JPH10294337A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路配線基板の熱膨張係数の相異に起因する
バンプ応力歪が十分に緩和され、接続信頼性の高いバン
プ電極構造を有する半導体装置を、腐食の原因となる不
純物を含有するフラックスを用いずに得る。 【解決手段】 回路基板側から順に、高融点はんだ金属
層、中融点はんだ金属層、及び低融点はんだ金属層から
なるバンプ電極を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フリップチップ実
装構造を有する半導体装置に関する。また、本発明はこ
の半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置は高集積化が進行し
て、半導体実装技術も高密度化が求められている。この
半導体装置の高密度実装技術には、ワイヤーボンディン
グ技術、ＴＡＢ技術などが代表的には挙げられるが、最
も高密度の実装技術として、フリップチップ実装技術
が、コンピュータ機器などの半導体装置を高密度に実装
する技術として多く用いられている。

【０００３】フリップチップ実装技術は、米国特許第３
４０１１２６号公報、米国特許第３４２９０４０号公報
が開示されて以来、広く公知の技術になっている。フリ
ップチップ実装された半導体装置の基本的構造の一例を
図１５に示す。図１５に示す様に、一般的なフリップチ
ップ実装構造を有する半導体装置では、半導体チップ
１、半導体チップ１上に設けられたボンディングパッド
１１、ボンディングパッド１１を除く半導体チップ１表
面を被覆するパッシベーション膜１３、ボンディングパ
ッド１１上に設けられたバリアメタル層１２及びバリア
メタル層１２上に突出形成されたはんだバンプ電極３
と、配線基板２、配線基板２上に設けられた端子電極１
４、端子電極１４を除く配線基板２上に形成されたソル
ダーレジスト膜１５とが、はんだバンプ電極３と端子電
極１４とで接合された構成からなる。

【０００４】フリップチップ実装技術においては、半導
体チップの構成材料と半導体チップを実装する回路配線
基板の構成材料が異なるとき、熱膨張係数の相異に起因
する変位が半導体装置と回路配線基板にしばしば発生す
る。発生した変位は、半導体装置と回路配線基板とを接
続するはんだバンプ電極に応力歪を発生させる。この応
力歪は、フリップチップ実装するはんだバンプ電極を破
壊させ、信頼性寿命を低下させる。

【０００５】このため、従来より、例えばはんだバンプ
電極配置を変更し、半導体装置中心点からはんだバンプ
電極中心点までの距離を小さくすること、回路配線基板
の材料を考慮し、熱膨張係数を半導体装置の熱膨張係数
と類似または一致させること、特開昭５８−２３４６２
号公報の様に、フリップチップ実装した半導体装置の温
度変化を小さくすること、特開昭６１−１９４７３２号
公報の様に、半導体装置と回路配線基板の隙間に樹脂を
充填することなどの改良が行われてきた。

【０００６】また、例えば、Microelectronics Packagi
ng Handbook に記載されている様に、バンプ高さを高く
する提案も多く行われてきた。さらに、はんだバンプ電
極を構成する材料組成を均一組成で適切化することによ
り応力歪に対して強固にする提案も行われている。例え
ば、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ２６ｔｈ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ，ｐ６７，１９７６では、５％のＰｂを含有する
Ｐｂ−Ｓｎ系合金が信頼性向上に有効であるとする報告
が行われている。一方では、特開昭６１−６５４４２号
公報、及び特開昭６１−８０８２８号公報に記載されて
いる様に、Ｓｎ合金中のＳｎ含有量を６５％〜８０％、
または５０％にすることが望ましいなどの報告が行われ
ており、実情に即した方法で応力緩和が行われているの
が現状である。

【０００７】また、はんだバンプ電極の構造を鼓型にす
ることにより信頼性を向上することも行われている。鼓
型バンプを形成する方法には、スペーサを設けたり、は
んだバンプ接続後に半導体チップを回路配線基板から引
き剥がすなどの方法が提案されている。

【０００８】また、特殊な方法として特開昭６２−１１
７３４６号公報に記載されているように、はんだバンプ
組成を高融点金属層と低融点金属層の２層組合せとする
ときに構造を鼓型にする方法が提案されている。

【０００９】さらに、高融点金属層と低融点金属層の２
層組合せは、例えば特開昭５９−２１８７４４号公報に
も開示されている。図１６に、フリップチップ構造を有
する半導体装置の他の一例として、高融点金属層と低融
点金属層の２層構造のバンブ電極を有する半導体装置を
表す該略図を示す。この半導体装置は、図示するよう
に、ＬＳＩチップ１の電極パッド１１上に設けられたバ
リアメタル１２上に、ディッピング法により高融点はん
だ４１を付着し、配線基板２に設けられた端子電極１４
上に低融点金属層４２を設け、これらを硬化させてはん
だバンプが形成されている以外は図１５と同様の構造を
有する。このような構造により、基板と半導体チップの
隙間を一定以上に保持させて信頼性を向上させる提案も
行われている。

