JP2010103501A

JP2010103501A - 半導体パッケージ

Info

Publication number: JP2010103501A
Application number: JP2009215228A
Authority: JP
Inventors: Masaru Fujiyoshi; 優藤吉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2010-05-06

Abstract

【課題】本発明の目的はＥＭ現象を抑制でき、信頼性の高いＦＣ接続部を有する半導体パッケージを提供することである。
【解決手段】本発明は、０．１〜５μｍのＮｉ層を有するチップ側パッドとインターポーザ基板とのＦＣ接続部が、直径が２０〜８０μｍの銅球表面に１．０〜５．０μｍのＮｉ層を有する銅コアと、該銅コアを内包するＳｎ基のハンダ部によって形成されており、該ハンダ部には、パッド側及び銅コア側から成長したＮｉ_３Ｓｎ_４型化合物を有する半導体パッケージである。
【選択図】図３

Description

本発明は、エレクトロニクス製品に搭載される電子部品のフリップチップ（以下、ＦＣ（ＦｌｉｐＣｈｉｐ）と称す。）工法で製造されるＦＣ接続部を有する半導体パッケージに関するものである。

近年、携帯電話やＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｃｅ）、ノートパソコンなどに代表されるエレクトロニクス製品の軽薄・短小、高機能化の進展には目覚しいものがある。それに伴い、搭載される電子部品についても、多ピン・狭ピッチ、省スペースで高周波対応の部品が要求されてきている。そこで、ウェハレベルのＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｅ）やチップを積層するスタックタイプのパッケージが開発されるなど、エレクトロニクスデバイスも大きな革新が起こっている。これらデバイスの半導体チップ搭載方式の一つにＳｉチップと配線基板間にハンダバンプを介するＦＣ工法がある。本工法は従来のワイヤボンディング工法と比較してＩ／Ｏ数を飛躍的に確保できるので、今後の半導体パッケージの更なる小型化、高密度実装化に対応できる工法である。

ＦＣの接続部について、そのヒートサイクル性を向上する技術として銅球の周りに銅との反応性を抑えるためにＮｉめっき層を形成し、最表皮層にハンダ層を有する銅コアハンダボールの適用が提案されている。（特許文献１参照）

特開平１１−７４３１１号公報

ＦＣ接続部を有する半導体パッケージについては、上述したヒートサイクル性だけではなく、耐エレクトロマイグレーション（以下、ＥＭ（ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ）と称す。）特性の向上も重要な課題である。
近年、急速なＬＳＩの進展に伴い、半導体パッケージに内蔵されているＳｉチップ上に形成される金属配線の微細化・薄膜化が進んでいる。その結果、金属配線の断面積は小さくなるが、印加される電流は変化が無い。よって、単位面積当りを流れる電流、つまり電流密度は大きくなる傾向にある。その結果、配線を構成する原子が電子と衝突することによる運動エネルギーが無視できなくなるため、原子と空孔の置換が生じる。この現象をＥＭ現象という。この現象が生じることで、最終的には断線に至る。

特にＦＣ接続部おいては、Ｉ／Ｏ数の増加とともにパッド径が小さくなるため、電流密度は大きくなる。このため電流印加のみで接続端子内部にて断線が生じる危険が大きい。
本発明の目的は、ＥＭ現象を抑制でき、信頼性の高いＦＣ接続部を有する半導体パッケージを提供することである。

本発明者は、Ｓｎ中における拡散速度の小さいＮｉ_３Ｓｎ_４型化合物を適正に配置した接続部を形成したＦＣ接続部とすることで、ＥＭ現象を抑制できることを見出し、本発明に到達した。
すなわち本発明は、０．１〜５μｍのＮｉ層を有するチップ側パッドとインターポーザ基板とのＦＣ接続部が、直径が２０〜８０μｍの銅球表面に１．０〜５．０μｍのＮｉ層を有する銅コアと、該銅コアを内包するＳｎ基のハンダ部によって形成されており、該ハンダ部には、パッド側及び銅コア側から成長したＮｉ_３Ｓｎ_４型化合物を有する半導体パッケージである。

