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JP2004071943A - Electronic equipment - Google Patents

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JP2004071943A
JP2004071943A JP2002231292A JP2002231292A JP2004071943A JP 2004071943 A JP2004071943 A JP 2004071943A JP 2002231292 A JP2002231292 A JP 2002231292A JP 2002231292 A JP2002231292 A JP 2002231292A JP 2004071943 A JP2004071943 A JP 2004071943A
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JP
Japan
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metal wiring
wiring layer
layer
protective film
solder
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002231292A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takao Yoneyama
米山 孝夫
Akihiro Niimi
新美 彰浩
Daisuke Ito
伊藤 大介
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shinko Electric Industries Co Ltd
Denso Corp
Original Assignee
Shinko Electric Industries Co Ltd
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shinko Electric Industries Co Ltd, Denso Corp filed Critical Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority to JP2002231292A priority Critical patent/JP2004071943A/en
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    • H10W72/012
    • H10W72/242
    • H10W72/283

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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

【課題】基板の一面上に形成された金属配線層の表面を絶縁性の保護膜にて覆い、保護膜に形成された開口部を介して金属配線層とはんだバンプとを接合してなる電子装置において、はんだリフロー後に発生する保護膜の劣化を抑制する。
【解決手段】金属配線層20は、はんだリフロー時の熱によりはんだバンプ40を構成するSn成分が拡散して合金を形成可能なAuよりなるAu層22を最表層に備える。Au層22の膜厚を0.01μm以上0.1μm以下とした構成とすることで、はんだリフロー時にはんだバンプを構成するSnが保護膜30の下に位置するAu層22に拡散してAu−Sn合金層52が成長していくのを抑制するようになっている。
【選択図】    図2
An electron formed by covering the surface of a metal wiring layer formed on one surface of a substrate with an insulating protective film and bonding the metal wiring layer and a solder bump through an opening formed in the protective film. In the apparatus, deterioration of the protective film that occurs after solder reflow is suppressed.
A metal wiring layer 20 includes an Au layer 22 made of Au capable of forming an alloy by diffusing Sn components constituting solder bumps 40 by heat during solder reflow. By making the film thickness of the Au layer 22 0.01 μm or more and 0.1 μm or less, Sn constituting the solder bumps diffuses into the Au layer 22 located under the protective film 30 during the solder reflow, and Au− The growth of the Sn alloy layer 52 is suppressed.
[Selection] Figure 2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の一面上に形成された金属配線層の表面を絶縁性の保護膜にて覆い、保護膜に形成された開口部を介して金属配線層とはんだバンプとを接合してなる電子装置に関し、ウェハレベルCSP(チップサイズパッケージ)や各種の配線基板などに適用できる。
【0002】
【従来の技術】
この種の一般的な電子装置について、図8を参照して説明する。基板10の一面上に金属配線層20が形成されている。図8では、金属配線層20は、基板10側からNiなどからなる第1の層21、Auなどからなる第2の層22が積層されてなるものである。
【0003】
金属配線層20上には、金属配線層20の表面を覆う絶縁性の保護膜30が形成されており、この保護膜30には下側の金属配線層20を露出させるための開口部31が形成されている。この開口部31から露出する金属配線層20の上には、はんだバンプ40が形成されており、はんだバンプ40と金属配線層20とは電気的・機械的に接合されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したような電子装置は、ウェハレベルCSPや各種の配線基板に適用される。ウェハレベルCSPの場合、ウェハ状態ではんだボールを搭載し、はんだボールは、ウェハのダイシングカット前にリフローされて、はんだバンプ40に形成される。
【0005】
また、各種配線基板に用いた場合も、はんだバンプ40はマザーボードなどの相手側部材との接合に用いられるものであるため、当該相手側部材への実装時にはんだリフローが行われる。いずれにせよ、この種の電子装置においては、はんだバンプ40は少なくとも1回はリフローが行われる。
【0006】
このようなはんだリフローが行われるこの種の電子装置について、本発明者らが検討を行ったところ、はんだリフロー後に、保護膜30において強度低下やはがれ、ひび割れなどが発生し、保護膜30の劣化が生じることがわかった。このような保護膜30の劣化は、耐湿性劣化、リーク不良などの信頼性低下につながる恐れがある。
【0007】
本発明は上記問題に鑑み、基板の一面上に形成された金属配線層の表面を絶縁性の保護膜にて覆い、保護膜に形成された開口部を介して金属配線層とはんだバンプとを接合してなる電子装置において、はんだリフロー後に発生する保護膜の劣化を抑制することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、鋭意検討した結果、上述した保護膜の劣化は、金属配線層とはんだバンプとの組合せによって生じることを見出した。
【0009】
その組合せとは、はんだバンプを構成する金属成分とその下地である金属拡散層を構成する金属成分とが、はんだリフロー時の熱により互いに拡散して、両者の界面で合金層を形成する場合である。具体的には、はんだバンプの金属成分としてSnなどが挙げられ、金属拡散層の金属成分としてAuやCuなどが挙げられる。
【0010】
図2に示す断面構成は、この合金層が形成された状態を示すものであり、この構成は、本発明者らが電子顕微鏡観察などの検討を行った結果、実験的に確認したものである。ここでは、限定するものではないが、金属配線層20において第1の層21がNi、第2の層22がAuであり、はんだバンプ40がSnリッチのものである例とした。
【0011】
この図2に示す構成は、はんだリフローを行った後の状態である。はんだバンプ40のSnが金属配線層20における第2の層22中に拡散してAu−Sn合金からなるAu−Sn合金層52が形成されており、はんだバンプ40のSnと金属配線層20における第1の層21中のNiとについても、同様にNi−Sn合金層51が形成されている。
【0012】
本発明者らの検討によれば、特に、Au−Sn合金層52の方が互いの金属成分が拡散しやすいため成長しやすく、はんだバンプ40の根元部から保護膜30の下に大きく侵入した形となっている。
【0013】
そのため、このAu−Sn合金層52によって保護膜30が押し上げられる結果、保護膜30において強度低下やはがれ、ひび割れなどが発生し、保護膜30の劣化が生じる。本発明は、このようなはんだバンプと金属配線層とにより形成される合金層を制御することに着目してなされたものである。
【0014】
すなわち、請求項1に記載の発明では、基板(10)と、基板の一面上に形成された金属配線層(20)と、金属配線層上に形成され金属配線層の表面を覆う絶縁性の保護膜(30)と、保護膜に形成され金属配線層を露出させるための開口部(31)と、保護膜の開口部から露出する金属配線層の上に形成され金属配線層に接合されたはんだバンプ(40)と、を備える電子装置において、金属配線層は、はんだリフロー時の熱によりはんだバンプを構成する金属成分が拡散して合金を形成可能な金属成分を含む材料よりなり、金属配線層は、はんだリフロー時にはんだバンプを構成する金属成分が保護膜の下に位置する金属配線層に拡散していくのを抑制する拡散抑制構造となっていることを特徴とする。
