JPH10154726A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼性が高く製造歩留の高い半導体装置及び
その製造方法を提供する。 【解決手段】 半導体チップ１２を実装基板１３の上面
上にフェースダウン形にフリップチップ実装したもの
で、予め半導体チップ１２の実電極パッド１４にはんだ
で形成したバンプ１８を設け、実装基板１３の四隅部分
のダミー電極端子１７には金で形成したバンプ１９を設
けておき、実装の際にはんだのバンプ１８を実装基板１
３の実電極端子１６に、また金のバンプ１９を半導体チ
ップ１２の四隅部分のダミー電極パッド１５にそれぞれ
位置合わせしてから加熱し、所定荷重で加圧すること
で、金のバンプ１９がスペーサの役割を果たすことにな
って半導体チップ１２と実装基板１３の間に所定間隔が
確保され、はんだのバンプ１８が溶融し冷却して確実な
接続が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を基板
にフリップチップ実装してなる半導体装置及びそ製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、パッケージ形状を薄形化、
小形化した半導体装置では半導体素子の基板へ実装に、
フリップチップ実装が用いられている。フリップチップ
実装は、半導体素子の電極パッドに、例えば金バンプを
形成し、さらに実装する基板のパターンに金めっきされ
た電極端子を形成し、フリップチップボンダ等を用いて
バンプを対応する電極端子に固相拡散により接合するこ
とによって行われたり、また、半導体素子に例えばはん
だバンプを形成し、このはんだバンプを基板の対応する
はんだめっき、あるいは印刷によりはんだが被着された
電極端子に、同じくフリップチップボンダ等を用いては
んだ付けすることによって行われる。

【０００３】以下、従来の技術について図１０を参照し
て説明する。図１０は断面図で、図１０において、１は
半導体装置であり、２は半導体素子であり、３は半導体
素子２の下面に設けられた電極パッドであり、４は電極
パッド３面に固着された金（Ａｕ）で形成された略球形
状のバンプである。また、５は基板であり、６は基板５
の上面に形成された回路等のパターンの電極端子で、こ
の電極端子６の表面には金めっきが施されている。さら
に、７は基板５の下面に形成された外部接続用端子であ
り、８は基板５を上面から下面に貫通するスルーホール
で、このスルーホール８によって対応する電極端子６と
外部接続用端子７が導通するよう接続されている。そし
て、図示しないフリップチップボンダに半導体素子２及
び基板５を装着し、電極端子６にバンプ４を２５０〜４
００℃に加熱し、加圧することにより固相拡散させて接
合することで半導体素子２を基板５に、いわゆるフェー
スダウン形にボンディングし、さらに半導体素子２と基
板５の間隙に封止樹脂９を充填し、加熱硬化することで
封止して半導体装置１が形成されている。

【０００４】また、図示しないが、半導体素子の下面に
設けられた電極パッドに固着した略球形状のバンプがは
んだによって形成されている場合には、フリップチップ
ボンダを用いてバンプを基板の上面に形成された所定パ
ターンのはんだが被着された電極端子にはんだ付けする
ことによって、半導体素子はフェースダウン形に基板に
ボンディングされる。このボンディングの際、室温から
はんだ溶融点、例えばＰｂ／Ｓｎ＝６３／３７の共晶は
んだを用いた場合は融点が１８３℃なので２２０℃程度
となるまで加熱し、フリップチップボンダのボンディン
グツールを変位させることにより形状制御を行いながら
冷却することによってはんだ付けが行われる。そして半
導体素子と基板の間隙に封止樹脂を充填し硬化させて封
止し半導体装置が形成される。

