JP2012142488A - Semiconductor device - Google Patents

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祐志 釜瀬
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device in which an electrode of a semiconductor element is electrically connected to a connection pad via a solder bump and electromigration is effectively inhibited.SOLUTION: A semiconductor device comprises; a semiconductor element in which an electronic circuit 2 is directly connected to a part of a circumference of an electrode 3 of a semiconductor substrate 1; a wiring board 4 provided with a connection pad 5 arranged to face the electrode 3 of the semiconductor element; and a solder bump 6 sandwiched between the electrode 3 and the connection pad 5 and bonded to the electrode 3 and the connection pad 5. A nickel layer 7 lies along a boundary between the electrode 3 and the solder bump 6, and has a thickness larger than that at another portion, at a portion contacting a part of an outer periphery of the electrode 3, which is connected to the electronic circuit 2. A current density of a current flowing in the solder bump 6 is uniformed based on an electrical resistance difference depending on a difference in thicknesses of the nickel layer 7 and migration caused by current concentration can be inhibited.

Description

本発明は、半導体素子がセラミック配線基板等の配線基板上に搭載され、半導体素子の主面の電極と配線基板の主面の接続パッドとがはんだバンプを介して互いに接合されてなる半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor element is mounted on a wiring board such as a ceramic wiring board, and electrodes on the main surface of the semiconductor element and connection pads on the main surface of the wiring board are joined to each other via solder bumps. Is.

半導体集積回路素子(IC)等の半導体素子は、通常、半導体素子搭載用のセラミック配線基板等の配線基板に搭載されて半導体装置となり、コンピュータや通信機器,センサ機器等を構成する外部の電気回路(マザーボード等)に実装されて使用されている。   A semiconductor element such as a semiconductor integrated circuit element (IC) is usually mounted on a wiring board such as a ceramic wiring board for mounting a semiconductor element to form a semiconductor device, and an external electric circuit constituting a computer, communication equipment, sensor equipment, etc. (Motherboard etc.) is used by mounting.

半導体素子は、一般に、シリコン等の半導体基板の一主面に電子回路が形成され、この電子回路と電気的に接続された円形状等の電極が一主面に配置された構造である。電子回路は、その一端が電極の外周の一部に直接に接続することによって、電極と電気的に接続されている。   In general, a semiconductor element has a structure in which an electronic circuit is formed on one main surface of a semiconductor substrate such as silicon and a circular electrode or the like electrically connected to the electronic circuit is arranged on one main surface. The electronic circuit is electrically connected to the electrode by directly connecting one end thereof to a part of the outer periphery of the electrode.

配線基板は、例えばセラミック基板等の絶縁基板の主面に、半導体素子の電極の配置に対応させて接続パッドが形成された構造である。半導体素子の電極と配線基板の接続パッドとを互いに対向させて、両者の間に介在させたはんだバンプを介して両者を互いに接合させれば、半導体装置が形成される。   The wiring board has a structure in which connection pads are formed on the main surface of an insulating substrate such as a ceramic substrate so as to correspond to the arrangement of the electrodes of the semiconductor element. When the electrodes of the semiconductor element and the connection pads of the wiring substrate are opposed to each other and are joined to each other via solder bumps interposed therebetween, a semiconductor device is formed.

半導体装置は、上記電子機器の基板に実装され、半導体素子の電子回路と外部の電気回路との間で各種の電気信号の送受等が行なわれる。電子信号の送受に伴い、半導体素子の電子回路とはんだバンプとの間で電流が通電される。   The semiconductor device is mounted on the substrate of the electronic device, and various electric signals are transmitted and received between the electronic circuit of the semiconductor element and an external electric circuit. Along with the transmission and reception of the electronic signal, a current is passed between the electronic circuit of the semiconductor element and the solder bump.

なお、半導体素子の電極は、例えば銅やアルミニウム,チタン,ニッケル等の金属材料からなり、はんだバンプは、例えばスズ−銀やスズ−銀−銅等のはんだからなる。   The electrodes of the semiconductor element are made of a metal material such as copper, aluminum, titanium, or nickel, and the solder bumps are made of solder such as tin-silver or tin-silver-copper.

特開平7−211722号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-211722 特開2002−203925号公報JP 2002-203925 A 特開2007−59937号公報JP 2007-59937 A

しかしながら、このような従来の半導体装置においては、電子回路とはんだバンプとの間で送受される信号としての電流(電流密度)が、電極のうち電子回路が直接に接続されている一部において他の部分よりも大きくなる傾向がある。そのため、この一部において、電極を形成している銅やアルミニウム等の金属材料がはんだバンプ中に拡散移動するエレクトロマイグレーションを生じやすいという問題点があった。このようなエレクトロマイグレーションが生じると、電極の一部に空隙(ボイド)が生じ、電極とはんだバンプとの間で局部的な電気抵抗の増加や断線等の不具合を生じる。   However, in such a conventional semiconductor device, the current (current density) as a signal transmitted and received between the electronic circuit and the solder bump is different in a part of the electrode where the electronic circuit is directly connected. It tends to be larger than this part. Therefore, in this part, there has been a problem that electromigration in which a metal material such as copper or aluminum forming the electrode diffuses and moves into the solder bump is likely to occur. When such electromigration occurs, voids are generated in a part of the electrode, causing problems such as local increase in electrical resistance and disconnection between the electrode and the solder bump.

特に、近年、半導体素子の高速化に伴い、電子回路からはんだバンプに流れる電流がさらに大きくなる傾向にあるため、上記電子回路の接続されている一部における電流密度の増加が顕著であり、エレクトロマイグレーションが発生しやすくなってきている。   In particular, with the recent increase in the speed of semiconductor elements, the current flowing from the electronic circuit to the solder bumps tends to increase further. Therefore, the increase in current density in a part where the electronic circuit is connected is remarkable, and Migration is more likely to occur.

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み完成されたものであり、半導体素子の電極がはんだバンプを介して接続パッドに電気的に接続されてなる半導体装置において、電極の、特に電子回路と直接に接続された部分におけるエレクトロマイグレーションが効果的に抑制された、ボイドの発生を抑制することが可能な半導体装置を提供することにある。   The present invention has been completed in view of the above-mentioned problems of the prior art. In a semiconductor device in which electrodes of a semiconductor element are electrically connected to connection pads via solder bumps, the electrodes, particularly electronic circuits, An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing the generation of voids in which electromigration in the directly connected portion is effectively suppressed.

本発明の半導体装置は、電子回路が形成された半導体基板の主面に電極が配置され、該電極の外周の一部に前記電子回路が直接に接続されてなる半導体素子と、該半導体素子の前記電極と対向して配置された接続パッドを備える配線基板と、前記半導体素子の前記電極と前記配線基板の前記接続パッドとの間に介在して、前記電極および前記接続パッドに接合されたはんだバンプとを備え、前記電極と前記はんだバンプとの接合界面に沿ってニッケル層が介在しており、該ニッケル層は、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分において他の部分よりも厚いことを特徴とする。   A semiconductor device of the present invention includes a semiconductor element in which an electrode is disposed on a main surface of a semiconductor substrate on which an electronic circuit is formed, and the electronic circuit is directly connected to a part of the outer periphery of the electrode; A wiring board having a connection pad disposed opposite to the electrode; and a solder that is interposed between the electrode of the semiconductor element and the connection pad of the wiring board and bonded to the electrode and the connection pad A bump, and a nickel layer is interposed along the bonding interface between the electrode and the solder bump, the nickel layer being in contact with the part of the electrode to which the electronic circuit is connected It is characterized by being thicker than other parts.

また、本発明の半導体装置は、上記構成において、前記ニッケル層がリンを含有していることを特徴とする。   In the semiconductor device of the present invention having the above structure, the nickel layer contains phosphorus.

