半導体装置およびその製造方法
【課題】熱応力によるクラックの発生を抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】この半導体装置１では、アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子４１を介して被実装対象２が実装対象３に実装されている。また、半導体装置１は、実装対象３側に複数の電極パッド４３ａ、４３ｂを形成する手段と、接続端子４１を電極パッド４３ａ、４３ｂ上にて溶融および凝固させて実装対象３に結合する手段とを備えている。そして、一部の電極パッド４３ａが、接続端子４１の凝固形状を規定する本体部４３１と、接続端子４１の溶融時にて接続端子４１の一部を本体部４３１の外周にガイドするガイド部４３２とを有している。
【解決手段】この半導体装置１では、アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子４１を介して被実装対象２が実装対象３に実装されている。また、半導体装置１は、実装対象３側に複数の電極パッド４３ａ、４３ｂを形成する手段と、接続端子４１を電極パッド４３ａ、４３ｂ上にて溶融および凝固させて実装対象３に結合する手段とを備えている。そして、一部の電極パッド４３ａが、接続端子４１の凝固形状を規定する本体部４３１と、接続端子４１の溶融時にて接続端子４１の一部を本体部４３１の外周にガイドするガイド部４３２とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、熱応力によるクラックの発生を抑制できる半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置では、電子部品あるいは回路基板を配線基板に実装する構造として、ＢＧＡ（Ball Grid Array）接続構造が採用されている。ＢＧＡ接続構造は、アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象を実装対象に実装する構造である。かかるＢＧＡ接続構造では、複数の接続端子がアレイ状あるいはランダム状に配列されるので、パッケージの小型化や電子部品類の高密度実装が可能となる。これにより、電子機器の小型化が実現される。また、ＢＧＡ接続構造は、リードレス構造を有するので、被実装対象と実装対象との接続距離が短縮される。これにより、電子機器の信号処理速度が向上する。
【０００３】
ここで、例えば、セラミック材を導電性配線材とともに積層・焼成して多層化したセラミック基板からなるＢＧＡ型セラミック回路モジュールでは、配線基板への実装状態にて、ＢＧＡ接続部の電極パッドの外周部に熱応力が集中して、電極パッド周囲のセラミック基板にクラックが発生する場合があった。そこで、電極パッドの外周部をガラス保護膜で覆うことにより、クラックが生じ難い端子構造を提供するとともに、その端子構造を少ない工程数で得ることを可能とするセラミック回路モジュールの製造方法が示されている。かかる構成として、例えば、特許文献１に記載される技術が知られている。
【０００４】
また、線膨張係数の異なる二種類の基板をつなぐＢＧＡ接続構造では、熱履歴が加わったときに、接続端子であるハンダの一部に熱応力が集中する。すると、ハンダと基板の電極パッドとの接合面付近にて、ハンダにクラックが生じて、ハンダが破断する問題がある。この解決策として、ＢＧＡ接続部のハンダの一部に熱応力が集中することを防ぐ構成が採用されている。すなわち、ハンダ中にプラスチックボールが配合され、そのプラスチックボールの線膨張係数が適当に選択される。これにより、プラスチックボールと下地ハンダ層との間に隙間が形成されて、ＢＧＡ接続部の温度変化による歪みが吸収される。また、ＢＧＡ接続部が鼓形状の断面形状を有することにより、ハンダと電極パッドとの接合面付近に生ずる熱応力が分散される。かかる構成として、例えば、特許文献２に記載される技術が知られている。
【０００５】
その他、セラミック基板と配線基板との間にアンダーフィル材が充填される構成がある。かかる構成では、電極パッド全体もしくはその一部が補強されることにより、ハンダボールと電極パッドとの接合部付近におけるクラックの発生あるいは電極パッドの周囲の基材におけるクラックの発生が防止される。かかる構成として、例えば、特許文献３に記載される技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２５０５６４号公報
【特許文献２】特許第２８５６１９７号公報
【特許文献３】特許第３６４４３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の構成では、電極パッドの周囲にクラックが生じ難いものの、接続部分のハンダボールがつぶれて、ハンダボールの中央部が膨らみ易い。このため、電極パッドの接合面付近では、ハンダボールがくびれた形状を有し、このくびれ部に応力が集中してクラックが発生するおそれがあった。また、半導体装置に要求される耐久温度範囲が広がると、熱膨張差によりパッド接合部への熱応力が増大する。このため、例えば、電極パッドの導体厚さを厚くして応力を緩和させる方法が考えられている。しかし、導体厚が厚くなると、導体の使用量が増加し、結果としてコストＵＰの原因となる。また、一般的な厚さの導体を有する構成では、導体膜が導体ペーストのスクリーン印刷によって形成される。しかし、厚い導体を有する構成では、印刷工程におけるスクリーンマスクへの充填およびマスクの抜け性が悪化するため、導体膜の形成が困難である。さらに、かかる構成では、使用可能な導体材料として、基材との密着強度が十分にある材料（セラミック材など）しか選択できないという問題がある。つまり、先述のように、ハンダボールのつぶれ、接続部中央の膨らみ、および、電極パッドの接合面付近のくびれを有するＢＧＡ接続構造では、力学的に電極パッドの接合部付近に最も大きく熱応力が作用する。このため、上記のような基板の補強だけでは、耐久温度範囲の拡大または基板サイズの拡大という要求を満足できない。
【０００８】
また、特許文献２の構成では、ハンダボールのつぶれ、ＢＧＡ接続部中央の膨らみ、および、電極パッドの接合面付近のくびれを解決するために、ハンダと電極パッドとの接合面付近に集中する熱応力を分散させる構成が採用されている。すなわち、ＢＧＡ接続部のハンダ中にプラスチックボール等が配合され、このプラスチックボール径よりも基板の電極パッド径が大きく設定されることにより、ＢＧＡ接続部の中央がくびれた鼓形状となるように構成されている。しかし、かかる構成では、ハンダ中にプラスチックボールを内包する工程が必要となり、製造コストや工程数が増えるという問題がある。
【０００９】
また、特許文献３の構成では、アンダーフィル材が半導体装置と配線基板との間のＢＧＡ接続部に充填されて、ＢＧＡ接続部が補強されている。しかし、かかる構成では、ＢＧＡ接続後にアンダーフィルを充填するための工程が必要となるという問題がある。また、セラミック基板と配線基板との間にアンダーフィル材が存在すると、誘電率が高くなり、高周波の伝送損失が高くなる。このため、アンダーフィル材は、高周波用半導体部品間の接合補強材料としては適さない。
【００１０】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱応力によるクラックの発生を抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる半導体装置は、アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象が実装対象に実装される半導体装置であって、前記実装対象側に複数の電極パッドを形成する手段と、前記接続端子を前記電極パッド上にて溶融および凝固させて前記実装対象に結合する手段とを備え、且つ、一部の前記電極パッドが、前記接続端子の凝固形状を規定する本体部と、前記接続端子の溶融時にて前記接続端子の一部を前記本体部の外周にガイドするガイド部とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドと、前記本体部のみを有する前記電極パッドとの双方が単一の前記実装対象上に配列される。
【００１３】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドが前記実装対象の信号回路部に配置される。
【００１４】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドが前記実装対象の外周対角部に配置される。
【００１５】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記ガイド部が前記本体部に対して所定間隔を隔てつつ前記本体部の外周を囲んで配置される環状構造を有すると共に一部にて前記本体部に連結される。
【００１６】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記ガイド部が前記本体部から突出した島状形状を有する。
【００１７】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記被実装対象側に複数の電極パッドを形成する手段を備え、且つ、前記被実装対象と前記実装対象とが相互に異なる靭性を有するときに、低い靭性を有する側の前記電極パッドの径φＤａと高い靭性を有する側の前記電極パッドの径φＤｂとがφＤａ＞φＤｂの関係を有する。
