JP6197319B2

JP6197319B2 - 半導体素子の実装方法

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Publication number: JP6197319B2
Application number: JP2013058764A
Authority: JP
Inventors: 崇久保田; 北嶋　雅之; 雅之北嶋; 山上　高豊; 高豊山上; 吉良　秀彦; 秀彦吉良
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: US9615464B2; US20140285989A1; JP2014183301A

Description

本発明は、半導体素子の実装方法及び半導体装置に関する。

受光素子や発光素子等の半導体光素子を基板に実装する際、基板と半導体光素子間の接合ギャップ（クリアランス）を精度良く管理することが重要である。従来、基板に半導体光素子を接合するためのバンプ（突起電極）を形成する方法として、例えばめっき液から金属を析出させるめっき法、真空中で金属を蒸発させて成膜する蒸着法、導電性ペーストを印刷装置によって印刷法等が知られている。しかしながら、めっき法は、低温での接合では接合信頼性が十分とはいえず、半導体光素子の実装には不向きである。また、蒸着法や印刷法では、大きな接合ギャップを形成することが難しい。

特開２００３−８６８７７号公報特開平４−２７３４４４号公報

本件は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、半導体素子を基板に実装する際に、基板と半導体素子との間の接合ギャップの設計寸法が大きくても寸法精度を高めることができる半導体素子の実装方法及び半導体装置を提供することを目的とする。

本件の一観点によると、基板に半導体素子を実装する実装方法であって、前記基板に形成された基板側パッド上に第１半田接合材料を取り付ける工程と、前記第１半田接合材料上に該第１半田接合材料よりも融点が低い第２半田接合材料を供給する工程と、前記半導体素子に形成された素子側パッドが対応する前記基板側パッドに対向し、かつ、前記基板との間に所定の接合ギャップが設けられるように前記半導体素子を配置する工程と、前記第１半田接合材料の融点よりも低温かつ前記第２半田接合材料の融点よりも高温のリフロー温度でリフローを行い、該第１半田接合材料及び第２半田接合材料を接合するリフロー工程と、を有する、半導体素子の実装方法が提供される。

また、本件の他の観点によると、表面に基板側パッドが形成された基板と、前記基板に実装され、前記基板側パッドに対応した素子側パッドを有する半導体素子と、前記基板側パッドと前記素子側パッドとを接合する半田バンプと、を備え、前記半田バンプは、前記基板側パッド上に形成された第１半田接合部と、前記第１半田接合部と前記素子側パッドとの間に介在すると共に該第１半田接合部よりも融点が低い第２半田接合部と、を含み、前記第１半田接合部及び前記第２半田接合部は、前記第１半田接合部の融点よりも低温かつ前記第２半田接合部の融点よりも高温のリフロー温度でリフローされることにより一体に接合されている、半導体装置が提供される。

本件によれば、半導体素子を基板に実装する際に、基板と半導体素子との間の接合ギャップの設計寸法が大きくても寸法精度を高めることができる半導体素子の実装方法及び半導体装置を提供することができる。

実施形態に係る半導体装置の断面構造を概略的に示す図である。実施形態に係る回路基板を示す図である。実施形態に係る回路基板の各基板側パッドに高融点半田ボールを取り付ける工程を示す図である。実施形態に係る凹部形成用治具を示す図である。実施形態に係る凹部形成工程を示す図である。実施形態に係る封止工程を示す図である。実施形態に係る封止工程後、高融点半田ボールから凹部形成用治具を取り外した状態を示す図である。実施形態に係るスクリーン版を回路基板上に載置した状態を示す図である。実施形態に係る低融点半田ペーストを供給する工程を示す図である。実施形態に係るリフロー工程を示す図である。実施形態に係るモールド樹脂と光素子シリコンチップとの隙間に第２モールド樹脂を充填する工程を示す図である。変形例に係る封止工程を示す図である。変形例に係る突起付きスクリーン版８Ａを示す図である。変形例に係る凹部形成工程を示す図である。変形例に係る低融点半田ペーストを供給する工程を示す図である。変形例に係る回路基板から突起付きスクリーン版を取り外した状態を示す図である。変形例に係るリフロー工程を示す図である。変形例に係るモールド樹脂と光素子シリコンチップとの隙間に第２モールド樹脂を充填する工程を示す図である。

