JP2010118534A - Semiconductor device and method of manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、互いに接合されたパッド電極とバンプとを有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a pad electrode and a bump bonded to each other and a manufacturing method thereof.
コンピュータやブロードバンド通信分野における高速・大容量の通信手段として、特に光ファイバー等が用いられた有線通信機器やマイクロ波、ミリ波が用いられた無線通信機器の普及が著しい。これら通信機器には、高性能の高周波トランジスタやMMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)等の半導体素子が組み込まれている。この種の機器はGHzを越える高周波領域で動作するので、使用される半導体素子の材料としては一般に広く使用されているシリコンでは無く、高周波特性に優れている化合物半導体、とりわけガリウム砒素(GaAs)半導体が選ばれることが多い。 As high-speed and large-capacity communication means in the computer and broadband communication fields, wired communication devices using optical fibers and the like, and wireless communication devices using microwaves and millimeter waves are particularly widespread. These communication devices incorporate high-performance high-frequency transistors and semiconductor elements such as MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit). Since this type of equipment operates in a high-frequency region exceeding GHz, it is not a silicon that is widely used as a material for semiconductor elements, but a compound semiconductor, particularly a gallium arsenide (GaAs) semiconductor, which has excellent high-frequency characteristics. Is often chosen.
上記半導体素子が組み合わされて電子回路として完成されるには、半導体素子の表面に形成されている複数のパッド電極が外部の回路と電気的に接続されるために接続用の配線が設けられる必要がある。一般に半導体素子においては、このような部分の接続には、半導体素子が回路面を上向きにして導電性接着剤などで固定され、パッド電極とそれに対応した外部電極との間に金線やアルミニウム線のような金属ワイヤが超音波ボンディング(ワイヤボンディング)されることによりループ状の配線が行われる。 In order to complete the electronic circuit by combining the semiconductor elements, it is necessary to provide wiring for connection in order to electrically connect a plurality of pad electrodes formed on the surface of the semiconductor element to an external circuit. There is. In general, in a semiconductor element, the semiconductor element is fixed with a conductive adhesive or the like with the circuit surface facing upward, and a gold wire or an aluminum wire is connected between the pad electrode and the corresponding external electrode. Such metal wires are subjected to ultrasonic bonding (wire bonding), whereby loop-shaped wiring is performed.
しかし、特に高周波領域で動作する電子回路の場合は、半導体素子のパッド電極と外部電極とがループ状の金属ワイヤで接続されると、ワイヤ自身が原因となって生じる寄生インダクタンスや寄生容量が増加され、接続部においてインピーダンスの不整合が生じる。その結果として、高周波信号の伝送ロスが発生し、伝送効率が悪くなる。この問題を解決する一つの手段として、金属ワイヤを用いない半導体素子の接続法であるフリップチップ実装工法が開発された。 However, especially in the case of electronic circuits that operate in the high-frequency region, if the pad electrode of the semiconductor element and the external electrode are connected by a looped metal wire, the parasitic inductance and parasitic capacitance caused by the wire itself increase. As a result, impedance mismatch occurs at the connection. As a result, transmission loss of high-frequency signals occurs and transmission efficiency deteriorates. As one means for solving this problem, a flip chip mounting method, which is a method for connecting semiconductor elements without using metal wires, has been developed.
一方、高周波対応の半導体素子が収納される半導体装置においては、低損失、高信頼性の観点から、気密封止された中空構造のセラミック製や金属製のパッケージが採用されている。このようなパッケージに用いられるキャリア基板は、性能や信頼性が最重視されるが故に重量が重く、かつ価格が高いという欠点を有する。しかしながら電気的な損失が少ないという利点からセラミック製のキャリア基板が用いられたパッケージが採用されている。半導体装置の性能、信頼性が最優先であった時代にあっては、上記欠点はさほど問題視されなかった。また、システム価格が高価な時代にあってはこのようなパッケージのコストがシステム全体のコストに占める割合が小さいため、低コスト化はさほど重要では無かった。しかし最近になって高品質・高性能のシステムが低価格で提供される必要がある社会環境にあっては、コストは無視できない重要な要素で、可能な限り削減されねばならない。 On the other hand, in a semiconductor device in which a high-frequency compatible semiconductor element is accommodated, a hermetically sealed hollow ceramic or metal package is employed from the viewpoint of low loss and high reliability. The carrier substrate used in such a package has the disadvantages that it is heavy and expensive because performance and reliability are most important. However, a package using a ceramic carrier substrate is used because of the advantage of low electrical loss. In the era when the performance and reliability of semiconductor devices were the top priority, the above drawbacks were not regarded as a problem. In the era when the system price is high, the cost of such a package is small in the total system cost. Therefore, the cost reduction is not so important. However, in a social environment where high-quality and high-performance systems need to be provided at low prices recently, cost is an important factor that cannot be ignored and must be reduced as much as possible.
このため、セラミック材に比べて性能はやや劣るものの、コスト的に有利な樹脂を用いたキャリア基板(プリント基板)に半導体素子がフリップチップ接合されたタイプの半導体装置が提案されている。 For this reason, there has been proposed a semiconductor device of a type in which a semiconductor element is flip-chip bonded to a carrier substrate (printed substrate) using a resin that is advantageous in cost, although the performance is slightly inferior to that of a ceramic material.
ところで、半導体素子のパッド電極とキャリア基板のパッド電極とをフリップチップで接続する方式として、以下に示すように幾つかの方法が提案されている。いずれの方法においても、スタッドバンプあるいは単にバンプと呼ばれる、突起状の電極が半導体素子のパッド電極あるいはキャリア基板のパッド電極上にあらかじめ設けられる。そしてこのバンプを利用して半導体素子のパッド電極とキャリア基板のパッド電極とが接続される。 By the way, as a system for connecting the pad electrode of the semiconductor element and the pad electrode of the carrier substrate by flip chip, several methods have been proposed as shown below. In either method, a protruding electrode called a stud bump or simply a bump is provided in advance on a pad electrode of a semiconductor element or a pad electrode of a carrier substrate. The bump electrode is used to connect the pad electrode of the semiconductor element and the pad electrode of the carrier substrate.
第1に、はんだを用いる方法がある。この方法では、接続されるパッド電極の一方もしくは両方に設けられたはんだバンプ、あるいはスクリーン印刷法やめっき法によってあらかじめ供給されたすなわちプリコート処理が行われたはんだ層を有するパッド電極同士が互いに位置あわせされ、加熱・加圧されることで接続される。 First, there is a method using solder. In this method, solder bumps provided on one or both of the pad electrodes to be connected, or pad electrodes having a solder layer that has been supplied in advance by a screen printing method or a plating method, that is, subjected to a pre-coating treatment, are aligned with each other. Connected by being heated and pressurized.
この方法では、互いに隣り合うパッド電極間の距離が狭い場合に問題がある。加熱・加圧工程において、溶融状態のはんだが押し広げられてパッド電極からはみだし、それにより互いに隣り合うパッド電極のはんだ同士が接触する。これにより隣り合うパッド電極間で短絡が生じ、正常な接続ができなくなってしまう。 This method has a problem when the distance between adjacent pad electrodes is small. In the heating / pressurizing step, the molten solder is pushed out and protrudes from the pad electrode, whereby the solders of the pad electrodes adjacent to each other come into contact with each other. As a result, a short circuit occurs between adjacent pad electrodes, and normal connection cannot be made.
