JP2011009429A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合面積が５０％以上である低熱抵抗金属バンプを揺する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（２００）は、半導体素子（１０１）と素子電極部（１０２）と金属配線層（１０５）が設けられた実装基板（１０６）と複数の金属バンプ（１０３）とを備え、金属バンプ（１０３）と素子電極部（１０２）および金属配線層（１０５）との接合面の少なくとも一方は固相接合面であり複数の金属バンプ（１０３）は直線上のスリット（１０７）で互いに隔てられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、放熱性に優れた金属バンプを有する、半導体装置およびその製造方法に関する。

近年、半導体素子を用いた半導体装置において、例えば発光ダイオード等に代表される半導体素子の発熱が増大し、それに起因して半導体装置の性能や信頼性の低下が問題になっている。そこで、半導体素子から実装基板に効率的に放熱させて、半導体装置の性能と信頼性を向上させるために、半導体装置と実装基板との間の低熱抵抗化の取り組みが行われている。

発光ダイオードにおいては、Ａｕ（金）等のスタッドバンプを用いて発光素子の素子電極部と実装基板の金属配線層とを接合する、フリップチップ実装が知られている（例えば、特許文献１）。フリップチップ実装は、スタッドバンプを介して素子電極部と金属配線層とを短距離で接続することにより、半導体素子と実装基板との間の熱抵抗を小さくすることができ、効率的に放熱できる。

図１３に、上述（特許文献１）の従来のスタッドバンプを用いたフリップチップ実装された発光ダイオードを示す。同図において、符号４０１はＡｕスタッドバンプ（以降、「スタッドバンプ」）を示し、符号１０２は素子電極部を示し、符号１０５は金属配線層を示す。なお、スタッドバンプを用いたフリップチップ実装では、電極に配置される複数のスタッドバンプ４０１は熱源側である素子電極部１０２から金属配線層１０５に放熱させる熱伝導経路を形成している。つまり、複数のスタッドバンプ４０１の合計接合面積は、素子電極部１０２から金属配線層１０５への放熱面積である。

従って、発光ダイオード１０１から実装基板１０６への放熱の効率を上げるためには、素子電極部１０２、スタッドバンプ４０１、および金属配線層１０５間での熱抵抗を低下させる必要がある。この観点から、同一電極に配置される複数のスタッドバンプ４０１の個々の接合面積を大きくすることで、放熱面積を増加させて低熱抵抗にできる（例えば、特許文献２）。一方、個々のスタッドバンプの接合面積は一定であっても、スタッドバンプ４０１の数を増やすことによって密に配置すれば、個々のスタッドバンプ４０１の接合面積の和である電極接合面積を増大できる。

図１６および図１７を参照して、スタッドバンプ数と接合面積の関係について説明する。図１６は、スタッドバンプの数を増やした際の接合面積の変化の一例を示している。同図において、横軸はスタッドバンプ数を示し、縦軸は接合面積率であり素子電極部面積に対する接合面積の割合を示している。接合面積を増やす目的でスタッドバンプを増やしても、５０％以上の接合面積を得る事はできないことがわかる。

図１７は、バンプ数を増やしていった際の、バンプ配置を示す。同図においては、素子電極部１０２上に複数のスタッドバンプ４０１を密に配置する例として、それぞれ３個（３ Ｐｏｉｎｔｓと表示）、８個（８ Ｐｏｉｎｔｓと表示）、１２個（１２ Ｐｏｉｎｔｓと表示）、２１個（２１ Ｐｏｉｎｔｓと表示）、３２個（３２ Ｐｏｉｎｔｓと表示）、４０個（４０ Ｐｏｉｎｔｓと表示）、および５６個（５２ Ｐｏｉｎｔｓと表示）のスタッドバンプ４０１を格子状に配置した状態が示されている。同図に示すように、スタッドバンプ４０１の数の増加に伴いスタッドバンプ４０１の断面径は小さくなる。