＜実施形態＞
以下、本件に係る半導体装置及び半導体素子の実装方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜＜半導体装置＞＞
図１は、実施形態に係る半導体装置１の断面構造を概略的に示す図である。半導体装置１は、回路基板２及びこの回路基板２に実装された半導体光素子である光素子シリコンチップ３を備えた光モジュールである。本実施形態における光素子シリコンチップ３は、例えば、ＶＣＳＥＬ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｅｍｉｃｏｎｄμｃｔｏｒＥｍ
ｉｓｓｉｏｎＬａｓｅｒ）等の発光素子であり、発光部３１や導波路（光伝送路）３２
等を有している。また、回路基板２は、光素子シリコンチップ３の発光部３１から出力された光を受光する受光部２１や、受光部２１によって受光した導波路（光伝送路）２２等（図示省略）を備えている。半田バンプ４は、半田によって形成された突起電極である。回路基板２及び光素子シリコンチップ３は半田バンプ４を介して接合されている。回路基板２及び光素子シリコンチップ３は、それぞれ基板及び半導体素子の一例である。

符号２ａは回路基板２の「上面」を表し、符号３ａは光素子シリコンチップ３の「下面」を表す。図１に示すように、光素子シリコンチップ３は、半田バンプ４を介して回路基板２の上面２ａにフリップチップボンディングされており、光素子シリコンチップ３の下面３ａと回路基板２の上面２ａとが対向して配置されている。符号Ｇｃは、回路基板２の上面２ａと光素子シリコンチップ３の下面３ａとが離間する寸法である「接合ギャップ」（「接合クリアランス」ともいう）を表す。本実施形態において、半導体装置１における接合ギャップＧｃの大きさは特段限定されるものではないが、例えば２００μｍ程度に設定されている。

ところで、本実施形態に係る半導体装置１のような、いわゆる光モジュールでは、光素子シリコンチップ３の光伝送特性を担保するためにも、接合ギャップＧｃを設計値通りに精度良く実現する必要がある。光素子シリコンチップ３及び回路基板２は、半田バンプ４を介して接合されるため、半田バンプ４における高さ方向についての高い精度が要求される。更に、光素子シリコンチップ３等の半導体光素子は、耐熱温度が例えば１６０〜１８０℃程度といったように比較的低いものが多い。よって、光素子シリコンチップ３の実装時においては、光素子シリコンチップ３の耐熱温度を考慮して、リフロー温度をあまり高くすることができないという制約がある。ここで、従来のバンプ形成方法として、めっき法、蒸着法、印刷法等が知られている。しかしながら、めっき法は、低温での接合では接合信頼性が十分とはいえず、蒸着法や印刷法では大きな接合ギャップを形成することが難しいことから、回路基板に対する半導体光素子の接合にはいずれの方法もあまり向いていないといえる。

そこで、本実施形態に係る半導体装置１では、回路基板２及び光素子シリコンチップ３を接合する半田バンプ４を、高融点半田接合部４１と低融点半田接合部４２とを含んで形成することとした。高融点半田接合部４１は、例えばＳｎＡｇＣｕ系半田（錫―銀―銅系半田）等といった高融点半田（高温半田）によって形成された半田ボールである。一方、低融点半田接合部４２は、例えばＳｎＢｉ系半田（錫―ビスマス系半田）等といった低融点半田（低温半田）によって形成されている。低融点半田接合部４２の融点（例えば、１３９℃程度）は、高融点半田接合部４１の融点（例えば、２２０℃程度）よりも低くなっている。

ここで、高融点半田接合部４１は、回路基板２の上面２ａに形成された電極パッド（以下、「基板側パッド」という）２３に接合されている。一方、低融点半田接合部４２は、光素子シリコンチップ３の下面３ａに形成された電極パッド（以下、「素子側パッド」という）３３に接合されている。そして、半田バンプ４は、高融点半田接合部４１と低融点半田接合部４２とを低温の温度階層接合を行うことで一体に接合することで形成されている。具体的には、高融点半田接合部４１と低融点半田接合部４２とをリフローする際、高融点半田接合部４１の融点よりも低温かつ低融点半田接合部４２の融点よりも高温のリフロー温度でリフローすることにより、双方が一体に接合されている。更に、半田バンプ４における高融点半田接合部４１と低融点半田接合部４２との接合境界面には、凹凸形状を有する凹凸接合部４３が形成されている。また、符号７、７Ａは、モールド樹脂と第２モールド樹脂を表す。モールド樹脂７と第２モールド樹脂７Ａについては後述する。

＜＜半導体素子の実装方法＞＞
次に、光素子シリコンチップ３の実装方法について説明する。図２〜図１１は、光素子シリコンチップ３１の実装工程を説明する図である。

半導体装置１の製造に際して、図２に示す回路基板２を準備する。回路基板２は、例えば、エポキシ樹脂等によって形成された樹脂基板であるが、これには限定されない。回路基板２の上面２ａにおける適所には複数の基板側パッド２３が露出形成されている。また、回路基板２には、光素子シリコンチップ３の発光部３１から出力される光を受光する受光部２１や、導波路２２等が形成されている。

