問題があった。

そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、クラックの基点となる屈曲部を有しないはんだ接合で実装基板に実装できる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置の第１の態様は、半導体素子と、前記半導体素子の電極に接続される配線層と、前記配線層を一方の面で覆う絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層を貫通して一方の端部が前記配線層に接続される外部端子電極と、を備える半導体装置であって、前記外部端子電極の他方の端部は、中央部が窪んだ凹形状で周縁部が前記絶縁樹脂層の他方の面と略等しい高さに形成された端面を有していることを特徴とする。

本発明の半導体装置の他の態様は、前記外部端子電極は、樹脂製突起の表面に金属めっきが施されてなる樹脂突起電極であることを特徴とする。

本発明の半導体装置の他の態様は、前記外部端子電極の周縁部における前記端面と前記絶縁樹脂層の他方の面とで形成される角度が１２０°より大きく、１８０°より小さいことを特徴とする。

本発明の半導体装置の他の態様は、前記絶縁樹脂層の他方の面からの前記端面の最深部の深さをＤとし、前記外部端子電極の他方の端部に実装されるはんだボールの直径をＲとしたとき、
（１／３０）Ｒ＜Ｄ＜（１／３）Ｒ
の関係を有していることを特徴とする。

本発明によれば、外部端子電極のはんだ接合される側の端面を凹形状で、周縁部が絶縁樹脂層の端面と略等しい高さに形成することにより、クラックの基点となる屈曲部を有しないはんだ接合で実装基板に実装できる半導体装置を提供することが可能となる。

本発明の好ましい実施の形態における半導体装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を、図２に示す断面図及び下面図を用いて説明する。図２（ａ）は、外部端子電極１４０が配置されている位置で厚さ方向に半導体装置１００を切断したときの断面図であり、図２（ｂ）は、半導体装置１００の下面図である。同図に示す本実施形態の半導体装置１００は、ＢＧＡタイプの半導体装置である。半導体装置１００は、半導体素子１１０、配線層１２０、絶縁樹脂層１３０、および外部端子電極１４０を備えている。

配線層１２０は、半導体素子１１０の電極と金ワイヤ１１１で接続されており、半導体素子１１０と反対側の面が絶縁樹脂層１３０で覆われている。絶縁樹脂層１３０には、複数の貫通孔１３１が形成されている。本実施形態では、絶縁樹脂層１３０が図２（ｂ）に示すような格子状に形成されており、複数の貫通孔１３１が縦横に配列されているものとしている。

外部端子電極１４０は、絶縁樹脂層１３０に形成された貫通孔１３１の内部に形成されている。外部端子電極１４０を絶縁樹脂層１３０の厚さ方向に切断したときの断面図を図３に示す。同図では、外部端子電極１４０の上部にはんだボール１０が載置された状態を示しており、はんだ接続される前の状態を示している。

図３に示すように、本実施形態の半導体装置１００では、外部端子電極１４０の周縁部の高さ、すなわち絶縁樹脂層１３０の貫通孔１３１に接する面の高さが、絶縁樹脂層１３０の表面の高さ（厚さ方向に見たときの表面の高さ）と略等しくなるようにし、外部端子電極１４０の中央部の高さが、絶縁樹脂層１３０の表面の高さより低くなるようにすることで、外部端子電極１４０の端面１４１が凹形状に形成されている。

外部端子電極１４０の端面１４１を上記のように形成することにより、図３の断面図に示すように、両端が絶縁樹脂層１３０の表面と略等しい高さで中心に向かって滑らかに窪んだ凹形状となっており、絶縁樹脂層１３０の表面から端面１４１にかけて段差が形成されていない。外部端子電極１４０の端面１４１をこのような凹形状とすることで、はんだボール１０を外部端子電極１４０の中央部に配置しやすくしている。

従来の半導体装置における外部端子電極の一例を図４に示す。図４は、図３と同様に、従来の半導体装置に備えられた外部端子電極９４０の断面図を示している。同図でも、外部端子電極９４０の上部にはんだボール９０が配置された状態を示しており、はんだ接続される前の状態を示している。

従来の半導体装置に備えられた外部端子電極９４０は、その端面９４１が絶縁樹脂層９３０の表面高さより低くなるように形成されていた。これにより、絶縁樹脂層９３０と外部端子電極９４０との間で段差が形成されていた。このような段差を形成することで、はんだボール９０が外部端子電極９４０の端面９４１上に配置されやすくしている。

