JPH0997791A - バンプ構造、バンプの形成方法、実装接続体 - Google Patents

バンプ構造、バンプの形成方法、実装接続体

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JPH0997791A
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和人 斉藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】実装基板と半導体チップとの間隔を大きくとり
つつ、チップ側のみにハンダ層を形成することによって
ハンダ付けを行うためのバンプ構造を提供する。 【解決の手段】二層構造を有するバンプをチップ１にの
み形成し、ハンダ付けの際に実装基板１０の電極１１と
接続する。二層構造の下層３ａはハンダ付けの際に溶融
せず、一定の基板−チップ間距離を確保できる。上層３
ｂはハンダ付けにおいて実際に溶融し、バンプと実装基
板上の電極とを電気的に接続する作用を果たす。下層の
融点は上層の融点に比べて少なくとも２０℃以上高いこ
とが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本願発明は半導体チップと実
装基板とを電気的に接続するためのハンダバンプの構造
及びその形成方法に係わる。特に本願発明は半導体チッ
プ側のみにハンダバンプを形成し、接続寿命を向上させ
た構造等についてのものである。
【０００２】
【従来技術】回路素子が形成された半導体チップはチッ
プ間を電気的に接続するために実装基板上に実装され
る。その際に、半導体チップの電極と実装基板上に形成
された電極とを電気的に接続する必要がある。このため
の方法として図に示すようなフリップチップ方式が一般
的である。この方式はチップ１の外部出力端子にハンダ
ボール３を形成し、一方、実装基板１０の配線１１上に
ハンダバンプ１２を形成して、この両者をリフローによ
って接続する。ここで、半導体チップ１上のハンダボー
ル３はハンダバンプ１２に係わるハンダよりも高融点な
ハンダであり、リフローによって溶融しない。例えば、
ハンダバンプ１２は共晶組成のハンダ（スズ６３重量％
／鉛３７重量％）であり、他方、ハンダボール３はより
高い融点を有する組成のハンダ（スズ９７重量％／鉛３
重量％）などである。また、実装基板１０上の配線１１
は一般的には金や銅からできているから、リフロー後も
溶融しない。実装基板１０としてはビルドアップ法によ
って形成されたＳＬＣ(Surface Laminated Circuitry)
基板のような多層プリント基板が使用されることが多
い。
【０００３】このように、実装基板にフリップチップ方
式によって半導体チップを接続する方式では実装基板側
に予め接続用のハンダ１２を形成する必要がある。なぜ
ならば、ハンダ付け後の半導体チップ１と実装基板１０
との間隔Ｈを確保する必要があるためである。
【０００４】Ｈは製品の接続寿命のパラメータである。
つまり、接続寿命Ｎｆは、Ｎｆ＝Ｍ・Ｈ／(Δα・ｌ・
ΔＴ)で与えられる。ここで、Ｍ：接続材料によって定
まる接続定数、Δα：半導体チップと実装基板との熱膨
張係数の差、ｌ：半導体チップの中心から最外周に存在
するバンプまでの距離、ΔＴ：熱サイクルの温度差、を
示す。はんだ等接続のための材料（Ｍに影響）、半導体
チップ、実装基板の設計（ｌ、Δαに影響）、半導体チ
ップの実装体のおかれる環境（ΔＴに影響）が同一であ
るときに接続寿命は接続後の半導体チップと実装基板と
の間隔Ｈに依存する。従って、Ｈを大きくするために接
続用のハンダ１２を実装基板上に形成する必要があるの
である。
【０００５】しかし、実装基板側に接続用のハンダを形
成することは以下の点で問題がある。例えば、この方法
ではチップ側にハンダバンプ３を、実装基板側にハンダ
バンプ１２を形成する必要があるが、このように、一つ
の電気的接続を達成するために複数の箇所にハンダを供
給することはプロセスが複雑となり生産性の観点で問題
である。また、このようなハンダバンプ１２を形成する
ことはパッドのピッチの微細化を阻害し、実装基板の高
密度化が困難になる。さらに、ハンダバンプは一般的に
はスクリーン印刷法によって形成されるが、この際に用
いるマスクは高価であり、仕様の変更が困難である。
