JP5609204B2 - Semiconductor device and electronic equipment - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置及び電子機器に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and an electronic apparatus.
微細加工技術の進歩によりLSI(Large Scale Integrated Circuit)の高集積化が進み、一つのパッケージに多くの機能を持ったLSIを搭載できるようになった。その結果、一つのパッケージに要求される電極端子の数がより増大した。それに対応する実装技術としてフリップチップ接合があり、多くの電子機器に適用されている。
フリップチップ接続は、半導体パッケージの入出力端子上にはんだ(半田)バンプを形成し、半田バンプを回路基板の配線パッドに接合する接続方法である。
Advances in microfabrication technology have led to higher integration of LSIs (Large Scale Integrated Circuits), making it possible to mount LSIs with many functions in one package. As a result, the number of electrode terminals required for one package is further increased. A corresponding mounting technique is flip-chip bonding, which is applied to many electronic devices.
Flip chip connection is a connection method in which solder (solder) bumps are formed on input / output terminals of a semiconductor package, and the solder bumps are joined to wiring pads of a circuit board.
電子機器が動作すると、電子機器の発熱により半導体パッケージと回路基板が熱膨張する。このとき、半導体パッケージと回路基板はお互いに熱膨張率が違うために熱膨張差が発生し、それにより接合部に応力が発生する。 When the electronic device operates, the semiconductor package and the circuit board are thermally expanded due to heat generated by the electronic device. At this time, the thermal expansion coefficient is different between the semiconductor package and the circuit board, so that a thermal expansion difference is generated, thereby generating a stress at the joint.
電子機器がオン、オフを繰り返したり、電子機器が高負荷と低負荷を繰り返したりする場合、接合部に応力が繰り返して発生し、やがて接合部の半田バンプにクラックと呼ばれる亀裂が発生する。 When the electronic device is repeatedly turned on and off, or when the electronic device is repeatedly subjected to a high load and a low load, stress is repeatedly generated at the joint, and eventually a crack called a crack is generated at the solder bump of the joint.
半田バンプ内でクラックが広がると、接合部の抵抗値が上昇してしまい、徐々に正しい信号を送れなくなってしまう。そして、半導体パッケージと回路基板の電気的導通が取れなくなる程度にクラックが成長すると、電子機器が故障してしまうおそれがある。 If cracks spread in the solder bumps, the resistance value of the joint increases, and a correct signal cannot be sent gradually. And if a crack grows to such an extent that electrical continuity between the semiconductor package and the circuit board cannot be obtained, the electronic device may be damaged.
特に、24時間常時稼動が要求される電子機器内の半導体装置にとっては、接合部の信頼性確保は非常に重要な課題となっており、クラック成長による抵抗上昇を抑制する方法が求められている。
この課題を解決するために次のような構造が知られている。
In particular, for a semiconductor device in an electronic device that is required to operate continuously for 24 hours, ensuring the reliability of the joint is a very important issue, and a method for suppressing an increase in resistance due to crack growth is required. .
In order to solve this problem, the following structures are known.
その構造は、電導性液体を詰めた筒状のコンテナを半導体基板の電極パッドの上に垂直に立てた状態で、半田ペーストを電極パッド上にプリントし、この半田ペーストを加熱して外部端子とする方法により形成される。外部端子は、例えば半田バンプであってその内部にコンテナを含み、加熱によって回路基板上のコンタクトバッドに接続される。 The structure is such that a cylindrical container filled with a conductive liquid stands vertically on an electrode pad of a semiconductor substrate, a solder paste is printed on the electrode pad, and the solder paste is heated to form an external terminal. It is formed by the method to do. The external terminal is, for example, a solder bump, includes a container therein, and is connected to a contact pad on the circuit board by heating.
その外部端子にクラックが発生し、クラックがコンテナを突き破るとコンテナ中の電導性液体がクラックの隙間を満たす。これにより、クラックの隙間でも電気的導通が取れるので、クラック発生による外部端子の抵抗上昇が抑制される。 When a crack occurs in the external terminal, and the crack breaks through the container, the conductive liquid in the container fills the crack gap. Thereby, since electrical continuity can be obtained even in the crack gap, an increase in resistance of the external terminal due to the occurrence of the crack is suppressed.