一見すると接合面積は増大しているように見えるが、実際には図１６に示したように、５０％以上の接合面積を得る事はできない。このように、スタッドバンプの密度と配置を工夫することで、素子電極部面積に対する接合面積の割合を５０％程度までに増大させることができる。しかしながら、バンプ数を多くすると、バンプ形成に時間を要し、コスト増大と歩留まり低下といった問題が発生する。

その他のフリップチップ実装として、バンプをめっきで形成する方法がある（例えば、特許文献２）。図１４に、そのようなフリップチップ実装で構成される、発光ダイオードの一例を示す。発光ダイオード２は、サファイア基板２０、ｎ−ＧａＮ層２１、発光層２２、ｐ−ＧａＮ層２３、ｐコンタクト電極２４、ｎコンタクト電極２５、バンプ層５１、融着接合部３０、およびＡｌ₂Ｏ₃基板３を含む。

サファイア基板２０の下面には、ｎ−ＧａＮ層２１が形成されており、発光層２２の下面には発光層２２と、ｎコンタクト電極２５が離れて形成されている。発光層２２の下面にはｐ−ＧａＮ層２３が形成されて、ｐ−ＧａＮ層２３の下面にはｐコンタクト電極２４が貼り付けられている。Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）基板３上には、Ｎｉ層３１とＡｕ層３２とから成る融着接合部３０がｐ側とｎ側にそれぞれ１つずつ設けられている。ｐ側およびｎ側の融着接合部３０はそれぞれ、バンプ層５１によってｐコンタクト電極２４およびｎコンタクト電極２５に電気的および物理的に接合されている。

バンプ層５１はめっきで形成されており、融着接合部３０は無電解めっきで形成されて金属配線層に当たる。このように、めっきバンプを用いることで、放熱面積を大きくとることができ、より低熱抵抗にすることができる。

特開２００６−０７４００７号公報 特開２００６−１２８４５７号公報 特表２００７−５２８５８８号公報

しかしながら、上述の従来技術では以下に述べる問題がある。図１３を参照して、上述のスタッドバンプを用いる（特許文献１）場合の問題について説明する。同図に示すように、スタッドバンプの断面形状は円であると共に、好ましくは格子状に所定の間隔Ｇを有して等間隔に配列される。間隔Ｇは隣り合う２つのスタッドバンプ４０１の最短距離である間隔Ｇ１と、斜め方向に対抗する２つのスタッドバンプ４０１の間の間隔Ｇ２の２種類である。間隔Ｇ１の最小値は、スタッドバンプの接合時前後の大きさ、スタッドバンプ４０１の接合時の変形量、スタッドバンプ４０１の材質、およびスタッドバンプ４０１の成型方法や使用設備によって決定される。間隔Ｇ２の最小値も間隔Ｇ１に従って自動的に決定される。

よって、図１７に示したように、スタッドバンプ４０１を素子電極部上に密に配置しようとしても、互いに所定の距離だけ間隔Ｇ（Ｇ１、Ｇ２）だけ開ける必要があり、つまり間隔Ｇ１或いは間隔Ｇ２だけ離れた４つの円（スタッドバンプ４０１の外形）で囲まれた領域Ａｃはスタッドバンプ４０１による接合に用いることができない。この意味において、領域Ａｃを非接合領域と呼ぶものとする。なお、非接合領域Ａｃは、素子電極部１０２の端部においては、２つの円と素子電極部１０２の端部辺とで規定されることは言うまでもない。

図１８を参照して、格子状に配列された４つのスタッドバンプ４０１の間に形成される非接合領域Ａｃについて説明する。４つのスタッドバンプ４０１の１／４で規定される領域を非接合領域Ａｃと定義し、２つのスタッドバンプ４０１により形成される領域を１／２非接合領域Ａｃと定義し、１個のスタッドバンプ４０１で形成される領域を１／４非接合領域Ａｃと定義する。非接合領域Ａｃは、間隔Ｇ２の２本のラインで規定される直線領域Ａｓと、同２本のラインとスタッドバンプ４０１の外形円との間に規定される湾曲領域Ａｒとに大別出来る。