【０００６】関連する技術として例えば特開平３−６２
９２６号公報に開示されるものがある。これは基板上に
形成された電極上に融点の高いハンダ層、さらにその表
面に融点の低いハンダ層を形成した構造を有するハンダ
バンプである。この構造によれば融点の高いハンダ層は
ハンダ付けの際に溶融することがないので、一定のＨが
確保できるという利点がある。しかし、表面の低融点ハ
ンダ層の厚さが小さいため、高融点ハンダ層を厚く形成
する必要があり、プロセス上困難である。また、開示さ
れてる構造によれば笠の広いマッシュルーム形状をして
いるために、ハンダバンプ間のピッチを大きくとらなく
てはならず、高密度実装を阻害することが明らかであ
る。
【０００７】また、特開平５−２４３２３３号公報にも
下層が銅によって形成され、絶縁層上に露出した部分を
金からなる上層で被覆した構造のバンプが開示されてい
る。しかし、この発明における金の被覆は下層である銅
の安定性を補うために行っており、本願発明のように接
続寿命の延命及びフリップチップ接続におけるハンダバ
ンプ形成の生産性の向上を企図したものではない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本願発明は接続寿命を
確保するために実装基板と半導体チップとの間隔Ｈを大
きくとりつつも、実装基板側にハンダバンプを形成する
ことなく半導体チップ側のみにハンダ層を形成すること
によってハンダ付けを行うことを課題とする。
【０００９】また、本願発明は上記課題を達成しつつ、
実装基板の高集積化を阻害しない接続用ハンダバンプの
構造を提供するものである。このために、上層の笠の部
分が横方向に最小限度しか展出しない構造、及び、製造
方法を採用すべきである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本願発明では二層構造を有するバンプをチップ側に
のみ形成し、ハンダ付けの際に実装基板側の電極と接続
する。実装基板側には従来のようにハンダバンプを形成
しない。二層構造は下層がハンダ付けの際に溶融せず、
従って、一定の基板−チップ間距離Ｈを確保できる組成
のものとする。上層はハンダ付けにおいて実際に溶融
し、バンプと実装基板上の電極とを電気的に接続する作
用を果たす。この際に、下層の融点は上層の融点に比べ
て少なくとも２０℃以上高いことが好ましい。
【００１１】本願発明の上記課題は具体的には、「半導
体基板と実装基板とを電気的に接続するためのバンプで
あって、上記半導体チップ上に形成され、ハンダ付けの
際に溶融することのない金属からなる第一の部分と、上
記第一の部分上に形成され、ハンダ付けの際に溶融して
上記実装基板とを電気的に接続する第二の部分と、から
なるバンプ構造」によって達成できる。接続寿命を確保
するために上記第一の部分は一定の高さを有する必要が
ある。ハンダ付けの際に溶融する第二の部分は一定の体
積を有していることが電気的接続を確実ならしめるため
に必要である。このために、第一の部分と第二の部分と
の表面からの高さ及び体積をそれぞれＨ1，Ｖ1，Ｈ2，
Ｖ2とおくと、Ｈ1＞３０μｍ、Ｈ2＞２０μｍ、Ｈ1／Ｈ
2は０．３〜２、Ｖ2／Ｖ1＞１を具備することが必要で
ある。この条件においてハンダ付けを実際に行い、Ｈ＝
６０〜９０μｍとすることが好適である。
【００１２】
【発明の実施の態様】本願発明は図２に示すように、実
装基板１０の電極１１上にはなんらハンダ層を形成する
ことなく、半導体チップ１側にハンダ付けの際に溶融す
るハンダ層３ｂを含む、下層３ａと上層３ｂの二層から
なるバンプ２０を形成するものである。基板−チップ間
の距離Ｈはハンダ付けの際に溶融しない下層３ａ、ハン
ダ付けの際に溶融する上層３ｂ、実装基板側電極１１に
よって確保される。
【００１３】このようなバンプによってフリップチップ
接続したときの断面図を図２に示す。上層金属３ｂがリ
フローによって溶融し、実装基板上１０の電極１１と半
導体チップ１上の下層金属３ａを被覆するように接続が
なされる。このとき、下層金属３ａはリフローによって
溶融しないから、半導体チップ１と実装基板１０との間
には一定の距離Ｈが保たれている。これによって、接続
寿命の向上を図ることが可能となる。
【００１４】このように、本願発明に係わるバンプは上
層金属のみがリフロー時に溶融するものである。従っ
て、下層金属の融点は上層金属の融点よりも十分に高い