次に、図３に示すように、ＳｎＡｇＣｕ系半田（錫―銀―銅系半田）等といった高融点半田（高温半田）によって形成された半田ボール（以下、「高融点半田ボール」という）４１Ａを、回路基板２の各基板側パッド２３に取り付ける。高融点半田ボール４１Ａは、回路基板２に対する光素子シリコンチップ３の実装後において、図１に示した半田バンプ４の高融点半田接合部４１を形成する。高融点半田ボール４１Ａの基板側パッド２３への
取り付けは、以下の手順で行うことができる。まず、基板側パッド２３上にフラックスを供給する。基板側パッド２３上へのフラックスの供給は、印刷装置を用いたスキージングによって行ってもよい。基板側パッド２３に対するフラックスの塗布が終わると、フラックス上に高融点半田ボール４１Ａを搭載し、リフロー炉によって加熱（リフロー）を行う。ここでのリフロー温度は、高融点半田ボール４１Ａの溶融温度よりも高い温度（例えば、２３５℃程度）としてもよい。リフローを行うことにより、高融点半田ボール４１Ａが溶融し、各基板側パッド２３に対して高融点半田ボール４１Ａが一体に接合される。本実施形態において、高融点半田ボール４１Ａは、第１半田接合材料の一例である。

次に、図４に示すような、凹部形成用の治具（以下、「凹部形成用治具」という）６を準備する。凹部形成用治具６は、回路基板２に対する光素子シリコンチップ３の実装に用いる半導体製造装置（フリップチップボンダー）に搭載されており、半導体製造装置から熱の供給を受けることで加熱される。凹部形成用治具６の下面６ａには、半田ボール４１の平面的な配置パターンに対応するように複数の突起６１が設けられている。本実施形態においては、突起６１は略円錐形状を有しているが、突起６１の形状は適宜変更することができる。また、凹部形成用治具６の下面６ａのうち、突起６１が形成されていない部分には平坦な平坦部６２が形成されている。本実施形態においては、凹部形成用治具６は、ガラス板によって形成されている。但し、凹部形成用治具６は、他の材料を用いて形成されてもよい。

次に、図５に示すように、凹部形成用治具６を、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に押し付ける。上記のように、凹部形成用治具６の下面６ａに形成された各突起６１は、回路基板２に取り付けられた高融点半田ボール４１Ａの平面配置パターンと対応付けられて配置されている。ここでは、凹部形成用治具６の各突起６１が、対応する高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に食い込むように、高融点半田ボール４１Ａに対して凹部形成用治具６が押し付けられる。

本実施形態では、凹部形成用治具６を、例えば１５０〜１８０℃程度に加熱しつつ高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に押し付ける。これにより、凹部形成用治具６からの伝わる熱によって高融点半田ボール４１Ａが軟化するため、高融点半田ボール４１Ａに作用する応力を低減しつつ、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に突起６１を食い込ませることができる。その結果、図５に示すように、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０には、突起６１に対応する円錐形状の凹部４１１（凹凸形状）が形成される（凹部形成工程）。なお、本実施形態では、各高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に対して、単一の凹部４１１が形成されるようにしているが、複数の凹部４１１が一の高融点半田ボール４１Ａに形成されてもよい。また、凹部形成用治具６における突起６１の高さは、高融点半田ボール４１Ａに形成する凹部４１１の深さに応じて適宜変更することができる。

次に、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に、凹部形成用治具６を押し付けた状態で、図６に示すように、回路基板２上に封止材料としてのモールド樹脂７を供給する。そして、少なくとも高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０が露出するように高融点半田ボール４１Ａを封止する（封止工程）。本実施形態では、モールド樹脂７として、熱可塑性樹脂を用いるようにした。熱可塑性樹脂としては、例えば熱可塑性エポキシ樹脂を好適に使用することができる。

封止工程においては、例えば８０℃程度に加熱して軟化した状態のモールド樹脂７を、回路基板２の上面２ａに流し込む。その際、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に凹部形成用治具６が残されているため、モールド樹脂７によって高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０が覆われることを抑制することができる。つまり、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に凹部形成用治具６を押し付けた状態で封止工程を行うことにより、モー
ルド樹脂７によって凹部４１１が覆われることを抑制することができる。以上のように、本実施形態では、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０を残して、高融点半田ボール４１Ａの周囲がモールド樹脂７によって被覆される。その後、モールド樹脂７を冷却することで硬化した後、高融点半田ボール４１Ａから凹部形成用治具６が取り外される。

