JP5638144B2 - 実装構造およびその製造方法 - Google Patents
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- H01L2224/13099—Material
- H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/13138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/13144—Gold [Au] as principal constituent
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- H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/13001—Core members of the bump connector
- H01L2224/13099—Material
- H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/13138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/13155—Nickel [Ni] as principal constituent
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- H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
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- H01L2224/13551—Shape being non uniform
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- H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
- H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/1354—Coating
- H01L2224/1356—Disposition
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- H01L2224/13601—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
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- H01L2224/13655—Nickel [Ni] as principal constituent
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- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
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- H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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- H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
- H01L2224/16227—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the bump connector connecting to a bond pad of the item
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- H01L2924/30—Technical effects
- H01L2924/38—Effects and problems related to the device integration
- H01L2924/381—Pitch distance
Description
本発明は、例えば半導体チップ等の電子部品が回路基板等の基板上に実装された実装構造およびその製造方法に関する。
LSIチップ等の半導体チップが回路基板上に実装された実装構造の一種に、フリップチップ方式によって製造される実装構造がある。フリップチップ方式では、半導体チップの電極端子(電極パッド)上に、はんだバンプなどの突起状電極(バンプ)が形成された後、その半導体チップがフェイスダウンで回路基板上に実装される。詳しくは、フリップチップ工程では、半導体チップの電極端子が回路基板の電極端子(電極パッド)に位置合わせされた後、加熱された半導体チップ上の突起状電極が、回路基板の電極端子へ向けて加圧される。
はんだバンプを形成する方法は、スクリーン印刷法やディスペンス装置や電解メッキ法で、はんだを半導体チップの電極端子上に供給した後、リフロー炉で半導体チップを加熱して、はんだ融点以上に昇温する方法が一般的である。突起状電極が、はんだバンプである場合、半導体チップの電極端子と回路基板の電極端子との接合強度を補強するために、半導体チップと回路基板との間の空隙に封止樹脂が充填される。
はんだバンプ以外の突起状電極の一種に、金や銅などからなる突起状電極がある。金や銅などからなる突起状電極を形成する方法は、電解メッキ法が一般的である。金や銅などからなる突起状電極が使用される場合、一般的に、接着剤に金属粒子が混入された異方性導電膜が回路基板上に仮圧着された後に、その異方性導電膜を介して半導体チップがフェイスダウンで回路基板上に熱圧着される。
一方、半導体チップの高密度化および半導体チップの多ピン化の両立を図るべく、半導体チップの電極端子の狭ピッチ化および面積縮小化が進められており、特に電極端子の狭ピッチ化の進展が著しい。このため、従来のように、電極端子が半導体チップの外周部に1列で配置されたり、2列で千鳥状に配置される場合、隣接する電極端子間で短絡が発生したり、半導体チップと回路基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力によって接続不良が発生することがあった。
詳しくは、突起状電極が、はんだバンプである場合、いわゆるブリッジ不良が発生して、隣接する電極端子間で短絡不良が起こるおそれがある。ブリッジ不良は、フリップチップ工程において、溶融したはんだが変形して、はんだの表面張力により隣り合うはんだバンプ同士がつながることで起こる。したがって、半導体チップの電極端子の狭ピッチ化が進展すると、ブリッジ不良が発生し易くなる。また、半導体チップと回路基板との熱膨張係数の差から発生する熱応力に起因する接続不良は、半導体チップの電極端子の狭ピッチ化により、半導体チップと回路基板との間の空隙に充填される封止樹脂が、半導体チップの外周部に配置されたはんだバンプ間の全ての隙間に行き渡らなくなることにより起こる。
また、金や銅などからなる突起状電極が使用される場合、半導体チップの電極端子の狭ピッチ化が進展すると、異方性導電膜中に分散している金属粒子が隣接する突起状電極間で連なって、隣接する電極端子間で短絡が発生することがある。また、半導体チップと回路基板との熱膨張係数の差から発生する熱応力に起因する接続不良は、半導体チップの電極端子の狭ピッチ化により、半導体チップの外周部に配置された突起状電極間の全ての隙間が異方性導電膜で埋まらなくなることにより起こる。
以上のように、半導体チップの電極端子の狭ピッチ化が進展すると、隣接する電極端子間で短絡が発生したり、半導体チップと回路基板との熱膨張係数の差に起因する熱応力によって接続不良が発生することがあった。このため、電極端子間ピッチを広げるために、複数の電極端子が半導体チップの主面(素子面)全面にエリア状に(例えば碁盤目状に広げられて)配置されるようになってきた。
しかし、近年では、半導体チップの主面全面にエリア状に複数の電極端子が配置される場合であっても、電極端子の狭ピッチ化の進展が著しく、そのため、上記した隣接する電極端子間での短絡不良が起こるようになってきた。この問題を解決するために、金や銅などからなる円柱状電極の表面が、金属粒子を含有した絶縁性皮膜で覆われた構成の突起状電極が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この絶縁性皮膜で覆われた突起状電極によれば、突起状電極が回路基板の電極端子に圧着接続される際に、絶縁性皮膜が圧縮されて、金属粒子が絶縁性皮膜を突き破り回路基板の電極端子と接触する。これにより、円柱状電極と回路基板の電極端子との間の電気的導通が確保される。また、隣接する突起状電極間で金属粒子が連なることがないので、隣接する電極端子間での短絡の発生が防止される。
しかしながら、前記した特許文献1に記載されている実装構造では、金属粒子は、半導体チップ上の円柱状電極ならびに回路基板の電極端子と拡散接合せず、接触するのみである。このため、半導体チップの電極端子の面積が小さくなると、円柱状電極と回路基板の電極端子との間に介在する金属粒子の数が少なくなり、半導体チップの電極端子と回路基板の電極端子との間の接続抵抗が高くなる。一方、半導体チップの電極端子の狭ピッチ化および面積縮小化の要求は、近年、非常に厳しくなっている。したがって、前記した特許文献1に記載されている実装構造では、半導体チップの電極端子の面積が、近年要求されるようになってきた電極端子の面積になると、半導体チップの電極端子と回路基板の電極端子との間の接続抵抗が高くなるという問題が起こる。そして、その接続抵抗が高くなると、半導体チップの電極端子と回路基板の電極端子との間を伝送される信号の伝送損失が増大するという問題が起こる。
そこで、フリップチップ工程において溶融しない高融点の下層電極の上に、はんだからなる上層電極が形成された構成の突起状電極が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。この2層構造の突起状電極によれば、はんだのみからなるはんだバンプよりも、はんだの量が減少するので、フリップチップ工程において平面方向へ飛び出すはんだの量が減る。よって、ブリッジ不良の発生が防止される。さらには、上層電極のはんだが下層電極ならびに回路基板の電極端子と拡散接合するので、半導体チップの電極端子と回路基板の電極端子との間の接続抵抗が低くなり、半導体チップの電極端子と回路基板の電極端子との間を伝送される信号の伝送損失が増大することもない。
しかしながら近年、配線ルールの微細化および信号処理の高速化の要求が高まってきており、これらの要求に対応する目的で、半導体チップの層間絶縁膜に、low−k膜やULK(Ultra Low−k)膜などの低誘電率絶縁膜が用いられるようになってきた。低誘電率絶縁膜は、誘電率を下げるために、開口径が数nmの空孔を多数有するポーラス状となっており、低誘電率絶縁膜の密度は、例えば1.0〜1.4g/cm3程度である。したがって低誘電率絶縁膜は脆弱であり、そのため、前記した特許文献2に記載されているように、高融点の下層電極の頂部に、はんだからなる上層電極が設けられた構成の突起状電極であっても、以下のような問題を起こすことがわかってきた。
図16は特許文献2に記載された従来の半導体装置における実装構造を説明するための断面図である。
図16に示すように、半導体チップ101の図示しない電極端子上に突起状電極102が形成されている。突起状電極102は、フリップチップ工程において溶融しない高融点の下層電極102aの上に、はんだからなる上層電極102bが形成された構成となっている。
