JPWO2019054509A1 - 半導体素子の実装構造及び半導体素子と基板との組み合わせ - Google Patents
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- H01L2224/13138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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- H01L2224/13198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
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- H01L2224/13201—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/13211—Tin [Sn] as principal constituent
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- H01L2224/13198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/13199—Material of the matrix
- H01L2224/132—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/13201—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/13213—Bismuth [Bi] as principal constituent
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- H01L2224/13238—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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- H01L2224/13099—Material
- H01L2224/13198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/13199—Material of the matrix
- H01L2224/132—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/13238—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/13244—Gold [Au] as principal constituent
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- H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
- H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/13001—Core members of the bump connector
- H01L2224/13099—Material
- H01L2224/13198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/13199—Material of the matrix
- H01L2224/132—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/13238—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/13247—Copper [Cu] as principal constituent
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- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/161—Disposition
- H01L2224/16135—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
- H01L2224/16145—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being stacked
- H01L2224/16148—Disposition the bump connector connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being stacked the bump connector connecting to a bonding area protruding from the surface
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- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/161—Disposition
- H01L2224/16151—Disposition 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
- H01L2224/16221—Disposition 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
- H01L2224/16225—Disposition 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
- H01L2224/16227—Disposition 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 bond pad of the item
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- H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
- H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
- H01L2224/161—Disposition
- H01L2224/16151—Disposition 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
- H01L2224/16221—Disposition 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
- H01L2224/16225—Disposition 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
- H01L2224/16238—Disposition 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 protruding from the surface of the item
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- H01L2224/01—Means 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
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29199—Material of the matrix
- H01L2224/2929—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy
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- H01L2224/01—Means 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
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
- H01L2224/29298—Fillers
- H01L2224/29299—Base material
- H01L2224/29386—Base material with a principal constituent of the material being a non metallic, non metalloid inorganic material
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- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/73—Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
- H01L2224/732—Location after the connecting process
- H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
- H01L2224/73203—Bump and layer connectors
- H01L2224/73204—Bump and layer connectors the bump connector being embedded into the layer connector
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- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
- H01L2224/81009—Pre-treatment of the bump connector or the bonding area
- H01L2224/81024—Applying flux to the bonding area
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- H01L2224/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
- H01L2224/81—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a bump connector
- H01L2224/8119—Arrangement of the bump connectors prior to mounting
- H01L2224/81191—Arrangement of the bump connectors prior to mounting wherein the bump connectors are disposed only on the semiconductor or solid-state body
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Abstract
Description
<1> 素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板とが、前記素子電極と前記基板電極とを介して接続されており、
前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する第1突起電極であり、
前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する第1電極パッドであり、
前記第1電極パッドが有する前記金属凸部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入しており、
前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の底部面積が、前記先端部にはんだ層を有する第1突起電極の前記はんだ層の最大断面積に対して、75%以下である半導体素子の実装構造。