本発明によれば、ＦＣ接続部のＥＭ現象を抑制でき、信頼性の高いＦＣ接続部構成ができ、銅コアを有することによる正確なスタンドオフ値が実現できる利点と合わせ、高精度、高信頼性の半導体パッケージを実現する上で重要な技術となる。

本発明の一実施形態のＦＣ接続部の形成方法を示す模式図である。比較例２のＦＣ接続部の形成方法を示す模式図である。本発明例１のＦＣ接続部の断面ミクロ組織写真である。本発明例２のＦＣ接続部の断面ミクロ組織写真である。本発明例３のＦＣ接続部の断面ミクロ組織写真である。比較例１のＦＣ接続部の断面ミクロ組織写真である。比較例２のＦＣ接続部の断面ミクロ組織写真である。

上述したように、本発明の重要な特徴は、ＦＣ接続部に、Ｓｎ中における拡散速度の小さいＮｉ_３Ｓｎ_４型化合物を適正に配置した接続部を形成したことにある。以下、詳しく説明する。
ＦＣ接続部において、もっともＥＭ現象による接続不良が発生し易いのは、チップ側パッド端部のハンダ部であることを確認した。つまり、ハンダ部自体のＥＭ耐性を高めることが必要である。そこで、本発明では、ハンダ部を構成する通常のＳｎ基のハンダであって、Ｓｎ中における拡散速度の小さいＮｉ_３Ｓｎ_４型化合物を存在させている。

また、本発明においては、パッド側及び銅コア側から成長したＮｉ_３Ｓｎ_４型化合物を有するものとしている。この構成により、パッド側及び銅コア側の界面近傍には確実に拡散速度が低いＮｉ_３Ｓｎ_４型化合物が配置される。
このような本発明の構造は、パッド側及び銅コア側にＮｉ層を配置することで、接続部形成時のリフローにより、上記化合物を形成することができる。接続部に存在させるＮｉを単にバリア目的ではなく、ＥＭ耐性に有効な化合物形成源として利用することが、本発明の重要な特徴の一つである。
なお、使用するハンダの組成よっては、純粋なＮｉ_３Ｓｎ_４化合物ではなくＮｉの一部がＣｕと置換した（Ｎｉ、Ｃｕ）_３Ｓｎ_４といった複合化合物を形成する場合もある。そのため本発明では、Ｎｉ_３Ｓｎ_４型化合物と規定している。

また、本発明に適用する銅コアとしては、直径が２０〜８０μｍの銅球表面に１．０〜５．０μｍのＮｉ層を有する銅コアと規定した。
電子部品の放熱性、電気特性を考慮し、端子用ボールとして銅球を用いる。直径が２０μｍより小さい銅球を用いる場合、パッケージ作製が困難という問題があり、直径が８０μｍより大きい銅球を用いる場合、Ｉ／Ｏ数を増加させることが困難という問題がある。そのため、本発明においては、直径が２０〜８０μｍの銅球と規定した。なお、銅球の製造には、回転電極法やアトマイズ法等による製造も可能であるが、特に予め銅固片を準備し、これらの固片を熱プラズマの中に投下することで、銅固片を溶融させ、表面張力で球状化させ、銅コアボールを作製する製造方法の適用が、単一形状の銅球を得る上で有利である。

また、本発明においては、ＦＣ接続部を形成した状態で銅球表面には、Ｎｉ層が残存している必要がある。これは、銅とＳｎとの拡散速度は非常に速いため、銅がむき出しになると、接続信頼性低下を引き起こすことが懸念されるためである。一方、厚いＮｉ層はそもそも製造が難しいとともに、銅球を用いることによる低抵抗性、高熱伝導性といった特徴が失われてしまう。そこで本発明は、銅コアのＮｉ層を１．０〜５．０μｍと規定した。

また、本発明においては、ＦＣ接続部を形成した状態でチップ側パッドにもＮｉ層が残留している必要がある。上述したとおり、チップ側Ｎｉ層は、ハンダ部にＮｉ_３Ｓｎ_４型化合物を存在させる上で重要であるが、Ｎｉ層がなくなり、チップの電極がむき出しになると、使用期間中にチップ側へハンダ成分が拡散しチップを破壊する恐れがある。
本発明では、チップ側に０．１〜５μｍのＮｉ層を有するものとした。なお、上述したとおり、銅コア表面にＮｉ層を有しているため、銅コアからハンダ部へＮｉが拡散供給されることにより、チップ側のＮｉ層からのハンダ部へのＮｉ拡散は抑制される。これにより、チップ側のＮｉ層の厚さを薄くすることができる。チップ側の電気特性を確保する上でこのＮｉ層はできるだけ薄い方が良く、本発明では０．１〜５μｍと規定した。
なお、各Ｎｉ層の形成は、スパッタ法、蒸着法、メッキ法などが適用できる。