【００１８】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法では、アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象を実装対象に実装する半導体装置の製造方法であって、前記実装対象側に複数の電極パッドが形成されるステップと、前記接続端子が前記電極パッド上にて溶融および凝固することにより前記実装対象に結合されるステップとを備え、且つ、一部の前記電極パッドが、前記接続端子の凝固形状を規定する本体部と、前記接続端子の溶融時にて前記接続端子の一部を前記本体部の外周にガイドするガイド部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法では、ＢＧＡ接続構造を構成する一部の電極パッドが、接続端子の凝固形状を規定する本体部と、接続端子の溶融時にて接続端子の一部を本体部の外周にガイドするガイド部とを有する。かかる構成では、被実装対象の実装工程にて、溶融した接続端子の一部が本体部からガイド部まで移動して、本体部上の接続端子の体積が減少する。すると、ハンダ凝固ステップにて接続端子が凝固したときに、接続端子の中央部がくびれた鼓形状になり、また、接続端子の接合部がフィレット形状になって実装対象の第一電極パッドに結合する。すると、半導体装置の熱履歴により実装対象が熱変形したときに、熱応力が接続端子の中央部に作用し易くなり、接続端子と第一電極パッドとの接合部に作用するせん断熱応力が低減される。すると、熱応力による接続端子のクラックの発生あるいは接続端子と実装対象との接合部におけるクラックの発生が抑制される。これにより、半導体装置の接続不良が抑制される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、この発明の実施の形態にかかる半導体装置を示す構成図である。
【図２】図２は、図１に記載した半導体装置のＢＧＡ接続構造を示す拡大図である。
【図３】図３は、図１に記載した半導体装置の製造工程を示す説明図である。
【図４】図４は、ＢＧＡ接続構造の第一電極パッドを示す平面図である。
【図５】図５は、ＢＧＡ接続構造の第二電極パッドを示す平面図である。
【図６】図６は、実装対象における第一電極パッドおよび第二電極パッドの配置例を示す平面図である。
【図７】図７は、実装対象における第一電極パッドおよび第二電極パッドの配置例を示す平面図である。
【図８】図８は、第一電極パッド側の接続端子の溶融状態を示す説明図である。
【図９】図９は、第二電極パッド側の接続端子の溶融状態を示す説明図である。
【図１０】図１０は、電極パッドの成形工程を示す説明図である。
【図１１】図１１は、電極パッドの成形工程を示す説明図である。
【図１２】図１２は、第一電極パッドの変形例を示す平面図である。
【図１３】図１３は、第一電極パッドの変形例を示す平面図である。
【図１４】図１４は、被実装対象の電極パッドの径と実装対象の電極パッドの径との関係を示す説明図である。
【図１５】図１５は、被実装対象の電極パッドの径と実装対象の電極パッドの径との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。
【００２２】
［半導体装置のＢＧＡ接続構造］
この半導体装置１は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）接続構造を有する半導体装置に適用される。ＢＧＡ接続構造とは、例えば、アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象を実装対象に実装する構造をいう。以下、このＢＧＡ接続構造を有する半導体装置１について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２３】
図１は、この発明の実施の形態にかかる半導体装置を示す構成図である。図２は、図１に記載した半導体装置のＢＧＡ接続構造を示す拡大図である。図３は、図１に記載した半導体装置の製造工程を示す説明図である。図４および図５は、ＢＧＡ接続構造の実装対象側の電極パッドを示す平面図である。
【００２４】
この半導体装置１では、被実装対象２が実装対象３に対してＢＧＡ接続構造４を介して実装される（図１および図２参照）。
【００２５】
被実装対象２は、半導体素子や受動回路素子（例えば、抵抗、コンデンサ等）などの電子部品、あるいは、これらの電子部品を実装した回路基板により構成される。例えば、この実施の形態では、被実装対象２が半導体素子２１を実装した回路基板２２により構成されている。また、回路基板２２には、所定の信号回路２３が形成され、また、カバー部材であるキャップ２４が取り付けられている。実装対象３は、例えば、所定のプリント配線パターンを有する配線基板により構成される。
【００２６】
ＢＧＡ接続構造４は、接続端子４１と、一対の電極パッド４２、４３とにより構成される。接続端子４１は、球状の金属材料であり、例えば、ハンダボールにより構成される。一対の電極パッド４２、４３は、被実装対象２側に形成される電極パッド４２と、実装対象３側に形成される電極パッド４３とにより構成される。このＢＧＡ接続構造４では、接続端子４１が被実装対象２側の電極パッド４２と実装対象３側の電極パッド４３とを接続することにより、被実装対象２が実装対象３に実装される。また、複数の接続端子４１（および電極パッド４２、４３）がアレイ状あるいはランダム状に配列されて被実装対象２と実装対象３とを接続する。これにより、パッケージの小型化や電子部品類の高密度実装が可能となり、電子機器の小型化が実現される。また、ＢＧＡ接続構造４は、リードレス構造を有するので、被実装対象２と実装対象３との接続距離が短縮される。これにより、電子機器の信号処理速度が向上する。なお、実装対象３側の電極パッド４３の形状および配列構造については、後述する。
【００２７】
この半導体装置１の製造工程では、まず、被実装対象２の下面に電極パッド４２が形成され、この電極パッド４２上に接続端子４１が接合される（図３（ａ）参照）。また、実装対象３の上面に電極パッド４３が形成され、この電極パッド４３上にクリームハンダ４４が印刷される（クリームハンダ印刷ステップ）。なお、クリームハンダ４４は、フラックスを添加して粘度調整した粉末状のハンダである。次に、被実装対象２の下面と実装対象３の上面とが貼り合わされ、被実装対象２側の接続端子４１が対応する実装対象３側のクリームハンダ４４に押し当てられる（基板搭載ステップ）（図３（ｂ）参照）。これにより、接続端子４１が被実装対象２側の電極パッド４２と実装対象３側の電極パッド４３との間に挟み込まれる。
【００２８】
次に、リフロー予備加熱が行われる（リフロー予備加熱ステップ）（図３（ｃ）参照）。すると、クリームハンダ４４が軟化して、実装対象３側の電極パッド４３上を被覆する。次に、リフロー本加熱が行われる（リフロー本加熱ステップ）（図３（ｄ）参照）。すると、接続端子４１がその融点にて溶融し始めて、実装対象３側の電極パッド４３上に濡れ広がる（ハンダ溶融ステップ）（図３（ｅ）参照）。その後に、冷却が行われて接続端子４１が凝固することにより、被実装対象２側の電極パッド４２と実装対象３側の電極パッド４３とが接続端子４１を介して導通する（ハンダ凝固ステップ）（図３（ｆ）参照）。これにより、被実装対象２と実装対象３とがＢＧＡ接続構造４を介して接続される。また、このとき、溶融して凝固した接続端子４１の形状が電極パッド４３の平面形状により規制される。これにより、接続端子４１の形状が適正化される。
【００２９】
［ＢＧＡ接続構造の電極パッド］
ここで、被実装対象と実装対象とが相互に異なる線膨張係数を有する構成では、その線膨張係数の差により、ＢＧＡ接続構造の接続端子に熱応力が発生する。すると、接続端子にクラックが発生したり、接続端子と実装対象との接合部にクラックが発生したりするおそれがある。かかるクラックの発生は、半導体装置の接続不良の原因となる。
【００３０】
そこで、この半導体装置１では、かかる課題を解決するために以下の構成が採用されている。まず、実装対象３側の電極パッド４３群が、第一電極パッド４３ａおよび第二電極パッド４３ｂから成る二種類の電極パッドにより構成される（図４〜図７参照）。そして、これらの第一電極パッド４３ａおよび第二電極パッド４３ｂが、実装対象３の接合面（被実装対象２との接合面）にて、所定間隔を隔てつつ縦横かつアレイ状に配列される（図６あるいは図７参照）。なお、第一電極パッド４３ａおよび第二電極パッド４３ｂの配置例については、後述する。
【００３１】
第一電極パッド４３ａは、本体部４３１およびガイド部４３２から成る（図４参照）。また、第二電極パッド４３ｂは、本体部４３１のみから成る（図５参照）。本体部４３１は、接続端子４１の凝固形状を規定する部分であり、第一電極パッド４３ａおよび第二電極パッド４３ｂの双方に共通する部分である。例えば、この実施の形態では、本体部４３１が円形状（円盤状）に形成されている。ガイド部４３２は、接続端子４１の溶融時にて接続端子４１の材料の一部を本体部４３１の外周にガイドする部分であり、第一電極パッド４３ａのみに形成される。例えば、この実施の形態では、ガイド部４３２が円環構造を有しており、本体部４３１との間に所定の隙間を空けつつ本体部４３１の外周を囲んで配置されると共に四本の連結部４３３を介して本体部４３１に連結されている。
