JPH0793306B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPH0793306B2
JPH0793306B2 JP62195856A JP19585687A JPH0793306B2 JP H0793306 B2 JPH0793306 B2 JP H0793306B2 JP 62195856 A JP62195856 A JP 62195856A JP 19585687 A JP19585687 A JP 19585687A JP H0793306 B2 JPH0793306 B2 JP H0793306B2
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JP
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solder member
diameter
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integrated circuit
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JP62195856A
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雄介 渡辺
八郎 薫田
和夫 田中
智 陸井
吉次 阿部
恵次 真山
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Denso Corp
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NipponDenso Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、例えばフリップチップICに係るものであ
り、特に接続電極部の構造を改良した半導体集積回路装
置に関する。
[従来の技術] 従来において、フリップチップICの接続電極部分は、例
えば第9図に示すように構成されている。すなわち、半
導体素子等の回路要素を組込み形成したシリコンチップ
11とアルミナによる基板12とが対面設定されるようにな
っているもので、シリコンチップ11の基板12との対向面
には、端子電極とされる銅(Cu)によるバンプ13が突出
形成されている。また基板12上には、このバンプ13と対
向設定される位置に、接続電極とされる導体14の層が形
成されているもので、この導体14とバンプ13との間を、
半田部材15によって接続するようにしているものであ
る。
ここで、Cuバンプ13はメッキ手段によって形成されるよ
うになるものであり、等法的に成長するものであるた
め、その断面形状が基端部分で細く傘のような先頭形状
を有する構造となる。そして、このバンプ13の傘状形状
の先頭部分と導体14との間が半田部材15によって結合さ
れるようになっている。
このような電極接合構造で、冷熱の温度サイクルが繰返
し供給されるような状態となると、半田部材15とバンプ
13との接合界面部分に亀裂が進展し、破壊が生ずるよう
になる。この破壊は、半田部材15のバンプ13側の歪が、
導体14側の歪よりかなり高いことに起因するものであ
る。
[発明が解決しようとする問題点] この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、電極
接続部分において冷熱が繰返し作用したような場合で
も、その接合部に歪による亀裂が発生しないようにし
て、信頼性が確実に向上されるようにするフリップチッ
プICのような半導体集積回路装置を提供しようとするも
のである。
[問題点を解決するための手段] すなわち、この発明に係る半導体集積回路装置にあって
は、半導体チップに突出形成されるCuバンプの径と、こ
のバンプに対向設定されるようになる基板上の導体層の
径とほぼ等しく設定するものであり、また上記バンプの
外周部分を含む状態で、上記導体層との相互間を接続す
る半田部材が接触設定されるようにしているものであ
る。
[作用] このような半導体集積回路装置にあって、バンプの径と
導体層の径とをほぼ等しく設定することによって、この
相互間を結合する半田部材の中の最大歪を小さくするよ
うになるものであり、冷熱が繰返されたような場合で
も、半田に亀裂を発生させることが効果的に抑制できる
ようになる。
また半田部材をバンプの外周部分まで含む状態で接合設
定することによって、その接合面積を充分大きく設定す
ることができる。したがって熱応力が加わった場合で
も、発生する歪が少なくなる傾向にあり、さらにこの半
導体集積回路装置の信頼性を向上させるようになる。
[発明の実施例] 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