上記のように、凹部形成用治具６の下面６ａには、平坦部６２が形成されている。従って、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に凹部形成用治具６を取り付けた状態で封止工程を行うことにより、モールド樹脂７の上面を凹部形成用治具６の平坦部６２によって平坦にすることができる（平坦化工程）。従って、図７に示すように、凹部形成用治具６を高融点半田ボール４１Ａから取り外した状態では、凹部形成用治具６の頭頂部４１０に凹部４１１が形成され、この凹部４１１の外周縁部にはモールド樹脂７の平坦化された平坦面７１が連なって配置される。

次に、図８に示すように、所定の位置に貫通孔８ａが形成されたスクリーン版８を、回路基板２の上に載置する。スクリーン版８は、図示のように、モールド樹脂７の平坦面７１の上に設置される。スクリーン版８には、高融点半田ボール４１Ａの平面的な配置パターンに対応する位置に複数の貫通孔８ａが形成されている。スクリーン版８を回路基板２上に設置する際、各貫通孔８ａの位置を対応する高融点半田ボール４１Ａ（凹部４１１）の位置に合わせる位置合わせを行う。

次に、図９に示すように、例えばＳｎＢｉ系半田（錫―ビスマス系半田）等から形成される低融点半田ペースト４２Ａを、例えば印刷装置を用いてスクリーン版８の上に供給する。低融点半田ペースト４２Ａは、回路基板２に対する光素子シリコンチップ３の実装後において、図１に示した半田バンプ４の低融点半田接合部４２を形成する。印刷装置により供給された低融点半田ペースト４２Ａは、例えば、スキージを用いたスキージングによって、各貫通孔８ａを通じて高融点半田ボール４１Ａの凹部４１１に充填される。低融点半田ペースト４２Ａの融点は１３９℃程度であって、高融点半田ボール４１Ａの融点（２２０℃程度）よりも低い。本実施形態において、低融点半田ペースト４２Ａは第２半田接合材料の一例である。

低融点半田ペースト４２Ａの供給に際して、各高融点半田ボール４１Ａ間の隙間は既にモールド樹脂７によって被覆されている。従って、スキージを用いたスキージングによって、スクリーン版８が面方向に相対ずれを起こす方向に力が作用しても、高融点半田ボール４１Ａや、高融点半田ボール４１Ａと基板側パッド２３との接合部に作用する応力を低減することができる。これにより、高融点半田ボール４１Ａや、高融点半田ボール４１Ａと基板側パッド２３との接合箇所にひび割れ等の損傷が生じることを抑制することができる。

また、スクリーン版８をモールド樹脂７の平坦面７１上に設置することができるため、スキージの調整精度を比較的ラフに行っても、低融点半田ペースト４２Ａを高精度に印刷することができ、作業効率の向上を図ることができる。更に、高融点半田ボール４１Ａの周囲をモールド樹脂７で被覆することにより、スクリーン版８の貫通孔８ａに流入した低融点半田ペースト４２Ａが、貫通孔８ａと高融点半田ボール４１Ａとの隙間から漏れ出すことが抑制される。これにより、高融点半田ボール４１Ａの上に、適正な量の低融点半田ペースト４２Ａを精度良く供給することができる。また、高融点半田ボール４１Ａからの低融点半田ペースト４２Ａの滑り落ちを抑制できるため、隣接する基板側パッド２３同士のショートを抑制することができる。

次に、回路基板２からスクリーン版８を取り外し、図１０に示すように、光素子シリコンチップ３の下面３ａが回路基板２の上面２ａと向き合うように光素子シリコンチップ３
を配置する。光素子シリコンチップ３の下面３ａにおける適所には複数の素子側パッド３３が露出形成されている。また、光素子シリコンチップ３には、発光部３１や導波路３２が形成されている。光素子シリコンチップ３は、素子側パッド３３と基板側パッド２３との平面位置が合致し、かつ、回路基板２と光素子シリコンチップ３との間に所定の接合ギャップＧｃが設けられるように、回路基板２との相対位置が調整される。

次いで、リフロー炉によって、回路基板２及び光素子シリコンチップ３の加熱処理（リフロー）を行う（リフロー工程）。ここで、リフローを行う際のリフロー温度（加熱温度）は、高融点半田ボール４１Ａの融点より低く、かつ、低融点半田ペースト４２Ａの融点より高い温度に設定されている。例えば、リフロー温度は１６０℃程度に設定されている。リフローに際して、リフロー温度が高融点半田ボール４１Ａの融点より低いため、高融点半田ボール４１Ａは形状変化を伴わず、元の形状を維持する。一方、低融点半田ペースト４２Ａの融点よりリフロー温度が高いため、低融点半田ペースト４２Ａは溶融することになる。

