JPH02170548A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH02170548A
JPH02170548A JP63323664A JP32366488A JPH02170548A JP H02170548 A JPH02170548 A JP H02170548A JP 63323664 A JP63323664 A JP 63323664A JP 32366488 A JP32366488 A JP 32366488A JP H02170548 A JPH02170548 A JP H02170548A
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JP
Japan
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solder
semiconductor chip
pad
pads
connectors
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Takeshi Hayashi
剛 林
Kosuke Katsura
浩輔 桂
Fumikazu Ohira
文和 大平
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半田接続子によって基板のパッド上に半導体
チップを接合してなる半導体装置に関するものである。
〔従来の技術〕
従来、この種の半導体装置は第１４図（ａ）および（ｂ
）に示すように構成されている。これを同図に基づいて
説明すると、同図において、符号１で示すものは縦横に
配列された多数のパッド２を有する基板、３はこの基板
１上に搭載され前記パッド２上に半田接続子４を介して
接合する多数のパッド５を有する半導体チップである。
次に、このように構成された半導体装置の製造方法につ
いて説明する。
先ず、基板１および半導体チップ３上に半田濡れが良好
な例えば銅等の金属を用いてパッド２゜５を形成する。
この場合、パッド２．５の形状は正方形１円形等の等方
形状とするのが一般的である。次に、パッド２，５上に
半田接続子４を例えば半田めっき法（第１５図（ａｌ　
、　（ｂ）　）や半田蒸着法等の方法によって形成する
。しかる後、基板１上にフェイスダウンで半導体チップ
３を仮搭載することにより半田接続子４を介して両バフ
ド２，５を対向させ、半田接続子４を加熱溶融する。こ
のとき、溶融半田が表面張力によって両バッド２，５間
に凝縮して基板１と半導体チップ３とが接続される。な
お、第１５図中符号１６はレジストである。
このようにして、半導体装置を製造することができる。
ところで、半田の加熱溶融工程において半導体チップ３
に作用する外力Ｆ（主に溶融半田の酸化を防止するため
に用いるフラックスの対流、突沸等による外力）が無視
できる場合に、基板１上の半導体チップ３は第１４図（
ａ）に示すようにパッド２の軸Ｚとパッド５の軸Ｚ′が
正確に一致する位置に接続される。この作用は、一般に
セルフアライメント作用と呼ばれ、特に光半導体チップ
を基板上に搭載してなる半導体装置に実施して有効なも
のである。例えば、多数の光半導体チップを一列に並べ
て基板上に搭載する大規模イメージセンサを実現するに
は、光半導体チップの相互位置が正確でなければならな
い。また、先導波路が形成された基板上に搭載する光機
能モジュールでは、先導波路と光半導体チップ受発光部
の相互位置が正確でなければならない。このような場合
、半田接続子を用いて光半導体チップを基板上に搭載す
れば、光半導体チップの相互位置あるいは光導波路と光
半導体チップ受発光部の相互位置は、半田接続子のセル
フアライメント作用によって自動的にパッド形成プロセ
