JP2004273956A - バンプ構造、半導体チップ、半導体装置、電子デバイスおよび電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の半導体チップ1Aは、基板2と、電極パッド3と、パッシベーション膜4と、電極膜5と、ろう材層6とを備えている。電極膜5は、それぞれ無電解めっきによって形成されたNi層51とCu層52とを有している。Cu層52の厚さは、3〜50μmであるのが好ましい。また、Cu層52は、ろう材層6の形成に先立ち、プリフラックス処理が施されたものであるのが好ましい。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、バンプ構造、半導体チップ、半導体装置、電子デバイスおよび電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体チップを回路基板に実装する際には、突起電極(バンプ)が形成された半導体チップの端子と、対応する回路基板の端子とを位置決めして、この状態で、加熱または加熱・加圧を行うことにより、対応する端子同士を接合することが行われている。
【0003】
半導体チップの端子にバンプを形成し実装する方法において、バンプの製造方法としてはめっき法やボールバンプ等の工法があるが、タクト短縮および高さ均一性の観点でめっき法が優れている。
そのめっき法の中でも、電解めっき法と無電解めっき法があるが、低コストおよびタクト短縮の観点で無電解めっきが注目されている。
【0004】
この場合、無電解Niめっき層とAuめっき層とからなる電極膜をはんだ層の下地として用いることが、近年主流となっている(例えば、特許文献1)。
しかしながら、無電解Ni層とAu層とからなる電極膜上にはんだを塗布すると、Auははんだ中に拡散する。はんだ中にAuが拡散すると、熱履歴(例えば高温放置等)によりAuが偏析し、接続信頼性に悪影響を及ぼすことがあった。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−280407号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高い接合信頼性を有するバンプ構造を提供すること、該バンプ構造を有する半導体チップを提供すること、また、該半導体チップを備えた半導体装置、電子デバイス、電子機器を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のバンプ構造は、無電解めっきによって形成され、主としてNiで構成されたNi層と、
前記Ni層上に形成され、主としてCuで構成されたCu層とを有する電極膜を備えたことを特徴とする。
これにより、高い接合信頼性を有するバンプ構造を提供することができる。
【0008】
本発明のバンプ構造では、前記電極膜上に、主としてろう材で構成されたろう材層が形成されていることが好ましい。
これにより、ろう材層とCuとが合金を形成することができ、接合信頼性がさらに向上する。
本発明のバンプ構造では、前記ろう材層の前記Cu層との界面付近に、Cuが拡散していることが好ましい。
これにより、ろう材層は、特に優れた強度を有するものとなり、結果として、半導体チップと回路基板とを接合する際の接合信頼性が特に優れたものとなる。
【0009】
本発明のバンプ構造では、前記Cu層の厚みが、3〜50μmであることが好ましい。
これにより、バンプの接合信頼性がさらに向上する。
本発明のバンプ構造では、前記Cu層は、その表面の少なくとも一部にプリフラックス処理が施されたものであることが好ましい。
これにより、Cu層の酸化が防止され、バンプの接合信頼性は特に優れたものとなる。
【0010】
本発明のバンプ構造では、前記Ni層およびCu層は、レジストを使わずに形成されたことが好ましい。
これにより、低コストで、バンプの接合信頼性を特に優れたものとすることができる。
本発明の半導体チップは、本発明の構造を有するバンプ構造を備えることを特徴とする。
これにより、接合強度に優れたバンプを有し、信頼性に優れた半導体チップを提供することができる。
【0011】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体チップを実装してなることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い半導体装置が得られる。
本発明の電子デバイスは、本発明の半導体チップを実装してなることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子デバイスが得られる。
本発明の電子機器は、本発明の電子デバイスを備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のバンプ構造、半導体チップ、半導体装置、電子デバイスおよび電子機器の好適な実施形態について説明する。また、本発明における半導体チップには、ベアチップ(個別のチップおよびウェハの双方)および半導体パッケージのいずれのものをも含む。
【0013】
まず、本発明の半導体チップの実施形態について、図1、図2に基づいて説明する。図1は、本発明の半導体チップの一例を示す断面図、図2は、本発明の半導体チップの他の一例を示す断面図である。なお、以下の説明では、図1中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
図1に示す半導体チップ1Aは、基板(半導体基板)2と、基板2上に形成された電極パッド3と、パッシベーション膜4と、電極膜5と、ろう材層6とを備える。なお、半導体チップ1Aにおいて、電極パッド3が形成される側の面を能動面という。
【0014】
基板2は、例えば、Si、GaAs、GaP、AlGaAs、GaN、SiGe等の半導体材料で構成されている。また、基板2は、単層で構成されたもののみならず、複数の層の積層体で構成されたものでもよい。
この基板2の一方の面21には、集積回路(図示せず)が形成され、この集積回路の配線パターンの一部に接触するように電極パッド3が配設されている。電極パッド3は、例えば、Al、Al−Cu、Al−Si−Cu、Cu等の導電性材料で構成されている。電極パッド3は、基板2の端部又は中央部に配置されていてもよく、あるいは、エリアアレイ状に複数行、複数列に配置されてもよい。電極パッド3は、集積回路が形成された領域の内側又は外側、あるいはその両方に形成されてもよい。
