JP2004356129A

JP2004356129A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2004356129A
Application number: JP2003148556A
Authority: JP
Inventors: Akiyuki Kitano; 晃行北野
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】フリップチップ型の半導体素子を実装基板上にフェイスダウンで実装した半導体装置及びその製造方法であって、接合強度が高く、信頼性を向上させた半導体装置を提供する。
【解決手段】フリップチップ型の半導体発光素子１０に設けられたｐ型の素子側電極１１、１２にｐ型等の第１のバンプ１４、１５を設け、該バンプはＡｕのメッキバンプである。一方、実装基板２０側に設けられたｐ型等の基板側電極２１、２２にｐ型等の第２のバンプ２３、２４を設け、該バンプはＡｕのスタッドバンプである。第１のバンプ１４、１５は、第２のバンプ２３、２４よりも、硬いことを特徴する。
【選択図】図１

Description

【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実装基板側に実装した半導体装置及びその製造方法に関するものである。特に、半導体素子に半導体発光素子を用いた半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子を基板側にフェイスダウンで実装する技術として、２つの実装方法がある。一つ目は、半導体素子側にバンプが形成されており、該半導体素子を基板側にフェイスダウン実装する方法である。二つ目は、基板側にバンプが形成されており、半導体素子を該基板側にフェイスダウン実装する方法である。
【０００３】
また、バンプの形成方法として、２つの形成方法がある。一つ目は、メッキを用いるバンプの形成方法である。二つ目は、ボールを用いるバンプの形成方法である。
【０００４】
このうち、□０．５ｍｍ角以下の比較的小型の半導体素子を用いる場合、基板側にボールバンプ、又は、メッキバンプを形成する方法が使用されている（例えば、特許文献１参照）。また、□１ｍｍ角程度の比較的中型の半導体素子を用いる場合、半導体素子側又は基板側のいずれか一方にボールバンプ又はメッキバンプを形成する方法が使用されている。
【０００５】
ここで、半導体素子に半導体発光素子を用いる場合、最小で２ピン程度とバンプ数が極めて少ないため、この少数ピンで電気伝導性の確保、並びに、基板側への固定及び安定性性の確保、との２つ要望を兼ね備えた接合とすることが望まれている。
【０００６】
また、近年、半導体素子を基板側にフェイスダウンで実装する技術の高信頼性化及び高生産効率化が望まれている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
更に、スタッドバンプを形成する方法がある（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−３７３９０８号公報
【特許文献２】
特開２０００−１６４６３６号公報
【特許文献３】
特開２００２―１１８１３７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のフェイスダウン実装方法及びバンプ形成方法を用いる半導体装置及びその製造方法には、以下の問題点がある。上記の半導体装置及びその製造方法は、大別して、（１）基板側にボールバンプを形成する場合、（２）半導体素子側にボールバンプを形成する方法、（３）基板側にメッキバンプを形成する方法、（４）半導体素子側にメッキバンプを形成する方法がある。図２は、基板側にボールバンプを形成して半導体装置を製造する概略図である。図３は、半導体素子側にボールバンプを形成して半導体装置を製造する概略図である。図４は、基板側にメッキバンプを形成して半導体装置を製造する概略図である。図５は、半導体素子側にメッキバンプを形成して半導体装置を製造する概略図である。
【００１０】
（１）基板側にボールバンプを形成する場合、基板側の対向する位置に半導体素子の電極部を位置合わせして接合を行う。このとき、半導体素子の位置合わせが困難であり、接合位置によっては、十分な接合強度が得られないという問題がある。また、超音波振動装置を用いて半導体素子と基板とを接合する場合、超音波振動により半導体素子を覆う絶縁膜が破壊されるという問題がある。また、ワイヤとの引きちぎりを行うボールバンプは、粘度、材料などにより、形成時のバンプの高さが異なり、半導体素子がθ回転を起こすという問題もある。
【００１１】
（２）半導体素子側にボールバンプを形成する場合、上述のように硬化時のバンプの高さが異なり、半導体素子がθ回転を起こすという問題もある。また、そのバンプの高さが異なること、及び、半導体素子のサイズが小さいことから、ハンドリングやウェハー切断が困難となるという問題もある。
【００１２】
（３）基板側にメッキバンプを形成する場合、メッキ手段を用いるため硬化時のメッキバンプの高さが低く、接合し難いという問題がある。また、メッキバンプでは平坦な面を形成し、半導体素子の電極部分と面接合するため、十分な接合強度が得られないという問題がある。また、基板側のメッキバンプと、半導体素子側の電極部とを対向させる必要があるため、メッキバンプの形成位置を所定の位置に設けなければならないという問題がある。
【００１３】