互いに隣り合うパッド間の距離の限界値は、はんだバンプの寸法にも依存するが、120μm付近であると考えられる。 The limit value of the distance between adjacent pads is considered to be around 120 μm, although it depends on the size of the solder bump.
一般に、高周波対応の半導体素子として知られているGaAsやInP(リン化インジウム)といった化合物半導体では、材料コストが高価なため、可能な限り面積を小さくした素子が製造される。このため素子の電極ピッチも狭くなる傾向にあり、互いに隣り合うパッド間の距離が100μm以下のものも現れている。したがって、はんだを用いる方法では最近の狭ピッチ半導体素子に対処することが困難である。 In general, compound semiconductors such as GaAs and InP (indium phosphide), which are known as high-frequency compatible semiconductor elements, are expensive in material cost, so that an element with as small an area as possible is manufactured. For this reason, the electrode pitch of the element also tends to be narrowed, and there are cases in which the distance between adjacent pads is 100 μm or less. Therefore, it is difficult to deal with recent narrow pitch semiconductor elements by the method using solder.
第2に、金などで形成されたスタッドバンプの先端部に銀などが混入された導電性ペーストが付与され、キャリア基板のパッド電極に押し付けられて接着する方法も提案されている。しかし、接着剤の供給方法やバンプとパッド電極とが接触する時のペーストの濡れ広がりなどの問題を考慮すると上記のはんだが用いられる方法と同様の問題があり、狭ピッチ半導体素子への対応は困難である。 Secondly, a method has been proposed in which a conductive paste mixed with silver or the like is applied to the tip end portion of a stud bump formed of gold or the like and pressed against a pad electrode of a carrier substrate to be bonded. However, in consideration of problems such as the adhesive supply method and the wetting and spreading of the paste when the bump and the pad electrode are in contact, there is a problem similar to the method using the above-mentioned solder. Have difficulty.
第3に、ACF(異方性導電フイルム)を用いる方法がある。ACFとはAnisotropic Conductive Filmの略で、フイルム状に成型された半硬化状態の絶縁性接着フイルムの中に直径数μm程度の導電性粒子が分散されたものである。この方法では、ACFが、半導体素子のパッド電極上に形成されたバンプとキャリア基板のパッド電極との間に介在した状態で加熱・加圧されることによりフリップチップ接続が行われる。パッド電極間に挟まれた導電粒子を介して接触している上下のパッド電極間には導電性が与えられる。一方、導電粒子を介して接触していない互いに隣り合うパッド電極には絶縁性が与えられる。この方法は、狭ピッチのパッド電極を有する半導体素子にも適用できる。しかし、ACFを形成する絶縁性接着フイルムには通常有機高分子材料が用いられており、一般に高分子材料は誘電損失が大きいため高周波素子の接続には適していない。 Third, there is a method using ACF (anisotropic conductive film). ACF is an abbreviation for Anisotropic Conductive Film, in which conductive particles having a diameter of several μm are dispersed in a semi-cured insulating adhesive film formed into a film shape. In this method, the ACF is heated and pressed in a state of being interposed between the bump formed on the pad electrode of the semiconductor element and the pad electrode of the carrier substrate, thereby performing flip chip connection. Conductivity is imparted between the upper and lower pad electrodes that are in contact via the conductive particles sandwiched between the pad electrodes. On the other hand, the pad electrodes adjacent to each other that are not in contact with each other through the conductive particles are given insulation. This method can also be applied to a semiconductor device having a narrow pitch pad electrode. However, an organic polymer material is usually used for the insulating adhesive film forming the ACF, and the polymer material generally has a large dielectric loss and is not suitable for connection of a high frequency device.
最後に、金属バンプを用いる方法がある。この方法は、金属のバンプが加熱・加圧されたり、超音波振動が付与されて接合される固相拡散接合と呼ばれる方法である。固相拡散接合とは溶融しない固体の金属(固相状態)が密着されて、真空、還元ガス雰囲気下、不活性ガス雰囲気下などで加熱・加圧されることにより金属間に生じる原子の拡散が利用されて接合される方法である。通常は数100℃の高温下で実施されることが多い。基本的に酸化層が形成されない金−金接合などにおいては300℃程度以下の比較的低温領域でも接合が可能である。前述したワイヤボンディングと同じ方法で超音波振動が併用されれば更に低温(200℃以下)での接合が可能である。この方法がフリップチップ接合に適用される場合、通常100〜200℃程度の加熱環境と超音波接合とを利用する方式が用いられる。この方法は、狭ピッチ半導体素子にも適用可能な唯一の接合方法である。 Finally, there is a method using metal bumps. This method is a method called solid phase diffusion bonding in which metal bumps are heated and pressurized or bonded by applying ultrasonic vibration. Solid phase diffusion bonding means diffusion of atoms that occur between metals when solid metal that does not melt (solid state) is in close contact and heated and pressurized in a vacuum, reducing gas atmosphere, inert gas atmosphere, etc. It is the method of joining using. Usually, it is often carried out at a high temperature of several hundred degrees Celsius. Fundamentally, in gold-gold bonding where an oxide layer is not formed, bonding is possible even in a relatively low temperature region of about 300 ° C. or lower. If ultrasonic vibration is used in the same manner as the wire bonding described above, bonding at a lower temperature (200 ° C. or lower) is possible. When this method is applied to flip chip bonding, a system that normally uses a heating environment of about 100 to 200 ° C. and ultrasonic bonding is used. This method is the only bonding method applicable to narrow pitch semiconductor devices.
フリップチップ実装工法は以上述べたような方法に大別される。樹脂製のキャリア基板に半導体素子がフリップチップ接合される場合には、セラミック製のキャリア基板との物性の違いから次のような問題も生じる。樹脂製のキャリア基板の場合には高温環境下で樹脂材料が軟化する問題があり、このため接合温度を高くすることができない。たとえば広く一般に用いられているFR−4基板の場合は軟化温度の目安となるTg(Glass transition temperature、ガラス転移温度)が125℃前後であるため、軟化を避けて使用できる温度領域は100℃前後までである。高温に耐えるとされる高Tg材が用いられた基板であっても、軟化を避けて使用できる温度領域はせいぜい150℃前後である。すなわち、樹脂製のキャリア基板の場合には、特殊な材料でない限り、フリップチップ接合は100〜150℃程度の環境で実施される必要がある。 The flip chip mounting method is roughly classified into the methods described above. When a semiconductor element is flip-chip bonded to a resin carrier substrate, the following problem arises due to the difference in physical properties with the ceramic carrier substrate. In the case of a resin carrier substrate, there is a problem that the resin material is softened in a high temperature environment, and therefore the bonding temperature cannot be increased. For example, in the case of a widely used FR-4 substrate, the Tg (Glass transition temperature), which is a measure of the softening temperature, is around 125 ° C, so the temperature range that can be used avoiding softening is around 100 ° C. Up to. Even in a substrate using a high Tg material that can withstand high temperatures, the temperature range in which it can be used while avoiding softening is about 150 ° C. at most. That is, in the case of a resin carrier substrate, flip chip bonding needs to be performed in an environment of about 100 to 150 ° C. unless a special material is used.
