JP2010245368A

JP2010245368A - 故障検出装置

Info

Publication number: JP2010245368A
Application number: JP2009093706A
Authority: JP
Inventors: Masaya Hiwatari; 雅哉樋渡
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】パッケージ基板の故障を検出できるようにする。
【解決手段】ＰＫＧ基板３に、故障検出用のスタックビア１４及びこのスタックビア１４
に接続される配線１１が設けられている。検出部１０を始点及び終点として、故障検出用
のスタックビア１４を配線１１，１２，１３によりデイジーチェーン接続している。検出
部１０は、スタックビア１４とスタックビア１４に接続される配線１１などから成る故障
検出用の回路におけるインピーダンスと閾値を比較する。例えば故障検出用のスタックビ
ア１４とスタックビア１４に接続される配線１１に破断が生じ始めてインピーダンスが閾
値を超過した場合、検出部１０は、故障を示すアラームを発生する。これにより、ＰＫＧ
基板３の故障を検出できるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パッケージ基板の故障検出に関し、特にスタックビア及びスタックビアに接
続される配線の破断を検出する故障検出装置に関するものである。

近年、Ｓｉチップの小型化に伴いＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Size Pac
kage）が多く使用されている。ＢＧＡは、半田による小さいボール状電極（バンプ）をデ
ィスペンサで格子状に並べたものである。ＣＳＰは、外形寸法がＳｉチップサイズと略同
等な大きさのパッケージである。一般に、パッケージ基板（以下ＰＫＧ基板という）の片
面にＳｉチップをＦＣ（Flip Chip）実装し、他面側に複数個の半田ボールを配置してい
る。

配線の間隔によりＳｉチップをプリント配線基板（以下ＰＷＢ基板という）に直接に接
続できないので、ＰＫＧ基板を介在させてＳｉチップをプリント配線基板に電気的に接続
する。

ＦＣ実装では、半田バンプによりＳｉチップとＰＫＧ基板の電気的接続を行っている。
ＰＫＧ基板の一方の面（ＳｉチップがＦＣ実装される面）と他方の面（半田ボールが配置
される面）は、ＰＫＧ基板のビアとスルーホールにより電気的接続を行っている。例えば
、ビアは、ＰＫＧ基板の２層以上の絶縁層間を接続する導通した穴である。スルーホール
は、ＰＫＧ基板のコア層の上面と下面を接続する導通した穴である。

Ｓｉチップが搭載されたＰＫＧ基板をＰＷＢ基板に実装した後には、溶融した半田ボー
ルによりＰＫＧ基板とＰＷＢ基板の電気的接続が行われる。ＰＫＧ基板の小型化が進むに
つれてＰＫＧ基板が多層化されている。ＰＫＧ基板の多層化により、設計の自由度の向上
やインダクタンスの低減のためにビアの上にビアを配置するスタックビアが用いられるよ
うになってきた。

Ｓｉチップが搭載されたＰＫＧ基板では、熱膨張係数の違いによる歪み（応力）によっ
てＰＫＧ基板のスタックビア及びこのスタックビアに接続される配線が破断する問題が発
生することが知られている。

このようなスタックビアやその配線が破断する問題に対処した従来技術が特許文献１に
開示されている。この特許文献１によれば、半導体装置の設定温度の変化によるスタック
ビアにおける歪み量の評価をシミュレーションにより行い、この評価の結果をもとに導電
性スタックビアの再配置を行うものである。これにより、スタックビアに集中する応力や
ひずみを効果的に低減し、信頼性の高い半導体装置を設計できるようになる。

また、特許文献２には、半導体素子に不良検出回路を付加しておき、不良検出回路から
出力される不良検出信号を監視することで、不良を事前に検知してアラームを出力するも
のである。これにより、半導体装置における耐湿性の不良やエレクトロマイグレーション
、また熱膨張係数差による応力の繰り返しで発生するストレスマイグレーション等の不良
を検出できる。