【００１０】この様に、はんだバンプ電極中に高融点コ
ア金属を介在させてスタンドオフとすることにより信頼
性を向上させる提案には多くの方法があり、例えば日経
エレクトロニクス、ＮＯ．６６３，ｐｐ８１−９６，１
９９６年６月の様に、半導体チップ側にＰｂを５％含む
Ｐｂ−Ｓｎ合金または金、銅から構成される高融点金属
を形成して、回路配線基板側に低融点のＰｂを６３％含
むＰｂ−Ｓｎ合金または導電性接着剤を形成する方法が
行われている。

【００１１】これらの方法は、これまでの様に、回路配
線基板上に実装搭載する半導体チップの寸法が１０ｍｍ
×１０ｍｍを超えない比較的小さな寸法を有し、また、
実装される配線基板が、例えばセラミック基板の様な熱
膨張係数が半導体チップと比較して大きく相異しない場
合に、その効果を発揮してきた。しかしながら、半導体
チップの寸法が大きく、配線基板がガラスエポキシ基板
の様に、熱膨張係数が半導体チップと大きく異なる場合
には、上述のようなフリップチップ接続構造を用いて
も、信頼性を向上させることができなくなっていた。

【００１２】これは、半導体チップ寸法が大きな場合に
顕著となるはんだバンプ電極中の応力歪が熱膨張係数の
大きな樹脂基板側に集中して、封止樹脂で応力歪を充分
に緩和することに限界が生じたためである。

【００１３】一方、はんだバンプ電極を構成するはんだ
は酸化速度が早いため、通常、その表面は酸化膜に覆わ
れている。一般的に、はんだ酸化膜の融点は１０００℃
以上ある。このため、はんだを溶融させる場合には、は
んだ表面に酸化膜が固体状態で残り、はんだの流動を妨
げ、はんだを均一に再溶融することが困難となる。こり
ようなことから、はんだをリフローする場合には、表面
の酸化膜を除去することが必要となっていた。

【００１４】はんだバンプ電極をリフローする方法に
は、例えば、はんだバンプ電極上に液体フラックスを塗
布してはんだバンプ電極を加熱することにより、はんだ
表面酸化膜を還元除去する方法が一般的に用いられてい
た。

【００１５】ところが、このフラックスを用いる方法で
は、はんだバンプ電極のリフロー後にフラックスを洗浄
除去する必要があるため、洗浄装置の維持管理、洗浄液
の処理費などがコスト増加の原因となっていた。また、
そればかりでなく、はんだバンプ電極の微細化に伴い微
小間隔を完全に洗浄することは技術的にも困難であり、
信頼性上問題となっていた。

【００１６】このようなことから、フラックスを用いな
いではんだバンプ電極をリフローする方法が多く考案さ
れてきた。例えば、特開昭６３−６６９４９号公報で
は、電子部品に超音波を印加することによりはんだ表面
酸化膜を破壊する方法、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ
２ｎｄ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｍｉｃｒｏｊｏｉｎｉｎ
ｇ ａｎｄ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｐｐ４５−４８，１
９９６では、レーザ光を照射することにより、はんだバ
ンプ電極表面の酸化膜を破壊する方法が提案されてい
る。

【００１７】超音波を印加する方法では、部品全体に超
音波を印加するため、出力の大きな超音波振動子が必要
となる。その結果、コストが増加し、超音波による部品
の破損いるという問題があった。また、レーザ光を照射
する方法では、はんだバンプ電極のみにレーザ光を照射
することが困難であり、はんだバンプ電極の周辺部分も
レーザにより加熱され、加熱による部品の熱変形を防止
するためには、高耐熱性を有する部品材料を必要とする
という問題があった。さらに、この場合、加工可能な条
件の範囲が狭いため加工条件の制御が困難であるという
問題があった。