【0015】
パッシベーション膜4は、例えば、半導体チップ1Aを腐食等から保護する保護膜として機能するものである。パッシベーション膜4の構成材料としては、例えば、SiO2、SiN等が挙げられる。パッシベーション膜4は、基板2の面21のうち電極パッド3で覆われていない部分を覆うとともに、電極パッド3の外周部付近を覆っている。パッシベーション膜4は、単層で構成されたもののみならず、複数の層の積層体で構成されたものでもよい。
【0016】
電極膜5は、無電解めっきにより形成され、主としてNiで構成されたNi層51と、Ni層51上に積層形成され、主としてCuで構成されたCu層52とを有している。電極膜5は、少なくともNi層51が無電解めっきにより形成されたものであるが、その全体が無電解めっきにより形成されたもの(Ni層51およびCu層52がいずれも無電解めっきにより形成されたもの)であるのが好ましい。電極膜5を無電解めっきで形成することにより、微細な形状の電極膜を高精度で形成することができるという利点がある。電極膜5は、半導体チップ1Aを後述するような回路基板7に接合する際の、接合端子(バンプ)を構成するものであり、パッシベーション膜4から露出している電極パッド3(電極パッド3のうちパッシベーション膜4で被覆されていない領域)を覆うように形成されている。
【0017】
ところで、従来のバンプ構造は、一般に、Ni層と、その外表面側に形成されたAu層とを有するものであった。このような構成のバンプでは、電極膜の表面に形成されるはんだ層中にAuが拡散し、熱履歴等により偏析することで、はんだ層が脆くなり、バンプの接合信頼性が低くなり易いという問題点を有していた。
【0018】
これに対し、本発明では、電極膜がNi層とCu層とを有する点に特徴を有する。このような構成を有することにより、以下のような効果が得られる。
すなわち、電極膜の表面にはんだ等で構成されたろう材層を形成した場合であっても、本発明では、前述したような接合信頼性の低下を十分に防止することができる。特に、ろう材層6が後に詳述するようなはんだで構成されたものであると、バンプの接合信頼性は特に優れたものとなる。すなわち、はんだは、一般にSnを含む組成を有しており、このSnがろう材層6中に拡散したCuとの間で合金を形成することにより、ろう材層6は、高強度で、特に優れた接合信頼性を有するものとなる。その結果、バンプのろう付け性(はんだ付け性)が向上する。これにより、信頼性の高い半導体チップを提供することができる。
【0019】
また、無電解めっきによりCu層52を形成する場合、Au層を形成する場合に比べてめっき速度が速いため、比較的厚い層を短時間で形成することができる。このように、Cu層52が比較的厚い層であると、ろう材層6中に拡散するCuの量が比較的多い場合であっても、Cu層52を確実に残存させることができる。これにより、Ni層51中のPがろう材層6との界面に移行し偏析することを確実に防止することができる。
【0020】
また、Cuは、Niに比べてやわらかいため、Cu層52を形成することで、バンプに加わる応力を緩和することができる。このような応力緩和の効果は、Cu層52の厚みが大きいほどより得られる。
Cu層52の厚みは、特に限定されないが、3〜50μmであるのが好ましい。このように、本発明においては、Cu層52の厚みが比較的大きいものであるのが好ましい。これにより、前述した効果は特に顕著なものとなる。なお、従来のバンプを構成するAu層の厚みは、通常、0.01〜1μmとされている。
また、Cuは、Auのような貴金属に比べて、生産コストの面からも有利であり、半導体チップの低価格化にも寄与することができる。
【0021】
さらに、Cu層52は、その表面の少なくとも一部にプリフラックス処理が施されたものであるのが好ましい。プリフラックス処理を行うことで、Cu層52の酸化膜を除去するとともに、Cu層52の再酸化を防止することができる。
また、プリフラックス処理を行うことで、ろう材層6を形成する際に、Cu層52の表面にろう材(はんだ)をよりよく流すことができ、これにより、ろう付け性(はんだ付け性)が向上する。すなわち接合強度が強く良好な合金が形成される。
【0022】
ろう材層6は、例えば、電極膜5上にろう材を供給し、リフローすることにより形成される。そして、電極膜5およびろう材層6が、半導体チップ1Aのバンプを構成する。
ろう材としては、例えば、Pb−Sn系はんだ等のPb含有はんだや、Sn、Ag、Cu、Bi、In、Zn、Ge、Ni、AuおよびSbからなる群より選択される少なくとも2種以上を含み、かつ、実質的にPbを含まないPb不含はんだ(Pbフリーはんだ)、銀ろう、銅ろう、リン銅ろう、黄銅ろう、アルミろう、ニッケルろう等を用いることができるが、中でも、Pb含有はんだ、Pb不含はんだ(Pbフリーはんだ)等のはんだが好ましい。ろう材層6の構成材料として、はんだを用いることにより、前述した効果はさらに顕著なものとなる。また、Pb不含はんだ(Pbフリーはんだ)は、接合強度と環境に対する影響との両立の観点から、特に有利である。
【0023】
ろう材層6(バンプ)は、その形成方法については特に限定されず、例えば、ボールバンプやめっきバンプ等として形成することができる。
ろう材層6をボールバンプで構成する場合には、バンプを容易に形成することができるという利点がある。ボールバンプの形成方法としては、例えば、ワイヤボンディング法を用いる方法、予め製造した金属ボールを接合する方法等を挙げることができる。
【0024】
ろう材層6(バンプ)をめっきバンプで構成する場合には、微細な形状の端子をより高い精度で形成することができるという利点がある。めっきバンプの形成方法としては、例えば、電解めっき、浸漬めっき、無電解めっき等の湿式めっき法、熱CVD、プラズマCVD、レーザーCVD等の化学蒸着法(CVD)、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の乾式めっき法等が挙げられる。
【0025】
