JP2008098285A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで簡単に作製することができ、半田からなる接合材のクリープ特性に優れ、かつ、封止樹脂との密着性に優れる半導体装置を提供すること。
【解決手段】基板２の一方面２Ａには、内部端子８およびアイランド５が所定の位置に形成されている。内部端子８およびアイランド５は、銅を用いて形成されており、その表面には、銀を用いためっきにより形成される内部端子銀めっき層９およびアイランド銀めっき層６が形成されている。また、基板２の他方面２Ｂには、端子パッド１１およびサーマルパッド１７が形成されている。端子パッド１１およびサーマルパッドの表面には、銀を用いためっきにより形成される外部端子銀めっき層１２およびサーマル銀めっき層１８が形成されている。そして、外部端子銀めっき層１２およびサーマル銀めっき層１８の上には、半田を用いて外部端子１６およびサーマルバンプ１９が形成されている。
【選択図】 図２

Description

この発明は、半導体装置、詳しくは、ＢＧＡ（Ball Grid Array）型半導体装置、ＬＧＡ（Land Grid Array）型半導体装置に関する。

従来、半導体装置を配線基板上に高密度に実装するために、配線基板上への表面実装を可能とした表面実装型パッケージが多用されている。この表面実装型パッケージの代表的なものとして、たとえば、ＢＧＡが知られている。
ＢＧＡが採用されるＢＧＡ型半導体装置では、基板上に半導体チップが搭載される。基板の一方面には、半導体チップの裏面と電気的に接続されるアイランドと、半導体チップの表面上のパッドと電気的に接続される内部端子とが配置されている。アイランドおよび内部端子は、銅層と、この銅層上に積層されたニッケル層とを備え、それらの表面は、たとえば、ニッケルの酸化を抑制し、また、半導体チップとの接続のための半田や金細線との接合強度を向上させるために、金めっき層で覆われている。そして、基板の一方面上は、封止樹脂（たとえば、エポキシ樹脂）により封止されている。

一方、基板の他方面には、基板を挟んでアイランドおよび内部端子と対向する位置に、銅からなるサーマルパッドおよび端子パッドが配置されている。また、基板には、アイランドおよび内部端子とこれに対向するサーマルパッドおよび端子パッドとを接続するスルーホールが貫通形成されている。このスルーホールには、金属材料が充填されている。これにより、スルーホール内の金属材料を介して、アイランドおよび内部端子とサーマルパッドおよび端子パッドとの間が、導通可能、熱伝導可能に接続される。サーマルパッドおよび端子パッドの表面は、これらの酸化防止のために金めっき層で被覆されており、この金めっき層に、実装基板（配線基板）上のランド（電極）と電気的に接続するため、および、半導体チップで発生する熱を実装基板に逃がすための、半田からなるバンプが接合される。
特開２０００−３４９１８６号公報

ところが、上述の構成では、次のア〜エのような問題がある。
（ア）金は、高価な金属であるため、製造コストが嵩む。
（イ）金は、半田に対して容易に拡散する。また、半田の組成によっては、銅層も半田中に拡散し、いわゆる銅食われが生じる。そのため、銅層と金めっき層との間に、拡散防止層としてのニッケル層を形成して、金めっき層とともに銅層が半田中へ拡散することを防ぐ必要がある。その結果、余計な製造コストや製造工程が必要となり、製造効率が低下する場合がある。
（ウ）アイランドおよび内部端子の表面の金めっき層は、アイランドおよび内部端子とともに樹脂に封止されているが、金と封止樹脂との密着性が高くないため、それらの接触界面から封止樹脂が剥離するおそれがある。
（エ）ＢＧＡ型半導体装置のサーマルパッドおよび端子パッドに接合されるバンプには、一定温度下で連続的に応力がかかる場合があるため、バンプのクリープ特性を向上させることが望まれるところ、金とバンプ（半田）との合金では、十分なクリープ特性を得ることが困難である。