【００１８】また、特開昭５７−１４３８３８号公報で
は、半導体チップ上のはんだバンプを溶融しないで、回
路配線基板側の電極パッド上に形成した金属を圧接し
て、リフローを行なう方法が開示されている。図１７
に、フリップチップ構造を有する半導体装置のさらに他
の一例として、特開昭５７−１４３８３８号公報に記載
されて半導体装置を表す概略断面図を示す。この半導体
装置は、半導体チップ１上のはんだバンプ５１を溶融し
ないで、回路配線基板２側の電極パッド１４上に形成し
た先端の尖った銅、ニッケル、クロムから形成される金
属層５２を圧接する以外は、図９と同様の構造を有す
る。しかしながら、この半導体装置では、圧接後のリフ
ロー工程により接続は達成されるものの、はんだ中に硬
い金属が残留してバンプ応力歪が塑性変形量の少ない
銅、ニッケル、クロムなどに集中するため、接続後の信
頼性が必ずしも不十分であるという問題が新たに発生し
ていた。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上の様に、半導体チ
ップ上に形成されるバンプ電極を回路配線基板の電極パ
ッドと相互接続するフリップチップ実装では、熱膨張係
数の相異に起因する応力歪がバンプ電極の破壊を発生す
るという問題があった。この問題は、特に半導体チップ
の寸法が小さく、半導体チップと熱膨張係数が大きく異
なる回路配線基板を利用した場合に顕著に認められてい
た。これに対し、種々の改良がなされてきたが、どれも
不十分であった。

【００２０】本発明は、上記の問題を鑑みてなされたも
のであり、その第１の目的は、半導体チップがフリップ
チップ実装により回路配線基板上に接合された半導体装
置において、半導体チップと回路配線基板の熱膨張係数
の相異に起因するバンプ応力歪を十分に緩和し、接続信
頼性の高いバンプ電極構造を有する半導体装置を提供す
ることにある。

【００２１】また、本発明の第２の目的は、半導体チッ
プと回路配線基板の熱膨張係数の相異に起因するバンプ
応力歪が十分に緩和され、接続信頼性の高いバンプ電極
構造を有する半導体装置を、腐食の原因となる不純物を
含有するフラックスを用いずに製造する方法を提供する
ことにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１に、回路
基板、該回路基板上に設けられた半導体チップ接続端子
電極、該半導体チップ接続端子電極上に設けられた第１
の融点を有する第１のはんだ金属層、該回路基板の第１
のはんだ金属層側に離間して設けられた半導体チップ、
該半導体チップ上に、該第１のはんだ金属層と対向して
設けられたボンディングパッド、該ボンディングパッド
上に形成され、前記第１の融点より低い第２の融点を有
する第２のはんだ金属層、及び第１のはんだ金属層及び
第２のはんだ金属層間を接合するように設けられ、前記
第１の融点より低くかつ前記第２の融点より高い第３の
融点を有する第３のはんだ金属層を具備することを特徴
とする半導体装置を提供する。

【００２３】本発明は、第２に、回路基板に設けられた
半導体チップ接続端子電極上に、第１の融点を有する第
１のはんだ金属層を形成する工程、半導体チップに設け
られたボンディングパッド上に前記第１の融点より低い
第２の融点を有する第２のはんだ金属層を形成する工
程、該第１のはんだ金属層を該第２のはんだ金属層と位
置合わせし、前記第１の融点未満前記第２の融点以上の
温度で接合することを特徴とする半導体装置の製造方法
を提供する。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の半導体装置は、回路基
板、回路基板上に設けられた半導体チップ接続端子電
極、及び半導体チップ接続端子電極上に設けられた高融
点のはんだ金属層と、回路基板の第１のはんだ金属層側
に離間して設けられた半導体チップ、半導体チップ上
に、第１のはんだ金属層と対向して設けられたボンディ
ングパッド、ボンディングパッド上に形成され、低融点
の第２のはんだ金属層とが、第１のはんだ金属層の融点
より低く、第２のはんだ金属層の融点より高い中間の融
点を有する第３のはんだ金属層を介して接合された構成
を有する。

【００２５】本発明では、回路配線基板側上に最も融点
の高い第１のはんだ合金層が形成され、半導体チップ側
に最も融点の低い第２のはんだ合金層が形成され、第１
のはんだ合金層と第２のはんだ合金層の中間には、第１
のはんだ合金層の融点と第２のはんだ合金層の融点の間
の第３の融点を有する第３はんだ合金層が形成されてい
る。

【００２６】本発明によれば、近年の様に民生機器を適
応対象として、回路配線基板に熱膨張係数が半導体チッ
プの熱膨張係数と比較して大きい有機樹脂基板を用いた
場合、回路配線基板側で大きくなるバンプ応力歪を効果
的に緩和することができ、接続信頼性を著しく向上する
ことができる。

【００２７】これは、回路配線基板側にのみ選択的に応
力歪に対して強固な融点の高い第１はんだ合金層を配置
して、半導体チップ側に対しては段階的に組成を変化さ
せ、バンプ電極内で効果的にバンプ応力歪を緩和してい
るためである。