（４）半導体素子にメッキバンプを形成する場合も、（３）と同様の問題を生じる。
【００１４】
以上のことから、従来、半導体素子は、バンプを介して基板上に実装する際の接合強度が低く、信頼性に乏しいものであるという問題を有している。
【００１５】
そこで、本発明は、フリップチップ型の半導体素子を実装基板上にフェイスダウンで実装した半導体装置及びその製造方法であって、接合強度が高く、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。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決すべく、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに到った。
【００１７】
本発明は、フリップチップ型の半導体素子上に形成された素子側電極と、対向する実装基板上に形成された基板側電極と、を、バンプを介して電気的に接合されている半導体装置において、前記バンプは、主成分が同一種類の金属材料から形成されている、第１のバンプと第２のバンプとからなり、前記第１のバンプは、素子側電極に電気的接合されており、前記第２のバンプは、基板側電極に電気的接合されており、第１のバンプは、第２のバンプよりも硬いことを特徴とする半導体装置に関する。主成分が同一種類の金属材料から形成されている、第１のバンプと第２のバンプとを用いることにより、置換型固溶体を形成し、強固なバンプを形成することができる。また、第１のバンプと第２のバンプとの界面での密着性の向上を図ることができる。第１のバンプは、第２のバンプよりも硬いため、半導体素子と基板との高さは、第１のバンプに依存しており、第１のバンプの高さを所定の高さにすることにより、半導体素子と基板との高さ調整を容易に行うことができる。また、第１のバンプは第２のバンプよりも硬いため、半導体素子に形成された第１のバンプは溶融せず、第２のバンプが溶融して、金属間接合する。小型の半導体素子を用いる場合、第１のバンプが溶融されないため、異種電極に接続されているバンプ間でショートが生じることはなく、信頼性の高い製品を供給することができる。逆に、第１のバンプが第２のバンプよりも軟らかい場合、第１のバンプが溶融する。小型の半導体素子を用いる場合、この第１のバンプの溶融により、異種電極に接続されているバンプ間でショートが生じるおそれがある。また、第１のバンプが第２のバンプよりも軟らかい場合、両バンプの接合時に、半導体発光素子側に配置されている第１のバンプが溶融して、その溶融した金属が絶縁膜で被覆されていない半導体素子の側面側に回り込み、半導体発光素子の発光層にあるｐ−ｎ接合部でショートが生じるおそれもある。
【００１８】
前記第１のバンプは、前記第２のバンプよりも融点が高いものを使用することができる。第１のバンプと第２のバンプとを摩擦熱によりいずれか一方を溶融させるとき、第２のバンプを先に溶融させるためである。第２のバンプを先に溶融させることにより、異種電極に接続されているバンプ間でショートが生じないようにするためである。
【００１９】
前記第２のバンプは、前記第１のバンプよりも延性に富むことが好ましい。これにより、第１のバンプと第２のバンプとの接合、第２のバンプと基板側電極との接合を、破損を生じることなく強固に行うことができる。特に、第１のバンプと第２のバンプとの接合部において、第２のバンプをフィレット状につぶすことができるため、接合強度の向上を図ることができる。つまり、第２のバンプをフィレット状につぶすことにより、第１のバンプの側面側に第２のバンプが回り込み、第１のバンプと第２のバンプとの接合面積が大きくなるためである。また、接合面積が大きくなることにより熱伝達性の向上を図ることもできる。
【００２０】
前記第１のバンプは、メッキバンプであることが好ましい。これにより、半導体素子側にメッキバンプを形成するため、平坦かつ平面となり、半導体素子のハンドリングやスクライブが可能かつ容易となる。半導体素子の素子側電極がメッキされているため、該素子側電極の破壊が発生し難くなる。また、メッキバンプの高さ分だけ基板から半導体素子までの高さを稼ぐことができるため、半導体素子と基板との間に所定の空間ができ、該空間に封止樹脂やアンダーフィルなどが浸透し易くすることができる。また、そのメッキバンプ分の高さがあるため、第１のバンプと第２のバンプとの接合のバンプつぶれやはみ出しにより、異種電極に接続されているバンプ間や半導体発光素子の発光層にあるｐ−ｎ接合部でショートが生じない。また、第１のバンプが絶縁膜よりも突出しているため、第１のバンプと第２のバンプとの接合時における絶縁膜の破壊がなくなる。さらに、第１のバンプの高さにより、半導体素子と基板との高さを調節することができるため、生産性の向上を図ることができる。
【００２１】
前記第２のバンプは、スタッドバンプであることが好ましい。特にスタッドバンプの上面は、一部平面となっており、所定の高さに形成されていることが好ましい。半導体素子のフェイスダウン実装の実装面に設けられた凸状のメッキバンプと、実装基板側に設けられた凸状のスタッドバンプとは、互いに凸状であるため、所定の位置に荷重を伝達することができる。従来は、半導体素子のフェイスダウン実装の実装面は、電極部を除き絶縁膜で覆われており、該電極部は、凹状となっている。そのため、該半導体素子側の凹状の電極部と基板凸状とを嵌合させる必要があったため、これらの位置合わせが困難であったり、絶縁膜の破壊も生じたりしていたため、生産性が悪いものであった。また、本発明は、スタッドバンプとメッキバンプとの面積の狭い面接合であるため、従来のメッキバンプどうしの面接合と異なり、投入エネルギーに対する単位面積あたりのエネルギー密度が大きくなり効率よく接合強度の向上を図ることができる。また、生産性の向上も図ることができる。
