JPH07321114A - 半導体装置のハンダバンプ形成の方法および構造 - Google Patents

半導体装置のハンダバンプ形成の方法および構造

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JPH07321114A
JPH07321114A JP6108397A JP10839794A JPH07321114A JP H07321114 A JPH07321114 A JP H07321114A JP 6108397 A JP6108397 A JP 6108397A JP 10839794 A JP10839794 A JP 10839794A JP H07321114 A JPH07321114 A JP H07321114A
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plating
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thin film
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Akiteru Rai
明照 頼
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    • 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
    • H01L2224/11Manufacturing methods

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 Auバンプ形成とハンダバンプ形成のプロセ
スラインをできる限り共用し、コストダウンを図る。 【構成】 半導体チップ1の電極部にTiW薄膜4とA
u薄膜5を形成し、フォトレジスト6をパターニング
し、メッキAu7を堆積し、必要に応じてさらにメッキ
Ni8を堆積し、さらに必要に応じてメッキハンダ9
(Sn/Pb)を堆積する。フォトレジスト6を剥離
し、Au薄膜5とTiW薄膜4の不要部分をエッチング
除去した後、メッキハンダ9を球状化してハンダバンプ
10を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、フリップチップボンデ
ィング方式によって半導体チップをフェイスダウン実装
する場合のハンダバンプの形成の方法および構造に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体素子の微細化に伴い、接続
端子数が多端子化の傾向にある。そのため、半導体チッ
プの実装工程においては、従来のワイヤボンディングに
よる端子接続方法では対処しきれなくなっており、新た
にTCP方式やフリップチップボンディング方式が脚光
を浴びるようになってきた。
【0003】TCP方式は、Auによる突起電極(Au
バンプ)を介して半導体チップの取り出し電極部とテー
プキャリアのリードとを接合するILB(インナーリー
ドボンディング)工程と、キャリアテープから打ち抜い
たリード付き半導体チップを基板上に実装するOLB
(アウターリードボンディング)工程とからなる。一般
に、Auバンプは図6(e)に示すようなバンプ構造が
採用されている。1は半導体チップ、2はAl電極、3
はSiN絶縁層、4はTiW薄膜、5はAu薄膜、17
はAuバンプである。チップ上のAl電極2とAuバン
プ17との間の中間金属層には、TiW,Au等の多層
金属膜がよく用いられている。
【0004】一方、フリップチップボンディング方式と
は、半導体チップの取り出し電極部としてハンダによる
突起電極を形成した後、これを基板上へフェイスダウン
ボンディングするものである。一般に図7(f)に示す
ようなバンプ構造がよく採用されている。1は半導体チ
ップ、2はAl電極、3はSiN絶縁層、4はTiW薄
膜、15はCu薄膜、16はメッキCu、10はハンダ
バンプ(Sn/Pb)である。チップ上のAl電極2と
ハンダバンプ10との間の中間金属層には、TiW,C
uやCr,Cu等の多層金属膜がよく用いられている。
また、ハンダ材料としては、一般にSn対Pbが63:
