JP2006049791A - Semiconductor element and semiconductor element mounting board on which the semiconductor element is mounted - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は下層バンプと上層バンプとの接合部でクラックや剥離が生じることを抑制できる半導体素子を提供することにある。
【解決手段】半導体基板1上に形成された下地金属層3と、下地金属層3上に形成される下層バンプ5xと、下層バンプ5x上に形成される上層バンプ5yと、下層バンプ5xを被覆するレジスト層7とからなる半導体素子であって、上層バンプ5yは実質的にレジスト層7に埋設されている柱状部5y1と、この柱状部5y1上に形成されるバンプ露出部5y2とからなる。
【選択図】図1The present invention has been devised in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor element capable of suppressing the occurrence of cracks and peeling at the joint between a lower bump and an upper bump.
A base metal layer 3 formed on a semiconductor substrate 1, a lower layer bump 5x formed on the base metal layer 3, an upper layer bump 5y formed on the lower layer bump 5x, and a lower layer bump 5x are covered. a semiconductor device comprising a resist layer 7 for, the top layer bumps 5y columnar portion 5y 1 which is embedded in the substantially resist layer 7, the bump exposed portion 5y 2 formed on the columnar portion 5y 1 Consists of.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、回路基板上にフェースダウンボンディングにて実装されるフリップチップ型IC等の半導体素子及びこの半導体素子を搭載した半導体素子実装基板に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor element such as a flip chip type IC mounted on a circuit board by face-down bonding, and a semiconductor element mounting substrate on which the semiconductor element is mounted.
従来、ICを搭載した半導体素子実装基板においては、回路パターンを有した回路基板の上面にICをフェースダウンボンディングすること、すなわちICの集積回路形成面を回路基板と対面させた状態でICを回路基板上に実装することが行われている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a semiconductor device mounting board on which an IC is mounted, the IC is face-down bonded to the upper surface of the circuit board having a circuit pattern, that is, the IC is circuitd with the integrated circuit forming surface of the IC facing the circuit board. Mounting on a substrate is performed.
このフェースダウンボンディングに用いられるICはフリップチップ型ICと呼ばれ、その端子を回路基板上の回路パターンに対し半田等の導電材料を介して接続させるようにしたものが一般的であった。 An IC used for this face-down bonding is called a flip-chip type IC and generally has its terminals connected to a circuit pattern on a circuit board via a conductive material such as solder.
フリップチップ型IC等の半導体素子としては、集積回路が設けられている半導体基板21の一主面に被着されたニッケル等から成る複数の下地金属層23上に半田バンプ25を選択的に形成した構造のものが知られている。かかる半導体素子を回路基板上に実装する場合、半田バンプ25が回路基板上の対応する回路パターンと対向するようにして半導体素子を回路基板上に載置させた状態でこれらをリフロー炉に入れて加熱処理する。これにより半田バンプ25を溶融させて、半導体素子の半田バンプ25が回路基板上の回路パターンに接合される。
As a semiconductor element such as a flip-chip IC, solder bumps 25 are selectively formed on a plurality of
ところで、上述した半導体素子を回路基板上に搭載した場合の半田接合の信頼性は、半田バンプ25の高さに依存するところが大きく、一般に半田バンプ25が高い方が好ましいとされている。 By the way, the reliability of solder bonding when the above-described semiconductor element is mounted on a circuit board largely depends on the height of the solder bump 25, and it is generally preferred that the solder bump 25 be higher.
そのため、図4に示すように半田バンプ25を2層構造にしてその高さを高くすることが行われる。このような半田バンプ25としては、下地金属層23上に形成される球状の下層バンプ25xと、該下層バンプ25x上に形成される球状の上層バンプ25yとから構成されるものが知られている。そして下層バンプ25xは、その頂部以外の周囲の表面がレジスト層27により被覆される。
Therefore, as shown in FIG. 4, the solder bumps 25 are formed in a two-layer structure to increase the height thereof. As such a solder bump 25, one composed of a spherical
このような半田バンプ25は、まず下地金属層23の所定位置に下層バンプ25xを球状に形成し、次にこの下層バンプ25xを覆うようにレジスト層27の液状前駆体を塗布してこれを硬化させ、更に下層バンプ25xの上部が露出するようにレジスト層27及び下層バンプ25xの上部を研削し、最後に露出した下層バンプ25x上に球状の上層バンプ25yを形成することにより作成される。
For such solder bump 25, first, a
そして、下層バンプ25xと上層バンプ25yとはともに略球状であることから、これら球状のバンプ同士の接合部は括れた形状となっており、塗布されたレジスト層27はこのような半田バンプ25の外形に対応してレジスト層27の先端が下層バンプ25xと上層バンプ25yとの接合部に突き刺さるような楔(くさび)状となっている。
