JP4731495B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置に関するものであり、特に、半田を用いた電気的および機械的な接続構造を有する半導体装置に関するものである。
半導体装置の組立技術の１つとして、フリップチップボンディングが知られている。このボンディング方法は、半導体チップの下面に設けられた接続パッド（以下、単に「パッド」ともいう）と、パッケージ基板上面に設けられたパッドとを密着させ、熱および圧力を加えて接合する方式である。その際、半導体チップおよびパッケージ基板それぞれのパッド上には、予めボール状の半田バンプが形成される。通常、半田バンプは格子状に並べられており、そのような構造はＢＧＡ（Ball Grid Array）構造と呼ばれている。
従来、半田バンプに用いられる半田としては、Ｓｎ（錫）−Ｐｂ（鉛）共晶半田が使用されていた。しかし近年では、電子部品を廃棄処理する際の環境への悪影響を抑制するために、半田合金としてＰｂを含まない、いわゆる鉛フリー半田が広く使用されている。
半田バンプに使用される鉛フリー半田としては、Ｓｎ、Ａｇ（銀）およびＣｕ（銅）から成る、いわゆる「Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系」の半田合金が広く知られている。特に、Ａｇ：３〜４質量％、Ｃｕ：０．５〜１．０質量％、残部はＳｎからなる半田合金が一般的であったが、原材料価格的に高価なＡｇをさほど使用せず（２質量％以下）、接合信頼性、耐落下衝撃性に優れた半田バンプ用の半田合金も提案されている（例えば下記特許文献１）。
半導体チップの微細化に伴い、半導体チップのパッド寸法も小さくなっている。そのため、半田バンプの体積や半田バンプとパッドとの接合面積は必然的に小さくなり、接合部分の強度は低下してしまう。通常はそれを補うため、半導体チップをパッケージ基板にボンディングした後、両者の間隙に例えばエポキシ樹脂等のアンダーフィル樹脂を充填する。アンダーフィル樹脂は、半導体チップとパッケージ基板間を接着すると共に、半田バンプの接合部にかかる外部応力を緩和させる。
一方、半導体装置のパッケージ基板の下面には外部接続用の電極が形成されており、その上には例えばコンピュータのマザーボードなどの実装基板に実装する際に使用される半田ボールが形成される。そして実装する際には、半田ボールが実装基板の接続パッドに接触するように半導体装置を実装基板上に搭載し、加熱（リフロー）することで当該半導体装置が実装基板に半田付けされる。
通常、半導体チップとパッケージ基板とを接続する内部配線としての半田バンプは、実装工程の加熱で溶融しないように、パッケージ基板下面の外部配線としての半田ボールよりも融点の高いものが使用される。また、半田バンプの材料として、固体時体積と溶融時体積との体積差の、前記固体時体積に対する割合が小さいものを用いることで、実装時の加熱で溶融した場合でも半田バンプ間のショートを防止する技術もある（例えば下記特許文献２）。
以下、説明の便宜上、半導体チップとパッケージ基板を接続する内部配線としての半田バンプを「インナーバンプ」、パッケージ基板を外部（マザーボード等）と接続する外部配線としての半田ボールを「アウターボール」と称することもある。
特開２００２−２３９７８０号公報 特開２００４−２０７４９４号公報
ここで、一般的なシリコンの半導体チップの熱膨張係数は約７ｐｐｍ／℃であるが、樹脂のパッケージ基板および実装基板は約２０ｐｐｍ／℃、エポキシ樹脂のアンダーフィル樹脂は約３０ｐｐｍ／℃、半田は約１５ｐｐｍ／℃であり、それぞれ異なっている。そのため温度変化により、半導体装置内部の半導体チップとパッケージ基板との間や、実装時におけるパッケージ基板と実装基板との間の接続部分に内部応力が生じる。その応力はインナーバンプやアウターボールに加わり、断線を引き起こす要因となって、半導体装置の接続信頼性を低下させていた。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、半田を用いた接続構造の応力による断線を抑制し、高い接続信頼性を得ることができる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップを搭載するパッケージ基板と、前記半導体チップと前記パッケージ基板とを電気的に接続する半田バンプと、前記半導体チップと前記パッケージ基板との間に充填されたアンダーフィル樹脂と、前記パッケージ基板を外部と電気的に接続する半田ボールとを備え、前記半田バンプの弾性率が、前記半田ボールの弾性率よりも低いものである。