特開２００６−６００７２号公報特開平１１−２６０８７８号公報

ところで、従来例に係る特許文献１によれば、シミュレーションによる計算予測であり
、計算に使用するモデルや物性値によっては結果が異なる問題がある。また、特許文献２
によれば、半導体素子のエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションの故障
は検出できるが、ＰＫＧ基板のスタックビア及びこのスタックビアに接続される配線の故
障を検出することは困難である。

そこで、本発明はこのような従来例に係る課題を解決したものであって、パッケージ基
板の故障を検出できるようにした故障検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、故障検出装置は、半導体チップが実装され、前記半導
体チップの中央部に形成されるスタックビアと前記スタックビアに接続される配線とが形
成されるパッケージ基板と、前記スタックビアと前記配線とを有する故障検出用の回路と
、前記故障検出用の回路のインピーダンスを検出する検出部とを備えるものである。

本発明に係る故障検出装置によれば、故障検出用の回路の配線の一部は、パッケージ基
板に設けられている。パッケージ基板は複数層の絶縁層から成る多層構造であり、故障検
出用の回路は、パッケージ基板の絶縁層の各々に形成されたビアがスタックされたスタッ
クビアと、このスタックビアをデイジーチェーン接続する構成と配線とを備える。検出部
は、故障検出用の回路のインピーダンスの変化に基づいてパッケージ基板の故障を検出す
る。例えば、検出部は、故障検出用の回路におけるインピーダンスと閾値を比較して、イ
ンピーダンスが閾値を超過した場合、アラームを発生する。これにより、故障検出用のス
タックビアの破断、又はこのスタックビアに接続される配線の破断を検出できる。この破
断により、パッケージ基板全体のスタックビア及び配線の破壊を予測する。

本発明に係る故障検出装置によれば、パッケージ基板に設けられた故障検出用の回路を
備え、検出部は、この故障検出用の回路のインピーダンスの変化に基づいてパッケージ基
板の故障を検出するものである。

この構成によって、パッケージ基板の故障を検出できる。例えば、パッケージ基板に形
成された電気的接続用のスタックビア及びスタックビアに接続される配線の破断を検出で
きる。

Ａは、Ｓｉチップ１を搭載したＰＫＧ基板３の故障を検出する第１実施例としての故障検出装置１００の構成例を示す上面図であり、Ｂは、この故障検出装置１００の構成例を示す横面透視図である。Ｓｉチップ１とＰＫＧ基板３の熱膨張係数の違いにより生じるＰＫＧ基板３の歪を示す模式図である。第２実施例としての故障検出装置２００の構成例を示す上面図である。故障検出装置２００の構成例を示す横面透視図である。

続いて、図面を参照しながら本発明に係る故障検出装置の実施の形態について説明する
。図１Ａは、Ｓｉチップ１を搭載したＰＫＧ基板（パッケージ基板）３の故障を検出する
第１実施例としての故障検出装置１００の構成例を示す上面図である。図１Ｂは、図１Ａ
に示す故障検出装置１００の横面透視図である。また、一般には、複数個の半田バンプ、
半田ボール、ビア、スタックビア、スルーホールを配置しているが、この例では、説明の
理解を容易にするために主に本発明に係る部分を記載する。

図１Ａ及び図１Ｂに示すＳｉチップ１は、ＰＫＧ基板３にＦＣ（Flip Chip）実装され
ている。Ｓｉチップ１の底面に設けられた複数の半田バンプ２は、Ｓｉチップ１とＰＫＧ
基板３を電気的に接続している。Ｓｉチップ１が搭載されたＰＫＧ基板３は、ＰＷＢ基板
９Ａに半田ボール８ａ〜８ｄにより実装されている。Ｓｉチップ１が搭載されたＰＫＧ基
板３をＰＷＢ基板９Ａに実装した後には、溶融した半田ボール８ａ〜８ｄによりＰＫＧ基
板３とＰＷＢ基板９Ａは、電気的に接続されている。

故障検出装置１００は、Ｓｉチップ１を搭載したＰＫＧ基板３の故障を検出するもので
あり、故障検出用の回路の一例である配線１１，１２、故障検出用のスルーホール５及び
故障検出用のスタックビア１４を備えている。また、故障検出装置１００は、この故障検
出用の回路に接続される配線１３とこの配線１３に接続される検出部１０を備えている。
検出部１０は、故障検出用の回路におけるインピーダンスに基づいてＰＫＧ基板３の故障
を検出する。