ところで、一般に半田バンプ25とレジスト層27との体積膨張率は異なることから、下層バンプ25xと上層バンプ25yとの接合部には、この半導体素子が搭載された半導体素子実装基板の晒される環境温度の変化により種々の影響を受けることとなる。
Incidentally, since the volume expansion coefficients of the solder bump 25 and the
例えば、この半導体素子実装基板が低温環境下におかれた場合、レジスト層27の体積膨張率が半田バンプ25の体積膨張率よりも大きいことから、周囲のレジスト層27が下層バンプ25xを締め付けるように押圧する熱応力を生じる。
For example, when this semiconductor element mounting substrate is placed in a low temperature environment, the
ところが半田バンプ25の接合部では、上述したようにレジスト層27の先端がこの接合部に突き刺さるような楔(くさび)状になっているために、この接合部はレジスト層27と下層バンプ25xとが当接する他の箇所と比べて大きな応力を受けることになる。
However, at the joint portion of the solder bump 25, as described above, since the tip of the
特に、レジスト層27から下層バンプ25xが露出するようにレジスト層27の上面と下層バンプ25xの上面を研削することにより半導体素子を製作した場合にはレジスト層27の先端が鋭くなり、接合部が受ける応力がより大きくなる。
In particular, when a semiconductor element is manufactured by grinding the upper surface of the
また半導体素子の回路基板Kへの実装は、前述の上層バンプ25yを回路基板K上面に形成されたパッド部pに接続することによって行われる。この半導体素子実装基板の晒される環境温度が変化すると、回路基板Kと半導体基板21との体積膨張率の差に応じて各基板の伸縮に差を生じる結果、下層バンプ25xは半導体基板1に引っ張られ、上層バンプ25yは回路基板Kに引っ張られることから、半田バンプ内で下層バンプ25xと上層バンプ25yとで逆向きの応力、即ち剪断応力を受けることとなる。
The semiconductor element is mounted on the circuit board K by connecting the above-described
更に半導体素子を回路基板K上に実装した後、レジスト層27と回路基板Kとの間に封止樹脂fを充填することが行われる。これにより下層バンプ25xはレジスト層27により封止される一方で、上層バンプ25yはこの封止樹脂fにより封止されることとなる。このような半田バンプ25では、下層バンプ25xと上層バンプ25yとの接合部が、レジスト層27と封止樹脂fとの当接界面とほぼ同一面内に存在することとなるから、温度環境の変化に伴い、レジスト層27と封止樹脂fとの体積膨張率の差に応じて両者間に剪断応力が発生すると、この剪断応力は下層バンプ25xと上層バンプ25yとの接合部に集中することとなる。
Further, after the semiconductor element is mounted on the circuit board K, the sealing resin f is filled between the
そして、半導体素子が搭載された半導体素子実装基板は、上述した温度サイクルが経年とともに繰り返され、これにより種々の応力変化が繰り返されると、下層バンプ25xと上層バンプ25yとの接合部にクラックや剥れが入るという問題を生じていた。
When the semiconductor element mounting substrate on which the semiconductor element is mounted repeats the above-described temperature cycle with the passage of time, and various stress changes are repeated, cracks or peelings occur at the joint between the
また、上述した下層バンプ25xと上層バンプ25yとの接合部は、その形状が括れていることから、このような温度サイクルが繰り返されるとこの接合部に金属疲労によるクラックを生じることもあった。
Further, since the shape of the joint between the
本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は下層バンプ25xと上層バンプ25yとの接合部でクラックや剥離が生じることを抑制することにある。
The present invention has been devised in view of the above problems, and an object thereof is to suppress the occurrence of cracks and peeling at the joint between the
本発明の半導体素子は、半導体基板上に形成された下地金属層と、該下地金属層上に形成される下層バンプと、該下層バンプ上に形成される上層バンプとからなる半導体素子であって、前記下層バンプは、前記下地金属層との接合部及び前記上層バンプとの接合部以外の面がレジスト層により被覆され、前記上層バンプは、前記下層バンプとの接合部に形成される柱状部と、該柱状部上に形成されるバンプ露出部とからなり、前記柱状部は実質的に前記レジスト層に埋設されていることを特徴とするものである。 The semiconductor element of the present invention is a semiconductor element comprising a base metal layer formed on a semiconductor substrate, a lower bump formed on the lower metal layer, and an upper bump formed on the lower bump. The lower bump is coated with a resist layer on the surface other than the joint with the base metal layer and the joint with the upper bump, and the upper bump is a columnar portion formed at the joint with the lower bump. And a bump exposed portion formed on the columnar portion, and the columnar portion is substantially embedded in the resist layer.
本発明の半導体素子実装基板は、回路基板上に、前記請求項1に記載の半導体素子を実装するためのパッド部を設け、該パッド部と、前記半導体素子の上層バンプとを接合することにより前記半導体素子を前記回路基板上に実装したことを特徴とするものである。 A semiconductor element mounting board of the present invention is provided by providing a pad part for mounting the semiconductor element according to claim 1 on a circuit board, and bonding the pad part and an upper bump of the semiconductor element. The semiconductor element is mounted on the circuit board.