スタッドバンプ４０１の数の増加に伴いスタッドバンプ４０１の断面径は小さくなる（図１７）。しかしながら、間隔Ｇ１および間隔Ｇ２はある程度まで小さくなるが、上述の様に自動的に決定される最小値以下にはならない。つまり、間隔Ｇ１或いは間隔Ｇ２が最小値になった場合、非接合領域Ａｃに於ける直線領域Ａｓは最小にすることは可能であるが、湾曲領域Ａｒは縮小することはあってもなくすことは出来ない。

結果、素子電極部１０２上のスタッドバンプ４０１をいくら増やしても、スタッドバンプの接合面積の和である電極接合面積は素子電極部面積の５０％程度までが限界である。言い換えれば、非接合領域Ａｃの和も素子電極部１０２の５０％程度を占める。スタッドバンプ４０１の合計接合面積を素子電極部１０２から金属配線層１０５への放熱面積とする観点から、非接合領域Ａｃの和は素子電極部１０２から金属配線層１０５への非放熱面積（或いは、断熱面積）と言える。なお、スタッドバンプ４０１を格子状ではなく千鳥状に配列した場合も、非接合領域Ａｃの形状は若干異なるものの、やはり、スタッドバンプ４０１による放熱面積は、素子電極部１０２の５０％程度が限界である。

また、上述のめっきバンプを用いる場合（特許文献２）には、接合面積を大きくでき、放熱面積を増加させることは可能となる。しかしながら、接合面積の増大に応じて、固相接合時の実装荷重を上げる必要性が生じる。結果、大きくなった実装荷重のために、半導体素子が割れる等のダメージを受け易くなる。実装荷重を低下させるためには、金属配線層および金属バンプの表面粗さを低く抑えればよいが、コストが増大してしまう。なお、上述の複数のスタッドバンプから間隔Ｇを廃して、一つの巨大なバンプに一体化すれば、めっきバンプを用いるのと同様の問題が生じる。

本発明は、従来における問題を解決することを課題として、従来の構成では不可能であった低コストおよび低荷重で素子電極部に対して接合面積が５０％以上である低熱抵抗金属バンプを揺する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。

上記の課題を解決する為に、
本発明に係る半導体装置は、
半導体素子と、当該半導体素子上に設けられた素子電極部と、
前記半導体素子を搭載する面に金属配線層が設けられた実装基板と、
前記素子電極部と前記金属配線層とを接合する複数の金属バンプとを備え、
前記金属バンプと前記素子電極部および前記金属配線層との接合面の少なくとも一方は固相接合面であり、
前記複数の金属バンプは、前記接合面に対して概ね垂直な方向に延在する直線上のスリットで互いに隔てられていることを特徴とする。

本発明の半導体装置によれば、半導体素子の発熱を実装基板に効率的に放熱することができる。

本発明の実施の形態に係る発光ダイオードの構成を示す断面図である。 図１における素子電極部および金属バンプの配置の説明図である。 図２の金属バンプの形状例を示す断面図である。 図１の発光ダイオードの製造方法の説明図である。 図４の示す金属バンプの成形方法の説明図である。 図５のマスクの説明図である。 図１の金属バンプの接合後の形状を示す平面図である。 図５のマスクの一部を示す平面図である。 図２の金属バンプの形状の例を示す平面図である。 図９の金属バンプの製造に用いるマスクの一部分を示す平面図である。 図１０に示したのとは異なるマスクの一部分を示す平面図である。 図２に示したのとは異なる金属バンプの説明図である。 従来の発光ダイオードの構成の説明図である。 図１３に示したのとは異なる従来の発光ダイオードの構成を示す断面図である説明図である。 スリット幅、スリット間の距離と接合面積率との関係を示すグラフである。 スタッドバンプのバンプ数と接合面積の関係を示すグラフである。 スタッドバンプのバンプ数を増やした際のバンプの配置例の説明図である。 図１３のスタッドバンプ間に形成される非接合領域の説明図である。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態に係る半導体装置について説明する。図１に、半導体素子の一例として、発光ダイオード１０１を用いた半導体装置２００の縦断面を示す。半導体装置２００は、半導体素子（発光ダイオード）１０１、素子電極部１０２、金属バンプ１０３、固相接合面１０４、金属配線層１０５、実装基板１０６、封止樹脂１０８、および活性層２０３を含む。