【００２２】
前記第１のバンプと前記第２のバンプとは、Ａｕを主成分とする金属材料から形成されていることが好ましい。Ａｕを主成分とする金属材料を用いることにより、Ａｕの自己拡散が起きることにより、第１のバンプと第２のバンプとが金属間接合する。これにより、第１のバンプと第２のバンプとの破壊が少なく、接合強度の高いバンプを提供することができる。
【００２３】
前記素子側電極及び前記基板側電極の少なくとも一方は、Ａｕを主成分とする金属材料から形成されていることが好ましい。これにより、素子側電極及び基板側電極の少なくとも一方は、第１のバンプ及び第２のバンプと同一種類の金属材料を用いることとなり、Ａｕの自己拡散が起き、素子側電極と第１のバンプ、基板側電極と第２のバンプとが金属間接合する。これにより、これらの破壊が少なく、接合強度の高いバンプを提供することができる。また、Ａｕは、熱伝達率が高いため、熱抵抗値を下げることができる。
【００２４】
前記半導体素子は、半導体発光素子を使用することができる。半導体発光素子は、最小２ピンで基板と接合しているため、接合強度が高く各バンプとも安定したものが望まれている。また、半導体発光素子は、小型であるため、基板との接合が極めて行い難く、過大な荷重をかけすぎると、破損、破壊の原因となる。そこで、本発明は、半導体発光素子にも使用できる半導体装置を提供するものである。また、半導体発光素子は、光を外部に放出するため、基板やバンプなどは、光吸収率の低いものが好ましい。ここで、光反射率の高いＡｕのバンプを用いているため、発光による光の損失が少ない。これにより、発光効率の高い半導体装置を提供することができる。
【００２５】
本発明は、フリップチップ型の半導体素子上に形成する素子側電極と、対向する実装基板上に形成する基板側電極と、を、バンプを介して電気的に接合する半導体装置の製造方法において、前記半導体素子上に形成する前記素子側電極にメッキバンプを形成する工程と、前記実装基板上に形成する前記基板側電極にスタッドバンプを形成する工程と、前記素子側電極に形成された前記メッキバンプを、前記基板側電極に形成された前記スタッドバンプに超音波接合手段を用いて電気的に接合する工程と、からなる半導体装置の製造方法に関する。これにより、半導体素子と実装基板と超音波振動手段を用いて接合する際の、接合ダメージを極めて少なくすることができ、電極破壊を防止することができる。特に、従来、超音波振動手段を用いた接合では、半導体素子の素子側電極以外の絶縁膜で覆われた表面を破壊、破損することが生じていたが、本発明による製造方法では、該絶縁膜の破壊、破損を極めて効果的に防止することができる。また、メッキバンプ及びスタッドバンプを凸状とした場合、半導体素子と実装基板とがわずかにずれても、絶縁膜を破壊、破損することがなく、所望の位置でメッキバンプとスタッドバンプとを接合することができる。さらに、メッキバンプとスタッドバンプとを用いて点接合しており、メッキバンプ同士のような面接合を用いていないため、接合強度を高めることもできる。さらに、メッキバンプとスタッドバンプとの両方を用いることにより、どちらか一方のみを使う場合よりも、半導体素子を載置したときの基板からの高さを高くすることができる。半導体素子を基板から高くすることにより、半導体素子と基板と載置する部分の隙間に封止樹脂やアンダーフィルなどが回り込み易くなり、ボイドの発生を防ぐことができる。また、該高さがあるため、接合時のバンプのつぶれやはみ出しなどによる異種電極間でのショートを生じないようにすることができる。さらに、従来は半導体素子の電極部分が凹状であるため、バンプのつぶれ具合によっては半導体素子側の電極部周辺にはみ出すこともあり、半導体素子側面の発光層にあるｐ−ｎ接合部でショートが発生することも生じていたが、本発明では、このショートの発生をなくすことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体装置及びその製造方法を、実施の形態及び実施例を用いて説明する。だたし、本発明は、この実施の形態及び実施例に限定されない。
【００２７】
図１は、半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。（ａ）は、半導体素子側に素子側電極を形成し、実装基板側に基板側電極を形成し、半導体素子と実装基板とを接合する前段階の概略断面図である。（ｂ）は、半導体素子と実装基板とを接合した半導体装置を示す断面図である。以下、図面を用いて説明する。
【００２８】
フリップチップ型の半導体発光素子１０は、ボンディング面側に素子側電極を形成しており、該素子側電極は、ｐ型の素子側電極１１と、ｎ型の素子側電極１２とを有している。そのｐ型の素子側電極１１上には、ｐ型の第１のバンプ１４が形成されており、ｎ型の素子側電極１２上には、ｎ型の第１のバンプ１５が形成されている。半導体発光素子１０のボンディング面側は、ｐ型の素子側電極１１とｎ型の素子側電極１２とを除いて、絶縁膜１３で覆われている。
【００２９】
一方、実装基板２０は、ボンディング面側に基板側電極を形成しており、該基板側電極は、ｐ型の基板側電極２１と、ｎ型の基板側電極２２とを有している。そのｐ型の基板側電極２１上には、ｐ型の第２のバンプ２３が形成されており、ｎ型の基板側電極２２上には、ｎ型の第２のバンプ２４が形成されている。