また本発明の半導体素子実装基板は、前記回路基板と前記半導体素子との間隙に封止樹脂を充填したことを特徴とするものである。 The semiconductor element mounting board of the present invention is characterized in that a sealing resin is filled in a gap between the circuit board and the semiconductor element.
本発明の半導体素子によれば、半導体素子を搭載した半導体素子実装基板が環境温度変化の繰り返しに晒されて、レジスト層の体積膨張率と半田バンプとの体積膨張率の差によりレジスト層が下層バンプを押圧する応力の変化が繰り返されても、接合部と当接するレジスト層は鋭く尖った形状ではなく上層バンプの柱状部の側面の略全体と面当接する形状であることから、接合部を押圧する応力が局所的に高くなることはなく、従って接合部にクラックや上層バンプの剥れが生じることを助長しない。 According to the semiconductor element of the present invention, the semiconductor element mounting substrate on which the semiconductor element is mounted is exposed to repeated environmental temperature changes, and the resist layer is formed in a lower layer due to the difference in volume expansion coefficient between the resist layer and the solder bump. Even if the stress that presses the bumps is repeated, the resist layer that comes into contact with the joint is not sharply pointed, but has a shape that makes surface contact with almost the entire side surface of the columnar part of the upper bump. The pressing stress does not increase locally, and therefore does not promote the occurrence of cracks or peeling of the upper layer bumps at the joint.
また、半導体素子を搭載した半導体素子実装基板が環境温度変化の繰り返しに晒されて、回路基板と半導体基板との体積膨張率の差に応じて各基板の伸縮量に差が生じるときに、下層バンプは半導体基板に引っ張られ、上層バンプは回路基板に引っ張られることから、下層バンプと上層バンプとで互いに逆向きの応力を受けることとなっても、下層バンプと上層バンプとの接合部が括れた形状ではなく柱状となっていることから、下層バンプと上層バンプの接合部にクラックが入りにくい。 In addition, when a semiconductor element mounting substrate on which a semiconductor element is mounted is exposed to repeated environmental temperature changes, and the expansion and contraction amount of each substrate varies depending on the difference in volume expansion coefficient between the circuit substrate and the semiconductor substrate, the lower layer Bumps are pulled to the semiconductor substrate and upper layer bumps are pulled to the circuit board, so even if the lower layer bump and upper layer bump receive stresses in opposite directions, the joints between the lower layer bump and upper layer bump are tied together. Since it has a columnar shape rather than a different shape, cracks are unlikely to occur at the joint between the lower bump and the upper bump.
本発明の半導体素子実装基板によれば、前記下層バンプ周囲及び上層バンプの柱状部周囲を被覆する前記レジスト層と前記回路基板との間隙に封止樹脂を充填した場合であっても、前記レジスト層と前記封止樹脂との当接界面が、前記下層バンプと前記上層バンプとの接合部とは高さ方向においてずれていることから、レジスト層と封止樹脂との当接界面に生じる剪断応力が直接に下層バンプと上層バンプとの接合部に印加されることがない。これによっても下層バンプと上層バンプの接合部にクラックが入ることを抑制できる。 According to the semiconductor element mounting substrate of the present invention, even when the sealing resin is filled in the gap between the resist layer covering the lower bumps and the columnar portions of the upper bumps and the circuit board, the resist Since the contact interface between the layer and the sealing resin is shifted in the height direction from the joint between the lower bump and the upper bump, the shear that occurs at the contact interface between the resist layer and the sealing resin Stress is not directly applied to the joint between the lower bump and the upper bump. This also can prevent cracks from entering the joint between the lower bump and the upper bump.
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
まず本発明の半導体素子について図1を用いて詳細に説明する。 First, the semiconductor element of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
図1は本発明の製造方法により製造された半導体素子の断面図であり、図1に示す半導体素子は、半導体基板1上に回路配線2や下地金属層3,パッシベーション層4,半田バンプ5等が設けられた構成となっている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention. The semiconductor device shown in FIG. 1 includes a
半導体基板1は、単結晶シリコン等の半導体材料から成り、その上面にトランジスタ等の機能素子(図示せず)や回路配線2、下地金属層3、パッシベーション層4、半田バンプ5、レジスト層7等が被着され、これらを支持する支持母材として機能する。
The semiconductor substrate 1 is made of a semiconductor material such as single crystal silicon, and has a functional element (not shown) such as a transistor, a
このような半導体基板1は、例えば従来周知のチョコラルスキー法(引き上げ法)等によって形成された単結晶シリコンのインゴット(塊)を所定厚みにスライスして板体を得るとともに、その表面を研磨し、しかる後、従来周知の熱酸化法によって板体表面全体に絶縁膜を形成することによって製作される。 Such a semiconductor substrate 1 is obtained by, for example, slicing a single crystal silicon ingot formed by a conventionally known chocolate ski method (pull-up method) or the like to a predetermined thickness, and polishing the surface thereof. Thereafter, an insulating film is formed on the entire surface of the plate body by a conventionally known thermal oxidation method.