このような2層構造の突起状電極102が設けられた半導体チップ101が、回路基板103上にフリップチップ方式で実装される。具体的には、半導体チップ101の図示しない電極端子が回路基板103の電極端子104に位置合わせされた後、加熱された半導体チップ101上の突起状電極102が回路基板103の電極端子104へ向けて加圧され、上層電極102bが溶融される。その溶融した上層電極102bのはんだ102b’が、下層電極102aならびに回路基板103の電極端子104と拡散接合する。
しかしながら、特許文献2に記載された突起状電極は、円柱状の下層電極102aの頂部に、はんだからなる上層電極102bが形成された構成である。このため、溶融したはんだ102b’が常温まで冷却される過程で、半導体チップ101と回路基板103との間の弾性率の差及び線膨張係数の差に起因する熱応力が、矩形状の外形を有する半導体チップ101の外周部に配置されたはんだ102b’に集中し、その熱応力が集中したはんだ102b’が引き伸ばされると、半導体チップ1の外周部に配置された下層電極102aがはんだ102b’で覆われる面積が減少する。したがって、下層電極102aが例えばNi(ニッケル)のような高弾性率の金属で構成されている場合、半導体チップ101の外周部では、溶融はんだ102b’が常温まで冷却される過程で、はんだよりも弾性率の高い下層電極102aがはんだ102b’で覆われる面積が減少して、溶融はんだ102b’に集中した熱応力が、高弾性率の金属からなる下層電極102aを介して、下層電極102aの直下の層に直接伝わる。このため、半導体チップ101の層間絶縁膜に脆弱な低誘電率絶縁膜が用いられていると、半導体チップ101の外周部において、層間絶縁膜の剥離または亀裂の少なくとも一方が発生する。この問題は、反りが最も大きくなる半導体チップ101の矩形状の外形の角付近において、特に起こり易い。
また、上記した半導体チップ101の外周部に配置されたはんだ102b’への熱応力の集中は、急激な温度差が発生する環境下で半導体装置が実際に使用される場合にも発生する。一方、半導体チップ1の外周部では、下層電極102aがはんだ102b’で覆われる面積が減少しているため、半導体チップ101の図示しない電極端子と回路基板103の電極端子104とを接続する接合部の弾性率が高くなっている。したがって、半導体装置が実際に使用されているときにも、半導体チップ101の外周部(特に角部分)において、脆弱な低誘電率絶縁膜の剥離または亀裂の少なくとも一方が発生するおそれがある。
一方、特許文献2に記載された実装構造において、半導体チップ101の外周部に配置された下層電極102aの直下の層に伝わる熱応力が緩和されるように、高弾性率の下層電極102aの高さが減らされ、はんだからなる上層電極102bの高さが増やされると、半導体装置の実際の使用時に、電子の流れに沿って原子が移動するエレクトロマイグレーション現象によって、半導体チップ101の図示しない電極端子と回路基板103の電極端子104とを接続する接合部の接続抵抗が変化するという問題が起こる。例えば、下層電極102aがNiで構成され、上層電極102bがSn−Ag(スズ−銀)系のはんだで構成され、下層電極102aがカソードとなり、回路基板103の電極端子104がアノードとなる場合、カソードである下層電極102aに含有されるNi原子が、アノードである回路基板103の電極端子104へ向かって移動して、下層電極102aとはんだ102b’の界面からNi3Sn4合金層が成長する。このため、接合部に高電流が長時間流れると、エレクトロマイグレーション現象によって、接合部を構成する下層電極102a中にボイドが発生して、接合部の接続抵抗が変化するおそれがある。
本発明の目的の一つは、脆弱膜を有する半導体チップ等の電子部品が回路基板等の基板に実装された実装構造において、接続信頼性を高めることができる実装構造およびその製造方法を提供することである。
本発明の実装構造の一側面は、複数個の第1電極端子を有する電子部品と、複数個の第2電極端子を有する基板と、合金と前記合金よりも低弾性率の金属とを含み前記合金が前記低弾性率の金属で囲まれた断面構造を持ち前記第1電極端子と前記第2電極端子とを接続する接合部と、を備えたことである。
本発明の実装構造の他の側面は、少なくとも1個の前記接合部が、前記第1電極端子側から成長した合金と前記第2電極端子側から成長した合金とが繋がっている部分を有し、その繋がっている部分の合金が、前記低弾性率の金属で囲まれていることである。
本発明の実装構造の他の側面は、前記電子部品の外周部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記低弾性率の金属の比率が最大となる断面における前記低弾性率の金属の比率が、前記電子部品の中央部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記低弾性率の金属の比率が最大となる断面における前記低弾性率の金属の比率よりも高いことである。
本発明の実装構造の他の側面は、前記接合部が第1の接合部と第2の接合部を含み、前記第1の接合部を単位時間当たりに流れる電流の電流値が、前記第2の接合部を単位時間当たりに流れる電流の電流値よりも大きい場合、前記第1の接合部における前記低弾性率の金属の含有率が、前記第2の接合部における前記低弾性率の金属の含有率よりも小さいことである。
本発明の実装構造の他の側面は、前記接合部が、前記電子部品の前記第1電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の第1の突起状電極を含むことである。
本発明の実装構造の他の側面は、前記接合部が、前記電子部品の前記第1電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の第1の突起状電極と、前記基板の前記第2電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の第2の突起状電極、面状電極、または柱状電極と、を含むことである。
本発明の実装構造の他の側面は、前記低弾性率の金属が、はんだであることである。
本発明の実装構造の他の側面は、前記合金がニッケルスズ合金を含み、前記低弾性率の金属がスズを含むことである。
本発明の実装構造の他の側面は、前記第1の突起状電極がニッケルを含み、前記合金がニッケルスズ合金を含み、前記低弾性率の金属がスズを含むことである。
本発明の実装構造の他の側面は、前記第1の突起状電極がニッケルを含み、前記第2の突起状電極または面状電極がニッケルを含み、前記合金がニッケルスズ合金を含み、前記低弾性率の金属がスズを含むことである。
本発明の実装構造の他の側面は、前記第1の突起状電極がニッケルを含み、前記柱状電極が銅を含み、前記合金がニッケルスズ合金,スズ銅合金およびニッケルスズ銅合金を含み、前記低弾性率の金属がスズを含むことである。
本発明の実装構造の他の側面は、前記合金が、その表面に微小な凹凸を有することである。
本発明の第1の実装構造の製造方法の一側面は、複数個の第1電極端子を有する電子部品が複数個の第2電極端子を有する基板上に実装された実装構造を製造する方法であって、前記第1電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の第1の突起状電極と、前記第2電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の第2の突起状電極と、を接合するためのはんだを溶融させて、前記第1の突起状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第1の合金および前記第2の突起状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第2の合金を成長させる工程と、前記はんだを冷却して、前記第1および第2の合金よりも低弾性率の前記はんだで前記第1および第2の合金が囲まれた断面構造を持ち前記第1電極端子と前記第2電極端子とを接続する接合部を形成する工程と、を具備することである。
本発明の第1の実装構造の製造方法の他の側面は、前記はんだを溶融させる工程において、前記第1の合金と前記第2の合金とが繋がるように、前記第1の合金と前記第2の合金を成長させることである。
本発明の第1の実装構造の製造方法の他の側面は、前記はんだを冷却させる工程の後に、前記接合部のうちの所定の接合部において前記第1および第2の合金が成長するように、前記所定の接合部を通電する工程をさらに具備することである。
本発明の第2の実装構造の製造方法の一側面は、複数個の第1電極端子を有する電子部品が複数個の第2電極端子を有する基板上に実装された実装構造を製造する方法であって、前記第1電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の突起状電極と、前記第2電極端子上に設けられた面状電極と、を接合するためのはんだを溶融させて、前記突起状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第1の合金および前記面状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第2の合金を成長させる工程と、前記はんだを冷却して、前記第1および第2の合金よりも低弾性率の前記はんだで前記第1および第2の合金が囲まれた断面構造を持ち前記第1電極端子と前記第2電極端子とを接続する接合部を形成する工程と、を具備することである。
本発明の第2の実装構造の製造方法の他の側面は、前記はんだを溶融させる工程において、前記第1の合金と前記第2の合金とが繋がるように、前記第1の合金と前記第2の合金を成長させることである。
本発明の第2の実装構造の製造方法の他の側面は、前記はんだを冷却させる工程の後に、前記接合部のうちの所定の接合部において前記第1および第2の合金が成長するように、前記所定の接合部を通電する工程をさらに具備することである。
本発明の第3の実装構造の製造方法の一側面は、複数個の第1電極端子を有する電子部品が複数個の第2電極端子を有する基板上に実装された実装構造を製造する方法であって、前記第1電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の突起状電極と、前記第2電極端子上に設けられた柱状電極と、を接合するためのはんだを溶融させて、前記突起状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第1の合金、前記柱状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第2の合金、および、前記突起状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属と前記柱状電極を構成する金属とからなる第3の合金を成長させる工程と、前記はんだを冷却して、前記第1、第2および第3の合金よりも低弾性率の前記はんだで、前記第1、第2および第3の合金が囲まれた断面構造を持ち前記第1電極端子と前記第2電極端子とを接続する接合部を形成する工程と、を具備し、前記柱状電極を構成する金属が、前記突起状電極を構成する金属よりも低弾性率であることである。
本発明の第3の実装構造の製造方法の他の側面は、前記はんだを溶融させる工程において、前記第1の合金と前記第2の合金とが繋がり、前記第1の合金と前記第2の合金の界面から前記第3の合金が成長するように、前記第1の合金、前記第2の合金および前記第3の合金を成長させることである。