【００３０】
このｐ型の第１のバンプ１４とｐ型の第２のバンプ２３、ｎ型の第１のバンプ１５とｎ型の第２のバンプ２４、とが電気的に接続されている。
【００３１】
よって本発明にかかる半導体装置１００は、上記の構成を有する。以下、各部材等について、詳述する。
【００３２】
（半導体素子）
半導体素子は、フリップチップ型の半導体素子である。半導体素子として、半導体発光素子をするが、ＩＣやＬＳＩなどにも使用することができる。以下、半導体素子の代表例として、半導体発光素子１０を用いて説明するが、これに限定されるものではない。
【００３３】
半導体発光素子１０は、サファイヤ基板、シリコン基板などの上にｎ型層、ｐ型層等を順次積層したものである。該ｎ型層にｎ型の電極１２を設け、該ｐ型層にｐ型の電極１１を設ける。このｐ型の素子側電極１１及びｎ型の素子側電極１２は、それぞれ１以上あればよく、複数個設けてもよい。また、該ｐ型の素子側電極１１から櫛形のように該半導体発光素子１０の表面に沿って伸びる櫛形電極を配設することもできる。同様に、ｎ型の素子側電極１２にも、ｐ型の素子側電極１１に対向するように櫛形電極を配設することができる。
【００３４】
半導体発光素子１０のボンディング面において、ｐ型の素子側電極１１及びｎ型の素子側電極１２（以下、特に断りのない限り、「ｐ型等の素子側電極１１、１２」という。）以外の部分を絶縁膜１３で被覆しておく。該絶縁膜１３は、マスクなどを用いて成膜する。
【００３５】
半導体発光素子１０は、３５０ｎｍから３８０ｎｍ若しくは４００ｎｍの紫外線領域の光を放出するものだけでなく、３８０ｎｍ若しくは４００ｎｍから７８０ｎｍまでの可視光領域の光を放出するものを使用することができる。
【００３６】
ｐ型の素子側電極１１とｎ型の素子側電極１２とは、異種電極であり、短絡するとショートする。そのため、両電極を短絡させないため、半導体発光素子１０の電極形成側は絶縁膜１３で被覆し、両電極間の距離を所定の範囲、離隔して設けることが好ましい。
【００３７】
ｐ型等の素子側電極１１、１２は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｒｈなどの電気伝導性の良いもの、及びこれらの合金、Ｎｉ−Ａｕ、Ｎｉ−Ａｇなどを使用することができる。半導体発光素子１０を用いるため、該ｐ型等の素子側電極１１、１２で光の吸収率が低く、光の反射率が高い方が好ましい。ここで、Ａｕは、紫外域から５００ｎｍ近傍まで反射率が低い。Ｃｕも、紫外域から４５０ｎｍ近傍まで反射率が低い。そのため、この領域の半導体発光素子１０を使用する場合は、反射率も考慮してｐ型等の素子側電極１１、１２の材料を選択する。
【００３８】
ｐ型等の素子側電極１１、１２は、ｐ型の第１のバンプ１４及びｎ型の第１のバンプ１５（以下、特に断りのない限り、「ｐ型等の第１のバンプ１４、１５」という。）と同一種類の金属材料を使用することが好ましい。これにより、ｐ型等の素子側電極１１、１２とｐ型等の第１のバンプ１４、１５との密着性の向上、合金化の促進を図ることができる。同一種類の金属材料には、Ａｕを用いることが好ましい。Ａｕは、電気伝導性、耐食性、耐熱性、光反射率等に優れ、長期間の使用に耐えうるからである。
【００３９】
（実装基板）
実装基板２０は、半導体発光素子１０を載置して固定するとともに、外部電極との導通を採ったり、半導体発光素子１０からの光を所定の方向に放出させたりするものである。実装基板２０は、平板上のものでも良いが、所定の形状を成したパッケージでも良い。実装基板２０は、ｐ型の基板側電極２１とｎ型の基板側電極２２（以下、特に断りのない限り、「ｐ型等の基板側電極２１、２２」という。）とが設けられている。このｐ型等の基板側電極２１、２２は、平板上のものに所定の回路構造を形成したｐ型等の基板側電極２１、２２を形成してもよい。また、実装基板２０は、ｐ型等の基板側電極２１、２２を所定の型枠内に配置し、熱硬化性樹脂等を該型枠内に流し込み一体成型したパッケージでもよい。
【００４０】
実装基板２０は、サファイヤ、シリコン、セラミックスなどの比較的硬い材質を用いることもできるが、プラスチックなどの比較的軟らかい材質も用いることができる。これらの実装基板２０の表面上若しくは内部に所定の配線回路を組み込んでおく。そして、外部に露出させたｐ型等の基板側電極２１、２２に、半導体発光素子１０を載置する。
【００４１】
ｐ型等の基板側電極２１、２２も、ｐ型等の素子側電極１１、１２と同様に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｒｈなどの電気伝導性の良いもの、及びこれらの合金などを使用することができる。半導体発光素子１０を用いるため、該ｐ型等の基板側電極２１、２２で光の吸収率が低く、光の反射率が高い方が好ましい。
【００４２】
ｐ型等の基板側電極２１、２２は、ｐ型の第２のバンプ２３及びｎ型の第２のバンプ２４（以下、特に断りのない限り、「ｐ型等の第２のバンプ２３、２４」という。）と同一種類の金属材料を使用することが好ましい。これにより、ｐ型等の基板側電極２１、２２とｐ型等の第２のバンプ２３、２４との密着性の向上、合金化の促進を図ることができる。同一種類の金属材料には、Ａｕを用いることが好ましい。Ａｕは、電気伝導性、耐食性、耐熱性、光反射率等に優れ、長期間の使用に耐えうるからである。
【００４３】
このｐ型等の基板側電極２１、２２は、半導体発光素子１０のｐ型の素子側電極１１、１２に対向する位置に配置する。