37の共晶ハンダが用いられる。
【0005】以上に示したように、Auバンプとハンダ
バンプとでは、各々バンプ材料や中間金属層が異なるた
めに、作製するプロセスも違っている。これらのバンプ
形成方法の一例を次に示す。
【0006】図6の(a)〜(e)は一般的なAuバン
プの形成プロセスを示している。まず、図6(a)で示
すAl電極2上にSiN絶縁層3を形成した半導体ウェ
ーハ1上にスパッタリングによってTiW薄膜4および
Au薄膜5を堆積する(図6(b))。次に、フォトレ
ジスト6をパターニングし、バンプ形成部のみを開口す
る(図6(c))。次に、メッキAu7を電解メッキに
よって開口部に堆積する(図6(d))。さらに、フォ
トレジスト6を剥離し、バンプ直下以外のTiW薄膜
4,Au薄膜5をエッチングによって除去した後、アニ
ールを行い(図6(e))、Auバンプ17を得る。
【0007】次に、図7の(a)〜(f)は一般的なハ
ンダバンプの形成プロセスを示している。まず、図7
(a)で示すAl電極2上にSiN絶縁層3を形成した
半導体チップ1上にスパッタリングによってTiW薄膜
4およびCu薄膜15を堆積する(図7(b))。次
に、フォトレジスト6をパターニングし、バンプ形成部
のみを開口する(図7(c))。次に、メッキCu16
およびメッキハンダ9(Sn/Pb)を電解メッキによ
って開口部に堆積する(図7(d))。さらに、フォト
レジスト6を剥離し、バンプ直下以外のTiW薄膜4,
Cu薄膜15をエッチングによって除去する(図7
(e))。最後に、不活性雰囲気中でリフローを行うこ
とによってハンダを球状化し(図7(f))、ハンダバ
ンプ10を得る。
【0008】なお、ハンダバンプ構造において、メッキ
Cu16を用いている理由は、Cuがハンダ中に拡散し
やすいという物性をもつため、後のフリップチップボン
ディング工程や耐環境試験において、Cu薄膜15の厚
さだけではすべてのCuがハンダ中へ拡散してしまい、
その結果、TiW薄膜4とハンダバンプ10との間で剥
離を起こす危険性があるためである。したがって、一般
的には、約5μm程度のCuをメッキ16によりCu薄
膜15上に堆積している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、TCP
とフリップチップの両方式に対応するバンプ製造メーカ
ーにとっては、半導体装置のAl電極2の部分にAuバ
ンプ17を形成するプロセスラインとハンダバンプ10
を形成するプロセスラインの両方を構築する必要があ
る。
【0010】図8は従来のAuバンプおよびハンダバン
プを形成する工程フロー図である。
【0011】Auバンプ形成の工程は実線で示してあ
り、ハンダバンプ形成の工程は破線で示してある。この
Auバンプ作製プロセスとハンダバンプ作製プロセスを
比較した場合、次の点で相違している。
【0012】 中間金属層のスパッタリングプロセス メッキプロセス 中間金属層のエッチング除去プロセス リフロープロセス(Auバンプの場合はアニールプ
ロセス) Auバンプ形成のスパッタリング工程n11において
は、使用する装置はスパッタであり、プロセス条件は、
〔TiW薄膜(数千Å)+Au薄膜(数百Å)〕であ
る。
【0013】一方、ハンダバンプ形成のスパッタリング
工程n12においては、使用する装置はスパッタであ
り、プロセス条件は、〔TiW薄膜(数千Å)+Cu薄
膜(数百Å)〕である。Au薄膜とCu薄膜で相違して
いる。
【0014】共通のフォト工程n13においては、使用
する装置はレジストコーター,アライナーおよび現像槽
であり、プロセス条件は、〔ポジ型レジスト(数μm
厚)〕である。
【0015】Auバンプ形成のメッキ工程n14におい
ては、使用する装置はAuメッキ槽であり、プロセス条
件は、〔Au(数μm厚〜数十μm厚)〕である。
【0016】一方、ハンダバンプ形成のメッキ工程n1
5においては、使用する装置はハンダメッキ槽であり、
プロセス条件は、〔ハンダ(数μm厚〜数十μm厚)〕
である。装置も条件も相違している。
【0017】Auバンプ形成のエッチング工程n16に
おいては、使用する装置はエッチング槽であり、プロセ
ス条件は、〔ヨウ素系エッチャントによるAu薄膜のエ
