JP3873846B2 - 電子装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の一面上に形成された配線層の表面を絶縁性の保護膜にて覆い、保護膜に形成された開口部を介して配線層とはんだバンプとを接合してなる電子装置に関し、ウェハレベルＣＳＰ（チップサイズパッケージ）やＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）などのパッケージ、さらには各種の配線基板などに適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電子装置として、例えば半導体基板と外部回路基板とを接続するため、半導体基板にはんだバンプを設けたものがある。このような電子装置の一般的な構成を図６に示す。
【０００３】
半導体基板１０の一面上に金属を含む材料からなる配線層２０が形成されている。この配線層２０上には、配線層２０の表面を覆う絶縁性の保護膜３０が形成されており、この保護膜３０には下側の配線層２０を露出させるための開口部３１が形成されている。
【０００４】
この開口部３１から露出する配線層２０の上には、はんだバンプ４０が形成されており、はんだバンプ４０と配線層２０とは電気的・機械的に接合されている。そして、この電子装置は、図示しない外部回路基板にはんだバンプ４０を介して搭載され、はんだリフローを行うことで実装されるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなはんだバンプ４０においては、その根元部分には、半導体基板１０と上記外部回路基板との熱膨張係数の差に基づく応力が集中しやすく、そのため、はんだバンプ４０の根元部分の強度を向上させることが望まれている。
【０００６】
また、はんだバンプ４０はあるピッチをもって複数個配列されるものであるが、ここにおいて、はんだバンプ４０における狭ピッチ化すなわち微細化が要望されている。このようなはんだバンプ４０の微細化が進むと、はんだバンプ４０とその下地の配線層２０との間の接合面積が小さくなり、それに伴うはんだバンプの根元部分の強度不足が懸念される。
【０００７】
従来より、はんだバンプの根元部分の強度を向上させようとするものとしては、特開平８−２６４９２８号公報に記載のものが提案されている。このものは、はんだバンプの根元部分に補助部を付加することで強度向上を図ったものである。
【０００８】
しかし、このものでは、はんだバンプの根元部分に補助部を付加した構成であるため、当該根元部分から外方へ補助部が拡がった形状となる。そのため、上記のような微細化が進む場合には、隣接するはんだバンプ間で補助部同士が近接し、電気的な短絡が生じやすくなる恐れがある。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、基板の一面上に形成された配線層の表面を絶縁性の保護膜にて覆い、保護膜に形成された開口部を介して配線層とはんだバンプとを接合してなる電子装置において、はんだバンプの微細化に適した形で、はんだバンプの根元部分の強度を向上させることができるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、鋭意検討を行った。その結果、はんだバンプを構成する金属成分とはんだバンプの下地となる配線層を構成する金属成分とが互いに拡散して合金層を形成するようにすれば、この合金層は、基板の一面の面方向に沿ってはんだバンプの根元部から拡がって形成されることを見出した。
【００１１】
このような合金層は、はんだバンプおよび配線層の互いの金属成分が、はんだバンプをリフローさせるときの熱などにより拡散することで形成できる。例えば、この種の電子装置は、各種のパッケージや配線基板などに適用されるが、いずれにせよ、電子装置の実装時など、はんだバンプは少なくとも１回はリフローされる。
【００１２】