【００２８】本発明に用いられるはんだ金属材料として
は、好ましくは鉛を含有する合金例えば鉛スズ（Ｐｂ−
Ｓｎ）合金、鉛インジウム（Ｐｂ−Ｉｎ）合金、鉛アン
チモン（Ｐｂ−Ｓｂ）合金等が使用できる。

【００２９】特に好ましいはんだ金属材料は、Ｐｂ−Ｓ
ｎ合金である。例えば第１のはんだ合金層としては、Ｐ
ｂを５０重量％〜８０重量％含むＰｂ−Ｓｎ合金を用い
ることが好ましく、第２のはんだ合金層としては１重量
％〜２０重量％のＰｂを含むＰｂ−Ｓｎ合金を用いるこ
とが好ましい。このとき、第１のはんだ合金層の溶融温
度は約３２７℃〜２９０℃、第２のはんだ合金層の溶融
温度は約２４０℃〜１８３℃となる。

【００３０】第３のはんだ合金層は、第１のはんだ合金
層と第２のはんだ合金層との接合により生じる。第３の
はんだ合金層には、第１のはんだ合金層と第２のはんだ
合金層が混在し、好ましくは第１はんだ合金層側から第
２はんだ合金層側に対して錫含有量が順次多くなるはん
だ合金組成を持つ。従って、最も応力歪が大きく発生す
る回路配線基板側部分は、応力歪に対して強固なはんだ
組成合金が配置されている構成となっているため、応力
緩和の効果は著しく向上する。第３のはんだ合金層は第
１のはんだ合金層と第２のはんだ合金層の溶融温度範囲
内である約２４０℃〜２９０℃となる。この温度範囲内
で半導体チップと回路配線基板とを同時加熱して相互の
合金の圧接することにより、フラックスを必要とせずに
確実な接合を実現することができる。図１に、Ｐｂ−Ｓ
ｎ合金状態図を示す。上述の温度範囲は図１に示す状態
図から容易に求めることが可能である。

【００３１】また、本発明の半導体装置において、第１
のはんだ合金層は、回路配線基板の半導体チップ接続用
電極に対して円弧形状を有していることが好ましい。ま
た、第１の合金層の高さはバンプ総高さの５０％未満の
値を有しているため、応力歪が集中する部分に対しての
み効果的に特定組成のはんだが配置されていることによ
り接続信頼性は極めて向上する。

【００３２】また、本発明の方法は、上述の半導体装置
を製造するための方法であって、回路基板に設けられた
半導体チップ接続端子電極上に、高融点の第１のはんだ
金属層を形成する工程、半導体チップに設けられたボン
ディングパッド上に低融点の第２のはんだ金属層を形成
する工程、該第１のはんだ金属層を第２のはんだ金属層
と位置合わせし、第１のはんだ金属層の融点未満、第２
のはんだ金属層の融点以上の温度で接合することを特徴
とする。この接合により、第１及び第２のはんだ層間
に、第１のはんだ金属層の融点より低く、第２のはんだ
金属層の融点より高い融点を有する第３のはんだ層が形
成される。

【００３３】本発明の方法によれば、第１の融点未満前
記第２の融点以上の温度で接合が行なわれるため、第２
のはんだ合金層のみ溶融状態となっている。溶融された
第１のはんだ合金層を溶融された第２のはんだ合金層に
圧接することにより、第２のはんだ合金層表面に形成さ
れたはんだ合金酸化被膜を容易に破壊することができ
る。このため、本発明の方法を用いると、フラックスを
必要としないではんだバンプを有する半導体チップを回
路配線基板上に接続することが可能になる。さらに、従
来の様に、微小隙間に残留するフラックス残渣を洗浄除
去する必要がなく、確実な接続が実現できることから、
環境負荷の少ない信頼性の高いフリップチップ実装を行
なうことができる。

【００３４】また、本発明の方法において、回路配線基
板の半導体チップ接続電極上に設けられる第１のはんだ
合金層は、先の尖った形状例えば円錐または四角錐形状
等に形成されることが好ましい。本発明の方法では、上
述のように、第１の融点未満前記第２の融点以上の温度
で接合が行なわれるため、第２のはんだ合金層のみ溶融
状態となっている。溶融されない第１のはんだ合金層が
先の尖った形状を持っていると、溶融された第２のはん
だ合金層に圧接することにより、第２のはんだ合金層表
面に形成されたはんだ合金酸化被膜を、より容易に確実
に破壊することができる。

【００３５】なお、本発明の方法では、接合後、通常リ
フロー処理が行なわれる。リフロー処理により、バンプ
電極の強度が良好となる。このため、得られた第１及び
第２のはんだ金属層は見かけ上一体化したバンプ電極と
なる。リフロー処理の温度は、第１のはんだ金属層より
も約１０℃高い温度が好ましい。

