JP2009218233A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 フリップチップ実装におけるバンプや電極パッドに加わる応力集中を、工程の複雑化を招かずに効果的に緩和できる半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体素子2表面に配置された外部接続用の素子電極パッド3と配線基板4表面に配置された基板電極パッド5とを備え、互いに対向する素子電極パッド3と基板電極パッド5とがバンプ6を介して接続されている半導体装置において、半導体素子2の幾何学中心21から放射方向の幅より放射方向と直交する方向の長さの方が大きい細長い形状の第1素子電極パッド3b及び第2基板電極パッド5bを有する構成とする。
【選択図】 図1
【解決手段】 半導体素子2表面に配置された外部接続用の素子電極パッド3と配線基板4表面に配置された基板電極パッド5とを備え、互いに対向する素子電極パッド3と基板電極パッド5とがバンプ6を介して接続されている半導体装置において、半導体素子2の幾何学中心21から放射方向の幅より放射方向と直交する方向の長さの方が大きい細長い形状の第1素子電極パッド3b及び第2基板電極パッド5bを有する構成とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体素子が配線基板へフリップチップ実装された半導体装置及びその製造方法に関する。
電子機器の小型軽量化には、半導体チップの集積度の向上と実装技術が大きな役割を果たしている。
実装技術として、半導体チップの実装には、ワイヤボンディングによりリードフレームを接続し、このリードフレームを介して配線基板とはんだで接続することが一般に行われていたが、最近では電子機器の小型化の要求が大きくなってきたことを受けて、半導体チップをダイレクトにプリント基板に実装するフリップチップ実装方式が多用されるようになってきている。
実装技術として、半導体チップの実装には、ワイヤボンディングによりリードフレームを接続し、このリードフレームを介して配線基板とはんだで接続することが一般に行われていたが、最近では電子機器の小型化の要求が大きくなってきたことを受けて、半導体チップをダイレクトにプリント基板に実装するフリップチップ実装方式が多用されるようになってきている。
図5にフリップチップ実装方式で用いられる半導体素子の電極パッドの配置及び形状を示す。
また、図6に図5のB−B’線に沿った断面図を示す。
これらの図に示すように、フリップチップ実装では、半導体素子100の表面に外部接続用の素子電極パッド200をマトリクス状に配置し、この素子電極パッド200にバンプ(金属突起)300と呼ばれる多数の凸部を形成し、このバンプ300を介して半導体素子100の回路と配線基板400の配線に接続された図示しない基板電極パッドとを接続するようになっている。
フリップチップ実装は、図6(a)に示すように、半導体素子100の素子電極パッド200に設けた、例えばはんだで形成されたバンプ300を配線基板400の基板電極パッドに押圧しつつ、リフロー炉を通してバンプ300を溶融してバンプ300の先端部を配線基板400の電極パッドと接合させ、その後、図6(b)に示すように、リフロー炉から出して冷却することにより行われる。
また、図6に図5のB−B’線に沿った断面図を示す。
これらの図に示すように、フリップチップ実装では、半導体素子100の表面に外部接続用の素子電極パッド200をマトリクス状に配置し、この素子電極パッド200にバンプ(金属突起)300と呼ばれる多数の凸部を形成し、このバンプ300を介して半導体素子100の回路と配線基板400の配線に接続された図示しない基板電極パッドとを接続するようになっている。
フリップチップ実装は、図6(a)に示すように、半導体素子100の素子電極パッド200に設けた、例えばはんだで形成されたバンプ300を配線基板400の基板電極パッドに押圧しつつ、リフロー炉を通してバンプ300を溶融してバンプ300の先端部を配線基板400の電極パッドと接合させ、その後、図6(b)に示すように、リフロー炉から出して冷却することにより行われる。
ところで、近年は半導体素子の多ピン化により端子密度が高密度化しており、素子電極パッドが小形化、かつ半導体素子パッケージが大型化している。このため、半導体素子と配線基板間の素材の熱膨張率差によるストレスが、半導体素子と配線基板の接続部に影響し易くなっている。
図5、6の例では、素子電極パッド200が半導体素子100表面全面に配置されているフリップチップ型半導体素子100を配線基板400とはんだづけする場合、リフロー炉の高温環境下ではんだバンプ300が溶融し接続された後、冷却過程においてはんだバンプ300が凝固する際、膨張率の差により半導体素子100より配線基板400側がより多く収縮500する。このため、半導体素子100と配線基板400の接続部に応力が発生する。
