KR101140518B1 - 배선 기판 및 반도체 장치 - Google Patents

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오사무 미야타
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로무 가부시키가이샤
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Abstract

반도체 칩(3)이 그 표면을 대향시켜서 접합되는 배선 기판(2, 15)으로서, 반도체 칩이 접합되는 접합면(2a, 15a)에 형성되고, 당해 반도체 칩과의 접속을 위한 접속 전극(14)과, 상기 접합면에 형성되고, 상기 접속 전극을 노출시키기 위한 개구(6a)를 갖는 절연막(6)과, 상기 개구내에 있어서의 상기 접속 전극상에 설치된 저융점 금속부(16)를 포함하는 배선 기판이다. 상기 저융점 금속부는 상기 접속 전극보다 고상선 온도가 낮은 저융점 금속 재료로 이루어진다.

Description

배선 기판 및 반도체 장치{WIRING B0ARD AND SEMIC0NDUCT0R DEVICE}
본 발명은 반도체 칩이 플립칩(flip chip) 접속되는 배선 기판, 및 이 배선 기판에 반도체 칩을 플립칩 접속하여 되는 반도체 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 소형화 및 고밀도 실장을 위하여, 반도체 칩의 기능 소자가 형성된 기능면을 고체 장치에 대향시키고, 반도체 칩을 고체 장치에 접속하는 플립칩 접속 구조가 주목받고 있다.
도 6은 플립칩 접속 구조를 갖는 반도체 장치의 도해적인 단면도이다. 이 반도체 장치(51)는 배선 기판(52)과, 기능 소자(54)가 형성된 기능면(53a)을 배선 기판(52)의 접합면(52a)에 대향시켜서 접속된 반도체 칩(53)을 구비하고 있다.
배선 기판(52)의 접합면(52a)에는 복수의 접속 전극(55)이 형성되어 있다. 또, 배선 기판(52)의 접합면(52a)에는 그 접합면(52a)과 반도체 칩(53)의 기능면(53a)과의 간격보다 작은 두께를 갖는 솔더 레지스트(solder resist)막(56)이 형성되어 있다. 솔더 레지스트막(56)에는 접속 전극(55)을 개별로 노출시키기 위한 복수의 개구(56a)가 형성되어 있다.
반도체 칩(53)의 기능면(53a)에는 기능 소자(54)와 전기적으로 접속된 복수의 전극 패드(57)가 형성되어 있다. 전극 패드(57)는 기능면(53a)을 덮는 표면 보 호막(59)에 형성된 개구(59a)로부터 노출하고 있다. 또, 각 전극 패드(57)의 위에는 돌기 전극(58)이 표면 보호막(59)의 표면으로부터 돌출하여 형성되어 있다.
배선 기판(52)의 접합면(52a)에 형성된 접속 전극(55)과, 반도체 칩(53)의 기능면(53a)에 형성된 돌기 전극(58)은 전극 패드(57), 접속 전극(55) 및 돌기 전극(58)보다 고상선(固相線) 온도(융점)가 낮은 저융점 금속으로 이루어지는 접합재(60)를 통하여 접속되어 있다. 이 접합재(60)는 반도체 칩(53)의 돌기 전극(58)상에 배치되는 땜납 볼(solder ball)이 그 반도체 칩(53)과 배선 기판(52)의 접합시에 용융하여 형성된다.
그리고, 배선 기판(52)과 반도체 칩(53)의 사이에 존재하는 공극(空隙)은 언더필(underfill)층(63)으로 메워져 있다.
도 7은 종래의 반도체 장치(51)의 제조 방법을 설명하기 위한 도해적인 단면도이다.
우선, 배선 기판(52)이 접합면(52a)을 위쪽으로 향하게 하고, 거의 수평인 자세로 홀딩된다. 그리고, 히터를 내장하여 가열하는 것이 가능한 본딩 툴(boding tool)(62)에 의해, 반도체 칩(53)이 기능면(53a)과 반대측인 면인 이면(53b)이 흡착되어서 홀딩된다. 반도체 칩(53)은 기능면(53a)을 아래쪽으로 향하게 하고, 배선 기판(52)의 접합면(52a)에 대향된다. 반도체 칩(53)의 기능면(53a)에는 접속 전극(55)에 대응하는 땜납 볼(61)이 형성되어 있다.
