JP2002280415A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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邦彦 小原
Tomio Inoue
登美男 井上
Tadaaki Ikeda
忠昭 池田
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    • H01L2224/16Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子側および実装基板側の電極の接合
強度を均一に保つことによって信頼性を向上させた半導
体装置の提供。 【解決手段】 サファイア基板11a上の半導体薄膜層
11b,11cの表面にそれぞれn側電極、p側電極と
して同一の金属材料(Au)を用いてAu電極23,2
4を形成するとともに、実装基板2のp型半導体拡散層
2aおよびn型半導体層2b上にそれぞれ一対のp側電
極、n側電極として同一の金属材料(Au)を用いてA
u電極21,22を形成し、これらの電極と同一の金属
材料としてのAuを利用したAuバンプ電極25をつき
あわせて超音波併用の熱圧着により実装する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、フリップチップ型
の半導体素子をフェイスダウンで基板側に実装した半導
体装置に係り、特に基板側と半導体素子側との電極の接
合強度を均一に保つことを可能とした半導体装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】各種の化合物半導体の薄膜層を基板の上
に積層して形成される半導体発光素子の中で、たとえば
サファイア等の絶縁性であってしかも透光性の基板を用
いるものでは、p側およびn側の電極が半導体積層膜の
表面に形成されたフリップチップ型として利用できる。
このようなフリップチップ型の発光素子では、p側およ
びn側の電極を配線基板等の表面の電極パターンに直に
導通搭載するフェイスダウン方式のアセンブリによる実
装が可能である。そして、フェイスダウンによる実装で
は、実装面積が小さく、回路配線が短くできるので、高
密度実装や高速素子の実装に最適であり、電子機器の小
型化や高機能化への対応も可能である。
【0003】フェイスダウンによる半導体発光素子の実
装方法の典型的なものの一つは、半導体発光素子のp側
およびn側のそれぞれの電極にAu等を利用したバンプ
電極を予め形成しておき、配線基板の配線パターンの電
極部にバンプ電極を突き合わせて超音波を併用した熱圧
着によるものである。この方法は、たとえば半田や導電
性のペースト等を利用した接合に比べると接合材の硬化
時間等が不要なので、生産性の面では好ましい。
【0004】図2は従来の超音波併用熱圧着による実装
方法において、半導体発光素子へのバンプ電極の形成か
ら配線基板への導通搭載までの工程を示す概略図であ
る。
【0005】図2の(a)は、ヒータ51を内蔵したス
テージ50の上面に予めダイシングした半導体発光素子
52を搭載し、半導体発光素子52のAu電極53a,
Al電極53bの表面にAuバンプ電極54を形成する
工程を示す。半導体発光素子52は先に説明したように
サファイア等の基板52aの表面にたとえばn型Ga
N、p型GaN等の半導体薄膜層52b,52cを積層
形成し、この半導体薄膜層52b,52cの表面にそれ
ぞれn側のAl電極53bおよびp側のAu電極53a
を設けたものである。そして、Auバンプ電極54は、
キャピラリー55から供給されるAu線56をトーチ
(図示せず)で加熱して溶融させてボール状とした後、
キャピラリー55をAu電極53a,Al電極53bの
表面に接近させて超音波を印加しながら熱圧着して形成
される。
【0006】そして、配線基板へ実装するときに各Au
バンプ電極54に対する超音波の伝達量を均一とするた
め、図2の(b)に示すレベリング工程が行われる。こ
の工程では、レベリング治具57によってAuバンプ電
極54を一様に圧下することで、Auバンプ電極54の
突き出し長さが一様化される。
【0007】次いで、半導体発光素子52は図2の
(c)に示すように、配線基板58の表面の配線パター
ンに合わせてフェイスダウン式で実装される。この実装
工程では、配線パターンとしてのn側およびp側のAl
電極59a,59bを上面に形成した配線基板58をス
テージ50の上に搭載し、ヒータ51によって加熱保持
する。一方、レベリング処理されたAuバンプ電極54
を形成した半導体発光素子52は、上下反転した姿勢と
して搬送されるとともにボンディングツール60によっ
て吸着固定される。そして、半導体発光素子52と配線