発光ダイオード１０１は、本実施の形態においては、厚み（図１において上下方向の寸法）が０．１ｍｍであり、縦横（図１において左右方向および奥行き方向の寸法）が０．８ｍｍである直方体に形成されている。発光ダイオード１０１は、図１に示す例に於いては、上側に光が放射され、光が放射される面の反対の面に厚み１μｍ以下の素子電極部１０２が形成されている。

図２に、発光ダイオード１０１の活性層２０３上に設けられている素子電極部１０２を図１に於いて下から見た様子を示す。素子電極部１０２は発光ダイオード１０１の１面（活性層２０３）の面積の５０％以上を占めている。素子電極部１０２は、Ｐ電極１１０とＮ電極１０９との２つの電極部に別れており、Ｐ電極の方が大きく活性層２０３の下面の大半を占める。素子電極部１０２は、Ａｕ（金）もしくはＡｌ（アルミニウム）で構成される。なお、Ｎ電極１０９が設けられている部分の半導体素子（発光ダイオード１０１）の厚みは、Ｐ電極１１０が設けられている部分と比べて１μｍ程度薄い。

Ｐ電極１１０にはｍ個（ｍは自然数）の金属バンプ１０３が設けられ、Ｎ電極１０９にはｎ個（ｍはｎより大きな自然数）の金属バンプ１０３が設けられている。なお、本例においては、ｍは１１２であり、ｎは４である。つまり、素子電極部１０２には、（ｍ＋ｎ）個の金属バンプ１０３が設けられている。金属バンプ１０３、縦長さ２０〜２２μｍ、および横長さ２０〜２２μｍで規定される矩形状断面を有し、厚さが８μｍ程度の四角柱状に形成されている。そして、金属バンプ１０３は互いに、直線上のスリット１０７によってに所定の間隔Ｇｓで格子状に配列されている。

言い換えれば、Ｐ電極１１０においては、１つの巨大なバンプが、縦横に２０μｍ〜２２μｍの間隔で格子状に配列された１０×１０本のスリット１０７によって、個々の金属バンプ１０３に分割されている。Ｎ電極１０９においては、同様に、１つのバンプが縦横に格子状に配列された１×１本のスリット１０７によって金属バンプ１０３に分割されている。

なお、間隔Ｇｓは上述の従来技術に於ける間隔Ｇ１と同様に隣り合う２つの金属バンプ１０３の最短距離であり、その最小値は金属バンプ１０３の接合時前後の大きさ、金属バンプ１０３の接合時の変形量、金属バンプ１０３の材質、および金属バンプ１０３の成型方法や使用設備によって決定される。

このように、本発明においては、個々の金属バンプ１０３は、矩形状断面を有すると共に、互いに直線上のスリット１０７によって間隔Ｇｓで格子状に配列されている。つまり、本発明における複数の金属バンプ１０３はそれぞれ直線上のスリット１０７（間隔Ｇｓ）によって隔てられているので、従来の半導体装置における非接合領域Ａｃを構成する直線領域Ａｓに相当する領域（スリット１０７）は有しているが、湾曲領域Ａｒに相当する領域は有していない。つまり、本発明においては、湾曲領域Ａｒを無くすことによって金属バンプ１０３による接合面積の増大を可能としている。

なお、図２では、作図上の都合により、１０×１０本のスリット１０７で分割されている金属バンプ１０３の例が示されている。しかしながら、本実施の形態においては、好ましくは縦横に２７本ずつ形成されたスリット１０７で分割された金属バンプ１０３が、Ｐ電極１１０に６３９個が配置され、そしてＮ電極１０９に１６個が配置されているのが見て取れる。