【００３２】
上記の構成では、半導体装置１の製造工程にて、ＢＧＡ接続構造４により被実装対象２を実装対象３に実装するときに、接続端子４１の凝固形状が以下のように形成される（図２、図３、図８および図９参照）。
【００３３】
まず、第一電極パッド４３ａでは、リフロー本加熱ステップにて、クリームハンダ４４が軟化して第一電極パッド４３ａを被覆するときに、クリームハンダ４４が本体部４３１から連結部４３３を伝ってガイド部４３２まで濡れ広がる（図３（ｄ）参照）。すると、ハンダ溶融ステップにて、溶融した接続端子４１の一部が本体部４３１からガイド部４３２まで移動して、本体部４３１上の接続端子４１の体積が減少する（図３（ｅ）の「ａ部」参照）。すると、ハンダ凝固ステップにて接続端子４１が凝固したときに、接続端子４１の中央部４１１が鼓形状（くびれた形状）になり、また、接続端子４１の接合部４１２がフィレット形状（端部を拡幅した形状）になって第一電極パッド４３ａに結合する（図３（ｆ）「ａ部」参照）。これにより、第一電極パッド４３ａにおける接続端子４１の形状が適正化される（図２参照）。
【００３４】
一方、第二電極パッド４３ｂでは、リフロー本加熱ステップにて、クリームハンダ４４が軟化して第二電極パッド４３ｂを被覆するときに、クリームハンダ４４が本体部４３１にのみ濡れ広がる（図３（ｄ）参照）。すると、ハンダ溶融ステップにて、溶融した接続端子４１が本体部４３１上に留まり、その体積減少が生じない（図３（ｅ）の「ｂ部」参照）。すると、ハンダ凝固ステップにて接続端子４１が凝固したときに、接続端子４１の中央部４１１が膨らんだ形状（扁平したボール形状）になり、また、接続端子４１の接合部４１２がくびれた形状になって第二電極パッド４３ｂに接合する（図３（ｆ）「ｂ部」参照）。
【００３５】
また、複数の第一電極パッド４３ａと複数の第二電極パッド４３ｂとの双方が単一の実装対象３上に配列されることにより、以下の作用が得られる（図３および図６〜図９参照）。第一電極パッド４３ａでは、上記のように、ハンダ溶融ステップにて、溶融した接続端子４１の一部が本体部４３１からガイド部４３２に移動して、本体部４３１上の接続端子４１の体積が減少する（図３（ｅ）の「ａ部」参照）。このため、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈａが接続端子４１の体積減少の分だけ狭くなる（図８参照）。すると、溶融した接続端子４１が潰れた形状になり、接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接続形状が安定する。一方、第二電極パッド４３ｂでは、ハンダ溶融ステップにて、第二電極パッド４３ｂがガイド部を有さないので、接続端子４１の体積が減少しない（図３（ｅ）の「ｂ部」参照）。このため、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈｂが第一電極パッド４３ａにおける間隔Ｈａよりも広く（Ｈａ＜Ｈｂ）、かつ、安定的に維持される（図９参照）。このため、ハンダ凝固ステップにて接続端子４１が凝固するときに、第一電極パッド４３ａ側の間隔Ｈａが第二電極パッド４３ｂ側の間隔Ｈｂに応じて拡幅される。すると、第一電極パッド４３ａ上の接続端子４１が潰れた形状（図８参照）から鼓形状の中央部４１１およびフィレット形状の接合部４１２を有する好適な形状（図２および図３（ｆ）「ａ部」参照）に変形する。これにより、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が適正な形状に成形される。なお、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈａ、Ｈｂは、溶融した接続端子４１の表面張力および被実装対象２の自重により決定される。
【００３６】
なお、電極パッド４２、４３は、例えば、ＮＳＭＤ（non-Solder Mask Defined）法、ＳＭＤ（Solder Mask Defined）などの公知の手法により形成され得る（図１０および図１１参照）。これにより、上記の電極パッド４２、４３（特に、ガイド部４３２を有する第一電極パッド４３ａ）が工程数を増加させることなく容易に形成され得る。例えば、ＮＳＭＤ法では、実装対象３に銅箔などの導体が形成され、この導体がエッジングされることにより、電極パッド４２、４３が形成される（図１０参照）。また、ＳＭＤ法では、実装対象３の導体面（上面）が電極パッド４２、４３の成形部のみを残してソルダーレジストにより被覆されることにより、電極パッド４２、４３が形成される（図１１参照）。
【００３７】
［効果］
以上説明したように、この半導体装置１では、ＢＧＡ接続構造４を構成する一部の電極パッド（第一電極パッド）４３ａが、接続端子４１の凝固形状を規定する本体部４３１と、接続端子４１の溶融時にて接続端子４１の一部を本体部４３１の外周にガイドするガイド部４３２とを有する（図４参照）。かかる構成では、被実装対象２の実装工程にて、溶融した接続端子４１の一部が本体部４３１からガイド部４３２まで移動して、本体部４３１上の接続端子４１の体積が減少する（図３（ｅ）の「ａ部」参照）。すると、ハンダ凝固ステップにて接続端子４１が凝固したときに、接続端子４１の中央部４１１がくびれた鼓形状になり、また、接続端子４１の接合部４１２がフィレット形状になって実装対象３の第一電極パッド４３ａに結合する（図３（ｆ）「ａ部」参照）。すると、半導体装置１の熱履歴により実装対象３が熱変形したときに、熱応力が接続端子４１の中央部４１１に作用し易くなり、接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接合部４１２に作用するせん断熱応力が低減される。すると、熱応力による接続端子のクラックの発生あるいは接続端子と実装対象との接合部におけるクラックの発生が抑制される。これにより、半導体装置１の接続不良が抑制される利点がある。
【００３８】
特に、被実装対象２と実装対象３とが相互に異なる線膨張係数を有する場合には、その線膨張係数の差により、ＢＧＡ接続構造４の接続端子４１に熱応力が発生し易い。かかる場合において、上記の構成では、熱応力による接続端子のクラックの発生あるいは接続端子と実装対象との接合部におけるクラックの発生が効果的に抑制される点で有益である。
【００３９】
また、上記の構成では、前記本体部および前記ガイド部を有する電極パッド（第一電極パッド）４３ａが用いられることにより、ＢＧＡ接続構造４の加工工程にて、上記した鼓形状の中央部４１１およびフィレット形状の接合部４１２を有する接続端子４１を容易かつ少ない工程にて成形できる利点がある。
【００４０】
また、この半導体装置１では、本体部４３１およびガイド部４３２を有する電極パッド（第一電極パッド）４３ａと、本体部４３１のみを有する電極パッド（第二電極パッド）４３ｂとの双方が単一の実装対象３上に配列される（図４〜図６参照）。かかる構成では、被実装対象２の実装工程にて、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈｂが第二電極パッド４３ｂの接続端子４１により適正かつ安定的に維持されるので、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が溶融および凝固するときに、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が潰れ難い（図３、図８および図９参照）。これにより、接続端子４１の成形が適正に行われて、接続端子４１の好適な形状（鼓形状の中央部４１１およびフィレット形状の接合部４１２を有する形状）が確保される利点がある（図３（ｅ）および（ｆ）の「ａ部」参照）。
【００４１】
［電極パッドの配置例］
なお、この半導体装置１では、第一電極パッド４３ａおよび第二電極パッド４３ｂが実装対象３に対して以下のように配置されることが好ましい（図６および図７参照）。
【００４２】
例えば、図６に示す構成では、実装対象３が矩形状の接合面（被実装対象２との接合面）を有しており、この接合面の中央部に半導体装置１の信号回路部３１が形成されている。そして、この信号回路部３１の領域に複数の第一電極パッド４３ａが配列されている。また、他の領域（信号回路部３１の周囲の領域）に複数の第二電極パッド４３ｂが配列されることにより、第一電極パッド４３ａ群の外周が複数の第二電極パッド４３ｂにより囲まれている。
【００４３】
図６に示す構成では、上記のように、第一電極パッド４３ａが本体部４３１およびガイド部４３２を有することにより、接続端子４１の中央部４１１が鼓形状に形成されて、接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接合部付近に生ずる熱応力が低減される（図２〜図５参照）。したがって、かかる第一電極パッド４３ａが実装対象３の信号回路部３１に配置されることにより、被実装対象２と実装対象３との接続不良や接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接合部付近におけるクラックの発生が抑制される。これにより、ＢＧＡ接続構造の信頼性が向上する利点がある。
