JP2007266131A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】実装基板上に半導体チップを、超音波接合を使ってフリップチップ実装する際に、スタッドバンプと対応する電極パッドとの間に強固な接合を、前記スタッドバンプに、高周波特性に影響するような過大な変形を生じることなく実現する。
【解決手段】半導体装置は、実装基板と、前記実装基板上に、金属バンプを介して実装された半導体チップとよりなり、前記金属バンプは、前記半導体チップと接合された内側部分と、前記内側部分を覆う外側部分とよりなり、前記外側部分は、前記内側部分よりも硬度が大きいことを特徴とする。
【選択図】図7

Description

本発明は一般に半導体装置に係り、特に半導体チップをパッケージ基板上に実装した半導体装置に関する。
いわゆる高周波モジュールとよばれる高周波用途の半導体装置では、GaAsなどの化合物半導体チップがモジュール基板などの実装基板にフリップチップ実装され、MMIC(monolithic microwave integrated circuit)を構成する。このような高周波用途の半導体装置では、半導体チップ上に低抵抗のAuスタッドバンプを形成し、これがフリップチップ実装の際に、実装基板上の対応するAu電極パッドに接合される。
このようなAuスタッドバンプとAu電極パッドの接合は、従来熱圧着や接着剤を使った圧接、さらには超音波接合などによりなされているが、熱圧着の場合には、300〜400℃の温度での熱処理が必要となる。
従来、このような高周波用途の半導体装置では、実装基板としてセラミック基板が使われていたが、最近では、より低価格の樹脂基板を使いたい要望が生じている。しかし、樹脂基板を使った場合、上記300〜400℃の温度を要する熱圧着を行うのは不可能である。
これに対し、前記接合を、接着剤を使って行った場合、熱処理は必要なく、実装基板の耐熱性に問題が生じることはないが、接着剤でAuスタッドバンプとAu電極バッドを接合した場合、これらの部材は接触しているだけであり、衝撃や熱サイクルにより、抵抗の増大や断線などの問題が発生しやすい。
このような事情で、低温においてAuスタッドバンプとAu電極バッドを凝着させることのできる超音波接合技術が重要となってきている。このような超音波接合技術において確実で強固な接合を得るためには、接合される金属の表面状態が重要となる。
特開2002−76832号公報 特開2001−127102号公報
図1は、本発明の関連技術によるMMICの、フリップチップ法による製造工程を示す。
図1を参照するに、GaAsなどの化合物半導体チップ11の表側面には配線パターン12aを含む樹脂封止層12が形成され、前記樹脂封止層12には、バンプ電極12A,12Bが形成されている。さらに前記バンプ電極12A,12B上には、Auスタッドバンプ13A,13Bが、それぞれ電解メッキ法により形成されている。
前記半導体チップ11は、モジュール基板14にフリップチップ実装され、このため前記モジュール基板14上には、前記Aスタッドuバンプ13A,13Bに対応して、電極パッド15A,15Bが形成されている。図示の例では前記電極パッド15Aは、前記モジュール基板14上に形成されたCu電極パターン15aと、前記Cuパターン15b上に無電解メッキ法により形成されたNi膜15bと、さらに前記Ni膜15b上に無電解メッキ法により形成されたAu膜15cとより構成されている。同様に前記電極パッド15Bは、前記モジュール基板14上に形成されたCu電極パターン15dと、前記Cuパターン15d上に無電解メッキ法により形成されたNi膜15eと、さらに前記Ni膜15e上に無電解メッキ法により形成されたAu膜15fとより構成されている。
さて、このようなフリップチップ実装を超音波接合により行う場合、接合される金属部材が柔らかいほど、すなわち硬度が小さいほど、強固な接合が得られることが知られている。Au部材の場合、線材などにつかわれるバルクAu材が最も柔らかく(ビッカース硬度20〜60)、電解メッキにより形成したAu材(ビッカース硬度50以上)、無電解メッキ法で形成したAu材(ビッカース硬度100以上)の順で硬度が増加する。
図1の半導体装置では、Auスタッドバンプ13A,13Bは電解メッキにより形成されているため、超音波接合の際の接合強度は50MPa程度であり、信頼性の高い接合を得るのに必要と考えられる目安の75MPa以上の値に達していない。これに対し、前記Auスタッドバンプ13A,13BをバルクAu材により形成することでより大きな接合強度を実現できると考えられる。
ところが、前記Auスタッドバンプ13A,13Bは一般に平面図上で例えば一辺が40μmの所定の四角形状を有し、所定の間隔、例えば200μmの間隔で形成されているが、このようにフリップチップ工程によりモジュール基板14上に実装されると、柔らかいスタッドバンプが超音波接合時に大きく変形し、バンプ幅が広がってしまい、反射特性や損失など、半導体装置の高周波特性を劣化させてしまう問題が生じる。
このように、従来、半導体装置、特に高周波半導体装置において、バンプ接合強度の向上と所定の電気特性、特に高周波特性の確保は相反しており、これらを同時に満たす方策は知られていなかった。