第1図はこの半導体集積回路装置の電極接続部分の構成
を示しているもので、シリコンチップ11をアルミナ基板
12に接合設定する場合を示しているもので、この基板12
上に形成された導体層14に対向する位置に、シリコンチ
ップ11に形成された回路要素の端子電極となる円柱状の
銅(Cu)バンプ21が突設形成されている。そして、導電
層14とバンプ12との間を半田部材22で結合するようにし
ているものであり、この場合この半田部材22はバンプ21
の外周部を含む状態で、バンプ21が半田部材22内に包含
される状態とされている。ここで、バンプ21は対面され
る基板12の方向に向けて立ち上がる円筒状の周面と、導
体層14に平行に対面する端面を形成する平面部と、この
平面部の周囲と円筒状周面とを曲面で結ぶ角部とを有す
るように構成され、上記半田部材は上記バンプの上記円
筒状周面を包み込むように設定される。
したがって、バンプ21と半田部材22との接合面積は、バ
ンプ21の先頭頂部のみ半田部材と接合するように従来例
と比較して、次の式で表現されるように大きくなる。
2πrD/πr2=(1+2D/r)倍 ここでrはバンプ21の半径、Dはバンプ21の高さであ
る。
具体的には、“r=220μm"で“D=40μm"の場合、半
田部材22とバンプ21との接合面積は、1.5倍となる。
このように半田部材22がバンプ21の全体を包含するよう
に接合されることによって、第9図で示されたようにバ
ンプの先頭頂部分だけで半田部材と接合された場合に比
較して、接着面積が大きくなるため初期強度が高くな
り、また熱応力が作用した場合でも歪が少なくなる傾向
にある。
ここでこの実施例にあっては、バンプ21の径と導体層14
の径とが“1:1"の関係で設定されている。このような場
合を考察するために、第2図で半田部材22部分を球形モ
デルに仮定する。
このように構成されるフリップチップICに熱が加わる
と、アルミナ基板12とシリコンチップ11との熱膨脹率の
差によって第3図で示すよう半田部材22部分が変形し、
そこに変位δが生ずるようになる。そして、この変位δ
を微分することによって歪量が求められるようになる。
ここで、寿命を左右する最大歪量“r max"は、最小接合
面積で生ずるものであり、したがって第2図の球形モデ
ルからこの最大歪は次の式で求められる。
ここで、δ:変位、R:接合部局率半径、h:接合高さ、
r1:チップ側の半径、Q:r0面までの距離。
上記式より、半田部材22内の最大歪を小さくするために
は、バンプ21の径と導体層12の径との比が“1.0"である
ことがわかる。
またFEM解析結果により、バンプ21の径と導体層12の径
との比が“1"に近付けば近付く程、第4図で示されるよ
うに半田部材22内部の歪が均等化され、最大歪が低減さ
れるようになることが判明する。
第4図は半田部材22の内部の歪(ミーゼス歪)の等高線
図を示しているもので、この等高線図から半田の寿命に
寄与する最大歪が1.8%で、かなり均等化されているこ
とがわかる。この等高線図においては、線が折り重なっ
ていればいる程、その部分に歪が集中している。
この歪の状態を、横軸に“バンプ径/導体層径”の比を
とり、縦軸に歪量をとって示せば第5図に示すようにな
る。この図で実線は半田部材22のバンプ側の歪の状態
を、また鎖線は導体層14側の歪の状態をそれぞれ示して
いる。
この図から判断して、回路構成を微細化して(すなわち
現状220μmから150μmにして)現状より長寿命化させ
るには、バンプ径と導体層径の比を“1±0.3"に制限す
る必要があることが判明する。尚、この図で示されたレ
ベルAは現状品の最大歪(2.4%)である。
第6図(A)〜(C)はそれぞバンプ21の径と、導体層
22の径との比を変えた例を示しているものであり、第7
図の(A)〜(C)それぞれの実線は上記第6図の
(A)〜(C)それぞれの場合のバンプ21と半田部材22
との接触界面の歪を示し、また破線は導体層14と半田部
材22の接触界面の歪の状態を示している。そして、この
第7図に示される歪の状態から判断して、バンプ21の径
と導体層14の径との比が“1"の状態とされることによっ
て、半田部材22の内部の歪が均等化されることが理解さ
れる。
尚、第6図(A)は検討前の状態の例で、バンプが円柱
状に形成され、特に角部分が成形されていない場合を示
している。また(B)はこのバンプの形状を適正化して
いるもので、円柱状のバンプの角部分に丸みをつけるよ
うにしているもので、この(A)および(B)の例では
バンプ径より導体層径が充分に大きく設定された場合を
示している。この場合、(A)のようにバンプに角部が
残っていると、(B)のように丸みを付けた場合に比較
して歪が大きく立ち上がる。また、(C)はバンプ径と