本発明は上記検討結果に基づいてなされたもので、請求項１に記載の発明では、基板（１０）と、基板の一面に形成された金属を含む材料からなる配線層（２０）と、配線層の表面を覆う絶縁性の保護膜（３０）と、保護膜に形成され配線層を露出させるための開口部（３１）と、保護膜の開口部から露出する配線層の上に形成され配線層に接合されたはんだバンプ（４０）と、を備える電子装置において、はんだバンプを構成する金属成分と配線層を構成する金属成分とが互いに拡散して合金層（５１、５２）を形成しており、合金層は、基板の一面の面方向に沿ってはんだバンプの根元部からその周囲へ拡がっており、合金層の拡がり径をｘ、保護膜の開口部の開口径をｙとしたとき、ｘ＞ｙの関係を満足していることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、はんだバンプをリフローさせるときの熱などにより、合金層を形成することができる。そして、この合金層がはんだバンプと配線層との接合部として構成され、この合金層は保護膜の開口部よりも拡がって形成される。そのため、特に保護膜の開口部を大きくすることなく、はんだバンプと配線層との接合面積を大きくとることができる。
【００１４】
よって、本発明によれば、はんだバンプの微細化に適した形で、はんだバンプの接合強度を向上させることができ、結果、はんだバンプの根元部分の強度を向上させることができる。
【００１５】
ここで、配線層が異なる複数の金属層の積層構造からなる場合など、はんだバンプと配線層との間において複数層の合金層が形成されることがあるが、その場合には、少なくとも一つの合金層が上記ｘ＞ｙの関係を満足すればよい。
【００１６】
積層構造の配線層としては、具体的には請求項２に記載の発明のように、最表層がＡｕ層であり、その下地がＮｉ層である２層構造をなすものを採用することができる。
【００１７】
さらに、このようなＡｕ層、Ｎｉ層の２層構造の配線層においては、最表層のＡｕ層（２２）の膜厚は０．１μｍ以上であることが好ましい。
【００１８】
それにより、はんだバンプを構成する金属成分とＡｕ層中のＡｕとの合金層（２２）において上記ｘ＞ｙの関係を満足しやすいものにできる。
【００１９】
また、はんだバンプ（４０）としては、Ｓｎを主成分としてＰｂ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉの少なくとも一つを含むものを採用することができる。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明では、配線層（２０）のうちはんだバンプ（４０）の周囲に位置する部位には、合金層（５１、５２）の拡がりを規定するための溝部（２３）が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
それによれば、はんだバンプの根元部分からその周囲へ拡がって成長する合金層は、配線層に形成された溝部のところで、その成長が止まるため、合金層の拡がりを所望の範囲内に規定することができる。
【００２２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の電子装置をウェハレベルＣＳＰに適用したものとして説明する。まず、ＣＳＰの基本構成について、図１を参照して述べる。
【００２４】
基板１０は、トランジスタなどの半導体素子が形成された半導体基板である。基板１０の一面側には上記半導体素子と導通するアルミなどからなる配線１１や取出電極（パッド）１２が形成されている。
【００２５】
基板１０の一面上には、半導体素子や配線１１を被覆して保護するシリコン窒化膜などからなるパッシベーション膜１３が形成されている。ここで、パッシベーション膜１３は取出電極１２上で開口している。なお、これら半導体素子、配線１１、取出電極１２、パッシベーション膜１３は周知の半導体プロセスにより形成することができる。
【００２６】
このパッシベーション膜１３の上には、絶縁性の膜材料からなる層間膜１４が形成されている。この層間膜１４は上部の配線層２０と基板１０との応力緩和などの役割をなすもので、例えば、ポリイミドなどを塗布して硬化させることで形成できる。また、取出電極１２の上部にて層間膜１４はエッチングなどにより除去されて開口部１５が形成されている。
【００２７】
そして、層間膜１４の上には、シード層１６を介して金属を含む材料からなる配線層２０が所定のパターンにて形成されている。この配線層２０は、ＣＳＰにおいて所定のピッチで整列配置されるはんだバンプ４０と取出電極１２とを電気的に接続するために必要なものである。
【００２８】
なお、シード層１６は、配線層２０の下地となるもので、ＣｕやＣｒなどの膜をスパッタ法などにて成膜できる。このシード層１６は配線層２０と一致したパターンをなしている。
【００２９】
配線層２０は、層間膜１４の開口部１５を介して取出電極１２と電気的に導通しており、層間膜１４の開口部１５からはんだバンプ４０の配置部分まで所定の配線パターンを有して延びている。本実施形態では、配線層２０は、基板１０側からＮｉからなる第１の層２１、Ａｕなどからなる第２の層２２が積層されてなる２層構造をなすものである。