一方で、樹脂製のキャリア基板は半導体素子に比べて大きい線膨張係数を有する。たとえば広く一般に用いられているFR−4基板の平面(水平)方向の線膨張係数はおよそ16ppm/℃である。これに対しSi(シリコン)半導体素子の線膨張係数はおよそ3ppm/℃である。またGaAs半導体の線膨張係数はおよそ5ppm/℃である。このため、樹脂製のキャリア基板と半導体素子とが高温環境下で接続された場合、室温まで冷却される過程で樹脂製のキャリア基板と半導体素子とのパッド電極間に生じる熱膨張のミスマッチによってフリップチップ接合部に過大な機械的応力が生じ、接続信頼性に問題が生じる可能性がある。 On the other hand, a resin carrier substrate has a larger coefficient of linear expansion than a semiconductor element. For example, the linear expansion coefficient in the plane (horizontal) direction of an FR-4 substrate that is widely used is approximately 16 ppm / ° C. On the other hand, the linear expansion coefficient of the Si (silicon) semiconductor element is about 3 ppm / ° C. The linear expansion coefficient of the GaAs semiconductor is about 5 ppm / ° C. For this reason, when the resin carrier substrate and the semiconductor element are connected in a high temperature environment, the flip is caused by a thermal expansion mismatch generated between the pad electrode between the resin carrier substrate and the semiconductor element in the process of cooling to room temperature. An excessive mechanical stress is generated at the chip joint, which may cause a problem in connection reliability.
一般に樹脂製のキャリア基板への半導体素子のフリップチップ接合は、以上に述べたような理由により、できるだけ低温で実施されることが望ましい。このため、通常は熱と超音波の併用による金−金接合方式が採用される。 In general, flip chip bonding of a semiconductor element to a resin carrier substrate is desirably performed at a temperature as low as possible for the reasons described above. For this reason, a gold-gold bonding method using both heat and ultrasonic waves is usually employed.
更に言えば、熱と超音波との併用による金−金接合方式が採用されたとしても、樹脂製のキャリア基板は、セラミック製のキャリア基板に比べて柔軟で低い剛性を有するため、高強度接合を実現するために必要な高い荷重や高い超音波パワーを与えることができない。よって、荷重や超音波パワーを増強することによって高い接合力を得る工法を用いることができない。 Furthermore, even if the gold-gold bonding method using both heat and ultrasonic waves is adopted, the resin carrier substrate is more flexible and has lower rigidity than the ceramic carrier substrate, so that high strength bonding is possible. The high load and high ultrasonic power necessary for realizing the above cannot be applied. Therefore, it is not possible to use a method for obtaining a high bonding force by increasing the load or the ultrasonic power.
このためバンプ接続される部分に強度向上のための工夫を設けることによって高強度接合を実現する構造が提案されている。この構造は、接合直後または接合後の環境温度の変化によって生じる熱応力に強い構造である。 For this reason, a structure that realizes high-strength bonding by providing a device for improving the strength at a portion to be bump-connected has been proposed. This structure is resistant to thermal stress caused by changes in environmental temperature immediately after bonding or after bonding.
バンプ接続される部分に強度向上のための工夫を設けることによって高強度接合を実現している半導体装置がたとえば特開2002−222832号公報に開示されている。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-222832 discloses a semiconductor device that realizes high-strength bonding by providing a device for improving strength in a bump-connected portion.
この公報に開示されている半導体装置では、基板上に形成された実装用パッドと半導体素子に形成されたバンプとが電気的に接合されている。そして上記実装用パッドまたはバンプ上に複数の針状または樹状突起がアンカーとして形成されている。上記針状または樹状突起がバンプまたはパッドに食い込むことにより、実装用パッドとバンプとがアンカー接続されている。またアンカー部の表面に金メッキが形成されている。これにより半導体素子と基板との接合強度が向上する。
しかしながら、上記の半導体装置では、アンカー構造について次の課題がある。
まず接合部またはその相当部分にアンカー構造を形成するためには、アンカー構造形成のための専用プロセスが必要である。この専用プロセスは、通常の基板製造プロセス以外の別プロセスである。よってこの専用プロセスに特化された製造装置、薬液などが必要である。これにより製造コストが上昇する。またこのような別プロセスを必要とするキャリア基板が一時期に大量に必要とされる場合には、工程の負荷を吸収することが容易ではない。
However, the above-described semiconductor device has the following problems regarding the anchor structure.
First, in order to form the anchor structure at the joint or its equivalent part, a dedicated process for forming the anchor structure is required. This dedicated process is a separate process other than the normal substrate manufacturing process. Therefore, manufacturing equipment and chemicals specialized for this dedicated process are required. This increases the manufacturing cost. Further, when a large number of carrier substrates that require such another process are required at one time, it is not easy to absorb the process load.
またアンカー構造の表面には金めっきなどが付与される。しかし、アンカー構造が形成された後にその表面に安定しためっきを施すことは、その複雑な物理形状のために困難である。たとえばめっき工程での脱泡によるめっきの不具合、薬液の流動による薬液の残留などが生じる。このような場合には目的とする接合強度が得られない。むしろ接合不良により大幅に接合強度が低下する危険性がある。 Also, gold plating or the like is applied to the surface of the anchor structure. However, it is difficult to apply stable plating to the surface after the anchor structure is formed because of its complex physical shape. For example, defects in plating due to defoaming in the plating process, and residual chemicals due to the flow of chemicals occur. In such a case, the desired bonding strength cannot be obtained. Rather, there is a risk that the bonding strength will be significantly reduced due to poor bonding.
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、キャリア基板と半導体素子との接合強度を向上させることにより、信頼性の高い、また生産性の良い半導体装置およびその製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a highly reliable and highly productive semiconductor device and a method for manufacturing the same by improving the bonding strength between the carrier substrate and the semiconductor element. Is to provide.
本発明の半導体装置は、キャリア基板と、キャリア基板に形成されたパッド電極と、パッド電極の上面および側面で接合されたバンプと、バンプを介してパッド電極と電気的に接続された半導体素子とを備えている。 A semiconductor device of the present invention includes a carrier substrate, a pad electrode formed on the carrier substrate, a bump bonded on the upper surface and side surface of the pad electrode, and a semiconductor element electrically connected to the pad electrode through the bump. It has.
本発明の半導体装置の製造方法は、以下の工程を有している。
パッド電極が形成されたキャリア基板が準備される。バンプがパッド電極に押し付けられることにより、バンプがパッド電極の側面を抱え込み、かつバンプとパッド電極の上面とが固相拡散接合される。
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes the following steps.
A carrier substrate on which pad electrodes are formed is prepared. By pressing the bump against the pad electrode, the bump holds the side surface of the pad electrode, and the bump and the upper surface of the pad electrode are solid-phase diffusion bonded.
本発明の半導体装置によれば、バンプがパッド電極の上面および側面の双方と接続しているため、半導体素子とキャリア基板との接合強度を向上させることができる。したがって、周囲環境の変化や半導体装置自身の発熱により温度変化が発生し、半導体素子とキャリア基板との線膨張係数の差に基づく熱応力が生じたとしても、半導体素子とキャリア基板との間の接続信頼性が保たれる。 According to the semiconductor device of the present invention, since the bump is connected to both the upper surface and the side surface of the pad electrode, the bonding strength between the semiconductor element and the carrier substrate can be improved. Therefore, even if a temperature change occurs due to a change in the surrounding environment or heat generation of the semiconductor device itself, and a thermal stress based on a difference in linear expansion coefficient between the semiconductor element and the carrier substrate occurs, Connection reliability is maintained.