ッチング、過酸化水素水系エッチャントによるTiW薄
膜のエッチング〕である。
【0018】一方、ハンダバンプ形成のエッチング工程
n17においては、使用する装置はエッチング槽であ
り、プロセス条件は、〔アルカエッチ剤(ヤマトヤ商
会)によるCu薄膜のエッチング、過酸化水素水系エッ
チャントによるTiW薄膜のエッチング〕である。条件
が相違している。
【0019】Auバンプ形成のアニール工程n18にお
いては、使用する装置はオーブンであり、プロセス条件
は、〔約300℃〕である。
【0020】ハンダバンプ形成のリフロー工程n19に
おいては、使用する装置はリフロー浴であり、プロセス
条件は、〔250℃,グリセリン〕である。
【0021】Auバンプ形成のフローとハンダバンプ形
成のフローとにおいて、フォト工程n13のみしか共通
となっていない。
【0022】したがって、両方のバンププロセスを構築
しようとすると、以上の各プロセスにおいて、それぞれ
特有の装置、プロセス条件が必要となるため、設備投資
の額が大きくなり、その結果、バンプ形成コストが増大
するという問題があった。
【0023】本発明は、このような事情に鑑みて創案さ
れたものであって、ハンダバンプ構造およびプロセスを
改良することによって、両バンプ形成プロセスラインを
できる限り共用できるようにすることを目的としてい
る。
【0024】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明に係る請求項1の半導体装置のハンダバ
ンプ形成方法は、フリップチップ実装に用いるバンプ付
き半導体装置におけるハンダバンプの形成方法であっ
て、ハンダメッキ工程の前にAuバンプ形成のための電
解Auメッキ工程を導入することを特徴とするものであ
る。
【0025】(2) 本発明に係る請求項2の半導体装
置のハンダバンプ形成方法は、上記請求項1の方法にお
いて、Auメッキ工程とハンダメッキ工程との間にNi
メッキ工程を介入させることを特徴とするものである。
【0026】(3) 本発明に係る請求項3の半導体装
置のハンダバンプ形成方法は、上記請求項1の方法にお
いて、メッキによって形成するハンダがIn/Pb合金
であることを特徴とするものである。
【0027】(4) 本発明に係る請求項4の半導体装
置のハンダバンプ形成構造は、半導体チップに対する電
極部にメッキAuが堆積され、このメッキAuの上にメ
ッキハンダが堆積され、前記メッキハンダを球状化して
ハンダバンプに形成してあることを特徴とするものであ
る。
【0028】
【作用】Auメッキ工程を行い、必要に応じてその後に
ハンダメッキ工程を行う。Auメッキ工程でとどめれば
Auバンプが形成され、ハンダメッキ工程まで行えばハ
ンダバンプが形成される。
【0029】ただし、従来の共晶ハンダ(Sn/Pb)
は先にメッキしたAuとハンダ中のSn間で信頼性の低
下を引き起こす金属間化合物を形成しやすいため、その
対策として、ハンダメッキ工程の前にNiメッキ工程を
介入させたり、共晶ハンダの代わりにIn/Pb合金を
用いることが好ましい。
【0030】なお、In/Pb合金ハンダの場合、組成
比としてはIn/Pb=40/60〜60/40が好ま
しく、さらには50/50が好ましい。この範囲の組成
比であれば、融点が共晶ハンダとほぼ同じ(約180
℃)のため、後の基板上へのフリップチップボンディン
グも従来と同じ条件で実施できる(SMT部品との混載
も可能)。In/Pbハンダのメッキについては、In
とPbを別々にメッキした方がハンダ組成比のバラツキ
が少なく、目的の組成比のハンダバンプを得やすい。A
uメッキ厚さは従来のAuバンプのような厚さにする必
要はなく、数μmでよい。
【0031】さて、本発明によれば、Auバンプの作製
ラインに対して、ハンダのメッキ装置とリフロー装置を
追加するだけでハンダバンプの作製を行うことが可能と
なり、設備投資を必要最小限に抑えることができる。
【0032】AuとSn/Pbハンダ間にNiメッキを
しておけば、ハンダ中のSnがAuと拡散を起こすこと
が少なくなり、バンプの信頼性の向上が図れる。
【0033】一方、ハンダの材質としてIn/Pb合金
を用いれば、先にメッキしたAuとの拡散が起こりにく
いため、Niメッキをしなくてもバンプの信頼性が向上