本実施形態において、高融点半田ボール４１Ａの寸法を、接合ギャップＧｃから基板側パッド２３及び素子側パッド３３の厚みを差し引いた寸法よりも若干小さめに設定している。そして、リフロー時に形状変化しない高融点半田ボール４１Ａを、接合ギャップＧｃを確保するためのスペーサ（空間確保部材）として利用し、素子側パッド３３と高融点半田ボール４１Ａとの隙間を低融点半田ペースト４２Ａによって接続することとした。リフローによって溶融した低融点半田ペースト４２Ａは、高融点半田ボール４１Ａの半田合金内に拡散し、低融点半田ペースト４２Ａ及び高融点半田ボール４１Ａは一体に接合される。その後、低融点半田ペースト４２Ａ及び高融点半田ボール４１Ａが冷却されることで、図１に示した半田バンプ４が完成する。その際、上述の低融点半田ペースト４２Ａが半田バンプ４の低融点半田接合部４２を形成し、高融点半田ボール４１Ａが半田バンプ４の高融点半田接合部４１を形成することになる。

その後、図１１に示すように、モールド樹脂７と光素子シリコンチップ３との隙間に第２モールド樹脂７Ａを充填する。第２モールド樹脂７Ａとしては、低融点半田４２の融点よりも低温で軟化する熱硬化性樹脂を好適に用いることができる。以上の工程によって、回路基板２に対する光素子シリコンチップ３の実装工程が完了し、半導体装置１が完成する。

以上のように、本実施形態に係る光素子シリコンチップ３の実装方法では、高融点半田ボール４１Ａ（高融点半田接合部４１）の融点よりも低温による温度階層接合を行う。これによれば、リフロー時においても形状を維持する高融点半田ボール４１Ａをスペーサとして利用できるため、容易に大きな接合ギャップＧｃを確保することができる。また、光素子シリコンチップ３における素子側パッド３３と高融点半田ボール４１Ａとの隙間には、リフロー時に溶融する低融点半田ペースト４２Ａが充填される。このため、各高融点半田ボール４１Ａの高さが多少ばらついていたり、光素子シリコンチップ３が多少傾いていたとしても、これらの高さ方向のばらつき（誤差）を、低融点半田ペースト４２Ａによって容易に吸収することができる。その結果、回路基板２及び光素子シリコンチップ３間の接合ギャップＧｃの設計寸法が大きくても、接合ギャップＧｃを設計寸法通りに精度良く形成することができる。つまり、本実施形態に係る実装方法によれば、接合ギャップＧｃの寸法精度を高めることができる。

更に、本実施形態に係る光素子シリコンチップ３の実装工程においては、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に凹部４１１を設けるようにした（図７等を参照）。これによれば、半田バンプ４の高融点半田接合部４１（高融点半田ボール４１Ａ）と低融点半田接合部４２（低融点半田ペースト４２Ａ）とが接合される境界面に、凹凸形状を有する凹凸
接合部４３を形成することができる。このように、高融点半田接合部４１及び低融点半田接合部４２の接合境界面に凹凸接合部４３を形成することで、高融点半田接合部４１及び低融点半田接合部４２相互の機械的噛み合い作用によって、外力に抵抗する機械的強度を大きくすることができる。

また、高融点半田接合部４１及び低融点半田接合部４２の接合境界面を凹凸形状とすることにより、高融点半田接合部４１と低融点半田接合部４２との接触面積を増やすことができる。そのため、リフロー時において、低融点半田ペースト４２Ａが凝集することを抑止し、低融点半田ペースト４２Ａの高融点半田ボール４１Ａへの拡散を促進させることができ、双方の一体化を促進させることができる。その結果、異種半田合金間における界面剥離が起こりにくくなり、相互の接合強度を大きくすることができる。

以上のように、本実施形態に係る光素子シリコンチップ３の実装方法によれば、光素子シリコンチップ３と回路基板２との間の接合ギャップ（接合クリアランス）Ｇｃを適正な値に精度良く制御することできる。しかも、光素子シリコンチップ３の実装時に、リフロー温度を比較的低く設定しても、高い接合信頼性を確保することができる。