계속하여, 반도체 칩(53)의 땜납 볼(61)이 배선 기판(52)의 접속 전극(55)에 맞닿음(堂接) 가능하게 위치를 맞춘 후, 본딩 툴(62)이 하강되고 반도체 칩(53)이 배선 기판(52)에 접합된다. 이 때, 본딩 툴(62)에 의해 반도체 칩(53)이 가열되고, 이 열로 인하여 땜납 볼(61)이 용융된다. 그 후, 본딩 툴(62)에 의한 가열이 정지되고, 땜납 볼(61)은 접속 전극(55)과 돌기 전극(58)을 전기적으로 접속하는 접합재(60)로 된다.
또, 미경화(未硬化)(액상)의 언더필재가 배선 기판(52)과 반도체 칩(53)의 틈새에 충전된 후, 경화시키기 위한 처리가 행해지고, 배선 기판(52)과 반도체 칩(53)의 틈새에 언더필층(63)이 형성된다. 이로 인해, 도 6에 나타내는 반도체 장치(51)가 얻어진다. 이와 같은 반도체 장치 및 그 제조 방법은 하기와 같이 문헌에 개시되어 있다.
그러나, 배선 기판(52)의 접속 전극(55)이나 반도체 칩(53)의 땜납 볼(61)은 높이 불균일을 갖기 때문에, 접속 전극(55)과 돌기 전극(58)을 확실히 접합하기 위해서는 접합시에, 반도체 칩(53)에 큰 하중을 걸리게 하지 않으면 안된다. 이 때문에, 용융한 땜납 볼(61)이 접합면(52a)(기능면(53a))을 따르는 방향으로 펼쳐진다. 그 결과, 접합면(52a)의 면내 방향으로 인접하는 접속 전극(55)끼리(기능면(53a)의 면내 방향으로 인접하는 돌기 전극(58)끼리)가 접합재(60)에 의해 전기적으로 단락(短絡)되고, 쇼트 불량이 발생한다고 하는 불편이 있었다.
또, 언더필층(63)의 형성은 반도체 칩(53)을 배선 기판(52)에 접합하기 전에, 미경화의 언더필재를 접합면(52a)상에 도포하고, 반도체 칩(53)을 배선 기판(52)에 접속한 후에 경화함으로써 행해지는 일이 있다. 이 경우, 접속 전극(55)에 땜납 볼(61)을 접촉시키기 위하여, 반도체 칩(53)은 본딩 툴(62)에 의해, 미경 화의 언더필재가 존재하지 않는 경우에 비해 큰 힘으로 배선 기판(52)에 눌린다.
이 상태에서, 반도체 칩(53)이 본딩 툴(62)에 의해 가열되고, 땜납 볼(61)의 융액(融液)이 발생하면, 이 융액은 용이하게 접합면(52a)의 면내 방향으로 펼쳐지기 때문에, 이 융액이 고체화하여 형성되는 접합재(60)에 의해, 이 면내 방향으로 인접하는 접속 전극(55)이나 돌기 전극(58)이 전기적으로 단락되고, 쇼트 불량이 생기기 쉽다.
비특허 문헌 1 : Chua Khoon Lam, 그외 1명, "Assemb1y and Reliability Performance of Flip Chip with No-flow Underfills", 2003 Electronics Packaging Technology Conference, p.336-341
본 발명의 목적은 반도체 칩과의 전기적 접속을 위한 접속 전극 사이에서의 단락을 방지할 수 있는 배선 기판 및 그것을 이용한 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 배선 기판은 반도체 칩이 그 표면을 대향시켜서 접합되는 배선 기판으로서, 반도체 칩이 접합되는 접합면에 형성되고, 당해 반도체 칩과의 접속을 위한 접속 전극과, 상기 접합면에 형성되고, 상기 접속 전극을 노출시키기 위한 개구를 갖는 절연막과, 상기 개구내에 있어서 상기 접속 전극 위에 설치되고, 상기 접속 전극보다 고상선 온도가 낮은 저융점 금속 재료로 이루어지는 저융점 금속부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 반도체 칩과의 접합면에 있어서, 그 최표면의 절연막에 접속 전극을 노출시키기 위한 개구가 형성되고, 그 개구내에 저융점 금속부가 배치되어 있다. 그 때문에, 반도체 칩과의 접속시, 이 배선 기판을 저융점 금속부의 고상선 온도 이상의 온도로 가열하고, 저융점 금속부의 융액을 일으키게 할 수 있다. 이 융액이 고체화하여 형성되는 접합재를 통하여 배선 기판의 접속 전극과 반도체 칩의 전기적 접속을 달성할 수 있다.