する。
【0034】図5及び図9は本発明によって形成したハ
ンダバンプ付半導体チップを基板上に実装した場合の断
面図を示す。図9は基板側のボンディングパッド部にハ
ンダダム(ソルダーレジストによるハンダの流れ出しを
防止するパターン)が形成されている場合の図であり、
(ハンダダムは図示していない)、実装後の接続部はハ
ンダの表面張力により、チップ−基板間のギャップを保
つことができる。一方、基板側のボンディングパッド部
にハンダダムを設けない場合、本発明によれば、図5で
示すように半導体チップを基板上へボンディングした時
にバンプのハンダが基板側パッド周辺に流れ出してしま
うが、半導体チップ上のメッキAuがストッパーの役目
を果たし、半導体チップと基板との接触を防いでくれる
というメリットがある。
【0035】
【実施例】以下、本発明に係る半導体装置のハンダバン
プ形成方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【0036】〔第1実施例〕この第1実施例は半導体チ
ップ上にハンダバンプを形成するプロセスの一例であ
る。図1の(a)〜(f)にそのプロセスを示す。
【0037】図1(a)に示すAl電極2上にSiN絶
縁層3を形成し電極部のみを窓開けした半導体チップ1
に対して、まず、その表面にスパッタリングによってT
iW薄膜4とAu薄膜5とを連続的に形成する(図1
(b))。次に、フォトレジスト6をパターニングし、
後に形成されるバンプ部のみを約70μm径で開口する
(図1(c))。次に、5μm厚さのメッキAu7を電
解メッキによって堆積し、その後、必要に応じて、3μ
m厚さのメッキNi8およびメッキハンダ9(Sn/P
b=63/37)を連続的に電解メッキによって開口部
に堆積する(図1(d))。さらに、フォトレジスト6
をアセトン溶液中で剥離した後、バンプ直下以外のAu
薄膜5とTiW薄膜4の部分をそれぞれヨウ素系エッチ
ング液および過酸化水素水系エッチング液でエッチング
し除去する(図1(e))。最後に、250℃のグリセ
リン浴中に投入してメッキハンダ9を球状化し、ハンダ
バンプ10を得る(図1(f))。
【0038】この実施例によれば、メッキAu7の堆積
の後に、ハンダバンプ10となるべきメッキハンダ9を
堆積している。すなわち、Auメッキラインおよびハン
ダメッキラインの装置の一部分の共有化が可能となり、
設備投資を抑え、コストダウンが期待できる。
【0039】また、メッキAu7とメッキハンダ9(S
n/Pb)との間にメッキNi8を介在させることによ
り、Au−Sn拡散を抑制し、バンプの信頼性を向上さ
せることが可能となる。
【0040】〔第2実施例〕この第2実施例は半導体チ
ップ上にハンダバンプを形成するプロセスの他の一例で
ある。図2の(a)〜(f)にそのプロセスを示す。
【0041】図2(a)に示すAl電極2上にSiN絶
縁層3を形成し電極部のみを窓開けした半導体チップ1
に対して、まず、その表面にスパッタリングによってT
iW薄膜4とAu薄膜5とを連続的に形成する(図2
(b))。次に、フォトレジスト6をパターニングし、
後に形成されるバンプ部のみを約70μm径で開口する
(図2(c))。次に、5μm厚さのメッキAu7、メ
ッキPb11およびメッキIn12を連続的に電解メッ
キによって開口部に堆積する(図2(d))。さらに、
フォトレジスト6をアセトン溶液中で剥離した後、バン
プ直下以外のAu薄膜5とTiW薄膜4の部分をそれぞ
れヨウ素系エッチング液および過酸化水素水系エッチン
グ液でエッチングし除去する(図2(e))。最後に、
フラックスの存在下で約350℃のピーク温度をもつリ
フロー炉に投入することによってメッキIn12とメッ
キPb11をハンダ化するとともに、ハンダを球状化
し、ハンダバンプ13を得る(図2(f))。このよう
にして形成されたハンダバンプ13は、In/Pbがほ
ぼ50/50の組成比となっている。
【0042】この実施例によれば、メッキAu7の堆積
の後に、ハンダバンプ13となるべきメッキPb11お
よびメッキInを堆積している。すなわち、Auメッキ
ラインおよびハンダメッキラインの装置の一部分の共有
化が可能となり、設備投資を抑え、コストダウンが期待
できる。