上記のコンテナを使用する接続構造では、外部端子内のコンテナの配置位置がクラックの発生位置からずれるおそれがある。これに対し、複数のコンテナを外部端子内に配置することもあるが、コンテナと電極パッドとの接続に時間を費やすので、全ての半田バンプに適用すると処理工程が増加する。 In the connection structure using the above-described container, the arrangement position of the container in the external terminal may be deviated from the crack generation position. On the other hand, although a plurality of containers may be arranged in the external terminals, it takes time to connect the containers and the electrode pads, so that the number of processing steps increases when applied to all solder bumps.
本発明の目的は、半田バンプに生じるクラックによる電気的切断を容易に防止できる半導体装置及び電子機器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device and an electronic apparatus that can easily prevent electrical disconnection due to a crack generated in a solder bump.
本発明の1つの観点によれば、基板の上に形成される電極パッドと、前記電極パッドに接合される半田バンプと、互いに接合された前記電極パッド及び前記半田バンプの少なくとも一部の表面に形成され、導電性フィラーを含有し、80℃以上で液状となって前記半田バンプに生じるクラック内に浸み込む接合部表面処理層と、を有する半導体装置が提供される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
According to one aspect of the present invention, an electrode pad formed on a substrate, a solder bump bonded to the electrode pad, and the electrode pad bonded to each other and a surface of at least a part of the solder bump There is provided a semiconductor device having a bonding portion surface treatment layer that is formed and contains a conductive filler, and becomes liquid at 80 ° C. or higher and soaks into a crack generated in the solder bump .
It should be understood that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not intended to limit the invention.
本発明によれば、互いに接合された半田バンプと電極パッドの表面に、導電性フィラー含有の接合部表面処理層を形成している。接合部表面処理層は例えば半田ペースト又はフラックスである。
このため、半田バンプにクラックが発生しても、クラックには導電性フィラー含有の接合部表面処理材が浸み込むので、導電性フィラーが浸み込んだクラックは導電領域となる。従って、クラック発生による半田バンプの抵抗の上昇が容易に抑制される。
According to the present invention, the surface treatment layer containing the conductive filler is formed on the surfaces of the solder bump and the electrode pad that are bonded to each other. The joint surface treatment layer is, for example, solder paste or flux.
For this reason, even if a crack occurs in the solder bump, the surface treatment material containing the conductive filler soaks into the crack, so the crack soaked in the conductive filler becomes a conductive region. Therefore, an increase in the resistance of the solder bump due to the occurrence of a crack is easily suppressed.
以下に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
図1A〜図1Hは、実施形態に係る半導体装置における半田バンプと電極パッドの接続方法を示す側面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, similar components are given the same reference numerals.
1A to 1H are side views showing a method of connecting solder bumps and electrode pads in the semiconductor device according to the embodiment.