이 때, 저융점 금속부의 융액이 생겨도, 이 융액을 개구내에 남길 수 있고, 개구로부터 흘러넘치는 것을 방지할 수 있다. 그 때문에, 접합면(15a)의 면내 방향으로 인접하는 접속 전극이 그 용융한 저융점 금속부에 의해서 단락되는 것을 방지할 수 있다.
이 배선 기판에 반도체 칩을 접합할 때, 상기 배선 기판은 상기 접합면을 위쪽으로 향하여 홀딩되는 것이 바람직하다. 이 경우, 접합때 저융점 금속부가 그 고상선 온도 이상의 온도로 가열되어서 융액을 일으켰다고 해도, 이 융액은 중력의 작용에 의해 아래쪽으로 흐르려고 하기 때문에, 절연막의 개구내에 수용된다.
절연막은 예를 들어, 솔더 레지스트이어도 된다.
상기 개구내의 용적은 상기 접속 전극의 체적과 상기 저융점 금속부의 체적과의 합보다 크게 되어 있어도 된다.
이 구성에 의하면, 개구내에 있어서, 접속 전극에 의해 차지할 수 있는 공간의 잔여의 공간의 용적은 저융점 금속부의 체적보다 크다. 저융점 금속부의 체적과, 이 저융점 금속부가 용융 및 고체화하여 얻어지는 접합재의 체적과는 동일하기 때문에, 개구는 이 접합재의 전량을 수용할 수 있는 용적을 갖고 있다. 이 때문에, 저융점 금속부나 그 융액은 접합시에 개구내에 수용되고, 접합면의 면내 방향으로 인접하는 접속 전극이나 돌기 전극으로 이동하지 않는다. 따라서, 이 배선 기판은 반도체 칩과의 접합시에, 쇼트 불량이 생기는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 저융점 금속부의 체적은 고상 상태에 있어서의 체적뿐만 아니라, 액상 상태에 있어서의 체적을 포함하는 것으로 한다.
저융점 금속부는 예를 들어, 도금에 의해 접속 전극상에 형성할 수 있다. 이 경우, 도금 시간이나 도금 전류를 제어하여 도금 두께를 제어함으로써, 저융점 금속부의 체적을 소정의 체적으로 할 수 있다.
또, 저융점 금속부는 접속 전극상에 땜납 페이스트(크림 땜납(cream solder))를 도포한 후, 배선 기판을 가열하여 땜납 페이스트중의 유기물(플럭스(flux), 용매 등)을 비산(飛散)시키는 동시에, 땜납 페이스트중의 땜납 분말을 용융 및 고체화시키는 것으로 형성되어도 된다. 이 경우, 땜납 페이스트의 도포량을 제어함으로써, 저융점 금속부의 체적을 소정의 체적으로 할 수 있다. 즉, 이 경우에 있어서의 저융점 금속부의 체적은 땜납 페이스트의 체적이 아니라, 땜납 페이스트를 구성하는 땜납 분말이 용융 및 고체화되어 얻어지는 땜납재의 체적을 의미한다.
본 발명의 반도체 장치는 배선 기판과 기능 소자가 형성된 표면에 그 기능 소자와 전기적으로 접속된 돌기 전극을 갖고, 상기 배선 기판의 접합면에 대하여 표면을 대향시켜서 접합되는 반도체 칩을 포함한다. 상기 배선 기판은 상기 접합면에 형성되고, 당해 반도체 칩과의 접속을 위한 접속 전극과, 상기 접합면에 형성되고, 상기 접속 전극을 노출시키기 위한 개구를 갖는 절연막과, 상기 개구내에 있어서 상기 접속 전극상에 설치되고, 상기 접속 전극보다 고상선 온도가 낮은 저융점 금속 재료로 이루어지는 저융점 금속부를 갖는다.