本発明に係る半導体装置よれば、インナーバンプは弾性率が低いため、半田バンプとアンダーフィル樹脂との熱膨張係数の違いに起因する応力を緩衝することができる。よって、半田バンプと半導体チップとの接続部分および半田バンプとパッケージ基板との接続部分への応力集中を緩和することができる。また、半田ボールは弾性率が高いため、外部から加わった応力を自己の内部応力として保持することができる。よって、パッケージ基板と実装時に外部接続する実装基板との熱膨張係数の違いに起因する応力を、半田ボールが吸収することができ、パッケージ基板の外周部への応力集中が緩和される。従って、パッケージ基板と実装基板との間での断線を抑制できる。その結果、半導体装置の内部配線の接続信頼性および実装時の外部配線との接続信頼性を向上することができる。
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
実施の形態に係る半導体装置の構造を示す図である。 実施の形態に係る半導体装置における半導体チップとＢＧＡ基板との接続部分の拡大断面図である。 実装時の半導体装置構造を示す図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示すフロー図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の構造を示す図である。当該半導体装置１は、ＢＧＡ構造を有しており、半導体チップ１０が、フェイスダウン方式によりＢＧＡ基板（パッケージ基板）２０に装着されている。半導体チップ１０は下面（集積回路面）に、第１パッド１１を複数個有している。ＢＧＡ基板２０は、上面（半導体１チップの搭載面）に内部電極としての第２パッド２１を複数個有している。第１パッド１１および第２パッド２１は共に、半田バンプ（インナーバンプ）３１に電気的且つ機械的に接続している。それにより、半導体チップ１０は、ＢＧＡ基板２０に電気的に接続され、且つ、機械的に固定される。
また、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０との間隙には、エポキシ樹脂等のアンダーフィル樹脂３２が充填されている。アンダーフィル樹脂３２は、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０と間を接着すると共に、第１パッド１１および第２パッド２１とインナーバンプ３１との接合部分にかかる外部応力を緩和するように機能する。
図２に、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０との接続部分の拡大図を示す。図１での図示は省略したが、半導体チップ１０の下面には、パシベーション膜１２が形成されており、当該パシベーション膜１２に設けられた開口に第１パッド１１の表面が露出する構造となっている。本実施の形態では、半導体チップ１０の第１パッド１１はアルミで形成される。アルミは半田に濡れにくいため、図２の如く第１パッド１１の表面には半田との濡れ性が良いアンダーバンプメタル（ＵＢＭ）１３（第１金属膜）が設けられ、インナーバンプ３１は当該ＵＢＭ１３を介して第１パッド１１に接続する。それにより、第１パッド１１とインナーバンプ３１との接続信頼性が向上する。ＵＢＭ１３としては、例えばＴｉ（チタン）、ＣｕおよびＮｉによる三層構造のものが知られている。
また、ＢＧＡ基板２０の上面には、ソルダレジストと呼ばれる絶縁膜２３（以下「ソルダレジスト２３」）（第２金属膜）が形成される。ソルダレジスト２３に設けられた開口に、第２パッド２１の表面が露出する構造となっている。ソルダレジスト２３は、第２パッド２１に対する半田付けの際に、当該第２パッド２１が属する最上配線層に余分な半田が付着するのを防止している。本実施の形態では、第２パッド２１は銅で形成される。銅は比較的半田との濡れ性が良いが、第２パッド２１の表面には「食われ現象」を防止する目的で、所定の金属によるコーティング（めっき）２４が施される。
「食われ現象」というのは、ＳｎやＡｇが溶解した状態で他の金属に接すると、当該他の金属が侵食される現象である。この現象によって電極が半田に侵食されると、断線の原因となる。従来のＳｎ−Ｐｂ系の共晶半田では、Ｐｂがバリアの役割を果たすので、電極の「食われ現象」は起こり難かったが、鉛フリー半田ではそのＰｂが含まれていないため「食われ現象」が顕著になる。コーティング２４としては、例えばＮｉ（ニッケル）およびＡｕ（金）による二層構造のものが知られている。本実施の形態では、インナーバンプ３１を第２パッド２１上に直接形成せずに、コーティング２４を介して第２パッド２１上に形成しているので、この「食われ現象」が防止される。それにより、第２パッド２１とインナーバンプ３１との接続信頼性の低下を抑制している。