また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、前記ニッケル層が、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分で最も厚く、前記一部からの距離が遠いほど厚みが薄いことを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in any one of the configurations described above, the nickel layer is thickest at a portion in contact with the part to which the electronic circuit of the electrode is connected, and the distance from the part is It is characterized in that the farther away, the thinner the thickness.

また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、前記ニッケル層が、前記電極の前記一部に接した部分で最も厚く、かつ前記電極の外周部において中央部よりも厚いことを特徴とする。   In the semiconductor device according to any one of the above-described structures, the nickel layer is thickest at a portion in contact with the part of the electrode and thicker than a central portion at an outer peripheral portion of the electrode. And

本発明の半導体装置によれば、上記構成を備え、半導体素子の電極とはんだバンプとの接合界面に沿ってニッケル層が介在していることから、ニッケル層によって、電極を形成している金属材料のはんだバンプへの拡散が抑制される。つまり、ニッケル層が、銅やアルミニウム等の金属材料のエレクトロマイグレーション(以下、単にマイグレーションという)に対していわゆるバリア層として機能し、マイグレーションの速度を抑制する。   According to the semiconductor device of the present invention, since the nickel layer is provided along the bonding interface between the electrode of the semiconductor element and the solder bump, the metal material that forms the electrode by the nickel layer has the above-described configuration. Diffusion to the solder bumps is suppressed. That is, the nickel layer functions as a so-called barrier layer against electromigration (hereinafter simply referred to as migration) of a metal material such as copper or aluminum, and suppresses the migration speed.

また、このニッケル層は、電極の電子回路が接続されている一部に接した部分(接続部)において他の部分よりも厚く、銅等からなる電極に比べて電気抵抗(抵抗率)が高いことから、接続部(つまり、半導体素子の電子回路から電極を経てはんだバンプに流れる電流の電流密度が最も高くなる傾向がある部分)において、電極とはんだバンプとの間の電気的な接続の抵抗が、他の部分よりも高い。そのため、この電気抵抗の差によって、電流密度が上記接続部において他の部分よりも大きくなることが抑制される。したがって、上記接続部における電極のボイドが効果的に抑制される。すなわち、ニッケル層は、バリア層として機能すると同時に、電極とはんだバンプとの間の電気抵抗を調整して電流密度が電極の一部分において他の部分よりも大きくなることを抑制する、電流密度調整用の層としても機能する。   In addition, this nickel layer is thicker at the part (connection part) in contact with the part where the electronic circuit of the electrode is connected than the other part, and has a higher electrical resistance (resistivity) than an electrode made of copper or the like. Therefore, the resistance of the electrical connection between the electrode and the solder bump at the connection portion (that is, the portion where the current density of the current flowing from the electronic circuit of the semiconductor element through the electrode to the solder bump tends to be the highest) But higher than the rest. Therefore, the difference in electrical resistance suppresses the current density from becoming larger at the connection portion than at other portions. Therefore, the void of the electrode in the said connection part is suppressed effectively. That is, the nickel layer functions as a barrier layer, and at the same time, adjusts the electrical resistance between the electrode and the solder bump to suppress the current density from becoming larger in one part of the electrode than in the other part. It also functions as a layer.

また、本発明の半導体装置は、上記構成において、ニッケル層がリンを含有している場合には、ニッケル層の電気抵抗(抵抗率)がリン成分の作用によって、ニッケルのみの場合に比べて大きくなっている。そのため、ニッケル層の厚みの差によって生じる電気抵抗の差がより大きくなり、ニッケル層の厚みの差によって調整することが可能な上記電流密度の範囲を(ニッケル層の厚みの差をより小さく抑えながら)より大きくすることができる。そのため、この場合には、ニッケル層について、上記電流密度調整用の層としての実用性を向上させることができる。   In the semiconductor device of the present invention, in the above structure, when the nickel layer contains phosphorus, the electrical resistance (resistivity) of the nickel layer is larger than that of nickel alone due to the action of the phosphorus component. It has become. Therefore, the difference in electrical resistance caused by the difference in thickness of the nickel layer becomes larger, and the range of the current density that can be adjusted by the difference in thickness of the nickel layer (while keeping the difference in thickness of the nickel layer smaller) ) Can be larger. Therefore, in this case, the practicality of the nickel layer as the current density adjusting layer can be improved.

また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、ニッケル層が、電極の一部に接した部分で最も厚く、この一部からの距離が遠いほど厚みが薄い場合には、電子回路から電極を経てはんだバンプに流れる電流密度の大きさの減少に合わせて、電極とはんだバンプとの間の電気抵抗を大きくすることができる。そのため、より効果的に、電極の一部において他の部分よりも電流密度が大きくなるようなことをより効果的に抑制して、マイグレーションによる空隙の発生を抑制することができる。   In the semiconductor device of the present invention, in any of the above configurations, the nickel layer is thickest at a portion in contact with a part of the electrode, and the thickness is thinner as the distance from the part is farther, the electronic circuit The electrical resistance between the electrode and the solder bump can be increased in accordance with a decrease in the current density flowing from the solder to the solder bump. Therefore, it is possible to more effectively suppress the current density in a part of the electrode from being higher than that in the other part, thereby suppressing the generation of voids due to migration.

また、本発明の半導体装置は、上記いずれかの構成において、ニッケル層が、電極の前記一部に接した部分で最も厚く、かつ電極の外周部において中央部よりも厚い場合には、上記構成の場合と同様に、接続部において電流密度が他の部分よりも大きくなることが抑制される。また、電極の外周部においてニッケル層が厚いため、ニッケル層の中央部が凹状になる。そのため、電極にはんだバンプを、間にニッケル層を介して接合させる際に、ニッケル層の凹状の部分にはんだバンプの端部分を入り込ませて、はんだバンプ(または、はんだバンプとなるはんだボール等)の電極に対する位置ずれを抑制することもできる。   The semiconductor device of the present invention has the above-described configuration when the nickel layer is thickest at the portion in contact with the part of the electrode and thicker than the central portion at the outer peripheral portion of the electrode. As in the case of, the current density at the connection portion is suppressed from becoming larger than that at other portions. Further, since the nickel layer is thick at the outer peripheral portion of the electrode, the central portion of the nickel layer is concave. Therefore, when solder bumps are joined to electrodes via a nickel layer therebetween, solder bumps (or solder balls that become solder bumps, etc.) are inserted by inserting the end portions of the solder bumps into the concave portions of the nickel layer. The positional deviation with respect to the electrode can also be suppressed.

本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of embodiment of the semiconductor device of this invention. (a)は、図1に示す半導体装置の要部を拡大して示す要部断面図であり、(b)は、(a)の半導体素子部分を下面側から見た要部下面図(透視図)である。(A) is principal part sectional drawing which expands and shows the principal part of the semiconductor device shown in FIG. 1, (b) is the principal part bottom view (perspective view) which looked at the semiconductor element part of (a) from the lower surface side. Figure). (a)および(b)は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部断面図である。(A) And (b) is principal part sectional drawing which expands and shows the principal part in the other example of embodiment of the semiconductor device of this invention, respectively. (a)および(b)は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部下面図(透視図)である。(A) And (b) is a principal part bottom view (perspective view) which expands and shows the principal part in the other example of embodiment of the semiconductor device of this invention, respectively. 図4(a)に示す半導体装置の半導体素子部分を下面側から見た分解斜視図である。It is the disassembled perspective view which looked at the semiconductor element part of the semiconductor device shown to Fig.4 (a) from the lower surface side.

