JP2001274201A - 電子デバイス及びその製造方法 - Google Patents

電子デバイス及びその製造方法

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JP2001274201A JP2000087676A JP2000087676A JP2001274201A JP 2001274201 A JP2001274201 A JP 2001274201A JP 2000087676 A JP2000087676 A JP 2000087676A JP 2000087676 A JP2000087676 A JP 2000087676A JP 2001274201 A JP2001274201 A JP 2001274201A
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electrode
layer
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Yasuo Tane
泰雄 種
Yoshiyuki Shimizu
禎之 清水
Yoichi Hiruta
陽一 蛭田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温度において接合可能な電極を有し、この
電極の接強度を向上することができる電子デバイスを提
供する。 【解決手段】 半導体装置(電子デバイス)1におい
て、少なくとも表面層に液相拡散金属を有する電極11
0上に液相拡散接合層56を介在させて金バンプ電極4
0が接合されている。液相拡散金属には例えば銅が使用
される。液相拡散接合層56は、液相拡散金属と化合
(液相拡散)させる第1の接合用金属層52と、液相拡
散温度を下げる第2の接合用金属とにより生成されてい
る。第1の接合用金属層52には例えば錫が使用され、
第2の接合用金属層53には例えばビスマスが使用され
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、電子デバイス及び
その製造方法に関し、電極間の低温度接合に好適な電子
デバイス及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】薄型で比較的低コストで製作することが
できる半導体装置として、テープオートメイテッドボン
ディング(以下、単にTABという。)構造を採用する
半導体装置、フリップチップ(以下、単にFCとい
う。)構造を採用する半導体装置がある。
【0003】TAB構造を採用する半導体装置は半導体
素子(半導体チップ)とフレキシブルなテープ基板とを
備えて構成されている。半導体素子のボンディングパッ
ド(電極)とテープ基板のリードとの間は、例えば金バ
ンプ電極を介在させ、熱圧着ボンディングにより、電気
的かつ機械的に接続されている。
【0004】一方、FC構造を採用する半導体装置は、
TAB構造を採用する半導体装置と類似しており、半導
体素子とテープ基板とを備えて構成されている。半導体
素子はその素子形成面をテープ基板の表面に向かい合う
ようにマウントされ、半導体素子のボンディングパット
とテープ基板上のリード配線との間は、例えば金バンプ
電極を介在させ、熱圧着ボンディングにより、電気的か
つ機械的に接続されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記TAB構造を採用
する半導体装置、FC構造を採用する半導体装置のそれ
ぞれにおいては、以下の点について配慮がなされていな
かった。
【0006】半導体素子のボンディングパッドとテープ
基板のリード又はリード配線との熱圧着ボンディングに
は約500℃前後の高温度が使用されている。このた
め、樹脂を主成分とするテープ基板には耐熱性が要求さ
れ、耐熱性を有するテープ基板は高価である。従って、
最終製品としての半導体装置は高価になってしまうとい
う問題点があった。
【0007】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものである。従って、本発明の目的は、低温度におい
て接合可能な電極を有する電子デバイスを提供すること
である。
【0008】さらに、本発明の目的は、耐熱性を必要と
しない部品、材料等の使用により、製品コストを減少す
ることができる電子デバイスを提供することである。
【0009】さらに、本発明の目的は、電極の接合強度
を向上することができ、電極の接合部の電気的かつ機械
的信頼性を向上することができる電子デバイスを提供す
ることである。
【0010】さらに、本発明の目的は、電極間の接合を
低温度にすることができる電子デバイスの製造方法を提
供することである。
【0011】さらに、本発明の目的は、製造コストを減
少することができる電子デバイスの製造方法を提供する
ことである。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第1の特徴は、少なくとも表面層に液相拡
散金属を有する電極と、この電極上に配設され、液相拡
散金属と化合させる第1の接合用金属層と、第1の接合
用金属層上に配設され、液相拡散金属と第1の接合用金
属層との化合温度を下げる第2の接合用金属とを備えた
電子デバイスとしたことである。
【0013】ここで、「電子デバイス」とは、電子素子
若しくは電子部品、又はそれらを組み合わせて構築した
実装装置を含む意味で使用される。例えば、電子素子に
は、半導体素子、抵抗素子、容量素子等が含まれる。電
子部品には、基板、リード、パッケージ等が含まれる。
実装装置には、パッケージや基板に複数の半導体素子を
実装した装置、例えば半導体モジュール、実装ボード等
が含まれる。「少なくとも表面層に液相拡散金属を有す
る電極」とは、全体が液相拡散金属で形成された電極、
表面層の一部に液相拡散金属を有する電極が少なくとも
含まれる意味で使用される。「電極」とは、電流や電圧
を入力、出力又は入出力するための電気的接続端子とい
う意味で使用され、この「電極」には単一の電極、配線
の電極、リードの電極等が少なくとも含まれる。さら
に、「電極」には、電子デバイスの内部の他の電極に接
続される電極、電子デバイスの外部(例えば、他の電子
デバイスや装置)の他の電極に接続される電極が少なく
とも含まれる意味で使用される。
【0014】本発明の第1の特徴に係る電子デバイスに
おいて、「液相拡散金属」とは、この液相拡散金属より
も融点の低い「第1の接合用金属」を溶融すると、接合
するべき金属との間に相互拡散を生じ、等温凝固し、液
相拡散接合層を生成する金属という意味で使用される。
この「液相拡散金属」には、銅(Cu)、金(Au)、
アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、セラミック
ス(Al)等が少なくとも含まれる。
【0015】「第1の接合用金属層」には、錫(S
n)、鉛(Pb)若しくはインジウム(In)、又はそ
れらいずれかを主成分とする二元以上の合金が少なくと
も含まれる。「第1の接合用金属層の二元以上の合金」
には、例えばIn−Ag、In−Sn、Bi−Sn、B
i−Pb、Bi−In等の二元合金、In−Pb−A
g、Bi−Sn−Pb等の三元合金、Bi−In−Pb
−Sn等の四元合金が含まれる。勿論、「第1の接合用
金属層」には五元以上の合金が含まれる。
【0016】第2の接合用金属層の「液相拡散金属と第
1の接合用金属層との化合温度を下げる」とは、液相拡
散金属の液相拡散温度、すなわち液相拡散金属と第1の
接合用金属層との溶融温度を下げるという意味で使用さ
れる。「第2の接合用金属層」には、少なくともビスマ
ス(Bi)、銀(Ag)若しくはIn、又はそれらいず
れかを主成分とする二元以上の合金が含まれる。この
「二元以上の合金」とは、「第1の接合用金属層の二元
以上の合金」と同様の意味で使用され、三元合金、四元
合金及び五元以上の合金が含まれる意味で使用される。
【0017】このように構成される本発明の第1の特徴
に係る電子デバイスにおいては、電極とそれに接続され
る他の電極との間の液相拡散による接合温度を第2の接
合用金属により下げ、なおかつ双方の間の接合強度を第
2の接合用金属により高めることができるので、この電
子デバイスを構築する部品、材料等の耐熱温度を下げる
ことができる。従って、これらの部品、材料等のコスト
を低減することができるので、電子デバイスの製品コス
トを削減することができる。さらに、電子デバイスの製
造プロセスにおいて低温度プロセスを採用することがで
きるので、より一層電子デバイスの製品コストを削減す
ることができる。
【0018】本発明の第2の特徴は、本発明の第1の特
徴に係る電子デバイスにおいて、液相拡散金属を圧延薄
膜としたことである。ここで、「圧延薄膜」とは、少な
くとも液相拡散金属に圧延処理を施した薄膜をいう意味
で使用される。この「圧延薄膜」は、例えば、液相拡散
金属にCuが使用される場合、100℃〜300℃の低
温度において1μm〜20μmの粒径の範囲で再結晶化
される性質を有し、「電解薄膜」の再結晶化の粒径に比
べて粒径サイズが大きくなる薄膜である。
【0019】このように構成される本発明の第2の特徴
に係る電子デバイスにおいては、液相拡散金属を圧延薄