ことが必要である。実験によると、融点の差が少なくと
も２０℃以上であることが判明した。融点の差が２０℃
以下になると、リフロー時に下層金属も溶融してしま
い、必要な半導体チップと実装基板との間の距離Ｈの確
保ができなくなる。
【００１５】本願発明に係わるバンプ２０の構造の詳細
を図３に示す。バンプを構成する下層３ａと上層３ｂは
半導体基板１上に配置された電極２２及びバリヤメタル
２３を介して形成されている。また、バンプ２０の周囲
は絶縁層３０によって被覆される。この実施例では上層
３ｂは下層３ａ上に笠を作って展出した形となってい
る。このように、上層３ｂを転出させることによって上
層に係わるハンダの量を大きくすることができる。
【００１６】上層金属３ｂはハンダ付けの際に実際に溶
融する部分である。従って、これを構成する組成として
は低融点のハンダ組成が望ましい。たとえば、二元系の
共晶組成を有するハンダ（スズ６３重量％ 、鉛３７重
量％）、あるいは、インジウムを含んだ三元系の共晶組
成ハンダ（インジウム４０重量％、スズ４０重量％、鉛
２０重量％）などである。上層金属としては他にも例え
ばインジウムを含んだ二元系のハンダ、具体的にはイン
ジウム５２重量％−スズ４８重量％、あるいは、インジ
ウム７５重量％−鉛２５重量％などの組成のものが考え
られる。下層金属３ａはハンダ付けの際には溶融せず、
基板−チップ間距離Ｈを確保するものである。従って、
上層３ｂよりも融点が高いものが望ましい。たとえば、
高融点のハンダ（スズ３重量％、鉛９７重量％）、金、
銅、ニッケル、銀などの金属が好適である。
【００１７】このようなバンプの形成方法を図４以下に
説明する。半導体基板１上に形成されたアルミ電極２２
の表面からＲＦプラズマエッチング処理によって酸化膜
を除去する。次に、複数層からなる金属膜２３をメタル
スパッタリング装置によって全面的に形成する。この膜
は後のメッキ工程において共通電極として作用する。こ
の金属膜２３はＴｉ−Ｃｕ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ，Ｔｉ−
Ｐｄ−Ａｕ等からなっている。次にメッキ用マスクとし
てフォトレジスト２４を塗布する。この後、バンプを形
成すべき箇所についてフォトレジストに開口部を設け、
図５に示すように金属膜２３をメッキ用の共通電極とし
てフォトレジスト層２４とほぼ同じ厚さ分だけメッキし
て下層金属２５を形成する。下層金属はハンダ付けの時
に基板−チップ間の距離Ｈを確保するためのものであ
る。さらに、図６に示すように下層金属２５上に上層金
属２６をメッキして、本願発明に係わる所望の構造を得
る。この後、フォトレジスト層２４及び金属膜２３をウ
エットエッチング等によって除去すれば第２図に示した
ようなバンプ２０を得ることができる。
【００１８】ここで、下層金属と上層金属との表面から
の高さ及び体積をそれぞれＨ1，Ｖ1，Ｈ2，Ｖ2とおく
と、Ｈ1＞３０μｍ、Ｈ2＞２０μｍ、Ｈ1／Ｈ2は０．３
〜２、Ｖ2／Ｖ1＞１が本願発明の好適な実施例の範囲で
ある。例えば、フォトレジストの厚さが５０μｍのと
き、一実施例によれば上記それぞれは以下の値をとる。 Ｖ1：０．７ｘ１０-4（ｍｍ3） Ｖ2：３．０ｘ１０-4（ｍｍ3） Ｈ1：３２ （μｍ）、 Ｈ2：５０ （μｍ） このとき、Ｈ1／Ｈ2＝０．６、Ｖ2／Ｖ1＝４．３であ
る。
【００１９】ここで、Ｈ1／Ｈ2が大きすぎるときはつま
り下層金属の高さＨ1が極めて大きい状態を意味する
が、下層金属の高さＨ1は上述したようにフォトレジス
トの厚さと相関するのでＨ1には限界がある。また、Ｈ1
／Ｈ2が小さすぎると下層金属によって基板−チップ間
距離Ｈを確保しようとする本願発明の意図が十分に反映
されない。Ｖ2／Ｖ1については大きすぎるとハンダ付け
時に溶融する金属が多くなりすぎてかえってハンダ付け
が不安定となり、小さすぎるとハンダ付けの結果得られ
る電気的な接続に問題を生じやすくなる。
【００２０】他の実施例によれば、 Ｖ1：１．０ｘ１０-4（ｍｍ3） Ｖ2：２．２ｘ１０-4（ｍｍ3） Ｈ1：５０ （μｍ）、 Ｈ2：２７ （μｍ） このとき、Ｈ1／Ｈ2＝１．９、Ｖ2／Ｖ1＝２．２であ
る。
【００２１】いずれの場合でも、ハンダ付け後の基板−
チップ間距離Ｈは６０〜９０μｍである。その結果、実
験によればＨ1＞３０μｍ、Ｈ2＞２０μｍ、Ｖ2／Ｖ1＞
