JP2004349390A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電極パッド11a〜11cを有する半導体チップ(MEMS基板4)を、電極パッド11a〜11cに対向する位置に接続パッド12a〜12cを有する回路基板6に、バンプを介して実装する半導体装置において、バンプは、電極パッド11a〜11cに設けた第1の突起電極(Auバンプ15a〜15c)と、接続パッド接続パッド12a〜12cに設けた第2の突起電極(Auバンプ16a〜16c)と、第1及び第2の突起電極の周面を一体的に被覆し、且つこれら2つの突起電極を固相拡散接続する導電性の接続部材(Sn−Biはんだ17a〜17c)とを具備する。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電子機器の小型化を実現する為には、半導体装置の実装密度を向上させる高密度実装技術の開発が重要となっている。最も有効であると考えられている高密度実装技術として、半導体チップと回路基板の電極間をバンプで接続するフリップチップ実装方法がある。
【0003】
フリップチップ実装方法は、実装する半導体チップと回路基板との主面内で接続が完了するために実装面積を半導体チップとほぼ同等のサイズにまで小さくすることが可能である。
【0004】
特許第3297254号公報は、このようなフリップチップ実装を用いた半導体パッケージ及びその製造方法を開示している。同公報に開示された半導体パッケージは、図18に示すように、導体端子2a面に突起電極2bが設けられた配線部を一主面に備えた基板2と、この基板2の突起電極2bに、電極パッド1a面に設けられた突起電極1bを対応させてフェースダウン型に接続・実装した半導体チップ1と、半導体チップ1の下面及び基板2の上面の間を充填する封止樹脂層3と、基板2の配線部と電気的に接続し、且つ他主面側に導出・露出させた平面型の外部接続端子2cとから構成されており、基板2の突起電極2bと半導体チップ1の突起電極1bとが固相拡散接続されている。ここで固相拡散接続とは、同種あるいは異種の金属同士の境界面に塑性変形を与えることで、接合部での酸化被膜の破壊と表面の活性化を促し、新生面同士が接触することで両金属が拡散して接合することを意味する。
【0005】
また、同公報の半導体パッケージは、基板2の導体端子2a面上に突起電極2bを形成する工程と、半導体チップ1の電極パッド1a面上に突起電極1bを形成する工程と、基板2の突起電極2bに半導体チップ1の突起電極1bを対応させて位置合わせ・配置する工程と、位置合わせした基板2および半導体チップ1の突起電極1b、2b同士を加圧して拡散接続させる工程と、拡散接続させた基板2の上面と半導体チップ1の下面が成す間隙に封止樹脂を充填する工程と、充填した封止樹脂を硬化させて封止樹脂層3を形成する工程とによって製造される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の半導体パッケージの固相拡散接続では、半導体チップ1の突起電極1bと基板2の突起電極2bとは各々の頂部のみで接続する構造になっているために接続面積が小さく、はんだ接続など突起電極が一度溶融する液相拡散による接続に比べて機械的強度が弱い。
【0007】
そのため、半導体チップ1の下面と基板2の上面の間隙を封止樹脂で機械的に補強する工程が必須となっている。その結果、面発光レーザーやPDといった光半導体チップや機械的駆動部を有するMEMS基板などの、樹脂封止が難しい半導体チップのフリップチップ実装には適用しにくいという課題があった。
【0008】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、半導体チップの突起電極と基板の突起電極の接続面積を大きくすることによって機械的強度を向上させた半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第1の発明は、電極パッドを有する半導体チップを、前記電極パッドに対向する位置に接続パッドを有する回路基板に、バンプを介して実装する半導体装置において、前記バンプは、前記電極パッドに設けた第1の突起電極と、前記接続パッドに設けた第2の突起電極と、前記第1及び第2の突起電極の周面を一体的に被覆し、且つこれら2つの突起電極を固相拡散接続する導電性の接続部材とを具備する。
【0010】
また、第2の発明は、第1の発明に係る半導体装置に関わり、前記接続部材の体積弾性率は、前記第1及び第2の突起電極の体積弾性率よりも小さい。
【0011】
また、第3の発明は、第1の発明に係る半導体装置に関わり、前記接続部材は、前記2つの突起電極を、前記電極パッド及び前記接続パッドと併せて固相拡散接続する。
【0012】
また、第4の発明は、第1の発明に係る半導体装置に関わり、前記第1の突起電極と前記第2の突起電極とが対向しない。
【0013】