상기 개구내의 용적은 상기 접속 전극의 체적과 상기 저융점 금속부의 체적과의 합보다 크게 여겨지고 있어도 된다.
본 발명에 있어서의 상술한, 또는 또다른 목적, 특징 및 효과는 첨부한 도면을 참조하여 후술하는 실시 형태의 설명에 의해 밝혀진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 반도체 장치의 구조를 나타내는 도해적인 단면도.
도 2는 도 1에 나타내는 반도체 장치의 접속 부재 주변을 확대하여 나타내는 도해적인 단면도.
도 3은 도 1에 나타내는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 도해적인 평면도.
도 4는 도 1에 나타내는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 도해적인 단면도.
도 5는 도 1에 나타내는 반도체 장치의 변형예를 나타내는 도해적인 단면도.
도 6은 플립칩 접속 구조를 갖는 반도체 장치의 구조를 나타내는 도해적인 단면도.
도 7은 도 6에 나타내는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 도해적인 단면도.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 반도체 장치의 도해적인 단면도이다. 이 반도체 장치(1)는 배선 기판(2)과, 기능 소자(4)가 형성된 기능면(3a)을 배선 기판(2)의 표면(이하, 「접합면」이라고 함)(2a)에, 대향시켜서 접속된 반도체 칩(3)을 포함하고 있다.
배선 기판(2)의 접합면(2a)에는 복수의 접속 전극(14)(도 2 내지 도 4 참조)이 형성되어 있고, 배선 기판(2)과 반도체 칩(3)은 접속 전극(14)을 각각 포함하는 복수의 접속 부재(5)에 의하여 소정 간격을 유지하도록 접합되고, 또한 전기적으로 접속되어 있다.
배선 기판(2)의 접합면(2a)에는 그 접합면(2a)과 반도체 칩(3)의 간격보다 작은 두께를 갖는 솔더 레지스트막(6)이 형성되어 있다. 이 솔더 레지스트막(6)에 의해, 배선 기판(2)의 접합면(2a)에 형성되어 있는 배선 사이에서의 전기적 단락이 방지되어 있다. 이 솔더 레지스트막(6)에는 접속 전극(14)을 개별로 노출시키는 복수의 개구(6a)가 형성되어 있다. 접속 부재(5)는 개구(6a)내에 있어서 접속 전극(14)과 접속된다.
배선 기판(2)과 반도체 칩(3)의 틈새(배선 기판(2)과 반도체 칩(3)의 사이이며, 접합면(2a)을 수직으로 내려다 보는 평면시에 있어서, 반도체 칩(3)과 겹치는 영역)에는 언더필층(7)이 배치되어 있다. 언더필층(7)에 의해서, 배선 기판(2)과 반도체 칩(3)의 틈새가 봉지되는 동시에, 기능면(3a)이나 접속 부재(5)이 보호되고 있다.
배선 기판(2)의 단부에는 도시하지 않는 배선에 의해 접속 부재(5)와 전기적으로 접속된 단면 전극(8)이 형성되어 있다. 단면 전극(8)은 배선 기판(2)의 접합면(2a)으로부터 단면을 거쳐서, 접합면(2a)의 반대측인 외부 접속면(2b)에 도달하도록 형성되어 있다. 이 반도체 장치(1)는 단면 전극(8)에 있어서, 다른 배선 기판(실장 기판)과의 전기적 접속을 달성할 수 있다.
도 2는 반도체 장치(1)의 접속 부재(5) 주변을 확대하여 나타내는 도해적인 단면도이다.
반도체 칩(3)의 기능면(3a)에는 기능 소자(4)에 전기적으로 접속되고, 알루미늄(Al)으로 이루어지는 복수의 전극 패드(11)가 형성되어 있다. 전극 패드(11)는 기능면(3a)을 덮는 표면 보호막(12)에 형성된 개구(12a)로부터 노출하고 있다. 표면 보호막(12)은 예를 들어, 질화 실리콘(패시베이션막)이나 폴리이미드로 이루어진다. 또, 각 전극 패드(11)의 위에는 돌기 전극(13)이 표면 보호막(12)으로부터 돌출하여 형성되어 있다. 돌기 전극(13)은 예를 들어 무전해 니켈(Ni) 도금 및, 무전해 금(Au) 도금에 의해 형성되어 있어도 되고, 전해 동(Cu) 도금이나 전해 금도금에 의해 형성되어 있어도 된다.