<2> 前記半導体素子の前記基板と対向する側とは反対側に、1又は2以上のその他の半導体素子が、各半導体素子同士が素子電極を介して接続された状態で積層されており、
接続関係にある2つの半導体素子において、一の半導体素子が有する素子電極及び他の半導体素子が有する素子電極の一方が、先端部にはんだ層を有する第2突起電極であり、
一の半導体素子が有する素子電極及び他の半導体素子が有する素子電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する第2電極パッドであり、
前記第2電極パッドが有する前記金属凸部が、前記第2突起電極が有する前記はんだ層に貫入しており、
前記第2電極パッドが有する前記金属凸部の底部面積が、前記先端部にはんだ層を有する第2突起電極の前記はんだ層の最大断面積に対して、75%以下である<1>に記載の半導体素子の実装構造。
<3> 前記金属凸部の形状が、円柱又は直方体である<1>又は<2>に記載の半導体素子の実装構造。
<4> 前記金属凸部が、円柱又は直方体を高さ方向に少なくとも2つ重ねた形状としたものである<1>〜<3>のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
<5> 前記金属凸部が、フォトリソグラフィーを用いて形成したものである<1>〜<4>のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
<6> 加圧により前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の少なくとも一部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入した状態として前記半導体素子と前記基板とを仮固定し、加熱により前記第1突起電極が有する前記はんだ層を溶融させて前記素子電極と前記基板電極とを接続して得られる<1>〜<5>のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
<7> 素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板と、を含み、
前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する突起電極であり、
前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する電極パッドであり、
前記金属凸部の底部面積が、前記先端部にはんだ層を有する突起電極の前記はんだ層の最大断面積に対して、75%以下である半導体素子と基板との組み合わせ。
<8> 素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板とが、前記素子電極と前記基板電極とを介して接続されており、
前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する第1突起電極であり、
前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する第1電極パッドであり、
前記第1電極パッドが有する前記金属凸部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入しており、
前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の底部面積が、前記第1電極パッドの面積に対して、70%以下である半導体素子の実装構造。
<9> 前記半導体素子の前記基板と対向する側とは反対側に、1又は2以上のその他の半導体素子が、各半導体素子同士が素子電極を介して接続された状態で積層されており、
接続関係にある2つの半導体素子において、一の半導体素子が有する素子電極及び他の半導体素子が有する素子電極の一方が、先端部にはんだ層を有する第2突起電極であり、
一の半導体素子が有する素子電極及び他の半導体素子が有する素子電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する第2電極パッドであり、
前記第2電極パッドが有する前記金属凸部が、前記第2突起電極が有する前記はんだ層に貫入しており、
前記第2電極パッドが有する前記金属凸部の底部面積が、前記第2電極パッドの面積に対して、70%以下である<8>に記載の半導体素子の実装構造。
<10> 前記金属凸部の形状が、円柱又は直方体である<8>又は<9>に記載の半導体素子の実装構造。
<11> 前記金属凸部が、円柱又は直方体を高さ方向に少なくとも2つ重ねた形状としたものである<8>〜<10>のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
<12> 前記金属凸部が、フォトリソグラフィーを用いて形成したものである<8>〜<11>のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
<13> 加圧により前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の少なくとも一部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入した状態として前記半導体素子と前記基板とを仮固定し、加熱により前記第1突起電極が有する前記はんだ層を溶融させて前記素子電極と前記基板電極とを接続して得られる<8>〜<12>のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
<14> 素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板と、を含み、
前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する突起電極であり、
前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する電極パッドであり、