一の側面によれば本発明は、実装基板と、前記実装基板上に、金属バンプを介して実装された半導体チップとよりなる半導体装置において、前記金属バンプは、前記半導体チップと接合された内側部分と、前記内側部分を覆う外側部分とよりなり、前記外側部分は、前記内側部分よりも硬度が大きいことを特徴とする半導体装置を提供する。
他の側面によれば本発明は、実装基板上に半導体チップをフリップチップ法により実装する工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記実装基板上に金属バンプを形成する工程と、前記金属バンプにメッキ膜を形成する工程と、を含み、前記フリップチップ実装工程は、前記半導体チップを前記金属バンプに対し、前記電極パッドが前記金属バンプに付勢されるように押圧する工程と、前記半導体チップに超音波を印加し、前記金属バンプを前記電極パッドに超音波接合する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
他の側面によれば本発明は、実装基板上に半導体チップをフリップチップ実装する工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記実装基板上に、金属メッキ膜を形成した金属線により、金属バンプを形成する工程と、前記半導体チップを前記実装基板上において前記金属バンプに対し、前記半導体チップ上の電極パッドが前記金属バンプに付勢されるように押圧する工程と、前記半導体チップに超音波を印加し、前記金属バンプを前記電極に超音波接合する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
本発明によれば、金属バンプは柔らかい内側部分が半導体チップの電極パッドに超音波接合されることで、強固な接合が得られると同時に、前記柔らかい内側部分が硬度の大きい外側部分により補強されているため、超音波接合の際に、金属バンプが過大に変形することがなく、半導体装置の高周波特性が所定の規格からはずれることがない。このような金属バンプの補強は、前記外側部分として、粒径が小さく硬度の大きいメッキ層を形成することにより、簡単に実現することができる。その際、このような外側にメッキ層を有する金属バンプは、金属線の溶接などによりすでに形成された金属バンプの表面にメッキ層を形成することで形成してもよいし、表面にメッキ層が形成された金属線を溶接することにより形成してもよい。
[第1の実施形態]
図2〜図7は、本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す。
図2を参照するに、例えばガラスエポキシなどの樹脂実装基板41上にはCu配線パターン41A,41Bが形成されており、前記Cu配線パターン41A,41Bの表面には、無電解メッキにより、厚さが例えば3μmのNi層41a,41bがそれぞれ形成されている。さらに前記Ni層41a,41b上には、無電解めっきにより、厚さが例えば0.5μmのAu膜41c,41dが、それぞれ形成されている。
さらに前記Cu配線パターン41Aを覆うAu膜41c上には、厚さが1〜5μm、例えば2μmのAu被膜42aを無電解メッキあるいは電解メッキにより形成された径が例えば30μmのAuワイヤ42Aを、ワイヤボンダにより溶接することにより、図3に示すように径が約40μmのスタッドバンプ43Aが形成される。また同様にして、前記Cu配線パターン41Bを覆う前記Au膜41d上には、厚さが1〜5μm、例えば2μmのAu被膜42bを無電解メッキにより形成された径が例えば30μmのAuワイヤ42Bをワイヤボンダにより溶接することにより、図3に示すように径が約40μmのスタッドバンプ43Bが形成される。前記Auワイヤ42A,42Bは、バルクAu材の線材であり、先に述べたように典型的には0.1〜0.5μmの粒径と20〜60、典型的には50未満のビッカース硬度を特徴としている。これに対し前記Au被膜42a,42bは、無電解メッキ法により形成した場合、より小さい、典型的には0.01〜0.05μmの粒径と100以上のビッカース硬度を特徴としている。前記Au被膜42a,42bを電解メッキ法により形成した場合には、前記被膜42a,42bは中間の、0.05〜0.1μmの粒径と50以上のビッカース強度を有している。以下では、前記Au被膜42a,42bとして、無電解メッキ法で形成したAu膜を使う場合を説明する。
さらに図4の工程において、このようにして形成されたスタッドバンプ43A,43Bの先端部を、刃を使った切削により、あるいは潰すことによりレベリングし、前記先端部においてAuワイヤ42Aあるいは42Bを露出する。図4のレベリングは、図3の構造に平坦なレベリング部材を押圧することにより形成してもよいが、後で図6において説明するように、実装される半導体チップを押圧することにより行うことも可能である。
次に図5の工程において、前記実装基板41上に半導体チップ51が裏返し、すなわちフリップチップ状態で配設される。
前記半導体チップ51はGaAsやInGaAsなど、化合物半導体よりなるMMICであり、その表側面には、樹脂封止層52中にAu配線パターン52Aが形成されており、前記配線パターン52Aは、前記樹脂封止層52の表面を覆う保護膜53中に形成された電極パッド53A,53Bに接続されている。