접합면(2a)상에 형성된 각 접속 전극(14)은 반도체 칩(3)의 기능면(3a)에 형성된 복수의 전극 패드(11)(돌기 전극(13))의 각각 대응하는 위치에 형성되어 있다. 접속 전극(14)은 예를 들어, 동(銅) 패드(14A)의 표면을 니켈/금도금층(14B)과 피복한 구성을 갖고 있다.
복수의 돌기 전극(13)과, 대응하는 각 접속 전극(14)은 각각 접합재(10)에 의해 기계적으로 접합되어 있고, 또한 전기적으로 접속되어 있다. 접합재(10)는 전극 패드(11), 돌기 전극(13) 및 접속 전극(14)보다 고상선 온도가 낮은 저융점 금속, 예를 들어 주석(Sn), 인듐(In)이나 그들의 합금으로 이루어진다.
접속 전극(14), 돌기 전극(13) 및 접합재(10)에 의해, 접속 부재(5)가 구성되어 있다.
도 3은 반도체 장치(1)의 제조 방법을 설명하기 위한 도해적인 평면도이고, 도 4는 그 절단선 IV-IV에 의한 도해적인 단면도이다. 도 3에서는 반도체 칩(3)의 도시를 생략하고 있다.
반도체 장치(1)는 예를 들어, 배선 기판(2)의 접합면(2a)에 대하여, 반도체 칩(3)을, 그 기능면(3a)을 대향시켜서 접합한 후, 배선 기판(2)과 반도체 칩(3)의 간격에 액상의 언더필재를 주입하고, 그 언더필재를 경화시켜서 언더필층(7)을 형성함으로써 얻어진다.
구체적으로는 우선, 기능면(3a)에 전극 패드(11), 표면 보호막(12) 및 돌기 전극(13)이 형성된 반도체 칩(3)이 준비된다. 도 4를 참조하여, 이 반도체 칩(3)의 기능면(3a)측에는 종래의 반도체 장치(51)의 제조 방법에 있어서의 땜납 볼(61)(도 7 참조)에 대응하는 부재는 설치되지 않고, 돌기 전극(13)은 그 표면이 노출되어서 표면 보호막(12)으로부터 돌출하고 있다.
그리고, 복수의 배선 기판(2)이 만들어진 기판(15)이 준비된다. 기판(15)의 접합면(15a)(배선 기판(2)의 접합면(2a))에는 각 접속 전극(14)을 덮도록 저융점 금속막(16)이 형성되어 있다.
저융점 금속막(16)은 반도체 장치(1)의 접합재(10)와 거의 동일한 조성의 금속 재료로 이루어진다. 즉, 저융점 금속막(16)의 고상선 온도는 전극 패드(11), 돌기 전극(13)에 접속 전극(14)(동 패드(14A) 및 니켈/금도금층(14B))의 고상선 온도보다 낮다.
저융점 금속막(16)은 예를 들어, 도금에 의해 접속 전극(14)상에 형성할 수 있다. 또, 저융점 금속막(16)은 접속 전극(14)상에 땜납 페이스트(크림 땜납)를 도포한 후, 기판(15)을 가열하여 당해 땜납 페이스트중의 유기물(플럭스, 용매 등)을 비산시키는 동시에, 당해 땜납 페이스트중의 땜납 분말을 용융 및 고체화시키는 것으로 형성할 수도 있다.
접속 전극(14) 및 개구(6a)는 예를 들어, 접합면(15a)을 수직으로 내려다 보는 평면시에 있어서, 거의 정방형인 형상을 갖고 있고, 접속 전극(14)은 개구(6a)의 거의 중부에 배치되어 있다(도 3 참조). 접속 전극(14) 및 개구(6a)는 접합면(15a)을 수직으로 내려다 보는 평면시에 있어서, 정방형 이외의 다각형이나 원형의 형상을 갖고 있어도 된다. 접속 전극(14)에서는 단면 전극(8)(도 1 참조)에 접속된 배선(17)이 뻗고 있다. 배선(17)은 접속 전극(14)과의 접속부 부근을 제외하고, 솔더 레지스트막(6)으로 덮여 있다.