なお、上述した光素子シリコンチップ３の実装方法において、モールド樹脂７による封止工程は、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に凹部４１１を形成する前に行ってもよい。また、場合によってはモールド樹脂７による封止工程を省略することも可能である。封止工程を省略する場合においても、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に凹部４１１を形成しておくことで、印刷装置から供給される低融点半田ペースト４２Ａを凹部４１１によって受け止めることができる。これにより、低融点半田ペースト４２Ａが高融点半田ボール４１Ａから滑り落ちにくくすることができる。その結果、高融点半田ボール４１Ａに対して適正な量の低融点半田ペースト４２Ａを供給することができ、半田バンプ４を介した光素子シリコンチップ３と回路基板２との接合信頼性を高めることが可能となる。

また、上述した光素子シリコンチップ３の実装方法においては、モールド樹脂７の上面を平坦化する平坦化工程を、凹部形成用治具６の下面６ａを利用して行うようにした。これによれば、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に凹部４１１を形成する凹部形成工程と平坦化工程とを同時に行うことができる。その結果、光素子シリコンチップ３の実装に要する工数を減らすことができ、半導体装置１の製造効率を高めることができる。但し、モールド樹脂７の上面を平坦化する平坦化工程は、低融点半田４２のペーストを凹部４１１に供給する前に行われればよく、凹部形成工程の後に行うようにしてもよい。

＜＜半導体素子の実装方法の変形例＞＞
次に、光素子シリコンチップ３の実装方法の変形例について説明する。図１２〜図１８は、本変形例に係る光素子シリコンチップ３の実装工程を説明する図である。なお、以下では、図２〜図１１を参照して説明した実装方法との相違点を中心に説明する。また、上述まで実施形態と共通する構成については同一の参照符号を付すことにより、その詳しい説明を省略する。

本変形例に係る実装方法においても、回路基板２の各基板側パッド２３に高融点半田ボール４１Ａを取り付けるまでは、既述の実施形態と共通する。高融点半田ボール４１Ａについては、既述の通りである。次に、図１２に示すように、高融点半田ボール４１Ａが取り付けられた状態の回路基板２の上面２ａに、封止材料としてのモールド樹脂７を供給する。モールド樹脂７は、上記の通り熱可塑性樹脂によって形成されている。本変形例においては、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０が少なくとも露出するように、軟化した状態のモールド樹脂７を供給し、モールド樹脂７によって高融点半田ボール４１Ａを封止
する（封止工程）。なお、封止工程において供給されたモールド樹脂７の上面は平坦になっていなくてもよい。

次に、図１３に示す突起付きスクリーン版８Ａを準備する。突起付きスクリーン版８Ａは、上述したスクリーン版８と同様、高融点半田ボール４１Ａの配置パターンと対応する位置に複数の貫通孔８ａが形成されている。また、突起付きスクリーン版８Ａの下面８０には、複数の突起８１が形成されている。突起８１は、突起付きスクリーン版８Ａにおける下面８０のうち各貫通孔８ａの周縁近傍に２つずつ設けられており、下面８０から下方に向けて突設されている。但し、各貫通孔８ａに対応する突起８１の数は、適宜変更することができる。また、突起付きスクリーン版８Ａの下面のうち、突起８１が形成されていない部分には平坦な平坦部８２が形成されている。

次に、図１４に示すように、各貫通孔８ａを対応する高融点半田ボール４１Ａの位置に合わせる位置合わせを行いつつ、突起付きスクリーン版８Ａを回路基板２の上に載置する。ここで、突起付きスクリーン版８Ａを回路基板２の上に載置する際、突起付きスクリーン版８Ａの下面８０に設けられた突起８１を、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に押し付け、食い込ませる。これにより、各高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に、凹部４１１Ａが形成される。本変形例では、突起付きスクリーン版８Ａにおける各貫通孔８ａの周縁に２つの突起８１を設けているため、各高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０には２つの凹部４１１Ａが形成されることになる（凹部形成工程）。なお、本変形例において、凹部形成工程は、モールド樹脂７が硬化する前に行われる。突起付きスクリーン版８Ａの平坦部８２が軟化した状態のモールド樹脂７の上面に押し付けられることで、モールド樹脂７の上面に平坦面７１を形成することができる。つまり、モールド樹脂７における上面の平坦化を行うことができる。

ここで、高融点半田ボール４１Ａは、その周囲に充填されたモールド樹脂７によって封止されている。そのため、突起付きスクリーン版８Ａの突起８１を高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に押し付けて凹部４１１Ａを形成する際、高融点半田ボール４１Ａと基板側パッド２３との接合部に大きな応力が作用することを抑制できる。以上のように、本変形例では、封止工程を凹部形成工程の前に行う。