【００４４】
また、図６に示す構成では、実装対象３の接合面にて、第一電極パッド４３ａ群の外周が複数の第二電極パッド４３ｂにより囲まれるので、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が溶融および凝固するときに、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈａ、Ｈｂが適正に確保される（図３、図８および図９参照）。これにより、接続端子４１の成形が適正に行われて、接続端子４１の好適な形状（鼓形状の中央部４１１およびフィレット形状の接合部４１２を有する形状）が確保される利点がある。
【００４５】
また、例えば、図７に示す構成では、複数の第一電極パッド４３ａが実装対象３の外周対角部に配置されている。具体的には、実装対象３が矩形状の接合面を有し、その長手方向の両端部および四隅の領域に複数の第一電極パッド４３ａが配置されている。また、他の領域（実装対象３の中央部の領域）には、第二電極パッド４３ｂのみが配置されている。
【００４６】
ＢＧＡ接続構造の加工工程では、実装対象３の外周部に最も大きな熱応力が作用する。したがって、図７に示す構成では、複数の第一電極パッド４３ａが実装対象３の外周対角部に配置されることにより、接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接合部付近に生ずる熱応力が低減される。これにより、被実装対象２と実装対象３との接続不良や接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接合部付近におけるクラックの発生が抑制されて、ＢＧＡ接続構造の信頼性が向上する利点がある。
【００４７】
［電極パッドの変形例］
また、この半導体装置１では、第一電極パッド４３ａの本体部４３１が円形状（円盤状）を有しており、また、そのガイド部４３２が本体部４３１に対して所定間隔を隔てつつ本体部４３１の外周を囲んで配置される環状構造を有し、その一部にて連結部４３３を介して本体部４３１に連結されている（図４参照）。かかる構成では、ガイド部４３２が環状構造を有するので、ハンダ溶融ステップにて溶融した接続端子４１の一部がガイド部４３２にガイドされたときに、このガイドされた接続端子４１の一部がガイド部４３２の周方向に濡れ広がる（図３（ｅ）参照）。したがって、溶融した接続端子４１が第一電極パッド４３ａ（ガイド部４３２）の外部にはみ出し難い。これにより、隣り合う接続端子４１の絶縁状態が確保される利点がある。
【００４８】
しかし、これに限らず、この半導体装置１では、第一電極パッド４３ａのガイド部４３２が本体部４３１から突出した島状形状を有しても良い（図１２および図１３参照）。
【００４９】
例えば、図１２に示す構成では、第一電極パッド４３ａのガイド部４３２が略円弧状（半円弧状）の島状形状を有し、本体部４３１に対して所定間隔を隔てつつ本体部４３１の外周に配置されている。また、ガイド部４３２が本体部４３１に対して連結部４３３を介して連結されている。また、図１３に示す構成では、第一電極パッド４３ａのガイド部４３２が略四角形の島状形状を有し、本体部４３１に対して所定間隔を隔てつつ本体部４３１の外周に配置されている。また、ガイド部４３２が本体部４３１に対して連結部４３３を介して連結されている。
【００５０】
かかる構成では、ガイド部４３２が島状形状を有するので、ガイド部４３２が本体部４３１の全周を囲む環状構造を有する構成（図４参照）と比較して、第一電極パッド４３ａの全幅が小さい。これにより、配列された第一電極パッド４３ａ群のピッチ寸法を狭くできる利点がある。なお、ガイド部４３２が所定の面積を有することにより、必要十分な量の接続端子４１を本体部４３１の外部に流動させ得る。
【００５１】
なお、これらに限らず、第一電極パッド４３ａのガイド部４３２の形状は、接続端子４１の溶融時にて接続端子４１の一部を本体部４３１の外周にガイドする作用が確保されることを条件として、任意に選択され得る。
【００５２】
［電極パッドの径］
また、この半導体装置１では、被実装対象２と実装対象３とが相互に異なる靭性を有するときに、より低い靭性を有する側の電極パッドの径φＤａと、より高い靭性を有する側の電極パッドの径φＤｂとがφＤａ＞φＤｂの関係を有することが好ましい。なお、第一電極パッド４３ａの径は、電極パッド４３ａの本体部４３１の径である。
【００５３】
例えば、この実施の形態では、被実装対象２がセラミックス製の基板から成り、実装対象３が樹脂材料製の基板から成ることにより、被実装対象２の靭性が実装対象３の靭性よりも低く設定されている（図１４参照）。また、低い靭性を有する側（被実装対象２）の電極パッド４２の径φＤａが高い靭性を有する側（実装対象３）の電極パッド４３の径φＤｂよりも大きく（φＤａ＞φＤｂ）設定されている。このため、低い靭性を有する側における電極パッド４２と接続端子４１との接合面積が、高い靭性を有する側における電極パッド４３と接続端子４１との接合面積よりも大きくなっている。なお、一般に、熱応力によるクラックは、より低い靭性を有する側における電極パッド４２にて発生し易い。
【００５４】
かかる構成では、熱履歴により被実装対象２および実装対象３が熱変形したときに、低い靭性を有する側の電極パッド４２が大きな径φＤａ（大きな接合面）を有するので、この電極パッド４２に作用する熱応力が緩和される。これにより、接続端子４１と被実装対象２との接合部におけるクラックの発生が抑制される利点がある。
【００５５】
なお、上記の構成では、さらに、第一電極パッド４３ａと第二電極パッド４３ｂとの双方が被実装対象２および実装対象３間に配列されることが好ましい（図１５参照）。かかる構成では、被実装対象２の実装工程にて、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈｄが第二電極パッド４３ｂの接続端子４１により適正かつ安定的に維持されるので、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が溶融および凝固するときに、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が潰れにくい。これにより、接続端子４１の成形が適正に行われて、接続端子４１の好適な形状（鼓形状の中央部４１１およびフィレット形状の接合部４１２を有する形状）が確保される利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、熱応力によるクラックの発生を抑制できる点で有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 半導体装置、２ 被実装対象、２１ 半導体素子、２２ 回路基板、２３ 信号回路、２４ キャップ、３ 実装対象、３１ 信号回路部、４ ＢＧＡ接続構造、４１ 接続端子、４２ 電極パッド、４３ａ 第一電極パッド、４３ｂ 第二電極パッド、４４ クリームハンダ、４１１ 中央部、４１２ 接合部、４３１ 本体部、４３２ ガイド部
、４３３ 連結部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、熱応力によるクラックの発生を抑制できる半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置では、電子部品あるいは回路基板を配線基板に実装する構造として、ＢＧＡ（Ball Grid Array）接続構造が採用されている。ＢＧＡ接続構造は、アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象を実装対象に実装する構造である。かかるＢＧＡ接続構造では、複数の接続端子がアレイ状あるいはランダム状に配列されるので、パッケージの小型化や電子部品類の高密度実装が可能となる。これにより、電子機器の小型化が実現される。また、ＢＧＡ接続構造は、リードレス構造を有するので、被実装対象と実装対象との接続距離が短縮される。これにより、電子機器の信号処理速度が向上する。
【０００３】
ここで、例えば、セラミック材を導電性配線材とともに積層・焼成して多層化したセラミック基板からなるＢＧＡ型セラミック回路モジュールでは、配線基板への実装状態にて、ＢＧＡ接続部の電極パッドの外周部に熱応力が集中して、電極パッド周囲のセラミック基板にクラックが発生する場合があった。そこで、電極パッドの外周部をガラス保護膜で覆うことにより、クラックが生じ難い端子構造を提供するとともに、その端子構造を少ない工程数で得ることを可能とするセラミック回路モジュールの製造方法が示されている。かかる構成として、例えば、特許文献１に記載される技術が知られている。
【０００４】