【0043】また、ハンダ材として、In/Pbを用い
ることにより、Auとの拡散を抑制し、バンプの信頼性
を向上させることができる。InとPbを別々にメッキ
することで、組成比のバラツキを抑えることができるた
め、ハンダバンプの融点のバラツキが小さくなり、フリ
ップチップ実装時の歩留まりが向上する。また、In/
Pbの組成比を40/60〜60/40に制御し、ハン
ダの融点をSn/Pbの共晶ハンダのレベルに合わせる
ことによって、SMT部品と同時リフローによる混載が
可能となる。
【0044】〔第3実施例〕この第3実施例は半導体チ
ップ上にハンダバンプを形成するプロセスのさらに別の
一例である。図3の(a)〜(f)にそのプロセスを示
す。
【0045】図3(a)に示すAl電極2上にSiN絶
縁層3を形成し電極部のみを窓開けした半導体チップ1
に対して、まず、その表面にスパッタリングによってT
iW薄膜4とAu薄膜5とを連続的に形成する(図3
(b))。次に、フォトレジスト6をパターニングし、
後に形成されるバンプ部のみを約70μm径で開口する
(図3(c))。次に、5μm厚さのメッキAu7およ
びメッキハンダ14(In/Pb=50/50)を連続
的に電解メッキによって開口部に堆積する(図3
(d))。さらに、フォトレジスト6をアセトン溶液中
で剥離した後、バンプ直下以外のAu薄膜5とTiW薄
膜4の部分をそれぞれヨウ素系エッチング液および過酸
化水素水系エッチング液でエッチングし除去する(図3
(e))。最後に、250℃のグリセリン浴中に投入し
てメッキハンダ14を球状化し、ハンダバンプ13を得
る(図3(f))。
【0046】この実施例によれば、メッキAu7の堆積
の後に、ハンダバンプ13となるべきメッキハンダ14
を堆積している。すなわち、Auメッキラインおよびハ
ンダメッキラインの装置の一部分の共有化が可能とな
り、設備投資を抑え、コストダウンが期待できる。
【0047】また、ハンダ材として、In/Pbを用い
ることにより、Auとの拡散を抑制し、バンプの信頼性
を向上させることができる。また、In/Pbの組成比
を40/60〜60/40に制御し、ハンダの融点をS
n/Pbの共晶ハンダのレベルに合わせることによっ
て、SMT部品と同時リフローによる混載が可能とな
る。
【0048】図4は本発明の半導体装置のハンダバンプ
形成方法のフローを示したものである。Auバンプ形成
の工程は実線で示してあり、ハンダバンプ形成の工程は
破線で示してある。
【0049】スパッタリング工程n1においては、使用
する装置はスパッタであり、プロセス条件は、〔TiW
薄膜4(数千Å)+Au薄膜5(数百Å)〕である。
【0050】フォト工程n2においては、使用する装置
はレジストコーター,アライナーおよび現像槽であり、
プロセス条件は、〔ポジ型レジスト(数μm厚)〕であ
る。
【0051】メッキ工程n3においては、使用する装置
はAuメッキ槽であり、プロセス条件は、〔Au(数μ
m厚〜数十μm厚)〕である。
【0052】メッキ工程n4においては、使用する装置
はハンダメッキ槽であり、プロセス条件は、〔ハンダ
(数μm厚〜数十μm厚)〕である。
【0053】Auバンプのみを作製するときはメッキ工
程n4は省略し、ハンダバンプを作製するときはメッキ
工程n4を実施する。
【0054】エッチング工程n5においては、使用する
装置はエッチング槽であり、プロセス条件は、〔ヨウ素
系エッチャントによるAu薄膜のエッチング、過酸化水
素水系エッチャントによるTiW薄膜のエッチング〕で
ある。
【0055】アニール工程n6においては、使用する装
置はオーブンであり、プロセス条件は、〔約300℃〕
である。
【0056】リフロー工程n7においては、使用する装
置はリフロー浴であり、プロセス条件は、〔250℃,
グリセリン〕である。
【0057】Auバンプ形成のフローとハンダバンプ形
成のフローとにおいて、スパッタリング工程n1,フォ
ト工程n2,メッキ工程n3およびエッチング工程n5
が共通となっている。
【0058】図5は半導体チップを基板に対してフリッ
プチップ実装したときの一例を示したものである。1は
半導体チップ、7はメッキAu、10はハンダバンプ、
18は基板、19はボンディングパッドである。本例の