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、バンプがパッド電極の上面および側面で接合されて接合強度が向上するため、通常の基板製造プロセス以外の専用プロセスは不要である。したがって、本発明の半導体装置の製造方法は、従来のキャリア基板の材料や製造プロセスを大きく変えないので製造コストを上昇させることなく接合強度を向上させることができる。また本発明の半導体装置が一時期に大量に必要とされる場合に工程の負荷の吸収が容易である。これにより生産性を向上させることができる。 In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the bumps are bonded to the upper surface and side surfaces of the pad electrode to improve the bonding strength, so that a dedicated process other than the normal substrate manufacturing process is unnecessary. Therefore, the semiconductor device manufacturing method of the present invention can improve the bonding strength without increasing the manufacturing cost because the conventional carrier substrate material and manufacturing process are not significantly changed. Further, when a large amount of the semiconductor device of the present invention is needed at one time, it is easy to absorb the process load. Thereby, productivity can be improved.
すなわち本発明によれば量産性に優れた安価な半導体装置を提供することができる。 That is, according to the present invention, an inexpensive semiconductor device excellent in mass productivity can be provided.
以下、本実施の形態について図に基づいて説明する。
(実施の形態1)
最初に本発明の実施の形態1の半導体装置の構成について説明する。
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
First, the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described.
図1は本実施の形態1の半導体装置が回路基板に実装された状態を示す概略断面図である。図2は、本実施の形態1の半導体装置の概略斜視図である。図3は、図1のP部を拡大して示す拡大断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a state in which the semiconductor device of the first embodiment is mounted on a circuit board. FIG. 2 is a schematic perspective view of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a P portion of FIG.
図1〜図3を参照して、本実施の形態1の半導体装置13は、キャリア基板1と、電子部品2と、部品パッド電極3と、フリップチップパッド電極(パッド電極)4と、半導体素子5と、封止パッド電極6と、はんだフィレット7と、リッド8と、BGA(Ball Grid Array)パッド電極9と、はんだボール12と、金バンプ(バンプ)15と、半導体素子パッド電極16とを主に有している。
1 to 3, a
キャリア基板1にはフリップチップパッド電極4が形成されている。半導体素子5には半導体素子パッド電極16が形成されている。半導体素子5の半導体素子パッド電極16は、金バンプ15を介してフリップチップパッド電極4と電気的に接続されている。
A flip
金バンプ15は、フリップチップパッド電極4の上面および側面でフリップチップパッド電極4と接合されている。フリップチップパッド電極4の上面と金バンプ15とは固相拡散接合されている。フリップチップパッド電極4の側面と金バンプ15とは金バンプ15がフリップチップパッド電極4を抱え込むように接合されている。
The
キャリア基板1は、たとえばBT樹脂(ビスマレイミド・トリアジン樹脂)を主体とした市販の銅張積層プリント基板である。外形寸法はたとえば長さ30mm×幅30mm×厚さ1mmである。キャリア基板1においては、全ての配線と電極の表面に、銅箔の酸化防止と金の固相拡散接合が効率良く実施できるように、たとえば共通の下地となる18μm〜35μm厚の銅箔の表面に3〜5μm厚のNiめっきが施され、その上に0.1〜0.3μm厚のやや厚膜のAuめっきが施されている。なおキャリア基板1の内部には内層導体をはじめ、その接続に用いられるビアホールなど多数の配線があるが、本実施の形態とは直接関係が無いため省略され図示されていない。 The carrier substrate 1 is a commercially available copper-clad multilayer printed circuit board mainly composed of, for example, BT resin (bismaleimide / triazine resin). The external dimensions are, for example, length 30 mm × width 30 mm × thickness 1 mm. In the carrier substrate 1, for example, the surface of a copper foil having a thickness of 18 μm to 35 μm serving as a common base is formed on the surfaces of all wirings and electrodes so that the oxidation of the copper foil and the solid phase diffusion bonding of gold can be efficiently performed. Ni plating with a thickness of 3 to 5 μm is applied thereto, and a slightly thick Au plating with a thickness of 0.1 to 0.3 μm is applied thereon. The carrier substrate 1 includes a large number of wirings such as inner layer conductors and via holes used for the connection inside the carrier substrate 1, but is omitted from illustration because it is not directly related to the present embodiment.
フリップチップパッド電極4は、キャリア基板1上に形成された途切れた配線である。その先端部は先端に向かって尖った形状をしている。半導体素子5の金バンプ15がその先端部に重なる形で接合されている。その先端部の幅は、金バンプ15の直径より小さい。フリップチップパッド電極4は、キャリア基板1の主面(キャリア基板1の樹脂部分の表面)に対して厚さ方向にわずかに突出するように形成されている。本実施の形態1では、銅張積層プリント基板がエッチングによりパターンニングされたサブトラクティブ工法により製造されたキャリア基板が用いられており、突き出し量は、たとえばめっき厚さを含めて、高さ40μmである。
The flip
金バンプ15は、半導体素子5の半導体素子パッド電極16の数に対応して形成されている。この金バンプ15を通じて半導体素子5と外部回路との接続が行なわれている。
The gold bumps 15 are formed corresponding to the number of semiconductor
半導体素子5は、たとえばウエハから切り出された裸の半導体素子である。半導体素子5はキャリア基板1の表面(上面)にフリップチップ実装されている。半導体素子5を形成している材料は、たとえばガリウム砒素(GaAs)である。外形寸法はたとえば、長さ0.6mm×幅0.4mm×厚さ0.2mmである。
The
半導体素子パッド電極16は、半導体素子5上に形成されており、外部回路との接続電極である。この電極を通じて外部回路との信号のやりとりが行なわれる。半導体素子パッド電極16はたとえばAuめっきで形成されている。外形寸法はたとえば一辺0.1mmの正方形である。
The semiconductor
またキャリア基板1上には図1に示すように種々のパッド電極が形成されている。すなわちフリップチップパッド電極4以外に、部品パッド電極3、封止パッド電極6およびBGAパッド電極9が形成されている。これらのパッド電極は使用される用途によって名称が異なるにすぎず、構成している材料は銅であり、めっき等の基本構成はすべて同じである。これらのパッド電極は、通常のプリント基板の製造プロセスであるたとえばサブトラクティブ工法、アディティブ工法、セミアディティブ工法のいずれによって製造されたものでも良い。なお銅張積層プリント基板の銅箔をエッチングして製造されるサブトラクティブ工法がコスト的に有利である。
Various pad electrodes are formed on the carrier substrate 1 as shown in FIG. That is, in addition to the flip
キャリア基板1の表面(上面)に形成された部品パッド電極3にはんだを用いて電子部品2が取り付けられている。電子部品2は、たとえば抵抗、コンデンサ等である。