図5の工程では、前記半導体チップ51は図示しないボンディングツールに保持されており、図6の工程で前記ボンディングツールを駆動することにより、前記半導体チップ51は前記実装基板41に向かって矢印で示すように、例えば50MPaの荷重で押圧される。なお、この50MPaの荷重は、Auの超音波接合において最大接合強度が得られる荷重である。
これにより、前記半導体チップ51のバンプ電極53A,53Bは前記スタッドバンプ43A,43Bの先端部に係合し、前記先端部に露出されているAuバルク材42A,42Bが、それぞれ前記バンプ電極53A,53Bに付勢される。なお、先にも説明したように、この工程において前記スタッドバンプ43A,43B先端部のレベリングを行うことも可能である。
図6の工程では、この状態で前記ボンディングツールを駆動することにより、前記チップ51に超音波が印加され、前記スタッドバンプ43Aが対応する電極パッド53Aに、また前記スタッドバンプ43Bが対応する電極パッド53Bに、超音波接合される。
図7は、このような超音波接合後の、基板41,スタッドバンプ43A,43Bおよび半導体チップ51よりなる半導体装置40の状態を示す。ただし図7の状態では、さらに前記半導体チップ51と基板41の間の隙間に、封止樹脂層52が充填されている。このような封止樹脂52は例えば150℃の温度で硬化され、前記スタッドバンプ43A,43Bをさらに補強するように作用する。
図7の半導体装置40では、前記バルクAu材よりなるスタッドバンプ43Aの内側部分42Aおよびスタッドバンプ43Bの内側部分42Bが、それぞれ対応する電極パッド53A,53Bに、所望の75MPaを超える、約80MPaの接合強度で接合するのが確認された。この接合強度は、図1の本発明関連技術による、スタッドバンプを電解メッキ法により形成した場合と比較すると、60%以上増加している。
図8は、図5の接合前のスタッドバンプ43Aと図7の接合後のスタッドバンプ43Aの形状を比較して示す図である。
図8を参照するに、接合前にはスタッドバンプ43Aは平面図において、例えば一辺が40μmの正方形形状を有しているのに対し、図7の接合後においては、一辺の幅が増大しているのがわかる。
その際、図7の半導体装置40では、前記スタッドバンプ43A,43Bは、それぞれの外側部分が、膜厚が2μmでスタッドバンプ43A,43B全体の幅の5%を占める硬度の高い無電解メッキ層42a,42bにより補強されているため、図7に示す接合後の状態において、図8に示すスタッドバンプ43A,43Bの横方向への広がり、すなわち幅の増大は抑制されており、図7の状態でスタッドバンプ43A,43Bの幅は、当初の約45μmから約50μmまでの増大に抑制されている。この場合のバンプ幅の増加率は25%となっているが、このようにスタッドバンプの変形を、最も直径の大きい部分が最も直径の小さい部分の1.3倍以下になるように抑制することにより、反射特性の劣化を−10dB以下に抑制でき、また損失も5dB以下に抑制することが可能となる。すなわち、半導体装置40について、所期の性能を確保することができる。
さらに、このようにして形成された半導体装置40に対し、―55℃から150℃の間で熱サイクル試験を行ったが、3000サイクルを超えても各バンプと導体パターンの間のコンタクト抵抗の上昇は10%以下であり、十分な接続信頼性が得られることが確認された。
また、同様な工程により、前記無電解メッキ層42a,42bを5μmの厚さに形成した場合、すなわち前記無電解メッキ層42a、42bのスタッドバンプの幅に対する割合を14%に設定した場合についても実験を行ったが、得られた接合強度は同じく約80MPaであり、一方バンプ幅の増加率は17.5%であることが確認された。この場合には、スタッドバンプの変形がさらに抑制され、半導体装置40の高周波特性の劣化がさらに抑制される。
さらに、図2〜7の実施形態では、半導体チップ51を実装基板41上に実装後に、前記樹脂封止層52を基板41と半導体チップ51の間に導入しているが、先に前記実装基板41表面に非導電性ペースト(NCP)を塗布し、前記比導電性ペースト層上に前記半導体チップ51を押しつけて超音波接合を行うことも可能である。
この場合も、先と同じ熱サイクル試験を1000サイクル繰り返しても、接続信頼性の問題は生じないことが確認されている。

[比較例]
これに対し、同じ構造を無電解メッキ層42a,42bなしで形成した場合、得られる接合強度は約85MPaであり、所期の接合強度が確保できているが、スタッドバンプ幅の増加率が32.5%に達し、半導体装置には深刻な高周波特性の劣化が生じてしまう。
また同じ半導体構造において、前記スタッドバンプ43A,43Bを電解メッキ法により形成した場合には、スタッドバンプ幅の増加率は12.5%であり、高周波特性については所期の性能を確保できているが、接合強度が50〜70MPa程度であり、十分な接続信頼性を確保することができない。

[第2の実施形態]
図9,10は、本発明の第2の実施形態による半導体装置の工程の一部を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図9を参照するに、本実施形態では前記実装基板41上のCu配線パターン41A,41Bに対応して、バルクAuよりなるスタッド42A,42BがそれぞれAu膜41c,41d上に、Au線材のワイヤボンディングにより形成されている。