本発明の第3の実装構造の製造方法の他の側面は、前記はんだを冷却させる工程の後に、前記接合部のうちの所定の接合部において前記第1〜第3の合金が成長するように、前記所定の接合部を通電する工程をさらに具備することである。
本発明の第1〜第3の実装構造の製造方法の他の側面は、前記はんだを溶融させる工程において、前記電子部品の外周部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記はんだの比率が最大となる断面における前記はんだの比率が、前記電子部品の中央部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記はんだの比率が最大となる断面における前記はんだの比率よりも高くなるように、前記電子部品と前記基板とが互いに押し合う圧力を減圧させることである。
本発明によれば、合金が当該合金よりも低弾性率の金属で囲まれた断面構造を、電子部品の電極端子と基板の電極端子とを接続する接合部が持つので、その低弾性率の金属によって、電子部品の電極端子に対する剪断方向の応力集中が緩和される。よって、電子部品の電極端子の直下に配置されている脆弱膜が受ける応力が低減されるので、その脆弱膜の剥離および亀裂が防止される。したがって、接続信頼性を高めることができる実装構造が得られる。
また、本発明の他の側面によれば、電子部品の電極端子側から成長した合金と基板の電極端子側から成長した合金とが繋がっているので、その繋がっている合金に電流が流れる。このため、エレクトロマイグレーション現象による合金の成長が抑制される。よって、接合部の接続抵抗の変化の幅を減少させることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。但し、同じ構成要素には同じ符号を付与することによって重複する説明を適宜省略する。また、以下の説明において参照される各図は、説明の便宜上、本発明の実施の形態を説明するために必要な構成要素のみを簡略化して示したものである。また、図面は、理解し易くするために、各構成要素を模式的または概念的に示している。また図示された各構成要素の形状、厚み、長さ、個数等は図面作成の都合上から、実際とは異なる。なお、以下の実施の形態で説明する各構成要素の材質や形状、寸法等は一例であって特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。また、以下の実施の形態で説明する各構成要素の材質は主成分である。
以下の実施の形態では、電子部品として、例えばSi(シリコン)やGaAs(ガリウム砒素)製の半導体チップを例示する。また、電子部品が実装される基板として、回路基板を例示する。したがって、以下の実施の形態では、半導体装置における実装構造を例示する。しかし、電子部品と基板はこれらに限定されるものではない。例えば、電子部品が、電極端子間ピッチが狭いコンデンサや、コイル、抵抗などの受動部品である場合にも、以下の実施の形態で得られる効果と同様の効果が得られる。
(実施の形態1)
図1は実施の形態1における実装構造を説明するための断面図である。
図1は実施の形態1における実装構造を説明するための断面図である。
図1に示すように、半導体チップ1の回路基板2に対向する面の内側の層には、例えばCu(銅)やAl(アルミニウム)等からなる図示しない微細配線層と、例えばlow−k層やUltra low−k層などの脆弱な低誘電率絶縁層(層間絶縁膜の一例)3とを含む多層配線層が設けられており、その多層配線層の最表面の全面に、複数の電極端子(電極パッド)4がエリア状に配置されている。この実施の形態1では、低誘電率絶縁層3の膜厚は、1層あたり数百nmである。半導体チップ1の電極端子4は、例えば、Al−Cu系やAl−Si−Cu系、Al−Si系などのアルミニウム合金や、Cu、Al等からなる。この実施の形態1では、電極端子4の材料としてAlが選択された場合について説明する。
一方、回路基板2は、半導体チップ1の電極端子4に対向するように配置された電極端子(電極パッド)5を有している。回路基板2には、母材に例えばシリコンや、ポリシリコン、ガラスなどが使用された回路基板を用いることができる。回路基板2の電極端子5は、例えば、Al−Cu系やAl−Si−Cu系、Al−Si系などのアルミニウム合金や、Cu、Al等からなる。この実施の形態1では、電極端子5の材料としてAlが選択された場合について説明する。
半導体チップ1の電極端子4上には、周部に曲率を有する形状の一例である、球形の一部を扁平にした形状の突起状電極(バンプ)6が設けられている。同様に、回路基板2の電極端子5上にも、周部に曲率を有する形状の一例である、球形の一部を扁平にした形状の突起状電極7が設けられている。半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とは、それらの上にそれぞれ設けられた突起状電極6および7と、合金層8と、突起状電極6、7および合金層8よりも低弾性率の金属の一例であるはんだ9によって、電気的および機械的に接続されている。したがって、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とを接続する接合部は、突起状電極6および7と、合金層8と、はんだ9からなる。
突起状電極6および7は、例えば、Ni−P(燐)合金やNi−B(ホウ素)合金、Ni等からなる。あるいは、突起状電極6および7は、例えば、Ni/Pd(パラジウム)/Au(金)等の3層構造にしてもよい。はんだ9は、例えば、Sn−Ag系はんだ、Sn−Ag−Cu系はんだ、Sn−Zn(亜鉛)系はんだ、Sn−Zn−Bi(ビスマス)系はんだ、Sn−Pb(鉛)系はんだ、Sn−Bi系はんだ、Sn−Ag−Bi−In(インジウム)系はんだ、Sn−In系はんだ、Inはんだ、Snはんだ等などであってもよい。合金層8は、例えば、Ni3Sn4、Ni3Sn2、Ni3Sn、Ni3SnP等からなる。この実施の形態1では、突起状電極6および7の主成分がNiで、はんだ9の主成分がSnであり、合金層8がNi3Sn4等のNi−Sn合金(ニッケルスズ合金)で構成される場合について説明する。
図2は本実施の形態1における実装構造を説明するための横断面図である。詳しくは、図2は、図1に示すA−A線に沿って、半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2上の突起状電極7との間に位置する平面で接合部を切断した断面を示している。
この実施の形態1では、図2に示すように、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とを接続する接合部は、碁盤目状に等間隔で広げられて配置されている。したがって、接合部と同様に、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5も、碁盤目状に等間隔で広げられて配置されている。
また、図1に示すように、半導体チップ1は若干反っている。これは、後述する溶融はんだ9の冷却過程で、半導体チップ1と回路基板2との間の弾性率の差及び線膨張係数の差に起因する熱応力が、半導体チップ1の外周部に配置された接合部に集中するためである。したがって、半導体チップ1の外周部に配置された接合部は引き伸ばされており、その結果、図2に示すように、その外周部に配置された接合部内の合金層8の断面積は、他の箇所に位置する接合部内の合金層8の断面積に比べて小さくなる。半導体チップ1の外形が矩形状の場合には、半導体チップ1の矩形状の外形の角付近に配置された接合部内の合金層8の断面積が特に小さくなる。また、図示していないが、半導体チップ1の外周部(半導体チップ1の外形が矩形状の場合には、特に半導体チップ1の角部分)に配置された接合部のはんだ9は細くなる。ここで、半導体チップの角とは、半導体チップの主面(素子面)を平面視したときに、半導体チップの外形において、2つの辺または端が繋がる箇所であり、その2つの辺または端は、180度よりも小さい角度を形成する。例えば、半導体チップの外形が矩形状の場合、半導体チップの角では、2つの辺または端によって90度の角度が形成される。また、半導体チップの角部分とは、半導体チップの外周部のうち、半導体チップの外形の角付近であって、接合部が配置される部分である。
この実施の形態1では、半導体チップ1の外形は4mm×4mmの矩形状であり、半導体チップ1の厚みは0.2mmである。回路基板2の外形は8mm×8mmの矩形状であり、回路基板2の厚みは0.5mmである。半導体チップ1の電極端子4は、直径20μmの円形状であり、40μmの電極端子間ピッチ(隣接する電極端子4の中心間の距離が40μm)で、碁盤目状に等間隔で広げられて配置されている。同様に、回路基板2の電極端子5も、直径20μmの円形状であり、40μmの電極端子間ピッチ(隣接する電極端子5の中心間の距離が40μm)で、碁盤目状に等間隔で広げられて配置されている。半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5のそれぞれの、絶縁膜から露出する面は共に、直径10μmの円形状である。電極端子4および5のそれぞれの厚みは1.0〜2.0μmである。
図3は本実施の形態1における実装構造を説明するための拡大断面図である。図3に示すように、半導体チップ1の電極端子4上に設けられた突起状電極6の表面には合金層8が形成されている。同様に、回路基板2の電極端子5上に設けられた突起状電極7の表面にも、合金層8が形成されている。突起状電極6と突起状電極7のそれぞれの表面は、合金層8を介してはんだ9と接合している。また、半導体チップ1上の突起状電極6から成長した合金層8と回路基板2上の突起状電極7から成長した合金層8が、電気的および機械的に接続しており、このように半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2上の突起状電極7との間に介在して両者を繋ぐ合金層8は、その合金層8の周囲を囲むはんだ9とも接合している。
この実施の形態1では、合金層8の厚みは、最も薄い部分で0.1μmであり、最も厚い部分、すなわち半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2上の突起状電極7とを繋ぐ部分で6.0μmである。よって、この実施の形態1では、合金層8の厚みは、0.1〜6.0μmの範囲内となる。
図4Aおよび図4Bは共に本実施の形態1における実装構造を説明するための拡大横断面図である。詳しくは、図4Aは、図3に示すB−B線に沿って、回路基板2の近傍の平面で接合部を切断した断面を示しており、図4Bは、図3に示すC−C線に沿って、半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2上の突起状電極7との間に位置する平面で接合部を切断した断面を示している。
図4Aに示すように、回路基板2の近傍の位置では、円形状の突起状電極7の周囲に円環状のはんだ9が配置され、突起状電極7とはんだ9との間に合金層8が形成される。
また、図4Bに示すように、両側の突起状電極6、7からそれぞれ成長した合金層8が繋がっている位置では、はんだ9の中に合金層8が多数配置される。このように、接合部は、合金層8よりも低弾性率の金属の一例であるはんだ9で合金層8が囲まれた断面構造を含む。
なお、図示しないが、合金層8は、突起状電極6および7のそれぞれの表面に形成された多数の貝殻形状の合金が成長してできたものであり、合金層8は、その表面に微細な凹凸形状を有している。
続いて、本実施の形態1における実装構造の製造方法について説明する。図5は本実施の形態1における実装構造の製造方法を示すフローチャートであり、図6A〜図6Iはそれぞれ本実施の形態1における実装構造の製造方法を説明するための工程別断面図である。