The
キャリア基板1の表面に形成された封止パッド電極6にはんだフィレット7を介してリッド8がはんだ付けされている。リッド8は、キャリア基板1上の半導体素子5および電子部品2を覆うように形成されている。リッド8は、キャリア基板1上の半導体素子5および電子部品2を保護するためのものであり、電磁シールドを兼ねている。
A
本実施の形態1の半導体装置13は、たとえばFR−4などの樹脂製の回路基板10にはんだボール12を介して実装されている。半導体装置13におけるキャリア基板1の裏面側にははんだボール12を取り付けるためのBGAパッド電極9が配列して設けられている。このBGAパッド電極9が、回路基板10側に設けられた回路基板パッド電極11にはんだボール12を介してはんだ接続されることで半導体装置13が回路基板10に電気的に接続されている。なお、回路基板10の裏面側には、フリップチップパッド電極4と同じ材料からなる信号回路の配線またはアース電極14が形成されている。
The
次に、キャリア基板1に半導体素子5がフリップチップ接合される様子を順を追って説明する。
Next, how the
図4、図5および図6のそれぞれは、半導体素子がウエハから切り出された後であって、フリップチップ接合される前の半導体素子を説明するための概略斜視図、概略平面図および概略側面図である。図4〜図6を参照して、まず、表面に複数の半導体素子パッド電極16が形成された半導体素子5が準備される。複数の半導体素子パッド電極16の各々の上には、たとえばワイヤボンダまたは類似の装置により金バンプ15が形成される。
4, 5, and 6 are respectively a schematic perspective view, a schematic plan view, and a schematic side view for explaining the semiconductor element after the semiconductor element is cut from the wafer and before being flip-chip bonded. It is. 4 to 6, first, a
金バンプ15は、たとえばスタッドバンプボンダという金バンプを形成するための専用装置を用いて形成される。この装置では、金ワイヤの先端が放電溶融されて作られた金ボールが、キャピラリと呼ばれる中空のノズル状治具を通じて所定の半導体素子パッド電極16に超音波接合された後に、キャピラリを引き上げることにより金線が垂直方向に引きちぎられることによって図4に示す外観の金バンプ15が形成される。一般に金バンプ15の接合強度は、加熱温度が高いほど有利であり、加熱されることにより荷重が低くても強固な接合力が得られるため、金バンプ15のつぶれを抑えたい場合にこの方法が適用される。この目的で、金バンプ15は、半導体素子5の温度が230℃付近まで上昇させられ、0.5N前後の静荷重が与えられながら同時に100〜200mWの超音波振動エネルギーが加えられ形成される。金バンプ15にはたとえば直径25μmの市販のバンプ形成専用金ワイヤが用いられる。形成された金バンプの直径はたとえば最大径で100μm、金バンプの高さは100μmである。
The
図7は、フリップチップ接合前の位置あわせ状態を示す概略側面図である。図8は、図7に示す1つの金バンプ近傍が拡大された概略斜視図である。図7を参照して、金バンプ15を取り付けた半導体素子5が上下反転される。そして、金バンプ15とフリップチップパッド電極4とを対面させて、金バンプ15をフリップチップパッド電極4との位置あわせが行われる。この位置あわせは、図8に示すように金バンプ15の先端(図中下側の端部)がフリップチップパッド電極4の先端に合致するようにして行われる。
FIG. 7 is a schematic side view showing an alignment state before flip chip bonding. FIG. 8 is a schematic perspective view in which the vicinity of one gold bump shown in FIG. 7 is enlarged. Referring to FIG. 7, the
図示されていないが、通常このような位置あわせや後述するフリップチップ接合は、フリップチップボンダと呼ばれる専用の装置を用いて行われる。フリップチップボンダでは半導体チップやキャリア基板のハンドリングが行える。またバンプ、パッド電極、配線パターンなどの認識用の光学カメラを用いた画像処理機能とそれに基づく微細な位置あわせ機能とが備えられている。またフリップチップ実装に必要な加熱加圧機構、更には超音波接合用の超音波ホーンなども備えられている。これによりフリップチップボンダは、金−金接合を容易に行うことができる。 Although not shown in the drawing, such alignment and flip chip bonding described later are usually performed using a dedicated device called a flip chip bonder. The flip chip bonder can handle semiconductor chips and carrier substrates. In addition, an image processing function using an optical camera for recognizing bumps, pad electrodes, wiring patterns, and the like, and a fine alignment function based thereon are provided. In addition, a heating and pressing mechanism necessary for flip chip mounting, an ultrasonic horn for ultrasonic bonding, and the like are also provided. Thereby, the flip chip bonder can easily perform gold-gold bonding.
上記の位置あわせ完了後に、金バンプ15がフリップチップパッド電極4に接合され、半導体素子5がキャリア基板1にフリップチップ実装される。これにより金バンプ15とフリップチップパッド電極4の上面の金めっきとが金−金接合(固相拡散接合)され、金バンプ15がフリップチップパッド電極4の側部を抱え込むようにフリップチップパッド電極4の側面と物理的に接合される。
After completion of the above alignment, the
図9は、キャリア基板に半導体素子をフリップチップ接合した後の状態を示す概略平面図である。図9においては、図を見やすくするために、上面からの透視図としている。また、図10は、図9からフリップチップパッド電極4のパターンレイアウトを抽出して示す概略平面図である。図9および図10を参照して、フリップチップパッド電極4の先端部を取り囲むように金バンプ15がフリップチップパッド電極4に押し付けられて接合されている。フリップチップパッド電極4の先端部は、先端部以外に比べて幅が狭く先端に向かって尖った形状をしている。この状態のIII−III線に沿う断面図が図3である。
FIG. 9 is a schematic plan view showing a state after the semiconductor element is flip-chip bonded to the carrier substrate. In FIG. 9, in order to make the drawing easier to see, a perspective view from the upper surface is shown. FIG. 10 is a schematic plan view showing the pattern layout of the flip
次に、フリップチップ接合後の金バンプ15の形状を説明する。さらにフリップチップパッド電極4の先端部が金バンプ15に接合された状態について説明する。
Next, the shape of the
図11は、キャリア基板のフリップチップパッド電極が金バンプに食い込むことによって形成された圧痕を示す概略平面図である。すなわちこの図はフリップチップ接合した後の半導体素子5をキャリア基板1から引き剥がした場合の状態を示す平面図である。この図は、半導体素子パッド電極16が形成されている面から見た平面図である。
FIG. 11 is a schematic plan view showing indentations formed by the flip chip pad electrodes of the carrier substrate biting into the gold bumps. That is, this figure is a plan view showing a state in which the
図12は、図11の一部が拡大された概略斜視図である。すなわち金バンプ15が1バンプのみ取り出されて拡大された概略斜視図である。 FIG. 12 is a schematic perspective view in which a part of FIG. 11 is enlarged. That is, it is a schematic perspective view in which only one bump is taken out and enlarged.
図11および図12を参照して、フリップチップ接合後の金バンプ15では、フリップチップパッド電極4が金バンプ15に食い込むことによってフリップチップパッド電極4の上面および側面と接触する部分に圧痕17が形成されている。これによりフリップチップパッド電極4の先端部は、金バンプ15に抱え込まれるように接合されることになる。
Referring to FIGS. 11 and 12, in
次に上記のフリップチップ接合を含む本発明の実施の形態1の半導体装置の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention including the above-described flip chip bonding will be described.
