JPH09148334A

JPH09148334A - バンプ、バンプを有する半導体チップ及びパッケージ並びに実装方法及び半導体装置

Info

Publication number: JPH09148334A
Application number: JP8245101A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Iyogi; 靖五代儀; Kaoru Koiwa; 馨小岩; Keiichi Yano; 圭一矢野; Hironori Asai; 博記浅井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-21
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体装置の入出力用パッドの接続部の耐久
性、信頼性を向上させる。【解決手段】半導体チップ又はパッケージあるいは配
線基板のいずれか(1)の入出力用パッド(3)に設けられる
バンプ(B)は、突起部(5)と、導電性を有するボール(7)
と、入出力用パッドとボールとを接合する導電接合材
(9)とからなり、ボールの強度が該導電接合材の強度よ
り大きくなるように構成される。このバンプを有する半
導体チップ又はパッケージを実装した半導体装置の入出
力用パッド(1,11)は、突起部(5)と、入出力用パッド(1,
11)の間に配置されるボール(7)と、入出力用パッド及び
ボールを接合する導電接合材(9,15)とからなる接続部(1
7)によって接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップ、パ
ッケージ及び配線基板を互いに接続してなる半導体装置
に関し、特に、熱膨張係数が異なる部材どうしを接続し
て構成される半導体装置の接続部分の信頼性の向上に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置は、ＬＳＩのような半導体チ
ップをパッケージに搭載しプリント基板に実装すること
によって構成され、入出力端子として設けられるピンの
挿入により各部は電気的に接続されている。ところが、
近年のＬＳＩの高集積化に従って、ＬＳＩを搭載するパ
ッケージも、ピン数の増加及びピンピッチの狭小化に対
応する必要が生じ、これに伴って、パッケージの実装も
上述のような従来のピン挿入型からＱＦＰ（Quad Flat
Package）型やＳＭ−ＰＧＡ（Surface Mount type-Pin
grid Array）型等の表面実装型に移行してきている。

【０００３】しかし、ピンやリードを用いるこれらの表
面実装型パッケージでは、端子のピッチの下限が高く、
例えば、ＰＧＡ型では１．２７mmピッチ、ＱＦＰ型では
０．３mmピッチより狭めるのは困難である。又、ピンや
リード部分での電気特性の劣化が大きく、信号の高速化
への対応が難しい。

【０００４】上述のような問題を解決するために考案さ
れたものに、ＢＧＡ（Ball Grid Array）型のパッケー
ジがある。ＢＧＡパッケージは、パッケージ基材の入出
力部分に半田ボール等で形成したバンプを設け、これを
溶融してパッケージの入出力部をプリント基板の端子と
接続することを特徴とするものであり、ピンやリードを
用いる場合より狭いピッチを実現できるため、多ピン化
及びパッケージの小型化が可能である。中でも、窒化ア
ルミニウム等の高熱伝導性セラミックスを使用したセラ
ミックス製ＢＧＡパッケージは放熱性に優れており、Ｌ
ＳＩの高速化に従って消費電力及び発熱量が増加傾向に
ありパッケージの放熱性が重視されつつある現状におい
て、極めて有望なパッケージである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＢＧＡパッ
ケージが加熱又は冷却された時にパッケージ基材とプリ
ント基板の熱膨張係数の相違によって生じる応力歪が、
バンプを用いて形成された接続部に集中するため、接続
部の破断が生じ易く、接続部の耐久性・信頼性に問題が
ある。又、バンプを用いる接続法を半導体チップとセラ
ミックス基材の接続及び半導体チップとプリント基板の
接続に適用した場合も、同様に接続部の破断が生じ易
い。

【０００６】本発明は、この様な従来技術の課題を解決
するためになされたもので、入出力部の接続部が高い耐
久性及び信頼性を有する半導体装置の製造を可能とする
バンプ及びこれを有する半導体チップ、パッケージ及び
プリント基板を提供することを目的とする。

【０００７】又、耐久性及び信頼性の高い入出力部の接
続部を形成可能な半導体チップ又はパッケージの実装方
法を提供することを目的とする。

【０００８】更に、入出力用接続部の耐久性及び信頼性
が高く、放熱性及び電気特性に優れた高密度の半導体装
置及びこれを実現するためのバンプ及び半導体パッケー
ジを提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、バンプの構成
を工夫することにより応力の集中し易い部分の補強が容
易に行えることを見いだし、本発明のバンプ、これを有
する半導体チップ及びパッケージ並びにこの実装方法及
び半導体装置を発明するに至った。

【００１０】本発明は、半導体チップ又はパッケージあ
るいは配線基板のいずれかの入出力用パッドに設けられ
るバンプであって、該入出力用パッドから突出する突起
部と、該入出力用パッド上に配置される導電性を有する
ボールと、該入出力用パッドと該ボールとを接合する導
電接合材とからなり、該ボールのクリープ強度が該導電
接合材の強度より大きくなるように構成されるバンプを
提供する。