また、第5の発明は、第1の発明に係る半導体装置に関わり、前記第1の突起電極と、前記第2の突起電極の頂部が対向し、且つ接触している。
【0014】
また、第6の発明は、第1の発明に係る半導体装置に関わり、前記接続部材の、前記第1及び第2の突起電極が接続される接続面は平坦形状である。
【0015】
また、第7の発明は、半導体装置の製造方法であって、半導体チップの電極パッド面上に第1の突起電極を形成する工程と、回路基板の接続パッド上に第2の突起電極を形成する工程と、前記電極パッド又は前記接続パッドと対向する位置に導電性の接続部材を整列・配置する工程と、前記接続部材と前記第1の突起電極とを位置合わせした後に、前記第1の突起電極の周面を一体的に被覆するように固相拡散接続する工程と、前記接続部材と前記第2の突起電極とを位置合わせした後に、前記第2の突起電極の周面を一体的に被覆するように固相拡散接続する工程とを具備する。
【0016】
また、第8の発明は、第7の発明に係る半導体装置の製造方法に関わり、前記接続部材を前記電極パッド又は前記接続パッドと対向する位置に整列・配置する工程の後に、前記接続部材の接続面を平坦化する工程をさらに具備する。
【0017】
また、第9の発明は、第7の発明に係る半導体装置の製造方法に関わり、前記導電性の接続部材は球形である。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0019】
[第1の実施の形態]
第1の実施の形態は、基板の大部分に稼動部を有する半導体チップとしてのMEMS基板と、稼動部に対応する駆動電極を有する回路基板とをフリップチップ接続して静電駆動型デバイスを実装した例に適用したものである。
【0020】
(構成)
図1〜図3は、本発明の第1の実施の形態の構成を説明するための図である。図1は、実装後の静電駆動型デバイスを真上から見た上面図であり、図2は、図1のA−A部の断面図であり、図3(a)は、突起電極形成後のMEMS基板4を図2の下面方向から見た図であり、図3(b)は、突起電極形成後の回路基板6を図2の上面方向から見た図である。
【0021】
第1の実施の形態は、次のように構成されている。MEMS基板4は、中央部をエッチングで除いた単結晶シリコンの枠7と、この枠7の下面全面に形成されたポリイミド薄膜8及びCr薄膜9と、ポリイミド薄膜8上に円形に形成されたAl反射膜10と、Cr薄膜9上の枠直下の3箇所に形成されたAuの電極パッド11a、11b、11cとからなり、稼動部14は、静電引力により回路基板6方向に湾曲する。
【0022】
一方、回路基板6は、基材60と、Al反射膜10と対向する位置に形成されたAlの駆動電極5と、電極パッド11a、11b、11cの対向する位置に形成されたAlの接続パッド12a、12b、12cと、駆動電極5及び接続パッド12a〜12cと配線によって電気的に接続された外部接続端子13a、13b、13c、13dとからなり、上記した各素子は全て基材60の上面に設けられている。
【0023】
MEMS基板4上の電極パッド11a〜11cには、突起電極としてのAuバンプ15a〜15cが、回路基板6上の接続パッド12a〜12c上には、突起電極としてのAuバンプ16a〜16cがスタッドバンプ法により設けられている。Auバンプ15a〜15c及びAuバンプ16a〜16cは、全て同一形状の円錐であり、大きさは底面径が60〜100μm、頂面径が20〜50μmである。本実施の形態では、Auバンプ15a〜15cは各電極パッド11a〜11c及び接続パッド12a〜12c上に各1個設けたが、可能であれば2つ以上設けてもよく、また、形状も全て同一でなくてもよい。
【0024】
金属電極としてのSn−Biはんだ17a〜17cは、Auバンプ15a〜15cとAuバンプ16a〜16cとを一体的に覆い、各Auバンプ周面と固相拡散接続によって合金層を形成、機械的・電気的に接続している。Sn−Biはんだ17a〜17cの材質はSn42%、Bi58%の低融点はんだとし、Auバンプ15a〜15c及びAuバンプ16a〜16cよりも体積弾性率が低く、塑性変形がしやすいものとする。
【0025】
上記した突起電極と金属電極の組合せは、金属電極の材質が突起電極の材質よりも塑性変形しやすいものであれば、Sn−Biはんだでなくても良く、突起電極がAuバンプの場合は、Sn−ZnやSn−In等の他のはんだ合金やAl、Snを金属電極として使用しても良い。また、突起電極の材質はAuに限らず、NiやCu等体積弾性率が大きいものであれば構わない。
【0026】
(作用)
次に、本実施の形態の製造方法について図4〜図9を参照して説明する。図において(S1)〜(S6)は各製造工程を示すものとする。
【0027】
(S1) 先ず図4に示すように、MEMS基板4の電極パッド11a〜11c上に、スタッドバンプ法によりAuバンプ15a〜15cを形成する。回路基板6の接続パッド12a〜12c上にも同様にスタッドバンプ法によりAuバンプ16a〜16cを形成する。Auバンプ15a〜15cを形成する工程とAuバンプ16a〜16cを形成する工程は、どちらを先にしても良い。また、本実施の形態ではAuワイヤを材料としたスタッドバンプ法でAuバンプを形成しているが、メッキ法で形成しても構わない。
