JPH05226419A - 半導体素子と基板の接続構造 - Google Patents

半導体素子と基板の接続構造

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JPH05226419A
JPH05226419A JP3167287A JP16728791A JPH05226419A JP H05226419 A JPH05226419 A JP H05226419A JP 3167287 A JP3167287 A JP 3167287A JP 16728791 A JP16728791 A JP 16728791A JP H05226419 A JPH05226419 A JP H05226419A
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JP
Japan
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bump electrode
substrate
semiconductor element
solder
rod
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JP3167287A
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English (en)
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Yutaka Karasuno
ゆたか 烏野
Yoshiro Takahashi
良郎 高橋
Toshimitsu Yamashita
俊光 山下
Yasuo Iguchi
泰男 井口
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161Disposition
    • H01L2224/16151Disposition 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
    • H01L2224/16221Disposition 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
    • H01L2224/16225Disposition 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
    • H01L2224/16237Disposition 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 bonding area disposed in a recess of the surface of the item

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体素子と基板のバンプ電極形状を、互い
に棒状、筒状とすることにより、半導体素子と基板との
接続の確実性と信頼性の向上を図る。 【構成】 半導体素子20を基板30へ接続する場合
に、半導体素子20の電極部に棒状バンプ電極27を形
成し、基板30の電極部にその筒状バンプ電極37の内
部を半田36により満たした筒状バンプ電極37を形成
し、その筒状バンプ電極37に前記棒状バンプ電極27
を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子と基板の接
続構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、「ハイブリッドマイクロエレクトロニクス」,
(株)シーエムシー,1985年9月25日発行,第2
10〜213頁に記載されるものがあった。図4はかか
る従来の半導体素子の基板への実装工程断面図である。
【0003】図4(a)に示すように、半導体素子1に
は、熱酸化SiO2 2、アルミ電極3、SiO2 パッシ
ベーション4をそれぞれ形成する。次に、図4(b)に
示すように、Cr/Cu層5を真空蒸着法により形成
し、ホトリソ工程により、アルミ電極部以外の部分にレ
ジストパターン6を形成し、Cr/Cu層5を給電膜と
してAu層5および半田層8を形成する。
【0004】ここで、Cr/Cu層5は、アルミ電極3
と上層のAu層5間の十分な接着力を確保し、また、熱
拡散による金属間化合物の生成を防止する目的で形成す
る。また、Au層5は、半田の電気めっき時の密着性向
上と、化学的安定性を得る目的で形成する。次いで、図
4(c)に示すように、レジストパターン6を除去し、
Cr/Cu層5をエッチングにより除去することによ
り、半導体素子側の半田バンプ電極9が完成する。
【0005】一方、Al2 3 基板10においては、図
4(d)に示すように、Ag/PdあるいはW/Ni配
線11を行う。次いで、図4(e)に示すように、配線
11上に溶融半田の流出防止のためにガラスダム12を
設け、ハンダバンプ電極13を形成する。そこで、図4
(f)に示すように、半田バンプ電極9が形成された半
導体素子1と半田バンプ電極13が形成された基板10
を、それぞれの接続の際、所定の位置同士となるよう
に、ハーフミラーやTVカメラを用いてアライメントを
行なう。
【0006】次いで、図4(g)に示すように、半導体
素子1上の半田バンプ電極9と基板10上の半田バンプ
電極13がそれぞれ融解して一体化するように、半田の