【００４４】
（バンプ）
ｐ型の第１のバンプ１４は、ｐ型の素子側電極１１のボンディング面側に形成する。ｎ型の第１のバンプ１５は、ｎ型の素子側電極１２のボンディング面側に形成する。このｐ型等の第１のバンプ１４、１５と、ｐ型等の第２のバンプ２３、２４とを接合することにより、それぞれのバンプが緩衝材として作用し、半導体発光素子１０のｐ型等の素子側電極１１、１２の破損がされることなく、半導体装置１００を製造することができる。
【００４５】
ｐ型の第１のバンプ１４は、ｐ型の素子側電極１１のほぼ全面に設けられている。このｐ型の第１のバンプ１４は、スタッドバンプ、ボールバンプなどを使用することができるが、メッキバンプであることが好ましい。
【００４６】
ｐ型の第１のバンプ１４は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｒｈなどの電気伝導性の良いもの、及びこれらの合金、Ｎｉ−Ａｕ、Ｎｉ−Ａｇなどを使用することができる。半導体発光素子１０を使用するため、光の反射率の高いものが好ましい。一方、ｐ型の第１のバンプ１４は、ｐ型の第２のバンプ２３よりも硬いことを特徴とするため、Ｎｉを９０％以上Ａｕが１０％未満のＮｉ−Ａｕ合金を用いることもできる。また、ＡｕにＮｉ、Ａｇ、Ｃｏなどを０．１〜８％程度共析させた硬質Ａｕメッキを使用することが好ましい。このｐ型の第１のバンプ１４は、ｐ型の第２のバンプ２３よりも硬いため、半導体発光素子１０と実装基板２０との高さは、ｐ型の第１のバンプ１４の高さに大きく依存する。そのため、ｐ型の第１のバンプ１４とｎ型の第１のバンプ１５との高さは、ほぼ一定であることが好ましい。
【００４７】
ここで、バンプの主成分とは、バンプの材料の過半数を占める成分を指すものではなく、バンプの材料に主に含まれているものを指す。例えば、Ｎｉ−Ａｕ合金の場合、Ｎｉが９０％、Ａｕが１０％であっても、主成分は、ＮｉとＡｕである。
【００４８】
半導体発光素子１０は、基板２０からの高さが高い方が好ましいため、ｐ型の第１のバンプ１４は、５μｍ〜１０μｍ程度厚みを有する方が好ましいが、１μｍ〜２０μｍ程度のものを使用することもできる。
【００４９】
メッキバンプは、電気メッキ法や無電解メッキ法などにより形成することができる。
【００５０】
ｎ型の第１のバンプ１５も、特に断りのない限りｐ型の第１のバンプ１４と同様の形成方法、材料等を用いる。
【００５１】
これに対し、ｐ型の第２のバンプ２３は、ｐ型の基板側電極２１のボンディング面側に形成する。ｎ型の第２のバンプ２４は、ｎ型の基板側電極２２のボンディング面側に形成する。
【００５２】
ｐ型の第２のバンプ２３は、半導体発光素子１０に設けられたｐ型の第１のバンプ１４に対向するようにｐ型の基板側電極２１の所定の位置に設けられている。ｎ型の第２のバンプ２４も同様である。このｐ型の第２のバンプ２３は、スタッドバンプ、ボールバンプ、メッキバンプなどを使用することができるが、スタッドバンプであることが好ましい。例えば、ｐ型の第１のバンプ１４にメッキバンプを形成し、ｐ型の第２のバンプ２３にボールバンプを形成した場合では、接触部分が点となり、該点の部分に荷重が過剰にかかりすぎ、ｐ型の第１のバンプ１４やｐ型の素子側電極１１の破壊が生じやすい。一方、ｐ型の第１のバンプ１４にメッキバンプを形成し、ｐ型の第２のバンプ２３にメッキバンプを形成した場合では、接触部分がほぼ全面となり、荷重が大幅に分散するため、接合強度が低くなる。そのため、接合強度を高めるときは、半導体発光素子１０に荷重を過剰にかけなければならず、半導体発光素子１０の破壊が生じやすい。これらに対し、ｐ型の第１のバンプ１４にメッキバンプを形成し、ｐ型の第２のバンプ２３にスタッドバンプを形成した場合、接触部分が点よりも広く全面よりも狭い一部の面となり、該部分に荷重が適切にかかり徐々につぶれることで、接合強度を高めることができ、ｐ型の第１のバンプ１４やｐ型の素子側電極１１の破壊を無くすことができる。
【００５３】
ｐ型の第２のバンプ２３は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｒｈなどの電気伝導性の良いもの、及びこれらの合金などを使用することができる。半導体発光素子１０を使用するため、光の反射率の高いものが好ましい。一方、ｐ型の第１のバンプ１４は、ｐ型の第２のバンプ２３よりも硬いことを特徴とするため、純度の高いＡｕを用いることが好ましい。
【００５４】
また、ｐ型の第１のバンプ１４により、半導体発光素子１０の高さを決めるため、ｐ型の第２のバンプ２３を延性に富むものを使用することが好ましい。例えば、９９％以上のＡｕを用いる、特に９９．９９９９９％以上のＡｕを用いることが好ましい。
【００５５】
また、ｐ型の第１のバンプ１４は、ｐ型の第２のバンプ２３よりも融点が高いものを使用することが好ましい。超音波振動手段を用いてｐ型の第１のバンプ１４とｐ型の第２のバンプ２３とを接合する際、摩擦により熱が発生し接触面が溶融する。半導体発光素子１０側のｐ型の第１のバンプ１４が溶融し、半導体発光素子１０の破損が生じさせないため、この溶融が生じる側がｐ型の第２のバンプ２３であることが好ましい。
【００５６】
半導体発光素子１０を実装基板２０に対し平行に載置するため、ｐ型の第２のバンプ２３とｎ型の第２のバンプ２４との高さは、ほぼ等しいことが好ましい。半導体発光素子１０を接合用コレット３０により保持し、実装基板２０上に載置する。載置後、超音波振動手段を用いて実装基板２０に接合、固定する。このとき、ｐ型の第２のバンプ２３とｎ型の第２のバンプ２４との高さが不均一であると、いずれか一方が先に半導体発光素子１０に接触することとなり、該接触部分を中心にθ回転を起こし易くなるからである。