次に本実施形態では図10の工程において、前記基板41の表面が、前記Au膜41c、41dの表面の高さまでレジスト膜で覆われ、前記スタッド42A,42B上に無電解メッキ法あるいは電解メッキ法により、それぞれAu被膜42a,42bを、2〜5μmの厚さに形成し、外側補強層を有するスタッドバンプ43A,43Bを形成する。
以後、先に説明した図4〜7の工程を実行することにより、実装基板41上にMMICチップ51をフリップチップ実装した半導体装置40が、先の実施形態と同様にして得られる。

以上の説明では本発明を、Auスタッドバンプを超音波接合した半導体装置の例で説明したが、本発明はこのような純粋なAuスタッドバンプを使う半導体装置に限定されるものではなく、同様のスタッドバンプに補強被膜を形成することによる半導体装置の特性劣化の抑制は、前記バンプ材料として、Au,Ag、Sn,Pbの少なくとも一つを含む金属材料を使った場合でも有効である。
またその際、前記スタッドバンプを補強する材料は、無電解メッキ法により形成された材料に限定されるものではなく、硬度がスタッドバンプ本体よりも大きく、接合後のバンプにおいて、最も径の大きい部分が、最も径の小さい部分の1.3倍以下にできる材料であればよく、例えばAu,Ag,Pd,Cu,Sn,Pbの少なくとも一つより選ばれる金属材料を使うことができる。
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
(付記1) 実装基板と、
前記実装基板上に、金属バンプを介して実装された半導体チップとよりなる半導体装置において、
前記金属バンプは、前記半導体チップと接合された内側部分と、前記内側部分を覆う外側部分とよりなり、
前記外側部分は、前記内側部分よりも硬度が大きいことを特徴とする半導体装置。
(付記2) 前記金属バンプは、最も幅が大きい部分において、最も幅が小さい部分の1.3倍以下の幅を有することを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記3)
前記外側部分は、1〜5μmの膜厚を有することを特徴とする付記1または2記載の半導体装置。
(付記4)
前記内側部分は第1の平均粒径を有し、前記外側部分は、前記第1の平均粒径よりも小さい第2の平均粒径を有することを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記5)
前記外側部分は、前記内側部分の上に無電解メッキを行うことにより形成されたことを特徴とする付記1〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記6)
前記外側部分は、前記内側部分の上に、電解メッキを行うことにより形成されたことを特徴とする付記1〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記7)
前記内側部分は、Au,Ag,Sn,Pbの少なくとも一つより構成されることを特徴とする付記1〜6のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記8)
前記外側部分は、Au,Ag,Sn,Pb,Cu,Sn,Pbの少なくとも一つ以上の金属で構成されることを特徴とする付記1〜7のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記9)
前記半導体チップは高周波ないしマイクロ波またはミリ波半導体装置であることを特徴とする付記1〜8のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記10)
前記実装基板は、樹脂基板であることを特徴とする付記1〜9のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記11)
実装基板上に半導体チップをフリップチップ法により実装する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記実装基板上に金属バンプを形成する工程と、
前記金属バンプにメッキ膜を形成する工程と、を含み、
前記フリップチップ実装工程は、
前記半導体チップを前記金属バンプに対し、前記電極パッドが前記金属バンプに付勢されるように押圧する工程と、
前記半導体チップに超音波を印加し、前記金属バンプを前記電極パッドに超音波接合する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記12)
実装基板上に半導体チップをフリップチップ実装する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記実装基板上に、金属メッキ膜を形成した金属線により、金属バンプを形成する工程と、
前記半導体チップを前記実装基板上において前記金属バンプに対し、前記半導体チップ上の電極パッドが前記金属バンプに付勢されるように押圧する工程と、
前記半導体チップに超音波を印加し、前記金属バンプを前記電極に超音波接合する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記押圧工程の前に、前記金属バンプの先端部を加工し、前記金属線よりなる部分を前記先端部において露出する工程を含むことを特徴とする付記11または12記載の半導体装置の製造方法。
