JP2006012950A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体素子の回路形成面に複数列の電極パッドを有し、前記半導体素子をフリップチップ実装方法で実装した半導体装置に関するものであり、特に半導体装置の多ピン化、小型化に対応できる半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a plurality of rows of electrode pads on a circuit formation surface of a semiconductor element, and mounting the semiconductor element by a flip chip mounting method, and is particularly suitable for increasing the number of pins and miniaturization of a semiconductor device. The present invention relates to a semiconductor device that can be manufactured and a manufacturing method thereof.
近年の電子機器の小型化により、半導体装置にも小型化が要求されている。しかし、高性能化に伴う半導体素子の多ピン化により、従来の半導体素子の外周部だけに電極パッドを形成するペリフェラル配置では半導体装置は大型化してしまい小型化の要求に対応できない。そこで、半導体素子の回路形成面に電極パッドをペリフェラル配置から電極パッドを複数列に配置したエリアパッド配置が必要となってきている。半導体装置を小さく(薄型化)するために半導体素子の回路形成面を直接基板に実装する方法としフリップチップ実装方法がある(例えば特許文献1)。 Due to the recent miniaturization of electronic devices, miniaturization of semiconductor devices is also required. However, due to the increase in the number of pins of the semiconductor element due to the high performance, the peripheral arrangement in which the electrode pad is formed only on the outer peripheral portion of the conventional semiconductor element becomes large in size and cannot meet the demand for downsizing. Therefore, an area pad arrangement in which electrode pads are arranged in a plurality of rows from a peripheral arrangement to a circuit formation surface of a semiconductor element is required. There is a flip chip mounting method as a method of directly mounting a circuit formation surface of a semiconductor element on a substrate in order to make a semiconductor device small (thinner) (for example, Patent Document 1).
以下、図15と図16を参照して従来のフリップチップ実装方法を説明する。半導体素子1の回路形成面に配置した複数列の電極パッド2にキャピラリ3により凸型金属突起4を形成する。以下、凸型金属突起4は金(Au)で形成する場合について説明する。
Hereinafter, a conventional flip chip mounting method will be described with reference to FIGS. Convex
図15(a)に示すようにキャピラリ3の形状は、先端に平坦面31を有し、先端方向に細くなった円錐形状である。キャピラリ3の軸心には金属ワイヤ41の通るキャピラリホール32が設けられている。前記金属ワイヤ41の材質は99.99%以上の金(Au)より構成され、金属ワイヤ41の線径はφ18μmから30μm程度である。
As shown in FIG. 15A, the shape of the
キャピラリホール32より金属ワイヤ41を出し、金属ワイヤ41の先端を放電等で融解させ、球状のAuボール42を形成する。図15(b)に示すようにAuボール42は半導体素子1の回路形成面に配置した複数列の電極パッド2に、超音波振動を加えながら圧着される。電極パッド2の最表面の材質はAl層で構成され、AlとAuの合金形成により接続される。
A
キャピラリ3を上に引き上げ、金属ワイヤ41を引きちぎることにより図15(c)に示すように中心が突き出て周囲が平らな台43になった環状の金属突起4が形成される。これを繰り返すことにより、図16(a)に示すように半導体素子外周部と中央領域に複数列の金属突起を形成する。図16(b)に示すように金属突起の先端部44にレベリングツール5で一定の荷重を加えレベリングを行い、金属突起4の高さを均一にする。この金属突起4にレベリング時に加える荷重は金属突起あたり、15gfから25gfである。図16(c)に示すように金属突起4の形成面を下側にし、金属突起4を導電性ペーストに浸漬させ、表面張力により導電性ペースト6を転写する。図16(d)に示すように金属突起4を基板7の電極パッド8に圧着し、導電性ペース6トを加熱により硬化させる。図16(e)に示すように半導体素子1の回路形成面と基板7の電極面側間にアンダーフィルと呼ばれるエポキシ樹脂等9を充填する。図16(f)に示すように加熱硬化させ封止する。
By pulling up the
図17は従来の半導体装置の断面図である。図18は上から見た金属突起の配置図である。線A−A’は図17の断面図の位置である。金属突起4aが半導体素子1の外周に形成された金属突起となり、金属突起4bが半導体素子の中央領域に形成された金属突起になる。基板の下には外部端子11がある。
従来の方法で半導体素子の電極パッドがエリアパッド配置の場合に半導体素子を基板にフリップチップ実装した場合、熱等により図19の様に凹型に基板が反ると、半導体素子1の外周部の電極パッド2aに形成された金属突起4aの位置での基板の反り量が10μm以下に対し、半導体素子1の中央領域の電極パッド2bに形成された金属突起4bの位置での基板の反り量は50μmと大きいため、半導体素子1の中央領域にオープン不良が多発していた。また、最初は半導体素子1の中央領域の電極パッド2bに形成された金属突起4bが電気的に接続されていても繰り返し使用している間に、図20に示すように半導体素子1の中央領域にオープン不良が起こるという問題も生じていた。
When the semiconductor element is flip-chip mounted on the substrate when the electrode pads of the semiconductor element are arranged in an area pad by a conventional method, if the substrate warps in a concave shape as shown in FIG. Whereas the amount of warpage of the substrate at the position of the
これらの問題を解決するには、基板7の反り量を吸収し、接着強度を確保できる様に、半導体素子1の中央領域の電極パッド2bに形成された金属突起4b上の導電性ペースト6と基板7の電極パッド8の接着面積を大きくする必要がある。そのためには、金属突起4上に多くかつ高く導電性ペースト6を積む必要がある。しかしながら、転写できる導電性ペースト6の量は、導電性ペースト6と金属突起4の接着面積により限界がある。その上、凸型の金属突起の場合、図21(a)に示すように金属突起4に転写する導電性ペースト6の量が多いと基板7と金属突起4を圧着する時に、図21(b)に示すように金属突起の台部43で導電性ペースト6を支えきれずこぼれてしまい、導電性ペースト6が隣接した他の金属突起等に接触しショートしてしまうという問題も生じていた。これは、特に基板7と金属突起4との間隔が狭くなる、基板7の反り量が小さい位置に接着される金属突起4で生じていた。
In order to solve these problems, the
