JP2011204954A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】狭ピッチでのバンプ配置が可能で、半田電極が設けられない半導体装置と同様の加工が可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、ビアホール１２が形成された基板１１と、基板１１の上面上に形成され、平面視においてビアホール１２を囲むように形成された外部接続電極１と、外部接続電極１と接触するとともに、ビアホール１２の内面上に形成された下地電極３と、下地電極３上に形成され、ビアホール１２内に少なくとも一部が埋め込まれた弾性体９と、弾性体９に埋め込まれ、平面視において外部接続電極１よりも内側であって、基板１１の裏面よりも上面に近い位置に配置された半田ボール５とを備えている。半田ボール５は熱処理によってビアホール１２から押し出される。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示される技術は、半導体素子とその外部接続用突起電極とで構成される半導体装置に関するものである。

図８は、従来の半導体装置を示す断面図である。

同図に示すように、従来の半導体装置では、半導体基板１０１上にアルミニウム合金または金からなる外部接続電極１０２が形成されている。また、半導体基板１０１の上面及び外部接続電極１０２の周辺部が被覆され、且つ外部接続電極１０２の中央部が露出するようにパッシベーション膜１０３が形成される。さらに、外部接続電極１０２の中央部上には、下地電極１０４が形成されている。

下地電極１０４上には半田バンプ１０５が形成されている。下地電極１０４は、半田バンプ１０５を構成する半田材料と良好な濡れ性を示しつつ、当該半田中のスズ（Ｓｎ）の拡散を抑制するチタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）等の金属単体、またはこれらの合金で構成されている。

半田バンプ１０５は、下地電極１０４上に電解めっきにより金属膜を形成した後、当該金属膜上に半田ボールを搭載し、その後にリフロー装置等を用いた加熱処理により半田ボールが溶融、再形成されることで形成される。これにより、半田バンプ１０５の形状は、自身の高さの１／２より半導体基板１０１寄りの位置に最大径を持つ、真球を上側から押したような球形になる。

特許第３８７７９１号公報

従来の半導体装置では、図８に示すように、半田バンプ１０５の最大径が外部接続電極１０２よりも大きくなるため、半田バンプ１０５を狭ピッチで配置する際の制約になっている。さらに、半田バンプ１０５が半導体基板１０１上面から突出しているため、バックグラインドで半導体基板１０１の裏面を研削する際に突出した半田バンプ１０５を保護するための対策が必要である。

本発明は、従来に比べて狭ピッチでのバンプ配置が可能で、半田電極を有さない半導体装置と同様の加工が可能な半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の一例に係る半導体装置は、少なくとも上面側に開口する第１のビアホールが形成された基板と、前記基板の上面上に形成され、平面視において前記第１のビアホールを囲むように形成された第１の外部接続電極と、前記第１の外部接続電極と接触するとともに、前記第１のビアホールの内面上に形成された第１の下地電極と、前記第１の下地電極上に形成され、前記第１のビアホール内に埋め込まれた第１の弾性体と、前記第１の弾性体に少なくとも一部が埋め込まれ、平面視において前記第１の外部接続電極よりも内側であって、前記基板の裏面よりも上面に近い位置に配置された第１の半田ボールとを備えている。

この構成によれば、第１の半田ボールの少なくとも一部が第１の弾性体に埋め込まれているので、従来の半田ボールを備えた半導体装置に比べて第１の半田ボールの第１の外部接続電極からの突出量が小さくなっている。このため、基板裏面からの研磨など、半田ボールが設けられていない半導体装置と共通の処理装置を用いても歩留まり良く製造することが可能となるので、信頼性が向上し、製造コストを低減することができる。また、半田ボールが設けられていない従来の半導体装置と同様の設備、条件で容易に電気特性検査を実施することができる。

また、第１の半田ボールは平面的に見て第１の外部接続電極よりも内側に位置しているので、第１の外部接続電極同士の配置間隔を狭くしても、隣接する第１の半田ボール同士が短絡しにくくなっている。

さらに、この半導体装置によれば、バックグラインド工程等の処理工程後に熱処理をすることによって、第１の半田ボールが膨張した第１の弾性体によって第１のビアホール外部に押し出されつつ溶融し、半田電極が形成される。この半田電極により他の機器や基板と電気的な接続を得ることができる。

第１の下地電極は前記第１のビアホールの内面上から前記第１の外部接続電極上に亘って形成され、前記第１の半田ボールの上端は、前記第１の下地電極のうち前記第１の外部接続電極上に設けられた部分よりも前記半導体基板側に位置していれば、より好ましい。

本発明の別の一例に係る半導体装置は、少なくとも上面側に開口する第１のビアホールが形成された基板と、前記基板の上面上に形成され、平面視において前記第１のビアホールを囲むように形成された第１の外部接続電極と、前記第１の外部接続電極と接触するとともに、前記第１のビアホールの内面上に形成された第１の下地電極と、前記第１の下地電極上に形成され、前記第１のビアホール内に埋め込まれた第１の弾性体と、前記第１の弾性体の上面上に形成され、前記第１の下地電極を介して前記第１の外部接続電極に接続され、前記基板の上面から突出する第１の半田電極とを備えている。