ス精度すなわちミクロンオーダ乃至サブミクロンオーダ
で形成される。
一方、半田の加熱溶融工程において半導体チップに作用
する外力Ｆが無視できない場合、基板１上の半導体チッ
プ３は第１４図山）に示すように接続位置がずれ、この
接続位置ずれδが半田固化後に残留する。
この接続位置ずれδと外力Ｆとの関係は、溶融半田等の
液滴表面に作用する表面張力によって以下のように説明
することができる。この場合、表面張力は、液滴を任意
の平面で分割した際に液滴表面と分割平面との交線上の
単位長さあたりに働く力と定義され、そのデイメンジョ
ンはＣ力Ｆ／長さし〕である。ここで、分母１分子に各
々長さのデイメンジョン（Ｌ）を掛けると、 （Ｆ／Ｌ）＝　（Ｐ−Ｌ／Ｌ−Ｌ） ＝〔エネルギーＥ／面積Ｌ”）　　　　　　　　　　・
・・（１）となることから、表面張力は外力Ｆが液滴を
変形させ、新たな単位表面に生成した場合の仕事量Ｅ（
以後、これを外乱エネルギーＥと呼ぶ）と解釈すること
ができる。この解釈によって、溶融状態の半田接続子が
受は取る外乱エネルギーＥと半田接続子の表面積変化Δ
Ｓは表面張力をγとすると、Ｅ＝ｒ・ΔＳ　　　　　　
　　　　　　　・・・（２）なる関係式を満足する。そ
して、半田接続子の表面形状を二次曲面体の式 ％式％（３１ として、半田接続子の表面積がΔＳ増加した場合に発生
する接続位置ずれδを計算して（１）式の関係と共に第
１６図に示すと、半田加熱溶融時にある大きさの外乱エ
ネルギーＥ、が加われば、半田接続子の表面積ΔＳだけ
増加しく第１６図破線■）、結果として半導体チップに
位置ずれ量δ。が生じる（第１６図破線■）ことが理解
できる。
従来、この種の外乱エネルギー已によって生じる接続位
置ずれδを少なくする手段としては、半田接続子の数を
増加するもの、あるいは半田接続子の高さを低く設定す
るもの等が知られている。
第１７図は前者の場合を説明するために、半田接続子の
数をパラメータとして外乱エネルギーＥと半導体チップ
の位置ずれ量δの関係を求めた例である。ここで、成る
大きさの外乱エネルギーＥ０が加えられた場合の半導体
チップの位置ずれ量はδ１〉δ２〉δ３であり、半田接
続子の数が多い程半導体チップの位置ずれ量は小さい。
この原理は以下に示すように説明することができる。す
なわち、外乱エネルギーＥに対応した半田表面積変化Δ
Ｓは各半田接続子に分配され、Ｎ個の半田接続子では一
個当たりΔＳ／Ｎとなり、この結果半田接続子の数が増
加するにしたがい位置ずれ量δは減少する。
また、第１８図は後者の場合を説明するために、半田接
続子の高さｈをパラメータとして外乱エネルギーＥと半
導体チップに位置ずれ量δの関係を求めた例である。こ
こで、成る大きさの外乱エネルギーＥ０が加えられた場
合の半導体チップの位置ずれ量はδ、〉δ２〉δ３であ
り、半田接続子の高さｈが低い程半導体チップの位置ず
れ量は小さい。
この原理は以下に第１９図（ａ）〜（ｄ）を用いて説明
することができる。すなわち、例えば餉柱形状の半出接
続子に外力が加えられた場合に、同図に示す０面、Ｄ面
ば等種変形し、外乱エネルギーＥ０に対応した半田表面
積変化ΔＳ０は同図に示すＡ面。
Ｂ面に斜線部に現れ、同じ表面積変化ΔＳ０ではδ１　
〉δ３であり、半田接続子の高さｈが低くなるにしたが
い位置ずれ量Δは減少する。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、前者にあっては、半田接続子の数が増加する
と、半田接続子間のピッチを狭めることになるが、半導
体チップ上の素子領域と半田接続子形成領域を信頼性の
観点から分離させる必要があることから、半田接続子の
ピッチ狭小化には自ずと限界が生じていた。すなわち、
これら半田接続子の形成には、パッド領域よりも広い領
域に例えば第１５図（ａ）および（ト））に示すめっき