膜としたことにより、液相拡散金属の粒径サイズを大き
くし、接合面積を増加することができるので、電極の接
合強度を向上することができる。
【0020】本発明の第3の特徴は、少なくとも表面層
に液相拡散金属を有する第1の電極と、液相拡散金属、
この液相拡散金属に化合させる第1の接合用金属、及び
液相拡散金属と第1の接合用金属との化合温度を下げる
第2の接合用金属を少なくとも含む、第1の電極上の液
相拡散接合層と、液相拡散接合層上の第2の電極とを備
えた電子デバイスとしたことである。
【0021】ここで、「液相拡散接合層」とは、第2の
接合用金属により化合温度を下げた状態において、少な
くとも第1の電極の液相拡散金属と第1の接合用金属と
を化合させた結果、生成された接合層という意味で使用
される。従って、「液相拡散接合層」の主成分は液相拡
散金属及び第1の接合用金属であり、「液相拡散接合
層」に主成分として第2の接合用金属が含まれていて
も、含まれていなくてもよい。
【0022】このように構成される本発明の第3の特徴
に係る電子デバイスにおいては、第1の電極とそれに接
続される第2の電極との間の液相拡散による接合温度を
第2の接合用金属により下げ、なおかつ双方の間の接合
強度を第2の接合用金属により高めることができる液相
拡散接合層を備え、この液相拡散接合層により第1の電
極と第2の電極との間を接合することができるので、こ
の電子デバイスを構築する部品、材料等の耐熱温度を下
げることができる。従って、これらの部品、材料等のコ
ストを低減することができるので、電子デバイスの製品
コストを削減することができる。さらに、電子デバイス
の製造プロセスにおいて低温度プロセスを採用すること
ができるので、より一層電子デバイスの製品コストを削
減することができる。
【0023】本発明の第4の特徴は、少なくとも表面層
に液相拡散金属を有する第1の電極を形成する工程と、
液相拡散金属上にそれと化合させる第1の接合用金属を
形成する工程と、第1の接合用金属上に、液相拡散金属
と第1の接合用金属との化合温度を下げる第2の接合用
金属を形成する工程と、第2の接合用金属上に第2の電
極を形成する工程と、第2の接合用金属により液相拡散
金属と第1の接合用金属とを化合させて液相拡散接合層
を形成し、第1の電極と第2の電極との間を接合する工
程とを少なくとも備えた電子デバイスの製造方法とした
ことである。
【0024】このような本発明の第4の特徴に係る電子
デバイスの製造方法においては、液相拡散金属と第1の
接合用金属との化合温度を第2の接合用金属により下げ
ることができるので、電極間の接合温度を下げて低温度
プロセスを実現することができる。
【0025】本発明の第5の特徴は、少なくとも表面層
に第1の液相拡散金属を有する第1の電極を形成する工
程と、第1の液相拡散金属上にそれと化合させる第1の
接合用金属を形成する工程と、第1の接合用金属上に、
第1の液相拡散金属と第1の接合用金属との化合温度を
下げる第2の接合用金属を形成する工程と、少なくとも
表面層に第2の液相拡散金属を有する第2の電極を形成
する工程と、第2の液相拡散金属上にそれと化合させる
第3の接合用金属を形成する工程と、第3の接合用金属
上に、第2の液相拡散金属と第3の接合用金属との化合
温度を下げる第4の接合用金属を形成する工程と、第2
の接合用金属及び第4の接合用金属により、第1の液相
拡散金属と第1の接合用金属とを化合させ、かつ第2の
液相拡散金属と第3の接合用金属とを化合させ、第1の
電極と第2の電極との間を接合する工程とを少なくとも
備えた電子デバイスの製造方法としたことである。
【0026】このような本発明の第5の特徴に係る電子
デバイスの製造方法においては、本発明の第4の特徴に
係る電子デバイスの製造方法と同様に、第1の液相拡散
金属と第1の接合用金属との化合温度を第2の接合用金
属により下げることができ、第2の液相拡散金属と第3
の接合用金属との化合温度を第4の接合用金属により下
げることができるので、第1の電極と第2の電極との間
の接合温度を下げて低温度プロセスを実現することがで
きる。
【0027】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。なお、本発明の実施の形態
に係る「半導体素子(半導体チップ)」、「基板」、
「半導体装置」、「半導体モジュール」等は本発明に係
る「電子デバイス」を具現化したものであり、本発明の
実施の形態に係るこれらの半導体素子等の説明を行うと
ともに、併せて本発明に係る「電子デバイス」の説明を
行う。
【0028】(第1の実施の形態)本発明の第1の実施
の形態は、ボールボンディングアレイ構造を採用し、か
つフリップチップ−インナーリードボンディング(以
下、単にFC−ILBという。)方式を採用する半導体
装置(電子デバイス)に本発明を適用した例を説明する
ものである。
【0029】[半導体装置の構造]図2に示すように、
本発明の第1の実施の形態に係るFC−ILB方式を採
用する半導体装置1は、基板10と、基板10上のFC
構造でマウントされた半導体素子(半導体チップ)20
と、半導体素子20を保護する保護樹脂30と、半導体
素子20及び基板10上のリード配線11を保護するス
ティフナー31とを備えて構築されている。さらに、半
導体装置1は、基板10の裏面に配設された外部端子1
2上に半田ボール電極41を備えている。
【0030】基板10には低い耐熱性を有するTABテ
ープ基板が使用されている。本発明の第1の実施の形態
に係る半導体装置1の基板10としては、例えば150
℃〜300℃の範囲の耐熱性を有するポリイミド系樹脂
テープ基板を実用的に使用することができる。このポリ
イミド系樹脂テープ基板は適度なフレキシブル性を備え
ている。
【0031】基板10の表面上(図中上側表面)にはリ
ード配線11が配設されている。図1(A)に示すよう
に、リード配線11は接着層16を介在させて基板10
の表面に接着されている。この接着層16には例えば樹
脂系接着剤を実用的に使用することができる。基板10
の中央部分(半導体素子20のマウント領域)におい
て、リード配線11の一端側は電極110として使用さ
れている。この電極110は、本発明に係る「電極」、
「第1の電極」又は「第2の電極」の一具体例に対応す
るものである。基板10の周辺部分においてリード配線
11の他端側は接続孔配線13を通して基板10の裏面
の外部端子12に電気的に接続されている。リード配線
11は電気伝導性に優れ、かつ液相拡散金属である例え
ばCu箔膜を実用的に使用することができ、このCu箔
膜は例えば20μmの膜厚で形成されている。リード配
線11の少なくとも電極110の表面には研磨処理、C
uめっき処理等を行い、電極110の表面粗さRmax
は0.2μm以下に設定されることが好ましい(本発明
の第8の実施の形態を参照。)。外部端子12には、リ
ード配線11と同様に、例えばCu箔膜を実用的に使用
することができる。接続孔配線13には、例えばCuめ
っき膜を実用的に使用することができる。
【0032】基板10において、表面側はリード配線1
1の電極110の領域を除きソルダーレジスト膜14に
より被覆され、裏面側は外部端子12の領域を除きソル
ダーレジスト膜15により被覆されている。
【0033】半導体素子20は本発明の第1の実施の形
態においてシリコン単結晶チップで構成され、半導体素
子20の主面には記憶回路若しくは論理回路、又はそれ
らを組み合わせた集積回路が搭載されている。本発明の
第1の実施の形態に係る半導体装置1においてはFC−
IBL方式が採用されているので、半導体素子20はそ
の主面を基板10の表面に向かい合わせたフェイスダウ
ン方式でマウントされている。半導体素子20の主面に
は上記記憶回路等に接続された複数のボンディングパッ
ド(電極)21が配設されている。ボンディングパッド
21は、例えば半導体素子20の回路間や素子間を電気
的に接続する配線と同一導電層、例えばAl膜、Al合
金(Al−Si、Al−Cu、Al−Cu−Si等)膜
により形成されている。
【0034】そして、図1(A)及び図2に示すよう
に、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置1にお
いては、少なくとも表面層に液相拡散金属を有するリー
ド配線11の電極110と、液相拡散金属、この液相拡
散金属に化合させる第1の接合用金属、及び液相拡散金
属と第1の接合用金属との化合温度を下げる第2の接合
用金属を少なくとも含む、電極110上の液相拡散接合
層56と、液相拡散接合層56上の金バンプ電極40と
を備え、液相拡散接合層56及び金バンプ電極40とを
介在させて電極110と半導体素子20のボンディング
パッド21との間が電気的かつ機械的に接続されてい
る。すなわち、半導体素子20は基板10上にマウント
されている。なお、金バンプ電極40は本発明に係る
「第2の電極」の一具体例に対応するものである。
【0035】ここで、電極110はその全体が液相拡散
金属であるCu箔膜により形成されている。第1の接合
用金属には、例えばSnを実用的に使用することがで
き、第2の接合用金属には、例えばBiを実用的に使用
することができる。従って、本発明の第1の実施の形態
に係る液相拡散接合層56は、第2の接合用金属である