접합면(15a)을 수직으로 내려다 보는 평면시에 있어서, 저융점 금속막(16)은 예를 들어, 거의 정방형의 형상을 갖고 있고, 개구(6a)의 형성 영역내에 존재하고 있다. 저융점 금속막(16)은 접합면(15a)을 수직으로 내려다 보는 평면시에 있어서, 정방형 이외의 다각형이나 원형의 형상을 갖고 있어도 된다.
각 개구(6a)는 그 용적 VO가 그 개구(6a)내에 배치되는 접속 전극(14)의 체적 VP와 저융점 금속막(16)의 체적 VL과의 합보다 크게 형성되어 있다(하기와 같이 수식 (1) 참조).
VO > VL + VP (1)
또, 융액(액상)을 포함하는 상태에 있어서의 저융점 금속막(16)의 체적이 고상(固相)에 있어서의 저융점 금속막(16)의 체적보다 큰 경우는 상기 수식 (1)에 있어서의 저융점 금속막(16)의 체적 VL은 액상을 포함하는 상태에 있어서의 저융점 금속막(16)의 체적이다.
저융점 금속막(16)이 도금에 의해 형성되는 경우, 도금 전류(전해 도금의 경우)나 도금 시간에 의해 도금 두께를 제어함으로써, 저융점 금속막(16)의 체적 VL을 소정의 체적으로 할 수 있다.
또, 저융점 금속막(16)이 땜납 페이스트를 이용하여 형성되는 경우, 땜납 페이스트의 도포량을 제어함으로써, 저융점 금속막(16)의 체적 VL을 소정의 체적으로 할 수 있다. 이 경우에 있어서의 저융점 금속막(16)의 체적 VL은 땜납 페이스트의 체적이 아니라, 유기물이 제거되어서 땜납 페이스트를 구성하는 땜납 분말이 용융 및 고체화되어서 얻어지는 저융점 금속막(16)에 대한 체적을 의미한다.
개구(6a)의 형상이 주체(柱體)((이 실시 형태의 경우는 각주(角柱))로 간주 하는 경우는 개구(6a)의 용적 VO는 솔더 레지스트막(6)을 수직으로 내려다 보는 평면시에 있어서의 개구(6a)의 면적과 솔더 레지스트막(6)의 두께와의 곱과 동일하다.
계속하여, 기판(15)이 접합면(15a)을 위로 향하게 하고, 거의 수평인 자세로 홀딩된다. 그리고, 히터를 내장하여 가열하는 것이 가능한 본딩 툴(19)에 의해, 반도체 칩(3)이 그 기능면(3a)과 반대측인 면인 이면(3b)이 흡착되어서 홀딩된다. 반도체 칩(3)은 기능면(3a)이 아래쪽으로 향하게 되고, 기판(15)의 접합면(15a)에 대향된다. 이 상태가 도 4에 나타나 있다.
계속하여, 반도체 칩(3)의 돌기 전극(13)과 기판(15)의 저융점 금속막(16)이 위치 맞춤된 후, 본딩 툴(19)이 하강되고, 돌기 전극(13)이 저융점 금속막(16)에 접촉된다. 여기서, 기판(15)의 접속 전극(14)에 형성된 저융점 금속막(16)이나 반도체 칩(3)의 돌기 전극(13)이 큰 높이 불균일을 갖고 있는 경우가 있다. 이와 같은 경우는 저융점 금속막(16)과 돌기 전극(13)을 확실히 접속하기 위하여, 본딩 툴(19)에 의해, 반도체 칩(3)에 큰 하중이 걸리게 된다.
그리고, 이 상태에서 본딩 툴(19)에 의해, 반도체 칩(3)이 가열되고, 그 열에 의해 저융점 금속막(16)이 그 고상선 온도 이상(바람직하게는 액상선 온도 이상)의 온도로 가열되어서 용융된다. 그 후, 본딩 툴(19)에 의한 가열이 정지되고, 돌기 전극(13)과 접속 전극(14)은 저융점 금속막(16)의 융액이 고체화하여 되는 접합재(10)에 의해, 전기적으로 접속되는 동시에 기계적으로 접합된다.