また、線膨張係数の異なる二種類の基板をつなぐＢＧＡ接続構造では、熱履歴が加わったときに、接続端子であるハンダの一部に熱応力が集中する。すると、ハンダと基板の電極パッドとの接合面付近にて、ハンダにクラックが生じて、ハンダが破断する問題がある。この解決策として、ＢＧＡ接続部のハンダの一部に熱応力が集中することを防ぐ構成が採用されている。すなわち、ハンダ中にプラスチックボールが配合され、そのプラスチックボールの線膨張係数が適当に選択される。これにより、プラスチックボールと下地ハンダ層との間に隙間が形成されて、ＢＧＡ接続部の温度変化による歪みが吸収される。また、ＢＧＡ接続部が鼓形状の断面形状を有することにより、ハンダと電極パッドとの接合面付近に生ずる熱応力が分散される。かかる構成として、例えば、特許文献２に記載される技術が知られている。
【０００５】
その他、セラミック基板と配線基板との間にアンダーフィル材が充填される構成がある。かかる構成では、電極パッド全体もしくはその一部が補強されることにより、ハンダボールと電極パッドとの接合部付近におけるクラックの発生あるいは電極パッドの周囲の基材におけるクラックの発生が防止される。かかる構成として、例えば、特許文献３に記載される技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２５０５６４号公報
【特許文献２】特許第２８５６１９７号公報
【特許文献３】特許第３６４４３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の構成では、電極パッドの周囲にクラックが生じ難いものの、接続部分のハンダボールがつぶれて、ハンダボールの中央部が膨らみ易い。このため、電極パッドの接合面付近では、ハンダボールがくびれた形状を有し、このくびれ部に応力が集中してクラックが発生するおそれがあった。また、半導体装置に要求される耐久温度範囲が広がると、熱膨張差によりパッド接合部への熱応力が増大する。このため、例えば、電極パッドの導体厚さを厚くして応力を緩和させる方法が考えられている。しかし、導体厚が厚くなると、導体の使用量が増加し、結果としてコストＵＰの原因となる。また、一般的な厚さの導体を有する構成では、導体膜が導体ペーストのスクリーン印刷によって形成される。しかし、厚い導体を有する構成では、印刷工程におけるスクリーンマスクへの充填およびマスクの抜け性が悪化するため、導体膜の形成が困難である。さらに、かかる構成では、使用可能な導体材料として、基材との密着強度が十分にある材料（セラミック材など）しか選択できないという問題がある。つまり、先述のように、ハンダボールのつぶれ、接続部中央の膨らみ、および、電極パッドの接合面付近のくびれを有するＢＧＡ接続構造では、力学的に電極パッドの接合部付近に最も大きく熱応力が作用する。このため、上記のような基板の補強だけでは、耐久温度範囲の拡大または基板サイズの拡大という要求を満足できない。
【０００８】
また、特許文献２の構成では、ハンダボールのつぶれ、ＢＧＡ接続部中央の膨らみ、および、電極パッドの接合面付近のくびれを解決するために、ハンダと電極パッドとの接合面付近に集中する熱応力を分散させる構成が採用されている。すなわち、ＢＧＡ接続部のハンダ中にプラスチックボール等が配合され、このプラスチックボール径よりも基板の電極パッド径が大きく設定されることにより、ＢＧＡ接続部の中央がくびれた鼓形状となるように構成されている。しかし、かかる構成では、ハンダ中にプラスチックボールを内包する工程が必要となり、製造コストや工程数が増えるという問題がある。
【０００９】
また、特許文献３の構成では、アンダーフィル材が半導体装置と配線基板との間のＢＧＡ接続部に充填されて、ＢＧＡ接続部が補強されている。しかし、かかる構成では、ＢＧＡ接続後にアンダーフィルを充填するための工程が必要となるという問題がある。また、セラミック基板と配線基板との間にアンダーフィル材が存在すると、誘電率が高くなり、高周波の伝送損失が高くなる。このため、アンダーフィル材は、高周波用半導体部品間の接合補強材料としては適さない。
【００１０】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱応力によるクラックの発生を抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる半導体装置は、アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象が実装対象に実装される半導体装置であって、前記実装対象側に複数の電極パッドを形成する手段と、前記接続端子を前記電極パッド上にて溶融および凝固させて前記実装対象に結合する手段とを備え、且つ、一部の前記電極パッドが、前記接続端子の凝固形状を規定する本体部と、前記接続端子の溶融時にて前記接続端子の一部を前記本体部の外周にガイドするガイド部とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドと、前記本体部のみを有する前記電極パッドとの双方が単一の前記実装対象上に配列される。
【００１３】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドが前記実装対象の信号回路部に配置される。
【００１４】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドが前記実装対象の外周対角部に配置される。
【００１５】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記ガイド部が前記本体部に対して所定間隔を隔てつつ前記本体部の外周を囲んで配置される環状構造を有すると共に一部にて前記本体部に連結される。
【００１６】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記ガイド部が前記本体部から突出した島状形状を有する。
【００１７】
また、この発明にかかる半導体装置では、前記被実装対象側に複数の電極パッドを形成する手段を備え、且つ、前記被実装対象と前記実装対象とが相互に異なる靭性を有するときに、低い靭性を有する側の前記電極パッドの径φＤａと高い靭性を有する側の前記電極パッドの径φＤｂとがφＤａ＞φＤｂの関係を有する。
【００１８】
また、この発明にかかる半導体装置の製造方法では、アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象を実装対象に実装する半導体装置の製造方法であって、前記実装対象側に複数の電極パッドが形成されるステップと、前記接続端子が前記電極パッド上にて溶融および凝固することにより前記実装対象に結合されるステップとを備え、且つ、一部の前記電極パッドが、前記接続端子の凝固形状を規定する本体部と、前記接続端子の溶融時にて前記接続端子の一部を前記本体部の外周にガイドするガイド部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法では、ＢＧＡ接続構造を構成する一部の電極パッドが、接続端子の凝固形状を規定する本体部と、接続端子の溶融時にて接続端子の一部を本体部の外周にガイドするガイド部とを有する。かかる構成では、被実装対象の実装工程にて、溶融した接続端子の一部が本体部からガイド部まで移動して、本体部上の接続端子の体積が減少する。すると、ハンダ凝固ステップにて接続端子が凝固したときに、接続端子の中央部がくびれた鼓形状になり、また、接続端子の接合部がフィレット形状になって実装対象の第一電極パッドに結合する。すると、半導体装置の熱履歴により実装対象が熱変形したときに、熱応力が接続端子の中央部に作用し易くなり、接続端子と第一電極パッドとの接合部に作用するせん断熱応力が低減される。すると、熱応力による接続端子のクラックの発生あるいは接続端子と実装対象との接合部におけるクラックの発生が抑制される。これにより、半導体装置の接続不良が抑制される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、この発明の実施の形態にかかる半導体装置を示す構成図である。
【図２】図２は、図１に記載した半導体装置のＢＧＡ接続構造を示す拡大図である。
【図３】図３は、図１に記載した半導体装置の製造工程を示す説明図である。
【図４】図４は、ＢＧＡ接続構造の第一電極パッドを示す平面図である。
【図５】図５は、ＢＧＡ接続構造の第二電極パッドを示す平面図である。
【図６】図６は、実装対象における第一電極パッドおよび第二電極パッドの配置例を示す平面図である。
【図７】図７は、実装対象における第一電極パッドおよび第二電極パッドの配置例を示す平面図である。
【図８】図８は、第一電極パッド側の接続端子の溶融状態を示す説明図である。
【図９】図９は、第二電極パッド側の接続端子の溶融状態を示す説明図である。
【図１０】図１０は、電極パッドの成形工程を示す説明図である。
【図１１】図１１は、電極パッドの成形工程を示す説明図である。
【図１２】図１２は、第一電極パッドの変形例を示す平面図である。
【図１３】図１３は、第一電極パッドの変形例を示す平面図である。
【図１４】図１４は、被実装対象の電極パッドの径と実装対象の電極パッドの径との関係を示す説明図である。
【図１５】図１５は、被実装対象の電極パッドの径と実装対象の電極パッドの径との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。
【００２２】
［半導体装置のＢＧＡ接続構造］