【００５７】
半導体発光素子１０は、基板２０からの高さが高い方が好ましいため、ｐ型の第２のバンプ２３は、４０μｍ〜５０μｍ程度厚みを有する方が好ましいが、１０μｍ〜８０μｍ程度のものを使用することもできる。
【００５８】
スタッドバンプは、ボンディング面側は、平面部分を有しており、実装基板２０からの高さを所定の高さに揃えることもできる。そのスタッドバンプの形成方法は、特開２００２―１１８１３７号公報に記載の方法を使用することが好ましいが、公知の形成方法も使用することができる。
【００５９】
ｎ型の第２のバンプ２４も、特に断りのない限りｐ型の第２のバンプ２３と同様の形成方法、材料等を用いる。
【００６０】
ｐ型等の第１のバンプ１４、１５は、ｐ型等の素子側電極１１、１２の高さ応じて、所定の高さにすることができる。例えば、半導体発光素子の場合、ｐ型の素子側電極１１とｎ型の素子側電極１２との高さが異なるため、ｐ型の第１のバンプ１４とｎ型の第１のバンプ１５との高さを調節することにより、ｐ型等の第１のバンプ１４、１５の高さを揃えることができる。
【００６１】
また、半導体素子のｐ型等の第１のバンプ１４、１５の高さに応じて、ｐ型等の第２のバンプ２２、２３の高さを調節することにより、半導体素子を実装基板に対して水平に載置することができる。また、ｐ型等の第１のバンプ１４、１５及びｐ型等の第２のバンプ２２、２３の接合時に、各バンプに均等に荷重をかけることができる。
【００６２】
ｐ型の第１のバンプ１４とｐ型の第２のバンプ２３、ｎ型の第１のバンプ１５とｎ型の第２のバンプ２４とは、主成分が同一種類の金属材料が好ましい。主成分が同一種類の金属材料とすることにより、金属間接合が形成され接合強度を高めることができる。この金属材料として、Ａｕを用いることが好ましい。耐食性、電気伝導性、密着性などに優れ、硬さや延性などの調整も容易に行うことができるからである。
【００６３】
（封止部材）
半導体発光素子１０を実装基板２０に載置した後、封止部材（特に図示しない。）により半導体発光素子１０を被覆する。封止部材として、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などを使用することができる。
【００６４】
封止部材には、フィラー、拡散剤、蛍光体、光拡散材などを含有させておくこともできる。これにより、半導体発光素子１０から放出される光を制御することができるからである。
【００６５】
半導体発光素子１０と実装基板２０との高さを高くすることにより、封止部材が半導体発光素子１０の下側に回り込みやすくすることができる。
【００６６】
（半導体装置の製造方法）
半導体装置１００は、以下の方法により製造することができる。半導体素子として、半導体発光素子１０を用いる。但し、本発明はこの製造方法に限定されない。
【００６７】
（１）まず、フリップチップ型の半導体素子１０上にｐ型の素子側電極１１及びｎ型の素子側電極１２とを予め形成しておく。そのｐ型の素子側電極１１及びｎ型の素子側電極１２とを除くボンディング面側を絶縁膜１３で被覆しておく。このようにして形成された半導体発光素子１０を用いる。
【００６８】
（２）次に、この半導体発光素子１０のｐ型の素子側電極１１にｐ型の第１のバンプ１４を、ｎ型の素子側電極１２にｎ型我の第１のバンプ１５を、無電解メッキ方法により形成する。
【００６９】
（３）一方、実装基板２０に、所定の回路構造を配置したｐ型の基板側電極２１とｎ型の基板側電極２２とを予め形成しておく。若しくは、ｐ型の基板側電極２１とｎ型の基板側電極２２とを一体成形した樹脂パッケージ（実装基板２０）を用いることもできる。
【００７０】
（４）次に、この実装基板２０のｐ型の基板側電極２１にｐ型の第２のバンプ２３を、ｎ型の基板側電極２２にｎ型の第２のバンプ２４を、スタッドバンプ形成方法により形成する。
【００７１】
（５）次に、（１）及び（２）により形成された半導体発光素子１０と、（３）及び（４）により形成された実装基板２０とを、対向するように超音波実装手段を用いて実装する。この実装は、ｐ型の第１のバンプ１４とｐ型の第２のバンプ２３、ｎ型の第１のバンプ１５とｎ型の第２のバンプ２４、とが電気的に接合することと固定とを併せ持つ。
【００７２】
（６）以上の工程を採ることにより、半導体発光素子１０が実装基板２０に載置された半導体装置１００を製造することができる。
【００７３】
以下、上記工程を詳述する。
【００７４】
（２）の無電解メッキ方法によるメッキバンプ形成工程は、ｐ型等の素子側電極１１、１２を除くボンディング面側に所定のマスクを施し、金属を含むメッキ浴中にボンディング面側を浸積する。該メッキ浴に所定の温度をかけ、所定の時間浸積しておくとｐ型等の素子側電極１１部分に金属がメッキされる。無電解メッキ方法は、形状の如何を問わず、均一な厚さが得られ、膜厚管理も容易である。
【００７５】