この構成によれば、上述のように第１の外部接続電極同士の間隔を狭くしても第１の半田電極同士の短絡が生じにくくなっている。また、半田電極を設けない従来の半導体装置と同様の工程で製造することが可能なので、製造コストの低減を図ることもできる。

また、本発明の一例に係る半導体装置の製造方法は、少なくとも上面側に開口する第１のビアホールが形成された基板と、前記基板の上面上に形成され、平面視において前記第１のビアホールを囲むように形成された第１の外部接続電極と、前記第１の外部接続電極と接触するとともに、前記第１のビアホールの内面上に形成された第１の下地電極と、前記第１の下地電極上に形成され、前記第１のビアホール内に埋め込まれた第１の弾性体と、前記第１の弾性体に少なくとも一部が埋め込まれ、平面視において前記第１の外部接続電極よりも内側であって、前記基板の裏面よりも上面に近い位置に配置された第１の半田ボールとを有する半導体装置を準備する工程と、前記半導体装置を前記第１の半田ボールの溶融温度以上に加熱することで、第１の外部接続電極を前記第１の弾性体の上面上に押し出し、第１の半田電極を形成する工程とを備えている。

この方法において、熱処理前の半導体装置では第１の半田ボールの少なくとも一部が第１の弾性体に埋め込まれているので、半田ボールを設けていても、基板裏面の研磨等、半田ボールを備えていない半導体装置と同様の処理を行うことができる。

また、第１の半田ボールが平面視において第１の外部接続電極よりも内側に配置されているので、加熱後に半田電極を第１の外部接続電極よりも内側に形成することができる。このため、第１の外部接続電極間の間隔を狭くすることができる。

本発明の一例に係る半導体装置によれば、製造工程中には半田ボールが基板のビアホール内に設けられているので、半田ボールが設けられていない従来の半導体装置と同様の設備、条件で容易に電気特性検査を実施することができる。また、バックグラインド工程など、半田ボールが設けられていない従来の半導体装置と同様の処理を行うことが可能となるので、加工コストの低減を図ることができる。また、熱処理後にはビアホール内の弾性体上に半田電極が形成されるので、他の基板等に接続させることができる。また、熱処理後の半田電極が平面視において外部接続電極の内側に収まっている場合には、外部接続電極同士の間隔を狭くすることができる。

さらに、ビアホール内に充填する樹脂の種類や、充填量、半田ボール径等を調整することにより、熱処理後に半導体基板から突出する半田電極の高さ、径を自由に調整することが可能である。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示す断面図であり、（ｂ）は、当該半導体装置を示す平面図である。 図１に示す半導体装置を熱処理した後を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体装置の第１の変形例を示す断面図であり、（ｂ）は、当該半導体装置を示す平面図である。 熱処理後の第１の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体装置の第２の変形例を示す断面図であり、（ｂ）は、当該半導体装置を示す平面図である。 熱処理後の第２の変形例に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第３の変形例を示す断面図である。 本発明の半導体装置に係る第３の変形例を示す断面図である。

（実施形態）
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体装置を示す断面図であり、（ｂ）は、当該半導体装置を示す平面図であり、図２は、図１に示す半導体装置を熱処理した後を示す断面図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、熱処理前の半導体装置は、上面側に開口するビアホール１２が形成された基板１１と、基板１１の上面上に形成され、平面視（基板１１の上方から見た場合）においてビアホール１２を囲むように形成された第１の外部接続電極１と、第１の外部接続電極と接触するとともに、ビアホール１２の内面上に形成された下地電極（アンダーバンプメタル；ＵＢＭ金属）３と、下地電極３上に形成され、ビアホール１２内に埋め込まれた弾性体９と、少なくとも一部が弾性体９に埋め込まれ、平面視において第１の外部接続電極１よりも内側に配置された半田ボール５とを備えている。基板１１は例えばシリコン等の半導体で構成されている。なお、基板１１はシリコン基板に限られず、セラミック基板、樹脂基板、金属基板であってもよく、ビアホール１２を形成することができる基板であればよい。

ビアホール１２は基板１１を貫通しておらず、従って、半田ボール５は基板１１の裏面よりも上面に近い位置に配置されている。

また、基板１１の平面形状は例えば四辺形であり、チップサイズは例えば１．２０ｍｍ×０．７５ｍｍ、厚みは３００μｍである。図１（ａ）、（ｂ）に示す例では、アルミニウム合金等からなる第１の外部接続電極１が基板１１の外周に沿って４８０μｍのピッチで６個形成されている。

第１の外部接続電極１の周辺部及び基板１１の上面はシリコン窒化物等で構成されるパッシベーション膜７で被覆されており、第１の外部接続電極１の中央部には上述のビアホール１２が形成されている。

第１の外部接続電極１は、対向する辺間距離が例えば１５０μｍの八角形の平面形状を有している。下地電極３は、ビアホール１２の内面上から第１の外部接続電極１の一部上に亘って設けられている。基板１１の上方から見た場合、下地電極３は、対向する辺間距離が約１３０μｍの八角形の平面形状を有しており、第１の外部接続電極１の中央に形成されたビアホール１２の直径は、例えば１２０μｍ程度である。ビアホール１２の深さは例えば２００μｍである。例えばチタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）からなる下地電極３の一部は第１の外部接続電極１の一部と接続されている。なお、下地電極３は半田中のスズ（Ｓｎ）の拡散を抑制し、第１の外部接続電極１と良好なオーミック性を持つ金属材料であればよく、Ｔｉ、Ｃｕの他にタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）等の金属単体、またはこれらの合金で構成されていてもよい。