【0015】
それによれば、はんだリフロー時にはんだバンプを構成する金属成分が保護膜の下に位置する金属配線層に拡散していくのを抑制できるため、はんだバンプと金属配線層との合金層が保護膜の下に成長して侵入するのを抑制できる。よって、本発明によれば、はんだリフロー後に発生する保護膜の劣化を抑制することができる。
【0016】
ここで、請求項2に記載の発明のように、金属配線層(20)が、はんだバンプ(40)を構成する金属成分と合金を形成可能な金属成分としてAuを用い、且つこのAuからなるAu層(22)を有するものである場合、拡散抑制構造としては、Au層の膜厚を0.01μm以上0.1μm以下とした構成を採用することができる。
【0017】
この請求項2に記載の金属配線層においては、請求項3に記載の発明のように、Au層(22)の下地としてNi層(21)を有する積層構造を採用することができる。
【0018】
請求項4に記載の発明では、基板(10)と、基板の一面上に形成された金属配線層(20)と、金属配線層上に形成され金属配線層の表面を覆う絶縁性の保護膜(30)と、保護膜に形成され金属配線層を露出させるための開口部(31)と、保護膜の開口部から露出する金属配線層の上に形成され金属配線層に接合されたはんだバンプ(40)と、を備える電子装置において、保護膜の開口部における内周端面(31a)が、はんだリフロー後のはんだバンプの形状におけるはんだ接触角(θ1)の補角(θ2)よりも小さいテーパ角度(θ3)を有するテーパ形状となっていることを特徴とする。
【0019】
本発明は、はんだがリフローの際に表面張力により球形になろうとする性質を持つことに着目してなされたものである。本発明では、保護膜の開口部における内周端面をテーパ面とし、そのテーパ角度を、はんだリフロー後のはんだバンプ形状におけるはんだ接触角の補角よりも小さくしている。
【0020】
そのため、リフロー時において、はんだバンプと保護膜の開口部の内周端面とが接触しにくく(つまり干渉しにくく)でき、はんだがその外周すなわち保護膜の下の金属配線層へ流動しにくくなる。
【0021】
これにより、はんだリフロー時にはんだバンプを構成する金属成分が保護膜の下に位置する金属配線層に拡散していくのを抑制できる。そのため、上記請求項1の発明と同様に、はんだリフロー後に発生する保護膜の劣化を抑制することができる。
【0022】
この請求項4に記載の金属配線層も、請求項5に記載の発明のように、最表層にAu層(22)、その下地にNi層(21)を有する積層構造を採用することができる。
【0023】
請求項6に記載の発明では、基板(10)と、基板の一面上に形成された金属配線層(20)と、金属配線層上に形成され金属配線層の表面を覆う絶縁性の保護膜(30)と、保護膜に形成され金属配線層を露出させるための開口部(31)と、保護膜の開口部から露出する金属配線層の上に形成され金属配線層に接合されたはんだバンプ(40)と、を備える電子装置において、金属配線層は材料の異なる複数の層が積層されてなるものであり、金属配線層の最表層(22)が、はんだリフロー時の熱によりはんだバンプを構成する金属成分が拡散して合金を形成可能な金属を含む材料よりなり、金属配線層のうち保護膜の開口部の周囲に位置する部位に、最表層を存在させない部分を設けたことを特徴とする。
【0024】
それによれば、保護膜の開口部にてはんだバンプと金属配線層の最表層とによる合金層が生じ、当該開口部の周囲すなわち保護膜の下に合金層が成長しようとするが、最表層が存在しない部分において合金層の成長は止まる。そのため、それ以上保護膜の下に合金層が成長することはなくなる。
【0025】
よって、本発明によっても、はんだリフロー後に発生する保護膜の劣化を抑制することができる。
【0026】
請求項7に記載の発明では、基板(10)と、基板の一面上に形成された金属配線層(20)と、金属配線層上に形成され金属配線層の表面を覆う絶縁性の保護膜(30)と、保護膜に形成され金属配線層を露出させるための開口部(31)と、保護膜の開口部から露出する金属配線層の上に形成され金属配線層に接合されたはんだバンプ(40)と、を備える電子装置において、金属配線層のうち保護膜の開口部から露出する部位のみに、はんだリフロー時の熱によりはんだバンプを構成する金属成分が拡散して合金を形成可能な金属を含む材料からなる層を金属配線層の最表層(22)として設けたことを特徴とする。
【0027】
金属配線層においてはんだバンプの下地として、はんだバンプの金属成分と合金を形成可能な金属を含む材料からなる層を設ける必要がある場合には、本発明のように、はんだバンプとの接合部のみに設ければよい。それにより、保護膜の下に合金層が形成されないので、はんだリフロー後に発生する保護膜の劣化を抑制することができる。
【0028】
ここで、上記請求項6および請求項7においても、金属配線層(20)は最表層としてAu層(22)、その下地にNi層(21)を有するものにできる。
【0029】
また、上記各手段におけるはんだバンプ(40)を構成する金属成分としては、Snを主成分とするものを採用することができる。
【0030】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態において互いに同一の部分には、説明の簡略化を図るために、図中、同一符号を付してある。
【0032】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態では、本発明の電子装置は、ウェハレベルCSPに適用したものとして説明する。まず、CSPの基本構成について、図1を参照して述べる。
【0033】
基板10は、トランジスタなどの半導体素子が形成された半導体基板である。基板10の一面側には上記半導体素子と導通するアルミなどからなる配線11や取出電極(パッド)12が形成されている。
【0034】
基板10の一面上には、半導体素子や配線11を被覆して保護するシリコン窒化膜などからなるパッシベーション膜13が形成されている。ここで、パッシベーション膜13は取出電極12上には開口している。なお、これら半導体素子、配線11、取出電極12、パッシベーション膜13は周知の半導体プロセスにより形成することができる。
【0035】
このパッシベーション膜13の上には、絶縁性の膜材料からなる層間膜14が形成されている。この層間膜14は上部の金属配線層20と基板10との応力緩和などの役割をなすもので、例えば、ポリイミドなどを塗布して硬化させることで形成できる。また、取出電極12の上部にて層間膜14はエッチングなどにより除去されて開口部15が形成されている。
【0036】
そして、層間膜14の上には、シード層16を介して金属配線層20が所定のパターンにて形成されている。この金属配線層20は、CSPにおいて所定のピッチで整列配置されるはんだバンプ40と取出電極12とを電気的に接続するために必要なものである。
【0037】
なお、シード層16は、金属配線層20の下地となるもので、CuやCrなどの膜をスパッタ法などにて成膜できる。このシード層16は金属配線層20と一致したパターンをなしている。
【0038】
金属配線層20は、層間膜14の開口部15を介して取出電極12と電気的に導通しており、層間膜14の開口部15からはんだバンプ40の配置部分まで所定の配線パターンを有して延びている。本実施形態では、金属配線層20は、基板10側からNiからなる第1の層21、Auなどからなる第2の層22が積層されてなるものである。
【0039】
このような金属配線層20は、シード層を形成した基板10の上にレジストを用いて配線パターンを区画した状態で電解めっき法などによりめっき膜を形成することにより形成することができる。本例の金属配線層20では、下地となる第1の層21はNi電解めっきされたNi層21であり、最表層である第2の層22はAu電解めっきされたAu層22である。
【0040】
なお、Au層22の下地となる第1の層21は、Ni以外の材質の層でも良い。さらには、Ni層とこのNi層の下に更にNiとは異なる材質(例えばCu等)の層を有しているものでも良い。
【0041】
金属配線層20の上には、金属配線層20の表面を覆う絶縁性の保護膜30が形成されており、この保護膜30には下側の金属配線層20を露出させるための開口部31が形成されている。この保護膜30は、ポリイミドやシリコン窒化膜などの樹脂やセラミックの絶縁膜をスピンコートやスパッタなどにより成膜することで形成される。
【0042】
保護膜30の開口部31から露出する金属配線層20の上には、はんだバンプ40が形成されており、はんだバンプ40と金属配線層20とは電気的・機械的に接合されている。本例では、はんだバンプ40はSnを主成分とするSnリッチのはんだからなる。
【0043】
このような電子装置としてのCSPは、例えばウェハレベルCSPとして次のように製造される。ウェハ状態にて半導体基板10に半導体プロセスを用いて半導体素子や配線11、パッシベーション膜13などを形成する。
【0044】
次に、パッシベーション膜13の上にポリイミドなどからなる層間膜14を形成し、続いて、基板10上の取出電極12の上部にて層間膜14をエッチングなどにより除去して開口部15を形成する。
【0045】
次に、この開口部15から露出する取出電極12を含む層間膜14の全面に、CrやCuなどのスパッタなどにより成膜されたシード層16を形成する。次に、シード層16の表面のうち金属配線層20を形成する予定の部位に開口部を有するレジストをパターニング形成する。すなわち、金属配線層20を形成しない部位にレジストを形成し、当該部位をレジストにて被覆する。
【0046】
次に、レジストの開口部から露出するシード層16の表面に、電解めっき法によりNi層21、Au層22を形成する。その後、剥離液などを用いて上記レジストを除去し、レジストが除去された部分におけるシード層16を酸などのエッチング液を用いてエッチングし除去する。こうして、所望のパターンを有するシード層16および金属配線層20が形成される。
【0047】