また半導体基板1上に形成される回路配線2は、アルミニウム(Al)や銅(Cu)等の金属材料により0.5μm〜1.5μmの厚みに被着されており、図示しないトランジスタ等の機能素子に外部からの電源電力や電気信号等を供給するための給電配線として機能する。
The
このような回路配線2の一部上面には複数の下地金属層3が半導体基板1の端部に沿って直線状に配列されるように点在している。
A plurality of
下地金属層3は、半導体素子を回路基板K上に実装する際、下地金属層3上に設けられる半田バンプ5の溶融に伴って回路配線2を形成するアルミニウム等が浸蝕されるのを有効に防止するためのものであり、半田バンプ5を構成する材料に対して濡れ性が良好となるような構造を有している。具体的には、半導体基板1側から亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)及び金(Au)を順次積層させた3層構造、亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)の2層構造、もしくは、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)、金(Au)の3層構造、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)の2層構造等となっている。
When the semiconductor element is mounted on the circuit board K, the
尚、回路配線2は、従来周知のスパッタリング、フォトリソグラフィー技術、エッチング技術を採用することにより半導体基板1の上面に所定パターンに形成される。また下地金属層3は、亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)及び金(Au)の3層構造である場合、例えば、後述するパッシベーション層4を形成した後、該パッシベーション層4より露出した回路配線2の一部上面に、従来周知の無電解メッキ法等を採用することにより、亜鉛(Zn)、ニッケル(Ni)及び金(Au)を基板側より順次積層して円柱状を成すように形成される。
The
一方、下地金属層3の非形成領域には、窒化珪素(Si3N4)や酸化珪素(SiO2)、ポリイミド等の電気絶縁材料から成るパッシベーション層4が回路配線2や図示しない機能素子を被覆するように被着されている。
On the other hand, a passivation layer 4 made of an electrically insulating material such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxide (SiO 2 ), polyimide or the like is provided in the non-formation region of the
かかるパッシベーション層4は、機能素子や回路配線2を大気と良好に遮断することで、機能素子や回路配線2が大気中に含まれている水分等の接触により腐食するのを有効に防止するためのものであり、その一部は下地金属層3の外周上面を被覆していることが好ましい。
The passivation layer 4 effectively prevents the functional elements and the
尚、パッシベーション層4は、従来周知のスパッタリング、フォトリソグラフィー技術、エッチング技術等を採用することによって半導体基板1の上面に0.5μm〜3.0μmの厚みに形成される。 The passivation layer 4 is formed to a thickness of 0.5 μm to 3.0 μm on the upper surface of the semiconductor substrate 1 by employing a conventionally known sputtering, photolithography technique, etching technique or the like.
そして、先に述べた下地金属層3の上面には半田バンプ5が形成されている。
Solder bumps 5 are formed on the upper surface of the
この半田バンプ5は、下地金属層3の上面に形成された下層バンプ5xと、該下層バンプ5x上に形成された上層バンプ5yとからなり、この上層バンプ5yは、更に柱状部5y1とバンプ露出部5y2とからなる。
The solder bump 5 is composed of a
半田バンプ5は、半導体素子を回路基板K上に実装する際、加熱されることによって溶融し、半導体素子の下地金属層3と回路基板K上の回路パターンとを電気的・機械的に接続するためのものである。半田バンプ5は、例えば錫(Sn)と銀(Ag)と銅(Cu)とを96.5:3.0:0.5の比率で溶融・固化させた半田等の導電材料によりトータルの高さが20μm〜100μmの高さに形成される。
The solder bump 5 is melted by being heated when the semiconductor element is mounted on the circuit board K, and electrically and mechanically connects the
半田バンプ5の下層バンプ5xは下地金属層3上に形成されており、その形状は断面山状や球状をなしている。この下層バンプ5xは、上層バンプ5yとの接合部以外の斜面や側面等が、後述するレジスト層7により被覆される。
The
そして、このように斜面が被覆されることで、半導体素子を搭載した回路基板が環境温度変化の繰り返しに晒されて、回路基板と半導体基板との体積膨張率の差に応じて各基板の伸縮に差が生じる結果、回路基板Kと半導体素子との間に生じる熱応力により下層バンプ5xが下地金属層3から引き剥がされることを、レジスト層7が下層バンプ5xを上側から押さえつけることにより抑制することが可能となる。