Biにより化合温度を下げた状態において、少なくとも
電極110でありかつ液相拡散金属であるCuと第2の
接合用金属であるSnとを化合させた結果、生成された
接合層である。実際には、図1(A)に示すように、電
極110上のCu Snからなる第1の接合層56A
と、この第1の接合層56A上のCuSn からなる
第2の接合層56Bとにより、液相拡散接合層56が構
成されている。
【0036】リード配線11の電極110と液相拡散接
合層56を介在させた金バンプ電極40との間の接合前
には、図1(B)に示すように、電極110上に配設さ
れ液相拡散金属と化合させる第1の接合用金属層52
と、第1の接合用金属層52上に配設され液相拡散金属
と第1の接合用金属層52との化合温度を下げる第2の
接合用金属層53とが構成されており、この第1の接合
用金属層52及び第2の接合用金属層53から液相拡散
接合層56が生成されている。本発明の第1の実施の形
態において、第1の接合用金属層52には例えば膜厚が
10μmのSnめっき層を実用的に使用することがで
き、第2の接合用金属には例えば膜厚が10μmのBi
めっき層を実用的に使用することができる。
【0037】図4(A)に示すように電極110上に第
1の接合用金属層(Snめっき層)52の単一層を形成
し、この第1の接合用金属層52に150℃の温度のア
ニール処理を行うと、図4(B)に示すようにSnの融
点が232℃のために第1の接合用金属層52は固体状
態のまま、図4(C)に示すように液相拡散が生じ、電
極110と第1の接合用金属層52との間には液相拡散
接合層57が形成される。この液相拡散接合層57は、
CuSnからなる第1の接合層57Aと、この第1の
接合層57A上のCuSnからなる第2の接合層5
7Bとにより形成されている。図5に示すように、液相
拡散接合層57の第1の接合層57A及び第2の接合層
57Bにおいては、いずれもアニール処理後の放置時間
の増加とともに液相拡散が進行し、生成量(膜厚)は増
加の傾向を示している。
【0038】これに対して、図3(A)に示すように電
極110上に第1の接合用金属層(Snめっき層)52
と、第2の接合用金属層(Biめっき層)53の複合層
を形成し、この第1の接合用金属層52及び第2の接合
用金属層53に同様の150℃の温度のアニール処理を
行うと、図3(B)に示すようにSn及びBiの融点が
139℃に下がるのでSn及びBiの液層56Dの状態
において、図3(C)に示すように液相拡散が生じ、電
極110上に液相拡散接合層56が形成される。この液
相拡散接合層56は、上記のように第1の接合層56A
と、この第1の接合層56A上の第2の接合層56Bと
により形成されている。図5に示すように、液相拡散接
合層56の第1の接合層56A及び第2の接合層56B
においては、液相拡散接合層57の第1の接合層57A
及び第2の接合層57Bと同様にいずれもアニール処理
後の放置時間の増加とともに液相拡散が進行し、生成量
は増加の傾向を示しているが、生成量は第1の接合層5
7A及び第2の接合層57Bに比べて1.3〜2.2倍
程度大きくなっている。すなわち、図3(C)に示す液
相拡散接合層56の合計膜厚が厚く(液相拡散量が大き
く)なり、接合強度が高くなることを意味している。
【0039】図1(A)に示すように、半導体素子20
のボンディングパッド21と金バンプ電極40との間は
バリヤメタル層55を介在させて電気的かつ機械的に接
合されている。このバリヤメタル層55には、例えばチ
タン(Ti)層とタングステン(W)層との複合膜を実
用的に使用することができる。なお、金バンプ電極40
に代えて、銅バンプ電極等を使用することができる。
【0040】図2に示すように、半導体素子20の少な
くとも主面(素子形成面)は保護樹脂30により被覆さ
れている。この保護樹脂30には例えばポリイミド系樹
脂を実用的に使用することができる。
【0041】このように構成される本発明の第1の特徴
に係る半導体装置1においては、電極110とそれに接
続される他の金バンプ電極40との間の液相拡散による
接合温度を第2の接合用金属(例えばBi)により下
げ、なおかつ双方の間の接合強度を第2の接合用金属に
より高めることができるので、部品、材料等の耐熱温
度、特に基板10の耐熱温度を下げることができる。従
って、基板10には耐熱温度が低い、例えば300℃以
下の耐熱温度を有しかつ安価な、銅箔/接着層/ポリイ
ミド系樹脂のテープ基材を使用することができるので、
半導体装置1の製品コストを削減することができる。
【0042】[半導体装置の製造方法]次に、図6乃至
図13を使用し、上記半導体装置1の製造方法を説明す
る。
【0043】(1)まず最初に、図6に示すように、基
板10が準備される。この基板10の表面上にはリード
配線11が形成され、裏面上にはリード配線11に接続
孔配線13を通して電気的に接続された外部端子12が
形成されている(図2参照。)。さらに、基板10の表
面側において、リード配線11の一端側は電極110と
して露出されており、リード配線11の周辺部分はソル
ダーレジスト膜14により被覆されている。基板10の
裏面上は外部端子12の領域を除きソルダーレジスト膜
15により被覆されている。
【0044】(2)図7に示すように、リード配線11
の電極110の表面上に第1の接合用金属層52を形成
する。上記のように、第1の接合用金属層52にはSn
めっき層を実用的に使用することができる。
【0045】(3)引き続き、図8に示すように、第1
の接合用金属層52上に第2の接合用金属層53を形成
する。上記のように、第2の接合用金属層53にはBi
めっき層を実用的に使用することができる。
【0046】(4)熱圧着ボンディング装置(図9参
照。)60において、加熱ステージ61上にフェイスア
ップで半導体素子20を載置保持する。半導体素子20
においては、ボンディングパッド21上にバリヤメタル
層55を介在させて金バンプ電極40が配設された状態
にある。図9に示すように、加熱ステージ61に載置保
持された半導体素子20と、加熱ステージ61上に対向
配設された加熱加圧ツール62との間に電極110を下
側に向けて基板10を位置決め配置する。
【0047】(5)図10に示すように、加熱加圧ツー
ル62により基板10の裏面(図10中上側表面)を加
熱するとともに加圧し、半導体素子20のボンディング
パッド21と基板10の電極110との間を金バンプ電
極40を介在させて熱圧着ボンディングする。このと
き、前述のように第2の接合用金属層53により化合温
度が下げられた状態において電極110のCuと第1の
接合用金属層52のSnとが化合する液相拡散により、
電極110と金バンプ電極40との間に液相拡散接合層
56が生成され、この液相拡散接合層56により電極1
10と金バンプ電極40との間が電気的かつ機械的に接
合される。加熱ステージ61、加熱加圧ツール62のそ
れぞれの加熱設定温度は、30℃〜50℃の若干の低下
分を考慮して、70℃〜200℃の範囲内に設定され
る。このような低い温度範囲において、液相拡散接合層
56は充分な接合強度を得ることができる。
【0048】(6)図11に示すように、半導体素子2
0の主面を被覆する保護樹脂30を形成する。保護樹脂
30は、例えば滴下塗布法により、基板10の中央部分
の開口10Hを通して例えば流動性を有するポリイミド
系樹脂を充填し、この充填されたポリイミド系樹脂を硬
化させることにより形成することができる。
【0049】(7)図12に示すように、半導体素子2
0を被覆し保護するスティフナー31を取り付けること
により、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置1
を完成させることができる。
【0050】(8)この後、半導体装置1の基板10の
外部端子12に半田ボール電極41が形成される。
【0051】このような本発明の第1の実施の形態に係
る半導体装置1の製造方法においては、電極110の液
相拡散金属(Cu)と第1の接合用金属層(Sn)52
との化合温度(液相拡散温度)を第2の接合用金属(B
i)53により下げることができるので、電極110と
金バンプ電極40との間の接合温度を下げて低温度プロ
セスを実現することができる。
【0052】[変形例] (1)上記本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置
1において、基板10の電極110には、Cu箔膜以外
の液相拡散金属として、Au箔膜、Al箔膜、Ni箔膜
等を実用的に使用することができる。
【0053】(2)本発明の第1の実施の形態に係る半
導体装置1において、第1の接合用金属層52の第1の
接合用金属には、Snの他に、Pb若しくはIn、又は
それらいずれかを主成分とする二元以上の合金が少なく
とも含まれる。例えば、第1の接合用金属には、97原
子%In−3原子%Ag、52原子%In−48原子%
Sn、50.9原子%In−49.1原子%Sn、57
原子%Bi−43原子%Sn、58原子%Bi−42原
子%Sn、55原子%Bi−45原子%Pb、55.5
原子%Bi−44.5原子%Pb、33.3原子%Bi
−66.7原子%In、67原子%Bi−33原子%I
n等の二元合金、80原子%In−15原子%Pb−5