前記金属凸部の底部面積が、前記電極パッドの面積に対して、70%以下である半導体素子と基板との組み合わせ。
本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。
本開示において「層」又は「膜」との語には、当該層又は膜が存在する領域を観察したときに、当該領域の全体に形成されている場合に加え、当該領域の一部にのみ形成されている場合も含まれる。
本開示において「積層」との語は、層を積み重ねることを示し、二以上の層が結合されていてもよく、二以上の層が着脱可能であってもよい。
本開示の第一の半導体素子の実装構造は、素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板とが、前記素子電極と前記基板電極とを介して接続されており、前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する第1突起電極であり、前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する第1電極パッドであり、前記第1電極パッドが有する前記金属凸部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入しており、前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の底部面積が、前記先端部にはんだ層を有する第1突起電極の前記はんだ層の最大断面積に対して、75%以下とされたものである。
また、本開示の第二の半導体素子の実装構造は、素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板とが、前記素子電極と前記基板電極とを介して接続されており、前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する第1突起電極であり、前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する第1電極パッドであり、前記第1電極パッドが有する前記金属凸部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入しており、前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の底部面積が、前記第1電極パッドの面積に対して、70%以下とされたものである。
本開示において、第一の半導体素子の実装構造及び第二の半導体素子の実装構造を、合わせて「半導体素子の実装構造」と称することがある。
本開示において、第1突起電極及び第1電極パッドは、半導体素子と基板との接続に寄与する素子電極又は基板電極を構成するものである。また、後述する第2突起電極及び第2電極パッドは、半導体素子同士の接続に寄与する素子電極を構成するものである。以下、本開示において第1突起電極及び第2突起電極を合わせて単に突起電極と称することがある。また、第1電極パッド及び第2電極パッドを合わせて単に電極パッドと称することがある。
本開示の半導体素子の実装構造では、半導体素子と基板とが、素子電極と基板電極とを介して接続される。ここで、素子電極及び基板電極の一方が先端部にはんだ層を有する突起電極であり、素子電極及び基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する電極パッドである。半導体素子と基板とを接続する場合、半導体素子が基板に仮搭載された後にリフロー等の加熱工程に供される。半導体素子が基板に仮搭載されるときには、金属凸部がはんだ層に押し付けられるため、金属凸部の先端の少なくとも一部が、はんだ層に貫入した状態となる。はんだは他の金属材料に比較して溶融温度が低く硬度も低いことから、金属凸部の先端の少なくとも一部は、はんだ層に貫入しやすい。金属凸部の先端の少なくとも一部がはんだ層に貫入することで、基板に仮搭載された半導体素子は、基板上に仮固定されやすい。そのため、半導体素子を仮搭載された基板をハンドリングする際、リフロー等の加熱工程での振動などにより、仮搭載された半導体素子が基板から外れにくく、半導体素子の位置ずれが生じにくい。そのため、本開示の半導体素子の実装構造は、半導体素子と基板との接続精度に優れると推察される。本開示の半導体素子の実装構造は、特に狭ピッチ化された接続部を有する半導体素子の実装構造に有効である。
半導体素子と基板とを接続する方法としては、特に制限されない。生産効率の観点から、加圧により前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の少なくとも一部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入した状態として前記半導体素子と前記基板とを仮固定し、加熱により前記第1突起電極が有する前記はんだ層を溶融させて前記素子電極と前記基板電極とを接続する方法が挙げられる。
より具体的には、突起電極と電極パッドとを位置合せし、突起電極の先端部のはんだ層と電極パッドの表面の1又は2以上の金属凸部とが接触した状態で加圧する。これにより、突起電極のはんだ層に電極パッドの金属凸部の頂部が貫入して半導体素子が基板に仮搭載される。その後、リフローに代表される加熱装置を用いて、はんだ層を構成するはんだを溶融させ、突起電極と電極パッドとをはんだ接続させることができる。
突起電極1個あたりに受ける荷重が0.0098N以上であるか又は半導体素子に掛かる荷重が5N以上であれば、半導体素子の仮固定力が十分となり、後段の工程での半導体素子の位置ずれが生じにくい傾向にある。突起電極1個あたりに受ける荷重が0.196N以下であるか又は半導体素子に掛かる荷重が200N以下であれば、荷重が大きすぎることによる半導体素子の損傷の発生が抑制される傾向にある。
突起電極の間隔は、1μm〜100μmであることが好ましく、10μm〜70μmであることがより好ましく、30μm〜50μmであることがさらに好ましい。
