JP4085186B2

JP4085186B2 - Ｂｇａソケット

Info

Publication number: JP4085186B2
Application number: JP30350197A
Authority: JP
Inventors: 龍前田
Original assignee: Molex LLC
Current assignee: Molex LLC
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: WO1999021227A1; JPH11121659A; TW415709U

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）構造の半導体パッケージのバーンイン検査に使用するバーンインソケット又は実装用ソケットとして使用可能のＢＧＡソケットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体パッケージが多極化するに従って、従来のＱＦＰ、ＴＣＰのようなパッケージの４辺に接続のためのリードを設けた半導体パッケージでは、リードのピッチが極小化するためにプリント回路基板への半田実装が困難となって、新しいパッケージの形態が必要となっている。そこで、半導体パッケージの下面に導電ランドをグリッドアレイ状に形成（ＬＧＡ）し、この導電ランドに半田ボールなどの金属ボールを電気的に接続したＢＧＡ構造の半導体パッケージの使用が盛んになるに至っている。このＢＧＡ構造では、半導体パッケージの下面に金属ボールを配列することから、従来のパッケージの４辺にリードを整列させる場合に比べて、ピッチを３倍程度大きくでき、プリント回路基板への半田付けによる実装が容易になると共に、接続エラーも少なくできる特徴がある。
【０００３】
然しながら、このようなＢＧＡ構造の半導体パッケージをバーンイン検査するために使用できる、低コストのバーンインソケットや、前記金属ボールが接続される前のＬＧＡ構造の半導体パッケージを試験するための試験用のソケットが未だ提案されていないのが現状である。
【０００４】
ＢＧＡ構造の半導体パッケージをバーンイン検査するためのバーンインソケットについては、いくつかの提案がされているが、それらは、金属板を打ち抜き成形した導電コンタクトを絶縁ハウジングによってアレイ状に配列した構造のものであって、以下に述べるような問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
即ち、公知のバーンインソケットは、導電コンタクトをソケット面に垂直の方向に向けてグリッドアレイ状に整列させ、導電コンタクトの先端部と半導体パッケージの金属ボールを接触させる構造としていた。従って、導電コンタクトにばね性を持たせるために、ある一定の長さが必要であった。公知のバーンインソケットでは、必要なばね性を保有させるために、導電コンタクトの長さを５ｍｍ以上とする必要があった。然しながら、半導体パッケージのバーンイン検査における測定周波数は年々高くなっているため、導電コンタクトの長さに起因するインダクタンスが問題となっており、導電コンタクトの長さを短くする必要が生じている。
【０００６】
また、上記のように金属板を打ち抜いた導電コンタクトでは、ばね定数を下げることは、金属ボールとの電気的接続機構の構成の点で困難であり、１極当たりの接触荷重が大きくならざるを得なかった。従って、最近のＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）のような多極の半導体パッケージのためのバーンインソケットでは、導電コンタクトと金属ボールの適正な接続を図るために大きな荷重を半導体パッケージにかける必要があり、バーンイン検査の際に要する労力及び半導体パッケージにかかるストレスの面で好ましくなかった。
【０００７】
更に、接触荷重が大きいことから、高温（例えば１２５度）のバーンイン検査を行っている際に、金属ボールと導電コンタクトが反応して、導電コンタクトの先端部の合金化による汚損が避けられなかった。このため、導電コンタクトとしての接続信頼性が低下し、バーンインソケットとして使用できる寿命が短縮する問題点があった。
【０００８】
また、更には、導電コンタクトを整列させた構造では、１．５ｍｍピッチが限界であり、それ以下のピッチのＢＧＡ構造の半導体パッケージに対応できない問題点もあった。
【０００９】