図6Aおよび図6Bに示すように、半導体チップ1の電極端子4上に、周部に曲率を有する形状の一例である、球形の一部を扁平にした形状の突起状電極6が、無電解メッキ法によって形成される(図5のステップa1)。具体的には、まず、Alからなる電極端子4の表面から不純物が除去される。その後、半導体チップ1が亜鉛めっき液に浸漬されることにより、電極端子4のAlとZnとの置換反応が起こる。次に、電極端子4からZn核が除去される。その後、半導体チップ1が、再度、亜鉛めっき液に漬けられる。これにより、より微細なZn核が電極端子4のAl上に成長する。次に半導体チップ1はNi−Pめっき液中に浸漬される。これにより、Znが溶解し、Ni−P皮膜が電極端子4のAl上に成長する。次に、半導体チップ1は、無電解金めっき液に浸漬される。これにより、Ni−P上にAu皮膜が成長する。この実施の形態1では、突起状電極6の高さは10μm、突起状電極6の底部の径は30μmである。
次に、図6Cに示すように、半導体チップ1の突起状電極6の表面に、はんだ粉9aが供給される(図5のステップa2)。
例えば、微細なはんだ粉末またははんだ粒子が均一に並べられた粘着層が転写基材上に形成されたはんだ転写シートを、粘着層が突起状電極6と対向するように、加熱されている半導体チップ1に重ね、はんだ転写シートへ向けて半導体チップ1を加圧することにより、半導体チップ1の突起状電極6の表面に、はんだ粉9aを転写してもよい。図示しないが、このとき、突起状電極6のNi原子が、はんだ粉9a中に拡散して、突起状電極6とはんだ粉9aとの界面に、例えばNi3Sn4等のNi−Sn合金からなる貝殻形状の合金層8が多数形成される。
あるいは、例えば、ナフトトリアゾール系誘電体やベンゾトリアゾール系誘電体等からなる粘着性付与化合物に浸漬された後の半導体チップ1に、微細なはんだ粉末またははんだ粒子を振りかけ、半導体チップ1を洗浄することで、はんだ粉9aを、半導体チップ1の突起状電極6の表面に付着させても構わない。
突起状電極6の表面に、はんだ粉9aを付着させる工程の後、半導体チップ1が、リフロー炉で加熱されて、はんだ融点以上に昇温されることにより、はんだ粉9aが溶融して、隣り合う液状のはんだ粉9a同士が、その表面張力により繋がりあう(図5のステップa3)。この結果、図6Dに示すように、半導体チップ1上の突起状電極6に、はんだ9がドーム状にプリコートされる。このとき、はんだが溶融する過程で、突起状電極6に含有されるNi原子が、溶融はんだ中に拡散して、突起状電極6とはんだ9との界面において、貝殻形状の合金層8が成長する。
なお、はんだ粉9aを溶融する工程において、はんだ表面の酸化皮膜を除去するために、フラックスを用いても構わない。具体的には、半導体チップ1にフラックスを塗布した後、例えばN2リフロー炉などで、半導体チップ1をN2などの不活性ガス雰囲気下ではんだ融点以上に昇温することにより、はんだを溶融すればよい。フラックスを用いた場合は、半導体チップ1上の突起状電極6にはんだ9をプリコートした後、例えば、イソプロピルアルコール(IPA)や、エタノール、グリコール、界面活性剤などの洗浄液を用いてフラックスを洗浄する。あるいは、フラックスを用いるのではなく、還元リフロー炉を用いて、例えばギ酸や水素などの還元雰囲気下において半導体チップ1を加熱しても構わない。
一方、図6E〜図6Hに示すように、回路基板2に対しても、半導体チップ1に対して実施された処理と同様の処理が行われる。具体的には、まず、回路基板2の電極端子5上に、周部に曲率を有する形状の一例である、球形の一部を扁平にした形状の突起状電極7が、無電解メッキ法によって形成される(図5のステップb1)。次に、その突起状電極7上にはんだ粉9aが供給される(図5のステップb2)。その後、回路基板2が加熱されて、はんだ融点以上に昇温されることにより、はんだ粉9aが溶融する(図5のステップb3)。その結果、突起状電極7に、はんだ9がドーム状にプリコートされる。このように回路基板2に対して半導体チップ1と同様の処理が行われる過程で、突起状電極7とはんだ9との界面に、例えばNi3Sn4等のNi−Sn合金からなる多数の貝殻形状の合金層8が形成されて、成長する。この実施の形態1では、突起状電極7の高さは10μm、突起状電極7の底部の径は30μmである。
次に、図6Iに示すように、半導体チップ1の電極端子4が回路基板2の電極端子5と位置合わせされた後、半導体チップ1および回路基板2が加熱されながら、半導体チップ1が回路基板2へ向けて加圧されて、半導体チップ1が回路基板2上に搭載される(図5のステップc1)。
具体的には、まず、N2などの不活性ガス雰囲気下で半導体チップ1および回路基板2が加熱されて、両者に設けられたはんだ9が、はんだ融点以上の温度(例えば220〜260°C)に昇温される。これにより、はんだ9が溶融し、突起状電極6および7の表面で、微小な凹凸部を有する合金層8が成長し始める。次に、半導体チップ1上のはんだ9と回路基板2上のはんだ9が共に溶融したまま、半導体チップ1が回路基板2へ向けて加圧される。これにより、半導体チップ1上の溶融はんだ9と、回路基板2上の溶融はんだ9が混ざり合う。次に、半導体チップ1が回路基板2へ向けて加圧されたまま一定時間保持される。次に、半導体チップ1および回路基板2が冷却されて、はんだ凝固点以下にまで降温される。これにより、はんだ9が凝固し、はんだ接合部が形成される。つまり、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とを接続する接合部が形成される。その後、半導体チップ1及び回路基板2が更に冷却されて、常温まで降温される。これにより、実装構造が得られる。
以上の半導体チップ実装工程(図5のステップc1)において、はんだ溶融中に、突起状電極6および7にそれぞれ含有されるNi原子の拡散が進み、突起状電極6および7の両側で合金層8が成長する。この実施の形態1では、突起状電極6および7の両側の合金層8がそれぞれ成長して、互いに繋がり、その両側の合金層8が繋がった部分がはんだ9で囲まれるまで、半導体チップ1が回路基板2に向けて加圧されたまま保持される。
このように、この実施の形態1における実装構造の製造方法は、電極端子4上に設けられた、周部に曲率を有する形状の突起状電極6と、電極端子5上に設けられた、周部に曲率を有する形状の突起状電極7と、を接合するためのはんだ9を溶融させて、突起状電極6を構成する金属(ニッケル)とはんだ9を構成する金属(スズ)とからなる合金層8および突起状電極7を構成する金属(ニッケル)とはんだ9を構成する金属(スズ)とからなる合金層8を成長させる工程と、溶融したはんだ9を冷却して、合金層8よりも低弾性率のはんだ9で合金層8が囲まれた断面構造を持ち電極端子4と電極端子5とを接続する接合部を形成する工程と、を具備している。
この実施の形態1によれば、溶融したはんだ9が常温まで冷却される過程において、突起状電極6、7および合金層8は、突起状電極6、7および合金層8よりも低弾性率の溶融はんだ9で囲まれている。このため、この実施の形態1における実装構造を含む半導体装置が実際に使用されるときにも、突起状電極6、7および合金層8は、突起状電極6、7および合金層8よりも低弾性率の凝固はんだ9で囲まれている。例えば、Niを主成分とする突起状電極6および7と、Ni−Sn合金で構成される合金層8の弾性率が、50〜60GPaであるのに対して、Snを主成分とするはんだ9の弾性率は20〜40GPaと低く、この実施の形態1によれば、両側の電極端子4、5を接続する接合部の弾性率は、例えば、25〜45GPaとなる。
したがって、溶融したはんだ9が常温まで冷却される過程や、急激な温度差が発生する環境下で半導体装置が実際に使用されるときに、半導体チップ1と回路基板2の弾性率及び線膨張係数が異なるために、半導体チップ1の電極端子4が引張り応力を受けたとしても、両側の電極端子4、5を接続する接合部の弾性率が、高弾性率の突起状電極6、7および合金層8よりも低いので、その引張り応力は緩和される。半導体チップ1の電極端子4が受ける引張り応力が緩和されると、半導体チップ1の電極端子4の直下にある低誘電率絶縁層3が受ける引張り応力が、その低誘電率絶縁層3の破壊強度を下回る。よって、半導体チップ1の電極端子4の直下の脆弱な低誘電率絶縁層3の剥離および亀裂(クラック)が防止されるので、高い接続信頼性を確保できる実装構造が得られる。
特に、この実施の形態1では、突起状電極6および7が、周部に曲率を有する形状であるため、溶融はんだ9が冷却される過程で、半導体チップ1と回路基板2との間の弾性率の差及び線膨張係数の差に起因する熱応力によって、半導体チップ1の外周部に配置された接合部に含まれるはんだ9が引き伸ばされても、半導体チップ1の外周部に配置された接合部に含まれる突起状電極6および7の表面がはんだ9から露出する面積の増加は少ない。したがって、この実施の形態1によれば、半導体チップ1の外周部における脆弱な低誘電率絶縁層3の剥離および亀裂(クラック)が防止されるので、高い接続信頼性を確保できる実装構造が得られる。
以上のように、この実施の形態1によれば、突起状電極6、7および合金層8よりも低弾性率の金属の一例であるはんだ9で突起状電極6、7および合金層8が囲まれた断面構造が、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5を接続する接合部に含まれるので、脆弱な低誘電率絶縁層3が受ける応力が低減される。したがって、高い接続信頼性を確保できる実装構造が得られる。
また、両側の電極端子4、5間に高温下で大電流が流れても、電極端子4上に設けられた突起状電極6と電極端子5上に設けられた突起状電極7が合金層8を介して繋がっているため、突起状電極6および7に含有されるNi原子および、はんだ9に含有されるSn原子の、エレクトロマイグレーション現象による移動が抑制されて、合金層8の成長が抑制される。つまり、合金層8は安定している。したがって、この実施の形態1における実装構造は、両側の電極端子4、5間の安定した接合を維持することができ、両側の電極端子4、5間の接続抵抗の変化の幅を小さくできる。
例えば、環境温度を170°Cとし、1組の電極端子4、5間に100mAの連続通電を行った結果、350時間後の接続抵抗の変化は3%以内におさまった。また、接合部の断面研磨を行い、その断面研磨された接合部を観察した結果、合金層8は突起状電極6、7間で接続されて安定しており、ボイドや合金層8の異常成長などは観察されなかった。以上の結果から、高温・通電評価においても、高い接続信頼性を確保できることが確認できた。
なお、図示しないが、ディスペンス装置により、半導体チップ1と回路基板2との間の空隙に封止樹脂を充填しても構わない。その封止樹脂により、半導体チップ1の電極端子4が受ける応力は更に低減され、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5との間の接続の信頼性がさらに向上する。
また、半導体チップ1を回路基板2に向けて加圧したまま一定時間保持する工程によっては、両側の突起状電極6および7のそれぞれの表面から成長した合金層8が繋がらず、両側の合金層8の間に、はんだ9のみが配置される場合には、例えばN2リフロー炉、還元リフロー炉などの加熱手段を用いて、凝固した後のはんだ9を加熱して、再度、溶融させ、両側の合金層8の成長を促進させることにより、合金層8を繋げればよい。