（４）のスタッドバンプ形成工程は、Ａｕからなるワイヤをキャピラリーの細穴に通し、ワイヤの先端をキャピラリーの先端から突出させる。そのワイヤの先端を放電させ、ワイヤの先端を溶融させてボールを形成する。このキャピラリーをｐ型の基板側電極２１に接触させて加圧する。そしてこのキャピラリーを少し引き上げた後、キャピラリーをｐ型の第２のバンプ２３上からずらし、キャピラリーを少し引き下ろす。この時、キャピラリーの先端がｐ型の第２のバンプ２３の上面を押しつぶす。このキャピラリーを横方向に１往復させる。このとき、ｐ型の第２のバンプ２３の上面は平坦な部分が形成されている。そのあと、キャピラリーを引き上げることにより、スタッドバンプを形成することができる。ｎ型の第２のバンプ２４も、ｐ型の第２のバンプ２３と同様に、スタッドバンプを形成する。このスタッドバンプ形成方法では、バンプの高さを均一に揃えられるため、半導体発光素子１０を載置するときに、θ回転を起こさせることなく、所定の位置に半導体発光素子１０を設けることができる。
【００７６】
（５）の半導体発光素子１０の実装工程は、接合用コレット３０を用いて、半導体発光素子１０を持ち上げ、実装基板２０上の所定の位置に配置させる。載置した後、接合用コレット３０を水平横方向に超音波振動させ、ｐ型等の第１のバンプ１４、１５とｐ型等の第２のバンプ２３、２４とを接合する。このとき、摩擦を生じ、摩擦熱が発生し、該摩擦熱により、ｐ型等の第２のバンプ２３、２４が主に溶融し、ｐ型等の第１のバンプ１４、１５の一部も溶融する。この溶融により、ｐ型等の第１のバンプ１４、１５とｐ型等の第２のバンプ２３、２４とが金属間接合により強固に接合することとなる。なお、この水平横方向の超音波振動は、２つのバンプを結ぶ直線上に振動を加えることが好ましい。
【００７７】
この他に、ｐ型等の第２のバンプ２３、２４に延性に富むＡｕを用いると、超音波振動により、ｐ型等の第２のバンプ２３、２４が延び、ｐ型等の第１のバンプ１４、１５とｐ型等の第２のバンプ２３、２４とを接合することもできる。
【００７８】
いずれによるものであっても、半導体発光素子１０を実装基板２０から所定の高さに均一に保持することができる。
【００７９】
以上の製造工程を経ることにより、本発明にかかる半導体装置１００を製造することができる。
【００８０】
【実施例】
図１を用いて、説明する。特に断りのない限り、上記の半導体装置１００の製造方法と同じである。
【００８１】
ｐ型の素子側電極１１とｎ型の素子側電極１２と、ボンディング面側を覆う絶縁膜１３とを有するフリップチップ型の半導体発光素子１０を用いた。ｐ型等の素子側電極１１、１２は、Ｎｉ、Ａｕを主成分とするＡｕ−Ｎｉ合金を使用した。
【００８２】
この半導体発光素子１０に無電解メッキ方法により、ｐ型等の第１のバンプ１４、１５を形成した。無電解メッキには、Ｎｉを主成分とするメッキ浴に先に浸積させた後、Ａｕを主成分とするメッキ浴に浸積させて、Ｎｉ−Ａｕ合金のバンプを形成した。半導体発光素子１０のボンディング面側にｐ型等の第１のバンプ１４、１５を除く部分にマスクを施し、メッキ浴中に浸積した。浸積したあと、該メッキ浴を加熱して、膜厚が約１０μｍのｐ型等の第１のバンプ１４、１５を形成した。このｐ型等の第１のバンプ１４、１５は、ボンディング面側において、絶縁膜１３よりも突出しており、凸部を形成している。
【００８３】
一方、ｐ型の基板側電極２１とｎ型の基板側電極２２とを有する実装基板２０を用いた。実装基板２０上には所定の回路構造を配置している。このｐ型等の基板側電極２１、２２は、Ｎｉ、Ａｕを主成分とするＡｕ−Ｎｉ合金を使用した。
【００８４】
この実装基板２０にスタッドバンプ形成方法により、ｐ型等の第２のバンプ２３、２４を形成した。ｐ型等の第２のバンプ２３、２４は、純度が９９．９９９９９％以上のＡｕを使用した。スタッドバンプ形成方法により形成したｐ型等の第２のバンプ２３、２４は、高さが約４０μｍ程度である。
【００８５】
次に、上記半導体発光素子１０を接合用コレット３０により保持して、所定の位置の実装基板２０上に載置して、超音波振動させて実装した。まず、接合用コレット３０により、半導体発光素子１０を吸引して持ち上げて、所定の実装基板２０上に移動させる。接合用コレット３０を引き下ろし、実装基板２０上に半導体発光素子１０を載置して、荷重をかける。その荷重をかける際に、超音波振動させて、ｐ型等の第１のバンプ１４、１５と、ｐ型等の第２のバンプ２３、２４との接合強度を高める。実装後、接合用コレット３０のみを引き上げる。
【００８６】
これにより、実装基板２０に半導体発光素子１０を実装した半導体装置１００が製造された。
【００８７】
（測定結果）
この半導体装置１００のダイシェア強度の測定を行った。
【００８８】
上記の実施例にかかる半導体装置１００を１０個取り出し、ダイシェア強度を測定した。
【００８９】
ここでダイシェア強度は、半導体発光素子の剥離を発生させないため、常温及び高温で、半導体発光素子を真横から押し、せん断強度を測定する。このせん断剥離試験（Ｓｈｅａｒｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄ）の規格は、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｃｍｅｔｈｏｄ２０１９．２に半導体チップ面積に対する強度規格が規定されている。具体的には、接触工具を用いて、２つのバンプを結ぶ直線に対して垂直な方向で、パッケージの搭載部に水平な方向に押し出す。このせん断強度を測定した結果、数値が高いほど、接合強度が高いことを示している。
【００９０】