なお、本実施形態では、半導体チップ1Aとして、電極膜5を比較的薄く形成し、その上に、ろう材層6を形成してバンプとした場合を例に挙げているが、本発明はこれに限定されない。例えば、図2に示す半導体チップ1Bのように、ろう材層を有していないものであってもよい。この場合、必要に応じて(例えば、回路基板に実装する際に)、ろう材層が形成されるものであってもよい。また、図2に示すように、電極膜5は、比較的肉厚のもので、そのままバンプとして用いられるものであってもよい。
【0026】
以下、この電極膜5の形成方法について説明する。
図3は、電極膜の形成工程を示す図(フローチャート)、図4は、電極膜の形成方法を示す工程図(断面図)、図5は、電極膜の形成方法を示す工程図(断面図)、図6は、電極膜の形成に用いる水洗槽の一例を模式的に示す図である。
本実施形態における電極膜5の形成方法は、図3に示すように、基本的には、無機残渣除去工程(S1)、水洗工程(S2)、Al酸化膜除去工程(S3)、水洗工程(S4)、ジンケート処理工程(S5)、水洗工程(S6)、無電解Niめっき工程(S7)、水洗工程(S8)、無電解Cuめっき工程(S9)、水洗工程(S10)、プリフラックス処理工程(S11)とを有している。
<1>まず、図4(a)に示すように、電極パッド3およびパッシベ−ション膜4が形成された基板2の裏面22および端面(図示せず)にレジスト(被膜)221を形成して、基板2の裏面22および端面を絶縁する。これにより、無電解めっき時に基板2の裏面22や端面にめっき層が形成されることを防止することができる。さらに、Si等の半導体材料と直接導通している端子(GND電極)を同電位にすることができる。
【0027】
<2>次に、無機残渣除去液中に基板(チップ本体)2を浸漬し、電極パッド3表面やパッシベーション膜4表面の無機残渣を除去する(無機残渣除去工程)。
無機残渣除去液は、特に限定されないが、例えば、フッ化水素(HF)、硫酸(H2SO4)、塩化水素(HCl)を含有する溶液等を好適に用いることができる。当該溶液中におけるフッ化水素や硫酸や塩化水素の含有量は、0.01〜0.1vol%程度であるのが好ましい。また、フッ化水素や硫酸や塩化水素の含有量を上記範囲とすることで、基板(チップ本体)2への悪影響の発生を十分に防止しつつ、無機残渣を効率よく除去することができる。
【0028】
無機残渣除去液のpHは、特に限定されないが、1〜5程度であるのが好ましい。無機残渣除去液のpHが前記範囲内の値であると、無機残渣の除去を効率よく行うことができる。
また、無機残渣除去液への浸漬時間は、特に限定されないが、1〜5分間とするのが好ましい。無機残渣除去液への浸漬時間を前記範囲内の値とすることで、無機残渣の除去を好適に行うことができる。これに対し、浸漬時間が前記下限値未満であると、無機残渣を短時間で、十分に除去するのが困難になる場合がある。また、浸漬時間が前記上限値を超えると、パッシベーション膜4にダメージを与える可能性がある。
【0029】
以上のようにして、電極パッド3やパッシベ−ション膜4表面の無機残渣が除去される。
本実施形態では、酸性水溶液を用いているが、例えば、水酸化ナトリウムなどのアルカリ性水溶液を用いてもよい。また、有機化合物等の残渣(有機残渣)がある場合には、エタノール、IPA、アセトンなどの溶液中に浸漬し、電極パッド表面やパッシベーション膜表面の有機残渣を除去してもよい。
【0030】
<3>その後、図6に示すような水洗槽12を用いて、基板(チップ本体)2を水洗する(水洗処理工程)。
水洗槽12は、オーバーフロー機構121を備えたオーバーフロー構造を有しているのが好ましい。これにより、基板2への処理液の残渣や異物の付着を効率よく低減させることができる。
基板2は、治具14に収納された状態で水洗槽12中の洗浄液(水)に浸漬されることにより水洗される。
【0031】
また、水洗処理のとき、不活性ガスによるバブリングを行うのが好ましい。これにより、短時間で効率よく十分に水洗を行うことができる。バブリングの方法は、特に限定されないが、例えば、水洗槽12の内側、例えば底面部や側面部に、多数の孔131が形成されたチューブ13を配しておき、当該孔131から不活性ガスを噴出させる方法等が挙げられる。チューブ13を構成する材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂材料等が挙げられる。
【0032】
また、このチューブ13には、ガスポンプ等の図示しない不活性ガス供給手段が接続されている。この不活性ガス供給手段によりチューブ13に不活性ガスを供給することで、当該チューブ13に形成された孔131から不活性ガスをバブル(気泡)132として噴出させる。不活性ガスとしては、例えば、N2、He、Ar等が好適なものとして挙げられる。
【0033】
形成されるバブル(気泡)132の大きさは、チューブ13に形成された孔131の大きさ(面積)等に依存する。孔131の1個当たりの面積(開口面積)は、特に限定されないが、0.1〜2mm2であるのが好ましい。孔131の面積を前記範囲内の値とすることで、好適にバブリングを行うことができ、水洗をさらに効率よく行うことができる。これに対し、孔131の面積が前記下限値未満であると、不活性ガスの吹き出し圧力を高圧にする必要があり、配管等に不具合を生じる可能性がある。また、孔131の面積が前記上限値を超えると、形成されるバブル132が大きくなり、洗浄効果が低下する可能性がある。
【0034】
不活性ガスの吹き出し量は、特に限定されないが、0.1〜2L/秒であるのが好ましい。不活性ガスの吹き出し量を前記範囲内の値とすることで、より効率よく短時間で水洗を行うことができる。これに対し、不活性ガスの吹き出し量が前記下限値未満であると、前記効果が十分に得られない可能性がある。また、吹き出し量が前記上限値を超えると、基板2を破損する可能性がある。
【0035】
なお、上記の説明では、複数の孔131を開けたチューブ13を水洗槽12の底面部に配し、当該孔131から不活性ガスを吹き出させることによりバブリングを行う場合を例に挙げて説明したが、バブリングの方法はこれに限定されない。例えば、チューブ13は、水洗槽12の側面部に配してもよいし、チューブ13ではなく水洗槽12の壁面にガス吹き出し用の孔を設け、そこから不活性ガスを吹き出すような構成にしてもよい。また、焼結体などの多孔質体を水洗槽12の内部に配置し、当該多孔質体を介して不活性ガスを吹き出すことによりバブリングを行うこともできる。