原子%Ag、46原子%Bi−34原子%Sn−20原
子%Pb等の三元合金、49原子%Bi−21原子%I
n−18原子%Pb−12原子%Sn等の四元合金が含
まれる。さらに、第1の接合用金属層52にはガリウム
(Ga)を含むことができる。
【0054】(3)本発明の第1の実施の形態に係る半
導体装置1において、第2の接合用金属層53の第2の
接合用金属には、Biの他に、少なくともAg若しくは
In、又はBi、Ag若しくはInのいずれかを主成分
とする二元以上の合金が含まれる。
【0055】(第2の実施の形態)本発明の第2の実施
の形態は、ボールボンディングアレイ構造を採用し、か
つビームリード−インナーリードボンディング(以下、
単にBL−ILBという。)方式を採用する半導体装置
(電子デバイス)に本発明を適用した例を説明するもの
である。
【0056】[半導体装置の構造]図14に示すよう
に、本発明の第2の実施の形態に係るBL−ILB方式
を採用する半導体装置2は、基板70と、基板70上の
ビームリード構造でマウントされた半導体素子(半導体
チップ)20と、半導体素子20を保護する保護樹脂3
2と、半導体素子20を保護するスティフナー31とを
備えて構築されている。さらに、半導体装置2は、基板
70の裏面に配設された外部端子72上に半田ボール電
極41を備えている。
【0057】基板70には、本発明の第1の実施の形態
に係る半導体装置1と同様に、低い耐熱性を有するTA
Bテープ基板が使用され、例えば150℃〜300℃の
範囲の耐熱性を有するポリイミド系樹脂テープ基板を実
用的に使用することができる。
【0058】基板70の裏面上(図中下側表面)にはリ
ード71が配設されている。このリード71は、図示し
ないが、図1(A)に示すリード配線11と同様に接着
層16を介在させて基板70の表面に接着されている。
基板10の中央部分(半導体素子20のマウント領域)
には開口70Hを有しており、この開口70Hにはリー
ド711の一端側が電極(ビームリード)710として
突出されている。この電極710は、本発明に係る「電
極」、「第1の電極」又は「第2の電極」の一具体例に
対応するものである。基板70の周辺部分においてリー
ド71の他端側は外部端子72に電気的に接続されてい
る。リード71並びにそれに一体的に構成された電極7
10は電気伝導性に優れ、かつ液相拡散金属である例え
ばCu箔膜を実用的に使用することができ、このCu箔
膜は例えば20μmの膜厚で形成されている。リード7
1の少なくとも電極710の表面には研磨処理、Cuめ
っき処理等を行い、電極710の表面粗さRmaxは
0.2μm以下に設定されることが好ましい。外部端子
72には、リード71と同様に、例えばCu箔膜を実用
的に使用することができる。
【0059】基板70において、裏面側はリード71の
電極710の領域を除きソルダーレジスト膜74により
被覆されている。
【0060】半導体素子20は、本発明の第1の実施の
形態に係る半導体素子20と同様であり、その主面を基
板70の表面に向かい合わせたフェイスダウン方式でマ
ウントされている。半導体素子20の主面には複数のボ
ンディングパッド(電極)21が配設されている。
【0061】そして、図14及び図15に示すように、
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置2において
は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置1と同
様に、少なくとも表面層に液相拡散金属(例えばCu)
を有するリード71の電極710と、液相拡散金属、こ
の液相拡散金属に化合させる第1の接合用金属(例えば
Sn)、及び液相拡散金属と第1の接合用金属との化合
温度を下げる第2の接合用金属(例えばBi)を少なく
とも含む、電極710上の液相拡散接合層56と、液相
拡散接合層56上の金バンプ電極40とを備え、液相拡
散接合層56及び金バンプ電極40とを介在させて電極
710と半導体素子20のボンディングパッド21との
間が電気的かつ機械的に接続されている。液相拡散接合
層56は、実際は、電極710上のCuSnからなる
第1の接合層56Aと、この第1の接合層56A上のC
Snからなる第2の接合層56Bとにより構成さ
れている。
【0062】半導体素子20のボンディングパッド21
と金バンプ電極40との間はバリヤメタル層55を介在
して電気的かつ機械的に接合されている。図14に示す
ように、半導体素子20の少なくとも主面(素子形成
面)は保護樹脂32により被覆されている。この保護樹
脂32には例えばポリイミド系樹脂を実用的に使用する
ことができる。
【0063】このように構成される本発明の第2の特徴
に係る半導体装置2においては、本発明の第1の実施の
形態に係る半導体装置1と同様に、電極710とそれに
接続される他の金バンプ電極40との間の液相拡散によ
る接合温度を第2の接合用金属(例えばBi)により下
げ、なおかつ双方の間の接合強度を第2の接合用金属に
より高めることができるので、部品、材料等の耐熱温
度、特に基板70の耐熱温度を下げることができる。従
って、基板70には耐熱温度が低い、例えば300℃以
下の耐熱温度を有しかつ安価な、銅箔/接着層/ポリイ
ミド系樹脂のテープ基材を使用することができるので、
半導体装置2の製品コストを削減することができる。
【0064】[半導体装置の製造方法]次に、本発明の
第2の実施の形態に係る半導体装置2の製造方法を、図
16及び図17を使用して説明する。
【0065】(1)本発明の第2の実施の形態に係る半
導体装置2の製造方法は、図示しないが、本発明の第1
の実施の形態に係る半導体装置1の製造方法と同様に、
まず最初に基板70が準備され、基板70のリード71
の電極(ビームリード)710の表面上に第1の接合用
金属層(例えばSn)52、第2の接合用金属層(例え
ばBi)53のそれぞれを順次形成する。
【0066】(2)熱圧着ボンディング装置(図16参
照。)60において、加熱ステージ61上にフェイスア
ップで半導体素子20を載置保持する。半導体素子20
においては、ボンディングパッド21上にバリヤメタル
層55を介在させて金バンプ電極40が配設された状態
にある。図16に示すように、加熱ステージ61に載置
し保持された半導体素子20と加熱ステージ61上に対
向配設された加熱加圧ツール62との間に基板70を位
置決め配置する。この位置決め配置により、半導体素子
20のボンディングパッド21上に金バンプ電極40を
介在させて基板70の電極710が位置決めされる。
【0067】(3)図17に示すように、加熱加圧ツー
ル62により基板70の電極710の裏面(図17中上
側表面)を加熱するとともに加圧し、半導体素子20の
ボンディングパッド21と基板70の電極710との間
を金バンプ電極40を介在させて熱圧着ボンディングす
る。このとき、前述のように第2の接合用金属層53に
より化合温度が下げられた状態において電極710のC
uと第1の接合用金属層52のSnとが化合する液相拡
散により、電極710と金バンプ電極40との間に液相
拡散接合層56が生成され、この液相拡散接合層56に
より電極710と金バンプ電極40との間が電気的かつ
機械的に接合される。加熱ステージ61、加熱加圧ツー
ル62のそれぞれの加熱設定温度は、70℃〜200℃
の範囲内に設定される。このような低い温度範囲におい
て、液相拡散接合層56は充分な接合強度を得ることが
できる。
【0068】(4)半導体素子20の主面を被覆する保
護樹脂32を形成する(図14参照。)。保護樹脂32
は、例えば滴下塗布法により、基板70の中央部分の開
口70Hを通して例えば流動性を有するポリイミド系樹
脂を充填し、この充填されたポリイミド系樹脂を硬化さ
せることにより形成することができる。
【0069】(5)半導体素子20を被覆し保護するス
ティフナー31を取り付けることにより、本発明の第2
の実施の形態に係る半導体装置2を完成させることがで
きる(図14参照。)。
【0070】(6)この後、半導体装置2の基板70の
外部端子72に半田ボール電極41が形成される。
【0071】このような本発明の第2の実施の形態に係
る半導体装置2の製造方法においては、電極710の液
相拡散金属(Cu)と第1の接合用金属層(Sn)52
との化合温度(液相拡散温度)を第2の接合用金属(B
i)53により下げることができるので、電極710と
金バンプ電極40との間の接合温度を下げて低温度プロ
セスを実現することができる。
【0072】(第3の実施の形態)本発明の第3の実施
の形態は、レジンモールド構造を採用する半導体装置
(電子デバイス)に本発明を適用した例を説明するもの
である。
【0073】図18に示すように、本発明の第3の実施
の形態に係る半導体装置3は、タブ(タブリード)80
Aと、このタブ80A上にフェイスアップ方式でマウン
トされた半導体素子20と、半導体素子20のボンディ
ングパッド21にボンディングワイヤ81を通してイン
ナーリードが電気的に接続されたリード80Bと、タブ
80A、半導体素子20及びリード80Bのインナーリ
ードを気密封止する樹脂封止部82とを備えて構築され
ている。
【0074】本発明の第3の実施の形態において、タブ