【0028】
(S2) 次に図5に示すように、Sn−Biはんだ17a〜17cを、逆円錐形状に穴19a〜19cを設けたNi/Co製のボール整列治具18を用いて、MEMS基板4の電極パッド位置に対応する位置に整列させる。ボール整列治具18は、ネジ止め(図示せず)により基台(図示せず)に固定されている。
【0029】
Auバンプ15a〜15c及び16a〜16cの底面径より大きい球形のSn−Biはんだ17a〜17cを、ボール整列治具18の上面に3個以上載置した後、穴19a〜19cの全てにSn−Biはんだ17a〜17cが挿入されるように金属スキージ20をボール整列治具18上面と水平方向に移動させる。
【0030】
この時、一度、穴19a〜19cに挿入されたSn−Biはんだ17a〜17cに金属スキージ20が接触して損傷しないために、金属スキージ20の下端とボール整列治具18上面との距離hは、
Sn−Biはんだ17a〜17cの直径>h>穴19a〜19cに挿入されたSn−Biはんだ17a〜17cがボール整列治具18上面から露出する高さ
の関係を満たすように調整される。また、Sn−Biはんだ17a〜17cは、サイズが直径35〜400μmの微小ボールであるので、金属スキージ20の材質をAl等の金属製にし、Sn−Biはんだ17a〜17cが整列中に金属スキージ20に静電付着することを防止する。
【0031】
(S3) 次に、Auバンプ15a〜15cを設けたMEMS基板4と、Sn−Biはんだ17a〜17cの水平方向の位置合わせをする。すなわち、MEMES基板4の背面を、実装機の圧着ヘッド21で真空吸着により保持し、Auバンプ15a〜15cとSn−Biはんだ17a〜17cとが対向するように位置調整する。
【0032】
次に図6に示すように、圧着ヘッド21を垂直に降下させて、Auバンプ15a〜15cをSn−Biはんだ17a〜17cに圧入する動作を開始する。このとき圧着ヘッド21の側面に設けられた垂直方向の測長センサ22によりボール整列治具18の上面と圧着ヘッド21との距離を検出するようにする。ここでの検出には光線100が使用される。これによって、Auバンプ15a〜15cをSn−Biはんだ17a〜17cに圧入する量を制御することができる。
【0033】
Auバンプ15a〜15cをSn−Biはんだ17a〜17cに圧入する前に、予めAuバンプ15a〜15cとSn−Biはんだ17a〜17cの少なくともいずれか一方を固相拡散接続が可能な温度に加熱しておく。加熱方法は、セラミックヒーター(図示せず)を圧着ヘッド21上部または基台(図示せず)内部に設置し、MEMS基板4または回路基板6を介して間接的に加熱する。
【0034】
このときの予熱温度は、Sn−Biはんだ17a〜17cを使用する場合、融点139℃を考慮して100〜138℃が良い。また、圧入する時の圧力は1電極あたり、20〜100gfとする。また、必要に応じて穴19a〜19cを下面側から真空吸着し、圧入中にSn−Biはんだ17a〜17c及びボール整列治具18自身が動かないようにする。
【0035】
(S4) 圧入は次のように進行する。Auバンプ15a〜15cの頂部がSn−Biはんだ17a〜17cの表面に接触する。Sn−Biはんだ17a〜17cの接触部分から突起電極(Auバンプ15a〜15c)頂部の形状にならって塑性変形する。塑性変形時に酸化皮膜が破壊され、Sn−Biはんだ17a〜17cの新生面とAuバンプ15a〜15cの新生面が接触・固相拡散して機械的・電気的に接続する(図7)。
【0036】
(S5) 圧入完了後に、穴19a〜19cに対する下面からの真空吸着を解除し、MEMS基板4を圧着ヘッド21と共に垂直方向に持ち上げ、Sn−Biはんだ17a〜17cをボール整列治具18から切り離す。次に、回路基板6上のAuバンプ16a〜16cと、MEMS基板4上のSn−Biはんだ17a〜17cとが対向するように圧着ヘッド21を水平方向に移動する。
【0037】
次に、図8に示すように、圧着ヘッド21を垂直に降下させて、Auバンプ16a〜16cをSn−Biはんだ17a〜17cに圧入する動作を開始する。このとき、測長センサ22により、回路基板6の上面と圧着ヘッド21との距離を検出することによりAuバンプ16a〜16cをSn−Biはんだ17a〜17cに圧入する量を制御するようにする。
【0038】
Sn−Biはんだ17a〜17cをAuバンプ16a〜16cに圧入する前に、予めAuバンプ16a〜16cとSn−Biはんだ17a〜17cの少なくともいずれか一方を固相拡散接続が可能な温度に加熱しておく。加熱方法は、セラミックヒーター(図示せず)を圧着ヘッド21上部または基台(図示せず)内部に設置し、MEMS基板4または回路基板6を介して間接的に加熱する。
【0039】
このときの予熱温度は、Sn−Biはんだ17a〜17cを使用する場合、融点139℃を考慮して100〜138℃、圧入する時の圧力は1電極あたり、20〜100gfとする。