【００３０】
このような配線層２０は、基板１０の上にレジストを用いて配線パターンを区画した状態で電解めっき法などによりめっき膜を形成することにより形成することができる。本例の配線層２０では、下地となる第１の層２１はＮｉ電解めっきされたＮｉ層２１であり、最表層である第２の層２２はＡｕ電解めっきされたＡｕ層２２である。
【００３１】
配線層２０の上には、配線層２０の表面を覆う絶縁性の保護膜３０が形成されており、この保護膜３０には下側の配線層２０を露出させるための開口部３１が形成されている。この保護膜３０は、ポリイミドやシリコン窒化膜などの樹脂やセラミックの絶縁膜をスピンコートやスパッタなどにより成膜することで形成される。
【００３２】
保護膜３０の開口部３１から露出する配線層２０の上には、はんだバンプ４０が形成されており、はんだバンプ４０と配線層２０とは電気的・機械的に接合されている。本例では、はんだバンプ４０はＳｎを主成分としてＰｂ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉの少なくとも一つを含むはんだ、すなわちＳｎリッチのはんだからなる。
【００３３】
このような電子装置としてのＣＳＰは、例えばウェハレベルＣＳＰとして次のように製造される。ウェハ状態にて半導体基板１０に半導体プロセスを用いて半導体素子や配線１１、パッシベーション膜１３などを形成する。
【００３４】
次に、パッシベーション膜１３の上にポリイミドなどからなる層間膜１４を形成し、続いて、基板１０上の取出電極１２の上部にて層間膜１４をエッチングなどにより除去して開口部１５を形成する。
【００３５】
次に、この開口部１５から露出する取出電極１２を含む層間膜１４の全面に、ＣｒやＣｕなどのスパッタなどにより成膜されたシード層１６を形成する。次に、シード層１６の表面のうち配線層２０を形成する予定の部位以外の部位に開口部を有するレジストをパターニング形成する。すなわち、配線層２０を形成しない部位にレジストを形成し、当該部位をレジストにて被覆する。
【００３６】
次に、レジストの開口部から露出するシード層１６の表面に、電解めっき法によりＮｉ層２１、Ａｕ層２２を形成する。その後、剥離液などを用いて上記レジストを除去し、レジストが除去された部分におけるシード層１６を酸などのエッチング液を用いてエッチングし除去する。こうして、所望のパターンを有するシード層１６および配線層２０が形成される。
【００３７】
その後、基板１０の上に、ポリイミドなどからなる保護膜３０を形成する。この保護膜３０は、配線層２０におけるはんだバンプ４０との接続部を開口させた状態で形成する。そして、電解めっき、印刷、はんだボールなどの手法を用いてはんだバンプ４０を形成し、保護膜３０の開口部３１を介して配線層２０とはんだバンプ４０とを電気的・機械的に接続する。こうして、上記図１に示すＣＳＰ構造ができあがる。
【００３８】
その後、はんだバンプ４０は安定な状態とするためにリフローされ、その後ダイシングカットが行われる。そして、チップとなったＣＳＰはマザーボード（外部回路基板）などの相手側部材に搭載され、はんだバンプ４０をリフローさせることで相手側部材に実装される。
【００３９】
ここにおいて、本実施形態では配線層２０とはんだバンプ４０との接合部に以下のような特徴を有する。図２は上記図１中のはんだバンプ接合部近傍の拡大図である。なお、図２および後述する図５では基板１０と配線層２０との間に位置する配線１１やパッシベーション膜１３、層間膜１４およびシード層１６は省略してある。
【００４０】
配線層２０を構成する金属成分は、はんだバンプ４０のリフロー時の熱によりはんだバンプ４０を構成する金属成分と互いに拡散して合金層を形成可能なものである。つまり、本例では、互いに熱で拡散する金属成分は、はんだバンプ４０ではＳｎであり、配線層２０ではＡｕとＮｉである。
【００４１】
そして、図２に示すように、はんだリフロー時の熱による拡散によって、配線層２０とはんだバンプ４０とによる合金層５１、５２が形成されている。本例では、はんだバンプ４０のＳｎとＡｕ層２２中のＡｕとが拡散して形成されたＡｕ−Ｓｎ合金からなるＡｕ−Ｓｎ合金層５２と、はんだバンプ４０のＳｎとＮｉ層２１中のＮｉとがに拡散して形成されたＮｉ−Ｓｎ合金からなるＮｉ−Ｓｎ合金層５１とが形成されている。
【００４２】