本発明の半導体装置を添付の図面を参照して説明する。図1は本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。また、図2(a)は、図1に示す半導体装置の要部を拡大して示す拡大断面図であり、図2(b)は、図1(a)の半導体素子部分を下面側から見た要部下面図(透視図)である。図1および図2において、1は半導体基板,2は電子回路,3は電極,4は配線基板,5は接続パッド,6ははんだバンプ,7はニッケル層である。電子回路2および電極3を備える半導体基板1と、接続パッド5を備える配線基板4とがはんだバンプ6を介して電気的および機械的に接続されて半導体装置が基本的に構成されている。図1においては、ニッケル層7を省略している。また、図2(b)においては、配線基板4およびはんだバンプ6を省略し、半導体素子の電極3部分を下面側から透視した状態を示している。   A semiconductor device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a sectional view showing an example of an embodiment of a semiconductor device of the present invention. FIG. 2A is an enlarged cross-sectional view showing an essential part of the semiconductor device shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a view of the semiconductor element portion of FIG. It is the principal part bottom view (perspective view). 1 and 2, 1 is a semiconductor substrate, 2 is an electronic circuit, 3 is an electrode, 4 is a wiring board, 5 is a connection pad, 6 is a solder bump, and 7 is a nickel layer. The semiconductor device is basically configured by electrically and mechanically connecting the semiconductor substrate 1 including the electronic circuit 2 and the electrodes 3 and the wiring substrate 4 including the connection pads 5 via the solder bumps 6. In FIG. 1, the nickel layer 7 is omitted. FIG. 2B shows a state in which the wiring board 4 and the solder bump 6 are omitted and the electrode 3 portion of the semiconductor element is seen through from the lower surface side.

半導体基板1は、シリコンやガリウム砒素リン,ゲルマニウム,ヒ化ガリウム,窒化ガリウム,炭化珪素等の半導体材料からなり、このような半導体材料のウエハが所定の形状および寸法に切断されて作製されている。半導体基板1は、例えば、1辺の長さが約3〜10mm程度の四角板状のシリコン基板である。   The semiconductor substrate 1 is made of a semiconductor material such as silicon, phosphorus gallium arsenide, germanium, gallium arsenide, gallium nitride, or silicon carbide, and is manufactured by cutting a wafer of such a semiconductor material into a predetermined shape and size. . The semiconductor substrate 1 is, for example, a quadrangular plate-like silicon substrate having a side length of about 3 to 10 mm.

半導体基板1の主面には、アルミニウムや銅,金等の金属材料からなる電子回路2が配置されている。電子回路2は、例えばトランジスタやダイオード等の機能を備える部分も含み、半導体基板1の主面に集積回路として形成している。   An electronic circuit 2 made of a metal material such as aluminum, copper, or gold is disposed on the main surface of the semiconductor substrate 1. The electronic circuit 2 includes a part having functions such as a transistor and a diode, for example, and is formed as an integrated circuit on the main surface of the semiconductor substrate 1.

この電子回路2は、電極3の外周の一部に直接に接続されていて、電極3を介して外部
の電気回路に電気的に接続される。これらの半導体基板1,電子回路2および電極3によって、半導体集積回路素子(IC)等の半導体素子(符号なし)が形成されている。電極3は、例えば銅やアルミニウム,銀,パラジウム,ニッケル等の金属材料によって形成されている。これらの金属材料のうち銅およびアルミニウムが、電気抵抗が低いことや経済性等を考慮して電極3を形成する金属材料の主成分として多く用いられる。
The electronic circuit 2 is directly connected to a part of the outer periphery of the electrode 3 and is electrically connected to an external electric circuit via the electrode 3. The semiconductor substrate 1, the electronic circuit 2, and the electrode 3 form a semiconductor element (no symbol) such as a semiconductor integrated circuit element (IC). The electrode 3 is made of a metal material such as copper, aluminum, silver, palladium, or nickel. Of these metal materials, copper and aluminum are often used as the main components of the metal material forming the electrode 3 in consideration of low electrical resistance, economy and the like.

なお、電極3の形状および寸法は、電子回路2の配置位置等に応じて適宜設定され、例えば、直径が約100〜300μmの円形状等に形成されている。   The shape and dimensions of the electrode 3 are appropriately set according to the arrangement position of the electronic circuit 2 and the like, for example, are formed in a circular shape having a diameter of about 100 to 300 μm.

半導体素子は、例えば半導体基板1(実際にはシリコンウエハ等)の主面にシリコンの酸化膜(図示せず)を形成した後、アルミニウム等からなる電子回路2を蒸着法やフォトリソグラフ法等の微細加工技術を適用して形成することによって作製されている。   For example, after forming a silicon oxide film (not shown) on the main surface of a semiconductor substrate 1 (actually a silicon wafer or the like), a semiconductor element is formed by applying an electronic circuit 2 made of aluminum or the like by vapor deposition or photolithography. It is manufactured by applying a fine processing technique.

電極3を介して電子回路2と外部の電気回路との間で信号の送受等が行なわれ、電子回路2において所定の演算や記憶,解析等の各種の処理が実行される。   Signals are transmitted and received between the electronic circuit 2 and an external electric circuit via the electrode 3, and various processes such as predetermined computation, storage, and analysis are performed in the electronic circuit 2.

半導体素子は、上記のように配線基板4と電気的および機械的に接続されて、つまり配線基板4に搭載されて半導体装置となり、コンピュータや通信機器,検査装置等の各種の電子機器に部品として実装される。電子機器が備えるマザーボード等の回路が外部の電気回路に相当する。   The semiconductor element is electrically and mechanically connected to the wiring board 4 as described above, that is, mounted on the wiring board 4 to become a semiconductor device, and is used as a component in various electronic devices such as computers, communication devices, and inspection devices. Implemented. A circuit such as a motherboard provided in the electronic device corresponds to an external electric circuit.

配線基板4は、半導体素子を搭載して半導体装置を作製するための、いわゆるICパッケージ等である。配線基板4は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体やガラスセラミック焼結体,ムライト質焼結体,窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料や、エポキシ樹脂,ポリイミド樹脂等の樹脂材料、セラミック材料やガラス材料等と樹脂材料との複合材料等の絶縁材料によって形成された絶縁基板4aの主面に接続パッド5が配置されて形成されている。   The wiring substrate 4 is a so-called IC package or the like for mounting a semiconductor element to manufacture a semiconductor device. The wiring substrate 4 is made of, for example, a ceramic material such as an aluminum oxide sintered body, a glass ceramic sintered body, a mullite sintered body, an aluminum nitride sintered body, a resin material such as an epoxy resin or a polyimide resin, or a ceramic material. In addition, connection pads 5 are formed on the main surface of an insulating substrate 4a formed of an insulating material such as a composite material of a glass material or the like and a resin material.

絶縁基板4aは、例えば、ガラスセラミック焼結体からなる場合、次のようにして製作することができる。即ち、酸化アルミニウムにガラス,焼結助剤を添加した原料粉末に適当な有機バインダおよび有機溶剤を添加混合して泥漿状とし、これをドクターブレード法やリップコータ法等のシート成形技術を採用してシート状に成形することにより複数枚のセラミックグリーンシートを得て、その後、セラミックグリーンシートを切断加工や打ち抜き加工により適当な形状とするとともにこれを複数枚積層し、最後にこの積層されたセラミックグリーンシートを還元雰囲気中において約800〜1000℃の温度で焼成することに
よって製作される。
When the insulating substrate 4a is made of, for example, a glass ceramic sintered body, it can be manufactured as follows. In other words, a suitable organic binder and organic solvent are added to and mixed with the raw material powder obtained by adding glass and sintering aids to aluminum oxide to form a slurry, and this is applied to a sheet molding technique such as a doctor blade method or a lip coater method. A plurality of ceramic green sheets are obtained by forming into a sheet shape, and then the ceramic green sheets are formed into an appropriate shape by cutting or punching, and a plurality of them are laminated, and finally the laminated ceramic green sheets The sheet is manufactured by firing at a temperature of about 800 to 1000 ° C. in a reducing atmosphere.

