JP4714593B2 - 半導体素子接続バンプ及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子接続バンプ及び半導体装置に関し、より具体的には、半導体素子を回路基板の表面に実装し電気的な接続を行う半導体素子接続バンプ及び当該半導体素子接続バンプを備えた半導体装置に関する。

近年の携帯電話、ネットワーク機器等の電子機器における情報通信の高速化、大容量化に伴い、半導体装置においては、実装される半導体素子間の配線距離を短縮し、半導体素子を高密度に実装することが要求されている。

かかる半導体素子の高密度な実装方法として、半導体素子をパッケージ基板と呼ばれる前記半導体素子よりも大きい回路基板に半田で実装した後、当該パッケージ基板を機器全体の配線回路基板（マザーボード）に再び半田で実装するという方法が従来より知られている。

また、近年、半導体素子の微細化に伴い、入出力ピン数が増加すると共に、環境問題への対応によりクリープが少なく、また、実装温度が高温となる鉛フリーの半田の実用化が進んでいるが、半導体素子とパッケージ基板との熱膨張差に基づく両者間の応力増加に因るクラックや亀裂の発生が問題となっている。

図１は、従来の、半導体素子とパッケージ基板とを接続するバンプの第１の例の断面図である。図１を参照するに、半導体素子１とパッケージ基板２との間に半田バンプ３を設け、当該半田バンプ３を半田１０によって固定して半導体素子１をパッケージ基板２に実装し、半導体素子１とパッケージ基板２とを電気的に接続可能としている。

しかしながら、一般に、パッケージ基板２は半導体素子１よりも熱膨張率が大きいため、かかる構造では、半導体装置の製造過程で与えられる熱ストレス等により、パッケージ基板２と半導体素子１の接続箇所において応力が発生し、当該接続箇所が破壊されてしまうおそれがある。

そこで、図２に示すバンプ構造が提案されている。ここで、図２は、従来の、半導体素子とパッケージ基板とを接続するバンプの第２の例の断面図である。

図２を参照するに、半導体素子１とパッケージ基板２との間に、図１に示す半田バンプ３の代わりに樹脂コアバンプ４を設け、当該樹脂コアバンプ４を半田１０によって固定して半導体素子１をパッケージ基板２に実装し、半導体素子１とパッケージ基板２とを電気的に接続可能としている。

樹脂コアバンプ４は、半田よりも弾性率が低い樹脂から成る樹脂ボール５をバンプの核として用い、当該樹脂ボール５の表面に金属層６をコーティングして形成されている。また、前記金属層６として、樹脂ボール５の表面に半田層をコーティングする例も従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）
半導体素子１とパッケージ基板２との接続に図２に示すような樹脂コアバンプ４を用いることにより、図１に示す半田バンプ３を用いる場合に比し、バンプ全体の弾性率が下げることができ、パッケージ基板２と半導体素子１の接続箇所において応力が発生して当該接続箇所が破壊されてしまうおそれを回避することができる。
特開２００２−１５１５３２号公報

しかしながら、図２に示すような樹脂コアバンプ４では、バンプの核となる樹脂ボール５は絶縁体であるため、半導体素子１とパッケージ基板２との電気的な接続は、樹脂ボール５の表面にコーティングにより設けられた金属層６のみによって行われることになる。従って、当該金属層６に、熱応力等による変形等でクラックや亀裂が生じた場合には電気特性が低下するため、当該樹脂コアバンプ４を備えた半導体装置の電気的信頼性は低い。

また、図２に示すような樹脂コアバンプ４では、別工程によって、樹脂ボール５の表面に金属層６をコーティングした樹脂コアバンプ４を製造し、当該樹脂コアバンプ４をパッケージ基板２の表面に形成された電極パッドに位置合わせをし、次いで半田１０によって固定する必要があるため、製造コストの上昇を招いてしまう。

そこで、本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、簡易な構造で熱膨張率差によって生じる半導体素子と配線基板との間の応力を低減すると共に、両者間を良好に電気的接続することができる信頼性の高い半導体素子接続バンプ及び当該半導体素子接続バンプを備えた半導体装置を提供することを本発明の目的とする。

