JP4165970B2 - 半導体実装方法および半導体デバイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を回路基板に接合する半導体実装方法、およびその半導体実装方法により得られる半導体デバイスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体素子を回路基板に実装する方法としては、半導体素子上に設けたパッド部と回路基板上に設けた電極を、予め半導体素子のパッド部に形成したバンプを介して接合する半導体実装方法が用いられていた。またバンプをパッド部に形成する方法としてはボールボンディング法およびメッキ法等が用いられていた。
【0003】
以下に図5を参照しながら、従来の半導体実装方法について説明する。
【0004】
予め半導体素子1のパッド部2上にボールボンディング法等によりバンプ3を形成し、この半導体素子1に形成されたバンプ3を、接合する回路基板4上の所定の電極5に対向するように位置決めする。次いでバンプ3を、所定の電極5に超音波振動を加えながら接触させた後、半導体素子1の背面より加熱ツール7にて加圧加熱する。この圧力および熱エネルギはバンプ3まで伝達して、電極5との接合部9を昇温し、バンプ3を電極5に拡散させる。これにより半導体素子1のパッド部2と回路基板4の電極5とを接合させていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような半導体実装方法において得られた半導体デバイスは、下記のような問題が生じていた。
【0006】
半導体素子を回路基板に接合する際、半導体素子に超音波振動を加えながら回路基板の所定の電極に接触させ、次いで加熱ツールにより加圧加熱するため、この接合部はバンプの変形によって、接合部内に強い応力が発生し、半導体素子のパッド部に過大な負荷となり、パッド部にクラック現象を発生させる問題点があった。特に砒化ガリウム、インジウムリンの材質により構成された半導体素子は柔らかくて傷が付きやすく、しかも、もろくて欠けや割れも生じやすいため、よりクラック現象を発生させていた。この結果、従来の半導体実装方法において得られる半導体デバイスは、品質の劣化したものであったり、また製造歩留りの低いものであった。
【0007】
本発明は上記問題点に鑑み、半導体素子と回路基板を接合する際、半導体素子に形成したバンプの変形を最小限にすることで、接合部内の応力を緩和し、パッド部への負荷を軽減し、かつ接合強度の高い、実装品質に優れた半導体デバイスを得ることのできる半導体実装方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、半導体素子のパッド部上にボールボンディング法またはメッキ法により形成された金属バンプを、回路基板上の電極に接触させた状態で、前記金属バンプを加圧加熱することにより、半導体素子を回路基板に接合する半導体実装方法において、前記電極上の前記金属バンプの頂部を囲む位置に、前記金属バンプよりも低硬度の基板側金属バンプを予めボールボンディング法またはメッキ法により複数形成し、半導体素子側の金属バンプを前記複数の基板側金属バンプの内側に接触した状態で前記金属バンプおよび基板側金属バンプを加圧加熱することにより、半導体素子を回路基板に接合させることを特徴とする。
【0009】
【0010】
本発明によれば、予め半導体素子に金属バンプを形成し、なおかつ回路基板においても、予め前記金属バンプよりも低硬度の基板側金属バンプを形成している。このような構成を備えた半導体素子と回路基板とを接合する際、この接合部において、前記金属バンプと金属基板側金属バンプとが互いに金属拡散して接合してなる半導体デバイスを得ることができる。
【0011】
上記のような本発明の半導体デバイスの接合部は、従来の半導体実装方法において得られる半導体デバイスの接合部と比較すると、基板側金属バンプは半導体素子側の金属バンプの頂部を囲むように形成されているため、両金属バンプは嵌合構造を形成しており、垂直方向のみならず水平方向に対しても、強固な接合を得ることができ、また半導体素子と回路基板との距離(接合部の大きさ)を基板側金属バンプを有していることにより大とすることができる結果、半導体素子と回路基板との間の熱膨張率の差によって生ずる接合部の変形による応力が緩和され、半導体素子のパッド部にかかる負荷が軽減される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図1〜図4に基づいて詳細に説明する。
【0013】
図1の(a)(b)は本実施形態の半導体実装方法によって得られる半導体デバイスの構成を示したものである。
【0014】
図1において、1は半導体素子、2はパッド部、3はバンプ、4は回路基板、5は電極、6は基板側バンプ、7は加熱ツール、8は接合部、10は前記バンプ3の頂部である。
【0015】
次にこれらの基本構成のもとに、本実施形態の半導体実装方法について説明する。
【0016】