【0036】
<4>次に、アルカリ性水溶液からなる酸化膜除去処理液に基板(チップ本体)2を浸漬し、電極パッド3の表面に自然に形成された自然酸化膜(Al酸化膜)を除去する(Al酸化膜除去工程)。
アルカリ性水溶液としては、例えば、水酸化ナトリウム等を含む溶液(水溶液)を用いることができる。
【0037】
酸化膜除去処理液のpHは、特に限定されないが、9〜13であるのが好ましい。酸化膜除去処理液のpHが前記範囲内の値であると、自然酸化膜を効率よく除去することができる。これに対し、pHが前記下限値未満であると、化学反応が進行しない可能性がある。また、pHが前記上限値を超えると、電極パッド3表面が過度にエッチングされ、電極パッド3が必要以上に薄くなる可能性がある。
【0038】
また、酸化膜除去処理液の温度は、特に限定されないが、25〜60℃であるのが好ましい。酸化膜除去処理液の温度が前記範囲内の値であると、自然酸化膜を効率よく除去することができる。これに対し、温度が前記下限値未満であると、化学反応が十分速やかに進行せず、自然酸化膜の除去に時間がかかってしまう場合がある。また、温度が前記上限値を超えると、電極パッド3表面が過度にエッチングされ、電極パッド3が必要以上に薄くなる可能性がある。
【0039】
また、酸化膜除去処理液への基板2の浸漬時間は、特に限定されないが、0.5〜5分間とするのが好ましい。酸化膜除去処理液への浸漬時間を前記範囲内の値とすることにより、自然酸化膜の除去を好適に行うことができる。これに対し、浸漬時間が前記下限値未満であると、酸化膜除去処理液の組成、温度等によっては、自然酸化膜が十分に除去されずに残存してしまう可能性がある。また、浸漬時間が前記上限値を超えると、電極パッド3表面が過度にエッチングされ、電極パッド3が必要以上に薄くなる可能性がある。なお、本実施形態では、アルカリ性水溶液を用いているが、リン酸などの酸性水溶液を用いてもよい。
以上のようにして電極パッド3表面の自然酸化膜が除去される。
<5>その後、上記<3>と同様にして水洗処理を行う。
<6>次に、ジンケート処理液に基板(チップ本体)2を浸漬し、電極パッド3表面にZn膜を形成する(ジンケート処理工程)。これにより、後述する<8>無電解Niめっき工程において、Niを好適に析出させることができる。
まず、ジンケート液中に基板2を浸漬し、電極パッド3表面の酸化膜を除去する。その後、さらにジンケート液中に浸漬することにより、電極パッド3表面にZn膜を形成する。
【0040】
ジンケート液は、Znを含有するものであれば、特に限定されないが、酸化亜鉛(ZnO)を含有するものであるのが好ましい。
ジンケート液のpHは、特に限定されないが、11〜13.5であるのが好ましい。ジンケート液のpHが前記範囲内の値であると、ジンケート処理を効率よく行うことができる。これに対し、pHが前記下限値未満であると、Zn置換が促進されない可能性がある。また、pHが前記上限値を超えると、電極パッド3表面が過度にエッチングされ、電極パッド3が必要以上に薄くなる可能性がある。
【0041】
ジンケート液の温度は、特に限定されないが、20〜30℃であるのが好ましい。ジンケート液の温度が前記範囲内の値であると、ジンケート処理を効率よく行うことができる。これに対し、温度が前記下限値未満であると、ジンケート液の組成等によっては、ジンケート処理に要する時間が長くなる可能性がある。また、温度が前記上限値を超えると、電極パッド3表面が過度にエッチングされ、電極パッド3が必要以上に薄くなる可能性がある。
【0042】
また、ジンケート液への基板2の浸漬時間は、特に限定されないが、10秒〜2分間であるのが好ましい。ジンケート液への浸漬時間を前記範囲内の値とすることで、ジンケート処理を好適に行うことができる。これに対し、浸漬時間が前記下限値未満であると、ジンケート液の組成、温度等によっては、ジンケート処理(化学反応)が十分に進行しない可能性がある。一方、浸漬時間が前記上限値を超えると、電極パッド3表面が過度にエッチングされ、電極パッド3が必要以上に薄くなる可能性がある。なお、本実施形態では、アルカリ水溶液を用いているが、酸性で活性度が高い処理液を用いてもよい。
【0043】
なお、Zn膜を形成した後、当該Zn膜を剥離して、その後再びジンケート処理を行い、新しくZn膜を形成してもよい。これにより、緻密なZn粒子をAl表面に析出させることができる。
Zn膜の剥離は、例えば、5〜30vol%の硝酸水溶液に、基板2を10〜60秒間浸漬することにより行うことができる。そして再度、上記のような条件でジンケート浴中に基板2を浸漬し、Zn粒子をAl表面に析出させる。このとき析出されるZn粒子は、緻密なものとなる。これにより無電解Niめっき工程において、Niをより好適に析出させることができる。また、必要に応じて、当該Zn膜を再度剥離して、その後再びジンケート処理を行い、新たにZn膜を形成する処理を繰り返してもよい。
以上のようにして電極パッド3の表面にZn膜が形成される。
【0044】
<7>その後、上記<3>と同様にして水洗処理を行う。
<8>次に、無電解Niめっき液に基板(チップ本体)2を浸漬し、図4(b)に示すように、無電解めっきによりNi層51を形成する(無電解Niめっき工程)。
Niめっき液としては、例えば、次亜リン酸を還元剤として含有する溶液等を用いることができる。このような溶液を用いた場合、通常、めっき時にPが共析することとなる。
【0045】
Niめっき液のpHは、特に限定されないが、4〜5であるのが好ましい。Niめっき液のpHが前記範囲内の値であると、Niめっきを効率よく行うことができる。
また、Niめっき液の温度は、特に限定されないが、70〜95℃であるのが好ましい。Niめっき液の温度が前記範囲内の値であると、Niめっきを効率よく行うことができる。
【0046】
なお、形成される電極膜5上にろう材層6を形成する場合、Ni層51の高さ(厚み)は、1〜7μm程度とするのが好ましい。一方、電極膜5をバンプとして用いる場合(ろう材層を形成しない場合)には、Ni層51の高さ(厚み)は、5〜25μm程度とするのが好ましい。
以上のようにしてNi層51が形成される。
【0047】
<9>その後、上記<3>と同様にして水洗処理を行う。