また、基板は図22に示すように凸型に反る場合もある。この場合、半導体素子1の外周部の電極パッド2aの位置の基板7の反り量が大きくなるので、半導体素子1の外周部にオープン不良が生じる問題が発生していた。
Further, the substrate may warp in a convex shape as shown in FIG. In this case, the amount of warpage of the
したがって、この発明の目的は、多ピン化に対応し、基板の反り等によるオープン不良を防ぐ為に、金属突起上の導電性ペーストと基板の電極パッドの接着面積を大きくでき、かつ金属突起と基板とを圧着する時にも金属突起の台部で導電性ペーストを支えることができる金属突起を有し、また量産でのロスをなくすために一本のキャピラリで金属突起を形成することができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。 Therefore, the object of the present invention is to increase the number of pins, to prevent open defects due to warping of the substrate, etc., and to increase the bonding area between the conductive paste on the metal protrusion and the electrode pad of the substrate, and Semiconductor that has metal protrusions that can support the conductive paste on the base of the metal protrusions when crimping to the substrate, and can form metal protrusions with a single capillary to eliminate loss in mass production An apparatus and a method for manufacturing the same are provided.
上記目的を達成するためにこの発明の請求項1記載の半導体装置は、回路形成面に複数の電極パッドを配置した半導体素子と、前記半導体素子の回路形成面と対向する面に複数の電極部を配置し反対側の面に複数の外部端子を配置した基板とを備え、前記半導体素子の電極パッドと前記基板の電極部は、複数の金属突起と導電性ペーストを介して各々電気的に接続される半導体装置であって、前記金属突起は、前記半導体素子の回路形成面に複数列となるように前記電極パッドに形成され、前記半導体素子の回路形成面の中央領域に配置する金属突起の断面形状は、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状である。
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to
請求項2記載の半導体装置は、回路形成面に複数の電極パッドを配置した半導体素子と、前記半導体素子の回路形成面と対向する面に複数の電極部を配置し反対側の面に複数の外部端子を配置した基板とを備え、前記半導体素子の電極パッドと前記基板の電極部は、複数の金属突起と導電性ペーストを介して各々電気的に接続される半導体装置であって、前記金属突起は、前記半導体素子の回路形成面に複数列となるように前記電極パッドに形成され、前記半導体素子の回路形成面の最外周に配置する金属突起の断面形状は、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状である。
The semiconductor device according to
請求項3記載の半導体装置は、請求項1または2記載の半導体装置において、前記金属突起は、周縁の盛り上がった部分が複数の段を持つ階段状になっている。 According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first or second aspect, the metal protrusion has a stepped shape with a plurality of raised portions at the periphery.
請求項4記載の半導体装置は、請求項1,2または3記載の半導体装置において、前記金属突起の頭頂部がハンマー型である。 According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first, second, or third aspect, the top of the metal protrusion is a hammer type.
請求項5記載の半導体装置の製造方法は、半導体素子の回路形成面に配置した複数の電極パッドに金属突起を形成する工程と、前記金属突起を平坦化する工程と、導電性ペーストを前記金属突起に転写する工程と、複数の電極部を有し、前記電極部と反対側の面に複数の外部端子を有した基板を準備する工程と、前記基板の複数の電極部に前記半導体素子の金属突起と導電性ペーストを加熱硬化し接合する工程と、前記半導体素子の回路形成面と前記基板の電極部側の面との間にアンダーフィルを注入する工程と、前記アンダーフィルを加熱硬化する工程とを含み、前記金属突起を形成する際、同一キャピラリで凸型の金属突起と、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状の金属突起とを形成する。
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to
請求項6記載の半導体装置の製造方法は、半導体素子の回路形成面に配置した複数の電極パッドに金属突起を形成する工程と、前記金属突起を平坦化する工程と、導電性ペーストを前記金属突起に転写する工程と、複数の電極部を有し、前記電極部と反対側の面に複数の外部端子を有した基板を準備する工程と、前記基板の複数の電極部に前記半導体素子の金属突起と導電性ペーストを加熱硬化し接合する工程と、前記半導体素子の回路形成面と前記基板の電極部側の面との間にアンダーフィルを注入する工程と、前記アンダーフィルを加熱硬化する工程とを含み、前記金属突起を形成する際、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状で、盛り上がった部分の段数が違う複数の金属突起を同一キャピラリで形成する。
7. The method of manufacturing a semiconductor device according to
請求項7記載の半導体装置の製造方法は、請求項5または6記載の半導体装置の製造方法において、前記金属突起を平坦化する工程において、前記略山形形状の金属突起の頭頂部がハンマー型となるように平坦化する。
The method of manufacturing a semiconductor device according to
請求項8記載の半導体装置の製造方法は、請求項5,6または7記載の半導体装置の製造方法において、前記キャピラリは、先端の外周に段付き部分を有し、略山形形状の金属突起の周縁の盛り上がった部分を前記段付き部分によって形成する。
The method for manufacturing a semiconductor device according to
請求項9記載の半導体装置の製造方法は、請求項5または7記載の半導体装置の製造方法において、前記略山形形状の金属突起の頭頂部はハンマー型であり、前記導電性ペーストを前記金属突起に転写する工程において、前記頭頂部の大きさを変化させることによって前記導電性ペーストの転写量を変化させる。
The method for manufacturing a semiconductor device according to