ＢＧＡ基板２０の下面（外部接続面）には、半導体装置１を外部と電気的に接続するための外部電極２２が複数個形成されており、それら外部電極２２のそれぞれに半田ボール（アウターボール）３３が設けられる。アウターボール３３は、半導体装置１をマザーボード等の実装基板に、電気的且つ機械的に接続させるのに使用される。
また、ＢＧＡ基板２０上面には、スティフナー（補強材）３４が接着テープ３５を介して設けられている。スティフナー３４の材質は、半導体チップ１０の発熱などによる温度変化に起因する応力の発生が抑制されるように、ＢＧＡ基板２０と線膨張率が近いものが望ましく、例えば銅で構成される。また接着テープ３５は、例えば接着性の高いエポキシ系の樹脂により形成される。
さらに、半導体チップ１０の上部には、放熱性向上および半導体チップ１０の保護を目的として、ヒートスプレッダ３６が設けられる。ヒートスプレッダ３６と半導体チップ１０との間には、放熱樹脂３７が充填される。この放熱樹脂３７は、ヒートスプレッダ３６と半導体チップ１０とが熱的に接続するよう、例えば熱伝導性の高い銀ペーストにより形成される。また、ヒートスプレッダ３６は接着テープ３８を介してスティフナー３４にも固定される。接着テープ３８は、例えば接着性の高いエポキシ系の樹脂により形成される。
当該半導体装置１の実使用時には、図３のように、アウターボール３３が実装基板４０上面の接続パッド４１に接合されることにより、実装基板４０上に実装される。このとき、ＢＧＡ基板２０と実装基板４０との間にはアンダーフィル樹脂は設けない。
本実施の形態においては、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０との間を接続するインナーバンプ３１として弾性率の低い半田合金を使用し、外部接続のためのアウターボール３３としてはインナーバンプ３１よりも弾性率の高い半田合金を用いる。なお、弾性率は、物体に応力が加わったときの歪みと応力との比で表され、「弾性率＝応力／歪み」で定義される。つまり、弾性率の低い半田合金は、応力により変形しやすく、延び性に優れている。逆に、弾性率の高い半田合金は、応力により変形しにくく、強度が高く耐疲労性に優れている。
以下、本実施の形態に係る半導体装置が奏する作用および効果を説明する。
先に述べたように、通常は、半導体チップ１０、ＢＧＡ基板２０、アンダーフィル樹脂３２、半田（インナーバンプ３１およびアウターボール３３）および外部接続される実装基板４０は、それぞれ異なる熱膨張係数を有している。そのため、温度変化により各接続部分に応力が発生する。
半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０との間は、インナーバンプ３１とアンダーフィル樹脂３２との２つによって機械的な接続が成されている。そのためインナーバンプ３１には、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０との熱膨張係数の違いに起因する応力が加わるだけでなく、インナーバンプ３１とアンダーフィル樹脂３２との熱膨張係数の違いに起因する縦方向の応力も加わる。即ちアンダーフィル樹脂３２は、インナーバンプ３１に加わる横方向の応力を緩和してはいるが、逆に、縦方向の応力を増大させる要因になっている。
アンダーフィル樹脂３２が、エポキシ樹脂のようにインナーバンプ３１よりも熱膨張係数が大きいものの場合には、インナーバンプ３１には縦方向の引っ張り応力が加わる。また、当該引っ張り応力は、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０との熱膨張係数が異なることに起因する半導体チップ１０の「反り」によって、特に半導体チップ１０の中心近傍で増大する。このときインナーバンプ３１が弾性率の高い材質であると、その応力を緩衝できず、インナーバンプ３１と半導体チップ１０との接続部分およびインナーバンプ３１とおＢＧＡ基板２０との接続部分に応力が集中し、それらの部分で断線が生じやすくなる。
特に、インナーバンプ３１と半導体チップ１０およびＢＧＡ基板２０との接続部分が図２のような構造の場合、断線は第１パッド１１とＵＢＭ１３との間で生じやすい。それは、第１パッド１１が露出するパシベーション膜１２の開口の径ｄ１が、第２パッド２１が露出するソルダレジスト２３の開口の径ｄ２よりも小さい（即ち、第１パッド１１とＵＢＭ１３との接合面（界面）の面積が、第２パッド２１とコーティング２４との接合面の面積よりも小さい）ため、第１パッド１１とＵＢＭ１３との界面に応力が集中してしまうからである。言い換えれば、第１パッド１１表面におけるインナーバンプ３１への電気的な接続面積が、第２パッド２１表面における電気的な接続面積よりも小さいため、第１パッド１１とインナーバンプ３１との電気的な接続が断線しやすくなるのである。