【0040】
(S6) 圧入は、次のように進行する。Auバンプ16a〜16cの頂部がSn−Biはんだ17a〜17cの表面に接触する。Sn−Biはんだ17a〜17cの接触部分からAuバンプ16a〜16c頂部の形状にならって塑性変形する。塑性変形時に酸化皮膜が破壊され、Sn−Biはんだ17a〜17cの新生面とAuバンプ16a〜16cの新生面が接触・固相拡散して機械的・電気的に接続する(図9)。
【0041】
上記した第1の実施の形態に係る製造方法では、MEMS基板4のAuバンプ15a〜15cとSn−Biはんだ17a〜17cとを先に固相拡散接続し、後工程で回路基板6のAuバンプ16a〜16cとSn−Biはんだ17a〜17cを固相拡散接続したが、逆の工程にしても差し支えない。また、第1の実施の形態では大気中で製造を行っているが、真空中またはArガス等の不活性ガス中で実施しても良い。
【0042】
(効果)
MEMS基板4の電極パッド11a〜11cと、回路基板6の接続パッド12a〜12bとの間を電気的・機械的に支持するバンプ部は、Sn−Biはんだ17a〜17cとAuバンプ15a〜15c及びAuバンプ16a〜16cの周面全体とで固相拡散接続をしているので、バンプ接続部の機械強度が向上するという効果がある。
【0043】
また、第1の実施の形態には、上記の効果のほかに、次のような特有の効果がある。すなわち、Auバンプ15a〜15cと、Auバンプ16a〜16cとが直接接触しないので、MEMS基板4と回路基板6間のギャップ量を自由に大きくとることが可能であり、その結果、高ギャップ量のフリップチップ接続が可能となる。
【0044】
[第2の実施の形態]
本発明の第2の実施の形態は、受光素子を有する光半導体チップとガラス基板とを、フリップチップ接続する半導体装置に適用したものである。
【0045】
(構成)
図10は、本発明の第2の実施の形態の構成を説明するための図である。第2の実施の形態は、次のように構成されている。光半導体チップ24は、シリコン基材25と、このシリコン基材25の下面の中央部に設けられた受光素子23と、この受光素子23と配線を介して電気的に接続されたAlの電極パッド26とからなる。
【0046】
一方、ガラス基板27は、ガラス基材28とAlの接続パッド29と外部端子(図示せず)とからなる。接続パッド29は、光半導体チップ24の電極パッド26に対向する位置に配置される。外部接続端子は、接続パッド29と配線を介して電気的に接続される。
【0047】
光半導体チップ24の電極パッド26の一面及びガラス基板27の接続パッド29の一面には、スタッドバンプ法によりそれぞれAuバンプ30、Auバンプ31が設けられている。Auバンプ30,31は、底部径が60〜100μm、頂部径が20〜50μm、高さが15〜60μmの円錐形状をしている。Auバンプ30とAuバンプ31は、互いが対向しない位置に配置され、Al合金32とAuバンプ30,31の周面全体で固相拡散接続されている。
【0048】
次に、第2の実施の形態の製造方法について図11〜図15を用いて説明する。図において(S101)〜(S105)は各製造工程を示すものとする。
【0049】
(S101) まず図11に示すように、光半導体チップ24の電極パッド26上にAuバンプ30を形成する。また、ガラス基板27の接続パッド29上にAuバンプ31を形成する。
【0050】
(S102) 次に図12に示すように、直径100〜200μmのAlボール35を、Al製の金属スキージ36を水平方向に移動してボール整列治具33の穴34a中に整列・配置する。
【0051】
(S103) 次に、ボール整列治具33の穴34bの下面から真空吸着してAlボール35を固定した後、レベリングプレート52を用いて押圧し、Alボール35を円筒状のAl合金32に成型する(図13)。
【0052】
(S104) Auバンプ31を接続パッド29上に形成したガラス基板27を圧着ヘッド37に吸着保持した後、ボール整列治具33上のAl合金32と、ガラス基板27の接続パッド29とが対向するように水平移動する。
【0053】
次に図14に示すように、圧着ヘッド37を垂直に降下させてAuバンプ31とAl合金32とを接触させた後、垂直方向に圧力を加えつつ、水平方向に超音波振動200を付与する。これによりAuバンプ31はAl合金32に圧入し、塑性変形した金属電極としてのAl合金32の新生面とAuバンプ31の新生面が接触することで固相拡散接続が完了する。また、Auバンプ31を形成した以外の接続パッド29とAl合金32の周面も同時に固相拡散接続が完了する。
【0054】
(S105) 次に、Auバンプ31とAl合金32が固相拡散接続されたガラス基板27を基台(図示せず)上に固定した後、Auバンプ30を電極パッド26上に形成した光半導体チップ24を圧着ヘッド37に吸着保持する。
【0055】