次に、図１５に示すように、低融点半田ペースト４２Ａを、例えば印刷装置を用いて突起付きスクリーン版８Ａ上に供給する。低融点半田ペースト４２Ａについては既述の通りである。印刷装置により供給された低融点半田ペースト４２Ａは、スキージを用いたスキージングによって、各貫通孔８ａを通じて高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に供給される。

本変形例においても、低融点半田ペースト４２Ａを高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に供給する際に、高融点半田ボール４１Ａの周囲はモールド樹脂７によって被覆（封止）されている。従って、低融点半田ペースト４２Ａを高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０から滑り落ちることを抑制し、適正な量の低融点半田ペースト４２Ａを高融点半田ボール４１Ａ上に精度良く転写することができる。更に、モールド樹脂７の上面には、平坦な平坦面７１が形成されているため、低融点半田ペースト４２Ａを精度良く印刷することができる。また、低融点半田ペースト４２Ａの供給時に、高融点半田ボール４１Ａと基板側パッド２３との接合部に作用する応力を低減することができるので、上記接合部の破損を抑制することができる。

次に、回路基板２から突起付きスクリーン版８Ａを取り外す。その結果、図１６に示すように、突起付きスクリーン版８Ａの貫通孔８ａに充填されていた低融点半田ペースト４２Ａが、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に形成された凹部４１１Ａに流れ込み、
充填される。次に、図１７に示すように、光素子シリコンチップ３の下面３ａが回路基板２の上面２ａと向き合うように光素子シリコンチップ３を配置する。光素子シリコンチップ３は、素子側パッド３３と基板側パッド２３との平面位置が合致し、かつ、回路基板２と光素子シリコンチップ３との間に所定の接合ギャップＧｃが設けられるように、回路基板２との相対位置が調整される。

次いで、リフロー炉によって、回路基板２及び光素子シリコンチップ３の加熱処理（リフロー）を行う（リフロー工程）。リフロー温度は、上記実施形態と同様、高融点半田ボール４１Ａの融点より低く、かつ、低融点半田ペースト４２Ａの融点より高い温度に設定されている。従って、上記実施形態と同様に、リフロー時においては、低融点半田ペースト４２Ａが溶融する一方、高融点半田ボール４１Ａはリフロー前の形状を維持することになる。本変形例においても、高融点半田ボール４１Ａの寸法を、接合ギャップＧｃから基板側パッド２３及び素子側パッド３３の厚みを差し引いた寸法よりも若干小さめに設定している。そして、リフロー時に形状変化しない高融点半田ボール４１Ａを、接合ギャップＧｃを確保するためのスペーサとして利用し、素子側パッド３３と高融点半田ボール４１Ａとの隙間を低融点半田ペースト４２Ａによって接続する。その後、低融点半田ペースト４２Ａ及び高融点半田ボール４１Ａが冷却されることで、上記実施形態と同様に半田バンプ４が形成される。その際、低融点半田ペースト４２Ａが半田バンプ４の低融点半田接合部４２を形成し、高融点半田ボール４１Ａが半田バンプ４の高融点半田接合部４１を形成することになる。

その後、図１８に示すように、モールド樹脂７と光素子シリコンチップ３との隙間に第２モールド樹脂７Ａを充填する。第２モールド樹脂７Ａとしては、低融点半田４２の融点よりも低温で軟化する熱硬化性樹脂を好適に用いることができる。以上の工程によって、回路基板２に対する光素子シリコンチップ３の実装工程が完了し、半導体装置１が完成する。

本変形例においても、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に凹部４１１Ａを設けるようにした。これによれば、半田バンプ４の高融点半田接合部４１（高融点半田ボール４１Ａ）と低融点半田接合部４２（低融点半田ペースト４２Ａ）とが接合される境界面に凹凸形状を有する凹凸接合部４３が形成される。その結果、高融点半田接合部４１及び低融点半田接合部４２相互の機械的噛み合い作用によって、半田バンプ４の外力に抵抗する機械的強度を大きくすることができる。そして、凹凸形状を有する凹凸接合部４３によって、高融点半田接合部４１と低融点半田接合部４２との接触面積を増やすことができる。このため、異種半田合金間における界面剥離が起こりにくくなり、高融点半田接合部４１及び低融点半田接合部４２間における接合強度を大きくすることができる。これにより、半田バンプ４を介した回路基板２及び光素子シリコンチップ３の優れた接合（接続）信頼性を実現することができる。そして、リフロー温度を高融点半田ボール４１Ａ（高融点半田接合部４１）の融点よりも低温とする温度階層接合を行うことで、より大きな接合ギャップＧｃが容易に得られるようになり、しかも、接合ギャップＧｃの寸法精度を従来よりも高めることができる。つまり、回路基板２と光素子シリコンチップ３との間の接合ギャップＧｃの設計寸法が大きくても、形成する接合ギャップＧｃの寸法精度を好適に高めることができる。