とりわけ、半導体素子100の外周周辺部ほどバンプ300の破壊600,バンプ300と素子電極パッド200の接続部の破壊700が発生しやすくなっている。
図5、6の例では、素子電極パッド200が半導体素子100表面全面に配置されているフリップチップ型半導体素子100を配線基板400とはんだづけする場合、リフロー炉の高温環境下ではんだバンプ300が溶融し接続された後、冷却過程においてはんだバンプ300が凝固する際、膨張率の差により半導体素子100より配線基板400側がより多く収縮500する。このため、半導体素子100と配線基板400の接続部に応力が発生する。
とりわけ、半導体素子100の外周周辺部ほどバンプ300の破壊600,バンプ300と素子電極パッド200の接続部の破壊700が発生しやすくなっている。
一方、最近は鉛フリー化のため、SnAgCuはんだなどはんだ材質が硬い材料を使わざるを得なくなっている。ところが、はんだバンプが硬いと、発生したストレスが半導体素子や配線基板のパッドに直接加わることになり、パッドの破壊等が発生するおそれがあった。
図5、6の例で見ると、はんだバンプ300が硬い場合、上述したように発生したストレスが直接半導体素子100や配線基板400のパッドに加わり、パッドの破壊を加速する要因にもなっている。
そこで、半導体素子と配線基板との素材間の熱膨張率の差から生じるバンプやパッドに対する応力集中を緩和し、接続信頼性を向上させる方法として、例えば特許文献1、2で示されているように、素子電極パッドを柔軟性のある樹脂板の上に形成する方法が提案されている。
図5、6の例で見ると、はんだバンプ300が硬い場合、上述したように発生したストレスが直接半導体素子100や配線基板400のパッドに加わり、パッドの破壊を加速する要因にもなっている。
そこで、半導体素子と配線基板との素材間の熱膨張率の差から生じるバンプやパッドに対する応力集中を緩和し、接続信頼性を向上させる方法として、例えば特許文献1、2で示されているように、素子電極パッドを柔軟性のある樹脂板の上に形成する方法が提案されている。
しかしながら、上記のような素子電極パッドを柔軟性のある樹脂板の上に形成して応力を緩和する方法は、製造工程が複雑になるという問題があった。
本発明の目的は、上述した課題であるフリップチップ実装におけるバンプや電極パッドに加わる応力集中を、工程の複雑化を招かずに効果的に緩和できる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の半導体装置は、半導体素子表面に配置された外部接続用の素子電極パッドと配線基板表面に配置された基板電極パッドとを備え、互いに対向する前記素子電極パッドと前記基板電極パッドとがバンプを介して接続されている半導体装置であって、前記素子電極パッド及び前記基板電極パッドが、前記バンプが応力変形可能な形状に形成された構成としてある。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体素子の表面にほぼ長方形状の外部接続用の素子電極パッドを形成する工程と、前記素子電極パッドの上に板状又は柱状のバンプを形成する工程と、配線基板の表面の前記半導体素子の素子電極パッドと対向する位置にほぼ長方形状の基板電極パッドを形成する工程と、前記半導体素子の前記バンプと前記配線基板の基板電極パッドとを対向させながら前記バンプを溶融して前記バンプと前記基板電極パッドとを接続する工程とを有する方法としてある。
本発明の半導体装置によれば、フリップチップ実装におけるバンプによって接続される配線基板の基板電極パッドと半導体素子の素子電極パッドの形状に対応して、バンプが応力で変形し易い形状となり、接続部分に発生する応力集中をバンプの変形で吸収して緩和することが可能になり、接続信頼性を向上させることができる。
半導体素子と配線基板の電極パッドのそれぞれの形状の変更とバンプの形成は、電極パッドとバンプを形成する工程でレジストの露光パターンを変更するだけでよいため、製造工程を増加させることはない。
半導体素子と配線基板の電極パッドのそれぞれの形状の変更とバンプの形成は、電極パッドとバンプを形成する工程でレジストの露光パターンを変更するだけでよいため、製造工程を増加させることはない。
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置における半導体素子の表面全面にマトリクス状に配置されている素子電極パッドの配列と形状の概念を示す電極パッドの配列図である。
図2は、図1のA−A’に沿った半導体装置の概略の断面図である。
これらの図に示す本実施形態に係る半導体装置1を構成する半導体素子2は、大規模集積回路(LSI)と呼ばれる半導体チップであり、シリコンウエハなどの半導体基板に各種のトランジスタ等が高密度で形成されている。