はんだ層の厚みは、0.1μm〜50μmであることが好ましく、1μm〜30μmであることがより好ましく、5μm〜20μmであることがさらに好ましい。はんだ層の厚みが0.1μm以上であれば、金属凸部のはんだ層への貫入量を十分に確保でき、仮固定力が小さくなりにくいため後段の工程での位置ずれが生じにくい傾向にある。はんだ層の厚みが50μm以下であれば、はんだ層を溶融させて素子電極と基板電極とを接続するための処理時間が長くなりにくい傾向にある。また、素子電極と基板電極とを接続する際の、隣接する電極間の電気的短絡が生じにくい傾向にある。
突起電極が金属ポストと金属ポストの先端に設けられたはんだ層とを有する構成である場合には、金、銀、銅、スズ、ニッケル等を主な成分とする金属層を有する金属ポストが、例えばメッキにより形成されていてもよい。金属ポストを構成する金属層は単一の成分を含むものであっても、複数の成分を含むものであってもよい。また、金属層は、単層構造であってもよく、複数の金属層が積層された積層構造をしていてもよい。金属ポストの材質としては、電気抵抗が小さく比較的耐蝕性が高いことから銅を好ましく用いることができる。
はんだ層のはんだ材料としては、スズ−銀系はんだ、スズ−鉛系はんだ、スズ−ビスマス系はんだ、スズ−銅系はんだ、金−銅系はんだ、スズ−銀−銅系はんだ等が使用でき、環境問題及び安全性の観点から、金−銅系はんだ、スズ−銅系はんだ、スズ−ビスマス系はんだ、スズ-銀系はんだ、スズ−銀−銅系はんだ等の無鉛はんだを好ましく使用することができる。
銅製の金属ポスト上にはんだ層を形成する場合は、接続信頼性を向上する観点から、金属成分間の拡散を抑制するためニッケル層を銅製の金属ポストとはんだ層との間に形成してもよい。また、はんだ層に電極パッドの金属凸部を貫入しやすくさせるために、めっき、印刷等ではんだ層を突起電極に形成後、はんだ層に対して加熱処理を行わなくともよい。
基板はシリコン(Si)でもよい。シリコン(Si)製の基板は、サイズ、厚み等について制限されない。シリコン(Si)製の基板としては、表面に接続用の電極を含む導体配線が形成されたウェハーを挙げることができる。また、シリコン(Si)製の基板には、配線、トランジスター、その他の電子素子、貫通電極(TSV)等が形成されていてもよい。
金属凸部を電極パッドの表面にフォトリソグラフィー技術を用いて形成する場合、シード層を残した電極パッド面に、感光性のフォトレジストを付与し、露光し、現像し、めっきし、フォトレジストを剥離し、シード層をエッチングするプロセスを経て形成することができる。金属凸部を形成する方法については、上記方法に限定されない。
金属凸部を形成する方法として、フォトリソグラフィーを用いて形成する方法以外に、ボールボンダーを用いて金、銅等の金属ワイヤーを電極パッド上に溶接し、柱状に形成し、特定の長さで切断する方法、3Dプリンターを用いて形成する方法、切削加工により形成する方法なども用いることができる。
また、電極間の接続を確実にするために、金属凸部の表面に、金メッキ、ニッケル/金メッキ、OSP(Organic Solderability Preservatives)処理等を施してもよい。OSPの市販品としては、四国化成工業株式会社の耐熱型水溶性プレフラックス タフエースF2(LX)PK等が挙げられる。
金属凸部の形状を円柱又は直方体としたときには、金属凸部の頂部と、これらの頂部が貫入され塑性変形した突起電極の先端部のはんだ層とがお互いに良好に噛み合うようになる。そのため、リフロー処理の際の外力に対しても十分な強度を得ることができ、接続部の位置ずれの発生をより抑制することができる傾向にある。
はんだ層への貫入のし易さから、金属凸部の形状としては、円柱又は直方体が好ましい。
また、金属凸部は、円柱又は直方体を高さ方向に少なくとも2つ重ねた形状としたものであってもよい。
また、本開示の第二の半導体素子の実装構造では、電極パッドの金属凸部を突起電極のはんだ層に貫入させるために、金属凸部の底部面積が、電極パッドの面積に対して、70%以下とされ、好ましくは50%以下であり、より好ましくは40%以下である。金属凸部の底部面積が電極パッドの面積に対して70%以下であると、突起電極のはんだ層に金属凸部が貫入することが容易となり、接続部の位置ずれが抑制される。また、金属凸部の底部面積は、電極パッドの面積に対して、5%以上であってもよく、10%以上であってもよい。
第2電極パッドが有する金属凸部の底部面積は、先端部にはんだ層を有する第2突起電極のはんだ層の最大断面積に対して、70%以下であってもよく、50%以下であってもよく、40%以下であってもよい。一方、第2電極パッドが有する金属凸部の底部面積は、先端部にはんだ層を有する第2突起電極のはんだ層の最大断面積に対して、5%以上であってもよく、10%以上であってもよく、15%以上であってもよい。
また、第2電極パッドが有する金属凸部の底部面積は、第2電極パッドの面積に対して、50%以下であってもよく、40%以下であってもよい。一方、第2電極パッドが有する金属凸部の底部面積は、第2電極パッドの面積に対して、5%以上であってもよく、10%以上であってもよく、15%以上であってもよい。
複数の半導体素子が積層される場合における突起電極及び電極パッドの詳細並びに突起電極と電極パッドとを接続するための方法の詳細は、上述のとおりである。
図1A、図1B、図2及び図3において、符号1は不図示の電極パッドを含む半導体素子を、符号2は半導体素子1の素子面の電極パッド上に形成された銅等の金属からなる金属ポスト(ピラー)を、符号3は金属ポスト2の先端部に設けられたはんだ層を示す。図1Aにおいて、金属ポスト2及びはんだ層3により突起電極が構成されている。また、符号6は基板を、符号4は基板6の表面の突起電極に対向する位置に形成された電極パッドを、符号5は電極パッド4の表面に設けられた金属凸部を、示す。突起電極は半導体素子の素子面に形成され、電極パッド4は基板6の表面の突起電極に対向する位置に形成される。
はんだ接続完了後に、半導体素子と基板の間を樹脂材料で埋める封止を行ってもよい。作製物の構造、使用環境等に合わせた適切な封止樹脂材料を用いることで、作製物の使用環境下での動作の信頼性を向上できることがある。樹脂封止の方法は限定されないが、半導体素子と基板との間に液状樹脂材料を流し込むキャピラリーフローアンダーフィル工法、モールド工程で液状樹脂、溶融させた顆粒状樹脂等を流し込むモールドアンダーフィル工法などを用いることができる。液状樹脂には、シリカ、アルミナ、窒化珪素、窒化ホウ素等の無機材料、有機材料などからなる粒子を加えたものを用いることもできる。アルミナ、窒化珪素、窒化ホウ素等の粒子を用いると樹脂材料の熱伝導率を高めることができ、発熱量の多い半導体素子を用いる場合、放熱特性を向上でき、半導体の動作の安定性を高めることができる傾向にある。