여기서, 접속 전극(14)의 체적 VP와 저융점 금속막(16)의 체적 VL과의 합이 개구(6a)의 용적 VO보다 작기 때문에, 저융점 금속막(16)이나 그 융액은 개구(6a)내에 있어서 접속 전극(14)의 잔여의 공간에 수용된다. 또, 저융점 금속막(16)은 돌기 전극(13)에는 없고, 개구(6a)내에 배치된 접속 전극(14)상에 형성되어 있다. 이 때문에, 저융점 금속막(16)이나 그 융액은 개구(6a)외에 퍼져서 접합면(15a)의 면내 방향으로 이동하지 않는다. 그 결과, 반도체 칩(3)에 큰 하중이 걸리게 해도, 이 면내 방향으로 인접하는 돌기 전극(13)이나 접속 전극(14)이 접합재(10)에 의해 전기적으로 단락되고, 쇼트 불량이 생기는 것을 방지할 수 있다.
다음에, 기판(15)과 반도체 칩(3)의 틈새에, 언더필층(7)(도 1 및 도 2 참 조)이 충전된다. 언더필층(7)은 예를 들어, 미경화(액상)의 언더필재가 디스팬서로부터 토출되고, 기판(15)과 반도체 칩(3)의 틈새에 모세관 현상에 의해 충전된 후, 경화(예를 들어, 열경화)되어서 형성된다.
미경화의 언더필재는 반도체 칩(3)을 접속하기 전의 기판(15)의 접합면(15a)측에 도포되어도 된다. 이 경우, 본딩 툴(19)에, 반도체 칩(3)이 기판(15)에 눌림으로써, 저융점 금속막(16)과 돌기 전극(13)은 미경화의 언더필재를 관통하여 접촉된다. 그리고, 기판(15)에 대한 반도체 칩(3)의 접합이 완료한 후, 미경화의 언더필재를 경화시킴으로써, 언더필층(7)가 얻어진다.
이 경우, 반도체 칩(3)을 기판(15)에 접합할 때, 돌기 전극(13)을 저융점 금속막(16)에 접촉시키기 위하여, 반도체 칩(3)은 본딩 툴(19)에 의해, 미경화의 언 더필재가 존재하지 않는 경우에 비해 큰 힘으로 기판(15)에 눌린다. 이 상태로, 반도체 칩(3)이 본딩 툴(19)에 의해 가열되고, 저융점 금속막(16)이 용융되어도, 저융점 금속막(16)의 융액은 개구(6a)내에 있어서, 접속 전극(14)의 잔여의 공간에 수용되기 때문에, 접합면(15a)의 면내 방향으로 인접하는 접속 전극(14)이나 돌기 전극(13)이 접합재(10)에 의해 단락되는 것이 방지된다.
그 후, 기판(15)이 배선 기판(2)의 개별 피스로 절단되고, 배선 기판(2)의 단부에 단면 전극(8)이 형성되고, 도 1에 나타내는 반도체 장치(1)가 얻어진다.
본 발명의 실시 형태의 설명은 이상과 같으나, 본 발명은 다른 형태에서도 실시할 수 있다. 예를 들어, 배선 기판(2)에는 2 이상의 반도체 칩(3)이 플립칩 접속되어 있어도 된다.
본 발명의 반도체 장치의 패키지 형태는 도 1에 나타내는 반도체 장치(1)와 같이 단면 전극(8)을 외부 접속 부재로 하는 것에 한정되지 않고, 다른 형태이어도 된다. 도 5는 반도체 장치(1)의 변형예를 나타내는 도해적인 단면도이다. 도 2에 있어서, 도 1에 나타내는 각 부에 대응하는 부분에는 도 2와 동일한 참조 부호를 부여하고 있다.