この半導体装置１は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）接続構造を有する半導体装置に適用される。ＢＧＡ接続構造とは、例えば、アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象を実装対象に実装する構造をいう。以下、このＢＧＡ接続構造を有する半導体装置１について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２３】
図１は、この発明の実施の形態にかかる半導体装置を示す構成図である。図２は、図１に記載した半導体装置のＢＧＡ接続構造を示す拡大図である。図３は、図１に記載した半導体装置の製造工程を示す説明図である。図４および図５は、ＢＧＡ接続構造の実装対象側の電極パッドを示す平面図である。
【００２４】
この半導体装置１では、被実装対象２が実装対象３に対してＢＧＡ接続構造４を介して実装される（図１および図２参照）。
【００２５】
被実装対象２は、半導体素子や受動回路素子（例えば、抵抗、コンデンサ等）などの電子部品、あるいは、これらの電子部品を実装した回路基板により構成される。例えば、この実施の形態では、被実装対象２が半導体素子２１を実装した回路基板２２により構成されている。また、回路基板２２には、所定の信号回路２３が形成され、また、カバー部材であるキャップ２４が取り付けられている。実装対象３は、例えば、所定のプリント配線パターンを有する配線基板により構成される。
【００２６】
ＢＧＡ接続構造４は、接続端子４１と、一対の電極パッド４２、４３とにより構成される。接続端子４１は、球状の金属材料であり、例えば、ハンダボールにより構成される。一対の電極パッド４２、４３は、被実装対象２側に形成される電極パッド４２と、実装対象３側に形成される電極パッド４３とにより構成される。このＢＧＡ接続構造４では、接続端子４１が被実装対象２側の電極パッド４２と実装対象３側の電極パッド４３とを接続することにより、被実装対象２が実装対象３に実装される。また、複数の接続端子４１（および電極パッド４２、４３）がアレイ状あるいはランダム状に配列されて被実装対象２と実装対象３とを接続する。これにより、パッケージの小型化や電子部品類の高密度実装が可能となり、電子機器の小型化が実現される。また、ＢＧＡ接続構造４は、リードレス構造を有するので、被実装対象２と実装対象３との接続距離が短縮される。これにより、電子機器の信号処理速度が向上する。なお、実装対象３側の電極パッド４３の形状および配列構造については、後述する。
【００２７】
この半導体装置１の製造工程では、まず、被実装対象２の下面に電極パッド４２が形成され、この電極パッド４２上に接続端子４１が接合される（図３（ａ）参照）。また、実装対象３の上面に電極パッド４３が形成され、この電極パッド４３上にクリームハンダ４４が印刷される（クリームハンダ印刷ステップ）。なお、クリームハンダ４４は、フラックスを添加して粘度調整した粉末状のハンダである。次に、被実装対象２の下面と実装対象３の上面とが貼り合わされ、被実装対象２側の接続端子４１が対応する実装対象３側のクリームハンダ４４に押し当てられる（基板搭載ステップ）（図３（ｂ）参照）。これにより、接続端子４１が被実装対象２側の電極パッド４２と実装対象３側の電極パッド４３との間に挟み込まれる。
【００２８】
次に、リフロー予備加熱が行われる（リフロー予備加熱ステップ）（図３（ｃ）参照）。すると、クリームハンダ４４が軟化して、実装対象３側の電極パッド４３上を被覆する。次に、リフロー本加熱が行われる（リフロー本加熱ステップ）（図３（ｄ）参照）。すると、接続端子４１がその融点にて溶融し始めて、実装対象３側の電極パッド４３上に濡れ広がる（ハンダ溶融ステップ）（図３（ｅ）参照）。その後に、冷却が行われて接続端子４１が凝固することにより、被実装対象２側の電極パッド４２と実装対象３側の電極パッド４３とが接続端子４１を介して導通する（ハンダ凝固ステップ）（図３（ｆ）参照）。これにより、被実装対象２と実装対象３とがＢＧＡ接続構造４を介して接続される。また、このとき、溶融して凝固した接続端子４１の形状が電極パッド４３の平面形状により規制される。これにより、接続端子４１の形状が適正化される。
【００２９】
［ＢＧＡ接続構造の電極パッド］
ここで、被実装対象と実装対象とが相互に異なる線膨張係数を有する構成では、その線膨張係数の差により、ＢＧＡ接続構造の接続端子に熱応力が発生する。すると、接続端子にクラックが発生したり、接続端子と実装対象との接合部にクラックが発生したりするおそれがある。かかるクラックの発生は、半導体装置の接続不良の原因となる。
【００３０】
そこで、この半導体装置１では、かかる課題を解決するために以下の構成が採用されている。まず、実装対象３側の電極パッド４３群が、第一電極パッド４３ａおよび第二電極パッド４３ｂから成る二種類の電極パッドにより構成される（図４〜図７参照）。そして、これらの第一電極パッド４３ａおよび第二電極パッド４３ｂが、実装対象３の接合面（被実装対象２との接合面）にて、所定間隔を隔てつつ縦横かつアレイ状に配列される（図６あるいは図７参照）。なお、第一電極パッド４３ａおよび第二電極パッド４３ｂの配置例については、後述する。
【００３１】
第一電極パッド４３ａは、本体部４３１およびガイド部４３２から成る（図４参照）。また、第二電極パッド４３ｂは、本体部４３１のみから成る（図５参照）。本体部４３１は、接続端子４１の凝固形状を規定する部分であり、第一電極パッド４３ａおよび第二電極パッド４３ｂの双方に共通する部分である。例えば、この実施の形態では、本体部４３１が円形状（円盤状）に形成されている。ガイド部４３２は、接続端子４１の溶融時にて接続端子４１の材料の一部を本体部４３１の外周にガイドする部分であり、第一電極パッド４３ａのみに形成される。例えば、この実施の形態では、ガイド部４３２が円環構造を有しており、本体部４３１との間に所定の隙間を空けつつ本体部４３１の外周を囲んで配置されると共に四本の連結部４３３を介して本体部４３１に連結されている。
【００３２】
上記の構成では、半導体装置１の製造工程にて、ＢＧＡ接続構造４により被実装対象２を実装対象３に実装するときに、接続端子４１の凝固形状が以下のように形成される（図２、図３、図８および図９参照）。
【００３３】
まず、第一電極パッド４３ａでは、リフロー本加熱ステップにて、クリームハンダ４４が軟化して第一電極パッド４３ａを被覆するときに、クリームハンダ４４が本体部４３１から連結部４３３を伝ってガイド部４３２まで濡れ広がる（図３（ｄ）参照）。すると、ハンダ溶融ステップにて、溶融した接続端子４１の一部が本体部４３１からガイド部４３２まで移動して、本体部４３１上の接続端子４１の体積が減少する（図３（ｅ）の「ａ部」参照）。すると、ハンダ凝固ステップにて接続端子４１が凝固したときに、接続端子４１の中央部４１１が鼓形状（くびれた形状）になり、また、接続端子４１の接合部４１２がフィレット形状（端部を拡幅した形状）になって第一電極パッド４３ａに結合する（図３（ｆ）「ａ部」参照）。これにより、第一電極パッド４３ａにおける接続端子４１の形状が適正化される（図２参照）。
【００３４】
一方、第二電極パッド４３ｂでは、リフロー本加熱ステップにて、クリームハンダ４４が軟化して第二電極パッド４３ｂを被覆するときに、クリームハンダ４４が本体部４３１にのみ濡れ広がる（図３（ｄ）参照）。すると、ハンダ溶融ステップにて、溶融した接続端子４１が本体部４３１上に留まり、その体積減少が生じない（図３（ｅ）の「ｂ部」参照）。すると、ハンダ凝固ステップにて接続端子４１が凝固したときに、接続端子４１の中央部４１１が膨らんだ形状（扁平したボール形状）になり、また、接続端子４１の接合部４１２がくびれた形状になって第二電極パッド４３ｂに接合する（図３（ｆ）「ｂ部」参照）。
【００３５】
また、複数の第一電極パッド４３ａと複数の第二電極パッド４３ｂとの双方が単一の実装対象３上に配列されることにより、以下の作用が得られる（図３および図６〜図９参照）。第一電極パッド４３ａでは、上記のように、ハンダ溶融ステップにて、溶融した接続端子４１の一部が本体部４３１からガイド部４３２に移動して、本体部４３１上の接続端子４１の体積が減少する（図３（ｅ）の「ａ部」参照）。このため、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈａが接続端子４１の体積減少の分だけ狭くなる（図８参照）。すると、溶融した接続端子４１が潰れた形状になり、接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接続形状が安定する。一方、第二電極パッド４３ｂでは、ハンダ溶融ステップにて、第二電極パッド４３ｂがガイド部を有さないので、接続端子４１の体積が減少しない（図３（ｅ）の「ｂ部」参照）。このため、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈｂが第一電極パッド４３ａにおける間隔Ｈａよりも広く（Ｈａ＜Ｈｂ）、かつ、安定的に維持される（図９参照）。このため、ハンダ凝固ステップにて接続端子４１が凝固するときに、第一電極パッド４３ａ側の間隔Ｈａが第二電極パッド４３ｂ側の間隔Ｈｂに応じて拡幅される。すると、第一電極パッド４３ａ上の接続端子４１が潰れた形状（図８参照）から鼓形状の中央部４１１およびフィレット形状の接合部４１２を有する好適な形状（図２および図３（ｆ）「ａ部」参照）に変形する。これにより、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が適正な形状に成形される。なお、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈａ、Ｈｂは、溶融した接続端子４１の表面張力および被実装対象２の自重により決定される。