この発明の請求項1記載の半導体装置によれば、金属突起は、半導体素子の回路形成面に複数列となるように電極パッドに形成され、半導体素子の回路形成面の中央領域に配置する金属突起の断面形状は、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状であるので、金属突起の台部の外周部の盛り上がった部分が壁になり、その壁の側面の部分によって金属突起と導電性ペーストとの接着面積が増えるので、凸型金属突起より多くの導電性ペーストを金属突起に積むことができる。このように、多くの導電性ペーストを金属突起に積むことができるので、導電性ペーストと基板の電極パッドとの接着面積を大きくすることができ、凹型に基板が反る場合、基板の反り量の大きい位置に対応する半導体素子の中央領域でのオープン不良を防ぐことができる。また、台部の外周部の壁の部分が導電性ペーストの広がりを抑えるので、導電性ペーストが金属突起の台部よりこぼれることを防ぐことができる。このため、導電性ペーストが隣の金属突起等に接触しショート不良が起こることを防ぐことができる。この発明により、多ピン化に対応した半導体素子の電極パッドがエリアパッド配置の場合に半導体素子を基板にフリップチップ実装することが可能になる。 According to the first aspect of the present invention, the metal protrusion is formed on the electrode pad so as to form a plurality of rows on the circuit formation surface of the semiconductor element, and is disposed in the central region of the circuit formation surface of the semiconductor element. Since the cross-sectional shape of the protrusion is a substantially chevron shape with a skirt with a raised peripheral edge, the raised portion of the outer peripheral portion of the base portion of the metal protrusion becomes a wall, and the metal protrusion and the conductive paste are formed by the side portion of the wall. Therefore, more conductive paste can be stacked on the metal protrusion than the convex metal protrusion. As described above, since a large amount of conductive paste can be stacked on the metal protrusion, the adhesion area between the conductive paste and the electrode pad of the substrate can be increased, and when the substrate warps in a concave shape, the amount of warpage of the substrate An open defect in the central region of the semiconductor element corresponding to a large position can be prevented. Moreover, since the part of the wall of the outer peripheral part of a base part suppresses the spreading of a conductive paste, it can prevent that a conductive paste spills from the base part of a metal protrusion. For this reason, it can prevent that a conductive paste contacts an adjacent metal protrusion etc. and a short circuit defect arises. According to the present invention, when the electrode pad of the semiconductor element corresponding to the increase in the number of pins is an area pad arrangement, the semiconductor element can be flip-chip mounted on the substrate.
この発明の請求項2記載の半導体装置によれば、金属突起は、半導体素子の回路形成面に複数列となるように電極パッドに形成され、半導体素子の回路形成面の最外周に配置する金属突起の断面形状は、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状であるので、金属突起の台部の外周部の盛り上がった部分が壁になり、その壁の側面の部分によって金属突起と導電性ペーストとの接着面積が増える。このため、同様に金属突起に導電性ペーストを多く積むことができるので、凸型に基板が反る場合、基板の反り量の多い位置に対応する半導体素子の最外周の電極パッドでのオープン不良を防ぐことができる。また、同様に台部の外周部の壁の部分が導電性ペーストの広がりを抑えるので、導電性ペーストが金属突起の台部よりこぼれることを防ぐことができる。このため、導電性ペーストが隣の金属突起等に接触しショート不良が起こることを防ぐことができる。この発明により、多ピン化に対応した半導体素子の電極パッドがエリアパッド配置の場合に半導体素子を基板にフリップチップ実装することが可能になる。 According to a second aspect of the present invention, the metal protrusion is formed on the electrode pad so as to form a plurality of rows on the circuit formation surface of the semiconductor element, and is disposed on the outermost periphery of the circuit formation surface of the semiconductor element. Since the cross-sectional shape of the protrusion is a substantially chevron shape with a skirt with a raised peripheral edge, the raised portion of the outer peripheral portion of the base portion of the metal protrusion becomes a wall, and the metal protrusion and the conductive paste are formed by the side portion of the wall. And the adhesion area increases. For this reason, a large amount of conductive paste can be stacked on the metal protrusions as well, so that when the substrate warps in a convex shape, an open failure at the outermost electrode pad of the semiconductor element corresponding to the position where the amount of warpage of the substrate is large Can be prevented. Similarly, since the wall portion of the outer peripheral portion of the base portion suppresses the spreading of the conductive paste, the conductive paste can be prevented from spilling from the base portion of the metal protrusion. For this reason, it can prevent that a conductive paste contacts an adjacent metal protrusion etc. and a short circuit defect arises. According to the present invention, when the electrode pad of the semiconductor element corresponding to the increase in the number of pins is an area pad arrangement, the semiconductor element can be flip-chip mounted on the substrate.
