JP2009094353A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半田接合部の温度履歴によるクラック等の発生を防止した半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置１００は、半導体素子１１０と配線基板１２０とが絶縁性接着層１２４を介して接着された構造を有している。半導体素子１１０の一方の面には金属製バンプ電極１１１が形成されている。また配線基板１２０は、絶縁性基材１２１の上に導電性配線層１２３が形成されており、導電性配線層１２３の上には半田層１２２が形成されている。導電性配線層１２３が絶縁性基材１２１側に窪んだ凹形状に変形した状態で金属製バンプ電極１１１と半田接合される構造としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に係り、特にＷＬＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）の半導体装置およびその製造方法に関するものである。

半導体パッケージの構造として、半導体チップ上の電極部に形成されたバンプを介して、配線基板上の電極に直接接続するフリップチップ実装技術が注目されている（例えば、特許文献１）。
フリップチップ実装方式としては、チップ電極部に半田バンプを設け、半田接続により電気的導通を達成する方式が主流であるが、昨今の狭ピッチ化に対応する別の方式として、チップ電極上に金バンプを設け、金バンプと配線基板上の電極とを導電性接着材を介して接続する方法、あるいは、配線基板の電極上に設けた半田層と金バンプとを半田接続する方法が増えてきている。
特開２００７−２１４５６３号公報

しかしながら、導電性接着材層を介して接続する方法は接触導通であることから、温度変化に伴う接合部の歪により接触状態が不安定となり、接続信頼性が安定しないという問題がある。

また、半田層と金バンプとを半田接続する方法は、昨今の半田材料の鉛フリー化の動きにより、使用される半田の融点が上がっているため、半田付けの際の温度履歴により配線基板の伸び、変形、収縮等によって、金バンプと半田との接合部にクラックや破断が生じることがあるといった問題がある。また、半導体装置として使用中においても、電源のＯＮ／ＯＦＦによる半導体チップの発熱／冷却に伴う熱ストレスが加わり、半田接合部にクラックや破断を発生させるおそれがある。

そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、半田接合部の温度履歴によるクラック等の発生を防止した半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置の第１の態様は、金属製バンプ電極が形成された半導体素子と、前記金属製バンプ電極と対向する位置に半田層を有する導電性配線層が絶縁性基材の上に形成された配線基板と、前記半導体素子と前記配線基板との間に配設されて両者を接着する絶縁性接着層と、を備え、前記導電性配線層は、前記絶縁性基材側に窪んだ凹形状に変形されて前記半田層により前記金属製バンプ電極と半田接合されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置の他の態様は、前記導電性配線層と前記金属製バンプ電極との間隙は、前記半田層によって充填されていることを特徴とする。

本発明の半導体装置の他の態様は、前記絶縁性接着層の弾性係数は、前記絶縁性基材の弾性係数よりも小さいことを特徴とする。

本発明の半導体装置の他の態様は、前記導電性配線層の弾性係数は、前記絶縁性基材の弾性係数よりも小さいことを特徴とする。

本発明の半導体装置の他の態様は、前記絶縁性基材の常温における弾性係数は、６ＧＰａ以下であることを特徴とする。

本発明の半導体装置の他の態様は、前記金属製バンプ電極は、尖塔部を有する形状のＡｕスタッドバンプであることを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法の第１の態様は、金属製バンプ電極が形成された半導体素子を、前記金属製バンプ電極と対向する位置に半田層を有する導電性配線層が絶縁性基材の上に形成された配線基板に接合する半導体装置の製造方法であって、前記配線基板上に絶縁性接着層を配設する接着層配設工程と、前記金属製バンプ電極と前記半田層との位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記導電性配線層が前記絶縁性基材側に窪んだ凹形状に変形されるまで前記半導体素子を前記配線基板に押圧して前記半田層で前記金属製バンプ電極と前記導電性配線層とを半田接合させる接合工程と、を有していることを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法の他の態様は、前記接合工程では、前記金属製バンプ電極と前記導電性配線層との間隙が前記半田層によって隙間無く充填されるように、前記半導体素子を前記配線基板に押圧することを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法の他の態様は、前記接着層配設工程では、前記金属製バンプ電極の高さよりも小さい厚さの前記絶縁性接着層を前記配線基板上に配設することを特徴とする。