本発明の一観点によれば、半導体素子を回路基板に実装し電気的な接続を行う半導体素子接続バンプであって、内部において導体金属粒子が分散して設けられ耐熱性エラストマからなる核を有し、当該核は前記回路基板の表面に形成され、当該核の表面に金属層が形成されたことを特徴とする半導体素子接続バンプが提供される。

当該半導体素子接続バンプにおいて、前記金属層は、半田層であってもよい。

また、前記導体金属粒子は銀粒子であってもよい。更に、前記核に含有される前記導体金属粒子の前記核に対する体積比は約３０ｖｏｌ％以上であってもよい。

本発明の別の観点によれば、半導体素子と、前記半導体素子が実装される回路基板と、前記半導体素子と前記回路基板との電気的な接続を行う半導体素子接続バンプと、を備えた半導体装置であって、前記半導体素子接続バンプは、内部において導体金属粒子が分散して設けられ耐熱性エラストマからなる核を有し、当該核は前記回路基板の表面に形成され、当該核の表面に金属層が形成されたことを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明によれば、簡易な構造で熱膨張率差によって生じる半導体素子と配線基板との間の応力を低減すると共に、両者間を良好に電気的接続することができる信頼性の高い半導体素子接続バンプ及び当該半導体素子接続バンプを備えた半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図３乃至図５を参照して説明する。

図３は、本発明の実施の形態における半導体実装バンプ（以下では、単に「バンプ」という）の断面図であって、当該バンプは、半導体装置において半導体素子とパッケージ基板とを接続する半導体素子接続バンプである。

図３を参照するに、半導体素子１とパッケージ基板２との間であって、当該パッケージ基板２上に後述する構造を有するバンプ２０を設け、当該バンプ２０を半田１０によって半導体素子１に固定して半導体素子１をパッケージ基板２に実装し、半導体素子１とパッケージ基板２とを電気的に接続可能としている。

バンプ２０は、当該バンプ２０の核となるエラストマボール２５と、エラストマボール２５の表面にコーティングにより形成された金属層である半田層３０とを含む。

エラストマボール２５は外形が略半球状に形成され、パッケージ基板２の表面の接続端子上に直接設けられている。

エラストマボール２５は、耐熱性エラストマから成る。耐熱性エラストマは、常温でゴム状の弾性を有する高分子物質であり、例えば、シリコーンエラストマ、エポキシ変性アクリロニトリルブタジエンゴム、フッ素ゴム、二トリルゴム等がこれに該当する。

耐熱性エラストマは、半田の弾性率（約２０ＧＰａ乃至３０ＧＰａ）、鉛フリーの半田の弾性率（約６０ＧＰａ）、後述する銅の弾性率（約７０ＧＰａ）に比し十分に低い弾性率（約１００ＭＰａ）を有する。

また、バンプ２０の製造過程において熱が加えられるため、かかる熱により分解されてしまうことを回避すべく、当該エラストマには耐熱性が要求される。

かかる耐熱性エラストマから成るエラストマボール２５中には、導体金属粒子として、例えば銀粒子３５が、複数分散させられて混ぜられている。

ところで、図４は、抵抗値とエラストマボール２５に含有される銀粒子３５のエラストマボール２５全体に対する体積比との関係を示すグラフである。

図４に示されるように、エラストマボール２５に含有される銀粒子３５のエラストマボール２５全体に対する体積比は、約３０ｖｏｌ％以上であることが望ましい。

銀粒子３５のエラストマボール２５全体に対する体積比が約３０ｖｏｌ％以上であれば、実装したときに半田に亀裂が入ってもエラストマ中の導体金属粒子が導通をとることができ、また、半導体装置において使用可能な抵抗値（約１０ｍΩ）を得ることができる。

銀粒子３５のエラストマボール２５全体に対する体積比が約３０ｖｏｌ％よりも小さければ、エラストマボール３５の表面に銀粒子３５が露出せず、エラストマボール２５の表面に形成された半田層３０の半田との接合によるアンカー効果が生ぜず、エラストマボール３５と半田層３０の高い密着力を確保することができない。

上述のように、エラストマボール２５の表面には金属層として半田層３０がコーティングされているが、かかる半田層３０は、半田ペーストの塗布又は半田リフロー等により形成されている。