ＰＫＧ基板３は、コア層６、複数層の絶縁層７、不図示の配線パターンなどを備えて多
層構造を成している。コア層６と絶縁層７の間や複数層の絶縁層７の間には、不図示の配
線パターンが形成されている。絶縁層７は、層間の配線パターンを絶縁する。

コア層６には、スルーホール５が４箇所に形成されている。絶縁層７には、これらのス
ルーホール５に接続されるスタックビア１４が形成されている。この例で、絶縁層７ａに
は４つのビア１４ａ〜１４ｄが形成され、絶縁層７ｂにも４つのビア１４ａ〜１４ｄが形
成され、同様に絶縁層７ｃ〜７ｆにも４つのビア１４ａ〜１４ｄが形成されている。スタ
ックビア１４は、絶縁層７ａ〜７ｆの各々に形成された４つのビア１４ａ〜１４ｄがスタ
ックされて形成されている。これらの絶縁層７ａ〜７ｆに形成されたビア１４ａ〜１４ｄ
とコア層６のスルーホール５は接続されている。

ビア１４ａ〜１４ｄは、Ｓｉチップ１の中央部における絶縁層７ａ〜７ｆに形成される
。このＳｉチップ１の中央部は、Ｓｉチップ１を搭載したＰＫＧ基板３の故障を検出する
最適な位置である。この理由は、Ｓｉチップ１とＰＫＧ基板３の熱膨張係数の違いにより
生じるＰＫＧ基板３の歪（応力）は、Ｓｉチップ１の中央部が最大となるからである。Ｐ
ＫＧ基板３の歪は、ＰＫＧ基板３の端から最も離れた部位で最大となる。

例えば、図２は、Ｓｉチップ１とＰＫＧ基板３の熱膨張係数の違いにより生じるＰＫＧ
基板３の歪を示す模式図である。一般に、Ｓｉチップ１の熱膨張係数は３．５ｐｐｍ／℃
であり、ＰＫＧ基板３の熱膨張係数は７．０ｐｐｍ／℃である。図２に示すＰＫＧ基板３
によれば、ＰＫＧ基板３は、Ｓｉチップ１とＰＫＧ基板３の熱膨張係数の違いにより円弧
状に沿って歪んでいる。この場合、ＰＫＧ基板３の歪は、Ｓｉチップ１の中央部が最大と
なる。

これにより、Ｓｉチップ１の中央部に配設されたスタックビア１４とスタックビア１４
に接続される配線１１から破断が進んでいく。従って、Ｓｉチップ１の中央部に故障検出
用のスタックビア１４及びスタックビア１４に接続される配線１１を配設することにより
、精度良くＳｉチップ１を搭載したＰＫＧ基板３の破断を検出することができる。これに
より、Ｓｉチップ１の中央部より外側に配設された、スタックビアとスタックビアに接続
される配線が破断することを検出できる。従って、Ｓｉチップ１を搭載したＰＫＧ基板３
の故障を未然に検出できる。

検出部１０はＰＷＢ基板９Ａ上に設置されている。検出部１０を始点及び終点として、
故障検出用のスタックビア１４を配線１１，１２，１３によりデイジーチェーン接続して
いる。例えば、検出部１０の始点はＰＷＢ基板９Ａ上の配線１３の一端に接続され、配線
１３の他端は半田ボール８ｂに接続される。半田ボール８ｂにはＰＫＧ基板３の下面にお
ける配線１２の一端が接続され、配線１２の他端には絶縁層７ｆのビア１４ｂが接続され
る。

絶縁層７ｆのビア１４ｂは、スタックビア１４及びスルーホール５を介してＰＫＧ基板
３の上面における配線１１の一端に接続される。配線１１の他端には絶縁層７ａのビア１
４ｃが接続される。絶縁層７ａのビア１４ｃは、スタックビア１４及びスルーホール５を
介してＰＫＧ基板３の下面における配線１２の一端に接続され、配線１２の他端は半田ボ
ール８ｃに接続される。半田ボール８ｃは、ＰＷＢ基板９Ａ上の配線１３の一端に接続さ
れ、配線１３の他端は半田ボール８ｄに接続される。半田ボール８ｄは配線１２の一端に
接続され、配線１２の他端はＰＫＧ基板３の下面における絶縁層７ｆのビア１４ｄに接続
される。