本開示の第一の半導体素子と基板との組み合わせは、素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板と、を含み、前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する突起電極であり、前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する電極パッドであり、前記金属凸部の底部面積が、前記先端部にはんだ層を有する突起電極の前記はんだ層の最大断面積に対して、75%以下としたものである。
また、本開示の第二の半導体素子と基板との組み合わせは、素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板と、を含み、前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する突起電極であり、前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する電極パッドであり、前記金属凸部の底部面積が、前記電極パッドの面積に対して、70%以下としたものである。
本開示において、第一の半導体素子と基板との組み合わせ及び第二の半導体素子と基板との組み合わせを、合わせて「半導体素子と基板との組み合わせ」と称することがある。
本開示の半導体素子と基板との組み合わせを用いることで、本開示の半導体素子の実装構造を製造してもよい。
本開示の半導体素子と基板との組み合わせに含まれる半導体素子、基板、電極パッド、突起電極等の詳細は、本開示の半導体素子の実装構造の場合と同様である。
アルミニウム配線を有するサイズが10mm×8mmで厚みが725μmのシリコンチップ(株式会社ウォルツ、商品名「WALTS−TEG WM40−0102JY」、突起電極(バンプ):Sn−Ag系はんだ、バンプはんだ厚み:8μm、バンプ間隔:40μm、銅ピラーの高さ:15μm、バンプサイズ:φ20μm)を半導体素子として用意した。
シリコンウェハー上に、「WALTS−TEG WM40−0102JY」のバンプ位置に対向する位置にセミアディティブ工法を用いて、直径26μm、厚み2μmのめっき銅で電極パッドを形成した。このとき、シード層はエッチングしないでおいた。次に、作製した電極パッドの表面に同様にセミアディティブ工法を用いて、縦20μm、横3μm、高さ5μmの金属凸部を電極パッド上に2つ作製し、最後に電極パッドのシード層をエッチングし、金属凸部を有する電極パッドを作製した。これを、10mm×8mmにダイシングして評価に使用した以外は実施例1と同様とした。
シリコンウェハー上に、「WALTS−TEG WM40−0102JY」のバンプ位置に対向する位置にセミアディティブ工法を用いて、直径26μm、厚み2μmのめっき銅で電極パッドを形成した。このとき、シード層はエッチングしないでおいた。次に、作製した電極パッドの表面に同様にセミアディティブ工法を用いて、縦10μm、横10μm、高さ5μmの金属凸部を電極パッド上に作製し、最後に電極パッドのシード層をエッチングし、金属凸部を有する電極パッドを作製した。これを、10mm×8mmにダイシングして評価に使用した以外は実施例1と同様とした。
シリコンウェハー上に、「WALTS−TEG WM40−0102JY」のバンプ位置に対向する位置にセミアディティブ工法を用いて、直径26μm、厚み2μmのめっき銅で電極パッドを形成した。このとき、シード層はエッチングしないでおいた。次に、作製した電極パッドの表面に同様にセミアディティブ工法を用いて、直径16μm、高さ5μmの金属凸部を電極パッド上に作製し、最後に電極パッドのシード層をエッチングし、金属凸部を有する電極パッドを作製した。これを、10mm×8mmにダイシングして評価に使用した以外は実施例1と同様とした。
シリコンウェハー上に、「WALTS−TEG WM40−0102JY」のバンプ位置に対向する位置にセミアディティブ工法を用いて、直径26μm、厚み2μmのめっき銅で電極パッドを形成した。このとき、シード層はエッチングしないでおいた。次に、作製した電極パッドの表面に同様にセミアディティブ工法を用いて、直径16μm、高さ2μmの金属凸部を電極パッド上に作製した。この作製した円柱状の金属凸部上面に同様にセミアディティブ工法を用いて、直径8μm、高さ3μmの金属凸部を作製し、最後に電極パッドのシード層をエッチングし、金属凸部を有する電極パッドを作製した。これを、10mm×8mmにダイシングして評価に使用した以外は実施例1と同様とした。
実施例1の電極パッドの表面に金属凸部を作製しないこと以外は実施例1と同様とした。
シリコンウェハー上に、「WALTS−TEG WM40−0102JY」のバンプ位置に対向する位置にセミアディティブ工法を用いて、直径26μm、厚み2μmのめっき銅で電極パッドを形成した。このとき、シード層はエッチングしないでおいた。次に、作製した電極パッドの表面に同様にセミアディティブ工法を用いて、直径24μm、高さ5μmの金属凸部を電極パッド上に作製し、最後に電極パッドのシード層をエッチングし、金属凸部を有する電極パッドを作製した。これを、10mm×8mmにダイシングして評価に使用した以外は実施例1と同様とした。
シリコンウェハー上に、「WALTS−TEG WM40−0102JY」のバンプ位置に対向する位置にセミアディティブ工法を用いて、直径26μm、厚み2μmのめっき銅で電極パッドを形成した。このとき、シード層はエッチングしないでおいた。次に、作製した電極パッドの表面に同様にセミアディティブ工法を用いて、直径22μm、高さ5μmの金属凸部を電極パッド上に作製し、最後に電極パッドのシード層をエッチングし、金属凸部を有する電極パッドを作製した。これを、10mm×8mmにダイシングして評価に使用した以外は実施例1と同様とした。