図1Aに示す半導体パッケージ1は、パッケージ基板であるインターポーザ2の第1面に取り付けられた半導体素子3を有している。半導体素子3には半導体回路が形成されている。インターポーザ2は、例えばガラスエポキシ、ガラスセラミックから形成されている。なお、半導体素子3は、図ではインターポーザ2上に1つ取り付けられているが、複数取り付けられてもよい。
A
半導体素子3は、その上面の電極パッド4を露出するようにフェイスアップで取り付け
られている。即ち、半導体素子3の上面の電極パッド4は、導電性ワイヤ5を介してインターポーザ2の第1面上の配線(不図示)に接続され、インターポーザ2の内部配線(不図示)、ビア(不図示)を介してインターポーザ2の第2面上の電極パッド6に電気的に引き出されている。
The
インターポーザ2上の電極パッド6、例えば、銅(Cu)層、金(Au)層、ニッケル(Ni)層かそれらから選択される積層構造を有し、或いはクロム(Cr)層、Cu層、Ni層、スズ(Sn)層の積層構造を有している。
なお、半導体素子3はフェイスダウンで、半田バンプを介してインターポーザ2上の電極パッド6に取り付けられてもよい。
The
The
半導体パッケージ1の電極パッド6に半田バンプを接合するために、まず、インターポーザ2の第2面の上にメタルマスク21を置き、その上に表面処理材7aを載せた状態で、メタルマスク21上でスキージ22を移動する。
In order to join the solder bumps to the
それのようなスクリーン印刷により、図1Bに示すように、電極パッド6の表面に第1の接合部表面処理層7を形成する。
As shown in FIG. 1B, the first joint
第1の接合部表面処理層7として使用される表面処理材7aは、導電性フィラーが含有された無洗浄型の半田ペースト又はフラックスである。導電性フィラーは、例えば炭素微粉末、カーボンナノチューブ、又は、導電性ジルコニア、アルミナ−チタンカーバイド、炭化珪素などの導電性セラミックス、又は、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、アルミニウム(Al)、タングステン(W)のように半田と無反応の金属であり、例えば数十nm〜数百nmの直径又は長さを有している。
The
表面処理材7aは、図2に示すように、半田ペースト又はフラックスの液体31を容器30内に入れ、その液体31内に導電性フィラー32として例えば炭素微粉末を混入し、攪拌棒33により液体31を十分撹拌して作製される。液体31に混入する導電性フィラー32は、例えば、40ミリリットルの液体31に対して約0.5グラムの量とする。
As shown in FIG. 2, the
液体21として使用されるフラックスは、例えば樹脂、活性剤、溶剤を含む材料から形成される。溶剤として例えばアルコールが使用され、樹脂として例えばロジン系樹脂があり、活性剤として例えば有機酸がある。半田ペーストは、例えば、そのフラックスにさらにチソキ剤の他、半田材料、例えば銀(Ag)(例えば3.0質量%)、Sn(例えば96.5質量%)、Cu(例えば0.5質量%)を混入させたものである。
なお、表面処理材7aは、フラックスが100ミリリットルに対し2.5グラム以下の割合で炭素微粉末、カーボンナノチューブ等を含むことが好ましい。
The flux used as the
In addition, it is preferable that the
次に、図1Cに示すように、第1の接合部表面処理層7を介して電極パッド6の上に半田バンプ8を載置する。半田バンプ8は、例えば、融点が約217℃のSnAgCu合金の半田であって、直径が約0.76mmに形成されている。また、半田バンプ8は、マウンタを用いて電極パッド6上に位置合わせされ、載置される。
Next, as shown in FIG. 1C, solder bumps 8 are placed on the
続いて、図1Dに示すように、半導体パッケージ1をリフロー炉内に入れ、その中で例えば約237℃で加熱溶融し、半田バンプ8を溶融した後に常温まで冷却する。
半田バンプ8の加熱の際に第1の接合部表面処理層7は、電極パッド6及び半田バンプ8の表面の酸化物、汚染物を除去しつつ半田バンプ8の周囲にはみ出す。これにより、半田バンプ8は電極パッド6に接合される。
Subsequently, as shown in FIG. 1D, the
When the
第1の接合部表面処理層7は、半田接合時に酸化物、汚染物が混入し、冷却後に粘度が
高くなる。また、導電性フィラー32が詰まった第1の接合部表面処理層7は、半田バンプ8の冷却後に、電極パッド6及び半田バンプ8の少なくとも一部の表面に塗布された状態となる。
The first joint
次に、図1Eに示すように、絶縁性被覆層9としてソルダーレジストをインターポーザ2の第2面の上に塗布する。この場合、絶縁性被覆層9から半田ボール8と第1の接合部表面処理層7を露出させるとともに、絶縁性被覆層9により半田ボール8と第1の接合部表面処理層7の周囲を囲む。
以上によりボールグリッドアレイ(BGA)半田接合のパッケージ基板が形成される。
Next, as shown in FIG. 1E, a solder resist is applied on the second surface of the
Thus, a ball grid array (BGA) solder joint package substrate is formed.