ビアホール１２内に充填された弾性体９は、例えばシリコン樹脂やウレタン樹脂などで構成される。また、弾性体９内に埋め込まれた半田ボール５の直径は、例えば１００μｍ程度である。半田ボール５の上端が、下地電極３のうち第１の外部接続電極１上に形成された部分の上面よりも基板１１側（低い位置）にあれば、後述するように好ましい。この半田ボール５は、第１の外部接続電極１を、別の基板や機器上の電極に接続させるための接続部材となる。半田ボール５の組成は特に限定されないが、例えばＳｎ_３Ａｇ_０．５Ｃｕである。

以上で説明したように、半田ボール５が第１の外部接続電極１の内側に形成されたビアホール１２に埋め込まれた構造を有するため、互いに隣接する第１の外部接続電極１同士の間隔を狭めることができる。特に、ビアホール１２を千鳥状に配置するか、（内側列と外側列の）二重配置するなどの工夫により、互いに隣接する第１の外部接続電極１同士の間隔を従来のワイヤー金属配線を用いる半導体装置と同程度の７０μｍ程度まで近づけることができる。このような狭ピッチで第１の外部接続電極１を配置することが可能となるので、外部接続電極上に半田バンプが形成されている従来の半導体装置に比べて、半田電極（半田バンプ）の密度を向上させることが可能となる。

また、他の基板等との接続前の段階では半田ボール５の上端が下地電極３の最上端よりも低い位置にあるため、本実施形態の半導体装置は、電気特性検査の際にバンプ電極が設けられていない一般的な半導体装置と同じ設備、条件で検査することができ、製造コストを抑えることが可能となる。

さらに、バックグラインド（基板１１の裏面研削）の際に、半田ボール５の上端が下地電極３の最上端から突出していないので、本実施形態の半導体装置によれば、半田ボール（または半田バンプ）が設けられない半導体装置と同様の設備、条件で基板１１の裏面を研削加工することが可能となる。そのため、加工歩留まりの向上と加工費用の低減とを併せて図ることが可能となる。

なお、図１（ａ）、（ｂ）に示す電極構造は、以下のようにして作製することができる。

まず、ウェハ状の基板１１上面の所定領域上に公知の方法を用いてアルミニウム合金等からなる第１の外部接続電極１を形成した後、基板１１の上面全体にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等によりシリコン窒化物等からなるパッシベーション膜７を形成する。次に、各第１の外部接続電極１の中央部上に開口を有するマスクをパッシベーション膜７上に形成した後、このマスクを用いて基板１１をエッチングすることにより、ビアホール１２を形成する。次いで、マスクを除去してからビアホール１２の内面上及び第１の外部接続電極１の一部上に、公知の方法によって、ＴｉやＣｕ等からなる下地電極３を形成する。次に、ビアホール１２に液状の樹脂を埋め込んでから固化させることで弾性体９を形成する。ここで、弾性体９が完全に固化する前に半田ボール５を弾性体９内に埋め込む。その後、基板１１を必要に応じて裏面側から研磨した後、ダイシングを行って、基板１１を個片化する。

図２は、熱処理後の本実施形態の半導体装置を示す断面図である。同図では、図１（ａ）に示す半導体装置をリフロー装置等の加熱装置により、ビアホール１２内に埋め込まれた半田ボール５の構成金属の融点以上の温度に加熱した後の状態を示している。この加熱処理は例えば基板１１を裏面から研磨する工程及びダイシング工程の後に行う。

図１（ａ）に示す半導体装置をリフロー装置により加熱すると、ビアホール１２内に充填されたシリコン樹脂やウレタン樹脂等からなる弾性体９が、線膨張係数に従って膨張する。ビアホール１２は基板１１の上面側（第１の外部接続電極１が形成された面側）だけに開口部を持つ形状であるので、弾性体９はビアホール１２の外側に向かって膨れ、弾性体９内の半田ボール５を押し上げる。このため、半田ボール５が徐々に第１の外部接続電極１から突出する。さらに温度が上がり半田ボール５の融点（例えば２１９℃）を超えると、半田ボール５が溶融して周囲の下地電極（ＵＢＭ金属）３と溶着し、第１の外部接続電極１上に半田電極５ａが出来上がる。

リフロー加熱のピーク温度を過ぎ、基板温度が下がり始めるとビアホール１２内の弾性体９の体積は収縮に転ずるが、例えば２１９℃近辺で半田材料が凝固するので、弾性体９の体積が収縮しても半田電極５ａはビアホール１２内に落ち込まない。リフロー後の半田電極５ａは、上に凸な略半球状（ドーム状）をしているが、基板１１の上方から見た場合、第１の外部接続電極１の内側に収まっている。