本発明は斯かる問題点に鑑みてなされたもので、ソケット長を短くできる構造のＢＧＡソケットを提供することを第１の目的としている。また、ＢＧＡ構造の半導体パッケージのボールコンタクトに対する接触荷重を小さくできるＢＧＡソケットを提供することを第２の目的としている。また、コンタクト部の汚損が生じないようにできるＢＧＡソケットを提供することを第３の目的としている。更には、小ピッチのＢＧＡ半導体パッケージにも対応可能な構造のＢＧＡソケットを提供することを第４の目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的のもとになされた本発明のＢＧＡソケットは、上面に金属バンプを形成したフレキシブルフィルムと、導電スルーホールが形成されたリジッド基板を積層して構成し、前記金属バンプをコンタクトとしたソケットである。従って、本発明のＢＧＡソケットは、ＢＧＡ構造の半導体パッケージばかりでなく、ＬＧＡ構造の半導体パッケージのバーンインソケット又は実装用ソケットとしても使用可能である。
【００１１】
即ち本発明は、リジッド基板の上にフレキシブルフィルムが積層してあり、前記フレキシブルフィルムの上面に、ＢＧＡのボールと当接するための金属バンプが形成してあると共に、フレキシブルフィルムの下面に前記金属バンプと電気的に導通している導電パッドが形成してあり、前記リジッド基板には、スルーホール内に弾性体が充填された導電スルーホールが設けてあり、この導電スルーホールの上側導電ランドがフレキシブルフィルムの導電パッドと電気的に接続してあり、導電スルーホールの下側導電ランドに金属ボールが電気的に接続してある構造を備えていることを特徴とするＢＧＡソケットである。
【００１２】
前記フレキシブルフィルムには、ポリイミド等の絶縁性フィルムを使用する。このフレキシブルフィルムの上面に、半導体パッケージのＢＧＡのボールと対応する位置に、金属バンプを形成する。電解メッキ、無電解メッキなどのメッキ法によって形成することができる。金属バンプの表面は、金、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム等の貴金属メッキをするのが望ましい。この金属バンプの直下に、フレキシブルフィルムを貫通する導電スルーホールを形成し、この導電スルーホールと導通する円形の導電パッドをフレキシブルフィルムの下面に形成することによって、上面の金属バンプと下面の導電パッドを電気的に導通させる。フレキシブルフィルムを貫通した導電スルーホールは、メッキ或は銀ペーストによる通称「銀スルーホール」による形成方法を採用することができる。
【００１３】
フレキシブルフィルムの下面の導電パッドは、前記金属バンプを介して繰り返し荷重が加えられるので、銅ベリリウム合金膜のような耐屈曲性に優れた膜で形成するのが望ましい。また、導電パッドの表面は、金メッキ又は錫メッキをするのが望ましい。この導電パッドの径は、リジッド基板側に形成されている上側導電ランドと同等若しくは若干大きく設計する。
【００１４】
このような金属バンプ及び導電パッドが、ＢＧＡ構造の各金属ボールと対応するように、それぞれ、独立させて形成される。
【００１５】
次ぎに、リジッド基板は、ガラスエポキシ、セラミックス等の絶縁性の板体を使用することができる。板体の厚さは、０．１〜１ｍｍ、好ましくは、０．３〜０．５ｍｍとする。このリジッド基板には、前記フレキシブルフィルムの各金属バンプ及び導電パッドに対応させて、導電スルーホールが形成される。そして、導電スルーホールのスルーホール内に、弾性体を充填する。この弾性体の充填構造は、例えば、スルーホール内にシリコンエラストマーを充填して加熱硬化させる方法によって構成することができる。充填した弾性体の上面は、上側導電ランドと略面一の高さから０．３ｍｍ程度突出する高さの範囲が望ましい。導電スルーホールによって形成される、上側導電ランドと下側導電ランドの径は、スルーホールの径より０．２〜０．３ｍｍ程度大きくして、０．１〜０．１５ｍｍ幅のリング状の形状とする。
【００１６】
リジッド基板の上側導電ランドとフレキシブルフィルムの下面に形成した導電パッドの電気的接続は、上側導電ランド及び導電パッドの一方に金、他方に錫の膜を形成しておき、両者を熱圧着することによって金−錫共晶金属接続させるのが好ましい。他の方法として、上側導電ランドと導電パッドの双方に金メッキをし、金メッキ表面を超音波接続する方法も、接続の信頼性を高くする点で好ましい。更には、上側導電ランドと導電パッドの双方に金メッキをし、金メッキ表面相互を異方性導電膜で接続する方法も採用することができる。
【００１７】