이 반도체 장치(21)는 외부 접속 부재로서 반도체 장치(1)의 단면 전극(8) 대신에 금속 볼(23)을, 외부 접속면(22b)(반도체 칩(3)이 접속된 접합면(22a)과 반대측인 면)에 구비하고 있다. 금속 볼(23)은 배선 기판(22)의 내부 및/또는 표면에서 재배선되고, 접속 부재(5)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 반도체 장치(21)는 금속 볼(23)을 통하여 다른 배선 기판에 접합할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명하였으나, 이들은 본 발명의 기술적 내용을 분명히 하기 위해 이용된 구체적인 예에 지나지 않으며, 본 발명은 이러한 구체적인 예로 한정하여 해석되어서는 안되고, 본 발명의 정신 및 범위는 첨부한 청구 범위에 의해 한정된다.
이 출원은 2004 년 9 월 29 일에 일본 특허청에 제출된 일본 특원 2004-284681에 대응하고 있고, 이 출원의 전개시는 여기에 인용으로 조성되는 것으로 한다.
본 발명에 의하면, 반도체 칩이 플립칩 접속되는 배선 기판, 및 이 배선 기판에 반도체 칩을 플립칩 접속하여 되는 반도체 장치를 제공할 수 있다.

Claims (19)

  1. 반도체 칩과,
    상기 반도체 칩이 그 표면을 대향시켜서 접합된 배선 기판을 가지고,
    상기 배선 기판은
    상기 반도체 칩이 접합된 접합면에 형성되고, 상기 반도체 칩과의 접속을 위한 접속 전극과,
    상기 접합면에 형성되고, 상기 접속 전극을 노출시키기 위한 개구를 가지는 절연막과,
    상기 개구 내에 있어서 상기 접속 전극 상에 마련되고, 상기 접속 전극보다 고상선(固相線) 온도가 낮은 저융점 금속 재료로 이루어지는 저융점 금속부를 포함하고,
    평면에서 볼 때에, 상기 절연막의 상기 개구 내에, 상기 접속 전극의 전체 및 상기 저융점 금속부의 전체가 존재하고 있고,
    상기 반도체 칩과 상기 배선 기판의 간극이 언더필층(underfill layer)에 의해 봉지되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 개구 내의 용적은 상기 접속 전극의 체적과 상기 저융점 금속부의 체적의 합보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 절연막은 상기 배선 기판과 싱기 반도체 칩의 간극보다 작은 두께를 가지는 솔더 레지스트(solder resist)막인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 배선 기판의 단부(端部)에는 상기 접속 전극과 전기적으로 접속된 단면 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 단면 전극은 상기 배선 기판의 상기 접합면으로부터 단면(端面)을 거쳐서, 상기 접합면 반대측의 외부 접속면에 도달하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 반도체 칩은 알루미늄으로 이루어진 복수의 전극 패드를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 반도체 칩은 기능 소자가 형성된 상기 반도체 칩의 기능면을 덮는 표면 보호막을 가지고 있고,
    상기 전극 패드는 상기 표면 보호막에 형성된 개구로부터 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 표면 보호막은 질화 실리콘, 또는 폴리아미드로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 전극 패드의 위에는 돌기 전극이 상기 표면 보호 보호막으로부터 돌출하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 돌기 전극은 니켈, 금, 또는 동의 도금에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 접속 전극은 복수의 접속 전극을 포함하고,
    각 접속 전극은 상기 복수의 전극 패드의 각각에 대응하는 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 접속 전극은 동 패드의 표면을 니켈/금 도금층으로 피복하는 구성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 저융점 금속부는 주석 또는 인듐이나 그들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 접속 전극 및 상기 절연막의 상기 개구는 평면에서 볼 때에 있어서, 정방형의 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  15. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 접속 전극 및 상기 절연막의 상기 개구는 평면에서 볼 때에 있어서, 다각형 또는 원형의 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  16. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    평면에서 볼 때에 있어서, 상기 저융점 금속부는 정방형의 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  17. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    평면에서 볼 때에 있어서, 상기 저융점 금속부는 다각형 또는 원형의 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  18. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 배선 기판에, 2개 이상의 상기 반도체 칩이 플립칩(flip chip) 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  19. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 배선 기판에 있어서, 상기 접합면 반대측의 외부 접속면에, 상기 접속 전극과 전기적으로 접속된 금속 볼이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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