位置ずれの確認は、シリコンチップのはんだバンプに、基板の金属凸部を貫入させシリコンチップを基板に仮搭載し、加熱処理によりはんだ接続した半導体素子の実装構造について、シリコンチップのはんだバンプと基板の電極パッド部分との位置ずれをX線観察装置(ノードソン・アドバンスト・テクノロジー株式会社、商品名「XD−7600NT100−CT」)で確認することで行った。位置ずれは、下記の評価基準に従って評価した。
なお、位置ずれは5箇所を測定し、その算術平均値を求めた。
A:シリコンチップのバンプと基板の電極パッド部分との位置ずれの平均が10μm未満である。
B:シリコンチップのバンプと基板の電極パッド部分との位置ずれの平均が10μm以上、15μm未満である。
C:シリコンチップのバンプと基板の電極パッド部分との位置ずれの平均が15μm以上である。
突起電極と反対面の同じ位置に電極パッドを有し、積層可能なアルミニウム配線を有するサイズが10mm×8mmで厚みが50μmのシリコンチップ(株式会社ウォルツ、商品名「WALTS−TEG WM40−0101JY」、突起電極(バンプ):Sn−Ag系はんだ、バンプはんだ厚み:8μm、バンプ間隔:40μm、銅ピラーの高さ:15μm、バンプサイズ:φ20μm、電極パッド:パッドサイス:φ26μm、パッド高さ:6μm)を半導体素子として用意した。この「WALTS−TEG WM40−0101JY」の電極パッド上に実施例1と同様の方法で縦20μm、横3μm、高さ5μmの金属凸部を作製したものを評価に使用した。
次いで、シリコンチップのバンプを有する面を基板側に向け、バンプが基板と接触するように、シリコンチップの上から100Nの荷重で加圧用部材により加圧し、バンプのはんだ層に基板の金属凸部を貫入させた。この際、シリコンチップのバンプにフラックスを付与してから加圧した。同様に、同じシリコンチップを同条件で4段積層して、シリコンチップ(半導体素子)を4段仮搭載した基板を作製した以外は実施例1と同様とした。
実施例1において、シリコンチップを仮搭載した基板を、IRリフロー炉を通過させ、はんだ接続した基板に、日立化成株式会社の液状封止材:CEL−C−3730をジェットディスペンスサー(武蔵エンジニアリング株式会社、商品名「FAD2500」)を用いて塗布し、165℃で2時間硬化した以外は実施例1と同様とした。
シリコンウェハー上に、「WALTS−TEG WM40−0102JY」のバンプ位置に対向する位置にセミアディティブ工法を用いて、直径26μm、厚み2μmのめっき銅で電極パッドを形成した。このとき、シード層はエッチングしないでおいた。次に、作製した電極パッドの表面に同様にセミアディティブ工法を用いて、直径16.4μm、高さ5μmの金属凸部を電極パッド上に作製し、最後に電極パッドのシード層をエッチングし、金属凸部を有する電極パッドを作製した。これを、10mm×8mmにダイシングして評価に使用した以外は実施例1と同様とした。
シリコンウェハー上に、「WALTS−TEG WM40−0102JY」のバンプ位置に対向する位置にセミアディティブ工法を用いて、直径26μm、厚み2μmのめっき銅で電極パッドを形成した。このとき、シード層はエッチングしないでおいた。次に、作製した電極パッドの表面に同様にセミアディティブ工法を用いて、直径15μm、高さ5μmの金属凸部を電極パッド上に作製し、最後に電極パッドのシード層をエッチングし、金属凸部を有する電極パッドを作製した。これを、10mm×8mmにダイシングして評価に使用した以外は実施例1と同様とした。
シリコンウェハー上に、「WALTS−TEG WM40−0102JY」のバンプ位置に対向する位置にセミアディティブ工法を用いて、直径26μm、厚み2μmのめっき銅で電極パッドを形成した。このとき、シード層はエッチングしないでおいた。次に、作製した電極パッドの表面に同様にセミアディティブ工法を用いて、直径14μm、高さ5μmの金属凸部を電極パッド上に作製し、最後に電極パッドのシード層をエッチングし、金属凸部を有する電極パッドを作製した。これを、10mm×8mmにダイシングして評価に使用した以外は実施例1と同様とした。
シリコンウェハー上に、「WALTS−TEG WM40−0102JY」のバンプ位置に対向する位置にセミアディティブ工法を用いて、直径26μm、厚み2μmのめっき銅で電極パッドを形成した。このとき、シード層はエッチングしないでおいた。次に、作製した電極パッドの表面に同様にセミアディティブ工法を用いて、直径17μm、高さ5μmの金属凸部を電極パッド上に作製し、最後に電極パッドのシード層をエッチングし、金属凸部を有する電極パッドを作製した。これを、10mm×8mmにダイシングして評価に使用した以外は実施例1と同様とした。
位置ずれの確認は、シリコンチップのはんだバンプに、基板の金属凸部を貫入させシリコンチップを基板に仮搭載し、加熱処理によりはんだ接続した半導体素子の実装構造について、シリコンチップのはんだバンプと基板の電極パッド部分との位置ずれをX線観察装置(ノードソン・アドバンスト・テクノロジー株式会社、商品名「XD−7600NT100−CT」)で確認することで行った。
なお、位置ずれは20箇所を測定し、シリコンチップのバンプと基板の電極パッド部分との位置ずれが10μm未満である箇所の割合(百分率)を求めた。
また、本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
2 金属ポスト
3 はんだ層
4 電極パッド
5 金属凸部
6 基板
Claims (14)
- 素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板とが、前記素子電極と前記基板電極とを介して接続されており、
前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する第1突起電極であり、
前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する第1電極パッドであり、
前記第1電極パッドが有する前記金属凸部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入しており、