【０００５】しかしながら上記の従来技術では、金の固
相拡散によりフリップチップ接続を行う半導体装置１の
場合、反りのある基板５に半導体素子２をフェースダウ
ンで加圧し、基板５の電極端子６と半導体素子２のバン
プ４を接続する際、半導体素子２のバンプ４の変形によ
る変位量のみで基板５の反りを吸収しなければならず、
基板５の反りが大きいとバンプ４の変位量が少なく金の
未拡散接続部分が生じて接続率の低下を引き起こし、製
造歩留が低いものとなっていた。また、半導体素子２を
加圧する際、基板５の反りにより、同一の半導体素子２
内でバンプ４に加わる荷重が異なることになり、一部の
バンプ４にのみ過大な荷重が加わり半導体素子２にマイ
クロクラックや不純物拡散等の回復し難いダメージを生
じる虞があり、高信頼性を得難いものとなっていた。

【０００６】また、はんだバンプによるフリップチップ
実装では、はんだが溶融することによって基板の反りが
吸収できるため、金の固相拡散によるフリップチップ実
装の場合に比較して、接続率の低下や半導体素子へのダ
メージは回避できるものの、バンプを基板の電極端子に
はんだ付けする際にはバンプを電極端子に圧接させ、は
んだの加熱溶融、形状制御及び冷却などのプロセスが必
要のため、サイクルタイムを短縮するのに限界があり、
半導体装置のコスト低減が困難なものとなっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のような状況に鑑
みて本発明はなされたもので、その目的とするところは
バンプによる確実な接続を行うことができて接続率が向
上し製造歩留が高く、また信頼性も高く、さらに工程が
簡潔となってサイクルタイムが短縮できコストが低減し
た半導体装置及びその製造方法を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置及び
その製造方法は、半導体素子を間にバンプを介在させて
基板の一主面にフェースダウン形にフリップチップ実装
してなる半導体装置において、半導体素子の実電極パッ
ドと基板の実電極端子とをはんだで形成したバンプで接
続すると共に、半導体素子に複数のダミー電極パッドを
設け、かつ基板にダミー電極パッドに対応してダミー電
極端子を設け、ダミー電極パッドとダミー電極端子とを
金で形成したバンプで接続したことを特徴とするもので
あり、さらに、半導体素子が、方形状に形成され四隅部
分に少なくとも１つづつダミー電極パッドが設けられて
いることを特徴とするものであり、さらに、はんだで形
成したバンプ及び金で形成したバンプが、それぞれはん
だワイヤ及び金ワイヤを用いワイヤボンディングするこ
とによって形成されたものであることを特徴とするもの
であり、さらに、はんだで形成したバンプが、実電極パ
ッドにはんだをめっきすることによって形成されたもの
であることを特徴とするものである。

【０００９】また、半導体素子を間にバンプを介在させ
て基板の一主面にフェースダウン形にフリップチップ実
装するようにした半導体装置の製造方法において、半導
体素子の実電極パッドにはんだで形成したバンプを設
け、かつ基板のダミー電極端子に金で形成したバンプを
設けた後、はんだで形成したバンプを対応する基板の実
電極端子に、また金で形成したバンプを対応する半導体
素子のダミー電極パッドに固着するようにしたことを特
徴とする方法であり、また、半導体素子を間にバンプを
介在させて基板の一主面にフェースダウン形にフリップ
チップ実装するようにした半導体装置の製造方法におい
て、半導体素子の実電極パッドにはんだで形成したバン
プを設け、また半導体素子の複数のダミー電極パッドに
金で形成したバンプを設けた後、基板の実電極端子には
んだで形成したバンプを、また基板のダミー電極端子に
金で形成したバンプを固着するようにしたことを特徴と
する方法である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１１】先ず、第１の実施形態を図１乃至図５によ
り説明する。図１は断面図であり、図２は半導体チップ
の断面図であり、図３は実装基板の断面図であり、図４
は半導体チップと実装基板を対向させた状態における斜
視図であり、図５は半導体チップと実装基板を対向させ
た状態における下方側からの斜視図である。