<10>次に、Cuめっき液中に基板(チップ本体)2を浸漬し、図4(c)に示すように、Ni層51表面にCu層52を形成する(無電解Cuめっき工程)。
Cuめっき液は、特に限定されないが、ホルマリンを還元剤として用いるものが好ましい。
【0048】
Cuめっき液のpHは、特に限定されないが、10〜13であるのが好ましい。Cuめっき液のpHを前記範囲内の値とすることにより、Cu層52を効率良く形成することができる。
また、Cuめっき液の温度は、特に限定されないが、50〜80℃であるのが好ましい。Cuめっき液の温度が前記範囲内の値であると、Cu層52を効率よく形成することができる。
【0049】
このようにして形成されるCu層52の厚みは、特に限定されないが、3〜50μm程度であるのが好ましい。Cu層52の厚みが前記範囲内の値であると、ろう材層6中に拡散するCuの量が比較的多い場合であっても、Cu層52を確実に残存させることができる。これにより、Ni層51中のPがろう材層6との界面に移行し偏析することを確実に防止することができる。また、Cu層52の厚みが前記範囲内の値であると、前述した応力緩和の効果が特に顕著なものとなる。
以上のようにしてCu層52が形成される。
【0050】
<11>その後、上記<3>と同様にして水洗処理を行う。
<12>次に、プリフラックス溶液に基板2を浸漬し、Cu層52の表面にプリフラックス処理を施す(プリフラックス処理工程)。Cu層52の表面にプリフラックス処理を施すことで、Cu層52の酸化膜を除去し、再酸化を防止することができる。また、このようなプリフラックス処理を施すことにより、ろう材層6を形成する際において、Cu層52の表面にろう材(はんだ)がよく流れるようになり、ろう付け性(はんだ付け性)が向上する。すなわち接合強度が強く良好な合金が形成される。
まず、基板2を塩酸溶液に浸漬することにより、Cu層52表面の酸化膜を除去する。その後、水洗する。
【0051】
次に、基板2をプリフラックス溶液に浸漬することにより、Cu層52の表面にプリフラックス処理を施す。
プリフラックスとしては、例えば、イミサジオール化合物、Cuイオン等の水溶性プリフラックス、ロジンおよび耐熱樹脂からなる樹脂型プリフラックス等を用いることができる。
【0052】
<13>その後、上記<3>と同様にして水洗処理を行う。
<14>次に、図5に示すように、基板2の裏面22および端面に塗布されたレジスト221を除去する。レジスト221の除去方法としては、例えば、硫酸過水溶液中に基板2を浸漬する方法等が挙げられる。
<15>最後に、Ni層51およびCu層52からなる電極膜5が形成された基板2を前記<3>と同様にして水洗し、その後乾燥させる。
【0053】
以上のような方法により、電極パッド3上に電極膜5が形成される。このように無電解めっきにより電極膜5を形成することで、微細な形状の電極膜5を高精度で形成することができるという利点がある。また、無電解めっきにより電極膜5を形成することで、電極膜形成用のレジストを用いる必要がなくなる。これによりレジスト除去用の酸による半導体チップ(半導体基板)への影響を無くすことができ、高品質の半導体チップ1Aを得ることができる。
【0054】
なお、この電極膜5は、例えば図1に示すように、比較的薄く形成し、その上にはんだを供給し、リフローすることによりろう材層6を形成してバンプとすることもできるし、一方、例えば図2に示すように、比較的厚く形成してそのまま(ろう材層を形成することなく)バンプとすることもできる。この場合には、半導体チップの実装時等に、電極膜5または回路基板の端子上にろう材を供給することにより、前述したような効果を得ることができる。
電極膜5上にろう材層6を形成する場合には、電極膜5の厚み(高さ)は、3〜30μm程度であるのが好ましい。一方、電極膜5をそのままバンプとして用いる場合(ろう材層を形成しない場合)には、電極膜5の厚み(高さ)は、10〜100μm程度であるのが好ましい。
【0055】
次に、上述したような半導体チップ1Aを、回路基板に実装する実装方法について説明する。以下の説明では、図1に示すように、比較的薄く形成された電極膜5上にろう材層6を形成してバンプとし、FCB(Flip chip bonding)実装する場合を例に挙げて説明する。
電極膜5上にろう材層6を形成する方法としては、例えば、ろう材としてはんだを用いる場合には、特に限定されないが、(1)はんだめっきを行い、加熱する方法、(2)電極膜5上にはんだワイヤーによりスタッドバンプを形成し、加熱する方法、(3)予めはんだボールを作っておき、電極膜5上にフラックス塗布後、ボール搭載し、適温でリフローする方法、(4)電極膜5上にはんだペーストを適量印刷し、適温でリフローする方法等が挙げられる。
【0056】
バンプは、それぞれ、ほぼ等しい厚さ(高さ)に設定されており、その厚さ(平均)は、特に限定されないが、例えば、5〜100μm程度であるのが好ましい。また、バンプの横断面での面積(最大)も、特に限定されないが、例えば、5×10−4〜5×10−2mm2程度であるのが好ましい。
前述したように、本発明では、Ni層51上に(Au層ではなく)Cu層52を形成する点に特徴を有する。このため、上記のように、電極膜5上にろう材層6を形成する際に、すなわち、ろう材とCuとを接合させる際に、Cu層52の表面にろう材がよく流れ、これにより、ろう付け性(はんだ付け性)が向上する。すなわち接合強度が強く良好な合金が形成される。これにより、信頼性の高い半導体チップを提供することができる。
【0057】
次に、このような半導体チップが実装される回路基板7の一例について、図7に基づいて説明する。なお、以下の説明では、図7中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
図7に示す回路基板7は、基板8と、基板8の一方の面(上面)81に設けられた複数の端子9とを有している。
【0058】
基板8は、例えば、各種ガラス、各種セラミックス、Si等の半導体材料、各種樹脂材料、またはこれらを任意に組み合わせたもの等で構成されている。基板8の厚さ(平均)は、特に限定されないが、通常、0.1〜3mm程度とされる。
また、基板8は、単層で構成されたもののみならず、複数の層の積層体で構成されたものでもよい。
【0059】