これら合金層５１、５２は、基板１０の一面の面方向に沿ってはんだバンプ４０の根元部からその周囲へ拡がっている。特に、Ａｕ−Ｓｎ合金層５２の方が互いの金属成分が拡散しやすいため成長しやすく、はんだバンプ４０の根元部からその周囲の保護膜３０の下に大きく侵入した形となっている。
【００４３】
ここで、図２に示すように、より大きく拡がっている方のＡｕ−Ｓｎ合金層５２における基板１０の一面の面方向に沿った拡がり径をｘ、保護膜３０の開口部３１の開口径をｙとしたとき、ｘ＞ｙの関係を満足している。換言すれば、径ｘにより規定される合金層５２の面積Ｓｘと径ｙにより規定される開口部３１の面積Ｓｙとの間において、Ｓｘ＞Ｓｙの関係を満足する。
【００４４】
具体的には、開口径ｙは２００μｍ程度である。また、Ａｕ−Ｓｎ合金層５２が基板１０の一面の面方向に沿って拡がった部分にて囲まれる領域の面積（図２では拡がり径ｘの範囲の面積）が、開口部３１の面積の１．５倍以上となるように、上記ｘ＞ｙの関係が満足されていることが好ましい。
【００４５】
本実施形態では、このＡｕ−Ｓｎ合金層５２がはんだバンプ４０と配線層２０との接合部として構成されている。そして、このＡｕ−Ｓｎ合金層５２は保護膜３０の開口部３１よりも拡がって形成されているため、特に保護膜３０の開口部３１を大きくすることなく、はんだバンプ４０と配線層２０との接合面積を大きくとることができる。
【００４６】
よって、本実施形態によれば、はんだバンプ４０の微細化が進んでも、はんだバンプ４０と配線層２０との接合面積を大きくとることができることから、はんだバンプ４０の接合強度を向上させることができ、結果、はんだバンプ４０の根元部分の強度を向上させることができる。
【００４７】
ここで、本例では配線層２０として、最表層がＡｕ層２２であり、その下地がＮｉ層２１である２層構造をなすものを採用しているが、このようなＡｕ層、Ｎｉ層の２層構造の配線層２０においては、最表層のＡｕ層２２の膜厚は０．１μｍ以上であることが好ましい。
【００４８】
それにより、はんだバンプ４０を構成する金属成分とＡｕ層２２中のＡｕとの合金層５２において上記ｘ＞ｙの関係を満足しやすいものにできる。このことは、次に述べるような本発明者らの行った検討結果に基づくものである。
【００４９】
上記図２において、Ａｕ−Ｓｎ合金層５２が保護膜３０下へ侵入している部分の長さをＡｕ−Ｓｎ合金層の侵入長さｚとし、Ｎｉ−Ｓｎ合金層５１が保護膜３０下へ侵入している部分の長さをＮｉ−Ｓｎ合金層の侵入長さｚ’として、これら合金層の侵入長さｚ、ｚ’とＡｕ層２２の膜厚との関係を調べた。なお、上記の各寸法ｘ、ｙ、ｚ、ｚ’は断面ＳＥＭなどにより確認できる。
【００５０】
その結果を図３に示す。図３はＡｕ層２２の膜厚と上記合金層の侵入長さｚ、ｚ’との関係を示す図である。これらの関係ははんだリフローを１回行った後の結果である。
【００５１】
図３からわかるように、Ａｕ層２２の膜厚が０．１μｍより小さい場合は、各合金層の侵入長さｚ、ｚ’の増加度合が非常に小さいのに対し、０．１μｍ以上となるとＡｕ−Ｓｎ合金層の侵入長さｚが急激に増大していく。つまり、上記ｘ＞ｙの関係を満足するには、Ａｕ層２２の膜厚が０．１μｍ以上が好ましいことが確認された。
【００５２】
また、図４はＡｕ層２２の膜厚とはんだバンプ４０のせん断強度（シェア強度）を調べたものである。図４からわかるように、Ａｕ層２２が厚くなるにしたがって、Ａｕ−Ｓｎ合金層５２の侵入長さｚが大きくなる、すなわちＡｕ−Ｓｎ合金層５２の拡がり径ｘが大きくなり、せん断強度も増加する傾向にあることが確認された。
【００５３】
また、Ａｕ層２２が必要以上に厚すぎると、材料コストが高くなることや、Ａｕ層２２の膜厚の増加に伴ってはんだバンプ４０のせん断強度の増加度合が飽和していくこと（図４参照）、さらには、過剰のＡｕがはんだバンプ４０中へ拡散することによるはんだの強度が低下することなどを考慮すると、Ａｕ層２２の膜厚は０．５μｍ以下が好ましい。
【００５４】
以上のように、本実施形態によれば、はんだバンプ４０を構成する金属成分と配線層２０を構成する金属成分とが互いに拡散して合金層５１、５２を形成するようにした場合、合金層５１、５２は、基板１０の一面の面方向に沿ってはんだバンプ４０の根元部から拡がった形となる。
【００５５】
そして、合金層の拡がり径ｘが保護膜３０の開口部３１の開口径ｙよりも大きいものにすれば、特に保護膜３０の開口部３１を大きくすることなく、はんだバンプ４０と配線層２０との接合面積を大きくとることができる。そして、はんだバンプ４０の微細化に適した形で、はんだバンプ４０の接合強度を向上させることができ、結果、はんだバンプ４０の根元部分の強度を向上させることができる。