請求項3では、金属突起は、周縁の盛り上がった部分が複数の段を持つ階段状になっているので、段の部分は裾野の最外の壁より内側の部分で、金属突起の台部より高くなり、その分同じ導電性ペーストが転写されても導電性ペーストが高く積まれることになる。また、段の部分は最外の壁の内側であるので、その段の上に導電性ペーストが積まれても、導電性ペーストの広がりを抑える効果も残る。段の数や高さを変えることで金属突起に積む導電性ペーストの高さを調整することができる。これにより、基板の電極パッドと導電性ペーストの接着面積が大きくなり、接着強度が増し、しかも導電性ペーストの広がりを抑える壁として役割も残るので、略山形形状の金属突起の裾野の周縁の盛り上がった部分が複数の段を持つ形状にすることにより、複数の段を持つ形状にしない場合に比べショート不良に対する信頼性を損なうことなくオープン不良に対する信頼性を増すことができる。
In
請求項4では、金属突起の頭頂部がハンマー型であるので、頭頂部の平坦化された部分の面積が大きくなり、金属突起と導電性ペーストとの接着面積が大きくなるとともに、金属突起の頭頂部という高い位置に導電性ペーストが多く転写されるので、導電性ペーストを高く積むことができる。これにより、基板の電極パッドと導電性ペーストの接着面積が増し、接着強度が増すので、略山形形状の金属突起の頭頂部をハンマー型にすることで、ハンマー型にしない場合に比べオープン不良に対する信頼性を増すことができる。さらに金属突起と導電性ペーストとの接着面積が、金属突起の頭頂部という基板と導電性ペーストの接着面に近い部分で大きくなることにより、導電性が良くなるという効果もある。
In
この発明の請求項5記載の半導体装置の製造方法によれば、金属突起を形成する際、同一キャピラリで凸型の金属突起と、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状の金属突起とを形成するので、1本のキャピラリで基板の反りの大きい部分は略山形形状の金属突起を形成し、基板の反りの小さい部分は凸型の金属突起を形成した半導体装置を製造することができる。また、基板の反り量の小さい部分では従来の凸型金属突起でオープン不良に対する信頼性は問題なく、またこれによって、基板と金属突起の間隔が狭くなる基板の反り量の小さい部分の金属突起に積む導電性ペーストの量が、基板と金属突起の間隔が広くなる基板の反り量の大きい部分に積む導電性ペーストの量に比べて少なくなるので、導電性ペーストが金属突起の台部からこぼれることを防ぐことができる。この場合、凸型の金属突起の形状を形成するのは、キャピラリ先端の平坦部なので、キャピラリの外形によらずキャピラリ先端の平坦部の大きさが十分であれば、凸型の金属突起を形成することができる。よって、先端に平坦部を有し、側周面の部分に段差をつけたキャピラリを用いることにより、1本のキャピラリで凸型の金属突起も形成でき、裾野の周縁が盛り上がった形状の略山形形状の金属突起も形成すことができる。この発明により、多ピン化に対応した半導体素子の電極パッドがエリアパッド配置の場合に半導体素子を基板にフリップチップ実装することが可能になり、1本のキャピラリで製造できるので量産にも対応できる。
According to the method for manufacturing a semiconductor device according to
この発明の請求項6記載の半導体装置の製造方法によれば、金属突起を形成する際、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状で、盛り上がった部分の段数が違う複数の金属突起を同一キャピラリで形成するので、1本のキャピラリで基板の反りの大きい部分に、多くかつ高く導電性ペーストを積むことができる段数の多い略山形形状の金属突起を形成した半導体装置を製造することができ、同様にオープン不良やショート不良に対する信頼性を上げることができる。この場合、側周面につける段差を複数にしたキャピラリを用いることにより、裾野の周縁の盛り上がった部分の段差の数が違う略山形形状の複数の金属突起を1本のキャピラリで形成することができる。この発明により、多ピン化に対応した半導体素子の電極パッドがエリアパッド配置の場合に半導体素子を基板にフリップチップ実装することが可能になり、1本のキャピラリで製造できるので量産にも対応できる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device according to the sixth aspect of the present invention, when forming the metal protrusions, a plurality of metal protrusions having a substantially chevron shape having a skirt with a raised peripheral edge and having different number of steps of the raised portions are formed in the same capillary. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor device in which a large number of steps and a substantially chevron-shaped metal protrusion capable of stacking a large amount of conductive paste on a large warped portion of a substrate with a single capillary, Similarly, the reliability with respect to open defects and short defects can be increased. In this case, by using a capillary having a plurality of steps to be applied to the side peripheral surface, a plurality of substantially chevron-shaped metal projections having different numbers of steps at the raised portion at the periphery of the skirt can be formed by one capillary. it can. According to the present invention, when an electrode pad of a semiconductor element corresponding to the increase in the number of pins is an area pad arrangement, the semiconductor element can be flip-chip mounted on a substrate, and can be manufactured with a single capillary, so that it can cope with mass production. .
請求項7では、金属突起を平坦化する工程において、略山形形状の金属突起の頭頂部がハンマー型となるように平坦化するので、導電性ペーストの転写量を変化させ、安定したフリップチップ接続を得ることが可能となる。具体的には、金属突起の突起部は金線を引きちぎることによってできているので、突起の頭頂部は引き伸ばされており金属突起の他の部分より強度が弱くなっている。そのため、レベリング時にかける金属突起あたりの荷重を通常金属突起を平坦化する時にかける荷重より大きくすることにより、頭頂部のみを潰すことができる。これによって、略山形形状の金属突起の頭頂部がハンマー型となるように平坦化の量を大きくすることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, in the step of flattening the metal protrusion, the top of the substantially chevron-shaped metal protrusion is flattened in a hammer shape, so that the transfer amount of the conductive paste is changed, and stable flip chip connection is achieved. Can be obtained. Specifically, since the protrusion of the metal protrusion is formed by tearing a gold wire, the top of the protrusion is stretched and has a lower strength than the other part of the metal protrusion. Therefore, only the top of the head can be crushed by making the load per metal projection applied during leveling larger than the load applied when flattening the metal projection. As a result, the amount of flattening can be increased so that the top of the substantially chevron-shaped metal projection becomes a hammer shape.