次に、圧着ヘッド37を垂直に降下させ、Auバンプ30とAl合金32とを接触させた後、垂直方向に圧力を加えつつ、水平方向に超音波振動200を付与する。これによりAuバンプ30はAl合金32に圧入し、塑性変形したAl合金32の新生面とAuバンプ30の新生面が接触することで固相拡散接続が完了する。また、Auバンプ30を形成した以外の接続パッド26とAl合金32の周面も同時に固相拡散接続が完了する(図15)。
【0056】
(効果)
光半導体チップ24の電極パッド26と、ガラス基板27の接続パッド29との間を電気的・機械的に支持するバンプ部は、第1にAl合金32とAuバンプ30及びAuバンプ31の周面全体が固相拡散接続され、第2にAl合金32の周面と電極パッド26とが固相拡散され、第3にAl合金32の周面と接続パッド29とがそれぞれで固相拡散接続されるので、バンプ部の機械的強度が向上するという効果がある。
【0057】
第2の実施の形態には、上記の効果のほかに次のような特有の効果がある。すなわち、Auバンプ30とAuバンプ31が対向していないので、光半導体チップ24とガラス基板27間のギャップ量を小さくすることが可能となる。また、Al合金32とAuバンプ30、31の周面以外でも固相拡散接続しているので、最も接続強度が向上できる。さらに、温度をかけずに実装できるので熱に弱い部品も実装可能となる。さらに、電極パッドの面積を大きくとることができる。
【0058】
[第3の実施の形態]
本発明の第3の実施の形態は、基板の大部分に稼動部を有するMEMS基板と稼動部に対応する駆動電極を有する回路基板とをフリップチップ接続して静電駆動型デバイスを実装した例に適用したものである。
【0059】
(構成)
図16及び図17(a)、(b)は、本発明の第3の実施の形態の構成を説明するための図である。第3の実施の形態は次のように構成されている。MEMS基板44は、中央部をエッチングで除いた単結晶シリコンの枠45と、この単結晶シリコンの枠45の下面全面に形成されたポリイミド薄膜46及びCr薄膜47と、ポリイミド薄膜46上に円形に形成されたAl反射膜48と、Cr薄膜47上の枠直下の3箇所に形成されたAuの電極パッド49a、49b、49cとからなり、稼動部50は、静電引力により回路基板38方向に湾曲する。
【0060】
一方、回路基板38は、基材70と、Al反射膜48と対向する位置に形成されたAlの駆動電極39と、電極パッド49a、49b、49cの対向する位置に形成されたAlの接続パッド40a、40b、40cと、駆動電極39及び接続パッド40a〜40cと配線によって電気的に接続された外部接続端子41a〜41dとからなり、上記した各素子は全て基材70の上面に設けられている。
【0061】
MEMS基板44上の電極パッド49a〜49cには、Auバンプ51a〜51cが、回路基板38上の接続パッド40a〜40cには、Niバンプ42a〜42cがメッキ法により均一な高さになるように設けられている。Auバンプ51a〜51cは、全て同一形状の円錐であり、大きさは底面径が60〜100μm、頂面径が20〜50μm、高さが15〜60μmである。
【0062】
Auバンプ51a〜51cの高さはレベリング治具(図示せず)によって15〜60μmの間で均一化されている。Niバンプ42a〜42cは、全て同一の円筒形状であり、Auバンプ51a〜51cの頂面径以上の直径である。
【0063】
Sn−Znはんだ43a〜43cは、Auバンプ51a〜51cとNiバンプ42a〜42cを一体的に覆い、各バンプ51a〜51c、42a〜42c周面と固相拡散接続によって合金層を形成して機械的・電気的に接続している。Sn−Znはんだ43a〜43cの組成はSn91%、Zn9%とし、Auバンプ51a〜51c及びNiバンプ42a〜42cよりも体積弾性率が低く、塑性変形がしやすいものとする。
【0064】
(作用・効果)
次に、この発明の実施の形態の作用を説明する。MEMS基板44の電極パッド49a〜49cと、回路基板38の接続パッド40a〜40bとの間を電気的・機械的に支持するバンプ部について、Auバンプ51a〜51cとNiバンプ42a〜42cの頂面同士が接触し、基板間のギャップ量をAuバンプ高さとNiバンプ高さの和に維持する。Sn−Znはんだ43a〜43cは、Auバンプ51a〜51c及びNiバンプ42a〜42cの側面全体で固相拡散接続をしており、バンプ部の機械的強度が向上するという効果がある。
【0065】
また、第3の実施の形態には、上記の効果のほかに、次のような特有の効果がある。すなわち、高さが均一なAuバンプ51a〜51cとNiバンプ42a〜42cとで、基板間のギャップ量を維持できる。その結果、圧着ヘッドの垂直方向への位置制御の分解能とは無関係に素子を実装可能となり、高価な設備を使用しなくてもよい。
【0066】
(付記)
上記した具体的な実施の形態から以下のような構成の発明が抽出可能である。
【0067】
1. 電極パッドを有する半導体チップを、前記電極パッドに対向する位置に接続パッドを有する回路基板に、バンプを介して実装する半導体装置において、
前記バンプは、
前記電極パッドに設けた第1の突起電極と、