但し、エラストマボール２５の表面にコーティングして形成された金属層は、半田層３０に限定されない。例えば、半田層３０の代わりに、無電解メッキ法、又は無電解メッキ法と電解メッキ法の双方を用いて銅メッキ層をコーティングしてもよい。上述したように銅の弾性率は約７０ＧＰａであり、他の金属材料（導体）に比し低いため、弾性率の低いエラストマボール２５と相俟って、低コストで応力緩和を図ることができるからである。

しかしながら、半田や銅等以外の種類の金属から成る金属層をエラストマボール２５の表面に形成すると、当該エラストマボール２５を有するバンプ２０を半導体素子１に固定するために用いられる半田１０が拡散し、硬く脆い化合物が厚く成長し、強度低下を招くおそれがある。

一方、半田層３０であれば、上述したように半田の弾性率は約２０乃至３０ＧＰａであり他の金属材料（導体）の弾性率に比し低く、また、硬く脆い化合物が厚く成長されることも無いため、応力緩和という観点から、エラストマボール２５の表面にコーティングして形成された金属層として最も望ましい。

このように、本実施の形態のバンプ２０によれば、バンプの核として、低弾性率を有するエラストマから成るエラストマボール２５を用いているため、バンプ２０全体の弾性率を低減することができ、半導体素子１とパッケージ基板２との熱膨張率差によって発生する応力を低減することができるため、変形に対して力を分散することができる。

更に、エラストマボール２５中に分散され、エラストマボール２５の表面に露出した導体金属粒子である銀粒子３５、即ち、エラストマボール２５とエラストマボール２５上にコーティングされた半田層３５との界面に設けられた銀粒子３５と、半田層３５を構成する半田との間にアンカー効果が発生し、当該銀粒子３５が半田層３５の半田と機械的に接合する。従って、当該半田層３５とエラストマボール２５との密着力が向上する。

エラストマボール２５中に分散している銀粒子３５により電気的接続が行われるため、仮に応力の作用に因る変形等のために半田層３０にクラックや亀裂等が発生した場合においても、バンプ２０全体として安定した電気特性を保証することができ、電気的接続の信頼性の向上を図ることができる。

次に、図５を参照して、上述の構造を備えたバンプ２０の製造工程について説明する。ここで、図５は、本発明の実施の形態のバンプ２０の製造工程を示す図である。

図５−（Ａ）に示すように、上述の半田材料の弾性率よりも低い弾性率を有する耐熱性エラストマから成り、予め内部において銀粒子３５が複数分散されたエラストマ未硬化物状態にあるエラストマボール２５を、バンプ２０の核として、周知のスクリーン印刷等により略半球状にパッケージ基板２の接続端子４０上に直接形成する。

次いで、加熱処理を行い、エラストマボール２５を熱硬化させる。エラストマボール２５を構成するエラストマには耐熱性が要求されるため、かかる加熱処理によりエラストマが分解されてしまうことを回避することができる。

次に、図５−（Ｂ）に示すように、バンプ２０の表面に金属層として半田層３０を、半田ペーストの塗布又は半田リフロー等によりコーティングして形成する。この結果、内部において銀粒子３５が分散されバンプの核となるエラストマボール２５と、当該エラストマボール２５の表面にコーティングして形成された半田層３０とを含むバンプ２０がパッケージ基板２上に形成される。

最後に、図５−（Ｃ）に示すように、上述の工程を経てパッケージ基板２上に形成されたバンプ２０を、半田１０によって半導体素子１に固定して半導体素子１をパッケージ基板２に実装し、半導体素子１とパッケージ基板２とを電気的に接続可能としている。

このように、本発明の実施の形態におけるバンプ２０は、予め内部において銀粒子３５を分散させたエラストマボール２５を、周知のスクリーン印刷等を用いてパッケージ基板２の接続端子４０上に形成し、当該エラストマボール２５の表面に半田層３０をコーティングして形成される。