【００３６】
なお、電極パッド４２、４３は、例えば、ＮＳＭＤ（non-Solder Mask Defined）法、ＳＭＤ（Solder Mask Defined）などの公知の手法により形成され得る（図１０および図１１参照）。これにより、上記の電極パッド４２、４３（特に、ガイド部４３２を有する第一電極パッド４３ａ）が工程数を増加させることなく容易に形成され得る。例えば、ＮＳＭＤ法では、実装対象３に銅箔などの導体が形成され、この導体がエッジングされることにより、電極パッド４２、４３が形成される（図１０参照）。また、ＳＭＤ法では、実装対象３の導体面（上面）が電極パッド４２、４３の成形部のみを残してソルダーレジストにより被覆されることにより、電極パッド４２、４３が形成される（図１１参照）。
【００３７】
［効果］
以上説明したように、この半導体装置１では、ＢＧＡ接続構造４を構成する一部の電極パッド（第一電極パッド）４３ａが、接続端子４１の凝固形状を規定する本体部４３１と、接続端子４１の溶融時にて接続端子４１の一部を本体部４３１の外周にガイドするガイド部４３２とを有する（図４参照）。かかる構成では、被実装対象２の実装工程にて、溶融した接続端子４１の一部が本体部４３１からガイド部４３２まで移動して、本体部４３１上の接続端子４１の体積が減少する（図３（ｅ）の「ａ部」参照）。すると、ハンダ凝固ステップにて接続端子４１が凝固したときに、接続端子４１の中央部４１１がくびれた鼓形状になり、また、接続端子４１の接合部４１２がフィレット形状になって実装対象３の第一電極パッド４３ａに結合する（図３（ｆ）「ａ部」参照）。すると、半導体装置１の熱履歴により実装対象３が熱変形したときに、熱応力が接続端子４１の中央部４１１に作用し易くなり、接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接合部４１２に作用するせん断熱応力が低減される。すると、熱応力による接続端子のクラックの発生あるいは接続端子と実装対象との接合部におけるクラックの発生が抑制される。これにより、半導体装置１の接続不良が抑制される利点がある。
【００３８】
特に、被実装対象２と実装対象３とが相互に異なる線膨張係数を有する場合には、その線膨張係数の差により、ＢＧＡ接続構造４の接続端子４１に熱応力が発生し易い。かかる場合において、上記の構成では、熱応力による接続端子のクラックの発生あるいは接続端子と実装対象との接合部におけるクラックの発生が効果的に抑制される点で有益である。
【００３９】
また、上記の構成では、前記本体部および前記ガイド部を有する電極パッド（第一電極パッド）４３ａが用いられることにより、ＢＧＡ接続構造４の加工工程にて、上記した鼓形状の中央部４１１およびフィレット形状の接合部４１２を有する接続端子４１を容易かつ少ない工程にて成形できる利点がある。
【００４０】
また、この半導体装置１では、本体部４３１およびガイド部４３２を有する電極パッド（第一電極パッド）４３ａと、本体部４３１のみを有する電極パッド（第二電極パッド）４３ｂとの双方が単一の実装対象３上に配列される（図４〜図６参照）。かかる構成では、被実装対象２の実装工程にて、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈｂが第二電極パッド４３ｂの接続端子４１により適正かつ安定的に維持されるので、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が溶融および凝固するときに、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が潰れ難い（図３、図８および図９参照）。これにより、接続端子４１の成形が適正に行われて、接続端子４１の好適な形状（鼓形状の中央部４１１およびフィレット形状の接合部４１２を有する形状）が確保される利点がある（図３（ｅ）および（ｆ）の「ａ部」参照）。
【００４１】
［電極パッドの配置例］
なお、この半導体装置１では、第一電極パッド４３ａおよび第二電極パッド４３ｂが実装対象３に対して以下のように配置されることが好ましい（図６および図７参照）。
【００４２】
例えば、図６に示す構成では、実装対象３が矩形状の接合面（被実装対象２との接合面）を有しており、この接合面の中央部に半導体装置１の信号回路部３１が形成されている。そして、この信号回路部３１の領域に複数の第一電極パッド４３ａが配列されている。また、他の領域（信号回路部３１の周囲の領域）に複数の第二電極パッド４３ｂが配列されることにより、第一電極パッド４３ａ群の外周が複数の第二電極パッド４３ｂにより囲まれている。
【００４３】
図６に示す構成では、上記のように、第一電極パッド４３ａが本体部４３１およびガイド部４３２を有することにより、接続端子４１の中央部４１１が鼓形状に形成されて、接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接合部付近に生ずる熱応力が低減される（図２〜図５参照）。したがって、かかる第一電極パッド４３ａが実装対象３の信号回路部３１に配置されることにより、被実装対象２と実装対象３との接続不良や接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接合部付近におけるクラックの発生が抑制される。これにより、ＢＧＡ接続構造の信頼性が向上する利点がある。
【００４４】
また、図６に示す構成では、実装対象３の接合面にて、第一電極パッド４３ａ群の外周が複数の第二電極パッド４３ｂにより囲まれるので、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が溶融および凝固するときに、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈａ、Ｈｂが適正に確保される（図３、図８および図９参照）。これにより、接続端子４１の成形が適正に行われて、接続端子４１の好適な形状（鼓形状の中央部４１１およびフィレット形状の接合部４１２を有する形状）が確保される利点がある。
【００４５】
また、例えば、図７に示す構成では、複数の第一電極パッド４３ａが実装対象３の外周対角部に配置されている。具体的には、実装対象３が矩形状の接合面を有し、その長手方向の両端部および四隅の領域に複数の第一電極パッド４３ａが配置されている。また、他の領域（実装対象３の中央部の領域）には、第二電極パッド４３ｂのみが配置されている。
【００４６】
ＢＧＡ接続構造の加工工程では、実装対象３の外周部に最も大きな熱応力が作用する。したがって、図７に示す構成では、複数の第一電極パッド４３ａが実装対象３の外周対角部に配置されることにより、接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接合部付近に生ずる熱応力が低減される。これにより、被実装対象２と実装対象３との接続不良や接続端子４１と第一電極パッド４３ａとの接合部付近におけるクラックの発生が抑制されて、ＢＧＡ接続構造の信頼性が向上する利点がある。
【００４７】
［電極パッドの変形例］
また、この半導体装置１では、第一電極パッド４３ａの本体部４３１が円形状（円盤状）を有しており、また、そのガイド部４３２が本体部４３１に対して所定間隔を隔てつつ本体部４３１の外周を囲んで配置される環状構造を有し、その一部にて連結部４３３を介して本体部４３１に連結されている（図４参照）。かかる構成では、ガイド部４３２が環状構造を有するので、ハンダ溶融ステップにて溶融した接続端子４１の一部がガイド部４３２にガイドされたときに、このガイドされた接続端子４１の一部がガイド部４３２の周方向に濡れ広がる（図３（ｅ）参照）。したがって、溶融した接続端子４１が第一電極パッド４３ａ（ガイド部４３２）の外部にはみ出し難い。これにより、隣り合う接続端子４１の絶縁状態が確保される利点がある。
【００４８】
しかし、これに限らず、この半導体装置１では、第一電極パッド４３ａのガイド部４３２が本体部４３１から突出した島状形状を有しても良い（図１２および図１３参照）。
【００４９】
例えば、図１２に示す構成では、第一電極パッド４３ａのガイド部４３２が略円弧状（半円弧状）の島状形状を有し、本体部４３１に対して所定間隔を隔てつつ本体部４３１の外周に配置されている。また、ガイド部４３２が本体部４３１に対して連結部４３３を介して連結されている。また、図１３に示す構成では、第一電極パッド４３ａのガイド部４３２が略四角形の島状形状を有し、本体部４３１に対して所定間隔を隔てつつ本体部４３１の外周に配置されている。また、ガイド部４３２が本体部４３１に対して連結部４３３を介して連結されている。
【００５０】