そこで本実施の形態では、インナーバンプ３１として弾性率の低い半田合金を使用する。弾性率の低いインナーバンプ３１は応力に応じて変形しやすいため、インナーバンプ３１に加わる引っ張り応力を緩衝することができ、インナーバンプ３１と半導体チップ１０との接続部分およびインナーバンプ３１とＢＧＡ基板２０との接続部分への応力集中が緩和される。従って、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０との間での断線を抑制でき、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０との間の接続信頼性が向上する。
なお、本実施の形態において図２の如く第１パッド１１の露出面積（第１パッド１１のサイズ）を小さくしているのは、半導体チップ１０の高集積化に寄与するためである。本発明によれば、第１パッド１１とＵＢＭ１３との界面に加わる応力が緩和されるため、第１パッド１１のサイズを小さくしても接続信頼性の低下は抑制される。
次に、実装時におけるＢＧＡ基板２０と実装基板４０との間のアウターボール３３について説明する。上述のように、ＢＧＡ基板２０と実装基板４０との間にはアンダーフィル樹脂は設けられず、アウターボール３３のみで接続される。ＢＧＡ基板２０および実装基板４０は半導体チップ１０よりも強度が高く、「反り」は生じにくいので縦方向の応力はあまり生じない。そのため、アウターボール３３には、ＢＧＡ基板２０と実装基板４０との熱膨張係数の違いに起因する横方向の応力が主に加わる。また、ＢＧＡ基板２０の外部電極２２および実装基板４０の接続パッド４１はサイズが大きいので、アウターボール３３とそれらとの接合面の面積は大きく、もともと引っ張り応力に対する強度は高い。従って、アウターボール３３に関しては、特に横方向の応力を吸収できるだけの強固さを有することが望まれる。
通常、ＢＧＡ基板２０と実装基板４０との熱膨張係数の違いに起因する応力は、ＢＧＡ基板２０の外周部に集中する傾向にある。アウターボール３３が弾性率の低い材質であると、それぞれのアウターボール３３が変形してしまい応力が吸収されず、ＢＧＡ基板２０の外周部へ応力が逃げてしまう。それにより、外周部のアウターボール３３に加わる応力が増大してしまう。その結果、特にＢＧＡ基板２０の外周部でアウターボール３３が破損して断線が生じやすくなる。
そこで本実施の形態では、アウターボール３３として弾性率の高い半田合金を使用する。弾性率の高いアウターボール３３は応力に応じて変形しにくく、外部から加わった応力を自己の内部応力として保持することができる。よって、ＢＧＡ基板２０と実装基板４０との熱膨張係数の違いに起因する応力を、個々のアウターボール３３それぞれが吸収することができ、ＢＧＡ基板２０の外周部のアウターボール３３への応力集中が緩和される。従って、ＢＧＡ基板２０と実装基板４０との間での断線を抑制でき、ＢＧＡ基板２０と実装基板４０との間の接続信頼性が向上する。
このように、インナーバンプ３１として弾性率の低い半田合金を使用し、アウターボール３３としては弾性率の高い半田合金を用いることによって、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０との間および、ＢＧＡ基板２０と実装基板４０との間の接続信頼性を向上させることができる。
また上記のように、半田バンプおよび半田ボールに使用される鉛フリー半田としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のものが一般的であるが、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田合金の弾性率は、それに含まれるＡｇの割合（質量％）でほぼ決まる。通常、Ａｇの割合が多いほど弾性率は高くなる。従って、本実施の形態のインナーバンプ３１およびアウターボール３３としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田合金を適用する場合には、インナーバンプ３１にＡｇの割合の少ない半田合金を使用し、アウターボール３３にはＡｇの割合が多い半田合金を使用すればよい。それにより、インナーバンプ３１の弾性率が低くなり、アウターボール３３の弾性率の高くなる。