図1を参照して、まず、上記のキャリア基板1が準備される。
次に、キャリア基板1の裏面のBGAパッド電極9に、フラックスが供給され、はんだボール12が取り付けられる。はんだボール12の取り付けに必要なフラックスの供給とはんだボール12の搭載には一般には専用装置であるボールマウンタが用いられる。キャリア基板1の裏面(下側)を上向きにして、BGAパッド電極9の表面に転写法(突起状の治具に付着させたフラックスがBGAパッド電極9に転写される)又は印刷法(スクリーン印刷法でBGAパッド電極9にフラックスが印刷される)にてフラックスが供給される。フラックス供給済みのキャリア基板1のBGAパッド電極9にはんだボール12が仮搭載される。使用されるはんだボール12の寸法は、たとえば直径0.6mmである。BGAパッド電極9の数とピッチに対応したはんだボール12が真空吸着治具にて一括吸引され、フラックス供給済みのBGAパッド電極9に搭載される。フラックスには粘着力があるため、以後の操作などではんだボール12が取れるようなことはない。
Referring to FIG. 1, first, the carrier substrate 1 is prepared.
Next, flux is supplied to the BGA pad electrode 9 on the back surface of the carrier substrate 1, and the
次に、はんだボール12の溶融・固着がリフロー方式にて行われる。フラックスで仮止めされたはんだボール12が搭載されたキャリア基板1がリフロー炉に通される。これにより、はんだボール12のはんだが溶融・固化され、BGAパッド電極9にはんだボール12が取り付けられる。はんだボール12の取り付けが終了した時点で役目を終えたフラックス成分はフラックス残渣となって、はんだボール12の表面やキャリア基板1に付着している。
Next, melting and fixing of the
次に、フラックス残渣の洗浄および除去が行われる。フラックス残渣はゴミや異物の原因となり、回路の接触不良や製品の品質低下の原因となる恐れがある。このため、はんだボール12の取り付けが完了したキャリア基板1から不要成分であるフラックス残渣が洗浄および除去される。この目的のため、専用溶剤が用いられた洗浄装置にキャリア基板が投入され、フラックス残渣が取り除かれる。
Next, the flux residue is washed and removed. The flux residue may cause dust and foreign matter, and may cause circuit contact failure and product quality degradation. For this reason, the flux residue which is an unnecessary component is washed and removed from the carrier substrate 1 to which the
次に、はんだペースト印刷が行われる。すなわち部品搭載およびリッド取り付け用のはんだプリコートのため、キャリア基板1表面(上面)のはんだ接合用パッド電極上にスクリーン印刷法ではんだペーストが供給される。はんだ接合用パッド電極とは、電子部品が搭載されるための部品パッド電極3およびリッド8がはんだ接合される際に必要なプリコートはんだ層が設けられるための封止パッド電極6である。部品パッド電極3と封止パッド電極6は電極の名前は異なるが、供給されるはんだペーストは同じである。スクリーン印刷法で用いられるスクリーン印刷マスクには、はんだ接合用パッド電極の寸法や位置に合わせられた開口部が設けられている。キャリア基板1上にセットされたスクリーン印刷マスクの上面をスキージが移動することでキャリア基板1へのはんだペーストの印刷が完了する。はんだペースト印刷が終了したら、スクリーン印刷マスクが取り外される。厚さ約0.2mmで、はんだ接合用パッド電極とほぼ同じ面積分のはんだペーストが供給される。
Next, solder paste printing is performed. That is, a solder paste is supplied by screen printing on the solder bonding pad electrodes on the surface (upper surface) of the carrier substrate 1 for solder pre-coating for component mounting and lid attachment. The solder bonding pad electrode is a sealing pad electrode 6 for providing a precoat solder layer required when the
次に、電子部品2がマウンタ(電子部品搭載機)により、はんだペースト印刷されたキャリア基板1の部品パッド電極3に搭載される。搭載された電子部品2は、はんだペーストの粘着力で部品パッド電極3上に仮固定される。電子部品2は、次に述べるリフロー処理を経て部品パッド電極3上にはんだ接合される。またこの時点ではリッド8が搭載されていないので、封止パッド電極6ははんだペーストが印刷された状態のままである。
Next, the
次に、電子部品2のはんだ接合と、封止パッド電極6上へのプリコートはんだ層の形成とがリフロー方式にて行われる。はんだペーストで仮止めされた電子部品2が搭載されたキャリア基板1がリフロー炉に通されることではんだが溶融・固化され、部品パッド電極3に電子部品2がはんだ接合される。同時にはんだペーストのみが供給されている封止パッド電極6に、はんだが溶融・固化されることにより、厚さが約0.2mmで、短辺側の断面がカマボコ型をしたプリコートはんだ層が形成される。電子部品2の取り付けとプリコートはんだ層の形成が終了した時点で役目を終えたはんだペースト中のフラックス成分はフラックス残渣となって、電子部品2やキャリア基板1の表面に付着している。
Next, solder joining of the
次に、フラックス残渣の洗浄および除去が行われる。電子部品2の取り付けとプリコートはんだ層の形成が完了したキャリア基板1から不要成分であるフラックス残渣が洗浄および除去される。先のはんだボール取り付けプロセスと同様にフラックス除去のための専用溶剤が用いられた洗浄装置にキャリア基板1が投入され、残渣成分が除去される。
Next, the flux residue is washed and removed. The flux residue which is an unnecessary component is washed and removed from the carrier substrate 1 on which the
次に、フリップチップパッド電極4に半導体素子5がフリップチップ実装される。
上記のとおりキャリア基板1のフリップチップパッド電極4と、半導体素子パッド電極16上に設けられた金バンプ15とが、フリップチップボンダの画像処理機能が用いられ接合位置あわせされる。一般にはテレビカメラで捕らえられた両者のパターンの画像を合成・演算処理することによって、両者のずれが最小値となるように位置あわせされる。
Next, the
As described above, the flip
フリップチップボンダの加熱ステージに真空吸着されたキャリア基板1は、フリップチップパッド電極4付近の表面温度が150℃で維持される。そして室温で保持された半導体素子5の裏面がフリップチップボンダの超音波印加ノズルに真空吸着され、1バンプあたり0.6Nの静荷重を与えられながら同時に200mWの超音波振動エネルギーが加えられる。これにより、半導体素子5の金バンプ15がキャリア基板1のフリップチップパッド電極4のあらかじめ設定された部位に接続される。なお半導体素子5に金バンプ15形成される場合と比べて、キャリア基板1に半導体素子5が接合される場合の接合条件が異なるのは、キャリア基板1は高温環境で軟化する有機材料であるため、あまり温度を高くできないため、荷重をやや高めに設定することによって接合強度を得るためである。
The carrier substrate 1 vacuum-adsorbed on the heating stage of the flip chip bonder is maintained at a surface temperature of 150 ° C. near the flip
本実施の形態においては、半導体素子5上に形成した金バンプ15が、キャリア基板1の金めっきされたフリップチップパッド電極4に押し付けられると同時に超音波振動が加えられることにより接合が行われるため、金バンプ15と金めっきされたフリップチップパッド電極4の双方の金が固相拡散を起こし、接合が達成される(固相拡散接合)。これにより良好な電気的接続及び機械的接続(シェア強度測定において、50g/バンプ以上の良好な値)が得られる。
In the present embodiment, since the gold bumps 15 formed on the
なおここで述べた超音波を用いずに、加熱圧着による工法を用いた固相拡散接合を適用しても接合は可能であるが、上述したようにこの工法では高温環境が必要となるため、樹脂基板への適用はむずかしい。 In addition, it is possible to join by applying solid phase diffusion bonding using a method by thermocompression bonding without using the ultrasonic waves described here, but as described above, this method requires a high temperature environment, Application to resin substrates is difficult.