80A及びリード80Bは同一リードフレームに一体的
に形成されていたものを半導体装置3の製造プロセス
(組立プロセス)においてリードフレームの枠体から切
断し成型したものである。このタブ80A及びリード8
0Bには、例えば、電気伝導性に優れたCu板、Cu合
金板、鉄ニッケル(Fe−Ni)合金板等を実用的に使
用することができる。また、タブ80A及びリード80
Bは全体的に例えば鉄ニッケル合金で形成し、少なくと
もタブ80Aの表面層にCuクラッド層を形成したもの
でもよい。
【0075】半導体素子20は液相拡散接合層56を介
在させてタブ80Aに接合されている。液相拡散接合層
56は、上記本発明の第1の実施の形態に係る半導体装
置1と同様に、タブ80A上のCuSnからなる第1
の接合層56Aと、この第1の接合層56A上のCu
Snからなる第2の接合層56Bと、さらに第2の接
合層56B上にCuSnからなる第3の接合層56C
とを備えて構成されている。図19に示すように、半導
体素子20のタブ80A上へのマウント前、すなわち液
相拡散処理前においては、タブ80A上に液相拡散金属
層54A、第1の接合用金属層52A、第2の接合用金
属53Aのそれぞれが順次形成されており、半導体素子
20の裏面上に液相拡散金属層54B、第3の接合用金
属層52B、第4の接合用金属層53Bのそれぞれが順
次形成されている。本発明の第3の実施の形態に係る半
導体装置3において、液相拡散金属層54A、54Bの
それぞれには、液相拡散金属である例えばCuめっき層
を実用的に使用することができる。第1の接合用金属層
52A、第3の接合用金属層52Bのそれぞれには、本
発明の第1の実施の形態に係る半導体装置1の第1の接
合用金属層52と同様にSnめっき層を実用的に使用す
ることができる。さらに、第2の接合用金属層53A、
第4の接合用金属層53Bには、本発明の第1の実施の
形態に係る半導体装置1の第2の接合用金属層53と同
様にBiめっき層を実用的に使用することができる。
【0076】液相拡散処理は、例えば150℃〜200
℃の温度において、10秒間加熱することにより、第2
の接合用金属層53Aによって化合温度が下げられた状
態でタブ80A上の液相拡散金属層54Aと第1の接合
用金属層52Aとを化合させ、第1の接合層56A並び
に第2の接合層56Bの一部を生成することができ、第
4の接合用金属層53Bによって化合温度が下げられた
状態で半導体素子20の裏面上の液相拡散金属層54B
と第3の接合用金属層52Bとを化合させ、第3の接合
層56C並びに第2の接合層56Bの残りの一部を生成
することができ、液相拡散接合層56を形成することが
できる。
【0077】なお、液相拡散金属層54A、54B、第
1の接合用金属層52A、第2の接合用金属層53A、
第3の接合用金属層52B、第4の接合用金属層53B
のそれぞれの材料の変形例については、本発明の第1の
実施の形態に係る半導体装置1で説明した変形例と同様
である。
【0078】本発明の第3の実施の形態に係る半導体装
置3において、半導体素子20とタブ80Aとの間は電
気的に接続されており、例えばタブ80Aは半導体素子
20に基板電源を供給する「電極」としても使用され、
半導体素子20の裏面はこの基板電源の供給を受ける
「電極」としても使用されている。
【0079】ボンディングワイヤ81には、例えばAu
ワイヤ、Cuワイヤ、Alワイヤ等を実用的に使用する
ことができる。
【0080】樹脂封止部82には例えば熱硬化性のエポ
キシ系樹脂を実用的に使用することができ、この樹脂封
止部82はトランスファモールド法により形成されてい
る。
【0081】このように構成される本発明の第3の特徴
に係る半導体装置3においては、本発明の第1の実施の
形態に係る半導体装置1、本発明の第2の実施の形態に
係る半導体装置2のそれぞれと同様に、タブ(電極)8
0Aとそれに接続される他の半導体素子20(シリコン
単結晶基板、電極)との間の液相拡散による接合温度を
第2の接合用金属層(例えばBi)53A及び第4の接
合用金属層53Bにより下げ、なおかつ双方の間の接合
強度を第2の接合用金属層53A及び第4の接合用金属
層53Bにより高めることができる。従って、タブ80
A上に半導体素子20をマウントする場合の熱圧着ボン
ディングの温度を例えば300℃以下の低温度に設定す
ることができ、極めて短時間においてマウントを行うこ
とができる。樹脂接着剤を利用する場合にはマウントに
1時間〜3時間を必要としていたが、本発明の第3の実
施の形態に係る半導体装置3においては例えば数十秒の
範囲内でマウントを行うことができる。さらに、半導体
素子20とタブ80Aとの間の液相拡散接合層56は熱
伝導性に優れているので、放熱効果の高い半導体装置3
を実現することができる。
【0082】(第4の実施の形態)本発明の第4の実施
の形態は、ボールボンディングアレイ構造を採用する半
導体装置(電子デバイス)に本発明を適用した例を説明
するものである。
【0083】図20に示すように、本発明の第4の実施
の形態に係るボールボンディングアレイ構造を採用する
半導体装置4は、基板90と、基板90上のFC方式で
マウントされた半導体素子(半導体チップ)20とを備
えて構築されている。さらに、半導体装置4は、基板9
0の裏面に配設された外部端子92上に半田ボール電極
41を備えている。
【0084】基板90には、エポキシ系樹脂基板、セラ
ミックス基板等を実用的に使用することができる。基板
90の表面上(図中上側表面)にはリード配線91が配
設されている。このリード配線91は、図示しないが、
図1(A)に示すリード配線11と同様に接着層を介在
させて基板90の表面に接着されている。リード配線9
1の半導体素子20との接続部分は電極910として使
用されている。この電極910は、本発明に係る「電
極」、「第1の電極」又は「第2の電極」の一具体例に
対応するものである。リード配線91は基板91を貫通
する接続孔配線93を通して外部端子92に電気的に接
続されている。リード配線91並びにそれに一体的に構
成された電極910は電気伝導性に優れ、かつ液相拡散
金属である例えばCu箔膜を実用的に使用することがで
き、このCu箔膜は例えば20μmの膜厚で形成されて
いる。リード配線91の少なくとも電極910の表面に
は研磨処理、Cuめっき処理等を行い、電極910の表
面粗さRmaxは0.2μm以下に設定されることが好
ましい。外部端子92には、リード配線91と同様に、
例えばCu箔膜を実用的に使用することができる。
【0085】半導体素子20は、本発明の第1の実施の
形態並びに本発明の第2の実施の形態に係る半導体素子
20と同様であり、その主面を基板90の表面に向かい
合わせたフェイスダウン方式でマウントされている。半
導体素子20の主面には複数のボンディングパッド(電
極)21が配設されている。
【0086】そして、本発明の第4の実施の形態に係る
半導体装置4においては、本発明の第1の実施の形態に
係る半導体装置1と同様に、少なくとも表面層に液相拡
散金属(例えばCu)を有するリード配線91の電極9
10と、液相拡散金属、この液相拡散金属に化合させる
第1の接合用金属(例えばSn)、及び液相拡散金属と
第1の接合用金属との化合温度を下げる第2の接合用金
属(例えばBi)を少なくとも含む、電極910上の液
相拡散接合層56と、液相拡散接合層56上の銅バンプ
電極42とを備え、液相拡散接合層56及び銅バンプ電
極42とを介在させて電極910と半導体素子20のボ
ンディングパッド21との間が電気的かつ機械的に接続
されている。液相拡散接合層56は、本発明の第3の実
施の形態に係る半導体装置3と同様に、実際は、電極9
10上のCuSnからなる第1の接合層56Aと、こ
の第1の接合層56A上のCuSnからなる第2の
接合層56Bと、さらに第2の接合層56B上のCu
Snからなる第3の接合層56Cとにより構成されてい
る。
【0087】図21に示すように、半導体素子20の基
板90へのマウント前、すなわち液相拡散処理前におい
ては、リード配線91の少なくとも電極910上に第1
の接合用金属層52A、第2の接合用金属53Aのそれ
ぞれが順次形成されており、銅バンプ電極42上に第3
の接合用金属層52B、第4の接合用金属層53Bのそ
れぞれが順次形成されている。銅バンプ電極42の表面
は予め研磨処理、Cuめっき処理等を行い、電極910
の表面粗さRmaxは0.2μm以下に設定されること
が好ましい。本発明の第4の実施の形態に係る半導体装
置4において、第1の接合用金属層52A、第3の接合
用金属層52Bのそれぞれには、本発明の第1の実施の
形態に係る半導体装置1の第1の接合用金属層52と同
様にSnめっき層を実用的に使用することができる。さ
らに、第2の接合用金属層53A、第4の接合用金属層
53Bには、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装
置1の第2の接合用金属層53と同様にBiめっき層を
実用的に使用することができる。
【0088】液相拡散処理は、例えば150℃〜200
℃の温度において、10秒間加熱することにより、第2
の接合用金属層53Aによって化合温度が下げられた状
態で電極910の液相拡散金属(Cu)と第1の接合用
金属層52Aとを化合させ、第1の接合層56A並びに