その後、基板10の上に、ポリイミドなどからなる保護膜30を形成する。この保護膜30は、金属配線層20におけるはんだバンプ40との接続部を開口させた状態で形成する。そして、電解めっき、印刷、はんだボールなどの手法を用いてはんだバンプ40を形成し、保護膜30の開口部31を介して金属配線層20とはんだバンプ40とを電気的・機械的に接続する。こうして、図1に示すCSP構造ができあがる。
【0048】
その後、はんだバンプ40は安定な状態とするためにリフローされ、その後ダイシングカットが行われる。そして、チップとなったCSPはマザーボードなどの相手側部材に搭載され、はんだバンプ40をリフローさせることで相手側部材に実装される。
【0049】
ここにおいて、本実施形態では金属配線層20とはんだバンプ40との接合部に以下のような特徴を有する。この特徴について「解決手段」の欄にて述べた図2を参照して説明する。
【0050】
この図2は上記図1中のはんだバンプ接合部近傍の合金層部の拡大図である。なお、図2および後述する図5〜図7では基板10と金属配線層20との間に位置する配線11やパッシベーション膜13、層間膜14およびシード層16は省略してある。
【0051】
金属配線層20は、はんだリフロー時の熱によりはんだバンプ40を構成する金属成分が拡散して合金を形成可能な金属成分を含む材料よりなる。つまり、本例では、はんだバンプ40を構成する金属成分がSnであり、金属配線層20の金属成分がAuとNiである。
【0052】
ここで、はんだリフロー時の熱による拡散によって、金属配線層20とはんだバンプ40とによる合金層51、52が形成されている。本例では、はんだバンプ40のSnが金属配線層20におけるAu層22中に拡散して形成されたAu−Sn合金からなるAu−Sn合金層52と、はんだバンプ40のSnが金属配線層20におけるNi層21中に拡散して形成されたNi−Sn合金からなるNi−Sn合金層51とが形成されている。
【0053】
これら合金層51、52は、基板10の一面の面方向に沿ってはんだバンプ40の根元部から拡がっている。特に、Au−Sn合金層52の方が互いの金属成分が拡散しやすいため成長しやすく、はんだバンプ40の根元部から保護膜30の下に大きく侵入した形となっている。
【0054】
ここで、図2に示すように、Ni−Sn合金層51が保護膜30下へ侵入している部分の長さをNi−Sn合金層の侵入長さL1、Au−Sn合金層52が保護膜30下へ侵入している部分の長さをAu−Sn合金層の侵入長さL2とする。
【0055】
本例では、Au−Sn合金層の侵入長さL2の方が、Ni−Sn合金層の侵入長さL1よりも大きく、Au−Sn合金層の侵入長さL2はおおよそ10μm程度である。また、保護膜30に剥離が発生している場合、その保護膜の剥離長さは、図2中の長さL3にて示される。本例では、保護膜30の剥離が発生したとしても、その保護膜の剥離長さL3は2〜3μm程度である。
【0056】
このように、Au−Sn合金層の侵入長さL2を上記範囲程度に抑制することで、保護膜の剥離長さL3を問題ない程度にまで抑えることができ、保護膜30の劣化を抑制できている。
【0057】
この保護膜30の劣化を抑制する金属配線層20の構成として、本例では、Au層22の膜厚を0.01μm以上0.1μm以下とした構成を採用している。
【0058】
それにより、はんだリフロー時にはんだバンプ40を構成するSnが保護膜30の下に位置するAu層22に拡散していくのを抑制し、Au−Sn合金層52が保護膜30の下に成長して侵入するのを抑制できるため、はんだリフロー後に発生する保護膜30の劣化を抑制することができる。
【0059】
上記のAu層22の膜厚範囲を採用する根拠について述べる。本例の構成において、Au層22の膜厚と上記合金層の侵入長さL1、L2との関係、および、Au層22の膜厚と保護膜の剥離長さL3との関係について調べた。各寸法は断面SEMなどにより確認できる。
【0060】
図3はAu層22の膜厚と上記合金層の侵入長さL1、L2との関係を示す図であり、図4はAu層22の膜厚と保護膜の剥離長さL3との関係を示す図である。これらの関係ははんだリフローを1回行った後の結果である。
【0061】
図3からわかるように、Au層22の膜厚が0.1μm以下の場合は、各合金層の侵入長さL1、L2の増加度合が非常に小さいのに対し、0.1μmを超えるとAu−Sn合金層の侵入長さL2が急激に増大していく。つまり、Au−Sn合金層の侵入長さL2が保護膜30の剥離など劣化を引き起こす主要因となるが、このAu−Sn合金層の侵入長さL2を抑制する効果については、Au層22の膜厚が0.1μmを境にして明らかな相違が見られた。
【0062】
そして、実際に保護膜30の劣化度合の指標となる保護膜の剥離長さL3についても、図4からわかるように、Au層22の膜厚が0.1μm以下の場合では、当該剥離長さL3を極力小さく抑制できるのに対し、0.1μmを超えると剥離長さL3の増加度合が急に大きくなってしまう。
【0063】
このようにAu層22を薄くすると、Au−Sn合金層52の拡散、成長が抑制できるのは、そもそも合金を形成するために必要なAuの量を少なくできるためと考えられる。
【0064】
また、Au層22を薄くしていくことで、はんだぬれの初期に、Au層22が島状の不連続な膜になる可能性がある。すると、Au層22とはんだバンプ40のSnとの合金層の成長が不連続部分で止まるため、このことによっても合金層の成長が抑制されると考えられる。
【0065】
また、Au層22が薄すぎるとはんだバンプ40の濡れ性が悪化する。本例では、Au層22が薄すぎると下地のNi層21が酸化してはんだの濡れ性が確保できなくなる。そのような観点から、Au層22の膜厚の下限は0.01μm以上が必要である。
【0066】
以上の検討結果に基づいて、保護膜30の劣化を抑制する金属配線層20の構成として、本例では、Au層22の膜厚を0.01μm以上0.1μm以下とした構成を採用している。
【0067】
(第2実施形態)
図5は本発明の第2実施形態に係る電子装置の概略断面図である。本実施形態では、保護膜30の開口部31における内周端面31aが、はんだリフロー後のはんだバンプ40の形状におけるはんだ接触角θ1の補角θ2よりも小さいテーパ角度θ3を有するテーパ形状となっていることを特徴とするものである。
【0068】
本実施形態は、はんだがリフローの際に表面張力により球形になろうとする性質を持つことに着目してなされたものである。はんだリフロー後のはんだバンプ40の形状は、はんだリフロー時に液状となったはんだバンプ40の形状をほぼ継承している。
【0069】
そのため、保護膜30の開口部31における内周端面31aをテーパ面とし、そのテーパ角度θ3を、はんだリフロー時のはんだバンプ40の形状におけるはんだ接触角θ1の補角θ2よりも小さくすることにより、リフロー時において、はんだバンプ40と保護膜30の開口部31の内周端面31aとが接触しにくく(つまり干渉しにくく)できる。
【0070】
そのため、リフロー時に、はんだがその外周すなわち保護膜30の下の金属配線層20へ流動しにくくなる。これにより、はんだリフロー時にはんだバンプ40を構成する金属成分が保護膜30の下に位置する金属配線層20に拡散していくのを抑制できる。
【0071】
よって、本実施形態においても、上記第1実施形態と同様に、はんだリフロー後に発生する保護膜30の劣化を抑制することができる。
【0072】
ここで、保護膜30の開口部31における内周端面31aをテーパ面に加工することは、等方性エッチングなどの一般的に知られている手法により実現可能である。そして、テーパ角度θ3としては、例えば20°程度にすることができる。
【0073】
(第3実施形態)
図6は本発明の第3実施形態に係る電子装置の概略断面図である。本実施形態では、金属配線層20が材料の異なる複数の層が積層されてなるものであり、金属配線層20の最表層22が、はんだリフロー時の熱によりはんだバンプ40を構成する金属成分が拡散して合金を形成可能な金属を含む材料よりなる場合に、金属配線層20のうち保護膜30の開口部31の周囲に位置する部位に、最表層22を存在させない部分を設けたことを特徴とするものである。
【0074】
図6に示す例では、金属配線層20は上記第1実施形態に示した例と同様であり、下地がNi層21、最表層がAu層22である。このとき、図6に示すように、保護膜30の開口部31の周囲に、Au層22を持たずNi層21のみからなる金属配線層20の部分が形成される。
【0075】
この構成は、例えば保護膜30にエッチング用の孔32を形成し、この孔32を介してヨウ素系のエッチング液でAu層22をエッチング除去することにより実現可能である。
【0076】
図6では上述した合金層は省略してあるが、本実施形態によれば、保護膜30の開口部31にてはんだバンプ40と金属配線層20のAu層22とによるAu−Sn合金層が生じる。この合金層は開口部31の周囲すなわち保護膜30の下に成長しようとするが、Au層22が存在しない部分において当該合金層の成長は止まるため、それ以上保護膜30の下に合金層が成長することはなくなる。
【0077】
よって、本実施形態によっても、はんだリフロー後に発生する保護膜30の劣化を抑制することができる。なお、図6の保護膜開口部である孔32は、後工程で保護用材料で埋めても良い。
【0078】
(第4実施形態)
図7は本発明の第4実施形態に係る電子装置の概略断面図である。本実施形態では、金属配線層20のうち保護膜30の開口部31から露出する部位のみに、はんだリフロー時の熱によりはんだバンプ40を構成する金属成分が拡散して合金を形成可能な金属を含む材料からなる層を金属配線層20の最表層22として設けたことを特徴とするものである。
【0079】
図7に示す例では、金属配線層20は上記第1実施形態に示した例と同様であり、下地がNi層21、最表層がAu層22である。このとき、図7に示すように、Ni層21のうち保護膜30の開口部31に実質的に一致する部位の表面にのみ、Au層22が形成された金属配線層20となる。この構成は、選択的な電解めっきを行うことによりAu層22を部分的に形成することで実現可能である。
【0080】