ように、基板側のボンディングパッド19がハンダダム
を持たないためにハンダの濡れ領域が大きくなってしま
った場合でも、フリップチップ実装する時に、メッキA
u7がストッパーの役目を果たすので、溶融ハンダが流
れ出してもチップ−基板間の接触を防ぐことが可能とな
る。
【0059】
【発明の効果】本発明によれば、Auバンプの作製ライ
ンに対して、ハンダのメッキ装置とリフロー装置を追加
するだけでハンダバンプの作製を行うことが可能とな
り、設備投資を必要最小限に抑えてコストダウンを図る
ことができる。
【0060】また、AuとSn/Pbハンダ間にNiメ
ッキを施すことにより、ハンダ中のSnがAuと拡散を
起こすことを抑制し、バンプの信頼性を向上させること
ができる。
【0061】一方、ハンダの材質としてIn/Pb合金
を用いれば、先にメッキしたAuとの拡散が起こりにく
いため、Niメッキをしなくてもバンプの信頼性を向上
させることができる。
【0062】ハンダバンプ形成構造として、メッキAu
の上にメッキハンダが堆積され、そのメッキハンダを球
状化してハンダバンプに形成した構造とすれば、このバ
ンプ付きのチップを基板上にフリップチップ実装する場
合、基板側ボンディングパッド部にハンダの溶融、流れ
出しが起こってもメッキAuがストッパーの役目を果た
してチップ−基板間のギャップを保持することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係り、半導体チップの電
極上にハンダバンプを形成するプロセスを示す工程断面
図である。
【図2】本発明の第2実施例に係り、半導体チップの電
極上にハンダバンプを形成するプロセスを示す工程断面
図である。
【図3】本発明の第3実施例に係り、半導体チップの電
極上にハンダバンプを形成するプロセスを示す工程断面
図である。
【図4】実施例におけるAuバンプおよびハンダバンプ
を形成する工程フロー図である。
【図5】実施例においてチップを基板に実装するときの
様子を示す断面図である。
【図6】従来例におけるAuバンプの形成プロセスを示
す工程断面図である。
【図7】従来例におけるハンダバンプの形成プロセスを
示す工程断面図である。
【図8】従来例におけるAuバンプおよびハンダバンプ
を形成する工程フロー図である。
【図9】本発明においてチップを基板に実装するときの
様子を示す断面図である。
【符号の説明】
1……半導体チップ 2……Al電極 3……SiN絶縁層 4……TiW薄膜 5……Au薄膜 6……フォトレジスト 7……メッキAu 8……メッキNi 9……メッキハンダ(Sn/Pb) 10……ハンダバンプ(Sn/Pb) 11……メッキPb 12……メッキIn 13……ハンダバンプ(In/Pb) 14……メッキハンダ(In/Pb) 15……Cu薄膜 16……メッキCu 17……Auバンプ 18……基板 19……ボンディングパッド

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フリップチップ実装に用いるバンプ付き
    半導体装置におけるハンダバンプの形成方法であって、
    ハンダメッキ工程の前にAuバンプ形成のための電解A
    uメッキ工程を導入することを特徴とする半導体装置の
    ハンダバンプ形成方法。
  2. 【請求項2】 Auメッキ工程とハンダメッキ工程との
    間にNiメッキ工程を介入させることを特徴とする請求
    項1に記載の半導体装置のハンダバンプ形成方法。
  3. 【請求項3】 メッキによって形成するハンダがIn/
    Pb合金である請求項1に記載の半導体装置のハンダバ
    ンプ形成方法。
  4. 【請求項4】 半導体チップに対する電極部にメッキA
    uが堆積され、このメッキAuの上にメッキハンダが堆
    積され、前記メッキハンダを球状化してハンダバンプに
    形成してあることを特徴とする半導体装置のハンダバン
    プ形成構造。
JP6108397A 1994-05-23 1994-05-23 半導体装置のハンダバンプ形成の方法および構造 Pending JPH07321114A (ja)

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