また、半導体チップ1を回路基板2に向けて加圧したまま一定時間保持する工程によって、両側の突起状電極6および7のそれぞれの表面から成長した合金層8同士が繋がった場合でも、凝固した後のはんだ9を加熱して、再度、溶融させ、両側の合金層8の成長を促進させてもよい。このようにすれば、合金層8がより安定するので、両側の電極端子4、5間の接合をより安定した状態で維持することができ、両側の電極端子4、5間の接続抵抗の変化の幅をより小さくできる。
また、はんだ9を凝固させた後に、両側の電極端子4、5間に大電流を流して、エレクトロマイグレーション現象により両側の合金層8の成長を促進させてもよい。このようにすれば、合金層8がより安定するので、両側の電極端子4、5間の接合をより安定した状態で維持することができ、両側の電極端子4、5間の接続抵抗の変化の幅をより小さくできる。
以上のように、この実施の形態1によれば、微細はんだ接合体によって半導体チップの電極端子と回路基板の電極端子とが電気的および機械的に接合される実装構造において、電極端子間ピッチが狭小化しても、高い接続信頼性を確保することができる。
(実施の形態2)
続いて、実施の形態2について、前述した実施の形態1と異なる点を説明して、実施の形態1と重複する説明は適宜省略する。この実施の形態2は、回路基板2の電極端子5上に、突起状電極7に代えて面状電極が設けられている点で、実施の形態1と異なる。
続いて、実施の形態2について、前述した実施の形態1と異なる点を説明して、実施の形態1と重複する説明は適宜省略する。この実施の形態2は、回路基板2の電極端子5上に、突起状電極7に代えて面状電極が設けられている点で、実施の形態1と異なる。
図7は本実施の形態2における実装構造を説明するための拡大断面図である。この実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、半導体チップ1の電極端子4および回路基板2の電極端子5のそれぞれの材料としてAlが選択され、半導体チップ1上の突起状電極6の主成分がNiで、はんだ9の主成分がSnであり、合金層8がNi3Sn4等のNi−Sn合金で構成される場合について説明する。
なお、この実施の形態2では、半導体チップ1の外形は4mm×4mmの矩形状であり、半導体チップ1の厚みは0.2mmである。回路基板2の外形は8mm×8mmの矩形状であり、回路基板2の厚みは0.5mmである。半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5は共に、直径25μmの円形状であり、50μmの電極端子間ピッチで、碁盤目状に等間隔で広げられて配置されている。半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5のそれぞれの、絶縁膜から露出する面は共に、直径15μmの円形状である。電極端子4および5のそれぞれの厚みは1.0μmである。
図7に示すように、この実施の形態2では、回路基板2の電極端子5上に、面状電極の一例として、平面視したときの形状が円形状で且つNiを主成分とするバリアメタル電極10が形成されており、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とは、半導体チップ1の電極端子4上に設けられた、周部に曲率を有する形状の一例である、球形の一部を扁平にした形状の突起状電極6と、回路基板2の電極端子5上に設けられたバリアメタル電極10と、合金層8と、突起状電極6、バリアメタル電極10および合金層8よりも低弾性率の金属の一例であるはんだ9によって、電気的および機械的に接続されている。したがって、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とを接続する接合部は、突起状電極6と、バリアメタル電極10と、合金層8と、はんだ9からなる。
詳しくは、図7に示すように、半導体チップ1の電極端子4上に設けられた突起状電極6と回路基板2の電極端子5上に設けられたバリアメタル電極10のそれぞれの表面には合金層8が形成されており、突起状電極6とバリアメタル電極10のそれぞれの表面は、合金層8を介してはんだ9と接合している。また、半導体チップ1上の突起状電極6から成長した合金層8と回路基板2のバリアメタル電極10から成長した合金層8が、電気的および機械的に接続しており、このように半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2のバリアメタル電極10との間に介在して両者を繋ぐ合金層8は、その合金層8の周囲を囲むはんだ9とも接合している。
この実施の形態2では、合金層8の厚みは、最も薄い部分で0.1μmであり、最も厚い部分、すなわち半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2のバリアメタル電極10とを繋ぐ部分で6.0μmである。よって、この実施の形態2では、合金層8の厚みは、0.1〜6.0μmの範囲内となる。
図8は本実施の形態2における実装構造を説明するための拡大横断面図である。詳しくは、図8は、図7に示すD−D線に沿って、半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2のバリアメタル電極10との間に位置する平面で接合部を切断した断面を示している。
図8に示すように、突起状電極6とバリアメタル電極10からそれぞれ成長した合金層8が繋がっている位置では、はんだ9の中に合金層8が多数配置される。このように、接合部は、合金層8よりも低弾性率の金属の一例であるはんだ9で合金層8が囲まれた断面構造を含む。
続いて、本実施の形態2における実装構造の製造方法について説明する。図9は本実施の形態2における実装構造の製造方法を示すフローチャートであり、図10A〜図10Gはそれぞれ本実施の形態2における実装構造の製造方法を説明するための工程別断面図である。
図10Aおよび図10Bに示すように、前述した実施の形態1と同様に、半導体チップ1の電極端子4上に、周部に曲率を有する形状の一例である、球形の一部を扁平にした形状の突起状電極6が、無電解メッキ法によって形成される(図9のステップa1)。この実施の形態2では、突起状電極6の高さは10μm、突起状電極6の底部の径は30μmである。
一方、図10Cおよび図10Dに示すように、回路基板2の電極端子5上には、バリアメタル電極10が形成される(図9のステップb11)。具体的には、回路基板2の電極端子5上に、まずスパッタ法により、例えばTi(チタン)/W(タングステン)/Cuからなるシード層11が形成される。その後、電解メッキ法により、例えばNiからなるバリアメタル層が形成される。次に、フォトリソグラフィーにより、不要なシード層11および不要なバリアメタル層が除去される。これにより、バリアメタル電極10が形成される。この実施の形態2では、バリアメタル電極10の直径は25μm、バリアメタル電極10の厚みは2.0〜5.0μmである。
次に、図10Eに示すように、バリメタル電極10上にはんだ9が供給される(図9のステップb12)。具体的には、回路基板2の電極端子5が配置されている面上に、10〜15μmの膜厚のレジスト膜12が形成され、そのレジスト膜12に、バリアメタル電極10を露出させる開口部が形成される。その後、回路基板2が、はんだめっき液に浸漬されることにより、レジスト膜12の開口部内に、はんだ9が供給される。
次に、レジスト膜12が剥離された後、回路基板2が、リフロー炉で加熱されて、はんだ融点以上に昇温されることにより、はんだ9が溶融する(図9のステップb13)。その結果、図10Fに示すように、バリアメタル電極10上のはんだ9が、球形の一部をなす形状になる。つまり、バリアメタル電極10上に、はんだバンプが形成される。このとき、はんだ9が溶融する過程で、バリアメタル電極10に含有されるNi原子が、はんだ中に拡散して、バリアメタル電極10とはんだ9との界面に、例えばNi3Sn4等のNi−Sn合金からなる貝殻形状の合金層8が多数形成される。この実施の形態2では、はんだバンプの高さは10〜15μm、はんだバンプの最大径は30μmである。
なお、はんだ9を溶融する工程において、はんだ表面の酸化皮膜を除去するために、フラックスを用いても構わない。具体的には、回路基板2にフラックスを塗布した後、例えばN2リフロー炉などで、回路基板2をN2などの不活性ガス雰囲気下ではんだ融点以上に昇温することにより、はんだ9を溶融すればよい。フラックスを用いた場合は、はんだバンプを形成した後に、例えば、イソプロピルアルコール(IPA)や、エタノール、グリコール、界面活性剤などの洗浄液を用いてフラックスを洗浄する。あるいは、フラックスを用いるのではなく、還元リフロー炉を用いて、例えばギ酸や水素などの還元雰囲気下において回路基板2を加熱しても構わない。
次に、図10Gに示すように、半導体チップ1の電極端子4が回路基板2の電極端子5と位置合わせされた後、N2などの不活性ガス雰囲気下で半導体チップ1および回路基板2が加熱されながら、半導体チップ1が回路基板2へ向けて加圧されて、半導体チップ1が回路基板2上に搭載される(図9のステップc11)。
具体的には、まず、はんだ9がはんだ融点以上の温度(例えば220〜260°C)に昇温されて、溶融する。このとき、回路基板2のバリアメタル電極10の表面で合金層8が成長し始める。次に、はんだ9が溶融したまま、半導体チップ1が回路基板2へ向けて加圧される。このとき、溶融はんだ9と半導体チップ1上の突起状電極6との間で拡散反応が始まり、突起状電極6とはんだ9との界面に貝殻形状の合金層8が多数形成される。
その後、半導体チップ1が回路基板2へ向けて加圧されたまま一定時間保持される。次に、半導体チップ1および回路基板2が冷却されて、はんだ凝固点以下にまで降温される。これにより、はんだ9が凝固し、はんだ接合部が形成される。つまり、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とを接続する接合部が形成される。その後、半導体チップ1及び回路基板2が更に冷却されて、常温まで降温される。これにより、実装構造が得られる。
以上の半導体チップ実装工程(図9のステップc11)において、はんだ溶融中に、回路基板2のバリアメタル電極10および半導体チップ1上の突起状電極6にそれぞれ含有されるNi原子の拡散が進み、バリアメタル電極10と突起状電極6の両側で合金層8が成長する。この実施の形態2では、バリアメタル電極10と突起状電極6の両側の合金層8がそれぞれ成長して、互いに繋がり、その両側の合金層8が繋がった部分がはんだ9で囲まれるまで、半導体チップ1が回路基板2に向けて加圧されたまま保持される。
このように、この実施の形態2における実装構造の製造方法は、電極端子4上に設けられた、周部に曲率を有する形状の突起状電極6と、電極端子5上に設けられた面状電極の一例であるバリアメタル電極10と、を接合するためのはんだ9を溶融させて、突起状電極6を構成する金属(ニッケル)とはんだ9を構成する金属(スズ)とからなる合金層8およびバリアメタル電極10を構成する金属(ニッケル)とはんだ9を構成する金属(スズ)とからなる合金層8を成長させる工程と、はんだ9を冷却して、合金層8よりも低弾性率のはんだ9で合金層8が囲まれた断面構造を持ち電極端子4と電極端子5とを接続する接合部を形成する工程と、を具備している。
この実施の形態2によれば、回路基板2の電極端子5上に、突起状電極7に代えて面状の電極が設けられる。このため、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とを接続する接合部におけるはんだの含有率、すなわちSnの含有率が、前述した実施の形態1よりも増加した実装構造が得られるので、接合部の弾性率を、前述した実施の形態1よりも低くすることが可能となる。したがって、半導体チップ1の電極端子4の直下の脆弱な低誘電率絶縁層3が、Ultra low−k層よりも脆弱なextremely low−k層であっても、低誘電率絶縁層3の剥離および亀裂(クラック)の防止が図れるので、より高い接続信頼性を確保できる実装構造が得られる。