前記接続パッドに設けた第2の突起電極と、
前記第1及び第2の突起電極の周面を一体的に被覆し、且つこれら2つの突起電極を固相拡散により接続する導電性の接続部材と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
【0068】
2. 前記接続部材の体積弾性率は、前記第1及び第2の突起電極の体積弾性率よりも小さいことを特徴とする1.に記載の半導体装置。
【0069】
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第1〜第3の実施の形態が対応する。構成中の第1の突起電極は、第1の実施形態ではAuバンプ15a〜15c、第2の実施の形態ではAuバンプ30、第3の実施の形態ではAuバンプ51a〜51cが該当する。構成中の第2の突起電極は、第1の実施の形態ではAuバンプ16a〜16c、第2の実施の形態ではAuバンプ31、第3の実施の形態ではNiバンプ42a〜42cが該当する。構成中の導電性の接続部材は、第1の実施の形態ではSn−Biはんだ17a〜17c、第2の実施の形態ではAl合金32、第3の実施の形態ではSn−Znはんだ43a〜43cが該当する。
【0070】
(作用・効果)
導電性の接続部材と、第1の突起電極及び第2の突起電極、両方の周面全体で固相拡散接続しているので接続面積が大きく取れ、且つアンカー効果によりバンプ接続部の機械強度が向上できる。また、導電性の接続部材を第1の突起電極及び第2の突起電極よりも体積弾性率の小さい材質としているために、従来と比較して導電性の接続部材が低圧力で優先的に塑性変形して第1の突起電極及び第2の突起電極と固相拡散接続する。その結果、接続時に半導体チップの電極パッド及び回路基板の接続パッドに加わる圧力が低減し、ヒンジや薄膜といった脆弱なMEMS基板や極薄の半導体チップ及び回路基板を破壊せずに実装することができる。また、第1の突起電極と第2の突起電極は接触しないので、実装設備によって基板間のキャップ量を自由に調整できる。
【0071】
3. 前記接続部材は、前記2つの突起電極を、前記電極パッド及び前記接続パッドと併せて固相拡散接続することを特徴とする1.に記載の半導体装置。
【0072】
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第2の実施の形態が対応する。構成中の第1の突起電極はAuバンプ30、第2の突起電極はAuバンプ31、導電性の接続部材はAl合金32、電極パッドはAlの電極パッド26、接続パッドはAlの接続パッド29が該当する。
【0073】
(作用・効果)
導電性の接続部材は、第1の突起電極及び第2の突起電極、両方の周面全体に加えて電極パッドと接続パッドとも固相拡散接続をしている。その結果、バンプ接続部と電極パッド及び接続パッド界面部との機械的強度が向上する。
【0074】
4. 前記第1の突起電極と前記第2の突起電極とが対向しないことを特徴とする1.に記載の半導体装置。
【0075】
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第2の実施の形態が対応する。構成中の第1の突起電極はAuバンプ30、第2の突起電極はAuバンプ31が該当する。
【0076】
(作用・効果)
第1の突起電極と第2の突起電極の周面は対向しないので、互いに接触せず且つ上下方向にも重ならない位置で導電性の接続部材と固相拡散接続でき、半導体チップと回路基板間のギャップ量を小さくできる。ギャップ量が小さくできると、静電駆動型MEMSデバイスの低電圧駆動が実現できる。
【0077】
5. 前記第1の突起電極と、前記第2の突起電極の頂部が対向し、且つ接触していることを特徴とする1.に記載の半導体装置。
【0078】
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第3の実施の形態が対応する。構成中の第1の突起電極はAuバンプ51a〜51c、第2の突起電極はNiバンプ42a〜42cが該当する。
【0079】
(作用・効果)
第1の突起電極の頂部と第2の突起電極の頂部とが接触(ここでは面接触)した状態で、導電性の接続部材と第1及び第2の突起電極周面が固相拡散接続している。その結果、突起電極の高さに基づいて基板間のギャップ量の制御が可能となり、高精度な実装設備(センサー及び関連する制御系など)を使わずに高精度なギャップ量が要求される光半導体チップを安定して実装できる。
【0080】
6. 前記接続部材の、前記第1及び第2の突起電極が接続される接続面は平坦形状であることを特徴とする1.に記載の半導体装置。
【0081】
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第2の実施の形態が対応する。接続部材の接続面は、ボール整列治具33に配置したAlボール35をレベリングプレート36で押圧し円筒状に成型することにより平坦形状とされる。
【0082】
(作用・効果)