導体層径とを等しく設定した例を示しているもので、バ
ンプと半田部材との接触界面の歪が大きく軽減される。
この(C)の例では実施例と同様にバンプの角部に丸み
を付けるようにしているが、この角部を(A)のように
丸みのない状態とすると、(A)と(B)との比較で理
解できるように半田部材における歪が増大し、したがっ
て実施例においてはバンプの角部に丸みを付けるように
することが望ましいことが理解できる。
これまでの実施例の説明では、バンプの形状を円柱状に
した場合のみを示しているものであるが、例えば第8図
に示すようにバンプ31の形状を、従来例で示したような
基端部分が細くなるような形状の場合でも、このバンプ
31の径が導体層14の径と等しく設定され、且つバンプ31
が半田部材22によって包含されるような構造とすること
によっても、本件発明の目的は同様に達成できるもので
ある。
[発明の効果] 以上のようにこの発明に係る半導体集積回路装置によれ
ば、半導体チップの単位部分に設定されるバンプと、ア
ルミナ等の基板に設定される導体層部分とを半田によっ
て結合する場合、この半田部材内部に発生する歪の量が
充分に軽減され、均等化されるようになるものであり、
この半田部材部分に熱が繰返し作用するような状態とな
っても、この半田による結合部分の破壊の発生を効果的
に抑制することができるようになる。また半田部材によ
ってバンプを包含させるようにすることによって、半田
部材とバンプとの結合状態が充分に強固なものとするこ
とができ、信頼性を向上させるために大きな効果を発揮
するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例に係る半導体集積回路装置
を構成するバンプによる接合部分を説明する断面構成
図、第2図は熱応力が作用した場合の歪の発生状態を説
明するための半田部材部分の球形モデルを示す図、第3
図は半導体チップと基板との熱膨脹係数の差によって生
ずる歪の状態を示す図、第4図は上記結合部分の半田部
材内部の歪の発生状態を示す図、第5図はパンプ径/導
体層径の比を変えた場合の歪の発生状態を示す図、第6
図(A)〜(C)はそれぞれバンプ径と導体層径との比
を変えた例を示す図、第7図の(A)〜(C)はそれぞ
れ第6図の(A)〜(C)の例に対応する歪の発生状態
を示す図、第8図はこの発明の他の実施例を説明する
図、第9図は従来の例を説明する図である。 11……シリコンップ、12……アルミナ基板、13、21、31
……バンプ、14……導体層、15、22……半田部材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 陸井 智 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 阿部 吉次 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 真山 恵次 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 日本電 装株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−207362(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回路要素が形成された半導体チップと、 この半導体チップの導出端子部に対して形成された突出
    電極とされるバンプと、 上記半導体チップに対面設定され、上記バンプに対応す
    る位置に形成された導体層が形成された基板と、 この基板と上記半導体チップとが対面設定された状態
    で、上記バンプと導体層との間を接続設定する半田部材
    とを具備し、 上記バンプは上記対面される基板の方向に向けて立ち上
    がる円筒状の周面と、上記導体層に平行に対面する端面
    を形成する平面部とを有するように構成され、上記半田
    部材は上記バンプの上記円筒状周面を包み込むように設
    定されるもので、上記対面設定されるバンプの径と、導
    体層の径との比が“1±0.3"以内の状態に設定されるよ
    うにしたことを特徴とする半導体集積回路装置。
  2. 【請求項2】上記バンプの平面部の周囲と上記円筒状周
    面とを結ぶ角部が曲面で形成されるようにして、上記半
    田部材がこの曲面部分を含み上記円筒状部および平面部
    を包み込むように設定されるようにした特許請求の範囲
    第1項記載の半導体集積回路装置。
JP62195856A 1987-08-05 1987-08-05 半導体集積回路装置 Expired - Lifetime JPH0793306B2 (ja)

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