融点よりも若干高温で加熱を行ない、半田バンプ電極1
5を介して、半導体素子と基板間の電気的及び構造的接
続を行う。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述
べた従来の半田バンプ電極構造による、半導体素子ある
いは基板を対象とした接続法においては、以下に述べる
様な問題点があった。 (1)半田バンプ電極の形成にめっきを用いるのが常で
あるため、この際、試料内容の各位置における電流密度
分布の不均一さから、10%前後のめっき厚のばらつき
を生じ、同一試料内においてもバンプ電極の高さを一定
に揃えることができない。
【0008】その結果、例えば半導体素子を基板に実装
する際に、半導体素子上の全てのバンプ電極を、確実に
基板側のバンプ電極と接続することが困難であった。 (2)更に、前記による方法では、接続部の疲労寿命と
いう観点での信頼性の面においても大きな問題があっ
た。例えば、半導体素子の基板に実装する際、通常半導
体素子と基板との熱膨張係数は異なるため、半導体素子
内部よりの発熱や、動作循環の温度変化により、特に半
田と、半導体素子あるいは基板の接続部において相対変
位が生じ、半田バンプ電極部にせん断力が加わり、その
結果クラックの発生などによる断線が誘起される。
【0009】このような欠陥は、特に球状のバンプ電極
において発生しやすく、円柱状あるいは鼓状のバンプ電
極において応力集中が緩和されるため発生し難い。そこ
で、本発明は、以上述べた(1)バンプ電極高さのばら
つきによる局所的接続不良、(2)バンプ電極形状が球
状であることによる接続部疲労寿命の短縮等の問題を除
去するために、接続対象物両者のバンプ電極形状を、互
いに棒状、筒状とすることにより、半導体素子あるいは
基板を対象とした接続の確実性と信頼性の向上を図り得
る半導体素子と基板との接続構造を提供することを目的
とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、半導体素子と基板の半田バンプによる接
続構造において、前記半導体素子と基板とのいずれか一
方に、棒状バンプ電極を形成し、他方にその内部を半田
により満たした筒状バンプ電極を形成し、該筒状バンプ
電極に前記棒状バンプ電極を接続するようにしたもので
ある。
【0011】
【作用】本発明によれば、基板あるいは半導体素子を対
象とした接続において、接続対象物の一方の電極上に棒
状バンプ電極を形成し、他方の電極上にその内部を半田
により満たした筒状バンプ電極を形成し、この組合せを
もって一対の接続単位とする。また、棒状バンプ電極の
長さを筒状バンプ電極の深さより大きくすることによ
り、その接続性の改善及び信頼性の向上を図ることがで
きる。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。図1は本発明の実施例を示す半導体素
子と基板との接続工程断面図である。まず、図1(a)
に示すように、棒状バンプ電極27を形成した半導体素
子20と、筒状バンプ電極37内に半田39を有する基
板30との接続は、半導体素子20が基板30の所定の
位置、すなわち棒状バンプ電極27が筒状バンプ電極3
7内に収まるような位置になるように、ハーフミラーと
TVカメラを用いてアライメントを行う。
【0013】次に、図1(b)に示すように、上記半導
体素子20と基板30とをベルト式焼成炉内にて加熱す
ることにより完了する。図2は本発明の実施例示す半導
体素子への棒状バンプ電極の形成工程断面図である。ま
ず、図2(a)に示すように、Siの基板20上にバン
プ電極形成箇所以外がSiO2 のパッシベーション膜2
2に覆われた、アルミ配線21が形成されている。
【0014】次に、図2(b)に示すように、電極上
に、密着性向上のためのCr層23を、またその上層
に、金属間化合物の生成防止のための拡散防止バリアメ
タルとしてNi層24を真空蒸着法により形成し、ホト
リソ工程を通してパターン形成する。なお、各層の金属
やその形成方法は特にここに示すものに限定されるもの
ではなく、場合によって種々選ばれる。
【0015】次に、図2(c)に示すように、Cu等の
給電膜25をスパッタにより形成し、レジストパターン
26を形成後、電気めっきにより、Cu等の棒状バンプ
電極27を形成する。その後、図2(d)に示すよう
に、レジストパターン26を除去し、給電膜25をエッ
チングにより除去する。なお、ここでは、棒状バンプ電
極27の長さを8μmとした。
【0016】図3は本発明の実施例示す基板へのバンプ
電極形成工程断面図である。まず、上記半導体素子を実
装するための基板には、図3(a)に示すように、アル
ミナセラミック等の基板30上に、バンプ電極形成箇所
以外がポリイミド樹脂等の耐熱性を有するパッシベーシ
ョン膜32で覆われた、銅等の配線31が形成されてい
る。
【0017】また、基板はここに示される構造に限定さ
れるものではなく種々選ばれる。次いで、図3(b)に
示すように、電極上に、パッシベーション膜32と、電
極との密着性を改善するための、蒸着によるCr/Cu
膜33を形成する。このCr/Cu膜33は、後工程で
行なうめっき時の給電膜の役割も果たす。次に、図3
(c)に示すように、レジストパターン34をホトリソ
工程により形成した後に、電気めっきにより半田が基板
30内の配線31への熱拡散を防止する銅等のバリア層
35を形成する。
【0018】次に、レジストパターン34を除去した
後、図3(d)に示すように、新たにレジストパターン