そして、この半導体素子2の表面に配置された外部接続用の素子電極パッド3が、配線基板4の表面に配置された基板電極パッド5とバンプ6を介して接続されるようになっており、半導体素子2側の素子電極パッド3及び配線基板4側の基板電極パッド5が、バンプ6が応力変形可能な形状に形成されるようになっている。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置における半導体素子の表面全面にマトリクス状に配置されている素子電極パッドの配列と形状の概念を示す電極パッドの配列図である。
図2は、図1のA−A’に沿った半導体装置の概略の断面図である。
これらの図に示す本実施形態に係る半導体装置1を構成する半導体素子2は、大規模集積回路(LSI)と呼ばれる半導体チップであり、シリコンウエハなどの半導体基板に各種のトランジスタ等が高密度で形成されている。
そして、この半導体素子2の表面に配置された外部接続用の素子電極パッド3が、配線基板4の表面に配置された基板電極パッド5とバンプ6を介して接続されるようになっており、半導体素子2側の素子電極パッド3及び配線基板4側の基板電極パッド5が、バンプ6が応力変形可能な形状に形成されるようになっている。
半導体素子2の表面全体は図示しない例えば絶縁性の窒化シリコンなどのパッシベーション膜で覆われており、外部との接続を行う素子電極パッド3a、3bが例えばアルミニウムで絶縁膜がない部分に設けられている。
素子電極パッド3a、3bには、バリアメタルがアルミニウム電極の表面に形成され、半導体素子2表面に露出している。
バリアメタルは、例えばTi(チタン)またはCr(クロム)等の下側膜と、Cu(銅)、Pd(パラジウム)、Ni(ニッケル)、Au(金)、W(タングステン)等の上側膜とからなっている。図1では、素子電極パッド3a、3bは半導体素子2の全面にマトリクス状に配列されている。
素子電極パッド3a、3bには、バリアメタルがアルミニウム電極の表面に形成され、半導体素子2表面に露出している。
バリアメタルは、例えばTi(チタン)またはCr(クロム)等の下側膜と、Cu(銅)、Pd(パラジウム)、Ni(ニッケル)、Au(金)、W(タングステン)等の上側膜とからなっている。図1では、素子電極パッド3a、3bは半導体素子2の全面にマトリクス状に配列されている。
そして、この半導体素子2の平面図での幾何学中心21が熱膨張の中心となると想定される。
そこで、本実施形態では、図1に示す素子電極パッド3a、3bの形状は、半導体素子2の幾何学中心21(図1参照)近傍と周辺部とで異なるように変更している。
幾何学中心21近傍の第1素子電極パッド3aは、通常と同様に円形状(又はほぼ正方形状)に形成されている。即ち、第1素子電極パッド3aは、半導体素子2の幾何学中心21からの放射方向の幅と放射方向と直交する方向の長さがほぼ一致する形状に形成されている。
そこで、本実施形態では、図1に示す素子電極パッド3a、3bの形状は、半導体素子2の幾何学中心21(図1参照)近傍と周辺部とで異なるように変更している。
幾何学中心21近傍の第1素子電極パッド3aは、通常と同様に円形状(又はほぼ正方形状)に形成されている。即ち、第1素子電極パッド3aは、半導体素子2の幾何学中心21からの放射方向の幅と放射方向と直交する方向の長さがほぼ一致する形状に形成されている。
一方、半導体素子2の幾何学中心21から所定距離離れた周辺部に配置されている第2素子電極パッド3bは、ほぼ長方形状となる細長い形状に形成されている。
この細長い第2素子電極パッド3bは、図面では細長い矩形状でその長い方の軸が幾何学中心21からの放射方向に対して直交する方向に配列している。即ち、細長い第2素子電極パッド3bは熱膨張の中心である幾何学中心21からの放射方向、即ち熱膨張方向に薄く、放射方向と直交する方向、即ち熱膨張方向と直交する方向に長い形状となっている。
この細長い第2素子電極パッド3bは、図面では細長い矩形状でその長い方の軸が幾何学中心21からの放射方向に対して直交する方向に配列している。即ち、細長い第2素子電極パッド3bは熱膨張の中心である幾何学中心21からの放射方向、即ち熱膨張方向に薄く、放射方向と直交する方向、即ち熱膨張方向と直交する方向に長い形状となっている。
そして、第1素子電極パッド3aには第1バンプ6a、第2素子電極パッド3bには第2バンプ6bが形成される。
第2素子電極パッド3bの形状は、熱膨張方向に薄い細長い形状であれば良く、図示した長方形に限らず、楕円形、レーストラック状の形状が例示される。
ここで、第2素子電極パッド3bの長い方の軸と短い方の軸の比率は適宜選択しうる。あまり薄すぎると半導体素子2の第2素子電極パッド3bと配線基板4の第2基板電極パッド5bとを第2バンプ6bを介して接続することが困難になる場合があり、厚すぎると熱応力を第2バンプ6bの変形で吸収することが困難になる。
そのため、厚さと長さの比は、1:2〜1:20の範囲で適宜選択しうる。