絶縁層７ｆのビア１４ｄは、スタックビア１４及びスルーホール５を介してＰＫＧ基板
３の上面における配線１１の一端に接続される。配線１１の他端は絶縁層７ａのビア１４
ａに接続される。絶縁層７ａのビア１４ａは、スタックビア１４及びスルーホール５を介
してＰＫＧ基板３の下面における配線１２の一端に接続され、配線１２の他端は半田ボー
ル８ａに接続される。半田ボール８ａは、ＰＷＢ基板９Ａ上の配線１３の一端に接続され
、配線１３の他端は検出部１０の終点に接続される。このように、検出部１０を始点及び
終点として、故障検出用のスタックビア１４とスタックビア１４に接続される配線１１な
どを経由してデイジーチェーン接続となっている。

検出部１０は、スタックビア１４の破断、又はこのスタックビア１４に接続される配線
１１の破断を検出してアラームを発生する。例えば、検出部１０は、出力端から一定の電
流を流してインピーダンスを測定する。検出部１０は、スタックビア１４とスタックビア
１４に接続される配線１１などから成る故障検出用の回路におけるインピーダンスと閾値
を比較する。故障検出用のスタックビア１４とスタックビア１４に接続される配線１１に
破断が生じてインピーダンスが閾値を超過した場合、検出部１０は、故障を示すアラーム
を発生する。

また、検出部１０は、出力端から一定の電流を流して電気的導通を測定するようにして
もよい。検出部１０は、スタックビア１４とスタックビア１４に接続される配線１１など
から成る故障検出用の回路に破断（断線）が生じると、検出部１０は入力端から電流を入
力しないので電気的導通が無くなったことを検出して故障を示すアラームを出力する。

このように、本発明に係る故障検出装置１００によれば、ＰＫＧ基板３に設けられた故
障検出用の回路を備え、検出部１０は、この故障検出用の回路のインピーダンス又はイン
ピーダンスの変化に基づいてＰＫＧ基板３の故障を検出するものである。

この構成によって、ＰＫＧ基板３の故障が検出できる。例えば、ＰＫＧ基板３に形成さ
れた電気的接続用のスタックビア及びこのスタックビアに接続される配線の破断を検出で
きる。

続いて、第２実施例としての故障検出装置２００について説明する。図３は、故障検出
装置２００の構成例を示す上面図である。図４は、故障検出装置２００の構成例を示す横
面透視図である。図３及び図４では、Ｓｉチップ１Ａが搭載されたＰＫＧ基板３ＡとＳｉ
チップ１Ｂが搭載されたＰＫＧ基板３ＢとをＰＷＢ基板９Ｂに実装している。

なお、図１Ａに示した故障検出装置１００と同じ構成要素には同一符号を付し、その詳
細な説明は省略する。また、図３及び図４に示すＰＫＧ基板３Ａ，３Ｂは、図１に示した
ＰＫＧ基板３と同様の構成を成している。

故障検出装置２００の検出部１０はＰＷＢ基板９Ｂ上に設置されている。図３に示す検
出部１０を始点及び終点として、ＰＫＧ基板３Ａ，３Ｂにおける故障検出用のスタックビ
ア１５，１６をデイジーチェーン接続する配線１１，１２，１３とを備える。例えば、検
出部１０の始点はＰＷＢ基板９Ｂ上の配線１３の一端に接続され、配線１３の他端は半田
ボール８０ｂに接続される。半田ボール８０ｂにはＰＫＧ基板３Ａの下面における配線１
２の一端が接続され、配線１２の他端には絶縁層７ｆのビア１５ｂが接続される。