本発明によれば、導電性配線層を絶縁性基材側に窪んだ凹形状に変形させることで、金属製バンプ電極と導電性配線層との接合部に半田層を集中させて隙間なく充填させることにより、導電性配線層と金属製バンプ電極との接合強度を高めた半導体装置およびその製造方法を提供することが可能となる。本発明によれば、導電性配線層と金属製バンプ電極との接合強度を高めることで、半田接合部の温度履歴によるクラック等の発生を防止することができる。

本発明の好ましい実施の形態における半導体装置およびその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。本発明は、フリップチップ接合構造を有する半導体装置およびその製造方法に係るものであって、半導体素子上の微細電極と配線基板との接合に好適な技術である。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を、図１に示す断面図を用いて説明する。半導体装置１００は、半導体素子１１０と配線基板１２０とが絶縁性接着層１２４を介して接着された構造を有している。半導体素子１１０の一方の面には金属製バンプ電極１１１が形成されている。また配線基板１２０は、絶縁性基材１２１の上に導電性配線層１２３が形成されており、導電性配線層１２３の上には半田層１２２が形成されている。

半田層１２２は、導電性配線層１２３上の金属製バンプ電極１１１と対向する位置に設けられており、半導体素子１１０と配線基板１２０とを接着させたときに、半田層１２２と金属製バンプ電極１１１との位置が一致するように配置されている。本実施形態では、金属製バンプ電極１１１として金を用いた金スタッドバンプを形成しており、半田層１２２にはＳｎＡｇを、また導電性配線層１２３にはＣｕを用いている。

従来、金属製バンプ電極と導電性配線層とを半田接合する半田層にクラックや破断等が生じるのは、以下のような原因によるものである。半田接合が行われる際には、半田層が２３０℃以上の高温に加熱されるが、半導体素子の線膨張係数が約３．０ｐｐｍ／℃であるのに対し、配線基板は１６．０ｐｐｍ／℃以上の大きな線膨張係数を有している。そのため、半導体素子に比べて配線基板の方が大きく熱膨張することとなる。同様に、冷却時にも配線基板の方が大きく収縮することとなる。このような半導体素子と配線基板との間の熱膨張差によって、半田層に大きなストレスが加わり、その結果半田層にクラックや破断が発生する。

金属製バンプ電極と導電性配線層とを半田接合する半田層に温度変化が加えられるのは、上記の半田接合するときだけでなく、半導体装置として使用中にも行われている。すなわち、半導体装置として使用中には、電源のＯＮ／ＯＦＦによる半導体素子の発熱／冷却に伴う熱ストレスが加わっている。このような温度履歴によっても、半田層にクラックや破断を発生させるおそれがある。

そこで、本実施形態では、半田層に温度履歴が加えられてもクラックや破断を発生しないようにするために、導電性配線層１２３が絶縁性基材１２１側に窪んだ凹形状に変形した状態で金属製バンプ電極１１１と半田接合される構造としている。すなわち、導電性配線層１２３は、中央部が絶縁性基材１２１側に窪んだ凹形状に変形されており、その窪んだ部分に金属製バンプ電極１１１が配置されて導電性配線層１２３と接触導通している。さらに、金属製バンプ電極１１１と導電性配線層１２３との間は、半田層１２２で充填されて半田接合されている。これにより、半田層１２２にクラックや破断が発生しない強固な半田接合を実現している。金属製バンプ電極１１１と導電性配線層１２３との間は、半田層１２２で隙間なく充填されているのがよい。

本実施形態の半導体装置１００では、上記のような強固な半田接合を実現するために、半導体素子１１０と配線基板１２０との間に配設されて両者を接着している絶縁性接着層１２４の弾性係数を、絶縁性基材１２１の弾性係数よりも小さくしている。これにより、半導体素子１１０と配線基板１２０との間で線膨張係数に差がある場合でも、両者に大きなストレスをかけることなく接着固定することができる。絶縁性接着層１２４の硬化前の弾性係数を、例えば１ＧＰａ程度とすることができる。このとき、硬化過程での弾性係数は１ＭＰａ程度となる。

また、導電性配線層１２３の弾性係数を、例えば６１ＧＰａ程度とすることができる。さらに、絶縁性基材１２１の常温（２０℃程度）における弾性係数を６ＧＰａ以下とするのがよい。この場合には、導電性配線層１２３を絶縁性基材１２１側に窪ませて凹形状に形成しやすくなる。