また、チップ側のパッド径が１００μｍを超えると、限られたスペースでＩ／Ｏ数を増加させることが難しくなること、また、パッド径が３０μｍより小さい場合、配線加工が非常に厳しくなると想定され、また、電流密度も大きくなることから、本発明においては、パッドの直径が３０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。
また、本発明は、ＥＭ現象を抑制する効果が高いので、０．１Ａ以上の電流が印加されるＦＣ接続部にも適用できる。

本発明において、ハンダ部を構成するＳｎ基ハンダについて、その組成を限定するものではない。例えばＳｎ−（０．３〜３．５）質量％Ａｇ、Ｓｎ−（０．５〜０．７）質量％Ｃｕ、Ｓｎ−（０．３〜３．５）質量％Ａｇ−（０．５〜０．７）質量％Ｃｕのハンダを適用することができる。なお、汎用性の観点から、Ｓｎ−（０．３〜３．５）質量％Ａｇ−（０．５〜０．７）質量％Ｃｕが主流である。

本発明におけるＦＣ接続部の形成は、例えば、以下の方法で得ることができる。
まず、０．１〜５μｍのＮｉ層を有するチップ側パッド上に、直径が２０〜８０μｍの銅球表面に１．０〜５．０μｍのＮｉ層を有する銅コアにＳｎ基のハンダをメッキ法などで１〜２０μｍ被覆した銅コアハンダボールを配置する。次いで、所定の電極位置に銅コアを有しないハンダボールを配置したインターポーザ基板を準備する。その後、チップ側の銅コアハンダボール部とインターポーザ側のハンダボール部とを対向接触させ、リフローすることでＦＣ接続部を得ることができる。

本発明の半導体パッケージのＦＣ接続部を製造するため、まず、直径が８０μｍの銅球表面に、表１に示す厚さのＮｉ層を有する銅コアと、該銅コアを内包するＳｎ基のハンダ部によって形成される直径が１００μｍの銅コアハンダボール１〜３を作製した。また、比較例の半導体パッケージのＦＣ接続部を製造するため、Ｎｉ層のない銅コアハンダボール４も作製した。
銅球は、予め銅固片を準備し、これらの銅固片を熱プラズマ中に投下することで、銅固片を溶融させ、表面張力で球状化させることで作製した。Ｎｉ層、Ｓｎ基のハンダ部はメッキ法で形成した。ハンダ部の組成は、汎用性の観点からＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ（質量％）を選定した。
次に、インターポーザ基板に配置する、表１に示す銅コアを有しない直径が１００μｍのハンダボールを作製した。
銅コアを有しないハンダボールは、均一液滴噴霧法を用いて作製した。均一液滴噴霧法とは、るつぼ内でハンダ合金を溶解し、溶融ハンダをるつぼから排出することにより微小球を製造する方法であり、排出する際に溶融ハンダに振動を付与することで、排出された溶融金属を体積の均一な微小球とする方法である。ハンダボール組成は汎用性の観点からＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ（質量％）を選定した。
得られた銅コアハンダボール、ハンダボールともに、真球度は０．９９以上、ボール直径の平均値は０．２μｍ以内、標準偏差は２．０μｍ以内であり、非常に均一なボールである。

ＦＣ接続部を製造するため、Ｓｉチップとインターポーザ基板を準備した。
Ｓｉチップサイズは、７．２ｍｍ□×０．４ｍｍｔである。チップ上にＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ配線層を形成し、その配線層上のパッドとして、Ｎｉ層を形成し、ハンダとの濡れ性を確保するため、Ｎｉ層上にＡｕ層を形成した。Ｎｉ層、Ａｕ層の厚さはそれぞれ０．８μｍ、０．１μｍであり、スパッタ法にて形成した。パッド径は、８０μｍであり、パッド数は、５１３個である。
それぞれのＳｉチップのパッド上に、上記で作製した表１に示す銅コアハンダボール１〜３をそれぞれ配置してリフローにより接続した。