以上で説明したように、リフロー加熱前は半田ボール５がビアホール１２内に収納されていて、リフロー加熱後に第１の外部接続電極１から突出するので、上述のように、半田電極を有さない半導体装置と同様の方法で基板１１の裏面研磨等を行うことができる。さらに、リフロー加熱後も半田電極５ａの径は第１の外部接続電極１の外径より小さいので、互いに隣接する第１の外部接続電極１上の半田電極５ａ同士が短絡する危険性を大きく低減することができ、半導体装置の歩留まりを向上させることができる。また、半田ボール５の体積及び径、ビアホール１２内に充填される樹脂の量及び種類などにより、半田電極５ａの径や半田電極５ａが形成される高さを自由に調整することが可能である。

−半導体装置の第１の変形例−
図３（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置の第１の変形例を示す断面図であり、（ｂ）は、当該半導体装置を示す平面図である。図３（ｂ）において、基板１１の裏面側に形成された電極構造は破線で示している。

本変形例に係る半導体装置では、基板１１の裏面側に開口し、平面視においてビアホール１２と重ならないようずらされたビアホール２８が基板１１に形成されている。そして、半導体装置は、図１に示す構成部材に加え、基板１１の裏面上に、平面視において前記ビアホール２８を囲むように形成された第２の外部接続電極２１と、第２の外部接続電極２１と接触するとともに、ビアホール２８の内面上に形成された下地電極２３と、下地電極２３上に形成され、ビアホール２８内に埋め込まれた弾性体２９と、少なくとも一部が弾性体２９に埋め込まれ、平面視において下地電極２３の最下端よりも内側に配置された半田ボール２５とをさらに備えている。

ビアホール２８は基板１１を貫通しておらず、半田ボール２５は基板１１の上面よりも裏面に近い位置に配置されている。

チップサイズは図１に示す半導体装置と同様に、例えば１．２０ｍｍ×０．７５ｍｍ、厚みは３００μｍである。基板１１の上面上には、アルミニウム合金等からなる第１の外部接続電極１が基板１１の外周に沿って４８０μｍ間隔で６個形成されている。基板１１の裏面上には、アルミニウム合金等からなる第２の外部接続電極２１が例えば４８０μｍ間隔で合計４個形成されている。

第２の外部接続電極２１の周辺部及び基板１１の裏面はシリコン窒化物等で構成されるパッシベーション膜２７で被覆されており、第２の外部接続電極２１の中央部には上述のビアホール２８が形成されている。

第２の外部接続電極２１は、第１の外部接続電極１と同様の構成を有している。すなわち、第２の外部接続電極２１は、対向する辺間距離が例えば１５０μｍの八角形の平面形状を有している。下地電極２３は、ビアホール２８の内面上から第２の外部接続電極２１の一部上に亘って設けられている。基板１１の下方から見た場合、下地電極２３は、対向する辺間距離が約１３０μｍの八角形の平面形状を有しており、ビアホール２８の直径は、例えば１２０μｍ程度である。ビアホール２８の深さは例えば２００μｍである。

例えばチタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）からなる下地電極２３の一部は第２の外部接続電極２１の一部と接続されている。なお、下地電極２３は半田中のスズ（Ｓｎ）の拡散を抑制し、第２の外部接続電極２１と良好なオーミック性を有する金属材料であればよく、Ｔｉ、Ｃｕの他にタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）等の金属単体、またはこれらの合金で構成されていてもよい。

ビアホール２８内に充填された弾性体２９は、例えばシリコン樹脂やウレタン樹脂などで構成される。また、弾性体２９に埋め込まれた半田ボール２５の直径は、例えば１００μｍ程度である。半田ボール２５の下端が、下地電極２３のうち第２の外部接続電極２１上に形成された部分の上面よりも基板１１側にあれば、後述するように好ましい。半田ボール２５の組成は半田ボール５と同様であり、例えばＳｎ_３Ａｇ_０．５Ｃｕである。

本変形例に係る半導体装置のように、図１で説明した電極構造は基板１１の裏面側にも形成することができる。このため、基板１１の上面だけでなく裏面にも半田ボール２５（半田電極）を用いて他の基板を接続させることができる。

また、図１に示す半導体装置と同様に、ビアホール１２及び第１の外部接続電極１の配置を上述のように工夫することで、互いに隣接する第１の外部接続電極１同士の間隔を従来のワイヤー金属配線を用いる半導体装置と同程度の約７０μｍに近づけることができる。さらに、基板１１の裏面側に設けられた半田ボール２５がビアホール２８（弾性体２９）内に埋め込まれているため、ビアホール２８及び第２の外部接続電極２１の配置を千鳥状配置や二重配置等に工夫することで、互いに隣接する第２の外部接続電極２１同士の間隔も従来の半導体装置と同程度の約７０μｍに近づけることができる。このような狭ピッチで第１の外部接続電極１及び第２の外部接続電極２１を配置することが可能となるので、外部接続電極上に半田バンプが形成されている従来の半導体装置に比べて、半田電極（半田バンプ）の密度を向上させることが可能となる。