この基板8の一方の面81には、例えば、Au、Ni、Cu、Ag、Snのうちの少なくとも1種の金属、該金属を含む合金等の導電性材料で構成される配線パターン(図示せず)が形成されている。そして、この配線パターンの端部付近に電極が形成されて、端子9を構成している。
なお、配線パターンは、基板8が複数の層の積層体で構成される場合には、基板8の内部に形成されていてもよい。
【0060】
次に、半導体チップ1Aの回路基板7への実装について説明する。図8は、本発明の半導体チップの実装方法を示す工程図(断面図)、図9は、回路基板に半導体チップが実装された状態を示す断面図である。
半導体チップ1Aを、回路基板7に実装する際には、まず、図8に示すように、回路基板7に半導体チップ1Aを積層して(対向させて)、半導体チップ1Aのバンプ(ろう材層6)と、これに対応する回路基板7の端子9とを、接触するよう位置決めする。
【0061】
次に、対応する端子同士を(半導体チップのバンプと対応する回路基板の端子とを)接合する。
この接合方法としては、ボンディングツールによる加熱・加圧による方法や、リフロー炉等による雰囲気加熱による方法等がある。
半導体チップ1Aのバンプと、回路基板7の端子9とを、加熱・加圧により一体化して接合する場合、加熱の温度は、特に限定されないが、100〜400℃程度であるのが好ましく、200〜350℃程度であるのがより好ましい。また、加熱の時間は、特に限定されないが、1〜60秒程度であるのが好ましく、5〜30秒程度であるのがより好ましい。さらに、必要に応じてフラックスを供給してもよい。
【0062】
また、加圧により接合を行う場合、押し付け圧力は、特に限定されないが、0.1〜4kgf/mm2程度であるのが好ましい。圧力が前記範囲内の値であると、半導体チップ1Aへのダメージをより確実に防止しつつ、信頼性の高い接合とすることができる。
加熱・加圧条件(処理条件)を前記のようなものとすることにより、半導体チップ1Aの電極膜5と、対応する回路基板7の端子9とをより強固に接合することができる。
また、この接合は、必要に応じて、例えば、高周波、超音波等を照射しつつ行うようにしてもよい。
【0063】
以上のようにして、半導体チップ1Aのバンプと、対応する回路基板7の端子9とを一体化させることにより、図9に示すような接合部が形成される。すなわち、対応する端子同士が接合される。これにより、半導体チップ1Aが回路基板7に実装される(半導体装置が得られる)。その後、半導体チップ1Aと回路基板7との間にアンダーフィル樹脂を充填し、硬化してもよい。
【0064】
以上のようにして、半導体チップ1Aのバンプと、対応する回路基板7の端子9とを接合することにより、半導体チップ1Aと回路基板7との優れた接合信頼性が得られる。
上述した実施の形態では、半導体チップ1の電極膜5上にろう材層6を形成してバンプとし、当該ろう材層6を介して回路基板7に実装する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0065】
例えば、回路基板7の端子9上にはんだを供給して実装することもできるし、半導体チップ1Aの電極膜5上および回路基板7の端子9上の両方にはんだを供給して実装することもできる。いずれの場合にも、Ni層51とCu層52とから構成される電極膜5と隣接する位置にはんだが供給されていれば、Cuがはんだ中に拡散して、前述したような効果を得ることができる。
【0066】
また、電極膜5を比較的厚く形成してバンプとすることもできる。この場合には、電極膜5または回路基板7の端子9上にはんだを供給して実装することにより、前述したような効果を得ることができる。例えば、回路基板7の端子9がCu/Ni/Au、またはCu/Auから構成される場合、Auははんだ中に拡散するが、半導体チップ1Aのろう材層6が元々Auが実質的に含まれないものであると、接合部におけるAu量をより少ないものとして接合することができる。また、回路基板7の端子9がCuのみから構成される場合には、さらに信頼性の高い接合が得られる。
【0067】
なお、半導体チップ1Aの回路基板7への実装についても、上述した例に限定されるものではなく、例えば、樹脂をあらかじめ基板に塗布しておき、そこへチップを加熱加圧ボンディングし、接合と樹脂封止を一度に行うNCP(Non Conductive Paste)実装、TAB(Tape Amounted Bonding)実装、COF(Chip On Flex)実装、COG(Chip On Glass)実装等、各種FCB実装工程を採用することができる。
【0068】
次に、このような半導体チップの実装方法により半導体チップが実装された回路基板を備える電子デバイス、すなわち、本発明の電子デバイスについて説明する。
以下では、本発明の電子デバイスを液晶表示装置に適用した場合を一例に説明する。
【0069】
図10は、本発明の電子デバイスを液晶表示装置に適用した場合の実施形態を示す断面図である。なお、以下の説明では、図10中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
図10に示す液晶表示装置(電気光学装置)100は、液晶パネル200と、本発明の半導体チップの実装方法により、半導体チップ1Aが回路基板7である可撓性回路基板に実装されてなる可撓性回路基板300とを有している。すなわち、液晶表示装置(電気光学装置)100は、本発明の半導体装置(半導体実装基板)を備えている。
【0070】
液晶パネル200は、枠状のシール材230を介して貼りあわされた第1パネル基板220と、第1パネル基板220に対向する第2パネル基板240と、これらで囲まれる空間に封入された液晶270とを有している。
第1パネル基板220および第2パネル基板240は、それぞれ、例えば、ガラス基板で構成されている。これらのパネル基板220、240の液晶270側の面には、それぞれ、例えばITO等で構成される透明電極210、250が設けられている。これらの透明電極210、250を介して、液晶270に電圧が印加される。
また、第2パネル基板240の上面には、偏光板260が設けられている。
【0071】
なお、第1パネル基板220は、第2パネル基板240から張り出した部分(張出領域201)を有している。この張出領域201にまで、各透明電極210、250が延在して設けられている。