圧着工程において、Al合金の圧入面が平坦なため、Auバンプ゜30及び31の頂面が垂直にAl合金へ圧入できる。その結果、圧入不良を防止でき、光半導体チップ等の実装を安定して行えるいう効果がある。
【0083】
7. 半導体チップの電極パッド面上に第1の突起電極を形成する工程と、
回路基板の接続パッド上に第2の突起電極を形成する工程と、
前記電極パッド又は前記接続パッドと対向する位置に導電性の接続部材を整列・配置する工程と、
前記接続部材と前記第1の突起電極とを位置合わせした後に、前記第1及び前記第2の突起電極の周面を一体的に被覆するように固相拡散接続する工程と、
前記接続部材と前記第2の突起電極とを位置合わせした後に、前記第1及び前記第2の突起電極の周面を一体的に被覆するように固相拡散接続する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0084】
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第1の実施の形態が対応する。第1の突起電極を形成する工程は、第1の実施の形態ではMEMS基板4上の電極パッド11a〜11cにAuバンプ15a〜15cを形成する工程、第3の実施の形態ではMEMS基板44上の電極パッド49a〜49cにAuバンプ51a〜51cを形成する工程が該当する。
【0085】
第2の突起電極を形成する工程は、第1の実施の形態では回路基板6上の接続パッド12a〜12cにAuバンプ16a〜16cを形成する工程が該当する。
【0086】
接続部材を前記電極パッド又は接続パッドと対向する位置に整列・配置する工程は、第1の実施の形態ではSn−Biはんだをボール整列治具18を用いて整列・配置する工程が該当する。
【0087】
前記接続部材と前記第1の突起電極とを位置合わせした後に固相拡散接続する工程は、第1の実施の形態では、測長センサ22付の圧着ヘッド21でMEMS基板4を保持してSn−Biはんだ17a〜17cとAuバンプ15a〜15cとの水平方向の位置合わせを行ない、加熱・加圧して固相拡散接続する工程が該当する。
【0088】
前記接続部材と前記第2の突起電極とを位置合わせした後に固相拡散接続する工程は、第1の実施の形態では測長センサ22付の圧着ヘッド21で回路基板6を保持してSn−Biはんだ17a〜17cとAuバンプ16a〜16cとの水平方向の位置合わせを行ない、加熱・加圧して固相拡散接続する工程が該当する。
【0089】
(作用・効果)
1.に記載した構成の作用・効果と同じである。
【0090】
8. 前記接続部材を前記電極パッド又は前記接続パッドと対向する位置に整列・配置する工程の後に、前記接続部材の接続面を平坦化する工程をさらに具備することを特徴とする7.に記載の半導体装置の製造方法。
【0091】
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、少なくとも第2の実施の形態が対応する。接続部材を平坦化する工程は、第2の実施の形態ではボール整列治具33に配置したAlボール35をレベリングプレート52で押圧し、円筒状に成型する工程が該当する。
【0092】
(作用・効果)
圧着工程において、Al合金の圧入面が平坦なため、Auバンプ゜30及び31の頂面が垂直にAl合金へ圧入できる。その結果、圧入不良がを防止でき、光半導体チップ等の実装を安定して行なえるという効果がある。
【0093】
9. 前記導電性の接続部材は、球形であることを特徴とする7.に記載の半導体装置の製造方法。
【0094】
(対応する発明の実施の形態)
この発明に関する実施の形態は、第1〜3の実施の形態が対応する。接続部材は、第1の実施の形態ではSn−Biはんだ17a〜17c、第2の実施の形態ではAlボール35、第3の実施の形態ではSn−Znはんだ43a〜43cが該当する。
【0095】
(作用・効果)
接続部材が球形のため、金属スキージで水平方向に移動させやすい。その結果、ボール整列治具の穴に容易に配置しやすくなり、その結果、光半導体チップ等の量産化が容易となる。
【0096】
【発明の効果】
本発明によれば、第1及び第2の突起電極、両方の周面全体で導電性の接続部材と固相拡散接続したので接続面積を大幅に増加することが可能となり、これによって、突起電極同士の機械的強度を向上させることができる。
【0097】
また、本発明によれば、樹脂封止がむずかしい光半導体チップや機械駆動部を有するMEMS基板の実装にも適用可能となり、さらには、ヒンジや薄膜といった脆弱なMEMS基板や極薄の半導体チップ及び回路基板を破壊せずに実装することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の構成を説明するための図であり、実装後の静電駆動型デバイスを真上から見た上面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態の構成を説明するための図であり、図1のA−A部の断面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態の構成を説明するための図であり、(a)は突起電極形成後のMEMS基板4を図2の下面方向から見た図であり、(b)は、突起電極形成後の回路基板6を図2の上面方向から見た図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態の製造方法について説明するための図(その1)である。