【００１１】又、本発明は、上述のバンプが設けられた
パッケージを提供する。

【００１２】更に、本発明は、上述のバンプが設けられ
た半導体チップを提供する。

【００１３】又、本発明は、半導体チップを搭載するパ
ッケージと、配線基板と、該パッケージ及び配線基板の
各々に設けられる少なくとも１組の入出力用パッドと、
該１組の入出力用パッドを接続する接続部とを有する半
導体装置であって、該接続部は、上記１組の入出力用パ
ッドの少なくとも１つから突出する突起部と、当該１組
の入出力用パッドの間に配置される導電性を有するボー
ルと、当該１組の入出力用パッドと該ボールとを接合す
る導電接合材とからなり、該ボールのクリープ強度が該
導電接合材のクリープ強度より大きくなるように構成さ
れる半導体装置を提供する。

【００１４】更に、本発明は、半導体チップと、パッケ
ージと、該半導体チップ及びパッケージの各々に設けら
れる少なくとも１組の入出力用パッドと、該１組の入出
力用パッドを接続する接続部とを有する半導体装置であ
って、該接続部は、上記１組の入出力用パッドの少なく
とも１つから突出する突起部と、当該１組の入出力用パ
ッドの間に配置される導電性を有するボールと、当該１
組の入出力用パッドと該ボールとを接合する導電接合材
とからなり、該ボールのクリープ強度が該導電接合材の
強度より大きくなるように構成される半導体装置を提供
する。

【００１５】又、本発明は、半導体チップと、配線基板
と、該半導体チップ及び配線基板の各々に設けられる少
なくとも１組の入出力用パッドと、該１組の入出力用パ
ッドを接続する接続部とを有する半導体装置であって、
該接続部は、上記１組の入出力用パッドの少なくとも１
つから突出する突起部と、当該１組の入出力用パッドの
間に配置される導電性を有するボールと、当該１組の入
出力用パッドと該ボールとを接合する導電接合材とから
なり、該ボールのクリープ強度が該導電接合材のクリー
プ強度より大きくなるように構成される半導体装置を提
供する。

【００１６】更に、本発明は、配線基板の入出力用パッ
ドに導電性接合材を配設する工程と、該配線基板の入出
力用パッドに、上述のバンプを備えるパッケージの当該
バンプのボールを近接させ、該配線基板の入出力用パッ
ドの導電性接合材を加熱溶融させて該導電性接合材によ
って上記ボールと該配線基板の入出力用パッドとを接続
する工程とを備えるパッケージの実装方法を提供する。

【００１７】又、本発明は、配線基板又はパッケージの
入出力用パッドに導電性接合材を配設する工程と、該配
線基板又はパッケージの入出力用パッドに、上述のバン
プを備える半導体チップの当該バンプのボールを近接さ
せ、該配線基板又はパッケージの入出力用パッドの導電
性接合材を加熱溶融させて該導電性接合材によって上記
ボールと該配線基板又はパッケージの入出力用パッドと
を接続する工程とを備える半導体チップの実装方法を提
供する。

【００１８】

【発明の実施の形態】概して、ＢＧＡパッケージの接続
部の損傷の発生原因は、ＢＧＡパッケージを配線基板
（プリント基板）に実装する際の半田付け固定時の熱履
歴によるものと、使用中における環境温度変化によるも
のとがあるが、いずれも膨張・収縮によって基板などに
反りを生じ、それに伴う内部応力が半田付けした接続部
に集中するためと考えられている。

【００１９】一般的なＢＧＡパッケージのバンプは、パ
ッケージ基材の入出力部に半田（軟ろう）等で形成した
ボールを付着した構成であり、この半田ボールを配線基
板の対応する入出力部分に接して加熱により半田ボール
を溶融（リフロー）することによって、互いの入出力部
分を接合して半田による接続部が形成される。このよう
にして得られる接続部は、通常、接合端部が細い和太鼓
のような形状となり、加熱冷却時の応力がパッケージ基
材及び配線基板と接続部との接合界面付近に集中し易
く、パッケージ基材と接続部との接合界面付近で破断が
起こることが多い。

【００２０】接続部の破断は、上述からも理解されるよ
うに、接続部に応力がどのように作用するかによって異
なる。接続部の形状や接続部の長さ（接続部が接続する
入出力部間の距離）はそのファクターの一部であり、接
続部の長さに関しては、接続部の信頼係数は接続部の長
さの自乗に比例するということが言われている。つま
り、接続部の長さが増加するにつれて接続部の耐久性は
上昇する。ＢＧＡパッケージで長い接続部を形成しよう
とすると、半田ボールの溶融中にパッケージ基材を配線
基板から遠ざけて距離を増加させるというようなリフロ
ー工程の工夫が必要となるが、このようにして形成され
る接続部は中央が細い鼓形の形状となり易く、接続部中
央に応力が集中してクラックが生じ易い。