回路基板(可撓性回路基板)7の基板8の一方の面81には、配線パターン(リード)93が形成されている。この回路基板7は、その一端側(図中左側)において、配線パターン93が下方を向くように長手方向の途中で折り曲げられている。そして、この一端側において、配線パターン93と張出領域201に延在する各透明電極210、250の端部とが、導電性粒子410を含む異方性導電性材料(異方性導電性ペースト、異方性導電性膜)400を介して接続されている。また、配線パターン93の中央付近の端部が端子9を構成しており、この端子9に半導体チップ1Aのバンプが接合(接続)されている。
【0072】
これにより、各透明電極210、250と半導体チップ1Aとの電気的導通が得られている。
半導体チップ1Aは、液晶パネル200の駆動用ICとして設けられており、各透明電極210、250への電圧の印加量、印加パターン等を制御する。この半導体チップ1Aの制御により、液晶パネル200では、所望の情報(画像)が表示される。
【0073】
なお、本発明の電子デバイスは、図示の液晶表示装置100への適用に限定されず、例えば、有機EL表示装置、電気泳動表示装置等の各種表示装置、インクジェット記録ヘッド等の液滴吐出用ヘッド等に適用することもできる。
そして、このような電子デバイスを備える本発明の電子機器は、各種の電子機器に適用することができる。
【0074】
以下、本発明の電子機器について、図11〜図13に示す実施形態に基づき、詳細に説明する。
図11は、本発明の電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピュータの構成を示す斜視図である。
この図において、パーソナルコンピュータ1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。
このパーソナルコンピュータ1100は、本発明の電子デバイスとして、表示ユニット1106に液晶表示装置100が組み込まれ、また、その内部に、例えば、CPU(中央演算処理装置)等が内蔵されている。
【0075】
図12は、本発明の電子機器を適用した携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。
この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206とともに、本発明の電子デバイスとして液晶表示装置100を備えている。
また、この携帯電話機1200では、液晶表示装置100の他、その内部に、本発明の電子デバイスとして、例えば、メモリ等が内蔵されている。
【0076】
図13は、本発明の電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。
ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
【0077】
ディジタルスチルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、本発明の電子デバイスとして液晶表示装置(電気光学装置)100が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、液晶表示装置100は、被写体を電子画像として表示するファインダとして機能する。
ケース1302の内部には、本発明の電子デバイスとして、例えば、撮像信号を格納(記憶)し得るメモリ1308等が内蔵されている。
【0078】
また、ケース1302の正面側(図13においては裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が液晶表示装置100に表示された被写体像を確認し、シャッタボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリ1308に転送・格納される。
【0079】
また、このディジタルスチルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図13に示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニタ1430が、デ−タ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピュータ1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリ1308に格納された撮像信号が、テレビモニタ1430や、パーソナルコンピュータ1440に出力される構成になっている。
【0080】
なお、本発明の電子機器は、図11のパーソナルコンピュータ、図12の携帯電話機、図13のディジタルスチルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンタ)、テレビ、ビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳(通信機能付も含む)、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニタ、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシュミレータ等に適用することができる。
【0081】
以上、本発明のバンプ構造、半導体チップ、半導体装置、電子デバイスおよび電子機器について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
例えば、本発明の半導体チップの製造方法では、必要に応じて、任意の目的の工程を追加することもできる。
【0082】
また、上記の説明では、化学処理と化学処理との間に、水洗工程を有するものとして説明したが、このような水洗工程は、その少なくとも一部を省略してもよい。また、水洗工程において用いる洗浄液としては、水(純水)のほか、界面活性剤を含む液体や、アルカリ溶液、酸溶液等を用いてもよい。また、水洗工程の代わりに、有機溶媒(有機溶剤)等の水以外の洗浄液を用いる洗浄工程を有していてもよい。
【0083】