第2の接合層56Bの一部を生成することができ、第4
の接合用金属層53Bによって化合温度が下げられた状
態で銅バンプ電極42の液相拡散金属と第3の接合用金
属層52Bとを化合させ、第3の接合層56C並びに第
2の接合層56Bの残りの一部を生成することができ、
液相拡散接合層56を形成することができる。
【0089】なお、第1の接合用金属層52A、第2の
接合用金属層53A、第3の接合用金属層52B、第4
の接合用金属層53Bのそれぞれの材料の変形例につい
ては、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置1で
説明した変形例と同様である。
【0090】半導体素子20のボンディングパッド21
と銅バンプ電極42との間はバリヤメタル層55を介在
して電気的かつ機械的に接合されている。
【0091】このように構成される本発明の第4の特徴
に係る半導体装置4においては、本発明の第1の実施の
形態に係る半導体装置1と同様に、電極910とそれに
接続される他の銅バンプ電極42との間の液相拡散によ
る接合温度を第2の接合用金属及び第4の接合用金属
(例えばBi)により下げ、なおかつ双方の間の接合強
度を第2の接合用金属及び第4の接合用金属により高め
ることができるので、部品、材料等の耐熱温度を下げる
ことができる。従って、300℃以下の低温度プロセス
を採用することができる。特に、本発明の第4の実施の
形態に係る半導体装置4においては、基板90の外部端
子92に半田ボール電極(例えば融点温度180℃)4
1を形成した後に、この半田ボール電極41の融点より
も低い温度で液相拡散処理を行うことができるので、基
板90に半導体素子20をボンディングすることができ
る。
【0092】(第5の実施の形態)本発明の第5の実施
の形態は、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置
4の応用例であり、ボールボンディングアレイ構造を採
用し、かつ複数の半導体素子を積層化した半導体モジュ
ール(電子デバイス)に本発明を適用した例を説明する
ものである。
【0093】図22に示すように、本発明の第5の実施
の形態に係るボールボンディングアレイ構造を採用する
半導体モジュール5は、基板90と、基板90上に三次
元積層された複数の半導体素子(半導体チップ)201
〜204とを備えて構築されている。本発明の第5の実
施の形態に係る半導体モジュール5は、4個の半導体素
子201〜204を積層化した例を説明しているが、そ
の積層個数は4個に限定されず、例えば8個、16個等
の積層が可能である。さらに、半導体モジュール5は、
基板90の裏面に配設された外部端子92上の半田ボー
ル電極41を備えている。
【0094】基板90には、本発明の第4の実施の形態
に係る半導体装置4の基板90と同等のものを使用する
ことができる。
【0095】半導体素子201〜204は基本的には本
発明の第1の実施の形態乃至本発明の第4の実施の形態
に係る半導体素子20と同様であるが、半導体素子20
1にはその表面(主面)のボンディングパッド21から
裏面に貫通する貫通銅バンプ電極421が配設され、同
様に半導体素子202には貫通銅バンプ電極422が、
半導体素子203には貫通銅バンプ電極423が、半導
体素子204には貫通銅バンプ電極424がそれぞれ配
設されている。貫通銅バンプ電極421は、例えば半導
体素子201にレーザ加工により貫通孔を形成し、この
貫通孔に埋設することにより形成することができる。貫
通銅バンプ電極421の半導体素子201の表面側は突
出した電極421Aとして使用され、裏面側も突出した
電極421Bとして使用されている。同様に、貫通銅バ
ンプ電極422の半導体素子202の表面側は電極42
2Aとして使用され、裏面側は電極422Bとして使用
されている。貫通銅バンプ電極423の半導体素子20
3の表面側は電極423Aとして使用され、裏面側は電
極423Bとして使用されている。貫通銅バンプ電極4
24の半導体素子204の表面側は電極424Aとして
使用され、裏面側は電極424Bとして使用されてい
る。
【0096】これらの貫通銅バンプ電極421〜424
のそれぞれには、電気伝導性に優れ、かつ液相拡散金属
であるCu柱体を実用的に使用することができる。貫通
銅バンプ電極421の電極421A、421B、貫通銅
バンプ電極422の電極422A、422B、貫通銅バ
ンプ電極423の電極423A、423B、貫通銅バン
プ電極424の電極424A、424Bのそれぞれの表
面は予め研磨処理、Cuめっき処理等を行い、表面粗さ
Rmaxは0.2μm以下に設定されることが好まし
い。半導体素子201においては、表面側に電極421
A、裏面側に電極421Bを備えているので、フェイス
アップ方式、フェイスダウン方式のいずれにおいても基
板90上にボンディングすることができる。その他の半
導体素子202〜204についても同様である。
【0097】そして、本発明の第5の実施の形態に係る
半導体モジュール5においては、本発明の第4の実施の
形態に係る半導体装置4と同様に、少なくとも表面層に
液相拡散金属(例えばCu)を有するリード配線91の
電極910と、液相拡散金属、この液相拡散金属に化合
させる第1の接合用金属(例えばSn)、及び液相拡散
金属と第1の接合用金属との化合温度を下げる第2の接
合用金属(例えばBi)を少なくとも含む、電極910
上の液相拡散接合層56を備え、この液相拡散接合層5
6を介在させて電極910と半導体素子201の電極4
21Bとの間が電気的かつ機械的に接続されている。液
相拡散接合層56は、本発明の第4の実施の形態に係る
半導体装置4と同様に、実際は、電極910上のCu
Snからなる第1の接合層56Aと、この第1の接合層
56A上のCuSnからなる第2の接合層56B
と、さらに第2の接合層56B上のCuSnからなる
第3の接合層56Cとにより構成されている。
【0098】半導体素子201の基板90へのボンディ
ング前、すなわち液相拡散処理前においては、リード配
線91の少なくとも電極910上に第1の接合用金属層
52A、第2の接合用金属53Aのそれぞれが順次形成
されており、半導体素子201の電極421B上に第3
の接合用金属層52B、第4の接合用金属層53Bのそ
れぞれが順次形成されている(図21参照。)。液相拡
散処理は、例えば150℃〜200℃の温度において、
10秒間加熱することにより、第2の接合用金属層53
Aによって化合温度が下げられた状態で電極910の液
相拡散金属(Cu)と第1の接合用金属層52Aとを化
合させ、第1の接合層56A並びに第2の接合層56B
の一部を生成することができ、第4の接合用金属層53
Bによって化合温度が下げられた状態で電極421Bの
液相拡散金属(Cu)と第3の接合用金属層52Bとを
化合させ、第3の接合層56C並びに第2の接合層56
Bの残りの一部を生成することができ、液相拡散接合層
56を形成することができる。
【0099】同様に、半導体素子201の電極421A
と半導体素子202の電極422Bとの間、半導体素子
202の電極422Aと半導体素子203の電極423
Bとの間、半導体素子203の電極423Aと半導体素
子204の電極424Bとの間のいずれも液相拡散接合
層56を介在させて電気的かつ機械的に接続されてい
る。
【0100】このように構成される本発明の第5の特徴
に係る半導体モジュール5においては、本発明の第4の
実施の形態に係る半導体装置4と同様に、電極910と
それに接続される半導体素子201の電極421Bとの
間、半導体素子201の電極421Aと半導体素子20
2の電極422Bとの間、半導体素子202の電極42
2Aと半導体素子203の電極423Bとの間、半導体
素子203の電極423Aと半導体素子204の電極4
24Bとの間の液相拡散による接合温度を、第2の接合
用金属及び第4の接合用金属(例えばBi)により下
げ、なおかつ双方の間の接合強度を第2の接合用金属及
び第4の接合用金属により高めることができる。従っ
て、300℃以下の低温度プロセスを採用することがで
きる。特に、本発明の第5の実施の形態に係る半導体モ
ジュール5においては、基板90の外部端子92に半田
ボール電極41を形成した後に、この半田ボール電極4
1の融点よりも低い温度で液相拡散処理を行うことがで
きるので、基板90に半導体素子201〜204をボン
ディングすることができる。さらに、液相拡散処理が低
い温度で行えるので、半導体素子201〜204のそれ
ぞれの間の残留応力を減少することができる。
【0101】(第6の実施の形態)本発明の第6の実施
の形態は、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置
4と本発明の第5の実施の形態に係る半導体モジュール
5とを組み合わせた半導体モジュール(電子デバイス)
を説明するものである。
【0102】図23に示すように、本発明の第6の実施
の形態に係る半導体モジュール6は、基板90と、基板
90上にFC方式でボンディングされた半導体素子(半
導体チップ)20とを備えた半導体装置4を、複数三次
元積層して構築されている。本発明の第6の実施の形態
に係る半導体モジュール6は、2個の半導体装置4を積