第2素子電極パッド3bの形状は、熱膨張方向に薄い細長い形状であれば良く、図示した長方形に限らず、楕円形、レーストラック状の形状が例示される。
ここで、第2素子電極パッド3bの長い方の軸と短い方の軸の比率は適宜選択しうる。あまり薄すぎると半導体素子2の第2素子電極パッド3bと配線基板4の第2基板電極パッド5bとを第2バンプ6bを介して接続することが困難になる場合があり、厚すぎると熱応力を第2バンプ6bの変形で吸収することが困難になる。
そのため、厚さと長さの比は、1:2〜1:20の範囲で適宜選択しうる。
また、第1素子電極パッド3aと第2素子電極パッド3bとを作り分ける領域は、これらのパッドに加わる熱応力を考慮して決定されるが、第2素子電極パッド3bを設ける領域は、半導体素子2の全体であっても良く、部分的に設ける場合は全部の面積の0.1〜0.7の面積を占める外周周辺部に設けることが好ましい。
半導体素子2がフェイスダウンで搭載される配線基板4は、例えばガラス布にエポキシ樹脂を含浸させたガラス−エポキシ樹脂複合材料、アラミド不織布にエポキシ樹脂を含浸させたアラミド−エポキシ樹脂複合材料などで構成され、例えば銅で配線が設けられている。
配線基板4の表面には、半導体素子2の素子電極パッド3a、3bと整合する位置に、同じ形状で第1素子電極パッド3aと対応する第1基板電極パッド5aと、第2素子電極パッド3bと対応する第2基板電極パッド5bがそれぞれ形成されている。
配線基板4の基板電極パッド5a、5bにはバンプ6a、6bを接合させるためのフラックスが塗布されている。
基板電極パッド5a、5bは配線基板4の配線と接続されている。
配線基板4の表面には、半導体素子2の素子電極パッド3a、3bと整合する位置に、同じ形状で第1素子電極パッド3aと対応する第1基板電極パッド5aと、第2素子電極パッド3bと対応する第2基板電極パッド5bがそれぞれ形成されている。
配線基板4の基板電極パッド5a、5bにはバンプ6a、6bを接合させるためのフラックスが塗布されている。
基板電極パッド5a、5bは配線基板4の配線と接続されている。
図2に示すように、バンプ6a、6bの形状は両端の電極パッド3a、5a、電極パッド3b、5bの形状に従って形成される。
従って、第1素子電極パッド3aと第1基板電極パッド5aとを接続する第1バンプ6aはほぼ円柱型に形成され、第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bとを接続する第2バンプ6bは板状又は柱状に形成される。
ここで、バンプ6a、6bの素材としては、例えば錫(Sn)−鉛(Pb)系、Sn−Ag(銀)系、Sn−Cu(銅)系等のはんだ合金の他、Sn−Ag−In(インジウム)系、Sn−Ag−Bi(ビスマス)系、Sn−Ag−Cu系等の無鉛合金が挙げられる。
従って、第1素子電極パッド3aと第1基板電極パッド5aとを接続する第1バンプ6aはほぼ円柱型に形成され、第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bとを接続する第2バンプ6bは板状又は柱状に形成される。
ここで、バンプ6a、6bの素材としては、例えば錫(Sn)−鉛(Pb)系、Sn−Ag(銀)系、Sn−Cu(銅)系等のはんだ合金の他、Sn−Ag−In(インジウム)系、Sn−Ag−Bi(ビスマス)系、Sn−Ag−Cu系等の無鉛合金が挙げられる。
また、図2に示すように、本実施形態の半導体装置1では、常温乃至室温では、半導体素子2に形成されている第2素子電極パッド3bの平面方向の位置が、配線基板4に形成されている第2基板電極パッド5bの位置と比較して半導体素子2の幾何学中心21から放射方向の周辺側へ偏位している。
これにより、第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bとを接続している第2バンプ6bが放射方向の外周側に向かって傾いている。
これにより、第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bとを接続している第2バンプ6bが放射方向の外周側に向かって傾いている。
このように、本実施形態に係る半導体装置1は、半導体素子2が配線基板4にフェイスダウンでフリップチップ実装されており、半導体素子2の外周周辺部の第2素子電極パッド3bと配線基板4の対応する第2基板電極パッド5bの形状が、これまでのものと変更され、更に電極パッド3b、5bの形状の変更に伴う第2バンプ6bの形状も変更されている(図5、6参照)。厳密には、後述するように、対向する電極パッド3b、5bの相対位置も変更されている。
具体的には、半導体素子2の外周周辺部に配置された第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bとを接続している第2バンプ6bが、半導体素子2の幾何学中心21からの放射方向に対して厚みが薄い板状又は柱状であり、かつ放射方向に対して水平面断面の細長い形状の長い軸が放射方向と直交する方向に配置されている構造を有する。