実装基板１０６は、厚さが０．８ｍｍのＡｌ₂Ｏ₃のセラミック材料であり、厚さが２μｍ以上且つ表面粗さがＲａ０．５μｍである金属配線層１０５が形成されている。なお、実装基板１０６の構成材料として、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ａｌ、Ｃｕ（銅）、およびガラスエポキシから選択できる。表面粗さはセラミック材料の研磨工程によって変化し、より平坦に仕上げることが可能であるが、コストは増大する。

金属配線層１０５の最表面層は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ（銅）、およびＳｎ（錫）のいずれかであって、金属バンプ１０３と同一の金属を用いると固相接合面が良好に形成されて良い。なお、金属配線層１０５は積層構造になっていてもよく、ＣｕもしくはＡｌによる層と最表面層との積層構造にすると、熱が拡散することで実装基板に効率よく熱が伝わり、放熱性が向上して、低熱抵抗化が実現される。

図３を参照して、金属バンプ１０３およびスリット１０７のとり得る形状について説明する。便宜上、図３ａ）、３ｂ）、および３ｃ）に示される金属バンプ１０３およびスリット１０７をそれぞれ、金属バンプ１０３ａ、１０３ｂ、および１０３ｃとスリット１０７ａ、１０７ｂ、および１０７ｃと識別するものとする。

図３ａ）に示す例では、上述のようにスリット１０７ａは素子電極部１０２から金属配線層１０５まで形成されている。つまり、複数の金属バンプ１０３ａは、素子電極部１０２から金属配線層１０５の間で、それぞれ他の金属バンプ１０３と接触することなく独立して形成されている。

このような構造の結果、複数の金属バンプ１０３は、素子電極部１０２に対して個別或いは同時に設けることが出来るので、金属バンプ１０３の形成の自由度が確保できる。さらに、超音波振動による接合のさいに、金属バンプ１０３ａは個々に振動できので、変形および接合が容易である。

図３ｂ）に示す例では、スリット１０７ｂは素子電極部１０２および金属配線層１０５の近傍でのみ形成されている。つまり、複数の金属バンプ１０３ｂは、素子電極部１０２および金属配線層１０５との接合面でのみ他の金属バンプ１０３と接触することなく空間で隔てられ、中間部では接触あるいは一体的に形成されている。

このような構造の結果、複数の金属バンプ１０３ｂは互いの接触部/接続部によって一体化されているので、金属バンプ１０３ａに比べてより大面積の熱伝導経路を有するので、放熱性がすぐれる。一方、金属バンプ１０３ｂは、素子電極部１０２および金属配線層１０５に離散して接触するので、実装荷重を低く抑えることができる。

図３ｃ）に示す例では、スリット１０７ｃは金属配線層１０５の付近にのみ形成されている。つまり、金属バンプ１０３は素子電極部１０２側で互いに接触あるいは一体的に形成されている。

このような構造の結果、金属バンプ１０３ｃは素子電極部１０２側で一体化されているので、素子電極部１０２からの熱を一体化された全面で受けること出来る。なお、金属バンプ１０３ｃはめっきで構成することでき、また金属配線層１０５に対しては離船して接触するので、実装荷重を低く抑えることができる。

なお、スリット１０７の幅（間隔Ｇｓ）、スリット１０７同士の間隔、スリット１０７の深さ（素子電極部１０２および金属配線層１０５間の主面に対して垂直方向の長さ）、スリット１０７の距離（素子電極部１０２および金属配線層１０５に平行方向の長さ）および金属バンプ１０３の高さ（素子電極部１０２および金属配線層１０５間方向の距離）は、形状に限定されるものではない。これらの値は、半導体素子１０１および素子電極部１０２の形状に応じて適宜変更しても良く、スリット１０７の距離を金属バンプ１０３の高さで除した数が３以下になるように形成してもよい。また、半導体素子１０１、実装基板１０６、および金属配線層１０５の形状は適宜変更してもよく、上記形状に限定されない。

次に、図４を参照して、半導体装置２００の製造方法について説明する。先ず、図４ａ）に示すように、実装基板１０６が用意される。実装基板１０６の半導体素子が搭載される面には、金属配線層１０５が形成されている。