And by covering the inclined surface in this way, the circuit board on which the semiconductor element is mounted is exposed to repeated environmental temperature changes, and the expansion and contraction of each board according to the difference in the volume expansion coefficient between the circuit board and the semiconductor substrate. As a result, the resist
尚、この下層バンプ5xは、その形状を断面山状にすることが望ましい。これは、下層バンプ5xを球状にした場合、この球の下面側にもレジスト層7の一部が入り込んでいることから、半導体素子を回路基板Kへ搭載した後、使用時に回路基板Kが高温となった際に、この入り込んでいるレジスト層7が熱膨張して下層バンプ5xを下面側から持ち上げる力が働き、これにより下地金属層3と下層バンプ5xとの間にクラックや剥れを生じる恐れがあるのに対して、下層バンプ5xを断面山状にすれば、この下層バンプ5xの直下にはレジスト層7が存在しないため、レジスト層7が熱により膨張しても、下層バンプ5xが球状のときのように下層バンプ5xの下面がレジスト層7により突き上げるように押圧されることはなく、従って下地金属層3と下層バンプ5xとの間の剥れやクラックの発生を助長することもないからである。
The
またレジスト層7に被覆されない下層バンプ5xの頂部は上層バンプ5yとの接合部となり、この頂部から上層バンプ5yの柱状部5y1が立設している。更にこの柱状部5y1は、その側面がレジスト層7と面当接している。従って実質的にレジスト層7に柱状部5y1が埋設していることとなる。尚、この柱状部5y1は、その高さ方向の厚みが、2μm〜10μm程度に設定されている。
The top of the
これにより半導体素子を搭載した回路基板Kが環境温度変化の繰り返しに晒されて、レジスト層7の体積膨張率と半田バンプ5との体積膨張率の差によりレジスト層7が下層バンプ5xを押圧する応力の変化が繰り返されても、接合部と当接するレジスト層7は鋭く尖った形状ではなく、上層バンプ5yの柱状部5y1の側面の略全体と面当接する形状であることから、この柱状部5y1の側面の略全体でレジスト層7からの応力を受けとめることができる。これにより下層バンプ5xと上層バンプ5yとの接合部にのみ熱応力が集中することはなく、従って接合部にかかる応力が局所的に高くなるようなことはない。このため下層バンプ5xと上層バンプ5yとの接合部にかかる応力を低減できる。それ故、接合部にクラックを生じるという問題の発生を半田バンプの接合部に当接するレジスト層7が助長することが抑制できる。
As a result, the circuit board K on which the semiconductor element is mounted is exposed to repeated environmental temperature changes, and the resist
また、下層バンプ5xと上層バンプ5yとの接合部が括れた形状となっておらず、上層バンプ5yの柱状部5y1となっており、柱状部5y1は実質的にレジスト層7に埋設されていることから、半導体素子を搭載した回路基板Kが環境温度変化の繰り返しに晒されて、回路基板Kと半導体基板1との体積膨張率の差に応じて各基板の伸縮量に差が生じるときに、下層バンプ5xは半導体基板1に引っ張られ、上層バンプは回路基板Kに引っ張られて、下層バンプ5xと上層バンプ5yとで互いに逆向きの応力、即ち剪断応力を受けることとなっても、下層バンプ5xと上層バンプ5yとの接合部が括れた形状ではなく柱状となっていることから、下層バンプ5xと上層バンプ5yの接合部にクラックが入りにくい。
Furthermore, not a shape joint between the
そして、上層バンプ5yの柱状部5y1上には、上層バンプ5yのバンプ露出部5y2が形成されている。このバンプ露出部5y2はレジスト層7から突出していることにより、半導体素子を外部の回路基板Kに搭載する際の回路基板Kの回路パターンとの接合を担う役割を果たしている。
Then, on the
一方、上述した半田バンプ5の非形成領域には、下層バンプ5x及び上層バンプ5yのバンプ露出部5y2を囲繞するレジスト層7が被覆されており、レジスト層7と下層バンプ5x及び上層バンプ5yの柱状部5y1とが互いに接触した状態となっている。
On the other hand, in the non-formation region of the solder bumps 5 as described above, the resist
レジスト層7は、半導体素子を回路基板K上に実装して半導体素子実装基板を構成した場合に、半田バンプ5の高さを高くなすために用いられるものであり、これによって半導体素子の接合信頼性を高く維持することができる。
The resist
このようなレジスト層7としては、例えば、従来周知の熱硬化型エポキシ樹脂や紫外線硬化型樹脂が好適に用いられる。
As such a resist
次に本発明の半導体素子を製造する方法について図2を用いて説明する。図2の(a)〜(g)は半導体素子の製造方法を説明するための各工程の断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor element of the present invention will be described with reference to FIG. 2A to 2G are cross-sectional views of respective steps for explaining a method for manufacturing a semiconductor element.