また、他の基板等との接続前の段階では半田ボール５の上端が下地電極３の最上端よりも低い位置にあり、半田ボール２５の下端が下地電極２３の下端よりも基板１１に近い側にある。このため、本変形例に係る半導体装置は、電気特性検査の際にバンプ電極が設けられていない一般的な半導体装置と同じ設備、条件で検査することができ、製造コストを抑えることが可能となる。なお、基板１１の裏面に回路が形成されている場合にはバックグラインド工程を行えないが、裏面に回路が形成されていない場合にはバックグラインド工程を行うことができる。この場合、先にバックグラインド工程によりウェハ状の基板１１を薄くしてから基板１１の上面及び裏面にビアホール及び下地電極を形成してもよいし、先に基板１１の上面側にビアホール１２及び下地電極３を形成してからバックグラインド工程により基板１１を薄くし、その後に裏面側にビアホール２８及び下地電極２３を形成してもよい。

図４は、熱処理後の本変形例に係る半導体装置を示す断面図である。同図では、図３（ａ）に示す半導体装置をリフロー装置等の加熱装置により、半田ボール５、２５の構成金属の融点以上の温度に加熱した後の状態を示している。

図３（ａ）に示す半導体装置をリフロー装置により加熱すると、ビアホール１２、２８内に充填されたシリコン樹脂やウレタン樹脂等からなる弾性体９、２９が、線膨張係数に従って膨張する。ビアホール１２は基板１１の上面側（第１の外部接続電極１が形成された面側）だけに開口部を持ち、ビアホール２８は基板１１の裏面側だけに開口部を持つので、弾性体９はビアホール１２の外側に向かって膨れ、弾性体２９はビアホール２８の外側に向かって膨れる。こうして、半田ボール５、２５はビアホール１２、２８の外側へとそれぞれ押し上げられる。さらに温度が上がり半田ボール５、２５の融点（例えば２１９℃）を超えると、半田ボール５、２５が溶融して周囲の下地電極（ＵＢＭ金属）３、２３とそれぞれ溶着し、第１の外部接続電極１上に半田電極５ａが、第２の外部接続電極２１上に半田電極２５ａが、それぞれ出来上がる。

リフロー加熱のピーク温度を過ぎ、基板温度が下がり始めると弾性体９、２９の体積は収縮に転ずるが、例えば２１９℃近辺で半田材料が凝固するので、弾性体９、２９の体積が収縮しても半田電極５ａ、２５ａはビアホール１２内、ビアホール２８内に落ち込まない。リフロー後の半田電極５ａは、上に凸な略半球状（ドーム状）をしているが、基板１１の上方から見た場合、第１の外部接続電極１の内側に収まっている。半田電極２５ａは、下に凸な略半球状（ドーム状）をしているが、基板１１の下方から見た場合、第２の外部接続電極２１の内側に収まっている。

以上で説明したように、リフロー加熱前は半田ボール５、２５がビアホール１２、２８内に収納されていて、リフロー加熱後に第１の外部接続電極１、第２の外部接続電極２１からそれぞれ突出するので、上述のように、半田電極を有さない半導体装置と同様の方法で半導体装置の処理工程を行うことができる。

さらに、リフロー加熱後の半田電極５ａの径は第１の外部接続電極１の外径より小さく、半田電極２５ａの径も第２の外部接続電極２１の外径より小さいので、互いに隣接する第１の外部接続電極１上の半田電極５ａ同士、第２の外部接続電極２１上の半田電極２５ａ同士が短絡する危険性を大きく低減することができ、半導体装置の歩留まりを向上させることができる。また、半田ボール５、２５の体積及び径、ビアホール１２、２８内に充填される樹脂の量及び種類などにより、半田電極５ａ、２５ａの径や半田電極５ａ、２５ａが形成される高さを自由に調整することが可能である。

−半導体装置の第２の変形例−
図５（ａ）は、本実施形態の半導体装置の第２の変形例を示す断面図であり、（ｂ）は、当該半導体装置を示す平面図である。

本変形例に係る半導体装置では、ビアホール１２は基板１１の上面から裏面まで貫通しており、基板１１の裏面上には、平面視においてビアホール１２を囲む第３の外部接続電極３１が形成されている。下地電極３はビアホール１２の内面上から第１の外部接続電極１の一部上、及び第３の外部接続電極３１の一部上にまで形成されている。弾性体９はビアホール１２内に埋め込まれ、弾性体９には、平面視において第１の外部接続電極１よりも内側であって、基板１１の裏面よりも上面に近い位置に配置された半田ボール５が埋め込まれるとともに、平面視において第３の外部接続電極３１よりも内側であって、基板１１の上面よりも裏面に近い位置に配置された半田ボール３５が埋め込まれている。基板１１の上面上にはパッシベーション膜７が、裏面上にはパッシベーション膜２７がそれぞれ形成されている。

チップサイズは図１に示す半導体装置と同様に、例えば１．２０ｍｍ×０．７５ｍｍ、厚みは３００μｍである。基板１１の上面上には、アルミニウム合金等からなる第１の外部接続電極１が基板１１の外周に沿って４８０μｍ間隔で６個形成されている。基板１１の裏面上には、アルミニウム合金等からなる第３の外部接続電極３１が合計６個形成されている。