接続パッド5は、絶縁基板4aの主面(図1の例では上面)に、半導体素子の主面(図1の例では下面)に配置された電極3と対向するように配置されている。接続パッド5と半導体素子の電極3とがはんだバンプ6を介して互いに接合されていることによって、半導体素子と配線基板4とが電気的および機械的に接続され、半導体装置が形成されている。   The connection pad 5 is disposed on the main surface (upper surface in the example of FIG. 1) of the insulating substrate 4a so as to face the electrode 3 disposed on the main surface (lower surface in the example of FIG. 1). By connecting the connection pad 5 and the electrode 3 of the semiconductor element to each other via the solder bump 6, the semiconductor element and the wiring board 4 are electrically and mechanically connected to form a semiconductor device.

接続パッド5は、例えば絶縁基板4aの下面等の表面や内部に形成された配線導体8を介して外部の電気回路(符号なし)と電気的に接続される。配線導体8は、絶縁基板4aの内部に形成された貫通導体(ビア導体)を含む。配線導体8と外部の電気回路との電気的な接続は、例えばはんだや導電性接着剤等の導電性接続材9を介して行なわれる。配線導体8は、例えば後述する接続パッド5と同様の材料を用い、同様の方法で形成することができる。   The connection pad 5 is electrically connected to an external electric circuit (no symbol) through a wiring conductor 8 formed on the surface such as the lower surface of the insulating substrate 4a or inside, for example. The wiring conductor 8 includes a through conductor (via conductor) formed inside the insulating substrate 4a. The electrical connection between the wiring conductor 8 and an external electric circuit is performed through a conductive connecting material 9 such as solder or a conductive adhesive. The wiring conductor 8 can be formed by the same method using, for example, the same material as the connection pad 5 described later.

接続パッド5は、タングステンやモリブデン,マンガン,銅,銀,パラジウム,金,白金,チタン等の金属材料により形成されている。これらの金属材料、特に銅および銀は、電気抵抗が低いため、電極パッド2における電気抵抗を低く抑えて、電子部品11を電極パッド2に電気的に接続したときの導通抵抗等の電気特性を高くする上で有利である。   The connection pad 5 is made of a metal material such as tungsten, molybdenum, manganese, copper, silver, palladium, gold, platinum, or titanium. Since these metal materials, particularly copper and silver, have low electrical resistance, electrical characteristics such as conduction resistance when the electronic component 11 is electrically connected to the electrode pad 2 by suppressing the electrical resistance in the electrode pad 2 low. It is advantageous to make it high.

接続パッド5は、例えば平面視で円形状や楕円形状,四角形状等であり、対向して接続される電極3の形状や寸法に応じて適宜、形状および寸法が設定されている。接続パッド5は、例えば電極3が上記のように直径が約100〜300μmの円形状等の場合であれば、これよりも若干大きな円形状(直径が約200〜400μm)等に形成される。   The connection pad 5 has, for example, a circular shape, an elliptical shape, a quadrangular shape, or the like in plan view, and the shape and size are appropriately set according to the shape and size of the electrodes 3 connected to face each other. For example, if the electrode 3 has a circular shape with a diameter of about 100 to 300 μm as described above, the connection pad 5 is formed in a slightly larger circular shape (with a diameter of about 200 to 400 μm).

半導体素子の電極3と配線基板4の接続パッド5とを接続しているはんだバンプ6は、例えば図1および図2に示したように上下(電極3側および接続パッド5側)が平らに潰れた球状である。   The solder bumps 6 that connect the electrodes 3 of the semiconductor element and the connection pads 5 of the wiring board 4 are flattened vertically (for example, on the electrode 3 side and the connection pad 5 side) as shown in FIGS. It is spherical.

はんだバンプ6は、スズ−鉛やスズ−銀やスズ−銀−銅,スズ−銀−ビスマス等のはんだ材料によって形成されている。はんだバンプ6は、環境への悪影響を避ける上では、鉛等の有害物質を含有しない、いわゆる鉛フリーはんだであることが好ましい。   The solder bump 6 is formed of a solder material such as tin-lead, tin-silver, tin-silver-copper, tin-silver-bismuth or the like. The solder bump 6 is preferably a so-called lead-free solder that does not contain harmful substances such as lead in order to avoid adverse effects on the environment.

はんだバンプ6を介した電極3と接続パッド5との接続は、例えば以下のようにして行なわれている。すなわち、まずスズ−銀はんだ等のはんだボールを準備して、このはんだボールを電極3上に(電極3が上を向くように半導体素子をセットした状態で)位置決めして載せ、このはんだボールをリフロー等の方法で加熱して電極3に接合し、次に、半導体素子をひっくり返して配線基板4上に、はんだバンプ6が接続パッド5に載るように位置合わせして搭載し、その後、はんだバンプ6を再度加熱して接続パッド5に接合させることによって、はんだバンプ6を介して電極3と接続パッド5とが互いに接続される。そして、以上の工程によって、半導体素子と配線基板4とがはんだバンプ6を介して電気的および機械的に接続されてなる半導体装置が製作されている。   The connection between the electrode 3 and the connection pad 5 via the solder bump 6 is performed as follows, for example. That is, first, a solder ball such as tin-silver solder is prepared, and this solder ball is positioned and placed on the electrode 3 (with the semiconductor element set so that the electrode 3 faces upward). It is heated by a method such as reflow and bonded to the electrode 3, and then the semiconductor element is turned over and mounted on the wiring board 4 so that the solder bumps 6 are placed on the connection pads 5. By heating the bump 6 again and bonding it to the connection pad 5, the electrode 3 and the connection pad 5 are connected to each other through the solder bump 6. And the semiconductor device by which the semiconductor element and the wiring board 4 are electrically and mechanically connected through the solder bump 6 by the above process is manufactured.

このはんだバンプ6と電極3との間には、これらの接合の界面に沿ってニッケル層7が介在している。また、このニッケル層7は、電極3の外周の電子回路2が接続されている一部に接した部分において他の部分よりも厚い。   A nickel layer 7 is interposed between the solder bump 6 and the electrode 3 along the interface of these joints. In addition, the nickel layer 7 is thicker than the other portions in a portion in contact with a part to which the electronic circuit 2 on the outer periphery of the electrode 3 is connected.

半導体素子の電極3とはんだバンプ6との接合界面に沿ってニッケル層7が介在していることから、ニッケル層7によって、電極3を形成している金属材料(特に、主成分である銅やアルミニウム)のはんだバンプ6への拡散が抑制される。つまり、ニッケル層7が、銅やアルミニウム等の金属材料のマイグレーション(前述したように、電子の移動に起因する金属成分の拡散であるエレクトロマイグレーション)に対していわゆるバリア層として機能し、マイグレーションの速度を抑制する。   Since the nickel layer 7 is interposed along the bonding interface between the electrode 3 of the semiconductor element and the solder bump 6, the metal material forming the electrode 3 by the nickel layer 7 (particularly, copper or the main component) Diffusion of aluminum) into the solder bumps 6 is suppressed. That is, the nickel layer 7 functions as a so-called barrier layer against migration of metal materials such as copper and aluminum (as described above, electromigration which is diffusion of metal components due to electron movement), and the migration speed. Suppress.

また、このニッケル層7は、銅等からなる電極3に比べて電気抵抗(抵抗率)が高く、電極3の電子回路2が直接に接続されている一部(接続部)に接した部分において他の部分よりも厚いことから、接続部(つまり、半導体素子の電子回路2から電極3を経てはんだバンプ6に流れる電流の電流密度が最も高くなる傾向がある部分)において、電極3とはんだバンプ6との間の電気的な接続の抵抗が、他の部分よりも高い。そのため、この電気抵抗の差によって、電流密度が上記接続部において他の部分よりも大きくなることが抑制される。したがって、上記接続部における電極3のボイドが効果的に抑制される。   Further, the nickel layer 7 has a higher electrical resistance (resistivity) than the electrode 3 made of copper or the like, and is in a portion in contact with a part (connection portion) of the electrode 3 where the electronic circuit 2 is directly connected. Since it is thicker than the other parts, the electrode 3 and the solder bump in the connection part (that is, the part where the current density of the current flowing from the electronic circuit 2 of the semiconductor element through the electrode 3 to the solder bump 6 tends to be the highest). The resistance of the electrical connection with 6 is higher than the other parts. Therefore, the difference in electrical resistance suppresses the current density from becoming larger at the connection portion than at other portions. Therefore, the void of the electrode 3 in the connection portion is effectively suppressed.