具体的には、半導体素子2の外周周辺部に配置された第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bとを接続している第2バンプ6bが、半導体素子2の幾何学中心21からの放射方向に対して厚みが薄い板状又は柱状であり、かつ放射方向に対して水平面断面の細長い形状の長い軸が放射方向と直交する方向に配置されている構造を有する。
ここで、半導体素子2を配線基板4に搭載する際に素子電極パッド3a、3bや配線基板の基板電極パッド5a、5bに加わる応力の主たる原因は、バンプを接続する際のリフロー炉における熱印加時の半導体素子2と配線基板4の膨張率の差である。
電極パッド3a、3bが半導体素子2表面全面に配置されているフリップチップ型半導体素子2を配線基板4とはんだづけする場合、高温環境下ではんだが溶融し接続された後、冷却過程においてはんだが凝固する際、膨張率の差により半導体素子2より配線基板4側がより多く収縮することから、半導体素子2と配線基板4の接続部に応力が発生する。
電極パッド3a、3bが半導体素子2表面全面に配置されているフリップチップ型半導体素子2を配線基板4とはんだづけする場合、高温環境下ではんだが溶融し接続された後、冷却過程においてはんだが凝固する際、膨張率の差により半導体素子2より配線基板4側がより多く収縮することから、半導体素子2と配線基板4の接続部に応力が発生する。
この収縮量の差分を試算してみると次のようになる。
リフロー炉ではんだが溶融したときから常温に戻るまでの温度差はSnAgCuなどの鉛フリーはんだの場合で200℃以上にも達する。半導体素子(シリコン)2の熱膨張率は約3ppm、配線基板(例えばガラスエポキシ)4の熱膨張率は約16ppmとその差は13ppmとなり、温度差を200℃とすると、はんだ溶融時から常温までの収縮量の差は半導体素子2形状を20mm程度と仮定すると、最外周のパッド部では20mm×13ppm/℃×200℃=52μmとなる。
ただし、実際には半導体素子2と配線基板4のバンプ6は均等に分散していることから中心部を基準に収縮し、収縮量の差は前記62μmの半分の26μmとなる。
リフロー炉ではんだが溶融したときから常温に戻るまでの温度差はSnAgCuなどの鉛フリーはんだの場合で200℃以上にも達する。半導体素子(シリコン)2の熱膨張率は約3ppm、配線基板(例えばガラスエポキシ)4の熱膨張率は約16ppmとその差は13ppmとなり、温度差を200℃とすると、はんだ溶融時から常温までの収縮量の差は半導体素子2形状を20mm程度と仮定すると、最外周のパッド部では20mm×13ppm/℃×200℃=52μmとなる。
ただし、実際には半導体素子2と配線基板4のバンプ6は均等に分散していることから中心部を基準に収縮し、収縮量の差は前記62μmの半分の26μmとなる。
半導体素子2の最も周縁に近い第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bとは、このように加熱後常温に戻って収縮する際に最大26μm程度の位置ずれが生じ、これにより第2バンプ6bが接続している第2電極パッド3b、5bに応力が加わる。
本実施形態に係る半導体装置1では、半導体素子2外周周辺部の第2バンプ6bは、収縮方向に薄い板状又は柱状となっているため、第2電極パッド3b、5bに応力が加わったときに第2バンプ6bが変形を起こし易く、接続部分に発生する応力を、第2バンプ6bが変形することによって吸収することができる。その結果、接続部に加わる応力を効果的に緩和して第2バンプ6bや電極パッド3b、5bと第2バンプ6bの接続部分の破壊を防止でき、接続信頼性を向上させることができる。
本実施形態に係る半導体装置1では、半導体素子2外周周辺部の第2バンプ6bは、収縮方向に薄い板状又は柱状となっているため、第2電極パッド3b、5bに応力が加わったときに第2バンプ6bが変形を起こし易く、接続部分に発生する応力を、第2バンプ6bが変形することによって吸収することができる。その結果、接続部に加わる応力を効果的に緩和して第2バンプ6bや電極パッド3b、5bと第2バンプ6bの接続部分の破壊を防止でき、接続信頼性を向上させることができる。
次に、図2に示す半導体装置1の製造方法について図3の製造段階を示す断面図を参照して説明する。
図3(a)に示すように、半導体素子2に第1素子電極パッド3aと第2素子電極パッド3bとを形成する。
トランジスタ等を形成したシリコンウエハの上面に、トランジスタ等と配線で接続されている図示しない再配線層と接続する図1に示したような第1素子電極パッド3aと第2素子電極パッド3bを、リソグラフィ技術を用いて形成する。
このとき、リソグラフィの露光パターンをこれまでと変更するだけでよい。