本実施形態のように、金属配線層20においてはんだバンプ40の下地として、はんだバンプ40の金属成分と合金を形成可能な金属を含む材料からなる層22を設ける必要がある場合には、金属層20のうちはんだバンプ40との接合部のみに設ければよい。それにより、保護膜30の下に合金層が形成されないので、はんだリフロー後に発生する保護膜30の劣化を抑制することができる。
【0081】
(他の実施形態)
なお、金属配線層20としては、上記した最表層としてAu層、その下地にNi層を有するAu/Ni積層構造以外にも、Au/Ni/Cuの3層積層構造、Au/Cuの積層構造などを採用しても良い。
【0082】
また、上記各実施形態では、基板10としてウェハレベルCSPなどの半導体装置に用いる半導体基板を使用したが、その他基板としては、プリント基板などの樹脂製の配線基板、セラミックス製の配線基板、あるいは金属基板などを採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図2】図1中の電子装置のはんだバンプ接合部の合金層部の拡大概略断面図である。
【図3】第1実施形態におけるAu層の膜厚と合金層の侵入長さとの関係を示す図である。
【図4】第1実施形態におけるAu層の膜厚と保護膜の剥離長さとの関係を示す図である。
【図5】本発明の第2実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図6】本発明の第3実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図7】本発明の第4実施形態に係る電子装置の概略断面図である。
【図8】従来の一般的な電子装置の概略断面図である。
【符号の説明】
10…基板、20…金属配線層、21…第1の層としてのNi層、
22…第2の層としてのAu層、30…保護膜、31…開口部、
31a…保護膜の開口部の内周端面、40…はんだバンプ、
θ1…はんだ接触角、θ2…はんだ接触角の補角、θ3…テーパ角度。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, the surface of a metal wiring layer formed on one surface of a substrate is covered with an insulating protective film, and the metal wiring layer and the solder bump are joined through an opening formed in the protective film. The electronic device can be applied to a wafer level CSP (chip size package) and various wiring boards.
[0002]
[Prior art]
A general electronic apparatus of this type will be described with reference to FIG. A metal wiring layer 20 is formed on one surface of the substrate 10. In FIG. 8, the metal wiring layer 20 is formed by laminating a first layer 21 made of Ni or the like and a second layer 22 made of Au or the like from the substrate 10 side.
[0003]
An insulating protective film 30 that covers the surface of the metal wiring layer 20 is formed on the metal wiring layer 20, and an opening 31 for exposing the lower metal wiring layer 20 is formed in the protective film 30. Is formed. Solder bumps 40 are formed on the metal wiring layer 20 exposed from the openings 31, and the solder bumps 40 and the metal wiring layer 20 are electrically and mechanically joined.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the electronic device as described above is applied to a wafer level CSP and various wiring boards. In the case of a wafer level CSP, a solder ball is mounted in a wafer state, and the solder ball is reflowed before dicing cut of the wafer and formed on the solder bump 40.
[0005]
Also, when used for various wiring boards, the solder bumps 40 are used for joining with a mating member such as a mother board, and therefore, solder reflow is performed when mounting on the mating member. In any case, in this type of electronic device, the solder bump 40 is reflowed at least once.
[0006]
The present inventors have studied this type of electronic device in which such solder reflow is performed. As a result, after the solder reflow, the protective film 30 is deteriorated in strength, peeled, cracked, etc., and deteriorated. Was found to occur. Such deterioration of the protective film 30 may lead to deterioration of reliability such as deterioration of moisture resistance and leakage.
[0007]
In view of the above problems, the present invention covers the surface of a metal wiring layer formed on one surface of a substrate with an insulating protective film, and connects the metal wiring layer and the solder bumps through openings formed in the protective film. It is an object of the present invention to suppress deterioration of a protective film that occurs after solder reflow in a bonded electronic device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above object, it has been found that the above-described deterioration of the protective film is caused by the combination of the metal wiring layer and the solder bump.
[0009]
The combination is a case where the metal component that constitutes the solder bump and the metal component that constitutes the metal diffusion layer that is the base diffuse to each other due to heat during solder reflow to form an alloy layer at the interface between the two. is there. Specifically, Sn etc. are mentioned as a metal component of a solder bump, Au, Cu, etc. are mentioned as a metal component of a metal diffusion layer.
[0010]
The cross-sectional configuration shown in FIG. 2 shows a state in which this alloy layer is formed, and this configuration has been experimentally confirmed as a result of examinations such as observation by an electron microscope by the present inventors. . Here, although not limited, the metal wiring layer 20 has an example in which the first layer 21 is Ni, the second layer 22 is Au, and the solder bump 40 is Sn-rich.