そこで、この発明の目的は、低コストで簡単に作製することができ、半田からなる接合材のクリープ特性に優れ、かつ、封止樹脂との密着性に優れる半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するための請求項１記載の発明は、樹脂製の基板と、前記基板の一方面上に搭載される半導体チップと、前記基板の前記一方面上に銅を用いて形成され、前記半導体チップと電気的に接続される内部接続部と、前記内部接続部の表面上に銀を用いて形成される内部銀めっき層と、前記基板の前記一方面上を封止する封止樹脂と、前記基板の前記一方面と反対側の他方面上に銅を用いて形成され、外部との電気接続のための外部接続部と、前記外部接続部の表面上に銀を用いて形成される外部銀めっき層と、前記外部銀めっき層上に半田を用いて形成されるバンプと、を含むことを特徴としている。

この構成によれば、銅を用いて形成される内部接続部の表面上には、銀を用いて内部銀めっき層が形成されている。このように、内部接続部の表面上に形成されるめっき層が銀めっき層であるため、高価な金を用いて金めっき層を形成する場合と比べて、原料費を安く抑えることができる。
また、半導体チップと内部接続部とが、高融点半田などを用いて接合される場合、高融点半田の錫の含有量が少ないので、内部銀めっき層の銀の一部と半田に含まれる錫とが反応することによって、接合界面において凹凸が形成される。その結果、いわゆるアンカー効果が生じるので、半導体チップと内部接続部との接合強度を高めることができる。また、この場合には、銀が内部接続部に残存して銅の拡散防止層として機能するので、内部接続部と内部銀めっき層との間にニッケルめっき層を形成する必要がない。その結果、半導体装置全体としての製造コストを低減することができ、製造工程を簡略にすることができる。

また、内部接続部が形成された基板の一方面上は、封止樹脂によって封止されている。銀は、封止樹脂との密着性に優れているため、基板の一方面上を封止樹脂によって封止したときに、内部接続部に形成された内部銀めっき層と封止樹脂との間で、高い密着性を達成することができる。その結果、これらの接着界面から封止樹脂が剥離することを抑制することができる。

また、銅を用いて形成される外部接続部の表面上には、銀を用いて外部銀めっき層が形成されている。そして、この外部銀めっき層上に、半田を用いてバンプが形成されている。このとき、錫の含有量が多い半田などを用いてバンプを形成すれば、バンプ中に拡散する銀の量を増加させることができ、バンプのクリープ特性を向上させることができる。
なお、バンプ中の錫の含有量を適切に制御することによって、外部銀めっき層の一部を外部接続部の表面に残存させて銅の拡散防止層として機能させることもできる。

また、金を使用しないので、上述した製造コストの低減も図ることができる。
さらに、内部銀めっき層および外部銀めっき層は、双方ともに銀を用いためっきにより形成される層である。そのため、これらのめっき層を、同じ工程（銀めっき工程）で並行して形成することができる。その結果、製造工程を簡略にすることができる。また、内部接続部および外部接続部を構成する銅は、内部銀めっき層および外部銀めっき層によって、それぞれ被覆されるため、銅の酸化を抑制するという効果を図ることもできる。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の実装基板に対向する面の図解的な平面図である。図２は、図１に示すＡ−Ａの切断面で切断したときの半導体装置を図解的に示す断面図である。なお、以下の説明において、本発明の請求項記載の構成要素に対応するものについては、請求項記載の構成要素を括弧書きで併記する。

主として図２を参照して、この半導体装置１は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）が採用された半導体装置であり、基板２と、基板２上に搭載される半導体チップ３と、基板２上を封止する封止樹脂４とを備えている。
基板２は、絶縁性樹脂（たとえば、ガラスエポキシ樹脂）からなる基板である。
基板２の一方面２Ａには、その中央部に、平面視で半導体チップ３よりやや大きいサイズを有する矩形薄板状のアイランド５（内部接続部）が形成されている。また、基板２の一方面２Ａの、アイランド５を取り囲む周縁部には、複数（この実施形態では、１６個）の内部端子８（内部接続部）が形成されている。