(1)まず、上面に回路配線2や下地金属層3、パッシベーション層4を被着した半導体基板1を準備し、下地金属層3上に半田ペースト5’を塗布する(図2(a))。
(1) First, the semiconductor substrate 1 having the
このとき、塗布された半田ペースト5’の量が多いと球状の下層バンプ5xとなり、半田ペーストの量5’が少ないと断面山状の下層バンプ5xとなる。
At this time, when the amount of the applied solder paste 5 'is large, a spherical
半田ペースト5’の塗布には、例えば従来周知のスクリーン印刷法が採用される。すなわち、半導体基板1上に下地金属層3に対応する開口を有した印刷マスク8を配置させるとともに、該印刷マスク8上に載置させた半田ペースト5’をスキージ等の押圧手段9により押し出すことにより印刷マスク8の開口を介して下地金属層3上に塗布する。
For the application of the solder paste 5 ', for example, a conventionally known screen printing method is employed. That is, a
また半田ペースト5’としては、多数の半田粒子にフラックス等を添加・混合して所定の粘度に調整した半田ペーストが好適に用いられる。 As the solder paste 5 ', a solder paste adjusted to a predetermined viscosity by adding and mixing a flux or the like to a large number of solder particles is preferably used.
(2)次に、下地金属層3上に塗布した半田ペースト5’を、該半田ペースト5’の融点以上の温度で例えば40秒〜60秒間、加熱することにより下地金属層3上に下層バンプ5xを形成する(図2(b))。このような下層バンプ5xは、加熱により溶融し、溶融した半田ペースト5’が球状や断面山状、或いは平板状になっており、その形状を維持したまま固化している。
(2) Next, the lower layer bumps are formed on the
下層バンプ5xの形状は、下地金属層3の開口面積に対して半田ペースト5’の量を多くすると球状にでき、少なくすると山状や平板状にすることができる。
The shape of the
この半田ペースト5’の加熱は、例えば半田ペースト5’が塗布された半導体基板1をリフロー炉内に導入し、該リフロー炉内に設けられるヒーターからの熱によって行われる。 The solder paste 5 ′ is heated by, for example, introducing the semiconductor substrate 1 coated with the solder paste 5 ′ into a reflow furnace and heat from a heater provided in the reflow furnace.
(3)次に、前述のように形成された下層バンプ5xを平面視したときにこの下層バンプ5xの中央にあたる領域にフラックス6等のレジストに接着しない樹脂を塗布する(図2(c))。この中央に当たる領域は、例えば球状であれば下層バンプ5xの最も高さの高い頂点部分にあたる。このレジストに接着しない樹脂とは後述するレジスト層7とは固着しにくい性質を有している必要があり、具体的にはフラックス6が好適に用いられる。
(3) Next, when the lower-
そして、下層バンプ5x上に塗布されたフラックス6の面積が広いほど、レジスト層7から露出する下層バンプ5xの面積が広く確保できるため、この下層バンプ5x上に形成される上層バンプ5yとの接合部の面積が広くなり括れ度合いが小さくなることから半田バンプ5の接合強度が向上する。従って、半田バンプ5の接合強度を確保したいときは、フラックス6の塗布面積を広くすればよい。
Since the area of the
また、フラックス6は、後述するレジスト層7によりフラックス6が被覆されてしまい、下層バンプ5x上に上層バンプ5yが形成できなくなってしまうことを防ぐため、フラックス6の上面よりもレジスト層7の上面を低くする必要があるが、このときフラックス6の厚みを厚くすることによりその上面を高くすれば、その分だけレジスト層7の上面を高く位置させることが可能になる。
In addition, the flux 6 is covered with a resist
下層バンプ5xの頂部とレジスト層7の上面との高さの差は、上層バンプ5yの柱状部5y1の高さとほぼ一致するが、この柱状部5y1の高さが高いほど、レジスト層7に埋設してこのレジスト層7と面当接するバンプ露出部5y2の側面の面積も広くなることから、熱応力の局所的な集中をより緩和できることとなる。従って、フラックス6の厚みはできるだけ厚いほうが好ましい。
The difference in height between the upper surface of the top portion and the resist
このフラックス6を形成する際に一度の塗布で充分な厚みが得られない場合は、複数回に分けてフラックス6を塗布することにより、複数層のフラックス6を形成してもよい。これは、一層目のフラックス6を塗布した後このフラックス6を乾燥させ、その後2層目のフラックス6を形成するということを繰り返し行うことで容易に達成できる。 When a sufficient thickness cannot be obtained by one application when forming the flux 6, a plurality of layers of the flux 6 may be formed by applying the flux 6 in a plurality of times. This can be easily achieved by repeatedly applying the first-layer flux 6, drying the flux 6, and then forming the second-layer flux 6.
尚、ここで用いられるフラックス6は、例えばペースト状のものが用いられ、その粘度が、下層バンプ5x上に転写された後に流れ出さない程度の粘度、例えば0.5Pa・S〜50Pa・S程度であることが望ましい。
The flux 6 used here is, for example, a paste, and the viscosity is such that it does not flow out after being transferred onto the
また、後述するレジスト層7を形成する工程において、レジスト材料7’を加熱して流動化させ更に熱硬化させることが行われるが、このときにレジスト材料7’と混合してしまうことのない性質を有していることが求められる。このようなフラックスとしては、ロジン系のものが用いられる。
Further, in the step of forming the resist
(4)続いて、フラックス領域以外の領域に、フラックスの上面よりも高さの低いレジスト層を構成するためのレジスト材料7’を塗布する(図2(d))。 (4) Subsequently, a resist material 7 'for forming a resist layer having a height lower than that of the upper surface of the flux is applied to a region other than the flux region (FIG. 2D).