１が必要十分条件であることが判明した。接続寿命を確
保するために最終的に問題となるのはＨであるが、計算
上Ｈ＞６０μｍは必要である。この最低値を満たすため
には上述したＨ1，Ｈ2が必要である。
【００２２】次に、上層金属が笠のように下層金属上に
転出しない態様の実施例を図７に示す。この態様におい
てもチップの半導体基板１上に電極２２及び金属層２３
を介して下層金属層３ａ及び上層金属層３ｂからなるバ
ンプ２０が形成されており、その周囲は絶縁層３０で被
覆される。図３に示したものと相違する点は、上層金属
３ｂが下層金属３ａと同じ断面積を有している点であ
る。このような態様のバンプによれば横方向（基板と水
平な方向）の消費面積が小さいので、実装基板の高密度
化を達成することが可能となる。
【００２３】このような態様のバンプの形成方法につい
て第８図に示す。この図は笠を有する態様の形成方法を
示した第６図と同じステップを示したものであり、第４
図、第５図については共通する。まず、このためには笠
を有する態様のバンプを形成する場合よりも厚いフォト
レジスト膜を形成することが必要である。この際のフォ
トレジスト膜の厚さは７０μｍ以上が好ましい。そし
て、下層金属層２７の表面がフォトレジストの表面より
も低い位置に来るように形成し、その上に上層金属層２
８を形成する。このとき、上層金属層２８の表面がフォ
トレジスト２４の表面よりも低い位置にあれば、笠のな
いバンプ形状を得ることができる。このようなタイプの
バンプを形成するためにはフォトレジストの厚さを通常
よりも厚くすることが必要である。好適な実施例ではこ
の際に塗布されるフォトレジスト膜の厚さは１００μｍ
以上である。
【００２４】なお、本願発明は同様な構造のバンプを実
装基板側に形成することによっても達成可能である。し
かし、ハンダバンプは一般的にはスクリーン印刷法によ
って形成されるが、この際に用いるマスクは高価であ
り、仕様の変更が困難である。従って、好ましい実施例
ではバンプは半導体チップ側に形成される。
【００２５】
【実施例】上述したＨ1，Ｈ2，Ｖ1，Ｖ2のパラメータの
うち、本願発明の所期の効果を達成する上で本質的な要
素はＨ1およびＶ2／Ｖ1である。まず、Ｈ1は下層金属層
の厚さであるが、これは製品の接続寿命に影響する。従
って、この厚さは最低でも３０μｍ以上である必要があ
る。一方、Ｈ1が大きいときは接続寿命の面でメリット
があるが、フォトレジストを厚く塗布しなければならず
製造工程上の問題がある。また、下層金属層をメッキで
形成するときは、Ｈ1が大きくなるほど高さのばらつき
が生じやすくなり半導体チップと実装基板との接続不良
が生じやすくなる。このように考えると、Ｈ1の適正な
範囲は以下の通りである。 ３０μｍ ＜ Ｈ1 ＜ ９０μｍ ・・・・（ａ）
【００２６】次にＶ2／Ｖ1について検討した結果を示
す。Ｖ2／Ｖ1は上層金属と下層金属との体積比を示す
が、上層金属層の体積があまりにも多くなるとリフロー
時に溶融する金属が多くなりすぎる。この結果、接続後
にリフロー金属がバンプ間に溢れて電気的短絡のおそれ
がある。一方、Ｖ2／Ｖ1が小さいとリフローを行っても
十分に接続がなされない可能性がある。これらのことを
考えると、Ｖ2／Ｖ1の適正な範囲は以下の通りである。 １ ＜ Ｖ2／Ｖ1 ＜ ５ ・・・・（ｂ）
【００２７】上述したパラメータのうちＨ2は比較的バ
ンプの特性に影響がない。ただし、Ｈ2はＶ2／Ｖ1に相
関する。
【発明の効果】半導体チップにのみハンダバンプを形成
することによって、実装基板側にハンダバンプを形成す
る工程を削減でき、生産性の向上が期待できる。また、
ハンダバンプの構造を融点の高い金属層とハンダ付けに
おいて実際に溶融する金属層との二層構造にすることに
よってチップと基板との間隔Ｈを大きく保つことができ
る。このため接続寿命が向上する。さらに、形成された
バンプはその先端が球状になっているので、ハンダ付け
前に予めリフローして球状にする必要がないため、この
工程を省略できる。笠の部分が最小限度しか展出しない
構造とすることによって、高密度実装に対応することが
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術によるフリップチップ方式の場合のハ
ンダ層の形成を示す。
【図２】本願発明によるハンダバンプ構造を用いて接続
した場合の模式図を示す。