次に、図４ｂ）に示すように、半導体素子である発光ダイオード１０１が用意される。発光ダイオード１０１の活性層２０３側の面には素子電極部１０２（Ｐ電極１１０およびＮ電極１０９）が形成されている。

次に、図４ｃ）に示すように、素子電極部１０２上に金属バンプ１０３がめっきで形成される。以下に、図５を参照して本工程について説明する。金属バンプ１０３のめっき形成においては、先ず、図５ａ）に示すように、半導体素子１０１の素子電極部１０２がある面にレジスト３０１が塗布される。次に、図５ｂ）に示すように、スリット１０７に相当する形状が形成されたマスク３０２を用いて、図５ｃ）に示すようにレジスト３０１がパターンニングされて、素子電極部１０２上にレジスト３０１の開口部３０３が形成される。

マスク３０２は、その開口部３０３が、各辺が四角形の中心方向に凹形状となった四角形パターンであり、上下方向に比べ左右方向の長さが短い特徴をもつ。また、開口部３０３間の距離は９μｍ以下である。そして、図５ｄ）に示すように、開口部に金属めっきを形成することで、図５ｅ）に示す複数の金属バンプ１０３が形成される。

次に、図４ｄ）に戻って、半導体素子１０１が実装基板１０６上に実装される。つまり、金属バンプ１０３が金属配線層１０５に超音波接合される。具体的には、実装基板１０６がステージ上に置かれた状態で、ステージを１２０℃から２５０℃の温度で維持する。次に発光ダイオード（半導体素子）１０１がボンディングツール２０１によって把持されて、金属配線層１０５上にマウントされる。そして、マウントされた金属配線層１０５に荷重２０４が印加されて、超音波振動２０５が与えられる。

超音波振動によって、金属バンプ１０３の接合部分の変形、特に超音波振動方向（図２に於いて左右方向）が促進される。マスク３０２の開口部四角形パターンにより形成された金属バンプ１０３は荷重と超音波によって変形して四角柱状となり、固相接合面１０４が形成される。なお、超音波振動を与えずに熱と荷重のみで接合する熱圧着接合で接合してもよい。また、ボンディングツール２０１を１２０℃から３００℃に加熱するとより接合しやすくなる。

この際、金属バンプ１０３の高さ方向の変形量は２μｍ程度必要であり、超音波接合時に２μｍの変形量が確保できるように荷重、温度、超音波振幅を設定する。高さ方向の変形量は、金属バンプ１０３の高さのばらつきが１μｍ程度であり、さらに金属配線層１０５は最大高さ粗さ１μｍ程度であるために、２μｍとした。結果、それぞれの金属バンプ１０３の高さのばらつきが吸収でき、接合の密着性を確保できる。尚、金属バンプ１０３の高さのばらつき設定値は、実際のサンプルでの測定値のばらつきを加味して、２倍程度の余裕をみるものとする。超音波接合の結果、金属バンプ１０３は２１〜２３μｍ×２１〜２３μｍ高さ８μｍ程度の四角柱が並んだ形状になる。

金属バンプ１０３の厚さをＴｓとし、スリット１０７の幅（間隔Ｇｓ）をＧｓとし、スリット１０７間の距離をＤｓおよび変形量Ｖｄとすると、Ｔｓ × Ｇｓ ≒ Ｖｄ × Ｄｓが成立するように構成することによって、変形後のスリット幅が最小となるために接合面積を最大化できる。

最後に、図４ｅ）に示すように、封止樹脂１０８が形成される。具体的には、未硬化状態の封止樹脂１０８が実装基板１０６上に供給される。これには、型を用いる方法と、印刷によるものがある。次に、封止樹脂１０８が硬化温度まで加温され、硬化されて、半導体装置（発光ダイオード）２００が完成する。