半導体素子1を回路基板4上に接合させる半導体実装方法としては、図2に示すように、半導体素子1のパッド部2上に、予めボールボンディング法などによりバンプ3を形成する。また図3に示すように、前記バンプ3を接合する回路基板4の所定の電極5においても、予めボールボンディング法などにより基板側バンプ6を形成する。このとき、基板側バンプ6の形成状態は、図1の(b)に示すように、半導体素子1のパッド部2上に形成されたバンプ3の一箇所に対して、回路基板4の所定の電極5に形成された基板側バンプ6が、少なくとも三箇所以上(図示例では三箇所)において前記バンプ3の頂部10を囲むように形成する。またバンプ3と基板側バンプ6との材質は各々異なる金属で形成されている。この材質に関しては、詳しくは後述する。
【0017】
このように形成された半導体素子1のバンプ3を図4に示すように、接合する回路基板4側に形成した基板側バンプ6に対向するように位置決めする。次いで半導体素子1に回路基板4の所定の電極5に接触させた後、半導体素子1の背面より加熱ツール7にて加圧加熱する。この圧力および熱エネルギはバンプ3および基板側バンプ6に伝達して、電極5との接合部8を昇温し、バンプ3および基板側バンプ6を拡散させる。これにより半導体素子1のパッド部2と回路基板4の電極5とを接合することができる。
【0018】
次に本実施形態のバンプ3と基板側バンプ6の材質について説明する。
【0019】
まず基板側バンプ6の材質は純度99.99%の高純度金(Au)による金属ワイヤより形成した。このようにして形成された基板側バンプ6の硬度は、マイクロビッカース硬度計において計測すると、指示値80が得られた。
【0020】
次に半導体素子1側のバンプ3の材質は、純度99.99%の高純度金(Au)にパラジウムを1%程度添加した高張力金属ワイヤより形成した。このようにして形成されたバンプ3の硬度はマイクロビッカース硬度計において計測すると、指示値90が得られた。
【0021】
このようにバンプ3と基板側バンプ6を各々異なる材質で形成することにより、硬度差を設けることができる。これにより半導体素子1と回路基板4を接合する際、接合部8における回路基板4側の基板側バンプ6が半導体素子1側のバンプ3より低硬度のため、超音波振動を加える際に生じる負荷を吸収する作用が働く。さらに、加圧加熱を加える際、半導体素子1の熱膨張率と回路基板4の熱膨張率の差により生じる負荷においても、緩和することができ半導体素子1のパッド部2への負荷の集中を防止して、パッド部2に生じるクラックを防ぐことができる。これにより、半導体素子1の材質としてシリコンだけでなく、機械的強度の低い砒化ガリウムやインジウムリン等の材質により構成された半導体素子1に対しても有効である。
【0022】
本発明は上記の実施形態に示すほか種々の態様に構成することができる。例えば、本実施形態において、ボールボンディング法を用いてバンプ3および基板側バンプ6を形成したが、メッキ法を用いても本実施形態と同様の効果を得ることができる。また本実施形態において、バンプおよび基板側バンプを形成する際、バンプまたは基板側バンプのどちらか一方、もしくは双方に、高さを一定化させるレベリング工程あるいはフラッタニング工程を施しておくと、より効果的である。
【0023】
【発明の効果】
本発明によれば、接合強度が大で、クラック現象の生じにくい高品質な半導体デバイスを得ることのできる半導体実装方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)本発明による半導体実装方法において得られる半導体デバイスの断面図である。
(b)本発明による半導体実装方法において接合位置を示す斜視図である。
【図2】 (a)半導体素子の断面図である。
(b)半導体素子上にバンプを形成した断面図である。
【図3】 (a)回路基板の断面図である。
(b)本発明による回路基板上に基板側バンプを形成した断面図である。
【図4】 半導体素子を回路基板に接合するプロセスを示す図である。
【図5】 従来の半導体実装方法において得られる半導体デバイスの断面図である。
【符号の説明】
1 半導体素子
2 パッド部
3 バンプ
4 回路基板
5 電極
6 基板側バンプ
7 加熱ツール
8 接合部
10 頂部
Claims (3)
- 半導体素子のパッド部上にボールボンディング法またはメッキ法により形成された金属バンプを、回路基板上の電極に接触させた状態で、前記金属バンプを加圧加熱することにより、半導体素子を回路基板に接合する半導体実装方法において、前記電極上の前記金属バンプの頂部を囲む位置に、前記金属バンプよりも低硬度の基板側金属バンプを予めボールボンディング法またはメッキ法により複数形成し、半導体素子側の金属バンプを前記複数の基板側金属バンプの内側に接触した状態で前記金属バンプおよび基板側金属バンプを加圧加熱することにより、半導体素子を回路基板に接合させることを特徴とする半導体実装方法。
- 半導体素子側に形成した金属バンプの材質は、パラジウム1%を添加した金であり、回路基板側に形成した基板側金属バンプの材質は、金である請求項1記載の半導体実装方法。
- 請求項1または2記載の半導体実装方法を用いて得られる半導体デバイス。
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