絶縁層７ｆのビア１５ｂは、スタックビア１５及びスルーホール５Ａを介してＰＫＧ基
板３Ａの上面における配線１１の一端に接続される。配線１１の他端には絶縁層７ａのビ
ア１５ｃが接続される。絶縁層７ａのビア１５ｃは、スタックビア１５及びスルーホール
５Ａを介してＰＫＧ基板３の下面における配線１２の一端に接続され、配線１２の他端は
半田ボール８０ｃに接続される。半田ボール８０ｃは、ＰＷＢ基板９Ｂ上の配線１３の一
端に接続され、配線１３の他端はＰＫＧ基板３Ｂの半田ボール８１ｂに接続される。半田
ボール８１ｂは配線１２の一端に接続され、配線１２の他端はＰＫＧ基板３Ｂの下面にお
ける絶縁層７ｆのビア１６ｂに接続される。

絶縁層７ｆのビア１６ｂは、スタックビア１６及びスルーホール５Ｂを介してＰＫＧ基
板３Ｂの上面における配線１１の一端に接続される。配線１１の他端は絶縁層７ａのビア
１６ｃに接続される。絶縁層７ａのビア１６ｃは、スタックビア１６及びスルーホール５
Ｂを介してＰＫＧ基板３Ｂの下面における配線１２の一端に接続され、配線１２の他端は
半田ボール８１ｃに接続される。半田ボール８１ｃは、ＰＷＢ基板９Ｂ上の配線１３の一
端に接続され、配線１３の他端は半田ボール８１ｄに接続される。半田ボール８１ｄは、
ＰＫＧ基板３Ｂの下面の配線１２の一端に接続され、配線１２の他端は絶縁層７ｆのビア
１６ｄに接続される。

絶縁層７ｆのビア１６ｄは、スタックビア１６及びスルーホール５Ｂを介してＰＫＧ基
板３Ｂの上面における配線１１の一端に接続される。配線１１の他端は絶縁層７ａのビア
１６ａに接続される。絶縁層７ａのビア１６ａは、スタックビア１６及びスルーホール５
Ｂを介してＰＫＧ基板３Ｂの下面における配線１２の一端に接続され、配線１２の他端は
半田ボール８１ａに接続される。半田ボール８１ａは、ＰＷＢ基板９Ｂ上の配線１３の一
端に接続され、配線１３の他端はＰＫＧ基板３Ａの半田ボール８０ｄに接続される。半田
ボール８０ｄは、ＰＫＧ基板３Ａの下面の配線１２の一端に接続され、配線１２の他端は
絶縁層７ｆのビア１５ｄに接続される。

絶縁層７ｆのビア１５ｄは、スタックビア１５及びスルーホール５Ａを介してＰＫＧ基
板３Ａの上面における配線１１の一端に接続される。配線１１の他端は絶縁層７ａのビア
１５ａに接続される。絶縁層７ａのビア１５ａは、スタックビア１５及びスルーホール５
Ａを介してＰＫＧ基板３Ａの下面における配線１２の一端に接続され、配線１２の他端は
半田ボール８０ａに接続される。半田ボール８０ａは、ＰＷＢ基板９Ａ上の配線１３の一
端に接続され、配線１３の他端は検出部１０の終点に接続される。このように、検出部１
０を始点及び終点として、故障検出用のスタックビア１５，１６とスタックビア１５，１
６に接続される配線１１などを経由してデイジーチェーン接続となっている。

検出部１０は、故障検出用のスタックビア１４，１５の破断、又はこのスタックビア１
５，１６に接続される配線１１の破断を検出してアラームを発生する。例えば、検出部１
０は、出力端から一定の電流を流してインピーダンスを測定する。検出部１０は、スタッ
クビア１５，１６とスタックビア１５，１６に接続される配線１１などから成る故障検出
用の回路におけるインピーダンスと閾値を比較する。故障検出用のスタックビア１５，１
６とスタックビア１５，１６に接続される配線１１に破断が生じてインピーダンスが閾値
を超過した場合、検出部１０は、故障を示すアラームを発生する。