[0011]
The configuration shown in FIG. 2 is a state after the solder reflow is performed. The Sn of the solder bump 40 is diffused into the second layer 22 of the metal wiring layer 20 to form an Au—Sn alloy layer 52 made of an Au—Sn alloy, and the Sn of the solder bump 40 and the metal wiring layer 20 are formed. A Ni—Sn alloy layer 51 is similarly formed for Ni in the first layer 21.
[0012]
According to the study by the present inventors, in particular, the Au—Sn alloy layer 52 is easy to grow because the mutual metal components are more easily diffused, and penetrates under the protective film 30 from the root portion of the solder bump 40. It is in shape.
[0013]
Therefore, as a result of the protective film 30 being pushed up by the Au—Sn alloy layer 52, the protective film 30 is reduced in strength, peeled off, cracked, etc., and the protective film 30 is deteriorated. The present invention has been made with a focus on controlling the alloy layer formed by such solder bumps and metal wiring layers.
[0014]
That is, in the first aspect of the invention, the substrate (10), the metal wiring layer (20) formed on one surface of the substrate, and the insulating layer formed on the metal wiring layer and covering the surface of the metal wiring layer. The protective film (30), the opening (31) formed in the protective film for exposing the metal wiring layer, and the metal wiring layer exposed from the opening of the protective film are joined to the metal wiring layer. In an electronic device comprising a solder bump (40), the metal wiring layer is made of a material containing a metal component capable of forming an alloy by diffusing the metal component constituting the solder bump by heat during solder reflow. The layer is characterized in that it has a diffusion suppressing structure that suppresses diffusion of metal components constituting the solder bumps to the metal wiring layer located under the protective film during solder reflow.
[0015]
According to this, since the metal component constituting the solder bump can be prevented from diffusing into the metal wiring layer located under the protective film at the time of solder reflow, the alloy layer of the solder bump and the metal wiring layer is formed on the protective film. It can suppress the growth and intrusion. Therefore, according to the present invention, it is possible to suppress deterioration of the protective film that occurs after solder reflow.
[0016]
Here, as in the invention described in claim 2, the metal wiring layer (20) uses Au as a metal component capable of forming an alloy with the metal component constituting the solder bump (40), and is made of this Au. In the case of having an Au layer (22), a structure in which the film thickness of the Au layer is 0.01 μm or more and 0.1 μm or less can be adopted as the diffusion suppressing structure.
[0017]
In the metal wiring layer according to the second aspect, as in the invention according to the third aspect, a laminated structure having the Ni layer (21) as a base of the Au layer (22) can be adopted.
[0018]
In the invention according to claim 4, the substrate (10), the metal wiring layer (20) formed on one surface of the substrate, and the insulating protective film formed on the metal wiring layer and covering the surface of the metal wiring layer (30), an opening (31) for exposing the metal wiring layer formed in the protective film, and a solder bump formed on the metal wiring layer exposed from the opening of the protective film and bonded to the metal wiring layer (40), the inner peripheral end face (31a) in the opening of the protective film has a taper smaller than the complementary angle (θ2) of the solder contact angle (θ1) in the shape of the solder bump after solder reflow The taper shape has an angle (θ3).
[0019]
The present invention has been made by paying attention to the property that a solder tends to become spherical due to surface tension during reflow. In the present invention, the inner peripheral end face in the opening of the protective film is a tapered surface, and the taper angle is smaller than the complementary angle of the solder contact angle in the solder bump shape after solder reflow.
[0020]
Therefore, at the time of reflow, the solder bump and the inner peripheral end face of the opening of the protective film can hardly contact (that is, hardly interfere), and the solder does not easily flow to the outer peripheral, that is, the metal wiring layer under the protective film.
[0021]
Thereby, it can suppress that the metal component which comprises a solder bump at the time of solder reflow diffuses into the metal wiring layer located under a protective film. Therefore, similarly to the first aspect of the invention, it is possible to suppress deterioration of the protective film that occurs after solder reflow.
[0022]
The metal wiring layer according to claim 4 can also employ a laminated structure having an Au layer (22) as the outermost layer and a Ni layer (21) as the underlayer as in the invention according to claim 5. .
[0023]
In the invention described in claim 6, the substrate (10), the metal wiring layer (20) formed on one surface of the substrate, and the insulating protective film formed on the metal wiring layer and covering the surface of the metal wiring layer (30), an opening (31) for exposing the metal wiring layer formed in the protective film, and a solder bump formed on the metal wiring layer exposed from the opening of the protective film and bonded to the metal wiring layer (40), the metal wiring layer is formed by laminating a plurality of layers made of different materials, and the outermost layer (22) of the metal wiring layer has solder bumps formed by heat during solder reflow. The metal component is made of a material containing a metal that can be diffused to form an alloy, and a portion of the metal wiring layer that is located around the opening of the protective film is provided with a portion that does not have an outermost layer. And
[0024]
According to this, an alloy layer is formed by the solder bump and the outermost layer of the metal wiring layer in the opening portion of the protective film, and the alloy layer tries to grow around the opening portion, that is, under the protective film. The growth of the alloy layer stops at the nonexistent portion. Therefore, no further alloy layer grows under the protective film.
[0025]
Therefore, also by this invention, degradation of the protective film which generate | occur | produces after solder reflow can be suppressed.
[0026]
In the invention according to claim 7, the substrate (10), the metal wiring layer (20) formed on one surface of the substrate, and the insulating protective film formed on the metal wiring layer and covering the surface of the metal wiring layer (30), an opening (31) for exposing the metal wiring layer formed in the protective film, and a solder bump formed on the metal wiring layer exposed from the opening of the protective film and bonded to the metal wiring layer In the electronic device comprising (40), the metal component constituting the solder bump can be diffused by heat during solder reflow to form an alloy only in a portion of the metal wiring layer exposed from the opening of the protective film. A layer made of a material containing a metal is provided as the outermost layer (22) of the metal wiring layer.
[0027]
When it is necessary to provide a layer made of a material containing a metal that can form an alloy with the metal component of the solder bump as the base of the solder bump in the metal wiring layer, only the joint with the solder bump as in the present invention. Should be provided. Thereby, since an alloy layer is not formed under the protective film, it is possible to suppress deterioration of the protective film that occurs after solder reflow.
[0028]
Here, in the sixth and seventh aspects as well, the metal wiring layer (20) can have the Au layer (22) as the outermost layer and the Ni layer (21) as the underlying layer.
[0029]
Moreover, as a metal component which comprises the solder bump (40) in each said means, what has Sn as a main component is employable.
[0030]
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. In the following embodiments, the same reference numerals are assigned to the same parts in the drawings for the sake of simplicity.
[0032]
(First embodiment)
In the first embodiment of the present invention, the electronic device of the present invention will be described as applied to a wafer level CSP. First, the basic configuration of the CSP will be described with reference to FIG.
[0033]
The substrate 10 is a semiconductor substrate on which a semiconductor element such as a transistor is formed. On one surface side of the substrate 10, wirings 11 and lead electrodes (pads) 12 made of aluminum or the like that are electrically connected to the semiconductor element are formed.
[0034]
On one surface of the substrate 10, a passivation film 13 made of a silicon nitride film that covers and protects the semiconductor element and the wiring 11 is formed. Here, the passivation film 13 is opened on the extraction electrode 12. The semiconductor element, the wiring 11, the extraction electrode 12, and the passivation film 13 can be formed by a known semiconductor process.
[0035]
An interlayer film 14 made of an insulating film material is formed on the passivation film 13. The interlayer film 14 plays a role of stress relaxation between the upper metal wiring layer 20 and the substrate 10 and can be formed by applying and curing polyimide or the like, for example. Further, the interlayer film 14 is removed by etching or the like above the extraction electrode 12 to form an opening 15.