更に、本変形例に係る実装方法においては、突起８１及び平坦部８２を有する突起付きスクリーン版８Ａを用いて、低融点半田ペースト４２Ａを高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に転写するようにした。これによれば、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に対する低融点半田ペースト４２Ａの転写と、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０への凹部４１１Ａの形成と、モールド樹脂７の上面の平坦化を、一括して（同一工程で）行うことができる。その結果、光素子シリコンチップ３の実装に要する工数を減らすことが
でき、半導体装置１の製造効率を高めることができる。

また、本変形例においては、高融点半田ボール４１Ａの周囲をモールド樹脂７によって封止した状態で、高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に凹部４１１Ａを形成する点で、上記実施形態と相違する。これによれば、突起付きスクリーン版８Ａの突起８１を高融点半田ボール４１Ａの頭頂部４１０に押し付ける際に、高融点半田ボール４１Ａと基板側パッド２３との接合部に作用する応力を好適に低減することができる。その結果、高融点半田ボール４１Ａと基板側パッド２３との接合部を、より一層破損しにくくすることが可能となる。

以上、実施形態に沿って本件に係る半導体装置及び半導体素子の実装方法について説明したが、本件はこれらに制限されるものではない。そして、上記実施形態について、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者にとって自明である。例えば、上記実施形態及び変形例において、回路基板２に対して実装する半導体素子をＶＣＳＥＬ等の発光素子とする場合を例示的に説明したが、フォトダイオード等の受光素子であってもよい。また、ＶＣＳＥＬやフォトダイオード等の光素子に限られず、種々の半導体素子を実装する際に本件に係る実装方法を好適に適用することができる。

１・・・半導体装置
２・・・回路基板
３・・・光素子シリコンチップ
４・・・半田バンプ
６・・・凹部形成用治具
７・・・モールド樹脂
２３・・・基板側パッド
３３・・・素子側パッド
４１・・・高融点半田接合部
４１Ａ・・・高融点半田ボール
４２・・・低融点半田接合部
４２Ａ・・・低融点半田ペースト
４３・・・凹凸接合部
４１０・・・頭頂部
４１１・・・凹部
Ｇｃ・・・接合ギャップ

Claims

基板に半導体素子を実装する実装方法であって、
前記基板に形成された基板側パッド上に第１半田接合材料を取り付ける工程と、
前記第１半田接合材料上に該第１半田接合材料よりも融点が低い第２半田接合材料を供給する工程と、
前記半導体素子に形成された素子側パッドが対応する前記基板側パッドに対向し、かつ、前記基板との間に所定の接合ギャップが設けられるように前記半導体素子を配置する工程と、
前記第１半田接合材料の融点よりも低温かつ前記第２半田接合材料の融点よりも高温のリフロー温度でリフローを行い、該第１半田接合材料及び第２半田接合材料を接合するリフロー工程と、
を有する、
半導体素子の実装方法。
前記第１半田接合材料の頭頂部に凹部を形成する凹部形成工程を更に有し、
前記第２半田接合材料を供給する工程においては、前記凹部に前記第２半田接合材料が充填されるように該第２半田接合材料を供給する、
請求項１に記載の半導体素子の実装方法。
前記第２半田接合材料を供給する前に、前記基板上に封止材料を供給し、少なくとも前記第１半田接合材料の頭頂部が露出するように該第１半田接合材料を封止する封止工程を、更に有する、
請求項２に記載の半導体素子の実装方法。
前記第２半田接合材料を供給する前に前記封止材料の上面を平坦にする平坦化工程、を更に有する、
請求項３に記載の半導体素子の実装方法。
前記封止工程を前記凹部形成工程の前に行う、
請求項３又は４に記載の半導体素子の実装方法。
前記凹部形成工程において、前記第１半田接合材料の頭頂部に所定の治具を押し付けることによって前記凹部を形成し、
前記封止工程において、前記頭頂部に前記治具を押し付けた状態で前記第１半田接合材料を封止する、
請求項３から５の何れか一項に記載の半導体素子の実装方法。
前記凹部形成工程において、前記第１半田接合材料の頭頂部を加熱しながら前記凹部を形成する、
請求項２から６の何れか一項に記載の半導体素子の実装方法。