JP5117169B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
特許文献1では、チップ積層に用いる電極バンプの製造方法および接続方法が記載されており、バンプ先端部をバンプ基部より応力変化を大きく形成した構造とすることにより接続時にバンプ先端部を座屈変形させて接続時ストレスを低減している。
(1) はんだバンプ接続方式
接続時にははんだ溶融温度以上に加熱させる必要があり、現在主流となりつつある鉛フリーはんだの場合ははんだはおよそ240℃程度に加熱される。そのため接続後室温になると、接続部材間の線膨張係数差によりはんだ接続部に変形と歪みが発生しバンプ間ショートや、高歪みによる接続部破断が発生する。また、50ミクロンピッチ以下を実現する場合、はんだバンプは30ミクロン以下が望ましいが、現在のプロセスでは微細バンプの作製は非常に困難である。更に、接続後の部材間高さが20ミクロン程度となることから、アンダーフィルが部材間に充填することが困難となる。
(2)Auバンプ/はんだ接続方式
はんだバンプ接続方式と同様にはんだを溶融させる必要があるため、接続後室温になると、接続部材間の線膨張係数差によりはんだ接続部に変形と歪みが発生しバンプ間ショートや、高歪みによる接続部破断が発生する可能性がある。特にはんだバンプ接続よりもはんだ量が少ないため、破断発生率が高くなると予想される。また、金バンプ/チップパッドへの応力集中も懸念される。更に、30ミクロン以下の金スタッドバンプを高さばらつきをおさえて均一に形成することが困難である。
(3) 超音波接続方式
超音波接続方式の場合は接続温度が150℃以下と低いことから、上記で記載したような温度変化に起因するショートや接続部破断は起こりにくい。ただし接続時に荷重を負荷する必要があるため、金スタッドバンプでは荷重負荷時に変形が生じ、隣接バンプ間ショートが懸念される。
(4) 接触接続方式
接触接続方式では接続温度は150℃程度に抑えられるが、接続形態が接触であるため接続抵抗が高くなり、高速伝送が困難となる。また、微細接続用の銀ペーストやACFとする場合は数ミクロン径の導電粒子品を選定する必要があり、コスト高となる。
さらに、超音波により接続することにより低温接続が可能となる。
ここではめっきプロセスによるバンプ形成方法を記載したが、バンプ転写法やMEMSプロセスを利用したバンプ形成法など形成方法は限定しない。
バンプ先端凹凸形成第五の方法はスパッタリングを利用した方法である。スパッタリングは真空中でイオン化したアルゴンを加工面に衝突させることにより表面加工や成膜する技術である。(d)の状態のサンプルを真空チャンバにセットしイオン化したアルゴンにてバンプ11上面を加工することで1〜15μmの凹凸を形成する方法と、スパッタ成膜装置で任意の突起をバンプ上に形成する方法が挙げられる。凸部の形状は円、四角、多角、球、楕円などバンプ11表面に少なくとも1ヶ所以上形成すればいずれの形状でも良い。突起形成時にはレジストを除去してもよいが、レジストによりバンプ11以外の配線等へのきずを防止することができる。バンプ11上にレーザーにて凹凸を形成後、ニッケル表面に金を蒸着やスパッタ、めっきなどにより0.01μm〜5μm形成する。金は必要な場合のみ形成すればよい。最後に図2(e)に示すようにレジスト3を除去することによりバンプ11を形成した半導体素子1が得られる。本実施例では無電解めっきによる形成プロセスを示したが、電解めっきを用いてもよい。
バンプ先端凹凸形成第六の方法は研磨を利用した方法である。図2(d)の状態のサンプルを研磨紙にて研磨することにより、バンプ11上に1〜15μmの凹凸を形成する。ここでは凹凸が上記記載範囲に入るような粒度の研磨紙を使用する。研磨紙による加工は非常に容易であることが特長である。突起形成時にはレジストを除去してもよいが、レジストによりバンプ11以外の配線等へのきずを防止や研磨時の応力によるバンプ11剥れなどを防止することができる。バンプ11上に研磨にて凹凸を形成後、ニッケル表面に金を蒸着やスパッタ、めっきなどにより0.01μm〜5μm形成する。金は必要な場合のみ形成すればよい。最後に図2(e)に示すようにレジスト3を除去することによりバンプ11を形成した半導体素子1が得られる。本実施例では無電解めっきによる形成プロセスを示したが、電解めっきを用いてもよい。
上記凹凸形成方法では半導体素子1側に凹凸を形成する方法を記載したが、基板20側配線上めっき22に凹凸を形成しても同様な効果が得られる。