本発明者は、接続信頼性の高い半田合金の組成を得るための実験を行なった。実験では、図１に示した構成の半導体装置について、温度変化の繰返しに対する耐久試験（温度サイクル試験）が行われた。なお、インナーバンプ３１およびアウターボール３３としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田合金を使用された。
実験の結果、インナーバンプ３１としてはＡｇの割合が１．５質量％以下の場合に優れた耐久性が得られた。また、アウターボール３３としてはＡｇの割合が２．５質量％以上、望ましくは３％以上の場合に、優れた耐久性が得られた。つまり本発明者は、当該実験により、本発明にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田合金を適用する場合には、インナーバンプ３１としてＡｇが１．５質量％以下のもの、アウターボール３３としてＡｇが２．５質量％（より望ましくは３％以上）のものを使用することによって、半導体装置１の高い接続信頼性が得られることを見出した。
次に、本発明に係る半導体装置の製造方法を図４のフロー図を参照して説明する。また、図５〜図１３は当該製造工程を説明するための図である。これら図５〜図１３においては、図１に示したものと同様の要素には同一符号を付してある。
まず図５（ａ）のように、表面にアルミの第１パッド１１を有する半導体チップ１０を形成する（Ｓ１）。図５（ｂ）は、半導体チップ１０表面の第１パッド１１の拡大断面を示している。半導体チップ１０の表面にはパシベーション膜１２を形成し、パシベーション膜１２には第１パッド１１が露出する開口を設ける。
そして図６の如く、第１パッド１１の表面に、半田との濡れ性を良くするためのＵＢＭ１３を形成する（Ｓ２）。このＵＢＭ１３は、半導体チップ１０上にＴｉ、ＣｕおよびＮｉを順次スパッタし、その後パターニングすることにより形成される。そして図７の如く、ＵＢＭ１３を介した第１パッド１１上に、Ａｇ：１．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％、残部Ｓｎから成る半田ペーストをスクリーン印刷することにより、インナーバンプ３１となる半田合金３１ａを形成する（Ｓ３）。
また上記工程とは別に、図８（ａ）のように、半導体チップ１０に接続するための第２パッド２１および外部（実装基板）に接続するための外部電極２２を有するＢＧＡ基板２０を形成する（Ｓ４）。図８（ｂ）は、ＢＧＡ基板２０表面の第２パッド２１の拡大断面を示している。ＢＧＡ基板２０の表面にはソルダレジスト２３を形成し、ソルダレジスト２３に第２パッド２１が露出するように開口を設ける。
そして図９の如く、半田による第２パッド２１の「食われ現象」を防止するコーティング２４を形成する。このコーティング２４は、第２パッド２１上に例えばＮｉおよびＡｕを無電界めっき法で順次成膜することにより形成される（Ｓ５）。そして図１０の如く、コーティング２４を介した第２パッド２１上に、半田合金３１ｂを、Ａｇ：１．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％、残部Ｓｎから成る半田ペーストをスクリーン印刷することによって、インナーバンプ３１となる半田合金３１ｂを形成する（Ｓ６）。
そして、図１１のように半導体チップ１０の半田合金３１ａとＢＧＡ基板２０の半田合金３１ｂとを密着させ、熱および圧力を加えて接合する、いわゆるフリップチップ接合を行う（Ｓ７）。半田合金３１ａと半田合金３１ｂとが接合することによりインナーバンプ３１が形成され、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０とが接続される。本実施の形態では半田合金３１ａ，３１ｂの組成は、共に、Ａｇ：１．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％、残部Ｓｎであるので、その２つを接合して形成されるインナーバンプ３１の組成も同じく、Ａｇ：１．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％、残部Ｓｎとなる。
次いで、半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０との間にエポキシ樹脂を注入することで、図１２の如くアンダーフィル樹脂３２を形成する（Ｓ８）。
さらに、半導体装置のパッケージングを行う（Ｓ９）。即ち、図１３のように、ＢＧＡ基板２０の上に、スティフナー３４を接着テープ３５を用いて固定し、半導体チップ１０上に放熱樹脂３７を介してヒートスプレッダ３６を装着する。このとき、ヒートスプレッダ３６をスティフナー３４の上に接着テープ３８を用いて固定する。