【００２１】本発明は、上述のような状況を鑑みて為さ
れたもので、図１に示すようなバンプＢを接続部の形成
要素とするものである。図１は、半導体パッケージ１の
入出力部に設けられたバンプＢの一実施形態を示すもの
で、バンプＢは、一方の入出力部である薄層状のパッド
３（パッド３に接続される配線は図示せず）から接続方
向、つまりパッド３の表面に対して垂直に突出する突起
部５と、パッド３の突起部５上に配置される導電性を有
するボール７と、該入出力部３及び突起５と該ボール７
とを接合する半田のような導電接合材９とからなり、ボ
ール７のクリープ強度が導電接合材９のクリープ強度よ
り大きくなるように構成される。従来、パッド３の表面
は面粗さが問題にならないように平滑に形成されるのが
常であったが、ここに突起部５を形成した点に本発明の
特徴があり、この突起部５は、信頼性の高い半導体装置
を製作する上で重要な役割を担う。

【００２２】バンプＢは、配線基板の入出力用パッドに
塗布した導電接合材と接触させて導電接合材をリフロー
すると、図２のように配線基板１１の入出力用パッド１
３とボール７とが導電接合材１５によって接合され、ボ
ール７を介してパッケージ１及び配線基板１１の入出力
パッド３，１３を電気接続する接続部１７が形成され
る。この接続部１７の中央部分は両パッド３，１３との
接合端部より細くなる傾向にあるが、クリープ強度の高
いボールが位置するので、加熱・冷却時に生じる応力に
よる中央部での破断は抑制される。又、両パッド３，１
３と導電接合材９、１５との接合界面は比較的大きく確
保され、更に、加熱・冷却時に生じる接合界面に沿った
方向の応力に対して、突起部５を包囲する導電接合材９
は突起部５及びこれに一体的に形成されたパッド３によ
って支持され応力抵抗が向上する。従って、パッド３と
導電接合材９との接合界面付近における導電接合材９の
破断や導電接合材９の剥離が抑制される。従って、接続
部１７は全体として応力に対する耐久性の高いものとな
る。

【００２３】図１及び図２の実施形態においては、突起
部５はパッド３に一体形成されているが、上述の本発明
の作用を考えれば、突起部５とパッド３との接合強度及
び突起部５自体の強度が不足しない（つまり導電接合材
の強度以上である）限り、別途形成した突起部５をパッ
ド３に接合材等を用いて接続してもよいことは明かであ
る。又、突起部５は、応力によって導電接合材が接合界
面方向に相対的に動くのを阻止する機能を有すれば良い
ので、突起部５の形状や突出方向についても接合界面と
垂直な方向の成分を有するものであればよい。つまり、
突起部５は傾斜を有していてもよい。又、突起部５を複
数形成しても良い。

【００２４】上記において用いられている導電接合材
９，１５は、接合材料として使用可能な程度に低融点で
導電性の高い材料の中から必要に応じて適宜選択するこ
とができる。導電性を有するボール７については、全部
分を導電性材料で形成する必要はなく、強度及び耐熱性
を有する樹脂のような不導体の核の表面を導電性を有す
る材料で被覆して得られるような構造であってもよい。
この場合、導電性材料でボールの核を被覆する工程を、
例えば導電接合材９，１５を用いてパッケージ１と配線
基板１１とを接続する工程と同時に行うように応用する
と、図１のバンプＢのボール７は、導電性材料で被覆さ
れていない核のみのボールを用いることもできる。但
し、製造上の信頼性の点からは予め導電性被覆を有する
ボールを用いるのが好ましいことはいうまでもない。
又、ボール７のクリープ強度が導電接合材９のクリープ
強度より大きくなるようにボール７の形成材料は選定さ
れるが、ボール７の強度が過度に大きい場合、かえって
熱膨張・収縮の差による応力が導電接合材９に集中し易
くなったり、ボールのシェア強度の低下によりボールか
らの破断が早期に起こる。これを考慮すると、ボール７
の強度は導電接合材９のクリープ強度の１．５〜４倍程
度となるのが好ましい。

【００２５】上記の構成において、ボール７は、パッケ
ージ１と配線基板１１との間隔を維持する働きを為し得
るものであり、これにより、一般的なＢＧＡを用いた場
合よりも長い接続部１７を確実に形成することが可能と
なる。これは、前述したように、接続部の信頼性係数を
向上するのに有効である。但し、この機能を発揮させる
ためには、パッケージ１と配線基板１１との接続工程時
にボール７が溶融あるいは変形しないことが肝要であ
る。従って、ボール７を形成する材料の融点が導電接合
材９，１５より高いことが必要となる。融点が導電接合
材より約６０℃あるいはそれ以上高いものを用いるのが
好ましい。ボール７の主な役割は接続部１７の中央部分
の補強にあるので、突起５と接触している必要はなく、
これらの間に導電接合材が介在していてもよい。

