JP3949402B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップと基板をフリップチップ方式で接続してなる半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
周知の通り、近年の実装工程における高密度化に伴い、半導体パッケージの軽薄短小化が進んでおり、半導体チップにおける接続方式も、ワイヤーボンディング方式から高密度化や高速化を図ることができるフリップチップ方式へと変化し、増加してきている。そして、フリップチップ方式には、C4(Controlled Collapse Chip Connection)やACF(Anisotoropic Conductive Film)、NCF(Non Conductive Film)等の接続方式があり、半導体チップに設けるバンプは、半田以外には金(Au)などの材料により形成するのが一般的であり、これに対応する基板には錫(Sn)や錫−銀(Ag)製のバンプが設けられていた。
【0003】
しかし、半田を用いたC4は、バンプを形成する際の製造工程が多くて手間がかかるため、生産性が悪く、コストが高くなってしまう状況にあり、またフラックスを使っての接続となるために、環境に対する影響を考慮すると出来れば避けることが望ましいものである。またACFは、例えばニッケル(Ni)粒子等の金属粒子を含む合成樹脂材料でバンプを形成し、これを接触させて接続する接触結合であるために、接続の信頼性において不安が残り、さらにコストも高いものである。NCFにおいてもチップ側バンプの形成においては、Auのバンプを使用した場合、コストが高くなってしまう状況にあった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは環境に対する影響が少なく、またバンプの形成に手間がかからず、生産性も良好であり、さらに、接続の信頼性もよく、高コストとならない半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置及びその製造方法は、
半導体チップ及び基板のそれぞれにバンプを設け、対応する前記バンプを結合部分に拡散層を形成した金属接合によって接続し、前記半導体チップと前記基板の間を封止材料により封止してなる半導体装置であって、前記半導体チップのバンプが、無電解ニッケルめっきにより形成したものであり、前記基板に設けたバンプが、錫めっきまたは錫−銀めっきのいずれかによって形成したものであることを特徴とするものであり、
また、錫または錫−銀製のバンプを設けた基板上を封止用合成樹脂で覆う工程と、無電解ニッケルめっきにより形成したバンプを設けた半導体チップを前記封止用合成樹脂で覆われた基板上に前記両バンプが対向するよう配置する工程と、対向配置した前記半導体チップと基板を所定の温度雰囲気で加圧し、前記両バンプを境界部分にNi 3 Sn 4 の拡散層を形成して金属結合する工程を有することを特徴とする方法である。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【0007】
先ず第1の実施形態を図1乃至図4により説明する。図1は半導体装置を示す部分断面図であり、図2は第1の製造工程を示す要部の断面図であり、図3は第2の製造工程を示す要部の断面図であり、図4は第3の製造工程を示す要部の断面図である。
【0008】
図1において、半導体装置1は、半導体チップ2を基板3に、例えばNCF(Non Conductive Film)方式により接続して構成されており、半導体チップ2には、その一方の面に形成された複数の図示しない電極端子に、無電解ニッケル(Ni)めっきによって形成された高さが50μm〜60μm程度で、直径が60μm〜80μm程度のチップバンプ4が設けられている。また基板3には、半導体チップ2のチップバンプ4に対応するよう所定位置に、めっきにより形成した錫(Sn)あるいは錫−銀(Ag)製の高さが5μm〜20μm程度で、直径が80μm〜100μm程度とチップバンプ4より大径の基板バンプ5が設けられている。
【0009】
そして、半導体チップ2と基板3は、チップバンプ4を基板バンプ5の対応するものに一部埋め込むようにして金属結合させ、結合部分にNi3Sn4の拡散層6を形成した所謂Ni−Sn金属接合によって接続されている。また接続された半導体チップ2と基板3の間には、例えばエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂でなる封止用合成樹脂7が充填され、両者の対向面の導電部分が封止されている。
【0010】
また、上記構成の半導体装置1は、次のようにして形成される。すなわち、