基板58のそれぞれのAuバンプ電極54およびn側お
よびp側のAl電極59a,59bの位置合わせをした
後、ボンディングツール60を用いた超音波併用熱圧着
によって、Auバンプ電極54とn側およびp側のAl
電極59a,59bの金属材料との間での溶融合金化を
促すことで、配線基板58に対して半導体発光素子52
がフェイスダウン式で実装される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
フリップチップ型の半導体発光素子52をフェイスダウ
ンで配線基板58側に実装した半導体発光装置におい
て、Au電極53aおよびAl電極53b,59a,5
9bの接合強度にばらつきがあることが分かった。従
来、電極の接合強度を評価する方法として破壊試験が行
われているが、この破壊試験では電極の接合強度の弱さ
加減の評価をすることができず、均一な接合強度を保つ
ことができなかったためである。
【0009】そこで、本発明においては、半導体発光素
子52等の半導体素子側および配線基板58等の実装基
板側の電極の接合強度を均一に保つことによって信頼性
を向上させた半導体装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明者は電極の接合強
度について鋭意研究を重ねた結果、次のことを見出し
た。 (1)Au電極とAuバンプ電極との接合部において
は、Au電極に対するAuバンプ電極の塑性変形時、超
音波エネルギにより接合界面が清浄化されるとともに、
摩擦熱により再結晶温度以上になった際にAu電極とA
uバンプ電極とのAu原子間で自己拡散が起きることに
よって、Au電極とAuバンプ電極とが凝着接合する。 (2)Auバンプ電極とAl電極との接合部において
は、Al電極に対するAuバンプ電極の塑性変形時、超
音波エネルギによりAl電極表面の酸化膜が破壊され清
浄面が露出するとともに、摩擦熱により再結晶温度以上
になった際にAuバンプ電極とAl電極の金属原子間で
相互拡散が起きることによって、AuとAlとの金属間
化合物が生成され、Auバンプ電極とAl電極とが凝着
接合する。このとき、接合部に生成されるAuとAlと
の金属間化合物は組成比率によって強度が異なり、Au
4Al相が最も接合強度が強くなる。
【0011】すなわち、本発明は、フリップチップ型の
半導体素子上に形成した一対の素子側電極を実装基板上
に形成した一対の基板側電極にそれぞれバンプ接合した
半導体装置において、前記一対の素子側電極の最表面層
をAuやAl等の同一の金属材料により形成するととも
に前記一対の基板側電極の最表面層をAuやAl等の同
一の金属材料により形成したことを特徴とする。
【0012】これにより、半導体素子側および実装基板
側それぞれのp側とn側との一対の電極の接合強度を均
一に保ち、半導体装置の信頼性を向上させることが可能
となる。
【0013】
【発明の実施の形態】請求項1に記載の発明は、フリッ
プチップ型の半導体素子上に形成した一対の素子側電極
を実装基板上に形成した一対の基板側電極にそれぞれバ
ンプ接合した半導体装置において、前記一対の素子側電
極の最表面層を同一の金属材料により形成するとともに
前記一対の基板側電極の最表面層を同一の金属材料によ
り形成したことを特徴とする半導体装置としたものであ
り、半導体素子側および実装基板側それぞれの一対の電
極の接合強度を均一に保つことができる。
【0014】請求項2に記載の発明は、前記一対の素子
側電極の最表面層および一対の基板側電極の最表面層を
すべて同一の金属材料により形成したことを特徴とする
請求項1記載の半導体装置であり、半導体素子側および
実装基板側のすべての電極の接合強度を均一に保つこと
ができる。
【0015】請求項3に記載の発明は、前記バンプ接合
の材料および前記金属材料としてAuを用いたことを特
徴とする請求項2記載の半導体装置であり、Au原子間
の自己拡散によって凝着接合し、接合強度を強く保つこ
とができる。
【0016】以下、本発明の実施の形態を図面に基づい
て説明する。なお、本実施の形態では半導体発光装置を
例として説明する。
【0017】図1は本発明の実施の形態における半導体
発光装置を示す概略縦断面図である。
【0018】図1において、本実施形態における半導体
発光装置は、フリップチップ型の半導体発光素子(以
下、「発光素子」と称す)1を実装基板2に対してフェ
イスダウン式で導通搭載した後、蛍光体を含有したペー
スト3で発光素子1の全周囲を封止したものである。
【0019】発光素子1は、サファイア基板11aの表
面にn型GaNの半導体薄膜層11bおよびp型GaN
の半導体薄膜層11cなどを積層形成し、半導体薄膜層
11b,11cの表面にそれぞれn側電極、p側電極と
してその最表面層に同一の金属材料(Au)を用いてA