請求項8では、キャピラリは、先端の外周に段付き部分を有し、略山形形状の金属突起の周縁の盛り上がった部分を段付き部分によって形成するので、金属突起の安定した裾野の形状を得ることができる。このため、金属突起と導電性ペーストの接着面積が安定し、略山形形状の金属突起に安定した量の導電性ペーストを積むことができる。 According to the eighth aspect of the present invention, the capillary has a stepped portion on the outer periphery of the tip, and the raised portion on the periphery of the substantially chevron-shaped metal projection is formed by the stepped portion, so that a stable skirt shape of the metal projection is obtained. be able to. For this reason, the adhesion area of the metal protrusion and the conductive paste is stabilized, and a stable amount of the conductive paste can be stacked on the substantially chevron-shaped metal protrusion.
請求項9では、略山形形状の金属突起の頭頂部はハンマー型であり、導電性ペーストを金属突起に転写する工程において、頭頂部の大きさを変化させることによって導電性ペーストの転写量を変化させるので、安定したフリップチップ接続を得ることが可能となる。この場合、レベリング時にかける金属突起あたりの荷重を変化させることにより、略山形形状の金属突起の頭頂部の面積を変化させることによって、金属突起と導電性ペーストの接着面積を変化させることができ、略山形形状の金属突起に転写する導電性ペーストの量を変化させることができる。 According to the ninth aspect of the present invention, the top portion of the substantially chevron-shaped metal protrusion is a hammer type, and in the step of transferring the conductive paste to the metal protrusion, the transfer amount of the conductive paste is changed by changing the size of the top portion. Therefore, it is possible to obtain a stable flip chip connection. In this case, it is possible to change the adhesion area between the metal protrusion and the conductive paste by changing the area of the top of the substantially protrusion-shaped metal protrusion by changing the load per metal protrusion applied during leveling. The amount of the conductive paste transferred to the substantially chevron-shaped metal protrusion can be changed.
この発明の第1の実施の形態を図1〜図8に基づいて説明する。図1は本発明の第1の実施形態における半導体装置を示す断面図であり、基板が凹型に反る場合を示す。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and shows a case where a substrate warps in a concave shape.
図1に示すように、半導体素子1の回路形成面上に複数の電極パッド2が配置され、前記電極パッド2上に金属突起4が形成される。金属突起4は従来例と同様にAuで形成する場合について示す。基板7にも電極パッド8が形成され、半導体素子1の電極パッド2上に形成された金属突起4は金属突起4上に転写された導電性ペースト6で基板7の電極パッド8に接着されている。半導体素子1と基板7の間にはエポキシ系樹脂9が充填されている。ここで、例えば導電性ペースト6の材質はAg−Pdの粉末を含んだペースト状の熱硬化性樹脂からなる。また、半導体素子1の電極パッド2と基板7の電極パッド8は、複数の金属突起4と導電性ペースト6を介して各々電気的に接続される。この場合、半導体素子1の電極パッド2の最表面材質はAl層で構成され、AlとAuの合金形成により接続される。
As shown in FIG. 1, a plurality of
また、半導体素子1上には、基板7の反り量の小さい位置に対応する半導体素子1の最外周の電極パッド2aには凸型金属突起4aが形成され、基板7の反り量の大きい位置に対応する半導体素子1の中央領域の電極パッド2bには略山形形状の金属突起4cが形成されている。
On the
図2は本発明の第1の実施形態において基板が凹型に反る場合の半導体装置の上から見た金属突起の配置図である。線A−A’の図1の断面図の位置である。図2に示すように、金属突起4aが半導体素子1の外周部に形成された金属突起となり、金属突起4cが半導体素子1の中央領域に形成された略山形形状の金属突起になる。
FIG. 2 is an arrangement view of metal protrusions as viewed from above the semiconductor device when the substrate warps in a concave shape in the first embodiment of the present invention. It is the position of the cross-sectional view of FIG. 1 along line A-A ′. As shown in FIG. 2, the
図3(a)は、本発明の実施形態と比較するために半導体素子の外周部と半導体素子の中央領域に凸型金属突起を形成し、熱衝撃試験(H/S)を行った時の試験サイクル数と半導体素子の中央領域の凸型金属突起の接続抵抗の関係を示す図である。測定は10チップで行っている。100サイクルで最大値600mΩと大きな値になっているが、300サイクルで最大値1900mΩと非常に大きな値になっている。これは、オープン不良である。 FIG. 3A shows a case where convex metal protrusions are formed on the outer peripheral portion of the semiconductor element and the central region of the semiconductor element and a thermal shock test (H / S) is performed for comparison with the embodiment of the present invention. It is a figure which shows the relationship between the test cycle number and the connection resistance of the convex-shaped metal protrusion of the center area | region of a semiconductor element. The measurement is performed with 10 chips. Although the maximum value is 600 mΩ at 100 cycles, the maximum value is 1900 mΩ at 300 cycles, which is a very large value. This is an open failure.