ここで、図1Fに示すように回路基板11を用意し、回路基板11の第1面と半導体パッケージ1の第2面を対向させ、さらに、回路基板11の第1面上に形成された配線パッド12にインターポーザ2上の半田バンプ8を接触させる。
Here, as shown in FIG. 1F, a
回路基板11の第1面上の配線パッド12の上には第2の接合部表面処理層13がスクリーン印刷により形成されている。なお、回路基板11の第1面上には、第1面上に形成される配線(不図示)を覆うとともに配線パッド12を露出する開口を有する絶縁性被覆層14、例えばレジスト等の樹脂層が形成されている。
On the
配線パッド12は、例えば、Cu層、Au層、Ni層かそれらから選択される積層構造であり、或いはCr層、Cu層、Ni層、Sn層の積層構造となっている。
The
第2の接合部表面処理層13として使用される表面処理材は、第1の接合部表面処理層7と同様に、導電性フィラーが含有された無洗浄型の半田ペースト又はフラックスである。導電性フィラーは、炭素微粉末、カーボンナノチューブ、又は、導電性ジルコニア、アルミナ−チタンカーバイド、炭化珪素などの導電性セラミックス、又は、Ti、Mo、Al、Wのような半田と無反応の金属であり、例えば数十nm〜数百nmの直径又は長さを有している。
The surface treatment material used as the second joint
続いて、半導体パッケージ1及び回路基板11をリフロー炉に入れ、例えば、温度を常温から237℃まで昇温して半田バンプ8を溶融した後に常温に戻す。これにより、図1Gに示すように、半田バンプ8は回路基板11上の配線パッド12に接合されるとともに、回路基板11上の第2の接合部表面処理層13が半田バンプ8と配線パッド12の接合部の表面にはみ出る。
Subsequently, the
第2の接合部表面処理層13は、半田接合時に酸化物、汚染物が混入し、冷却により粘度が高くなり、電極パッド6及び半田バンプ8の少なくとも一部の表面に塗布された状態になる。また、半導体パッケージ1側の第1の接合部表面処理層7は加熱時に液状になって半田バンプ12の表面でさらに広がる。
The second bonding portion
次に、図1Hに示すように、インターポーザ2と回路基板11との隙間にアンダーフィル樹脂15を充填する。アンダーフィル樹脂15は、注入時には溶剤を含み、その後に溶媒が揮発して半硬化するが、第2の接合部表面処理層13が熱により液状になった際に半田ボール8表面での流れを妨げない。
なお、半田バンプ8を介して半導体パッケージ1と回路基板11を接続した装置を半導体装置の概念に含めてもよい。また、配線パッド12を電極パッドの概念に含めてもよい。
Next, as shown in FIG. 1H, an
A device in which the
このように半導体パッケージ1が取り付けられた回路基板11には、図3に示すように、さらに半導体メモリなどの電子部品16が取り付けられ、これらはシステムボードとし
て使用される。システムボードは、図4に示すように、電源41などが取り付けられた電子機器40のケース42に装着される。
As shown in FIG. 3, an
以上のようなシステムボートにおいて、電子機器40、半導体素子3の作動によって電子機器40内部に熱が発生し、内部温度が上昇したり下降したりする。そのような温度の変化が繰り返されると、回路基板11と半導体パッケージ1の互いの熱膨張係数の相違によって回路基板11と半導体パッケージ1には反りと戻りが繰り返し発生し、半田バンプ8に応力が加わり、ついには半田バンプ8内にクラックが生じることがある。
In the system boat as described above, the operation of the
電子機器40内で温度が高い時には80℃以上になるので、その温度によって半田バンプ8の表面に付着した第1、第2の接合部表面処理層7、13が液体となり、図5に示すように毛細管現象によってクラック8aに浸み込む。第1、第2の接合部表面処理層7、13には導電性フィラーが含まれているので、クラック8a内は導電性フィラーによって電気的接続が保たれる。
When the temperature is high in the
従って、半田バンプ8にクラック8aが生じても第1、第2の接合部表面処理層7、13内の導電性フィラーによって抵抗が高くなることが防止され、電子機器40の動作は正常に保たれる。さらに、半田バンプ8の構造を変更することなく、しかも半田バンプ8の接合に新たな処理を付加していないので、スループットの低下が防止される。
また、第1、第2の接合部表面処理層7、13が熱により溶解されて粘度が低下しても、絶縁性被覆層9とアンダーフィル樹脂15によって外部への流出が阻止される。
Therefore, even if a
Even if the first and second joint
以上の方法により、半導体パッケージ1の電極パッド6上の半田バンプ8を回路基板11の配線パッド12に接合した後に、疲労試験を行った。
疲労試験の対象とした回路基板11は、縦が110mm、横が110mm、厚みが1.5mmのガラスエポキシから形成され、また、半導体パッケージ1のインターポーザ2は、縦が45mm、横が45mm、厚みが1.5mmの大きさを有している。また、電極パッド6及び配線パッド12の直径は0.6mm、ピッチは1.27mmである。また、半田バンプ8は、直径0.76mmのSnAgCu合金である。この場合のSn、Ag、Cuの含有率は、Snを96.5質量%、Agを3.0質量%、Cuを0.5質量%とする。