法や蒸着法等の方法によって半田を膜付けし、レジスト
除去後に半田溶融するプロセスを採用することになるか
らである。この結果、基板と半導体チップ間に形成可能
な半田接続子の数は制限され、半田接続子の増加による
手段を採用できる半導体チップは限定されてしまうとい
う問題があった。
一方、後者にあっては、半導体チップと基板の熱膨張係
数のミスマツチによって発生する半田接続部のストレス
は、半田接続子の高さが低い程大きくなることが周知で
あり、この場合ストレスによる半田接続上の信頼性が低
下するという不都合があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、多数
の半田接続子が形成できない半導体チップや高い接続信
頼性を要する半導体チップを基板に対して高精度に位置
合わせすることができる半導体装置を提供するものであ
る。
〔課題を解決するた、めの手段〕
本発明に係る半導体装置は、基板と半導体チップのパッ
ドの平面縦横寸法のうち一方側の寸法を他方側の寸法よ
り大きい寸法に設定したものである。
〔作　用〕
本発明においては、パッドの縦横寸法比が同一である半
田接続子を使用する場合と比較して外乱エネルギーを大
きな表面積で受は止めることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の構成等を図に示す実施例によって詳細に
説明する。
第１図（ａｌ〜（Ｃ１は本発明に係る半導体装置の一実
施例を示す平面図、正面図、側面図である。同図におい
て、符号１１で示すものは縦横に配列された多数の長円
形パッド１２を有する基板、１３はこの基板１１上に搭
載され前記長円形パッド１２上に半田接続子１４を介し
て接合する多数の長円形パッド１５を有する半導体チッ
プである。この半導体チップ１３の中心０に対して長円
形パッド１２は同軸線上に配置されており、その形状は
前記半導体チップ１３の中心Ｏ方向からみた幅Ｗが奥行
きｄに対してＷ：ｄ＝ｘ　：　ｌ　　（ｘ＞ｌ）の比例
関係をもち拡大している。すなわち、両長円形パッド１
２．１３の平面縦横寸法のうち一方側の寸法は、他方側
の寸法より大きい寸法に設定されているのである。
このように構成された半導体装置においては、第２図に
示す円形パッド１２ａでの半田接続子１４ａの投影表面
積Ｓ１と比べて半田接続子１４の投影表面積Ｓ０がどの
方向の外力に対しても拡大しているから、パッドの平面
縦横寸法比が同一である半田接続子を使用する場合と比
較して外乱エネルギーを大きな表面積で受は止めること
ができ、基板１１と半導体チフブ１３の位置合わせ精度
を高めることができる。ここで、半導体チップ１３に加
わる外力Ｆの発生主原因は、溶融半田の酸化を防止する
ために用いるフラックスの対流・突沸、加熱装置によっ
て発生する微振動等であるから、その方向はランダムで
ある。
次に、本発明における第２実施例の方形パッドの場合に
つき、第３図を用いて説明する。同図において、符号２
１で示すものは縦横に配列された多数の長方形パッド２
２を有する基板、２３はこの基板２１上に搭載され前記
長方形パッド２２上に半田接続子２４を介して接合する
多数の長方形パッド２５を有する半導体チップである。
この半導体チップ２３は幅Ｗ×奥行きＤの長方形状で、
長方形パッド２２゜２５は幅ｗＸｄの長方形状であり、
また半田接続子２４の形状は説明を簡単にするために角
柱形状に近似して示している。
このように構成された半導体装置においては、半導体チ
ップ２３に加わる外力Ｆの発生主原因が溶融半田の酸化
を防止するために用い、るフラフクスの対流・突沸と考
えられるから、外力Ｆが方向と同様に発注場所もランダ
ムである。したがって、外力Ｆを幅方向に対する成分Ｆ
＠と奥行き方向に対する成分Ｆ０とに分離して外力成分
の時間平均を考えると、半導体チップ２３の幅Ｗや奥行