図3(a)に示すように、半導体素子2に第1素子電極パッド3aと第2素子電極パッド3bとを形成する。
トランジスタ等を形成したシリコンウエハの上面に、トランジスタ等と配線で接続されている図示しない再配線層と接続する図1に示したような第1素子電極パッド3aと第2素子電極パッド3bを、リソグラフィ技術を用いて形成する。
このとき、リソグラフィの露光パターンをこれまでと変更するだけでよい。
次に、この電極パッド3a、3bを含むウエハの全面に図示しないパッシベーション膜を形成し、このパッシベーション膜にフォトレジスト法により開口部を形成する。
この開口部から露出している電極パッド3a、3bの上面を含むウエハの全面にスパッタリング法等によって図示しないバリアメタル層を形成する。
フォトレジスト法により電極パッド3a、3b以外のバリアメタル層を除去する。
次に、電極パッド3a、3b上のバリアメタル層を含むウエハの上面に図示しないレジスト膜をスピンコートにより塗布し、更に、露光、現像によってバリアメタル層の上部のレジスト膜に開口部を形成する。このときにも、これまでの露光パターンを変更するだけでよい。
この開口部から露出している電極パッド3a、3bの上面を含むウエハの全面にスパッタリング法等によって図示しないバリアメタル層を形成する。
フォトレジスト法により電極パッド3a、3b以外のバリアメタル層を除去する。
次に、電極パッド3a、3b上のバリアメタル層を含むウエハの上面に図示しないレジスト膜をスピンコートにより塗布し、更に、露光、現像によってバリアメタル層の上部のレジスト膜に開口部を形成する。このときにも、これまでの露光パターンを変更するだけでよい。
次に、図示しないバリアメタル層に開口した図示しないレジスト膜の開口部に湿式メッキ法、蒸着、スパッタリング法、はんだペースト組成物を充填する方法でバンプ6a、6bを形成する。
はんだの組成としては、環境対策から無鉛合金が好ましい。無鉛合金は鉛はんだより硬いが、本発明の半導体装置1では使用可能である。
バンプ6a、6bを形成した後、レジスト膜を除去することによって、図3(b)に示すバンプ6a、6bが設けられた半導体素子2を形成することができる。
はんだの組成としては、環境対策から無鉛合金が好ましい。無鉛合金は鉛はんだより硬いが、本発明の半導体装置1では使用可能である。
バンプ6a、6bを形成した後、レジスト膜を除去することによって、図3(b)に示すバンプ6a、6bが設けられた半導体素子2を形成することができる。
一方、配線基板4には、半導体素子2の第1素子電極パッド3aと第2素子電極パッド3bと整合する位置に同じ形状の第1基板電極パッド5aと第2基板電極パッド5bとをリソグラフィ技術を用いて形成する。
この場合、図4(a)に模式的に示すように、常温で第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bの平面方向の形状が重なるようにすると、リフロー炉の中ではんだが溶融する温度に加熱されたとき、配線基板4の熱膨張率が半導体素子2の熱膨張率より大きいため、図4(b)に示すように、配線基板4の端部側の第2基板電極パッド5bが半導体素子2の幾何学中心21から放射方向の周辺側へ膨張する距離が、半導体素子2の第2素子電極パッド3bの膨張距離より大きくなる。このため、第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bとの平面方向の重なりが無くなる場合がある。
この場合、図4(a)に模式的に示すように、常温で第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bの平面方向の形状が重なるようにすると、リフロー炉の中ではんだが溶融する温度に加熱されたとき、配線基板4の熱膨張率が半導体素子2の熱膨張率より大きいため、図4(b)に示すように、配線基板4の端部側の第2基板電極パッド5bが半導体素子2の幾何学中心21から放射方向の周辺側へ膨張する距離が、半導体素子2の第2素子電極パッド3bの膨張距離より大きくなる。このため、第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bとの平面方向の重なりが無くなる場合がある。
こうなると、第2バンプ6bが第2基板電極パッド5bと接触しなくなるため、第2バンプ6bを第2基板電極パッド5bと接続することができなくなる。
はんだが溶融する温度で第2素子電極パッド3bに形成した第2バンプ6bと第2基板電極パッド5bとが一部でも接触すれば、第2バンプ6bを第2基板電極パッド5bと接続することができる。
そこで、第2基板電極パッド5bの形成位置は、図2に示したように、常温乃至室温において、配線基板4と半導体素子2の熱膨張率の差と半導体素子2の幾何学中心21からの距離を考慮して第2素子電極パッド3bより放射方向にやや中心側になるように偏位させて形成することが好ましい。