前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の底部面積が、前記先端部にはんだ層を有する第1突起電極の前記はんだ層の最大断面積に対して、75%以下である半導体素子の実装構造。 - 前記半導体素子の前記基板と対向する側とは反対側に、1又は2以上のその他の半導体素子が、各半導体素子同士が素子電極を介して接続された状態で積層されており、
接続関係にある2つの半導体素子において、一の半導体素子が有する素子電極及び他の半導体素子が有する素子電極の一方が、先端部にはんだ層を有する第2突起電極であり、
一の半導体素子が有する素子電極及び他の半導体素子が有する素子電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する第2電極パッドであり、
前記第2電極パッドが有する前記金属凸部が、前記第2突起電極が有する前記はんだ層に貫入しており、
前記第2電極パッドが有する前記金属凸部の底部面積が、前記先端部にはんだ層を有する第2突起電極の前記はんだ層の最大断面積に対して、75%以下である請求項1に記載の半導体素子の実装構造。 - 前記金属凸部の形状が、円柱又は直方体である請求項1又は請求項2に記載の半導体素子の実装構造。
- 前記金属凸部が、円柱又は直方体を高さ方向に少なくとも2つ重ねた形状としたものである請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
- 前記金属凸部が、フォトリソグラフィーを用いて形成したものである請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
- 加圧により前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の少なくとも一部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入した状態として前記半導体素子と前記基板とを仮固定し、加熱により前記第1突起電極が有する前記はんだ層を溶融させて前記素子電極と前記基板電極とを接続して得られる請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
- 素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板と、を含み、
前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する突起電極であり、
前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する電極パッドであり、
前記金属凸部の底部面積が、前記先端部にはんだ層を有する突起電極の前記はんだ層の最大断面積に対して、75%以下である半導体素子と基板との組み合わせ。 - 素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板とが、前記素子電極と前記基板電極とを介して接続されており、
前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する第1突起電極であり、
前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する第1電極パッドであり、
前記第1電極パッドが有する前記金属凸部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入しており、
前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の底部面積が、前記第1電極パッドの面積に対して、70%以下である半導体素子の実装構造。 - 前記半導体素子の前記基板と対向する側とは反対側に、1又は2以上のその他の半導体素子が、各半導体素子同士が素子電極を介して接続された状態で積層されており、
接続関係にある2つの半導体素子において、一の半導体素子が有する素子電極及び他の半導体素子が有する素子電極の一方が、先端部にはんだ層を有する第2突起電極であり、
一の半導体素子が有する素子電極及び他の半導体素子が有する素子電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する第2電極パッドであり、
前記第2電極パッドが有する前記金属凸部が、前記第2突起電極が有する前記はんだ層に貫入しており、
前記第2電極パッドが有する前記金属凸部の底部面積が、前記第2電極パッドの面積に対して、70%以下である請求項8に記載の半導体素子の実装構造。 - 前記金属凸部の形状が、円柱又は直方体である請求項8又は請求項9に記載の半導体素子の実装構造。
- 前記金属凸部が、円柱又は直方体を高さ方向に少なくとも2つ重ねた形状としたものである請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
- 前記金属凸部が、フォトリソグラフィーを用いて形成したものである請求項8〜請求項11のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
- 加圧により前記第1電極パッドが有する前記金属凸部の少なくとも一部が、前記第1突起電極が有する前記はんだ層に貫入した状態として前記半導体素子と前記基板とを仮固定し、加熱により前記第1突起電極が有する前記はんだ層を溶融させて前記素子電極と前記基板電極とを接続して得られる請求項8〜請求項12のいずれか1項に記載の半導体素子の実装構造。
- 素子電極を有する半導体素子と、前記半導体素子と対向する側の面の前記素子電極と対向する位置に設けられた基板電極を有する基板と、を含み、
前記素子電極及び前記基板電極の一方が、先端部にはんだ層を有する突起電極であり、
前記素子電極及び前記基板電極の他方が、1又は2以上の金属凸部を表面に有する電極パッドであり、
前記金属凸部の底部面積が、前記電極パッドの面積に対して、70%以下である半導体素子と基板との組み合わせ。
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