層化した例を説明しているが、その積層個数は2個に限
定されず、例えば4個、8個、16個等の積層が可能で
ある。さらに、半導体モジュール6において最下層の半
導体装置4の基板90の裏面に配設された外部端子92
には半田ボール電極41を備えている。
【0103】半導体モジュール6の半導体装置4の基板
90と半導体素子20との間は本発明の第4の実施の形
態に係る半導体装置4と同様に液相拡散接合層56及び
銅バンプ電極42を介在させて接続されているが、上下
に積層された半導体装置4間は中間配線基板900によ
り電気的かつ機械的に接続されている。
【0104】中間配線基板900は、例えば半導体装置
4の基板90と同等の材料で形成された基材の表面に電
極901、裏面に電極902を備え、電極901と90
2との間は接続孔配線903により電気的に接続されて
いる。電極901、902のそれぞれの少なくとも表面
層には液相拡散金属を備えることが好ましく、本発明の
第6の実施の形態において、電極901、902のそれ
ぞれはCu箔膜で形成されている。
【0105】半導体装置4の基板90の電極911と中
間配線基板900の裏面側の電極902との間、中間配
線基板900の表面側の電極901と半導体装置4の基
板90の外部端子(電極)92のそれぞれの間は、液相
拡散接合層56と同様の液相拡散接合層58により電気
的かつ機械的に接続されている。
【0106】このように構成される本発明の第6の特徴
に係る半導体モジュール6においては、本発明の第5の
実施の形態に係る半導体モジュール5と同様に、半導体
装置4の基板90の電極911とそれに接続される中間
配線基板900の電極902との間、中間配線基板90
0の電極901と半導体装置4の基板90の外部端子9
2との間の液相拡散による接合温度を、第2の接合用金
属及び第4の接合用金属(例えばBi)により下げ、な
おかつ双方の間の接合強度を第2の接合用金属及び第4
の接合用金属により高めることができる。従って、30
0℃以下の低温度プロセスを採用することができる。
【0107】(第7の実施の形態)本発明の第7の実施
の形態は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置
1において、基板10の電極110と金バンプ電極40
との間の接合強度をより一層向上させることができる例
を説明するものである。
【0108】本発明の第7の実施の形態は、本発明の第
1の実施の形態に係る半導体装置1において、基板10
上のリード配線11の少なくとも電極110の表面、す
なわち液相拡散接合層56の形成表面を液相拡散処理前
に平坦化したものである。図24に示すように、この電
極110の表面の平坦化(平坦化領域を符号Fで示
す。)は例えば熱圧着ボンディング装置60の加熱加圧
ツール62による打痕で行うことができる。加熱加圧ツ
ール62の電極接触面は例えば鏡面仕上げを行っている
ことが好ましく、例えば電極110の表面粗さRmax
は0.2μm以下に生成することが好ましい。
【0109】本発明者が実施した基礎研究によれば、銅
箔の表面粗さRmaxが1.6μm、液相拡散処理の接
合温度が400℃、接合時間が10秒、接合加重が50
MPaの条件下において液相拡散接合層は約3μmの厚
さで生成されたのに対して、銅箔の表面粗さRmaxが
0.2μm、液相拡散処理の接合温度が300℃、接合
時間が10秒、接合加重が50MPaの条件下において
液相拡散接合層は約1μmの厚さで生成することができ
た。すなわち、前者の条件に対して、後者のように銅箔
の表面粗さを小さくすればするほど、低温度において液
相拡散接合層を厚く生成することができる。
【0110】なお、電極110の平坦化は、直接、液相
拡散金属の表面に行ってもよいし、電極110の表面上
に第1の接合用金属層52、第2の接合用金属層53の
それぞれを形成した後(めっき後)に行ってもよい。さ
らに、例えば電極110上に電極110のパターンニン
グレジスト膜や保護レジスト膜が形成されている状態で
平坦化を実施してもよい。
【0111】このように本発明の第7の実施の形態に係
る半導体装置1においては、液相拡散接合層56を形成
する電極110の表面を平坦化することにより、液相拡
散接合層56の接合厚さを厚くすることができ、接合強
度を向上することができるとともに、液相拡散温度を下
げることができ、低温プロセス化を実現することができ
る。
【0112】(第8の実施の形態)本発明の第8の実施
の形態は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置
1乃至本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置4、
本発明の第5の実施の形態に係る半導体モジュール5、
本発明の第6の実施の形態に係る半導体モジュール6、
並びに本発明の第7の実施の形態に係る半導体装置1に
おいて、液相拡散接合層56、58のそれぞれの接合強
度をより一層向上させた例を説明するものでてある。
【0113】本発明の第8の実施の形態は、半導体装置
1の基板10の電極110等の液相拡散金属を圧延薄膜
(圧延箔膜)としたことである。圧延薄膜は液相拡散金
属に圧延処理を施した薄膜であり、例えば圧延Cu箔膜
は100℃〜300℃の低温度において1μm〜20μ
mの粒径の範囲で再結晶化される性質を有している。こ
の圧延Cu箔膜は例えば電解Cu箔膜の再結晶化の粒径
に比べて大きな粒径サイズを有している。
【0114】図25は液相拡散処理の接合温度と液相拡
散接合層の接合強度との関係を示している。図25中、
データ(A)は、圧延Cu箔膜上に4μmの膜厚のSn
(第1の接合用金属)、1μmの膜厚のBi(第2の接
合用金属)のそれぞれを形成し、互いにBi同士を向か
い合せ、圧延Cu箔膜同士を重ね合わせた状態で生成し
た液相拡散接合層の特性である。接合時間は10秒、接
合加重は50MPaである。以下、この条件は同一であ
る。データ(B)は、電解Cu箔膜上に4μmの膜厚の
Sn、1μmの膜厚のBiのそれぞれを形成し、互いに
Bi同士を向かい合せ、電解Cu箔膜同士を重ね合わせ
た状態で生成した液相拡散接合層の特性である。データ
(B)に比べて、データ(A)すなわち圧延Cu箔膜で
生成された液相拡散接合層の方が接合温度も低く、接合
強度も数倍から数十倍高くなる。特に、電解Cu箔膜で
生成された液相拡散接合層においては約300℃以下の
接合強度がゼロになるが、圧延Cu箔膜で生成された液
相拡散接合層においては充分な接合強度を得ることがで
きる。
【0115】また、図25には、圧延Cu箔膜上に4μ
mの膜厚のSn、1μmの膜厚のBiのそれぞれを形成
し、このBiにAu(金バンプ電極40に相当する)を
重ね合わせた状態で生成した液相拡散接合層の特性をデ
ータ(a)として、電解Cu箔膜上に4μmの膜厚のS
n、1μmの膜厚のBiのそれぞれを形成し、このBi
にAuを重ね合わせた状態で生成した液相拡散接合層の
特性をデータ(b)として示している。同様に、データ
(b)に比べて、データ(a)すなわち圧延Cu箔膜と
Auとで生成された液相拡散接合層の方が接合温度が低
くい範囲で高い接合強度を得ることができる。特に、2
60℃以下の接合温度において、液相拡散接合層の接合
強度は上昇する傾向を示している。
【0116】このように構成される本発明の第8の実施
の形態に係る半導体装置又は半導体モジュール(電子デ
バイス)においては、液相拡散金属を圧延薄膜としたこ
とにより、液相拡散金属の粒径サイズを大きくし、接合
面積を増加することができるので、液相拡散接合層の接
合強度を向上することができる。さらに、液相拡散接合
層は低温度において高い接合強度を得ることができる。
【0117】(その他の実施の形態)本発明は上記複数
の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をな
す論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解
すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実
施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0118】例えば、本発明は、マザーボード、ドータ
ボード等の実装基板上に本発明の第1の実施の形態に係
る半導体装置1等を実装する電子デバイス、上記実装基
板上に本発明の第5の実施の形態に係る半導体モジュー
ル5若しくは本発明の第6の実施の形態に係る半導体モ
ジュール6を実装する電子デバイス等に適用することが
できる。これらの実装には液相拡散接合層が使用され
る。
【0119】さらに、本発明は、電極間の接合に液相拡
散接合層を使用する場合に限らず、例えば液相拡散金属
であるセラミックス(Al)を少なくとも表面層
に有する基板上に液相拡散接合層を形成して電子部品等
を接合する場合にも適用することができる。
【0120】このように、本発明はここでは記載してい
ない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従っ
て、本発明の技術的範囲は上記の妥当な特許請求の範囲
に係る発明特定事項によってのみ定められるものであ
る。
【0121】