すなわち、ニッケル層7は、銅等の電極3の成分の拡散を抑制するバリア層として機能すると同時に、電極3とはんだバンプ6との間の電気抵抗を調整して電流密度が電極3の一部において他の部分よりも大きくなることを抑制する、電流密度調整用の層としても機
能する。
That is, the nickel layer 7 functions as a barrier layer that suppresses the diffusion of the components of the electrode 3 such as copper, and at the same time, the electric density between the electrode 3 and the solder bump 6 is adjusted so that the current density is a part of the electrode 3. It also functions as a layer for adjusting the current density, which is suppressed from becoming larger than other portions.

また、ニッケルは、銅やアルミニウム,スズ−銀はんだ等のはんだ材料のいずれに対しても密着性が良好である。そのため、ニッケル層7は電極3およびはんだバンプ6の両方に対する密着性が良好で、それぞれの間の機械的な接合強度も高い。したがって、電極3とはんだバンプ6との間にニッケル層7を介在させた構成において、電極3と半田バンプ6との間の電気的および機械的な接続の信頼性を高く確保することができる。   Nickel has good adhesion to any of solder materials such as copper, aluminum, and tin-silver solder. Therefore, the nickel layer 7 has good adhesion to both the electrode 3 and the solder bump 6, and the mechanical bonding strength between them is also high. Therefore, in the configuration in which the nickel layer 7 is interposed between the electrode 3 and the solder bump 6, it is possible to ensure high reliability of electrical and mechanical connection between the electrode 3 and the solder bump 6.

電極3とはんだバンプ6との間にニッケル層7を介在させるには、例えば前述した工程で半導体装置を製作する際に、はんだボールを電極3上に載せる前に、電極3の表面にニッケル層7を無電解めっき法等の方法で被着させておき、その後、はんだボールを電極3(実際にはニッケル層7)の表面に上記と同様の方法で接合させるようにすればよい。   In order to interpose the nickel layer 7 between the electrode 3 and the solder bump 6, for example, when a semiconductor device is manufactured by the above-described process, before the solder ball is placed on the electrode 3, the nickel layer is formed on the surface of the electrode 3. 7 may be deposited by a method such as electroless plating, and then the solder ball may be bonded to the surface of the electrode 3 (actually the nickel layer 7) by the same method as described above.

ニッケル層7は、例えばニッケルや、ニッケルを主成分とし、これに他の金属等の成分を含む材料によって形成されている。他の金属等の成分は、例えば上記のように無電解めっき法等の方法でニッケル層7を電極3に被着させる際に共析する成分である。ニッケル層7の形成には、電極3の材料である銅等の表面に形成するとき、銅との密着性や形成コスト,耐薬品性,実装性の観点を重視した場合には、無電解ニッケル−リンめっきが用いられる。   The nickel layer 7 is formed of, for example, nickel or a material containing nickel as a main component and components such as other metals. Other components such as metal are components that are eutectoid when the nickel layer 7 is deposited on the electrode 3 by a method such as electroless plating as described above. When the nickel layer 7 is formed on the surface of copper or the like, which is the material of the electrode 3, the electroless nickel is used in the case where importance is attached to the adhesion with copper, the formation cost, the chemical resistance, and the mountability. -Phosphorus plating is used.

ニッケル層7を無電解めっき法(無電解ニッケル−リン)で形成する場合、半導体基板1の電極3を、硫酸ニッケル等のニッケル塩と次亜リン酸ナトリウム等の還元剤とを主成分とし、錯化剤や安定剤等が添加されてなる無電解ニッケルめっき液中に所定時間浸漬することによって形成することができる。この場合、形成されたニッケル層7は、還元剤の分解生成物であるリンを5〜10質量%程度含んでいる。   When the nickel layer 7 is formed by an electroless plating method (electroless nickel-phosphorus), the electrode 3 of the semiconductor substrate 1 is mainly composed of a nickel salt such as nickel sulfate and a reducing agent such as sodium hypophosphite, It can be formed by immersing in an electroless nickel plating solution to which a complexing agent, a stabilizer and the like are added for a predetermined time. In this case, the formed nickel layer 7 contains about 5 to 10% by mass of phosphorus which is a decomposition product of the reducing agent.

なお、これらの金属の電気抵抗(μΩ・cm)は、ニッケルが約6.9,銅が約1.694,ア
ルミニウムが約2.67であり、ニッケルの電気抵抗が銅およびアルミニウムよりも高いため、上記のように電気抵抗を大きくすることができる。また、無電解めっき法でニッケル層7を形成した場合、ニッケル層7としてのニッケルめっき皮膜はリンを含むニッケル―リン合金になる。このニッケル−リン合金の電気抵抗はリン濃度が約8質量%程度で50〜60μΩ・cmとなり、はんだ材料のスズの約12.6μΩ・cmと比べても高いため、ニッケル層7の一部厚い部分の抵抗値をより大きくすることができる。
The electrical resistance (μΩ · cm) of these metals is approximately 6.9 for nickel, approximately 1.694 for copper, and approximately 2.67 for aluminum, and the electrical resistance of nickel is higher than that of copper and aluminum. The resistance can be increased. When the nickel layer 7 is formed by electroless plating, the nickel plating film as the nickel layer 7 is a nickel-phosphorus alloy containing phosphorus. The nickel-phosphorus alloy has an electrical resistance of 50-60 μΩ · cm at a phosphorus concentration of about 8% by mass, which is higher than the solder material tin of about 12.6 μΩ · cm. The resistance value can be increased.

すなわち、ニッケル層7は、電極3とはんだバンプ6との間の電流密度調整用の層としての機能をより有効とすることを考慮した場合には、リンを含有していることが好ましい。リンを含有するニッケル層7は、例えば上記のように無電解ニッケル−リンめっきでニッケル層7となるニッケルめっき層を電極3に被着させることによって形成することができる。   In other words, the nickel layer 7 preferably contains phosphorus in consideration of making the function as a current density adjusting layer between the electrode 3 and the solder bump 6 more effective. The nickel layer 7 containing phosphorus can be formed, for example, by depositing the electrode 3 with a nickel plating layer that becomes the nickel layer 7 by electroless nickel-phosphorus plating as described above.

ニッケル層7におけるリンの含有率は、ニッケル層7の電気抵抗を高くする上では多いほど好ましい。しかし、リンの含有率が多くなり過ぎると半田実装時に実装信頼性(はんだバンプ6とニッケル層7との接続信頼性)が低下する等の不具合が誘発される可能性がある。したがって、ニッケル層7におけるリンの含有率は、5〜10質量%の範囲が好ましい。   The phosphorus content in the nickel layer 7 is preferably as much as possible in order to increase the electrical resistance of the nickel layer 7. However, if the phosphorus content is too high, there is a possibility that problems such as a decrease in mounting reliability (connection reliability between the solder bump 6 and the nickel layer 7) during solder mounting may be induced. Accordingly, the phosphorus content in the nickel layer 7 is preferably in the range of 5 to 10% by mass.