アイランド５および内部端子８は、銅を用いて形成され、導電性および熱伝導性を有している。
アイランド５の表面には、銀を用いためっきにより形成される、アイランド銀めっき層６（内部銀めっき層）が形成されている。また、内部端子８の表面には、銀を用いためっきにより形成される、内部端子銀めっき層９（内部銀めっき層）が形成されている。

そして、アイランド５上に、たとえば、高融点半田（融点が２６０℃以上の半田）からなる接合剤７を介して、半導体チップ３の裏面が接合（ダイボンディング）される。
半導体チップ３の基体をなす半導体基板（たとえば、シリコン基板）には、たとえば、パワーＩＣが作り込まれている。また、半導体チップ３の最表面は、表面保護膜で覆われており、複数のパッド（図示せず）が、表面保護膜から露出した状態に設けられている。この複数のパッドが、各内部端子８（より詳しくは、内部端子８の表面に形成される内部端子銀めっき層９）と、たとえば、金細線からなるボンディングワイヤ１０を介して接続（ワイヤボンディング）される。

このように、半導体チップ３がアイランド５に接合され、内部端子８が半導体チップ３の複数のパッド（図示せず）に接続されることにより、半導体チップ３は、その裏面がアイランド５と熱伝導可能および導通可能に接続され、内部回路（図示せず）がボンディングワイヤ１０を介して内部端子８と導通可能に接続される。
そして、基板２の一方面２Ａ上に封止樹脂４が形成されており、この封止樹脂４によって、半導体チップ３、アイランド銀めっき層６が形成されたアイランド５、および、内部端子銀めっき層９が形成された内部端子８が、封止されている。

封止樹脂４に用いられる材料としては、たとえば、ビフェニル系エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック（ＯＣＮ）系エポキシ樹脂、多官能系エポキシ樹脂、および、ジシクロペンタジエン系エポキシ樹脂などが挙げられる。封止樹脂４の材料として、好ましくは、ビフェニル系エポキシ樹脂が挙げられる。
これらのエポキシ樹脂と銀との密着性は、特に優れているため、封止樹脂４と内部端子銀めっき層９との間で、優れた密着性を達成することができる。

一方、基板２の他方面（下面）２Ｂには、その中央部（基板２を挟んでアイランド５と対向する位置）に、アイランド５とほぼ同じ形状（平面形状および厚み）を有するサーマルパッド１７（外部接続部）が形成されている。また、基板２の他方面２Ｂの、サーマルパッド１７を取り囲む周縁部には、内部端子８とほぼ同じ形状（平面形状および厚み）を有する複数の端子パッド１１（外部接続部）が形成されている。

サーマルパッド１７および複数の端子パッド１１は、銅を用いて形成され、導電性および熱伝導性を有している。
サーマルパッド１７表面には、銀を用いためっきにより形成される、サーマル銀めっき層１８（外部銀めっき層）が形成されている。また、端子パッド１１の表面には、銀を用いためっきにより形成される、外部端子銀めっき層１２（外部銀めっき層）が形成されている。

そして、基板２には、内部端子８と端子パッド１１との間において、これらを導通可能に接続するための端子間接続ビア１３が貫通して形成されている。
端子間接続ビア１３は、たとえば、基板２を貫通するビアホールを形成し、このビアホール内を金属材料（たとえば、銅）で埋め尽くすことにより形成されている。これにより、内部端子８と端子パッド１１とが、端子間接続ビア１３を介して、導通可能に接続される。

また、基板２には、アイランド５とサーマルパッド１７との間において、それらを熱伝導可能および導通可能に接続するための複数のサーマルビア２０が貫通して形成されている。
サーマルビア２０は、たとえば、基板２を貫通するビアホールを形成し、このビアホール内を金属材料（たとえば、銅）で埋め尽くすことにより形成されている。これにより、アイランド５とサーマルパッド１７とは、複数のサーマルビア２０を介して、熱伝導可能に接続されるとともに、電気的にも接続されている。