はんだが溶融する温度で第2素子電極パッド3bに形成した第2バンプ6bと第2基板電極パッド5bとが一部でも接触すれば、第2バンプ6bを第2基板電極パッド5bと接続することができる。
そこで、第2基板電極パッド5bの形成位置は、図2に示したように、常温乃至室温において、配線基板4と半導体素子2の熱膨張率の差と半導体素子2の幾何学中心21からの距離を考慮して第2素子電極パッド3bより放射方向にやや中心側になるように偏位させて形成することが好ましい。
次に、図3(b)に示すように、素子電極パッド3a、3bとバンプ6a、6bを形成した半導体素子2と配線基板4とをフェイスダウンでバンプ6a、6bと配線基板4の基板電極パッド5a、5bとを対向させ、図3(c)に示すように、配線基板4に半導体素子2を押圧して配置する。
このとき、図3(c)に示すように、第2素子電極パッド3bの第2バンプ6bと配線基板4の第2基板電極パッド5bとが位置ずれするが、リフロー炉内でバンプ6a、6bが溶融する温度で第2バンプ6bと第2基板電極パッド5bとが接触すれば良く、リフローに搬入する前の常温乃至室温では、第2バンプ6bと第2基板電極パッド5bとが接触していなくても差し支えない。
このとき、図3(c)に示すように、第2素子電極パッド3bの第2バンプ6bと配線基板4の第2基板電極パッド5bとが位置ずれするが、リフロー炉内でバンプ6a、6bが溶融する温度で第2バンプ6bと第2基板電極パッド5bとが接触すれば良く、リフローに搬入する前の常温乃至室温では、第2バンプ6bと第2基板電極パッド5bとが接触していなくても差し支えない。
次に、半導体素子2と配線基板4とを重ねたままリフロー炉に搬入し、バンプ6a、6bを溶融させる。
図3(d)では、バンプ6a、6bが溶融する温度で第2バンプ6bと第2基板電極パッド5bとが重なって接触する状態を示しているが、上述したように、一部で接触するようにすれば第2バンプ6bと第2基板電極パッド5bとが接続される。
バンプ6a、6bが溶融してバンプ6a、6bと基板電極パッド5a、5b、バンプ6a、6bと素子電極パッド3a、3bとが接合し、バンプ6a、6bを介して素子電極パッド3a、3bと基板電極パッド5a、5bとが接続される。
図3(d)に示すようなバンプ6a、6bが溶融している状態では、半導体素子2と配線基板4の接続部にはストレスは無い。
図3(d)では、バンプ6a、6bが溶融する温度で第2バンプ6bと第2基板電極パッド5bとが重なって接触する状態を示しているが、上述したように、一部で接触するようにすれば第2バンプ6bと第2基板電極パッド5bとが接続される。
バンプ6a、6bが溶融してバンプ6a、6bと基板電極パッド5a、5b、バンプ6a、6bと素子電極パッド3a、3bとが接合し、バンプ6a、6bを介して素子電極パッド3a、3bと基板電極パッド5a、5bとが接続される。
図3(d)に示すようなバンプ6a、6bが溶融している状態では、半導体素子2と配線基板4の接続部にはストレスは無い。
リフロー炉から搬出して冷却すると、配線基板4が大きく収縮し、図3(e)に示すように、配線基板4に形成されている第2基板電極パッド5bの平面方向の位置が対向する第2素子電極パッド3bの位置より半導体素子2の幾何学中心21から放射方向の中心側へずれ、第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bとを接続している第2バンプ6bが放射方向の外周側に向かって傾いて凝固する。
第1バンプ6aが凝固する際に半導体素子2が配線基板4へ押圧されているため、第1バンプ6aは円柱形乃至樽型の形状となる。
第1バンプ6aが凝固する際に半導体素子2が配線基板4へ押圧されているため、第1バンプ6aは円柱形乃至樽型の形状となる。
以上のように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、第2素子電極パッド3bと第2基板電極パッド5bの形状と位置とバンプ6bの形状を従来と変更するには、露光パターンを変えるだけで良く、これまで行われていた工程が増加することはなく、コスト増を招くことはない。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、第1電極パッドと第2電極パッドの2種類の形状のパッドを形成するようにしたが、細長い第2電極パッドだけで全部の電極パッドを構成するようにしても良い。
また、電極パッドの幅が半導体素子の幾何学中心から放射方向に周辺部へいくに従って漸次小さくなり、バンプが漸次薄くなるように形成するようにしても良い。このような電極パッドの配置と形状とすることにより、応力がより大きくなる部分でバンプをより変形しやすくすることが可能になり、応力緩和が有効になり、接続信頼性が高まる。
なお、半導体素子2の幾何学中心21や放射方向といった位置と方向を示す用語は、厳密なものではなく、おおよそその位置と方向を示すものであればよい。