【００３６】以上の様に、本発明によれば、特に、チッ
プサイズの大きな半導体チップを有機樹脂基板上にフリ
ップチップ実装して問題となるバンプ電極の応力歪を効
果的に緩和することが可能になり、接続信頼性は向上す
る。

【００３７】

【実施例】以下、図面を参照し、本発明を具体的に説明
する。図２は、本発明の半導体装置の一例を表す概略断
面図である。図３は、図２のバンプ電極周囲を拡大した
図である。図示するように、この半導体装置は、基本的
に、その一表面上に設けられた接続端子電極１４、及び
その周囲を被覆するソルダーレジスト１５を有する回路
配線基板２と、この回路配線基板２と離間して配置さ
れ、その回路配線基板側表面に、接続端子電極１４と対
向して設けられたボンディングパッド１１と、その周囲
を被覆するパッシベーション膜と、ボンディングパッド
１１上に設けられたバリア金属層１２とが、バンプ電極
３を介して接合された構造を有する。本発明の半導体装
置では、図３に示すように、そのバンプ電極３は、回路
配線基板２側から順に、第１の融点を有する第１のはん
だ金属層４、第１の融点より低い第３の融点を有する第
３のはんだ金属層５、及び第３の融点よりも低い第２の
融点を有する第２のはんだ金属層６から構成されてい
る。

【００３８】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
の一例を図４ないし図１１を用いて説明する。まず、図
４に示すように、まず、接続端子電極１４、及びその周
囲を被覆するソルダーレジスト１５を有する回路配線基
板２を用意し、その接続端子電極１４上に、例えば５０
〜８０重量％のＰｂを含むＰｂ−Ｓｎ合金からなり、先
の尖った形状を有する第１のはんだ金属層３２を形成す
る。

【００３９】第１のはんだ金属層では、まず、例えば接
続端子電極１４を除く領域にレジスト膜を形成し、電気
めっき法によって接続端子電極１３上に第１のはんだ金
属を堆積した後、電気めっきに使用したレジストを溶解
除去する。特に、めっきレジスト膜の膜厚が充分に厚い
場合、はんだ柱が基板電極上に形成できる。次に、必要
に応じてめっき部分に熱処理を行って焼鈍またはリフロ
ーした後、例えばリン酸などの溶液中で、金属柱と平行
平板に強電解を印加して、電解エッチングを行う。電解
エッチングの条件と金属柱の高さ、直径によって先端の
尖った金属錐３２が形成される。さらに、はんだ金属表
面に対して金などの酸化しにくい金属を薄くめっきする
ことも可能である。尚、円錐または四角錐形状の選択
は、形成するはんだ突起が回路配線基板と接する界面に
より決定されるもので、特にその形状は最上部が鋭利な
形状を有していれば問題ない。

【００４０】先の尖った形状を有する第１のはんだ金属
層３２はまた、このＰｂ−Ｓｎ合金を３７０℃程度に加
熱し、はんだを溶融して、この上に銅板を押し当てた
後、銅板を上方に引き上げることにより、一括して形成
することもできる。

【００４１】回路配線基板２としては、例えば米国特許
４８１１０８２号公報あるいは通常の積層ガラスエポキ
シ基板上に絶縁層と例えば銅などの導体層をビルドアッ
プさせた方式のプリント基板ＳＬＣ（Ｓｕｒｆａｃｅ
Ｌａｍｉｎａｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ）基板を用いることが
できる。接続端子電極には例えば１１０μｍφの開口が
設けられて、Ｃｕが露出している。

【００４２】次に、ボンディングパッド１１、及びその
周囲に形成された例えばＰＳＧ（リン・シリカ・ガラ
ス）とＳｉＮ（窒化シリコン）からなるパッシベーショ
ン膜１３、及びボンディングパッド１１上に形成された
例えばＣｕ／Ｔｉからなるバリア金属層１２を有する半
導体チップ１を用意し、その半導体チップ１上に、例え
ば１〜２０重量％のＰｂを含むＰｂ−Ｓｎ合金からなる
第２のはんだ金属層３１を形成する。

【００４３】はんだ金属層は、例えば米国特許３４５８
９２５号公報、特開昭４７−２４７６５号公報、または
特開平２−２３２９２８号公報の様に公知の技術である
蒸着法、あるいは電気めっき法を用いて形成することが
できる。

【００４４】はんだ金属層の寸法は、例えば１００μｍ
φ径であり、半導体チップの周囲に添って例えば２５６
個のバンプ電極が配置される。半導体チップの寸法は例
えば１０ｍｍ×１０ｍｍのものを用いた。はんだ金属層
の高さは例えば７５μｍ±５μｍのである。