第１の外部接続電極１と第３の外部接続電極３１とは基板１１を挟んで対向する位置に設けられている。また、第１の外部接続電極１と第３の外部接続電極３１は例えば対向する辺間距離が１５０μｍの八角形の平面形状を有している。下地電極３は、対向する辺間距離が約１３０μｍの八角形の平面形状を有しており、ビアホール１２の直径は、例えば１２０μｍ程度である。なお、下地電極３は半田中のスズ（Ｓｎ）の拡散を抑制し、且つ第１の外部接続電極１及び第３の外部接続電極３１と良好なオーミック性を有する金属材料であればよく、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｗ、Ｎｉ、Ｖ等の金属単体、またはこれらの合金で構成されていてもよい。

ビアホール１２内に充填された弾性体９は、例えばシリコン樹脂やウレタン樹脂などで構成される。また、弾性体９に埋め込まれた半田ボール３５の直径は、例えば１００μｍ程度である。半田ボール３５の下端が、下地電極３のうち第３の外部接続電極３１上に形成された部分の上面よりも基板１１側にあれば、後述するように好ましい。半田ボール３５の組成は半田ボール５と同様であり、例えばＳｎ_３Ａｇ_０．５Ｃｕである。

本変形例に係る半導体装置では、半田ボール５だけでなく半田ボール３５がビアホール１２（弾性体９）内に埋め込まれているので、互いに隣接する第１の外部接続電極１同士の間隔、及び互いに隣接する第３の外部接続電極３１同士の間隔をワイヤー金属配線を用いる従来の半導体装置と同程度の７０μｍ程度まで狭めることが可能となり、半田電極の密度の向上を図ることが可能となる。

また、他の基板等との接続前の段階では半田ボール５の上端が下地電極３の最上端よりも低い位置にあり、半田ボール３５の下端が下地電極３の下端よりも基板１１に近い側にある。このため、本変形例に係る半導体装置は、電気特性検査の際にバンプ電極が設けられていない一般的な半導体装置と同じ設備、条件で検査することができ、製造コストを抑えることが可能となる。

図６は、熱処理後の本変形例に係る半導体装置を示す断面図である。同図では、図５（ａ）に示す半導体装置をリフロー装置等の加熱装置により、半田ボール５、３５の構成金属の融点以上の温度に加熱した後の状態を示している。

図５（ａ）に示す半導体装置をリフロー装置により加熱すると、ビアホール１２内に充填されたシリコン樹脂やウレタン樹脂等からなる弾性体９が、線膨張係数に従って膨張する。ビアホール１２は基板１１の上面側及び裏面側に開口部を持つので、弾性体９はビアホール１２の外側に向かって膨れ、半田ボール５、３５はビアホール１２の外側へとそれぞれ押し上げられる。さらに温度が上がり半田ボール５、３５の融点（例えば２１９℃）を超えると、半田ボール５、３５が溶融して周囲の下地電極（ＵＢＭ金属）３とそれぞれ溶着し、第１の外部接続電極１上に半田電極５ａが、第３の外部接続電極３１上に半田電極３５ａが、それぞれ出来上がる。半田電極５ａと半田電極３５ａとは下地電極３を介して電気的に接続される。

リフロー加熱のピーク温度を過ぎ、基板温度が下がり始めると弾性体９の体積は収縮に転ずるが、例えば２１９℃近辺で半田材料が凝固するので、弾性体９の体積が収縮しても半田電極５ａ、３５ａはビアホール１２内に落ち込まない。リフロー後の半田電極５ａは、上に凸な略半球状（ドーム状）をしているが、基板１１の上方から見た場合、第１の外部接続電極１の内側に収まっている。半田電極３５ａは、下に凸な略半球状（ドーム状）をしているが、基板１１の下方から見た場合、第３の外部接続電極３１の内側に収まっている。

以上で説明したように、本変形例に係る半導体装置では、基板１１を貫通するビアホール１２内に弾性体９が埋め込まれ、弾性体９に半田ボール５、３５が埋め込まれているので、１回のリフロー加熱により基板１１の上面と裏面の両方に半田電極を形成することができる。

また、リフロー加熱前は半田ボール５、３５がビアホール１２内に収納されていて、リフロー加熱後に第１の外部接続電極１の上端及び下端からそれぞれ突出するので、上述のように、半田電極を有さない半導体装置と同様の方法で半導体装置の処理工程を行うことができる。

さらに、リフロー加熱後の半田電極５ａの径は第１の外部接続電極１の外径より小さく、半田電極３５ａの径も第３の外部接続電極３１の外径より小さいので、互いに隣接する第１の外部接続電極１上の半田電極５ａ同士、第３の外部接続電極３１上の半田電極３５ａ同士が短絡する危険性を大きく低減することができ、半導体装置の歩留まりを向上させることができる。また、半田ボール５、３５の体積及び径、ビアホール１２内に充填される樹脂の量及び種類などにより、半田電極５ａ、３５ａの径や半田電極５ａ、３５ａが形成される高さを自由に調整することが可能である。

−半導体装置の第３の変形例−
図７は、本実施形態の半導体装置の第３の変形例を示す断面図である。図７の上図はリフロー加熱前の半導体装置を示し、下図はリフロー加熱後の半導体装置を示す。

本変形例に係る半導体装置は、第２の変形例に係る半導体装置を基板面に対して鉛直方向に複数個（図７では３個）積層したものである。外部接続電極１Ｂと外部接続電極１Ｃ、外部接続電極１Ｄと外部接続電極１Ｅとがそれぞれ重なるように基板１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを積層した上で、リフロー装置等の加熱装置によって半田ボール５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆの融点以上の温度まで加熱する。