例えば、上記実施形態では、第1電極パッドと第2電極パッドの2種類の形状のパッドを形成するようにしたが、細長い第2電極パッドだけで全部の電極パッドを構成するようにしても良い。
また、電極パッドの幅が半導体素子の幾何学中心から放射方向に周辺部へいくに従って漸次小さくなり、バンプが漸次薄くなるように形成するようにしても良い。このような電極パッドの配置と形状とすることにより、応力がより大きくなる部分でバンプをより変形しやすくすることが可能になり、応力緩和が有効になり、接続信頼性が高まる。
なお、半導体素子2の幾何学中心21や放射方向といった位置と方向を示す用語は、厳密なものではなく、おおよそその位置と方向を示すものであればよい。
本発明の半導体装置は、小型軽量化が要求される電子機器に好適に利用することができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、このような半導体装置を製造することができる。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、このような半導体装置を製造することができる。
1 半導体装置
2 半導体素子
3 素子電極パッド
3a 第1素子電極パッド
3b 第2素子電極パッド
4 配線基板
5 基板電極パッド
5a 第1基板電極パッド
5b 第2基板電極パッド
6 バンプ
6a 第1バンプ
6b 第2バンプ
2 半導体素子
3 素子電極パッド
3a 第1素子電極パッド
3b 第2素子電極パッド
4 配線基板
5 基板電極パッド
5a 第1基板電極パッド
5b 第2基板電極パッド
6 バンプ
6a 第1バンプ
6b 第2バンプ
Claims (11)
- 半導体素子表面に配置された外部接続用の素子電極パッドと配線基板表面に配置された基板電極パッドとを備え、互いに対向する前記素子電極パッドと前記基板電極パッドとがバンプを介して接続されている半導体装置であって、
前記素子電極パッド及び前記基板電極パッドが、前記バンプが応力変形可能な形状に形成された
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記素子電極パッド及び前記基板電極パッドが、ほぼ長方形状である請求項1記載の半導体装置。
- 前記素子電極パッド及び前記基板電極パッドが、前記半導体素子の幾何学中心から放射方向の幅より前記放射方向と直交する方向の長さの方が大きい細長い形状である請求項1又は2記載の半導体装置。
- 前記素子電極パッド及び基板電極パッドの長い方の軸が、前記半導体素子の幾何学中心からの放射方向と直交する方向に配列された請求項3記載の半導体装置。
- 前記素子電極パッド及び基板電極パッドが、前記半導体素子の周辺部に配置された請求項1乃至4のいずれか一項記載の半導体装置。
- 前記半導体素子の幾何学中心近傍に配置される前記素子電極パッド及び基板電極パッドが、ほぼ正方形状又は円形状に形成された請求項1乃至5のいずれか一項記載の半導体装置。
- 前記半導体素子の幾何学中心近傍に配置される前記素子電極パッド及び基板電極パッドが、前記半導体素子の幾何学中心からの放射方向の幅と前記放射方向と直交する方向の長さがほぼ一致する形状である請求項6記載の半導体装置。
- 前記電極パッドと基板電極パッドとを接続する前記バンプが、前記半導体素子の幾何学中心から放射方向の幅より前記放射方向と直交する方向の長さの方が大きい板状体又は柱状体である請求項1乃至7のいずれか一項記載の半導体装置。
- 前記基板電極パッドと対向する前記素子電極パッドが、常温において前記基板電極パッドと整合する位置より前記半導体素子の幾何学中心から放射方向に向かって偏位している請求項1乃至8のいずれか一項記載の半導体装置。
- 半導体素子の表面にほぼ長方形状の外部接続用の素子電極パッドを形成する工程と、
前記素子電極パッドの上に板状又は柱状のバンプを形成する工程と、
配線基板の表面の前記半導体素子の素子電極パッドと対向する位置にほぼ長方形状の基板電極パッドを形成する工程と、
前記半導体素子の前記バンプと前記配線基板の基板電極パッドとを対向させながら前記バンプを溶融して前記バンプと前記基板電極パッドとを接続する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記素子電極パッド及び前記基板電極パッドが、前記半導体素子の幾何学中心から放射方向の幅より前記放射方向と直交する方向の長さの方が大きい細長い形状に形成される請求項10記載の半導体装置の製造方法。
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- 2008-03-06 JP JP2008056932A patent/JP2009218233A/ja active Pending
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