また、上記の説明では、電極膜がNi層とCu層との2層からなる積層体で構成されるものとして説明したが、電極膜は、3層以上の層が積層された積層体であってもよい。例えば、電極膜は、Ni層とCu層との間に他の層を有するものであってもよいし、Ni層の下地層を有するものであってもよい。Ni層の下地層を有する場合、該下地層は、例えば、Au、Al、CuおよびSiから選択される少なくとも1種を含む材料で構成された層であるのが好ましい。また、電極膜を構成する層は、実質的に均一な組成からなるものであってもよいし、例えば、層の厚さ方向に組成が変化する傾斜材料で構成されたものであってもよい。
また、本発明においては、複数の半導体チップを積層するのに用いてもよい。
また、本発明において実装される半導体チップは、予め複数の半導体チップを積層した積層体であってもよい。
【0084】
【実施例】
(実施例)
まず、電極パッドおよびパッシベ−ション膜が形成された基板の裏面および端面にレジストを塗布した。次に、前記実施形態で説明した方法により、Ni層、Cu層よりなる電極膜を形成した。
【0085】
次に、硫酸過水溶液中に基板を浸漬して、基板の裏面および端面に塗布されたレジストを除去した。
その後、塩酸溶液中に基板を浸漬して、Cu層表面の酸化膜を除去し、さらに、プリフラックス溶液に基板を浸漬することにより、プリフラックス処理を行った。
【0086】
なお、各化学処理の間には、水洗槽において水洗処理を行った。このとき、水洗槽の内部に配された、複数の孔が形成されたポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製のチューブから、吹き出し圧力:1〜3kg/cm2、吹き出し量:0.5〜1L/秒でN2ガスを吹き出すことによりバブリングを行った。
次に、この電極膜上にろう材を塗布、リフローしてバンプを形成して、半導体チップを得た。ろう材としては、Sn:96.5wt%、Ag:3wt%、Cu:0.5wt%の組成を有するSn−Ag−Cu系はんだを用いた。以上のようにして半導体チップを得た。
【0087】
(比較例)
Ni層上に、Cu層に代えてAu層を形成した以外は、前記実施例と同様にして電極膜およびバンプを形成して半導体チップを得た。
Au層の形成は、以下のようにして行った。
すなわち、60℃に加温された無電解Auめっき液中に、基板を30分間浸漬し、厚さ:0.2μmのAu層を形成した。
以上のようにして作製された各半導体チップについて、シェア強度を測定すると、実施例の半導体チップでは、いずれも実装上問題がないことが確認された。
これに対し、比較例の半導体チップでは、十分なシェア強度が得られず、実装上問題があることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体チップの好適な実施形態を示す断面図である。
【図2】本発明の半導体チップの他の実施形態を示す断面図である。
【図3】電極膜の形成工程を示す図(フローチャート)である。
【図4】電極膜の形成方法を示す工程図(断面図)である。
【図5】電極膜の形成方法を示す工程図(断面図)である。
【図6】電極膜の形成に用いる水洗槽の一例を模式的に示す図である。
【図7】本発明の半導体チップが実装される回路基板の一例を示す断面図である。
【図8】本発明の半導体チップの実装方法を示す工程図(断面図)である。
【図9】回路基板に半導体チップが実装された状態を示す断面図である。
【図10】本発明の電子デバイスを液晶表示装置に適用した場合の実施形態を示す断面図である。
【図11】本発明の電子デバイスを備える電子機器(ノート型パーソナルコンピュータ)である。
【図12】本発明の電子デバイスを備える電子機器(携帯電話機)である。
【図13】本発明の電子デバイスを備える電子機器(ディジタルスチルカメラ)である。
【符号の説明】
1A,1B‥‥半導体チップ 2‥‥基板 21‥‥面 22‥‥裏面 221‥‥レジスト 3‥‥電極パッド 4‥‥パッシベーション膜 5‥‥電極膜51‥‥Ni層 52‥‥Cu層 6‥‥ろう材層 7‥‥回路基板 8‥‥基板 81‥‥面 9‥‥端子 93‥‥配線パターン 12‥‥水洗槽 121‥‥オーバーフロー機構 13‥‥チューブ 131‥‥孔 132‥‥バブル 14‥‥治具 15‥‥洗浄液 100‥‥液晶表示装置 200‥‥液晶パネル 201‥‥張出領域 210‥‥透明電極 220‥‥第1パネル基板 230‥‥シール材 240‥‥第2パネル基板 250‥‥透明電極 260‥‥偏光板 270‥‥液晶 300‥‥可撓性回路基板 400‥‥異方性導電性材料 410‥‥導電性粒子 1100‥‥パーソナルコンピュータ 1102‥‥キーボード 1104‥‥本体部 1106‥‥表示ユニット 1200‥‥携帯電話機 1202‥‥操作ボタン 1204‥‥受話口 1206‥‥送話口 1300‥‥ディジタルスチルカメラ 1302‥‥ケース(ボディー) 1304‥‥受光ユニット 1306‥‥シャッタボタン 1308‥‥メモリ 1312‥‥ビデオ信号出力端子 1314‥‥データ通信用の入出力端子 1430‥‥テレビモニタ 1440‥‥パーソナルコンピュータ
Claims (10)
- 無電解めっきによって形成され、主としてNiで構成されたNi層と、
前記Ni層上に形成され、主としてCuで構成されたCu層とを有する電極膜を備えたことを特徴とするバンプ構造。 - 前記電極膜上に、主としてろう材で構成されたろう材層が形成されている請求項1に記載のバンプ構造。
- 前記ろう材層の前記Cu層との界面付近に、Cuが拡散している請求項2に記載のバンプ構造。
- 前記Cu層の厚みが、3〜50μmである請求項1ないし3のいずれかに記載のバンプ構造。
- 前記Cu層は、その表面の少なくとも一部にプリフラックス処理が施されたものである請求項1ないし4のいずれかに記載のバンプ構造。
- 前記Ni層およびCu層は、レジストを使わずに形成された請求項1ないし5のいずれかに記載のバンプ構造。
- 請求項1ないし6のいずれかに記載の構造を有するバンプ構造を備えることを特徴とする半導体チップ。
- 請求項7に記載の半導体チップを実装してなることを特徴とする半導体装置。
- 請求項7に記載の半導体チップを実装してなることを特徴とする電子デバイス。
- 請求項9に記載の電子デバイスを備えることを特徴とする電子機器。
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