【００４５】その後、第１のはんだ金属層３２と、第２
のはんだ金属層３１とを、例えばハーフミラーを用いて
位置合せを行うフリップチップボンダーを用いて位置合
わせする。ここで、半導体チップ１は加熱機構を有する
コレット３３に保持され、第２のはんだ金属層の融点よ
りも高い２００℃に窒素雰囲気中で予備加熱されてい
る。

【００４６】尚、ここでは、第１バンプ電極の組成を共
晶組成としたため２００℃での加熱としたが、５０重量
％〜８０重量のＰｂを含む％Ｐｂ−Ｓｎの融点未満であ
れば、その加熱温度は特に限定されるものではない。ま
た、はんだの表面被膜は加熱雰囲気を窒素とすることで
生成を抑制することが多少は可能であるが、完全に酸化
膜の生成を防止することはリフロー雰囲気における酸素
濃度を０にしない限り困難であるため、このときのはん
だ表面は公知の酸化被膜が生成している。

【００４７】次に、図５に示すように、半導体チップを
保持するコレット３３が、第２のはんだ金属層３１に対
して回路配線基板の第１のはんだ金属層３２が多少入り
込むまで下降させる。図６及び図７に、第１のはんだ金
属層に第２のはんだ金属層が入り込む様子を説明する図
を示す。図６に示すように、第１のはんだ金属層３１と
第２のはんだ金属層３２を接触させ、図７に示すよう
に、さらに、第１のはんだ金属層３１が多少入り込むま
で下降させることにより、第２のはんだ金属層３２の表
面に生成している酸化被膜を破壊させる。

【００４８】回路配線基板２を搭載するステージ３３
は、第１のはんだ金属層に第２のはんだ金属層を接触さ
せるときにおいては必ずしも加熱する必要はないが、後
工程において実施される回路配線基板の所定温度以上ま
での加熱を、短時間で実施する必要がある場合は、回路
配線基板に形成される第１はんだ金属層の融点以下の温
度範囲で加熱することも可能である。

【００４９】次いで、図８に示すように、半導体チップ
１を保持するコレット３３を、第１はんだ金属層３１内
部に回路配線基板上の第２はんだ金属層３２が完全に入
り込むまで下降させて電気的に接触させる。

【００５０】その後、図９に示すように、回路配線基板
を搭載するステージ３４を第１はんだ金属層３１の融点
以上の温度例えば３７０℃〜３９０℃まで上昇させて、
第１はんだ金属層３１を溶融させる。

【００５１】第１バンプ電極を構成する合金層と第２バ
ンプ電極を構成する合金層とが充分に相互拡散して機械
的に充分な強度を実現する第３金属層が得られるまで、
この保持温度状態を例えば約１０秒間維持する。

【００５２】以上の様に接合することで、図１０に示す
ように、第１はんだ合金層を回路配線基板２上の接続電
極１４に対して円弧形状とすることができる。第１はん
だ合金層を円弧形状とするのは、最もバンプ電極に応力
が集中するバンプ電極と回路配線基板との接合部で、バ
ンプ電極内部の応力歪を、段階的に緩和するためであ
る。この様な配置構造にすることで接続信頼性は著しく
向上する。

【００５３】また、図１０に示す半導体装置では、第１
のはんだ合金層４と第２のはんだ合金層６が混在する第
３はんだ合金層５を、第１はんだ合金層４と第２はんだ
合金層３の中間部分に配置することによりバンプ応力歪
を段階的に緩和することができ、接続信頼性を著しく向
上することができる。

【００５４】また、半導体チップと回路配線基板を接続
するはんだ金属層が溶融状態のとき、半導体チップを保
持するコレットを除去することで、はんだ表面張力によ
るセルフアライン効果が発生してマウント時に発生した
多少の位置ずれは修正され、正確な位置にボンディング
が可能になる。

【００５５】以上に示した工程を行うことにより、図２
に示す様な半導体チップが回路配線基板上に実装された
半導体装置を実現することができる。また、必要に応じ
て、フリップチップ実装した半導体装置と回路配線基板
が作る隙間部分に、たとえば図１１のように、公知の技
術である封止樹脂３６を封止することも可能である。

【００５６】封止する樹脂として、例えばビスフェノー
ル系エポキシとイミダゾール効果触媒、酸無水物硬化剤
及び球状の石英フィラーを重量比で４５重量％含有する
エポキシ樹脂を用いることもできる。