【００２６】上述の性質に基づいて本発明に係るバンプ
Ｂ及び接続部１７を構成する各部の材質について例を挙
げると、導電接合材９，１５としては、Ｓｎ−Ｐｂ合金
に代表される各種半田（軟ろう）または半田ペースト等
が挙げられ、融点が約１８３℃のＳｎ−４０Ｐｂ半田は
入手し易く利用し易い。ボール７を構成する材料の例と
しては、９０％Ｐｂ−Ｓｎ合金、Ｐｂリッチ−Ｓｎ合
金、Ｉｎ合金のような各種合金等の金属材料が挙げら
れ、半田として使用される金属及び合金が取扱易い。特
に融点約２７０℃のＳｎ−９５Ｐｂ半田が利用し易い。
ボール７として非導電性の核を導電性材で被覆したもの
を用いる場合には、核を構成する材料の例として、ガラ
スエポキシ、ポリアミド、ポリイミドのような樹脂が挙
げられ、このような材料で形成された核に上述したボー
ル構成に適した金属材料を被覆したものが使用できる。
導電接合材９，１５は、パッドの形成材料及びボールの
形成材料と馴染み易いものを選択するのが望ましいが、
互いに反応して脆弱な化合物を生成するような組合せと
なることは避けるべきである。

【００２７】半導体チップ、パッケージ及び配線基板に
入出力部として設けられるパッドは、通常、スパッタリ
ング、電気メッキ、表面印刷等の成膜方法を用いて電気
抵抗の小さい金属材料で形成され、本発明のパッド３及
び突起部５も通常使用される金属材料で形成することが
できる。例えば、アルミニウム、ニッケル、銅、金、モ
リブデン、タングステン等が挙げられる。図１におい
て、パッド３はパッケージ１に埋設されているが、図２
のパッド１３と同様に載設してもよく、パッド３，１３
はいずれの形態であってもよい。必要に応じて、パッド
が設けられる面とパッドとの付着性を改善するための接
合材を用いてもよい。又、パッド３及び突起部５の表面
にメッキ層を施してもよく、パッド３と突起部５とを別
体形成する場合は、前述したように各々の強度及び接合
後の強度を考慮して材料を選択する必要がある。

【００２８】図１のバンプＢは、パッケージの半導体チ
ップ側の面に設けられた入出力部に形成してもよい。こ
の場合、図２の配線基板１１は半導体チップに置換さ
れ、バンプＢは半導体チップとパッケージとの接続に用
いられる。又、シリコンチップやガリウム−ヒ素チップ
のような半導体チップの入出力部に図１のバンプＢを設
けることもでき、この場合、図２のパッケージ１は半導
体チップで置換され、図２の配線基板１１はパッケージ
あるいは配線基板のいずれかに替わる。従って、半導体
チップとパッケージとの接続及び半導体チップと配線基
板との接続（フリップチップ接続）に本発明に係るバン
プＢが用いられる。つまり、図２の接続部は、半導体チ
ップ、パッケージ及び配線基板間の接続のいずれに適用
することもできる。

【００２９】図３は、接続される両方の入出力用パッド
に突起を設けるように応用した接続部の一実施形態を示
す。この実施形態の接続部１９は、パッケージ１と半導
体チップ２１との電気接続を行う例で、パッケージの入
出力用パッド２３に図１と同様に設けられたバンプを用
いて形成することができる。即ち、入出力用パッド２３
に突起部２５を形成し、ボール２７を導電接合材２９に
よって接合してバンプを形成し、他方、半導体チップ２
１の入出力用パッド３１に突起３３を形成して導電接合
材３５を積層させておき、導電接合材３５とボール２７
とを接触させて導電接合材３５をリフローすることによ
り、図３のように導電接合材２９、３５及びボール２７
によって両パッド２３，３１が接続された接続部１９が
形成される。あるいは、ボール２７を有するバンプを、
パッケージ１側のパッド２３ではなく半導体チップ２１
側のパッド３１に設けることによっても同様の接続部１
９を形成することができる。

【００３０】ボール７，２７の大きさは、接続部１７，
１９に求められる長さやパッドの大きさ及びバンプのピ
ッチ等に応じて適宜設定することができる。パッドのラ
ンド径を０．９mm径程度に設定し、用いるボールの径を
０．７〜１．０mm径程度、好ましくは０．８〜０．９mm
に定めると、１．２７mm程度のピッチでバンプを形成す
ることができ、長さが約１．２mm前後の接続部が形成さ
れる。