図3(b)は、本発明の実施形態において半導体素子の外周部に凸型金属突起を、半導体素子の中央領域には略山形形状の金属突起を形成し、熱衝撃試験(H/S)を行った時の試験サイクル数と半導体素子の中央領域の裾野の周縁が盛り上がった形状の略山形形状の金属突起の接続抵抗の関係を示す図である。100サイクルで最大値140mΩ、300サイクルでも最大値100mΩと小さい値になっている。よって、凸型金属突起を裾野の周縁が盛り上がった略山形形状の金属突起に変えることで接続強度が上がっていることがわかる。 FIG. 3B shows a thermal shock test (H / S) in the embodiment of the present invention, in which convex metal protrusions are formed on the outer periphery of the semiconductor element, and substantially chevron-shaped metal protrusions are formed in the central area of the semiconductor element. It is a figure which shows the connection resistance of the number of test cycles when performing, and the connection resistance of the substantially chevron-shaped metal protrusion of the shape where the periphery of the base of the center area | region of a semiconductor element rose. The maximum value is 140 mΩ at 100 cycles and the maximum value is 100 mΩ even at 300 cycles. Therefore, it can be seen that the connection strength is increased by changing the convex metal protrusion into a substantially chevron-shaped metal protrusion with a raised peripheral edge.
図4は本発明の第1の実施形態における半導体装置の断面図であり、基板が凸型に反る場合を示す。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, showing a case where the substrate warps in a convex shape.
図4に示すように、半導体素子1上には、基板7の反り量の小さい半導体素子1の中央領域の電極パッド2bに凸型金属突起4bが形成され、反り量の大きい半導体素子1の外周部の電極パッド2aには略山形形状の金属突起4cが形成されている。
As shown in FIG. 4, a
図5は本発明の第1の実施形態において基板が凸型に反る場合の半導体装置上から見た金属突起の配置図である。線A−A’は図4の断面図の位置である。図5に示すように、金属突起4cが半導体素子1の外周部に形成された略山形形状の金属突起となり、金属突起4bが半導体素子1の中央領域に形成された金属突起になる。
FIG. 5 is a layout view of metal protrusions as seen from above the semiconductor device when the substrate is warped in the first embodiment of the present invention. Line A-A 'is the position of the cross-sectional view of FIG. As shown in FIG. 5, the
ここで、本発明の実施形態における製造方法に用いるキャピラリの形状について図6に基づいて説明する。本実施形態のキャピラリ3aの形状は図6(a)で示すように、先端部31は平坦であり、側周面に段差33を有した円錐形状である。この段差33により、金属突起4の台部の外周に安定した高さの壁45を形成することができる。キャピラリ3aの軸心には金線など金属ワイヤ41の通るキャピラリホール32が設けられている。また前記金属ワイヤ41の材質は一例を挙げると、99.99%以上の金(Au)より構成され、金属ワイヤ41の線径はφ18μmから30μm程度である。
Here, the shape of the capillary used in the manufacturing method according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6A, the shape of the capillary 3a of the present embodiment is a conical shape having a
このキャピラリ3aにより形成される裾野の周縁が盛り上がった形状の略山形形状の金属突起4cの形状について説明する。本実施形態の略山形形状の金属突起4cは環状の形状をしており、図6(c)に示すように中心が突き出て、その周囲が平らな台43になっており、その台43の外周は壁45になっている。この壁の高さh1は、図6(b)に示すようにキャピラリ3aの段差の大きさh2で変化させることができる。
The shape of the substantially chevron-shaped
次に図6および図7を用いて本発明の第1の実施形態の半導体装置の製造方法を説明する。本発明の第1の実施形態の形成方法は、背景技術において説明した形成方法とほぼ同じであるので、相違点のみ詳しく説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Since the forming method of the first embodiment of the present invention is almost the same as the forming method described in the background art, only the differences will be described in detail.
図1に示すように基板7が凹型に反る場合、基板7の反り量の小さい半導体素子の外周部の電極パッド2aにはキャピラリ3aにより凸型の金属突起4aを形成する。その形成方法は背景技術で説明した方法と同じで、図7(a)で示すようにキャピラリホール32より金属ワイヤ41を出し、金属ワイヤ41の先端を放電等で融解させ、球状のAuボール42を形成する。図7(b)で示すようにAuボール42は半導体素子1の電極2に、超音波振動を加えながら圧着される。キャピラリ3aを上に引き上げ、金属ワイヤ41を引きちぎるという方法である。図7(c)は、形成された凸型金属突起4aである。
As shown in FIG. 1, when the
基板7の反り量の大きい半導体素子中央部の電極パッド2bには、図6(a)で示すようにキャピラリ先端部31の外周径より金属突起の外周径が大きくなるように、金属ワイヤ41の先端を融解させるための放電時間を長くする等で形成するAuボール41を大きくする。さらにAuボール41に与える荷重と超音波振動を大きくし、図6(b)で示すようにAuボールを圧着し略山形形状の金属突起4cを形成する。図6(c)は、形成された略山形形状の金属突起4cである。
The
このように、1本のキャピラリで、図8(a)に示すような凸型の金属突起4aと略山形形状の金属突起4cを形成することができる。この後の形成方法は、背景技術で説明した方法と同じで、図8(b)で示すように金属突起の先端部44にレベリングツール5で一定の荷重を加えレベリングを行い、金属突起4の高さを均一にする。この金属突起4にレベリング時に加える荷重は金属突起あたり、15gfから25gfである。図8(c)で示すように金属突起4の形成面を下側にし、金属突起4を導電性ペースト6に浸漬させ、表面張力により導電性ペースト6を転写する。図8(d)に示すように金属突起4を基板7の電極パッド8に圧着し、導電性ペースト6を加熱により硬化させる。図8(e)に示すように半導体素子1の回路形成面と基板7の電極面側間にアンダーフィルと呼ばれるエポキシ樹脂等9を充填する。図8(f)に示すように加熱硬化させ封止する。
Thus, with one capillary, the
基板7が凸型に反る場合は、半導体素子の中央領域は基板の反り量が小さくなるので凸型の金属突起4bを形成し、半導体素子の外周部は反り量が大きくなるので略山形形状の金属突起4cを形成する点以外は形成方法が、基板7が凹型に反る場合と同じである。
When the
この発明の第2の実施の形態を図9〜図11に基づいて説明する。図9は本発明の第2の実施形態における半導体装置を示す断面図である。図10は、第2の実施形態におけるキャピラリの形状を示す図である。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 10 is a diagram showing the shape of the capillary in the second embodiment.