After the solder bumps 8 on the
The
そして、半導体パッケージ1の電極パッド6と回路基板11の配線パッド12を半田バンプ8により接続した状態で、図6に示すベンディング装置41により機械的疲労試験を行った。
Then, a mechanical fatigue test was performed with the bending
図6に示すベンディング装置41は、回路基板11の第1面の両側寄りの領域を支持する一対の支持体42と、回路基板11の第2面の中央領域に上下の振動を与える押し子43を有している。一対の支持体42の間隔αは約90mmに設定されている。
A bending
試験に使用する回路基板11の第2面上には、回路基板11の内部のスルーホール12aを通して配線パッド12に電気的に接続される第1端子12bが形成されている。また、半導体パッケージ1のインターポーザ2の第1面上には、インターポーザ2の内部のスルーホール5aを通して電極パッド6に電気的に接続される第2端子6bが形成されている。
On the second surface of the
そして、第1端子12bと第2端子6bにそれぞれ直流電流発生装置44のプラス端子とマイナス端子を接続し、さらに、第1端子12bと第2端子6bに抵抗値モニター45の一対の試験端子を接続した。
Then, a positive terminal and a negative terminal of the direct
そのような状態で、押し子43を上下に振動させ、その振動を回路基板11に伝達する。この場合、押し子43の振幅を1.5mm、振動周波数を0.5Hzに設定するとともに、回路基板11、半導体パッケージ1及び半田バンプ8を80℃に加熱した。
In such a state, the
そのような状態で、直流電流発生装置44から第1端子13bと第2端子6bを通して半田バンプ8に電流を流し、さらに第1端子13bと第2端子6bの間の抵抗値を抵抗値モニター45により測定したところ測定抵抗値は変化した。
In such a state, a current is passed from the direct
そして、抵抗初期値Rに対する抵抗増加値ΔRの割合ΔR/Rを求め、ΔR/Rが1%になるまでの押し子43の振動サイクルを測定したところ、表1に示す結果が得られた。表1は、疲労試験を3回行った結果を示している。
なお、第1、第2の接合部表面処理層7、13として、40ミリリットルの半田ペーストに炭素微粉末を0.5グラムの割合で混入するとともに、Sn、Ag、Cuを半田バンプ8と同じ割合で含ませた材料を使用した。
As the first and second joint
これに対し、第1、第2の接合部表面処理層7、13の替わりに導電性フィラーを混入しない半田ペーストを使用して電極パッド6と配線パッド12を半田バンプ8により接合し、同じ条件で疲労試験を行ったところ、表2に示す結果が得られた。
On the other hand, the
表1と表2を比べると、本実施形態の方が比較例よりも平均で100サイクル以上寿命が伸びていることがわかる。これは、半田バンプ8内に発生するクラック8a内に導電性を有するフラックスが浸み込むことにより、抵抗上昇が起きにくくなったことを示している。
Comparing Table 1 and Table 2, it can be seen that the average life of the present embodiment is 100 cycles or more longer than that of the comparative example. This indicates that resistance increase is less likely to occur due to the penetration of the conductive flux into the
本実施形態の試料について、半田バンプ8のうちクラック8aの周囲を切断し、その切断面を顕微鏡で観察したところ、図7に示すよう状態になった。
図7では、半田バンプ8が黒い接合部表面処理層7に囲まれていることがわかる。また、半田バンプ8のクラック領域には、ハッチングで示したように、導電性を有するフラックスが浸み込んでいた。
About the sample of this embodiment, when the circumference | surroundings of the
In FIG. 7, it can be seen that the solder bumps 8 are surrounded by the black joint
これに対し、比較例に係る試料においてクラックが発生した半田バンプ8のうちクラック8aの周囲を切断してその切断面を顕微鏡で観察したところ、図8に示すよう状態になった。
On the other hand, when the periphery of the
図8において、半田バンプ8は接合部表面処理層35に囲まれ、また、クラック発生領域には接合部表面処理材が浸み込んでいた。しかし、接合部表面処理層35には導電性を有するフラックスを含ませていないのでそれ自体が高抵抗となり、クラック領域の低抵抗化には寄与しない。