この熱処理によって図７下図に示すように、半田ボール５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆがそれぞれビアホール１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ内から押し出されるとともに外部接続電極に溶着し、半田電極５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが形成される。なお、半田電極５ｂは半田ボール５Ｂ、５Ｃが溶融して一体化したものであり、半田電極５ｃは半田ボール５Ｄ、５Ｅが溶融して一体化したものである。

リフロー加熱後の半導体装置では、基板１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃに下地電極３Ａ、３Ｂ、３Ｃをそれぞれ含む貫通ビアが形成されていることになるので、最上段の半導体装置と最下段の半導体装置とが中間基板を介して電気的に接続される。

本変形例に係る半導体装置では、基板１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを貫通するビアホール１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ内に弾性体９Ａ、９Ｂ、９Ｃが埋め込まれ、弾性体９Ａ、９Ｂ、９Ｃに半田ボール５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅの少なくとも一部が埋め込まれているので、１回のリフロー加熱により基板１１Ａと基板１１Ｂ、基板１１Ｂと基板１１Ｃをそれぞれ接続させることができる。このように、複数の半導体装置を積層して加熱することで、ＰＯＰ（Package on Package）等の積層型半導体装置を容易に作製することができる。

また、本変形例に係る半導体装置では、最上段の半導体装置と最下段の半導体装置とが中間基板を介して電気的に接続されているので、最下段の半導体装置の電気検査を最上段の半導体装置上に形成された半田電極（バンプ電極）を使って行うことも可能となる。

なお、図１（ａ）に示す弾性体９や図７に示す弾性体９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、シリコン樹脂又はウレタン樹脂のようにビアホール内壁を覆う下地電極との接着性とリフロー温度に対する耐熱性とを併せ持ち、加熱の際に体積膨張するように平均線膨張係数が１×１０^−４／℃（１００ｐｐｍ／℃）以上である材料で構成されていることが好ましい。

弾性体の構成材料は、リフロー加熱時の温度で劣化、分解しない材料で構成されていればより好ましく、例えば２５０℃で劣化分解せず、温度上昇による体積変化が大きいものであれば特に好ましい。

半田ボール５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５ＦがＳｎ_３Ａｇ_０．５Ｃｕで構成されている場合、半田ボール５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆの融点は２１９℃であり、融点に到達するまでに弾性体９Ａ、９Ｂ、９Ｃが半田ボール５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆを押し上げる。樹脂はガラス転移点と呼ばれる温度の前後で線膨張係数が大きく変わる特性を有しており、リフロー加熱工程、特に２１９℃以下での平均線膨張係数を大きくするためにはガラス転移点が低いことが望ましい。

なお、以上の実施形態及び変形例に係る半導体装置は本発明に係る半導体装置の例であって、各構成部材の材質、サイズ、数、形状等は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

また、上述の実施形態と各変形例のいずれかを適宜組み合わせてもよい。

以上で説明した本発明の一例である半導体装置は、他の機器や他の基板と接続するための半田電極を有する半導体装置として種々の電子機器に搭載されうる。

１ 第１の外部接続電極
１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 外部接続電極
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、２３ 下地電極
５、２５、３５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆ 半田ボール
５ａ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、２５ａ、３５ａ 半田電極
７、２７ パッシベーション膜
９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、２９ 弾性体
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ 基板
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、２８ ビアホール
２１ 第２の外部接続電極
３１ 第３の外部接続電極

Claims (15)