リジッド基板の下側導電ランドと金属ボールの電気的接続は、半田接続、或は、金−錫共晶金属接続の方法を採用することができる。金属ボールには、金メッキスチールボール、金メッキ銅ボール等を使用する。金属ボールの径は、小さい程好ましいものであるが、導電スルーホール内に充填した弾性体の弾性確保、金属ボールの半田実装性等の点で、０．３〜２ｍｍ程度とするのが望ましい。
【００１８】
また、フレキシブルフィルムの導電パッドの部分は、金属バンプを介して受ける繰り返し荷重によってリジッド基板側に変位することになるため、環状に形成された上側導電ランドの内側に沿って、フレキシブルフィルムから導電パッドまで貫通するスリットを非完結環状に形成して、この非完結環状スリットの内側部分がリジッド基板のスルーホール側に独立して変位できるようにするのが、フレキシブルフィルムに永久変形を起こさせない点で好ましい。
【００１９】
【作用】
本発明のＢＧＡソケットは、フレキシブルフィルムの上側に、半導体パッケージをフレキシブルフィルム側に押し付ける蓋のような手段を設けて、バーンインソケットあるいは実装用ソケットとして使用することができる。リジッド基板の下側導電ランドに電気的に接続した金属ボールをバーンインボードやプリント回路基板の表面に半田付けすることにより実装する。バーンインボードに半田付けした金属ボールは、バーンイン検査の後取り外すことができると共に、再度半田付けによる実装をすることもできる。
【００２０】
ソケット長は、金属バンプから金属ボールまでのきわめて短い長さとすることができる。金属バンプに対してＢＧＡ構造の半導体パッケージの金属ボール（導電ランドを含む）を当接させることで電気的な接続を図ることができる結果、接続のために必要な荷重を小さくすることができる。また、金属バンプと半導体パッケージの金属ボール（導電ランドを含む）を当接させることから、小ピッチの半導体パッケージにも対応することが可能となる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付の図を参照して説明する。
【００２２】
図１は実施例のＢＧＡソケットの一つのコンタクトの部分を拡大して示した断面図である。リジッド基板１の上にフレキシブルフィルム２が積層してある。リジッド基板１は、厚さ０．８ｍｍ、２７ｍｍ角のガラスエポキシ板を使用し、フレキシブルフィルム２は、下面に銅ベリリウム箔が層着された２７ｍｍ角のポリイミドフィルムを使用した。
【００２３】
リジッド基板１に、ピッチ１．５ｍｍ、穴径１．０ｍｍで、１５×１５で合計２２５穴のスルーホールを設け、各スルーホールの開口部周囲に、外径１．３ｍｍ、内径１．０ｍｍのリング状とした上側導電ランド３、下側導電ランド４をそれぞれ形成すると共に、スルーホールの内壁にスルーホールメッキ５を形成して導電スルーホールとした。上側導電ランド３及び下側導電ランド４の表面には錫メッキを施した。下側導電ランド４の外側に、直径１．２ｍｍの金メッキ銅ボール６を金−錫ろう付け７で電気的に接続固定して導電スルーホールを塞いだ。そして、導電スルーホールのスルーホール内には、シリコーン樹脂を充填し、加熱硬化させて弾性体８を形成した。弾性体８は、上側導電ランド３から約０．２ｍｍ突出させた。
【００２４】
フレキシブルフィルム２は、リジッド基板１の上側導電ランド３と対応させて下面の銅ベリリウム箔を、直径１．３ｍｍの円形に残して導電パッド９を形成した。導電パッド９の中心位置にフレキシブルフィルム２を貫通する孔１０を形成し、メッキ法によって、フレキシブルフィルム２の上面に導電パッド９と電気的に導通している金属バンプ１１を形成した。金属バンプ１１は直径を０．３ｍｍ、高さを０．４ｍｍとした。導電パッド９及び金属バンプ１１の表面には金メッキをした。
【００２５】
また、フレキシブルフィルム２の各導電パッド９の部分は、図３、４に示したように、リング状とした前記上側導電ランド３の内側に沿うようにして、幅０．０２ｍｍの幅で、フレキシブルフィルム２自体と導電パッド９を貫通する非完結環状スリット１２をレーザ加工により形成して、導電パッド９の内側部分９ａがフレキシブルフィルム２と共に独立して変位できるようにした。非完結環状スリット１２の形成によって残るリード部１３は、幅を０．３ｍｍとし、このリード部１３によって導電パッド９の内側部分９ａと外側部分９ｂが電気的に導通する構造とした。
【００２６】
上記のようなリジッド基板１とフレキシブルフィルム２を積層し、リジッド基板１の上側導電ランド３とフレキシブルフィルム２の導電パッド９の外側部分９ｂを金−錫ろう付けによって接合し、金−錫共晶金属接続による電気的接続構造を構成した。
【００２７】