図9に示すように第2の実施形態は、第1の実施形態の略山形形状の金属突起4cを、裾野の周縁の盛り上がった部分に複数の段45aが形成された略山形形状の金属突起4eに変えたものである。よって、裾野の周縁の盛り上がった部分に複数の段45aが形成された略山形形状の金属突起4eとその製造に方法以外は、形状、製造方法ともに第1の実施形態と同じなので、裾野の周縁の盛り上がった部分に複数の段45aが形成された略山形形状の金属突起4eの形状と製造方法について図10および図11を用いて説明する。
As shown in FIG. 9, in the second embodiment, the substantially chevron-shaped
図10(b)に示すように、裾野の周縁の盛り上がった部分に複数の段45aを持った略山形形状の金属突起4eは環状の形状になっており、中心に突起があり、その突起の周囲が平らな台43になっており、その台43の外周は壁45になっており、この壁45に複数の段45aを持っている。
As shown in FIG. 10 (b), a substantially chevron shaped
次に、図10(a)で示すように本実施形態の製造方法に用いるキャピラリ3bの形状は、先端部31は平坦であり、側周面に複数の段差33aを有した円錐形状である。この複数の段差33aにより、金属突起4eの台部の外周に複数の段45aを持った壁45を形成することができる。キャピラリ3bの軸心には金線など金属ワイヤの通るキャピラリホール32が設けられている。また前記金属ワイヤ41の材質は一例を挙げると、99.99%以上の金(Au)より構成され、金属ワイヤ41の線径はφ18μmから30μm程度である。このキャピラリを用いた第2の実施形態の略山形形状の金属突起の製造方法は、第1の実施形態の略山形形状の金属突起の製造方法とほぼ同じである。キャピラリホール32より金属ワイヤ41を出し、金属ワイヤ41の先端を放電等で融解させ、球状のAuボール42を形成する。Auボール42は半導体素子1の電極2に、超音波振動を加えながら圧着される。キャピラリ3bを上に引き上げ、金属ワイヤ41を引きちぎるという方法である。このとき放電時間を変えるなどで形成するAuボール42の大きさを変えることで、図11(a)に示すような凸型の金属突起4a、図11(b)に示すような裾野の周縁の盛り上がった部分が1段の略山形形状の金属突起4c、図10(b)で示すような裾野の周縁の盛り上がった部分が2段以上の複数の略山形形状の金属突起4eを1本のキャピラリで形成することができる。
Next, as shown in FIG. 10A, the shape of the capillary 3b used in the manufacturing method of the present embodiment is a conical shape in which the
この発明の第3の実施の形態を図12〜図14に基づいて説明する。図12は本発明の第3の実施形態の基板が凹型に反る場合の断面図、図13は本発明の第3の実施形態の基板が凸型に反る場合の断面図である。 A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 12 is a cross-sectional view when the substrate according to the third embodiment of the present invention warps in a concave shape, and FIG. 13 is a cross-sectional view when the substrate according to the third embodiment of the present invention warps in a convex shape.
図12、図13に示すように第3の実施形態は、第1の実施形態の略山形形状の金属突起または、第1の実施形態または第2の実施形態(図は第1の実施形態)の略山形形状の金属突起の頭頂部をつぶしてハンマー型4dにしたものである。よって、略山形形状の金属突起の頭頂部をハンマー型に変えた以外は形状、製造方法とも第1の実施形態または第2の実施形態と同じなので、頭頂部がハンマー型の略山形形状の金属突起の形状とその製造方法について説明する。
As shown in FIG. 12 and FIG. 13, the third embodiment is a metal projection having a substantially chevron shape of the first embodiment, or the first embodiment or the second embodiment (the figure is the first embodiment). The crest of the substantially chevron shaped metal projection is crushed into a
図14(a)は略山形形状の金属突起の断面図であり、(d)はその上から見た図である。図14(c)は頭頂部がハンマー型の金属突起の断面図であり、図14(e)はその上から見た図である。図14(c)、(e)で示すように頭頂部がハンマー型の金属突起4dは環状の形状になっており、中心に突起46があり、その突起46の頭頂部44がつぶされ環状の平坦部47が形成され、その突起46の周囲が平らな台43になっており、その台43の外周は壁45になっている。この金属突起の頭頂部の平坦部47は、略山形形状の金属突起4cの突起46に比べて大きくなっている。
FIG. 14A is a cross-sectional view of a substantially chevron-shaped metal protrusion, and FIG. 14D is a view seen from above. FIG. 14C is a cross-sectional view of a metal protrusion whose top is a hammer type, and FIG. 14E is a view from above. As shown in FIGS. 14 (c) and 14 (e), the hammer-shaped
次に、頭頂部がハンマー型の略山形形状の金属突起4dの製造方法については、図14(a)、(b)で示すように高強度の金属ワイヤで形成された山形金属突起4cのレベリング時に、レベリングツール5で与える荷重を従来のレベリング時に比べ大きくすることで、頭頂部をつぶしハンマー型にする。
Next, regarding the manufacturing method of the
略山形形状の金属突起4cの頭頂部をつぶしハンマー型にする効果として、ハンマー型の大きさを変化させる事によって導電性ペーストの転写量を変化させ、安定したフリップチップ接続を得ることが可能となる。
As an effect of crushing the top of the
本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、半導体素子の電極パッドがエリアパッド配置の場合に半導体素子を基板にフリップチップ実装することが可能になり、1本のキャピラリで製造できるので、多ピン化に対応した半導体装置とその量産方法に対して有用である。 In the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, when the electrode pad of the semiconductor element is an area pad arrangement, the semiconductor element can be flip-chip mounted on the substrate, and can be manufactured with one capillary. This is useful for a semiconductor device and its mass production method.