[0036]
A metal wiring layer 20 is formed in a predetermined pattern on the interlayer film 14 via the seed layer 16. The metal wiring layer 20 is necessary for electrically connecting the solder bumps 40 and the extraction electrodes 12 that are aligned and arranged at a predetermined pitch in the CSP.
[0037]
The seed layer 16 is a base for the metal wiring layer 20, and a film of Cu, Cr, or the like can be formed by a sputtering method or the like. The seed layer 16 has a pattern that matches the metal wiring layer 20.
[0038]
The metal wiring layer 20 is electrically connected to the extraction electrode 12 through the opening 15 of the interlayer film 14 and has a predetermined wiring pattern from the opening 15 of the interlayer film 14 to the portion where the solder bump 40 is disposed. It extends. In the present embodiment, the metal wiring layer 20 is formed by laminating a first layer 21 made of Ni and a second layer 22 made of Au or the like from the substrate 10 side.
[0039]
Such a metal wiring layer 20 can be formed by forming a plating film by an electrolytic plating method or the like in a state where a wiring pattern is partitioned using a resist on the substrate 10 on which the seed layer is formed. In the metal wiring layer 20 of this example, the first layer 21 serving as the base is the Ni layer 21 plated with Ni, and the second layer 22 as the outermost layer is the Au layer 22 plated with Au.
[0040]
Note that the first layer 21 serving as the base of the Au layer 22 may be a layer made of a material other than Ni. Further, a Ni layer and a layer made of a material different from Ni (for example, Cu) may be further provided under the Ni layer.
[0041]
An insulating protective film 30 that covers the surface of the metal wiring layer 20 is formed on the metal wiring layer 20, and an opening 31 for exposing the lower metal wiring layer 20 to the protective film 30. Is formed. The protective film 30 is formed by depositing a resin or ceramic insulating film such as polyimide or silicon nitride film by spin coating or sputtering.
[0042]
A solder bump 40 is formed on the metal wiring layer 20 exposed from the opening 31 of the protective film 30, and the solder bump 40 and the metal wiring layer 20 are electrically and mechanically joined. In this example, the solder bump 40 is made of Sn-rich solder containing Sn as a main component.
[0043]
A CSP as such an electronic device is manufactured as follows, for example, as a wafer level CSP. A semiconductor element, wiring 11, a passivation film 13 and the like are formed on the semiconductor substrate 10 in a wafer state using a semiconductor process.
[0044]
Next, an interlayer film 14 made of polyimide or the like is formed on the passivation film 13, and then the interlayer film 14 is removed by etching or the like above the extraction electrode 12 on the substrate 10 to form an opening 15. .
[0045]
Next, a seed layer 16 formed by sputtering such as Cr or Cu is formed on the entire surface of the interlayer film 14 including the extraction electrode 12 exposed from the opening 15. Next, a resist having an opening at a portion where the metal wiring layer 20 is to be formed in the surface of the seed layer 16 is patterned. That is, a resist is formed in a part where the metal wiring layer 20 is not formed, and the part is covered with the resist.
[0046]
Next, a Ni layer 21 and an Au layer 22 are formed on the surface of the seed layer 16 exposed from the resist opening by electrolytic plating. Thereafter, the resist is removed using a stripping solution or the like, and the seed layer 16 in the portion where the resist is removed is etched and removed using an etching solution such as an acid. Thus, the seed layer 16 and the metal wiring layer 20 having a desired pattern are formed.
[0047]
Thereafter, a protective film 30 made of polyimide or the like is formed on the substrate 10. The protective film 30 is formed in a state where the connection portion with the solder bump 40 in the metal wiring layer 20 is opened. Then, solder bumps 40 are formed using a technique such as electrolytic plating, printing, or solder balls, and the metal wiring layer 20 and the solder bumps 40 are electrically and mechanically connected through the openings 31 of the protective film 30. . Thus, the CSP structure shown in FIG. 1 is completed.
[0048]
Thereafter, the solder bumps 40 are reflowed to obtain a stable state, and then dicing cut is performed. Then, the CSP formed as a chip is mounted on a mating member such as a mother board, and is mounted on the mating member by reflowing the solder bumps 40.
[0049]
Here, in the present embodiment, the joint between the metal wiring layer 20 and the solder bump 40 has the following characteristics. This feature will be described with reference to FIG. 2 described in the section “Solution means”.
[0050]
FIG. 2 is an enlarged view of the alloy layer portion in the vicinity of the solder bump bonding portion in FIG. 2 and FIGS. 5 to 7 to be described later, the wiring 11, the passivation film 13, the interlayer film 14, and the seed layer 16 located between the substrate 10 and the metal wiring layer 20 are omitted.
[0051]
The metal wiring layer 20 is made of a material containing a metal component that can form an alloy by diffusing the metal component constituting the solder bump 40 by heat during solder reflow. That is, in this example, the metal component constituting the solder bump 40 is Sn, and the metal components of the metal wiring layer 20 are Au and Ni.
[0052]
Here, alloy layers 51 and 52 of the metal wiring layer 20 and the solder bumps 40 are formed by diffusion due to heat during solder reflow. In this example, the Sn of the solder bump 40 is diffused in the Au layer 22 of the metal wiring layer 20 and the Au—Sn alloy layer 52 made of an Au—Sn alloy, and the Sn of the solder bump 40 is the metal wiring layer 20. And a Ni—Sn alloy layer 51 made of a Ni—Sn alloy formed by diffusing in the Ni layer 21.
[0053]
These alloy layers 51 and 52 extend from the root portion of the solder bump 40 along the surface direction of one surface of the substrate 10. In particular, the Au—Sn alloy layer 52 is easy to grow because the mutual metal components are more easily diffused, and has a shape that penetrates under the protective film 30 from the root portion of the solder bump 40.
[0054]
Here, as shown in FIG. 2, the penetration length L1 of the Ni—Sn alloy layer and the Au—Sn alloy layer 52 protect the length of the portion where the Ni—Sn alloy layer 51 penetrates under the protective film 30. The length of the portion penetrating under the film 30 is defined as an intrusion length L2 of the Au—Sn alloy layer.
[0055]
In this example, the penetration length L2 of the Au—Sn alloy layer is larger than the penetration length L1 of the Ni—Sn alloy layer, and the penetration length L2 of the Au—Sn alloy layer is about 10 μm. Moreover, when peeling has occurred in the protective film 30, the peeling length of the protective film is indicated by a length L3 in FIG. In this example, even if peeling of the protective film 30 occurs, the peeling length L3 of the protective film is about 2 to 3 μm.
[0056]
Thus, by suppressing the penetration length L2 of the Au—Sn alloy layer to the above range, the peeling length L3 of the protective film can be suppressed to a level that does not cause a problem, and deterioration of the protective film 30 can be suppressed. ing.
[0057]
As a configuration of the metal wiring layer 20 that suppresses the deterioration of the protective film 30, a configuration in which the film thickness of the Au layer 22 is 0.01 μm or more and 0.1 μm or less is employed in this example.
[0058]
As a result, Sn constituting the solder bump 40 is prevented from diffusing into the Au layer 22 located under the protective film 30 during solder reflow, and the Au—Sn alloy layer 52 grows under the protective film 30. Therefore, it is possible to suppress deterioration of the protective film 30 that occurs after solder reflow.
[0059]
The grounds for adopting the film thickness range of the Au layer 22 will be described. In the configuration of this example, the relationship between the film thickness of the Au layer 22 and the penetration lengths L1 and L2 of the alloy layer and the relationship between the film thickness of the Au layer 22 and the peeling length L3 of the protective film were examined. Each dimension can be confirmed by a cross-sectional SEM or the like.