【００１２】図１乃至図５において、半導体装置１１は
半導体素子の方形のシリコン製半導体チップ１２を、例
えばアルミナ基板あるいは窒化アルミニウム基板、ある
いはガラス布基材エポキシ樹脂基板でなる所定の配線回
路を備えた方形の実装基板１３に、フェースダウン形に
フリップチップ実装することにより構成されている。半
導体チップ１２は下面に実電極パッド１４とダミー電極
パッド１５とが設けられていて、実電極パッド１４は半
導体チップ１２内部の所定導電部位に導通するよう設け
られており、ダミー電極パッド１５は半導体チップ１２
内の導電部位に導通せず方形下面の四隅部分にそれぞれ
１つづつ計４個配置されている。一方、実装基板１３の
半導体チップ１２の下面に対向する上面には、回路等の
パターンの実電極端子１６とダミー電極端子１７とが設
けられている。これらの実電極端子１６とダミー電極端
子１７は、半導体チップ１２の実電極パッド１４とダミ
ー電極パッド１５に対応する各上面の所定位置に設けら
れている。

【００１３】そして、半導体チップ１２は実装基板１３
に、半導体チップ１２の実電極パッド１４に固着された
はんだで形成された略球形状のバンプ１８を実装基板１
３の実電極端子１６にはんだ付けすることにより、また
実装基板１３のダミー電極端子１７に固着された金で形
成された略球形状のバンプ１９をダミー電極パッド１５
に当接させ、固相拡散により接合する等して実装されて
いる。さらに半導体チップ１２と実装基板１３の間隙に
は熱硬化性の封止樹脂２０を充填し硬化させることによ
って封止しが行われている。なお、２１は実装基板１３
の下面に形成された外部接続用端子であり、２２は実装
基板１３を上面から下面に貫通するスルーホールで、こ
のスルーホール２２によって対応する各電極端子１６，
１７と外部接続用端子２１が導通するよう接続されてい
る。

【００１４】また、このような半導体装置１１における
半導体チップ１２の実装基板１３への実装は、次のよう
にして行われる。すなわち、半導体チップ１２の実電極
パッド１４にはんだで形成された略球形状のバンプ１８
を固着する。このはんだでなるバンプ１８の形成は、例
えば直径が５０μｍ、融点が２２１〜２３６℃のＳｎ／
Ａｇ＝９９／１のワイヤを用いると共に、ワイヤボンデ
ィング技術を用いて直径が約９５μｍで高さが約１２５
μｍとなるように行われている。また実装基板１３の表
面に設けられた金フラッシュめっきされたダミー電極端
子１７に、金で形成された同じく略球形状のバンプ１９
を固着する。この金のバンプ１９の形成は、例えば直径
が２５μｍの金ワイヤを用いると共に、ワイヤボンディ
ング技術を用いて直径が約８５μｍで高さが約４０〜６
０μｍとなるように行われている。

【００１５】次に、図示しないフリップチップボンダの
ボンディングステージに実装基板１３を、実電極端子１
６及び金のバンプ１９が固着されたダミー電極端子１７
の形成された面を上側に向けて載せ、またフリップチッ
プボンダのボンディングツールに半導体チップ１２を、
実電極パッド１４及びはんだで形成されたバンプ１８が
実装基板１３の上面に対向するよう真空吸着させる。そ
の後、半導体チップ１２のはんだでなるバンプ１８とダ
ミー電極パッド１５が、それぞれ実装基板１３の対応す
る実電極端子１６及び金のバンプ１９の直上に位置する
ようボンディングツールを水平面内で移動させて位置合
わせし、位置合わせ後、対応するもの同志が圧接するよ
うボンディングツールを下方に変位させて半導体チップ
１２を実装基板１３の上面に実装する。