図３と図４とを比較して明らかなように、本実施形態の外部端子電極１４０では、端面１４１の外周を絶縁樹脂層１３０の表面と略等しい高さとし中央部を滑らかに窪ませて断面を凹形状とすることで、はんだボール１０を外部端子電極１４０の中央部に配置しやすくしている。これに対し、従来の外部端子電極９４０では、絶縁樹脂層９３０と外部端子電極９４０との間で段差を形成することで、はんだボール９０を外部端子電極９４０の上部に配置しやすくしている。

次に、本実施形態の半導体装置１００を所定の実装基板に実装するために、はんだボール１０を溶融してはんだ接続したときの外部端子電極１４０の断面図を図１に示す。図１は、図３と同様に、外部端子電極１４０を絶縁樹脂層１３０の厚さ方向に切断したときの断面図を示している。図１（ａ)は、はんだボール１０で溶融接続した状態の外部端子電極１４０の断面図を示しており、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す断面図の領域Ａを拡大して示したものである。

図１に示すように、外部端子電極１４０の端面１４１上ではんだボール１０を溶融させると、端面１４１から周囲の絶縁樹脂層１３０まではんだ１１が拡がって実装基板の電極（図示せず）と接続される。本実施形態では、外部端子電極１４０と絶縁樹脂層１３０との境界で段差が形成されていないことから、はんだ１１に屈曲部が形成されないか、形成されたとしても屈曲角度の大きい屈曲部しか形成されない。

図１（ｂ）において、外部端子電極１４０と絶縁樹脂層１３０との境界における端面１４１と絶縁樹脂層１３０の表面とのなす角度をθ１としたとき、この角度θ１がはんだ１１に形成される屈曲部１２の屈曲角度となる。屈曲角度θ１は、１２０°より大きく１８０°より小さくするのがよい。屈曲角度θ１を１２０°より大きくすることで、はんだのクラック発生を防止して信頼性を向上させることができる。

図１（ｃ）において、絶縁樹脂層１３０の他方の面から、端面の最深部の深さをＤとし、外部端子電極１４０の他方の端部に実装されるはんだボール１０の直径をＲとしたとき、
（１／３０）Ｒ＜Ｄ＜（１／３）Ｒ
の関係を有していることにより、はんだのクラック発生を防止して信頼性を向上させることができる。

図１と比較して、従来の半導体装置を所定の実装基板に実装するために、はんだボール９０を溶融して外部端子電極９４０と実装基板の電極（図示せず）とをはんだ接続したときの外部端子電極９４０の断面図を図５に示す。図５は、図４と同様に外部端子電極９４０を絶縁樹脂層９３０の厚さ方向に切断したときの断面図を示している。図５（ａ)は、はんだボール９０で溶融接続した状態の外部端子電極９４０の断面図を示しており、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す断面図の領域Ｂを拡大して示したものである。

図５に示すように、従来の半導体装置では、外部端子電極９４０と絶縁樹脂層９３０との境界で段差が形成されていることから、はんだ９１には略９０°の屈曲角度を有する屈曲部９２が形成される。外部端子電極９４０と絶縁樹脂層９３０との境界における屈曲角度をθ２としたとき、θ２は略９０°となる。

従来の半導体装置では、はんだ接続したはんだ９１に図５に示すような屈曲角度の小さな（鋭い）屈曲部９２が形成されることから、これを基点にクラックが発生しやすいといった問題があった。これに対し本実施形態では、はんだ接続したはんだ１１には、図１に示すように、屈曲角度θ１の極めて大きい屈曲部１２が形成される。

上記のように、本実施形態の半導体装置１００では、屈曲角度θ１が大きいことから、はんだ１１にクラックが発生する基点となる鋭い屈曲部が形成されないことになる。その結果、本実施形態の半導体装置１００では、信頼性の高い実装を実現することができる。

上記実施形態の半導体装置１００は、ＢＧＡタイプの半導体装置であるが、これに限らずＣＳＰ（Chip Size Package）やＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）の半導体装置においても、上記と同様のはんだ接続を用いて実装基板に実装することができる。一例として、ＷＬＣＳＰタイプの半導体装置を図６に示す。図６に示す半導体装置１５０は、導電性配線層１６２と金属製バンプ電極１５２とを接合することで、半導体素子１５１と配線基板１６１とを接合している。