次に、リッド付けが行われる。キャリア基板1に実装されている半導体素子5や電子部品2を保護するため、また必要に応じて回路の電磁シールドを行うため、封止パッド電極6上に金属製のリッド8がはんだ封止される。リッド8は加熱ツールで吸着されて位置決め装置や治具等によって位置決めされる。そしてキャリア基板1のプリコートはんだ部のかまぼこ形状の頂点部分にリッド8の底面が接触するように位置決めされる。続いて位置決めされたリッド8が加熱ツールで加熱されてはんだの溶融温度まで上昇される。そして溶融されたはんだ中にリッド8が押し込まれる。このときN2ガスなどが用いられて、周囲の雰囲気が低酸素環境(およそ100ppm以下)で維持されながら、プリコートはんだが溶融・固化されることで、リッド8とキャリア基板1の封止パッド電極6とがはんだ接合される。
Next, lid attachment is performed. A
この工程は低酸素環境下でプリコートはんだのみを溶融させてリッド8がはんだ接合されるのが特徴である。この方法が採用されることにより、新たなはんだペーストやフラックスの供給は行わなくても良い。このためフラックス残渣がキャリア基板1の表面やリッド8に残ることが無い。したがって残渣成分を洗浄・除去する工程は不要となり、高信頼性のはんだ接合が可能となる。
This process is characterized in that the
リッド8と封止パッド電極との近傍には、プリコートはんだとリッド8の底面との接触部分から溶融はんだが供給されて濡れ広がるため、図1に示したようなはんだフィレット7が形成される。
In the vicinity of the
リッド8の材料は、たとえば樹脂基板に機械的なストレスを与えないよう、たとえば樹脂基板と線膨張係数がほぼ等しい銅材が用いられる。リッド8の外形は、たとえば正方形で20mm×20mm×1.5mmである。リッド8の肉厚は、たとえば約0.5mmである。リッド8は、プレスや切削による機械加工やエッチングによる加工によって作製可能である。
As the material of the
リッド8の表面には、酸化防止のためとはんだ接合が容易にできるよう、表面にたとえばNi−Auめっき(約5μm厚さのニッケルめっきと、約0.01μm厚さの金めっきが重ねられる)が施される。
For example, Ni-Au plating (approx. 5 μm thick nickel plating and about 0.01 μm thick gold plating is superimposed) on the surface of the
以上のような製造方法が採用されることにより、従来のフリップチップ接合工程に、大きな変更が加えられること無く接合部の機械的強度が向上された半導体装置を提供することができる。 By adopting the manufacturing method as described above, it is possible to provide a semiconductor device in which the mechanical strength of the joint portion is improved without significant changes in the conventional flip chip joining process.
次に本実施の形態1の半導体装置の作用効果について説明する。
本実施の形態1の半導体装置では、キャリア基板1のフリップチップパッド電極4の先端部はフリップチップ接合後の状態において金バンプの直径よりも細くなるような寸法で形成されているので、フリップチップ接合後には金バンプ15がフリップチップパッド電極4の先端部を抱え込むような構造となる。
Next, the function and effect of the semiconductor device according to the first embodiment will be described.
In the semiconductor device according to the first embodiment, the tip of the flip
また、キャリア基板のフリップチップパッド電極4の先端部の上面においては、高温下で静荷重と超音波振動を与えることによって、金バンプ15の先端がつぶれ、フリップチップパッド電極4の上面に押し込まれると同時に、超音波振動で金バンプ15の表面に新生面が現れ、金−金の固相拡散接合がなされる。
Further, on the upper surface of the tip portion of the flip
一方、キャリア基板1のフリップチップパッド電極4の先端部の側面部分においては接合時の荷重と超音波振動によって、金バンプ15の一部の金が変形し、フリップチップパッド電極4の先端部の形状に倣った結果、金バンプ15がフリップチップパッド電極4の先端部を抱え込むような形へと変化することによって新たな拘束力が生じる。つまりフリップチップパッド電極4の先端部の側面部に金バンプ15が食い込むことによる物理的拘束力が新たに生じる。
On the other hand, a part of gold of the
つまり、半導体素子5をキャリア基板1のフリップチップパッド電極4にフリップチップ接合する場合において、フリップチップパッド電極4の上面は金−金の固相拡散接合すなわち金属結合に基づいた固定がなされ、フリップチップパッド電極4の側面は金バンプ15の食い込みによる物理的拘束すなわち、食い込みによる固定が行われる。これにより、接合強度はより一層向上する。
That is, when the
本実施の形態によれば、その製造工程においてフリップチップパッド電極4に針状又は樹状突起のような特殊なアンカー構造などを設けずとも、表面が平坦な通常のプリント配線板のフリップチップパッド電極4を用いて接合強度を向上させることが可能となる。
According to the present embodiment, the flip chip pad of a normal printed wiring board having a flat surface without providing a special anchor structure such as a needle or dendrite on the flip
(実施の形態2)
図13は、本発明の実施の形態2における半導体装置の一部が拡大された概略断面図である。図13を参照して、本実施の形態の半導体装置13は、実施の形態1の構成と比較して、フリップチップパッド電極4の側面の上側が下側よりせり出している点で主に異なっている。すなわちフリップチップパッド電極4はオーバーハング状の形状をしている。
(Embodiment 2)
FIG. 13 is an enlarged schematic cross-sectional view of a part of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 13, the
本実施の形態の半導体装置13の製造方法において、実施の形態1と同様に銅張積層プリント基板がエッチングによりパターンニングされたサブトラクティブ工法により製造されたキャリア基板1が用いられており、フリップチップパッド電極4の側面の上側が下側よりせり出すようにエッチングされることで形成される。
In the manufacturing method of the
なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は、上述した実施の形態1と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。 In addition, since the structure and manufacturing method other than this of this Embodiment are the same as that of Embodiment 1 mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected about the same element and the description is abbreviate | omitted.
本実施の形態によれば、固相拡散接合がなされるキャリア基板1のフリップチップパッド電極4の上面の形状、面積は共に変化しない。しかしフリップチップパッド電極4の側面がオーバーハング形状であることより、本実施の形態はフリップチップパッド電極4が楔状となるアンカー効果を奏する。これにより食い込み力が増加するため接合強度が上昇する。
According to the present embodiment, the shape and area of the upper surface of the flip
(実施の形態3)
図14(A)〜図14(C)は、本発明の実施の形態3における半導体装置のフリップチップパッド電極の平面図である。図14(A)〜図14(C)を参照して、本実施の形態の半導体装置13は、実施の形態1の構成と比較して、フリップチップパッド電極4の先端が平面視において分岐した形状を有している点で主に異なっている。すなわちフリップチップパッド電極4の先端が分岐・分割されている。具体的なフリップチップパッド電極4の先端の形状は、2股分岐で両側に広がる形状(図14(A))、2股分岐で幅が同じ形状(図14(B))および3股に分岐している形状(図14(C))である。
(Embodiment 3)
14 (A) to 14 (C) are plan views of flip chip pad electrodes of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 14A to 14C, in the
本実施の形態の半導体装置13の製造方法において、実施の形態1と同様に銅張積層プリント基板がエッチングによりパターンニングされたサブトラクティブ工法により製造されたキャリア基板1が用いられており、フリップチップパッド電極4の先端が平面視において分岐した形状を有するようにエッチングされることで形成される。
In the manufacturing method of the
なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は、上述した実施の形態1と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。 In addition, since the structure and manufacturing method other than this of this Embodiment are the same as that of Embodiment 1 mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected about the same element and the description is abbreviate | omitted.