上述の製造方法によれば、低荷重で大面積の接合が実現できる。マスク３０２の開口部３０３は、各辺が四角形の中心方向に凹形状となった四角形パターンであり、かつ上下方向に比べ左右方向の長さが短い。結果、マスク３０２の開口部３０３と同一の底面を有する柱が並んだ構造を有する複数の金属バンプ１０３が超音波接合によって変形しながら金属配線層１０５に接合される。金属バンプ１０３は、特に超音波振動方向（図２においては左右方向）の変形が促進されるために、超音波接合後の金属バンプ１０３の形状は図２に示した四角形柱状になり、スリット幅を狭くすることができる。

また、素子電極部１０２と金属配線層１０５をスリット１０７が形成された複数の金属バンプ１０３を介して接合することによって、素子電極部１０２と金属配線層１０５とが金属バンプ１０３によって大面積で接合されるので、放熱面積を大きくとることができ、低熱抵抗を実現できる。

また、スリット１０７の幅（間隔Ｇｓ）を５μｍ以下とすることで、大面積での接合が可能となる。図１５の左部に、スリット１０７の幅（間隔Ｇｓ）と接合面積の関係を示す。スリット幅（間隔Ｇｓ）を小さくすることでバンプの面積率は急激に向上し、５μｍ以下でバンプ接合面積は５０％以上となる。なお、スリット１０７の幅を５μｍ以下にすることが望ましいが、金属バンプ１０３の接合手段として用いられる超音波振動の振幅の１／２より大きく設定されることが好ましい。つまり、金属バンプ１０３の接合時には、金属バンプ１０３の上面は超音波振動の方向に変形（拡大）して、金属配線層１０５（或いは素子電極部１０２）と固相接合面１０４を形成する。この場合、隣接する金属バンプ１０３の接合時に互いに干渉することなく固相接合面１０４を形成できる。結果、実装荷重の増大を抑えながら、より接合面積を確保できる。

さらに、マスク３０２の開口部３０３の幅が９μｍ以下であるため、超音波接合による金属バンプ１０３の変形によって、スリット１０７の幅は５μｍ以下となる。これに対して従来技術であるスタッドバンプでは、バンプ接合面積を５０％以上にすることはできない。

さらに、スリット１０７間の距離を金属バンプ１０３の高さで除した数が３以下になるように形成した構成にすることで、金属バンプ１０３は低荷重でも変形しやすくなる。超音波接合時に、金属バンプ１０３が金属配線層１０５に接触部分は、荷重がかかっているため高い摩擦力が発生し、金属は流動しにくい。

接触部分が、金属バンプ１０３の表面積に比して大部分を占めると、金属バンプ１０３のうち流動可能な体積が少ないために金属バンプ１０３は変形しづらく、実装には高い荷重が必要である。つまり、金属バンプ１０３を複数のスリット１０７で分割されるように構成することによって、金属バンプ１０３が金属配線層１０５に接触する部分が減少するとともに、金属バンプ１０３の流動可能な体積（スリット１０７による）が増加し、金属バンプ１０３の変形が容易になるために、低い荷重での実装が可能となる。

スリット１０７間の距離を短く構成すれば、金属バンプ１０３の断面形状が小さくなるため、実装時の荷重を低くできる。しかしながら、接合面積も小さくなってしまうため、荷重と接合面積との関係を考慮して適切に設定しなければならない。

図１５の右部に、スリット１０７間の距離と接合面積率を示す。グラフより、スリット１０７間の距離（つまり、金属バンプ１０３の矩形状断面の一辺の長さ）を２０μｍとすることで、金属バンプ１０３の接合面積と変形量を両立させることができることが読み取れる。

なお、スリット１０７は、図２においては縦横の全てのスリットの幅が同一であるが、図７に示すように、一方向のみ幅が狭くなっている構成でも良い。本構成は、製造方法においてマスク３０２の形状を図８に示した形状に変更した場合の構成である。ただし、超音波接合時の振動方向は図面に向かって左右方向とする。金属バンプ１０３の変形は、超音波接合時の振動によって促進されるため、超音波振動方向が他方向に比べ変形量が多くなり、接合後の金属バンプ１０３は図７に示す形状となる。かかる構成によれば、マスク３０２の加工コストを低減することができる。