インターポーザ基板サイズは、２２ｍｍ□×１．０ｍｍｔである。基板上にＣｕ配線層を形成し、その配線層上のパッドとして、Ｎｉ層を形成し、ハンダとの濡れ性を確保するため、Ｎｉ層上にＡｕ層を形成した。Ｎｉ層、Ａｕ層の厚さはそれぞれ５．０μｍ、０．１μｍであり、めっき法にて形成した。パッド径は、１００μｍであり、パッド数は、５１３個である。
次に、インターポーザ基板のパッド上に、上記で作製した銅コアを有しないハンダボールを配置してリフローにより接続した。
その後、チップ側の銅コアハンダボール部とインターポーザ側のハンダボール部とを図１に示すように対向接触させ、再リフローすることで本発明のＦＣ接続部を形成した。
各リフローは、酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気中で行い、最高温度を２４０±５℃、２２０℃以上において凡そ６０秒間保持の条件で行った。

比較例１として、Ｓｉチップ側に配置した銅コアハンダボールを、表１に示すＮｉ層を有しない銅コアハンダボール４に替えて、図１に示すように本発明と同様の工程により、ＦＣ接続部を形成した。
また、比較例２として、Ｓｉチップ側に配置した銅コアハンダボールを、銅コアを有しないハンダボールに替えて、図２に示すように本発明と同様の工程により、ＦＣ接続部を形成した。使用した銅コアを有しないハンダボールは、表１に示すインターポーザ基板に配置したものと同様のハンダボールである。

本発明例及び比較例において得られたＦＣ接続部のそれぞれの断面ミクロ組織を観察した。断面ミクロ組織写真をそれぞれ図３〜７に示す。
本発明例１〜３においては、図３〜５に示すように、パッド側及び銅コア側から成長した（Ｎｉ、Ｃｕ）_３Ｓｎ_４化合物が形成され、ハンダ層内にも１μｍ以上の（Ｎｉ、Ｃｕ）_３Ｓｎ_４化合物が島状に分散していることが確認された。
一方、比較例１のＮｉ層を有しない銅コアハンダボールを用いたＦＣ接続部については、図６に示すように、パッド側及び銅コア側から成長した（Ｃｕ、Ｎｉ）_６Ｓｎ_５化合物が形成されていることが確認された。
また、比較例２の銅コアを有しないハンダボールを用いたＦＣ接続部については、図７に示すように、Ｓｉチップ側のパッド上から（Ｎｉ、Ｃｕ）_３Ｓｎ_４化合物が少量形成されていることが確認された。

本発明例及び比較例に対して、ＦＣ接続部の耐ＥＭ特性を把握するため、１５０℃環境下で直流電流を０．５Ａ印加したＥＭ加速試験を行った。平均電流密度に換算すると、Ｓｉチップ側は凡そ１．０×１０^４Ａ／ｃｍ^２、インターポーザ基板側は凡そ６．４×１０^３Ａ／ｃｍ^２となる。サンプル寿命時間の判定は初期電気抵抗の１．５倍以上になった時間と設定した。本発明例及び比較例ともに、４サンプルずつ測定を実施して平均寿命時間を求めた。その結果を表２に示す。
本発明例のサンプルは、いずれも平均寿命時間が４００時間を越える長寿命を得ることができ、Ｎｉ層の厚さの増大とともに平均寿命時間が増加することを確認した。
一方、比較例のサンプルは、いずれも平均寿命時間が４００時間未満であり、本発明がＥＭ耐性に優れた構造であることが確認できた。

Claims

０．１〜５μｍのＮｉ層を有するチップ側パッドとインターポーザ基板とのフリップチップ接続部が、直径が２０〜８０μｍの銅球表面に１．０〜５．０μｍのＮｉ層を有する銅コアと、該銅コアを内包するＳｎ基のハンダ部によって形成されており、該ハンダ部には、パッド側及び銅コア側から成長したＮｉ_３Ｓｎ_４型化合物を有することを特徴とする半導体パッケージ。
前記パッドの直径が３０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。