[0060]
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of the Au layer 22 and the penetration lengths L1 and L2 of the alloy layer, and FIG. 4 shows the relationship between the thickness of the Au layer 22 and the peeling length L3 of the protective film. FIG. These relationships are the results after one solder reflow.
[0061]
As can be seen from FIG. 3, when the film thickness of the Au layer 22 is 0.1 μm or less, the increments of the penetration lengths L1 and L2 of each alloy layer are very small. The penetration length L2 of the Sn alloy layer increases rapidly. That is, the penetration length L2 of the Au—Sn alloy layer is a main factor causing deterioration such as peeling of the protective film 30. The effect of suppressing the penetration length L2 of the Au—Sn alloy layer is as follows. A clear difference was observed with a film thickness of 0.1 μm as a boundary.
[0062]
As for the protective film peeling length L3 that is actually an indicator of the degree of deterioration of the protective film 30, as can be seen from FIG. 4, when the film thickness of the Au layer 22 is 0.1 μm or less, the peeling length is concerned. While L3 can be suppressed as small as possible, when the thickness exceeds 0.1 μm, the degree of increase in peel length L3 suddenly increases.
[0063]
If the Au layer 22 is made thin in this way, the diffusion and growth of the Au—Sn alloy layer 52 can be suppressed because the amount of Au necessary to form the alloy can be reduced in the first place.
[0064]
Further, by making the Au layer 22 thinner, the Au layer 22 may become an island-like discontinuous film at the early stage of solder wetting. Then, the growth of the alloy layer of the Au layer 22 and the Sn of the solder bump 40 stops at the discontinuous portion, and it is considered that this also suppresses the growth of the alloy layer.
[0065]
On the other hand, if the Au layer 22 is too thin, the wettability of the solder bumps 40 is deteriorated. In this example, if the Au layer 22 is too thin, the underlying Ni layer 21 is oxidized and solder wettability cannot be ensured. From such a viewpoint, the lower limit of the film thickness of the Au layer 22 needs to be 0.01 μm or more.
[0066]
Based on the above examination results, as the configuration of the metal wiring layer 20 that suppresses the deterioration of the protective film 30, in this example, the configuration in which the film thickness of the Au layer 22 is 0.01 μm or more and 0.1 μm or less is adopted. Yes.
[0067]
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an electronic device according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, the inner peripheral end surface 31a in the opening 31 of the protective film 30 has a tapered shape having a taper angle θ3 smaller than the complementary angle θ2 of the solder contact angle θ1 in the shape of the solder bump 40 after solder reflow. It is characterized by being.
[0068]
This embodiment is made by paying attention to the property that the solder tends to become spherical due to surface tension during reflow. The shape of the solder bump 40 after solder reflow substantially inherits the shape of the solder bump 40 that has become liquid during solder reflow.
[0069]
Therefore, the inner peripheral end surface 31a in the opening 31 of the protective film 30 is a tapered surface, and the taper angle θ3 is made smaller than the complementary angle θ2 of the solder contact angle θ1 in the shape of the solder bump 40 during solder reflow. At the time of reflow, the solder bump 40 and the inner peripheral end surface 31a of the opening 31 of the protective film 30 can hardly contact (that is, hardly interfere).
[0070]
Therefore, at the time of reflow, the solder hardly flows to the outer periphery, that is, the metal wiring layer 20 under the protective film 30. Thereby, it can suppress that the metal component which comprises the solder bump 40 at the time of solder reflow diffuses into the metal wiring layer 20 located under the protective film 30. FIG.
[0071]
Therefore, also in the present embodiment, as in the first embodiment, it is possible to suppress deterioration of the protective film 30 that occurs after solder reflow.
[0072]
Here, processing the inner peripheral end face 31a in the opening 31 of the protective film 30 into a tapered surface can be realized by a generally known technique such as isotropic etching. The taper angle θ3 can be about 20 °, for example.
[0073]
(Third embodiment)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an electronic device according to a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the metal wiring layer 20 is formed by laminating a plurality of layers of different materials, and the outermost layer 22 of the metal wiring layer 20 has a metal component constituting the solder bump 40 by heat during solder reflow. In the case where the metal wiring layer 20 is made of a material containing a metal that can be diffused to form an alloy, a portion where the outermost layer 22 does not exist is provided in a portion located around the opening 31 of the protective film 30 in the metal wiring layer 20. It is a feature.
[0074]
In the example shown in FIG. 6, the metal wiring layer 20 is the same as the example shown in the first embodiment, and the base layer is the Ni layer 21 and the outermost layer is the Au layer 22. At this time, as shown in FIG. 6, a portion of the metal wiring layer 20 including only the Ni layer 21 without the Au layer 22 is formed around the opening 31 of the protective film 30.
[0075]
This configuration can be realized, for example, by forming an etching hole 32 in the protective film 30 and etching away the Au layer 22 with an iodine-based etching solution through the hole 32.
[0076]
Although the above-described alloy layer is omitted in FIG. 6, according to the present embodiment, an Au—Sn alloy layer formed by the solder bump 40 and the Au layer 22 of the metal wiring layer 20 is formed in the opening 31 of the protective film 30. Arise. This alloy layer tries to grow around the opening 31, that is, under the protective film 30, but the growth of the alloy layer stops at a portion where the Au layer 22 does not exist, so that the alloy layer is further under the protective film 30. It will never grow.
[0077]
Therefore, also by this embodiment, deterioration of the protective film 30 generated after solder reflow can be suppressed. 6 may be filled with a protective material in a later step.
[0078]
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an electronic device according to a fourth embodiment of the present invention. In the present embodiment, a metal capable of forming an alloy by diffusing the metal components constituting the solder bumps 40 by heat during solder reflow only in a portion of the metal wiring layer 20 exposed from the opening 31 of the protective film 30. A layer made of the containing material is provided as the outermost layer 22 of the metal wiring layer 20.
[0079]
In the example shown in FIG. 7, the metal wiring layer 20 is the same as the example shown in the first embodiment, and the base layer is the Ni layer 21 and the outermost layer is the Au layer 22. At this time, as shown in FIG. 7, the metal wiring layer 20 in which the Au layer 22 is formed only on the surface of the Ni layer 21 that substantially matches the opening 31 of the protective film 30. This configuration can be realized by partially forming the Au layer 22 by performing selective electrolytic plating.
[0080]
When it is necessary to provide the layer 22 made of a material containing a metal capable of forming an alloy with the metal component of the solder bump 40 as the base of the solder bump 40 in the metal wiring layer 20 as in the present embodiment, the metal layer 20 may be provided only at the joint with the solder bump 40. Thereby, since an alloy layer is not formed under the protective film 30, deterioration of the protective film 30 generated after solder reflow can be suppressed.
[0081]
(Other embodiments)
As the metal wiring layer 20, in addition to the Au layer as the outermost layer described above and the Au / Ni laminated structure having the Ni layer as the underlying layer, a three-layer laminated structure of Au / Ni / Cu, a laminated structure of Au / Cu Etc. may be adopted.
[0082]
In each of the above embodiments, a semiconductor substrate used in a semiconductor device such as a wafer level CSP is used as the substrate 10. However, as other substrates, a resin wiring substrate such as a printed circuit board, a ceramic wiring substrate, or a metal substrate is used. A board | substrate etc. can be employ | adopted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an electronic device according to a first embodiment of the present invention.
2 is an enlarged schematic cross-sectional view of an alloy layer portion of a solder bump joint portion of the electronic device in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of the Au layer and the penetration length of the alloy layer in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the thickness of the Au layer and the peeling length of the protective film in the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an electronic device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an electronic device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an electronic device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a conventional general electronic device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Board | substrate, 20 ... Metal wiring layer, 21 ... Ni layer as a 1st layer,
22 ... Au layer as second layer, 30 ... protective film, 31 ... opening,
31a ... inner peripheral end face of opening of protective film, 40 ... solder bump,
θ1 is a solder contact angle, θ2 is a complementary angle of the solder contact angle, θ3 is a taper angle.