そして最後にＢＧＡ基板２０下面の外部電極２２上に、Ａｇ：３．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％、残部Ｓｎから成る半田ボールを機械的に搭載し、リフローにより該半田ボールを溶融させることで、外部電極２２上にアウターボール３３を形成する（Ｓ１０）。それにより、Ａｇ：３．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％、残部Ｓｎから成るアウターボール３３が形成され、図１に示した半導体装置１が形成される。
また実使用時には、導体装置１を実装基板４０の上面に、アウターボール３３と接続パッド４１とが接するように搭載し、リフローによりアウターボール３３を溶融させて接続パッド４１に接合させる。その結果、図３に示したように半導体装置１が実装基板４０上に実装される。
本実施の形態では、実装時にのＢＧＡ基板２０と実装基板４０との間にはアンダーフィル樹脂を設けない。アンダーフィル樹脂を設けないことにより、アンダーフィル樹脂とアウターボール３３との熱膨張係数の違いに起因して縦方向の応力が発生するのを防止できると共に、製造工程数および製造コストの削減を図ることができる。
以上のように、本実施の形態に係る半導体装置は、比較的弾性率の低いインナーバンプ３１と、比較的弾性率の高いアウターボール３３を備える。インナーバンプ３１は、応力に応じて変形することで、インナーバンプ３１とアンダーフィル樹脂３２との熱膨張係数の違いに起因する応力を緩衝することができ、インナーバンプ３１と半導体チップ１０およびＢＧＡ基板２０との接続部分への応力集中を緩和することができる。半導体チップ１０の高集積化が進むと、第１パッド１１表面におけるインナーバンプ３１への電気的接続部分（即ち、図２に示す第１パッド１１とインナーバンプ３１との界面）の面積が小さくなり強度が低下するが、インナーバンプ３１が応力を緩衝することで、その部分での断線を防止できる。
また、アウターボール３３は、外部から加わった応力を自己の内部応力として保持することができる。よって、ＢＧＡ基板２０と実装基板４０との熱膨張係数の違いに起因する応力を、個々のアウターボール３３それぞれが吸収することができ、ＢＧＡ基板２０の外周部のアウターボール３３への応力集中が緩和される。従って、ＢＧＡ基板２０と実装基板４０との間での断線を抑制できる。このように本実施の形態によれば、半導体装置１の内部配線の接続信頼性および実装時の外部配線との接続信頼性を向上することができる。
さらに、本実施の形態では実装時のＢＧＡ基板２０と実装基板４０と接続をアウターボール３３のみで行い、両者の間にアンダーフィル樹脂を設けていない。それは、弾性率の高いアウターボール３３が充分な強度を有しており、アンダーフィル樹脂が不要であるためである。また、そのアンダーフィル樹脂とアウターボール３３との熱膨張係数の違いに起因する応力の発生が防止されるという利点や、製造工程数および製造コストの上昇が抑制されるという効果も得られる。
先に述べたように、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田合金の弾性率は、Ａｇの割合が多いほど弾性率は高くなるので、インナーバンプ３１およびアウターボール３３としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田合金を適用する場合には、インナーバンプ３１にＡｇの割合の少ない半田合金を使用し、アウターボール３３にはＡｇの割合が多い半田合金を使用すればよい。本発明者の実験により、インナーバンプ３１のＡｇの割合を１．５質量％以下にし、アウターボール３３のＡｇの割合を２．５質量％以上（望ましくは３％以上）としたときに、特に優れた接続信頼性が得られることが分かった。インナーバンプ３１およびアウターボール３３としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田合金を適用すれば、半導体装置の鉛フリー化に寄与できる。
また、本実施の形態では、図２の如く第１パッド１１の表面および第２パッド２１の表面にそれぞれ、ＵＢＭ１３およびコーティング２４を形成した構造を示したが、例えば第１パッド１１および第２パッド２１として、半田との濡れ性に優れ且つ侵食されにくい材料が使用された場合などにはＵＢＭ１３やコーティング２４を設ける必要は無くなる。その場合は、インナーバンプ３１が第１パッド１１および第２パッド２１に直接的に接合する構造であってよい。その場合も上記の効果が得られることは明らかである。
また、ＵＢＭ１３としてはＴｉ、ＣｕおよびＮｉによる三層構造のものを、コーティング２４としてはＮｉおよびＡｕによる二層構造ものをそれぞれ例示したが、それらに限定されるものではない。例えば、ＮｉフリーのＵＢＭや電極のコーティングなどを使用してもよい。