図2に示す第1の製造工程において、半導体チップ2の一方面側に露出する複数の図示しない電極端子上に、無電解ニッケルめっきを施し、高さが50μm〜60μm程度で、直径が60μm〜80μm程度の短円柱状のチップバンプ4を形成する。また基板3においても、一方面側に露出する複数の図示しない電極端子上に、錫あるいは錫−銀のめっきを施し、高さが5μm〜20μm程度で、直径が80μm〜100μm程度とチップバンプ4より大径の基板バンプ5を形成する。
【0011】
次に、図3に示す第2の製造工程において、チップバンプ4が形成された半導体チップ2を、基板バンプ5が形成された基板3に対し対応するバンプ4,5同士が対向するよう直上に位置させる。また、この時、半導体チップ2と基板3の間に、所定の厚さを有する半導体チップ2と略同形状の熱硬化性樹脂、例えばエポキシ系樹脂でなるフィルム状の封止用合成樹脂7を介在させる。
【0012】
次に、図4に示す第3の製造工程において、半導体チップ2を、フェイスダウンでフィルム状の封止用合成樹脂7を介し基板3上面に、例えば200℃以下の封止用合成樹脂7の硬化温度の雰囲気中で、0.5MPaの圧力を加えるようにして押し付ける。これにより、チップバンプ4は基板バンプ5に一部埋没しながら基板バンプ5に熱拡散し、境界部分にNi3Sn4の拡散層6を形成して両チップ4,5が一括して金属結合する。この時、半導体チップ2をフェイスダウンで基板3上に押し付けた時、雰囲気温度で封止用合成樹脂7が半導体チップ2と基板3の間を充填しながら硬化し、半導体チップ2と基板3の導電部分が封止される。
【0013】
以上のように構成することで、チップバンプ4や基板バンプ5の形成はめっきにより行なえ、特に手間がかかるものではなくて生産性は良好であり、また接続は金属結合であるから信頼性が高く、またさらにバンプ同士を接続する際にフラックスを使用するものではないので環境への影響も少なく、使用材料の面から見てもコスト的に高額なものとならない。
【0014】
次に、本発明の第2の実施形態を図5乃至図8により説明する。図5は半導体装置を示す部分断面図であり、図6は第1の製造工程を示す要部の断面図であり、図7は第2の製造工程を示す要部の断面図であり、図8は第3の製造工程を示す要部の断面図である。なお、上記第1の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、第1の実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。
【0015】
図5において、半導体装置11は、半導体チップ2を基板12に、それぞれに設けられた複数のチップバンプ4と基板バンプ13を金属結合させることによって構成されている。半導体チップ2のチップバンプ4は無電解ニッケルめっきにより形成された短円柱状のものであり、基板12の基板バンプ13は、半導体チップ2のチップバンプ4に対応するよう所定位置に、フラッシュめっきにより形成した錫(Sn)あるいは錫−銀(Ag)製の厚さが1μm以下で、直径が80μm〜100μm程度とチップバンプ4より大径のものとなっている。
【0016】
そして、半導体チップ2と基板12は、チップバンプ4を基板バンプ13の対応するものの表面部分に金属結合させ、結合部分にNi3Sn4の拡散層14を形成した所謂Ni−Sn金属接合によって接続されている。また接続された半導体チップ2と基板12の間には、例えばエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂でなる封止用合成樹脂15が充填され、両者の対向面の導電部分が封止されている。
【0017】
また、上記構成の半導体装置11は、次のようにして形成される。すなわち、図6に示す第1の製造工程において、半導体チップ2の一方面側に露出する複数の図示しない電極端子上に、無電解ニッケルめっきを施し、高さが50μm60μm程度で、直径が60μm〜80μm程度の短円柱状のチップバンプ4を形成する。また基板12においても、一方面側に露出する複数の図示しない電極端子上に、錫あるいは錫−銀のフラッシュめっきを施し、厚さが1μm以下で、直径が80μm〜100μm程度とチップバンプ4より大径の基板バンプ13を形成する。
【0018】
次に、図7に示す第2の製造工程において、基板12の基板バンプ13が形成された面に、熱硬化性樹脂、例えばエポキシ系樹脂でなる所定粘度の液状の封止用合成樹脂15を所定の厚さに塗布する。続いてチップバンプ4が形成された半導体チップ2を、封止用合成樹脂15が塗布された基板12の上方に、チップバンプ4が対応する基板バンプ13の直上となるよう位置させる。
【0019】