Claims (9)

基板(10)と、
前記基板の一面上に形成された金属配線層(20)と、
前記金属配線層上に形成され前記金属配線層の表面を覆う絶縁性の保護膜(30)と、
前記保護膜に形成され前記金属配線層を露出させるための開口部(31)と、前記保護膜の前記開口部から露出する前記金属配線層の上に形成され前記金属配線層に接合されたはんだバンプ(40)と、を備える電子装置において、
前記金属配線層は、はんだリフロー時の熱により前記はんだバンプを構成する金属成分が拡散して合金を形成可能な金属成分を含む材料よりなり、
前記金属配線層は、前記はんだリフロー時に前記はんだバンプを構成する金属成分が前記保護膜の下に位置する前記金属配線層に拡散していくのを抑制する拡散抑制構造となっていることを特徴とする電子装置。
A substrate (10);
A metal wiring layer (20) formed on one surface of the substrate;
An insulating protective film (30) formed on the metal wiring layer and covering the surface of the metal wiring layer;
An opening (31) formed in the protective film for exposing the metal wiring layer, and a solder formed on the metal wiring layer exposed from the opening of the protective film and bonded to the metal wiring layer An electronic device comprising a bump (40),
The metal wiring layer is made of a material containing a metal component capable of forming an alloy by diffusing the metal component constituting the solder bump by heat during solder reflow,
The metal wiring layer has a diffusion suppressing structure that suppresses diffusion of a metal component constituting the solder bump to the metal wiring layer located under the protective film during the solder reflow. An electronic device.
前記金属配線層(20)は、前記はんだバンプ(40)を構成する金属成分と合金を形成可能な金属成分としてAuを用い、このAuからなるAu層(22)を有するものであり、
前記拡散抑制構造とは、前記Au層の膜厚を0.01μm以上0.1μm以下とした構成であることを特徴とする請求項1に記載の電子装置。
The metal wiring layer (20) uses Au as a metal component capable of forming an alloy with the metal component constituting the solder bump (40), and has an Au layer (22) made of Au.
2. The electronic device according to claim 1, wherein the diffusion suppressing structure has a configuration in which a film thickness of the Au layer is 0.01 μm or more and 0.1 μm or less.
前記金属配線層(20)は、前記Au層(22)を最表層とし、その下地にNi層(21)を有する積層構造であることを特徴とする請求項2に記載の電子装置。The electronic device according to claim 2, wherein the metal wiring layer (20) has a laminated structure in which the Au layer (22) is an outermost layer and a Ni layer (21) is provided on the underlayer. 基板(10)と、
前記基板の一面上に形成された金属配線層(20)と、
前記金属配線層上に形成され前記金属配線層の表面を覆う絶縁性の保護膜(30)と、
前記保護膜に形成され前記金属配線層を露出させるための開口部(31)と、前記保護膜の前記開口部から露出する前記金属配線層の上に形成され前記金属配線層に接合されたはんだバンプ(40)と、を備える電子装置において、
前記保護膜の前記開口部における内周端面(31a)が、はんだリフロー後の前記はんだバンプの形状におけるはんだ接触角(θ1)の補角(θ2)よりも小さいテーパ角度(θ3)を有するテーパ形状となっていることを特徴とする電子装置。
A substrate (10);
A metal wiring layer (20) formed on one surface of the substrate;
An insulating protective film (30) formed on the metal wiring layer and covering the surface of the metal wiring layer;
An opening (31) formed on the protective film for exposing the metal wiring layer, and a solder formed on the metal wiring layer exposed from the opening of the protective film and bonded to the metal wiring layer An electronic device comprising a bump (40),
An inner peripheral end surface (31a) in the opening of the protective film has a taper shape (θ3) having a smaller taper angle (θ3) than the complementary angle (θ2) of the solder contact angle (θ1) in the shape of the solder bump after solder reflow. An electronic device characterized in that
前記金属配線層(20)は最表層にAu層(22)、その下地にNi層(21)を有する積層構造であることを特徴とする請求項4に記載の電子装置。The electronic device according to claim 4, wherein the metal wiring layer (20) has a laminated structure having an Au layer (22) as an outermost layer and a Ni layer (21) as an underlayer. 基板(10)と、
前記基板の一面上に形成された金属配線層(20)と、
前記金属配線層上に形成され前記金属配線層の表面を覆う絶縁性の保護膜(30)と、
前記保護膜に形成され前記金属配線層を露出させるための開口部(31)と、前記保護膜の前記開口部から露出する前記金属配線層の上に形成され前記金属配線層に接合されたはんだバンプ(40)と、を備える電子装置において、
前記金属配線層は材料の異なる複数の層が積層されてなるものであり、
前記金属配線層の最表層(22)が、はんだリフロー時の熱により前記はんだバンプを構成する金属成分が拡散して合金を形成可能な金属を含む材料よりなり、
前記金属配線層のうち前記保護膜の開口部の周囲に位置する部位に、前記最表層を存在させない部分を設けたことを特徴とする電子装置。
A substrate (10);
A metal wiring layer (20) formed on one surface of the substrate;
An insulating protective film (30) formed on the metal wiring layer and covering the surface of the metal wiring layer;
An opening (31) formed in the protective film for exposing the metal wiring layer, and a solder formed on the metal wiring layer exposed from the opening of the protective film and bonded to the metal wiring layer An electronic device comprising a bump (40),
The metal wiring layer is formed by laminating a plurality of layers having different materials,
The outermost layer (22) of the metal wiring layer is made of a material containing a metal capable of forming an alloy by diffusing metal components constituting the solder bumps by heat during solder reflow,
An electronic device comprising: a portion of the metal wiring layer located around the opening of the protective film so that the outermost layer does not exist.
基板(10)と、
前記基板の一面上に形成された金属配線層(20)と、
前記金属配線層上に形成され前記金属配線層の表面を覆う絶縁性の保護膜(30)と、
前記保護膜に形成され前記金属配線層を露出させるための開口部(31)と、前記保護膜の前記開口部から露出する前記金属配線層の上に形成され前記金属配線層に接合されたはんだバンプ(40)と、を備える電子装置において、
前記金属配線層のうち前記保護膜の前記開口部から露出する部位のみに、はんだリフロー時の熱により前記はんだバンプを構成する金属成分が拡散して合金を形成可能な金属を含む材料からなる層を前記金属配線層の最表層(22)として設けたことを特徴とする電子装置。
A substrate (10);
A metal wiring layer (20) formed on one surface of the substrate;
An insulating protective film (30) formed on the metal wiring layer and covering the surface of the metal wiring layer;
An opening (31) formed on the protective film for exposing the metal wiring layer, and a solder formed on the metal wiring layer exposed from the opening of the protective film and bonded to the metal wiring layer An electronic device comprising a bump (40),
A layer made of a material containing a metal that can form an alloy by diffusing metal components constituting the solder bumps by heat at the time of solder reflowing only in a portion of the metal wiring layer exposed from the opening of the protective film. Is provided as an outermost layer (22) of the metal wiring layer.
前記金属配線層(20)は前記最表層としてAu層(22)、その下地にNi層(21)を有するものであることを特徴とする請求項6または7に記載の電子装置。The electronic device according to claim 6 or 7, wherein the metal wiring layer (20) has an Au layer (22) as the outermost layer and a Ni layer (21) as an underlayer. 前記はんだバンプ(40)を構成する金属成分はSnを主成分とするものであることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか一つに記載の電子装置。9. The electronic device according to claim 1, wherein the metal component constituting the solder bump (40) is mainly composed of Sn.
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