ニッケル層7について、リンの含有率を上記の範囲に調整するには、例えば上記の無電解ニッケル−リンめっき液を用い、特にpHを制御することが重要である。pHが高くなるとリンの含有率が低下するため、酸性タイプのニッケルめっき液では4.4〜4.8程度、中性タイプでは6.0〜6.8程度に制御すればよい。   In order to adjust the phosphorus content within the above range for the nickel layer 7, it is important to control the pH, for example, using the above electroless nickel-phosphorous plating solution. Since the phosphorus content decreases as the pH increases, the pH may be controlled to about 4.4 to 4.8 for an acidic type nickel plating solution and about 6.0 to 6.8 for a neutral type.

なお、ニッケル層7にリンを含有させる場合、ニッケル層7におけるリンの分布は、ほぼ均一であることが好ましい。   In addition, when making the nickel layer 7 contain phosphorus, it is preferable that the distribution of phosphorus in the nickel layer 7 is substantially uniform.

また、ニッケル層7における電気抵抗(抵抗率)を大きくするためにニッケル層7に添加する材料としては、リンに加えてPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等の樹脂を添加する方法等が挙げられる。これらのリンと樹脂とをニッケル層7に添加する方法では、例えば樹脂等を粒子の状態でめっき液中に添加・分散させてめっきを行なうことで、ニッケル層7中に添加させることができる。   Examples of the material added to the nickel layer 7 in order to increase the electrical resistance (resistivity) in the nickel layer 7 include a method of adding a resin such as PTFE (polytetrafluoroethylene) in addition to phosphorus. In the method of adding these phosphorus and resin to the nickel layer 7, for example, by adding and dispersing resin or the like in the form of particles in the plating solution, plating can be performed in the nickel layer 7.

ニッケル層7の厚みは、電極3の接続部に接した部分において他の部分よりも厚くする必要があるが、それぞれの部位における具体的な厚みは、電子回路2から電極3を経てはんだバンプ6に流れる電流の大きさや半導体装置が使用される環境の温度,ニッケル層7自体の電気抵抗(抵抗率),電極3を形成している金属材料の組成等の、マイグレーションに影響を与える各種の条件、および生産性や経済性等に応じて適宜設定すればよい。   The thickness of the nickel layer 7 needs to be thicker than the other portions in the portion in contact with the connection portion of the electrode 3, but the specific thickness in each portion is from the electronic circuit 2 through the electrode 3 to the solder bump 6. Conditions affecting the migration, such as the magnitude of the current flowing through the substrate, the temperature of the environment in which the semiconductor device is used, the electrical resistance (resistivity) of the nickel layer 7 itself, the composition of the metal material forming the electrode 3 And may be set as appropriate according to productivity, economic efficiency, and the like.

例えば、電子回路2から電極3を経て流れる電流密度は電極3一つ当たり8kA/cm
であり、電極3が銅からなり、ニッケル層7がリンを約5質量%程度含むものである場合であれば、ニッケル層7の厚みは、電極3の接続部に接した部分において約8〜15μmとし、他の部分において約2〜8μmとすればよい。
For example, the current density flowing from the electronic circuit 2 through the electrode 3 is 8 kA / cm per electrode 3.
2 and the electrode 3 is made of copper and the nickel layer 7 contains about 5% by mass of phosphorus, the thickness of the nickel layer 7 is about 8 to 15 μm at the portion in contact with the connecting portion of the electrode 3. In other parts, it may be about 2 to 8 μm.

この場合には、ニッケル層7に上記のように厚みが厚い部分を設けたことによって、言い換えれば、電流の流れやすさに応じて、抵抗が高い部分を電極3とはんだバンプ6との間に設けたことによって、電極3の全域において、電極3からはんだバンプ6に流れる電流の電流密度をほぼ同じ程度に揃えることができる。   In this case, by providing the nickel layer 7 with a thick portion as described above, in other words, according to the ease of current flow, a portion having a high resistance is provided between the electrode 3 and the solder bump 6. By providing, the current density of the current flowing from the electrode 3 to the solder bump 6 can be made substantially the same in the entire area of the electrode 3.

簡便な方法としては、ニッケル層7の上記他の部分の厚みを約4μmとし、その約2〜4倍の厚みを、電極3の接続部に接した部分の厚みとして設定する方法が挙げられる。   As a simple method, there is a method in which the thickness of the other portion of the nickel layer 7 is set to about 4 μm, and a thickness of about 2 to 4 times the thickness is set as the thickness of the portion in contact with the connection portion of the electrode 3.

ニッケル層7について、上記のように厚みが他の部分よりも厚い部分を形成するには、例えば、マスキングによる方法を用いることができる。   For the nickel layer 7, for example, a masking method can be used to form a thicker portion than the other portions as described above.

すなわち、まず電極3の表面の全面に比較的薄く(例えば上記のように他の部分における厚み4μm程度に)無電解めっき法等の方法で被着させる(第1層)。その後、この第1層の表面を、電極3の接続部に接した部分(つまりニッケル層7を厚くした部分)を除いてマスキング材で被覆する。マスキング材としては、例えばレジスト加工に用いるノボラック樹脂等を用いることができ、フォトリソグラフィ法の方法で所定パターンに被着させることができる。その後、このマスキング材で被覆されずに露出した第1層の表面にニッケルめっきを追加して行ない、所定の厚みとした後にマスキング材を除去すれば、電極3の接続部に接した部分において他の部分よりも厚いニッケル層7を形成することができる。   That is, first, the entire surface of the electrode 3 is made relatively thin (for example, to a thickness of about 4 μm in other portions as described above) by a method such as electroless plating (first layer). Thereafter, the surface of the first layer is covered with a masking material except for a portion in contact with the connection portion of the electrode 3 (that is, a portion where the nickel layer 7 is thickened). As the masking material, for example, a novolak resin or the like used for resist processing can be used, and it can be applied to a predetermined pattern by a photolithography method. After that, nickel plating is added to the surface of the first layer exposed without being covered with this masking material, and if the masking material is removed after setting the thickness to a predetermined thickness, other portions are in contact with the connection portion of the electrode 3. It is possible to form a nickel layer 7 thicker than this portion.

なお、ニッケル層7の厚みを厚くする部分は、電極3の接続部に接した部分を必ず含み、この部分から、例えば電流密度の大きさや、上記のようにマスキングによってニッケル層7の厚みに差をつける際の作業性等に応じて、適宜設定すればよい。図2に示した例では、平面視で、接続部を含む電極3の外周に沿った、一定の幅の円弧状の部分においてニッケル層7を他の部分よりも厚くしている。   The portion where the thickness of the nickel layer 7 is increased always includes the portion in contact with the connection portion of the electrode 3, and from this portion, for example, the difference in the thickness of the nickel layer 7 due to the magnitude of current density or masking as described above. What is necessary is just to set suitably according to workability | operativity at the time of attaching. In the example shown in FIG. 2, the nickel layer 7 is thicker than the other portions in a circular arc-shaped portion having a constant width along the outer periphery of the electrode 3 including the connection portion in plan view.

また、この半導体装置は、例えば図3(a)および(b)に示すように、ニッケル層7が、電極3の一部に接した部分で最も厚く、この一部からの距離が遠いほど厚みが漸次薄
くなる場合には、電子回路2から電極3を経てはんだバンプ6に流れる電流密度の減少に合わせて、電極3とはんだバンプ6との間の電気抵抗を漸次大きくすることができる。そのため、より効果的に、電極3の一部において他の部分よりも電流密度が大きくなるようなことをより効果的に抑制して、マイグレーションによる空隙の発生を抑制することができる。なお、図3(a)および(b)は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部断面図である。図3において図1および図2と同様の部位には同様の符号を付している。
Further, for example, as shown in FIGS. 3A and 3B, this semiconductor device is thickest at a portion where the nickel layer 7 is in contact with a part of the electrode 3 and the distance from the part is farther. Is gradually reduced, the electrical resistance between the electrode 3 and the solder bump 6 can be gradually increased in accordance with the decrease in the current density flowing from the electronic circuit 2 through the electrode 3 to the solder bump 6. Therefore, it is possible to more effectively suppress the current density in part of the electrode 3 from becoming larger than that in other parts, and to suppress the generation of voids due to migration. 3 (a) and 3 (b) are enlarged cross-sectional views showing a main part in another example of the embodiment of the semiconductor device of the present invention. In FIG. 3, the same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.