【００３１】ボール７，２７は球形である必要はなく、
楕球形、円筒形、正多面体等のボールを用いてもよい
が、形成される接続部の形状等の点から球形が最も好ま
しい。

【００３２】上述の突起部５，２５，３３は、導電接合
材と入出力部との接合界面付近を補強する作用をし、こ
の作用は突起部の高さが約２０μｍ以上であれば有効に
発揮され、５０〜１００μｍ程度が好ましい。また、突
起部５，２５，３３の形状及び数は必要に応じて変更す
ることが可能であり、例えば図４に示すような円環状突
起部５ａ及び図５に示す同心円上に配置した３つの円筒
状突起部５ｂは、バンプ作成時に球形のボールの位置を
固定し易いという利点がある。

【００３３】図１における突起部５が一体的に形成され
たパッド３を有するパッケージ１は、通常の成形・加工
技術等を用いて適切に製造することができ、例えば次の
ような方法によって突起部５を備えたパッド３を有する
セラミックパッケージを製造することができる。

【００３４】まず、突起部５の接合界面方向に沿った断
面とほぼ同じ大きさの貫通孔を有する硬質金属平板を作
製し、この孔にゴムのような弾性材を充填することによ
って、突起を成形するための成形型が得られる。他方、
パッケージのセラミック基材のグリーンシートに、予
め、スルーホールの形成、メタライズペーストでの表面
印刷及びスルーホールのメタライズペースト充填を施し
ておく。このグリーンシート表面のパッドを設ける位置
に、パッド形成用の型成形可能な金属材料を配置し、こ
の上に上述の成形型を押圧する。この時、成形型の押圧
力には金属部分と弾性材部分とで差が生じるため、パッ
ド形成用の金属材料は変形して成形型の金属部分に接す
る部分より弾性材部分に接する部分が突出し、図１のよ
うな突起を有するパッドが形成される。同時に、パッド
の突起以外の部分は、図１のようにパッケージ基材のグ
リーンシートに埋込まれる。この後、グリーンシートの
焼結操作を含む通常のパッケージ製造で行われる処理を
経て、セラミックパッケージが完成する。

【００３５】セラミックパッケージのセラミック基材と
しては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、シリ
カ、窒化珪素、ガラスセラミックス、ムライト等が挙げ
られ、必要に応じてこのような基材から適宜選択するこ
とができるが、窒化アルミニウムの熱膨張係数は半導体
材料の値と近く、且つ、配線基板として用いるガラスエ
ポキシ樹脂やリードフレーム材、モールド樹脂等の値と
も比較的近いので、膨張・収縮時の応力を極力減少させ
るためには窒化アルミニウムをパッケージ基材とするの
が特に好ましい。

【００３６】突起部３１を有するパッド２９を半導体チ
ップ２７に設けるには、例えば、次のような方法をとる
ことができる。まず、通常の方法でアルミニウム等のパ
ッドが形成された半導体チップのパッドを有する面全面
に、例えばＴｉ／Ｎｉ／Ｐｄ等のバリア金属膜をスパッ
タリングによって形成する。この上に、厚さ１０μｍ程
度のドライフィルムを熱圧着によって貼付し、パッド上
の突起部を形成する部分のフィルムをアルカリ液を用い
て除去して開口を設け、電気メッキによって銅膜を形成
する。この後、開口に対応する部分以外に形成された銅
膜をドライフィルムと共に除去し、余分なバリア金属膜
をエッチングにより除去することによって、半導体チッ
プのパッド上に銅製の突起部が形成される。

【００３７】図６は、上述のような方法によって突起部
５を有するパッド３を設けたパッケージ１にバンプＢを
設けて配線基板１１と接続するプロセスを示す。まず、
図６の（ａ）に示すように、例えば半田ペーストによる
表面印刷のような方法を用いてパッド３上に導電接合材
９が積層される。そして、図６の（ｂ）のように、この
上にボール７を載せて導電接合材９をリフローすること
によって、ボール７とパッド３とが導電接合材９で接合
され、図１に示すようなバンプＢを有するパッケージ１
が得られる。更に、図６の（ｃ）のように、配線基板１
１のパッド１３に前述と同様の方法で導電接合材１５を
積層し、パッケージ１のボール７が導電接合材１５と近
接するようにパッケージ１を配置し、導電接合材１５を
リフローすることによって、パッケージ１及び配線基板
１１のパッド３，１３間に図２に示すような接続部１７
が形成され、パッケージ１の配線基盤１１への実装が完
了する。半導体チップとパッケージとの接続及び半導体
チップと配線基板との接続も上述と同様にして行うこと
ができる。

【００３８】図２に示すような接続を形成するプロセス
は、図６に示すものに限られるわけではないことは容易
に理解できる。例えば、図１のバンプＢからボール７を
省略したものと、他方の入出力用パッドにボールを導電
接合材で接合したものとを対面させてリフローすれば、
同様に図２の接続を形成することができる。