(実施の形態3)
続いて、実施の形態3について、前述した実施の形態1と異なる点を説明して、実施の形態1と重複する説明は適宜省略する。この実施の形態3は、回路基板2の電極端子5上に、突起状電極7に代えて、半導体チップ1上の突起状電極6よりも低弾性率の金属で構成された柱状の電極が設けられている点で、実施の形態1と異なる。
続いて、実施の形態3について、前述した実施の形態1と異なる点を説明して、実施の形態1と重複する説明は適宜省略する。この実施の形態3は、回路基板2の電極端子5上に、突起状電極7に代えて、半導体チップ1上の突起状電極6よりも低弾性率の金属で構成された柱状の電極が設けられている点で、実施の形態1と異なる。
図11は本実施の形態3における実装構造を説明するための拡大断面図である。この実施の形態3においても、実施の形態1と同様に、半導体チップ1の電極端子4および回路基板2の電極端子5のそれぞれの材料としてAlが選択され、半導体チップ1上の突起状電極6の主成分がNiで、はんだ9の主成分がSnである場合について説明する。
なお、この実施の形態3では、半導体チップ1の外形は4mm×4mmの矩形状であり、半導体チップ1の厚みは0.2mmである。回路基板2の外形は8mm×8mmの矩形状であり、回路基板2の厚みは0.5mmである。半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5は共に、直径20μmの円形状であり、40μmの電極端子間ピッチで、碁盤目状に等間隔で広げられて配置されている。半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5のそれぞれの、絶縁膜から露出する面は共に、直径10μmの円形状である。電極端子4および5のそれぞれの厚みは1.0〜2.0μmである。
図11に示すように、この実施の形態3では、回路基板2の電極端子5上に、柱状電極の一例として、Cuを主成分とする円柱状電極13が形成されており、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とは、半導体チップ1の電極端子4上に設けられた、周部に曲率を有する形状の一例である、球形の一部を扁平にした形状の突起状電極6と、回路基板2の電極端子5上に設けられた円柱状電極13と、第1〜第3の合金層14〜16と、突起状電極6、円柱状電極13および合金層14〜16よりも低弾性率の金属の一例であるはんだ9によって、電気的および機械的に接続されている。したがって、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とを接続する接合部は、突起状電極6と、円柱状電極13と、第1〜第3の合金層14〜16と、はんだ9からなる。
詳しくは、図11に示すように、半導体チップ1の電極端子4上に設けられた突起状電極6の表面には第1の合金層14が形成されており、回路基板2の電極端子5上に設けられた円柱状電極13の頂上面には第2の合金層15が形成されている。第1の合金層14と第2の合金層15は、はんだ9および第3の合金層16を介して電気的及び機械的に接続している。半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2上の円柱状電極13との間に介在する第3の合金層16は、その第3の合金層16の周囲を囲むはんだ9とも接合している。この実施の形態3では、第1の合金層14は、厚みが1〜5μmとなるように成長させる。また、第2の合金層15と第3の合金層16は、厚みが2μm〜10μmとなるように成長させる。
半導体チップ1上の突起状電極6から成長する第1の合金層14は、Ni3Sn4、Ni3Sn2、Ni3Sn、Ni3SnP等からなる。この実施の形態3では、第1の合金層14が、Ni3Sn4等のNi−Sn合金で構成される場合について説明する。以下、第1の合金層14をNi−Sn(ニッケルスズ)合金層14と称す。また、この実施の形態3では、回路基板2上の円柱状電極13から成長する第2の合金層15が、例えばCu3Sn、Cu6Sn5等のSn−Cu合金で構成され、第1の合金層14と第2の合金層15の界面で成長した第3の合金層16が(Cu、Ni)6Sn5、(Ni、Cu)3Sn2等のNi−Sn−Cu合金で構成される場合について説明する。以下、第2の合金層15をSn−Cu(スズ銅)合金層15と称し、第3の合金層16をNi−Sn−Cu(ニッケルスズ銅)合金層16と称す。
なお、図示しないが、前述した実施の形態1および2と同様に、Ni−Sn合金層14、Sn−Cu合金層15およびNi−Sn−Cu合金層16は、はんだ9の中にそれぞれ多数配置されており、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とを接続する接合部は、Ni−Sn合金層14、Sn−Cu合金層15およびNi−Sn−Cu合金層16よりも低弾性率の金属の一例であるはんだ9で、Ni−Sn合金層14、Sn−Cu合金層15およびNi−Sn−Cu合金層16がそれぞれ囲まれた断面構造を含む。
続いて、本実施の形態3における実装構造の製造方法について説明する。図12は本実施の形態3における実装構造の製造方法を示すフローチャートであり、図13A〜図13Gはそれぞれ本実施の形態3における実装構造の製造方法を説明するための工程別断面図である。
図13A〜図13Dに示すように、前述した実施の形態1と同様に、まず、半導体チップ1の電極端子4上に、周部に曲率を有する形状の一例である、球形の一部を扁平にした形状の突起状電極6が、無電解メッキ法によって形成される(図12のステップa1)。次に、その突起状電極6上にはんだ粉9aが供給される(図12のステップa2)。その後、半導体チップ1が加熱されて、はんだ融点以上に昇温されることにより、はんだ粉9aが溶融する(図12のステップa3)。その結果、突起状電極6に、はんだ9がドーム状にプリコートされる。このように半導体チップ1に対して実施の形態1で説明した処理と同様の処理が行われる過程で、突起状電極6とはんだ9との界面に、多数の貝殻形状のNi−Sn合金層14が形成されて、成長する。この実施の形態3では、突起状電極6の高さは10μm、突起状電極6の底部の径は30μmである。
一方、図13Eおよび図13Fに示すように、回路基板2の電極端子5上には、スパッタリング法、電解メッキ法、およびフォトリソグラフィーにより、頂上面がはんだ9で覆われた円柱状電極13が形成される(図12のステップb21)。具体的には、回路基板2の電極端子5上に、まずスパッタ法により、例えばTi/W/Cuからなるシード層17が形成される。次に、電解メッキ法により、シード層17上にCuが堆積される。その後、さらに電解メッキ法により、Cuの上にはんだが堆積される。次に、フォトリソグラフィーにより、不要なシード層17、Cuおよびはんだが除去される。これにより、頂上面がはんだ9で覆われた円柱状電極13が形成される。この実施の形態3では、円柱状電極13の高さは10〜15μm、円柱状電極の直径は18〜22μmである。
次に、図13Gに示すように、半導体チップ1の電極端子4が回路基板2の電極端子5と位置合わせされた後、半導体チップ1および回路基板2が加熱されながら、半導体チップ1が回路基板2へ向けて加圧されて、半導体チップ1が回路基板2上に搭載される(図12のステップc21)。
具体的には、まず、N2などの不活性ガス雰囲気下で半導体チップ1および回路基板2が加熱されて、両者に設けられたはんだ9が、はんだ融点以上の温度(例えば220〜260°C)に昇温される。これにより、はんだ9が溶融する。このとき、半導体チップ1上の突起状電極6の表面でNi−Sn合金層14が成長し始める。
次に、半導体チップ1上のはんだ9と回路基板2上のはんだ9が共に溶融したまま、半導体チップ1が回路基板2へ向けて加圧される。これにより、半導体チップ1上の溶融はんだ9と、回路基板2上の溶融はんだ9が混ざり合うとともに、半導体チップ1上の突起状電極6に含有されるNi原子の拡散が進み、突起状電極6上のNi−Sn合金層14が成長する。その一方で、回路基板2上の円柱状電極13に含有されるCu原子が溶融したはんだ中へ拡散して、円柱状電極13とはんだ9との界面に多数の貝殻形状のSn−Cu合金層15が形成される。
次に、半導体チップ1および回路基板2が冷却されて、はんだ凝固点以下にまで降温される。これにより、はんだ9が凝固する。その後、半導体チップ1及び回路基板2が更に冷却されて、常温まで降温される。これにより、実装構造が得られる。
この実施の形態3では、その後、半導体チップ1と回路基板2に荷重が付与されていない実装構造が、例えばN2リフロー炉、還元リフロー炉などの加熱手段により加熱される。これにより、実装構造が、再度、はんだ融点以上に昇温され、はんだ融点以上の温度のまま一定時間維持される。この過程で、円柱状電極13からSn−Cu合金層15が成長する一方で、突起状電極6上のNi−Sn合金層14が更に成長する。そして、Sn−Cu合金層15がNi−Sn合金層14に届き、Ni−Sn合金層14とSn−Cu合金層15との界面に、Ni−Sn−Cu合金層16が形成される。
この実施の形態3では、突起状電極6から成長するNi−Sn合金層14と円柱状電極13から成長するSn−Cu合金層15とが繋がって、両側の合金層14、15の界面からNi−Sn−Cu合金層16が成長し、Ni−Sn合金層14、Sn−Cu合金層15およびNi−Sn−Cu合金層16よりも低弾性率の金属の一例であるはんだ9によって、Ni−Sn合金層14、Sn−Cu合金層15およびNi−Sn−Cu合金層16が囲まれるまで、実装構造がはんだ融点以上の温度に維持される。好適には、突起状電極6の表面の一部と円柱状電極13の表面の一部が、Ni−Sn−Cu合金層16のみを介して電気的および機械的に接続するまで、Ni−Sn−Cu合金層16を成長させる。
その後、実装構造が冷却され、はんだ凝固点以下にまで降温される。これにより、はんだ9が凝固して、図13Gに示す接合部が形成される。その後、実装構造が更に冷却されて、常温まで降温される。これにより、所望の実装構造が得られる。
このように、半導体チップ1が回路基板2に実装された実装構造を得た後に、その実装構造を再度加熱することにより、接合部内の合金層14、15および16を成長させるプロセスによれば、常温まで降温された複数の実装構造を、例えばN2リフロー炉、還元リフロー炉などの加熱手段により一括して加熱して、各実装構造の接合部内の合金層14、15および16を一括して成長させることが可能となるので、生産性の向上を図ることが可能となる。ただし、半導体チップ1を回路基板2に実装するときに、加熱を続けることにより、合金層14、15および16を成長させることもできる。
以上のように、この実施の形態3における実装構造の製造方法は、電極端子4上に設けられた、周部に曲率を有する形状の突起状電極6と、電極端子5上に設けられた柱状電極の一例である円柱状電極13と、を接合するためのはんだ9を溶融させて、突起状電極6を構成する金属(ニッケル)とはんだ9を構成する金属(スズ)とからなるNi−Sn合金層14、円柱状電極13を構成する金属(銅)とはんだ9を構成する金属(スズ)とからなるSn−Cu合金層15、および、突起状電極6を構成する金属(ニッケル)とはんだ9を構成する金属(スズ)と円柱状電極13を構成する金属(銅)とからなるNi−Sn−Cu合金層16を成長させる工程と、はんだ9を冷却して、Ni−Sn合金層14、Sn−Cu合金層15およびNi−Sn−Cu合金層16よりも低弾性率のはんだ9で、Ni−Sn合金層14、Sn−Cu合金層15およびNi−Sn−Cu合金層16が囲まれた断面構造を持ち電極端子4と電極端子5とを接続する接合部を形成する工程と、を具備する。さらに、円柱状電極13を構成する金属(銅)が、突起状電極6を構成する金属(ニッケル)よりも低弾性率であるので、接合部の合金層において、突起状電極6を構成する金属(ニッケル)よりも低弾性率の金属の含有率が、実施の形態1よりも増加する。