なお、図7において符号10は電極パッド6に接続される配線を示し、図8において符号19は電極パッド6に接続される配線を示している。
In FIG. 8, the solder bumps 8 are surrounded by the joint
In FIG. 7,
上記した実施形態において、電極パッド6、配線パッド12の周囲に凹部を形成し、その凹部を接合部表面処理層の溜まり部として使用してもよい。例えば、図1Hでは、配線パッド12とその周囲の絶縁性被覆層14の間の空間が第2接合部表面処理層13の溜まり部となっている。
In the above-described embodiment, a recess may be formed around the
また、半導体素子3をインターポーザ2にフェイスダウンで接続する場合に使用する半田接合用の半田ペースト又はフラックスとして、上記のような導電性フィラーを含む接合部表面処理材を使用してもよい。この場合、半導体素子3が上記のような基板となる。
Further, as the solder paste or flux for solder bonding used when the
なお、上記した実施形態では、半導体パッケージ1上の電極パッド6と回路基板11上の配線パッド12の双方に導電性フィラーを含む接合部表面処理層を塗布したが、いずれか一方に塗布してもよい。
In the above-described embodiment, the joint surface treatment layer containing the conductive filler is applied to both the
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈すべきであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解すべきである。 All examples and conditional expressions given here are intended to help the reader understand the inventions and concepts that have contributed to the promotion of technology, such examples and It should be construed without being limited to the conditions, and the organization of such examples in the specification is not related to showing the superiority or inferiority of the present invention. Although embodiments of the present invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions and variations can be made thereto without departing from the spirit and scope of the present invention.
1 半導体パッケージ
2 インターポーザ
3 半導体素子
6 電極パッド
7 接合部表面処理層
8 半田バンプ
9 絶縁性被覆層
11 回路基板
12 配線パッド
13 接合部表面処理層
14 絶縁性被覆層
15 アンダーフィル樹脂層
31 液体
32 導電性フィラー
40 電子機器
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電極パッドに接合される半田バンプと、
互いに接合された前記電極パッド及び前記半田バンプの少なくとも一部の表面に形成され、導電性フィラーを含有し、80℃以上で液状となって前記半田バンプに生じるクラック内に浸み込む接合部表面処理層と、
を有する半導体装置。 An electrode pad formed on the substrate;
Solder bumps bonded to the electrode pads;
Surface of the joint formed on at least a part of the surfaces of the electrode pad and the solder bump bonded to each other, containing a conductive filler, and becoming liquid at 80 ° C. or higher and soaking into a crack generated in the solder bump Processing layer,
A semiconductor device.
前記半導体装置を取り付ける筐体と、
を有する電子機器。
A semiconductor device according to any one of claims 1 to 4;
A housing for mounting the semiconductor device;
Electronic equipment having
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