【００５７】また、例えばクレゾールノボラックタイプ
のエポキシ樹脂（ＥＣＯＮ−１９５ＸＬ；住友化学社
製）１００重量部、硬化剤としてフェノール樹脂５４重
量部、充填剤として熔融シリカ１００重量部、触媒とし
てベンジルジアミン０．５重量部、その他の添加剤とし
てカーボンブラック３重量部、シランカップリング剤３
重量部を粉砕、混合、熔融したエポキシ樹脂熔融体を用
いることも可能であり、その材質は特に限定されない。

【００５８】さらに、この樹脂は半導体チップと回路配
線基板が作る隙間周辺まで接続金属を覆う様に延在配置
させることも可能である。この様に延在配置させること
により半導体チップの接続信頼性は著しく向上する。

【００５９】接続信頼性試験 得られた半導体装置について、接続信頼性試験を行なっ
た。この半導体装置は、上述のように、１０ｍｍ×１０
ｍｍの半導体チップの主面にバンプ接続電極を２５６
個、径１００μｍφで形成して、回路配線基板に実装し
たものである。２５６ピンの中で１個所でも接続部分が
オープンになった場合を不良と見なし、累積不良率と温
度サイクルとの関係を図１２のようにグラフに示した。
この試験において、サンプル数は１０００個、温度サイ
クルの条件は（−５５℃（３０分）〜２５℃（５分）〜
１２５℃（３０分）〜２５℃（５分））であった。図
中、グラフ１２１は、チップ側に１〜２０重量％のＰｂ
を含むＰｂ−Ｓｎ合金高融点はんだ層を形成した従来の
半導体装置の場合、グラフ１２２は、半導体チップ側に
高融点はんだ層を形成した従来の半導体装置に封止樹脂
を設けた場合、グラフ１２３は、本発明にかかる半導体
装置の場合、グラフ１２４は、本発明にかかる半導体装
置に封止樹脂を設けた場合を各々示す。

【００６０】グラフ１２１に示すように、半導体チップ
側に１〜２０重量％のＰｂを含むＰｂ−Ｓｎ合金高融点
はんだ層を形成して、アッセンブリにフラックスを使用
した従来の構造では１５００サイクルで接続不良が発生
して、２０００サイクルで不良は１００％となった。ま
た、グラフ１２２に示すように、この構造に封止樹脂を
配置した場合は、２５００サイクルまで接続信頼性は向
上するが、３０００サイクルでは５０％の不良となって
いた。これらの不良はいずれも回路配線基板側のはんだ
が破壊されて接続不良となっている。

【００６１】これに対し、本発明にかかる半導体装置で
は、例えばグラフ１２３に示すように、樹脂を封止しな
い場合でも、従来技術の樹脂封止した構造と同等の接続
信頼性を有し、グラフ１２４に示すように、さらに封止
樹脂を配置した場合には、３５００サイクルまで不良は
発生せず、接続信頼性が極めて向上することが解った。

【００６２】尚、本発明を用いた場合の不良は、樹脂封
止しない場合ははんだ自体の疲労破壊であり、樹脂封止
した場合は封止樹脂自体の不良であり、いずれの場合も
回路配線基板と半導体チップの熱膨張係数の差による破
壊ではなかった。このように、不良解析からも本発明の
半導体装置の接続信頼性が極めて向上していることが確
認された。

【００６３】さらに、本発明にかかる半導体装置を８５
℃、８５％ＲＨ、Ｖ_DD＝５Ｖで保存したときの累積不良
率と温度サイクルとの関係を調べた。その結果を表すグ
ラフを図１３に示す。図中、グラフ１３１に示すよう
に、従来のフラックスを使用する接続を行なった場合は
１５００サイクルで腐食不良が発生し、３０００時間で
不良は１００％となった。これらの不良はいずれもはん
だ金属層自体の電気的腐食であった。ところが、本発明
による構造では３０００時間まで不良は発生せず信頼性
が極めて高いことが解った。

【００６４】また、図１４に、バンプ電極高さＨに対す
る第１合金層厚みｈと接続信頼性Ｎｆ₅₀との関係を表す
グラフ図を示す。ここでは、第１合金層が円弧形状の場
合と長方形状の場合について信頼性を評価し、その結果
を各々グラフ１４１及びグラフ１４２に示した。グラフ
から明らかな様に、ｈ／Ｈが０．０５を境にしてＮｆ₅₀
は急激に変化していることが解る。ｈ／Ｈ＜０．０５の
ときＮｆ₅₀は高い信頼性を示すが、ｈ／Ｈ≧０．０５の
ときＮｆ₅₀は低い信頼性を示す。これは、バンプ電極中
における第１はんだ合金層領域が５％未満のときバンプ
応力歪を効果的に緩和できることを示している。