レジスト材料7’の塗布には、例えば従来周知のスクリーン印刷法やディスペンサ法が採用される。本実施形態においてはスクリーン印刷法を採用している。すなわち、スクリーン印刷に使用される印刷マスク8を、その開口部が下層バンプ5xの存在しない領域に、非開口部が下層バンプ5x上に、それぞれ位置するように基板上に配置するとともに、レジスト材料7’を印刷マスク8上に載置し、しかる後、スキージ等の押圧手段9を移動させることにより、レジスト材料7’を開口部を介して半導体基板1上に塗布する。なお、本実施形態においては、レジスト材料7’として紫外線硬化型樹脂を用いている。
For the application of the resist
(5)次に、常温で流動化したレジスト材料7’塗布し、しかる後、これを常温(25℃程度)で硬化させることにより、レジスト層7を形成する(図2(e))。
(5) Next, a resist
この流動化したレジスト材料7’は半導体基板1上で広がって下層バンプ5xを被覆する。このときレジスト層7の上面の高さが、フラックス6の上面の高さよりも低く設定されていれば、レジスト層7がフラックス6を被覆してしまうことはない。これによりレジスト層7の塗布後もフラックス6が上面に露出した状態を維持でき、下層バンプ5上に上層バンプ5yを形成することが可能となる。
The fluidized resist material 7 'spreads on the semiconductor substrate 1 and covers the
(6)続いて、下層バンプ5x上に半田ペースト5”を塗布する(図2(f))。
(6) Subsequently, a solder paste 5 ″ is applied on the
半田ペースト5”の塗布には、例えば、従来周知のスクリーン印刷法が採用される。すなわち、半導体基板1上に下地金属層3に対応する開口を有した印刷マスク8を配置させるとともに、該印刷マスク8上に載置させた半田ペースト5”を印刷マスク8の開口を介して下地金属層3上に塗布する。
For the application of the solder paste 5 ″, for example, a conventionally known screen printing method is employed. That is, a
(7)最後に、工程(5)で塗布した半田ペースト5”を、該半田ペースト5”の融点以上の温度で40秒〜60秒間、加熱することにより上層バンプ5yを形成し、下層バンプ5xと上層バンプ5yとからなる半田バンプ5を有する半導体素子が完成する(図2(g))。
(7) Finally, the
次に上述の半導体素子を搭載した半導体素子実装基板について説明する。 Next, a semiconductor element mounting board on which the above-described semiconductor element is mounted will be described.
この半導体素子実装基板は、図3に示すように、主として上述の半導体素子と回路基板Kとから構成される。回路基板Kはその上面に回路パターンs及び回路パターンsの所定域に設けられたパッド部pを有している。そしてこのパッド部pに半導体素子の半田バンプ5が接続される。さらに、半導体素子の実装後、半導体素子と回路基板Kとの間に封止樹脂fが充填される。 As shown in FIG. 3, this semiconductor element mounting substrate is mainly composed of the above-described semiconductor element and circuit board K. The circuit board K has a circuit pattern s and a pad portion p provided in a predetermined area of the circuit pattern s on the upper surface thereof. The solder bump 5 of the semiconductor element is connected to the pad portion p. Further, after the semiconductor element is mounted, a sealing resin f is filled between the semiconductor element and the circuit board K.
半導体素子実装基板の回路基板Kは、たとえば合成樹脂製やセラミック製のものが用いられる。そして、その内部や上面にアルミニウムや金、銅等の金属材料で回路パターンsが形成されており、更には種々の電子部品や機能素子が搭載されている。この回路基板Kに形成される回路パターンsは、例えばアルミニウム等の金属配線を所定パターンに加工することにより形成される。 As the circuit board K of the semiconductor element mounting board, for example, a synthetic resin or ceramic board is used. A circuit pattern s is formed of a metal material such as aluminum, gold, or copper on the inside or the upper surface, and various electronic components and functional elements are mounted. The circuit pattern s formed on the circuit board K is formed by processing a metal wiring such as aluminum into a predetermined pattern.
また回路基板Kの上面には回路パターンsと接続されるパッド部pが、形成される。 A pad portion p connected to the circuit pattern s is formed on the upper surface of the circuit board K.