この実施の形態3によれば、円柱状電極13が、突起状電極6を構成する金属(Ni)よりも低弾性率の金属(Cu)で構成されているので、Niよりも低弾性率のCuが合金層に含まれる。このため、半導体チップ1の電極端子4の直下の脆弱な低誘電率絶縁層3が、Ultra low−k層よりも脆弱なextremely low−k層であっても、低誘電率絶縁層3の剥離および亀裂(クラック)の防止が図れるので、より高い接続信頼性を確保できる実装構造が得られる。
(実施の形態4)
続いて、実施の形態4について、前述した実施の形態1と異なる点を説明して、実施の形態1と重複する説明は適宜省略する。この実施の形態4は、半導体チップ1の外周部に配置されている少なくとも1個の接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率が、半導体チップ1の中央部に配置されている少なくとも1個の接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率よりも高い点で、前述した実施の形態1と異なる。はんだ比率最大断面位置とは、接合部内ではんだ9の比率が最も高くなる断面位置である。
続いて、実施の形態4について、前述した実施の形態1と異なる点を説明して、実施の形態1と重複する説明は適宜省略する。この実施の形態4は、半導体チップ1の外周部に配置されている少なくとも1個の接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率が、半導体チップ1の中央部に配置されている少なくとも1個の接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率よりも高い点で、前述した実施の形態1と異なる。はんだ比率最大断面位置とは、接合部内ではんだ9の比率が最も高くなる断面位置である。
図14Aは本実施の形態4における実装構造を説明するための断面図である。この実施の形態4では、半導体チップ1は、矩形状の外形を持つ。また、図14Aに示すように、この実施の形態4では、半導体チップ1が実施の形態1よりも薄く、かつ実施の形態1よりも反っており、半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2上の突起状電極7との間の距離が、半導体チップ1の中央部から半導体チップ1の角部分に近づくに連れて増加している。
図14Bは、図14Aに示すE−E線に沿って、矩形状の外形を持つ半導体チップ1の角部分に配置された接合部をはんだ比率最大断面位置で切断した断面を示している。図14Cは、図14Aに示すF−F線に沿って、矩形状の外形を持つ半導体チップ1の中央部に配置された接合部をはんだ比率最大断面位置で切断した断面を示している。
この実施の形態4の実装構造では、図14Bおよび図14Cから明らかなように、半導体チップ1の角部分に配置されている接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率が、半導体チップ1の中央部に配置されている接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率よりも高い。
この実施の形態4では、半導体チップ1の外形は4mm×4mmの矩形状であり、半導体チップ1の厚みは0.05mmである。回路基板2の外形は8mm×8mmの矩形状であり、回路基板2の厚みは0.5mmである。半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5は共に、直径25μmの円形状であり、50μmの電極端子間ピッチで、碁盤目状に等間隔で広げられて配置されている。半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5のそれぞれの、絶縁膜から露出する面は共に、直径15μmの円形状である。電極端子4および5のそれぞれの厚みは1.0μmである。
続いて、この実施の形態4における実装構造の製造方法について説明する。この実施の形態4における実装構造の製造方法では、前述した実施の形態1と同様に、半導体チップ1上に突起状電極6が形成され、その突起状電極6に、はんだ9がドーム状にプリコートされる。その一方で、前述した実施の形態1と同様に、回路基板2上に突起状電極7が形成され、その突起状電極7に、はんだ9がドーム状にプリコートされる。
その後、まず、N2などの不活性ガス雰囲気下で半導体チップ1および回路基板2が加熱されて、両者に設けられたはんだ9が、はんだ融点以上の温度(例えば220〜260°C)に昇温される。次に、半導体チップ1上のはんだ9と回路基板2上のはんだ9が共に溶融したまま、半導体チップ1が回路基板2へ向けて加圧される。これにより、半導体チップ1上の溶融はんだ9と、回路基板2上の溶融はんだ9が混ざり合う。
次に、この実施の形態4では、加圧動作が停止されて、半導体チップ1と回路基板2が互いに押し合う圧力が徐圧される。これにより、半導体チップ1が実施の形態1よりも反る。つまり、半導体チップ1の外周部(少なくとも角部分)に配置された接合部は、半導体チップ1の中央部に配置された接合部よりも高い。さらに、半導体チップ1の外周部(少なくとも角部分)に配置された接合部の高さが、実施の形態1よりも高く、半導体チップ1の外周部(少なくとも角部分)に配置された接合部の高さと、半導体チップ1の中央部に配置された接合部の高さとの差は、実施の形態1よりも大きい。よって、半導体チップ1の外周部(少なくとも角部分)に配置された接合部に含まれるはんだ9は、実施の形態1よりも引き伸ばされている。したがって、半導体チップ1の外周部(少なくとも角部分)に配置された接合部の断面積が、半導体チップ1の中央部に配置された接合部の断面積よりも小さくなる。この結果、半導体チップ1の外周部(少なくとも角部分)に配置されている接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率が、半導体チップ1の中央部に配置されている接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率よりも高くなる。
次に、半導体チップ1および回路基板2が冷却されて、はんだ凝固点以下にまで降温される。これにより、混ざり合ったはんだ9が凝固し、はんだ接合部が形成される。つまり、半導体チップ1の電極端子4と回路基板2の電極端子5とを接続する接合部が形成される。その後、半導体チップ1及び回路基板2が更に冷却されて、常温まで降温される。これにより、実装構造が得られる。
このように、この実施の形態4における実装構造の製造方法では、はんだ9を溶融させる工程において、半導体チップ1の外周部に配置されている少なくとも1個の接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率が、半導体チップ1の中央部に配置されている少なくとも1個の接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率よりも高くなるように、半導体チップ1と回路基板2とが互いに押し合う圧力が減圧される。
この実施の形態4によれば、半導体チップ1の外周部(少なくとも角部分)に配置された接合部における弾性率の低いSnの含有率が、実施の形態1よりも高くなるので、半導体チップ1の外周部(少なくとも角部分)において、半導体チップ1の電極端子4が受ける引張り応力が、実施の形態1よりも緩和される。したがって、熱膨張や振動に起因して半導体チップ1の電極端子4の直下の層に作用する引張り応力が最も大きくなる半導体チップ1の角部分において、その半導体チップ1の角部分に配置された電極端子4の直下の脆弱な低誘電率絶縁層3の剥離および亀裂(クラック)がより一層抑制される。
なお、実施の形態2で説明した実装構造に対して、この実施の形態4で説明した製造方法を適用することにより、半導体チップ1の外周部(半導体チップ1の外形が矩形状の場合には、少なくとも半導体チップ1の角部分)に配置された接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率を、実施の形態2よりも高くすることができる。同様に、実施の形態3で説明した実装構造に対して、この実施の形態4で説明した製造方法を適用することにより、半導体チップ1の外周部(半導体チップ1の外形が矩形状の場合には、少なくとも半導体チップ1の角部分)に配置された接合部におけるはんだ比率最大断面位置でのはんだ9の比率を、実施の形態3よりも高くすることができる。
(実施の形態5)
続いて、実施の形態5について、前述した実施の形態1と異なる点を説明して、実施の形態1と重複する説明は適宜省略する。この実施の形態5は、単位時間当たりに流れる電流の電流値が他の接合部よりも大きい接合部におけるはんだ9の含有率が、他の接合部よりも小さい点で、前述した実施の形態1と異なる。したがって、この実施の形態5における実装構造を含む半導体装置が実際に使用される際に大電流が流れる合金層8は、実施の形態1よりも成長して安定している。
続いて、実施の形態5について、前述した実施の形態1と異なる点を説明して、実施の形態1と重複する説明は適宜省略する。この実施の形態5は、単位時間当たりに流れる電流の電流値が他の接合部よりも大きい接合部におけるはんだ9の含有率が、他の接合部よりも小さい点で、前述した実施の形態1と異なる。したがって、この実施の形態5における実装構造を含む半導体装置が実際に使用される際に大電流が流れる合金層8は、実施の形態1よりも成長して安定している。
図15Aは本実施の形態5における実装構造を説明するための平面図である。図15Aに示すように、回路基板2の電極端子5が配置されている面の、電極端子5が配置されている領域の周囲に、電源などに電気的に接続する大電流通電用パッド18、19が配置されている。大電流通電用パッド18、19は、回路基板2の電極端子5のうち、所定の電極端子5a、5bに配線を介して電気的に接続している。この実施の形態5では、大電流通電用パッド18、19は、それぞれ、外形が矩形状の半導体チップ1の電極端子4のうち半導体チップ1の角部分に配置されている2つの電極端子4にそれぞれ対向する電極端子5a、5bに、電気的に接続している。
図15Bは、大電流通電用パッド18に電気的に接続する電極端子5a上の接合部を、半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2上の突起状電極7との間に位置する平面で切断した断面を示している。また、図15Cは、大電流通電用パッド18に電気的に接続する電極端子5aの近くに配置されており、かつ大電流通電用パッド18、19に電気的に接続していない電極端子5c上の接合部を、半導体チップ1上の突起状電極6と回路基板2上の突起状電極7との間に位置する平面で切断した断面を示している。つまり、電極端子5cも、外形が矩形状の半導体チップ1の電極端子4のうち半導体チップ1の角部分に配置されている電極端子4に対向している。但し、電極端子5cには大電流が流れない。