従って、簡易な工程で、低弾性率を有し、エラストマボール２５と半田層３５との密着力が高く、電気的接続の信頼性の高いバンプ２０を製造することができ、量産性に優れる。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１） 半導体素子を回路基板に実装し電気的な接続を行う半導体素子接続バンプであって、
内部において導体金属粒子が分散して設けられ耐熱性エラストマからなる核を有し、
当該核の表面に金属層が形成されたことを特徴とする半導体素子接続バンプ。
（付記２） 付記１記載の半導体素子接続バンプであって、
前記金属層は、半田層であることを特徴とする半導体素子接続バンプ。
（付記３） 付記１記載の半導体素子接続バンプであって、
前記金属層は、銅メッキ層であることを特徴とする半導体素子接続バンプ。
（付記４） 付記１乃至３いずれか一項記載の半導体素子接続バンプであって、
前記導体金属粒子は銀粒子であることを特徴とする半導体素子接続バンプ。
（付記５） 付記１乃至４いずれか一項記載の半導体素子接続バンプであって、
前記核に含有される前記導体金属粒子の前記核に対する体積比は約３０ｖｏｌ％以上であることを特徴とする半導体素子接続バンプ。
（付記６） 付記１乃至５いずれか一項記載の半導体素子接続バンプであって、
前記導体金属粒子は、前記核と前記金属層の界面に設けられていることを特徴とする半導体素子接続バンプ。
（付記７） 付記１乃至６いずれか一項記載の半導体素子接続バンプであって、
前記耐熱性エラストマがシリコーンエラストマであることを特徴とする半導体素子接続バンプ。
（付記８） 付記１乃至６いずれか一項記載の半導体素子接続バンプであって、
前記耐熱性エラストマがエポキシ変性アクリロニトリルブタジエンゴムであることを特徴とする半導体素子接続バンプ。
（付記９） 半導体素子と、
前記半導体素子が実装される回路基板と、
前記半導体素子と前記回路基板との電気的な接続を行う半導体素子接続バンプと、を備えた半導体装置であって、
前記半導体素子接続バンプは、
内部において導体金属粒子が分散して設けられ耐熱性エラストマからなる核を有し、
当該核の表面に金属層が形成されたことを特徴とする半導体装置。
（付記１０） 付記９記載の半導体装置であって、
前記半導体素子接続バンプが半田によって前記半導体素子に固定されて前記半導体素子が前記回路基板に実装されることを特徴とする半導体装置。

従来の、半導体素子とパッケージ基板とを接続するバンプの第１の例の断面図である。 従来の、半導体素子とパッケージ基板とを接続するバンプの第２の例の断面図である。 本発明の実施の形態における、半導体素子とパッケージ基板とを接続するバンプの断面図である。 抵抗値とエラストマボールに含有される銀粒子のエラストマボール全体に対する体積比との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態のバンプの製造工程を示す図である。

符号の説明

１ 半導体素子
２ パッケージ基板
３ 半導体バンプ
４ 樹脂コアバンプ
５ 樹脂ボール
６ 金属層
１０ 半田
２０ バンプ
２５ エラストマボール
３０ 半田層
３５ 銀粒子
４０ 接続端子

Claims (5)

1. 半導体素子を回路基板に実装し電気的な接続を行う半導体素子接続バンプであって、
   内部において導体金属粒子が分散して設けられ耐熱性エラストマからなる核を有し、
   当該核は前記回路基板の表面に形成され、当該核の表面に金属層が形成されたことを特徴とする半導体素子接続バンプ。
2. 請求項１記載の半導体素子接続バンプであって、
   前記金属層は、半田層であることを特徴とする半導体素子接続バンプ。
3. 請求項１又は２記載の半導体素子接続バンプであって、
   前記導体金属粒子は銀粒子であることを特徴とする半導体素子接続バンプ。
4. 請求項１乃至３いずれか一項記載の半導体素子接続バンプであって、
   前記核に含有される前記導体金属粒子の前記核に対する体積比は約３０ｖｏｌ％以上であることを特徴とする半導体素子接続バンプ。
5. 半導体素子と、
   前記半導体素子が実装される回路基板と、
   前記半導体素子と前記回路基板との電気的な接続を行う半導体素子接続バンプと、を備えた半導体装置であって、
   前記半導体素子接続バンプは、
   内部において導体金属粒子が分散して設けられ耐熱性エラストマからなる核を有し、
   当該核は前記回路基板の表面に形成され、当該核の表面に金属層が形成されたことを特徴とする半導体装置。

Images