次に、図8に示す第3の製造工程において、半導体チップ2を、フェイスダウンで封止用合成樹脂15の上から基板12上面に、例えば200℃以下の封止用合成樹脂15の硬化温度の雰囲気中で、0.5MPaの圧力を加えるようにして押し付ける。これにより、チップバンプ4は基板バンプ13に熱拡散し、境界部分に拡散層14を形成して両チップ4,13が一括して金属結合する。この時、半導体チップ2をフェイスダウンで基板12上に押し付けた時、雰囲気温度で封止用合成樹脂15が半導体チップ2と基板12の間を充填しながら硬化し、半導体チップ2と基板12の導電部分が封止される。
【0020】
以上のように構成することで、基板バンプ13をより簡単なものとしながらも、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0021】
なお、上記の実施形態においてはチップバンプ4と基板バンプ5,13はそれぞれ横断面形状が円形のものについて示したが、長円形、方形、他の多角形等でもよい。また、基板側バンプについては、基板配線上全面フラッシュメッキでもよい。また、チップバンプ4と基板バンプ5,13を金属結合する際、結合を促進するよう加熱加圧しながら所定周波数の超音波を加えるようにしてもよく、また、チップバンプ4と基板バンプ5,13を加熱加圧して金属結合する際、両バンプ4,5,13の間に封止用合成樹脂材料6,15を介在させたが、介在させることなく金属結合してから液状の封止用合成樹脂材料等を半導体チップ2と基板3,13の間に注入し、硬化させるようにしてもよい。
【0022】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、バンプの形成に手間がかからず、生産性も良好であり、また環境に与える結合する際の影響が少なく、接続の信頼性が高く、高コストとならない等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す部分断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態における第1の製造工程を示す要部の断面図である。
【図3】本発明の第1の実施形態における第2の製造工程を示す要部の断面図である。
【図4】本発明の第1の実施形態における第3の製造工程を示す要部の断面図である。
【図5】本発明の第2の実施形態を示す部分断面図である。
【図6】本発明の第2の実施形態における第1の製造工程を示す要部の断面図である。
【図7】本発明の第2の実施形態における第2の製造工程を示す要部の断面図である。
【図8】本発明の第2の実施形態における第3の製造工程を示す要部の断面図である。
【符号の説明】
2…半導体チップ
3,12…基板
4…チップバンプ
5,13…基板バンプ
6,14…拡散層
7,15…封止用合成樹脂
Claims (8)
- 半導体チップ及び基板のそれぞれにバンプを設け、対応する前記バンプを結合部分に拡散層を形成した金属接合によって接続し、前記半導体チップと前記基板の間を封止材料により封止してなる半導体装置であって、前記半導体チップのバンプが、無電解ニッケルめっきにより形成したものであり、前記基板に設けたバンプが、錫めっきまたは錫−銀めっきのいずれかによって形成したものであることを特徴とする半導体装置。
- 半導体チップに設けたバンプが、基板に設けたバンプより小形状であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 拡散層が、Ni 3 Sn 4 であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 半導体チップに設けたバンプが、基板に設けたバンプに少なくとも一部埋め込まれて接続されていることを特徴とする請求項1乃至3記載の半導体装置。
- 錫または錫−銀製のバンプを設けた基板上を封止用合成樹脂で覆う工程と、無電解ニッケルめっきにより形成したバンプを設けた半導体チップを前記封止用合成樹脂で覆われた基板上に前記両バンプが対向するよう配置する工程と、対向配置した前記半導体チップと基板を所定の温度雰囲気で加圧し、前記両バンプを境界部分にNi 3 Sn 4 の拡散層を形成して金属結合する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 封止用合成樹脂が熱硬化性樹脂であって、加圧時の温度雰囲気が前記熱硬化性樹脂の硬化温度であることを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。
- 封止用合成樹脂が、フィルム状であることを特徴とする請求項5及び6記載の半導体装置の製造方法。
- 基板に設けたバンプが、めっきにより半導体チップに設けたバンプより大形状に形成したものであることを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。
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