【００１６】この実装の際に、ボンディングツールとボ
ンディングステージとを２５０〜３００℃に加熱し、所
定の荷重で加圧する。この時の加圧荷重は、はんだで形
成されたバンプ１８について１個当たり１０〜３Ｏｇｆ
の荷重を、また金で形成されたバンプ１９について１個
当たり５０〜１００ｇｆの荷重を加える。すなわち、例
えばはんだでなるバンプ１８が１００個で、金のバンプ
１９が４個の場合には、（１０〜３Ｏｇｆ）×１００＋
（５０〜１００ｇｆ）×４＝１２００〜３４００ｇｆの
荷重で加圧する。そして、ダミー電極パッド１５に圧接
させることで変形した金のバンプ１９によって半導体チ
ップ１２の下面と実装基板１３の上面の間隔を所定寸法
とした状態とし、この状態ではんだのバンプ１８を溶融
させ、その後冷却する。これによって実電極パッド１４
に固着されていたはんだのバンプ１８は実電極端子１６
に確実に固着し、半導体チップ１２の実装基板１３への
フリップチップ接続が完了する。

【００１７】その後、半導体チップ１２の下面に対向す
る実装基板１３の上面に封止樹脂２０、例えばシリカフ
ィラーが混在した熱硬化性エポキシ樹脂をディスペンス
法により供給する。そして、実装基板１３を６０〜８０
℃程度に加熱して封止樹脂２０の粘度を低下させ、毛細
管現象により封止樹脂２０を半導体チップ１２と実装基
板１３の間隙に充填する。続いて半導体チップ１２と実
装基板１３の間隙に封止樹脂２０が充填されたものを、
例えば１００℃で４時間保持し、さらに１５０℃で２時
間保持するステップキュアを行うことで熱硬化性エポキ
シ樹脂を内部にボイドが生じないようにして硬化させて
樹脂封止を行い、半導体装置１１を完成する。

【００１８】上述のように構成することで、ダミー電極
端子１７に固着された金のバンプ１９がダミー電極パッ
ド１５に接合し固着することによって、金のバンプ１９
が半導体チップ１２と実装基板１３の間に介在する所定
間隙を形成するスペーサの役割を果たすことになり、は
んだのバンプ１８が溶融しても半導体チップ１２の下面
と実装基板１３の上面の間に所定間隙を有する間隔が確
保される。そして、間隔が確保されていることからはん
だのバンプ１８を溶融させ冷却させることで半導体チッ
プ１２の実電極パッド１４と実装基板１３の実電極端子
１６とが確実に接続され、接続率が向上する。また、実
装基板１３に反りがあっても一部のバンプに過大な荷重
が偏って加わることがなくなり、マイクロクラックや不
純物拡散等の回復し難いダメージを生じる虞がなくな
り、信頼性が向上する。

【００１９】さらに、金のバンプ１９によって半導体チ
ップ１２と実装基板１３の間隔が確保されるため、フリ
ップチップボンダにバンプの形状制御を行う機構を設け
る必要がなく、そしてボンディングツールを形状制御の
ために変位させなくても、はんだのバンプ１８を溶融さ
せることによって所定間隔に保持された実電極パッド１
４と実電極端子１６の間を簡単に接続することができ
る。またフリップチップボンダを変位させて行うバンプ
の形状制御のための形状制御工程がなくてすみ、製造プ
ロセスのサイクルタイムを短縮することができ、半導体
装置のコストを低減することができる。

【００２０】次に、第２の実施形態を図６乃至図９によ
り説明する。図６は断面図であり、図７は半導体チップ
の断面図であり、図８は実装基板の断面図であり、図９
は半導体チップと実装基板を対向させた状態における下
方側からの斜視図である。

【００２１】図６乃至図９において、半導体装置３１は
半導体素子の方形のシリコン製半導体チップ３２を、例
えばアルミナ基板あるいは窒化アルミニウム基板、ある
いはガラス布基材エポキシ樹脂基板でなる所定の配線回
路を備えた方形の実装基板３３に、フェースダウン形に
フリップチップ実装することにより構成されている。半
導体チップ３２は下面に実電極パッド１４とダミー電極
パッド１５とが設けられていて、実電極パッド１４は半
導体チップ３２内部の所定導電部位に導通するよう設け
られており、ダミー電極パッド１５は半導体チップ３２
内の導電部位に導通せず方形下面の四隅部分にそれぞれ
１つづつ計４個配置されている。