端子パッド１１の外部端子銀めっき層１２には、実装基板（配線基板）１４上のランド（電極）１５と電気的に接続するための外部端子１６（バンプ）が接合されている。
サーマルパッド１７のサーマル銀めっき層１８には、半導体チップ３から発生した熱を実装基板１４に逃がすためのサーマルバンプ１９（バンプ）が接合されている。
外部端子１６およびサーマルバンプ１９は、半田を用いて形成され、たとえば、ボール状、ペースト状に形成されている。

外部端子１６およびサーマルバンプ１９（半田）の組成としては、たとえば、各外部端子１６および各サーマルバンプ１９全重量に対して、Ｓｎ（錫）が８９〜９６．９重量％、Ａｇ（銀）が３〜１０重量％およびＣｕ（銅）が０．１〜１重量％含まれることが好ましい。このような組成を有する半田としては、たとえば、９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、９５．８Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．７Ｃｕおよび９５．４Ｓｎ−３．９Ａｇ−０．７Ｃｕで示される組成となる半田が挙げられる。外部端子１６およびサーマルバンプ１９が、このように、錫の含有量が相対的に多い半田であれば、外部端子１６およびサーマルバンプ１９のクリープ特性を向上させることができる。

なお、基板２の他方面２Ｂは、ソルダレジスト２１で覆われている。外部端子１６およびサーマルバンプ１９は、ソルダレジスト２１から一部が突出した状態に設けられている。
そして、この半導体装置１は、基板２の他方面２Ｂ側を実装基板１４に対向させて、外部端子１６を実装基板１４上のランド１５に接続することにより、実装基板１４に対する表面実装が達成される。すなわち、基板２の一方面２Ａ上の内部端子８と他方面２Ｂ上の外部端子１６とが、端子間接続ビア１３によって電気的に接続されているので、外部端子１６を実装基板１４上のランド１５に接続することにより、ランド１５と内部端子８との電気的な接続を達成することができ、ひいてはランド１５と半導体チップ３との電気的な接続を達成することができる。

さらに、実装基板１４上にグランド電極２２が設けられる場合、半導体装置１が実装基板１４に実装された状態で、サーマルバンプ１９が実装基板１４上のグランド電極２２に接続されることにより、半導体チップ３の裏面が、接合剤７、アイランド銀めっき層６、アイランド５、サーマルビア２０、サーマルパッド１７、サーマル銀めっき層１８およびサーマルバンプ１９を介してグランド電極２２と電気的に接続される。これにより、半導体チップ３の裏面をグランド電位とすることができ、半導体チップ３の良好な動作（パワーＩＣの動作）を確保することができる。つまり、この場合、サーマルバンプ１９は、外部のグランド電極２２と電気接続される外部端子として機能する。

以上のように、半導体装置１において、銅を用いて形成される内部端子８の表面には、銀を用いて内部端子銀めっき層９が形成されている。そのため、高価な金を用いて金めっき層を形成する場合と比べて、原料費を安く抑えることができる。
また、銀は封止樹脂４との密着性に優れているため、基板２の一方面２Ａ上を封止樹脂４によって封止したときに、内部端子８に形成された内部端子銀めっき層９と封止樹脂４との間で、高い密着性を達成することができる。その結果、これらの接着界面から封止樹脂４が剥離することを抑制することができる。なお、アイランド５の表面に、銀を用いてアイランド銀めっき層６を形成することによっても、内部端子８の表面に、内部端子銀めっき層９を形成した場合と同様の効果を得ることができる。

また、アイランド５の表面に、銀を用いてアイランド銀めっき層６が形成されている。そのため、接合剤７として、高融点半田を用いて半導体チップ３とアイランド５とを接合すれば、高融点半田の錫の含有量が少ないので、アイランド銀めっき層６の銀の一部と半田に含まれる錫とが反応することによって、接合界面において凹凸が形成される。その結果、いわゆるアンカー効果が生じるので、半導体チップ３とアイランド５との接合強度を高めることができる。また、この場合には、銀がアイランド５の表面に残存して銅の拡散防止層として機能するので、アイランド５とアイランド銀めっき層６との間にニッケルめっき層を形成する必要がない。その結果、半導体装置全体としての製造コストを低減することができ、製造工程を簡略にすることができる。