このパッド部pは、半導体素子の半田バンプ5と接続するためのものであり、基本的には半導体素子側の下地電極層3と同様のニッケル等からなるバリアメタル層が形成される。
The pad portion p is for connection to the solder bump 5 of the semiconductor element, and basically a barrier metal layer made of nickel or the like similar to the
そして半導体素子の実装は、まず回路基板Kのパッド部p形成面と半導体素子の半田バンプ5形成面とを対向させて、回路基板Kのパッド部p上に半田バンプ5の上層バンプ5yが位置するように配置される。その後、上層バンプ5yをリフローすることにより上層バンプ5yのバンプ露出部が溶融して、パッド部pに被着することにより接続される。その後、回路基板Kと半導体基板1との間に封止樹脂fを充填することにより、この半田接合部が被覆される。
In mounting the semiconductor element, first, the pad part p forming surface of the circuit board K and the solder bump 5 forming surface of the semiconductor element are opposed to each other, and the
この封止樹脂fは、例えばエポキシ樹脂等の従来周知のものが用いられるが、回路基板Kと半導体素子のレジスト層7とで形成される10μm〜100μm程度のせまい間隙に充填する必要があるため、その粘性は低く設定される。
As the sealing resin f, for example, a conventionally known one such as an epoxy resin is used, but it is necessary to fill a narrow gap of about 10 μm to 100 μm formed by the circuit board K and the resist
ところで、この封止樹脂fはレジスト層7と当接していることから、レジスト層7との界面が存在することとなる。このレジスト層7と封止樹脂fとは、半導体素子実装基板の環境温度が変化した場合、両者の体積膨張率の差により前述の当接界面に剪断応力が生じてしまう。
By the way, since the sealing resin f is in contact with the resist
このとき、従来構造の半田バンプでは、下層バンプ5xと上層バンプ5yとの接合部が、この当接界面と高さ方向に一致していることから実質的に同一面内に存在していると、この接合部に当接界面で生じている剪断応力が直接に印加されてしまい、この接合部にクラックが発生することがある。
At this time, in the solder bump having the conventional structure, the joint portion between the
ところが、下層バンプ5xと上層バンプ5yとの接合部とは、上述のレジスト層7と封止樹脂fとの当接界面と高さ方向においてずれている。したがって、レジスト層7と封止樹脂fとの当接界面に生じる剪断応力が直接に下層バンプ5xと上層バンプ5yとの接合部に印加されることがなく、これにより下層バンプ5xと上層バンプ5yの接合部にクラックが入ることを抑制できる。
However, the joint between the
この実施例では、レジスト層7と封止樹脂fとの当接界面は、高さ方向において上層バンプ5yの中腹あたり、具体的には、柱状部5y1とバンプ露出部5y2との間に位置している。
In this embodiment, the contact interface between the resist
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良が可能である。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change and improvement are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
例えば、上述の実施例では、レジスト層7と封止樹脂fとが異なる体積膨張率を有する場合について述べたが、これに代えてレジスト層7と封止樹脂fとで体積膨張率をほぼ一致させてもよく、これにより両者の当接界面において生じる剪断応力を小さくできる。
For example, in the above-described embodiment, the case where the resist
更に本発明においては、回路基板のパッド部p上にあらかじめ半田バンプや半田めっき層を形成しておいてもよい。これにより半田接続部全体の高さが高くでき、半導体基板と回路基板との間に生じる種々の熱応力を良好に緩和できる。 Furthermore, in the present invention, solder bumps or solder plating layers may be formed in advance on the pad portion p of the circuit board. Thereby, the height of the entire solder connection portion can be increased, and various thermal stresses generated between the semiconductor substrate and the circuit substrate can be satisfactorily relaxed.
1・・・半導体基板
2・・・回路配線
3・・・下地金属層
4・・・パッシベーション層
5・・・半田バンプ
5x・・・下層バンプ
5y・・・上層バンプ
5y1・・・上層バンプの柱状部
5y2・・・上層バンプのバンプ露出部
5’,5”・・・半田ペースト
6・・・レジスト層
6’・・・レジスト材料
7・・・フラックス
8・・・印刷マスク
9・・・押圧手段(スキージ)
K・・・回路基板
f・・・封止樹脂
p・・・パッド部
s・・・回路パターン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
K ... Circuit board f ... Sealing resin p ... Pad part s ... Circuit pattern
Claims (3)
前記下層バンプは、前記下地金属層との接合部及び前記上層バンプとの接合部以外の面がレジスト層により被覆され、
前記上層バンプは、前記下層バンプとの接合部に形成される柱状部と、該柱状部上に形成されるバンプ露出部とからなり、前記柱状部は実質的に前記レジスト層に埋設されていることを特徴とする半導体素子。 A semiconductor element comprising a base metal layer formed on a semiconductor substrate, a lower bump formed on the lower metal layer, and an upper bump formed on the lower bump,
The lower bump is coated with a resist layer on the surface other than the joint with the base metal layer and the joint with the upper bump,
The upper bump is composed of a columnar portion formed at a junction with the lower bump, and a bump exposed portion formed on the columnar portion, and the columnar portion is substantially embedded in the resist layer. The semiconductor element characterized by the above-mentioned.
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