かかる構成では、ガイド部４３２が島状形状を有するので、ガイド部４３２が本体部４３１の全周を囲む環状構造を有する構成（図４参照）と比較して、第一電極パッド４３ａの全幅が小さい。これにより、配列された第一電極パッド４３ａ群のピッチ寸法を狭くできる利点がある。なお、ガイド部４３２が所定の面積を有することにより、必要十分な量の接続端子４１を本体部４３１の外部に流動させ得る。
【００５１】
なお、これらに限らず、第一電極パッド４３ａのガイド部４３２の形状は、接続端子４１の溶融時にて接続端子４１の一部を本体部４３１の外周にガイドする作用が確保されることを条件として、任意に選択され得る。
【００５２】
［電極パッドの径］
また、この半導体装置１では、被実装対象２と実装対象３とが相互に異なる靭性を有するときに、より低い靭性を有する側の電極パッドの径φＤａと、より高い靭性を有する側の電極パッドの径φＤｂとがφＤａ＞φＤｂの関係を有することが好ましい。なお、第一電極パッド４３ａの径は、電極パッド４３ａの本体部４３１の径である。
【００５３】
例えば、この実施の形態では、被実装対象２がセラミックス製の基板から成り、実装対象３が樹脂材料製の基板から成ることにより、被実装対象２の靭性が実装対象３の靭性よりも低く設定されている（図１４参照）。また、低い靭性を有する側（被実装対象２）の電極パッド４２の径φＤａが高い靭性を有する側（実装対象３）の電極パッド４３の径φＤｂよりも大きく（φＤａ＞φＤｂ）設定されている。このため、低い靭性を有する側における電極パッド４２と接続端子４１との接合面積が、高い靭性を有する側における電極パッド４３と接続端子４１との接合面積よりも大きくなっている。なお、一般に、熱応力によるクラックは、より低い靭性を有する側における電極パッド４２にて発生し易い。
【００５４】
かかる構成では、熱履歴により被実装対象２および実装対象３が熱変形したときに、低い靭性を有する側の電極パッド４２が大きな径φＤａ（大きな接合面）を有するので、この電極パッド４２に作用する熱応力が緩和される。これにより、接続端子４１と被実装対象２との接合部におけるクラックの発生が抑制される利点がある。
【００５５】
なお、上記の構成では、さらに、第一電極パッド４３ａと第二電極パッド４３ｂとの双方が被実装対象２および実装対象３間に配列されることが好ましい（図１５参照）。かかる構成では、被実装対象２の実装工程にて、被実装対象２と実装対象３との間隔Ｈｄが第二電極パッド４３ｂの接続端子４１により適正かつ安定的に維持されるので、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が溶融および凝固するときに、第一電極パッド４３ａの接続端子４１が潰れにくい。これにより、接続端子４１の成形が適正に行われて、接続端子４１の好適な形状（鼓形状の中央部４１１およびフィレット形状の接合部４１２を有する形状）が確保される利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、この発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、熱応力によるクラックの発生を抑制できる点で有用である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 半導体装置、２ 被実装対象、２１ 半導体素子、２２ 回路基板、２３ 信号回路、２４ キャップ、３ 実装対象、３１ 信号回路部、４ ＢＧＡ接続構造、４１ 接続端子、４２ 電極パッド、４３ａ 第一電極パッド、４３ｂ 第二電極パッド、４４ クリームハンダ、４１１ 中央部、４１２ 接合部、４３１ 本体部、４３２ ガイド部
、４３３ 連結部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象が実装対象に実装される半導体装置であって、
前記実装対象側に複数の電極パッドを形成する手段と、前記接続端子を前記電極パッド上にて溶融および凝固させて前記実装対象に結合する手段とを備え、且つ、
一部の前記電極パッドが、前記接続端子の凝固形状を規定する本体部と、前記接続端子の溶融時にて前記接続端子の一部を前記本体部の外周にガイドするガイド部とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドと、前記本体部のみを有する前記電極パッドとの双方が単一の前記実装対象上に配列される請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドが前記実装対象の信号回路部に配置される請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドが前記実装対象の外周対角部に配置される請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ガイド部が前記本体部に対して所定間隔を隔てつつ前記本体部の外周を囲んで配置される環状構造を有すると共に一部にて前記本体部に連結される請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ガイド部が前記本体部から突出した島状形状を有する請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記被実装対象側に複数の電極パッドを形成する手段を備え、且つ、
前記被実装対象と前記実装対象とが相互に異なる靭性を有するときに、低い靭性を有する側の前記電極パッドの径φＤａと高い靭性を有する側の前記電極パッドの径φＤｂとがφＤａ＞φＤｂの関係を有する請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項８】
アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象を実装対象に実装する半導体装置の製造方法であって、
前記実装対象側に複数の電極パッドが形成されるステップと、前記接続端子が前記電極パッド上にて溶融および凝固することにより前記実装対象に結合されるステップとを備え、且つ、
一部の前記電極パッドが、前記接続端子の凝固形状を規定する本体部と、前記接続端子の溶融時にて前記接続端子の一部を前記本体部の外周にガイドするガイド部とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象が実装対象に実装される半導体装置であって、
前記実装対象側に複数の電極パッドを形成する手段と、前記接続端子を前記電極パッド上にて溶融および凝固させて前記実装対象に結合する手段とを備え、且つ、
一部の前記電極パッドが、前記接続端子の凝固形状を規定する本体部と、前記接続端子の溶融時にて前記接続端子の一部を前記本体部の外周にガイドするガイド部とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドと、前記本体部のみを有する前記電極パッドとの双方が単一の前記実装対象上に配列される請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドが前記実装対象の信号回路部に配置される請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記本体部および前記ガイド部を有する前記電極パッドが前記実装対象の外周対角部に配置される請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ガイド部が前記本体部に対して所定間隔を隔てつつ前記本体部の外周を囲んで配置される環状構造を有すると共に一部にて前記本体部に連結される請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ガイド部が前記本体部から突出した島状形状を有する請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記被実装対象側に複数の電極パッドを形成する手段を備え、且つ、
前記被実装対象と前記実装対象とが相互に異なる靭性を有するときに、低い靭性を有する側の前記電極パッドの径φＤａと高い靭性を有する側の前記電極パッドの径φＤｂとがφＤａ＞φＤｂの関係を有する請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置。
【請求項８】
アレイ状あるいはランダム状に配列された複数の接続端子を介して被実装対象を実装対象に実装する半導体装置の製造方法であって、
前記実装対象側に複数の電極パッドが形成されるステップと、前記接続端子が前記電極パッド上にて溶融および凝固することにより前記実装対象に結合されるステップとを備え、且つ、
一部の前記電極パッドが、前記接続端子の凝固形状を規定する本体部と、前記接続端子の溶融時にて前記接続端子の一部を前記本体部の外周にガイドするガイド部とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２６７７９２（Ｐ２０１０−２６７７９２Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１７７２８（Ｐ２００９−１１７７２８）
【出願日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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