【図5】本発明の第1の実施の形態の製造方法について説明するための図(その2)である。
【図6】本発明の第1の実施の形態の製造方法について説明するための図(その3)である。
【図7】本発明の第1の実施の形態の製造方法について説明するための図(その4)である。
【図8】本発明の第1の実施の形態の製造方法について説明するための図(その5)である。
【図9】本発明の第1の実施の形態の製造方法について説明するための図(その6)である。
【図10】本発明の第2の実施の形態の構成を説明するための図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態の製造方法について説明するための図(その1)である。
【図12】本発明の第2の実施の形態の製造方法について説明するための図(その2)である。
【図13】本発明の第2の実施の形態の製造方法について説明するための図(その3)である。
【図14】本発明の第2の実施の形態の製造方法について説明するための図(その4)である。
【図15】本発明の第2の実施の形態の製造方法について説明するための図(その5)である。
【図16】本発明の第3の実施の形態の構成を説明するための図(その1)である。
【図17】本発明の第3の実施の形態の構成を説明するための図(その2)である。
【図18】従来の半導体装置の構成について説明するための図である。
【符号の説明】
4…MEMS基板、5…駆動電極、6…回路基板、7…枠、8…ポリイミド膜、9…Cr膜、10…Al反射膜、11a〜11c…電極パッド、12a〜12c…接続パッド、13a〜13d…外部接続端子、14…稼動部、15a〜15c…Auバンプ、16a〜16c…Auバンプ、17a〜17c…Sn−Biはんだ、60…基材。
Claims (9)
- 電極パッドを有する半導体チップを、前記電極パッドに対向する位置に接続パッドを有する回路基板に、バンプを介して実装する半導体装置において、
前記バンプは、
前記電極パッドに設けた第1の突起電極と、
前記接続パッドに設けた第2の突起電極と、
前記第1及び第2の突起電極の周面を一体的に被覆し、且つこれら2つの突起電極を固相拡散接続する導電性の接続部材と、
を具備することを特徴とする半導体装置。 - 前記接続部材の体積弾性率は、前記第1及び第2の突起電極の体積弾性率よりも小さいことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記接続部材は、前記2つの突起電極を、前記電極パッド及び前記接続パッドと併せて固相拡散接続することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記第1の突起電極と前記第2の突起電極とが対向しないことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記第1の突起電極と、前記第2の突起電極の頂部が対向し、且つ接触していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記接続部材の、前記第1及び第2の突起電極が接続される接続面は平坦形状であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 半導体チップの電極パッド面上に第1の突起電極を形成する工程と、
回路基板の接続パッド上に第2の突起電極を形成する工程と、
前記電極パッド又は前記接続パッドと対向する位置に導電性の接続部材を整列・配置する工程と、
前記接続部材と前記第1の突起電極とを位置合わせした後に、前記第1の突起電極の周面を一体的に被覆するように固相拡散接続する工程と、
前記接続部材と前記第2の突起電極とを位置合わせした後に、前記第2の突起電極の周面を一体的に被覆するように固相拡散接続する工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記接続部材を前記電極パッド又は前記接続パッドと対向する位置に整列・配置する工程の後に、前記接続部材の接続面を平坦化する工程をさらに具備することを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
- 前記導電性の接続部材は、球形であることを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
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