【００２２】そして、実電極パッド１４にははんだで形
成された略球形状のバンプ１８が固着されており、ダミ
ー電極パッド１５には金で形成された略球形状のバンプ
１９が固着されている。また実装基板３３の上面には、
回路等のパターンの実電極端子１６とダミー電極端子１
７とが設けられており、これらの実電極端子１６とダミ
ー電極端子１７とは、半導体チップ３２の実電極パッド
１４とダミー電極パッド１５に対応する各上面の所定位
置に設けられている。

【００２３】また、半導体チップ３２は実装基板３３
に、半導体チップ３２の実電極パッド１４に固着された
はんだで形成されたバンプ１８とダミー電極パッド１５
に固着された金で形成されたバンプ１９を実装基板１３
の対応する実電極端子１６及びダミー電極端子１７に固
着することにより実装されている。そして、半導体チッ
プ３２と実装基板３３の間隙には熱硬化性の封止樹脂２
０を充填し硬化させることによって封止しが行われてい
る。なお、実装基板３３には下面に外部接続用端子２１
が形成されていると共に上面から下面に貫通するスルー
ホール２２が形成されていて、このスルーホール２２に
よって各電極端子１６，１７がそれぞれ対応する外部接
続用端子２１に導通するよう接続されている。

【００２４】そして、このような半導体装置３１におけ
る半導体チップ３２の実装基板３３への実装は、次のよ
うにして行われる。すなわち、先ず半導体チップ３２の
実電極パッド１４にはんだで形成された略球形状のバン
プ１８を固着し、ダミー電極パッド１５に金で形成され
た略球形状のバンプ１９を固着する。はんだでなるバン
プ１８と金でなるバンプ１９の形成は、それぞれ上記の
第１の実施形態における場合と同様にして行われる。

【００２５】次に、図示しないフリップチップボンダの
ボンディングステージに実装基板３３を、実電極端子１
６及びダミー電極端子１７が形成された面を上側に向け
て載せ、またフリップチップボンダのボンディングツー
ルに半導体チップ３２を、はんだで形成されたバンプ１
８及び金で形成されたバンプ１９が、実装基板３３の上
面に対向するように真空吸着させる。その後、半導体チ
ップ３２のはんだのバンプ１８と金のバンプ１９が、そ
れぞれ実装基板３３の対応する実電極端子１６及びダミ
ー電極端子１７の直上に位置するようにボンディングツ
ールを水平面内で移動させて位置合わせし、位置合わせ
後、対応するもの同志が圧接するようボンディングツー
ルを下方に変位させて半導体チップ３２を実装基板３３
の上面に実装する。

【００２６】この実装の際には、第１の実施形態におけ
ると同様にボンディングツールとボンディングステージ
とを２５０〜３００℃に加熱し、所定の荷重で加圧する
ようにする。これにより、ダミー電極パッド１５とダミ
ー電極端子１７の間に介在する金のバンプ１９によって
半導体チップ３２の下面と実装基板３３の上面の間隔が
所定寸法となり、この状態ではんだのバンプ１８を溶融
させ、その後冷却する。これによって実電極パッド１４
に固着されていたはんだのバンプ１８は実電極端子１６
に確実に固着し、半導体チップ３２の実装基板３３への
フリップチップ接続が完了する。

【００２７】その後、半導体チップ３２の下面に対向す
る実装基板３３の上面にシリカフィラーが混在した熱硬
化性エポキシ樹脂等の封止樹脂２０をディスペンス法に
より供給し、実装基板３３を６０〜８０℃程度に加熱し
て封止樹脂２０の粘度を低下させ、毛細管現象により封
止樹脂２０を半導体チップ３２と実装基板３３の間隙に
充填する。続いて半導体チップ３２と実装基板３３の間
隙に封止樹脂２０が充填されたものを、例えば１００℃
で４時間保持し、さらに１５０℃で２時間保持するステ
ップキュアを行うことで熱硬化性エポキシ樹脂を内部に
ボイドが生じないようにして硬化させて樹脂封止を行
い、半導体装置３１を完成する。