また、上記した製造工程では、半導体チップ１０への半田合金３１ａの形成工程（図３のステップＳ３）およびＢＧＡ基板２０への半田合金３１ｂの形成工程（図３のステップＳ６）を共に、半田ペーストのスクリーン印刷で行ったが、それらの両方あるいは片方を電解めっき法など他の手法で行ってもよい。但し、電解めっき法では、３種以上の金属から成る半田合金３１ａ，３１ｂを形成することはできない。従って、電解めっき法でＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のインナーバンプ３１を形成したい場合には、例えば半田合金３１ａ、３１ｂの一方をＳｎとＡｇとから成る半田合金で形成し、他方をＳｎとＣｕとから成る半田合金で形成する。その後の半導体チップ１０とＢＧＡ基板２０とのボンディング工程（図３のステップＳ７）では、溶融した半田合金３１ａ、３１ｂが混合し、結果としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のインナーバンプ３１が形成される。
なお、本実施の形態においては、図１のようにスティフナー３４およびヒートスプレッダ３６を有するパッケージ構造を示したが、本発明の適用はこの構成に限定されるものではない。例えば、スティフナー３４およびヒートスプレッダ３６の片方しか有しない構造、両方を有しない構造、スティフナー３４およびヒートスプレッダ３６に代えて上面をモールド樹脂で覆った構造であってもよい。
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

Claims (6)

  1. 半導体チップと、
    前記半導体チップを搭載するパッケージ基板と、
    前記半導体チップと前記パッケージ基板とを電気的に接続し、半田合金としてＰｂを含まない半田バンプと、
    前記半導体チップと前記パッケージ基板との間に充填されたアンダーフィル樹脂と、
    前記パッケージ基板を外部と電気的に接続し、半田合金としてＰｂを含まない半田ボールとを備え、
    前記半田バンプの弾性率が、前記半田ボールの弾性率よりも低く、
    前記半田バンプおよび前記半田ボールは、ＡｇおよびＣｕを含み残部はＳｎで構成され、
    前記半田バンプにおけるＡｇの質量の割合は、前記半田ボールにおけるＡｇの質量の割合よりも小さい
    ことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記半田バンプにおけるＡｇの割合は、１．５質量％以下である
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記半田ボールにおけるＡｇの割合は、２．５質量％以上である
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記パッケージ基板を実装する実装基板をさらに備え、
    前記実装基板は、前記半田ボールを介して前記パッケージ基板に電気的に接続し、
    前記実装基板と前記パッケージ基板との間には、アンダーフィル樹脂が設けられていない
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  5. 前記半導体チップは、前記半田バンプと電気的に接続する第１パッドを有し、
    前記パッケージ基板は、前記半田バンプと電気的に接続する第２パッドを有し、
    前記第１パッド表面における前記半田バンプへの電気的な接続面積は、前記第２パッド表面における前記半田バンプへの電気的な接続面積よりも小さい
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  6. 前記半導体チップは、前記半田バンプに電気的に接続する第１パッドを有し、
    前記パッケージ基板は、前記半田バンプに電気的に接続する第２パッドを有し、
    前記第１パッドは、表面に所定の第１金属膜が形成されており、当該第１金属膜を介して前記半田バンプに接続し、
    前記第２パッドは、表面に所定の第２金属膜が形成されており、当該第２金属膜を介して前記半田バンプに接続し、
    前記第１パッドと前記第１金属膜との界面の面積は、前記第２パッドと前記第２金属膜との界面の面積よりも小さい
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
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