上記のように、半導体素子１１０を配線基板１２０に接着させるとき、導電性配線層１２３が凹形状に変形されていることで、導電性配線層１２３上に配設された半田層１２２が金属製バンプ電極１１１のほぼ全体を覆うようにして導電性配線層１２３と半田接合することができる。これにより、金属製バンプ電極１１１と導電性配線層１２３との間を半田層１２２で強固に半田接合させることが可能となる。

次に、本発明の半導体装置の製造方法の実施形態を以下に説明する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、図１に示した半導体素子１１０と配線基板１２０とを絶縁性接着層１２４を介して接合することで半導体装置１００を製造する方法である。以下では、本実施形態の半導体装置の製造方法を、図２、３に示す一実施例を用いて説明する。図２は、配線基板１２０を製造する工程の一実施例を示す工程図であり、図３は、配線基板１２０に半導体素子１１０を接合して半導体装置１００を製造する工程の一実施例を示す工程図である。

配線基板１２０を製造する工程では、まず図２（ａ）に示す第１の工程で平板形状の絶縁性基材１２１を形成する。絶縁性基材１２１は、例えばエポキシ樹脂とアクリル樹脂を主体とした混合物を用い、厚さを７５μｍとして形成することができる。絶縁性基材１２１の弾性係数は、常温（２０℃程度）における硬化状態で６ＧＰａ以下とするのがよく、例えば２０℃における弾性率を１．５ＧＰａとすることができる。

次の図２（ｂ）に示す第２の工程において、スパッタリング法および電解メッキ法を用いて絶縁性基材１２１の表面上に厚さ１２μｍのＣｕ箔１２３ａを形成する。図２（ｃ）に示す第３の工程では、Ｃｕ箔１２３ａを一般的な手法によりエッチングすることによって、導電性配線層１２３を形成する。

図２（ｄ）に示す第４の工程では、半導体素子１１０に形成された金属製バンプ電極１１１と対向する導電性配線層１２３上の位置に、半田層１２２を形成する。これは、導電性配線層１２３上の金属製バンプ電極１１１と対向する位置以外をマスキングし、電気メッキ法を用いてマスキングされていない部分にＳｎＡｇ系半田を析出させることで形成することができる。

図２（ｅ）に示す第５の工程は接着層配設工程であり、半田層１２２が形成された配線基板１２０の上に、厚さ３０μｍの半硬化状態のエポキシ系接着シートをラミネートして絶縁性接着層１２４を形成する。
以上の工程により、配線基板１２０が形成される。

次に、配線基板１２０に半導体素子１１０を接合して半導体装置１００を製造する工程を、図３に示す工程図を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すバンプ形成工程では、半導体素子１１０の所定の位置にＡｕ線をボールボンディングした後、これを引きちぎるようにして尖塔部を有する形状のＡｕスタッドバンプを形成している。このような方法を用いることで、図４に示すような先端が尖ったＡｕスタッドバンプの金属製バンプ電極１１１を形成することができる。

金属製バンプ電極（Ａｕスタッドバンプ）１１１の形状は、図４に示すバンプ径Ｄを６０〜７０μｍ、バンプ高さＨを５５〜７０μｍとするのがよい。特に、金属製バンプ電極１１１の高さＨは、配線基板１２０に形成されている絶縁性接着層１２４の厚さより大きくするのがよい。

図３（ｂ）に示す位置合わせ工程では、金属製バンプ電極（Ａｕスタッドバンプ）１１１とＳｎＡｇ系半田層１２２との位置が一致するように、フリップチップボンダーを用いて半導体素子１１０と配線基板１２０との位置合わせを行う。

図３（ｃ）に示す接合工程では、中央部が絶縁性基材１２１側に窪んだ凹形状となるように導電性配線層１２３を加工した後、半導体素子１１０を配線基板１２０の絶縁性接着層１２４の上に載置し、半導体素子１１０を配線基板１２０側に押圧する。押圧した状態で、温度２６０℃にて３０秒間加圧することで、ＳｎＡｇ系半田層１２２を溶融させて金属製バンプ電極（Ａｕスタッドバンプ）１１１と導電性配線層１２３とを半田接合する。溶融したＳｎＡｇ系半田層１２２は、導電性配線層１２３の窪みに集中して金属製バンプ電極１１１と導電性配線層１２３との間の隙間を埋めて両者を強固に半田接合する。