本発明の関連技術による半導体装置の製造方法を示す図である。 本発明の第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。 本発明の第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。 本発明の第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。 本発明の第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。 本発明の第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その5)である。 本発明の第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その6)である。 本発明の第1の実施形態の半導体装置におけるスタッドバンプの変形を示す図である。 本発明の第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。 本発明の第2の実施形態による半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。
符号の説明
41 実装基板
41A,41B 配線パターン
41a,41b Ni無電解メッキ膜
41c,41d Au膜
42A,42B バルクAu
42a,42b Auメッキ被膜
43A,43B スタッドバンプ
51 半導体チップ
52 樹脂封止層
52A 配線パターン
53 保護膜
53A,53B バンプ電極

Claims (10)

  1. 実装基板と、
    前記実装基板上に、金属バンプを介して実装された半導体チップとよりなる半導体装置において、
    前記金属バンプは、前記半導体チップと接合された内側部分と、前記内側部分を覆う外側部分とよりなり、
    前記外側部分は、前記内側部分よりも硬度が大きいことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記外側部分は、1〜5μmの膜厚を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記内側部分は第1の平均粒径を有し、前記外側部分は、前記第1の平均粒径よりも小さい第2の平均粒径を有することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
  4. 前記内側部分は、Au,Ag,Sn,Pbの少なくとも一つより構成されることを特徴とする請求項1〜3のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
  5. 前記外側部分は、Au,Ag,Sn,Pb,Cu,Sn,Pbの少なくとも一つ以上の金属で構成されることを特徴とする請求項1〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
  6. 前記半導体チップは高周波ないしマイクロ波またはミリ波半導体装置であることを特徴とする請求項1〜5のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
  7. 前記実装基板は、樹脂基板であることを特徴とする請求項1〜6のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
  8. 実装基板上に半導体チップをフリップチップ法により実装する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
    前記実装基板上に金属バンプを形成する工程と、
    前記金属バンプにメッキ膜を形成する工程と、を含み、
    前記フリップチップ実装工程は、
    前記半導体チップを前記金属バンプに対し、前記電極パッドが前記金属バンプに付勢されるように押圧する工程と、
    前記半導体チップに超音波を印加し、前記金属バンプを前記電極パッドに超音波接合する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 実装基板上に半導体チップをフリップチップ実装する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
    前記実装基板上に、金属メッキ膜を形成した金属線により、金属バンプを形成する工程と、
    前記半導体チップを前記実装基板上において前記金属バンプに対し、前記半導体チップ上の電極パッドが前記金属バンプに付勢されるように押圧する工程と、
    前記半導体チップに超音波を印加し、前記金属バンプを前記電極に超音波接合する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 前記押圧工程の前に、前記金属バンプの先端部を加工し、前記金属線よりなる部分を前記先端部において露出する工程を含むことを特徴とする付記8または9記載の半導体装置の製造方法。
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