本実施の形態によれば、フリップチップ接合に寄与するフリップチップパッド電極4上面の面積を増大させること、またフリップチップパッド電極4の側面の喰い込み部分の長さを増大させ金バンプ15がフリップチップパッド電極4の側面に食い込む部位を増大させることで接合強度を上昇させることができる。
According to the present embodiment, the area of the upper surface of the flip
なお、図14(A)〜図14(C)に示す形状は、あくまで事例であってこれらに限定されるものでは無い。もちろんこれらの形状に実施の形態2のオーバーハング形状が組み合わされても良い。 Note that the shapes shown in FIGS. 14A to 14C are only examples and are not limited thereto. Of course, these shapes may be combined with the overhang shape of the second embodiment.
(実施の形態4)
図15は、本実施の形態4におけるフリップチップ接合前の位置あわせ状態を示す概略側面図である。図16は、図15の一部が拡大された斜視図である。図17は、本実施の形態4の半導体装置における半導体素子がキャリア基板に接合された状態を示す概略断面図の一部拡大図である。
(Embodiment 4)
FIG. 15 is a schematic side view showing an alignment state before flip chip bonding in the fourth embodiment. 16 is an enlarged perspective view of a part of FIG. FIG. 17 is a partially enlarged view of a schematic cross-sectional view showing a state in which the semiconductor element in the semiconductor device of the fourth embodiment is bonded to the carrier substrate.
図15〜図17を参照して、本実施の形態の半導体装置13では、フリップチップパッド電極4の先端部の上面および側面のそれぞれの全面が金バンプ15に接合されている。
Referring to FIGS. 15 to 17, in the
本実施の形態の半導体装置13は、実施の形態1の構成と比較して、金バンプ15が上下反対に取り付けられている点で主に異なっている。これは次に記載するこの半導体装置13の製造方法の違いによる。
The
本実施の形態の半導体装置13の製造方法は、実施の形態1の製造方法と比較して、金バンプ15がフリップチップパッド電極4に押し付けられた後に、金バンプ15に半導体素子5を接合する工程をさらに備えている点で主に異なっている。
Compared with the manufacturing method of the first embodiment, the manufacturing method of the
本実施の形態の半導体装置の製造方法では、キャリア基板1のフリップチップパッド電極4上に金バンプ15が形成される。キャリア基板1のフリップチップパッド電極4上に金バンプ15が形成される工程は、まずスタッドバンプボンダの加熱ステージにキャリア基板1が真空吸着される。次に、フリップチップパッド電極4付近の表面温度が150℃に維持され、1バンプあたり0.6Nの静荷重が与えられながら同時に250mWの超音波振動エネルギーが加えられ、金バンプ15がキャリア基板1のフリップチップパッド電極4のあらかじめ設定された部位に接続される。フリップチップパッド電極4への食いつきを良くするため静荷重は高めに設定されている。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, gold bumps 15 are formed on flip
なお、本実施の形態のこれ以外の構成および製造方法は、上述した実施の形態1と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。 In addition, since the structure and manufacturing method other than this of this Embodiment are the same as that of Embodiment 1 mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected about the same element and the description is abbreviate | omitted.
本実施の形態によれば、図7、図8および図3と図15、図16および図17とが比較されると明らかなようにキャリア基板1のフリップチップパッド電極4上に金バンプ15が形成される方が底面積の大きな食いつきの良い金バンプ15をフリップチップパッド電極4上に一個ずつ個々に形成できるため、複数個の金バンプ15を同時に接合される場合よりも、フリップチップパッド電極4上の金バンプ15の接合強度が増す。
According to the present embodiment, the gold bumps 15 are formed on the flip
さらに半導体素子パッド電極16上に形成された金バンプ15が一括接合される場合に比べ、個々のフリップチップパッド電極4上に直接金バンプ15を形成できるため、実装時の位置ずれが生じにくくなり、より確実に接合することが可能となる。つまりこの方法では図16から明らかなように、多少の位置ずれが生じたとしても、金バンプ15の先端の尖った部分を半導体素子パッド電極16のエリア内に納めることができるため、位置ずれが目立たなくなる。
Furthermore, since the gold bumps 15 can be formed directly on the individual flip
なお、金バンプについて記載したが、これに限定されるものではなく、固相拡散接合される材質のバンプに適用できる。 In addition, although gold bump was described, it is not limited to this, It can apply to the bump of the material solid-phase diffusion-bonded.
今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。 Each embodiment disclosed this time must be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、互いに接合されたパッド電極とバンプとを有する半導体装置およびその製造方法に特に有利に適用されうる。 The present invention can be particularly advantageously applied to a semiconductor device having a pad electrode and a bump bonded to each other and a method for manufacturing the same.
1 キャリア基板、2 電子部品、3 部品パッド電極、4 フリップチップパッド電極、5 半導体素子、6 封止パッド電極、7 はんだフィレット、8 リッド、9 BGAパッド電極、10 回路基板、11 回路基板パッド電極、12 はんだボール、13 半導体装置、14 銅めっき、15 金バンプ、16 半導体素子パッド電極、17 圧痕。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carrier substrate, 2 Electronic component, 3 Component pad electrode, 4 Flip chip pad electrode, 5 Semiconductor element, 6 Sealing pad electrode, 7 Solder fillet, 8 Lid, 9 BGA pad electrode, 10 Circuit board, 11 Circuit board pad electrode , 12 solder ball, 13 semiconductor device, 14 copper plating, 15 gold bump, 16 semiconductor element pad electrode, 17 indentation.
Claims (10)
前記キャリア基板に形成されたパッド電極と、
前記パッド電極の上面および側面で接合されたバンプと、
前記バンプを介して前記パッド電極と電気的に接続された半導体素子とを備えた、半導体装置。 A carrier substrate;
A pad electrode formed on the carrier substrate;
Bumps bonded on the upper and side surfaces of the pad electrode;
A semiconductor device comprising: a semiconductor element electrically connected to the pad electrode through the bump.
バンプが前記パッド電極に押し付けられることにより、前記バンプが前記パッド電極の側面を抱え込み、かつ前記バンプと前記パッド電極の上面とが固相拡散接合される工程とを備えた、半導体装置の製造方法。 Preparing a carrier substrate on which a pad electrode is formed;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of pressing a bump against the pad electrode, the bump holding a side surface of the pad electrode, and a solid phase diffusion bonding of the bump and the upper surface of the pad electrode. .
前記半導体素子に前記バンプが形成された後に、前記バンプが前記パッド電極に押し付けられる、請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 Further comprising a step of forming the bump on the semiconductor element;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the bump is pressed against the pad electrode after the bump is formed on the semiconductor element.
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