【００５６】
ここで、本実施形態の変形例を図５に概略断面図として示す。この変形例では、配線層２０のうちはんだバンプ４０の周囲に位置する部位に、合金層５１、５２の拡がりを規定するための溝部２３を形成したものである。
【００５７】
上述したように、合金層５１、５２は、はんだバンプ４０の根元部分からその周囲へ基板１０の一面の面方向に沿って拡がって成長するため、配線層２０に溝部２３を設けることにより、この溝部２３のところで、合金層５１、５２の成長が止まる。そのため、合金層５１、５２の拡がり径を所望の範囲内に規定することができる。
【００５８】
この構成は、例えば保護膜３０にエッチング用の孔を形成し、この孔を介してヨウ素系のエッチング液などでＡｕ層２２やＮｉ層２１の一部をエッチング除去することにより実現可能である。
【００５９】
（他の実施形態）
なお、配線層２０としては、上記した最表層としてＡｕ層、その下地にＮｉ層を有するＡｕ／Ｎｉ積層構造以外にも、Ａｕ／Ｎｉ／Ｃｕの３層積層構造、Ａｕ／Ｃｕの積層構造などを用いても良い。つまり、配線層２０を構成する金属成分は、はんだバンプ４０を構成する金属成分と加熱により拡散して合金層を形成可能なものであればよい。
【００６０】
また、上記実施形態では、基板１０としてウェハレベルＣＳＰなどの半導体装置に用いる半導体基板を使用したが、その他基板としては、プリント基板などの樹脂製の配線基板、セラミック製の配線基板、あるいは金属基板などを採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図２】図１中の電子装置のはんだバンプ接合部の拡大概略断面図である。
【図３】上記実施形態におけるＡｕ層の膜厚と合金層の侵入長さとの関係を示す図である。
【図４】上記実施形態におけるＡｕ層の膜厚とはんだバンプのせん断強度との関係を示す図である。
【図５】上記実施形態の変形例を示す概略断面図である。
【図６】従来の一般的な電子装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板、１３…パッシベーション膜、１４…層間膜、
２０…配線層、２１…Ｎｉ層、２２…Ａｕ層、２３…溝部、３０…保護膜、
３１…保護膜の開口部、４０…はんだバンプ、５１…Ｎｉ−Ｓｎ合金層、
５２…Ａｕ−Ｓｎ合金層。

Claims (5)

1. 基板（１０）と、
   前記基板の一面に形成された金属を含む材料からなる配線層（２０）と、
   前記配線層の表面を覆う絶縁性の保護膜（３０）と、
   前記保護膜に形成され前記配線層を露出させるための開口部（３１）と、
   前記保護膜の前記開口部から露出する前記配線層の上に形成され前記配線層に接合されたはんだバンプ（４０）と、を備える電子装置において、
   前記はんだバンプを構成する金属成分と前記配線層を構成する金属成分とが互いに拡散して合金層（５１、５２）を形成しており、
   前記合金層は、前記基板の一面の面方向に沿って前記はんだバンプの根元部からその周囲へ拡がっており、
   前記合金層の拡がり径をｘ、前記保護膜の前記開口部の開口径をｙとしたとき、ｘ＞ｙの関係を満足していることを特徴とする電子装置。
2. 前記配線層（２０）は、最表層がＡｕ層（２２）であり、その下地がＮｉ層（２１）である２層構造をなすものであることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
3. 前記Ａｕ層（２２）の膜厚が０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の電子装置。
4. 前記はんだバンプ（４０）はＳｎを主成分としてＰｂ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉの少なくとも一つを含むものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の電子装置。
5. 前記配線層（２０）のうち前記はんだバンプ（４０）の周囲に位置する部位には、前記合金層（５１、５２）の拡がりを規定するための溝部（２３）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の電子装置。

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