【００３９】一般的なセラミックパッケージの入出力用
パッドには、タングステンの表面にニッケル及び金をメ
ッキしたものが用いられることが多く、配線基板の入出
力用パッドは、銅箔を接着剤で接合したものが広く使用
されている。これらのパッドを比較すると、銅が柔らか
く残留応力が作用しにくいのに対し、ニッケルは硬く応
力集中が起き易い。又、配線基板のパッドのランド径は
パッケージのパッドより大きいことが多い。このような
ことから、配線基板のパッドの接合界面付近よりもパッ
ケージのパッドの接合界面付近の方が応力集中による破
断を生じ易い。従って、このような条件での接続におい
てはパッケージのパッドの接合の方が配線基板の接合よ
り弱くなり易いので、パッケージのパッドに突起部を設
けることが破断防止に有効に作用する。

【００４０】つまり、突起部をどちらのパッドに設ける
か、突起部をどのような形状で幾つ設けるか等について
は、どの様な材質の入出力用パッドをどの程度のランド
径で形成するか等の点を上記のように考慮した上で適宜
設定するのが望ましい。

【００４１】

【実施例】以下、実施例及び比較例により、本発明をさ
らに詳細に説明する。

【００４２】（実施例１）アルミナセラミックスのグリ
ーンシートにスルーホールを形成後、タングステンのメ
タライズペーストを用いた表面印刷とスルーホールへの
充填により配線を形成し、積層、圧着操作を経て、さら
にメタライズペーストによる表面印刷でグリーンシート
の表面に入出力用パッドを形成した。そして、タングス
テンのメタライズペーストを用いた印刷によってパッド
表面の中央に円筒形突起を形成し、還元雰囲気中で焼結
して、タングステンで形成された突起付きパッドを有す
るセラミックスパッケージの基材を得た。バッドの大き
さは９００μｍφで、突起の直径は４００μｍ、突起の
高さは１００μｍであった。更に、パッド及び突起の表
面には、ニッケル／金メッキを施した。

【００４３】次に、パッド及び突起の上に、導電接合材
としてＳｎ−４０％Ｐｂの半田ペースト（融点：１８３
℃、１００℃におけるクリープ強度：０．８kg／mm² ）
を印刷によって塗布した。

【００４４】他方、Ｓｎ−９５％Ｐｂ高融点半田（融
点：２７０℃、１００℃におけるクリープ強度：２．０
kg／mm² ）を用いて直径９００μｍのボールを形成し、
半田ペースト層の上に配置し、半田ペーストが溶融する
温度で熱処理してボールとパッドとを接合し、ＢＧＡパ
ッケージを得た。

【００４５】次に、ガラスエポキシ系配線基板の所定領
域に形成された直径１１００μｍφの銅製円形パッド上
に前記と同種の半田ペーストを印刷により積層し、その
上に前記のＢＧＡパッケージを載せて半田の溶融する温
度でリフローし、ＢＧＡパッケージの配線基板への実装
を行った。

【００４６】（比較例１）ＢＧＡパッケージのパッドに
突起を形成しなかった点を除いては、実施例１と同様の
操作を行ってＢＧＡパッケージを形成し、同様に配線基
板への実装を行った。

【００４７】（実施例２）金属平板型にパッドの突起部
を成形するための孔を設け、該孔にゴムを充填し、成形
型とした。

【００４８】次に、窒化アルミニウムセラミックスのグ
リーンシートに、実施例１と同様の方法でタングステン
ペーストによる配線を行い、グリーンシートの表面上に
印刷法によりタングステンのパッドを形成した。この上
に前述の成形型を押圧して、図６の（ａ）に示すような
突起部を有するパッドが埋設されたグリーンシートを形
成した。これを還元雰囲気中で焼結して、タングステン
で形成された突起付きパッドを有するセラミックスパッ
ケージの基材を得た。バッドの大きさは１．０mmφで、
突起の直径は５００μｍ、突起の高さは８０μｍであっ
た。更に、パッド及び突起の表面には、ニッケル／金メ
ッキを施した。

【００４９】この後、パッド上への導電接合材の積層、
ボールの作成及び接合を含むＢＧＡパッケージの形成
と、配線基板への実装とを実施例１と同様の方法に従っ
て行った。

【００５０】（比較例２）成形型にゴムを充填した突起
部成形用の孔を設けなかった点以外は実施例２と同様の
操作を行って、ＢＧＡパッケージを形成し、同様に配線
基板への実装を行った。