【発明の効果】本発明は、低温度において接合可能な電
極を有する電子デバイスを提供することができる。
【0122】さらに、本発明は、耐熱性を必要としない
部品、材料等の使用により、製品コストを減少すること
ができる電子デバイスを提供することができる。
【0123】さらに、本発明は、電極の接合強度を向上
することができ、電極の接合部の電気的かつ機械的信頼
性を向上することができる電子デバイスを提供すること
ができる。
【0124】さらに、本発明は、電極間の接合を低温度
にすることができる電子デバイスの製造方法を提供する
ことができる。
【0125】さらに、本発明は、製造コストを減少する
ことができる電子デバイスの製造方法を提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係るボールグリッ
ドアレイ構造を採用する半導体装置において、(A)は
熱圧着ボンディング後の電極部分の拡大断面図、(B)
は熱圧着ボンディング前の電極部分の拡大断面図であ
る。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係るボールグリッ
ドアレイ構造を採用する半導体装置の断面構造図であ
る。
【図3】(A)乃至(C)は本発明の第1の実施の形態
に係る液相拡散接合層の生成過程を示す工程断面図であ
る。
【図4】(A)乃至(C)は本発明の第1の実施の形態
に係る他の液相拡散接合層の生成過程を示す工程断面図
である。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係る液相拡散接合
層の生成量とアニール温度との関係を示す図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
工程断面図である。
【図7】図6に続く本発明の第1の実施の形態に係る半
導体装置の工程断面図である。
【図8】図7に続く本発明の第1の実施の形態に係る半
導体装置の工程断面図である。
【図9】図8に続く本発明の第1の実施の形態に係る半
導体装置の工程断面図である。
【図10】図9に続く本発明の第1の実施の形態に係る
半導体装置の工程断面図である。
【図11】図10に続く本発明の第1の実施の形態に係
る半導体装置の工程断面図である。
【図12】図11に続く本発明の第1の実施の形態に係
る半導体装置の工程断面図である。
【図13】図12に続く本発明の第1の実施の形態に係
る半導体装置の工程断面図である。
【図14】本発明の第2の実施の形態に係るボールグリ
ッドアレイ構造を採用する半導体装置の断面構造図であ
る。
【図15】本発明の第2の実施の形態に係るボールグリ
ッドアレイ構造を採用する半導体装置において、熱圧着
ボンディング後の電極部分の拡大断面図である。
【図16】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置
の工程断面図である。
【図17】図16に続く本発明の第2の実施の形態に係
る半導体装置の工程断面図である。
【図18】本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置
の断面構造図である。
【図19】本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置
の要部の工程断面図である。
【図20】本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置
の断面構造図である。
【図21】本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置
の要部の工程断面図である。
【図22】本発明の第5の実施の形態に係る半導体モジ
ュールの断面構造図である。
【図23】本発明の第6の実施の形態に係る半導体モジ
ュールの断面構造図である。
【図24】本発明の第7の実施の形態に係る半導体装置
の熱圧着ボンディング工程における工程断面図である。
【図25】本発明の第8の実施の形態に係る液相拡散接
合層の接合温度と接合強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
1〜4 半導体装置 5、6 半導体モジュール 10、70、90 基板 110、710、910、421A、421B、422
A、422B、423A、423B、424A、424
B、901、902 電極 11、91 リード配線 12、72、92 外部端子 13、93、903 接続孔配線 20、201〜204 半導体素子 21 ボンディングパッド 40 金バンプ電極 42 銅バンプ電極 52、52A 第1の接合用金属層 53、53A 第2の接合用金属層 52B 第3の接合用金属層 53B 第4の接合用金属層 54A、54B 液相拡散金属層 55 バリヤメタル層 56 液相拡散接合層 56A 第1の接合層 56B 第2の接合層 56C 第3の接合層 60 熱圧着ボンディング装置 61 加熱ステージ 62 加熱加圧ツール 71、80B リード 80A タブ 81 ワイヤ 82 樹脂封止部 421、422、423、424 貫通銅バンプ電極 900 中間配線基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蛭田 陽一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 Fターム(参考) 5F044 MM25 NN08 QQ03

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも表面層に液相拡散金属を有す
    る電極と、 前記電極上に配設され、前記液相拡散金属と化合させる
    第1の接合用金属層と、 前記第1の接合用金属層上に配設され、前記液相拡散金
    属と第1の接合用金属層との化合温度を下げる第2の接
    合用金属層とを備えたことを特徴とする電子デバイス。
  2. 【請求項2】 前記液相拡散金属は、銅、金、アルミニ
    ウム、ニッケル、セラミックスのいずれかであることを
    特徴とする請求項1に記載の電子デバイス。
  3. 【請求項3】 前記第1の接合用金属層は、錫、鉛若し
    くはインジウム、又はそれらいずれかを主成分とする二
    元以上の合金であることを特徴とする請求項2に記載の
    電子デバイス。
  4. 【請求項4】 前記第2の接合用金属層は、少なくとも
    ビスマス、銀若しくはインジウム、又はそれらいずれか
    を主成分とする二元以上の合金であることを特徴とする
    請求項2に記載の電子デバイス。
  5. 【請求項5】 前記液相拡散金属は、圧延薄膜であるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の電子デバイス。
  6. 【請求項6】 少なくとも表面層に液相拡散金属を有す
    る第1の電極と、 前記液相拡散金属、この液相拡散金属に化合させる第1
    の接合用金属、及び前記液相拡散金属と第1の接合用金
    属との化合温度を下げる第2の接合用金属を少なくとも
    含む、前記第1の電極上の液相拡散接合層と、 前記液相拡散接合層上の第2の電極とを備えたことを特
    徴とする電子デバイス。
  7. 【請求項7】 少なくとも下記工程を備えたことを特徴
    とする電子デバイスの製造方法。 (1)少なくとも表面層に液相拡散金属を有する第1の
    電極を形成する工程 (2)前記液相拡散金属上にそれと化合させる第1の接
    合用金属を形成する工程 (3)前記第1の接合用金属上に、前記液相拡散金属と
    第1の接合用金属との化合温度を下げる第2の接合用金
    属を形成する工程 (4)前記第2の接合用金属上に第2の電極を形成する
    工程 (5)前記第2の接合用金属により前記液相拡散金属と
    第1の接合用金属とを化合させて液相拡散接合層を形成
    し、前記第1の電極と第2の電極との間を接合する工程
  8. 【請求項8】 少なくとも下記工程を備えたことを特徴
    とする電子デバイスの製造方法。 (1)少なくとも表面層に第1の液相拡散金属を有する
    第1の電極を形成する工程 (2)前記第1の液相拡散金属上にそれと化合させる第
    1の接合用金属を形成する工程 (3)前記第1の接合用金属上に、前記第1の液相拡散
    金属と第1の接合用金属との化合温度を下げる第2の接
    合用金属を形成する工程 (4)少なくとも表面層に第2の液相拡散金属を有する
    第2の電極を形成する工程 (5)前記第2の液相拡散金属上にそれと化合させる第
    3の接合用金属を形成する工程 (6)前記第3の接合用金属上に、前記第2の液相拡散
    金属と第3の接合用金属との化合温度を下げる第4の接
    合用金属を形成する工程 (7)前記第2の接合用金属及び第4の接合用金属によ
    り、第1の液相拡散金属と第1の接合用金属とを化合さ
    せ、かつ第2の液相拡散金属と第3の接合用金属とを化
    合させ、前記第1の電極と第2の電極との間を接合する
    工程
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