半導体装置１５０では、はんだボールを実装するはんだ用ポスト１６４が凹の形状に形成されている。このはんだ用ポストの凹の形状部にはんだボールを載置し、これを溶融することで信頼性の高い実装を実現することができる。

本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を、図７に示す断面図を用いて説明する。図７（ａ）は、半導体装置２００を、外部端子電極２４０が配置されている位置で厚さ方向に切断したときの断面図であり、図７（ｂ）は、外部端子電極２４０を絶縁樹脂層２３０の厚さ方向に切断したときの断面図を示している。

本実施形態の半導体装置２００では、外部端子電極２４０が図７（ｂ）に示すような樹脂を内包する樹脂突起電極で形成されている。樹脂突起電極は、樹脂で形成された突起部の表面に銅をめっきするなどして電極を形成したものである。本実施形態の外部端子電極２４０は、樹脂で形成された突起部２４２の表面に銅をめっきして電極導体２４３を形成して、端面２４１が凹形状となるように溶解処理を施している。

電極導体２４３で形成された外部端子電極２４０の端面２４１は、第１の実施形態の外部端子電極１４０と同様に、周縁部の高さを絶縁樹脂層２３０の表面の高さと略等しくし、中央部の高さを絶縁樹脂層２３０の表面の高さより低くすることで、断面が滑らかな凹形状になるように形成されている。これにより、外部端子電極２４０と絶縁樹脂層２３０との境界を覆うはんだ１１には、クラックの基点となるような屈曲部が形成されることはなく、信頼性の高いはんだ接合を実現することができる。

樹脂突起電極の別の実施形態を図８に示す。図８は、別の実施形態である外部端子電極３４０を絶縁樹脂層３３０の厚さ方向に切断したときの断面図を示している。本実施形態の外部端子電極３４０では、樹脂で形成された突起部３４２の先端の形状を凹形状に形成している。これにより、突起部３４２の表面上に銅めっきを均一の厚さで形成することで、外部端子電極３４０の周縁部が絶縁樹脂層３３０の表面の高さと略等しく、中央部が絶縁樹脂層２３０の表面の高さより低くなるような凹形状に形成することができる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る半導体装置およびその製造方法の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における半導体装置およびその製造方法の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の第１の実施形態の半導体装置を実装基板上に実装したときの外部端子電極の断面図である。 第１の実施形態の半導体装置の断面図及び下面図である。 本実施形態の外部端子電極を絶縁樹脂層の厚さ方向に切断したときの断面図である。 従来の半導体装置における外部端子電極の断面図である。 従来の半導体装置を実装基板上に実装したときの外部端子電極の断面図である。 第１の実施形態の半導体装置の別の実施例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の半導体装置を実装基板上に実装したときの外部端子電極の断面図である。 外部端子電極の別の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１０、９０ はんだボール
１１、９１ はんだ
１２、９２ 屈曲部
１００、１５０、２００ 半導体装置
１１０、１５１ 半導体素子
１１１ 金ワイヤ
１２０ 配線層
１３０、２３０、３３０、９３０ 絶縁樹脂層
１３１ 貫通孔
１４０、２４０、３４０、９４０ 外部端子電極
１４１、２４１、９４１ 端面
２４２、３４２ 突起部
２４３ 電極導体
１５２ 金属製バンプ電極
１６０ はんだボール
１６１ 配線基板
１６２ 導電性配線層
１６３ はんだ層
１６４ はんだ用ポスト

Claims (4)

1. 半導体素子と、前記半導体素子の電極に接続される配線層と、前記配線層を一方の面で覆う絶縁樹脂層と、前記絶縁樹脂層を貫通して一方の端部が前記配線層に接続される外部端子電極と、を備える半導体装置であって、
   前記外部端子電極の他方の端部は、中央部が窪んだ凹形状で周縁部が前記絶縁樹脂層の前記他方の面と略等しい高さに形成された端面を有している
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記外部端子電極は、樹脂製突起の表面に金属めっきが施されてなる樹脂突起電極である
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記外部端子電極の周縁部における前記端面と前記絶縁樹脂層の他方の面とで形成される角度が１２０°より大きく、１８０°より小さい
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置
4. 前記絶縁樹脂層の他方の面からの前記端面の最深部の深さをＤとし、
   前記外部端子電極の他方の端部に実装されるはんだボールの直径をＲとしたとき、
   （１／３０）Ｒ＜Ｄ＜（１／３）Ｒ
   の関係を有している
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。

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