また、スリット１０７は、図９に示すように縦横のスリット間隔が異なりスリット幅が同一であるように構成されてもよい。マスク３０２の形状は、図１０に示した形状に変更すればよい。ただし、超音波接合時の振動方向は図面に向かって左右方向とする。この場合、金属バンプ１０３は上下方向に比べて左右方向に変形し難くなる。超音波接合時には振動方向である左右方向の変形が促進されるため、両者の効果が合わさることで、金属バンプ１０３は上下左右方向に均一に変形して、図９に示した構成を実現できる。かかる構成によれば、マスク３０２の加工コストを低減できるとともに、放熱面積を図７に示した
構成よりも大きくとることができる。

また、図９に示した構成は、マスク３０２の形状を図１１に示した形状に変更した場合にも実現できる。かかる構成によれば、マスク３０２の加工コストを低減できるとともに、放熱面積を図７に示した構成よりも大きくとることができる。

また、図１２に示すように、本発明はスリットを直線的に形成せずとも実施できる。図１２では、バンプは分割された結果、六角柱となる。

本発明の半導体装置は、有する半導体素子からの発熱が問題と成りうる半導体装置に適用できる。

１０１ 半導体素子（発光ダイオード）
１０２ 素子電極部
１０３ 金属バンプ
１０４ 固相接合面
１０５ 金属配線層
１０６ 実装基板
１０７、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ スリット
１０８ 封止樹脂
１０９ Ｎ電極
１１０ Ｐ電極
２００ 半導体装置
２０１ ボンディングツール
２０２ 吸着孔
２０３ 活性層
２０４ 荷重印加方向
２０５ 超音波振動方向
３０１ レジスト
３０２ マスク
３０３ マスク開口部
４０１ Ａｕスタッドバンプ
５１ めっきバンプ
３０ 融着接合部
Ａｃ 非接合領域
Ａｓ 直線領域
Ａｒ 湾曲領域

Claims (11)

1. 半導体素子と、
   当該半導体素子上に設けられた素子電極部と、
   前記半導体素子を搭載する面に金属配線層が設けられた実装基板と、
   前記素子電極部と前記金属配線層とを接合する複数の金属バンプとを備え、
   前記金属バンプと前記素子電極部および前記金属配線層との接合面の少なくとも一方は固相接合面であり、
   前記複数の金属バンプは、前記接合面に対して概ね垂直な方向に延在する直線上のスリットで互いに隔てられていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記スリットの幅は５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記素子電極部はそれぞれ、前記金属バンプが複数個設けられているＰ電極とＮ電極とを備える請求項１および請求項２の何れかに記載の半導体装置。
4. 前記金属バンプは、めっきで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記金属バンプは、前記スリット間の距離を当該金属バンプの高さで除した数が３以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
6. 前記固相接合面は、前記素子電極部および前記金属配線層の何れか一方に対して押しつけられた前記金属バンプが超音波振動に駆動されて形成されたことを特徴とする、請求項３に記載の半導体装置。
7. 前記スリットは、少なくとも前記超音波振動方向に直交する方向に形成されている事を特徴とする、請求項３に記載の半導体装置。
8. 前記スリットは、前記超音波振動方向に交差する本数が交際しない本数よりも少ないことを特徴とする、請求項７に記載の半導体装置。
9. 請求項１に記載の金属バンプの形成方法であって、
   前記素子電極および前記金属配線層上の何れかにレジストを塗布する工程と、
   各辺が多角形の中心方向に凹形状となった多角形パターンを有するマスクによって前記レジストをパターンニングして当該多角形パターンの開口部を形成する工程と、
   前記開口部に金属めっきを形成し前記多角形パターンの金属バンプを形成する工程とを備える金属バンプの製造方法。
10. 前記開口部の間の距離が９μｍ以下であることを特徴とする、請求項９に記載の金属バンプの製造方法。
11. 前記スリットの幅は５μｍ以下且つ前記超音波振動の振幅の１／２より大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

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