1 半導体素子
2 半導体素子の電極パッド
3 キャピラリ
31 キャピラリ先端の平坦面
32 キャピラリホール
33 キャピラリの側周面の段差
4 金属突起
4c 裾野の周縁が盛り上がった形状をしている略山形形状の金属突起
4d 頭頂部がハンマー型の略山形形状の金属突起
4e 裾野の周縁の盛り上がった部分が複数の段を持つ形状をしている略山形形状の金属突起
41 金属ワイヤ
42 Auボール
43 金属突起の台の平坦部
44 金属突起の中心部の突起の先端
45 略山形形状の金属突起の台の外周部の壁
45a略山形形状の金属突起の台の外周部の壁に形成された複数の段
46 金属突起の中心部の突起
47 頭頂部がハンマー型の山形金属突起の頭頂部
5 レベリングツール
6 導電性ペースト
7 基板
8 基板の電極パッド
9 エポキシ樹脂
11 外部端子
h1 山形金属突起の壁の高さ
h2 キャピラリの段差の大きさ
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記金属突起は、前記半導体素子の回路形成面に複数列となるように前記電極パッドに形成され、前記半導体素子の回路形成面の中央領域に配置する金属突起の断面形状は、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element having a plurality of electrode pads disposed on a circuit forming surface, and a substrate having a plurality of electrode portions disposed on a surface facing the circuit forming surface of the semiconductor element and a plurality of external terminals disposed on the opposite surface. The semiconductor device electrode pad and the substrate electrode portion are electrically connected to each other through a plurality of metal protrusions and a conductive paste,
The metal protrusions are formed on the electrode pads so as to form a plurality of rows on the circuit formation surface of the semiconductor element, and the periphery of the cross-sectional shape of the metal protrusion disposed in the central region of the circuit formation surface of the semiconductor element is raised A semiconductor device having a substantially chevron shape having a base.
前記金属突起は、前記半導体素子の回路形成面に複数列となるように前記電極パッドに形成され、前記半導体素子の回路形成面の最外周に配置する金属突起の断面形状は、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element having a plurality of electrode pads disposed on a circuit forming surface, and a substrate having a plurality of electrode portions disposed on a surface facing the circuit forming surface of the semiconductor element and a plurality of external terminals disposed on the opposite surface. The semiconductor device electrode pad and the substrate electrode portion are electrically connected to each other through a plurality of metal protrusions and a conductive paste,
The metal protrusions are formed on the electrode pads so as to form a plurality of rows on the circuit formation surface of the semiconductor element, and the periphery of the metal protrusion arranged on the outermost periphery of the circuit formation surface of the semiconductor element is raised. A semiconductor device having a substantially chevron shape having a base.
前記金属突起を形成する際、同一キャピラリで凸型の金属突起と、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状の金属突起とを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a metal protrusion on a plurality of electrode pads arranged on a circuit formation surface of a semiconductor element, flattening the metal protrusion, transferring a conductive paste to the metal protrusion, and a plurality of electrode portions. And preparing a substrate having a plurality of external terminals on a surface opposite to the electrode portion, and heat-curing and bonding the metal protrusions of the semiconductor element and the conductive paste to the plurality of electrode portions of the substrate Including a step, a step of injecting an underfill between a circuit formation surface of the semiconductor element and a surface on the electrode portion side of the substrate, and a step of heat curing the underfill.
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein when forming the metal protrusion, a convex metal protrusion is formed with the same capillary and a substantially chevron-shaped metal protrusion having a base with a raised periphery.
前記金属突起を形成する際、周縁が盛り上がった裾野を有する略山形形状で、盛り上がった部分の段数が違う複数の金属突起を同一キャピラリで形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a metal protrusion on a plurality of electrode pads arranged on a circuit formation surface of a semiconductor element, flattening the metal protrusion, transferring a conductive paste to the metal protrusion, and a plurality of electrode portions. And preparing a substrate having a plurality of external terminals on a surface opposite to the electrode portion, and heat-curing and bonding the metal protrusions of the semiconductor element and the conductive paste to the plurality of electrode portions of the substrate Including a step, a step of injecting an underfill between a circuit formation surface of the semiconductor element and a surface on the electrode portion side of the substrate, and a step of heat curing the underfill.
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein when forming the metal protrusion, a plurality of metal protrusions having a substantially chevron shape having a skirt with a raised periphery and different numbers of raised portions are formed with the same capillary.
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US10727385B2 (en) | 2018-03-15 | 2020-07-28 | Nichia Corporation | Light emitting device, light emitting element and method for manufacturing the light emitting element |
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