きＤの単位長さ当たりに作用する外力成分はｆｗ＝ｆ１
１となり、全外力成分はＦ。（＝Ｗ−ｆｗ）＞Ｆゎ（＝
Ｄ’ｆｏ）となる。ここで、パッド縦横配列をＮＸＭ　
（第３図では４×４）個とし、第４図（ａ）および山）
に示すようにパッド分布が幅方向に疎で奥行き方向に密
である（Ｎ／Ｗ＜Ｍ／Ｄ）半導体チップ２３ａを通常の
正方形パッド２２ａ　、　２５ａで基板２１ａに接続し
た場合、半田接続子２４ａの投影表面積がＳｗ”Ｓｏで
あるため、Ｆｗ　／　Ｓｗ　＞　Ｆｅ／ＳＯとなり、奥
行き方向に対する外力成分Ｆ。
に比べて幅方向に対するＦ。による半導体チップ２３ａ
の位置合わせ精度の劣化が大きい。そこで、Ｆｗ　／Ｓ
ｗ　＝Ｆｏ　／Ｓｏとなるようにパッド２２゜２５の幅
−を奥行きｄに対して拡大させる。この結果、幅方向の
外力成分Ｆ８による半導体チップ２３の位置合わせ精度
劣化は、奥行き方向の外力成分Ｆ’Ｄによる半導体チッ
プ２３の位置合わせ精度劣化と同程度に改善される。
なお、本考案においては、第５図に示すように長円形パ
ッド１２．１５を半導体チップ１３の中心Ｏに対して放
射状に配置した場合でも、第１図に示す例と同様の作用
がある。
次に、方形状のパッドおよび円形状のパッドを用いた半
田接続子１個当たりのセルフアライメント能力につき、
第６図〜第１３図を用いて説明する。
第６図（ａ）〜（Ｃ）は長方形パッド２２．２５を用い
て半導体チップ２３を基板２１上に搭載した場合の図で
、説明を簡単にするために半田接続子２４の形状を角柱
形状と近似している。この場合、外力Ｆ方向から見たパ
ッド幅ｄは、第７図で示す正方形パッド２２ａ、２５ａ
の幅ｄ′に比べて大きい寸法に設定されている。そして
、外力Ｆによって半導体チップ２３がδだけ移動すると
、半田接続子２４の変形は等種変形であるから、接続高
さｈは不変となり、Ｃ面およびＤ面の面積は不変である
。一方、Ａ面およびＢ面は、底辺ｄ、高さ（ｈ”＋δす
Ｉ／ｚの長方形であるから、その面積はパッド幅ｄと半
導体チップ２３の位置ずれ量δの関数が、 Ｓ＝２・ｄ・（ｈ”＋δりＩ／！　　　　　　　・・・
（４）となる。
第９図は本実施例による長方形パッド２２．２５（幅ｄ
×奥行きｄ’）と正方形パッド２２ａ　、　２５ａ　（
幅ｄ′×奥行きｄ’）について、（２）式、（４）式か
ら外乱エネルギーＥと半導体チップの位置ずれδの関係
を求めた例である。これより、成る外乱エネルギーＥ０
が作用した場合の半導体チップの位置ずれδは、長方形
パッド２２．２５の方が正方形パッド２２ａ。
２５ａよりも明らかに小さいことが分かる。
第１０図（ａ）〜（Ｃ）は長円形パッド１２．１５を用
いて基板２１上に半導体チップ２３を搭載した場合の図
で、説明を簡単にするために半田接続子の形状は二次曲
面体の（３）式で近似されている。この場合、外力Ｆ方
向から見たパッド幅ｄは、第１１図に示す円形パッド１
２ａ、１５ａの幅ｄ′に比べて大きい寸法に設定されて
いる。
第１２図は本実施例による長円形パッド１２．１５（幅
ｄ×奥行きｄ”＝長径ｄ×短径ｄ”）と円形パッド１２
ａ、１５ａ（パッド幅ｄ’ｘ奥行きｄ”＝パッド直径ｄ
’）について、（２）式、（３）式から外乱エネルギー
Ｅと半導体チップの位置ずれ量δの関係を求めた例であ
る。これより、成る外乱エネルギーＥ０が加えられた場
合の半導体チップ１３の位置ずれ量δは、長円形（楕円
形）パッドの方が円形パッドよりも明らかに小さいこと
が分かる。
第１３図（ａ）〜（Ｃ）は、長方形パッドと正方形パッ
ド上に半田めっき法によって半田接続子を形成する製造
プロセスを例として、本発明による半田接続子を形成す
るのに必要な領域Ｓ、と、本発明による半田接続子と同
等のセルフアライメント能力をもつ従来の半田接続子を
形成するのに必要な領域Ｓｂとを比較した図である。こ
れにより、プロセスで制限される半田接続子のスパン限