また、銅を用いて形成される端子パッド１１の表面には、銀を用いて外部端子銀めっき層１２が形成されている。そして、この外部端子銀めっき層１２の上に、半田からなる外部端子１６が接合されている。外部端子銀めっき層１２が銀を用いて形成されているため、外部端子銀めっき層１２に外部端子１６が接合されると、外部端子銀めっき層１２の銀の一部が外部端子１６中に拡散し、外部端子１６中の銀の含有量が増加する。その結果、外部端子１６のクリープ特性を向上させることができる。

さらに、外部端子銀めっき層１２として、金を使用しないので、上述した製造コストの低減も図ることができる。なお、サーマルパッド１７の表面に、銀を用いてサーマル銀めっき層１８を形成し、さらに、サーマル銀めっき層１８の上にサーマルバンプ１９を接合することによっても、外部端子銀めっき層１２に外部端子１６を接合した場合と同様の効果を得ることができる。

また、内部端子銀めっき層９、アイランド銀めっき層６、外部端子銀めっき層１２、および、サーマル銀めっき層１８は、全て銀を用いためっきにより形成される層であるため、これらのめっき層を、同じ工程（銀めっき工程）で並行して形成することができる。その結果、製造工程を簡略にすることができる。
そのうえ、内部端子８、アイランド５、端子パッド１１、および、サーマルパッド１７を構成する銅は、内部端子銀めっき層９、アイランド銀めっき層６、外部端子銀めっき層１２、および、サーマル銀めっき層１８によって、それぞれ被覆されるため、銅の酸化を抑制するという効果を図ることもできる。

以上、この発明の一実施形態を説明したが、この発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、上述の実施形態では、内部端子８、アイランド５、端子パッド１１、および、サーマルパッド１７の表面上に、直接内部端子銀めっき層９、アイランド銀めっき層６、外部端子銀めっき層１２、および、サーマル銀めっき層１８を形成したが、内部端子８と内部端子銀めっき層９との間、アイランド５とアイランド銀めっき層６との間、端子パッド１１と外部端子銀めっき層１２との間、および、サーマルパッド１７とサーマル銀めっき層１８との間に、下地層としてニッケルめっき層を形成してもよい。

また、上述の実施形態では、接合剤７として、高融点半田を用いたが、たとえば、銀ペーストを用いてもよい。
また、上述の実施形態では、外部端子銀めっき層１２の一部を端子パッド１１の表面に残すことのできる半田組成を例示したが、外部端子１６のクリープ特性のさらなる向上を図るべく、外部端子銀めっき層１２の銀が、全て外部端子１６中に拡散するように、外部端子１６の半田組成を調整してもよい。

また、上述の実施形態では、ＢＧＡが採用された半導体装置を取り上げたが、この発明は、基板２の他方面２Ｂに複数のランド（薄板状の外部端子）が整列した、いわゆるＬＧＡ（Land Grid Array）が採用された半導体装置に適用されてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係る半導体装置の実装基板に対向する面の図解的な平面図である。 図１に示すＡ−Ａの切断面で切断したときの断面図である。

符号の説明

１ 半導体装置
２ 基板
３ 半導体チップ
４ 封止樹脂
５ アイランド
６ アイランド銀めっき層
８ 内部端子
９ 内部端子めっき層
１１ 端子パッド
１２ 外部端子銀めっき層
１６ 外部端子
１７ サーマルパッド
１８ サーマル銀めっき層

Claims (1)

1. 樹脂製の基板と、
   前記基板の一方面上に搭載される半導体チップと、
   前記基板の前記一方面上に銅を用いて形成され、前記半導体チップと電気的に接続される内部接続部と、
   前記内部接続部の表面上に銀を用いて形成される内部銀めっき層と、
   前記基板の前記一方面上を封止する封止樹脂と、
   前記基板の前記一方面と反対側の他方面上に銅を用いて形成され、外部との電気接続のための外部接続部と、
   前記外部接続部の表面上に銀を用いて形成される外部銀めっき層と、
   前記外部銀めっき層上に半田を用いて形成されるバンプと、を含むことを特徴とする、半導体装置。

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