図3に第一の実施例の基板20側の緩衝層12形成プロセス一例を示す。図3(a)ではプリント基板20上に銅配線21およびニッケルめっきが形成されている。その後レジスト23塗布後に緩衝層12を形成する箇所に露光および現像により開口部を形成する(図3(c))。レジスト23としてはネガ型レジスト、ポジ型レジストいずれを用いても構わない。最後に開口部に錫めっきを電気めっきもしくは無電解めっき法にて形成することにより緩衝層12を有するプリント基板が形成できる。必要に応じてレジストを除去しても構わない。本実施例で形成する錫めっき厚は半導体素子1側に形成するチップ側パッド2、バンプ11と錫めっき厚と配線21と配線上めっき22厚の総和h1がチップ側パッド径h2よりも長くなるように形成する。ここで、h2は半導体素子上に形成されたパッド外周の内側で、該パッド上を覆うように形成された膜に開けられた開口部の寸法を示す。なお、この開口部の形状は、円形の場合や矩形の場合があり、前者の場合は、h2はその直径を指し、後者の場合は、短辺の長さを指すものとする。また錫めっきはディップにより形成してもよい。
第一の実施例では半導体素子1側にニッケルバンプと金めっきを形成し、基板側にすず緩衝層を形成した例で説明したが、ニッケルバンプを基板側に形成してもよいし、錫を半導体素子1側に形成しても構わない。また、緩衝層12としてアルミニウムを主成分とする合金をもちいてもよい。
配線上めっき22上に凹凸を形成後、ニッケル表面に錫を形成する。この錫はバンプ11側に形成してもよい。
第一および第二の実施例では、それぞれバンプ11側および基板上配線22側に凹凸を形成した例であるが、バンプ11および基板上配線22両方に凹凸を形成してもよい。
また、緩衝層12の厚さを5μm以上とした場合、上述した実施例1、2と同様なプロセスで製造できるが、緩衝層12が厚くすることで応力緩衝機能が向上すること、使用環境時において接続界面の化合物は成長をつづけるが、初期緩衝層厚が厚いため長期間応力緩衝層が保持される。この結果、より信頼性の高い接続構造となり、より高信頼性の半導体が実現できる。
2…チップ側パッド、
3…レジスト、
11…バンプ、
12…緩衝層、
13…金スタッドバンプ、
14…はんだ、
20…基板、
21…配線、
22…配線上めっき、
23…レジスト、
24…アンダーフィル。
Claims (10)
- 半導体素子上に設けられた50ミクロンピッチ以下の微細ピッチ電極と、前記半導体素子を搭載する基板上に設けられたパッドもしくは配線とを接続する接続構造を有する半導体装置であって、
前記接続構造は、一方が前記微細ピッチ電極に接続され、他方が縦弾性係数(ヤング率)が65GPa以上で600GPa以下のバンプと、錫あるいはアルミニウムあるいはインジウムあるいは鉛の少なくとも一つを主成分とする緩衝層とを介して前記基板上に設けられたパッドもしくは配線と接続される構造を備え、
前記バンプと前記基板上に設けられたパッドもしくは配線とが対向する面の少なくとも一方の面上に突起形状を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記微細ピッチ電極が設けられた前記半導体素子の表面と前記パッドもしくは配線が設けられた前記基板の表面との間の接続高さをh1とし、
前記バンプの接続径もしくは短辺長をh2とした時、h1≧h2の関係を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記バンプが複数層からなることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記バンプの主材料が、ニッケル、銅、アルミニウム、金、チタンのいづれかであることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記緩衝層が、前記バンプ上、または前記パッドもしくは配線上に形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記緩衝層が、電気メッキまたは無電解メッキ法を用いて形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記緩衝層が、前記バンプ、または前記パッドもしくは前記配線間に挿入された金属箔を用いて形成されることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記半導体素子と前記バンプ、または前記緩衝層と前記パッドのいづれかの接続が、超音波を印加することにより接続されることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記接続が、室温以上、150℃以下の温度で行われることを特徴とする請求項8記載の半導体装置。
- 半導体素子上に設けられた50ミクロンピッチ以下の微細ピッチ電極と、前記半導体素子を搭載する基板上に設けられたパッドもしくは配線とを接続する接続構造を有する半導体装置であって、
前記接続構造は、一方が前記微細ピッチ電極に接続され、他方が縦弾性係数(ヤング率)が65GPa以上で600GPa以下のバンプと、錫あるいはアルミニウムあるいはインジウムあるいは鉛の少なくとも一つを主成分とする緩衝層とを介して前記基板上に設けられたパッドもしくは配線と接続される構造を有することを特徴とする半導体装置。
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