また、検出部１０は、出力端から一定の電流を流して電気的導通を測定するようにして
もよい。検出部１０は、スタックビア１５，１６とスタックビア１５，１６に接続される
配線１１などから成る故障検出用の回路に破断（断線）が生じると、検出部１０は入力端
から電流を入力しないので電気的導通が無くなったことを検出して故障を示すアラームを
出力する。

このように、本発明に係る故障検出装置２００によれば、複数のＰＫＧ基板３Ａ，３Ｂ
に設けられた故障検出用の回路を備え、検出部１０は、故障検出用の回路のインピーダン
ス又はインピーダンスの変化に基づいてＰＫＧ基板３Ａ，３Ｂの故障を検出するものであ
る。この構成によって、１個の検出部１０により複数のＰＫＧ基板３Ａ，３Ｂの故障を検
出できる。

なお、故障検出装置１００は、工場から出荷される半導体装置に組み込むようにしても
良いし、ＬＳＩ開発時における評価テストに利用するようにしても良い。ＬＳＩ開発時に
おける評価テストに利用する場合、温度条件などと共にインピーダンスの変化を検出する
ようにすれば、半導体装置の性能向上に役立てることができる。

また、必ずしも故障検出用のビアをスタックする必要はなく、最上面の絶縁層のビア及
びビアに接続される配線だけを故障検出用の回路として用いても良い。さらにビアを用い
ずとも、配線だけを故障検出用として用いても良い。また、故障検出用のスタックビア１
４をＳｉチップ１の中央部に４個配置したが、１個以上であれば何個でも良い。例えば奇
数個の場合、配線１１は、電気的接続用のスタックビア及びスルーホールを経由してＰＫ
Ｇ基板の配線１２に接続する。

また、図１Ａに示したビア１４ａとビア１４ｄを接続する配線１１及びビア１４ｂとビ
ア１４ｃを接続する配線１１の形状は、一例であり必ずしも図１Ａに示した形状でなくて
も良い。また、図１Ｂに示した絶縁層７ａ〜７ｆとコア層６の層構成は一例であり、他の
層構成でも良い。また、故障検出用のスタックビア１４は、Ｓｉチップ１の中央部であれ
ば良く、Ｓｉチップ１の真の中心である必要はない。また、Ｓｉチップ１及びＰＫＧ基板
３は正方形である必要はなく、またＳｉチップ１及びＰＫＧ基板３は相似形である必要も
ない。ＰＫＧ基板３にＳｉチップ１を実装する例を示したが、これに限らず例えば化合物
半導体などであっても良い。検出部１０は、ＰＷＢ基板９Ａ上に設置せずに、ＰＫＧ基板
３やＳｉチップ１上に設置してもよい。また、故障検出用のスタックビアを用いたが、電
気的接続用のスタックビアや電気的接続用のビアを故障検出用に適用しても良い。

本発明は、パッケージ基板の故障検出に関し、特にスタックビア及びスタックビアに接
続される配線の破断を検出する故障検出装置に適応して極めて好適である。

１・・・半導体チップ
３，３Ａ，３Ｂ・・・パッケージ基板
７ａ〜７ｆ・・・絶縁層
１０・・・検出部
１１，１２，１３・・・配線
１４，１５，１６・・・スタックビア
１４ａ〜１４ｄ，１５ａ〜１５ｄ，１６ａ〜１６ｄ・・・ビア

Claims

半導体チップが実装され、前記半導体チップの中央部に形成されるスタックビアと前記
スタックビアに接続される配線とが形成されるパッケージ基板と、
前記スタックビアと前記配線とを有する故障検出用の回路と、
前記故障検出用の回路のインピーダンスを検出する検出部とを備えることを特徴とする
故障検出装置。
前記パッケージ基板は、
複数個が形成された前記スタックビアと、
一方のスタックビアと他方のスタックビアとを接続し、該パッケージ基板の一方の面に
形成される配線と、
前記スタックビアと前記検出部に接続される配線とを接続し、他方の面に形成される配
線とを備えることを特徴とする請求項１に記載の故障検出装置。
前記検出部は、
前記故障検出用の回路におけるインピーダンスと閾値を比較して、インピーダンスが閾
値を超過した場合、アラームを発生することを特徴とする請求項１に記載の故障検出装置
。