図15Bおよび図15Cに示すように、近い位置に配置されている電極端子5a、5cであっても、大電流通電用パッド18に電気的に接続する電極端子5a上の接合部内の合金層8の断面積は、大電流通電用パッド18、19に電気的に接続していない電極端子5c上の接合部内の合金層8の断面積よりも大きくなっている。つまり、大電流通電用パッド18に電気的に接続する電極端子5a上の接合部内の合金層8は、大電流通電用パッド18、19に電気的に接続していない電極端子5c上の接合部内の合金層8よりも成長して、安定している。
続いて、この実施の形態5における実装構造の製造方法について説明する。この実施の形態5における製造方法は、半導体チップ1を回路基板2上に実装する工程の後に、この実施の形態5における実装構造を含む半導体装置が実際に使用される際に大電流が流れる接合部にのみ大電流を流して、その大電流が流れる接合部内の合金層8をより成長させる工程を具備する点で、前述した実施の形態1と異なる。詳しくは、この実施の形態5における製造方法は、半導体チップ1を回路基板2上に実装する工程の後に、大電流通電用パッド18、19のみを通電して、回路基板2の電極端子5a、5b上の接合部内の合金層8の成長を促進させる工程を具備する。
この実施の形態5によれば、半導体装置が実際に使用される際に、回路基板2の電極端子5a、5b上の突起状電極6及び7に含有されるNi原子および、回路基板2の電極端子5a、5b上のはんだ9に含有されるSn原子の、エレクトロマイグレーション現象による移動が抑制されて、合金層8の成長が抑制される。つまり、半導体装置が実際に使用される際に大電流が流れる電極端子5a、5b上の合金層8は安定している。したがって、より安定した接続信頼性を確保することができる実装構造体が得られる。
なお、他の実施の形態2ないし4で説明した実装構造に対して、この実施の形態5で説明した製造方法を適用すれば、半導体装置が実際に使用される際に大電流が流れる接合部内の合金層を成長させて、安定させることができる。
本発明は、特に電極端子の狭ピッチ化が進展する半導体チップや、低誘電率材料からなる層間絶縁膜を有する半導体チップなどを回路基板に実装する実装分野において有用である。
Claims (25)
- 複数個の第1電極端子を有する電子部品と、
複数個の第2電極端子を有する基板と、
合金と前記合金よりも低弾性率の金属とを含み前記合金が前記低弾性率の金属で囲まれた断面構造を持ち前記第1電極端子と前記第2電極端子とを接続する接合部と、
を備え、
前記電子部品の外周部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記低弾性率の金属の比率が最大となる断面における前記低弾性率の金属の比率が、前記電子部品の中央部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記低弾性率の金属の比率が最大となる断面における前記低弾性率の金属の比率よりも高い実装構造。 - 少なくとも1個の前記接合部が、前記第1電極端子側から成長した合金と前記第2電極端子側から成長した合金とが繋がっている部分を有し、その繋がっている部分の合金が、前記低弾性率の金属で囲まれている請求項1記載の実装構造。
- 前記接合部が第1の接合部と第2の接合部を含み、
前記第1の接合部を単位時間当たりに流れる電流の電流値が、前記第2の接合部を単位時間当たりに流れる電流の電流値よりも大きい場合、前記第1の接合部における前記低弾性率の金属の含有率が、前記第2の接合部における前記低弾性率の金属の含有率よりも小さい
請求項1または2に記載の実装構造。 - 前記接合部が、前記電子部品の前記第1電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の第1の突起状電極を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の実装構造。
- 前記接合部が、前記基板の前記第2電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の第2の突起状電極をさらに含む請求項4記載の実装構造。
- 前記低弾性率の金属が、はんだである請求項5記載の実装構造。
- 前記接合部が、前記基板の前記第2電極端子上に設けられた面状電極をさらに含む請求項4記載の実装構造。
- 前記低弾性率の金属が、はんだである請求項7記載の実装構造。
- 前記接合部が、前記基板の前記第2電極端子上に設けられた柱状電極をさらに含む請求項4記載の実装構造。
- 前記低弾性率の金属が、はんだである請求項9記載の実装構造。
- 前記合金がニッケルスズ合金を含み、前記低弾性率の金属がスズを含む請求項1〜3のいずれか1項に記載の実装構造。
- 前記第1の突起状電極がニッケルを含み、前記合金がニッケルスズ合金を含み、前記低弾性率の金属がスズを含む請求項4記載の実装構造。
- 前記第1の突起状電極がニッケルを含み、前記第2の突起状電極がニッケルを含み、前記合金がニッケルスズ合金を含み、前記低弾性率の金属がスズを含む請求項5記載の実装構造。
- 前記第1の突起状電極がニッケルを含み、前記面状電極がニッケルを含み、前記合金がニッケルスズ合金を含み、前記低弾性率の金属がスズを含む請求項7記載の実装構造。
- 前記第1の突起状電極がニッケルを含み、前記柱状電極が銅を含み、前記合金がニッケルスズ合金,スズ銅合金およびニッケルスズ銅合金を含み、前記低弾性率の金属がスズを含む請求項9記載の実装構造。
- 前記合金が、その表面に微小な凹凸を有する請求項1〜15のいずれか1項に記載の実装構造。
- 複数個の第1電極端子を有する電子部品が複数個の第2電極端子を有する基板上に実装された実装構造を製造する方法であって、
前記第1電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の第1の突起状電極と、前記第2電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の第2の突起状電極と、を接合するためのはんだを溶融させて、前記第1の突起状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第1の合金および前記第2の突起状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第2の合金を成長させる工程と、
前記はんだを冷却して、前記第1および第2の合金よりも低弾性率の前記はんだで前記第1および第2の合金が囲まれた断面構造を持ち前記第1電極端子と前記第2電極端子とを接続する接合部を形成する工程と、
を具備し、
前記はんだを溶融させる工程において、前記電子部品の外周部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記はんだの比率が最大となる断面における前記はんだの比率が、前記電子部品の中央部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記はんだの比率が最大となる断面における前記はんだの比率よりも高くなるように、前記電子部品と前記基板とが互いに押し合う圧力を減圧させる実装構造の製造方法。 - 前記はんだを溶融させる工程において、前記第1の合金と前記第2の合金とが繋がるように、前記第1の合金と前記第2の合金を成長させる請求項17記載の実装構造の製造方法。
- 前記はんだを冷却させる工程の後に、前記接合部のうちの所定の接合部において前記第1および第2の合金が成長するように、前記所定の接合部を通電する工程をさらに具備する請求項17または18に記載の実装構造の製造方法。
- 複数個の第1電極端子を有する電子部品が複数個の第2電極端子を有する基板上に実装された実装構造を製造する方法であって、
前記第1電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の突起状電極と、前記第2電極端子上に設けられた面状電極と、を接合するためのはんだを溶融させて、前記突起状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第1の合金および前記面状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第2の合金を成長させる工程と、
前記はんだを冷却して、前記第1および第2の合金よりも低弾性率の前記はんだで前記第1および第2の合金が囲まれた断面構造を持ち前記第1電極端子と前記第2電極端子とを接続する接合部を形成する工程と、
を具備し、
前記はんだを溶融させる工程において、前記電子部品の外周部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記はんだの比率が最大となる断面における前記はんだの比率が、前記電子部品の中央部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記はんだの比率が最大となる断面における前記はんだの比率よりも高くなるように、前記電子部品と前記基板とが互いに押し合う圧力を減圧させる実装構造の製造方法。 - 前記はんだを溶融させる工程において、前記第1の合金と前記第2の合金とが繋がるように、前記第1の合金と前記第2の合金を成長させる請求項20記載の実装構造の製造方法。
- 前記はんだを冷却させる工程の後に、前記接合部のうちの所定の接合部において前記第1および第2の合金が成長するように、前記所定の接合部を通電する工程をさらに具備する請求項20または21に記載の実装構造の製造方法。
- 複数個の第1電極端子を有する電子部品が複数個の第2電極端子を有する基板上に実装された実装構造を製造する方法であって、
前記第1電極端子上に設けられた、周部に曲率を有する形状の突起状電極と、前記第2電極端子上に設けられた柱状電極と、を接合するためのはんだを溶融させて、前記突起状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第1の合金、前記柱状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属とからなる第2の合金、および、前記突起状電極を構成する金属と前記はんだを構成する金属と前記柱状電極を構成する金属とからなる第3の合金を成長させる工程と、
前記はんだを冷却して、前記第1、第2および第3の合金よりも低弾性率の前記はんだで、前記第1、第2および第3の合金が囲まれた断面構造を持ち前記第1電極端子と前記第2電極端子とを接続する接合部を形成する工程と、
を具備し、前記柱状電極を構成する金属が、前記突起状電極を構成する金属よりも低弾性率であり、前記はんだを溶融させる工程において、前記電子部品の外周部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記はんだの比率が最大となる断面における前記はんだの比率が、前記電子部品の中央部に配置されている少なくとも1個の前記接合部内の、前記はんだの比率が最大となる断面における前記はんだの比率よりも高くなるように、前記電子部品と前記基板とが互いに押し合う圧力を減圧させる実装構造の製造方法。 - 前記はんだを溶融させる工程において、前記第1の合金と前記第2の合金とが繋がり、前記第1の合金と前記第2の合金の界面から前記第3の合金が成長するように、前記第1の合金、前記第2の合金および前記第3の合金を成長させる請求項23記載の実装構造の製造方法。
- 前記はんだを冷却させる工程の後に、前記接合部のうちの所定の接合部において前記第1〜第3の合金が成長するように、前記所定の接合部を通電する工程をさらに具備する請求項23または24に記載の実装構造の製造方法。
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