【図３】本願発明によるハンダバンプ構造の一実施例を
示す。
【図４】本願発明によるハンダバンプ構造の製造工程を
示す断面図である。
【図５】本願発明によるハンダバンプ構造の製造工程を
示す断面図である。
【図６】本願発明によるハンダバンプ構造の製造工程を
示す断面図である。
【図７】本願発明によるハンダバンプ構造の他の実施例
を示す。
【図８】本願発明によるハンダバンプ構造の他の実施例
の製造工程を示す断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 庄子 礼二郎 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲事業 所内

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体チップと実装基板とを電気的に接続
    するためのバンプ構造であって、 上記半導体チップ上に形成され、ハンダ付けの際に溶融
    することのない金属からなる第一の部分と、 上記第一の部分上に形成され、ハンダ付けの際に溶融し
    て上記実装基板とを電気的に接続する第二の部分と、 を含むバンプ構造。
  2. 【請求項２】前記第一の部分が前記半導体チップと前記
    実装基板との距離とを一定値以上に保つことを特徴とす
    る請求項１のバンプ構造。
  3. 【請求項３】前記第一の部分の高さＨ1が９０μｍ＞Ｈ1
    ＞３０μｍを特徴とする請求項１のバンプ構造。
  4. 【請求項４】前記第二の部分の高さＨ2とすると、Ｈ1／
    Ｈ2は０．３〜２であることを特徴とする請求項３のバ
    ンプ構造。
  5. 【請求項５】前記第一の部分と第二の部分の体積をそれ
    ぞれＶ1、Ｖ2とすると５＞Ｖ2／Ｖ1＞１を特徴とする請
    求項１のバンプ構造。
  6. 【請求項６】前記第一の部分が前記第二の部分に係わる
    組成が有する融点よりも２０℃以上の融点を有する金属
    からなる請求項１のバンプ構造。
  7. 【請求項７】前記第一の部分が金またはスズ３重量％−
    鉛９７重量％のハンダからなる請求項７のバンプ構造。
  8. 【請求項８】前記第二の部分が共晶組成の二元系ハンダ
    合金または共晶組成のインジウムを含む三元系ハンダ合
    金からなる請求項１のバンプ構造。
  9. 【請求項９】前記第一の部分の断面積と前記第二の部分
    の断面積が実質的に同一である請求項１のバンプ構造。
  10. 【請求項１０】複層からなるバンプの形成方法であっ
    て、 基板上に形成した電極上に金属膜を形成するステップ
    と、 前記電極上以外の箇所にフォトレジスト膜を形成するス
    テップと、 前記金属膜を電極として第一の金属をメッキするステッ
    プと、 前記金属膜を電極として前記第一の金属上に第二の金属
    をメッキするステップと、 前記フォトレジスト膜を除去するステップと、を含むバ
    ンプの形成方法。
  11. 【請求項１１】前記第一の金属をメッキするステップに
    おいて、前記第一の金属の厚さが前記フォトレジスト膜
    の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項１０のバン
    プの形成方法。
  12. 【請求項１２】前記フォトレジスト膜が高解像度のレジ
    ストによって構成される請求項１０のバンプの形成方
    法。
  13. 【請求項１３】前記第二の金属が前記フォトレジスト膜
    上に形成されないことを特徴とする請求項１０のバンプ
    の形成方法。
  14. 【請求項１４】半導体チップと実装基板との実装接続体
    であって、 上記半導体チップ上に形成された第一の金属部分と、上
    記実装基板上に形成された第二の金属部分と、上記第一
    の金属部分と上記第二の金属部分との間に少なくとも一
    部が介在し、これらを電気的に接続する第三の金属部分
    とからなり、上記第一の金属部分と上記第二の金属部分
    と上記第三の金属部分とによって確保される上記半導体
    チップと上記実装基板との距離が６０μｍ以上であるこ
    とを特徴とする、実装接続体。
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