【００５１】（実施例３）直径２００μｍのアルミニウ
ムパッドを表面に有する半導体チップにスパッタリング
によってＴｉ／Ｎｉ／Ｐｄからなるバリア金属膜を形成
し、その上に厚さ１０μｍのドライフィルムを熱圧着に
よって貼付し、パッド中央の位置のドライフィルムをア
ルカリ溶液を用いて除去することによって２０μｍ角の
穴を設け、この上に電気メッキにより銅を積層した。こ
の後、穴の部分に形成された銅以外をドライフィルムと
共に除去し、銅とアルミニウムパッドとに挟まれている
部分以外のバリア金属膜をエッチングにより除去するこ
とによって、銅製の突起部を有するアルミニウムパッド
が設けられた半導体チップを得た。突起の高さは２０μ
ｍであった。

【００５２】導電接合材としてＳｎ−４０％Ｐｂの半田
ペースト（融点１８３℃）を半導体チップのパッド及び
突起部の上にメッキ法により積層し、Ｓｎ−９５％Ｐｂ
の高融点半田（融点２７０℃）からなる直径２００μｍ
のボールをその上に載せて半田ペーストが溶融する温度
で加熱、接続させた。この半導体チップを上記の実施例
と同じく配線基板に実装した。

【００５３】（比較例３）半導体チップのパッドに突起
部を設ける操作を行わなかった点以外は実施例３と同様
の操作を行って、ボールを有する半導体チップを形成
し、同様に配線基板に実装した。

【００５４】（接続部の信頼性評価）上述のＢＧＡパッ
ケージ又は半導体チップを配線基板へ実装した半導体装
置における接続部の信頼性を評価するために、下記の
（Ａ）又は（Ｂ）のいずれかの冷熱サイクル負荷試験を
行った。この試験は、接続部にクラックその他の欠陥が
生じるとＢＧＡパッケージ又は半導体チップと配線基板
との電気的接続が損なわれて電気抵抗が増加することを
利用し、電気抵抗の変化によって接続部の信頼性を評価
するものである。

【００５５】冷熱サイクル負荷試験の間、パッケージ−
配線基板間の電気抵抗は所定のサイクル数経過毎に測定
し、その値が初期の抵抗値の２倍に到達した時点をもっ
て接続不良と判定し、接続不良と判定されたサイクル数
によって接続部の信頼性を評価した。結果を表１に示
す。

【００５６】冷熱サイクル負荷試験（Ａ） −６５℃（３０分）〜室温（５分）〜＋１２５℃（３０
分）を１サイクルとして加熱及び冷却を反復した。

【００５７】冷熱サイクル負荷試験（Ｂ） −４０℃（３０分）〜室温（５分）〜＋１００℃（３０
分）を１サイクルとして加熱及び冷却を反復した。

【００５８】

【表１】冷熱サイクル負荷試験で接続不良が判定された時点で、
比較例１及び２の半導体装置を接合界面と垂直に切断し
て接続部の断面を観察したところ、いずれも導電接合材
にクラックが認められた。これに比べ、実施例１及び２
の半導体装置の接続部には、いずれもクラックや他の欠
陥は認められなかった。又、６００サイクルに達した時
点においても、抵抗値はいずれも初期の値の１１０％以
内を維持していた。従って、本発明に係るバンプの構成
は、パッケージを配線基板に実装する際に形成される接
続部の耐久性、信頼性を著しく向上させることが明かで
ある。又、上述の実施例１、２のパッケージ基材はアル
ミナあるいは窒化アルミニウムであるが、これらの結果
から炭化珪素やガラスセラミックスを基材として用いた
場合にも接続部の信頼性を著しく改善することは容易に
予想される。

【００５９】比較例３についても接続不良が判定された
時点で接続部の断面を観察したところ、同様に導電接合
材にクラックが認められた。実施例３については、１５
００サイクル経過しても電気抵抗の測定値は初期値の１
２０％以内を維持していた。従って、本発明に係るバン
プの構成は、半導体チップを実装する接続にも有効であ
ることが明かである。

【００６０】実施例及び比較例の結果から明らかなよう
に、本発明に係るバンプを用いた実装においては、接続
部の接合材に作用する内部応力の影響が入出力用パッド
に形成した突起部によって緩和される結果、接合材内部
における亀裂の発生及びその進行が抑制される。また、
バンプの高さが確保され接続部のアスペクト比が大きく
なるため、接続部の耐久性、信頼性が向上する。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＢＧＡパッケージ、フリップチップのバンプ部分の接合
強度・耐久性が改善される結果、半導体装置の接続信頼
性を著しく向上させることができ、その工業的価値は極
めて大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るバンプの構成を示す概略構成図で
ある。