図２は、上記実施例のＢＧＡソケットをバーンインボード１４に実装し、直径１．０ｍｍの半田ボール１５を導電部とした２２５極のＢＧＡ半導体パッケージ１６をソケット内に装着して、ＢＧＡ半導体パッケージ１６の半田ボール１５を金属バンプ１１へ押し付けた状態を表している。リジッド基板１の下面に設けた金メッキ銅ボール６をバーンインボード１４の導電パッド１７に半田付けすることによって実装した。ＢＧＡ半導体パッケージ１６の押し付けは全体荷重として６Ｋｇを作用させた。１極当たり、約２７ｇである。この状態で１３５度５分のバーンイン検査を行うことができた。
【００２８】
上記のバーンイン検査を１万回繰り返し、コンタクト抵抗と、コンタクト荷重を測定した。結果は、コンタクト抵抗が、１極当たり１２±４ｍΩ、コンタクト荷重が、１極当たり２５±１２ｇであった。
【００２９】
【発明の効果】
以上に説明の通り、本発明によれば、ソケット長を金属バンプから金属ボールまでのきわめて短い長さとすることができるので、インダクタンスの小さいＢＧＡソケットを提供することができる。従って、高い測定周波数のバーンイン検査も可能にすることができる。また、金属バンプを半導体パッケージの導電部と当接させる構造として、接触荷重を小さくしたので、ソケットへの半導体パッケージの装着を容易にできると共に、半導体パッケージへ与えるストレスも軽減することができる。そして、接触荷重が小さいために、半田ボールなどの半導体パッケージ側の導電部の金属で金属バンプが汚損されることもなく、寿命の長いＢＧＡソケットを提供することができる。更に、金属バンプでソケットのコンタクト部を構成しているので、多極狭ピッチのＢＧＡ半導体パッケージに対応できるＢＧＡソケットを提供することもできる。
【００３０】
請求項２、３のＢＧＡソケットによれば、更に、リジッド基板の上側導電ランドとフレキシブルフィルムの導電パッドの電気的接続の信頼性を確保することができる。
【００３１】
また、請求項４のＢＧＡソケットによれば、更に、耐屈曲性に優れた導電パッドとすることができ、繰り返しの使用に耐えるＢＧＡソケットとすることができる。
【００３２】
また、請求項５のＢＧＡソケットによれば、導電パッドの内側部分が独立して変位できる構造となるので、フレキシブルフィルムが使用によって永久変形しないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のＢＧＡソケットの一つのコンタクト部分の拡大断面図である。
【図２】同じく実施例のＢＧＡソケットにＢＧＡ半導体パッケージを押し付けた状態の、一つのコンタクト部分の拡大断面図である。
【図３】同じく実施例のフレキシブルフィルムの上面の金属バンプの部分の拡大平面図である。
【図４】同じく実施例のフレキシブルフィルムの下面の導電パッドの部分の拡大底面図である。
【符号の説明】
１リジッド基板
２フレキシブルフィルム
３上側導電ランド
４下側導電ランド
５スルーホールメッキ
６金メッキ銅ボール
７金−錫ろう付け
８弾性体
９導電パッド
９ａ導電パッドの内側部分
９ｂ導電パッドの外側部分
１０孔
１１金属バンプ
１２非完結環状スリット
１３リード部
１４バーンインボード
１５半田ボール
１６ＢＧＡ半導体パッケージ
１７バーンインボードの導電パッド

Claims

リジッド基板１の上にフレキシブルフィルム２が積層してあり、
前記フレキシブルフィルム２の上面に、ＢＧＡのボールと当接するための金属バンプ１１が形成してあると共に、フレキシブルフィルム２の下面に前記金属バンプ１１と電気的に導通している導電パッド９が形成してあり、
前記リジッド基板１には、スルーホール内に弾性体８が充填された導電スルーホールが設けてあり、この導電スルーホールの上側導電ランド３がフレキシブルフィルム２の導電パッド９と電気的に接続してあり、導電スルーホールの下側導電ランド４に金属ボール６が電気的に接続してある構造を備えていることを特徴とするＢＧＡソケット。
フレキシブルフィルム２の導電パッド９とリジッド基板１の上側導電ランド３の電気的接続は、金−錫共晶金属接続とした請求項１に記載のＢＧＡソケット。
フレキシブルフィルム２の導電パッド９とリジッド基板１の上側導電ランド３の電気的接続は、異方性導電膜を介している請求項１に記載のＢＧＡソケット。
フレキシブルフィルム２の導電パッド９は、銅ベリリウム合金膜で形成されている請求項１に記載のＢＧＡソケット。
フレキシブルフィルム２には、リジッド基板１の上側導電ランド３の内側に沿うように、導電パッド９まで貫通する非完結環状スリット１２が形成されており、この非完結環状スリット１２の内側部分９ａがリジッド基板１のスルーホール側に独立して変位できるようにされている請求項１に記載のＢＧＡソケット。