1. 少なくとも上面側に開口する第１のビアホールが形成された基板と、
   前記基板の上面上に形成され、平面視において前記第１のビアホールを囲むように形成された第１の外部接続電極と、
   前記第１の外部接続電極と接触するとともに、前記第１のビアホールの内面上に形成された第１の下地電極と、
   前記第１の下地電極上に形成され、前記第１のビアホール内に埋め込まれた第１の弾性体と、
   前記第１の弾性体に少なくとも一部が埋め込まれ、平面視において前記第１の外部接続電極よりも内側であって、前記基板の裏面よりも上面に近い位置に配置された第１の半田ボールとを備えている半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第１の下地電極は前記第１のビアホールの内面上から前記第１の外部接続電極上に亘って形成され、
   前記第１の半田ボールの上端は、前記第１の下地電極のうち前記第１の外部接続電極上に設けられた部分よりも前記半導体基板側に位置する半導体装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置において、
   前記基板には、前記基板の裏面側に開口し、平面視において前記第１のビアホールと重ならない第２のビアホールがさらに形成されており、
   前記基板の裏面上に、平面視において前記第２のビアホールを囲むように形成された第２の外部接続電極と、
   前記第２の外部接続電極と接触するとともに、前記第２のビアホールの内面上に形成された第２の下地電極と、
   前記第２の下地電極上に形成され、前記第２のビアホール内に埋め込まれた第２の弾性体と、
   前記第２の弾性体に少なくとも一部が埋め込まれ、平面視において前記第２の外部接続電極よりも内側であって、前記基板の上面よりも裏面に近い位置に配置された第２の半田ボールとをさらに備えている半導体装置。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
   前記第１のビアホールは前記基板の上面から裏面まで貫通しており、
   前記基板の裏面上に、平面視において前記第１のビアホールを囲むように形成され、前記第１の下地電極と接触する第３の外部接続電極と、
   前記第１の弾性体に少なくとも一部が埋め込まれ、平面視において前記第３の外部接続電極よりも内側であって、前記基板の上面よりも裏面に近い位置に配置された第３の半田ボールとをさらに備えている半導体装置。
5. 少なくとも上面側に開口する第１のビアホールが形成された基板と、
   前記基板の上面上に形成され、平面視において前記第１のビアホールを囲むように形成された第１の外部接続電極と、
   前記第１の外部接続電極と接触するとともに、前記第１のビアホールの内面上に形成された第１の下地電極と、
   前記第１の下地電極上に形成され、前記第１のビアホール内に埋め込まれた第１の弾性体と、
   前記第１の弾性体の上面上に形成され、前記第１の下地電極を介して前記第１の外部接続電極に接続され、前記基板の上面から突出する第１の半田電極とを備えている半導体装置。
6. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記第１の半田電極は、平面視において前記第１の外部接続電極よりも内側に形成されている半導体装置。
7. 請求項５または６に記載の半導体装置において、
   前記基板には、前記基板の裏面側に開口し、平面視において前記第１のビアホールと重ならない第２のビアホールがさらに形成されており、
   前記基板の裏面上に、平面視において前記第２のビアホールを囲むように形成された第２の外部接続電極と、
   前記第２の外部接続電極と接触するとともに、前記第２のビアホールの内面上に形成された第２の下地電極と、
   前記第２の下地電極上に形成され、前記第２のビアホール内に埋め込まれた第２の弾性体と、
   前記第２の弾性体上面上に形成され、前記第２の下地電極を介して前記第２の外部接続電極に接続され、前記基板の裏面から突出する第２の半田電極とをさらに備えている半導体装置。
8. 請求項５〜７のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
   前記第１のビアホールは前記基板の上面から裏面まで貫通しており、
   前記基板の裏面上に、平面視において前記第１のビアホールを囲むように形成され、前記第１の下地電極と接触する第３の外部接続電極と、
   前記第１の弾性体の裏面上に形成され、前記第１の下地電極を介して前記第３の外部接続電極に接続され、前記基板の裏面から突出する第３の半田電極とをさらに備えている半導体装置。
9. 請求項８に記載の半導体装置において、
   前記第３の半田電極は、平面視において前記第３の外部接続電極よりも内側に形成されている半導体装置。
10. 請求項８または９に記載の半導体装置において、
    前記基板は複数個設けられ、且つ前記基板の上面に対して鉛直方向に積層されており、
    前記基板の前記第１の半田電極と、当該基板の直上に載置された前記基板の第３の半田電極とは一体化されている半導体装置。
11. 請求項５〜１０のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
    前記基板の上面上に形成され、前記第１の外部接続電極を囲むパッシベーション膜をさらに備えている半導体装置。
12. 請求項５〜１１のうちいずれか１つに記載の半導体装置において、
    前記第１の弾性体は、平均線膨張係数が１×１０^−４／℃以上の樹脂である半導体装置。
13. 少なくとも上面側に開口する第１のビアホールが形成された基板と、前記基板の上面上に形成され、平面視において前記第１のビアホールを囲むように形成された第１の外部接続電極と、前記第１の外部接続電極と接触するとともに、前記第１のビアホールの内面上に形成された第１の下地電極と、前記第１の下地電極上に形成され、前記第１のビアホール内に埋め込まれた第１の弾性体と、前記第１の弾性体に少なくとも一部が埋め込まれ、平面視において前記第１の外部接続電極よりも内側であって、前記基板の裏面よりも上面に近い位置に配置された第１の半田ボールとを有する半導体装置を準備する工程と、
    前記半導体装置を前記第１の半田ボールの溶融温度以上に加熱することで、第１の外部接続電極を前記第１の弾性体の上面上に押し出し、第１の半田電極を形成する工程とを備えている半導体装置の製造方法。
14. 請求項１３に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体装置を準備する工程の後、前記第１の半田電極を形成する工程の前に、前記基板の裏面を研削する工程をさらに備えている半導体装置の製造方法。
15. 請求項１３または１４に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体装置を準備する工程では、前記第１のビアホールは前記基板の上面から裏面まで貫通しており、前記基板の裏面上に、平面視において前記第１のビアホールを囲むように形成され、前記半導体装置は、前記第１の下地電極と接触する第３の外部接続電極と、前記第１の弾性体に少なくとも一部が埋め込まれ、平面視において前記第３の外部接続電極よりも内側であって、前記基板の上面よりも裏面に近い位置に配置された第３の半田ボールとをさらに備え、前記半導体装置は複数を準備され、
    前記第１の半田電極を形成する工程では、複数の前記基板を、前記基板の上面に対して鉛直方向に積層した状態で加熱することで、前記第３の半田ボールを前記第１の弾性体の裏面上に押し出して第３の半田電極を形成させるとともに、前記第３の半田電極を、当該基板の直下に位置する前記基板の前記第１の半田電極と一体化させる半導体装置の製造方法。

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