言い換えれば、この場合には、電極3の接続部で最も大きく、この接続部から離れるほど漸次低下する傾向がある電流に合わせて、電極3とはんだバンプ6との間の電気抵抗を漸次増加させることによって、電流密度を電極3の全域においてより確実に同じ程度に揃えることができる。これによって、過大な電流密度に起因するマイグレーションによる電極3の空隙を抑制することができる。   In other words, in this case, the electric resistance between the electrode 3 and the solder bump 6 is gradually increased in accordance with a current that is the largest at the connection portion of the electrode 3 and tends to gradually decrease as the distance from the connection portion increases. As a result, the current density can be more reliably made equal to the same level in the entire area of the electrode 3. As a result, gaps in the electrode 3 due to migration caused by an excessive current density can be suppressed.

このような効果は、ニッケル層7がリンを含有している場合も同様である。ニッケル層7がリンを含有している場合には、ニッケル層7の厚みの変化に応じた電気抵抗の変化の割合がより大きくなる。また、同じ程度の電気抵抗を得る上で必要なニッケル層7の厚み自体をより小さく抑えることができる。   Such an effect is the same when the nickel layer 7 contains phosphorus. When the nickel layer 7 contains phosphorus, the rate of change in electrical resistance according to the change in the thickness of the nickel layer 7 becomes larger. Further, the thickness of the nickel layer 7 necessary for obtaining the same electrical resistance can be further reduced.

なお、図3(a)は、ニッケル層7の厚みを、電極3の接続部に接した部分から他の部分にかけて、しだいに薄くなるようにした例である。この例の場合には、電流の増加および減少の傾向に合わせて、ニッケル層7における電気抵抗をより精度よく調整することができる。そのため、より精度の高い電流密度の調整を行なう上で有利である。   FIG. 3A shows an example in which the thickness of the nickel layer 7 is gradually reduced from the portion in contact with the connection portion of the electrode 3 to the other portion. In the case of this example, the electrical resistance in the nickel layer 7 can be adjusted with higher accuracy in accordance with the tendency of current increase and decrease. Therefore, it is advantageous in adjusting the current density with higher accuracy.

また、図3(b)は、ニッケル層7の厚みを、階段状に変化させた例である。この場合には、それぞれの厚みに応じてマスキングを併用する方法等でニッケル層7を、無電解めっき法等の方法で形成することができる。そのため、この場合には、上記のようにニッケル層7の厚みを電極3の接続部から他の部分にかけて漸次変化させる際の作業性を高くする上で有利である。   FIG. 3B shows an example in which the thickness of the nickel layer 7 is changed stepwise. In this case, the nickel layer 7 can be formed by a method such as an electroless plating method by a method using masking in combination with each thickness. Therefore, in this case, as described above, it is advantageous in improving workability when the thickness of the nickel layer 7 is gradually changed from the connection portion of the electrode 3 to another portion.

また、この半導体装置は、例えば図4(a)および(b)に示すような形態でも構わない。なお、図4(a)および(b)は、それぞれ本発明の半導体装置の実施の形態の他の例における要部を拡大して示す要部下面図(透視図)である。図4において図1および図2と同様の部位には同様の符号を付している。図4(a)および(b)に示す例において得られる効果は、ニッケル層7がリンを含有している場合も同様に得ることができる。   Further, this semiconductor device may have a form as shown in FIGS. 4A and 4B, for example. FIGS. 4A and 4B are enlarged bottom views (perspective views) showing main parts in another example of the embodiment of the semiconductor device of the present invention. 4, parts similar to those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. The effects obtained in the examples shown in FIGS. 4A and 4B can be obtained similarly when the nickel layer 7 contains phosphorus.

半導体装置は、例えば図4(a)に示すように、ニッケル層7が、電極3の接続部に接した部分で最も厚く、かつ電極3の外周部において中央部よりも厚い場合には、上記構成の場合と同様に、接続部において電流密度が他の部分よりも大きくなることが抑制される。また、この場合には、電極3の外周部においてニッケル層7が厚いため、ニッケル層7の中央部が凹状になる。そのため、電極3にはんだバンプ6を、間にニッケル層7を介して接合させる際に、ニッケル層7の凹状の部分にはんだバンプ6の端部分を入り込ませて、はんだバンプ6の電極3に対する位置ずれを抑制することもできる。   For example, as shown in FIG. 4A, the semiconductor device has the above thickness when the nickel layer 7 is thickest at the portion in contact with the connection portion of the electrode 3 and thicker at the outer peripheral portion of the electrode 3 than the central portion. As in the case of the configuration, the current density at the connection portion is suppressed from being larger than that at other portions. In this case, since the nickel layer 7 is thick at the outer periphery of the electrode 3, the central portion of the nickel layer 7 is concave. Therefore, when the solder bump 6 is joined to the electrode 3 via the nickel layer 7, the end portion of the solder bump 6 is inserted into the concave portion of the nickel layer 7, and the position of the solder bump 6 with respect to the electrode 3. The deviation can also be suppressed.

すなわち、図7に示すように、はんだバンプ6は、前述したはんだバンプ6となるスズ−銀はんだ等のはんだボール6aが電極3(ニッケル層7)上に位置決めして載せられて、加熱されたものである。これに対して、図7(a)に示した例のような場合には、はんだボール6aの下側の一部をニッケル層7の中央の凹状の部分にはめて、転がらないように仮固定することができる。そのため、半導体装置としての生産性等を向上させる上で有利である。   That is, as shown in FIG. 7, the solder bumps 6 were heated by positioning the solder balls 6a such as tin-silver solder to be the solder bumps 6 on the electrodes 3 (nickel layer 7). Is. On the other hand, in the case of the example shown in FIG. 7A, a part of the lower side of the solder ball 6a is fitted to the concave portion in the center of the nickel layer 7 and temporarily fixed so as not to roll. can do. Therefore, it is advantageous in improving productivity as a semiconductor device.

また、半導体装置7は、例えば図4(b)に示すように、ニッケル層7が、電極3の接続部に接した部分を中心とした扇形の範囲において他の部分よりも厚い場合には、この中心で最も高くなる傾向があり、この中心から等距離において同じ程度の値にまで減少する傾向がある電流に合わせて、漸次ニッケル層7の電気抵抗を高くすることができる。そのため、この場合には、電流密度を電極3の一部において他の部分よりも大きくなることをより効果的に抑制する上で適した半導体装置とすることができる。   In addition, as shown in FIG. 4B, for example, the semiconductor device 7 has a nickel layer 7 that is thicker than other portions in a fan-shaped range centering on a portion in contact with the connection portion of the electrode 3. The electric resistance of the nickel layer 7 can be gradually increased in accordance with the current that tends to be highest at this center and tends to decrease to the same value at the same distance from the center. Therefore, in this case, it is possible to obtain a semiconductor device suitable for effectively suppressing the current density in part of the electrode 3 from being larger than that in other parts.

下記の半導体素子および配線基板を準備し、半導体素子の電極と配線基板の接続パッドとをスズ−銀はんだからなるはんだバンプを介して互いに電気的および機械的に接続して、実施例の半導体装置および比較例の半導体装置を作製した。実施例の半導体装置は、はんだバンプと電極との間に下記のニッケル層を介在させ、比較例の半導体装置ではニッケル層を介在させなかった(電極とはんだバンプとを直接に接続させた。)。   The following semiconductor element and wiring board are prepared, and the electrodes of the semiconductor element and the connection pads of the wiring board are electrically and mechanically connected to each other via solder bumps made of tin-silver solder, and the semiconductor device of the embodiment And the semiconductor device of the comparative example was produced. In the semiconductor device of the example, the following nickel layer was interposed between the solder bump and the electrode, and the nickel layer was not interposed in the semiconductor device of the comparative example (the electrode and the solder bump were directly connected). .