比較例として、半導体発光素子側の電極部にはバンプを設けず、実装基板側のみにボールバンプを形成して、超音波振動を加えた。使用する半導体発光素子、半導体発光素子側の電極、実装基板、実装基板側の電極、超音波振動手段等は、実施例と同様である。具体的には、半導体発光素子側の電極、実装基板側の電極にＮｉ−Ａｕを用いた。実装基板側のバンプにＡｕを用いた。該バンプは、Ａｕワイヤの先端を溶融させてボールとし、そのボールを実装基板の電極部に押圧する。このボールが電極部と接合した後、ワイヤを引き上げ、電極にバンプを形成する。このバンプは、ワイヤの引きちぎりによる尖端形状を上部に有するボール形状を成している。その後、２つのバンプを結ぶ直線上に実施例と同様に、超音波振動を加え、半導体発光素子側の電極と実装基板のバンプとを接合した。この超音波振動手段を用いた接合により、半導体発光素子のθ回転が生じたものがありあった。このθ回転が生じた半導体装置は、不良品として取り扱い、ダイシェア強度を測定しなかった。比較例の半導体装置は、θ回転が生じなかったもの３個を取り出してダイシェア強度を測定した。
【００９１】
表１は、実施例及び比較例の半導体装置のダイシェア強度を測定した結果を示す。
【００９２】
【表１】

【００９３】
これより実施例のダイシェア強度は、最小値１９３ｇｆ、最大値２５４ｇｆ、平均値２２５．２ｇｆと高いダイシェア強度を有していた。
【００９４】
これに対し、比較例のダイシェア強度は、平均値１１３．３ｇｆとダイシェア強度が低い。
【００９５】
以上のことから、本発明は、高い接合強度を有する半導体装置を提供する。また、簡易な半導体装置の製造方法を提供する。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、高い接合強度を有する半導体装置を提供することができる。また、超音波振動手段を用いて半導体素子を実装基板に接合する際の半導体素子の破壊や破損を抑制することができる。特に、半導体素子のボンディング面側に設けた絶縁膜の破壊や破損を防止することができる。また、半導体素子の高さを均一に揃えることができる。また、半導体素子の高さがあるため、接合時にバンプがつぶれ、横方向にはみ出してきた場合でも、異種電極間の短絡によるショートの発生を無くすることができる。さらに、簡便な方法により、半導体装置を製造すること製造方法を提供することができる。
【００９７】
上述のように、本発明は極めて重要な技術的意義を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。（ａ）は、半導体素子側に素子側電極を形成し、実装基板側に基板側電極を形成し、半導体素子と実装基板とを接合する前段階の概略断面図である。（ｂ）は、半導体素子と実装基板とを接合した半導体装置を示す断面図である。
【図２】基板側にボールバンプを形成して半導体装置を製造する概略図である。
【図３】半導体素子側にボールバンプを形成して半導体装置を製造する概略図である。
【図４】基板側にメッキバンプを形成して半導体装置を製造する概略図である。
【図５】半導体素子側にメッキバンプを形成して半導体装置を製造する概略図である。
【符号の説明】
１０半導体発光素子
１１ｐ型の素子側電極
１２ｎ型の素子側電極
１３絶縁膜
１４ｐ型の第１のバンプ
１５ｎ型の第１のバンプ
２０実装基板
２１ｐ型の基板側電極
２２ｎ型の基板側電極
２３ｐ型の第２のバンプ
２４ｎ型の第２のバンプ
３０接合用コレット
４１ボールバンプ
４２メッキバンプ
１００半導体装置

Claims

フリップチップ型の半導体素子上に形成された素子側電極と、対向する実装基板上に形成された基板側電極と、を、バンプを介して電気的に接合されている半導体装置において、
前記バンプは、主成分が同一種類の金属材料から形成されている、第１のバンプと第２のバンプとからなり、
前記第１のバンプは、素子側電極に電気的接合されており、前記第２のバンプは、基板側電極に電気的接合されており、
第１のバンプは、第２のバンプよりも硬いことを特徴とする半導体装置。
前記第１のバンプは、前記第２のバンプよりも融点が高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置
前記第２のバンプは、前記第１のバンプよりも延性に富むことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
前記第１のバンプは、メッキバンプであることを特徴とする請求項１乃至３の少なくともいずれか一項に記載の半導体装置。
前記第２のバンプは、スタッドバンプであることを特徴とする請求項１乃至４の少なくともいずれか一項に記載の半導体装置。
前記第１のバンプと前記第２のバンプとは、Ａｕを主成分とする金属材料から形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の少なくともいずれか一項に記載の半導体装置。
前記素子側電極及び前記基板側電極の少なくとも一方は、Ａｕを主成分とする金属材料から形成されていることを特徴とする請求項１乃至６の少なくともいずれか一項に記載の半導体装置。
前記半導体素子は、半導体発光素子であることを特徴とする請求項１乃至７の少なくともいずれか一項に記載の半導体装置。
フリップチップ型の半導体素子上に形成された素子側電極と、対向する実装基板上に形成された基板側電極と、を、バンプを介して電気的に接合されている半導体装置の製造方法において、
前記半導体素子上に形成された前記素子側電極にメッキバンプを形成させる工程と、
前記実装基板上に形成された前記基板側電極にスタッドバンプを形成させる工程と、
前記素子側電極に形成された前記メッキバンプを、前記基板側電極に形成された前記スタッドバンプに超音波接合手段を用いて電気的に接合させる工程と、
からなる半導体装置の製造方法。