【００２８】上述のように構成することで、本実施形態
においても金のバンプ１９が半導体チップ３２と実装基
板３３の間に介在して所定間隙を形成するスペーサの役
割を果たすことになり、またフリップチップボンダによ
るはんだでなるバンプ１８の形状制御のための形状制御
工程が不要となる等して、第１の実施形態と同様の作
用、効果が得られる。

【００２９】尚、上記の実施形態でははんだでなるバン
プ１８の形成に、ワイヤボンディング技術を用いたが、
電解メッキ法により形成するなどしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、金のバンプがスペーサとなって半導体素子と
基板の間の間隔が確保され、はんだのバンプによる確実
な接続を行うことができ接続率が向上して製造歩留が高
くなり、また回復し難いダメージを生じる虞がなくなっ
て信頼性が向上すると共に、はんだのバンプの形状をフ
リップチップボンダにより制御して形成する必要がな
く、工程が簡潔となってサイクルタイムの短縮化が図れ
コストを低減することができる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体チップの
断面図である。

【図３】本発明の第１の実施形態に係る実装基板の断面
図である。

【図４】本発明の第１の実施形態での半導体チップと実
装基板を対向させた状態における斜視図である。

【図５】本発明の第１の実施形態での半導体チップと実
装基板を対向させた状態における下方側からの斜視図で
ある。

【図６】本発明の第２の実施形態を示す断面図である。

【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体チップの
断面図である。

【図８】本発明の第２の実施形態に係る実装基板の断面
図である。

【図９】本発明の第１の実施形態での半導体チップと実
装基板を対向させた状態における下方側からの斜視図で
ある。

【図１０】従来技術を示す断面図である。

【符号の説明】 １２，３２…半導体チップ １３，３３…実装基板 １４…実電極パッド １５…ダミー電極パッド １６…実電極端子 １７…ダミー電極端子 １８，１９…バンプ…

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体素子を間にバンプを介在させて基
   板の一主面にフェースダウン形にフリップチップ実装し
   てなる半導体装置において、前記半導体素子の実電極パ
   ッドと前記基板の実電極端子とをはんだで形成した前記
   バンプで接続すると共に、前記半導体素子に複数のダミ
   ー電極パッドを設け、かつ前記基板に前記ダミー電極パ
   ッドに対応してダミー電極端子を設け、前記ダミー電極
   パッドとダミー電極端子とを金で形成した前記バンプで
   接続したことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 半導体素子が、方形状に形成され四隅部
   分に少なくとも１つづつダミー電極パッドが設けられて
   いることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 はんだで形成したバンプ及び金で形成し
   たバンプが、それぞれはんだワイヤ及び金ワイヤを用い
   ワイヤボンディングすることによって形成されたもので
   あることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 はんだで形成したバンプが、実電極パッ
   ドにはんだをめっきすることによって形成されたもので
   あることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 【請求項５】 半導体素子を間にバンプを介在させて基
   板の一主面にフェースダウン形にフリップチップ実装す
   るようにした半導体装置の製造方法において、前記半導
   体素子の実電極パッドにはんだで形成した前記バンプを
   設け、かつ前記基板のダミー電極端子に金で形成した前
   記バンプを設けた後、はんだで形成した前記バンプを対
   応する前記基板の実電極端子に、また金で形成した前記
   バンプを対応する前記半導体素子のダミー電極パッドに
   固着するようにしたことを特徴とする半導体装置の製造
   方法。
6. 【請求項６】 半導体素子を間にバンプを介在させて基
   板の一主面にフェースダウン形にフリップチップ実装す
   るようにした半導体装置の製造方法において、前記半導
   体素子の実電極パッドにはんだで形成した前記バンプを
   設け、また前記半導体素子の複数のダミー電極パッドに
   金で形成した前記バンプを設けた後、前記基板の実電極
   端子にはんだで形成した前記バンプを、また前記基板の
   ダミー電極端子に金で形成した前記バンプを固着するよ
   うにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。