36を形成し、バリア層35上に電気めっきにより銅等
の筒状バンプ電極37を形成する。次いで、レジストパ
ターン36を除去した後、図3(e)に示すように、新
たにレジストパターン38を形成し、電気めっきにより
半田39を筒状バンプ電極37内に形成する。
【0019】次に、図3(f)に示すように、レジスト
パターン38、及び電極部以外の給電膜33を除去す
る。なお、半田39が、筒状バンプ電極37の高さより
はみ出さないようにするため、半田の融点よりも若干高
い温度にて加熱し、半田39を筒状バンプ電極37内に
レベリングする。
【0020】ここで、筒状バンプ電極37の長さを4μ
mとした。上記したように、筒状バンプ電極37の深さ
が4μmであるのに対し、棒状バンプ電極27の長さが
8μmと大きいため、筒状バンプ電極37の先端部に半
導体素子側の電極部が接触することがない。そのため半
導体素子と基板との接続は全電極において棒状バンプ電
極と、筒状バンプ電極内の半田の接触により得ることが
できる。
【0021】また、めっき時に試料内における筒状バン
プ電極の深さ及び棒状バンプ電極の長さに若干のばらつ
きがあったが、筒状バンプ電極内にそのばらつきによる
接触不良を完全に解消できる量の半田を満たすことによ
り、半導体素子と基板の接続を確実に行なうことができ
る。さらに、このようにして形成された電極の接続部
は、棒状バンプ電極下部に溶融した半田が表面張力でま
とわり付くことにより半鼓状の形状を作っていることが
観察により確かめられた。このため、この接続部の構造
は、基板と半導体素子との熱膨張係数の違いからくる相
対変位による応力集中の影響を受けにくいものとなって
いた。
【0022】なお、本実施例の説明においては、半導体
素子側に棒状バンプ電極、基板側に筒状バンプ電極を形
成したが、その逆でもよい。すなわち図示しないが、半
導体素子側に筒状バンプ電極を形成し、基板側に棒状バ
ンプ電極を形成するようにしてもよい。更に、半導体素
子と基板以外のものの接続にも適用することができる。
【0023】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能で
あり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0024】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。 (1)棒状バンプ電極側と筒状バンプ電極側との接続
は、棒状バンプ電極の長さが筒状バンプ電極の深さより
も大きいため、筒状バンプ電極の先端部に棒状バンプ電
極側が接触することなく、全バンプ電極において加熱時
に棒状バンプ電極が溶融した半田中に沈み込むことで得
ることができる。この際、同一試料内において棒状バン
プ電極の長さ及び筒状バンプ電極の深さに若干ばらつき
がある場合でも、適量の半田を筒状バンプ電極内に形成
しておくことにより、ばらつきによる接続不良の問題を
なくすことができる。
【0025】(2)棒状バンプ電極と筒状バンプ電極内
の半田との接続によって得られる接続部は、溶融した半
田が表面張力によって棒状バンプ電極にまとわり付くこ
とにより半鼓状の形状を作っている。そのため、従来の
球状バンプ電極の場合とは異なり、半導体素子と基板と
の相対変位による応力集中が生じ難い接続構造、すなわ
ち疲労破壊寿命に対する信頼性の高い形状となってい
る。
【0026】以上述べたように、本発明によれば、半導
体素子あるいは基板を対象とした接続において、確実
で、しかも高信頼性の高い接続を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す半導体素子と基板との接
続工程断面図である。
【図2】本発明の実施例示す半導体素子への棒状バンプ
電極の形成工程断面図である。
【図3】本発明の実施例示す基板へのバンプ電極形成工
程断面図である。
【図4】従来の半導体素子の基板への実装工程断面図で
ある。
【符号の説明】
20 半導体素子 21 アルミ配線 22,32 パッシベーション膜 23 Cr層 24 Ni層 25 給電膜 26,34,36,38 レジストパターン 27 棒状バンプ電極 30 基板 31 配線 33 Cr/Cu膜(給電膜) 35 バリア層 37 筒状バンプ電極 39 半田
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井口 泰男 東京都港区虎ノ門1丁目7番12号 沖電気 工業株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体素子と基板との半田バンプによる
    接続構造において、 前記半導体素子と基板とのいずれか一方に、棒状バンプ
    電極を形成し、他方にその内部を半田により満たした筒
    状バンプ電極を形成し、該筒状バンプ電極に前記棒状バ
    ンプ電極を接続してなる半導体素子と基板の接続構造。
  2. 【請求項2】 前記棒状バンプ電極の長さを、前記筒状
    バンプ電極の深さよりも大きくすることを特徴とする請
    求項1記載の半導体素子と基板の接続構造。
JP3167287A 1991-07-09 1991-07-09 半導体素子と基板の接続構造 Pending JPH05226419A (ja)

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Effective date: 19961210