u電極23,24を形成したものである。一方、実装基
板2のp型半導体拡散層2aおよびn型半導体層2b上
には、それぞれ一対のp側電極、n側電極としてその最
表面層に同一の金属材料(Au)を用いてAu電極2
1,22を形成している。
【0020】このような構成の半導体発光装置は、図2
に示した従来の工程と同様の工程により、発光素子1の
一対のAu電極23,24にこれらの電極と同一の金属
材料としてのAuを利用したAuバンプ電極25を予め
形成しておき、実装基板2の一対のAu電極21,22
にこのAuバンプ電極25をつきあわせて超音波併用の
熱圧着により実装する。
【0021】このように発光素子1側の一対の電極の最
表面層を同一の金属材料を用いたAu電極23,24と
することにより、Auバンプ電極25による発光素子1
側の一対のn側およびp側のAu電極23,24の接合
強度は均一に保たれる。同様に、実装基板2側の一対の
電極の最表面層を同一の金属材料を用いたAu電極2
1,22とすることにより、Auバンプ電極25により
実装基板2側の一対のp側およびn側のAu電極21,
22の接合強度も均一に保たれ、半導体発光装置の信頼
性を向上させることができる。また、本実施形態におい
ては、発光素子1側および実装基板2側をすべて同一の
金属材料(Au)を利用したAu電極21〜24として
いるため、Auバンプ電極25により接合するすべての
Au電極21〜24の接合強度が均一に保たれる。
【0022】なお、本実施形態においては、Auバンプ
電極25に対して最も接合強度が高く、使用に望ましい
電極としてAuを用いたAu電極21〜24の例につい
て説明したが、Auバンプ電極25に対して発光素子1
側の一対のn側およびp側の電極の最表面層を同一の金
属材料としてAlを用い、実装基板2側の一対のp側お
よびn側の電極の最表面層を同一の金属材料としてAu
を用いても、半導体素子側および実装基板側それぞれの
一対の電極の接合強度を均一に保つことができる。ま
た、発光素子1側と実装基板2側とをそれぞれ逆にAu
電極、Al電極としてもよく、すべてをAl電極として
もよい。
【0023】
【発明の効果】本発明では、フリップチップ型の半導体
素子上に形成した一対の素子側電極を実装基板上に形成
した一対の基板側電極にそれぞれバンプ接合する際、一
対の素子側電極の最表面層を同一の金属材料により形成
するとともに一対の基板側電極の最表面層を同一の金属
材料により形成したことにより、半導体素子側および実
装基板側それぞれの一対の電極の接合強度を均一に保つ
ことができ、信頼性を向上させた半導体装置が得られ
る。
【0024】また、一対の素子側電極の最表面層および
一対の基板側電極の最表面層をすべて同一の金属材料に
より形成したことで、半導体素子側および実装基板側の
すべての電極の接合強度を均一に保ち、さらに信頼性を
向上させた半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における半導体発光装置を
示す概略縦断面図
【図2】従来の超音波併用熱圧着による半導体発光素子
の実装工程を示す概略図
【符号の説明】
1 半導体発光素子 2 実装基板 2a p型半導体拡散層 2b n型半導体層 3 ペースト 11a サファイア基板 11b,11c 半導体薄膜層 21,22,23,24 Au電極 25 Auバンプ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 忠昭 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F041 AA43 CA02 CA40 CA46 CA83 DA09 DA43 EE25 5F044 KK18 QQ03

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フリップチップ型の半導体素子上に形成
    した一対の素子側電極を実装基板上に形成した一対の基
    板側電極にそれぞれバンプ接合した半導体装置におい
    て、前記一対の素子側電極の最表面層を同一の金属材料
    により形成するとともに前記一対の基板側電極の最表面
    層を同一の金属材料により形成したことを特徴とする半
    導体装置。
  2. 【請求項2】 前記一対の素子側電極の最表面層および
    一対の基板側電極の最表面層をすべて同一の金属材料に
    より形成したことを特徴とする請求項1記載の半導体装
    置。
  3. 【請求項3】 前記バンプ接合の材料および前記金属材
    料としてAuを用いたことを特徴とする請求項2記載の
    半導体装置。
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