【００６５】更に、第１合金層は円弧形状を有している
とき信頼性Ｎｆ₅₀は極めて高い値を示すことも確認され
た。以上の評価結果から、本発明による半導体装置は熱
サイクル、高温高湿環境に対して優れた耐性を有する信
頼性の高い実装構造であることがわかる。又、本発明の
方法がフラックスを使用せずに従来と同等の接続が実施
できる有効性の高い方法であることが確認された。

【００６６】本発明は、上記実施例に限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更可能で
ある。例えば、回路敗戦基板はガラスエポキシ基板に限
定されるものではなく、当然ながらアルミナセラミック
基板を用いても良く、搭載する半導体チップのチップ寸
法、バンプ電極寸法なども限定されるものではない。

【００６７】

【発明の効果】本発明の半導体装置によれば、半導体チ
ップと回路配線基板の熱膨張係数の相異に起因するバン
プ応力歪を十分に緩和し、接続信頼性の高いバンプ電極
構造を有する半導体装置が得られる。

【００６８】また、本発明の方法を用いると、半導体チ
ップと回路配線基板の熱膨張係数の相異に起因するバン
プ応力歪を十分に緩和し、接続信頼性の高いバンプ電極
構造を有する半導体装置を、腐食の原因となる不純物を
含有するフラックスを用いずに製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 Ｐｂ−Ｓｎ合金状態図

【図２】 本発明の半導体装置の一例を表す概略断面
図

【図３】 図２のバンプ電極周囲を拡大した図

【図４】 本発明に係る半導体装置の製造方法の一例
を説明するための図

【図５】 本発明に係る半導体装置の製造方法の一例
を説明するための図

【図６】 本発明に係る半導体装置の製造方法の一例
を説明するための図

【図７】 本発明に係る半導体装置の製造方法の一例
を説明するための図

【図８】 本発明に係る半導体装置の製造方法の一例
を説明するための図

【図９】 本発明に係る半導体装置の製造方法の一例
を説明するための図

【図１０】 本発明に係る半導体装置の製造方法の一例
を説明するための図

【図１１】 本発明に係る半導体装置の製造方法の一例
を説明するための図

【図１２】 本発明の半導体装置の接続信頼性試験結果
を表すグラフ図

【図１３】 高温高湿保存後の本発明の半導体装置の接
続信頼性試験結果を表すグラフ図

【図１４】 バンプ電極高さＨに対する第１合金層厚み
ｈと接続信頼性Ｎｆ₅₀との関係を表すグラフ図

【図１５】 従来のフリップチップ実装された半導体装
置の基本的構造の一例を表す図

【図１６】 フリップチップ構造を有する半導体装置の
他の一例を表す図

【図１７】 フリップチップ構造を有する半導体装置の
さらに他の一例を表す図

【符号の説明】

１…半導体チップ ２…回路配線基板 ３…バンプ電極 ４…第１のはんだ合金層 ５…第３のはんだ合金層 ６…第２のはんだ合金層 １１…ボンディングパッド １２…バリアメタル １３…パッシベーション膜 １４…接続電極端子 １５…ソルダーレジスト ３１，４１，５１…第２はんだ合金層 ３２，４２，５２…第１はんだ合金層 ３３…コレット ３４…ヒータ ３５…はんだ表面酸化膜 ３６…封止樹脂 ３７…はんだ表面酸化被膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮城 武史 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 森 三樹 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路基板、該回路基板上に設けられた半
   導体チップ接続端子電極、該半導体チップ接続端子電極
   上に設けられた第１の融点を有する第１のはんだ金属
   層、該回路基板の第１のはんだ金属層側に離間して設け
   られた半導体チップ、該半導体チップ上に、該第１のは
   んだ金属層と対向して設けられたボンディングパッド、
   該ボンディングパッド上に形成され、前記第１の融点よ
   り低い第２の融点を有する第２のはんだ金属層、及び第
   １のはんだ金属層及び第２のはんだ金属層間を接合する
   ように設けられ、前記第１の融点より低くかつ前記第２
   の融点より高い第３の融点を有する第３のはんだ金属層
   を具備することを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 回路基板に設けられた半導体チップ接続
   端子電極上に、第１の融点を有する第１のはんだ金属層
   を形成する工程、半導体チップに設けられたボンディン
   グパッド上に前記第１の融点より低い第２の融点を有す
   る第２のはんだ金属層を形成する工程、該第１のはんだ
   金属層を該第２のはんだ金属層と位置合わせし、前記第
   １の融点未満前記第２の融点以上の温度で接合すること
   を特徴とする半導体装置の製造方法。