半導体素子:半導体基板として、辺の長さが5×5mmの正方形板状のシリコン基板を用い、この半導体基板の主面にシリコンの酸化膜を介してアルミニウムからなる電子回路と銅からなる電極を配置したものを用いた。電極の個数は64個であり、半導体基板の主面に縦横の並びに配列させた。電極は、直径が約100μmの円形状であり、電極に流れる電
流は8kA/cmであった。
Semiconductor element: As a semiconductor substrate, a silicon substrate having a square plate with a side length of 5 × 5 mm is used, and an electronic circuit made of aluminum and an electrode made of copper are formed on the main surface of the semiconductor substrate through a silicon oxide film. The arranged one was used. The number of electrodes was 64, and the electrodes were arranged vertically and horizontally on the main surface of the semiconductor substrate. The electrode was circular with a diameter of about 100 μm, and the current flowing through the electrode was 8 kA / cm 2 .

配線基板:ガラスセラミック焼結体を用いて作製した、辺の長さが約10×10×1mmの正方形板状の絶縁基板の主面(上面)に、タングステン(銅)のメタライズ層によって、直径が約150μmの円形状の接続パッドを形成した。接続パッドの個数は半導体素子の電
極の個数と同じ64個であり、各接続パッドは、半導体素子の電極に対応する位置に形成した。
Wiring substrate: The diameter of the main surface (upper surface) of a square plate-shaped insulating substrate made of a glass ceramic sintered body with a side length of about 10 x 10 x 1 mm is formed by a tungsten (copper) metallization layer. Formed a circular connection pad of about 150 μm. The number of connection pads is 64, the same as the number of electrodes of the semiconductor element, and each connection pad was formed at a position corresponding to the electrode of the semiconductor element.

はんだバンプ:スズ−銀−銅(Sn−3Ag−0.5Cu)はんだを用いた。はんだバン
プの形成は、上記組成のはんだボールを半導体素子の電極上に載せて、約260℃で加熱し
て溶融接合させて行なった。
Solder bump: Tin-silver-copper (Sn-3Ag-0.5Cu) solder was used. The solder bumps were formed by placing solder balls having the above composition on the electrodes of the semiconductor element and heating and melting them at about 260 ° C.

ニッケル層:実施例の半導体装置において、はんだバンプを電極に接合する前に、次亜リン酸ナトリウムを還元剤とし、pHを4.6に調整した無電解ニッケルめっき液を用いて
、電極の表面にニッケル層を形成した。ニッケル層のリン含有率は約5質量%であった。ニッケル層の厚さは、電極の接続部に接した部分(厚い部分)で約16μmとし、他の部分において約4μmとした。また、ニッケル層の厚みの差は、マスキング材を用いた方法で行なった。すなわち、まず電極の全面に厚さ4μmでニッケル層を被着させた後、ノボラック樹脂を用いてフォトリソグラフィ法により電極の接続部に接した部分以外をマスクし、厚い部分の厚みが16μmになるように、追加してニッケルめっきを行なった。なお、この実施例においてニッケル層を厚くした、電極の接続部に接した部分の範囲は、この接続部を中心とした半径が約50μmの扇形状の範囲とした。
Nickel layer: In the semiconductor device of the example, before joining the solder bump to the electrode, the surface of the electrode was nickel using an electroless nickel plating solution with sodium hypophosphite as a reducing agent and adjusted to pH 4.6. A layer was formed. The phosphorus content of the nickel layer was about 5% by mass. The thickness of the nickel layer was about 16 μm at the part (thick part) in contact with the electrode connection part, and about 4 μm at the other part. The difference in thickness of the nickel layer was performed by a method using a masking material. That is, a nickel layer having a thickness of 4 μm is first deposited on the entire surface of the electrode, and then a portion other than the portion in contact with the electrode connection portion is masked by photolithography using a novolac resin, so that the thickness of the thick portion becomes 16 μm. Thus, nickel plating was performed additionally. In this embodiment, the range of the portion where the nickel layer is thick and in contact with the connection portion of the electrode is a fan-shaped range having a radius of about 50 μm with the connection portion as the center.

以上の実施例および比較例、それぞれの半導体装置について、プリント回路基板に実装した後、半導体素子とプリント回路基板の回路(外部の電気回路)との間で上記電流の通電を500時間行なった後、電極における通電前後の抵抗値の上昇率を算出し、上昇率20%
以上で故障と判定した。
After mounting the semiconductor device and the circuit of the printed circuit board (external electric circuit) for 500 hours after mounting each of the semiconductor devices in the above examples and comparative examples on the printed circuit board. Calculate the rate of increase in resistance before and after energization of the electrode, and increase rate 20%
With the above, it was determined that there was a failure.

以上の結果、本発明の実施例の半導体装置では故障発生が見られなかったのに対し、比較例の半導体装置では20%の電極において故障が発生していた。これにより、本発明の半導体装置における、電極での空隙の発生を抑制する効果を確認することができた。   As a result, no failure occurred in the semiconductor device of the example of the present invention, whereas failure occurred in 20% of the electrodes in the semiconductor device of the comparative example. Thereby, the effect which suppresses generation | occurrence | production of the space | gap in an electrode in the semiconductor device of this invention has been confirmed.

1・・・半導体基板
2・・・電子回路
3・・・電極
4・・・配線基板
4a・・絶縁基板
5・・・接続パッド
6・・・はんだバンプ
6a・・はんだボール
7・・・ニッケル層
8・・・配線導体
9・・・導電性接続材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate 2 ... Electronic circuit 3 ... Electrode 4 ... Wiring board 4a ... Insulation board 5 ... Connection pad 6 ... Solder bump 6a ... Solder ball 7 ... Nickel Layer 8 ... Wiring conductor 9 ... Conductive connecting material

Claims (4)

電子回路が形成された半導体基板の主面に電極が配置され、該電極の外周の一部に前記電子回路が直接に接続されてなる半導体素子と、該半導体素子の前記電極と対向して配置された接続パッドを備える配線基板と、前記半導体素子の前記電極と前記配線基板の前記接続パッドとの間に介在して、前記電極および前記接続パッドに接合されたはんだバンプとを備え、前記電極と前記はんだバンプとの接合界面に沿ってニッケル層が介在しており、該ニッケル層は、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分において他の部分よりも厚いことを特徴とする半導体装置。 An electrode is disposed on a main surface of a semiconductor substrate on which an electronic circuit is formed, and a semiconductor element in which the electronic circuit is directly connected to a part of the outer periphery of the electrode, and the semiconductor element is disposed to face the electrode of the semiconductor element A wiring board provided with a connection pad, and a solder bump interposed between the electrode of the semiconductor element and the connection pad of the wiring board and joined to the connection pad. A nickel layer is interposed along the bonding interface between the solder bump and the nickel bump, and the nickel layer is thicker than the other part in the part of the electrode in contact with the part to which the electronic circuit is connected. A semiconductor device characterized by the above. 前記ニッケル層がリンを含有していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the nickel layer contains phosphorus. 前記ニッケル層は、前記電極の前記電子回路が接続されている前記一部に接した部分で最も厚く、前記一部からの距離が遠いほど厚みが薄いことを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。 The nickel layer is thickest at a portion of the electrode that is in contact with the part to which the electronic circuit is connected, and the thickness of the nickel layer decreases as the distance from the part increases. 2. The semiconductor device according to 2. 前記ニッケル層は、前記電極の前記一部に接した部分で最も厚く、かつ前記電極の外周部において中央部よりも厚いことを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the nickel layer is thickest at a portion in contact with the part of the electrode, and is thicker than a central portion at an outer peripheral portion of the electrode.
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