界を例えばパッド長ｌと同等とした場合の半田接続子は
従来の正方形パッドを用いた場合に比べ狭い領域で形成
可能であることが分かる。すなわち、半田接続子の形成
可能な領域が制限された半導体チップにおいて、本発明
による両パッド間に半田接続子を介在させることにより
半導体チップの位置ずれ量δを低減することができるの
である。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、基板と半導体チッ
プのパッドの平面縦横寸法のうち一方側の寸法を他方側
の寸法より大きい寸法に設定したので、パッドの平面縦
横寸法比が同一である半田接続子を使用する場合と比較
して外乱エネルギーを大きな表面積で受は止めることが
できる。したがって、半田接続子の一個当たりのセルフ
アライメント能力を高めることができると共に、同等の
セルフアライメント能力もつ従来の半田接続子を形成し
た場合と比較して接続子形成に必要とされる領域を小さ
くすることができるから、半田接続子の個数を増加した
り、あるいは半田接続子の高さを低くしたりする手段を
採用することなく、外力による半導体チップの位置ずれ
を減少させることができ、多数の半田接続子が形成でき
ない半導体チップや高い接続信鎖性を要する半導体チッ
プを基板に対して高精度に位置合わせすることができる
。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａｌ〜（Ｃ）は本発明に係る半導体装置の一実
施例を示す平面図、正面図、側面図、第２図は他の実施
例における半導体チップを示す平面図、第３図（ａ）〜
（Ｃ）は本発明における他の実施例を示す平面図、正面
図、側面図、第４図は第３図の半導体装置と比較する従
来の半導体装置における半導体チップを示す平面図、第
５図（ａ）および申）は本発明の半導体装置と比較する
従来の半導体装置を示す平面図と正面図、第６図（ａ）
〜（Ｃ）、第７図および第８図は本発明と従来の方形パ
ッドを各半導体装置に適用した場合の図、第９図は方形
パッドを使用した場合の半導体チップのずれ量を示す図
、第１０図（ａ）〜（Ｃ）および第１１図は本発明と従
来の円形パッドを各半導体装置に適用した場合の図、第
１２図は円形パッドを使用した場合の半導体チップのず
れ量を示す図、第１３図（ａ）〜（ｄ）は本発明による
半田接続子を形成するのに必要な領域と従来の半田接続
子を形成するのに必要な領域の大きさを比較した図、第
１４図（ａｌおよび（ｂｌは従来の半導体装置を示す正
面図、第１５図（ａ）および（ｂ）は半田接続子におけ
る狭スパン化の限界を説明するためにめっきプロセスを
例として示す図、第１６図は外乱エネルギーと半田接続
子の表面積変化の関係、半田接続子の表面積変化と半導
体チップのずれ量の関係を示す図、第１７図は半田接続
子の数をパラメータとして外乱エネルギーと半導体チッ
プの位置ずれ量の関係を示す図、第１８図は半田接続子
の高さをパラメータとして外乱エネルギーと半導体チッ
プの位置ずれ量の関係を示す図、第１９図（ａ）〜（ｄ
）は半田接続子に表面積変化を与えた場合における半導
体チップのずれ量を示す図である。 ２１・・・・基板、２２・・・・長円形パッド、２３・
・・・半導体チップ、２４・・・・半田接続子、２５・
・・・長円形パッド。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 基板のパッドと半導体チップのパッドとの間に半田接続
    子を介在させてなる半導体装置において、前記パッドの
    平面縦横寸法のうち一方側の寸法を他方側の寸法より大
    きい寸法に設定したことを特徴とする半導体装置。
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