【図２】図１のバンプを用いて半導体装置の入出力部を
接続した接続部の構成を示す概略構成図である。

【図３】図２の接続部の構成を応用した例を示す概略構
成図である。

【図４】本発明に係るバンプにおける突起部の変形例を
示す斜視図である。

【図５】本発明に係るバンプにおける突起部の他の変形
例を示す斜視図である。

【図６】本発明に係るバンプを用いて半導体装置の入出
力部を接続する工程を説明する図である。

【符号の説明】

Ｂバンプ１パッケージ３，１３，２３，３１入出力用パッド５，５ａ，５ｂ，２５，３３突起部７，２７ボール９，１５，２９，３５導電接合材１１配線基板１７，１９接続部２１半導体チップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浅井博記神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体チップ又はパッケージあるいは配
線基板のいずれかの入出力用パッドに設けられるバンプ
であって、該入出力用パッドから突出する突起部と、該
入出力用パッド上に配置される導電性を有するボール
と、該入出力用パッドと該ボールとを接合する導電接合
材とからなり、該ボールのクリープ強度が該導電接合材
の強度より大きくなるように構成されることを特徴とす
るバンプ。
【請求項２】前記突起部は、円筒形あるいは円環状に
形成されることを特徴とする請求項１記載のバンプ。
【請求項３】前記突起部は、前記入出力用パッドと一
体形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のバ
ンプ。
【請求項４】前記突起部の高さは２０μｍ以上である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバン
プ。
【請求項５】前記導電接合材は半田であることを特徴
とする請求項１〜４のいずれかに記載のバンプ。
【請求項６】前記ボールの少なくとも表面部分は、前
記導電接合材より融点が６０℃以上高い金属または合金
で形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか
に記載のバンプ。
【請求項７】前記ボールは、樹脂あるいは無機材で形
成された核を備えることを特徴とする請求項１〜６のい
ずれかに記載のバンプ。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載のバンプ
を有することを特徴とするパッケージ。
【請求項９】前記パッケージの基材はセラミックスで
あることを特徴とする請求項８記載のパッケージ。
【請求項１０】前記セラミックスは、窒化アルミニウ
ム、アルミナ及び窒化珪素より選択されることを特徴と
する請求項９記載のパッケージ。
【請求項１１】請求項１〜７のいずれかに記載のバン
プを有することを特徴とする半導体チップ。
【請求項１２】半導体チップを搭載するパッケージ
と、配線基板と、該パッケージ及び配線基板の各々に設
けられる少なくとも１組の入出力用パッドと、該１組の
入出力用パッドを接続する接続部とを有する半導体装置
であって、該接続部は、上記１組の入出力用パッドの少
なくとも１つから突出する突起部と、当該１組の入出力
用パッドの間に配置される導電性を有するボールと、当
該１組の入出力用パッドと該ボールとを接合する導電接
合材とからなり、該ボールのクリープ強度が該導電接合
材の強度より大きくなるように構成されることを特徴と
する半導体装置。
【請求項１３】半導体チップと、パッケージと、該半
導体チップ及びパッケージの各々に設けられる少なくと
も１組の入出力用パッドと、該１組の入出力用パッドを
接続する接続部とを有する半導体装置であって、該接続
部は、上記１組の入出力用パッドの少なくとも１つから
突出する突起部と、当該１組の入出力用パッドの間に配
置される導電性を有するボールと、当該１組の入出力用
パッドと該ボールとを接合する導電接合材とからなり、
該ボールのクリープ強度が該導電接合材の強度より大き
くなるように構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】半導体チップと、配線基板と、該半導
体チップ及び配線基板の各々に設けられる少なくとも１
組の入出力用パッドと、該１組の入出力用パッドを接続
する接続部とを有する半導体装置であって、該接続部
は、上記１組の入出力用パッドの少なくとも１つから突
出する突起部と、当該１組の入出力用パッドの間に配置
される導電性を有するボールと、当該１組の入出力用パ
ッドと該ボールとを接合する導電接合材とからなり、該
ボールのクリープ強度が該導電接合材の強度より大きく
なるように構成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】配線基板の入出力用パッドに導電性接
合材を配設する工程と、該配線基板の入出力用パッド
に、請求項１〜７のいずれかに記載のバンプを備えるパ
ッケージの当該バンプのボールを近接させ、該配線基板
の入出力用パッドの導電性接合材を加熱溶融させて該導
電性接合材によって上記ボールと該配線基板の入出力用
パッドとを接続する工程とを備えることを特徴とするパ
ッケージの実装方法。
【請求項１６】配線基板又はパッケージの入出力用パ
ッドに導電性接合材を配設する工程と、該配線基板又は
パッケージの入出力用パッドに、請求項１〜７のいずれ
かに記載のバンプを備える半導体チップの当該バンプの
ボールを近接させ、該配線基板又はパッケージの入出力
用パッドの導電性接合材を加熱溶融させて該導電性接合
材によって上記ボールと該配線基板又はパッケージの入
出力用パッドとを接続する工程とを備えることを特徴と
する半導体チップの実装方法。