比較のために、従来の半導体装置の製造方法を用いて製造した半導体装置の半田接合部の模式図を図５に示す。図５に示す従来の半導体装置２００では、絶縁性基材２２１として弾性係数が本実施形態の絶縁性基材１２１より大きい６．５ＭＰａのポリイミドフィルムを用いており、金属製バンプ電極２１１は本実施形態と同様のＡｕスタッドバンプとしている。この従来例では、本実施形態の導電性配線層１２３に見られるような凹形状の変形が、導電性配線層２２３には形成されていない。そのため、金属製バンプ電極２１１と導電性配線層２２３との間を十分な量の半田層２２２で埋めることはできず、十分な強度の半田接合が実現できていない。

本実施形態の半導体装置１００と従来例の半導体装置２００に対し、温度を−６５℃として７分間維持した状態と、温度を１５０℃として７分間維持した状態とを１サイクルとする熱衝撃試験を実施した。その結果、本実施形態の半導体装置１００では、１０００サイクルの熱衝撃試験を実施した後も金属製バンプ電極１１１であるＡｕスタッドバンプと導電性配線層１２３との接合部にクラックや破断等は生じなかった。これに対し、従来例の半導体装置２００では、５００サイクル程度から金属製バンプ電極２１１であるＡｕスタッドバンプと導電性配線層２２３との半田接合部にクラック進展に伴う破断が発生した。

上記説明の通り、本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、導電性配線層を凹形状に変形させて金属製バンプ電極との間で強固に半田接合させることが可能となることから、温度変化によって半導体素子と配線基板との間で熱膨張差が発生しても、金属製バンプ電極と導電性配線層との接合部にクラックや破断が発生するのを防止することができる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る半導体装置およびその製造方法の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における半導体装置およびその製造方法の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法により配線基板を製造する工程を説明するための工程図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法により配線基板と半導体素子とを接合する工程を説明するための工程図である。 第１の実施形態に係る半導体装置の金属製バンプ電極の断面図である。 従来の半導体装置の製造方法を用いて製造した半導体装置の半田接合部の模式図である。

符号の説明

１００、２００ 半導体装置
１１０ 半導体素子
１１１、２１１ 金属製バンプ電極
１２０，２２０ 配線基板
１２１、２２１ 絶縁性基材
１２２、２２２ 半田層
１２３、２２３ 導電性配線層
１２３ａ Ｃｕ箔
１２４ 絶縁性接着層

Claims (9)

1. 金属製バンプ電極が形成された半導体素子と、
   前記金属製バンプ電極と対向する位置に半田層を有する導電性配線層が絶縁性基材の上に形成された配線基板と、
   前記半導体素子と前記配線基板との間に配設されて両者を接着する絶縁性接着層と、を備え、
   前記導電性配線層は、前記絶縁性基材側に窪んだ凹形状に変形されて前記半田層により前記金属製バンプ電極と半田接合されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 前記導電性配線層と前記金属製バンプ電極との間隙は、前記半田層によって充填されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記絶縁性接着層の弾性係数は、前記絶縁性基材の弾性係数よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記導電性配線層の弾性係数は、前記絶縁性基材の弾性係数よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１乃至３に記載の半導体装置。
5. 前記絶縁性基材の常温における弾性係数は、６ＧＰａ以下である
   ことを特徴とする請求項１乃至４に記載の半導体装置。
6. 前記金属製バンプ電極は、尖塔部を有する形状のＡｕスタッドバンプである
   ことを特徴とする請求項１乃至５に記載の半導体装置。
7. 金属製バンプ電極が形成された半導体素子を、前記金属製バンプ電極と対向する位置に半田層を有する導電性配線層が絶縁性基材の上に形成された配線基板に接合する半導体装置の製造方法であって、
   前記配線基板上に絶縁性接着層を配設する接着層配設工程と、
   前記金属製バンプ電極と前記半田層との位置合わせを行う位置合わせ工程と、
   前記導電性配線層が前記絶縁性基材側に窪んだ凹形状に変形されるまで前記半導体素子を前記配線基板に押圧して前記半田層で前記金属製バンプ電極と前記導電性配線層とを半田接合させる接合工程と、を有している
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 前記接合工程では、前記金属製バンプ電極と前記導電性配線層との間隙が前記半田層によって隙間無く充填されるように、前記半導体素子を前記配線基板に押圧する
   ことを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記接着層配設工程では、前記金属製バンプ電極の高さよりも小さい厚さの前記絶縁性接着層を前記配線基板上に配設する
   ことを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
   

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